JP2021071481A - レンジ及びスタンドオフ距離を調整可能なｃｐｓ光学ペン - Google Patents

Abstract

【課題】レンジ全体で高分解能の測定能力を維持しつつそのレンジを拡張できるＣＰＳ光学ペンの提供。【解決手段】クロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）光学ペン１２０は、軸上色収差手段１５０を含み、当該軸上色収差手段１５０は、アパーチャ１９５からの光源光を受光し、表面１９０に向けて軸上色分散を伴う合焦測定光束１９６として出力し、表面１９０から反射光を受光し、それをアパーチャの近傍に合焦させる。軸上色収差手段１５０は、光源光を受光して第１合焦領域ＦＲ１で合焦させる第１軸上分散合焦要素１５０Ａと、そこからの光を受光して第２合焦領域ＦＲ２で合焦させる第２軸上分散合焦要素１５０Ｂと、そこからの光を受光して測定光束１９６を出力する第３軸上分散合焦要素１５０Ｃとを含む。第１、第２および第３軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ間の長さＬ１，Ｌ２が調整可能である（すなわち、調整可能なレンジを備える）。【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的な精密測定装置に関し、特に、測距範囲（レンジ）及びスタンドオフ距離を調整可能なクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）光学ペンに関する。

軸上色収差技術は、距離検出の計測学に利用されうる。非特許文献１（「長軸方向の色収差の擬似カラー効果」）に記載されているように、長軸方向色収差制御（ここでは、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ごとに変化するからであり、これによって、その撮像装置が光計測手段として提供される。特に、レンズを、その背面焦点距離（ＢＦＬ）が波長の単調関数になるように設計することができる。白色光の動作では、そのようなレンズは、軸上に複数の焦点が分散した虹を示すので、距離検出用の分光プローブとして使うことができる。

更に例えば、特許文献１（米国特許第７，４７７，４０１号）には、軸上色収差を有する光学要素を広帯域光源光の合焦に使用することができて、その結果、表面までの軸上距離または表面高さによって、最もよく合焦する光の波長が決まる、ことが開示されている。その表面からの反射光は、ピンホールおよび／または光ファイバの端部のような小さな検出アパーチャで再び合焦する。その表面にて十分に合焦する波長光のみが、そのアパーチャにおいて十分に合焦する。他の波長光は、十分に合焦せず、そのアパーチャ内に結合する光量はあまり多くない。分光計は、そのアパーチャを通って戻された各波長光の信号レベルを測定する。ある波長光強度ピークが、その表面までの距離または表面高さを有効に示す。

産業用の色共焦点測距に適した実用的でコンパクトな光学アセンブリを、クロマティック共焦点ポイントセンサ、光学ペンを含むクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）、及び／又は、単に「光学ペン」と称するメーカもある。Ｚ高さ測定用の光学ペン機器の一例として、フランス国のエクサンプロバンスのＳＴＩＬ,Ｓ．Ａ．社（以下、ＳＴＩＬ,Ｓ．Ａ．社）製のものがある。具体例として、Ｚ高さ測定用のＳＴＩＬ光学ペン（モデル番号ＯＰ３００ＮＬ）は、３００μｍのレンジを有する。

他の配置構成のクロマティック共焦点ポイントセンサおよび光学ペンが、同一出願人による特許文献２（米国特許第７，６２６，７０５号）に記載されている。特許文献２に開示されたレンズの配置構成によれば、光学的スループットとスポットサイズとが改善され、結果として、商業的に入手可能な様々な配置構成と比べて、測定分解能を改善することができる。

米国特許第７，４７７，４０１号公報 米国特許第７，６２６，７０５号公報 米国特許第８，２１２，９９７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

光学ペンの技術的長所についての１つの尺度は、レンジ対分解能比であり、例えば、多目的用の光学ペンであれば、長いレンジを高分解能で測定できるべきである。しかし、設計上の制約があり、レンジ全体で高分解能の測定能力を維持しながら、光学ペンのレンジを拡張できる量には限界がある。

レンジ全体で高分解能の測定能力を維持しながら光学ペンのレンジを拡張させたいという要望に対し、発明者は、レンジ及びスタンドオフ距離を調整可能なＣＰＳ光学ペンという技術解決手段を発明した。本書において「レンジ」は、光学ペンで測定可能な空間または広がりを指す。すなわち、そのレンジ内に置かれた対象物までの距離は、光学ペンで測定可能である。また、「スタンドオフ距離」は、光学ペンの測定光出口からレンジの始点（すなわち、その光学ペンに最も近いレンジの端点）までの距離を指す。光学ペンのレンジ調整、例えばレンジＡからレンジＢへの調整によって、光学ペンの全有効レンジは、当該レンジＡとレンジＢとを組み合わせたものになり、レンジＡ，Ｂそれぞれの高分解能の測定能力を維持したまま拡張される。光学ペンのスタンドオフ距離の調整、例えば短いスタンドオフ距離から長いスタンドオフ距離への調整により、同サイズのレンジであっても、各レンジは、光学ペンからの２つの異なる距離の位置で始まる。それによって、その光学ペンの全有効レンジは、光学ペンからの短いスタンドオフ距離の位置で始まる同サイズのレンジと、光学ペンからの長いスタンドオフ距離の位置で始まる同サイズのレンジとを組み合わせたものに拡張される。

すなわち、本発明に係るクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）光学ペンは、対象表面までの距離の測定に利用できる信号を提供するように動作する。ＣＰＳ光学ペンは、筐体と、光源光を出力して反射光を受光するアパーチャと、当該ＣＰＳ光学ペンの光軸に沿って配置される軸上色収差手段とを含む。
軸上色収差手段は、アパーチャからの光源光を受光し、当該光を表面に向けて軸上色分散を伴う合焦された測定光束として出力し、表面から反射光を受光し、および、アパーチャの近傍に軸上色分散を伴った反射光を合焦させるように構成される。
軸上色収差手段は、複数の軸上分散合焦要素で形成され、光源光を受光し当該光源光を当該軸上色収差手段内の第１合焦領域で合焦させる第１軸上分散合焦要素と、第１合焦領域からの光を受光し当該光を当該軸上色収差手段内の第２合焦領域で合焦させる第２軸上分散合焦要素と、第２合焦領域からの光を受光して測定光束を出力する第３軸上分散合焦要素と、を含む。
第１および第２軸上分散合焦要素間の第１長さは、調整可能に構成され、第２および第３軸上分散合焦要素間の第２長さは、調整可能に構成されている。

また、本発明において第１および第２長さは、ＣＰＳ光学ペンの製造中に調整可能に構成されていてもよい。

また、本発明のＣＰＳ光学ペンは、第１および第２長さを調整するアクチュエータを含み、アクチュエータは当該ＣＰＳ光学ペンのユーザーによって動作可能に構成されていてもよい。また、アクチュエータは、第１および第２長さを変えるため、第１、第２および第３軸上分散合焦要素のうちの少なくとも１つを互いに対してスライドさせる１以上のリニア・アクチュエータを含んでいてもよい。

また、本発明のＣＰＳ光学ペンは、複数の配置構成に設定可能に設けられ、複数の配置構成は、第１長さの各値と第２長さの各値によって定められた構成にしてもよい。ここで複数の配置構成は、さらに、ＣＰＳ光学ペンの各スタンドオフ距離値、および、ＣＰＳ光学ペンの各レンジ値に関連付けて構成されてもよい。ここでＣＰＳ光学ペンのレンジ値の可変範囲は、３ｍｍ以上、３０ｍｍ以下の範囲であり、ＣＰＳ光学ペンのスタンドオフ距離値の可変範囲は、２ｍｍ以上、７ｍｍ以下の範囲であるように構成されてもよい。また、複数の配置構成は、さらに、スタンドオフ距離での測定光束の各スポットサイズ値、および、スタンドオフ距離にレンジを加えた距離での測定光束の各スポットサイズ値に関連付けて構成されてもよい。

また、本発明のＣＰＳ光学ペンは、信号演算器を有する電子機器部を含み、第１および第２長さは、ワークの測定（例えば、概算および／または推定の寸法の測定）に十分なスタンドオフ距離およびレンジとなるように調整され、電子機器部は、ワークの測定値を決定するために動作するように構成されてもよい。ここで、決定された測定値は、第１および第２長さを用いて取得される第１測定セットに含まれ、当該第１および第２長さは、第１配置構成の一部としての第１値に調整されており、また、電子機器部が第１測定セットを取得した後、第１および第２長さは、第２配置構成の一部としての第２値に調整され、電子機器部は、第２測定セットの一部としての（例えば、同じ又は別の）ワークの測定値を決定するために動作するように構成されてもよい。

本発明は、対象表面までの距離の測定に利用できる信号を提供するように動作するクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）光学ペンのレンジおよびスタンドオフ距離を調整する方法を提供する。
この方法は、筐体と、光源光を出力して反射光を受光するアパーチャと、当該ＣＰＳ光学ペンの光軸に沿って配置される軸上色収差手段と、を含むＣＰＳ光学ペンを提供することを含む。軸上色収差手段は、アパーチャからの光源光を受光して、当該光を表面に向けて軸上色分散を伴う合焦された測定光束として出力し、表面から反射光を受光して、アパーチャの近傍に軸上色分散を伴って反射光を合焦させるように構成される。軸上色収差手段は、複数の軸上分散合焦要素で形成され、光源光を受光し当該光源光を当該軸上色収差手段内の第１合焦領域で合焦させる第１軸上分散合焦要素と、第１合焦領域からの光を受光し当該光を当該軸上色収差手段内の第２合焦領域で合焦させる第２軸上分散合焦要素と、第２合焦領域からの光を受光して前記測定光束を出力する第３軸上分散合焦要素と、を含む。また、この方法は、第１および第２軸上分散合焦要素間の第１長さと、第２および第３軸上分散合焦要素間の第２長さとを調整することを含む。

また、本発明の方法では、第１長さおよび第２長さは、ＣＰＳ光学ペンの製造中に調整されるようにしてもよい。

また、本発明の方法では、ＣＰＳ光学ペンは、第１長さおよび第２長さを調整するように構成されたアクチュエータを含み、第１長さおよび第２長さは、ＣＰＳ光学ペンのユーザーにより調整されるようにしてもよい。

また、本発明の方法では、ＣＰＳ光学ペンは、第１長さの値と第２長さの値によって定められる複数の配置構成に設定可能であり、第１長さおよび第２長さの調整は、複数の配置構成の中から１つを選択することを含んでいてもよい。また、本発明の方法では、複数の配置構成は、ＣＰＳ光学ペンのスタンドオフ距離の値、および、ＣＰＳ光学ペンのレンジの値にそれぞれ関連付けられ、第１長さおよび第２長さの調整は、スタンドオフ距離およびレンジの望ましい値を選択することを含んでいてもよい。

また、本発明の方法は、複数のレンジを繋ぎ合わせ可能であり、当該繋ぎ合わせは、
第１レンジでの測定のために、複数の配置構成の中から、第１スタンドオフ距離および第１レンジに関連付けられた第１配置構成を選択し、第１レンジの測定用の第１配置構成になるように第１および第２長さを調整し、
第１レンジとは別の第２レンジの測定のために、複数の配置構成の中から、第２スタンドオフ距離および第２レンジに関連付けられた第２配置構成を選択し、第２レンジの測定用の第２配置構成になるように第１および第２長さを調整することを含んでいてもよい。

また、本発明の方法は、測定対象のワークの寸法（例えば、概算の寸法、推定の寸法などでよい。）を初期決定し、ワークの測定に十分なスタンドオフ距離およびレンジになるように第１長さおよび第２長さを調整し、当該調整後、ＣＰＳ光学ペンを動作させてワークの測定値を取得することを含んでいてもよい。

また、本発明の方法では、ワークの測定値は、第１配置構成の一部としての第１値に調整された第１長さおよび第２長さを使って取得される第１測定セットに含まれており、
ＣＰＳ光学ペンが第１測定セットを取得した後、当該方法は、さらに、第２配置構成の一部としての第２値に第１および第２長さを調整し、ＣＰＳ光学ペンを動作させてワーク（例えば、第１測定セットを取得した同一のワークまたは異なるワーク）の第２測定セットを取得する、ことを含んでいてもよい。

また、本発明の方法では、第１長さおよび第２長さの調整は、第１レンジを提供する第１配置構成の一部としての第１値に調整するものであり、当該方法は、さらに、第１配置構成でＣＰＳ光学ペンを動作させて、ワークの第１測定セットを取得することを含んでいてもよい。
また、第１測定セットの取得後、第１および第２長さを、第１レンジよりも小さい第２レンジを提供する第２配置構成の一部としての第２値に調整し、第２配置構成でＣＰＳ光学ペンを動作させて、ワークの第２測定セットを取得することを含み、第２測定セットは、第１測定セットよりも高分解能および小スポットサイズの少なくとも一方に対応していてもよい。

一実施形態に係る調整可能なレンジ及び調整可能なスタンドオフ距離を備えたクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）光学ペンのブロック図である。 一実施形態に係る光学ペンおよび電子機器部を含むＣＰＳ装置であって、座標測定機（ＣＭＭ）を形成する外部機器に連結可能なＣＰＳ装置のブロック図である。 一実施例として複数の配置構成を示す表であり、ＣＰＳ光学ペンはどの配置構成にも設定可能であり、複数の配置構成は、第１、第２軸上分散合焦要素間の第１長さの各値と、第２、第３軸上分散合焦要素間の第２長さの各値とによって定められる。 設定可能なＣＰＳ光学ペンのレンジとスタンドオフ距離のサンプル値を示すグラフであり、ＣＰＳ光学ペンのレンジとスタンドオフ距離の相関性を示している。 一実施形態に係るＣＰＳ光学ペンのレンジおよびスタンドオフ距離の調整方法を説明するフローチャートである。 調整可能なレンジ（２つのレンジを示す）を備えたＣＰＳ光学ペン１２０のレンジ対分解能比を説明するグラフであり、さらに、複数のレンジを繋ぎ合わせて、それによって、高分解能の測定能力を維持したまま、ＣＰＳ光学ペンの全有効レンジを広げる方法を、ある動作例に従って説明するためのグラフである。

図１は、代表的なクロマティック共焦点ポイントセンサ又はクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）１００を示すブロック図である。このＣＰＳ１００には、米国特許第７，８７６，４５６号公報、米国特許第７，９９０，５２２号公報、および米国特許第８，１９４，２５１号公報に記載されているセンサに対し、ある一定の類似点がある。図１に示すようにＣＰＳ１００は、光学ペン１２０および電子機器部１６０を含む。光学ペン１２０は、光ファイバコネクタ１０９と、光学ペン１２０の中心のＺ光軸（ＯＡ）に沿って延設された筐体１３１と、軸上色収差手段１５０とを含む。図示の通り、光ファイバコネクタ１０９は、筐体１３１の端部に取り付けられ、電子機器部１６０から延びる光ファイバケーブル１１２中に入れられた入出力光ファイバ（詳細は示されていない）を支持している。その入出力光ファイバは、（電子機器部１６０内の）光源１６４からの光源光をファイバ共焦点アパーチャ１９５を通じて出力し、反射測定光についてもファイバ共焦点アパーチャ１９５を通じて受光する。

動作中、軸上色収差（軸上色分散）を提供する１ないし複数のレンズを含んで構成された軸上色収差手段１５０は、ファイバ端部からファイバ共焦点アパーチャ１９５を通って放射された広帯域光源光（例えば白色光）を入力（受光）する。軸上色収差手段１５０は、受光した光源光を、軸上色分散を伴った合焦測定光束（または測定光）１９６として被測定表面に向けて出力する。また、軸上色収差手段１５０は、その表面からの反射光を受光し、この反射光をファイバ共焦点アパーチャ１９５の近傍に軸上色収差を伴って合焦させる。図１に示される実施形態では、光学ペン１２０の光軸ＯＡがリフレクタ１５５の配置によって９０度に折り曲げられ、それによって通常は、測定光１９６が図１の下方向に進行する。

軸上色分散の作用によって、クロマティック共焦点センサ装置の分野では公知のように、光軸ＯＡ（図１の測定軸ＭＡ上でも同時に生じる）に沿った測定光１９６の焦点は、その光の波長に応じて異なる距離に生じる。光源光１９６は、光学ペン１２０に関する測定距離（ＭＤ）の位置（Ｚ位置）にあるワーク表面１９０で合焦する波長を含む。ワーク表面１９０からの反射において、反射測定光は、軸上色収差手段１５０によりファイバ共焦点アパーチャ１９５上で再び合焦される。動作する光源光と反射測定光の境界は、制限光線ＬＲ１，ＬＲ２によって規制される。軸上色収差によって、１つの波長のみが、光学ペン１２０から表面１９０までの測定距離ＭＤに一致する前方合焦長さＦＦを有している。表面１９０で最もよく合焦する波長が、ファイバ共焦点アパーチャ１９５でも最もよく合焦する反射測定光の波長にもなるように、光学ペン１２０が構成されている。ファイバ共焦点アパーチャ１９５が反射測定光を空間的にフィルタリングすることによって、最もよく合焦した波長が、主としてファイバ共焦点アパーチャ１９５を通過し、光ファイバケーブル１１２のコアに入ることができる。光ファイバケーブル１１２は、反射測定光を波長検出器１６２まで伝搬し、この波長検出器１６２は、ワーク表面１９０までの測定距離（ＭＤ）に対応する主強度を有する波長を決定できるように構成されている。

図示のとおり、光学ペン１２０は、最小レンジ距離ＺＭＩＮおよび最大レンジ距離ＺＭＡＸで区切られた作動レンジＲ（又は「レンジ」と略する。）を有し、表面１９０は、その測定可能な作動レンジＲ内に位置していなければならない。光学ペン１２０の作動レンジＲは、数ミリメータから数十ミリメータまでの間で可変である。これに限られず、作動レンジＲは、以下に詳述するように、軸上色収差手段１５０の配置構成に基づいて調整可能に設定することができる。

図示のとおり測定距離ＭＤ、すなわち光学ペン１２０から測定実施点（ワーク表面１９０の点）までの距離は、スタンドオフ距離ＳＤと作動距離ＷＤの合計である。スタンドオフ距離ＳＤは、光学ペンの測定光束の出口（図示された構成ではリフレクタ１５５）から、レンジの始点、すなわち、そのレンジＲの最小レンジ距離ＺＭＩＮまでの距離で定義される。作動距離ＷＤは、最小レンジ距離ＺＭＩＮから、ワーク表面１９０の測定実施点までの距離で定義される。

図１には、光学ペン１２０のＺ軸方向の測定軸ＭＡが、リフレクタ１５５によって「折り曲げ」られ、それによって、測定光束１９６の方向が光学ペン１２０の軸に対して直角に変わるものが説明されているが、これ以外に、測定軸ＭＡを違う角度（９０度以外）に折り曲げる、或いは、まっすぐのままにする、といった光学ペンの構成も、当業者に明白であり、等しく実施することができる。図示された「折り曲げ」られた構成は、穴の様々な特徴の測定に適する光学ペンを形成する上で、技術的に優れている。例えば、そのような光学ペンを穴に入れることができ、それによって測定光束を光学ペンの軸に対して直角方向に進行させて、穴径や穴の内壁の表面性状（例えば平滑性や内ねじ構造）を測定することができる。

電子機器部１６０は、ファイバ・カプラ１６１と波長検出器１６２と光源（光源光発生手段）１６４と信号演算器１６６と記憶部１６８とを含む。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、これらに含まれる分散素子（例えば回折格子）が、光ファイバケーブル１１２を通じて反射測定光束を受光して、得られたスペクトル強度プロファイルを検出器アレイ１６３に送るようになっている。波長検出器１６２は、また、関連付けられた信号演算処理機能（例えば、信号演算器１６６ によって提供される機能）として、スペクトル強度プロファイル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を含むことができる。このように、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。

白色光源１６４は、信号演算器１６６によって制御され、光学カプラ１６１（例えば、２×１光学カプラ）によって光ファイバケーブル１１２に接続されている。上述したように、光源光に基づく測定光が光学ペン１２０を伝わる際に、光学ペン１２０が長軸方向の色収差を生成するので、測定光の波長ごとにその焦点長さが変化する。光ファイバケーブル１１２を最も効率よく戻る測定光の波長は、Ｚ位置にある表面１９０上で合焦した波長である。その後、波長依存性の反射測定光の強度は、再びファイバ・カプラ１６１を通って、スペクトル強度プロファイルを生成する波長検出器１６２に向けられる。検出器アレイ１６３は、当該検出器アレイ１６３の測定軸に沿ったピクセル・アレイ上に分布するスペクトル強度プロファイルを受光する。検出器アレイ１６３からのスペクトル強度プロファイルは、光学ペン１２０から被測定表面１９０（Ｚ位置）までの唯一の距離（すなわち、測定距離ＭＤ）に対応するスペクトルピークを含むことになる。光学ペン１２０および／またはワーク表面１９０を互いに相対的に移動させることで、ワーク表面１９０上の異なる点について、それぞれ異なる測定値を取得／決定／獲得することができる。このようにして、上記の動作（例えば、信号演算器１６６を備えた電子機器部１６０の動作を含む）を実行することにより、光学ペン１２０をワークの測定値の取得に使用し／動作させることができる（例えば、図示のようにワーク表面１９０までの測定距離ＭＤに応じた測定値を取得するための動作によって）。

図２に示すように、ワーク表面の様々な幾何学的特性（例えば穴のねじ表面１９０’）の測定または検査へのアプリケーションにおいて、光学ペン１２０は従来のどんな座標測定機（ＣＭＭ）２０９に連結されてもよい。その座標測定機は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って光学ペン１２０を精密な位置に制御できる。通常、ＣＭＭは、Ｘ−Ｙ平面の１つの軸に沿って移動可能なブリッジ部と、Ｘ−Ｙ平面の他の軸方向に延びるブリッジ部に沿って移動可能なキャリッジ部とを有する。Ｚ軸移動は、キャリッジ部を通じて上下に動く垂直軸部２１０によって実行される。図２に示されるように、ＣＭＭ２０９の垂直軸部２１０の末端は、プローブヘッド２１２を有し、このプローブヘッド２１２は、交換可能な種々の光学ペン１２０を保持するように構成されている。

図２に、光ファイバケーブル１１２は、光学ペン１２０との間で信号の授受をする。光学ペン１２０を連結したＣＭＭ２０９は、データ転送回線１９９（例えば、バス）を通じて他の構成部分と通信をし、このデータ転送回線１９９は、コネクタ２０８（例えば「ｍｉｃｒｏ−Ｄ」型コネクタ）によって、光ファイバケーブル１１２につながっている。光学ペン１２０は、ＣＰＳペン信号演算制御回路２０７（例えば、図１の電子機器部１６０の信号演算器１６６及び記憶部１６８によって提供されるもの）とデータを交換し、また、ＣＰＳペン信号演算制御回路２０７による制御を受けながら、この光学ペン１２０が連結されたＣＭＭ２０９は、ＣＭＭコントローラ２０２によって制御を受けている。図示された例のＣＭＭコントローラ２０２は、周知のように、プローブヘッド２１２の動作を制御するプローブヘッド制御装置２０３と、プローブヘッド２１２のＸ−Ｙ−Ｚ位置を生成する位置ラッチ２０４と、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向におけるプローブヘッド２１２及びそれによる光学ペン１２０の精密な位置及び動作を制御するモーション制御装置２０５と、を有する。

発明者は、第１長さ（第１、第２軸上分散合焦要素の間）および第２長さ（第２、第３軸上分散合焦要素の間）ずつ離れて配置された少なくとも３つの軸上分散合焦要素を用いて軸上色収差手段１５０を構成し、第１長さおよび第２長さを調整すれば、光学ペンのスタンドオフ距離はもちろんレンジも調整できることを見い出した。高分解能の測定能力に関連付けた各々の調整可能なレンジを用いれば、各測定アプリケーション用の高分解能の測定能力のある適切なレンジを選択することができ、および／または、そのようなレンジと高分解能の測定能力のある同様の他のレンジとを組み合わせて使用することができ、それによって、１ないし複数の光学ペンの全有効レンジを拡張させることができる。

図１に示す実施形態では、軸上色収差手段１５０は、第１軸上分散合焦要素１５０Ａと、第２軸上分散合焦要素１５０Ｂと、第３（又は最後の）軸上分散合焦要素１５０Ｃとを含む。図示された例では、第３軸上分散合焦要素１５０Ｃは、光学ペン１２０から被測定表面１９０に向けて測定光束１９６を出力する最後の軸上分散合焦要素である。

各々の軸上分散合焦要素は、非球面レンズ、球面レンズ、屈折レンズ、回折光学素子または幾つかの複雑な複合レンズを含む、１ないし幾つかの軸上分散光学コンポーネントで構成することができる。第１、第２および第３軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃは、類似の構成でもよく、また、軸上分散合焦要素のうちのいくつか又は全ての間で同一の少なくとも１の光学コンポーネントを含むようにしてもよい。また、軸上分散合焦要素の幾つかまたは全ては、互いに同一の構成でもよい。また、多段の光学コンポーネント（レンズのセット）を使用して１つの軸上分散合焦要素を形成し、その多段の光学コンポーネントの個々を互いに同一にしてもよい。図１の例では、第１、第２および第３軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃの各々が、少なくとも１の同じシングレット・レンズを含んでいる。加えて、第２および第３軸上分散合焦要素１５０Ｂ，１５０Ｃの各々が、互いに同じ２つのシングレット・レンズで形成されている。第１軸上分散合焦要素１５０Ａは、シングレット・レンズ（すなわち、第２および第３軸上分散合焦要素１５０Ｂ，１５０Ｃ中のシングレット・レンズの全てと同じもの）を含み、また、ダブレット・レンズも含んでいる。

動作中、第１軸上分散合焦要素１５０Ａは、アパーチャ１９５からの光源光を受光し当該光を軸上色収差手段１５０内の第１合焦領域ＦＲ１で合焦させる。第２軸上分散合焦要素１５０Ｂは、第１合焦領域ＦＲ１からの光を受光し当該光を当該軸上色収差手段１５０内の第２合焦領域ＦＲ２で合焦させる。第３軸上分散合焦要素１５０Ｃは、第２合焦領域ＦＲ２からの光を受光して光学ペン１２０から被測定表面１９０に向けて測定光束１９６を出力する。

光学ペン１２０の動作可能な波長は、第１軸上分散合焦要素１５０Ａによって第１合焦領域ＦＲ１内で合焦し、再度、第２軸上分散合焦要素１５０Ｂによって第２合焦領域ＦＲ２内で合焦し、さらに、もう一度、第３軸上分散合焦要素１５０Ｃによってワーク表面１９０を含む合焦領域内で合焦する。作動レンジＲ、又は、特に作動レンジＲの最大および最小レンジ距離ＺＭＡＸ，ＺＭＩＮは、様々な光学系の制約およびファクタに応じて決定される。例えば、波長検出器自身の構成（図１の符号１６２参照）は、作動レンジを決定する上での１つのファクタになる。予期され所望されている被測定波長が様々である場合、波長光は、検出器１６２のアレイに沿って広がることが望ましく、それによって、高レベルの分解能が達成される。作動レンジを決定する他の主なファクタは、物理的距離であり、軸上色収差手段１５０が色収差を用いて一定レベルの精度で特定の波長セットを合焦させることができる物理的距離である。そのような距離を、第１、第２および第３軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ間の長さの調整によって変更することができる。

第１、第２および第３軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ間の長さ調整によって、光学ペン１２０の作動レンジＲおよびスタンドオフ距離ＳＤを変更することができる。特に、第１および第２軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ間の第１距離（第１長さＬ１）を調整可能に構成し、第２および第３軸上分散合焦要素１５０Ｂ，１５０Ｃ間の第２距離（第２長さＬ２）を調整可能に構成する。

図３は、複数の配置構成（５つの配置構成）のサンプルの表であり、ＣＰＳ光学ペン１２０はどの配置構成にも設定可能になっていて、これらの配置構成は、第１および第２軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ間の第１長さＬ１の各値と、第２および第３軸上分散合焦要素１５０Ｂ，１５０Ｃ間の第２長さＬ２の各値とによって定められている。このように、異なる配置構成（すなわち、様々な第１長さＬ１と第２長さＬ２のセット）をとることで、様々なスタンドオフ距離ＳＤと作動レンジＲを有する光学ペン１２０が得られる。例示では、スタンドオフ距離ＳＤを、２ｍｍ以上、４ｍｍ以下の範囲に変えることができ、作動レンジ値Ｒを、４ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の範囲に変えることができる。

図３はさらに、様々な配置構成１−５が、スタンドオフ距離ＳＤでの測定光束１９６の各スポットサイズ値、および、スタンドオフ距離ＳＤに作動レンジＲを加えた距離での測定光束１９６の各スポットサイズ値に関連付けられていることを示している。例えば、配置構成１では、第１長さＬ１が１１．３１１ｍｍで、第２長さＬ２が１３.４５６ｍｍであり、スタンドオフ距離ＳＤが２ｍｍで、作動レンジＲが４ｍｍであり、これによって、スタンドオフ距離ＳＤでのスポットサイズが１４μｍに生成され、スタンドオフ距離ＳＤに作動レンジＲを加えた距離でのスポットサイズが３１μｍに生成される。上述のとおり、改善された（より小さい）スポットサイズは、一般に、測定分解能の改善（高度化）に貢献する。従って、複数の配置構成のいずれも、スタンドオフ距離および作動レンジについて所望される条件で選択されるだけでなく、スタンドオフ距離でのスポットサイズおよびスタンドオフ距離に作動レンジを加えた距離でのスポットサイズについて所望される条件でも選択され得る。

図４のグラフは、ＣＰＳ光学ペン１２０において設定可能な作動レンジＲとスタンドオフ距離ＳＤのサンプル値を示す。また、図４は、ＣＰＳ光学ペン１２０の作動レンジとスタンドオフ距離との間の相関性を示す。すなわち、与えられた作動レンジに対して、可能なスタンドオフ距離の範囲があり、同様に、与えられたスタンドオフ距離に対しても、可能な作動レンジの範囲がある。図４のドットサイズは、光学ペン１２０の性能を表し（一般に測定光束のスポットサイズに対応している）、ドットサイズがより小さい程、性能はより優れている。所望の性能目標（図４中の最大許容ドットサイズ）に応じて、可能なスタンドオフ距離および可能な作動レンジの範囲が明らかになる。例示では、光学ペン１２０の可能な作動レンジの範囲は、３ｍｍ以上、３０ｍｍ以下であり、光学ペン１２０の可能なスタンドオフ距離の範囲は、２ｍｍ以上、７ｍｍ以下である。

第１長さＬ１と第２長さＬ２は、ＣＰＳ光学ペン１２０の製造段階において（例えば、スペース要素ＳＰまたはアクチュエータ１７０などの１以上の調整要素を使用して）調整可能に設定され、これによって、所望の作動レンジＲ、所望のスタンドオフ距離ＳＤ、スタンドオフ距離ＳＤにおける所望のスポットサイズ、および／または、スタンドオフ距離ＳＤに作動レンジＲを加えた距離における所望のスポットサイズを達成することができる。例えば、あるスペース要素ＳＰは、多様なサイズのスペーサからなり、軸上色収差手段１５０の軸に沿って置かれることで、所望の第１長さＬ１および所望の第２長さＬ２が設定される。５つの異なるＣＰＳ光学ペン１２０が、図３の表に記載された配置構成１−５でそれぞれ製造される。ユーザーは、所望のレンジ、スタンドオフ距離およびスポットサイズの特性を備えたＣＰＳ光学ペン１２０を選択できる。

図１に戻って、ＣＰＳ光学ペン１２０は、光学ペン１２０の第１長さＬ１と第２長さＬ２を調整可能な１以上の調整要素（例えばアクチュエータ１７０および／またはスペース要素ＳＰ等）を含み、これらの調整要素は、光学ペンのユーザーによって操作／利用されて、光学ペン１２０のレンジ、スタンドオフ距離およびスポットサイズの特性が個々の使用前に調整されるようになっている。アクチュエータ１７０は、１以上のリニア・アクチュエータからなり、第１、第２および第３軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃのうちの少なくとも１つを互いに対してスライドさせて、第１長さＬ１および第２長さＬ２を変えるように組み立て・構成されている。適切なリニア・アクチュエータは、ねじ継手やカム機構といった機械式のアクチュエータはもちろん、電動式、圧電式、電機式、電磁力式、磁力式、油圧式および空気圧式のアクチュエータを含むが、これらに限定されない。スペース要素ＳＰを、アクチュエータ１７０の調整部分で構成してもよく、および／または、分割スペーサー（例えば固定または調整可能なもの）で構成してもよく、これらは長さＬ１，Ｌ２の設定に使用される。

スペース要素ＳＰ１は、軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂの間（すなわち、長さＬ１に設定され／対応している）に配置されてもよく、また、スペース要素ＳＰ２は、軸上分散合焦要素１５０Ｂ，１５０Ｃの間（すなわち、長さＬ２に設定され／対応している）に配置されてもよい。これらの調整要素は、軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃからの合焦光のその予定光路に沿った進行（例えば、測定光束の出力など）をブロックしたり、妨害したりしないように構成されている。例えば、そのような調整要素は、光路の外側に配置された部分を含み（筐体１３１の近傍であったり、他の方法により軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃの外縁に主に接触していたり、および／または、それらの近傍である等）、および／または、光が通り抜けられるように透明であるか、あるいは透光性の部分などを含んでいる。或るタイプの調整要素（例えばアクチュエータ、調整可能なスペーサ等）には、（例えば、調整ネジ部などの調整用の外部アクセス部分を有すること、ＣＰＳ光学ペンの分解を制限したり、分解を不要にすること、および／又は、調整実行のために軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃへの外部からのアクセスまたはこれらの取り外し等の）長所がある。

図１は、第１〜第３軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃを含む軸上色収差手段１５０を示しているが、軸上色収差手段１５０は、追加の軸上分散合焦要素を含んでいてもよい。例えば、第２軸上分散合焦要素１５０Ｂは、少なくとも２つの中間軸上分散合焦要素（図示しない）、すなわち、最初の中間軸上分散合焦要素および最後の中間軸上分散合焦要素を含んで形成されてもよい。最初の中間軸上分散合焦要素は、第１合焦領域ＦＲ１からの光を受光し、その光を第１中間合焦領域で合焦させ、また、最後の中間軸上分散合焦要素は、最後の合焦領域からの光を受光し、その光を第２合焦領域ＦＲ２で合焦させる。

図５は、ＣＰＳ光学ペン１２０のレンジとスタンドオフ距離を設定する方法を説明するためのフローチャートであり、ここで、光学ペン１２０は、対象表面１９０までの距離を測定するのに利用できる信号を提供するように動作する。工程５０１で、この方法は、上述の方法で構成されたＣＰＳ光学ペン１２０を提供する。すなわち、ＣＰＳ光学ペン１２０は、筐体１３１と、光源光を出力して反射光を受光するアパーチャ１９５と、当該ＣＰＳ光学ペン１２０の光軸に沿って配置される軸上色収差手段１５０とを含む。軸上色収差手段１５０は、アパーチャ１９５からの光源光を受光して、この光を軸上色分散を伴う合焦された測定光束として表面１９０に向けて出力し、表面１９０から反射光を受光して、アパーチャ１９５の近傍に軸上色分散を伴って反射光を合焦させるように構成される。軸上色収差手段１５０は、複数の軸上分散合焦要素で形成され、光源光を受光し当該光源光を当該軸上色収差手段１５０内の第１合焦領域ＦＲ１で合焦させる第１軸上分散合焦要素１５０Ａと、第１合焦領域ＦＲ１からの光を受光し当該光を当該軸上色収差手段１５０内の第２合焦領域ＦＲ２で合焦させる第２軸上分散合焦要素１５０Ｂと、第２合焦領域ＦＲ２からの光を受光して測定光束１９６を出力する第３軸上分散合焦要素１５０Ｃとを含む。

工程５０２で、調整されるべき値が決定される。それらの値を、ワークの測定値を取得するためのＣＰＳ光学ペンのレンジ、スタンドオフ距離、および／または、分解能等に対応させることができる。値の決定には、（例えばレンジ、スタンドオフ距離などに対応するように）被測定ワークの寸法（例えば実際の、概算の、推定の寸法など）を決定すること、および／または、望ましい測定分解能を決定することを含めることができる。

工程５０３で、第１および第２軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ間の第１長さＬ１と、第２および第３軸上分散合焦要素１５０Ｂ，１５０Ｃ間の第２長さＬ２と、を調整する。調整は、ワークの寸法測定が可能になるようにレンジおよびスタンドオフ距離を設定する、および／または、（すなわち、スポットサイズに応じた）所望の測定分解能を設定するために行われる。また、調整は、スペーサ、アクチュエータ等の１以上の調整要素を使用して行なわれ、上述の第１長さＬ１および第２長さＬ２に対応したスペースが調整される。例えば、製造工程では、同一セットの光学配置／レンズ群１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃが、１以上の調整要素とともに使用され、その調整が実行される（例えば、様々なサイズのスペーサおよび／または調整可能なスペーサを使用・選択して、光学配置／レンズ群の間に挿入し、それによって、特定のアプリケーション用の特定の配置構成を形成することができる。および／または、リニア・アクチュエータをスペース調整に使用してもよい）。他の例では、ユーザーが調整をおこなってもよい（例えば、第１長さおよび第２長さを調整するためにリニア・アクチュエータおよび／またはスペーサを使用する）。次に、工程５０４で、ＣＰＳ光学ペンを動作させてワークの測定値を取得する。

判断工程５０５で、追加の調整を実行するかどうかを決定する。もし、追加の調整が無ければ、この方法は終了する。もし、追加の調整があれば、この方法は工程５０２に戻る。例えば、ワークの第１測定セットの取得プロセスが完了した後、次のアプリケーションにおいて、（例えば同じ又は別の）ワークについての第２測定セットが取得される。この際、被測定寸法および／または所望の分解能が異なる場合は、別の配置構成のＣＰＳ光学ペンが必要になる。

ワーク測定を伴う例として、ある具体的なアプリケーションでは、いろいろな管材の半径を測定することができる（例えば、ＣＰＳ光学ペンを管材の中央に入れて、および／または、管材、ＣＰＳ光学ペンのいずれかを互いに相対的に回転させ／移動させることで、測定光束がその管材の内面に向けられ／その内面をスキャンすることができる）。そのようなアプリケーションでは、被測定管材の半径のサイズがいろいろ変化するので、場合によっては、そのようなサイズの変化が、既知のＣＰＳ光学ペンの代表的な作動レンジよりも大きくなることが理解されるだろう。そのような測定を行うために、ここに開示された発明原理に従って、ＣＰＳ光学ペン１２０の長さＬ１，Ｌ２が調整可能になっていて（すなわち、レンジ、スタンドオフ距離、分解能などを調整できるように構成され）、それによって所望の測定を行なうことができる。そのような測定のための幾つかの具体的なサンプル値については、図３のサンプル値を以下に詳しく述べる。

幾つかの具体的なサンプル値に関し、例えば２ｍｍから６ｍｍまでの管材半径の測定アプリケーション用に、図３の配置構成１に応じて長さＬ１，Ｌ２を調整することができる。さらなる例として、被測定管材の半径が２ｍｍから１０ｍｍまで変化する測定アプリケーションの場合は、図３の配置構成２に応じて長さＬ１，Ｌ２を調整することができる。同様に、被測定管材の半径が３ｍｍから１１ｍｍまで変化する測定アプリケーションの場合は、図３の配置構成３に応じて長さＬ１，Ｌ２を調整することができる。これらの例によれば、長さＬ１，Ｌ２は、第１測定セットの取得のために第１配置構成の一部としての第１値に調整可能であり、その後、第２測定セットの取得のために第２配置構成の一部としての第２値に調整可能であり、その後、第３測定セットの取得のために第３配置構成の一部としての第３値に調整可能であるように（以下同様に）設けられていることが理解されるだろう。

さらに、３ｍｍから１１ｍｍまで変化するような管材半径の測定アプリケーションに関して、そのアプリケーションには図３の他の配置構成を選択できない／使用できないことが理解されるだろう。例えば、配置構成１（レンジは、たった２ｍｍから６ｍｍまで）では、そのアプリケーション用の十分なレンジを有さない。また、配置構成４，５は、（すなわち４ｍｍの）スタンドオフ距離を有するが、レンジ下端又はその付近（例えば３ｍｍ、３．５ｍｍまたはその近傍など）で測定するには長過ぎる。従って、もし、ＣＰＳ光学ペンが配置構成１，４または５に対応して初期調整もしくは事前調整されている場合、３ｍｍから１１ｍｍまでのレンジで測定を実行するには、ＣＰＳ光学ペンを（例えば配置構成３に応じて）調整／再調整しなければならない。別の選択肢として（図６について以下に詳しく述べるように）、特定のアプリケーション用として、１つのレンジ全体の中の異なる部分にそれぞれ異なる配置構成を使用するという方法で、各配置構成のレンジの全てまたは一部を一緒に繋ぎ合わせるようにしてもよい。

上述のように、所望の配置構成の選択および／またはこれに応じた長さＬ１，Ｌ２への調整は、少なくとも部分的に、被測定ワークの物理的特性（例えば、物理的な寸法／測定距離など）に基づいて行なわれる。さらに上述のように、その選択は、所望の測定分解能にも基づいて行なわれる（例えば、より小さなスポットサイズがより高い測定分解能に対応するから）。一例として、被測定管材の半径が３ｍｍから１０ｍｍまでの範囲に渡っているアプリケーションでは、図３の配置構成２および配置構成３のいずれかが、そのような測定のために調整され／選択され使用されるべきである。しかし、配置構成２における２ｍｍから１０ｍｍまでのレンジに対応するスポットサイズは、２２μｍから９８μｍまで変化するのであるが、一方、配置構成３における３ｍｍから１１ｍｍまでのレンジに対応するスポットサイズは、２１μｍから６２μｍまでであることに注意すべきである。従って、３ｍｍの位置では、配置構成３の方が良好な測定分解能であることが明らかである（その理由は、配置構成２では、２ｍｍの位置でのスポットサイズが既に２２μｍになっており、普通だと３ｍｍの位置ではもっと大きくなるが、配置構成３では、３ｍｍの位置でのスポットサイズが２１μｍであるから）。

同様に、１０ｍｍの位置では、配置構成３の方が良好な測定分解能であることが明らかである（その理由は、配置構成２では、１０ｍｍの位置でのスポットサイズが９８μｍであるが、配置構成３では、１１ｍｍの位置でのスポットサイズが６２μｍであり、普通は、１０ｍｍの位置ではそれより小さくなるから）。従って、３ｍｍから１０ｍｍまでの特定のレンジでは、配置構成３が、そのレンジ全体において、より高い測定分解能（すなわち、より小さいスポットサイズ）を提供できるので、その特定のアプリケーション用として選択されることが望ましい。

別のアプリケーションでは、所与のレンジのうち一部のみが他の配置構成よりも高い測定分解能を提供する配置構成であっても、その特定の一部の優先性／重要性が高いと見做される場合には、その特定の一部に対して他の配置構成よりも高い測定分解能を備えたその配置構成を選択することができる。図６に関して以下に詳細に述べるように、レンジ全体の中の異なる部分に異なる配置構成を使用するという方法で、特定のアプリケーション用に各配置構成のレンジの全てまたは一部（それぞれが特定の測定分解能を備えているレンジ）を一緒に繋ぎ合わせてもよい（例えば、そのアプリケーションにおいて１つのレンジ全体の中の各部分がより高い測定分解能を備えるようになる。）

ワーク測定を伴う別の例として、特定のアプリケーションにおいて、第１配置構成を選択することで、比較的広いレンジを提供することができる（例えば、ワークの一般的な形状を決定する際、および、低い分解能／大きいスポットサイズによる測定の際に用いる）。広いレンジを備えた配置構成を使って測定値が取得／決定された後、これよりも狭いレンンを備えた配置構成を選択し／調整することができる（例えば、より高い測定分解能でワークの寸法をより高精度に測定するための使用など）。いくつかの具体的な数値例として、１アプリケーションでは、被測定ワークは、一方向の第１半径が５ｍｍで、他方向の第２半径が３ｍｍである楕円形状の孔を有している。第１配置構成は、いろいろなワーク（例えば穴など）の一般的な形状／概略の寸法を決定するためのもので、通常のワーク測定用のスタンドオフ距離（例えば２ｍｍ）と、比較的広いレンジ（例えば７ｍｍ）と、を備えている。比較的広い（例えば７ｍｍの）レンジを備えた第１配置構成を使用してワーク／穴の一般的な形状／概略の寸法を決定した後、より狭いレンジおよび／またはより良い分解能を備えた第２配置構成が選択／調整されて、そのワーク／穴を再測定する（例えば、より良い測定分解能／より小さい測定用のスポットサイズ等を用いる）。

ある特定の実施形態では、第２配置構成は、スタンドオフ距離（例えば２ｍｍ）と、比較的狭いレンジ（例えば２ｍｍであり、そのレンジ全体で比較的高い分解能／小さいスポットサイズを有している）とを備え、選択／調整可能に設けられている。ここで、測定のためのＣＰＳ光学ペン１２０の相対的移動は、ワーク／穴の表面からできるかぎり離れないようにして、穴の一般的な形状を追うことができるように実行され、そのレンジ（例えば２ｍｍ）内に入るように維持されるだけでなく、ＣＰＳ光学ペン１２０が、ワーク／穴の表面に衝突してしまうのを防止したり、および／または、第２配置構成のスタンドオフ距離よりも接近してしまうのを防止したりすることができる。

本実施形態のＣＰＳ光学ペン１２０は、上述のような調整を実行可能に構成されていることが理解されるだろう。このことは、そのような調整ができるように構成されていない既知のＣＰＳ光学ペンと対照的である。例えば、特許文献３（米国特許第８，２１２，９９７号公報）に、既知のＣＰＳ光学ペンの実施形態が説明されており、どのようにしてレンジの拡張を達成するかを開示しているが、レンジやスタンドオフ距離は相対的に固定され、本書に開示するような方法で調整できるようには構成されていない。このような先行技術とは対照的に、本実施形態のＣＰＳ光学ペン１２０は（すなわち、本書が開示するように配置された第１、第２および第３軸上分散合焦要素１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃを含み）、そのような調整を実行可能に構成されている。

以下、本実施形態の変形例を説明する。工程５０２での第１長さＬ１と第２長さＬ２の調整は、ＣＰＳ光学ペン１２０の製造中に実行される。

また、ＣＰＳ光学ペン１２０は、第１長さＬ１と第２長さＬ２を調整するアクチュエータ１７０を含み、工程５０２での第１長さＬ１と第２長さＬ２の調整は、ＣＰＳ光学ペン１２０のユーザーによりアクチュエータ１７０の動作によって実行される。

また、ＣＰＳ光学ペン１２０は、複数の配置構成に設定可能に設けられ、複数の配置構成は、第１長さＬ１の値と第２長さＬ２の値によってそれぞれ定められており、工程５０２での第１長さＬ１と第２長さＬ２の調整は、複数の配置構成から１つを選択する選択手順を含む。また、複数の配置構成は、ＣＰＳ光学ペン１２０のスタンドオフ距離ＳＤの値と、ＣＰＳ光学ペン１２０のレンジＲの値とにそれぞれ関連付けられており、工程５０２での第１長さＬ１と第２長さＬ２の調整は、スタンドオフ距離ＳＤおよびレンジＲの各所望値を選択する選択手順を含む。

図３、図４に見られるように、ＣＰＳ光学ペン１２０の異なる配置構成は、作動レンジ、スタンドオフ距離、および、スポットサイズ（性能）についての異なる組み合わせを提供する。従って、ユーザーは、１以上のＣＰＳ光学ペンの別々の配置構成を組み合わせて使用することによって、複数の作動レンジを互いに「繋ぎ合わせる」することができる。それによって、高分解能の測定能力を維持しながら、ＣＰＳ光学ペンの全有効レンジを広げることができる。

図６は、調整可能なレンジを備えたＣＰＳ光学ペン１２０のレンジ対分解能比を説明するグラフである（線６０１，６０２で表された２つのレンジが示されている）。ユーザーが、２ｍｍから１０ｍｍまでの測定距離ＭＤに置かれた表面１９０の測定を実行したい場合を想定している。この場合、ユーザーは、光学ペン１２０の複数の配置構成の中から第１配置構成を選択することができ、線６０１で表された第１配置構成は、１３μｍから３１μｍまでの望ましい小スポットサイズを備えた２ｍｍから４ｍｍまでの第１レンジを提供する。その後、ユーザーは、光学ペン１２０の複数の配置構成の中から第２配置構成を選択することができ、線６０２で表された第２配置構成は、１８μｍから５０μｍまでの望ましい小スポットサイズを備えた４ｍｍから１０ｍｍまでの第２レンジを提供する。このように、２ｍｍから４ｍｍまでの測定距離ＭＤをカバーする第１配置構成と、４ｍｍから１０ｍｍまでの測定距離ＭＤをカバーする第２配置構成とを選択することによって、ユーザーは、２ｍｍから１０ｍｍまでの測定距離ＭＤの全体で、高分解能（小スポットサイズ）の測定能力を維持しながら、測定を実行することができる。

また、本発明のＣＰＳ光学ペンは、信号演算器を有する電子機器部を含み、第１および第２長さは、ワークの測定（例えば、概算および／または推定の寸法の測定）に十分なスタンドオフ距離およびレンジとなるように調整され、電子機器部は、ワークの測定値を決定するために動作するように構成されてもよい。ここで、決定された測定値は、第１および第２長さを用いて取得される第１測定セットに含まれ、当該第１および第２長さは、第１配置構成に対応する第１値に調整されており、また、電子機器部が第１測定セットを取得した後、第１および第２長さは、第２配置構成に対応する第２値に調整され、電子機器部は、第２測定セットの一部としての（例えば、同じ又は別の）ワークの測定値を決定するために動作するように構成されてもよい。

また、本発明の方法では、ワークの測定値は、第１配置構成に対応する第１値に調整された第１長さおよび第２長さを使って取得される第１測定セットに含まれており、
ＣＰＳ光学ペンが第１測定セットを取得した後、当該方法は、さらに、第２配置構成に対応する第２値に第１および第２長さを調整し、ＣＰＳ光学ペンを動作させてワーク（例えば、第１測定セットを取得した同一のワークまたは異なるワーク）の第２測定セットを取得する、ことを含んでいてもよい。

また、本発明の方法では、第１長さおよび第２長さの調整は、第１レンジを提供する第１配置構成に対応する第１値に調整するものであり、当該方法は、さらに、第１配置構成でＣＰＳ光学ペンを動作させて、ワークの第１測定セットを取得することを含んでいてもよい。
また、第１測定セットの取得後、第１および第２長さを、第１レンジよりも小さい第２レンジを提供する第２配置構成に対応する第２値に調整し、第２配置構成でＣＰＳ光学ペンを動作させて、ワークの第２測定セットを取得することを含み、第２測定セットは、第１測定セットよりも高分解能および小スポットサイズの少なくとも一方に対応していてもよい。

幾つかの具体的なサンプル値に関し、例えば２ｍｍから６ｍｍまでの管材半径の測定アプリケーション用に、図３の配置構成１に応じて長さＬ１，Ｌ２を調整することができる。さらなる例として、被測定管材の半径が２ｍｍから１０ｍｍまで変化する測定アプリケーションの場合は、図３の配置構成２に応じて長さＬ１，Ｌ２を調整することができる。同様に、被測定管材の半径が３ｍｍから１１ｍｍまで変化する測定アプリケーションの場合は、図３の配置構成３に応じて長さＬ１，Ｌ２を調整することができる。これらの例によれば、長さＬ１，Ｌ２は、第１測定セットの取得のために第１配置構成に対応する第１値に調整可能であり、その後、第２測定セットの取得のために第２配置構成に対応する第２値に調整可能であり、その後、第３測定セットの取得のために第３配置構成に対応する第３値に調整可能であるように（以下同様に）設けられていることが理解されるだろう。

Claims (25)

1. 対象表面までの距離の測定に利用できる信号を提供するように動作するクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）光学ペンであって、
   筐体と、
   光源光を出力して反射光を受光するアパーチャと、
   当該ＣＰＳ光学ペンの光軸に沿って配置され、前記アパーチャからの前記光源光を受光し、当該光を前記表面に向けて軸上色分散を伴う合焦された測定光束として出力し、前記表面から前記反射光を受光し、および、前記アパーチャの近傍に軸上色分散を伴った前記反射光を合焦させる軸上色収差手段と、を備え、
   前記軸上色収差手段は、
   複数の軸上分散合焦要素で形成され、
   前記光源光を受光し当該光源光を当該軸上色収差手段内の第１合焦領域で合焦させる第１軸上分散合焦要素と、
   前記第１合焦領域からの光を受光し当該光を当該軸上色収差手段内の第２合焦領域で合焦させる第２軸上分散合焦要素と、
   前記第２合焦領域からの光を受光して前記測定光束を出力する第３軸上分散合焦要素と、を含み、
   前記第１および第２軸上分散合焦要素間の第１長さは、調整可能に構成され、
   前記第２および第３軸上分散合焦要素間の第２長さは、調整可能に構成されている、
   ことを特徴とするクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）光学ペン。
2. 請求項１記載のＣＰＳ光学ペンであって、
   前記第１長さおよび前記第２長さは、前記ＣＰＳ光学ペンの製造中に調整可能に構成されている、ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
3. 請求項１記載のＣＰＳ光学ペンであって、
   前記第１長さおよび前記第２長さを調整するアクチュエータを備え、前記アクチュエータは当該ＣＰＳ光学ペンのユーザーによって動作可能に構成されている、ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
4. 請求項３記載のＣＰＳ光学ペンであって、
   前記アクチュエータは、前記第１長さおよび前記第２長さを変えるため、前記第１、第２および第３軸上分散合焦要素のうちの少なくとも１つを互いに対してスライドさせる１以上のリニア・アクチュエータを含んでいる、ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
5. 請求項１記載のＣＰＳ光学ペンは、複数の配置構成に設定可能に設けられ、前記複数の配置構成は、前記第１長さの各値と前記第２長さの各値によって定められている、ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
6. 請求項５記載のＣＰＳ光学ペンであって、
   前記複数の配置構成は、前記ＣＰＳ光学ペンの各スタンドオフ距離値、および、前記ＣＰＳ光学ペンの各レンジ値に関連付けられている、ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
7. 請求項６記載のＣＰＳ光学ペンであって、
   当該ＣＰＳ光学ペンの前記レンジ値の可変範囲は、３ｍｍ以上、３０ｍｍ以下の範囲であり、前記ＣＰＳ光学ペンの前記スタンドオフ距離値の可変範囲は、２ｍｍ以上、７ｍｍ以下の範囲である、ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
8. 請求項６記載のＣＰＳ光学ペンであって、
   前記複数の配置構成は、前記スタンドオフ距離での前記測定光束の各スポットサイズ値、および、前記スタンドオフ距離に前記レンジを加えた距離での前記測定光束の各スポットサイズ値に関連付けられている、ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
9. 請求項８記載のＣＰＳ光学ペンであって、
   前記複数の配置構成は、
   前記スタンドオフ距離２ｍｍ、前記レンジ４ｍｍ、前記スタンドオフ距離での前記スポットサイズ１４μｍ、および、前記スタンドオフ距離に前記レンジを加えた距離での前記スポットサイズ３１μｍに関連付けられた第１配置構成と、
   前記スタンドオフ距離２ｍｍ、前記レンジ８ｍｍ、前記スタンドオフ距離での前記スポットサイズ２２μｍ、および、前記スタンドオフ距離に前記レンジを加えた距離での前記スポットサイズ９８μｍに関連付けられた第２配置構成と、
   前記スタンドオフ距離３ｍｍ、前記レンジ８ｍｍ、前記スタンドオフ距離での前記スポットサイズ２１μｍ、および、前記スタンドオフ距離に前記レンジを加えた距離での前記スポットサイズ６２μｍに関連付けられた第３配置構成と、
   前記スタンドオフ距離４ｍｍ、前記レンジ７ｍｍ、前記スタンドオフ距離での前記スポットサイズ２０μｍ、および、前記スタンドオフ距離に前記レンジを加えた距離での前記スポットサイズ３５μｍに関連付けられた第４配置構成と、
   前記スタンドオフ距離４ｍｍ、前記レンジ１０ｍｍ、前記スタンドオフ距離での前記スポットサイズ２０μｍ、および、前記スタンドオフ距離に前記レンジを加えた距離での前記スポットサイズ６０μｍに関連付けられた第５配置構成と、を含む、ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
10. 請求項１記載のＣＰＳ光学ペンであって、
    前記第２軸上分散合焦要素は、少なくとも２つの中間軸上分散合焦要素で形成され、最初の中間軸上分散合焦要素および最後の中間軸上分散合焦要素を含み、
    前記最初の中間軸上分散合焦要素は、前記第１合焦領域からの光を受光し、その光を第１中間合焦領域で合焦させ、
    前記最後の中間軸上分散合焦要素は、最後の中間合焦領域からの光を受光し、その光を前記第２合焦領域で合焦させる、ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
11. 請求項１記載のＣＰＳ光学ペンであって、
    前記複数の軸上分散合焦要素のそれぞれは、前記複数の軸上分散合焦要素の間で同一の少なくとも１の光学コンポーネントを含む、ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
12. 請求項１１記載のＣＰＳ光学ペンであって、
    前記複数の軸上分散合焦要素は互いに同一である、ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
13. 請求項１記載のＣＰＳ光学ペンであって、
    前記複数の軸上分散合焦要素のそれぞれは、１以上の非球面レンズを含む、
    ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
14. 請求項１記載のＣＰＳ光学ペンであって、
    信号演算器を有する電子機器部をさらに備え、
    前記第１および第２長さは、ワークの特定寸法の測定に十分なスタンドオフ距離およびレンジとなるように調整され、前記電子機器部は、前記ワークの測定値を決定するために動作するように構成されている、ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
15. 請求項１４記載のＣＰＳ光学ペンであって、
    前記決定された測定値は、前記第１および第２長さを用いて取得される第１測定セットに含まれ、当該第１および第２長さは、第１配置構成の一部としての第１値に調整されており、
    前記電子機器部が前記第１測定セットを取得した後、前記第１および第２長さは、第２配置構成の一部としての第２値に調整され、前記電子機器部は、第２測定セットの一部であるワークの測定値を決定するために動作するように構成されている、
    ことを特徴とするＣＰＳ光学ペン。
16. 対象表面までの距離の測定に利用できる信号を提供するように動作するクロマティックポイントセンサ（ＣＰＳ）光学ペンのレンジおよびスタンドオフ距離を調整する方法であって、
    筐体と、光源光を出力して反射光を受光するアパーチャと、当該ＣＰＳ光学ペンの光軸に沿って配置され、前記アパーチャからの前記光源光を受光して、当該光を前記表面に向けて軸上色分散を伴う合焦された測定光束として出力し、前記表面から前記反射光を受光して、前記アパーチャの近傍に軸上色分散を伴って前記反射光を合焦させるように構成される軸上色収差手段と、を備え、前記軸上色収差手段は、複数の軸上分散合焦要素で形成され、前記光源光を受光し当該光源光を当該軸上色収差手段内の第１合焦領域で合焦させる第１軸上分散合焦要素と、前記第１合焦領域からの光を受光し当該光を当該軸上色収差手段内の第２合焦領域で合焦させる第２軸上分散合焦要素と、前記第２合焦領域からの光を受光して前記測定光束を出力する第３軸上分散合焦要素と、を含むＣＰＳ光学ペンを提供し、
    前記第１および第２軸上分散合焦要素間の第１長さと、前記第２および第３軸上分散合焦要素間の第２長さとを調整する、ことを特徴とする方法。
17. 請求項１６記載の方法であって、
    前記第１長さおよび前記第２長さは、前記ＣＰＳ光学ペンの製造中に調整される、ことを特徴とする方法。
18. 請求項１６記載の方法であって、
    前記ＣＰＳ光学ペンは、前記第１長さおよび前記第２長さを調整するように構成されたアクチュエータを備え、前記第１長さおよび前記第２長さは、前記ＣＰＳ光学ペンのユーザーにより調整される、ことを特徴とする方法。
19. 請求項１６記載の方法であって、
    前記ＣＰＳ光学ペンは、前記第１長さの値と前記第２長さの値によって定められる複数の配置構成に設定可能であり、前記第１長さおよび前記第２長さの調整は、前記複数の配置構成の中から１つを選択することを含む、ことを特徴とする方法。
20. 請求項１９記載の方法であって、前記複数の配置構成は、前記ＣＰＳ光学ペンのスタンドオフ距離の値、および、前記ＣＰＳ光学ペンのレンジの値にそれぞれ関連付けられ、前記第１長さおよび前記第２長さの調整は、前記スタンドオフ距離および前記レンジの望ましい値を選択することを含む、ことを特徴とする方法。
21. 請求項２０記載の方法であって、
    前記複数の配置構成は、前記スタンドオフ距離での前記測定光束のスポットサイズ値、および、前記スタンドオフ距離に前記レンジを加えた距離での前記測定光束のスポットサイズ値にそれぞれ関連付けられている、ことを特徴とする方法。
22. 請求項２０記載の方法であって、
    複数のレンジを繋ぎ合わせ可能であり、当該繋ぎ合わせは、
    第１レンジでの測定のために、前記複数の配置構成の中から、第１スタンドオフ距離および前記第１レンジに関連付けられた第１配置構成を選択し、前記第１レンジの測定用の前記第１配置構成になるように前記第１および第２長さを調整し、
    前記第１レンジとは別の第２レンジの測定のために、前記複数の配置構成の中から、第２スタンドオフ距離および前記第２レンジに関連付けられた第２配置構成を選択し、前記第２レンジの測定用の前記第２配置構成になるように前記第１および第２長さを調整することを含む、ことを特徴とする方法。
23. 請求項１６記載の方法であって、
    測定対象のワークの寸法を初期決定し、前記ワークの測定に十分なスタンドオフ距離およびレンジになるよう前記第１および第２長さを調整し、当該調整後、前記ＣＰＳ光学ペンを動作させて前記ワークの測定値を取得する、ことを特徴とする方法。
24. 請求項２３記載の方法であって、
    前記ワークの測定値は、第１配置構成の一部としての第１値に調整された前記第１および第２長さを使って取得される第１測定セットに含まれており、
    前記ＣＰＳ光学ペンが前記第１測定セットを取得した後、当該方法は、さらに、
    第２配置構成の一部としての第２値に前記第１および第２長さを調整し、前記ＣＰＳ光学ペンを動作させてワークの第２測定セットを取得する、ことを特徴とする方法。
25. 請求項１６記載の方法であって、
    前記第１および第２長さの調整は、第１レンジを提供する第１配置構成の一部としての第１値に調整するものであり、
    当該方法は、さらに、
    前記第１配置構成で前記ＣＰＳ光学ペンを動作させて、ワークの第１測定セットを取得し、
    前記第１および第２長さを、前記第１レンジよりも小さい第２レンジを提供する第２配置構成の一部としての第２値に調整し、
    前記第２配置構成で前記ＣＰＳ光学ペンを動作させて、前記ワークの第２測定セットを取得することを含み、
    前記第２測定セットは、前記第１測定セットよりも高分解能および小スポットサイズの少なくとも一方に対応している、ことを特徴とする方法。

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