WO2016194018A1 - 照明装置及び計測装置 - Google Patents

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大智 渡邊
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Definitions

  • the present invention relates to an illumination device used for three-dimensional shape measurement and a measurement device using the same.
  • a pattern projection method is known as a method for measuring the three-dimensional shape of an object surface in a non-contact manner (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • a specific reference pattern is projected onto the measurement target object, the projection pattern deformed according to the three-dimensional shape of the projected surface is captured by an imager from a direction different from the projection direction, and the captured pattern is captured.
  • the three-dimensional shape of the measurement target surface is calculated.
  • Patent Document 1 discloses a measuring device arranged at the tip of an endoscope.
  • the phase shift method is used to measure the three-dimensional shape of the surface of the measurement object.
  • the phase shift method is a method in which interference fringes are projected onto a measurement target object, and the initial phase distribution is obtained by calculation based on image data obtained by sequentially changing the phase of a projected grating pattern. Based on this phase distribution, the object surface shape is obtained by the principle of triangulation.
  • This pattern projection method is non-contact, so it doesn't damage the measurement target, it can measure even soft objects, and it can capture information over a wide range of the measurement target surface instantly.
  • advantages such as the ability to measure dynamically changing objects and a wider dynamic range of measurement compared to interference measurement. Therefore, it is widely used in various fields.
  • observation illumination for observing an object (without a pattern)
  • measurement illumination for measuring a three-dimensional shape (with a pattern).
  • the lighting switch was controlled by turning the light source on and off. For this reason, since two light sources and an optical system are required for the illumination for observation and the illumination for measurement, there existed a problem that an apparatus enlarged.
  • an object of the present invention made by paying attention to these points is to provide a small illumination device in which a light source and an optical system are shared between observation illumination and measurement illumination, and a measurement device using the same. There is.
  • the invention of a lighting device that achieves the above object is as follows: A light source unit that emits coherent light; A polarization separator that separates the optical path according to the polarization direction of the incident light; The light emitted from the polarization separation unit and projected thereon is between the polarization component of the light transmitted through each optical path separated by the polarization separation unit and the polarization component of the light transmitted through any one of the optical paths. And a projection polarization switching mechanism for switching.
  • the projection polarization switching mechanism is disposed between the light source unit and the polarization separation unit, and a polarization adjustment unit that adjustably changes a polarization state of light emitted from the light source unit; And a polarizer that is disposed downstream of the polarization separator and transmits only linearly polarized light in a specific direction.
  • the polarization adjusting unit includes a half-wave plate and a half-wave plate rotating unit configured to adjust the direction of the optical axis of the half-wave plate by rotating the half-wave plate. It is preferable to provide.
  • the polarization adjustment unit the 1/4 wavelength plate disposed on the polarization separation unit side of the 1/2 wavelength plate, by rotating the 1/4 wavelength plate, and a quarter-wave plate rotating unit configured to be able to adjust the direction of the optical axis.
  • the polarization adjustment unit includes a phase modulation unit that controls a phase difference of each polarization whose optical path is separated by the polarization separation unit on the light source unit side of the half-wave plate.
  • the projection polarization switching mechanism is disposed between the light source unit and the polarization separation unit, and changes a polarization state of light emitted from the light source unit, and the polarization separation And a polarizer configured to be capable of adjusting the direction of the transmission axis.
  • the polarization adjusting unit includes a half-wave plate, a half-wave plate rotating unit configured to rotate the half-wave plate and adjust the direction of the optical axis of the half-wave plate, It is preferable to provide a quarter wavelength plate disposed on the side of the polarization separation portion of the half wavelength plate.
  • each of the illumination devices includes a polarization maintaining waveguide, and the polarization maintaining waveguide has the polarization maintaining direction equal to each polarization direction separated by the polarization separation unit. It arrange
  • the invention of a measuring device that achieves the above object is Any of the above lighting devices;
  • An imaging unit that captures an image of a subject on which interference fringes are projected by the illumination device;
  • the apparatus includes an interference fringe of an image of the subject imaged by the imaging unit, and a calculation unit that derives the shape of the object based on a positional relationship between the illumination device and the imaging unit. is there.
  • the projection polarization switching mechanism causes the light emitted from the polarization separation unit to be projected, and the polarization component in a specific direction of the light transmitted through the respective optical paths separated by the polarization separation unit, Since it is configured to be switchable between polarization components of light transmitted through one optical path, a compact illumination device that shares a light source and an optical system between observation illumination and measurement illumination, and measurement using the same An apparatus can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of an optical system
  • (b) is a figure which shows direction of each optical element at the time of illumination illumination for measurement
  • (C) is a figure which shows the direction of each optical element at the time of illumination for observation.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a schematic configuration of the illumination apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 1A is a schematic configuration diagram of an optical system
  • FIG. FIG. 1C shows the orientation of each optical element
  • FIG. 1C shows the orientation of each optical element during measurement illumination irradiation.
  • the illumination device includes a semiconductor laser 101 as an illumination light source, a collimating lens 102, a half-wave plate 103, and a polarization in the order in which light emitted from the semiconductor laser 101 is transmitted.
  • PANDA Polarization-maintainingizationAND Absorption-reducing
  • the light source unit of the present embodiment includes a semiconductor laser 101, a collimator lens 102, a half-wave plate 103, and a polarizing plate 104, and the polarization separation unit includes a rutile 111, a half retardation film 112, and a rutile 113. It is comprised including.
  • the projection polarization switching mechanism includes a half-wave plate unit 105, a quarter-wave plate unit 107, and a polarizing film 114. Of these, the half-wave plate unit 105 and the quarter-wave plate unit 107 constitute a polarization adjustment unit.
  • the direction along the principal ray of the light emitted from the semiconductor laser 101 is defined as the z direction
  • the directions perpendicular to each other in a plane perpendicular to the z direction are defined as the x direction and the y direction, respectively.
  • the light emitted from the semiconductor laser 101 becomes parallel light through the collimating lens 102, passes through the half-wave plate 103, the polarizing plate 104, the half-wave plate unit 105, and the quarter-wave plate unit 107. It is coupled to the PANDA fiber 110 through the coupling lens 109. The light coupled to the PANDA fiber 110 is guided through the PANDA fiber 110 and emitted from an end surface different from the incident surface.
  • the emitted light passes through the rutile 111, the half retardation film 112, and the rutile 113, the optical path is branched depending on the polarization direction.
  • Each branched light passes through the polarizing film 114 and becomes linearly polarized light having a polarization component only in the transmission axis direction of the polarizing film 114.
  • the light that has passed through the polarizing film 114 is formed into an illumination light beam by the wide-angle projection lens 115.
  • the wavelength of light emitted from the semiconductor laser 101 is, for example, 650 nm, and all the optical elements are optimized to function with respect to 650 nm light. Further, an antireflection film is applied to the boundary surface of the member through which light passes.
  • the semiconductor laser 101 may be a laser of another wavelength, a wavelength tunable laser, a light source that emits multi-wavelength light, or the like.
  • the polarizing plate 104 is installed so that its transmission axis is in the y direction, and only linearly polarized light in the y direction is transmitted through the polarizing plate 104.
  • the half-wave plate 103 is installed by adjusting the direction of the optical axis so that the amount of light transmitted through the polarizing plate 104 is maximized.
  • the half-wave plate unit 105 includes a half-wave plate 106 and a rotation drive system (a half-wave plate rotating unit) (not shown).
  • the quarter-wave plate unit 107 includes a quarter-wave plate 108 and a rotation drive system (a quarter-wave plate rotating unit) (not shown).
  • the half-wave plate 106 and the quarter-wave plate 108 with respect to the z-axis are controlled by a control signal from a control unit unique to the illumination device (not shown) or a control unit of a measurement device using the illumination device described later. It is adjusted to an arbitrary rotation angle.
  • PANDA fiber 110 is a polarization maintaining fiber using birefringence.
  • the direction in which the refractive index is high and the direction in which the refractive index is low are referred to as the Slow axis and the Fast axis, respectively.
  • the light incident on one end of the polarization maintaining fiber is divided into two linearly polarized light components in the slow axis direction and the fast axis direction
  • the light of the linearly polarized light component parallel to the slow axis is Light from the other end is emitted as linearly polarized light parallel to the Slow axis
  • light having a linearly polarized light component parallel to the Fast axis is emitted from the other end of the polarization maintaining fiber as linearly polarized light parallel to the Fast axis.
  • the PANDA fiber 110 is arranged so that its slow axis is in the y direction. However, the following description holds true even when the slow axis is in the x direction.
  • the rutiles 111 and 113 are uniaxial birefringent crystals, for example, a flat plate having a thickness of 0.35 mm, and the angle formed by the optical axis with respect to the normal of the surface of the flat plate can be 48 °. This angle is a condition in which the separation width at which rutile separates polarized light is maximized. Conditions separation width of the birefringent crystal flat is maximized, each n o the refractive index and the extraordinary refractive index of ordinary ray of the birefringence crystal, when a n e, the normal and the optical axis of the surface of the plate This is when the angle formed by arctan (n e / n o ).
  • the optical axes of the rutile 111 and the rutile 113 are arranged so as to be parallel to the yz plane and not to be parallel to each other. That is, the optical axes of the rutile 111 and the rutile 113 are reversed only in the z direction.
  • the half retardation film 112 is disposed between the rutile 111 and the rutile 113 so that the optical axis thereof is 45 ° with respect to the x axis in the xy plane.
  • the light 116 that passes through the rutile 111 as ordinary light has its polarization direction rotated when passing through the half retardation film 112, passes through the rutile 113 as abnormal light, and passes through the rutile 111 as abnormal light.
  • the direction of polarization is rotated, and the light beam passes through the rutile 113 as ordinary light.
  • the polarizing film 114 is arranged such that its transmission axis is 45 ° with respect to the x axis in the xy plane.
  • the light beams 116 and 117 whose optical paths are branched by the rutile 111, the half phase difference film 112 and the rutile 113 are polarization components orthogonal to each other and have no coherence, so that no interference fringes are formed.
  • an interference fringe can be formed by extracting only a polarization component having coherence with the polarizing film 114.
  • the wide-angle projection lens 115 is a concave lens, and widens the divergence angle of the light beam emitted from the PANDA fiber 110.
  • the wide-angle projection lens 115 may be a convex lens. In this case, the light transmitted through the wide-angle projection lens 115 once converges and then diverges.
  • FIG. 1B and FIG. 1C show the transmission axis direction of the polarizing plate 104, the optical axis direction of the half-wave plate 106, and 1/4 for the observation illumination irradiation and the measurement illumination irradiation, respectively.
  • the optical axis direction of the wave plate 108, the slow axis direction of the incident side end face and the outgoing side end face of the PANDA fiber 110, the optical axis direction of the half retardation film 112, and the transmission axis direction of the polarizing film 114 are shown.
  • the directions of the optical axes of the half-wave plate 106 and the quarter-wave plate 108 are different between when the observation illumination is irradiated and when the measurement illumination is irradiated.
  • the half-wave plate 106 and the quarter-wave plate 108 are arranged so that their optical axes are parallel to the y direction.
  • the light incident on the PANDA fiber 110 and the light emitted from the PANDA fiber 110 to the rutile 111 are only linearly polarized light parallel to the Slow axis of the PANDA fiber 110. Since this linearly polarized light has only an ordinary light component for the rutile 111 and only an extraordinary light component for the rutile 113, the optical path does not branch. That is, in this case, only the optical path of the light 116 passes. For this reason, an interference fringe pattern does not appear in the projected illumination.
  • the arrangement order of the rutile 111 and the rutile 113 is reversed, the ordinary light and the extraordinary light are reversed, but the optical path is not branched as described above.
  • the 1 ⁇ 4 wavelength plate 108 is arranged so that its optical axis is 45 ° with respect to the x axis in the xy plane.
  • the light that has passed through the quarter-wave plate 108 has the same amplitude of the polarization component in the x-axis direction and the y-axis direction.
  • the light incident on the PANDA fiber 110 has the same polarization component amplitude in the slow axis direction and the fast axis direction
  • the light incident on the rutile 111 also has two polarization components having the same amplitude in the x axis direction and the y axis direction. Have.
  • the two polarization components are rutile 111 and the optical paths are branched into the two lights 116 and 117, and propagate through the rutile 111 and 1/2 retardation films 112 and 113. Since the branched lights 116 and 117 have the same amplitude, the lights 116 and 117 that have passed through the polarizing film 114 become two light beams having the same amplitude and polarization, and form high-contrast interference fringes on the subject.
  • the interference fringes projected on the subject can be scanned by rotating the optical axis of the half-wave plate 106 with respect to the z-axis in the measurement illumination.
  • the light that has passed through the half-wave plate 106 and the quarter-wave plate 108 has a phase difference ⁇ rad between the polarization components in the x-axis direction and the y-axis direction as compared to before passing.
  • the phase difference of the polarization component between the slow axis direction and the fast axis direction of the light incident on the PANDA fiber 110 can be changed. It can.
  • the phase difference of the light 116 and 117 branched by the rutile 111, the 1/2 phase difference film 112, and the rutile 113 can be changed. Since the brightness of the two-beam interference fringe changes sinusoidally with respect to the phase difference ⁇ between the two beams at an arbitrary point, rotating the optical axis of the half-wave plate 106 with respect to the z-axis makes it possible to The brightness of an arbitrary point can be changed sinusoidally.
  • the quarter-wave plate unit 107 has an optical axis direction of 45 ° with respect to the y direction and the x axis.
  • the half-wave plate unit 105 controls the phase difference of polarized light passing through the optical paths of the respective lights 116 and 117 when the optical axis of the quarter-wave plate 108 forms 45 ° with respect to the x-axis. .
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a measurement device using the illumination device according to the first embodiment.
  • the measurement device includes the above-described illumination device, a camera 121, and a control unit 122.
  • the camera 121 is disposed at a position away from the wide-angle projection lens 115 in the scanning direction 124 of the interference fringe pattern 123.
  • the camera 121 captures an image based on a control signal from the control unit 122.
  • the control unit 122 is mounted on computer hardware including a CPU and a memory, and is electrically connected to the half-wave plate unit 105 and the quarter-wave plate unit 107. The direction of the optical axis of the quarter-wave plate 108 is controlled.
  • the user of the measurement device can switch between the observation illumination and the measurement illumination from an input device (not shown) connected to the control unit.
  • the control unit 122 also functions as a calculation unit that derives the shape of the subject from the interference fringes of the subject image captured by the camera 121 and the positional relationship between the wide-angle projection lens 115 of the illumination device and the camera 121.
  • the measurement device is not limited to the illumination device according to the first embodiment, and can be similarly configured even when the illumination devices according to the following second to fifth embodiments are used.
  • the polarization state of light emitted from the same semiconductor laser 101 is changed by the quarter-wave plate unit 107, and polarized light having substantially the same amplitude in the x and y directions. It is possible to switch between a polarization state having a component and linearly polarized light having a polarization component only in the y direction. As a result, the polarized light (measurement illumination) transmitted through the respective optical paths of the light 116 and 117 separated by the rutile 111, the half phase difference film 112 and the rutile 113, and the one of the light 116 are projected. It is possible to switch between the polarized component (observation illumination) transmitted through the optical path. That is, according to the present embodiment, since the common light source and the optical system can be used for the measurement illumination and the observation illumination, the illumination device and the measurement device can be reduced in size.
  • the half-wave plate unit 105 it is possible to adjust the phase difference between the light 116 and the light 117 that have passed through the two optical paths branched in the measurement illumination. Accordingly, it is possible to irradiate the subject with different phase differences and measure the interference fringes, which is suitable for measuring a three-dimensional shape based on the phase shift method.
  • the PANDA fiber 110 is disposed between the coupling lens 109 and the rutile 111, the light emitted from the quarter-wave plate 108 (polarization adjusting unit) retains the polarization components in the Fast axis and Slow axis directions. In this state, the light enters the rutile 111 (polarization separation unit).
  • the polarization component is well maintained, so that good measurement can be performed during measurement illumination.
  • the illumination device according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
  • This illuminating device is provided with a liquid crystal retarder 201 and a 1 ⁇ 2 wavelength plate unit 202 except for the 1 ⁇ 2 wavelength plate unit 105 and the 1 ⁇ 4 wavelength plate unit 107 from the illuminating device according to the first embodiment. It is a thing. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In FIG. 3, the configuration of the optical system subsequent to the PANDA fiber 110 in FIG. 1 is omitted.
  • the projection polarization switching mechanism includes a liquid crystal retarder 201, a half-wave plate unit 202, and a polarizing film 114.
  • the liquid crystal retarder 201 and the half-wave plate unit 202 constitute a polarization adjustment unit.
  • the liquid crystal retarder 201 corresponds to a phase modulation unit.
  • the liquid crystal retarder 201 gives a phase difference between linearly polarized light having a direction of 45 ° with respect to the x axis and linearly polarized light having a direction of ⁇ 45 ° with respect to the x axis, based on a control signal from a control unit (not shown).
  • the half-wave plate unit 202 includes a half-wave plate 203 and a rotation drive system (a half-wave rotation unit) (not shown), and a half-wave plate according to a control signal from a control unit (not shown).
  • the optical axis 203 is rotated around the z axis and adjusted to an arbitrary rotation angle with respect to the y axis.
  • the illumination device of the present embodiment causes only the linearly polarized light parallel to the slow axis of the PANDA fiber 110 to enter the PANDA fiber 110 during illumination for observation.
  • a linearly polarized light can be obtained by setting the retarder amount of the liquid crystal retarder 201 to 0 rad and the optical axis of the half-wave plate 203 to 0 ° with respect to the x-axis.
  • the direction of the optical axis of the half-wave plate 203 is a direction that forms 22.5 ° with respect to the x-axis.
  • the two linearly polarized light components given the phase difference by the liquid crystal retarder 201 become polarized light components in the x direction and the y direction, and are incident as linearly polarized light parallel to the Fast axis and the Slow axis of the PANDA fiber 110, respectively. That is, the amplitudes of the projected two light beams are equal, and the phase difference can be changed by the liquid crystal retarder 201.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained. Furthermore, in the present embodiment, since a liquid crystal retarder without a mechanical drive unit is used as the phase modulation unit, it is difficult to break down and the phase can be switched at high speed. Therefore, the measurement speed at the time of measurement can be improved.
  • the liquid crystal retarder 201 it is not necessary to provide the liquid crystal retarder 201, and only the half-wave plate unit 202 can be switched between observation illumination and measurement illumination. Is possible. In that case, the polarization adjusting unit can be configured by only the half-wave plate unit 202.
  • FIG. 4 differs from FIG. 3 in that the coordinate axis is rotated by ⁇ 45 ° around the z axis. In other words, FIG. 4 is a view seen from directions inclined by 45 ° with respect to the x-axis and the y-axis, respectively. 4, the configuration of the optical system subsequent to the PANDA fiber 110 in FIG. 1 is omitted as in FIG.
  • the Babinet Soleil compensator 301 includes crystals 302, 303, and 304 and a linear drive system (not shown).
  • the crystals 302 and 303 have a shape obtained by dividing a flat plate of the left crystal into two wedge-shaped prisms.
  • the crystal 304 is a right crystal, and the thickness thereof is the same as a flat plate formed by combining the crystal 302 and the crystal 303.
  • the crystal 302 is installed in a linear drive system (not shown), and is adjusted to an arbitrary position parallel to the xy plane and in the direction of 45 ° with respect to the x axis by a control signal from a control unit (not shown).
  • the optical axes of the crystals 302 and 303 are parallel to the xy plane and arranged in a 45 ° direction with respect to the x axis, and the optical axis of the crystal 304 is parallel to the xy plane and ⁇ 45 ° to the x axis. Arranged in the direction. Thereby, by moving the position of the crystal 302, a phase difference is given to the linearly polarized light in the direction of 45 ° on the x axis and the linearly polarized light in the direction of ⁇ 45 ° to the x axis. Since other configurations and operations are the same as those of the second embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and furthermore, the phase difference can be changed over a wide wavelength range by using the Babinet Soleil compensator.
  • the illumination device according to the fourth embodiment replaces the liquid crystal retarder 201 of the second embodiment as a phase modulation unit, and includes a polarizing beam splitter 401, quarter wave plates 402 and 404, a plane mirror 403, and a reflection mirror.
  • the polarizing plate 104 is different from the second embodiment in the direction of the transmission axis.
  • the arrangement of the half-wave plate unit 202 is also different from that of the second embodiment.
  • the polarization beam splitter 401 is arranged such that its beam splitter surface is perpendicular to the yz plane and its normal is 45 ° with respect to the z-axis, reflects linearly polarized light parallel to the x direction, and is in the y direction. Transmits linearly polarized light parallel to.
  • the plane mirror 403 is disposed in the y direction of the polarization beam splitter 401 so that the normal direction thereof is the principal ray direction of the light reflected by the polarization beam splitter 401.
  • the reflective phase modulator 405 is disposed in the z direction of the polarization beam splitter 401 so that the normal direction thereof is the principal ray direction of the light transmitted through the polarization beam splitter 401.
  • the quarter wavelength plate 402 has an optical axis parallel to the xz plane and 45 ° with respect to the z axis, and is disposed between the polarizing beam splitter 401 and the plane mirror 403.
  • the quarter-wave plate 404 has an optical axis parallel to the xy plane and 45 ° with respect to the y-axis, and is disposed between the polarizing beam splitter 401 and the reflective phase modulator 405.
  • the polarizing plate 104 is arranged such that the transmission axis forms 45 ° with respect to the x axis in the xy plane.
  • the half-wave plate 103 is arranged by adjusting the direction of the optical axis so that the amount of light transmitted through the polarizing plate 104 is maximized.
  • the half-wave plate unit 202 is disposed on the opposite side to the surface of the polarization beam splitter 401 on which the quarter-wave plate 402 and the plane mirror 403 are provided, that is, in the ⁇ y direction. Since other configurations are the same as those of the second embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the light emitted from the semiconductor laser 101 is transmitted through the collimating lens 102 and the half-wave plate 103, and then the polarization direction is inclined by 45 ° with respect to the x direction by the polarizing plate 104. It enters the polarization beam splitter 401 as the linearly polarized light.
  • the linearly polarized light component parallel to the x direction of the light incident on the polarization beam splitter 401 is reflected by the beam splitter surface of the polarization beam splitter 401, passes through the quarter-wave plate 402 and becomes circularly polarized light, and is reflected by the plane mirror 403. Reflected.
  • the reflected circularly polarized light is transmitted through the quarter-wave plate 402 to become linearly polarized light parallel to the y direction, is transmitted through the beam splitter surface of the polarization beam splitter 401, and enters the half-wave plate unit 202.
  • the linearly polarized light component parallel to the y direction passes through the beam splitter surface of the polarizing beam splitter 401, passes through the quarter-wave plate 404, becomes circularly polarized light, and is reflected by the reflective phase modulator 405.
  • the reflected circularly polarized light passes through the quarter wavelength plate 404 and becomes linearly polarized light parallel to the x direction, is reflected by the beam splitter surface of the polarization beam splitter 401, and enters the half wavelength plate unit 202.
  • the reflective phase modulator 405 has a plane mirror 406 and a linear drive system (not shown).
  • the plane mirror 406 is installed in a linear drive system, and the linear drive system receives a control signal from a control unit (not shown) and adjusts the position in the z direction.
  • the optical path length of the light incident on the half-wave plate unit 202 via the reflection type phase modulator 405 can be adjusted. Therefore, the phase difference between the linearly polarized light parallel to the x direction and the linearly polarized light parallel to the y direction can be adjusted.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • a MEMS mirror is used as the reflection type phase modulator, there is an effect that modulation can be performed at a higher speed than other systems. Furthermore, there is an advantage that durability against temperature is higher than that of a liquid crystal retarder.
  • FIGS. 6A is a schematic configuration diagram of the optical system
  • FIG. 6B is a diagram illustrating the orientation of each optical element during observation illumination
  • FIG. 6C is each optical element during measurement illumination.
  • FIG. 6 (b) and 6 (c) show a polarizing plate 104, a half-wave plate 106, a quarter-wave plate 501 and a PANDA fiber by the same method as in FIGS. 1 (b) and 1 (c).
  • the directions of the incident surface and the exit surface 110, the half retardation film 112, and the polarizing plate 503 are shown.
  • the illumination device is provided with a quarter-wave plate 501 and a polarizing plate unit 502 except for the quarter-wave plate unit 107 and the polarizing film 114 from the illumination device according to the first embodiment.
  • the projection polarization switching mechanism includes the half-wave plate unit 105, the quarter-wave plate 501 and the polarizing plate unit 502.
  • the quarter-wave plate 501 is arranged so that its optical axis is parallel to the xy plane and is 45 ° with respect to the x-axis.
  • the polarizing plate unit 502 includes a rotation drive system (not shown) and a polarizing plate 503.
  • the polarizing plate 503 is installed in a rotation drive system, and the rotation angle of the transmission axis is adjusted by a control signal from a control unit (not shown). Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the polarizing plate unit 502 when irradiating observation illumination, is arranged so that the transmission axis of the polarizing plate 503 is in the y direction. As a result, the illumination light projected is only the polarization component of the light 116, so that no interference fringe pattern appears on the subject.
  • the polarizing plate 503 when irradiating the measurement illumination, is arranged so that the transmission axis is 45 ° with respect to the x-axis. Since the illumination projected thereby has both the polarization component of the light 116 and the polarization component of the light 117, an interference fringe pattern appears on the subject. Similarly to the first embodiment, by rotating the half-wave plate 106, the phase difference between the light 116 and the light 117 is controlled, and the brightness of an arbitrary point of the subject is changed sinusoidally. Can be made.
  • the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the illumination for observation and the illumination for measurement can be switched by operating the polarizing plate unit arranged on the subject side. become.
  • this invention is not limited only to the said embodiment, Many deformation
  • the orientations in the x direction and the y direction, the orientations of the Slow axis and Fast axis of the PANDA fiber 110, the arrangement order of the rutiles 111 and 113, etc. are merely examples.
  • the same effect can be obtained by changing the orientation of the entire optical system in the x and y directions, the orientation of the slow and fast axes of the PANDA fiber 110, or the arrangement of the rutile 111 and the rutile 113.
  • the optical crystal used for the polarization separation unit is not limited to rutile (TiO 2 ).
  • birefringent crystals such as calcite (CaCO 3 ) and yttrium vanadate (YVO 4 ) can be used.

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Abstract

照明装置は、可干渉性を有する光を射出する半導体レーザー１０１を含む光源部と、入射した光の偏光方向により光路を分離するルチル１１１、1/2位相差フィルム１１２、ルチル１１３を含む偏光分離部と、偏光分離部から出射して投影される光を、偏光分離部で分離されるそれぞれの光路を透過した光の偏光成分と、何れか一つの光路を透過した光の偏光成分との間で切り替える1/2波長板ユニット１０５、1/4波長板ユニット１０７および偏光フィルム１１４を含む投影偏光切替機構とを備える。これにより、観察用照明及び計測用照明の光源および光学系を共通化した小型の照明装置及びこれを用いた計測装置を提供することができる。

Description

照明装置及び計測装置
　本発明は、三次元形状計測に用いられる照明装置及びこれを用いる計測装置に関する。
　非接触で物体表面の三次元形状を計測する方法に、パターン投影法が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。この方法は、計測対象物体に特定の基準パターンを投影し、投影された面の三次元形状に応じて変形した投影パターンを投影方向とは別の方向から撮像器でとらえ、その撮像したパターンを解析することで、計測対象面の三次元形状を算出するものである。
　例えば、特許文献１では、内視鏡の先端に配置される計測装置が開示されている。この、装置では、計測対象物の表面の３次元形状を計測するために、位相シフト法を用いている。位相シフト法は、計測対象物体に干渉縞を投影し、投影する格子パターンの位相を順次変化させて撮像した画像データを基に、その初期位相分布を演算で求める方法である。この位相分布に基づいて、三角測量の原理により物体表面形状が求められる。
　このようなパターン投影法による計測方法は、非接触なため計測対象を傷つけずにすみ、また柔らかい物体でも計測可能なこと、計測対象面の広い範囲にわたる情報を瞬時にとらえることで、高速な計測あるいは動的に変化する物の計測が可能なこと、干渉計測に比べ計測のダイナミックレンジが広いこと等の利点がある。そのため、様々な分野に広く利用されている。
米国特許第８１０７０８３号明細書 特開平５－２１１９８８号公報
　しかしながら、従来のパターン投影法による計測装置では、対象物を観察するための観察用照明（パターンなし）と、三次元形状を計測するための計測用照明（パターンあり）との二つの照明系を備え、光源のON/OFFにより照明の切り替えを制御していた。このため、観察用照明と計測用照明とのために二つの光源及び光学系が必要となるため、装置が大型化するという問題があった。
　したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、観察用照明と計測用照明との間で光源及び光学系を共通化した小型の照明装置及びこれを用いた計測装置を提供することにある。
　上記目的を達成する照明装置の発明は、
　可干渉性を有する光を射出する光源部と、
　入射した光の偏光方向により光路を分離する偏光分離部と、
　前記偏光分離部から出射して投影される光を、前記偏光分離部で分離されるそれぞれの光路を透過した光の偏光成分と、何れか一つの光路を透過した光の偏光成分との間で切り替える投影偏光切替機構と
を備えることを特徴とするものである。
　一実施形態において、前記投影偏光切替機構は、前記光源部と前記偏光分離部との間に配置され、前記光源部から射出される光の偏光状態を調整可能に変化させる偏光調整部と、前記偏光分離部の後段に配置され、特定方向の直線偏光のみを透過する偏光子とを備えることができる。
　前記偏光調整部は、1/2波長板と、該1/2波長板を回転させることにより該1/2波長板の光学軸の向きを調整可能に構成される1/2波長板回転部とを備えることが好ましい。
　また、前記偏光調整部は、前記1/2波長板の前記偏光分離部側に配置された1/4波長板と、該1/4波長板を回転させることにより、該1/4波長板の光学軸の向きを調整可能に構成される1/4波長板回転部とを備えるように構成できる。
　あるいは、前記偏光調整部は、前記1/2波長板の前記光源部側に、前記偏光分離部で光路が分離されるそれぞれの偏光の位相差を制御する位相変調部を備えることが好ましい。
　他の実施形態において、前記投影偏光切替機構は、前記光源部と前記偏光分離部との間に配置され、前記光源部から射出される光の偏光状態を変化させる偏光調整部と、前記偏光分離部の後段に配置され、透過軸の向きを調整可能に構成された偏光子とを備えることができる。
　前記偏光調整部は、1/2波長板と、該1/2波長板を回転させ該1/2波長板の光学軸の向きを調整可能に構成される1/2波長板回転部と、前記1/2波長板の前記偏光分離部側に配置された1/4波長板とを備えることが好ましい。
　さらに好ましくは、前記各照明装置において、偏波保持導波路を備え、該偏波保持導波路は、偏波保持方向が前記偏光分離部で分離されるそれぞれの偏光方向と等しくなるように、前記光源部から前記偏光分離部までの間に配置される。
　上記目的を達成する計測装置の発明は、
　上記何れかの照明装置と、
　前記照明装置により干渉縞が投影された被写体の画像を撮影する撮像部と、
　前記撮影部により撮影された前記被写体の画像の干渉縞、及び、前記照明装置と前記撮像部との位置関係に基づいて、被写体の形状を導出する演算部と
を備えることを特徴とするものである。
　本発明によれば、投影偏光切替機構により、前記偏光分離部から出射して投影される光を、偏光分離部で分離されるそれぞれの光路を透過した光の特定方向の偏光成分と、何れか一つの光路を透過した光の偏光成分との間で切り替え可能に構成したので、観察用照明と計測用照明との間で光源および光学系を共通化した小型の照明装置及びこれを用いた計測装置を提供することができる。
第１実施の形態に係る照明装置の概略構成を説明する図であり、（ａ）は、光学系の概略構成図、（ｂ）は、計測用照明照射時の各光学素子の向きを示す図、（ｃ）は、観察用照明照射時の各光学素子の向きを示す図である。 第１実施の形態に係る照明装置を用いた計測装置の概略構成図である。 第２実施の形態に係る照明装置の概略構成を説明する図である。 第３実施の形態に係る照明装置の概略構成を説明する図である。 第４実施の形態に係る照明装置の概略構成を説明する図である。 第５実施の形態に係る照明装置の概略構成を説明する図であり、（ａ）は、光学系の概略構成図、（ｂ）は、計測用照明照射時の各光学素子の向きを示す図、（ｃ）は、観察用照明照射時の各光学素子の向きを示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
　図１は、第１実施の形態に係る照明装置の概略構成を説明する図であり、図１（ａ）は、光学系の概略構成図、図１（ｂ）は、観察用照明照射時の各光学素子の向きを示す図、図１（ｃ）は、計測用照明照射時の各光学素子の向きを示す図である。
　図１（ａ）に示すように、照明装置は、照明光源としての半導体レーザー１０１と、半導体レーザー１０１から射出された光が透過する順に、コリメートレンズ１０２と、1/2波長板１０３と、偏光板１０４と、1/2波長板ユニット１０５と、1/4波長板ユニット１０７と、カップリングレンズ１０９と、PANDA（Polarization-maintaining AND Absorption-reducing）ファイバ１１０（偏波保持導波路）と、ルチル１１１と、1/2位相差フィルム１１２と、ルチル１１３と、偏光フィルム１１４（偏光子）と、広角投影レンズ１１５と、で構成される。
　本実施の形態の光源部は、半導体レーザー１０１、コリメートレンズ１０２、1/2波長板１０３及び偏光板１０４を含み、偏光分離部は、ルチル１１１、1/2位相差フィルム１１２、及び、ルチル１１３を含んで構成される。また、投影偏光切替機構は、1/2波長板ユニット１０５、1/4波長板ユニット１０７、及び、偏光フィルム１１４を含んで構成される。このうち、1/2波長板ユニット１０５と1/4波長板ユニット１０７とは、偏光調整部を構成する。
　図１および以下の図において、半導体レーザー１０１から射出される光の主光線に沿う方向をz方向とし、z方向に直行する平面で互いに直行する方向をそれぞれx方向、y方向とする。
　半導体レーザー１０１から射出された光はコリメートレンズ１０２を介して平行光となり、1/2波長板１０３、偏光板１０４、1/2波長板ユニット１０５、1/4波長板ユニット１０７、を通過し、カップリングレンズ１０９を介してPANDAファイバ１１０へカップリングされる。PANDAファイバ１１０へカップリングした光はPANDAファイバ１１０を導波して入射面とは異なる端面から射出される。射出された光はルチル１１１、1/2位相差フィルム１１２、ルチル１１３を透過する際に、偏光方向により光路が分岐される。分岐されたそれぞれの光は偏光フィルム１１４を通過して、偏光フィルム１１４の透過軸方向のみの偏光成分を有する直線偏光となる。偏光フィルム１１４を通過した光は、広角投影レンズ１１５により照明光束に形成される。
　半導体レーザー１０１が射出する光の波長は、例えば、650nmであり、全ての光学素子は650nmの光に対して機能するように最適化されている。また、光が通過する部材の境界面は反射防止膜が施されている。もちろん、半導体レーザー１０１は他の波長のレーザーや、波長可変レーザー、多波長の光を射出する光源等であっても良い。
　偏光板１０４は、その透過軸がy方向になるように設置され、y方向の直線偏光のみが偏光板１０４を透過する。1/2波長板１０３は、偏光板１０４を透過する光量が最大となるように、光学軸の方向を調整して設置される。1/2波長板ユニット１０５は、1/2波長板１０６と図示しない回転駆動系（1/2波長板回転部）を有する。また、1/4波長板ユニット１０７は、1/4波長板１０８と図示しない回転駆動系（1/4波長板回転部）を有する。図示しない照明装置固有の制御部、または、後述する照明装置を使用する計測装置の制御部からの制御信号により、1/2波長板１０６と1/4波長板１０８とは、z軸に対して任意の回転角に調整される。
　PANDAファイバ１１０は複屈折を利用した偏波保持ファイバである。偏波保持ファイバでは、屈折率の高い方向、低い方向をそれぞれSlow軸、Fast軸と呼び、導波する光はそれぞれの軸に対して偏波が保持される。つまり、偏波保持ファイバの一端へ入射する光をSlow軸方向とFast軸方向との二つの直線偏光成分に分けて考えた場合、Slow軸に平行な直線偏光成分の光は偏波保持ファイバの他端からSlow軸に平行な直線偏光として射出され、Fast軸に平行な直線偏光成分の光は偏波保持ファイバの他端からFast軸に平行な直線偏光として射出される。本実施の形態では、PANDAファイバ１１０は、そのSlow軸がy方向になるように配置されたものとする。しかし、以下の説明はSlow軸をｘ方向とした場合でも同様に成立する。
　ルチル１１１、１１３は一軸性の複屈折結晶であり、例えば、厚みがともに0.35mmの平板で、その光学軸が平板の表面の法線に対して成す角度を48°とすることができる。この角度は、ルチルが偏光を分離する分離幅が最大となる条件である。複屈折結晶平板の分離幅が最大となる条件は、複屈折結晶の常光の屈折率と異常光の屈折率とをそれぞれno、neとしたとき、平板の表面の法線と光学軸とが成す角度がarctan（ne/no）のときである。
　ルチル１１１とルチル１１３の光学軸はy－z面に平行で、それぞれの光学軸が互いに平行でないように配置される。すなわち、ルチル１１１とルチル１１３の光学軸は、ｚ方向の向きのみが反転している。1/2位相差フィルム１１２は、その光学軸がx－y面においてx軸に対して45°となるようにルチル１１１とルチル１１３の間に配置される。これにより、ルチル１１１を常光として通過する光１１６は、1/2位相差フィルム１１２を透過する際に偏光方向が回転され、ルチル１１３を異常光として通過し、ルチル１１１を異常光として通過する光１１７は1/2位相差フィルム１１２を透過する際に偏光方向が回転され、ルチル１１３を常光として通過する。
　このとき、照明光の出射側から、ルチル１１３、1/2位相差フィルム１１２、ルチル１１１を介してPANDAファイバ１１０の光射出点を眺めると、ｘ－ｙ面でのPANDAファイバ１１０の実際の光射出点に対して対称な位置に2点の虚像が観察される。
　偏光フィルム１１４は、その透過軸がx－y面においてx軸に対して45°となるように配置される。ルチル１１１、1/2位相差フィルム１１２及びルチル１１３により光路が分岐されたそれぞれの光１１６，１１７は互いに直交する偏光成分であり、可干渉性がないため干渉縞を形成しない。しかし、偏光フィルム１１４により可干渉性を有する偏光成分のみを抽出することで、干渉縞を形成することができる。
　広角投影レンズ１１５は凹レンズであり、PANDAファイバ１１０より射出された光束の発散角を広げる。なお、広角投影レンズ１１５は凸レンズとしても良く、その場合、広角投影レンズ１１５を透過した光は、一旦収束した後発散する。
　次に、投影偏光切替機構による観察用照明と計測用照明との切り替えを図１（ｂ）および図１（ｃ）を用いて説明する。図１（ｂ）と図１（ｃ）とには、それぞれ、観察照明照射時と計測照明照射時について、偏光板１０４の透過軸方向、1/2波長板１０６の光軸方向、1/4波長板１０８の光軸方向、PANDAファイバ１１０の入射側端面および出射側端面のSlow軸方向、1/2位相差フィルム１１２の光学軸方向、偏光フィルム１１４の透過軸方向を示している。1/2波長板１０６と1/4波長板１０８とのそれぞれの光学軸の方向は、観察用照明の照射時と計測用照明の照射時とで異なる。
　まず、観察用照明について説明する。図１（ｂ）に示すように、1/2波長板１０６と1/4波長板１０８は、それぞれの光学軸がy方向と平行となるように配置される。これにより、PANDAファイバ１１０へ入射する光、および、PANDAファイバ１１０からルチル１１１へ射出される光は、PANDAファイバ１１０のSlow軸に平行な直線偏光のみとなる。この直線偏光は、ルチル１１１に対しては常光成分のみ、ルチル１１３に対しては異常光成分のみであるため、光路の分岐は生じない。すなわち、この場合光１１６の光路のみを通る。このため、投影される照明に干渉縞パターンは現れない。なお、ルチル１１１とルチル１１３の配置順序を逆にした場合には、常光と異常光が逆になるが、上記と同様に光路の分岐は生じない。
　次に、計測用照明について説明する。図１（ｃ）に示すように、1/4波長板１０８は、その光学軸がx－y面においてx軸に対して45°となるように配置される。これにより、1/4波長板１０８を通過した光は、x軸方向とy軸方向との偏光成分の振幅が等しくなる。また、PANDAファイバ１１０へ入射する光はSlow軸方向とFast軸方向との偏光成分の振幅が等しく、ルチル１１１に入射する光もx軸方向とy軸方向とで振幅の等しい２つの偏光成分を有する。このため、２つの偏光成分はルチル１１１で２つの光１１６，１１７に光路が分岐されルチル１１１，1/2位相差フィルム１１２及び１１３を伝搬する。分岐された光１１６，１１７は振幅が等しいので、偏光フィルム１１４を通過した光１１６，１１７は振幅と偏光が等しい二光束となり、被写体上にコントラストの高い干渉縞を形成する。
　ここで、計測用照明において1/2波長板１０６の光学軸をz軸に対して回転させると、被写体上に投影される干渉縞を走査させることができることを説明する。1/2波長板１０６と1/4波長板１０８とを通過した光は、通過する前に比べてx軸方向とy軸方向との偏光成分に位相差δradが生じる。この位相差δradは1/2波長板１０６の光学軸の回転角θradに対してδ=π/2－4θで与えられる。つまり、1/2波長板１０６の光学軸をz軸を回転軸として回転させることで、PANDAファイバ１１０へ入射する光のSlow軸方向とFast軸方向との偏光成分の位相差を変化させることができる。これによって、ルチル１１１、1/2位相差フィルム１１２及びルチル１１３で分岐される光１１６、１１７の位相差を変化させることができる。二光束干渉縞の明るさは任意の点において二光束の位相差φに対して正弦波的に変化するため、1/2波長板１０６の光学軸をz軸に対して回転させることで、被写体の任意の点の明るさを正弦波的に変化させることができる。
　以上のように、1/4波長板ユニット１０７は、1/2波長板１０６の光学軸がｙ方向を向いている場合に、光学軸の方向をｙ方向とｘ軸に対して45°方向との間で切り替えることにより、偏光分離部を通る光の光路を切り替える機能を有する。また、1/2波長板ユニット１０５は、1/4波長板１０８の光学軸がｘ軸に対して45°を成す場合に、それぞれの光１１６，１１７の光路を通る偏光の位相差を制御する。
　次に、図２を用いて計測装置について説明する。図２は、第１実施の形態に係る照明装置を用いた計測装置の概略構成図である。計測装置は、上述の照明装置と、カメラ１２１と、制御部１２２とを備える。カメラ１２１は、広角投影レンズ１１５に対して、干渉縞パターン１２３の走査方向１２４へ離れた位置に配置される。カメラ１２１は、制御部１２２からの制御信号に基づいて撮像を行う。制御部１２２は、例えば、CPUおよびメモリを備えたコンピュータハードウェアに実装され、1/2波長板ユニット１０５および1/4波長板ユニット１０７に電気的に接続され、1/2波長板１０６及び1/4波長板１０８の光学軸の向きを制御する。計測装置の使用者は、制御部と接続された図示しない入力装置から、観察用照明と計測用照明とを切り替えることができる。また、制御部１２２は、カメラ１２１により撮像される被写体の画像の干渉縞、及び、照明装置の広角投影レンズ１１５とカメラ１２１との位置関係から、被写体の形状を導出する演算部としても機能する。なお、計測装置は、第１実施の形態に係る照明装置に限らず、以下の第２から第５実施の形態に係る照明装置を使用しても、同様に構成することが可能である。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、同一の半導体レーザー１０１から射出された光の偏光状態を1/4波長板ユニット１０７によって変化させ、ｘ方向及びｙ方向に略等しい振幅の偏光成分を有する偏光状態と、ｙ方向のみの偏光成分を有する直線偏光との間で切り替えることができる。これによって、投影する光を、ルチル１１１、1/2位相差フィルム１１２及びルチル１１３により分離される光１１６、１１７のそれぞれの光路を透過した偏光成分（計測用照明）と、一方の光１１６の光路を透過した偏光成分（観察用照明）との間で切り替えることができる。すなわち、本実施の形態によれば、計測用照明と観察用照明とにおいて、共通の光源と光学系とを用いることができるので、照明装置および計測装置を小型化することができる。
　また、1/2波長板ユニット１０５を設けたことにより、計測用照明において分岐される2つの光路を通った光１１６と光１１７との間の位相差を調整することができる。これによって、異なる位相差で被写体を照射して、干渉縞を計測することができるので、位相シフト法に基づく３次元形状の計測に好適である。
　さらに、カップリングレンズ１０９とルチル１１１との間にPANDAファイバ１１０を配置したので、1/4波長板１０８（偏光調整部）から出射した光は、Fast軸およびSlow軸方向の偏光成分が保持された状態で、ルチル１１１（偏光分離部）に入射する。これにより、内視鏡等に適用された場合に、PANDAファイバ１１０による導光距離が長い場合でも、偏光成分が良好に保持されるので、計測用照明時に良好な計測が可能になる。
（第２実施の形態）
　図３を用いて第２実施の形態に係る照明装置について説明する。この照明装置は、第１実施の形態に係る照明装置から、1/2波長板ユニット１０５と1/4波長板ユニット１０７とを除き、液晶リターダ２０１と、1/2波長板ユニット２０２とを設けたものである。その他の構成は第１実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。図３では、図１のPANDAファイバ１１０より後段の光学系の構成を省略している。
　本実施の形態において、投影偏光切替機構は、液晶リターダ２０１、1/2波長板ユニット２０２及び偏光フィルム１１４を含んで構成される。このうち、液晶リターダ２０１、1/2波長板ユニット２０２とは、偏光調整部を構成する。また、液晶リターダ２０１は、位相変調部に対応する。
　液晶リターダ２０１は、図示しない制御部からの制御信号により、x軸に対して45°の方向の直線偏光と、x軸に対して－45°の方向の直線偏光との間に位相差を与える。また、1/2波長板ユニット２０２は、1/2波長板２０３と図示しない回転駆動系（1/2波長回転部）とを有し、図示しない制御部からの制御信号により1/2波長板２０３の光学軸をz軸回りに回転させｙ軸に対して任意の回転角に調整する。
　本実施の形態の照明装置は、観察用照明照射時においては、PANDAファイバ１１０のSlow軸に平行な直線偏光のみをPANDAファイバ１１０へ入射させる。例えば、液晶リターダ２０１のリターダ量を0rad、1/2波長板２０３の光学軸をx軸に対して0°とすることによって、そのような直線偏光が得られる。
　一方、計測用照明においては、1/2波長板２０３の光学軸の方向をx軸に対して22.5°を成す方向とする。これにより、液晶リターダ２０１で位相差を与えられた二つの直線偏光成分は、x方向およびｙ方向の偏光成分となり、それぞれPANDAファイバ１１０のFast軸とSlow軸に平行な直線偏光として入射する。つまり、投影される二光束の振幅が等しく、その位相差は液晶リターダ２０１で変化させることができる。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、第１実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、本実施の形態では、位相変調部として機械的な駆動部の無い液晶リターダを用いているので、故障し難く且つ位相を高速で切り替えることが可能となる。したがって、計測時の計測速度を向上させることができる。なお、照明装置から投影される干渉縞パターンを変化させる必要が無い場合は、液晶リターダ２０１を設ける必要はなく、1/2波長板ユニット２０２のみで、観察用照明と計測用照明との切り替えが可能である。その場合、偏光調整部は1/2波長板ユニット２０２のみで構成することができる。
（第３実施の形態）
　図４を用いて第３実施の形態に係る照明装置について説明する。第３実施の形態に係る照明装置は、位相変調部として第２実施の形態の液晶リターダ２０１に代えて、バビネソレイユ補償器３０１を設けたものである。ただし、図４は図３とは異なり、座標軸をｚ軸回りに－45°回転させた図となっている。言い換えれば、図４は、x軸とy軸とに対してそれぞれ45°傾いた方向から見た図となっている。なお、図４においても図３と同様に、図１のPANDAファイバ１１０より後段の光学系の構成を省略している。
　バビネソレイユ補償器３０１は、水晶３０２、３０３、３０４と図示しない直線駆動系とを有する。水晶３０２、３０３は左水晶の平板を、２つのくさび形のプリズムに分割した形状を有する。水晶３０４は右水晶で、その厚みは水晶３０２と水晶３０３とを合わせた平板と同じである。水晶３０２は、図示しない直線駆動系に設置され、図示しない制御部からの制御信号によりx－y面に平行でx軸に対して45°方向の任意の位置に調整される。水晶３０２及び３０３の光学軸は、x－y面に平行でx軸に対して45°方向に配置され、水晶３０４の光学軸は、x－y面に平行でx軸に対して－45°方向に配置される。これにより、水晶３０２の位置を動かすことで、x軸に45°の方向の直線偏光とx軸に－45°の方向の直線偏光とに位相差が与えられる。その他の構成及び作用は、第２実施の形態と同様なので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　本実施の形態によれば、第１実施の形態と同様の効果が得られ、さらに、バビネソレイユ補償器を用いることにより、広い波長範囲に渡り位相差を変えることができる。
（第４実施の形態）
　図５を用いて第４実施の形態に係る照明装置について説明する。第４実施の形態に係る照明装置は、位相変調部として第２実施の形態の液晶リターダ２０１に代えて、偏光ビームスプリッタ４０１と、1/4波長板４０２、４０４と、平面ミラー４０３と、反射型位相変調器４０５とを有する。また、偏光板１０４は、透過軸の向きが第２実施の形態とは異なる。さらに、1/2波長板ユニット２０２の配置も第２実施の形態とは異なっている。
　偏光ビームスプリッタ４０１は、そのビームスプリッタ面がy－z面に垂直で、その法線がz軸に対して45°となるように配置され、x方向に平行な直線偏光を反射し、y方向に平行な直線偏光を透過する。平面ミラー４０３は、その法線方向が偏光ビームスプリッタ４０１で反射された光の主光線方向となるように、偏光ビームスプリッタ４０１のy方向に配置される。反射型位相変調器４０５は、その法線方向が偏光ビームスプリッタ４０１を透過した光の主光線方向となるように、偏光ビームスプリッタ４０１のｚ方向に配置される。1/4波長板４０２は、その光学軸がx－z面に平行でz軸に対して45°であり、偏光ビームスプリッタ４０１と平面ミラー４０３との間に配置される。1/4波長板４０４は、その光学軸がx－y面に平行でy軸に対して45°であり、偏光ビームスプリッタ４０１と反射型位相変調器４０５との間に配置される。
　一方、偏光板１０４は、透過軸がｘ－ｙ面内でｘ軸に対して45°を成すように配置される。また、1/2波長板１０３は、偏光板１０４を透過する光量が最大となるように、光学軸の方向を調整して配置される。さらに、1/2波長板ユニット２０２は、偏光ビームスプリッタ４０１の1/4波長板４０２及び平面ミラー４０３が設けられた側の面とは反対側、すなわち、－ｙ方向に配置される。その他の構成は、第２実施の形態と同様なので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　以上のように構成されているので、半導体レーザー１０１から射出された光は、コリメートレンズ１０２、1/2波長板１０３を透過後、偏光板１０４によって、偏光方向がｘ方向に対して45°傾いた直線偏光として、偏光ビームスプリッタ４０１に入射する。偏光ビームスプリッタ４０１に入射した光のx方向に平行な直線偏光成分は、偏光ビームスプリッタ４０１のビームスプリッタ面で反射され、1/4波長板４０２を透過して円偏光となって平面ミラー４０３で反射される。反射された円偏光は、1/4波長板４０２を透過してy方向に平行な直線偏光となって偏光ビームスプリッタ４０１のビームスプリッタ面を透過し、1/2波長板ユニット２０２へ入射する。一方、y方向に平行な直線偏光成分は、偏光ビームスプリッタ４０１のビームスプリッタ面を透過し、1/4波長板４０４を透過して円偏光となって反射型位相変調器４０５で反射される。反射された円偏光は、1/4波長板４０４を通ってx方向に平行な直線偏光となって偏光ビームスプリッタ４０１のビームスプリッタ面で反射され、1/2波長板ユニット２０２へ入射する。
　反射型位相変調器４０５は平面ミラー４０６と、図示しない直線駆動系を有する。平面ミラー４０６は直線駆動系に設置され、直線駆動系は図示しない制御部からの制御信号を受けz方向の位置を調整する。これにより、反射型位相変調器４０５を介して1/2波長板ユニット２０２へ入射する光の光路長を調整できる。したがって、x方向に平行な直線偏光とy方向に平行な直線偏光との位相差を調整できる。
　本実施の形態によれば、第１実施の形態と同様の効果が得られる。また、反射型位相変調器としてMEMSミラーを用いれば、他の方式に比べて高速に変調することができるという効果も有する。さらに、液晶リターダに比べて温度に対する耐久性が高いという利点もある。
（第５実施の形態）
　図６（ａ）～（ｃ）を用いて第５実施の形態に係る照明装置について説明する。図６（ａ）は、光学系の概略構成図、図６（ｂ）は、観察用照明時の各光学素子の向きを示す図、図６（ｃ）は、計測用照明時の各光学素子の向きを示す図である。図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、図１（ｂ）及び図１（ｃ）と同様の方法により、偏光板１０４、1/2波長板１０６、1/4波長板５０１、PANDAファイバ１１０の入射面と出射面、1/2位相差フィルム１１２、偏光板５０３の向きを示す。
　第５実施の形態に係る照明装置は、第１実施の形態に係る照明装置から1/4波長板ユニット１０７と偏光フィルム１１４を除き、1/4波長板５０１と偏光板ユニット５０２とを設けたものである。この場合、投影偏光切替機構は、1/2波長板ユニット１０５、1/4波長板５０１及び偏光板ユニット５０２により構成される。1/4波長板５０１は、その光学軸がx－y面に平行でx軸に対して45°となるように配置される。偏光板ユニット５０２は、図示しない回転駆動系と、偏光板５０３とを有する。偏光板５０３は回転駆動系に設置され、図示しない制御部からの制御信号により透過軸の回転角が調整される。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　以上のような構成により、観察用照明を照射する場合は、偏光板ユニット５０２により偏光板５０３の透過軸がy方向となるように配置する。これにより投影される照明光は光１１６の偏光成分のみとなるため、被写体上に干渉縞パターンは現れない。
　一方、計測用照明を照射する場合は、偏光板５０３の透過軸がx軸に対して45°となるように配置する。これにより投影される照明は光１１６の偏光成分と光１１７の偏光成分の双方を有すため、被写体上に干渉縞パターンが現れる。また、第１実施の形態と同様に、1/2波長板１０６を回転させることにより、光１１６と光１１７との位相差を制御し、被写体の任意の一点の明るさを正弦波的に変化させることができる。
　本実施の形態によれば、第１実施の形態と同様の効果が得られるとともに、被写体側に配置された偏光板ユニットを操作することによって、観察用照明と計測用照明とを切り替えることが可能になる。
　なお、本発明は、上記実施の形態にのみ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。たとえば、x方向およびｙ方向の向き、PANDAファイバ１１０のSlow軸とFast軸の向き、ルチル１１１，１１３の配置順序等は、例示に過ぎない。例えば、光学系全体のｘ方向とｙ方向の向き、PANDAファイバ１１０のSlow軸及びFast軸の向き、あるいは、ルチル１１１とルチル１１３との配置を入れ換える等しても、同様の作用効果が得られる。また、偏光分離部に使用される光学結晶は、ルチル（TiO2）に限られない。例えば、方解石（CaCO3）やイットリウム・バナデート（YVO4）等の複屈折結晶を使用することもできる。
　１０１　　半導体レーザー
　１０２　　コリメートレンズ
　１０３　　1/2波長板
　１０４　　偏光板
　１０５　　1/2波長板ユニット
　１０６　　1/2波長板
　１０７　　1/4波長板ユニット
　１０８　　1/4波長板
　１０９　　カップリングレンズ
　１１０　　PANDAファイバ
　１１１、１１３　　ルチル
　１１２　　1/2位相差フィルム
　１１４　　偏光フィルム
　１１５　　広角投影レンズ
　１１６、１１７　　光
　１２１　　カメラ
　１２２　　制御部
　１２３　　干渉縞パターン
　１２４　　走査方向
　２０１　　液晶リターダ
　２０２　　1/2波長板ユニット
　２０３　　1/2波長板
　３０１　　バビネソレイユ補償器
　３０２、３０３、３０４　　水晶
　４０１　　偏光ビームスプリッタ
　４０２　　1/4波長板
　４０３　　平面ミラー
　４０４　　1/4波長板
　４０５　　反射型位相変調器
　４０６　　平面ミラー
　５０１　　1/4波長板
　５０２　　偏光板ユニット
　５０３　　偏光板

Claims (9)

  1. 　可干渉性を有する光を射出する光源部と、
    　入射した光の偏光方向により光路を分離する偏光分離部と、
    　前記偏光分離部から出射して投影される光を、前記偏光分離部で分離されるそれぞれの光路を透過した光の偏光成分と、何れか一つの光路を透過した光の偏光成分との間で切り替える投影偏光切替機構と
    を備える照明装置。
  2. 　前記投影偏光切替機構は、前記光源部と前記偏光分離部との間に配置され、前記光源部から射出される光の偏光状態を調整可能に変化させる偏光調整部と、前記偏光分離部の後段に配置され、特定方向の直線偏光のみを透過する偏光子とを備えることを特徴とする照明装置。
  3. 　前記偏光調整部は、1/2波長板と、該1/2波長板を回転させることにより該1/2波長板の光学軸の向きを調整可能に構成される1/2波長板回転部とを備えることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
  4. 　前記偏光調整部は、前記1/2波長板の前記偏光分離部側に配置された1/4波長板と、該1/4波長板を回転させることにより、該1/4波長板の光学軸の向きを調整可能に構成される1/4波長板回転部とを備える請求項３に記載の照明装置。
  5. 　前記偏光調整部は、前記1/2波長板の前記光源部側に、前記偏光分離部で光路が分離されるそれぞれの偏光の位相差を制御する位相変調部を備えることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
  6. 　前記投影偏光切替機構は、前記光源部と前記偏光分離部との間に配置され、前記光源部から射出される光の偏光状態を変化させる偏光調整部と、前記偏光分離部の後段に配置され、透過軸の向きを調整可能に構成された偏光子とを備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
  7. 　前記偏光調整部は、1/2波長板と、該1/2波長板を回転させ該1/2波長板の光学軸の向きを調整可能に構成される1/2波長板回転部と、前記1/2波長板の前記偏光分離部側に配置された1/4波長板とを備えることを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
  8. 　偏波保持導波路を備え、該偏波保持導波路は、偏波保持方向が前記偏光分離部で分離されるそれぞれの偏光方向と等しくなるように、前記光源部から前記偏光分離部までの間に配置されることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の照明装置。
  9. 　請求項１から８の何れか一項に記載の照明装置と、
    　前記照明装置により干渉縞が投影された被写体の画像を撮影する撮像部と、
    　前記撮影部により撮影された前記被写体の画像の干渉縞、及び、前記照明装置と前記撮像部との位置関係に基づいて、被写体の形状を導出する演算部と
    を備えることを特徴とする計測装置。
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