JP6576542B2 - 立体形状計測装置、立体形状計測プローブ - Google Patents

Description

本発明は、対象物の立体形状を光学的に測定する技術に関する。

微小部の３次元形状を検出するための方法として、距離計測ビームを走査する方法が知られている。例えばＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）という方法により、ビーム状の光が対象物にあたって反射・散乱された光を検出し、反射・散乱された光の強度と距離を求めることができる。狭隘部に挿入できるようにビーム走査機構を構成し、ビームを旋回させることにより、狭隘部の断面形状を測定するプローブを構成することができる。

下記特許文献１においては、可撓チューブの内側に回転する光ファイバを内部に持つ別の可撓チューブを入れ、内側の可撓チューブを回転させることにより、内側の回転する可撓チューブの先端の反射プリズムを回転させて、測定ビームを旋回させていた。この時、回転チューブのねじれが生じるため反射プリズムが等速度で回転しない場合がある。そこで同文献においては、外側のチューブの先端部の透明部のビームが透過する箇所に形成したマークを測定ビームによって同時に検出し、これによりビームの角度を補正している。

下記特許文献２においては、微小部に挿入するプローブ内に、光ファイバで導いたＯＣＴ検出用のビームを横方向に反射するためのミラーを回転させる微小モータを設置している。一般に微細なモータに角度検出エンコーダを組み込むことは困難であるので、同文献においては、ＯＣＴ検出用とは別の光を別の光ファイバで導き、反射光の強弱からモータの回転角を検出し、測定データの角度を補正している。

特開平１１−０５６７８６号公報 特開２０１５−００６４２７号公報

特許文献１においては、計測ビームと同一光路上に角度検出用のマークが形成されているので、このマークによりビームが偏向し角度補正精度が低下する可能性がある。特許文献２においては、回転ミラーの角度検出用に計測処理部からプローブ先端部まで距離計測ビームとは別のビームを導く必要があり、また、反射光の強弱を検知するための検出器と処理部を別個に設ける必要があるので、システムが複雑化する傾向がある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、コンパクトで精度の高い立体形状計測装置を提供することを目的とする。

本発明に係る立体形状計測装置は、測定光の一部を対象物に対する方向とは異なる方向へ角度測定光として進行させ、その角度測定光を用いて回転角を検出する。

本発明に係る立体形状計測装置によれば、コンパクトでシンプルな構造により、高精度に立体形状を計測することができる。

実施形態１に係る立体形状計測装置１００の構成を示す図である。 測定ビーム３００を分岐させずに角度検出マーカ１７０を検出する従来例を示す図である。 図２の構成により生じる誤差を説明する図である。 射出光学系／検出光学系２００と制御装置２１０の構成を説明する図である。 実施形態２における測定プローブ１６０の構成例を示す図である。 実施形態２における測定プローブ１６０の構成例を示す図である。 測定プローブ１６０の内壁に角度検出マーカ１７０を形成した例である。 測定プローブ１６０の外壁に角度検出マーカ１７０を形成した例である。 図６Ｂにおいてガラス管の外部に反射膜１７１を形成した例である。 図６Ａにおいてガラス管の外部に反射膜１７１を形成した例である。 反射膜によって角度検出マーカ１７０を形成した例である。 反射膜によって角度検出マーカ１７０を形成した別例である。 図６Ｅにおいてガラス管の外部に反射膜１７１を形成した例である。 測定プローブ１６０の表面形状を凹凸加工することにより角度検出マーカ１７０を形成した例である。 実施形態４における測定プローブ１６０の構成例を示す図である。 実施形態４における測定プローブ１６０の構成例を示す図である。 光路上においてハーフミラー１６４をモータ１６２よりもレーザ側に配置した構成例を示す図である。 図７Ｃの変形例である。 角度検出ディスク１７５の正面図である。 制御装置２１０の構成を説明するブロック図である。 距離演算部２１１が実施する補間処理を説明する図である。 距離演算部２１１が正六角形の筒の内側１周分を測定することにより得られる距離データの模式図である。 距離演算部２１１が正六角形の筒の内側１周分を測定することにより得られる距離データの模式図である。 角度抽出器２１２が実施する投影処理を説明する図である。 図１０Ｃを平滑化したデータを示す図である。 図１０Ｄの各時刻に対応する角度を求めた結果を示す図である。 測定ビーム３００の角度を補正しない断面形状データの例である。 測定ビーム３００の光路中に角度検出マーカ１７０を配置した場合における断面形状データの測定例である。 測定ビーム３００の角度を補正した断面形状データの例である。 実施形態６における射出光学系／検出光学系２００と制御装置２１０の構成を説明する図である。 実施形態７に係る測定プローブ１６０の構成例である。 実施形態７に係る測定プローブ１６０の別構成例である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る立体形状計測装置１００の構成を示す図である。立体形状計測装置１００は、測定ビーム３００を回転させながら、ビームが当たった測定対象３０１上の点までの距離を測定することにより、測定対象３０１の立体形状を計測する装置である。立体形状計測装置１００は、測定プローブ１６０、射出光学系／検出光学系２００、制御装置２１０を備える。これらの動作は図４を用いて後述する。

測定プローブ１６０は、光ファイバコリメータ１６１を収容している。光ファイバコリメータ１６１は、射出光学系／検出光学系２００が射出する検出光を光ファイバ経由で受信し、絞った測定ビーム３００を生成する。光ファイバコリメータ１６１が生成した光は、モータ１６２／ハーフミラー１６４／ミラー１６３の順に進行し、ミラー１６３によって測定対象３０１へ向かって測定ビーム３００として反射される。モータ１６２は中空になっており、その穴を介して光が通過する。モータ１６２は制御線１５０から受信する制御信号に応じてハーフミラー１６４とミラー１６３を回転させるので、これにより測定ビーム３００が回転する。測定ビーム３００は、測定プローブ１６０の透明部１６５を透過して測定対象３０１に達する。測定対象３０１によって反射あるいは散乱した光は、同じ光路を戻って、光ファイバコリメータ１６１から光ファイバ１５１に入る。射出光学系／検出光学系２００は戻ってきた光を電気信号に変換し、制御装置２１０はその電気信号を処理することにより測定対象３０１までの距離を算出する。

ハーフミラー１６４（角度検出光生成部）は、測定ビーム３００の一部を分岐して角度検出マーカ１７０（角度検出部）に向かわせる。角度検出マーカ１７０は、反射率が測定プローブ１６０とは異なる材質によって形成され、あるいは表面の凹凸として刻まれたマークである。角度検出マーカ１７０によって反射散乱された光は、ハーフミラー１６４を介して測定ビーム３００と再び結合し、光ファイバコリメータ１６１を介して射出光学系／検出光学系２００に戻る。これにより、測定対象３０１までの距離と同時に、角度検出マーカ１７０の反射率または距離を取得できる。この情報を用いることにより、角度検出や正確な制御のできない微細なモータを用いる場合であっても、制御装置２１０が回転角を補正することにより、測定対象３０１の正確な３Ｄ形状を取得することができる。

図２は、測定ビーム３００を分岐させずに角度検出マーカ１７０を検出する従来例を示す図である。図２において、光ファイバコリメータ１６１から出射したビームは、ミラー１６３によって測定ビーム３００として反射され、測定プローブ１６０の透明部１６５を透過して測定対象３０１に到達する。透明部１６５の測定ビーム３００が透過する位置に角度検出マーカ１７０を形成しておく。

図３は、図２の構成により生じる誤差を説明する図である。角度検出マーカ１７０の凹凸を測定ビーム３００が通過するとき、測定ビーム３００が点線から実線のように屈折する。測定対象３０１が傾いている場合、測定対象３０１上のビーム照射位置がずれることにより照射点までの距離が変動し、距離データが符号３０２に対応する誤差を持つこととなる。

これに対して、図１に示すように測定ビーム３００を分岐して角度検出マーカ１７０を照射することにより、角度検出マーカ１７０が測定光路上に介入することに起因する誤差を回避することができる。また、角度検出のために距離検出とは別の光を準備して測定プローブ１６０に対して送出する接続が不要になる。さらには、距離検出とは別に角度検出光を検出するための検出器を用意する必要がなくなる。

図４は、射出光学系／検出光学系２００と制御装置２１０の構成を説明する図である。測定対象３０１までの距離を計測する方法として、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅｓ）やＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ−Ｓｏｕｒｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）と呼ばれる方式が知られている。これらは、前者が可干渉距離の長い光源を用いる長距離の計測に主に用いられ、後者が可干渉距離の短い光源を用いる微細構造の観測に主に用いられることを除けば、同じ原理である。図４は、ＦＭＣＷあるいはＳＳ−ＯＣＴを用いた構成例である。

レーザ光源１０１に対して発振器１０２から三角波電流を注入し、駆動電流を変調すると、一定の変調速度で時間的に周波数掃引されたＦＭ光が発生する。あるいは、レーザ光源１０１を外部共振器つき半導体レーザとして構成し、その共振波長を発振器１０２からの３角波状の制御信号により変化させると、時間的に周波数掃引されたＦＭ光が発生する。そのＦＭ光をファイバカプラ１１１により分割し、出力光の一部を測定光として測定対象３０１に照射し、一部を参照光として参照ミラー１１２により反射させる。測定対象３０１から戻った測定光と参照光を干渉させた光を受光器１０９によって検出し、検出されるビート信号を解析する。参照光４０１と測定光４０２が受光器１０９に到着する時間は差Δｔがあり、この間に光源の周波数が変化しているので、これによる周波数差に等しいビート周波数ｆｂのビート信号が検出される。周波数掃引幅をΔνとし、Δνだけ変調するのに要する時間をＴとすると、下記式１の関係がある。

測定対象までの距離Ｌは、Δｔの間に光が進む距離の半分なので、大気中の光速度ｃを用いて、下記式２のように算出できる。

制御装置２１０は、ＡＤ／ＤＡ変換器２０１を介して、発振器１０２に対して掃引波形信号を送信する。発振器１０２が出力する信号にしたがって、レーザ光源１０１の発振周波数が掃引される。レーザ光源１０１からの射出光の一部は、ファイバカプラ１０３によって参照光学系に導光される。参照光学系において、レーザ光はファイバカプラ１０４によってさらに２分岐され、光ファイバ１０５によって一定の光路差を設けた後、再びファイバカプラ１０６によって合波され、受光器１０７によって受光される。これはマッハツェンダー干渉計に相当する。受光器１０７は、光路差に比例した一定のビート信号を検出する。

参照光学系に導かれなかった光は、サーキュレータ１０８を通過し、ファイバカプラ１１１によって分岐され、一部は参照ミラー１１２によって反射され参照光となり、残りの大部分は光ファイバコリメータ１６１を介して測定対象３０１に照射される。測定対象３０１から反射した光は、再び光ファイバコリメータ１６１を通過して、参照ミラー１１２からの参照光とファイバカプラ１１１において合流した後、光スイッチ１１０を通過し、サーキュレータ１０８により受光器１０９まで導光される。参照光と測定光の干渉によりビート信号が発生する。ＡＤ／ＤＡ変換器２０１は、受光器１０７が受光された参照ビート信号をサンプリングクロックとして、受光器１０９が受光した測定ビート信号をＡ／Ｄ変換する。あるいは、受光器１０９が受光した測定ビート信号と受光器１０７が受光した参照ビート信号を一定のサンプリングクロックでサンプリングしてもよい。

ファイバカプラ１１１と光ファイバコリメータ１６１の間には、光スイッチ１１０と１１０’が配置されている。これらスイッチの役割について説明する。干渉ビートが得られるのは、ファイバカプラ１１１から参照ミラー１１２までの光路長とファイバカプラ１１１から測定対象３０１までの光路長の差が、レーザ光源１０１の可干渉距離以下であるときであり、これを越えると測定ができなくなる。そこで、測定対象３０１までの距離に応じて光スイッチ１１０と１１０’を同時に切り替えて、光スイッチ１１０と１１０’の間の光ファイバ（第１および第２測定光ファイバ）の長さを切り替えることができる。

一方、可干渉距離が長い場合、参照ミラー１１２までと測定対象３０１までの光路長差が長すぎると、ビート周波数が高くなりすぎて受光器１０９が検出できなくなる。そこでビート周波数が検出可能周波数に収まるように、光スイッチ１１０と１１０’を同時に切り替えて、光スイッチ１１０と１１０’の間の光ファイバの長さを切り替えることができる。

図４においては切り替え可能な光ファイバ光路は２本だけであるが、カバーしたい測定範囲に応じて３本以上の光ファイバを用意して切り替えてもよい。測定対象３０１までの距離に応じて光スイッチ１１０と１１０’を適宜切り替えてもよいし、例えばミラー１６３の回転に同期して一回転ごとに光スイッチ１１０と１１０’を切り替えてもよい。

図４においては、光ファイバを切り替えることにより光路を切り替えているが、これに代えていったん光ファイバコリメータなどにより自由空間を伝播伝搬する光に変換してからこれをミラーにより切り替えることもできるし、可動ミラーを移動させることにより光路長を変化させることもできる。光スイッチ１１０と１１０’の切替は、ＡＤ／ＤＡ変換器２０１を介して制御装置２１０からの信号により制御される。

ファイバカプラ１１１と参照ミラー１１２の間の光路に光スイッチ１１０／１１０’と同様のスイッチを配置し、同様にこれらの間の光ファイバ（第１および第２参照光ファイバ）の長さを切り替えることもできる。これにより、同様に測定範囲を切り替えることができる。

制御装置２１０は、受光器１０９と１０７がそれぞれ検出し、ＡＤ／ＤＡ変換器２０１がＡ／Ｄ変換した測定ビート信号と参照ビート信号を、後述するように解析する。表示装置２２０は、その処理結果を表示する。制御装置２１０は、測定プローブ１６０を搭載したプローブ送り機構２３０を制御しながら測定プローブ１６０からのデータを処理して断面形状データを取得し、これにより測定対象３０１の３Ｄ形状を得ることができる。

＜実施の形態２＞
本発明の実施形態２では、測定プローブ１６０の複数の構成例について説明する。その他構成は実施形態１と同様であるので、以下では主に測定プローブ１６０に関する差異点について説明する。

図５Ａは、本実施形態２における測定プローブ１６０の構成例を示す図である。図５Ａに示す構成は図１とほぼ同じだが、光路上のハーフミラー１６４の後にレンズ１６７が形成されている点が異なる。レンズ１６７は、角度検出マーカ１７０にあたる角度検出光を絞ることができる。角度検出マーカ１７０のピッチをビーム幅より狭めると信号が弱くなってしまうが、レンズ１６７が角度検出光を絞ることにより、角度検出マーカ１７０をより細かいピッチで配置することができる。これにより、角度補正精度を向上させることができる。

図５Ｂは、本実施形態２における測定プローブ１６０の構成例を示す図である。図５Ｂにおいては、モータ１６２は光が通過しない位置（測定プローブ１６０の先端）に配置されている。光ファイバコリメータ１６１から出射したビームは、モータ１６２の中空部を通過することなく、ハーフミラー１６４とミラー１６３に到達する。この構成においてはモータ１６２が中空部を有していなくとも、ミラー１６３とハーフミラー１６４を回転させることができる。その代わり、モータ１６２を駆動するための配線は透明部１６５を横切ることになる。そこで、配線をできる限り細くして測定ビーム３００が受ける影響を受けにくくするか、あるいは、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：スズドープ酸化インジウム）などの材質による透明電極を透明部１６５上に形成して、測定ビーム３００をさえぎらないようにすればよい。

＜実施の形態３＞
本発明の実施形態３では、角度検出マーカ１７０を形成する複数の例を説明する。その他構成は実施形態１と同様であるので、以下では主に角度検出マーカ１７０に関する差異点について説明する。

図６Ａは、測定プローブ１６０の内壁に角度検出マーカ１７０を形成した例である。ガラス管を用意して、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザなどの高強度光を収束してガラスに照射することによりアブレーション加工を施すことにより、角度検出マーカ１７０形成することができる。

図６Ｂは、測定プローブ１６０の外壁に角度検出マーカ１７０を形成した例である。図６Ａと同様の手法を用いるとともに加工レーザのフォーカス位置を調整することにより、ガラス管外部に角度検出マーカ１７０を形成することができる。

図６Ｃは、図６Ｂにおいてガラス管の外部に反射膜１７１を形成した例である。反射膜１７１により、角度検出信号の強度を向上させたり、角度検出光が外部に漏れることを防いだりすることができる。

図６Ｄは、図６Ａにおいてガラス管の外部に反射膜１７１を形成した例である。測定プローブ１６０の内部に角度検出マーカ１７０を形成した場合においても、同様に反射膜１７１をガラス管外部に形成することができる。

図６Ｅは、反射膜によって角度検出マーカ１７０を形成した例である。あらかじめ反射膜を形成しておいてこれをレーザで除去することにより、角度検出マーカ１７０を形成することができる。

図６Ｆは、反射膜によって角度検出マーカ１７０を形成した別例である。あらかじめ反射膜を形成してその上にレジストを塗布した後、レーザによりレジストを露光し、このレジストをマスクとして反射膜をエッチングすることで、角度検出マーカ１７０を形成することができる。

図６Ｇは、図６Ｅにおいてガラス管の外部に反射膜１７１を形成した例である。ガラス管内部に図６Ｅのように角度検出マーカ１７０を形成した後、ガラス管の外部に反射膜１７１を形成することにより、角度検出光が外部に漏れることを防止することができる。

図６Ｈは、測定プローブ１６０の表面形状を凹凸加工することにより角度検出マーカ１７０を形成した例である。ガラス管の外部にレジストを塗布し、これをレーザで露光して形成したレジストパターンをマスクとしてガラスをエッチングすることにより、表面形状が正弦波上に変化する角度検出マーカ１７０を形成することができる。さらに、角度検出マーカ１７０の上に反射膜１７１を形成することにより、角度検出精度の高い角度検出マーカ１７０を実現することができる。

＜実施の形態４＞
本発明の実施形態４では、測定プローブ１６０の複数の構成例について説明する。その他構成は実施形態１と同様であるので、以下では主に測定プローブ１６０に関する差異点について説明する。

図７Ａは、本実施形態４における測定プローブ１６０の構成例を示す図である。ハーフミラー１６４により測定ビーム３００から分岐した角度検出光は、円環状ミラー１６８により反射され、測定プローブ１６０に固定された角度検出ディスク１７５（角度検出部）に到達する。角度検出ディスク１７５は測定プローブ１６０に固定されている。角度検出ディスク１７５は角度検出光を反射し、反射された角度検出光は円環状ミラー１６８を介して同じ光路を経由して戻る。これを測定ビーム３００と一緒に検出することにより、回転角を検出することができる。

図７Ｂは、本実施形態４における測定プローブ１６０の構成例を示す図である。図７Ｂにおいては、ミラー１６９が測定ビーム３００と角度検出光をともに生成する。ミラー１６９は、モータ１６２を通過した光を反射することにより測定ビーム３００を生成する。さらにミラー１６９の反射面には回折格子が形成されており、測定ビーム３００の一部が角度検出光として角度検出ディスク１７５に当たる。角度検出ディスク１７５は測定プローブ１６０に固定されている。角度検出ディスク１７５は角度検出光を反射し、反射された角度検出光はミラー１６９を介して同じ光路を経由して戻る。これを測定ビーム３００と一緒に検出することにより、回転角を検出することができる。

図７Ｃは、光路上においてハーフミラー１６４をモータ１６２よりもレーザ側に配置した構成例を示す図である。光ファイバコリメータ１６１から出射した測定ビーム３００は、モータ１６２に入る前に、ハーフミラー１６４によってその一部が角度検出用光として分岐され、円環状ミラー１６８で反射されて、角度検出ディスク１７５に照射される。角度検出ディスク１７５はモータ１６２によって回転する。角度検出ディスク１７５は角度検出光を反射し、反射された角度検出光は円環状ミラー１６８を介して同じ光路を経由して戻る。これを測定ビーム３００と一緒に検出することにより、回転角を検出することができる。

図７Ｃにおいて、フォーカス機構１９０は、測定光がハーフミラー１６４を透過した直後に配置されている。フォーカス機構１９０により、測定対象３０１までの距離に応じて測定光のフォーカスを制御することができる。フォーカス機構１９０としては、複数のレンズ間の距離を制御する機構を用いることもできるし、レンズの曲率を電気的に変化させることが可能な液体レンズを用いることもできる。液体レンズを用いる場合は、フォーカス位置によって測定光の光路長が変化するのでこの分距離検出結果を補正することが必要である。したがって、そのための機能を制御装置２１０に具備させる。フォーカス機構１９０を用いる場合は、図示していないフォーカス機構１９０の焦点位置を制御するための制御線をフォーカス機構１９０と制御装置２１０の間に設ける必要がある。

図７Ｄは、図７Ｃの変形例である。測定光は光ファイバコリメータ１６１を通過する前に光ファイバカプラ１９１（角度検出光生成部）によって一部が別の光ファイバ（分岐光ファイバ）に分岐する。分岐した光ファイバの先端にはレンズ（例えばボールレンズ）１９２が配置されている。あるいは、光ファイバの先端にレンズ１９２を直接形成してもよい。レンズ１９２から出射した光は角度検出ディスク１７５に当たる。角度検出ディスク１７５はモータ１６２によって回転する。角度検出ディスク１７５は角度検出光を反射し、反射された角度検出光は光ファイバカプラ１９１を介して同じ光路を経由して戻る。これを測定ビーム３００と一緒に検出することにより、回転角を検出することができる。

図７Ｅは、角度検出ディスク１７５の正面図である。角度検出ディスク１７５の表面には放射状の角度検出マークが形成されている。角度検出マークは、図６を用いて説明したのと同様のプロセスにより形成することができる。

＜実施の形態５＞
本発明の実施形態５では、制御装置２１０による信号処理の例について説明する。その他構成は以上の実施形態と同様であるため、以下では制御装置２１０による信号処理について主に説明する。

図８は、制御装置２１０の構成を説明するブロック図である。距離演算部２１１は、受光器１０９と１０７によってそれぞれ検出された測定ビート信号と参照ビート信号を処理する。参照ビート信号をヒルベルト変換することにより、９０度位相のずれた信号を作り出すことができる。ヒルベルト変換前後の参照信号から信号の局所位相を求めることができるので、この位相を補間することにより、参照信号が一定の位相となるタイミングを求めることができる。このタイミングにあわせて測定ビート信号を補間サンプリングすることにより、参照信号を基準として測定信号をリサンプリングすることができる。あるいはＡＤ／ＤＡ変換器２０１において参照ビート信号をサンプリングクロックとして測定信号をサンプリングしてＡ／Ｄ変換することによって、同様の結果を得られる。

距離演算部２１１は、上記のように得られた測定信号をＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ：高速フーリエ変換）して、これのピーク位置と大きさを求める。これは、測定対象３０１の反射位置と反射光量にそれぞれ対応する。通常のＯＣＴにおいては半透明体（例えば生体）の散乱位置と散乱大きさを可視化したいので、このＦＦＴの振幅スペクトルをそのまま用いるが、本発明では測定対象３０１の表面の位置を正確に求めたいので、後述の図９に示すような補間処理を実施することにより距離検出分解能を高める。

モータドライバ２１６は、モータ１６２を駆動制御する。送り制御装置２１５は、プローブ送り機構２３０を駆動制御する。制御装置２１０が備えるその他機能部の動作については後述する。

図９は、距離演算部２１１が実施する補間処理を説明する図である。図９の横軸はＦＦＴの周波数、縦軸は反射強度に対応する。反射強度ピーク付近は、図９に示すように測定結果が離散的になっている。点の間隔すなわち距離分解能はｃ／（２ Δν）である。ＳＳ−ＯＣＴとして一般的な波長１３００ｎｍ、掃引幅１００ｎｍの場合、Δν＝１７．８ＴＨｚなので、距離分解能ｃ／（２ Δν）＝８．４μｍとなる。ＦＭＣＷとして一般的な波長１５００ｎｍ、掃引幅２ｎｍの場合、Δν＝２６７ＧＨｚなので、距離分解能ｃ／（２ Δν）＝０．５６ｍｍとなる。これに対して、図９に示すように頂点付近の３点以上の点を２次関数やガウス関数などによって補間し、補間後の関数のピークを用いることにより、分解能を１／１０程度に高めることができる。

図１０Ａは、距離演算部２１１が正六角形の筒の内側１周分を測定することにより得られる距離データの模式図である。角度検出マーカ１７０または角度検出ディスク１７５が例えば図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｅ、図６Ｆのように、反射率の高いマークが所定角度ごとに配置されるように構成されている場合は、図１０Ａのような距離データが得られる。

距離演算部２１１は、上記のようなＦＦＴを各波長掃引ごとに実施する。得られた距離分布を縦軸に、横軸を各波長掃引に対応する測定ビーム３００の角度（ただし、モータ１６２の角度が正確にはわからないので名目角度）を横軸としてプロットすると、図１０Ａのように６個の１／ｃｏｓθを連ねた波状のデータが得られる。これを図９で説明したように補間すると各角度に対応する距離データが得られる。距離演算部２１１は、得られた距離データを角度補正器２１３に渡す。

角度抽出器２１２は、距離演算部２１１が使用したＦＦＴデータを用いて、各名目角度の実際の角度を抽出する。具体的には、図１０Ａの下の方に観測される信号を用いて角度を抽出する。これら信号は、角度検出マーカ１７０または角度検出ディスク１７５から反射された角度測定光に対応する。

図１０Ｂは、距離演算部２１１が正六角形の筒の内側１周分を測定することにより得られる距離データの模式図である。角度検出マーカ１７０または角度検出ディスク１７５が例えば図６Ｃ、図６Ｄ、図６Ｇのように、マークまでの距離が周期的に切り替わるように構成されている場合は、図１０Ｂのような距離データが得られる。図６Ｈのように構成されている場合は概ね図１０Ｂと同様だが、角度検出結果がより滑らかに正弦波状に変化する。

図１０Ｃは、角度抽出器２１２が実施する投影処理を説明する図である。角度抽出器２１２は、図１０Ａの距離データのうち角度検出マーカ１７０または角度検出ディスク１７５から反射された信号が存在する範囲のものを抽出し、距離方向のＦＦＴ振幅すなわち反射強度を足し合わせる。これにより、横軸を時間（名目角度）、縦軸を反射強度として図１０Ｃのようなデータが得られる。

図１０Ｄは、図１０Ｃを平滑化したデータを示す図である。角度抽出器２１２は、図１０Ｃのデータを時間方向に移動平均などの手法によって平滑化する。これにより図１０Ｄに示すような滑らかな正弦波状のデータが得られる。角度抽出器２１２は、波形の各ピークを求めることにより、マークの位置を特定することができる。

図１０Ｅは、図１０Ｄの各時刻に対応する角度を求めた結果を示す図である。角度抽出器２１２は、図１０Ｄにおいて求めたピーク位置を直線補間やスプライン補間などの手法によって補間することにより、各時刻に対応する実際の角度を求めることができる。その結果、図１０Ｅに示すように名目角度と補正角度の対応関係を示すデータが得られる。

距離データとして図１０Ｂのようなデータが得られた場合は、マーカから反射された信号の上半分または下半分について、図１０Ａに対して実施するのと同様の投影処理を実施することにより、図１０Ｃと同様のデータが得られる。あるいは、マーカから反射された信号の上半分と下半分それぞれについて同様の投影処理を実施し、上半分の投影データと下半分の投影データとの間の差分を計算することにより、図１０Ｃに相当する投影データを得ると、ピークが強調されるのでＳ／Ｎ比が向上する。さらに別の方法として、マーカから反射された信号波形に対して、図９と同様の補間処理を実施することにより、図１０Ｃに相当するマーカまでの距離データを得ることができる。ただし、この場合のグラフ縦軸は反射強度ではなくマーカまでの距離である。この場合であっても、図１０Ｄと図１０Ｅで説明した処理は、グラフ縦軸が反射強度である場合と同様に実施できる。

角度補正器２１３は、距離演算部２１１が求めた各測定点の距離データと、角度抽出器２１２が求めた各測定点の補正角度を用いて、角度を補正した断面形状データを求める。形状算出器２１４は、角度補正器２１３が求めた断面形状データと、送り制御装置２１５からのプローブ位置データを用いて、測定対象３０１の３Ｄ形状を得ることができる。表示装置２２０は、得られた断面形状や３Ｄ形状を表示する。

図１１Ａは、測定ビーム３００の角度を補正しない断面形状データの例である。ここでは図１０Ａ〜図１０Ｅと同様に正六角形の筒の内側を測定した場合における断面形状データを例示した。

図１１Ｂは、測定ビーム３００の光路中に角度検出マーカ１７０を配置した場合における断面形状データの測定例である。この場合、角度検出マーカ１７０によって角度が補正されているが、一方で図２に示すように角度検出マーカ１７０によって測定ビーム３００が乱されるので、測定ビーム３００がマークを横切る箇所において断面形状が乱れてしまう。

図１１Ｃは、測定ビーム３００の角度を補正した断面形状データの例である。図１１Ａに対して角度補正がなされるとともに、測定ビーム３００がマークを横切ることがないので断面形状の乱れは抑制されている。

＜実施の形態６＞
実施形態１においては、測定対象３０１までの距離を計測する方法としてＦＭＣＷやＳＳ−ＯＣＴを用いる方法を説明した。その他の距離計測手法としてＦＤ−ＯＣＴ（Ｆｏｕｒｉｅｒ−Ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）や白色共焦点検出と呼ばれる方法も存在する。これら方法を用いる場合であっても、実施形態１〜５と同様の効果を発揮することができる。本発明の実施形態６では、その構成例について説明する。

図１２は、本実施形態６における射出光学系／検出光学系２００と制御装置２１０の構成を説明する図である。以下では主に射出光学系／検出光学系２００について実施形態１〜５とは異なる点を説明する。

ＦＤ−ＯＣＴにおいては、レーザ光源１０１として波長掃引レーザではなく、広帯域光源を用いる。図１２においては、光をファイバカプラ１０３で分岐して受光器１０７により検出する参照ビート検出系はない。光はサーキュレータ１０８を通過し、ファイバカプラ１１１によって分岐され、その一部は参照ミラー１１２によって反射され参照光となり、残りの大部分は光ファイバコリメータ１６１により測定対象３０１に対して照射される。測定対象３０１から反射した光は再び光ファイバコリメータ１６１を通過し、参照ミラー１１２からの参照光とファイバカプラ１１１において合流した後、サーキュレータ１０８により分光器１０９’まで導光される。分光器１０９’において、参照光と測定光の干渉によって振動するスペクトルデータが発生する。ＡＤ／ＤＡ変換器２０１は、分光器１０９’が出力するスペクトルデータをＡ／Ｄ変換する。以後の処理は実施形態５と同様である。

白色共焦点検出においては、図１２のうち、ファイバカプラ１１１で分岐される参照光路用の光ファイバと参照ミラー１１２は不要である。また、射出光学系／検出光学系２００は検出範囲の切替ができないので、光路長を切り替えるための光スイッチ１１０、１１０’も不要である。白色共焦点検出を実施するため、光ファイバコリメータ１６１として、色収差が故意に大きくなるように設計したレンズを用いる。これにより、光ファイバコリメータ１６１のフォーカス位置が波長によって変化するので、測定対象３０１上で集光した光だけが再び光ファイバコリメータ１６１に戻る。これを分光器１０９’により検出すると、測定対象３０１上の反射・散乱距離に相当する波長についてのみ信号が得られる。したがって距離演算部２１１はＦＦＴを実施する必要はなく、検出されたスペクトルデータそのものが図９、図１０Ａ、図１０Ｂなどのデータに相当する。以後の処理は実施形態５と同様である。

＜実施の形態７＞
図１３Ａは、本発明の実施形態７に係る測定プローブ１６０の構成例である。図１３Ａにおいては、図１と比較すると角度検出マーカ１７０がミラー１６３の周囲に配置されている点が異なる。したがって、角度検出光はミラー１６３によって生成され、測定ビーム３００はハーフミラー１６４によって生成される。図１３Ａの構成においても図１と同様の効果を発揮することができる。ただし測定対象３０１までの距離によっては、角度検出マーカ１７０から反射された光と測定対象３０１から反射された光が干渉する可能性がある。

図１３Ｂは、本実施形態７に係る測定プローブ１６０の別構成例である。図１３Ｂにおいては、図５Ｂと比較するとミラー１６３の位置とハーフミラー１６４の位置が入れ替わり、これにともなって角度検出マーカ１７０の位置とレンズ１６７の位置も変更されている。図１３Ｂの構成においても図５Ｂと同様の効果を発揮することができる。ただし図１３Ａと同様に、測定対象３０１までの距離によっては、角度検出マーカ１７０から反射された光と測定対象３０１から反射された光が干渉する可能性がある。

＜本発明のまとめ＞
本発明に係る立体形状計測装置は、測定ビーム３００を分岐して角度検出光として角度検出マーカ１７０（あるいは角度検出ディスク１７５）に当て、これを測定光とともに検出する。これにより、角度検出のために新たに光ファイバ／信号配線／検出器を増やすことなく、測定ビーム３００の角度誤差を補正した上で立体形状を測定することができる。また測定ビーム３００が角度検出を兼ねることによる誤差も抑制することができる。

＜本発明の変形例について＞
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

ハーフミラー１６４はビームスプリッタでもよい。ミラー１６３は反射プリズムでもよい。すなわちこれらと同等の機能を有する任意の光学素子を用いることができる。以上の実施形態においては、射出光学系／検出光学系２００は往復光路を有する一体の光学系として構成されているが、測定光を射出する光学系と検出光を受信する光学系の２つに分けて構成することもできる。光ファイバ１５１は、測定光を伝搬するファイバ（射出光ファイバ）と検出光を受信するファイバ（検出光ファイバ）の２つに分けて構成することもできる。

図７Ｃにおいて、角度検出光を測定光から分岐させた後にフォーカス機構１９０を配置しているのは、角度検出光をフォーカスさせると角度検出光のスポットサイズが小さくなるので、照射位置のずれの影響が大きくなるからである。かかる影響を無視できる環境であれば、角度検出光をフォーカスさせてもよい。

角度抽出器２１２は、モータドライバ２１６が取得する角度誤差データが小さくなるように、モータドライバ２１６の指令信号に対して補正を加えてもよい。これによって等間隔に近い角度で距離を計測することができる。さらには、モータ１６２の角度を正確に検出することができるように、例えば検出点が少ない領域についてはモータ１６２の回転速度を遅くしてより多くの測定結果が得られるようにしてもよい。

角度検出ディスク１７５に形成するマークは、角度検出光を適切に反射できるのであればその態様は任意でよい。例えば平面状のマークでもよいし、立体形状のマークでもよいし、幾何学模様によってマークを形成してもよい。その他適当な態様でもよい。

１０１：レーザ光源
１０２：発振器
１０３：ファイバカプラ
１０４：ファイバカプラ
１０５：光ファイバ
１０６：ファイバカプラ
１０７：受光器
１０８：サーキュレータ
１０９：受光器
１０９’：分光器
１１０：光スイッチ
１１１：ファイバカプラ
１１２：参照ミラー
１５０：制御線
１５１：光ファイバ
１６０：測定プローブ
１６１：光ファイバコリメータ
１６２：モータ
１６３：ミラー
１６４：ハーフミラー
１６５：透明部
１６７：レンズ
１６８：円環状ミラー
１６９：ミラー
１７０：角度検出マーカ
１７１：反射膜
１７５：角度検出ディスク
１９０：フォーカス機構
１９１：光ファイバカプラ
１９２：レンズ
２００：射出光学系／検出光学系
２０１：ＡＤ／ＤＡ変換器
２１０：制御装置
２２０：表示装置
２３０：プローブ送り機構
３００：測定ビーム
３０１：測定対象

Claims (13)

1. 射出光ファイバを介して測定光を射出する射出光学系、
   検出光ファイバを介して検出光を検出する検出光学系、
   前記射出光学系が射出した前記測定光を対象物に対して照射するとともに前記対象物から戻ってきた光を前記検出光ファイバに対して前記検出光として戻す光学素子、
   前記光学素子を回転させることにより前記測定光の進行方向を回転させる回転装置、
   前記射出光学系が射出した前記測定光の一部を前記対象物に対して向かう方向とは異なる方向に進行させることにより前記回転装置の回転角を測定するための角度測定光を生成する角度検出光生成部、
   前記回転装置の回転角を表す角度検出光として前記角度測定光を前記検出光ファイバに対して戻す角度検出部、
   前記光学素子、前記回転装置、および前記角度検出光生成部を収容するプローブ筐体、
   を備え、
   前記回転装置は、前記検出光学系と前記光学素子との間に配置され、前記測定光と前記検出光を通す穴を有する中空モータとして構成されている
   ことを特徴とする立体形状計測装置。
2. 前記角度検出部は、前記プローブ筐体に複数形成され前記角度測定光を反射するマークとして構成されており、
   前記角度検出光生成部は、前記光学素子とともに回転するビームスプリッタとして構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の立体形状計測装置。
3. 前記立体形状計測装置は、前記ビームスプリッタとともに回転し前記ビームスプリッタが生成した前記角度測定光を前記マークに対して集束させる集束レンズを備える
   ことを特徴とする請求項２記載の立体形状計測装置。
4. 前記角度検出部は、前記角度測定光を反射するマークが形成された角度検出板として構成されており、
   前記角度検出光生成部は、前記光学素子とともに回転するビームスプリッタとして構成されており、
   前記プローブ筐体の表面には、前記ビームスプリッタが生成した前記角度検出光を前記角度検出板に向けて反射させるミラーが配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の立体形状計測装置。
5. 前記角度検出部は、前記角度測定光を反射するマークが表面に形成された角度検出板として構成されており、
   前記角度検出光生成部は、前記光学素子内に形成され前記測定光の一部を前記角度検出板へ向かって回折させる回折格子として構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の立体形状計測装置。
6. 前記立体形状計測装置は、前記測定光をフォーカスさせるフォーカス機構を備え、
   前記フォーカス機構は、前記対象物と前記角度検出光生成部との間に配置されている
   ことを特徴とする請求項４記載の立体形状計測装置。
7. 前記角度検出部は、前記角度測定光を反射するマークが形成された角度検出板として構成されており、
   前記角度検出光生成部は、前記測定光を分岐することにより前記角度測定光を生成するカプラ、前記カプラが分岐した前記測定光を前記角度検出板に向かって伝搬させる分岐光ファイバ、および前記分岐光ファイバの先端に配置され前記角度検出板に向かって前記角度測定光を照射するレンズ、によって構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の立体形状計測装置。
8. 前記射出光学系は、
   前記測定光を伝搬し互いに長さが異なる第１および第２測定光ファイバ、
   前記測定光の伝搬経路を前記第１および第２測定光ファイバの間で切り替える測定光スイッチ、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の立体形状計測装置。
9. 前記検出光学系は、
   前記測定光を生成するレーザ、
   前記測定光の一部を参照光として分岐させるカプラ、
   前記参照光を伝搬し互いに長さが異なる第１および第２参照光ファイバ、
   前記参照光の伝搬経路を前記第１および第２参照光ファイバの間で切り替える参照光スイッチ、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の立体形状計測装置。
10. 前記立体形状計測装置は、前記検出光学系が検出した前記検出光に基づき前記対象物の立体形状を測定する演算部を備える
    ことを特徴とする請求項１記載の立体形状計測装置。
11. 前記演算部は、
    前記検出光に基づき前記対象物までの距離を算出することにより前記対象物の立体形状を測定し、
    前記演算部は、
    前記検出光のうち、前記角度検出部から反射された成分を、前記検出光に基づき算出した距離に応じて前記対象物から反射された成分から分離することにより、前記回転角を検出する
    ことを特徴とする請求項１０記載の立体形状計測装置。
12. 前記射出光学系と前記検出光学系は、一体の光学系として構成されており、
    前記射出光ファイバと前記検出光ファイバは、同一の光ファイバである
    ことを特徴とする請求項１記載の立体形状計測装置。
13. 立体形状計測プローブであって、
    測定光を対象物に対して照射するとともに前記対象物から戻ってきた光を検出光ファイバに対して検出光として戻す光学素子、
    前記光学素子を回転させることにより前記測定光の進行方向を回転させる回転装置、
    前記測定光の一部を前記対象物に対して向かう方向とは異なる方向に進行させることにより前記回転装置の回転角を測定するための角度測定光を生成する角度検出光生成部、
    前記回転装置の回転角を表す角度検出光として前記角度測定光を前記検出光ファイバに対して戻す角度検出部、
    前記光学素子、前記回転装置、および前記角度検出光生成部を収容するプローブ筐体、
    を備え、
    前記回転装置は、前記立体形状計測プローブに対して前記測定光が入射する入射端と前記光学素子との間に配置され、前記測定光と前記検出光を通す穴を有する中空モータとして構成されている
    ことを特徴とする立体形状計測プローブ。

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