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特許7604193クロマティックレンジセンサ光学プローブと座標測定機とのカップリング構造
(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】
(24)【登録日】2024-12-13
(45)【発行日】2024-12-23
(54)【発明の名称】クロマティックレンジセンサ光学プローブと座標測定機とのカップリング構造
(51)【国際特許分類】
G01B 11/00 20060101AFI20241216BHJP
【ＦＩ】
G01B11/00 Z
【請求項の数】
22
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2020195772
(22)【出願日】2020-11-26
(65)【公開番号】P2021096239
(43)【公開日】2021-06-24
【審査請求日】2023-11-15
(31)【優先権主張番号】16/698,078
(32)【優先日】2019-11-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】000137694
【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
(74)【代理人】
【識別番号】100092901
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 祐司
(74)【代理人】
【識別番号】100188260
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 愼二
(72)【発明者】
【氏名】デイビッド ウィリアム セスコ
(72)【発明者】
【氏名】アイゼア フェアクセン
【審査官】國田 正久
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－０１４６０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１６４１８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２４６１７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２４１７１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０３９０２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－３３３７９８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０
２１／００－２１／３２
Ｇ０２Ｂ ６／００－ ６／５４
Ｇ０１Ｃ ３／００－ ３／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
座標測定機(ＣＭＭ)と、クロマティックレンジセンサ(ＣＲＳ)光学プローブとを備え、前記ＣＭＭは、
光生成回路構成と、
波長検出回路構成と、
座標測定機（ＣＭＭ）制御回路構成と、
自動交換ジョイント接続機構付きのプローブヘッドと、
前記プローブヘッドに取り付けられた自由空間型光ファイバカップリングの第１カップリング要素と、を有し、
前記ＣＲＳ光学プローブは、
少なくとも共焦点アパーチャと色分散光学系とを含む共焦点系の光路を有して構成されて、波長の異なる光をワーク被測定面の近傍の測定軸に沿った異なる距離において合焦させるように構成された光学ペンと、
当該ＣＲＳ光学プローブに取り付けられた前記自由空間型光ファイバカップリングの第２カップリング要素と、
前記自動交換ジョイント接続機構を介して前記ＣＭＭに取り付け可能な自動交換ジョイント要素と、を有し、
前記自由空間型光ファイバカップリングの前記第１および第２カップリング要素のうちの一方は、１組の光学レンズを有する自由空間レンズシステムを含み、
前記自由空間型光ファイバカップリングの前記第１および第２カップリング要素のうちの他方は、前記１組の光学レンズによって自由空間に伝送された合焦光を受光するように構成され、
前記自由空間型光ファイバカップリングは、前記第１および前記第２カップリング要素の連結状態で、前記第１カップリング要素の光ファイバの端部と、前記第２カップリング要素の光ファイバの端部との間に空間を有し、前記空間をここでは前記自由空間型光ファイバカップリング内の自由空間と呼び、前記自由空間に設けられた前記１組の光学レンズによって一方の前記光ファイバからの光が他方の前記光ファイバに伝送される、ように構成された光ファイバカップリングであり、
前記１組の光学レンズは、一方の前記光ファイバからの光をコリメートし、当該コリメートされた光を合焦して他方の前記光ファイバの中に入れるように構成されている、ことを特徴とするシステム装置。
【請求項2】
請求項１記載のシステム装置において、前記第１カップリング要素は、第１キネマティックカップリングを含み、前記第２カップリング要素は、前記第１キネマティックカップリングと噛み合うように構成された第２キネマティックカップリングを含むことを特徴とするシステム装置。
【請求項3】
請求項２記載のシステム装置において、前記第１カップリング要素は、前記レンズシステムを含み、前記第１カップリング要素の端面、並びに、前記第１および第２キネマティックカップリングのキネマティックカップリング面のうちの少なくとも一つの面は、前記レンズシステムと前記第２カップリング要素の光ファイバとの間に位置することを特徴とするシステム装置。
【請求項4】
請求項２記載のシステム装置において、前記第２カップリング要素は、光ファイバを保護するように構成されたガラス窓を含むことを特徴とするシステム装置。
【請求項5】
請求項４記載のシステム装置において、前記ガラス窓は、反射防止膜を含むことを特徴とするシステム装置。
【請求項6】
請求項１記載のシステム装置において、前記第１カップリング要素および第２カップリング要素は、ファイバフェルールコネクタを含むことを特徴とするシステム装置。
【請求項7】
請求項６記載のシステム装置において、前記ファイバフェルールコネクタは、斜面状に研磨されたコネクタであることを特徴とするシステム装置。
【請求項8】
請求項１記載のシステム装置において、前記レンズシステムは、収差補正レンズシステムを含むことを特徴とするシステム装置。
【請求項9】
請求項１記載のシステム装置において、前記第１カップリング要素は前記レンズシステムを含み、前記レンズシステムは、第１光ファイバケーブルの光ファイバを保護するように構成されていることを特徴とするシステム装置。
【請求項10】
第１光ファイバケーブルの光ファイバを経由して座標測定機（ＣＭＭ）の光源・波長検出部に連結するように構成された第１光ファイバコネクタを有するとともに、前記ＣＭＭのプローブヘッドに取り付けられるように構成された第１カップリング要素と、第２光ファイバケーブルの光ファイバを経由してクロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）光学プローブの光学ペンに連結するように構成された第２光ファイバコネクタを有するとともに、前記ＣＲＳ光学プローブに取り付けられるように構成された第２カップリング要素と、を備えた自由空間型光ファイバカップリングであって、
前記第１および第２カップリング要素は、互いに着脱可能に連結するように構成され、
前記自由空間型光ファイバカップリングは、前記第１および前記第２カップリング要素の連結状態で、前記第１カップリング要素の光ファイバの端部と、前記第２カップリング要素の光ファイバの端部との間に空間を有し、前記空間をここでは前記自由空間型光ファイバカップリング内の自由空間と呼び、前記自由空間に設けられた１組の光学レンズによって一方の前記光ファイバからの光が他方の前記光ファイバに伝送される、ように構成された光ファイバカップリングであり、
前記第１および第２カップリング要素のうちの一方は、一方の前記光ファイバからの光をコリメートし、当該コリメートされた光を合焦して他方の前記光ファイバの中に入れるように構成された前記１組の光学レンズを有するレンズシステムを含む、ことを特徴とする自由空間型光ファイバカップリング。
【請求項11】
請求項１０記載の自由空間型光ファイバカップリングにおいて、前記第１カップリング要素は、第１キネマティックカップリングを含み、前記第２カップリング要素は、前記第１キネマティックカップリングと噛み合うように構成された第２キネマティックカップリングを含むことを特徴とする自由空間型光ファイバカップリング。
【請求項12】
請求項１１記載の自由空間型光ファイバカップリングにおいて、前記第１カップリング要素は、前記１組の光学レンズを含み、前記第１カップリング要素の端面、並びに、前記第１および第２キネマティックカップリングのキネマティックカップリング面のうちの少なくとも一つの面は、合焦レンズと前記第２光ファイバケーブルの前記光ファイバとの間に位置することを特徴とする自由空間型光ファイバカップリング。
【請求項13】
請求項１０記載の自由空間型光ファイバカップリングにおいて、前記第１光ファイバコネクタおよび前記第２光ファイバコネクタは、ファイバフェルールコネクタであることを特徴とする自由空間型光ファイバカップリング。
【請求項14】
請求項１０記載の自由空間型光ファイバカップリングにおいて、前記第１光ファイバコネクタは、前記レンズシステムの軸に対して或る角度を成すように前記第１光ファイバケーブルの前記光ファイバを固定するように構成されていることを特徴とする自由空間型光ファイバカップリング。
【請求項15】
請求項１４記載の自由空間型光ファイバカップリングにおいて、前記角度が４度であることを特徴とする自由空間型光ファイバカップリング。
【請求項16】
請求項１０記載の自由空間型光ファイバカップリングにおいて、前記第１カップリング要素は、前記１組の光学レンズを含み、前記第２カップリング要素は、前記第２光ファイバケーブルの前記光ファイバを保護するように構成されたガラス窓を含むことを特徴とする自由空間型光ファイバカップリング。
【請求項17】
請求項１０記載の自由空間型光ファイバカップリングにおいて、前記１組の光学レンズは、収差補正レンズシステムを含むことを特徴とする自由空間型光ファイバカップリング。
【請求項18】
請求項１０記載の自由空間型光ファイバカップリングにおいて、前記第１カップリング要素は、前記１組の光学レンズを含み、当該１組の光学レンズは、前記第１光ファイバケーブルの前記光ファイバを保護するように構成されていることを特徴とする自由空間型光ファイバカップリング。
【請求項19】
請求項１０記載の自由空間型光ファイバカップリングにおいて、前記１組の光学レンズは、前記第２光ファイバケーブルの前記光ファイバが受光した反射光をコリメートし、前記コリメートされた反射光を合焦して前記第１光ファイバケーブルの前記光ファイバの中に入れるように構成されていることを特徴とする自由空間型光ファイバカップリング。
【請求項20】
クロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）光学プローブの自動交換ジョイント要素を座標測定機（ＣＭＭ）の自動交換ジョイント接続機構に取り付ける取付工程、および、前記ＣＭＭに取り付けられた自由空間型光ファイバカップリングの第１カップリング要素を前記ＣＲＳ光学プローブに取り付けられた前記自由空間型光ファイバカップリングの第２カップリング要素に接続する接続工程を有し、前記自由空間型光ファイバカップリングの前記カップリング要素の内の１つは１組の光学レンズを含んでいて、当該１組の光学レンズを構成する各レンズは接続の前後において分離されず、これによって、前記ＣＭＭが前記ＣＲＳ光学プローブに自動的にカップリングする自動カップリング工程と、前記ＣＭＭを使って光を発生させる発光工程と、
前記１組の光学レンズが、前記ＣＭＭによる発生光をコリメートし、当該コリメート光を合焦して前記自由空間型光ファイバカップリングの前記第２カップリング要素の光ファイバの中に入れることによって、前記自由空間型光ファイバカップリングを介して前記ＣＲＳ光学プローブまで前記発生光を伝送する発生光の伝送工程と、および、
前記１組の光学レンズが、反射光をコリメートして、当該反射光を合焦して前記自由空間型光ファイバカップリングの前記第１カップリング要素の光ファイバの中に入れることによって、前記自由空間型光ファイバカップリングを介して前記ＣＲＳ光学プローブから前記ＣＭＭまで前記反射光を伝送する反射光の伝送工程と、
を含み、
前記自由空間型光ファイバカップリングは、前記第１および前記第２カップリング要素の連結状態で、前記第１カップリング要素の光ファイバの端部と、前記第２カップリング要素の光ファイバの端部との間に空間を有し、前記空間をここでは前記自由空間型光ファイバカップリング内の自由空間と呼び、前記自由空間に設けられた前記１組の光学レンズによって一方の前記光ファイバからの光が他方の前記光ファイバに伝送される、ように構成された光ファイバカップリングであることを特徴とする方法。
【請求項21】
請求項２０記載の方法は、さらに、前記ＣＭＭに伝送された前記反射光に基づいて測定データを生成する測定データ生成工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項22】
請求項２１記載の方法において、前記自由空間型光ファイバカップリングの前記第１カップリング要素は、前記１組の光学レンズを含むことを特徴とする方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は広く精密測定装置に関し、特に、ワークの測定値を決定するために使用する座標測定機用のクロマティックレンジセンサ光学プローブに関する。
【背景技術】
【0002】
ある種類の三次元座標測定機は、ワーク表面をプローブでスキャンし、スキャン後に、ワークの三次元プロフィルを算出する。ある種類の走査プローブは、ワーク表面に沿った様々なポイントに対して、プローブを機械的に接触させることによって、ワークを直接測定する。多くの場合、機械的接触はボールによる。
【0003】
他の三次元座標測定機は、ワーク表面と非接触でワークを測定する光プローブを利用する。ある光プローブ(例えば、三角測距プローブ)は、ワーク表面のポイント測定に光を利用する。そして、光プローブは、ワーク表面の二次元（２Ｄ）断面の画像処理用のビデオカメラ（例えば、ステレオビジョンシステム、または、構造化された光システム）を併せ持っている。あるシステムは、ワークの幾何学的部分の座標を画像処理ソフトウェアで決定している。
【0004】
また、光学測定検出器と機械的測定検出器の両方を使用する「複合型の」三次元座標測定機も知られている。そのような測定機の１つが、特許文献１に記載されており、その測定機は２個のスピンドルを持っている。一方のスピンドルは、機械式接触プローブを運ぶためのものであり、他方のスピンドルは、ビデオカメラを保持する。このビデオカメラが有するビームパスは、レーザプローブがＺ軸の測定を行うために同時にビームを反射させる、すなわちビデオカメラの光軸に沿って同時にビームを反射させるのに使われる。
【0005】
特許文献２には、光学式三次元座標測定機が記載されており、その測定機の光学的接触プローブは、標準的プローブの接触子の遠方端を第１ターゲットに設定している。標準的なプローブがビデオカメラに取り付けられ、ビデオカメラがそのカメラ上のターゲットをイメージングする。Ｘ－Ｙ座標系でのターゲットの移動および位置は、その測定機のコンピュータ画像処理装置に表示される。第２ターゲットは、プローブの近接端に取り付けられており、Ｚ座標の移動および位置を表示する。第２ターゲットは、光検出器を覆い隠す可能性があるが、Ｘ－Ｙ平面に平行な光ビームによって、そのカメラ上に合焦される。ここで、Ｘ－Ｙ平面に平行、かつ互いに直交するビームに照射される２つの第２ターゲットを設けることができる。そして、スタープローブ（star probes）を使用するとき、Ｚ軸周りの回転は、コンピュータによって計算される。また、複数のプローブ、プローブホルダー、および、カメラへの選択的な取付用の複数レンズをそれぞれ保持するための自動交換ラックが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】米国特許第４，９０８，９５１号公報
【文献】米国特許第５，８２５，６６６号公報
【文献】米国特許第７，８７６，４５６号公報
【文献】米国特許第７，９９０，５２２号公報
【文献】米国特許公開２０１２００５０７２３号公報
【文献】米国特許第８，８１７，２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
種々の「プローブヘッド」に含まれている自動交換ジョイント接続機構(単に、自動ジョイントとも呼ぶ)において、測定プローブが頻繁に互換性を持って三次元座標測定機に取り付けられる。現在のところ、レニショー（商標）のプローブヘッドは、この産業界で特定のアプリケーションとして最も一般的に使用されている。これらのプローブヘッドは、英国グロスターシアにあるレニショーメトロロジーリミテッド（Renishaw Metrology Limited）によって製造されている。
【0008】
レニショータイプのプローブヘッドシステムは、この産業界で最も一般的に使用されているが、ある特定の技術については、これをレニショータイプのシステムに組み入れることが容易ではないことが分かってきた。その上、既存のレニショータイプのプローブヘッドシステムを、これよりも高度な性能を備えたシステムにアップグレードする試みは、多大な費用、及び／又は、不便さを伴ってしまう。例えば、レニショータイプのプローブヘッドシステムに適合しているはずの特定の技術が、本来の望ましい特徴、望ましいレベルの制御性、及び／又は、処理能力を欠くことがある。それは、レニショータイプのプローブヘッドシステムに接続（インターフェース）できる他のタイプのプローブを用いた容易な交換又は自動交換の機能を優先させたためである。発明者らは、レニショータイプのプローブヘッドシステム又は同様のシステムの使用に関する特定の問題は、その自動交換ジョイントにおいて、測定機とプローブ間での既存のデータ及び制御信号の接続用の信号線の本数が限定されていることや、光ファイバや光学経路による接続を用いていないことが原因だと考えた。このことは、プローブヘッドシステム用として、取り付けられ、及び／又は、交換されるプローブに対して、新たな技術及び／又は特徴を付加することを事実上困難にする「ボトルネック」になっている。特に、レニショータイプのプローブヘッドシステム又は同様のものを使用しても、既存のクロマティックレンジセンサを自動的に取り付け、及び／又は、交換することができない。幾つかの既存のクロマティックレンジセンサの構成には、レニショータイプのプローブヘッドシステムが含んでいるデータ及び制御信号の接続機構との互換性がない。
【0009】
光ファイバ接続機構とのカップリング（連結）及びデカップリング（分離）に関する問題として（例えば、上述のシステム装置で）、公知の接触型ファイバカップラが、ファイバ端面の汚れが原因となって、繰り返される係合サイクルで破損しがちであることが挙げられる。幾つかの実施例において、光ファイバ間の典型的な係合サイクルは、清浄な条件下で５００～１０００サイクルと評価される。しかし、ファイバ・コア（例えば５０マイクロメートルのファイバ・コア）上の少量の埃または汚れによって、スループットの損失が大きくなってしまう。
【0010】
これらの問題点を改善することができるクロマティックレンジセンサ光学プローブと座標測定機とのカップリング構造が求められている。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明に係る自由空間型光ファイバカップリングは、互いに着脱可能に連結するように構成された第１カップリング要素と第２カップリング要素とを備える。第１カップリング要素は、第１光ファイバケーブルの光ファイバを経由して座標測定機（ＣＭＭ）の光源・波長検出部に連結するように構成された第１光ファイバコネクタを有するとともに、前記ＣＭＭのプローブヘッドに取り付けられるように構成されている。第２カップリング要素は、第２光ファイバケーブルの光ファイバを経由してクロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）光学プローブの光学ペンに連結するように構成された第２光ファイバコネクタを有するとともに、前記ＣＲＳ光学プローブに取り付けられるように構成されている。第１および第２カップリング要素のうちの一方は、前記第１光ファイバケーブルの前記光ファイバが受光した光をコリメートし、当該コリメートされた光を合焦して前記第２光ファイバケーブルの前記光ファイバの中に入れるように構成された１組の光学レンズを含んでいる。１組のレンズは、前記第２光ファイバケーブルの前記光ファイバが受光した反射光をコリメートし、前記コリメートされた反射光を合焦して前記第１光ファイバケーブルの前記光ファイバの中に入れるように構成されている。
【0012】
また、クロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）光学プローブは、光学ペンと、当該光学ペンに連結された光ファイバケーブルとを含んでいる。光学ペンは、少なくとも共焦点アパーチャと色分散光学系とを含む共焦点系の光路を有し、波長の異なる光をワーク被測定面の近傍の測定軸に沿った異なる距離において合焦させるように構成されている。ＣＲＳ光学プローブは、自由空間型光ファイバカップリングのカップリング要素を有し、当該カップリング要素は、光ファイバケーブルと連結していて、当該ＣＲＳ光学プローブに取り付けられている。当該カップリング要素は、合焦レンズによって自由空間に伝送された合焦光を受光するように構成されている。その合焦レンズとは、前記ＣＭＭのプローブヘッドに取り付けられた自由空間型光ファイバカップリングにおける他方のカップリング要素に設けられている合焦レンズである。ＣＲＳ光学プローブは、また、自動交換ジョイント接続機構を介して前記ＣＭＭに取り付け可能な自動交換ジョイント要素を有している。
【0013】
また、ＣＭＭは、光生成回路構成、波長検出回路構成、ＣＭＭ制御回路構成、光生成回路構成と波長検出回路構成に連結された光ファイバケーブル、及び、プローブヘッドを備えている。プローブヘッドは、ＣＲＳ光学プローブの自動交換要素と連結するように構成された自動交換ジョイント接続機構を有している。また、ＣＭＭは、前記プローブヘッドに取り付けられた自由空間型光ファイバカップリングのカップリング要素を有している。当該カップリング要素は、光ファイバケーブルに連結されて、１組のレンズを有する自由空間レンズシステムを有し、そのレンズシステムは、前記光ファイバケーブルの受光光をコリメートし、当該コリメート光を合焦して、前記ＣＲＳ光学プローブにおける他方のカップリング要素の光ファイバケーブルの光ファイバの中に入れるように構成されている。
【0014】
本発明に係るシステム装置は、ＣＭＭとＣＲＳ光学プローブとを含んでいる。ＣＭＭは、光生成回路構成、波長検出回路構成、ＣＭＭ制御回路構成、自動交換ジョイント接続機構付きのプローブヘッド、および、前記プローブヘッドに取り付けられた自由空間型光ファイバカップリングの第１カップリング要素を含んでいる。ＣＲＳ光学プローブは、少なくとも共焦点アパーチャと色分散光学系とを含む共焦点系の光路を有する光学ペンを含み、当該光学ペンは、波長の異なる光をワーク被測定面の近傍の測定軸に沿った異なる距離において合焦させるように構成されている。また、ＣＲＳ光学プローブは、当該ＣＲＳ光学プローブに取り付けられた自由空間型光ファイバカップリングの第２カップリング要素と、前記自動交換ジョイント接続機構を介して前記ＣＭＭに取り付け可能な自動交換ジョイント要素と、を含んでいる。また、自由空間型光ファイバカップリングの前記第１および第２カップリング要素のうちの一方は、１組のレンズを有する自由空間レンズシステムを含み、自由空間型光ファイバカップリングの前記第１および第２カップリング要素のうちの他方は、前記１組のレンズによって自由空間に伝送された合焦光を受光するように構成されている。
【0015】
本発明に係る方法は、ＣＭＭがＣＲＳ光学プローブに自動的にカップリングする自動カップリング工程を含んでいる。その自動カップリング工程は、ＣＲＳ光学プローブの自動交換ジョイント要素をＣＭＭの自動交換ジョイント接続機構に取り付ける取付工程と、ＣＭＭに取り付けられた自由空間型光ファイバカップリングの第１カップリング要素をＣＲＳ光学プローブに取り付けられた自由空間型光ファイバカップリングの第２カップリング要素に接続する接続工程と、を含んでいる。自由空間型光ファイバカップリングのカップリング要素の内の１つは、１組の光学レンズを含んでいる。ＣＭＭを使って光を発生させる。発生光が、自由空間型光ファイバカップリングを介してＣＲＳ光学プローブまで伝送される。ここで、１組の光学レンズが、ＣＭＭによる発生光をコリメートし、当該光を合焦して自由空間型光ファイバカップリングの第２カップリング要素の光ファイバの中に入れる。ＣＲＳ光学プローブからの反射光は、自由空間型光ファイバカップリングを介してＣＭＭに伝送される。ここで、１組の光学レンズが、反射光をコリメートして、当該反射光を合焦して自由空間型光ファイバカップリングの第１カップリング要素の光ファイバの中に入れる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明に係る光学ペンを有する代表的なＣＲＳシステム装置のブロック図である。
【図2】座標測定機、光学ペンを含むＣＲＳ光学プローブ、コントローラ及びユーザインタフェースを備えた座標測定システム装置のブロック図である。
【図8】座標測定機と、光学ペンを有するＣＲＳ光学プローブと、コントローラと、ユーザインタフェースと、を含む他の座標測定システム装置のブロック図である。
【図13】自由空間型ファイバカップリングのレンズシステムの実行可能な構成図。
【図17】一実施形態に係るＣＭＭ上での自動交換可能なＣＲＳ光学プローブシステム装置を提供し、動作させるための手順を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
図１は、座標測定機（ＣＭＭ）用として望ましい動作原理を備えた代表的なクロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）システム１００の基本構成を示すブロック図である。このＣＲＳシステム１００は、特許文献３および特許文献４に記載のセンサに類似する。図１に示すＣＲＳシステム１００は、光学要素１２０および電装部１６０を含み、１回で１点を測定するクロマティックポイントセンサのシステムである。以降、図１の光学要素を光学ペン１２０とも呼ぶ。しかしながら、様々な実施形態では、クロマティックラインセンサなどの代替型クロマティックレンジシステムは、ここに開示された機器構成および動作方法に従って動作するように構成されることが好ましい。
【0018】
光学ペン１２０は、光ファイバコネクタ１０９と、筐体１３１（例えばアセンブリ中空管）と、色分散光学系（色分散光学構成）１５０とを含む。光ファイバコネクタ１０９は、筐体１３１の端部に取り付けられている。様々な実施例では、光ファイバコネクタ１０９の向きが、筐体１３１に対して直角であってもよい。光ファイバコネクタ１０９は、内蔵された入出力光ファイバケーブル１１２を通じて、入出力用光ファイバ（詳細には示していない）を保持している。入出力用光ファイバは、ファイバアパーチャ１９５を通して光源からの測定光を出力し、そのファイバアパーチャ１９５を通して反射された測定信号光を受け取る。
【0019】
測定動作中、ファイバ端部からファイバアパーチャ（開口部）１９５を通って放射された広周波数帯域の測定光（例えば白色光）は、色分散光学系１５０により合焦される。この色分散光学系１５０は、軸上色分散を促す単レンズまたは複合レンズを含む。軸上色分散とは、共焦型のクロマティックポイントセンサ装置で周知のように、光軸ＯＡに沿った焦点が、測定光の波長に応じて異なった距離に生じる現象をいう。光源光は、光学ペン１２０からＺ軸方向にあるワーク表面１９０上に合焦する波長光を含むような測定光１９６を形成する。ワーク表面１９０からの反射光は、再び、色分散光学系１５０によってファイバアパーチャ１９５上で合焦する。測定可能な測定光および反射光は、限定光線ＬＲ１，ＬＲ２によって、その境界が限られている。軸上色分散により、ある波長光のみが、光学ペン１２０からワーク表面１９０までの測定距離に一致する前方の焦点距離ＦＦを示す。ワーク表面１９０で最も良く合焦する測定光の波長が、ファイバアパーチャ１９５で最も良く合焦する反射光の波長と一致するように、光学ペン１２０が構成される。アパーチャ１９５が反射光を空間的にフィルターするので、最も良く合焦した波長光が、アパーチャ１９５を通って光ファイバケーブル１１２の芯部へ入るようになる。以下の詳述するように、光ファイバケーブル１１２は反射光を波長検出器１６２に伝送する。この波長検出器１６２は、ワーク表面１９０までの測定距離に対応する主強度の波長を決定するために用いられる。
【0020】
また図１は、破線で示された任意の反射素子１５５を示す。特許文献５に記載の反射素子を、本発明の測定光ＳＢの光路上に配置してもよい。そのような実施例では、測定軸ＭＡを光軸ＯＡと同軸にするよりも、むしろ、測定アプリケーションの必要に応じて、反射素子が、測定光１９６’を異なる方向（例えば、光軸に直交する方向）へ測定軸ＭＡ’に沿って進行させた方がよい。そのような直交方向への測定軸の変換は、以下に詳述するように図２および図４Ａの実施形態で用いている。
【0021】
電装部１６０は、ファイバカップラ（連結器）１６１、波長検出器１６２、光源１６４、信号演算器１６６および記憶部１６８を含む。様々な実施形態では、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、その中の分散光学系（例えば回折格子）が、光ファイバケーブル１１２経由の反射光を受光し、結果得られるスペクトル強度プロフィルを検出器アレイ１６３へ伝送するようになっている。波長検出器１６２は、関連する信号処理機能（例えば、いくつかの実施形態で信号演算器１６６が提供する機能）、すなわち、プロフィルデータから検出器関連の誤差成分を取り除いたり、補償したりする機能を備えていてもよい。このように、波長検出器１６２および信号演算器１６６の態様を統合してもよく、及び／又は区別をなくしてもよい。
【0022】
白色光光源１６４は、信号演算器１６６によって制御されており、光学カップラ１６１（例えば、２×１光学カップラ）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、光が光学ペン１２０を通過するときに、光学ペン１２０が軸上色収差を生成する。これは、光の波長に応じてその焦点長さが変化するためである。光ファイバ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、Ｚ軸方向においてワーク表面１９０上に合焦した波長である。その後、波長依存の反射光の強度は、再びファイバカップラ１６１を通過して、光の約５０％が波長検出器１６２に向けられるようになっている。この波長検出器１６２は、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ィルを受け取り、対応するプロフィルデータを提供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、プロフィルデータのサブピクセル分解能距離指示座標が、信号演算器１６６により計算される。そして、波長ピークに対応する距離指示座標（ＤＩＣ）により、距離の校正用ルックアップテーブルを介して表面１９０までの測定距離が決まる。校正用ルックアップテーブルは記憶部１６８に記憶されている。距離指示座標（ＤＩＣ）は、例えば、プロフィルデータのピーク領域に含まれるプロフィルデータの重心を決定する方法などの様々な方法で決定されるようになっている。
【0023】
一般的に、光学ペン１２０には、Ｚ軸方向における最小の測距距離ＺＭＩＮと最大の測距距離ＺＭＡＸによって規定された測定範囲Ｒがある。いくつかの周知光学ペンの例における測定範囲Ｒは、公称スタンドオフ（nominal standoff）またはペン端からの動作可能距離のおよそ１／１０であること（例えば、数十ミクロンから数ミリメートルまでの範囲）が好ましい。図１は、反射素子１５５を使用する場合に、その反射素子１５５（例えば、ｘ軸）の配置によって規定される測定軸ＭＡ’に沿って測定範囲Ｒ’が定まることを示す。この場合、測定範囲Ｒ’は、Ｘ軸方向における最小の測距距離ＸＭＩＮと最大の測距距離ＸＭＡＸによって規定される。
【0024】
電装部１６０は、通常、光学ペン１２０から分離して設けられている。カスタム設計されたブラケットを使用して、ＣＭＭに、図１の光学ペン１２０に類似の光学ペンを取り付けて、また、光ファイバケーブル１１２に類似の光ファイバを、ＣＭＭ装置の外部の仮設経路に沿って、電装部１６０に類似の遠隔の電装部に向けて配線することが知られている。自動交換可能なＣＲＳ光学プローブシステム装置を実現する望ましい構成の組合せが未だ提供されていなかったため、このような不十分で不便な方法が長年行なわれてきた。その結果、ＣＭＭ’によるＣＲＳシステムの使用が制限されてきた。
【0025】
図２，３Ａ，３Ｂに基づいて説明すると、技術的、経済的に魅力的な自動交換型のＣＲＳ光学プローブシステム装置を可能とする望ましい構成の組合せを提供するためには、電装部１６０の一部分を、自動ジョイントコネクタを通してＣＭＭに取り付けられるＣＲＳプローブアセンブリ中に含めることが望ましい。例えば、本発明の一態様として、光源・波長検出器部１６０Ａ（例えば、波長検出器１６２と光源１６４）の構成をＣＲＳ光学プローブアセンブリの中に含めるとよい。測定信号処理制御回路１６０Ｂ中のある構成成分のグループ（例えば、信号演算器１６６と記憶部１６８）を、必要であれば（例えば、プローブの軽量化とサイズのコンパクト化を維持するため）、ＣＲＳ光学プローブアセンブリの外部に離設するとよい。
【0026】
図２は、三次元座標測定システム装置２００と、自動的に接続・交換可能なＣＲＳ光学プローブシステム２１５のブロック図である。すなわち、ＣＲＳ光学プローブシステム２１５を他のタイプのＣＭＭプローブへ自動交換することができる。ここでは、ＣＲＳ光学プローブシステムを単にＣＲＳ光学プローブと呼ぶ。別途明細書中に言及のない場合、複数の図面において同様の接尾文字を持っている符号（例えば、符号１ＸＸと同じ接尾文字ＸＸを持っている符号２ＸＸ）は、基本的に類似の構成とする。そして、類似する構成１ＸＸの記載に基づいて構成２ＸＸへ変更することは、一般に、周知技術から容易に類推される。しかし、そのような類推にもかかわらず、異なる実施形態においては様々な構成の異なった態様が当然存在するのは明らかであるから、本発明の構成が周知技術の１つに限定して解釈されるべきではない。
【0027】
三次元座標測定システム装置２００は、三次元座標測定機（ＣＭＭ）のコントローラ２０２、コンピュータ・ユーザインタフェース２０６、プローブ信号処理制御回路２０７、および、三次元座標測定機（ＣＭＭ）２１０を備えている。ＣＭＭコントローラ２０２は、プローブヘッド制御装置２０３、位置ラッチ２０４、および、モーション制御装置２０５を含んでいる。ＣＲＳ光学プローブ２１５は、自動交換ジョイント要素２３６を含み、プローブ自動ジョイント接続機構２３０（自動交換ジョイント接続機構とも呼ぶ。）の係合ジョイント要素を介して、ＣＭＭ２１０に接続される。
【0028】
ＣＭＭ２１０は、データ転送回線２０１（例えばバス）を通して、他の構成部分のすべてと信号授受を行う。データ転送回線２０１は、コネクタ２０８（例えば、「マイクロＤ」型コネクタ）によって、ＣＲＳ光学プローブ２１５への入力信号および出力信号を流すプローブヘッドケーブル２１１につながっている。ＣＲＳ光学プローブ２１５は、例えば、図１で構成部分１６０Ｂについて説明したように、測定信号処理制御部２６０Ｂを含んだプローブ信号処理制御回路２０７に制御され、この制御回路２０７との間でデータ交換を行っているが、ＣＭＭ２１０の制御はＣＭＭコントローラ２０２が行っている。ユーザは、コンピュータ・ユーザインタフェース２０６を通して、全ての構成部分を制御できる。
【0029】
上述の図３Ａ，３Ｂに基づいて説明すると、ＣＲＳ光学プローブ２１５はプローブ電装部２７５を含み、このプローブ電装部２７５は、光源・波長検出器部２６０Ａ（例えば、図１で構成部分１６０Ａについて説明したように、光源および波長検出器を含む）、および、被測定面２９０に測定光２９６を照射する光学ペン２２０を含んでいる。特定の一態様としては、被測定面２９０をネジ穴の内面とした。そのような表面を周知のＣＭＭプローブ（例えば、接触プローブ）を使って完全に、かつ信頼性よく測定することは、困難であるか、または不可能である。本発明のＣＲＳ光学プローブによれば、測定の完全性、正確性および汎用性が向上されたことにより、そのような表面を走査して測定できる。
【0030】
図５に基づいて説明すると、一実施形態として、光学ペン２２０、及び／又は、交換可能光学機構２８０に関するデータ（例えば、識別データ、校正データ、補償データなど）は、ＣＲＳ光学プローブ２１５の外部（例えば、プローブ信号処理制御回路２０７）に格納することが好ましい。代替の態様として、そのようなデータの一部をＣＲＳ光学プローブ２１５中に格納、または、他のコードデータとして格納してもよい。
【0031】
図３Ａ、３Ｂは、ＣＭＭ２１０とＣＲＳ光学プローブ２１５’の構成図であり、図２のＣＲＳ光学プローブ２１５の構成を具体的に示したものである。図３Ａは正面図であり、図３ＢはＣＭＭ２１０とＣＲＳ光学プローブ２１５を異なった角度から見た図である。図３Ａと３Ｂで示されるように、ＣＭＭ２１０はプローブヘッド２１３を含む。このプローブヘッド２１３は、プローブヘッドケーブル２１１を通してプローブ信号を送受信する。プローブヘッド２１３はＣＭＭの主軸（クイル）２１７に固定されている。プローブ自動ジョイント接続機構２３０を利用して、プローブ２１５’がプローブヘッド２１３に接続される。図６参考。
【0032】
プローブヘッド２１３は、一実施形態においては、水平面上を３６０度回転するとともに、適当なタイプのＵ字型ジョイントを含んでいる。プローブ自動ジョイント接続機構２３０は、プローブヘッド２１３にＣＲＳ光学プローブ２１５’を機械的に強固に締め付けて固定する電気機械型の接続機構になっており、プローブヘッド２１３からプローブを外して他のプローブを取り付けることができるように構成されている。一実施形態では、プローブ自動ジョイント接続機構２３０は、第１及び第２自動交換ジョイント要素２３４，２３６を有して構成され、この第１自動交換ジョイント要素２３４がプローブヘッド２１３に取り付けられ、第２自動交換ジョイント要素２３６がＣＲＳ光学プローブ２１５’に取り付けられている。一実施形態では、プローブ自動ジョイント接続機構２３０には、対になる電気的接点または電気的接続部２３５が形成されており、プローブを取り付ければ、自動的に電気的接点が繋がり電気的接続がなされるように構成されている。複数の実施形態では、この接続方法のために、ＣＲＳシステムに比較的多くの信号ノイズが発生してしまう。以下に詳述するが、その信号ノイズの影響を回避できる点で、比較的ノイズの多い環境でも有効に機能する本発明の機器構成およびその動作手順の利用が非常に有利であることが分かるであろう。
【0033】
ＣＲＳ光学プローブ２１５’は、自動ジョイント接続機構２３０を通じて電源と制御信号を受ける。自動ジョイント接続機構２３０を通じてＣＲＳ光学プローブ２１５’に送られた信号は、後述の図６に詳述するように電気的接続部２３５を通過する。図３Ａ、３Ｂに示すように、ＣＲＳ光学プローブ２１５’は、プローブアセンブリ２１６と、このプローブアセンブリ２１６に取り付けられた自動交換ジョイント要素２３６とを含む。自動交換ジョイント要素２３６は、プローブ自動ジョイント接続機構２３０を利用してプローブをＣＭＭに自動接続するためのものである。また、プローブ２１５’に防護カバーまたはプローブ筐体２６９（図には模式的に示した。）も含めた方がよい。プローブアセンブリ２１６は、光学ペン２２０と、光源２６４及び波長検出器２６２を有するプローブ電装部２７５とを含む。これらは、プローブアセンブリ２１６のもつ様々な構造部材によって全て支持されている。
【0034】
図３Ａと３Ｂに示す実施形態では、自動交換ジョイント要素２３６に固定されたベース部材２１８から構造部材が延設されている。光学ペン２２０（または、光学ペン１２０に類似する光学要素）は、光ファイバコネクタ２０９と、アパーチャ２９５及び色分散光学系２５０を有する共焦点系の光路とを含んで構成され、測定光２９６を出力する。複数の実施形態では、光学ペン２２０は、色分散光学系２５０の交換を可能にするために、繰返し高速交換可能な交換マウント２８５を有すると良い。電動の光源２６４（例えば、広帯域スペクトルＬＥＤ光源）へは、自動交換ジョイント要素を通じた電力を供給し、プローブ電装部２７５のプローブ電源・信号制御回路部２７６に含まれている周知回路（例えば、市販のクロマティック測距システムに使用の回路など）に連動させるとよい。複数の実施形態では、プローブ電装部２７５はシリアル変換器２７７Ｓを含み、このシリアル変換器２７７Ｓは、様々なデータ信号をシリアル化（直列化）して、自動ジョイント接続機構２３０における比較的少ない本数のワイヤを通じて、パラレル変換器（例えば、プローブ信号処理制御回路２０７に含める。）に伝達する。
【0035】
図３Ａで示された実施形態では、シリアル変換器２７７Ｓは、プローブ電源・信号制御回路部２７６に含まれている。しかし、他の形態で、送信すべきシリアル化データの多くがＣＲＳ波長検出器２６２にて生成される測定スペクトルプロフィルデータである場合は、シリアル変換器２７７ＳをＣＲＳ波長検出器２６２に含めた方がよい。一般的には、シリアル変換器２７７Ｓは、プローブ電装部２７５の望ましい位置、すなわち、十分に低いノイズレベルとクロストーク特性を提供可能な位置に配置された方がよい。
【0036】
光源２６４は、ＣＲＳ光学プローブアセンブリ２１６で必要な光を発生させる。その光は、光ファイバ２１２を通して光学ペン２２０に送られる波長域の入力スペクトルプロフィルを持っている。ＣＲＳ波長検出器２６２には、分光器アレンジメント２６２’および検出器アレイ２６３に連動する周知回路（例えば、市販のクロマティック測距システムに使用される回路など）を含めてもよい。なお、検出器アレイ２６３は、ＣＲＳ波長検出器２６２の検出軸に沿って分布された複数画素から構成され、これら複数画素へは、被測定面を反射して共焦点系の光路に戻った反射光のそれぞれの波長光が照射されて、ＣＲＳ波長検出器２６２が出力スペクトルプロフィルデータを提供できるようになっている。
【0037】
以上のように、測定光を発生し、かつ、ワークからの反射光を処理する機能をＣＲＳ光学プローブアセンブリ２１６自体が発揮できるようにした本発明の構成によって、ＣＲＳ光学プローブアセンブリ２１６の自己収容動作および自動交換動作が可能になった。結局、そのようなＣＲＳ光学プローブシステム装置は、ＣＲＳ光学プローブアセンブリから自動ジョイントコネクタを通って外部素子までの光ファイバ接続も、自動ジョイントコネクタに平行して設けられるようなどんな他の仮設経路に沿った光ファイバ接続をも必要とせず、又は、含んでいない。言い換えると、そのようなＣＲＳ光学プローブアセンブリは、このＣＲＳ光学プローブアセンブリから外部に延びる光ファイバに接続されていないし、又は、そのような光ファイバを含んでいない。
【0038】
様々な実施形態では、プローブヘッド２１３から見てＣＲＳ光学プローブアセンブリ２１６の遠方端部に光学ペン２２０を取り付けることによって、ＣＲＳ光学プローブアセンブリ２１６が構成される。図３Ａと３Ｂの実施形態では、ＣＲＳ光学プローブ２１５’は、ベース部材２１８と、このベース部材２１８に連結された波長検出器取付部材２１９Ａと、前記ベース部材２１８に連結された光学ペン取付部材２１９Ｂとを含む。光学ペン取付部材２１９Ｂは、波長検出器２６２を保持しないで、光学ペン２２０を保持している。これにより、光学ペン２２０から撓みや振動に関連する熱と質量を隔離することができる。複数の実施形態では、取付部材２１９Ａ，２１９Ｂの一方又は両方が、ベース部材２１８からＣＲＳ光学プローブアセンブリ２１６の遠方端部に向けて延びる中空管（例えば、炭素繊維管）を含んでいるとよい。
【0039】
一実施形態では、光学ペン２２０の質量中心は、ＣＲＳ光学プローブ２１５’の残りの質量中心ＣＭＰＡとプローブ自動ジョイント接続機構２３０の中心軸ＣＡＪとによって定義された１本の軸上又はその付近に配置されている。その構成を利用してＣＲＳ光学プローブ２１５’を移動させれば、プローブヘッド２１３の円滑動作（例えば、不要な追加トルク、振動、たわみなどの回避）が可能になる。また、本発明の一態様として、光学ペン２２０の中心軸ＣＡＯＰ（例えば、測定用の基準軸）が自動交換ジョイント接続機構２３０の中心軸ＣＡＪと同軸になるように、光学ペン２２０がプローブ自動ジョイント接続機構２３０に相対して取り付けられている。また、そのような構成において、ＣＭＭがその軸周りにプローブ自動ジョイント接続機構２３０を回転させると、Ｘ－Ｙ平面内の測定基準軸が横移動することなく、光学ペン２２０をその軸周りに回転させることができる。そのような構成であれば、例えば、機械的安定性の向上、ＣＭＭによる位置決めに対する光学ペン２２０の測定位置計算の簡素化などといった利点をもたらす。
【0040】
図４Ａ，４Ｂは、上述の図３Ａ，３Ｂの光学ペン２２０の構成を具体的に示した図であり、これを用いて代表的な交換マウント２８５を含んだ実施形態を説明する。図４Ａと４Ｂで示された実施形態では、光学ペン２２０はベース部材２８２と交換可能光学機構２８０を含む。交換可能光学機構２８０は、前板２８６、中空管２３１および色分散光学系２５０を含む。光学ペンのベース部材２８２は、交換マウント２８５の第１係合片側部材２８５Ａになる面を含んだベース筐体２８２Ａを備えている。
【0041】
また、この表面に対応して、前板２８６は、交換マウント２８５の第２係合片側部材２８５Ｂになる面を含んでいる。一実施形態として、第１及び第２係合片側部材２８５Ａ，２８５Ｂの一方又は両方に取り付けた永久磁石２８５Ｃによって形成された保持力アレンジメントで、第２係合片側部材２８５Ｂが、第１係合片側部材２８５Ａに対して強制的に取り付けられる。より一般的には、保持力アレンジメントは、バネで付勢された機械的ツメ部などの公知機構を用いればよい。そのような構成によれば、第２係合片側部材２８５Ｂを、プログラム制御（例えば、コンピュータ・ユーザインタフェース２０６による制御）によって、第１係合片側部材２８５Ａと自動的に接続したり、第１係合片側部材２８５Ａから自動的に切り離したりすることができる。例えば、一実施形態では、光学ペン２２０にプログラム制御で誘導されるカラー２３２などを設けるとよい。これにより、ＣＭＭの移動可能範囲内のプローブ・ラック上に設けられた係合フォークの腕に光学ペン２２０を挿入できる。次に、ＣＭＭはＣＲＳ光学プローブ２１５’を移動して、係合フォークの腕がカラー２３２を引っ掛けて、プローブ・ラックに交換可能光学機構２８０を引っ掛けた状態にして、交換マウント２８５の２つの片側部材２８５Ａ，２８５Ｂを分離できる。また、逆の動作を行なえば、交換可能光学機構２８０を再びベース部材２８２に取り付けることもできる。さらに、そのような構成によれば、ワークとの側部衝突の場合には、交換可能光学機構２８０がベース部材２８２から分離するから、交換可能光学機構２８０の破損を防ぐことができる。
【0042】
一実施形態では、交換マウント２８５は、第１の片側部材２８５Ａに対して第１三角形パターン（例えば、正三角形）で固定された３つの球体又はボール２８５Ｄを含んでいるとよい。また、第２の片側部材２８５Ｂに対して同じ係合パターンで形成された３方向の放射状Ｖ溝２８５Ｅを含んでいるとよい。交換マウント２８５をこのように構成すれば、交換可能光学機構２８０からの横向きの測定光２９６について、その測定光の向きが軸回りに１２０度間隔の３つの方向の中から選択された向きになるように、交換可能光学機構２８０を取り付けることができる。上記の実施形態は代表的な構成ではあるが、本発明がこれに制限されるわけではない。他にも様々な周知の交換マウントの構成を採用してもよく、適切な取付・取外の反復特性を具備する交換マウントを提供できるだろう。
【0043】
交換可能光学機構２８０は、色分散光学系２５０（例えば、図１の色分散光学系１５０に類似するもの）を含んでいる。一実施形態では、ベース部材２８２は、ファイバコネクタ２６１を通して、ＬＥＤ光源２６４および分光器アレンジメント２６２’に接続される光ファイバ２１２の端部を含んでいる。通常は、共焦点アパーチャ２９５を囲んだ状態で配置された交換マウント２８５の第１の片側部材２８５Ａに相対する位置に固定された共焦点アパーチャ２９５付近に、光ファイバの端部が配置されている。複数の実施形態では、光ファイバの端部によって共焦点アパーチャ２９５が形成される。複数の実施形態では、共焦点アパーチャ２９５として、（例えば、光ファイバを支えるホルダーかコネクタ上で）光ファイバ端部に近接した位置に接着された薄いアパーチャ、または、光ファイバ端部に隣接した、薄いアパーチャを採用できる。図４Ａで示された実施形態では、ベース部材２８２は、光ファイバ保持部材（例えば、この実施形態のコネクタ２０９につながった光ファイバコネクタなど）を有する光ファイバ端部位置決め機構２８３を含む。そして、光ファイバ保持部材は、交換マウント２８５の第１の片側部材２８５Ａに近接した位置にあるベース部材２８２に固定（例えば、接着）されている。
【0044】
本実施形態では、光ファイバ端部位置決め機構２８３は、光ファイバ（例えば、コネクタ２０９を通る光ファイバ）を保持する光ファイバ保持部材を有する。この光ファイバ保持部材は、交換マウント２８５の第１の片側部材２８５Ａに相対する位置で光ファイバ端部と共焦点アパーチャ２９５とを固定する。しかしながら、他の実施形態では、共焦点アパーチャ２９５がベース部材２８２に固定され、これとは別々に、必要に応じた適当な光ファイバ端部位置決め機構２８３によって、光ファイバの端部が共焦点アパーチャ２９５に近接した位置に固定されるとよい。
【0045】
交換可能光学機構２８０は、共焦点アパーチャ２９５から測定光を受け、共焦点アパーチャ２９５へワークを反射した測定光を返す。そして、測定軸に沿ったそれぞれの測定距離での測定光の軸上色分散光を供給する。また、一実施形態では、色分散光学系２５０が、光学ペン２２０の軸に直交する方向（例えば、中空管２３１の中心軸を横切る方向など）に測定光を照射するための反射素子２９４を含む。
【0046】
図５は、図２に示したコンピュータ・ユーザインタフェース２０６とプローブ信号処理制御回路２０７のブロック図である。図５に示すように、プローブ信号処理制御回路２０７は、パラレル変換器２７７Ｄ、位置ラッチ５１５、ＣＲＳプローブＩＤ５２０および光学ペンＩＤ５２５を含む。プローブ信号処理制御回路２０７の各構成は、データ転送線２０１で互いに接続し、またコンピュータ・ユーザインタフェース２０６とも接続している。パラレル変換器２７７Ｄは、図３Ａのシリアル変換器２７７Ｓに連動して様々なデータ信号をシリアル化して、比較的わずかな数のワイヤからなる自動ジョイント接続機構２３０を通じてそれを伝達する。
【0047】
シリアル変換器２７７Ｓとパラレル変換器２７７Ｄは、複数の実施形態において使用する低電圧差動信号（ＬＶＤＳ）の利用に関連する。図７参照。簡潔に言うと、シリアル変換器とパラレル変換器との同期を確実に実行するために、同期信号がシリアル変換器とパラレル変換器の間に提供されている。関連のデータ信号が信号線に供給された後、同期信号をオンした位置において、パラレル変換器の動作が完了するまで、対応する信号線にクロック信号（例えば、前のクロック信号と正反対のクロック信号など）が送られる。
【0048】
位置ラッチ５１５は、後述する図７に示すＸＹＺラッチ信号に関連する。簡潔に言うと、ＸＹＺラッチ信号は、ＣＲＳ光学プローブの測定位置決め動作をＣＭＭコントローラ２０２の測定位置決め動作に同期させるために供給される（例えば、図２で説明したように）。一実施形態では、位置ラッチ５１５は、ＣＭＭ２１０の座標位置が適切に同期するのを確実にするためにＣＭＭコントローラ２０２の位置ラッチ２０４と交信する。言い換えれば、派生的な測定の全てについてその測定精度を確実に得るために、位置ラッチ５１５と位置ラッチ２０４を結合する。これにより、ＣＭＭ機械座標（特定の測定中に、ＣＲＳ光学プローブの位置を反映する）が、ＣＲＳ光学プローブ測定（ＣＲＳ光学プローブ位置に関連する測定）に適切に結合されるようになる。
【0049】
ＣＲＳプローブＩＤ５２０は、ＣＲＳ光学プローブ２１５’を識別するために利用される。例えば、ＣＲＳ光学プローブ２１５’に含まれていた識別素子から得られた識別信号を読み取って処理することによって識別する。また、光学ペンＩＤ５２５は、交換可能光学機構２８０を識別するために利用される。例えば、交換可能光学機構２８０に含まれていた識別素子から得られた識別信号を読み取って処理することによって識別する。ＣＲＳ光学プローブ２１５’と交換可能光学機構２８０の適切な識別によって、ＣＲＳ光学プローブ２１５’と交換可能光学機構２８０からの正確な動作およびその結果である正確な測定値を確認するために、適切な機器構成と校正データを利用することが可能になった。
【0050】
図６は、図２のプローブヘッドケーブル２１１の断面図である。図６で示されるように、プローブヘッドケーブル２１１は、保護管６０５と、シールテープ層６１０と、外側の電気的絶縁層６１５と、中心導体「１」及び内部絶縁層６２５を含む同軸ケーブル６２０と、を有する。追加導体２～１４は、同軸ケーブル６２０を囲むように配置されている。これらの配置は、従来のレニショー（商標）の配置に従って、図７に詳細に示すようになっている。
【0051】
図７は、図６のプローブヘッドケーブル２１１、及び／又は、図３Ａと図３Ｂに示された自動ジョイント接続機構２３０を使用できる１つの代表的な接続一覧表、及び／又は、信号一覧表を示したテーブル７００である。「ワイヤ番号」の欄の接続番号は、別の説明がない限り、自動ジョイントピン（例えば、ある標準的なレニショー（商標）の自動ジョイント接続機器）に接続されるケーブル２１１のワイヤ番号を示す。
【0052】
テーブル７００に示すように、本実施形態では、電源および信号の接地接続、低電圧差動信号（ＬＶＤＳ）シリアル変換器信号（ＳＥＲＤＥＳ＋、ＳＥＲＤＥＳ－およびＳＥＲＤＥＳ Ｌｏｃｋ／Ｓｙｎｃ）、分光器／検出器リセット用のＣＲＳ信号、ＣＲＳ制御クロック信号、および、ＣＲＳデータ信号（例えば、Ｉ２Ｃクロック信号およびＩ２Ｃデータ信号）が様々なワイヤおよび接続された自動ジョイントピンに供給される。ある標準的な自動ジョイント、及び／又は、ＣＭＭコントローラの設計要求（例えば、あらゆる単一導体につないでも３００ｍＡ以上は流れないなどの条件）を満たすために、多くのワイヤが、ＣＲＳ－ＣＭＭプローブへの電源供給と併用されることになってもよい。例えば、それぞれ１２Ｖ、３００ｍＡの２本のワイヤを使用すると、標準的な自動ジョイント、及び／又は、ＣＭＭコントローラの仕様内で、７．２ワットのデリバリング性能が得られる。
【0053】
一般に、様々な信号が、適当なワイヤ、及び／又は、自動ジョイントピンに送られる。シリアル変換器信号ＳＥＲＤＥＳ＋，ＳＥＲＤＥＳ－は、パラレル変換器（直並列変換器）２７７Ｄおよびシリアル変換器２７７Ｓを接続する信号線／ピンを流れる。実験用、及び／又は、分析用として用いる際には、信頼できる信号伝送を提供する接続機構を選択し、及び／又は、これを確かめる必要がある。様々な実施形態では、図７に示すように、内部シールドと外部シールドがＣＲＳ接地につなげられて、ワイヤ（ＣＯＡＸ／１）がＣＲＳ検出器信号（すなわち、出力スペクトルプロフィルデータ又は測定信号であり、分光器のピクセル値信号を含むもの）を運ぶのに使用されることが、特に有利になる。ＣＲＳシステムでは、分光器信号が最小量の変形または追加ノイズを受けることが、比較的重要である。ケーブル２１１のＣＯＡＸ部（すなわち、Ｎｏ．１ワイヤ）を利用することによって、信号劣化は最小量に抑えられ、その結果、分光器信号の送信用として信頼性のある接続機構を提供できる。
【0054】
ＬＶＤＳシリアル変換器信号ＳＥＲＤＥＳ＋、ＳＥＲＤＥＳ－に関して、これらの信号は、接地された３番目のワイヤ、および、その２本のワイヤを流れる。また、ＳＥＲＤＥＳ Ｌｏｃｋ／Ｓｙｎｃ信号は、追加ワイヤを流れる。シリアル化シーケンスに関して、一実施形態では、位置Ｄ０が検出器ピクセルクロック用である。位置Ｄ１は、スペクトルプロフィル測定データのプロフィル開始信号用である。位置Ｄ２は、分光器の準備完了信号用である。位置Ｄ３は、ＸＹＺラッチ信号用であり、例えば、図５の位置ラッチ５１５に関して説明したように指定される。位置Ｄ４は、検出器温度アラーム用である。位置Ｄ５は、分光器温度アラーム用である。位置Ｄ６～Ｄ９は、未指定であり、この実施形態では明確に割り当てられていない。
【0055】
ある一態様として、ＬＶＤＳシリアル変換速度に関して、最も速く利用可能なディジタル信号（例えば、数ＭＨｚの検出器ピクセルクロック信号）を利用してもよい。シリアル変換器は、比較的高速（例えば、検出器ピクセルクロックの２倍のレート）でディジタル信号を抽出できる。一実施形態では、ＬＶＤＳシリアル変換器は、サンプリングサイクル毎に最大１０のディジタル信号を抽出できる。次に、シリアル変換器は、非常に高速のレート（例えば、検出器ピクセルクロックの２倍のレート「１０のディジタル信号＋２つの同期ビット」）で結合した信号を送信できる。複数の実施形態で、そのレートは１００ＭＨｚ以上のビットレートになる。
【0056】
低電圧差動信号（ＬＶＤＳ）シリアル変換器の利用は、ポート数が限られている場合に特に有利になる。それは、限られたポート数のコネクタとして、標準的な自動ジョイントコネクタを採用できるからである。言い換えれば、標準的な自動ジョイントコネクタは、限られたポート数（例えば、１３本のピン）しか提供できない。これに対して、標準的なＣＲＳシステムは、コントローラと分光器を接続する際などには、かなり多くの導体（例えば、２４個の導体）を利用する可能性がある。重要でない信号を避けることによって、導体の数を部分的に抑えることができる。しかしながら、残りの信号に関しては、図７に説明されているように、ＬＶＤＳシリアル変換器のテクニックによって、２本の信号線だけの使用でコントローラへより多くの信号を提供することができる。
【0057】
そのようなＬＶＤＳシリアル変換のテクニックは、自動交換ジョイント要素の２本の接続／導体だけを使用して、少なくとも３以上の異なった信号を供給できる。また、他の実施形態では、自動交換ジョイント要素の２本の導体だけを使用して、最大１０のディジタル信号又はディジタル形式の情報を供給できる。差動信号がコモンモードノイズを無視するので、信号はロバストになる。そのテクニックは小出力（例えば、ある実施形態では、１Ｖオフセットを伴った＋／－５００ｍＶで信号）で送ることができる。このことは、ＣＭＭプローブを適用する際に重要になる。高速を達成することができる（例えば、１００ＭＨｚからＧＨｚへの動作速度の飛躍）。信号は、比較的長いワイヤを流れる。適切な端部を備えていれば、例えば、数メートルのワイヤを利用できる。一実施形態では、ＬＶＤＳシリアル化のテクニックにおいては、米国テキサス州ダラスのテキサス・インスツルメンツ社製のＳＮ６５ＬＶ１０２３型シリアル変換器とＳＮ６７ＬＶ１２２４型パラレル変換器を使用することができる。上記の信号通信プロトコル、又はプロトコルを示す他の周知のＬＶＤＳを使用できる。
【0058】
図８～１７に詳細に示すように、技術的、経済的に魅力的な別の自動交換型ＣＲＳ光学プローブシステム装置を実現する望ましい構成の組合せを提供するため、上述の光源・波長検出器部１６０Ａ（例えば、波長検出器１６２と光源１６４を含む）の構成を自動ジョイントコネクタでＣＭＭに係合されるＣＲＳ光学プローブアセンブリに含める代わりに、自動接続可能な自由空間型ファイバカップリング８７０を採用した。これによって、ＣＲＳ光学プローブアセンブリ８１６で用いる光が、当該ファイバカップリング８７０に対し一定関係で取付けられた光学要素を経由して、当該ファイバカップリング８７０内の自由空間に伝播される。
【0059】
例えば、或る実施例では、光源・波長検出器部１６０Ａ（例えば、波長検出器１６２と光源１６４を含む）の構成グループを、ＣＲＳ光学プローブアセンブリから除き、代わりにＣＲＳ光学プローブアセンブリの外部に離設してもよい（例えば、軽量プローブ、プローブバランス及びコンパクトなプローブサイズを維持するため）。或る実施例では、光源・波長検出器部１６０Ａの構成グループを、測定信号処理制御回路１６０Ｂと一緒に配置してもよい。或る実施例では、光源・波長検出器部１６０Ａの構成グループを、ＣＭＭコントローラ（図２のＣＭＭコントローラ２０２参照）に配置してもよい。
【0060】
物理接触型ファイバカプラは、ファイバ表面の汚れを原因として、係合サイクルを繰り返した場合に破損しやすい。たとえ少量の埃でも、スループットの大損失に繋がる。従って、物理接触型ファイバカプラは、限られた回数しか動作サイクルを提供できない。一実施例では、自動接続可能な自由空間型ファイバカップリングを使用することによって、自動係合サイクルの回数が多く、汚れ（コンタミネーション）のリスクを軽減させたい場合に適した自動交換可能なＣＲＳ光学プローブシステム装置を提供する。
【0061】
図８は、座標測定システム装置８００、および、自動接続と自動交換とが可能なＣＲＳ光学プローブシステム装置８１５を示す図である。すなわち、ＣＲＳ光学プローブシステム装置８１５が、他のタイプのＣＭＭプローブに自動的に交換される。この座標測定システム装置８００は、ＣＭＭコントローラ８０２、コンピュータ・ユーザインタフェース８０６、プローブ信号処理制御回路８０７、および、三次元座標測定機（ＣＭＭ）８１０を備え、コントローラ８０２は、プローブヘッド制御装置８０３、位置ラッチ８０４、および、モーション制御装置８０５を含んでいる。ＣＲＳ光学プローブ８１５は、プローブアセンブリ８１６と自動交換ジョイント要素８３６を含み、プローブ自動ジョイント接続機構８３０（自動交換ジョイント接続機構とも呼ぶ。）の係合ジョイント要素、及び、自由空間型ファイバカップリング８７０の両方を介して、ＣＭＭ８１０に接続される。
【0062】
ＣＭＭ８１０は、データ転送回線８０１（例えばバス）を通して、他の構成部分と通信を行う。データ転送回線８０１は、コネクタ８０８（例えば、「マイクロＤ」型コネクタ）を介して、プローブヘッドケーブル８１１に接続され、ＣＲＳ光学プローブ８１５との間で信号の授受を行なう。様々な実施例において、データ転送回線８０１は、コネクタ８０８’によってケーブル８１１’（例えば、以下の図９に詳述するように）にも接続されており、ＣＲＳ光学プローブ８１５との間での電源及び／又は通信の授受が追加的に又は代替的に行なわれる。ＣＭＭ８１０の制御はＣＭＭコントローラ８０２が行なっており、一方、ＣＲＳ光学プローブ８１５は、プローブ信号処理制御回路８０７に制御され、また、この制御回路８０７との間でデータ交換を行っている（例えば、一実施形態では、プローブ信号処理制御回路が、上述の図１の構成部分１６０Ａ，１６０Ｂのように、光源・波長検出器部８６０Ａと検出器測定信号処理制御部８６０Ｂを含んでいる）。ユーザは、全構成をコンピュータ・ユーザインタフェース８０６で制御してもよい。幾つかの実施形態では、光源・波長検出器部８６０Ａ及び検出器測定信号処理制御部８６０Ｂが、プローブ信号処理制御回路８０７にではなく、図８で破線の四角で表すように、ＣＭＭコントローラ８０２に含められてもよい。
【0063】
上述の通り、また図９に詳細を示すように、ＣＲＳ光学プローブ８１５は、自由空間ファイバカップリング８７０と、被測定面８９０に測定光８９６を照射する光学ペン８２０とを含む。特定の実施例では、図２において説明したようなネジ穴の内面を被測定面８９０とした。
【0064】
図９は、図８のＣＭＭ８１０及びＣＲＳ光学プローブ８１５の内のいくつかの構成要素の概略図である。同図に示すように、ＣＭＭ８１０は、プローブヘッド８１３（図９にはコネクタ部のみを示す）を含む。プローブヘッド８１３は、プローブヘッドケーブル８１１を通してプローブ信号を送受信し、図２のプローブヘッド２１３と同様に構成される。プローブヘッド８１３は、プローブ自動ジョイント接続機構８３０において、プローブ８１５に接続される。プローブヘッドケーブル８１１は、上記の図２，３Ａ，３Ｂ，３Ａ及び６のプローブヘッドケーブル２１１と同様に構成される。
【0065】
プローブヘッド８１３は、一実施形態においては、水平面内で３６０度回転するとともに、適当なタイプのＵ字型ジョイントを含んでいる。プローブ自動ジョイント接続機構８３０は、プローブヘッド８１３にＣＲＳ光学プローブ８１５を機械的に強固に締め付けて固定する電気機械型の接続機構になっており、プローブヘッド８１３からプローブを外して他のプローブを取り付けることができるように構成されている。一実施形態では、プローブ自動ジョイント接続機構８３０は、第１及び第２自動交換ジョイント要素８３４，８３６を有して構成され、この第１自動交換ジョイント要素８３４がプローブヘッド８１３に取り付けられ、第２自動交換ジョイント要素８３６がＣＲＳ光学プローブ８１５に取り付けられている。一実施形態では、プローブ自動ジョイント接続機構８３０には、対になる電気的接点または電気的接続部８３５が形成されており、プローブを取り付ければ、自動的に電気的接点同士が繋がり電気的接続がなされるように構成されている。
【0066】
加えて様々な実施例では、電動式自動接続機構８３０’が、ＣＲＳ光学プローブ８１５との間での電源及び／又は通信の提供にも利用され、或いは、代替的に利用されている。この電動式自動接続機構８３０’が、ＣＲＳ光学プローブ８１５をケーブル８１１’に連結する電気機械型の接続機構であってもよく、ケーブル８１１’からプローブを外して他のプローブを取り付けることができるように構成されている。電動式自動接続機構８３０’は、第１及び第２自動交換ジョイント要素８３４’，８３６’を含んでいてもよく、この場合は、第１自動交換ジョイント要素８３４’がプローブヘッド８１３に取り付けられ、第２自動交換ジョイント要素８３６’がＣＲＳ光学プローブ８１５に取り付けられる。一実施形態では、電動式自動接続機構８３０’には、対になる電気的接点または電気的接続部が形成されており、プローブを取り付ければ、自動的に電気的接点同士が繋がり電気的接続がなされるように構成されている。様々な実施例では、この接続機構が共に保持されるように、電動式自動接続機構８３０をキネマティックカップリング（運動学的連結器）にしてもよく、及び／又は、電動式自動接続機構８３０の第１及び第２自動交換ジョイント要素８３４’，８３６’の一方又は両方に磁石を含めてもよい。
【0067】
ＣＲＳ光学プローブ８１５は、自動ジョイント接続機構８３０及び／又は電動式自動接続機構８３０’を通じて電源と制御信号を受ける。自動ジョイント接続機構８３０及び／又は電動式自動接続機構８３０’を通じてＣＲＳ光学プローブ８１５に送られた信号は、図３Ａ、図３Ｂに示すような１以上の接続機構２３５又は他のタイプの接続機構を介して渡すことができる。ＣＲＳ光学プローブ８１５は、光学ペン８２０を含むペンアセンブリ（プローブアセンブリ）を備えている。
【0068】
様々な実施例において、電動式自動接続機構８３０’の利用の１つの格別な利点は、上述の問題に関連するもので、標準的な自動ジョイント接続機構８３０では、利用できる有線の接続線数が限られており、ＣＲＳ光学プローブ８１５にはより多くの接続線が望まれ／利用できるとよい（例えば、電動式自動接続機構８３０’によって提供されるように）という問題に関する。様々な実施例では、標準的な電源及び／又は通信信号に加えて、ＣＲＳ光学プローブ８１５が追加的な特徴／能力を備えている場合もある。そのため要求される追加の電源及び／又は通信信号が、電動式自動接続機構８３０’を通じて提供される。例えば、一実施例のＣＲＳ光学プローブ８１５が回転機構（例えば、図８に示すように、光学ペン８２０の光学要素の回転、及び、これに応じた測定光の方向の回転に利用されるもの）を含む場合があり、電動式自動接続機構８３０’を、その回転機構への電源供給および／又は制御のための電源および／又は通信信号の提供に利用することができる。回転機構を含むＣＲＳ光学プローブ８１５の一例が、特許文献６（米国特許第８，８１７，２４０号公報）に記載されている。特許文献６が開示し説明しているように、一実施形態のＣＲＳ光学プローブ８１５は、光学要素を回転させる回転機構を含んでいてもよく、様々な実施例に係る回転機構は、その回転動作に必要な軸受、ギア及び／又はモータといった構成を含んでいてもよい。回転構成（例えば、モータ、回転エンコーダ等を含む）を光学ペン８２０の光学要素の回転駆動制御に利用する実施例では、その回転構成用の電源及び／又は制御信号を、電動式自動接続機構８３０’を通して提供することができる。
【0069】
図８に示すように、システム装置８００は、自由空間型ファイバカップリング８７０を含む。この自由空間型ファイバカップリング８７０は、キネマティックカップリングであるとよい。図９に示すように、自由空間型ファイバカップリング８７０の第１カップリング要素８７１は、第１クランプ８７３によってプローブヘッド８１３に固定されており、
自由空間型ファイバカップリング８７０の第２カップリング要素８７２は、第２クランプ８７４によってＣＲＳ光学プローブ８１５に固定されている。第１及び第２クランプ８７３，８７４の一方又は両方を、フローティングクランプ（浮動式クランプ）又はフレキシブルブラケットにして、例えば、自動カップリング動作中に第１カップリング要素８７１及び第２カップリング要素８７２の少なくとも一方に、ある程度の動きの自由度を与えてもよい。このようなクランプが、自動カップリング動作中における、自由空間型ファイバカップリング８７０の第１及び第２カップリング要素８７１，８７２の互いの位置合せ、及び、スナップ係合動作を容易にする。
自由空間型ファイバカップリング８７０の第２カップリング要素８７２は、第２クランプ８７４によってＣＲＳ光学プローブ８１５に固定されている。第１及び第２クランプ８７３，８７４の一方又は両方を、フローティングクランプ（浮動式クランプ）又はフレキシブルブラケットにして、例えば、自動カップリング動作中に第１カップリング要素８７１及び第２カップリング要素８７２の少なくとも一方に、ある程度の動きの自由度を与えてもよい。このようなクランプが、自動カップリング動作中における、自由空間型ファイバカップリング８７０の第１及び第２カップリング要素８７１，８７２の互いの位置合せ、及び、スナップ係合動作を容易にする。
【0070】
自動カップリング動作中に、電動式自動接続機構８３０’の第１及び第２自動交換ジョイント要素８３４’，８３６’が同じように位置決めされて連結することができ、また、プローブ自動ジョイント接続機構８３０の第１及び第２自動交換ジョイント要素８３４，８３６が同じように位置決めされて連結することができることが理解される。自動分離／切断工程中に、ＣＲＳ光学プローブ８１５がプローブヘッド８１３から離れるようにするために、それぞれの要素は、引き離されて／分離されるように構成されてもよい。一度分離された後、続く自動連結工程の一部において、ＣＲＳ光学プローブ８１５（又は、別のＣＲＳ光学プローブ）がプローブヘッド８１３に連結されるようにしてもよく、または、別のプローブヘッドに連結されるようにしてもよい。
【0071】
様々な実施例において、プローブ自動ジョイント接続機構８３０、電動式自動接続機構８３０’及び／又は自由空間型ファイバカップリング８７０のそれぞれは、互いにほぼ正確に位置決めされたカップリング面を有し、それぞれに長所がある（例えば、連結／分離の全体的メカニズムの簡素化／改良によって、連結／分離の工程を容易化することに関連するもの等）。様々な実施例では、ＣＲＳ光学プローブ８１５の第２自動交換ジョイント要素８３６’及び／又は他の要素が、プローブヘッド８１３の自動連結／分離工程の一部としてＣＲＳ光学プローブ８１５と係合して移動するための移動機構（例えば、先端に係合要素及び／又は把持要素を有するロボットアーム）による把持、あるいは接触及び移動を容易にするための構成（例えば、凸部、凹部等、例えば側面にこれらの溝を設ける）を有するとよい。
【0072】
自由空間型ファイバカップリング８７０の第１カップリング要素８７１は、光源・波長検出器部８６０Ａ（図８参照）と連結する第１光ファイバケーブル８１２’に接続されている。第２カップリング要素８７２は、光学ペン８２０と連結する第２光ファイバケーブル８１２’’に接続されている。自由空間型ファイバカップリング８７０は、ＦＣ／ＡＰＣ（斜面状に研磨されたコネクタ、例えば、ファイバを８度又は９度の角度で研磨する）ファイバフェルールコネクタを含み、そのコネクタには、後方反射の低減を容易にする斜面付き接続機構（例えば４度の角度）が設けられているとよい。
【0073】
光学ペン８２０（光学ペン１２０に類似する）は、ファイバコネクタ８０９と、アパーチャ８９５および色分散光学系８５０を有する共焦点系の光路とを含み、測定光８９６を出力するように構成されてもよい。ある実施形態に係る光学ペン８２０は、図４Ａ，４Ｂでより詳細に説明記載したように、色分散光学系８５０の交換を可能にする繰返し高速交換可能な交換マウント８８５を含んでいる。
【0074】
図１０は、図８のシステム装置８００に係る一実施形態の光学的接続経路のブロック図である。光学ペン８２０は、光ファイバコネクタ８０９と、交換可能な光学機構８８０とを含む。様々な実施例において、光ファイバコネクタ８０９は、筐体８３１の端部に取付け可能に構成されてもよい。また、これらに代わる実施例として、光ファイバコネクタ８０９が固定されたマウントに取り付けられ、光学機構８８０が回転機構に取付けられてもよい（例えば、特許文献６の実施形態の構成と同様に、交換可能光学機構が回転機構によって回転する、又は、他の構成のように、光学機構を回転させる回転機構を光学機構が備えている）。光ファイバコネクタ８０９は、内蔵された光ファイバケーブル８１２’’を通じて、入出力用光ファイバの１番目の端部（詳細は不図示）を保持している。入出力用光ファイバは、ファイバアパーチャを通して、光源光を出力し、反射光を受け取る。光源光および反射光は、図１でより詳細に説明したように、測定値の取得に使用される。
【0075】
光ファイバケーブル８１２’’の２番目の端部は、自由空間型ファイバカップリング８７０の第２カップリング要素８７２の光ファイバコネクタ８０９’’に保持されている。光ファイバケーブル８１２’の１番目の端部は、自由空間型ファイバカップリング８７０の第１カップリング要素８７１の光ファイバコネクタ８０９’に保持されている。光源光および反射光は、自由空間型ファイバカップリング８７０内の自由空間に伝送される。光ファイバケーブル８１２’の２番目の端部は、波長検出器８６２、光源８６４、信号演算器８６６及び記憶部８６８を含んでいる電装部８６０のファイバカプラ８６１に連結されている。様々な実施例において、光ファイバカプラ８６１、波長検出器８６２及び光源８６４は、光源・波長検出器部８６０Ａの一部として含まれるとよい。また、信号演算器８６６及び記憶部８６８は、検出器測定信号処理制御部８６０Ｂの一部として含まれるとよい（図１から８の構成例と同様）。様々な実施例において、波長検出器８６２は、分光計または分光器アレンジメントを含み、その中の分散光学系（例えば回折格子）が、光ファイバケーブル８１２’経由の反射光を受光し、結果得られるスペクトル強度プロフィルを例えば検出器アレイ（図１の検出器アレイ１６３参照）へ伝送する。波長検出器８６２は、関連する信号処理機能（例えば、ある実施形態での信号演算器８６６が提供する機能）、すなわち、プロフィルデータから検出器関連の誤差成分を取り除いたり補償したりする機能を備えていてもよい。このように、波長検出器８６２および信号演算器８６６の態様を統合してもよく、及び／又は区別をなくしてもよい。
【0076】
白色光光源８６４は、信号演算器８６６によって制御されており、光ファイバカップラ８６１（例えば、２×１光学カップラ）によって光ファイバケーブル８１２’に接続されている。上述したように、光が自由空間型ファイバカップリング８７０と光学ペン８２０を通過するときに、光学ペン８２０によって軸上色収差が付与されて、光の波長に応じて焦点距離が変化する。光ファイバを通って最も効率よく戻ってくる光の波長は、Ｚ位置にある表面８９０上で合焦する波長である（図１および図８参照）。その後、波長依存性の反射強度光は、再び自由空間型ファイバカップリング８７０と光ファイバカップラ８６１を通過して、その光の一部が波長検出器８６２に向けられ（この構成では、例えば光の約２５％が１×２光学カプラに向かう）、この波長検出器８６２は、検出器アレイ（図１の検出器アレイ１６３参照）の測定軸に沿ってピクセルアレイ上に分布されたスペクトル強度プロフィルを受光し、対応するプロフィルデータを提供するように動作する。上記の特許文献の詳細な記載及び図１での説明を参照できる。
【0077】
図１１は、図８の自由空間型ファイバカップリング８７０の内のいくつかの構成を概略的に示した図である。光ファイバケーブル８１２’’の２番目の端部は、自由空間型ファイバカップリング８７０の第２カップリング要素８７２の光ファイバコネクタ８０９’’に保持される。光ファイバケーブル８１２’の１番目の端部は、自由空間型ファイバカップリング８７０の第１カップリング要素８７１の光ファイバコネクタ８０９’に保持される。自由空間型ファイバカップリング８７０は、キネマティックマウント８７９のキネマティックカップリング面８７８において連結および分離をする。
【0078】
光源側の第１カップリング要素８７１は、色収差補正レンズを含んだレンズシステム８５０’を有して、可視光スペクトルを伝送することができる。図示のように、レンズシステム８５０’は、コリメートレンズ８５２’と合焦レンズ８５３’を含む。コリメートレンズ８５２’は、光ファイバコネクタ８０９’に固定された光ファイバケーブル８１２’のファイバ出力を集めて、これをコリメートして（平行光にして）合焦レンズ８５３’に導光する。合焦レンズ８５３’は、コリメート光を合焦して光ファイバコネクタ８０９’’に固定された光ファイバケーブル８１２’’の光ファイバに入れる。レンズシステム８５０’は、例えば、ファイバ・コアの汚れや埃を防止することで、光ファイバケーブル８１２’のファイバを保護している。センサ側の第２カップリング要素８７２は、光ファイバケーブル８１２’’のファイバを保護する保護ガラス窓８５８’を有する。合焦レンズ８５３’によって伝送された光は、保護ガラス窓８５８’を通って、光ファイバケーブル８１２’’に入る。当業者であれば、レンズが、第１の方向に進む光に対してはコリメートレンズとして作用し、第２の方向に進む光に対しては合焦レンズとして作用することを認識できるだろう。例えば、反射光は、光ファイバケーブル８１２’’の光ファイバを通って、保護ガラス窓８５８’から合焦レンズを経由して戻り、ここで、合焦レンズは、反射光に対してはコリメートレンズとして作用し、反射光を平行光にしてコリメートレンズ８５２’に入れる。コリメートレンズ８５２’は、反射光に対しては合焦レンズとして作用し、反射光を合焦して光ファイバケーブル８１２’のファイバに入れるように作用する。
【0079】
光ファイバコネクタ８０９’，８０９’’は、図示のように、ＦＣ／ＡＰＣファイバフェルールコネクタであり、レンズシステム８５０’の軸に対して角度８５７’を成すように構成され、例えば４度の角度で光ファイバケーブル８１２’，８１２’’のファイバを固定することができる。この構成によりシステム装置８００の後方反射の低減が容易になる。
【0080】
図１１の構成例では、キネマティックマウント８７９のキネマティックカップリング面８７８は、凡そ合焦レンズ８５３’の位置、又は、合焦レンズ８５３’と光ファイバケーブル８１２’’のファイバとの間に位置している。加えて、第１カップリング要素８７１及び／又はレンズシステム８５０’の端面８７８’を、合焦レンズ８５３’と光ファイバケーブル８１２’’のファイバとの間に配置してもよい（例えば、端面８７８’を、キネマティック面８７８と平行にして、また、第１カップリング要素８７１及び／又はレンズシステム８５０’の端部又は端面の位置に合わせてもよい）。以下により詳しく説明するように、カップリング面８７８及び／又は端面８７８’を、合焦レンズ８５３’と光ファイバケーブル８１２’’のファイバとの間に位置決めすることによって、傾きに対して感度が低く、かつ、Ｚ位置（軸方向）の依存性が低い、という特性のキネマティックカップリングを構成することができる。
【0081】
図１１に示すように、レンズシステム８５０’は、光源又はＣＭＭ（ＣＭＭ８１０参照）側の第１カップリング要素８７１の中に配置される。デカップリング（分離）面８７８は、合焦レンズ８５３’の位置に設けられる。又は、デカップリング面８７８は、合焦レンズ８５３’と、センサ又はＣＲＳ光学プローブ（ＣＲＳ光学プローブ８１５参照）側のファイバケーブル８１２’’と、の間に配置される。このような構成によって、１つのＣＭＭ８１０に多くの異なったＣＲＳ光学プローブ８１５を使用する場合においても、必要なレンズシステムは１つだけでよく、コスト軽減が容易になる。しかし、当業者であれば、ある実施形態において、レンズシステム８５０’を、上記に代えて、センサ又はＣＲＳ光学プローブ８１５側の第２カップリング要素８７２の中に配置して、デカップリング面８７８及び／又は端面８７８’が、レンズシステム８５０’と、光源又はＣＭＭ８１０側のファイバケーブル８１２’との間に配置されるようにしてもよいことを容易に認識するだろう。より一般的に言うと、その構成を反転させてもよい（例えば、図８及び図９の実施例は、図１０、図１１及び図１６に示す向きの構成を含むものの代表と言えるし、或いは、図８及び図９の実施例は、レンズシステム８５０’及びこれに属する構成が光ファイバケーブル８１２’’側にあるような逆向きの構成を含んでいてもよい）。
【0082】
図１２Ａ，１２Ｂは、典型的なキネマティックマウント８７９の詳細図である。図１２Ａは、キネマティックマウント８７９のセンサ側のカップリング８７９’’を示し、図１２Ｂは、キネマティックマウント８７９の光源側のカップリング８７９’を示す。図示のように、センサ側のカップリング８７９’’は、３つのボールベアリング８９１を有し、光源側のカップリング８７９’において対応する３つのＶ型溝８９２と噛み合う。光源側のカップリング８７９’には、対応する３つの磁石が、それぞれのＶ型溝８９２の近く、かつ半径方向内側に配置されており、ボールベアリング８９１を有するセンサ側のカップリング８７９’’の表面との磁気的カップリング（すなわち、キネマティックカップリングの一部として）に作用する（すなわち、図示された構成中のそれぞれのボールベアリング８９１からちょうど半径方向内側の位置の表面と磁気的にカップリングする）。ボールベアリング８９１及びＶ型溝８９２は、キネマティックマウント８７９が連結する際に、光源側のカップリング８７９’とセンサ側のカップリング８７９’’とが正しく位置決めされるように配置されている（例えば、ボールベアリング８９１とＶ型溝８９２との隙間を不均一にすることで、使用できるカップリング位置を１つに限定できる）。様々な実施例として、他のタイプのキネマティックマウント（例えば円錐形マウント）も採用できる。
【0083】
図１３は、（例えば、従来のシステム構成の代表として）ファイバカップリング１３７０のレンズシステム１３５０の実行可能な１つの構成を示す。図１３において、キネマティックマウント１３７９のカップリング面１３７８は、コリメートレンズ１３５２と合焦レンズ１３５３の間に配置される（カップリング面の両側にレンズとファイバがあるようなファイバカップリング構成において、従来のカップリング面の代表的な配置を示す）。図１３の構成では、光軸の傾きに対するスループット感度が高くなってしまっている。
【0084】
図１４，１５は、図８の自由空間型ファイバカップリング８７０のレンズシステム８５０’の典型的な構成を示す。図１４では、キネマティックマウント８７９のカップリング面８７８は、合焦レンズ８５３’と光ファイバケーブル８１２’’のファイバとの間に配置されている。様々な実施例において、カップリング面８７８の位置とは、第１カップリング要素８７１の端面８７８’及び／又はレンズシステム８５０’の端面８７８’（例えば図１１）の位置を表す。従って、そのような構成は、カップリング面８７８及び／又は端面８７８’側（例えば、光ファイバケーブル８１２’のファイバ側）に両レンズ８５２’，８５３’を有するが、カップリング面８７８及び／又は端面８７８’の反対側（例えば、光ファイバケーブル８１２’’のファイバ側）にはレンズを有していない。
【0085】
そのような構成は、図１３の構成と比べて、光軸の傾きに対してより低く／改善されたスループット感度を有する。また、Ｚ位置依存性に対する低いスループット感度を有する。また、断面方向のＸＹ位置の許容誤差に対して適度な感度を有する。傾きに対する感度の低減とファイバ断面のＸＹ位置に対する感度との間にはトレードオフの関係があり、図１３の構成と比べると、結果として図１４の構成全体のスループット性能が改善される。
図１５の構成は、合焦レンズ８５３’と光ファイバケーブル８１２’’のファイバとの間に配置された保護ガラス（保護ガラス窓８５８’）を含んでいるという点で図１４と異なっている。この保護ガラス窓８５８’に反射防止膜を設けてもよい。
図１５の構成は、合焦レンズ８５３’と光ファイバケーブル８１２’’のファイバとの間に配置された保護ガラス（保護ガラス窓８５８’）を含んでいるという点で図１４と異なっている。この保護ガラス窓８５８’に反射防止膜を設けてもよい。
【0086】
図１６は、図８のシステム装置の典型的な自由空間型ファイバカップリングについて、そのキネマティックマウントのアライメント（位置合わせ）機構を示している。図示のように、１以上の止めネジ８９９を調整することで、レンズ８５２’，８５３’に対する光ファイバケーブル８１２’，８１２’’のファイバのアライメントが行われるようになっている。その他のアライメント機構も採用できる。アライメントが設定されると、そのキネマティックマウントは、自由空間型ファイバカップリング８７０における高度の反復性と自動化性を備えたカップリング機構になる。
【0087】
図１７のフローチャートは、本実施形態に係る自動交換型ＣＲＳ光学プローブの提供および動作のためのルーチン１７００を示す。ブロック１７１０では、ＣＲＳ光学プローブを含むシステム装置が提供され、このＣＲＳ光学プローブはプログラム制御下でＣＭＭへ自動的に接続されるように構成されている。ＣＲＳ光学プローブは、自動交換ジョイント要素およびＣＲＳ光学プローブアセンブリを含む。自動交換ジョイント要素は、標準的な自動交換ジョイント接続機構を介してＣＭＭに取り付けられる。ＣＲＳ光学プローブアセンブリは、その自動交換ジョイント要素に取り付けられて、ＣＭＭへの自動接続が可能になっている。このシステム装置は、自由空間型ファイバカップリングを含んでいて、ＣＲＳ光学プローブアセンブリで用いられ光の光路を提供する。ＣＲＳ光学プローブアセンブリは、光学ペンを含んでいる。前述の通り、様々な実施形態では、光学ペンは、色分散光学系を含んで形成される共焦点系の光路を有し、波長の異なる光をワーク被測定面の近傍の測定軸に沿った異なる距離において合焦させるように構成されている。自由空間型ファイバカップリングによって伝送された光は、光学ペンに送られる波長域の入力スペクトルプロフィルを持っている。
【0088】
ブロック１７２０では、ＣＲＳ光学プローブが、自動交換ジョイント要素を介し、および、自由空間型ファイバカップリングを介して、ＣＭＭに接続される。ＣＲＳプローブアセンブリに、自動交換ジョイント接続機構を介して所定の電源および制御信号が提供されるようにしてもよい。また、測定光は、自由空間型ファイバカップリングを介してＣＲＳプローブアセンブリに提供される。
【0089】
ブロック１７３０では、ＣＭＭを使って、光学ペンをワーク表面に対して測定動作可能な位置に配置し、ＣＲＳ光学プローブの測定動作が実行される。ここで、測定動作に使用する光は、自由空間型ファイバカップリングを介して送出され、また送り戻される。
【0090】
以上説明した様々な実施形態の他にも、ここに開示された発明の構成および動作手順に基づく、多くの変形例がある。例えば、上述の実施形態では、制御信号及びデータ信号が、プローブ自動ジョイント接続機構２３０／８３０及び／又は電動式自動接続機構８３０’を流れる信号形式で出力されることを強調したが、信号の一部又は全部を無線で伝えて、プローブ自動ジョイント接続機構２３０／８３０及び／又は電動式自動接続機構８３０’を迂回するようにしてもよい。このように本発明の趣旨およびその範囲から逸脱しない範囲で様々な変形例が可能となる。
【0091】
また、自由空間型光ファイバカップリングは、第１カップリング要素および第２カップリング要素を有し、互いに着脱可能に連結するように構成されていてもよい。第１カップリング要素は、第１光ファイバケーブルの光ファイバを経由して座標測定機（ＣＭＭ）の光源・波長検出部に連結するように構成された第１光ファイバコネクタを有していてもよく、また、ＣＭＭのプローブヘッドに取り付けられるように構成されてもよい。第２カップリング要素は、第２光ファイバケーブルの光ファイバを経由してクロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）光学プローブの光学ペンに連結するように構成された第２光ファイバコネクタを有していてもよく、また、ＣＲＳ光学プローブに取り付けられるように構成されてもよい。第１および第２カップリング要素のうちの一方は、１組の光学レンズを含み、この１組の光学レンズは、第１光ファイバケーブルの光ファイバが受光した光をコリメートし、当該コリメートされた光を合焦して第２光ファイバケーブルの光ファイバの中に入れるように構成されてもよい。さらに、この１組のレンズは、第２光ファイバケーブルの光ファイバが受光した反射光をコリメートし、当該コリメートされた反射光を合焦して第１光ファイバケーブルの光ファイバの中に入れるように構成されてもよい。
【0092】
また、第１カップリング要素は、第１キネマティックカップリングを含み、第２カップリング要素は、第１キネマティックカップリングと噛合うように構成された第２キネマティックカップリングを含んでいてもよい。さらに、第１カップリング要素は、１組の光学レンズを含み、第１および第２キネマティックカップリングのキネマティックカップリング面は、合焦レンズと第２光ファイバケーブルの光ファイバとの間に位置していてもよい。
【0093】
また、第１光ファイバコネクタおよび第２光ファイバコネクタは、ファイバフェルールコネクタであってもよい。また、第１光ファイバコネクタおよび第２光ファイバコネクタは、斜面状に研磨されたコネクタであってもよい。また、第１光ファイバコネクタは、レンズシステムの軸に対して或る角度を成すように第１光ファイバケーブルの光ファイバを固定するように構成されていてもよい。その角度を例えば４度にするとよい。
【0094】
また、第１カップリング要素は、１組の光学レンズを含み、第２カップリング要素は、第２光ファイバケーブルの光ファイバを保護するように構成されたガラス窓を含んでいてもよい。そのガラス窓が反射防止膜を有していてもよい。
【0095】
また、１組のレンズは、収差補正レンズシステムを含んでいてもよい。また、１組のレンズは、第１光ファイバケーブルの光ファイバを保護するように構成されていてもよい。
【0096】
また、クロマティックレンジセンサ（ＣＲＳ）光学プローブは、光学ペンと、当該光学ペンと連結した光ファイバケーブルとを有してもよい。光学ペンは、少なくとも共焦点アパーチャおよび色分散光学系を含む共焦点系の光路を有し、波長の異なる光をワーク被測定面の近傍の測定軸に沿った異なる距離において合焦させるように構成されていてもよい。ＣＲＳ光学プローブは、光ファイバケーブルに連結され、かつ当該ＣＲＳ光学プローブに取り付けられている自由空間型光ファイバカップリングのカップリング要素を有していてもよい。そのカップリング要素は、これに対応する座標測定機（ＣＭＭ）のプローブヘッドに取り付けられた自由空間型光ファイバカップリングのカップリング要素の合焦レンズによって、自由空間に伝送された合焦光を受光するように構成されていてもよい。また、ＣＲＳ光学プローブは、自動交換ジョイント接続機構を介してＣＭＭに取付可能な自動交換ジョイント要素を有していてもよい。
【0097】
また、ＣＲＳ光学プローブのカップリング要素は、自動交換ジョイント要素に取り付けられてもよい。
【0098】
また、ＣＲＳ光学プローブのカップリング要素及びこれに対応するカップリング要素を、互いに係合するキネマティックカップリングで構成してもよい。また、ＣＲＳ光学プローブのカップリング要素に、光ファイバケーブルの光ファイバを保護するように構成されたガラス窓を含めてもよい。そのガラス窓に反射防止膜を設けてもよい。
【0099】
また、ＣＲＳ光学プローブは、色分散光学系を有する交換可能な光学要素を含んでいてもよい。
【0100】
また、ＣＭＭは、光生成回路構成、波長検出回路構成、ＣＭＭ制御回路構成、光生成回路構成と波長検出回路構成に連結された光ファイバケーブル、及び、ＣＲＳ光学プローブの自動交換要素に連結されるように構成された自動交換ジョイント接続機構を有するプローブヘッド、を備えているとよい。ＣＭＭは、プローブヘッドに取付けられた自由空間型ファイバカップリングのカップリング要素を含んでいてもよい。カップリング要素は、光ファイバケーブルに連結され、１組のレンズを含む自由空間レンズシステムを有する。このレンズシステムは、光ファイバケーブルによって受光された光をコリメートし、コリメートされた光を合焦し、ＣＲＳ光学プローブの対応するカップリング要素の光ファイバケーブルのファイバの中に入れるように構成されていている。
【0101】
自由空間型ファイバカップリングのカップリング要素を、互いに係合するキネマティックカップリングで構成してもよい。自由空間型ファイバカップリングのキネマティックカップリング面の位置を、レンズシステムの側面であって、光ファイバケーブルとの連結側とは反対側の側面の位置にしてもよい。レンズシステムを、収差補正レンズシステムで構成してもよい。
【0102】
また、システム装置は、ＣＭＭとＣＲＳ光学プローブとを備えていてもよい。ＣＭＭは、光生成回路構成と、波長検出回路構成と、ＣＭＭ制御回路構成と、自動交換ジョイント接続機構を有するプローブヘッドと、当該プローブヘッドに取り付けられた自由空間型光ファイバカップリングの第１カップリング要素と、を備えているとよい。ＣＲＳ光学プローブは、少なくとも共焦点アパーチャおよび色分散光学系を含む共焦点系の光路を有している光学ペンを含んでいてもよい。この光学ペンは、波長の異なる光をワーク被測定面の近傍の測定軸に沿った異なる距離において合焦させるように構成されている。また、ＣＲＳ光学プローブは、ＣＲＳ光学プローブに取り付けられた自由空間型光ファイバカップリングの第２カップリング要素と、自動交換ジョイント接続機構を介してＣＭＭに取り付けられる自動交換ジョイント要素と、を含んでいてもよい。また、自由空間型光ファイバカップリングの第１及び第２カップリング要素の一方は、１組のレンズを有する自由空間レンズシステムを含み、また、第１及び第２カップリング要素の他方は、その１組のレンズによって自由空間に伝送された合焦光を受光するように設けられてもよい。
【0103】
第１カップリング要素は、第１キネマティックカップリングを含み、第２カップリング要素は、第１キネマティックカップリングと噛み合う第２キネマティックカップリングを含んでいてもよい。第１カップリング要素は、第１及び第２キネマティックカップリングのキネマティックカップリング面とともにレンズシステムを含み、当該キネマティックカップリング面が、レンズシステムと第２カップリング要素の光ファイバとの間に配置されていてもよい。
【0104】
第１カップリング要素及び第２カップリング要素をファイバフェルールコネクタで構成してもよい。第２カップリング要素は、光ファイバを保護するように構成されたガラス窓を含んでいてもよい。レンズシステムは、収差補正レンズシステムを含んでいてもよい。
【0105】
幾つかの実施例に係る方法は、ＣＭＭがＣＲＳ光学プローブに自動的にカップリングする自動カップリング工程を含んでいる。その自動カップリング工程は、ＣＲＳ光学プローブの自動交換ジョイント要素をＣＭＭの自動交換ジョイント接続機構に取り付ける取付工程と、ＣＭＭに取り付けられた自由空間型光ファイバカップリングの第１カップリング要素をＣＲＳ光学プローブに取り付けられた自由空間型光ファイバカップリングの第２カップリング要素に接続する接続工程と、を含んでいる。自由空間型光ファイバカップリングのカップリング要素の内の１つは、１組の光学レンズを含んでいる。ＣＭＭを使って光を発生させる。発生光が、自由空間型光ファイバカップリングを介してＣＲＳ光学プローブまで伝送される。１組の光学レンズが、ＣＭＭによる発生光をコリメートし、当該コリメート光を合焦して自由空間型光ファイバカップリングの第２カップリング要素の光ファイバの中に入れる。ＣＲＳ光学プローブからの反射光が、自由空間型光ファイバカップリングを介してＣＭＭまで伝送される。１組の光学レンズが、反射光をコリメートして、当該反射光を合焦して自由空間型光ファイバカップリングの第１カップリング要素の光ファイバの中に入れる。ここで、ＣＭＭに伝送された反射光に基づいて測定データが生成されるようにしてもよい。また、自由空間型光ファイバカップリングの第１カップリング要素が１組の光学レンズを含んでいてもよい。
【0106】
本発明には以上説明した様々な実施例形態の他にも、ここに開示された発明の構成および動作手順に基づく、多くの変形例がある。例えば、ここに開示されたＣＭＭは、どのようなタイプの従来型ＣＭＭであってもよく、及び／又は、座標値の決定に光学プローブを利用するどのような他のタイプの機器であってもよい（例えば、光学プローブを利用するロボットプラットフォーム等）。他の例として、ここに開示されたＣＲＳ光学プローブに加えて、他のタイプの光学プローブをここに開示されたシステム装置及び構成に利用することもできる（例えば、他の非接触式の白色光光学プローブを利用する場合も、同様に、ここに開示された自由空間型光ファイバカップリングを介して光をその光学プローブに伝送することができること等）。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】