JP5049173B2 - クロマティック共焦点センサ - Google Patents

Description

本発明は、精密測定装置に係り、特に、クロマティック共焦範囲検知用の光学ペンで使用可能なクロマティック共焦点センサ用のファイバ・インターフェース構造に関する。

距離測定用の共焦点技術が知られている。特許文献１に記載されているように、横方向寸法及び深さにおいて高分解能像を得るための効率的な手段として、共焦点顕微鏡技術を利用することが知られている。典型的な共焦点顕微鏡技術では、光の単色点源が表面上に投影され、反射光の一部が分離され、検出器ピンホール上に結像される。ピンホールを通過した光の量が、検出器によって測定される。ピンホールでの光の強度は、焦点が外れたターゲットに対しては消滅する。従って、検出器に到達する全光エネルギは、ターゲットの最良焦点面からの距離に逆の相関を持つ。この信号は、最大信号が戻ってくるまで顕微鏡の位置を制御するのに用いられる。顕微鏡の位置は、記録され、物体の高さに関係付けられる。

光学高さセンサに共焦点技術を用いることも知られている。特許文献２に記載されているように、軸方向色収差（軸又は長手方向色分散とも称する）を有する光学要素は、焦点までの軸方向距離が波長によって変化するように、広帯域光源を集束するのに用いることができる。従って、１つの波長のみが表面上に正確に集束され、表面の高さが、どの波長が最も良く集束するかを決定する。表面からの反射で、光は、ピンホールや光ファイバ端部のような、小さな検出器アパーチャ上に再び集束される。１つの実施形態において、５０μｍのコアファイバが、光源及び受光ピンホール（ファイバ端部はピンホールとして動作）として利用される。表面から反射し、光学系を通って入力／出力ファイバに戻る際に、表面上に良く集束された波長のみが、ファイバ上に良く集束される。他の全ての波長は、ファイバ上に良く集束されず、ファイバ中に多くの出力をカップリングしない。従って、物体の高さに対応する波長で、信号レベルは最大となる。検出器の分光計は、物体の高さを効率的に表わす各波長の信号レベルを測定する。

いくつかのメーカーは、クロマティック共焦点センサ（ＣＰＳ：chromatic confocal point sensor）及び／又は「光学ペン」として工業的な環境中に拡がるクロマティック共焦点に適した実用的で小型の光学アセンブリに言及している。そのようなＣＰＳ光学ペンにおいて、標準的な設計アプローチは、入力／出力ファイバの端部を検出器アパーチャとして用いることである。一般的に、測定分解能を向上する、より小さな検出器アパーチャを与えるための標準的な技術は、ファイバとコアの直径に、端部でテーパを付けることである。例えば、あるメーカーは、直径５０μｍ直径のコアファイバの端部を、加熱及び引伸ばし処理によって、直径２０μｍの直径のコアとすることが知られている（非特許文献１参照）。

米国特許第５，７８５，６５１号明細書 米国特許ＵＳ２００６／０１０９４８３Ａ１号公報 Ｊ．Ｖillatoro他，"Ｆabrication and modeling of uniform−waist single mode tapered optical fiber sensors，"Ａppl．Ｏpt．，42，2278−2283（2003）

しかしながら、クロマティック共焦点範囲の検知に利用可能な従来のＣＰＳ光学ペンアセンブリに関して、数多くの問題又は欠点が現われた。例えば、１つの大きな問題点は、その特定の能力を維持するために、従来のＣＰＳ光学ペンアセンブリは、光ファイバが交換される時には、通常、再校正及び／又は工場でのサービスを必要とする。これはユーザにとって不便で且つ高価である。

本発明は、前記及び他の不利益を克服する装置を提供することを課題とする。詳しくは、テーパ上のファイバを必要とすることなく分解能を向上したり、他の利益を与えることができるクロマティック共焦点センサのための光学ファイバ・インターフェース構成を与える。

この要約は、詳細な説明中で以下に更に説明する概念の選択を、単純な形で導入するために与えられる。この要約は、クレームされた主題の鍵となる様相を特定することや、クレームされた主題の範囲を決定する助けとなるために用いられることを意図するものではない。

小型のクロマティック共焦点センサのためのクロマティック共焦点センサ・ファイバ・インターフェース構造が与えられる。ここに開示される設計様相の価値を評価するために、本発明の主題であるクロマティック共焦点センサのタイプが、非常に高感度であり、ナノメートルのオーダーの表面高さ測定分解能を与えることを評価するのが本質的である。この特別な測定性能は、その代わり、クロマティック共焦点センサの正確な組立の影響を非常に受け易くなる。測定性能は、クロマティック共焦点センサの配置の最小の変化によって変化し、及び／又は、低められる。この点において、本発明によるファイバ・インターフェース構造は、クロマティック共焦点センサの測定分解能を向上するために通常用いられる標準的なテーパ状ファイバのアプローチに対して、いくつかの利点を与える。

光及び放射という文言は、ここでは、通常、入れ替え可能に用いられる。従って、光という文言は、放射がクロマティック共焦点センサ中で用いられた場合、可視スペクトルの外側の放射も含む。

本発明の一側面に従えば、検出器アパーチャ要素は、クロマティック共焦点センサに接続される光ファイバの光伝達コアの直径よりも小さな開口を与える。この検出器アパーチャ要素は、アパーチャ動作位置で、クロマティック共焦点センサの色分散光学部分に対して固定される。様々な実施形態において、動作中は、アパーチャの内径Ｄ２は、ファイバ軸方向に沿う光ファイバの光伝達コアの外径Ｄ１の投影内にある。様々な実施形態において、光ファイバは、アパーチャ要素に接し、光ファイバコアはアパーチャに対して整列される。ある特定の具体例において、５０μｍのコアを有する光ファイバが、２０μｍのアパーチャに整列され、接する。

検出器アパーチャ要素をクロマティック共焦点センサの色分散光学部分に対して固定し、アパーチャを光学コアの直径よりも小さくすることによって、クロマティック共焦点センサの性能を実質的に変えることなく、標準的な光ファイバコネクタの公差を用いて、光ファイバを交換することが実際的になる。これに対して、テーパ状ファイバの端部を検出器アパーチャとして直接用いる標準的なクロマティック共焦点センサのアプローチは、要求レベルに制御するのが実際的でないか不可能なテーパ状端部の特性及び位置の変動によって、互換性を事実上妨げる。更に、アパーチャの適切な特性（例えば、その正確な大きさ、偽の反射又は散乱の発生等）を、テーパ状ファイバ端部の対応する特性と比べて、製造中にアパーチャ要素で、より簡単に、信頼性高く制御することができる。この制御の改良されたレベルによって、異なる光学ペン間の性能の変動を減少し、それらの組立及び製造を単純化する。

本発明の他の要件に従えば、クロマティック共焦点センサは、表面までの距離を測定するのに使用可能な信号を与えるよう動作可能である。１つの実施形態において、クロマティック共焦点センサは、ハウジングと、光学要素部分と、光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリとを含む。光学要素部分は、クロマティック共焦点センサから放出される放射の長手方向色分散を与え、表面から反射された放射を受光する。光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリは、光学要素部分に対して固定され、取付要素及びアパーチャ要素を含み、光ファイバを受入れる。光ファイバ端部は、光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリ内に位置することができ、ファイバ端部は、ファイバの中心軸に垂直な面に対してある角度（例えば７度）だけ傾けられ、ファイバ端面からの反射が光信号通路から逸れるようにされる。ファイバ端部は、アパーチャ要素の近傍に位置され、アパーチャ要素は、光ファイバコアの直径よりも小さな直径のアパーチャを含む（例えば５０μｍファイバコアに対して２０μｍアパーチャ）。アパーチャ要素の表面は、ファイバ端部の角度とほぼ平行に傾けることができる。

本発明のもう１つの側面に従えば、１つの実施形態において、光ファイバは、ファイバ端部の角度とほぼ平行な角度が付いた端部を有するフェルール中に収容される。詳細には、ある特定の実施例において、５０μｍＦＣ／ＡＰＣファイバが、７度の角度付き端部を有するセラミックフェルールであって、フェルールの面とＡＰＣファイバの端面が面一となるようにされたセラミックフェルールによって終端される。

本発明のもう１つの側面に従えば、アパーチャ要素は、ファイバコアに入る放射の背面散乱を減らすように構成される。１つの特定の具体例では、アパーチャ要素は、黒い酸化銅仕上げされた３０２ステンレス鋼中に形成されたピンホールマスクである。もう１つの実施例において、アパーチャ要素は、アパーチャを含む黒いクロム薄膜によってコーティングされたガラス基板を有する。

本発明のもう１つの側面に従えば、１つの実施形態において、光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリを光学要素部分に固定する前に、アパーチャが積極的に整列される。整列手順の１つの例の１つの側面に従えば、光ファイバは光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリ中の通常の動作位置に位置決めされる。これは、光ファイバの端部をアパーチャとほぼ整列したアパーチャ要素に対して位置決めすることを含む。光ファイバの端部は、その後、（例えばＨｅＮｅレーザからの）狭帯域の放射を用いて、アパーチャを通して照明され、狭帯域放射波長（例えば６３３ｎｍ）でアパーチャを通してカップリングされた出力が、分光計（例えばクロマティック共焦点センサと共に通常用いられる分光計）で測定される。アパーチャの位置は、その後、最良の分光計信号が得られるまで調整され、アパーチャは、光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリに対する位置で固定される。その後、光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリと光学部分の関係が、分光計信号の特性がほぼ最適化されるように、広帯域照明を用いて、制御された動作条件下で調整される。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、取付要素１８２とアパーチャ要素１９０を有するファイバ・インターフェース・サブアセンブリ１８０を含むクロマティック共焦点センサ・ファイバ・インターフェース構造１００の第１実施形態の等角図である。図１に示されるように、コアとクラッドを備えた光ファイバ１１２を含む光ファイバ・ケーブル１１０が、ＦＣ／ＡＰＣコネクタ１０５内に位置決めされる。コネクタ１０５は、回転自在なアライメント・キー１０７を備えたプラグ要素１０６を含む。プラグ要素１０６は、光ファイバ１１２を収容するフェルール１７０を囲んでいる。光ファイバ１１２の光ファイバ端部１１５は、フェルール１７０の端部で露出している。１つの実施形態において、フェルール１７０はセラミックであることができる。動作中、ファイバ・インターフェース・サブアセンブリ１８０は、プラグ要素１０６が取付要素１８２の受入部１８５で受入れられるように、フェルール１７０及び光ファイバ端部１１５を受入れる。

以下に、より詳細に説明する如く、１つの実施形態において、取付要素１８２は、角度（例えばファイバ又はフェルールの軸に対して７度）が付けられた端部表面１８４を有する。アパーチャ要素１９０は、角度付き端部表面１８４に取付けられている。アパーチャ要素１９０は、ファイバ端部１１５に対して整列されたアパーチャ１９５を含む。１つの実施形態において、アパーチャ１９５は、透明なアパーチャ要素１９０上に蒸着された非反射性薄膜（例えば黒いクロム）で形成される。アパーチャ要素１９０の角度付き端部表面１８４への取付は、図２を参照して以下で、より詳細に説明する。フェルール１７０の端部及びファイバ端部１１５にも、角度（例えばファイバ又はフェルール軸に垂直な面に対して７度）が付けられ、プラグ１０６の回転可能なアライメント・キー１０７及び受入部１８５の、これに適合する様相（図示省略）は、適切な回転アライメントを保証して、角度付きファイバ端部１１５及びフェルール１７０の端部が、動作中、角度付き表面１８４の近傍で、アパーチャ要素１９０の角度付き表面に平行となるようにされる。角度付き表面は、ファイバ端部１１５又はアパーチャ要素１９０又は他の要素の偽の反射が光信号通路から逸れ、即ち、光ファイバ１１２のコアから逸れるのを保証するのに役立つ。１つの具体例において、光ファイバ１１２はＡＰＣファイバであり、コネクタ１０５はＦＣ／ＡＰＣコネクタである。

図２を参照して以下に、より詳細に説明するように、光ファイバ１１２のコア１１６は直径Ｄ１（例えば５０μｍ）を有し、アパーチャ１９５は、より小さい直径Ｄ２（例えば２０μｍ）を有する。この構造において、アパーチャ１９５は、ＣＰＳ光学ペンの横方向及び軸方向の分解能を共に支配し、クロマティック共焦点センサの分解能を向上するために従来使用されていたテーパ状ファイバのアプローチと比較して、いくつの利点を与える。既に述べたように、そのような利点は、クロマティック共焦点センサと光ファイバ間の再校正無しの互換性の、より高い適合性能を含む。テーパ状ファイバのアプローチに関して、テーパ付けは制御するのが典型的に難しく、ファイバコアの端部は、意図した大きさから２〜３μｍだけ、しばしば変動する。更に、実用上、テーパ状ファイバの端部で発生された実際の照明スポットの大きさは、「理想的な」ファイバ端部から期待されるものよりも大きい。例えば、発明者は、テーパ状コアの２０μｍの端部直径に対して、ファイバ端部近くのスポットは、３５μｍまでの直径と柔かい端部を有し、ファイバ毎に変化することを観測した。

図２は、動作中における図１のファイバ・インターフェース構造１００の一部の側部断面図２００である。図２に示されるように、光ファイバ１１２はフェルール１７０に収容され、フェルール１７０は、代わりに、取付要素１８２を通して孔１８３を受入れる。孔１８３とフェルール１７０は、光ファイバ１１２が孔１８３中で高度の正確さで中心となるように製造される。様々な実施形態において、動作中、フェルール１７０と光ファイバ１１２は、光ファイバ１１２の軸が孔１８３の軸とほぼ一致するように、孔１８３に受入れられ拘束される。ファイバ端部１１５及びフェルール１７０の端部は、互いに面一であり、ファイバ軸に垂直な面に対して角度Ｔ１（例えば７度）だけ斜めとされる。不透明薄膜１９２を備えたアパーチャ要素１９０は、従来の手段（例えば、すみ肉接着１９８）によって角度付き表面１８４に固定される。薄膜１９２は、ファイバコア１１６と整列された、アパーチャ１９５以外のファイバ端部１１５をカバーしている。光ファイバ１１２は外径Ｄ１´を有し、光ファイバコア１１６は外径Ｄ１を有し、アパーチャ１９５は内径Ｄ２を有する。様々な実施形態において、光ファイバ端部１１５はアパーチャ１９５の近傍に位置決めされ、アパーチャの内径Ｄ２がファイバ軸方向に沿う光ファイバの外径Ｄ１´の投影内に入るのに少なくとも十分なように、アパーチャ１９５と整列される。様々な好ましい実施形態において、光ファイバ端部１１５は、アパーチャ１９５の内径Ｄ２がファイバ軸方向に沿うコア１１６の外径Ｄ１の投影内に入るのに少なくとも十分なように、アパーチャ１９５と整列され、更に、以下に詳細に説明する如く、ＣＰＳ光学ペンの測定信号を最適化するように積極的に整列される。

１つの特定の実施形態において、外径Ｄ１´が１２５μｍでコア直径Ｄ１が５０μｍである商業的に利用可能な光ファイバ１１２に対して、アパーチャ１９５の内径Ｄ２は２０μｍとされる。しかしながら、様々な実施形態において、アパーチャ直径Ｄ２（例えば３５μｍ）として、より小さな又は大きな寸法を選ぶことができる。以下に、より詳細に説明するように、より小さな直径は、より高い分解能と、（信号獲得時間を長くするであろう）より低い信号を与え、より大きな直径は、反対の特性を与える傾向にある。既に述べたように、角度付き表面１８４、アパーチャ要素１９０及びファイバ端部１１５には角度Ｔ１（例えば７度）の角度が付けられ、偽の反射が、ファイバコア１１６を通る光信号通路から（例えばクラッド層又は周囲環境へ）逸らされる。様々な実施形態において、フェルール１７０は、ＦＣ／ＡＰＣコネクタ１０５（図１に示す）中でスプリング入りとされ、角度付き表面１８４は、スプリング負荷が、アパーチャ１９５を囲む領域中でファイバ端部１１５及び／又はフェルール１７０がアパーチャ要素１９０の表面に接する力を与えるように配置される。これは、光信号通路からの可能性のある偽の反射を更に減少又は除去し、アパーチャ１９５を通して受け取った光が、コア１１６に入射して最大信号を与えるのを保証する。しかしながら、様々な実施形態において、ファイバ端部は、アパーチャ１９５を取り囲む表面の近傍で少量（例えばコア直径のオーダー）だけ凹まされることができる。

１つの実施形態において、アパーチャ１９５は、ファイバ端部１１５及びコア１１６の通常の動作位置に対して積極的に整列される。アライメント手順の１つの実施形態に従って、光ファイバ１１２は取付要素１８２内の基準動作位置に位置決めされる。これは、ファイバ端部１１５を、アパーチャ要素１９０に対して、アパーチャ１９５にほぼ整列させる位置決めを含む。ファイバ端部１１５は、その後、（例えばＨｅＮｅレーザからの）狭帯域放射を用いてアパーチャ１９５を通して照明され、狭帯域放射波長（例えば６３３ｎｍ）でアパーチャ１９５を通してコア１１６中に結合された出力は、分光計（例えばクロマティック共焦点センサと共に通常使用される分光計）により測定される。アパーチャ位置は、その後、最良の分光計信号が得られるまで調整され、アパーチャ要素１９０は、その後、取付要素１８２に対する位置に固定される。いくつかの実施形態において、アライメント手順は、更に、光ファイバ１１２を通して（例えばクロマティック共焦点センサと共に通常使用される広帯域源を用いて）広帯域放射を同時に投影することを含み、通常動作中と同様に、アパーチャ要素１９０が広帯域放射を後方散乱するようにすることができる。そのような場合、最良の分光計信号は、狭帯域放射分光ピークと広帯域放射分光バックグラウンド間で最良の信号対雑音比をほぼ与えるものである。

もう１つの実施形態において、薄膜１９２が、アパーチャ１９５と通常同心上で、孔１８３の直径と名目上一致するアライメント様相又はパターン（例えば透明リング）を含むことができる。この様相は、全て、ファイバ直径Ｄ１´より実質的に大きな直径とし、信号光を伝達する可能性を持たないようにすることができる。アパーチャ要素１９０は、それから、顕微鏡下で孔１８３と整列され、その場所で角度付き表面１８４と接着され、アライメント様相が、孔１８３と２〜３μｍ以内で同心となるようにすることができる。これは、動作中、孔１８３中に受入れられるフェルール１７０及びファイバ端部１１５に対して、アパーチャ１９５の同じ同心度を、ほぼ保証する。この目に見えるアライメント手順は、いくつかの適用分野に対しては十分であるが、既に説明した積極的なアライメント手順が、臨界的な用途で最良の測定性能を与えるために、通常望ましい。

図３は、図１のファイバ・インターフェース構造１００を含むクロマティック共焦点センサ３００の第１実施形態の側部断面図である。図３中に示されるように、クロマティック共焦点センサ３００は、センサ・アセンブリ・ハウジング３２０と光学系部分３５０を含む。動作に際して、ファイバ端部１１５からアパーチャ１９５を通って放出された光は、光学系部分３５０で集束される。この光学系部分３５０は、クロマティック共焦点センサ系で知られているように、光の波長に依存して光軸ＯＡに沿う焦点が異なる距離になるよう軸方向色分散を与えるレンズを含む。光は、ワーク表面３９０上に集束される。ワーク表面３９０から反射された光は、図中で限界光線ＬＲ１とＬＲ２で示すように、アパーチャ１９５上に光学系部分３５０によって再び集束される。距離Ｘ１は、光学系部分３５０の後方主面とアパーチャ１９５間の間隔を表わす。軸方向色分散のため、１つの波長のみが表面３９０で合焦し、光学ペン３００から表面３９０までの距離が、どの波長が最も良く集束されるかを決定する。表面３９０で最も良く集束された波長が、アパーチャ１９５で最も良く集束される波長である。従って、アパーチャ１９５を通して光ファイバケーブル１１０のコア１１６中に受入れられた光が、最も良く集束された波長を支配的に持つように空間的にフィルタリングされる。様々な実施形態において、光ファイバケーブル１１０は、信号光を、最高信号レベルに対応する波長を決定して、ワーク表面３９０までの距離を決定するために利用される分光計（図示省略）に導く。

サブアセンブリ１８０の取付要素１８２は、取付ねじ３１０を用いてセンサ・アセンブリ・ハウジング３２０の端部に取り付けられる。様々な実施形態において、取付要素１８２は、孔１８３の軸が光軸ＯＡに対して角度Ｔ２となるように取り付けられる。角度Ｔ２は、角度（Ｔ１＋Ｔ２）が、アパーチャ要素１９０の表面での光の反射角が、ほぼ同じであり（例えば７度のファイバ端部斜め角度とガラスアパーチャ要素に対して、ほぼ１１度）、その結果、ファイバ軸に対して平行な光線が、アパーチャ要素１９０を出射する際に光軸ＯＡに対して平行に曲げられるようにする。

様々な実施形態において、ねじ３１０を最終的に締めて、光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリ１８０を光学要素部分３５０に固定する前に、それが光学系部分３５０に対して積極的に整列される。光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリ１８０と光学系部分３５０間の関係は、結果として生じる分光計信号の特性が、ほぼ最適化されるように、（例えば通常の動作中に用いられるように）広帯域照明を用いて、制御された動作条件下で調整される。前記関係は、光学系部分３５０の軸方向位置及び／又は傾きと、光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリ１８０の軸方向及び横方向位置の組合せを用いて調整される。１つの実施形態において、選択された表面（例えば鏡）までの各測定距離に関係付けられた１以上の各スペクトルピークが、最大高さ及び最小幅の望ましい組合せを呈示するまで調整が行なわれ、それらのピーク位置が最高精度で評価される。アパーチャ１９５は、それから、光学系部分３５０をハウジング３２０（必要であれば）に対して固定し、ねじ３１０を完全に締めることによって、光学系部分３５０に対する最終アパーチャ動作位置に固定される。

図４は、クロマティック共焦点センサ・ファイバ・インターフェース構造４００の第２実施形態の等角図である。クロマティック共焦点センサ・ファイバ・インターフェース構造４００の構成要素は、図１のクロマティック共焦点センサ・ファイバ・インターフェース構造１００の構成要素と同様であり、図１中の１××シリーズ番号と同じ「ＸＸ」サフィックスを持つ図４中の４××シリーズ番号は、以下で説明し又は示唆する点を除き、同様に動作する、同様又は同一の要素を示す。クロマティック共焦点センサ・ファイバ・インターフェース構造４００は、取付要素４８２とアパーチャ要素４９０を有するファイバ・インターフェース・サブアセンブリ４８０を含む。図４中に示すように、内部に光ファイバ４１２を含む光ファイバ・ケーブル４１０も有する。光ファイバ・ケーブル４１０は、商業的に利用可能な適切な光ファイバ・コネクタ４１４で終端される。歪解放要素４３０が、ファイバ・ケーブル４１０の一部分を後方フェルール４４０に結合する。１つの実施形態において、後方フェルール４４０は、後方フェルール４４０の残りの部分と異なる直径の中間部分４５０を持つスリーブを有する。組立に際して、光ファイバ・ケーブル４１０は後方フェルール４４０を通して挿入され、光ケーブル４１２の裸の部分が前方フェルール４７０を通して続き、ファイバ端部４１５が前方フェルール４７０の端部で露出される。前方フェルール４７０は中間部分４５０に接着することができる。１つの実施形態において、フェルール４７０はセラミックであり、回転アライメント部分４６０を含むことができる。取付要素４８２中の孔４８３が前方フェルール４７０と光ファイバ端部４１５を受入れ、孔中の内部様相が、回転アライメント部分４６０に適合して、その適切なアライメントを保証することができる。保持要素４２０が前方にスライドして、回転アライメント部分４６０を前方の軸方向ストップ（例えば孔４８３中の内側肩部）に押付け、保持要素４２０は、適合する直径を有する孔４８３の後方部分で接着又は圧着される。様々な実施形態において、フェルール４７０はセラミックであり、中間部分４５０及び／又は後方フェルール４４０に組合され、又は、区別できないようにされることができる。

様々な実施形態において、フェルール４７０の端部、ファイバ端部４１５、及び取付要素４８２の角度付き表面４８４は、要素１７０、１１５及び１８４について述べたように、全て、ファイバ軸及び孔４８３の軸に対して角度を付けることができる。図４の実施形態において、孔４８３中の内部の様相（図示省略）は、回転アライメント部分４６０と適合して、その適切な回転アライメントを保証し、角度付きファイバ端部４１５及びフェルール４７０の端部が、動作中、角度付き表面４８４の近傍のアパーチャ要素４９０の角度付き表面に平行となるようにされる。他の実施形態において、適切な回転アライメントが、他の便利な手段によって達成され得る。１つの実施形態で、孔４８３の内部は、フェルール４７０及び後方フェルール４４０を通る孔の内部と同様に構成され、ファイバ４１２が取付要素４８２中のそのような孔で直接受入れられ位置決めされるようにすることができる。そのような実施形態において、要素４７０、４６０、４５０及び４４０は省略できる。

いずれの場合においても、アパーチャ要素４９０は角度付き端面４８４に取り付けられ、ファイバ端部４１５に対して整列されたアパーチャ４９５を含む。アパーチャ要素４９０は、ピンホール開口を含む不透明材料であることができる。１つの特別の実施例において、アパーチャ要素４９０を、３０２ステンレス鋼から形成し、光信号通路中の光の偽の反射を低減するため、両面に黒い酸化銅の仕上げを持つことができる。アパーチャ要素４９０の角度付き端面４８４への取付けは、以下に図５を参照して、より詳細に説明する。

図５は、動作中における図４のファイバ・インターフェース構造４００の一部の側部断面図５００である。図５中に示されるように、光ファイバ４１２は前方フェルール４７０に収容され、前方フェルール４７０は孔４８３中に受入れられる。様々な実施形態において、フェルール４７０及び光ファイバ４１２は、光ファイバ４１２の軸が孔４８３の軸とほぼ一致するように孔４８３中に受入れられ拘束される。ファイバ端部４１５及びフェルール４７０の端部は、互いに角度Ｔ１で面一であることができる。アパーチャ要素４９０は、ファイバ端部４１５に接して、これをカバーし、図示されるように、フェルール４７０の端部にも接して、これをカバーすることができる。アパーチャ要素４９０は、通常の手段（例えば線接着４４８）によって、アパーチャが孔４８３及び／又はファイバコア４１６に対して、ほぼ同心となるように、角度付き表面４８４に固定される。様々な実施形態において、アパーチャ４９５は、図２を参照して上記で説明したと同様又は同一のアライメント手順を用いて、ファイバ端部４１５及びコア４１６の位置に対して整列される。寸法Ｄ１及びＤ２は、図２に関して上記で説明したものと同様とすることができる。

１つの特別な実施例において、ファイバ端部４１５、フェルール４７０の端部及び／又は角度付き表面４８４は、これらの要素が互いに組立てられた後で面一に磨かれることができる。例えば、最初の組立で、ファイバ端部４１５及び／又はフェルール４７０は、端部が取付要素４８０の表面から少し越えて延びるように挿入される。その後、表面を面一にするように研磨動作が行なわれる。そのような実施形態においては、アパーチャ要素４９０が面一面に接し、その端部の周りが取付要素４８２にすみ肉接着又はスポット溶接されることが有利である。

図６は、図４のファイバ・インターフェース構造４００を含むクロマティック共焦点センサ６００の第２実施形態の側断面図である。図６に示されるように、クロマティック共焦点センサ６００は、更に、センサ・アセンブリ・ハウジング６２０及び、図３を参照して説明した光学系部分３５０と同様又は同一の光学系部分６５０を含む。動作に際して、アパーチャ４９５を通してファイバ端部４１５から出射された光は、光学系部分６５０により集束される。光は、軸方向色分散を伴ってワーク表面６９０上に集束し、反射され、光学系部分６５０によって、限界光線ＬＲ１´及びＬＲ２´で示すように、アパーチャ４９５上に再び集束される。距離Ｘ１´は、光学系部分６５０の後方主面とアパーチャ４９５間の間隔を表わす。軸方向色分散のため、１つの波長のみが表面６９０で合焦し、同じ波長がアパーチャ４１５で集束する。従って、アパーチャ４９５を通して光ファイバ・ケーブル４１０のコア４１６中に受光される光は、最良集束波長を支配的に持つように空間的にフィルタリングされる。様々な実施形態において、光ファイバ・ケーブル４１０は、信号光を、コネクタ４１４に取付けられた光ファイバに導き、コネクタ４１４は、信号を、最高信号レベルに対応する波長を決定し、ワーク表面６９０までの距離を決定するために利用される分光計（図示省略）に運ぶ。

サブアセンブリ４００の取付要素４８２は、取付ねじ６１０を用いてクロマティック共焦点センサ・アセンブリ・ハウジング６２０の端部に取付けられる。様々な実施形態において、取付要素４８２は、孔４８３の軸が、光軸ＯＡに対して角度Ｔ２´であるように取付けられる。角度Ｔ２´は、角度（Ｔ１＋Ｔ２´）が、ファイバ端部４１５で光の屈折角とほぼ同じ（例えばファイバ端部斜め角度７度に対して約１１度）となるように選ばれ、ファイバ軸に平行な光線が、ファイバ端部４９０を出る際に光軸ＯＡと平行となるように曲げられる。

様々な実施形態において、ねじ６１０を最終的に締めて、光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリ４８０を光学要素部分６５０に対して固定する前に、それが光学系部分６５０に対して積極的に整列される。光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリ４８０は、図３を参照して上で説明したと同様又は同一のアライメント手順を使って、光学要素部分６５０に対して積極的に整列される。アパーチャ４９５は、次いで、光学系部分６５０をハウジング６２０（必要であれば）に対して固定し、ねじ６１０を完全に締めることによって、光学系部分６５０に対する最終的なアパーチャ動作位置に固定される。

実際、上記の原理に従って製造されたクロマティック共焦点センサは、アパーチャ要素の開口とテーパ状ファイバ端部開口が同じ直径であるにも拘らず、テーパ状光ファイバ端部アパーチャを用いて製造された従来のクロマティック共焦点センサに比べて、優れた横方向及び軸方向測定分解能を呈示した。発明の好適な実施形態が図示され説明されたが、図示され説明された様相の配置及び動作の流れの様々な変形が、この開示に基づいて当業者に明らかである。従って、本発明の精神及び範囲を外れることなく、様々な変更が成され得る。

ファイバ・インターフェース・サブアセンブリを含むクロマティック共焦点センサ・ファイバ・インターフェース構造の第１実施形態の等角図 図１の光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリの一部の動作中の側部断面図 図１のファイバ・インターフェース構造を含むクロマティック共焦点センサの側部断面図 光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリを含むクロマティック共焦点センサ・ファイバ・インターフェース構造の第２実施形態の等角図 図４の光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリの一部の動作中の側部断面図 図４のファイバ・インターフェース構造を含むクロマティック共焦点センサの側部断面図

符号の説明

１００、４００…クロマティック共焦点センサ・ファイバ・インターフェース構造
１０５…ＦＣ／ＡＰＣコネクタ
１１０、４１０…光ファイバ・ケーブル
１１２…光ファイバ
１１５…光ファイバ端部
１１６…コア
１７０…フェルール
１８０、４８０…ファイバ・インターフェース・サブアセンブリ
１８２、４８２…取付要素
１８３、４８３…孔
１９０、４９０…アパーチャ要素
１９５、４９５…アパーチャ
３００、６００…クロマティック共焦点センサ
３１０、６１０…取付ねじ
３２０、６２０…センサ・アセンブリ・ハウジング
３５０、６５０…光学系部分
３９０、６９０…ワーク表面

Claims (19)

1. 表面までの距離の測定に使用可能な信号を与えるように動作可能なクロマティック共焦点センサであって、
   ハウジングと、
   前記クロマティック共焦点センサから放出された放射光の長手方向色分散を与え、前記表面から反射された放射を受信する、前記クロマティック共焦点センサの光軸を規定する光学要素部分と、
   前記ハウジングに対して固定される、少なくとも光ファイバを受け入れるように構成された孔を含む取付要素、及び、
   アパーチャ要素の表面が、前記孔の軸に垂直な面に対して角度Ｔ１だけ傾くように前記取付要素に対して固定される、前記光学要素部分に対してアパーチャ動作位置であって、前記孔の端部中心近傍に固定される、内径Ｄ２のアパーチャを与えるアパーチャ要素を有する光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリとを有し、
   前記光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリが、動作中は、少なくとも光ファイバが受入れられ、光ファイバの軸が、孔の軸と略一致し、光ファイバの端部がアパーチャの近傍で、アパーチャの内径Ｄ２が、光ファイバの軸方向に沿って光ファイバの外径Ｄ１´の投影内に入るようアパーチャと整列されているクロマティック共焦点センサ。
2. 前記アパーチャの内径Ｄ２が、前記光ファイバの光伝達コアのファイバ軸方向に沿う外径Ｄ１の投影内に入る請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ。
3. Ｄ２が、０．５＊Ｄ１より小さい請求項２に記載のクロマティック共焦点センサ。
4. Ｄ１が、ほぼ５０μｍである請求項２に記載のクロマティック共焦点センサ。
5. 前記角度Ｔ１が少なくとも５度、最大で１０度である請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ。
6. 前記光ファイバの端部が、光ファイバの軸に垂直な面に対して、ほぼ前記角度Ｔ１だけ傾いている請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ。
7. 前記光ファイバの端部が、前記アパーチャ要素の表面とほぼ平行に位置し、該アパーチャ要素の表面に接している請求項６に記載のクロマティック共焦点センサ。
8. 動作中は、フェルール中に収容された光ファイバが、前記孔中に受入れられ拘束されている請求項６に記載のクロマティック共焦点センサ。
9. 前記フェルール中に収容された光ファイバが、交換可能な光ファイバコネクタの部分を有する請求項８に記載のクロマティック共焦点センサ。
10. 前記交換可能な光ファイバコネクタの部分が、ＦＣ／ＡＰＣコネクタである請求項９に記載のクロマティック共焦点センサ。
11. 前記光ファイバが、前記孔中に永久的に受入れられ拘束されている請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ。
12. 前記光ファイバが、前記孔中に永久的に受入れられ拘束されるフェルール中に収容されている請求項１１に記載のクロマティック共焦点センサ。
13. 前記アパーチャ要素が、前記光ファイバの光伝達コア中に反射される望ましくない光の量を減らすように選択された表面材料を有する請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ。
14. 前記アパーチャ要素が、透明基板の表面に貼り付けられた膜中に形成された前記アパーチャを備えた透明基板を有する請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ。
15. 前記アパーチャ要素が、金属製のピンホールマスクである請求項１に記載のクロマティック共焦点センサ。
16. 表面までの距離を測定するのに使用可能な信号を与えるための方法であって、
    ハウジングと、
    クロマティック共焦点センサから放出された放射光の長手方向色分散を与え、前記表面から反射された放射を受信する前記クロマティック共焦点センサの光軸を規定する光学要素部分と、
    前記ハウジングに対して固定される、少なくとも光ファイバを受け入れるように構成された孔を含む取付要素、
    アパーチャ要素の表面が、前記孔の軸に垂直な面に対して少なくとも５度の角度Ｔ１だけ傾くように前記取付要素に対して固定される、前記光学要素部分に対してアパーチャ動作位置であって、前記孔の端部中心近傍に固定される、内径Ｄ２のアパーチャを与えるアパーチャ要素、及び、
    光ファイバの軸が、孔の軸と略一致し、光ファイバの端部が、アパーチャの近傍で、アパーチャの内径Ｄ２が、光ファイバの軸方向に沿って光ファイバの外径Ｄ１´の投影内に入るようアパーチャと整列されるよう前記孔中に受入れられ拘束された、少なくとも光ファイバを有する光ファイバ・インターフェース・サブアセンブリを有するクロマティック共焦点センサを与え、
    前記光ファイバ端部から前記アパーチャを通して前記光学要素部分に広帯域の放射を伝達し、
    前記光学要素部分を通して前記広帯域の放射を伝達し、
    該放射の光軸に沿う焦点が、光の波長によって異なる距離にあるよう、該広帯域の放射を集束させ、
    集束された広帯域の放射を表面から反射して、光学要素部分を通して戻し、
    反射された広帯域の放射を、アパーチャを通して伝搬された放射が、アパーチャで最も良く集束される波長が支配的となるよう、軸方向色分散を伴って、アパーチャ近傍に再び集束させ、
    表面までの距離を測定するのに使用可能な信号を与えるために、前記アパーチャを通って光ファイバの端部に伝達された放射を入力するようにした、表面までの距離を測定するために使用可能な信号を与えるための方法。
17. 前記アパーチャの内径Ｄ２が、ファイバ軸方向に沿う光伝達コアの外径Ｄ１の投影内に入る請求項１６に記載の方法。
18. 前記アパーチャの内径Ｄ２が、０．５＊Ｄ１より小さい請求項１７に記載の方法。
19. Ｄ１が約５０μｍである請求項１７に記載の方法。

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