JP5496597B2 - 高強度パルス広帯域光源構造 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、概して広帯域光源に関し、より具体的にはクロマティックポイントセンサー（chromatic point sensor）などの精密測定装置に使用するのに適した高強度で安定した広帯域光源に関する。

発明の背景
光学式高さセンサーに色共焦点技術を使用することが知られている。その全体が参照により本明細書中に組み込まれている米国特許出願公開第２００６／０１０９４８３Ａ１号に記載されているように、軸上色分散または縦色分散とも呼ばれる軸上色収差を有する光学素子を用いて、焦点までの軸方向距離が波長と共に変わるような広帯域光源の焦点を合わせることができる。したがって一つの波長だけが表面に正確に焦点を結ぶことになり、その集束素子に対する表面の高さまたは位置により、どの波長が最もよく焦点を結ぶかが決まる。表面から反射すると、その光はピンホールまたは光ファイバーの末端などの検出器の小さな孔の上に再び焦点を結ぶ。表面から反射し、光学システムを通って入／出力ファイバーへ戻ると、その表面でうまく焦点を結んだ波長のみがファイバー上でうまく焦点を結ぶ。その他のすべての波長はファイバー上でうまく焦点を結ばず、したがってあまり多くのパワーをファイバーにカップリングできないことになる。したがってファイバーを通って戻った光に関しては、その信号レベルは、その表面の表面高さまたは位置に対応する波長に対して最大になることになる。分光計型検出器は、表面高さを求めるためにそれぞれの波長に対する信号レベルを測定する。

いくつかの製造業者は、上記のように動作し、工業用環境に狙いを定めた光学式測長器（chromatic confocal）に適した実用的で小型のシステムをクロマティックポイントセンサー（ＣＰＳ）と呼ぶ。このようなシステムと共に用いられる小型の色分散型光学アセンブリーは「光学ペン」と呼ばれる。光学ペンは、光ファイバーを経由してＣＰＳの電装部部分に接続される。ＣＰＳは、ファイバーを通して光を伝送して光ペンから出力し、戻り光を検出し分析する分光計を形成する。

米国特許出願公開２００６／０１０９４８３Ａ１号

既知の実施方法では連続波キセノンアークランプが、３０ｋＨｚ程度の測定速度を有するＣＰＳ用の高強度広帯域（例えば、白色）光源として一般に使用される。キセノンアークランプは、ＣＰＳのスペクトル域、ひいては高さ測定範囲にわたる広帯域光の放射を可能にする。これはまた、約３０ｋＨｚの測定速度および約３３μ秒（＝１／３０×１０^-3）の読出時間においてすぐれたＳ／Ｎ比を得るための十分なエネルギーを有する高強度光源でもある。しかしながら、実際に応用する場合、キセノンアークランプは、望ましい寿命および安定性とは決して言えないようないくつかの望ましくない特性を示す。光源のスペクトル放射の変化によるＣＰＳ較正のいかなる変動も最小限にするために、またＣＰＳの休止時間を最小限にするためには安定した長寿命の光源が望ましい。さらに、多くの製造加工品は複数種の異なる材料を含み、それらは異なる反射率特性を有し、ひいては、様々な輝度で飽和する。したがってＣＰＳ光源は、ハイブリッド材料の測定を可能にするようにそのＣＰＳ測定速度以上の速度（例えば、３０ｋＨｚ）において、輝度変調型（例えば、より低い輝度からより高い輝度まで）であることが好ましい。このような高速な光変調は、既知のキセノンアークランプでは現実的でない。

発明の概要
この概要は、下記に詳細な説明の中でさらに述べる単純化した形の概念のうちの選ばれたものを紹介するために提供する。この概要は、特許請求される主題の主要な特徴を明らかにするものではなく、また特許請求される主題の範囲を決める際の助けとして用いるものでもない。

本発明の様々な例示的実施形態によれば、安定した長寿命を有し、かつＣＰＳまたは他の精密測定装置の一般的な測定速度以上の速度で変調することができる高強度広帯域光源構造が提供される。本発明は、さらにこのような光源構造の操作方法を提供する。

様々な例示的実施形態において、高強度広帯域光源構造は、可動部材アクチュエーターに装着された可動部材と、この可動部材と連動する発光蛍光体ブレンドと、放射光出力領域に関して固定される照射スポットにおいて発光蛍光体ブレンドを照らすように構成された入力光源と、可動部材アクチュエーターおよび入力光源に操作可能に連結された光源制御装置とを含む。作動中、出力光源（例えば、レーザー）は、照射スポットに高強度入力光を与え、それによってそのスポットにおける発光蛍光体ブレンドに高強度広帯域出力光を放射させる。同時に、可動部材アクチュエーターの動作と共に照射スポットは、発光蛍光体ブレンドに対して連続的に位置を変えて発光蛍光体ブレンドの光退色を減じ、それによって蛍光体ブレンドの寿命、ひいては光源構造の寿命を延ばす。

本発明の一態様によれば、可動部材と連動する発光蛍光体ブレンドは、光源構造の寿命を大部分の用途において満足のいくように延ばすのに十分な照射スポットの公称面積の少なくとも２００倍の面積にわたって分布する。

本発明の別の態様によれば、入力光源は、発光蛍光体ブレンドに高強度広帯域出力光を放射させるのに十分な、照射スポットで少なくとも２０Ｗ／ｍｍ²の平均強度を与えるように構成される。

本発明のさらなる態様によれば、光源制御装置は、その光源構造が使用することができる測定器の読出時間である最大３３マイクロ秒のパルス持続時間が含めた少なくとも１つのパルス持続時間で入力光源を動作させるように構成される。

本発明の別の態様によれば、光源制御装置は、少なくとも１０ｍ／秒、１００ｍ／秒などの速度を含めた、照射スポット全域にわたる少なくとも１つの速度の発光蛍光体ブレンドを与えるように可動部材アクチュエーターを作動させるように構成される。

本発明の一態様によれば、光源構造は光ファイバーを含み、その光ファイバーの入射孔が放射光出力領域中に配置される。

本発明の別の態様によれば、照射スポットは最大５０〜１００ミクロンの公称スポット径を有し、かつ放射光出力領域と重なる光ファイバーの入射孔が照射スポットから離れた所に配置される。

本発明のさらなる態様によれば、可動部材と連動する発光蛍光体ブレンドが反射面上に分布し、入力光ファイバーの出射孔および出力光ファイバーの入射孔が発光蛍光体ブレンドの同じ側に配置される。さらに、この入力光ファイバーの出射孔および出力光ファイバーの入射孔は、同一の孔であってもよい。

本発明のさらに別の態様によれば、照射スポットは半径Ｒを有するほぼ円形であり、発光蛍光体ブレンドは約ＴＥの発光時間（すなわち減衰時間）を有し、かつその発光蛍光体ブレンドは照射スポット全域で２Ｒ／ＴＥおよびＲ／ＴＥから選択される速度で動く。

本発明の上記態様および付随する多くの利点が下記の詳細な説明を参照することによってより良く理解されるようになるのと同様に、添付図面と合わせて見た場合、それらは一層容易に理解されるようになるはずである。

例示的なクロマティックポイントセンサーの構成図である。 本発明の一実施形態による光源構造の図である。 本発明による光源構造の別の実施形態の図である。 本発明による光源構造のさらに別の実施形態の図である。 本発明による光源構造を作動させる際になすべき様々な考慮事項を例示する図である。

好ましい実施形態の詳細な説明
本発明に対する背景を提供するために、下記はクロマティックポイントセンサー（ＣＰＳ）システムに適用される本発明の様々な例示的実施形態による光源構造を全般的に述べる。しかしながらこのような光源構造が、他の精密測定装置などの様々な他のシステムにも同様に十分適用されることは当業者には明らかであろう。

図１は、例示的クロマティックポイントセンサー１００の構成図である。図１に示すようにクロマティックポイントセンサー１００は、光学ペン１２０および電子部分１６０を含む。光学ペン１２０は、入／出力光ファイバーサブアセンブリー１０５、ハウジング１３０、および光学部分１５０を含む。この入／出力光ファイバーサブアセンブリー１０５は、取付用ねじ１１０を用いてハウジング１３０の端部に取り付けることができる装着要素１８０を含む。この入／出力光ファイバーサブアセンブリー１０５は、入／出力光ファイバー（図示せず）を包む光ファイバーケーブル１１２を経由して、また光ファイバーコネクター１０８を経由してその入／出力光ファイバーを受け取る。この入／出力光ファイバーは、約５０ミクロンのコア径を有する多モードファイバー（ＭＭＦ）であることができる。この入／出力光ファイバーは、孔１９５を通して出力ビームを出力し、孔１９５を通った反射された測定信号光を受け取る。

作動中、孔１９５を通ってファイバーの末端から放射された光は、光学部分１５０によって焦点を合わせられる。光学部分は、光学式測長センサーシステムについて知られているように、光軸ＯＡに沿った焦点がその光の波長によって決まる異なる距離にあるような軸上色分散を与えるレンズを含む。光は、加工品表面１９０上で焦点を結ぶ。加工品表面１９０から反射すると、反射光は、限界光線ＬＲ１およびＬＲ２によって示されるように光学部分１５０により孔１９５上に再び焦点を結ぶ。この軸上色分散により一つの波長のみが、光ペン１００から表面１９０までの測定距離に合致する合焦距離ＦＤを有することになる。表面１９０で最も良く焦点を結ぶ波長はまた、孔１９５で最も良く焦点を結ぶ反射光の波長でもあることになる。孔１９５は反射光を空間的に濾波し、その結果、主に最も良く焦点を結んだ波長が孔１９５を通過し、光ファイバーケーブル１１２のコアに入る。光ファイバーケーブル１１２は、加工品表面１９０までの測定距離に対応する支配的強度を有する波長を決定するために使用される波長検出器１６２へ反射信号光を送る。

電子部分１６０は、ファイバーカプラー１６１、波長検出器１６２、光源１６４、信号処理部１６６、およびメモリー部分１６８を含む。波長検出器１６２は、分散素子（例えば、グレーティング）が光ファイバーケーブル１１２を通った反射光を受け取り、得られたスペクトル強度のプロフィールを検出器アレイ１６３に伝送する分光機構を含む。

信号処理部１６６によって制御される広帯域光源１６４は、光カプラ−１６１（例えば、２×１光カプラ−）を経由してファイバーケーブル１１２と結合している。上記のように光は、その焦点距離が光の波長と共に変るように縦色収差を生ずる光学ペン１２０を通って伝わる。ファイバーを通って最も効率的に送り返される光の波長は、表面１９０上で焦点が合った波長である。この反射された波長依存性光度は、次いで再びファイバーカプラー１６１を通過し、光の約５０％が波長検出器１６２に向かう。この検出器は、検出器アレイ１６３の測定軸に沿って画素のアレイ全体にわたって分布したスペクトル強度のプロフィールを受け取り、対応するプロフィールデータを与えるように演算する。表面までの測定距離は、メモリー部分１６８中に格納された距離較正ルックアップ表によって求められる。

本発明の様々な例示的実施形態によれば、光源１６４は、図２に示すような蛍光体系高強度広帯域光源構造２００を備えることができる。図２において光源構造２００は、ホストシステム（例えば、ＣＰＳシステム）中で（またはそれと一緒に）使用され、したがってホストシステム制御装置（例えば、ＣＰＳ制御装置／信号処理部）１６６’およびホストシステム光応用部（例えば、光ペン）１２０’に連結される。

光源構造２００は、可動部材アクチュエーター２０４に装着された可動部材２０２を含む。この例示的実施形態において可動部材２０２は、この例示的実施形態中では入力光Ｌ₁と同心の、一般には光源構造２００の光軸と平行して延びる軸２０７の周りで回転可能な回転円盤の形態をとる。可動部材２０２は、ロータリーアクチュエーター（例えば、マイクロドライブ精密回転モーター）２０６に装着され、続いてリニアアクチュエーター（例えば、マイクロドライブ精密リニアモーター）２０８に装着される。したがって、この例示的実施形態においては、ロータリーアクチュエーター２０６およびリニアアクチュエーター２０８が、共に可動部材アクチュエーター２０４を形成する。発光蛍光体ブレンド（または組成物）２１０は可動部材２０２と連動しており、例えば、発光蛍光体ブレンド２１０は図示のように可動部材２０２の表面を覆って配置される。

発光蛍光体ブレンド２１０は、広帯域光（例えば、ＣＰＳシステムに使用する場合、４００〜７００ｎｍ）を生成するのに適した型のものであり、青色発光蛍光体、緑色発光蛍光体、および／または赤色発光蛍光体の組合せを挙げることができる。本発明に使用するのに適した型の蛍光体ブレンドは、参照により本明細書中に組み込まれる米国特許第６，２５５，６７０号、第６，７６５，２３７号、第７，０２６，７５５号、および第７，０８８，０３８号中に開示されている。これらの特許は、広帯域光を出力するように連続波ＵＶ ＬＥＤと密着または隣接面接触した蛍光体ブレンドについて記載している。別法では、またはこれに加えて本発明に使用するのに適した型の蛍光体ブレンドは、参照により本明細書中に組み込まれる米国特許第６，０６６，８６１号、第６，４１７，０１９号、および第６，６４１，４４８号中に開示されている。これらの特許は、連続青色ＬＥＤ光を吸収し、広帯域光を出力するＹＡＧ−Ｃｅ⁺系蛍光体ブレンドについて記載している。

光源構造２００はさらに、照射スポット２２４で発光蛍光体ブレンド２１０を照射する入力光Ｌ₁を出力する入力光源２１２を含む。照射スポット２２４は、下記で詳細に述べる放射光出力領域２１６に関して固定される。光源構造２００はまた、可動部材アクチュエーター２０４と入力光源２１２の両方に操作可能に連結された光源制御装置２１８を含む。

この例示的実施形態では可動部材２０２は、入力光源２１２からの入力光Ｌ₁がその可動部材２０２を通り抜けて伝わり、入力光源２１２に面する側と反対の可動部材２０２の他方の側に配置される発光蛍光体ブレンド２１０を照射スポット２２４において照射するように入力光Ｌ₁に対して実質上透過性の材料で作られる。本発明の様々な例示的実施形態によれば、入力光源２１２は、高強度入力光を与えるようにスミレ色（例えば、波長４０５ｎｍ）ダイオードレーザー（例えば、５００ｍＷ、１Ｗ）などのレーザー光源であることができる。様々な実施形態において、入力光源２１２は、発光蛍光体ブレンド２１０からの高強度広帯域放射を達成するために、５〜８００ミクロン程度の、より具体的には５０〜１００ミクロンの直径を有する照射スポット２２４において２０〜２００Ｗ／ｍｍ²の平均強度を与えるように構成される。入力光源２１２はまた、１個または複数個のダイオード（ＬＥＤ）で形成することもできる。

有利にはさらに入力光源２１２は、ホストシステムの測定速度以上の３０〜８０ｋＨｚ程度の高い輝度変調速度を維持する。具体的には入力光源２１２の輝度は、パルス幅変調技術（ＰＷＭ）を用いて光電子光学的に変調することができる。光源制御装置２１８は、１００〜２００ナノ秒（または６．６７〜１０ＭＨｚ）程度のパルス持続時間を含めた、少なくとも１つのパルス持続時間を有する入力光源２１２を作動させるように構成される。一例では読出時間（例えば、３３μ秒）よりも２５５倍速い、すなわち約１２９ナノ秒（３３μ秒／２５５）のパルス持続時間を有する入力光源を作動させることによって８ビットの輝度レベル変動を達成することができる。

任意選択で光源構造２００は、レンズの組合せなどの焦点調整光学素子２１９をさらに含むことができ、それは入力光源２１２と可動部材２０２の間に配置される。光源構造２００は、例えば、レンズの組合せなどの焦点調整光学素子２２２と、光ファイバー１１２’とを含む出力光路光学要素セット（output light path optical element set）２２０をさらに含むことができる。出力光路光学要素セット２２０の入射孔２１４は、それを設ける場合、放射光出力領域２１６（この例示的実施形態における焦点調整光学素子２２２の入射孔に一致する）中に配置される。

作動中、光源制御装置２１８は、１０ｍ／秒、２０ｍ／秒などの少なくとも１つの速度で発光蛍光体ブレンド２１０が照射スポット２２４を横切るように可動部材アクチュエーター２０４を操作する。可動部材アクチュエーター２０４がロータリーアクチュエーター２０６およびリニアアクチュエーター２０８を含むこの例示的実施形態ではそのロータリーアクチュエーター２０６は、円盤形状の可動部材２０２を回転させるように構成されかつ制御され、一方、リニアアクチュエーター２０８は、照射スポット２２４に関して円盤形状の可動部材２０２を、例えば、半径方向内方へ直線的に移動させるように構成されかつ制御される。したがって照射スポット２２４は、ほぼ円形の螺旋状経路に沿って発光蛍光体ブレンド２１０を円盤形状の可動部材２０２の周辺縁部上の点からその中心点へ向かって横切ることができる。このように発光蛍光体ブレンド２１０上を照射スポット２２４が横切ることにより連続的に広帯域光を発生させ、それにより最大約３３μ秒の読出時間を維持する。

入力光によって照射されると、照射スポット２２４で発光蛍光体ブレンド２１０は、広帯域出力光Ｌ₂を放射する。具体的には発光蛍光体ブレンド２１０は、第１波長（または波長範囲）を有する入力光Ｌ₁を吸収し、この第１波長とは異なる一般に第１波長よりも長い第２波長を有する広帯域出力光Ｌ₂を放射する。発光蛍光体ブレンド２１０から放射される出力光は放射光出力領域２１６に向けられ、さらにホストシステム光応用部１２０’へ、例えば、ホストシステムがＣＰＳシステムの場合には光学ペンなどへ送達される。照射スポット２２４から出力光路光学要素セット２２０の入射孔２１４までの距離は、照射スポット２２４が最大５０ミクロンの公称スポット径を有する場合は１５０〜２５０ミクロン程度に設定することができる。次いでホストシステム光応用部１２０’は、受け取った広帯域光を用いてクロマティック共焦点検出演算などの光演算を行う。

本発明の様々な例示的実施形態によれば可動部材アクチュエーター２０４の速度、またはより具体的には発光蛍光体ブレンド２１０が照射スポット２２４を横切る速度は、発光蛍光体ブレンド２１０の光漂白または変退色を最小限にするように設定される。手短に言えば光漂白は、蛍光体を刺激して蛍光性にするのに必要な露光による蛍光材料中の蛍光体の光化学的破壊である。したがって光漂白は、露出繰り返し回数だけでなく露光の強さまたは時間幅を低減することによって制御することができる。ある程度の強度の入力光は蛍光体ブレンドを刺激して高強度広帯域光を放射させるために必要であるので、入力光の強度は閾値範囲を超えて下げることができない。したがって、本発明の様々な例示的実施形態によれば、露光の時間幅および露出繰り返し回数（すなわち吸収−発光サイクル）を制御して光漂白を減らす。光漂白は、蛍光材料の累積総露光時間、すなわち（露出強度）×（露光時間幅）×（露出繰り返し回数）と相互関係があると考えられる。光漂白の低減は、さらに安定した長寿命を有する高強度広帯域光源構造をもたらす。したがって特定の発光蛍光体ブレンド２１０の特性に応じて、光源構造の寿命を、（発光蛍光体ブレンド２１０が塗布される可動部材の総面積）／（照射スポット２２４の面積）×（露光の時間幅）×（露出繰り返し回数）としておおよそ計算することができる。本発明によれば、発光蛍光体ブレンド２１０が塗布される可動部材の総面積は、現実的には１０，０００〜５０，０００時間程度の得られる光源構造の寿命を達成するように照射スポット２２４の面積の少なくとも２００倍になるように設定される。

露光の時間幅は、入力光源２１２の作動パルス持続時間を、例えば、最大３３マイクロ秒に制限することによって制御することができる。本発明の様々な実施形態によれば、露光の時間幅は、照射スポット２２４に対して一定の速度で発光蛍光体ブレンド２１０を動かすことによってさらに制御（制限）される。発光蛍光体ブレンド２１０が位置を変えるにつれて、最初照射スポット２２４の内側にあるその部分は、照射スポット２２４を離れてその露光の時間幅をこの部分に限定する。

露出繰り返し回数はまた、照射スポット２２４に対して発光蛍光体ブレンド２１０を動かすことによっても制御することができる。いくつかの実施形態では、照射スポット２２４は、発光蛍光体ブレンド２１０の任意の部分がたった一度だけ入力光Ｌ₁に曝されるように、ほぼ円形の螺旋状経路に沿って発光蛍光体ブレンド２１０を横切る。他の実施形態では光漂白を最小限にするように螺旋状横断路を予め決められる制御された回数の範囲で繰り返すことができる。例えば、ロータリーアクチュエーター２０６は、照射スポット２２４が制御された回数（繰り返し回数）の範囲で可動円盤２０２の外周に沿って発光蛍光体ブレンド２１０を横断するように円盤形状可動部材２０２を回転させることができる。次いでリニアアクチュエーター２０８は、照射スポット２２４が可動部材２０２上で半径方向内方に位置決めされるように可動部材２０２を移動させることができる。その後、ロータリーアクチュエーター２０６は、照射スポット２２４が制御された回数（繰り返し回数）の範囲で可動円盤２０２の外周の半径方向内方にある円形経路に沿って発光蛍光体ブレンド２１０を横断するように可動部材２０２を回転させることができる。この過程を繰り返すことができ、照射スポット２２４は可動部材２０２上で、毎回半径方向内方へ位置決めされる。

ロータリーアクチュエーター２０６は、定線速度（例えば、１０ｍ／秒、１００ｍ／秒）、定角速度（例えば、４００ｒｐｍ、８００ｒｐｍ）、可変線速度、または可変速度で可動部材２０２を回転させることができることに注目されたい。定角速度を使用する場合、照射スポット２２４が発光蛍光体ブレンド２１０を横断する線速度は、円盤形状の可動部材２０２に対する照射スポット２２４の半径位置に応じて変化する。変化する線速度は、露光の時間幅または露出繰り返し回数を制限する場合、発光蛍光体ブレンド２１０の全域で一様に光漂白を減らすように考慮すべきである。例えば、累積総露出時間（露光の時間幅×露出繰り返し回数）が発光蛍光体ブレンド２１０全域で実質的に同一であるように回転数、ひいては露出繰り返し回数を、円盤形状可動部材２０２全体にわたって半径方向外方の円形経路と比べて半径方向内方の円形経路について減らすことができる。

図３は、本発明の様々な例示的実施形態による蛍光体系高強度広帯域光源構造２００’の別の実施形態を例示する。図３において図２中のものと同一または類似の要素は、その同一または類似の参照番号で書き記される。図３の構造２００’は、可動部材２０２が入力光Ｌ₁（および発光蛍光体ブレンド２１０から放射される出力光Ｌ₂）を実質上反射する材料から作られるか、またはそれから作られる表面を含むという点で図２の構造２００とは異なる。したがって入力光源２１２は、出力光路光学要素セット２２０と同じ側に配置される。入力光源２１２からの入力光Ｌ₁は、この例示的実施形態中では任意選択の焦点調整光学素子２２３および入力光ファイバー３１２を含む入力光路光学要素セット３２０によって受光される。この例示的実施形態では、入力光ファイバー３１２は、２本のファイバー３１２ａおよび３１２ｂが共に入力光ファイバーを形成するように連結される。同様に出力光路光学要素セット２２０は、焦点調整光学素子２２２’と、２本の光ファイバー３１２ｂおよび１１２Ａ’を含むことができる。入力光ファイバー３１２の遠位半分３１２ａおよび近位半分３１２ｂと、出力光ファイバー１１２Ａ’とは、例えば、ファイバースプリッター３１７を介して光学的に全体として連結される。この構造では入力光路光学要素セット３２０の出射孔３１４と、出力光路光学要素セット２２０の入射孔２１４’とは、発光蛍光体ブレンド２１０の同じ側に配置され、さらにそれらは図示のように互いに一致することができる。

作動中、入力光源２１２からの入力光Ｌ₁は入力光路光学要素セット２２３を通って伝わり、そこから出射孔３１４を通って出射して、照射スポット２２４で発光蛍光体ブレンド２１０を照射する。可動要素２０２、あるいはその中または上に含まれる表面は、実質上すべての入力光Ｌ₁が発光蛍光体ブレンド２１０によって吸収され、かつその発光蛍光体ブレンド２１０から放射される実質上すべて出力光Ｌ₂が放射光出力領域２１６に向けられるように、入力光Ｌ₁を、また同様に発光蛍光体ブレンド２１０から放射される出力光Ｌ₂を実質上反射する材料から作られる。この例示的実施形態では、放射光出力領域２１６は、出力光路光学要素セット２２０の入射孔２１４’と名目上は一致する。発光蛍光体ブレンド２１０から放射される出力光Ｌ₂は、入射孔２１４’を通って出力光路光学要素セット２２０に入り、それを通り抜けて伝わり、ホストシステム光応用部１２０’、例えば、ホストシステムがＣＰＳシステムの場合は光学ペンに入力される。次いでホストシステム光応用部１２０’は、受け取った広帯域光を用いてクロマティック共焦点検出演算などの光演算を行う。

上記のように、図２の実施形態における可動部材２０２は、実質上入射光に対して透過性の、さらに発光蛍光体ブレンド２１０から放射される出力光に対して透過性であってもよい材料から作られる。したがって発光蛍光体ブレンド２１０から放射される出力光の一部は、放射光出力領域２１６に向けられるのではなく、その代わりに可動部材２０２を通って送り返され、失われる。可動部材２０２が入力光Ｌ₁および出力光Ｌ₂を実質上反射する図３の実施形態は、実質上すべての出力光を放射光出力領域２１６に向けることによって、それが発光蛍光体ブレンド２１０からの出力光を有効利用する点で有利である。さらに図３の実施形態は、入力光路光学要素セット３２０の出射孔３１４および出力光路光学要素セット２２０の入射孔２１４’の２つの孔が単一の孔によって得られるので、それらを調心する必要がない点で有利なこともある。

図４は、本発明の様々な例示的実施形態による蛍光体系高強度広帯域光源構造２００”のさらに別の実施形態を例示する。図４において図２および図３中のものと同一または類似の要素は、それらの同一または類似の参照番号で書き記される。図４の構造２００”は、可動部材２０２が、この例示的実施形態では出力光Ｌ₂と一直線に並べられる光源構造２００”の光軸に対してほぼ直角に延びる軸２０７’の周りを回るように配置される点で図３の構造２００’とは異なる。この実施形態では発光蛍光体ブレンド２１０は、ほぼ円盤形状の可動部材２０２の、幅「Ｗ」を有する円周上に、かつ円周に沿って設けられる。

図３の実施形態の場合と同様に入力光源２１２は、可動要素２０２に関して出力光路光学要素セット２２０と同じ側に配置される。入力光源２１２からの入力光Ｌ₁は入力光路光学要素セット３２０に入り、そこから出射孔３１４を通って出射して、照射スポット２２４で発光蛍光体ブレンド２１０を照射する。発光蛍光体ブレンド２１０から放射される出力光Ｌ₂は、放射光出力領域２１６内に配置された入射孔２１４’を通って出力光路光学要素セット２２０に入る。入力光路光学要素セット３２０の出射孔３１４および出力光路光学要素セット２２０の入射孔２１４’は、発光蛍光体ブレンド２１０の同じ側に配置され、さらに図示のように互いに一致してもよい。また図３の実施形態の場合のように、可動要素２０２あるいはその中またはその上に含まれる表面は、実質上すべての入力光が発光蛍光体ブレンド２１０によって吸収され、かつその発光蛍光体ブレンド２１０から放射される実質上すべての出力光が放射光出力領域２１６に向けられるように、好ましくは入力光Ｌ₁および出力光Ｌ₂を実質上反射する材料から作られる。発光蛍光体ブレンド２１０から放射される出力光Ｌ₂は、出力光路光学要素セット２２０を通って送出されてホストシステム光応用部１２０’に入力される。

作動中、光源制御装置２１８は、１０ｍ／秒、１００ｍ／秒などの少なくとも１つの速度で発光蛍光体ブレンド２１０が照射スポット２２４を横切るように可動部材アクチュエーター２０４を操作する。他の実施形態の場合と同様にロータリーアクチュエーター２０６は、円盤形状の可動部材２０２を回転させるように構成されかつ制御され、一方、リニアアクチュエーター２０８は、照射スポット２２４に関して円盤形状の可動部材２０２を直線的に移動させるように構成されかつ制御される。発光蛍光体ブレンド２１０は、幅「Ｗ」を有する円盤形状の可動部材２０２の円周上に設けられるので、照射スポット２２４は、円周上の幅「Ｗ」の一端に近い点から、幅「Ｗ」を跨いだ他端に近い点に向かってほぼ螺旋経路に沿って発光蛍光体ブレンド２１０を横断する。

他の実施形態の場合と同様に入力光の強度は、十分に高強度の出力光が発光蛍光体ブレンド２１０から確実に放出されるように制御される。また露光の時間幅は、入力光源２１２の作動パルス持続時間を限定することによって、かつ／または照射スポット２２４に対して一定の速度で発光蛍光体ブレンド２１０を動かすことによって制御される。この速度は、定速でもまた可変速度でもよい。発光蛍光体ブレンド２１０がほぼ円盤形状の可動部材２０２の円周に沿って配置されるこの例示的実施形態の場合、線速度と角速度は、発光蛍光体ブレンド２１０の全面積にわたって１対１の対応を有する。どの型の速度が使用されるかに関係なく、パルス持続時間および／または移動速度は、望ましくない光漂白を最小限にするように制御される。

さらに、他の実施形態の場合と同様に露出繰り返し回数は、照射スポット２２４に対して発光蛍光体ブレンド２１０を動かすことによって制御することができる。いくつかの実施形態では照射スポット２２４は、発光蛍光体ブレンド２１０のどの部分もたった一度だけ入力光に曝されるように、ほぼ螺旋状の経路に沿って発光蛍光体ブレンド２１０を横断することができる。他の実施形態ではこのほぼ螺旋状の経路を、制御された回数（繰り返し回数）の範囲で横断することもできる。さらに他の実施形態では、このほぼ螺旋状の横断経路を、制御された回数の範囲で繰り返すこともできる。例えば、ロータリーアクチュエーター２０６は、照射スポット２２４が制御された回数（繰り返し回数）の範囲で幅「Ｗ」の一端に近い円形経路に沿って発光蛍光体ブレンド２１０を横断するように、円盤形状の可動部材２０２を回転させることができる。次いでリニアアクチュエーター２０８は、照射スポット２２４が幅「Ｗ」に沿って移動するように可動部材２０２を移すことができる。その後、ロータリーアクチュエーター２０６は、照射スポット２２４が以前の円形経路からの円形経路の偏位に沿って（幅「Ｗ」に沿って）、制御された回数の範囲で発光蛍光体ブレンド２１０を横断するように可動部材２０２を回転させることができる。この過程は、円形経路が幅「Ｗ」のも一方の端に近くなるまで繰り返すことができる。

図５は、本発明の様々な例示的実施形態による光源構造を操作する際になすべきいくつかの考慮事項を例示する。手短に言えば、図５は、可動部材の動いている基体部分を示し、発光蛍光体ブレンド５１０と、ファイバーの末端５１４を有する光ファイバー５１２ｂとを含む。図５に示すように、ファイバーの末端５１４は、２Ｒの有効孔径を有する。明確にするために動いている基体部分に対して垂直な光線のみが例示されており、これについては下記で述べる。本発明による光源構造において追加の光線も操作可能であることを当業者は理解するはずである。しかし、本発明の様々な例示的実施形態による光源構造の基本動作および設計上の考慮事項は、垂直光線を考察することによって理解することができる。

作動中、ファイバーの末端５１４は、レーザーダイオードＬＥＤなどの光源（図示せず）から光ファイバー５１２ｂによって受光された入力光５１６のための出射孔を与える。入力光５１６は、時間ｔ０で照射スポット５２４の発光蛍光体ブレンドに到達する。この説明の目的では、発光蛍光体ブレンドは瞬時に照射され、かつ時間ｔ０で発光面位置ＥＳＬ（ｔ０）５２８から出力光５４０を放射し始めると仮定する。したがって、図５は、時間ｔ０において照射スポット５２４と一致する発光面位置ＥＳＬ（ｔ０）、および時間△ｔが経過した後の移動した発光面位置ＥＳＬ（ｔ０＋△ｔ）を示す。図示のように動いている基体部分５０２が速度ｖで動くならば、移動した発光面位置ＥＳＬ（ｔ０＋△ｔ）は初期の発光面位置ＥＳＬ（ｔ０）に関して変位量ｄ＝（ｖ×△ｔ）の所にあるであろうことが理解されるはずである。

説明のために、図５は、発光面位置ＥＳＬ（ｔ）が、代表する３つの光寄与領域ＣＲ_低、ＣＲ_中、およびＣＲ_高を含んでいることを示す。これらすべての光寄与領域ＣＲ_低、ＣＲ_中、およびＣＲ_高は、出力光５４０が時間ｔ０でファイバーの末端５１４に入ることを可能にするであろうということが理解されるはずである。その後、蛍光体ブレンドが△ｔよりも長い発光時間にわたって光を放射すると仮定すると、光寄与領域ＣＲ_低は、ファイバーの末端５１４に入る出力光への寄与を終えるような、動いている基体部分５０２の運動の方向に沿ってファイバーの末端５１４から離れた変位位置（displacement）に達する第１番目の領域であることになる。しばらくして光寄与領域ＣＲ_中が、次にそれもまたファイバーの末端５１４に入る出力光への寄与を終えるような、動いている基体部分５０２の運動の方向に沿ってファイバーの末端５１４から離れた同様の変位位置に達する。最後に光寄与領域ＣＲ_高が、ファイバーの末端５１４の横断を終えることになり（図５に示した時間間隔△ｔの後しばらくして）、これもまたファイバーの末端５１４に入る出力光への寄与を終えるような、動いている基体部分５０２の運動の方向に沿ってファイバーの末端５１４から離れた変位位置に達する。

上記に概略を述べた簡単なモデルを用いると、ｔ０後の任意の時間ｔでファイバーの末端５１４に入る出力光５４０は、発光面位置ＥＳＬ（ｔ）とファイバーの末端５１４の突出部との間の重なり合う面積（これは、この簡単なモデルでは照射スポット５２４と同一）である網掛けした面積５５０にほぼ比例する。蛍光体ブレンドが、（２Ｒ／ｖ）よりも長い発光時間にわたって光を放射すると仮定すると、経時的に網掛けした面積５５０の積分は、経時的にファイバーの末端５１４に入る蛍光体ブレンドからの光エネルギー入力量にほぼ比例する。

しかしながら、蛍光体ブレンドからファイバーの末端５１４に入る光エネルギー入力率を最大限にすることに関しては複数の操作上の考慮事項がある。一つの検討によれば、出力光５４０の全部または大部分がファイバーの末端５１４に入るように（発光面位置ＥＳＬ（ｔ）がファイバーの末端５１４からずれる前に）、蛍光体ブレンドが（２Ｒ／ｖ）よりも短い発光時間にわたって光を放射することが望ましい。しかし更なる検討によれば、所望の光エネルギー入力率はきわめて大きく、蛍光体ブレンドの一般的な発光時間よりもかなり長い時間（例えば、４００ｎ秒程度の発光時間）の間持続しなければならない。さらに蛍光体ブレンドは「疲労」した状態になり、それが照射されて元の効率で再び光を放射することができるまでには若干の回復時間を必要とする。例えば、その最初の発光時間の間の追加の照射が全く無効果である恐れがある。したがって、この考察によれば、蛍光体ブレンドからファイバーの末端５１４への持続的な高い光エネルギー入力率のためには、蛍光体ブレンドの新鮮な部分を照射スポット５２４中に位置決めすることができ、かつそれを照射してファイバーの末端５１２に入力用の放射光の新鮮で効率的な供給源を与えることができるように、最初の発光面位置ＥＳＬ（ｔ）をファイバーの末端５１４から移動させる（例えば、大まかに言えば、蛍光体ブレンドの発光時間程度の時間内に）ことが望ましい。

上記に概略を述べた望ましい条件はある程度相反しており、互いにバランスを持たせなければならないことが理解されるはずである。実際には、約Ｒだけ発光面位置ＥＳＬ（ｔ）の変位の後、重なり合う面積５５０は、ある増加率で減少し始める。したがって、いくつかの実施形態では、約ＴＥ（一般には５０〜４００ｎ秒）の蛍光体ブレンド発光時間（すなわち減衰時間）とすれば、約２Ｒ／ＴＥまたはＲ／ＴＥ程度の速度で蛍光体ブレンドを動かすことが望ましい。このような場合では、発光面位置ＥＳＬ（ｔ）からの利用可能な放射光の大部分がファイバーの末端５１４に入力されうる一方で、同時にファイバーの末端５１４に入る放射光入力の高い、持続的な比率を維持するために、蛍光体ブレンドの新鮮な部分が、照射スポット５２４の大部分を占めるように位置決めされ、約ＴＥの照射サイクル時間間隔で照射されうる。もちろんいくつかの実施形態では、より良いエネルギー効率のために、またはより高い放射光エネルギー入力率を達成するために、それぞれより遅いかまたはより速い運動速度を、適切な照射率（例えば、適切な照射ストローブ速度または連続照射）と共に使用することもできる。したがって前述の操作条件の提案はあくまでも例示であって、限定するものではない。

本発明の様々な例示的実施形態を示し、記載してきたが、この開示内容に基づいて、これらの例示し、記載した特徴の構成および操作の順序における非常に多くの変形形態が当業者には明らかであろう。例えば、可動部材２０２の形状および／または構造は、軸の周りを回転する円盤には限定されず、軸の周りを回転する任意の他の形状、または直線的に移動する任意の他の形状（例えば、往復可動部材）を含むことができる。別の例としては、発光蛍光体ブレンドは、入力光源２１２からの入力光に基づく広帯域光を生成するのに適しているが、その広帯域光の一部を、入力光源２１２とは異なる青色ＬＥＤなどの別個の光源から発生させることもでき、または別個の光源からの光で補うこともできる。したがって本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その中で様々な変更を行うことができることが理解されるはずである。

１００・・・クロマティックポイントセンサー、１０５・・・入／出力光ファイバーサブアセンブリー、１０８・・・光ファイバーコネクター、１１０・・・取付用ねじ、１１２・・・光ファイバーケーブル、１１２’・・・出力光ファイバー、１１２ａ’・・・出力光ファイバーの遠位半分、１１２ｂ’・・・出力光ファイバーの近位半分、１２０・・・光学ペン、１２０’・・・ホストシステム光応用部、１３０・・・ハウジング、１５０・・・光学部分、１６０・・・電子部分、１６１・・・光ファイバーカプラー、１６２・・・波長検出器、１６３・・・検出器アレイ、１６４・・・光源、１６６・・・信号処理部、１６６’・・・ホストシステム制御装置、１６８・・・メモリー部分、１８０・・・装着要素、１９０・・・加工品表面、１９５・・・孔、２００・・・光源構造、２００’・・・光源構造、２００”・・・光源構造、２０２・・・可動部材、２０４・・・可動部材アクチュエーター、２０６・・・ロータリーアクチュエーター、２０７・・・軸、２０７’・・・軸、２０８・・・リニアアクチュエーター、２１０・・・発光蛍光体ブレンド、２１２・・・入力光源、２１４・・・入射孔、２１４’・・・入射孔、２１６・・・放射光出力領域、２１８・・・光源制御装置、２１９・・・焦点調整光学素子、２２０・・・出力光路光学要素セット、２２２・・・焦点調整光学素子、２２３・・・焦点調整光学素子、２２４・・・照射スポット、３２０・・・入力光路光学要素セット、３１４・・・出射孔、５０２・・・基体部分、５１０・・・蛍光体ブレンド、５１２・・・光ファイバー、５１４・・・光ファイバーの末端、５１６・・・入力光、５２４・・・照射スポット、５２８・・・発光面位置ＥＳＬ（ｔ０）、５４０・・・出力光、５５０・・・発光面位置ＥＳＬ（ｔ）とファイバーの末端の突出部との間の重なり合う面積、

Claims (15)

1. パルス広帯域光源用の光源構造であって、
   可動部材アクチュエーターに装着された可動部材と、
   前記可動部材と連動する発光蛍光体ブレンドと、
   放射光出力領域に関して固定される照射スポットにおいて前記発光蛍光体ブレンドを照射するように構成された入力光源と、
   前記可動部材アクチュエーターおよび前記入力光源に操作可能に連結された光源制御装置と
   を含み、
   前記可動部材と連動する前記発光蛍光体ブレンドが、前記照射スポットの公称面積の少なくとも２００倍の面積にわたって分布し、
   前記入力光源が、前記照射スポットにおいて少なくとも２０Ｗ／ｍｍ²の平均強度を与えるように構成され、
   前記光源制御装置が、最大３３マイクロ秒のパルス持続時間を含めて、少なくとも１つのパルス持続時間で前記入力光源を作動させるように構成され、かつ
   前記光源制御装置が、少なくとも１０ｍ／秒の速度を含めて、前記照射スポット全域で前記発光蛍光体ブレンドの少なくとも１つの速度を与えるように前記可動部材アクチュエーターを作動させるように構成される、
   光源構造。
2. 出力光路光学要素セットをさらに含み、前記出力光路光学要素セットの入射孔が前記放射光出力領域中に配置される、請求項１に記載の光源構造。
3. 前記出力光路光学要素セットが光ファイバーを含む、請求項２に記載の光源構造。
4. 前記照射スポットが、最大１００ミクロンの公称スポット径を有する、請求項１に記載の光源構造。
5. 前記照射スポットが、最大５０ミクロンの公称スポット径を有する、請求項１に記載の光源構造。
6. 前記入力光源が入力光発生器および入力光路光学要素セットを含み、前記入力光路光学要素セットが前記入力光発生器から前記入力光路光学要素セットの出射孔へ光を運ぶ入力光路光学要素セットであって、前記出射孔が前記照射スポットにおいて前記発光蛍光体ブレンドを照射する、請求項１に記載の光源構造。
7. 出力光路光学要素セットをさらに含み、前記出力光路光学要素セットの入射孔が前記放射光出力領域中に配置される、請求項６に記載の光源構造。
8. 前記可動部材と連動する前記発光蛍光体ブレンドが反射面上に分布し、かつ前記入力光路光学要素セットの前記出射孔および前記出力光路光学要素セットの前記入射孔が、前記発光蛍光体ブレンドの同じ側に配置される、請求項７に記載の光源構造。
9. 前記入力光路光学要素セットが入力光ファイバーを含み、かつ前記出力光路光学要素セットが出力光ファイバーを含む、請求項８に記載の光源構造。
10. 前記入力光路光学要素セットの前記出射孔および前記出力光路光学要素セットの前記入射孔が同一孔である、請求項９に記載の光源構造。
11. 前記照射スポットが半径Ｒを有する円形であり、前記発光蛍光体ブレンドが約ＴＥの発光時間を有し、かつ前記発光蛍光体ブレンドが前記照射スポット全域で２Ｒ／ＴＥおよびＲ／ＴＥから選択される速度で動く、請求項１に記載の光源構造。
12. 可動部材アクチュエーターに装着された可動部材と、前記可動部材と連動する発光蛍光体ブレンドと、放射光出力領域に関して固定された照射スポットにおいて前記発光蛍光体ブレンドを照射するように構成された入力光源と、前記可動部材アクチュエーターおよび前記入力光源に操作可能に連結された光源制御装置とを含む光源構造の操作方法であって、
    前記照射スポットにおいて少なくとも２０Ｗ／ｍｍ²の平均強度を与えるように前記入力光源を制御するステップと、
    最大３３マイクロ秒のパルス持続時間を含めた、少なくとも１つのパルス持続時間で前記入力光源を制御するステップと、
    少なくとも１０ｍ／秒の速度で前記照射スポットに対して前記発光蛍光体ブレンドを動かすように前記可動部材アクチュエーターを制御するステップと
    を含む方法。
13. 前記照射スポットが、二度目に前記発光蛍光体ブレンドの任意の部分を横断し始める前に、まず前記発光蛍光体ブレンドの全有効部分を横断するように前記可動部材アクチュエーターを制御して前記照射スポットに対して前記発光蛍光体ブレンドの位置を変えるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記発光蛍光体ブレンドの光漂白特性に基づいて計算される所定の回数の範囲で前記照射スポットに対して前記発光蛍光体ブレンドの位置を変えるように前記可動部材アクチュエーターを制御するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記照射スポットが半径Ｒを有する円形であり、前記発光蛍光体ブレンドが約ＴＥの発光時間を有し、かつ前記可動部材アクチュエーターを制御する前記ステップが、前記照射スポットの全域で２Ｒ／ＴＥおよびＲ／ＴＥから選択される速度で前記発光蛍光体ブレンドを動かすことを含む、請求項１２に記載の方法。