JP6299500B2 - Multipoint distance measuring device and method, and shape measuring device - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a multipoint distance measuring apparatus and method for measuring distances to a plurality of points on a measurement object, and a shape measuring apparatus including the multipoint distance measuring apparatus.
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。 As a measuring instrument that measures the surface shape of the measurement object, a shape that measures the surface shape of the measurement object by measuring the distance to multiple points on the measurement object and obtaining the relative positional relationship of these points Measuring devices are well known.
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。
For example, in
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。
By the way, as in the measurement method described in
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。 An object of the present invention is to provide a multipoint distance measuring device and method capable of measuring a distance to a plurality of points on a measurement object with high accuracy and in a short time, and a shape measuring device including the multipoint distance measuring device. There is to do.
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。 A multi-point distance measuring apparatus for achieving the object of the present invention includes an optical frequency comb light source that emits an optical comb having a plurality of frequency components arranged at equal frequency intervals, and an optical comb emitted from the optical frequency comb light source. An optical comb splitting unit that divides the reference light and the ranging light, and the ranging light split by the optical comb splitting unit into a plurality of luminous fluxes, respectively, emitted toward a plurality of points of the measurement object; and A light incident / exit section where regular reflected light of a light beam regularly reflected at a plurality of points is incident, a reference light divided by an optical comb dividing section, and a regular reflected light for each of the plurality of points incident on the light incident / exit section And a distance calculation unit that calculates a distance from the light incident / exit unit to each of a plurality of points based on a detection result of the light detection unit.
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。 According to the present invention, by using an optical frequency comb light source as a light source, when the light beams obtained by dividing the distance measuring light emitted from the light incident / exit section into a plurality of points are respectively incident on a plurality of points of the measurement object, Only specularly reflected light regularly reflected at a plurality of points can be incident on the light incident / exiting portion. As a result, the distance to a plurality of points on the measurement object can be measured with high sensitivity and high accuracy.
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。 Preferably, a Fabry-Perot etalon is provided between the optical frequency comb light source and the optical comb divider to multiply the frequency interval of the optical comb by an arbitrary integer. As a result, the frequency interval of the optical comb can be widened. For example, when the present invention is applied to the measurement of the surface shape of the object to be measured, the spatial resolution in the surface shape measurement is reduced by reducing the interval and delay amount of each light beam. Can be improved.
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。 It is preferable that a plurality of types of Fabry-Perot etalons having different free spectral ranges are connected in series between the optical frequency comb light source and the optical comb splitting unit. This facilitates the identification of the order of the comb of the optical comb, so that measurement using the optical comb can be performed with higher accuracy.
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。 The light incident / exit section includes at least one of a diffraction grating, a lens array, a digital mirror device, an optical spatial modulator, a mask that allows passage of only a light beam directed to a plurality of points, a plurality of optical fiber cables, and a direction control element that scans the light beam. It is preferable to divide the distance measuring light using these. Thereby, a some light beam can each be radiate | emitted toward several points of a measurement object.
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。 It is preferable to include an optical delay unit that sequentially causes a plurality of light beams to reach a plurality of points. Thereby, it is possible to easily identify at which point of the plurality of points the regularly reflected light incident on the light incident / exiting portion is reflected.
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。 In addition, a shape measuring device for achieving the object of the present invention calculates the surface shape of the measurement object based on the multipoint distance measuring device according to any one of claims and the calculation result of the distance calculating unit. A shape calculating unit.
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。 In addition, a multipoint distance measuring method for achieving the object of the present invention includes an emission step of emitting an optical comb having a plurality of frequency components arranged at equal frequency intervals from an optical frequency comb light source, and an emission from the optical frequency comb light source. A light dividing step for dividing the optical comb into a reference light and a distance measuring light, and a plurality of points of the measuring object from the light incident / exit section by dividing the distance measuring light divided in the light dividing step into a plurality of light beams A light incident / exit step for causing the specularly reflected light of the distance measuring light to be incident on the light incident / exit part, respectively, and the reference light divided in the light dividing step, Calculates the distance from the light incident / exit part to each of the multiple points based on the light detection step that detects the optical interference signal with the specularly reflected light at each of the multiple points incident on the light incident / exit part, and the detection result of the light detection step A distance calculating step, To.
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。 The multipoint distance measuring apparatus and method of the present invention and the shape measuring apparatus including the multipoint distance measuring apparatus can measure the distance to a plurality of points on the measurement object with high accuracy and in a short time.
<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。
<Configuration of Shape Measuring Device of First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic diagram of a
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。
The
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。
The optical frequency
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。
The etalon 20 multiplies the frequency interval of the repetition frequency of the
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。
The
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。
The
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。
A
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
A
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。
The light incident /
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。
In FIG. 2 showing an enlarged view of the light incident / exiting
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。
The
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。
The
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。
Further, between the
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。
In FIG. 3, which shows an enlarged view of the
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。
Returning to FIG. 1, the regular reflection ranging light 36 b incident on the tip of the
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。
For example, an optical mixer is used as the
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。
The
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。
The interference fringe
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。
The interference fringe
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。
The
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。
The
<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)。
<Operation of shape measuring device>
Next, the operation (multi-point distance measuring method of the present invention) of the
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。
The
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。
On the other hand, the
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。
When a plurality of
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。
The
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)。
The interference fringe
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。
The
<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。
<Effect of the present invention>
As described above, in the
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。
In the
<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]。
<Shape Measuring Device of Second Embodiment>
Next, the
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。
The
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。
The
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。
As shown in FIG. 6, the
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。
In the first embodiment, the frequency interval of the
<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。
<Other Embodiments of Light Incident / Exit Portion>
In the above embodiment, the light incident / exiting
(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。
(
As shown in FIG. 7, the light incident / exit section 45 (1) is obtained by removing the
(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。
(
As shown in FIG. 8, in addition to the
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。
The
(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。
(
As shown in FIG. 9, the light incident / exit section 45 (3) is obtained by removing the
(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。
(
As shown in FIG. 10, the light incident / exiting portion 45 (4) has a
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。
Similarly to the above-described light incident / exit section 45 (2), a plurality of
(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。
(
As shown in FIG. 11, in addition to the
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。
The
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。
The
(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。
(
As shown in FIG. 12A, the light incident / exit section 45 (6) includes an
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)。
The
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。
The
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。
The
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)。
The
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)。
As shown in FIG. 12B, since each
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)。
The reflecting
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。
As described above, also in the light incident / exit section 45 (6), only the regular reflection ranging light 36 b that is regularly reflected at a plurality of points can be incident on the distal end portion of the
(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。
(
As shown in FIG. 13, in addition to the
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。
The spatial
(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。
(
As illustrated in FIG. 14, the light incident / exit section 45 (8) includes an
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。
The
(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。
(
As shown in FIG. 15, the light incident / exit section 45 (9) has an optical
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。
The
<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。
<Others>
In the above embodiment, the case where the multipoint distance measuring device of the present invention is applied to the shape measuring device has been described as an example. However, for example, deformation of a main body of a nuclear power plant or the like, contactless measurement of a position, other The present invention can be applied to a multipoint distance measuring device used for various purposes.
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
DESCRIPTION OF
Claims (7)
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、
前記光入出射部から出射された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。 An optical frequency comb light source that emits an optical comb having a plurality of frequency components arranged at equal frequency intervals;
An optical comb splitting unit that splits the optical comb emitted from the optical frequency comb light source into reference light and ranging light;
The distance measuring light divided by the optical comb dividing unit is divided into a plurality of light beams, respectively, emitted toward a plurality of points of the measurement object, and positively reflected by the plurality of points. A light incident / exit section where reflected light is incident;
An optical delay unit that sequentially reaches the plurality of points with the plurality of light beams emitted from the light incident / exit unit;
A light detection unit for detecting an optical interference signal between the reference light divided by the optical comb division unit and the regular reflection light at each of the plurality of points incident on the light incident / exit unit;
Based on the detection result of the light detection unit, a distance calculation unit that calculates the distance from the light incident / exit unit to each of the plurality of points;
A multipoint distance measuring device.
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、An optical comb splitting unit that splits the optical comb emitted from the optical frequency comb light source into reference light and ranging light;
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、The distance measuring light divided by the optical comb dividing unit is divided into a plurality of light beams, respectively, emitted toward a plurality of points of the measurement object, and positively reflected by the plurality of points. A light incident / exit section where reflected light is incident;
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、A light detection unit for detecting an optical interference signal between the reference light divided by the optical comb division unit and the regular reflection light at each of the plurality of points incident on the light incident / exit unit;
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、Based on the detection result of the light detection unit, a distance calculation unit that calculates the distance from the light incident / exit unit to each of the plurality of points;
を備え、With
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、Between the optical frequency comb light source and the optical comb splitting unit, a Fabry-Perot etalon that multiplies the frequency interval of the optical comb by an arbitrary integer is provided,
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多点距離測定装置。A multipoint distance measuring apparatus in which a plurality of types of Fabry-Perot etalons having different free spectral ranges are connected in series between the optical frequency comb light source and the optical comb splitting unit.
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。 The multipoint distance measuring device according to any one of claims 1 to 5,
Based on the calculation result of the distance calculation unit, a shape calculation unit that calculates the surface shape of the measurement object;
A shape measuring apparatus comprising:
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、
前記光入出射ステップで出射された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。
An emission step of emitting an optical comb having a plurality of frequency components arranged at equal frequency intervals from the optical frequency comb light source;
A light splitting step for splitting the optical comb emitted from the optical frequency comb light source into reference light and ranging light;
The distance measuring light divided in the light dividing step is divided into a plurality of light fluxes and emitted from a light incident / exit section to a plurality of points of a measurement object, and regularly reflected at the plurality of points. A light incident / exit step for causing the regular reflection light of the distance measuring light to enter the light incident / exit part;
A light delay step for sequentially reaching the plurality of points with the plurality of light beams emitted in the light incident / exit step;
A light detection step of detecting an optical interference signal between the reference light divided in the light division step and the regular reflection light for each of the plurality of points incident on the light incident / exit part;
Based on the detection result of the light detection step, a distance calculation step of calculating a distance from the light incident / exit part to each of the plurality of points;
A multipoint distance measuring method comprising:
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