WO2016002443A1

WO2016002443A1 - 距離測定装置および方法

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Publication number: WO2016002443A1
Application number: PCT/JP2015/066470
Authority: WO
Inventors: 藤原　久利
Original assignee: アズビル株式会社
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2016-01-07
Also published as: JP2016017755A

Abstract

　物体（Ｔ）からの反射光を集光レンズ（１４）により虚スポット（Ｑ）に一旦集光させた後、両面ハーフミラー（１５）により２つの出力光に分離して、反射光が入射される第１面から出力し、これら２つの出力光により検出面（Ｉ）に生じた干渉縞を光検出素子（１６）で検出し、得られた検出結果を演算処理して干渉縞のピッチ（ｐ）を抽出し、距離算出部（１７）でこのピッチ（ｐ）に基づいて集光レンズ（１４）から物体（Ｔ）までの対物距離（ａ）を算出する。これにより、簡素な構成の光学レンズ系により、物体（Ｔ）までの対物距離（ａ）を正確に測定することができる。

Description

距離測定装置および方法

　本発明は、距離測定技術に関し、特に物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて物体までの対物距離を測定する光学的距離測定技術に関する。

　レーザー光等の光を用いて、物体までの対物距離を非接触で測定できる光学的測定装置が知られている。このような光学的測定装置は、単に物体までの対物距離を測定するだけではなく、物体の表面形状測定や、薄膜の厚さ測定等、様々な用途への応用が考えられている。

　このような光学的測定装置としては、例えば、レーザー光を物体の表面に対して斜めに照射し、その反射光が到達した位置に基づいて、表面までの距離を三角測量の原理で算出するものが知られている。このような方式の光学的測定装置は装置構成が比較的単純であるため、安価な測定装置として広く普及している。しかしながら、反射面の傾きが距離の測定値に直接影響してしまう方式であるため、測定対象である物体の表面が平坦でない場合には測定誤差が大きくなる。

　これに対し、物体の表面が平坦でない場合にも適用できる距離測定装置として、光の干渉を利用する方式の光学的測定装置が提案されている。例えば、下記特許文献１に記載された光学的測定装置では、物体の被測定点に光を照射して反射させ、その反射光が、干渉縞の検出面であるＣＣＤイメージセンサに到達するような構成となっている。

　被測定点とＣＣＤイメージセンサとの間には光学レンズ系が配置されており、反射光は当該光学レンズ系を通ってＣＣＤイメージセンサに到達する。光学レンズ系は、被測定点からの反射光が複数の光路をそれぞれ通過した後、ＣＣＤイメージセンサに重ねて照射されるように構成されたものである。それぞれの光路の光路長は互いに異なっているため、ＣＣＤイメージセンサ上には光路差に起因して干渉縞が生じる。

　当該干渉縞の縞間隔は、被測定点とＣＣＤイメージセンサとの対物距離に応じて変化する。従って、この光学的測定装置では、ＣＣＤイメージセンサの出力から得られた縞間隔に基づいて、被測定点までの対物距離が算出される。

特開２００４－２８９７７号公報

　しかしながら、このような従来技術では、互いに光路長の異なる複数の光路を生じさせるため、光学レンズ系を配置する必要があるが、このような光学レンズ系は、精密な研磨加工を要する多重焦点レンズや球体レンズ等によって構成される。したがって、このような光学レンズ系は、一般に高価となり、また精密な組み立てを必要とする。このため、距離測定装置のコストが増大するという問題点があった。

　本発明はこのような課題を解決するためのものであり、簡素な構成の光学レンズ系により、物体までの対物距離を正確に測定することができる距離測定技術を提供することを目的としている。

　このような目的を達成するために、本発明にかかる距離測定装置は、物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定装置であって、前記物体からの前記反射光を虚スポットに集光させる集光レンズと、前記虚スポットを通過した前記反射光を２つの出力光に分離して、当該反射光が入射される第１面から出力する両面ハーフミラーと、前記両面ハーフミラーから出力された２つの出力光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部とを備えている。

　また、本発明にかかる距離測定方法は、物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定方法であって、前記物体からの前記反射光を虚スポットに集光させる集光ステップと、前記虚スポットを通過した前記反射光を２つの出力光に分離して、当該反射光が入射される第１面から出力する光分離ステップと、前記両面ハーフミラーから出力された２つの出力光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出ステップと、前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出ステップとを備えている。

　本発明によれば、両面ハーフミラーという極めて簡素な既存の光学要素で、物体からの反射光が、仮想的な集光点である虚スポットの位置が互いに異なる２つの出力光に分離され、これら出力光により対物距離に応じてピッチが変化する干渉縞が検出面に発生する。このため、従来の精密な研磨加工を要する多重焦点レンズや球体レンズを用いる必要がなくなり、高価な光学系レンズやその精密な組み立てを省くことができる。したがって、比較的安価なコストで、物体までの対物距離を正確に測定することができる距離測定装置を実現することが可能となる。

図１は、第１の実施の形態にかかる距離測定装置の構成を示す説明図である。図２は、両面ハーフミラーにより発生する２つの虚スポットの間隔を示す説明図である。図３は、両面ハーフミラーによる結像点の延長を示す説明図である。図４は、両面ハーフミラーによる光のずれを示す説明図である。図５は、第１の出力光および第２の出力光の主光線を示す説明図である。図６は、光スポット間隔と光路差との関係を示す説明図である。図７は、本発明にかかる距離計測原理を示す説明図である。図８は、検出面に生じた干渉縞を示す画像例である。図９は、光検出素子で得られた検出結果の解析例である。図１０は、第２の実施の形態にかかる距離測定装置の構成を示す説明図である。図１１は、対物距離と干渉縞ピッチとの関係を示すグラフである。

　次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］

　　まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる距離測定装置１０について説明する。

　この距離測定装置１０は、距離の測定対象となる物体Ｔに光を照射して反射させ、その反射光に基づいて物体Ｔまでの対物距離を測定する機能を有している。
　図１に示すように、距離測定装置１０には、主な構成として、光源１１、光源レンズ１２、ビームスプリッタ１３、集光レンズ１４、両面ハーフミラー１５、光検出素子１６、および距離算出部１７が設けられており、これらがケーシング（図示せず）内部に収納されている。

　光源１１は、距離測定に用いる単一波長の光（単色光）を発する装置である。光源１１としては、半導体レーザー装置、ナトリウムランプのような単色光や、白色光源と狭帯域バンドパスフィルタにより単一波長化された光を発する装置を用いることができる。
　光源レンズ１２は、光源１１から発せられた光を集光してビームスプリッタ１３へ出力する機能を有している。

　ビームスプリッタ１３は、集光光学系の光軸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、光軸Ｏに沿って物体Ｔの光スポットＡに照射する機能と、光スポットＡで拡散反射された反射光のうち、光軸Ｏ方向に反射された反射光を集光レンズ１４へ透過させる機能を有している。なお、本発明において、光スポットＡが光軸Ｏ上にない場合は、光軸を主光線と読み替えるものとする。
　集光レンズ１４は、例えば凸レンズからなり、光軸Ｏ上に配置されて、ビームスプリッタ１３を透過した物体Ｔからの反射光を虚スポットＱに集光させる機能を有している。

　両面ハーフミラー１５は、全体として透明の平行平板からなり、互いに平行配置された、ハーフミラーコーティングなどの処理が施された半透光性を持つ第１面１５Ａおよび第２面１５Ｂを有し、集光光学系の光軸Ｏに対して傾きを持って配置されて、虚スポットＱを通過した反射光である主光線Ｓを内部で２つの出力光Ｓ１，Ｓ２に分離して、当該反射光が入射される第１面１５Ａから出力する機能を有している。

　これにより、入射された主光線Ｓは、主に、第１面１５Ａで反射した第１の出力光と、入射された主光線Ｓが第１面１５Ａを透過した後に第２面１５Ｂで反射し、その後第１面１５Ａを透過した第２の出力光Ｓ２とに分離されて出力される。
　なお、両面ハーフミラー１５の第１面１５Ａおよび第２面１５Ｂにおける透過率と反射率については、１：１に限定されるものではなく、１：１以外であってもよい。また、第２面１５Ｂについては、光を透過しない全反射ミラーであっても、ハーフミラーの場合と同様の効果が得られる。

　光検出素子１６は、両面ハーフミラー１５を通過した２つの出力光Ｓ１，Ｓ２により、検出面Ｉに生じた干渉縞を検出し、検出結果を出力する機能を有している。光検出素子１６としては、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）リニアイメージセンサや、フォトダイオードアレイなどの一次元上に配置した受光素子が利用できる。なお、本実施の形態では、検出面Ｉの垂線Ｏ‘が光軸Ｏとが直交するよう光検出素子１６が配置されている場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、両面ハーフミラー１５の傾きに応じて光検出素子１６を配置すればよい。

　距離算出部１７は、ＣＰＵを用いた演算処理回路からなり、光検出素子１６で得られた検出結果を演算処理して干渉縞のピッチ（周期長）を抽出し、得られたピッチに基づいて集光レンズ１４から物体Ｔまでの対物距離を算出する機能を有している。

［距離計測の原理］
　次に、図２～図７を参照して、本発明にかかる距離計測装置１０で用いる距離計測の原理について説明する。なお、図７では、距離計測装置１０のうち、集光光学系のみを要部として示し、投影光学系については省略してある。また、図２～図７において、理解を容易とするため、光線については主光線のみを示し、光軸Ｏと直交する方向のうち紙面上下方向をＸ方向とし、紙面垂直方向をＹ方向とし、光軸Ｏに沿った紙面左右方向をＺ方向とした。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１４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。

　集光レンズ１４で虚スポットＱに集光された物体Ｔからの反射光である主光線Ｓが、両面ハーフミラー１５に入射された場合、主に、第１面１５Ａで反射した第１の出力光Ｓ１と、第１面１５Ａを透過した後に第２面１５Ｂで反射し、さらに第１面１５Ａを透過した第２の出力光Ｓ２とに分離される。したがって、第２の出力光Ｓ２は第１の出力光Ｓ１と平行であるが、両面ハーフミラー１５内部で１回反射するため、第１の出力光Ｓ１が第１面１５Ａから出射する位置とは異なる位置から出射される。

　ここで、両面ハーフミラー１５の存在を無視して、第１の出力光Ｓ１と第２の出力光Ｓ２の仮想的な集光点（光源点）を虚スポットＱ１，Ｑ２とした場合、両面ハーフミラー１５での屈折および反射により、Ｑ１はＱと等しい位置となるが、Ｑ２は、実際の主光線Ｓの虚スポットＱからずれた互いに異なる位置となる。このため、虚スポットＱ１，Ｑ２からの第１および第２の出力光Ｓ１，Ｓ２が光検出素子１６の検出面Ｉに投影された場合、検出面Ｉ上に干渉縞が発生する。

　本発明は、この干渉縞のピッチｐが、集光レンズ１４から物体Ｔの光スポットＡまでの対物距離ａに応じて変化することに着目し、検出面Ｉ上に発生した干渉縞を光検出素子１６で検出して、距離算出部１７で、そのピッチｐを測定し、得られたピッチｐに基づいて集光レンズ１４から物体Ｔまでの対物距離ａを算出するようにしたものである。
　以下では、両面ハーフミラー１５に対する主光線Ｓの入射角θ１、すなわち両面ハーフミラー１５の傾きと、Ｘ方向およびＺ方向における虚スポットＱ１，Ｑ２の間隔ΔＸ，ΔＺとの関係を説明した上で、これら間隔ΔＸ，ΔＺとピッチｐ、さらにはピッチｐと対物距離ａとの関係について説明する。

［Ｘ方向における虚スポット間隔Δｘ］
　図２に示すように、両面ハーフミラー１５の厚さ、すなわち第１面１５Ａと第２面１５Ｂとの距離をｔとし、両面ハーフミラー１５に対する光Ｓの入射角をθ１とし、第１面１５Ａおよび第２面１５Ｂにおける屈折角をθ２とした場合、第１面１５Ｂにおける第１の出力光Ｓ１と第２の出力光Ｓ２の出射位置の距離ｗは、次の式（１）で表される。

　また、両面ハーフミラー１５の相対屈折率をｎとした場合、スネルの法則から、θ１とθ２との関係は、次の式（２）で表される。

　したがって、式（２）を式（１）に代入した場合、距離ｗは、θ１を用いた次の式（３）となり、Ｘ方向における虚スポットＱ１，Ｑ２の間隔Δｘは、次の式（４）で求められる。

［Ｚ方向における虚スポット間隔ΔＺ］
　両面ハーフミラー１５から出射された第１の出力光Ｓ１は第１面１５Ａで反射した光であるため、Ｓ１の虚スポットＱ１は虚スポットＱと等しい。一方、第２の出力光Ｓ２は、主光線Ｓが両面ハーフミラー１５の法線方向Ｚｇに沿って、検出面Ｉ側あるいは集光レンズ１４側にそれぞれ平行移動したものと見なすことができる。
　したがって、両面ハーフミラー１５の法線方向Ｚｇにおける、虚スポットＱから虚スポットＱ２までの距離Ｌｄ２を算出すれば、このＬｄ２からＺ方向における虚スポットＱ１，Ｑ２間の虚スポット間隔ΔＺを求めことができる。

　まず、図３および図４を参照して、光の平行移動について説明する。
　図３に示すように、光Ｓａを集光する集光レンズＣとその結像点Ｐａとの間に、屈折率の高い両面ハーフミラー１５などの平行平板からなる透光性を持つ媒体Ｇを挿入した場合、光Ｓａが平行移動した状態となり、媒体Ｇを透過した光Ｓｂの結像点は、媒体Ｇの法線方向Ｚｇに沿って結像点Ｐａから結像点Ｐｂまで延長されることになる。

　ここで、図４に示すように、媒体Ｇの相対屈折率をｎとし、媒体Ｇの厚さをｔとし、媒体Ｇに対する光Ｓａの入射角をθ１とし、媒体Ｇ内部での屈折角をθ２とし、法線方向Ｚｇに沿った光Ｓａから光Ｓｂへの平行移動距離をｄとした場合、媒体Ｇの出射面上における、媒体Ｇに対する光Ｓａの入射位置と媒体Ｇからの光Ｓｂの出射位置との距離ｋは、次の式（５）で表され、平行移動距離ｄは次の式（６）で求められる。

　次に、図５を参照して、第２の出力光Ｓ２の平行移動について説明する。図５では、理解を容易とするため、光軸Ｏを傾け、両面ハーフミラー１５の法線を基準（水平）としている。なお、第１の出力光Ｓ１については平行移動していないので、Ｓ１に関する光路差Ｌｄ１はゼロ（＝０）とする。
　前述した光の平行移動と同様にして、両面ハーフミラー１５から出射された第２の出力光Ｓ２は、図５に示すように、両面ハーフミラー１５に入射した主光線Ｓが、両面ハーフミラー１５の法線方向Ｚｇに沿って、平行移動したものと見なすことができる。

　まず、入射角θ１で第１面上の点Ａから入射した主光線Ｓは、法線方向Ｚｇに対して屈折角θ２の角度で屈折した後、両面ハーフミラー１５内部を透過して、第２面１５Ｂ上の点Ｂで反射した後、第１面１５Ａ上の点Ｃから第２の出力光Ｓ２として出射する。

　この際、点Ａから点Ｃまでの経路は、厚さ２ｔの両面ハーフミラー１５内部を反射せずに透過した経路と等しいものと見なすことかできる。したがって、点Ａから点Ｃまでの経路を第２面１５Ｂの右側に展開し、第１面１５Ａから距離２ｔだけ離れた仮想第１面上の点Ｄから主光線Ｓが入射角θ１で入射し、第２面１５Ｂ上の点Ｂを通過した後、第１面１５Ａ上の点Ｃから出射した場合と同等となる。

　この場合、第２の出力光Ｓ２を仮想第１面側に延長した場合に点Ａを通過する法線と交差する点を点Ｄ’とした場合、点Ｄ’を通過して点Ｃから出射する第２の出力光Ｓ２は、点Ｄに入射した主光線Ｓ’の直進光Ｓ２’が、法線方向Ｚｇに沿って集光レンズ１４側に平行移動したものと見なすことができ、線分Ｄ－Ｄ’が第２の出力光Ｓ２の平行移動距離ｄ２に相当する。

　ここで、三角形ＡＤＣと三角形ＡＤ’Ｃは、辺ＡＣを共通としているため、次の式（７）の関係が得られる。また、両面ハーフミラー１５の相対屈折率をｎとし，両面ハーフミラー１５の厚さをｔとして、スネルの法則により、式（７）のθ２をθ１で置換した場合、線分Ｄ－Ｄ’の距離ｄ２は式（８）で求められる。

　したがって、第２の出力光Ｓ２を仮想第１面側に延長した場合に仮想第１面と交差する点を点Ｄ’’とした場合、このような第２の出力光Ｓ２の平行移動により、主光線Ｓの光路長が線分Ｄ’’－Ｄ’の長さＬｄ２’だけ検出面Ｉ側に延長されたことになる。このことは、見かけ上、虚スポットＱが法線方向Ｚｇに沿って距離ｄ２だけ集光レンズ１４側に虚スポットＱ１まで移動したことを示している。このため、このＬｄ２’は式（８）で求めた距離ｄ１から次の式（９）で求められる。

　ここで、この距離Ｌｄ２’には、仮想第１面まで２ｔ分だけ展開した展開距離２ｔ／ｃｏｓθ１が含まれている。したがって、第２の出力光Ｓ２に関する実際の光路差Ｌｄ２は、次の式（１０）で求められる。

　したがって、Ｚ方向における虚スポットＱ１，Ｑ２の間隔Δｚは、第２の出力光Ｓ２の光路差Ｌｄ２に基づいて、次の式（１１）で求められる。

［虚スポット間隔ΔＸ，ΔＺとピッチｐとの関係］
　次に、図６を参照して、虚スポットＱ１，Ｑ２の間隔ΔＸ，ΔＺと、検出面Ｉ上に生じる干渉縞のピッチｐとの関係について説明する。図６では、理解を容易とするため、光軸Ｏを基準（水平）とし、両面ハーフミラー１５は無視するものとする。

　図６において、虚スポットＱ１，Ｑ２は、Ｘ方向に間隔ΔＸだけ離れるとともに、Ｚ方向に間隔ΔＺだけ離れて位置している。ここで、虚スポットＱ１からの第１の出力光Ｓ１と、虚スポットＱ２からの第２の出力光Ｓ２が光検出素子１６の検出面Ｉ上に到達した到達点をＶとし、虚スポットＱ１を通過するＸ方向の線と虚スポットＱ２を通過するＺ方向の線との交点を点Ｄとし、線分Ｑ１－Ｄの中間点Ｄ０からＺ方向に伸ばした線と検出面Ｉとが交わる点をＶ０とし、検出面Ｉ上でＹ方向に沿ったＶ０からＶまでの距離をＰとし、虚スポットＱ１から検出面Ｉまでの距離をｃとする。

　第１の出力光Ｓ１に関する虚スポットＱ１から到達点Ｖまでの光路長Ｌ１は、三平方の定理により、次の式（１２）で求められる。この際、距離ｃに比較して間隔Δｘが非常に小さく、Ｚ方向に対する線分Ｄ０－Ｖの傾きΦに代表される第１の出力光Ｓ１および第２の出力光Ｓ２の傾きが非常に小さいため、光路長Ｌ１は次の式（１３）のように近似できる。

　一方、線分Ｑ２－Ｖと線分Ｑ１－Ｄとの交点を点Ｑ２’とした場合、第２の出力光Ｓ２に関する虚スポットＱ２から到達点Ｖまでの光路長Ｌ２は、線分Ｑ２－Ｑ２’の光路長Ｌ２１と線分Ｑ２’－Ｖの光路長Ｌ２２との和で求められる。
　まず、光路長Ｌ２１については、線分Ｄ－Ｑ２’の距離をｘ’とした場合、前述した式（１３）と同様にして、次の式（１４）により求められる。

　ここで、前述したように、線分Ｑ２－Ｑ２’の傾きΦが非常に小さく、距離ｘ’／間隔ΔｚすなわちｔａｎΦが極めて小さいため、式（１４）の右辺第２項は非常に小さい値となる。このため、結果として光路長Ｌ２１はΔｚで近似できることになる。
　一方、光路長Ｌ２２は、光路長Ｌ１と同様は、三平方の定理により、次の式（１５）で求められる。

　これにより、光路長Ｌ２は次の式（１６）で求められ、虚スポットＱ１からの第１の出力光Ｓ１と、虚スポットＱ２からの第２の出力光Ｓ２との光路差ΔＬは、次の式（１７）で求められる。

　検出面Ｉ上では、この光路差ΔＬにより干渉縞が生じ、具体的には、光路差ΔＬが光の波長λの整数ｍ（ｍは、０以上の整数）倍となる場合、検出面Ｉにおいて明線が生じる。また、光路差ΔＬのうち間隔Δｚは一定値であり、この値は、干渉縞の初期位相にのみ影響を与えるだけで干渉縞ピッチｐには影響を与えるものではない。

　したがって、検出面Ｉ上に生じた各明線のうち、隣接する明線の間隔は干渉縞ピッチｐとなり、その値はｍ＝１の場合に相当する。よって、検出面Ｉ上に生じた干渉縞の干渉縞ピッチｐは、式（１７）において光路差ΔＬ＝λとし、間隔Δｚを無視することにより、次の式（１８）で求められる。

　一方、図７に示すように、物体Ｔから主点Ｍすなわち集光レンズ１４の位置までの対物距離をａとし、主点から虚スポットＱまでの距離をｂとし、集光レンズ１４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（１９）で表される。

　したがって、主点から虚スポットＱまでの距離ｂと虚スポットＱ１から検出面Ｉまでの距離ｃ（ｃ＝虚スポットＱ１から第１面１５Ａまでの距離ｃ１＋第１面１５Ａから検出面Ｉまでの距離ｃ２）の和を距離ｇ（ｇ＝一定）としてｃ＝ｇ－ｂとし、これに式（１９）から求められる距離ｂを代入すると、前述した式（１８）は次の式（２０）となる。したがって、式（２０から、物体Ｔから主点Ｍすなわち集光レンズ１４の位置までの対物距離ａは、次の式（２１）で求められることになる。

　図８の画像例に示すように、干渉縞は、輝度の高い明線と輝度の低い暗線とが縞状に繰り返されて形成されている。したがって、互いに隣接する明線（または暗線）の間隔が干渉縞ピッチｐに相当する。

　図９の解析例では、横軸が干渉縞に直行するＸ方向に沿った画像のピクセル位置［ｐｉｃ］を示し、縦軸が各ピクセル位置における光強度（無単位）である。得られた検出結果は、ほぼ正弦波形状をなしており、そのピーク位置が明線に相当している。したがって、ピーク位置間に存在するピクセル数から干渉縞ピッチｐを示す実際の距離を算出できる。

［第１の実施の形態の効果］
　このように、本実施の形態は、物体Ｔからの反射光を集光レンズ１４により虚スポットＱに一旦集光させた後、両面ハーフミラー１５により２つの出力光に分離して、反射光が入射される第１面から出力し、これら２つの出力光により検出面Ｉに生じた干渉縞を光検出素子１６で検出し、得られた検出結果を演算処理して干渉縞のピッチを抽出し、距離算出部１７でこのピッチに基づいて集光レンズ１４から物体Ｔまでの対物距離ａを算出するようにしたものである。

　これにより、両面ハーフミラー１５により、物体Ｔからの反射光が集光した虚スポットＱが仮想的な２つの虚スポットＱ１（＝Ｑ），Ｑ２に分離されて、これら虚スポットＱ１，Ｑ２を仮想的な集光点とする反射光により、対物距離ａに応じて干渉縞ピッチｐが変化する干渉縞が、検出面Ｉ上に発生する。
　したがって、両面ハーフミラー１５という極めて簡素な既存の光学要素で、虚スポットＱからの反射光Ｓを、虚スポットＱ１からの第１の出力光Ｓ１と虚スポットＱ２からの第２の出力光Ｓ２とに容易に分離させることができる。このため、従来の精密な研磨加工を要する多重焦点レンズや球体レンズを用いる必要がなくなり、高価な光学系レンズやその精密な組み立てを省くことができる。これにより、比較的安価なコストで、物体Ｔまでの対物距離ａを正確に測定することができる距離測定装置を実現することが可能となる。

　また、本実施の形態は、両面ハーフミラー１５に、それぞれ半透光性を持つ平行配置された２つの第１面１５Ａおよび第２面１５Ｂを設け、虚スポットＱに一旦集光した反射光のうち、その一部を第１面１５Ａで反射させて第１の出力光Ｓ１として出力する機能と、他の一部を第１面１５Ａを透過した光を第２面１５Ｂで反射した後に第１面１５Ａを透過させて第２の出力光Ｓ２として出力するようにしたものである。

　これにより、両面ハーフミラー１５という極めて簡素な光学要素で、虚スポットＱからの反射光Ｓを、虚スポットＱ１からの第１の出力光Ｓ１と虚スポットＱ２からの第２の出力光Ｓ２とに容易に分離させることができ、効率よく干渉縞を発生させることができる。
　また、干渉縞は正弦波形状となるため、干渉縞ピッチｐの測定が容易となるとともに、干渉縞の局在化、すなわち周期的な特定の距離近辺にのみ干渉縞が現れる現象が発生しないため、対物距離ａの測定スパンを広くすることができる。さらに、干渉縞ピッチｐが検出面Ｉ上で一定となるため、光検出素子１６の検出結果を補正する必要がなく、演算処理を簡素化できるとともに干渉縞ピッチｐの測定誤差を低減できる。

［第２の実施の形態］
　次に、図１０を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる距離測定装置１０について説明する。
　本実施の形態では、前述した第１の実施の形態において、集光光学系に対物レンズ２０を設け、対物レンズ２０と集光レンズ１４との間の区間において、物体Ｔからの反射光を平行光に変換する場合について説明する。

　本実施の形態において、対物レンズ２０は、物体Ｔからの反射光を平行光に変換して、集光レンズ１４に出力する機能を有している。
　図１０の例では、対物レンズ２０と集光レンズ１４との間にビームスプリッタ１３が配置されている。これにより、光源１１から発せられた光は、光源レンズ１２で平行光に変換された後、ビームスプリッタ１３で反射され、この後、対物レンズ２０により集光されて物体Ｔに照射される。

　また、物体Ｔからの反射光は、対物レンズ２０で平行光に変換され、ビームスプリッタ１３を通過して集光レンズ１４により虚スポットＱに一旦集光させた後、虚スポットＱから広がり始めた反射光が両面ハーフミラー１５を通過して検出面Ｉに照射される。

　これにより、第１の実施の形態と同様、対物レンズ２０から物体Ｔまでの対物距離に応じてピッチが変化する干渉縞が検出面Ｉ上に生じるため、このピッチから対物距離を算出することができる。

　図１１に示すグラフは、本実施の形態に基づいて、対物距離ａと干渉縞ピッチｐとの関係をシミュレーションにより求めた。この際、対物レンズ２０の焦点距離をｆ’＝３０ｍｍとし、集光レンズ１４の焦点距離をｆ＝３０ｍｍとし、集光レンズ１４から光検出素子１６までの距離をＬ＝４０ｍｍとした。
　図１１のグラフによれば、対物距離ａの増加に応じて干渉縞ピッチｐが単調増加していることがわかる。

［第２の実施の形態の効果］
　このように、本実施の形態は、集光光学系に対物レンズ２０を設け、対物レンズ２０と集光レンズ１４との間の区間において、物体Ｔからの反射光を平行光に変換するようにしたので、物体Ｔまでの対物距離ａが変化しても、その対物距離ａに応じた焦点距離を持つ対物レンズ２０に取り換えることにより、対物レンズ２０から検出面Ｉまでの区間においては、光路が一定となる。
　このため、広範囲の対物距離ａに対応することができ、測定レンジを大幅に拡大することが可能となる。

［実施の形態の拡張］
　以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

　１０…距離測定装置、１４…集光レンズ、１５…両面ハーフミラー、１６…光検出素子、１７…距離算出部、Ｔ…物体、Ｑ…虚スポット、Ｉ…検出面、ａ…対物距離、ｐ…干渉縞ピッチ。

Claims

　物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定装置であって、
　前記物体からの前記反射光を虚スポットに集光させる集光レンズと、
　前記虚スポットを通過した前記反射光を２つの出力光に分離して、当該反射光が入射される第１面から出力する両面ハーフミラーと、
　前記両面ハーフミラーから出力された２つの出力光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、
　前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部と
　を備えることを特徴とする距離測定装置。
　請求項１に記載の距離測定装置において、
　前記両面ハーフミラーは、互いに平行配置された半透光性を持つ前記第１面および第２面を有し、集光光学系の光軸に対して傾きを持って配置されて、前記反射光が前記第１面で反射された第１の出力光と、当該反射光が当該第１面を透過した後に当該第２面で反射し、その後当該第１面を透過した第２の出力光とを、前記２つの出力光として出力することを特徴とする距離測定装置。
　請求項２に記載の距離測定装置において、
　前記集光レンズの焦点距離をｆとし、当該集光レンズから前記虚スポットまでの距離と前記第１の出力光の仮想的な集光点である第１の虚スポットから前記検出面までの距離との和をｇとし、当該第１の虚スポットと前記第２の出力光の仮想的な集光点である第２の虚スポットとの前記光軸と直交する方向における距離をΔｘとし、前記両面ハーフミラーの厚さをｔとし、前記両面ハーフミラーの傾き角度をθ１とし、前記両面ハーフミラーの屈折率をｎとし、前記干渉縞のピッチをｐとした場合、前記集光レンズから前記物体までの対物距離ａを、次の式

　で求めることを特徴とする距離測定装置。
　請求項１に記載の距離測定装置において、
　前記物体からの前記反射光を平行光とする対物レンズをさらに備え、
　前記集光レンズは、前記対物レンズからの前記平行光を前記虚スポットに集光させる
　ことを特徴とする距離測定装置。
　物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定方法であって、
　前記物体からの前記反射光を虚スポットに集光させる集光ステップと、
　前記虚スポットを通過した前記反射光を２つの出力光に分離して、当該反射光が入射される第１面から出力する光分離ステップと、
　前記両面ハーフミラーから出力された２つの出力光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出ステップと、
　前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出ステップと
　を備えることを特徴とする距離測定方法。