(57)【要約】【課題】距離測定装置において測定部の小型化を実現することのできる技術の提供を目的とする。【解決手段】距離測定装置であって、測定光を出力する発光部と、前記発光部から出力された測定光の偏光を制御する偏光状態制御部と、前記偏光状態制御部により制御された前記測定光を選択的に射出する光路切り替え素子と、を備え、前記偏光状態制御部は、前記光路切り替え素子から複数方向に向かって前記測定光を射出するように偏光を制御し、前記光路切り替え素子は、対象物までの距離の測定に用いる反射光であって、該光路切り替え素子から射出した前記測定光の前記対象物に対する前記反射光を取り込むことを特徴とする。【選択図】  図１
2018205301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光を出力する発光部と、
前記発光部から出力された測定光の偏光を制御する偏光状態制御部と、
前記偏光状態制御部により制御された前記測定光を選択的に射出する光路切り替え素子と、を備え、
前記偏光状態制御部は、前記光路切り替え素子から複数方向に向かって前記測定光を射出するように偏光を制御し、
前記光路切り替え素子は、対象物までの距離の測定に用いる反射光であって、該光路切り替え素子から射出した前記測定光の前記対象物に対する前記反射光を取り込むことを特徴とする、距離測定装置。
【請求項２】
測定光を出力する発光部と、
波長に応じて選択的に測定光を射出する光路切り替え素子と、を備え、
前記光路切り替え素子は、複数方向に向かって前記測定光を射出するとともに、対象物までの距離の測定に用いる反射光であって、該光路切り替え素子から射出した前記測定光の前記対象物に対する前記反射光を取り込むことを特徴とする、距離測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の距離測定装置であって、
前記光路切り替え素子は、前記測定光を透過させることにより第１の方向に前記測定光を射出するとともに、前記測定光を反射させることにより前記第１の方向と略直角をなす第２の方向に前記測定光を射出することを特徴とする、距離測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の距離測定装置であって、
前記第１の方向と平行な回転軸周りに前記光路切り替え素子を回転させる回転機構を備えることを特徴とする、距離測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載の距離測定装置であって、
前記偏光状態制御部は、前記測定光の偏光方向を変化させ、
前記光路切り替え素子は、偏光方向の変化に応じて選択的に前記測定光を射出することを特徴とする、距離測定装置。
【請求項６】
請求項１に記載の距離測定装置であって、
前記測定光の伝搬時間を測定することにより前記距離を測定する距離演算部を備えることを特徴とする、距離測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の距離測定装置であって、
前記距離演算部は、焦点の合う波長の前記反射光を検出することにより前記距離を測定することを特徴とする、距離測定装置。
【請求項８】
請求項１に記載の距離測定装置であって、
前記光路切り替え素子は、偏光ビームスプリッター、又は複屈折プリズムとミラーとの組合せであることを特徴とする、距離測定装置。
【請求項９】
請求項１に記載の距離測定装置を用いて、前記対象物の立体的な形状を測定する立体形状測定装置であって、
前記光路切り替え素子を縦方向、横方向、及び奥行方向を含む多方向へ移動させる移動機構を有することを特徴とする、立体形状測定装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の距離測定装置であって、
前記発光部から出力された前記測定光の偏光方向を切り替えて前記偏光状態制御部に出力する偏光切り替え部を備え、
前記偏光状態制御部は、前記偏光切り替え部から出力された前記測定光の偏光方向を変化させ、
前記光路切り替え素子は、偏光方向の変化に応じて選択的に前記測定光を射出することを特徴とする、距離測定装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の距離測定装置であって、
前記偏光状態制御部は、１／２波長板であり、
前記１／２波長板の主軸の角度は、前記光路切り替え素子の入射面に対して所定の角度を保つように制御されており、
前記偏光切り替え部は、前記測定光の偏光方向のπ／２回転を切り替えることにより、前記偏光状態制御部から出力される前記測定光の偏光方向を変化させることを特徴とする、距離測定装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の距離測定装置であって、
前記１／２波長板の主軸の角度を制御する駆動部と、
前記光路切り替え素子の前記入射面の角度を回転させる回転機構と、を備えることを特徴とする、距離測定装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の距離測定装置であって、
前記光路切り替え素子の後ろに、前記測定光が射出される複数方向に対応して複数の集光レンズを備え、
前記各集光レンズは、前記測定光を所定の焦点距離に集光することを特徴とする、距離測定装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の距離測定装置であって、
前記各集光レンズはそれぞれ異なる焦点距離を有することを特徴とする、距離測定装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の距離測定装置であって、
前記光路切り替え素子と、前記光路切り替え素子の前又は後ろに配置された集光レンズとが設けられた測定プローブ先端部を備え、
前記測定プローブ先端部は、前記距離測定装置に対して着脱交換可能であることを特徴とする、距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離測定装置、及び立体形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光学式測定器に関する技術が開示されている。同文献の段落[００３４]には、「収容部３４内には、収容部３４に固定して一体的に設けられた棒状の軸（支持部材）３６と、軸３６を中心として可動な状態で軸３６に保持された反射ミラー３７、反射ミラー３７を回動前後の所定位置に保持するための保持部材３５とが配設されている。軸３６、反射ミラー３７及び保持部材３５は、光源３８から出力された測定用光の進行方向を所定方向に（例えば９０度）変えるための方向制御部を構成している。」と記載されている。また、段落[００３５]には、「保持部材３５は、反射ミラー３７が軸３６を中心として回動する前は、光源３８からの測定用光を反射しない位置である第１位置に反射ミラー３７を保持する。また、保持部材３５は、反射ミラー３７が軸３６を中心として所定角度（例えば４５度）回転して光源３８からの測定用光の進行方向を所定方向（９０度）に変える位置である第２位置まで動いた後は、反射ミラー３７を前記第２位置に保持するように機能する。と記載されている。また、段落[００３６]には、「これにより、反射ミラー３７は、前記第１位置では光源３８からの測定用光の進行方向は変えず、前記第２位置では光源３８からの測定用光の進行方向を所定方向に変えるように動作する。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２７１６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光を照射することにより立体的な対象物の形状を測定する場合、照射の方向を変更することで、光を射出する測定部の移動を抑制して測定を行うことができる。
【０００５】
特許文献１に記載された技術では、収容部内に設置されたミラーを移動させることで、照射の方向を変更している。収容部内でミラーを移動させるためには、収容部の小型化が制限される。すると、特に狭隘部を測定する際に、測定が制限される可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、距離測定装置において測定部の小型化を実現することのできる技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下の通りである。
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る距離測定装置は、測定光を出力する発光部と、前記発光部から出力された測定光の偏光を制御する偏光状態制御部と、前記偏光状態制御部により制御された前記測定光を選択的に射出する光路切り替え素子と、を備え、前記偏光状態制御部は、前記光路切り替え素子から複数方向に向かって前記測定光を射出するように偏光を制御し、前記光路切り替え素子は、対象物までの距離の測定に用いる反射光であって、該光路切り替え素子から射出した前記測定光の前記対象物に対する前記反射光を取り込むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、距離測定装置において測定部の小型化を実現させる技術を提供することができる。
【００１０】
上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態における距離測定装置の一例を示す模式図である。
【図２】光路切り替え素子の動作を説明するための図である。
【図３】第１の実施形態における測距制御機構の構成の一例を示す図である。
【図４】反射強度プロファイルから被測定物表面における反射位置を求める方法の一例を示す図である。
【図５】第１の実施形態における測距制御機構の構成の他の例を示す図である。
【図６】立体形状測定装置の一例を示す模式図である。
【図７】立体形状測定装置の他の例を示す模式図である。
【図８】立体形状測定装置の機能ブロックの一例を示す図である。
【図９】第２の実施形態における距離測定装置の一例を示す模式図である
【図１０】第２の実施形態における測距制御機構の構成の一例を示す図である。
【図１１】第２の実施形態における測距制御機構の構成の他の例を示す図である。
【図１２】第１の実施形態における各光学素子の絶対的な角度の関係を説明する図である。
【図１３】第１の実施形態における各光学素子の相対的な角度の関係を説明する図である。
【図１４】第３の実施形態における距離測定装置の一例を示す模式図である。
【図１５】第３の実施形態における各光学素子の相対的な角度の関係を簡潔に説明する図である。
【図１６】第３の実施形態における立体形状測定装置の機能ブロックの一例を示す図である。
【図１７】第４の実施形態における測定プローブ先端部の構成の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜第１の実施形態＞
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態の例を説明する。図１は、第１の実施形態における距離測定装置１０の一例を示す模式図である。本実施形態における距離測定装置１０は、測距制御機構１１０と、接続ケーブル１５０と、測定プローブ１６０とを有する。
【００１４】
測距制御機構１１０については後に詳述するが、測定プローブ１６０に対して測定光を出力する。接続ケーブル１５０は光ファイバを有し、測定光を測定プローブ１６０に導く。測定プローブ１６０は、対象物Ｔに測定光を照射し、対象物Ｔからの反射光を測距制御機構１１０へと導く装置である。
【００１５】
測定プローブ１６０は、レンズ系１６１と、回転機構１６２と、光路切り替え素子１６３と、測定プローブ先端部１６４と、偏光状態制御部１６５と、偏光状態制御部駆動装置１６６と、を有する。レンズ系１６１は、測距制御機構１１０から出力され接続ケーブル１５０に導かれた測定光を絞り、偏光状態制御部１６５へと導く。回転機構１６２は、後述する距離演算部の制御により、モーター等の駆動装置を用いて、レンズ系１６１から出力される測定光と平行な回転軸周りに光路切り替え素子１６３を回転させる。
【００１６】
光路切り替え素子１６３は、偏光状態制御部１６５によって制御された測定光を用いて、選択的に光を射出する。光路切り替え素子１６３は、光路切り替えの機能を有し、レンズ系１６１から出力される測定光の進行方向と同じ進行方向である第１の方向３００ａと、第１の方向３００ａに略直交する第２の方向３００ｂと、の少なくとも一方に向かって光を射出する。光路切り替え素子１６３は、例えば偏光方向の変化に応じて選択的に光を射出する。光路切り替え素子１６３は、例えば偏光ビームスプリッターである。
【００１７】
測定プローブ先端部１６４は、光路切り替え素子１６３を係止するとともに、光路切り替え素子１６３から射出される光を通過させる。測定プローブ先端部１６４は、例えば図１に示す下方（第１の方向３００ａ）に開口部を有する筒状であり、光を透過する材料で構成され、内壁の少なくとも一部で光路切り替え素子１６３を係止している。測定プローブ先端部１６４は、レンズ系１６１から出力される測定光と平行な回転軸周りに回転し、測定プローブ先端部１６４の回転に伴い光路切り替え素子１６３が回転する。
【００１８】
なお、測定プローブ先端部１６４の構成はこれに限られない。例えば１又は複数の支柱で光路切り替え素子１６３を係止し、支柱の駆動に伴い光路切り替え素子１６３が回転するものであってもよい。また、測定プローブ先端部１６４は、例えば透明な２層の筒からなり、内筒で光路切り替え素子１６３を係止し、光路切り替え素子１６３を回転させてもよい。
【００１９】
偏光状態制御部１６５は、距離演算部の制御により、測距制御機構１１０から出力された測定光の偏光を制御する。偏光状態制御部１６５は、例えば測定光の偏光方向を変化させる。偏光状態制御部駆動装置１６６は、偏光状態制御部１６５が測定光の偏光を変更させるために、偏光状態制御部１６５を駆動させる。偏光状態制御部１６５と偏光状態制御部駆動装置１６６については後述する。
【００２０】
測距制御機構１１０から出力された測定光は、接続ケーブル１５０及びレンズ系１６１を経由して偏光状態制御部１６５に到達し、偏光状態制御部１６５で偏光が制御される。偏光状態制御部１６５によって制御された測定光は光路切り替え素子１６３に到達する。
【００２１】
光路切り替え素子１６３から第１の方向３００ａに射出された光は、測定プローブ先端部１６４の開口部から対象物Ｔに到達する。対象物Ｔに反射又は散乱した光は、光路切り替え素子１６３、偏光状態制御部１６５、レンズ系１６１、接続ケーブル１５０の順に、射出された光の経路を逆に進行して測距制御機構１１０に到達する。測距制御機構１１０は到達した測定光を電気信号に変換し、図示しない距離演算部に伝達する。距離演算部は対象物Ｔまでの距離を算出する。
【００２２】
図１に示すように、対象物Ｔが円筒形状である場合、第１の方向３００ａへ射出された測定光を用いることにより、円筒形状の底部深さを測定することができる。
【００２３】
また、光路切り替え素子１６３から第２の方向３００ｂに射出された光は、光路切り替え素子１６３の回転に応じて回転し、測定プローブ先端部１６４の側面の開口部又は壁面を透過して対象物Ｔに照射される。対象物Ｔに反射又は散乱した光は、第１の方向３００ａに射出された光と同様に射出された経路を逆行して測距制御機構１１０に到達し、対象物Ｔまでの距離が算出される。第２の方向３００ｂへ射出された測定光を用いることにより、例えば円筒形状の側面の形状を測定することができる。
【００２４】
図２は、光路切り替え素子１６３の動作を説明するための図である。図２（Ａ１）及び（Ａ２）は、光路切り替え素子１６３に偏光ビームスプリッター１８０を用いた場合の例を示す。図２（Ａ１）は、図２の左右方向に測定光が偏光しており、図２（Ａ２）は、図２の奥行方向（紙面奥側と手前側の方向）に測定光が偏光している状態を示している。
【００２５】
図２（Ａ１）に示すように、図２の左右方向に偏光した状態で測定光が入射すると、入射した測定光は偏光ビームスプリッター１８０のプリズムを透過し、入射した測定光と同じ第１の方向３００ａに進行する。なお、対象物Ｔに反射した光は同じ経路を逆行して測距制御機構１１０に到達する。
【００２６】
また、図２（Ａ２）に示すように、図２の奥行方向に偏光した状態で測定光が偏光ビームスプリッター１８０に入射すると、入射した測定光はプリズムに反射し、測定光と略直交する第２の方向３００ｂに進行する。第１の方向３００ａに進行する光と同様に、対象物Ｔに反射した光は同じ経路を逆行して測距制御機構１１０に到達する。
【００２７】
この性質を利用し、偏光状態制御部１６５によって光路切り替え素子１６３に対して所定の角度を保つように偏光を制御すると、測定光の進行方向を第１の方向３００ａ又は第２の方向３００ｂに維持することが可能となる。即ち、偏光状態制御部１６５によって測定光の偏光を制御することにより、測定光の進行方向を第１の方向３００ａ又は第２の方向３００ｂに切り替えることができる。
【００２８】
例えば、偏光状態制御部１６５として１／２波長板を用いる。１／２波長板に入射する直線偏光状態の光の偏光方向をα、１／２波長板の主軸の方向をβとすると、出射する光の偏光方向は２β−αとなる。
回転機構１６２により回転する光路切り替え素子１６３の反射方向をγとすると、γ＝２β−αを保つように（即ち、β＝（γ＋α）／２となるように）偏光状態制御部１６５を制御することで、第１の方向３００ａに進行する光による測定を行うことができる。また、γ＝２β−α＋π／２を保つように（即ち、β＝（γ＋α）／２−π／４となるように）偏光状態制御部１６５を制御することで、第２の方向３００ｂに進行する光による測定を行うことができる。
【００２９】
測定光の進行方向の制御に関して説明を補足する。
図１２は、第１の実施形態における各光学素子の絶対的な角度の関係を説明する図である。例えば、偏光状態制御部１６５として１／２波長板３０５、光路切り替え素子１６３として偏光ビームスプリッター１８０を用いる。１／２波長板３０５に入射する直線偏光の振動方向の角度をα、１／２波長板３０５の主軸の方向をβとすると、出射する直線偏光の振動方向の角度は２β−αとなる。なお、角度αおよびβ、さらに後述する角度γは、第１の方向３００ａ（座標軸ｚと平行）に直交する座標軸ｘを基準とした絶対的な回転角度とする。
回転機構１６２により回転する偏光ビームスプリッター１８０が光を反射させる方向の角度をγとする。ここでγは、角速度ωと時間tと初期角度γ０を用いることでγ＝ωt＋γ０と表現することができる。このとき、γ＝２β−αを保つように（即ち、β＝（γ＋α）／２となるように）１／２波長板３０５を制御することで、第１の方向３００ａに進行する光による測定を行うことができる（図１２（Ａ））。また、γ＝２β−α＋π／２を保つように（即ち、β＝（γ＋α）／２−π／４となるように）１／２波長板３０５を制御することで、第２の方向３００ｂに進行する光による測定を行うことができる（図１２（Ｂ））。
図１３は、第１の実施形態における各光学素子の相対的な角度の関係を説明する図である。ここでは、測定光の振動方向角度と、１／２波長板の主軸の角度と、光路切り替え素子１６３の相対的な角度の関係について説明する。例えば、偏光状態制御部１６５として１／２波長板３０５、光路切り替え素子１６３として偏光ビームスプリッター１８０を用いる。偏光ビームスプリッター１８０は、入射面３０９に平行な振動方向を持つ直線偏光を透過（即ち第１の方向３００ａの方向に出射）し、入射面３０９に対してπ／２の角度を成す振動方向を持つ直線偏光を反射（即ち第２の方向３００ｂの方向に出射）する。１／２波長板３０５は、入射する直線偏光の振動方向が１／２波長板３０５の主軸と成す角度の２倍分、直線偏光の振動方向を傾けて出射する。
ここで、入射面３０９が、１／２波長板３０５に入射する第１の測定光振動方向３０６ａに対して相対角度θの傾きを持っている場合を考える。
図１３（Ａ）に示すように、測定光を第１の方向３００ａに照射する場合には、１／２波長板３０５の主軸３０８が、１／２波長板３０５に入射する第１の測定光振動方向３０６ａに対してθ／２の角度を保つように１／２波長板３０５を制御することで、１／２波長板３０５から出射する測定光振動方向３０７が入射面３０９に対して平行を保つようにする。
また、図１３（Ｂ）に示すように、測定光を第２の方向３００ｂに照射する場合には、１／２波長板３０５の主軸３０８が、１／２波長板３０５に入射する第１の測定光振動方向３０６ａに対してθ／２＋π／４の角度を保つように１／２波長板３０５を制御することで、１／２波長板３０５から出射する測定光振動方向３０７が入射面３０９に対してπ／２の角度を保つようにする。
【００３０】
なお、先述したように、１／２波長板３０５を偏光状態制御部駆動装置１６６で回転することにより、偏光状態制御部１６５の制御が可能となる。
【００３１】
図２の説明に戻る。また、他の例として、偏光状態制御部１６５に液晶素子を用いることができる。偏光状態制御部駆動装置１６６により、液晶素子に印加する電圧を制御し、液晶素子の旋光性を制御することにより、偏光状態制御部１６５は出力する測定光の偏光方向を変更することができる。
【００３２】
また、他の例として、レンズ系１６１からランダム偏光又は円偏光の偏光成分を有する測定光を出射し、偏光状態制御部１６５に偏光板を用い、偏光状態制御部駆動装置１６６で偏光板を回転させることにより、測定光の偏光方向を制御してもよい。この場合、偏光板の主軸の方向をβとすると、光路切り替え素子１６３の反射方向のγに対し、β＝γ又はβ＝γ−π／２となるように偏光板の方向を制御する。これにより、光路切り替え素子１６３から出射される光の方向を第１の方向３００ａ又は第２の方向３００ｂに切り替えることができる。
【００３３】
また、他の例として、偏光状態制御部１６５にファイバ型偏光制御素子を用いることができる。偏光状態制御部駆動装置１６６により、光ファイバにねじれや圧迫を加えれば、複屈折の誘起により、偏光状態制御部１６５から出力される測定光の偏光方向を制御することができる。
【００３４】
図２（Ｂ１）及び図２（Ｂ２）は、複屈折板１８１とミラー１８２との組合せを光路切り替え素子１６３に用いた場合の例を示す。図２（Ｂ１）は、図２の奥行方向に測定光が偏光しており、図２（Ｂ２）は、図２の左右方向に測定光が偏光している状態を示している。
【００３５】
複屈折板１８１は、測定光の偏光状態に応じて光路をシフトさせる性質を有している。例えば図２（Ｂ１）及び図２（Ｂ２）に示すように、図２の奥行方向に偏光した測定光を直進させ、図２の左右方向に偏光した測定光の光路をシフトするように複屈折板１８１を設置する。また、複屈折板１８１によりシフトした光路上にミラー１８２を配置することにより、シフトした測定光の出射方向を変更する。
【００３６】
これにより、図２（Ａ１）又は図２（Ａ２）に示す場合と同様に、レンズ系１６１から出射される測定光と同じ光軸を有する第１の方向３００ａか、又は第１の方向３００ａと光軸の異なる第２の方向３００ｂか、に選択的に光を出射することができる。なお、図２（Ａ１）及び図２（Ａ２）に示す場合と、複屈折板を光路切り替え素子１６３に用いる図２（Ｂ１）及び図２（Ｂ２）に示す場合とでは、偏光方向と光の出射方向とが反対の関係にある。
【００３７】
本実施形態によれば、光路切り替え素子１６３から異なる方向に測定光を出射することができるため、測定プローブ先端部１６４を小型化することができる。例えば、測定プローブ先端部１６４にミラーを設置し、ミラーを駆動させることにより測定光の出射方向を異ならせる場合に比べ、測定プローブ先端部１６４内にミラーを駆動させるスペースを必要とせず、効率的に測定に用いる箇所を構成することが可能となる。
【００３８】
図３は、第１の実施形態における測距制御機構１１０の構成の一例を示す図である。図３に示す測距制御機構１１０は、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Waves）又はＳＳ−ＯＣＴ（Swept-Source Optical Coherence Tomography）（あるいは波長掃引ＯＣＴ）を用いて対象物Ｔとの距離を測定する。なお、ＦＭＣＷは主に可干渉距離の長い光源を用いる長距離の計測に用いられ、ＳＳ−ＯＣＴは主に可干渉距離の短い光源を用いる微細構造の測定に用いられるが、基本原理は共通している。
【００３９】
図３に示す測距制御機構１１０は、先述の測定プローブ１６０の他、制御装置２１０と、表示装置２２０とに接続されている。制御装置２１０は、測距制御機構１１０から受信した情報を用いて対象物Ｔとの距離を算出する距離演算部を備える。表示装置２２０は、測定結果を出力する。距離演算部は、測距制御機構１１０が有していてもよい。また、制御装置２１０は、測定プローブ１６０と直接通信可能に接続されていてもよい。
【００４０】
測距制御機構１１０は、レーザー光源１０１と、発振機１０２と、光ファイバカプラ１０３・１０４・１０６・１１４と、光ファイバ１０５と、受光器１０７・１０９と、サーキュレーター１０８と、参照ミラー１１２と、光スイッチ１１３ａ・１１３ｂと、測距制御機構制御部１１１と、を有する。
【００４１】
測距制御機構制御部１１１は、発振機１０２に対して掃引波形信号を送信する。発振機１０２は、レーザー光源１０１に対して三角波電流を注入し、駆動電流を変調する。結果として、レーザー光源１０１は、一定の変調速度で時間的に周波数掃引されたＦＭ（Frequency Modulated）光を発生する。
【００４２】
なお、レーザー光源１０１を外部共振器付き半導体レーザー装置として構成し、レーザー光源１０１の共振波長を発振機１０２からの三角波状の制御信号により変化させてもよい。その結果、レーザー光源１０１から時間的に周波数掃引されたＦＭ光が発生する。
【００４３】
発生したＦＭ光を光ファイバカプラ１０３で分割する。なお、光ファイバカプラ１０３・１０４・１１４はビームスプリッターであってもよい。分割された光の一方は参照光学系へと導光され、光ファイバカプラ１０４にてさらに分割される。
【００４４】
分割された光は光ファイバ１０５にて一定の光路差を設けた後、光ファイバカプラ１０６にて合波され、受光器１０７に受光される。これは、マッハツェンダー干渉計の構成となっており、受光器１０７では光路差に比例した一定のビート信号が発生する。
【００４５】
光ファイバカプラ１０３で分割された光の他方は、サーキュレーター１０８を通過し、光ファイバカプラ１１４によって分岐され、一方は参照ミラー１１２に反射して参照光となり、他方は測定プローブ１６０から対象物Ｔに照射される。図３に示す測距制御機構１１０は、光スイッチ１１３ａ・１１３ｂを有しているが、これらについては後述する。
【００４６】
対象物Ｔに反射した光が接続ケーブル１５０を介して測距制御機構１１０に戻る。戻った測定光は光スイッチ１１３ａ・１１３ｂを通過し、参照ミラー１１２に反射された参照光と光ファイバカプラ１１４で合流し、サーキュレーター１０８により受光器１０９に導光される。参照光と測定光との干渉により発生するビート信号が検出される。
【００４７】
測距制御機構制御部１１１は、受光器１０７で受光された参照ビート信号をサンプリングクロックとして、受光器１０９で受光された測定ビート信号をＡ／Ｄ変換する。又は、参照ビート信号と測定ビート信号とを一定のサンプリングクロックでサンプリングする。
【００４８】
より具体的には、参照ビート信号は、ヒルベルト変換を行うことにより、９０度位相のずれた信号を作り出すことができる。ヒルベルト変換の前後の参照信号から、信号の局所位相を求めることが可能であるため、この位相を補間することで、参照信号が一定の位相となるタイミングを求めることができる。
【００４９】
このタイミングに合わせて、測定ビート信号を補間サンプリングすることで、参照信号を基準として測定信号をリサンプリングすることが可能となる。または、測距制御機構制御部１１１の有するＡＤ／ＤＡ変換機で参照ビート信号をサンプリングクロックとして測定信号をサンプリングしてＡ／Ｄ変換しても、同様の効果を奏する。
【００５０】
ビート信号の解析に関し、測定光と参照光との受光器１０９への到達時間には差Δｔがあるが、この間に光源の周波数が変化しているので、これによる周波数差に等しいビート周波数ｆｂのビート信号が検出される。周波数掃引幅をΔνとし、Δνだけ変調するのに要する時間をＴとすると、次式の関係がある。
【００５１】
【数１】
2018205301.tif 000003
【００５２】
測定対象までの距離Ｌは、Δｔの間に光が進む距離の半分なので、大気中の光速度ｃを用いて、次式のように算出できる。
【００５３】
【数２】
2018205301.tif 000004
【００５４】
測距制御機構制御部１１１において得られた測定信号をＦＦＴ（First Fourier Transform：高速フーリエ変換）して、ピーク位置と大きさを求めると、対象物Ｔの反射位置と反射光量にそれぞれ対応する。ＯＣＴ装置においては、生体などの半透明体の散乱位置と散乱の大きさの可視化が望まれるため、ＦＦＴの振幅スペクトルをそのまま用いることができる。本実施形態では、対象物Ｔの表面の位置を正確に求めるため、図４に示すような補間を行って距離検出分解能を高める。
【００５５】
図４は、反射強度プロファイルから被測定物表面における反射位置を求める方法の一例を示す図である。本図の横軸がＦＦＴの周波数軸、縦軸が反射強度とすると、ピーク付近は本図に示すような離散的なデータとなる。点の間隔、即ち距離分解能は、ｃ／２Δνとなる。ＳＳ−ＯＣＴとして一般的な波長１３００ｎｍ、掃引幅１００ｎｍに対してΔν＝１７．８ＴＨｚなので、距離分解能ｃ／２Δν＝８．４μｍとなる。
【００５６】
また、ＦＭＣＷに対して一般的な波長１５００ｎｍ、掃引幅２ｎｍに対しては、Δν＝２６７ＧＨｚなので、距離分解能ｃ／２Δν＝０．５６ｍｍとなる。これに対し、図４に示すように頂点付近の３点以上の点を用いて、二次関数又はガウス関数といった関数を当てはめ、当てはめられた関数のピークを用いると、分解能を１／１０程度に高めることが可能となる。
【００５７】
説明を図３に戻す。ここで、光スイッチ１１３ａ・１１３ｂについて説明する。参照光と測定光との干渉によるビート信号を得るためには、光ファイバカプラ１１４から参照ミラー１１２までの光路長と、光ファイバカプラ１１４から対象物Ｔまでの光路長の差が、レーザー光源１０１の可干渉距離以下である必要がある。これを防ぐため、光ファイバカプラ１１４から対象物Ｔまでの距離に応じて光スイッチ１１３ａと光スイッチ１１３ｂとを同時に切り替えて、各スイッチ間の光ファイバの長さを変更する。
【００５８】
また、光ファイバカプラ１１４から参照ミラー１１２までの光路長と、光ファイバカプラ１１４から対象物Ｔまでの光路長の差が長すぎる場合、即ち可干渉距離が長い場合にも、ビート周波数が高くなりすぎて受光器１０９で検出できなくなる。そのため、ビート周波数が受光器１０９で検出可能な周波数となるように、光スイッチ１１３ａと光スイッチ１１３ｂとを同時に切り替え、各スイッチ間の光ファイバの長さを変更する。
【００５９】
なお、図３では、切り替える光ファイバは２本であるが、測定対象の範囲に応じて３本以上の光ファイバを設置し、長さを切り替えるものであってもよい。また、切り替えるタイミングは、一定であってもよいし、対象物Ｔの光路切り替え素子１６３からの距離等の状況に応じて変更するものであってもよい。例えば、光路切り替え素子１６３の回転に同期して、１回転ごとに光スイッチ１１３ａ及び光スイッチ１１３ｂを切り替えてもよい。
【００６０】
また、光路には光ファイバを用いるものとして説明しているが、一旦光ファイバーコリメーター等を用いて自由空間を伝播する光とし、光をミラー等で切り替えたり、ミラーを移動させたりして光路長を変更してもよい。
【００６１】
また、分岐に用いる光ファイバカプラ１１４と参照ミラー１１２との間の光路に光スイッチ１１３ａ・１１３ｂを設け、同様に光スイッチ１１３ａ・１１３ｂの間の光ファイバの長さを切り替えてもよい。なお、光スイッチ１１３ａ・１１３ｂは、測距制御機構制御部１１１により切り替えを制御される。
【００６２】
なお、図３において、光ファイバカプラ１１４から光スイッチ１１３ｂまでの光路は測距制御機構１１０に設置されている。しかしながら、これらの光路は、測距制御機構１１０でなく、測定プローブ１６０内に設置されてもよい。
【００６３】
また、測距制御機構１１０を用いて行われる距離測定方法は、上述の例に限られない。例えば、ＴＯＦ（Time Of Flight）法のように、パルス又はバースト状の光を対象物Ｔに照射し、パルス又はバーストが受光されるまでの時間を測定する方法、Ｐｈａｓｅ・Ｓｈｉｆｔ法、又は光コム測距法のように連続的に強度変調された光を対象物Ｔに照射して、受光した信号の位相を測定する方法が使用できる。また、焦点ずれを測定することにより距離を測定してもよいし、白色共焦点法、非点収差法、ナイフエッジ法、コノスコピックホログラフィ法を使用することもできる。
【００６４】
図５は、第１の実施形態における測距制御機構１１０の構成の他の例を示す図である。図５に示す測距制御機構１１０は、測距の原理として、ＳＤ−ＯＣＴ（Spectral Domain-Optical Coherence Tomography）（又は周波数ドメインＯＣＴ）を用いた構成例である。測距制御機構１１０は、サーキュレーター１０８と、光ファイバカプラ１１４と、参照ミラー１１２と、測距制御機構制御部１１１との他、広帯域光源１１５と、分光器１１６と、を有する。
【００６５】
広帯域光源１１５で生成された測定光は、光ファイバを経由してサーキュレーター１０８に到達する。サーキュレーター１０８から導出された測定光は光ファイバカプラ１１４により分割され、分割された測定光の一部が測定プローブ１６０を介して対象物Ｔに対して出射される。分割された測定光の一部は参照光として参照ミラー１１２に反射される。対象物Ｔに反射した測定光は測定プローブ１６０を経由して測距制御機構１１０に戻り、参照ミラー１１２に反射した反射光と光ファイバカプラ１１４で合流し、サーキュレーター１０８を経由して分光器１１６にて検出される。
【００６６】
検出される光のスペクトルは、横軸を光の波数、縦軸を強度とすると、対象物Ｔと参照ミラー１１２との間の光路長の差に比例した周波数の振動を示す。そのため、本図に示す測距制御機構制御部１１１は、この周波数を解析することで距離測定を実現する。
【００６７】
測距制御機構１１０の構成のさらに他の例について説明する。測距制御機構１１０は、測距に白色共焦点法を用いた構成を採用することが可能である。その場合、測距制御機構１１０は、図５に示す参照ミラー１１２と光ファイバカプラ１１４を含まず、代わりにレンズ系１６１に意図的に色収差が生じるように構成する。また、測定光の波長によって焦点位置が異なるような測定プローブ１６０を用いる。
【００６８】
この場合、対象物Ｔに反射又は散乱した光はレンズ系１６１で再度集光されて測距制御機構１１０に戻る際に、対象物Ｔとの距離で焦点が合う波長のみが捕捉される。即ち、分光器１１６でこの光を検出し、スペクトルがピークとなる波長を測距制御機構制御部１１１で算出すると、対象物Ｔの測距が実現できる。本構成例によれば、ＦＦＴを行わずとも、検出されたスペクトルデータそのものを図４に示すデータとして得ることができる。
【００６９】
図６は、立体形状測定装置２０の一例を示す模式図である。本実施形態における立体形状測定装置２０は、距離測定装置１０の機能を用いて対象物Ｔの立体形状を測定する。立体形状測定装置２０は、移動機構を有する。移動機構は、ＸＺ軸移動機構２５１と、Ｙ軸移動機構２５２と、を有する。ＸＺ軸移動機構２５１には、測定プローブ１６０が設置される。図６に示すＸＺ軸移動機構２５１には、測定プローブ１６０を有する距離測定装置１０が設置されている。
【００７０】
ＸＺ軸移動機構２５１は、Ｘ軸方向（図６に示す左右方向）及びＺ軸方向（図６に示す上下方向）に移動する。ＸＺ軸移動機構２５１は測定プローブ１６０を支持しており、ＸＺ軸移動機構２５１の移動に伴って測定プローブ先端部１６４が移動する。Ｙ軸移動機構２５２は、門型の構造物あって、Ｙ軸方向（図６に示す奥行方向）に移動する。Ｙ軸移動機構２５２は、ＸＺ軸移動機構２５１を支持しており、Ｙ軸移動機構２５２の移動に伴い、ＸＺ軸移動機構２５１に指示された測定プローブ先端部１６４が移動する。
【００７１】
なお、移動機構の構成はこれに限られず、測定プローブ先端部１６４を３軸方向に移動させるものであれば方法を問わない。例えば、測距制御機構１１０をＸＺ軸移動機構２５１に設置せず、測定プローブ１６０のみをＸＺ軸移動機構２５１に設置することにより、測定プローブ先端部１６４を３軸方向に移動させてもよい。
【００７２】
本実施形態における立体形状測定装置２０は、３次元測定器において用いられる一般的な軸構成を有しているが、３次元測定器のプローブの代わりに本実施形態の距離測定装置１０の測定プローブ１６０を設置することで、高機能な非接触型形状測定を実現することが可能となる。
【００７３】
また、一般的な３軸加工器では、Ｚ軸は工具側、Ｘ軸及びＹ軸は対象物Ｔ側に設けることが多く、その構成は図６に示す立体形状測定装置２０の構成とは異なる。しかしながら、３軸加工器において本実施形態における測定プローブ１６０を設置することで、加工機上オンマシン測定を実現することが可能となる。
【００７４】
また、多自由度系ロボットに本実施形態の測定プローブ１６０を設置し、測定プローブ先端部１６４を移動させることにより、より自由度の高い測定を可能とする立体形状測定装置２０を構成することができる。
【００７５】
図７は、立体形状測定装置２０の他の例を示す模式図である。図６に示す立体形状測定装置２０と異なる点を説明する。図７に示す立体形状測定装置２０の有する移動機構は、ＸＺ軸移動機構２５１と、Ｙ軸移動機構２５２の他、回転機構２５６を有する。回転機構２５６は構造物２５４に支持された回転軸２５３により係止され、回転軸２５３周りに回転する。また、回転機構２５６は、回転軸２５３に直交する図示しない回転軸であって、図７に示すＺ軸方向に延伸する回転軸周りに回転する。
【００７６】
回転機構２５６には試料台２５５が設置されており、試料台２５５は回転機構２５６の回転に伴い回転する。これにより、試料台２５５に設置された対象物Ｔが移動する。本構成により、対象物Ｔの２自由度の姿勢を制御することができる。
【００７７】
即ち、図７に示す立体形状測定装置２０は、ＸＺ軸移動機構２５１及びＹ軸移動機構２５２を用いて測定プローブ１６０と対象物Ｔとの間の相対位置３自由度を制御できるだけでなく、回転機構２５６を用いて相対位置２自由度を制御することができ、合計５自由度の制御が可能となる。これにより、対象物Ｔのあらゆる箇所をあらゆる方向から測定することができる。
【００７８】
なお、一般的な５軸加工器において、測定プローブ１６０を設置することで、加工機上オンマシン測定を実現することが可能となる。付言すると、加工機によって自由度の数や構成が異なるため、本実施形態における立体形状測定装置２０は、図６及び図７に示す構成に限定されるものではない。
【００７９】
図８は、立体形状測定装置２０の機能ブロックの一例を示す図である。立体形状測定装置２０は、演算部２６０と、測距制御機構１１０と、測定プローブ１６０と、表示部２８０と、移動機構２５０と、を備える。測距制御機構１１０と測定プローブ１６０とは、上述の例と同様である。演算部２６０は、図示しないＣＰＵ(Central Processing Unit)等の演算装置を用いて、立体形状測定処理全体を統括的に制御する。表示部２８０は、測定結果を出力する装置であって、上述の表示装置２２０と同様の機能を有する。
【００８０】
演算部２６０は、距離演算部２６１と、形状算出部２６２と、移動機構制御部２６３とを備える。距離演算部２６１は、測距制御機構１１０により取り込まれた測定ビート信号と参照ビート信号を解析し、距離に変換する。また、距離演算部２６１は、測定プローブ１６０を制御し、測定プローブ先端部１６４の回転角度と、該回転に同期した偏光光の偏光状態を制御する。
【００８１】
形状算出部２６２は、距離演算部２６１により通知されるデータを用いて、対象物Ｔの形状を測定する。距離演算部２６１により通知されるデータには、測定光の検出方向のデータが含まれる。形状算出部２６２により測定された情報は、表示部２８０を介して出力される。
【００８２】
移動機構制御部２６３は、移動機構２５０を制御し、測定プローブ１６０と対象物Ｔとの間の相対位置を制御する。移動機構制御部２６３により制御された対象物Ｔの位置や姿勢は、距離演算部２６１に通知される。なお、演算部２６０は、測距制御機構１１０や測定プローブ１６０内に設置されてもよい。
【００８３】
＜第２の実施形態＞
【００８４】
次に、第２の実施形態における距離測定装置３０について説明する。
【００８５】
図９は、第２の実施形態における距離測定装置３０の一例を示す模式図である。以下、第１の実施形態と異なる点を説明する。本実施形態における距離測定装置３０は、偏光状態制御部駆動装置１６６と偏光状態制御部１６５とを有しない点で、第１の実施形態における距離測定装置１０と異なる。本実施形態における距離測定装置３０は、測定光の偏光状態ではなく、波長を用いることにより、測定光の出射方向の切り替えを行う。
【００８６】
測距制御機構１１０を出射した測定光は、レンズ系１６１を経由して光路切り替え素子１６３に導入される。
【００８７】
図２（Ｃ１）及び図２（Ｃ２）は、第２の実施形態における光路切り替え素子１６３の動作を説明するための図である。図２（Ｃ１）及び図２（Ｃ２）は、光路切り替え素子１６３にダイクロイックミラー１８３を用いた場合の例を示す。なお、ダイクロイックミラー１８３は、ダイクロイックプリズムであってもよい。
【００８８】
ダイクロイックミラー及びダイクロイックプリズムは、ある波長を境界として、境界より長い波長の光を反射し、短い波長の光を透過する。又は、境界より短い波長の光を反射し、長い波長の光を透過する。図２（Ｃ１）は、測定光が透過している状態を示している。測定光は、第１の方向３００ａに進行している。図２（Ｃ２）は、測定光が反射している状態を示している。測定光は、該測定光と略直交する第２の方向３００ｂに進行している。即ち、光路切り替え素子１６３にダイクロイックミラー１８３を用いることにより、異なる方向に測定光を出射することが可能となる。
【００８９】
なお、第１の実施形態と同様に、本実施形態における光路切り替え素子１６３は、対象物Ｔに反射した光を取り込み、出射の経路を逆行して測距制御機構１１０へと導く。
【００９０】
図１０は、第２の実施形態における測距制御機構１１０の構成の一例を示す図である。本態様における測距制御機構１１０は、光ファイバカプラ１０３・１０４・１０６・１１４と、光ファイバ１０５と、受光器１０７・１０９と、サーキュレーター１０８と、参照ミラー１１２と、光スイッチ１１３ａ・１１３ｂと、測距制御機構制御部１１１と、のほか、レーザー光源１０１ａ・１０１ｂと、発振機１０２ａ・１０２ｂと、光ファイバ切り替え器１９１と、を有する。
【００９１】
レーザー光源１０１ａ及びレーザー光源１０１ｂとは、各々波長が異なる。発振機１０２ａはレーザー光源１０１ａを、発振機１０２ｂはレーザー光源１０１ｂを、各々発振する。なお、レーザー光源１０１ａ及びレーザー光源１０１ｂを一つの発振機１０２で発振してもよい。
【００９２】
発振機１０２ａ及び発振機１０２ｂから出射された光は、光ファイバ切り替え器１９１により選択的に制御される。光ファイバ切り替え器１９１は、測距制御機構制御部１１１により制御される。なお、光ファイバ切り替え器１９１に代えて、異なる波長の光を一つの光ファイバに合流させる素子を用いてもよい。例えば、いわゆるＷＤＭ(Wavelength Division Multiplexing)カプラを用いることができる。この場合、レーザー光源１０１ａからの光か、又はレーザー光源１０１ｂからの光かを測距制御機構制御部１１１に選択させることにより、測定光の波長を選択することができる。
【００９３】
本態様の測距制御機構１１０を用いることにより、波長の異なる光を光路切り替え素子１６３に選択的に入射することができる。その結果、光路切り替え素子１６３から、第１の方向３００ａ又は第２の方向３００ｂに選択的に測定光が出射される。
【００９４】
図１１は、第２の実施形態における測距制御機構１１０の構成の他の例を示す図である。本態様における測距制御機構１１０は、２式のＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ａ・１７１ｂを有している。ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ａ・１７１ｂは、各々、レーザー光源１０１と、発振機１０２と、光ファイバカプラ１０３・１０４・１０６と、光ファイバ１０５と、受光器１０７・１０９と、サーキュレーター１０８と、を有している。ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ａと、ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ｂとによるレーザーダイオードは、波長域が異なる。
【００９５】
また、本態様における測距制御機構１１０は、ＷＤＭカプラ１９２を有している。ＷＤＭカプラ１９２は、ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ａと、ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ｂとから出射された光を合流し、光ファイバカプラ１１４に入射させる。
【００９６】
本構成により、２種類の波長域の測定光を同時に生成する。その結果、光路切り替え素子１６３から第１の方向３００ａと第２の方向３００ｂへと同時に測定光が出射される。反射光の測定ビート信号と参照ビート信号とを、ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ａと、ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ｂとの各々の有する受光器１０７及び受光器１０９で検出し、測距制御機構制御部１１１で２セットの信号を並行して処理する。これにより、第１の方向３００ａと、第２の方向３００ｂとの距離測定を並行して行うことができる。
【００９７】
以上、第１の実施形態及び第２の実施形態では、測定光の性質と光路切り替え素子１６３との組合せにより、光路切り替え素子１６３から異なる２方向に測定光を出力する。これにより、測定プローブ先端部１６４においてミラーを可動させる等の構成を必要とせず、測定に用いる構成を小型化することが可能となる。
【００９８】
＜第３の実施形態＞
【００９９】
次に、第３の実施形態における距離測定装置４０について説明する。
【０１００】
図１４は、第３の実施形態における距離測定装置４０の一例を示す模式図である。以下、第１の実施形態と異なる点を説明する。本実施形態における距離測定装置３０は、測距制御機構１１０の後段に、偏光安定化装置３０１と直線偏光切り替えスイッチ３０２を備える。本実施形態では、偏光状態制御部１６５として１／２波長板を用いる。
【０１０１】
偏光安定化装置３０１は、入力された測定光の偏光状態を一定方向に振動する直線偏光に安定化させて出力する機能を持つ。直線偏光切り替えスイッチ３０２は、内蔵する液晶素子への電圧の印加によって、入力された測定光の直線偏光の方向をπ／２回転させて出力する機能を持つ。なお、偏光安定化装置３０１と直線偏光切り替えスイッチ３０２は、所望の振動方向を持つ直線偏光を出力するために用いており、一般的な偏光状態解析器と偏光状態発生器の組合せでも実現できる。
【０１０２】
ここで、直線偏光切り替えスイッチ３０２に電圧を印加しない場合（オフ）の、１／２波長板に入射する直線偏光の振動方向の角度をαとすると、直線偏光切り替えスイッチ３０２に電圧を印加した場合（オン）に出射される直線偏光の振動方向の角度はα＋π／２となる。なお、角度α、さらに後述する角度βおよびγは、第１の方向３００ａ（座標軸ｚと平行）に直交する座標軸ｘを基準とした絶対的な回転角度とする。
【０１０３】
ここで、回転機構１６２により回転する光路切り替え素子１６３が光を反射させる方向の角度をγとし、１／２波長板の主軸の方向をβとする。このとき、直線偏光切り替えスイッチ３０２に電圧を印加せずに、γ＝２β−αを保つように（即ち、β＝（γ＋α）／２となるように）１／２波長板を制御することで、第１の方向３００ａに進行する光による測定を行うことができる。また、直線偏光切り替えスイッチ３０２に電圧を印加し、１／２波長板をγ＝２β−αの角度を保つように制御することで、第２の方向３００ｂに進行する光による測定を行うことができる。
【０１０４】
図１５は、第３の実施形態における各光学素子の相対的な角度の関係を説明する図である。ここでは、測定光の振動方向角度と、１／２波長板の主軸の角度と、光路切り替え素子１６３の相対的な角度の関係について説明する。例えば、偏光状態制御部１６５として１／２波長板３０５、光路切り替え素子１６３として偏光ビームスプリッター１８０を用いる。偏光ビームスプリッター１８０は、入射面３０９に平行な振動方向を持つ直線偏光を透過（即ち第１の方向３００ａの方向に出射）し、入射面３０９に対してπ／２の角度を成す振動方向を持つ直線偏光を反射（即ち第２の方向３００ｂの方向に出射）する。１／２波長板３０５は、入射する直線偏光の振動方向が１／２波長板３０５の主軸と成す角度の２倍分、直線偏光の振動方向を傾けて出射する。
【０１０５】
ここで、入射面３０９が、１／２波長板３０５に入射する第１の測定光振動方向３０６ａに対して相対角度θの傾きを持っている場合を考える。
【０１０６】
図１５（Ａ）に示すように、測定光を第１の方向３００ａに照射する場合には、まず直線偏光切り替えスイッチ３０２をオフすることによって、１／２波長板３０５に入射する測定光振動方向を、第１の測定光振動方向３０６ａに切り替える。このとき、１／２波長板３０５の主軸３０８の角度が、１／２波長板３０５に入射する第１の測定光振動方向３０６ａに対してθ／２の角度を保つように１／２波長板３０５を制御することで、１／２波長板３０５から出射する測定光振動方向３０７が入射面３０９に対して平行を保つようにする。
【０１０７】
また、図１５（Ｂ）に示すように、測定光を第２の方向３００ｂに照射する場合には、まず直線偏光切り替えスイッチ３０２をオンすることによって、１／２波長板３０５に入射する測定光振動方向を、第１の測定光振動方向３０６ａから第２の測定光振動方向３０６ｂに切り替える。このとき、１／２波長板３０５の主軸３０８の角度が、図１３（Ａ）の場合と同じ角度（即ち第２の測定光振動方向３０６ｂに対する１／２波長板３０５の主軸３０８の角度がθ／２＋π／２）となるように制御することで、１／２波長板３０５から出射する測定光振動方向３０７が入射面３０９に対してπ／２の角度を保つようにする。
【０１０８】
つまり、第３の実施形態によれば、１／２波長板３０５の主軸３０８の角度は、測定方向によらず一定となるため、偏光状態制御部駆動装置１６６の制御を簡易にすることができる。また、偏光状態制御部駆動装置１６６の機械的な動作を伴わずに、直線偏光切り替えスイッチ３０２の電気的な制御によって測定方向を変更することで、高速な測定方向の切り替えが可能となる。これにより計測時間の大幅な短縮が実現する。
【０１０９】
第１の実施形態においては、偏光状態制御部駆動装置１６６として、一般的なサーボモータを用いて、第１の方向３００ａから第２の方向３００ｂへと測定方向の変更を行うことができる。例えば、回転速度５００ｒｐｍのサーボモータを用いた場合には、サーボモータを−π／４回転させるため、少なくとも約１００ミリ秒程度の測定方向切り替え時間を要することになる。
【０１１０】
これに対して、一般的な直線偏光切り替えスイッチ３０２による測定方向の切り替え速度は約０．１ミリ秒以下程度であるため、第３の実施形態で示す構成によって高速な測定方向切り替えが可能となる。
【０１１１】
図１６は、第３の実施形態における立体形状測定装置５０の機能ブロックの一例を示す図である。以下、第１の実施形態と異なる点を説明する。立体形状測定装置５０は、図８に示す立体形状測定装置２０の機能に加え、偏光切り替え部３１０を備える。
【０１１２】
偏光切り替え部３１０は、測定光の偏光状態を直線偏光に保ち、測定方向によって偏光状態を切り替える装置であって、切り替えた直線偏光を測定プローブ１６０に伝送する。偏光切り替え部３１０は、偏光安定化装置３０１と直線偏光切り替えスイッチ３０２に相当する。偏光切り替え部３１０（直線偏光切り替えスイッチ３０２）は、ユーザの手動操作によって測定方向を切り替えてもよいし、距離演算部２６１からの制御によって測定方向を切り替えてもよい。
【０１１３】
＜第４の実施形態＞
【０１１４】
図１７は、第４の実施形態における測定プローブ先端部１６４の構成の例を示す図である。測定プローブ先端部１６４は、光路切り替え素子１６３に加え、１つ又は２つの集光レンズ系３０４を備える。
【０１１５】
レンズ系１６１によって集光状態を整形された測定光３０３は、光路切り替え素子１６３の前又は後ろに位置する集光レンズ系３０４によって集光される。例えばレンズ系１６１によって測定光３０３を平行光に整形した場合には、測定光３０３の集光位置は集光レンズ系３０４によって決定される。
【０１１６】
図１７（Ａ）の例では、偏光状態制御部１６５と光路切り替え素子１６３の間に集光レンズ系３０４が配置されている。この場合、第１の方向３００ａ及び第２の方向３００ｂのいずれの方向への測定光も、同じ焦点距離で集光される。後述の図１７（Ｂ）と比べると、使用する集光レンズ系３０４が１つであるため、製作が簡易で測定プローブ先端部１６４の小径化が可能となる。
【０１１７】
図１７（Ｂ）の例では、光路切り替え素子１６３と測定対象Ｔの間に、異なる測定方向（第１の方向３００ａ及び第２の方向３００ｂ）にそれぞれ集光レンズ系３０４が配置されている。この場合、第１の方向３００ａ及び第２の方向３００ｂのいずれの方向への測定光も同じ焦点距離に集光されるように各集光レンズ系３０４を構成してもよいし、それぞれ異なる焦点距離に集光されるように各集光レンズ系３０４を構成してもよい。例えば対象物Ｔまでの測定方向別の距離ａおよびｂが大きく異なる場合には、それぞれの距離に応じた焦点距離を選択することが可能となる。
【０１１８】
焦点距離の異なる複数の測定プローブ先端部１６４を用意し、測定プローブ先端部１６４を測定プローブ１６０に対して着脱交換可能に構成してもよい。例えば、対象物Ｔの穴径に応じて測定プローブ先端部１６４を交換することで、測定光３０３の集光位置を測定対象Ｔまでの距離に適応するように調整することが可能となる。
【０１１９】
なお、上述の第１〜第３実施形態では、レンズ系１６１に、例えば電動式の焦点可変レンズのような焦点可変機構を持たせることで、対象物Ｔへの測定距離に応じて測定光の焦点位置を調整することができる。これに対して、第４実施形態では、測定プローブ先端部１６４を着脱交換可能とすることで、焦点可変機構をレンズ系１６１に持たせる必要がなくなる。
【０１２０】
Ｚ軸方向の長さの異なる複数の測定プローブ先端部１６４を用意し、測定プローブ先端部１６４を測定プローブ１６０に対して着脱交換可能に構成してもよい。例えば、対象物Ｔの穴の深さに応じて測定プローブ先端部１６４を交換することで、測定対象Ｔに確実に測定光が届くように調整することが可能となる。
【０１２１】
また、仕様が同じ複数の測定プローブ先端部１６４を用意し、測定プローブ先端部１６４を測定プローブ１６０に対して着脱交換可能に構成してもよい。このようにすれば、測定プローブ先端部１６４が破損した際に、測定プローブ１６０全部を修理するのではなく、測定プローブ先端部１６４のみ交換することができる。
【０１２２】
さらに、測定プローブ先端部１６４と測定プローブ１６０の接合部には、光路切り替え素子１６３と偏光状態制御部１６５の相対的な位置関係を拘束可能な構造を持たせることで、交換時の調整を簡易化することができる。
【０１２３】
このように、本実施形態では、測定プローブ先端部１６４の長さの変更、測定方向毎の焦点距離の変更を容易に選択できるため、ユーザの用途に応じた計測を助けることができる。
【０１２４】
なお、上述の各実施形態において、距離測定精度を維持するために、測定プローブ先端部１６４は、環境温度変化による膨張・収縮や、自重たわみ、あるいは回転に伴う振動を抑制する必要がある。これらの要求を満たす測定プローブ先端部１６４の材質の一例としては、軽量、高強度、高剛性、高振動減衰性、低熱膨張率等を特徴とするＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）が挙げられる。
【０１２５】
以上、本発明に係る各実施形態及び変形例の説明を行ってきたが、本発明は、上記した実施形態の一例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態の一例は、本発明を分かり易くするために詳細に説明したものであり、本発明は、ここで説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ある実施形態の一例の構成の一部を他の一例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の一例の構成に他の一例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の一例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることもできる。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、図中の制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、全てを示しているとは限らない。ほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【０１２６】
また、上記の距離測定装置の構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。
【符号の説明】
【０１２７】
１０・３０：距離測定装置、２０：立体形状測定装置、１０１・１０１ａ・１０１ｂ：レーザー光源、１０２・１０２ａ：１０２ｂ：発振機、１０３・１０４・１０６・１１４：光ファイバカプラ、１０５：光ファイバ、１０７・１０９：受光器、１０８：サーキュレーター、１１０：測距制御機構、１１１：測距制御機構制御部、１１２：参照ミラー、１１３ａ・１１３ｂ：光スイッチ、１１５：広帯域光源、１１６：分光器、１５０：接続ケーブル、１６０：測定プローブ、１６１：レンズ系、１６２・２５６：回転機構、１６３：光路切り替え素子、１６４：測定プローブ先端部、１６５：偏光状態制御部、１６６：偏光状態制御部駆動装置、１７１ａ・１７１ｂ：ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部、１８０：偏光ビームスプリッター、１８１：複屈折板、１８２：ミラー、１８３：ダイクロイックミラー、１９１：光ファイバ切り替え器、１９２：ＷＤＭカプラ、２１０：制御装置、２２０：表示装置、２５０：移動機構、２６０：演算部、２６１：距離演算部、２６２：形状算出部、２６３：移動機構制御部、２５１：ＸＺ軸移動機構、２５２：Ｙ軸移動機構、２５３：回転軸、２５４：構造物、２５５：試料台、２８０：表示部、３００ａ：第１の方向、３００ｂ：第２の方向、３０１：偏光安定化装置、３０２：直線偏光切り替えスイッチ、３０３：測定光、３０４：集光レンズ系、３０５： １／２波長板、３０６ａ：１／２波長板に入射する第１の測定光振動方向、３０６ｂ：１／２波長板に入射する第２の測定光振動方向、３０７：１／２波長板から出射する測定光振動方向、３０８：１／２波長板の主軸、３０９：入射面、３１０：偏光切り替え部、Ｔ：対象物
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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