(57)【要約】      （修正有）【課題】小型化の３次元形状データ取得装置の光学測定ヘッドを提供する。【解決手段】投射光学系および撮像光学系は、プリズム型偏光ビームスプリッタ１４と、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７と、プリズム型偏光ビームスプリッタ１４とワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７との間に配置される結像光学系１５とを有し、ＭＥＭＳ１３と撮像手段１６は、互いにプリズム型偏光ビームスプリッタ１４の偏光分離面を挟み互いに交差する方向に配置され、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７は、ＭＥＭＳ１３から出射され結像光学系１５を透過した光を透過し、ミラー１８により被測定物表面に投射され被測定物表面で反射された光は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面で結像光学系１５に向けて反射させる構成とし、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面と、ミラー１８の反射面とは互いに非平行とした。【選択図】図１
2013113581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターンを形成するチャートパターン形成手段と、
前記パターン形成手段に照明光を入射する光源と、
前記光源から前記パターン形成手段に入射し前記パターン形成手段から出射される光を被測定物表面に投射しチャート像として結像させる投射光学系と、
前記被測定物表面に結像された前記チャート像を撮像手段に結像させる撮像光学系と、
を有し、
前記投射光学系および前記撮像光学系は、
第１の偏光ビームスプリッタと、第２の偏光ビームスプリッタと、前記第１の偏光ビームスプリッタと前記第２の偏光ビームスプリッタとの間に配置される結像光学系とを有し、
前記パターン形成手段と前記撮像手段とは互いに前記第１の偏光ビームスプリッタの偏光分離面を挟み互いに交差する方向に配置され、
前記第２の偏光ビームスプリッタは、前記パターン形成手段から出射され前記第１偏光ビームスプリッタにより偏光され前記結像光学系を透過した光については透過し、前記投射光学系により前記被測定物表面に投射され前記被測定物表面で反射された光については前記結像光学系に向けて反射させ、
前記投射光学系は、前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した前記光を前記被測定物表面に向けて反射させる反射面を有し、
前記第２の偏光ビームスプリッタの偏光分離面と、前記反射面とは互いに非平行である、
ことを特徴とする３次元形状データ取得装置の光学測定ヘッド。
【請求項２】
前記第２の偏光ビームスプリッタはプリズムにより構成され、前記第２の偏光ビームスプリッタの偏光分離面は、前記プリズムのプリズム面に形成され、
前記反射面は、第２の偏光ビームスプリッタを構成するプリズムの前記プリズム面に接合されるプリズムのプリズム面に形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元形状データ取得装置の光学測定ヘッド。
【請求項３】
前記結像光学系の最も前記第２の偏光ビームスプリッタ側の端から前記第２の偏光ビームスプリッタの最も前記結像光学系の端までの距離は、２ｃｍ以上１５ｃｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状データ取得装置の光学測定ヘッド。
【請求項４】
前記パターン形成手段は、前記結像光学系の光軸に対して傾斜させられた配置となっている、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の三次元形状データ取得装置の光学測定ヘッド。
【請求項５】
前記投射光学系の主光線と前記撮像光学系の主光線とが、前記投射光学系の結像面において交差するように前記第２の偏光ビームスプリッタの偏光分離面と前記反射面との間の面間隔が設定されている、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の三次元形状データ取得装置の光学測定ヘッド。
【請求項６】
前記第１の偏光ビームスプリッタの偏光分離面または前記第２の偏光ビームスプリッタの偏光分離面の少なくとも一方の偏光分離面は、ワイヤーグリッド偏光子により形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元形状データ取得装置の光学測定ヘッド。
【請求項７】
前記第２の偏光ビームスプリッタの偏光分離面と前記被測定物表面との間には１／４波長板が配置されている、
ことを特徴とする請求項１または６のいずれか１項に記載の三次元形状データ取得装置の光学測定ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状データ取得装置の光学測定ヘッドに関し、特に、基準格子パターンを被測定物に投影した際に出現する格子パターン像の変形度合いを解析し、該被測定物の三次元形状を再現するパターン投影方式による、光を用いる３次元形状データ取得装置の光学測定ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、投影光を用いた三角測量による距離計測法がある。この計測法によれば、被測定物表面上の多数の点の距離計測データを数値計算することにより、該被測定物の立体形状をデジタルデータとして再現することができる。
【０００３】
図１１は、投影光を用いた三角測量による距離計測の原理を説明するための図である。
【０００４】
まず距離計算の基本式は、次式（１）で与えられる。
Ｚ＝（secα・tanβ/（tanα+tanβ））・Ｌ        ・・・（１）
【０００５】
上記の式（１）において、Ｚは、被測定物表面上の点とカメラ１００内の撮像レンズの距離を示し、Ｌは、プロジェクタ２００内の投影レンズとカメラ１００内の撮像レンズ間距離（基線長）を示し、αとβは、それぞれ投影レンズおよび撮像レンズの光軸が基線となす角度を示す。
【０００６】
式（１）によれば、角度α、βのセットが測定されれば、該点までの距離Ｚが求まるので、このプロセスを当該物体の表面を構成する多数の点群で行えば、当該物体表面の立体形状データが得られることになる。
【０００７】
なお本明細書で言う「光学測定ヘッド」とは、上記、投影レンズと撮像レンズを一体化した機構装置を意味する。以下では、本技術で用いられている光学測定ヘッドの形状データ取得機能のみを説明し、三次元形状再現のアルゴリズムについては説明を省略する。
【０００８】
本光学測定ヘッドでは、まず格子パターン投影光学系でレチクル上の基準格子パターンを被測定物に投影する。すると該格子パターンは、被測定物表面の凹凸形状に応じて変形された、いわゆる変形格子像を形成する。これを撮像光学系で撮影し、カメラのデジタル画像データとして出力する。この際、３Ｄデータを取得するためには、投影光学系の光軸と撮像光学系の光軸は或る程度の角度（通常１０°〜４５°）をなすことが必要である（特許文献１参照）。コンピュータ３００は、本取得画像データを、コントローラ４００を介して取得し、数値計算することにより、被測定物表面の３次元形状を再現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２７１０３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１１に示した様に、従来、格子パターンを被測定物に投影する３次元形状データ取得装置では、基準格子パターンを被測定物に投影する投影光学系と、被測定物上の変形格子像を撮影する撮像光学系の二つの独立した光学系が必要であった。そのため、計測システムが高価になり、しかも光学測定ヘッドの体積がかさ張るという課題があった。これは、歯科医療における口腔内の歯並び等の三次元の形状計測には特に問題であった。
【００１１】
本発明の目的は、投影系と撮像系という２つの独立した光学系を単一にして小型化するようにした３次元形状データ取得装置の光学測定ヘッドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一側面は、パターンを形成するチャートパターン形成手段と、パターン形成手段に照明光を入射する光源と、光源からパターン形成手段に入射しパターン形成手段から出射される光を被測定物表面に投射しチャート像として結像させる投射光学系と、被測定物表面に結像されたチャート像を撮像手段に結像させる撮像光学系と、を有し、投射光学系および撮像光学系は、第１の偏光ビームスプリッタと、第２の偏光ビームスプリッタと、第１の偏光ビームスプリッタと第２の偏光ビームスプリッタとの間に配置される結像光学系とを有し、パターン形成手段と撮像手段とは互いに第１の偏光ビームスプリッタの偏光分離面を挟み互いに交差する方向に配置され、第２の偏光ビームスプリッタは、パターン形成手段から出射され第１偏光ビームスプリッタにより偏光され結像光学系を透過した光については透過し、投射光学系により被測定物表面に投射され被測定物表面で反射された光については結像光学系に向けて反射させ、投射光学系は、第２の偏光ビームスプリッタを透過した光を被測定物表面に向けて反射させる反射面を有し、第２の偏光ビームスプリッタの偏光分離面と、反射面とは互いに非平行である、ことを特徴とする３次元形状データ取得装置の光学測定ヘッドである。
【００１３】
以上のように、投影系と撮像系という２つの独立した光学系を単一にして光学測定ヘッドを小型化・軽量化することが可能となる。
【００１４】
第２の偏光ビームスプリッタはプリズムにより構成され、第２の偏光ビームスプリッタの偏光分離面は、プリズムのプリズム面に形成され、反射面は、第２の偏光ビームスプリッタを構成するプリズムのプリズム面に接合されるプリズムのプリズム面に形成されている。
【００１５】
結像光学系の最も第２の偏光ビームスプリッタ側の端から第２の偏光ビームスプリッタの最も結像光学系の端までの距離は、２ｃｍ以上１５ｃｍ以下である。
【００１６】
パターン形成手段は、結像光学系の光軸に対して傾斜させられた配置となっている。
【００１７】
投射光学系の主光線と撮像光学系の主光線とが、投射光学系の結像面において交差するように第２の偏光ビームスプリッタの偏光分離面と反射面との間の面間隔が設定されている。
【００１８】
第１の偏光ビームスプリッタの偏光分離面または第２の偏光ビームスプリッタの偏光分離面の少なくとも一方の偏光分離面は、ワイヤーグリッド偏光子により形成されている。
【００１９】
第２の偏光ビームスプリッタの偏光分離面と被測定物表面との間には１／４波長板が配置されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、小型化の３次元形状データ取得装置の光学測定ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態としての光学測定ヘッドの構成例を示す図である。
【図２】図１の光学測定ヘッドにおける投射光学系の光路を示す図である。
【図３】図１の光学測定ヘッドにおける撮像光学系の光路を示す図である。
【図４】図１のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ、ミラー、１／４波長板、およびサファイアウィンドウの位置関係を示す図である。
【図５】図１のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ、ミラー、１／４波長板、およびサファイアウィンドウの位置関係を示す他の図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態としての光学測定ヘッドの構成例を示す図である。
【図７】図６の光学素子の構成例を示す図である。
【図８】図６の光学素子の構成例を示す他の図である。
【図９】図６の光学測定ヘッドにおける投射光学系の光路を示す図である。
【図１０】図６の光学測定ヘッドにおける撮像光学系の光路を示す図である。
【図１１】投影光を用いた三角測量による距離計測の原理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［本発明の第１の実施の形態］
図１は、本実施の形態としての三次元形状データ取得装置の光学測定ヘッド１の構成例を示す図である。なお図１は、被測定物の上部表面を測定する光学測定ヘッド１を横から見た場合の内部の構成例を模式的に示している。この例の場合、たとえば、光学測定ヘッド１は、棒状の筐体（図示せず）を有しており、サファイアウィンドウ２０から、所定のパターン像の光を被測定物の表面に投射し、被測定物の表面に結像されたそのパターン像（被測定物表面の凹凸形状に応じて変形されたパターン像）を撮像手段１６に結像させることができ、三次元形状データ取得装置は、撮像手段１６で撮像されたパターン像を所定のアルゴリズムで演算することにより、被測定物表面の３次元形状を測定することができる。たとえば、歯科医が、サファイアウィンドウ２０を患者の歯の少し上方に位置するように光学測定ヘッド１を移動させるようにして、患者の歯表面の３次元形状を測定する。
【００２３】
光学測定ヘッド１の構成について説明する。光源としての発光ダイオード（ＬＥＤ）１１は、電流を流すと発光する半導体素子である。本実施の形態においては、投影光源として発光ダイオード１１を用いているが、レーザーを用いても良い。
【００２４】
コンデンサレンズ１２は、発光ダイオード１１で発光された光を、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）１３に集めるためのレンズである。
【００２５】
ＭＥＭＳ１３は、供給される電圧に応じて所定のチャートパターンを形成する。ＭＥＭＳ１３に、コンデンサレンズ１２により集められた光が照明されると、ＭＥＭＳ１３に形成されたチャートパターンの光がプリズム型偏光ビームスプリッタ１４に向けて出射する。またＭＥＭＳ１３は、結像光学系１５の光軸に対して傾斜するように取り付けられている。その理由については後述する。本実施の形態においては、パターン形成のためにＭＥＭＳ１３を用いているが、パターン形成するものであれば、他のものでもよく、たとえば、チャートパターンが刻まれたレチクルを用いることもできる。
【００２６】
プリズム型偏光ビームスプリッタ１４は、偏光分離面１４ａにより、入射した光の偏光成分を分離する。この例の場合、Ｐ偏光成分を後段の結像光学系１５へ伝達し、Ｓ偏光成分は反射する。プリズム型偏光ビームスプリッタ１４の偏光分離面１４ａは、たとえば、誘電体多層膜により形成されたものとすることができる。
【００２７】
結像光学系１５は、２つの凸レンズ、２つの凹レンズ、および１つの凸レンズが図１に示すように配置されており、投影系レンズおよび撮像系レンズの両方の機能を兼ね備える。
【００２８】
撮像手段１６は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）であり、プリズム型偏光ビームスプリッタ１４で反射された光を結像する。ＭＥＭＳ１３と撮像手段１６とは互いにプリズム型偏光ビームスプリッタ１４の偏光分離面を挟み互いに交差する方向に配置されている。
【００２９】
ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７は、偏光分離面１７ａを有し、入射した光の偏光成分を分離する。この例の場合、Ｐ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射する特性を有する。ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７は、投影系として機能する結像光学系１５を通過したＰ偏光を透過する。ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７は、１／４波長板１９を透過してきたＳ偏光を、撮像系として機能する結像光学系１５に向けて反射させる。
【００３０】
ミラー１８は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７が透過した結像光学系１５から入射されたＰ偏光を、１／４波長板１９およびサファイアウィンドウ２０が配置されている方向（すなわち、外部に出射される方向）に反射する反射面１８ａを有している。
【００３１】
１／４波長板１９は、直線偏光を円偏光に、また円偏光を直線偏光に変換する特性を有する。１／４波長板１９は、測定時において、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面１７ａと被測定物表面の間に位置するように配置されている。ミラー１８の反射面１８ａで反射された光は、１／４波長板１９を透過して円偏光となる。被測定物表面からの反射光は、概ね円偏光からなるが、１／４波長板１９を透過してＳ偏光となる。
【００３２】
サファイアウィンドウ２０は、外部に露出するように光学測定ヘッド１内に保持される。ミラー１８の反射面１８ａで反射され、１／４波長板１９を透過した円偏光が、サファイアウィンドウ２０を通して、外部に出射される。被測定物表面からの反射光が、サファイアウィンドウ２０を通して、内部に取り込まれる。サファイアウィンドウ２０は、ガラスよりも非常に硬く、熱に強く、薬品にも溶けないといった特徴を持つ無色透明の結晶体である。サファイアウィンドウ２０が露出しているため、たとえば患者の歯に当たる可能性があることから、その破損を防止するために、ふつうのガラスよりも固い、サファイアが用いられている。
【００３３】
図２は、図１の光学測定ヘッド１における投射光学系の光路を示す図である。
【００３４】
発光ダイオード１１から発せられた光は、コンデンサレンズ１２により集められてＭＥＭＳ１３を照明し、プリズム型偏光ビームスプリッタ１４の偏光分離面１４ａにより分離される。プリズム型偏光ビームスプリッタ１４の偏光分離面１４ａにより分離されたＭＥＭＳ１３上に刻まれたチャートのＰ偏光は、投射系として機能する結像光学系１５で倍率が加わった後、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７を透過し、ミラー１８の反射面１８ａにより、被測定物表面に向けて反射される。
【００３５】
ミラー１８の反射面１８ａで反射された光は、１／４波長板１９を透過して円偏光となり、サファイアウィンドウ２０を透過し、被測定物表面に投射される。
【００３６】
このようにして発光ダイオード１１からＭＥＭＳ１３に入射しＭＥＭＳ１３から出射される光が被測定物表面に投射されチャート像として結像される。
【００３７】
図３は、図１の光学測定ヘッド１における撮像光学系の光路を示す図である。
【００３８】
被測定物表面からの反射光は、サファイアウィンドウ２０を通過し、１／４波長板１９を透過してＳ偏光となる。このＳ偏光は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面１７ａで反射されて撮像系として機能する結像光学系１５に向かう。そして、そのＳ偏光は、結像光学系１５を通過し、プリズム型偏光ビームスプリッタ１４の偏光分離面１４ａにより直角に反射され、撮像手段１６に入射する。このようにして被測定物表面に結像されたチャート像が撮像手段１６に結像される。結像されたチャート像のカメラ画像データは、図示せぬ解析用コンピュータに送られ、被測定物の三次元形状データが演算作成される。
【００３９】
図４および図５を参照して、図１のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７、ミラー１８、１／４波長板１９、およびサファイアウィンドウ２０の位置関係について説明する。図４および図５は、図１の場合と同様に、被測定物の上部表面を測定する光学測定ヘッド１を横から見た場合のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７、ミラー１８、１／４波長板１９、およびサファイアウィンドウ２０の位置関係を示す図である。なお、以下の説明では、説明の便宜上、サファイアウィンドウ２０から被測定物に向かう方向を下方、被測定物からサファイアウィンドウ２０に向かう方向を上方とする。また、発光ダイオード１１から結像光学系１５に向かう方向を前方とし、その逆方向を後方として説明を行う。
【００４０】
図４に示すように、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７は、偏光分離面１７ａが投射光学系の光軸に対して４５度の角度で交差するように配置されている。また、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面１７ａと、ミラー１８の反射面１８ａとは互いに非平行となっている。図４の例では、サファイアウィンドウ２０からの垂線（図中の破線）、すなわち、投射光学系の光軸に直交する線とワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面１７ａの角度αと、サファイアウィンドウ２０からの垂線とミラー１８の反射面１８ａの角度βは、β＞αの関係があり、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面１７ａとミラー１８の反射面１８ａは非平行となっている。このようにワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面１７ａと、ミラー１８の反射面１８ａとが互いに非平行となっているのは、投射光の角度と被測定物表面からの反射光の角度とのずれを生じさせ、そのずれにより、三次元形状データ取得装置において被測定物表面の奥行き方向の情報を演算することができるようにするためである。
【００４１】
光学測定ヘッド１は、投射光学系の結像面が撮像光学系の光軸に直交するように構成されている。つまり、該結像面と偏光分離面１７ａとは４５度の角度を成すように配置されている。言い換えれば、角度αは１３５度に設定されている。
【００４２】
撮像光学系は、撮像手段１６の撮像面（撮像の結像面）に対して共役な位置となる物点位置を、投射光学系の結像面の位置（像点位置）に一致させている。したがって、投射光学系により投射され結像されたチャート像を、撮像光学系により撮像手段１６の撮像面に結像させることができる。
【００４３】
そして、図５に示すように、投射光学系の主光線と撮像光学系の主光線とが、投射光学系の結像面において交差するようにワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面とミラー１８の反射面との間の面間隔が設定されている。図５の例の場合、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面１７ａとミラー１８の反射面１８ａとの間の面間隔が、距離Ｌとなるように、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７とミラー１８が配置されている。このように投射光学系の主光線と撮像光学系の主光線とが、投射光学系の結像面において交差するようにしたのは、投射された像（チャート像）の中心位置と撮像範囲の中心とがずれるのを防止するためである。
【００４４】
［発明の第１の実施の形態における効果］
１．以上のように、光学測定ヘッド１は、投射光学系および撮像光学系は、プリズム型偏光ビームスプリッタ１４と、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７と、プリズム型偏光ビームスプリッタ１４とワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７との間に配置される結像光学系１５とを有し、ＭＥＭＳ１３と撮像手段１６は、互いにプリズム型偏光ビームスプリッタ１４の偏光分離面を挟み互いに交差する方向に配置され、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７は、ＭＥＭＳ１３から出射されプリズム型偏光ビームスプリッタ１４により偏光され結像光学系１５を透過した光については透過し、投射光学系により被測定物表面に投射され被測定物表面で反射された光については結像光学系１５に向けて反射させ、投射光学系は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７を透過した光を被測定物表面に向けて反射させるミラー１８の反射面をさらに有し、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面と、ミラー１８の反射面とは互いに非平行となっている構成を有している。
【００４５】
すなわち投射光学系および撮像光学系を同軸上に構成して投射と撮像を同軸で行うようにし、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面とミラー１８の反射面とは互いに非平行にするようにしたので、３次元測定可能な光学測定ヘッドをよりコンパクトな構造とすることができる。なお結像光学系１５とワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７との間の距離（たとえば、結像光学系１５の最もワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７側の端からワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の最も結像光学系１５の端までの距離）を、２ｃｍ以上１５ｃｍ以下の範囲にすることにより、たとえば、歯表面の３次元形状を測定する光学測定ヘッドとしては使い勝手のよいものとすることができる。
【００４６】
２．光学測定ヘッド１の筐体（図示省略）内には、結像光学系１５、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７、ミラー１８、サファイアウィンドウ２０等の光学部材が収納保持される。そのため、これらの部材が配置される部分における筐体の細径化は、該部材の存在により制限される。しかしながら、結像光学系１５とワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７との間に光学部材を配置しない構成とすることで、この間については、筐体の細径化を行い易くなる。
【００４７】
たとえば、光学測定ヘッド１を人間の口腔内の歯の形状計測に用いる場合、結像光学系１５とワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７との間の距離を５ｃｍ以上とすることで、チャート像が出射されるサファイアウィンドウ２０の部分を口腔内に入れた状態で、結像光学系１５から後方の部分を口腔の外側に配置できる。そして、結像光学系１５とワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７との間の部分は、口唇の部分に配置される。したがって、結像光学系１５とワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７との間の部分の細径化を図ることで、サファイアウィンドウ２０の部分を口腔内に入れて計測を行う際に、光学測定ヘッド１の操作性が良好なものとなる。一方、結像光学系１５とワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７との間の距離が１５ｃｍを超えると、光学測定ヘッド１を人間の口腔内の歯の形状計測に用いる場合には、手元と口腔内の歯との距離が長すぎ、操作性が悪くなる。
【００４８】
３．また図５に示すように、投射光学系の主光線と撮像光学系の主光線とが、投射光学系の結像面において交差するようにワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面とミラー１８の反射面との間の面間隔を設定するようにしたので、投射された像の中心位置と撮像範囲の中心とがずれるのを防止することができる。
【００４９】
４．またワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面と被測定物表面との間には１／４波長板を配置し、直線偏光ではなく円偏光にして照明するようにしたので、被測定物表面の散乱特性の偏光依存性を緩和することができる。
【００５０】
５．また以上のように、ＭＥＭＳ１３を結像光学系１５の光軸に対して傾斜するように取り付けられるようにしたので、投射光学系の結像面におけるチャート像の台形歪を補正することができる。
［本発明の第２の実施の形態］
【００５１】
図６は、光学測定ヘッド１の他の構成例を示す図である。
【００５２】
この例では、図１のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７、ミラー１８、１／４波長板１９、およびサファイアウィンドウ２０に代えて、それらの機能を有する光学素子４１が設けられている。
【００５３】
図７および図８を参照して、光学素子４１の構成について説明する。図７および図８は、図１および図６の場合と同様に、被測定物の上部表面を測定する光学測定ヘッド１を横から見た場合の光学素子４１の断面を示す図である。光学素子４１は、側面が直角二等辺三角形の形状のプリズムにより構成される偏光ビームスプリッタ５１、側面が楔形の形状を有するプリズム５２、およびサファイアウィンドウ５３から構成される。
【００５４】
偏光ビームスプリッタの底辺とプリズム５２は、接合され、その接合面には、偏光分離面６１が形成されている。偏光分離面６１は、入射した光の偏光成分を分離するものであり、この例の場合、Ｐ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分は反射する特性を有する。偏光分離面６１は、誘電体多層膜により形成されている。
【００５５】
偏光ビームスプリッタ５１の底辺以外の一辺とサファイアウィンドウ５３の間には、１／４波長板６２が介挿され、固着されている。
【００５６】
プリズム５２の、偏光ビームスプリッタ５１とプリズム５２の接合面と対向する位置の内面には、内面反射ミラーコート６３が蒸着されている。内面反射ミラーコート６３は、入射光を反射する特性を有する。
【００５７】
偏光ビームスプリッタ５１の偏光分離面６１と内面反射ミラーコート６３とは互いに非平行となっている。図７の例では、サファイアウィンドウ５３からの垂線、すなわち、投射光学系の光軸に直交する線と偏光分離面６１の角度αと、サファイアウィンドウ５３からの垂線と内面反射ミラーコート６３の角度βは、β＞αの関係であり、偏光分離面６１と内面反射ミラーコート６３は非平行となっている。このように偏光分離面６１と内面反射ミラーコート６３とが互いに非平行となっているのは、投射光の角度と被測定物表面からの反射光の角度とのずれを生じさせ、そのずれにより、被測定物表面の奥行き方向の情報を演算することができるようにするためである。
【００５８】
また図８に示すように、投射光学系の主光線と撮像光学系の主光線とが、投射光学系の結像面において交差するように偏光分離面６１と内面反射ミラーコート６３との間の面間隔が所定の距離となっている。図８の例の場合、偏光分離面６１と内面反射ミラーコート６３との間の面間隔が、光軸上において距離Ｌとなるように、偏光分離面６１と内面反射ミラーコート６３が光学素子４１に組み込まれている。このように投射光学系の主光線と撮像光学系の主光線とが、該結像面において交差するようにしたのは、投射された像の中心位置と撮像範囲の中心とがずれるのを防止するためである。
【００５９】
図９は、図６の光学測定ヘッド１における投射光学系の光路を示す図である。
【００６０】
発光ダイオード１１から発せられた光は、コンデンサレンズ１２により集められてＭＥＭＳ１３を照明し、プリズム型偏光ビームスプリッタ１４により分離される。プリズム型偏光ビームスプリッタ１４により分離されたＭＥＭＳ１３上に刻まれたチャートのＰ偏光は、投射系として機能する結像光学系１５で倍率が加わった後、偏光ビームスプリッタ５１、偏光分離面６１、プリズム５２を透過し、内面反射ミラーコート６３により、被測定物表面に向けて反射される。
【００６１】
内面反射ミラーコート６３で反射された光は、１／４波長板６２を透過して円偏光となり、サファイアウィンドウ５３を透過し、被測定物表面に投射される。
【００６２】
このようにして発光ダイオード１１からＭＥＭＳ１３に入射しＭＥＭＳ１３から出射される光が被測定物表面に投射されチャート像として結像される。
【００６３】
図１０は、図６の光学測定ヘッド１における撮像光学系の光路を示す図である。
【００６４】
被測定物表面からの反射光は、サファイアウィンドウ５３を通過し、１／４波長板６２を透過してＳ偏光となる。このＳ偏光は、偏光分離面６１で反射されて撮像系として機能する結像光学系１５に向かう。そして、Ｓ偏光は、結像光学系１５を通過し、プリズム型偏光ビームスプリッタ１４により直角に反射され、撮像手段１６に入射する。このようにして被測定物表面に結像されたチャート像が撮像手段１６に結像される。結像されたチャート像のカメラ画像データは、図示せぬ解析用コンピュータに送られ、被測定物の三次元形状データが演算作成される。
【００６５】
［発明の第２の実施の形態における効果］
１．以上のように、図１の光学測定ヘッドの図１のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７、ミラー１８、１／４波長板１９、およびサファイアウィンドウ２０の機能を、光学素子４１で実現するようにしたので、光学測定ヘッド１の製造を容易にすることができる。
たとえば、図１の例の場合のように、それぞれ別個の部品である、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７、ミラー１８、１／４波長板１９、およびサファイアウィンドウ２０を、図１、図５、および図６に示すように、光学測定ヘッド１の筐体内の所定の位置に組み込むのは容易ではないが、これらの機能を一体化した光学素子４１を用いることにより、光学測定ヘッド１の製造を容易にすることができる。
【００６６】
２．光学素子４１は、偏光ビームスプリッタ５１を構成する直角二等辺三角形の形状のプリズムに対して、偏光分離面６１、内面反射ミラーコート６３を有するプリズム５２、１／４波長板およびサファイアウィンドウ５３が一体的に取り付けられることで構成されている。
したがって、光学素子４１が筐体に対して所定の配置で組み込まれることで、偏光分離面６１および内面反射ミラーコート６３も投射光学系の光軸に対して所定の角度で配置される。
【００６７】
３．ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７とミラー１８とを個別に筐体内に組み込む作業に比べて、偏光ビームスプリッタ５１とプリズム５２とが一体となっている光学素子４１を筐体内に組み込む方が格段に容易な作業であり、また、偏光分離面６１および内面反射ミラーコート６３の配置の精度も高いものとすることができる。
【００６８】
４．薄板状のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７は、板厚１ｍｍ以下のガラスに偏光分離面が形成されるため破損し易い。しかも、光学測定ヘッド１の先端部（ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７、ミラー１８、１／４波長板１９、およびサファイアウィンドウ２０が配置されている部分）は、口腔内に容易に入り込ませることができる大きさであり、上下、前後、および横方向の寸法が、たとえば、１３ｍｍ程度である。したがって、このような小さな先端部に、破損し易いワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７を光軸に対して所定の角度で保持させる作業は容易でない。一方、光学素子４１は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７に比べて丈夫で取り扱が容易なプリズムに偏光分離面６１が形成されたものであり、この光学素子４１を筐体に保持させる作業の方が、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７を筐体に直接保持させる作業に比べて格段に容易となる。
【００６９】
５．また、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ１７は、光学測定ヘッド１の先端部に収容する必要があることから、上述したように板厚を１ｍｍ以下とすることが好ましい。しかしながら、板厚を１ｍｍ以下とすると、偏光分離面１７ａの面精度を確保することが難しい。一方、偏光分離面６１のように、プリズムに偏光分離面を形成することで、面精度のレベルを高いものとし易い。
【００７０】
［他の実施の形態］
１．この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化したり、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせたりすることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。
【００７１】
２．上述の光学測定ヘッド１により測定を行う際には、投射光学系の結像面の位置に、被測定物表面が位置するようにして測定を行うことが好ましい。しかしながら、被測定物表面には凹凸があり、また、光学測定ヘッド１は手指で握持して操作する。そのため、該結像面と被測定物表面とを厳密に一致させることは困難である。そこで、想定される被測定物表面の形状（凹凸量）および手指による操作のブレ量を考慮して、該結像面の位置と被測定物表面との位置が多少ずれても、所望の測定精度が得られるように投射光学系および撮影光学系の被写界深度を設定する。たとえば、本実施の形態に示す光学測定ヘッド１においては、サファイアウィンドウ２０から５．８ｍｍの位置に該結像面が位置し、Ｆナンバーを５．６以上とし、被写界深度が２．５ｍｍ以上となるように投射光学系および撮影光学系が構成されている。
【００７２】
３．上述の実施の形態においては、プリズム型偏光ビームスプリッタ１４において、Ｐ偏光を結像光学系に向けて透過させ、Ｓ偏光を反射させる構成を示したが、Ｓ偏光を透過し、Ｐ偏光を反射する構成としてもよい。
【００７３】
４．上述の実施の形態においては、偏光ビームスプリッタ５１は、直角二等辺三角形の形状のプリズムにより構成されているが、これに限らず、等辺を有しない直角プリズム、あるいは、直角を有しない三角プリズム、さらには角柱プリズムを用いることができる。
【００７４】
５．上述の実施の形態においては、第１の偏光ビームスプリッタはプリズム型偏光ビームスプリッタ１４として構成されているが、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタを用いてもよい。また、ある一定の角度以上の入射角を有する投射光学系の場合、第１の偏光ビームスプリッタまたは第２の偏光ビームスプリッタの偏光分離面の少なくとも一方にワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタを用いることで、偏光分離面を全て誘電体多層膜により形成する場合に比べて光のロスが少ない偏光分離を行うことができる。つまり、撮像される画像の光量を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１      光学測定ヘッド
１１    発光ダイオード
１２    コンデンサレンズ
１３    ＭＥＭＳ
１４    プリズム型偏光ビームスプリッタ
１４ａ  偏光分離面
１５    結像光学系
１６    撮像手段
１７    ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ
１７ａ  偏光分離面
１８    ミラー
１８ａ  反射面
１９    １／４波長板
２０    サファイアウィンドウ
４１    光学素子
５１    偏光ビームスプリッタ
５２    プリズム
５３    サファイアウィンドウ
６１    偏光分離面
６２    １／４波長板
６３    内面反射ミラーコート
【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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