(57)【要約】【課題】計測対象から生じる反射光を撮像して表面、三次元、さらには、空間内の形状、気流等の計測を高精度により実現する光空間計測装置を提供する。【解決手段】光周波数コムを照射する光源部またはスーパーコンティニューム光を照射する光源部と、プリズムまたは回折格子からなり光源部から照射された照射光を分光する分光部と、分光部を経由して生じた分光が計測対象により反射されて生じた反射光を検出するハイパースペクトルカメラからなる検出部とを備える。【選択図】図１
2020085545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光周波数コムを照射する光源部と、
前記光源部から照射された照射光を分光する分光部と、
前記分光部を経由して生じた分光が計測対象により反射されて生じた反射光を検出する検出部とを備える
ことを特徴とする光空間計測装置。
【請求項２】
スーパーコンティニューム光を照射する光源部と、
前記光源部から照射された照射光を分光する分光部と、
前記分光部を経由して生じた分光が計測対象により反射されて生じた反射光を検出する検出部とを備える
ことを特徴とする光空間計測装置。
【請求項３】
前記分光部が、プリズムまたは回折格子である請求項１または２に記載の光空間計測装置。
【請求項４】
前記光源部からの照射光がシート状照射光である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光空間計測装置。
【請求項５】
前記検出部がハイパースペクトルカメラである請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光空間計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光空間計測装置に関し、特に光周波数コムまたはスーパーコンティニューム光を利用して計測対象の検出感度を高めた光空間計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間における物体位置の検出において、光飛行時間計測（ＴｏＦ：Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）、ステレオカメラによる計測の手法がある。しかしながら、ＴｏＦ、ステレオカメラによる計測では、高精度の検出に際し、カメラの精度向上が求められる。また、他の物体位置の検出方法としては、光を投影して、その投影パターンから位置を測定するアクティブステレオ法等も行われている。同法においては、計測対象に向けた複雑なパターンの投影が必要であった。加えて、投影パターンが平面上に一定の大きさで投影されなければ３次元測定（位置検出）はできない。アクティブステレオ法の場合においてもカメラの解像度が要求される。
【０００３】
そこで、計測対象に向けて照射する光の波長を選択することにより、検出精度を高めた技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１によると、第１の回折格子を設けた第１の物体と第２の回折格子を設けた第２の物体とを一定の間隔を隔てて対向配置させ、これらの回折格子に単色光を入射させて両回折格子から生じる回折光を用いて両物体の相対位置を検出し、これらの位置合せを行なう位置合せ方法であって、所望の波長を有する２以上の単色光を同一光路軸上に合成し、波長毎に独立して両物体の相対位置を検出し、そのうちの１または２以上の検出信号に基づいて位置合せを行なう位置合せ方法が開示されている。ここでは、複数の横ゼーマンレーザーの光源が用いられ、各光は偏光ビームスプリッタにより分離される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−４２９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１等に開示の技術は、ウェハ等の表面の計測を対象としている。そのため、物体の三次元測定、気流の可視化等の計測対象の拡張には不向きであった。
【０００６】
そこで、発明者は、物体の三次元測定、気流の可視化等の計測対象の拡張を実現するべく鋭意検討した結果、効果的な計測を実現するに至った。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、計測対象から生じる反射光を撮像して表面、三次元、さらには、空間内の形状、気流等の計測を高精度により実現する光空間計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明の第１の形態の光空間計測装置は、光周波数コムを照射する光源部と、光源部から照射された照射光を分光する分光部と、分光部を経由して生じた分光が計測対象により反射されて生じた反射光を検出する検出部とを備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の形態の光空間計測装置は、スーパーコンティニューム光を照射する光源部と、光源部から照射された照射光を分光する分光部と、分光部を経由して生じた分光が計測対象により反射されて生じた反射光を検出する検出部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
第３の形態の光空間計測装置は、分光部がプリズムまたは回折格子であることを特徴とする。
【００１１】
第４の形態の光空間計測装置は、光源部からの照射光がシート状照射光であることを特徴とする。
【００１２】
第５の形態の光空間計測装置は、検出部がハイパースペクトルカメラであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の光空間計測装置によると、光周波数コムを照射する光源部またはスーパーコンティニューム光を照射する光源部と、光源部から照射された照射光を分光する分光部と、分光部を経由して生じた分光が計測対象により反射されて生じた反射光を検出する検出部とを備えるため、光周波数コムまたはスーパーコンティニューム光の特性を利用して計測対象から生じる反射光を撮像して計測対象の表面、三次元及び空間内の計測を高精度により実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】光空間計測装置の全体模式図である。
【図２】光周波数コムの特性を示す模式グラフである。
【図３】スーパーコンティニューム光の特性を示す模式グラフである。
【図４】分光部にプリズムを使用した際の分光の様子を示す模式図である。
【図５】分光部に回折格子を使用した際の分光の様子を示す模式図である。
【図６】シート状照射光の分光の様子を示す第１模式図である。
【図７】シート状照射光の分光の様子を示す第２模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１の模式図に表されるとおり、本発明の光空間計測装置１には、光源部１０と、分光部２０と、検出部３０が備えられる。そして、処理部４０が、光源部１０と検出部３０に信号線５により接続される。分光部２０を経由して生じた分光は計測対象９０に照射され、当該計測対象９０の表面において当該分光は反射される。反射された個々の反射光は検出部３０により検出される。反射光の波長の計測から処理部４０において計測対象９０の位置（距離）、計測対象９０の表面９１の形状等が求められる。計測対象９０は図示の便宜状、立体物、物品とした。これらに限られず、所定の空間内を漂う煙の粒子等も含まれる。
【００１６】
光源部１０は、光周波数コム（Ｌ１）を照射する第１光源部１１である。また、光源部１０は、スーパーコンティニューム光（Ｌ１１）を照射する第２光源部１２である。互いの光線の性質は異なるため、光源部１０には、第１光源部１１または第２光源部１２のいずれかが設置される。図示では、紙面の都合上、同一図内に、光周波数コム（Ｌ１）と第１光源部１１、及びスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）と第２光源部１２が表されている。
【００１７】
光周波数コム（Ｌ１）及びスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）は、極めて性質の揃った複数の波長をもつレーザー光が組み合わされて生成された光線である。そのため、これら（Ｌ１及びＬ１１）は、基となる各波長（各色）の混合により、いわゆる白色化した光線であり、白色レーザー光と称されることもある。それゆえ、光周波数コム（Ｌ１）及びスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）は、太陽光の自然光、白熱灯または蛍光灯等の人工白色光と本質的に性質が相違する。光周波数コム（Ｌ１）及びスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）の性質は、さらに、次のとおりである。
【００１８】
第１光源部１１から照射される光周波数コム（Ｌ１）は、周波数軸上に等間隔にならんだ成分から成る櫛（くし，コム）の歯列状のスペクトルを有する光信号であり、可干渉性（コヒーレンス）の良い光やフェムト（１０００兆分の１）秒の安定した短いレーザーパルスである。繰り返し波で変調された光波の周波数スペクトルを求めると、光周波数の前後に小さい一定間隔の並列した櫛の歯状のスペクトルが得られる。得られたスペクトル線（光コムの歯）は変調周波数の整数倍の位置に並ぶ。
【００１９】
図２は光周波数コム（Ｌ１）の特性を示す模式図である。同模式図において、横軸は周波数であり、縦軸は光強度である。光周波数コム（Ｌ１）は複数のスペクトルを有する直進性の良い光源であると同時に、その周波数の間隔（図中の矢印参照）は一定で並ぶ。そのため、個々の周波数域は明確に分離している。この様子から櫛状（コム）と称される。そこで、安定した強度を有する光が、特定の波長毎に揃って一定の間隔毎に出現する。
【００２０】
光周波数コム（Ｌ１）の発生器（第１光源部１１）には、例えば、電気光学結晶（ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ３）の両面を鏡で挟んだファブリ・ペロー共振器等が搭載される。その共振器に安定なレーザー光が入射され、マイクロ波による位相変調が加えられる。そして、光周波数コム（Ｌ１）は第１光源部１１から照射される。
【００２１】
スーパーコンティニューム光（Ｌ１１）は、パルスレーザーから発せられたパルスが高非線形ファイバ等の非線形媒質に入射され、当該非線形媒質内において生じる自己位相変調、相互位相変調、四光波混合、ラマン散乱等の非線形光学効果によりスペクトルが当初よりも超広帯域に拡張された光である。スーパーコンティニューム光（Ｌ１１）は複数のスペクトルを有する直進性の良い光源であると同時に、良好な周波数連続性も有する広帯域なレーザー光である。スーパーコンティニューム光（Ｌ１１）は第２光源部１２において前述の処理により生成され、同第２光源部１２より照射される。
【００２２】
図３はスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）の特性を示す模式図である。同模式図の横軸は波長であり、縦軸はスペクトル強度である。第２光源部１２から照射されるスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）は、光ファイバの材質によるものの、４００ないし２４００ｎｍの波長の範囲であり、短波長のレーザー光線と比較して明らかに広範囲の波長領域を有する。しかも、スーパーコンティニューム光（Ｌ１１）は、上述の通り、安定したレーザー光を元に生成された光であるため、光強度も担保される。
【００２３】
ここで、図１の模式図に戻る。光周波数コム（Ｌ１）及びスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）は、前述のとおり、両方とも複数種類（多領域）の波長を含む光線である。そこで、計測対象の大きさ、波長に基づく分解能を考慮して個別の波長毎（個別の波長領域毎）に分光する必要がある。このため、分光部２０が備えられる。この分光部２０として、プリズム２１または回折格子２２が用いられる。
【００２４】
図４の模式図は、分光部２０にプリズム２１を用いた例である。紙面右側から光周波数コム（Ｌ１）またはスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）がプリズム２１に向けて照射されている。光周波数コム（Ｌ１）は、プリズム２１を透過して分光され、分光（Ｌ２）としてプリズム２１から照射（出光）する。同様に、スーパーコンティニューム光（Ｌ１１）は、プリズム２１を透過して分光され、分光（Ｌ１２）としてプリズム２１から照射される（出光する）。
【００２５】
図５の模式図は、分光部２０に回折格子２２，２３を用いた例である。図５（ａ）は透過型回折格子２２の模式図である。紙面右側から光周波数コム（Ｌ１）またはスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）が透過型回折格子２２に向けて照射される。光周波数コム（Ｌ１）が透過型回折格子２２を透過する際に個別の波長毎（個別の波長領域毎）に分光され、分光（Ｌ２）として透過型回折格子２２から照射される（出光する）。スーパーコンティニューム光（Ｌ１１）の場合には分光（Ｌ２）が透過型回折格子２２から照射される（出光する）。
【００２６】
図５（ｂ）は反射型回折格子２３である。紙面右側から光周波数コム（Ｌ１）またはスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）が反射型回折格子２３に向けて照射される。光周波数コム（Ｌ１）が反射型回折格子２３の表面において反射される際、表面の微細な凹凸（図示せず）により、個別の波長毎（個別の波長領域毎）に分光され、分光（Ｌ２）が反射光として生じる。スーパーコンティニューム光（Ｌ１１）の場合には分光（Ｌ１２）が反射光として生じる。なお、反射型回折格子２３の場合、分光（Ｌ２、Ｌ１２）を適式に反射させるミラー（図示せず）も適式に設けられる。
【００２７】
前述のとおり、光周波数コム（Ｌ１）及びスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）は、複数波長域を含む光線である。そこで、計測対象９０の計測に際し、光の波長に応じて当初の光源の光線が分光されることにより、計測対象の大きさ、形状に応じた特定の波長の選択が可能となる。そこで、焦点の制御、解像度の向上に役立つ。
【００２８】
さらに、第１光源部１１から照射される光周波数コム（Ｌ１）及び第２光源部１２から照射されるスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）は、いずれもシート状照射光の形態である。シート状照射光は、帯状に照射される光線とするほか、複数の照射装置（照射口）を横に並べ帯状を模した形態も含まれる。照射装置の数を多くすることにより、より多くの領域への光線照射が可能となる。シート状照射光とすることにより、計測対象への分光の照射領域が拡張され、計測対象の走査（スキャン）の効率が高まる。
【００２９】
図６の模式図から理解されるように、シート状照射光の光周波数コム（Ｌ１）またはスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）が長尺のプリズム２１に照射され、シート状の分光（Ｌ２）または分光（Ｌ１２）がプリズム２１から照射される（出光する）。
【００３０】
同様に、図７（ａ）では、長尺板上の透過型の回折格子２２が用意される。シート状照射光の光周波数コム（Ｌ１）またはスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）が透過型回折格子２２に向けて照射され、シート状の分光（Ｌ２）または分光（Ｌ１２）が透過型回折格子２２から照射される（出光する）。図７（ｂ）では、長尺板上の反射型の回折格子２３が用意される。シート状照射光の光周波数コム（Ｌ１）またはスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）が反射型回折格子２３に向けて照射され、同反射型回折格子２３表面における反射を通じてシート状の分光（Ｌ２）または分光（Ｌ１２）が出光する。
【００３１】
分光部２０からの出光する分光（Ｌ２，Ｌ１２）を計測対象９０に対して漏れなく照射するため、前出のプリズム２１、透過型回折格子２２、反射型回折格子２３には、サーボモータ等（図示せず）が備えられ、処理部４０により角度、位置が制御される。
【００３２】
前述のとおり、光周波数コム（Ｌ１）またはスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）は、それぞれに包含される波長毎（個別の波長領域毎）に分光され、生成された分光（Ｌ２）または（Ｌ１２）は、計測対象９０に照射される（図１参照）。そして、計測対象９０の表面９１において反射される。反射光は検出部３０により検出される。光周波数コム（Ｌ１）の分光（Ｌ２）に基づく反射光（Ｌ３）は、第１検出部３１により検出される。スーパーコンティニューム光（Ｌ１１）の分光（Ｌ１２）に基づく反射光（Ｌ１３）は、第２検出部３２により検出される。
【００３３】
検出部３０（３１，３２）には、ハイパースペクトルカメラが好ましく使用される。ハイパースペクトルカメラは、計測対象により反射された個々の波長の反射光（Ｌ３，Ｌ１３）について、非常に狭い波長域の光強度を個々に取得することができる。そのため、より正確に細かな色の情報が判別される。また、可視光領域だけではなく、近赤外線（７５０ないし１７００ｎｍ）領域も撮影することができ、当該領域のスペクトル分析も可能である。
【００３４】
光源部１０（第１光源部１１，第２光源部１２）の出力等の制御、分光部２０の位置制御、及び検出部３０（第１検出部３１，第２検出部３２）の撮像データに基づく処理、解析のため、処理部４０がそれぞれに接続される。処理部４０は公知のパーソナルコンピュータ等である。計測対象９０から生じた反射光（Ｌ３，Ｌ１３）の解析、データ処理に際しては、同軸共焦点方式等の公知の反射光の色情報の解析手法が用いられる。同方式の場合、波長毎に異なる位置で焦点が結ばれる。そこで波長と焦点の関係から対象物との距離、対象物の表面形状が求まる。特に、シート状照射光を生成していることから、当然に反射光もシート状となり計測対象の走査（スキャン）の効率が高まり、計測対象である物品の表面、さらには、計測対象とする空間内の粒子に対しての三次元の計測も可能となる。
【００３５】
本発明の光空間計測装置は、光周波数コム（Ｌ１）及びスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）を光源とすることに大きな特徴を有し、各光の特性は前述のとおりである。そこで、各光の特性に応じて、次のような使い分けが想定される。
【００３６】
光周波数コム（Ｌ１）の場合、図２の模式図のように、周波数毎（波長毎）に個別の光が明確に分離して存在する。光周波数コム（Ｌ１）の利用では、次の利点が挙げられる。（ｉ）強力であり狭いスペクトル幅により明確に分離された分光（Ｌ２）が得られるため、特定位置の物体がより明瞭に分離される。（ｉｉ）光周波数コム（Ｌ１）自体が周波数毎に分離されているため、特定波長を光学フィルタにより抜き出す際に使用するフィルタの必要性能が下げられる。すなわち、光学フィルタに依存しなくても、高い分離性能が備わっており、焦点位置を合わせる際の効率が良い。（ｉｉｉ）光周波数コム（Ｌ１）では、周波数毎（複数の波長毎）に分離されて含まれているため、多数の移動物体の同時に三次元位置の特定が可能となる。例えば、３８０ないし７６０ｎｍの波長領域を２０ｎｍの間隔とする光周波数コム（Ｌ１）を発生させる場合、三次元位置は２０分割により特定可能となる。
【００３７】
スーパーコンティニューム光（Ｌ１１）の場合、図３の模式図のように、広範囲の波長領域を有する。スーパーコンティニューム光（Ｌ１１）の利用では、次の利点が挙げられる。（ｉ）前述の光周波数コム（Ｌ１）と比較してスペクトル幅に欠損領域が存在しない。このことから、受光部（検出部３０）側の分光性能に応じたより高い三次元位置の特定が可能となる。（ｉｉ）光源を制御するパラメータが少なく、計測機器側のみにより特定物体の位置を精度よく計測可能である。例えば、３８０ないし７６０ｎｍの波長領域のスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）の場合、５ｎｍ幅のバンドパスフィルタを受光部（検出部３０）側に取り付けることにより、８０分割の分解能による三次元位置の特定が可能となる。また、バンドパスフィルタが高速で切り替えられ、計測領域は拡大可能となる。
【００３８】
光源として光周波数コム（Ｌ１）またはスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）の選択は、計測対象に応じて考慮される。例えば、加工精度の確認等、ある程度大きさ、深さ、形状の判明している表面構造を正確に計測しようとする場合、光線の強度が高く、波長域の揃った光周波数コム（Ｌ１）の使用が好ましい。また、運転席周り等の車内空間、その内部の気流の流れ等の広がりのある対象の場合、波長域の広いスーパーコンティニューム光（Ｌ１１）の使用が好ましい。例えば、煙を含む気流を車内に通気させ、これにスーパーコンティニューム光の分光が照射されて三次元の奥行も踏まえて解析される。むろん、これらは例示であり、適宜利点を生かして組み合わせられる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の光空間計測装置は、光周波数コムまたはスーパーコンティニューム光を光源として用いることにより、計測対象に応じた高精度の計測が可能となる。特に、既存の限られた種類のレーザー光のみを使用した計測装置よりも使用する波長域が広い。そこで、装置の代替として有望である。
【符号の説明】
【００４０】
１  光空間計測装置
１０  光源部
１１  第１光源部
１２  第２光源部
２０  分光部
２１  プリズム
２２，２３  回折格子
３０  検出部
３１  第１検出部
３２  第２検出部
４０  処理部
９０  計測対象
Ｌ１  光周波数コム
Ｌ１１  スーパーコンティニューム光
Ｌ２，Ｌ１２  分光
Ｌ３，Ｌ１３  反射光
【図１】
2020085545.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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