JP5593227B2 - 光学センサーデバイス - Google Patents

Description

本発明は、光学センサーデバイスに関し、特に、測定及び／又は検査装置に用いられる光学センサーデバイスに関する。

そのような光学センサーデバイスは、触覚（ｔａｃｔｉｌｅ）を持っており、且つ交換可能なセンサーを有する多重座標測定装置（ｍｕｌｔｉ−ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ：ｍｕｌｔｉ−ＣＭＤ）の使用に特に好適である。しかし、本発明の光学センサーデバイスは、光学式ＣＭＤ、マルチセンサー式ＣＭＤ、顕微鏡及び他の光学式の測定及び／又は検査のシステム又は装置／デバイスに関連する別の構造的な形態にも用いられ得る。

多重座標測定装置は、様々な形態で、従来から公知である。ここで、主に触覚を持つセンサーを有するＣＭＤと、光学センサー又はマルチセンサーを有するＣＭＤとの間における相違点を挙げると、後者においては、センサーが、固定的に集積されており、対応する代替デバイス（ｃｈａｎｇｅ ｄｅｖｉｃｅ）によって交換できない。

そのような多重座標測定装置は、特許文献１において例として示されている。その装置において、測定されるべき対象物を接触することなく行う測定と、対象物を機械的に接触して行う測定との何れも、マルチセンサーセンシングシステムによって可能となる。光学センサーデバイスは、非接触式の測定のために提供され、機械的なセンシングヘッドは、機械的な接触式の測定のために提供される。ビデオセンサーに加えて、光学センサーデバイスも測定されるべき対象物の自動輪郭検出のためのレーザーセンサーを有する。特許文献１に開示されたレーザーセンサーは、一定の間隔で対象物の表面輪郭に沿って追従し、その結果、高精度で且つ実質上リアルタイムで輪郭検出を提供する。走査モードにおいて、ｚ−軸は継続的に再調節されて、レーザーセンサーは焦点平面において常に調節される。レーザーセンサーは、専用の線状測定範囲（ｌｉｎｅａｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒａｎｇｅ）を有しないトリガースキャナーとして動作する。すなわち、走査精度（ｓｃａｎｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ）は、光学センサーの移動（ｔｒａｖｅｌ）速度又は、サーボ遅延エラー（ｓｅｒｖｏ ｌａｇ ｅｒｒｏｒ）の振幅のオーダーにのみ依存する。測定精度に関する更なる限界は、光学的に粗い表面上（波長の振幅のオーダの凹凸）にコヒーレントなレーザービームをフォーカスするときに生成されるスペックル（ｓｐｅｃｋｌｅｓ）として呼ばれるものによって生じ、レーザーセンサーの測定信号の評価を困難にさせるか又は不可能にさせる。

また、測定がスペックルパターンの上記問題が生じないいわゆる白色光センサーを用いることで実行されることは、測定技術において公知である。その種類の白色光の測定システムは慣用的に、フレキシブルな光学ファイバーを介して制御ユニットに接続されたセンサーヘッドを備える。制御ユニットは、光源、分光器型受信機、測定データ評価手段、外部のデバイスへのデータインターフェース、及び電源を含む。しかし、その種類の測定システムは、ＣＭＤのための交換可能なセンサーとして用いられない。それは、そのような測定システムが、大きな体積の制御ユニットと、センサーヘッド及び制御ユニットの間で固定された接続部とを有するので、自動的に交換できないからである。更に、通常の白色光センサーは、顕微鏡の測定対物レンズと組み合わせられたＴＴＬセンサーとして用いられない。他の種類のセンサーと組み合わせた使用も可能でないように思われる。

独国特許出願公開第３８０６６８６号明細書

本発明の課題は、白色光源を使用する改善された光学センサーデバイスを開発することである。本発明の更なる課題は、座標測定装置に用いられることができると共に、そのようなＣＭＤのハードウェア及びソフトウェアと互換性のある光学センサーデバイスを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、課題は、測定及び／又は検査装置において用いられる光学センサーデバイスであって、広帯域放射源（白色光源として呼ばれる）、波長感応性受信機（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ）及びビーム分岐手段（ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｍｅａｎｓ）を有する白色光センサーを含む光学センサーヘッドと、測定ビームを測定されるべき対象物上に導くと共に、測定されるべき対象物から反射される反射ビームを検出する対物レンズ（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ）と、を備える光学センサーデバイスによって達成される。光学センサーデバイスは、ビデオセンサーを更に備え、ビデオセンサーのビーム経路は、光学センサーヘッドの白色光センサーのビーム経路と同じ対物レンズを通過する。

そのような構造を有する光学センサーデバイスは、コンパクトで軽量なデザインであり、ビデオセンサーと組み合わせられた白色光センサーを備えている。白色光センサーは、レーザーセンサーにおける上述の不利点（スペックルパターン）を伴うことなく、ビデオセンサーのためのオートフォーカス又はスキャナーとして特許文献１に記載された測定装置のレーザーセンサーと類似の方法で動作する。

本発明の好適な構成において、光学センサーデバイスは、白色光センサーのビーム経路をビデオセンサーのビーム経路内に反射させると共に、ビデオセンサーと対物レンズとの間に配置されたビームスプリッタ（又はＩＲミラー）を更に備える。このように、白色光センサーは、同じ対物レンズを用いるビデオセンサーとコンパクトに組み合わせられるので、白色光源の使用による利点に加えて、レーザーセンター及びビデオセンサーの組み合わせによる特許文献１の従来の測定装置において達成された利点も得られる。

本発明の更なる構成において、本光学センサーデバイスは、光学センサーヘッドを制御すると共に、光学センサーヘッドの白色光センサーによって生成される測定信号を評価する電子式の制御及び評価手段を更に備える。この電子式の制御及び評価手段は、光学センサーヘッドに対して分離された構成要素として形成されても良く、光学センサーヘッドと一体化されて形成されても良い。

本発明の代替的な構成において、光学センサーデバイスは、ビデオセンサー及び光学センサーヘッドを制御すると共に、ビデオセンサーと光学センサーヘッドの白色光センサーとのそれぞれによって生成される測定信号を評価する電子式の制御及び評価手段と、光学センサーデバイスを測定及び／又は検査装置に接続するための接続部（ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ）を有する変換アダプタと、を更に（一体化して）備える。

本発明の第２の態様によれば、上述した課題は、測定及び／又は検査装置において用いられる光学センサーデバイスであって、広帯域放射源（白色光源として呼ばれる）、波長感応性受信機、及びビーム分岐手段を有する白色光センサーを含む光学センサーヘッドと、白色光センサーに結合（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）され、測定ビームを測定されるべき対象物上に導くと共に、測定されるべき対象物から反射される反射ビームを検出する対物レンズと、を備える光学センサーデバイスによって達成できる。光学センサーヘッドは、白色光センサーを制御すると共に、白色光センサーによって生成される測定信号を評価する電子式の制御及び評価手段と、光学センサーヘッドを測定及び／又は検査装置に接続するための接続部を有する変換アダプタと、を更に含む。

このような構造を有する光学センサーデバイスの光学センサーヘッドは、コンパクトで軽量なデザインを有し、動作モードのためのすべての基本的な構成要素を含み、且つ自動スキャナー又はセンサー交換デバイス（ｓｅｎｓｏｒ ｅｘｃｈａｎｇｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）を有するすべての測定及び／又は検査装置及び／又は検査システムに用いられ得る。光学センサーヘッドによって生成される測定データは、例えば同じ測定及び／又は検査装置の触感センサー（ｔａｃｔｉｌｅ ｓｅｎｓｏｒｓ）によって生成される測定データと完全に互換可能である。

電子式の制御及び評価手段は、白色光センサーの波長感応性受信機によって生成された測定信号の増幅のための一つ又はそれ以上のアンプ（ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）を含む。好ましくは、アンプは、可変の高ゲインのアンプである。

光学センサーデバイスのロバスト機能（ｒｏｂｕｓｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を得るために、好ましくは広帯域放射光源、波長感応性受信機及び／又は一つ又はそれ以上のアンプは、温度制御型（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ）である。光学センサーデバイスのために用いられる対物レンズは、有限又は無限共役型の対物レンズ（ａ ｆｉｎｉｔｅ ｏｒ ｉｎｆｉｎｉｔｅ ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ）であってもよい。

好ましくは、ビデオセンサーは、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ、ＣＣＤ／ＣＭＯＳカメラ等を含む。

本発明の構成において、白色光センサーの広帯域放射光源は、波長感応性ダイオード配置と、開口部と、クロマチックレンズ配置（ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｌｅｎｓ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）と、を備え、白色光センサーの波長感応性受信機は、クロマチックレンズ配置と、開口部と、波長感応性フォトダイオード配置と、を備える。この場合において、広帯域放射光源及び波長感応性受信機のクロマチックレンズ配置は、例えば非球面レンズ（ａｓｐｈｅｒｉｃ ｌｅｎｓ）又は２つの球面レンズ（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｌｅｎｓｅｓ）によって形成され得る。広帯域放射光源及び波長感応性受信機の開口部は、約３μｍ〜６μｍの直径を有する。

本発明の代替的な構成において、ポリクロマチィックレンズ配置（ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｌｅｎｓ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）は、対物レンズと白色光センサーのビーム分岐手段との間に配置されており、光学センサーヘッドの白色光センサーにおける広帯域放射光源及び波長感応性受信機が、光ファイバーによってポリクロマチィックレンズ配置に結合されている。この場合において、ポリクロマチィックレンズ配置は、好ましくは色収差を生成する第１球面レンズと、球面収差を除去する第２球面レンズとを備える。更に、光ファイバーは光ファイバーの単一モードとして形成されており、その光ファイバーは約２μｍ〜１０μｍの範囲内のコア直径、好ましくは約３μｍ〜６μｍの範囲内のコア直径を有し、ビーム分岐手段は光ファイバーカプラーとして形成されており、光アイソレータはビーム分岐手段と広帯域放射光源との間に配置されていると共に、広帯域放射光源からビーム分岐手段への方向にのみ光を透過させることが好ましい。

本発明の上述した構成において、（ポリ）クロマチィックレンズ配置は、光学センサーヘッドが測定及び／又は検査装置のビデオセンサーのために通常用いられる標準対物レンズと組み合わせられて用いられることが可能となるように設計される。

本発明の更なる構成において、白色光センサーの広帯域放射光源は、一つのスーパールミネッセンスダイオード（ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｄｉｏｄｅ：ＳＬＥＤ）又は異なる波長を放射する（好ましくは、相補的なスペクトル範囲（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅｓ）を有する）複数のスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＥＤｓ）を備える。異なる波長を放射する複数のスーパールミネッセンスダイオードにより、測定範囲が拡張される。

本発明の更なる構成において、白色光センサーの波長感応性受信機は、異なる波長感応性を有する（好ましくは、相補的なスペクトル範囲を有する）複数のフォトダイオード又は複数のフォトダイオード領域を備える。

前述の及び更なる本発明の特徴及び利点は、添付図面を参照しつつ例として挙げられた好適且つ非限定的な実施形態の以下の記載からより理解されるであろう。

本発明が有効に用いられ得る多重座標の測定及び／検査装置の模式的な斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る光学センサーデバイスの基本的な構造の概略的なブロック回路図である。 図２における光学センサーデバイスの基本的な構造の概略的なブロック回路図である。 図１及び２の光学センサーデバイスのために一例として用いた電子式の制御及び評価手段の簡易化されたブロック回路図である。 本発明の第２実施形態に係る光学センサーデバイスの基本的な構造の概略的なブロック回路図である。 図５における光学センサーデバイスの基本的な構造の概略的なブロック回路図である。 本発明の第３実施形態に係る光学センサーデバイスの基本的な構造の概略的なブロック回路図である。 本発明の第４実施形態に係る光学センサーデバイスの基本的な構造の概略的なブロック回路図である。 図８における光学センサーデバイスの概略的なブロック回路図である。 本発明の第５実施形態に係る光学センサーデバイスの概略的なブロック回路図である。

図１を参照しつつ、まず多重座標測定装置の構造を、例に基づいてより詳細に説明する。その例では、以下において詳細に説明される本発明に係る光学センサーデバイスが有効に用いられ得る。本発明は、その特定の多重座標測定装置に限定されず、基本的には光学センサーデバイスを用いるあらゆる測定装置と組み合わせられ得ることが理解されるであろう。

図１は、多重座標測定装置の本質的な構成要素を示す斜視図である。測定装置は、２つの側面サポート１０、クロスメンバー（ｃｒｏｓｓ ｍｅｍｂｅｒ）１２、及び測定テーブル１４から構成された静止型ポータル構造（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｐｏｒｔａｌ）を有するポータル構造体（ｐｏｒｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の形で構成された測定機械である。クロスメンバー１２は、同時に横方向キャリア（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｃａｒｒｉｅｒ）１８のための第１ガイド（ｆｉｒｓｔ ｇｕｉｄａｎｃｅ）を形成する。横方向キャリア１８は、測定テーブル１４の縁部上の支持体２０によって支持される。横方向キャリア１８は、ｘ座標方向において端橋台（ｅｎｄ ａｂｕｔｍｅｎｔ）（図示せず）に至るまで平行に配列された２つのガイド１６、２２に沿って、測定テーブル１４にわたって配置され得る。測定テーブル１４は、例えば、回転式の測定テーブルの形態となっており、ｘｙ面において固定されている。

測定機械は、信号線２４によって評価及び／又は制御ユニット２６に接続されている。使用者のための入力デバイス２８、モニター３０、プリンター３２等は、順に評価及び／又は制御ユニット２６に接続されている。測定機械の構成要素の制御、及び測定信号の評価は、評価及び／又は制御ユニット２６によって影響を受ける。

測定機械の横方向キャリア１８には、キャリジ（ｃａｒｒｉａｇｅ）３４が搭載されている。キャリジ３４は、ｙ座標方向に横方向キャリア１８に沿って移動可能である。キャリジ３４には、ｚ座標方向において移動可能なスリーブ（ｓｌｅｅｖｅ）３６が搭載されている。代替的に、２つ又はそれ以上の分離されたスリーブがキャリジ３４に搭載されることができる。または、ｙ座標方向に移動可能であると共に、各々にそれぞれのスリーブが搭載される２つ又はそれ以上の分離されたキャリジが横方向キャリア１８上に設けられることもできる。最後に言及した場合において、様々なキャリジは互いに独立的に作動され得る。

光学センサーデバイス３８は、本発明に従って特別にデザインされており、スリーブ３６（随意的に複数のスリーブ）の下端に取り付けられている。

また、代替的な構成において、多重座標測定装置にｘｙ平面において移動可能な測定テーブル１４とｘｙ平面に固定されたスリーブ３６とが提供され得る。それによって、同じ相対的な移動が測定テーブル１４上の測定されるべき対象と光学センサーデバイスとの間に生じ得る。

一構成において、光学センサーデバイス３８は、測定装置の（好ましくは、自動的に）着脱可能な装置によって触覚センシングデバイスに如何なるときにも、且つ如何なる順序でも交換されることができ、実行される測定作業に対して高い柔軟性が保証される。個々のセンサー又はセンシングデバイス手段の組み合わせ使用は、複雑な測定作業が短時間で実行され得ることを意味する。

以下において、図２から図４を参照して、本発明に係る光学センサーデバイス３８の第１実施形態をより詳細に説明する。光学センサーデバイス３８の第１実施形態は、例えば上述した多重座標測定装置において用いられ得る。

光学センサーデバイス３８の主な構成要素は、光学センサーヘッド４０である。光学センサーヘッド４０は、光源及び受信機を有する白色光センサー４４と、白色光センサー４４に結合されている対物レンズ４６と、電子式の制御及び評価手段５４と、変換アダプタ４８（例えば、レニショーｐｌｃ社によって製造されたオートジョイント）とを含む。光学センサーヘッド４０のこれらの全ての構成要素は、コンパクトなセンサーハウジング内に配置される。変換アダプタ４８は、測定及び／又は検査装置への接続のための複数の接続部（図示せず）を有する。複数の接続部は、特に光学センサーデバイス３８へのパワーの提供と、光学センサーデバイスの測定データの信号伝送とのための接続部を含む。

本実施形態に係る光学センサーデバイス３８は、自動センサー交換器（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）を有する座標測定及び／又は検査装置との使用に有効に適合される。特に、光学センサーヘッド４０は、コンパクトな（小型、軽量な）構造内に光源、受信機及び（以下において詳細に説明される）光学デバイス、集積された電子式の制御及び評価手段５４のような全ての主な構成要素と、変換アダプタ４８によって測定装置と関連して要求されるインターフェースとを含む。従って、光学センサーデバイス３８は、使用者が測定及び／又は検査装置における従来のセンシングヘッドと同様の方法で使用することができる。

図３は、図２の光学センサーデバイス３８の構造、より正確には、幾つかの個々のユニットで構成されている白色光センサー４４の構造を示す。図３において、簡略化のために変換アダプタ４８が省略されている。

光学センサーヘッド４０の白色光センサー４４は、主な構成要素として広帯域放射光源（白色光源として呼ばれる）５０と波長感応性受信機５２とを有する。電子式の制御及び評価手段５４は、受信機５２に結合されており、以下において、図４を参照してより詳細に説明される。また、対物レンズ４６は、白色光センサー４４に結合されている。

広帯域放射光源５０は、特にスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＥＤ）を有し、単位面積当たりの高い光強度の多色の光ビーム（白色光）を生成する。ここにおいて用いられるスーパールミネッセンスダイオードは、スペクトルの帯域幅が、例えば４０ｎｍであり、中心波長が好ましくは７００ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲内であり、より好ましくは８００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲内であり、更に好ましくは８２０ｎｍ〜８６０ｎｍの範囲内である。スーパールミネッセンスダイオード５６からの多色の光ビームは、まず非常に小さな直径、好ましくは３μｍ〜６μｍの範囲内の直径を有する開口部５７を通過し、非常に小さな直径を有する光ビームを生成する。

開口部５７の通過後、クロマチックレンズ配置５８は、点状の光源５６、５７の波面（ｗａｖｅ ｆｒｏｎｔｓ）を平坦な波面に変換する。そのクロマチックレンズ配置は、例えば、非球面レンズ又は２つの球面レンズから構成され得る。そのクロマチックレンズ配置は、主光軸に沿った様々な波長に対する複数の焦点に起因して、高い縦軸方向の色収差(ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ)と最小限の球面収差（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ）を生成するように設計される。これにより、測定される対象物のｚ座標系の位置における有効なカラーコーディング（ｃｏｌｏｕｒ ｃｏｄｉｎｇ）が得られる。

第１クロマチックレンズ配置５８を通過した後、その光ビームは、ビームスプリッター６０を通過し、その後、対物レンズ４６のレンズ配置を通過して、小さいが強い光スポットの形態で測定されるべき対象物の測定面６４上にフォーカスされる。ＳＬＥＤ５６の後に対物レンズと組み合わせられた開口部５７を使用すると、実行される測定の高精度化のために重要である非常に小さなスポット直径が生成される。更に、異なる波長を含む多色光の構成要素は、異なる測定表面上にフォーカスされる。

対物レンズ４６のレンズ配置の通過後、測定されるべき対象物によって反射された光ビームは、ビームスプリッター６０上に再び突き当たり、波長感応性受信機５２上へ向けられる。

ビームスプリッター６０の後に、反射された光は、更なるクロマチックレンズ配置６６を経て受信機５２内に当たる。更なるクロマチックレンズ配置６６は、広帯域放射光源５０の上述の第１クロマチックレンズ配置５８と類似の構造を有することができ、例えば非球面レンズ又は２つの球面レンズとを備える。開口部６８は、クロマチックレンズ配置６６の下流に配置されており、約３μｍ〜６μｍの非常に小さな直径を有する。対応する焦点を有する波長の光のみがそれぞれ、クロマチックレンズ配置６６によって、開口部を通過する。

開口部６８を通過した光は、アクロマチックレンズ７０を通過した後、波長感応性検出手段７２上に突き当たる。波長感応性検出手段７２は、例えば２つのフォトダイオード又は２つのフォトダイオード領域を有する。２つのフォトダイオード又は２つのフォトダイオード領域は、一方が赤色波長帯（ｒｅｄ ｒａｎｇｅ）において増強された反応（ｂｏｏｓｔｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を示し、且つ他方が青色波長帯（ｂｌｕｅ ｒａｎｇｅ）において増強された反応を示し、また入射光の波長に比例する２つの光電流を生成する。２つの光電流の強度の比率は、入射光の波長だけに依存し、測定平面６４の焦点、すなわち測定されるべき対象物の測定ポイントのｚ座標がその測定信号から決定され得る。

波長感応性検出手段７２によって生成された測定信号（光電流）は電子式の評価手段５４を通過する。また、電子式の評価手段５４は、本光学センサーデバイス３８の光学センサーヘッド４０内に集積される。図４において示されているように、電子式の評価手段５４は、一実施形態において、受信機５２の非常に小さな測定信号を増幅するための２つの相互インピーダンスアンプ（ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）７４を含み、２つの相互インピーダンスアンプのそれぞれの下流には、アナログ−デジタル変換機７６が配置される。代替的に、対数アンプ（ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いることも想定され得る。２つのアナログ−デジタル変換機７６の出力は、その後マイクロプロセッサー７８において更に処理されて評価される。マイクロプロセッサー７８は、変換アダプタ７８のデータインターフェースに接続される。

白色光源５０及び波長感応性受信機５２を有する上述の白色光センサー４４によれば、レーザーセンサーが用いられる場合のようにスペックルによって不明確になることなく、且つ如何なる問題なしに、非常に正確に且つ迅速に表面の座標を測定することができる。

以下において、図５及び図６を参照しつつ、本発明に係る光学センサーデバイス３８の第２実施形態をより詳細に説明する。第２実施形態において、同じ又は同様の構成要素は、図２〜図４の第１実施形態中の同じ参照番号によって特定され、ここでは再度説明されない。

本実施形態に係る光学センサーデバイス３８の主な構成要素は、光学センサーヘッド４０、ビデオセンサー８０、ビームスプリッター８８及び対物レンズ４６である。本実施形態において、光学センサーヘッド４０は、第１実施形態の光学センサーヘッド４０と同様に、広帯域放射光源５０、波長感応性受信機５２、及びビーム分岐手段６０を有する白色光センサー４４を備える。ビデオセンサー８０は、好ましくは、標準顕微鏡の対物レンズである対物レンズと協働する。

光学センサーヘッド４０及びビデオセンサー８０は、ビデオセンサー８０のビーム経路が光学センサーヘッド４０の白色光センサー４４のビーム経路と同じ対物レンズ４６を通過するように組み合わせられる。好ましくは、ビームスプリッター８８は、ビデオセンサー８０と対物レンズ４６との間に配列される。光学センサーヘッド４０は、ビームスプリッター８８に結合されて、図５に示されているように、光学センサーヘッド４０の白色光センサー４４のビームの経路がビデオセンサー８０のビームの経路内に反射される。代替的に、そのビームスプリッターが光学センサーヘッド４０と対物レンズ４６との間に配置され、ビデオセンサー８０のビーム経路が光学センサーヘッド４０の白色光センサー４４のビーム経路内に反射されることもあることを理解されたい。

白色光センサー４４を有する光学センサーヘッド４０とビデオセンサー８０との組み合わせは、図６においてより詳細に示されている。しかし、簡略化のために、白色光センサー４４の説明は、ここでは詳細に反復しない。

ビデオセンサー８０は、光源８２を有する。光源８２からの光はレンズ８４によってビームスプリッター８６上に導かれる。ビームスプリッター８６によって、その光は、共通の対物レンズ４６に向かった方向に偏向される。光学センサーヘッド４０及びビデオセンサー８０の総合的な結合のために、更なるビームスプリッター８８が提供される。ビームスプリッター８８によって、一方ではビデオセンサー８０の光源８２からの光が、他方では光学センサーヘッド４０の白色光センサー４４の白色光源５０からの光が対物レンズ４６に導かれ、測定されるべき対象で反射された光は、各検出手段７２、９２に戻る。その受信機として、ビデオセンサー８０は、カメラ９２（ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、及びＣＣＤ／ＣＭＯＳ）を有し、そのカメラ９２の上流には、チューブ９０が配置されている。

ビデオセンサー８０は、本技術分野における当業者において長い間公知であるので、本願の文脈においては更なる説明は行わない。本発明に係る光学センサーデバイス３８は、特定ビデオセンサー８０を有する光学センサーヘッド４０との組み合わせにも限定されない。

本実施形態に係る光学センサー３８は、白色光センサー４４を含む光学センサーヘッド４０及びビデオセンサー８０を有するコンパクトなユニットを提供する。本実施形態において、白色光センサー４４は、特にビデオセンサー８０のためのフォーカス手段として用いられ得る。一方、レーザーセンサーの使用とは対照的に、白色光センサーにはスペックルパターンの問題が生じないので、測定精度の高自由度が得られると共にｚ座標軸を再調整することなくセンサーの線形測定範囲が走査される。その結果は、より速い走査速度とより高い走査精度とをもたらす。

従来の構造と対照的に、白色光センサー４４を備える光学センサーヘッド４０は、既存の測定装置及び／又は検出装置のビデオセンサー８０の標準対物レンズ４０と組み合わせて用いられるのに適している。これは、白色光センサー４４が、広帯域放射ソース５０の特別に設計されたクロマチックレンズ配置５８、６６と波長感応性受信機５０とを備えており、クロマチックレンズ配置５８、６６が平行な光ビームを、従来の測定装置及び／又は検出装置のビデオセンサー８０に搭載されている対物レンズ４６に結合させるからである。

以下において、図７を参照して、本発明に係る光学センサーデバイス３８の第３実施形態をより詳細に説明する。

第３実施形態に係る光学センサーデバイス３８は、上述した第１及び第２の実施形態に係る光学センサーデバイスの組み合わせである。換言すると、光学センサーデバイス３８は、特に白色光センサー４４とビデオセンサー８０とを備え、白色光センサー４４のビーム経路は、ビームスプリッター８８によってビデオセンサー８０のビーム経路と同じ対物レンズ４６を通過する。更に、光学センサーデバイス３８は白色光センサー４４のための電子式の制御及び評価手段５４ａと、ビデオセンサー８０のための電子式の制御及び評価手段５４ｂとを含むか、又は両センサー４４、８０のための共通の電子式の制御及び評価手段５４とを含む。規定された要素の全てが、変換アダプタを有するコンパクトな光ハウジングに配置される。

光学センサーデバイス３８の各々の要素及びそれらの利点は、図２〜図６を参照して既に詳細に説明されており、ここではより詳細は不要であろう。図７に示された光学センサーデバイス３８では、第１及び第２の実施形態の構成要素だけでなく、それらの利点とも当然に組み合わせられ得る。

以下において、図８及び図９を参照して、本発明に係る光学センサーデバイス３８の第４実施形態をより詳細に説明する。特に、光学センサーデバイス３８は、図２〜図４において示された第１実施形態に係る光学センサーデバイス３８の有利な変形例である。

図８において示されているように、光学センサーヘッド４０の白色光センサー４４における広帯域放射光源５０及び波長感応性受信機５２は、光ファイバー（ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃｓ）９４及びポリクロマチィックレンズ配置９６によって対物レンズ４６に結合される。

白色光センサー４４の光学的な構成要素を対物レンズ４６に結合するために光ファイバー９４及びポリクロマチィックレンズ配置９６を用いることで、図３において示された上述の第１実施形態の白色光センサー４４における光源５０及び受信機５２のそれぞれのレンズ配置５８、６６及び開口部５７、６８が省略され得る。その結果、本実施形態の光学センサーヘッド４０は更に小型化及び軽量化され、製造、組み立て、及び調整（ｃａｌｉｂｒａｔｅ）のそれぞれも容易になる。

以下において、図９を参照して、本発明に係る光学センサーデバイスの第４実施形態をより詳細に説明する。

白色光センサー４０は、単一モード光ファイバー９４によって、対物レンズ４６に結合される。光ファイバー９４によって伝搬される光は、ポリクロマチィックレンズ配置９６を照らして対物レンズ４６を通過し、測定平面６４上にフォーカスされる。すなわち、測定されるべき対象物上に導かれる。

ポリクロマチィックレンズ配置９６の焦点距離は、光の波長に依存する。好適な実施形態において、このポリクロマチィックレンズ配置９６の後側焦点距離（ｂａｃｋ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ）の最大偏差を得るために複数のポリクロマチィックレンズ配置のうちの最初に用いられる光学ガラスは屈折率の最大偏差を有する。更に、ポリクロマチィックレンズ配置９６は、好ましくは色収差（ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）を生成する第１球面レンズと、球面収差を除去する第２球面レンズとを備える。

本光学センサーデバイスの白色光センサー４４は、広帯域放射光源（白色光源として呼ばれる）５０と波長感応性受信機５２とを有する。電子式の制御及び評価手段５４は、波長感応性受信機５２に結合されており、例えば図４を参照して上述した電子式の制御及び評価手段５４に対応する。

広帯域放射光源５０は特に、単位面積当たり高い光強度を有する多色の光ビーム（白色光）を生成するスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＥＤ）を有する。ここで用いられるスーパールミネッセンスダイオードは、スペクトルの帯域幅が例えば４０ｎｍであり、中心波長が、好ましくは７００ｎｍ〜１５００ｎｍ範囲内、より好ましくは８００ｎｍ〜９００ｎｍ範囲内、更に好ましくは８２０ｎｍ〜８６０ｎｍ範囲内にある。

白色光センサー４４の広帯域放射光源５０を対物レンズ４６に結合するための単一モード光ファイバー９４は、好ましくは２μｍ〜１０μｍの範囲内のコア直径を有し、より好ましくは３μｍ〜６μｍの範囲内のコア直径を有する。

好適な実施形態において、広帯域放射光源５０によって出射される光の中心波長は、例えば０．８４μｍであり、光ファイバー９４のコア直径は約５μｍであり、ポリクロマチィックレンズ配置９６の上流にある光ファイバーの先端の直径は約４．５μｍであり、対物レンズ４６の倍率は約１０×である。

測定されるべき対象物から反射された光は、単一モード光ファイバー９４によって、対物レンズ４６から白色光センサー４４の波長感応性受信機５２に導かれる。白色光センサー４４の照射チャンネル及び受信チャンネルを分離するために、光ファイバーカプラー６０は、白色光センサー４４内に配置され、広帯域放射光源５０及び波長感応性受信機５２のそれぞれに結合された光ファイバー９４のためのビーム分岐手段を形成する。反射された光が広帯域放射光源５０に至ることを避けるために、好ましくは光を一方向にのみ通過させる光アイソレータ９８が光ファイバーカプラー６０と広帯域放射光源５０との間に配置される。

波長感応性受信機５２は、波長感応性検出手段を備える。波長感応性検出手段は、例えば２つのフォトダイオード又は２つのフォトダイオード領域を有する。２つのフォトダイオード又は２つのフォトダイオード領域は、一方が赤色波長帯において増強された反応を示し、且つ他方が青色波長帯において増強された反応を示し、また入射光の波長に比例する２つの光電流を生成する。２つの光電流の強度の比率は、入射光の波長だけに依存し、測定平面６４の焦点、すなわち測定されるべき対象物の測定ポイントのｚ座標がその測定信号から決定され得る。

波長感応性検出手段によって生成された測定信号（光電流）は電子式の評価手段５４を通過する。電子式の評価手段５４も、光学センサーデバイスの光学センサーヘッド４０において集積されている。好ましくは、受信機５２、アンプ７４及び変換機７６の構成要素は、ペルチェ冷却されている。

白色光源５０と波長感応性受信機５２とを有する上述の白色光センサー４によれば、如何なる問題を伴うことなく、レーザーセンサーを使用する場合に生ずるであろうスペックルによって混同されることなく、非常に正確で且つ迅速な表面の座標検出が可能となる。更に、白色光センサー４４の光学的な構成要素を対物レンズ４６と結合させるために光ファイバー９４を用いることによって、特殊なレンズ及び開口部のような更なる光学要素を省略することができる。結果として、本実施形態の光学センサーデバイスは、更にコンパクトとなると共により容易に組み立てられ得る。

図８及び図９において示されているように、白色光センサー４４、対物レンズ４６、及び電子式の制御及び評価手段５４は、図２〜図４において示されている実施形態と同様に、一つの光学センサーヘッド３８に集積される。代替的に、白色光センサー４４と電子式の制御及び評価手段５４とが分離されても良い。これは、光学的なセンサーデバイスの全ての電気的な構成要素が、センサーヘッドの光学的な構成要素から離間して位置されることを意味する。結果として、センサーヘッドの光学的な構成要素は、光学的なセンサーデバイスの電気的な構成要素から生成される熱によって影響され得ない。

以下において、図１０を参照しつつ、本発明に係る光学センサーデバイスの更なる実施形態をより詳細に説明する。この実施形態は、上述の第２実施形態（図２〜図４参照）及び第４実施形態（図８及び図９参照）の組み合わせである。

本光学センサーデバイスの本質的な構成要素は、白色光センサー４４、ビデオセンサー８０、対物レンズ４６及びビーム分岐手段８０である。本実施形態において、白色光センサー４４は上述した第４実施形態に係る光学センサーデバイスの白色光センサーに対応する。白色光４４及びビデオセンサー８０は、白色光センサー４４のビーム経路が、ビデオセンサー８０の対物レンズ４６を通過するように組み立てられる。換言すれば、ビデオセンサー８０のビーム経路が、白色光センサー４４のビーム経路と同じ対物レンズ４６を通過する。

これを実現するために、光学センサーデバイスは、ビデオセンサー８０と対物レンズ４６との間に配置されるビームスプリッター８８を備える。図１０において示されているように、白色光センサー４４は、ビームスプリッター８８に結合され、白色光センサー４４のビーム経路がビデオセンサー８０のビーム経路内で反射される。すなわち、ビームスプリッター８８は、一方においてビデオセンサー８０の光源８２からの光を対物レンズ４６に導くと共に、他方において白色光センサー４４からの光を対物レンズ４６にガイドする。測定されるべき対象物で反射される光は、ビデオセンサー８０及び白色光センサー４４のそれぞれの受信機に戻される。

多重座標の測定及び／又は検出装置における本発明に係る光学センサーデバイスの使用を参照しつつ、本発明を詳細に説明してきたが、本発明は特定の用途に限定されない。本発明に係る光学センサーデバイスは他の光学測定及び検査システムと関連して用いられることができ、他の装置／デバイスにおいても同様に用いられ得る。例えば、白色光センサー４０を有する光学センサーデバイスは、加工レーザー（例えば、ＹＡＧレーザー）の再調整のための装置／デバイスのための測定センサー及び／又はオートフォーカスとして用いられ得る。更に、本光学センサーデバイスの更なる可能性のある使用法は、本明細書を精査すれば、当業者にとって直ちに明らかとなるであろう。

Claims (15)

1. マルチセンサ多重座標測定装置において用いられる光学センサーデバイス（３８）であって、
   広帯域放射源（５０）、波長感応性受信機（５２）、クロマチックレンズ配置（５８、６６)及びビーム分岐手段（６０)を有する白色光センサー（４４）を含む光学センサーヘッド（４０）と、
   測定ビームを測定されるべき対象物上に導くと共に、前記測定されるべき対象物から反射される反射ビームを検出する対物レンズ（４６)と、
   を備え、
   前記光学センサーデバイス（３８）が、ビデオセンサー（８０）を更に備え、
   前記ビデオセンサー（８０）のビーム経路は、前記光学センサーヘッド（４０）の前記白色光センサー（４４）のビーム経路と同じ前記対物レンズ（４６）を通過する光学センサーデバイス（３８）。
2. 前記光学センサーヘッド（４０）の前記白色光センサー（４４）の前記ビーム経路を前記ビデオセンサー（８０）の前記ビーム経路内に反射させると共に、前記ビデオセンサー（８０）と前記対物レンズ（４６）との間に配置されるビームスプリッタ（８８）を更に備える、請求項１に記載の光学センサーデバイス。
3. 前記光学センサーヘッド（４０）を制御すると共に、前記光学センサーヘッド（４０）の前記白色光センサー（４４）によって生成される測定信号を評価する電子式の制御及び評価手段(５４)を更に備える、請求項１又は２に記載の光学センサーデバイス。
4. 前記ビデオセンサー（８０）及び前記光学センサーヘッド（４０）を制御すると共に、前記ビデオセンサー（８０）と前記光学センサーヘッド（４０）の前記白色光センサー（４４）とのそれぞれによって生成される測定信号を評価する電子式の制御及び評価手段(５４ａ、５４ｂ)と、
   前記光学センサーデバイス（３８）を測定及び／又は検査装置に接続するための接続部を有する変換アダプタ(４８)と、
   を更に備える、請求項１又は２に記載の光学センサーデバイス。
5. マルチセンサ多重座標測定装置において用いられる光学センサーデバイス（３８）であって、
   広帯域放射源（５０）、波長感応性受信機（５２）、クロマチックレンズ配置（５８、６６)及びビーム分岐手段（６０)を有する白色光センサー（４４）を含む光学センサーヘッド（４０）と、
   前記白色光センサー（４４）に結合され、測定ビームを測定されるべき対象物上に導くと共に、前記測定されるべき対象物から反射される反射ビームを検出する対物レンズ（４６)と、
   を備え、
   前記光学センサーヘッド（４０）が、
   前記白色光センサー（４４）を制御すると共に、前記白色光センサー（４４）によって生成される測定信号を評価する電子式の制御及び評価手段（５４）と、
   前記光学センサーヘッド（４０）を測定及び／又は検査装置に接続するための接続部を有する変換アダプタ（４８）と、
   を更に含む光学センサーデバイス。
6. 前記電子式の制御及び評価手段（５４；５４ａ、５４ｂ）が、前記白色光センサー（４４）の前記波長感応性受信機（５２）によって生成された測定信号の増幅のための一つ又はそれ以上のアンプ（７４）を含む、請求項３〜５の何れか一項に記載の光学センサーデバイス。
7. 前記白色光センサー（４４）の前記広帯域放射光源（５０）が、
   スーパールミネッセンスダイオード（５６）と、
   開口部（５７）と、
   前記クロマチックレンズ配置（５８）と
   を備え、
   前記白色光センサー（４４）の前記波長感応性受信機（５２）が、
   前記クロマチックレンズ配置（６６)と、
   開口部（６８)と、
   波長感応性測定ダイオード配置（７２）と、
   を備える、請求項１〜６の何れか一項に記載の光学センサーデバイス。
8. 前記広帯域放射光源（５０）の前記開口部（５７）と前記波長感応性受信機（５２）の前記開口部（６８)とのそれぞれが、約３μｍ〜６μｍの直径を有する、請求項７に記載の光学センサーデバイス。
9. ポリクロマチィックレンズ配置（９６）が、前記対物レンズ（４６)と前記白色光センサー（４４）の前記ビーム分岐手段（６０）との間に配置されており、
   前記白色光センサー（４４）における前記広帯域放射光源（５０）及び前記波長感応性受信機（５２）が、光ファイバー（９４）によって前記ポリクロマチィックレンズ配置（９６)に接合されている、請求項１〜６の何れか一項に記載の光学センサーデバイス。
10. 前記ポリクロマチィックレンズ配置（９６）が、色収差を生成する第１球面レンズと、球面収差を除去する第２球面レンズとを備える、請求項９に記載の光学センサーデバイス。
11. 前記光ファイバー（９４）が、約２μｍ〜１０μｍの範囲内のコア直径、好ましくは約３μｍ〜６μｍの範囲内のコア直径を有する、請求項９又は１０に記載の光学センサーデバイス。
12. 前記ビーム分岐手段（６０)が、光ファイバーカプラーとして形成されている、請求項９〜１１の何れか一項に記載の光学センサーデバイス。
13. 光アイソレータ（９８）が、前記ビーム分岐手段（６０）と前記広帯域放射光源（５０）との間に配置されていると共に、前記広帯域放射光源（５０）から前記ビーム分岐手段（６０）への方向のみに光を透過させる、請求項９〜１２の何れか一項に記載の光学センサーデバイス。
14. 前記白色光センサー（４４）の前記広帯域放射光源（５０）が、一つのスーパールミネッセンスダイオード（５６）又は異なる波長を放射する複数のスーパールミネッセンスダイオード（５６）を備える、請求項１〜１３の何れか一項に記載の光学センサーデバイス。
15. 前記白色光センサー（４４）の前記波長感応性受信機（５２）が、異なる波長感応性を有する複数のフォトダイオード又は複数のフォトダイオード領域を備える、請求項１〜１４の何れか一項に記載の光学センサーデバイス。

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