特許 7398106 測定装置及び測定方法

(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】2023-12-06

(45)【発行日】2023-12-14

(54)【発明の名称】測定装置及び測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/25 20060101AFI20231207BHJP

【ＦＩ】

G01B11/25 H

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020065320

(22)【出願日】2020-03-31

(65)【公開番号】P2021162492

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2023-03-09

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】村上 武晴

(72)【発明者】

【氏名】和田 智之

【審査官】信田 昌男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－２４２１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１７５２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１５３４１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物を含む測定面内で少なくとも一軸方向に波長分布を有するプローブ光を投射して、前記対象物を照明する照明部と、
前記対象物からの光を、前記測定面に交差する基準軸上に配置されたフィルタ素子を介して検出する検出部であり、前記フィルタ素子は透過波長が入射角に応じて変化するバンドパスフィルタである、前記検出部と、
を備える測定装置。

【請求項2】

前記プローブ光の波長分布は、前記測定面内での前記プローブ光の投射位置を望む前記基準軸に対する角度に対する前記フィルタ素子の透過波長のシフトに対応する、請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

前記プローブ光の波長分布は、前記フィルタ素子の透過波長λ及び有効屈折率ｎ、前記対象物までの距離Ｌ、並びに前記測定面上での前記基準軸からの距離ｄを用いてλ'（ｄ，Ｌ）＝λ√（１－ｄ^２／（Ｌ^２＋ｄ^２）ｎ^２）に基づいて定められる、請求項２に記載の測定装置。

【請求項4】

前記照明部は、それぞれ波長の異なるシート状のプローブ光を生成し、前記一軸方向に関して互いに一部を重ねて照明光に成形する複数の光源を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置。

【請求項5】

前記照明部及び前記検出部を、前記対象物に対して相対的に、前記測定面上で前記一軸方向に交差する方向に駆動する駆動部をさらに備える、請求項４に記載の測定装置。

【請求項6】

前記照明部は、前記プローブ光をその波長を変えつつ生成する光源及び前記波長の変化に応じて前記プローブ光の出射方向を変える偏向素子を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置。

【請求項7】

前記照明部は、前記プローブ光を前記一軸方向に偏向する、請求項６に記載の測定装置。

【請求項8】

前記照明部は、前記プローブ光を前記基準軸に対して周方向に偏向する、請求項６又は７に記載の測定装置。

【請求項9】

前記プローブ光は、前記測定面内で前記基準軸からの距離に応じた波長分布を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置。

【請求項10】

前記照明部は、それぞれ波長の異なるプローブ光を生成し、前記基準軸に対する半径方向に関して互いに一部が重なる円形状又はリング状に成形する複数の光源を有する、請求項９に記載の測定装置。

【請求項11】

対象物を含む測定面内で少なくとも一軸方向に波長分布を有するプローブ光を投射して、前記対象物を照明する段階と、
前記対象物からの光を、前記測定面に交差する基準軸上に配置されたフィルタ素子を介して検出する段階であり、前記フィルタ素子は透過波長が入射角に応じて変化するバンドパスフィルタである、前記検出する段階と、
を含む測定方法。

【請求項12】

前記対象物を照明する照明部及び前記対象物からの光を検出する検出部を、前記対象物に対して相対的に、前記測定面上で前記一軸方向に交差する方向に駆動する段階をさらに含む、請求項１１に記載の測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、対象物からの光を狭帯域のバンドパスフィルタを介して検出する測定装置及び測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

屋外でのイメージングでは、太陽光による背景ノイズを除去するため、スペクトル幅が極狭いレーザ光源を用いて対象物を照明し、そのスペクトル幅に対応する狭帯域の多層膜干渉型バンドパスフィルタを介して反射光を検出することで、対象物を測定する測定装置が知られている。しかし、狭帯域のバンドパスフィルタでは、透過波長が入射角に応じて短波長側にシフトするブルーシフト現象が生じるため、反射光を受ける範囲がフィルタの正面方向のみに限られてしまうという問題がある。

【0003】

そこで、特許文献１には、バンドパスフィルタを湾曲させることで、広角視野からの光をいずれかの位置で正面方向から受けるように構成した形状測定装置が開示されている。また、特許文献２には、平面状のバンドパスフィルタの各部で透過波長を変えることで、広角視野からの光をフィルタのいずれかの部分を介して受けるように構成した形状測定装置が開示されている。しかし、これらの測定装置では、光を集光するためのレンズの開口面積を十分に利用できないという原理上の問題がある。また、特殊な構成のフィルタを要するため製造上の困難もある。また、特許文献３には、広角視野からの光をテレセントリック光学系を用いて平行光に成形することで、正面方向からフィルタを介して受けるように構成した形状測定装置が開示されている。しかし、光を小さい絞りを介してテレセントリック光学系に送ることから、レンズの開口面積を制限することとなり、レンズの集光機能を損なうという原理上の問題がある。
特許文献１ 特開２０１２－１７３２７７号公報
特許文献２ 特開２０１２－２４２１３４号公報
特許文献３ 特開２０１７－２０８７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

そこで、対象物に投射したプローブ光に由来する反射光を、狭帯域のバンドパスフィルタに通すことで背景光から分離するとともに広角範囲から受光することができる測定装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の第１の態様においては、対象物を含む測定面内で少なくとも一軸方向に波長分布を有するプローブ光を投射して、対象物を照明する照明部と、対象物からの光を、測定面に交差する基準軸上に配置されたフィルタ素子を介して検出する検出部であり、フィルタ素子は透過波長が入射角に応じて変化するバンドパスフィルタである、検出部と、を備える測定装置が提供される。

【0006】

本発明の第２の態様においては、対象物を含む測定面内で少なくとも一軸方向に波長分布を有するプローブ光を投射して、対象物を照明する段階と、対象物からの光を、測定面に交差する基準軸上に配置されたフィルタ素子を介して検出する段階であり、フィルタ素子は透過波長が入射角に応じて変化するバンドパスフィルタである、検出する段階と、を含む測定方法が提供される。

【0007】

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態に係る測定装置の構成の一例を示す。

【図2】測定装置の制御系の構成の一例を示す。

【図3】複数の光源によるライン照明における光源の配置及びプローブ光の投射角の一例を側面視（－Ｘ方向視）において示す。

【図4】複数の光源によるライン照明における各プローブ光の投射位置の一例を正面視（＋Ｚ'方向視）において示す。

【図5】測定位置とプローブ光の波長の関係を示す。

【図6】複数の光源によるライン照明における光源の配置及びプローブ光の投射角の別例を側面視（－Ｘ方向視）において示す。

【図7】狭帯域バンドパスフィルタの透過波長スペクトルのブルーシフト及びプローブ光の波長選択の一例を示す。

【図8】帯域幅約１０ｎｍのフィルタ素子を用いた場合の波長選択と測定範囲の関係を示す。

【図9】採用する波長数と視野角の範囲の関係を示す。

【図10】本実施形態に係る測定方法のフローを示す。

【図11】第１の変形例に係る照明部の構成を示す。

【図12】第２の変形例に係る照明部の構成を示す。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0010】

図１及び図２は、それぞれ、本実施形態に係る測定装置１００の構成及び制御系の構成の一例を示す。測定装置１００は、対象物９をプローブ光（ライン照明光とも呼ぶ）１０ａを用いて照明し、対象物からの反射光をフィルタ素子２１を介して検出することで、プローブ光１０ａに由来する反射光を特に太陽光を含む背景光から分離して精度良く検出する装置である。ここで、フィルタ素子２１は、例えば０．１～３０ｎｍの帯域幅を有するバンドパスフィルタであり、狭帯域幅のために透過波長が光の入射角に応じて変化する、特に短波長側にシフトするブルーシフト現象が生ずる。なお、対象物９を含む測定面９Ｓ上で互いに直交する２つの軸をそれぞれＸ軸及びＹ軸とし、この測定面９Ｓに対して交差する軸であり、照明部１０が射出するプローブ光１０ａの中心軸をＺ'軸（プローブ光１０ａが出射する方向を＋Ｚ'方向）、検出部２０が受光する対象物９からの反射光の中心軸をＺ軸（反射光が対象物９から反射する方向を＋Ｚ方向）とする。測定装置１００は、照明部１０、検出部２０、駆動部３０、位置測定部４０、及び制御部５０を備える。

【0011】

照明部１０は、対象物９を含む測定面９Ｓ内でＹ軸方向に波長分布を有するシート状のプローブ光１０ａを投射することにより、対象物９を照明（ライン照明）するユニットである。ここで、プローブ光１０ａがＹ軸方向に波長分布を有するとは、プローブ光１０ａが測定面９Ｓ上でＹ軸方向に関して連続又は不連続に変化する波長を有することをいう。照明部１０は、例えば半導体レーザ等の複数（本実施形態では５）の光源１１～１５を有する。光源１１～１５は、それぞれ、赤色（波長６１０～７５０ｎｍ）で１ｎｍ程度の狭スペクトル幅を有するコヒーレントなプローブ光を発生する。光源１１を中心に、その＋Ｙ側に光源１２，１３、その－Ｙ側に光源１４，１５が配列されている。光源１１、光源１２，１４、及び光源１３，１５は、それぞれ異なる波長のプローブ光１１ａ～１５ａを発する。光源１１～１５の配置、プローブ光１１ａ～１５ａの波長及び投射角については後述する。

【0012】

検出部２０は、対象物９からの反射光を、フィルタ素子２１を介して検出するユニットである。検出部２０は、フィルタ素子２１、レンズ素子２２、及び検出装置２３を有する。これらの素子及び装置は、Ｚ軸上に配置される。

【0013】

フィルタ素子２１は、特定の波長の光のみが透過する狭帯域幅のバンドパスフィルタであり、その透過波長はプローブ光１１ａの波長に対応して選択されている。ただし、フィルタ素子２１の透過波長は、狭帯域幅のために光の入射角に応じて短波長側にシフト（所謂ブルーシフト）する。フィルタ素子２１の帯域幅は、プローブ光１１ａ～１５ａのスペクトル幅より大きく、例えば数倍であってよい。

【0014】

レンズ素子２２は、フィルタ素子２１を介した光を検出装置２３の検出面上に集光する素子である。

【0015】

検出装置２３は、対象物９からの反射光を検出する装置である。検出装置２３は、イメージセンサやセンサアレイであってよい。検出装置２３による検出結果は、制御部５０に送信される。

【0016】

なお、照明部１０及び検出部２０は、支持部材を用いてステージ（不図示）上に支持されている。

【0017】

駆動部３０は、照明部１０及び検出部２０を、対象物９に対して相対的に、Ｙ軸方向に交差する方向、例えばＸ軸方向に駆動するユニットである。駆動部３０は、例えば電動モータを有し、これにより照明部１０及び検出部２０を支持するステージをＸ軸方向に駆動する。それにより、Ｙ軸方向に延びるライン照明光１０ａがＸ軸方向に移動して測定面９Ｓ上で対象物９が走査されるとともに、対象物９からの反射光を検出部２０により検出して、対象物９の立体形状を測定（所謂、光切断測定）することができる。

【0018】

なお、駆動部３０により照明部１０及び検出部２０を支持するステージを駆動するに限らず、対象物９をステージ上に支持し、これをＸ軸方向に駆動することとしてもよい。

【0019】

位置測定部４０は、対象物９に対する照明部１０及び検出部２０の相対位置を測定するユニットである。位置測定部４０は、例えばレーザ干渉計を有し、これを用いて照明部１０及び検出部２０（又は対象物９）を支持して移動するステージの位置を測定する。その測定結果は制御部５０に送信される。

【0020】

制御部５０は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータ装置であり、少なくとも中央処理装置（ＣＰＵ）を有する。ＣＰＵは、専用プログラムを実行することにより、制御部５０に上記の各ユニットを制御する機能を発現させる。専用プログラムは、例えば、ＲＯＭに記憶され、それをＣＰＵが読み出す、或いはＤＶＤ－ＲＯＭ等の記憶媒体に記憶され、それをＣＰＵがＤＶＤ－ＲＯＭドライブ等の読み取り装置を用いて読み出してＲＡＭに展開することで起動される。

【0021】

制御部５０は、位置測定部４０による対象物９に対する照明部１０及び検出部２０の相対位置の測定結果に基づいて駆動部３０を制御して、対象物９に対して相対的に照明部１０及び検出部２０を駆動する。これと同時に、制御部５０は、照明部１０のライン照明光１０ａにより対象物９を照明し、検出部２０により対象物９からの反射光を検出し、その検出結果を相対位置の測定結果に対して記憶装置（不図示）に記録する。検出部２０による反射光の検出及び位置測定部４０により相対位置の測定結果より、対象物９の立体形状が算出される。

【0022】

図３及び図４に、照明部１０によるライン照明における光源１１～１５の配置及びプローブ光１１ａ～１５ａの投射角の一例を側面視（－Ｘ方向視）において、プローブ光１１ａ～１５ａの投射位置の一例を正面視（＋Ｚ'方向視）において示す。５つの光源１１、光源１２，１４、及び光源１３，１５は、それぞれ、波長の異なるシート状のプローブ光１１ａ、プローブ光１２ａ，１４ａ、及びプローブ光１３ａ，１５ａを生成し、Ｙ軸方向に関して互いに一部を重ねてライン照明光１０ａに成形する。

【0023】

５つの光源１１～１５は、＋Ｚ'方向に向けてＹ軸方向に配列される。光源１１は、フィルタ素子２１の透過波長λに対応する、例えば等しい波長λ_Ａを有するプローブ光１１ａを発生し、＋Ｚ'方向に向けて射出する。光源１２，１４は、それぞれ光源１１の±Ｙ側に配置され、フィルタ素子２１の透過波長λより短波長λ_Ｂ（＜λ_Ａ）のプローブ光１２ａ，１４ａを発生し、＋Ｚ'方向に対して上方及び下方に向けて射出する。光源１３，１５は、それぞれ光源１１，１２，１４の±Ｙ側に配置され、フィルタ素子２１の透過波長λよりさらに短波長λ_Ｃ（＜λ_Ｂ）のプローブ光１３ａ，１５ａを発生し、＋Ｚ'方向に対してさらに上方及び下方に向けて射出する。それにより、測定面９Ｓ上で、プローブ光１１ａは、中心に投射され、プローブ光１２ａは、その下端をプローブ光１１ａの上端に重ねてその＋Ｙ側に投射され、プローブ光１３ａは、その下端をプローブ光１２ａの上端に重ねてその＋Ｙ側に投射され、プローブ光１４ａは、その上端をプローブ光１１ａの下端に重ねてその－Ｙ側に投射され、プローブ光１５ａは、その上端をプローブ光１４ａの下端に重ねてその－Ｙ側に投射され、Ｙ軸方向に延びるライン照明光１０ａに成形される。

【0024】

なお、本実施形態に係る測定装置１００では、プローブ光１１ａ～１５ａをＹ軸方向に関して互いに一部を重ねてライン照明光１０ａに成形したが、照明光により対象物９をＸ軸方向に走査するため、プローブ光１１ａ～１５ａを例えば千鳥配置状にＸ軸方向に関して互いに離間して照明光に成形してもよい。また、ライン照明光１０ａをＸ軸方向に複数並べて照明光に成形してもよい。

【0025】

図５に、測定面９Ｓ上での測定位置とライン照明光１０ａの波長分布（すなわち、プローブ光１１ａ～１５ａの波長λ_Ａ，λ_Ｂ，λ_Ｃ）の関係を示す。プローブ光１１ａ～１５ａの波長は、測定面９Ｓ内でそれらが投射される中心位置（Ｌ，ｄ）を望むＺ軸に対する角度、すなわち光の入射角θ（＝ｔａｎ^－１（ｄ／Ｌ））に対するフィルタ素子２１の透過波長のブルーシフトに基づいて定められる。透過波長λのブルーシフトλ'（θ）（＝λ'（Ｌ，ｄ））は、フィルタ素子２１の透過波長λ及び有効屈折率ｎ、フィルタ素子２１から対象物９までの距離（作動距離）Ｌ、並びに測定面９Ｓ上でのＺ軸からの距離ｄを用いて、

【数1】

と与えられる。なお、フィルタ素子２１が複数の薄膜を積層した多層膜から構成される場合、有効屈折率ｎは良い近似で薄膜の材質の屈折率により与えることができる。

【0026】

プローブ光１１ａの波長λ_Ａは、その投射角θ＝０よりλ'（０）＝λと与えられる。プローブ光１２ａの波長λ_Ｂは、その投射角θ_１２（＝ｔａｎ^－１（ｄ_１２／Ｌ））よりλ'（θ_１２）と与えられる。プローブ光１４ａの波長λ_Ｂは、その投射角θ_１４（＝ｔａｎ^－１（ｄ_１４／Ｌ））よりλ'（θ_１４）と与えられる。なお、本実施形態ではθ_１４＝－θ_１２（ｄ_１４＝－ｄ_１２）であるから、λ'（θ_１４）＝λ'（θ_１２）となる。プローブ光１３ａの波長λ_Ｃは、その投射角θ_１３（＝ｔａｎ^－１（ｄ_１３／Ｌ））よりλ'（θ_１３）と与えられる。プローブ光１５ａの波長λ_Ｃは、その投射角θ_１５（＝ｔａｎ^－１（ｄ_１５／Ｌ））よりλ'（θ_１５）と与えられる。なお、本実施形態ではθ_１５＝－θ_１３（ｄ_１５＝－ｄ_１３）であるから、λ'（θ_１５）＝λ'（θ_１３）となる。

【0027】

このように、照明部１０により対象物９に投射するプローブ光１１ａ～１５ａの波長を、入射角θに対するフィルタ素子２１の透過波長のブルーシフトに合わせることで、ライン照明光１０ａに由来する反射光をフィルタ素子２１を介して広い視野範囲から受光することが可能となる。

【0028】

なお、照明部１０は、プローブ光１１ａ～１５ａを放射状に射出するに限らず、例えば平行に射出することとしてもよい。図６に、複数の光源１１～１５によるライン照明における光源の配置及びプローブ光の投射角の別例を側面視（－Ｘ方向視）において示す。５つの光源１１、光源１２，１４、及び光源１３，１５は、それぞれ、波長の異なるシート状のプローブ光１１ａ、プローブ光１２ａ，１４ａ、及びプローブ光１３ａ，１５ａを生成し、Ｚ'軸に平行に出射し、Ｙ軸方向に関して互いに一部を重ねてライン照明光１０ａに成形する。また、照明部１０は、プローブ光１１ａ～１５ａを広角範囲から対象物９に集中するように射出することとしてもよい。

【0029】

測定装置１００におけるプローブ光１１ａ～１５ａの波長選択の一例について説明する。

【0030】

図７に、狭帯域バンドパスフィルタの透過波長スペクトルのブルーシフト及びプローブ光の波長選択λ_Ａ，λ_Ｂ，λ_Ｃの一例を示す。フィルタ素子２１として、例えば、帯域幅約１０ｎｍのバンドパスフィルタ（Ｅｄｍｕｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ社、ＴＳハードコート ＯＤ ４ １０ＮＭバンドパスフィルタ６３２ＮＭ、有効屈折率（実測値）ｎ＝１．６５）を使用した。フィルタ素子２１の入射角０度に対する透過波長λは６３２ｎｍであるのに対して、入射角１０度で６２９ｎｍ、２０度で６２２ｎｍ、３０度で６０２ｎｍ、４０度で５８４ｎｍ、５０度で５６５ｎｍと透過波長がブルーシフトする。

【0031】

図８に、帯域幅１０ｎｍのフィルタ素子２１を用いた場合の波長選択と測定範囲の関係を示す。本例では、一例として、３通りの異なる波長λ_Ａ，λ_Ｂ，λ_Ｃを有する光源１１～１５を採用する。波長λ_Ａ，λ_Ｂ，λ_Ｃを、帯域幅に対応して１０ｎｍの間隔で、それぞれ６３２ｎｍ、６２２ｎｍ、及び６１２ｎｍと選択する。一例として作動距離Ｌを１ｍとすると、式（１）に基づいて、光源１１のプローブ光１１ａ（波長λ_Ａ）を投射する角度範囲θは、ブルーシフトした透過波長スペクトルがその帯域幅内に波長λ_Ａを含む入射角範囲より－１６～１６度、測定面９Ｓ上の測定範囲ｄは－２８６～２８６ｍｍと定められる。光源１２，１４のプローブ光１２ａ，１４ａ（波長λ_Ｂ）を投射する角度範囲θは、ブルーシフトした透過波長スペクトルがその帯域幅内に波長λ_Ｂを含む入射角範囲より１６～２４度及び－１６～－２４度、測定面９Ｓ上の測定範囲ｄは２８６～４４５ｍｍ及び－２８６～－４４５ｍｍと定められる。光源１３，１５のプローブ光１３ａ，１５ａ（波長λ_Ｃ）を投射する角度範囲θは、ブルーシフトした透過波長スペクトルがその帯域幅内に波長λ_Ｃを含む入射角範囲より２４～３１度及び－２４～－３１度、測定面９Ｓ上の測定範囲ｄは４４５～５７６ｍｍ及び－４４５～－５７６ｍｍと定められる。

【0032】

図９に、波長数と視野角の範囲の関係を示す。一例として作動距離Ｌを１ｍに対して、単一波長（６３２ｎｍ）を用いる場合、視野角（θ）は±１６度、測定面９Ｓ上の測定範囲（ｄ）は±２８５ｍｍの範囲に限られる。これに対して、２波長（６３２ｎｍ、６２２ｎｍ）を用いると、少なくとも、視野角（θ）は±２２度、測定面９Ｓ上の測定範囲（ｄ）は±４００ｍｍの範囲に拡がる。さらに、３波長（６３２ｎｍ、６２２ｎｍ、６１２ｎｍ）を用いると、少なくとも、視野角（θ）は±２８度、測定面９Ｓ上の測定範囲（ｄ）は±５００ｍｍの範囲に拡がる。さらに採用する波長数を増やすことにより、視野角、すなわち測定面９Ｓ上の測定範囲をさらに広げることができる。

【0033】

なお、より狭帯域なフィルタ素子２１を使用する場合、所望の視野角範囲が得られるフィルタ素子２１の透過波長のブルーシフト量、例えば３０ｎｍ程度の帯域を帯域幅以下の幅で分割し、各帯域に対応する波長の光源を追加すればよい。また、フィルタ素子２１の帯域幅が２０ｎｍであれば背景光の９３％をカットできるのでフィルタ素子２１の帯域幅としては２０ｎｍ以下であることが好ましい。フィルタ素子２１の帯域幅が１０ｎｍであれば背景光の９７％をカットできるのでフィルタ素子２１の帯域幅としては１０ｎｍ以下であることがより好ましい。さらにフィルタ素子２１の帯域幅が３ｎｍであれば背景光の９９％をカットできるのでフィルタ素子２１の帯域幅としては３ｎｍ以下であることがより好ましい。

【0034】

図１０に、本実施形態に係る測定方法のフローを示す。

【0035】

ステップＳ１０２では、制御部５０は、照明部１０により対象物９を含む測定面９Ｓ内でＹ軸方向に波長分布を有するプローブ光１０ａを投射して、対象物９をライン照明する。

【0036】

ステップＳ１０４では、制御部５０は、位置測定部４０により対象物９に対する照明部１０及び検出部２０の相対位置を測定する。

【0037】

ステップＳ１０６では、制御部５０は、検出部２０により対象物９からの反射光を、Ｚ軸上に配置されたフィルタ素子２１を介して検出する。ここで、フィルタ素子２１は透過波長が入射角に応じて短波長側にシフトする狭帯域のバンドパスフィルタである。制御部５０は、検出部２０による検出結果を位置測定部４０による相対位置の測定結果に対して記憶装置に記録する。

【0038】

ステップＳ１０８では、制御部５０は、位置測定部４０による相対位置の測定結果に基づいて対象物９の全体をライン照明光１０ａで走査したか判断する。まだ全体を走査していない場合、ステップＳ１１０に進む。全体を走査した場合、制御部５０は、照明部１０を制御してプローブ光１１ａ～１５ａをオフし、ステップＳ１１２に進む。

【0039】

ステップＳ１１０では、制御部５０は、駆動部３０により照明部１０及び検出部２０を支持するステージをＸ軸方向に予め定められた距離だけ駆動して、それらを対象物９に対して相対的に移動させる。制御部５０は、ステップＳ１０８の判断が肯定されるまでステップＳ１０４、Ｓ１０６、Ｓ１１０を繰り返す。それにより、Ｙ軸方向に延びるライン照明光１０ａにより測定面９Ｓ上で対象物９がＸ軸方向に走査されると同時に、対象物９からの反射光が検出部２０により検出される。

【0040】

ステップＳ１１２では、制御部５０は、ステップＳ１０６で記録した検出部２０の検出結果を処理する。それにより、対象物９の立体形状が算出される。その結果は、記憶装置に記録され、また表示モニタ（不図示）上に表示されてもよい。

【0041】

本実施形態に係る測定装置１００によれば、対象物９を含む測定面９Ｓ内でＹ軸方向に波長分布を有するプローブ光１０ａを投射して、対象物９をライン照明する照明部１０、対象物９からの反射光を、測定面９Ｓに交差するＺ軸上に配置されたフィルタ素子２１を介して検出する検出部２０を備える。これによれば、対象物９からの反射光を狭帯域のフィルタ素子２１に通すことで、対象物９に投射したプローブ光１１ａ～１５ａに由来する反射光を背景光から分離して検出する際に、フィルタ素子２１の透過波長が対象物９を望む角度、すなわちＺ軸に対する反射光の入射角に応じて短波長側にシフトする場合において、照明部１０により対象物９に投射するプローブ光１０ａの波長分布を、入射角に応じたフィルタ素子２１の透過波長のシフトに合わせることで、プローブ光に由来する反射光を特に太陽光を含む背景光から分離しつつ、フィルタの透過帯域幅を超えて透過波長が大きくシフトする広い視野角範囲から検出することが可能となる。

【0042】

図１１に、第１の変形例に係る照明部１０ｄの構成を示す。照明部１０ｄは、プローブ光１０ａをその波長を変えつつ生成する可変波長光源１６及び波長の変化に応じてプローブ光１０ａの出射方向を変える偏向素子１７を有する。可変波長光源１６は、測定面９Ｓ上で対象物９を望む視野角範囲に対してブルーシフトするフィルタ素子２１の透過波長の範囲内で波長を周期的に変更してプローブ光１０ａを射出する。偏向素子１７は、例えばガルバノミラー等のミラー素子及びその鏡面を回動するモータ等の駆動装置を含む。なお、偏向素子１７は、音響光学素子（ＡＯＭ）、空間光変調器（ＳＬＭ）等であってもよい。照明部１０ｄは、可変波長光源１６によりプローブ光１０ａを生成しつつ、その波長変更の周期に併せて偏向素子１７によりプローブ光１０ａをＹ軸方向に偏向することで、Ｙ軸方向に波長分布を有するライン照明光１０ａを生成する。

【0043】

なお、照明部１０ｄは、後述するエリア照明において、複数の偏向素子１７によりプローブ光１０ａをＹ軸方向に偏向するとともにＸ軸方向に偏向して測定面９Ｓ上で対象物を２次元走査してもよいし、プローブ光１０ａをＺ'軸に対して半径方向に偏向するとともに周方向に偏向して測定面９Ｓ上で対象物を螺旋状に走査してもよい。

【0044】

なお、測定面９Ｓ上でＹ軸方向に延びるライン照明光１０ａをＸ軸方向に走査することに代えて、測定面９Ｓに平行な方向に拡がるエリア照明を採用してもよい。

【0045】

図１２に、第２の変形例に係る照明部１０ｅの構成を示す。照明部１０ｅは、複数（本例では３）の光源１１～１３及び光学系６５を含む。

【0046】

光源１１～１３は、例えば、赤色（波長６１０～７５０ｎｍ）で１ｎｍ程度の狭スペクトル幅を有するコヒーレントなプローブ光１１ａ～１３ａを発生する半導体レーザである。プローブ光１１ａ～１３ａは、それぞれ異なる波長を有する。

【0047】

光学系６５は、光源１１～１３が発するプローブ光１１ａ～１３ａを測定面９Ｓに導く光学素子群であり、一例としてライトガイド６０及びリレーレンズ６４を含む。

【0048】

ライトガイド６０は、プローブ光１１ａ～１３ａを同心円状に成形する光学部材群であり、光源１１のプローブ光１１ａを導く円柱状のガイド６１、ガイド６１の周囲を囲んで光源１２のプローブ光１２ａを導く円筒状のガイド６２、ガイド６２の周囲を囲んで光源１３のプローブ光１３ａを導く円筒状のガイド６３を含む。プローブ光１１ａは、ガイド６１を通ることによりその断面が円形状に成形され、プローブ光１２ａは、ガイド６２を通ることによりその断面がリング状に成形され、プローブ光１３ａは、ガイド６３を通ることによりその断面がリング状に成形され、これらがＺ'軸に対する半径方向に関して互いに一部を重ねて同心円状に束ねられることで測定面９Ｓ内でＺ'軸からの距離に応じた波長分布を有するエリア照明光１０ａに成形される。

【0049】

リレーレンズ６４は、複数のレンズ素子を有し、ライトガイド６０から送られたプローブ光１０ａを拡大して測定面９Ｓに向けて送出する。それにより、測定面９Ｓ上の対象物がエリア照明される。

【0050】

プローブ光１１ａ～１３ａの波長は、先と同様に検出部２０において、測定面９Ｓ内でのそれらが投射されるエリアを望むＺ軸に対する角度、すなわち光の入射角θに対するフィルタ素子２１の透過波長のブルーシフトに基づいて定められる。透過波長λのブルーシフトλ'（θ）（＝λ'（Ｌ，ｄ））は、フィルタ素子２１の透過波長λ及び有効屈折率ｎ、フィルタ素子２１から対象物９までの距離（作動距離）Ｌ、並びに測定面９Ｓ上でのＺ軸からの半径ｄを用いて、式（１）のとおり与えられる。

【0051】

プローブ光１１ａの波長λ_Ａは、その投射角θ＝０よりλ'（０）＝λと与えられる。プローブ光１２ａの波長λ_Ｂは、その投射角θ_１２（＝ｔａｎ^－１（ｄ_１２／Ｌ）よりλ'（θ_１２）と与えられる。プローブ光１３ａの波長λ_Ｃは、その投射角θ_１３（＝ｔａｎ^－１（ｄ_１３／Ｌ）よりλ'（θ_１３）と与えられる。検出部２０により測定面９Ｓ上の対象物からの反射光を検出することで、プローブ光に由来する反射光を特に太陽光を含む背景光から分離しつつ、フィルタの透過帯域幅を超えて透過波長が大きくシフトする広い視野角範囲に位置する対象物をイメージングすることが可能となる。

【0052】

本実施形態に係る測定装置及び測定方法は、屋外のインフラ設備、建築物等を対象とする自動診断或いは光切断３Ｄ計測、流通における貨物の検査、農業における収穫物の検査等、野外でのイメージングに有用である。

【0053】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【0054】

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

【符号の説明】

【0055】

９…対象物、９Ｓ…測定面、１０，１０ｄ，１０ｅ…照明部、１０ａ…プローブ光（ライン照明光、エリア照明光）、１１～１５…光源、１１ａ～１５ａ…プローブ光、１６…可変波長光源、１７…偏向素子、２０…検出部、２１…フィルタ素子、２２…レンズ素子、２３…検出装置、３０…駆動部、４０…位置測定部、５０…制御部、６０…ライトガイド、６１，６２，６３…ガイド、６４…リレーレンズ、６５…光学系、１００…測定装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】