特許 7193992 形状測定システム、プローブ先端部、形状測定方法、及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-13

(45)【発行日】2022-12-21

(54)【発明の名称】形状測定システム、プローブ先端部、形状測定方法、及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20221214BHJP

   G01B 21/00 20060101ALI20221214BHJP

【ＦＩ】

G01B11/24 D

G01B21/00 P

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2018222227

(22)【出願日】2018-11-28

(65)【公開番号】P2020085717

(43)【公開日】2020-06-04

【審査請求日】2021-07-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000198

【氏名又は名称】弁理士法人湘洋特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】針山 達雄

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 正浩

(72)【発明者】

【氏名】谷口 敦史

(72)【発明者】

【氏名】丸野 兼冶

【審査官】國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－２４６１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０２８７９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２０６０４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０００６１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０１１９８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１８７３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２７１６０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００ － １１／３０

Ｇ０１Ｂ ２１／００ － ２１／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定プローブと、プローブ先端部と、演算部と、を備える形状測定システムであって、
前記測定プローブは、
固定された前記プローブ先端部を回転させる駆動装置と、
前記プローブ先端部が係止する光学素子に測定光を照射するレンズ系と、を有し、
前記プローブ先端部は、
対象物に前記測定光を照射するための光学素子と、
前記光学素子を係止する筒部と、を有し、
前記プローブ先端部は、固定機構により前記測定プローブに対して着脱交換可能に固定された状態で前記駆動装置により回転され、
前記固定機構は、
前記プローブ先端部の上端に設けられた支持板と、
前記測定プローブに設けられた、前記支持板を下方から支持するための支持部と、を含み、
前記支持板、及び前記支持部には、前記測定プローブに対する前記プローブ先端部の取り付け角度を固定するための凹状のキー溝が一方に、前記キー溝に対応する凸状のキーブロックが他方に形成されており、
前記演算部は、
前記プローブ先端部の型番情報または仕様情報を入力情報として受信し、
前記対象物までの光路長を算出し、
前記入力情報及び前記光路長に基づいて、前記対象物の三次元形状を算出する
ことを特徴とする形状測定システム。

【請求項2】

請求項１に記載の形状測定システムであって、
前記光路長は、前記測定プローブに定義された所定の起点からの光路長であり、
前記入力情報は、前記プローブ先端部の回転軸に沿った長さである第１の長さを含み、
前記演算部は、前記第１の長さ及び前記光路長に基づいて、前記対象物の三次元形状を演算する
ことを特徴とした形状測定システム。

【請求項3】

請求項１に記載の形状測定システムであって、
前記光路長は、前記測定プローブに定義された所定の起点からの光路長であり、
前記演算部は、前記入力情報に基づいて前記プローブ先端部の回転軸に沿った長さである実質長を特定し、前記実質長及び前記光路長に基づいて、前記対象物の三次元形状を演算する
ことを特徴とした形状測定システム。

【請求項4】

請求項１に記載の形状測定システムあって、
前記光路長は、前記測定プローブに定義された所定の起点からの光路長であり、
前記入力情報は、前記プローブ先端部から照射される前記測定光の照射方向と、前記プローブ先端部の回転軸との間の角度とに関連した照射角度を含み、
前記演算部は、前記照射角度及び前記光路長に基づいて、前記対象物の三次元形状を演算する
ことを特徴とした形状測定システム。

【請求項5】

測定プローブと、プローブ先端部と、を備える形状測定システムの形状測定方法であって、
前記測定プローブは、
固定された前記プローブ先端部を回転させる駆動装置と、
前記プローブ先端部が係止する光学素子に測定光を照射するレンズ系と、を有し、
前記プローブ先端部は、
対象物に前記測定光を照射するための光学素子と、
前記光学素子を係止する筒部と、を有し、
前記プローブ先端部は、固定機構により前記測定プローブに対して着脱交換可能に固定された状態で前記駆動装置により回転され、
前記固定機構は、
前記プローブ先端部の上端に設けられた支持板と、
前記測定プローブに設けられた、前記支持板を下方から支持するための支持部と、を含み、
前記支持板、及び前記支持部には、前記測定プローブに対する前記プローブ先端部の取り付け角度を固定するための凹状のキー溝が一方に、前記キー溝に対応する凸状のキーブロックが他方に形成されており、
前記プローブ先端部の型番情報または仕様情報を入力情報として受信するステップと、
前記対象物までの光路長を算出するステップと、
前記入力情報及び前記光路長に基づいて、前記対象物の三次元形状を算出するステップと、
を含むことを特徴とする形状測定方法。

【請求項6】

請求項５に記載の形状測定方法であって、
前記光路長は、前記測定プローブに定義された所定の起点からの光路長であり、
前記入力情報は、前記プローブ先端部の回転軸に沿った長さである第１の長さを含み、
前記対象物の三次元形状を演算するステップは、前記第１の長さ及び前記光路長に基づいて、前記対象物の三次元形状を演算する
ことを特徴とした形状測定方法。

【請求項7】

請求項５に記載の形状測定方法であって、
前記光路長は、前記測定プローブに定義された所定の起点からの光路長であり、
前記三次元形状を演算するステップは、前記入力情報に基づいて前記プローブ先端部の回転軸に沿った長さである実質長を特定し、前記実質長及び前記光路長に基づいて、前記対象物の三次元形状を演算する
ことを特徴とした形状測定方法。

【請求項8】

請求項５に記載の形状測定方法であって、
前記光路長は、前記測定プローブに定義された所定の起点からの光路長であり、
前記入力情報は、前記プローブ先端部から照射される前記測定光の照射方向と、前記プローブ先端部の回転軸との間の角度とに関連した照射角度を含み、
前記三次元形状を演算するステップは、前記照射角度及び前記光路長に基づいて、前記対象物の三次元形状を演算する
ことを特徴とした形状測定方法。

【請求項9】

請求項５～８のいずれか一項に記載の形状測定方法を演算装置に実行させる
ことを特徴としたプログラム。

【請求項10】

測定プローブと、プローブ先端部と、演算部と、を備える形状測定システムであって、
前記測定プローブは、
固定された前記プローブ先端部を回転させる駆動装置と、
前記プローブ先端部が係止する光学素子に測定光を照射するレンズ系と、を有し、
前記プローブ先端部は、
対象物に前記測定光を照射するための光学素子と、
前記光学素子を係止する筒部と、を有し、
前記プローブ先端部は、固定機構により前記測定プローブに対して着脱交換可能に固定された状態で前記駆動装置により回転され、
前記固定機構は、
前記プローブ先端部の上端に設けられた支持板と、
前記測定プローブに設けられた、前記支持板を下方から支持するための支持部と、を含み、
前記支持板、及び前記支持部には、前記測定プローブに対する前記プローブ先端部の取り付け角度を固定するための凹状のキー溝が一方に、前記キー溝に対応する凸状のキーブロックが他方に形成されており、
前記演算部は、
前記光学素子から前記対象物までの光路長を算出し、
前記光路長に基づいて、前記対象物の三次元形状を算出する
ことを特徴とする形状測定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、形状測定システム、プローブ先端部、形状測定方法、及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、光学式測定器に関する技術が開示されている。具体的には、例えば段落００６４に「測定用光を反射することによって加工機の主軸１９方向以外の方向に測定用光を偏向させて、測定対象物４が有する立ち壁（または横壁）、穴内面の三次元形状測定等の測定を行う例である。また、前記穴内面形状については、ナットのネジ山のような穴の円周方向凹凸や穴内面の軸方向に溝のあるスプライン穴、キー溝などの三次元測定を行うものである。深溝測定の場合、溝が形成されている方向に応じて、図１２、図１３のいずれかの方法を選択して測定する」と記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－２７１６０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したように、従来においても、測定用光を加工機の主軸方向以外の方向に反射させて測定対象物の三次元測定を行う装置は存在する。しかしながら、従来の装置では、測定対象物の穴や溝等に挿入するプローブ先端部の長さが固定され、また、測定用光のフォーカス位置が固定されているため、実際に測定できる穴等の深さや壁面までの距離に制限がある。

【0005】

また、プローブ先端部から測定対象物に照射される測定用光の照射角度が固定されているため、例えば、ねじ穴のように測定対象物の壁面に傾きがある場合、測定対象物からの反射光が、照射時とは異なる方向に反射し易くなるので、測定精度が低下してしまう可能性がある。

【0006】

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、様々な形状の測定対象物に対応し、その三次元形状を測定できる技術の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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。

【0008】

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る形状測定システムは、測定プローブと、プローブ先端部と、演算部と、を備える形状測定システムであって、前記測定プローブは、固定された前記プローブ先端部を回転させるモータと、前記プローブ先端部が係止する光学素子に測定光を照射する光源と、前記プローブ先端部から対象物に照射された前記測定光の反射光に基づいて前記対象物までの光路長を算出するプローブ制御部と、を有し、前記プローブ先端部は、前記対象物に前記測定光を照射するための光学素子と、前記測定プローブに対して着脱交換可能に固定するための固定機構と、前記光学素子を係止するとともに前記固定機構が設けられた筒部と、を有し、前記演算部は、前記プローブ先端部の型番情報または仕様情報を入力情報として受信し、前記プローブ制御部から前記光路長を受信し、前記入力情報及び前記光路長に基づいて、前記対象物の三次元形状を算出することを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一態様によれば、様々な形状の測定対象物に対応し、その三次元測定を行うことが可能となる。

【0010】

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。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、第１の実施形態における形状測定システムの一例を示す模式図である。

【図2】図２は、光路切り替え素子の動作を説明するための図であり、図２（Ａ）は、偏光ビームスプリッタに対して図面の左右方向に測定光が偏光している状態、図２（Ｂ）は、偏光ビームスプリッタに対して図面の奥行方向に測定光が偏光している状態、図２（Ｃ）は、複屈折板及びミラーに対して図面の奥行方向に測定光が偏光している状態、図２（Ｄ）は、複屈折板及びミラーに対して図面の左右方向に測定光が偏光している状態を示す図である。

【図3】図３は、第１の実施形態における各光学素子の絶対的な角度の関係を表す図であり、図３（Ａ）は光が第１の方向に進行する場合、図３（Ｂ）は光が第２の方向に進行する場合を示す図である。

【図4】図４は、第１の実施形態における各光学素子の相対的な角度の関係を表す図であり、図４（Ａ）は光が第１の方向に進行する場合、図４（Ｂ）は光が第２の方向に進行する場合を示す図である。

【図5】図５は、第１の実施形態における測距制御機構の構成の一例を示す図である。

【図6】図６は、反射強度プロファイルから対象物表面における反射位置を求める方法の一例を示す図である。

【図7】図７は、第１の実施形態における測距制御機構の構成の他の例を示す図である。

【図8】図８は、形状測定システムの一例を示す模式図である。

【図9】図９は、形状測定システムの他の例を示す模式図である。

【図10】図１０は、形状測定システムの機能ブロックの一例を示す図である。

【図11】図１１は、第２の実施形態における形状測定システムの一例を示す模式図である

【図12】図１２は、光路切り替え素子の動作を説明するための図であり、図１２（Ａ）は、ダイクロイックミラーに対して図面の左右方向に測定光が偏光している状態、図１２（Ｂ）は、ダイクロイックミラーに対して図面の奥行方向に測定光が偏光している状態を示す図である。

【図13】図１３は、第２の実施形態における測距制御機構の構成の一例を示す図である。

【図14】図１４は、第２の実施形態における測距制御機構の構成の他の例を示す図である。

【図15】図１５は、第３の実施形態における形状測定システムの一例を示す模式図である。

【図16】図１６は、第３の実施形態における各光学素子の相対的な角度の関係を示す図であり、図１６（Ａ）は光が第１の方向に進行する場合、図１６（Ｂ）は光が第２の方向に進行する場合を示す図である。

【図17】図１７は、第３の実施形態における形状測定システムの機能ブロックの一例を示す図である。

【図18】図１８は、第４の実施形態におけるプローブ先端部の構成の例を示す図であり、図１８（Ａ）は集光レンズ系を１つ有する場合、図１８（Ｂ）は集光レンズ系を２つ有する場合を示す図である。

【図19】図１９は、着脱交換可能なプローブ先端部の第１の構成例を示す図である。

【図20】図２０は、着脱交換可能なプローブ先端部の詳細な構成例を示す図である。

【図21】図２１は、測定プローブに対してプローブ先端部を装着するための機構の例を示す図であり、図２１（Ａ）は測定プローブに対してプローブ先端部を側方から装着する場合、図２１（Ｂ）は測定プローブに対してプローブ先端部を下方から装着する場合を示している。

【図22】図２２は、着脱交換可能なプローブ先端部の第１の構成例に対応する対象物Ｔの座標（ｘ，ｙ，ｚ）の計算方法を説明するための図であり、図２２(Ａ)はプローブ先端部のｙｚ断面図、図２２（Ｂ）はプローブ先端部のｘｙ断面図である。

【図23】図２３は、立体形状測定処理を説明するフローチャートである。

【図24】図２４は、着脱交換可能なプローブ先端部の第２の構成例を示す図である。

【図25】図２５は、着脱交換可能なプローブ先端部の第２の構成例に対応する対象物Ｔの座標（ｘ，ｙ，ｚ）の計算方法を説明するための図であり、図２５(Ａ)はプローブ先端部のｙｚ断面図、図２５（Ｂ）はプローブ先端部のｘｙ断面図である。

【図26】図２６は、着脱交換可能なプローブ先端部の第３の構成例を示す図である。

【図27】図２７は、着脱交換可能なプローブ先端部の第４の構成例を示す図である。

【図28】図２８は、着脱交換可能なプローブ先端部の第５の構成例を示す図である。

【図29】図２９は、着脱交換可能なプローブ先端部の第６の構成例を示す図である。

【図30】図３０は、着脱交換可能なプローブ先端部の第７の構成例を示す図である。

【図31】図３１は、着脱交換可能なプローブ先端部の第８の構成例を示す図である。

【図32】図３２は、着脱交換可能なプローブ先端部の第９の構成例を示す図である。

【図33】図３３は、着脱交換可能なプローブ先端部の第１０の構成例を示す図である。

【図34】図３４は、出力画面の表示例を示す図である。

【図35】図３５は、プローブ先端部の各光学素子における光路長の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

＜第１の実施形態＞
以下、図面に基づいて本発明の実施形態の例を説明する。図１は、第１の実施形態における形状測定システム１０の一例を示す模式図である。本実施形態における形状測定システム１０は、測距制御機構１１０と、接続ケーブル１５０と、測定プローブ１６０とを有する。

【0013】

測距制御機構１１０については後に詳述するが、測定プローブ１６０に対して測定光を出力する。接続ケーブル１５０は光ファイバを有し、測定光を測定プローブ１６０に導く。測定プローブ１６０は、プローブ先端部１６４から対象物Ｔに測定光を照射し、対象物Ｔからの反射光を測距制御機構１１０へと導く装置である。

【0014】

測定プローブ１６０は、レンズ系１６１と、回転機構１６２と、光路切り替え素子１６３と、プローブ先端部１６４と、偏光状態制御部１６５と、偏光状態制御部駆動部１６６と、を有する。測定プローブ１６０には、プローブ先端部１６４が固定されている。レンズ系１６１は、測距制御機構１１０から出力され接続ケーブル１５０に導かれた測定光を絞り、偏光状態制御部１６５へと導く。回転機構１６２は、後述する距離演算部２６１（図１０）の制御により、モータ等の駆動装置を用いて、レンズ系１６１から出力される測定光と平行な回転軸周りに光路切り替え素子１６３を係止するプローブ先端部１６４を回転させる。

【0015】

光路切り替え素子１６３は、偏光状態制御部１６５によって制御された測定光を用いて、選択的に光を射出する。光路切り替え素子１６３は、光路切り替えの機能を有し、レンズ系１６１から出力される測定光の進行方向と同じ進行方向である第１の方向３００ａと、第１の方向３００ａに略直交する第２の方向３００ｂと、の少なくとも一方に向かって光を射出する。光路切り替え素子１６３は、例えば偏光方向の変化に応じて選択的に光を射出する。光路切り替え素子１６３は、例えば偏光ビームスプリッタである。

【0016】

プローブ先端部１６４は、光路切り替え素子１６３を係止するとともに、光路切り替え素子１６３から射出される光を通過させる。プローブ先端部１６４は、例えば図１に示す下方（第１の方向３００ａ）に開口部を有する筒状であり、光を透過する材料で構成され、内壁の少なくとも一部で光路切り替え素子１６３を係止している。プローブ先端部１６４は、レンズ系１６１から出力される測定光と平行な回転軸周りに回転し、プローブ先端部１６４の回転に伴い光路切り替え素子１６３が回転する。

【0017】

なお、プローブ先端部１６４の構成はこれに限られない。例えば１または複数の支柱で光路切り替え素子１６３を係止し、支柱の駆動に伴い光路切り替え素子１６３が回転するものであってもよい。また、プローブ先端部１６４は、例えば透明な２層の筒からなり、内筒で光路切り替え素子１６３を係止し、光路切り替え素子１６３を回転させてもよい。

【0018】

偏光状態制御部１６５は、距離演算部２６１の制御により、測距制御機構１１０から出力された測定光の偏光を制御する。偏光状態制御部１６５は、例えば測定光の偏光方向を変化させる。偏光状態制御部駆動部１６６は、偏光状態制御部１６５が測定光の偏光を変更させるために、偏光状態制御部１６５を駆動させる。偏光状態制御部１６５と偏光状態制御部駆動部１６６については後述する。

【0019】

測距制御機構１１０から出力された測定光は、接続ケーブル１５０及びレンズ系１６１を経由して偏光状態制御部１６５に到達し、偏光状態制御部１６５で偏光が制御される。偏光状態制御部１６５によって制御された測定光は光路切り替え素子１６３に到達する。

【0020】

光路切り替え素子１６３から第１の方向３００ａに射出された光は、プローブ先端部１６４の開口部から対象物Ｔに到達する。対象物Ｔに反射または散乱した光は、光路切り替え素子１６３、偏光状態制御部１６５、レンズ系１６１、接続ケーブル１５０の順に、射出された光の経路を逆に進行して測距制御機構１１０に到達する。測距制御機構１１０は到達した測定光を電気信号に変換し、図示しない距離演算部２６１に伝達する。距離演算部２６１は対象物Ｔまでの距離を算出する。

【0021】

図１に示すように、対象物Ｔが円筒形状である場合、第１の方向３００ａへ射出された測定光を用いることにより、円筒形状の底部深さを測定することができる。

【0022】

また、光路切り替え素子１６３から第２の方向３００ｂに射出された光は、光路切り替え素子１６３の回転に応じて回転し、プローブ先端部１６４の側面の開口部または壁面を透過して対象物Ｔに照射される。対象物Ｔに反射または散乱した光は、第１の方向３００ａに射出された光と同様に射出された経路を逆行して測距制御機構１１０に到達し、対象物Ｔまでの距離が算出される。第２の方向３００ｂへ射出された測定光を用いることにより、例えば円筒形状の側面の形状を測定することができる。

【0023】

図２は、光路切り替え素子１６３の動作を説明するための図である。同図（Ａ）及び同図（Ｂ）は、光路切り替え素子１６３に偏光ビームスプリッタ１８０を用いた場合の例を示す。同図（Ａ）は、図面の左右方向に測定光が偏光しており、同図（Ｂ）は、図面の奥行方向（紙面奥側と手前側の方向）に測定光が偏光している状態を示している。

【0024】

同図（Ａ）に示すように、図面の左右方向に偏光した状態で測定光が入射すると、入射した測定光は偏光ビームスプリッタ１８０のプリズムを透過し、入射した測定光と同じ第１の方向３００ａに進行する。なお、対象物Ｔに反射した光は同じ経路を逆行して測距制御機構１１０に到達する。

【0025】

また、同図（Ｂ）に示すように、図面の奥行方向に偏光した状態で測定光が偏光ビームスプリッタ１８０に入射すると、入射した測定光はプリズムに反射し、測定光と略直交する第２の方向３００ｂに進行する。第１の方向３００ａに進行する光と同様に、対象物Ｔに反射した光は同じ経路を逆行して測距制御機構１１０に到達する。

【0026】

この性質を利用し、偏光状態制御部１６５によって光路切り替え素子１６３に対して所定の角度を保つように偏光を制御すると、測定光の進行方向を第１の方向３００ａまたは第２の方向３００ｂに維持することが可能となる。即ち、偏光状態制御部１６５によって測定光の偏光を制御することにより、測定光の進行方向を第１の方向３００ａまたは第２の方向３００ｂに切り替えることができる。

【0027】

例えば、偏光状態制御部１６５として１／２波長板を用いる。１／２波長板に入射する直線偏光状態の光の偏光方向をα、１／２波長板の主軸の方向をβとすると、出射する光の偏光方向は２β－αとなる。

【0028】

回転機構１６２により回転する光路切り替え素子１６３の反射方向をγとすると、γ＝２β－αを保つように（即ち、β＝（γ＋α）／２となるように）偏光状態制御部１６５を制御することで、第１の方向３００ａに進行する光による測定を行うことができる。また、γ＝２β－α＋π／２を保つように（即ち、β＝（γ＋α）／２－π／４となるように）偏光状態制御部１６５を制御することで、第２の方向３００ｂに進行する光による測定を行うことができる。

【0029】

ここで、測定光の進行方向の制御に関して説明を補足する。

【0030】

図３は、第１の実施形態における各光学素子の絶対的な角度の関係を説明する図である。例えば、偏光状態制御部１６５として１／２波長板３０５、光路切り替え素子１６３として偏光ビームスプリッタ１８０を用いる。１／２波長板３０５に入射する直線偏光の振動方向の角度をα、１／２波長板３０５の主軸の方向をβとすると、出射する直線偏光の振動方向の角度は２β－αとなる。なお、角度αおよびβ、さらに後述する角度γは、第１の方向３００ａ（座標軸ｚと平行）に直交する座標軸ｘを基準とした絶対的な回転角度とする。

【0031】

回転機構１６２により回転する偏光ビームスプリッタ１８０が光を反射させる方向の角度をγとする。ここでγは、角速度ωと時間tと初期角度γ_０を用いることでγ＝ωt＋γ_０と表現することができる。このとき、γ＝２β－αを保つように（即ち、β＝（γ＋α）／２となるように）１／２波長板３０５を制御することで、第１の方向３００ａに進行する光による測定を行うことができる（図３（Ａ））。また、γ＝２β－α＋π／２を保つように（即ち、β＝（γ＋α）／２－π／４となるように）１／２波長板３０５を制御することで、第２の方向３００ｂに進行する光による測定を行うことができる（図３（Ｂ））。

【0032】

次に、図４は、第１の実施形態における各光学素子の相対的な角度の関係を説明する図である。ここでは、測定光の振動方向角度と、１／２波長板の主軸の角度と、光路切り替え素子１６３の相対的な角度の関係について説明する。例えば、偏光状態制御部１６５として１／２波長板３０５、光路切り替え素子１６３として偏光ビームスプリッタ１８０を用いる。偏光ビームスプリッタ１８０は、入射面３０９に平行な振動方向を持つ直線偏光を透過（即ち第１の方向３００ａの方向に出射）し、入射面３０９に対してπ／２の角度を成す振動方向を持つ直線偏光を反射（即ち第２の方向３００ｂの方向に出射）する。１／２波長板３０５は、入射する直線偏光の振動方向が１／２波長板３０５の主軸と成す角度の２倍分、直線偏光の振動方向を傾けて出射する。

【0033】

ここで、入射面３０９が、１／２波長板３０５に入射する第１の測定光振動方向３０６ａに対して相対角度ξの傾きを持っている場合を考える。

【0034】

同図（Ａ）に示すように、測定光を第１の方向３００ａに照射する場合には、１／２波長板３０５の主軸３０８が、１／２波長板３０５に入射する第１の測定光振動方向３０６ａに対してξ／２の角度を保つように１／２波長板３０５を制御することで、１／２波長板３０５から出射する測定光振動方向３０７が入射面３０９に対して平行を保つようにする。

【0035】

また、同図（Ｂ）に示すように、測定光を第２の方向３００ｂに照射する場合には、１／２波長板３０５の主軸３０８が、１／２波長板３０５に入射する第１の測定光振動方向３０６ａに対してξ／２＋π／４の角度を保つように１／２波長板３０５を制御することで、１／２波長板３０５から出射する測定光振動方向３０７が入射面３０９に対してπ／２の角度を保つようにする。

【0036】

なお、先述したように、１／２波長板３０５を偏光状態制御部駆動部１６６で回転することにより、偏光状態制御部１６５の制御が可能となる。

【0037】

図２の説明に戻る。また、他の例として、偏光状態制御部１６５に液晶素子を用いることができる。偏光状態制御部駆動部１６６により、液晶素子に印加する電圧を制御し、液晶素子の旋光性を制御することにより、偏光状態制御部１６５は出力する測定光の偏光方向を変更することができる。

【0038】

また、他の例として、レンズ系１６１からランダム偏光または円偏光の偏光成分を有する測定光を出射し、偏光状態制御部１６５に偏光板を用い、偏光状態制御部駆動部１６６で偏光板を回転させることにより、測定光の偏光方向を制御してもよい。この場合、偏光板の主軸の方向をβとすると、光路切り替え素子１６３の反射方向のγに対し、β＝γまたはβ＝γ－π／２となるように偏光板の方向を制御する。これにより、光路切り替え素子１６３から出射される光の方向を第１の方向３００ａまたは第２の方向３００ｂに切り替えることができる。

【0039】

また、他の例として、偏光状態制御部１６５にファイバ型偏光制御素子を用いることができる。偏光状態制御部駆動部１６６により、光ファイバにねじれや圧迫を加えれば、複屈折の誘起により、偏光状態制御部１６５から出力される測定光の偏光方向を制御することができる。

【0040】

同図（Ｃ）及び同図（Ｄ）は、複屈折板１８１とミラー１８２との組合せを光路切り替え素子１６３に用いた場合の例を示す。同図（Ｃ）は、図面の奥行方向に測定光が偏光しており、同図（Ｄ）は、図面の左右方向に測定光が偏光している状態を示している。

【0041】

複屈折板１８１は、測定光の偏光状態に応じて光路をシフトさせる性質を有している。例えば同図（Ｃ）及び同図（Ｄ）に示すように、図面の奥行方向に偏光した測定光を直進させ、図面の左右方向に偏光した測定光の光路をシフトするように複屈折板１８１を設置する。また、複屈折板１８１によりシフトした光路上にミラー１８２を配置することにより、シフトした測定光の出射方向を変更する。

【0042】

これにより、同図（Ａ）または同図（Ｂ）に示された場合と同様に、レンズ系１６１から出射される測定光と同じ光軸を有する第１の方向３００ａか、または第１の方向３００ａと光軸の異なる第２の方向３００ｂか、に選択的に光を出射することができる。なお、同図（Ａ）及び同図（Ｂ）に示された場合と、複屈折板を光路切り替え素子１６３に用いる同図（Ｃ）及び同図（Ｄ）に示された場合とでは、偏光方向と光の出射方向とが反対の関係にある。

【0043】

本実施形態によれば、光路切り替え素子１６３から異なる方向に測定光を出射することができるため、プローブ先端部１６４を小型化することができる。例えば、プローブ先端部１６４にミラーを設置し、ミラーを駆動させることにより測定光の出射方向を異ならせる場合に比べ、プローブ先端部１６４内にミラーを駆動させるスペースを必要とせず、効率的に測定に用いる箇所を構成することが可能となる。

【0044】

次に、図５は、第１の実施形態における測距制御機構１１０の構成の一例を示す図である。図５の測距制御機構１１０は、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Waves）またはＳＳ－ＯＣＴ（Swept-Source Optical Coherence Tomography）（あるいは波長掃引ＯＣＴ）を用いて対象物Ｔとの距離を測定する。なお、ＦＭＣＷは主に可干渉距離の長い光源を用いる長距離の計測に用いられ、ＳＳ－ＯＣＴは主に可干渉距離の短い光源を用いる微細構造の測定に用いられるが、基本原理は共通している。

【0045】

図５の測距制御機構１１０は、先述の測定プローブ１６０の他、制御装置２１０と、表示装置２２０とに接続されている。制御装置２１０は、測距制御機構１１０から受信した情報を用いて対象物Ｔとの距離を算出する距離演算部２６１を備える。表示装置２２０は、測定結果を出力する。距離演算部２６１は、測距制御機構１１０が有していてもよい。また、制御装置２１０は、測定プローブ１６０と直接通信可能に接続されていてもよい。

【0046】

測距制御機構１１０は、レーザ光源１０１と、発振器１０２と、光ファイバカプラ１０３，１０４，１０６，１１４と、光ファイバ１０５と、受光器１０７，１０９と、サーキュレータ１０８と、参照ミラー１１２と、光スイッチ１１３ａ，１１３ｂと、測距制御機構制御部１１１と、を有する。

【0047】

測距制御機構制御部１１１は、発振器１０２に対して掃引波形信号を送信する。発振器１０２は、レーザ光源１０１に対して三角波電流を注入し、駆動電流を変調する。結果として、レーザ光源１０１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。

【0048】

なお、レーザ光源１０１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１０１の共振波長を発振器１０２からの三角波状の制御信号により変化させてもよい。その結果、レーザ光源１０１から時間的に周波数掃引されたＦＭ光が発生する。

【0049】

発生したＦＭ光を光ファイバカプラ１０３で分割する。なお、光ファイバカプラ１０３，１０４，１１４はビームスプリッタであってもよい。分割された光の一方は参照光学系へと導光され、光ファイバカプラ１０４にてさらに分割される。

【0050】

分割された光は光ファイバ１０５にて一定の光路差を設けた後、光ファイバカプラ１０６にて合波され、受光器１０７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１０７では光路差に比例した一定のビート信号が発生する。

【0051】

光ファイバカプラ１０３で分割された光の他方は、サーキュレータ１０８を通過し、光ファイバカプラ１１４によって分岐され、一方は参照ミラー１１２に反射して参照光となり、他方は測定プローブ１６０から対象物Ｔに照射される。図３に示す測距制御機構１１０は、光スイッチ１１３ａ，１１３ｂを有しているが、これらについては後述する。

【0052】

対象物Ｔに反射した光が接続ケーブル１５０を介して測距制御機構１１０に戻る。戻った測定光は光スイッチ１１３ａ，１１３ｂを通過し、参照ミラー１１２に反射された参照光と光ファイバカプラ１１４で合流し、サーキュレータ１０８により受光器１０９に導光される。参照光と測定光との干渉により発生するビート信号が検出される。

【0053】

測距制御機構制御部１１１は、受光器１０７で受光された参照ビート信号をサンプリングクロックとして、受光器１０９で受光された測定ビート信号を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。

【0054】

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度位相の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。

【0055】

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、参照信号を基準として測定信号をリサンプリングすることが可能となる。または、測距制御機構制御部１１１の有するＡＤ／ＤＡ変換機で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、同様の効果を奏する。

【0056】

ビート信号の解析に関し、測定光と参照光との受光器１０９への到達時間には差Δｔがあるが、この間に光源の周波数が変化しているので、これによる周波数差に等しいビート周波数ｆｂのビート信号が検出される。周波数掃引幅をΔνとし、Δνだけ変調するのに要する時間をＴとすると、次式（１）の関係がある。

【0057】

【数1】

【0058】

測定対象までの距離Ｌは、Δｔの間に光が進む距離の半分なので、大気中の光速度ｃを用いて、次式（２）のように算出できる。

【0059】

【数2】

【0060】

測距制御機構制御部１１１において得られた測定信号を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ると、対象物Ｔの反射位置と反射光量にそれぞれ対応する。ＯＣＴ装置においては、生体などの半透明体の散乱位置と散乱の大きさの可視化が望まれるため、ＦＦＴの振幅スペクトルをそのまま用いることができる。本実施形態では、対象物Ｔの表面の位置を正確に求めるため、図６に示すような補間を行って距離検出分解能を高める。

【0061】

図６は、反射強度プロファイルから対象物表面における反射位置を求める方法の一例を示す図である。本図の横軸がＦＦＴの周波数軸、縦軸が反射強度とすると、ピーク付近は本図に示すような離散的なデータとなる。点の間隔、即ち距離分解能は、ｃ／２Δνとなる。ＳＳ－ＯＣＴとして一般的な波長１３００ｎｍ、掃引幅１００ｎｍに対してΔν＝１７．８ＴＨｚなので、距離分解能ｃ／２Δν＝８．４μｍとなる。

【0062】

また、ＦＭＣＷに対して一般的な波長１５００ｎｍ、掃引幅２ｎｍに対しては、Δν＝２６７ＧＨｚなので、距離分解能ｃ／２Δν＝０．５６ｍｍとなる。これに対し、図６に示すように頂点付近の３点以上の点を用いて、二次関数またはガウス関数といった関数を当てはめ、当てはめられた関数のピークを用いると、分解能を１／１０程度に高めることが可能となる。

【0063】

説明を図５に戻す。ここで、光スイッチ１１３ａ，１１３ｂについて説明する。参照光と測定光との干渉によるビート信号を得るためには、光ファイバカプラ１１４から参照ミラー１１２までの光路長と、光ファイバカプラ１１４から対象物Ｔまでの光路長の差が、レーザ光源１０１の可干渉距離以下である必要がある。これを防ぐため、光ファイバカプラ１１４から対象物Ｔまでの距離に応じて光スイッチ１１３ａと光スイッチ１１３ｂとを同時に切り替えて、各スイッチ間の光ファイバの長さを変更する。

【0064】

また、光ファイバカプラ１１４から参照ミラー１１２までの光路長と、光ファイバカプラ１１４から対象物Ｔまでの光路長の差が長すぎる場合、即ち可干渉距離が長い場合にも、ビート周波数が高くなりすぎて受光器１０９で検出できなくなる。そのため、ビート周波数が受光器１０９で検出可能な周波数となるように、光スイッチ１１３ａと光スイッチ１１３ｂとを同時に切り替え、各スイッチ間の光ファイバの長さを変更する。

【0065】

なお、図５では、切り替える光ファイバは２本であるが、測定対象の範囲に応じて３本以上の光ファイバを設置し、長さを切り替えるものであってもよい。また、切り替えるタイミングは、一定であってもよいし、対象物Ｔの光路切り替え素子１６３からの距離等の状況に応じて変更するものであってもよい。例えば、光路切り替え素子１６３の回転に同期して、１回転ごとに光スイッチ１１３ａ及び光スイッチ１１３ｂを切り替えてもよい。

【0066】

また、光路には光ファイバを用いるものとして説明しているが、一旦光ファイバーコリメーター等を用いて自由空間を伝播する光とし、光をミラー等で切り替えたり、ミラーを移動させたりして光路長を変更してもよい。

【0067】

また、分岐に用いる光ファイバカプラ１１４と参照ミラー１１２との間の光路に光スイッチ１１３ａ，１１３ｂを設け、同様に光スイッチ１１３ａ，１１３ｂの間の光ファイバの長さを切り替えてもよい。なお、光スイッチ１１３ａ，１１３ｂは、測距制御機構制御部１１１により切り替えを制御される。

【0068】

なお、図５において、光ファイバカプラ１１４から光スイッチ１１３ｂまでの光路は測距制御機構１１０に設置されている。しかしながら、これらの光路は、測距制御機構１１０でなく、測定プローブ１６０内に設置されてもよい。

【0069】

また、測距制御機構１１０を用いて行われる形状測定方法は、上述の例に限られない。例えば、ＴＯＦ（Time Of Flight）法のように、パルスまたはバースト状の光を対象物Ｔに照射し、パルスまたはバーストが受光されるまでの時間を測定する方法、Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ法、または光コム測距法のように連続的に強度変調された光を対象物Ｔに照射して、受光した信号の位相を測定する方法が使用できる。また、焦点ずれを測定することにより距離を測定してもよいし、白色共焦点法、非点収差法、ナイフエッジ法、コノスコピックホログラフィ法を使用することもできる。

【0070】

次に、図７は、第１の実施形態における測距制御機構１１０の構成の他の例を示す図である。図７の測距制御機構１１０は、測距の原理として、ＳＤ－ＯＣＴ（Spectral Domain-Optical Coherence Tomography）（または周波数ドメインＯＣＴ）を用いた構成例である。測距制御機構１１０は、サーキュレータ１０８と、光ファイバカプラ１１４と、参照ミラー１１２と、測距制御機構制御部１１１との他、広帯域光源１１５と、分光器１１６と、を有する。

【0071】

広帯域光源１１５で生成された測定光は、光ファイバを経由してサーキュレータ１０８に到達する。サーキュレータ１０８から導出された測定光は光ファイバカプラ１１４により分割され、分割された測定光の一部が測定プローブ１６０を介して対象物Ｔに対して出射される。分割された測定光の一部は参照光として参照ミラー１１２に反射される。対象物Ｔに反射した測定光は測定プローブ１６０を経由して測距制御機構１１０に戻り、参照ミラー１１２に反射した反射光と光ファイバカプラ１１４で合流し、サーキュレータ１０８を経由して分光器１１６にて検出される。

【0072】

検出される光のスペクトルは、横軸を光の波数、縦軸を強度とすると、対象物Ｔと参照ミラー１１２との間の光路長の差に比例した周波数の振動を示す。そのため、図７の測距制御機構制御部１１１は、この周波数を解析することで距離測定を実現する。

【0073】

測距制御機構１１０の構成のさらに他の例について説明する。測距制御機構１１０は、測距に白色共焦点法を用いた構成を採用することが可能である。その場合、測距制御機構１１０は、図７に示す参照ミラー１１２と光ファイバカプラ１１４を含まず、代わりにレンズ系１６１に意図的に色収差が生じるように構成する。また、測定光の波長によって焦点位置が異なるような測定プローブ１６０を用いる。

【0074】

この場合、対象物Ｔに反射または散乱した光はレンズ系１６１で再度集光されて測距制御機構１１０に戻る際に、対象物Ｔとの距離で焦点が合う波長のみが捕捉される。即ち、分光器１１６でこの光を検出し、スペクトルがピークとなる波長を測距制御機構制御部１１１で算出すると、対象物Ｔの測距が実現できる。本構成例によれば、ＦＦＴを行わずとも、検出されたスペクトルデータそのものを図６に示すデータとして得ることができる。

【0075】

次に、図８は、形状測定システム２０の一例を示す模式図である。本実施形態における形状測定システム２０は、形状測定システム１０の機能を用いて対象物Ｔの立体形状を測定する。形状測定システム２０は、移動機構を有する。移動機構は、ｘｚ軸移動機構２５１と、ｙ軸移動機構２５２と、を有する。ｘｚ軸移動機構２５１には、測定プローブ１６０が設置される。図８に示すｘｚ軸移動機構２５１には、測定プローブ１６０を有する形状測定システム１０が設置されている。

【0076】

ｘｚ軸移動機構２５１は、ｘ軸方向（図面の左右方向）及びｚ軸方向（図面の上下方向）に移動する。ｘｚ軸移動機構２５１は測定プローブ１６０を支持しており、ｘｚ軸移動機構２５１の移動に伴ってプローブ先端部１６４が移動する。ｙ軸移動機構２５２は、門型の構造物あって、ｙ軸方向（図面の奥行方向）に移動する。ｙ軸移動機構２５２は、ｘｚ軸移動機構２５１を支持しており、ｙ軸移動機構２５２の移動に伴い、ｘｚ軸移動機構２５１に指示されたプローブ先端部１６４が移動する。

【0077】

なお、移動機構の構成はこれに限られず、プローブ先端部１６４を３軸方向に移動させるものであれば方法を問わない。例えば、測距制御機構１１０をｘｚ軸移動機構２５１に設置せず、測定プローブ１６０のみをｘｚ軸移動機構２５１に設置することにより、プローブ先端部１６４を３軸方向に移動させてもよい。

【0078】

本実施形態における形状測定システム２０は、三次元測定器において用いられる一般的な軸構成を有しているが、三次元測定器のプローブの代わりに本実施形態の形状測定システム１０の測定プローブ１６０を設置することで、高機能な非接触型形状測定を実現することが可能となる。

【0079】

また、一般的な３軸加工器では、ｚ軸は工具側、ｘ軸及びｙ軸は対象物Ｔ側に設けることが多く、その構成は図８に示す形状測定システム２０の構成とは異なる。しかしながら、３軸加工器において本実施形態における測定プローブ１６０を設置することで、加工機上オンマシン測定を実現することが可能となる。

【0080】

また、多自由度系ロボットに本実施形態の測定プローブ１６０を設置し、プローブ先端部１６４を移動させることにより、より自由度の高い測定を可能とする形状測定システム２０を構成することができる。

【0081】

次に、図９は、形状測定システム２０の他の例を示す模式図である。図８に示す形状測定システム２０と異なる点を説明する。図９に示す形状測定システム２０が有する移動機構は、ｘｚ軸移動機構２５１と、ｙ軸移動機構２５２の他、回転機構２５６を有する。回転機構２５６は構造物２５４に支持された回転軸２５３により係止され、回転軸２５３周りに回転する。また、回転機構２５６は、回転軸２５３に直交する図示しない回転軸であって、図９のｚ軸方向に延伸する回転軸周りに回転する。

【0082】

回転機構２５６には試料台２５５が設置されており、試料台２５５は回転機構２５６の回転に伴い回転する。これにより、試料台２５５に設置された対象物Ｔが移動する。本構成により、対象物Ｔの２自由度の姿勢を制御することができる。

【0083】

即ち、図９の形状測定システム２０は、ｘｚ軸移動機構２５１及びｙ軸移動機構２５２を用いて測定プローブ１６０と対象物Ｔとの間の相対位置３自由度を制御できるだけでなく、回転機構２５６を用いて相対位置２自由度を制御することができ、合計５自由度の制御が可能となる。これにより、対象物Ｔのあらゆる箇所をあらゆる方向から測定することができる。

【0084】

なお、一般的な５軸加工器において、測定プローブ１６０を設置することで、加工機上オンマシン測定を実現することが可能となる。付言すると、加工機によって自由度の数や構成が異なるため、本実施形態における形状測定システム２０は、図８及び図９に示す構成に限定されるものではない。例えば、測定プローブ１６０の代わりに、試料台２５５をｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸に移動させてもよい。

【0085】

図１０は、形状測定システム２０の機能ブロックの一例を示す図である。形状測定システム２０は、演算部２６０と、測距制御機構１１０と、測定プローブ１６０と、表示部２８０と、移動機構２５０と、を備える。測距制御機構１１０と測定プローブ１６０とは、上述の例と同様である。演算部２６０は、図示しないＣＰＵ(Central Processing Unit)等の演算装置を用いて、立体形状測定処理全体を統括的に制御する。表示部２８０は、測定結果を出力する装置であって、上述の表示装置２２０と同様の機能を有する。

【0086】

演算部２６０は、距離演算部２６１と、形状算出部２６２と、移動機構制御部２６３とを備える。距離演算部２６１は、測距制御機構１１０により取り込まれた測定ビート信号と参照ビート信号を解析し、距離に変換する。また、距離演算部２６１は、測定プローブ１６０を制御し、プローブ先端部１６４の回転角度と、該回転に同期した偏光の偏光状態を制御する。

【0087】

形状算出部２６２は、距離演算部２６１により通知されるデータを用いて、対象物Ｔの形状を測定する。距離演算部２６１により通知されるデータには、測定光の検出方向のデータが含まれる。形状算出部２６２により測定された情報は、表示部２８０を介して出力される。

【0088】

移動機構制御部２６３は、移動機構２５０を制御し、測定プローブ１６０と対象物Ｔとの間の相対位置を制御する。移動機構制御部２６３により制御された対象物Ｔの位置や姿勢は、距離演算部２６１に通知される。なお、演算部２６０は、測距制御機構１１０や測定プローブ１６０内に設置されてもよい。

【0089】

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態における形状測定システム３０について説明する。

【0090】

図１１は、第２の実施形態における形状測定システム３０の一例を示す模式図である。以下、第１の実施形態と異なる点を説明する。本実施形態における形状測定システム３０は、偏光状態制御部駆動部１６６と偏光状態制御部１６５とを有しない点で、第１の実施形態における形状測定システム１０と異なる。本実施形態における形状測定システム３０は、測定光の偏光状態ではなく、波長を用いることにより、測定光の出射方向の切り替えを行う。

【0091】

測距制御機構１１０を出射した測定光は、レンズ系１６１を経由して光路切り替え素子１６３に導入される。

【0092】

図１２は、第２の実施形態における光路切り替え素子１６３の動作を説明するための図である。同図（Ａ）及び同図（Ｂ）は、光路切り替え素子１６３にダイクロイックミラー１８３を用いた場合の例を示す。なお、ダイクロイックミラー１８３は、ダイクロイックプリズムであってもよい。

【0093】

ダイクロイックミラー１８３及びダイクロイックプリズムは、ある波長を境界として、境界より長い波長の光を反射し、短い波長の光を透過する。または、境界より短い波長の光を反射し、長い波長の光を透過する。同図（Ａ）は、測定光が透過している状態を示している。測定光は、第１の方向３００ａに進行している。同図（Ｂ）は、測定光が反射している状態を示している。測定光は、該測定光と略直交する第２の方向３００ｂに進行している。即ち、光路切り替え素子１６３にダイクロイックミラー１８３を用いることにより、異なる方向に測定光を出射することが可能となる。

【0094】

なお、第１の実施形態と同様に、本実施形態における光路切り替え素子１６３は、対象物Ｔに反射した光を取り込み、出射の経路を逆行して測距制御機構１１０へと導く。

【0095】

次に、図１３は、第２の実施形態における測距制御機構１１０の構成の一例を示す図である。図１３の測距制御機構１１０は、光ファイバカプラ１０３，１０４，１０６，１１４と、光ファイバ１０５と、受光器１０７，１０９と、サーキュレータ１０８と、参照ミラー１１２と、光スイッチ１１３ａ，１１３ｂと、測距制御機構制御部１１１と、のほか、レーザ光源１０１ａ，１０１ｂと、発振器１０２ａ，１０２ｂと、光ファイバ切り替え器１９１と、を有する。

【0096】

レーザ光源１０１ａ及びレーザ光源１０１ｂとは、各々波長が異なる。発振器１０２ａはレーザ光源１０１ａを、発振器１０２ｂはレーザ光源１０１ｂを、各々発振する。なお、レーザ光源１０１ａ及びレーザ光源１０１ｂを一つの発振器１０２で発振してもよい。

【0097】

発振器１０２ａ及び発振器１０２ｂから出射された光は、光ファイバ切り替え器１９１により選択的に制御される。光ファイバ切り替え器１９１は、測距制御機構制御部１１１により制御される。なお、光ファイバ切り替え器１９１に代えて、異なる波長の光を一つの光ファイバに合流させる素子を用いてもよい。例えば、いわゆるＷＤＭ(Wavelength Division Multiplexing)カプラを用いることができる。この場合、レーザ光源１０１ａからの光か、またはレーザ光源１０１ｂからの光かを測距制御機構制御部１１１に選択させることにより、測定光の波長を選択することができる。

【0098】

図１３の測距制御機構１１０を用いることにより、波長の異なる光を光路切り替え素子１６３に選択的に入射することができる。その結果、光路切り替え素子１６３から、第１の方向３００ａまたは第２の方向３００ｂに選択的に測定光が出射される。

【0099】

次に、図１４は、第２の実施形態における測距制御機構１１０の構成の他の例を示す図である。図１４の測距制御機構１１０は、２式のＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ａ，１７１ｂを有している。ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ａ，１７１ｂは、各々、レーザ光源１０１と、発振器１０２と、光ファイバカプラ１０３，１０４，１０６と、光ファイバ１０５と、受光器１０７，１０９と、サーキュレータ１０８と、を有している。ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ａと、ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ｂとによるレーザダイオードは、波長域が異なる。

【0100】

また、図１４の測距制御機構１１０は、ＷＤＭカプラ１９２を有している。ＷＤＭカプラ１９２は、ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ａと、ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ｂとから出射された光を合流し、光ファイバカプラ１１４に入射させる。

【0101】

本構成により、２種類の波長域の測定光を同時に生成する。その結果、光路切り替え素子１６３から第１の方向３００ａと第２の方向３００ｂへと同時に測定光が出射される。反射光の測定ビート信号と参照ビート信号とを、ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ａと、ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部１７１ｂとの各々の有する受光器１０７及び受光器１０９で検出し、測距制御機構制御部１１１で２セットの信号を並行して処理する。これにより、第１の方向３００ａと、第２の方向３００ｂとの距離測定を並行して行うことができる。

【0102】

以上、第１の実施形態及び第２の実施形態では、測定光の性質と光路切り替え素子１６３との組合せにより、光路切り替え素子１６３から異なる２方向に測定光を出力する。これにより、プローブ先端部１６４においてミラーを可動させる等の構成を必要とせず、測定に用いる構成を小型化することが可能となる。

【0103】

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態における形状測定システム４０について説明する。

【0104】

図１５は、第３の実施形態における形状測定システム４０の一例を示す模式図である。以下、第１の実施形態と異なる点を説明する。形状測定システム４０は、測距制御機構１１０の後段に、偏光安定化装置３０１と直線偏光切り替えスイッチ３０２とを備える。本実施形態では、偏光状態制御部１６５として１／２波長板を用いる。

【0105】

偏光安定化装置３０１は、入力された測定光の偏光状態を一定方向に振動する直線偏光に安定化させて出力する機能を持つ。直線偏光切り替えスイッチ３０２は、内蔵する液晶素子への電圧の印加によって、入力された測定光の直線偏光の方向をπ／２回転させて出力する機能を持つ。なお、偏光安定化装置３０１と直線偏光切り替えスイッチ３０２は、所望の振動方向を持つ直線偏光を出力するために用いており、一般的な偏光状態解析器と偏光状態発生器の組合せでも実現できる。

【0106】

ここで、直線偏光切り替えスイッチ３０２に電圧を印加しない場合（オフ）の、１／２波長板に入射する直線偏光の振動方向の角度をαとすると、直線偏光切り替えスイッチ３０２に電圧を印加した場合（オン）に出射される直線偏光の振動方向の角度はα＋π／２となる。なお、角度α、さらに後述する角度βおよびγは、第１の方向３００ａ（座標軸ｚと平行）に直交する座標軸ｘを基準とした絶対的な回転角度とする。

【0107】

ここで、回転機構１６２により回転する光路切り替え素子１６３が光を反射させる方向の角度をγとし、１／２波長板の主軸の方向をβとする。このとき、直線偏光切り替えスイッチ３０２に電圧を印加せずに、γ＝２β－αを保つように（即ち、β＝（γ＋α）／２となるように）１／２波長板を制御することで、第１の方向３００ａに進行する光による測定を行うことができる。また、直線偏光切り替えスイッチ３０２に電圧を印加し、１／２波長板をγ＝２β－αの角度を保つように制御することで、第２の方向３００ｂに進行する光による測定を行うことができる。

【0108】

図１６は、第３の実施形態における各光学素子の相対的な角度の関係を説明する図である。

【0109】

ここでは、測定光の振動方向角度と、１／２波長板の主軸の角度と、光路切り替え素子１６３の相対的な角度の関係について説明する。例えば、偏光状態制御部１６５として１／２波長板３０５、光路切り替え素子１６３として偏光ビームスプリッタ１８０を用いる。偏光ビームスプリッタ１８０は、入射面３０９に平行な振動方向を持つ直線偏光を透過（即ち第１の方向３００ａの方向に出射）し、入射面３０９に対してπ／２の角度を成す振動方向を持つ直線偏光を反射（即ち第２の方向３００ｂの方向に出射）する。１／２波長板３０５は、入射する直線偏光の振動方向が１／２波長板３０５の主軸と成す角度の２倍分、直線偏光の振動方向を傾けて出射する。

【0110】

ここで、入射面３０９が、１／２波長板３０５に入射する第１の測定光振動方向３０６ａに対して相対角度ξの傾きを持っている場合を考える。

【0111】

同図（Ａ）に示すように、測定光を第１の方向３００ａに照射する場合には、まず直線偏光切り替えスイッチ３０２をオフすることによって、１／２波長板３０５に入射する測定光振動方向を、第１の測定光振動方向３０６ａに切り替える。このとき、１／２波長板３０５の主軸３０８の角度が、１／２波長板３０５に入射する第１の測定光振動方向３０６ａに対してξ／２の角度を保つように１／２波長板３０５を制御することで、１／２波長板３０５から出射する測定光振動方向３０７が入射面３０９に対して平行を保つようにする。

【0112】

また、同図（Ｂ）に示すように、測定光を第２の方向３００ｂに照射する場合には、まず直線偏光切り替えスイッチ３０２をオンすることによって、１／２波長板３０５に入射する測定光振動方向を、第１の測定光振動方向３０６ａから第２の測定光振動方向３０６ｂに切り替える。このとき、１／２波長板３０５の主軸３０８の角度が、図４（Ａ）の場合と同じ角度（即ち第２の測定光振動方向３０６ｂに対する１／２波長板３０５の主軸３０８の角度がξ／２＋π／２）となるように制御することで、１／２波長板３０５から出射する測定光振動方向３０７が入射面３０９に対してπ／２の角度を保つようにする。

【0113】

つまり、第３の実施形態によれば、１／２波長板３０５の主軸３０８の角度は、測定方向によらず一定となるため、偏光状態制御部駆動部１６６の制御を簡易にすることができる。また、偏光状態制御部駆動部１６６の機械的な動作を伴わずに、直線偏光切り替えスイッチ３０２の電気的な制御によって測定方向を変更することで、高速な測定方向の切り替えが可能となる。これにより計測時間の大幅な短縮が実現する。

【0114】

第１の実施形態においては、偏光状態制御部駆動部１６６として、一般的なサーボモータを用いて、第１の方向３００ａから第２の方向３００ｂへと測定方向の変更を行うことができる。例えば、回転速度５００ｒｐｍのサーボモータを用いた場合には、サーボモータを－π／４回転させるため、少なくとも約１００ミリ秒程度の測定方向切り替え時間を要することになる。

【0115】

これに対して、一般的な直線偏光切り替えスイッチ３０２による測定方向の切り替え速度は約０．１ミリ秒以下程度であるため、第３の実施形態で示す構成によって高速な測定方向切り替えが可能となる。

【0116】

次に、図１７は、第３の実施形態における形状測定システム４０の機能ブロックの一例を示す図である。以下、第１の実施形態と異なる点を説明する。形状測定システム４０は、形状測定システム２０（図１０）の機能ブロックに加え、偏光切り替え部３１０を備える。

【0117】

偏光切り替え部３１０は、測定光の偏光状態を直線偏光に保ち、測定方向によって偏光状態を切り替える装置であって、切り替えた直線偏光を測定プローブ１６０に伝送する。偏光切り替え部３１０は、偏光安定化装置３０１と直線偏光切り替えスイッチ３０２に相当する。偏光切り替え部３１０（直線偏光切り替えスイッチ３０２）は、ユーザの手動操作によって測定方向を切り替えてもよいし、距離演算部２６１からの制御によって測定方向を切り替えてもよい。

【0118】

＜第４の実施形態＞
次に、図１８は、第４の実施形態におけるプローブ先端部１６４の構成の例を示す図である。プローブ先端部１６４は、光路切り替え素子１６３に加え、１つまたは２つの集光レンズ系３０４を備える。

【0119】

レンズ系１６１によって集光状態を整形された測定光３０３は、光路切り替え素子１６３の前または後ろに位置する集光レンズ系３０４によって集光される。例えばレンズ系１６１によって測定光３０３を平行光に整形した場合には、測定光３０３の集光位置は集光レンズ系３０４によって決定される。

【0120】

同図（Ａ）の例では、偏光状態制御部１６５と光路切り替え素子１６３の間に集光レンズ系３０４が配置されている。この場合、第１の方向３００ａ及び第２の方向３００ｂのいずれの方向への測定光も、同じ焦点距離で集光される。後述の同図（Ｂ）と比べると、使用する集光レンズ系３０４が１つであるため、製作が簡易でプローブ先端部１６４の小径化が可能となる。

【0121】

同図（Ｂ）の例では、光路切り替え素子１６３と測定対象Ｔの間に、異なる測定方向（第１の方向３００ａ及び第２の方向３００ｂ）にそれぞれ集光レンズ系３０４が配置されている。この場合、第１の方向３００ａ及び第２の方向３００ｂのいずれの方向への測定光も同じ焦点距離に集光されるように各集光レンズ系３０４を構成してもよいし、それぞれ異なる焦点距離に集光されるように各集光レンズ系３０４を構成してもよい。例えば対象物Ｔまでの測定方向別の距離ａおよびｂが大きく異なる場合には、それぞれの距離に応じた焦点距離を選択することが可能となる。

【0122】

焦点距離の異なる複数のプローブ先端部１６４を用意し、プローブ先端部１６４を測定プローブ１６０に対して着脱交換可能に構成してもよい。例えば、対象物Ｔの形状、具体的には、穴の深さや直径、壁面の傾斜角等に応じてプローブ先端部１６４を交換することで、測定光３０３の集光位置を測定対象Ｔまでの距離に適応するように調整することが可能となる。

【0123】

なお、上述の第１～第３実施形態では、レンズ系１６１に、例えば電動式の焦点可変レンズのような焦点可変機構を持たせることで、対象物Ｔへの測定距離に応じて測定光の焦点位置を調整することができる。これに対して、第４実施形態では、プローブ先端部１６４を着脱交換可能とすることで、焦点可変機構をレンズ系１６１に持たせる必要がなくなる。

【0124】

ｚ軸方向の長さの異なる複数のプローブ先端部１６４を用意し、プローブ先端部１６４を測定プローブ１６０に対して着脱交換可能に構成してもよい。例えば、対象物Ｔの穴の深さに応じてプローブ先端部１６４を交換することで、測定対象Ｔに確実に測定光が届くように調整することが可能となる。

【0125】

また、仕様が同じ複数のプローブ先端部１６４を用意し、プローブ先端部１６４を測定プローブ１６０に対して着脱交換可能に構成してもよい。このようにすれば、プローブ先端部１６４が破損した際に、測定プローブ１６０全部を修理するのではなく、プローブ先端部１６４のみ交換することができる。

【0126】

さらに、プローブ先端部１６４と測定プローブ１６０の接合部には、光路切り替え素子１６３と偏光状態制御部１６５の相対的な位置関係を拘束可能な構造を持たせることで、交換時の調整を簡易化することができる。

【0127】

このように、本実施形態では、プローブ先端部１６４の長さの変更、測定方向毎の焦点距離の変更を容易に選択できるため、ユーザの用途、すなわち、対象物Ｔの形状に応じた測定を助けることができる。

【0128】

以下、測定プローブ１６０に対して着脱交換可能に固定されるプローブ先端部１６４の複数の例について説明する。

【0129】

＜着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第１の構成例＞
図１９は、測定プローブ１６０に対して着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第１の構成例としてのプローブ先端部１６４１を示している。

【0130】

プローブ先端部１６４１は、集光レンズ５０１、及びミラー５０２を備える。

【0131】

プローブ先端部１６４１において、測定光３０３は、集光レンズ５０１によりミラー５０２に集光され、ミラー５０２にて対象物Ｔの方向に反射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路、すなわち、ミラー５０２にて反射した後、集光レンズ５０１を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0132】

図２０は、プローブ先端部１６４１の詳細な構成例を示している。プローブ先端部１６４１は、内部に空間があり測定光３０３の経路となる筒部５１１に対して、光学素子係止部５１５が図面の下方向から装着されて固定されている。光学素子係止部５１５は、円筒状に形成されており、その底部には筒部５１１よりも径が大きいかえしがあってもよい。光学素子係止部５１５は、集光レンズ５０１及びミラー５０２などの光学素子を係止する。なお、光学素子係止部５１５に係止される光学素子は、プローブ先端部１６４１の回転軸に対して対称に配置されていることが望ましい。また、光学素子係止部５１５に係止される光学素子は円筒形状ではなくてもよい。光学素子係止部５１５の側壁には、光学素子に入射し、出射される測定光を通すための開口を有する。

【0133】

筒部５１１の測定プローブ１６０側には情報タグ５１４が設けられている。情報タグ５１４は、プローブ先端部１６４１の少なくとも型番情報を表すものであり、バーコード、ＱＲコード、文字列等からなる。なお、情報タグ５１４は、プローブ先端部１６４１の仕様情報を表すようにしてもよい。

【0134】

ここで仕様情報には、プローブ先端部１６４１の実質長Ｈ、及びビーム照射角θを少なくとも含む。実質長Ｈとは、プローブ先端部１６４１の場合、測定プローブ１６０の原点Ｏｐからミラー５０２の測定光の方向が変わる点（以後、方向変化点と呼ぶ）までの距離を指す。なお、測定光の方向が変わる理由としては反射のほか、屈折が考えられるが、他の理由であってもよい。ビーム照射角θは、プローブ先端部１６４１の中心を通るｚ方向の線を起点する、対象物Ｔに照射される測定光３０３の角度を指す。実質長Ｈ、及び照射角θの詳細については、図２２を参照して後述する。

【0135】

また、筒部５１１には、ミラー５０２にて反射した測定光３０３を通過させるための出射窓５１２が開口されている。なお、出射窓５１２には測定光３０３を通過させるガラス等の透明材料が嵌め込まれていてもよい。

【0136】

筒部５１１は、中空の空間のため、重心の偏りも小さく、軽く、慣性モーメントも小さい。また、筒部５１１の空間を測定光が通るので、外部からのごみやほこりによって測定光が反射したり、拡散したりすることを軽減できる。

【0137】

図２１は、測定プローブ１６０に対してプローブ先端部１６４１を着脱交換可能に固定するための固定機構の例を示している。同図（Ａ）は、測定プローブ１６０に対してプローブ先端部１６４１を側方（ｘ方向）から装着する例である。この場合、プローブ先端部１６４１の上端には、円盤状の支持板５１６が取り付けられている。支持板５１６には、測定プローブ１６０に対するプローブ先端部１６４１の取付角度を固定するためのキー溝５１３が形成されている。

【0138】

一方、測定プローブ１６０には、支持板５１６を下方から支持するための支持部５２１と、支持部５２１に対して支持板５１６を固定するためのネジ５２２が設けられている。支持部５２１には、キー溝５１３に対応するキーブロック（不図示）が形成されている。

【0139】

また、支持部５２１には、プローブ先端部１６４１に設けられた情報タグ５１４を読み取るための情報タグ読み取り部５２３（図２１）が設けられている。情報タグ読み取り部５２３は、例えばカメラを含み、情報タグ５１４を撮像した画像から型番情報等を読み取って距離演算部２６１に送信する。距離演算部２６１では、受信した型番情報に対応する仕様情報を所定のデータベース（不図示）から取得して記憶し、対象物Ｔの座標を演算が行われる。

【0140】

このように、距離演算部２６１は、プローブ先端部１６４１に設けられた情報タグ５１４に基づいてプローブ先端部１６４１の仕様情報を取得するので、他のプローブ先端部１６４の仕様情報を取得してしまう等の間違いを防ぐことができる。この結果として、対象物の距離または三次元形状を正確に測定することができる。

【0141】

なお、情報タグ読み取り部５２３を設ける代わりに、例えば、ユーザがスマートフォン等を用いて情報タグ５１４を撮像し、スマートフォン等にて型番情報等を読み取って距離演算部２６１に送信するようにしてもよい。また、ユーザがプローブ先端部１６４１の型番情報や仕様情報を手入力するようにしてもよい。

【0142】

また、情報タグ５１４にＲＦＩＤを採用してもよい。その場合、情報タグ読み取り部５２３は、ＲＦＩＤを読み取ることができるＲＦリーダを採用すればよい。

【0143】

同図（Ｂ）は、測定プローブ１６０に対してプローブ先端部１６４１を下方（ｚ方向）から装着する例である。この場合、プローブ先端部１６４１の上端には、測定プローブ１６０に対するプローブ先端部１６４１の取付角度を固定するための凹状のキー溝５１７が形成されている。

【0144】

なお、凹状のキー溝５１３，５１７の代わりに、凸状のキーブロックを形成し、測定プローブ１６０側に凹状のキー溝を形成するようにしてもよい。なお、キー溝及びキーブロックはプローブ先端部１６４１を固定する時の角度（より具体的には後述するΦ）を一意に定める物理形状の一例であり、図以外の形状であってもよい。なお、支持部５２１はモータ１６２によって回転することは言うまでもないことである。なお、固定機構は、プローブ先端部を測定プローブ１６０に固定し、その結果としてモータでプローブ先端部を回転させることができれば、他の形状であってもよい。

【0145】

次に、図２２は、距離演算部２６１にて行われる、プローブ先端部１６４１を採用した場合における対象物Ｔの座標（ｘ，ｙ，ｚ）の計算方法を説明するための図であり、同図（Ａ）はｙｚ断面図を示し、同図（Ｂ）はｘｙ断面図を示している。

【0146】

対象物Ｔの座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、測定プローブ１６０の原点（同図の場合、測定プローブ１６０下面中央）Ｏｐを用いて次式（３）によって表される。なお、以前及び以後の説明にて、プローブ先端部の説明にて「測定プローブ１６０の原点Ｏｐ」という説明をしている。この意味は、「プローブ先端部を測定プローブ１６０に固定したときの」プローブ先端部における測定プローブ１６０の原点Ｏｐの位置を指す。

【0147】

【数3】

【0148】

ここで、レーザ照射角θ、及び実質長Ｈは、距離演算部２６１が、情報タグ５１４の型番情報に対応する仕様情報として所定のデータベース（不図示）から取得する。Ｄは後述する式（８）で表される、プローブ先端部１６４１から対象物Ｔまでの距離である。

【0149】

式（３）の関係をベクトル表記した場合、次式（４）のように表される。

【0150】

【数4】

【0151】

ここで、ベクトルＬ_ｏは、ミラー５０２の方向変化点Ｐ_ｒｅｆにおける屈折（反射）後の測定光３０３の方向を表す単位ベクトルである。よって、ベクトルＬ_ｏは、次式（５）のとおりとなる。

【0152】

【数5】

【0153】

ここで、式（５）におけるベクトルＨ_ｏは、ｚ方向に進む測定光３０３の進行方向を表す単位ベクトルであり、次式（６）のとおりである。

【0154】

【数6】

【0155】

また、式（５）におけるＲｏｔ（）は、次式（７）の場合、

【0156】

【数7】

【0157】

ベクトルＡを回転軸としてベクトルＢを右ネジ方向にＡｎｇｌｅだけ回転させる（ベクトルＡとベクトルＢの始点を同じ位置に移動させて右ネジ方向にＡｎｇｌｅだけ回転させる）ことを意味する。

【0158】

式（４）におけるＤは、次式（８）によって演算される。

【0159】

【数8】

【0160】

ここで、Ｄ_ｒａｗは原点Ｏｐから対象物Ｔまでの光路長（光路中の屈折率が真空と同じなら幾何学長と同じ）である。なお、対象物Ｔを測定する場合、測定プローブ１６０をｚ方向に移動し、各ｚ座標において、プローブ先端部１６４を、ｚ軸を回転軸として１回転しながら光路長Ｄ_ｒａｗを得る。そして、測定プローブ１６０から、各サンプリングタイミングにおける測定プローブ１６０の原点Ｏｐのｚ座標、プローブ先端部１６４の回転角Φ（図２２（Ｂ））、光路長Ｄ_ｒａｗ、及び偏光方向を距離演算部２６１に供給すれば、距離演算部２６１にて、対象物Ｔの三次元形状を演算することができる。なお、ΦはＮ＿ｏベクトルを基準とした角度である。なお、Ｎ＿ｏベクトルは、測定プローブ１６０に設定された基準である。当該基準は測定プローブ１６０の外面（例えば底部に線を引く）に示されてもよい。または、当該基準は、図２１で説明した測定プローブ１６０に設けられた固定機構の指示部５２１のキー溝またはキーブロック（ただし、測定プローブの起動時または初期化時）の方向であってもよい。

【0161】

なお、測定プローブ１６０の原点Ｏｐのｚ座標については、測定開始時の原点Ｏｐを起点とする位置関係を、時間ｔを引数とする関数ｆ(ｔ)とし、関数ｆ(ｔ)を用いて測定プローブ１６０のｚ座標を算出し、ベクトル（Ｔ－Ｏｐ）に加算すればよい。なお、測定プローブ１６０の原点Ｏｐのｚ座標の起点については、測定開始時の原点Ｏｐに限らず、任意の点を原点とすることができる。例えば、ｘｚ軸移動機構２５１（図９）の所定の点や対象物Ｔの所定の点を起点としてもよい。

【0162】

また、光路長Ｄ_ｒａｗの考え方として、プローブ先端部１６４１の光学素子(集光レンズ５０１等)からの反射位置を原点として、Ｄを計算してもよい。換言すれば、プローブ先端部１６４１の光学素子(集光レンズ５０１等)からの反射位置（いまの場合の原点）からの光路長から、実質長Ｈを減算した値を光路長Ｄ_ｒａｗとみなしてもよい。この場合、筒部５１１の長さが変化してもその影響を軽減することができる。

【0163】

次に、図２３は、形状測定システム２０による立体形状測定処理を説明するフローチャートである。

【0164】

該立体形状測定処理は、例えば演算部２６０（図１０）に対するユーザからの所定の操作に応じて開始される。

【0165】

はじめに、ステップＳ１において、情報タグ読み取り部５２３（図２１（Ａ））がプローブ先端部１６４１に設けられた情報タグ５１４を撮像し、その結果得られた画像から型番情報等を読み取って距離演算部２６１に送信する。距離演算部２６１は、情報タグ読み取り部５２３から送信されたプローブ先端部１６４１の型番情報を受信する。

【0166】

次に、ステップＳ２において、距離演算部２６１（図１０）が、所定のデータベース（不図示）を参照し、受信した型番情報に対応する、プローブ先端部１６４１の仕様情報（実質長Ｈ、及びビーム照射角θ）を取得して記憶する。以上、ステップＳ１及びＳ２によって、距離演算部２６１がプローブ先端部１６４１の仕様情報を取得、記憶した後、測距制御機構１１０及び測定プローブ１６０による測定光３０３を用いた対象物Ｔの測定が開始される。

【0167】

次に、ステップＳ３において、距離演算部２６１が、移動機構制御部２６３（図１０）から測定プローブ１６０の原点Ｏｐのｚ座標を取得する。

【0168】

次に、ステップＳ４において、測定プローブ１６０がｚ軸を回転軸として１回転しながら、プローブ先端部１６４の回転角Φと光路長Ｄ_ｒａｗを取得し、距離演算部２６１に出力する。

【0169】

次に、ステップＳ５において、距離演算部２６１が、測定プローブ１６０から入力された各回転角Φにおける光路長Ｄ_ｒａｗと、仕様情報の実質長Ｈ、及びビーム照射角θに基づき、対象物Ｔの座標を演算し、その演算結果を測定プローブ１６０の原点Ｏｐのｚ座標とともに形状算出部２６２（図１０）に通知する。

【0170】

次に、ステップＳ６において、形状算出部２６２が、距離演算部２６１から通知された演算結果と測定プローブ１６０の原点Ｏｐのｚ座標を用いて対象物Ｔの形状を測定し、対象物Ｔの三次元画像を含む出力画面７００（図３４）を表示部２８０に表示する。ただし、このとき表示される対象物Ｔの三次元画像はｚ座標を固定したものであるため、ｚ方向の厚みはない。

【0171】

次に、演算部２６０が、立体形状測定処理を終了するか否かを判定する（ステップＳ７）。具体的には、例えばユーザからの所定の操作があった場合や、測定プローブ１６０が対象物Ｔに接触したりした場合等に立体形状測定処理を終了すると判定する。

【0172】

ここで、演算部２６０が立体形状測定処理を終了しないと判定した場合（ステップＳ７でＮＯ）、移動機構制御部２６３が、測定プローブ１６０（の原点Ｏｐ）をｚ方向に所定の距離だけ移動させる（ステップＳ８）。この後、処理はステップＳ３に戻り、ステップＳ３～Ｓ８が繰り返される。これにより、出力画面７００に表示された対象物Ｔの三次元画像は徐々にｚ方向の厚みが増すことになる。そして、演算部２６０が立体形状測定処理を終了すると判定した場合（ステップＳ７でＹＥＳ）、立体形状測定処理は終了される。

【0173】

なお、上述した立体形状測定処理では、リアルタイムで対象物Ｔの座標を演算し、その演算結果に基づいて三次元画像を表示するようにしたが、測定プローブ１６０のｚ方向への移動を終えた後、対象物Ｔの座標を演算し、その演算結果に基づいて三次元画像を表示するようにしてもよい。

【0174】

また、ステップＳ４における一回転しながらの回転角と光路長取得と周辺の処理、ｚ方向の移動は平行に行ってもよい。また、ステップＳ１，Ｓ２は測定直前ではなく、プローブ先端部の固定時や、測定プローブを起動した時や、演算部（或いは演算部のプログラム）を起動した時に行ってもよい。

【0175】

また、以上の説明では移動機構制御部２６３による測定プローブの移動方向（相対移動も含む）はｚ方向に移動する想定で説明したが、移動方向はｚ方向に限らずプローブ先端部の回転軸に沿った方向に移動させてもよい。なお、プローブ先端部の弾性曲がりを軽減する視点では、概ね筒形状であるプローブ先端部の回転軸は重力方向と一致させることが好ましい。または、測定プローブ１６０の位置は固定で、対象物Ｔを移動させることで測定プローブ１６０と対象物Ｔとの相対位置を変更することが、測定プローブの移動開始、移動終わりに行う加減速によるプローブ先端部の曲げが回避できるので好ましい。または、測定プローブ１６０を移動させる場合でも、移動方向をプローブ先端部の回転軸に沿った移動にすることが好ましい。しかしながら、測定プローブの相対移動は、これに限らない。

【0176】

＜着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第２の構成例＞
次に、図２４は、測定プローブ１６０に対して着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第２の構成例であるプローブ先端部１６４２を示している。

【0177】

プローブ先端部１６４２は、プローブ先端部１６４１（図１９）の集光レンズ５０１と及びミラー５０２との間にウォラストンプリズム５３１を追加したものである。

【0178】

ウォラストンプリズム５３１は、入射される測定光３０３をその偏光方向に応じて異なる角度に屈折させる。

【0179】

プローブ先端部１６４２において、測定光３０３は、集光レンズ５０１によりウォラストンプリズム５３１に集光され、ウォラストンプリズム５３１により、偏光方向に応じて異なる角度に屈折されてからミラー５０２にて対象物Ｔの方向に反射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路、すなわち、ミラー５０２にて反射した後、ウォラストンプリズム５３１、及び集光レンズ５０１を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0180】

プローブ先端部１６４２の場合、ビーム照射角θが異なる２種類のビーム（測定光）を照射することができる。この場合、ユーザは、測定時に何れのビームを用いて測定を行うのかを選択することができる。この選択は、ビームの偏光方向を選択してもよいし、ビーム照射角θを選択してもよい。

【0181】

次に、図２５は、距離演算部２６１にて行われる、プローブ先端部１６４２を採用した場合における対象物Ｔの座標（ｘ，ｙ，ｚ）の計算方法を説明するための図であり、同図（Ａ）はｙｚ断面図を示し、同図（Ｂ）はｘｙ断面図を示している。

【0182】

なお、プローブ先端部１６４２の仕様情報は、ビーム毎に存在する。第１のビームに対応する仕様情報は、ビーム照射角θ_１，実質長Ｈ_１、距離ｒ_１を含む。第２のビームに対応する仕様情報は、ビーム照射角θ_２，実質長Ｈ_２、角度差Φ_ｄｉｆｆを含む。

【0183】

ここで、実質長Ｈ_１は、原点ＯｐからＰ_ｉｒｒａ１までの長さである。いまの場合、Ｐ_ｉｒｒａ１は、ビーム照射口とする。ただし、Ｐ_ｉｒｒａ１は、外部に露出している光学素子の外側表面上のレーザ光通過点、プローブ先端部１６４１の内部でビームが屈折(反射も含む)する点であってもよい。さらに、Ｐ_ｉｒｒａ１は、大気中のビーム直線区間の途中の任意の点であってもよい。距離ｒ_１は、測定プローブ１６０の回転軸からビーム照射口Ｐ_ｉｒｒａ１までの距離である。

【0184】

また、実質長Ｈ_２は、原点Ｏｐからビーム照射口Ｐ_ｉｒｒａ２までの長さである。角度差Φ_ｄｉｆｆは、ビーム照射口Ｐ_ｉｒｒａ１の回転角とビーム照射口Ｐ_ｉｒｒａ２の回転角との角度差である。同図の場合、角度差Φ_ｄｉｆｆは０である。

【0185】

なお、以下においては、説明簡略化のため、測定プローブ１６０の回転角をビーム照射口Ｐ_ｉｒｒａ１の回転角で代表する。

【0186】

第１のビームによって測定される対象物Ｔ_１の座標をベクトル表記した場合、次式（９）のように表される。

【0187】

【数9】

【0188】

ここで、ベクトルＬ_ｏ１は、ビーム照射口Ｐ_ｉｒｒａ１から照射される第１のビームの方向を表す単位ベクトルである。具体的には、式（５）のΦとθに第１のビームに対応する値を代入すればよい。Ｄ_１は、ビーム照射口Ｐ_ｉｒｒａ１から対象物Ｔ_１までの距離である。ベクトルＲ_１は、測定プローブ１６０の回転軸を起点とするビーム照射口Ｐ_ｉｒｒａ１の位置ベクトルであり、次式（１０）のように表される。

【0189】

【数10】

【0190】

式（９）におけるＤ_１は、測定される光路長Ｄ_ｒａｗと次式（１１）の関係を有する。

【0191】

【数11】

【0192】

ここで、Ｃ_１は光路長補正値である。なお、光路長補正値Ｃ_１は、仮想方向変化点Ｐ_ｖｒｅｆ１(仮に原点Ｏｐを測定プローブ１６０の回転軸に沿ってＨ_１だけ移動させた点)から、ビーム照射口Ｐ_ｉｒｒａ１までの光路長Ｄ_ｒａｗや、仮想方向変化点Ｐ_ｖｒｅｆ１と原点Ｏｐとの間に存在する光路の隘路長(上記Ｈ_１は直線として算出しているが、実際には直線ではない)や、直線であったとしても各光学素子（集光レンズ５０１、ウォラストンプリズム５３１等）の屈折率に応じて増加する光路長増加分等が考慮されて決定される。

【0193】

また、光路長補正値Ｃ_１は、実質長Ｈに依存しないプローブ先端部１６４の、光学素子が密集する先端部分の構造に依存する値である。光路長補正値Ｃ_１は、原点Ｏｐからビーム照射口Ｐ_ｉｒｒａ１までの光路長Ｄ_ｒａｗを計測し、そこから実質長Ｈを減算すれば計算できる。なお、光路長補正値Ｃ_１は、厳密に言えば、ビーム照射角θ_１, θ_２が変わった場合にも変化する。よって、光路長補正値Ｃ_１は、計算によって求めてもよいが、プローブ先端部１６４のメーカ等が、Ｄ_１が判明している対象物Ｔから事前に計測し、仕様情報に含めるようにしてもよい。

【0194】

なお、以上においては、第１のビームによって測定される対象物Ｔ_１の座標について説明したが、第１のビームによって測定される対象物Ｔ_２の座標についても同様に求めることができる。

【0195】

＜着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第３の構成例＞
次に、図２６は、測定プローブ１６０に対して着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第３の構成例であるプローブ先端部１６４３を示している。

【0196】

プローブ先端部１６４３は、偏光ビームスプリット面５５１１及び反射コート面５５１２を有するプリズム５５１、ウェッジプリズム５５２、集光レンズ５５３、ウェッジプリズム５５４、並びに集光レンズ５５５を備える。

【0197】

プローブ先端部１６４３において、測定光３０３は、図面の上下方向に偏光している場合、偏光ビームスプリット面５５１１によって図面の下方向に屈折され、ウェッジプリズム５５２によって屈折されて照射角θが調整された後、集光レンズ５５３を介して対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0198】

また、測定光３０３は、図面の奥行き方向に偏光している場合、偏光ビームスプリット面５５１１を透過してから反射コート面５５１２にて図面の下方向に反射されて、ウェッジプリズム５５４によって屈折されて照射角θが調整された後、集光レンズ５５５を介して対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0199】

プローブ先端部１６４３の場合、ビーム照射角θが異なる２種類のビーム（測定光）を照射することができる。この場合、ユーザは、測定時に何れのビームを用いて測定を行いのかを選択することができる。この選択は、ビームの偏光方向を選択してもよいし、ビーム照射角θを選択してもよい。

【0200】

＜着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第４の構成例＞
次に、図２７は、測定プローブ１６０に対して着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第４の構成例であるプローブ先端部１６４４を示している。

【0201】

プローブ先端部１６４４は、偏光ビームスプリッタ５６１、ウェッジプリズム５６２、集光レンズ５６３、１／４波長板５６４、ミラー５６５、ウェッジプリズム５６６、及び集光レンズ５６７を備える。

【0202】

プローブ先端部１６４４において、測定光３０３は、図面の上下方向に偏光している場合、偏光ビームスプリッタ５６１によって図面の下方向に屈折され、ウェッジプリズム５６２によって屈折されて照射角θが調整された後、集光レンズ５６３を介して対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0203】

また、測定光３０３は、図面の奥行き方向に偏光している場合、偏光ビームスプリッタ５６１を透過してから１／４波長板５６４を介してミラー５６５にて反射され、再び１／４波長板５６４を介して偏光ビームスプリッタ５６１に入射する。１／４波長板５６４を２回通過して偏光ビームスプリッタ５６１に入射された測定光３０３は、その偏光方向が進行方向を軸としてπ／２だけ回転されているので、偏光ビームスプリッタ５６１にて図面の上方向に屈折されて、ウェッジプリズム５６６によって屈折されて照射角θが調整された後、集光レンズ５６７を介して対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0204】

プローブ先端部１６４４の場合、ビーム照射角θとビームの回転角Φが異なる２種類のビーム（測定光）を照射することができる。この場合、ユーザは、測定時に何れのビームを用いて測定を行いのかを選択することができる。この選択は、ビームの偏光方向を選択してもよいし、ビーム照射角θを選択してもよい。

【0205】

＜着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第５の構成例＞
次に、図２８は、測定プローブ１６０に対して着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第５の構成例であるプローブ先端部１６４５を示している。

【0206】

プローブ先端部１６４５は、集光レンズ５７１、偏光ビームスプリッタ５７２、及びウェッジプリズム５７３を備える。

【0207】

プローブ先端部１６４５において、測定光３０３は、集光レンズ５７１を介して偏光ビームスプリッタ５６１に入射され、図面の上下方向に偏光している場合、偏光ビームスプリッタ５７２にて図面の下方向に屈折されて、ウェッジプリズム５７３を介して対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0208】

また、測定光３０３は、図面の奥行き方向に偏光している場合、偏光ビームスプリッタ５７２を透過して対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0209】

プローブ先端部１６４５の場合、ビーム照射角θが異なる２種類のビーム（測定光）を照射することができる。この場合、ユーザは、測定時に何れのビームを用いて測定を行いのかを選択することができる。この選択は、ビームの偏光方向を選択してもよいし、ビーム照射角θを選択してもよい。特に、プローブ先端部１６４５は、偏光ビームスプリッタ５７２を透過する測定光３０３により、プローブ先端部１６４５から対象物Ｔの底部（図面の右側）までの距離を測定することができる。

【0210】

＜着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第６の構成例＞
次に、図２９は、測定プローブ１６０に対して着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第６の構成例であるプローブ先端部１６４６を示している。

【0211】

プローブ先端部１６４６は、プローブ先端部１６４５（図２８）に対してウェッジプリズム５８１を追加したものである。

【0212】

プローブ先端部１６４６において、測定光３０３は、集光レンズ５７１を介して偏光ビームスプリッタ５７２に入射され、図面の上下方向に偏光している場合、偏光ビームスプリッタ５７２にて図面の下方向に屈折されて、ウェッジプリズム５７３によって屈折されて照射角θが調整されて対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0213】

また、測定光３０３は、図面の奥行き方向に偏光している場合、偏光ビームスプリッタ５７２を透過した後、ウェッジプリズム５８１によって屈折されて照射角θが調整されて対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0214】

プローブ先端部１６４６の場合、ビーム照射角θが異なる２種類のビーム（測定光）を照射することができる。この場合、ユーザは、測定時に何れのビームを用いて測定を行いのかを選択することができる。この選択は、ビームの偏光方向を選択してもよいし、ビーム照射角θを選択してもよい。特に、プローブ先端部１６４６は、偏光ビームスプリッタ５７２を透過する測定光３０３により、プローブ先端部１６４６から対象物Ｔの底部（図面の右側）の形状を測定することができる。

【0215】

＜着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第７の構成例＞
次に、図３０は、測定プローブ１６０に対して着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第７の構成例であるプローブ先端部１６４７を示している。

【0216】

プローブ先端部１６４７は、集光レンズ５９１、並びに、偏光ビームスプリット面５９２１及び反射コート面５９２２を有するプリズム５９２を備える。

【0217】

プローブ先端部１６４７において、測定光３０３は、集光レンズ５９１を介してプリズム５９２に入射される。測定光３０３は、図面の上下方向に偏光している場合、プリズム５９２の偏光ビームスプリット面５９２１にて図面の下方向に屈折されて対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0218】

また、測定光３０３は、図面の奥行き方向に偏光している場合、プリズム５９２の偏光ビームスプリット面５９２１を透過した後、反射コート面５９２２にて反射されて対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0219】

プローブ先端部１６４７の場合、ビーム照射角θが異なる２種類のビーム（測定光）を照射することができる。この場合、ユーザは、測定時に何れのビームを用いて測定を行いのかを選択することができる。この選択は、ビームの偏光方向を選択してもよいし、ビーム照射角θを選択してもよい。

【0220】

＜着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第８の構成例＞
次に、図３１は、測定プローブ１６０に対して着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第８の構成例であるプローブ先端部１６４８を示している。

【0221】

プローブ先端部１６４８は、偏光ビームスプリット面６０１１及び反射コート面６０１２を有するプリズム６０１、集光レンズ６０２、並びに集光レンズ６０３を備える。

【0222】

プローブ先端部１６４８において、測定光３０３は、プリズム６０１に入射される。測定光３０３は、図面の上下方向に偏光している場合、プリズム６０１の偏光ビームスプリット面６０１１にて図面の下方向に屈折された後、集光レンズ６０２を介して対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0223】

また、測定光３０３は、図面の奥行き方向に偏光している場合、プリズム６０１の偏光ビームスプリット面６０１１を透過した後、反射コート面６０１２にて反射された後、集光レンズ６０３を介して対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0224】

プローブ先端部１６４８の場合、ビーム照射角θが異なる２種類のビーム（測定光）を照射することができる。この場合、ユーザは、測定時に何れのビームを用いて測定を行いのかを選択することができる。この選択は、ビームの偏光方向を選択してもよいし、ビーム照射角θを選択してもよい。

【0225】

＜着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第９の構成例＞
次に、図３２は、測定プローブ１６０に対して着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第９の構成例であるプローブ先端部１６４９を示している。

【0226】

プローブ先端部１６４９は、偏光ビームスプリッタ６１１、集光レンズ６１２、１／４波長板６１３、ミラー６１４、及び集光レンズ６１５を備える。

【0227】

プローブ先端部１６４９において、測定光３０３は、図面の上下方向に偏光している場合、偏光ビームスプリッタ６１１によって図面の下方向に屈折され、集光レンズ６１２を介して対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0228】

また、測定光３０３は、図面の奥行き方向に偏光している場合、偏光ビームスプリッタ６１１を透過してから１／４波長板６１３を介してミラー６１４にて反射され、再び１／４波長板６１３を介して偏光ビームスプリッタ６１１に入射する。１／４波長板６１３を２回通過して偏光ビームスプリッタ６１１に入射された測定光３０３は、その偏光方向が進行方向を軸としてπ／２だけ回転されているので、偏光ビームスプリッタ６１１にて図面の上方向に屈折され、集光レンズ６１５を介して対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0229】

プローブ先端部１６４９の場合、ビーム照射角θとビームの回転角Φが異なる２種類のビーム（測定光）を照射することができる。この場合、ユーザは、測定時に何れのビームを用いて測定を行いのかを選択することができる。この選択は、ビームの偏光方向を選択してもよいし、ビーム照射角θを選択してもよい。

【0230】

＜着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第１０の構成例＞
次に、図３３は、測定プローブ１６０に対して着脱交換可能なプローブ先端部１６４の第１０の構成例であるプローブ先端部１６４１０を示している。

【0231】

プローブ先端部１６４１０は、ガラスロッド６２１、集光レンズ６２２、三角ミラー６２３、ウェッジプリズム６２４、及びウェッジプリズム６２５を備える。

【0232】

ガラスロッド６２１は、測定光３０３の光束の略半分が通過するように配置されている。ガラスロッド６２１の屈折率は、真空の屈折率と異なる。よって、測定光３０３の拘束のうち、ガラスロッド６２１を通過したものとしていないものとは光路長に差が生じることになるので、それぞれの対象物Ｔからの反射光を区別することができる。

【0233】

プローブ先端部１６４１０において、測定光３０３の光束のうち、ガラスロッド６２１を通過していないものは、集光レンズ６２２を介して三角ミラー６２３にて図面の下方向に屈折され、ウェッジプリズム６２４によって照射角θが調整されて対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0234】

また、測定光３０３の光束のうち、ガラスロッド６２１を通過したものは、集光レンズ６２２を介して三角ミラー６２３にて図面の上方向に屈折され、ウェッジプリズム６２５によって照射角θが調整されて対象物Ｔに照射される。そして、対象物Ｔにて反射した反射光は、同じ経路を介して測定プローブ１６０側（－ｚ方向）に戻される。

【0235】

プローブ先端部１６４１０の場合、ビーム照射角θが異なる２種類のビーム（測定光）を同時に照射することができる。この場合、ユーザは、測定時に何れのビームを用いて測定を行いのかを選択することができる。この選択は、ビームの偏光方向を選択してもよいし、ビーム照射角θを選択してもよい。

【0236】

＜着脱交換可能なプローブ先端部１６４のまとめ＞
上述した着脱交換可能なプローブ先端部１６４１～１６４１０を、対象物Ｔの形状、具体的には、穴の深さ、径、壁面の傾斜等に応じて適宜交換して用いれば、例えば、対象物Ｔに対して十分な光量の測定光を照射でき、測定可能な領域（測定光を照射できる領域）を増やすことができるので、対象物Ｔの三次元形状をより正確に測定することができる。なお、対象物の三次元形状の測定とは、例えば、対象物の表面の位置を三次元座標空間で取得することを意味する。

【0237】

＜出力画面７００の表示例＞
次に、図３４は、立体形状測定処理によって表示部２８０に表示される出力画面７００の表示例を示している。

【0238】

出力画面７００には、型番表示領域７０１、測定結果表示領域７０２が設けられている。型番表示領域７０１には、測定に採用されたプローブ先端部１６４の型番情報が表示される。測定結果表示領域７０２には、対象物Ｔの三次元画像がリアルタイムに表示される。

【0239】

なお、図示は省略したが、出力画面７００は、プローブ先端部１６４の仕様情報を表示してもよい。また、仕様情報は三次元画像表示される前に表示されてもよい。より具体的な仕様情報を出力画面７００の利用者が得ることで、測定結果の妥当性判断に貢献できる。また、対象物Ｔの測定前に仕様情報を利用者が得ることで、測定条件の妥当性判断に貢献できる。

【0240】

また、出力画面７００は、図２３のフローチャートのステップＳ１，Ｓ２を実行開始するためのボタンや、図２３のフローチャートのステップＳ３以降を実行開始するためのボタンが配置されていてもよい。また、出力画面７００は、三次元形状を画像として表示する例を示したが、その代替または追加機能として三次元形状の座標情報をダウンロードするボタンが配置されていてもよい。

【0241】

＜ユースケース＞
以上説明した形状測定システムのユースケースは、例えば以下の例を挙げることができる。

【0242】

（Ａ）形状測定システムの利用者は、異なる型番を持つ複数のプローブ先端部１６４の中から、対象物Ｔのおおよその形状に合わせて、好適な型番または仕様を持つものを選択する。例えば、対象物の穴が円筒状の貫通穴である場合は、円筒の半径に近い焦点距離を持ち、かつ穴の深さよりも長い実質長を持つプローブ先端部を選択し、広範囲且つ高精度な測定を目指す。例えば、対象物の穴がネジ穴のように側面の法線が穴の中心軸から傾いている場合は、側面の法線の傾きに適したビーム照射角θを持つプローブを選択することで、高精度な測定を目指す（一般傾向として法線方向とビーム照射角との角度が広くなると測定精度が低下するため）。

【0243】

（Ｂ）利用者は、測定プローブ１６０に現在固定されているプローブ先端部１６４が選択した型番または仕様であるか確認する。当該確認には、タグ情報を用いたり、または情報出力（例えば出力画面７００や、表示部２８０の出力や、表示装置２２０の出力）を用いる。選択した型番または仕様でない場合は、現在固定されたプローブ先端部１６４を外し、選択した型番または仕様を持つプローブ先端部に交換する。

【0244】

（Ｃ）[オプション]利用者は、固定したプローブ先端部１６４の仕様または型番を演算部２６０に送信または手入力する。または、システムの管理者は、固定したプローブ先端部１６４の型番または仕様が選択した通りであったか、前述の情報出力で確認する。

【0245】

（Ｄ）利用者は、演算部２６０に指示し、立体形状測定処理（特にステップＳ３以降）を開始させる。その後、利用者は、三次元形状を映像で確認したり、または三次元形状の座標データをダウンロードし、分析する。以上がユースケースの一例である。

【0246】

＜変形例＞
上述した式（１１）では、光路長補正値Ｃ_１を用いてＤ_１を計算した。しかしながら、Ｐ_ｉｒｒａ１がレンズ、偏光ビームスプリッタ、プリズム、ミラー、出射窓のガラス等の光学素子の表面に定義されている場合は、光路長補正値Ｃ_１を用いずにＤ_１を計算できる。

【0247】

通常、ＦＭＣＷやＳＳ-ＯＣＴの場合、ビームは屈折率が１ではない透明または半透明な光学素子に入射する際、入射面においても反射するので、その入射面の光路長が検出される。さらには、一度光学素子の内部に入射し、反対側の面から出射する際にも反射があり、この出射面の光路長も検出される。具体的には、例えばプローブ先端部１６４２（図２４）の場合、図３５に示すように、各光学素子の面における光路長が検出される。

【0248】

したがって、距離演算部２６１では、出射Ｐ_ｉｒｒａ１の光路長と対象物Ｔの光路長との差としてＤ_１を得ることができる。

【0249】

なお、上述の各実施形態において、距離測定精度を維持するために、プローブ先端部１６４は、環境温度変化による膨張、収縮や、自重たわみ、あるいは回転に伴う振動を抑制する必要がある。これらの要求を満たすプローブ先端部１６４の材質の一例としては、軽量、高強度、高剛性、高振動減衰性、低熱膨張率等を特徴とするＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）が挙げられる。

【0250】

以上、本発明に係る各実施形態及び変形例の説明を行ってきたが、本発明は、上記した実施形態の一例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態の一例は、本発明を分かり易くするために詳細に説明したものであり、本発明は、ここで説明した全ての構成を備えるものに限定されない。

【0251】

具体的には、例えば、下記の変形例が考えられる。
測定プローブ１６０がプローブ先端部１６４を回転させる機構、及び偏光方向及び波長を変更させる機構はこれまで説明した機構以外であってもよい。
光路を屈折（光路を曲げることを指す）させる光学素子は、前述のミラー、プリズム、光路切り替え素子以外の素子であってもよい。
光（または光路）を集光させる光学素子は、前述の集光レンズ以外であってもよい。
これまでの説明では、前記光学素子を係止するとともに前記固定機構が設けられた筒部は円筒であることを例として説明してきたが、筒部の断面は四角等の円以外の形状であってもよい。
これまでの説明では、プローブ先端部１６４は１または２の不連続なビーム照射角θを照射可能としているが、プローブ先端部１６４は３以上の離散したビーム照射角θを照射可能であってもよい。
各実施形態は併用してもよい。例えば、測定プローブ１６０は、図１８、図１９、図２４、図２６、図２７、図２８、図２９、図３０、図３１、図３２、図３３、に開示したプローブ先端部の二種類以上を利用可能（例えば、固定機構が各図のプローブ先端部で共通の形状）であってもよい。加えて演算部２６０は、各図にて開示したプローブ先端部に適したプログラムや設定データを追加ダウンロードできてもよい。追加ダウンロードにより、利用者は、本システムの製品化または利用開始後に追加でプローブ先端部がリリースされたときに、追加リリースされたプローブ先端部を使うことができる。

【0252】

また、ある実施形態の一例の構成の一部を他の一例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の一例の構成に他の一例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の一例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることもできる。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、図中の制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、全てを示しているとは限らない。ほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

【0253】

また、上記の形状測定システムの構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。

【符号の説明】

【0254】

１０，２０，３０・・・形状測定システム１０１，１０１ａ，１０１ｂ・・・レーザ光源、１０２，１０２ａ，１０２ｂ・・・発振器、１０３，１０４，１０６，１１４・・・光ファイバカプラ、１０５・・・光ファイバ、１０７，１０９・・・受光器、１０８・・・サーキュレータ、１１０・・・測距制御機構、１１１・・・測距制御機構制御部、１１２・・・参照ミラー、１１３ａ，１１３ｂ・・・光スイッチ、１１５・・・広帯域光源、１１６・・・分光器、１５０・・・接続ケーブル、１６０・・・測定プローブ、１６１・・・レンズ系、１６２，２５６・・・回転機構、１６３・・・光路切り替え素子、１６４・・・プローブ先端部、１６５・・・偏光状態制御部、１６６・・・偏光状態制御部駆動部、１７１ａ，１７１ｂ・・・ＯＣＴ／ＦＭＣＷ用光生成・検出部、１８０・・・偏光ビームスプリッタ、１８１・・・複屈折板、１８２・・・ミラー、１８３・・・ダイクロイックミラー、１９１・・・光ファイバ切り替え器、１９２・・・ＷＤＭカプラ、２１０・・・制御装置、２２０・・・表示装置、２５０・・・移動機構、２６０・・・演算部、２６１・・・距離演算部、２６２・・・形状算出部、２６３・・・移動機構制御部、２５１・・・ｘｚ軸移動機構、２５２・・・ｙ軸移動機構、２５３・・・回転軸、２５４・・・構造物、２５５・・・試料台、２８０・・・表示部、３００ａ・・・第１の方向、３００ｂ・・・第２の方向、３０１・・・偏光安定化装置、３０２・・・直線偏光切り替えスイッチ、３０３・・・測定光、３０４・・・集光レンズ系、３０５・・・ １／２波長板、３０６ａ・・・１／２波長板に入射する第１の測定光振動方向、３０６ｂ・・・１／２波長板に入射する第２の測定光振動方向、３０７・・・１／２波長板から出射する測定光振動方向、３０８・・・１／２波長板の主軸、３０９・・・入射面、３１０・・・偏光切り替え部、５０１・・・集光レンズ、５０２・・・ミラー、５１１・・・筒部、５１２・・・出射窓、５１３・・・キー溝、５１４・・・情報タグ、５１５・・・光学素子係止部、５１６・・・支持板、５１７・・・キー溝、５２１・・・支持部、５２２・・・ネジ、５２３・・・情報タグ読み取り部、５３１・・・ウォラストンプリズム、５５１・・・プリズム、５５２・・・ウェッジプリズム、５５３・・・集光レンズ、５５４・・・ウェッジプリズム、５５５・・・集光レンズ、５６１・・・偏光ビームスプリッタ、５６２・・・ウェッジプリズム、５６３・・・集光レンズ、５６４・・・１／４波長板、５６５・・・ミラー、５６６・・・ウェッジプリズム、５６７・・・集光レンズ、５７１・・・集光レンズ、５７２・・・偏光ビームスプリッタ、５７３・・・ウェッジプリズム、５８１・・・集光レンズ、５８２・・・偏光ビームスプリッタ、５８３，５８４・・・ウェッジプリズム、５９１・・・集光レンズ、５９２・・・プリズム、６０１・・・プリズム、６０２，６０３・・・集光レンズ、６１１・・・偏光ビームスプリッタ、６１２・・・集光レンズ、６１３・・・１／４波長板、６１４・・・ミラー、６１５・・・集光レンズ、６２１・・・ガラスロッド、６２２・・・集光レンズ、６２３・・・三角ミラー、６２４，６２５・・・ウェッジプリズム、７００・・・出力画面、７０１・・・型番表示領域、７０２・・・測定結果表示領域、５５１１・・・偏光ビームスプリット面、５５１２・・・反射コート面、５９２１・・・偏光ビームスプリット面、５９２２・・・反射コート面、６０１１・・・偏光ビームスプリット面、６０１２・・・反射コート面、Ｔ・・・対象物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】