(57)【要約】【課題】測定対象物上の複数点までの距離を高精度かつ短時間に測定することができる多点距離測定装置及び方法、並びに形状測定装置を提供する。【解決手段】等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光コムを光周波数コム光源から出射する。光周波数コム光源から出射された光コムを光コム分割部により参照光と測距光とに分割する。光コム分割部にて分割された測距光を複数の光束に分割して測定対象物の複数点に向けてそれぞれ光入出射部から出射させ、かつ複数点にてそれぞれ正反射された光束の正反射光を光入出射部に入射させる。光コム分割部にて分割された参照光と、光入出射部に入射した複数点ごとの正反射光との光干渉信号を光検出部にて検出する。光検出部の検出結果に基づき、光入出射部から複数点の各々までの距離を距離算出部により算出する。【選択図】図１
2015163863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光コムを出射する光周波数コム光源と、
前記光周波数コム光源から出射された前記光コムを参照光と測距光とに分割する光コム分割部と、
前記光コム分割部にて分割された前記測距光を複数の光束に分割して測定対象物の複数点に向けてそれぞれ出射し、かつ前記複数点にてそれぞれ正反射された前記光束の正反射光が入射する光入出射部と、
前記光コム分割部にて分割された前記参照光と、前記光入出射部に入射した前記複数点ごとの前記正反射光との光干渉信号を検出する光検出部と、
前記光検出部の検出結果に基づき、前記光入出射部から前記複数点の各々までの距離を算出する距離算出部と、
を備える多点距離測定装置。
【請求項２】
前記光周波数コム光源と前記光コム分割部との間には、前記光コムの周波数間隔を任意の整数倍するファブリー・ペロー・エタロンが設けられている請求項１記載の多点距離測定装置。
【請求項３】
前記光周波数コム光源と前記光コム分割部との間には、フリースペクトラルレンジの異なる複数種類の前記ファブリー・ペロー・エタロンが直列に接続されている請求項２記載の多点距離測定装置。
【請求項４】
前記光入出射部は、回折格子、レンズアレイ、デジタルミラーデバイス、光空間変調器、前記複数点に向かう前記光束のみの通過を許容するマスク、複数の光ファイバケーブル、前記光束を走査する方向制御素子の少なくともいずれかを用いて前記測距光を分割する請求項１から３のいずれか１項に記載の多点距離測定装置。
【請求項５】
複数の前記光束を前記複数点に順次に到達させる光遅延部を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の多点距離測定装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の多点距離測定装置と、
前記距離算出部の算出結果に基づき、前記測定対象物の表面形状を算出する形状算出部と、
を備える形状測定装置。
【請求項７】
光周波数コム光源から等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光コムを出射する出射ステップと、
前記光周波数コム光源から出射された前記光コムを参照光と測距光とに分割する光分割ステップと、
前記光分割ステップにて分割された前記測距光を複数の光束に分割して光入出射部から測定対象物の複数点に向けてそれぞれ出射させ、かつ前記複数点にてそれぞれ正反射された前記測距光の正反射光を前記光入出射部に入射させる光入出射ステップと、
前記光分割ステップにて分割された前記参照光と、前記光入出射部に入射した前記複数点ごとの前記正反射光との光干渉信号を検出する光検出ステップと、
前記光検出ステップの検出結果に基づき、前記光入出射部から前記複数点の各々までの距離を算出する距離算出ステップと、
を備える多点距離測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物上の複数点までの距離を測定する多点距離測定装置及び方法、並びにこの多点距離測定装置を備える形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の表面形状の測定を行う測定機器として、測定対象物上の複数点までの距離を測定してこれら複数点の相対位置関係を求めることにより、測定対象物の表面形状を測定する形状測定装置が良く知られている。
【０００３】
例えば特許文献１には、測定対象物に対向する位置に配置されたマイクロレンズアレイに対してＨｅ−Ｎｅレーザを走査し、マイクロレンズごとに測定対象物上に収束されるＨｅ−Ｎｅレーザの反射光を２分割光検出器により検出してフォーカス位置を比較することで、複数点の相対位置を測定する方法が開示されている。また、測定対象物上に白色光またはＨｅ−Ｎｅレーザなどを走査し、白色干渉法またはレーザ干渉法などを用いて測定対象物上の複数点までの距離を測定してこれら複数点の相対位置関係を求めることにより、測定対象物の表面形状を測定する方法も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３００４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１記載の測定方法のように、２分割光検出器の検出結果に基づき複数点の相対位置、すなわち、測定対象物の表面形状を測定する方法は、白色干渉法またはＣＷレーザ（Continuous wave laser）干渉法を用いる場合と比較して測定精度が低いという問題がある。また、特許文献１記載の測定方法では、マイクロレンズアレイ、すなわち被測定物に対してＨｅ−Ｎｅレーザを走査しているが、被測定物が大きくなるのに従ってＨｅ−Ｎｅレーザの走査領域及び走査時間が増加するため、形状測定に時間がかかるという問題がある。このため、Ｈｅ−Ｎｅレーザを複数の光束に分割して各光束を被測定物の複数点に向けて照射して、複数点からの反射光をそれぞれ検出した結果に基づき表面形状の測定を行うことが好ましい。しかしながら、Ｈｅ−Ｎｅレーザを複数に分割した光束を被測定物の複数点に向けて照射した場合に、複数点の各々における光束の正反射光のみを選択して検出することが困難であるので測定精度に問題が生じる。このような問題は白色干渉法やＣＷレーザ干渉法を用いる場合にも同様に生じる。
【０００６】
本発明の目的は、測定対象物上の複数点までの距離を高精度かつ短時間に測定することができる多点距離測定装置及び方法、並びにこの多点距離測定装置を備える形状測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的を達成するための多点距離測定装置は、等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光コムを出射する光周波数コム光源と、光周波数コム光源から出射された光コムを参照光と測距光とに分割する光コム分割部と、光コム分割部にて分割された測距光を複数の光束に分割して測定対象物の複数点に向けてそれぞれ出射し、かつ複数点にてそれぞれ正反射された光束の正反射光が入射する光入出射部と、光コム分割部にて分割された参照光と、光入出射部に入射した複数点ごとの正反射光との光干渉信号を検出する光検出部と、光検出部の検出結果に基づき、光入出射部から複数点の各々までの距離を算出する距離算出部と、を備える。
【０００８】
本発明によれば、光源として光周波数コム光源を用いることにより、光入出射部から出射された測距光を複数に分割した各光束を測定対象物の複数点にそれぞれ入射させた場合に、複数点にて正反射された正反射光だけを光入出射部に入射させることができる。その結果、測定対象物上の複数点までの距離を高感度かつ高精度に測定することができる。
【０００９】
光周波数コム光源と光コム分割部との間には、光コムの周波数間隔を任意の整数倍するファブリー・ペロー・エタロンが設けられていることが好ましい。これにより、光コムの周波数間隔を広げることができるので、例えば測定対象物の表面形状測定に本発明を適用した場合に、各光束の間隔や遅延量を密にして表面形状測定における空間分解能を向上させることができる。
【００１０】
光周波数コム光源と光コム分割部との間には、フリースペクトラルレンジの異なる複数種類のファブリー・ペロー・エタロンが直列に接続されていることが好ましい。これにより、光コムの櫛（コム）の次数の識別が容易になるので、光コムを用いた測定をより高精度に行うことができる。
【００１１】
光入出射部は、回折格子、レンズアレイ、デジタルミラーデバイス、光空間変調器、複数点に向かう光束のみの通過を許容するマスク、複数の光ファイバケーブル、光束を走査する方向制御素子の少なくともいずれかを用いて測距光を分割することが好ましい。これにより、複数の光束を測定対象物の複数点に向けてそれぞれ出射することができる。
【００１２】
複数の光束を複数点に順次に到達させる光遅延部を備えることが好ましい。これにより、光入出射部に入射する正反射光が複数点のどの点で反射された光であるかを容易に識別することができる。
【００１３】
また、本発明の目的を達成するための形状測定装置は、各請求項のいずれか１項記載の多点距離測定装置と、距離算出部の算出結果に基づき、測定対象物の表面形状を算出する形状算出部と、を備える。
【００１４】
また、本発明の目的を達成するための多点距離測定方法は、光周波数コム光源から等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光コムを出射する出射ステップと、光周波数コム光源から出射された光コムを参照光と測距光とに分割する光分割ステップと、光分割ステップにて分割された測距光を複数の光束に分割して光入出射部から測定対象物の複数点に向けてそれぞれ出射させ、かつ複数点にてそれぞれ正反射された測距光の正反射光を光入出射部に入射させる光入出射ステップと、光分割ステップにて分割された参照光と、光入出射部に入射した複数点ごとの正反射光との光干渉信号を検出する光検出ステップと、光検出ステップの検出結果に基づき、光入出射部から複数点の各々までの距離を算出する距離算出ステップと、を有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の多点距離測定装置及び方法、並びにこの多点距離測定装置を備える形状測定装置は、測定対象物上の複数点までの距離を高精度かつ短時間に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態の形状測定装置の概略図である。
【図２】光入出射部の拡大図である。
【図３】測定対象物の拡大図である。
【図４】形状測定装置による形状測定処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】第２実施形態の形状測定装置の概略図である。
【図６】フィネスの異なる複数種類のファブリー・ペロー・エタロンを設けることにより得られる効果を説明するための説明図である。
【図７】レンズを有さない光入出射部の他実施形態１を説明するための説明図である。
【図８】レンズアレイを有する光入出射部の他実施形態２を説明するための説明図である。
【図９】図８の光入出射部とは一部が異なる構成の光入出射部の他実施形態３を説明するための説明図である。
【図１０】２種類のレンズアレイを有する光入出射部の他実施形態４を説明するための説明図である。
【図１１】マスクを有する光入出射部の他実施形態５を説明するための説明図である。
【図１２】デジタルミラーデバイスを有する光入出射部の他実施形態６を説明するための説明図である。
【図１３】光空間変調器を有する光入出射部の他実施形態７を説明するための説明図である。
【図１４】光ファイバケーブル群を有する光入出射部の他実施形態８を説明するための説明図である。
【図１５】光ファイバケーブル群及び方向制御素子を有する光入出射部の他実施形態９を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜第１実施形態の形状測定装置の構成＞
図１は、測定対象物９の表面形状を測定する形状測定装置１０の概略図である。この形状測定装置１０は、測定対象物９の表面上の複数点までの距離をそれぞれ測定することにより測定対象物９の表面形状の測定を非接触で行う装置であり、本発明の多点距離測定装置に相当するものである。なお、測定対象物９の種類は特に限定はされないが、例えば金型、自動車や飛行機のエンジンなどの回転体などが例として挙げられる。
【００１８】
形状測定装置１０は、大別して、光周波数コム光源１９、ファブリー・ペロー・エタロン（以下、単にエタロンと略す）２０、光アンプ２１、スプリッタ（光コム分割部）２２、第１光路２３、第２光路２４、ミキサ２５、光検出部２６、干渉縞パターン検出部２７、距離算出部２８、形状算出部２９、及びこれら各部を接続する光ファイバケーブル３０（図中の二重線で表示）並びに光ファイバケーブル３０を接続するコネクタ３１を備えている。
【００１９】
光周波数コム光源１９は、光コム（光周波数コムともいう）３４を出射する。光コム３４は、周波数領域において周波数が等間隔になるような周波数成分を有する光である。この光周波数コム光源１９としては、例えば、フェムト秒モード同期ファイバレーザでは、エリビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ:Erbium Doped Fiber）で形成されたリング共振器をレーザダイオードで励起する構成のレーザ発振器などを用いることができる。光周波数コム光源１９から出射された光コム３４は、光ファイバケーブル３０を介してエタロン２０に入力される。
【００２０】
エタロン２０は、光コム３４の繰り返し周波数の周波数間隔をｍ（ｍは任意の自然数）倍、すなわち、任意の整数倍する。これにより、光コム３４の周波数間隔を適宜広げることができる。光周波数コム光源１９から出射される光コム３４の周波数間隔は一般的には１００ＭＨｚ、２５０ＭＨｚであるが、この周波数間隔を例えば１５ＧＨｚ程度に広げることができる。これにより、後述の測定対象物９の表面形状測定における空間分解能を向上させることができる。
【００２１】
光アンプ２１は、エタロン２０から入力された光コム３４を増幅した後、この光コム３４をスプリッタ２２に向けて出力する。
【００２２】
スプリッタ２２は、光アンプ２１と、第１光路２３及び第２光路２４とに接続している。スプリッタ２２は、光アンプ２１から入力された光コム３４を参照光３５と測距光３６とに分割して、参照光３５を第１光路２３に出力するとともに、測距光３６を第２光路２４に出力する。なお、スプリッタ２２は、例えば参照光３５と測距光３６との割合が５：９５となるように光コム３４を分割する。
【００２３】
第１光路２３には、第１コリメータ３８、プリズムリフレクタ３９、コーナリフレクタ４０、走査ステージ４１、及び第２コリメータ４２が設けられている。
【００２４】
第１コリメータ３８は、スプリッタ２２から入力される参照光３５を平行光線としてプリズムリフレクタ３９に向けて出射する。
【００２５】
プリズムリフレクタ３９は、第１コリメータ３８から入力された参照光３５をコーナリフレクタ４０に向けて反射するとともに、このコーナリフレクタ４０から入射する参照光３５を第２コリメータ４２に向けて反射する。
【００２６】
コーナリフレクタ４０は、プリズムリフレクタ３９により反射された参照光３５の光路上に配置されている。このコーナリフレクタ４０は、プリズムリフレクタ３９から入射した参照光３５を再びプリズムリフレクタ３９に向けて反射する。
【００２７】
走査ステージ４１は、コーナリフレクタ４０に取り付けられている。この走査ステージ４１は、プリズムリフレクタ３９により反射された参照光３５の光路に平行な方向に沿ってコーナリフレクタ４０を往復動させる。例えば走査ステージ４１は、コーナリフレクタ４０を数ｍｍ〜数ｃｍのストロークで往復動させる。これにより、後述する参照光３５と測距光３６との光干渉信号５３の振幅を時間的に変動させることができる。時間的に変動する光干渉信号５３の測定データを積算することで、測定データの精度を高めることができる。なお、走査ステージ４１の代わりに、例えばＰＺＴステージ（電圧アクチュエータ）を用いてもよい。
【００２８】
第２コリメータ４２は、プリズムリフレクタ３９から入射する参照光３５を集光して光ファイバケーブル３０に出力する。この第２コリメータ４２は、図示しない移動機構により、プリズムリフレクタ３９から入射する参照光３５の光路に平行な方向に移動可能になっている。これにより、第１光路２３における参照光３５の光路長を可変することができる。そして、第２コリメータ４２から出力された参照光３５はミキサ２５に入力される。
【００２９】
第２光路２４には、サーキュレータ４４及び光入出射部４５が設けられている。サーキュレータ４４は、スプリッタ２２から入力される測距光３６を光入出射部４５に向けて出力するとともに、この光入出射部４５からの戻り光（後述の正反射測距光３６ｂ）をミキサ２５に向けて出力する。
【００３０】
光入出射部４５は、サーキュレータ４４から入力された測距光３６を複数の光束３６ａに分割して、各々の光束３６ａを測定対象物９の複数点に向けて出射する。この光入出射部４５は、大別して、光ファイバケーブル４７と、回折格子４８と、レンズ４９とを有している。
【００３１】
光入出射部４５の拡大図を示す図２において、光ファイバケーブル４７の基端部はサーキュレータ４４に接続している。また、光ファイバケーブル４７の先端部にはコリメータ５０が取り付けられている。コリメータ５０は、光ファイバケーブル４７の先端部から円錐状に発散出射される測距光３６を平行光にする。
【００３２】
回折格子４８は、コリメータ５０の光出射面に設けられている。この回折格子４８は、コリメータ５０から入力される測距光３６を回折次数ごとに複数の光束３６ａ（回折光）に分割して出射する。なお、使用する回折格子４８の種類は特に限定されるものではなく、公知の各種回折格子を用いてよい。
【００３３】
レンズ４９は、回折格子４８の光出射方向前方側の位置において、レンズ光軸方向に沿って移動自在に設けられている。測定対象物９までの距離に応じてレンズ４９のレンズ光軸方向の位置を適切に調整することで、レンズ４９は、回折格子４８から出射される複数の光束３６ａをそれぞれ測定対象物９の表面に集光（結像）させる。すなわち、複数の光束３６ａが測定対象物９の複数点にそれぞれ入射する。
【００３４】
また、レンズ４９と測定対象物９との間には、複数の光束３６ａを測定対象物９の複数点に順次に到達させる（すなわち、時間差をつけて到達させる）光遅延部５１（図１では図示を省略）が設けられている。光遅延部５１は、例えば、複数の光束３６ａの光路に適宜配置された厚みの異なるガラス板により構成されている。これにより、各ガラス板をそれぞれ透過する光束３６ａを異なる時間だけ遅延（ディレイ）させられるので、各光束３６ａを測定対象物９の複数点に順次に到達させることができる。その結果、各光束３６ａの後述する正反射光が光ファイバケーブル４７の先端部に入射する時間を異なるようにすることができる。このため、光ファイバケーブル４７の先端部に入射する正反射光が複数点のどの点で反射された光であるかを容易に識別することができる。なお、光遅延部５１としては、ガラス板の代わりに、光束３６ａを遅延させることができる各種部材・方法を用いてもよい。
【００３５】
測定対象物９の拡大図を示す図３において、測定対象物９の複数点にそれぞれ入射する光束３６ａは光コム３４である。ここで、光コム３４はＳＮ比が高いため、測定対象物９の複数点にそれぞれ入射して反射された反射光のうち、複数点にてそれぞれ正反射された正反射光（以下、正反射測距光という）３６ｂだけがレンズ４９や回折格子４８などを経て光ファイバケーブル４７の先端部に入射する。なお、ここでいう正反射光とは、光束３６ａが垂直に入射する箇所からの反射光であり、光束３６ａの光路に沿って戻る反射光である。そして、複数点ごとの正反射測距光３６ｂは、前述の光遅延部５１による遅延により異なるタイミングで光ファイバケーブル４７の先端部に入射する。
【００３６】
図１に戻って、光ファイバケーブル４７の先端部に入射した複数点ごとの正反射測距光３６ｂは、光ファイバケーブル４７、サーキュレータ４４などを介してミキサ２５に入力される。
【００３７】
ミキサ２５は例えば光ミキサが用いられる。このミキサ２５は、第１光路２３から入力される参照光３５と、第２光路２４から順次に入力される複数点ごとの正反射測距光３６ｂとを例えば光学的に乗算するなどの方法で混合して、参照光３５と正反射測距光３６ｂとの光干渉信号５３を複数点ごとに生成する。そして、ミキサ２５は、複数点ごとの光干渉信号５３を光検出部２６へ出力する。
【００３８】
光検出部２６は、ミキサ２５から入力された複数点ごとの光干渉信号５３を受光して電気信号に変換し、複数点ごとの光干渉信号５３を干渉縞パターン検出部２７へ出力する。なお、複数点の各点と光干渉信号５３との対応関係（すなわち、光干渉信号５３が複数点の中のどの点に対応しているか）は、前述の光遅延部５１の設計から明らかである。
【００３９】
干渉縞パターン検出部２７は、後述の距離算出部２８とともに本発明の距離算出部として機能するものである。干渉縞パターン検出部２７及び距離算出部２８は、光検出部２６から入力された複数点ごとの光干渉信号５３に基づき、公知のパルス干渉位置計測技術を利用して光入出射部４５の特定点から複数点の各点までの距離を算出する。そして、形状算出部２９は、複数点の各点までの距離算出結果に基づき、測定対象物９の表面形状を算出する。以下、複数点の各点までの距離算出、並びに表面形状算出の一例について説明する。
【００４０】
干渉縞パターン検出部２７は、前述の光検出部２６から入力された光干渉信号５３の干渉縞パターンを検出し、干渉縞パターンの検出結果を距離算出部２８へ出力する。
【００４１】
距離算出部２８は、干渉縞パターン検出部２７から入力された干渉縞パターンの検出結果に基づき、光入出射部４５の特定点から複数点の各々までの距離Ｌをそれぞれ算出し、複数点ごとの距離Ｌの算出結果を形状算出部２９へ出力する。なお、干渉縞パターンから各距離Ｌを算出する方法については公知であるので、ここでは具体的な説明は省略する。
【００４２】
形状算出部２９は、距離算出部２８から入力される複数点ごとの距離Ｌの算出結果に基づき、測定対象物９の表面形状の算出を行う。光コム３４の種類、回折格子４８やレンズ４９の性能などは既知であるので、各光束３６ａの間隔は実験やシミュレーション等から求められる。また、距離算出部２８から入力される各距離Ｌの算出結果に基づき、光入出射部４５の特定点から複数点の各々までの距離Ｌも求められる。これにより、光入出射部４５の特定点を基準とした場合の複数点の各々の位置座標、すなわち、複数点の相対位置関係を算出することができるため、測定対象物９の表面形状を算出することができる。
【００４３】
＜形状測定装置の作用＞
次に、図４に示すフローチャートを用いて上記構成の形状測定装置１０の作用（本発明の多点距離測定方法）について説明を行う。検査員が測定対象物９を形状測定装置１０の測定空間内にセットした後、図示しない操作部を介して形状測定開始操作を行うと、光周波数コム光源１９から光コム３４が出射される（ステップＳ１、出射ステップ）。
【００４４】
光周波数コム光源１９から出射された光コム３４は、エタロン２０により繰り返し周波数の周波数間隔が広げられた後（すなわち、高周波化された後）で、光アンプ２１により増幅され、さらにスプリッタ２２により参照光３５と測距光３６とに分割される（ステップＳ２、光分割ステップ）。参照光３５は、スプリッタ２２から第１光路２３に出力された後、第１コリメータ３８などを経てミキサ２５に入力される。
【００４５】
一方、測距光３６は、スプリッタ２２から第２光路２４に出力された後、サーキュレータ４４を経て光入出射部４５の光ファイバケーブル４７に入力される。光ファイバケーブル４７に入力された測距光３６は、コリメータ５０にて平行光にされた後、回折格子４８により波長ごとに複数の光束３６ａに分割される。そして、回折格子４８から出射された複数の光束３６ａは、レンズ４９により測定対象物９の複数点にそれぞれ集光される（ステップＳ３、光入出射ステップ）。この際に、光遅延部５１を透過する光束３６ａは遅延されるので、複数の光束３６ａを複数点に順次に到達させることができる。
【００４６】
複数の光束３６ａがそれぞれ測定対象物９の複数点に入射すると、複数点にてそれぞれ正反射された正反射測距光３６ｂだけが１つずつ順番にレンズ４９や回折格子４８などを経て光ファイバケーブル４７の先端部に入射する（ステップＳ４、光入出射ステップ）。そして、複数点ごとの正反射測距光３６ｂは、光ファイバケーブル４７、サーキュレータ４４などを経てミキサ２５に入力される。
【００４７】
参照光３５と、複数点ごとの正反射測距光３６ｂとがミキサ２５にて順次に混合されて、複数点ごとの光干渉信号５３がミキサ２５から光検出部２６に入力される。そして、光検出部２６にて、複数点ごとの光干渉信号５３が検出される（ステップＳ５、光検出ステップ）。光検出部２６は、複数点ごとの光干渉信号５３を干渉縞パターン検出部２７へ順次に出力する。
【００４８】
干渉縞パターン検出部２７は、複数点ごとの光干渉信号５３の干渉縞パターンを検出して、各干渉縞パターンの検出結果を距離算出部２８へ順次に出力する。そして、距離算出部２８は、干渉縞パターン検出部２７から入力された干渉縞パターンの検出結果に基づき、光入出射部４５の特定点から複数点の各々までの距離Ｌを算出し、各距離Ｌの算出結果を形状算出部２９へ出力する（ステップＳ６、距離算出ステップ）。
【００４９】
形状算出部２９は、距離算出部２８から入力される複数点ごとの距離Ｌの算出結果と、既知の各光束３６ａの間隔とに基づき、光入出射部４５の特定点を基準とした複数点の相対位置関係を算出することで測定対象物９の表面形状を算出する（ステップＳ７）。なお、この表面形状の算出結果は、図示しない記憶部に格納される。
【００５０】
＜本発明の効果＞
以上のように本発明の形状測定装置１０では、測距光３６を複数に分割した各光束３６ａをそれぞれ測定対象物９の複数点に向けて出射する際に、測距光３６として光コム３４を用いているので、複数点の各々における光束３６ａの正反射光（正反射測距光３６ｂ）だけを選択して光ファイバケーブル４７に入射させることができる。このため、光ファイバケーブル４７に入射する正反射測距光３６ｂが弱くとも強い参照光３５と干渉することにより、ＳＮ比の良い干渉縞を発生させることができるので、測定対象物９上の複数点までの各距離Ｌを高感度かつ高精度に測定することができる。また、測距光３６を複数の光束３６ａに分割して測定対象物９の複数点に向けて出射するので、測距光３６を測定対象物９上で走査する必要が無くなり、短時間で測定を行うことができる。その結果、測定対象物９の表面形状を高精度に算出することができる。
【００５１】
また、本発明の形状測定装置１０では、光周波数コム光源１９から出射される光コム３４の光路上にエタロン２０を設けることにより光コム３４の周波数間隔を広げる（すなわち、光コム３４の櫛（コム）の本数を間引く）ことができる。その結果、各光束３６ａの間隔や遅延量を密にして測定対象物９の表面形状測定における空間分解能を向上させることができる。
【００５２】
＜第２実施形態の形状測定装置＞
次に、図５を用いて本発明の第２実施形態の形状測定装置６０について説明を行う。上記第１実施形態の形状測定装置１０には１種類のエタロン２０が設けられているが、形状測定装置６０には、光周波数コム光源１９と光アンプ２１（スプリッタ２２）との間にフリースペクトラルレンジの異なる第１エタロン２０Ａ及び第２エタロン２０Ｂが設けられている。ここで、エタロンの特性は例えば「フィネス：Δｆ／ｆｒ」で表される［Δｆ：フリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ:free spectral range）、ｆｒ：光コムの繰り返し周波数］。
【００５３】
なお、形状測定装置６０は、第１エタロン２０Ａ及び第２エタロン２０Ｂを備える点を除けば第１実施形態の形状測定装置１０と基本的に同じ構成であるので、上記第１実施形態と機能・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。
【００５４】
第１エタロン２０Ａは第２エタロン２０Ｂよりも高フィネスであり、逆に第２エタロン２０Ｂは第１エタロン２０Ａよりも低フィネスである。第１エタロン２０Ａ及び第２エタロン２０Ｂは直列に接続されている。
【００５５】
図６に示すように、フリースペクトラルレンジの異なる第１エタロン２０Ａと第２エタロン２０Ｂとを直列接続することにより、光コム３４の櫛（コム）の次数の識別が容易になる。例えば、光コム３４の個々の櫛の信号強度がほぼ同じであると櫛の次数の識別（何番目の櫛であるか）が困難である。このため、第１エタロン２０Ａと第２エタロン２０Ｂとを直列接続することで一部の櫛の信号強度が弱くなるので、例えば信号強度が大きくなる櫛を基準して個々の櫛の次数を容易に識別することができる。その結果、光コム３４を用いた測定をより高精度に行うことができる。
【００５６】
また、上記第１実施形態では、エタロン２０を設けることにより光コム３４の周波数間隔を広げているが（例えば１００ＭＨｚから１５ＧＨｚ）、この際に、周波数間隔１ＧＨｚのエタロンのフィネスの制作は容易であるが周波数間隔１５ＧＨｚに対応するエタロンのフィネスの制作は困難である。これに対して第２実施形態では光周波数コム光源１９から出射される周波数間隔１００ＭＨｚの光コム３４の周波数間隔を、例えば第１エタロン２０Ａにて１ＧＨｚに広げた後に第２エタロン２０Ｂにて１５ＧＨｚに広げることができる。これにより、制作が困難な周波数間隔１５ＧＨｚに対応するエタロンを制作する必要が無くなる。なお、上記実施形態では２種類のエタロンを直列接続しているが、３種類以上の複数種類のエタロンを直列接続してもよい。
【００５７】
＜光入出射部の他実施形態＞
上記実施形態では、本発明の光入出射部として、図２に示した光入出射部４５を例に挙げて説明を行ったが、光入出射部の構成は適宜変更してもよい。以下、光入出射部の他実施形態について説明を行う。なお、上記実施形態と機能・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。
【００５８】
（光入出射部の他実施形態１）
図７に示すように、光入出射部４５（１）は、上記実施形態の光入出射部４５からレンズ４９を除いたものであり、回折格子４８により分割された複数の光束３６ａをそのまま測定対象の複数点に向けて出射する。また、各光束３６ａは光コム３４であるので、上記実施形態と同様に、複数点にてそれぞれ正反射された正反射測距光３６ｂだけを光ファイバケーブル４７の先端部に入射させることができる。
【００５９】
（光入出射部の他実施形態２）
図８に示すように光入出射部４５（２）は、光ファイバケーブル４７に加えて、この光ファイバケーブル４７から出射される測距光３６の光路に沿って順番に配置されたコリメータレンズ６５、レンズアレイ６６、及び光遅延部５１を有している。コリメータレンズ６５は、光ファイバケーブル４７の先端部から発散出射される測距光３６を平行光に変換して、この測距光３６をレンズアレイ６６に向けて出射する。
【００６０】
レンズアレイ６６は、複数のマイクロレンズ６６ａが２次元配列されている光出射面を有している。各マイクロレンズ６６ａに入射した測距光３６は、マイクロレンズ６６ａごとに測定対象物９上の異なる点に集光される。すなわち、レンズアレイ６６は、測距光３６を複数の光束３６ａに分割して測定対象物９上の複数点に向けてそれぞれ出射する。各光束３６ａは光コム３４であるので、上記実施形態と同様に、複数点にてそれぞれ正反射された正反射測距光３６ｂだけをレンズアレイ６６やコリメータレンズ６５などを経て光ファイバケーブル４７の先端部に入射させることができる。
【００６１】
（光入出射部の他実施形態３）
図９に示すように、光入出射部４５（３）は、前述の光入出射部４５（２）からコリメータレンズ６５を除いたものである。光入出射部４５（３）は、レンズアレイ６６の各マイクロレンズ６６ａにより光ファイバケーブル４７の先端部から発散出射された測距光３６を測定対象物９上の異なる点に集光させる。これにより、測距光３６を複数の光束３６ａに分割して測定対象物９上の複数点に向けてそれぞれ出射することができる。また、各光束３６ａは光コム３４であるので、上記実施形態と同様に、複数点にてそれぞれ正反射された正反射測距光３６ｂだけを光ファイバケーブル４７の先端部に入射させることができる。
【００６２】
（光入出射部の他実施形態４）
図１０に示すように、光入出射部４５（４）は、前述の光入出射部４５（２）のコリメータレンズ６５とレンズアレイ６６の間に、さらに、レンズアレイ６８を配置したものである。レンズアレイ６８は、複数のマイクロレンズ６８ａが２次元配列されている光入射面を有している。各マイクロレンズ６８ａに入射した測距光３６（平行光）は、マイクロレンズ６８ａごとにレンズアレイ６６上の異なる点に集光され、さらに、マイクロレンズ６６ａごとに測定対象物９上の異なる点に集光される。市販されているレンズアレイ６６，６８は一般的に焦点距離が短いが、２種類のレンズアレイ６６，６８を組み合わせることで遠方にある測定対象物９上の複数点にも各光束３６ａを集光させることができる。
【００６３】
また、前述の光入出射部４５（２）と同様に、複数の光束３６ａを測定対象物９上の複数点に向けてそれぞれ出射するとともに、複数点にてそれぞれ正反射された正反射測距光３６ｂだけを光ファイバケーブル４７の先端部に入射させることができる。
【００６４】
（光入出射部の他実施形態５）
図１１に示すように、光入出射部４５（５）は、光ファイバケーブル４７に加えて、この光ファイバケーブル４７から出射される測距光３６の光路に沿って順番に配置されたマスク７０及びレンズ７１を有している。
【００６５】
マスク７０は、測定対象物９上の複数点に向かう光束３６ａのみの通過を許容するものであり、複数の光束３６ａにそれぞれ対応する複数の貫通穴７０ａを有している。これにより、マスク７０に入射した測距光３６の一部は各貫通穴７０ａを通過してレンズ７１に向けて出射され、他の測距光３６はマスク７０により遮られる。これにより、測距光３６が複数の光束３６ａに分割される。
【００６６】
レンズ７１は、マスク７０から入射した複数の光束３６ａをそれぞれ測定対象物９上の複数点にそれぞれ集光させる。これにより、測距光３６を複数の光束３６ａに分割して測定対象物９上の複数点に向けてそれぞれ出射することができる。また、各光束３６ａは光コム３４であるので、上記実施形態と同様に、複数点にてそれぞれ正反射された正反射測距光３６ｂだけをレンズ７１やマスク７０などを経て光ファイバケーブル４７の先端部に入射させることができる。
【００６７】
（光入出射部の他実施形態６）
図１２（Ａ）に示すように、光入出射部４５（６）は、光ファイバケーブル４７と、コリメータレンズ７３と、ビームスプリッタ７４と、デジタルミラーデバイス（Digital Mirror Device：以下、単にＤＭＤと略す）７５と、反射鏡７６とを有する。これら各部の配置は特に限定はされないが、本実施形態では、測定対象物９に対向する位置にビームスプリッタ７４を配置し、ビームスプリッタ７４の測定対象物９に対向する方向とは反対方向（図中右方向）側にＤＭＤ７５を配置している。また、ビームスプリッタ７４の図中上方向側にコリメータレンズ７３及び光ファイバケーブル４７を配置し、図中下方向側に反射鏡７６を配置している。
【００６８】
コリメータレンズ７３は、光ファイバケーブル４７の先端部から発散出射された測距光３６を平行光に変換してからビームスプリッタ７４に向けて出射する（図中の括弧付き数字（１）参照）。ビームスプリッタ７４は、コリメータレンズ７３から入射した測距光３６をＤＭＤ７５に向けて反射する（図中の括弧付き数字（２）参照）。
【００６９】
ＤＭＤ７５は、いわゆるＭＥＭＳデバイスであり、多数のマイクロミラー７５ａが２次元配列された光反射面を有している。各マイクロミラー７５ａは、ビームスプリッタ７４から入射した測距光３６をビームスプリッタ７４（測定対象物９）に向けて反射する第１傾斜位置と、測距光３６をビームスプリッタ７４（測定対象物９）とは異なる方向に反射する第２傾斜位置とに切替可能である。なお、図１２（Ａ），（Ｂ）では、図面の煩雑化を防止するため、ＤＭＤ７５の配置やマイクロミラー７５ａの傾きについては簡略化して表している。
【００７０】
ＤＭＤ７５は、個々のマイクロミラー７５ａにより測距光３６をビームスプリッタ７４（測定対象物９）に向けて個別に反射することにより、測距光３６を複数の光束３６ａに分割してビームスプリッタ７４（測定対象物９）に向けて出射することができる。また、ＤＭＤ７５は、個々のマイクロミラー７５ａを第２傾斜位置から第１傾斜位置に切り替えるタイミングをずらすことにより、各光束３６ａをビームスプリッタ７４（測定対象物９の複数点）に順次に到達させることができる。すなわち、ＤＭＤ７５は、本発明の光遅延部としても機能する。
【００７１】
ビームスプリッタ７４は、ＤＭＤ７５から入射する複数の光束３６ａをそのまま透過させる。これにより、複数の光束３６ａを測定対象物９の複数点にそれぞれ順次に入射させることができる（図中の括弧付き数字（３）参照）。
【００７２】
図１２（Ｂ）に示すように、各光束３６ａは光コム３４であるので、上記実施形態と同様に、測定対象物９の複数点にてそれぞれ正反射された正反射測距光３６ｂだけが順次にビームスプリッタ７４に入射する（図中の括弧付き数字（４）参照）。そして、ビームスプリッタ７４は、複数点ごとの正反射測距光３６ｂを反射鏡７６に向けて反射させる（図中の括弧付き数字（５）参照）。
【００７３】
反射鏡７６は、ビームスプリッタ７４から入射した複数点ごとの正反射測距光３６ｂをビームスプリッタ７４（コリメータレンズ７３）に向けて反射する。ビームスプリッタ７４に向けて反射された複数点ごとの正反射測距光３６ｂは、ビームスプリッタ７４をそのまま透過してコリメータレンズ７３に入射し、このコリメータレンズ７３を介して光ファイバケーブル４７の先端部に入射する（図中の括弧付き数字（６）参照）。
【００７４】
このように光入出射部４５（６）においても、上記実施形態と同様に、複数点にてそれぞれ正反射された正反射測距光３６ｂだけを光ファイバケーブル４７の先端部に入射させることができる。なお、ＤＭＤ７５の代わりに反射型の光空間変調器を用いてもよい。
【００７５】
（光入出射部の他実施形態７）
図１３に示すように、光入出射部４５（７）は、光ファイバケーブル４７に加えて、この光ファイバケーブル４７から出射される測距光３６の光路に沿って順番に配置されたコリメータレンズ６５及び透過型の光空間変調器７９を有している。
【００７６】
光空間変調器７９は、個々のピクセルごとに透過率や偏光方向等を個別に制御可能である。このため、光空間変調器７９は、光ファイバケーブル４７及びコリメータレンズ６５を介して入力される測距光３６を複数の光束３６ａに分割して測定対象物９上の複数点に向けてそれぞれ出射することができる。この際に、透過率や偏光方向等の制御タイミングをずらすことで、各光束３６ａを測定対象物９の複数点に順次に到達させることができる。すなわち、光空間変調器７９は、本発明の光遅延部としても機能する。そして、上記実施形態と同様に、各光束３６ａは光コム３４であるので、複数点にてそれぞれ正反射された正反射測距光３６ｂだけを光空間変調器７９やコリメータレンズ６５などを経て光ファイバケーブル４７の先端部に入射させることができる。なお、光空間変調器７９の代わりに、透過型マイクロ光デバイスを用いてもよい。
【００７７】
（光入出射部の他実施形態８）
図１４に示すように、光入出射部４５（８）は、光ファイバケーブル４７と、光ファイバケーブル群８１と、レンズ８２と、前述の光遅延部５１と、を有している。光ファイバケーブル群８１は、光ファイバケーブル４７の先端部に接続された複数の光ファイバケーブル８１ａにより構成されている。そして、各光ファイバケーブル８１ａは、光ファイバケーブル４７から入力された測距光３６をそれぞれレンズ８２に向けて出射する。すなわち、光ファイバケーブル群８１は、測距光３６を複数の光束３６ａに分割してレンズ８２（測定対象物９上の複数点）に向けてそれぞれ出射する。
【００７８】
レンズ８２は、各光ファイバケーブル８１ａから入射される複数の光束をそれぞれ測定対象物９上の複数点にそれぞれ集光させる。これにより、測距光３６を複数の光束３６ａに分割して測定対象物９上の複数点に向けてそれぞれ出射することができる。また、各光束３６ａは光コム３４であるので、上記実施形態と同様に、複数点にてそれぞれ正反射された正反射測距光３６ｂだけをレンズ８２や光ファイバケーブル群８１などを経て光ファイバケーブル４７の先端部に入射させることができる。なお、光遅延部５１を設ける代わりに、光ファイバケーブル群８１と光ファイバケーブル４７との間に光スイッチを介在させて、各光ファイバケーブル８１ａから順番に光束３６ａを出射させてもよい。
【００７９】
（光入出射部の他実施形態９）
図１５に示すように、光入出射部４５（９）は、前述の光入出射部４５（８）の光ファイバケーブル群８１及び光遅延部５１の代わりに、光ファイバケーブル群８５及び方向制御素子８６を配置したものである。光ファイバケーブル群８５は、光ファイバケーブル４７の先端部に接続された複数の光ファイバケーブル８５ａにより構成されている。これにより、前述の光ファイバケーブル群８１と同様に、測距光３６を複数の光束３６ａに分割して出射することができる。
【００８０】
方向制御素子８６は、各光ファイバケーブル８５ａの先端部にそれぞれ設けられている。個々の方向制御素子８６は、各光ファイバケーブル８５ａから出射される複数の光束３６ａの出射方向を制御することができる。これにより、方向制御素子８６は、レンズ８２を介して測定対象物９上に集光される複数の光束３６ａを走査することができる。その結果、前述の光入出射部４５（９）と同様に、複数の光束３６ａを測定対象物９上の複数点に向けて順次に出射するとともに、複数点にてそれぞれ正反射された正反射測距光３６ｂだけを光ファイバケーブル４７の先端部に入射させることができる。なお、方向制御素子８６は、光束３６ａを走査することにより本発明の光遅延部としても機能する。また、方向制御素子８６により光束３６ａを走査することで、光ファイバケーブル８５ａの数を前述の光ファイバケーブル８１ａの数よりも減らすことができる。
【００８１】
＜その他＞
上記実施形態では、本発明の多点距離測定装置を形状測定装置に適用した場合を例に挙げて説明を行ったが、例えば原子力発電所などの本体の変形や位置の非接触計測、その他の各種用途に用いられる多点距離測定装置に本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１０，６０…形状測定装置，１９…光周波数コム光源，２０…ファブリー・ペロー・エタロン，２２…スプリッタ，２３…第１光路，２４…第２光路，２５…光入出射部，２６…光検出部，２７…干渉縞パターン検出部，２８…距離算出部，２９…形状算出部，３５…参照光，３６…測距光，３６ａ…光束，３６ｂ…正反射測距光，４８…回折格子，６６，６８…レンズアレイ，７０…マスク，７５…ＤＭＤ，７９…光空間変調器，８１，８５…光ファイバケーブル群，８６…方向制御素子
【図１】
2015163863.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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2015163863.tif 000012
【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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