JP7149478B2 - 距離測定装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、非接触で測定対象物までの距離を測定する距離測定装置及びその制御方法に関する。

干渉光学系を用いた公知の測定方法で測定対象物の形状を測定する形状測定装置が知られている。この形状測定装置は、光プローブを用いて測定対象物の様々な測定ポイントの座標値を非接触で検出し、これらの検出結果に基づき測定対象物の形状を得る。

光プローブは、例えば光ファイバーケーブルの先端部に設けられたセンサヘッドから測定対象物の測定ポイントに向けて測定光を照射し、且つこの測定ポイントにて反射された測定光の反射光を受光する。形状測定装置は、上述の測定対象物からの反射光と、測定対象物とは異なる位置で反射された測定光の一部である参照光との干渉信号を検出し、この干渉信号の検出結果に基づき、光プローブの先端から測定ポイントまでの距離を演算する（特許文献１参照）。そして、形状測定装置は、測定対象物の測定ポイントごとの距離の演算結果に基づき、測定対象物の形状を取得する。

特開２０１８－８４４３４号公報

図１１は、従来技術の課題を説明するための説明図である。図１１に示すように、光プローブ２００は、例えば、測定対象物であるワークＷに形成された穴の内面形状等の狭い箇所の形状測定に用いられる。光プローブ２００は、光ファイバーケーブル２０２の先端部に設けられたセンサヘッド２０４と、センサヘッド２０４から出射される測定光ＬＡの光路Ｐ上に配置された直角プリズムミラー２０６と、センサヘッド２０４に設けられ且つ直角プリズムミラー２０６を支持する支持部材２０８と、を備える。この光プローブ２００では、センサヘッド２０４から出射された測定光ＬＡを直角プリズムミラー２０６により９０°屈折させることで、ワークＷの狭い箇所に対して測定光ＬＡを照射可能である。

ワークＷにて反射された測定光ＬＡの反射光ＬＢは、光プローブ２００で受光される。そして、上記特許文献１に記載されているように、光プローブ２００で受光された反射光ＬＢと、センサヘッド２０４の先端面で反射された測定光ＬＡの一部である参照光ＬＣと、の干渉信号ＳＧが不図示の光検出器で検出される。この光検出器による干渉信号ＳＧの検出結果に基づき、不図示の演算部が、センサヘッド２０４の先端面（測定基準点）からワークＷまでの距離Ｄ１を演算する。次いで、演算部は、距離Ｄ１の演算結果と、センサヘッド２０４の先端面から直角プリズムミラー２０６の測定光ＬＡの出射面２０６ａまでの既知の距離Ｄ２とに基づき、出射面２０６ａからワークＷまでの距離Ｄを演算する。

この際に、光プローブ２００の設置環境下の温度変化等により支持部材２０８の温度が変化することで、支持部材２０８が伸縮するおそれがある。このため、センサヘッド２０４の先端面と直角プリズムミラー２０６との間の距離である支持距離が長いと、支持部材２０８の伸縮により上述の支持距離が変化し、これに伴い上述の距離Ｄ２が変化してしまう。その結果、距離Ｄの測定値に誤差が生じてしまう。

そこで、センサヘッド２０４及び支持部材２０８の双方の温度測定を行い、双方の温度測定結果と双方の既知の線熱膨張係数とに基づき支持距離の変化を補正することが考えられる。しかしながら、この場合には、双方の温度測定の測定誤差が距離Ｄの測定値の測定誤差になるので、上述の補正には限界があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、支持部材の伸縮に関係なく測定対象物までの距離を高精度に測定可能な距離測定装置及びその制御方法に関する。

本発明の目的を達成するための距離測定装置は、測定光を出力する光源と、光源から出力された測定光の一部を参照光として反射する反射面と、光源に接続された導光路であって、光源から出力された測定光のうちで一部とは異なる測定光を出射し且つ測定光の反射光が入射する光出入射部を有する導光路と、光出入射部から出射される測定光及び光出入射部に入射する反射光の双方の光路に配置された第１光学素子であって、光出入射部から入射した測定光を測定対象物に向けて出射し且つ測定対象物にて反射された反射光が入射する出入射面を有する第１光学素子と、光出入射部に設けられ、第１光学素子を光路に配置された状態で支持する支持部材と、参照光と、測定対象物にて反射された反射光である第１反射光と、出入射面にてフレネル反射された反射光である第２反射光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出部と、干渉信号検出部が検出した干渉信号に基づき、光出入射部と測定対象物との間の第１距離、及び光出入射部と出入射面との間の第２距離を演算する演算部と、を備える。

この距離測定装置によれば、第１距離と第２距離とを演算することで、出入射面を基準とした測定対象物までの相対距離を求めることができる。

本発明の他の態様に係る距離測定装置において、演算部が、第１距離及び第２距離の演算結果に基づき、出入射面と測定対象物との間の第３距離を演算する。第１距離と第２距離との差分を演算することで、第３距離の測定値に対する支持部材の伸縮の影響をキャンセルすることができる
本発明の他の態様に係る距離測定装置において、反射面が、光出入射部の先端面であって、測定光を出射し且つ反射光が入射する先端面である。光出入射部と反射面とを一つの部材で兼用させることができる。

本発明の他の態様に係る距離測定装置において、第１光学素子が、第１光学素子に入射した測定光を反射して出入射面から測定対象物に向けて出射し、且つ出入射面に入射した測定対象物からの第１反射光と、出入射面にて反射された第２反射光と、を光出入射部に向けて反射する反射体である。これにより、測定対象物の狭い箇所に測定光を照射することができる。

本発明の他の態様に係る距離測定装置において、第１光学素子が、測定光を測定対象物に集光させる結像レンズであり、出入射面が、結像レンズにおける測定光の出射面である。

本発明の他の態様に係る距離測定装置において、第１反射光及び参照光の干渉信号成分を第１干渉信号成分とし、第２反射光及び参照光の干渉信号成分を第２干渉信号成分とし、第１干渉信号成分のピーク周波数を第１ピーク周波数とし、第２干渉信号成分のピーク周波数を第２ピーク周波数とした場合に、演算部が、干渉信号検出部により検出された干渉信号から第１ピーク周波数及び第２ピーク周波数を検出し、第１ピーク周波数に基づき第１距離を演算し且つ第２ピーク周波数に基づき第２距離を演算する。

本発明の他の態様に係る距離測定装置において、光出入射部と第１光学素子との間で光路に沿って配置された１又は複数の第２光学素子を備え、支持部材が、第２光学素子を光路に配置された状態で支持する。

本発明の目的を達成するための距離測定装置の制御方法は、測定光を出力する光源と、光源から出力された測定光の一部を参照光として反射する反射面と、光源に接続された導光路であって、光源から出力された測定光のうちで一部とは異なる測定光を出射し且つ測定光の反射光が入射する光出入射部を有する導光路と、光出入射部から出射される測定光及び光出入射部に入射する反射光の双方の光路に配置された第１光学素子であって、光出入射部から入射した測定光を測定対象物に向けて出射し且つ測定対象物にて反射された反射光が入射する出入射面を有する第１光学素子と、光出入射部に設けられ、第１光学素子を光路に配置された状態で支持する支持部材と、を備える距離測定装置の制御方法において、参照光と、測定対象物にて反射された反射光である第１反射光と、出入射面にてフレネル反射された反射光である第２反射光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出ステップと、干渉信号検出ステップで検出した干渉信号に基づき、光出入射部と測定対象物との間の第１距離、及び光出入射部と出入射面との間の第２距離を演算する演算ステップと、を有する。

本発明の他の態様に係る距離測定装置の制御方法において、演算ステップでは、第１距離及び第２距離の演算結果に基づき、出入射面と測定対象物との間の第３距離を演算する。

本発明は、支持部材の伸縮に関係なく測定対象物までの距離を高精度に測定することができる。

非接触で測定対象物であるワークまでの距離を測定する距離測定装置の概略図である。 光プローブの拡大図である。 制御装置の機能ブロック図である。 周波数解析部による干渉信号の周波数解析結果の一例を簡略化して示したグラフである。 距離演算部による距離の演算を説明するための説明図である。 距離測定装置によるワークまでの距離の測定処理の流れを示すフローチャートである。 他実施形態１の距離測定装置の光プローブの概略図である。 他実施形態２の距離測定装置の光プローブの概略図である。 他実施形態３の距離測定装置の光プローブの概略図である。 他実施形態４の距離測定装置の光プローブの概略図である。 従来技術の課題を説明するための説明図である。

［距離測定装置の構成］
図１は、非接触で測定対象物であるワークＷまでの距離Ｄを測定する距離測定装置１０の概略図である。ここでいうワークＷまでの距離Ｄとは、後述の光プローブ１８の先端（例えば後述の直角プリズムミラー３４の出入射面３４ａ）からワークＷまでの距離である。この距離測定装置１０による距離Ｄの測定結果は、ワークＷの形状測定に用いられる。なお、ワークＷの形状には、ワークＷの三次元形状、二次元形状、表面形状（表面粗さ等）、輪郭形状、及び各種の寸法形状（長さ又は径等）などが含まれる。このため、距離測定装置１０は、ワークＷの形状を測定する形状測定装置に搭載可能である。

図１に示すように、距離測定装置１０は、波長掃引光源１２と、ファイバーサーキュレータ１４（光サーキュレータともいう）と、光プローブ１８と、光検出器２０と、これら各部を接続する導光路である光ファイバーケーブル２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃと、制御装置２４と、を備える。

波長掃引光源１２は、本発明の光源に相当するものであり、後述の制御装置２４の制御の下、光ファイバーケーブル２２Ａを介してファイバーサーキュレータ１４へ測定光ＬＡを出射する。この測定光ＬＡは、一定の波長掃引周期（一定の波長掃引周波数）ごとに一定波長帯で波長が連続して変化する波長掃引光（例えば上記特許文献１参照）である。

ファイバーサーキュレータ１４は、光ファイバーケーブル２２Ａを介して波長掃引光源１２に接続し、且つ光ファイバーケーブル２２Ｂを介して光プローブ１８に接続し、且つ光ファイバーケーブル２２Ｃを介して光検出器２０に接続している。なお、光ファイバーケーブル２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃとしては、シングルモード光ファイバーケーブル或いは偏波保持光ファイバーケーブル等の公知の各種の光ファイバーケーブルが用いられる。

ファイバーサーキュレータ１４は、例えば非往復方式且つ１方向型デバイスであって３つのポートを有しており、波長掃引光源１２から入力された測定光ＬＡを、光ファイバーケーブル２２Ｂを介して光プローブ１８へ出力する。また、ファイバーサーキュレータ１４は、光プローブ１８から入力された後述の反射光ＬＢ１，ＬＢ２及び参照光ＬＣの干渉信号ＳＧを、光ファイバーケーブル２２Ｃを介して光検出器２０へ出力する。

図２は、光プローブ１８の拡大図である。図２及び既述の図１に示すように、光プローブ１８は、センサヘッド２６と、支持部材２８と、コリメータレンズ３０と、結像レンズ３２と、直角プリズムミラー３４と、を備える。

センサヘッド２６は、本発明の光出入射部に相当するものである。このセンサヘッド２６は、光ファイバーケーブル２２Ｂ（本発明の導光路に相当）のファイバーサーキュレータ１４に接続されている側とは反対側の先端部に設けられている。

センサヘッド２６は、光ファイバーケーブル２２Ｂを通して入力された測定光ＬＡの一部をヘッド先端面２６ａ（本発明の反射面に相当）にて参照光ＬＣとして反射する。また、センサヘッド２６は、そのヘッド先端面２６ａから測定光ＬＡの残りを出射する。そして、センサヘッド２６のヘッド先端面２６ａには、後述の測定光ＬＡの反射光ＬＢ１，ＬＢ２が入射する。なお、図中の符号Ｐは、ヘッド先端面２６ａから出射される測定光ＬＡ及びヘッド先端面２６ａに入射する反射光ＬＢ１，ＬＢ２の双方の光路を示す。

支持部材２８は、センサヘッド２６に設けられており、光路Ｐに対して平行な方向に延びた形状を有する。この支持部材２８は、本発明の第１光学素子に相当する直角プリズムミラー３４を光路Ｐに配置した状態で支持する。また、支持部材２８は、センサヘッド２６と直角プリズムミラー３４との間において、本発明の第２光学素子に相当するコリメータレンズ３０及び結像レンズ３２を光路Ｐに沿って配置した状態で支持する。これにより、センサヘッド２６側から光路Ｐに沿って、コリメータレンズ３０、結像レンズ３２、及び直角プリズムミラー３４が順番に配置される。そして、コリメータレンズ３０、結像レンズ３２、及び直角プリズムミラー３４の各々の光軸は、光路Ｐの中心線に一致（略一致を含む）する。

コリメータレンズ３０は、ヘッド先端面２６ａから出射された測定光ＬＡを平行光に変換した後、この測定光ＬＡを結像レンズ３２に向けて出射する。このように測定光ＬＡを平行光に変換することで、光路Ｐに対する結像レンズ３２及び直角プリズムミラー３４のアライメントずれに起因する反射光ＬＢ１，ＬＢ２の受光感度低下が防止される。また、コリメータレンズ３０は、結像レンズ３２から入射した反射光ＬＢ１，ＬＢ２をヘッド先端面２６ａに向けて出射する。

結像レンズ３２は、コリメータレンズ３０から入射した測定光ＬＡを、直角プリズムミラー３４を通してワークＷの測定面に結像させる。また、結像レンズ３２は、直角プリズムミラー３４から入射した反射光ＬＢ１，ＬＢ２をコリメータレンズ３０に向けて出射する。

直角プリズムミラー３４は、本発明の反射体に相当するものであり、ワークＷに対向し且つ光路Ｐに垂直（略垂直を含む）な出入射面３４ａを有する。この直角プリズムミラー３４は、結像レンズ３２から入射した測定光ＬＡをワークＷの測定面に向けて反射させる。具体的に、直角プリズムミラー３４は、結像レンズ３２から入射した測定光ＬＡを９０°（略９０°を含む）屈折させた後、出入射面３４ａからワークＷの測定面に向けて出射する。

この際に、測定光ＬＡの一部は、出入射面３４ａでのフレネル反射［屈折率の異なる媒質（ここでは直角プリズムミラー３４と空気）の境界面での反射］により反射光ＬＢ２（本発明の第２反射光に相当）として反射される。なお、測定光ＬＡのフレネル反射は、直角プリズムミラー３４における測定光ＬＡの入射面（結像レンズ３２と対向する面）、コリメータレンズ３０のレンズ面、及び結像レンズ３２のレンズ面などでも発生するが、説明の煩雑化を防止するため、ここでは出入射面３４ａ以外でのフレネル反射光についての説明は省略する。

直角プリズムミラー３４は、ワークＷの測定面にて反射された反射光ＬＢ１（本発明の第１反射光に相当）と、出入射面３４ａでフレネル反射された反射光ＬＢ２と、を結像レンズ３２に向けて反射する。これにより、結像レンズ３２及びコリメータレンズ３０を通して反射光ＬＢ１，ＬＢ２がセンサヘッド２６のヘッド先端面２６ａに入射する。そして、センサヘッド２６から、光ファイバーケーブル２２Ｂ、ファイバーサーキュレータ１４、及び光ファイバーケーブル２２Ｃを介して、反射光ＬＢ１と反射光ＬＢ２と参照光ＬＣとの干渉信号ＳＧが光検出器２０へ出力される。

光検出器２０は、本発明の干渉信号検出部に相当するものであり、例えばシリコンフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）フォトダイオード、光電管、及び光電子倍増管等が用いられる。光検出器２０は、制御装置２４の制御の下、光ファイバーケーブル２２Ｃ等を介して入力された干渉信号ＳＧを電気信号に変換及び増幅して制御装置２４へ出力する。

制御装置２４は、例えばパーソナルコンピュータのような演算装置であり、各種のプロセッサ（Processor）及びメモリ等から構成された演算回路を備える。各種のプロセッサには、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、及びプログラマブル論理デバイス［例えばＳＰＬＤ（Simple Programmable Logic Devices）、ＣＰＬＤ（Complex Programmable Logic Device）、及びＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Arrays）］等が含まれる。なお、制御装置２４の各種機能は、１つのプロセッサにより実現されてもよいし、同種または異種の複数のプロセッサで実現されてもよい。

制御装置２４は、波長掃引光源１２及び光検出器２０などの距離測定装置１０の各部の動作を統括制御する。また、制御装置２４は、光検出器２０から入力された干渉信号ＳＧに基づき、直角プリズムミラー３４の出入射面３４ａとワークＷの測定面との間の距離Ｄを演算する。

［制御装置の構成］
図３は、制御装置２４の機能ブロック図である。図３に示すように、制御装置２４には、既述の波長掃引光源１２及び光検出器２０の他に、記憶部３６及び表示部３８などが接続されている。記憶部３６は、制御装置２４の不図示の制御プログラム、及び距離Ｄ等の測定結果を記憶する。表示部３８は、距離Ｄ等の測定結果と、距離測定装置１０の操作画面及び設定画面とを表示する。

制御装置２４は、上述の制御プログラムを実行することで、測定制御部４０、干渉信号取得部４２、及び演算部４４として機能する。

測定制御部４０は、波長掃引光源１２による測定光ＬＡの出射、及び光検出器２０による干渉信号ＳＧの検出などを制御する。干渉信号取得部４２は、光検出器２０から不図示の信号入力インターフェースを介して干渉信号ＳＧの検出結果を取得し、この干渉信号ＳＧの検出結果を演算部４４へ出力する。

演算部４４は、干渉信号取得部４２から入力された干渉信号ＳＧの検出結果に基づき、上述の距離Ｄを演算する。この演算部４４は、周波数解析部４６及び距離演算部４８として機能する。

周波数解析部４６は、干渉信号取得部４２から入力された干渉信号ＳＧに対して、例えばフーリエ変換（Fast Fourier Transform：FFT）による周波数解析を行う。

図４は、周波数解析部４６による干渉信号ＳＧの周波数解析結果（周波数スペクトル）の一例を簡略化して示したグラフである。

図４に示すように、干渉信号ＳＧには、反射光ＬＢ１及び参照光ＬＣの干渉信号成分である第１干渉信号成分ｓｇ１と、反射光ＬＢ２及び参照光ＬＣの干渉信号成分である第２干渉信号成分ｓｇ２と、を含む複数種類の干渉信号成分が含まれる。このため、干渉信号ＳＧの周波数解析結果には、第１干渉信号成分ｓｇ１の信号ピークＰ１及び第２干渉信号成分ｓｇ２の信号ピークＰ２等が含まれる。

信号ピークＰ１は、反射光ＬＢ１と参照光ＬＣとの光路長差に対応して検出される。信号ピークＰ２は、反射光ＬＢ２と参照光ＬＣとの光路長差に対応して検出される。なお、干渉信号ＳＧの周波数解析結果には、出入射面３４ａ以外の面でフレネル反射されたフレネル反射光と参照光ＬＣとの干渉信号成分に対応する各種信号ピークと、ノイズ光に起因するノイズピークとが含まれるが、説明の煩雑化を防止するため、ここでは信号ピークＰ１，Ｐ２以外の各種ピークについての説明は省略する。

このような干渉信号ＳＧの周波数解析結果に基づき、信号ピークＰ１（第１干渉信号成分ｓｇ１）に対応する第１ピーク周波数ｆ１と、信号ピークＰ２（第２干渉信号成分ｓｇ２）に対応する第２ピーク周波数ｆ２と、を検出することができる。そして、周波数解析部４６は、干渉信号ＳＧの周波数解析結果を距離演算部４８へ出力する。

図５は、距離演算部４８による距離Ｄの演算を説明するための説明図である。図５及び既述の図４に示すように、距離演算部４８は、周波数解析部４６から入力された干渉信号ＳＧの周波数解析結果から、信号ピークＰ１に対応する第１ピーク周波数ｆ１と信号ピークＰ２に対応する第２ピーク周波数ｆ２と、を検出する。なお、直角プリズムミラー３４の出入射面３４ａの位置は固定されているので、周波数解析結果内の信号ピークＰ２（第２ピーク周波数ｆ２）については実験又はシミュレーションに基づき識別可能である。

反射光ＬＢ１及び参照光ＬＣの光路長差と、第１ピーク周波数ｆ１との間には相関関係があるので（特開２０１６－０２４０８６号公報参照）、この相関関係を事前に求めておくことにより、第１ピーク周波数ｆ１から反射光ＬＢ１及び参照光ＬＣの光路長差が得られる。ここで、干渉計としての参照面はヘッド先端面２６ａであるため、図４中の周波数ゼロと図５中のヘッド先端面２６ａとが等価になる。このため、反射光ＬＢ１及び参照光ＬＣの光路長差は、ヘッド先端面２６ａ（測定基準点ＳＰ）からワークＷの測定面までの距離Ｄ１（図５の符号５Ａ参照）を示す。このため、距離演算部４８は、第１ピーク周波数ｆ１に基づき距離Ｄ１を演算することができる。なお、距離Ｄ１は本発明の第１距離に相当する。

また同様に、第２ピーク周波数ｆ２から反射光ＬＢ２及び参照光ＬＣの光路長差が得られる。そして、この光路長差は、ヘッド先端面２６ａ（測定基準点ＳＰ）から直角プリズムミラー３４の出入射面３４ａまでの距離Ｄ２（図５の符号５Ｂ参照）を示す。このため、距離演算部４８は、第２ピーク周波数ｆ２に基づき距離Ｄ２を演算することができる。なお、距離Ｄ２は本発明の第２距離に相当する。

次いで、距離演算部４８は、距離Ｄ１と距離Ｄ２との差分を演算して、出入射面３４ａからワークＷまでの距離Ｄ（Ｄ＝Ｄ１－Ｄ２）を求める。なお、距離Ｄは本発明の第３距離に相当する。距離Ｄ１と距離Ｄ２との差分に基づき距離Ｄを演算することにより、支持部材２８の温度変化により支持部材２８の伸縮が発生したとしても、距離Ｄの測定値に対する支持部材２８の伸縮の影響がキャンセルされる。そして、距離演算部４８は、距離Ｄの演算結果を記憶部３６に記憶させると共に表示部３８に表示させる。

［距離測定装置の作用］
図６は、上記構成の距離測定装置１０によるワークＷまでの距離Ｄの測定処理（本発明の距離測定装置の制御方法に相当）の流れを示すフローチャートである。

図６に示すように、ユーザが距離測定装置１０の不図示の操作部にて測定開始操作を行うと、制御装置２４の測定制御部４０が波長掃引光源１２及び光検出器２０を作動させる。これにより、波長掃引光源１２が測定光ＬＡの出射を開始する（ステップＳ１）。

波長掃引光源１２から出射された測定光ＬＡは、光ファイバーケーブル２２Ａ、ファイバーサーキュレータ１４、及び光ファイバーケーブル２２Ｂを介して光プローブ１８に入力される。そして、測定光ＬＡがセンサヘッド２６、コリメータレンズ３０、結像レンズ３２、及び直角プリズムミラー３４を経てワークＷに入射する。この際に、直角プリズムミラー３４により測定光ＬＡを屈折させることで、ワークＷに形成されている穴の内面等の狭い箇所にも測定光ＬＡを照射することができる。

センサヘッド２６のヘッド先端面２６ａで測定光ＬＡの一部が参照光ＬＣとして反射され、且つ直角プリズムミラー３４の出入射面３４ａで測定光ＬＡの一部が反射光ＬＢ２として反射され、且つワークＷの測定面で残りの測定光ＬＡが反射光ＬＢ１として反射される（ステップＳ２）。各反射光ＬＢ１，ＬＢ２及び参照光ＬＣは、センサヘッド２６から光ファイバーケーブル２２Ｂに出力される。

反射光ＬＢ１、反射光ＬＢ２、及び参照光ＬＣの干渉信号ＳＧは、光ファイバーケーブル２２Ｂ、ファイバーサーキュレータ１４、及び光ファイバーケーブル２２Ｃを介して光検出器２０に入力される。これにより、光検出器２０は、前述の測定制御部４０の制御の下、光ファイバーケーブル２２Ｃから入力された干渉信号ＳＧを検出する（ステップＳ３、本発明の干渉信号検出ステップに相当）。光検出器２０による干渉信号ＳＧの検出結果は、干渉信号取得部４２を介して演算部４４の周波数解析部４６に入力される。

周波数解析部４６は、干渉信号取得部４２からの干渉信号ＳＧの入力を受けて、既述の図４に示したように干渉信号ＳＧの周波数解析を行い、この干渉信号ＳＧの周波数解析結果を距離演算部４８へ出力する（ステップＳ４）。

距離演算部４８は、周波数解析部４６からの干渉信号ＳＧの周波数解析結果の入力を受けて、最初に既述の図５で説明したように、第１ピーク周波数ｆ１及び第２ピーク周波数ｆ２を検出し、これらの検出結果に基づき距離Ｄ１，Ｄ２をそれぞれ演算する（ステップＳ５、本発明の演算ステップに相当）。

次いで、距離演算部４８は、距離Ｄ１と距離Ｄ２との差分を演算して距離Ｄを求める（ステップＳ６、本発明の演算ステップに相当）。このように距離Ｄ１と距離Ｄ２との差分を演算することで、出入射面３４ａを基準としたワークＷまで相対距離に相当する距離Ｄが求められる。その結果、支持部材２８の温度変化により支持部材２８の伸縮が発生したとしても、距離Ｄの測定値に対する支持部材２８の伸縮の影響がキャンセルされるので、距離Ｄを高精度に演算することができる。そして、距離演算部４８は、距離Ｄの演算結果を記憶部３６に記憶させると共に表示部３８に表示させる。

以下、ワークＷの測定面の他の測定ポイントの距離Ｄを測定する場合には、上述のステップＳ２からステップＳ６までの処理が繰り返し実行される（ステップＳ７）。そして、ワークＷの測定面の複数の測定ポイントごとの距離Ｄの測定結果に基づき、ワークＷの測定面の形状が得られる。また、同一の測定ポイントの距離Ｄの測定を繰り返し実行した場合には、ワークＷの変位（振動等を含む）を測定することができる。

［本実施形態の効果］
以上のように本実施形態では、光プローブ１８を用いて距離Ｄ１と距離Ｄ２とを測定することで、これら距離Ｄ１と距離Ｄ２との差分に基づき距離Ｄを演算することができる。その結果、支持部材２８の温度変化による支持部材２８の伸縮に関係なく、ワークＷまでの距離Ｄを高精度に測定することができる。

なお、上記実施形態では、出入射面３４ａで反射された反射光ＬＢ２と参照光ＬＣとの第２干渉信号成分ｓｇ２に基づき、ヘッド先端面２６ａ（測定基準点ＳＰ）から出入射面３４ａまでの距離Ｄ２を演算しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、結像レンズ３２の後述のレンズ面３２ａ（測定光ＬＡを出射する側の出射面、図７参照）で反射された反射光ＬＢ２と参照光ＬＣとの第２干渉信号成分ｓｇ２に基づき、ヘッド先端面２６ａからレンズ面３２ａまでの距離（Ｄ２）を演算してもよい。この場合、結像レンズ３２が本発明の第１光学素子として機能するので、直角プリズムミラー３４の代わりに通常のミラーを用いることができる。

［他実施形態］
以下、他実施形態１～４の距離測定装置１０について説明する。なお、他実施形態１～４の距離測定装置１０は、光プローブ１８が異なる点を除けば、上記実施形態の距離測定装置１０と基本的に同じ構成である。このため、上記実施形態と機能又は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。

（他実施形態１）
図７は、他実施形態１の距離測定装置１０の光プローブ１８Ａの概略図である。図７に示すように、他実施形態１の光プローブ１８Ａでは、結像レンズ３２が直角プリズムミラー３４の出入射面３４ａ上に設けられている。そして、結像レンズ３２は直角プリズムミラー３４を介して支持部材２８に支持されている。なお、他実施形態１では、結像レンズ３２が本発明の第１光学素子に相当し、直角プリズムミラー３４及びコリメータレンズ３０が本発明の第２光学素子に相当する。

他実施形態１の結像レンズ３２は、ワークＷに対向する対向面であり且つ光路Ｐ（図２参照）に垂直（略垂直を含む）なレンズ面３２ａを備える。レンズ面３２ａは、ワークＷの測定面に向けて測定光ＬＡを出射する出射面でありワークＷの測定面で反射された反射光ＬＢ１が入射する入射面である。そして、他実施形態１では、レンズ面３２ａにてフレネル反射された測定光ＬＡの一部の反射光を上述の反射光ＬＢ２と定義している。

結像レンズ３２を直角プリズムミラー３４の出入射面３４ａに設けることで、結像レンズ３２の焦点距離が短い場合であっても結像レンズ３２によりワークＷの測定面に測定光ＬＡを集光させることができる。その結果、焦点距離の短い結像レンズ３２を用いることができる。

以下、他実施形態１においても上記実施形態と同様に、反射光ＬＢ１と反射光ＬＢ２と参照光ＬＣとの干渉信号ＳＧが光検出器２０により検出され、この干渉信号ＳＧの検出結果が制御装置２４へ出力される。

他実施形態１の演算部４４（周波数解析部４６及び距離演算部４８）は、上記実施形態と同様の方法で、干渉信号ＳＧに基づき距離Ｄ１を演算すると共にヘッド先端面２６ａ（測定基準点ＳＰ）から結像レンズ３２のレンズ面３２ａまでの距離Ｄ２を演算する。次いで、演算部４４は、距離Ｄ１と距離Ｄ２との差分を演算して、レンズ面３２ａからワークＷの測定面までの距離Ｄを求める。これにより、上記実施形態と同様に、支持部材２８の伸縮に関係なく距離Ｄを高精度に測定することができる。

なお、他実施形態１では、直角プリズムミラー３４の出入射面３４ａでの反射光ＬＢ２を利用しないため、直角プリズムミラー３４の代わりに通常のミラーを用いてもよい。

（他実施形態２）
図８は、他実施形態２の距離測定装置１０の光プローブ１８Ｂの概略図である。図８に示すように、他実施形態２の光プローブ１８Ｂは、コリメータレンズ３０が省略されておち且つ結像レンズ３２の位置がセンサヘッド２６側にシフトされている点を除けば、上記実施形態の光プローブ１８と基本的に同じ構成である。このため、他実施形態２では上記実施形態と同様の効果が得られる。

（他実施形態３）
図９は、他実施形態３の距離測定装置１０の光プローブ１８Ｃの概略図である。図９に示すように、光プローブ１８Ｃは、直角プリズムミラー３４を有しておらず、センサヘッド２６から出力された測定光ＬＡを屈折させることなく、コリメータレンズ３０を通して結像レンズ３２によりワークＷの測定面に集光させる。このため、他実施形態３では、結像レンズ３２が本発明の第１光学素子に相当し、コリメータレンズ３０が本発明の第２光学素子に相当する。

他実施形態３の結像レンズ３２は、上記他実施形態１と同様に、ワークＷに対向する対向面であるレンズ面３２ａを備える。このため、他実施形態３においても、上記他実施形態１と同様に、レンズ面３２ａにてフレネル反射された測定光ＬＡの一部の反射光を上述の反射光ＬＢ２と定義している。

そして、他実施形態３においても上記他実施形態１と同様に、ワークＷの測定面で反射された反射光ＬＢ１と、レンズ面３２ａで反射された反射光ＬＢ２と、ヘッド先端面２６ａで反射された参照光ＬＣとの干渉信号ＳＧが光検出器２０により検出され、この干渉信号ＳＧの検出結果が制御装置２４へ出力される。

他実施形態３の演算部４４は、上記他実施形態１と同様に、干渉信号ＳＧに基づき、距離Ｄ１と、ヘッド先端面２６ａ（測定基準点ＳＰ）からレンズ面３２ａまでの距離Ｄ２とを演算する。次いで、演算部４４は、距離Ｄ１と距離Ｄ２との差分を演算して、レンズ面３２ａからワークＷの測定面までの距離Ｄを求める。これにより、上記各実施形態と同様に、支持部材２８の伸縮に関係なく距離Ｄを高精度に測定することができる。

（他実施形態４）
図１０は、他実施形態４の距離測定装置１０の光プローブ１８Ｄの概略図である。図１０に示すように、光プローブ１８Ｄは、ワークＷの測定面（例えば穴の内面）を測定光ＬＡで回転走査するための光回転プローブである。

光プローブ１８Ｄは、固定光学系５０と、固定光学系５０により光プローブ１８Ｄの長手軸の軸周り方向に回転される回転光学系５２と、を備える。

固定光学系５０は、センサヘッド２６と、ヘッド取付部５６と、コリメータレンズ３０と、中空モータ５８と、を備える。

ヘッド取付部５６は、測定光ＬＡの光路Ｐ（図２参照、図１０では図示を省略）に平行な方向に延びた中空の筒体である。ヘッド取付部５６の一端側にはセンサヘッド２６を保持する保持部５６ａが設けられている。この保持部５６ａは、センサヘッド２６をヘッド取付部５６の内部で且つヘッド取付部５６の中心軸と一致する位置に保持する。また、ヘッド取付部５６の他端側には中空モータ５８が固定されている。さらに、ヘッド取付部５６の内部であって且つヘッド先端面２６ａと中空モータ５８との間の位置にコリメータレンズ３０が設けられている。

中空モータ５８は、後述のシャフト６６をその長手軸を中心とする軸周り方向（以下、単に長手軸周り方向と略す）に回転させる。この中空モータ５８は、不図示のコイルを巻き回してなる中空のステータ６０（固定子ともいう）と、このステータ６０の内部で長手軸周り方向に回転する中空のロータ６２（回転子ともいう）と、を備える。なお、中空モータ５８の詳細構造については公知技術であるので、その詳細な説明は省略する。

ロータ６２には、光路Ｐが通り且つ光路Ｐに平行な方向に延びた中空部が形成されている。これにより、コリメータレンズ３０から出射された測定光ＬＡがロータ６２の中空部内を通って結像レンズ３２に入射し、且つ結像レンズ３２から出射した反射光ＬＢ１，ＬＢ２が中空部内を通ってコリメータレンズ３０に入射する。ロータ６２は、制御装置２４によるステータ６０への駆動信号（電圧）の印加に応じてステータ６０内で回転する。

回転光学系５２は、ロータ６２の回転に応じてロータ６２と一体に長手軸周り方向に回転する。この回転光学系５２は、シャフト保持板６４と、シャフト６６と、結像レンズ３２と、直角プリズムミラー３４と、を備える。なお、他実施形態４では、既述の固定光学系５０のヘッド取付部５６及び中空モータ５８と、回転光学系５２のシャフト保持板６４及びシャフト６６と、が本発明の支持部材として機能する。

シャフト保持板６４は、ロータ６２の回転光学系５２側の円環状のロータ先端面に固定されており、このロータ先端面と略同形状に形成されている。シャフト保持板６４は、光路Ｐが通り且つこの光路Ｐに平行な方向に延びた嵌合穴が形成されている。この嵌合穴にはシャフト６６の一端部が嵌合する。

シャフト６６は、光路Ｐに平行方向に延びた中空の円筒であり、光路Ｐに平行な長手軸を有している。そして、シャフト６６の一端部がシャフト保持板６４に固定されている状態において、シャフト６６の長手軸が光路Ｐの中心線に一致（略一致）し、且つシャフト６６の内面が光路Ｐを取り囲む。

また、シャフト６６の内部であって且つシャフト６６の既述の一端部とは反対側の他端部には、結像レンズ３２が設けられている。さらに、シャフト６６の他端部には、シャフト６６の他端部側の開口部を覆うように直角プリズムミラー３４が設けられている。これにより、上記実施形態と同様に、測定光ＬＡが直角プリズムミラー３４により９０°屈折された後、ワークＷの測定面に入射する。

回転光学系５２を構成するシャフト保持板６４、シャフト６６、結像レンズ３２、及び直角プリズムミラー３４は、ロータ６２の回転に応じて、長手軸周り方向に一体的に回転する。そして、直角プリズムミラー３４が長手軸周り方向に回転されることにより、ワークＷの測定面に沿って測定光ＬＡが回転走査される。

また、上記実施形態と同様に、ワークＷの測定面にて反射された反射光ＬＢ１と、出入射面３４ａで反射された反射光ＬＢ２と、ヘッド先端面２６ａで反射された参照光ＬＣと、の干渉信号ＳＧがセンサヘッド２６から光ファイバーケーブル２２Ｂ等を介して光検出器２０に出力される。

他実施形態４の演算部４４は、上記実施形態と同様の方法で、干渉信号ＳＧに基づき、距離Ｄ１及び距離Ｄ２の演算と、距離Ｄ１及び距離Ｄ２の差分演算とを実行することで、距離Ｄを求める。これにより、上記実施形態と同様の効果が得られる。

なお、他実施形態４では、中空モータ５８により回転光学系５２を回転させているが、例えば中空部を有する中空ロータリーアクチュエータのような中空部を有する各種回転機構により回転光学系５２を回転させてもよい。また、光路Ｐを妨げなければ、中空部を有さない回転機構により回転光学系５２を回転させてもよい。

［その他］
上記実施形態では、センサヘッド２６のヘッド先端面２６ａで反射された測定光ＬＡの一部を参照光ＬＣとしているが、例えば、光ファイバーケーブル２２Ｂのケーブル先端面で反射された測定光ＬＡの一部を参照光ＬＣとして用いてもよい。この場合、光ファイバーケーブル２２Ｂのケーブル先端部が本発明の光出入射部として機能し且つケーブル先端部の先端面が本発明の反射面として機能する。さらに、ミラー及びプリズム等のワークＷ以外の反射面で反射された測定光ＬＡの一部を参照光ＬＣとして用いてもよい。

上記他実施形態３を除いた各実施形態では、直角プリズムミラー３４により測定光ＬＡ及び反射光ＬＢ１，ＬＢ２を９０°屈折させているが、測定光ＬＡ及び反射光ＬＢ１，ＬＢ２の屈折角度が９０°以外であってもよい。また、上記各実施形態では、本発明の反射体として直角プリズムミラー３４を例に挙げているが、ミラー等の各種の反射体を用いてもよい。なお、反射体が本発明の第１光学素子である場合には、反射体として光路Ｐに対して垂直な出入射面を有するものを用いる。

上記各実施形態では本発明の第１光学素子として直角プリズムミラー３４及び結像レンズ３２を例に挙げているが、光路Ｐに垂直な出入射面を備える光学素子であればその種類は特に限定はされない。また、上記各実施形態では、本発明の第２光学素子としてコリメータレンズ３０及び結像レンズ３２等を例に挙げているが、第２光学素子の種類及びその配置数については特に限定はされない。

上記各実施形態では、距離測定装置１０として波長掃引光源１２及び光プローブ１８，１８Ａ～１８Ｄを用いた干渉光学系（干渉計）を例に挙げて説明しているが、距離Ｄ１，Ｄ２を測定可能であれば光源の種類、干渉光学系の種類については特に限定はされない。

１０…距離測定装置，
１２…波長掃引光源，
１８，１８Ａ～１８Ｄ…光プローブ，
２０…光検出器，
２２Ａ～２２Ｃ…光ファイバーケーブル，
２４…制御装置
２６…センサヘッド，
２６ａ…ヘッド先端面，
２８…支持部材，
３０…コリメータレンズ，
３２…結像レンズ，
３２ａ…レンズ面，
３４…直角プリズムミラー，
３４ａ…出入射面，
４４…演算部，
４６…周波数解析部，
４８…距離演算部，
Ｄ，Ｄ１，Ｄ２…距離，
ＬＡ…測定光，
ＬＢ１，ＬＢ２…反射光，
ＬＣ…参照光

Claims (9)

1. 測定光を出力する光源と、
   前記光源から出力された前記測定光の一部を参照光として反射する反射面と、
   前記光源に接続された導光路であって、前記光源から出力された前記測定光のうちで前記一部とは異なる前記測定光を出射し且つ前記測定光の反射光が入射する光出入射部を有する導光路と、
   前記光出入射部から出射される前記測定光及び前記光出入射部に入射する前記反射光の双方の光路に配置された第１光学素子であって、前記光出入射部から入射した前記測定光を測定対象物に向けて出射し且つ前記測定対象物にて反射された前記反射光が入射する出入射面を有する第１光学素子と、
   前記光出入射部に設けられ、前記第１光学素子を前記光路に配置された状態で支持する支持部材と、
   前記参照光と、前記測定対象物にて反射された前記反射光である第１反射光と、前記出入射面にてフレネル反射された前記反射光である第２反射光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出部と、
   前記干渉信号検出部が検出した前記干渉信号に基づき、前記光出入射部と前記測定対象物との間の第１距離、及び前記光出入射部と前記出入射面との間の第２距離を演算する演算部と、
   を備える距離測定装置。
2. 前記演算部が、前記第１距離及び前記第２距離の演算結果に基づき、前記出入射面と前記測定対象物との間の第３距離を演算する請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記反射面が、前記光出入射部の先端面であって、前記測定光を出射し且つ前記反射光が入射する先端面である請求項１又は２に記載の距離測定装置。
4. 前記第１光学素子が、前記第１光学素子に入射した前記測定光を反射して前記出入射面から前記測定対象物に向けて出射し、且つ前記出入射面に入射した前記測定対象物からの前記第１反射光と、前記出入射面にて反射された前記第２反射光と、を前記光出入射部に向けて反射する反射体である請求項１から３のいずれか１項に記載の距離測定装置。
5. 前記第１光学素子が、前記測定光を前記測定対象物に集光させる結像レンズであり、
   前記出入射面が、前記結像レンズにおける前記測定光の出射面である請求項１から３のいずれか１項に記載の距離測定装置。
6. 前記第１反射光及び前記参照光の干渉信号成分を第１干渉信号成分とし、前記第２反射光及び前記参照光の干渉信号成分を第２干渉信号成分とし、前記第１干渉信号成分のピーク周波数を第１ピーク周波数とし、前記第２干渉信号成分のピーク周波数を第２ピーク周波数とした場合に、前記演算部が、前記干渉信号検出部により検出された前記干渉信号から前記第１ピーク周波数及び前記第２ピーク周波数を検出し、前記第１ピーク周波数に基づき前記第１距離を演算し且つ前記第２ピーク周波数に基づき前記第２距離を演算する請求項１から５のいずれか１項に記載の距離測定装置。
7. 前記光出入射部と前記第１光学素子との間で前記光路に沿って配置された１又は複数の第２光学素子を備え、
   前記支持部材が、前記第２光学素子を前記光路に配置された状態で支持する請求項１から６のいずれか１項に記載の距離測定装置。
8. 測定光を出力する光源と、
   前記光源から出力された前記測定光の一部を参照光として反射する反射面と、
   前記光源に接続された導光路であって、前記光源から出力された前記測定光のうちで前記一部とは異なる前記測定光を出射し且つ前記測定光の反射光が入射する光出入射部を有する導光路と、
   前記光出入射部から出射される前記測定光及び前記光出入射部に入射する前記反射光の双方の光路に配置された第１光学素子であって、前記光出入射部から入射した前記測定光を測定対象物に向けて出射し且つ前記測定対象物にて反射された前記反射光が入射する出入射面を有する第１光学素子と、
   前記光出入射部に設けられ、前記第１光学素子を前記光路に配置された状態で支持する支持部材と、
   を備える距離測定装置の制御方法において、
   前記参照光と、前記測定対象物にて反射された前記反射光である第１反射光と、前記出入射面にてフレネル反射された前記反射光である第２反射光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出ステップと、
   前記干渉信号検出ステップで検出した前記干渉信号に基づき、前記光出入射部と前記測定対象物との間の第１距離、及び前記光出入射部と前記出入射面との間の第２距離を演算する演算ステップと、
   を有する距離測定装置の制御方法。
9. 前記演算ステップでは、前記第１距離及び前記第２距離の演算結果に基づき、前記出入射面と前記測定対象物との間の第３距離を演算する請求項８に記載の距離測定装置の制御方法。

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