JP6586459B2 - 干渉縞投影光学系及び形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、干渉縞投影光学系及びこれを用いる形状測定装置に関するものである。

形状測定装置として、例えば図２５に示すものが知られている。図２５に示す形状測定装置は、特許文献１に開示されているもので、体腔等に挿入して臓器等の表面形状を計測するものである。この形状測定装置は、干渉縞投影光学系１００と、撮像部２００と、コンピュータ等からなる演算制御部３００とを備え、干渉縞投影光学系１００により測定対象の物体表面に干渉縞４００を投影し、投影された干渉縞４００を撮像部２００で撮像して、その撮像した干渉縞４００を演算制御部３００で解析して物体表面の三次元形状を計測するものである。なお、図２５には、干渉縞４００を平面的に示している。

干渉縞投影光学系１００は、干渉縞生成光学系１１０と拡大光学系１３０とを備える。干渉縞生成光学系１１０は、光源１１１と、コリメータレンズ１１２と、光アイソレータ１１３と、結合レンズ１１４と、偏波面保存光ファイバ１１５と、コリメータレンズ１１６と、複屈折板１１７と、偏光板１１８とを備える。拡大光学系１３０は、単一の投影レンズ１３１からなる。

光源１１１は、例えば半導体レーザからなり、演算制御部３００により駆動部１２０を介して駆動されて直線偏光の光を射出する。光源１１１から射出された光束は、コリメータレンズ１１２で平行光束とされて光アイソレータ１１３を透過した後、結合レンズ１１４により偏波面保存光ファイバ１１５に入射され、該偏波面保存光ファイバ１１５を導光して射出される。偏波面保存光ファイバ１１５から射出される光束は、コリメータレンズ１１６で平行光束とされた後、複屈折板１１７に入射されて２つの偏光成分の光束に分離され、さらに偏光板１１８に入射されて２つの偏光成分のうち可干渉成分のみが取り出されて干渉縞を生成する。この干渉縞は、投影レンズ１３１により拡大されて物体表面に干渉縞４００として投影される。

図２５に示した形状測定装置は、干渉縞生成光学系１１０で生成される干渉縞を投影レンズ１３１で拡大して投影するので、形状測定装置の先端部に配置されるコリメータレンズ１１６、複屈折板１１７、偏光板１１８及び投影レンズ１３１を小型化できる利点がある。

特許第３００９５２１号公報

ところが、本発明者による検討によると、図２５に示した形状測定装置には、物体表面に投影される干渉縞４００のコントラストが周辺で低下して、測定精度が低下してしまうという改良すべき点があることが判明した。その原因は、複屈折板１１７及び偏光板１１８で、１つの光束を２つの並列した光束に分離して干渉縞を生成するが、並列した２つの光束が投影レンズ１３１によって図２６に部分詳細図を示すように離れて物体表面に投影される。その結果、２つの光束が同じ強度で重ならなくなって、干渉縞のコントラストが低下する現象が起こってしまう。なお、図２６には、２つの領域の投影領域を平面的に示している。

したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、物体表面に投影される干渉縞のコントラストの低下を改善でき、物体表面の形状を高精度で測定可能な干渉縞投影光学系及びこれを用いる形状測定装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明に係る形状測定装置は、
干渉縞を生成する干渉縞生成光学系と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を含み、前記干渉縞生成光学系は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する２つの光射出部を有し、前記拡大光学系は、前記干渉縞を形成する光束が入射する側の入射側レンズ群と、前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とからなり、前記入射側レンズ群の焦点距離をｆ１、前記射出側レンズ群の焦点距離をｆ２、とするとき、ｆ１／ｆ２＞３、であり、前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をｘｄとしたとき、ｘｄ／（ｆ１＋ｆ２）＜２、を満たす干渉縞投影光学系と、
前記光射出部の像の位置を撮像範囲に含まず、且つ、前記光射出部の前記像よりも射出側の前記物体表面に投影される前記干渉縞を画像として撮像する撮像部と、
該撮像部からの画像信号に基づいて前記物体表面の凹凸情報を演算する演算部と、
を備えるものである。

本発明によれば、物体表面に投影される干渉縞のコントラストの低下を改善でき、物体表面の形状を高精度で測定可能となる。

第１実施の形態に係る形状測定装置の要部の概略構成図である。 図１の部分拡大図である。 干渉縞のコントラスト特性を示す図である。 光束の強度分布を示す図である。 図１の偏波面保存光ファイバと拡大光学系との光軸が一致している状態を示す図である。 図５Ａの光軸状態がずれた状態を示す図である。 図５Ａの偏波面保存光ファイバと拡大光学系との光軸のずれ量δが０ｍｍの場合に投影される干渉縞の強度分布のシミュレーション結果を示す写真である。 図５Ｂの光軸のずれ量δが０．０１ｍｍの場合に投影される干渉縞の強度分布のシミュレーション結果を示す写真である。 図５Ｂの光軸のずれ量δが０．０３ｍｍの場合に投影される干渉縞の強度分布のシミュレーション結果を示す写真である。 図５Ｂの光軸のずれ量δが０．１ｍｍの場合に投影される干渉縞の強度分布のシミュレーション結果を示す写真である。 図５Ａとの比較のために拡大光学系を単一のレンズで構成した場合に、偏波面保存光ファイバとレンズとの光軸が一致している状態を示す図である。 図７Ａの光軸状態がずれた状態を示す図である。 図７Ａの偏波面保存光ファイバとレンズとの光軸のずれ量δが０ｍｍの場合に投影される干渉縞の強度分布のシミュレーション結果を示す写真である。 図７Ｂの光軸のずれ量δが０．０１ｍｍの場合に投影される干渉縞の強度分布のシミュレーション結果を示す写真である。 図７Ｂの光軸のずれ量δが０．０３ｍｍの場合に投影される干渉縞の強度分布のシミュレーション結果を示す写真である。 図７Ｂの光軸のずれ量δが０．１ｍｍの場合に投影される干渉縞の強度分布のシミュレーション結果を示す写真である。 第２実施の形態に係る干渉縞投影光学系の要部の構成を示す図である。 第３実施の形態に係る干渉縞投影光学系の要部の構成を示す図である。 図１０の複屈折板の形状の変形例を示す図である。 第４実施の形態に係る干渉縞投影光学系の要部の構成を示す図である。 第５実施の形態に係る干渉縞投影光学系の要部の構成を示す図である。 第６実施の形態に係る干渉縞投影光学系の要部の構成を示す図である。 絞られる光束の性質を示す図である。 絞られる光束のスポット径ｄ２と距離ｚにおける光束の大きさｄとの関係を示す図である。 距離ｚに対する光束の大きさｄ（ｚ）を光強度の低下毎に示した図である。 第４実施の形態における拡大光学系のＲＤＮの面番号を示す図である。 第４実施の形態において拡大光学系の先端から２０ｍｍ離れた物体表面に投影した干渉縞の強度分布のシミュレーション結果を示す写真である。 図１９のＸ−Ｘ断面における干渉縞の強度分布を示す図である。 図１９の干渉縞のコントラスト分布を示す図である。 式（１０）のＱ値が１より大きくずれた場合の図１９のＸ−Ｘ断面における強度分布を示す図である。 式（１０）のＱ値が１より大きくずれた場合のコントラスト分布を示す図である。 コントラストが最も低下する箇所でのコントラストとＱ値との関係を示す図である。 従来の形状測定装置を示す図である。 図２５の部分詳細図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る形状測定装置の要部の概略構成図である。図１に示す形状測定装置は、図２５に示した形状測定装置と同様に、体腔等に挿入して臓器等の表面形状を計測するもので、干渉縞投影光学系１と、撮像部３０と、コンピュータ等からなる演算制御部５０とを備える。

干渉縞投影光学系１は、干渉縞生成光学系１１と拡大光学系２１とを備える。干渉縞生成光学系１１は、光源１２と、コリメータレンズ１３と、光アイソレータ１４と、結合レンズ１５と、偏波面保存光ファイバ１６と、複屈折板１７と、偏光板１８とを備える。拡大光学系２１は、入射側レンズ群２２と射出側レンズ群２３とからなる。本実施の形態において、入射側レンズ群２２は正屈折力を有する単一のレンズ２４からなる。同様に、射出側レンズ群２３も正屈折力を有する単一のレンズ２５からなる。

光源１２は、例えば半導体レーザからなり、演算制御部５０により駆動部２０を介して駆動されて直線偏光の光を射出する。光源１２から射出された光は、コリメータレンズ１３で平行光束とされて光アイソレータ１４を透過した後、結合レンズ１５により偏波面保存光ファイバ１６に入射され、該偏波面保存光ファイバ１６を導光して射出される。偏波面保存光ファイバ１６から射出される光束は、複屈折板１７に入射されて２つの偏光成分の光束に分離され、さらに偏光板１８に入射されて２つの偏光成分のうち可干渉成分のみが取り出されて干渉縞を生成する。この干渉縞は、拡大光学系２１を構成するレンズ２４及びレンズ２５により拡大されて測定対象の物体表面７０に投影される。

本実施の形態に係る形状測定装置は、干渉縞投影光学系１により物体表面７０に干渉縞を投影し、その干渉縞を干渉縞走査部により走査しながら、物体表面７０上の干渉縞を撮像部３０で撮像して、その画像信号を演算制御部５０に取り込む。そして、演算制御部５０において、干渉縞の画像信号に基づいて物体表面７０の凹凸情報を演算して三次元形状を計測する。

なお、干渉縞走査部は、例えば光源１２を波長可変レーザで構成し、駆動部２０により光源１２から射出するレーザ光の波長を変化させることにより干渉縞を走査するように構成することができる。また、干渉縞走査部は、例えば、特許文献１に開示されているように、可動反射鏡を用いて干渉させる２つの光束の走路長差を変化させたり、偏波面保存光ファイバ１６の入射側に１／２波長板と１／４波長板とを配置して１／２波長板を回転させたりする等、公知の種々の構成が適用可能である。

本実施の形態においては、図２に部分拡大図を示すように、偏波面保存光ファイバ１６から射出され、複屈折板１７で分離される広がり角θ１の２つの光束を、偏光板１８を経て拡大光学系２１により広がり角θ２に拡大して物体表面７０に投影する。そのため、拡大光学系２１は、レンズ２４の焦点距離ｆ１をレンズ２５の焦点距離ｆ２よりも大きくして、レンズ２４の前側焦点位置に偏波面保存光ファイバ１６の射出端面が位置し、後側焦点位置にレンズ２５の前側焦点位置が位置するように配置する。なお、図２には、物体表面７０上での２つの光束の投影領域も平面的に示している。

これにより、拡大光学系２１は両側テレセントリック光学系を構成し、偏光板１８から距離ｘ１離間して平行な状態で並んで射出される２つの光束の中心光線が、拡大光学系２１によって距離ｘ２に縮小されて平行な状態で並んで射出される。そして、複屈折板１７で分離される２つの光束は、拡大光学系２１の射出側に、偏波面保存光ファイバ１６から射出されるスポット径ｄ１よりも絞れたスポット径ｄ２をそれぞれ形成する。ここで、スポット径ｄ２は、下式（１）で表される。
ｄ２＝ｄ１・ｆ２／ｆ１ ・・・（１）

このように、本実施の形態においては、複屈折板１７で分離される２つの光束の中心光線が拡大光学系２１により平行に射出され、一旦、拡大光学系２１の射出側に絞れた状態のスポットを形成した後、再度広がって物体表面７０に照射される。したがって、物体表面７０には、広い範囲に亘って干渉縞が生成される。ここで、波長が等しく位相が異なる２つの光束ａ１ｅ^ｉθ^１ｅ^ｉω^ｔ及びａ２ｅ^ｉθ^２ｅ^ｉω^ｔによって生成される干渉縞の光強度Ｉ（ｒ）及びコントラストＣは、下式（２）及び（３）で表される。

式（３）から明らかなように、コントラストＣが最も高くなる条件は二つの光束の振幅値であるａ１とａ２とが等しいときである。振幅値ａ１とａ２との差が大きくなると、図３に示すようにコントラストＣは低下する。また、偏波面保存光ファイバ１６から射出される光は、図４に示すように、中心位置の強度が最も高く、周辺になると強度が低下するガウス分布を示す。そのため、干渉縞のコントラストＣは、２つの光束が大きく離れてしまうと低下することになる。

本実施の形態によると、２つの光束は、拡大光学系２１によりそれらの中心光線の間隔を保ったままの状態で、物体表面７０の広い範囲に投影されるので、コントラストの低下量を小さくした状態の干渉縞を生成することが可能となる。しかも、拡大光学系２１から射出される２つの光束は、拡大光学系２１と物体表面７０との距離が離れるほど広がるが、２つの光束の中心光線の間隔が一定であるのでコントラストは拡大光学系２１と物体表面７０との距離とは関係なく、高い状態を保つことができる。

また、本実施の形態によると、偏波面保存光ファイバ１６と拡大光学系２１との光軸ずれによる影響も最小限に抑えることが可能となる。すなわち、偏波面保存光ファイバ１６と拡大光学系２１との光軸状態が、図５Ａに示す状態から図５Ｂに示す状態にずれても、拡大光学系２１から射出される光束の角度ずれは発生しないが、光束のずれが発生する。なお、図５Ａ及び図５Ｂには、物体表面７０上での２つの光束の投影領域も平面的に示している。この光束のずれ量δ１は、偏波面保存光ファイバ１６と拡大光学系２１との光軸のずれ量をδとすると、下式（４）で表される。
δ１＝δ・ｆ２／ｆ１ ・・・（４）

式（４）において、レンズ２５の焦点距離ｆ２は、レンズ２４の焦点距離ｆ１に対して小さい。したがって、光束のずれ量δ１は、光軸のずれ量δに対して小さな値となる。しかも、ずれ量δ１は、拡大光学系２１と物体表面７０との距離によらず一定であるので、拡大光学系２１により物体表面７０上で広げられた光束に対して非常に小さく無視できる値である。よって、干渉縞の強度の中心位置が物体表面７０上で大きくずれることが無いので、図６Ａ〜図６Ｄに示すように、光軸のずれ量δによって干渉縞の強度が殆ど変化しない。なお、図６Ａ〜図６Ｄは、光軸のずれ量δに対する干渉縞の強度分布のシミュレーション結果を示すもので、図６Ａはδ＝０ｍｍ、図６Ｂはδ＝０．０１ｍｍの場合、図６Ｃはδ＝０．０３ｍｍの場合、図６Ｄはδ＝０．１ｍｍの場合をそれぞれ示している。

図７Ａ及び図７Ｂは、比較のために拡大光学系を単一のレンズ２６で構成した場合に、偏波面保存光ファイバ１６とレンズ２６との光軸ずれによる影響を説明するための図である。なお、図７Ａ及び図７Ｂには、物体表面７０上での２つの光束の投影領域も平面的に示している。この場合、図７Ａに示すように、偏波面保存光ファイバ１６とレンズ２６とに光軸ずれがない状態では、干渉縞の強度の中心位置はレンズ２６の光軸位置と一致している。しかし、図７Ｂに示すように、偏波面保存光ファイバ１６とレンズ２６とに光軸のずれ量δがあると、そのずれ量δに応じてレンズ２６から射出される光束の角度が、図７Ａの場合から変化してしまう。その結果、レンズ２６から射出される光束によって、物体表面７０に照射される位置がずれて干渉縞の強度の中心位置がずれて、ずれた側の干渉縞の強度が小さくなってしまう。図８Ａ〜図８Ｄは、この場合の光軸のずれ量δに対する干渉縞の強度分布のシミュレーション結果をそれぞれ示すもので、図６Ａ〜図６Ｄに対応するものである。

以上の比較結果からも明らかなように、本実施の形態によると、光軸のずれ量δによって物体表面７０上での干渉縞の中心位置及び強度が殆ど変化しない。つまり、本実施の形態に係る干渉縞投影光学系１は、偏波面保存光ファイバ１６と拡大光学系２１との偏芯感度を低くできる。したがって、干渉縞投影光学系１０の組み立て、特に拡大光学系２１の組み立てが容易になる。

（第２実施の形態）
図９は、第２実施の形態に係る干渉縞投影光学系の要部の構成を示す図である。本実施の形態に係る干渉縞投影光学系１は、干渉縞生成光学系１１の構成が図１に示した構成と異なるものである。すなわち、干渉縞生成光学系１１は、２本の偏波面保存光ファイバ１６ａ及び１６ｂを有し、それらの射出端部が拡大光学系２１の入射側に並んで配置される。これにより、偏波面保存光ファイバ１６ａ及び１６ｂの２つの射出端部が、２つの光射出部を構成している。なお、偏波面保存光ファイバ１６ａ及び１６ｂのそれぞれの射出端面は、好ましくは拡大光学系２１の光軸と直交する同一平面で、光軸に関して対象な位置に配置される。

偏波面保存光ファイバ１６ａ及び１６ｂには、例えば特許文献１に開示されているように、光源からの光がファイバ型光分波器（光カプラ）で分波されて入射される。なお、干渉縞を走査する場合は、例えば応力等を利用したファイバ型位相シフタにより一方の偏波面保存光ファイバ１６ａ又は１６ｂを導光する光の位相を変化させたり、光源として波長可変レーザを用いるとともに偏波面保存光ファイバ１６ａ及び１６ｂに光路長差を持たせたりする等、公知の構成が適用可能である。

拡大光学系２１は、レンズ２４の前側焦点位置の焦平面に偏波面保存光ファイバ１６ａ及び１６ｂの射出端面が位置し、後側焦点位置にレンズ２５の前側焦点位置が位置するように配置される。なお、図９には、物体表面７０上での２つの光束の投影領域も平面的に示している。

本実施の形態においても、第１実施の形態と同様に、拡大光学系２１は両側テレセントリック光学系を構成する。そして、偏波面保存光ファイバ１６ａ及び１６ｂから平行な状態で並んで射出される２つの光束の中心光線は、拡大光学系２１により平行に射出され、一旦、拡大光学系２１の射出側に絞れた状態のスポットを形成した後、再度広がって物体表面７０に照射される。したがって、物体表面７０には、広い範囲に亘って干渉縞が生成され、第１実施の形態の場合と同様の効果が得られる。

（第３実施の形態）
図１０は、第３実施の形態に係る干渉縞投影光学系の要部の構成を示す図である。本実施の形態に係る干渉縞投影光学系１は、第１実施の形態において拡大光学系２１の入射側レンズ群２２が平凸レンズ２７からなり、射出側レンズ群２３がボールレンズ２８からなる。また、拡大光学系２１により生成された２つの光束の絞れたスポットの射出側には、２つの光束を透過するガラスプレート２９が配置されている。その他の構成は、第１実施の形態と同様である。

本実施の形態によると、入射側レンズ群２２が平凸レンズ２７からなり、偏波面保存光ファイバ１６の射出端面は一般的に光の進行方向に対して垂直な面であることから、平凸レンズ２７の平面部と偏波面保存光ファイバ１６の射出端面との傾きを揃えることが容易となり、偏波面保存光ファイバ１６と平凸レンズ２７との傾き偏芯による性能劣化を低減できる。具体的には、図１０に示したように、偏波面保存光ファイバ１６の射出端面と平凸レンズ２７の平面部とを、複屈折板１７及び偏光板１８を介して接着材などで接合する。

このようにすれば、偏波面保存光ファイバ１６と平凸レンズ２７との傾き偏芯による性能劣化が低減できると同時に、複屈折板１７の平面部、偏光板１８の平面部及び平凸レンズ２７の平面部での反射が低減でき、射出光の損失の低減、並びに偏波面保存光ファイバ１６の射出端面と平凸レンズ２７の平面部との間で発生する多重反射による迷光（不要光）を低減することができる。また、迷光を低減する方法として、例えば、複屈折板１７を光の進行方向に対して傾けたり、平行平板形状に代えて図１１に示すようなウェッジプリズム形状としたりするのも有効である。偏光板１８やガラスプレート２９についても同様である。

また、本実施の形態によると、射出側レンズ群２３がボールレンズ２８からなるので、傾き偏芯による性能劣化を無くすことが可能になるとともに、一般にボールレンズ２８は小さく、安価に製造できるので、小型化及び低コスト化が図れる利点がある。

本実施の形態においても、拡大光学系２１によって生成された２つの光束の絞れたスポットは、ボールレンズ２８の射出側近傍に生成される。そのため、ボールレンズ２８と物体表面７０との間に構造物がないと、ボールレンズ２８が外観面となることは容易に想像できる。この場合、ボールレンズ２８にゴミ等が付着して、干渉縞の強度低下やコントラスト低下を招く場合がある。しかも、拡大光学系２１によって生成される２つの光束の絞れたスポットは、偏波面保存光ファイバ１６から射出されるスポット径よりも小さいため、ゴミ等の影響を受け易い。

そこで、本実施の形態において、ガラスプレート２９は、ゴミ等の影響を受けず、充分大きなスポット径の光束が外観面となるように、拡大光学系２１により生成される２つの光束の絞れたスポットの射出側に設置される。また、ガラスプレート２９を設置することで、光が射出されている際、誤って人が触れて怪我をするのも防止している。

（第４実施の形態）
図１２は、第４実施の形態に係る干渉縞投影光学系の要部の構成を示す図である。本実施の形態に係る干渉縞投影光学系１は、干渉縞生成光学系１１の構成が図１０に示した構成と異なるものである。すなわち、干渉縞生成光学系１１は、２本の偏波面保存光ファイバ１６ａ及び１６ｂを有する。２本の偏波面保存光ファイバ１６ａ及び１６ｂは、第２実施の形態と同様に配置される。

拡大光学系２１は、平凸レンズ２７の前側焦点位置の焦平面に偏波面保存光ファイバ１６ａ及び１６ｂの射出端面が位置し、後側焦点位置にボールレンズ２８の前側焦点位置が位置するように配置される。その他の構成は、第２実施の形態及び第３実施の形態と同様である。

したがって、本実施の形態においても、第３実施の形態と同様に小型化及び低コスト化が図れる。なお、本実施の形態においても、ボールレンズ２８の射出側に図１０に示したガラスプレート２９を配置するのが好ましい。

（第５実施の形態）
図１３は、第５実施の形態に係る干渉縞投影光学系の要部の構成を示す図である。本実施の形態に係る干渉縞投影光学系１は、図１０に示した構成において、ボールレンズ２８の射出側に複屈折板１７及び偏光板１８を配置することで、ガラスプレート２９を省略したものである。その他の構成は、第３実施の形態と同様である。

本実施の形態によると、部品点数を削減できると同時に、より小型化が可能となる。すなわち、第３実施の形態の場合、ボールレンズ２８は、拡大光学系２１の有効径に加えて、２つの光束の幅ｘ２（図２参照）を確保する大きさが必要となる。これに対し、本実施の形態では、複屈折板１７及び偏光板１８がボールレンズ２８の射出側に配置されるので、ボールレンズ２８の大きさは拡大光学系２１の有効径のみ考慮すればよく、より小型な構成が可能となる。

（第６実施の形態）
図１４は、第６実施の形態に係る干渉縞投影光学系の要部の構成を示す図である。本実施の形態に係る干渉縞投影光学系１０は、上述の第１〜５実施の形態で示した干渉縞投影光学系１を複数有する。複数の干渉縞投影光学系１は、同一構成でもよいし、異なる構成でもよい。複数の干渉縞投影光学系１は、隣接の干渉縞投影光学系１による干渉縞の投影領域を相互に補完するように配置される。図１４には、便宜上、図１に示した干渉縞投影光学系１を２つ示している。また、図１４には、物体表面７０上での各干渉縞投影光学系１による光束の投影領域も平面的に示している。

本実施の形態に係る干渉縞投影光学系１０は、複数の干渉縞投影光学系１により物体表面７０上での干渉縞の投影領域を時分割で相互に補完して干渉縞を投影する。これにより、物体表面７０のより広い範囲の形状を測定することが可能となる。

次に、第１〜５実施の形態で示した干渉縞投影光学系１について、さらに詳細に説明する。

例えば、１本の偏波面保存光ファイバ１６を用いる構成の場合、偏波面保存光ファイバ１６から射出されるスポット径をｄ１とし、拡大光学系２１によって形成される絞れたスポット径をｄ２とすると、ｄ２は上記の式（１）で表される。また、偏波面保存光ファイバ１６から射出される光の広がり角θ１（図２参照）は、一般的に決まった値を示す。例えば、シングルモードファイバで使用波長が６３５ｎｍの場合、θ１は約１０度程度である。拡大光学系２１は、一般的に、光束の有効径と等しくなるまで小型化が求められる。

ここで、拡大光学系２１の有効径Ｄは、下式（５）で求められる。
Ｄ＝ｆ１×ｓｉｎθ１ ・・・（５）
式（１）及び式（５）から、下式（６）が算出される。
ｄ２＝ｄ１×ｓｉｎθ１×ｆ２／Ｄ ・・・（６）

物体表面７０の広い範囲に亘って形状測定を行うには、広い範囲に光束を広げる必要がある。そのためには、光束は、図１５に示すように、絞ると広がる性質を有することから、絞る光束の大きさを小さくする程、その後大きく広げることが可能となる。この場合、拡大光学系２１による絞れたスポット径ｄ２の形成位置から距離ｚの光束の大きさｄ（ｚ）は、使用波長をλとすると、下式（７）で表される。

図１６は、使用波長λが６３５ｎｍ、距離ｚが２０ｍｍのときのｄ２の大きさに対するスポット径ｄ（２０）の関係を示している。図１６から明らかなように、ｄ２が小さければ小さい程、スポット径ｄ（２０）は大きくなり、光が広範囲に広がっていることが分かる。

スポット径ｄ２を小さくするには、射出側レンズ群２３の焦点距離ｆ２を小さくするか、拡大光学系２１の有効径Ｄを大きくする必要があるが、小型化を同時に達成するには有効径Ｄを大きくすることは好ましくない。そのため、スポット径ｄ２を小さくするには、焦点距離ｆ２を小さくすることが有効である。焦点距離ｆ２を小さくするには、射出側レンズ群２３の硝材を高屈折率にすることが有効である。例えば、射出側レンズ群２３の材料として、サファイア（ｎｄ＝１．７６８）や、Ｓ−ＬＡＨ７９（ｎｄ＝２）を用いるとよい。

次に、設計例について説明する。表１は、前提条件を示している。表１において、拡大光学系２１の大きさの指標である有効径Ｄは１ｍｍとし、偏波面保存光ファイバ１６として一般的なファイバを用いたとすると、偏波面保存光ファイバ１６から射出されるスポット径ｄ１は、ファイバのモードフィールド径から求まる。また、偏波面保存光ファイバ１６から射出される光束の広がり角θ１は、ファイバのＮＡから求まる。さらに、拡大光学系２１から射出される光束の広がり角θ２を７５°、使用波長λを６３５ｎｍとすると、上式（７）から拡大光学系２１によって形成される光束の最も絞れたスポット径ｄ２の大きさが求められる。

表１の前提条件の値から、上式（６）に基づいて、射出側レンズ群２３の焦点距離ｆ２が以下のように求められる。
ｆ２＝ｄ２×Ｄ／（ｄ１×ｓｉｎθ１）＝０．０００５２×１／（０．００５×ｓｉｎ９．２°）＝０．６５ｍｍ

また、例えば射出側レンズ群２３をボールレンズ２８で構成する場合、ボールレンズ２８の大きさ（直径）Ｄｂは、焦点距離ｆ２と使用波長λの屈折率ｎとから下式（８）により求めることができる。
Ｄｂ＝ｆ２×４（ｎ−１）／ｎ ・・・（８）

表２は、拡大光学系２１の有効径Ｄを１ｍｍ、ボールレンズ２８の焦点距離ｆ２を０．６５ｍｍとしたときのボールレンズ２８の屈折率ｎと大きさＤｂとを示すものである。

ボールレンズ２８の大きさＤｂは、拡大光学系２１の有効径Ｄを確保するため、それより大きな値にする必要があるため、そのため、概ね屈折率ｎが１．７以上の硝材（ｄ線屈折率ｎｄが１．７以上の硝材）を選定するのが好ましい。

また、この場合の入射側レンズ群２２を構成する平凸レンズ２７の焦点距離ｆ１は、上式（５）から求められ、ｆ１＝６．２５ｍｍとなる。したがって、焦点距離ｆ１と焦点距離ｆ２との比は、ｆ１／ｆ２＝９．６となる。

物体表面７０の広い範囲に亘って形状測定を行うには、広い範囲に光束を広げる必要があり、光束を広げるには、ｆ１／ｆ２が３を上回るのが好ましい。より、好ましくは、６を上回るとよい。また、ボールレンズ２８を用いる場合、Ｄ≒Ｄｂと近似すると、ｆ１／ｆ２は、式（５）及び式（８）を用いて、下式（９）から求められる。
ｆ１／ｆ２＝４（ｎ−１）／（ｎ×ｓｉｎθ１） ・・・（９）

偏波面保存光ファイバ１６から射出される光束の大きさ、すなわち偏波面保存光ファイバ１６のＮＡは、光束の中心強度を１００％したとき、何％低下したときとするかによって決まる。一般にファイバのＮＡは、８６．５％光強度が低下した場合の光束に対して決まる。

図１７は、偏波面保存光ファイバ１６のコア径が１０．４μｍで、使用波長λが１５５０ｎｍの場合に、上式（７）から算出される距離ｚに対する光束の大きさｄ（ｚ）を光強度の低下毎に示したものである。ボールレンズ２８の材質をシリコン（使用波長λが１５５０ｎｍの屈折率ｎ＝３．４）とし、偏波面保存光ファイバ１６は、中心強度に対して５０％低下の強度をＮＡとすると、ＮＡ＝０．０５５となるので、ｆ１／ｆ２＝５１．３３となる。よって、ｆ１／ｆ２の上限の値は、６０と考えるのが妥当である。

前述したように、拡大光学系２１は、入射側レンズ群２２の前側焦点が偏波面保存光ファイバ１６の射出端面に位置し、入射側レンズ群２２の後側焦点に射出側レンズ群２３の前側焦点が位置して配置される。したがって、拡大光学系２１を通る前に距離ｘ１で平行な状態で並んでいた二つの光束は、拡大光学系２１によって距離ｘ２に縮小されて平行な状態で並んで射出される。つまり、入射側レンズ群２２の射出側主点と射出側レンズ群２３の入射側主点までの距離をｘｄとしたとき、距離ｘｄと、焦点距離ｆ１、ｆ２との間には、下式（１０）が成立する。
Ｑ＝ｘｄ／（ｆ１＋ｆ２）＝１ ・・・（１０）

表３は、図１２に示した第４実施の形態における拡大光学系２１のＲＤＮデータを示すものである。表３のＲＤＮの面番号を図１８に示す。

図１９は、表３からなる拡大光学系２１を用いて、拡大光学系４の先端から２０ｍｍ離れた物体表面７０に投影した干渉縞の強度分布のシミュレーション結果を示すものである。なお、２つの偏波面保存光ファイバ１６ａ及び１６ｂの間隔ｘ１は、５０μｍである。図１９において、横軸は幅が９０°の画角を示し、縦軸は幅が６０°の画角を示している。面番号６は拡大光学系２１によって形成される光束の最も絞れたスポット径ｄ２が形成される面（仮想面）を表している。

図２０は、図１９のＸ−Ｘ断面における干渉縞の強度分布を示す。また、図２１は、上式（３）から求められるコントラストＣの分布を示す。図２０及び図２１から明らかなように、干渉縞の強度分布は、周辺ほど強度が低下するのに対し、コントラストＣは中心及び周辺ともに１と高い値を示している。

また、図２２及び図２３は、上式（１０）のＱ値が１より大きくずれた場合の図１９のＸ−Ｘ断面における強度分布及び上式（３）によるコントラストＣの分布を示す。Ｑ値が１より大きくずれると、干渉縞の強度分布は、図２２に示すように周辺ほど強度が低下するが、その低下量はＱ値が１の場合とあまり大きな差異が無い。これに対し、コントラストＣの分布は、図２３に示すように、Ｑ値が１の場合と比較して周辺ほど大きく低下する。

コントラストＣは、最大画角（例えば画角が水平（Ｘ）＝４５°、垂直（Ｙ）＝３０°）の箇所で最も低下する。図２４は、コントラストＣが最も低下する箇所でのコントラストＣとＱ値との関係を示す。図２４から明らかなように、Ｑ＝１の場合、最もコントラストＣが高い値を示し、Ｑ値が１より小さくなる場合においてはコントラストＣが若干低下するものの、ほぼコントラストＣは１に近い値を示す。しかし、Ｑ値が２を超えると、コントラストＣは急激に低下する。

以上の結果から、コントラストを大きく低下させることなく干渉縞を投影するには、入射側レンズ群２２及び射出側レンズ群２３のそれぞれの主点位置の間隔、つまり入射側レンズ群２２の射出側主点から射出側レンズ群２３の入射側主点までの距離ｘｄが、下式（１１）を満たすように構成するとよい。
Ｑ＝ｘｄ／（ｆ１＋ｆ２）＜２ ・・・（１１）

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、干渉縞生成光学系１１は、上述した複屈折板１７を用いる構成の他、特許文献１に開示された偏光ビームスプリッタを用いる構成や導波路を用いる構成、特開２００５−３２６１９２号公報に開示の回折素子を用いる構成やウェッジプリズムを用いる構成、特開平７−２８０５３５号公報に開示のウォラストンプリズムを用いる構成等の公知の種々の構成が適用可納である。

また、上記実施の形態では、偏波面保存光ファイバを用いたが、シングルモードファイバやマルチモード等の通常のファイバを用いてもよい。また、干渉縞の投影する物体によってはファイバを用いることなく、干渉縞生成光学系の光射出部を導波路等によって構成してもよい。また、図１０に示したガラスプレート２９は、他の実施の形態において配置してもよい。さらに、凹凸のみを測定する形状検査の用途においては、干渉縞を走査する構成を省略してもよい。

１、１０ 干渉縞投影光学系
１１ 干渉縞生成光学系
１６、１６ａ、１６ｂ 偏波面保存光ファイバ
１７ 複屈折板
１８ 偏光板
２０ 駆動部
２１ 拡大光学系
２２ 入射側レンズ群
２３ 射出側レンズ群
２４、２５ レンズ
２７ 平凸レンズ
２８ ボールレンズ
２９ ガラスプレート
３０ 撮像部
５０ 演算制御部
７０ 物体表面

Claims (12)

1. 干渉縞を生成する干渉縞生成光学系と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を含み、前記干渉縞生成光学系は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する２つの光射出部を有し、前記拡大光学系は、前記干渉縞を形成する光束が入射する側の入射側レンズ群と、前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とからなり、前記入射側レンズ群の焦点距離をｆ１、前記射出側レンズ群の焦点距離をｆ２、とするとき、ｆ１／ｆ２＞３、であり、前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をｘｄとしたとき、ｘｄ／（ｆ１＋ｆ２）＜２、を満たす干渉縞投影光学系と、
   前記光射出部の像の位置を撮像範囲に含まず、且つ、前記光射出部の前記像よりも射出側の前記物体表面に投影される前記干渉縞を画像として撮像する撮像部と、
   該撮像部からの画像信号に基づいて前記物体表面の凹凸情報を演算する演算部と、
   を備える形状測定装置。
2. 請求項１に記載の形状測定装置において、
   前記２つの光射出部は、２本の光ファイバのそれぞれの射出端面からなる、ことを特徴とする形状測定装置。
3. 請求項１に記載の形状測定装置において、
   前記干渉縞生成光学系は、前記拡大光学系の入射側に配置された光射出部と、該光射出部の実像または虚像を複数並べて形成する複屈折素子とを有する、ことを特徴とする形状測定装置。
4. 請求項３に記載の形状測定装置において、
   前記複屈折素子は、前記光射出部と前記拡大光学系との間に配置されている、ことを特徴とする形状測定装置。
5. 請求項３に記載の形状測定装置において、
   前記複屈折素子は、前記拡大光学系の射出側に配置されている、ことを特徴とする形状測定装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の形状測定装置において、
   前記拡大光学系は、前記光射出部の像を当該拡大光学系よりも射出側に形成する、ことを特徴とする形状測定装置。
7. 請求項６に記載の干渉縞投影光学系において、
   前記光射出部の像よりも射出側に配置されたガラスプレートをさらに備える、ことを特徴とする形状測定装置。
8. 請求項１に記載の形状測定装置において、
   前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群は、それぞれ単一のレンズからなる、ことを特徴とする形状測定装置。
9. 請求項８に記載の形状測定装置において、
   前記入射側レンズ群は、入射側が平面で射出側が凸面の平凸レンズからなる、ことを特徴とする形状測定装置。
10. 請求項８又は９に記載の形状測定装置において、
    前記射出側レンズ群はボールレンズからなる、ことを特徴とする形状測定装置。
11. 請求項１０に記載の形状測定装置において、
    前記ボールレンズは、使用波長における屈折率ｎが１．７以上の硝材からなる、ことを特徴とする形状測定装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の形状測定装置において、
    前記干渉縞投影光学系を複数有し、
    前記複数の干渉縞投影光学系により干渉縞の投影領域を時分割で相互に補完して干渉縞を投影する、形状測定装置。