(57)【要約】【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ことを目的とする。【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１４と、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生じた干渉縞を検出する光検出素子１６と、光検出素子１４で得られた検出結果に基づいて光検出素子１４から測定対象Ｔまでの対物距離ａを算出する距離算出部１７とを備える。【選択図】  図１
2019158488.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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【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。
【請求項７】
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。
【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９】
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。
【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
【特許文献２】特開２０１３−１８６３５０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。
【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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【発明の効果】
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【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】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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）。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
［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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【数１】
2019158488.tif 000003
【００４３】
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。
【００４４】
【数２】
2019158488.tif 000004
【００４５】
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。
【００４６】
【数３】
2019158488.tif 000005
【００４７】
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。
【数４】
2019158488.tif 000006
【００４８】
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。
【００４９】
【数５】
2019158488.tif 000007
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。
【００５０】
【数６】
2019158488.tif 000008
【００５１】
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。
【００５２】
【数７】
2019158488.tif 000009
【００５３】
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。
【数８】
2019158488.tif 000010
【００５４】
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。
【数９】
2019158488.tif 000011
【００５５】
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。
【数１０】
2019158488.tif 000012
【００５６】
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。
【数１１】
2019158488.tif 000013
【００５７】
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。
【数１２】
2019158488.tif 000014
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
［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。
【００６３】
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。
【００６４】
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）。
【００６５】
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）。
【００６６】
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）。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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】
【００７６】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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