WO2016194019A1 - 干渉縞投影装置及び計測装置 - Google Patents

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WO2016194019A1
WO2016194019A1 PCT/JP2015/002762 JP2015002762W WO2016194019A1 WO 2016194019 A1 WO2016194019 A1 WO 2016194019A1 JP 2015002762 W JP2015002762 W JP 2015002762W WO 2016194019 A1 WO2016194019 A1 WO 2016194019A1
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light
polarization
unit
polarization maintaining
interference fringe
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PCT/JP2015/002762
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Inventor
大智 渡邊
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オリンパス株式会社
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2441—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using interferometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02001—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties

Definitions

  • the present invention relates to an interference fringe projection apparatus used for three-dimensional shape measurement and a measurement apparatus using the same.
  • a method for measuring the three-dimensional shape of an object surface in a non-contact manner a method using a diffraction pattern of a laser beam by a diffraction grating is generally known (for example, Patent Document 1).
  • a line-shaped diffraction pattern is projected onto the surface of an object to be measured, and this projection image is observed from an image sensor such as a solid-state image sensor from a predetermined position. Since the line-shaped pattern is deformed and observed due to the uneven shape on the surface of the object to be measured, the three-dimensional shape of the measurement target surface is calculated by analyzing the captured pattern.
  • Patent Document 1 discloses a measuring device arranged at the tip of an endoscope.
  • laser light for projecting interference fringes is guided using a polarization maintaining fiber.
  • the polarization maintaining fiber On the incident side of the polarization maintaining fiber, two linearly polarized laser beams whose polarization directions are orthogonal to each other are incident so that each polarization direction becomes the polarization maintaining direction of the polarization maintaining fiber.
  • the birefringent plate is arranged so that one of the polarization maintaining directions of the polarization maintaining fiber and the direction of the optical axis coincide. Thereby, the light beam emitted from the polarization maintaining fiber is separated into two.
  • a mechanism for adjusting the phase difference between two linearly polarized laser beams can be provided on the light source side of the polarization maintaining fiber so that the interference fringes projected on the measurement object can be scanned. . Thereby, the shape of the object to be measured is calculated and output according to the principle of the fringe scanning method.
  • an object of the present invention made by paying attention to these points is an interference fringe projection apparatus capable of reducing interference fringes due to external influences and projecting a plurality of interference fringes having different phases. And providing a measuring device.
  • a light source unit that selectively emits coherent light from one of a plurality of light emitting units;
  • a polarization maintaining waveguide unit having a plurality of polarization maintaining waveguides for guiding light emitted from one of the plurality of light emitting sections,
  • a polarization separator that separates the optical path of the light emitted from the polarization maintaining waveguide according to the polarization direction;
  • a polarizer that transmits only the linearly polarized light component in a specific direction of the light separated by the polarization separation unit, and the light source unit is provided in at least one polarization maintaining waveguide of the plurality of polarization maintaining waveguides.
  • the polarization maintaining waveguide unit is configured to vary the retardation of light emitted from each of the plurality of polarization maintaining waveguides for each polarization maintaining waveguide. .
  • the light source unit may include a light emitting unit selection unit that switches one light source and an optical path of light from the light source to select one of the plurality of light emitting units.
  • the light source unit may include a plurality of light sources each corresponding to one of the plurality of light emitting units, and may be configured to selectively emit light from one of the plurality of light sources.
  • At least one polarization maintaining waveguide of the plurality of polarization maintaining waveguides is arranged such that the polarization maintaining direction is a direction that bisects the polarization direction of the light separated by the polarization separation unit. Has been.
  • the polarization maintaining waveguide unit has a phase shifter on the light exit end side of at least one polarization maintaining waveguide, and the phase shifter has an optical axis direction separated by the polarization separation unit. It arrange
  • the light source unit includes a half-wave plate and a half-wave plate rotating system that rotates the half-wave plate to control the polarization direction of light incident on the polarization maintaining waveguide unit.
  • the polarization maintaining waveguide unit may include a phase modulation unit that controls a phase difference between two polarized light beams that pass through at least one polarization maintaining waveguide and are separated by the polarization separation unit.
  • the invention of a measuring device that achieves the above object is Any of the above interference fringe projection devices; An imaging unit; An arithmetic unit, The imaging unit captures an image of a subject on which interference fringes are projected by the interference fringe projection device, and the calculation unit is configured to determine the interference fringes of the subject image and the positional relationship between the interference fringe projection device and the imaging unit. It is configured to derive the shape of the subject.
  • a light source unit that selectively emits coherent light from one of a plurality of light emitting units
  • the light source unit includes at least one polarization among a plurality of polarization maintaining waveguides. It is configured so that only linearly polarized light in the direction along one polarization holding direction can be emitted from the wave holding waveguide, and the polarization holding waveguide unit is emitted from each of the plurality of polarization holding waveguides. Since the optical retardation is configured to be different for each polarization maintaining waveguide, it is possible to reduce the shift of the interference fringes due to the influence from the outside and to project a plurality of interference fringes having different phases.
  • An interference fringe projection device and a measurement device can be provided.
  • FIG. 1A is a view seen from the + x direction
  • FIG. 2A is a schematic block diagram of the measuring device using the interference fringe projection apparatus which concerns on 1st Embodiment.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams illustrating a schematic configuration of the interference fringe projection apparatus according to the first embodiment, where FIG. 1A is a schematic configuration diagram of an optical system, and FIG. 1B is a diagram illustrating the orientation of each optical element. It is. (B) shows the direction of the transmission axis or the optical axis of the optical element with the corresponding reference symbol. The same applies to the following FIG. 7B, FIG. 8B, and FIG. 9B.
  • the interference fringe projection apparatus includes a semiconductor laser 101 as an illumination light source, a collimating lens 102, a half-wave plate 103, and the like in order of transmission of light emitted from the semiconductor laser 101.
  • Polarizing plate 104 optical switch 105 (light emitting unit selection unit), PANDA (Polarization-maintaining AND Absorption-reducing) fibers 106, 107, 108 (polarization-maintaining waveguide), and 1/3 wavelength plate 109 (phase ), A 2/3 wavelength plate 110 (phaser), a rutile 111, a half phase difference film 112, a rutile 113, a polarizing film 114 (polarizer), and a wide-angle projection lens 115. Is done.
  • the light source unit of the present embodiment includes a semiconductor laser 101, a collimating lens 102, a half-wave plate 103, a polarizing plate 104, and an optical switch 105, and the polarization maintaining waveguide unit includes PANDA fibers 106, 107, 108, and 1
  • the / 3 wavelength plate 109 and the 2/3 wavelength plate 110 are included.
  • the polarization separation unit includes the rutile 111, the half phase difference film 112, and the rutile 113. Further, a portion that emits light from the optical switch 105 to each of the PANDA fibers 106, 107, and 108 is referred to as a light emitting portion.
  • the direction along the principal ray of the light emitted from the semiconductor laser 101 is defined as the z direction, and the directions orthogonal to each other on a plane orthogonal to the z direction are defined as the x direction and the y direction, respectively.
  • the y direction is a direction along the paper surface of this specification, and the x direction is a direction perpendicular to the paper surface.
  • the light emitted from the semiconductor laser 101 becomes parallel light through the collimator lens 102, passes through the half-wave plate 103 and the polarizing plate 104, and passes through the optical switch 105 and is one of the PANDA fibers 106, 107, and 108. Guided to two PANDA fibers.
  • the light guided to the PANDA fiber 106 is emitted from the exit end of the PANDA fiber 106 as it is.
  • the light guided to the PANDA fiber 107 is emitted after the polarization state is changed by the 1/3 wavelength plate 109 provided on the end face on the emission side.
  • the light guided to the PANDA fiber 108 is emitted after the polarization state is changed by the 2/3 wavelength plate 110 provided on the end face on the emission side.
  • 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 illumination projected at this time forms interference fringes.
  • the light emitted from the semiconductor laser 101 has coherence, and its wavelength is, for example, 650 nm. All optical elements are optimized to work for 650 nm light. Moreover, it is preferable that the interface of the member through which light passes is provided with an antireflection film.
  • 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 parallel to the xy plane and at a direction of 45 ° with respect to the x axis, and only linearly polarized light parallel to the transmission axis passes 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 optical switch 105 controls the incident light by switching the optical path according to a control signal from a control unit unique to the interference fringe projection apparatus (not shown), or when incorporated in the measurement apparatus as will be described later. Guide to the desired PANDA fiber 106, 107 or 108.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the optical switch 105 of FIG.
  • the optical switch 105 includes a fiber array 201, a microlens array 202, a lens 203, and a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror 204.
  • the focal lengths of the microlens array 202 and the lens 203 are f1 and f2, respectively.
  • the fiber array 201 further has an optical input port 205 and optical output ports 206, 207 and 208.
  • Light that has passed through the polarizing plate 104 and is made incident by a coupling lens (not shown) is guided to the light input port 205.
  • Optical output ports 206, 207, 208 are coupled to PANDA fibers 106, 107, 108, respectively. Each light output port 206, 207, 208 constitutes a light emitting part.
  • the microlens array 202 is disposed at the position of the fiber array 201 to f1
  • the lens 203 is disposed at the position of f1 + f2 from the microlens array 202
  • the MEMS mirror 204 is disposed at the position of f2 from the lens 203. Further, the MEMS mirror 204 is arranged so that the rotation axis of the MEMS mirror 204 is positioned on the optical axis of the lens 203.
  • the light emitted from the light input port 205 becomes parallel light by the microlens array 202 and enters the lens 203.
  • the light incident on the lens 203 becomes convergent light and is condensed on the MEMS mirror 204.
  • the light condensed on the MEMS mirror 204 is deflected according to the deflection angle of the MEMS mirror 204 and enters the lens 203.
  • the light incident on the lens 203 becomes parallel light and is condensed to one of the light output ports 206, 207, and 208 via the microlens array 202.
  • the optical switch 105 condenses light on a desired light output port 206, 207 or 208 by controlling the deflection angle of the MEMS mirror 204 by a control signal from a control unit (not shown). As a result, light can be selectively emitted to any of the PANDA fibers 106, 107, or 108. At this time, the direction of the polarization direction by the polarizing plate 104 is not changed.
  • the optical switch 105 can have various configurations as shown in a modification example described later.
  • PANDA fibers 106, 107 and 108 are polarization maintaining fibers 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 fibers 106, 107, 108 are arranged so that their slow axes are parallel to the xy plane and at a direction of 45 ° with respect to the x axis.
  • FIG. 1B shows the Slow axis direction of the entrance end and exit end of the PANDA fibers 106, 107, and 108.
  • the only light that can exist in the PANDA fibers 106, 107, 108 is linearly polarized light parallel to the slow axis. That is, the light source unit is configured to emit only linearly polarized light in a direction along one polarization holding direction with respect to all of the plurality of PANDA fibers 106, 107, and 108.
  • the light before entering the rutile 111 is polarized in the x and y directions, as will be described later.
  • the components are equal.
  • the light incident on the rutile 111 is divided into two polarization components, ordinary light and abnormal light. That is, the PANDA fibers 106, 107, and 108 are arranged so that the polarization holding direction is a direction that bisects the polarization direction of the light separated by the polarization separation unit.
  • the light emitted from the PANDA fiber 106 is linearly polarized light parallel to the xy plane and in a direction of 45 ° with respect to the x axis.
  • this polarized light is divided into components in the x direction and the y direction, the respective amplitudes are equal and the phase difference is 0 rad.
  • the light emitted from the PANDA fiber 107 is emitted to the rutile 111 through the 1/3 wavelength plate 109.
  • the 1/3 wavelength plate 109 is installed with its optical axis directed in the y direction.
  • the light emitted from the 1/3 wavelength plate 109 has the same amplitude and a phase difference of 2 ⁇ / 3 rad when the polarization is divided into components in the x direction and the y direction.
  • the light emitted from the PANDA fiber 108 is emitted to the rutile 111 via the 2/3 wavelength plate 110.
  • the 2/3 wavelength plate 110 is installed with its optical axis directed in the y direction.
  • the light emitted from the 2/3 wavelength plate 110 has the same amplitude and the phase difference of 4 ⁇ / 3 rad when the polarization is divided into components in the x direction and the y direction.
  • the polarization maintaining waveguide unit has different retardation (phase difference between polarization components) of light emitted from each of the plurality of PANDA fibers 106, 107, 108 for each PANDA fiber 106, 107, 108. Configured to let
  • Rutiles 111 and 113 are uniaxial birefringent crystals, for example, flat plates with 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 °. The direction of each optical axis is shown by an arrow in FIG. This angle is a condition in which the separation width at which rutile separates polarized light is maximized.
  • 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 its optical axis is 45 ° with respect to the x axis in the xy plane.
  • 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 do not form 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 that transmits only a linear polarization component in a specific direction.
  • the wide-angle projection lens 115 is a concave lens, and widens the divergence angle of the light beam emitted from the PANDA fibers 106, 107, and 108.
  • 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.
  • the phase difference between the two light beams corresponds to the phase difference between the x-direction component and the y-direction component of the light incident on the rutile 111.
  • the phase difference between the x-direction component and the y-direction component of the light emitted to the rutile 111 corresponds to the PANDA fiber in which the light is guided by the 1/3 wavelength plate 109 and the 2/3 wavelength plate 110 provided at the exit end.
  • PANDA fibers 106, 107, 108 they are 0 rad, 2 ⁇ / 3 rad, 4 ⁇ / 3 rad, respectively.
  • the interference fringe pattern to be projected can be switched by switching the PANDA fibers 106, 107 and 108 that emit light by the optical switch 105. Further, since the light that can exist in the PANDA fibers 106, 107, and 108 is only linearly polarized light parallel to the slow axis, the PANDA fibers 106, 107, and 108 with respect to bending of the PANDA fibers 106, 107, and 108 and temperature changes. The polarization of the light emitted from the light does not change. That is, it is possible to project a desired interference fringe pattern regardless of the bending of the PANDA fibers 106, 107, and 108 and the temperature change.
  • the light of the coherent semiconductor laser 101 is selected from one of a plurality of light emitting units, and one of the PANDA fibers 106, 107, 108 is selected.
  • the retardation of the interference pattern is made different by providing the 1/3 wavelength plate 109 and the 2/3 wavelength plate 110, respectively, so that the shift of interference fringes due to the influence of heat and bending from the outside is reduced, and A plurality of interference fringes having different phases can be projected.
  • the optical switch 301 includes an optical input port 302, optical output ports 303, 304, and 305 (light emitting portions), waveguides 306, 308, 309, 312, 313, 315, 316, 319, and 320, and a mode coupler 307. 311, 314, 318 and heaters 310, 317.
  • Waveguides 306, 308, 309, 312, 313, 315, 316, 319, and 320 are glass laminated on a silicon substrate, and light guided by total reflection utilizing a difference in refractive index goes out of the waveguide. Prevent leakage.
  • the mode couplers 307, 311, 314, and 318 have a function of branching light by causing the waveguides 306, 308, 309, 312, 313, 315, 316, 319, and 320 to approach and mode-couple.
  • the waveguides 306 and 308 are connected, and the waveguide 309 is mode-coupled.
  • the optical path from the waveguide 306 to the waveguide 308 is called a straight, and the optical path from the waveguide 306 to the waveguide 309 is called a cross.
  • the light guided through the cross is delayed in phase by ⁇ rad with respect to the light guided through the straight.
  • the lengths of the waveguides 308 and 309 are made equal between the mode couplers 307 and 311.
  • the waveguide 309 has a heater 310.
  • the heater 310 heats the waveguide 309 to a desired temperature by a control signal from a control unit (not shown). Since the refractive index of the waveguide 309 is changed by heating, the optical path length of the waveguide 309 is changed.
  • the change in the optical path length is exactly (2n ⁇ 1) ⁇
  • the light guided through the waveguide 306 is guided to the waveguide 312 due to the interference effect.
  • 2n ⁇ the light guided through the waveguide 306 is guided to the waveguide 313. That is, the optical path can be switched by controlling the heating temperature of the heater 310.
  • the waveguides 313, 315, 316, 319, 320, the mode couplers 314, 318, and the heater 317 function as switches that switch the optical path.
  • a 1 ⁇ 3 optical switch is formed by using two switches for switching the optical path.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a modification of the light source unit.
  • the light source unit includes three semiconductor lasers 401a, 401b, and 401c (light sources) arranged in the y direction, a collimator lens array 402, a half-wave plate 103, a polarizing plate 104, a microlens array 403, and an output port 404a. , 404b, 404c (light emitting part).
  • Each output port 404a, 404b, 404c is connected to a PANDA fiber 106, 107, 108, respectively.
  • the same components as those shown in FIG. 1 are given the same reference numerals.
  • Each of the collimator lens arrays 402 includes microlenses arranged to face the semiconductor lasers 401a, 401b, and 401c, and makes light emitted from the semiconductor lasers 401a, 401b, and 401c parallel light.
  • the microlens array 403 condenses the light beams that have become parallel lights by the collimating lenses of the collimating lens array 402 on the output ports 404a, 404b, and 404c. Accordingly, the light sources 401a, 401b, and 401c correspond to one of the output ports 404a, 404b, and 404c.
  • Each of the semiconductor lasers 401a, 401b, and 401c is connected to a control unit (not shown), and the control unit selectively emits light from the semiconductor lasers 401a, 401b, and 401c, whereby one of the output ports 404a, 404b, and 404c.
  • Light is selectively emitted from one of the PANDA fibers 106, 107, and 108. Thereby, it has the same effect
  • FIG. 5A and 5B are diagrams showing a modification of the polarization separation unit of the interference fringe projection apparatus of FIG. 1 together with the polarizing film 114 and the wide-angle projection lens 115, where FIG. 5A is a view seen from the + x direction, and FIG. It is the figure seen from the direction.
  • the polarization separation unit is composed of rutile 501 and rutile 502 in the order in which light passes, that is, from the light source unit side.
  • Rutiles 501 and 502 are uniaxial birefringent crystals, for example, flat plates having a thickness of 0.35 mm, and their optical axes are 48 ° with respect to the normal line of the flat plate. 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 of the refractive index and the extraordinary light of ordinary light of birefringence crystal, when a n e, the angle formed by the normal line and an optical axis of the plate it is when arctan of (n e / n o).
  • the light passing through the rutile 501 and the rutile 502 is considered using the principal ray.
  • the light incident on the rutile 501 is branched into ordinary light and abnormal light.
  • the light 503 that passes through the rutile 501 as extraordinary light is refracted in the direction of + 45 ° parallel to the xy plane and with respect to the x axis, and passes through the rutile 502 as ordinary light.
  • the light 504 that passes through the rutile 501 as ordinary light passes through the rutile 502 as extraordinary light, and is refracted in the direction of ⁇ 45 ° with respect to the x axis parallel to the xy plane.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a measurement apparatus using the interference fringe projection apparatus according to the first embodiment.
  • the measurement device includes the above-described interference fringe projection device, a camera 601, and a control unit 602.
  • the camera 601 is disposed at a position away from the wide-angle projection lens 115 in the scanning direction 604 of the interference fringe pattern 603.
  • the camera 601 performs imaging based on a control signal from the control unit 602.
  • the control unit 602 is mounted on, for example, computer hardware including a CPU and a memory, is electrically connected to the optical switch 105, and includes PANDA fibers 106, 107, and 108 that emit light emitted from the semiconductor laser 101. select.
  • control unit 602 may serve as an arithmetic unit that derives the shape of the subject from the interference fringes of the subject image captured by the camera 601 and the positional relationship between the wide-angle projection lens 115 of the interference fringe projection device and the camera 601. Function.
  • the measurement apparatus is not limited to the interference fringe projection apparatus according to the first embodiment, and can be similarly configured even when the interference fringe projection apparatuses according to the following second to fourth embodiments are used. It is.
  • this measurement apparatus uses the interference fringe projection apparatus shown in FIG. 1, the interference fringe shift due to the influence of heat and bending from the outside is reduced, and a plurality of interference fringes having different phases are projected. The shape of the subject can be measured.
  • the number of PANDA fibers 106, 107, 108 is not limited to three, and an arbitrary number of PANDA fibers can be used.
  • the retardation amount of the phase shifter arranged at the exit end of the PANDA fiber can be set to various values.
  • FIGS. 7A and 7B are diagrams illustrating a schematic configuration of the interference fringe projection apparatus according to the second embodiment, in which FIG. 7A is a schematic configuration diagram of an optical system, and FIG. 7B is a diagram illustrating the orientation of each optical element. It is.
  • a PANDA fiber 701 is provided instead of the PANDA fiber 108 of the first embodiment.
  • the PANDA fiber 701 is arranged so that the Slow axis is parallel to the xy plane at the entrance end and the direction is + 45 ° with respect to the x axis, and is ⁇ 45 ° at the exit end. That is, the PANDA fiber 701 is twisted so that the direction of the slow axis rotates between the incident end and the exit end.
  • polarized light equivalent to that obtained when the half-wave plate is disposed parallel to the y direction is emitted without providing a phase shifter at the exit end of the PANDA fiber 701.
  • a 1 ⁇ 4 wavelength plate 702 is disposed at the exit end of the PANDA fiber 107 instead of the ⁇ wavelength plate 109 of the first embodiment.
  • the optical axis of the phase shifter is arranged parallel to the y direction. Therefore, in the second embodiment, the polarization maintaining waveguide unit is configured by the PANDA fibers 106, 107, 701 and the quarter wavelength plate 702. 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 PANDA fiber 701 can be provided with a phase difference ⁇ rad between the PANDA fiber 106 and the polarized light emitted from the PANDA fiber 106 without providing a phase shifter at the exit end by rotating in the Slow axis direction.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a schematic configuration of an interference fringe projection apparatus according to the third embodiment, where (a) is a schematic configuration diagram of an optical system, and (b) is a diagram illustrating the orientation of each optical element. It is.
  • This interference fringe projection apparatus is the interference fringe projection apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 1, in which a half-wave plate unit 801 is provided between the polarizing plate 104 and the optical switch 105. Further, only two PANDA fibers 106 and 107 are connected to the optical switch 105, and a 1 ⁇ 4 wavelength plate 803 (phaser) is disposed at the exit end of the PANDA fiber 107.
  • the light source unit in the third embodiment includes a half-wave plate unit 801 in addition to the semiconductor laser 101, the collimator lens 102, the half-wave plate 103, the polarizing plate 104, and the optical switch 105.
  • the polarization maintaining waveguide unit includes PANDA fibers 106 and 107 and a quarter-wave plate 803.
  • the half-wave plate unit 801 has a half-wave plate 802 and a half-wave plate rotation system (not shown), and the optical axis of the half-wave plate 802 is z-axis by a control signal from a control unit (not shown). Rotate against. In particular, the direction of the optical axis is switched between 45 ° and 90 ° with respect to the x-axis.
  • the quarter wave plate 803 is installed between the PANDA fiber 107 and the rutile 111 so that the optical axis thereof is in the y direction. 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 light emitted from the semiconductor laser 101 becomes parallel light through the collimator lens 102 and passes through the half-wave plate 103, the polarizing plate 104, and the half-wave plate unit 801. Then, the light is guided to one of the PANDA fibers 106 and 107 via the optical switch 105.
  • the phase of the light emitted from the PANDA fibers 106 and 107 changes.
  • the optical axis of the half-wave plate 802 When the optical axis of the half-wave plate 802 is 45 ° with respect to the x direction, the light that can exist in the PANDA fibers 106 and 107 is only linearly polarized light parallel to the slow axis.
  • the phase of the light that has passed through the PANDA fiber 106 is 0 rad
  • the phase of the light that has passed through the PANDA fiber 107 and has passed through the quarter-wave plate 803 is ⁇ / 2 rad.
  • the optical axis of the half-wave plate 802 when the optical axis of the half-wave plate 802 is 90 ° with respect to the x direction, the light that can exist in the PANDA fibers 106 and 107 is only linearly polarized light parallel to the Fast axis. Therefore, the phase of the light passing through the PANDA fiber 106 is ⁇ rad, and the phase of the light passing through the PANDA fiber 107 and the quarter-wave plate 803 is 3 ⁇
  • Table 1 shows the results of summarizing the phase differences of the components in the x direction and the y direction.
  • the light emitted from the PANDA fiber 106 and the light emitted from the quarter wavelength plate 803 through the panda fiber 107 are the rutile 111, the half phase difference film 112, the rutile, as in the first embodiment. 113, the optical path is branched depending on the polarization direction.
  • Each of the branched lights 116 and 117 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 illumination projected at this time forms interference fringes.
  • the interference fringes four types of interference fringes having the phase differences shown in Table 1 can be formed.
  • the PANDA fibers 106 and 107 that emit light are switched by the optical switch 105, and the polarized light guided to the PANDA fiber by the 1 ⁇ 2 polarizing plate unit 801 is polarized parallel to the slow axis and parallel to the fast axis.
  • the interference fringe pattern to be projected can be switched between the four patterns.
  • the light that can exist in the PANDA fibers 106 and 107 is only one of linearly polarized light parallel to the slow axis and linearly polarized light parallel to the fast axis.
  • the polarization of light emitted from the PANDA fibers 106 and 107 does not change with temperature change. That is, a desired interference fringe pattern can be projected regardless of the bending of the PANDA fibers 106 and 107 and the temperature change.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a schematic configuration of the interference fringe projection apparatus according to the fourth embodiment.
  • FIG. 9A is a schematic configuration diagram of an optical system
  • FIG. 9B is a diagram showing the orientation of each optical element. It is.
  • This interference fringe projection apparatus is the interference fringe projection apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 1, wherein only two PANDA fibers 106 and 901 are connected to the optical switch 105, and the PANDA fiber 901 has a phase modulation unit.
  • the other configuration is the same as that of the first embodiment.
  • the polarization maintaining waveguide unit includes PANDA fibers 106 and 901 and a phase modulation unit 902.
  • the polarizing plate 104 is installed so that the transmission axis is parallel to the xy plane and at a direction of 45 ° with respect to the x axis.
  • the PANDA fiber 106 is arranged so that its Slow axis is parallel to the xy plane and at a 45 ° direction with respect to the x axis.
  • the light source unit is configured to emit only linearly polarized light in a direction along the Slow axis, which is one polarization holding direction, to at least one PANDA fiber 106 among the plurality of PANDA fibers 106 and 901. Yes.
  • the light transmitted through the PANDA fiber 106 is transmitted through the rutile 111, the half phase difference film 112, and the rutile 113 in the same manner as in the first embodiment, and the optical path is branched, via the polarizing film 114 and the wide-angle projection lens 115. Are projected onto the subject to form interference fringes.
  • the PANDA fiber 901 is arranged so that its Slow axis is in the y direction.
  • the polarizing plate 104 and the PANDA fiber 901 in this way, the light guided through the PANDA fiber 901 has two components, a slow axis and a fast axis, and the amplitudes thereof are equal.
  • the phase modulation unit 902 controls the phase difference between polarized light parallel to the slow axis and polarized light parallel to the fast axis with respect to the light guided through the PANDA fiber 901.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a schematic configuration of the phase modulation unit 902 of FIG.
  • Light enters the phase modulation unit from an input port 1001 that is a tip of a PANDA fiber connected to the optical switch 105.
  • the phase modulation unit includes a collimator lens 1002, a liquid crystal retarder 1004, and a coupling lens 1003.
  • Light emitted from the input port 1001 is converted into parallel light by the collimator lens 1002, passes through the liquid crystal retarder 1004, and is coupled to the PANDA fiber 901 through the coupling lens 1003.
  • the liquid crystal retarder 1004 gives a phase difference between the polarization component parallel to the x direction and the deflection component parallel to the y direction with respect to the light passing through the liquid crystal retarder 1004 by a control signal from a control unit (not shown).
  • the light guided through the PANDA fiber 901 is emitted in a desired polarization state via the phase modulator 902.
  • the light path of the emitted light is branched by the polarization direction through the rutile 111, the half retardation film 112, and the rutile 113.
  • 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 illumination projected at this time forms interference fringes.
  • the polarization of the light emitted from the PANDA fiber 106 does not change with respect to the bending or temperature change of the PANDA fiber 106. That is, a desired interference fringe pattern can be projected regardless of the bending of the PANDA fiber 106 or a temperature change.
  • the polarization of light emitted from the PANDA fiber 901 changes depending on the bending of the PANDA fiber 901 or a temperature change. Also, the polarization changes due to the phase modulation of the phase modulation unit 902.
  • the phase modulation amount of the phase modulation unit 902 is changed between ⁇ and + ⁇ , and the modulation speed is made sufficiently faster than bending or temperature change of the PANDA fiber 901 changes the polarization state.
  • the polarized light emitted from the PANDA fiber 901 can be estimated. That is, the phase difference when the same pattern as the interference pattern projected by the PANDA fiber 106 is obtained is set to 0 rad, and the phase difference when the phase modulation amount of the phase modulation unit 902 is changed is estimated based on this.
  • phase modulation unit 902 of the fourth embodiment can be realized by various configurations. Below, the modification of a phase modulation part is demonstrated.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a first modification of the phase modulation unit.
  • This phase modulation unit includes a collimator lens 1002, a half-wave plate unit 1101, a quarter-wave plate 1103, and a coupling lens 1003.
  • Light emitted from the input port 1001 becomes parallel light by the collimator lens 1002, passes through the half-wave plate unit 1101 and the quarter-wave plate 1103, and is coupled to the PANDA fiber 901 through the coupling lens 1003. Be ringed.
  • the half-wave plate unit 1101 has a half-wave plate 1102 and a half-wave plate rotation system (not shown).
  • the half-wave plate 1102 is rotated with respect to the z axis by a control signal from a control unit (not shown). Controlled.
  • the quarter-wave plate 1103 is arranged with its optical axis parallel to the xy plane and at a direction of 45 ° with respect to the x-axis.
  • the phase difference ⁇ rad between the polarized light parallel to the x direction and the polarized light parallel to the y direction of the light emitted from the quarter wavelength plate 1103 is relative to the angle ⁇ rad that the optical axis of the half wavelength plate 1102 forms with the x axis.
  • ⁇ ⁇ / 2-4 ⁇ .
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a second modification of the phase modulation unit 902.
  • the phase modulation unit includes a polarization beam splitter 1201, quarter-wave plates 1202 and 1204, a plane mirror 1203, and a reflective phase modulator 1205.
  • the polarization beam splitter 1201 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 reflects the y direction. Transmits linearly polarized light parallel to.
  • the plane mirror 1203 is arranged in the y direction of the polarization beam splitter 1201 so that the normal direction thereof is the principal ray direction of the light reflected by the polarization beam splitter 1201.
  • the reflective phase modulator 1205 is disposed in the z direction of the polarization beam splitter 1201 so that the normal direction thereof is the principal ray direction of the light transmitted through the polarization beam splitter 1201.
  • the quarter wavelength plate 1202 has an optical axis parallel to the xz plane and 45 ° with respect to the z axis, and is disposed between the polarization beam splitter 1201 and the plane mirror 1203.
  • the quarter wavelength plate 1204 has an optical axis parallel to the xy plane and 45 ° with respect to the y axis, and is disposed between the polarization beam splitter 1201 and the reflective phase modulator 1205.
  • the linearly polarized light parallel to the x direction incident from the input port 1001 is reflected by the polarization beam splitter 1201, passes through the quarter wavelength plate 1202, becomes circularly polarized light, and is reflected by the plane mirror 1203.
  • the reflected circularly polarized light is transmitted through the quarter-wave plate 1202, becomes linearly polarized light parallel to the y direction, passes through the beam splitter surface of the polarizing beam splitter 1201, and enters the coupling lens 1003.
  • linearly polarized light parallel to the y direction passes through the beam splitter surface of the polarizing beam splitter 1201, passes through the quarter-wave plate 1204, becomes circularly polarized light, and is reflected by the reflective phase modulator 1205.
  • the reflected circularly polarized light passes through the 1 ⁇ 4 wavelength plate 1204, becomes linearly polarized light parallel to the x direction, is reflected by the beam splitter surface of the polarizing beam splitter 1201, and enters the coupling lens 1003.
  • the reflection type phase modulator 1205 has a plane mirror 1206 and a linear drive system (not shown).
  • the plane mirror 1206 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 PANDA fiber 901 via the reflective phase modulator 1205 can be adjusted. That is, 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.
  • LCOS Liquid crystal on silicon
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a third modification of the phase modulation unit.
  • This phase modulator has a Babinet Soleil compensator 1301.
  • the Babinet Soleil compensator 1301 includes crystals 1302, 1303, and 1304 and a linear drive system (not shown).
  • Crystals 1302 and 1303 have a shape obtained by dividing a flat plate of the left crystal into two wedge-shaped prisms.
  • the crystal 1304 is a right crystal, and the thickness thereof is the same as a flat plate formed by combining the crystal 1302 and the crystal 1303.
  • the crystal 1302 is installed in a linear drive system (not shown) and is adjusted to an arbitrary position in the y direction by a control signal from a control unit (not shown).
  • the optical axes of the crystals 1302, 1303 and 1304 are arranged in a direction parallel to the y direction and a direction parallel to the x direction, respectively. Thereby, by moving the position of the crystal 1302, 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.
  • 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 the fast axis of the PANDA fiber 110, the arrangement order of the rutiles 111 and 113, and the like 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 axis and the fast axis 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

干渉縞投影装置は、可干渉性を有する光源１０１からの光を複数の光射出部の一つから選択的に射出する光源部１０１～１０５と、それぞれ複数の光射出部の一つから射出された光を導波する複数のＰＡＮＤＡファイバ１０６～１０８（偏波保持導波路）を有する偏波保持導波路ユニットと、ＰＡＮＤＡファイバ１０６～１０８から出射した光の光路を偏光方向により分離する偏光分離部１１１～１１３と、偏光分離部で分離された光の特定方向の直線偏光成分のみを透過させる偏光フィルム１１４とを備える。光源部は、少なくとも一つのＰＡＮＤＡファイバ１０６～１０８に対して、一方の偏波保持方向に沿う方向の直線偏光のみを射出し、偏波保持導波路ユニットは、ＰＡＮＤＡファイバ１０６～１０８のそれぞれから射出される光のリタデーションを異ならせる。

Description

干渉縞投影装置及び計測装置
　本発明は、三次元形状計測に用いられる干渉縞投影装置及びこれを用いた計測装置に関する。
　非接触で物体表面の三次元形状を計測する方法として、回折格子によるレーザー光の回折パターンを利用したものが一般に知られている（例えば、特許文献１）。この方法では、ライン状の回折パターンを被測定物表面に投影し、この投影画像を所定位置から固体撮像素子等の撮像素子で観察する。ライン状のパターンは、被測定物の表面の凹凸形状により変形して観察されるので、こ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。この計測装置では、干渉縞投影用のレーザー光を、偏波保持ファイバを用いて導光する。偏波保持ファイバの入射側では、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光のレーザー光を、それぞれの偏光方向が偏波保持ファイバの偏波保持方向となるように入射させる。偏波保持ファイバの出射側では、偏波保持ファイバの偏波保持方向の一方と光学軸の方向が一致するように複屈折板を配置する。これにより、偏波保持ファイバから出射した光束が、二つに分離される。さらに、複屈折板の光学軸に対して４５°傾けた透過軸を有する偏光板を設けることにより、二つの偏光成分のうち可干渉成分のみを取り出して、被測定物に投影して干渉縞を生成している。また、特許文献１によれば、偏波保持ファイバの光源側に二つの直線偏光のレーザー光の位相差を調整する機構を設け、被測定部物に投影される干渉縞を走査させることができる。これにより、被測定物の形状を縞走査法の原理により演算出力する。
特開平５－８７５４３号公報
　従来の計測装置では、偏波保持ファイバの２つの偏波保持方向に、それぞれ偏光した光を伝搬させると、偏波保持ファイバの複屈折性により二つの偏光の間に光路長差が生じる。したがって、この光路長差を考慮して位相差を制御することが行われている。しかし、偏波保持ファイバでは、曲げや温度変化等が加わることによりファイバの状態が変化すると、光路長に変化が生じ、予期しない干渉縞のずれが生じることが懸念される。
　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、外部からの影響による干渉縞のずれを低減し、且つ、異なる位相の複数の干渉縞を投影することが可能な干渉縞投影装置及び計測装置を提供することにある。
　上記目的を達成する干渉縞投影装置の発明は、
　可干渉性を有する光を複数の光射出部の一つから選択的に射出する光源部と、
　それぞれ前記複数の光射出部の一つから射出された光を導波する複数の偏波保持導波路を有する偏波保持導波路ユニットと、
　前記偏波保持導波路から出射した光の光路を偏光方向により分離する偏光分離部と、
　前記偏光分離部で分離された光の特定方向の直線偏光成分のみを透過させる偏光子と、を備え
　前記光源部は、前記複数の偏波保持導波路のうち少なくとも一つの偏波保持導波路に対して、一方の偏波保持方向に沿う方向の直線偏光のみを射出できるように構成され、
　前記偏波保持導波路ユニットは、前記複数の偏波保持導波路のそれぞれから射出される光のリタデーションを、偏波保持導波路ごとに異ならせるように構成されることを特徴とするものである。
　前記光源部は、一つの光源と該光源からの光の光路を切り替えて、前記複数の光射出部の一つを選択する光射出部選択ユニットを備えることができる。
　あるいは、前記光源部は、それぞれ前記複数の光射出部の一つに対応する複数の光源を備え、該複数の光源の一つから光を選択的に出射させるように構成されていても良い。
　好ましくは、前記複数の偏波保持導波路の少なくとも一つの偏波保持導波路は、その偏波保持方向が前記偏光分離部にて分離される光の偏光方向を二分する方向となるように配置されている。
　さらに好ましくは、前記偏波保持導波路ユニットは、少なくとも一つの偏波保持導波路の光射出端側に位相子を有し、該位相子は、光学軸の向きが、前記偏光分離部が分離する何れか一つの偏光方向に沿う方向となるように配置されている。
　また、前記光源部は、１／２波長板と、該１／２波長板を回転させて前記偏波保持導波路ユニットへ入射する光の偏光方向を制御する１／２波長板回転系とを有することができる。
　さらに、前記偏波保持導波路ユニットは、少なくとも一つの前記偏波保持導波路を通り、前記偏光分離部により分離される二つの偏光の位相差を制御する位相変調部を有しても良い。
　上記目的を達成する計測装置の発明は、
　上記何れかの干渉縞投影装置と、
　撮像部と、
　演算部とを有し、
　前記撮像部は前記干渉縞投影装置により干渉縞が投影された被写体の画像を撮影し、前記演算部は前記被写体の画像の干渉縞と、前記干渉縞投影装置と前記撮像部との位置関係から前記被写体の形状を導出するように構成されていることを特徴とするものである。
　本発明によれば、可干渉性を有する光を複数の光射出部の一つから選択的に射出する光源部を備え、該光源部は、複数の偏波保持導波路のうち少なくとも一つの偏波保持導波路に対して、一方の偏波保持方向に沿う方向の直線偏光のみを射出できるように構成され、偏波保持導波路ユニットは、複数の偏波保持導波路のそれぞれから射出される光のリタデーションを、偏波保持導波路ごとに異ならせるように構成されるので、外部からの影響による干渉縞のずれを低減し、且つ、異なる位相の複数の干渉縞を投影することが可能な干渉縞投影装置及び計測装置を提供することができる。
第１実施の形態に係る干渉縞投影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、各光学素子の向きを示す図である。 図１の光スイッチの概略構成を示す図である。 図１の光スイッチの変形例を示す図である。 図１の干渉縞投影装置の光源部の変形例を示す図である。 図１の干渉縞投影装置の偏光分離部の変形例を示す図であり、（ａ）は＋ｘ方向より見た図、（ｂ）は－ｚ方向から見た図である。 第１実施の形態に係る干渉縞投影装置を用いた計測装置の概略構成図である。 第２実施の形態に係る干渉縞投影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、各光学素子の向きを示す図である。 第３実施の形態に係る干渉縞投影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、各光学素子の向きを示す図である。 第４実施の形態に係る干渉縞投影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、各光学素子の向きを示す図である。 図９の位相変調部の概略構成を示す図である。 位相変調部の第１変形例を示す図である。 位相変調部の第２変形例を示す図である。 位相変調部の第３変形例を示す図である。
　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実施の形態に係る干渉縞投影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、各光学素子の向きを示す図である。（ｂ）は、対応する参照符号の光学素子の透過軸又は光学軸の方向を示している。以下の、図７（ｂ）、図８（ｂ）、図９（ｂ）においても同様である。
　図１（ａ）に示すように、干渉縞投影装置は、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、光スイッチ１０５（光射出部選択ユニット）とＰＡＮＤＡ（Polarization-maintaining AND Absorption-reducing）ファイバ１０６、１０７、１０８（偏波保持導波路）と、１／３波長板１０９（位相子）と、２／３波長板１１０（位相子）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、偏光板１０４及び光スイッチ１０５を含み、偏波保持導波路ユニットはＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８並びに１／３波長板１０９及び２／３波長板１１０を含んで構成される。また、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。さらに、光スイッチ１０５から各ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８に対して光を射出する部分を光射出部と呼ぶ。
　図１及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方向に直交する平面で互いに直交する方向をそれぞれｘ方向、ｙ方向とする。ｙ方向は、本明細書の紙面に沿う方向であり、ｘ方向は紙面に垂直の方向である。
　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と偏光板１０４を通過し、光スイッチ１０５を介してＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８の何れか一つのＰＡＮＤＡファイバへ導波される。ＰＡＮＤＡファイバ１０６へ導波された光はそのままＰＡＮＤＡファイバ１０６の射出端から射出される。一方、ＰＡＮＤＡファイバ１０７へ導波された光は、射出側端面に設けられた１／３波長板１０９により偏光状態が変化され射出される。また、ＰＡＮＤＡファイバ１０８へ導波された光は、出射側端面に設けられた２／３波長板１１０により偏光状態が変化され射出される。射出された光はルチル１１１、１／２位相差フィルム１１２、及び、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。このとき投影される照明は干渉縞を形成する。
　半導体レーザー１０１が射出する光は可干渉性を有し、その波長は、例えば、６５０ｎｍである。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ことが好ましい。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ｘ－ｙ平面に平行でｘ軸に対して４５°の方向になるように設置され、透過軸と平行な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。
　光スイッチ１０５は図示しない干渉縞投影装置固有の制御部、または、後述するように計測装置に組み入れられた場合は計測装置の制御部等からの制御信号により光路を切り替えることで、入射した光を所望のＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７または１０８へ導波させる。
　図２を用いて光スイッチ１０５について説明する。図２は、図１の光スイッチ１０５の概略構成を示す図である。
　光スイッチ１０５は、ファイバアレイ２０１と、マイクロレンズアレイ２０２と、レンズ２０３と、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラー２０４と、で構成される。マイクロレンズアレイ２０２とレンズ２０３の焦点距離はそれぞれｆ１、ｆ２である。ファイバアレイ２０１はさらに光入力ポート２０５と、光出力ポート２０６、２０７、２０８を有する。光入力ポート２０５には、偏光板１０４を透過した光を図示しないカップリングレンズにより入射させた光が導光される。光出力ポート２０６、２０７、２０８は、それぞれＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８に結合される。なお、各光出力ポート２０６、２０７、２０８は、光射出部を構成する。
　ファイバアレイ２０１からｆ１の位置にマイクロレンズアレイ２０２を、マイクロレンズアレイ２０２からｆ１＋ｆ２の位置にレンズ２０３を、レンズ２０３からｆ２の位置にＭＥＭＳミラー２０４を配置する。さらに、レンズ２０３の光軸上にＭＥＭＳミラー２０４の回転軸が位置するようにＭＥＭＳミラー２０４を配置する。
　これにより、光入力ポート２０５から射出された光はマイクロレンズアレイ２０２により平行光となりレンズ２０３へ入射する。レンズ２０３へ入射した光は収束光となりＭＥＭＳミラー２０４へ集光する。ＭＥＭＳミラー２０４へ集光された光は、ＭＥＭＳミラー２０４の偏向角に合わせて偏向され、レンズ２０３へ入射する。レンズ２０３へ入射した光は平行光となりマイクロレンズアレイ２０２を介して光出力ポート２０６、２０７、２０８の何れか一つの光出力ポートへ集光される。
　光スイッチ１０５は、図示しない制御部からの制御信号によりＭＥＭＳミラー２０４の偏向角を制御することで、所望の光出力ポート２０６、２０７または２０８へ光を集光させる。これによって、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７または１０８の何れかに選択的に光を射出することができる。このとき、偏光板１０４による偏光方向の向きは変わらないものとする。なお、光スイッチ１０５としては、後述する変形例に示すように種々の構成が可能である。
　ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８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。ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８は、そのＳｌｏｗ軸がｘ－ｙ平面に平行でｘ軸に対して４５°の方向になるように配置される。図１（ｂ）に、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８の入射端及び射出端のＳｌｏｗ軸方向を示している。
　以上のように偏光板１０４とＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８とを配置することで、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８内に存在し得る光は、Ｓｌｏｗ軸に平行な直線偏光のみとなる。すなわち、光源部は、複数のＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８の全てに対して、一方の偏波保持方向に沿う方向の直線偏光のみを射出できるように構成されている。
　このように、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７，１０８のＳｌｏｗ軸の方向をｘ軸に対して４５°とすることによって、後述するように、ルチル１１１に入射する前の光はｘ方向とｙ方向の偏光成分が等しくなる。これによって、ルチル１１１に入射した光は、常光、異常光の二つの偏光成分に二分される。すなわち、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８は、その偏波保持方向が偏光分離部にて分離される光の偏光方向を二分する方向となるように配置されている。
　ＰＡＮＤＡファイバ１０６から射出される光は、ｘ－ｙ平面に平行でｘ軸に対して４５°の方向の直線偏光である。この偏光をｘ方向とｙ方向との成分に分けて考えると、それぞれの振幅が等しく、その位相差が０ｒａｄである。
　ＰＡＮＤＡファイバ１０７から射出される光は、１／３波長板１０９を介してルチル１１１へ射出される。１／３波長板１０９は、図１（ｂ）に示すように、その光学軸をｙ方向に向けて設置される。これにより１／３波長板１０９から射出される光は、その偏光をｘ方向とｙ方向との成分に分けて考えると、それぞれの振幅が等しく、その位相差が２π／３ｒａｄとなる。
　ＰＡＮＤＡファイバ１０８から射出される光は、２／３波長板１１０を介してルチル１１１へ射出される。２／３波長板１１０は、図１（ｂ）に示すように、その光学軸をｙ方向に向けて設置される。これにより２／３波長板１１０から射出される光は、その偏光をｘ方向とｙ方向との成分に分けて考えると、それぞれの振幅が等しく、その位相差が４π/３ｒａｄとなる。
　このように、偏波保持導波路ユニットは、複数のＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８のそれぞれから射出される光のリタデーション（偏光成分間の位相差）を、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８ごとに異ならせるように構成される。
　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。図１（ａ）にそれぞれの光学軸の方向を矢印で示す。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、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１０６、１０７、１０８のいずれかの光射出点を眺めると、ｘ－ｙ面でのそれぞれのＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８の主光線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、特定方向の直線偏光成分のみを透過させる偏光フィルム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１０６、１０７、１０８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。
　広角投影レンズ１１５、偏光フィルム１１４、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１０６、１０７、１０８のいずれかの光射出点を眺めたときに観察される２点の虚像の位置を波源とし、各波源から観測点までの距離をｒ1、ｒ2、各波源から射出される光の位相差をδ、振幅をＡ、波数をｋとするとき、干渉縞の明るさ分布は次式で与えられる。これによれば、干渉縞パターンは二光束の位相差によって変化する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　本実施例において二光束の位相差は、ルチル１１１へ入射する光のｘ方向成分とｙ方向成分との位相差にあたる。ルチル１１１へ射出される光のｘ方向成分とｙ方向成分との位相差は、射出端に設けた１／３波長板１０９及び２／３波長板１１０により、光を導波したＰＡＮＤＡファイバに対応して異なり、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８に対してそれぞれ０ｒａｄ、２π／３ｒａｄ、４π／３ｒａｄである。つまり、光スイッチ１０５により光を射出するＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８を切り替えることで投影する干渉縞パターンを切り替えることができる。また、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８内に存在し得る光は、Ｓｌｏｗ軸に平行な直線偏光のみのため、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８の曲げや温度変化に対してＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８から射出される光の偏光は変化しない。つまり、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８の曲げや温度変化によらず所望の干渉縞パターンを投影することが可能となる。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、可干渉性を有する半導体レーザー１０１の光を複数の光射出部の一つから、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８の一つを選択して、該ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７または１０８の一方の偏波保持方向に沿う方向の直線偏光のみを射出するように構成されており、且つ、複数のＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８のそれぞれから射出される光のリタデーションを、１／３波長板１０９及び２／３波長板１１０を設けたことによりそれぞれ異ならせるように構成されるので、外部からの熱や曲げの影響による干渉縞のずれを低減し、且つ、位相の異なる複数の干渉縞を投影することができる。
（光スイッチの変形例）
　図３を用いて光スイッチの変形例について説明する。光スイッチ３０１は、光入力ポート３０２と、光出力ポート３０３、３０４、３０５（光射出部）と、導波路３０６、３０８、３０９、３１２、３１３、３１５、３１６、３１９、３２０と、モードカプラ３０７、３１１、３１４、３１８と、ヒーター３１０、３１７とを有する。
　導波路３０６、３０８、３０９、３１２、３１３、３１５、３１６、３１９、３２０はシリコン基板上に積層されたガラスであり、屈折率差を利用した全反射により導波する光が導波路の外へ漏れるのを防ぐ。
　モードカプラ３０７、３１１、３１４、３１８は、導波路３０６、３０８、３０９、３１２、３１３、３１５、３１６、３１９、３２０を接近させてモード結合させることにより光を分岐する働きをもつ。モードカプラ３０７では、導波路３０６、３０８は繋がっていて、導波路３０９がモード結合させられている。このとき導波路３０６から導波路３０８への光路をストレートと呼び、導波路３０６から導波路３０９への光路をクロスと呼ぶ。クロスを導波する光は、ストレートを導波する光に対してπｒａｄだけ位相が遅れる。
　導波路３０８、３０９の長さはモードカプラ３０７と３１１との間で等しくする。導波路３０９はヒーター３１０を有する。ヒーター３１０は図示しない制御部からの制御信号により導波路３０９を所望の温度に加熱する。加熱により導波路３０９の屈折率が変化するため、導波路３０９の光路長が変化する。光路長変化がちょうど（２ｎ－１）πであるとき、干渉効果により導波路３０６を導波する光は導波路３１２へ導波される。また、２ｎπであるとき、導波路３０６を導波する光は導波路３１３へ導波される。つまり、ヒーター３１０の加熱温度を制御することで光路を切り替えることができる。同様にして、導波路３１３、３１５、３１６、３１９、３２０と、モードカプラ３１４、３１８と、ヒーター３１７とは光路を切り替えるスイッチとして機能する。図３において光路を切り替えるスイッチを二つ用いることで、１×３光スイッチを形成する。
（光源部の変形例）
　図４は、光源部の変形例を示す図である。この光源部は、ｙ方向に配列された３つの半導体レーザー４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ（光源）、コリメートレンズアレイ４０２、１／２波長板１０３、偏光板１０４、マイクロレンズアレイ４０３、及び、出力ポート４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ（光射出部）を備える。各出力ポート４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃは、それぞれ、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８に接続される。なお、図１に示す構成要素と同一の構成要素には、同一の参照符号を付している。
　半導体レーザー４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃは、それぞれ可干渉性を有する同一波長の光を射出する。コリメートレンズアレイ４０２は、それぞれが、半導体レーザー４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃに対向して配置されたマイクロレンズを有し、半導体レーザー４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃから射出される光を平行光にする。マイクロレンズアレイ４０３は、それぞれがコリメートレンズアレイ４０２のコリメートレンズで平行光となった光束を、各出力ポート４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃに集光させる。したがって、光源４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃは、各出力ポート４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃの一つに対応している。
　各半導体レーザー４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃは、図示しない制御部に接続されており、制御部が半導体レーザー４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃから光を選択的に出射させることにより、出力ポート４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃの一つからＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８に対して選択的に光を射出する。これにより、第１実施の形態の光源部と同様の作用を有する。
（偏光分離部の変形例）
　図５は、図１の干渉縞投影装置の偏光分離部の変形例を偏光フィルム１１４及び広角投影レンズ１１５とともに示す図であり、（ａ）は＋ｘ方向より見た図、（ｂ）は－ｚ方向から見た図である。偏光分離部は光が通過する順に、すなわち、光源部側からルチル５０１と、ルチル５０２とにより構成される。
　ルチル５０１、５０２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、その光学軸は平板の法線に対して４８°である。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をそれぞれno、neとしたとき、平板の法線と光学軸が成す角度がａｒｃｔａｎ（ｎe／ｎo）のときである。
　ルチル５０１とルチル５０２の光学軸について説明する。まず、ｙ－ｚ面に平行でｚ軸に対して４８°方向の光学軸をもつルチル平板を考える。この平板をｚ軸に対して＋４５°回転させたものがルチル５０１、－４５°回転させたものがルチル５０２となる。
　ここで、ルチル５０１とルチル５０２を通過する光について、主光線を用いて考える。ルチル５０１に入射した光は、常光と異常光に分岐する。ルチル５０１を異常光として通過する光５０３はｘ－ｙ面に平行でｘ軸に対して＋４５°の方向へ屈折し、ルチル５０２を常光として通過する。ルチル５０１を常光として通過する光５０４は、ルチル５０２を異常光として通過してｘ－ｙ面に平行でｘ軸に対して－４５°の方向へ屈折する。
　このとき、ルチル５０１、ルチル５０２を介してＰＡＮＤＡファイバの光射出点を眺めると、ｘ－ｚ面に対して対称な位置に２点の虚像が観察される。
　このように、ルチル５０１、５０２から成る偏光分離部を用いた場合も、図１のルチル１１１、１／２位相差フィルム１１２及びルチル１１３から成る偏光分離部を用いた場合と同様に、偏波保持導波路ユニットから射出される光の光路を分離することができる。また、本変形例では、１／２位相差フィルムを必要としないという利点もある。
（計測装置）
　次に、図６を用いて計測装置について説明する。図６は、第１実施の形態に係る干渉縞投影装置を用いた計測装置の概略構成図である。計測装置は、上述の干渉縞投影装置と、カメラ６０１と、制御部６０２とを備える。カメラ６０１は、広角投影レンズ１１５に対して、干渉縞パターン６０３の走査方向６０４へ離れた位置に配置される。カメラ６０１は、制御部６０２からの制御信号に基づいて撮像を行う。制御部６０２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、光スイッチ１０５に電気的に接続され、半導体レーザー１０１から射出された光が出射されるＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、１０８を選択する。また、制御部６０２は、カメラ６０１により撮像される被写体の画像の干渉縞、及び、干渉縞投影装置の広角投影レンズ１１５とカメラ６０１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実施の形態に係る干渉縞投影装置に限らず、以下の第２から第４実施の形態に係る干渉縞投影装置を使用しても、同様に構成することが可能である。
　本計測装置は、図１に示した干渉縞投影装置を使用しているので、外部からの熱や曲げの影響による干渉縞のずれを低減し、且つ、位相の異なる複数の干渉縞を投影し、被写体の形状を計測することが可能になる。
　なお、本実施の形態において、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７，１０８の本数は３本には限られず、任意の本数のＰＡＮＤＡファイバを使用することができる。また、ＰＡＮＤＡファイバの射出端に配置される位相子のリタデーション量も、種々の値に設定することができる。
（第２実施の形態）
　図７は、第２実施の形態に係る干渉縞投影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、各光学素子の向きを示す図である。
　第２実施の形態では、第１実施の形態のＰＡＮＤＡファイバ１０８に代えて、ＰＡＮＤＡファイバ７０１を設ける。ＰＡＮＤＡファイバ７０１は、入射端においてＳｌｏｗ軸をｘ－ｙ平面に平行でｘ軸に対して＋４５°の方向とし、射出端においては－４５°の方向になるように配置する。すなわち、ＰＡＮＤＡファイバ７０１は、入射端と射出端との間で、Ｓｌｏｗ軸の方向が回転するように、捩られている。これにより、ＰＡＮＤＡファイバ７０１の射出端に位相子を設けることなく、１／２波長板を光学軸がｙ方向と平行に配置したときと等価な偏光が射出される。また、ＰＡＮＤＡファイバ１０７の射出端に第１実施の形態の１／３波長板１０９に代えて、１／４波長板７０２を配置する。このとき位相子の光学軸はｙ方向と平行に配置する。したがって、第２実施の形態では、偏波保持導波路ユニットは、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、７０１及び１／４波長板７０２により構成される。その他の構成は、第１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。
　以上のような構成により、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７、７０１には、Ｓｌｏｗ軸方向に沿う直線偏光のみが入射し、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１／４波長板７０２、ＰＡＮＤＡファイバ７０１から射出される光のｘ方向に平行な偏光とｙ方向に平行な偏光との位相差は、それぞれ０ｒａｄ、π／２ｒａｄ、πｒａｄとなる。したがって、第１実施の形態と同様に、外部からの熱や曲げの影響による干渉縞のずれを低減し、且つ、位相の異なる複数の干渉縞を投影することができる。また、ＰＡＮＤＡファイバ７０１は、Ｓｌｏｗ軸方向を回転させることによって、射出端に位相子を設けることなく、ＰＡＮＤＡファイバ１０６から射出される偏光との間で位相差πｒａｄを設けることができる。
（第３実施の形態）
　図８は、第３実施の形態に係る干渉縞投影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、各光学素子の向きを示す図である。
　この干渉縞投影装置は、図１に示した第１実施の形態に係る干渉縞投影装置において、偏光板１０４と光スイッチ１０５との間に１／２波長板ユニット８０１を設けたものである。また、光スイッチ１０５には、２本のＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７のみが接続され、ＰＡＮＤＡファイバ１０７の射出端には１／４波長板８０３（位相子）が配置される。第３実施の形態における光源部は、半導体レーザー１０１、コリメートレンズ１０２、１／２波長板１０３、偏光板１０４、光スイッチ１０５に加え、１／２波長板ユニット８０１を含んで構成される、また、偏波保持導波路ユニットは、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７及び１／４波長板８０３を含んで構成される。
　１／２波長板ユニット８０１は１／２波長板８０２と図示しない１／２波長板回転系とを有し、図示しない制御部からの制御信号により１／２波長板８０２の光学軸をｚ軸に対して回転させる。特に、光学軸の方向をｘ軸に対して４５°と９０°との間で切り替える。また、１／４波長板８０３は、その光学軸がｙ方向となるようにＰＡＮＤＡファイバ１０７とルチル１１１の間に設置される。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を介して平行光となり、１／２波長板１０３と偏光板１０４と１／２波長板ユニット８０１とを通過し、光スイッチ１０５を介してＰＡＮＤＡファイバ１０６か１０７かの何れか一つのＰＡＮＤＡファイバへ導波される。ここで、１／２波長板８０２の光学軸の方向を切り替えることによって、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７から射出される光の位相が変化する。
　１／２波長板８０２の光学軸がｘ方向に対して４５°の場合、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７内に存在し得る光はＳｌｏｗ軸に平行な直線偏光のみとなる。ＰＡＮＤＡファイバ１０６を通過した光の位相を０ｒａｄとするとき、ＰＡＮＤＡファイバ１０７を通過して１／４波長板８０３を通過した光の位相は、π／２ｒａｄとなる。一方、１／２波長板８０２の光学軸がｘ方向に対して９０°の場合、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７内に存在し得る光はＦａｓｔ軸に平行な直線偏光のみとなる。このため、ＰＡＮＤＡファイバ１０６を通過した光の位相は、πｒａｄ、ＰＡＮＤＡファイバ１０７を通過して１／４波長板８０３を通過した光の位相は、３π／２ｒａｄとなる。
　ここで、１／２波長板８０２の光学軸の向きと、それぞれのＰＡＮＤＡファイバ１０６から射出される光、及び、パンダファイバ１０７を通り１／４波長板８０３から射出される光について、その偏光のｘ方向とｙ方向との成分の位相差をまとめた結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　ＰＡＮＤＡファイバ１０６から射出された光、及び、パンダファイバ１０７を通り１／４波長板８０３から射出された光は、第１実施の形態と同様に、ルチル１１１、１／２位相差フィルム１１２、ルチル１１３、を介して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１１６、１１７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。このとき投影される照明は干渉縞を形成する。干渉縞としては、表１に示された位相差を有する４種類の干渉縞を形成することができる。
　このように、光スイッチ１０５により光を射出するＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７を切り替えることと、１／２偏光板ユニット８０１によりＰＡＮＤＡファイバへ導波させる偏光をＳｌｏｗ軸に平行な偏光とＦａｓｔ軸に平行な偏光との間で切り替えることにより、投影する干渉縞パターンを４つのパターンの間で切り替えることができる。また、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７内に存在し得る光は、Ｓｌｏｗ軸に平行な直線偏光及びＦａｓｔ軸に平行な直線偏光の何れか一つの直線偏光のみであるため、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７の曲げや温度変化に対してＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７から射出される光の偏光は変化しない。つまり、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、１０７の曲げや温度変化によらず所望の干渉縞パターンを投影することが可能となる。
（第４実施の形態）
　図９は、第４実施の形態に係る干渉縞投影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、各光学素子の向きを示す図である。
　この干渉縞投影装置は、図１に示した第１実施の形態に係る干渉縞投影装置において、光スイッチ１０５に２本のＰＡＮＤＡファイバ１０６、９０１のみが接続され、ＰＡＮＤＡファイバ９０１には位相変調部９０２を設けたものであり、その他の構成は第１実施の形態と同様である。第４実施の形態において、偏波保持導波路ユニットは、ＰＡＮＤＡファイバ１０６、９０１及び位相変調部９０２を含んで構成される。
　第１実施の形態と同様に、偏光板１０４は、透過軸がｘ－ｙ平面に平行でｘ軸に対して４５°の方向になるように設置される。また、ＰＡＮＤＡファイバ１０６は、そのＳｌｏｗ軸がｘ－ｙ平面に平行でｘ軸に対して４５°の方向になるように配置される。このように偏光板１０４とＰＡＮＤＡファイバ１０６を配置することで、ＰＡＮＤＡファイバ１０６内に存在し得る光は、Ｓｌｏｗ軸に平行な直線偏光のみとなる。すなわち、光源部は、複数のＰＡＮＤＡファイバ１０６、９０１のうち少なくとも一つのＰＡＮＤＡファイバ１０６に対して、一方の偏波保持方向であるＳｌｏｗ軸に沿う方向の直線偏光のみを射出できるように構成されている。ＰＡＮＤＡファイバ１０６を透過した光は、第１実施の形態と同様に、ルチル１１１、１／２位相差フィルム１１２、ルチル１１３を透過して光路が分岐され、偏光フィルム１１４、広角投影レンズ１１５を介して被写体に投影され干渉縞を形成する。
　これに対し、ＰＡＮＤＡファイバ９０１は、そのＳｌｏｗ軸がｙ方向になるように配置される。このように偏光板１０４とＰＡＮＤＡファイバ９０１を配置することで、ＰＡＮＤＡファイバ９０１を導波する光は、Ｓｌｏｗ軸とＦａｓｔ軸との二つの成分を有し、その振幅が等しくなる。位相変調部９０２はＰＡＮＤＡファイバ９０１を導波する光に対して、Ｓｌｏｗ軸に平行な偏光とＦａｓｔ軸に平行な偏光の位相差を制御する。
　次に、図１０を用いて位相変調部について説明する。図１０は、図９の位相変調部９０２の概略構成を示す図である。位相変調部には、光スイッチ１０５に接続されたＰＡＮＤＡファイバの先端部である入力ポート１００１から光が入射する。位相変調部は、コリメートレンズ１００２と、液晶リターダ１００４と、カップリングレンズ１００３とを備える。入力ポート１００１から射出された光はコリメートレンズ１００２により平行光となって液晶リターダ１００４を通過し、カップリングレンズ１００３を介してＰＡＮＤＡファイバ９０１へカップリングされる。液晶リターダ１００４は、図示しない制御部からの制御信号により、液晶リターダ１００４を通過する光に対して、ｘ方向に平行な偏光成分とｙ方向に平行な偏向成分との間に位相差を与える。
　これによって、ＰＡＮＤＡファイバ９０１を導波する光は、位相変調部９０２を介して所望の偏光状態となって射出される。射出された光はルチル１１１と１／２位相差フィルム１１２、ルチル１１３、を介して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。このとき投影される照明は干渉縞を形成する。
　ＰＡＮＤＡファイバ１０６内に存在し得る光は、Ｓｌｏｗ軸に平行な直線偏光のみのため、ＰＡＮＤＡファイバ１０６の曲げや温度変化に対してＰＡＮＤＡファイバ１０６から射出される光の偏光は変化しない。つまり、ＰＡＮＤＡファイバ１０６の曲げや温度変化によらず所望の干渉縞パターンを投影することができる。一方、ＰＡＮＤＡファイバ９０１から射出される光の偏光は、ＰＡＮＤＡファイバ９０１の曲げや温度変化によって変化する。また、位相変調部９０２の位相変調によっても偏光が変化する。
　ここで、位相変調部９０２の位相変調量を－πから＋πの間で変化させるとともに、ＰＡＮＤＡファイバ９０１の曲げや温度変化が偏光状態を変化させるよりも変調速度を十分早くし、ＰＡＮＤＡファイバ１０６が投影する干渉縞パターンを参照することで、ＰＡＮＤＡファイバ９０１から射出される偏光を推定することが可能となる。すなわち、ＰＡＮＤＡファイバ１０６が投影する干渉パターンと同じパターンが得られるときの位相差を０ｒａｄとし、これを基準として位相変調部９０２の位相変調量を変化させたときの位相差を推定する。これによって、外部からの熱や曲げなどがある場合でも、干渉縞に所望の位相差を与えることにより、干渉縞を走査させ、複数の干渉縞を投影して被写体の形状を測定することが可能になる。また、位相変調部９０２として機械的な駆動部の無い液晶リターダ１００４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。
（位相変調部の第１変形例）
　第４実施の形態の位相変調部９０２は、種々の構成により実現可能である。以下に、位相変調部の変形例について説明する。図１１は、位相変調部の第１変形例を示す図である。
　この位相変調部は、コリメートレンズ１００２と、１／２波長板ユニット１１０１と、１／４波長板１１０３と、カップリングレンズ１００３とを備える。入力ポート１００１から射出された光は、コリメートレンズ１００２により平行光となって１／２波長板ユニット１１０１と１／４波長板１１０３とを通過し、カップリングレンズ１００３を介してＰＡＮＤＡファイバ９０１へカップリングされる。
　１／２波長板ユニット１１０１は１／２波長板１１０２と図示しない１／２波長板回転系を有し、図示しない制御部からの制御信号により１／２波長板１１０２はｚ軸対して回転角を制御される。１／４波長板１１０３は、その光学軸がｘ－ｙ面に平行でｘ軸に対して４５°の方向に配置される。１／４波長板１１０３から射出される光のｘ方向に平行な偏光とｙ方向に平行な偏光との位相差δｒａｄは、１／２波長板１１０２の光学軸がｘ軸と成す角度θｒａｄに対してδ=π／２－４θで与えられる。
（位相変調部の第２変形例）
　図１２は、位相変調部９０２の第２変形例を示す図である。
　この位相変調部は偏光ビームスプリッタ１２０１と、１／４波長板１２０２、１２０４と、平面ミラー１２０３と、反射型位相変調器１２０５とを備える。
　偏光ビームスプリッタ１２０１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１２０３は、その法線方向が偏光ビームスプリッタ１２０１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１２０１のｙ方向に配置される。反射型位相変調器１２０５は、その法線方向が偏光ビームスプリッタ１２０１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１２０１のｚ方向に配置される。１／４波長板１２０２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１２０１と平面ミラー１２０３との間に配置される。１／４波長板１２０４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１２０１と反射型位相変調器１２０５との間に配置される。
　入力ポート１００１から入射するｘ方向に平行な直線偏光は、偏光ビームスプリッタ１２０１で反射され、１／４波長板１２０２を透過して円偏光となって平面ミラー１２０３で反射される。反射された円偏光は、１／４波長板１２０２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１２０１のビームスプリッタ面を透過し、カップリングレンズ１００３へ入射する。一方、ｙ方向に平行な直線偏光は、偏光ビームスプリッタ１２０１のビームスプリッタ面を透過し、１／４波長板１２０４を透過して円偏光となって反射型位相変調器１２０５で反射される。反射された円偏光は、１／４波長板１２０４を透過して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１２０１のビームスプリッタ面で反射され、カップリングレンズ１００３へ入射する。
　反射型位相変調器１２０５は平面ミラー１２０６と、図示しない直線駆動系を有す。平面ミラー１２０６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１２０５を介してＰＡＮＤＡファイバ９０１へ入射する光の光路長を調整できる。つまりは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。
　なお、反射型位相変調器１２０５としは、ＬＣＯＳ(Liquid crystal on silicon)を用いてもよい。
（位相変調部の第３変形例）
　図１３は、位相変調部の第３変形例を示す図である。
　この位相変調部はバビネソレイユ補償器１３０１を有する。バビネソレイユ補償器１３０１は、水晶１３０２、１３０３、１３０４と図示しない直線駆動系とを有する。水晶１３０２、１３０３は左水晶の平板を、２つのくさび型のプリズムに分割した形状を有する。水晶１３０４は右水晶で、その厚みは水晶１３０２と水晶１３０３とを合わせた平板と同じである。水晶１３０２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ｙ方向の任意の位置に調整される。水晶１３０２、１３０３及び１３０４の光学軸は、それぞれｙ方向に平行な方向とｘ方向に平行な方向に配置される。これにより、水晶１３０２の位置を動かすことで、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。
　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　　光スイッチ
　１０６，１０７，１０８　　ＰＡＮＤＡファイバ
　１０９　　１／３波長板
　１１０　　２／３波長板
　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
　２０１　　ファイバアレイ
　２０２　　マイクロレンズアレイ
　２０３　　レンズ
　２０４　　ＭＥＭＳミラー
　２０５　　光入力ポート
　２０６，２０７，２０８　　光出力ポート
　３０１　　光スイッチ
　３０２　　光入力ポート
　３０３，３０４，３０５　　光出力ポート
　３０６，３０８，３０９，３１２，３１３　　導波路
　３１５，３１６，３１９，３２０　　導波路
　３０７，３１１，３１４，３１８　　モードカプラ
　３１０，７１７　　ヒーター
　４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ　　半導体レーザー
　４０２　　コリメートレンズアレイ
　４０３　　カップリングレンズアレイ
　４０４ａ，４０４ｂ，４０４ｃ　　出力ポート
　５０１，５０２　　ルチル
　５０３，５０４　　光
　６０１　　カメラ
　６０２　　制御部
　６０３　　干渉縞パターン
　６０４　　走査方向
　７０１　　ＰＡＮＤＡファイバ
　７０２　　１／４波長板
　８０１　　１／２波長板ユニット
　８０２　　１／２波長板
　８０３　　１／４波長板
　９０１　　ＰＡＮＤＡファイバ
　９０２　　位相変調部
　１００１　　入力ポート
　１００２　　コリメートレンズ
　１００３　　カップリングレンズ
　１００４　　液晶リターダ
　１１０１　　１／２波長板ユニット
　１１０２　　１／２波長板
　１１０３　　１／４波長板
　１２０１　　ビームスプリッタ
　１２０２，１２０４　　１／４波長板
　１２０３　　ミラー
　１２０５　　反射型位相変調器
　１２０６　　平面ミラー
　１３０１　　バビネソレイユ補償器
　１３０２，１３０２，１３０４　　水晶

Claims (8)

  1. 　可干渉性を有する光を複数の光射出部の一つから選択的に射出する光源部と、
    　それぞれ前記複数の光射出部の一つから射出された光を導波する複数の偏波保持導波路を有する偏波保持導波路ユニットと、
    　前記偏波保持導波路から出射した光の光路を偏光方向により分離する偏光分離部と、
    　前記偏光分離部で分離された光の特定方向の直線偏光成分のみを透過させる偏光子と、を備え
    　前記光源部は、前記複数の偏波保持導波路のうち少なくとも一つの偏波保持導波路に対して、一方の偏波保持方向に沿う方向の直線偏光のみを射出できるように構成され、
    　前記偏波保持導波路ユニットは、前記複数の偏波保持導波路のそれぞれから射出される光のリタデーションを、偏波保持導波路ごとに異ならせるように構成されることを特徴とする干渉縞投影装置。
  2. 　前記光源部は、一つの光源と該光源からの光の光路を切り替えて、前記複数の光射出部の一つを選択する光射出部選択ユニットを備えることを特徴とする請求項１に記載の干渉縞投縞装置。
  3. 　前記光源部は、それぞれ前記複数の光射出部の一つに対応する複数の光源を備え、該複数の光源の一つから光を選択的に出射させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の干渉縞投稿装置。
  4. 　前記複数の偏波保持導波路の少なくとも一つの偏波保持導波路は、その偏波保持方向が前記偏光分離部にて分離される光の偏光方向を二分する方向となるように配置されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の干渉縞投影装置。
  5. 　前記偏波保持導波路ユニットは、少なくとも一つの偏波保持導波路の光射出端側に位相子を有し、該位相子は、光学軸の向きが、前記偏光分離部が分離する何れか一つの偏光方向に沿う方向となるように配置されていることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の干渉縞投影装置。
  6. 　前記光源部は、１／２波長板と、該１／２波長板を回転させて前記偏波保持導波路ユニットへ入射する光の偏光方向を制御する１／２波長板回転系とを有することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の干渉縞投影装置。
  7. 　前記偏波保持導波路ユニットは、少なくとも一つの前記偏波保持導波路を通り、前記偏光分離部により分離される二つの偏光の位相差を制御する位相変調部を有することを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の干渉縞投影装置。
  8. 　請求項１から７の何れか一項に記載の干渉縞投影装置と、
    　撮像部と、
    　演算部とを有し、
    　前記撮像部は前記干渉縞投影装置により干渉縞が投影された被写体の画像を撮影し、前記演算部は前記被写体の画像の干渉縞と、前記干渉縞投影装置と前記撮像部との位置関係から前記被写体の形状を導出するように構成されていることを特徴とする計測装置。
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