JP2019158488A - Distance measuring device and method - Google Patents

Distance measuring device and method Download PDF

Info

Publication number
JP2019158488A
JP2019158488A JP2018043811A JP2018043811A JP2019158488A JP 2019158488 A JP2019158488 A JP 2019158488A JP 2018043811 A JP2018043811 A JP 2018043811A JP 2018043811 A JP2018043811 A JP 2018043811A JP 2019158488 A JP2019158488 A JP 2019158488A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
distance
measuring device
distance measuring
optical element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2018043811A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
藤原 久利
Hisatoshi Fujiwara
久利 藤原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Azbil Corp
Original Assignee
Azbil Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Azbil Corp filed Critical Azbil Corp
Priority to JP2018043811A priority Critical patent/JP2019158488A/en
Priority to KR1020207023552A priority patent/KR20200105940A/en
Priority to PCT/JP2019/002001 priority patent/WO2019176300A1/en
Priority to CN201980018448.7A priority patent/CN111886471A/en
Publication of JP2019158488A publication Critical patent/JP2019158488A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02015Interferometers characterised by the beam path configuration
    • G01B9/02027Two or more interferometric channels or interferometers

Abstract

To provide a distance measuring device with which it is possible to eliminate the need for a spatial filter and measure an objective distance using a more simplified optical system.SOLUTION: A distance measuring device 10 comprises: an illumination optical system for irradiating a measurement object T with light from a light source 11 by focusing light on it; a diffraction optical element 14 for accepting reflected light from the measurement object T as incident light, and changing the phase of incident light and emitting diffracted light of two preset orders; a light detection element 16 for detecting an interference fringe generated by the diffracted light of two preset orders emitted from the diffraction optical element 14; and a distance calculation unit 17 for calculating an objective distance a from the light detection element 14 to the measurement object T on the basis of the detection result obtained by the light detection element 14.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、距離測定装置および方法に関し、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測定対象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 measuring apparatus and method, and more particularly to an optical distance measuring technique for irradiating and reflecting light on an object and measuring an objective distance to a measurement object based on the reflected light.

従来より、レーザ光等の光を用いて、測定対象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、単に測定対象までの対物距離を測定するだけではなく、測定対象の表面形状測定や、薄膜の厚さ測定等、様々な用途に応用されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an optical measuring device that can measure an objective distance to a measurement object in a non-contact manner using light such as laser light. Such an optical measuring apparatus is applied not only to measuring an objective distance to a measuring object but also to various uses such as measuring a surface shape of the measuring object and measuring a thickness of a thin film.

例えば、特許文献1は、測定対象を反射した反射光を回折させる振幅型の回折格子と、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、結像面上に配置されて、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透過させ、他の次数の回折光を遮断するスペイシアルフィルタとを有する距離測定装置を開示している。   For example, Patent Document 1 is arranged on an imaging plane, an amplitude type diffraction grating that diffracts reflected light reflected from a measurement target, a condensing lens that collects diffracted light from the diffraction grating on an imaging plane, and the like. Thus, there is disclosed a distance measuring device having a spatial filter that transmits only two different orders of diffracted light among diffracted lights and blocks other orders of diffracted light.

特許文献1に記載された距離測定装置ではスペイシアルフィルタを用いて、振幅型の回折格子で生じた多数の次数の回折光から、予め設定された2つの次数の回折光のみを透過させる。そして、その2つの次数の回折光を干渉させて対物距離を測定する。   The distance measuring device described in Patent Document 1 uses a spatial filter to transmit only two orders of diffracted light set in advance from many orders of diffracted light generated by an amplitude type diffraction grating. Then, the objective distance is measured by causing the two orders of diffracted light to interfere with each other.

より詳細には、特許文献1に記載された距離測定装置では、矩形波状の透過率分布を有する振幅型の回折格子が用いられている。そのため、特許文献1に記載された距離測定装置では、所望する特定の次数の回折光、例えば、±1次の回折光だけでなく、高次の回折光や、回折せずにそのまま直進透過する0次の回折光が現れる。   More specifically, in the distance measuring device described in Patent Document 1, an amplitude type diffraction grating having a rectangular wave-shaped transmittance distribution is used. Therefore, in the distance measuring device described in Patent Document 1, not only diffracted light of a specific order desired, for example, ± 1st order diffracted light, but also high order diffracted light or straightly transmitted without being diffracted. Zero-order diffracted light appears.

また、特許文献1に記載された距離測定装置では、予め設定された2つの次数の回折光のみを干渉させるために、集光レンズを用いてフーリエ変換を行い、このフーリエ変換面にてスペイシアルフィルタで所望する2つの次数の回折光をフィルタリングして透過させている。   Further, in the distance measuring device described in Patent Document 1, in order to cause only two orders of diffracted light to interfere with each other, a Fourier transform is performed using a condensing lens, and a spatial is performed on the Fourier transform plane. The desired two-order diffracted light is filtered and transmitted by the filter.

特開2015−194347号公報JP-A-2015-194347 特開2013−186350号公報JP 2013-186350 A

しかし、特許文献1に記載の技術では、集光レンズおよびスペイシアルフィルタの位置を好適な位置に調整する必要があり、この調整が十分でない場合には、干渉縞が乱れ距離測定を行うことが困難となる場合がある。また、スペイシアルフィルタには、高い加工精度が要求されるため、光学系の構成が複雑となる問題があった。   However, in the technique described in Patent Document 1, it is necessary to adjust the positions of the condenser lens and the spatial filter to suitable positions. If this adjustment is not sufficient, the interference fringes are disturbed and distance measurement is performed. It can be difficult. Further, since the spatial filter is required to have high processing accuracy, there is a problem that the configuration of the optical system is complicated.

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、スペイシアルフィルタを不要とし、より簡素化された光学系を用いて対物距離を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する。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and provides a distance measuring device that does not require a spatial filter and can measure an objective distance using a simplified optical system. With the goal.

上述した課題を解決するために、本発明に係る距離測定装置は、光源からの光を測定対象に集光させて照射する照射光学系と、前記測定対象から反射される反射光を入射光として、前記入射光の位相を変えて予め設定された2つの次数の回折光を出射する回折光学素子と、前記回折光学素子から出射された前記2つの次数の回折光により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に基づいて前記光検出素子から前記測定対象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。   In order to solve the above-described problems, a distance measuring device according to the present invention includes an irradiation optical system that focuses and irradiates light from a light source on a measurement target, and reflected light reflected from the measurement target as incident light. Diffractive optical element that emits two orders of diffracted light set in advance by changing the phase of the incident light, and interference fringes generated by the two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element are detected A light detection element, and a distance calculation unit that calculates an objective distance from the light detection element to the measurement object based on a detection result obtained by the light detection element.

また、本発明に係る距離測定装置において、前記回折光学素子は、2次元的に、かつ周期的に配列された凹凸構造を有する回折格子を備えていてもよい。   In the distance measuring apparatus according to the present invention, the diffractive optical element may include a diffraction grating having a concavo-convex structure arranged two-dimensionally and periodically.

また、本発明に係る距離測定装置において、前記回折格子は、前記凹凸構造が正弦波形状の断面形状を有する透過型の位相回折格子であり、前記正弦波形状に含まれる山と谷との段差Dは、D=n(m+1/2)λ・cosφ、(ただし、nは前記回折格子の材質の屈折率、mは整数であり、m=0,±1,・・・、λは光源から出射される光の波長、φは前記回折格子の任意の入射角)を満たしていてもよい。   In the distance measuring device according to the present invention, the diffraction grating is a transmission type phase diffraction grating in which the concavo-convex structure has a sinusoidal cross-sectional shape, and a step between a peak and a valley included in the sinusoidal shape. D is D = n (m + 1/2) λ · cos φ, where n is the refractive index of the material of the diffraction grating, m is an integer, m = 0, ± 1,. The wavelength of the emitted light, φ, may satisfy any incident angle of the diffraction grating.

また、本発明に係る距離測定装置において、前記回折格子は、前記凹凸構造が正弦波形状の断面形状を有する反射型の位相回折格子であり、前記正弦波形状に含まれる山と谷との段差Dは、D=(m+1/2)λ・cosφ/2、(ただし、mは整数であり、m=0,±1,・・・、λは光源から出射される光の波長、φは前記回折格子の任意の入射角)を満たしていてもよい。   In the distance measuring device according to the present invention, the diffraction grating is a reflection type phase diffraction grating in which the concavo-convex structure has a sinusoidal cross-sectional shape, and a step between a peak and a valley included in the sinusoidal shape. D is D = (m + 1/2) λ · cos φ / 2, where m is an integer, m = 0, ± 1,..., Λ is the wavelength of the light emitted from the light source, and φ is the above-mentioned Any incident angle of the diffraction grating) may be satisfied.

また、本発明に係る距離測定装置において、前記回折光学素子は、液晶層と、前記液晶層の表面に沿って配置された複数の電極とを有し、前記複数の電極のそれぞれから前記液晶層に個別に電圧を印加して、前記液晶層を入射する前記入射光に対して位相変調を行う空間光変調器を備えていてもよい。   In the distance measuring device according to the present invention, the diffractive optical element includes a liquid crystal layer and a plurality of electrodes arranged along a surface of the liquid crystal layer, and the liquid crystal layer is formed from each of the plurality of electrodes. A spatial light modulator may be provided that individually applies a voltage and performs phase modulation on the incident light incident on the liquid crystal layer.

また、本発明に係る距離測定装置において、前記回折光学素子から出射された前記2つの次数の回折光を集光させる集光レンズをさらに備え、前記光検出素子は、前記集光レンズによって集光された前記2つの次数の回折光により生じた干渉縞を検出し、前記距離算出部は、前記集光レンズから前記測定対象までの対物距離を算出してもよい。   The distance measuring device according to the present invention further includes a condensing lens that condenses the two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element, and the light detecting element condenses light by the condensing lens. The interference fringes generated by the two orders of diffracted light may be detected, and the distance calculation unit may calculate an objective distance from the condenser lens to the measurement target.

また、本発明に係る距離測定装置において、前記回折光学素子は、出射される前記2つの次数の回折光を、回折方向と光軸に直交する方向に集光させる機能をさらに備えていてもよい。   Further, in the distance measuring device according to the present invention, the diffractive optical element may further include a function of condensing the two-order diffracted light emitted in a direction perpendicular to the diffraction direction and the optical axis. .

また、本発明に係る距離測定装置において、前記照射光学系は、前記光源からの光を集光させる光源レンズと、前記光源レンズから出射する光を前記測定対象に向けるビームスプリッタとを備えていてもよい。   In the distance measuring device according to the present invention, the irradiation optical system includes a light source lens that collects light from the light source, and a beam splitter that directs light emitted from the light source lens toward the measurement target. Also good.

また、本発明に係る距離測定方法は、光源からの光を測定対象に集光させて照射する照射ステップと、前記測定対象から反射される反射光を入射光として、前記入射光の位相を変えて予め設定された2つの次数の回折光を出射する回折ステップと、前記回折ステップで出射された前記2つの次数の回折光により生じた干渉縞を光検出素子で検出する光検出ステップと、前記光検出ステップで得られた検出結果に基づいて前記光検出素子から前記測定対象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。   The distance measuring method according to the present invention includes an irradiation step of condensing and irradiating light from a light source on a measurement target, and changing the phase of the incident light using reflected light reflected from the measurement target as incident light. A diffraction step for emitting two orders of diffracted light set in advance, a light detection step for detecting interference fringes generated by the two orders of diffracted light emitted by the diffraction step with a light detection element, and A distance calculation step of calculating an objective distance from the light detection element to the measurement object based on the detection result obtained in the light detection step.

本発明によれば、測定対象から反射された入射光の位相を変えて、予め設定された2つの次数の回折光を出射する回折光学素子を有するので、スペイシアルフィルタを不要とし、より簡素化された光学系を用いて対物距離を測定することができる。   According to the present invention, the diffractive optical element that changes the phase of the incident light reflected from the measurement object and emits two preset orders of diffracted light is provided, so that a spatial filter is not required and simplification is achieved. The objective distance can be measured using the optical system.

図1は、本発明の実施の形態に係る距離測定装置の構成を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a distance measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態に係る距離測定の原理を説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of distance measurement according to the embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施の形態に係る回折光学素子による回折を説明する図である。FIG. 3 is a diagram for explaining diffraction by the diffractive optical element according to the embodiment of the present invention. 図4は、本発明の実施の形態に係る異なる次数の回折光と光スポット間隔との関係を説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between diffracted light of different orders and the light spot interval according to the embodiment of the present invention. 図5は、本発明の実施の形態に係る光スポット間隔と光路差との関係を説明する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the light spot interval and the optical path difference according to the embodiment of the present invention. 図6は、本発明の実施の形態に係る検出面に生じた干渉縞を示す画像例である。FIG. 6 is an image example showing interference fringes generated on the detection surface according to the embodiment of the present invention. 図7は、本発明の実施の形態に係る距離算出部を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration example of a computer that realizes the distance calculation unit according to the embodiment of the present invention. 図8は、本発明の実施の形態に係る距離測定装置の動作を説明するフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart for explaining the operation of the distance measuring apparatus according to the embodiment of the present invention. 図9は、本発明の実施の形態に係る距離測定装置の変形例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a modification of the distance measuring device according to the embodiment of the present invention.

以下、本発明の好適な実施の形態について、図1から図9を参照して詳細に説明する。
[実施の形態]
図1は、本発明の実施の形態に係る距離測定装置10の構成を示す模式図である。
距離測定装置10は、測定対象Tに光を照射して反射させ、その反射光に基づいて測定対象Tまでの対物距離を測定する。
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 9.
[Embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a distance measuring apparatus 10 according to an embodiment of the present invention.
The distance measuring device 10 irradiates and reflects light on the measurement target T, and measures the objective distance to the measurement target T based on the reflected light.

距離測定装置10は、光源11、光源レンズ12、ビームスプリッタ13、回折光学素子14、集光レンズ15、光検出素子16、および距離算出部17を備える。距離測定装置10は、例えば、上記構成が図示しないケーシング内部に収納されていてもよい。   The distance measuring device 10 includes a light source 11, a light source lens 12, a beam splitter 13, a diffractive optical element 14, a condensing lens 15, a light detection element 16, and a distance calculation unit 17. For example, the distance measuring device 10 may be housed in a casing (not shown) with the above-described configuration.

光源11と、光源レンズ12と、ビームスプリッタ13とは、光源11から出射される光を測定対象Tに集光して照射する照射光学系を構成する。   The light source 11, the light source lens 12, and the beam splitter 13 constitute an irradiation optical system that collects and emits light emitted from the light source 11 onto the measurement target T.

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。   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, a semiconductor laser device, a monochromatic light such as a sodium lamp, or a device that emits light having a single wavelength by a white light source and a narrow band-pass filter can be used.

光源レンズ12は、光源11から出射された光を集光してビームスプリッタ13へ出射する。   The light source lens 12 condenses the light emitted from the light source 11 and emits 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に沿って測定対象Tの光スポットAに照射する。また、ビームスプリッタ13は、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回折光学素子14に入射させる。   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 measurement target T along the optical path O. . The beam splitter 13 causes the reflected light reflected in the direction of the optical path O among the reflected light diffusely reflected by the light spot A to enter the diffractive optical element 14.

回折光学素子14は、光路O上に配置され、ビームスプリッタ13を透過した測定対象Tからの反射光が入射される。回折光学素子14は、予め設定された回折特性により入射光を制御し、入射光の位相を変えて回折特性に基づく、予め設定された2つの次数の回折光のみを出射する。   The diffractive optical element 14 is disposed on the optical path O, and the reflected light from the measurement target T that has passed through the beam splitter 13 is incident thereon. The diffractive optical element 14 controls incident light according to preset diffraction characteristics, and changes only the phase of the incident light and emits only two orders of preset diffraction light based on the diffraction characteristics.

より詳細には、回折光学素子14は、凹凸構造が2次元に、かつ周期的に配列された回折格子で構成される。本実施の形態では、回折光学素子14として、透過型の位相回折格子を用いる場合について説明するが、反射型の位相回折格子を用いてもよい。   More specifically, the diffractive optical element 14 is configured by a diffraction grating in which a concavo-convex structure is two-dimensionally and periodically arranged. In the present embodiment, a case where a transmissive phase diffraction grating is used as the diffractive optical element 14 will be described. However, a reflective phase diffraction grating may be used.

回折光学素子14は、石英やZnSeなどの光学基板表面に微細な凹凸構造が形成され、凹凸構造による光の回折現象を利用して入射光の強度分布を所望の分布に整形することができる素子である。より具体的には、回折光学素子14は、必要とされる次数の回折光、例えば、±1次の回折光のみを出力し、その他の不要な次数の回折光を出射しないことができる。   The diffractive optical element 14 is an element in which a fine concavo-convex structure is formed on the surface of an optical substrate such as quartz or ZnSe, and the intensity distribution of incident light can be shaped into a desired distribution by utilizing the light diffraction phenomenon by the concavo-convex structure. It is. More specifically, the diffractive optical element 14 can output only the required order of diffracted light, for example, ± 1st order diffracted light, and can not emit other unnecessary orders of diffracted light.

回折光学素子14は、凹凸構造が、例えば、正弦波形状の断面形状を有していてもよい。正弦波形状の断面形状を有することにより、回折光学素子14は、±1次の回折光のみを出射し、高次の回折光を除去することができる。   In the diffractive optical element 14, the concavo-convex structure may have, for example, a sinusoidal cross-sectional shape. By having a sinusoidal cross-sectional shape, the diffractive optical element 14 can emit only ± first-order diffracted light and remove higher-order diffracted light.

また、本実施の形態に係る回折光学素子14は透過型の位相回折格子であるので、0次の回折光を除去するために、正弦波形状が有する山と谷との段差Dは、光路長で次の式(1)を満たす構成とすることができる。
D=n(m+1/2)λ・cosφ ・・・(1)
上式(1)において、nは回折光学素子14の材質の屈折率、mは整数(m=0,±1,・・・)、λは、光源11から出射される光の波長、φは回折光学素子14における任意の入射角を示す。
In addition, since the diffractive optical element 14 according to the present embodiment is a transmissive phase diffraction grating, the step D between the peak and the valley of the sine wave shape is the optical path length in order to remove the 0th-order diffracted light. Thus, a configuration satisfying the following expression (1) can be obtained.
D = n (m + 1/2) λ · cos φ (1)
In the above formula (1), n is the refractive index of the material of the diffractive optical element 14, m is an integer (m = 0, ± 1,...), Λ is the wavelength of light emitted from the light source 11, and φ is An arbitrary incident angle in the diffractive optical element 14 is shown.

一方、回折光学素子14として反射型の位相回折格子を用いる場合、正弦波形状が有する山と谷との段差Dは、光路長で次の式(2)を満たす構成とすることができる。
D=(m+1/2)λ・cosφ/2 ・・・(2)
上式(2)において、mは整数(m=0,±1,・・・)、λは、光源11から出射される光の波長、φは回折光学素子14における任意の入射角を示す。
On the other hand, when a reflective phase diffraction grating is used as the diffractive optical element 14, the step D between the peaks and valleys of the sine wave shape can be configured to satisfy the following expression (2) in terms of the optical path length.
D = (m + 1/2) λ · cos φ / 2 (2)
In the above equation (2), m is an integer (m = 0, ± 1,...), Λ is the wavelength of light emitted from the light source 11, and φ is an arbitrary incident angle in the diffractive optical element 14.

なお、上式(1)および(2)において、位相では、πとなるような段差Dを設計すればよい。すなわち、回折光学素子14から出射される回折光の位相が互いに逆位相となることにより打ち消し合い、0次の回折光が除去されることになる。   In the above formulas (1) and (2), the step D may be designed to be π in the phase. That is, the phases of the diffracted light emitted from the diffractive optical element 14 cancel each other, and the zeroth-order diffracted light is removed.

また、回折光学素子14である位相型格子の格子周期dは、光源11の光の波長λに比べて十分に大きく、例えば、d>10λ程度とする。これにより、位相型格子として実用に足る構成とすることができる。   Further, the grating period d of the phase type grating which is the diffractive optical element 14 is sufficiently larger than the wavelength λ of the light from the light source 11, for example, d> 10λ. Thereby, it can be set as the structure sufficient for practical use as a phase type | mold grating.

上記の条件のもと、例えば、±1次の回折光を得るためには、所望の次数の出射光の分布を逆フーリエ変換した空間的な光路分布に基づいて回折光学素子14の格子形状を設計すればよいことになる(特許文献2参照)。   Under the above conditions, for example, in order to obtain ± 1st order diffracted light, the grating shape of the diffractive optical element 14 is changed based on the spatial optical path distribution obtained by inverse Fourier transform of the distribution of the emitted light of the desired order. It is sufficient to design (see Patent Document 2).

集光レンズ15は、回折光学素子14による2つの次数の回折光を集光させる。本実施の形態では、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、回折光学素子14から出射される2つの次数の回折光を結像面Qに集光させる。   The condensing lens 15 condenses the two orders of diffracted light by the diffractive optical element 14. In the present embodiment, the condensing lens 15 is composed of, for example, a convex lens, is disposed on the optical path O, and condenses the two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element 14 onto the imaging plane Q.

光検出素子16は、回折光学素子14から出射された2つの次数の回折光により発生した干渉縞を検出し、検出結果を出力する。より詳細には、光検出素子16は、検出面Iを有し、この検出面Iにおいて干渉縞を検出する。光検出素子16としては、例えば、CCD(Charged 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。   The light detection element 16 detects interference fringes generated by two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element 14 and outputs a detection result. More specifically, the light detection element 16 has a detection surface I and detects interference fringes on the detection surface I. As the light detection element 16, for example, a light receiving element arranged in one dimension such as a CCD (Charged Coupled Device), a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) linear image sensor, or a photodiode array can be used.

距離算出部17は、光検出素子16で得られた検出結果から演算処理を行い、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から測定対象Tまでの対物距離を算出する。なお、距離算出部17の構成の詳細は後述する。   The distance calculation unit 17 performs an arithmetic process from the detection result obtained by the light detection element 16, extracts the period length of the interference fringes, and the objective from the condenser lens 15 to the measurement target T based on the obtained period length. Calculate the distance. Details of the configuration of the distance calculation unit 17 will be described later.

[距離測定の原理]
次に、本発明に係る距離測定装置10における距離測定の原理について、図2から図5を参照して説明する。
[Principle of distance measurement]
Next, the principle of distance measurement in the distance measuring apparatus 10 according to the present invention will be described with reference to FIGS.

なお、図2では、距離測定装置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いる。また、図2から図5において、位相回折格子で構成される回折光学素子14における格子の一方の長手方向(紙面垂直方向)をX方向とし、格子の他方の長手方向(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。   In FIG. 2, only the light collecting system of the distance measuring device 10 is shown as the main part, and the projection optical system is omitted. 2 to 5, in the diffractive optical element 14 composed of a phase diffraction grating, one longitudinal direction (perpendicular to the plane of the paper) of the grating is defined as the X direction, and the other longitudinal direction (vertical direction in the plane of the paper) of the grating is defined as Y. The direction perpendicular to the lattice plane (the horizontal direction on the paper surface) is the Z direction.

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 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2に示すように、測定対象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(3)で表される。

Figure 2019158488
As shown in FIG. 2, the objective distance from the measurement target 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 is b, and the focal length of the condenser lens 15 is set. Where f is represented by the following formula (3) by the imaging formula (lens formula).
Figure 2019158488

上式(3)からも分かるように、集光レンズ15から測定対象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3に示すように、回折光学素子14に形成された凹凸構造の間隔、すなわち格子周期をdとし、回折次数をk(k=0,±1,±2,・・・)とし、光源11の波長をλとし、各回折光の回折角θkとする。この場合、隣接する回折光間の光路差ΔLは、次の式(4)で表される。
As can be seen from the above equation (3), the position of the imaging plane Q also changes in accordance with the change in the objective distance a from the condenser lens 15 to the measurement target T.
Further, as shown in FIG. 3, the interval between the concavo-convex structures formed on the diffractive optical element 14, that is, the grating period is d, the diffraction order is k (k = 0, ± 1, ± 2,...), The wavelength of the light source 11 is λ, and the diffraction angle θk of each diffracted light. In this case, the optical path difference ΔL between adjacent diffracted lights is expressed by the following formula (4).

Figure 2019158488
Figure 2019158488

さらに、図4に示すように、回折光学素子14から出射された回折光は、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k,k’の回折光の回折角をθk,θk’とし、これら回折光による光スポットをAk,Ak’とし、光軸と結像面が交わる点A0から光スポットAk,Ak’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Ak,Ak’のY方向のずれ幅Wは、次の式(5)で表される。   Furthermore, as shown in FIG. 4, the diffracted light emitted from the diffractive optical element 14 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 diffracted lights of two different orders k and k ′ are θk and θk ′, the light spots by these diffracted lights are Ak and Ak ′, and the light spot from the point A0 where the optical axis and the imaging plane intersect. When the distances along the Y direction to Ak and Ak ′ are W1 and W2, the deviation width W in the Y direction of these light spots Ak and Ak ′ is expressed by the following equation (5).

Figure 2019158488
Figure 2019158488

ここで、上式(5)において、実際の回折光学素子14における凹凸構造の格子周期dは、kλ,k’λに比べて十分大きく、kλ/dおよびk’λ/dが十分小さい値となるため、式(5)は次の式(6)のように近似される。

Figure 2019158488
Here, in the above equation (5), the grating period d of the concavo-convex structure in the actual diffractive optical element 14 is sufficiently larger than kλ and k′λ, and kλ / d and k′λ / d are sufficiently small values. Therefore, equation (5) is approximated as the following equation (6).
Figure 2019158488

一方、図5に示すように、結像面Q上の光スポットAk,Ak’の光スポット間隔をWとし、光スポットAk,Ak’からの回折光が光検出素子16の検出面Iに到達した到達点をVとする。また、光スポットAk,Ak’の中間点からZ方向に伸ばした線と光検出素子16の検出面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とする。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Akから到達点Vへの回折光の光路長Lkは三平方の定理により求められる。しかし、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(7)のように近似できる。   On the other hand, as shown in FIG. 5, the interval between the light spots Ak and Ak ′ on the imaging surface Q is W, and the diffracted light from the light spots Ak and Ak ′ reaches the detection surface I of the light detection element 16. Let V be the reached point. A point where a line extending in the Z direction from the intermediate point between the light spots Ak and Ak ′ and the detection surface I of the light detection element 16 intersect is defined as V0, and V0 to V along the Y direction on the detection surface I is defined as V0. Let P be the distance. When the distance from the imaging plane Q to the detection plane I is c, the optical path length Lk of the diffracted light from the light spot Ak to the arrival point V can be obtained by the three-square theorem. However, since the light spot interval W and the distance P are sufficiently small compared to the distance c, it can be approximated as the following equation (7).

Figure 2019158488
また、光スポットAkから到達点Vへの回折光の光路長Lk’も、光路長Lkと同様にして、次の式(8)のように近似できる。
Figure 2019158488
Further, the optical path length Lk ′ of the diffracted light from the light spot Ak to the arrival point V can be approximated as in the following equation (8), similarly to the optical path length Lk.

Figure 2019158488
Figure 2019158488

したがって、これら光路長Lk,Lk’の光路差ΔLは、次の式(9)で求められる。検出面I上では、この光路差ΔLにより干渉縞が生ずる。より具体的には、光路差ΔLが光の波長λの整数j(j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 Lk and Lk ′ is obtained by the following equation (9). On the detection surface I, interference fringes are generated by this optical path difference ΔL. More specifically, when the optical path difference ΔL is an integer j (j is an integer equal to or greater than 0) times the wavelength λ of light, a bright line is generated on the detection surface I.

Figure 2019158488
Figure 2019158488

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(9)のj=1の場合に相当する。よって、光検出素子16の検出面I上に生じた干渉縞の干渉縞ピッチpは、式(9)を変形することにより、次の式(10)で求められる。

Figure 2019158488
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 j = 1 in Expression (9). Therefore, the interference fringe pitch p of the interference fringes generated on the detection surface I of the light detection element 16 is obtained by the following equation (10) by modifying the equation (9).
Figure 2019158488

この際、光スポット間隔Wは式(6)で求められているため、これを式(10)に代入すれば、式(11)となる。

Figure 2019158488
At this time, since the light spot interval W is obtained by Expression (6), if this is substituted into Expression (10), Expression (11) is obtained.
Figure 2019158488

さらに、回折次数k,k’の次数差をΔk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で置換する。この場合、式(11)は、次の式(12)となる。

Figure 2019158488
Further, the order difference between the diffraction orders k and k ′ is Δk, 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 expressed as a condenser lens. The distance L from the 15 principal points to the detection surface I is replaced. In this case, equation (11) becomes the following equation (12).
Figure 2019158488

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(3)に示したように、測定対象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とで表される。これより、式(12)は式(13)のように変形できる。

Figure 2019158488
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 from the measurement target T to the principal point M, that is, the position of the condenser lens 15, as shown in the above-described equation (3). It is represented by the distance a and the focal length f of the condenser lens 15. Thus, equation (12) can be transformed into equation (13).
Figure 2019158488

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k,k’の次数差Δkは、それぞれ既知の値である。このことから、結果として、干渉縞ピッチpは、測定対象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。そのため、光検出素子16の検出面Iで検出される干渉縞ピッチpを測定することにより、次の式(14)により、測定対象Tまでの対物距離aを求めることができる。

Figure 2019158488
Here, 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 Δk of the diffraction orders k and k ′ are known values. As a result, it can be seen that the interference fringe pitch p is a function of the objective distance a from the measurement target T to the principal point M, that is, the position of the condenser lens 15. Therefore, by measuring the interference fringe pitch p detected on the detection surface I of the light detection element 16, the objective distance a to the measurement target T can be obtained by the following equation (14).
Figure 2019158488

図6は、光検出素子16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Y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. 6 is an analysis example of the detection result obtained by the light detection element 16. Here, the horizontal axis indicates the pixel position [pic] of the image along the Y 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.

図7は、上述した対物距離aの算出に係る演算処理を行う距離算出部17の構成を示すブロック図である。
距離算出部17は、バス101を介して接続されるCPU103と主記憶装置104とを有する演算装置102、通信制御装置105、I/F106、外部記憶装置107、表示装置108等を備えるコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of the distance calculation unit 17 that performs the arithmetic processing related to the calculation of the objective distance a described above.
The distance calculation unit 17 includes a computing device 102 having a CPU 103 and a main storage device 104 connected via a bus 101, a communication control device 105, an I / F 106, an external storage device 107, a display device 108, and the like, It can be realized by a program for controlling these hardware resources.

図7に示すように、光検出素子16は、I/F106を介して距離算出部17に接続されており、得られた検出結果をI/F106を介して距離算出部17に出力する。
表示装置108は、液晶ディスプレイなどで構成され、演算装置102による対物距離aの算出結果を表示する。
As shown in FIG. 7, the light detection element 16 is connected to the distance calculation unit 17 via the I / F 106, and outputs the obtained detection result to the distance calculation unit 17 via the I / F 106.
The display device 108 is composed of a liquid crystal display or the like, and displays the calculation result of the objective distance a by the arithmetic device 102.

通信制御装置105は、各種外部電子機器との間を通信ネットワークを介して接続するための制御装置である。通信制御装置105は、対物距離aの算出結果などを通信ネットワークを介して外部に送出してもよい。   The communication control device 105 is a control device for connecting various external electronic devices via a communication network. The communication control device 105 may send the calculation result of the objective distance a to the outside via a communication network.

[距離測定装置の動作]
上述した構成を有する距離測定装置10の動作について、図8のフローチャートを参照して説明する。
[Operation of distance measuring device]
The operation of the distance measuring apparatus 10 having the above-described configuration will be described with reference to the flowchart of FIG.

まず、距離測定装置10に、測定対象Tが配置される。また、光源11の光量や露光時間などの初期調整が行われる。   First, the measurement target T is arranged on the distance measuring device 10. Also, initial adjustments such as the light amount of the light source 11 and the exposure time are performed.

その後、光源11から出射された光は、光源レンズ12によって集光されて、ビームスプリッタ13により測定対象Tに向けて照射される(ステップS1)。次に、測定対象Tを反射した光は、ビームスプリッタ13を透過して、回折光学素子14に入射する。回折光学素子14は、予め設定された回折特性により入射光を制御し、入射光の位相を変えてその回折特性に基づく、予め設定された2つの次数の回折光のみを出射する(ステップS2)。   Thereafter, the light emitted from the light source 11 is collected by the light source lens 12 and irradiated toward the measurement target T by the beam splitter 13 (step S1). Next, the light reflected from the measurement target T passes through the beam splitter 13 and enters the diffractive optical element 14. The diffractive optical element 14 controls incident light according to preset diffraction characteristics, changes the phase of the incident light, and emits only two orders of preset diffraction light based on the diffraction characteristics (step S2). .

次に、回折光学素子14から出射された2つの次数の回折光は、集光レンズ15によって集光される。そして、2つの次数の回折光により発生する干渉縞は、光検出素子16によって検出される(ステップS3)。   Next, the two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element 14 are collected by the condenser lens 15. The interference fringes generated by the two orders of diffracted light are detected by the light detection element 16 (step S3).

その後、光検出素子16は、検出した干渉縞の情報を距離算出部17に入力する。そして、距離算出部17は、上述した距離測定の原理に基づく演算を行い、測定対象Tの対物距離aを算出する(ステップS5)。   Thereafter, the light detection element 16 inputs the detected interference fringe information to the distance calculation unit 17. And the distance calculation part 17 calculates based on the principle of the distance measurement mentioned above, and calculates the objective distance a of the measuring object T (step S5).

以上説明したように、本実施の形態によれば、距離測定装置10は、測定対象Tから反射される反射光を入射光として、入射光の位相を変えて予め設定された2つの次数の回折光のみを出射する回折光学素子14を有するので、スペイシアルフィルタを不要とし、より簡素化された光学系を用いて対物距離aを測定することができる。   As described above, according to the present embodiment, the distance measurement apparatus 10 uses the reflected light reflected from the measurement target T as incident light, and changes the phase of the incident light to set two orders of diffraction in advance. Since the diffractive optical element 14 that emits only light is included, a spatial filter is not necessary, and the objective distance a can be measured using a more simplified optical system.

また、回折光学素子14は、予め設定された2つの次数の回折光のみを出射するため、従来の振幅型の回折格子を用いた技術では必要とされた、フーリエ変換を行うためのレンズも不要となる。そのため、距離測定装置10は、フーリエ変換面の位置にスペイシアルフィルタを設置するためなどの光学系における精密な位置調整を行うことなく、対物距離aを測定することができる。   Further, since the diffractive optical element 14 emits only two orders of diffracted light set in advance, a lens for performing Fourier transform, which is necessary in the technology using the conventional amplitude type diffraction grating, is unnecessary. It becomes. Therefore, the distance measuring apparatus 10 can measure the objective distance a without performing precise position adjustment in the optical system such as installing a spatial filter at the position of the Fourier transform plane.

また、本実施の形態に係る距離測定装置10は、回折光学素子14において、入射光の一部を遮断することなく回折光を出射する。そのため、振幅型の回折格子を用いた場合と比較して、本実施の形態に係る距離測定装置10は、所望の次数の回折光に対してより高い回折効率が得られる。その結果として、より信号強度の強い光を用いて距離測定を行うことができる。   Further, the distance measuring device 10 according to the present embodiment emits diffracted light without blocking part of incident light in the diffractive optical element 14. Therefore, compared with the case where an amplitude type diffraction grating is used, the distance measuring apparatus 10 according to the present embodiment can obtain higher diffraction efficiency with respect to diffracted light of a desired order. As a result, distance measurement can be performed using light with stronger signal intensity.

なお、説明した実施の形態では、距離測定装置10は、集光レンズ15を備え、収束光を構成する場合について説明した。しかし、距離測定装置10は、結像面Qにおいてフーリエ変換面を構成する必要はないため、集光レンズ15の代わりに、図9に示すように、レンズ15Aを用いて平行光や発散光を構成してもよい。   In the embodiment described above, the distance measuring apparatus 10 includes the condenser lens 15 and configures the convergent light. However, since the distance measuring device 10 does not need to form a Fourier transform surface on the image plane Q, instead of the condenser lens 15, as shown in FIG. It may be configured.

また、集光レンズ15を用いずに、回折光学素子14から出射される2つの次数の回折光により発生する干渉縞を、直接的に、光検出素子16で検出する構成を採用してもよい。この場合、距離測定装置10は、対物距離aとして、光検出素子16の検出面Iから測定対象Tまでの距離を測定する。   Alternatively, a configuration may be employed in which interference fringes generated by two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element 14 are directly detected by the light detecting element 16 without using the condenser lens 15. . In this case, the distance measuring device 10 measures the distance from the detection surface I of the light detection element 16 to the measurement target T as the objective distance a.

また、説明した実施の形態に係る距離測定装置10において、回折光学素子14と光検出素子16との間の光路O上に、回折光学素子14の回折方向と光軸に直交する方向に2つの次数の回折光を集光する手段を設けてもよい。集光手段としては、例えば、光の屈折を利用したシリンドリカルレンズや、反射鏡などが挙げられる。また、回折光学素子14自体にレンズの機能を設け、集光手段を構成してもよい。このような集光手段をさらに備えることで、距離測定装置10において、回折光の信号強度をより大きくさせることが可能となる。   Further, in the distance measuring apparatus 10 according to the embodiment described above, two in the direction orthogonal to the diffraction direction of the diffractive optical element 14 and the optical axis are provided on the optical path O between the diffractive optical element 14 and the light detection element 16. Means for collecting the diffracted light of the order may be provided. Examples of the condensing means include a cylindrical lens using light refraction and a reflecting mirror. Further, the diffractive optical element 14 itself may be provided with a lens function to constitute a light collecting means. By further providing such a light condensing means, the distance measuring device 10 can further increase the signal intensity of the diffracted light.

また、説明した実施の形態に係る距離測定装置10は、位相回折格子で構成される回折光学素子14を備える場合について説明した。しかし、回折光学素子14は、位相回折格子に限られず、例えば、空間光変調器を用いることができる。   Moreover, the distance measuring device 10 according to the described embodiment has been described with respect to the case where the diffractive optical element 14 configured by a phase diffraction grating is provided. However, the diffractive optical element 14 is not limited to a phase diffraction grating, and for example, a spatial light modulator can be used.

空間光変調器は、例えば、液晶層と、その液晶層の表面に沿って配置された複数の電極を有し、複数の電極のそれぞれから液晶層に個別に電圧を印加して、液晶層を入射する入射光に対して位相変調を行い、予め設定された2つの次数の回折光のみを出射する。空間光変調器を用いることにより、出射する2つの回折光の次数を用途に応じて可変とすることができる。   The spatial light modulator has, for example, a liquid crystal layer and a plurality of electrodes arranged along the surface of the liquid crystal layer, and a voltage is individually applied to the liquid crystal layer from each of the plurality of electrodes. Phase modulation is performed on incident incident light, and only two orders of diffracted light set in advance are emitted. By using the spatial light modulator, the orders of the two diffracted lights to be emitted can be made variable according to the application.

以上、本発明の距離測定装置、および距離測定方法における実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。   Although the embodiments of the distance measuring device and the distance measuring method of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the described embodiments, and those skilled in the art within the scope of the invention described in the claims. Various modifications that can be envisaged are possible.

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…回折光学素子、15…集光レンズ、16…光検出素子、17…距離算出部、T…測定対象、Q…結像面、I…検出面、a…対物距離、p…干渉縞ピッチ、101…バス、102…演算装置、103…CPU、104…主記憶装置、105…通信制御装置、106…I/F、107…外部記憶装置、108…表示装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Distance measuring device, 11 ... Light source, 12 ... Light source lens, 13 ... Beam splitter, 14 ... Diffractive optical element, 15 ... Condensing lens, 16 ... Photodetection element, 17 ... Distance calculation part, T ... Measurement object, Q DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Imaging surface, I ... Detection surface, a ... Objective distance, p ... Interference fringe pitch, 101 ... Bus, 102 ... Arithmetic unit, 103 ... CPU, 104 ... Main memory, 105 ... Communication control device, 106 ... I / F, 107 ... external storage device, 108 ... display device.

Claims (9)

光源からの光を測定対象に集光させて照射する照射光学系と、
前記測定対象から反射される反射光を入射光として、前記入射光の位相を変えて予め設定された2つの次数の回折光を出射する回折光学素子と、
前記回折光学素子から出射された前記2つの次数の回折光により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に基づいて前記光検出素子から前記測定対象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。
An irradiation optical system for condensing and irradiating light from a light source on a measurement target;
A diffractive optical element that emits two orders of diffracted light set in advance by changing the phase of the incident light as reflected light reflected from the measurement object;
A light detecting element for detecting interference fringes generated by the two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element;
A distance calculation device comprising: a distance calculation unit that calculates an objective distance from the light detection element to the measurement object based on a detection result obtained by the light detection element.
請求項1に記載の距離測定装置において、
前記回折光学素子は、2次元的に、かつ周期的に配列された凹凸構造を有する回折格子を備える
ことを特徴とする距離測定装置。
The distance measuring device according to claim 1,
The diffractive optical element includes a diffraction grating having a concavo-convex structure arranged two-dimensionally and periodically.
請求項2に記載の距離測定装置において、
前記回折格子は、前記凹凸構造が正弦波形状の断面形状を有しする透過型の位相回折格子であり、前記正弦波形状に含まれる山と谷との段差Dは、D=n(m+1/2)λ・cosφ、(ただし、nは前記回折格子の材質の屈折率、mは整数であり、m=0,±1,・・・、λは光源から出射される光の波長、φは前記回折格子の任意の入射角)を満たす
ことを特徴とする距離測定装置。
The distance measuring device according to claim 2,
The diffraction grating is a transmissive phase diffraction grating in which the concavo-convex structure has a sinusoidal cross-sectional shape, and a step D between a peak and a valley included in the sinusoidal shape is D = n (m + 1 / 2) λ · cos φ (where n is the refractive index of the material of the diffraction grating, m is an integer, m = 0, ± 1,..., Λ is the wavelength of light emitted from the light source, φ is An arbitrary incident angle of the diffraction grating) is satisfied.
請求項2に記載の距離測定装置において、
前記回折格子は、前記凹凸構造が正弦波形状の断面形状を有する反射型の位相回折格子であり、前記正弦波形状に含まれる山と谷との段差Dは、D=(m+1/2)λ・cosφ/2、(ただし、mは整数であり、m=0,±1,・・・、λは光源から出射される光の波長、φは前記回折格子の任意の入射角)を満たす
ことを特徴とする距離測定装置。
The distance measuring device according to claim 2,
The diffraction grating is a reflection type phase diffraction grating in which the concavo-convex structure has a sinusoidal cross-sectional shape, and a step D between a peak and a valley included in the sinusoidal shape is D = (m + 1/2) λ.・ Cosφ / 2 (where m is an integer, m = 0, ± 1,..., Λ is the wavelength of light emitted from the light source, φ is an arbitrary incident angle of the diffraction grating) A distance measuring device characterized by.
請求項1に記載に距離測定装置において、
前記回折光学素子は、液晶層と、前記液晶層の表面に沿って配置された複数の電極とを有し、前記複数の電極のそれぞれから前記液晶層に個別に電圧を印加して、前記液晶層を入射する前記入射光に対して位相変調を行う空間光変調器を備える
ことを特徴とする距離測定装置。
The distance measuring device according to claim 1,
The diffractive optical element has a liquid crystal layer and a plurality of electrodes arranged along the surface of the liquid crystal layer, and individually applies a voltage to the liquid crystal layer from each of the plurality of electrodes, and the liquid crystal A distance measuring device comprising: a spatial light modulator that performs phase modulation on the incident light that enters the layer.
請求項1から5のいずれか1項に記載の距離測定装置において、
前記回折光学素子から出射された前記2つの次数の回折光を集光させる集光レンズをさらに備え、
前記光検出素子は、前記集光レンズによって集光された前記2つの次数の回折光により生じた干渉縞を検出し、
前記距離算出部は、前記集光レンズから前記測定対象までの対物距離を算出する
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 5,
A condenser lens that condenses the two-order diffracted light emitted from the diffractive optical element;
The light detection element detects interference fringes generated by the two orders of diffracted light collected by the condenser lens;
The distance calculation unit calculates an objective distance from the condenser lens to the measurement target.
請求項1から6のいずれか1項に記載の距離測定装置において、
前記回折光学素子は、出射される前記2つの次数の回折光を、回折方向と光軸に直交する方向に集光させる機能をさらに備え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 6,
The diffractive optical element further includes a function of condensing the emitted two-order diffracted light in a direction perpendicular to the diffraction direction and the optical axis.
請求項1から7のいずれか1項に記載の距離測定装置において、
前記照射光学系は、
前記光源からの光を集光させる光源レンズと、
前記光源レンズから出射する光を前記測定対象に向けるビームスプリッタと
を備え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 7,
The irradiation optical system is
A light source lens for condensing light from the light source;
A distance measuring device comprising: a beam splitter that directs light emitted from the light source lens toward the measurement target.
光源からの光を測定対象に集光させて照射する照射ステップと、
前記測定対象から反射される反射光を入射光として、前記入射光の位相を変えて予め設定された2つの次数の回折光を出射する回折ステップと、
前記回折ステップで出射された前記2つの次数の回折光により生じた干渉縞を光検出素子で検出する光検出ステップと、
前記光検出ステップで得られた検出結果に基づいて前記光検出素子から前記測定対象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。
An irradiation step of condensing and irradiating light from a light source on a measurement target;
Diffraction step of emitting two orders of diffracted light set in advance by changing the phase of the incident light with the reflected light reflected from the measurement object as incident light,
A light detection step of detecting interference fringes generated by the two orders of diffracted light emitted in the diffraction step with a light detection element;
A distance calculation method comprising: a distance calculation step of calculating an objective distance from the light detection element to the measurement object based on a detection result obtained in the light detection step.
JP2018043811A 2018-03-12 2018-03-12 Distance measuring device and method Pending JP2019158488A (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018043811A JP2019158488A (en) 2018-03-12 2018-03-12 Distance measuring device and method
KR1020207023552A KR20200105940A (en) 2018-03-12 2019-01-23 Distance measuring device and method
PCT/JP2019/002001 WO2019176300A1 (en) 2018-03-12 2019-01-23 Distance measurement device and method
CN201980018448.7A CN111886471A (en) 2018-03-12 2019-01-23 Distance measuring device and method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018043811A JP2019158488A (en) 2018-03-12 2018-03-12 Distance measuring device and method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2019158488A true JP2019158488A (en) 2019-09-19

Family

ID=67907096

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018043811A Pending JP2019158488A (en) 2018-03-12 2018-03-12 Distance measuring device and method

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP2019158488A (en)
KR (1) KR20200105940A (en)
CN (1) CN111886471A (en)
WO (1) WO2019176300A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05227456A (en) * 1991-12-20 1993-09-03 Kuraray Co Ltd Liquid crystal projection-type view finder
JP2002168694A (en) * 2000-12-04 2002-06-14 Inst Of Physical & Chemical Res Spectrometer
JP2015194347A (en) * 2014-03-31 2015-11-05 アズビル株式会社 Distance metering device and method
JP2017198949A (en) * 2016-04-28 2017-11-02 サンテック株式会社 Light control system
JP2017533445A (en) * 2014-10-03 2017-11-09 サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィク Optical telemetry device

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2507020A (en) * 2011-07-13 2014-04-16 Faro Tech Inc Device and method using a spatial light modulator to find 3D coordinates of an object
JP2013186350A (en) 2012-03-08 2013-09-19 Canon Inc Calculation method for structure data of diffraction optical element, program, and manufacturing method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05227456A (en) * 1991-12-20 1993-09-03 Kuraray Co Ltd Liquid crystal projection-type view finder
JP2002168694A (en) * 2000-12-04 2002-06-14 Inst Of Physical & Chemical Res Spectrometer
JP2015194347A (en) * 2014-03-31 2015-11-05 アズビル株式会社 Distance metering device and method
JP2017533445A (en) * 2014-10-03 2017-11-09 サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィク Optical telemetry device
JP2017198949A (en) * 2016-04-28 2017-11-02 サンテック株式会社 Light control system

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019176300A1 (en) 2019-09-19
KR20200105940A (en) 2020-09-09
CN111886471A (en) 2020-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4482487B2 (en) Dynamic pupil fill shearing interferometer
KR101422971B1 (en) Surface shape measurement method and surface shape measurement device
KR102424799B1 (en) Systems and Methods for Hyperspectral Imaging Instrumentation
US9719859B2 (en) Interferometer and phase shift amount measuring apparatus with diffraction gratings to produce two diffraction beams
JP5349739B2 (en) Interferometer and interferometer calibration method
JP5394317B2 (en) Rotationally symmetric aspherical shape measuring device
JP5336890B2 (en) Measuring apparatus, exposure apparatus, and device manufacturing method
TW202004121A (en) Optical measuring device and optical measuring method
WO2019176300A1 (en) Distance measurement device and method
WO2020129709A1 (en) Interference fringe analysis device, interference fringe analysis method, and distance measurement device
EP1644699B1 (en) Methods and apparatus for reducing error in interferometric imaging measurements
JP2020030166A (en) Distance measuring device and method
JP2020101517A (en) Interference fringe analyzer, interference fringe analysis method, and distance measuring device
JP2009145068A (en) Surface profile measuring method and interferometer
JP2005326192A (en) Three-dimensional shape measuring device
EP2884338A1 (en) Method of selecting a region of interest from interferometric measurements
WO2020129710A1 (en) Interference fringe analysis device, interference fringe analysis method, and distance measurement device
JP6130805B2 (en) Distance measuring apparatus and method
JP2008249456A (en) Optical encoder
JP2022112872A (en) Distance measuring device and method
JP2022134769A (en) Interference fringe analysis device, interference fringe analysis method, range measurement device, and range measurement method
JPWO2019130418A1 (en) Light pattern generator
JP4560622B2 (en) Thin film shape measuring method and thin film shape measuring apparatus
JP2021173679A (en) Distance measuring device and distance measuring method
JP2010114363A (en) Method and device for measuring polarization characteristic, exposure device, and method of manufacturing device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200911

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210615

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20220118