(57)【要約】      （修正有）【課題】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。【解決手段】距離測定装置１０は、光源１１からの光を測定対象Ｔに集光させて照射する照射光学系と、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と、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する光検出素子１５と、光検出素子１５で得られた検出結果に基づいて測定対象Ｔまでの対物距離を算出する距離算出部１６とを備える。【選択図】図１
2020030166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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距離測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の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する
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の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ることを特徴とする距離測定装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の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）により算出する
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載の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）により算出する
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項６】
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。
【請求項７】
請求項６に記載の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することを特徴とする距離測定装置。
【請求項８】
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。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載に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る
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の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する
ことを特徴とする距離測定装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の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ることを特徴とする距離測定装置。
【請求項１２】
請求項１から１１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。
【請求項１３】
請求項１から１２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。
【請求項１４】
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距離測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−１９４３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【発明の効果】
【００２４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の第１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。
【図２】図２は、本発明の第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。
【図３】図３は、本発明の第１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。
【図４】図４は、本発明の第１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。
【図５】図５は、本発明の第１の実施の形態に係る検出面に生じた格子縞を示す画像例である。
【図６】図６は、本発明の第２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。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第３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。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の第３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。
【図８】図８は、本発明の第４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。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
［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。
【００４１】
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。
【００４２】
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）
【００４３】
［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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
［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。
【００４７】
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。
【００４８】
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）。
【００４９】
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）。
【００５０】
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）。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
［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。
【００５４】
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。
【００５５】
［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。
【００５６】
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）
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
［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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
［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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【数１】
2020030166.tif 000003
【００６５】
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。
【数２】
2020030166.tif 000004
【００６６】
上式（４）および（５）から、対物距離ａは次式（６）で求められる。
【数３】
2020030166.tif 000005
【００６７】
［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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【数４】
2020030166.tif 000006
【００７１】
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。
【数５】
2020030166.tif 000007
【００７２】
さらに、図７Ｂから次式（９）が得られる。
【数６】
2020030166.tif 000008
【００７３】
上式（７）、（８）、（９）から、対物距離ａは次式（１０）で求められる。
【数７】
2020030166.tif 000009
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
［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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
［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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【符号の説明】
【００９２】
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。
【図１】
2020030166.tif 000010
【図２】
2020030166.tif 000011
【図３】
2020030166.tif 000012
【図４】
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【図５】
2020030166.tif 000014
【図６】
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【図７Ａ】
2020030166.tif 000016
【図７Ｂ】
2020030166.tif 000017
【図８】
2020030166.tif 000018
【図９】
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