JP2020030166A - Distance measuring device and method - Google Patents
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Abstract
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 device and method, and more particularly to an optical distance measuring technique for irradiating an object with light and reflecting the light, and measuring an object distance to a measurement target 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 capable of measuring an object distance to a measurement target in a non-contact manner using light such as laser light. Such an optical measuring device is applied not only to measuring an object distance to a measurement target but also to various uses such as measurement of a surface shape of a measurement target and measurement of 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 Literature 1 discloses an amplitude type diffraction grating that diffracts reflected light reflected from a measurement target, a condenser lens that condenses diffracted light from the diffraction grating on an image forming surface, and a condenser lens that is disposed on the image forming surface. Further, there is disclosed a distance measuring device having a spatial filter that transmits only two different orders of diffracted light set in advance 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 predetermined orders of diffracted light from many orders of diffracted light generated by the amplitude type diffraction grating. Then, the object 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 Literature 1, an amplitude type diffraction grating having a rectangular transmittance distribution is used. For this reason, in the distance measuring device described in Patent Document 1, not only diffracted light of a desired specific order, for example, ± 1st-order diffracted light, but also higher-order diffracted light and straight-through transmission without diffraction are provided. 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 Literature 1, Fourier transform is performed using a condenser lens in order to cause only diffracted light beams of two predetermined orders to interfere with each other. The filter filters and transmits the desired two orders of diffracted light.
しかし、特許文献1に記載の技術では、集光レンズとスペイシアルフィルタと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, according to the technology described in Patent Document 1, it is necessary to adjust the positions of the condenser lens and the spatial filter to a suitable position. If this adjustment is not sufficient, interference fringes may be disturbed to perform distance measurement. May be difficult. Further, the spatial filter is required to have high processing accuracy, and thus has 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 object distance using a more 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、前記入射光の強度分布を変えて周期的な強度分布を有する光を出射する格子と、前記格子から出射された前記周期的な強度分布を有する光により生ずる格子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 problem, the distance measuring device according to the present invention is an irradiation optical system that condenses light from a light source on a measurement target and irradiates the measurement target, and uses reflected light reflected from the measurement target as incident light. A grating that emits light having a periodic intensity distribution by changing the intensity distribution of the incident light, and a photodetector that detects lattice fringes generated by the light having the periodic intensity distribution emitted from the grating. A distance calculation unit that calculates an object distance from the light detection element to the measurement target 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、前記測定対象から反射される前記反射光に含まれる拡散反射光および正反射光のうち前記拡散反射光を選択的に通過させるフィルタをさらに備え、前記格子は前記フィルタを通過した光を前記入射光としてもよい。 Further, in the distance measuring device according to the present invention, the distance measuring apparatus further includes a filter for selectively passing the diffuse reflection light out of the diffuse reflection light and the regular reflection light included in the reflection light reflected from the measurement target, May use light passing through the filter as the incident light.
また、本発明に係る距離測定装置において、前記フィルタは、偏光素子で構成されていてもよい。 In the distance measuring device according to the present invention, the filter may be configured by a polarizing element.
また、本発明に係る距離測定装置において、前記測定対象は、拡散反射面を有し、前記測定対象から反射される前記反射光は拡散反射光であり、前記距離算出部は、前記光検出素子で検出された前記格子縞のピッチPに基づいて、前記測定対象から前記格子の位置までの対物距離aを、a=dL/(P−d)(dは前記格子のピッチ、Lは前記格子から前記光検出素子までの距離)により算出してもよい。 Further, in the distance measuring device according to the present invention, the measurement target has a diffuse reflection surface, the reflected light reflected from the measurement target is diffuse reflection light, and the distance calculation unit includes the light detection element The objective distance a from the measurement object to the position of the grid is determined by: a = dL / (P−d) (d is the pitch of the grid, L is (The distance to the photodetector).
また、本発明に係る距離測定装置において、前記測定対象は、正反射面を有し、前記測定対象から反射される前記反射光は正反射光であり、前記距離算出部は、前記光検出素子で検出された前記格子縞のピッチPに基づいて、前記測定対象から前記格子の位置までの対物距離aを、a=dL/2(P−d)+t/2(dは前記格子のピッチ、Lは前記格子から前記光検出素子までの距離、tは前記光源からの光が前記照射光学系により集光する位置から前記格子までの距離)により算出してもよい。 Further, in the distance measuring device according to the present invention, the measurement target has a specular reflection surface, the reflected light reflected from the measurement target is specular reflection light, and the distance calculation unit includes the light detection element The object distance a from the measurement object to the position of the grating is calculated as follows: a = dL / 2 (P−d) + t / 2 (d is the pitch of the grating, L May be calculated from a distance from the grating to the photodetector, and t may be a distance from a position where light from the light source is condensed by the irradiation optical system to the grating.
また、本発明に係る距離測定装置において、前記格子は、1次元的に、かつ周期的に交互に配列された透光部と遮光部とを有する振幅型格子を備えていてもよい。 Further, in the distance measuring device according to the present invention, the grating may include an amplitude grating having a light-transmitting portion and a light-shielding portion which are arranged one-dimensionally and periodically alternately.
また、本発明に係る距離測定装置において、前記振幅型格子は、空間的に矩形波状に変化する透過率分布を有していてもよい。 Further, in the distance measuring device according to the present invention, the amplitude type grating may have a transmittance distribution that spatially changes in a rectangular wave shape.
また、本発明に係る距離測定装置において、前記格子から前記光検出素子までの距離は、前記格子のピッチ、前記光源からの光の波長、および前記対物距離で定まるフーリエイメージ距離であってもよい。 Further, in the distance measuring device according to the present invention, the distance from the grating to the light detecting element may be a Fourier image distance determined by a pitch of the grating, a wavelength of light from the light source, and the objective distance. .
また、本発明に係る距離測定装置において、前記格子は、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透過率を調整し、前記液晶層を入射する前記入射光に対して強度変調を行う空間光変調器を備えていてもよい。 Further, in the distance measuring device according to the present invention, the grating has a liquid crystal layer and a plurality of electrodes arranged along a surface of the liquid crystal layer, and each of the plurality of electrodes individually separates the liquid crystal layer. A spatial light modulator for adjusting the transmittance by applying a voltage to the liquid crystal layer and performing intensity 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、前記測定対象から反射される反射光を集光させる集光レンズをさらに備え、前記格子は、前記集光レンズによって集光された前記反射光を入射光としてもよい。 The distance measuring apparatus according to the present invention may further include a condenser lens for condensing reflected light reflected from the measurement target, and the grating may be configured to convert the reflected light condensed by the condenser lens to incident light. It may be.
また、本発明に係る距離測定装置において、前記格子から出射される前記周期的な強度分布を持つ光を、前記格子縞の強度が変化する方向と光軸に直交する方向に集光させる光学素子をさらに備えていてもよい。 Further, in the distance measuring device according to the present invention, an optical element that condenses the light having the periodic intensity distribution emitted from the grating in a direction perpendicular to an optical axis in a direction in which the intensity of the lattice fringes changes. Further, it may be provided.
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。 Further, in the distance measurement device according to the present invention, the irradiation optical system includes a light source lens for condensing light from the light source, and a beam splitter for directing light emitted from the light source lens to the measurement target. Is also good.
また、本発明に係る距離測定装置において、前記照射光学系によって前記測定対象に照射される光は偏光であってもよい。 Further, in the distance measuring device according to the present invention, the light irradiated on the measurement target by the irradiation optical system may be polarized light.
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、前記入射光の強度分布を変えて周期的な強度分布を持つ光を出射する強度分布生成ステップと、前記強度分布生成ステップで出射された前記周期的な強度分布を持つ光により生ずる格子縞を光検出素子で検出する検出ステップと、前記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。 Further, in the distance measuring method according to the present invention, the irradiation step of condensing and irradiating light from a light source to a measurement target, and the reflected light reflected from the measurement target as incident light, the intensity distribution of the incident light An intensity distribution generating step of emitting light having a periodic intensity distribution instead, and a detecting step of detecting, with a photodetector, lattice fringes generated by the light having the periodic intensity distribution emitted in the intensity distribution generating step. A distance calculating step of calculating an object distance from the light detecting element to the measurement target based on the detection result obtained in the detecting step.
本発明によれば、測定対象から反射された入射光の強度分布を変えて、周期的な強度分布を有する光を出射する格子を有するので、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, a grating that emits light having a periodic intensity distribution by changing the intensity distribution of incident light reflected from an object to be measured is eliminated, so that a spatial filter is not required and a more simplified optical system is provided. The objective distance can be measured using the system.
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。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1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。また、図2は、第1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。なお、本実施の形態では、測定対象Tが拡散反射面である場合について説明する。
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.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a distance measuring
The distance measuring
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、格子14、光検出素子15、および距離算出部16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
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
光源11は、距離測定に用いる光を発する装置である。本実施の形態において、光源11による光は、例えば半導体レーザ装置、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出力する装置を用いることができる。
The
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
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格子14に入射させる。
The
格子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。格子14は、入射光の強度分布を変えて周期的な強度分布を有する光を出射する。この周期的な強度分布を有する出射光により、光の明暗の縞模様である格子縞が生ずる。
The grating 14 is disposed on the optical path O, and receives reflected light from the measurement target T that has passed through the
また、格子14は、透光部と遮光部とが2次元的に、かつ周期的に配列された振幅型格子で構成される。より具体的には、格子14は、光を透過させる基板上に光を吸収する部分(遮光部)が周期的に配列されて形成されるスリットが等間隔で平行に多数並んだ構成を有する。本実施の形態では、格子14として、透過型の振幅型格子を用いる場合について説明するが、反射型の格子を用いてもよい。
また、本実施の形態では、格子14は空間的に矩形波状の透過率分布を有し、例えば、数百ミクロンの格子ピッチを有すればよい。
The grating 14 is formed of an amplitude grating in which light-transmitting portions and light-shielding portions are two-dimensionally and periodically arranged. More specifically, the grating 14 has a configuration in which a large number of slits formed by periodically arranging light absorbing portions (light shielding portions) on a substrate that transmits light are arranged at equal intervals in parallel. In the present embodiment, a case where a transmission type amplitude type grating is used as the grating 14 will be described, but a reflection type grating may be used.
In the present embodiment, the grating 14 has a spatially rectangular transmittance distribution, for example, a grating pitch of several hundred microns.
本実施の形態に係る距離測定装置1では、格子14から光検出素子15までの距離が、格子14のピッチと光源11からの波長と対物距離aとで決まるフーリエイメージ距離付近となるように設定される。具体的には、格子14から光検出素子15までの距離Lは、次の式(1)で決定される。
L=nd2a/(nd2−aλ) ・・・(1)
上式(1)において、nは整数、dは格子14のピッチ、λは光源11からの光の波長、aは対物距離を示す。ここで対物距離aとは、図2に示すように、測定対象Tから格子14までの距離をいう。
In the distance measuring device 1 according to the present embodiment, the distance from the grating 14 to the
L = nd 2 a / (nd 2 −aλ) (1)
In the above equation (1), n is an integer, d is the pitch of the grating 14, λ is the wavelength of light from the
このように、格子14から光検出素子15までの距離をフーリエイメージ距離に設定することで、光検出素子15において、格子14から出射される周期的な強度分布を有する光によって生ずる格子縞の明瞭な像を検出することができる。そのため、光検出素子15は、格子縞のピッチをより精度よく求めることができる。
In this manner, by setting the distance from the grating 14 to the
より詳細に説明すると、格子14は、前述したように矩形波状の透過率分布を有するので、格子14からの距離が離れるにしたがって、格子14を透過する光の基本次数の成分に対して、3次、5次、7次などの成分の位相がずれていく。格子14から出射する光は、基本次数に対してずれるため、格子14からの距離がフーリエイメージ距離以外では、光検出素子15で検出される格子縞は乱れたような形状となる場合がある。このような理由から、本実施の形態では、格子14からフーリエイメージ距離だけ離れた位置に光検出素子15が設置される。
More specifically, since the grating 14 has the transmittance distribution in the form of a rectangular wave as described above, as the distance from the grating 14 increases, the component of the fundamental order of the light transmitted through the grating 14 becomes 3 Next, the fifth-order, seventh-order, and other components have different phases. Since the light emitted from the grating 14 is deviated from the basic order, if the distance from the grating 14 is other than the Fourier image distance, the lattice fringes detected by the
ここで、格子14から光検出素子15までの距離Lの具体的な例としては、上式(1)のn=1、λ=600nm、格子14のピッチd=0.19mm、対物距離a=60mmとした場合に、L=30mmに設定される。
Here, as a specific example of the distance L from the grating 14 to the
光検出素子15は、格子14から出射された周期的な強度分布を有する光により生ずる格子縞を検出し、検出結果を出力する。より詳細には、光検出素子15は、検出面Iを有し、この検出面Iにおいて格子縞を検出する。光検出素子15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
距離算出部16は、光検出素子15で得られた検出結果から演算処理を行い、格子縞の周期長を抽出し、得られた周期長に基づいて格子14から測定対象Tまでの対物距離aを算出する。なお、距離算出部16の構成の詳細は後述する。
The
[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を参照して説明する。
[Principle of distance measurement]
Next, the principle of distance measurement in the
なお、図2では、距離測定装置10のうち、集光光学系のみを要部として示し、照射光学系については省略している。
In FIG. 2, only the focusing optical system of the
図2に示すように、測定対象Tの表面が拡散反射面の場合、測定対象Tから格子14の位置までの対物距離をaとし、格子14から光検出素子15の検出面Iまでの距離をLとし、検出面Iで検出される格子縞のピッチをPとし、光源11の波長をλ、格子14のピッチをdとした場合、ABB’とACC’の相似関係に基づいて、対物距離aは次の式(2)で表される。
a=dL/(P−d) ・・・(2)
As shown in FIG. 2, when the surface of the measurement target T is a diffuse reflection surface, the objective distance from the measurement target T to the position of the grating 14 is a, and the distance from the grating 14 to the detection surface I of the
a = dL / (P−d) (2)
[距離算出部のハードウェア構成]
次に、上述した対物距離aを算出するための演算処理を行う距離算出部16の構成について図3を参照して説明する。
距離算出部16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。
[Hardware Configuration of Distance Calculation Unit]
Next, the configuration of the
The
図3に示すように、光検出素子15は、I/F106を介して距離算出部16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16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. 3, the
The
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
[距離測定装置の動作]
次に、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4のフローチャートを参照して説明する。
[Operation of distance measuring device]
Next, the operation of the
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 in the
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、格子14に入射する。格子14は、入射光の強度分布を変えて周期的な強度分布を有する光を出射する(ステップS2)。
Thereafter, the light emitted from the
次に、格子14から出射され周期的な強度分布を有する光によって生ずる格子縞は、光検出素子15によって検出される(ステップS3)。 Next, lattice fringes generated by light emitted from the grating 14 and having a periodic intensity distribution are detected by the photodetector 15 (step S3).
その後、光検出素子15は、検出した格子縞の情報を距離算出部16に入力する。そして、距離算出部16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)。
After that, the
図5は、光検出素子15で得られた検出結果の解析例である。ここでは、横軸が格子縞に直交する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、ほぼ矩形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格子縞ピッチPを示す実際の距離を算出できる。
FIG. 5 is an analysis example of the detection result obtained by the
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、拡散反射面を有する測定対象Tから反射される反射光を入射光として、入射光の強度分布を変えて周期的な強度分布を有する光を出射する格子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
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第1の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
[Second embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same components as those of the above-described first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
第1の実施の形態では、測定対象Tが拡散反射面である場合について説明した。これに対して、第2の実施の形態では、測定対象Tが正反射面である場合について説明する。以下、第1の実施の形態と異なる構成を中心に説明する。 In the first embodiment, the case where the measurement target T is a diffuse reflection surface has been described. On the other hand, in the second embodiment, a case where the measurement target T is a regular reflection surface will be described. Hereinafter, the configuration different from the first embodiment will be mainly described.
[距離測定の原理]
図6は、本実施の形態に係る距離測定装置10Aの構成を示す模式図である。以下、本実施の形態における距離測定の原理について図6を用いて説明する。
第1の実施の形態のように測定対象Tが拡散反射面である場合、測定対象Tに向けて照射された光は、測定対象Tの表面を起点として拡散する。第1の実施の形態では、その起点を求めることにより、測定対象Tまでの距離を測定した。一方で、本実施の形態のように測定対象Tが正反射面である場合、測定対象Tに向けて集光されながら照射された光は、その集光点に測定対象Tの表面が存在した場合を除き、測定対象Tの表面以外の場所で集光し、その集光点を起点として拡散していく。
[Principle of distance measurement]
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a
When the measurement target T is a diffuse reflection surface as in the first embodiment, light emitted toward the measurement target T diffuses from the surface of the measurement target T as a starting point. In the first embodiment, the distance to the measurement target T is measured by obtaining the starting point. On the other hand, when the measurement target T is a specular reflection surface as in the present embodiment, the light irradiated while being collected toward the measurement target T has the surface of the measurement target T at the focus point. Except in the case, the light is condensed at a place other than the surface of the measurement target T, and is diffused with the light condensing point as a starting point.
図6に示すように、測定対象Tに向けて照射された光が集光する点をDとし、測定対象Tがその遠方にあった場合、光は点Dで集光した後に測定対象Tで反射し、点Dの虚像である点Eを起点として拡散していく。D−A間距離とA−E間距離は等しい。
測定対象Tから格子14の位置までの対物距離をaとし、格子14から光検出素子15の検出面Iまでの距離をLとし、検出面Iで検出される格子縞のピッチをPとし、格子14のピッチをdとし、光源からの光が照射光学系により集光する位置から格子までの距離をtとした場合、D−A間距離とA−E間距離は等しいことと、EBB’とECC’の相似関係に基づいて対物距離aを求めると、次の式(3)で表される。
a=dL/2(P−d)+t/2 ・・・(3)
As shown in FIG. 6, the point at which the light irradiated toward the measurement target T converges is denoted by D. When the measurement target T is located far away, the light converges at the point D and then at the measurement target T. The light is reflected and diffused starting from a point E which is a virtual image of the point D. The distance between DA and the distance between AE are equal.
The object distance from the measurement object T to the position of the grating 14 is a, the distance from the grating 14 to the detection surface I of the
a = dL / 2 (P−d) + t / 2 (3)
距離算出部16は、光検出素子15により検出された格子縞の情報を入力として、上記式(3)を用いて測定対象Tの対物距離aを算出する。
The
以上説明したように、第2の実施の形態によれば、距離測定装置10Aは、測定対象Tが正反射面の場合においても、より簡素化された光学系によって精度よく対物距離aを測定することができる。
As described above, according to the second embodiment, even when the measurement target T is a specular reflection surface, the
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第1および第2の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same components as those in the above-described first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
第1および第2の実施の形態では、測定対象Tを反射した光が格子14に入射される場合について説明した。これに対して、第3の実施の形態では、測定対象Tと格子14との間にレンズ17(集光レンズ)を設置する。以下、第1および第2の実施の形態と異なる構成を中心に説明する。
In the first and second embodiments, the case where the light reflected by the measurement target T is incident on the grating 14 has been described. On the other hand, in the third embodiment, a lens 17 (condensing lens) is provided between the measurement target T and the
図7Aおよび図7Bは、本実施の形態に係る距離測定装置10Bの構成を示す模式図である。図7Aは測定対象Tの表面が拡散反射面である場合を示し、図7Bは測定対象Tの表面が正反射面である場合を示している。
レンズ17は、測定対象Tとビームスプリッタ13との間の光路O上に設けられている。ビームスプリッタ13で反射された光源11からの光は、レンズ17によって集光されて測定対象Tに照射される。また、測定対象Tを反射した光は、レンズ17で集光されてビームスプリッタ13を透過し、格子14に入射される。
7A and 7B are schematic diagrams illustrating a configuration of the
The
[測定対象が拡散反射面の場合における距離測定の原理]
まず、測定対象Tの表面が拡散反射面である場合の距離測定の原理について図7Aを用いて説明する。
なお、本来、レンズ17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、レンズ17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。
[Principle of distance measurement when the measurement target is a diffuse reflection surface]
First, the principle of distance measurement when the surface of the measurement target T is a diffuse reflection surface will be described with reference to FIG. 7A.
Note that the
図7Aに示すように、測定対象Tから格子14の位置までの対物距離をaとし、測定対象Tからレンズ17までの距離をbとし、レンズ17から格子14までの距離をhとする。また、格子14から光検出素子15の検出面Iまでの距離をLとし、検出面Iからレンズ17で集光した光の像の位置Qまでの距離をcとし、レンズ17の焦点距離をfとする。なお、第1および第2の実施の形態と同様に、検出面Iで検出される格子縞のピッチをPとし、光源11の波長をλ、格子14のピッチをdとする。
As shown in FIG. 7A, the objective distance from the measurement target T to the position of the grating 14 is a, the distance from the measurement target T to the
図7Aに示すように測定対象Tの表面が拡散反射面の場合、薄肉レンズの公式より、上記距離の関係は次式(4)で表される。
また、図7AにおけるQBB’とQCC’の相似の関係から、次式(5)が得られる。
上式(4)および(5)から、対物距離aは次式(6)で求められる。
[測定対象が正反射面の場合における距離測定の原理]
次に、測定対象Tが正反射面である場合の距離測定の原理について図7Bを用いて説明する。
[Principle of distance measurement when the measurement target is a specular reflection surface]
Next, the principle of distance measurement when the measurement target T is a regular reflection surface will be described with reference to FIG. 7B.
図7Bに示すように、測定対象Tから格子14の位置までの対物距離をaとし、測定対象Tからレンズ17までの距離をbとし、レンズ17から格子14までの距離をhとする。また、格子14から光検出素子15の検出面Iまでの距離をLとし、検出面Iからレンズ17で集光した光の像の位置Qまでの距離をcとし、レンズ17の焦点距離をfとする。
As shown in FIG. 7B, the objective distance from the measurement target T to the position of the grating 14 is a, the distance from the measurement target T to the
また、D−A間距離およびA−E間距離をsとする。より詳細には、測定対象Tに向けて照射された光が集光する点をDとし、測定対象Tがその遠方にあった場合、光は点Dで集光した後に測定対象Tで反射し、点Dの虚像である点Eを起点として拡散していく。なお、第1および第2の実施の形態と同様に、検出面Iで検出される格子縞のピッチをPとし、光源11の波長をλ、格子14のピッチをdとする。
The distance between DA and the distance between AE are s. More specifically, the point at which the light emitted toward the measurement target T converges is D, and when the measurement target T is located far away, the light is condensed at the point D and then reflected at the measurement target T. , From the point E which is a virtual image of the point D. As in the first and second embodiments, the pitch of the lattice fringes detected on the detection surface I is P, the wavelength of the
図7Bに示すように測定対象Tの表面が正反射面の場合、薄肉レンズの公式より、上記距離の関係は次式(7)で表される。
また、図7BにおけるQBB’とQCC’の相似関係から、次式(8)が得られる。
さらに、図7Bから次式(9)が得られる。
上式(7)、(8)、(9)から、対物距離aは次式(10)で求められる。
以上説明したように、第3の実施の形態に係る距離測定装置10Bによれば、測定対象Tと格子14との間の光路O上にレンズ17を備え、測定対象Tからの反射光を集光して格子14に入射させる。そのため、測定対象Tからの反射光をより多く集めた上で対物距離aを測定することができる。特に、設計上の都合などにより、測定対象Tから光検出素子15までの距離を近づけることができないような場合に有効である。
As described above, according to the
また、第3の実施の形態に係る距離測定装置10Bは、測定対象Tが拡散反射面である場合および正反射面である場合においてもそれぞれ精度良く対物距離aを測定することができる。
Further, the
[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第1から第3の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same components as those in the above-described first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
第1の実施の形態では、測定対象Tの表面が拡散反射面である場合について説明し、第2の実施の形態では、測定対象Tの表面が正反射面である場合について説明した。また、第3の実施の形態では、測定対象Tの表面が拡散反射面である場合、および正反射面である場合についてそれぞれ説明した。これに対して第4の実施の形態では、測定対象Tの表面が光沢面であり、反射光に正反射光と拡散反射光とが混在する場合について説明する。本実施の形態に係る距離測定装置10Cは、ビームスプリッタ13と格子14との間に偏光素子(フィルタ)18をさらに備える。以下、第1から第3の実施の形態と異なる構成を中心に説明する。
In the first embodiment, the case where the surface of the measurement target T is a diffuse reflection surface has been described, and in the second embodiment, the case where the surface of the measurement target T is a regular reflection surface has been described. In the third embodiment, the case where the surface of the measurement target T is a diffuse reflection surface and the case where the surface of the measurement object T is a regular reflection surface are described. On the other hand, in the fourth embodiment, a case will be described in which the surface of the measurement target T is a glossy surface and the specular reflection light and the diffuse reflection light are mixed in the reflection light. The
図8は、本実施の形態に係る距離測定装置10Cの構成を示す模式図である。測定対象Tに照射される光源11からの光として偏光を用いる。偏光素子18は、ビームスプリッタ13と格子14との間の光路O上に設けられており、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、偏光素子18を透過し、格子14に入射される。
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a configuration of a
偏光素子18は、測定対象Tから反射される反射光のうち、所定の偏光を選択的に通過させる。具体的には、偏光素子18は、測定対象Tを反射した反射光に含まれる拡散反射光および正反射光のうち拡散反射光を選択的に通過させる。
The
ここで、偏光素子18は、任意の1方向の偏光を除去することができる光学素子である。そのため、測定対象Tに照射する偏光の方向に、偏光素子18の方向を合わせることで、偏光をほぼ除去できる。例えば、偏光素子18に非偏光を入射させた場合は、非偏光の半分程度が偏光素子18を通過し、残りの半分程度が除去される。
Here, the
このような特性から、偏光を測定対象Tに照射し、反射光に拡散反射光と正反射光とが混ざっている場合、偏光素子18の方向を正反射光(偏光)の方向に合わせれば、正反射光をほぼ除去できる。それと同時に、拡散反射光も半分程度が偏光素子18で除去されるが、半分程度の拡散反射光は偏光素子18を通過する。そのため、偏光素子18は選択的に拡散反射光のみを通過させることができる。
From such characteristics, when the measurement object T is irradiated with polarized light and the reflected light is a mixture of the diffusely reflected light and the specularly reflected light, the direction of the
[距離測定の原理]
以下、本実施の形態における距離測定の原理について図8を用いて説明する。
前述したように、測定対象Tからの反射光が拡散反射光の場合と正反射光の場合とでは、それぞれ反射光が拡散する起点が異なる。そのため、検出面Iで検出された格子縞のピッチPから、対物距離aを求めるために用いられる式が異なる。
[Principle of distance measurement]
Hereinafter, the principle of distance measurement in the present embodiment will be described with reference to FIG.
As described above, the origin from which the reflected light is diffused differs between the case where the reflected light from the measurement target T is the diffusely reflected light and the case where the reflected light is the specularly reflected light. Therefore, the formula used to determine the object distance a is different from the pitch P of the lattice fringes detected on the detection surface I.
例えば、測定対象Tに照射される光として偏光を用い、測定対象Tからの反射光が正反射光であった場合、反射の際に偏光状態は保存されるため、反射光も偏光となっている。他方、測定対象Tからの反射光が拡散反射光であった場合、反射の際に偏光状態は保存されないため、反射光は非偏光となる。 For example, when polarized light is used as light to be irradiated on the measurement target T, and the reflected light from the measurement target T is specular reflection light, the polarization state is preserved upon reflection, so that the reflected light is also polarized. I have. On the other hand, when the reflected light from the measurement target T is diffuse reflected light, the reflected light is unpolarized because the polarization state is not preserved during reflection.
図8に示すように、紙面に垂直な方向の直線偏光を測定対象Tに照射し、測定対象Tからの反射光を、紙面に平行な方向の直線偏光を透過させる偏光素子18に入射させると、測定対象Tの表面で正反射した光は除去され、拡散反射した光のみ通過し、格子14に入射されて、光検出素子15で検出される。光検出素子15で検出された光は測定対象Tで拡散反射した光のみであるので、式(6)を用いて対物距離aを求めることができる。
As shown in FIG. 8, linearly polarized light in a direction perpendicular to the plane of the paper is irradiated to the measurement target T, and reflected light from the measurement target T is made incident on a
以上説明したように、第4の実施の形態に係る距離測定装置10Cによれば、測定対象Tの表面が光沢面であり、反射光に正反射光と拡散反射光が混在する場合でも、測定対象Tに照射される光として偏光を用い、ビームスプリッタ13と格子14との間に偏光素子18を設置することにより、精度良く対物距離aを測定することができる。
As described above, according to the
なお、説明した実施の形態では、光検出素子15は、格子14を透過した光を直接検出面Iで検出する場合について説明した。しかし、本発明はこれに限られない。例えば、図9に示す距離測定装置10Dのように、格子14と光検出素子15との間の光路O上にシリンドリカルレンズ19などの集光手段(光学素子)をさらに設けてもよい。
In the embodiment described above, the case where the
この集光手段は、格子縞の強度が変化する方向と光軸に直交する方向とに、格子14から出射された光を集光させる。なお、シリンドリカルレンズ19のように屈折を利用した集光手段の代わりに、反射鏡を用いてもよい。
This condensing means condenses the light emitted from the grating 14 in a direction in which the intensity of the lattice fringes changes and in a direction orthogonal to the optical axis. It should be noted that a reflecting mirror may be used instead of the condensing means utilizing refraction like the
上記の集光手段をさらに備えることにより、距離測定装置10Dは、より大きい信号強度(受光量)に基づいて対物距離aを測定することが可能となる。
By further providing the above-mentioned light collecting means, the
また、説明した実施の形態に係る距離測定装置10、10A、10B、10C、10Dは、入射光の強度分布を変えて周期的な強度分布を有する光を出射する格子14を備える場合について説明した。しかし、格子14の代わりに、例えば、空間光変調器を用いることができる。
Further, a case has been described in which the
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透過率を調整し、液晶層を入射する入射光に対して強度分布を変えて、周期的な強度分布を有する光を出射する。空間光変調器を用いることにより、透過率分布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 adjusts the transmittance by individually applying a voltage to the liquid crystal layer from each of the plurality of electrodes. Then, the intensity distribution is changed with respect to the incident light entering the liquid crystal layer, and light having a periodic intensity distribution is emitted. By using the spatial light modulator, the transmittance distribution 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。 The embodiments of the distance measuring device and the distance measuring method according to the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and those skilled in the art may refer to the scope of the invention described in the claims. Various possible modifications can be made.
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…格子、15…光検出素子、16…距離算出部、T…測定対象、I…検出面、a…対物距離、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
Claims (14)
前記測定対象から反射される反射光を入射光として、前記入射光の強度分布を変えて周期的な強度分布を有する光を出射する格子と、
前記格子から出射された前記周期的な強度分布を有する光により生ずる格子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 that condenses light from a light source onto a measurement target and irradiates the light;
A grating that emits light having a periodic intensity distribution by changing the intensity distribution of the incident light, with reflected light reflected from the measurement target as incident light,
A photodetector that detects lattice fringes generated by the light having the periodic intensity distribution emitted from the lattice,
A distance calculation unit that calculates an object distance from the light detection element to the measurement target based on a detection result obtained by the light detection element.
前記測定対象から反射される前記反射光に含まれる拡散反射光および正反射光のうち前記拡散反射光を選択的に通過させるフィルタをさらに備え、
前記格子は前記フィルタを通過した光を前記入射光とする
ことを特徴とする距離測定装置。 The distance measuring device according to claim 1,
Further comprising a filter for selectively passing the pre-Symbol diffuse reflection light of the diffuse reflected light and regular reflected light included in the reflected light reflected from the measurement object,
A distance measuring device, wherein the grating uses light passing through the filter as the incident light.
前記フィルタは、偏光素子で構成されることを特徴とする距離測定装置。 The distance measuring device according to claim 2,
The said filter is comprised with a polarizing element, The distance measuring apparatus characterized by the above-mentioned.
前記測定対象は、拡散反射面を有し、
前記測定対象から反射される前記反射光は拡散反射光であり、
前記距離算出部は、前記光検出素子で検出された前記格子縞のピッチPに基づいて、前記測定対象から前記格子の位置までの対物距離aを、a=dL/(P−d)(dは前記格子のピッチ、Lは前記格子から前記光検出素子までの距離)により算出する
ことを特徴とする距離測定装置。 The distance measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The measurement target has a diffuse reflection surface,
The reflected light reflected from the measurement target is diffuse reflected light,
The distance calculation unit calculates an object distance a from the measurement target to the position of the lattice based on the pitch P of the lattice fringes detected by the light detection element, a = dL / (P−d) (d is The pitch and L of the grating are calculated based on the distance from the grating to the photodetector.
前記測定対象は、正反射面を有し、
前記測定対象から反射される前記反射光は正反射光であり、
前記距離算出部は、前記光検出素子で検出された前記格子縞のピッチPに基づいて、前記測定対象から前記格子の位置までの対物距離aを、a=dL/2(P−d)+t/2(dは前記格子のピッチ、Lは前記格子から前記光検出素子までの距離、tは前記光源からの光が前記照射光学系により集光する位置から前記格子までの距離)により算出する
ことを特徴とする距離測定装置。 The distance measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The measurement target has a specular reflection surface,
The reflected light reflected from the measurement target is specularly reflected light,
The distance calculation unit calculates an object distance a from the measurement target to the position of the lattice based on the pitch P of the lattice fringes detected by the light detection element, a = dL / 2 (P−d) + t / 2 (d is the pitch of the grating, L is the distance from the grating to the photodetector, and t is the distance from the position where light from the light source is collected by the irradiation optical system to the grating). A distance measuring device characterized by the above-mentioned.
前記格子は、1次元的に、かつ周期的に交互に配列された透光部と遮光部とを有する振幅型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 any one of claims 1 to 5,
The distance measuring device according to claim 1, wherein the grating includes an amplitude type grating having a light-transmitting portion and a light-shielding portion which are arranged one-dimensionally and periodically alternately.
前記振幅型格子は、空間的に矩形波状に変化する透過率分布を有することを特徴とする距離測定装置。 The distance measuring device according to claim 6,
The distance measuring device, wherein the amplitude type grating has a transmittance distribution that changes spatially in a rectangular wave shape.
前記格子から前記光検出素子までの距離は、前記格子のピッチ、前記光源からの光の波長、および前記対物距離で定まるフーリエイメージ距離であることを特徴とする距離測定装置。 The distance measuring device according to any one of claims 1 to 7,
A distance measuring device, wherein a distance from the grating to the light detecting element is a Fourier image distance determined by a pitch of the grating, a wavelength of light from the light source, and the objective distance.
前記格子は、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透過率を調整し、前記液晶層を入射する前記入射光に対して強度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 any one of claims 1 to 8,
The lattice has a liquid crystal layer and a plurality of electrodes arranged along the surface of the liquid crystal layer, and adjusts the transmittance by individually applying a voltage to the liquid crystal layer from each of the plurality of electrodes. A spatial light modulator that performs intensity modulation on the incident light that enters the liquid crystal layer.
前記測定対象から反射される反射光を集光させる集光レンズをさらに備え、
前記格子は、前記集光レンズによって集光された前記反射光を入射光とする
ことを特徴とする距離測定装置。 The distance measuring device according to any one of claims 1 to 9,
Further comprising a condenser lens for condensing reflected light reflected from the measurement object,
The distance measuring device, wherein the grating uses the reflected light condensed by the condenser lens as incident light.
前記格子から出射される前記周期的な強度分布を持つ光を、前記格子縞の強度が変化する方向と光軸に直交する方向に集光させる光学素子をさらに備えることを特徴とする距離測定装置。 The distance measuring device according to any one of claims 1 to 10,
A distance measuring device further comprising an optical element for condensing light having the periodic intensity distribution emitted from the grating in a direction in which the intensity of the lattice fringes changes and in a direction orthogonal to an optical axis.
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。 The distance measuring device according to any one of claims 1 to 11,
The irradiation optical system includes:
A light source lens for condensing light from the light source,
A beam splitter for directing light emitted from the light source lens to the object to be measured.
前記照射光学系によって前記測定対象に照射される光は偏光であることを特徴とする距離測定装置。 The distance measuring device according to any one of claims 1 to 12,
The light emitted from the irradiation optical system to the object to be measured is polarized light.
前記測定対象から反射される反射光を入射光として、前記入射光の強度分布を変えて周期的な強度分布を持つ光を出射する強度分布生成ステップと、
前記強度分布生成ステップで出射された前記周期的な強度分布を持つ光により生ずる格子縞を光検出素子で検出する検出ステップと、
前記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 irradiating the measurement target with light from the light source condensed,
An intensity distribution generating step of emitting light having a periodic intensity distribution by changing the intensity distribution of the incident light, with the reflected light reflected from the measurement object as incident light,
A detection step of detecting, with a photodetector, lattice fringes generated by the light having the periodic intensity distribution emitted in the intensity distribution generation step,
A distance calculation step of calculating an object distance from the photodetector to the measurement target based on the detection result obtained in the detection step.
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