(57)【要約】  レーザを用いた距離測定装置（方法）における測定精度を向上する。  多波長のレーザ光を照射する第１工程と、多波長のレーザ光を分割する第２工程と、前記分割された第一のビームを対象物に照射させて得た測定光を波長ごとに光電変換して測定信号として検出する第３工程と、前記分割された第一のビームとは異なる第二のビームを波長ごとに光電変換して参照信号として検出する第４工程と、前記測定信号と前記参照信号との相対位相を検出し、該検出した相対位相に基づき測定光路の距離を求める第５工程とを備える距離測定方法。
2014203654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多波長のレーザ光を照射する変調光学系と、
前記多波長のレーザ光を分割するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより分割された第一のビームを対象物に照射させて得た測定光を波長ごとに光電変換して測定信号として検出する第一の受光器と、
前記ビームスプリッタにより分割された第一のビームとは異なる第二のビームを波長ごとに光電変換して参照信号として検出する第二の受光器と、
前記第一の受光器にて検出した測定信号と前記第二の受光器にて検出した参照信号との相対位相を検出し、該検出した相対位相に基づき測定光路の距離を求める演算部と、を備える距離測定装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記光学系は、
互いに異なる波長の複数のレーザ光を結合するかまたは単一波長のレーザ光を多波長のレーザ光に波長変換して、多波長のレーザ光を生成する多波長レーザ生成手段と、前記多波長レーザ生成手段に入力するレーザ光または前記第多波長レーザ生成手段が出力するレーザ光を同一発振器による信号で変調する変調光源または変調器と、を有する第１光学系、または、
波長が互いに異なる複数のモードロックレーザのレーザ光を結合するか、または１つのモードロックレーザのレーザ光を波長変換器を用いて波長変換して、多波長のレーザ光を生成する多波長レーザ生成手段を有する第２光学系を備えることを特徴とする距離測定装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記第二の受光器では、該第二のビームを該対象物に照射させることなく光電変換して参照信号として検出することを特徴とする距離測定装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記演算部では、該測定信号と該参照信号との相対位相を検出し、該検出した相対位相を用いて波長ごとの距離を検出してから測定光路の距離を求めることを特徴とする距離測定装置。
【請求項５】
請求項１において、
さらに、該対象物からの放射光を検出して対象物の温度を推定する温度推定手段を備えることを特徴とする距離測定装置。
【請求項６】
請求項１において、
光路切り替え器を備え、
前記測定光を対象物に照射した状態から切り替えて、測定光を対象物に照射せずに第一の受光器に直接戻す状態と、測定光を対象物に照射せずに吸収する状態の少なくとも１つの状態を作り出し、装置の校正を行うことを特徴とする距離測定装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記光路切り替え器はチョッパーあるいは可動ミラーあるいは光スィッチを備えることを特徴とする距離測定装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかの距離測定装置を備え、
さらに、前記ビームスプリッタにより分割されたレーザ光の向きを変える偏向光学系を備える形状測定装置。
【請求項９】
請求項１乃至７のいずれかの距離測定装置を備え、
さらに、前記ビームスプリッタにより分割されたレーザ光の向きを変える偏向光学系を備えた形状測定装置と、
該形状測定装置による測定結果を評価する形状評価装置と、
前記形状評価装置による評価結果を用いて加工条件を決定する加工装置と、を備える加工システム。
【請求項１０】
多波長のレーザ光を照射する第１工程と、
多波長のレーザ光を分割する第２工程と、
前記分割された第一のビームを対象物に照射させて得た測定光を波長ごとに光電変換して測定信号として検出する第３工程と、
前記分割された第一のビームとは異なる第二のビームを波長ごとに光電変換して参照信号として検出する第４工程と、
前記測定信号と前記参照信号との相対位相を検出し、該検出した相対位相に基づき測定光路の距離を求める第５工程とを備える距離測定方法。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記第１の工程におけるレーザ光の照射は、
同一発振器による信号で変調された単一波長のレーザ光を多波長のレーザ光に波長変換する第１の方法、
変調されていない単一波長のレーザ光を多波長のレーザ光に波長変換した後に同一発振器による信号で変調する第２の方法、
同一発振器による信号で変調されている互いに異なる単一波長のレーザ光を結合する第３の方法、
互いに異なる単一波長の変調されていないレーザ光を結合した後に同一発振器による信号で変調する第４の方法、および
波長が互いに異なる複数のモードロックレーザのレーザ光を結合するか、または１つのモードロックレーザのレーザ光を波長変換器を用いて波長変換して、多波長のレーザ光を生成する第5の方法のいずれかの方法によりなすことを特徴とする距離測定方法。
【請求項１２】
請求項１０において、
前記第４工程は、該第二のビームを該対象物に照射させることなく光電変換して参照信号として検出することを特徴とする距離測定方法。
【請求項１３】
請求項１０において、
前記第５工程は、該測定信号と該参照信号との相対位相を検出し、該検出した相対位相を用いて波長ごとの距離を検出してから測定光路の距離を求めることを特徴とする距離測定方法。
【請求項１４】
請求項１０において、
さらに、該対象物からの放射光を検出して対象物の温度を推定する第６工程を備えることを特徴とする距離測定方法。
【請求項１５】
請求項１０において、
前記測定光を対象物に照射した状態から切り替えて、測定光を対象物に照射せずに第一の受光器に直接戻す状態と、測定光を対象物に照射せずに吸収する状態の少なくとも１つの状態を作り出し、装置の校正を行う第７工程を有することを特徴とする距離測定方法。
【請求項１６】
請求項１５において、
前記光路切り替えはチョッパーあるいは可動ミラーあるいは光スィッチによりなすことを特徴とする距離測定方法。
【請求項１７】
請求項１１乃至１６のいずれかの距離測定方法を備え、
さらに、前記ビームスプリッタにより分割されたレーザ光の向きを変えて形状測定を行う第８工程を有することを特徴とする形状測定方法。
【請求項１８】
請求項１１乃至１６のいずれかの距離測定方法を備え、
さらに、前記ビームスプリッタにより分割されたレーザ光の向きを変えて形状測定を行う第８工程と、
該形状測定装置による測定結果を評価する第９工程と、
前記評価の結果を用いて加工条件を決定する第１０工程とを有する加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離測定装置、形状測定装置、加工システム、距離測定方法、形状測定方法および加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特許文献１（特開２００３−３１５０２７号公報）がある。この公報には、「熱間Ｈ形鋼は曲りや反りが大きいため、従来の近接型距離センサでは寸法・形状の制御が困難であった」という課題を解決する方法として「Ｈ形鋼７０を４台の光波距離計４０，４１，４２，４３で計測する。そのためには、フレーム２５を口の字フレームにして光波距離計４０，４１，４２，４３の設置性を高めるようにした」ことが開示されている（要約）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３１５０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、高温物体の形状測定には計測装置を対象物から離して設置する必要があるため、遠隔から形状を測定できる光波距離計をもちいることが記載されているが、光波距離計の距離測定装置と対象物の間の光の伝搬時間を測定する原理に起因する、光の伝搬速度温度依存による誤差は考慮されていない。すなわち、測定光路の空気が高温物体により熱せられて温度が上がり、また、湿度や圧力が変化することより、空気の屈折率が変化するために、測定光の測定装置から対象物までの往復時間が変化してしまい、これによって光波距離計によって測定される距離が誤差を持つことが従来技術では考慮されていない。【０００５】
このような場合によく用いられる手段として、γ線を対象物に照射してγ線の吸収率から対象物の厚みを推定する方法がある。この方法は高温環境での測定が可能であるが、放射線を用いるために放射線防護対策必要であり、また、複雑な形状の測定には向いていないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本願では、多波長のレーザ光を照射する変調光学系と、前記多波長のレーザ光を分割するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより分割された第一のビームを対象物に照射させて得た測定光を波長ごとに光電変換して測定信号として検出する第一の受光器と、前記ビームスプリッタにより分割された第一のビームとは異なる第二のビームを波長ごとに光電変換して参照信号として検出する第二の受光器と、前記第一の受光器にて検出した測定信号と前記第二の受光器にて検出した参照信号との相対位相を検出し、該検出した相対位相に基づき測定光路の距離を求める演算部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、空気の温度、気圧、湿度などによる影響を抑制し、高精度な測定を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る距離測定装置の構成図の例である。
【図２】本発明に係る距離測定装置における温度と距離の関係図である。
【図３】本発明による受光信号の周波数を変換するための回路の構成図である。
【図４】本発明に係る距離測定装置に光コムレーザを用いた場合の構成図である。
【図５】本発明に係る形状測定装置において、周波数掃引レーザを用いた場合の距離測定部の構成図である。
【図６】本発明に係る距離測定装置（形状測定装置）の構成図である。
【図７】本発明による距離測定装置により距離補正を校正するための構成図である。
【図８】本発明による対象物表面温度測定機能を組み合わせて、更に距離測定の精度を高めた装置の構成図である。
【図９】本発明に係る加工システムの構成図である。
【図１０】本発明に係る形状測定装置による距離補正を行うためのレーザの掃引の様子を示す図である。
【図１１】本発明のＤ２−Ｄ１を高精度に計測する構成例を示す図である。
【図１２（ａ）】光チョッパーの例を示す図である。
【図１２（ｂ）】形状測定装置のビーム走査ミラーの近傍にレーザ吸収部とレーザ反射部を配置した構成例を示す図である。
【図１２（ｃ）】計測のシーケンスを説明する図である。
【図１３】クロストークデータ、基準距離データを高頻度に得る距離測定装置の変形例を示す図である。
【図１４】実施例１０の変形例を示す図である。
【図１５】距離測定装置の構成例を示す図である。
【図１６】距離測定装置の構成例を示す図である。
【図１７（ａ）】本発明に係る距離測定装置の変調光学系の構成例を示す図である。
【図１７（ｂ）】本発明に係る距離測定装置の変調光学系の構成例を示す図である。
【図１７（ｃ）】本発明に係る距離測定装置の変調光学系の構成例を示す図である。
【図１７（ｄ）】本発明に係る距離測定装置の変調光学系の構成例を示す図である。
【図１７（ｅ）】本発明に係る距離測定装置の変調光学系の構成例を示す図である。
【図１８】受光器をλ１とλ２で共通にした場合の距離測定装置の構成例を示す図である。
【図１９】本発明に係る加工システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１０】
上記課題を解決するために、本願では複数波長の測定光を用いて、対象物までの距離を同時に測定し、両者の差異を用いて測定距離を補正することで、環境に影響されない高精度な距離計測・立体形状計測を実現することを特徴とする。光波距離計では測定光を一定の周波数で強度変調し、対象物で散乱反射された強度変調光がもどってくる時間によって、検出される強度変調の位相が変化するので、この位相を測定することによって距離がわかる。すなわち、大気の屈折率ｎ、真空中の光速度ｃ、強度変調の周波数ｆ、受光した光の強度変調の位相φと距離Ｄの関係は、強度変調ひと波分の光の伝搬距離がｃ／（ｎ・ｆ）であるので、
Ｄ＝（１／２）・（Ｎ＋φ／（２π））・ｃ／（ｎ・ｆ）
の関係がある。ここで、Ｎは整数である。Ｎを決めるために、複数の変調周波数ｆを用いて、まず、一周期あたりの距離ｃ／（２ｎ・ｆ）が、測定したい距離範囲よりも大きくなるような小さな変調周波数ｆを用い、これによって大まかな距離をきめて、次第に変調周波数ｆを高めることで正確に距離Lを求める。【００１１】
ここで、大気の温度、圧力、湿度といった環境によって大気の屈折率は変化する。このとき、（Ｎ＋φ／（２π））の値は、屈折率ｎに比例して変化する。このため、屈折率ｎが一定であると仮定して計算した見かけの距離Ｄは、屈折率に比例して変化する。光の波長によって屈折率の変化の度合いが異なるために、波長によって距離の測定値に差異が生じる。この差異によって環境によっておこる誤差を見積もることができる。この様子を図２に示す。【００１２】
図２は、本発明に係る距離測定装置における温度と距離の関係図である。【００１３】
温度が上がると一般に屈折率が下がるために、これに比例して見かけの測定距離が変化する。屈折率の環境による変化の波長依存性のため、波長λ１の時の測定距離Ｄ１と、波長λ２（＜λ１）の時の測定距離Ｄ２は温度に対して、異なった変化をする。このとき、Ｄ２、Ｄ１の値と真の距離Ｄとの関係には、
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１）
の関係が近似的に成り立つため、これによって高温大気中での測定距離を補正することができる。ここで、Ｄ１とＤ２の差異はごくわずかであり、Ａは１００程度の大きい値を持つため、Ｄ１とＤ２のわずかな差異を高精度に検出することが必要である。このために、測定光と参照光、波長１と波長２の検出回路系を対称的に構成することで、共通の誤差の影響を低減する。
図１は、本発明に係る距離測定装置の構成図である。【００１４】
発振器１００の信号が変調光源１０１に加えられ、発振器の変調周波数で変調されたレーザ光を発生する。光源としてはレーザダイオードを用いて、このレーザダイオードの駆動電流に発振器１００からの信号を重畳すればよい。あるいは、連続発振のレーザ光源を用いて、この後に変調器を接続した光源１０１を用いて、変調器の駆動信号として発振器１００からの信号を入力してもよい。変調器としては、電気光学変調器ＥＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）、音響光学変調器ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）などを用いればよいが、特にＥＯＭは数十ＧＨｚの高速変調が可能であり、変調周波数ｆを上げることによって距離測定精度を上げたい場合はＥＯＭを使用するのが望ましい。【００１５】
レーザ光はコリメータ１０２で平行光にされたのち、波長変換器１０３に導かれ、ここで非線形光学効果を用いて高調波を発生する。元の波長をλ１とすると、この整数分の１の波長λ２を持ったレーザ光が高調波である。高調波のほかに、他の波長の光との非線形媒質中での混合によって発生する、和周波や差周波のレーザ光を発生してもよい。波長λ１の光が変調しているので、発生した波長λ２の光も元の光と正確に同期して変調されており、これらの光が混ざったものが、波長変換器１０３から射出される。射出された光はビームスプリッタ１０４を通過し、光学フィルタ１０５を通った後、投影・検出レンズ１０６から射出されて測定光２０として測定対象物１２に照射される。１２で散乱反射された光は、投影・検出レンズ１０６、光学フィルタ１０５を再度通って、ビームスプリッタ１０４で図の下方向に反射される。ここで、望ましい構成としては、波長変換器１０３から出射される光は直線偏光状態となる様に構成され、ビームスプリッタ１０４は偏光ビームスプリッタであり、波長変換器１０３から出射される光の偏光状態を調整することによって、ビームスプリッタ１０４を透過して測定光となる光と、上方に反射されて参照光となる光の強度費を調整することが可能となる。更に光学フィルタ１０５として1/4波長板を用いて、これを透過して測定対象物１２に向かう光が円偏光となる様に調整することによって、測定対象物１２から散乱反射される光も多くが円偏光成分となり、再度光学フィルタ１０５に置かれた１／４波長板を透過することによって、偏光方向が最初と９０度回転した直線偏光として、偏光ビームスプリッタ１０４に戻る。すると、偏光ビームスプリッタ１０４で下方向に反射される。また、光学フィルタ１０５には１／４波長板の他に、測定光λ１、λ２以外の外乱光成分をカットする波長フィルタを含んでもよい。【００１６】
ビームスプリッタ１０４の下方向は測定光の受光部分であり、上方向は参照光の受光部分であり、対称に構成されているので、まず測定光の受光部分の構成と動作を説明する。測定光は波長分離ミラー１１０Ｍで波長λ１の光と波長λ２の光に分けられる。波長λ１の光は図で左方向に進み受光器１１１Ｍ１で受光され、電気信号に変換され、この電気信号から、フィルタ１１２Ｍ１で発振器１００の変調周波数に相当する信号を抽出する。波長λ２の光は図で下方向に進み受光器１１１Ｍ２で受光され、電気信号に変換され、この電気信号から、フィルタ１１２Ｍ２で発振器１００の変調周波数に相当する信号が抽出される。【００１７】
次にビームスプリッタ１０４の上方向は参照光の受光部分の構成と動作を説明する。参照光はビームスプリッタ１０４で分けられた後、波長分離ミラー１１０Ｒで波長λ１の光と波長λ２の光に分けられる。波長λ１の光は図で左方向に進み受光器１１１Ｒ１で受光され、電気信号に変換され、この電気信号から、フィルタ１１２Ｒ１で発振器１００の変調周波数に相当する信号を抽出する。波長λ２の光は図で上方向に進み受光器１１１Ｒ２で受光され、電気信号に変換され、この電気信号から、フィルタ１１２Ｒ２で発振器１００の変調周波数に相当する信号が抽出される。【００１８】
これら抽出された４種類の信号から、波長λ１の測定光と参照光の間の位相差を位相計１１３−１によって、波長λ２の測定光と参照光の間の位相差を位相計１１３−２によってそれぞれ検出し、それらから、それぞれ波長λ１に対する距離Ｄ１、波長λ２に対する距離Ｄ２を検出する。これらの情報を距離演算回路１１４が受け、Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１）によって、屈折率の影響を補正した正確な距離Ｄを求めることが可能となる。【００１９】
なお、すでに説明したように、長距離の測定の場合は、整数Ｎを一意に決定するため、複数の変調周波数を用いて上記検出を行うことが必要となる。すなわち、光源１０１の変調周波数ｆを切り替え、フィルタ１１２でこの変調周波数成分を抽出することを順次切り替えて、位相検出の周期性に伴う不定性を解消する。フィルタ１１２は切り替える変調周波数をすべて通すように構成してもよいし、周波数ｆの切り替えに合わせて等価帯域を切り替えるようにすれば、外乱に対してより強くなる。あるいは、発振器１００から光源１０１にあたえる変調を、上記切り替える複数の周波数を重畳した信号として、フィルタ１１２Ｍ１，１１２Ｍ２，１１２Ｒ１，１１２Ｒ２と位相計１１３−１、１１３−３のセットを重畳した周波数のそれぞれに対して並列に用意することによって、周波数を切り替えることなく、より高速に距離を測定することを可能とする構成も考えられる。【００２０】
また、フィルタ１１２等のフィルタ特性のドリフトの影響等によって、フィルタされた信号の位相にはわずかな変動が生じる。この影響を抑えるために、λ１とλ２に対して対称的な光路を構成しているが、さらに、可動反射ミラー１２８が測定光路中に挿入される構成も考えられる。可動反射ミラー１２８を光路に挿入すると、ビームスプリッタ１０４にごく近いミラー１２８までの距離を測定することができ、この値は大気の外乱の影響を受けにくいので、この値によってフィルタ特性のドリフトの影響を定期校正して抑制することが可能となる。【００２１】
以上に示した構成により、複数の波長において距離を精密に測って補正を行うことで、測定光２０の光路の温度・気圧・湿度の影響を減じた距離計を実現することができる。
【実施例２】
【００２２】
次に、図３を用いて位相検出方法の別の実施例について述べる。【００２３】
図３は、本発明による受光信号の周波数を変換するための回路の構成図の例である。【００２４】
精度よく距離を計測するためには、高い周波数ｆで変調した光の位相を検出することが望ましい。しかし、高い周波数の信号を扱うのは難しいので、本実施例では、ビートダウンと呼ばれる方法を用いる実施形態について説明する。図１の距離測定装置のフィルタ１１２の部分を図３（ａ）に示すようにする。すなわち、変調周波数ｆ１に対応した周波数抽出フィルタ１１２の後に、ミキサー１１８を挿入し、発振器１００で発生した別の周波数ｆ２と混合する、即ち、アナログ的な掛け算をする。すると、ｆ１＋ｆ２とｆ１−ｆ２の二つの周波数を含む信号が出力されるが、このうち、ｆ１−ｆ２の周波数に対応した周波数抽出フィルタ１１９を通すことによって、ｆ１−ｆ２にビートダウンされた信号となる。ｆ１とｆ２として近い値を選ぶと、このビートダウンによって周波数を桁違いに低くできるので、位相計１１３を構成することが容易になる。【００２５】
更に、別のビートダウン実施例として、図３（ｂ）に示すように、発振器から発生した第二の周波数ｆ２の信号を受光器１１１に印加する。受光器１１１としてアバランシェフォトダイオードを用いて、バイアス電圧に周波数ｆ２の信号を印加すれば、印加電圧によって増倍ゲインが変化するので、掛け算器と等価な働きをする。したがって、この後に差周波数ｆ１−ｆ２を透過するフィルタ１１９を挿入することで、周波数ｆ１−ｆ２にビートダウンすることが可能となる。
【実施例３】
【００２６】
次に、距離検出器（距離測定装置）１０の別の実施例について述べる。【００２７】
図４は、距離測定装置に光コムレーザを用いた場合の構成図である。【００２８】
本実施例では、高周波で正確な変調をかけて高精度な位相検出を行うため、モードロックレーザあるいは光コムレーザと呼ばれるレーザ１０１’を用いる。モードロックレーザは繰り返し周波数ｆ１のパルス発振レーザであり、レーザ共振器内で低次から高次までの共振モードが正確に同期しているために、周波数ｆ１の１倍、２倍、３倍．の変調が高次まで正確に同期してかかっており、ジッターも非常に小さいという特徴がある。このような特徴があるため、この光コムレーザ１０１’を図１で示した光源１０１の代わりにもちいると距離測定の精度が向上する。この場合、発振器１００からの変調信号ｆ１は光コムレーザ１０１’の変調に用いるのではなく、光コムレーザ１０１’の繰り返し発振周波数がｆ１と等しくなるように光コムレーザの共振器長等を制御するための基準信号として用いる。光源以外の部分については図１と同様に構成してももちろん良いが、レーザダイオードの変調によっては得ることが困難な、数十ＧＨｚオーダの高周波を検出するために、図４に示したような構成にしてもよい。数十ＧＨｚオーダの光強度変調を検出する受光器は非常に高価であり、また、高周波は空間や回路基板を伝わって受光器のあとの回路に伝搬しやすくクロストークノイズとなるため、受光器で受光した変調光信号が微弱な場合はとくに誤差の原因となりやすい。このため、光学的に別の周波数に変換してから受光器で検出することで、クロストークを抑えた高精度な微弱光の位相検出が可能となる。【００２９】
以下、光源部以外で、図４が図１と異なるところを中心に説明を加える。ビームスプリッタ１０４の下方向は測定光の受光部分であり、上方向は参照光の受光部分であり、対称に構成されているので、まず測定光の受光部分の構成と動作を説明する。測定光はファイバーコリメータ１１５Ｍで光ファイバーに導入され、波長分離カプラ（ＷＤＭ）１１６Ｍで波長λ１の光と波長λ２の光に分けられる。波長λ１の光はＥＯＭなどの光変調器１１７Ｍ１を通る時に、発振器１００からの周波数ｆ２の変調を受けたのち、受光器１１１Ｍ１で受光され、電気信号に変換される。もともとの測定光の周波数ｆ１での強度変調と光変調器１１７Ｍ１による強度変調ｆ２のため、受光された信号にはｆ１−ｆ２のビートダウンされた信号成分が含まれる。元の周波数ｆ１での変調成分は高周波なので受光器１１１Ｍ１の帯域から外れてしまう場合でも、低周波に変換されたｆ１−ｆ２が検出できればよいので、より低コストな受光器を用いることが可能であるという効果が、クロストーク抑制効果の他にある。この電気信号から、フィルタ１１２Ｍ１で周波数ｆ１−ｆ２に相当する信号を抽出する。【００３０】
また、光変調器１１７Ｍ１に与える変調信号の周波数はｆ２ではなく、ｆ２／２でもよい。変調強度を強くすると高調波での変調がかかるので、同様にｆ１−ｆ２のビートダウン信号が得られる。この場合は、発振器の信号周波数を低くすることができるので回路の最高周波数を落とすことが可能となる。【００３１】
波長λ２の光は波長分離カプラ１１６Ｍから光変調器１１７Ｍ２に導かれ、同様に周波数ｆ２による強度変調をうけて、周波数ｆ１−ｆ２の信号を含む光信号に変換される。これは受光器１１１Ｍ２で受光されて電気信号に変換され、この電気信号からフィルタ１１２Ｍ２で周波数ｆ１−ｆ２の信号成分が抽出される。【００３２】
次にビームスプリッタ１０４の上方向に反射された参照光の受光部分の構成と動作を説明する。参照光はビームスプリッタ１０４で分けられた後、ファイバーコリメータ１１５Ｒにより光ファイバーに導かれる。この後の構成は検出光に対する図と対称であり、上記説明における光変調器、受光器、フィルタに対する記号のＭをすべてＲに置き換えればよい。【００３３】
上記で抽出された４種類の信号から波長λ１の測定光と参照光の間の位相差を位相計１１３−１、波長λ２の測定光と参照光の間の位相差を位相計１１３−２によって、それぞれ検出し、それらから、それぞれ波長λ１に対する距離Ｄ１、波長λ２に対する距離Ｄ２を検出する。これらの情報を距離演算回路１１４が受け、Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１）によって、屈折率の影響を補正した正確な距離Ｄを求めることが可能となる。【００３４】
なお、本構成では光ファイバーの小面積のコアに測定光をファイバーコリメータ１１５Ｍによって導入するため、レンズ１０６には焦点調整機構が付いているのが望ましい。また、光学フィルタ１０５によって波長λ１、λ２以外の外乱光をカットするのが望ましい。また、可動ミラー１２８によって、定期的に可動ミラーの距離を測定することで、フィルター回路等のドリフトによる誤差を補正することが望ましい。
【実施例４】
【００３５】
次に別の実施例として、光を強度変調するのではなく光の周波数を変調する場合の構成を説明する。【００３６】
図５は、本発明に係る距離測定装置において、周波数掃引レーザを用いた場合の構成図である。【００３７】
発振器１００’は三角波状の変調信号を発生し、レーザダイオード１０１の駆動電流に重畳される。すると、ＬＤが発振する波長λ１のレーザ光の電磁波としての周波数が直線的に変化するように制御できる。このレーザ光はファイバーカプラ１２９で分けられ、一方は別のファイバーカプラ１３３−１によって更に二つに分けられる。真横に向かった一方の光は別のファイバーカプラ１３４−１によって更に分けられた後、波長分離（ＷＤＭ）カプラで別の波長λ２のレーザと混合されて、コリメータ１０２から射出される。【００３８】
射出された光は、光学フィルタ１０５を通った後、投影・検出レンズ１０６から射出されて測定光２０として測定対象物１２に照射される。１２で散乱反射された光は、投影・検出レンズ１０６、光学フィルタ１０５を再度通って、ファイバーコリメータ１０２で集光される。なお、レンズ１０６には実施例３と同様に焦点調整機構が付いているのが望ましい。【００３９】
集光された波長λ１の光は波長分離カプラ１１０で下方向に導かれ、ファイバーカプラ１３４−１でミラー１３５−１に分岐してミラーに反射して戻ってきた光と再び合流して、一部が光検出器１１１Ｍ１で検出される。このとき、ミラー１３５−１で戻ってきた光と測定対象物１２で戻ってきた光が干渉したビート信号が検出される。レーザダイオード１０１の変調によるレーザ光の周波数の変化率をｋ（Ｈｚ／ｓ）とすると、ミラー１３５−１までの光学的距離と測定対象物１２までの光学的距離の差Ｄに対して、光の伝搬時間が２Ｄ／ｃだけ異なるので、二つの光を干渉させたときのビートは
ｆｂ＝２ｋ・Ｄ／ｃ
の周波数をもつ。したがって、この周波数を検出すれば、距離Ｄが算出できる。【００４０】
ファイバーカプラ１３３−１で下方向に分岐したレーザ光は別のファイバーカプラ１３６−１で二つに分けられ、長さがＬだけ異なる光ファイバー１３７−１と１３８−１に導かれ、前記２本の光ファイバーを伝搬した光は別のファイバーカプラ１３９−１で合流して干渉を起こし、光検出器１１１Ｒ１で検出される。この時のビート周波数は
ｆｒ＝ｋ・ｎｆ・Ｌ／ｃ
となる。ここで、ｎｆは光ファイバーのコアの屈折率である。周波数変化率ｋ以外は既知なので、ビート周波数ｆｒから周波数変化率がモニタでき、これをリファレンスとしてＡＤコンバータ１４１−１で検出する。同時に検出器１１１Ｍ１で検出される検出光のビート信号も、ＡＤコンバータ１４１−１で検出する。これらの２種類のビート信号を解析して周波数の比を解析すれば、距離Ｄが算出できる。この場合は周波数逓倍器１４０−１は使用しないので、周波数逓倍器１４０−１については後で説明する。最終的なＤの算出式は
Ｄ＝(1/2）ｎｆ・Ｌ・ｆｂ／ｆｒ
となり、検出光ビートと参照ビートの比から距離Ｄが算出できることとなる。【００４１】
あるいは、別の方法として光検出器１１１Ｒ１から得られる参照用ビート信号をそのままＡＤコンバータ１４１−１に入れるのではなく、周波数逓倍器１４０−１を通して４倍〜１６倍程度に逓倍し、これをＡＤコンバータ１４１−１のサンプリングトリガー信号として検出器１１１Ｍ１で検出される検出光のビート信号をＡＤ変換すれば、検出ビートと参照ビートを比較することなく、検出ビートをフーリエ変換などを用いて周波数解析するだけで距離Ｄを測定することができる。【００４２】
次に、もう一つの波長λ２に対応する光学系・回路系である、図５の上半分について説明する。ファイバーカプラ１２９で分けられたレーザ光の残りは例えば希土類ドープ光ファイバーや半導体光増幅器といった光増幅器１３０で増幅され、ファイバーコリメータ１３１から出射される。この増幅された光は波長変換器１０３に導かれ、ここで非線形光学効果を用いて高調波を発生する。元の波長をλ１とすると、この整数分の１の波長λ２を持ったレーザ光が高調波である。高調波のほかに、他の波長の光との非線形媒質中での混合によって発生する、和周波や差周波のレーザ光を発生してもよい。入力される波長λ１の光が変調しているので、発生した波長λ２の光も元の光と正確に同期して変調されており、ファイバーカプラ１３２によって再び光ファイバーに導かれる。この波長λ２の光は図５の下半分の説明で波長λ１の光に対して説明したのと同じ構成の光ファイバー光学系をもちいた、距離検出系に入力される。光学素子１３４−１，１３５−１，１１１Ｍ１，１３６−１，１３７−１，１３８−１，１３９−１，１１１Ｒ１と回路１４０−１、１４１−１の添え字をすべて１から２に読み替えれば、λ１に対する上記説明がλ２に対しても成り立つ。【００４３】
ただし、光の周波数の変化率ｋは高調波を利用することによってλ１／λ２倍になっているのでビート周波数もλ１／λ２倍となることを注意しておく。ここで、別の構成として、参照ビートを発生する光学系に関しては、ビート周波数が正確にλ１／λ２倍になるので、必ずしもλ１とλ２用に分けて具備する必要はない。例えば、図の点線で囲ったλ１用参照ビート発生部１４２−１を具備する代わりに、λ２用参照ビート発生部１４２−２からの信号を経路１４５によって波長λ１用のＡＤコンバータ１４１−１に入力してもよい。【００４４】
以上の構成で波長λ１とλ２に対する対象物１２の距離Ｄ１、Ｄ２を正確に測定することができるので、これらの結果を距離演算回路１１４’に入力して比較することによって光路の環境による誤差を補正した正確な距離Ｄを測定することが可能となる。【００４５】
なお、本構成では光ファイバーの小面積のコアに測定光をファイバーコリメータ１０２によって導入するため、レンズ１０６には焦点調整機構が付いているのが望ましい。また、光学フィルタ１０５によって波長λ１、λ２以外の外乱光をカットするのが望ましい。また、可動ミラー１２８によって、定期的に可動ミラーの距離を測定することで、フィルター回路等のドリフトによる誤差を補正することが望ましい。
【実施例５】
【００４６】
次に、上記説明した距離測定装置１０を備えた立体形状測定装置１１の構成について説明する。【００４７】
図６は、本発明に係る形状測定装置１１の構成図の例である。【００４８】
距離測定装置１０から出射した測定光２０は形状測定装置１１の可動ミラー１５０、１５１で反射してから測定対象物１２に照射され、拡散反射した測定光２０は可動ミラー１５１、１５０で反射してから距離測定装置１０にもどる。可動ミラー１５０と１５１の角度を変えることにより、任意の方向にビームを偏向する偏向光学系を構成する。この偏向光学系によりビームの方向を走査しながら対象物１２までの距離を測定することにより、対象物の立体形状を測定することが可能となる。別の実施例として、ミラーは１５１一枚だけを用いて、ミラー１５１が２軸方法に可動となるように構成し、一枚だけで立体形状を測定できるようにしてもよい。あるいは、ミラーは１５１一枚だけを用いて、ミラー１５１は１軸方法のみに可動となる構成で測定光２０の走査方向に沿った断面形状を測定するようにしてもよい。【００４９】
なお図６では、距離測定装置１０として図１で説明した構成を用いて描かれているが、図３，図４，図５のいずれかを用いて構成してもよいことは言うまでもない。
【実施例６】
【００５０】
次に図７を用いて本装置の校正方法について説明する。【００５１】
図７は、本発明による距離測定装置１０（形状測定装置１１）により距離補正を校正するための構成図である。【００５２】
距離測定装置１０あるいは形状測定装置１１と校正用の測定対象物１２’の間の測定光２０の光路を覆う、加熱と温度のモニタが可能な加熱管１５２を準備する。加熱管の温度を変化させながら、波長λ１とλ２による距離Ｄ１とＤ２を測定し、図２に示したデータを得る。このデータから式
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１）
による補正に必要な係数Ａを得ることができる。
【実施例７】
【００５３】
次に図８を用いて、更に距離精度を向上する実施例について説明する。【００５４】
図８は、本発明による対象物表面温度測定機能を組み合わせて、更に距離測定の精度を高めた装置の構成の例である。【００５５】
図２に示した関係は近似的関係であり、温度範囲が広くなると正確にはＤ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１）の式とは一致しなくなる。このため、測定対象物１２の表面の温度を測定する機能を付加して、この情報を用いて測定対象物付近の空気の温度勾配を推定し、補正を行うと高温時の形状測定精度が向上する。図８が図１に説明する実施例と異なる部分だけ説明する。測定対象物１２から戻ってきた測定光はレンズ１０６を透過した後、波長分離ミラー１５３で検出光λ１とλ２の成分を透過し、それ以外の光を反射するように構成される。検出光λ１とλ２以外の成分は１５４で受光される。１５４は分光器であり、測定対象物１２の表面温度を、輻射光のスペクトルからウイーンの輻射則やプランクの輻射則によって推定することができる。あるいはもっと簡便に、１５４を波長フィルター付き受光器で構成し、一定の赤外波長領域の光量を検出して、これから測定対象物１２の表面温度を推定してもよい。このように、波長分離ミラー１５３と分光器／波長フィルター付き受光器１５４により、温度推定手段を具備させることができる。これによって推定した測定対象物１２の表面温度から、測定対象物付近の空気の温度勾配を推定し、測定された距離に対して補正を行う。このための補正量は図７で説明した加熱管１５２によって得ることができる。
【実施例８】
【００５６】
次に、本発明に係る形状測定装置１１による測定結果を用いて、立体形状を評価する立体形状評価装置１３をもち、立体形状の評価結果を用いて加工装置の加工条件を調整する加工システムについて、図９を用いて説明する。【００５７】
図９に示される加工システムは、形状測定装置１１−１、１１−２、立体形状評価装置１３、加工装置１４を備えて構成される。【００５８】
１１−１と１１−２が本発明に係る立体形状測定装置である。このように必要に応じて測定対象物１２の周りに一つあるいは複数の立体形状測定装置を設置し、測定光２０−１、２０−２を走査して、測定対象物１２の立体形状を取得する。これらの立体形状測定装置からの計測データを立体形状評価装置１３で集めて計測対象物１２全体の立体データとして、この立体データと設計値とのずれを高精度に評価する。この結果を鍛造装置、圧延装置などの加工装置１４に渡して、加工装置の動作パラメータを変更して加工結果の測定対象物１２の形状が所望の形状になる様に制御することが可能となる。【００５９】
図１０は、本発明に係る形状測定装置による距離補正を行うためのレーザの掃引の様子を示す図である。【００６０】
形状計測装置１１から出た測定光２０を走査して、測定対象物１２の表面形状を測定する。このとき、空気の気圧・温度・湿度等による補正量のデータを正確に得るためには、測定をゆっくりと行って長時間平滑化し、それぞれの波長λ１とλ２による距離Ｄ１，Ｄ２を正確に測定する必要がある。これによる測定時間の増大を避けるために、図１０（ａ）の２１に示すように少数の位置での補正データを取得して、場所による補正量のマップを補間によって得て、形状計測装置１１の距離演算部１１４によって各位置による測定結果に対して補正を行う。この構成により、測定時間の増大や測定ばらつきの増大を招かずに立体形状データを正確に得ることができるようになる。さらに、図１０（ｂ）に示すように、補正データ取得位置に反射光が強く安定な距離検出ができる補助ターゲット２２を置いて、ここを測定することで、形状計測装置１１の距離演算部１１４によって高温物体測定時の補正量の各位置での値を正確に得ることができるという効果を生じる。【００６１】
以上の実施例では、実施例５にて示した図６で形状測定装置の構成図について説明したが、他の実施例にて示した距離測定装置についても図６と同様に、可動ミラーなどを備えて構成することで形状測定装置として構成される。
【実施例９】
【００６２】
すでに説明したように、距離の補正式の
Ｄ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１）
におけるＤ１とＤ２の差異はごくわずかであり、Ａは１００程度の大きい値を持つため、Ｄ１とＤ２のわずかな差異を高精度に検出することが必要である。たとえば１００マイクロメートルの精度を得るためにはＤ２−Ｄ１の値を１マイクロメートルの精度で測定する必要がある。このために更に精度を上げることができる実施例をこの後さらに示していく。【００６３】
図１１に本発明のＤ２−Ｄ１を高精度に計測するための構成例を示す。フィルタ１１２等の回路の発熱や環境温度によるフィルタ特性のドリフト影響の違いや、参照光と検出光の距離測定装置１０内の光路長の波長による違いによって、Ｄ２とＤ１の相対的な信号の位相に測定光２０の光路の環境や測定対象物１２の距離が全く変わらない場合でも、わずかな変動が生じる。この影響を抑えるために、図１で説明した構成では、可動反射ミラー１２８を測定光路中に挿入して、ビームスプリッタ１０４にごく近いミラー１２８までの距離を測定することができ、この値は大気の外乱の影響を受けにくいので、この値によってフィルタ特性のドリフトの影響を定期校正して抑制していた。さらにこれを高頻度で行い精度を高めるのが図１１で説明する実施例の構成である。可動反射ミラー１２８の代わりに光チョッパー１７２を挿入する。これを制御器１６２で常時回転させてこれと同期してクロストーク補正器１６３、原点補正器１６４を動作させることで、常時補正を行うことで上記説明した検出ドリフトを高頻度で補正して、精度よくＤ２−Ｄ１を求めることができる。【００６４】
ここで使用する光チョッパーとしては例えば図１２（ａ）に示すものを用いる。光チョッパー１７２の回転ディスク部には光を反射せずに吸収するレーザ吸収部１７０、光を反射して元に戻すレーザ反射部１７１が形成されており、これ以外の部分は光を透過する中空の窓あるいは透明ガラス部分となっている。【００６５】
あるいは図６で説明した形状測定装置の構成図のビーム走査ミラー１５０の近傍に図１２（ｂ）に示すように、レーザ吸収部１７０’とレーザ反射部１７１’を配置する。レーザ反射部１７１’はビーム走査ミラー１５０に光を戻す鏡となっており、レーザ反射部１７１’にビームが当たるように走査ミラー１５０の角度を制御した場合には、レーザ反射部１７１’で測定光が反射して検出装置に戻る。また、レーザ吸収部１７０’にビームが当たるようにビーム走査ミラー１５０の角度を制御した場合には光が戻らない。この実施例では光を吸収するＮＤフィルタで複数回反射することで、光を吸収する構成となっている。なお、レーザ吸収部１７０’とレーザ反射部１７１’は第二のビーム走査ミラー１５１の後に配置して１５１の角度によって測定光路を切り替えてもよい。【００６６】
図１２（ｃ）を用いて計測のシーケンスを説明する。このように光チョッパー１７２やビーム走査ミラー１５０あるいは１５１の回転によって、測定対象物に測定光を当てて測定している通常測定期間と、レーザ反射部１７１を測定している基準距離測定期間、レーザ吸収部１７０にビームを吸収させてバックグラウンド信号を測定しているバックグラウンド測定期間を１ミリ秒から１０秒の間の適当な間隔で高速に切り替える。この光チョッパー１７２やビーム走査ミラー１５０あるいは１５１の制御は制御器１６２で行い、光チョッパー１７２あるいは制御器１６２からのタイミング信号を用いて、クロストーク補正器１６３、原点補正器１６４の動作を切り替える。【００６７】
具体的には、クロストーク補正器１６３は、バックグラウンド測定期間は位相計からのデータＤ”（位相φと振幅Ａ）を振幅ベクトル（Ａｘ、Ａｙ）として記憶して、バックグラウンドデータ（Ａｘｎ、Ａｙｎ）とする。ここで、Ａｘ＝Ａｃｏｓφ、Ａｙ＝Ａｓｉｎφの関係がある。それ以外の期間は位相計からのデータを振幅ベクトルＤ”（Ａｘ、Ａｙ）として受け取り、Ｄ’（Ａｘ−Ａｘｎ、Ａｙ−Ａｙｎ）をバックグラウンド補正後のデータとして出力する。なお、バックグラウンドデータの同定誤差を減らすために、複数のバックグラウンド測定期間のバックグラウンドデータをもちいて、各種の移動平均などのフィルタをかけたものをバックグラウンドデータ（Ａｘｎ，Ａｙｎ）としてもよい。【００６８】
原点補正器（比較器）１６４ではクロストーク補正器１６３から受け取ったデータＤ’のうち基準距離測定期間のデータを記憶して（Ａｘｏ，Ａｙｏ）として、通常測定期間のデータＤ’から差し引くことで距離測定装置１０内のフィルタや光路の特性ドリフトによる影響を除去して正確な測定を実現する。ここでも基準距離の測定誤差を減らすために、複数の基準距離測定期間のデータをもちいて、各種の移動平均などのフィルタをかけたものを基準距離データ（Ａｘｏ，Ａｙｏ）としてもよい。【００６９】
上記処理は波長λ１、λ２のそれぞれに対して行うため、位相計１１３、クロストーク補正器１６３、原点補正器１６４、およびそこから出力されるデータＤ”、Ｄ’、Ｄはそれぞれ１，２のサフィックスをつけて並べて図中では記載してある。また、図示していないが実施例１で説明したように複数の変調周波数ｆそれぞれに対して上記処理を行って、これによって一周期あたりの距離ｃ／（２ｎ・ｆ）が、測定したい距離範囲よりも大きくなるような小さな変調周波数ｆを用い、これによって大まかな距離をきめて、次第に変調周波数ｆを高めることで正確に距離を求めることを実現する。最後に距離演算回路１１４でλ１、λ２の2波長に対する距離Ｄ１，Ｄ２からＤ＝Ｄ２−Ａ（Ｄ２−Ｄ１）によって大気の屈折率の温度変化を補正した正確な距離を求めることができる。
【実施例１０】
【００７０】
次にクロストークデータ、基準距離データを高頻度に得るための変形例を図１３を用いて説明する。基本的構成は図４で説明した距離測定装置１０と同様である。ただし、電気光学変調器（ＥＯＭ）１１７Ｒ１、１１７Ｒ２の後にそれぞれ光ファイバーカプラ１６０−１，１６０−２を挿入して参照光の一部を別の光ファイバーに分岐する。分岐した光ファイバーは光スイッチ１６１−１、１６１−２で、測定光のＥＯＭ（それぞれ１１７Ｍ１と１１７Ｍ２）からの光ファイバーに結合する。光スイッチは測定光と参照光を制御器１６２からの信号によって切り替えて光電変換器（それぞれ１１１Ｍ１と１１１Ｍ２）に渡すことで、実施例９で説明した通常測定期間と基準距離測定期間を切り替える。さらに、光スイッチ１６１−１、１６１−２を３入力切り替えのものとして、３つめの入力を非接続にして、非接続入力を制御器１６２で選択することで、実施例９で説明したバックグラウンド測定期間を実現する。制御器１６２は実施例９と同様に測定期間の選択と同期してクロストーク補正器１６３、原点補正器１６４を制御することで、距離測定装置１０内のフィルタや光路の特性ドリフトによる影響を除去して正確な測定を実現する。
【実施例１１】
【００７１】
次に図１４を用いて実施例１０の変形例を説明する。ここでは、光ファイバーカプラ１６０を参照光用のファイバーコリメータ１１５Ｒの後に挿入して、参照光を一部分分岐して、測定光用のファイバーコリメータ１１５Ｍの後に挿入した光ファイバースイッチで、測定光と選択して、測定光用ＷＤＭカプラ（１１６Ｍ）に送る。選択は制御器１６２からの信号によって行うこと、ファイバーカプラ１６０は２入力あるいは望ましくは３入力で３番目の入力は非接続で使用することは実施例１０と同様である。
【実施例１２】
【００７２】
ほかの構成例を図１５を用いて説明する。基本的構成は図５で説明した距離測定装置１０と同様である。ただし、波長分離カプラ１１０とコリメータ１０２の間に後述する素子を挿入して波長分離カプラ１１０から図の左方に戻る光を切り替える。サーキュレータ１６６は波長分離カプラ１１０からの測定光を光ファイバーカプラ１６０に導く、光ファイバーカプラ１６０は光の一部を光スイッチ１６１に分岐する。分岐されなかった光は右方に進みサーキュレータ１６５を右方向に進み、コリメータ１０２に導かれる。ここから測定光２０が測定対象物１２に照射されて再びコリメータで光ファイバーに戻るのは、図５で説明したものと同じである。戻ってきた測定光２０はサーキュレータ１６５で上方に導かれ、光スイッチ１６１に入力される。距離演算回路１１４’からの信号で光スイッチ１６１は照射前に光カプラ１６０で戻した光、測定光２０として照射された光、さらに望ましくは入力が接続されていないポートからの光を選択して出力する。サーキュレータ１６６はこれを受け取って波長分離カプラ１１０に伝送する。この構成によって、光スイッチは実施例９で説明した通常測定期間と基準距離測定期間とバックグラウンド測定期間の切り替えを実現する。距離演算回路１１４’は実施例９と同様に測定期間の選択と同期して、バックグラウンド補正と基準距離データ補正を行うことで、距離測定装置１０内のフィルタや光路の特性ドリフトによる影響を除去して正確な測定を実現する。
【実施例１３】
【００７３】
更にほかの構成例を図１６を用いて説明する。基本的構成は図６で説明した距離測定装置１０と同様である。ただし、参照光の検出信号を光電変換器１１１Ｒ１，１１１Ｒ２の後で分岐して信号切替器１８１−１、１８１−２にそれぞれ導く。切替器１８１−１は制御器１６２からの指令で測定光受光器１１１Ｍ１と参照光受光器１１１Ｒ１からの信号を切り替えてフィルタ１１１Ｍ１に送る。これによって、切替器が参照光からの信号を選択している期間にフィルタ１１２Ｍ１と１１２Ｒ１間の特性の違いを測定することが可能となり、これを高頻度で行って、測定光からの信号の位相測定時に補正することで、高精度な位相測定が可能となる。波長λ２に関しても切替器１８１−２が同様に働く。【００７４】
この場合、距離測定装置１０内の光路の揺らぎに対しては補正ができないので、可動反射ミラー１２８は、切替器１８１−１、１８１−２に比べて低頻度で働いて、実施例１と同様に揺らぎを補正する。
【実施例１４】
【００７５】
次に変調光源系の別の構成例について図１７を用いて説明する。【００７６】
図１７（ａ）は図１に記載の変調光源系であり、変調光源１０１の後にコリメータ１０２でレーザを出射してから波長変換器１０３で複数の波長が混ざったものを生成する。この場合、波長変換器１０３として高調波発生器を用いる場合は波長が整数分の１となる必要があり、使用できる波長に制限があった。和周波／差周波発生器を用いれば波長選択の自由度は上がるが、２本のレーザの軸調整が複雑になる課題があった。このため、そのほかの構成をこの後説明する。【００７７】
図１７（ｂ）では２つの波長の異なる変調光源１０１、１０１”を準備する。１０１、１０１”にはレーザダイオードを用いるとシンプルな光源とできる。λ１、λ２はなるべく波長の離れたものを用いると、屈折率の温度依存性の差が大きいので、補正に用いるパラメータＡの値が小さくなり、測定精度を上げることが可能となる。たとえば、Ｓｉフォトダイオードを検出器として用いる場合は、検出器の感度の高い範囲内でなるべく波長の離れた４００ｎｍ前後と８００〜１１００ｎｍ程度のものを用いるといい。光通信帯で使われるフォトダイオードが多くある、１５５０ｎｍ前後や１３００ｎｍ前後の波長もλ１あるいはλ２の有力な選択肢となる。これらの波長から選択した変調光源１０１、１０１”は同一の発振器１００からの信号で強度変調される。変調光源１０１、１０１”からの光はコリメータ１０２、１０２”からそれぞれ出射されて、波長分離ミラー（望ましくはダイクロイックミラー）１５３で一本のビームに結合される。【００７８】
あるいは図１７（ｃ）に示すように、変調光源１０１、１０１”からの光は光ファイバーカプラ（望ましくはＷＤＭカプラ）１７４で一本のファイバーに結合された後コリメータ１０２から出射される。【００７９】
あるいは、図１７（ｄ）に示すように、光源１０１、１０１”を変調しないで用いてこれらの出力光を光ファイバーカプラ（望ましくはＷＤＭカプラ）１７４で結合した後、変調器１７５で発振器１００からの変調信号に従って変調する。変調器１７５としては、図１の実施例の説明で挙げたＡＯＭ、ＥＯＭでもよいが、変調特性に波長依存性が少ないＥＡ変調器（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ａｂｏｓｏｒｐｔｉｏｎ変調器）を用いてもよい。さらに別の構成として、単一のレーザ光源１０１からの光をコリメータ１０２から出射させたのち、波長変換器１０３で複数波長の混合された光に変換し、これを変調器１７５で変調させてもよい。なお、コリメータ１０２の位置は波長変換器１０３などの素子が光ファイバー入出力タイプの場合には、コリメータ１０２と波長変換器１０３の順番が反対になることを注意しておく。また、図１７（ｄ）および（ｅ）の変調器１７５についても、光ファイバー入出力タイプか否かによって、コリメータ１０２と変調器１７５の間の順番が反対にあることを注意しておく。
【実施例１５】
【００８０】
次に波長変換器（受光器）をλ１とλ２で共通にした場合の距離測定装置１０の構成例について図１８を用いて説明する。基本的構成は図１を用いて説明した実施例と同様であるが、参照光の光電変換器（受光器）１１１Ｒ１と１１１Ｒ２、フィルタ１１２Ｒ１と１１１Ｒ２、測定光の光電変換器（受光器）１１１Ｍ１と１１１Ｍ２、フィルタ１１２Ｍ１と１１１Ｍ２、が一つになり、それぞれ参照光の受光器１１１Ｒとフィルタ１１２Ｒ、測定光の受光器１１１Ｍとフィルタ１１２Ｍなっている。制御器１６２は波長選択フィルタ１８２を制御して、λ１、λ２を切り替える。多波長変調光源としては図１７（ａ）に示した構成を図１８中に含んでいるが、図１７（ｂ）〜（ｅ）に示した構成で置き換えてもよいことはいうまでもない。制御器１６２は波長選択フィルタ１８２の切替えと同期して位相計１１３、クロストーク補正器１６３、原点補正器１６４、距離演算回路１１４を動作させて、波長λ１とλ２に対応した距離Ｄ１，Ｄ２をそれぞれ正確に測定して、大気の屈折率の変化の影響を補正した正確な距離を算出することが可能となる。
【実施例１６】
【００８１】
最後に、本発明に係る形状測定装置による測定結果を用いて、立体形状を評価する立体形状評価装置をもち、立体形状の評価結果を用いて加工装置の加工条件を調整する加工システムについて、図１９を用いて説明する。【００８２】
図１９に示される加工システムは、形状測定装置１１−１、１１−２、立体形状評価装置１３、加工装置１４を備えて構成される。【００８３】
１１−１と１１−２が本発明に係る立体形状測定装置である。このように必要に応じて測定対象物１２の周りに一つあるいは複数の立体形状測定装置を設置し、測定光２０−１、２０−２を走査して、測定対象物１２の立体形状を取得する。これらの立体形状測定装置からの計測データを立体形状評価１３で集めて計測対象物１２全体の立体データとして、この立体データと設計値とのずれを高精度に評価する。【００８４】
この時、立体形状評価装置１３は測定対象物送り装置１９０も制御して、送りと同期して立体形状測定装置１１を動作させる。このような構成にして、測定光２０の走査は測定対象物１２の送りと略直交方向とすることで、立体形状測定装置１３はシンプルな一軸レーザ走査による一次元断面形状測定機能を持たせて、測定対象物１２の送りと合わせて測定対象物の３次元形状の測定を可能とできる。【００８５】
また図９の実施例では加工装置１４から出てきた測定対象物１２を加工装置に戻す説明がなかったが、本実施例では立体形状評価装置１３による測定後再び加工装置１４に戻すことで、測定された測定対象物１２の形状データを用いて、追加の圧延・鍛造量、すなわち、あと何ｍｍ追加で圧延・鍛造すれば所望の形状になるかの指示データを、立体形状評価装置１３から加工装置１４に渡して高精度な加工を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００８６】
１０  距離測定装置、１１  形状測定装置、１２  測定対象物、１３  立体形状評価装置、１４  加工装置、２０  測定光、２１  補正データ取得時の測定光の位置、２２  補正データ取得のための補助ターゲット、１００  発振器、１０１  変調光源、１０１’  光コムレーザ、１０２  コリメータ、１０３  波長変換器、１０４  ビームスプリッタ、１０５  光学フィルタ、１０６  投影・検出レンズ、１１０  波長分離カプラ、１１０Ｍ  測定光用波長分離ミラー、１１０Ｒ  参照光用波長分離ミラー、１１１Ｍ１  λ１測定光用光電変換器、１１１Ｍ２  λ２測定光用光電変換器、１１１Ｒ１  λ１参照光用光電変換器、１１１Ｒ２  λ２参照光用光電変換器、１１２Ｍ１  λ１測定光用周波数フィルタ
１１２Ｍ２  λ２測定光用周波数フィルタ、１１２Ｒ１  λ１参照光用周波数フィルタ、１１２Ｒ２  λ２参照光用周波数フィルタ、１１３−１  λ１用位相計、１１３−２  λ２用位相計、１１４  距離演算回路、１１５Ｍ  測定光用ファイバーコリメータ、１１５Ｒ  参照光用ファイバーコリメータ、１１６Ｍ  測定光用波長分離カプラ（ＷＤＭカプラ）、１１６Ｒ  参照光用波長分離カプラ（ＷＤＭカプラ）、１１７Ｍ１  λ１測定光用電気光学変調器、１１７Ｍ２  λ２測定光用電気光学変調器、１１７Ｒ１  λ１参照光用電気光学変調器、１１７Ｒ２  λ２参照光用電気光学変調器、１１８  周波数ミキサー、１１９  ビート抽出用周波数フィルタ、１２０  補正演算回路、１２８  可動反射ミラー、１２９  ファイバーカプラ、１３０  光増幅器、１３１  コリメータ、１３２  コリメータ、１３３−１  λ１用ファイバーカプラ、１３３−２  λ２用ファイバーカプラ、１３４−１  λ１用ファイバーカプラ、１３４−２  λ２用ファイバーカプラ、１３５−１  λ１用参照ミラー、１３５−２  λ２用参照ミラー、１３６−１  λ１用ファイバーカプラ、１３６−２  λ２用ファイバーカプラ、１３７−１  λ１用ファイバー、１３７−２  λ２用ファイバー、１３８−１  λ１用参照光路ファイバー、１３８−２  λ２用参照光路ファイバー、１３９−１  λ１用ファイバーカプラ、１３９−２  λ２用ファイバーカプラ、１４０−１  λ１用周波数逓倍機、１４０−２  λ２用周波数逓倍機、１４１−１  λ１用ＡＤコンバータ、１４１−２  λ２用ＡＤコンバータ、１５０  ビーム走査ミラー、１５１  ビーム走査ミラー、１５２  加熱管、１５３  波長分離ミラー、１５４  受光器／分光器
１５９  ビーム高速切替器、１６０  光ファイバーカプラ、１６０−１  λ１用ファイバーカプラ、１６０−２  λ２用ファイバーカプラ、１６１  光（ファイバー）スィッチ、１６１−１  λ１用光（ファイバー）スィッチ、１６１−２  λ２用光（ファイバー）スィッチ、１６２  制御器、１６３  クロストーク補正器、１６４  原点補正器、１６５  サーキュレータ、１６６  サーキュレータ、１７０  レーザ吸収部、１７１  レーザ反射部、１７２  光チョッパー、１７４  光ファイバーカプラ（ＷＤＭカプラ）、１７５  変調器、１８１−１  λ１用信号切替器、１８１−２  λ２用信号切替器、１８２  波長選択フィルタ、１９０  送り装置
【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（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
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【図１２（ｃ）】
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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（ａ）】
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【図１７（ｂ）】
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【図１７（ｃ）】
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【図１７（ｄ）】
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【図１７（ｅ）】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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