JP5748517B2 - クロマティック共焦点センサ光学ペン - Google Patents

Description

本発明は、一般的に精密測定装置に関し、より詳細には、クロマティック共焦範囲感知用の光学ペンに使用され得るものなどのクロマティックセンサレンズ構成に関する。

距離感知計測応用に色収差制御技術が使用され得る。"Pseudocolor Effects of Longitudinal Chromatic Aberration," G. Molesini and S. Quercioli, J. Optics (Paris), 1986, Volume 17, No. 6, pages 279-282で説明されているように、制御された縦色収差を光学的画像化システムに取り込み、画像化システムの焦点距離を波長によって変化させ、それにより、光学計測用手段を提供し得る。特に、後方焦点距離（ＢＦＬ）が波長の単調関数であるレンズを設計できる。白色光動作では、そのようなレンズは、軸方向にレインボー状に分散した焦点を示し、距離感知用途用のスペクトルプローブとして使用され得る。

クロマティック共焦技術を光学式高さセンサにおいて使用することも知られている。米国特許第７，４７７，４０１号で説明されているように、軸方向色収差（軸方向または長手方向の色分散とも称す）を有する光学素子を使用して、焦点を合わせるべき軸方向距離が波長によって変化するように広帯域光源をフォーカスさせ得る。それゆえ、１つの波長のみが正確に表面上に焦点が合わせられ、かつ表面の高さによって、どの波長の焦点が最も合わせられるかが決定される。光が表面から反射すると、ピンホールや光ファイバの端部など小さな検出器アパーチャ上に再びフォーカスされる。表面から反射し、光学系を通過して入出力ファイバまで戻ると、表面に上手く焦点が合わせられている波長のみがファイバ上で上手く焦点が合う。他の波長は全てファイバ上で上手く焦点が合わないため、ファイバにあまりパワーを結合することができない。それゆえ、物体の高さに対応する波長の信号レベルが最大となる。検出器におけるスペクトロメータが各波長の信号レベルを測定し、それが効果的に物体の高さを示す。

一部の製造者は、クロマティック共焦点センサおよび／または「光学ペン」としての産業上の設定においてクロマティック共焦測距に好適な、実用的で小型の光学アセンブリに言及している。Ｚ軸の高さを測定する光学ペン機器の１つの例は、STIL, S.A. of Aix-en-Provence, France (STIL S.A.)で製造されたものである。具体例として、STIL光学ペンモデル番号OP300NLはＺ軸の高さを測定し、３００ミクロン範囲を有する。

クロマティック共焦点センサ用の別の構成が、同一出願人による米国特許第７，６２６，７０５号（'７０５号特許）に記載されている。この特許は、光学的スループットを改善しかつスポットサイズを改善するレンズ構成を開示しており、それにより、種々の市販の構成と比較して測定分解能を改善する。

クロマティック共焦点センサまたは光学ペンでは、温度変化によりレンズ、ハウジングおよび取付要素などの種々の構成部品が膨張または収縮する場合、光学ペンの全屈折力が変化する。この熱感度は、所与の波長の焦点が最も合わせられているＺ軸の高さで変化するので、表面高さ測定に誤差をもたらす。種々の適用に対して、精度、スポットサイズなどに関して十分な性能を維持するために、光学ペンの熱感度を改善することが望ましい。

本発明は、温度変化に対してより繰り返し可能で信頼性のある色範囲感知をもたらすために、熱的に補償された光学ペン用のレンズ構成を改良することに関する。

この概要は、下記の詳細な説明でさらに説明されるひと通りの概念を簡易な形態で取り入れるために提供される。この概要は、特許請求される主題の主要な特徴を特定するものでも、また、特許請求される主題の範囲の決定を支援するために使用されるものでもない。

熱補償を含むクロマティックセンサレンズ構成が、熱的に補償されたクロマティック共焦点センサ光学ペンに設けられる。本発明の一態様によれば、熱補償を含む色分散レンズ構成を、ハウジング、入出力光ファイバ、および検出器アパーチャも含むクロマティック共焦点センサ光学ペンの光学素子部分に使用する。入出力光ファイバは検出器アパーチャを通して光源光を出力しかつ反射光を受光する。レンズ構成は光軸に沿って配置される。レンズ構成は、アパーチャから光源光を受光して、それを、ワークピース表面に向けて軸方向に色分散させてフォーカスさせる。レンズ構成はまた、ワークピース表面からの反射光を受光して、検出器アパーチャの近傍に、軸方向に色分散させて反射光をフォーカスさせる。

本発明の別の態様によれば、色分散レンズ構成は、複レンズ素子、およびアパーチャから複レンズ素子よりも遠くに配置された正の屈折力のレンズ部分を含む。複レンズ素子は、アパーチャの近くに配置された第１の部分と、アパーチャから離れて配置された第２の部分とを含む。一実施形態では、正の屈折力のレンズ部分は、複レンズ素子の第２の部分に近接して配置された両凸レンズ素子と、両凸レンズ素子に近接して配置された第１のメニスカスレンズ素子と、第１のメニスカスレンズ素子に近接して配置された第２のメニスカスレンズ素子とを含む。

色分散レンズ構成の各レンズ素子は、温度Ｔの範囲にわたって（例えば、１０℃〜３０℃）屈折力φ_i、熱膨張係数α_Ti、屈折率ｎ_iおよび熱焦点ずれ（thermal defocus）係数χ_iによって特徴づけられ、ここで：

である。

本発明の別の態様によれば、正の屈折力のレンズ部分の少なくとも２つのレンズ素子（一実施形態では少なくとも２つの両凸レンズ、第１のメニスカスレンズおよび第２のメニスカスレンズ）が、（例えば、ハウジングの熱膨張、複レンズ部分の熱焦点ずれなどによって生じた）光学ペンの全体的な熱感度を少なくとも部分的に補償するように選択される。例えば、一実施形態では、クロマティック共焦点センサ光学ペンの熱感度を補償する少なくとも２つの両凸レンズ、第１のメニスカスレンズおよび第２のメニスカスレンズは、小さくても１０ｐｐｍ／℃の範囲の熱焦点ずれ係数χ_iを有する。一部の実施形態では、第１のメニスカスレンズおよび第２のメニスカスレンズは、特に、このように選択されて、ハウジングの熱膨張から生じたクロマティック共焦点センサ光学ペンの熱感度を補償する。

本発明の別の態様によれば、クロマティック共焦センサペンはさらに組立要素および端部要素を含み、正の屈折力のレンズ部分の少なくとも２つのレンズ素子は、ハウジングの熱膨張から生じた熱感度、および追加的に組立要素および端部要素の熱膨張から生じた熱感度を含め、クロマティック共焦点センサ光学ペンの全体的な熱感度を補償する。

本発明の別の態様によれば、クロマティック共焦センサ光学ペンはさらに、入出力光ファイバサブアセンブリを含み、正の屈折力のレンズ部分の少なくとも２つの素子は、ハウジングの熱膨張から生じた熱感度、および追加的に入出力光ファイバサブアセンブリの熱膨張から生じた熱感度を含めて、クロマティック共焦点センサ光学ペンの全体的な熱感度を補償する。

本発明の別の態様によれば、色分散レンズ構成の各レンズ素子はガラス材料製である。

本発明の別の態様によれば、色分散レンズ構成の各レンズ素子は球面を有する。球面レンズを用いることによって、複雑さが低減し、かつレンズ構成費用全体を削減する。

本発明による熱補償を含む色分散レンズ構成を使用するクロマティック共焦点センサ光学ペンは、比較的単純なレンズ構成を使用しながらも、熱感度が低減される一方、所望の光学的スループット、スポットサイズ、測定範囲および離間距離（standoff）を維持するという利点を有する。以前は、そのような単純な光学ペンのレンズ構成（例えば、'７０５号特許に説明されているような）は、熱感度がかなり高かった。例えば、一実施形態では、'７０５号特許による光学ペンの熱感度は約２１０ｎｍ／℃となり得る一方、本発明による熱補償を含む色分散レンズ構成を使用する光学ペンの熱感度は、類似のハウジング材料を使用して約７０ｎｍ／℃となり、または他の材料および設計特徴も変更すると、それよりも小さくなり得る。

上述の態様および本発明に付随する利点の多くは、以下の詳細な説明を添付の図面と併せて参照することでより理解されることにより、より明らかとなるであろう。

本発明による熱補償を含み得る色分散レンズ構成の例示的な実施形態の概略的な側面図である。 図１のレンズ構成のレンズ素子のアッベ数、屈折率、熱焦点ずれ係数および熱膨張係数の例示的な１組のセットの表である。 図１のレンズ構成を含む、例示的なクロマティック共焦点センサ光学ペン構成の選択した部分の分解図である。 図３に示すのと類似の構成部品を含み、さらに入出力光ファイバ部分を含む、組み立てられたクロマティック共焦点センサ光学ペンの断面図である。

図１は、本発明による色分散レンズ構成１００の動作の例示的な実施形態の概略的な側面図５０である。レンズ構成１００は、複レンズ素子１０１、および正の屈折力のレンズ部分１０５を含む。当然のことながら、レンズ構成１００は例示にすぎず、限定ではない。種々の実施形態では、正の屈折力のレンズ部分は少なくとも２つのレンズ素子を含む。一部の実施形態では、正の屈折力のレンズ部分は最大で４つのレンズ素子を含む。図１に示す特定の実施形態では、正の屈折力のレンズ部分１０５は両凸レンズ素子１０２、ならびにメニスカスレンズ素子１０３および１０４を含む。複レンズ素子１０１は第１のレンズ部分１０１Ａおよび第２のレンズ部分１０１Ｂから形成される。メニスカスレンズ素子１０３および１０４は、図１に概略を示すように、両面が同じ方向に湾曲しており、正の屈折力をもたらしかつレンズ構成１００から出射される光をフォーカスさせるように向けられている。図１に示す構成では、フォーカスシングレンズの働きを空気で分離された３つの単レンズ１０２〜１０４に分割することによって、正の屈折力のレンズ部分１０５の球面収差をより簡単に制御しまたは構成し得る。加えて、本発明によれば、空気で分離された３つの単レンズ１０２〜１０４は、ハウジングおよび光学ペンの追加的な素子の熱膨張を補償するパラメータを含み、それについては以下詳細に説明する。

図４に関して以下詳細に説明するように、動作中、入出力光ファイバ１１２からの光が、レンズ構成１００に対して固定されている検出器アパーチャ１９５から出射して光軸に沿って出射光ビームをもたらす。一実施形態では、入出力光ファイバ１１２のコアの端部がアパーチャ１９５（例えば、５０ミクロンのコア直径、または先細ファイバコアの場合は２０ミクロンとほぼ同じアパーチャ）をもたらし得る。各限界光線（limiting ray）ＬＲ１およびＬＲ２内にある出射光ビームは任意選択的な開口絞り１０８によって制限され、かつ、いずれの場合にも、複レンズ素子１０１を通って、正の屈折力のレンズ部分１０５によってワークピース表面９０上にフォーカスされ続け得る。限界光線ＬＲ１およびＬＲ２によって示すように、ワークピース表面９０から反射すると、光はレンズ構成１００によって再びアパーチャ１９５にフォーカスされる。距離ＦＲはレンズ構成１００の背面とアパーチャ１９５との間の間隔を表す。レンズ構成１００によってもたらされる軸方向の色分散のために、１つの波長の焦点のみが表面９０に合い、レンズ構成１００から表面９０までの距離によって、どの波長の焦点が最も合っているかが決まる。表面９０に最も焦点が合わせられる波長はまた、アパーチャ１９５に最も焦点が合わせられる波長である。それゆえ、アパーチャ１９５を通って入出力光ファイバ１１２のコアに入射する光は、ほとんどが最もフォーカスされた波長を有するように空間的にフィルタリングされる。種々の実施形態では、入出力光ファイバ１１２は、最も高い信号レベルに対応する波長を決定するために使用されるスペクトロメータ（図示せず）に信号光を送り、それゆえワークピース表面９０までの距離を判断する。

図１に、収束角／発散角θ₁、θ₂、および前側合焦距離ＦＦ、後側合焦距離ＦＲを示す。後側合焦距離ＦＲは、アパーチャ１９５からレンズ構成１００の後面まで延在し、前側合焦距離ＦＦはレンズ構成１００の前面から延在する。一実施形態では、検出器集束開口数（ＮＡ_det）は、以下の式：
ＮＡ_det＝ｓｉｎθ₁ （式１）
によって角度θ₁に関係する。

さらに、ワークピース表面における物体開口数（object numerical aperture）（ＮＡ_object）は、以下の式：
ＮＡ_object＝ｓｉｎθ₂ （式２）
によって焦点角（focal angle）θ₂に関係する。

アパーチャ１９５の所与の寸法では、縮小比（demagnification ratio）（ＮＡ_det／ＮＡ_object）は、ワークピース表面９０にフォーカスされた測定点の横方向の距離を決定し得る。それゆえ、本明細書の他の個所で詳細に説明するように、種々の実施形態では、縮小比を、レンズ構成１００によって満たされるべき重要な設計パラメータとし得る。

当然のことながら、ｓｉｎθ₂および前側合焦距離ＦＦは、一般的に、レンズ構成１００によってもたらされた軸方向の色分散のために光の波長に依存する。所望の軸方向の色分散をもたらすことに関する種々の検討事項を以下詳細に説明する。図１にはまた、レンズ群の、レンズ構成１００にわたる軸方向距離を表す長さ距離Ｌを示す。小型のクロマティック共焦点センサが一般的に好都合であるため、種々の実施形態では、レンズ群の長さ距離Ｌおよび／または距離（ＦＲ＋Ｌ）を、レンズ構成１００によって満たされるべき重要な設計パラメータとし得る。特定の例示的な一実施形態では、距離ＦＲと距離Ｌの和は約１３９ｍｍであり、図１をほぼ正確なアスペクト比で示す。しかしながら、種々の他の実施形態では、図１の縮小した（scaled）寸法およびアスペクト比は例示にすぎず、限定ではない。より一般的には、図１に示す特定のレンズ構成１００の種々の実施形態を、図１に示すレンズ面形状の合理的な変形例および図２を参照して以下示しかつ説明する材料特性、ならびにそれら変形例を導き出すための公知の分析用のおよび／またはコンピュータ化された光学設計および／またはシミュレーション技術の使用に基づいて、様々な適用に好適なように（例えば、好適なレンズ素子の表面半径および軸方向間隔の選択によって）実装および／または適合し得る。

所与の幾何学的形状では、前側合焦距離ＦＦおよびレンズ構成１００によってもたらされる軸方向の色分散量は、一般的にレンズ１０１〜１０４の屈折率およびアッベ数に依存する。Warren J. Smith, Modern Optical Engineering, Third Edition, p. 94, McGraw-Hill, 2000で説明されているように、波長によって材料の屈折率が変化することにより、焦点が軸方向に分離し、かつアッベ数が、以下の式：
ｖ_d＝（ｎ_d−１）／（ｎ_f−ｎ_c） （式３）
（式中、ｖ_dはアッベ数であり、ｎ_d、ｎ_f、およびｎ_cは、ヘリウムのｄ線、５８７．６ｎｍ、および水素のＦ線およびＣ線（それぞれ４８６．１ｎｍおよび６５６．３ｎｍ）における材料の屈折率である）
に従って、波長による屈折率変化を定量化する。アッベ数が小さいほど、波長による焦点の変化が大きいことを暗示する。

さらに、Joseph M. Geary, Introduction to Lens Design, p. 176, Willmann-Bell, 2002で説明されているように、Ｆ線とＣ線との間の単レンズに関する焦点距離の変化は：
Δｆ_FC＝ｆ_d／ｖ_d （式４）
（式中、ｆ_dはヘリウムのｄ線（５８７．６ｎｍ）における焦点距離である）
によって与えられる。ここでも、アッベ数の小さなガラスを使用するレンズは、波長による焦点距離のシフトが大きくなる。

種々の実施形態では、複レンズ素子１０１および正の屈折力のレンズ部分１０５を、本発明による特徴の種々の組み合わせによって構成し、光学ペンに種々の所望の特性をもたらすようにし得る。種々の実施形態では、複レンズ素子１０１は典型的な複レンズではない。概して、アパーチャ１９５に近い第１のレンズ部分１０１Ａは少なくとも１つの凹面を含み、およびアパーチャ１９５から離れた第２のレンズ部分１０１Ｂは少なくとも１つの凸面を含む。種々の実施形態では、第１のレンズ部分１０１Ａのアッベ数は比較的小さく、一方、第２のレンズ部分１０１Ｂのアッベ数は比較的大きい。対照的に、第１の部分および第２の部分に対応する従来の複レンズのアッベ数間の関係は、第１のレンズ部分１０１Ａおよび第２のレンズ部分１０１Ｂと比較して逆になっている。

種々の実施形態では、複レンズ素子１０１を一般的に屈折力の小さいレンズ素子、負の屈折力のレンズ素子、またはそれら双方とし得る。図１に示す特定の実施形態では、屈折力の小さい負の屈折力のレンズ素子であり、一般的にアパーチャ１９５から受光した出力ビームを拡大させる。一実施形態では、複レンズ素子１０１は負の屈折力のレンズ素子を提供し、負の屈折力の大きさは、レンズ構成１００の総屈折力の最大でも５０％である。種々の他の実施形態では、本願明細書で説明する他の設計原理が満たされているという条件で、複レンズ素子１０１は、屈折力の小さい正のレンズ素子を含み得る。例えば、一部の実施形態では、正の屈折力の大きさは、レンズ構成１００の総屈折力の最大でも約２０％とし得る。

図１に示す実施形態では、正の屈折力のレンズ部分１０５の構成は、空気で分離された３つの単レンズ素子１０２〜１０４を含む。一実施形態では、各レンズ素子１０２〜１０４は球面を含む。球面レンズを利用することによって、レンズ構成費用全体を削減し得る。一実施形態では、レンズ構成１００のレンズ素子の全てが球面レンズである。一実施形態では、色分散レンズ構成の各レンズ素子がガラス材料製である。

複レンズ素子１０１を適切な特徴とすることは、軸方向の色分散および色分散レンズ構成１００の屈折力に関して所望の光学的特性をもたらすために重要である。上述のように、複レンズ素子１０１はアッベ数に関しては、あまり従来の配置を使用しないため、そのレンズの設計に関するオプションの組み合わせセットが比較的限定されている。それにもかかわらず、適切なレンズ選択により、色分散レンズ構成１００を使用する光学ペンの光学機械部品の熱感度を補償するためのいくつかの手段を有することが望ましい。本発明によれば、複レンズ素子１０１の性能を低下させるのではなく、光学ペンの全体的な熱感度を補償するための基本的手段として、正の屈折力のレンズ部分１０５の素子を選択することが望ましい。当然ながら、熱感度を低下させる一方で色範囲感知に関してレンズ構成１００の十分な全体的な光学性能を維持することも非常に重要である。

光学系において熱感度を低下させる種々の手法は当該技術分野において公知である。一部の系では、熱センサーによって示される熱変化に応えてレンズ素子を動かす機械的部分など、熱感度を補償するために能動的な光学素子を使用する。他の系では、受動的なアサーマリゼーション（athermalization）を使用し、その場合多くの系では、光学素子と機械的素子の熱膨張を適合させて系の熱感度が低下するように互いに補償することに依存する。例えば、Thomas H. Jamieson, "Thermal Effects in Optical Systems," Optical Engineering 20(2), 156-160 March/April 1981による論文に、温度変化があっても倍率をより安定的に維持するための、対物レンズ、接眼レンズおよびメタルハウジングを含むGalilieanレーザービーム拡大器における熱感度の補償方法が説明されている。各素子の材料の熱膨張係数を適合させることによって、対物レンズおよび接眼レンズの屈折力を変化させることができ、式：
ｘ_e＝ｘ_m（Ｍ−１）−Ｍｘ₀ （式５）
（式中、ｘ₀は対物レンズの熱膨張係数であり、ｘ_eは接眼レンズの熱膨張係数であり、およびｘ_mはメタルハウジングの熱膨張係数である）
による薄いレンズの関係で近似することによってメタルハウジングの熱膨張を補償する。

複数のレンズ系において熱感度を低下させる別の手法が、Michael Bass et al., Handbook of Optics, Third Edition Volume II, p. 8.13, McGraw-Hill, 2009に記載されている。薄いレンズの関係を近似する、ハウジング要素において互いに接触しているｊ個のレンズの系の場合、受動的なアサーマリゼーションによって熱感度が補償される系は、式：

によって構成され、式中、Ｔは温度であり、γ_iは各レンズの熱焦点ずれ係数であり、φ_iは各レンズの屈折力であり、φは複数のレンズ系の全屈折力であり、α_hはハウジング要素の熱膨張係数であり、かつ：

とし得る。この条件を満たす、レンズおよびハウジングを備える光学系は、熱感度が低い。

より複雑な光学系では、レンズの厚さ、レンズの分離およびハウジング内の取付構造の膨張などの追加的な要因を説明する必要があることが多い。例えば、本発明の範囲内の光学ペンは、意図的な軸方向色収差、ワークピース表面までの典型的な距離における高い物体開口数ＮＡ_object、および各レンズ素子間の著しい分離を有し、薄いレンズの近似が、熱感度を特徴付けることに効果的でないようにする。受動的なアサーマリゼーションによる光学ペンのためにレンズ構成１００を組み立てるために、ファイバ取付具の膨張などの要因も説明する必要がある。それゆえ、一般的に、各素子の熱感度を望ましく適合させるようにそのような光学系の熱感度をシミュレーションするために、光学的シミュレーションコンピュータプログラムを使用することが、より望ましい。これはまた、図３に関してさらに詳細に説明する種々の代替的な実施形態の光学性能を比較する手段も提供する。

レンズ構成１００の各レンズ素子の熱感度は、温度Ｔ（例えば、１０℃〜３０℃）の範囲にわたる熱焦点ずれ係数χ_iに関して特徴づけられることができ、これは：

（式中、α_Tiは各レンズ素子の熱膨張係数であり、ｎ_iは各レンズ素子の屈折率であり、およびφ_iは各レンズ素子の屈折力である）
の関係で定義される。温度Ｔが変化することによってレンズが熱膨張または熱収縮し、およびその各レンズの屈折率ｎ_iが温度によって変化すると、その各レンズの焦点距離が変わるので、各屈折力φ_iを変更させる。レンズ構成の全屈折力が変化すると、所与の照明波長の焦点が表面上に合わせられる、光軸に沿った位置が変わり、これにより、表面高さ測定に誤差がもたらされる。図１に示すように、表面９０は光軸に沿った座標Ｚ₁に配置されている。温度Ｔが変化することにより、名目上Ｚ₁に最も焦点が合っている光の波長λ₁が、座標Ｚ₁'に最も焦点が合うようになる。その結果、異なる光の波長λ₂の焦点が、座標Ｚ₁に最も合わせられる。一般的に光軸に沿った座標Ｚは波長の関数、すなわち、Ｚ＝ｆ（λ）である。異なる光の波長λ₂が表面９０に最も焦点が合わせられているため、光学ペンは、座標Ｚ₂＝ｆ（λ₂）（式中、Ｚ₂＝Ｚ₁＋ΔＺであり、およびΔＺは、レンズ構成１００を使用する光学ペンの熱感度から生じた測定誤差を表す）において表面９０を測定する。レンズ構成１００を使用する光学ペンの全体的な熱感度は、所与の光の波長またはいくつかの光の波長の平均に対して：

に関して特徴づけられ得る。

本発明による種々の実施形態では、正の屈折力のレンズ部分１０５のレンズ素子の少なくとも２つが、ハウジング要素の熱膨張から生じる熱感度を含むクロマティック共焦点センサ光学ペンの全体的な熱感度に関して少なくとも部分的に補償し、かつクロマティック共焦点センサ光学ペンの全体的な熱感度を補償する、正の屈折力のレンズ部分１０５のレンズ素子の熱焦点ずれ係数χ_iの平均は、最低でも１０ｐｐｍ／℃の範囲にある。種々の実施形態では、第１のメニスカスレンズ素子１０３および第２のメニスカスレンズ１０４が、クロマティック共焦点センサ光学ペンの熱感度を補償する。当然のことながら、図１に示す実施形態では、正の屈折力のレンズ部分１０５は３つのレンズ素子を含む。しかしながら、本発明による種々の代替的な実施形態では、正の屈折力のレンズ部分は、少ない場合には２つのレンズ素子、または多い場合には４つのレンズ素子を含んでもよい。いずれの場合にも、正の屈折力のレンズ部分のレンズ素子の少なくとも２つの熱焦点ずれχ_iの係数の平均が小さくても１０ｐｐｍ／℃の範囲にあるように正の屈折力のレンズ部分を構成することを条件として、関連の光学ペンの全体的な熱感度は著しく低下または補償され得る。このために、以下詳細に説明するように、正の屈折力のレンズ部分のレンズ素子にいくつかの比較的独特な材料を選択することが必要となる。

図２は、図１のレンズ素子１０１Ａ、１０１Ｂ、１０２、１０３および１０４に関するアッベ数ｖ_i、屈折率ｎ_i、熱焦点ずれ係数χ_i、および熱膨張係数α_Tiの例示的な１組のセットを示す表２００である。表２００に示す材料特性を、図１に示すレンズ構成１００と組み合わせて使用して、上記で概説した特徴の種々の望ましい組み合わせのいずれかおよび／または全てに対応する実施形態を提供する。具体的には、図２に示す実施形態では、第１のレンズ部分１０１Ａは、比較的小さいアッベ数２５．４、屈折率１．８、熱焦点ずれ係数６．４ｐｐｍ／℃および熱膨張係数８．９ｐｐｍ／℃を有する。第２のレンズ部分１０１Ｂは、比較的大きいアッベ数４５．８、屈折率１．５、熱焦点ずれ係数１．５ｐｐｍ／℃および熱膨張係数８．２ｐｐｍ／℃を有する。それゆえ、対応する複レンズ素子１０１の平均アッベ数は３５．６である。レンズ素子１０２は、アッベ数３５．３、屈折率１．７、熱焦点ずれ係数−０．５ｐｐｍ／℃および熱膨張係数７．３ｐｐｍ／℃を有する。レンズ素子１０３はアッベ数６３．３、屈折率１．６、熱焦点ずれ係数１５．７ｐｐｍ／℃および熱膨張係数１０．１ｐｐｍ／℃を有する。レンズ素子１０４はアッベ数２６．３、屈折率１．８、熱焦点ずれ係数６．１ｐｐｍ／℃および熱膨張係数８．８ｐｐｍ／℃を有する。それゆえ、対応する正のレンズ部分１０５の平均アッベ数は４１．６である。一部の実施形態では、複レンズ素子１０１の平均アッベ数と正のレンズ部分１０５の平均アッベ数の差が最大でも１０であると好都合である。図２に示す例示的な実施形態では、差は６である。

図２に示す例示的な実施形態では、メニスカスレンズ素子１０３および第２のメニスカスレンズ素子１０４はクロマティック共焦点センサ光学ペンの熱感度を補償し、また、メニスカスレンズ素子１０３および第２のメニスカスレンズ素子１０４の熱焦点ずれ係数χ_iの平均は１０．８８ｐｐｍ／℃である。図２に示す例示的な実施形態では、第１のメニスカスレンズ素子１０３および第２のメニスカスレンズ素子１０４は、レンズ構成１００に所望の光学性能を維持する一方で熱感度に必要なバランスを与える。代替的な実施形態では、両凸レンズ素子１０２は、所望の光学性能を維持する一方で熱感度に必要なバランスに寄与するように選択し得る。当然のことながら、ほとんどのガラスタイプのレンズでは、１０ｐｐｍ／℃を超える熱焦点ずれ係数χ_iは比較的珍しく、これは、レンズ構成１００の基準を満たすレンズの可能性を限定する。

当然のことながら、レンズ構成１００を使用する光学ペンでは、本発明に従って構成された正の屈折力のレンズ部分１０５の素子は、その光学ペンの光学機械素子の熱膨張または熱収縮によって生じる各レンズ素子間の間隔の変化を補償する。図３を参照してそのような光学ペンの光学機械部分を詳細に説明する。

図３は、図１のレンズ構成１００の素子を含む、例示的なクロマティック共焦点センサ光学ペン３００の選択した部分の分解図である。クロマティック共焦点センサ光学ペン３００の選択した部分はハウジングアセンブリ３２０および光学素子部分３５０を含み、光学素子部分３５０は、レンズ構成１００の素子の他、他の構成要素も含む。具体的には、図３に示す実施形態では、光学素子部分３５０は、レンズ素子１０１Ａ、１０１Ｂ、１０２、１０３および１０４、ならびに、位置決め肩部３５２Ａを含む保持要素３５２と、位置決め肩部３５４Ａ〜３５４Ｃを含む組立要素３５４と、保持リング３５６と、位置決め肩部３５８Ａを含む端部要素３５８とを含む。

レンズ素子１０２は、組み立てると、位置決め肩部３５４Ａ、および位置決め肩部３５２Ａの第１の側に当接する一方、レンズ素子１０１は位置決め肩部３５２Ａの他方の側に当接し得る。レンズ素子１０３は位置決め肩部３５４Ｃおよび保持リング３５６に当接し得る。レンズ素子１０４は位置決め肩部３５８Ａに当接し得る。組立要素３５４は端部要素３５８およびハウジング３２０にほぼ当接し得る。圧迫、隣接面、および／または摩擦力によって適所に保持されていないいずれの要素も、接着剤または他の従来の手段によって適所に固定され得る。

図２を参照して説明したように、クロマティック共焦点センサ光学ペン３００の熱感度を補償する正の屈折力のレンズ部分１０５の素子を、クロマティック共焦点センサ光学ペン３００の光学機械素子の熱膨張または熱収縮から生じる各レンズ素子の間隔の変化間にバランスをもたらすように選択する必要がある。一実施形態では、正の屈折力のレンズ部分１０５の少なくとも２つのレンズ素子は、ハウジング要素３２０の熱膨張から生じた熱感度および追加的に組立要素３５４および端部要素３５８の熱膨張から生じた熱感度を含めて、クロマティック共焦点センサ光学ペン３００の全体的な熱感度を少なくとも部分的に補償する。概して、光学的シミュレーションコンピュータプログラムを使用して、レンズ構成１００の熱感度およびクロマティック共焦点センサ光学ペン３００の光学機械部品の熱感度の双方をモデリングし得る。光学的シミュレーションコンピュータプログラムに含まれる要因は、ハウジングアセンブリ３２０、組立要素３５４、および端部要素３５８の熱膨張または熱収縮から生じたレンズ素子の位置の変化、ならびに各レンズ素子の厚さの変化およびレンズ構成１００の各レンズ素子の表面曲率の変化を含み得る。

特に、第１のレンズ構成では、第１のシミュレーションした全体的な熱感度の結果と、第１の実験的な全体的な熱感度とを比較することが有用であり得る。このように、シミュレーションで考慮されなかった、クロマティック共焦点センサ光学ペン３００の熱感度に寄与する追加的な未知の要因を定量化し得る。同じハウジングアセンブリ３２０、組立要素３５４、および端部要素３５８を備える正のレンズ構成１０５に関するレンズの単純な変化において、シミュレーションした熱感度と実験的な熱感度との間の差はほぼ一定である、すなわち：

であることが観察された。改良された第２のレンズ構成は、第２のシミュレーションした全体的な熱感度を、第１のシミュレーションした全体的な熱感度と第１の実験的な全体的な熱感度との間の差：

に適合させる正のレンズ構成１０５の実施形態に対してレンズを選択することによって決定され得る。このように、シミュレーションにおいて低い熱感度となるように第２のレンズ構成を単純に選択するのではなく、第２のレンズ構成を、熱感度に寄与する未知の要因に対して追加的に補償を行うように選択する。

図４は、組み立てられたクロマティック共焦点センサ光学ペン４００の断面図である。図４に示すように、クロマティック共焦点センサ光学ペン４００は、ハウジングアセンブリ３２０'および光学素子部分３５０'を含み、それらは、図３に示す同様の符号（プライム符号が付されていない）が付けられた構成要素と同様または同一とし得る。いずれの場合にも、光学素子部分３５０'は本発明による色分散レンズ構成を含む。クロマティック共焦点センサ光学ペン４００の一般的な動作については、本願明細書で開示した先の図および説明に基づいて理解し得る。

クロマティック共焦点センサ光学ペン４００はさらに、取付用ねじ４１０を使用してハウジング３２０'の端部に取り付けられ得る取付要素４８０を含む入出力光ファイバサブアセンブリ４０５を含む。入出力光ファイバサブアセンブリ４０５は入出力光ファイバ（図示せず）を、それを包み込む光ファイバケーブル４１２'および光ファイバコネクタ４０８によって収容する。図１に記載の入出力光ファイバ１１２およびアパーチャ１９５を参照して上述したのと同様の方法で、入出力光ファイバは、アパーチャ４９５を通して出力ビームを出射させ、かつアパーチャ４９５を通して測定用反射信号光を受光する。一実施形態では、アパーチャ４９５は入出力光ファイバのコアの端部に設けられる。しかしながら、種々の他の実施形態では、同時係属の同一出願人による米国特許出願公開第２００８／０２３９３２３Ａ１号、表題"Chromatic Confocal Sensor Fiber Interface "に詳細に説明されているように、入出力光ファイバサブアセンブリ４０５は、アパーチャ４９５をもたらす別個のアパーチャ要素（図示せず）を含み得る。当然のことながら、クロマティック共焦点センサ光学ペン４００の熱感度をシミュレーションする光学的シミュレーションコンピュータプログラムはまた、入出力光ファイバサブアセンブリ４０５の熱膨張または熱収縮を考慮する必要がある。一実施形態では、正の屈折力のレンズ部分１０５のレンズ素子は、ハウジング要素３２０の熱膨張から生じた熱感度および追加的に入出力光ファイバサブアセンブリ４０５の熱膨張から生じた熱感度を含め、クロマティック共焦点センサ光学ペン４００の全体的な熱感度を少なくとも部分的に補償する。

当然のことながら、本発明による色分散レンズ構成は、類似のレンズ構成と同等の光学的スループットを維持しながら熱感度が低減されるという利点を有する。本発明の原理によるレンズ構成は、'７０５号特許で説明されているレンズ構成などの類似の構成と同等のスポットサイズ（約４ミクロン）、同等の測定範囲（約３００ミクロン）および同等の離間距離（例えば、類似の構成の約２％以内）をもたらす。類似のレンズ構成を使用するクロマティック共焦点センサ光学ペンは、式９において与えられる約２１０ｎｍ／℃の熱感度を有し得る一方、本発明によるレンズ構成を使用するクロマティック共焦点センサ光学ペンは、約７０ｎｍ／℃の熱感度を有する。
なお、上記説明した本実施形態におけるレンズ構成は、両凸レンズ、第１のメニスカスレンズおよび前記第２のメニスカスレンズの熱焦点ずれ係数をそれぞれχ₃、χ₄およびχ₅とすると、熱焦点ずれ係数χ₄が小さくても１５ｐｐｍ／℃であり、および熱焦点ずれ係数χ₅が小さくても５ｐｐｍ／℃とすることができる。より好ましくは、熱焦点ずれ係数χ₃が小さくても−１ｐｐｍ／℃、および大きくても０ｐｐｍ／℃であり、熱焦点ずれ係数χ₄が小さくても１５ｐｐｍ／℃、および大きくても１７ｐｐｍ／℃であり、熱焦点ずれ係数χ₅が小さくても５ｐｐｍ／℃および大きくても７ｐｐｍ／℃であり、両凸レンズ、第１のメニスカスレンズおよび第２のメニスカスレンズ熱膨張係数をそれぞれα_T3、α_T4およびα_T5とすると、熱膨張係数α_T3が小さくても７．１ｐｐｍ／℃、および大きくても７．５ｐｐｍ／℃であり熱膨張係数α_T4が小さくても９．９ｐｐｍ／℃、および大きくても１０．２ｐｐｍ／℃であり、熱膨張係数α_T5が小さくても８．６ｐｐｍ／℃、および大きくても９．０ｐｐｍ／℃であるとよい。
また、両凸レンズ素子のアッベ数が最小でも３２、および最大でも３８であり、第１のメニスカスレンズのアッベ数が最小でも５７、および最大でも６６であり、ならびに第２のメニスカスレンズのアッベ数が最小でも２３、および最大でも２９であるとすることができる。
また、両凸レンズ素子の屈折率が最小でも１．７、および最大でも１．８であり、第１のメニスカスレンズの屈折率が最小でも１．６、および最大でも１．７であり、ならびに第２のメニスカスレンズの屈折率が最小でも１．７、および最大でも１．８であるとすることができる。
また、複レンズ素子の第１の部分および第２の部分の熱焦点ずれ係数それぞれχ₁およびχ₂とすると、熱焦点ずれ係数χ₁が小さくても６ｐｐｍ／℃、および大きくても７ｐｐｍ／℃であり、熱焦点ずれ係数χ₂が小さくても１ｐｐｍ／℃、および大きくても３ｐｐｍ／℃であるとすることができる。
また、複レンズ素子の第１の部分および第２の部分の熱膨張係数をそれぞれα_T1、およびα_T2とすると、熱膨張係数α_T1が小さくても８．７ｐｐｍ／℃、および大きくても９．１ｐｐｍ／℃であり、熱膨張係数α_T2が小さくても８．０ｐｐｍ／℃、および大きくても８．４ｐｐｍ／℃であるとすることができる。

本発明の好ましい実施形態を図示して説明したが、当業者には、この開示に基づいて、特徴および一連の動作の図示し説明した構成における多くの変形例が明らかであろう。それゆえ、当然のことながら、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく種々の変更をなすことができる。

９０ ワークピース表面
１００ 色分散レンズ構成
１０１ 複レンズ素子
１０１Ａ 第１のレンズ部分
１０１Ｂ 第２のレンズ部分
１０２ 両凸レンズ素子
１０３、１０４ メニスカスレンズ素子
１０５ 正の屈折力のレンズ部分
１１２ 入出力光ファイバ
１９５ 検出器アパーチャ
３００ クロマティック共焦点センサ光学ペン
３２０、３２０' ハウジングアセンブリ
３５０、３５０' 光学素子部分
３５２ 保持要素
３５２Ａ 位置決め肩部
３５４ 組立要素
３５４Ａ〜３５４Ｃ 位置決め肩部
３５６ 保持リング
３５８ 端部要素
３５８Ａ 位置決め肩部
４００ クロマティック共焦点センサ光学ペン
４０５ 入出力光ファイバサブアセンブリ
４０８ 光ファイバコネクタ
４１０ 取付用ねじ
４１２' 光ファイバケーブル
４８０ 取付要素
４９５ アパーチャ

Claims (11)

1. 表面までの距離を測定するのに有用な信号をもたらすように動作可能であり、かつ熱感度が補償されたクロマティック共焦点センサ光学ペンであって、
   ハウジング；
   光源光を出射し、かつ反射光を受光するアパーチャ；および
   前記アパーチャからの前記光源光を受光し、前記光源光をフォーカスさせて、それを前記表面に向かって軸方向に色分散させて出射させ、前記表面からの反射光を受光して、前記アパーチャに近接して、軸方向に色分散させて前記反射光をフォーカスさせるように、前記クロマティック共焦点センサ光学ペンの光軸に沿って配置されたレンズ構成
   を含み、前記レンズ構成が：
   前記アパーチャの近くに配置された第１の部分と、前記アパーチャから離れて配置された第２の部分とを含む複レンズ素子；および
   前記アパーチャから前記複レンズ素子よりも遠くに配置された正の屈折力のレンズ部分であって、少なくとも２つのレンズ素子を含む前記正の屈折力のレンズ部分
   を含み、
   各レンズ素子が、温度Ｔの範囲にわたって屈折力φ₁、熱膨張係数α_Ti、屈折率ｎ_iおよび熱焦点ずれ係数χ_iによって特徴づけられ、ここで
   

   

   であり、
   前記正の屈折力のレンズ部分の前記レンズ素子の少なくとも２つが、前記ハウジングの熱膨張から生じた熱感度を含めて、前記クロマティック共焦点センサ光学ペンを全体的な熱感度を少なくとも部分的に補償するように構成され；および
   前記正の屈折力のレンズ部分の前記レンズ素子の少なくとも２つの前記熱焦点ずれ係数χ_iの平均が、１０ｐｐｍ／℃以上となる平均熱焦点ずれ係数である、クロマティック共焦点センサ光学ペン。
2. 前記正の屈折力のレンズ部分の前記レンズ素子が多くても４つのレンズ素子からなる、請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペン。
3. 前記正の屈折力のレンズ部分の前記レンズ素子が：
   前記複レンズ素子の前記第２の部分に近接して配置された両凸レンズ素子；
   前記両凸レンズ素子に近接して配置された第１のメニスカスレンズ素子；および
   前記第１のメニスカスレンズ素子に近接して配置された第２のメニスカスレンズ素子
   を含む、請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペン。
4. 前記第１のメニスカスレンズおよび前記第２のメニスカスレンズの前記平均熱焦点ずれ係数が、１０ｐｐｍ／℃以上となる、請求項３に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペン。
5. 前記第１のメニスカスレンズ素子および前記第２のメニスカスレンズ素子のそれぞれが正の屈折力をもたらす、請求項３に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペン。
6. 前記両凸レンズ素子が正の屈折力をもたらす、請求項３に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペン。
7. さらに組立要素および端部要素を含み、前記全体的な熱感度が、前記組立要素および前記端部要素の熱膨張から生じた熱感度を含む、請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペン。
8. さらに入出力光ファイバサブアセンブリを含み、前記全体的な熱感度が、前記入出力光ファイバサブアセンブリの熱膨張から生じた熱感度を含む、請求項７に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペン。
9. 前記レンズ構成の各レンズ素子がガラス材料を含む、請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペン。
10. 前記レンズ構成の各レンズ素子が球面レンズ素子である、請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペン。
11. 前記レンズ構成の前記レンズ素子が：
    前記アパーチャの近くに配置された第１の部分と、前記アパーチャから離れて配置された第２の部分とを有する複レンズ素子；
    前記複レンズ素子の前記第２の部分に近接して配置された両凸レンズ素子；
    前記両凸レンズ素子に近接して配置された第１のメニスカスレンズ素子；および
    前記第１のメニスカスレンズ素子に近接して配置された第２のメニスカスレンズ素子
    からなり、
    前記両凸レンズ素子、前記第１のメニスカスレンズ素子および前記第２のメニスカスレンズ素子が前記正の屈折力のレンズ部分を形成し；および
    前記第１のメニスカスレンズおよび前記第２のメニスカスレンズの前記平均熱焦点ずれ係数が、１０ｐｐｍ／℃以上となる、請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ光学ペン。

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