CN107532888A - 干涉条纹投影光学系统和形状测定装置 - Google Patents

Abstract

具有：干涉条纹生成光学系统(11)，其生成干涉条纹；以及放大光学系统(21)，其将干涉条纹放大而投影到物体表面(70)上，放大光学系统(21)由形成干涉条纹的光束所入射的一侧的入射侧透镜组(22)和射出光束而朝向物体表面投影干涉条纹的一侧的射出侧透镜组(23)构成，在设入射侧透镜组(22)的焦距为f1，射出侧透镜组(23)的焦距为f2时，f1/f2＞3，入射侧透镜组(22)和射出侧透镜组(23)分别具有正屈光力，在设从入射侧透镜组(22)的射出侧主点到射出侧透镜组(23)的入射侧主点的距离为xd时，满足xd/(f1+f2)＜2。

Description

干涉条纹投影光学系统和形状测定装置

技术领域

本发明涉及干涉条纹投影光学系统和使用该干涉条纹投影光学系统的形状测定装置。

背景技术

作为形状测定装置，例如公知有图25所示的装置。图25所示的形状测定装置是专利文献1所公开的装置，插入到体腔等来对脏器等的表面形状进行计测。该形状测定装置具有干涉条纹投影光学系统100、摄像部200、由计算机等构成的运算控制部300，通过干涉条纹投影光学系统100将干涉条纹400投影到测定对象的物体表面上，使用摄像部200对投影的干涉条纹400进行拍摄，并使用运算控制部300对该拍摄出的干涉条纹400进行分析来计测物体表面的三维形状。另外，图25中，平面地示出干涉条纹400。

干涉条纹投影光学系统100具有干涉条纹生成光学系统110和放大光学系统130。干涉条纹生成光学系统110具有光源111、准直透镜112、光隔离器113、耦合透镜114、偏振面保持光纤115、准直透镜116、双折射板117、偏振板118。放大光学系统130由单个投影透镜131构成。

光源111例如由半导体激光器构成，通过运算控制部300而被驱动部120驱动而射出直线偏振的光。从光源111射出的光束在准直透镜112中成为平行光束而透射过光隔离器113之后，通过耦合透镜114而入射到偏振面保持光纤115，在该偏振面保持光纤115中导光而射出。从偏振面保持光纤115射出的光束在准直透镜116中成为平行光束之后，入射到双折射板117而被分离成两个偏振分量的光束，进而入射到偏振板118而仅被取出两个偏振分量中的可干渉分量从而生成干涉条纹。该干涉条纹被投影透镜131放大而作为干涉条纹400投影到物体表面上。

图25所示的形状测定装置由于使用投影透镜131对干涉条纹生成光学系统110所生成的干涉条纹进行放大并进行投影，因此具有能够使配置在形状测定装置的前端部的准直透镜116、双折射板117、偏振板118以及投影透镜131小型化的优点。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第3009521号公报

发明内容

发明要解决的课题

可是，根据本发明人的研究，判明了在图25所示的形状测定装置中，存在投影到物体表面上的干涉条纹400的对比度在周边降低从而测定精度降低这样的应该改良的点。其原因是，在双折射板117和偏振板118中将一个光束分离成两个并列的光束从而生成干涉条纹，但像图26的局部详细图所示那样并列的两个光束被投影透镜131分离而投影到物体表面上。其结果是，两个光束不以相同的强度重叠，从而发生干涉条纹的对比度降低的现象。另外，在图26中，平面地示出两个区域的投影区域。

因此，鉴于上述观点而完成的本发明的目的在于，提供能够改善投影到物体表面上的干涉条纹的对比度的降低，从而能够高精度地测定物体表面的形状的干涉条纹投影光学系统和使用该干涉条纹投影光学系统的形状测定装置。

用于解决课题的手段

达成上述目的的本发明的干涉条纹投影光学系统具有：

干涉条纹生成光学系统，其生成干涉条纹；以及

放大光学系统，其将所述干涉条纹放大而投影到物体表面上，

所述放大光学系统由形成所述干涉条纹的光束所入射的一侧的入射侧透镜组和射出所述光束而朝向所述物体表面投影所述干涉条纹的一侧的射出侧透镜组构成，

在设所述入射侧透镜组的焦距为f1，所述射出侧透镜组的焦距为f2时，f1/f2＞3，

所述入射侧透镜组和所述射出侧透镜组分别具有正屈光力，在设从所述入射侧透镜组的射出侧主点到所述射出侧透镜组的入射侧主点的距离为xd时，满足xd/(f1+f2)＜2。

另外，达成上述目的的本发明的形状测定装置具有：

上述干涉条纹投影光学系统；

摄像部，其拍摄所述干涉条纹的投影像作为图像。以及

运算部，其根据来自该摄像部的图像信号来对所述物体表面的凹凸信息进行运算。

发明效果

根据本发明，能够改善投影到物体表面上的干涉条纹的对比度的降低，从而能够高精度地测定物体表面的形状。

附图说明

图1是第一实施方式的形状测定装置的主要部分的概略结构图。

图2是图1的局部放大图。

图3是示出干涉条纹的对比度特性的图。

图4是示出光束的强度分布的图。

图5A是示出图1的偏振面保持光纤和放大光学系统的光轴一致的状态的图。

图5B是示出图5A的光轴状态偏移后的状态的图。

图6A是示出在图5A的偏振面保持光纤和放大光学系统的光轴的偏移量δ为0mm的情况下所投影的干涉条纹的强度分布的模拟结果的照片。

图6B是示出在图5B的光轴的偏移量δ为0.01mm的情况下所投影的干涉条纹的强度分布的模拟结果的照片。

图6C是示出在图5B的光轴的偏移量δ为0.03mm的情况下所投影的干涉条纹的强度分布的模拟结果的照片。

图6D是示出在图5B的光轴的偏移量δ为0.1mm的情况下所投影的干涉条纹的强度分布的模拟结果的照片。

图7A是为了与图5A进行比较而示出在由单个透镜构成放大光学系统的情况下偏转面保持光纤和透镜的光轴一致的状态的图。

图7B是示出图7A的光轴状态偏移后的状态的图。

图8A是示出在图7A的偏振面保持光纤和透镜的光轴的偏移量δ为0mm的情况下所投影的干涉条纹的强度分布的模拟结果的照片。

图8B是示出在图7B的光轴的偏移量δ为0.01mm的情况下所投影的干涉条纹的强度分布的模拟结果的照片。

图8C是示出在图7B的光轴的偏移量δ为0.03mm的情况下所投影的干涉条纹的强度分布的模拟结果的照片。

图8D是示出在图7B的光轴的偏移量δ为0.1mm的情况下所投影的干涉条纹的强度分布的模拟结果的照片。

图9是示出第二实施方式的干涉条纹投影光学系统的主要部分的结构的图。

图10是示出第三实施方式的干涉条纹投影光学系统的主要部分的结构的图。

图11是示出图10的双折射板的形状的变形例的图。

图12是示出第四实施方式的干涉条纹投影光学系统的主要部分的结构的图。

图13是示出第五实施方式的干涉条纹投影光学系统的主要部分的结构的图。

图14是示出第六实施方式的干涉条纹投影光学系统的主要部分的结构的图。

图15是示出被缩窄的光束的性质的图。

图16是示出被缩窄的光束的光点直径d2与光束在距离z处的大小d之间的关系的图。

图17是按光强度的降低示出光束相对于距离z的大小d(z)的图。

图18是示出第四实施方式中的放大光学系统的RDN的面编号的图。

图19是示出在第四实施方式中投影到从放大光学系统的前端离开20mm的物体表面上的干涉条纹的强度分布的模拟结果的照片。

图20是示出图19的X-X剖面中的干涉条纹的强度分布的图。

图21是示出图19的干涉条纹的对比度分布的图。

图22是示出式(10)的Q值比1大地偏差的情况下的图19的X-X剖面中的强度分布的图。

图23是示出式(10)的Q值比1大地偏差的情况下的对比度分布的图。

图24是示出对比度最低的位置处的对比度与Q值之间的关系的图。

图25是示出现有的形状测定装置的图。

图26是图25的局部详细图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1是第一实施方式的形状测定装置的主要部分的概略结构图。图1所示的形状测定装置与图25所示的形状测定装置同样地是插入到体腔等来对脏器等的表面形状进行计测的装置，具有干涉条纹投影光学系统1、摄像部30、由计算机等构成的运算控制部50。

干涉条纹投影光学系统1具有干涉条纹生成光学系统11和放大光学系统21。干涉条纹生成光学系统11具有光源12、准直透镜13、光隔离器14、耦合透镜15、偏振面保持光纤16、双折射板17、偏振板18。放大光学系统21由入射侧透镜组22和射出侧透镜组23构成。在本实施方式中，入射侧透镜组22由具有正屈光力的单个透镜24构成。同样地，射出侧透镜组23也由具有正屈光力的单个透镜25构成。

光源12例如由半导体激光器构成，通过运算控制部50而被驱动部20驱动而射出直线偏振的光。从光源12射出的光在准直透镜13中成为平行光束而透射过光隔离器14之后，通过耦合透镜15而入射到偏振面保持光纤16，在该偏振面保持光纤16中导光而射出。从偏振面保持光纤16射出的光束入射到双折射板17而被分离成两个偏振分量的光束，进而入射到偏振板18而仅被取出两个偏振分量中的可干渉分量从而生成干涉条纹。该干涉条纹被构成放大光学系统21的透镜24和透镜25放大而投影到测定对象的物体表面70上。

本实施方式的形状测定装置通过干涉条纹投影光学系统1将干涉条纹投影到物体表面70上，一边通过干涉条纹扫描部对该干涉条纹进行扫描，一边使用摄像部30对物体表面70上的干涉条纹进行拍摄，将该图像信号取入运算控制部50。而且，在运算控制部50中，根据干涉条纹的图像信号而对物体表面70的凹凸信息进行运算从而计测三维形状。

另外，干涉条纹扫描部可以构成为：例如由波长可变激光构成光源12，通过驱动部20使从光源12射出的激光的波长变化从而对干涉条纹进行扫描。另外，干涉条纹扫描部可以应用公知的各种结构，例如像专利文献1所公开的那样，使用可动反射镜来使被干渉的两个光束的路线长度差变化，或者在偏振面保持光纤16的入射侧配置1/2波长板和1/4波长板并使1/2波长板旋转等。

在本实施方式中，如图2的局部放大图所示，将从偏振面保持光纤16射出，被双折射板17分离的扩展角θ1的两个光束经由偏振板18而被放大光学系统21放大为扩展角θ2而投影到物体表面70上。因此，放大光学系统21配置为：使透镜24的焦距f1比透镜25的焦距f2大，偏振面保持光纤16的射出端面位于透镜24的前侧焦点位置，透镜25的前侧焦点位置位于透镜24的后侧焦点位置。另外，在图2中，也平面地示出两个光束在物体表面70上的投影区域。

由此，放大光学系统21构成两侧远心光学系统，从偏振板18离开距离x1而以平行的状态并列地射出的两个光束的中心光线通过放大光学系统21，从而距离缩小为x2以平行的状态并列地射出。而且，被双折射板17分离的两个光束在放大光学系统21的射出侧分别形成比从偏振面保持光纤16射出的光点直径d1窄的光点直径d2。在这里，光点直径d2用下式(1)来表示。

d2＝d1·f2/f1···(1)

这样，在本实施方式中，被双折射板17分离的两个光束的中心光线通过放大光学系统21而平行地射出，暂时在放大光学系统21的射出侧形成缩窄状态的光点，之后再次扩展并照射到物体表面70上。因此，在物体表面70上，在宽的范围内生成干涉条纹。在这里，由波长相等相位不同的两个光束a1e^iθ1e^iωt和a2e^iθ2e^iωt生成的干涉条纹的光强度I(r)和对比度C用下式(2)和(3)来表示。

I(r)＝|a1e^iθ1e^iωt+a2e^iθ2e^iωt|²＝a1²+a2²+2a1a2cos(θ1-θ2)···(2)

由式(3)可知，对比度C为最高的条件是作为两个光束的振幅值的a1和a2相等。如图3所示，当振幅值a1与a2的差变大时，对比度C降低。另外，关于从偏振面保持光纤16射出的光，如图4所示，示出如下的高斯分布：中心位置的强度最高，当为周边时强度降低。因此，当两个光束分离得较大时，干涉条纹的对比度C降低。

根据本实施方式，由于两个光束通过放大光学系统21而以保持它们的中心光线之间的间隔的状态投影到物体表面70的宽的范围内，因此能够生成减小了对比度的降低量的状态的干涉条纹。而且，放大光学系统21与物体表面70之间的距离越远，从放大光学系统21射出的两个光束越宽，但由于两个光束的中心光线之间的间隔是恒定的，因此对比度能够保持较高的状态，而与放大光学系统21与物体表面70之间的距离无关。

另外，根据本实施方式，也能够将偏振面保持光纤16和放大光学系统21的光轴偏移所造成的影响抑制为最小限度。即，即使偏振面保持光纤16和放大光学系统21的光轴状态从图5A所示的状态偏移到图5B所示的状态，也不会发生从放大光学系统21射出的光束的角度偏移，但会发生光束的偏移。另外，在图5A和图5B中，也平面地示出两个光束在物体表面70上的投影区域。当将偏振面保持光纤16和放大光学系统21的光轴的偏移量设为δ时，该光束的偏移量δ1用下式(4)来表示。

δ1＝δ·f2/f1···(4)

在式(4)中，透镜25的焦距f2比透镜24的焦距f1小。因此，光束的偏移量δ1为比光轴的偏移量δ小的值。而且，偏移量δ1无论放大光学系统21与物体表面70之间的距离如何都为恒定的，因此相对于通过放大光学系统21而在物体表面70上扩展的光束为非常小从而可以忽略的值。因此，由于干涉条纹的强度的中心位置不会在物体表面70上较大地偏移，因此如图6A～图6D所示，干涉条纹的强度几乎不因光轴的偏移量δ而发生变化。另外，图6A～图6D是示出干涉条纹相对于光轴偏移量δ的强度分布的模拟结果的图，图6A示出δ＝0mm的情况，图6B示出δ＝0.01mm的情况，图6C示出δ＝0.03mm的情况，图6D示出δ＝0.1mm的情况。

图7A和图7B是为了进行比较而在由单个透镜26构成放大光学系统情况下用于说明偏振面保持光纤16和透镜26的光轴偏移所造成的影响的图。另外，在图7A和图7B中，也平面地示出两个光束在物体表面70上的投影区域。在这种情况下，如图7A所示，在偏振面保持光纤16和透镜26中没有光轴偏移的状态下，干涉条纹的强度的中心位置与透镜26的光轴位置一致。但是，如图7B所示，若在偏振面保持光纤16和透镜26中存在光轴的偏移量δ，则从透镜26射出的光束的角度根据该偏移量δ而从图7A的情况变化。其结果是，从透镜26射出的光束照射到物体表面70上的位置发生偏移而使干涉条纹的强度的中心位置发生偏移，从而偏移的一侧的干涉条纹的强度变小。图8A～图8D是分别示出该情况下的干涉条纹相对于光轴偏移量δ的强度分布的模拟结果的图，与图6A～图6D对应。

由以上的比较结果可知，根据本实施方式，干涉条纹在物体表面70上的中心位置和强度几乎不因光轴的偏移量δ而发生变化。即，本实施方式的干涉条纹投影光学系统1能够降低偏振面保持光纤16与放大光学系统21的偏心灵敏度。因此，容易进行干涉条纹投影光学系统10的组装尤，其是放大光学系统21的组装。

(第二实施方式)

图9是示出第二实施方式的干涉条纹投影光学系统的主要部分的结构的图。本实施方式的干涉条纹投影光学系统1的干涉条纹生成光学系统11的结构与图1所示的结构不同。即，干涉条纹生成光学系统11具有两根偏振面保持光纤16a和16b，它们的射出端部并列地配置在放大光学系统21的入射侧。由此，偏振面保持光纤16a和16b这两个射出端部构成两个光射出部。另外，偏振面保持光纤16a和16b各自的射出端面优选在与放大光学系统21的光轴垂直的同一平面上，配置在关于光轴对称的位置上。

例如像专利文献1所公开的那样，来自光源的光被光纤型光分波器(光耦合器)分波而入射到偏振面保持光纤16a和16b。另外，在对干涉条纹进行扫描时可以应用公知的结构，例如通过利用了应力等的光纤型移相器使由一个偏振面保持光纤16a或16b进行导光的光的相位变化，或者作为光源而使用波长可变激光器并且使偏振面保持光纤16a和16b具有光路长度差等。

放大光学系统21配置为：偏振面保持光纤16a和16b的射出端面位于透镜24的前侧焦点位置的焦平面上，透镜25的前侧焦点位置位于透镜24的后侧焦点位置。另外，在图9中，也平面地示出两个光束在物体表面70上的投影区域。

在本实施方式中，也与第一实施方式同样，放大光学系统21构成两侧远心光学系统。而且，从偏振面保持光纤16a和16b以平行的状态并列地射出的两个光束的中心光线通过放大光学系统21而平行地射出，暂时在放大光学系统21的射出侧形成缩窄状态的光点，之后再次扩展而照射到物体表面70上。因此，在物体表面70上，在宽的范围内生成干涉条纹，从而可以获得与第一实施方式的情况相同的效果。

(第三实施方式)

图10是示出第三实施方式的干涉条纹投影光学系统的主要部分的结构的图。本实施方式的干涉条纹投影光学系统1在第一实施方式的基础上，放大光学系统21的入射侧透镜组22由平凸透镜27构成，射出侧透镜组23由球透镜28构成。另外，在放大光学系统21所生成的两个光束的缩窄的光点的射出侧配置有透射两个光束的玻璃板29。其他结构与第一实施方式相同。

根据本实施方式，入射侧透镜组22由平凸透镜27构成，偏振面保持光纤16的射出端面通常是与光的行进方向垂直的面，因此容易使平凸透镜27的平面部与偏振面保持光纤16的射出端面的倾斜一致，从而能够降低偏振面保持光纤16与平凸透镜27的倾斜偏心所导致的性能劣化。具体而言，如图10所示，经由双折射板17和偏振板18通过粘合材料等来接合偏振面保持光纤16的射出端面和平凸透镜27的平面部。

这样，能够降低偏振面保持光纤16与平凸透镜27的倾斜偏心所导致的性能劣化，与此同时，能够降低双折射板17的平面部、偏振板18的平面部以及平凸透镜27的平面部上的反射，从而能够降低射出光的损失、以及降低在偏振面保持光纤16的射出端面与平凸透镜27的平面部之间产生的多重反射导致的杂散光(不需要光)。另外，作为降低杂散光的方法，例如将双折射板17相对于光的行进方向倾斜，或者代替平行平板形状而采用图11所示那样的楔形棱镜形状也是有效的。对于偏振板18和玻璃板29也是同样的。

另外，根据本实施方式，具有如下优点：由于射出侧透镜组23由球透镜28构成，因此能够消除倾斜偏心所导致的性能劣化，并且由于球透镜28通常较小而能够廉价地制造，因此可以实现小型化和低成本化。

在本实施方式中，放大光学系统21所生成的两个光束的缩窄的光点也在球透镜28的射出侧附近生成。因此，若在球透镜28与物体表面70之间没有构造物，则能够容易想象球透镜28成为外观面。在这种情况下，有时灰尘等附着在球透镜28上而导致干涉条纹的强度降低和对比度降低。而且，由于放大光学系统21所生成的两个光束的缩窄的光点比从偏振面保持光纤16射出的光点直径小，因此不容易受灰尘等的影响。

因此，在本实施方式中，玻璃板29以使光点直径足够大的的光束成为外观面而不受灰尘等的影响的方式设置在放大光学系统21所生成的两个光束的缩窄的光点的射出侧。另外，通过设置玻璃板29，防止了在射出光时人误接触而受伤。

(第四实施方式)

图12是示出第四实施方式的干涉条纹投影光学系统的主要部分的结构的图。本实施方式的干涉条纹投影光学系统1的干涉条纹生成光学系统11的结构与图10所示的结构不同。即，干涉条纹生成光学系统11具有两根偏振面保持光纤16a和16b。两根偏振面保持光纤16a和16b与第二实施方式同样地配置。

放大光学系统21配置为：偏振面保持光纤16a和16b的射出端面位于平凸透镜27的前侧焦点位置的焦平面上，球透镜28的前侧焦点位置位于平凸透镜27的后侧焦点位置。其他结构与第二实施方式和第三实施方式相同。

因此，在本实施方式中，也与第三实施方式同样地实现了小型化和低成本化。另外，在本实施方式中，优选在球透镜28的射出侧配置图10所示的玻璃板29。

(第五实施方式)

图13是示出第五实施方式的干涉条纹投影光学系统的主要部分的结构的图。本实施方式的干涉条纹投影光学系统1在图10所示的结构中，通过在球透镜28的射出侧配置双折射板17和偏振板18而省略了玻璃板29。其他结构与第三实施方式相同。

根据本实施方式，能够减少部件数量，与此同时，能够进一步实现小型化。即，在第三实施方式的情况下，球透镜28的大小除了要确保放大光学系统21的有效直径之外还需要确保两个光束的宽度x2(参照图2)。与此相对，在本实施方式中，由于双折射板17和偏振板18配置在球透镜28的射出侧，因此球透镜28的大小只要仅考虑放大光学系统21的有效直径即可，从而能够实现更小型的结构。

(第六实施方式)

图14是示出第六实施方式的干涉条纹投影光学系统的主要部分的结构的图。本实施方式的干涉条纹投影光学系统10具有多个上述第一～第五实施方式所示的干涉条纹投影光学系统1。多个干涉条纹投影光学系统1可以是相同的结构，也可以是不同的结构。多个干涉条纹投影光学系统1配置为相互补充相邻的干涉条纹投影光学系统1形成的干涉条纹的投影区域。在图14中，为了方便，示出两个图1所示的干涉条纹投影光学系统1。另外，在图14中，也平面地示出各干涉条纹投影光学系统1形成的光束在物体表面70上的投影区域。

本实施方式的干涉条纹投影光学系统10通过多个干涉条纹投影光学系统1以分时的方式互补地对物体表面70上的干涉条纹投影区域投影干涉条纹。由此，能够测定物体表面70上的更宽的范围内的形状。

接下来，更加详细地对第一～第五实施方式所示的干涉条纹投影光学系统1进行说明。

例如，在使用一根偏振面保持光纤16的结构的情况下，当将从偏振面保持光纤16射出的光点直径设为d1，将放大光学系统21所形成的缩窄的光点直径设为d2时，用上述的式(1)来表示d2。另外，从偏振面保持光纤16射出的光的扩展角θ1(参照图2)表示通常所确定的值。例如，在利用单模光纤且使用波长为635nm的情况下，θ1约为10度左右。放大光学系统21通常要求小型化到与光束的有效直径相等。

在这里，放大光学系统21的有效直径D通过下式(5)来求出。

D＝f1×sinθ1···(5)

根据式(1)和式(5)而计算出下式(6)。

d2＝d1×sinθ1×f2/D···(6)

要想在物体表面70的宽的范围内进行形状测定，需要在宽的范围内扩展光束。为此，如图15所示，由于光束具有缩窄和扩展的性质，因此越减小缩窄的光束的大小，之后越能够较大地扩展。在这种情况下，当将使用波长设为λ时，从被放大光学系统21缩窄的光点直径d2的形成位置起距离为z的光束的大小d(z)用下式(7)来表示。

图16示出光点直径d(20)与使用波长λ为635nm，距离z为20mm时的d2的大小之间的关系。由图16可知，d2越小则光点直径d(20)越大，从而光在宽范围内扩展。

要想减小光点直径d2，需要减小射出侧透镜组23的焦距f2或者增大放大光学系统21的有效直径D，但要想同时实现小型化，不优选增大有效直径D。因此，要想减小光点直径d2，减小焦距f2是有效的。要想减小焦距f2，使射出侧透镜组23的玻璃材料为高折射率是有效的。例如，作为射出侧透镜组23的材料可以使用蓝宝石(nd＝1.768)、S-LAH79(nd＝2)。

接下来，对设计例进行说明。表1示出前提条件。在表1中，当将作为放大光学系统21的大小的指标的有效直径D设为1mm，作为偏振面保持光纤16而使用通常的光纤时，从偏振面保持光纤16射出的光点直径d1根据光纤的模场直径来求出。另外，从偏振面保持光纤16射出的光束的扩展角θ1根据光纤的NA来求出。并且，当将从放大光学系统21射出的光束的扩展角θ2设为75°，将使用波长λ设为635nm时，根据上式(7)来求出放大光学系统21所形成的光束的最窄的光点直径d2的大小。

【表1】

规格	计算出的数值
		放大光学系统的大小	有效直径D＝1mm
扩展角θ2	光点直径d2＝0.52μm
		光纤的模场直径	光点直径d1＝5μm
光纤的NA	扩展角θ1＝9.2°

利用表1的前提条件的值，根据上式(6)而像下面那样求出射出侧透镜组23的焦距f2。

f2＝d2×D/(d1×sinθ1)＝0.00052×1/(0.005×sin9.2°)＝0.65mm

另外，例如在由球透镜28构成射出侧透镜组23的情况下，球透镜28的大小(直径)Db能够根据焦距f2和使用波长λ的折射率n而通过下式(8)来求出。

Db＝f2×4(n－1)/n···(8)

表2是示出将放大光学系统21的有效直径D设为1mm，将球透镜28的焦距f2设为0.65mm时的球透镜28的折射率n和大小Db的表。

【表2】

折射率n	大小Db
		1.5	0.87
1.6	0.975
		1.7	1.07
1.8	1.16
		1.9	1.23
2.0	1.3

由于要确保放大光学系统21的有效直径D，因此球透镜28的大小Db需要为更大的值，因此，优选选定折射率n大致为1.7以上的玻璃材料(d线折射率nd为1.7以上的玻璃材料)。

另外，该情况下的构成入射侧透镜组22的平凸透镜27的焦距f1根据上式(5)来求出，为f1＝6.25mm。因此，焦距f1与焦距f2的比为f1/f2＝9.6。

要想在物体表面70上的宽的范围内进行形状测定，需要在宽的范围内扩展光束，要想扩展光束，优选f1/f2大于3。更优选的是大于6。另外，在使用球透镜28的情况下，当近似为D≈Db时，使用式(5)和式(8)根据下式(9)来求出f1/f2。

f1/f2＝4(n－1)/(n×sinθ1)···(9)

从偏振面保持光纤16射出的光束的大小即偏振面保持光纤16的NA按照在将光束的中心强度设为100％时设为降低了百分之几的情况来确定。通常，光纤的NA是针对光强度降低86.5％的情况下的光束确定的。

图17是在偏振面保持光纤16的纤芯直径为10.4μm且使用波长λ为1550nm的情况下按光强度的降低示出光束相对于根据上式(7)而计算出的距离z的大小d(z)的图。由于将球透镜28的材质设为硅(使用波长λ为1550nm的折射率n＝3.4)，偏振面保持光纤16在将相对于中心强度降低50％的强度设为NA时，其NA＝0.055，因此f1/f2＝51.33。因此，f1/f2的上限的值考虑为60是妥当的。

如上所述，放大光学系统21配置为：入射侧透镜组22的前侧焦点位于偏振面保持光纤16的射出端面上，射出侧透镜组23的前侧焦点位于入射侧透镜组22的后侧焦点。因此，在穿过放大光学系统21之前，距离为x1且以平行的状态并列的两个光束被放大光学系统21缩小成距离为x2，以平行的状态并列地射出。即，在将从入射侧透镜组22的射出侧主点到射出侧透镜组23的入射侧主点的距离设为xd时，在距离xd与焦距f1、f2之间下式(10)成立。

Q＝xd/(f1+f2)＝1···(10)

表3是示出图12所示的第四实施方式中的放大光学系统21的RDN数据的表。在图18中示出表3的RDN的面编号。

【表3】

面编号	R	D	玻璃材料	折射率(nd)	焦距	光点直径
							1	无限	5.497				0.005
2	无限	1	合成石英	1.458	6.24	1
							3	-2.85	6.3				1
4	0.55	1.1	蓝宝石	1.768	0.634	1
							5	-0.55	0.0777				0.135
6	无限	20				0.0006
							7	无限					26.95

图19是示出使用如表3那样构成的放大光学系统21而投影到从放大光学系统4的前端离开20mm的物体表面70上的干涉条纹的强度分布的模拟结果的图。另外，两个偏振面保持光纤16a和16b之间的间隔x1为50μm。在图19中，横轴表示幅度为90°的视场角，纵轴表示幅度为60°的视场角。面编号6表示形成有放大光学系统21所形成的光束的最窄的光点直径d2的面(假想面)。

图20示出图19的X-X剖面中的干涉条纹的强度分布。另外，图21示出根据上式(3)而求出的对比度C的分布。由图20和图21可知，干涉条纹的强度分布为越周边强度越低，与此相对，对比度C表示中心和周边都为1的较高的值。

另外，图22和图23示出上式(10)的Q值比1大地偏差的情况下的图19的X-X剖面中的强度分布和基于上式(3)的对比度C的分布。若Q值比1大地偏差，则干涉条纹的强度分布像图22所示那样越周边强度越低，但该降低量在Q值为1的情况下没有太大的差异。与此相对，如图23所示，对比度C的分布与Q值为1的情况进行比较，越周边越较大地降低。

对比度C在最大视场角(例如视场角为水平(X)＝45°，垂直(Y)＝30°)的位置最低。图24示出对比度C最低的位置处的对比度C与Q值之间的关系。由图24可知，在Q＝1的情况下，示出对比度C最高的值，在Q值比1小的情况下，对比度C稍微降低，但对比度C示出大致接近1的值。但是，当Q值超过2时，对比度C急剧降低。

根据以上的结果，要想投影干涉条纹而不会较大地降低对比度，可以构成为入射侧透镜组22和射出侧透镜组23各自的主点位置之间的间隔即从入射侧透镜组22的射出侧主点到射出侧透镜组23的入射侧主点的距离xd满足下式(11)。

Q＝xd/(f1+f2)＜2···(11)

另外，本发明并不限定于上述实施方式，可以进行多种变形或变更。例如，干涉条纹生成光学系统11除了使用了上述的双折射板17的结构之外，还可以应用专利文献1所公开的使用了偏振分束器的结构、使用了波导的结构、在日本特开2005-326192号公报中公开的使用了衍射元件的结构、使用了楔形棱镜的结构，在日本特开平7-280535号公报中公开的使用了沃拉斯顿(Wollaston)棱镜的结构等公知的各种结构。

另外，在上述实施方式中，使用了偏振面保持光纤，但也可以使用单模光纤或多模光纤等通常的光纤。另外，对于干涉条纹所投影的物体来说，可以不使用光纤，而由波导等构成干涉条纹生成光学系统的光射出部。另外，图10所示的玻璃板29也可以在其他实施方式中配置。并且，在仅测定凹凸的形状检查的用途中，也可以省略对干涉条纹进行扫描的结构。

标号说明

1、10：干涉条纹投影光学系统；11：干涉条纹生成光学系统；16、16a、16b：偏振面保持光纤；17：双折射板；18：偏振板；20：驱动部；21：放大光学系统；22：入射侧透镜组；23：射出侧透镜组；24、25：透镜；27：平凸透镜；28：球透镜；29：玻璃板；30：摄像部；50：运算控制部；70：物体表面。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种干涉条纹投影光学系统，其具有：

干涉条纹生成光学系统，其生成干涉条纹；以及

放大光学系统，其将所述干涉条纹放大而投影到物体表面上，

所述放大光学系统由形成所述干涉条纹的光束所入射的一侧的入射侧透镜组和射出所述光束而朝向所述物体表面投影所述干涉条纹的一侧的射出侧透镜组构成，

在设所述入射侧透镜组的焦距为f1，设所述射出侧透镜组的焦距为f2时，f1/f2＞3，

所述入射侧透镜组和所述射出侧透镜组分别具有正屈光力，在设从所述入射侧透镜组的射出侧主点到所述射出侧透镜组的入射侧主点的距离为xd时，满足xd/(f1+f2)＜2。

2.根据权利要求1所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述干涉条纹生成光学系统具有并列地位于所述放大光学系统的入射侧的两个光射出部。

3.根据权利要求2所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述两个光射出部由两根光纤各自的射出端面构成。

4.根据权利要求1所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述干涉条纹生成光学系统具有：

光射出部，其配置在所述放大光学系统的入射侧；以及

双折射元件，其并列形成多个该光射出部的实像或虚像。

5.根据权利要求4所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述双折射元件配置在所述光射出部与所述放大光学系统之间。

6.根据权利要求4所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述双折射元件配置在所述放大光学系统的射出侧。

7.根据权利要求2至6中的任意一项所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述放大光学系统将所述光射出部的像形成在比该放大光学系统靠射出侧的位置。

8.根据权利要求7所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

该干涉条纹投影光学系统还具有玻璃板，该玻璃板配置在比所述光射出部的像靠射出侧的位置。

9.根据权利要求1所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述入射侧透镜组和所述射出侧透镜组分别由单个透镜构成。

10.根据权利要求9所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述入射侧透镜组由入射侧为平面且射出侧为凸面的平凸透镜构成。

11.根据权利要求9或10所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述射出侧透镜组由球透镜构成。

12.根据权利要求11所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述球透镜由使用波长处的折射率n为1.7以上的玻璃材料构成。

13.一种干涉条纹投影光学系统，其中，

该干涉条纹投影光学系统具有多个权利要求1至12中的任意一项所述的干涉条纹投影光学系统，

通过多个所述干涉条纹投影光学系统以分时的方式互补地对干涉条纹的投影区域投影干涉条纹。

14.一种形状测定装置，其具有：

权利要求1至13中的任意一项所述的干涉条纹投影光学系统；

摄像部，其拍摄所述干涉条纹的投影像作为图像；以及

运算部，其根据来自该摄像部的图像信号来对所述物体表面的凹凸信息进行运算。

15.(追加)一种形状测定装置，其具有：

权利要求2至8中的任意一项所述的干涉条纹投影光学系统；

摄像部，其拍摄范围不包含所述光射出部的像的位置，并且，该摄像部拍摄在比所述光射出部的所述像靠射出部侧的所述物体表面上投影的所述干涉条纹作为图像；以及

运算部，其根据来自该摄像部的图像信号来对所述物体表面的凹凸信息进行运算。

Claims (14)

1.一种干涉条纹投影光学系统，其具有：

干涉条纹生成光学系统，其生成干涉条纹；以及

放大光学系统，其将所述干涉条纹放大而投影到物体表面上，

所述放大光学系统由形成所述干涉条纹的光束所入射的一侧的入射侧透镜组和射出所述光束而朝向所述物体表面投影所述干涉条纹的一侧的射出侧透镜组构成，

在设所述入射侧透镜组的焦距为f1，设所述射出侧透镜组的焦距为f2时，f1/f2＞3，

所述入射侧透镜组和所述射出侧透镜组分别具有正屈光力，在设从所述入射侧透镜组的射出侧主点到所述射出侧透镜组的入射侧主点的距离为xd时，满足xd/(f1+f2)＜2。

2.根据权利要求1所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述干涉条纹生成光学系统具有并列地位于所述放大光学系统的入射侧的两个光射出部。

3.根据权利要求2所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述两个光射出部由两根光纤各自的射出端面构成。

4.根据权利要求1所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述干涉条纹生成光学系统具有：

光射出部，其配置在所述放大光学系统的入射侧；以及

双折射元件，其并列形成多个该光射出部的实像或虚像。

5.根据权利要求4所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述双折射元件配置在所述光射出部与所述放大光学系统之间。

6.根据权利要求4所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述双折射元件配置在所述放大光学系统的射出侧。

7.根据权利要求2至6中的任意一项所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述放大光学系统将所述光射出部的像形成在比该放大光学系统靠射出侧的位置。

8.根据权利要求7所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

该干涉条纹投影光学系统还具有玻璃板，该玻璃板配置在比所述光射出部的像靠射出侧的位置。

9.根据权利要求1所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述入射侧透镜组和所述射出侧透镜组分别由单个透镜构成。

10.根据权利要求9所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述入射侧透镜组由入射侧为平面且射出侧为凸面的平凸透镜构成。

11.根据权利要求9或10所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述射出侧透镜组由球透镜构成。

12.根据权利要求11所述的干涉条纹投影光学系统，其特征在于，

所述球透镜由使用波长处的折射率n为1.7以上的玻璃材料构成。

13.一种干涉条纹投影光学系统，其中，

该干涉条纹投影光学系统具有多个权利要求1至12中的任意一项所述的干涉条纹投影光学系统，

通过多个所述干涉条纹投影光学系统以分时的方式互补地对干涉条纹的投影区域投影干涉条纹。

14.一种形状测定装置，其具有：

权利要求1至13中的任意一项所述的干涉条纹投影光学系统；

摄像部，其拍摄所述干涉条纹的投影像作为图像；以及

运算部，其根据来自该摄像部的图像信号来对所述物体表面的凹凸信息进行运算。