特許 6258491 非接触式光学的距離測定のための装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6258491

(24)【登録日】2017年12月15日

(45)【発行日】2018年1月10日

(54)【発明の名称】非接触式光学的距離測定のための装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 13/00 20060101AFI20171227BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20171227BHJP

   G01B 11/00 20060101ALI20171227BHJP

【ＦＩ】

   G02B13/00

   G02B13/18

   G01B11/00 B

【請求項の数】14

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2016-530981(P2016-530981)

(86)(22)【出願日】2014年11月12日

(65)【公表番号】特表2016-540243(P2016-540243A)

(43)【公表日】2016年12月22日

(86)【国際出願番号】EP2014074348

(87)【国際公開番号】WO2015078693

(87)【国際公開日】20150604

【審査請求日】2016年7月6日

(31)【優先権主張番号】102013113265.0

(32)【優先日】2013年11月29日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】516139403

【氏名又は名称】マイクロエプシロン メステクニク ゲーエムベーハー ウント コー カーゲー

(74)【代理人】

【識別番号】110001416

【氏名又は名称】特許業務法人 信栄特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】グロス、ハーバード

(72)【発明者】

【氏名】メッサーシュミット、ベルンハルト

(72)【発明者】

【氏名】チョン、ミンギ

(72)【発明者】

【氏名】クンツェ、マルセル

【審査官】 堀井 康司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１７３２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５４１１０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２５６６７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ９／００−１７／０８

Ｇ０２Ｂ ２１／０２−２１／０４

Ｇ０２Ｂ ２５／００−２５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

非接触式光学的距離測定のための装置であって、当該装置は、光源（３）と、光分析ユニット（４）と、測定ヘッド（５）とを備え、
前記光源（３）は、連続スペクトルの光（１３）を前記測定ヘッド（５）内に放射するのに適した多色光源であり、
前記光分析ユニット（４）は、前記測定ヘッド（５）からの受光（１４）を受けて、スペクトル分析するのに適しており、
前記測定ヘッド（５）は、
前記光源（３）の前記光（１３）が前記測定ヘッド（５）内に入射するため、且つ、前記受光（１４）が前記測定ヘッド（５）から前記光分析ユニット（４）に出射するためのアパーチャ開口（６）を有し、
前記測定ヘッド（５）は、長手方向色収差を有する光学レンズ系（１２）を有し、
前記光学レンズ系（１２）は、第１の屈折レンズ（１）及び第２の屈折レンズ（２）のみから成り、
前記屈折レンズ（１，２）の少なくとも一方は、少なくとも１つの非球面湾曲レンズ面（１１）を有し、
前記第１屈折レンズ（１）及び／又は前記第２屈折レンズ（２）は、アッベ数が２０≦νｄ≦４１の光学材料を有し、
前記光学レンズ系（１２）は、長手方向色収差を有し、
当該長手方向色収差は、前記光学レンズ系（１２）の波長４５０ｎｍ〜波長７００ｎｍにおける軸方向焦点移動に相当する測定領域（ＭＲ）が０．２ｍｍから１０ｍｍであるような長手方向色収差であって、
前記第１屈折レンズ（１）及び前記第２屈折レンズ（２）の両方は、アッベ数２０≦νｄ≦４１の光学材料を有し、
前記測定領域（ＭＲ）と前記測定領域（ＭＲ）側の数値アパーチャの二乗（ＮＡ^２_ＭＲ）との積は、１００μｍから４５０μｍである、装置。

【請求項2】

前記アパーチャ開口の半径（ｒ_ＰＨ）と前記アパーチャ開口（６）側の数値アパーチャ（ＮＡ_ＰＨ）との積は、１．０μｍから５．５μｍである、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記光源（３）及び前記光分析ユニットは、光ファイバ（７）により前記測定ヘッド（５）に接続されている、請求項１又は２に記載の装置。

【請求項4】

前記測定ヘッド（５）の前記アパーチャ開口（６）は、前記光ファイバ（７）のファイバ端面（１７）により形成されている、請求項３に記載の装置。

【請求項5】

光学素子（８）は、前記光学レンズ系（１２）に面したファイバ端面（１７）上に配置されている、請求項３又は４に記載の装置。

【請求項6】

前記光学素子（８）は光学窓である、請求項５に記載の装置。

【請求項7】

前記光学素子（８）は屈折発散レンズである、請求項５に記載の装置。

【請求項8】

前記光学素子（８）は、屈折率分布型発散レンズである、請求項５に記載の装置。

【請求項9】

前記光学素子（８）は、屈折率分布型収束レンズである、請求項５に記載の装置。

【請求項10】

前記光学素子（８）は、屈折率分布型レンズであり、
当該屈折率分布型レンズは、前記ファイバ端面（１７）により形成された前記光源（３）の光点を１以上の中間像に結像する、請求項５に記載の装置。

【請求項11】

距離要素（９）は、前記ファイバ端面（１７）と前記光学素子（８）との間に配置されている、請求項５から１０のうちのいずれか一項に記載の装置。

【請求項12】

前記ファイバ端面（１７）及び前記ファイバ端面（１７）に面した前記光学素子（８）の面は、光軸（３０）に対して斜めに構成されている、請求項５〜１０のうちいずれか一項に記載の装置。

【請求項13】

前記ファイバ端面（１７）及び前記ファイバ端面（１７）に面した前記距離要素（９）の面は、光軸（３０）に対して斜めに構成されている、請求項１１に記載の装置。

【請求項14】

ビーム偏向素子（１６）は、前記測定ヘッド（５）に配置されている、請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非接触式の光学的距離測定のための装置に関する。

【0002】

本特許出願は、独国特許出願第１０２０１３１１３２６５．０号の優先権を主張し、その開示を参照により本明細書に組み込む。

【背景技術】

【0003】

非接触式光学的距離測定のための装置は、例えば、特許文献１に記載されている。この装置は、色収差を有する結像光学系を含む測定ヘッドを有する。この光学系を通して、光源の光出射面が波長依存焦点面に結像され、この焦点面に、測定対象物がその領域に配置され得る測定点（例えば、直径が数マイクロメータ）を形成する。対象物による後方反射光が光学系を逆方向に通過し、そして、例えば、光を測定ヘッドに入射させたファイバ端に接続される。光源の光出射面（例えば、ファイバ端面）の、測定対象物上への（又はその逆の）シャープな結像が、それぞれの場合に、光学系の特定の波長λのみに関する色収差に基づいて生じる。こうして、反射光のスペクトル分析において、前記波長λがシャープなピークを示し、このピーク波長から、測定ヘッドと測定対象物との距離を、キャリブレーションを介して測定できる。

【0004】

色収差を有するレンズ系を介した、この共焦点結像原理に基づいた光学的距離センサが、例えば、特許文献２から公知である。

【0005】

先行技術により公知の非接触式光学的距離測定のための装置は、レンズ系の色収差による所定の測定領域を生成するために、一般的に３つ又は４つのレンズを有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】独国特許出願公開第１０２００６０１７４００号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２００８／０２３９２７８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の根底にある目的は、非接触式光学的距離測定のための改良された装置であって、特に、有利に小寸法で且つ高い分解能及び測定精度を有する、比較的簡単で費用対効果が高い設計を特徴とする装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この目的は、本発明の請求項１に記載されている非接触式光学的距離測定のための装置により達成される。発明の有利な実施形態及び展開が、従属請求項の主題である。

【0009】

少なくとも１つの実施形態によれば、前記非接触式光学的距離測定のための装置は、光源と、光分析ユニットと、測定ヘッドとを備える。前記光源及び前記光分析ユニットは、例えば、光ファイバにより前記測定ヘッドに接続され得る。前記光源及び前記光分析ユニットは、共に前記装置の制御ユニットを形成することが可能であり、また、例えば、前記測定ヘッドに光ファイバを介して接続されたジョイントハウジング内に組み込まれ得る。

【0010】

前記装置の前記光源は、連続スペクトル光を前記測定ヘッド内に放射するのに適した多色光源である。前記光源は、好ましくは、白色光源、例えば、白色発光ＬＥＤ、ハロゲンランプ、又は、キセノンランプである。特に小型の寸法を実現するためには、白色発光ＬＥＤの使用が特に有利である。多色光源は、例えば、可視スペクトル範囲（具体的には、４５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の波長を含む）で発光できる。

【0011】

前記装置の前記光分析ユニットは、前記測定ヘッドからの受光を受け且つスペクトル分析するのに適している。これは、測定対象物により前記測定ヘッド内に反射又は散乱された光をスペクトル分析することを可能にするので、前記対象物の、前記分析されたスペクトルにおいて測定される距離を決定できる。

【0012】

前記測定ヘッドは、前記光源の光が前記測定ヘッド内に入射するための、及び、前記受光（詳細には、測定対象物により反射又は散乱された光）が前記測定ヘッドから前記光分析ユニットに出射するためのアパーチャ開口を有する。このアパーチャ開口は、前記測定ヘッドのための光入射アパーチャ及び出光射アパーチャの両方として機能する。アパーチャ開口は、好ましくは円形であり、半径ｒ_ＰＨを有する。

【0013】

さらに、前記測定ヘッドは光学レンズ系を有し、この光学レンズ系は、長手（縦）方向色収差を有する。すなわち、前記レンズ系の光軸上の焦点位置が波長に依存する。前記光源の、前記アパーチャ開口にて前記測定ヘッドに入射する光が光点を構成し、これが、前記光学レンズ系により、測定点（その軸方向位置は波長に依存）で結像される。多色光源が用いられるため、前記アパーチャ開口の前記光点は、前記光学レンズ系の長手方向色収差に基づいて、前記光軸上の異なる位置にある測定点の領域で結像される。具体的には、色収差により、より短い波長に対する焦点は、より長い波長に対する焦点よりも、前記光学レンズ系の近くに位置することになる。

【0014】

次いで、対象物により後方反射又は後方散乱された光は、測定対象物が特定の波長の焦点に合致しているならば、逆光路において前記測定ヘッドのアパーチャ開口上でシャープに結像される。アパーチャ開口内に後方反射又は後方散乱された光のスペクトル分析において、その焦点に対象物が位置する波長の最大強度が示される。こうして、前記測定ヘッドからの対象物の距離を、最大強度が生じている波長から測定できる。

【0015】

前記測定ヘッドの測定領域は、前記光源の利用可能な最短波長による焦点と、前記光源の利用可能な最長波長による焦点との間に位置する。従って、大きい測定領域を得るためには、広帯域光源を用いること、さらに、大きい色収差を有する光学レンズ系を用いることが有利である。

【0016】

本明細書に記載されている装置において、前記測定ヘッドの前記光学レンズ系は、有利には、第１の屈折レンズ及び第２の屈折レンズから成り、前記屈折レンズの少なくとも一方が、少なくとも１つの非球面湾曲レンズ面を有する。前記非球面湾曲レンズ面は、凸状湾曲状又は凹状湾曲状であり得る。前記２つの屈折レンズの残りのレンズ面は、平坦、又は、球面凸状若しくは球面凹状であり得る。好ましくは、前記屈折レンズの少なくとも一方が平坦なレンズ面を有する。なぜなら、これが、製造労力及び公差感度を低減するからである。

【0017】

前記光学レンズ系の前記第１屈折レンズ及び／又は前記第２屈折レンズは、有利には、アッベ数が２０≦ν_ｄ≦４１の光学材料を有する。前記アッベ数は、光学材料の分散の測定値である。前記分散値、すなわち、屈折率の波長依存性がより大きいと、アッベ数は、より小さくなる。前記第１屈折レンズ及び／又は前記第２屈折レンズに関し、比較的小さいアッベ数２０≦ν_ｄ≦４１の光学材料が用いられ、前記光学レンズ系は、有利に、高い分散値（及び、従って、高い長手方向色収差）により特徴付けられる。

【0018】

前記光学レンズ系は長手方向色収差を有し、この長手方向色収差は、波長４５０ｎｍ〜波長７００ｎｍにおける前記測定ヘッドの軸方向焦点移動に相当する測定領域（ＭＲ）が０．２ｍｍから１０ｍｍであるような長手方向色収差である。すなわち、前記光学レンズ系において、４５０ｎｍの波長のための焦点は、７００ｎｍの波長のための焦点から、少なくとも０．２ｍｍ、最大で１０ｍｍの距離にある。４５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の可視スペクトルの使用が有利である。なぜなら、費用効果が高い光源を利用できることに加え、分散値がより大きい光学材料も利用可能だからである。しかし、前記測定領域を、波長４５０ｎｍ〜７００ｎｍにおける焦点移動として定義しても、それは、前記装置がその他の波長で使用される可能性を排除するものではない。

【0019】

前記測定ヘッドの前記光学レンズ系が２つの屈折レンズのみから成るという事実から、前記測定ヘッドは利点として簡単な構造であり、より多数のレンズを有する光学レンズ系と比較して、軽量及び短い構造長さにより特徴付けられる。本明細書に記載される装置において、２つのレンズのみから成る光学レンズ系の構造は、前記２つの屈折レンズの少なくとも一方が少なくとも１つの非球面湾曲レンズ面を有することより可能となる。少なくとも１つの非球面湾曲レンズ面を用いることで、分解能（及び、従って測定精度）を低減させるような光学結像誤差を、球面レンズを用いる場合よりも良好に補正できる。

【0020】

測定ヘッドの光学レンズ系を設計する際に、レンズ系が所望の高色収差を有してもなお直面する課題は、特に、その他の関連する結像誤差を最小化する課題である。具体的には、様々な波長のための球面収差、いわゆる、球面色収差である。高測定分解能を達成するための球面色収差の良好な補正を、２つのみの屈折レンズから成るレンズ系においても、前記屈折レンズのレンズ面の少なくとも１つが非球面湾曲レンズ面であるならば達成できることが明らかになった。非球面湾曲レンズ面は、光軸に対して半径方向に対称の曲率を好適に有する。

【0021】

光学レンズ系、特には、球面レンズの曲率半径、非球面レンズ面の形状、レンズ間の距離、アパーチャ開口、及び測定領域を設計するために、シミュレーションプログラムを使用できる。光学系の設計のための適切なシミュレーションプログラム自体は当業者に公知である。

【0022】

前記光学レンズ系の好ましい実施形態において、前記第１屈折レンズ及び前記第２屈折レンズの両方が、アッベ数２０≦ν_ｄ≦４１の光学材料を有する。この実施形態において、前記測定ヘッドの前記光学レンズ系の両方のレンズが、有利には、非常に高分散性の光学材料から構成される。こうして、特に大きい色収差が有利に可能にされ、従って、比較的大きい測定領域を得ることができる。高分散性の光学材料として、重フリントガラスが特に適しており、前記重フリントガラスは、一般的に、２０〜３０の範囲のアッベ数ν_ｄを有する。

【0023】

前記装置の好ましい実施形態において、前記測定領域ＭＲと、前記測定領域側の前記光学レンズ系の数値アパーチャＮＡ_ＭＲの二乗との積が、１００μｍ〜４５０μｍである。従って、１００μｍ≦ＭＲ^＊ＮＡ^２_ＭＲ≦４５０μｍが妥当する。先に述べたように、前記測定領域ＭＲは、具体的に、波長４５０ｎｍ〜７００ｎｍにおける前記レンズ系の軸方向焦点移動に等しい。前記測定領域側の前記光学レンズ系の前記数値アパーチャは、ＮＡ_ＭＲ＝ｎｓｉｎα_ＭＲであり、ｎは、前記測定領域の周囲媒体の屈折率であり、空気中ではほぼ１に等しい。角度α_ＭＲは、前記光軸と、前記測定領域を（例えば、測定対象物上での反射後に）出発して前記光学レンズ系の前記第２レンズに衝突する光束のエッジビームとが成す角度である。測定領域側数値アパーチャＮＡ_ＭＲが増大すると分解能が高まることが理解されよう。示されている好ましい値範囲１００μｍ≦ＭＲ*ＮＡ^２_ＭＲ≦４５０μｍは、測定領域の寸法と、数値アパーチャに依存するシステム分解能との間の良好な妥協が存在する範囲を示す。大きい測定領域は、例えば、焦点距離が非常に長いレンズ系を用いることにより達成できる。しかしこれはまた、数値アパーチャの低減（及び、従って分解能の低減）も伴う。従って、レンズ系の光学設計において、測定領域の寸法と数値アパーチャとの間の妥協案が選択されることが好ましく、これは、積ＮＡ^２_ＭＲ^＊ＭＲのための特定の値範囲で示される。特定の値範囲において、高分解能と、比較的大きい測定領域との両方が有利に実現される。

【0024】

前記装置のさらなる有利な実施形態において、前記アパーチャ開口の半径ｒ_ＰＨと、前記アパーチャ開口側の数値アパーチャＮＡ_ＰＨとの積は、１．０μｍ〜５．５μｍである。従って１．０μｍ≦ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨ≦５．５μｍが妥当する。アパーチャ開口側の数値アパーチャは、ＮＡ_ＰＨ＝ｎｓｉｎα_ＰＨであり、ｎは、周囲媒体の屈折率であり、空気中では、ほぼ１に等しい。角度α_ＰＨは、前記光軸と、前記測定領域を出発して前記光学レンズ系の前記第１レンズに衝突する光束のエッジビームとが成す角度である。用語「数値アパーチャ」は、本明細書以下、有効な数値アパーチャとして理解されよう。すなわち、前記エッジビームの角度α_ＰＨが、前記アパーチャ開口から出射する光束の開き角度によってのみ限定可能なのではなく、次なる１以上のアパーチャによっても、又は、直径レンズ(diameter lens)の１つによっても限定可能であることを考慮している。

【0025】

積「ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨ」を、本明細書以下、「ビームパラメータ積」と称する。大きいビームパラメータ積、すなわち、比較的大きいアパーチャ開口ｒ_ＰＨ、及び、大きい数値アパーチャＮＡ_ＰＨは、例えば、高光出力が利用可能な場合に大きい信号対ノイズ比を得ようとするときに有利である。一方、ビームパラメータ積ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨが増大すると分解能が低減することは明らかになっており、これは、測定対象物により反射された光の分析において、拡大されたスペクトルピーク幅により示される。従って、測定領域側の数値アパーチャＮＡ_ＭＲ（高分解能の実現のために可能な限り大きくあるべき）とは反対に、アパーチャ開口側の小さい数値アパーチャＮＡ_ＰＨ、及び、より小さいアパーチャ半径ｒ_ＰＨが、分解能のために有利である。ビームパラメータ積ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨのための特定の好ましい値範囲において、良好な妥協が、システムの光伝送と、その結果の測定時間及び分解能並びに得られる測定精度との間に得られる。より長い測定時間での高分解能測定には、下限値１．０μｍの範囲のビームパラメータ積の値が適しており、一方、比較的迅速な測定で幾分より低い分解能のためには、上限値５．５μｍが適している。

【0026】

前記装置の好ましい構造において、前記光源及び前記光分析ユニットは、前記測定ヘッドに光ファイバを介して接続されている。詳細には、前記光源により放射された光が前記測定ヘッドに前記光ファイバを介して伝送され得、また、前記対象物により逆ビーム方向に反射された光が前記光分析ユニットに、同一の光ファイバにより導かれ得る。例えば、後方反射光は、前記光ファイバを通過した後に、ビームスプリッタを用いて前記光分析ユニットに伝送され得る。前記光源及び前記光分析ユニットの、柔軟な光ファイバによる接続は、前記測定ヘッド（本明細書に記載される装置において、最小寸法及び軽量を特徴とする）が、測定対象物付近に省スペースで配置されることを有利に可能にする。このような場合、前記光源と前記光分析ユニットとは、前記光ファイバの対向端の領域に配置される。光ファイバとして好適に用いられるのは、９μｍ〜５０μｍのファイバコア径、及び、０、０７〜０．２２の有効数値アパーチャＮＡ_ＰＨを有する光ファイバである。有効数値アパーチャは、光ファイバにより、若しくはレンズ直径により、又は、おそらく、それに続く１以上のアパーチャにより制限され得る。

【0027】

前記光源及び前記光分析ユニットが前記測定ヘッドに光ファイバを用いて接続される場合、前記測定ヘッドの前記アパーチャ開口は、前記光ファイバのファイバ端面であり得る。このような場合、前記アパーチャ開口の半径ｒ_ＰＨは前記光ファイバの半径に等しい。

【0028】

一実施形態において、光学素子が、前記光学レンズ系に面したファイバ端面上に配置される。前記光学素子は、有利には前記ファイバ端面に堅固に接続され、詳細には、前記ファイバ端面に接着され又は前記ファイバ端面上に押着され得る。前記光学素子は、好ましくは、前記ファイバの屈折率に合わせて調節される屈折率を有し、従って、前記ファイバ端面上への後方反射光はいずれも低減される。

【0029】

前記ファイバ端面に接続された前記光学素子は、様々な実施形態を有し得る。一実施形態において、前記光学素子は光学窓である。この文脈において、このような光学窓が、透明な材料からつくられた素子であり、レンズ機能を有さず、例えば、前記光学レンズ系に面した端面が平坦な設計であることが特に理解されよう。

【0030】

さらなる有利な実施形態において、前記光学素子はレンズ機能を有する。例えば、前記光学素子は、屈折発散レンズである。この場合、前記光学素子の、前記光学レンズ系に面した端面が、例えば、凹状に構成される。屈折発散レンズは、前記光ファイバから出射する光円錐の発散が有利に拡大されることを可能にする。これは、前記測定ヘッドのより短い構造形状を有利に可能にする。

【0031】

さらなる有利な実施形態において、前記光学素子は、屈折率分布型発散レンズである。屈折率分布型発散レンズは、上記の屈折発散レンズと同様に、前記光ファイバから出射する光束の発散を拡大するために有利に機能して、前記測定ヘッドの構造長さを縮小する利点を有する。屈折率分布型レンズは、特に、光軸上での屈折率が最小で且つ外側に向かって増大する放射状（ラジアル）屈折率プロファイルを有する。放射状屈折率プロファイルは、詳細には、ほぼ放物線状であり得る。この文脈において、「ほぼ放物線状」とは、屈折率の半径方向の勾配を、光軸からの半径方向距離の二乗に依存した少なくとも１つの加数を有する多項式関数として示すことができることを意味し得る。また、多項式関数は、結像誤差を補正するためのさらなる加数も含み得る。屈折率分布型レンズは、有利に、平坦な光学端面を有し、費用効果的に大量生産できる。

【0032】

さらなる有利な実施形態において、前記光学素子は、屈折率分布型収束レンズである。このような屈折率分布型レンズは、好ましくは、光軸上での屈折率が最大で且つ外側に向かって低減する放射状屈折率プロファイルを有する。放射状屈折率プロファイルは、詳細には、ほぼ放物線状であり得る。屈折率分布型収束レンズは、上記の屈折率分布型発散レンズと同様に、有利に、平坦な光学端面を有し、費用効果的に大量生産できる。屈折率分布型収束レンズは、前記光ファイバから出射する光束の発散を拡大するために使用され得る。なぜなら、ビームが、屈折率分布型収束レンズ内又はその付近にまだ位置する焦点で集束され、従って、焦点より後ろのビームが再び発散するからである。

【0033】

さらなる有利な実施形態において、前記光学素子は屈折率分布型レンズであり、屈折率分布型レンズは、前記ファイバ端面により形成された前記光源の光点を１以上の中間像に結像する。この実施形態において、屈折率分布型レンズは、有利には、屈折率分布型収束レンズであり、放射状の、好ましくはほぼ放物線状の、光軸上で最大屈折率を有する屈折率プロファイルを有する。このような放射状屈折率プロファイルは、連続した共正弦波ビーム路を屈折率分布型収束レンズ内に生成する。この共正弦波の期間（長さ）を、本明細書以下、「ピッチ長」と称する。

【0034】

ピッチ長に等しい長さを有する屈折率分布型収束レンズは、入射面を出射面の正しい側(correct side)で結像する。ピッチ長の半分に等しい長さの場合、倒立像が形成される。従って、ピッチ長の半分よりも大きい長さを有する屈折率分布型収束レンズは、少なくとも１つの入射面の中間像を形成する。本明細書に記載する実施形態において、屈折率分布型レンズは、ピッチ長の半分以上の長さ、好ましくは、ピッチ長以上の長さを有し、従って、入射面は、好ましくは、１つの、又は、好ましくはそれより多数の中間像に結像される。屈折率分布型レンズのピッチ長の、典型的な波長依存性（波長が長くなるとピッチ長が増大する）に基づいて、１以上の中間像において、色による焦点移動(chromatic focus shift)が既に生じている。前記色焦点移動は、前記測定ヘッドの全体色収差を強化し、それにより、測定領域を有利に拡大させる。

【0035】

上記の有利な実施形態（それぞれの場合に、光学素子が前記ファイバ端面の、前記光学レンズ系に面した一方に配置される）において、前記光学素子の、前記測定ヘッドの前記光学レンズ系に面した端面に、好ましくは、反射低減コーティングが施される。これは、前記光源の光を前記光学素子との接続から外したときの、及び、前記後方反射光を前記光学素子に接続するときの反射損失を有利に低減する。

【0036】

さらなる有利な実施形態において、距離要素が、前記光ファイバの前記ファイバ端面と前記光学素子との間に配置される。従って、この実施形態においては、前記光学素子は、前記光ファイバ端面に直接隣接せずに、前記距離要素（例えば、光学窓）により、前記ファイバ端面から離隔される。

【0037】

さらなる有利な実施形態において、前記光ファイバの前記ファイバ端面、及び、前記ファイバ端面に面した、前記光学素子の又は前記距離要素の面が、前記光軸に対して斜めに構成される。これは、前記ファイバ端面と前記光学素子又は前記距離要素との間の境界面での後方反射光のいずれもが有利にさらに低減されることを可能にする。

【0038】

さらなる有利な実施形態において、ビーム偏向素子が前記測定ヘッドに配置される。この実施形態は、光を前記測定ヘッドから測定対象物に向かって横方向に出射させることを意図する場合に有利である。そしてこれは、例えば、平坦な中間空間における空隙又は物体を測定しようとする場合に好都合である。ビーム偏向素子は、例えば、プリズム又はミラーであり得る。詳細には、９０度のビーム偏向を提供できる。ビーム偏向素子は、前記ビーム方向における前記光学レンズ系の下流に、又は、前記２つの屈折レンズの間に、若しくは、前記アパーチャ開口と前記光学レンズ系との間に配置され得る。

【0039】

以下に、本発明を、図１〜図１１を参照しつつ、例示的な実施形態に基づいて、より詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1】例示的実施形態による対象物の非接触式光学的寸法測定のための装置の断面概略図である。

【図2A】一実施形態における測定ヘッドの光学レンズ系の断面図である。

【図2B】一実施形態における測定ヘッドの光学レンズ系の断面図である。

【図2C】一実施形態における測定ヘッドの光学レンズ系の断面図である。

【図2D】一実施形態における測定ヘッドの光学レンズ系の断面図である。

【図2E】一実施形態における測定ヘッドの光学レンズ系の断面図である。

【図2F】一実施形態における測定ヘッドの光学レンズ系の断面図である。

【図2G】一実施形態における測定ヘッドの光学レンズ系の断面図である。

【図2H】一実施形態における測定ヘッドの光学レンズ系の断面図である。

【図2I】一実施形態における測定ヘッドの光学レンズ系の断面図である。

【図2J】一実施形態における測定ヘッドの光学レンズ系の断面図である。

【図3】一実施形態における測定ヘッドの概略図である。

【図4】一実施形態における測定ヘッドの概略図である。

【図5】一実施形態における測定ヘッドの概略図である。

【図6】一実施形態における測定ヘッドの概略図である。

【図7】一実施形態における測定ヘッドの概略図である。

【図8】一実施形態における測定ヘッドの概略図である。

【図9】一実施形態における測定ヘッドの概略図である。

【図10】一実施形態における測定ヘッドの概略図である。

【図11】一実施形態における測定ヘッドの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0041】

図面において、同一であるか又は同一に機能する部品は、常に同一の参照番号で示す。図示されている構成要素、及び、これらの構成要素の寸法比率は互いに同一の尺度とみなされるべきでない。

【0042】

対象物の非接触式光学的寸法測定のための、例示的実施形態による装置１０が図１に示されている。装置１０は、光源３、光分析ユニット４、及び、測定ヘッド５を含む。

【0043】

光源３は、多色光１３（すなわち、アパーチャ開口６を通って測定ヘッド５に入射する連続スペクトルを有する光１３）を放出する。光源３は、好ましくは白色光源（例えば、白色発光ＬＥＤ、ハロゲンランプ又はキセノンランプ）である。アパーチャ開口６は、好ましくは、半径ｒ_ＰＨを有する円形開口である。アパーチャ開口６は、例えば、ピンホールアパーチャ、又は、光ファイバのファイバ端面であり得る。

【0044】

装置１０の測定ヘッド５は、第１の屈折レンズ１及び第２の屈折レンズ２から成る光学レンズ系１２を有する。光学レンズ系１２は、長手方向色収差を有し、従って、多色光源３のアパーチャ開口６により形成された光点が、様々な焦点面２１，２２，２３で結像する。より短い波長の光は焦点面２１で結像する。焦点面２１は、光軸上で、より長い波長の光のための焦点面２３よりも光学レンズ系１２の近くに位置する。測定のために、例えば４５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の波長を提供できる。この場合、例えば、最短波長４５０ｎｍの光が焦点面２１で結像し、最長波長７００ｎｍの光が、レンズ系１２からより遠い焦点面２３で結像する。使用される最短波長と最長波長との間の色収差に基づいて光学レンズ系１２が生じる焦点移動（シフト）が測定領域ＭＲを画成し、この領域内で測定対象物を測定できる。

【0045】

測定対象物が測定領域ＭＲ内に位置するとき、放射光の一部が光学レンズ系１２に後方反射又は散乱される。測定対象物が位置する焦点面における同一波長の光が、光学レンズ系１２により逆ビーム方向にアパーチャ開口６上に集束され、一方、その他の波長の光はアパーチャ開口６上にシャープに結像されずに高損失を生じる。アパーチャ開口６を通る逆ビーム方向の後方反射光は、例えば、光分析ユニット４に、ビームスプリッタ１５を介して供給され得る。光分析ユニット４は、例えば、測定光１４をスペクトル分析する分光計である。

【0046】

測定対象物が位置する焦点面における測定光１４の波長のスペクトルにシャープな最大値が生じ、その位置から、測定対象物の距離を、対応するキャリブレーションにより決定できる。対象物の様々な位置での（特には、２次元格子における）距離測定が、対象物の高さプロファイルの測定を可能にする。さらに、この測定システムは、透明な薄い層の厚さを高精度で測定するオプションも提供する。この測定において、前側境界面及び後側境界面への後方反射が生じ、従って、２つの最大強度が、測定光１４における様々な波長に関して生じ、それらの差から厚さを決定できる。

【0047】

装置の測定原理は、光学レンズ系１２の長手方向色収差を利用する。しかし、高い測定分解能を実現するために、その他の光学結像誤差（特には、球面色収差）を可能な限り低減することが非常に重要である。本明細書に記載する装置において、これが、２つのみの屈折レンズ１，２から成る光学レンズ系１２により達成される。２つのレンズ１，２のみを使用するにもかかわらず、光学結像誤差が低減される。これは、特に、レンズ１，２の少なくとも一方が少なくとも１つの非球面レンズ面１１を有することによる。図１に示した例示的な実施形態において、第１の屈折レンズ１の、アパーチャ開口６に面したレンズ面は、非球面レンズ面１１である。光学レンズ系１２のその他の実施形態において、その他のレンズ面の少なくとも１つが、代替的に又は追加的に非球面レンズ面であり得る。

【0048】

第１の近似において、光学レンズ系１２は２つの薄いレンズから構成されているとされ得る。２つのレンズ１，２における平均エッジビーム高さがｙ_１，ｙ_２、焦点距離がｆ_１，ｆ_２でアッべ数がν_１，ν_２の長手方向色分割（測定領域ＭＲ）が、以下の式で与えられる。

【数1】

【0049】

光学レンズ系１２の２つのレンズ１，２の、より短い焦点距離を有するレンズのレンズ面を非球面に設計することが有利であることが証明された。これは、低公差感度の実現を可能にする。また、レンズ１，２が、異なる焦点距離ｆ_１，ｆ_２及び異なるアッべ数ν_１，ν_２を有する場合、より短い焦点距離を有するレンズが、より低いアッべ数（具体的には、アッべ数は２０〜３０）を有することが有利である。

【0050】

可能な限り短い構造長さを得るために、レンズ１，２の少なくとも１つをメニスカスレンズとして設計できる。この場合、第１レンズ１が、好ましくは、アパーチャ開口６に向かって凹状に設計され、或いは、第２レンズ２が測定空間に向かって凹状に設計される。

【0051】

さらなる有利な実施形態において、第２レンズ２が、非球面レンズ面１１、及び、第１レンズよりも小さい焦点距離を有する。詳細には、焦点距離の比率は、アパーチャ開口側の数値アパーチャＮＡ_ＰＨの、測定空間側の数値アパーチャＮＡ_ＭＲに対する比率にほぼ等しくてよい。

【0052】

非球面レンズ面１１は、好ましくは、半径方向に対称の高さプロファイルｈ（ｒ）を有し、これは、例えば、以下の式により示される。

【数2】

【0053】

式中、ｈ（ｒ）は、光軸に対して垂直な半径距離ｒの関数としての高さ座標であり、Ｒは頂点半径、ｋは円錐定数、Ａ_２ｉは非球面パラメータである。

【0054】

非球面レンズ面１１の設計、すなわち、上記式のパラメータの決定は、好ましくは、全光学系を含むシミュレーション計算の結果として生じる。

【0055】

測定ヘッド５に２つのレンズ１，２のみを使用することは、特に、測定ヘッド５が比較的小さい寸法及び軽量を特徴とする利点を有する。光学レンズ系１２に使用するレンズが２つのレンズ１，２のみであっても可能な限り大きい色収差を得るために、レンズ１，２の少なくとも一方が、アッべ数ν_ｄが２０〜４１の光学材料から作られる。このような低いアッベ数ν_ｄを有する光学材料は、強い光分散性により特徴付けられ、すなわち、屈折率が波長に強く依存する。特に好ましくは、光学レンズ系１２の両方のレンズ１，２は、アッべ数ν_ｄが２０〜４１の高分散性の光学材料からつくられる。このような光学材料は、具体的には、重フリントガラスである。適切なガラスは、例えば、ショット社(Schott Company)から、ＳＦ６６（ν_ｄ＝２２．８８）、ＬａＳＦ３５（ν_ｄ＝２９．０６）、Ｎ−ＬａＳＦ４３（ν_ｄ＝４０．６１）、及び、ＢａＳＦ１３（ν_ｄ＝３８．５７）の商品名で入手可能である。

【0056】

装置１０における光学レンズ系１２は、軸方向の焦点移動が波長４５０ｎｍ〜７００ｎｍにおいて生じるような長手方向色収差を有し、前記軸方向焦点移動が、測定領域ＭＲを０．２ｍｍ〜１０ｍｍに画定する。

【0057】

光学レンズ系１２は、アパーチャ開口６側に、数値アパーチャＮＡ_ＰＨ＝ｎｓｉｎα_ＰＨを有する。角度α_ＰＨは、光軸３０と、アパーチャ開口６から出射して光学レンズ系１２に衝突する光束のエッジビーム３１とが成す角度である。光学レンズ系１２のさらなる特徴的なパラメータは、測定領域ＭＲ側の、数値アパーチャＮＡ_ＭＲ＝ｎｓｉｎα_ＭＲである。角度α_ＭＲは、光軸３０と、測定領域から出射して光学レンズ系１２に衝突する光束のエッジビーム３２とが成す角度である。屈折率ｎは、一般的に、空気の屈折率であり、従って、ほぼ１に等しい。

【0058】

装置において、以下の条件、
（１）１００μｍ≦ＭＲ*ＮＡ^２_ＭＲ≦４５０μｍ
（２）１．０μｍ≦ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨ≦５．５μｍ
が同時に満たされることが好ましい。

【0059】

これらの値範囲において高分解能を達成できることが、広範な事例研究で特に明らかになった。共焦点結像の理論から以下の内容を導出できる。すなわち、所与の測定領域ＭＲにおいて、測定ヘッドの高分解能（測定信号の可能な限り小さいスペクトルピーク幅として示される）を達成できるのは、測定空間において特定の数値アパーチャＮＡ_ＭＲを超えていない場合だけである。条件（１）は、積ＭＲ*ＮＡ^２_ＭＲのための特に好ましい領域を特定している。しかし、測定信号のピーク幅は、ビームパラメータ積ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨにも依存する。条件（２）は、このパラメータのための特に好ましい範囲を特定している。

【0060】

次の図２Ａ〜図２Ｊは、光学レンズ系のための、上記の条件（１）及び（２）を同時に満たす例示的な実施形態を示す。光学レンズ系は、特に、光学結像誤差の良好な（測定信号のピーク幅が、本質的に、アパーチャ開口における不可避の回折効果のみに依存するような）補正を行う。すなわち、回折が制限された結像が実現される。図面の各々において、非球面レンズ面に参照番号１１が付してある。

【0061】

光学レンズ系は、具体的に、以下のパラメータにより特徴付けられる。
ｆ_１：第１レンズの部分焦点距離
ｆ_２：第２レンズの部分焦点距離
ν_ｄ１：第１レンズのアッべ数
ν_ｄ２：第２レンズのアッべ数
Ｌ：測定ヘッドの構造長さ
ｄ：測定ヘッドの直径

【0062】

図２Ａ〜図２Ｃにおける例示的な実施形態の各々が、測定領域ＭＲ＝０．２５ｍｍを有する。

【0063】

図２Ａの例示的な実施形態において、ＮＡ_ＭＲ＝０．９１、ＭＲ*ＮＡ^２_ＭＲ＝２１０μｍ、ＮＡ_ＰＨ＝０．０７、ｒ_ＰＨ＝１４μｍ、ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨ＝１μｍ、ｆ_１＝１２.７ｍｍ、ｆ_２＝６．０ｍｍ、ν_ｄ１＝２８．４、ν_ｄ２＝２９．１、Ｌ＝８９．１ｍｍ、Ｄ＝１１．６ｍｍである。

【0064】

図２Ｂの例示的な実施形態において、ＮＡ_ＭＲ＝０．９１、ＭＲ*ＮＡ^２_ＭＲ＝２１０μｍ、ＮＡ_ＰＨ＝０．０７、ｒ_ＰＨ＝１４μｍ、ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨ＝１μｍ、ｆ_１＝１１.３ｍｍ、ｆ_２＝７．６ｍｍ、ν_ｄ１＝２８．４、ν_ｄ２＝２９．１、Ｌ＝８５．３ｍｍ、Ｄ＝１１．４ｍｍである。

【0065】

図２Ｃの例示的な実施形態において、ＮＡ_ＭＲ＝０．９１、ＭＲ*ＮＡ^２_ＭＲ＝２１０μｍ、ＮＡ_ＰＨ＝０．２２、ｒ_ＰＨ＝２５μｍ、ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨ＝５．５μｍ、ｆ_１＝７．５ｍｍ、ｆ_２＝５．８ｍｍ、ν_ｄ１＝２８．４、ν_ｄ２＝２９．１、Ｌ＝３０．０ｍｍ、Ｄ＝１１．０ｍｍである。

【0066】

図２Ｄ〜図２Ｇにおける例示的な実施形態の各々が、ＭＲ＝約１．５ｍｍの測定領域を有する。

【0067】

図２Ｄの例示的な実施形態において、ＮＡ_ＭＲ＝０．４０、ＭＲ*ＮＡ^２_ＭＲ＝２４０μｍ、ＮＡ_ＰＨ＝０．２２、ｒ_ＰＨ＝１３μｍ、ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨ＝２．９μｍ、ｆ_１＝−３９ｍｍ、ｆ_２＝９．６ｍｍ、ν_ｄ１＝２８．４、ν_ｄ２＝２９．１、Ｌ＝４１．５ｍｍ、Ｄ＝１４．０ｍｍである。

【0068】

図２Ｅの例示的な実施形態において、ＮＡ_ＭＲ＝０．４０、ＭＲ*ＮＡ^２_ＭＲ＝２４０μｍ、ＮＡ_ＰＨ＝０．２２、ｒ_ＰＨ＝１３μｍ、ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨ＝２．９μｍ、ｆ_１＝４４．４ｍｍ、ｆ_２＝１７．０ｍｍ、ν_ｄ１＝２８．４、ν_ｄ２＝２９．１、Ｌ＝５４ｍｍ、Ｄ＝１５．５ｍｍである。

【0069】

図２Ｆの例示的な実施形態において、ＮＡ_ＭＲ＝０．４０、Ｒ*ＮＡ^２_ＭＲ＝２４０μｍ、ＮＡ_ＰＨ＝０．２２、ｒ_ＰＨ＝１３μｍ、ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨ＝２．９μｍ、ｆ_１＝３０．０ｍｍ、ｆ_２＝１８．８ｍｍ、ν_ｄ１＝２０．０、ν_ｄ２＝２９．１、Ｌ＝５７．９ｍｍ、Ｄ＝１４．４ｍｍである。

【0070】

図２Ｇの例示的な実施形態において、ＮＡ_ＭＲ＝０．４０、ＭＲ*ＮＡ^２_ＭＲ＝２４０μｍ、ＮＡ_ＰＨ＝０．２２、ｒ_ＰＨ＝１３μｍ、ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨ＝２．９μｍ、ｆ_１＝５０．９ｍｍ、ｆ_２＝２５．８ｍｍ、ν_ｄ１＝４０．６、ν_ｄ２＝３８．６、Ｌ＝７９．０ｍｍ、Ｄ＝２１．０ｍｍである。

【0071】

図２Ｈ及び図２Ｉにおける例示的な実施形態の各々が、測定領域ＭＲ＝１０ｍｍを有する。

【0072】

図２Ｈの例示的な実施形態において、ＮＡ_ＭＲ＝０．２０５、ＭＲ*ＮＡ^２_ＭＲ＝４２０μｍ、ＮＡ_ＰＨ＝０．２２、ｒ_ＰＨ＝１３μｍ、ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨ＝２．９μｍ、ｆ_１＝７８．５ｍｍ、ｆ_２＝１３０ｍｍ、ν_ｄ１＝２９．１、ν_ｄ２＝２９．１、Ｌ＝１９９ｍｍ、Ｄ＝４１．８ｍｍである。

【0073】

図２Ｉの例示的な実施形態において、ＮＡ_ＭＲ＝０．２０５、ＭＲ*ＮＡ^２_ＭＲ＝４２０μｍ、ＮＡ_ＰＨ＝０．２２、ｒ_ＰＨ＝１３μｍ、ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨ＝２．９μｍ、ｆ_１＝８７．０ｍｍ、ｆ_２＝９１．４ｍｍ、ν_ｄ１＝２９．１、ν_ｄ２＝２９．１、Ｌ＝１９３ｍｍ、Ｄ＝３９．０ｍｍである。

【0074】

図２Ｊは、さらなる例示的な実施形態を示す。この実施形態に基づいて、光学系の（詳細には、屈折レンズ１，２及び非球面レンズ面１１の）設計を詳細に説明する。測定領域ＭＲ＝１．５ｍｍに関してレンズ系を算出した。例示的な実施形態において、ＮＡ_ＭＲ＝０．５１、ＮＡ_ＰＨ＝０．２２、ＭＲ*ＮＡ^２_ＭＲ＝３９０μｍ、Ｌ＝６０．５ｍｍ、Ｄ＝１６．６ｍｍである。

【0075】

アパーチャ開口に続いて、両側が平坦で厚さが１．５ｍｍの、タイプＢＫ７のガラスからつくられた距離要素９が設けられている。次いで、３１．６３９５ｍｍの空隙が存在し、その後ろに第１レンズ１が設けられている。第１レンズ１は、タイプＳＦ６６のガラス（ν_ｄ１＝２１）からつくられた球面平凸レンズとして構成されている。レンズ１の、アパーチャ開口に面した側は平坦である。少なくとも１つの平坦なレンズ面を用いることが、製造労力及び公差感度を有利に低減する。反対側の球状凸面は、３３．６９４３ｍｍの曲率半径を有する。レンズ１の中心厚さは７．５００ｍｍである。

【0076】

第１レンズに続いて２．４１８５ｍｍの空隙が存在し、その後ろに第２のレンズが設けられている。第２レンズは、タイプＳＦ６６のガラス（ν_ｄ２＝２１）からつくられた非球面メニスカスレンズとして構成されている。第１レンズ１に面したレンズ面は、半径方向に対称の高さプロファイルｈ（ｒ）を有し、（上述の式に関して）、頂点半径Ｒ=１１．３６６８７ｍｍ、円錐定数ｋ＝−０．２２４３０２であり、また、非球面パラメータＡ_２＝−２．２６０*１０^−８、Ａ_４＝−１．３８４*１０^−５、Ａ_６＝−７．７７７*１０^−８、Ａ_８＝−３．６０９*１０^−１０、Ａ_１０＝−１．３６５*１０^−１２、Ａ_１２＝−２．５０１*１０^−１４である。レンズ２の中心厚さは５.０８８９ｍｍである。第２レンズの、測定領域に面したレンズ面は球面凹状であり、３８．０４３１ｍｍの曲率半径を有する。

【0077】

第２レンズから出発して、波長λ=４５０ｎｍのための焦点は、１１．５４１ｍｍの空気距離にあり、波長λ=５４６ｎｍのための焦点は１２.３９５ｍｍの空気距離にあり、波長λ=６７５ｎｍのための焦点は１２.９９１ｍｍの空気距離にある。

【0078】

測定原理を用いる場合、図３に示されているように、光学測定ヘッドを、多色光源及び光分析ユニットを含む評価ユニットから、柔軟な光ファイバ７により空間的に離隔することが好ましい。その結果、測定ヘッドは、占める空間が小さくなり、軽量であり、また、厳しい条件下、例えば、減圧下又は強い電磁障害を伴う環境においても使用され得る。この構造において、光ファイバ７の前面は、測定ヘッドのアパーチャ開口６として機能し、従って、光の出入口を構成している。９μｍ〜５０μｍのコア径、及び、０、０７〜０．２２の数値アパーチャを有するファイバを光ファイバ７として用いることが好ましい。

【0079】

光ファイバの半径ｒ_ＰＨと光ファイバ７側の数値アパーチャＮＡ_ＰＨとのビームパラメータ積ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨがより小さいほど、測定ヘッド５の結像がより共焦点（コンフォーカル）になり、且つ、検出可能距離の分解能がより高くなる。しかし、短いサンプリングレートに関しては、光源の可能な限り多くの光が光ファイバ７に接続されることが好ましく、従って、より大きいビームパラメータ積ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨが有利である。この場合、マルチモードファイバ、具体的には、例えば、直径５０μｍでＮＡ_ＰＨ＝０．２２のグレーデッドインデックスファイバを使用できる。必要であれば、光ファイバ７の比較的高いビームパラメータ積ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨを、有効数値アパーチャＮＡ_ＰＨの低減によりかなり減少できる。これは、測定ヘッドにおける、好ましくはレンズ径を介したスクリーニングオフにより行われ、０．０７の値まで減少できる。図３の例示的な実施形態において、ＮＡ_ＰＨ＝０．０７、ＮＡ_ＭＲ＝０．９０であり、この場合、０．２５ｍｍの焦点移動が、波長４５０ｎｍと波長６７５ｎｍとの間で生じる。

【0080】

より短い設計が、光ファイバ７側の、より大きい（有効）数値アパーチャＮＡ_ＰＨにより得られ、この場合、ビームパラメータ積ｒ_ＰＨ*ＮＡ_ＰＨを、光ファイバ７の半径ｒ_ＰＨにより調整できる。図４は、光学測定ヘッドの一実施形態を示し、この実施形態において、光ファイバ７側の有効数値アパーチャはＮＡ_ＰＨ＝０．２２であり、測定領域側の数値アパーチャはＮＡ_ＭＲ＝０．４である。この実施形態において、１．５ｍｍの、色による焦点移動が４５０ｎｍ〜６７５ｎｍの波長範囲で得られる。

【0081】

多くの測定対象物、例えば、液体、透明な媒体（ガラス、プラスチック）、又は、コーティングされた光学面の反射率は、測定光に対しては低い。従って、測定システムが本来有する再帰反射を可能な限り抑制することが重要である。この目的のために、図５の例示的な実施形態において光学窓８が用いられる。光学窓８の屈折率が、光ファイバ７の屈折率のために有利に調整される。光学窓８は光ファイバ７のファイバ端面１７に、光ファイバカップリングと同様に、例えば、接着（セメンティング）又はプレス嵌めによりに取り付けられる。これが、ファイバ端面１７での再帰反射（フレネル反射）を低減する。光学窓８の、光学レンズ系に面している端面１８に反射低減コーティング（図示せず）を施し得るが、その作用性は、ファイバ端面１７までの距離により、かなり低い。再帰反射の抑制を特に強力に実現しようとする場合、又は、着脱可能なファイバプラグ接続の場合の汚染に対する脆弱性を回避すべき場合、図５に示されているように、ファイバ端面１７と、光学素子８の、ファイバ端面に面した面とを光軸３０に対して斜めに設計することが有利である。これは、前記端面の斜め研磨により実現される。

【0082】

図６は、数値アパーチャが０．０７の光ファイバ７から出射する光束の１つの発散が、屈折発散レンズ８により、値ＮＡ_ＰＨ＝０．２２まで有利に拡大される例示的な実施形態を示す。数値アパーチャＮＡ_ＰＨを発散レンズ８により拡大することにより、測定ヘッドのより短い構造設計が達成される。これは、特に、光ファイバ７と、測定ヘッド内の光学レンズ系との距離を約１／３に低減することを可能にする。発散レンズ８（この例においては光ファイバ７と直接接触される）のファイバ側の斜め研磨の結果、同時に、ファイバの前側１７の再帰反射が最小化される。図７は、光ファイバ７から出射する光束の発散が光学素子８を用いて有利に拡大されるさらなる実施形態を示す。

【0083】

図７の例示的な実施形態においては、屈折発散レンズの代わりに屈折率分布型発散レンズ８が光学素子として用いられている。屈折率分布型発散レンズ８は、放射状の、好ましくはほぼ放物線状の屈折率プロファイルを有し、光軸３０上で最小屈折率を有する。屈折率分布型レンズ８は、屈折レンズと比較して、その平坦な光面が、費用効果的な大量生産を可能にするという利点を有する。

【0084】

図７の例示的な実施形態において、距離要素９が、光ファイバ７と屈折率分布型発散レンズ８との間に、ファイバ７と、光ファイバ７よりも高い屈折率を有し得る屈折率分布型レンズ８との間の再帰反射を最小化するために有利に配置されている。

【0085】

図８は、光ファイバ７から出射する光束の発散が屈折率分布型レンズ８の形態の光学素子を用いて有利に拡大されるさらなる例示的な実施形態を示す。上記の実施形態とは異なり、屈折率分布型レンズ８は収束レンズである。屈折率分布型収束レンズ８は、放射状の、好ましくは、ほぼ放物線状の屈折率プロファイルを有し、光軸３０上で最大屈折率を有する。上記の屈折率分布型発散レンズと同様に、平坦な光面が、費用効果的な大量生産を可能にする。上記の例示的な実施形態と同様に、距離要素９が、光ファイバ７と屈折率分布型収束レンズ８との間に配置され、これにより、光ファイバ７と、高い屈折率を有する屈折率分布型収束レンズ８との間の再帰反射を最小化する。

【0086】

図９は、光ファイバ７から出射する光束の発散が屈折率分布型レンズ８の形態の光学素子を用いて有利に拡大されるさらなる例示的な実施形態を示す。この例示的な実施形態において、屈折率分布型レンズ８は屈折率分布型収束レンズであり、上記の例示的な実施形態と同様に、放射状の、好ましくはほぼ放物線状の屈折率プロファイルを有し、光軸３０上で最大屈折率を有する。このような、ほぼ放物線状の放射状屈折率プロファイルが、連続した共正弦波ビーム路を屈折率分布型収束レンズ８内に生成し、この波の期間がピッチ長である。図９の例示的な実施形態において、屈折率分布型収束レンズ８の長さはピッチ長にほぼ等しく、従って、屈折率分布型収束レンズは、入射面に２つの中間像で結像する。この実施形態は、ピッチ長の波長依存性を利用する。波長が増大するとピッチ長が増大するという事実により、中間像は既に色移動している。すなわち、中間像は、光軸上で互いに向かって幾分移動されている。これは、測定ヘッドの全体色収差を強化して、測定領域を有利に拡大する。これは、測定ヘッドが特に小さい寸法を有するべき用途に特に有利である。図９の例示的な実施形態において、測定領域は、光学レンズ系の色収差のみから得られる場合の測定領域よりも約２０％大きい。

【0087】

図１０は、プリズムがビーム偏向素子１６として測定ヘッドに配置された例示的な実施形態を示す。これは、光束の方向を測定領域に向かって横方向に、好ましくは９０度の角度だけ変換する。これは、特に、中空空間、及び、平坦な空間内の対象物の測定に有利である。ビーム偏向素子１６として、プリズムの代わりに、例えばミラーを用いてもよい。ビームを偏向させるために偏向プリズムを用いる場合、プリズム１６の光学ガラス路による球面収差が、好ましくは、光学レンズ系の半径及び非球面レンズ面を調節することにより補正される。

【0088】

図１０の例示的な実施形態におけるビーム偏向は、測定領域と、光学レンズ系の、測定領域に面した第２屈折レンズとの間で生じる。これにより、測定ヘッドの横方向拡張を特に小さくすることが可能になる。ビーム偏向素子１６を測定対象物と光学レンズ系との間に配置することは、測定領域側の数値アパーチャＮＡ_ＭＲが約０．５７以下の場合に測定対象物までの必要な光路に基づいてのみ好都合である。図１０の実施形態における測定空間の数値アパーチャは、例えば、ＮＡ_ＭＲ＝０．４０である。

【0089】

しかし、別法として、ビーム偏向が、２つのレンズ１，２の間、又は、光源と光学レンズ系との間で生じることも可能である。これは、測定領域が比較的小さく、より高い数値アパーチャＮＡ_ＭＲが測定領域で用いられる場合に特に好都合である。図１１は、ビーム偏向素子１６（例えば、９０度偏向プリズム）が光学レンズ系５の第１レンズ１と第２レンズ２との間に配置された例示的な実施形態を示す。この実施形態において、測定空間における数値アパーチャＮＡ_ＭＲは、ＮＡ_ＭＲ＝０．７である。

【0090】

本発明が、例示的な実施形態に基づいた記載により限定されることはない。むしろ、本発明は、全ての新しい特徴及び全ての特徴の組合せを含み、詳細には、特許請求の範囲に含まれる特徴の組合せの全てを、これらの特徴又は請求の範囲が特許請求の範囲又は例示的な実施形態において明確に記載されていない場合でも含む。

【符号の説明】

【0091】

１：第１屈折レンズ
２：第２屈折レンズ
３：光源
４：光分析ユニット
５：測定ヘッド
６：アパーチャ開口
７：光ファイバ
８：光学素子
９：距離要素
１０：装置
１１：非球面レンズ面
１２：光学レンズ系
１３：多色光
１４：測定光
１５：ビームスプリッタ
１６：ビーム偏向素子
１７：ファイバ端面
１８：光学素子の端面
２１：焦点面
２２：焦点面
２３：焦点面
３０：光軸
ＭＲ：測定領域
ｒ_ＰＨ：アパーチャ開口の半径
α_ＰＨ：エッジビームの角度

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図2F】

【図2G】

【図2H】

【図2I】

【図2J】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】