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(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】2023-11-15
(45)【発行日】2023-11-24
(54)【発明の名称】距離測定方法及び光コム距離計並びに光学的三次元形状測定装置
(51)【国際特許分類】
G01B 11/24 20060101AFI20231116BHJP
G01B 9/02002 20220101ALI20231116BHJP
G01C 3/06 20060101ALI20231116BHJP
【ＦＩ】
G01B11/24 D
G01B9/02002
G01C3/06 120Q
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2020014230
(22)【出願日】2020-01-30
(65)【公開番号】P2021120654
(43)【公開日】2021-08-19
【審査請求日】2022-12-26
(73)【特許権者】
【識別番号】503249810
【氏名又は名称】株式会社ＸＴＩＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100067736
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 晃
(74)【代理人】
【識別番号】100192212
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 貴明
(74)【代理人】
【識別番号】100204032
【弁理士】
【氏名又は名称】村上 浩之
(72)【発明者】
【氏名】興梠 元伸
(72)【発明者】
【氏名】今井 一宏
【審査官】山▲崎▼ 和子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－０１４５４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－１６７６０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１４８４８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－００２６１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２１１５０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１４５１８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０１２６４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／０１６８８７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０８１２０３７８（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１１２７６８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０
９／００－９／１０
Ｇ０１Ｓ ７／４８－７／５１
１７／００－１７／９５
Ｇ０１Ｃ ３／００－３／３２
Ｇ０１Ｎ ２１／００－２１／０１
２１／１７－２１／６１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
変調周波数が互いに異なる第１の波長帯域の第１の光コム参照光と第１の光コム測定光を第１の光コム光源から出射するとともに、上記変調周波数よりも低く変調周波数が互いに異なる第２の波長帯域の第２の光コム参照光と第２の光コム測定光を第２の光コム光源から出射し、上記第１の光コム参照光と上記第２の光コム参照光を合波した参照光と、上記第１の光コム測定光と上記第２の光コム測定光を合波した測定光を光コム干渉計に入射させ、
上記光コム干渉計を介して、上記参照光と測定光を基準光路長の参照光路と光路長が未知の測定対象の測定光路に入射させ、
上記光コム干渉計により得られる参照用干渉光と測定用干渉光を検出することにより得られる上記第１の波長帯域の参照用干渉信号と測定用干渉信号の時間差と上記第２の波長帯域の参照用干渉信号と測定用干渉信号の時間差から、測定対象物までの距離を算出することを特徴とする距離測定方法。
【請求項2】
上記光コム干渉計により、入射された参照光と測定光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、上記参照光路を通過させた参照光と上記測定光路を通過させた測定光とを
合波して測定用干渉光を生成することを特徴とする請求項１に記載の距離測定方法。
【請求項3】
上記光コム干渉計により、入射された参照光と上記参照光路を通過させた測定光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された参照光と上記測定光路を通過させた測定光とを合波して測定用干渉光を生成することを特徴とする請求項１に記載の距離測定方法。
【請求項4】
上記光コム干渉計により、入射された測定光と上記参照光路を通過させた参照光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された測定光と上記測定光路を通過させた参照光とを合波して測定用干渉光を生成することを特徴とする請求項１に記載の距離測定方法。
【請求項5】
上記光コム干渉計により、入射された測定光と上記参照光路を通過させた参照光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された参照光と上記測定光路を通過させた測定光とを合波して測定用干渉光を生成することを特徴とする請求項１に記載の距離測定方法。
【請求項6】
変調周波数が互いに異なる第１の波長帯域の第１の光コム参照光と第１の光コム測定光を出射する第１の光コム光源と、上記変調周波数よりも低く変調周波数が互いに異なる第２の波長帯域の第２の光コム参照光と第２の光コム測定光を出射する第２の光コム光源と、
上記第１の光コム参照光と上記第２の光コム参照光を合波した参照光と、上記第１の光コム測定光と上記第２の光コム測定光を合波した測定光を生成する合波部と、
上記合波部により生成された参照光と測定光が入射され、入射された参照光と測定光を基準光路長の参照光路と光路長が未知の測定対象の測定光路に入射させる光コム干渉計と、
上記光コム干渉計により生成された参照用干渉光を検出する参照光検出器と、
上記光コム干渉計により生成された測定用干渉光を検出する測定光検出器と、
上記参照光検出器により得られる参照用干渉信号に含まれる上記第１の波長帯域の参照用干渉光による第１の参照用干渉信号と上記測定光検出器により得られる測定用干渉信号に含まれる上記第１の波長帯域の測定用干渉光による第１の測定用干渉信号の時間差と、上記参照光検出器により得られる参照用干渉信号に含まれる上記第２の波長帯域の参照用干渉光による第２の参照用干渉信号と上記測定光検出器により得られる測定用干渉信号に含まれる上記第２の波長帯域の測定用干渉光による第２の測定用干渉信号の時間差とから、測定対象物までの距離を算出する信号処理部と
を備えることを特徴とする光コム距離計。
【請求項7】
上記光コム干渉計は、入射された参照光と測定光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された参照光を上記参照光路に入射させるとともに入射された測定光を上記測定光路に入射させ、上記参照光路を通過させた参照光と上記測定光路を通過させた測定光とを合波して測定用干渉光を生成することを特徴とする請求項６に記載の光コム距離計。
【請求項8】
上記光コム干渉計は、入射された測定光を上記参照光路と上記測定光路に入射させ、入射された参照光と上記参照光路を通過させた測定光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された参照光と上記測定光路を通過させた測定光とを合波して測定用干渉光を生成することを特徴とする請求項６に記載の光コム距離計。
【請求項9】
上記光コム干渉計は、入射された参照光を上記参照光路と上記測定光路に入射させ、入射された測定光と上記参照光路を通過させた参照光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された測定光と上記測定光路を通過させた参照光とを合波して測定用干渉光を生成することを特徴とする請求項６に記載の光コム距離計。
【請求項10】
上記光コム干渉計は、入射された参照光を上記参照光路に入射させるともに、入射された測定光を上記測定光路に入射させ、入射された測定光と上記参照光路を通過させた参照光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された参照光と上記測定光路を通過させた測定光とを合波して測定用干渉光を生成することを特徴とする請求項６に記載の光コム距離計。
【請求項11】
上記合波部は、上記第１の光コム光源から出射された第１の光コム参照光と上記第２の光コム光源から出射された第２の光コム参照光を合波して参照光として上記光コム干渉計に入射させる第１の波長多重カップラと、上記第１の光コム光源から出射された第１の光コム測定光と上記第２の光コム光源から出射された第２の光コム測定光を合波して測定光として上記光コム干渉計に入射させる第２の波長多重カップラと、上記光コム干渉計から出射される参照用干渉光を上記第１の波長帯域の参照用干渉光と上記第２の波長帯域の参照用干渉光に分離する第３の波長多重カップラと、上記光コム干渉計から出射される測定用干渉光を上記第１の波長帯域の測定用干渉光と上記第２の波長帯域の測定用干渉光に分離する第４の波長多重カップラとを備え、上記参照光検出器は、上記第３の波長多重カップラにより分離された上記第１の波長帯域の参照用干渉光を検出する第１の参照光検出器と上記第２の波長帯域の参照用干渉光を検出する第２の参照光検出器とを備え、
上記測定光検出器は、上記第４の波長多重カップラにより分離された上記第１の波長帯域の測定用干渉光を検出する第１の測定光検出器と上記第２の波長帯域の測定用干渉光を検出する第２の測定光検出器とを備え、
上記信号処理部は、上記第１の参照光検出器と第１の測定光検出器により得られる２つの干渉信号の時間差と、上記第２の参照光検出器と第２の測定光検出器により得られる２つの干渉信号の時間差とから、上記測定対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする請求項６乃至請求項１０の何れか１項に記載の光コム距離計。
【請求項12】
上記合波部は、上記第１の光コム光源から出射された第１の光コム測定光と上記第２の光コム光源から出射された第２の光コム測定光を時分割合成して測定光として光コム干渉計に入射させる第１の光スイッチと、上記第１の光コム光源から出射された第１の光コム参照光と上記第２の光コム光源から出射された第２の光コム参照光を時分割合成して参照光として光コム干渉計に入射させる第２の光スイッチとからなり、上記信号処理部は、上記参照光検出器により得られる参照用干渉信号に時分割で含まれる上記第１の波長帯域の参照用干渉光による第１の参照用干渉信号と上記測定光検出器により得られる測定用干渉信号に時分割で含まれる上記第１の波長帯域の測定用干渉光による第１の測定用干渉信号の時間差と、上記参照光検出器により得られる参照用干渉信号に時分割で含まれる上記第２の波長帯域の参照用干渉光による第２の参照用干渉信号と上記測定光検出器により得られる測定用干渉信号に時分割で含まれる上記第２の波長帯域の測定用干渉光による第２の測定用干渉信号の時間差とから、上記測定対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする請求項６乃至請求項１０の何れか１項に記載の光コム距離計。
【請求項13】
上記第１の光コム光源は、第１の周波数ν１を中心にｆｍ１の周波数間隔でコム状のモードが並ぶ第１の光コム測定光と、周波数ν１＋ｆａ１を中心にｆｍ１+Δｆｍ１の周波数間隔でコム状のモードが並ぶ第１の光コム参照光とを出射し、上記第２の光コム光源は、第２の周波数ν２を中心にｆｍ２の周波数間隔でコム状のモードが並ぶ第２の光コム測定光と、周波数ν２＋ｆａ２を中心にｆｍ２+Δｆｍ２の周波数間隔でコム状のモードが並ぶ第２の光コム参照光とを出射することを特徴とする請求項６乃至請求項１０の何れか１項に記載の光コム距離計。
【請求項14】
上記第１の光コム光源は、マイクロ波帯域又はミリ波帯域の第１の光コム測定光と第１の光コム参照光とを出射し、上記第２の光コム光源は、超短波帯域又は極超短波帯域の第２の光コム測定光と第２の光コム参照光とを出射することを特徴とする請求項１３に記載の光コム距離計。
【請求項15】
請求項６乃至請求項１４の何れか１項に記載の光コム距離計と、上記光コム距離計から出射された測定光により測定対象物を走査し、上記測定対象物により反射された上記測定光を上記光コム距離計に戻す光学スキャン装置と、
上記光学スキャン装置を制御してレーザービームを走査すると同時に上記距離計が計測する距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所までの距離を複数の点について蓄積することにより非接触で物体の三次元形状を測定する信号処理装置と
を備える光学式三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、参照光の干渉信号と測定光の干渉信号の時間差から距離を測定する距離測定方法及び光コム距離計並びに光学的三次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、精密なポイントの距離計測が可能なアクティブ式距離計測方法として、レーザ光を利用する光学原理による距離計測が知られている。レーザ光を用いて測定対象物までの距離を測定するレーザ距離計ではレーザ光の発射時刻と、測定対象に当たり反射してきたレーザ光を受光素子にて検出した時刻との差に基づいて、測定対象物までの距離が算出される（たとえば特許文献1参照）。また、例えば、半導体レーザの駆動電流に三角波等の変調をかけ、測定対象物での反射光を半導体レーザ素子の中に埋め込まれたフォトダイオードを使用して受光し、フォトダイオード出力電流に現れた鋸歯状波の主波数から距離情報を得ている。
【0003】
ある点から測定点までの絶対距離を高精度で測定する装置としてレーザ距離計が知られている。たとえば、特許文献１には、参照光の干渉信号と測定光の干渉信号の時間差から距離を測定する距離計が記載されている。
【0004】
従来の絶対距離計では、長い距離を高精度で測れる実用的な絶対距離計を実現することが難しく、高い分解能を得るためにはレーザ変位計のように原点復帰が必要なため絶対距離測定に適さない方法しか手段がなかった。
【0005】
本件発明者等は、基準面に照射される参照光と測定面に照射される測定光との干渉光を参照光検出器により検出するとともに、上記基準面により反射された参照光と上記測定面により反射された測定光との干渉光を測定光検出器により検出して、上記参照光検出器と測定光検出器により得られる２つ干渉信号の時間差から、上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求めることにより、高精度で、しかも短時間に行うことの可能な距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定装置を先に提案している（例えば、特許文献２参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００１－３４３２３４号公報
【文献】特許第５２３１８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、測定光と参照光が入射される光コム干渉計により、基準光路長の参照光路を通過させた上記測定光と上記参照光とを合波して得られる参照用干渉光と測定対象の測定光路を通過させた上記測定光と上記参照光とを合波して得られる測定用干渉光を生成し、上記第１の干渉光と上記第２の干渉光との位相差から、測定対象物までの距離を算出する光コム距離計では、一定の周波数間隔で並んだ周波数間隔が僅かに異なる参照用光コムとの干渉を利用して測定対象物までの距離を高精度で、しかも短時間に行うことができるのであるが、計測結果は光コムの間隔に一致する周波数の半波長を周期として同じ値を繰り返すため、半波長の整数倍の距離の判別が困難となる。
【0008】
光コム距離計を絶対距離計として使用する場合には、反射体（測定対象物）を固定した状態で光コム発生器の変調周波数を切り替えて、干渉信号の位相の変化から半波長の整数倍の距離を算出することにより、半波長の整数倍の距離の曖昧さを解消するようにしているが、切り替え領域の近傍において曖昧さを十分に解消することができないという問題点があった。
【0009】
また、光コム距離計を用いて形状測定を行う場合、測定の高速化を図るために光学スキャナにより計測用光コムのビームを走査して測定対象物の表面形状の測定結果を得るようにしているが、光コム発生器の変調周波数を切り替えて複数回高さ測定を行う測定精度を高めることが実用上困難であることが多い。
【0010】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、高精度な測距を行うための測定光の波長の半波長の測定範囲の制限を超えて、広い測定範囲に亘って連続的に且つ高精度に測定対象物までの距離を測定することが可能な距離測定方法及び光コム距離計並びに光学的三次元形状測定装置を提供することにある。
【0011】
本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明では、第１の光コム測定光と２の光コム測定光を合波した光コム測定光を測定対象物に照射することにより取得される第１の光コム測定光による第１の波長帯域における測距結果と第２の光コム測定光による第２の波長帯域における測距結果に基づいて、広い測定範囲に亘って連続的に且つ高精度に測定対象物までの距離を測定する。
【0013】
すなわち、本発明は、距離測定方法であって、変調周波数が互いに異なる第１の波長帯域の第１の光コム参照光と第１の光コム測定光を第１の光コム光源から出射するとともに、上記変調周波数よりも低く変調周波数が互いに異なる第２の波長帯域の第２の光コム参照光と第２の光コム測定光を第２の光コム光源から出射し、上記第１の光コム参照光と上記第２の光コム参照光を合波した参照光と、上記第１の光コム測定光と上記第２の光コム測定光を合波した測定光を光コム干渉計に入射させ、上記光コム干渉計を介して、上記参照光と測定光を基準光路長の参照光路と光路長が未知の測定対象の測定光路に入射させ、上記光コム干渉計により得られる参照用干渉光と測定用干渉光を検出することにより得られる上記第１の波長帯域の参照用干渉信号と測定用干渉信号の時間差と上記第２の波長帯域の参照用干渉信号と測定用干渉信号の時間差から、測定対象物までの距離を算出することを特徴とする。
【0014】
本発明に係る距離測定方法では、上記光コム干渉計により、入射された参照光と測定光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、上記参照光路を通過させた参照光と上記測定光路を通過させた測定光とを合波して測定用干渉光を生成するものとすることができる。
【0015】
また、本発明に係る距離測定方法では、上記光コム干渉計により、入射された参照光と上記参照光路を通過させた測定光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された参照光と上記測定光路を通過させた測定光とを合波して測定用干渉光を生成するものとすることができる。
【0016】
また、本発明に係る距離測定方法では、上記光コム干渉計により、入射された測定光と上記参照光路を通過させた参照光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された測定光と上記測定光路を通過させた参照光とを合波して測定用干渉光を生成するものとすることができる。
【0017】
さらに、本発明に係る距離測定方法では、上記光コム干渉計により、入射された測定光と上記参照光路を通過させた参照光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された参照光と上記測定光路を通過させた測定光とを合波して測定用干渉光を生成するものとすることができる。
【0018】
また、本発明は、光コム距離計であって、変調周波数が互いに異なる第１の波長帯域の第１の光コム参照光と第１の光コム測定光を出射する第１の光コム光源と、上記変調周波数よりも低く変調周波数互いに異なる第２の波長帯域の第２の光コム参照光と第２の光コム測定光を出射する第２の光コム光源と、上記第１の光コム参照光と上記第２の光コム参照光を合波した参照光と、上記第１の光コム測定光と上記第２の光コム測定光を合波した測定光を生成する合波部と、上記合波部により生成された参照光と測定光が入射され、入射された参照光と測定光を基準光路長の参照光路と光路長が未知の測定対象の測定光路に入射させる光コム干渉計と、上記光コム干渉計により生成された参照用干渉光を検出する参照光検出器と、上記光コム干渉計により生成された測定用干渉光を検出する測定光検出器と、上記参照光検出器により得られる参照用干渉信号に含まれる上記第１の波長帯域の参照用干渉光による第１の参照用干渉信号と上記測定光検出器により得られる測定用干渉信号に含まれる上記第１の波長帯域の測定用干渉光による第１の測定用干渉信号の時間差と、上記参照光検出器により得られる参照用干渉信号に含まれる上記第２の波長帯域の参照用干渉光による第２の参照用干渉信号と上記測定光検出器により得られる測定用干渉信号に含まれる上記第２の波長帯域の測定用干渉光による第２の測定用干渉信号の時間差とから、測定対象物までの距離を算出する信号処理部とを備えることを特徴とする。
【0019】
本発明に係る光コム距離計において、上記光コム干渉計は、入射された参照光と測定光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された参照光を上記参照光路に入射させるとともに入射された測定光を上記測定光路に入射させ、上記参照光路を通過させた参照光と上記測定光路を通過させた測定光とを合波して測定用干渉光を生成するものとすることができる。
【0020】
本発明に係る光コム距離計において、上記光コム干渉計は、入射された測定光を上記参照光路と上記測定光路に入射させ、入射された参照光と上記参照光路を通過させた測定光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された参照光と上記測定光路を通過させた測定光とを合波して測定用干渉光を生成するものとすることができる。
【0021】
本発明に係る光コム距離計において、上記光コム干渉計は、入射された参照光を上記参照光路と上記測定光路に入射させ、入射された測定光と上記参照光路を通過させた参照光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された測定光と上記測定光路を通過させた参照光とを合波して測定用干渉光を生成するものとすることができる。
【0022】
本発明に係る光コム距離計において、上記光コム干渉計は、入射された参照光を上記参照光路に入射させるともに、入射された測定光を上記測定光路に入射させ、入射された測定光と上記参照光路を通過させた参照光とを合波して参照用干渉光を生成するとともに、入射された参照光と上記測定光路を通過させた測定光とを合波して測定用干渉光を生成するものとすることができる。
【0023】
本発明に係る光コム距離計において、上記合波部は、上記第１の光コム光源から出射された第１の光コム参照光と上記第２の光コム光源から出射された第２の光コム参照光を合波して参照光として上記光コム干渉計に入射させる第１の波長多重カップラと、上記第１の光コム光源から出射された第１の光コム測定光と上記第２の光コム光源から出射された第２の光コム測定光を合波して測定光として上記光コム干渉計に入射させる第２の波長多重カップラと、上記光コム干渉計から出射される参照用干渉光を上記第１の波長帯域の参照用干渉光と上記第２の波長帯域の参照用干渉光に分離する第３の波長多重カップラと、上記光コム干渉計から出射される測定用干渉光を上記第１の波長帯域の測定用干渉光と上記第２の波長帯域の測定用干渉光に分離する第４の波長多重カップラとを備え、上記参照光検出器は、上記第３の波長多重カップラにより分離された上記第１の波長帯域の参照用干渉光を検出する第１の参照光検出器と上記第２の波長帯域の参照用干渉光を検出する第２の参照光検出器とを備え、上記測定光検出器は、上記第４の波長多重カップラにより分離された上記第１の波長帯域の測定用干渉光を検出する第１の測定光検出器と上記第２の波長帯域の測定用干渉光を検出する第２の測定光検出器とを備え、上記信号処理部は、上記第１の参照光検出器と第１の測定光検出器により得られる２つの干渉信号の時間差と、上記第２の参照光検出器と第２の測定光検出器により得られる２つの干渉信号の時間差とから、上記測定対象物までの距離を算出するものとすることができる。
【0024】
また、本発明に係る光コム距離計において、上記合波部は、上記第１の光コム光源から出射された第１の光コム測定光と上記第２の光コム光源から出射された第２の光コム測定光を時分割合成して測定光として光コム干渉計に入射させる第１の光スイッチと、上記第１の光コム光源から出射された第１の光コム参照光と上記第２の光コム光源から出射された第２の光コム参照光を時分割合成して参照光として光コム干渉計に入射させる第２の光スイッチとからなり、上記信号処理部は、上記参照光検出器により得られる参照用干渉信号に時分割で含まれる上記第１の波長帯域の参照用干渉光による第１の参照用干渉信号と上記測定光検出器により得られる測定用干渉信号に時分割で含まれる上記第１の波長帯域の測定用干渉光による第１の測定用干渉信号の時間差と、上記参照光検出器により得られる参照用干渉信号に時分割で含まれる上記第２の波長帯域の参照用干渉光による第２の参照用干渉信号と上記測定光検出器により得られる測定用干渉信号に時分割で含まれる上記第２の波長帯域の測定用干渉光による第２の測定用干渉信号の時間差とから、上記測定対象物までの距離を算出するものとすることができる。
【0025】
また、本発明に係る光コム距離計において、上記第１の光コム光源は、第１の周波数ν１を中心にｆｍ１の周波数間隔でコム状のモードが並ぶ第１の光コム測定光と、周波数ν１＋ｆａ１を中心にｆｍ１+Δｆｍ１の周波数間隔でコム状のモードが並ぶ第１の光コム参照光とを出射し、上記第２の光コム光源は、第２の周波数ν２を中心にｆｍ２の周波数間隔でコム状のモードが並ぶ第２の光コム測定光と、周波数ν２＋ｆａ２を中心にｆｍ２+Δｆｍ２の周波数間隔でコム状のモードが並ぶ第２の光コム参照光とを出射するものとすることができる。
【0026】
また、本発明に係る光コム距離計において、上記第１の光コム光源は、マイクロ波帯域又はミリ波帯域の第１の光コム測定光と第１の光コム参照光とを出射し、上記第２の光コム光源は、超短波帯域又は極超短波帯域の第２の光コム測定光と第２の光コム参照光とを出射するものとすることができる。
【0027】
さらに、本発明は、光学式三次元形状測定装置であって、上述の如き構成の本発明に係る光コム距離計と、上記光コム距離計から出射された測定光により測定対象物を走査し、上記測定対象物により反射された上記測定光を上記光コム距離計に戻す光学スキャン装置と、上記光学スキャン装置を制御してレーザービームを走査すると同時に上記距離計が計測する距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所までの距離を複数の点について蓄積することにより非接触で物体の三次元形状を測定する信号処理装置とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0028】
本発明では、第１の光コム測定光と２の光コム測定光を合波した光コム測定光を測定対象物に照射することにより取得される第１の光コム測定光による第１の波長帯域における測距結果と第２の光コム測定光による第２の波長帯域における測距結果に基づいて、広い測定範囲に亘って連続的に且つ高精度に測定対象物までの距離を測定することができ、高精度な測距を行うための測定光の波長の半波長の測定範囲の制限を超えて、広い測定範囲に亘って連続的に且つ高精度に測定対象物までの距離を測定することが可能な距離測定方法及び光コム距離計並びに光学式三次元形状測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】本発明を適用した光学式三次元形状測定装置の基本的な構成を示すブロック図である。
【図2】上記光学式三次元形状測定装置に備えられた光コム距離計の構成を示すブロック図である。
【図3】上記光コム距離計に備えられた光コム干渉計の構成例を示すブロック図である。
【図4】測定距離に比例する参照光パルスと測定光パルスの時間の測定を、互いに変調周期の異なる干渉性のある２台のパルス光源の干渉によって行う場合の模式図であり、（Ａ）は参照光検出器が受光する光パルス列を示し、（Ｂ）は測定光検出器が受光するパルス列を示している。
【図5】光スペクトル及び干渉信号スペクトルの模式図であり、（Ａ）は光スペクトルを示し、（Ｂ）は干渉信号スペクトルを示している。
【図6】上記光学式三次元形状測定装置に備えられる光コム距離計の他の構成例を示すブロック図である。
【図7】上記光コム距離計に備えられる光コム干渉計の他の構成例を示すブロック図である。
【図8】上記光コム距離計に備えられる光コム干渉計の他の構成例を示すブロック図である。
【図9】上記光コム距離計に備えられる光コム干渉計の他の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【0031】
図１は、本発明を適用した光学式三次元形状測定装置１００の基本的な構成を示すブロック図である。
【0032】
この光学式三次元形状測定装置１００は、光コム距離計１０と、光コム距離計１０から出射される測定光Ｓ２で測定対象物５０を走査する光学スキャン装置３０と、光コム距離計１０の出力に基づいて、測定対象物５０の複数の点までの絶対距離を計測して立体像を得る信号処理装置４０を備える。
【0033】
光学スキャン装置３０は、走査光学系３１とテレセントリック光学系３２からなるスキャン光学系３３により、光コム距離計１０から出射された測定光Ｓ２で測定対象物５０の表面を走査して、測定対象物５０により反射された測定光Ｓ２の反射光Ｓ２’を光コム距離計１０に戻すようになっている。
【0034】
図２は、この光学式三次元形状測定装置１００に備えられた光コム距離計の構成を示すブロック図である。
【0035】
光コム距離計１０は、光周波数コム干渉計を用いて距離を測定するものであって、例えば図２のブロック図に示すような構成となっている。
【0036】
すなわち、この光学式三次元形状測定装置１００における光コム距離計１０は、変調周波数が互いに異なる第１の波長帯域の第１の光コム参照光A_COMB1と第１の光コム測定光A_COMB2を出射する第１の光コム光源１１Ａと、上記変調周波数よりも低く変調周波数の中心周波数が互いに異なる第２の波長帯域の第２の光コム参照光B_COMB1と第２の光コム測定光B_COMB2を出射する第２の光コム光源１１Ｂを備え、上記第１の光コム光源１１Ａから出射された第１の光コム参照光A_COMB1と第１の光コム測定光A_COMB2、上記第２の光コム光源１１Ｂから出射された第２の光コム参照光B_COMB1と第２の光コム測定光B_COMB2が、合波部１２を介して参照光Ｓ１と測定光Ｓ２として、干渉計ヘッド１３に入射されるようになっている。
【0037】
上記第１の光コム光源１１Ａは、マイクロ波帯域又はミリ波帯域の第１の周波数ν１(例えば、２５ＧＨｚ)を中心に変調周波数ｆｍ１の周波数間隔でコム状のモードが並ぶ第１の光コム測定光A_COMB2と、周波数ν１＋ｆａ１を中心に変調周波数ｆｍ１+Δｆｍ１の周波数間隔でコム状のモードが並ぶ第１の光コム参照光A_COMB1とを出射する。
【0038】
また、上記第２の光コム光源１１Ｂは、超短波帯域又は極超短波帯域の第２の周波数ν２(例えば、１ＧＨｚ)を中心に変調周波数ｆｍ２の周波数間隔でコム状のモードが並ぶ第２の光コム測定光B_COMB2と、周波数ν２＋ｆａ２を中心に変調周波数ｆｍ２+Δｆｍ２の周波数間隔でコム状のモードが並ぶ第２の光コム参照光B_COMB1とを出射する。
【0039】
ここで、第１の光コム光源１１Ａから出射する光コムの中心周波数２５ＧＨｚと第２の光コム光源１１Ｂから出射す光コムの中心周波数１ＧＨｚとは一例であり、第１の光コム光源１１Ａは光コム干渉で第２の光コム光源１１Ｂより高精度を提供できる第１の波長帯域の高精度測定用光源であれば良く、第２の光コム光源１１Ｂは光コム干渉で第１の光コム光源１１Ａより広い測定範囲を提供できる第２の波長帯域の広範囲測定用光源であれば良い。
【0040】
合波部１２は、第１の光コム参照光A_COMB1と第２の光コム参照光B_COMB1が入射される第１の波長多重カップラ１２Ａ、第１の光コム測定光A_COMB2と第２の光コム測定光B_COMB2が入射される第２の波長多重カップラ１２Ｂ、干渉計ヘッド１３から出射される参照用干渉光Ｓ３が入射される第３の波長多重カップラ１２Ｃ、干渉計ヘッド１３から出射される測定用干渉光Ｓ４が入射される第４の波長多重カップラ１２Ｄからなる。
【0041】
第１の波長多重カップラ１２Ａは、高精度測定用光源すなわち第１の光コム光源１１Ａから出射された第１の波長帯域の光コム参照光A_COMB1と広範囲測定用光源すなわち第２の光コム光源１１Ｂから出射された第２の波長帯域の光コム参照光B_COMB1を合波して参照光Ｓ１として干渉計ヘッド１３に入射させる。
【0042】
第２の波長多重カップラ１２Ｂは、高精度測定用光源すなわち第１の光コム光源１１Ａから出射された第１の波長帯域の光コム測定光A_COMB2と広範囲測定用光源すなわち第２の光コム光源１１Ｂから出射された第２の波長帯域の光コム測定光B_COMB2を合波して測定光Ｓ２として干渉計ヘッド１３に入射させる。
【0043】
第３の波長多重カップラ１２Ｃは、干渉計ヘッド１３から出射される参照用干渉光Ｓ３を第１の波長帯域の参照用干渉光Ｓ３Ａと第２の波長帯域の参照用干渉光Ｓ３Ｂに分離して干渉光検出部１５に入射させる。
【0044】
第４の波長多重カップラ１２Ｄは、干渉計ヘッド１３から出射される測定用干渉光Ｓ４を第１の波長帯域の測定用干渉光Ｓ４Ａと第２の波長帯域の測定用干渉光Ｓ４Ｂに分離する。
【0045】
図３は、上記光コム距離計１０の干渉計ヘッド１３に備えられた光コム干渉計１３Aの構成を示すブロック図である。
【0046】
すなわち、干渉計ヘッド１３は、図３に示すように、入射された参照光Ｓ１と測定光Ｓ２とを合波する第１のハーフミラー１３ａと、合波された参照光Ｓ１と測定光Ｓ２が入射される参照光Ｓ１と測定光Ｓ２と、第２のハーフミラー１３ｂを通過した参照光Ｓ１と測定光Ｓ２が入射される第３のハーフミラー１３ｃからなる光コム干渉計１３Aを備える。
【0047】
この光コム干渉計１３Aでは、第１のハーフミラー１３ａにより合波された参照光Ｓ１と測定光Ｓ２が第２のハーフミラー１３ｂにより反射されて参照用干渉光Ｓ３として参照光Ｓ１と測定光Ｓ２の干渉光が出射される。また、第２のハーフミラー１３ｂを通過した参照光Ｓ１と測定光Ｓ２が第３のハーフミラー１３ｃにより分離される。参照光Ｓ１は、第３のハーフミラー１３ｃにより反射されて、基準光路長Ｌ1の参照光路２１に出射され、測定光Ｓ２は、第３のハーフミラー１３ｃを通過して、光路長Ｌ２が未知の測定光路５１に出射される。
【0048】
参照光路２１に出射された参照光Ｓ１は、参照光路２１の先端で基準反射面２０により反射されることにより参照光路２１を往復して、反射光Ｓ１’が第３のハーフミラー１３ｃに戻される。参照光路２１には、往復光路または光ファイバーループを用いることができる。
【0049】
また、測定光路５１に出射された測定光Ｓ２は、測定光路５１の先端で測定対象物５０により反射されることにより測定光路５１を往復して、反射光Ｓ２’が第３のハーフミラー１３ｃに戻される。
【0050】
第３のハーフミラー１３ｃに戻された参照光Ｓ１の反射光Ｓ１’と測定光Ｓ２の反射光Ｓ２’は、第３のハーフミラー１３ｃにより合波される。
【0051】
そして、この光コム干渉計では、第３のハーフミラー１３ｃにより合波された参照光Ｓ１の反射光Ｓ１’と測定光Ｓ２の反射光Ｓ２’が第２のハーフミラー１３ｂにより反射されて測定用干渉光Ｓ４として参照光Ｓ１の反射光Ｓ１’と測定光Ｓ２の反射光Ｓ２’の干渉光が出射される。
【0052】
すなわち、干渉計ヘッド１３では、入射された参照光Ｓ１と測定光Ｓ２とを合波することにより得られる参照用干渉光Ｓ３と基準光路長Ｌ1の参照光路２１を通過させた参照光Ｓ１’と測定対象の測定光路５１を通過させた測定光Ｓ２’とを合波することにより得られる測定用干渉光Ｓ４を生成する。
【0053】
そして、この光学式三次元形状測定装置１００における光コム距離計１０は、上記干渉計ヘッド１３により生成された参照用干渉光Ｓ３と測定用干渉光Ｓ４を検出する干渉光検出部１５と、この干渉光検出部１５による検出出力に基づいて、上記測定対象物５０までの距離Ｌ２を算出する信号処理部１７を備える。
【0054】
信号処理部１７は、干渉光検出部１５の各光検出器の出力信号が同時刻に波形をサンプリングしてデジタル信号として入力され、FPGAのロジックによるハードウエア処理で距離計算を実行する。信号処理部１７は、デジタル化した波形データをPC処理で距離計算してもよい
【0055】
この光コム距離計１０における干渉光検出部１５は、第３の波長多重カップラ１２Ｃにより分離された第１の波長帯域の参照用干渉光Ｓ３Ａと第２の波長帯域の参照用干渉光Ｓ３Ｂが入射される第１の参照用干渉光検出器１５Ａと第２の参照用干渉光検出器１５Ｂ、及び、第４の波長多重カップラ１２Ｄにより分離された第１の波長帯域の測定用干渉光Ｓ４Ａと第２の波長帯域の測定用干渉光Ｓ４Ｂが入射される第１の測定用干渉光検出器１６Ａと第２の測定用干渉光検出器１６Ｂを備える。
【0056】
第１の参照用干渉光検出器１５Ａは、第１の波長帯域の参照用干渉光Ｓ３Ａを検出することにより得られる第１の波長帯域の参照用干渉信号を信号処理部１７に供給する。
【0057】
第２の参照用干渉光検出器１５Ｂは、第２の波長帯域の参照用干渉光Ｓ３Ｂを検出することにより得られる第２の波長帯域の参照用干渉信号を信号処理部１７に供給する。
【0058】
第１の測定用干渉光検出器１６Ａは、第１の波長帯域の測定用干渉光Ｓ４Ａを検出することにより得られる第１の波長帯域の測定用干渉信号を信号処理部１７に供給する。
【0059】
第２の測定用干渉光検出器１６Ｂは、第２の波長帯域の測定用干渉光Ｓ４Ｂを検出することにより得られる第２の波長帯域の測定用干渉信号を信号処理部１７に供給する。
【0060】
信号処理部１７では、上記干渉計ヘッド１３により得られる参照用干渉光Ｓ３に含まれる第１の波長帯域の参照用干渉光Ｓ３Ａを検出する第１の参照用干渉光検出器１５Ａにより得られる第１の波長帯域の参照用干渉信号と、上記干渉計ヘッド１３により得られる測定用干渉光Ｓ４に含まれる第１の波長帯域の測定用干渉光Ｓ４Ａを検出する第１の測定用干渉光検出器１６Ａにより得られる第１の波長帯域の測定用干渉信号との時間差と、上記干渉計ヘッド１３により得られる参照用干渉光Ｓ３に含まれる第２の波長帯域の参照用干渉光Ｓ３Ｂを検出する第２の参照用干渉光検出器１５Ｂにより得られる第２の波長帯域の参照用干渉信号と、上記干渉計ヘッド１３により得られる測定用干渉光Ｓ４に含まれる第２の波長帯域の測定用干渉光Ｓ４Ｂを検出する第２の測定用干渉光検出器１６Ｂにより得られる第２の波長帯域の測定用干渉信号との時間差とに基づいて、光速と測定波長における屈折率から上記参照光路２１の光路長Ｌ１と上記測定光路５１の光路長Ｌ２の光路長差の絶対値（Ｌ２－Ｌ1）を求める処理を行う。
【0061】
この信号処理部１７において、各波長における測定光路５１の群屈折率を求め、距離の補正を行う。信号処理部１７では、１データごとに、高精度測定用光源すなわち第１の光コム光源１１Ａによる高精度測定結果として得られる距離情報が位相回転により折り畳まれている場所について、広範囲測定用光源すなわち第２の光コム光源１１Ｂによる広範囲測定結果として得られる距離情報を参照して正しい距離情報を回復する処理を行う。
【0062】
この信号処理部１７では、高精度測定用光源すなわち第１の光コム光源１１Ａによる高精度測定と、広範囲測定用光源すなわち第２の光コム光源１１Ｂによる広範囲測定を同時に行い、第１の光コム光源１１Ａによる高精度測定結果として得られる第１の波長帯域の参照用干渉信号と測定用干渉信号との時間差に基づく高精度距離情報（Ｌ２－Ｌ１）Ａと第２の光コム光源１１Ｂによる広範囲測定結果として得られる第２の波長帯域の参照用干渉信号と測定用干渉信号との時間差に基づく広範囲距離情報（Ｌ２－Ｌ１）Ｂを求めることにより、高精度測定用光源すなわち第１の光コム光源１１Ａによる測定光A_COMB2の第１の波長帯域の半波長の測定範囲の制限を超えて、広い測定範囲に亘って連続的に且つ高精度に測定対象物５０までの距離Ｌ２を上記参照光路２１の光路長Ｌ１と上記測定光路５１の光路長Ｌ２の光路長差の絶対値（Ｌ２－Ｌ１）として得ることができる。
【0063】
ここで、この光コム距離計１０における距離測定の原理について説明する。
【0064】
距離測定の原理は、光パルスの時間遅延から距離を求める距離計に準ずる。すなわち、距離（Ｌ２－Ｌ１）を往復する際の時間遅延ΔＴ＝２×ｎｇ×（Ｌ２－Ｌ１）／ｃを計測して、光路の群屈折率ｎｇ、真空中の光速ｃから（Ｌ２－Ｌ１）を計算する。
【0065】
包絡線波形ｆ（ｔ）、キャリア周波数ω０＝２πｆ０の光パルスは、次のように表わすことができる。
【0066】
【数1】
【0067】
この光パルスを参照パルスとすると、参照パルスのフーリエ変換は、包絡線パルスｆ（ｔ）のフーリエ変換Ｆ（ω）を用いて、次の（１）式で表わされる。
【0068】
【数2】
【0069】
フーリエ変換の演算をＦＦＴ［ ］で表した。そして、参照パルスが、測定距離の伝搬による遅延の影響を受けたとすると、遅延パルスの波形とそのフーリエ変換は、次の（２）式の形で表わされる。
【0070】
【数3】
【0071】
ここで、時間ΔＴは遅延時間である。絶対距離を測るためには時間軸の包絡線の時間波形ｆ（ｔ－ΔＴ）からΔＴを求めるか、（２）式の右辺のＢ項で示される周波数軸の位相特性ｅ－ｊＢを求めればよい。ωは角周波数でありｆを周波数としてω＝２πｆの関係がある。（２）式の左辺のｊＡ項は、キャリア成分の位相シフトを表す。この項は、光の半波長の距離で２πラジアン変化する感度の高い成分であり、変位測定に用いられる。
【0072】
距離測定の分解能を１μｍより高めるためには、包絡線の時間波形ｆ（ｔ－ΔＴ）又は周波数軸の位相特性ｅ－ｊＢから遅延時間ΔＴを求めるための時間分解能をフェムト秒のオーダーに高めなければならない。電気回路の周波数帯域の上限が数十ＧＨｚであることを考えると困難である。そこで、光コム距離計１０による距離測定では、互いに変調周期が異なる干渉性のある参照光Ｓ１と測定光Ｓ２を発生する２つの光源を用意して干渉させ、電気的に処理が可能な周波数に落として遅延時間ΔＴを計測する。
【0073】
測定距離（Ｌ２－Ｌ１）に比例する参照光パルスＰ１と測定光パルスＰ２の時間ΔＴの測定を、互いに変調周期の異なる干渉性のある２台のパルス光源の干渉によって行う場合の模式図を図４の（Ａ），（Ｂ）に示す。
【0074】
図４の（Ａ）は参照光検出器が受光する光パルス列を示している。Ｓ１１，Ｓ２は、それぞれ参照光パルスと測定光パルスの包絡線の時間波形である。繰り返し周波数は参照光パルスＳ１がｆｍ＋Δｆｍ、測定光パルスＳ２がｆｍであると仮定する。繰り返し周期はＳ１がＴ’＝１／（ｆｍ＋Δｆｍ）、Ｓ２がＴ＝１／ｆｍである。重なったパルスを基準に計測した時刻をそれぞれの繰り返し周期で規格化した値をＮとすると、Ｓ１とＳ２のパルスはそれぞれのＮが整数の時刻にＮ番目のパルスが検出器に到着することになる。Ｓ１とＳ２のＮ番目のパルスの到着時刻を比較すると、パルス列の周期の違い（Ｔ－Ｔ’）のＮ倍の時間だけ参照光パルスＳ１が先に到着する。パルス到着時間のずれはＮに比例して大きくなり、あるＮ番目のパルスでは、（Ｔ－Ｔ’）Ｎ＝Ｔとなり、Ｎ番目の参照光パルスＳ１がＮ－１番目の測定光パルスＳ２に追い付いて同じ時刻に到着する。
【0075】
Ｓ１、Ｓ２のタイミングが一致するまでのパルスの個数Ｎは、次の（３）式により求められる。
【0076】
【数4】
【0077】
Ｓ１とＳ２の干渉信号は、互いのパルスが重なり合うタイミングで発生する。したがって、干渉信号の周期Ｔｂは、次の（４）式で表され、２つのパルス列の繰り返し周波数差Δｆｍの逆数に等しい。
【0078】
【数5】
【0079】
また、Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ一定の繰り返し周波数を持つパルス列であるから、干渉信号も一定の周期Ｔｂで同じ波形を繰り返す。繰り返し周波数差Δｆｍが大きすぎると光パルスが重なり合う時間が短くなるため干渉信号がとりにくくなる。それを避けるためΔｆｍ<<ｆｍのように繰り返し周波数差を設定する。
【0080】
また、図４の（Ｂ）は、測定光検出器が受光するパルス列を示している。図４の（Ａ）に示すパルスと比較して、測定光パルスＳ２が光路長（Ｌ２－Ｌ１）を往復したことによる時間ΔＴだけ遅れて到着している。この場合、Ｓ１とＳ２のパルスが重なる番号Ｎ’は、Ｎ’に比例して大きくなる周期のずれとΔＴの和が測定光パルスの周期Ｔに一致した瞬間であり、次の（５）式で表わすことができる。
【0081】
【数6】
【0082】
したがって、Ｎ’は、次の（６）式で与えられる。
【0083】
【数7】
【0084】
ただし、δ＝ΔＴｆｍである。ΔＴが０から測定光パルスの繰り返し周期Ｔまで変化する間にδは０～１まで直線的に変化する。
【0085】
測定光検出器の受光パルスＳ１，Ｓ２が重なる時間を参照光検出器が受光するパルスが重なるＮ＝０の時刻を参照に計測するとその時刻は次の（７）式で示されるＮ’Ｔ’で与えられる。
【0086】
【数8】
【0087】
δが測定光パルスの１周期の間で０から１まで変化するとＮ’Ｔ’はＴｂ～０まで直線的に変化する。遅延時間ΔＴがあっても、０～Ｔｂまでの間に必ず１か所Ｓ１パルスがＳ２パルスを追い越していく時刻が存在するため、０～Ｔｂの間で必ず干渉信号が得られる。Ｎ＝０の時刻で発生する参照光検出器の干渉信号と遅延時間ΔＴのために遅れて発生する測定光検出器の干渉信号の時刻を比較することによって遅延時間ΔＴが求められる。
【0088】
例えば、参照光パルスの繰り返し周波数を２５ＧＨｚ＋１００ｋＨｚ、測定光パルスの繰り返し周波数を２５ＧＨｚとすると、ΔＴが０～４０ｐｓの範囲で変化すると、干渉信号の発生時刻は１０μｓ～０の間で変化する。４０ｐｓの時間内で起こる変化を１０μｓの時間幅に引き伸ばして計測できる。１フェムト秒の時間差であっても２５０ｐｓとして観測できるため、直接フェムト秒の分解能で時間計測を行うよりもはるかに低い周波数帯域の電気回路で取り扱うことができる。
【0089】
測定光パルスに与えられる時間遅延の符号と干渉信号の時間遅延の符号の関係は、Ｓ１とＳ２の繰り返し周波数とキャリア周波数の大小関係に依存する。
【0090】
図５の（Ａ）は、光スペクトルの模式図である。Ｓ１は参照光のスペクトル、Ｓ２は測定光のスペクトルを表す。Ｓ１、Ｓ２は光パルスの繰り返し周波数に一致したコム状のモードを持っており、モード間隔はそれぞれＳ１がｆｍ＋Δｆｍ、Ｓ２がｆｍである。図５の（Ａ）では、スペクトル中央のモードを中心にモード番号を付け、Ｎ＝０のモード間の干渉信号の周波数をｆａと仮定している。Ｓ１とＳ２の干渉波形にはさまざまなモード間の差周波数が含まれるが、同じモード番号間の差周波数が最も低い周波数帯に現れるため、適当な周波数帯域の光検出器を使用すると高い差周波数成分は検出信号から除外される。この場合、同じモード番号の干渉波形だけが干渉信号として光検出器から取り出される。
【0091】
また、図５の（Ｂ）は、干渉信号スペクトルの模式図である。周波数ｆａを中心にΔｆｍ間隔のコム状の電気信号スペクトルが得られる。干渉信号の時間波形は各周波数成分を重ね合わせたものである。周波数軸の位相特性ｅ－ｊＢを求めるためには、参照光検出器の出力干渉信号のスペクトルから基準となる位相特性を求め、同時に測定光検出器の出力干渉信号スペクトルから求められる位相特性を求め、それらを比較する。光分離素子までの光路差に依存する干渉信号スペクトルの位相特性は共通なので、比較によって得られる位相特性の違いは測定距離（Ｌ２－Ｌ１）の伝搬によるものである。測定光スペクトルと参照光スペクトルの各モードの位相差情報が、干渉信号スペクトルの各モード番号の位相に反映される。干渉信号スペクトルのモード番号と位相の関係を測定光スペクトルのモード番号と位相差の関係に置き換えて光周波数と位相差の関係ωΔＴを求め、その直線をωで微分して得られる係数からΔＴを求める。
【0092】
光コム干渉による距離測定を干渉信号の周波数解析により行うと、光スペクトルが持つ広い帯域をΔｆｍ／ｆｍに圧縮して電気的に解析できるため、光パルスの往復時間を計測する距離計でありながら高い分解能を得ることができる。
【0093】
計測に必要な時間は、干渉信号の１周期ＴｂであるΔｆを１００ｋＨｚとすると周期Ｔｂは１０μｓであり、短時間に距離を測定することができる。
【0094】
ここで、上記光コム距離計１０における第１及び第２の光源１１Ａ，１１Ｂとしては、それぞれ、例えば、モード周波数間隔が異なる２台の光周波数コム発生器、あるいは、それぞれ周期的に強度又は位相が変調されかつキャリア周波数が安定化された２台の光源などを用いることができる。
【0095】
上記光コム距離計１０の性能は、参照光Ｓ１と測定光Ｓ２を出射する上記第１及び第２の光源１１Ａ，１１Ｂの性能でほぼ決定される。距離測定の分解能は光スペクトル幅または光パルス幅に依存しており、光スペクトルの幅が広い、または光パルスの幅が狭いほど距離測定の分解能を高くすることができる。また、絶対距離測定の確度は光コムモードの周波数間隔または光パルスの繰り返し周波数の確度に依存している。マイクロ波の絶対周波数確度が高いほど絶対距離測定の確度を高めることができる。さらに測定値のばらつきは変調周波数ｆｍや変調周波数ｆｍ＋Δｆｍの安定度に依存する。
【0096】
また、上記光コム距離計１０では、２台の光源１１Ａ，１１Ｂから出射される光の干渉を使って距離の測定を行うので、上記第１及び第２の光源１１Ａ，１１Ｂは、光コムモード間隔または光パルス繰り返し周波数または変調周期が異なりかつ干渉性の良いものでなければならない。
【0097】
独立に発振するパルスレーザは、通常レーザ発振の中心周波数や繰り返し周波数がばらばらであり、その変動に相関がない。したがって２台の独立したパルスレーザを使用して距離計測を行う場合、精度を高めるためには、発振波長や光位相、パルスの繰り返し周波数を相対的に固定することが重要である。したがって、各光源１１Ａ，１１Ｂの光源の発振器と信号処理部１７のクロック信号は、共通の基準発振器に位相同期させておく（例えば光源１１Ａを基準発振器とする。）。
【0098】
そして、この光学式三次元形状測定装置１００における光コム距離計１０では、信号処理部１７において、第１の波長帯域（２５ＧＨｚ帯）の高精度測定用光源すなわち第１の光コム光源１１Ａによる高精度測定と、第２の波長帯域（１ＧＨｚ帯）広範囲測定用光源すなわち第２の光コム光源１１Bによる広範囲測定を同時に行い、第１の光コム光源１１Ａによる高精度測定結果として得られる第１の波長帯域の参照用干渉信号と測定用干渉信号との時間差に基づいて上記参照光路２１の光路長Ｌ１と上記測定対象物５０までの距離Ｌ２の距離差の絶対値（Ｌ２－Ｌ１）を求めるとともに、第２の光コム光源１１Ｂによる広範囲測定結果として得られる第２の波長帯域の参照用干渉信号と測定用干渉信号との時間差から上記参照光路２１の光路長Ｌ１と上記測定対象物５０までの距離Ｌ２の距離差の絶対値（Ｌ２－Ｌ１）を求めることにより、高精度測定用光源すなわち第１の光コム光源１１Ａによる測定光A_COMB2の第１の波長帯域の半波長の測定範囲の制限を超えて、広い測定範囲に亘って連続的に且つ高精度に測定対象物５０までの距離Ｌ２を得ることができる。
【0099】
すなわち、この光学式三次元形状測定装置１００では、光コム距離計１０からの測定光Ｓ２が光学スキャン装置３０から測定対象物５０に向けて照射され、測定対象物５０からの反射光が光コム距離計１０に戻り、物体表面までの絶対距離が信号処理装置４０により計測される。信号処理装置４０は、光学スキャン装置３０を制御してレーザービームを走査すると同時に光コム距離計１０が計測する測定対象物５０の表面までの絶対距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで絶対距離を複数の点について蓄積することにより非接触で物体の三次元形状を測定する。
【0100】
ここで、上記光学式三次元形状測定装置１００における光コム距離計１０では、第１の光コム参照光A_COMB1と第２の光コム参照光B_COMB1が入射される第１の波長多重カップラ１２Ａ、第１の光コム測定光A_COMB2と第２の光コム測定光B_COMB2が入射される第２の波長多重カップラ１２Ｂ、干渉計ヘッド１３から出射される参照用干渉光Ｓ３が入射される第３の波長多重カップラ１２Ｃ、干渉計ヘッド１３から出射される測定用干渉光Ｓ４が入射される第４の波長多重カップラ１２Ｄからなる合波部１２を備えるものとしたが、図６のブロック図に示す光コム距離計１０’における合波部１２’のように、第１の光コム参照光A_COMB1と第２の光コム参照光B_COMB1が入射される第１の光スイッチ１４Ａと、第１の光コム測定光A_COMB2と第２の光コム測定光B_COMB2が入射される第２の光スイッチ１４Ｂを備えるものとすることもできる。
【0101】
この光コム距離計１０’では、高精度測定用光源すなわち第１の光コム光源１１Ａから出射された第１の波長帯域の第１の光コム参照光A_COMB1と広範囲測定用光源すなわち第２の光コム光源１１Ｂから出射された第２の波長帯域の第２の光コム参照光B_COMB1が第１の光スイッチ１４Ａにより時分割合成され、参照光Ｓ１として干渉計ヘッド１３に入射される。また、高精度測定用光源すなわち第１の光コム光源１１Ａから出射された第１の波長帯域の第１の光コム測定光A_COMB2と広範囲測定用光源すなわち第２の光コム光源１１Ｂから出射された第２の波長帯域第２の光コム測定光B_COMB2が第２の光スイッチ１４Ｂにより時分割合成され、測定光Ｓ２として干渉計ヘッド１３に入射される。
【0102】
干渉計ヘッド１３では、第１の波長帯域の第１の光コム参照光A_COMB1と第２の波長帯域第２の光コム参照光B_COMB1が時分割合成された参照光Ｓ１と、第１の波長帯域の第１の光コム測定光A_COMB2と第２の波長帯域の第２の光コム測定光B_COMB2が時分割合成された測定光Ｓ２を合波することにより参照用干渉光Ｓ３’が生成されるとともに、基準光路長Ｌ１の参照光路２１を通過させた参照光Ｓ１と測定対象の測定光路５１を通過させた測定光Ｓ２とを合波することにより測定用干渉光Ｓ４’が生成される。
【0103】
この干渉計ヘッド１３において生成された参照用干渉光Ｓ３と測定用干渉光Ｓ４’は、干渉光検出部１５’に入射される。
【0104】
干渉光検出部１５’では、参照用干渉光Ｓ３’を参照用光検出器１５Ｃで検出して、得られる参照用干渉信号を信号処理部１７に供給するとともに、測定用干渉光Ｓ４’を測定用光検出器１６Ｃで検出して、得られる測定用干渉信号を信号処理部１７’に供給する。
【0105】
そして、信号処理部１７’では、干渉光検出部１５’において参照用光検出器１５Ｃにより得られる参照用干渉信号に時分割で含まれる上記第１の波長帯域の参照用干渉光A_COMB1による第１の参照用干渉信号と上記第２の波長帯域の参照用干渉光B_COMB1による第２の参照用干渉信号を時分割で処理するとともに、干渉光検出部１５’において測定用光検出器１６Ｃにより得られる測定用干渉信号に時分割で含まれる上記第１の波長帯域の測定用干渉光A_COMB2による第１の測定用干渉信号と上記第２の波長帯域の測定用干渉光B_COMB2による第２の測定用干渉信号を時分割処理して、上記第１の波長帯域の参照用干渉光A_COMB1による第１の参照用干渉信号と上記第１の波長帯域の測定用干渉光A_COMB2による第１の測定用干渉信号の時間差と、上記第２の波長帯域の参照用干渉光A_COMB2による第２の参照用干渉信号と上記第２の波長帯域の測定用干渉光B_COMB2による第２の測定用干渉信号の時間差に基づいて、測定対象物５０までの距離Ｌ２を上記参照光路２１の光路長Ｌ1と上記測定光路５１の光路長Ｌ２の光路長差の絶対値（Ｌ２－Ｌ１）として求める処理を行う。
【0106】
この信号処理部１７’においても、高精度測定用光源すなわち第１の光コム光源１１Ａによる高精度測定と、広範囲測定用光源すなわち第２の光コム光源１１Ｂによる広範囲測定を同時に行い、第１の光コム光源１１Ａによる高精度測定結果として得られる第１の波長帯域の参照用干渉信号と測定用干渉信号との時間差に基づく高精度距離情報（Ｌ２－Ｌ１）Ａと第２の光コム光源１１Ｂによる広範囲測定結果として得られる第２の波長帯域の参照用干渉信号と測定用干渉信号との時間差に基づく広範囲距離情報（Ｌ２－Ｌ１）Ｂを求めることにより、高精度測定用光源すなわち第１の光コム光源１１Ａによる測定光A_COMB2の第１の波長帯域の半波長の測定範囲の制限を超えて、広い測定範囲に亘って連続的に且つ高精度に測定対象物５０までの距離Ｌ２を上記参照光路２１の光路長Ｌ１と上記測定光路５１の光路長Ｌ２の光路長差の絶対値（Ｌ２－Ｌ１）として得ることができる。
【0107】
上述の如き構成の光コム距離計１０，１０’では、変調周波数が互いに異なる第１の波長帯域の第１の光コム参照光A_COMB1と第１の光コム測定光A_COMB2を第１の光コム光源１１Ａから出射するとともに、上記変調周波数よりも低く変調周波数が互いに異なる第２の波長帯域の第２の光コム参照光B_COMB1と第２の光コム測定光B_COMB2を第２の光コム光源１１Ｂから出射し、合波部１２、１２’により、上記第１の光コム参照光A_COMB1と上記第２の光コム参照光B_COMB1を合波して参照光Ｓ１を生成するとともに、上記第１の光コム測定光A_COMB2と上記第２の光コム測定光B_COMB2を合波して測定光Ｓ２を生成して、参照光Ｓ１と測定光Ｓ２を光コム干渉計１３に入射させ、上記光コム干渉計１３により入射された参照光Ｓ１と測定光Ｓ２とを合波して参照用干渉光Ｓ３を生成し、 上記光コム干渉計１３を介して、基準光路長Ｌ１の参照光路２１に参照光Ｓ１を入射させるとともに、光路長Ｌ２が未知の測定光路５１に測定光Ｓ２を入射させ、上記参照光路２１を通過させた参照光Ｓ１’と上記測定光路５１を通過させた測定光Ｓ２’とを合波して測定用干渉光をＳ４を生成し、上記光コム干渉計１３により生成された参照用干渉光Ｓ３と測定用干渉光Ｓ４を干渉光検出部１５、１５’で検出することにより得られる上記第１の波長帯域の参照用干渉信号の時間差と測定用干渉光信号及び上記第２の波長帯域の参照用干渉信号と測定用干渉信号の位相差から、信号処理部１７により上記測定対象物５０までの距離Ｌ２を算出する。
【0108】
ここで、光学式三次元形状測定装置１００では、光コム距離計１０，１０’において、光コム干渉計１３Aにより、入射された参照光Ｓ１と測定光Ｓ２とを合波して参照用干渉光Ｓ３を生成するとともに、参照光路２１を通過させた参照光Ｓ１と測定光路５１を通過させた測定光Ｓ２とを合波して測定用干渉光Ｓ４を生成し、干渉光検出部１５、１５’により参照用干渉光Ｓ３と測定用干渉光Ｓ４を検出することにより得られる参照用干渉信号と測定用干渉信号の位相差から、信号処理部１７により測定光路５１の光路長Ｌ２として測定対象物５０までの距離Ｌ２を算出しているが、光コム干渉計１３の構成は、これに限定されることなく、例えば、図７に示すような構成の光コム干渉計１３Ｂ、図８に示すような構成の光コム干渉計１３Ｃ、図９に示すような構成の光コム干渉計１３Ｄ等の構成を採用しても良い。
【0109】
図７は、光コム距離計１０，１０’の干渉計ヘッド１３に備えられる光コム干渉計１３Ｂの構成を示すブロック図である。
【0110】
この図７に示す光コム干渉計１３Ｂは、４個のハーフミラー１３ｄ、１３ｅ１３ｆ、１３ｇを備え、入射された参照光Ｓ１を第１のハーフミラー１３ｄにより第１の参照光Ｓ１ａと第２の参照光Ｓ１ｂに分離するとともに、入射された測定光Ｓ２を第２のハーフミラー１３ｅにより第１の測定光Ｓ２ａと第２の測定光Ｓ２ｂに分離して、基準光路長Ｌ1の参照光路２１に第３のハーフミラー１３ｆを介して上記第１の測定光Ｓ２ａを入射させるとともに、光路長Ｌ２が未知の測定光路５１に第４のハーフミラー１３ｇを介して上記第２の測定光Ｓ２ａを入射させる。
【0111】
そして、この光コム干渉計１３Ｂでは、上記第１の参照光Ｓ１ａと上記参照光路２１を通過させた第１の測定光Ｓ２ａ’とを上記第３のハーフミラー１３ｆにより合波して参照用干渉光Ｓ３を生成するとともに、上記第２の参照光Ｓ１ｂと上記測定光路５１を通過させた第２の測定光Ｓ２ｂ’とを上記第３のハーフミラー１３ｇにより合波して測定用干渉光Ｓ４を生成する。
【0112】
すなわち、この光コム干渉計１３Ｂでは、基準光路長Ｌ1の参照光路２１を通過させた第１の測定光Ｓ２ａ’が第１の参照光Ｓ１ａと合波された参照用干渉光Ｓ３を生成するとともに、光路長Ｌ２が未知の測定光路５１を通過させた第２の測定光Ｓｂ’が第２の参照光Ｓ１ｂと合波された測定用干渉光Ｓ４を生成する。
【0113】
そして、信号処理部１７では、この光コム干渉計１３Ｂにより生成された参照用干渉光Ｓ３と測定用干渉光Ｓ４を干渉光検出部１５で検出することにより得られる参照用干渉信号と測定用干渉信号に基づいて、上記測定対象物５０までの距離Ｌ２を算出する。
【0114】
干渉光検出部１５で検出することにより得られる参照用干渉信号には、第１の測定光Ｓ２ａ’が参照光路２１を通過することにより、参照光路２１の光路長Ｌ1 に対応する位相情報がそれぞれ付与された第１の波長帯域の第１の光コム測定光A_COMB2による第１の波長帯域の光コム参照信号と、第２の波長帯域の第２の光コム測定光B_COMB2による第２の波長帯域の光コム参照信号が含まれている。
【0115】
また、干渉光検出部１５で検出することにより得られる測定用干渉信号には、第２の測定光Ｓ２ｂ’が測定光路５１を通過することにより、測定光路５１の光路長Ｌ２に対応する位相情報がそれぞれ付与された第１の波長帯域の第１の光コム測定光A_COMB2による第１の波長帯域の光コム測定信号と、第２の波長帯域の第２の光コム測定光B_COMB2による第２の波長帯域の光コム測定信号が上記測定用干渉信号に含まれている。
【0116】
信号処理部１７では、参照用干渉信号と測定用干渉信号に含まれる第１の波長帯域の第１の光コム参照光A_COMB1による第１の波長帯域の光コム参照信号と、第１の光コム測定光A_COMB2による第１の波長帯域の光コム測定信号と、及び第２の波長帯域の第２の光コム参照光B_COMB1による第２の波長帯域の光コム参照信号と、第２の光コム測定光B_COMB2による第２の波長帯域の光コム測定信号の位相情報を解析することにより、高精度測定用光源すなわち第１の光コム光源１１Ａによる測定光A_COMB2の第１の波長帯域の半波長の測定範囲の制限を超えて、広い測定範囲に亘って連続的に且つ高精度に、上記参照光路２１の光路長Ｌ１と上記測定光路５１の光路長Ｌ２の光路長差の絶対値（Ｌ２－Ｌ１）として測定対象物５０までの距離Ｌ２を得ることができる。
【0117】
図８は、光コム距離計１０，１０’の干渉計ヘッド１３に備えられる光コム干渉計１３Ｃの構成を示すブロック図である。
【0118】
この図８に示す光コム干渉計１３Ｃでは、入射された参照光Ｓ１を第１のハーフミラー１３ｄにより第１の参照光Ｓ１ａと第２の参照光Ｓ１ｂに分離するとともに、入射された測定光Ｓ２を第２のハーフミラー１３ｅにより第１の測定光Ｓ２ａと第２の測定光Ｓ２ｂに分離して、基準光路長Ｌ1の参照光路２１に第３のハーフミラー１３ｆを介して上記第１の参照光Ｓ１ａを入射させるとともに、光路長Ｌ２が未知の測定光路５２に第４のハーフミラー１３ｇを介して上記第２の第２の参照光Ｓ１ｂを入射させる。
【0119】
そして、上記第１の測定光Ｓ２ａと上記参照光路２１を通過させた第１の参照光Ｓ１ａ’とを上記第３のハーフミラー１３ｆにより合波して参照用干渉光Ｓ３を生成するとともに、上記第２の測定光Ｓ２ｂと上記測定光路５１を通過させた第２の参照光Ｓ１ｂ’とを上記第３のハーフミラー１３ｇにより合波して測定用干渉光Ｓ４を生成する。
【0120】
この光コム干渉計１３Ｃにより生成される参照用干渉光Ｓ３には、参照光路２１を通過した第１の参照光Ｓ１ａ’により参照光路２１の光路長Ｌ１に応じた位相情報が付与され、また、測定用干渉光Ｓ４には、測定光路５１を通過した第２の参照光Ｓ１ｂ’により測定光路５１の光路長Ｌ２に応じた位相情報が付与される。
【0121】
図９は、光コム距離計１０，１０’の干渉計ヘッド１３に備えられる光コム干渉計１３Ｄの構成を示すブロック図である。
【0122】
この図９に示す光コム干渉計１３Ｄでは、入射された参照光Ｓ１を第１のハーフミラー１３ｄにより第１の参照光Ｓ１ａと第２の参照光Ｓ１ｂに分離するとともに、入射された測定光Ｓ２を第２のハーフミラー１３ｅにより第１の測定光Ｓ２ａと第２の測定光Ｓ２ｂに分離して、基準光路長Ｌ1の参照光路２１に第３のハーフミラー１３ｆを介して上記第１の参照光Ｓ１ａを入射させるとともに、光路長Ｌ２が未知の測定光路５２に第４のハーフミラー１３ｇを介して上記第２の第２の測定光Ｓ２ｂを入射させる。
【0123】
そして、上記第１の測定光Ｓ２ａと上記参照光路２１を通過させた第１の参照光Ｓ１ａ’とを上記第３のハーフミラー１３ｆにより合波して参照用干渉光Ｓ３を生成するとともに、上記第２の参照光Ｓ１ｂと上記測定光路５１を通過させた第２の測定光Ｓ２ｂ’とを上記第３のハーフミラー１３ｇにより合波して測定用干渉光Ｓ４を生成する。
【0124】
この光コム干渉計１３Ｄにより生成される参照用干渉光Ｓ３には、参照光路２１を通過した第１の参照光Ｓ１ａ’により参照光路２１の光路長Ｌ１に応じた位相情報が付与されており、また、測定用干渉光Ｓ４には、測定光路５１を通過した第２の測定光Ｓ２ｂ’により測定光路５１の光路長Ｌ２に応じた位相情報が付与される。
【0125】
信号処理部１７では、光コム干渉計１３Ｃ、１３Ｄにより生成される参照用干渉光Ｓ３と測定用干渉光Ｓ４を干渉光検出部１５で検出することにより得られる参照用干渉信号と測定用干渉信号に含まれる位相情報を解析することにより、上記参照光路２１の光路長Ｌ１と上記測定光路５１の光路長Ｌ２の光路長差の絶対値（Ｌ２－Ｌ１）として測定対象物５０までの距離Ｌ２を広い測定範囲に亘って連続的に且つ高精度に得ることができる。
【符号の説明】
【0126】
１０，１０’ 光コム距離計、１１Ａ 第１の光コム光源、１１Ｂ 第２の光コム光源、１２、１２’ 合波部、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ 波長多重カップラ、１３、１３’ 干渉計ヘッド、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ ハーフミラー、１３Ａ、１３Ｂ、１Ｃ、１３Ｄ 光コム干渉計、１４Ａ、１４Ｂ 光スイッチ、１５、１５’ 干渉光検出部、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ 参照用干渉光検器、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ 測定用干渉光検器、１７ 信号処理部、２０ 基準反射面、２１ 参照光路、３０ 光学スキャン装置、３１ 走査光学系、３２ テレセントリック光学系、３３ スキャン光学系、４０ 信号処理装置、５０ 測定対象物、５１ 測定光路、１００ 光学式三次元形状測定装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
