JP2017021022A - カメラ付きクロマティック共焦点式の測距センサ - Google Patents

カメラ付きクロマティック共焦点式の測距センサ Download PDF

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Abstract

【課題】クロマティック共焦点式の測距センサ（ＣＲＳ）光学ペンの測定スポットとワークの特定領域との位置合わせを、より便利に小型経済的に高速に実行できる手段の提供。【解決手段】ＣＲＳ光学ペン１００は、筐体１３０と、光ファイバーと、色分散レンズ構成１５０と、低開口数区域１０８Ａおよび高開口数区域１０８Ｂを有する反射光分割構成１０８と、カメラ部１０９とを備える。レンズ構成１５０は、光ファイバーからの光源光がワーク表面１９０で合焦し軸上色分散するように、光源光をワーク表面へ出力し、ワーク表面からの反射光の少なくとも一部をファイバーアパーチャー１９５で合焦させる。反射光分割構成１０８は、反射光を測定用の光１２２Ｂと撮像用の光１２２Ａに分割する。低開口数区域１０８Ａは、撮像用の光１２２Ａを画像検出器に向け、高開口数区域１０８Ｂは、測定用の光１２２Ｂをファイバーアパーチャー１９５の近接点に向ける。【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的な精密測定機器に関し、特に、クロマティック共焦点式の測距用の光学ペンにおいて、その内部に設けて被測定物を撮像するのに利用できるカメラ構成に関する。
色収差制御の技術は、距離検出の測定工学分野で利用され得る。非特許文献１（「長軸方向の色収差の擬似カラー効果」、ジェイ オプティクス（パリ））に記載されているように、長手方向の色収差制御（ここでは、別名、軸上色分散とも呼ぶ。）を光学撮像装置に導入することができる。その理由は、撮像装置の焦点距離が波長によって変化するからであり、光学撮像装置が光学測定用の手段として提供される。特に、レンズの背面焦点距離（ＢＦＬ）が波長の単調関数になるように、レンズを設計することができる。白色光は、レンズの作用で光軸方向に分散された焦点からなる虹を示すので、そのようなレンズを距離検出分野で分光プローブとして用いることができる。
更に、特許文献１（米国特許第７，４７７，４０１号）に記載されている例では、軸上色収差（軸上又は長手方向の色分散とも称する）を有する光学要素を用いて、その焦点までの軸方向距離を波長に応じて変化させることによって、広帯域光源の各波長の光の焦点を合わせることができる。このように、唯一つの波長の光が表面上で正確に合焦するとともに、表面までの光軸方向の距離または高さが、最も良く焦点を結ぶ光の波長を決めている。表面からの反射光は、ピンホールおよび／または光ファイバーの端部のような小さな検出用アパーチャーで再び焦点を結ぶ。表面からの反射光の中で、表面で十分に焦点を結んだ波長の光のみが、ピンホールおよび／またはファイバーで十分に焦点を結ぶ。他の全ての波長の光は、ファイバーでの合焦が不完全となり、その光のパワーはファイバーとほとんど結合しない。従って、対象の高さに対応する波長において信号レベルが最大になる。距離検出器の分光計が各波長の信号レベルを測定し、この信号レベルが対象の高さを効率良く示すことができる。
クロマティック共焦点式の測距センサの別の構成が特許文献２（米国特許第７，６２６，７０５号）に記載されており、ここに本明細書の一部を構成するものとしてその内容を援用する。
あるメーカーは、実用的で小型経済的な光学アセンブリに言及し、これをクロマティック共焦点式の測距センサ及び／又は「光学ペン」として紹介している。この光学アセンブリは、工業上の据付作業用のクロマティック共焦点式の照準器に適している。Ｚ方向の高さを測定する光学ペン機器の一例には、フランス国のエクサンプロバンス（Aix-en-Provence）のSTIL, S.A.社が製造した物がある。特に、Ｚ方向の高さ測定用のＳＴＩＬ光学ペン（モデル番号ＯＰ３００ＮＬ）は、３００μｍの測定範囲を有する。
米国特許第７，４７７，４０１号公報 米国特許第７，６２６，７０５号公報
ジー モレジーニ、エス クエルチオーリ、「長軸方向の色収差の擬似カラー効果（Pseudocolor Effects of Longitudinal Chromatic Aberration）」、ジェイ オプティクス（パリ）、１９８６年、第１７巻、第６号、Ｐ．２７９−２８２
クロマティック共焦点式の測距センサ（chromatic confocal range sensor：以降、ＣＲＳとも呼ぶ。）又は光学ペンを利用した測定動作において、ＣＲＳの測定スポットと被測定物上の特定小領域との位置合わせは、困難となりうる。このような位置合わせ用の既知の構成は、煩雑及び／又は高額である。様々な適用において、光学ペンの測定スポットとワークの一部分との位置合わせを、より便利に小型経済的に高速に実行できる手段の提供が望まれている。
測定スポット又は測定ライン、および、その周囲の被測定面の画像を提供するように動作するクロマティック共焦点式の測距センサ光学ペン（ＣＲＳ光学ペンとも呼ぶ。）を開示する。本発明に係るクロマティック共焦点式の測距センサ（ＣＲＳ）は、筐体と、入出力光ファイバーと、色分散レンズ構成と、反射光分割構成と、カメラ部とを備える。入出力光ファイバーには、ファイバーアパーチャーが含まれ、当該ファイバーアパーチャーは、光源光を測定光路に沿って出力するとともに、測定光路に沿って戻ってくる反射光を受け取るように構成される。色分散レンズ構成は１本の光軸を形成し、この光軸によってＣＲＳ光学ペンの測定軸が規定される。色分散レンズ構成は、光源光を受け取るとともに、軸上色分散を伴って合焦される光源光をワーク表面へ出力するように構成されている。また、色分散レンズ構成は、ワーク表面からの反射光を受け取るとともに、測定光路に沿って反射された光源光からなる反射光の少なくとも一部をファイバーアパーチャーの近接点で合焦させるように構成されている。言い換えると、色分散レンズ構成は、ファイバーアパーチャーの近接点で反射光の少なくとも一部の焦点を合わせるように構成されている。反射光分割構成は、反射光を色分散レンズ構成から受け取るとともに、反射光を測定用の光と撮像用の光とに分割するように配置されている。カメラ部は、画像検出器を備える。反射光分割構成は、光軸上に配置される低開口数（低ＮＡ）区域と、低ＮＡ区域を囲うように配置された高開口数（高ＮＡ）区域とを備える。ＣＲＳ光学ペンは、反射光分割構成の低ＮＡ区域と高ＮＡ区域のうちのいずれか一方が反射光のうちの撮像用の光を撮像光路に沿って画像検出器の方に向けるように構成され、反射光分割構成の低ＮＡ区域と高ＮＡ区域のうちのいずれか他方が反射光のうちの測定用の光を測定光路に沿ってファイバーアパーチャーの近接点の方に向けるように構成されている。言い換えると、ＣＲＳ光学ペンは、撮像用の光を画像検出器の方に向ける機能、および、測定用の部をファイバーアパーチャーの近接点の方に向ける機能のうち、いずれか一方の機能を持つ低ＮＡ区域と、上記２つの機能のうち、いずれか他方の機能を持つ高ＮＡ区域と、を備えている。
いくつかの実施形態において、ＣＲＳ光学ペンは、反射光のうちの撮像用の光を撮像光路に沿って画像検出部へ向けるように構成された反射光分割構成の低ＮＡ区域と、反射光のうちの測定用の光を測定光路に沿ってファイバーアパーチャーの近接点へ向けるように構成された反射光分割構成の高ＮＡ区域と、を備えていてもよい。このような実施形態では、高ＮＡ光線が高さ方向（Ｚ方向）において一層優れた測定分解能を提供でき、また、撮像の際に低ＮＡ光線が、より大きな焦点深度を提供できて、特に有利である。
図１は、例示的なクロマティック共焦点式の測距センサ（ＣＲＳ）のブロック図であり、本願で開示する原理に係る反射光分割構成とカメラ部とを含んだ光学ペンを示す。 図２は、第一実施形態に関する光路を示した概略側面図であり、本願で開示する原理に係る反射光分割構成とカメラ部とからなり、光学ペン構成内に使用可能であることを示す。 図３は、第二実施形態に関する光路を示した概略側面図であり、本願で開示する原理に係る反射光分割構成とカメラ部とからなり、光学ペン構成内に使用可能であることを示す。 図４は、第三実施形態に関する光路を示した概略側面図であり、本願で開示する原理に係る反射光分割構成とカメラ部とからなり、光学ペン構成内に使用可能であることを示す。 図５は、第四実施形態に関する光路を示した概略側面図であり、本願で開示する原理に係る反射光分割構成とカメラ部とからなり、光学ペン構成内に使用可能であることを示す。
図１は、例示的なクロマティック共焦点式の測距センサ１００のブロック図である。クロマティック共焦点式の測距センサ１００は、米国特許第７，８７６，４５６号公報及び米国特許第７，９９０，５２２号公報に記載の類似するセンサに、大体において対応し、これらの類似センサに基づいてさらに理解が深まるものと言える。つまり、図１に示されるように、クロマティック共焦点式の測距センサ１００は、光学ペン１２０と電装部１６０を含む。光学ペン１２０は、入出力光ファイバーサブアセンブリ１０５、筐体１３０、光学構成部１５０、反射光分割構成１０８、及びカメラ部１０９を含む。入出力光ファイバーサブアセンブリ１０５は、取付ねじ１１０を用いて筐体１３０の端部に装着させることができる取付部材１８０を含む。光学構成部１５０は、光軸ＯＡを形成する色分散レンズ構成を備え、この光軸ＯＡによって光学ペン１２０の測定軸が規定される。入出力光ファイバーサブアセンブリ１０５は、図示しない入出力光ファイバーを受けとり、これを保持している。入出力光ファイバーは、これを包む光ファイバーケーブル１１２を通り、更に光ファイバーコネクタ１０７を通って、入出力光ファイバーサブアセンブリ１０５に達している。入出力光ファイバーは、光源光１２１をファイバーアパーチャー１９５から出射させて、測定光路に沿って進行させる。また、入出力光ファイバーは、測定信号光を受け取る。測定信号光は、反射後に測定光路に沿って戻ってきて、ファイバーアパーチャー１９５を通って入出力光ファイバーに入ってくる光である。光学構成部１５０には、小型経済的な配置で所望のレベルに拡大可能な望遠レンズ１０６を任意に含めることができる。当然のことながら、より一般的には、光学構成部１５０は、既知の光学ペンの設計方針に従った所望のレンズの組合せからなるものでもよい。複数のレンズを備えた光学構成部の一つの例示的な実施形態が、図２に示される。
概して言えば、反射光分割構成１０８は、被測定面の反射光から、表面撮像光として使用する光を一部分割する。反射光分割構成１０８からの残りの光は、光学ペン内で距離測定光として用いられる。距離測定では、光学ペン１２０は次のように動作する。動作中、ファイバーアパーチャー１９５を通ってファイバーの端部から発せられる広帯域光源光（例えば、白色光）１２１は、光学構成部１５０によって焦合する。この光学構成部１５０が軸上色分散を示す一または複数のレンズを含むことによって、ＣＲＳシステムとして知られているように、光軸ＯＡ上の焦点が波長に応じた異なる距離に形成される。光源光１２１は、ワーク表面１９０で焦点を結ぶ波長の光を含んでいる。光学構成部１５０は、ファイバーアパーチャー側からの光源光１２１を受け取り、光軸上に色分散した焦点を伴った光源光１２１をワーク表面１９０に向けて出射するように構成されている。また、光学構成部１５０は、ワーク表面からの反射光１２２を受け取り、更に、測定光路に沿って反射された光源光からなる反射光１２２の少なくとも一部（例えば、反射光源光のうちの測定用の光１２２Ｂ）をファイバーアパーチャー１９５に最も近い点（アパーチャー１９５の近接点）で合焦させるように構成されている。
境界光線ＬＲ１及びＬＲ２は、有効な光源光１２１および有効な反射光１２２の境界を定めている。軸上色分散により、１つの波長のみが、光学ペン１２０からワーク表面１９０までの測定距離と一致する前方焦点距離ＦＦを有する。表面１９０で最も良く焦点を結ぶ波長は、ファイバーアパーチャー１９５で最も良く焦点を結ぶ反射光１２２のうちの測定用の光１２２Ｂの波長でもある。ファイバーアパーチャー１９５が測定用の光１２２Ｂを空間的にフィルタリングすることで、最も良く焦点を結んだ波長の光が、主にファイバーアパーチャー１９５を通って光ファイバーケーブル１１２のコア部へ入るようになる。以下の詳細な記載および参考文献の記載にあるように、光ファイバーケーブル１１２は、反射された信号光を波長検出器１６２に伝搬する。この信号光は、ワーク表面１９０までの測定距離に対応していて、所定の主強度を有する波長を決定するために用いられる。
反射光分割構成１０８は、光学構成部１５０から反射光１２２を受け取り、反射光１２２を撮像用の光１２２Ａと測定用の光１２２Ｂとに分割するように配置されている。反射光分割構成１０８は、光軸上に配置される低開口数（低ＮＡ）区域１０８Ａと、低ＮＡ区域１０８Ａを囲うように配置された高開口数（高ＮＡ）区域１０８Ｂを備える。光学ペン１２０は、反射光分割構成１０８における低ＮＡ区域１０８Ａと、反射光分割構成１０８における高ＮＡ区域１０８Ｂとで構成され、前者の低ＮＡ区域１０８Ａは、反射光１２２のうちの撮像用の光１２２Ａを撮像光路に沿って画像検出器に向けて進行させ、後者の高ＮＡ区域１０８Ｂは、反射光１２２のうちの測定用の光１２２Ｂを測定光路に沿ってファイバーアパーチャー１９５の近接点に向けて進行させるように構成されている。
図１に示される実施形態において、反射光１２２のうちの撮像用の光１２２Ａは、反射光分割構成１０８の低開口数（低ＮＡ）区域１０８Ａで、表面のような鏡を反射して、リフレクター１９６に向けて進み、更にリフレクター１９６を反射してカメラ部１０９へ進む。反射光１２２のうちの測定用の光１２２Ｂは、反射光分割構成１０８の高開口数（高ＮＡ）区域１０８Ｂに形成された透明材料又は開口部を透過して、ファイバーアパーチャー１９５へ進む。
電装部１６０は、光ファイバーカプラー１６１、波長検出器１６２、光源１６４、信号演算器１６６、記憶部１６８、及び、撮像電装部１６９を含む。様々な実施形態において、波長検出器１６２は、分光計または分光器アレンジメントを含み、そこに設けられている分散素子（例えば回折格子）が、光ファイバーケーブル１１２を通じて反射光１２２を受光し、さらに、その分散素子が、結果として生じるスペクトル強度プロファイルを検出器アレイ１６３へ伝達するようになっている。波長検出器１６２は、関連する信号演算処理機能（例えば、いくつかの実施形態では信号演算器１６６により提供される機能である。）も備えているとよい。その機能とは、プロファイルデータから所定の検出器に関する誤差成分を取り除いたり、または補償したりする機能である。このように、いくつかの実施形態では、波長検出器１６２および信号演算器１６６における特定の態様を統合してもよく、または区別をなくしてもよい。撮像電装部１６９は、カメラ部１０９からのデータを信号線１１３を通じて受け取るように構成され、そのデータはコンピューターモニターなどに表示され得る。
信号演算器１６６によって制御される白色光源１６４は、光ファイバーカプラー１６１（例えば、２×１光学カプラー）を通じて、光ファイバーケーブル１１２にカップリングされている。上述のとおり、光が光学ペン１２０を通過するとき、光の波長に応じてその焦点距離が変化するように、光学ペン１２０は長軸方向の色収差を生成する。光ファイバーを逆方向に通過する際に最も効率よく伝達される光の波長は、表面１９０上で焦点を結んだ波長である。その後、波長依存性の強度を示す反射光は、再びファイバーカプラー１６１を通過して、光強度の約５０％が波長検出器１６２に向けられるようになっている。波長検出器１６２は、検出器アレイ１６３の測定軸に沿って並んだ画素列上に分布されたスペクトル強度プロファイルを受光し、対応するプロファイルデータを出力するように動作する。手短に言えば、例えばピーク位置座標のようなプロファイルデータについてサブピクセル分解能レベルの距離指示座標（ＤＩＣ）が信号演算器１６６で計算される。そして、信号演算器１６６は、距離の校正用ルックアップテーブルを参照して、波長ピークに対応した距離指示座標（ＤＩＣ）から、表面１９０までの測定距離を読み出し、測定距離を決定する。校正用ルックアップテーブルはメモリ部１６８に記憶されている。距離指示座標（ＤＩＣ）は、様々な方法で（例えば、プロファイルデータのピーク領域に含まれるプロファイルデータの重心の決定によって）決定されるようになっている。
図２は、第一実施形態に関する光路を示した概略側面図である。本実施形態は、本願で開示する原理に係る反射光分割構成２０８とカメラ部２０９とからなり、光学ペン構成２５０内に使用可能である。図２に示す構成要素及び経路は、図１において同様に番号が付された構成要素と機能的に類似する（例えば、反射光分割構成２０８は、反射光分割構成１０８と類似する）とともに、同様に理解されるものである。したがって、以下の記載では特定の詳細のみを強調し、それら特定の詳細は、図１に関する記載を補足するものと見なせる。
光学ペン構成２５０は、レンズ構成２００と、反射光分割構成２０８と、ファイバーアパーチャー２９５を有する入出力光ファイバー２１２とを含む。図２に示される実施形態では、レンズ構成２００は、複レンズ素子２０１と、正パワーレンズ部２０５と、望遠レンズ２０６とを含む。しかしながら、このような実施形態は例示的なものに過ぎず、これに限定するものではない。動作中、ファイバーアパーチャー２９５から発せられた広帯域光源光２２１は、レンズ構成２００によってワーク表面２９０上で焦点を結ぶ。レンズ構成２００は、ワーク表面２９０からの反射光２２２を受け取り、ファイバーアパーチャー２９５の近接点で反射光２２２の少なくとも一部の光の焦点を合わせる。
反射光分割構成２０８は、レンズ構成２００と入出力光ファイバーのアパーチャー２９５との間に位置する。反射光分割構成２０８は、低ＮＡ区域２０８Ａと高ＮＡ区域２０８Ｂとを備える。図２に示される実施形態では、低ＮＡ区域２０８Ａは反射区域であり、高ＮＡ区域２０８Ｂは透過区域である。例えば図２に示すようないくつかの実施形態において、反射光分割構成２０８を透光性基材２０８Ｓで構成するとよく、その透光性基材２０８Ｓの一部をマスクされた反射性領域によって低ＮＡ区域２０８Ａを構成し、透光性基材２０８Ｓのうちのマスクされていない領域で高ＮＡ区域２０８Ｂを構成するとよい。別の実施形態において、反射光分割構成２０８は金属基材で構成されてもよく、低ＮＡ区域２０８Ａは金属基材の範囲内の領域で構成され、高ＮＡ区域２０８Ｂは金属基材を貫通する複数の孔で構成されてもよい。図示された実施形態では、低ＮＡ区域２０８Ａを楕円形に形成し、高ＮＡ区域２０８Ｂを楕円の環状に形成している。従って、本実施形態において光軸方向への投影図では、これらの区域が円形になってもよい。しかしながら、この構成は例示的なものに過ぎず、これに限定されるものではない。その他の形状の区域を用いた実施形態であっても、本明細書に記載された実施形態と同様の利益が提供され得る。
動作中、入出力光ファイバー２１２からの光源光は、ファイバーアパーチャー２９５から出射される。このファイバーアパーチャー２９５は、光源光を光軸ＯＡに沿って供給するため、レンズ構成２００に対して固定されている。一実施形態では、入出力光ファイバー２１２のコア部の端部を、ファイバーアパーチャー２９５として用いることができる。光源光は、レンズ構成２００へ向けられて、そのレンズ構成２００によってワーク表面２９０上で焦点を結ぶ。ワーク表面２９０からの反射光は、レンズ構成２００によって再び焦点を結ぶように、反射光分割構成２０８を通る逆向きの光路に沿って進行する。その光のうちの測定用の光２２２Ｂ（高ＮＡ区域２０８Ｂを透過した光）は、ファイバーアパーチャー２９５の近接点、及び／又は、ファイバーアパーチャー２９５で焦点を結ぶ。高ＮＡ区域２０８Ｂは、その外周が境界光線ＬＲ１およびＬＲ２まで拡張されている。いくつかの実施形態では、高ＮＡ区域２０８Ｂは、任意に設けられる外側マスク領域ＯＭＲ（図２において、破線で示す。）によって、ある範囲に限定されていてもよい。外側マスク領域ＯＭＲは、様々な実施形態において、遮光性の表面構成及び／又は吸光性の表面構成を備えてもよい。他の実施形態において、外側マスク領域ＯＭＲを省略してもよく、代わりに、筐体の一部、レンズ取付部材の一部、または、その他部材の一部（例えば、図２の部材２５２）に、外側マスク領域ＯＭＲと同様の機能を持たせてもよい。同様の機能とは、これらの部材の一部が、有効な反射光２２２の範囲を制限するための範囲制限アパーチャーとして機能することである。低ＮＡ区域２０８Ａの光線は、いずれも、反射光分割構成２０８の当該区域２０８Ａに配置された鏡面によって、表面反射光のうちの撮像用の光２２２Ａとして、リフレクター２９６へ向けられ、さらに、カメラ部２０９に向けられる。前述のとおり、低ＮＡ区域２０８Ａの外周と有効な境界光線ＬＲ１及びＬＲ２との間の光線は、表面反射光のうちの測定用の光２２２Ｂとして、ファイバーアパーチャー２９５へ向けて伝達される。距離ＦＲは、レンズ構成２００の後方とファイバーアパーチャー２９５との間の空間を示す。
当然のことながら、図２において示される実施形態において、撮像光路は、レンズ構成２００の半径、及び／又は、光学ペン筐体の内壁を超えるほど、ＣＲＳ光学ペン構成２５０の光軸ＯＡに垂直な方向には伸びていない。このため、ＣＲＳ光学ペン構成２５０は、撮像光路全体を含んで保護するような、小型経済的な円柱状の筐体を有することが可能となる。
当然のことながら、低ＮＡ区域２０８Ａの光線には、光学ペン光源光から生じる低ＮＡ光線はもちろん、光学ペン光源光の照射スポットの周辺領域からの周囲環境光に基づく光線、又は、その周辺領域においてワーク表面を照らす補助照明（例えば、リングライト）に基づく光線、が含まれてもよい。それゆえ、光源光の照射スポットの外側のワーク表面の領域を撮像することができる。
カメラ部２０９は、撮像アレイ２０９Ａを備える。いくつかの実施形態において、カメラ部２０９は、像面収差（field aberration）を抑制するためにフィールドレンズ２０９Ｂを備えてもよい。いくつかの実施形態において、カメラ部２０９は、焦点が良く合っていない波長の反射光２２２を取り除くため、波長フィルター２０９Ｃを備えてもよい。また、既知の方法によって、カメラ部２０９からの画像を読み取って、表示してもよい。
図２に、後方の収束角／発散角θ１と、前方の収束角／発散角θ２とをそれぞれ示す。これらの角度θ１，θ２は、光学ペン構成２５０において反射光のうちの有効な測定用の光２２２Ｂの境界を定める境界光線（例えば、“後方の”境界光線であるＬＲ１及び／又はＬＲ２）に関連するパラメーターである。また、図２には、後方の焦点距離ＦＲおよび前方の焦点距離ＦＦも示す。当然のことながら、後方の焦点距離ＦＲと前方の焦点距離ＦＦは、通常、レンズ構成２００によって生じる軸上色分散のため、光の波長に依存する。高ＮＡ領域２０８Ｂに関し、最大の非遮光率又は最大の開放状態での後方開口数（higherNArearMAXOPEN）を次式に示す。
Figure 2017021022
高ＮＡ領域２０８Ｂに関し、最小の非遮光率又は最小の開放態開での後方開口数（higherNArearMINOPEN）を次式に示す。
Figure 2017021022
高ＮＡ領域２０８Ｂに関し、最大の非遮光率又は最大の開放状態での前方開口数（higherNA MAXOPEN）は次のように規定される。
Figure 2017021022
さらに、高ＮＡ領域２０８Ｂに関し、最小の非遮光率又は最小の開放状態での前方開口数（higherNA MINOPEN）は次のように規定される。
Figure 2017021022
角度θ２’内の光の一部は、反射光分割構成２０８の低ＮＡ区域２０８Ａに関連付けられた光であり、ワーク表面及び／又は照射スポットの撮像光路に沿って向けられる。
したがって、低ＮＡ区域２０８Ａに関し、最大の非遮光率又は最大の開放状態での前方開口数（lowerNA OPERATIVE）は次のように規定される。
Figure 2017021022
反射光分割構成２０８の高ＮＡ部２０８Ａによって伝達される光源光の光線は、効果的な“平均”前方開口数（higherNA OPERATIVE）を有すると理解され得る。
Figure 2017021022
様々な実施形態において、光学ペン（例えば、反射光分割構成２０８やその他の光学素子）が、以下のように構成されていると、非常に有利である。つまり、高ＮＡ区域２０８Ｂに関する平均前方開口数（higherNA OPERATIVE）の値が、低ＮＡ区域２０８Ａに関する前方開口数（lowerNA OPERATIVE）の値の少なくとも１．２５倍、又は、少なくとも１．４倍、および、それ以上となるように、光学ペンが構成されることである。しかしながら、これらの比率は例示的なものに過ぎず、これらに限定されない。より一般化すると、ワーク表面からの反射光が反射光分割構成２０８の作用を受けることによって、反射光のうちの測定用の光２２２Ｂの有効な光線に基づいて定まる平均開口数の値が、反射光分割構成２０８が存在しない場合よりも、高い値になる。これは、クロマティック共焦点式の測距センサにおいて、ワーク表面位置測定の分解能が改善されるという結果をもたらす。一般的に、開口数の値が小さい程、より大きな焦点深度が得られる、という関連付けが可能である。（例えば、対応する開口数を有する光線に関連付けられた焦点深度は、「あるレンズの被写界深度（ＤＯＦ）がその開口数の二乗に反比例する」という既知の関係に関連付けて、定性的に理解することができる）。したがって、ワーク表面からの反射光のうちの撮像用の光２２２Ａは、異なる高さの表面を撮像するのに有利な、より高い被写界深度を有する。いくつかの実施形態において、撮像用の光２２２Ａについての開口数ＮＡに関連付けられた被写界深度を、測定用の光２２２Ｂについての開口数ＮＡに関連付けられた被写界深度と比較した場合、被写界深度は四倍程の増加となり得る。このことは、撮像機能と測定機能のそれぞれにとって、望ましい成果である。
図３は、第二実施形態に関する光路を示した概略側面図である。本実施形態は、本願で開示する原理に係る反射光分割構成３０８とカメラ部３０９とからなり、光学ペン構成３５０内に使用可能である。光学ペン構成３５０において、３ＸＸと番号が付された特定の構成素子は、図２において同様の「ＸＸ」の数字の接尾辞を用いた番号２ＸＸが付された構成素子と類似又は同一であり、同様に理解されるものである。
図３に示されるように、この実施形態において、反射光分割構成３０８は低ＮＡ区域３０８Ａを備える。この実施形態の低ＮＡ区域３０８Ａは、合焦部を備える。合焦部は、反射光のうちの撮像用の光３２２Ａを集光し、これの焦点を合わせるレンズからなる。低ＮＡ区域３０８Ａは、環状の開口部、又は、透光性のアパーチャー部である高ＮＡ区域３０８Ｂによって囲まれている。低ＮＡ区域３０８Ａ内のどの光線も、反射光のうちの撮像用の光３２２Ａとして、レンズ３０８Ａによってカメラ部３０９で焦点を結ぶ。そして、低ＮＡ区域３０８Ａの外周と、有効な境界光線ＬＲ１およびＬＲ２との間のどの光線も、反射光のうちの測定用の光３２２Ｂとして、高ＮＡ区域３０Ｂを透過してファイバーアパーチャー３９５に向けて伝達される。レンズ３０８Ａは、光学ペン筐体に装着された透光性部材に取り付けられてもよく、また、反射光のうちの測定用の光３２２Ｂと著しく干渉しない幅狭の支持部材によって吊られた状態で支持されていてもよい。
図４は、第三実施形態に関する光路を示した概略側面図である。本実施形態は、本願で開示する原理に係る反射光分割構成４０８とカメラ部４０９とからなり、光学ペン構成４５０内に使用可能である。光学ペン構成４５０において、４ＸＸと番号が付された特定の構成素子は、図２及び／又は図３において同様の「ＸＸ」の数字の接尾辞を用いた番号２ＸＸ又は３ＸＸが付された構成素子と類似又は同一であり、同様に理解されるものである。図４に示されるように、反射光分割構成４０８は、低ＮＡ区域４０８Ａと高ＮＡ区域４０８Ｂを備える。いくつかの実施形態において、反射光分割構成４０８は、図２において示される反射光分割構成２０８と類似する、又は、同一であってもよい。カメラ部４０９は、フィールドレンズ４０９Ａと撮像アレイ４０９Ｂを備える。フィールドレンズ４０９Ａを使用することで、光学ペン構成４５０の円筒状の筐体の中に合うような、より小型経済的な構成を実現することができる。
図４に示されるように、低ＮＡ区域４０８Ａに入射されるどの光線も、撮像用の光４２２Ａとしてカメラ部４０９に向けて反射される。低ＮＡ区域４０８Ａの外周と、有効な境界光線ＬＲ１およびＬＲ２との間のどの光線も、測定用の光４２２Ｂとして、高ＮＡ区域４０８Ｂを透過してファイバーアパーチャー４９５に向けて伝達される。
図５は、第四実施形態に関する光路を示した概略側面図である。本実施形態は、本願で開示する原理に係る反射光分割構成４０８とカメラ部４０９とからなり、光学ペン構成４５０内に使用可能である。光学ペン構成５５０において、５ＸＸと番号が付された特定の構成素子は、図２において同様の「ＸＸ」の数字の接尾辞を用いた番号２ＸＸが付された構成素子と類似又は同一であり、同様に理解されるものである。
前述した図２の実施形態と比較すると、反射光分割構成５０８は、それぞれの反射特性及び透過特性が「逆転した」低ＮＡ区域５０８Ａと高ＮＡ区域５０８Ｂを備え、そのため撮像光路と測定光路も「逆転して」いる。より具体的に、この開示に基づいて当業者に理解されるように、低ＮＡ区域５０８Ａの外周と、有効な境界光線ＬＲ１およびＬＲ２との間のどの光線も、反射光のうちの測定用の光５２２Ｂとして、リフレクター５９６に向けて反射され、更に、リフレクター５９６によって、光学ペンの「中心軸からオフセットした」位置に設けられたファイバーアパーチャー５９５に向けて反射される。高ＮＡ区域５０８Ｂのどの光線も、反射光のうちの撮像用の光５２２Ａとして、反射光分割構成５０８によってカメラ部５０９へ伝達される。
本発明の好適な実施例を説明し記載してきたが、説明し記載した特徴点の配置や動作の順序については、多数の変形例が存在することが、この開示に基づいて当業者には明白であろう。例えば、本書では光学ペンを含むクロマティック共焦点式の測距センサを開示したが、クロマティックラインセンサなどのクロマティック共焦点式の測距センサであっても、本書で開示する装置及び方法に基づいて動作するように構成することが可能である。このように、本発明の趣旨と範囲から離れることなく、様々な変更が可能であることが理解されよう。
１００ （ＣＲＳ）
１２０ 光学ペン
１０５ 入出力光ファイバーサブアセンブリ
１０８ 反射光分割構成
１０８Ａ 低ＮＡ区域
１０８Ｂ 高ＮＡ区域
１０９ カメラ部
１２２ 反射光
１２２Ａ 撮像用の光
１２２Ｂ 測定用の光
１３０ 筐体
１５０ 光学構成部（色分散レンズ構成）
１６０ 電装部
１６９ 撮像電装部
１９５ ファイバーアパーチャー

Claims (12)

  1. ワークの被測定面上の測定スポットの画像を提供するように動作するクロマティック共焦点式の測距センサ（ＣＲＳ）光学ペンであって、
    筐体と、
    光源光を測定光路に沿って出力するとともに、前記測定光路に沿って戻ってくる反射光を受け取るように構成されたファイバーアパーチャーを含む入出力光ファイバーと、
    前記ＣＲＳ光学ペンの測定軸を規定する光軸を有する色分散レンズ構成と、
    ここで、前記色分散レンズ構成は、
    前記光源光を受け取るとともに、軸上色分散を伴って合焦される前記光源光をワーク表面へ出力するように構成され、かつ、
    前記ワーク表面からの反射光を受け取るとともに、前記測定光路に沿って反射された光源光からなる前記反射光の少なくとも一部を前記ファイバーアパーチャーの近接点で合焦させるように構成され、
    前記色分散レンズ構成から前記反射光を受け取るとともに、前記反射光を測定用の光と撮像用の光とに分割するように配置されている反射光分割構成と、
    画像検出器を有するカメラ部と、
    を備え、
    前記反射光分割構成は、前記光軸上に配置される低開口数区域と、前記低開口数区域を囲うように配置された高開口数区域とを有し、
    当該ＣＲＳ光学ペンは、前記反射光分割構成の前記低開口数区域と前記高開口数区域のうちのいずれか一方が前記反射光のうちの前記撮像用の光を撮像光路に沿って前記画像検出器の方に向けるように構成され、前記反射光分割構成の前記低開口数区域と前記高開口数区域のうちのいずれか他方が前記反射光のうちの前記測定用の光を前記測定光路に沿って前記ファイバーアパーチャーの前記近接点の方に向けるように構成されている、
    ことを特徴とするＣＲＳ光学ペン。
  2. 請求項１記載のＣＲＳ光学ペンにおいて、前記低開口数区域および前記高開口数区域の一方は反射区域であり、前記低開口数区域および前記高開口数区域の他方は透過区域であることを特徴とするＣＲＳ光学ペン。
  3. 請求項２記載のＣＲＳ光学ペンにおいて、
    前記ＣＲＳ光学ペンは、
    前記反射光のうち前記撮像用の光を前記撮像光路に沿って前記画像検出部へ向けるように構成された前記反射光分割構成の低開口数区域と、
    前記反射光のうち前記測定用の光を前記測定光路に沿って前記ファイバーアパーチャーの前記近接点へ向けるように構成された前記反射光分割構成の高開口数区域と、を備える
    ことを特徴とするＣＲＳ光学ペン。
  4. 請求項１記載のＣＲＳ光学ペンにおいて、
    前記撮像光路は、前記筐体内に含められ、前記ＣＲＳ光学ペンの前記光軸に垂直な方向において、色収差レンズ構成の半径寸法の範囲内に設けられている
    ことを特徴とするＣＲＳ光学ペン。
  5. 請求項１記載のＣＲＳ光学ペンにおいて、
    前記反射光分割構成は、透光性基材で構成され、前記低開口数区域は、前記透光性基材をマスクした反射性領域によって構成され、前記高開口数区域は、前記透光性基材のうちのマスクされていない領域によって構成される
    ことを特徴とするＣＲＳ光学ペン。
  6. 請求項１記載のＣＲＳ光学ペンにおいて、前記反射光分割構成は、前記色分散レンズ構成と前記入出力光ファイバーとの間に配置されていることを特徴とするＣＲＳ光学ペン。
  7. 請求項１記載のＣＲＳ光学ペンにおいて、前記反射光分割構成は金属基材で構成され、前記低開口数区域は前記金属基材の範囲内の領域で構成され、前記高開口数区域は前記金属基材を貫通する複数の孔で構成されることを特徴とするＣＲＳ光学ペン。
  8. 請求項１記載のＣＲＳ光学ペンにおいて、
    前記カメラ部は、波長フィルターを備えることを特徴とするＣＲＳ光学ペン。
  9. 請求項１記載のＣＲＳ光学ペンにおいて、
    前記カメラ部は、前記撮像光路に近接するフィールドレンズを備えることを特徴とするＣＲＳ光学ペン。
  10. 請求項１記載のＣＲＳ光学ペンにおいて、
    前記ＣＲＳ光学ペンは、
    前記反射光のうち前記撮像用の光を前記撮像光路に沿って前記画像検出部へ向けるように構成された前記反射光分割構成の低開口数区域と、
    前記反射光のうち前記測定用の光を前記測定光路に沿って前記ファイバーアパーチャーの前記近接点へ向けるように構成された前記反射光分割構成の高開口数区域と、
    を備えることを特徴とするＣＲＳ光学ペン。
  11. 請求項１０記載のＣＲＳ光学ペンにおいて、
    前記低開口数区域は、合焦部を備えることを特徴とするＣＲＳ光学ペン。
  12. 請求項１記載のＣＲＳ光学ペンにおいて、
    前記ＣＲＳ光学ペンは、
    前記反射光のうち前記撮像用の光を前記撮像光路に沿って前記画像検出部へ向けるように構成された前記反射光分割構成の高開口数区域と、
    前記反射光のうち前記測定用の光を前記測定光路に沿って前記ファイバーアパーチャーの前記近接点へ向けるように構成された前記反射光分割構成の低開口数区域と、
    を備えることを特徴とするＣＲＳ光学ペン。
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