(57)【要約】      （修正有）【課題】低コストで複数の被測定物を測定することができる３次元形状測定装置を提供する。【解決手段】３次元形状測定装置は、非線形媒質３０を有し、該非線形媒質３０に照射された第１偏光状態の複数の反射チャープ光１０２、１０４、１０６をポンプ光が照射された期間で切り出すシャッタ部を備え、非線形媒質３０は、シャッタリング光が照射された期間に照射された反射チャープ光１０２、１０４、１０６の偏光状態を第２偏光状態に変化させるものであり、シャッタ部は、非線形媒質３０によって偏光状態が変わった反射チャープ光１０２、１０４、１０６を抽出することで、所定のタイミングで反射チャープ光１０２、１０４、１０６を切り出し、複数の照射装置は、非線形媒質３０におけるポンプ光の非線形効果の有効範囲１００内に反射チャープ光１０２、１０４、１０６を集光させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が規則的に経時変化する複数のチャープ光を被測定物に照射して反射された複数の反射チャープ光を非線形媒質に照射する複数の照射装置と、
所定のタイミングでシャッタリング光を非線形媒質に照射するシャッタリング光照射手段と、
前記非線形媒質を有し、該非線形媒質に照射された第１偏光状態の前記複数の反射チャープ光を前記シャッタリング光が照射された期間で切り出すシャッタ手段と、
切り出された前記複数の反射チャープ光を用いて、前記被測定物の３次元情報を取得する３次元情報取得手段と、
を備え、
前記非線形媒質は、シャッタリング光が照射された期間に、照射された前記反射チャープ光の偏光状態を第２偏光状態に変化させるものであり、
前記シャッタ手段は、前記非線形媒質によって偏光状態が変わった前記反射チャープ光を抽出することで、前記所定のタイミングで前記反射チャープ光を切り出し、
前記複数の照射装置は、前記非線形媒質における前記シャッタリング光の非線形効果の有効範囲内に前記複数の反射チャープ光を集光させる
ことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の３次元形状測定装置であって、
パルス光を前記チャープ光に変換する１つのチャープ光変換手段を備え、
前記複数の照射装置は、前記１つのチャープ光変換手段によって変換された前記チャープ光を前記被測定物に照射する
ことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の３次元形状測定装置であって、
前記複数の照射装置は、複数の前記被測定物に対して前記チャープ光を照射して、前記複数の被測定物からの前記複数の反射チャープ光を非線形媒質に照射し、
前記３次元情報取得手段は、前記所定のタイミングで切り出されたそれぞれの前記反射チャープ光を用いて、前記複数の被測定物の３次元情報を取得する
ことを特徴とする３次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被測定物（例えば、ワーク）の３次元情報を測定する方法として、下記に示す特許文献１に記載されているように、波長が規則的に経時変化するチャープ光を被測定物に照射してその反射光を所定のタイミングで切り出して撮像することで、３次元情報を計測する方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２５００３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した特許文献１に記載の技術では、１つの被測定物に対して、１つのパルス光源、シャッタが必要となるため、複数の被測定物の３次元情報を測定する場合は、複数のパルス光源及びシャッタが必要となり、高コストとなってしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、低コストで複数の被測定物を測定することができる３次元情報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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、波長が規則的に経時変化する複数のチャープ光を被測定物に照射して反射された複数の反射チャープ光を非線形媒質に照射する複数の照射装置と、所定のタイミングでシャッタリング光を非線形媒質に照射するシャッタリング光照射手段と、前記非線形媒質を有し、該非線形媒質に照射された第１偏光状態の前記複数の反射チャープ光を前記シャッタリング光が照射された期間で切り出すシャッタ手段と、切り出された前記複数の反射チャープ光を用いて、前記被測定物の３次元情報を取得する３次元情報取得手段と、を備え、前記非線形媒質は、シャッタリング光が照射された期間に、照射された前記反射チャープ光の偏光状態を第２偏光状態に変化させるものであり、前記シャッタ手段は、前記非線形媒質によって偏光状態が変わった前記反射チャープ光を抽出することで、前記所定のタイミングで前記反射チャープ光を切り出し、前記複数の照射装置は、前記非線形媒質における前記シャッタリング光の非線形効果の有効範囲内に前記複数の反射チャープ光を集光させることを特徴とする。
【０００７】
パルス光を前記チャープ光に変換する１つのチャープ光変換手段を備え、前記複数の照射装置は、前記１つのチャープ光変換手段によって変換された前記チャープ光を前記被測定物に照射する。
【０００８】
前記複数の照射装置は、複数の前記被測定物に対して前記チャープ光を照射して、前記複数の被測定物からの前記複数の反射チャープ光を非線形媒質に照射し、前記３次元情報取得手段は、前記所定のタイミングで切り出されたそれぞれの前記反射チャープ光を用いて、前記複数の被測定物の３次元情報を取得する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数の照射装置は、照射したチャープ光を被測定物に照射して反射された複数の第１偏光状態の反射チャープ光を、非線形媒質におけるシャッタリング光の非線形効果の有効範囲に集光させるので、１度のシャッタリングで、複数の照射装置が照射して得られた反射チャープ光を切り出すことができ、低コストで複数の被測定物を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態の３次元形状測定装置の全体構成図である。
【図２】照射装置及びポンプ光照射装置の具体的構成を示す図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】変形例３における複数の照射装置による反射チャープ光の非線形媒質への照射及びポンプ光照射装置によるパルス光の非線形媒質への照射の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
発明に係る３次元形状測定装置を、好適な実施の形態を掲げ添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。
【００１２】
図１は、実施の形態の３次元形状測定装置１０の全体構成図である。３次元形状測定装置１０は、レーザ装置１２と、スプリッタ１４と、チャープ機器１６と、スプリッタ１８と、３つの照射装置２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）と、シャッタ部２２と、ミラー２４と、ポンプ光照射装置２６と、３つの撮像装置２８（２８ａ、２８ｂ、２８ｃ）とを備える。
【００１３】
レーザ装置１２は、パルスのレーザ光（以下、パルス光という）を発生して、チャープ機器（チャープ光変換手段）１６に照射する。レーザ装置１２が照射するパルス光は、高エネルギーのパルス光である。
【００１４】
スプリッタ１４は、レーザ装置１２とチャープ機器１６との間に介装されており、レーザ装置１２が照射したパルス光の一部を透過し、残部を反射する。スプリッタ１４を透過したパルス光はチャープ機器１６に照射され、スプリッタ１４を反射したパルス光は、ミラー２４に照射される。なお、スプリッタ１４は、ビームスプリッタであってもよく、透過率と反射率との比が１：１のビームスプリッタをハーフミラーという。
【００１５】
チャープ機器１６は、照射したパルス光を、波長が規則的に経時変化するチャープ光に変換して、スプリッタ１８に照射する。チャープ機器１６は、自己位相変調によりパルス光をチャープ光に変換する。チャープ光とは、波長が変化している光のことをいう。
【００１６】
スプリッタ１８は、照射されたチャープ光を３分割し、分割したそれぞれのチャープ光を照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃに照射する。各照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、照射されたチャープ光を図示しない被測定物Ｗに対して照射し、反射したチャープ光（以下、反射チャープ光という）を取得する。各照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、取得した反射チャープ光のうち、第１偏光方向（第１偏光状態）の反射チャープ光をシャッタ部（シャッタ手段）２２の非線形媒質３０に照射する。つまり、照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃから照射される反射チャープ光は、第１偏光方向に偏光した直線偏光の光である。
【００１７】
ミラー２４は、照射されたパルス光の光路を変えるものであり、照射されたパルス光を反射してポンプ光照射装置（シャッタリング光照射装置）２６に照射する。ポンプ光照射装置２６は、照射されたパルス光をポンプ光（シャッタリング光）として所定のタイミングで非線形媒質３０に照射させるものであり、照射されたパルス光を一定時間遅延させてポンプ光として照射させる。
【００１８】
シャッタ部２２は、照射されたそれぞれの反射チャープ光を所定のタイミングで切り出し、切り出した該反射チャープ光を各撮像装置（３次元情報取得手段）２８ａ、２８ｂ、２８ｃに照射させる。非線形媒質３０（非線形光学素子）は、ＣＳ２、ＳｒＴｉＯ３等からなるものであり、ポンプ光が照射された期間に、照射された反射チャープ光の偏光状態を変化させる。詳しくは、照射された第１偏光方向の反射チャープ光を、第２偏光方向の反射チャープ光に変化させる。シャッタ部２２の偏光フィルタ３２は、非線形媒質３０で偏光方向が変えられた反射チャープ光のみを透過（抽出）して撮像装置２８ａ、２８ｂ、２８ｃに照射させるものであり、詳しくは、第２偏光方向（第２偏光状態）の反射チャープ光を透過する。この第１偏光方向と第２偏光方向とは互いに直交する。つまり、偏光フィルタ３２を透過した反射チャープ光は、第２偏光方向に偏光した直線偏光の光となる。
【００１９】
ここで、照射装置２０ａが取得した反射チャープ光は、撮像装置２８ａに照射され、照射装置２０ｂが取得した反射チャープ光は、撮像装置２８ｂに照射され、照射装置２０ｃが取得した反射チャープ光は、撮像装置２８ｃに照射される。撮像装置２８ａ、２８ｂ、２８ｃは、撮像して得られた画像データから被測定物Ｗの３次元情報を求める。３次元情報の求め方は周知技術なので説明を省略する。
【００２０】
なお、偏光フィルタ３２に代えて、偏光ビームスプリッタを用いてもよい。偏光ビームスプリッタは、照射された光のうち、ｐ波及びｓ波の一方の光を透過し、他方を反射する特性を有する。このｐ波とｓ波は偏光方向が互いに直交する。偏光ビームスプリッタを用いた場合は、第２偏光方向の反射チャープ光を反射又は透過することで、第２偏光方向の反射チャープ光を撮像装置２８ａ、２８ｂ、２８ｃに照射する。
【００２１】
図２は、照射装置２０ａ及びポンプ光照射装置２６の具体的構成を示す図である。図２では、説明を簡単にするため、照射装置２０ａと同様の構成を有する照射装置２０ｂ及び照射装置２０ｃの図示を省略している。なお、照射装置２０ａは、照射されたチャープ光を被測定物Ｗａに照射し、反射した反射チャープ光を取得する。照射装置２０ｂ、照射装置２０ｃは、照射されたチャープ光を図示しない被測定物Ｗｂ、Ｗｃにそれぞれ照射して、被測定物Ｗｂ、Ｗｃで反射した反射チャープ光を取得する。これにより、同時に複数の被測定物Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃの３次元情報を得ることができる。
【００２２】
照射装置２０ａは、ミラー５０と、ビームスプリッタ５２と、拡大光学系５４と、偏光フィルタ５６と、集光光学系５８とを有する。ミラー５０は、スプリッタ１８から照射されたチャープ光の光路を変更させるものであり、照射されたチャープ光を反射させてビームスプリッタ５２に照射する。
【００２３】
ビームスプリッタ５２は、照射された光の一部を透過し、残部を反射させるものである。ビームスプリッタ５２は、照射されたチャープ光を反射させて被測定物Ｗａに対して照射するとともに、被測定物Ｗａからの反射チャープ光を透過させる。拡大光学系５４は、ビームスプリッタ５２から被測定物Ｗａに対して照射されるチャープ光を拡大させるものである。
【００２４】
偏光フィルタ５６は、ビームスプリッタ５２を透過した被測定物Ｗａからの反射チャープ光のうち、所定の偏光方向（前記第１偏光方向）の反射チャープ光を透過して集光光学系５８に照射する。なお、偏光フィルタ５６に代えて、偏光ビームスプリッタを設けてもよい。偏光ビームスプリッタを設ける場合であっても、前記第１偏光方向の反射チャープ光を透過又は反射して集光光学系５８に照射するように偏光ビームスプリッタを設けることはいうまでもない。
【００２５】
集光光学系５８は、偏光フィルタ５６を透過した反射チャープ光をシャッタ部２２の非線形媒質３０に照射する。このとき、集光光学系５８は、非線形媒質３０のある範囲内の一点に反射チャープ光を集光させる。照射装置２０ｂ及び照射装置２０ｃの集光光学系５８も非線形媒質３０の前記範囲内の一点に反射チャープ光を集光させる。この集光光学系５８の集光については後で詳しく説明する。
【００２６】
ポンプ光照射装置２６は、ミラー７０と、三角ミラー７２と、リトロリフレクタ７４と、ミラー７６と、集光光学系７８とを有する。ミラー７０は、スプリッタ１４から照射されたパルス光の光路を変更させるものであり、照射されたパルス光を反射させて三角ミラー７２に照射する。
【００２７】
三角ミラー７２は、ミラー７０から照射された光をリトロリフレクタ７４に照射し、リトロリフレクタ７４は照射された光を三角ミラー７２に照射する。三角ミラー７２及びリトロリフレクタ７４間の反射は予め決められた回数分だけ行われる。三角ミラー７２及びリトロリフレクタ７４間の反射が予め定められた回数分だけ行われると、三角ミラー７２は、パルス光をミラー７６に照射する。三角ミラー７２及びリトロリフレクタ７４間の反射回数は、三角ミラー７２及びリトロリフレクタ７４の設計によって定まる。
【００２８】
ミラー７６は、三角ミラー７２から照射されたパルス光の光路を変更させるものであり、照射されたパルス光を反射させて集光光学系７８に照射する。集光光学系７８は、照射されたパルス光をポンプ光として非線形媒質３０に照射する。このとき、集光光学系７８は、ポンプ光を非線形媒質３０の中で予め定められた１点でポンプ光が集光するようにポンプ光を照射する。
【００２９】
ここで、各照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃの集光光学系５８は、非線形媒質３０の前記範囲内の一点で反射チャープ光を集光するが、前記範囲は、ポンプ光照射装置２６から照射される非線形媒質３０におけるポンプ光の非線形効果の有効範囲のことである。
【００３０】
図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。このＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図は、ポンプ光に垂直な方向の非線形媒質３０の断面であり、該断面で、ポンプ光と、反射チャープ光とが交わっている。なお、図３は、照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃの集光光学系５８、及び、集光光学系７８により、反射チャープ光及びポンプ光が一箇所に集光された状態時の断面である。参照符号１００は、ポンプ光の非線形効果の有効範囲を示すものであり、ポンプ光の大きさ（ポンプ光の径で表される大きさ）を示している。参照符号１０２、１０４、１０６は、それぞれ照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃから照射された反射チャープ光を示しており、図３に示すように、反射チャープ光１０２、１０４、１０６は非線形効果の有効範囲１００内の一点で集光されていることが諒解されよう。
【００３１】
ポンプ光の非線形効果とは、反射チャープ光１０２、１０４、１０６の偏光方向を変えることをいい、その有効範囲１００とは、反射チャープ光１０２、１０４、１０６の偏光方向を変えることができる範囲のことをいう。したがって、有効範囲１００外にある反射チャープ光の偏光方向は変えることができない。
【００３２】
また、エネルギー密度が一定値以上のポンプ光でなければ、反射チャープ光１０２、１０４、１０６の偏光方向を変えることができないので、エネルギー密度が一定値未満のポンプ光の大きさ中に反射チャープ光１０２、１０４、１０６があっても、反射チャープ光１０２、１０４、１０６の偏光方向を変えることができない。したがって、ポンプ光の非線形効果の有効範囲とは、エネルギー密度が一定値以上のポンプ光の大きさ（ポンプの径で表される大きさ）のことをいう。
【００３３】
ポンプ光のエネルギー密度を高くするために、ポンプ光照射装置２６の集光光学系７８は、ポンプ光を非線形媒質３０内で集光させる。したがって、照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、エネルギー密度が一定値以上となるように集光されたポンプ光の非線形効果の有効範囲内に、反射チャープ光を集光させる。
【００３４】
なお、ポンプ光照射装置２６が非線形媒質３０内においてポンプ光を集光させる位置は予め分かっているので、ポンプ光の非線形効果の有効範囲も予め分かっている。したがって、該有効範囲内で反射チャープ光が収まるように、照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃが反射チャープ光を集光させれば、非線形媒質３０は、反射チャープ光の偏光方向を変えることができる。
【００３５】
このように、各照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、照射したチャープ光を被測定物に照射して反射された複数の反射チャープ光１０２、１０４、１０６のうち第１偏光状態の反射チャープ光１０２、１０４、１０６を、シャッタ部２２の非線形媒質３０におけるポンプ光の非線形効果の有効範囲１００内に集光させるので、１度のシャッタリングで、複数の照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃが照射して得られた反射チャープ光１０２、１０４、１０６を切り出すことができ、低コストで複数の被測定物Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃを測定することができる。
【００３６】
［変形例］上記実施の形態は、以下のように変形してもよい。
【００３７】
（変形例１）上記実施の形態では、レーザ装置１２とスプリッタ１８との間にチャープ機器１６を設け、チャープ機器１６は、パルス光をチャープ光に変換してスプリッタ１８に照射させ、スプリッタ１８は照射されたチャープ光を３分割して各照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃに照射させるようにしたが、レーザ装置１２が照射したパルス光をそのままスプリッタ１８に照射させ、スプリッタ１８は、照射されたパルス光を３分割して各照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃに照射するようにしてもよい。この場合は、照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃに照射される光はパルス光なので、各照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃがチャープ機器１６を備え、各照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、照射されたパルス光をチャープ光に変換し、変換した該チャープ光を被測定物Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃに照射させる。なお、この場合は、チャープ機器１６が３つ必要になるので、上記実施の形態に比べ高コストになる。
【００３８】
（変形例２）上記実施の形態では、３つの照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃを有し、スプリッタ１８は、チャープ光を３分割し、照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃは被測定物Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃに対してチャープ光を照射するようにしたが、照射装置２０は３つに限らず、２つであってもよく、４つ以上であってもよい。要は、３次元形状を測定する測定対象に応じて異ならせればよい。例えば、測定対象が６つの被測定物である場合には、照射装置２０を６つ設ければよい。また、１つの被測定物であるがその１つの被測定物の中に測定対象（測定領域）が４つある場合、照射装置２０を４つ設ければよい。なお、照射装置２０の数に応じて撮像装置２８の数を変える事は言うまでもない。
【００３９】
（変形例３）レーザ装置１２が照射するエネルギーが高く、然程集光しなくても、ポンプ光照射装置２６から照射されるポンプ光のエネルギー密度が前記一定値以上より高くなる場合は、図４に示すように、照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃから照射される反射チャープ光を一箇所に集光させる必要はなく、単に、ポンプ光照射装置２６は、ポンプ光が照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃが照射された反射チャープ光を横切るようにポンプ光を照射すればよい。この場合であっても、反射チャープ光は、ポンプ光の非線形効果の有効範囲１００に収まるからである。なお、この場合は、レーザ装置１２は、上記実施の形態におけるパルス光に比べ、高エネルギーのパルス光を発生する必要があるため、レーザ装置１２のコストが高くなる。
【００４０】
（変形例４）上記実施の形態では、照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、偏光フィルタ５６を備え、偏光フィルタ５６を透過した反射チャープ光（第１偏光方向の反射チャープ光）を照射するようにしたが、照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、偏光フィルタ５６を備えなくてもよい。この場合は、照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃから照射される反射チャープ光は偏光していない光となるので、シャッタ部２２が第１偏光方向の光を透過する偏光フィルタを備える。この場合は、照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃから照射された反射チャープ光は、シャッタ部２２に備えられた前記偏光フィルタを透過して非線形媒質３０に照射する。これにより、各照射装置２０ａ、２０ｂ、２０ｃに偏光フィルタ５６を設けなくてもよいので、上記実施の形態に比べ、３次元形状測定装置１０のコストを低減させることができる。
【００４１】
（変形例５）上記変形例１〜４を任意に組み合わせた態様であってもよい。
【００４２】
以上、本発明について好適な実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００４３】
１０…３次元形状測定装置                １２…レーザ装置
１４、１８…スプリッタ                  １６…チャープ機器
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…照射装置  ２２…シャッタ部
２４、５０、７０、７６…ミラー          ２６…ポンプ光照射装置
２８、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ…撮像装置  ３０…非線形媒質
３２、５６…偏光フィルタ                ５２…ビームスプリッタ
５４…拡大光学系                        ５８、７８…集光光学系
７２…三角ミラー                        ７４…リトロリフレクタ
【図１】
2012154867.tif 000003
【図２】
2012154867.tif 000004
【図３】
2012154867.tif 000005
【図４】
2012154867.tif 000006