JP5834602B2 - 回折光学素子及び計測装置 - Google Patents
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Description
また、前記凹凸パターンは、基本ユニットを周期的に配列してもよい。前記凹凸パターンは、基本ユニットを2次元的に配列してもよい。
また、本発明の計測装置は、光源と、光が照射された測定対象物の画像を撮像する撮像部と、前記回折光学素子と、を有し、前記回折光学素子は、前記光源からの光を分岐し、前記光源からの光を回折することにより、前記光スポットを形成することを特徴とする。
また、前記光スポットが照射される領域は、平面領域または球面領域であることを特徴とする。
本実施の形態における計測装置について説明する。図1に、本実施の形態における計測装置の構成例を示す。本実施の形態における計測装置10は、光源20と、回折光学素子30と、撮像素子50を有している。回折光学素子30は、光源20から出射された光束(入射光)11を入射させることにより、回折光12を発生させるものである。また、撮像素子50は、回折光12により生じた光スポットの投影パターンが照射されている測定対象物40a及び40bを撮像するためのものである。尚、撮像素子50は、撮像部と表現する場合もある。
次に、回折光学素子30について説明する。回折光学素子30は、入射する光束11に対して出射される回折光12は、2次元的な分布を有するように設計されている。回折光学素子30に入射する光束11の光軸方向をZ軸とし、Z軸に垂直な軸をX軸及びY軸とした場合に、X軸方向における最小角度θxminから最大角度θxmax及び不図示のY軸方向における最小角度θyminから最大角度θymaxの角度範囲内に光束群が分布している。尚、X軸方向における最小角度θxminから最大角度θxmax、Y軸方向における最小角度θyminから最大角度θymaxにより形成される回折光12の照射される範囲は、撮像素子50における撮像範囲と略一致した範囲となっている。また、角度範囲としては15°以上であれば、上記の理由で光学系を小型化でき好ましい。なお、ここでいう角度範囲15°以上とは、|θxmax−θxmin|および|θymax−θymin|の値を意味する。
1/2×p_avg≦p≦3/2×p_avg
の範囲であれば好ましく、
3/4×p_avg≦p≦5/4×p_avg
の範囲であればより好ましい。また、上記では投影される範囲をグリッドに分け、各グリッドに光スポットを割り当てることで投影された光スポットの均一性を得ているが、投影された光スポットの設計方法はこれに限らない。例えば、投影された光スポットを設計する際に、後述する最近隣距離の目標値を与え、各光スポットの間隔が最近隣距離の目標値の近傍で所定の量の範囲でばらつくようにスポット分布を計算することができる。このようにすることで、最近隣距離の平均値が前述の目標値となり、その最近隣距離に対応した光スポット密度の均一性を有する光スポット分布を得ることができる。
まず、最近隣距離法に関して説明する。最近隣距離とは、ある特定の面における各光スポットから、最も近接した光スポットまでの距離であり、図6にその概念図を示している。平均最近隣距離Wとは最近隣距離の平均値であり、最近隣距離diは光スポットiからの最も近い距離に位置する光スポット13までの距離であり、nを光スポットの個数とすると、以下の数11に示される式により計算することができる。
次に、K関数、L関数に関して説明する。最近隣距離法では、ある特定の面における各光スポット間の距離によって分布を評価するものであるが、K関数、L関数では、所定の面積を考慮して、その中に入る光スポットの数を計算することによって分布の評価をするものである。尚、K関数の値は数16に示される式により計算される。ここで、dijは光スポットiから光スポットjまでの距離であり、I(dij<t)は距離t内に含まれる光スポットの個数を示している。
実施例1について、図11及び図12に基づき説明する。図11(a)は、本実施の形態における回折光学素子に基づき、分散型となるパターンを2500個発生させた場合を示したものである。図11(a)は、実施例1における回折光学素子について、所定の回折範囲内を50×50分割し、そのグリッド内に1つの光スポットが入るように形成するものである。特に、グリッド内を5×5のサブグリッドに分割し、そのサブグリッド上にランダムに1つの光スポットが位置するように形成する。
次に、実施例2について図13及び図14に基づき説明する。図13(a)は、本実施の形態における回折光学素子に基づき、分散型となるパターンを30000個発生させた場合を示したものである。図13(a)は、実施例2における回折光学素子について、所定の回折範囲内を200×150分割し、そのグリッド内に1つの光スポットが入るように形成するものである。特に、グリッド内を3×3のサブグリッドに分割し、そのサブグリッド上にランダムに1つの光スポットが位置するように形成する。
次に、実施例3について図15及び図16に基づき説明する。図15(a)は、本実施の形態における回折光学素子に基づき、分散型となるパターンを30000個発生させた場合を示す。図15(a)は、実施例3に示す回折光学素子について、所定の回折範囲内を100×75分割し、そのグリッド内に4つの光スポットが入るように形成したものである。特に、グリッド内を6×6のサブグリッドに分割し、そのサブグリッド上にランダムに4つの光スポットが位置するように形成した。
次に、比較例1について図17に基づき説明する。図17(a)は、比較例1における回折光学素子において、格子点上に規則的な光スポットを2500個発生させた場合を示す。図17(a)に示されるように、比較例1における回折光学素子は、所定の回折範囲内を50×50分割し、そのグリッド内の所定の位置に1つの光スポットが位置するように形成されている。
次に、比較例2について図18に基づき説明する。図18(a)は、比較例2における回折光学素子において、ランダムな光スポットを2500個発生させた場合を示す。図18(a)に示されるように、比較例2における回折光学素子は、所定の回折範囲内を250×250分割し、各分割点にランダムに光スポットが発生するように形成されている。
次に、比較例3について図19に基づき説明する。図19(a)は、比較例3における回折光学素子において、ランダムな光スポットを30000個発生させた場合を示す。図19(a)に示されるように、比較例3における回折光学素子は、所定の回折範囲内を2000×1500分割し、各分割点にランダムに光スポットが発生するように形成されている。
次に、比較例4について図20に基づき説明する。図20(a)は、比較例4における回折光学素子において、格子点上に規則的な光スポットを30000個発生させた場合を示す。図20(a)に示されるように、比較例4における回折光学素子は、所定の回折範囲内を200×150分割し、各分割点に規則的に光スポットが発生するように形成されている。
11 光束(回折光学素子への入射光)
12 回折光
13 光スポット
20 光源
30 回折光学素子
31 基本ユニット
32 基板
33 凸部
34 凹部
40a 測定対象物
40b 測定対象物
50 撮像素子
Claims (10)
- 2次元的な位相分布を発生させる凹凸パターンを有し、入射した光を2次元的に回折して、回折光を発生させる回折光学素子であって、
前記回折光により形成される一部または全部の光スポットの個数をnとした場合、前記光スポットが照射される領域の面積により規格化された前記光スポットにおける平均最近隣距離Wは、1/(2×n1/2)<W<1/(n1/2)の範囲内であり、
光軸方向をZ軸とし、Z軸に垂直な軸をX軸及びY軸としたとき、前記X軸方向における前記回折光の、最小角度θx min から最大角度θx max の差|θx max −θx min |および、前記Y軸方向における前記回折光の、最小角度θy min から最大角度θy max の差|θy max −θy min |が15°以上であることを特徴とする回折光学素子。 - 前記凹凸パターンは、2段または3段以上の凹凸パターンにより形成されているものであることを特徴とする請求項1に記載の回折光学素子。
- 前記回折光は、前記回折光学素子に入射した光の透過回折光であること、または、前記回折光学素子が光を反射する材料からなる反射層を有し、前記反射層において反射された反射光であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回折光学素子。
- 前記凹凸パターンは、基本ユニットを周期的に配列してなる、請求項1〜3いずれか1項に記載の回折光学素子。
- 前記凹凸パターンは、基本ユニットを2次元的に配列してなる、請求項4に記載の回折光学素子。
- 光源と、
光が照射された測定対象物の画像を撮像する撮像部と、
を有し、
前記光源からの光を分岐し、前記分岐された光により形成される一部または全部の光スポットの個数をnとした場合、前記光スポットが照射される領域の面積により規格化された前記光スポットにおける平均最近隣距離Wは、1/(2×n1/2)<W<1/(n1/2)の範囲内であり、
光軸方向をZ軸とし、Z軸に垂直な軸をX軸及びY軸としたとき、前記X軸方向における最小角度θx min から最大角度θx max の差|θx max −θx min |および、前記Y軸方向における最小角度θy min から最大角度θy max の差|θy max −θy min |が15°以上であり、
前記光スポットは、等間隔で規則的に配列されていない状態であることを特徴とする計測装置。 - 光源と、
光が照射された測定対象物の画像を撮像する撮像部と、
請求項1〜5いずれか1項に記載の回折光学素子と、
を有し、
前記回折光学素子は、前記光源からの光を分岐し、前記光源からの光を回折することにより、前記光スポットを形成することを特徴とする計測装置。 - 前記平均最近隣距離Wは、前記撮像部によって得られる像により求めたことを特徴とする請求項6または請求項7に記載の計測装置。
- 前記光スポットが照射される領域は、平面領域または球面領域であることを特徴とする請求項6〜8いずれか1項に記載の計測装置。
- 前記光スポットの数は、100以上であることを特徴とする請求項6〜8いずれか1項に記載の計測装置。
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