JP2024018576A - 距離計測装置、及び距離計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プローブ先端部の内部における迷光を抑止し、対象物までの距離を高い精度で測定する。【解決手段】 距離計測装置は、プローブ先端部が、前記プローブ先端部の先端に、前記光学素子から入射された前記測定光の光路を切り替える光路切替素子、を有し、前記プローブ先端部の少なくとも前記第５面に対向する位置に配置された部分の材質は、前記測定光を吸収する。【選択図】 図１

Description

本発明は、距離計測装置、及び距離計測方法に関する。

対象物に設けられた穴の底面や側面の形状を計測する技術として、例えば、特許文献１には「測定プローブと、プローブ先端部と、を備える距離測定装置であって、前記測定プローブは、前記プローブ先端部に出射する測定光の偏光を制御する偏光状態制御部と、前記プローブ先端部を回転させる回転機構と、を備え、前記プローブ先端部は、光路切替素子、を備え、前記光路切替素子は、前記測定光の前記偏光に基づいて前記プローブ先端部の外部へ前記測定光を照射する方向を切り替え、前記測定光が対象物にて反射または散乱した光を取り込む、ことを特徴とする距離測定装置」が記載されている。

特許第６７３０４８３号公報

引用文献１に記載の発明によれば、プローブ先端部の光路切替素子によって測定光の照射方向を切り替えることにより、測定プローブの側面方向の測定と奥行き方向の測定とを実現できる。

ただし、測定光が対象物にて反射または散乱した光を取り込む際、該光がプローブ先端部の内部で反射して迷光となり、対象物までの距離の誤測定や測定精度の低下の要因となることがある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、プローブ先端部の内部における迷光を抑止し、対象物までの距離を高い精度で測定することを目的とする。

本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下の通りである。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る形状計測装置は、計測プローブを備える距離計測装置であって、前記計測プローブは、前記計測プローブの先端に係止された円筒状のプローブ先端部と、係止された前記プローブ先端部を回転させる回転部と、前記プローブ先端部に対して測定光を出射する光学素子と、を有し、前記プローブ先端部は、前記プローブ先端部の先端に、前記光学素子から入射された前記測定光の光路を切り替える光路切替素子、を有し、前記光路切替素子は、前記光学素子から入射された前記測定光が入射する第１面と、前記第１面より入射した前記測定光の偏光状態に応じ、前記測定光を反射、または透過する第２面と、前記第２面で反射した前記測定光を対象物に出射する第３面と、前記第２面を通過した前記測定光を前記対象物に出射する第４面と、前記第３面と対向 する第５面と、を有し、前記プローブ先端部の少なくとも前記第５面に対向する位置に配置された部分の材質は、前記測定光を吸収する。

本発明によれば、プローブ先端部の内部における迷光を抑止し、対象物までの距離を高い精度で測定することが可能となる。

上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る距離計測装置の構成例を示す模式図である。 図２は、距離計測部の構成例を示す図である。 図３は、ＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式による測定ビート信号に基づく距離算出の一例を説明するための図である。 図４は、ＦＭＣＷ方式による測定ビート信号に基づく距離算出の一例を説明するための図である。 図５は、光路切替素子による測定光の出射方向の切替原理を説明するための図である。 図６（Ａ），（Ｂ）は、計測プローブの内部で生じる迷光の例を示しており、図６（Ａ）は測定光の出射方向が側面方向である場合、図６（Ｂ）は測定光の出射方向が直進方向である場合を示している。 図７は、多重反射時に検出される反射強度プロファイルの一例を示す図である。 図８は、距離計測装置を含む形状計測装置の構成例を示す模式図である。 図９は、形状計測装置の機能ブロックの構成例を示す図である。 図１０は、本発明の第２の実施形態に係る距離計測装置の構成例を示す図である。 図１１は、第２の実施形態における吸収壁の傾斜角の一例を示す図である。 図１２は、本発明の第３の実施形態に係る距離計測装置の構成例を示す図である。 図１３は、本発明の第４の実施形態に係る距離計測装置の構成例を示す図である。 図１４は、補正用原点から対象物までの距離の算出方法を説明するための図である。 図１５は、形状計測装置による形状計測処理の一例を説明するフローチャートである。 図１６は、本発明の第５の実施形態に係る距離計測装置の構成例を示す図である。 図１７は、本発明の第６の実施形態に係る距離計測装置の構成例を示す図である。 図１８は、キャップの構成例を示す図である。 図１９は、キャップの側面側の光学窓と吸収壁との位置関係の一例を示す図である。 図２０は、キャップの底面側の光学窓と吸収壁との位置関係の一例を示す図である。 図２１は、プローブ先端部に対する光路切替素子、及びキャップの組付け方法の一例を示す図である。

以下、本発明の複数の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、各実施形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須ではない。また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除しない。同様に、以下の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含む。

＜本発明の第１の実施形態に係る距離計測装置１００_１＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る距離計測装置１００_１の構成例を示す模式図である。

距離計測装置１００_１は、距離計測部１１１、及び計測プローブ１１５を備える。

距離計測部１１１は、測定光を発生し、接続ケーブル１１３を介して、計測プローブ１１５に出力する。また、距離計測部１１１は、計測プローブ１１５から接続ケーブル１１３を介して入力される反射光に基づいて対象物Ｔまでの距離を算出する。接続ケーブル１１３は、例えば、光ファイバからなる。
る。

計測プローブ１１５は、ヘッド１０１、及びプローブ先端部１０６からなる。計測プローブ１１５は、対象物Ｔに対して測定光を照射し、対象物Ｔにて反射した反射光を受光し、接続ケーブル１１３を介して距離計測部１１１に出力する。

計測プローブ１１５のヘッド１０１は、その内部にレンズ部１０２、第１偏光状態制御部１０３、及び回転部１０４を有する。

レンズ部１０２は、光ファイバフォーカサからなる。レンズ部１０２は、距離計測部１１１から入力された測定光を絞り、第１偏光状態制御部１０３に向けてヘッド１０１内の空間に出射する。第１偏光状態制御部１０３は、例えば、１／４波長板からなり、測定光の偏光状態を制御する。回転部１０４は、モータ等から成る。回転部１０４は、距離計測部１１１からの制御に従い、モータ等を回転駆動して、レンズ部１０２から出力された測定光と平行な回転軸周りにプローブ先端部１０６を回転させる。

計測プローブ１１５のプローブ先端部１０６は、測定光及び反射光が通過するように、例えば中空円筒状に形成されている。また、プローブ先端部１０６は、側面方向である第１方向Ｄ１に開口１０９を有し、長手方向である第２方向Ｄ２に開口１１０を有する。プローブ先端部１０６は、中空円筒状の内部のヘッド１０１側において第２偏光状態制御部１０５を係止する。また、プローブ先端部１０６は、中空円筒状の内部の先端側において光路切替素子１０７を係止する。第２偏光状態制御部１０５、及び光路切替素子１０７は、回転部１０４によるプローブ先端部１０６の回転に伴って同時に回転される。光路切替素子１０７をプローブ先端部１０６の内部に配置したことにより、光路切替素子１０７が対象物Ｔに接触して破損してしまうことを防ぐことができる。

第２偏光状態制御部１０５は、例えば、１／４波長板からなり、測定光の偏光状態を制御する。

光路切替素子１０７は、例えば、立方体の偏光ビームスプリッタから成る。光路切替素子１０７は、第１面Ｐ１から入射した測定光を、第２面Ｐ２にて測定光の直線偏光の方向に応じて測定光を反射または透過する。具体的には、光路切替素子１０７は、当該回転軸に略直交する第１方向Ｄ１に反射して第３面Ｐ３から出射する。また、光路切替素子１０７は、測定光をプローブ先端部１０６の回転軸と略平行な第２方向Ｄ２に透過して第４面Ｐ４から出射する。測定光の偏光状態の制御と、光路切替素子１０７からの測定光の射出方向との関係については、図５を参照して後述する。

さらに、プローブ先端部１０６の内壁面には、光路切替素子１０７に第５面Ｐ５に対向する位置に吸収壁１０８を有する。吸収壁１０８は、その法線とプローブ先端部１０６の回転軸とは略直交するが、厳密には直交していない。吸収壁１０８は、例えば、ＮＤ(Neutral Density)フィルタからなる。吸収壁１０８は、測定光に対応する波長の光の吸収率がプローブ先端部１０６の内壁面よりも高く、測定光に対応する波長の光を吸収する。吸収壁１０８に採用するＮＤフィルタとしては、例えば、反射する光量が１０万分の１程度に抑制できるものが望ましい。ＮＤフィルタの代わりに、光を吸収する材質の塗料を塗布してもよい。また例えば、レンズのコバ面に塗るような黒塗り塗料を採用してもよい。これにより、プローブ先端部１０６の内部における迷光を削減し、距離測定の精度低下を防ぐことができる。なお、吸収壁１０８を設ける代わりに、または、吸収壁１０８に追加して、プローブ先端部１０６を測定光に対応する波長の光を吸収する材質で形成してもよい。あるいは、プローブ先端部１０６に光を吸収する材質の塗料を塗布してもよい。

なお、測定光の偏光状態を制御して測定光の射出方向を変更する代わりに、例えば、ガルバノミラーを用いて測定光を走査してもよい。ガルバノミラーを１つ用いることで、１次元的に測定光を走査することが可能であり、２つ用いれば、２次元的に測定光を走査することができる。さらに、測定光の走査機構として、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーやポリゴンミラー等を用いてもよい。

次に、図２は、距離計測部１１１の構成例を示している。同図は、距離計測部１１１が距離計測方式として、光の伝搬時間に基づいて対象物までの距離を算出するＦＭＣＷ方式を採用している場合に対応する構成例である。

距離計測部１１１において、距離計測制御部２１６は、発振器２０２に対して掃引波形信号を送信する。発振器２０２は、レーザ光源２０１に対して三角波電流を注入し、駆動電流を変調する。これにより、レーザ光源２０１は、一定の変調速度で時間的に周波数掃引されたＦＭ（Frequency Modulated）光を発生する。なお、レーザ光源２０１を外部共振器付き半導体レーザ装置として構成し、レーザ光源２０１の共振波長を発振器２０２からの三角波状の制御信号により変化させてもよい。この場合も、レーザ光源２０１は、時間的に周波数掃引されたＦＭ光を発生する。

発生されたＦＭ光は、光ファイバカプラ２０３により２分割される。なお、光ファイバカプラ２０３はビームスプリッタであってもよい。後述する光ファイバカプラ２０４，２０６，２１０についても同様である。

光ファイバカプラ２０３により２分割されたＦＭ光の一方は参照光学系へと導光され、光ファイバカプラ２０４にてさらに２分割される。光ファイバカプラ２０４にて２分割されたＦＭ光の一方は、光ファイバ２０５にて一定の光路差を設けた後、光ファイバカプラ２０６にて２分割されたＦＭ光の他方と合波されて受光器２０７に受光される。これは、マッハツェンダ干渉計の構成となっており、受光器２０７では光路差に比例した一定の参照ビート信号が検出される。参照ビート信号は、距離計測制御部２１６に出力される。

光ファイバカプラ２０３により２分割されたＦＭ光の他方は、偏光切替器２１７により、光ファイバのＳｌｏｗ軸あるいはＦａｓｔ軸に沿った偏光方向に切り替えられる。この後、偏光方向が切り換えられたＦＭ光は、サーキュレータ２０８を通過し、光ファイバカプラ２１０によって分岐され、ＦＭ光の一方は、参照ミラー２１１に反射して参照光となり、ＦＭ光の他方は、計測プローブ１１５に出力され、プローブ先端部１０６から対象物Ｔに出射される。

対象物Ｔで反射した反射光は、プローブ先端部１０６、ヘッド１０１、距離計測部１１１の順に戻り、参照ミラー２１１に反射された参照光と光ファイバカプラ２１０で合波され、サーキュレータ２０８により受光器２０９に導光される。受光器２０９は、参照光と測定光との干渉により発生した測定ビート信号を検出して距離計測制御部２１６に出力する。

距離計測制御部２１６は、受光器２０７からの参照ビート信号をサンプリングクロックとして、受光器２０９からの測定ビート信号をＡ／Ｄ変換する。または、参照ビート信号と測定ビート信号とを一定のサンプリングクロックでサンプリングする。より具体的には、参照ビート信号は、ヒルベルト変換を行うことにより、９０度位相がずれた信号を作り出すことができる。ヒルベルト変換の前後の参照信号から、信号の局所位相を求めることが可能であるため、この位相を補間することで、参照信号が一定の位相となるタイミングを求めることができる。このタイミングに合わせて、測定ビート信号を補間サンプリングすることで、参照ビート信号を基準として測定ビート信号をリサンプリングすることが可能となる。または、距離計測制御部２１６が有するＡＤ／ＤＡ変換機能により参照ビート信号をサンプリングクロックとして測定信号をサンプリングしてＡ／Ｄ変換しても、同様の結果を得ることができる。

また、距離計測制御部２１６は、サンプリングした測定ビート信号を制御装置２１４に出力する。制御装置２１４は、サンプリングした測定ビート信号から対象物Ｔまでの距離を算出する。なお、サンプリングした測定ビート信号に基づく距離の算出方法については、図３、及び図４を参照して後述する。

なお、距離計測部１１１の変形例として、サーキュレータ２０８、光ファイバカプラ２１０、参照ミラー２１１、受光器２０９を計測プローブ１１５のヘッド１０１に配置してもよい。その場合、受光器２０９が出力する測定ビード信号は接続ケーブル１１３を介して距離計測制御部２１６に出力される。

次に、図３は、ＦＭＣＷ方式による測定ビート信号に基づく距離算出の一例を説明するための図である。同図は、横軸が時間、縦軸が測定光の周波数であって、参照ミラー２１１にて反射した参照光３０１と、対象物Ｔで反射した反射光３０２との関係を示している。

参照光３０１と反射光３０２との受光器２０９への到達時間には時間差Δtがある。そして、この時間差Δtの間にレーザ光源２０１からのＦＭ光はその周波数が変化しているので、受光器２０９では、この周波数差に等しいビート周波数ｆ_ｂの測定ビート信号が検出される。周波数掃引幅Δνだけ変調するのに要する時間をＴとした場合、時間差Δtは次式（１）によって表すことができる。
Δt＝Ｔ・ｆ_ｂ／２Δν （１）

対象物Ｔまでの距離Ｌは、時間差Δｔの間に光が進む距離１／２である。よって、距離Ｌは、大気中の光速度ｃを用いて次式（２）により算出できる。
Ｌ＝ｃＴ・ｆ_ｂ／２Δν （２）

式（２）から明らかなように、距離Ｌとビート周波数ｆ_ｂとは線形な関係にある。よって、受光器２０９にて検出された測定ビート信号をＦＦＴ（First Fourier Transform：高速フーリエ変換）して、ピーク位置と大きさを求めれば、対象物Ｔの反射位置と反射光量を求めることができる。

図４は、ＦＭＣＷ方式による測定ビート信号に基づく距離算出の一例を説明するための図である。同図は、横軸がＦＦＴの周波数、縦軸が反射強度であって、反射強度プロファイルの一例を示している。

反射強度プロファイルは、そのピーク付近がその他に比べて離散的なデータとなる。ピーク幅ｗは、距離分解能ｃ／２Δνにより計算される。そこで、ピーク点４０１付近の３点以上のデータを、上に凸形状を有する二次関数またはガウス関数等の関数を当てはめて、当てはめた関数のピークを採用することにより、距離分解能以上の精度で対象物Ｔの位置を求めることが可能となる。

なお、ビート周波数の解析の一例として、ＦＦＴを挙げたが、例えば、最大エントロピー法を用いてもよい。その場合、ＦＦＴよりも高分解能にピーク位置を検出できる。

次に、図５は、光路切替素子１０７による測定光の偏光方向に応じた出射方向の切替原理を説明するための図である。

プローブ先端部１０６に係止されている光路切替素子１０７は、測定光の偏光方向が入射面に平行に振動する場合、当該測定光を第２方向Ｄ２に向けて透過させる性質を持つ。また、光路切替素子１０７は、測定光の偏光方向が入射面に垂直な方向に振動する場合、当該測定光を第１方向Ｄ１に向けて反射させる性質を持つ。

したがって、偏光切替器２１７（図２）をオン、オフして測定光の偏光方向を電気的に切り替えることにより、測定光の出射方向を第２方向Ｄ２、または第１方向Ｄ１に切り替えることができる。測定光の出射方向を第１方向Ｄ１とした状態で回転させるには、光路切替素子１０７の回転に応じて測定光の偏光方向を回転させ、光路切替素子１０７に対して相対的な偏光状態を一定に保つ必要がある。そのため、第１偏光状態制御部１０３、及び第２偏光状態制御部１０５を用いる。

第１偏光状態制御部１０３は、入射光の偏光方向に対して、その軸が４５度傾けて配置されることにより、直線偏光を円偏光に変換する。第２偏光状態制御部１０５は、第１偏光状態制御部１０３によって円偏光に変換された測定光を再び直線偏光に変換する。なお、第２偏光状態制御部１０５、及び光路切替素子１０７は回転部１０４により同時に回転されるので、光路切替素子１０７に対して常に一定の偏光入射方向を維持することができ、第１方向Ｄ１に向けた測定光を回転させることができる。

＜計測プローブ１１５の内部における迷光について＞
ここで、改めて計測プローブ１１５の内部における迷光について説明する。図６は、図１に示された計測プローブ１１５から吸収壁１０８を省略した構成例を示しており、計測プローブ１１５の内部で生じる迷光の例を示している。

同図（Ａ）に示すように、測定光の出射方向が側面方向である場合、測定光は対象物Ｔにて反射し（１回目の反射）、その反射光は偏光が乱された状態で光路切替素子１０７に戻る。この場合、反射光の光路切替素子１０７に対して直交する偏光成分は、光路切替素子１０７にてレンズ部１０２の方向に反射される。すなわち、測定光の光路を逆方向に進行する。一方、反射光の光路切替素子１０７に対して平行な偏光成分は、光路切替素子１０７を透過して、相対するプローブ先端部１０６の内壁面に照射される。当該内壁面は照射光を反射した内壁面と正対しているため、照射された反射光の大部分は再び光路切替素子１０７を透過して、対象物Ｔに照射される。そして再び、対象物Ｔにて反射し（２回目の反射）、その反射光は偏光が乱された状態で光路切替素子１０７に戻る。そして、反射光の光路切替素子１０７に対して直交する偏光成分は、測定光の光路を逆方向に進行する。このように多重反射が生じた場合、検出される反射強度プロファイルは対象物Ｔにて１回目に反射した成分と、２回目に反射する成分との２つが含まれることになる。

同様に、同図（Ｂ）に示すように、測定光の出射方向が直進方向である場合、測定光は対象物Ｔにて反射し（１回目の反射）、その反射光は偏光が乱された状態で光路切替素子１０７に戻る。この場合、反射光の光路切替素子１０７に対して平行な偏光成分は、光路切替素子１０７を透過して測定光の光路を逆方向に進行する。一方、反射光の光路切替素子１０７に対して直交する偏光成分は、光路切替素子１０７にて側面方向に反射され、プローブ先端部１０６の内壁面に照射される。そして、当該内壁面に照射された反射光の大部分は再び光路切替素子１０７にて反射されて対象物Ｔに照射される。そして再び、対象物Ｔにて反射し（２回目の反射）、その反射光は偏光が乱された状態で光路切替素子１０７に戻る。したがって、この場合も、検出される反射強度プロファイルは対象物Ｔにて１回目に反射した成分と、２回目に反射する成分との２つが含まれることになる。

次に、図７は、多重反射が生じた場合に検出された反射強度プロファイルの一例を示している。同図は、横軸が距離、縦軸が検出された反射強度を示している。

同図に示された２か所の距離ピーク７００，７０１のうち、距離ピーク７００が対象物Ｔからの１回目の反射光に基づいて測定された距離を示し、距離ピーク７０１が対象物Ｔからの２回目の反射光に基づいて測定された距離を示している。対象物Ｔまでの距離が事前にわかっていれば問題ないが、わかっていない場合には、距離ピーク７００，７０１のどちらが対象物Ｔまでの距離を示しているのは判断できない。また、対象物Ｔの位置関係によっては距離ピーク７０１の反射強度の方が距離ピーク７００の反射強度よりも大きい場合があり、誤って距離ピーク７０１を対象物Ｔまでの距離として検出してしまうこともある。また、距離ピーク７０１の反射強度が強い場合にはショットノイズが増えて、本来測定したい距離ピーク７００の信号のＳ／Ｎが低下してしまうことがある。

これに対し、本実施形態では、吸収壁１０８を設置しているので２回目の反射が抑止される。したがって、計測プローブ１１５の内部における迷光を抑止できて、対象物Ｔまでの距離の誤検出や測定精度の低下を防ぐことができる。

＜距離計測装置１００_１を含む形状計測装置１０００の構成例＞
次に、図８は、距離計測装置１００_１を含む形状計測装置１０００の構成例を示す模式図である。

形状計測装置１０００は、ステージ機構９０３として、載置された対象物ＴをＸ方向に移動させるＸ軸ステージ８０４、及びＸ軸ステージ８０４をＹ軸方向に移動させるＹ軸ステージ８０５、並びに、計測プローブ１１５を保持してＺ軸方向に移動させるＺ軸ステージ８０６を有する。さらに、形状計測装置１０００は、ステージ機構９０３を制御するステージコントローラ８０８を有する。

対象物Ｔの形状を計測する場合、初めに、Ｘ軸ステージ８０４に対象物Ｔを載置し、Ｘ軸ステージ８０４、及びＹ軸ステージ８０５を移動させて、対象物ＴをＸＹ平面における所定の位置に固定する。次に、Ｚ軸ステージ８０６により計測プローブ１１５を上下方向に移動させることにより対象物Ｔの３次元形状を測定する。なお、測定対象範囲が狭く、Ｚ軸方向に対する移動のみで形状が計測できる場合は、Ｘ軸ステージ８０４、及びＹ軸ステージ８０５を使用せず、対象物Ｔの位置が一意に定まるように冶具で位置決めし、Ｚ軸ステージ８０６のみを移動させて、対象物Ｔの３次元形状を測定してもよい。

なお、形状計測装置１０００の構成例は、上述した例に限らない。例えば、３軸加工機において、工具の代わりに計測プローブ１１５を把持させれば、３軸加工機上オンマシン測定を実現できる。

また、多自由度ロボットに計測プローブ１１５を保持させれば、対象物Ｔの形状を測定する立体形状測定装置を実現できる。

次に、図９は、図８に示された形状計測装置１０００の機能ブロックの構成例を示している。制御装置２１４は、距離演算部９０１、及び形状算出部９０２を有する。距離演算部９０１は、距離計測部１１１から入力された、サンプリングした測定ビート信号から対象物Ｔまでの距離を算出する。また、距離演算部９０１は、算出した対象物Ｔまでの距離と、ステージ機構９０３のＸＹＺ座標を定めるステージエンコーダ信号との紐付け等を実行する。形状算出部９０２は、距離演算部９０１による、対象物Ｔまでの距離とステージエンコーダ信号と紐付け結果に基づき、対象物Ｔの３次元形状を測定する。表示部２１５は、測定された対象物Ｔの３次元画像を表示する。

＜本発明の第２の実施形態に係る距離計測装置１００_２＞
次に、図１０は、本発明の第２の実施形態に係る距離計測装置１００_２の構成例を示している。

距離計測装置１００_２は、距離計測装置１００_１（図１）における吸収壁１０８の向きを変更したものである。すなわち、距離計測装置１００_１の吸収壁１０８は、その法線がプローブ先端部１０６の回転軸に対して略直交する（厳密には直交していない）ように配置されていた。これに対し、距離計測装置１００_２の吸収壁１０８は、その法線と、当該回転軸とが０度よりも大きく９０度未満の傾斜角θを有して配置されている。すなわち、距離計測装置１００_２は、距離計測装置１００_１に比べて、吸収壁１０８が明確に傾斜して配置されている。なお、距離計測装置１００_２の吸収壁１０８以外の構成要素については、距離計測装置１００_１の構成要素と共通であり同一の符号を付しているのでその説明を省略する。

図１１は、距離計測装置１００_２における吸収壁１０８の傾斜角θの一例を示している。

距離計測装置１００_２において、光路切替素子１０７の第１面Ｐ１から入射し、第２面Ｐ２にて側面方向に出射され、第３面Ｐ３から出射した測定光は、対象物Ｔにて反射し（１回目の反射）、その反射光は偏光が乱された状態で第３面Ｐ３から光路切替素子１０７に戻る。そして、反射光の大部分は、第２面Ｐ２にてレンズ部１０２の方向に反射される。

一方、反射光のうち、第２面Ｐ２を透過した光は吸収壁１０８に照射される。吸収壁１０８は、照射された光の多くを吸収するが、その一部を反射する。このとき、吸収壁１０８は、プローブ先端部１０６の回転軸に対して傾斜角θで配置されているので、吸収壁１０８からの反射光は傾斜角２θだけ傾斜して光路切替素子１０７に戻る。そして、再び対象物Ｔにて反射し（２回目の反射）、その反射光は偏光が乱された状態で光路切替素子１０７に戻る。そして、反射光の大部分は、第２面Ｐ２にてレンズ部１０２の方向に反射されるが、プローブ先端部１０６の回転軸に対して傾斜角２θを有するので、レンズ部１０２の集光角度よりも２θが大きければ集光されない。

したがって、レンズ部１０２の集光角度に基づいて傾斜角θを決定し、吸収壁１０８を配置すれば、反射強度プロファイル（図７）における、迷光に起因する距離ピーク７０１の発生を防ぐことができる。

＜本発明の第３の実施形態に係る距離計測装置１００_３＞
次に、本発明の第３の実施形態に係る距離計測装置１００_３について説明する。距離計測装置１００_３は、距離計測装置１００_１（図１）に対して、プローブ先端部１０６に係止された光路切替素子１０７の形状が異なる。

図１２は、距離計測装置１００_３の構成例のプローブ先端部１０６に係止された光路切替素子１０７の形状の一例を示している。

距離計測装置１００_１における光路切替素子１０７の形状は直方体である。これに対して、距離計測装置１００_３における光路切替素子１０７の形状は、第３面Ｐ３と相対している第５面Ｐ５が、プローブ先端部１０６の回転軸に対して角θだけ傾斜されている。

距離計測装置１００_３において、光路切替素子１０７の第３面Ｐ３から側面方向に出射された測定光は、対象物Ｔにて反射し（１回目の反射）、その反射光は偏光が乱された状態で光路切替素子１０７に戻る。そして、反射光の大部分は第２面Ｐ２にてレンズ部１０２の方向に反射される。

一方、反射光のうち、第２面Ｐ２を透過した光は、第５面Ｐ５から吸収壁１０８に照射される。ただし、第５面Ｐ５は、プローブ先端部１０６の回転軸に対して傾斜角θを有するので、第５面Ｐ５からの出射する光は、次式（３）で示す各θ’だけ屈折することになる。
θ'＝ｓｉｎ^－１（ｎ・ｓｉｎθ） （３）
ここで、ｎは、光路切替素子１０７の屈折率である。

吸収壁１０８は、第５面Ｐ５からの光の多くを吸収するが、その一部は反射される。このとき、第５面Ｐ５からの光は角θだけ傾斜しているので、吸収壁１０８からの反射光は傾斜角２θだけ傾斜して光路切替素子１０７に戻る。そして、再び対象物Ｔにて反射し（２回目の反射）、その反射光は偏光が乱された状態で光路切替素子１０７に戻る。そして、反射光の大部分は、第２面Ｐ２にてレンズ部１０２の方向に反射されるが、プローブ先端部１０６の回転軸に対して傾斜角２θを有するので、レンズ部１０２の集光角度よりも２θが大きければ集光されない。

したがって、レンズ部１０２の集光角度に基づいて光路切替素子１０７の第５面Ｐ５の傾斜角θを決定すれば、反射強度プロファイル（図７）における、迷光に起因する距離ピーク７０１の発生を防ぐことができる。

＜本発明の第４の実施形態に係る距離計測装置１００_４＞
次に、図１３は、本発明の第４の実施形態に係る距離計測装置１００_４の構成例を示している。

距離計測装置１００_４は、光路切替素子１０７の第１面Ｐ１にレンズ部１０２からの測定光の一部を反射する反射コーティング１３００が施されている。また、光路切替素子１０７の側面方向の第３面Ｐ３、及び直進方向の第４面Ｐ４に反射を防止するＡＲコート１３０１，１３０２が設けられている。

距離計測装置１００_４においては、光路切替素子１０７の第１面Ｐ１に反射コーティング１３００を設けたことにより、第１面Ｐ１を距離測定における補正用原点とすることができる。これにより、光ファイバカプラ２１０以降の光路における熱等の影響による光路長の変化に起因する距離測定誤差を無視することができる。また、光路切替素子１０７の第３面Ｐ３、及び第４面Ｐ４にＡＲコート１３０１，１３０２を設けたことにより、ノイズの原因となる光路切替素子１０７の内部での迷光を抑止できる。

図１４は、距離計測装置１００_４（図１３）に対応する、補正用原点を用いた距離測定の補正方法について説明するための図であり、距離計測装置１００_４から得られる検出ビート信号のＦＦＴ結果を示している。同図の横軸は距離、縦軸は検出ビート信号の検出強度を示している。

補正用原点となる光路切替素子１０７の第１面Ｐ１にて反射した反射光に基づく距離は検出ピーク１４０１として検出される。一方、光路切替素子１０７の第１面Ｐ１を通過して第３面Ｐ３または第４面Ｐ４から出射されて対象物Ｔに照射され、その反射光に基づく距離は検出ピーク１４０２として検出される。したがって、検出ピーク１４０２が表す距離から、検出ピーク１４０１が表す距離を差し引くことにより、補正用原点である光路切替素子１０７の第１面Ｐ１から対象物Ｔまでの距離を得ることができる。

次に、図１５は、距離計測装置１００_４を包含した形状計測装置１００による距離計測処理の一例を説明するフローチャートである。

当該距離計測処理は、例えば、ユーザからの所定の開始操作に応じて開始される。はじめに、制御装置２１４が、ユーザからの操作入力に基づき、対象物Ｔ（例えば、穴）の距離測定が、測定光を第１方向Ｄ１に出射する側面測定であるか、または測定光を第２方向Ｄ２に出射する深さ測定であるかを判定する（ステップＳ１）。

ステップＳ１で、側面測定であると判定した場合、制御装置２１４が、距離計測部１１１を制御して、計測プローブ１１５からの測定光の出射方向を第１方向Ｄ１に制御し、測定光を出射させるとともに、回転部１０４によりプローブ先端部１０６を回転させる。そして、制御装置２１４の距離演算部９０１が、距離計測部１１１からサンプリングした測定ビート信号を取得し、それと同期して、ステージコントローラ８０８からステージ機構９０３のＸＹＺ座標を定めるステージエンコーダ信号と、回転部１０４の回転角を取得してこれらを紐付ける。（ステップＳ２）。

次に、距離演算部９０１が、図１４を参照して説明したように、測定ビート信号に基づき、所定の原点から対象物Ｔまでの距離と、所定の原点から補正用原点（光路切替素子１０７の第１面Ｐ１）までの距離をそれぞれ算出する（ステップＳ３）。次に、距離演算部９０１が、所定の原点から対象物Ｔまでの距離から、所定の原点から補正用原点までの距離を減算して、補正用原点から対象物Ｔまでの距離を算出する（ステップＳ４）。

次に、形状算出部９０２が、距離演算部９０１による、補正用原点から対象物Ｔまでの距離とステージエンコーダ信号と、回転部１０４の回転角と紐付け結果に基づき、対象物Ｔ（穴）の直径を算出する（ステップＳ５）。この際、対象物Ｔ（穴）の真円度を算出することも可能である。

一方、ステップＳ１で、深さ測定であると判定した場合、制御装置２１４が、距離計測部１１１を制御して、計測プローブ１１５からの測定光の出射方向を第２方向Ｄ２に制御し、測定光を出射させる。そして、制御装置２１４の距離演算部９０１が、距離計測部１１１からサンプリングした測定ビート信号を取得し、それと同期して、ステージコントローラ８０８からステージ機構９０３のＸＹＺ座標を定めるステージエンコーダ信号を取得して両者を紐付ける。（ステップＳ６）。

次に、ステップＳ３と同様、距離演算部９０１が、測定ビート信号に基づき、所定の原点から対象物Ｔまでの距離と、所定の原点から補正用原点（光路切替素子１０７の第１面Ｐ１）までの距離をそれぞれ算出する（ステップＳ７）。次に、ステップＳ４と同様、距離演算部９０１が、所定の原点から対象物Ｔまでの距離から、所定の原点から補正用原点までの距離を減算して、補正用原点から対象物Ｔまでの距離。すなわち、深さを算出する（ステップＳ８）。なお、ステップＳ５の算出結果、及びステップＳ８の算出結果に基づき、対象物Ｔの３次元形状を計測するようにしてもよい。以上で、当該距離計測処理は終了される。

＜本発明の第５の実施形態に係る距離計測装置１００_５＞
次に、図１６は、本発明の第５の実施形態に係る距離計測装置１００_５の構成例を示している。

距離計測装置１００_５は、すなわち、距離計測装置１００_１（図１）に対して、光路切替素子１０７の位置が異なる。距離計測装置１００_１の光路切替素子１０７は、プローブ先端部１０６の先端側の内部に係止されていた。これに対して、距離計測装置１００_５の光路切替素子１０７は、プローブ先端部１０６の先端側の開口の外部に露出して設置されている。

これにより、例えば、光路切替素子１０７が埃等によって汚れた場合の清掃が容易となる。なお、光路切替素子１０７の第３面Ｐ３、及び第４面Ｐ４には、距離計測装置１００_４（図１３）と同様、ＡＲコート１３０１，１３０２を設けてもよい。これにより、ノイズの原因となる光路切替素子１０７内部での迷光を抑止できる。さらに、第３面Ｐ３、及び第４面Ｐ４には、撥水コートを設けてもよい。これにより、光路切替素子１０７に汚れが付くことを抑止できる。

＜本発明の第６の実施形態に係る距離計測装置１００_６＞
次に、図１７は、本発明の第６の実施形態に係る距離計測装置１００_６の構成例を示している。

距離計測装置１００_６は、距離計測装置１００_５（図１６）に、露出している光路切替素子１０７を覆うキャップ１７００を追加したものである。

図１８は、キャップ１７００の構成例を示している。キャップ１７００は、第１光学窓１７０１、第２光学窓１７０２、及び吸収壁１０８を有する。第１光学窓１７０１は、光路切替素子１０７の第３面Ｐ３と対象物Ｔとの間に、第１光学窓１７０１の法線とプローブ先端部１０６の回転軸とが直交しないように０度より大きく９０度未満の傾斜角を有して配置されている。第２光学窓１７０２は、光路切替素子１０７の第４面Ｐ４と対象物Ｔとの間に、第２光学窓１７０２の法線とプローブ先端部１０６の回転軸とが平行とならないように０度より大きく９０度未満の傾斜角を有して配置されている。吸収壁１０８は、光路切替素子１０７の第５面Ｐ５と対向する位置に設けられる。

なお、第１光学窓１７０１の外側面１８００（図８）には、ＡＲコート、及び撥水コートを設けることが望ましい。また、第１光学窓１７０１の内側面１８０１（図８）にはＡＲコートを設けることが望ましい。また、キャップ１７００の外側の角は面取りすることが望ましい。角を面取りすることにより、キャップ１７００が対象物Ｔに接触した場合に計測プローブ１１５がずれて、計測プローブ１１５の破損を防ぐことができる。

図１９は、キャップ１７００の側面側の第１光学窓１７０１と、吸収壁１０８との位置関係の一例を示している。

第１光学窓１７０１の傾斜角度θについて説明する。光路切替素子１０７の第３面Ｐ３から側面方向に照射された測定光は、その一部が第１光学窓１７０１の表面で反射される。第１光学窓１７０１がガラスである場合、その反射率は４％となる。この場合、受光器２０９の感度にもよるが、反射率が大きすぎるため、受光器２０９が飽和する可能性がある。そのため、プローブ先端部１０６の回転軸に対して第１光学窓１７０１を角度θだけ傾斜させる。第１光学窓１７０１で反射した光は、角度２θだけ傾斜して状態で第２面Ｐ２に戻り、プローブ先端部１０６の回転軸に対して２θだけ傾斜して反射される。したがって、レンズ部１０２の集光角度よりも角度２θを大きくすれば、第１光学窓１７０１での反射光がレンズ部１０２によって集光されない。したがって、レンズ部１０２の集光角度に基づいて傾斜角度θを決めればよい。

なお、光路切替素子１０７の第３面Ｐ３から側面方向に照射されて第１光学窓１７０１を通過した測定光には、第１光学窓１７０１を通過する際、第１光学窓１７０１の傾きθと厚みｄにより、光軸シフトが生じる。光軸シフト量ｈは、次式（４）によって表される。
ｄ＝ｈ・ｓｉｎθ（１－（ｃｏｓθ／√（ｎ^２－ｓｉｎ^２θ）） （４）

例えば、第１光学窓１７０１の厚みｄを２００μｍ、角度θを２度とした場合、光軸シフト量ｈは４μｍ程度になる。照射する測定光のビーム径によるが、例えば、測定光のビーム径が１００μｍ程度であれば、４μｍ程度の光軸シフト量は距離測定に影響しないので無視できる。

次に、第１光学窓１７０１の傾斜角θと吸収壁１０８との関係について説明する。第１光学窓１７０１の傾斜角度θに対し、吸収壁１０８の傾斜角度は－θ方向だけ傾斜させる。第１光学窓１７０１で反射して角度２θで吸収壁１０８に入射した光は、吸収壁１０８で反射する際に４θ傾斜するため、レンズ部１０２による集光を抑止できる。

図２０は、キャップ１７００の底面側の第２光学窓１７０２と、吸収壁１０８との位置関係の一例を示している。

まず、第２光学窓１７０２の傾斜角度θについて説明する。光路切替素子１０７の第４面Ｐ４から直進方向に照射された測定光は、その一部が第２光学窓１７０２の表面で反射される。第２光学窓１７０２がガラスである場合、その反射率は４％となる。この場合、受光器２０９の感度にもよるが、反射率が大きすぎるため、受光器２０９が飽和する可能性がある。そのため、プローブ先端部１０６の回転軸と直交する線に対して第２光学窓１７０２を角度θだけ傾斜させる。第２光学窓１７０２で反射した光は、角度２θだけ傾斜して状態で第２面Ｐ２を通過する。したがって、レンズ部１０２の集光角度よりも角度２θが大きければ第２光学窓１７０２で反射した光が集光されない。したがって、レンズ部１０２の集光角度に基づいて傾斜角度θを決めればよい。

なお、光路切替素子１０７の第４面Ｐ４から直進方向に照射されて第２光学窓１７０２を通過した測定光には、上述した第１光学窓１７０１の場合と同様、光軸シフト量が生じる。ただし、光軸シフト量ｈが４μｍ程度であれば、距離測定に影響しないので無視できる。

次に、第２光学窓１７０２の傾斜角θと吸収壁１０８との関係について説明する。第１光学窓１７０１の場合と同様に、第２光学窓１７０２で反射して角度２θで吸収壁１０８に入射した光は、吸収壁１０８で反射する際に４θ傾斜するため、レンズ部１０２による集光を抑止できる。

次に、図２１は、距離計測装置１００_６（図１７）における、プローブ先端部１０６に対する光路切替素子１０７、及びキャップ１７００の組付け方法の一例を示している。

同図に示されるように、始めに、ホルダ２０００に光路切替素子１０７を接着する。次に、ホルダ２０００をプローブ先端部１０６に挿入して接着する。最後に、キャップ１７００をホルダ２０００に接着する。このように、プローブ先端部１０６に対して光路切替素子１０７、及びキャップ１７００を組み立て式とすることにより、光路切替素子１０７と、第１光学窓１７０１、第２光学窓１７０２、及び吸収壁１０８を有するキャップ１７００とを高い精度で配置できる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えたり、追加したりすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１００_１～１００_６・・・形状計測装置、１０１・・・ヘッド、１０２・・・レンズ部、１０３・・・第１偏光状態制御部、１０４・・・回転部、１０５・・・第２偏光状態制御部、１０６・・・プローブ先端部、１０７・・・光路切替素子、１０８・・・吸収壁、１０９，１１０・・・開口、１１１・・・距離計測部、１１３・・・接続ケーブル、１１５・・・計測プローブ、８０８・・・ステージコントローラ、９０１・・・距離演算部、９０２・・・形状算出部、９０３・・・ステージ機構、１０００・・・形状計測装置、１３００・・・反射コーティング、１３０１・・・ＡＲコート、１３０２・・・ＡＲコート、１７００・・・キャップ、１７０１・・・第１光学窓、１７０２・・・第２光学窓、２０００・・・ホルダ

Claims (10)

1. 計測プローブを備える距離計測装置であって、
   前記計測プローブは、
   前記計測プローブの先端に係止されたプローブ先端部と、
   係止された前記プローブ先端部を回転させる回転部と、
   前記プローブ先端部に対して測定光を出射する光学素子と、を有し、
   前記プローブ先端部は、前記プローブ先端部の先端に、
   前記光学素子から入射された前記測定光の光路を切り替える光路切替素子、を有し、
   前記光路切替素子は、
   前記光学素子から入射された前記測定光が入射する第１面と、
   前記第１面より入射した前記測定光の偏光状態に応じ、前記測定光を反射、または透過する第２面と、
   前記第２面で反射した前記測定光を対象物に出射する第３面と、
   前記第２面を通過した前記測定光を前記対象物に出射する第４面と、
   前記第３面と対応する第５面と、を有し、
   前記プローブ先端部の少なくとも前記第５面に対向する位置に配置された部分の材質は、前記測定光を吸収する
   距離計測装置。
2. 請求項１に記載の距離計測装置であって、
   前記プローブ先端部は、前記プローブ先端部の先端に前記測定光を吸収する吸収壁を有し、
   前記吸収壁は、
   前記プローブ先端部の前記第５面に対向する位置に配置された部分の材質よりも前記測定光の吸収率が高く、
   前記光路切替素子の前記第５面に対向する位置に配置される
   距離計測装置。
3. 請求項２に記載の距離計測装置であって、
   前記吸収壁の法線と前記プローブ先端部の回転軸との角度は、９０度未満である
   距離計測装置。
4. 請求項２に記載の距離計測装置であって、
   前記プローブ先端部は、
   前記光路切替素子の前記第３面から出射された前記測定光を透過して前記対象物に出射させる第１光学窓と、
   前記光路切替素子の前記第４面から出射された前記測定光を透過して前記対象物に出射させる第２光学窓と、を有し、
   前記第１光学窓の法線と前記プローブ先端部の回転軸との角度は９０度未満であり、
   前記第２光学窓の法線と前記プローブ先端部の回転軸と角度は０度以上である
   距離計測装置。
5. 請求項４に記載の距離計測装置であって、
   前記計測プローブは、
   前記プローブ先端部の先端に係止された前記光路切替素子を覆うキャップ、を有し、
   前記第１光学窓、前記第２光学窓、及び前記吸収壁は、前記キャップに設けられている
   距離計測装置。
6. 請求項２に記載の距離計測装置であって、
   前記吸収壁は、ＮＤフィルタ、または前記測定光を吸収する塗料からなる
   距離計測装置。
7. 請求項１に記載の距離計測装置であって、
   前記光路切替素子の前記第１面は、前記光学素子から入射された前記測定光の一部を反射する反射コーティングが施されており、距離計測における補正用原点となる
   距離計測装置。
8. 請求項１に記載の距離計測装置であって、
   前記対象物までの距離を算出する距離計測部、を備え、
   前記距離計測部は、前記対象物からの反射光に基づいて算出される光の伝搬時間に基づいて前記対象物までの距離を算出する
   距離計測装置。
9. 請求項１に記載の距離計測装置であって、
   前記光路切替素子の前記第５面は、前記プローブ先端部の回転軸に対して所定角だけ傾斜している
   距離計測装置。
10. 距離計測部、及び計測プローブを備える距離計測装置による距離計測方法であって、
    前記計測プローブは、
    前記計測プローブの先端に係止されたプローブ先端部と、
    係止された前記プローブ先端部を回転させる回転部と、
    前記プローブ先端部に対して測定光を出射する光学素子と、を有し、
    前記プローブ先端部は、前記プローブ先端部の先端に、
    前記光学素子から入射された前記測定光の光路を切り替える光路切替素子、を有し、
    前記光路切替素子は、
    前記光学素子から入射された前記測定光が入射する第１面と、
    前記第１面より入射した前記測定光の偏光状態に応じ、前記測定光を反射、または透過する第２面と、
    前記第２面で反射した前記測定光を対象物に出射する第３面と、
    前記第２面を通過した前記測定光を前記対象物に出射する第４面と、
    前記第３面と対向 する第５面と、を有し、
    前記プローブ先端部の少なくとも前記第５面に対向する位置に配置された部分の材質は、前記測定光を吸収し、
    前記光路切替素子により、前記光学素子から入射された前記測定光の光路を前記第３面の方向に切り替えるステップと、
    前記回転部により、前記プローブ先端部を回転させながら、前記第３面から前記対象物に出射された前記測定光を走査するステップと、
    前記距離計測部による、前記対象物からの反射光に基づいて、前記対象物までの距離を算出するステップと、
    を含む距離計測方法。

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