JP2016017755A - 距離測定装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】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。
【解決手段】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。
【選択図】 図1
【解決手段】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。
【選択図】 図1
Description
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。
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。
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、本発明にかかる上記距離測定装置の一構成例は、前記両面ハーフミラーが、互いに平行配置された半透光性を持つ前記第1面および前記第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ようにしたものである。
また、本発明にかかる上記距離測定装置の一構成例は、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、前述した式で求めるようにしたものである。
また、本発明にかかる上記距離測定装置の一構成例は、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ようにしたものである。
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。
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]
[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。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。
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。
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。
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。
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。
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。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の出力光の主光線および第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。
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。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の出力光の主光線および第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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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面上の点ア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上の点イで反射した後、第1面15A上の点ウから第2の出力光S2として出射する。
この際、点アから点ウまでの経路は、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、点アから点ウまでの経路を第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面上の点エから主光線Sが入射角θ1で入射し、第2面15B上の点イを通過した後、第1面15A上の点ウ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アを通過する法線と交差する点を点エ’とした場合、点エ’を通過して点ウから出射する第2の出力光S2は、点エに入射した主光線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、線分エ−エ’が第2の出力光S2の平行移動距離d2に相当する。
ここで、三角形アエウと三角形アエ’ウは、辺アウ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、線分エ−エ’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エ’’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の光路長が線分エ’’−エ’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。
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。
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。
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は、検出面に生じた干渉縞を示す画像例である。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は、光検出素子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。
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。
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。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。
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。
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。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。
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。
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。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。
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。
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。
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、11…光源、12…光源レンズ、13…ビームスプリッタ、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、20…対物レンズ、T…物体、Q,Q1,Q2…虚スポット、I…検出面、a…対物距離、p…干渉縞ピッチ。
Claims (5)
- 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
- 請求項1〜請求項3のいずれか1つ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。
Priority Applications (2)
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JP2014138588A JP2016017755A (ja) | 2014-07-04 | 2014-07-04 | 距離測定装置および方法 |
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JP2014138588A JP2016017755A (ja) | 2014-07-04 | 2014-07-04 | 距離測定装置および方法 |
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Family Applications (1)
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JP2014138588A Pending JP2016017755A (ja) | 2014-07-04 | 2014-07-04 | 距離測定装置および方法 |
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WO (1) | WO2016002443A1 (ja) |
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JP5147055B2 (ja) * | 2008-01-29 | 2013-02-20 | 国立大学法人東京工業大学 | 距離計測装置及び距離計測方法 |
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2014
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