(57)【要約】【課題】被測定面の位置をその反射率に左右されず、安定して高精度に測定し得る共焦点分光方式の光距離計及び距離測定方法を提供する【解決手段】光距離計２１は、白色光源２２からの照明光を複屈折板２７により常光成分と異常光成分とに分離し、被測定面３４ａの光軸上の異なる位置で結像するように投射する。被測定面からの反射光を合波し、回折格子２９により波長毎に分散させ、複屈折板３０により再び常光成分と異常光成分とに分離して撮像素子３１に入射させる。信号処理部３３が、撮像素子から出力された電気信号を処理して常光成分及び異常光成分の光強度Ｐ１，Ｐ２を検出しかつ差分ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２を算出する。差分ΔＰが０となる波長λ０を検出することによって、被測定面の位置が求まる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源からの照明光を互いに直交する第１及び第２偏光方向成分に分離させかつ前記第１及び第２偏光方向成分を被測定面の光軸上の互いに異なる位置に結像するように投写する照明光学系と、光検出器と、前記被測定面から反射された前記第１及び第２偏光方向成分をそれぞれ前記光検出器の異なる位置に結像させる検出光学系とを備えることを特徴とする光距離計。
【請求項２】
前記照明光学系が、前記光源からの照明光を互いに直交する第１及び第２偏光方向成分に分離させる複屈折板と、前記複屈折板から出射した前記第１及び第２偏光方向成分を前記被測定面の光軸上の互いに異なる位置に結像するように投写する集光レンズとを有することを特徴とする請求項１記載の光距離計。
【請求項３】
前記照明光学系が、前記光源からの照明光を伝送して前記複屈折板に入射させる偏波保持ファイバーを有することを特徴とする請求項２記載の光距離計。
【請求項４】
前記照明光学系が、前記光源からの照明光を集光し、拡散して前記複屈折板に入射させるように、多数のピンホールを配列したピンホールアレイを有することを特徴とする請求項２記載の光距離計。
【請求項５】
前記照明光学系が、前記被測定面から反射された前記第１及び第２偏光方向成分を合波して前記検出光学系に出射し、前記検出光学系が、前記照明光学系からの入射光を第１及び第２偏光方向成分に分離させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の光距離計。
【請求項６】
前記光源が白色光源であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の光距離計。
【請求項７】
前記検出光学系が、前記照明光学系からの入射光を異なる波長毎に分散させる分散素子を有することを特徴とする請求項６記載の光距離計。
【請求項８】
前記光検出器に入射した前記第１及び第２偏光方向成分の光強度を検出し、前記第１偏光方向成分と第２偏光方向成分の光強度の差分を算出し、前記光強度の差分が０値となる波長を決定する信号処理部を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の光距離計。
【請求項９】
光源からの照明光を互いに直交する第１及び第２偏光方向成分に分離させ、前記第１及び第２偏光方向成分を被測定面の光軸上の互いに異なる位置に結像するように投射し、前記被測定面から反射された前記第１及び第２偏光方向成分の光強度をそれぞれ検出し、前記第１偏光方向成分と第２偏光方向成分の光強度の差分を算出し、前記光強度の差分が０値となる波長を決定し、前記波長に基づいて前記被測定面の位置を測定することを特徴とする距離測定方法。
【請求項１０】
前記照明光が白色光であり、前記被測定面から反射された前記第１及び第２偏光方向成分を異なる波長毎に分散させた後、前記第１及び第２偏光方向成分の光強度を検出することを特徴とする請求項９記載の距離測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式に非接触で対象物までの距離、その位置や形状等を測定するための光距離計及び距離測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、対象物の表面に光を照射してその反射光を検出することによって、該表面までの距離やその位置、変位等を測定し、更に測定結果から対象物の２次元、３次元形状を計測するために様々な光学的手法が採用されている。このような光学的手法には、主に共焦点分光法、合焦検出法、光波干渉法、三角測量法がある。
【０００３】
一般に共焦点分光方式の距離センサーは、光源と、該光源から光を測定対象物の表面に配向する色収差光学系と、測定対象物の表面から反射した光を検出する光検出器とを備える（例えば、特許文献１を参照）。光源からの光は、色収差レンズ系によりスペクトル成分毎に異なる焦点位置で集束するので、測定対象物表面からの反射光をスペクトル成分毎に検出し、その光強度から測定対象物表面までの距離を求めることができる。更にかかる共焦点分光方式において、光走査手段で光源から測定対象物に光を走査し、常に焦点が対象物表面に合った波長の光が検出されるようにして、波長ピーク位置の高速測定を可能にした計測機が知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００４】
別の共焦点分光方式では、少なくとも２種類の波長の光を発生する光源と、光源の光の強度を検出する第１の光電検出器と、光源の光を被測定面の光軸上の異なる焦点位置に集束させる色収差レンズと、被測定面からの反射光の強度を検出する第２の光電検出器と、演算処理装置とからなる光学式変位検出装置が知られている（例えば、特許文献３を参照）。この装置は、両光電検出器から検出した光強度を波長毎に演算比較することによって、被測定面の変位を測定する。
【０００５】
また、合焦検出方式の位置検出装置は、点光源から光を被測定物に収束させ、該点光源の像が被測定物上で合焦するように装置側と被測定物との相対位置を調整し、合焦が得られた位置をスケール等の測定手段で計測して位置や距離を検出する。このような装置側と被測定物とを相対移動させる駆動手段や移動量の測定手段を省略してシステムを簡略化し、駆動手段や測定手段の精度の影響を排除するために、波長可変レーザ光源を用いたレーザ変位計が提案されている（例えば、特許文献４を参照）。
【０００６】
また、光波干渉方式では、光源からの光をビームスプリッターで分離し、その一方を測定対象物及びベースプレートからそれぞれ反射させ、かつ参照鏡で反射させた他方の光とそれぞれ干渉させ、得られた２つの干渉縞の端数値から測定対象物の寸法を測定する（例えば、特許文献５を参照）。別の光波干渉方式では、光源から出射されて、被測定物で反射された光と参照ミラーで反射された光とを干渉させ、その干渉光波を参照ミラーの位置を変えながら記録し、これを位相に変換して被測定物の面形状を測定する（例えば、特許文献６を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１０１５３２号公報
【特許文献２】特開２００８−３２６６８号公報
【特許文献３】特開昭５１−５１９５７号公報
【特許文献４】特開２００５−２２１４５１号公報
【特許文献５】特開平７−１２０２１０号公報
【特許文献６】特開平７−３１８３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した光波干渉方式は、高い精度が得られる反面、被測定物からの反射光が、明確な干渉縞を生成し得るように、好ましくは参照光と同程度の十分な光強度が必要である。そのため、被測定物はその表面が十分な鏡面状態でなければならないという制限がある。また、干渉縞は、光路中の空気のゆらぎや振動の影響を受け易く、高い安定性を得ることが困難である。
【０００９】
また、合焦検出方式は、被測定物の表面が鏡面であることを必要とせず、光路中の空気のゆらぎや振動の影響を受けない点で有利である。しかしながら、被測定物と装置側とを光軸方向に相対移動させて合焦点を得るために、機械的な駆動手段が必要である。そのため、この駆動手段による移動量によって測定範囲が設定され、その分解能が測定精度を大きく左右する虞がある。
【００１０】
これに対し、共焦点分光方式は、合焦検出方式のような機械的駆動手段を必要とせず、その測定範囲が測定対象物に光を入射する光学系の色収差量により設定される点で有利である。しかしながら、従来の共焦点分光方式による測定装置には、以下のような問題点がある。
【００１１】
図７は、従来の共焦点分光方式の光距離計の典型例を示している。この光距離計１において、白色光源２から出射した光は、コリメートレンズ３により平行光に変換され、ビームスプリッター４により反射され、集光レンズ５により集光されて、ピンホール６を通過する。前記ピンホールを出た光は、色収差レンズ７によって、異なる波長成分Ｌ１，Ｌ２毎に測定対象物８の被測定面８ａの光軸上の異なる位置Ｓ１，Ｓ２に結像するように集光される。測定対象物８は、色収差レンズ７に関して光軸上を前後に変位させることができる。
【００１２】
前記被測定面で反射された各波長成分の光は、色収差レンズ７を介して合波され、再びピンホール６を通過した後、コリメートレンズである集光レンズ５により平行光に変換され、ビームスプリッター４を透過する。前記ビームスプリッターを透過した平行光は、回折格子９によって、異なる波長成分Ｌ１，Ｌ２毎に異なる回折角度に回折され、集光レンズ１０によって測定光として撮像素子１１の異なる位置に集光される。
【００１３】
集光された測定光は、撮像素子１１の受光部に入射して検出され、電気信号として処理装置１２に出力される。図８は、処理装置１２により処理された測定光の分光スペクトルを示している。図中、実線Ｐ１は、測定対象物８の被測定面８ａが光軸上の位置Ｓ１付近にある場合、破線Ｐ２は、該被測定面が位置Ｓ２付近にある場合をそれぞれ示す。波長成分Ｌ１，Ｌ２の光は、それぞれ被測定面８ａが位置Ｓ１，Ｓ２にあるとき、該被測定面上で合焦する。従って、図８において曲線Ｐ１，Ｐ２から光強度が最大となるピーク波長λ１，λ２を検出することによって、被測定面８ａの位置Ｓ１，Ｓ２が測定される。
【００１４】
しかしながら、図８に示すように、光強度曲線Ｐ１，Ｐ２は、ピーク付近が比較的緩やかである。更に、撮像素子１１は、一般に多数の光電変換素子を一定間隔で配列したアレイで構成される。従って、図８の光強度曲線Ｐ１，Ｐ２は、実際には、前記各光電変換素子からの出力をプロットした多数の点を結んでできた近似曲線である。そのため、光強度曲線はノイズや光距離計自体の誤差でばらつきを生じ易く、ピーク波長λ１，λ２を正確に検出することが比較的困難なため、測定誤差を生じる虞がある。
【００１５】
また、測定対象物８の被測定面８ａが無色の鏡面でなく、着色されている場合、その色によって各波長の反射率が異なる。前記被測定面が反射率の低い色に着色されていると、撮像素子１１から検出される光強度は、前記反射率に対応して低下する。
【００１６】
図９は、被測定面８ａの反射率が、図中一点差線で示すように波長に関して変化すると仮定した場合に検出される分光スペクトルを示している。図中、比較のため、図８の全反射の場合の光強度曲線Ｐ１，Ｐ２をそれぞれ破線で示す。光強度曲線Ｐ１は、対応する波長域の反射率が低いので、ピーク位置が非常に低くかつ＋側に大きくシフトし、全体として非常に緩やかな光強度曲線ｐ１となっている。光強度曲線Ｐ２は、対応する波長域の反射率が比較的高いので、ピーク位置が少し低下しかつ＋側にシフトし、全体として幾分緩やかな光強度曲線ｐ２となっている。いずれの場合も、光強度曲線のピーク付近が全反射の場合よりも緩やかなだけでなく、ピーク波長がずれるので、被測定面８ａの位置を正確に検出することは困難である。
【００１７】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、被測定面の反射率に拘わらず、その位置を高精度にかつ安定して測定し得る共焦点分光方式の光距離計及び距離測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の光距離計は、上記目的を達成するために、光源と、該光源からの照明光を互いに直交する第１及び第２偏光方向成分に分離させかつ第１及び第２偏光方向成分を被測定面の光軸上の互いに異なる位置に結像するように投写する照明光学系と、光検出器と、被測定面から反射された第１及び第２偏光方向成分をそれぞれ光検出器の異なる位置に結像させる検出光学系とを備えることを特徴とする。
【００１９】
このように構成することによって、光検出器は、被測定面から反射された第１及び第２偏光方向成分の光強度をそれぞれ検出することができる。検出された第１及び第２偏光方向成分は、被測定面の光軸上の結像位置が異なるので、それらの光強度は、互いに異なる位置にピーク波長を有する曲線となる。それら光強度の差分を算出すると、必ず０点を通過し、０点付近で比較的急峻にかつ直線的に変化する波形の光強度曲線が得られる。この差分が０値となる波長は、ピーク波長よりも高精度に検出できるから、これを用いることによって、被測定面の位置をより高精度に測定することができる。
【００２０】
しかも、被測定面の反射率が波長に関して一定でない場合、それが、検出される第１及び第２偏光方向成分の光強度に大きく作用して、ピーク波長の位置がずれてしまう。そのような場合でも、光強度の差分が０値となる波長は変化しないので、安定して被測定面の位置を測定することができる。
【００２１】
或る実施例では、照明光学系が、光源からの照明光を互いに直交する第１及び第２偏光方向成分に分離させる複屈折板と、該複屈折板から出射した第１及び第２偏光方向成分を被測定面の光軸上の互いに異なる位置に結像するように投写する集光レンズとを有することによって、ノイズや誤差の少ない光距離計を構成することができる。
【００２２】
別の実施例では、照明光学系が、光源からの照明光を伝送して複屈折板に入射させる偏波保持ファイバーを有することにより、光距離計の本体部分から離れた位置にある測定対象物の被測定面を測定することができる。
【００２３】
また、別の実施例では、照明光学系が、光源からの照明光を集光し、拡散させて複屈折板に入射させるように、多数のピンホールを配列したピンホールアレイを有することにより、被測定面上の多数の点について同時に測定を行うことができる。これによって、測定対象物の２次元形状をより簡単に測定することができる。更に、被測定面を照明光によりスキャンすることによって、測定対象物の２次元形状を測定することもできる。
【００２４】
更に別の実施例によれば、照明光学系が、被測定面から反射された第１及び第２偏光方向成分を合波して検出光学系に出射し、検出光学系が、照明光学系からの入射光を第１及び第２偏光方向成分に分離させるように構成することによって、被測定面からの反射光の光路を偏光方向によって分けて設ける必要が無いので、より簡単な構成にすることができる。
【００２５】
或る実施例では、光源が白色光源であることにより、広範な波長範囲について測定を行うことができる。この場合、検出光学系は、照明光学系からの入射光を異なる波長毎に分散させる分散素子を有する必要がある。
【００２６】
別の実施例では、光検出器に入射した第１及び第２偏光方向成分の光強度を検出し、第１偏光方向成分と第２偏光方向成分の光強度の差分を算出し、光強度の差分が０値となる波長を決定する信号処理部を更に備えることにより、外部の処理装置を要することなく、光距離計単体で被測定面の位置を測定することができる。
【００２７】
本発明の別の側面によれば、光源からの照明光を互いに直交する第１及び第２偏光方向成分に分離させ、第１及び第２偏光方向成分を被測定面の光軸上の互いに異なる位置に結像するように投射し、被測定面から反射された第１及び第２偏光方向成分の光強度をそれぞれ検出し、第１偏光方向成分と第２偏光方向成分の光強度の差分を算出し、該光強度の差分が０値となる波長を決定し、この波長に基づいて被測定面の位置を測定する距離測定方法が提供される。
【００２８】
被測定面から反射された第１及び第２偏光方向成分の光強度の差分が０値となる波長は、ピーク波長よりも高精度に検出でき、かつ被測定面の反射率の影響を受けないから、被測定面の位置をより高精度に安定して測定することができる。
【００２９】
或る実施例では、照明光が白色光であり、被測定面から反射された第１及び第２偏光方向成分を異なる波長毎に分散させた後、第１及び第２偏光方向成分の光強度を検出することにより、広範な波長範囲について測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による光距離計の第１実施例の構成図。
【図２】第１実施例のヘッド部の詳細図。
【図３】第１実施例の光検出部の詳細図。
【図４】（Ａ）図は第１実施例の分光スペクトルを示す線図、（Ｂ）図は被測定表面の反射率が波長に関して変化する場合の分光スペクトルを示す線図、（Ｃ）図は被測定表面の反射率が波長に関して一定の場合と変化する場合とを対比して示す線図。
【図５】（Ａ）図は本発明による光距離計の第２実施例の構成図、（Ｂ）図は第２実施例のピンホール板の概略斜視図。
【図６】第２実施例の光検出器の概略斜視図。
【図７】従来技術の光距離計の典型例を示す構成図。
【図８】図７の光距離計の分光スペクトルを示す線図。
【図９】図８の分光スペクトルにおいて被測定表面の反射率が波長に関して変化する場合を対比して示す線図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。尚、添付図面において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の参照符号を付して表示する。
【００３２】
図１は、本発明による光距離計の第１実施例の構成を示している。本実施例の光距離計２１は、その本体部分から離れた位置にある測定対象物に照明光を投射しかつその反射光を受光するためのヘッド部２１ａを備える。
【００３３】
光距離計２１の本体部分は、白色光源２２と、コリメートレンズ２３と、ビームスプリッター２４とが同一光軸上に配置され、それに直交する光軸上に集光レンズ２５と、光ファイバー２６の一方の端部２６ａとが配置されている。光ファイバー２６は、その断面内で複屈折性を有する偏波保持ファイバーからなり、その他方の端部２６ｂがヘッド部２１ａに接続されている。
【００３４】
ヘッド部２１ａは、図２に示すように、光ファイバー２６の端部２６ｂと同一光軸上に、複屈折板２７と、色収差レンズ２８とが配置されている。複屈折板２７は、例えば水晶板等の複屈折材料で形成され、入射した直線偏光を互いに直交する偏光成分に、即ち常光成分と異常光成分とに分離させて出射する。色収差レンズ２８は、例えばクラウンガラスとフリントガラスのように屈折率の異なる凹レンズ２８ａと凸レンズ２８ｂとを貼り合わせた組合せレンズである。
【００３５】
更に光距離計２１の本体部分は、集光レンズ２５と同一光軸上に、ビームスプリッター２４を挟んで反対側に凹面型回折格子２９が配置され、該回折格子の回折方向に複屈折板３０と、撮像素子３１とが配置されている。別の実施例では、凹面型回折格子２９に代えて、平板型の回折格子を用いることもできる。その場合には、図７の従来例と同様に集光レンズを配置する必要がある。
【００３６】
複屈折板３０は、同様に水晶板等の複屈折材料で形成され、入射した直線偏光を常光成分と異常光成分とに分離させて出射する。撮像素子３１は、図３に示すように、受光部としてフォトダイオードのような光電変換素子を１列に配列したリニアイメージセンサー３２ａ，３２ｂを２列平行に配置したものである。撮像素子３１には、前記リニアイメージセンサーからの出力信号を処理するための信号処理部３３が接続されている。
【００３７】
光距離計２１において、光源２２から出射した白色の照射光は、コリメートレンズ２３により平行光に変換され、ビームスプリッター２４により反射され、集光レンズ２５により光ファイバー２６の端部２６ａに集光される。光ファイバー２６は、ピンホールと同様の開口絞りとして、照射光をその偏光状態を変化させることなくヘッド部２１ａまで伝送する。光ファイバー２６の端部２６ｂを出た照射光は拡散し、複屈折板２７を通過する際に常光成分と異常光成分とに分離され、色収差レンズ２８によって測定対象物３４の被測定面３４ａの光軸上に結像するように集光される。
【００３８】
複屈折板２７で分離された照射光の常光成分と異常光成分とは、同じ波長であっても、被測定面３４ａの光軸上の互いに異なる位置Ｓ１，Ｓ２で結像する。このとき、測定対象物３４は、被測定面３４ａが光軸上の位置Ｓ１，Ｓ２間にあるように配置する。
【００３９】
前記被測定面で反射された常光成分及び異常光成分は、色収差レンズ２８により収束され、再び複屈折板２７を通過する際に合波されて光ファイバー２６の端部２６ｂに集光され、その偏光状態を維持したまま前記光ファイバーの中を伝送される。光ファイバー２６の端部２６ａを出た反射光は拡散し、コリメートレンズである集光レンズ２５により平行光に変換され、ビームスプリッター２４を透過する。
【００４０】
前記ビームスプリッターを透過した平行光は、凹面型回折格子２９によって、異なる波長成分Ｌ１，Ｌ２毎に異なる回折角度に回折され、測定光として撮像素子３１に結像するように収束される。図３に示すように、測定光Ｌは、撮像素子３１に入射する前に複屈折板３０を通過して、常光成分Ｌoと異常光成分Ｌeとに分離される。常光成分Ｌoは、複屈折板３０を真直ぐに透過して一方のリニアイメージセンサー３２ａに入射し、異常光成分Ｌeは、常光成分Ｌoから所定の分離幅だけシフトして、他方のリニアイメージセンサー３２ｂに入射する。
【００４１】
撮像素子３１に入射した測定光は、それぞれ電気信号として信号処理部３３に出力され、処理される。信号処理部３３は次のような処理を行う。先ず、前記各リニアイメージセンサーからの出力信号に補正、増幅等の必要な処理を行って、常光成分Ｌo及び異常光成分Ｌeの光強度Ｐ１，Ｐ２を検出する。次に、常光成分Ｌoと異常光成分Ｌeの光強度の差分ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２を算出する。そして、差分ΔＰが０となる波長λ０を検出し、この波長λ０に基づいて被測定面３４ａの位置を算出する。
【００４２】
図４（Ａ）は、被測定面３４ａの反射率を一定と仮定した場合に、信号処理部３３により処理された測定光の分光スペクトルを示している。上述したように、照射光が複屈折板２７を介して被測定面３４ａに投射されるので、常光成分と異常光成分とは、同じ波長で光軸上の異なる位置に結像する。そのため、光強度Ｐ１，Ｐ２は、互いにピーク波長の位置が異なる曲線となり、差分ΔＰの光強度曲線は、必ず光強度の０点を通過する。しかも、この曲線の０点付近における変化は、ピーク付近の変化に比して急峻でありかつ直線的である。従って、差分ΔＰ＝０となる波長λ０をより高精度に検出することができる。
【００４３】
図４（Ｂ）は、被測定面３４ａの反射率が波長に関して変化すると仮定した場合に、処理装置３３により処理された測定光の分光スペクトルを示している。同図において、反射率は一点差線で示すように変化する。この影響で、常光成分Ｌo及び異常光成分Ｌeの光強度ｐ１，ｐ２は、図９の従来技術に関連して上述したように、図４（Ａ）の光強度Ｐ１，Ｐ２に対して波形が大きく変形し、ピーク波長もずれている。これに対応して、光強度ｐ１，ｐ２の差分Δｐ＝ｐ１−ｐ２も、図４（Ａ）の波形から大きく変形している。この場合も、差分Δｐの光強度曲線は必ず光強度の０点を通過する。
【００４４】
図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）における差分Δｐの光強度曲線を、図４（Ａ）における差分ΔＰの光強度曲線と対比して示している。同図から分かるように、差分Δｐの光強度曲線が０点を通る波長は、差分ΔＰの光強度曲線が０点を通る波長λ０と全く同じである。このように本発明によれば、測定光の常光成分及び異常光成分についてそれぞれ検出した信号の差分を用いることによって、被測定面３４ａの反射率やノイズ等の影響を受けることなく、該被測定面の位置を高精度に検出することができる。
【００４５】
図５（Ａ）は、本発明による光距離計の第２実施例の構成を示している。本実施例の光距離計４１は、白色光源４２と、集光レンズ４３と、ビームスプリッター４４とが同一光軸上に配置され、それに直交する光軸上にピンホール板４５と、複屈折板４６と、テレセントリック色収差レンズ４７とが配置されている。ピンホール板４５と同一光軸上にビームスプリッター４４を挟んで反対側には、凹面型回折格子４８が配置され、該回折格子の回折方向に複屈折板４９と、撮像素子５０とが配置されている。
【００４６】
ピンホール板４５は、図５（Ｂ）に示すように、多数のピンホール４５ａを一定間隔で横１列に配置したピンホールアレイからなる。複屈折板４６，４９は、第１実施例と同様に、例えば水晶板等の複屈折材料で形成され、入射した直線偏光を互いに直交する偏光成分に、即ち常光成分と異常光成分とに分離させて出射する。別の実施例では、凹面型回折格子４８に代えて、平板型の回折格子を用いることもできるが、その場合は図７の従来例と同様に集光レンズが必要である。
【００４７】
撮像素子５０は、受光部としてフォトダイオードのような多数の光電変換素子を、例えば格子状に平面配置したエリアイメージセンサーである。本実施例では、図６に示すように、多数のフォトダイオード５１ａ，５２ａを１列に配列したフォトダイオードアレイ５１，５２を多数列平行に配置したものを使用する。撮像素子５０には、前記フォトダイオードアレイからの出力信号を処理するための信号処理部５３が接続されている。
【００４８】
光距離計４１において、光源４２から出射した白色の照射光は、集光レンズ４３により収束され、ビームスプリッター４４により反射されて、前記ピンホールアレイの各ピンホール４５ａに集光される。各ピンホール４５ａを出た照射光は拡散し、それぞれ複屈折板４６を通過する際に常光成分と異常光成分とに分離され、テレセントリック色収差レンズ４７によって互いに平行に、かつ前記各ピンホールの位置に対応する測定対象物５４の被測定面５４ａ上の各点において、その光軸上に結像するように集光される。
【００４９】
複屈折板４６で分離された各照射光の常光成分と異常光成分とは、それぞれ同じ波長であっても、被測定面５４ａの光軸上の互いに異なる位置Ｓ１，Ｓ２で結像する。測定対象物５４は、被測定面５４ａが光軸上の位置Ｓ１，Ｓ２間にあるように配置する。
【００５０】
前記被測定面の各点で反射された常光成分及び異常光成分は、それぞれテレセントリック色収差レンズ４７により収束され、再び複屈折板４６を通過する際に合波され、それぞれ元のピンホール４５ａに集光される。前記各ピンホールを出た反射光は、拡散してビームスプリッター４４を透過し、凹面型回折格子４８に入射して、それぞれ異なる波長成分Ｌ１，Ｌ２毎に異なる回折角度に回折され、測定光として撮像素子５０に結像するように収束される。
【００５１】
測定光は、撮像素子５０に入射する前に複屈折板４９を透過して、常光成分Ｌoと異常光成分Ｌeとに分離される。図６に示すように、常光成分Ｌoは、複屈折板４９を真直ぐに透過して一方のフォトダイオードアレイ５１に入射し、異常光成分Ｌeは、常光成分Ｌoから所定の分離幅だけシフトして、他方のフォトダイオードアレイ５２に入射する。本実施例では、被測定面５４ａの各点からの測定光を、それぞれ前記各フォトダイオードアレイの対応するフォトダイオード５１ａ，５２ａに同時に入射させることができる。
【００５２】
撮像素子５０に入射した測定光は、第１実施例と同様にそれぞれ電気信号として信号処理部５３に出力され、処理される。即ち、信号処理部５３は、前記各フォトダイオードアレイからの出力信号に補正、増幅等の必要な処理を行い、常光成分Ｌo及び異常光成分Ｌeの光強度Ｐ１，Ｐ２を検出し、それら光強度の差分ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２を算出する。そして、被測定面５４ａ上の前記各点について、それぞれ差分ΔＰが０となる波長λ０を検出し、これらの波長λ０に基づいて前記各点の位置を同時に算出する。
【００５３】
このように本実施例によれば、被測定面５４ａにおける反射率の変化やノイズ等の影響を受けることなく、多数の点の位置を一度に高精度に検出し、該被測定面の２次元形状を測定することができる。更に、被測定面５４ａをスキャンして照明光を投射すれば、測定対象物５４の３次元形状を測定することもできる。
【００５４】
別の実施例では、ピンホール板４５のピンホールアレイをスリット状の開口絞りに変更することができる。この場合、被測定面５４ａ上の位置を連続的な線として測定することができる。
【００５５】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、第１実施例における光ファイバーは、ピンホールに置き換えることができる。また、各実施例における複屈折板は、平行平板構造や２焦点レンズ等、他の公知の様々な構造のものを使用することができる。更に、白色光源に代えて、波長可変光源を用いることもできる。この場合、測定面からの反射光は、撮像素子に入射させる前に単に偏光方向によって分離できればよいから、回折格子のような分散素子を省略することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１，２１，４１…光距離計、２，２２，４２…白色光源、３，２３…コリメートレンズ、４，２４，４４…ビームスプリッター、５，１０，２５，４３…集光レンズ、６，４５ａ…ピンホール、７，２８…色収差レンズ、８，３４，５４…測定対象物、８ａ，３４ａ，５４ａ…被測定面、９…回折格子、１１，３１，５０…撮像素子、１２…処理装置、２１ａ…ヘッド部、２６…光ファイバー、２６ａ，２６ｂ…端部、２７，３０，４６，４９…複屈折板、２８ａ…凹レンズ、２８ｂ…凸レンズ、２９，４８…凹面型回折格子、３２ａ，３２ｂ…リニアイメージセンサー、３３，５３…信号処理部、４５…ピンホール板、４７…テレセントリック色収差レンズ、５１，５２…フォトダイオードアレイ、５１ａ，５２ａ…フォトダイオード。
【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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