JP6268535B2 - ３次元座標測定装置及び３次元座標測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、３次元座標測定装置及び３次元座標測定方法に関し、特に光の干渉を利用して測定を行う３次元座標測定装置及び３次元座標測定方法に関する。

従来より、様々な方法で測定対象物の３次元形状を測定する方法が考えられてきた。例えば、レーザ光を測定対象物に照射して測定対象物からの反射光を利用して、３次元測定を行う方法が知られている。

特許文献１には、直交する２方向に回転駆動する反射ミラーを操作してレーザ光を測定対象物に出射し、測定対象物からの反射光を利用してレーザ光を測定対象物に追従させて、測定対象物の形状等の測定を行う技術が記載されている。

特許文献２には、レーザ光の方向を回転機構により調整して測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を利用して、３次元測定を行う技術が記載されている。

特開２００４−３４０８５６号公報 特開２００５−１７２６９５号公報

上述した特許文献１及び２に記載された技術は、レーザ光の出射部を回転させてレーザ光の出射方向を制御して、測定対象物にレーザ光を照射する。

しかしながら、レーザ光の出射部は、設計上の回転中心を軸に安定的に回転するとは限らない。すなわち、レーザ光の出射部は、設計された回転中心からズレて回転する場合がある。レーザ光の出射部の回転が設計上の回転中心からズレて行われると、光の干渉を利用して行われる測定の精度は低下する。

レーザ光の出射部の回転が設計上の回転中心からズレることによる測定精度の低下を防ぐ方法として、精密な、レーザ光の出射部の回転機構を製造することが考えられる。しかし、トラッキング装置は大掛かりな装置であり、３次元座標測定装置にトラッキング装置を導入することは手間や費用が膨大にかかる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、レーザ光の出射部の回転中心が回転位置ごとにズレた場合であっても、精度良く測定を行うことができる３次元座標測定装置及び３次元座標測定方法を提供することを目的とするものである。

本発明の一の態様である３次元座標測定装置は、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光を参照光と測定光とに分割する光分割部と、光分割部で分割された測定光を出射し、測定光の正反射された第１及び第２正反射測定光が入射するヘッド部と、ヘッド部を回転させることにより、ヘッド部から出射される測定光の出射方向を制御する出射方向制御部と、ヘッド部の回転中心を曲率中心とする球状の反射面であって、測定光の一部を正反射させる反射面を有する光学部材と、光分割部で分割された参照光と、ヘッド部から出射され光学部材により正反射した第１正反射測定光との第１光干渉信号、及び参照光と測定対象物により正反射した第２正反射測定光との第２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、光学部材の反射面から測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、距離算出部の算出結果及び出射方向制御部により制御された測定光の出射方向に基づき、光学部材の曲率中心を原点とした場合における測定対象物の３次元座標を算出する位置座標算出部と、を備える。

本態様によれば、光学部材の反射面から測定対象物までの距離を測定することによりヘッド部の回転中心のズレに依存しない距離を算出することができる。そして、算出した距離に光学部材の曲率半径を加算することにより、光学部材の曲率中心から測定対象物までの距離を取得し、取得した距離と測定光の出射方向とに基づいて、測定対象物の３次元座標を算出する。これにより、本態様は、ヘッド部の回転が回転中心からズレた場合であっても、ヘッド部の設計上の回転中心（光学部材の曲率中心）から測定対象物までの正確な距離を取得することができ、測定対象物の３次元座標測定を精度良く行うことができる。

望ましくは、光源が出射するレーザ光は、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である。

本態様によれば、レーザ光として光コムを使用して測定を行うために、長い距離から短い距離までの測定を精度良く行うことができる。

望ましくは、エタロン光源と光分割部との間には、２以上の整数をｍとすると、光コムの周波数間隔をｍ倍するエタロンが設けられている。

本態様によれば、空間位置を細かく測定することができる。また、本態様によれば、光コムの周波数間隔を広げることができるので、光コムの櫛の次数を容易に見つけることができるようになり、光コムを用いた３次元座標の測定を高精度かつ短時間に行うことができる。

望ましくは、光源と光分割部との間には、ｍの値が異なる複数種類のエタロンが設けられており、光源及び光分割部を接続するエタロンの種類を選択するエタロン選択部を備える。

本態様によれば、大きな測定対象物の測定や空間位置の細かい測定を可能にすることができる。

望ましくは、ヘッド部は、第１の方向及び第１の方向に直交する第２の方向に回転する。

本態様によれば、ヘッド部が第１の方向及び第２の方向に回転するので、測定光を任意の方向へ出射することができる。

望ましくは、ヘッド部は、ミラー又はプリズムである。

本態様によれば、ヘッド部がミラー又はプリズムであるので、測定光を精度よく出射することができる。

望ましくは、光学部材は、ドーム形状の一定の肉厚を有する光学部材、又は凸状の球面の平凸レンズである。

本態様によれば、光学部材として、ドーム形状を有する一定の肉厚を有する光学部材、又は凸状の球面を有する平凸レンズを使用するので、光学部材において反射光が精度良くヘッド部へ反射される。

望ましくは、光学部材の材料は、ガラスである。

本態様によれば、光学部材の材料がガラスであるので精度良く光学部材の形状を保持することができ、測定を精度良く行うことができる。

本発明の他の態様である３次元座標測定方法は、レーザ光を出射するステップと、出射されたレーザ光を参照光と測定光とに分割する光分割ステップと、光分割ステップで分割された測定光を出射し、測定光の正反射された第１及び第２正反射測定光が入射するヘッド部を回転させることにより、ヘッド部から出射される測定光の出射方向を制御する出射方向制御ステップと、ヘッド部の回転中心を曲率中心とする球状の反射面であって、測定光の一部を正反射させる反射面を有する光学部材により正反射した第１正反射測定光と参照光との第１光干渉信号、及び参照光と測定対象物により正反射した第２正反射測定光との第２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、光学部材の反射面から測定対象物までの距離を算出する距離算出ステップと、距離算出ステップの算出結果及び出射方向制御ステップにより制御された測定光の出射方向に基づき、光学部材の曲率中心を原点とした場合における測定対象物の３次元座標を算出する位置座標算出ステップと、を含む。

本発明によれば、光学部材の反射面から測定対象物までの距離を測定することにより、ヘッド部の回転中心から測定対象物までの距離を取得して、測定対象物の３次元座標を算出するので、ヘッド部が設計上の回転中心からズレて回転した場合であっても、精度の良い測定を行うことができる。

３次元座標測定装置の外観を示す概念図である。 ３次元座標測定装置の構成を示す概略図である。 図２に示した非接触式プローブの拡大図である。 非接触式プローブの変形例の拡大図である。 光検出部及び位置座標検出部の機能ブロック図である。 干渉縞パターンを説明する概念図である。 ３次元座標の算出に関して説明する図である。 ３次元座標測定装置の動作フロー図である。 ３次元座標測定装置の構成示す概略図である。 ３次元座標測定装置の構成示す概略図である。 ３次元座標測定装置の構成示す概略図である。 ３次元座標測定装置の構成示す概略図である。

以下、添付図面に沿って本発明の実施の形態について説明する。

＜全体構成＞
図１は、３次元座標測定装置１７の外観を示す概念図である。３次元座標測定装置１７は、測定機本体１７Ａと、測定機本体１７Ａの駆動及び制御を行うコントローラ１７Ｂと、を備える。

測定機本体１７Ａは、大別して、測定ステージ１２と、非接触式プローブ１３と、駆動機構１４とを備えている。測定ステージ１２には、測定対象となる測定対象物９がセットされる。非接触式プローブ１３は、一定の範囲内で移動可能である。測定対象物９は、特に限定されず、様々な形状や大きさの物体である。

駆動機構１４は、非接触式プローブ１３の基端を保持するとともに、この非接触式プローブ１３を図中に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向に駆動する。

コントローラ１７Ｂは、駆動機構１４を制御して非接触式プローブ１３を移動させる。また、コントローラ１７Ｂは、非接触式プローブ１３に備えられるヘッド部１５（図２参照）の回転の制御を行う。

３次元座標測定装置１７は、光学部材４７の曲率中心を原点とした場合における測定対象物９の３次元座標を測定する。

＜３次元座標測定装置本体の構成の概略＞
図２は、３次元座標測定装置１７の構成を示す概略図である。３次元座標測定装置１７の測定機本体１７Ａは、大別して光周波数コム光源２０、光アンプ２１、スプリッタ（光分割部）２２、第１光路２３、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、第２コリメータ４２、第２光路２４、非接触式プローブ１３、サーキュレータ４４、ミキサ２５、光検出部２６、及びこれら各部を接続する光ファイバケーブル２８（図中の二重線で表示）並びに光ファイバケーブル２８を接続するコネクタ２９を備えている。また、３次元座標測定装置１７のコントローラ１７Ｂは、出射方向制御部３０及び位置座標検出部２７を備えている。なお、測定機本体１７Ａ及びコントローラ１７Ｂに設置される各部は特に限定されず、図２に示す構成は一例に過ぎない。

光周波数コム光源（光源）２０は、３次元座標の測定に使用する光コム（光周波数コムともいう）３１を出射する。光コム３１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２０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）で形成されたリング共振器をレーザダイオードで駆動する構成のレーザ発振器などを用いることができる。なお、光周波数コム光源２０は、少なくとも３次元座標測定時には光コム３１を常時出射する。光周波数コム光源２０から出射された光コム３１は、光ファイバケーブル２８を介して光アンプ２１に入力される。なお、本例では光源として光周波数コム光源を使用しているが、これに限定されるものではない。例えば、光源として、波長帯域がブロードな光源を使用することが可能である。光源として波長帯域がブロードな光源を使用した場合には、ファブリー・ペロー・エタロン６０（以下、エタロンと記載する）を使用して、波長帯域がブロードな光の光周波数間隔を等間隔にする。

レーザ光として光コム３１を使用することにより、３次元座標測定装置１７は、測定距離の長短にかかわらず正確な測定を行うことができる。なお、レーザ光は、光コム３１に限定されるものではなく、レーザ光であれば様々なものを採用することができる。例えば、波長帯域がブロードな光（ブロードスペクトル）が使用される。

光アンプ２１は、光周波数コム光源２０から入力された光コム３１を増幅した後、この光コム３１をスプリッタ２２に向けて出力する。なお、光アンプ２１は回路の設計等により省略することが可能である。

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３１を参照光３５と測定光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、測定光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と測定光３６との割合が５：９５となるように光コム３１を分割する。

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（移動ステージともいう）４１、及び第２コリメータ４２が設けられている。

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。

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。

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。

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と測定光３６との光干渉信号５０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５０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。

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２８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。

第２光路２４には、サーキュレータ４４及び非接触式プローブ１３が設けられている。サーキュレータ４４は、スプリッタ２２から入力される測定光３６を非接触式プローブ１３に向けて出力するとともに、この非接触式プローブ１３からの戻り光（後述の第１正反射測定光３６ａ及び第２正反射測定光３６ｂ）をミキサ２５に向けて出力する。

非接触式プローブ１３は、ヘッド部１５及び光学部材４７を備える。ヘッド部１５は、出射方向制御部３０で制御されることにより、光学部材４７及び測定対象物９に測定光３６を照射し、光学部材４７で反射する第１正反射測定光３６ａと測定対象物９で反射する第２正反射測定光３６ｂとを受光する。なお、非接触式プローブ１３の詳しい説明は後述する。

出射方向制御部３０は、ヘッド部１５の回転を制御することにより、測定光３６の出射方向を制御する。測定光３６は、ヘッド部１５の回転により出射方向が制御され、測定対象物９の任意の箇所に照射される。

光検出部２６は、ミキサ２５から入力された光干渉信号５０を受光して、第１正反射測定光３６ａと参照光３５との第１光干渉縞パターン（第１光干渉信号）、及び第２正反射測定光３６ｂと参照光３５との第２光干渉縞パターン（第２光干渉信号）を検出する。そして、光検出部２６は、検出した光干渉信号５０を位置座標検出部２７に送る。

位置座標検出部２７は、光検出部２６から入力された光干渉信号５０に基づいて、光干渉信号５０に含まれる第１光干渉信号と第２光干渉信号との位相差に基づいて光学部材４７の反射面から測定対象物９までの距離を算出し、算出した距離及び測定光３６の出射方向に基づいて、測定対象物９の測定光３６の反射位置における３次元座標を算出する。なお、光検出部２６及び位置座標検出部２７に関しての詳しい説明は後述する。

＜非接触式プローブ＞
次に、上述した非接触式プローブ１３に関して説明する。

図３は、図２に示した非接触式プローブ１３の拡大図である。非接触式プローブ１３は、ヘッド部１５としてのミラーと光学部材４７とを備える。ヘッド部１５は、出射方向制御部３０（図２を参照）により制御されて、ＸＹＺ直交３軸のＸ軸及びＹ軸をそれぞれ中心にしてＸ軸回り方向（第１の方向）及びＹ軸回り方向（第２の方向）の回転が可能である。

ヘッド部１５の回転は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうち少なくとも一つを回転中心とする理想的な回転中心１０で行われるように設計されている。しかし、実際にヘッド部１５を駆動する際には、ヘッド部１５の回転は、理想的な（設計上の）回転中心１０で行われない場合がある。すなわち、ヘッド部１５の回転軸の設計精度の問題や、回転の駆動系の設計制度の問題により、ヘッド部１５の回転が回転中心１０から外れて行われる場合がある。ヘッド部１５の回転が回転中心１０で行われないと、測定光３６のヘッド部１５での反射点が回転の度に変化し、測定対象物９の３次元形状の測定精度が低下する。

しかしながら、本発明は、光学部材４７の反射面から測定対象物９までの距離に基づいて、光学部材４７の曲率中心を原点とする測定対象物９の３次元座標を取得するので、ヘッド部１５の回転が回転中心１０からズレて行われた場合であっても、精度良く測定を行うことができる。

光学部材４７は、回転中心１０を曲率中心とする球状の反射面を有し、測定光３６の一部を第１正反射測定光３６ａとして反射する。一方、光学部材４７を透過した測定光３６は、測定対象物９に照射される。測定対象物９は、照射された測定光３６を第２正反射測定光３６ｂとして反射する。第１正反射測定光３６ａ及び第２正反射測定光３６ｂは、ヘッド部１５により受光され、サーキュレータ４４へ進む。なお、光学部材４７の材料はガラスであることが好ましい。光学部材４７の材料がガラスであると、光学部材４７の形状は精度良く形成される。また、光学部材４７の材料がガラスであると、測定光３６の一部が第１正反射測定光３６ａとして反射され、光検出部２６が精度よく第１光干渉信号及び第２光干渉信号を検出することができる。光学部材４７の具体例として、ガラスドームが挙げられる。

図４は、非接触式プローブ１３の変形例を示す拡大図である。図４では、ヘッド部１５がプリズムで構成されている。ヘッド部１５は、図３及び図４に示すように、測定光３６を照射可能であり、第１正反射測定光３６ａ及び第２正反射測定光３６ｂが入射可能であれば特に限定されない。

また、図４では、光学部材４７は、回転中心１０を曲率中心としドーム形状の一定の肉厚を有する。光学部材４７は、図３及び図４に示すように、測定光３６の一部を第１正反射測定光３６ａとしてヘッド部１５へ正反射することが可能であれば、形状及び材料はとくに限定されない。図４に示すように、測定光３６の照射方向が限定的である場合には、測定光３６の照射方向にのみ光学部材４７を設置してもよい。また、光学部材４７は、凸状の球面を有する平凸レンズであってもよい。

＜３次元座標の算出＞
次に、第１正反射測定光３６ａ及び第２正反射測定光３６ｂを使用して行われる測定対象物９の３次元座標の算出に関して説明する。

図５は、光検出部２６及び位置座標検出部２７の機能ブロック図である。位置座標検出部２７は、干渉縞パターン検出部５２、距離算出部５３、及び位置座標算出部５４を有している。

光検出部２６は、ミキサ２５（図２を参照）から入力された光干渉信号５０を受光して、位置座標検出部２７へ出力する。そして、位置座標検出部２７は、第１光干渉信号及び第２光干渉信号を検出する。ここで、第１光干渉信号とは、測定光３６が光学部材４７にて反射された第１正反射測定光３６ａと参照光３５との光干渉信号のことである。また、第２光干渉信号とは、測定光３６が測定対象物９にて反射された第２正反射測定光３６ｂの光干渉信号のことである。

位置座標検出部２７に入力された光干渉信号５０は、干渉縞パターン検出部５２に入力される。干渉縞パターン検出部５２としては、例えばロックインアンプが用いられる。

図６は、干渉縞パターン検出部５２が検出する干渉縞パターンを説明する概念図である。図６には、干渉縞パターン検出部５２が光検出部２６から取得した光干渉信号５０の一部が示されている。光干渉信号５０は、第１光干渉信号４９ａと第２光干渉信号４９ｂとを有している。また、図６に示す場合では、第１光干渉信号４９ａは、第２光干渉信号４９ｂよりも振幅が小さくなる。これは、第１光干渉信号を構成する第１正反射測定光は、測定光３６の一部が光学部材４７で反射された光であるからである。また、第１光干渉信号４９ａは、第２光干渉信号４９ｂよりも時系列で先に検出される。これは、第１光干渉信号を構成する第１正反射測定光は測定対象物９とヘッド部１５との間に設置される光学部材４７で反射され、第２光干渉信号を構成する第２正反射測定光は測定対象物９で反射されるからである。

干渉縞パターン検出部５２は、第１干渉信号の振幅がピークになる時間（ｔ１）及び第２干渉信号の振幅がピークになる時間（ｔ２）を取得する。そして、干渉縞パターン検出部５２は、取得したｔ１及びｔ２（干渉縞パターン）を距離算出部５３へ送る。なお、干渉縞パターン検出部５２は、公知の方法を利用して時間（ｔ１）及び（ｔ２）を求めることができる。

図５に戻って、距離算出部５３は、干渉縞パターン検出部５２から取得した第１干渉信号の振幅がピークになる時間（ｔ１）及び第２干渉信号の振幅がピークになる時間（ｔ２）から、光学部材４７の反射面から測定対象物９までの距離を取得する。なお、距離算出部５３は、公知の方法により、ｔ１及びｔ２から光学部材４７の反射面から測定対象物９までの距離を算出する。

さらに、距離算出部５３は、算出した光学部材４７から測定対象物９までの距離と光学部材４７の曲率半径Ｒとを加算することにより、設計上の回転中心１０から測定対象物９までの距離を精度良く算出する。このように求められた回転中心１０から測定対象物９までの距離は、光学部材４７の反射面から測定対象物９までの実測距離に光学部材４７の固定値である曲率半径Ｒを加算して算出するために、ヘッド部１５が設計上の回転中心１０からズレて回転した場合であっても、設計上の回転中心１０から測定対象物９までの距離を正確に求めることができる。距離算出部５３は、設計上の回転中心１０から測定対象物９までの距離に関する情報を位置座標算出部５４に送る。

位置座標算出部５４は、距離算出部５３から取得した設計上の回転中心１０から測定対象物９までの距離に関する情報とヘッド部１５の回転角度に基づいて、測定対象物９において測定光３６を正反射した点（第２正反射測定光の反射点）の空間座標を取得する。なお、この空間座標は、光学部材４７の曲率中心を原点とする。

図７は、位置座標検出部２７の３次元座標の算出を説明する概念図である。図７では、ヘッド部１５（図７中では省略）がＸ軸の回りをθ°及びＺ軸の回りをδ°回転し、回転中心１０から測定対象物９までの距離がｒである場合を示す。位置座標算出部５４は、公知の方法により、光学部材４７の曲率中心を原点として第２正反射測定光の反射点の座標を算出する。

例えば、位置座標検出部２７は、以下に示す式１を使用して、第２反射測定光の反射点Ｃを算出してもよい。
（式１） ｘ＝ｒsinθcosδ、ｙ＝ｒsinθsinδ、ｚ＝rcosθ

図８は、３次元座標測定装置１７の動作フロー図である。先ず、光周波数コム光源２０は、光コム３１を光アンプ２１へ向けて出射する（ステップＳ１０）（レーザ光を出射するステップ）。その後、スプリッタ２２は、光コム３１を参照光３５と測定光３６とに分割する（ステップＳ１２）（光分割ステップ）。そして、非接触式プローブ１３のヘッド部１５は、測定光３６を光学部材４７及び測定対象物９の全体に照射されるように制御され（出射方向制御ステップ）、第１正反射測定光３６ａと第２正反射測定光３６ｂがヘッド部１５に入射される（ステップＳ１４）。

次に、干渉縞パターン検出部５２は、参照光３５と第１正反射測定光３６ａとの第１光干渉信号、及び参照光３５と第２正反射測定光３６ｂとの第２光干渉信号を検出する（ステップＳ１６）（光検出ステップ）。その後、距離算出部５３は、干渉縞パターン検出部５２の検出結果に基づき、光学部材４７の反射面から測定対象物９までの距離を算出する（ステップＳ１８）（距離算出ステップ）。そして、位置座標算出部５４は、距離算出部５３の検出結果に基づいて、測定対象物９の３次元座標を算出する（ステップＳ２０）（位置座標算出ステップ）。

以上で説明したように、本態様によれば、光学部材４７の反射面から測定対象物９までの距離を測定することにより、ヘッド部１５の回転中心１０から測定対象物９までの距離を取得して、測定対象物９の３次元座標を算出する。これにより、本態様は、ヘッド部１５の回転が回転中心１０からズレて行われた場合であっても、ヘッド部１５の設計上の回転中心１０から測定対象物９までの正確な距離を取得することができ、測定対象物９の３次元座標測定を精度良く行うことができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の３次元座標測定装置１７の第２実施形態に関して説明する。図９は、第２実施形態の３次元座標測定装置１７の構成を示す概略図である。なお、図２と同様の箇所は、同じ符号を付し説明は省略する。

３次元座標測定装置１７の第２実施形態では、光周波数コム光源２０は、サーキュレータ４４へ光コム３１を出射する。サーキュレータ４４は、光コム３１を取得して、光コム３１をスプリッタ２２に出射する。

スプリッタ２２は、光コム３１を参照光３５と測定光３６とに分割する。図９に示した場合では、スプリッタ２２は、参照光３５と測定光３６との割合が１：９９となるように光コム３１を分割する。その後、参照光３５は、第１コリメータ３８を介して、移動ステージ７０に入射する。移動ステージ７０は、参照光３５の反射面を移動させる（図中の矢印を参照）ことにより、参照光３５の光路を調整することができる。一方、測定光３６は、ヘッド部１５から測定対象物９に対して出射される。

光学部材４７で反射する第１正反射測定光３６ａ及び測定対象物９で反射する第２正反射測定光３６ｂは、ヘッド部１５に入射して、サーキュレータ４４に送られる。サーキュレータ４４は、第１正反射測定光３６ａ及び第２正反射測定光３６ｂを取得し、光検出部２６へ出力する。

以上で説明したように、３次元座標測定装置１７は、図９に示すような構成を採用することもできる。

＜３次元座標測定装置の他の実施形態＞
次に、図１０〜図１２を用いて３次元座標測定装置１７の他の実施形態について説明を行う。

図１０に示した３次元座標測定装置１７では、光周波数コム光源２０とスプリッタ２２との間、より具体的には光周波数コム光源２０と光アンプ２１との間にエタロン６０が設けられている。なお、図１０に示した３次元座標測定装置１７は、エタロン６０を備える点を除けば、図２に示した３次元座標測定装置１７と基本的に同じ構成であり、３次元座標測定装置１７と機能及び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。

エタロン６０は、例えばファブリー・ペロー・エタロンが用いられる。エタロン６０は、光コム３１の周波数間隔をｍ（ｍは２以上の整数）倍する。これにより、光コム３１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２０から出射される光コム３１の周波数間隔は一般的には１００ＭＨｚ、２５０ＭＨｚであるが、エタロン６０を用いることにより光コム３１の周波数間隔を例えば１５ＧＨｚ程度に広げることができる。このように光コム３１の周波数間隔を広げることにより空間位置を細かく測定することができる。ここで、光コム３１は参照標準であるので主間隔（例えば１ｍ、１．５ｍ、・・・）だけを測定し、空間位置の詳細は例えば３次元測定機に内蔵のデジタルスケールにより測定してもよい。また、エタロン６０により光コム３１の櫛（コム）の本数を間引くことで、光コム３１の櫛の次数を容易に見つけられるようになり、光コム３１を用いた測定をより高精度かつ短時間に行うことができる。

なお、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。このため、例えば、エタロン６０としてエタロン１とエタロン２とが直列接続（３個以上でも可）されたものを用いて、光周波数コム光源２０から出射される周波数間隔１００ＭＨｚの光コム３１の周波数間隔を、エタロン１にて１ＧＨｚに広げた後にエタロン２にて１５ＧＨｚに広げてもよい。ここで「フィネス」とはエタロンの特性を示す値であり、Δｆ／ｆｒで表される［Δｆ：フリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）、ｆｒ：光コムの繰り返し周波数］。

また、図１１に示す３次元座標測定装置１７のように、前述のｍの値が異なる複数種類のエタロン６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ（４種類以上でも可）を並列に設けて、光スイッチ（エタロン選択部）６２により光周波数コム光源２０及び光アンプ２１と接続するエタロン６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの種類を選択可能にしてもよい。なお、光スイッチ６２の切り替えはスイッチ制御部６３により制御される。スイッチ制御部６３は、ユーザからの切り替え指示の入力に応じて光スイッチ６２を切り替える。このように複数種類のエタロン６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃを選択可能にすることで、大きな測定対象物９の測定や空間位置の細かい測定を可能にすることができる。

さらに、図１２に示すように、３次元座標測定装置１７を全て同一箇所に配置する必要はなく、例えば、３次元座標測定装置１７（非接触式プローブ１３を除く）は所定の標準供給機関や指定校正機関、又はメーカの校正部門などの測定室Ｒ１に設置し、この３次元座標測定装置１７と別の場所（例えば数ｋｍ離れた位置）にある工場Ｒ２などに配置された非接触式プローブ１３とを光通信接続してもよい。この場合、測定光路の光ファイバをＬ＝数ｋｍにわたって延長することにより、異なる場所・建物に存在する物体を、測定室から測定することができる。なお、参照光路にもＬと同じ長さの光ファイバを設けることにより、時間的コヒーレンス干渉（パルス干渉）が実現できる。

以上、本発明の３次元座標測定装置１７に関して説明を行ってきたが、本発明は上述した実施形態に限らない。例えば、本発明は上述した発明を達成する３次元座標測定方法も含む。

９…測定対象物、１０…回転中心、１２…測定ステージ、１３…非接触式プローブ、１４…駆動機構、１５…ヘッド部、１７…３次元座標測定装置、１７Ａ…測定機本体、１７Ｂ…コントローラ、２０…光周波数コム光源、２１…光アンプ、２２…スプリッタ、２３…第１光路、２４…第２光路、２５…ミキサ、２６…光検出部、２７…位置座標検出部、２８…光ファイバケーブル、２９…コネクタ、３０…出射方向制御部、３１…光コム、３５…参照光、３６…測定光、３６ａ…第１正反射測定光、３６ｂ…第２正反射測定光、３８…第１コリメータ、３９…プリズムリフレクタ、４０…コーナリフレクタ、４１…走査ステージ、４２…第２コリメータ、４４…サーキュレータ、４７…光学部材、５０…光干渉信号、５２…干渉縞パターン検出部、５３…距離算出部、５４…位置座標算出部

Claims (9)

1. レーザ光を出射する光源と、
   前記光源から出射された前記レーザ光を参照光と測定光とに分割する光分割部と、
   前記光分割部で分割された前記測定光を出射し、前記測定光の正反射された第１及び第２正反射測定光が入射するヘッド部と、
   前記ヘッド部を回転させることにより、前記ヘッド部から出射される前記測定光の出射方向を制御する出射方向制御部と、
   前記ヘッド部の回転中心を曲率中心とする球状の反射面であって、前記測定光の一部を正反射させる反射面を有する光学部材と、
   前記光分割部で分割された前記参照光と、前記ヘッド部から出射され前記光学部材により正反射した前記第１正反射測定光との第１光干渉信号、及び前記参照光と測定対象物により正反射した前記第２正反射測定光との第２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、前記光学部材の反射面から前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、
   前記距離算出部の算出結果及び前記出射方向制御部により制御された前記測定光の出射方向に基づき、前記光学部材の曲率中心を原点とした場合における前記測定対象物の３次元座標を算出する位置座標算出部と、
   を備える３次元座標測定装置。
2. 前記光源が出射する前記レーザ光は、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である請求項１に記載の３次元座標測定装置。
3. 前記光源と前記光分割部との間には、２以上の整数をｍとすると、前記光コムの周波数間隔をｍ倍するエタロンが設けられている請求項２に記載の３次元座標測定装置。
4. 前記光源と前記光分割部との間には、前記ｍの値が異なる複数種類の前記エタロンが設けられており、
   前記光源及び前記光分割部を接続する前記エタロンの種類を選択するエタロン選択部を備える請求項３に記載の３次元座標測定装置。
5. 前記ヘッド部は、第１の方向及び前記第１の方向に直交する第２の方向に回転する請求項１から４のいずれか１項に記載の３次元座標測定装置。
6. 前記ヘッド部は、ミラー又はプリズムである請求項１から５のいずれか１項に記載の３次元座標測定装置。
7. 前記光学部材は、ドーム形状の一定の肉厚を有する光学部材、又は凸状の球面の平凸レンズである請求項１から６のいずれか１項に記載の３次元座標測定装置。
8. 前記光学部材の材料は、ガラスである請求項１から７のいずれか１項に記載の３次元座標測定装置。
9. レーザ光を出射するステップと、
   出射された前記レーザ光を参照光と測定光とに分割する光分割ステップと、
   前記光分割ステップで分割された前記測定光を出射し、前記測定光の正反射された第１及び第２正反射測定光が入射するヘッド部を回転させることにより、前記ヘッド部から出射される前記測定光の出射方向を制御する出射方向制御ステップと、
   前記ヘッド部の回転中心を曲率中心とする球状の反射面であって、前記測定光の一部を正反射させる反射面を有する光学部材により正反射した前記第１正反射測定光と前記参照光との第１光干渉信号、及び前記参照光と測定対象物により正反射した前記第２正反射測定光との第２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、前記光学部材の反射面から前記測定対象物までの距離を算出する距離算出ステップと、
   前記距離算出ステップの算出結果及び前記出射方向制御ステップにより制御された前記測定光の出射方向に基づき、前記光学部材の曲率中心を原点とした場合における前記測定対象物の３次元座標を算出する位置座標算出ステップと、
   を含む３次元座標測定方法。

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