JP6269334B2 - 多点距離測定装置及び形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物上の複数点までの距離を測定する多点距離測定装置、並びにこの多点距離測定装置を備える形状測定装置に関する。

測定対象物の表面形状の測定を行う測定機器として、測定対象物上の複数点までの距離を測定してこれら複数点の相対位置関係を求めることにより、測定対象物の表面形状を測定する形状測定装置が良く知られている。

例えば特許文献１には、測定対象物に対向する位置に配置されたマイクロレンズアレイに対してＨｅ−Ｎｅレーザを走査し、マイクロレンズごとに測定対象物上に収束されるＨｅ−Ｎｅレーザの反射光を２分割光検出器により検出してフォーカス位置を比較することで、複数点の相対位置を測定する方法が開示されている。

特開平１０−３００４２０号公報

ところで、特許文献１記載の測定方法では、マイクロレンズアレイ、すなわち測定対象物に対してＨｅ−Ｎｅレーザを走査しているが、測定対象物が大きくなるのに従ってＨｅ−Ｎｅレーザの走査領域及び走査時間が増加するため、形状測定に時間がかかるという問題がある。このため、Ｈｅ−Ｎｅレーザを複数の光束に分割して各光束を測定対象物の複数点に向けて照射して、複数点からの反射光を検出した結果に基づき表面形状の測定を行うことが好ましい。しかしながら、測定対象物の表面の段差（凹凸、起伏）が大きくなると、複数点からの反射光をそれぞれ検出した際に、検出した反射光が複数点のいずれの点からの反射光であるかを正確に判別することができず、測定精度に問題が生じる場合がある。また、Ｈｅ−Ｎｅレーザを複数に分割した光束を測定対象物の複数点に向けて照射した場合には、複数点の各々における光束の正反射光のみを選択して検出することが困難であるので測定精度に問題が生じる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、測定対象物の形状（表面の段差等）によらず、測定対象物上の複数点までの距離を高精度かつ短時間に測定することができる多点距離測定装置、及びこの多点距離測定装置を備える形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するための多点距離測定装置は、ブロードスペクトルを出射する光源と、光源から出射されたブロードスペクトルから、予め定められた繰り返し周波数を有する光である特殊光を生成して出射するファブリー・ペロー・エタロンと、ファブリー・ペロー・エタロンから出射された特殊光を、参照光と測距光とに分割する特殊光分割部と、特殊光分割部にて分割された測距光を複数の光束に分割する測距光分割部と、測距光分割部にて分割された複数の光束を測定対象物の複数点に向けてそれぞれ出射し、かつ複数点にてそれぞれ正反射された光束がそれぞれ入射する複数の光入出射部と、特殊光分割部にて分割された参照光と、複数の光入出射部にそれぞれ入射した複数点ごとの光束との光干渉信号を検出する光検出部と、光検出部の検出結果に基づき、複数の光入出射部から複数点の各々までの距離を算出する距離算出部と、を備え、繰り返し周波数に対応した特殊光のパルス間隔をＤとし、任意の自然数をｎとした場合に、複数の光入出射部における光束の光路長がｎ・Ｄずつ順に長くなり、複数の光入出射部から入出射される光束に平行な方向を入出射方向とし、複数点のうちの隣接する２点の入出射方向の位置ずれ量の最大値をＧとした場合に、ファブリー・ペロー・エタロンはＤ＞Ｇを満たすものである。

本発明によれば、複数の光入出射部から測定対象物の複数点に向けて光束をそれぞれ同時に出射した場合でも各光束の正反射光が測定対象物の複数点のどの点で反射された光であるかを容易に識別することができる。これにより、一度の走査で多点計測が可能となる。また、ファブリー・ペロー・エタロンにより生成された測距光を用いることにより、複数点の各々における光束の正反射光だけを選択して複数の光入出射部に入射させることができ、ＳＮ比の良い干渉縞パターンを発生させることができる。また、正反射光だけを複数の光入出射部に入射させることができるので、測定対象物の複数点での反射率の影響は問題とならず、さらに、各光束の光路が重なる場合でも複数点までの距離を測定することができる。その結果、測定対象物の複数点までの距離を低コストに高精度でかつ短時間で測定することができる。

本発明の他の態様に係る多点距離測定装置において、ファブリー・ペロー・エタロンは、Ｇの値に応じて交換可能である。これにより、段差の大きい表面形状の多点距離測定を行うことができる。

本発明の他の態様に係る多点距離測定装置において、複数の光入出射部における光束の入出射位置が、入出射方向において同じ位置である。これにより、各光束の正反射光が測定対象物の複数点のどの点で反射された光であるかを容易に識別することができる。

本発明の他の態様に係る多点距離測定装置において、複数の光入出射部は、入出射方向に対して垂直な方向に一次元配列されている。これにより、複数点までの距離の測定結果に基づき、測定対象物の一次元の表面形状を測定することができる。

本発明の他の態様に係る多点距離測定装置において、複数の光入出射部は、入出射方向に対して垂直な面内に二次元配列されている。これにより、複数点までの距離の測定結果に基づき、測定対象物の二次元の表面形状を測定することができる。

本発明の他の態様に係る多点距離測定装置において、複数の光入出射部は、長さの異なる複数の光ファイバケーブルである。これにより、各光束の正反射光が測定対象物の複数点のどの点で反射された光であるかを容易に識別することができる。

本発明の他の態様に係る多点距離測定装置において、距離算出部は、光干渉信号に二乗処理を施す第１の処理と、二乗処理が施された光干渉信号にローパスフィルタ処理を施す第２の処理と、ローパスフィルタ処理が施された光干渉信号に微分処理を施す第３の処理と、微分処理が施された光干渉信号のゼロクロッシングの位置でトリガ信号を発生させる第４の処理と、第４の処理で発生したトリガ信号に基づき、光干渉信号のピーク位置を検出する第５の処理と、第５の処理で検出されたピーク位置に基づき、距離を算出する第６の処理と、を実行する。これにより、例えば測定対象物の複数点までの距離をより高精度に測定することができる。

本発明の目的を達成するための形状測定装置は、前述の多点距離測定装置と、距離算出部の算出結果に基づき、測定対象物の表面形状を算出する形状算出部と、を備える。

本発明の多点距離測定装置及び形状測定装置は、測定対象物上の複数点までの距離を高精度かつ短時間に測定することができる。

第１実施形態の形状測定装置の概略図である。 ファブリー・ペロー・エタロンを透過した特殊光を説明するための説明図である。 ビームスプリッタの対向面の正面図である。 正反射光を説明するための説明図である。 光ファイバケーブル及びコリメータの拡大図である。 （Ａ）は各光ファイバケーブルのコリメータから出射される光束の遅延（ディレイ）について説明するための説明図であり、（Ｂ）は各光ファイバケーブルのコリメータに入射する正反射光の遅延について説明するための説明図である。 形状測定装置における形状測定処理の流れを示すフローチャートである。 第２実施形態の形状測定装置の要部を説明するための説明図である。 第３実施形態の形状測定装置のビームスプリッタの対向面の正面図である。 第４実施形態の形状測定装置の干渉縞パターン検出部の機能ブロック図である。 第５実施形態の形状測定装置の干渉縞パターン検出部の機能を説明するための説明図である。 第６実施形態の形状測定装置の概略図である。

［第１実施形態の形状測定装置］
図１は、測定対象物９の表面形状を測定する形状測定装置１０の概略図である。この形状測定装置１０は、測定対象物９の表面上の複数点までの距離をそれぞれ測定することにより測定対象物９の表面形状の測定を非接触で行う装置であり、本発明の多点距離測定装置に相当するものである。なお、測定対象物９の種類は特に限定はされないが、例えば金型、自動車や飛行機のエンジンなどの回転体などが例として挙げられる。

形状測定装置１０は、大別して、ブロードスペクトル光源（本発明の光源に相当）光源と略す）１９、ファブリー・ペロー・エタロン（以下、単にエタロンと略す）２０、光アンプ２１、スプリッタ（本発明の特殊光分割部に相当）２２、第１光路２３、第２光路２４、ミキサ２５、光検出部２６、干渉縞パターン検出部２７、距離算出部２８、形状算出部２９、及びこれら各部を接続する光ファイバケーブル３０並びに光ファイバケーブル３０を接続するコネクタ３１を備えている。

ブロードスペクトル光源１９は、ブロードスペクトル（広帯域光ともいう）を出力する。このブロードスペクトル光源１９としては、例えば半導体レーザが用いられる。半導体レーザは駆動電流の大きさを変化させることで出射する光の波長が変化するので、ブロードスペクトルを出射可能である。なお、ブロードスペクトル光源１９として、例えばＣＷレーザ（Continuous wave laser）光源などのブロードスペクトルを出射可能な公知の各種光源を用いてもよい。また、ブロードスペクトルの強さは適宜に変えることができる。

エタロン２０は、平行反射面の多重反射による干渉を利用した周波数選択性を有する。エタロン２０は、ブロードスペクトル光源１９より入力されたブロードスペクトルから、繰り返し周波数ｆｒを有する光である特殊光３４を生成して出力する。

図２（Ａ），（Ｂ）は、エタロン２０から出力される特殊光３４を説明するための説明図である。図２（Ａ）に示すように、特殊光３４は、周波数領域において、正確に繰り返し周波数ｆｒずつ離れている多数の光から成り立っている。また、図２（Ｂ）に示すように、特殊光３４は、時間領域において、非常に安定したパルスの列（繰り返し周波数ｆrの逆数に応じた時間間隔Ｔを有する、安定したパルス列）として現れる。このパルス列のパルス間隔Ｄは、Ｄ＝ｃ／２ｆｒ（ｃは光速）となる。

図１に戻って、光アンプ２１は、エタロン２０から入力された特殊光３４を増幅した後、この特殊光３４をスプリッタ２２に向けて出力する。

スプリッタ２２は、光アンプ２１と、第１光路２３及び第２光路２４とに接続している。スプリッタ２２は、光アンプ２１から入力された特殊光３４を参照光３５と測距光３６とに分割して、参照光３５を第１光路２３に出力すると共に、測距光３６を第２光路２４に出力する。

第１光路２３には、第１コリメータ３８、プリズムリフレクタ３９、コーナリフレクタ４０、走査ステージ４１、及び第２コリメータ４２が設けられている。

第１コリメータ３８は、スプリッタ２２から入力される参照光３５を平行光線としてプリズムリフレクタ３９に向けて出射する。

プリズムリフレクタ３９は、第１コリメータ３８から入力された参照光３５をコーナリフレクタ４０に向けて反射すると共に、このコーナリフレクタ４０から入射する参照光３５を第２コリメータ４２に向けて反射する。

コーナリフレクタ４０は、プリズムリフレクタ３９により反射された参照光３５の光路上に配置されている。このコーナリフレクタ４０は、プリズムリフレクタ３９から入射した参照光３５を再びプリズムリフレクタ３９に向けて反射する。

走査ステージ４１は、コーナリフレクタ４０に取り付けられている。この走査ステージ４１は、プリズムリフレクタ３９により反射された参照光３５の光路に平行な方向に沿ってコーナリフレクタ４０を往復動させる。具体的に走査ステージ４１は、前述のパルス間隔Ｄよりも少し長いストローク量で往復動させる。これにより、後述する参照光３５と測距光３６との光干渉信号の振幅を時間的に変動させることができる。時間的に変動する光干渉信号の測定データを積算することで、測定データの精度を高めることができる。なお、走査ステージ４１の代わりに、例えばＰＺＴステージ（電圧アクチュエータ）を用いてもよい。

第２コリメータ４２は、プリズムリフレクタ３９から入射する参照光３５を集光して光ファイバケーブル３０に出力する。この第２コリメータ４２は、図示しない移動機構により、プリズムリフレクタ３９から入射する参照光３５の光路に平行な方向に移動可能になっている。これにより、第１光路２３における参照光３５の光路長を可変することができる。そして、第２コリメータ４２から出力された参照光３５はミキサ２５に入力される。

第２光路２４には、サーキュレータ４４、ビームスプリッタ４６、複数の光ファイバケーブル４７が設けられている。サーキュレータ４４は、スプリッタ２２から入力される測距光３６をビームスプリッタ４６に向けて出力すると共に、このビームスプリッタ４６からの戻り光（後述の正反射光３６ｂ）をミキサ２５に向けて出力する。

ビームスプリッタ４６は、本発明の測距光分割部に相当するものであり、光ファイバケーブルを介してサーキュレータ４４に接続している。また、ビームスプリッタ４６の測定対象物と対向する対向面４６ａ（本発明の入出射方向に対して垂直な面に相当、図３参照）には、長さの異なる複数の光ファイバケーブル４７が設けられている。ビームスプリッタ４６は、サーキュレータ４４から入力された測距光３６を複数の光束３６ａに分割し、各光束３６ａを光ファイバケーブル４７にそれぞれ出力する。

光ファイバケーブル４７は、その先端部に設けられたコリメータ４７ａと共に本発明の複数の光入出射部を構成している（コリメータ４７ａは省略可）。光ファイバケーブル４７は、コリメータ４７ａを測定対象物９に向けた状態で対向面４６ａに複数取り付けられている。各光ファイバケーブル４７は、ビームスプリッタ４６より入力された光束３６ａをコリメータ４７ａから測定対象物９の複数点に向けてそれぞれ出射する。また、各光ファイバケーブル４７には、測定対象物９の複数点にてそれぞれ正反射された光束３６ａの正反射光３６ｂがコリメータ４７ａを介して入射する。なお、図中の符号「Ａ」は各コリメータ４７ａから入出射される光束３６ａに平行な方向を示し、以下、この方向を入出射方向Ａという。

各コリメータ４７ａは、光束３６ａ及び正反射光３６ｂの入出射位置の起点として使用することができる。具体的に、各コリメータ４７ａは、入出射方向Ａにおける光束３６ａ及び正反射光３６ｂの入出射位置が同じ位置（略同じ位置を含む）になるように位置調整されている。これにより、各コリメータ４７ａからの光束３６ａの出射位置が同じ位置になると共に、各コリメータ４７ａへの正反射光３６ｂの入射位置が同じ位置になる。

図３は、ビームスプリッタ４６の対向面４６ａの正面図である。対向面４６ａには、光ファイバケーブル４７がコリメータ４７ａを測定対象物９に向けた状態で前述の入出射方向Ａに対して垂直方向に一次元配列されている。従って、図３に示すように、測定対象物９の一次元方向に並んだ複数点に対して各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａから光束３６ａが出射され、複数点にてそれぞれ正反射された正反射光３６ｂがコリメータ４７ａを介して各光ファイバケーブル４７に入射する。

図４は、正反射光３６ｂを説明するための説明図である。図４に示すように、各光束３６ａ、すなわち、エタロン２０により生成された特殊光３４はＳＮ比が高いため、測定対象物９の複数点にそれぞれ入射して反射された反射光のうち、複数点にてそれぞれ正反射された正反射光３６ｂだけがコリメータ４７ａを経て光ファイバケーブル４７に入射する。なお、ここでいう正反射光とは、光束３６ａの光路に沿って戻る反射光である。

図５は、各光ファイバケーブル４７及び各コリメータ４７ａの拡大図である。また、図６（Ａ）は、各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａから出射される光束３６ａの遅延（ディレイ）について説明するための説明図である。図６（Ｂ）は、各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａに入射する正反射光３６ｂの遅延について説明するための説明図である。

図５に示すように、各光ファイバケーブル４７の長さ（すなわち、各光ファイバケーブル４７内での光束３６ａの光路長）は、前述の図２（Ｂ）に示したパルス間隔Ｄずつ順に長くなるように形成されている。なお、図中の「Ｘ」は、光ファイバケーブル４７の所定の基準長さである。図６（Ａ）に示すように、各光ファイバケーブル４７の長さをパルス間隔Ｄずつ順に長くすることで、各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａから測定対象物９の複数点に向けて出射される光束３６ａをパルス間隔Ｄずつ順に遅延させることができる。これにより、各光束３６ａを測定対象物９の複数点に順次に到達させることができる。

また、図６（Ｂ）に示すように、各光束３６ａの正反射光３６ｂが各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａに入射する時間を異ならせることができる。具体的に、長さ「Ｘ＋Ｄ」の光ファイバケーブル４７に対応する正反射光３６ｂに対して、長さ「Ｘ＋２Ｄ」の光ファイバケーブル４７に対応する正反射光３６ｂは、パルス間隔Ｄ及び正反射光３６ｂの反射点の段差に応じた分だけ遅れて入射する。さらに、長さ「Ｘ＋Ｄ」の光ファイバケーブル４７に対応する正反射光３６ｂに対して、長さ「Ｘ＋３Ｄ」の光ファイバケーブル４７に対応する正反射光３６ｂは、２Ｄ（パルス間隔Ｄ×２）及び正反射光３６ｂの反射点の段差に応じた分だけ遅れて入射する。

以下同様に、光ファイバケーブル４７の長さがパルス間隔Ｄずつ順に長くなるのに従い、正反射光３６ｂは順に遅れて入射する。この際に、各正反射光３６ｂのパルス列の間隔はパルス間隔Ｄで同じであるので、エタロン２０が下記条件を満たす場合には、各正反射光３６ｂがそれぞれ測定対象物９の複数点のどの点で反射された光であるかを容易に識別することができる。

ここで、測定対象物９の複数点のうちの隣接する２点の段差の大きさ、すなわち、２点の入出射方向Ａの位置ずれ量がパルス間隔Ｄよりも大きくなると、隣接する光ファイバケーブル４７のうちの長く形成されている方に先に正反射光３６ｂが入射する場合がある。このような場合には、２点で正反射された正反射光３６ｂがこれら２点のいずれの点で正反射されたかを判別することができない。このため、複数点のうちの隣接する２点の入出射方向Ａの位置ずれ量の最大値をＧ（図５参照）とした場合に、エタロン２０は、パルス間隔Ｄ＞最大値Ｇを満たすもの、すなわち、パルス間隔Ｄ＞最大値Ｇを満たす繰り返し周波数ｆｒを設定可能なものが用いられる。そして、形状測定装置１０のエタロン２０は最大値Ｇの値に応じて交換可能となっている。エタロン２０による繰り返し周波数ｆｒの設定は、例えば、パルス間隔Ｄを数百μｍとする設定まで可能である。

なお、複数点の段差の大きくなる測定対象物９については、２個のエタロン（例えば、パルス間隔Ｄ１＝０．５ｍｍ、パルス間隔Ｄ２＝０．５５ｍｍ）を用いることで測定をすることができる。

図１に戻って、各光ファイバケーブル４７にそれぞれ入射した正反射光３６ｂは、ビームスプリッタ４６、サーキュレータ４４などを介してミキサ２５に入力される。

ミキサ２５は例えば光ミキサが用いられる。このミキサ２５は、第１光路２３から入力される参照光３５と、第２光路２４から入力される複数点ごとの正反射光３６ｂとを例えば光学的に乗算するなどの方法で混合して、参照光３５と正反射光３６ｂとの光干渉信号５３を複数点ごとに生成する。また、参照光３５と正反射光３６ｂとは周波数が近接する周波数成分を含むため、光干渉信号５３は検出可能な周波数領域にビートダウンされる。そして、複数点ごとの光干渉信号５３がミキサ２５から光検出部２６に出力される。

光検出部２６は、ミキサ２５から入力された複数点ごとの光干渉信号５３を受光して電気信号に変換し、複数点ごとの光干渉信号５３を干渉縞パターン検出部２７へ出力する。なお、複数点の各点と光干渉信号５３との対応関係（すなわち、光干渉信号５３が複数点の中のどの点に対応しているか）は、前述のエタロン２０及び各光ファイバケーブル４７の長さから明らかである。

干渉縞パターン検出部２７は、後述の距離算出部２８と共に本発明の距離算出部として機能するものである。干渉縞パターン検出部２７及び距離算出部２８は、光検出部２６から入力された複数点ごとの光干渉信号５３に基づき、公知のパルス干渉位置計測技術を利用して、各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａから測定対象物９の複数点の各点までの距離を算出する。そして、形状算出部２９は、複数点の各点までの距離算出結果に基づき、測定対象物９の表面形状を算出する。以下、複数点の各点までの距離算出、並びに表面形状算出の一例について説明する。

干渉縞パターン検出部２７としては、例えばロックインアンプが用いられる。この干渉縞パターン検出部２７は、前述の光検出部２６から入力された光干渉信号５３の干渉縞パターンを検出し、干渉縞パターンの検出結果を距離算出部２８へ出力する。

距離算出部２８は、干渉縞パターン検出部２７から入力された干渉縞パターンの検出結果に基づき、測定対象物９の複数点の各点までの距離をそれぞれ算出し、複数点ごとの距離算出結果を形状算出部２９へ出力する。なお、干渉縞パターンから各距離を算出する方法については公知であるので、ここでは具体的な説明は省略する。

形状算出部２９は、距離算出部２８から入力される複数点ごとの距離算出結果に基づき、測定対象物９の表面形状の算出を行う。各光ファイバケーブル４７の配列及びその間隔から各光束３６ａの配列及びその間隔は既知であるので、距離算出部２８から入力される距離算出結果に基づき、複数点の相対位置関係を算出することができる。その結果、測定対象物９の一次元の表面形状を算出することができる。

＜形状測定装置の作用＞
図７は、上記構成の形状測定装置１０における形状測定処理の流れを示すフローチャートである。図７に示すように、測定対象物９を形状測定装置１０の測定空間内にセットした後、図示しない操作部を介して形状測定開始操作を行うと、ブロードスペクトル光源１９からブロードスペクトルが出射される（ステップＳ１）。

ブロードスペクトル光源１９から出射されたブロードスペクトルは、エタロン２０にて繰り返し周波数ｆｒを有する特殊光３４に生成された後（ステップＳ１Ａ）、光アンプ２１により増幅され、さらにスプリッタ２２により参照光３５と測距光３６とに分割される（ステップＳ２）。参照光３５は、スプリッタ２２から第１光路２３に出力された後、第１コリメータ３８などを経てミキサ２５に入力される。

一方、測距光３６は、スプリッタ２２から第２光路２４に出力された後、サーキュレータ４４を経てビームスプリッタ４６に入力され、ビームスプリッタ４６にて複数の光束３６ａに分割される。各光束３６ａは、対向面４６ａに一次元配列された各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａから測定対象物９の複数点に向けてそれぞれ出射される（ステップＳ３）。そして、測定対象物９の複数点にてそれぞれ正反射された正反射光３６ｂがコリメータ４７ａを経て光ファイバケーブル４７に入射する（ステップＳ４）。

この際に、各光ファイバケーブル４７をパルス間隔Ｄずつ順に長くなるように形成し、且つエタロン２０としてパルス間隔Ｄ＞最大値Ｇを満たす繰り返し周波数ｆｒを有するものを用いているので、各正反射光３６ｂを光ファイバケーブル４７の個々の長さに応じて順に遅延させることができる。その結果、各正反射光３６ｂがそれぞれ測定対象物９の複数点のどの点で反射された光であるかを容易に識別することができる。

複数点ごとの正反射光３６ｂは、ビームスプリッタ４６、サーキュレータ４４などを経てミキサ２５に入力される。

参照光３５と、複数点ごとの正反射光３６ｂとがミキサ２５にて順次に混合されて、複数点ごとの光干渉信号５３がミキサ２５から光検出部２６に入力される。そして、光検出部２６にて、複数点ごとの光干渉信号５３が検出される（ステップＳ５）。光検出部２６は、複数点ごとの光干渉信号５３を干渉縞パターン検出部２７へ順次に出力する。

干渉縞パターン検出部２７は、複数点ごとの光干渉信号５３の干渉縞パターンを検出して、各干渉縞パターンの検出結果を距離算出部２８へ順次に出力する。そして、距離算出部２８は、干渉縞パターン検出部２７から入力された各干渉縞パターンの検出結果に基づき、各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａから測定対象物９の複数点の各々までの距離を算出する（ステップＳ６）。なお、本実施形態では、被測定物である測定対象物の形状に応じて、パルス間隔Ｄを変えることができる。例えば、本実施形態では、パルス間隔Ｄが０．５ｍｍ（繰り返し周波数ｆｒ＝３００ＧＨｚ）の条件にて、１ｍｓ／点以上の測定速度で距離の測定を行う。そして、距離算出部２８は、各距離の算出結果を形状算出部２９へ出力する。

形状算出部２９は、距離算出部２８から入力される複数点ごとの距離の算出結果と、既知の各光束３６ａの配列及びその間隔とに基づき、測定対象物９の複数点の相対位置関係を算出することで測定対象物９の一次元の表面形状を算出する（ステップＳ７）。この表面形状の算出結果は、図示しない記憶部に格納される。

次いで、測定対象物９の表面形状の測定位置（光束３６ａが照射される位置）を変えると、前述の各処理により、新たな測定位置における測定対象物９の一次元の表面形状が算出される。以下、測定位置を変えながら測定対象物９の一次元の表面形状の算出を繰り返すことにより、測定対象物９の二次元の表面形状が算出される。

この際に、表面形状の測定位置が変わることで、前述のパルス間隔Ｄ＞最大値Ｇの関係が満たされなくなる場合には、この最大値Ｇに応じてエタロン２０を、パルス間隔Ｄ＞最大値Ｇを満たす繰り返し周波数ｆｒを設定可能なものに交換する。なお、測定対象物９の種類が変わり、パルス間隔Ｄ＞最大値Ｇの関係が満たされなくなる場合も同様にエタロン２０を交換する。ここで、前述したように、２個のエタロンを用いて測定を行ってもよい。

＜本発明の効果＞
以上のように本発明の形状測定装置１０では、前述のエタロン２０及び光ファイバケーブル４７を用いることで、各光ファイバケーブル４７から測定対象物９の複数点に向けて光束３６ａをそれぞれ同時に出射した場合でも各正反射光３６ｂが測定対象物９の複数点のどの点で反射された光であるかを容易に識別することができる。これにより、一度の走査で多点計測が可能となる。また、エタロン２０により生成された測距光３６を用いることにより、複数点の各々における光束３６ａの正反射光３６ｂだけを選択して各光ファイバケーブル４７に入射させることができ、ＳＮ比の良い干渉縞パターンを発生させることができる。その結果、測定対象物９の複数点までの距離を高精度（具体的にはサブμｍの精度）かつ短時間に測定することができ、さらに測定対象物９の表面形状を高精度に算出することができる。

また、エタロン２０による繰り返し周波数ｆｒの設定は、パルス間隔Ｄを数百μｍとする設定まで可能であるので、測定対象物９の表面形状の段差（最大値Ｇ）に応じてエタロン２０を交換することで、段差の大きい表面形状の測定を行うことができる。

また、前述の通り、測定対象物９の複数点にて正反射された正反射光３６ｂだけを各光ファイバケーブル４７に入射させることができるので、測定対象物９の複数点での反射率の影響は問題とならず、さらに、各光束３６ａの光路が重なる場合でも複数点までの距離を測定することができる。

また、本発明の形状測定装置１０の要部は、エタロン２０、ビームスプリッタ４６、及び各光ファイバケーブル４７により構成可能であるので、形状測定装置１０を低コストに実現できる。

［第２実施形態の形状測定装置］
図８は、本発明の第２実施形態の形状測定装置１０Ａの要部を説明するための説明図である。上記第１実施形態の形状測定装置１０では、各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａの入出射方向Ａの位置を同じ位置に調整している。これに対して、図８に示すように、形状測定装置１０Ａでは、各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａの入出射方向Ａの位置を測定対象物９に向けてパルス間隔Ｄ分だけ順にずらしている。この結果、光ファイバケーブル４７の光ファイバー長の制作誤差を補正することが可能であり、被測定物である測定対象物９として平面の測定も可能になる。なお、形状測定装置１０Ａは、各コリメータ４７ａの入出射方向Ａの位置が異なる点を除けば、第１実施形態の形状測定装置１０と基本的に同じ構成である。このため、上記第１実施形態と機能・構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。

各光ファイバケーブル４７の長さは、第１実施形態と同様に、パルス間隔Ｄずつ順に長くなるように形成されている。このため、各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａから測定対象物９の複数点までの各々の光束３６ａの光路長Ｌは、例えば、（１）Ｌ＝１０・Ｄ＋σ１、（２）Ｌ＝９・Ｄ＋σ２、（３）Ｌ＝８・Ｄ＋σ３、・・・となる。ここでσ１、σ２、σ３、・・・は、測定対象物９の複数点の入出射方向Ａにおける相対的な位置ずれ量を示す値、すなわち、測定対象物９の表面形状を示す値である。

各光ファイバケーブル４７の長さをパルス間隔Ｄずつ順に長くすることで、各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａから測定対象物９の複数点に向けて出射される光束３６ａを順次に遅延させることができる。これにより、各光束３６ａを測定対象物９の複数点に順次に到達させることができるため、コリメータ４７ａに入射する各光束３６ａの正反射光３６ｂを順次に遅延させることができる。その結果、第２実施形態の形状測定装置１０Ａにおいても、各光ファイバケーブル４７に入射された正反射光３６ｂが測定対象物９の複数点のどの点で反射された光であるかを容易に識別することができるので、第１実施形態で説明した効果と同様の効果が得られる。

［第３実施形態の形状測定装置］
図９は、第３実施形態の形状測定装置のビームスプリッタ６０の対向面６０ａの正面図である。上記第１実施形態の形状測定装置１０では、ビームスプリッタ４６の対向面４６ａに光ファイバケーブル４７及びコリメータ４７ａが一次元配列されている。これに対して、第３実施形態の形状測定装置のビームスプリッタ６０の対向面６０ａ（入出射方向に対して垂直な面）には、光ファイバケーブル４７等が二次元配列されている。これにより、図９に示すように、測定対象物９の二次元方向に並んだ複数点に対して各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａから光束３６ａが出射され、複数点にてそれぞれ正反射された正反射光３６ｂがコリメータ４７ａを介して各光ファイバケーブル４７に入射する。

このように第３実施形態の形状側測定装置では、ビームスプリッタ６０の対向面６０ａに光ファイバケーブル４７等を二次元配列させることで、測定対象物９の二次元方向に並んだ複数点の各点までの距離をそれぞれ算出することができる。その結果、１回の測定で測定対象物９の二次元の表面形状を算出することができる。

なお、第３実施形態の形状側測定装置は、光ファイバケーブル４７等が二次元配列されているビームスプリッタ６０を備える点を除けば、第１実施形態の形状測定装置１０と基本的に同じ構成であるので、第１実施形態で説明した効果と同様の効果が得られる。

［第４実施形態の形状測定装置］
図１０は、第４実施形態の形状測定装置の干渉縞パターン検出部６５の機能ブロック図である。なお、第４実施形態の形状側測定装置は、第１実施形態の形状測定装置１０とは異なる干渉縞パターン検出部６５を備える点を除けば、第１実施形態の形状測定装置１０と基本的に同じ構成である。このため、上記第１実施形態と機能・構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。

図１０に示すように、干渉縞パターン検出部６５は、第１のアンプ７０（図中、「ＡＭＰ１」で表示）、ローパスフィルタ７１（図中、「ＬＰＦ」で表示）、微分処理部７２（図中、「ＤＩＦ」で表示）、第２のアンプ７３（図中、「ＡＭＰ２」で表示）、及びピーク位置検出部７４を備えている。なお、第４実施形態及び後述の第５実施形態では、光検出部２６から入力された光干渉信号５３を、第１光路２３と第２光路２４との光路差が前述の繰り返し周波数ｆｒの整数倍に対応する位置で干渉縞が発生する干渉縞パターン信号として説明を行う。

第１のアンプ７０は、光検出部２６から入力された光干渉信号５３である干渉縞パターン信号を増幅し、雑音が多いゼロ電圧の部分をカットした後、さらに増幅してローパスフィルタ７１へ出力する。

ローパスフィルタ７１は、第１のアンプ７０から入力された干渉縞パターン信号に対してローパスフィルタ処理を施してＳＮ比を向上させた後、この干渉縞パターン信号を微分処理部７２へ出力する。

微分処理部７２は、ローパスフィルタ７１から入力された干渉縞パターン信号に対して微分処理を施した後、この干渉縞パターン信号を第２のアンプ７３へ出力する。

第２のアンプ７３は、微分処理部７２から入力された干渉縞パターン信号のゼロクロッシングの位置でトリガ信号（パルス信号）を発生させ、このトリガ信号をピーク位置検出部７４へ出力する。

ピーク位置検出部７４は、第２のアンプ７３から入力されるトリガ信号に基づき、干渉縞パターン信号のピーク位置を検出し、このピーク位置の検出結果を前述の距離算出部２８へ出力する。

距離算出部２８は、ピーク位置検出部７４から入力されたピーク位置の検出結果に基づき、各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａから測定対象物９の複数点の各点までの距離をそれぞれ算出し、複数点ごとの距離算出結果を形状算出部２９へ出力する。これ以降の処理は、第１実施形態と基本的に同じであるので、ここでは具体的な説明は省略する。

このように第４実施形態の形状測定装置では、干渉縞パターン信号のピーク位置を精密に検出することができるので、測定対象物９の複数点までの距離をより高精度に測定することができる。その結果、測定対象物９の表面形状を高精度に測定することができる。なお、第４実施形態の形状側測定装置は、干渉縞パターン検出部６５を備える点を除けば、第１実施形態の形状測定装置１０と基本的に同じ構成であるので、第１実施形態で説明した効果と同様の効果が得られる。

［第５実施形態の形状測定装置］
図１１は、第５実施形態の形状測定装置の干渉縞パターン検出部８０の機能を説明するための説明図である。なお、第５実施形態の形状側測定装置は、第４実施形態の形状測定装置とは異なる干渉縞パターン検出部８０を備える点を除けば、第４実施形態の形状測定装置（すなわち、第１実施形態の形状測定装置１０）と基本的に同じ構成である。このため、上記第１実施形態と機能・構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。

図１１に示すように、干渉縞パターン検出部８０は、最初に干渉縞パターン信号に対して二乗処理を施す第１の処理を実行する（図中の括弧付き数字（１）参照）。そして、干渉縞パターン検出部８０は、二乗処理後の干渉縞パターン信号に対してローパスフィルタ処理を施す第２の処理（図中の括弧付き数字（２）参照）と、微分処理を施す第３の処理（図中の括弧付き数字（３）参照）とを実行する。なお、ローパスフィルタ処理で用いられるローパスフィルタとしては、干渉縞パターン信号の細かい構造を消すために時定数の大きなものが用いられる。

次いで、干渉縞パターン検出部８０は、微分処理後の干渉縞パターン信号のゼロクロッシングの位置でトリガ信号（パルス信号）を発生させる第４の処理（図中の括弧付き数字（４）参照）と、この第４の処理で発生したトリガ信号に基づき、干渉縞パターン信号のピーク位置を検出する第５の処理とを実行する。

干渉縞パターン検出部８０は、第５の処理で検出されたピーク位置の検出結果を前述の距離算出部２８へ出力する。以下、上記第４実施形態と同様に、ピーク位置の検出結果に基づき、距離算出部２８が測定対象物９の複数点までの距離をそれぞれ算出する第６の処理を実行する。なお、これ以降の処理は、第１実施形態と基本的に同じであるので、ここでは具体的な説明は省略する。

このように第５実施形態の形状測定装置は、干渉縞パターン信号のピーク位置を精密に検出（具体的には数１０ｎｍの分解能で検出）することができるので、測定対象物９の複数点までの距離をより高精度に測定することができる。その結果、測定対象物９の表面形状を高精度に測定することができる。なお、第５実施形態の形状側測定装置についても、干渉縞パターン検出部８０を備える点を除けば、第１実施形態の形状測定装置１０と基本的に同じ構成であるので、第１実施形態で説明した効果と同様の効果が得られる。

［第６実施形態の形状測定装置］
図１２は、第６実施形態の形状測定装置１０Ｂの概略図である。形状測定装置の構成は、図１に示した第１実施形態の形状測定装置１０の構成に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。以下、図１２を用いて、形状測定装置の変形例の一例として形状測定装置１０Ｂについての説明を行う。なお、上記第１実施形態と機能・構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する。

形状測定装置１０Ｂは、大別して、ブロードスペクトル光源１９、エタロン２０、光ファイバケーブル３０、サーキュレータ４４Ｂ、スプリッタ２２Ｂ、第１光路２３Ｂ、第２光路２４Ｂ、移動ステージ８５、ビームスプリッタ４６及び光ファイバケーブル４７、光検出部２６、干渉縞パターン検出部２７、距離算出部２８、及び形状算出部２９を備えている。

サーキュレータ４４Ｂは、エタロン２０から入力される特殊光３４をスプリッタ２２Ｂに向けて出力すると共に、このスプリッタ２２Ｂからの戻り光（光干渉信号５３）を光検出部２６に向けて出力する。

スプリッタ２２Ｂは、サーキュレータ４４Ｂと、第１光路２３Ｂ及び第２光路２４Ｂとに接続している。スプリッタ２２Ｂは、サーキュレータ４４Ｂから入力された特殊光３４を参照光３５と測距光３６とに分割して、参照光３５を第１光路２３Ｂに出力すると共に、測距光３６を第２光路２４Ｂに出力する。

第１光路２３Ｂには、第１コリメータ３８Ｂ及び移動ステージ８５が設けられている。第１コリメータ３８Ｂは、スプリッタ２２Ｂから入力される参照光３５を平行光線として移動ステージ８５に向けて出射する。

移動ステージ８５は、第１コリメータ３８Ｂに対向する位置に配置されており、第１コリメータ３８Ｂから入射される参照光３５を第１コリメータ３８Ｂに反射する。この移動ステージ８５は、参照光３５の光路に平行な方向に往復動される。これにより、第１光路２３Ｂにおける参照光３５の光路長を可変することができる。移動ステージ８５により反射された参照光３５は、第１コリメータ３８Ｂに入力された後、この第１コリメータ３８Ｂからスプリッタ２２Ｂに入力される。

第２光路２４Ｂには、前述のビームスプリッタ４６及び複数の光ファイバケーブル４７が設けられている。これにより、スプリッタ２２Ｂから第２光路２４Ｂに入力された測距光３６は、ビームスプリッタ４６により複数の光束３６ａに分割された後、各光ファイバケーブル４７のコリメータ４７ａから測定対象物９の複数点に向けてそれぞれ出射される。そして、測定対象物９の複数点にてそれぞれ正反射された正反射光３６ｂがコリメータ４７ａを経て各光ファイバケーブル４７に入射する。

この際に、第１実施形態で説明したように、各正反射光３６ｂを光ファイバケーブル４７の個々の長さに応じて順に遅延させることができるので、各正反射光３６ｂがそれぞれ測定対象物９の複数点のどの点で反射された光であるかを容易に識別することができる。そして、複数点ごとの正反射光３６ｂは、ビームスプリッタ４６などを経てスプリッタ２２Ｂに入力される。

参照光３５と、複数点ごとの正反射光３６ｂとがスプリッタ２２Ｂにて順次に混合されて、複数点ごとの光干渉信号５３がスプリッタ２２Ｂからサーキュレータ４４Ｂを経て光検出部２６に入力される。そして、複数点ごとの光干渉信号５３が光検出部２６にて検出される。これ以降の処理は、上記第１実施形態と基本的に同じであるので、具体的な説明は省略する。

このように第６実施形態の形状測定装置１０Ｂも第１実施形態と同様のエタロン２０、ビームスプリッタ４６及び光ファイバケーブル４７を備えており、基本的な構成は第１実施形態の形状測定装置１０と同じであるので、第１実施形態で説明した効果と同様の効果が得られる。

［その他］
上記各実施形態では、本発明の測距光分割部としてビームスプリッタを例に挙げて説明を行ったが、測距光３６を複数の光束３６ａに分割可能な各種の測距光分割部、例えば、ビームスプリッタの代わりに、光スイッチを用いても同様の効果をだすことができる。また、回折格子、レンズアレイ、マスク、マイクロミラーアレイ（ＤＭＤ：Digital Mirror Device）、透過型の光空間変調器などを用いることができる。

上記各実施形態では、各光ファイバケーブル４７の長さをパルス間隔Ｄずつ順に長くなるように形成しているが、任意の自然数をｎとした場合に、各光ファイバケーブル４７の長さをｎ・Ｄ（約自然数倍を含む）ずつ順に長く形成してもよい。この場合にも、エタロン２０としてＤ＞Ｇを満たすものを用いる。

上記各実施形態では、本発明の光入出射部として光ファイバケーブルを例に挙げて説明を行ったが、長さを変更可能な各種の光入出射部を用いることができる。

更に、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。例えば、上記各実施形態の形状測定装置の全てを同一箇所に配置することなく、ビームスプリッタ及び光ファイバケーブルは工場に配置し、これらと光通信接続された他の部分は異なる場所の測定室に配置するなど、光通信接続用の光ファイバを延長することで異なる場所・建物に存在する物体の測定も可能である。

１０…形状測定装置，１０Ａ…形状測定装置，１０Ｂ…形状測定装置，２０…ファブリー・ペロー・エタロン，２６…光検出部，２７…干渉縞パターン検出部，２８…距離算出部，２９…形状算出部，３４…特殊光，４６…ビームスプリッタ，４７…光ファイバケーブル

Claims (8)

1. ブロードスペクトルを出射する光源と、
   前記光源から出射された前記ブロードスペクトルから、予め定められた繰り返し周波数を有する光である特殊光を生成して出射するファブリー・ペロー・エタロンと、
   前記ファブリー・ペロー・エタロンから出射された前記特殊光を、参照光と測距光とに分割する特殊光分割部と、
   前記特殊光分割部にて分割された前記測距光を複数の光束に分割する測距光分割部と、
   前記測距光分割部にて分割された前記複数の光束を測定対象物の複数点に向けてそれぞれ出射し、かつ前記複数点にてそれぞれ正反射された前記光束がそれぞれ入射する複数の光入出射部と、
   前記特殊光分割部にて分割された前記参照光と、前記複数の光入出射部にそれぞれ入射した前記複数点ごとの前記光束との光干渉信号を検出する光検出部と、
   前記光検出部の検出結果に基づき、前記複数の光入出射部から前記複数点の各々までの距離を算出する距離算出部と、を備え、
   前記繰り返し周波数に対応した前記特殊光のパルス間隔をＤとし、任意の自然数をｎとした場合に、前記複数の光入出射部における前記光束の光路長がｎ・Ｄずつ順に長くなり、
   前記複数の光入出射部から入出射される前記光束に平行な方向を入出射方向とし、前記複数点のうちの隣接する２点の前記入出射方向の位置ずれ量の最大値をＧとした場合に、前記ファブリー・ペロー・エタロンはＤ＞Ｇを満たすものである多点距離測定装置。
2. 前記ファブリー・ペロー・エタロンは、前記Ｇの値に応じて交換可能である請求項１記載の多点距離測定装置。
3. 前記複数の光入出射部における前記光束の入出射位置が、前記入出射方向において同じ位置である請求項１または２記載の多点距離測定装置。
4. 前記複数の光入出射部は、前記入出射方向に対して垂直な方向に一次元配列されている請求項１から３のいずれか１項に記載の多点距離測定装置。
5. 前記複数の光入出射部は、前記入出射方向に対して垂直な面内に二次元配列されている請求項１から３のいずれか１項に記載の多点距離測定装置。
6. 前記複数の光入出射部は、長さの異なる複数の光ファイバケーブルである請求項１から５のいずれか１項に記載の多点距離測定装置。
7. 前記距離算出部は、
   前記光干渉信号に二乗処理を施す第１の処理と、
   前記二乗処理が施された前記光干渉信号にローパスフィルタ処理を施す第２の処理と、
   前記ローパスフィルタ処理が施された前記光干渉信号に微分処理を施す第３の処理と、
   前記微分処理が施された前記光干渉信号のゼロクロッシングの位置でトリガ信号を発生させる第４の処理と、
   前記第４の処理で発生した前記トリガ信号に基づき、前記光干渉信号のピーク位置を検出する第５の処理と、
   前記第５の処理で検出された前記ピーク位置に基づき、前記距離を算出する第６の処理と、
   を実行する請求項１から６のいずれか１項に記載の多点距離測定装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の多点距離測定装置と、
   前記距離算出部の算出結果に基づき、前記測定対象物の表面形状を算出する形状算出部と、
   を備える形状測定装置。

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