(57)【要約】【課題】反射光の受光感度低下防止と、回転数の制限回避と、偏波保持光ファイバーケーブルへの対応と、を実現した光回転プローブ、及びこの光回転プローブを備える形状測定装置を提供する。【解決手段】測定光及び反射光を導光する導光路であって、測定光を出射し且つ反射光が入射する出入射端を有する導光路と、出入射端から出射される測定光及び出入射端に入射する反射光の双方の光路に平行な第１長手軸と、光路を取り囲む第１内面と、を有する中空の第１シャフトと、第１シャフトを第１長手軸を中心とする軸周り方向に回転させるシャフト回転機構と、第１シャフトの出入射端に対向する側とは反対側の端部に設けられ、第１シャフトの内部を通って入射した測定光を測定対象物に向けて反射し、且つ測定対象物からの反射光を出入射端に向けて反射する反射体と、を備える。【選択図】図２
2020098180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射された測定光を測定対象物に向けて出射し、前記測定対象物にて反射された前記測定光の反射光を受光する光回転プローブにおいて、
前記測定光及び前記反射光を導光する導光路であって、前記測定光を出射し且つ前記反射光が入射する出入射端を有する導光路と、
前記出入射端から出射される前記測定光及び前記出入射端に入射する前記反射光の双方の光路に平行な第１長手軸と、前記光路を取り囲む第１内面と、を有する中空の第１シャフトと、
前記第１シャフトを前記第１長手軸を中心とする軸周り方向に回転させるシャフト回転機構と、
前記第１シャフトの前記出入射端に対向する側とは反対側の端部に設けられ、前記第１シャフトの内部を通って入射した前記測定光を前記測定対象物に向けて反射し、且つ前記測定対象物からの前記反射光を前記出入射端に向けて反射する反射体と、
を備える光回転プローブ。
【請求項２】
前記第１シャフトの内部に設けられ且つ前記測定光を前記測定対象物に集光させる結像レンズを備える請求項１に記載の光回転プローブ。
【請求項３】
前記第１シャフトの内部に挿通された中空の第２シャフトであって、且つ前記光路に平行な第２長手軸と前記光路を取り囲む第２内面とを有する第２シャフトと、
前記第２シャフトを、前記第２長手軸を中心とする軸周り方向に回転不能に保持するシャフト保持部と、
を備え、
前記結像レンズが前記第２シャフトの内部に設けられている請求項２に記載の光回転プローブ。
【請求項４】
前記反射体が、前記測定光を前記測定対象物に向けて出射し且つ前記測定対象物からの前記反射光が入射する出入射面を有し、
前記出入射面に設けられ且つ前記測定光を前記測定対象物に集光させる結像レンズを備える請求項１に記載の光回転プローブ。
【請求項５】
前記出入射端と前記第１シャフトとの間にコリメータが設けられている請求項１から４のいずれか１項に記載の光回転プローブ。
【請求項６】
前記導光路と前記第１シャフトとの間に前記シャフト回転機構が設けられており、
前記シャフト回転機構が、前記測定光及び前記反射光が通る中空部を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の光回転プローブ。
【請求項７】
前記反射体が直角プリズムミラーである請求項１から６のいずれか１項に記載の光回転プローブ。
【請求項８】
測定対象物の形状を測定する形状測定装置において、
測定光を出射する光源と、
請求項１から７のいずれか１項に記載の光回転プローブと、
前記出入射端から前記導光路に入射した前記反射光と、前記測定対象物とは異なる反射面において反射された前記測定光の一部である参照光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出部と、
を備える形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定光を測定対象物に向けて照射し且つ測定対象物にて反射された測定光の反射光を受光する光回転プローブ、及びこの光回転プローブを備える形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の形状を測定する形状測定装置として、例えば、光プローブを用いて測定対象物の様々な測定ポイントの三次元座標値を非接触で検出することにより測定対象物の形状を得る三次元座標測定装置が知られている。光プローブは、測定対象物の測定ポイントに向けて光源からの測定光を照射し、且つこの測定ポイントにて反射された測定光の反射光を受光する。そして、形状測定装置は、干渉計を用いた公知の測定方法により光プローブから測定ポイントまでの距離を検出した結果に基づき、測定対象物の形状を測定する。
【０００３】
このような光プローブとして、プローブ長手軸の軸周り方向に回転走査を行うことができる光回転プローブが知られている（特許文献１及び特許文献２参照）。光回転プローブを用いて回転走査を行うことで、例えば円筒状の測定対象物の内面形状を測定したり、定盤上に配置された複数の測定対象物の表面形状を同時測定したりすることができる。
【０００４】
特許文献１には、光源からの測定光を導光する固定側光ファイバーケーブルと、光ロータリコネクタと、光ロータリコネクタを介して固定側光ファイバーケーブルに接続された回転側光ファイバーケーブルと、回転側光ファイバーケーブルの先端側に設けられた結像光学系と、を備える光回転プローブが記載されている。この光回転プローブは、固定側光ファイバーケーブルと回転側光ファイバーケーブルとを光ロータリコネクタで接続することで、回転側光ファイバーケーブル及び結像光学系をプローブ長手軸の軸周り方向に一体に回転させることができる。
【０００５】
特許文献２には、光ファイバーケーブルのたるみを利用してプローブ長手軸の軸周り方向に回転可能にした光回転プローブが記載されている。この光回転プローブは、光ファイバーケーブルのねじれ弾性限界範囲内でプローブ長手軸の軸周り方向に回転させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−２９５６７号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／０４７１９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に記載の光回転プローブでは、固定側光ファイバーケーブルと回転側光ファイバーケーブルとを光ロータリコネクタで接続している。ここで、上述の干渉計を用いた公知の測定方法では光ファイバーケーブルとしてシングルモード光ファイバーケーブルを用いるため、光ロータリコネクタの摩耗により回転精度が悪化すると、光回転プローブを介した反射光等の受光感度が著しく低下する。また、より高精度な測定を行う場合には光ファイバーケーブルとして偏波保持光ファイバーケーブルが用いられるが、偏波保持光ファイバーケーブルは、その構造上、光ロータリコネクタで接続することができない。
【０００８】
特許文献２に記載の光回転プローブは、光ファイバーケーブルのねじれ弾性限界範囲を超えて回転させられないので、光回転プローブの回転数が制限されるという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、反射光の受光感度低下防止と、回転数の制限回避と、偏波保持光ファイバーケーブルへの対応と、を実現した光回転プローブ、及びこの光回転プローブを備える形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的を達成するための光回転プローブは、光源から出射された測定光を測定対象物に向けて出射し、測定対象物にて反射された測定光の反射光を受光する光回転プローブにおいて、測定光及び反射光を導光する導光路であって、測定光を出射し且つ反射光が入射する出入射端を有する導光路と、出入射端から出射される測定光及び出入射端に入射する反射光の双方の光路に平行な第１長手軸と、光路を取り囲む第１内面と、を有する中空の第１シャフトと、第１シャフトを第１長手軸を中心とする軸周り方向に回転させるシャフト回転機構と、第１シャフトの出入射端に対向する側とは反対側の端部に設けられ、第１シャフトの内部を通って入射した測定光を測定対象物に向けて反射し、且つ測定対象物からの反射光を出入射端に向けて反射する反射体と、を備える。
【００１１】
この光回転プローブによれば、導光路を回転させることなく、シャフト回転機構により第１シャフト及び反射体を回転させることで測定対象物に対する測定光の回転走査が可能になる。
【００１２】
本発明の他の態様に係る光回転プローブにおいて、第１シャフトの内部に設けられ且つ測定光を測定対象物に集光させる結像レンズを備える。これにより、測定光を測定対象物に集光させることができる。
【００１３】
本発明の他の態様に係る光回転プローブにおいて、第１シャフトの内部に挿通された中空の第２シャフトであって、且つ光路に平行な第２長手軸と光路を取り囲む第２内面とを有する第２シャフトと、第２シャフトを、第２長手軸を中心とする軸周り方向に回転不能に保持するシャフト保持部と、を備え、結像レンズが第２シャフトの内部に設けられている。これにより、シャフト回転機構による第１シャフト等の回転により結像レンズの光軸が光路に対して垂直方向に移動（振動）することが防止されるため、結像レンズの光軸の安定性を向上させることができる。
【００１４】
本発明の他の態様に係る光回転プローブにおいて、反射体が、測定光を測定対象物に向けて出射し且つ測定対象物からの反射光が入射する出入射面を有し、出入射面に設けられ且つ測定光を測定対象物に集光させる結像レンズを備える。これにより、焦点距離の短い結像レンズを用いることができる。
【００１５】
本発明の他の態様に係る光回転プローブにおいて、出入射端と第１シャフトとの間にコリメータが設けられている。これにより、導光路と第１シャフト内の光学系とのアライメントずれに起因する反射光の受光感度低下を防止することができる。
【００１６】
本発明の他の態様に係る光回転プローブにおいて、導光路と第１シャフトとの間にシャフト回転機構が設けられており、シャフト回転機構が、測定光及び反射光が通る中空部を有する。これにより、測定光及び反射光を遮ることなく第１シャフトを回転させることができる。
【００１７】
本発明の他の態様に係る光回転プローブにおいて、反射体が直角プリズムミラーである。
【００１８】
本発明の目的を達成するための形状測定装置は、測定対象物の形状を測定する形状測定装置において、測定光を出射する光源と、上述の光回転プローブと、出入射端から導光路に入射した反射光と、測定対象物とは異なる反射面において反射された測定光の一部である参照光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出部と、を備える。この反射面には出入射端が含まれる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、反射光の受光感度低下防止と、回転数の制限回避と、偏波保持光ファイバーケーブルへの対応と、を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】三次元座標測定装置の概略図である。
【図２】光回転プローブの断面図である。
【図３】光回転プローブを用いたワークの測定面の形状測定を説明するための説明図である。
【図４】他実施形態１の光回転プローブの断面図である。
【図５】他実施形態２の光回転プローブの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［三次元座標測定装置の構成］
図１は、本発明の形状測定装置に相当する三次元座標測定装置１０の概略図である。なお、図１中のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、三次元座標測定装置１０に固有の機械座標原点に基づいて定められる機械座標系である。
【００２２】
図１に示すように、三次元座標測定装置１０は、光回転プローブ２６を用いて、本発明の測定対象物であるワークＷの形状測定、例えば円筒状のワークＷの内周面の形状測定を行う。なお、ここでいうワークＷの形状には、ワークＷの三次元形状、二次元形状、表面形状、輪郭形状、及び長さ又は径などの各種の寸法形状などが含まれる。また、測定対象のワークＷの形状及び種類は特に限定はされない。
【００２３】
三次元座標測定装置１０は、架台１２と、架台１２上に設けられたテーブル１４（定盤）と、テーブル１４の両端部に立設された右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌと、右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌの上部を連結するＸガイド１８と、を備える。右Ｙキャリッジ１６Ｒと左Ｙキャリッジ１６ＬとＸガイド１８とにより門型フレーム１９が構成される。
【００２４】
テーブル１４のＸ軸方向の両端部の上面と側面には、Ｙ軸方向に沿って右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌが摺動する摺動面が形成されている。なお、右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌには、テーブル１４の摺動面に対向する位置にエアベアリング（図示は省略）が設けられている。これにより、右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌは、Ｘガイド１８と共にＹ軸方向に移動自在となる。
【００２５】
Ｘガイド１８には、Ｘキャリッジ２０が取り付けられている。このＸガイド１８には、Ｘキャリッジ２０が摺動する摺動面がＸ軸方向に沿って形成されている。また、Ｘキャリッジ２０には、Ｘガイド１８の摺動面に対向する位置にエアベアリング（図示は省略）が設けられている。これにより、Ｘキャリッジ２０はＸ軸方向に移動自在となる。
【００２６】
Ｘキャリッジ２０には、Ｚキャリッジ２２（Ｚスピンドルともいう）が取り付けられている。また、Ｘキャリッジ２０には、Ｚキャリッジ２２をＺ軸方向に案内するＺ軸方向案内用のエアベアリング（図示せず）が設けられている。これにより、Ｚキャリッジ２２は、Ｘキャリッジ２０によってＺ軸方向に移動可能に保持されている。このＺキャリッジ２２の下端には、光回転プローブ２６を含む公知の各種プローブを選択的に着脱自在に保持する測定ヘッド２４が設けられている。
【００２７】
なお、三次元座標測定装置１０には、図示は省略するが、門型フレーム１９をＹ軸方向に移動させるＹ軸駆動部と、Ｘキャリッジ２０をＸ軸方向に移動させるＸ軸駆動部と、Ｚキャリッジ２２をＺ軸方向に移動させるＺ軸駆動部と、が設けられている。これにより、測定ヘッド２４（光回転プローブ２６）を、互いに直交する３軸方向（ＸＹＺ軸方向）に移動させることができる。
【００２８】
テーブル１４の右Ｙキャリッジ１６Ｒ側の端部には、Ｙ軸リニアスケール（図示せず）が設けられている。また、Ｘガイド１８にはＸ軸リニアスケール（図示せず）が設けられ、Ｚキャリッジ２２にはＺ軸リニアスケール（図示せず）が設けられている。
【００２９】
一方、右Ｙキャリッジ１６Ｒには、Ｙ軸リニアスケールを読み取るＹ軸検出部（図示せず）が設けられている。また、Ｘキャリッジ２０には、Ｘ軸リニアスケール及びＺ軸リニアスケールをそれぞれ読み取るＸ軸検出部（図示せず）とＺ軸検出部（図示せず）とが設けられている。各検出部の検出結果は、コントローラ７０を介して制御装置７２へ出力される。
【００３０】
測定ヘッド２４には、光回転プローブ２６を、Ｚ軸方向に平行な回転軸の軸周り方向及びＺ軸に垂直な回転軸の軸周り方向にそれぞれ回転させるモータなどのヘッド駆動部（図示は省略）が設けられている。これにより、測定ヘッド２４は、２つの回転軸の軸周り方向において、光回転プローブ２６の回転角を無段階に調整することができる。その結果、光回転プローブ２６の姿勢を任意に変位（回転）させることができる。
【００３１】
なお、測定ヘッド２４には、光回転プローブ２６の回転角をそれぞれ検出するロータリエンコーダ等のプローブ回転角検出部（図示せず）が設けられている。このプローブ回転角検出部による検出結果は、コントローラ７０を介して制御装置７２へ出力される。
【００３２】
光回転プローブ２６は、測定ヘッド２４に着脱自在に取り付けられている。光回転プローブ２６は、波長掃引光源２８から光ファイバーケーブル３０及びファイバーサーキュレータ３２を介して入力された測定光ＬＡをワークＷの測定面（ここでは内周面）に向けて出射する。また、光回転プローブ２６は、ワークＷの測定面で反射された反射光ＬＢを受光し、この反射光ＬＢ及び後述の参照光ＬＣ（図３参照）を、ファイバーサーキュレータ３２及び光ファイバーケーブル３４を介して光検出器３６へ出力する。
【００３３】
また、詳しくは後述するが、光回転プローブ２６は、その先端部分（回転光学系４２、図２参照）が後述の長手軸６２ａ（図２参照）の軸周り方向に回転可能に構成されている。これにより、光回転プローブ２６は、その先端部分を回転させることで、ワークＷの測定面に沿って測定光ＬＡを回転走査することができる。
【００３４】
図２は、光回転プローブ２６の断面図である。図２に示すように、光回転プローブ２６は、測定ヘッド２４に固定される固定光学系４０と、固定光学系４０によって光回転プローブ２６の長手軸６２ａの軸周り方向に回転される回転光学系４２と、を備える。
【００３５】
固定光学系４０は、光ファイバーケーブル４４と、ヘッド取付部４６と、コリメータレンズ４８と、中空モータ５０と、を備える。
【００３６】
光ファイバーケーブル４４は、本発明の導光路に相当するものである。この光ファイバーケーブル４４（他の光ファイバーケーブル３０，３４も同様）としては、シングルモード光ファイバーケーブル及び偏波保持光ファイバーケーブル等の公知の各種の光ファイバーケーブルが用いられる。
【００３７】
光ファイバーケーブル４４の一端側は、測定ヘッド２４内及びＺキャリッジ２２内等を挿通してファイバーサーキュレータ３２に接続されている。また、光ファイバーケーブル４４の他端側はヘッド取付部４６に接続される。この光ファイバーケーブル４４の他端側の端面は、波長掃引光源２８から光ファイバーケーブル３０等を介して入力された測定光ＬＡを出射し且つワークＷの測定面にて反射された反射光ＬＢ等が入射する出入射端４４ａとなる。なお、図中の符号Ｐは測定光ＬＡ及び反射光ＬＢの光路である。
【００３８】
また、波長掃引光源２８等から光ファイバーケーブル４４に入力された測定光ＬＡの一部は、出入射端４４ａにて参照光ＬＣ（図３参照）として反射される。従って、出入射端４４ａは、本発明の反射面としても機能する。
【００３９】
ヘッド取付部４６は、光路Ｐ（長手軸６２ａ）に平行な方向に延びた中空の筒体である。ヘッド取付部４６の一端側は既述の測定ヘッド２４に着脱自在に取り付けられる。また、ヘッド取付部４６の他端側には中空モータ５０が固定されている。さらに、ヘッド取付部４６の一端側には、光ファイバーケーブル４４の他端側が接続されるケーブル接続部４６ａが設けられている。ケーブル接続部４６ａは、光ファイバーケーブル４４の出入射端４４ａをヘッド取付部４６の内部で且つヘッド取付部４６の中心軸と一致（略一致を含む、以下同じ）する位置に保持する。
【００４０】
コリメータレンズ４８は、ヘッド取付部４６の内部であって且つ出入射端４４ａと中空モータ５０との間の位置に設けられている。このコリメータレンズ４８の光軸は、光路Ｐの中心線に一致している。コリメータレンズ４８は、出入射端４４ａから出射された測定光ＬＡを平行光に変換した後、この測定光ＬＡを後述のシャフト６２内の結像レンズ６４に向けて出射する。これにより、固定光学系４０と回転光学系４２とのアライメントずれに起因する反射光ＬＢの受光感度低下を防止することができる。また、コリメータレンズ４８は、結像レンズ６４から入射した反射光ＬＢを出入射端４４ａに向けて出射する。
【００４１】
中空モータ５０は、本発明のシャフト回転機構に相当するものであり、後述のシャフト６２をその長手軸６２ａを中心とする軸周り方向（以下、単に長手軸周り方向と略す）に回転させる。この中空モータ５０は、不図示のコイルを巻き回してなる中空のステータ５２（固定子ともいう）と、このステータ５２の内部で長手軸周り方向に回転する中空のロータ５４（回転子ともいう）と、を備える。なお、中空モータ５０の詳細構造については公知技術であるので、その詳細についての説明は省略する。
【００４２】
ロータ５４には、光路Ｐが通る中空部５４ａであって且つこの光路Ｐ（長手軸６２ａ）に平行な方向に延びた中空部５４ａが形成されている。これにより、コリメータレンズ４８から出射された測定光ＬＡが中空部５４ａ内を通って後述の結像レンズ６４に入射し、且つ結像レンズ６４から出射した反射光ＬＢが中空部５４ａ内を通ってコリメータレンズ４８に入射する。
【００４３】
ロータ５４は、コントローラ７０からのステータ５２に対する駆動信号（電圧）の印加に応じて、長手軸６２ａを中心として回転する。なお、中空モータ５０には、ロータ５４の回転角をそれぞれ検出するロータリエンコーダ等のロータ回転角検出部（図示せず）が設けられている。このロータ回転角検出部による検出結果は、コントローラ７０を介して制御装置７２へ出力される。なお、ロータ回転角検出部を用いる代わりに、例えば公知のサーボ制御によりロータ５４の回転角等を制御することで、ロータ５４の回転角を検出可能にしてもよい。
【００４４】
また、ロータ５４の回転光学系４２に対向する側の円環状の先端面５４ｂには、回転光学系４２を構成する後述のシャフト保持板６０が固定されている。
【００４５】
なお、中空モータ５０は、図２に示した構成（構造）に限定されるものではなく、公知の各種中空モータを代わりに用いてもよい。
【００４６】
回転光学系４２は、ロータ５４の回転に応じて長手軸周り方向に回転する。この回転光学系４２は、シャフト保持板６０と、シャフト６２と、結像レンズ６４と、直角プリズムミラー６６と、を備える。
【００４７】
シャフト保持板６０は、ロータ５４の先端面５４ｂと略同形状（円環状）に形成されており、先端面５４ｂに対して平行な姿勢で先端面５４ｂ上に固定されている。シャフト保持板６０には、光路Ｐが通る嵌合穴であって且つこの光路Ｐ（長手軸６２ａ）に平行な方向に延びた嵌合穴が形成されている。この嵌合穴にはシャフト６２の一端部が嵌合する。これにより、シャフト保持板６０は、シャフト６２を、その長手軸６２ａを光路Ｐの中心線に一致させた状態で保持する。
【００４８】
シャフト６２は、本発明の第１シャフトに相当するものである。シャフト６２は、光路Ｐに平行方向に延びた中空の円筒であり、光路Ｐに平行な長手軸６２ａ（本発明の第１長手軸に相当）を有している。そして、シャフト６２の一端部がシャフト保持板６０に固定されている状態において、長手軸６２ａが光路Ｐの中心線に一致（略一致）し、且つシャフト６２の内面６２ｂ（本発明の第１内面に相当）が光路Ｐを取り囲む。
【００４９】
また、シャフト６２の内部であって且つシャフト６２の既述の一端部とは反対側の他端部には、結像レンズ６４が設けられている。また、シャフト６２の他端部には、シャフト６２の他端部側の開口部を覆うように直角プリズムミラー６６が設けられている。
【００５０】
結像レンズ６４は、その光軸が光路Ｐの中心線に一致する位置に配置される。結像レンズ６４は、コリメータレンズ４８から入射した測定光ＬＡを、直角プリズムミラー６６を通してワークＷの測定面に結像させる。また、結像レンズ６４は、直角プリズムミラー６６を通して入射した反射光ＬＢをコリメータレンズ４８に向けて出射する。
【００５１】
直角プリズムミラー６６は、本発明の反射体に相当するものであり、シャフト６２の内部及び結像レンズ６４を通して入射した測定光ＬＡをワークＷの測定面に向けて反射させる。具体的に、直角プリズムミラー６６は、結像レンズ６４から入射した測定光ＬＡを９０°（略９０°を含む）屈折させて、直角プリズムミラー６６等の回転平面［長手軸６２ａ（回転軸）に垂直な面］に平行な光束にした後、ワークＷの測定面に向けて出射する。
【００５２】
また、直角プリズムミラー６６は、ワークＷの測定面にて反射された反射光ＬＢを、結像レンズ６４に向けて反射する。これにより、反射光ＬＢが直角プリズムミラー６６からコリメータレンズ４８を経て光ファイバーケーブル４４の出入射端４４ａに入射される。
【００５３】
回転光学系４２を構成するシャフト保持板６０、シャフト６２、結像レンズ６４、及び直角プリズムミラー６６は、ロータ５４の回転に応じて、長手軸周り方向に一体的に回転する。そして、直角プリズムミラー６６が長手軸周り方向に回転されることにより、ワークＷの測定面に沿って測定光ＬＡが回転走査される。
【００５４】
図１に戻って、コントローラ７０は、三次元座標測定装置１０が手動測定モードである場合、不図示の操作部に対する操作入力に応じて、不図示の各駆動部（ＸＹＺ駆動部及びヘッド駆動部）を駆動して光回転プローブ２６の位置及び姿勢を変位させると共に、中空モータ５０を駆動して直角プリズムミラー６６等を長手軸周り方向に回転させる。また、コントローラ７０は、三次元座標測定装置１０が自動測定モードである場合、制御装置７２の制御の下、各駆動部及び中空モータ５０を駆動して、光回転プローブ２６の位置及び姿勢を変位させると共に、直角プリズムミラー６６等を長手軸周り方向に回転させる。
【００５５】
また、コントローラ７０には前述の不図示の各検出部（ＸＹＺ軸検出部、プローブ回転角検出部、及びロータ回転角検出部）が接続されており、これら各部から出力された信号等を制御装置７２へ出力する。
【００５６】
図３は、光回転プローブ２６を用いたワークＷの測定面の形状測定を説明するための説明図である。図３と、既述の図１及び図２とに示すように、波長掃引光源２８は、光ファイバーケーブル３０を介してファイバーサーキュレータ３２へ測定光ＬＡを出射する。この測定光ＬＡは、一定の波長掃引周期（一定の波長掃引周波数）ごとに一定波長帯で波長が正弦波状に変化する波長掃引光である。
【００５７】
ファイバーサーキュレータ３２は、光ファイバーケーブル３０を介して波長掃引光源２８に接続し、且つ光ファイバーケーブル３４を介して光検出器３６に接続し、且つ光回転プローブ２６の光ファイバーケーブル４４に接続している。
【００５８】
ファイバーサーキュレータ３２は、例えば非往復方式且つ１方向型デバイスであって３つのポートを有しており、光ファイバーケーブル３０を介して波長掃引光源２８から入力された測定光ＬＡを光ファイバーケーブル４４に出力する。これにより、光回転プローブ２６に波長掃引光源２８からの測定光ＬＡが入力される。その結果、ワークＷの測定面にて反射された反射光ＬＢと、出入射端４４ａにて反射された参照光ＬＣと、が光ファイバーケーブル４４を介してファイバーサーキュレータ３２に入力される。
【００５９】
また、ファイバーサーキュレータ３２は、光回転プローブ２６から入力された反射光ＬＢ及び参照光ＬＣの干渉信号ＳＧを、光ファイバーケーブル３４を介して光検出器３６に出力する。
【００６０】
光検出器３６は、本発明の干渉信号検出部に相当するものであり、例えばシリコンフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）フォトダイオード、光電管、及び光電子倍増管等が用いられる。光検出器３６は、制御装置７２の制御の下、ファイバーサーキュレータ３２から光ファイバーケーブル３４を介して入力された干渉信号ＳＧを電気信号に変換及び増幅して制御装置７２へ出力する。
【００６１】
制御装置７２は、例えばパーソナルコンピュータのような演算装置により構成され、各種のプロセッサ（Processor）及びメモリ等から構成された演算回路を備える。各種のプロセッサには、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、及びプログラマブル論理デバイス［例えばＳＰＬＤ（Simple Programmable Logic Devices）、ＣＰＬＤ（Complex Programmable Logic Device）、及びＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Arrays）］等が含まれる。なお、制御装置７２の各種機能は、１つのプロセッサにより実現されてもよいし、同種または異種の複数のプロセッサで実現されてもよい。
【００６２】
制御装置７２は、例えば自動測定モード時には、予め定められた測定プログラムに従って既述の不図示の各駆動部及び中空モータ５０を駆動して、光回転プローブ２６の位置及び姿勢の変位と、直角プリズムミラー６６等の長手軸周り方向の回転と、を実行する。これにより、ワークＷの測定面に対する光回転プローブ２６の測定光ＬＡの回転走査が実行され、この測定面の複数の測定ポイントごとの干渉信号ＳＧが光検出器３６で検出される。その結果、光検出器３６から制御装置７２に対して測定ポイントごとの干渉信号ＳＧの検出結果が入力される。なお、制御装置７２は、手動測定モード時には、不図示の操作部に対する操作入力に応じて、上述の測定光ＬＡの回転走査を実行させる。
【００６３】
また、制御装置７２は、自動測定モード及び手動測定モードの双方において、光検出器３６により検出された測定ポイントごとの干渉信号ＳＧの検出結果に基づき、直角プリズムミラー６６からワークＷの測定面の測定ポイントまでの距離Ｌ２を、測定ポイントごとに演算する。
【００６４】
具体的に制御装置７２は、測定ポイントごとの干渉信号ＳＧの検出結果に基づき、出入射端４４ａから直角プリズムミラー６６までの距離Ｌ１と、既述の測定ポイントごとの距離Ｌ２との距離合計値（Ｌ１＋Ｌ２）を、測定ポイントごとに演算する。なお、距離合計値の演算方法については公知技術（例えば特開２０１６−０２４０８６号公報及び特開２０１８−０８４４３４号公報）であるので、ここでは具体的な説明は省略する。
【００６５】
次いで、制御装置７２は、測定ポイントごと距離合計値の演算結果と既知の距離Ｌ１とに基づき、測定ポイントごとの距離Ｌ２を演算する。そして、制御装置７２は、測定ポイントごとの光回転プローブ２６の位置及び姿勢と、測定ポイントごとの直角プリズムミラー６６等の長手軸周り方向の回転角と、測定ポイントごとの距離Ｌ２の演算結果と、に基づき、測定ポイントごとの三次元座標を演算する。これにより、制御装置７２は、測定光ＬＡで走査されたワークＷの測定面の形状を演算することができる。
【００６６】
［本実施形態の効果］
以上のように本実施形態の光回転プローブ２６は、光ファイバーケーブル４４を回転させることなく、固定光学系４０に対して回転光学系４２（直角プリズムミラー６６等）を回転させることでワークＷに対する測定光ＬＡの回転走査が可能になる。これにより、上記特許文献１及び２に記載のように光ロータリコネクタを用いたり或いは光ファイバーケーブルを捩じったりすることなく、測定光ＬＡの回転走査が可能になる。その結果、光ロータリコネクタの摩耗に起因する反射光ＬＢの受光感度の低下が防止され、且つ偏波保持光ファイバーケーブルへの対応が可能になり、且つ光回転プローブ２６（回転光学系４２）の回転数の制限も回避される。
【００６７】
［他実施形態１の光回転プローブ］
図４は、他実施形態１の光回転プローブ２６の断面図である。上記実施形態では結像レンズ６４がシャフト６２の内部に設けられているが、図４に示すように、他実施形態１では結像レンズ６４を直角プリズムミラー６６に設けている。なお、他実施形態１の光回転プローブ２６は、結像レンズ６４の配置が異なる点を除いて、上記実施形態の光回転プローブ２６と基本的に同じ構成である。このため、上記実施形態と機能又は構成上同一のものについては同一符号を付してその説明は省略する。
【００６８】
他実施形態１の結像レンズ６４は、直角プリズムミラー６６においてワークＷに対向する対向面である出入射面６６ａに設けられている。この出入射面６６ａは、ワークＷの測定面に向けて測定光ＬＡを出射する出射面であり且つワークＷの測定面で反射された反射光ＬＢが入射する入射面である。このように、結像レンズ６４を出入射面６６ａに設けることで、結像レンズ６４の焦点距離が短い場合であってもこの結像レンズ６４によりワークＷの測定面に測定光ＬＡを集光させることができる。その結果、焦点距離の短い結像レンズ６４を用いることができる。
【００６９】
［他実施形態２の光回転プローブ］
図５は、他実施形態２の光回転プローブ２６の断面図である。上記実施形態の光回転プローブ２６では、回転光学系４２の回転に伴い結像レンズ６４もシャフト６２等と一体に回転するが、他実施形態２では結像レンズ６４を固定光学系４０に固定している。
【００７０】
なお、他実施形態２の光回転プローブ２６は、結像レンズ６４を固定光学系４０に固定するためのシャフト７４を備える点を除いて、上記実施形態の光回転プローブ２６と基本的に同じ構成である。このため、上記実施形態と機能又は構成上同一のものについては同一符号を付してその説明は省略する。
【００７１】
シャフト７４は、本発明の第２シャフトに相当するものである。シャフト７４は、光路Ｐに平行方向に延びた中空の円筒であり、光路Ｐに平行な長手軸７４ａ（本発明の第２長手軸に相当）を有している。また、シャフト７４の外径は、シャフト６２の内径よりも小さく形成されている。このシャフト７４の一端部は、固定光学系４０（ロータ５４を除く）、例えばステータ５２に固定されている。
【００７２】
ステータ５２には、光路Ｐが通る嵌合穴であって且つこの光路Ｐ（長手軸６２ａ，７４ａ）に平行な方向に延びた嵌合穴を有するシャフト保持部５２ａが形成されている。シャフト保持部５２ａの嵌合穴には、シャフト７４の一端部が嵌合して固定される。これにより、固定光学系４０（光ファイバーケーブル４４）に対してシャフト７４が固定される。その結果、シャフト７４は、シャフト保持部５２ａにより長手軸７４ａ（長手軸６２ａ）を中心とする軸周り方向に回転不能に保持される。
【００７３】
シャフト７４は、その一端部がシャフト保持部５２ａに固定されている状態において、その長手軸６２ａが光路Ｐの中心線及び長手軸６２ａに一致し、且つその内面７４ｂ（本発明の第２内面に相当）が光路Ｐを取り囲む。
【００７４】
また、シャフト７４の一端部とは反対側の他端部は、シャフト６２の内部に挿通されており、このシャフト６２の内部で且つ直角プリズムミラー６６の近傍位置で開口している。そして、このシャフト７４の他端部の内部に結像レンズ６４が設けられている。なお、上記実施形態と他実施形態２とにおいてシャフト６２の内径が同じ大きさである場合、他実施形態２の結像レンズ６４として、上記実施形態の結像レンズ６４よりも小径のレンズが選択される。
【００７５】
このようにシャフト７４の内部に結像レンズ６４を設けることで、結像レンズ６４が固定光学系４０に対して固定されるため、回転光学系４２の回転に応じて結像レンズ６４が回転することが防止される。これにより、回転光学系４２の回転により結像レンズ６４の光軸が光路Ｐに対して垂直方向に移動（振動）することが防止される。その結果、結像レンズ６４の光軸の安定性を向上させることができる。
【００７６】
なお、他実施形態２では、シャフト７４の一端部をステータ５２に固定しているが、固定光学系４０（ロータ５４を除く）の他の部分、例えばヘッド取付部４６に固定してもよい。
【００７７】
［その他］
上記各実施形態では、中空モータ５０により回転光学系４２を回転させているが、例えば中空部を有する中空ロータリーアクチュエータのような中空部を有する各種回転機構を、本発明のシャフト回転機構として用いてもよい。
【００７８】
また、光路Ｐを妨げなければ中空部を有さないシャフト回転機構により回転光学系４２（シャフト６２）を回転させてもよい。この場合のシャフト回転機構の一例としては、光路Ｐ外に配置されたモータ等の駆動源と、シャフト６２（シャフト保持板６０でも可）の外周面に形成された歯車と、駆動源の駆動力を歯車に伝達して歯車を回転させる駆動伝達機構と、により構成されるものが挙げられる。
【００７９】
上記各実施形態では、直角プリズムミラー６６により測定光ＬＡ及び反射光ＬＢを９０°屈折させているが、測定光ＬＡ及び反射光ＬＢの屈折角度が９０°以外であってもよい。また、上記各実施形態では、本発明の反射体として直角プリズムミラー６６を例に挙げているが、ミラー等の各種の反射体を用いてもよい。
【００８０】
上記各実施形態では、干渉計の光源として波長掃引光源２８を用い且つ参照光ＬＣとして出入射端４４ａでの端面反射光を用いているが、距離Ｌ１，Ｌ２の合計値（Ｌ１＋Ｌ２）を演算可能であれば光源の種類、光回転プローブ２６の内外の干渉光学系の種類については特に限定はされない。また、この場合、ミラー及びプリズム等のワークＷ以外の反射面で反射された測定光ＬＡの一部を参照光ＬＣとして用いてもよい。
【００８１】
上記各実施形態では、光回転プローブ２６内にコリメータレンズ４８及び結像レンズ６４のような各種光学系を配置しているが、光回転プローブ２６内に配置する光学系の種類及び配置の有無については適宜変更してもよい。
【００８２】
上記各実施形態では、光ファイバーケーブル４４を有する固定光学系４０に対して回転光学系４２（シャフト６２及び直角プリズムミラー６６等）を回転させることにより測定光ＬＡの回転走査を行う光回転プローブ２６の例を図１から図５を用いて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００８３】
上記各実施形態では本発明の形状測定装置として三次元座標測定装置１０を例に挙げているが、ワークＷの形状を測定する各種の形状測定装置であって且つ光回転プローブ２６を用いる各種の形状測定装置に本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００８４】
１０…三次元座標測定装置，
２６…光回転プローブ，
２８…波長掃引光源，
３６…光検出器，
４０…固定光学系，
４２…回転光学系，
４４…光ファイバーケーブル，
４４ａ…出入射端，
４８…コリメータレンズ，
５０…中空モータ，
５２…ステータ，
５２ａ…シャフト保持部，
５４…ロータ，
５４ａ…中空部，
６２…シャフト，
６２ａ…長手軸，
６２ｂ…内面，
６４…結像レンズ，
６６…直角プリズムミラー，
６６ａ…出入射面，
７０…コントローラ，
７２…制御装置，
７４…シャフト，
７４ａ…長手軸，
７４ｂ…内面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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