JP7478420B2 - ３次元測定装置及び受光装置 - Google Patents

Description

本発明は、３次元測定装置及び受光装置に関する。

所定の変調パターンで空間変調した変調光を被測定物体に照射し、被測定物体から出射されるとともに被測定物体の情報を含む出射光を、空間分解能を持たない点型検出器等によって検出し、処理することによって、被測定物体の情報を取得できる。前述のように被測定物体の情報を取得する技術は、シングルピクセルイメージング（Ｓｉｎｇｌｅ－ｐｉｘｅｌ ｉｍａｇｉｎｇ：ＳＰＩ）として知られており、点型検出器としては例えばフォトダイオードが用いられる。

例えば、非特許文献１に開示されているＳＰＩでは、プロジェクタからスペックルパターンを有する変調光を被測定物体に照射し、被測定物体からプロジェクタに向かって反射される出射光を、４つのシングルピクセルフォトディテクタで受光し、取得した情報に基づいて被測定物体の情報が再生される。４つのシングルピクセルフォトディテクタは、プロジェクタの投影用のレンズと同じ面内に配置され、光軸に沿って見たときにレンズの上方、下方、及び両側方に互いに離れて配置されている。４つのシングルピクセルフォトディテクタで出射光を並列に取得することによって、非特許文献１に開示されているＳＰＩでは、被測定物体の３次元イメージングを実現する。

ＳＰＩで構造化照明を形成する方法は、種々提案されている。例えば、上述の非特許文献１に開示されているＳＰＩでは、プロジェクタは、３原色の発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｅｄ ｓｏｕｒｃｅ：ＬＥＤ）と、デジタルマイクロミラーデバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ：ＤＭＤ）と、を備える。ＬＥＤから出射された光は、ＤＭＤの互いに異なる方向に姿勢を変更可能な複数のマイクロミラーによって空間変調され、構造化照明を形成する。

上述のようにＤＭＤや液晶空間光変調器等の変調器を用いて構造化照明を形成する方法では、被測定物体の情報を得るために、複数の変調パターンの構造化照明を形成する必要がある。被測定物体の情報の取得速度は、光源の発光パターンの切替時間及び変調器の動作時間に制約される。また、変調器及び変調器を動作させるためのドライバ等は、設置スペースを必要とする。例えば、非特許文献２には、マルチコアファイバ（Ｍｕｌｔｕ－ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ：ＭＣＦ）を用いて構造化照明を形成し、被測定物体の３次元情報を取得するＳＰＩが開示されている。非特許文献２に開示されているＳＰＩでは、ＭＣＦの各コアに入力する光学情報を切り替えることによって、ＭＣＦの出射端面から離れて配置された被測定物体に照射されるフラウンホーファー回折光の強度を変調し、複数の変調パターンの構造化照明を形成できる。ＭＣＦは受動デバイスであるため、非特許文献２に開示されているＳＰＩでは、従来のＳＰＩにおける変調器の動作時間に相当する時間をなくし、被測定物体の情報取得の高速化及び変調光を被測定物体に照射する照射装置の小型化が図られる。

B. Sun, M. P. Edgar, R. Bowman, L. E. Vittert, S. Welsh, A. Bowman, M. J. Padgett: "3D Computational Imaging with Single-Pixel Detectors", Science, Vol. 340, Issue 6134, pp.844-847, 2013. Y. Kameyama, K. Ikeda, O. Koyama, M. Yamada: "Single-pixel Imaging using a Multi-core Fiber", Technical Digest of OECC/PSC 2019, WP4-C2, 2019.

非特許文献１に開示されているＳＰＩでは、各々のフォトディテクタの単一画素からなる受光部で出射光全体を受光するために、光波の伝搬方向において４つのフォトディテクタを被測定物体から離し、且つ投影用のレンズと同じ面内でフォトディテクタの受光角度を考慮した間隔で互いに離して配置する必要がある。したがって、非特許文献１に開示されているＳＰＩでは、複数の受光部を配置する全体スペースが拡がるという課題があった。非特許文献２に開示されているＳＰＩでは、照射装置の高速化及び小型化が図られる一方で、２次元イメージングに限られるという課題があった。そのため、所定のパターンで空間変調されるとともに被測定物体の情報を含む光波を受光して被測定物体の３次元イメージングを実現する省スペース型の受光装置及び当該受光装置を備えた３次元測定装置が求められていた。

本発明は、被測定物体からの出射波を受光して被測定物体の３次元イメージングを実現し、且つ省スペース型の３次元測定装置及び受光装置を提供する。

本発明に係る３次元測定装置は、被測定物体の照射領域に対して前記照射領域内で所定の変調パターンで空間変調された照射光を照射する照射装置と、前記照射光が照射された前記被測定物体から出射されるとともに前記照射領域における前記被測定物体の情報を含む出射光を受光可能な複数のコアを有する第１マルチコアファイバと、前記２つ以上のコアの各々が受光した前記複数回の出射光の光学情報及び前記複数回の照射光の光学情報に基づいて前記被測定物体の３次元情報を算出する光学情報算出部と、を有する受光装置と、を備える。前記第１マルチコアファイバは、前記２つ以上のコアの各々で受光可能な前記複数回の出射光の受光角度範囲が互いに重なる重なり領域内に前記照射領域が含まれるように、前記２つ以上のコアの各々において前記出射光の最大受光角と前記被測定物体と前記第１マルチコアファイバとの間の領域の屈折率とによって求まる開口数を有する。
上述の３次元測定装置では、前記第１マルチコアファイバの受光端面は前記照射領域と対向するように配置されていてもよい。
上述の３次元測定装置では、前記照射領域の全域が前記重なり領域内に配置されていてもよい。

上述の３次元測定装置では、前記出射光の進行方向において前記照射領域の少なくとも一部と重なる照射面と前記第１マルチコアファイバの受光端面との距離は、前記開口数と前記照射面に沿う方向での前記照射領域の大きさとに応じて設定されてもよい。

上述の３次元測定装置では、前記照射装置は、前記第１マルチコアファイバを共有し、光源と、前記光源から出射された光を互いに異なる空間分布を有する複数の光に変調するとともに、変調された前記複数の光を前記第１マルチコアファイバの複数のコアに入射させる変調器と、を備えてもよい。

上述の３次元測定装置では、前記照射装置は、光源と、前記光源から出射された光を互いに異なる空間分布を有する複数の光に変調する変調器と、前記変調器で変調された前記複数の光が入射可能、且つ出射端から離れた前記被測定物体の照射領域で前記照射光を形成するように前記複数の光を前記出射端から出射する複数のコアを有するとともに、前記第１マルチコアファイバとは異なる位置に配置されている第２マルチコアファイバと、を備えてもよい。

上述の３次元測定装置では、前記照射装置は、光源と、前記光源から出射された光を前記光の光軸に交差する断面で前記照射領域以上の大きさを有する平行光にコリメートする第１レンズと、前記第１レンズによってコリメートされた前記光を空間変調することによって前記照射光を形成するとともに、前記照射光を前記照射領域に照射可能に構成されている空間変調器と、を備えてもよい。

本発明に係る受光装置は、被測定物体の照射領域に対して前記照射領域内で所定の変調パターンで複数回の空間変調がされた照射光が照射された被測定物体の３次元情報を取得するために用いられる受光装置であり、前記複数回の照射光が照射された前記被測定物体から出射されるとともに前記照射領域における前記被測定物体の情報を含む複数回の出射光を受光可能な２つ以上のコアを有する第１マルチコアファイバと、前記２つ以上のコアの各々が受光した前記複数回の出射光の光学情報及び前記複数回の照射光の光学情報に基づいて前記被測定物体の３次元情報を算出する光学情報算出部と、を備える。前記第１マルチコアファイバは、前記２つ以上のコアの各々で受光可能な前記複数回の出射光の受光角度範囲が互いに重なる重なり領域内に前記照射領域が含まれるように、前記２つ以上のコアの各々において前記受光角度範囲から決まる前記出射光の最大受光角と前記被測定物体と前記第１マルチコアファイバとの間の領域の屈折率とによって求まる開口数を有する。
本発明に係る３次元測定装置及び受光装置では、前記光学情報算出部は、前記変調パターンから算出可能な前記照射光の光強度と前記２つ以上の各々で検出された前記出射光の光強度から後述する（７）式を用いて、前記２つ以上のコアの各々で受光した前記照射領域における複数の測定位置での前記出射光の強度を算出し、算出した前記照射領域における前記複数の測定位置での前記出射光の強度から、前記照射領域の少なくとも一部と重なる照射面を基準面とした前記被測定物体の厚みに関する光学情報が含まれる視差画像を再構成し、前記２つ以上のコアのうちの２つのコアの各々の受光端面の中心と前記複数の測定位置のうち１つの測定位置とを結ぶ線同士のなす角度、前記受光端面での前記２つのコアの中心間の距離、及び、前記照射光の進行方向において前記照射光が出射された位置と前記照射面との距離に対する前記照射光が出射された位置と１つの前記測定位置との距離の相対値を算出することによって、前記照射領域における複数の測定位置での前記出射光の強度を前記被測定物体の光学情報として取得し、前記２つ以上のコアの各々で受光した前記照射領域における複数の測定位置での前記出射光の強度、及び、前記光学情報としての前記照射領域における複数の測定位置での前記出射光の強度によって前記被測定物体の３次元情報を算出してもよい。

本発明によれば、被測定物体からの出射波を受光して被測定物体の３次元イメージングを実現し、且つ省スペース型の３次元測定装置及び受光装置を提供できる。

本発明に係る第１実施形態の３次元測定装置の模式図である。 図１に示す３次元測定装置のＭＣＦの入射端面を見たときの側面図である。 図１に示す３次元測定装置のＭＣＦの出射端面を見たときの側面図である。 図１に示す３次元測定装置のＭＣＦの各コアの位相を示す模式図である。 図１に示す３次元測定装置における受光の様子を説明するための模式図である。 図１に示す３次元測定装置における受光の様子を説明するための模式図である。 本発明に係る第２実施形態の３次元測定装置の模式図である。 図７に示す３次元測定装置における受光の様子を説明するための模式図である。 本発明に係る第３実施形態の３次元測定装置の模式図である。 図９に示す３次元測定装置の空間変調器の変調面を正面視したときの模式図である。 図９に示す３次元測定装置おける受光の様子を説明するための模式図である。

以下、本発明に係る３次元測定装置及び受光装置の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、本発明に係る第１実施形態の３次元測定装置２０１は、照射装置２１１と、受光装置２２１と、を備える。照射装置２１１は、光源１０と、分波器１２と、複数の変調器１４－１、・・・、１４－ｍと、光サーキュレータ１６－１・・・、１６－ｍと、ＭＣＦ（第１マルチコアファイバ）２１と、を備える。ｍは、２以上の自然数であり、後述するＭＣＦ２１のコア２６－１・・・、２６－ｍの総数である。

光源１０は、所定の中心波長（又はピーク波長）を有する光波ＬＷ１を出射する。光源１０の出射端には、接続用ファイバ１１－１の入射端が接続されている。分波器１２の入射端には、接続用ファイバ１１－１の出射端が接続されている。分波器１２の出射端には、ｍ本の接続用ファイバ１１－２の各々の入射端が接続されている。分波器１２は、接続用ファイバ１１－１から入射した光波ＬＷ１を略ｍ分割し、ｍ本の接続用ファイバ１１－２に入射させる。分波器１２には、例えば接続用ファイバ１１－１、１１－２を備える公知の光カプラが用いられる。ｍ本の接続用ファイバ１１－２の各々の出射端には、変調器１４－１・・・、１４－ｍの各々の入射端が接続されている。

変調器１４－１・・・、１４－ｍの各々には、例えば位相シフタが用いられる。ｐ番目の変調器１４－ｐは、入射した光波ＬＷ１の位相を所定の位相量φ_ｐシフトさせる。ｐは、１以上ｍ以下の自然数を表す。変調器１４－１・・・、１４－ｍの出射端の各々には、接続用ファイバ１１－３の入射端が接続されている。ｍ本の接続用ファイバ１１－３の各々の出射端は、光サーキュレータ１６－１・・・、１６－ｍの各々の第１入出射端（図示略）に接続されている。光サーキュレータ１６－１・・・、１６－ｍの各々の第２入出射端（図示略）には、接続用ファイバ１１－４の入射端が接続されている。変調器１４－１・・・、１４－ｍの各々で変調された変調光ＬＷ２は、光サーキュレータ１６－１・・・、１６－ｍの第１入出射端から出射され、光サーキュレータ１６－１・・・、１６－ｍの第２入出射端からｍ本の接続用ファイバ１１－４に入射する。

照射装置２１１は、ＭＣＦ２１を受光装置２２１と共有している。ＭＤＦ２１は、後述するように被測定物体１００から出射される出射光ＬＷ４を受光する受光部材であるが、３次元測定装置２０１では被測定物体１００に対して照射光ＬＷ３を照射する照射部材も兼ねている。

図１から図３に示すように、ＭＣＦ２１は、複数のコア２６－１・・・、２６－ｍと、クラッド２８と、を有する。図２等には、一例としてｍ＝７の場合を示している。コア２６－１は、ｚ方向から見たときに、入射端面３１及び出射端面３２の中心に設けられている。６つのコア２６－２、・・・、２６－７は、入射端面３１及び出射端面３２においてコア２６－１を中心とする同心円上の周方向で等間隔に設けられている。

クラッド２８は、ＭＣＦ２１の軸線方向に沿うｚ方向（即ち、光波ＬＷ１の進行方向）から見たときに、複数のコア２６－１・・・、２６－ｍの外周部に設けられている。クラッド２８は、図２に示すように複数のコア２６－１・・・、２６－ｍの外周部でつながってＭＣＦ２１で一体に設けられいていてもよく、複数のコア２６－１・・・、２６－ｍの各々の外周部に個別に設けられていてもよい。ＭＣＦ２１の入射端面３１における複数のコア２６－１・・・、２６－ｍの入射端には、ｍ本の接続用ファイバ１１－４の各々の出射端が接続されている。

図１に示すように、ＭＣＦ２１の出射端面３２に対して出射端面３２における複数のコア２６－１・・・、２６－ｍの出射端から出射される変調波ＬＷ２の進行方向、即ちｚ方向において、出射端面３２から所定の距離Ｚ１離れた位置に、被測定物体１００が配置されている。言い換えれば、出射端面３２は、ｚ方向において被測定物体１００から距離Ｚ１離れて配置されている。被測定物体１００は、照射される光波に対して光学情報を付与可能な物体であればよく、特定の物体に限定されない。被測定物体１００の形状は、特定の形状に限定されない。第１実施形態で例示する被測定物体１００は、照射された光の少なくとも一部を反射可能な物体である。

受光装置２２１は、ＭＣＦ２１と、計算機（光学情報算出部）５０と、を備える。ＭＣＦ２１は、変調波ＬＷ２を出射して後述する照射光ＬＷ３を形成する照射部材であるが、そもそも照射光ＬＷ３が被測定物体１００によって反射されることによって被測定物体１００から出射される出射光ＬＷ４の受光部材である。光サーキュレータ１６－１・・・、１６－ｍの各々の第３入出射端（図示略）には、接続用ファイバ１１－５の入射端が接続されている。ｍ本の接続用ファイバ１１－５の出射端は、光電変換器５２に接続されている。光電変換器５２は、接続ケーブル１８等を介して、パーソナルコンピュータ等の計算機５０に接続されている。光電変換器５２は、ｍ本の接続用ファイバ１１－５の各々を介して受信した光強度等の出射光ＬＷ４の光学情報を電流値又は電圧値等に変換し、計算機５０に出力する。計算機５０には、不図示のケーブル或いは接続線を介して、被測定物体１００の光学情報が反映されていない変調光ＬＷ３に関する光学情報が入力されている。計算機５０は、複数のコア２６－１・・・、２６－ｍの各々が受光した出射光ＬＷ４の光学情報及び照射光ＬＷ３の光学情報に基づいて被測定物体１００の３次元情報を算出可能に構成されている。

接続用ファイバ１１－１、１１－２、１１－３、１１－４、１１－５は、光ＬＷ１の中心波長に合わせて設計され、光ＬＷ１、変調波ＬＷ２、出射光ＬＷ４を伝搬可能に形成されている。なお、ＭＣＰ２１の複数のコア２６－＃に接続される変調器１４－＃、光サーキュレータ１６－＃の番号＃は、互いに１対１で接続関係が明確であれば、必ずしも互いに一致しなくてもよい。

３次元測定装置２０１において、光源１０から出射された光ＬＷ１は、複数の変調器１４－１・・・、１４－ｍの各々によって位相シフトされ、変調光ＬＷ２としてＭＣＦ２１のコア２６－１・・・、２６－ｍに入射する。ＭＣＦ２１のコア２６－１・・・、２６－ｍをｚ方向に伝搬した変調光ＬＷ２は、出射端から被測定物体１００に向かって自由空間内に出射される。図４に示すように、ＭＣＦ２１の出射端面３２では、相対的な位相量φ_ｐの違いを持った変調光ＬＷ２がコア２６－１・・・、２６－ｍに供給されることによって変調元の変調波ＬＷ２の電場Ｅ_ｉ（ζ，η）が発生する。ｉは、複数の変調器１４－１・・・、１４－ｍを用いて変調を行う回数の番号を表す。ζ，ηは、照射面１０５における照射光ＬＷ３の複素振幅分布Ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）に基づく変調光ＬＷ２の複素振幅分布における変数（即ち、フーリエ領域における空間周波数）を表す。照射面１０５は、ｚ方向に直交するとともに互いに直交するｘ方向及びｙ方向で被測定物体１００の測定対象領域である照射領域１０２と重なり、且つｚ方向に交差する平面である。照射面１０５と照射領域１０２とのｚ方向の距離差は、光学的に無視できる程度である。つまり、ＭＣＦ２１の出射端面３２で複素振幅分布Ｅ_ｉ（ζ，η）を有する変調光ＬＷ２は、出射端面３２からｚ方向を中心にして自由空間を伝搬し、フラウンホーファー回折し、照射面１０５近傍で複素振幅分布Ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）を有する照射光ＬＷ３を形成する。複素振幅分布Ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）は、次に示す（１）式のように表される。

（１）式において、ｊは虚数単位を表し、λは光波ＬＷ１、ＬＷ２の中心波長を表し、ｋは光波ＬＷ１、ＬＷ２の波数を表す。ｚ方向でのＭＣＦ２１の出射端面３２と照射面１０５との所定の距離Ｚ１は、フラウンホーファー近似が成り立つ範囲内で確保されている。したがって、複素振幅分布Ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）は、複素振幅分布Ｅ_ｉ（ζ，η）をフーリエ変換することによって、次に示す（２）式のように表される。

照射面１０５における変調光ＬＷ３の光強度Ｉ_ｉ（ｘ，ｙ）は、次に示す（３）式のように表される。

被測定物体１００の照射領域１０２に照射された照射光ＬＷ３は、被測定物体１００によって、ｚ方向と平行且つ逆向きの－ｚ方向を中心にして反射される。被測定物体１００から反射（出射）された出射光ＬＷ４は、照射光ＬＷ３の光学情報に照射領域１０２の被測定物体１００の光学情報を加えた光学情報を含んでいる。ＭＣＦ２１の複数のコア２６－１・・・、２６－ｍは、出射光ＬＷ４を受光可能に形成されている。具体的には、図５に示すように、ＭＣＦ２１のｐ番目のコア２６－ｐには、最大受光角θ_{ｍａｘ-ｐ}よりも小さい受光角度範囲θ_ｐ（＜２θ_{ｍａｘ－ｐ}）内の受光角の出射光ＬＷ４が入射する。２θ_{ｍａｘ-ｐ}は、ｐ番目のコア２６－ｐの視野角を意味する。コア２６－１・・・、２６－ｍの各々に入射した出射光ＬＷ４は、コア２６－１・・・、２６－ｍとクラッド２８との境界面で全反射を繰り返しつつ、コア２６－１・・・、２６－ｍの各々の内部を－ｚ方向に進行する。

第１実施形態では、ｍ個のコア２６－１、・・・、２６－ｍの屈折率ｎ_ｃｏｒｅは、互いに同一であると想定する。ｍ個のコア２６－１・・・、２６－ｍは、受光部材としてのＭＣＦ２１の受光端面３３で互いに異なる位置に配置されている。３次元測定装置２０１では、受光端面３３は、照射部材としてのＭＣＦ２１の出射端面３２と同一である。ｍ個のコア２６－１・・・、２６－ｍのうちｐ番目のコア２６－ｐの受光角度範囲θ_ｐとｑ番目のコア２６－ｑの受光角度範囲θ_ｑとは、同じ大きさであるが、ｚ方向に交差する交差方向（以下、単に交差方向という場合がある）で完全に重ならない。ｑは、ｐとは異なり、且つ１以上ｍ以下の自然数を表す。

被測定物体１００とＭＣＦ２１との間の自由空間（領域）の屈折率をｎ_ｓとすると、ＭＣＦ２１の開口数ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）は、次に示す（４）式のように表される。

（４）式において、最大受光角θ_ＭＡＸは、ｍ個のコア２６－１、・・・、２６－ｍの互いに等しい最大受光角θ_{ｍａｘ－１}、・・・、θ_{ｍａｘ－ｍ}と等しく、これらの最大受光角をまとめて記載したパラメータである。自由空間が空気で満ちており、ｎ_ｓ＝１とすると、開口数ＮＡは、次に示す（５）式のように表される。

（５）式において、Δは、ＭＣＦ２１の比屈折率差であり、次に示す（６）式のように表される。

ＭＣＦ２１の開口数ＮＡは、複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍのうちコア２６－ｐ、２６－ｑの各々で受光可能な受光角度範囲θ_ｐ、θ_ｑが互いに重なり、且つ受光角度範囲θ_ｐ、θ_ｑ同士の重なり領域ＯＶＬ２６内に被測定物体１００の少なくとも照射領域１０２が含まれるように、設定されている。ＭＣＦ２１は、受光端面３３と被測定物体１００の照射領域１０２とが互いに向き合い、重なり領域ＯＶＬ２６内に被測定物体１００の少なくとも照射領域１０２が含まれるという条件を満たす開口数ＮＡを有する。図５では、重なり領域ＯＶＬ２６を形成する受光角度範囲θ_ｐ、θ_ｑをそれぞれ有するコア２６－ｐ、２６－ｑがｙ方向で互いに隣り合っている。但し、重なり領域ＯＶＬ２６を形成するコア２６－ｐ、２６－ｑは、ｙ方向を含む交差方向で互いに隣り合っていなくてもよい。また、図５では照射領域１０２が含まれる重なり領域ＯＶＬ２６を形成するコアの数は２つであるが、３以上であってもよく、最大ｍである。照射領域１０２が含まれる重なり領域ＯＶＬ２６を形成するコアの数は、例えば３以上ｍ以下であることが好ましい。

ＭＣＦ２１の開口数ＮＡは、（４）式で表されるように、最大受光角θ_ＭＡＸ及び屈折率ｎ_ｓによって求まる。最大受光角θ_ＭＡＸは、主に屈折率ｎ_ｃｏｒｅ、ｎ_ｃｌａｄによって求められる。したがって、前述の条件；「重なる領域ＯＶＬ２６内に被測定物体１００の少なくとも照射領域１０２が含まれる」を満たすように決められる開口数ＮＡに応じて、ＭＣＦ２１の屈折率ｎ_ｃｏｒｅ、ｎ_ｃｌａｄ及びこれら以外の設計パラメータが設定されている。

ＭＣＦ２１の屈折率ｎ_ｃｏｒｅ、ｎ_ｃｌａｄは、ＭＣＦ２１の複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍ及びクラッド２８の材質によって、ある程度の数値範囲内、或いは特定の値で決まる場合がある。クラッド２８は、例えば高純度の石英ガラスによって形成されている。複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍは、クラッド２８の石英ガラスに、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リン（Ｐ）等の不純物がドープされ、クラッド２８の石英ガラスよりも０．２～０．３％程度高い屈折率を有する石英ガラスで形成されている。屈折率ｎ_ｃｏｒｅは１．５に近い所定値に設定され、屈折率ｎ_ｃｌａｄは１．５から数％増の範囲内の所定値に設定されている。

ＭＣＦ２１の屈折率ｎ_ｃｏｒｅ、ｎ_ｃｌａｄが特定値に制約されると、最大受光角θ_ＭＡＸが制約されるので、結果として開口数ＮＡが制約される。開口数ＮＡが所定の範囲内に制約され、被測定物体１００の照射領域１０２の大きさが決まっている場合、ｚ方向（出射光ＬＷ４の進行方向）において照射面１０５とＭＣＦ２１の受光端面３３との距離Ｚ１は、前述の条件を満たすように、開口数ＮＡとｚ方向から見たときの照射面１０５の大きさとによって設定されている。

ＭＣＦ２１の複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍの各々で受光された出射光ＬＷ４の光強度（光学情報）は、光電変換器５２に取り込まれる。光電変換器５２は、取り込まれた光強度を、計算機５０で取り扱い可能な電流値又は電圧値等に変換する。変換された電流値又は電圧値等の電気情報は、計算機５０に出力される。計算機５０は、入力された電気情報及び照射光ＬＷ３の光学情報から変換された電気情報に基づいて、被測定物体１００の照射面１０５における２次元の光学情報を算出する。被測定物体１００の２次元の光学情報の算出方法は、例えば反復法等が挙げられるが、特に限定されない。計算機５０には、出射光ＬＷ４及び照射光ＬＷ３の各々の光学情報に基づいて被測定物体１００の光学情報を算出するプログラムが内蔵されている。

例えば、ｍ個の変調器１４－１、・・・、１４－ｍを用いて照射光ＬＷ３の空間変調を行う回数、即ち測定回数をＣとし、照射領域１０２における測定位置（即ち、画素）の総数をＸとする。変調回数ｃ番目の照射光ＬＷ３のｘ番目の測定位置の光強度Ｉ_ｃ（ｘ，ｙ） をＩ_ｃ－ｘと記載する。変調回数ｃ番目の出射光ＬＷ４を複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍの各々で検出したときの光強度をＢ_ｃとし、ｘ番目の測定位置での被測定物体１００での出射光ＬＷ４の強度をＯ_ｘとすると、次に示す（７）式が成立する。

（７）式に、ｍ個の変調器１４－１、・・・、１４－ｍの変調パターンから算出可能な光強度Ｉ_１－１、・・・、Ｉ_Ｃ－Ｘ、及びＭＣＦ２１のコア２６－１、・・・、２６－ｍの各々で検出した出射光ＬＷ４の光強度Ｂ_ｃを代入すると、算出するべき被測定物体１００での出射光ＬＷ４の強度Ｏ_ｘが得られる。

前述のようにＭＣＦ２１の複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍは、ＭＣＦ２１の開口数ＮＡで決まる視野角を有する。複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍのうち、少なくとも重なり領域ＯＶＬ２６を形成するコア２６－ｐ、２６－ｑの各々で受光した出射光ＬＷ４の強度Ｏ_Ｘから再構成される画像は、視差画像であり、照射領域１０２における被測定物体１００のｚ方向の出射光ＬＷ４の強度Ｔ_Ｘを含んでいる。

図６に示すように、例えば複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍのうち、２つのコア２６－ｐ、２６－ｑの各々の交差方向（図６ではｙ方向）の中心と被測定物体１００の照射領域１０２内のｖ番目の測定位置Ｈ_ｖとを結ぶ線をＳ１、Ｓ２とする。測定位置Ｈ_ｖを中心として、線Ｓ１と線Ｓ２とがなす角度をθ_ｂとする。ｙ方向での２つのコア２６－ｐ、２６－ｑの中心間の距離をＤ_Ｃとする。ｚ方向におけるＭＣＦ２１の受光端面３３と測定位置Ｈ_ｖとの距離をＺ_Ｘとすると、次に示す（８）式及び（９）式が成り立つ。

例えば、ＭＣＦ２１の設計パラメータとして距離Ｄ_Ｃは既知であると考えると、２つのコア２６－ｐ、２６－ｑの各々で受光した出射光ＬＷ４の強度Ｏ_Ｘ等の光学情報に基づいて角度θ_ｂがわかれば、（８）式及び（９）式によって距離Ｚ_Ｘが算出される。距離Ｚ１に対する距離Ｚ_Ｘの相対値を算出することによって、照射面１０５を基準面とした被測定物体１００の厚みに関する光学情報を強度Ｔ_Ｘとして取得できる。また、強度Ｏ_Ｘ、Ｔ_Ｘを得ることによって、被測定物体１００の３次元イメージングが実現される。

以上説明した第１実施形態の３次元測定装置２０１は、照射装置２１１と、受光装置２２１と、を備える。照射装置２１１は、被測定物体１００の照射領域１０２内の交差方向で所定の変調パターンで空間変調された照射光ＬＷ３を照射領域１０２に対して照射可能に構成されている。受光装置２２１は、ＭＣＦ２１と、計算機５０と、を有する。ＭＣＦ２１は、複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍを有する。複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍは、照射光ＬＷ３が照射された被測定物体１００から出射されるとともに、照射領域１０２における被測定物体１００の情報を含む出射光ＬＷ４を受光可能に形成されている。計算機５０は、複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍの各々が受光した出射光ＬＷ４の光学情報及び照射光ＬＷ３の光学情報に基づいて被測定物体１００の３次元情報を算出可能に構成されている。ＭＣＦ２１は、複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍのうち２つ以上のコア（例えば、２６－ｐ、２６－ｑ）の各々で受光可能な出射光ＬＷ４の受光角度範囲θ_ｐ、θ_ｑが互いに重なる重なり領域ＯＶＬ２６内に照射領域１０２が含まれるように、所定の開口数ＮＡを有する。所定の開口数ＮＡは、複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍの各々において受光角度範囲から決まる出射光の最大受光角θ_ＭＡＸと被測定物体１００とＭＣＦ２１との間の領域の屈折率とによって求まる。

上述の３次元測定装置２０１では、ＭＣＦ２１の複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍのうち少なくとも１つのコアで受光した出射光ＬＷ４の光強度Ｂ_ｃ等の光学情報と被測定物体１００に照射する前の照射光ＬＷ３のＩ_ｃ－ｘ等の光学情報とに基づいて、照射領域１０２を含む総数Ｘの測定位置の被測定物体１００の強度Ｏ_ｘ等の光学情報を２次元情報として取得できる。また、上述の３次元測定装置２０１では、被測定物体１００の照射領域１０２が少なくとも２つのコア２６－ｐ、２６－ｑの受光角度範囲θ_ｐ、θ_ｑの重なり領域ＯＶＬ２６に含まれるため、コア２６－ｐ、２６－ｑによって照射面１０５を基準面として互いに視差を含む出射光ＬＷ４の光学情報を取得し、前述の視差の効果に基づいて被測定物体１００のｚ方向（即ち、厚み方向）の距離Ｚ_ｘ等の光学情報を取得できる。上述の３次元測定装置２０１によれば、交差方向における被測定物体１００の強度Ｏ_ｘ等の光学情報に加えてｚ方向の距離Ｚ_ｘ等の光学情報を取得し、被測定物体１００の３次元イメージングを実現できる。

上述の３次元測定装置２０１では、被測定物体１００から出射される出射光ＬＷ４を受光する複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍが交差方向で例えば１ｍｍ以下の直径のＭＣＦ２１に配置されている。そのため、互いに独立した複数の受光素子を空間内に分散させて配置する従来の装置に比べて、受光素子に相当する複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍ同士の交差方向での間隔を縮小し、受光部材の省スペース化を図ることができる。

第１実施形態の３次元測定装置２０１では、Ｚ方向において照射領域１０２と少なくとも一部で重なり且つｚ方向に略直交する照射面１０５とＭＣＦ２１において照射面１０５に平行且つｚ方向に略直交する受光端面３３との距離Ｚ１は、ＭＣＦ２１の開口数ＮＡと照射面１０５に沿う方向での照射領域１０２の大きさＤ１０２とに応じて設定されている。

上述の３次元測定装置２０１では、例えばＭＣＦ２１のコア２６－１、・・・、２６－ｍ及びクラッド２８の材質の屈折率が特定値に制約される場合に、特定の屈折率に基づいて予め定まる開口数ＮＡと、照射領域１０２の大きさＤ１０２とに応じて、開口数ＮＡによって決まる重なり領域ＯＶＬ２６に照射領域１０２が含まれるように、距離Ｚ１を設定できる。３次元測定装置２０１によれば、交差方向における被測定物体１００の強度Ｏ_ｘ等の光学情報に加えてｚ方向の距離Ｚ_ｘ等の光学情報を取得し、被測定物体１００の３次元イメージングを実現できる。

第１実施形態の３次元測定装置２０１において、照射装置２１１は、受光装置２２１とＭＣＦ２１を共有し、光源１０と、複数の変調器１４－１、・・・、１４－ｍと、を備える。複数の変調器１４－１、・・・、１４－ｍは、光源１０から出射された光ＬＷ１を互いに異なる位相（空間分布）を有する複数の光に変調するとともに、変調された複数の光をＭＣＦ２１の複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍに入射させる。

上述の３次元測定装置２０１では、ＭＣＦ２１は、受光装置２２１の受光部材であるが、照射装置２１１の投光部材を兼ねている。従来では投光部材と受光部材とを別々に配置するためのスペースを確保しなければならなかったが、上述の３次元測定装置２０１によれば、これらのスペースを１つにまとめ、全体の設置スペースを小さくすることができる。

上述の３次元測定装置２０１では、ＭＣＦ２１の複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍの各々に、複数の変調器１４－１、・・・、１４－ｍの各々で所定の位相量に位相シフトされた変調光ＬＷ２が入射する。コア２６－１、・・・、２６－ｍごとにｚ方向に伝搬した変調光ＬＷ２は、ＭＣＦ２１の出射端面３２から自由空間内に出射するとともに拡散し、フラウンホーファー回折によって合成され、照射領域１０２において所定の空間分布を有する変調光ＬＷ２を形成する。複数の変調器１４－１、・・・、１４－ｍの各々での位相シフト量と照射領域１０２での空間分布とは互いに対応するため、複数の変調器１４－１、・・・、１４－ｍの各々での位相シフト量を適宜設定及び変更すれば、所望の空間分布を有する変調光ＬＷ２を容易に形成できる。

以上説明した第１実施形態の受光装置２２１は、被測定物体１００の照射領域１０２に対して照射領域１０２内で所定の変調パターンで空間変調された変調光ＬＷ２が照射されたときの被測定物体１００の３次元情報を取得するために用いられる装置である。受光装置２２１は、上述のＭＣＦ２１と、計算機５０と、を備える。ＭＣＦ２１は、複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍのうち２つ以上のコア（例えば、２６－ｐ、２６－ｑ）の各々で受光可能な出射光ＬＷ４の受光角度範囲θ_ｐ、θ_ｑが互いに重なる重なり領域ＯＶＬ２６内に照射領域１０２が含まれるように、所定の開口数ＮＡを有する。

上述の受光装置２２１によれば、少なくとも照射領域１０２に変調光ＬＷ２が照射された被測定物体１００について、交差方向における複数の検出点（即ち、照射領域１０２内の測定位置）の強度Ｏ_ｘ等の光学情報に加えてｚ方向の距離Ｚ_ｘ等の光学情報を取得し、被測定物体１００の３次元イメージングを実現できる。また、受光装置２２１において、高い開口数ＮＡを有する複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍが交差方向でミクロンオーダーの短い間隔をあけて配置されている。したがって、互いに独立した複数の受光素子を空間内に分散させて配置する従来の受光装置に比べて、小型な受光装置２２１を実現できる。

（第２実施形態）
次いで、本発明に係る第２実施形態の３次元測定装置２０２について説明する。以下、３次元測定装置２０２の構成のうち、第１実施形態の３次元測定装置２０１の構成と共通するものには、当該構成と同一の符号を付し、第１実施形態と重複する説明は省略する。

第２実施形態では、図７に示すように、３次元測定装置２０２の照射装置２１２は、光源１０と、分波器１２と、複数の変調器１４－１、・・・、１４－ｇと、受光装置２２１のＭＣＦ２１とは別体のＭＣＦ（第２マルチコアファイバ）２２と、を備える。ｇは、２以上の自然数であり、ＭＣＦ２２のコア２６－１・・・、２６－ｇの総数である。ｇは、ｍと等しくてもよく、ｍとは異なってもよい。

ＭＣＦ２２は、複数のコア２６－１・・・、２６－ｇを有する。複数のコア２６－１・・・、２６－ｇの入射端には、ｇ本の接続用ファイバ１１－３の各々の出射端が接続されている。複数のコア２６－１・・・、２６－ｇには、ｇ本の接続用ファイバ１１－３を介して変調器１４－１、・・・、１４－ｇで変調された複数の光が入射可能である。複数のコア２６－１・・・、２６－ｇの出射端から、変調光ＬＷ２が自由空間内に出射される。

ＭＣＦ２１とＭＣＦ２２とは、互いに異なる位置に配置され、被測定物体１００の照射領域１０２の中央Ｑを中心とする周方向で互いに間隔をあけて配置されている。ＭＣＦ２２の出射端面３８は、ｚ方向で被測定物体１００の照射領域１０２と向き合っている。ＭＣＦ２１の受光端面３３は、略中央Ｃを中心としてＭＣＦ２２の出射端面３８とは異なる角度方向から被測定物体１００の照射領域１０２と向き合っている。ＭＣＦ２２は、ＭＣＦ２１とは別体であるが、第１実施形態で説明した照射部材としてのＭＣＦ２１と同様の原理に基づいて複数のコア２６－１・・・、２６－ｇの配置及び各コアを伝搬する光の位相シフト量に応じて、出射端面３８で変調光ＬＷ２を形成する。ＭＣＦ２２の出射端面３８で複素振幅分布Ｅ_ｉ（ζ，η）を有する変調光ＬＷ２は、出射端面３８からｚ方向を中心にして自由空間を伝搬し、フラウンホーファー回折し、照射面１０５近傍で複素振幅分布Ｆ_ｉ（ｘ，ｙ）を有する照射光ＬＷ３を形成する。なお、図７及び図８に示す照射面１０５について、中央Ｑを中心とする照射面１０５の角度は適宜設定される。

図８では、受光装置２２１と被測定物体１００との配置をわかりやすく示すために、照射装置２１２は省略されている。図８に示すように、ＭＣＦ２１の開口数ＮＡは、複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍのうちコア２６－ｐ、２６－ｑの各々で受光可能な受光角度範囲θ_ｐ、θ_ｑが互いに重なり、且つ重なり領域ＯＶＬ２６内に被測定物体１００の少なくとも照射領域１０２が含まれる、という条件を満たすように設定されている。

第２実施形態では、照射面１０５は、照射領域１０２の中央Ｑを通り、ｗ方向に直交する面とする。第１実施形態と同様にコア２６－１、・・・、２６－ｍ及びクラッド２８の材質特有の屈折率によってＭＣＦ２１の開口数ＮＡが所定の範囲内に制約され、被測定物体１００の照射領域１０２の大きさが決まっている場合、ｗ方向（出射光ＬＷ４の進行方向）において照射面１０５とＭＣＦ２１の受光端面３３との距離Ｚ１は、前述の条件を満たすように、開口数ＮＡとｗ方向から見たときの照射面１０５の大きさとによって設定されている。

照射光ＬＷ３が照射された被測定物体１００の照射領域１０２から、ｚ方向及び－ｚ方向に対して傾斜したｗ方向に向かって出射光ＬＷ４が反射される。出射光ＬＷ４は、ＭＣＦ２１の複数のコア２６－１・・・、２６－ｍで受光される。その後の受光装置２２１での動作等は、第１実施形態で説明した受光装置２２１での動作等と同様である。但し、第２実施形態の受光装置２２１は、第１実施形態の受光装置２２１とは異なり、照射装置２１２と共有する部分を有していない。ＭＣＦ２１の複数のコア２６－１・・・、２６－ｍの出射端の各々には、接続用ファイバ１１－５の入射端が接続されている。

以上説明した第２実施形態の３次元測定装置２０２は、照射装置２１２と、受光装置２２１と、を備える。第２実施形態の受光装置２２１は、ＭＣＦ２１及び計算機５０を備える。３次元測定装置２０２及び受光装置２２１において、ＭＣＦ２１は、複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍのうち２つ以上のコア（例えば、２６－ｐ、２６－ｑ）の各々で受光可能な出射光ＬＷ４の受光角度範囲θ_ｐ、θ_ｑが互いに重なる重なり領域ＯＶＬ２６内に照射領域１０２が含まれるように、所定の開口数ＮＡを有する。

第２実施形態の３次元測定装置２０２及び受光装置２２１によれば、第１実施形態の３次元測定装置２０１と同様に、交差方向における被測定物体１００の強度Ｏ_ｘ等の光学情報に加えてｚ方向の距離Ｚ_ｘ等の光学情報を取得し、被測定物体１００の３次元イメージングを実現できる。また、第２実施形態の３次元測定装置２０２及び受光装置２２１によれば、互いに独立した複数の受光素子を空間内に分散させて配置する従来の装置に比べて、受光素子に相当する複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍ同士の交差方向での間隔を縮小し、受光部材の省スペース化を図ることができる。

第２実施形態の３次元測定装置２０２では、照射装置２１２は、光源１０と、複数の変調器１４－１、・・・、１４－ｇと、ＭＣＦ２２と、を備える。複数の変調器１４－１、・・・、１４－ｇは、光源１０から出射された光ＬＷ１を互いに異なる空間分布を有する複数の変調光ＬＷ２に変調する。ＭＣＦ２２は、複数のコア２６－１・・・、２６－ｇを有し、ＭＣＦ２１とは別体で形成され、ＭＣＦ２１とは異なる位置に配置されている。複数のコア２６－１・・・、２６－ｇは、変調器１４－１、・・・、１４－ｇで変調された複数の変調光ＬＷ２が入射可能、且つ出射端から離れた位置にある被測定物体１００の照射領域１０２の近傍で照射光ＬＷ３を形成するように、複数の変調光ＬＷ２を出射端から出射する。

上述の３次元測定装置２０２によれば、投光部材としてのＭＣＦ２２と、受光部材としてのＭＣＦ２１とを別体とすることによって、ＭＣＦ２２は投光部材として求められる条件を満たすように設計され、ＭＣＦ２１は受光部材として求められる条件を満たすように設計可能である。ＭＣＦ２２に求められる条件は、複数の変調器１４－１、・・・、１４－ｇで変調された変調光ＬＷ２をコア２６－１・・・、２６－ｇの出射端から自由空間内に出射させるとともにフラウンホーファー回折させた際に、照射領域１０２近傍で照射光ＬＷ３を形成することである。ＭＣＦ２２のコア２６－１・・・、２６－ｇの数ｇ、配置及び開口数ＮＡ等の設計パラメータは、ＭＣＦ２１とは独立に、前述の条件を満たすように適宜設定されている。一方、ＭＣＦ２１に求められる条件は、複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍのうち２つ以上のコア（例えば、２６－ｐ、２６－ｑ）の各々で受光可能な出射光ＬＷ４の受光角度範囲θ_ｐ、θ_ｑが互いに重なる重なり領域ＯＶＬ２６内に照射領域１０２が含まれることである。ＭＣＦ２１のコア２６－１・・・、２６－ｍの数ｍ、配置及び開口数ＮＡ等の設計パラメータは、前述の条件を満たすように適宜設定されている。第１実施形態では、ＭＣＦ２１は、受光部材と投光部材とを兼ねているため、上述のＭＣＦ２１に求められる条件とＭＣＦ２２に求められる条件の両方を同時に満たす設計パラメータを有する必要がある。第２実施形態の３次元測定装置２０２によれば、照射装置２１２、受光装置２２１及び３次元測定装置２０２の設計の自由度を高めることができる。

（第３実施形態）
次いで、本発明に係る第３実施形態の３次元測定装置２０３について説明する。以下、３次元測定装置２０３の構成のうち、第１実施形態の３次元測定装置２０１の構成及び第２実施形態の３次元測定装置２０２と共通するものには、当該構成と同一の符号を付し、第１実施形態と重複する説明は省略する。

図９に示すように、３次元測定装置２０３の照射装置２１３は、光源１０と、第１レンズ７１と、空間変調器８０と、を備える。第１レンズ７１は、光源１０から出射された光ＬＷ１を光軸に交差する断面で照射領域１０２以上の大きさを有する平行光にコリメートする。第１レンズ７１は、光源１０の出射端から光ＬＷ１の光軸上で第１レンズ７１の焦点距離ｆ１だけ離れた位置に配置されている。第１レンズ７１の開口サイズ及び開口数は、焦点距離ｆ１及び空間変調器８０の変調面８１の大きさをふまえて適宜設定されている。

図１０に示すように、空間変調器８０において光ＬＷ１が照射される面は、変調面８１を構成している。空間変調器８０は、変調面８１に光ＬＷ１の光軸方向に交差する面内の画素に対応して配列された複数の変調素子８２を有する。複数の変調素子８２は、不図示の制御装置に接続され、制御装置から受信する電気信号に応じて第１レンズ７１でコリメートされた平行光ＬＷ１－２の反射方向、位相等の空間分布を互いに独立に変更する。空間変調器８０としては、例えば空間光位相変調器（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ － Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏr：ＬＣＯＳ－ＳＬＭ）、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ（ＤＭＤ）等を適用できる。空間変調器８０が例えばＬＣＯＳ－ＳＬＭであれば、変調素子８２として、液晶とＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）との積層体が用いられる。空間変調器８０が例えばＤＭＤであれば、変調素子８２として、画素と略同じ大きさの微小平板鏡と、微小平板鏡の傾斜を変更するためのＣＭＯＳと、微小平板鏡及びＣＭＯＳとを連結するヒンジ等を備えた機構が用いられる。

図９に示すように、３次元測定装置２０３の受光装置２２２は、第２実施形態の３次元測定装置２０２の受光装置２２２と同じ構成を備え、ＭＣＦ２１の受光端面３３よりもｗ方向の後方に配置された第２レンズ７２をさらに備える。第２レンズ７２は、ＭＣＦ２１の受光端面３３から光ＬＷ４の光軸上（即ち、ｗ方向）で第２レンズ７２の焦点距離ｆ２だけ離れた位置に配置されている。第２レンズ７２の開口サイズ及び開口数は、焦点距離ｆ２及び被測定物体１００の照射領域１０２の大きさをふまえて適宜設定されている。

３次元測定装置２０３では、光源１０から出射されると共に第１レンズ７１でコリメートされた平行光ＬＷ１－２は、空間変調器８０によって変調面８１で空間変調され、照射光ＬＷ３を形成する。照射光ＬＷ３は、変調された空間分布を略保った状態で被測定物体１００の照射領域１０２に照射される。被測定物体１００から反射された出射光ＬＷ４は、コリメートされている状態を略保持しつつ、ｗ方向に進行し、第２レンズ７２に入射する。

図１１に示すように、ＭＣＦ２１の開口数ＮＡは、複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍのうちコア２６－ｐ、２６－ｑの各々で受光可能な受光角度範囲θ_ｐ、θ_ｑが互いに重なり、且つ重なり領域ＯＶＬ２６内に被測定物体１００の少なくとも照射領域１０２が含まれるという条件を満たすように設定されている。第２レンズ７２は、被測定物体１００からコリメートされた状態で反射された出射光ＬＷ３をｗ方向を中心に収束させて高い結合効率でＭＣＦ２１の複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍの少なくとも２つのコア２６－ｐ、２６－ｑに入射させるために設けられている。第３実施形態において、重なり領域ＯＶＬ２６内に被測定物体１００の少なくとも照射領域１０２が含まれるということは、第２レンズ７２に入射する照射領域１０２からの出射光ＬＷ４が重なり領域ＯＶＬ２６内に含まれることを意味する。

第３実施形態では、照射面１０５は、照射領域１０２をｗ方向の前方へ第２レンズ７２の中心面（又は主面）に移動させた照射領域１０２´の少なくとも一部と重なる面とする。第１実施形態と同様にコア２６－１、・・・、２６－ｍ及びクラッド２８の材質特有の屈折率によってＭＣＦ２１の開口数ＮＡが所定の範囲内に制約され、被測定物体１００の照射領域１０２及び照射領域１０２´の大きさが決まっている場合、ｗ方向（出射光ＬＷ４の進行方向）において照射面１０５とＭＣＦ２１の受光端面３３との距離Ｚ１は、前述の条件を満たすように、開口数ＮＡとｗ方向から見たときの照射面１０５の大きさとによって設定されている。

第２レンズ７２に入射した出射光ＬＷ４は、ｗ方向に進行しつつ、ｗ方向に交差する方向で収束し、ＭＣＦ２１の複数のコア２６－１・・・、２６－ｍで受光される。その後の受光装置２２２での動作等は、第１実施形態で説明した受光装置２２１での動作等と同様である。但し、第３実施形態の受光装置２２２は、第２実施形態の受光装置２２１と同様に、照射装置２１３と共有する部分を有していない。ＭＣＦ２１の複数のコア２６－１・・・、２６－ｍの出射端の各々には、接続用ファイバ１１－５の入射端が接続されている。

以上説明した第３実施形態の３次元測定装置２０３は、照射装置２１３と、受光装置２２２と、を備える。第３実施形態の受光装置２２２は、ＭＣＦ２１及び計算機５０を備える。３次元測定装置２０３及び受光装置２２２において、ＭＣＦ２１は、複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍのうち２つ以上のコア（例えば、２６－ｐ、２６－ｑ）の各々で受光可能な出射光ＬＷ４の受光角度範囲θ_ｐ、θ_ｑが互いに重なる重なり領域ＯＶＬ２６内に照射領域１０２´が含まれるように、所定の開口数ＮＡを有する。

第３実施形態の３次元測定装置２０３及び受光装置２２２によれば、第１実施形態の３次元測定装置２０１と同様に、交差方向における被測定物体１００の強度Ｏ_ｘ等の光学情報に加えてｚ方向の距離Ｚ_ｘ等の光学情報を取得し、被測定物体１００の３次元イメージングを実現できる。また、第３実施形態の３次元測定装置２０３及び受光装置２２２によれば、互いに独立した複数の受光素子を空間内に分散させて配置する従来の装置に比べて、受光素子に相当する複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍ同士の交差方向での間隔を縮小し、受光部材の省スペース化を図ることができる。

第３実施形態の３次元測定装置２０３では、照射装置２１３は、光源１０と、第１レンズ７１と、空間変調器８０と、を備える。第１レンズ７１は、光源１０から出射された光ＬＷ１を光ＬＷ１の光軸に交差する断面及び空間変調器８０の変調面８１で照射領域１０２以上の大きさを有する平行光ＬＷ１－２にコリメートする。空間変調器８０は、第１レンズ７１によってコリメートされた平行光ＬＷ１－２を空間変調することによって照射光ＬＷ３を形成するとともに、照射光ＬＷ３を被測定物体１００の照射領域１０２に照射可能に構成されている。

上述の３次元測定装置２０３では、第１実施形態の３次元測定装置２０１及び第２実施形態の３次元測定装置２０２とは異なり、ＭＣＦではなく空間変調器８０を用いて、光源１０から出射され且つ第１レンズ７１でコリメートされた平行光ＬＷ１－２を空間変調し、直接的に照射光ＬＷ３を形成できる。

第３実施形態の３次元測定装置２０３では、受光装置２２２は、第２レンズ７２と、ＭＣＦ２１と、計算機５０と、を備える。第２レンズ７２は、概ねコリメートされた状態で被測定物体１００から出射された出射光ＬＷ４をｗ方向を中心にｗ方向に交差する方向で集光させてＭＣＦ２１のコア２６－１、・・・、２６－ｍに入射させることができる。受光装置２２２によれば、第２レンズ７２を配置するスペースを必要とするものの、受光素子として、高い開口数ＮＡを有する複数のコア２６－１、・・・、２６－ｍをＭＣＦ２１においてｗ方向に交差する面内でミクロンオーダーの短い間隔をあけて配置し、小型化を図ることができる。

なお、第３実施形態の３次元測定装置２０３において、第２レンズ７２を配置しなくても被測定物体１００の照射領域１０２から出射される出射光ＬＷ４が被測定物体１００の光学情報を取得可能な程度に高い効率でＭＣＦ２１のコア２６－１、・・・、２６－ｍで受光可能な場合は、第２レンズ７２を省略可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は特定の態様に限定されない。本発明は、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々変形及び変更可能である。

例えば、第１実施形態のＭＣＦ２１では、上述したようにＭＣＦ２１が投光部材と受光部材とを兼ねている。所定の空間分布を有する照射光ＬＷ３をフラウンホーファー回折によって形成するために求められるコアの数及びコア同士の間隔と、重なり領域ＯＶＬ２６に照射領域１０２が含まれる条件を満たすために求められるコアの数及びコア同士の間隔とは、異なる場合がある。その場合は、ＭＣＦ２１のコアの数ｍは、前述の求められるコアの数のうち大きい方の数と同一であってもよい。ＭＣＦ２１のコア同士の最小間隔は、前述の求められるコア同士の間隔のうち小さい方の間隔と同一であってもよい。前述の求められるコアの数のうち小さい方については、ＭＣＦ２１のｍ個のコア２６－１、・・・、２６－ｍのうちの前述の求められるコアの数のうち小さい方の数のコアのみを用いることができる。例えば、所定の空間分布を有する照射光ＬＷ３をフラウンホーファー回折によって形成するために求められるコアの数が８であり、重なり領域ＯＶＬ２６に照射領域１０２が含まれる条件を満たすために求められるコアの数が２であれば、ＭＣＦ２１のコアの数ｍを８とし、被測定物体１００から出射される出射波ＬＷ４を８個のコアのうち重なり領域ＯＶＬ２６に照射領域１０２が含まれる条件を満たす間隔を有する２つのコアで受光すればよい。

上述の各実施形態では、例えば光源１０から出射された光ＬＷ１を光軸に交差する面内で位相変調することによって照射波ＬＷ３を形成することを説明したが、照射波ＬＷ３は光ＬＷ１の位相以外に強度、偏光等を変調することによって形成されてもよい。本発明において、照射波ＬＷ３は、ＭＣＦ２１の複数のコアで出射波ＬＷ４を受光することによって被測定物体１００の３次元イメージングが可能となるように空間変調されればよい。

本発明に係る受光装置は、既設され且つ被測定物体に照射波を照射する別の装置と併用されてもよい。

本発明に係る３次元測定装置及び受光装置は、上述の各実施形態で説明したように被測定物体から反射される出射波に限らず、被測定物体から透過した出射波を受光してもよい。また、本発明に係る３次元測定装置及び受光装置では、計算機で被測定物体の光学情報を抽出可能であれば、出射波に対して所定の光学処理が施されても構わない。

２０１、２０２、２０３ ３次元測定装置
２１１、２１２、２１３ 照射装置
２２１、２２２ 受光装置

Claims (11)

1. 被測定物体の照射領域に対して前記照射領域内で所定の変調パターンで複数回の空間変調がされた照射光を照射する照射装置と、
   前記照射光が照射された前記被測定物体から複数回出射されるとともに前記照射領域における前記被測定物体の情報を含む複数回の出射光を受光する２つ以上のコアを有する第１マルチコアフイバと、前記２つ以上のコアの各々が受光した前記複数回の出射光の光学情報及び前記複数回の照射光の光学情報に基づいて前記被測定物体の３次元情報を算出する光学情報算出部と、を有する受光装置と、
   を備え、
   前記第１マルチコアファイバは、前記２つ以上のコアの各々で受光可能な前記出射光の受光角度範囲が互いに重なる重なり領域内に前記照射領域が含まれるように、前記２つ以上のコアの各々において前記出射光の最大受光角と前記被測定物体と前記第１マルチコアファイバとの間の領域の屈折率とによって求まる開口数を有する、
   ３次元測定装置。
2. 前記所定の変調パターンで複数回の空間変調がされた前記照射光は複素振幅分布を有する、
   請求項１に記載の３次元測定装置。
3. 前記第１マルチコアファイバの受光端面は前記照射領域と対向するように配置されている、
   請求項１又は２に記載の３次元測定装置。
4. 前記照射領域の全域が前記重なり領域内に配置されている、
   請求項１から３の何れか一項に記載の３次元測定装置。
5. 前記出射光の進行方向において前記照射領域の少なくとも一部と重なる照射面と前記第１マルチコアファイバの受光端面との距離は、前記開口数と前記照射面に沿う方向での前記照射領域の大きさとに応じて設定されている、
   請求項１から４の何れか一項に記載の３次元測定装置。
6. 前記照射装置は、
   前記第１マルチコアファイバを共有し、
   光源と、
   前記光源から出射された光を互いに異なる空間分布を有する複数の光に変調するとともに、変調された前記複数の光を前記第１マルチコアファイバの複数のコアに入射させる変調器と、
   を備える、
   請求項１から５の何れか一項に記載の３次元測定装置。
7. 前記照射装置は、
   光源と、
   前記光源から出射された光を互いに異なる空間分布を有する複数の光に変調する変調器と、
   前記変調器で変調された前記複数の光が入射可能、且つ出射端から離れた前記被測定物体の照射領域で前記照射光を形成するように前記複数の光を前記出射端から出射する複数のコアを有するとともに、前記第１マルチコアファイバとは異なる位置に配置されている第２マルチコアファイバと、
   を備える、
   請求項１から５の何れか一項に記載の３次元測定装置。
8. 前記照射装置は、
   光源と、
   前記光源から出射された光を前記光の光軸に交差する断面で前記照射領域以上の大きさを有する平行光にコリメートする第１レンズと、
   前記第１レンズによってコリメートされた前記光を空間変調することによって前記照射光を形成するとともに、前記照射光を前記照射領域に照射する空間変調器と、
   を備える、
   請求項１から５の何れか一項に記載の３次元測定装置。
9. 前記光学情報算出部は、
   前記変調パターンから算出可能な前記照射光の光強度と前記２つ以上のコアの各々で検出された前記出射光の光強度から以下の（１）式を用いて、前記２つ以上のコアの各々で受光した前記照射領域における複数の測定位置での前記出射光の強度を算出し、
   算出した前記照射領域における前記複数の測定位置での前記出射光の強度から、前記照射領域の少なくとも一部と重なる照射面を基準面とした前記被測定物体の厚みに関する光学情報が含まれる視差画像を再構成し、
   前記２つ以上のコアのうちの２つのコアの各々の受光端面の中心と前記複数の測定位置のうち１つの測定位置とを結ぶ線同士のなす角度、前記受光端面での前記２つのコアの中心間の距離、及び、前記照射光の進行方向において前記照射光が出射された位置と前記照射面との距離に対する前記照射光が出射された位置と１つの前記測定位置との距離の相対値を算出することによって、前記照射領域における複数の測定位置での前記出射光の強度を前記被測定物体の光学情報として取得し、
   前記２つ以上のコアの各々で受光した前記照射領域における複数の測定位置での前記出射光の強度、及び、前記光学情報としての前記照射領域における複数の測定位置での前記出射光の強度によって前記被測定物体の３次元情報を算出する、
   請求項１に記載の３次元測定装置。
   

   

   なお、上述の（１）式において、
   Ｂ _ｊ ；前記２つ以上のコアのうちのｊ番目の前記コアで検出された前記出射光の光強度、
   Ｉ _ｃ－ｘ ；ｃ番目の変調回数の前記変調パターンから算出可能な前記照射光の前記照射領域におけるｘ番目の測定位置の光強度、
   Ｏ _ｘ ；前記照射領域におけるｘ番目の測定位置での強度、
   Ｃ；前記空間変調を行う回数、
   Ｘ；前記測定位置の総数、
   である。
10. 被測定物体の照射領域に対して前記照射領域内で所定の変調パターンで複数回の空間変調がされた照射光が照射された被測定物体の３次元情報を取得するために用いられる受光装置であり、
    前記複数回の照射光が照射された前記被測定物体から出射されるとともに前記照射領域における前記被測定物体の情報を含む複数回の出射光を受光可能な２つ以上のコアを有する第１マルチコアファイバと、
    前記２つ以上のコアの各々が受光した前記複数回の出射光の光学情報及び前記複数回の照射光の光学情報に基づいて前記被測定物体の３次元情報を算出する光学情報算出部と、
    を備え、
    前記第１マルチコアファイバは、前記２つ以上のコアの各々で受光可能な前記複数回の出射光の受光角度範囲が互いに重なる重なり領域内に前記照射領域が含まれるように、前記２つ以上のコアの各々において前記受光角度範囲から決まる前記出射光の最大受光角と前記被測定物体と前記第１マルチコアファイバとの間の領域の屈折率とによって求まる開口数を有する、
    受光装置。
11. 前記光学情報算出部は、
    前記変調パターンから算出可能な前記照射光の光強度と前記２つ以上のコアの各々で検出された前記出射光の光強度から以下の（１）式を用いて、前記２つ以上のコアの各々で受光した前記照射領域における複数の測定位置での前記出射光の強度を算出し、
    算出した前記照射領域における前記複数の測定位置での前記出射光の強度から、前記照射領域の少なくとも一部と重なる照射面を基準面とした前記被測定物体の厚みに関する光学情報が含まれる視差画像を再構成し、
    前記２つ以上のコアのうちの２つのコアの各々の受光端面の中心と前記複数の測定位置のうち１つの測定位置とを結ぶ線同士のなす角度、前記受光端面での前記２つのコアの中心間の距離、及び、前記照射光の進行方向において前記照射光が出射された位置と前記照射面との距離に対する前記照射光が出射された位置と１つの前記測定位置との距離の相対値を算出することによって、前記照射領域における複数の測定位置での前記出射光の強度を前記被測定物体の光学情報として取得し、
    前記２つ以上のコアの各々で受光した前記照射領域における複数の測定位置での前記出射光の強度、及び、前記光学情報としての前記照射領域における複数の測定位置での前記出射光の強度によって前記被測定物体の３次元情報を算出する、
    請求項１０に記載の受光装置。
    

    

    なお、上述の（１）式において、
    Ｂ _ｊ ；前記２つ以上のコアのうちのｊ番目の前記コアで検出された前記出射光の光強度、
    Ｉ _ｃ－ｘ ；ｃ番目の変調回数の前記変調パターンから算出可能な前記照射光の前記照射領域におけるｘ番目の測定位置の光強度、
    Ｏ _ｘ ；前記照射領域におけるｘ番目の測定位置での強度、
    Ｃ；前記空間変調を行う回数、
    Ｘ；前記測定位置の総数、
    である。

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