JP6130805B2 - Distance measuring apparatus and method - Google Patents

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本発明は、距離測定技術に関し、特に物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて物体までの対物距離を測定する光学的距離測定技術に関する。   The present invention relates to a distance measurement technique, and more particularly to an optical distance measurement technique for irradiating and reflecting light on an object and measuring an objective distance to the object based on the reflected light.

レーザー光等の光を用いて、物体までの対物距離を非接触で測定できる光学的測定装置が知られている。このような光学的測定装置は、単に物体までの対物距離を測定するだけではなく、物体の表面形状測定や、薄膜の厚さ測定等、様々な用途への応用が考えられている。   2. Description of the Related Art An optical measuring apparatus that can measure an objective distance to an object in a non-contact manner using light such as laser light is known. Such an optical measuring apparatus is not only for measuring an objective distance to an object, but is also considered to be applied to various uses such as measuring the surface shape of an object and measuring the thickness of a thin film.

このような光学的測定装置としては、例えば、レーザー光を物体の表面に対して斜めに照射し、その反射光が到達した位置に基づいて、表面までの距離を三角測量の原理で算出するものが知られている。このような方式の光学的測定装置は装置構成が比較的単純であるため、安価な測定装置として広く普及している。しかしながら、反射面の傾きが距離の測定値に直接影響してしまう方式であるため、測定対象である物体の表面が平坦でない場合には測定誤差が大きくなる。   As such an optical measuring device, for example, laser light is irradiated obliquely to the surface of an object, and the distance to the surface is calculated based on the principle of triangulation based on the position where the reflected light has reached. It has been known. Such an optical measuring apparatus is widely used as an inexpensive measuring apparatus because the apparatus configuration is relatively simple. However, since the tilt of the reflecting surface directly affects the distance measurement value, the measurement error increases when the surface of the object to be measured is not flat.

これに対し、物体の表面が平坦でない場合にも適用できる距離測定装置として、光の干渉を利用する方式の光学的測定装置が提案されている。例えば、下記特許文献1に記載された光学的測定装置では、物体の被測定点に光を照射して反射させ、その反射光が、干渉縞の検出面であるCCDイメージセンサに到達するような構成となっている。   On the other hand, as a distance measuring device that can be applied even when the surface of an object is not flat, an optical measuring device that uses light interference has been proposed. For example, in the optical measuring apparatus described in Patent Document 1 below, light is irradiated to a measurement point of an object and reflected, and the reflected light reaches a CCD image sensor which is an interference fringe detection surface. It has a configuration.

被測定点とCCDイメージセンサとの間には光学レンズ系が配置されており、反射光は当該光学レンズ系を通ってCCDイメージセンサに到達する。光学レンズ系は、被測定点からの反射光が複数の光路をそれぞれ通過した後、CCDイメージセンサに重ねて照射されるように構成されたものである。それぞれの光路の光路長は互いに異なっているため、CCDイメージセンサ上には光路差に起因して干渉縞が生じる。   An optical lens system is disposed between the measurement point and the CCD image sensor, and the reflected light reaches the CCD image sensor through the optical lens system. The optical lens system is configured such that the reflected light from the point to be measured passes through a plurality of optical paths and is then irradiated on the CCD image sensor. Since the optical path lengths of the respective optical paths are different from each other, interference fringes are generated on the CCD image sensor due to the optical path difference.

当該干渉縞の縞間隔は、被測定点とCCDイメージセンサとの対物距離に応じて変化する。従って、この光学的測定装置では、CCDイメージセンサの出力から得られた縞間隔に基づいて、被測定点までの対物距離が算出される。   The fringe spacing of the interference fringes changes according to the objective distance between the measurement point and the CCD image sensor. Therefore, in this optical measuring device, the objective distance to the measurement point is calculated based on the fringe interval obtained from the output of the CCD image sensor.

特開2004−28977号公報JP 2004-28977 A

しかしながら、このような従来技術では、互いに光路長の異なる複数の光路を生じさせるため、光学レンズ系を配置する必要があるが、このような光学レンズ系は、精密な研磨加工を要する多重焦点レンズや球体レンズ等によって構成される。したがって、このような光学レンズ系は、一般に高価となり、また精密な組み立てを必要とする。このため、距離測定装置のコストが増大するという問題点があった。   However, in such a conventional technique, it is necessary to arrange an optical lens system in order to generate a plurality of optical paths having different optical path lengths. Such an optical lens system is a multifocal lens that requires precise polishing. Or a spherical lens. Accordingly, such optical lens systems are generally expensive and require precise assembly. For this reason, there existed a problem that the cost of a distance measuring device increased.

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、簡素な構成の光学レンズ系により、物体までの対物距離を正確に測定することができる距離測定装置を提供することを目的としている。   An object of the present invention is to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a distance measuring device capable of accurately measuring an objective distance to an object with an optical lens system having a simple configuration.

このような目的を達成するために、本発明にかかる距離測定装置は、物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定装置であって、前記物体からの前記反射光を回折させる回折格子と、前記回折格子からの前記回折光を結像面に集光させる集光レンズと、前記結像面上に配置されて、前記回折光のうち、予め設定された異なる2つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断するスペイシアルフィルタと、前記スペイシアルフィルタを通過した異なる2つの次数の回折光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部とを備えている。   In order to achieve such an object, a distance measuring device according to the present invention is a distance measuring device that irradiates and reflects light on an object, and measures an objective distance to the object based on the reflected light. A diffraction grating that diffracts the reflected light from the object, a condensing lens that condenses the diffracted light from the diffraction grating on an imaging surface, and is disposed on the imaging surface, Among them, a spatial filter that allows only two different orders of diffracted light to pass through and blocks other orders of diffracted light, and two different orders of diffracted light that have passed through the spatial filter, are used for detecting the surface. A light detection element for detecting the generated interference fringe, and a detection result obtained by the light detection element are arithmetically processed to extract the pitch of the interference fringe, and based on this pitch, the light from the condenser lens to the object is extracted. Objective distance And a distance calculating unit for output.

また、本発明にかかる上記距離測定装置の一構成例は、前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記集光レンズから前記検出面までの距離をLとし、前記回折格子の回折格子間隔をdとし、前記スペイシアルフィルタを通過する回折光の次数差をmとした場合、前記集光レンズから前記物体までの対物距離aは、後述する式(12)で求めるようにしたものである。 Further, in one configuration example of the distance measuring device according to the present invention, the focal length of the condenser lens is f, the distance from the condenser lens to the detection surface is L, and the diffraction grating interval of the diffraction grating is When d is the order difference of the diffracted light passing through the spatial filter, m, the objective distance a from the condenser lens to the object is obtained by the following equation (12).

また、本発明にかかる他の距離測定装置は、物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定装置であって、前記物体からの前記反射光を結像面に集光させる集光レンズと、前記集光レンズで集光された前記反射光を回折させる回折格子と、前記結像面上に配置されて、前記回折格子からの回折光のうち、予め設定された異なる2つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断するスペイシアルフィルタと、前記スペイシアルフィルタを通過した異なる2つの次数の回折光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部とを備えている。Another distance measuring device according to the present invention is a distance measuring device that irradiates and reflects light on an object, and measures an objective distance to the object based on the reflected light. A condensing lens for condensing the reflected light on the imaging surface, a diffraction grating for diffracting the reflected light collected by the condensing lens, and a diffraction grating disposed on the imaging surface and diffracted from the diffraction grating Detected by a spatial filter that allows only two different orders of diffracted light to pass through and blocks other orders of diffracted light, and two different orders of diffracted light that have passed through the spatial filter. A light detection element for detecting interference fringes generated on the surface; and a detection result obtained by the light detection element is processed to extract a pitch of the interference fringes, and the object is extracted from the condenser lens based on the pitch. Objective distance up to And a distance calculating unit for output.

また、本発明にかかる上記距離測定装置の一構成例は、前記物体からの前記反射光を平行光とする対物レンズをさらに備え、前記回折格子は、前記対物レンズからの前記平行光を回折させるようにしたものである。   In addition, one configuration example of the distance measuring device according to the present invention further includes an objective lens that uses the reflected light from the object as parallel light, and the diffraction grating diffracts the parallel light from the objective lens. It is what I did.

また、本発明にかかる上記距離測定方法は、物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定方法であって、前記物体からの前記反射光を回折格子により回折させる回折ステップと、前記回折格子からの前記回折光を集光レンズにより結像面に集光させる集光ステップと、前記結像面上に集光した前記回折光のうち、予め設定された異なる2つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断する回折光選択ステップと、選択された前記異なる2つの次数の回折光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出ステップと、前記光検出ステップにより得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出ステップとを備えている。 The distance measuring method according to the present invention is a distance measuring method for irradiating and reflecting light on an object, and measuring an objective distance to the object based on the reflected light, wherein the reflection from the object is performed. A diffraction step for diffracting light by a diffraction grating , a condensing step for condensing the diffracted light from the diffraction grating onto an image forming surface by a condensing lens, and the diffracted light collected on the image forming surface. A diffracted light selection step that allows only two different orders of diffracted light to pass through and blocks other orders of diffracted light; and interference generated on the detection surface by the selected two different orders of diffracted light A light detection step for detecting fringes, and a calculation result of the detection result obtained by the light detection step to extract the pitch of the interference fringes, and based on this pitch, the objective distance from the condenser lens to the object is calculated. And a distance calculation step of leaving.

本発明によれば、回折格子とスペイシアルフィルタという極めて簡素な光学要素で、物体からの反射光から異なる2つの次数の回折光が選択されて、対物距離に応じて干渉縞ピッチが変化する干渉縞が、検出面上に発生する。
したがって、従来の精密な研磨加工を要する多重焦点レンズや球体レンズを用いる必要がなくなり、高価な光学系レンズやその精密な組み立てを省くことができる。このため、比較的安価なコストで、物体までの距離を正確に測定することができる距離測定装置を実現することができる。
According to the present invention, an extremely simple optical element such as a diffraction grating and a spatial filter selects two different orders of diffracted light from reflected light from an object, and the interference fringe pitch changes according to the objective distance. Stripes are generated on the detection surface.
Therefore, it is not necessary to use a conventional multifocal lens or spherical lens that requires precise polishing, and an expensive optical lens and its precise assembly can be omitted. Therefore, it is possible to realize a distance measuring device that can accurately measure the distance to an object at a relatively low cost.

第1の実施の形態にかかる距離測定装置の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the distance measuring device concerning 1st Embodiment. スペイシアルフィルタの構成例である。It is a structural example of a spatial filter. 本発明にかかる距離計測原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the distance measurement principle concerning this invention. 回折格子での回折を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the diffraction in a diffraction grating. 異なる次数の回折光と光スポット間隔との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the diffracted light of a different order, and a light spot space | interval. 光スポット間隔と光路差との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between a light spot space | interval and an optical path difference. 検出面に生じた干渉縞を示す画像例である。It is an example of an image which shows the interference fringe which arose on the detection surface. 光検出素子で得られた検出結果の解析例である。It is an example of analysis of the detection result obtained with the photon detection element. 第2の実施の形態にかかる距離測定装置の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the distance measuring device concerning 2nd Embodiment. 対物距離と干渉縞ピッチとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an objective distance and interference fringe pitch.

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[第1の実施の形態]
まず、図1を参照して、本発明の第1の実施の形態にかかる距離測定装置10について説明する。図1は、第1の実施の形態にかかる距離測定装置の構成を示す説明図である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
First, with reference to FIG. 1, the distance measuring apparatus 10 concerning the 1st Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the distance measuring apparatus according to the first embodiment.

この距離測定装置10は、距離の測定対象となる物体Tに光を照射して反射させ、その反射光に基づいて物体Tまでの対物距離を測定する機能を有している。
図1に示すように、距離測定装置10には、主な構成として、光源11、光源レンズ12、ビームスプリッタ13、回折格子14、集光レンズ15、スペイシアルフィルタ16、光検出素子17、および距離算出部18が設けられており、これらがケーシング(図示せず)内部に収納されている。
This distance measuring device 10 has a function of irradiating and reflecting light on an object T to be measured for distance, and measuring an objective distance to the object T based on the reflected light.
As shown in FIG. 1, the distance measuring device 10 includes a light source 11, a light source lens 12, a beam splitter 13, a diffraction grating 14, a condensing lens 15, a spatial filter 16, a light detection element 17, and a main configuration. A distance calculation unit 18 is provided, and these are housed inside a casing (not shown).

光源11は、距離測定に用いる単一波長の光(単色光)を発する装置である。光源11としては、半導体レーザー装置、ナトリウムランプのような単色光や、白色光源と狭帯域バンドパスフィルタにより単一波長化された光を発する装置を用いることができる。
光源レンズ12は、光源11から発せられた光を集光してビームスプリッタ13へ出力する機能を有している。
The light source 11 is a device that emits light of a single wavelength (monochromatic light) used for distance measurement. As the light source 11, it is possible to use a monochromatic light such as a semiconductor laser device or a sodium lamp, or a device that emits light having a single wavelength by a white light source and a narrow band-pass filter.
The light source lens 12 has a function of condensing the light emitted from the light source 11 and outputting it to the beam splitter 13.

ビームスプリッタ13は、集光学系の光路O上に配置されて、光源レンズ12で集光された光源11からの光を反射して、光路Oに沿って物体Tの光スポットAに照射する機能と、光スポットAで拡散反射された反射光のうち、光路O方向に反射された反射光を集光レンズ15へ透過させる機能を有している。   The beam splitter 13 is disposed on the optical path O of the light collecting system, reflects the light from the light source 11 collected by the light source lens 12, and irradiates the light spot A of the object T along the optical path O. Among the reflected light diffusely reflected by the light spot A, the reflected light reflected in the direction of the optical path O is transmitted to the condenser lens 15.

回折格子14は、光路O上に配置されて、ビームスプリッタ13を透過した物体Tからの反射光を回折する機能を有している。
集光レンズ15は、例えば凸レンズからなり、光路O上に配置されて、ビームスプリッタ13を透過した物体Tからの反射光または回折格子14からの回折光を結像面Qに集光する機能を有している。
The diffraction grating 14 is disposed on the optical path O and has a function of diffracting the reflected light from the object T transmitted through the beam splitter 13.
The condensing lens 15 is composed of, for example, a convex lens, and is disposed on the optical path O, and has a function of condensing the reflected light from the object T transmitted through the beam splitter 13 or the diffracted light from the diffraction grating 14 onto the imaging plane Q. Have.

集光レンズ15の位置については、ビームスプリッタ13から結像面Qまでの範囲であれば、集光レンズ15の前後、いずれの位置に配置してもよい。例えば、回折格子14がビームスプリッタ13と集光レンズ15との間に配置されている場合、回折格子14からの回折光が集光レンズ15を介して結像面Qに結像される。また、回折格子14が集光レンズ15とスペイシアルフィルタ16との間に配置されている場合、集光レンズ15で集光された反射光が回折格子14で回折された後、結像面Qに結像される。   About the position of the condensing lens 15, as long as it is the range from the beam splitter 13 to the image plane Q, you may arrange | position in any position before and behind the condensing lens 15. FIG. For example, when the diffraction grating 14 is disposed between the beam splitter 13 and the condenser lens 15, the diffracted light from the diffraction grating 14 is imaged on the imaging plane Q via the condenser lens 15. When the diffraction grating 14 is disposed between the condenser lens 15 and the spatial filter 16, the reflected light collected by the condenser lens 15 is diffracted by the diffraction grating 14, and then the image plane Q Is imaged.

スペイシアルフィルタ16は、結像面Q上に配置されて、回折格子14からの回折光のうち、予め設定された異なる2つの次数の回折光のみを選択的に通過させ、他の次数の回折光を遮断する機能を有している。   The spatial filter 16 is disposed on the image plane Q, and selectively passes only two different orders of diffracted light among the diffracted lights from the diffraction grating 14, and diffracts of other orders. It has a function to block light.

図2は、スペイシアルフィルタの構成例である。回折格子14からの回折光は、集光レンズ15により結像面Q上にそれぞれの次数に応じた光スポットSPに結像する。スペイシアルフィルタ16は、全体として光を遮光する平板形状の遮光板からなり、結像面Q上の光スポットSPを利用して、予め設定された異なる2つの次数に応じた光スポットSPの位置にそれぞれ透光穴H1,H2を設けたものである。   FIG. 2 is a configuration example of the spatial filter. The diffracted light from the diffraction grating 14 is focused on the light spot SP corresponding to the respective order on the image plane Q by the condenser lens 15. The spatial filter 16 is composed of a flat light shielding plate that shields light as a whole, and uses the light spot SP on the imaging plane Q to position the light spot SP according to two different orders set in advance. Are provided with translucent holes H1 and H2, respectively.

これら透光穴H1,H2は、測定可能な対物距離aの範囲を示す測定スパンに基づいて、予め設定された異なる2つの次数の回折光のみを通過させる位置および大きさで形成されている。これにより、予め設定された異なる2つの次数の回折光だけがスペイシアルフィルタ16の透光穴を通過し、他の次数の回折光が遮断されることになる。   These translucent holes H1 and H2 are formed at positions and sizes that allow only two different orders of diffracted light to pass through based on a measurement span indicating the range of measurable objective distance a. As a result, only two different orders of diffracted light set in advance pass through the light transmitting holes of the spatial filter 16, and other orders of diffracted light are blocked.

光検出素子17は、検出面Iに生じた、スペイシアルフィルタ16を通過した2つの次数の回折光からなる干渉縞を検出し、検出結果を出力する機能を有している。光検出素子17としては、例えば、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)リニアイメージセンサや、フォトダイオードアレイなどの一次元上に配置した受光素子が利用できる。
距離算出部18は、CPUを用いた演算処理回路からなり、光検出素子17で得られた検出結果を演算処理して干渉縞の周期長を抽出し、得られた周期長に基づいて集光レンズ15から物体Tまでの対物距離を算出する機能を有している。
The light detection element 17 has a function of detecting an interference fringe generated on the detection surface I and formed of two orders of diffracted light passing through the spatial filter 16 and outputting a detection result. As the photodetecting element 17, for example, a CCD (Charge Coupled Device), a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) linear image sensor, or a light receiving element arranged in one dimension such as a photodiode array can be used.
The distance calculation unit 18 includes an arithmetic processing circuit using a CPU, extracts the period length of the interference fringes by performing arithmetic processing on the detection result obtained by the light detection element 17, and collects light based on the obtained period length. It has a function of calculating the objective distance from the lens 15 to the object T.

[距離計測の原理]
次に、図3〜図6を参照して、本発明にかかる距離計測装置10で用いる距離計測の原理について説明する。図3は、本発明にかかる距離計測原理を示す説明図である。図4は、回折格子での回折を示す説明図である。図5は、異なる次数の回折光と光スポット間隔との関係を示す説明図である。図6は、光スポット間隔と光路差との関係を示す説明図である。
[Principle of distance measurement]
Next, the principle of distance measurement used in the distance measuring apparatus 10 according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the principle of distance measurement according to the present invention. FIG. 4 is an explanatory diagram showing diffraction by the diffraction grating. FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the diffracted light of different orders and the light spot interval. FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the light spot interval and the optical path difference.

なお、図3では、距離計測装置10のうち、集光学系のみを要部として示し、投影光学系については省略してある。また、図3〜図6において、回折格子14における格子の長手方向(紙面垂直方向)をX方向とし、格子の周期方向(紙面上下方向)をY方向とし、格子面に垂直な方向(紙面左右方向)をZ方向とする。
また、本来、レンズには光の入射方向に応じて2つの主点があり、それぞれの位置が異なるが、以下では、数式の複雑化を避けるため、集光レンズ15が薄肉単レンズからなり、主点がレンズ中心に1つだけ存在すると仮定して、各式を導出した。
In FIG. 3, only the light collection system of the distance measuring device 10 is shown as the main part, and the projection optical system is omitted. 3 to 6, the longitudinal direction of the diffraction grating 14 (the vertical direction on the paper surface) is the X direction, the periodic direction of the grating (the vertical direction on the paper surface) is the Y direction, and the direction perpendicular to the grating surface (the left and right sides of the paper surface) Direction) is the Z direction.
In addition, the lens originally has two principal points depending on the incident direction of light, and the positions thereof are different, but in the following, in order to avoid complication of the mathematical expression, the condenser lens 15 is composed of a thin single lens, Assuming that there is only one principal point at the lens center, each equation was derived.

図3に示すように、物体Tから主点Mすなわち集光レンズ15の位置までの対物距離をaとし、主点から結像面Qすなわちスペイシアルフィルタ16までの距離をbとし、集光レンズ15の焦点距離をfとした場合、これらの関係は、結像の公式(レンズの公式)により、次の式(1)で表される。
As shown in FIG. 3, the objective distance from the object T to the principal point M, that is, the position of the condenser lens 15, is a, the distance from the principal point to the imaging plane Q, that is, the spatial filter 16, is b, and the condenser lens. When the focal length of 15 is f, these relationships are expressed by the following formula (1) by the imaging formula (lens formula).

この式(1)からも分かるように、集光レンズ15から物体Tまでの対物距離aの変化に応じて、結像面Qの位置も変化するものとなる。
また、図4に示すように、回折格子14の回折格子間隔をdとし、回折次数をn(n=0,±1,±2,…)とし、光源波長をλとし、各回折光の回折角θnとした場合、隣接する回折光間の光路差ΔLは、次の式(2)で表される。
As can be seen from this equation (1), the position of the imaging plane Q also changes according to the change in the objective distance a from the condenser lens 15 to the object T.
Further, as shown in FIG. 4, the diffraction grating interval of the diffraction grating 14 is d, the diffraction order is n (n = 0, ± 1, ± 2,...), The light source wavelength is λ, and the rotation of each diffracted light. When the folding angle θn is used, the optical path difference ΔL between adjacent diffracted lights is expressed by the following equation (2).

さらに、図5に示すように、格子により回折を受けた回折光は、集光レンズ15により、結像面Q上のY方向に複数の光スポットを形成する。ここで、異なる2つの次数n,n’の回折光の回折角をθn,θn’とし、これら回折光による光スポットをAn,An‘とし、結像面Q上における次数0の回折光による光スポットA0から光スポットAn,An‘までのY方向に沿った距離をW1,W2とした場合、これら光スポットAn,An‘のY方向のずれ幅Wは、次の式(3)で表される。
Further, as shown in FIG. 5, the diffracted light diffracted by the grating forms a plurality of light spots in the Y direction on the imaging plane Q by the condenser lens 15. Here, the diffraction angles of two different orders n and n ′ of the diffracted light are θn and θn ′, the light spots by the diffracted lights are An and An ′, and the light by the diffracted light of the order 0 on the imaging plane Q When the distances along the Y direction from the spot A0 to the light spots An and An ′ are W1 and W2, the deviation width W in the Y direction of the light spots An and An ′ is expressed by the following equation (3). The

ここで、式(3)において、実際の回折格子間隔dはnλ,n’ λに比べて十分大きく、nλ/dおよびn‘λ/dが十分小さい値となるため、式(3)は次の式(4)のように近似される。
Here, in equation (3), the actual diffraction grating interval d is sufficiently larger than nλ and n′λ, and nλ / d and n′λ / d are sufficiently small. (4) is approximated.

一方、図6に示すように、結像面Q上の光スポットAn,An‘の光スポット間隔をWとし、光スポットAn,An‘からの回折光が光検出素子17の検出面I上に到達した到達点をVとし、光スポットAn,An‘の中間点からZ方向に伸ばした線と検出面Iとが交わる点をV0とし、検出面I上でY方向に沿ったV0からVまでの距離をPとし、結像面Qから検出面Iまでの距離をcとした場合、光スポットAnから到達点Vへの回折光の光路長Lnは三平方の定理により求められるが、距離cに比較して光スポット間隔Wと距離Pとが十分小さいため、次の式(5)のように近似できる。
On the other hand, as shown in FIG. 6, the interval between the light spots An and An ′ on the imaging surface Q is W, and the diffracted light from the light spots An and An ′ is on the detection surface I of the light detection element 17. The arrival point reached is V, the point where the line extending in the Z direction from the intermediate point between the light spots An and An ′ and the detection surface I intersects is V0, and on the detection surface I from V0 to V along the Y direction. Is the distance from the imaging plane Q to the detection plane I, and the optical path length Ln of the diffracted light from the light spot An to the arrival point V can be obtained by the three-square theorem. Since the light spot interval W and the distance P are sufficiently small compared to the above, it can be approximated as the following equation (5).

また、光スポットAnから到達点Vへの回折光の光路長Ln‘も、光路長Lnと同様にして、次の式(6)のように近似できる。
Further, the optical path length Ln ′ of the diffracted light from the light spot An to the arrival point V can be approximated as in the following equation (6), similarly to the optical path length Ln.

したがって、これら光路長Ln,Ln’の光路差ΔLは、次の式(7)で求められる。検出面I上では、この光路差ΔLにより干渉縞が生じ、具体的には、光路差ΔLが光の波長λの整数m(mは、0以上の整数)倍となる場合、検出面Iにおいて明線が生じる。
Therefore, the optical path difference ΔL between these optical path lengths Ln and Ln ′ is obtained by the following equation (7). On the detection surface I, interference fringes are generated due to this optical path difference ΔL. Specifically, when the optical path difference ΔL is an integer m (m is an integer of 0 or more) times the wavelength λ of light, A bright line appears.

ここで、検出面I上に生じた各明線のうち、隣接する明線の間隔が干渉縞ピッチpとなり、式(7)のm=1の場合に相当する。よって、検出面I上に生じた干渉縞の干渉縞ピッチpは、式(7)を変形することにより、次の式(8)で求められる。
Here, among the bright lines generated on the detection surface I, the interval between adjacent bright lines is the interference fringe pitch p, which corresponds to the case of m = 1 in Expression (7). Therefore, the interference fringe pitch p of the interference fringes generated on the detection surface I is obtained by the following equation (8) by modifying the equation (7).

この際、光スポット間隔Wは式(4)で求められているため、これを式(8)に代入すれば、式(9)となる。
At this time, since the light spot interval W is obtained by Expression (4), if this is substituted into Expression (8), Expression (9) is obtained.

さらに、回折次数n,n’の次数差をmとし、集光レンズ15の主点から結像面Qまでの距離bと、結像面Qから検出面Iまでの距離cを、集光レンズ15の主点から検出面Iまでの距離Lで置換した場合、式(9)は、次の式(10)となる。
Further, the order difference between the diffraction orders n and n ′ is m, and the distance b from the principal point of the condenser lens 15 to the imaging plane Q and the distance c from the imaging plane Q to the detection plane I are defined as the condenser lens. When replacing with the distance L from the 15 principal points to the detection surface I, the equation (9) becomes the following equation (10).

したがって、干渉縞ピッチpは、集光レンズ15の主点から検出面Iまでの距離Lに依存する関数で求められることが分かる。
この際、集光レンズ15の主点から結像面Qまでの距離bは、前述した式(1)に示したように、物体Tから主点Mすなわち集光レンズ15の位置までの対物距離aと、集光レンズ15の焦点距離fとで表され、式(10)は式(11)のように変形できる。
Therefore, it can be seen that the interference fringe pitch p is obtained by a function depending on the distance L from the principal point of the condenser lens 15 to the detection surface I.
At this time, the distance b from the principal point of the condenser lens 15 to the imaging plane Q is the objective distance from the object T to the principal point M, that is, the position of the condenser lens 15 as shown in the above-described equation (1). It is represented by a and the focal length f of the condenser lens 15, and Equation (10) can be transformed into Equation (11).

ここで、集光レンズ15の焦点距離f、集光レンズ15の主点から検出面Iまでの距離L、および回折次数n,n’の次数差mは、それぞれ既知の値であることから、結果として、干渉縞ピッチpは、物体Tから主点Mすなわち集光レンズ15の位置までの対物距離aの関数となることが分かる。このため、検出面Iに生じた干渉縞のピッチpを測定することにより、次の式(12)により、物体Tまでの対物距離aを求めることができる。
Here, since the focal length f of the condenser lens 15, the distance L from the principal point of the condenser lens 15 to the detection surface I, and the order difference m of the diffraction orders n and n ′ are known values, As a result, it can be seen that the interference fringe pitch p is a function of the object distance a from the object T to the principal point M, that is, the position of the condenser lens 15. Therefore, by measuring the pitch p of the interference fringes generated on the detection surface I, the objective distance a to the object T can be obtained by the following equation (12).

図7は、検出面に生じた干渉縞を示す画像例である。干渉縞は、輝度の高い明線と輝度の低い暗線とが縞状に繰り返されて形成されている。したがって、互いに隣接する明線(または暗線)の間隔が干渉縞ピッチpに相当する。   FIG. 7 is an image example showing interference fringes generated on the detection surface. The interference fringes are formed by repeating bright lines with high luminance and dark lines with low luminance in the form of stripes. Accordingly, the interval between adjacent bright lines (or dark lines) corresponds to the interference fringe pitch p.

図8は、光検出素子で得られた検出結果の解析例である。ここでは、横軸が干渉縞に直行するX方向に沿った画像のピクセル位置[pic]を示し、縦軸が各ピクセル位置における光強度(無単位)である。得られた検出結果は、ほぼ正弦波形状をなしており、そのピーク位置が明線に相当している。したがって、ピーク位置間に存在するピクセル数から干渉縞ピッチpを示す実際の距離を算出できる。   FIG. 8 is an analysis example of the detection result obtained by the light detection element. Here, the horizontal axis indicates the pixel position [pic] of the image along the X direction perpendicular to the interference fringes, and the vertical axis indicates the light intensity (no unit) at each pixel position. The obtained detection result has a substantially sine wave shape, and its peak position corresponds to a bright line. Therefore, the actual distance indicating the interference fringe pitch p can be calculated from the number of pixels existing between the peak positions.

[第1の実施の形態の効果]
このように、本実施の形態は、物体Tからの反射光を回折格子14で回折させた後、集光レンズ15によりその回折光を結像面Qに集光させ、結像面Q上に配置されたスペイシアルフィルタ16で、これら回折光のうち、予め設定された異なる2つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断し、スペイシアルフィルタ16を通過した異なる2つの次数の回折光の重ね合わせにより検出面Iに生じた干渉縞を光検出素子17で検出し、得られた検出結果を演算処理して干渉縞のピッチを抽出し、距離算出部18でこのピッチに基づいて集光レンズ15から物体Tまでの対物距離aを算出するようにしたものである。
[Effect of the first embodiment]
As described above, in the present embodiment, after the reflected light from the object T is diffracted by the diffraction grating 14, the diffracted light is condensed on the imaging plane Q by the condenser lens 15, and is reflected on the imaging plane Q. Of the diffracted lights, only two different orders of diffracted light set in advance are allowed to pass through the arranged spatial filter 16, and the other two orders of diffracted light are blocked, and the different two orders passed through the spatial filter 16. The interference fringes generated on the detection surface I due to the superposition of the two orders of diffracted light are detected by the light detection element 17, the obtained detection results are arithmetically processed to extract the pitch of the interference fringes, and the distance calculation unit 18 The objective distance a from the condenser lens 15 to the object T is calculated based on the pitch.

これにより、回折格子14とスペイシアルフィルタ16という極めて簡素な光学要素で、物体Tからの反射光から異なる2つの次数の回折光が選択されて、対物距離aに応じて干渉縞ピッチpが変化する干渉縞が、検出面I上に発生する。
したがって、従来の精密な研磨加工を要する多重焦点レンズや球体レンズを用いる必要がなくなり、高価な光学系レンズやその精密な組み立てを省くことができる。このため、比較的安価なコストで、物体Tまでの対物距離aを正確に測定することができる距離測定装置を実現することができる。
Accordingly, two orders of diffracted light different from the reflected light from the object T are selected by extremely simple optical elements such as the diffraction grating 14 and the spatial filter 16, and the interference fringe pitch p changes according to the objective distance a. Interference fringes are generated on the detection surface I.
Therefore, it is not necessary to use a conventional multifocal lens or spherical lens that requires precise polishing, and an expensive optical lens and its precise assembly can be omitted. Therefore, it is possible to realize a distance measuring device that can accurately measure the objective distance a to the object T at a relatively low cost.

この際、異なる2つの次数の回折光の選択にスペイシアルフィルタ16を用いたので、回折格子14の透過率分布が矩形状でも干渉縞は正弦波形状となるため、干渉縞ピッチpの測定が容易となるとともに、回折格子14の製作も容易となる。また、干渉縞の局在化、すなわち周期的な特定の距離近辺にのみ干渉縞が現れる現象が発生しないため、対物距離aの測定スパンを広くすることができる。さらに、干渉縞ピッチpが検出面I上で一定となるため、光検出素子17の検出結果を補正する必要がなく、演算処理を簡素化できるとともに干渉縞ピッチpの測定誤差を低減できる。   At this time, since the spatial filter 16 is used to select two different orders of diffracted light, the interference fringe has a sinusoidal shape even if the transmittance distribution of the diffraction grating 14 is rectangular. It becomes easy and manufacture of the diffraction grating 14 also becomes easy. Further, since the interference fringe localization, that is, the phenomenon in which the interference fringe appears only in the vicinity of a specific periodic distance does not occur, the measurement span of the objective distance a can be widened. Furthermore, since the interference fringe pitch p is constant on the detection surface I, it is not necessary to correct the detection result of the light detection element 17, so that the arithmetic processing can be simplified and the measurement error of the interference fringe pitch p can be reduced.

[第2の実施の形態]
次に、図9を参照して、本発明の第2の実施の形態にかかる距離測定装置10について説明する。図9は、第2の実施の形態にかかる距離測定装置の構成を示す説明図である。
本実施の形態では、前述した第1の実施の形態において、集光光学系に対物レンズ20を設け、対物レンズ20と集光レンズ15との間の区間において、物体Tからの反射光を平行光に変換する場合について説明する。
[Second Embodiment]
Next, with reference to FIG. 9, the distance measuring device 10 concerning the 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the distance measuring apparatus according to the second embodiment.
In the present embodiment, the objective lens 20 is provided in the condensing optical system in the first embodiment described above, and the reflected light from the object T is parallel in the section between the objective lens 20 and the condensing lens 15. The case of converting to light will be described.

本実施の形態において、対物レンズ20は、物体Tからの反射光を平行光に変換して、集光レンズ15に出力する機能を有している。
図9の例では、対物レンズ20と集光レンズ15との間にビームスプリッタ13および回折格子14が配置されている。これにより、光源11から発せられた光は、光源レンズ12で平行光に変換された後、ビームスプリッタ13で反射され、この後、対物レンズ20により集光されて物体Tに照射される。
In the present embodiment, the objective lens 20 has a function of converting reflected light from the object T into parallel light and outputting it to the condenser lens 15.
In the example of FIG. 9, the beam splitter 13 and the diffraction grating 14 are disposed between the objective lens 20 and the condenser lens 15. Thereby, the light emitted from the light source 11 is converted into parallel light by the light source lens 12, reflected by the beam splitter 13, and then condensed by the objective lens 20 and applied to the object T.

また、物体Tからの反射光は、対物レンズ20で平行光に変換された後、ビームスプリッタ13を通過して回折格子14で回折される。回折格子14からの回折光は、第1の実施の形態と同様に、集光レンズ15により結像面Q上に集光された後、結像面Q上のスペイシアルフィルタ16で予め設定された異なる2つの次数の回折光だけが選択されて、検出面Iに照射される。   Reflected light from the object T is converted into parallel light by the objective lens 20, then passes through the beam splitter 13 and is diffracted by the diffraction grating 14. As in the first embodiment, the diffracted light from the diffraction grating 14 is collected on the imaging plane Q by the condenser lens 15 and then set in advance by the spatial filter 16 on the imaging plane Q. Only two different orders of diffracted light are selected and applied to the detection surface I.

これにより、第1の実施の形態と同様、対物レンズ20から物体Tまでの対物距離に応じてピッチが変化する干渉縞が検出面I上に生じるため、このピッチから対物距離を算出することができる。   As a result, as in the first embodiment, an interference fringe whose pitch changes according to the objective distance from the objective lens 20 to the object T is generated on the detection surface I. Therefore, the objective distance can be calculated from this pitch. it can.

図10は、対物距離と干渉縞ピッチとの関係を示すグラフである。本実施の形態に基づいて、対物距離aと干渉縞ピッチpとの関係をシミュレーションにより求めた。この際、対物レンズ20の焦点距離をf‘=30mmとし、集光レンズ15の焦点距離をf=9mmとし、集光レンズ15から光検出素子17までの距離をL=60mmとし、回折格子14の回折格子間隔をd=0.02mmとした。
図10のグラフによれば、対物距離aの増加に応じて干渉縞ピッチpが単調増加していることがわかる。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the objective distance and the interference fringe pitch. Based on this Embodiment, the relationship between the objective distance a and the interference fringe pitch p was calculated | required by simulation. At this time, the focal length of the objective lens 20 is f ′ = 30 mm, the focal length of the condenser lens 15 is f = 9 mm, the distance from the condenser lens 15 to the light detection element 17 is L = 60 mm, and the diffraction grating 14 Was set to d = 0.02 mm.
From the graph of FIG. 10, it can be seen that the interference fringe pitch p monotonously increases as the object distance a increases.

[第2の実施の形態の効果]
このように、本実施の形態は、集光光学系に対物レンズ20を設け、対物レンズ20と集光レンズ15との間の区間において、物体Tからの反射光を平行光に変換するようにしたので、物体Tまでの対物距離aが変化しても、その対物距離aに応じた焦点距離を持つ対物レンズ20に取り換えることにより、対物レンズ20から検出面Iまでの区間においては、光路が一定となる。
このため、広範囲の対物距離aに対応することができ、測定レンジを大幅に拡大することが可能となる。
[Effect of the second embodiment]
Thus, in the present embodiment, the objective lens 20 is provided in the condensing optical system, and the reflected light from the object T is converted into parallel light in the section between the objective lens 20 and the condensing lens 15. Therefore, even if the objective distance a to the object T changes, the optical path is changed in the section from the objective lens 20 to the detection surface I by replacing the objective lens 20 with a focal length corresponding to the objective distance a. It becomes constant.
For this reason, it is possible to deal with a wide range of objective distances a, and the measurement range can be greatly expanded.

[実施の形態の拡張]
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
[Extended embodiment]
The present invention has been described above with reference to the embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention. In addition, each embodiment can be implemented in any combination within a consistent range.

10…距離測定装置、11…光源、12…光源レンズ、13…ビームスプリッタ、14…回折格子、15…集光レンズ、16…スペイシアルフィルタ、17…光検出素子、18…距離算出部、20…対物レンズ、T…物体、Q…結像面、I…検出面、a…対物距離、p…干渉縞ピッチ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Distance measuring device, 11 ... Light source, 12 ... Light source lens, 13 ... Beam splitter, 14 ... Diffraction grating, 15 ... Condensing lens, 16 ... Spatial filter, 17 ... Photodetection element, 18 ... Distance calculation part, 20 ... objective lens, T ... object, Q ... imaging surface, I ... detection surface, a ... objective distance, p ... interference fringe pitch.

Claims (5)

物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定装置であって、
前記物体からの前記反射光を回折させる回折格子と、
前記回折格子からの回折光を結像面に集光させる集光レンズと、
前記結像面上に配置されて、前記回折光のうち、予め設定された異なる2つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断するスペイシアルフィルタと、
前記スペイシアルフィルタを通過した異なる2つの次数の回折光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、
前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部と
を備えることを特徴とする距離測定装置。
A distance measuring device that irradiates and reflects light on an object, and measures an objective distance to the object based on the reflected light,
A diffraction grating that diffracts the reflected light from the object;
A condensing lens that condenses the diffracted light from the diffraction grating on the imaging surface;
A spatial filter that is disposed on the imaging plane and that allows only two different orders of diffracted light to pass through the diffracted light and blocks other orders of diffracted light;
A light detection element for detecting interference fringes generated on the detection surface by two different orders of diffracted light that have passed through the spatial filter;
A distance calculation unit that calculates a detection result obtained by the light detection element, extracts a pitch of the interference fringes, and calculates an objective distance from the condenser lens to the object based on the pitch; A distance measuring device characterized by.
請求項1に記載の距離測定装置において、
前記集光レンズの焦点距離をfとし、前記集光レンズから前記検出面までの距離をLとし、前記回折格子の回折格子間隔をdとし、前記スペイシアルフィルタを通過する回折光の次数差をmとし、前記干渉縞のピッチをpとした場合、前記集光レンズから前記物体までの対物距離aは、次の式
で求められることを特徴とする距離測定装置。
The distance measuring device according to claim 1,
The focal length of the condenser lens is f, the distance from the condenser lens to the detection surface is L, the diffraction grating interval of the diffraction grating is d, and the order difference of the diffracted light passing through the spatial filter is m and the pitch of the interference fringes is p, the objective distance a from the condenser lens to the object is expressed by the following equation:
A distance measuring device characterized in that it is obtained by:
物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定装置であって、A distance measuring device that irradiates and reflects light on an object, and measures an objective distance to the object based on the reflected light,
前記物体からの前記反射光を結像面に集光させる集光レンズと、A condensing lens for condensing the reflected light from the object on an imaging plane;
前記集光レンズで集光された前記反射光を回折させる回折格子と、A diffraction grating that diffracts the reflected light collected by the condenser lens;
前記結像面上に配置されて、前記回折格子からの回折光のうち、予め設定された異なる2つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断するスペイシアルフィルタと、A spatial filter that is disposed on the imaging plane and allows only two different orders of diffracted light to pass through the diffracted light from the diffraction grating and blocks other orders of diffracted light;
前記スペイシアルフィルタを通過した異なる2つの次数の回折光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、A light detection element for detecting interference fringes generated on the detection surface by two different orders of diffracted light that have passed through the spatial filter;
前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部とA distance calculation unit for calculating the objective distance from the condenser lens to the object based on the pitch by extracting the pitch of the interference fringes by calculating the detection result obtained by the light detection element;
を備えることを特徴とする距離測定装置。A distance measuring device comprising:
請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の距離測定装置において、
前記物体からの前記反射光を平行光とする対物レンズをさらに備え、
前記回折格子は、前記対物レンズからの前記平行光を回折させる
ことを特徴とする距離測定装置。
In the distance measuring device according to any one of claims 1 to 3,
An objective lens that collimates the reflected light from the object;
The diffraction grating diffracts the parallel light from the objective lens.
物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定方法であって、
前記物体からの前記反射光を回折格子により回折させる回折ステップと、
前記回折格子からの回折光を集光レンズにより結像面に集光させる集光ステップと、
前記結像面上に集光した前記回折光のうち、予め設定された異なる2つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断する回折光選択ステップと、
選択された前記異なる2つの次数の回折光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出ステップと、
前記光検出ステップにより得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出ステップと
を備えることを特徴とする距離測定方法。
A distance measurement method for irradiating and reflecting light on an object, and measuring an objective distance to the object based on the reflected light,
A diffraction step of diffracting the reflected light from the object by a diffraction grating ;
A condensing step of condensing the diffracted light from the diffraction grating onto the imaging surface by a condensing lens ;
Of the diffracted light collected on the imaging surface, a diffracted light selection step for passing only two different orders of diffracted light set in advance and blocking other orders of diffracted light;
A light detection step of detecting interference fringes generated on the detection surface by the selected two different orders of diffracted light;
A distance calculation step of calculating a detection distance obtained by the light detection step to extract a pitch of the interference fringes and calculating an objective distance from the condenser lens to the object based on the pitch. A distance measuring method characterized by
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