JP2021110698A

JP2021110698A - 光学式三次元形状測定装置

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Publication number: JP2021110698A
Application number: JP2020004371A
Authority: JP
Inventors: 元伸興梠; Motonobu Korogi; 一宏今井; Kazuhiro Imai
Original assignee: XTIA Ltd
Current assignee: XTIA Ltd
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2021-08-02

Abstract

【課題】走査光学系における反射が検出系に影響を及ぼすことのない理想的なアクロマティック光学素子を用いたスキャン光学系を備える光学式三次元形状測定装置を提供する。【解決手段】光学スキャン装置２０のスキャン光学系２３を反射光学系により構築し、反射式走査光学系２1により走査された測定光Ｓ２を反射式集光光学系２２により集光させて測定対象物体５０に照射する。反射式集光学系２２は、スキャン光学系２３における反射が検出系に影響を及ぼすことのない理想的なアクロマティック光学系として機能する。【選択図】図１

Description

本発明は、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置に関する。

従来より、精密なポイントの距離計測が可能なアクティブ式距離計測方法として、レーザ光を利用する光学原理による距離計測が知られている。レーザ光を用いて測定対象物体までの距離を測定するレーザ距離計ではレーザ光の発射時刻と、測定対象に当たり反射してきたレーザ光を受光素子にて検出した時刻との差に基づいて、測定対象物までの距離が算出される。また、例えば、半導体レーザの駆動電流に三角波等の変調をかけ、対象物での反射光を半導体レーザ素子の中に埋め込まれたフォトダイオードを使用して受光し、フォトダイオード出力電流に現れた鋸歯状波の主波数から距離情報を得ている。

ある点から測定点までの絶対距離を高精度で測定する装置としてレーザ距離計が知られている。例えば特許文献１には、基準光の干渉信号と測定光の干渉信号の時間差から距離を測定する距離計が記載されている。

従来の絶対距離計では、長い距離を高精度で測れる実用的な絶対距離計を実現することが難しく、高い分解能を得るためにはレーザ変位計のように原点復帰が必要なため絶対距離測定に適さない方法しか手段がなかった。

本件発明者等は、基準面に照射される基準光と測定面に照射される測定光との干渉光を基準光検出器により検出するとともに、上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との干渉光を測定光検出器により検出して、上記基準光検出器と測定光検出器により得られる２つ干渉信号の時間差から、上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求めることにより、高精度で、しかも短時間に行うことの可能な距離計及び距離測定方法並びに光学式三次元形状測定装置を先に提案している（例えば、特許文献２参照。）

光学式三次元形状測定装置では、光コム距離計から出射された測定光を一次元又は二次元に走査するガルバノミラーやポリゴンミラー等の走査光学系を介して測定対象物に照射して、測定対象物で反射された測定光の反射光が走査光学系を介して戻される光コム距離計により、測定面までの距離情報として測定面の三次元形状情報を取得するので、測定対象物付近の仮想平面に対して垂直な方向から測定対象物に測定光を照射するために、テレセントリックｆ−θレンズ等によるテレセントリック光学系による光学スキャナが使用されている。

特開２００１−３４３２３４号公報特許第５２３１８８３号公報

ところで、従来の光学式三次元形状測定装置に備えられた光学スキャナでは、一般的に、レンズや鏡の曲面は理想形状からのずれや屈折率の影響により、仮想平面上で完全に等距離になることはなく、像面湾曲に見られるように視野の中心部と周縁部で高さが異なることが多い。光学系の如何なる場所でも主光軸が光軸に対して平行な理想的なテレセントリック光学系による光学スキャナを備える光学式三次元形状測定装置であれば、鏡のように高精度の基準平面を計測し、計測結果として得られる平面が平面に見えるような校正データを使用して測定対象物の高さデータに誤差なく補正することが可能である。

しかしながら、現実には、光学スキャナを介して測定対象物に照射される測定光は、理想的な曲面からの乖離や材料の波長分散の影響を受けて、場所毎に光軸に対して僅かに傾斜しており、それが一次元又は二次元に分布した状態となる。

また、波長分散の大きな材料が走査光学系に含まれる場合、群遅延が測定光のビーム径内で分布する虞がある。

このように場所毎に光軸に対して僅かに傾斜した測定光を出射する光学スキャナや波長分散の大きな材料が走査光学系に含まれる光学スキャナでは、鏡を用いて校正すると、鏡面反射された測定光の一部の反射光成分のみが光コム距離計における干渉信号の生成に寄与することになる。

光コム距離計では、測定対象物に照射した測定光の上記測定対象物により反射された反射光の全てを検出することができれば、測定光の光軸中心の軌跡の距離を高精度に計測できるのであるが、反射光の一部しか検出できない場合には、測定光の光軸中心の軌跡から算出される距離にする誤差が生じることになる。

光コム距離計により測距を行う場合、光学スキャナの校正に用いる基準平面を鏡面でなく粗面とし、拡散反射の成分を利用して校正データを取得しておくことにより、測定対象物の粗面に対する測距であれば、校正データに基づく校正処理によって、波長分散の大きな材料が走査光学系に含まれることによる誤差を除去することができるのであるが、測定対象物に粗面と鏡面が混在する場合には、鏡面に対する測距結果に誤差が発生する。

光学式三次元形状測定装置における光学スキャナでは、テレセントリシティーがよく、走査の直線性を満足した走査光学系を備えることが、キャリブレーションを簡略化でき、深い穴底の形状測定を行う上で必要とされている。

光学ガラス製のテレセントリック光学系であっても、色収差を補正したアクロマティックレンズにより構築することにより、波長分散の大きな材料が走査光学系に含まれることによる誤差を改善することができるのであるが、レンズによる反射光が形状測定に影響しないようにレンズ設計を行う必要があり、また、テレセントリシティーがよく、走査の直線性を満足しつつ、レンズによる反射を検出系に影響を及ぼさないような高度のアクロマティックレンズを実現するのは極めて難しい。

そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、走査光学系における反射が検出系に影響を及ぼすことのない理想的なアクロマティック光学素子を用いたスキャン光学系を備える光学式三次元形状測定装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、テレセントリシティーがよく、走査の直線性を満足しつつ、走査光学系における反射が検出系に影響を及ぼすことのない理想的なアクロマティック光学素子を用いたスキャン光学系により、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査して、非接触で物体の三次元形状を高精度に測定することのできる光学式三次元形状測定装置を提供することにある。

本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本発明では、光学式三次元形状測定装置における光学スキャナのスキャン光学系を、反射光学系により、走査光学系における反射が検出系に影響を及ぼすことのない理想的なアクロマティック光学系として構築して、非接触で物体の三次元形状を高精度に測定する。

すなわち、本発明は、光学式三次元形状測定装置であって、光コム干渉計により、基準光と測定光とを合波した第１の干渉光と、測定対象物による上記測定光の反射光と上記基準光とを合波した第２の干渉光を生成し、上記第１の干渉光と上記第２の干渉光との位相差から、上記測定対象物までの距離を算出する光コム距離計と、上記光コム距離計から出射される測定光で測定対象物体を走査する反射式走査光学系と、この反射式走査光学系を介して測定対象物体に照射される測定光を集光させる反射式集光光学系からなり、上記測定対象物体により反射された上記測定光を上記光コム距離計に戻す光学スキャン装置と、上記光学スキャン装置を制御してレーザービームを走査すると同時に上記距離計が計測する距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで距離を複数の点について蓄積することにより非接触で測定対象物体の三次元形状を測定する信号処理装置とを備え、上記光学スキャン装置は、上記光コム距離計から出射された測定光を上記反射式走査光学系と上記反射式集光光学系を介して上記測定対象物に照射し、上記測定対象物体により反射された上記測定光を上記反射式集光光学系と上記反射式走査光学系を介して上記光コム距離計に戻すことを特徴とする。

本発明に係る光学式三次元形状測定装置において、上記反射式集光光学系は、上記光コム距離計から出射される測定光が上記反射式走査光学系を介して入射される少なくとも１枚の凹面鏡を備えるものとすることができる。

本発明に係る光学式三次元形状測定装置において、上記反射式集光光学系は、上記光コム距離計から出射される測定光が上記反射式走査光学系を介して入射される凸面鏡からなる副鏡と、上記凸面鏡により反射された測定光が入射される凹面鏡からなる主鏡を備えるものとすることができる。

また、本発明に係る光学式三次元形状測定装置において、上記反射式集光光学系は、上記凸面鏡からなる副鏡と上記凹面鏡からなる主鏡により構成された反射式テレセントリック集光光学系であるものとすることができる。

また、本発明に係る光学式三次元形状測定装置において、上記副鏡は、コーニック定数ｋが−１未満の凸双曲面鏡であり、上記主鏡は、コーニック定数ｋが−１の凹放物面鏡であるものとすることができる。

また、本発明に係る光学式三次元形状測定装置は、上記走査平面鏡の中心と上記凸双曲面鏡及び凹放物面鏡の各曲率中心を直線的に配置したものとすることができる。

また、本発明に係る光学式三次元形状測定装置において、上記光学スキャン装置は、上記走査平面鏡が１つの回転軸を有するものとすることができる。

また、本発明に係る光学式三次元形状測定装置において、上記光学スキャン装置は、上記１つの回転軸が可変傾斜されることにより、上記測定光を二次元走査するものとすることができる。

また、本発明に係る光学式三次元形状測定装置において、上記光学スキャン装置は、互いに異なる回転軸を有する２枚の走査平面鏡により、上記測定光を二次元走査ものとすることができる。

本発明によれば、反射光学系により、テレセントリシティーがよく、走査の直線性を満足しつつ、走査光学系における反射が検出系に影響を及ぼすことのない理想的なアクロマティック光学素子で構築したテレセントリック光学系を光学スキャナに備えることにより、キャリブレーションを簡略化でき、深い穴底の形状測定等を高精度に行うことのできる光学式三次元形状測定装置を提供することができる。

すなわち、本発明では、反射光学系で光学スキャン装置のスキャン光学系を構成することにより、全ての反射鏡に対して測定光を必ず斜め入射させることができ、光源方向に戻る光の成分が発生しないので、反射の影響によって形状測定に誤差が発生することがない。

また、反射式テレセントリック集光光学系において、凸面鏡からなる副鏡で測定光のビーム径を拡大してから凹面鏡からなる主鏡により集光して焦点を結ぶことにより、光学スキャン装置のスキャン光学系と測定対象物体との距離を大きくとることができる。

さらに、副鏡として用いる凸面鏡として凸双曲面鏡を採用し、主鏡として用いる凹面鏡として凹放物面鏡を採用することにより、走査ビームの軌跡が上記回転軸の傾斜より円錐状になる効果が上記凸双曲面鏡による効果で相殺して、像面において走査ビームの軌跡を直線状にすることができる。

本発明を適用した光学式三次元形状測定装置の基本的な構成を示すブロック図である。上記光学式三次元形状測定装置に備えられる光コム距離計の構成を示すブロック図である。上記光学式三次元形状測定装置に備えられる光学スキャン装置が一次元スキャナである場合のスキャン光学系の構成を模式的に示す斜視図である。一次元スキャン行うスキャン光学系の構成を模式的に示す図であり、（Ａ）はスキャン光学系の鳥瞰図であり、（Ｂ）はスキャン光学系の側面図である。上記光学スキャン装置において、反射式走査光学系によるスキャン幅を１００ｍｍ、機械的スキャン角を±１０度、反射式走査光学系の回転軸（θ_ｙ軸回転）の傾斜角を４度として、反射式集光光学系を凸双曲面鏡と凹放物面鏡として設計したスキャン光学系のテレセントリシティーとスキャン直線性を計算した結果を示す特性図であり、（Ａ）はテレセントリシティーを示し、（Ｂ）はスキャン直線性を示している。同じ光学系で反射式走査光学系の回転軸（θｙ軸回転）の傾斜角を５度として、スキャン光学系のテレセントリシティーとスキャン直線性を計算した結果を示す特性図であり、（Ａ）はテレセントリシティーを示し、（Ｂ）はスキャン直線性を示している。上記光学式三次元形状測定装置に備えられる光学スキャン装置が二次元スキャナである場合のスキャン光学系の構成を模式的に示す図であり、（Ａ）はスキャン光学系の鳥瞰図であり、（Ｂ）はスキャン光学系の側面図である。Ｘ軸方向の一次元走査を行う反射式走査光学系をＹ軸方向にロボットで動かして測定光で測定対象物体の表面を二次元走査する例を示す模式図である。凸球面レンズと凹球面レンズを用いた透過型集光光学系において、スキャン幅を１００ｍｍ、機械的スキャン角を±１０度とした比較例の光学系について、テレセントリシティーとスキャンの直線性を計算した結果を示す特性図であり、（Ａ）はテレセントリシティーを示し、（Ｂ）はスキャン直線性を示している。同じ比較例の光学系でスキャンの傾斜角を最適値から＋０．１度傾けた場合について、テレセントリシティーとスキャンの直線性を計算した結果特性図であり、（Ａ）はテレセントリシティーを示し、（Ｂ）はスキャン直線性を示している。一枚の凹面鏡で構成した主鏡のみの反射式集光光学系を備える一次元スキャナのスキャン光学系の構成を模式的に示す斜視図である。一枚の凹面鏡で構成した主鏡のみの反射式集光光学系を備える二次元スキャナのスキャン光学系の構成を模式的に示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、例えば図1に示すような構成の光学式三次元形状測定装置１００に適用される。

図１は、本発明を適用した光学式三次元形状測定装置１００の基本的な構成を示すブロック図である。

この光学式三次元形状測定装置１００は、光コム距離計１０と、光コム距離計１０から出射される測定光Ｓ２で測定対象物体５０を走査する光学スキャン装置２０と、光コム距離計１０の出力に基づいて、測定対象物体５０の複数の点までの絶対距離を計測して立体像を得る信号処理装置３０を備える。

光コム距離計１０は、例えば図２のブロック図に示すように、光周波数コム干渉計を用いて距離を測定するものであって、第１、第２の光コム光源１１、１２から出射される中心周波数と周波数間隔の異なる二つの光周波数コムをそれぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光Ｓ１と測定光Ｓ２として干渉光学系１３を介して測定光路１５に入射させる測定光Ｓ２との干渉光Ｓ３を基準光検出器１６により検出するとともに、基準光路１４と測定光路１５に入射させた基準光Ｓ１と測定光Ｓ２が上記基準光路１４と測定光路１５を往復して戻ってくる基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を測定光検出器１７により検出し、信号処理部１８により、上記基準光検出器１６により干渉光Ｓ３を検出した干渉信号と上記測定光検出器１７により干渉光Ｓ４を検出した干渉信号の時間差から、光速と測定波長における屈折率から上記基準光Ｓ１が往復した基準光路１４の距離Ｌ１と上記測定光Ｓ２が往復した測定光路１５の距離Ｌ２の差を求めることができる。なお、干渉計や検出器の形態は複数ある。

上記光学スキャン装置２０は、光コム距離計１０から出射される測定光Ｓ２を測定対象物体５０の表面にスキャンしながら照射して、表面からの反射光を光コム距離計１０に戻すもので、上記光コム距離計１０から出射される測定光Ｓ２で測定対象物体５０を走査する反射式走査光学系２１と、この反射式走査光学系２１を介して測定対象物体５０に照射される測定光Ｓ２を集光させる反射式集光光学系２２からなる。

信号処理装置３０は、上記光学スキャン装置２０を制御してレーザービームを走査すると同時に上記光コム距離計１０が計測する測定対象物体５０までの距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで距離を複数の点について蓄積することにより非接触で測定対象物体５０の三次元形状を測定する。

この光学式三次元形状測定装置１００の光学スキャン装置２０において、上記反射式集光光学系２２は、反射式走査光学系２１を介して測定対象物体５０に照射される測定光Ｓ２を集光させるもので、上記光コム距離計１０から出射される測定光Ｓ２が上記反射式走査光学系２１を介して入射される少なくとも１枚の凹面鏡を備える。

この光学スキャン装置２０における反射式集光光学系２２は、上記光コム距離計１０から出射される測定光Ｓ２が上記反射式走査光学系２１を介して入射される凸面鏡からなる副鏡２２Ａと、上記凸面鏡により反射された測定光Ｓ２が入射される凹面鏡からなる主鏡２２Ｂを備え、上記光学スキャン装置２０は、上記光コム距離計１０から出射された測定光Ｓ２を上記反射式走査光学系２１と上記反射式集光光学系２２を介して上記測定対象物体５０に照射し、上記測定対象物体５０により反射された上記測定光Ｓ２’を上記反射式集光光学系２２と上記反射式走査光学系２１を介して上記光コム距離計１０に戻すようになっている。

すなわち、この光学式三次元形状測定装置１００では、光コム距離計１０からの測定光Ｓ２が光学スキャン装置２０から測定対象物体５０に向けて照射され、測定対象物体５０からの反射光Ｓ２’が光コム距離計１０に戻り、物体表面までの絶対距離が信号処理装置３０により計測される。信号処理装置３０は、光学スキャン装置２０を制御してレーザービームを走査すると同時に光コム距離計１０が計測する測定対象物体５０の表面までの絶対距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで絶対距離を複数の点について蓄積することにより非接触で物体の三次元形状を測定する。

ここで、上記光学式三次元形状測定装置１００に備えられる光学スキャン装置２０が一次元スキャナである場合のスキャン光学系２３Ａの構成を図３の斜視図に示す。

このスキャン光学系２３Ａは、例えばガルバノミラーにより測定光Ｓ２を一次元走査する反射式走査光学系２１Ａを備え、光コム距離計１０から出射された測定光Ｓ２が台形プリズム２５を介して反射式走査光学系２１Ａに入射される。

反射式走査光学系２１Ａにて反射された測定光Ｓ２は、下斜め方向から、反射式集光光学系２２の凸面鏡からなる副鏡２２Ａに入射され、さらに、副鏡２２Ａにより反射されて凹面鏡からなる主鏡２２Ｂに入射される。

測定光Ｓ２は、反射式集光光学系２２において、凸面鏡からなる副鏡２２Ａで反射されることによりビーム径が拡大され、凹面鏡からなる主鏡２２Ｂで反射されることにより集光され焦点を結ぶ状態で測定対象物体５０の表面に照射される。

そして、このスキャン光学系２３Ａでは、反射式走査光学系２１Ａの回転軸はθｙ軸回転であって、θｘ軸方向に傾斜して設置されている。上記反射式走査光学系２１Ａの反射鏡面が回転することにより、測定対象物体５０の表面に照射される測定光Ｓ２のビームスポットがＸ軸方向に移動され、測定光Ｓ２で測定対象物体５０の表面をＸ軸方向に一次元走査することができる。

このように反射光学系で光学スキャン装置２０のスキャン光学系２３Ａを構成することにより、全ての反射鏡に対して測定光Ｓ２を必ず斜め入射させることができ、光源方向に戻る光の成分が発生しないので、反射の影響によって形状測定に誤差が発生することがない。

また、反射式集光光学系２２において、凸面鏡からなる副鏡２２Ａで測定光Ｓ２のビーム径を拡大してから凹面鏡からなる主鏡２２Ｂにより集光して焦点を結ぶことにより、光学スキャン装置２０のスキャン光学系２３Ａと測定対象物体５０との距離を大きくとることができる。

さらに、反射式集光光学系２２を副鏡２２Ａと主鏡２２Ｂで構成し、光軸を折り返すことによってガルバノスキャナを含むスキャン光学系２３Ａ全体の体積を縮小することができる。

なお、反射式集光光学系２２において、副鏡２２Ａと主鏡２２Ｂは、原理的は凸面鏡である必要は必ずしもなく、どちらかが、あるいは両方が凹面鏡であれば集光機能を果たすことができる。

また、反射光学系による光学スキャン装置２０のスキャン光学系２３Ａは、光学式三次元形状測定装置１００に必要なパラメータである光学系全体の焦点距離、副鏡と像面の距離、走査光学系の位置等の条件を満たすものの中から、スキャン光学系２３Ａのパラメータを選択することにより、テレセントリックに構築することができる。

例えば、凸面鏡からなる副鏡２２Ａと凹面鏡からなる主鏡２２Ｂとで構成される反射式集光光学系２２は、カセグレン式天体望遠鏡に使用されている確立した設計手法により設計することができ、市販のソフトウエアで計算して各パラメータを決定することもできる。

ここで、反射光学系でスキャン光学系２３Ａを構成した光学スキャン装置２０では、反射式走査光学系２１Ａの反射鏡面に位置する回転軸が傾斜することによって、走査ビームの軌跡が円錐状になるが、カセグレン式の設計では、副鏡２２Ａとして用いる凸面鏡としてコーニック定数ｋが−１未満の凸双曲面鏡を採用し、主鏡２２Ｂとして用いる凹面鏡としてコーニック定数ｋが−１の凹放物面鏡を採用することにより、走査ビームの軌跡が上記回転軸の傾斜により円錐状になる効果を上記凸双曲面鏡による効果で相殺して、像面において走査ビームの軌跡を直線状にすることができることが確認されている。この結果、反射鏡の形状のトレランス設計に有利となり、組み立てのトレランス設計にも有利である。

反射式走査光学系２１Ａの中心と副鏡２２Ａとして用いる凸双曲面鏡と主鏡２２Ｂとして用いる凹放物面鏡の曲率中心は、図４の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、直線上に配置する。

図４の（Ａ）はスキャン光学系２３Ａの鳥瞰図であり、図４の（Ｂ）はスキャン光学系２３Ａの側面図である。

図４の（Ａ）、（Ｂ）において、Ｒ_Aは副鏡２２Ａ（凸面鏡）の曲率半径、Ｒ_Ｂは主鏡２２Ｂ（凹面鏡）の曲率半径、Ｏ_Ａは副鏡２２Ａ（凸面鏡）の曲率半径の中心位置Ｏ_Ｂは主鏡２２Ｂ（凹面鏡）の曲率半径の中心位置を、それぞれ示している。

この図４の（Ａ）、（Ｂ）に示す反射式走査光学系２１Ａの中心と副鏡２２Ａとして用いる凸双曲面鏡と主鏡２２Ｂとして用いる凹放物面鏡の曲率中心を直線上に配置した反射式集光光学系２２では、副鏡２２Ａとして用いられる凸面鏡の曲率中心と、主鏡２２Ｂとして用いられる凹面鏡の曲率中心との間に、焦点が位置している。

反射式走査光学系２１Ａの中心は、主鏡２２Ｂから見た時の焦点の位置である。測定光Ｓ２は、この直線を通して反射式走査光学系２１Ａに入射される。この反射式走査光学系２１Ａの回転軸は傾斜しており、反射された測定光Ｓ２は打ち上げされて副鏡２２Ａとして用いたコーニック定数ｋが−１未満の凸双曲面鏡で反射され、さらに、主鏡２２Ｂとして用いたコーニック定数ｋが−１の凹放物面鏡で反射されて測定対象物体５０に向かう。

このように反射式走査光学系２１Ａの中心と副鏡２２Ａとして用いるコーニック定数ｋが−１未満の凸双曲面鏡と主鏡２２Ｂとして用いるコーニック定数ｋが−１の凹放物面鏡の曲率中心を直線上に配置した反射式集光光学系２２を備える光学スキャン装置２０では、ビーム走査の直線性とテレセントリシティーが理想的なものとなる。なお、ビーム走査の直線性とテレセントリシティーが理想的な光学スキャン装置２０を構築する反射式集光光学系２２として、反射式走査光学系２１Ａの中心と副鏡２２Ａとして用いるコーニック定数ｋが−１未満の凸双曲面鏡と主鏡２２Ｂとして用いるコーニック定数ｋが−１の凹放物面鏡の曲率中心を直線上に配置したが、凹放物面鏡のコーニック定数ｋを−１から多少ずらして設計して、実用上十分なビーム走査の直線性とテレセントリシティーを得るようにしても良いことは言うまでもない。

ここで、反射式走査光学系２１Ａの中心と副鏡２２Ａとして用いる凸双曲面鏡と主鏡２２Ｂとして用いる凹放物面鏡の曲率中心を直線上に配置した反射式テレセントリック集光光学系２２を備えるスキャン光学系２３Ａにおいて、反射式走査光学系２１Ａによるスキャン幅を１００ｍｍ、機械的スキャン角を±１０度、反射式走査光学系２１Ａの回転軸（θｙ軸回転）の傾斜角を４度として、凸双曲面鏡と凹放物面鏡として設計した光学系におけるテレセントリシティーを図５の（Ａ）に示すとともにスキャン直線性を図５の（Ｂ）に示す。図５の（Ａ）の縦軸はＸ方向とＹ方向のビームの角度を示しており、図５の（Ｂ）の縦軸は直線からの乖離を示している。

図５の（Ａ），（Ｂ）に示すように、テレセントリシティーとスキャンの直線性は、計算上では０．００１程度であり、０．１μｍ以下になり、十分すぎる理想的な特性が得られることがわかる。

また、同じスキャン光学系２３Ａで反射式走査光学系２１Ａの回転軸（θ_ｙ軸回転）の傾斜角を５度として、テレセントリシティーとスキャンの直線性を計算した結果は、図６の（Ａ），（Ｂ）に示すようになり、傾斜角を４度の場合と略同じであり、反射式走査光学系２１Ａの回転軸（θｙ軸回転）の傾斜角の変化はテレセントリシティーとスキャンの直線性に影響しないことがわかる。

したがって、反射式走査光学系２１Ａの回転軸（θｙ軸回転）の傾斜角の調整は精密に行う必要がないことから、反射式走査光学系２１Ａの回転軸（θｙ軸回転）の傾斜角の設定は、組み立て調整時の機械的精度で十分である。

上記光学式三次元形状測定装置１００では、光学スキャン装置２０が一次元スキャナであるスキャン光学系２３Ａについて説明したが、反射式走査光学系２１Ａの中心と副鏡２２Ａとして用いる凸双曲面鏡と主鏡２２Ｂとして用いる凹放物面鏡の曲率中心を直線上に配置した反射式集光光学系２２を備える光学スキャン装置２０Ａでは、上述の如く反射式走査光学系２１Ａの回転軸の傾斜角の変化はテレセントリシティーとスキャンの直線性に影響しないので、反射式走査光学系２１Ａの回転軸（θｙ軸回転）の傾斜角をＸ軸方向に可変制御することによって、二次元スキャナとして機能することができる。

例えば、上記スキャン光学系２３Ａは、上記反射式走査光学系２１Ａの回転軸がθｘ軸方向に可変傾斜されることにより、上記測定光Ｓ２を二次元走査するものとすることができる。

また、本発明に係る光学式三次元形状測定装置において、上記光学スキャン装置２０の反射式走査光学系２１は、互いに異なる回転軸を有する２枚の走査平面鏡により、上記測定光Ｓ２を二次元走査するものとすることができる。

ここで、光学スキャン装置２０が二次元スキャナである場合のスキャン光学系２３Ｂの構成を図７の（Ａ）、（Ｂ）に模式的に示す。図７の（Ａ）はスキャン光学系２３Ｂの鳥瞰図であり、図7の（Ｂ）はスキャン光学系２３Ｂの側面図である。

このスキャン光学系２３Ｂでは、図７の（Ｂ）の側面図に示すように、光コム距離計１０から出射された測定光Ｓ２を二次元走査する２軸の反射式走査光学系２１Ｂにて反射された測定光Ｓ２が、下斜め方向から、反射式集光光学系２２の凸面鏡からなる副鏡２２Ａに入射され、副鏡２２Ａにより反射されて凹面鏡からなる主鏡２２Ｂに入射される。

測定光Ｓ２は、図７の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、反射式集光光学系２２において、凸面鏡からなる副鏡２２Ａで反射されることによりビーム径が拡大され、凹面鏡からなる主鏡２２Ｂで反射されることにより集光され焦点を結ぶ状態で測定対象物体５０の表面に照射される。

そして、このスキャン光学系２３Ｂにおいて、反射式走査光学系２１Ｂは、２軸の回転軸を有し、反射鏡面をθｘ軸回転とθｙ軸回転させることにより、測定対象物体５０の表面に照射される測定光Ｓ２のビームスポットがＸ軸方向とＹ軸方向に移動され、測定光Ｓ２で測定対象物体５０の表面を二次元走査することができる。

このスキャン光学系２３Ｂも反射光学系で構成することにより、全ての反射鏡に対して測定光Ｓ２を必ず斜め入射させることができ、光源方向に戻る光の成分が発生しないので、反射の影響によって形状測定に誤差が発生することがない。また、反射式集光光学系２２において、凸面鏡からなる副鏡２２Ａで測定光Ｓ２のビーム径を拡大してから凹面鏡からなる主鏡２２Ｂにより集光して焦点を結ぶことにより、光学スキャン装置２０のスキャン光学系２３Ｂと測定対象物体５０との距離を大きくとることができる。

このスキャン光学系２３Ｂにおける反射式走査光学系２１Ｂは、例えば２軸MEMSや１軸ガルバノミラーと回転機構などで構成される。

また、図８に示すように、Ｘ軸方向の一次元走査を行う上記反射式走査光学系２１ＡをＹ軸方向にロボットで動かすようにしても、測定光Ｓ２で測定対象物体５０の表面を二次元走査することができる。

ここで、上記光学式三次元形状測定装置１００における光学スキャン装置２０では、反射式集光光学系２２を備えるスキャン光学系２３，２３Ａ、２３Ｂにより、ビーム走査の直線性とテレセントリシティーが理想的なものとなるようにしているが、反射光学系により構成したスキャン光学系２３，２３Ａ、２３Ｂにおいては、測定光Ｓ２が通過する光路中に波長分散のある材料が含まれることはないので、測定対象物体５０に粗面と鏡面が混在する場合においても、鏡面に対する測距結果に測定光路中の波長分散の分布の影響による誤差が発生することはない。

すなわち、測定光路中に波長分散のある材料が含まれない反射光学系により構成したスキャン光学系２３，２３Ａ、２３Ｂでは、テレセントリシティーは必須要件ではなく、ｆ−θ光学系のような像面に対してビーム角が広がりながら集光するような光学系も反射式集光光学系２２として採用してもよく、反射式ｆ−θ光学系を採用することにより、小さな光学系で大きなスキャンエリアを実現できる。

この場合には、基準平面を鏡面でなく粗面とし、拡散反射の成分を利用して校正データを取得しておくことになり、立体的なキャリブレーションを行う必要がある。

ここで、凸球面レンズと凹球面レンズを用いた透過型テレセントリック集光光学系において、スキャン幅を１００ｍｍ、機械的スキャン角を±１０度とした比較例の光学系について、テレセントリシティーとスキャンの直線性を計算した結果を図９の（Ａ），（Ｂ）に示す。

図９の（Ａ）は、比較例の光学系のテレセントリシティーを示し、図９の（Ｂ）は、比較例のスキャン直線性を示している。

ここで、ビームのスキャナへの入射角、スキャンの傾斜角は、テレセントリシティーとスキャンの方向と直交方向、及びスキャン直線性が最小になるように最適化してあるが、凸双曲面鏡と凹放物面鏡の場合に比べ、テレセントリシティーのスキャン方向と直交方向の直線性及びスキャン直線性の値が大きい。

また、同じ比較例の光学系でスキャンの傾斜角を最適値から＋０．１度傾けた場合について、テレセントリシティーとスキャンの直線性を計算した結果は、図１０の（Ａ），（Ｂ）に示すようになり、テレセントリシティーにはほとんど変化がなかったが、スキャンの傾斜角の変化によりスキャン直線性は敏感に変化する。

したがって、凸球面レンズと凹球面レンズを用いた透過型テレセントリック集光光学系を採用する場合には、走査光学系の光軸の傾きを高精度に調整する必要がある。

ここで、上記光学式三次元形状測定装置１００における光学スキャン装置２０では、凸面鏡からなる副鏡２２Ａで測定光Ｓ２のビーム径を拡大してから凹面鏡からなる主鏡２２Ｂにより集光して焦点を結ぶようにした複数枚の反射鏡で構成した反射式集光光学系２２を備えるものとしたが、上述の如く測定光路中に波長分散のある材料が含まれない反射光学系により構成したスキャン光学系２３，２３Ａ、２３Ｂでは、テレセントリシティーは必須要件ではなく、ｆ−θ光学系のような像面に対してビーム角が広がりながら集光するような光学系も採用してもよく、反射式集光光学系２２は、原理的には、例えば図１１に示すスキャン光学系２３Ｃにおける反射式集光光学系２２のように、校正も含めて要求される特性を満足するような曲面を設定した少なくとも１枚の凹面鏡２２Ｃを備えるものとすることができる。

図１１は、一枚の凹面鏡２２Ｃで構成した主鏡のみの反射式集光光学系２２を備える一次元スキャナのスキャン光学系２３Ｃの構成を模式的に示す斜視図である。

図１１に示すスキャン光学系２３Ｃでは、光コム距離計１０から出射された測定光Ｓ２が反射式走査光学系２１Ａを介して反射式集光光学系２２の凹面鏡２２Ｃに入射され、凹面鏡２２Ｃにより反射された測定光Ｓ２が測定対象物体５０に照射される。

このスキャン光学系２３Ｃは、測定光Ｓ２で測定対象物体５０をＸ軸方向に一次元走査する一次元スキャナであって、測定光Ｓ２をＸ軸方向に一次元走査するガルバノミラーやポリゴンミラー等の反射式走査光学系２１Ａを備える。

この反射式走査光学系２１Ａの回転軸はθｙ軸回転であって、θｘ軸方向に傾斜して設置されている。上記反射式走査光学系２１Ａの反射鏡面が回転することにより、測定対象物体５０の表面に照射される測定光Ｓ２のビームスポットがＸ軸方向に移動され、測定光Ｓ２で測定対象物体５０の表面をＸ軸方向に一次元走査することができる。

反射式集光光学系２２に用いる凹面鏡２２Ｃの曲面は、反射式走査光学系２１Ａの反射鏡面から凹面鏡２２Ｃに至るすべての光線が極力、平行線として反射される形が望ましく、球面、放物面、双曲面およびそれらの中間的な曲面が候補となる。

反射式集光光学系２２に凹面鏡２２Ｃを用いる光学スキャン装置２０では、校正も含めて要求される特性を満足するような凹面鏡２２Ｃの曲面を設定し、基準器の形状・寸法を計測してスキャナ鏡の角度と座標の関係を測定して、その値が基準器の真値に一致するような変換（変換行列、参照配列、数式の係数などの形式）に基づく校正データを取得しておくようにすれば良い。

このスキャン光学系２３Ｃは、上記スキャン光学系２３Ｂと同様に、Ｘ軸方向の一次元走査を行う上記反射式走査光学系２１ＡをＹ軸方向にロボットで動かすようにしても、測定光Ｓ２で測定対象物体５０の表面を二次元走査するものことができる。

また、スキャン光学系２３Ｃは、上記反射式走査光学系２１Ａの回転軸がＸ軸方向に可変傾斜されることにより、上記測定光Ｓ２で測定対象物体５０を二次元走査するものとすることができる。

また、図１２に示すスキャン光学系２３Ｄにおける２軸の反射式走査光学系２１Ｄのように、二個のガルバノスキャナを組み合わせて構成される互いに異なる回転軸を有する２枚の走査平面鏡により、上記測定光Ｓ２で測定対象物体５０を二次元走査するものとすることができる。

図１２は、一枚の凹面鏡２２Ｄで構成した主鏡のみの反射式集光光学系２２を備える二次元スキャナのスキャン光学系２３Ｄの構成を模式的に示す斜視図である。

このスキャン光学系２３Ｄでは、光コム距離計１０から出射された測定光Ｓ２を二次元走査する２軸の反射式走査光学系２１Ｂにて反射された測定光Ｓ２が、下斜め方向から、反射式集光光学系２２の凹面鏡２２Ｄに入射され、測定光Ｓ２が凹面鏡２２Ｄを用いた反射式集光光学系２２を介して測定対象物体５０に照射される。

反射式集光光学系２２に用いる凹面鏡２２Ｄの曲面は、反射式走査光学系２１Ｂの反射鏡面から凹面鏡２２Ｄに至るすべての光線が極力、平行線として反射される形が望ましく、球面、放物面、双曲面およびそれらの中間的な曲面が候補となる。

反射式集光光学系２２に凹面鏡２２Ｄを用いる光学スキャン装置２０では、校正も含めて要求される特性を満足するような凹面鏡２２Ｄの曲面を設定し、基準器の形状・寸法を計測してスキャナ鏡の角度と座標の関係を測定して、その値が基準器の真値に一致するような変換（変換行列、参照配列、数式の係数などの形式）に基づく校正データを取得しておくようにすれば良い。

１０光コム距離計、１１、１２第１、第２の光コム光源、１３干渉光学系、１５測定光路、１４基準光路、１５測定光路、１６基準光検出器、１７測定光検出器、２０光学スキャン装置、２１、２１Ａ、２１Ｂ反射式走査光学系、２２反射式集光光学系、２２Ａ凸面鏡からなる副鏡、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ凹面鏡からなる主鏡、２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄスキャン光学系、３０信号処理装置、５０測定対象物体、１００光学式三次元形状測定装置

Claims

光コム干渉計により、基準光と測定光とを合波した第１の干渉光と、測定対象物による上記測定光の反射光と上記基準光とを合波した第２の干渉光を生成し、上記第１の干渉光と上記第２の干渉光との位相差から、上記測定対象物までの距離を算出する光コム距離計と、
上記光コム距離計から出射される測定光で測定対象物体を走査する反射式走査光学系と、この反射式走査光学系を介して測定対象物体に照射される測定光を集光させる反射式集光光学系からなり、上記測定対象物体により反射された上記測定光を上記光コム距離計に戻す光学スキャン装置と、
上記光学スキャン装置を制御してレーザービームを走査すると同時に上記距離計が計測する距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで距離を複数の点について蓄積することにより非接触で測定対象物体の三次元形状を測定する信号処理装置と
を備え、
上記光学スキャン装置は、上記光コム距離計から出射された測定光を上記反射式走査光学系と上記反射式集光光学系を介して上記測定対象物に照射し、上記測定対象物体により反射された上記測定光を上記反射式集光光学系と上記反射式走査光学系を介して上記光コム距離計に戻すことを特徴とする光学式三次元形状測定装置。
上記反射式集光光学系は、上記光コム距離計から出射される測定光が上記反射式走査光学系を介して入射される少なくとも１枚の凹面鏡を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学式三次元形状測定装置。
上記反射式集光光学系は、上記光コム距離計から出射される測定光が上記反射式走査光学系を介して入射される凸面鏡からなる副鏡と、上記凸面鏡により反射された測定光が入射される凹面鏡からなる主鏡を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学式三次元形状測定装置。
上記反射式集光光学系は、上記凸面鏡からなる副鏡と上記凹面鏡からなる主鏡により構成された反射式テレセントリック集光光学系であることを特徴とする請求項３に記載の光学式三次元形状測定装置。
上記副鏡は、コーニック定数ｋが−１未満の凸双曲面鏡であり、上記主鏡は、コーニック定数ｋが−１の凹放物面鏡であることを特徴とする請求項４に記載の光学式三次元形状測定装置。
上記走査平面鏡の中心と上記凸双曲面鏡及び凹放物面鏡の各曲率中心を直線的に配置したことを特徴とする請求項５に記載の光学式三次元形状測定装置。
上記光学スキャン装置は、上記走査平面鏡が１つの回転軸を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の光学式三次元形状測定装置。
上記光学スキャン装置は、上記１つの回転軸が可変傾斜されることにより、上記測定光を二次元走査することを特徴とする請求項７に記載の光学式三次元形状測定装置。
上記光学スキャン装置は、互いに異なる回転軸を有する２枚の走査平面鏡により、上記測定光を二次元走査することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の光学式三次元形状測定装置。