(57)【要約】【課題】測定対象までの対物距離が比較的長い場合でも、距離計測の分解能がより高い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１は、測定対象２０５から反射された反射光を受光するＰＤ２１０Ａ、ＰＤ２１０Ｂの出力に基づいて、測定対象２０５までの合焦対物距離Ａを検出する合焦距離検出部４３と、測定対象２０５から反射して、前側格子２０６および後側格子２０７を透過した回折光の干渉縞の光強度に基づいて、干渉縞の位相を抽出する位相情報抽出部４４と、合焦対物距離Ａに関する情報を参照して、位相情報抽出部４４によって抽出された位相の位相分布を位相接続する位相接続演算部４５と、位相接続演算部４５によって位相接続された位相の位相分布に基づいて対物距離を求める距離換算部４６とを備える。【選択図】  図１
2019100903.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部と、
前記測定対象に照射されて、前記測定対象から反射された反射光を回折させる複数の回折格子と、
前記複数の回折格子を透過した回折光を集光させる集光部と、
前記集光部によって集光された前記回折光を受光する複数の受光素子と、
前記複数の受光素子の出力に基づいて、前記照射部から前記測定対象までの合焦対物距離を検出する合焦距離検出部と、
前記複数の回折格子を相対的に移動させた場合の、前記複数の受光素子からの出力に基づいて、前記複数の回折格子を透過した前記回折光による干渉縞の位相を抽出する位相情報抽出部と、
前記合焦対物距離に関する情報を参照して、前記位相情報抽出部によって抽出された前記位相の位相分布を位相接続する位相接続演算部と、
前記位相接続演算部によって位相接続された前記位相の前記位相分布に基づいて対物距離を求める距離換算部と
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、
前記複数の回折格子は、それぞれストライプ形状の格子を有し、前記反射光の光軸上に配置された前側格子と後側格子とを含み、
前記位相情報抽出部は、前記前側格子および前記後側格子のいずれか一方を他方の格子の格子面かつ前記ストライプ形状が有する長手方向に対して垂直な方向に、同一間隔で複数回移動させて、移動ごとの前記前側格子および前記後側格子を透過した前記回折光による前記干渉縞の前記位相を抽出する
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、
前記複数の回折格子は、正弦波状の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、
さらに前記集光部によって集光された前記回折光の一部を、前記回折光の光軸を挟んで空間的に遮るナイフエッジを備え、
前記複数の受光素子は、前記ナイフエッジを介して前記回折光を受光する
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、
さらに前記集光部によって集光された前記回折光を、前記回折光の光軸を挟んで空間的に分割する三角プリズムを備え、
前記複数の受光素子は、前記三角プリズムによって分割された前記回折光をそれぞれ受光する
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のいずれかに記載の距離測定装置において、
前記位相接続演算部は、
前記合焦距離と、対物距離と前記複数の回折格子を透過した回折光による干渉縞の位相との関係とを用いて、前記合焦距離検出部によって検出された前記合焦対物距離に対応する推定位相を求める位相推定部と、
前記位相情報抽出部によって抽出された前記位相と、前記位相推定部によって推定された前記推定位相との差が、−πから＋πの範囲の値となるように２ｎπ（ｎは０以外の整数）を加算して、前記位相分布を位相接続する位相接続処理部と、
を備え、
前記距離換算部は、前記位相情報抽出部によって抽出された前記位相と、前記位相接続処理部によって位相接続され前記位相分布とに基づいて、前記対物距離を求める
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のいずれかに記載の距離測定装置において、
前記照射部は、
前記光源からの光を平行状態にするコリメータレンズと、
前記コリメータ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、
前記ビームスプリッタから出射された光を前記測定対象に集光する対物レンズと、
を備え、
前記対物距離は、前記対物レンズの前記測定対象側の主点から前記測定対象までの距離である
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、
前記集光部は、前記複数の回折格子を透過した前記回折光を集光する集光レンズを備えることを特徴とする距離測定装置。
【請求項９】
照射部によって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、
前記測定対象に照射されて、前記測定対象から反射された反射光を複数の回折格子から透過させて回折させる回折ステップと、
前記複数の回折格子を透過した回折光を集光させる集光ステップと、
前記集光ステップで集光された前記回折光を複数の受光素子で受光する受光ステップと、
前記複数の受光素子の出力に基づいて、前記照射部から前記測定対象までの合焦対物距離を検出する合焦距離検出ステップと、
前記複数の回折格子を相対的に移動させた場合の、前記複数の受光素子からの出力に基づいて、前記複数の回折格子を透過した前記回折光による干渉縞の位相を抽出する位相情報抽出ステップと、
前記合焦対物距離に関する情報を参照して、前記位相情報抽出ステップで抽出された前記位相の位相分布を位相接続する位相接続演算ステップと、
前記位相接続演算ステップで位相接続された前記位相の前記位相分布に基づいて対物距離を求める距離換算ステップと
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、受光素子に２分割フォトダイオードを用い、ピントが合った状態では、結像スポットが各分割素子に均等に当たるのに対して、デフォーカスすると、一方の分割フォトダイオードに強く当たることを利用して、各分割フォトダイオードの出力の差から変位信号を得る、合焦式の距離測定装置を開示している。
【０００４】
このような従来の合焦式による距離測定装置は、同軸光学系によって合焦距離の異なる複数のデフォーカス信号から合焦位置を推定して測定対象までの距離を求める。そのため、従来の合焦式の距離測定装置は、例えば、三角測距式の距離測定装置と比べ、オクルージョンがないといった特徴を有する。
【０００５】
しかし、従来の合焦式の距離測定装置は、測定対象までの距離が遠くなると、デフォーカス量の変化が小さくなるため、距離計測の分解能が低くなる問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−２５７１１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｍａｔｓｕｙａｍａ  Ｓ．  ｅｔ  ａｌ．，Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｆｏｒ  ａ  ｈａｒｄ−Ｘ−ｒａｙ  ｎａｎｏｂｅａｍ  ｕｓｉｎｇ  ｓｉｎｇｌｅ−ｇｒａｔｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  Ｖｏｌ．２０，Ｉｓｓｕｅ  ２２，ｐｐ．２４９７７−２４９８６（２０１２）
【非特許文献２】野坂  健一郎  他「位相シフト法インライン３次元外観検査システム」パナソニック電工技報  ５７（３），２９−３４，２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、測定対象までの対物距離が比較的長い場合でも、距離計測の分解能がより高い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】
【０００９】
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部と、前記測定対象に照射されて、前記測定対象から反射された反射光を回折させる複数の回折格子と、前記複数の回折格子を透過した回折光を集光させる集光部と、前記集光部によって集光された前記回折光を受光する複数の受光素子と、前記複数の受光素子の出力に基づいて、前記照射部から前記測定対象までの合焦対物距離を検出する合焦距離検出部と、前記複数の回折格子を相対的に移動させた場合の、前記複数の受光素子からの出力に基づいて、前記複数の回折格子を透過した前記回折光による干渉縞の位相を抽出する位相情報抽出部と、前記合焦対物距離に関する情報を参照して、前記位相情報抽出部によって抽出された前記位相の位相分布を位相接続する位相接続演算部と、前記位相接続演算部によって位相接続された前記位相の前記位相分布に基づいて対物距離を求める距離換算部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る距離測定装置において、前記複数の回折格子は、それぞれストライプ形状の格子を有し、前記反射光の光軸上に配置された前側格子と後側格子とを含み、
前記位相情報抽出部は、前記前側格子および前記後側格子のいずれか一方を他方の格子の格子面かつ前記ストライプ形状が有する長手方向に対して垂直な方向に、同一間隔で複数回移動させて、移動ごとの前記前側格子および前記後側格子を透過した前記回折光による前記干渉縞の前記位相を抽出してもよい。
【００１１】
また、本発明に係る距離測定装置において、前記複数の回折格子は、正弦波状の透過率分布を有していてもよい。
【００１２】
また、本発明に係る距離測定装置において、さらに前記集光部によって集光された前記回折光の一部を、前記回折光の光軸を挟んで空間的に遮るナイフエッジを備え、前記複数の受光素子は、前記ナイフエッジを介して前記回折光を受光してもよい。
【００１３】
また、本発明に係る距離測定装置において、さらに前記集光部によって集光された前記回折光を、前記回折光の光軸を挟んで空間的に分割する三角プリズムを備え、前記複数の受光素子は、前記三角プリズムによって分割された前記回折光をそれぞれ受光してもよい。
【００１４】
また、本発明に係る距離測定装置において、前記位相接続演算部は、前記合焦距離と、対物距離と前記複数の回折格子を透過した回折光による干渉縞の位相との関係とを用いて、前記合焦距離検出部によって検出された前記合焦対物距離に対応する推定位相を求める位相推定部と、前記位相情報抽出部によって抽出された前記位相と、前記位相推定部によって推定された前記推定位相との差が、−πから＋πの範囲の値となるように２ｎπ（ｎは０以外の整数）を加算して、前記位相分布を位相接続する位相接続処理部と、を備え、前記距離換算部は、前記位相情報抽出部によって抽出された前記位相と、前記位相接続処理部によって位相接続され前記位相分布とに基づいて、前記対物距離を求めてもよい。
【００１５】
また、本発明に係る距離測定装置において、前記照射部は、前記光源からの光を平行状態にするコリメータレンズと、前記コリメータ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、前記ビームスプリッタから出射された光を前記測定対象に集光する対物レンズと、を備え、前記対物距離は、前記対物レンズの前記測定対象側の主点から前記測定対象までの距離であってもよい。
【００１６】
また、本発明に係る距離測定装置において、前記集光部は、前記複数の回折格子を透過した前記回折光を集光する集光レンズを備えていてもよい。
【００１７】
また、本発明に係る距離測定方法は、照射部によって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、前記測定対象に照射されて、前記測定対象から反射された反射光を複数の回折格子から透過させて回折させる回折ステップと、前記複数の回折格子を透過した回折光を集光させる集光ステップと、前記集光ステップで集光された前記回折光を複数の受光素子で受光する受光ステップと、前記複数の受光素子の出力に基づいて、前記照射部から前記測定対象までの合焦対物距離を検出する合焦距離検出ステップと、前記複数の回折格子を相対的に移動させた場合の、前記複数の受光素子からの出力に基づいて、前記複数の回折格子を透過した前記回折光による干渉縞の位相を抽出する位相情報抽出ステップと、前記合焦対物距離に関する情報を参照して、前記位相情報抽出ステップで抽出された前記位相の位相分布を位相接続する位相接続演算ステップと、前記位相接続演算ステップで位相接続された前記位相の前記位相分布に基づいて対物距離を求める距離換算ステップと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、合焦法によって測定された合焦対物距離を参照して、測定対象を反射して複数の回折格子を透過した回折光による干渉縞の位相における位相分布を位相接続するので、測定対象までの対物距離が比較的長い場合でも、より分解能の高い距離測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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ブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る受光装置の構成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距離測定装置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５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態に係る受光素子の出力と対物距離との関係を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態に係る受光素子の出力の差と対物距離との関係を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の実施の形態に係るモアレ縞の光強度と光軸からの距離との関係を示す図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の実施の形態に係るモアレ縞の光強度から求められた位相と対物距離との関係を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る位相接続演算処理のフローチャートである。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る位相接続演算処理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図７を参照して詳細に説明する。各図について共通する構成要素には、同一の符号が付されている。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係る距離測定装置１の構成を示すブロック図である。図２は、受光装置２の構成を説明する図である。
【００２２】
距離測定装置１は、受光装置２、格子移動装置３、制御部４、記憶装置５、入力装置６、および出力装置７を備える。距離測定装置１は、図２に示す対物レンズ２０４の主点ａから測定対象２０５までの距離（対物距離）を測定する。
【００２３】
受光装置２は、図２に示すように、同軸光学系によって構成され、光源２０１、コリメータレンズ２０２、ビームスプリッタ２０３、対物レンズ２０４、前側格子２０６、後側格子２０７、集光レンズ２０８、ナイフエッジ２０９、フォトダイオード（ＰＤ）２１０Ａ、およびフォトダイオード（ＰＤ）２１０Ｂを備える。
【００２４】
光源２０１と、コリメータレンズ２０２と、ビームスプリッタ２０３と、対物レンズ２０４とは、光源２０１から出射される光を測定対象２０５に集光して照射する照射部を構成する。
対物レンズ２０４と、集光レンズ２０８とは、測定対象２０５を反射した反射光を集光する集光部を構成する。
ＰＤ２１０Ａと、ＰＤ２１０Ｂとは、集光部によって集光されてナイフエッジ２０９を通った光を受光する複数の受光素子を構成する。
【００２５】
光源２０１は、半導体レーザやガスレーザ、点光源ＬＥＤなどが用いられる。
コリメータレンズ２０２は、光軸Ｌ１の光路上に設けられ、光源２０１から出射された光を平行光化する。
ビームスプリッタ２０３は、コリメータレンズ２０２によって平行光化された光を測定対象２０５に向けて照射する。
【００２６】
対物レンズ２０４は、ビームスプリッタ２０３からの光を測定対象２０５に集光して照射する。測定対象２０５に照射された光は、測定対象２０５から反射され、その反射光は、対物レンズ２０４によって略平行光化される。
【００２７】
前側格子２０６および後側格子２０７（複数の回折格子）は、反射光の光路に設置され、反射光を回折させる。前側格子２０６は、反射光の光路において前側に設置され、後側格子２０７は、反射光の光路において後側に設置される。前側格子２０６および後側格子２０７は、一定ピッチのストライプ形状の格子パタンを有する。前側格子２０６および後側格子２０７は、同じ空間周波数の透過率分布を有していてもよい。前側格子２０６と後側格子２０７は、光軸Ｌ２に対して垂直に、かつ、互いのストライプ形状が平行となるように対向して設けられる。また、前側格子２０６および後側格子２０７は、正弦波状の透過率分布を有していてもよい。後側格子２０７は、後述する格子移動装置３によって、格子の位置が移動される。
【００２８】
集光レンズ２０８は、前側格子２０６および後側格子２０７を透過した回折光を集光点ｂに集光する。
ナイフエッジ２０９は、集光レンズ２０８の後方の焦点位置に配置され、集光レンズ２０８で集光された光の一部を、光軸Ｌ２を挟んで空間的に遮る。
【００２９】
ＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂは、集光レンズ２０８によって集光され、ナイフエッジ２０９を通った光を受光する。ＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂは、分割線によって分割された２分割フォトダイオードであり、それぞれが受光した光の強度に応じた電流を出力する（以下、「受光強度」という。）。ＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂから出力される受光強度は、後述する制御部４が有する受光強度入力部４１に入力される。
【００３０】
格子移動装置３は、後述する格子制御部４２からの制御信号に基づいて、前側格子２０６と後側格子２０７を相対的に移動させる。
【００３１】
次に、制御部４の構成について説明する。
制御部４は、受光装置制御部４０と、受光強度入力部４１と、格子制御部４２と、合焦距離検出部４３と、位相情報抽出部４４と、位相接続演算部４５と、距離換算部４６とを備える。
【００３２】
受光装置制御部４０は、上述した受光装置２の設定や制御を行う。受光装置制御部４０は、例えば、受光装置２の光源２０１の光量や、露光時間などの調整や、サンプルレートなど、対物距離の測定に必要な条件の設定を行う。
【００３３】
受光強度入力部４１は、ＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂによってそれぞれ出力される受光強度を入力する。受光強度入力部４１に入力されたＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂそれぞれの受光強度は、合焦距離検出部４３および位相情報抽出部４４に出力される。
【００３４】
格子制御部４２は、格子移動装置３を制御して、受光装置２における後側格子２０７を移動させる。より詳細には、格子制御部４２は、後側格子２０７を、その格子面およびストライプ形状の方向とは垂直な方向に、例えば、１／４ピッチずつ３回移動させることを示す信号を格子移動装置３に送る。なお、格子制御部４２は、後側格子２０７ではなく、前側格子２０６を移動させるように構成してもよい。
【００３５】
合焦距離検出部４３は、受光強度入力部４１に入力されたＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂそれぞれの受光強度に基づいて、合焦式による対物距離、すなわち合焦対物距離Ａを検出する。
【００３６】
より詳細には、合焦距離検出部４３は、ナイフエッジ２０９により集光レンズ２０８で集光された光の一部が遮られ、非対称となった光のＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂによる受光強度の差を算出する。さらに、合焦距離検出部４３は、測定対象２０５の位置と対物レンズ２０４の合焦位置とのずれを算出する。合焦距離検出部４３によって検出された対物距離である合焦対物距離Ａは、位相接続演算部４５に入力される。なお、ナイフエッジ２０９を用いるナイフエッジ法で検出される合焦対物距離Ａは、前述したように、分解能が低い場合がある。
【００３７】
位相情報抽出部４４は、受光強度入力部４１からのＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂそれぞれの受光強度に基づいて、波面の歪みを示す位相情報を抽出する。
【００３８】
より詳細には、測定対象２０５から反射された反射光が対物レンズ２０４を通して略平行光化され、前側格子２０６を透過し、さらに後側格子２０７を透過すると、モアレ縞（干渉縞）が発生する。測定対象２０５までの対物距離が変化することによって測定対象２０５からの波面が変化する。位相情報抽出部４４は、このような波面を計測するために、前側格子２０６および後側格子２０７の２枚のストライプ形状の格子を用いてモアレ縞を発生させて位相分布を評価する、グレーチング干渉法（非特許文献１参照）を用いる。
【００３９】
さらに、位相情報抽出部４４は、グレーチング干渉法によって測定される波面の歪みを定量化させるために位相シフト法（非特許文献２参照）を用いる。位相シフト法とは、格子の位相を１周期の範囲でシフトさせながら、干渉縞パタンを投影して位相を計算することにより、干渉縞に含まれる波面の分布を計測する手法である。
【００４０】
位相情報抽出部４４は、モアレ縞における光強度の位相分布を抽出することによって波面の歪みを高感度に測定できる。しかし、位相情報抽出部４４によって抽出される位相情報は、位相が２π毎に不連続となる、いわゆる「位相とび」が生ずる位相情報である。
【００４１】
位相情報抽出部４４によって抽出される波面の歪みを示す位相情報によって、対物距離を求めることができるが、この位相情報は位相が２π変化するごとに折り返された値である。なお、位相情報抽出部４４によって抽出された位相情報は、位相接続演算部４５に入力される。
【００４２】
位相接続演算部４５は、位相推定部４５０と、位相接続処理部４５１とを有する。
位相接続演算部４５は、合焦距離検出部４３によって検出された合焦対物距離Ａを参照して、位相情報抽出部４４によって抽出された「位相とび」を有する位相分布を位相接続する。そのため、位相情報抽出部４４によって抽出された位相情報だけを用いて「位相とび」を仮定して位相接続を行う場合よりも、より確実に位相接続処理を行うことができる。
【００４３】
位相推定部４５０は、合焦対物距離Ａと、合焦式による対物距離とモアレ縞の光強度の位相との関係に基づいて、合焦距離検出部４３によって検出された合焦対物距離Ａに対応する位相（推定位相）の値を求める。なお、合焦式による対物距離と位相との関係は、光源２０１に用いられる光の波長、媒体の屈折率などを用いて、予め受光装置２を用いた実験などによって求めればよい。
【００４４】
位相接続処理部４５１は、位相情報抽出部４４によって抽出された位相（以下、「位相φ’」という。）と、位相推定部４５０によって推定された位相（以下、「位相φａ」という。）との差が、−πから＋πの範囲の値となるように２ｎπ（ｎは０以外の整数）を加算して、位相接続された位相分布における位相（以下、「位相φ」という。）を求める。位相接続された位相分布における位相φは、距離換算部４６に入力される。
【００４５】
距離換算部４６は、位相接続された位相分布の位相φに基づいて、対物距離（以下、「対物距離Ａ’」という。）を求める。すなわち、距離換算部４６は、位相φに対応する対物距離に換算して、対物距離Ａ’を求める。
【００４６】
記憶装置５は、読み書き可能な記憶媒体と、その記憶媒体に対してプログラムやデータなどの各種情報を読み書きするための駆動装置とで構成されている。記憶装置５には、記憶媒体としてフラッシュメモリなどの半導体メモリやハードディスクを使用することができる。記憶装置５は、データ記憶部５０、プログラム格納部５１、図示しないその他の格納装置で、例えば、この記憶装置５内に格納されているプログラムやデータなどをバックアップするための格納装置などを有することができる。
【００４７】
データ記憶部５０は、受光装置２によって出力される受光強度を記憶する。データ記憶部５０は、合焦距離検出部４３によって検出された合焦対物距離Ａを記憶する。また、データ記憶部５０は、位相情報抽出部４４によって抽出された位相φ’に関する情報を記憶する。
【００４８】
プログラム格納部５１には、本実施の形態における合焦距離検出処理、位相情報抽出処理、位相接続演算処理などの対物距離Ａ’の測定に必要な処理を実行するための各種プログラムが格納されている。
【００４９】
入力装置６は、受光装置２の設定情報や、合焦距離検出部４３や位相情報抽出部４４において必要な測定条件などの入力を受け付ける。入力装置６は、キーボードやタッチパネルなどによって実現される。
【００５０】
出力装置７は、距離換算部４６によって求められた対物距離Ａ’などを出力する。出力装置７は液晶ディスプレイなどによって実現される。
【００５１】
［距離測定装置のコンピュータ構成］
図３に示すように、距離測定装置１００は、バス１０１を介して接続される制御部１０２、Ｉ／Ｆ１０５、受光装置１０６、格子移動装置１０７、記憶装置１０８、および表示装置１０９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。
【００５２】
制御部１０２は、ＣＰＵ１０３と主記憶部１０４とを備えている。主記憶部１０４には、ＣＰＵ１０３が各種制御や演算を行うためのプログラムが予め格納されている。制御部１０２によって、図１で示した制御部４に含まれる各機能が実現される。
【００５３】
Ｉ／Ｆ１０５は、距離測定装置１００と各種機器を接続するための入出力インターフェースである。Ｉ／Ｆ１０５は、距離測定装置１００と各種外部電子機器との間をネットワーク接続する制御装置としての機能を備えていてもよい。
【００５４】
受光装置１０６および格子移動装置１０７は、図１の受光装置２および格子移動装置３にそれぞれ対応する。記憶装置１０８は、図１の記憶装置５に対応する。表示装置１０９は、図１の出力装置７に対応する。
【００５５】
［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１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。
【００５６】
まず距離測定装置１は、受光装置２に測定対象２０５を配置する（ステップＳ１）。次に、受光装置制御部４０は、受光装置２の光源２０１の光量や露光時間などの初期調整を行う（ステップＳ２）。
【００５７】
その後、制御部４（合焦距離検出部４３、位相情報抽出部４４、位相接続演算部４５、距離換算部４６）は、測定条件を設定する（ステップＳ３）。具体的には、制御部４は、サンプルレート、位相接続の条件、測定対象２０５が存在しない条件などの条件設定を行う。
【００５８】
次に、ＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂは、測定対象２０５から反射され、集光レンズ２０８によって集光され、ナイフエッジ２０９を通った光をそれぞれ受光する（ステップＳ４）。より詳細には、ＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂは、測定対象２０５から反射されて対物レンズ２０４で略平行光化され、前側格子２０６と後側格子２０７とを透過した回折光が、集光レンズ２０８で集光されて、ナイフエッジ２０９で一部が遮られた光を受光する。
【００５９】
その後、受光強度入力部４１は、ＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂそれぞれの受光強度を入力する（ステップＳ５）。次に、格子移動装置３は、後側格子２０７を格子の格子面およびストライプ形状に対して垂直な方向に１／４ピッチずつ、すなわち、位相をπ／２ずつ３回移動させる（ステップＳ６：ＮＯ、ステップＳ７）。そして、受光強度入力部４１は、後側格子２０７の移動ごとのＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂそれぞれによる受光強度を入力する（ステップＳ４、ステップＳ５）。
【００６０】
次に、合焦距離検出部４３は、受光強度入力部４１を介して入力されたＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂそれぞれの受光強度に基づいて、合焦対物距離Ａを検出する（ステップＳ８）。
【００６１】
ＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂの受光強度と測定対象２０５までの対物距離との関係は、図５Ａに示すように、２分割フォトダイオードであるＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂの受光強度に応じて決まる。対物距離が短くなると、ＰＤ２１０Ａの受光強度がＰＤ２１０Ｂの受光強度よりも大きくなる。
【００６２】
ＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂそれぞれの受光強度をＩA、ＩBとすると、図５Ｂに示すように、ＰＤ２１０ＡとＰＤ２１０Ｂの受光強度の差（ＩB−ＩA）によって、対物距離に応じた受光強度を得ることができる。
【００６３】
なお、図５Ｂに示すＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂによる受光強度と対物距離との関係は、設計や実験などによって予め求めればよい。
【００６４】
また、ステップＳ８において、合焦距離検出部４３は、合計４回入力されたＰＤ２１０Ａの受光強度の和（ＩA＝ＩA0＋ＩA1＋ＩA2＋ＩA3）およびＰＤ２１０Ｂの受光強度の和（ＩB＝ＩB0＋ＩB1＋ＩB2＋ＩB3）をそれぞれ算出する。そして、合焦距離検出部４３は、ＰＤ２１０ＡとＰＤ２１０Ｂとの受光強度の差ＩB−ＩAを求めて、対応する合焦対物距離Ａを検出する。
【００６５】
なお、別の手法として、合焦距離検出部４３は、光源強度変動や測定対象２０５の反射強度変動による影響を取り除くために、ＰＤ２１０ＡとＰＤ２１０Ｂの受光強度の和（ＩB＋ＩA）で規格化を行ってもよい。
【００６６】
次に、位相情報抽出部４４は、受光強度入力部４１を介して入力されたＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂの受光強度、すなわち、前側格子２０６および後側格子２０７を透過した回折光により発生するモアレ縞の光強度に基づいて、波面の歪みを示す位相φ’を抽出する（ステップＳ９）。
【００６７】
測定対象２０５から反射された光は、対物レンズ２０４によって略平行光化されており、波面は平面である。しかし、測定対象２０５までの対物距離が短いと、光は発散光となり、波面は測定対象２０５側に中心を持つ球面波となる。一方、測定対象２０５までの対物距離が長いと、光は収束光となり、波面は受光素子（ＰＤ２１０Ａ、ＰＤ２１０Ｂ）側に原点を持つ球面波となる。
【００６８】
この球面波を測定する方法として、本実施の形態では、グレーチング干渉法を用いる。対物レンズ２０４で略平行光化された測定対象２０５からの反射光は、ストライプ形状の前側格子２０６を透過する。さらに、同形状のストライプを有する後側格子２０７を透過させることにより、モアレ縞を発生させる。前述したように、このモアレ縞が波面の歪みを表す。また、モアレ縞が表す波面の歪みを定量化させるために、本実施の形態では、位相シフト法を用いる。
【００６９】
例えば、測定対象２０５までの対物距離が短い場合、対物レンズ２０４を透過した測定対象２０５からの反射光は拡散光となる。例えば、正弦波状の透過率分布を持った前側格子２０６を反射光が透過すると、前側格子２０６から受光素子（ＰＤ２１０Ａ、ＰＤ２１０Ｂ）側に離れるにしたがって、正弦波の周期が大きくなる。
【００７０】
また、前側格子２０６と同じ空間周波数の透過率分布を持った後側格子２０７を透過させることにより、モアレ縞が発生する。図５Ｃに示すように、モアレ縞の光強度は光軸Ｌ２が最も強く、光軸Ｌ２から離れるにしたがって周期的に変化する。なお図５Ｃにおいて、ハッチング部分がＰＤ２１０ＡとＰＤ２１０Ｂとの合計の受光強度である。
【００７１】
位相情報抽出部４４は、図５Ｃにおける矢印で示す、モアレ縞の光強度に対応する位相φ’を求める。より詳細には、位相情報抽出部４４は、１回目の受光強度の入力（後側格子２０７が移動されていない状態）における、ＰＤ２１０Ａの受光強度ＩA0とＰＤ２１０Ｂの受光強度ＩB0の和の受光強度（Ｉ0＝ＩA0＋ＩB0）を算出する。また、位相情報抽出部４４は、２回目の受光強度の入力（後側格子２０７を格子面およびストライプ形状の方向とは垂直に格子のピッチの１／４、すなわち、位相においてπ／２移動させた場合）におけるＰＤ２１０Ａの受光強度ＩA1とＰＤ２１０Ｂの受光強度ＩB1の和の受光強度（Ｉ1＝ＩA1＋ＩB1）を算出する。
【００７２】
同様に、３回目の受光強度の入力におけるＰＤ２１０ＡとＰＤ２１０Ｂの受光強度の和Ｉ2、および４回目の受光強度の入力におけるＰＤ２１０ＡとＰＤ２１０Ｂの受光強度の和Ｉ3をそれぞれ求める。そして、位相情報抽出部４４は、次の式（１）により、位相φ’を求める。
φ’＝ｔａｎ-1｛（Ｉ3−Ｉ1）／（Ｉ0−Ｉ2）｝        ・・・（１）
【００７３】
次に、位相接続演算部４５は、合焦距離検出部４３によって検出された合焦対物距離Ａを参照して、位相情報抽出部４４により抽出された位相φ’における位相分布を位相接続する（ステップＳ１０）。
【００７４】
図６は、位相接続演算部４５による位相接続演算処理のフローチャートである。まず、位相推定部４５０は、合焦式による対物距離と位相との関係を求める（ステップＳ１０１）。具体的には、位相推定部４５０は、光源２０１の波長など受光装置２の光学系において設定されている条件を用いて、合焦式による対物距離とモアレ縞の光強度の位相との関係を求める。ステップＳ１０１で求められた合焦式による対物距離と位相との関係は、図７において、実線の細線に示される曲線である。なお、実験などによって事前に求められた上記の合焦式による対物距離とモアレ縞の光強度の位相との関係を示すデータを位相推定部４５０が取得する構成を採用してもよい。
【００７５】
次に、位相推定部４５０は、合焦式の対物距離とモアレ縞の光強度の位相との関係に基づいて、ステップＳ８（図４）で合焦距離検出部４３によって検出されたおよその対物距離である合焦対物距離Ａの値を、対応する位相φａに換算する（ステップＳ１０２）。
【００７６】
次に、位相接続処理部４５１は、位相情報抽出部４４によるグレーチング干渉法と位相シフト法との組み合わせにより抽出された位相φ’とステップＳ１０２において換算された位相φａとの差が、−πから＋πの範囲の値となるように２ｎπ（ｎは０以外の整数）を加算する（ステップＳ１０３）。
【００７７】
図５Ｄに示したように、位相情報抽出部４４によって抽出された位相φ’は、上式（１）右辺の分母と分子の値の正負により、−πから＋πの範囲で折り返された値となる。そのため、位相φ’は、図５Ｄおよび図７の実線の太線で示す３つのいずれかの位相分布の範囲に含まれ得る。
【００７８】
そこで、位相接続処理部４５１は、測定対象２０５までのおよその距離である合焦対物距離Ａ（図７で示す白丸の点に対応する対物距離）に対応する位相φａの情報を用いて、位相情報抽出部４４によって抽出された位相φ’の位相分布を位相接続して、より分解能の高い対物距離Ａ’を求める。
【００７９】
より詳細には、位相接続処理部４５１は、ステップＳ９（図４）で抽出された位相φ’と、ステップＳ１０３で求めたｎより、位相接続された位相分布における位相φ＝φ’＋２ｎπを求める（ステップＳ１０４）。
【００８０】
次に、距離換算部４６は、位相接続処理部４５１によって求められた、位相接続された位相分布における位相φを対物距離Ａ’に換算する（図７で示す右側の黒丸の点に対応する対物距離）。
【００８１】
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１は、合焦法によって検出された測定対象２０５までのおよその対物距離である合焦対物距離Ａを参照して、グレーチング干渉法と位相シフト法との組み合わせにより抽出されたモアレ縞の光強度の位相φ’における位相分布を位相接続するため、より分解能の高い対物距離Ａ’を求めることができる。
【００８２】
また、距離測定装置１は、合焦対物距離Ａおよびモアレ縞の光強度の位相φ’を２分割フォトダイオード（ＰＤ２１０Ａ、ＰＤ２１０Ｂ）の受光強度に基づいて求めるため、より簡易な構成によって分解能の高い対物距離Ａ’を測定する距離測定装置を実現することができる。
【００８３】
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。
【００８４】
例えば、説明した実施の形態では、ナイフエッジ２０９を用いて測定対象２０５を反射した光を、光軸Ｌ２を挟んで空間的に遮る場合について説明したが、本発明はナイフエッジ２０９を用いる場合に限られない。例えば、ナイフエッジ２０９の代わりに三角プリズムを用いて、光軸Ｌ２を挟んで反射光をＰＤ２１０ＡおよびＰＤ２１０Ｂのそれぞれに分割してもよい。
【００８５】
三角プリズムを用いることにより、光学系の調整や温度変化など、光軸Ｌ２のずれの影響がキャンセルされるため、より高い精度で対物距離の測定を行うことができる。
【００８６】
また、説明した実施の形態では、後側格子２０７を格子ピッチ１／４（位相π／２）ずつ移動して、合計４回の受光強度を用いる場合について説明した。しかし、後側格子２０７を移動する間隔および受光強度の入力回数は上記に限られない。例えば、位相シフト量２π／３で合計３回の受光強度が与えられてもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１、１００…距離測定装置、２、１０６…受光装置、３、１０７…格子移動装置、４、１０２…制御部、５、１０８…記憶装置、６…入力装置、７…出力装置、４０…受光装置制御部、４１…受光強度入力部、４２…格子制御部、４３…合焦距離検出部、４４…位相情報抽出部、４５…位相接続演算部、４６…距離換算部、５０…データ記憶部、５１…プログラム格納部、２０１…光源、２０２…コリメータレンズ、２０３…ビームスプリッタ、２０４…対物レンズ、２０５…測定対象、２０６…前側格子、２０７…後側格子、２０８…集光レンズ、２０９…ナイフエッジ、２１０Ａ、２１０Ｂ…フォトダイオード、４５０…位相推定部、４５１…位相接続処理部、１０１…バス、１０３…ＣＰＵ、１０４…主記憶部、１０５…Ｉ／Ｆ、１０９…表示装置。
【図１】
2019100903.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７】
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