JP6520669B2 - 光学計測装置 - Google Patents

Description

本開示は、白色共焦点方式で計測対象物の表面形状などを計測可能な光学計測装置に関する。

計測対象物の表面形状などを検査する装置として、白色共焦点方式の光学計測装置が知られている。例えば、特開２０１２−２０８１０２号公報（特許文献１）は、共焦点光学系を利用して非接触で計測対象物の変位を計測する共焦点計測装置を開示する。

国際公開第２０１４／０７６６４９号パンフレット（特許文献２）は、共通の計測ヘッドガイド装置内に複数のポイントを互いに近接して配置し、それぞれのポイントを異なる検出器で同時に計測することで、計測対象物の表面形状を計測する構成を開示する。

国際公開第０２／０２０１２号パンフレット（特許文献３）は、二次元マトリックス光電センサを用いて計測対象物の３次元計測を行なう構成を開示する。

特開２０１２−２０８１０２号公報 国際公開第２０１４／０７６６４９号パンフレット 国際公開第０２／０２０１２号パンフレット

白色共焦点方式は、照射された光の波長成分のうち距離に対応する特定の波長成分のみを利用するという原理上、単色レーザを使用する三角測距方式に比べて光の利用効率が低い。そのため、例えば、計測対象物をより高速に検査するためにサンプリングレートを高めると、計測に必要な光量を十分に確保できないという課題がある。

本開示は、上述の特許文献１〜３に開示される構成に比較して光の利用効率を高めることで、より高いサンプリングレートを実現できる構成を提供することを目的とする。

本発明のある局面に係る光学計測装置は、複数の波長成分を有する照射光を発生する光源と、光源からの照射光に対して軸上色収差を生じさせるとともに、光軸の延長線上に少なくともその一部が配置される計測対象物からの反射光を受光する光学系と、光学系で受光される反射光を各波長成分に分離する分光器と、分光器による分光方向に対応させて複数の受光素子が一次元配置された検出器とを含む、受光部と、光学系と受光部とを光学的に接続する複数のコアを含む導光部と、受光部の複数の受光素子によるそれぞれの検出値に基づいて、光学系から計測対象物までの距離を算出する処理部とを含む。導光部および受光部は、複数のコアに含まれる第１のコアに光学系側から第１の波長の第１の光が与えられたときに、複数の受光素子のうち当該第１の光が入射する受光素子が、複数のコアに含まれる第２のコアに光学系側から第１の波長の第２の光が与えられたときに、複数の受光素子のうち当該第２の光が入射する受光素子の少なくとも一部と共通するように、構成される。

好ましくは、受光部と光学的に接続される導光部は、それに含まれる複数のコアの並び方向が、複数の受光素子の配列方向とは直交する方向に対応付けて配置される。

好ましくは、処理部は、単一の受光素子に複数のコアのそれぞれから照射された複数の光が入射して生じる検出値を一括して取得する。

本発明の別の局面に係る光学計測装置は、複数の波長成分を有する照射光を発生する光源と、光源からの照射光に対して軸上色収差を生じさせるとともに、光軸の延長線上に少なくともその一部が配置される計測対象物からの反射光を受光する光学系と、光学系で受光される反射光を各波長成分に分離する分光器と、検出面上に複数の受光素子が二次元配置された検出器とを含む、受光部と、光学系と受光部とを光学的に接続する複数のコアを含む導光部と、光学系から計測対象物までの距離を算出する処理部とを含む。処理部は、複数のコアに含まれる第１のコアに光学系側から第１の波長の第１の光が与えられたときに、当該第１の光が入射する検出面上の第１の領域と、複数のコアに含まれる第２のコアに光学系側から第１の波長の第２の光が与えられたときに、当該第２の光が入射する検出面上の第２の領域との位置関係に基づいて、受光部の複数の受光素子によるそれぞれの検出値から距離を算出する。

好ましくは、処理部は、複数のコアから照射される同一の波長の光のスポットが検出器の検出面上に入射することで生じる強度分布に基づいて、各波長の検出に適合する領域を推定する。

好ましくは、処理部は、検出器の検出面のうち、反射光に含まれ得る各波長の検出に用いるそれぞれの部分領域を決定する。

好ましくは、受光部は、検出器までの光学経路上に配置され、導光部に含まれる複数のコアを伝搬して受光部へ入射した計測対象物からの反射光のスポット径を縮小化する縮小光学系をさらに含む。

好ましくは、縮小光学系は、計測対象物からの反射光のスポット径を、検出器の検出面の縦横比率に応じた特定方向により大きく縮小するように構成されている。

好ましくは、光学計測装置は、光源からの照射光を導光部に含まれる複数のコアのそれぞれに選択的に与えることができる選択部をさらに含む。処理部は、計測対象物の形状に応じて、計測対象物への照射光の照射に用いるコアを切り替える。

好ましくは、導光部から光学系へ照射光を射出する端面は、導光部におけるコアとクラッドとの界面の臨界角より大きな角度の傾斜角をもつように構成されている。

好ましくは、導光部は、棒状の部材の回りを巻き付けられるように配置された光ファイバを含む。

本開示によれば、先行技術に比較して光の利用効率を高めることで、より高いサンプリングレートを実現できる構成を提供できる。

白色共焦点方式による距離計測の原理を説明するための図である。 本実施の形態に従う光学計測装置が採用するコアの並列化を説明するための模式図である。 本実施の形態に従う光学計測装置の装置構成を示す模式図である。 本実施の形態に従う光学計測装置の受光部のレイアウト例を示す模式図である。 本実施の形態に従う光学計測装置においてラインセンサにより実現された検出器４４を説明するための模式図である。 本実施の形態に従う光学計測装置において検出器として一次元センサを採用した場合の反射光を検出する状態を説明するための模式図である。 図６（Ａ）に示す波長λ１のスポットが検出器に入射した場合に得られる検出結果の一例を示す模式図である。 本実施の形態に従う光学計測装置において二次元センサ（ＣＭＯＳイメージセンサ）により実現された検出器を説明するための模式図である。 本実施の形態に従う光学計測装置において二次元センサにより実現された検出器４４に設定される読出領域の一例を示す模式図である。 本実施の形態に従う光学計測装置において二次元センサにより構成される検出器による計測処理の手順を示すフローチャートである。 本実施の形態に従う光学計測装置において二次元センサ（ＣＣＤイメージセンサ）により実現された検出器を説明するための模式図である。 本実施の形態に従う光学計測装置の受光部に含まれる縮小光学系の構成例を示す模式図である。 本実施の形態に従う光学計測装置の受光部に含まれる縮小光学系の別の構成例を示す模式図である。 ４つのコアを含むバンドルファイバの断面形状の一例を示す図である。 図１４に示すバンドルファイバにおいて生じるクロストーク量を評価した結果例を示す図である。 光ファイバの端面での光の挙動を説明するための模式図である。 本実施の形態に従う光学計測装置による対象物への照射光の照射状態を説明するための模式図である。 図１７に示す照射パターンの変更の応用例を説明するための模式図である。 本実施の形態に従う別の光学計測装置の装置構成を示す模式図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜Ａ．概要＞
まず、本実施の形態に従う光学計測装置により解決される課題およびそれを実現するための構成について概要を説明する。

図１は、白色共焦点方式による距離計測の原理を説明するための図である。図１を参照して、光学計測装置１は、光源１０と、導光部２０と、センサヘッド３０と、受光部４０と、処理部５０とを含む。センサヘッド３０は、色収差ユニット３２および対物レンズ３４を含み、受光部４０は、分光器４２および検出器４４を含む。

光源１０で発生した所定の波長広がりをもつ照射光は、導光部２０を伝搬してセンサヘッド３０に到達する。センサヘッド３０において、光源１０からの照射光は対物レンズ３４により集束されて計測対象物２（以下、「対象物２」とも略称する。）へ照射される。照射光には、色収差ユニット３２を通過することで軸上色収差が生じるため、対物レンズ３４から照射される照射光の焦点位置は波長ごとに異なる。対象物２の表面で反射される波長のうち、対象物２に焦点の合った波長の光のみがセンサヘッド３０の導光部２０のうち共焦点となるファイバのみに再入射することになる。以下では、説明の便宜上、対象物２に焦点の合った波長の光が計測光として検出される状態を「特定の波長のみ反射する」とも表現する。センサヘッド３０に再入射した反射光は、導光部２０を伝搬して受光部４０へ入射する。受光部４０では、分光器４２にて入射した反射光が各波長成分に分離され、検出器４４にて各波長成分の強度が検出される。処理部５０は、検出器４４での検出結果に基づいて、センサヘッド３０から対象物２までの距離（変位）を算出する。

図１に示す例では、例えば、複数の波長λ１，λ２，λ３を含む照射光が波長分散されて、光軸ＡＸ上のそれぞれ異なる位置（焦点位置１，焦点位置２，焦点位置３）に像が描かれることになる。光軸ＡＸ上において、対象物２の表面は焦点位置２と一致するので、照射光のうち波長λ２の成分のみが反射される。受光部４０では、波長λ２の成分を検出して、センサヘッド３０から対象物２までの距離が波長λ２の焦点位置に相当する距離であると算出する。

受光部４０の検出器４４を構成する複数の受光素子のうち反射光を受光する受光素子は、センサヘッド３０に対する対象物２の表面の形状に応じて変化することになるため、検出器４４の複数の受光素子による検出結果（画素情報）から対象物２に対する距離変化（変位）を計測することができる。

図１に示すように、波長λ１，λ２，λ３の照射光が対象物２へ照射されたとしても、反射光として検出されるのは波長λ２の成分のみである。このように、白色共焦点方式は、照射された照射光の波長成分のうち距離に対応する特定の波長成分のみを利用するという原理上、光の利用効率が低い。そのため、例えば、計測対象物の表面形状をより高速に検査するためにサンプリングレートを高めると、計測に必要な光量を十分に確保できないという課題がある。

このような課題に対して、例えば、光源１０で発生する照射光の光量を増大させるというアプローチが考えられるが、光源１０として採用できるデバイスの発光パワーにも限界があり、光の利用効率を大幅に改善することは難しい。

光源での対処に代えて、光源１０および受光部４０とセンサヘッド３０とを光学的に接続する導光部２０での伝搬容量を可能な限り増大し、あるいは、伝搬損失を可能な限り低減するという別のアプローチが考えられる。

具体的には、導光部２０を構成する光ファイバのコアを大口径化するというアプローチが考えられる。コアを大口径化することで、より多くの光量を伝搬できるようになるが、白色共焦点方式の原理上、計測性能（分解能）が悪化するというデメリットが生じる。また、導光部として大口径の光ファイバを用いることで、屈曲性が悪化するなどのユーザビリティ面での課題も生じる。

このような課題を考慮して、本実施の形態においては、導光部２０を構成する光ファイバのコアを並列化（複数化）することで、受光部４０に入射する反射光の光量を増加させるというさらに別のアプローチを採用する。本願発明者らは、鋭意研究の結果、コアを並列化することで生じる新たな課題を見出し、その新たな課題に対する新たな解決手段に想到した。以下、このような新たな課題、およびその新たな課題に対する新たな解決手段について説明する。

＜Ｂ．コア並列化の概要＞
次に、本実施の形態に従う光学計測装置が採用するコアの並列化について、その概要を説明する。図２は、本実施の形態に従う光学計測装置が採用するコアの並列化を説明するための模式図である。図２（Ａ）には、関連技術に従う光学計測装置１Ａの導光部の構成を模式的に示し、図２（Ｂ）には、本実施の形態に従う光学計測装置１の導光部の構成を模式的に示す。

図２（Ａ）を参照して、光学計測装置１Ａは、導光部２０Ａとして、光源１０と光学的に接続される入力側ケーブル２１Ａと、受光部４０と光学的に接続される出力側ケーブル２２Ａと、センサヘッド３０と光学的に接続されるヘッド側ケーブル２４Ａとを含む。入力側ケーブル２１Ａおよび出力側ケーブル２２Ａのそれぞれの端と、ヘッド側ケーブル２４Ａの端とは、合波／分波構造をもつカプラ２３Ａを介して、光学的に結合される。カプラ２３Ａは、Ｙ分岐カプラに相当する２×１スターカプラ（２入力１出力／１入力２出力）であり、入力側ケーブル２１Ａから入射した光をヘッド側ケーブル２４Ａへ伝達するとともに、ヘッド側ケーブル２４Ａから入射した光を分割して入力側ケーブル２１Ａおよび出力側ケーブル２２Ａへそれぞれ伝達する。

入力側ケーブル２１Ａ、出力側ケーブル２２Ａ、およびヘッド側ケーブル２４Ａは、いずれも単一のコア２０２を有する光ファイバであり、その断面構造としては、コア２０２から外周に向けて、クラッド２０４、被覆２０６および外装２０８が、コア２０２の周囲に順に設けられる。

これに対して、本実施の形態に従う光学計測装置１は、図２（Ｂ）に示すように、複数のコアを有する光ファイバを導光部２０として採用する。より具体的には、光学計測装置１は、導光部２０として、光源１０と光学的に接続される入力側ケーブル２１と、受光部４０と光学的に接続される出力側ケーブル２２と、センサヘッド３０と光学的に接続されるヘッド側ケーブル２４とを含む。本実施の形態に従う光学計測装置１の導光部２０を構成する光ファイバとしては、シングルモードファイバを採用してもよいし、マルチモードファイバを採用してもよい。

入力側ケーブル２１および出力側ケーブル２２の各々は、一例として、２つのコアを有する光ファイバからなる。入力側ケーブル２１は、合波／分波構造をもつカプラ２３１および２３２と光源１０とを光学的に結合する。また、同様に、出力側ケーブル２２は、合波／分波構造をもつカプラ２３１および２３２と受光部４０とを光学的に結合する。カプラ２３１および２３２は、いずれも、２×２スターカプラ（２入力２出力／２入力２出力）である。

ヘッド側ケーブル２４は、４つのコアを有する光ファイバからなり、カプラ２３１および２３２の端とセンサヘッド３０とを光学的に接続する。

カプラ２３１は、入力側ケーブル２１の１つのコアから入射した光をヘッド側ケーブル２４の２つのコアへ伝達するとともに、ヘッド側ケーブル２４の２つのコアからそれぞれ入射した光を混合した上で分割して入力側ケーブル２１および出力側ケーブル２２へそれぞれ伝達する。同様に、カプラ２３２は、入力側ケーブル２１の別の１つのコアから入射した光をヘッド側ケーブル２４の別の２つのコアへ伝達するとともに、ヘッド側ケーブル２４の別の２つのコアからそれぞれ入射した光を混合した上で分割して入力側ケーブル２１および出力側ケーブル２２へそれぞれ伝達する。

入力側ケーブル２１および出力側ケーブル２２は、いずれも２つのコア２０２を有する光ファイバであり、その断面構造としては、コア２０２、クラッド２０４、被覆２０６からなる組が２つ配置された上で、その周囲に外装２０８が設けられる。一方、ヘッド側ケーブル２４は、４つのコア２０２を有する光ファイバであり、その断面構造としては、コア２０２、クラッド２０４、被覆２０６からなる組が４つ配置された上で、その周囲に外装２０８が設けられる。

図２（Ｂ）に示すように、本実施の形態においては、光源１０からセンサヘッド３０までの光学経路、および、センサヘッド３０から受光部４０までの光学経路として、複数のコアを用いることで、対象物２からの反射光の光量をより大きくすることができるとともに、コア径自体は拡大しないため、計測性能を悪化させることはない。なお、本実施の形態においては、光源１０のエタンデュが光ファイバの取り込めるエタンデュよりも大きいことを前提としている。

図２（Ｂ）には、入力側ケーブル２１および出力側ケーブル２２として、２つのコアを有する光ファイバを採用し、ヘッド側ケーブル２４として、４つのコアを有する光ファイバを採用する構成について例示したが、これに限らず、より多くのコアを有する光ファイバを採用してもよい。

＜Ｃ．装置構成＞
次に、本実施の形態１に従う光学計測装置１の装置構成の一例について説明する。図３は、本実施の形態に従う光学計測装置１の装置構成を示す模式図である。

図３を参照して、本実施の形態に従う光学計測装置１は、光源１０と、導光部２０と、センサヘッド３０と、受光部４０と、処理部５０とを含む。

光源１０は、複数の波長成分を有する照射光を発生し、典型的には、白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いて実現される。後述するように、軸上色収差によって生じる焦点位置の変位幅が、要求される計測レンジをカバーできるだけの波長範囲を有する照射光を発生できれば、どのような光源を用いてもよい。

センサヘッド３０は、色収差ユニット３２および対物レンズ３４を含み、光源１０からの照射光に対して軸上色収差を生じさせるとともに、光軸ＡＸの延長線上に少なくともその一部が配置される対象物２からの反射光を受光する光学系に相当する。

受光部４０は、光学系であるセンサヘッド３０で受光される反射光を各波長成分に分離する分光器４２と、分光器４２による分光方向に対応させて配置された複数の受光素子を含む検出器４４とを含む。分光器４２としては、典型的には、回折格子が採用されるが、それ以外にも任意のデバイスを採用してもよい。検出器４４は、分光器４２による分光方向に対応させて複数の受光素子が一次元配置されたラインセンサ（一次元センサ）を用いてもよいし、検出面上に複数の受光素子が二次元配置された画像センサ（二次元センサ）を用いてもよい。検出器４４として、一次元センサおよび二次元センサを用いる場合について、それぞれ詳述する。

受光部４０は、分光器４２および検出器４４に加えて、出力側ケーブル２２から射出された反射光を平行化するコリメートレンズ４１と、検出器４４での検出結果を処理部５０へ出力するための読出回路４５とを含む。さらに、必要に応じて、分光器４２にて分離された波長別の反射光のスポット径を調整する縮小光学系４３を設けてもよい。

図４は、本実施の形態に従う光学計測装置１の受光部４０のレイアウト例を示す模式図である。図４を参照して、受光部４０は、各種部材が配置される図示しない基板上に、出力側ケーブル２２を固定するためのケーブル固定部材４０４が立設されている。出力側ケーブル２２の端面の光軸上に、コリメートレンズ４１および分光器４２が固定されている。検出器４４が分光器４２の分光方向に位置付けて配置されており、分光器４２と検出器４４との間の光学経路上に縮小光学系４３が配置される。

分光器４２によって入射側の光軸と分光後の光軸とを異ならすことによって、受光部４０をコンパクト化することができる。

処理部５０は、受光部４０の複数の受光素子によるそれぞれの検出値に基づいて、センサヘッド３０から対象物２までの距離を算出する。

上述したように、本実施の形態に従う光学計測装置１においては、センサヘッド３０と受光部４０とを光学的に接続する複数のコアを含む導光部２０を採用する。図３には、一例として、入力側ケーブル２１および出力側ケーブル２２として、それぞれ２つのコアを有する光ファイバを採用するとともに、ヘッド側ケーブルとして、４つのコアを有する光ファイバを採用する。但し、各ケーブルを構成する光ファイバのコア数は複数であれば、特に制限されるものではない。

図３には、ユーザビリティを高めるために、複数のケーブルを直列接続してヘッド側ケーブルを構成する例を示す。すなわち、ヘッド側ケーブルとしては、複数のコアを有する３つのケーブル２４１，２４３，２４５が採用されている。ケーブル２４１とケーブル２４３との間は多芯コネクタ２４２を介して光学的に接続され、ケーブル２４３とケーブル２４５との間は多芯コネクタ２４４を介して光学的に接続される。

なお、複数のコアを有するケーブルとしては、コアおよびクラッドの組を複数束ねて一体化したバンドルファイバを採用することが好ましい。

導光部２０は、入力側ケーブル２１および出力側ケーブル２２と、ヘッド側ケーブルとを光学的に結合するための合波／分波部２３を含む。合波／分波部２３は、２×２スターカプラ（２入力２出力／２入力２出力）である、２つのカプラ２３１，２３２を含む。合波／分波部２３の機能については、図２を参照して説明したので、詳細な説明は繰り返さない。

このように、本実施の形態に従う光学計測装置１では、複数のコアを採用することで、対象物２に照射する光量を増大させるとともに、対象物２からの反射光の光量を増大する。また、合波／分波構造としてカプラを採用することで、導光部２０内での光の分離が可能となり、複数のコアをそれぞれ伝搬する対象物２からの反射光（計測光）を単一の検出器４４で受光することができる。

以下では、典型例として、検出器４４として、一次元センサ（いわゆる、ラインセンサ）を採用した構成、および、二次元センサを採用した構成についてそれぞれ説明する。

＜Ｄ．検出器の構成および処理：一次元センサ＞
次に、検出器４４として、一次元センサ（ラインセンサ）を採用した構成およびその構成に適した処理について説明する。

図５は、本実施の形態に従う光学計測装置１においてラインセンサにより実現された検出器４４を説明するための模式図である。図５（Ａ）を参照して、ラインセンサ４４０は、分光器４２（図３参照）による分光方向に対応させて一次元配置された複数の受光素子４４２を含む。分光器４２による分光方向とは、複数の異なる波長成分（または、周波数成分）の光のそれぞれの結像位置を結んだ方向を意味する。したがって、各受光素子に付与された素子番号と、受光部４０にて受光される反射光に含まれる波長の長さとは、対応付けられている。

但し、複数の受光素子４４２の配置方向と分光器４２による分光方向とは全く同一である必要はなく、波長が異なる成分間が識別できるように構成されればよい。言い換えれば、ある波長成分の光がある受光素子４４２に入射するときに、異なる波長成分の光は、異なる受光素子４４２に入射するように構成される。

複数の受光素子４４２は、互いに独立した検出デバイスであり、各々が受光強度に応じた（すなわち、受光量の大きさを示す、または、受光強度を示す）信号を出力する。図５（Ｂ）には、図５（Ａ）に示すように、ラインセンサ４４０の特定領域に反射光のスポットが入射した場合の検出結果の一例を示す。図５（Ａ）に示すように、反射光のスポットは、素子番号４，５，６の３つの受光素子４４２に跨がっているので、これらの３つの受光素子４４２の各々からは、ノイズ以上の受光強度を示す信号が出力される。

処理部５０（図３）は、図５（Ｂ）に示すような受光強度のプロファイルに基づいて、受光強度のピーク位置を特定し、当該ピーク位置に対応する波長から反射光に含まれている波長の主成分を特定し、特定した主成分波長からセンサヘッド３０から対象物２までの距離（変位）を算出する。

本実施の形態に従う光学計測装置１は、複数のコアを有する導光部２０を採用するので、受光部４０には、コア数に応じた反射光のビームが入射することになる。そのため、これらの複数のビームに含まれる波長成分を適切に検出する必要がある。

そこで、検出器４４として一次元センサ（ラインセンサ）を採用した構成においては、導光部２０および受光部４０は、複数のコアに含まれる第１のコアにセンサヘッド３０側から波長λ１をもつ第１の光が与えられたときに、検出器４４を構成する複数の受光素子のうち当該第１の光が入射する受光素子が、複数のコアに含まれる第２のコアにセンサヘッド３０側から波長λ１をもつ第２の光が与えられたときに、検出器４４を構成する複数の受光素子のうち当該第２の光が入射する受光素子の少なくとも一部と共通するように構成される。この構成について、図６および図７を参照して説明する。

図６は、本実施の形態に従う光学計測装置１において検出器として一次元センサを採用した場合の反射光を検出する状態を説明するための模式図である。図６において、受光素子４４２が一次元配列される方向をＸ方向と定義し、Ｘ方向と直交する受光素子４４２の幅方向をＹ方向と定義し、複数の受光素子４４２が配置される検出器４４の検出面に垂直な方向をＺ方向と定義する。別段の例外を除いて、以下の説明においても同様である。

図６（Ａ）には、導光部２０（出力側ケーブル２２）に含まれる２つのコア（図３参照）のそれぞれに波長λ１の光を与えたときに検出器４４上に生じる２つのスポットＳＰ１１およびＳＰ１２の一例を示す。併せて、当該２つのコアのそれぞれに波長λ２の光を与えたときに検出器４４上に生じる２つのスポットＳＰ２１およびＳＰ２２の一例を示す。説明の便宜上、図６（Ａ）および図６（Ｂ）には、２つの波長λ１およびλ２のスポットを同一の図面に描くが、通常の計測時には、特定の波長成分のみが検出器４４に入射することになる。

まず、波長λ１に対応するスポットＳＰ１１およびスポットＳＰ１２に着目すると、スポットＳＰ１１は、ラインセンサ４４０の素子番号４，５，６の３つの受光素子に跨がっており、スポットＳＰ１２についても、同じく、ラインセンサ４４０の素子番号４，５，６の３つの受光素子に跨がっている。

一方、波長λ２に対応するスポットＳＰ２１およびスポットＳＰ２２に着目すると、スポットＳＰ２１は、ラインセンサ４４０の素子番号１４，１５の２つの受光素子に跨がっており、スポットＳＰ２２についても、同じく、ラインセンサ４４０の素子番号１４，１５の２つの受光素子に跨がっている。

図６（Ａ）には、真円状のスポットを例示するが、後述するような縮小光学系を用いることで、スポット形状を楕円状にすることもできる。スポットを楕円状にした場合の検出器４４への入射状態の一例を図６（Ｂ）に示す。

図６（Ｂ）を参照して、波長λ１に対応するスポットＳＰ３１およびスポットＳＰ３２に着目すると、スポットＳＰ３１は、ラインセンサ４４０の素子番号１，２，３，４の４つの受光素子に跨がっており、スポットＳＰ３２については、ラインセンサ４４０の素子番号２，３，４の３つの受光素子に跨がっている。

一方、波長λ２に対応するスポットＳＰ４１およびスポットＳＰ４２に着目すると、スポットＳＰ４１は、ラインセンサ４４０の素子番号１３，１４，１５の３つの受光素子に跨がっており、スポットＳＰ４２については、ラインセンサ４４０の素子番号１３，１４，１５，１６の４つの受光素子に跨がっている。

図６（Ｂ）に示す照射状態においては、同一の波長に対応するスポットが完全に同一の受光素子に入射しているわけではないが、ラインセンサ４４０による受光強度のプロファイル（受光強度の受光素子についての変化）に基づいて、距離計測が行なわれるので、同一波長のスポットが入射する受光素子（あるいは、受光素子の組）が概ね同一であれば、計測性能を悪化させることなく、光の利用効率を高めることができる。

図７は、図６（Ａ）に示す波長λ１のスポットＳＰ１１およびＳＰ１２が検出器４４に入射した場合に得られる検出結果の一例を示す模式図である。なお、説明の便宜上、暗電流などによるノイズ成分については描いていない。図７を参照して、素子番号４，５，６の受光素子の各々では、スポットＳＰ１１およびＳＰ１２の入射している面積に応じた光量が検出値として出力される。検出値としては、スポットＳＰ１１およびＳＰ１２の合計が出力されることになる。

図７に示す検出結果として出力される有意な値の幅（図７に示す例では、３画素分）は、複数のコアを採用することでも変化せず、一方で、検出結果として出力される値の絶対値は、複数のコアを採用することで増加することになる。処理部５０は、単一の受光素子４４２に複数のコアのそれぞれから照射された複数の光が入射して生じる検出値を一括して取得する。このような構成を採用することで、計測性能（分解能）を悪化させることなく、より多くの光量を確保する（すなわち、Ｓ／Ｎ比を高める）ことができる。

このように、同じ波長の光をそれぞれのコアを介して受光部４０に入射させたときに、検出器４４の検出面に生じるそれぞれのスポットに対応する受光素子の数および位置は、互いに少なくとも一部が共通するようになっている。このように、同一の波長について生じるスポットの間で、対応する受光素子の数および位置の少なくとも一部を共通にすることで、計測性能を悪化させることなく、光の利用効率を高めることができる。

言い換えれば、図６に示すように、検出器４４として一次元センサ（ラインセンサ）を採用した構成においては、導光部２０および受光部４０は、複数のコアに含まれる第１のコアにセンサヘッド３０側から波長λ１をもつ第１の光が与えられたときに検出器４４の検出面に生じる第１のスポット（ＳＰ１１）と、複数のコアに含まれる第２のコアにセンサヘッド３０側から波長λ１をもつ第２の光が与えられたときに検出器４４の検出面に生じる第２のスポット（ＳＰ１２）とにより定義される方向（典型的には、スポットＳＰ１１とスポットＳＰ１２とを結ぶ線の方向）が、受光素子４４２の幅方向（すなわち、Ｙ方向）と対応付けられるように、構成される。

このような構成は、受光部４０と光学的に接続される導光部２０（出力側ケーブル２２）を、それに含まれる複数のコアの並び方向（図３に示す断面構造を参照）が、複数の受光素子４４２の配列方向とは直交する方向に対応付けて配置することで実現される（図４も参照のこと）。

あるいは、導光部２０および受光部４０は、出力側ケーブル２２に含まれる複数のコア２０２（図３参照）の中心を結ぶ線方向と、受光素子４４２の幅方向（すなわち、Ｙ方向）とが対応付けられるように、構成されるとも表現できる。

上述のような構成を実現するためには、主として、出力側ケーブル２２の端面、分光器４２、検出器４４という、３つのコンポーネントの位置を適宜調整する必要がある。配置手順（コンポーネントの位置決め手順）の一例としては、例えば、分光器４２を受光部４０の所定位置に固定するとともに、分光器４２の位置を基準として、入力側にある出力側ケーブル２２の端面の位置、および、出力側にある検出器４４の位置をそれぞれ調整することで実現できる。

＜Ｅ．検出器の構成および処理：二次元センサ／ＣＭＯＳイメージセンサ＞
次に、検出器４４として、二次元センサ（ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ）を採用した構成およびその構成に適した処理について説明する。

図８は、本実施の形態に従う光学計測装置１において二次元センサ（ＣＭＯＳイメージセンサ）により実現された検出器４４を説明するための模式図である。図８を参照して、ＣＭＯＳイメージセンサ４４４は、検出面上に二次元配置された複数の受光素子を含む。ＣＭＯＳイメージセンサ４４４は、その原理上、局所読出しが可能になっている。そのため、ＣＭＯＳイメージセンサ４４４の行方向または列方向を、分光器４２（図３参照）による分光方向に対応させることが好ましいが、以下のような制御ロジックを採用することで、任意の方向に位置決めすることができる。

図８には、導光部２０（出力側ケーブル２２）が３つのコアを含むものとして、それぞれのコアに波長λ１の光を与えたときに検出器４４上に生じる３つのスポットＳＰ１１，ＳＰ１２，ＳＰ１３の一例を示す。併せて、当該３つのコアのそれぞれに波長λ２の光を与えたときに検出器４４上に生じる３つのスポットＳＰ２１，ＳＰ２２，ＳＰ２３の一例を示す。説明の便宜上、図８には、２つの波長λ１およびλ２のスポットを同一の図面に描くが、通常の計測時には、特定の波長成分のみが検出器４４に入射することになる。

分光器４２は、入射した光に含まれる波長に応じた方向に規則性をもって光を回折するので、この規則性に基づいて、ＣＭＯＳイメージセンサ４４４から画像情報を読出す領域（以下、「読出領域」とも称す。）を選択的に決定することで、入射した反射光に含まれる波長を決定することができる。

例えば、図８に示すように、導光部２０に含まれる３つのコアのそれぞれに波長λ１の光を与えたときに検出器４４上に生じる３つのスポットＳＰ１１，ＳＰ１２，ＳＰ１３の位置および範囲から、波長λ１を検出することに用いることができる読出領域ＡＲ１を決定することができる。同様に、導光部２０に含まれる３つのコアのそれぞれに波長λ２の光を与えたときに検出器４４上に生じる３つのスポットＳＰ２１，ＳＰ２２，ＳＰ２３の位置および範囲から、波長λ２を検出することに用いることができる読出領域ＡＲ２を決定することができる。

複数の波長について、各波長の検出に用いることができる読出領域をそれぞれ決定することで、反射光（計測光）に含まれる主成分波長を特定することができる。このように、検出器４４として二次元センサを採用した場合には、処理部５０は、複数のコアから照射される同一の波長の光のスポットが検出器４４の検出面上に入射することで生じる強度分布に基づいて、各波長の検出に適合する領域を推定する。この適合する領域の推定方法としては、各種の統計処理（典型的には、内挿処理または外挿処理）を採用することができる。

図９は、本実施の形態に従う光学計測装置１において二次元センサにより実現された検出器４４に設定される読出領域の一例を示す模式図である。図９に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ４４４の検出面に入射する波長ごとのスポットに応じて、各波長を検出するための読出領域を設定することができる。すなわち、処理部５０は、検出器４４の検出面のうち、反射光に含まれ得る各波長の検出に用いるそれぞれの部分領域を決定する。そして、処理部５０は、図９に示すような各読出領域のマップを予め保持しておき、ＣＭＯＳイメージセンサ４４４から選択的に受光強度を読出すことで、入射した反射光（計測光）に含まれる主成分を特定する。

図１０は、本実施の形態に従う光学計測装置１において二次元センサにより構成される検出器による計測処理の手順を示すフローチャートである。図１０（Ａ）には、図９に示すような読出領域を設定するための処理手順を示し、図１０（Ｂ）には、図９に示すような読出領域に基づく計測の処理手順を示す。

図１０（Ａ）を参照して、まず、複数の波長候補のうち１つの波長を選択する（ステップＳ１００）とともに、複数のコアのうち１つのコアを選択する（ステップＳ１０２）。そして、ヘッド側ケーブル２４または出力側ケーブル２２の端から、選択されたコアを介して選択された波長の光を与える（ステップＳ１０４）。処理部５０は、検出器４４の検出面に生じるスポットの範囲（または、受光強度のプロファイル）を、選択されている波長を識別する情報、および、選択されているコアを識別する情報、に関連付けて格納する（ステップＳ１０６）。

複数のコアのうちすべてのコアの選択が完了していなければ（ステップＳ１０８においてＮＯの場合）、複数のコアのうち別のコアを選択し（ステップＳ１１０）、ステップＳ１０４以下の処理が繰り返される。

一方、複数のコアのうちすべてのコアの選択が完了し（ステップＳ１０８においてＹＥＳの場合）、複数の波長候補のうちすべての波長の選択が完了していなければ（ステップＳ１１２においてＮＯの場合）、複数の波長候補のうち別の波長を選択する（ステップＳ１１４）。そして、ステップＳ１０２以下の処理が繰り返される。

複数の波長候補のうちすべての波長の選択が完了していれば（ステップＳ１１２においてＹＥＳの場合）、処理部５０は、ステップＳ１０６において格納した情報に基づいて、ＣＭＯＳイメージセンサ４４４による検出結果から各波長成分を算出するための読出領域（初期設定情報）を決定する（ステップＳ１１６）。そして、読出領域を設定する処理は終了する。

図１０（Ｂ）を参照して、計測の開始が指示されていれば（ステップＳ２００においてＹＥＳの場合）と、処理部５０は、光源１０に対して照射光の発生を指示する（ステップＳ２０２）。

処理部５０は、所定の計測サイクルごとに、初期設定情報に基づいて、波長ごとに設定された読出領域の画素値（受光強度）を読出す（ステップＳ２０４）。処理部５０は、読出領域別に読み出した画素値（受光強度）の総和（または、平均値）を算出し、受光強度として算出する（ステップＳ２０６）。そして、処理部５０は、算出された波長別の受光強度のうちピーク波長を特定し、特定したピーク波長からセンサヘッド３０から対象物２までの距離を算出する（ステップＳ２０８）。

計測の終了が指示されなければ（ステップＳ２１０においてＮＯの場合）、ステップＳ２０４以下の処理が繰り返される。

このように、本実施の形態に従う光学計測装置１の処理部５０は、導光部２０を構成する複数のコアに含まれる第１のコアにセンサヘッド３０側から波長λ１をもつ第１の光が与えられたときに、当該第１の光が入射する検出面上の第１の領域（図８に示すスポットＳＰ１１）と、複数のコアに含まれる第２のコアに光学系側から第１の波長の第２の光が与えられたときに、当該第２の光が入射する検出面上の第２の領域（図８に示すスポットＳＰ１２，ＳＰ１３）との位置関係に基づいて、受光部の複数の受光素子によるそれぞれの検出値から距離を算出する。

より具体的には、各スポットの位置関係に基づいて、ＣＭＯＳイメージセンサ４４４の検出面上にそれぞれ読出領域が設定される。

但し、図９に示すような、計測対象の波長に応じてそれぞれ読出領域を決定するのではなく、ＣＭＯＳイメージセンサ４４４の検出面に対して、各波長の受光強度を算出するのに用いられる重み係数を決定するようにしてもよい。例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ４４４の検出面上の任意の点（ｘ，ｙ）に関して、波長λｎ（λ１，λ２，…，λＮ）の各々について重み係数ｆ（λｎ，ｘ，ｙ）を設定し、ＣＭＯＳイメージセンサ４４４による検出結果Ｐ（ｘ，ｙ）に対して、重み係数ｆを用いた加重平均を算出することで、各波長成分の強度を算出することができる。

すなわち、各波長に対応するスポットがいずれの位置に入射するのかという事前情報としての位置関係を用いた各種の統計処理により、任意の後処理方法を採用することができる。

なお、必ずしも局所読出しを行なう必要はなく、ＣＭＯＳイメージセンサ４４４の各受光素子での受光強度（画像情報）を一括して読出し、必要な読出領域の情報のみを利用するようにしてもよい。この方式を用いる場合には、一括読出しを行なうＣＣＤイメージセンサを用いた場合でも、同様の処理を実現できる。

＜Ｆ．検出器の構成および処理：二次元センサ／ＣＣＤイメージセンサ＞
次に、検出器４４として、二次元センサ（ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）イメージセンサ）を採用した構成およびその構成に適した処理について説明する。

図１１は、本実施の形態に従う光学計測装置１において二次元センサ（ＣＣＤイメージセンサ）により実現された検出器４４を説明するための模式図である。図１１を参照して、ＣＣＤイメージセンサ４４６は、検出面上に二次元配置された複数の受光素子を含む。ＣＣＤイメージセンサ４４６は、その行方向または列方向を、分光器４２（図３参照）による分光方向に対応させて配置される。

図１１には、導光部２０（出力側ケーブル２２）に含まれる２つのコア（図３参照）のそれぞれに波長λ１の光を与えたときに検出器４４上に生じる２つのスポットＳＰ１１およびＳＰ１２の一例を示す。併せて、導光部２０（出力側ケーブル２２）に含まれる２つのコアのそれぞれに波長λ２の光を与えたときに検出器４４上に生じる２つのスポットＳＰ２１およびＳＰ２２の一例を示す。説明の便宜上、図１１には、２つの波長λ１およびλ２のスポットを同一の図面に描くが、通常の計測時には、特定の波長成分のみが検出器４４に入射することになる。

ＣＣＤイメージセンサ４４６では、その周囲に配置された周辺回路４４７および４４８により、選択されたライン上の複数の受光素子から画像情報が一括して読出されるので、行方向または列方向を分光方向に対応させるとともに、上述のラインセンサ（一次元センサ）を用いた場合と同様に、複数のコアに含まれる第１のコアにセンサヘッド３０側から波長λ１をもつ第１の光が与えられたときに、検出器４４を構成する複数の受光素子のうち当該第１の光が入射する受光素子が、複数のコアに含まれる第２のコアにセンサヘッド３０側から波長λ１をもつ第２の光が与えられたときに、検出器４４を構成する複数の受光素子のうち当該第２の光が入射する受光素子の少なくとも一部と共通するように構成されることが好ましい。他の波長についても同様である。

図１１に示す例において、波長λ１に対応するスポットＳＰ１１およびスポットＳＰ１２に着目すると、スポットＳＰ１１は、行番号Ｒ１，Ｒ２および列番号Ｃ２，Ｃ３の各交点に対応する４つの受光素子に跨がっており、スポットＳＰ１２については、行番号Ｒ１，Ｒ２および列番号Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８の各交点に対応する６つの受光素子に跨がっている。このように、波長λ１によって生じるスポットＳＰ１１およびスポットＳＰ１２は、いずれも、行番号Ｒ１およびＲ２の選択によって一括して読出される受光素子に入射するように構成される。

一方、波長λ２に対応するスポットＳＰ２１およびスポットＳＰ２２に着目すると、スポットＳＰ２１は、行番号Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７および列番号Ｃ２，Ｃ３の各交点に対応する６つの受光素子に跨がっており、スポットＳＰ２２については、行番号Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７および列番号Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８の各交点に対応する５つの受光素子に跨がっている。このように、波長λ２によって生じるスポットＳＰ２１およびスポットＳＰ２２は、いずれも、行番号Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７の選択によって一括して読出される受光素子に入射するように構成される。

このように、同じ波長の光をそれぞれのコアを介して受光部４０に入射させたときに、検出器４４の検出面に生じるそれぞれのスポットに対応する受光素子の数および列位置（または行位置）は、互いに少なくとも一部が共通するようになっている。このように、同一の波長について生じるスポットの間で、対応する受光素子の数および位置の少なくとも一部を共通にすることで、計測性能を悪化させることなく、光の利用効率を高めることができる。

それ以外の構成および処理については、上述の検出器４４として一次元センサ（ラインセンサ）を採用した構成および処理と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

＜Ｇ．縮小光学系＞
次に、受光部４０に採用する縮小光学系４３について説明する。本実施の形態に従う光学計測装置１では、複数のコアを有する導光部２０を採用するので、対象物２上に複数のスポットが照射され、複数のスポットにそれぞれ対応する複数の反射光が生じることになる。導光部２０を構成する光ファイバのコア径およびコア数、ならびに、検出器４４の受光素子の大きさ、などに依存して、複数の反射光（例えば、図６に示すスポットＳＰ１１およびＳＰ１２など）をそのまま計測することで、疑似的に単一のスポットとみなして処理することもできる。

但し、検出器４４の検出面の大きさについての制約などから、複数の反射光をそのまま計測できない場合もあり、このような場合には、以下に説明するような縮小光学系４３を採用することが好ましい。縮小光学系４３は、検出器４４までの光学経路上に配置され、導光部２０に含まれる複数のコアを伝搬して受光部４０へ入射した対象物２からの反射光のスポット径を縮小化する。

図１２および図１３は、本実施の形態に従う光学計測装置１の受光部４０に含まれる縮小光学系４３の構成例を示す模式図である。図１２には、円状の集束レンズを採用する構成例を示し、図１３には、シリンドリカルレンズを採用する構成例を示す。

図１２を参照して、分光器４２により対象物２からの反射光（計測光）が反射される方向に対応付けて、集束レンズ４３１が配置されている。集束レンズ４３１の断面径としては、対象物２からの反射光が回折され得る角度方向のすべてを包含する大きさに設定される。

また、本実施の形態に従う光学計測装置１では、複数のコアが採用されているので、各コアから照射される反射光（図１２に示す＃１および＃２）がいずれも集束レンズ４３１を通過するように構成される。

集束レンズ４３１によりスポット径が調整された上で検出器４４に入射する（図１２のＳＰＯＴ１およびＳＰＯＴ２）。このように、複数のコアを採用することにより生じる、対象物２上の複数のスポットは、縮小光学系により疑似的に単一のスポットとみなせる大きさに調整した上で計測される。

図１３に示す縮小光学系の構成は、図６（Ｂ）に示すような楕円状のスポットを形成する場合などに用いられる。Ｙ−Ｚ平面に曲面を有するシリンドリカルレンズ４３２を採用することで、スポット径をＹ方向に縮小する一方で、Ｘ方向の大きさは維持される。すなわち、シリンドリカルレンズ４３２を用いた縮小光学系は、対象物２からの反射光のスポット径を、検出器４４の検出面の縦横比率に応じた特定方向により大きく縮小するように構成されている。

なお、図１３には、一体型のシリンドリカルレンズを採用する例を示すが、スポットの数（すなわち、コアの数）に応じて、シリンドリカルレンズの連数を調整してもよい。

このように、複数のコアを採用することにより生じる、対象物２上の複数のスポットは、縮小光学系により疑似的に単一のスポットとみなせる大きさに調整した上で計測される。また、受光素子の幅方向の長さを大きくすることが難しい一次元センサ（ラインセンサ）を採用した場合には、スポット形状を幅方向に圧縮できる構成を採用することで、より多くのコアを含む導光部の採用を容易化できる。

＜Ｈ．導光部のコア径／コアピッチ＞
次に、本実施の形態に従う光学計測装置１において採用する複数のコアを含む導光部２０に適した構成の一例について説明する。

ファイババンドル内に複数のコアを配置した場合には、隣接するコア間の間隔が重要になる。例えば、隣接するコア間の間隔が狭くなると、ある共焦点をもつファイバに対象物２から反射してきた当該共焦点以外の波長の光が入光する現象（以下、「クロストーク」とも称す。）が生じ得る。そこで、クロストークの影響を軽減できるように、隣接するコア間の距離を最適化する必要がある。

図１４は、４つのコアを含むバンドルファイバの断面形状の一例を示す図である。図１４には、所定のコア径およびクラッド径を有するファイバを４本収容するバンドルファイバを示す。図１４（Ａ）には、クラッドが隣接している構成（クラッド隣接）を示すのに対して、図１４（Ｂ）には、クラッドの周囲に何らかの構造物（被覆等）を設けることでピッチを拡大している構成（ピッチ拡大）を示す。

図１５は、図１４に示すバンドルファイバにおいて生じるクロストーク量を評価した結果例を示す図である。図１５に示す評価結果は、あるコアを伝搬する光が隣接するコアへ漏れ出す量を評価したものであり、複数のコアの一端のそれぞれに波長λの光を与えたときに、あるコアの他端で受光される光のスペクトルをシミュレーションにて算出した結果である。図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）には、他のコアからの影響（クロストーク）が存在しない場合と、クロストークを考慮した場合とをそれぞれ比較して示す。

図１５（Ａ）に示す評価結果によれば、図１４（Ａ）に示す構成では、クロストークにより基準波形（クロストークが存在しない場合の波形）に対してある程度の影響が生じる。これに対して、図１５（Ｂ）に示す評価結果によれば、図１４（Ｂ）に示す構成では、クロストークにより基準波形（クロストークが存在しない場合の波形）に対して約半分の影響しか生じない。

このように、本実施の形態に従う光学計測装置１では、少なくとも、センサヘッド３０に接続される端面がクロストークを低減したコア配置になっている光ファイバをヘッド側ケーブル２４として採用することが好ましい。

このように、本実施の形態に従う光学計測装置１の導光部２０においては、共焦点外の反射光が入射する（クロストーク）ことを抑制するように、隣接するコアのピッチおよび配置が設計される。

＜Ｉ．導光部の光ファイバ端面形状＞
次に、本実施の形態に従う光学計測装置１において採用する導光部２０を構成する光ファイバの端面形状の一例について説明する。白色共焦点方式の光学計測装置では、対象物２に対して照射光を照射し、その反射光に基づいて、センサヘッド３０から対象物２までの距離を算出する。照射光が対象物２に照射されることなく、光ファイバの射出端面にてそのまま反射されると、計測誤差の原因となり得る。そのため、光ファイバの端面での反射を極力低減することが好ましい。

図１６は、光ファイバの端面での光の挙動を説明するための模式図である。図１６に示すように、光ファイバのコア２０２を伝搬する照射光Ｐ_０のうちいくらかは、端面にて反射成分Ｐ_Ｒとなり得る。反射成分Ｐ_Ｒは、コア／クラッド界面に入射し、その屈折率の差に応じた所定比率分だけコア２０２内の戻り光となる。

但し、反射成分Ｐ_Ｒがコア／クラッド界面に入射する角度が、コア／クラッド界面の臨界角θｃより大きければ、反射成分Ｐ_Ｒの大部分はクラッド２０４側に入射し、コア２０２を逆戻りすることはない。

そこで、光ファイバの端面の傾斜角θ（コアの光軸方向に垂直な面からの角度変位）を大きくすることで、コア／クラッド界面での反射成分Ｐ_Ｒの反射率を小さくし、入射光によって生じ得る戻り光の成分を低減する。

すなわち、本実施の形態に従う光学計測装置１では、導光部２０からセンサヘッド３０へ照射光を射出する端面が導光部２０におけるコアとクラッドとの界面の臨界角より大きな角度の傾斜角をもつように設定されることで、計測誤差となり得る戻り光を低減する。

ファイバ端面での反射光が大きくなると計測光が反射光に埋もれてしまうため分解能が悪化し、あるいは、場合によっては計測光量が低いために計測不能になることもあるが、このような光ファイバ端面の傾斜角を最適化することで、対象物２からの計測光にとってノイズとなるファイバ端面での反射光が低減され、より反射率の低い測定対象物まで計測可能となる。その結果として、ダイナミックレンジを向上できる。

＜Ｊ．クラッド伝搬の軽減＞
導光部に用いられる光ファイバには、コアからしみ出した光、および、光源１０において直接クラッドに入射する光がクラッドを伝搬する、クラッド伝搬と称される現象が生じ得る。このようなクラッド伝搬によるノイズを低減するために、カプラ２３１，２３２と受光部４０とを光学的に接続される出力側ケーブル２２を棒状の部材の回りに巻き付けられるように配置してもよい。

このように光ファイバを巻くことで、クラッドを伝搬するノイズとなる成分を低減し、ダイナミックレンジを向上できる。

＜Ｋ．スポット照射パターンの動的変更＞
本実施の形態に従う光学計測装置１は、複数のコアからそれぞれ照射光を照射するとともに、それぞれの照射光によって生じた対象物２からの反射光を計測することで、疑似的に単一のスポットに照射しているとみなして処理する。この照射光の照射パターンを適宜変更することで、対象物２に応じた計測を実現することもできる。以下、スポット照射パターンを動的に変更する処理について説明する。

図１７は、本実施の形態に従う光学計測装置１による対象物２への照射光の照射状態を説明するための模式図である。図１７（Ａ）には、ヘッド側ケーブル２４が４つのコアを含む場合を例示し、センサヘッド３０から対象物２に対して、４つのコアにそれぞれ対応する照射光（ビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）が照射されている状態を示す。この４つのビームを包含する円状のスポット３００を計測範囲とみなすことができる。

図１７（Ｂ）および図１７（Ｃ）には、４つのコアのうち２つのコアからのみ照射光を照射している状態を示す。すなわち、図１７（Ｂ）に示す状態では、ビームＢ１およびＢ３のみが照射されており、図１７（Ｃ）に示す状態では、ビームＢ２およびＢ４のみが照射されている。図１７（Ｂ）および図１７（Ｃ）に示す状態においては、それぞれ楕円状のスポット３０２および３０４を計測範囲とみなすことができる。

このように、照射パターンを適宜変更することで、対象物２の形状に応じた計測を実現することができる。

図１８は、図１７に示す照射パターンの変更の応用例を説明するための模式図である。図１８を参照して、例えば、複数の段状の部位が形成されている対象物２の表面形状を計測する場合には、平面状の部位については、すべての照射光を照射して、ダイナミックレンジを向上させることが好ましい。あるいは、対象物２の表面が粗い場合には、計測範囲を広くすることで情報を均一化させる方が好ましい状況もあり得る。

これに対して、表面の高さが大きく変化する場所については、計測範囲を段状部材の長手方向に延びる楕円状に変更して計測することで、段状部材に起因する表面高さの変位をより感度よく計測することができる。

例えば、ある走査方向に照射光を照射していくようなアプリケーションを想定すると、段状部材が存在する前後の範囲（Ｘ１〜Ｘ２の範囲およびＸ３以降の範囲）において、計測範囲を楕円状に変更し、それ以外の区間では、計測範囲を円状に維持して計測するような形態が想定される。

図１９は、本実施の形態に従う別の光学計測装置１＃の装置構成を示す模式図である。図１９を参照して、図１７および図１８に示すような照射パターンを動的に変更する場合には、光源１０の照射側にマルチプレクサ１２を設けて、状況に応じて、必要なコアに照射光を選択的に与えるようにしてもよい。マルチプレクサ１２は、光源１０からの照射光を導光部２０に含まれる複数のコアのそれぞれに選択的に与えることができる選択部に相当する。なお、マルチプレクサ１２に限らず、照射光を与えるコアを選択できる光学デバイスであれば、どのようなものを用いてもよい。

入力側ケーブル２１＃および出力側ケーブル２２＃としては、例えば、いずれも４つのコアを含むバンドルファイバが採用される。入力側ケーブル２１＃のそれぞれのコアの一端は、マルチプレクサ１２から出力されるそれぞれのチャネルと光学的に接続される。また、入力側ケーブル２１＃のそれぞれのコアの他端は、コア別に設けられた２×１スターカプラと光学的に接続される。出力側ケーブル２２＃のそれぞれのコアの一端は、２×１スターカプラと光学的にそれぞれ接続され、出力側ケーブル２２＃のそれぞれのコアの他端は受光部４０と光学的に接続される。このような構成を採用することで、センサヘッド３０からの各照射光（ビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）の照射／停止を互いに独立して制御することができる。

処理部５０＃は、図１７に示すような対象物２の形状に応じて、マルチプレクサ１２に対して最適な照射パターンを実現するための選択指令を与える。すなわち、処理部５０＃は、対象物２への照射光の照射に用いるコアを切り替える。

上述のような構成を採用することで、計測のダイナミックレンジを向上させるとともに、対象物２の形状に応じて最適な計測を実現することができる。

＜Ｌ．利点＞
上述したように、本実施の形態に係る光学計測装置１では、光源１０からセンサヘッド３０までの導光部、および、センサヘッド３０から受光部４０までの導光部として、複数のコアを採用することで、導光部内の伝搬損失を低減し、より多くの反射光を検出できるように構成される。これによって、従来構成に比較して、光の利用効率を高めて、より高いサンプリングレートを実現できる。

また、本実施の形態に従う光学計測装置１は、コアピッチおよびコア端面の形状などを最適化することで、クロストークの影響および戻り光によるノイズ成分を低減し、ダイナミックレンジを向上できる。

上述した実施の形態の全部ではなく、構成の一部を適宜組み合わせるようにすることもできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ 光学計測装置、２ 計測対象物（対象物）、１０ 光源、１２ マルチプレクサ、２０，２０Ａ 導光部、２１，２１Ａ 入力側ケーブル、２２，２２Ａ 出力側ケーブル、２３ 合波／分波部、２３Ａ，２３１，２３２ カプラ、２４，２４Ａ ヘッド側ケーブル、３０ センサヘッド、３２ 色収差ユニット、３４ 対物レンズ、４０ 受光部、４１ コリメートレンズ、４２ 分光器、４３ 縮小光学系、４４ 検出器、４５ 読出回路、５０ 処理部、２０２ コア、２０４ クラッド、２０６ 被覆、２０８ 外装、２４１，２４３，２４５ ケーブル、２４２ 多芯コネクタ、４０４ ケーブル固定部材、４３１ 集束レンズ、４３２ シリンドリカルレンズ、４４０ ラインセンサ、４４２ 受光素子、４４４，４４６ イメージセンサ、４４７ 周辺回路。

Claims (10)

1. 複数の波長成分を有する照射光を発生する光源と、
   前記光源からの照射光に対して軸上色収差を生じさせるとともに、光軸の延長線上に少なくともその一部が配置される計測対象物からの反射光を受光する光学系と、
   前記光学系で受光される反射光を各波長成分に分離する分光器と、前記分光器による分光方向に対応させて複数の受光素子が一次元配置された検出器とを含む、受光部と、
   前記光学系と前記受光部とを光学的に接続する複数のコアを含む導光部と、
   前記受光部の複数の受光素子によるそれぞれの検出値に基づいて、前記光学系から前記計測対象物までの距離を算出する処理部とを備え、
   前記導光部および前記受光部は、前記複数のコアに含まれる第１のコアに前記光学系側から第１の波長の第１の光が与えられたときに、前記複数の受光素子のうち当該第１の光が入射する受光素子が、前記複数のコアに含まれる第２のコアに前記光学系側から前記第１の波長の第２の光が与えられたときに、前記複数の受光素子のうち当該第２の光が入射する受光素子の少なくとも一部と共通するように、構成され、
   前記光学系は、前記受光部に入射する光の断面形状が前記複数の受光素子の配列方向に長い楕円形状となるように構成される、光学計測装置。
2. 前記受光部と光学的に接続される導光部は、それに含まれる複数のコアの並び方向が、前記複数の受光素子の配列方向とは直交する方向に対応付けて配置される、請求項１に記載の光学計測装置。
3. 前記処理部は、単一の受光素子に前記複数のコアのそれぞれから照射された複数の光が入射して生じる検出値を一括して取得する、請求項１または２に記載の光学計測装置。
4. 複数の波長成分を有する照射光を発生する光源と、
   前記光源からの照射光に対して軸上色収差を生じさせるとともに、光軸の延長線上に少なくともその一部が配置される計測対象物からの反射光を受光する光学系と、
   前記光学系で受光される反射光を各波長成分に分離する分光器と、検出面上に複数の受光素子が二次元配置された検出器とを含む、受光部と、
   前記光学系と前記受光部とを光学的に接続する複数のコアを含む導光部と、
   前記光学系から前記計測対象物までの距離を算出する処理部とを備え、
   前記処理部は、前記複数のコアに含まれる第１のコアに前記光学系側から第１の波長の第１の光が与えられたときに、当該第１の光が入射する前記検出面上の第１の領域と、前記複数のコアに含まれる第２のコアに前記光学系側から前記第１の波長の第２の光が与えられたときに、当該第２の光が入射する前記検出面上の第２の領域との位置関係に基づいて、前記受光部の複数の受光素子によるそれぞれの検出値から距離を算出し、
   前記処理部は、前記複数のコアから照射される同一の波長の光のスポットが前記検出器の検出面上に入射することで生じる強度分布に基づいて、各波長の検出に適合する領域を推定する、光学計測装置。
5. 前記処理部は、前記検出器の検出面のうち、前記反射光に含まれ得る各波長の検出に用いるそれぞれの部分領域を決定する、請求項４に記載の光学計測装置。
6. 前記受光部は、前記検出器までの光学経路上に配置され、前記導光部に含まれる複数のコアを伝搬して前記受光部へ入射した前記計測対象物からの反射光のスポット径を縮小化する縮小光学系をさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学計測装置。
7. 前記縮小光学系は、前記計測対象物からの反射光のスポット径を、前記検出器の検出面の縦横比率に応じた特定方向により大きく縮小するように構成されている、請求項６に記載の光学計測装置。
8. 前記光源からの照射光を前記導光部に含まれる複数のコアのそれぞれに選択的に与えることができる選択部をさらに備え、
   前記処理部は、前記計測対象物の形状に応じて、前記計測対象物への照射光の照射に用いるコアを切り替える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学計測装置。
9. 前記導光部から前記光学系へ照射光を射出する端面は、前記導光部におけるコアとクラッドとの界面の臨界角より大きな角度の傾斜角をもつように構成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学計測装置。
10. 前記導光部は、棒状の部材の回りを巻き付けられるように配置された光ファイバを含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学計測装置。

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