JP2020101517A - Interference fringe analyzer, interference fringe analysis method, and distance measuring device - Google Patents

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Abstract

To provide interference fringe analysis technology with which it is possible to obtain an interference fringe frequency with higher accuracy and higher resolution.SOLUTION: An interference fringe analyzer 12 comprises: a Fourier transform unit 120 for transforming an interference fringe signal into a spatial frequency domain spectrum; a peak frequency detection unit 121 for detecting a peak spatial frequency, as a reference frequency fr, at which optical intensity becomes maximum among the peaks included in the spectrum; a band-pass filter 122 for passing the reference frequency fr; an inverse Fourier transform unit 123 for transforming the spectrum having had its reference frequency fr passed through into a spatial domain signal; a phase calculation unit 124 for calculating the phase of the transformed spatial domain signal; and a frequency calculation unit 125 for calculating an interference fringe frequency f on the basis of the calculated phase.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、干渉縞解析装置、干渉縞解析方法、および距離測定装置に関し、特に物体を反射した光の干渉縞を解析して測定対象までの対物距離を測定する光干渉計測技術に関する。 The present invention relates to an interference fringe analysis device, an interference fringe analysis method, and a distance measurement device, and particularly to an optical interference measurement technique for analyzing an interference fringe of light reflected from an object to measure an object distance to a measurement target.

従来より、レーザ光等の光の干渉を利用して、測定対象までの対物距離や形状、変位などを非接触で測定す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では、干渉縞の空間周波数（以下、「干渉縞周波数」ということがある。）を求め、干渉縞周波数に応じた対物距離を算出する。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known an optical measuring device that measures the object distance, shape, displacement, and the like to a measurement target in a non-contact manner by utilizing interference of light such as laser light. In such an optical measuring device, the spatial frequency of interference fringes (hereinafter sometimes referred to as “interference fringe frequency”) is calculated, and the objective distance corresponding to the interference fringe frequency is calculated.

例えば、特許文献１は、レーザ光を測定対象および基準となる参照面に照射して、それらによって反射された反射光が干渉して受光面に生ずる干渉縞の信号を離散フーリエ変換によって解析する技術を開示している。特許文献１では、干渉縞の信号を離散フーリエ変換して求めたパワースペクトルに基づいて干渉縞周波数を求めている。 For example, in Patent Document 1, a technique of irradiating a measurement object and a reference surface serving as a reference with laser light and analyzing a signal of an interference fringe generated on a light receiving surface due to interference of reflected light reflected by the measurement object by discrete Fourier transform. Is disclosed. In Patent Document 1, the interference fringe frequency is obtained based on the power spectrum obtained by performing a discrete Fourier transform on the interference fringe signal.

一方、非特許文献１は、位相補正法を用いて音の周波数をより高精度に測定する技術を開示している。非特許文献１に記載の技術では、ある短い時間間隔（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）でのパワースペクトルを求め、そのパワースペクトルのピーク周波数および各時刻Ｔ１，Ｔ２での信号の位相を求め、位相の変化に基づいてピーク周波数を補正してより高精度に音の周波数を測定している。 On the other hand, Non-Patent Document 1 discloses a technique for measuring a sound frequency with higher accuracy by using a phase correction method. In the technique described in Non-Patent Document 1, a power spectrum at a certain short time interval (ΔT=T2−T1) is obtained, the peak frequency of the power spectrum and the phase of the signal at each time T1 and T2 are obtained, and the phase The peak frequency is corrected based on the change to measure the sound frequency with higher accuracy.

特開平９−１９６６１９号公報JP 9-196619 A

井口征士「音楽情報の処理−電算機を用いた自動採譜−、計測と制御」ｐ．３１４−４１９ Ｖｏｌ．１９ Ｎｏ．３ 昭和５５年３月Seiji Iguchi "Processing of Music Information-Automatic transcription using computer-Measurement and control" p. 314-419 Vol. 19 No. 3 March 1980

しかし、特許文献１に記載された従来の離散フーリエ変換を用いた干渉縞の解析技術では、干渉縞周波数の分解能が干渉縞の信号の長さの逆数、すなわち、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光検出器の受光素子の配列方向における長さの逆数で決まってしまう。しかし、受光素子の配列方向の長さは光検出器の設計による制限を受けるため、干渉縞周波数をより高精度に求めることが困難であった。 However, in the conventional interference fringe analysis technique using the discrete Fourier transform described in Patent Document 1, the resolution of the interference fringe frequency is the reciprocal of the signal length of the interference fringe, that is, a linear image sensor, a photodiode array, or the like. Is determined by the reciprocal of the length of the light receiving element of the photodetector in the arrangement direction. However, since the length of the light receiving elements in the array direction is limited by the design of the photodetector, it is difficult to obtain the interference fringe frequency with higher accuracy.

一方、非特許文献１に記載された従来の位相補正法を干渉縞の空間周波数に適用した場合、位相差を利用することにより、離散フーリエ変換を用いて信号周波数を求めたときの周波数分解能よりも高い分解能を得ることができる。しかし、より短い空間距離の周波数スペクトルを求めるため、各周波数スペクトルのピーク周波数の分解能が低下する。 On the other hand, when the conventional phase correction method described in Non-Patent Document 1 is applied to the spatial frequency of the interference fringes, the phase difference is used to obtain the frequency resolution when the signal frequency is obtained using discrete Fourier transform. Can also obtain high resolution. However, since the frequency spectrum having a shorter spatial distance is obtained, the resolution of the peak frequency of each frequency spectrum is lowered.

また、非特許文献１に記載の技術は、対象とする信号の周波数が変化しない定常状態を前提としており、干渉縞の空間周波数を求める方法として適用した場合、光学収差などに起因する波面のゆがみで干渉縞の間隔が変化する場合には、干渉縞周波数を精度よく求めることが困難になる。 Further, the technique described in Non-Patent Document 1 is premised on a steady state in which the frequency of a signal of interest does not change, and when applied as a method for obtaining the spatial frequency of interference fringes, the distortion of the wavefront due to optical aberration or the like When the interval of the interference fringes changes, it becomes difficult to accurately obtain the interference fringe frequency.

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、より高精度かつ高分解能で干渉縞周波数を得ることができる干渉縞解析技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object thereof is to provide an interference fringe analysis technique capable of obtaining an interference fringe frequency with higher accuracy and higher resolution.

上述した課題を解決するために、本発明に係る干渉縞解析装置は、光検出器によって検出された干渉縞の明暗パターンを示す干渉縞信号を、空間周波数領域のスペクトルに変換するように構成された変換部と、前記変換部によって変換されたスペクトルに含まれるピークのうち、強度が最大となるピークの空間周波数を基準周波数として検出するように構成されたピーク周波数検出部と、前記ピーク周波数検出部によって検出された前記基準周波数を透過するように構成されたフィルタと、前記フィルタによって前記基準周波数が透過されたスペクトルを、空間領域の信号に変換するように構成された逆変換部と、前記逆変換部によって変換された前記空間領域の信号の位相を算出するように構成された位相算出部と、算出された前記位相に基づいて干渉縞信号の空間周波数を示す干渉縞周波数を算出するように構成された周波数算出部とを備える。 In order to solve the above-mentioned problems, the interference fringe analysis device according to the present invention is configured to convert an interference fringe signal indicating a light-dark pattern of the interference fringes detected by the photodetector into a spectrum in the spatial frequency domain. A conversion unit, a peak frequency detection unit configured to detect a spatial frequency of a peak having a maximum intensity among the peaks included in the spectrum converted by the conversion unit as a reference frequency, and the peak frequency detection unit. A filter configured to transmit the reference frequency detected by a unit, a spectrum configured to transmit the reference frequency by the filter, an inverse conversion unit configured to convert a signal in a spatial domain, A phase calculator configured to calculate the phase of the signal in the spatial domain converted by the inverse converter, and to calculate an interference fringe frequency indicating a spatial frequency of the interference fringe signal based on the calculated phase. And a frequency calculator configured as described above.

また、本発明に係る干渉縞解析装置において、前記基準周波数をシフト量として、スペクトルの空間周波数軸をシフトするように構成された周波数シフタをさらに備え、前記逆変換部は、前記フィルタによって前記基準周波数が透過され、かつ、前記周波数シフタによって前記空間周波数軸がシフトされたスペクトルを空間領域の信号に変換してもよい。 In the interference fringe analyzer according to the present invention, the reference frequency is used as a shift amount, and a frequency shifter configured to shift the spatial frequency axis of the spectrum is further provided, and the inverse conversion unit includes the reference by the filter. A spectrum that is transparent to a frequency and whose spatial frequency axis is shifted by the frequency shifter may be converted into a signal in the spatial domain.

また、本発明に係る干渉縞解析装置において、前記光検出器は、所定の方向に配列された複数の画素を含む受光面を有し、前記位相算出部は、前記複数の画素のそれぞれの位置での、前記逆変換部によって変換された前記空間領域の信号の位相を算出し、前記周波数算出部は、算出された前記位相の空間変化から前記干渉縞周波数を求めてもよい。 Further, in the interference fringe analysis device according to the present invention, the photodetector has a light-receiving surface including a plurality of pixels arranged in a predetermined direction, and the phase calculation unit includes positions of the plurality of pixels. In the above, the phase of the signal in the spatial domain converted by the inverse conversion unit may be calculated, and the frequency calculation unit may obtain the interference fringe frequency from the spatial change of the calculated phase.

また、本発明に係る干渉縞解析装置において、前記光検出器は、所定の方向に配列された複数の画素を含む受光面を有し、前記位相算出部は、前記複数の画素のそれぞれの位置での、前記逆変換部によって変換された前記空間領域の信号の位相を算出し、前記周波数算出部は、算出された前記位相から前記複数の画素のそれぞれの位置における前記干渉縞周波数と前記基準周波数との差を補正周波数として算出し、前記基準周波数と前記補正周波数とに基づいて、前記干渉縞周波数を求めてもよい。 Further, in the interference fringe analysis device according to the present invention, the photodetector has a light-receiving surface including a plurality of pixels arranged in a predetermined direction, and the phase calculation unit includes positions of the plurality of pixels. In, the phase of the signal in the spatial region converted by the inverse conversion unit is calculated, and the frequency calculation unit calculates the phase and the interference fringe frequency at each position of the plurality of pixels from the calculated phase. A difference from the frequency may be calculated as a correction frequency, and the interference fringe frequency may be obtained based on the reference frequency and the correction frequency.

また、本発明に係る干渉縞解析装置において、前記周波数算出部は、前記位相算出部によって算出された前記位相の空間変化の近似直線の傾きから前記干渉縞周波数を求めてもよい。 Further, in the interference fringe analysis device according to the present invention, the frequency calculation unit may obtain the interference fringe frequency from the slope of an approximate straight line of the spatial change of the phase calculated by the phase calculation unit.

また、本発明に係る干渉縞解析装置において、前記周波数算出部は、算出した前記複数の画素のそれぞれの位置における干渉縞信号の前記干渉縞周波数と前記光検出器の画素同士の間隔を示す画素ピッチと、前記光検出器の画素数とを用いて干渉縞信号の平均周波数を算出してもよい。 Further, in the interference fringe analysis device according to the present invention, the frequency calculation unit is a pixel indicating the interference fringe frequency of the interference fringe signal at each position of the calculated plurality of pixels and the interval between the pixels of the photodetector. The average frequency of the interference fringe signal may be calculated using the pitch and the number of pixels of the photodetector.

また、本発明に係る干渉縞解析装置において、前記ピーク周波数検出部は、前記スペクトルに含まれる正の空間周波数成分のうち、強度が最大となるピークの空間周波数を前記基準周波数として検出してもよい。 Further, in the interference fringe analysis device according to the present invention, the peak frequency detection unit may detect, as the reference frequency, a spatial frequency of a peak having a maximum intensity among the positive spatial frequency components included in the spectrum. Good.

また、本発明に係る干渉縞解析装置において、前記光検出器によって検出された干渉縞信号に含まれる直流成分を除去するように構成されたＤＣカット部をさらに備え、前記変換部は、前記ＤＣカット部によって直流成分が除去された干渉縞信号を空間周波数領域のスペクトルに変換してもよい。 In the interference fringe analysis device according to the present invention, a DC cut unit configured to remove a DC component included in the interference fringe signal detected by the photodetector is further included, and the conversion unit is the DC The interference fringe signal from which the DC component has been removed by the cutting unit may be converted into a spectrum in the spatial frequency domain.

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、上記の干渉縞解析装置と、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、を有する光学系と、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器と、前記干渉縞解析装置によって求められた干渉縞の周波数に基づいて、前記光検出器から前記測定対象までの対物距離を算出する距離算出器とを備える。 In order to solve the above-mentioned problems, the distance measuring device according to the present invention includes the above-described interference fringe analysis device, an irradiation optical system that collects and irradiates light from a light source onto a measurement target, and reflects the measurement target. The reflected light as incident light, the optical system having a diffractive optical element that changes the phase of the incident light and emits diffracted light of two preset orders, and the light emitted from the diffractive optical element. A photodetector that detects interference fringes generated by two orders of diffracted light, and an objective distance from the photodetector to the measurement target is calculated based on the frequency of the interference fringes obtained by the interference fringe analyzer. And a distance calculator that operates.

上述した課題を解決するために、本発明に係る干渉縞解析方法は、光検出器によって検出された干渉縞の明暗パターンを示す干渉縞信号を、空間周波数領域のスペクトルに変換する第１ステップと、前記第１ステップで変換されたスペクトルに含まれるピークのうち、強度が最大となるピークの空間周波数を基準周波数として検出する第２ステップと、前記第２ステップで検出された前記基準周波数をフィルタによって透過させる第３ステップと、前記第３ステップで前記基準周波数が透過されたスペクトルに基づいて、空間領域の信号に変換する第４ステップと、前記第４ステップで変換された前記空間領域の信号の位相を算出する第５ステップと、前記第５ステップで算出された前記位相に基づいて干渉縞信号の空間周波数を示す干渉縞周波数を算出する第６ステップとを備える。 In order to solve the above-mentioned problems, an interference fringe analysis method according to the present invention includes a first step of converting an interference fringe signal indicating a light-dark pattern of interference fringes detected by a photodetector into a spectrum in a spatial frequency domain. A second step of detecting, as a reference frequency, a spatial frequency of a peak having a maximum intensity among the peaks included in the spectrum converted in the first step; and filtering the reference frequency detected in the second step. And a fourth step of converting the reference frequency into a signal in the spatial domain based on the spectrum transmitted in the third step, and a signal in the spatial domain converted in the fourth step. And a sixth step of calculating the interference fringe frequency indicating the spatial frequency of the interference fringe signal based on the phase calculated in the fifth step.

また、本発明に係る干渉縞解析方法において、前記基準周波数をシフト量として、スペクトルの空間周波数軸をシフトする第６ステップをさらに備え、前記第５ステップは、前記第３ステップで前記基準周波数が透過され、かつ、前記第６ステップで前記空間周波数軸がシフトされたスペクトルに基づいて、空間領域の信号に変換してもよい。 Further, in the interference fringe analysis method according to the present invention, the method further comprises a sixth step of shifting the spatial frequency axis of the spectrum using the reference frequency as a shift amount, and the fifth step includes the step of changing the reference frequency in the third step. The signal may be converted into a signal in the spatial domain based on the spectrum that is transmitted and the spatial frequency axis is shifted in the sixth step.

本発明によれば、干渉縞信号における空間周波数領域のスペクトルに含まれるピークのうち、強度が最大となるピークの空間周波数を透過させて得られたスペクトルを空間領域の信号に変換するので、より高精度かつ高分解能な干渉縞周波数を得ることができる。 According to the present invention, among the peaks included in the spectrum of the spatial frequency domain in the interference fringe signal, the spectrum obtained by transmitting the spatial frequency of the peak having the maximum intensity is converted into the signal of the spatial domain. An interference fringe frequency with high accuracy and high resolution can be obtained.

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る干渉縞解析装置を備える距離測定装置の構成例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a distance measuring device including an interference fringe analyzing device according to a first embodiment of the present invention. 図２は、第１の実施の形態に係る干渉縞解析装置の構成例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the interference fringe analysis device according to the first embodiment. 図３は、第１の実施の形態に係る干渉縞解析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。FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of a computer that realizes the interference fringe analysis device according to the first embodiment. 図４は、第１の実施の形態に係る光学系の構成例を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration example of the optical system according to the first embodiment. 図５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。FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of distance measurement according to the first embodiment. 図６は、第１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。FIG. 6 is a diagram for explaining diffraction by the diffractive optical element according to the first embodiment. 図７は、第１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。FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship between diffracted light of different orders and the light spot spacing according to the first embodiment. 図８は、第１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。FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the light spot interval and the optical path difference according to the first embodiment. 図９は、第１の実施の形態に係る距離測定装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart for explaining an example of the operation of the distance measuring device according to the first embodiment. 図１０は、第１の実施の形態に係る干渉縞の解析処理の一例を説明するためのフローチャートである。FIG. 10 is a flowchart for explaining an example of the interference fringe analysis processing according to the first embodiment. 図１１は、第１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。FIG. 11 is an image example showing interference fringes generated on the detection surface according to the first embodiment. 図１２は、第１の実施の形態に係る周波数スペクトルの強度分布の一例を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an example of the intensity distribution of the frequency spectrum according to the first embodiment. 図１３は、第１の実施の形態に係るバンドパスフィルタを説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining the bandpass filter according to the first embodiment. 図１４は、第１の実施の形態に係る干渉縞信号の位相および干渉縞周波数の算出例を説明するための図である。FIG. 14 is a diagram for explaining an example of calculating the phase and the interference fringe frequency of the interference fringe signal according to the first embodiment. 図１５は、第２の実施の形態に係る干渉縞解析装置の構成例を示すブロック図である。FIG. 15 is a block diagram showing a configuration example of the interference fringe analysis device according to the second embodiment. 図１６は、第２の実施の形態に係る干渉縞の解析処理の一例を説明するためのフローチャートである。FIG. 16 is a flowchart for explaining an example of interference fringe analysis processing according to the second embodiment. 図１７は、第２の実施の形態に係る周波数シフタを説明するための図である。FIG. 17 is a diagram for explaining the frequency shifter according to the second embodiment. 図１８は、第３の実施の形態に係る干渉縞解析装置の構成例を示すブロック図である。FIG. 18 is a block diagram showing a configuration example of the interference fringe analysis device according to the third embodiment. 図１６は、第３の実施の形態に係る干渉縞の解析処理の一例を説明するためのフローチャートである。FIG. 16 is a flowchart for explaining an example of interference fringe analysis processing according to the third embodiment.

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図１９を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
距離測定装置１は、測定対象Ｔに光を照射して反射させ、その反射光の干渉縞を解析して得られた干渉縞周波数に基づいて測定対象Ｔまでの対物距離ａを測定する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 19.
[First Embodiment]
The distance measuring device 1 irradiates and reflects light on the measurement target T, and measures the objective distance a to the measurement target T based on the interference fringe frequency obtained by analyzing the interference fringes of the reflected light.

距離測定装置１は、図１に示すように、光学系１０、光検出器１１、干渉縞解析装置１２、距離算出器１３、設定器１４、記憶装置１５、および表示装置１６を備える。距離測定装置１は、例えば、図１には図示しないケーシング内部に収納されていてもよい。 As shown in FIG. 1, the distance measuring device 1 includes an optical system 10, a photodetector 11, an interference fringe analyzer 12, a distance calculator 13, a setting device 14, a storage device 15, and a display device 16. The distance measuring device 1 may be housed inside a casing (not shown in FIG. 1), for example.

光学系１０は、図４に示すように、光源１０１からの光を集光して測定対象Ｔに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１０４とを備える。回折光学素子１０４から出射された２つの次数の回折光により干渉縞が生ずる。なお、光学系１０の詳細は後述する。 As shown in FIG. 4, the optical system 10 collects the light from the light source 101 and irradiates the measurement target T with the irradiation optical system and the reflected light reflected from the measurement target T as the incident light. And a diffractive optical element 104 that changes the phase and emits diffracted light of two preset orders. Interference fringes are generated by the two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element 104. The details of the optical system 10 will be described later.

光検出器１１は、複数の受光素子が空間的に配列された検出面１１０を有し、図４に示すように、光学系１０の回折光学素子１０４を挟んで測定対象Ｔとは反対側に配置されている。光検出器１１は、望ましくは、光学系１０の光軸上に、検出面１１０と光軸とが互いに直交するように配置されて、回折光学素子１０４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による明暗パターンを検出する。 The photodetector 11 has a detection surface 110 in which a plurality of light receiving elements are spatially arranged, and as shown in FIG. 4, is located on the opposite side of the measurement target T with the diffractive optical element 104 of the optical system 10 interposed therebetween. It is arranged. The photodetector 11 is preferably arranged on the optical axis of the optical system 10 such that the detection surface 110 and the optical axis are orthogonal to each other, and is formed by two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element 104. The bright and dark pattern due to the generated interference fringes is detected.

光検出器１１としては、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等の撮像素子や、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）やフォトダイオードなどの受光素子を空間的に配列したリニアイメージセンサやフォトダイオードアレイなどを用いることができる。 As the photodetector 11, for example, an image pickup device such as a CCD (Charged Coupled Device), a linear image sensor or a photodiode array in which light receiving elements such as a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) and a photodiode are spatially arranged. Can be used.

干渉縞解析装置１２は、光検出器１１によって検出された干渉縞の明暗パターンを示す干渉縞信号から干渉縞の空間周波数、すなわち干渉縞周波数を求める。干渉縞解析装置１２の詳細は後述する。 The interference fringe analysis device 12 obtains the spatial frequency of the interference fringes, that is, the interference fringe frequency from the interference fringe signal indicating the bright and dark pattern of the interference fringes detected by the photodetector 11. Details of the interference fringe analyzer 12 will be described later.

距離算出器１３は、干渉縞解析装置１２によって求められた干渉縞周波数に基づいて光検出器１１から測定対象Ｔまでの対物距離ａを算出する。 The distance calculator 13 calculates the objective distance a from the photodetector 11 to the measurement target T based on the interference fringe frequency obtained by the interference fringe analyzer 12.

設定器１４は、光学系１０、光検出器１１、および表示装置１６の動作を制御する。また、設定器１４は、干渉縞解析装置１２が備えるバンドパスフィルタ１２２のフィルタ係数の設定などを外部からの入力に応じて行う。 The setting device 14 controls the operations of the optical system 10, the photodetector 11, and the display device 16. The setter 14 also sets the filter coefficient of the bandpass filter 122 included in the interference fringe analyzer 12 according to an external input.

記憶装置１５は、例えば、ＨＤＤやフラッシュメモリなどの記憶装置からなり、光検出器１１が検出した干渉縞を記憶する。また、記憶装置１５は、干渉縞解析装置１２によって求められた干渉縞周波数、および距離算出器１３によって算出された対物距離ａを記憶する。さらに、記憶装置１５は、設定器１４が光学系１０や光検出器１１などの駆動制御を行う際の初期設定に関する情報を記憶する。 The storage device 15 is composed of, for example, a storage device such as an HDD or a flash memory, and stores the interference fringes detected by the photodetector 11. The storage device 15 also stores the interference fringe frequency obtained by the interference fringe analysis device 12 and the objective distance a calculated by the distance calculator 13. Further, the storage device 15 stores information regarding initial settings when the setting device 14 controls the drive of the optical system 10, the photodetector 11, and the like.

表示装置１６は、液晶画面などのディスプレイで構成され、光検出器１１によって検出された干渉縞の波形を表示する。また、表示装置１６は、干渉縞解析装置１２によって求められた干渉縞周波数を示す情報や、距離算出器１３によって算出された対物距離ａを示す情報を表示する。 The display device 16 is composed of a display such as a liquid crystal screen, and displays the waveform of the interference fringes detected by the photodetector 11. Further, the display device 16 displays information indicating the interference fringe frequency obtained by the interference fringe analysis device 12 and information indicating the objective distance a calculated by the distance calculator 13.

［干渉縞解析装置の構成］
次に、上述した干渉縞解析装置１２の機能構成について図２を参照してより詳細に説明する。
干渉縞解析装置１２は、フーリエ変換部（変換部）１２０、ピーク周波数検出部１２１、バンドパスフィルタ（フィルタ）１２２、逆フーリエ変換部（逆変換部）１２３、位相算出部１２４、干渉縞周波数算出部（周波数算出部）１２５、および記憶部１２６を備える。 [Structure of interference fringe analyzer]
Next, the functional configuration of the above-described interference fringe analyzer 12 will be described in more detail with reference to FIG.
The interference fringe analysis device 12 includes a Fourier transform unit (transformer) 120, a peak frequency detector 121, a bandpass filter (filter) 122, an inverse Fourier transform unit (inverse transformer) 123, a phase calculator 124, and an interference fringe frequency calculator. A unit (frequency calculation unit) 125 and a storage unit 126 are provided.

フーリエ変換部１２０は、光検出器１１によって検出された干渉縞の明暗パターンを示す干渉縞信号を、空間周波数領域のスペクトルに変換する。より詳細には、フーリエ変換部１２０は、空間領域の干渉縞信号を離散フーリエ変換して、干渉縞信号の空間周波数分布を示す周波数スペクトルを出力する。一般的に、フーリエ変換部１２０によって得られる周波数スペクトルには、直流成分および正負の周波数成分を含む複数のピークが含まれている。 The Fourier transform unit 120 transforms the interference fringe signal indicating the light-dark pattern of the interference fringes detected by the photodetector 11 into a spectrum in the spatial frequency domain. More specifically, the Fourier transform unit 120 performs a discrete Fourier transform on the interference fringe signal in the spatial domain and outputs a frequency spectrum showing the spatial frequency distribution of the interference fringe signal. In general, the frequency spectrum obtained by the Fourier transform unit 120 includes a plurality of peaks including a DC component and positive and negative frequency components.

ピーク周波数検出部１２１は、フーリエ変換部１２０によって得られた干渉縞信号の周波数スペクトルに含まれるピークのうち、光強度が最大となるピークの空間周波数（以下、「基準周波数ｆr」という。）を検出する。より詳細には、ピーク周波数検出部１２１は、周波数スペクトルに含まれる直流成分（周波数ゼロ）および負の周波数成分を除いた正の周波数成分のピークのうち、光強度が最大となるピークの空間周波数を基準周波数ｆrとして検出する。 The peak frequency detection unit 121 has a spatial frequency (hereinafter, referred to as “reference frequency f r ”) of the peak having the maximum light intensity among the peaks included in the frequency spectrum of the interference fringe signal obtained by the Fourier transform unit 120. To detect. More specifically, the peak frequency detecting unit 121 determines the spatial frequency of the peak having the maximum light intensity among the peaks of the positive frequency component excluding the DC component (frequency zero) and the negative frequency component included in the frequency spectrum. Is detected as a reference frequency f r .

バンドパスフィルタ１２２は、フーリエ変換部１２０によって得られた周波数スペクトルに対して基準周波数ｆrを透過させるフィルタである。バンドパスフィルタ１２２の通過帯域は基準周波数ｆrに応じて可変とする。より詳細には、バンドパスフィルタ１２２は、干渉縞信号の周波数スペクトルに対して、基準周波数ｆr付近の周波数帯のみを通過させ、干渉縞信号に含まれる直流成分や負の周波数成分および正の高調波成分を含む他の周波数成分を除去する。バンドパスフィルタ１２２は、中心周波数である基準周波数ｆrから任意の帯域幅に設計すればよく、例えば、基準周波数ｆrに隣接するピークが排除される帯域幅を用いてもよい。これにより、干渉縞信号に含まれるノイズを低減させることができる。 The bandpass filter 122 is a filter that allows the reference frequency f r to pass through the frequency spectrum obtained by the Fourier transform unit 120. Pass band of the band pass filter 122 is variable according to the reference frequency f r. More specifically, the band-pass filter 122, with respect to the frequency spectrum of the interference fringe signal, is passed through only the frequency band near the reference frequency f r, the DC component and the negative frequency components and a positive included in the interference fringe signal Other frequency components including harmonic components are removed. Bandpass filter 122 may be designed from the reference frequency f r is the center frequency at any bandwidth, e.g., peak adjacent to the reference frequency f r may be used bandwidth is eliminated. As a result, noise included in the interference fringe signal can be reduced.

逆フーリエ変換部１２３は、バンドパスフィルタ１２２によって基準周波数ｆr付近の周波数帯のみが透過された空間周波数の周波数スペクトルに基づいて、空間領域の干渉縞信号を復元する。より詳細には、逆フーリエ変換部１２３は、バンドパスフィルタ１２２から出力される周波数スペクトルを逆離散フーリエ変換し、複素数表現の干渉縞信号を復元する。逆フーリエ変換部１２３が出力する干渉縞信号は、元の干渉縞信号からその直流成分や負の周波数成分が除かれた信号である。なお、上述したフーリエ変換部１２０と逆フーリエ変換部１２３とは互いに対応する構成を有する。 Inverse Fourier transform unit 123, only the frequency band near the reference frequency f r by a band-pass filter 122 is based on the frequency spectrum of the spatial frequencies that are transmitted, to restore the interference fringe signal in the spatial domain. More specifically, the inverse Fourier transform unit 123 performs an inverse discrete Fourier transform on the frequency spectrum output from the bandpass filter 122 to restore an interference fringe signal represented by a complex number. The interference fringe signal output from the inverse Fourier transform unit 123 is a signal obtained by removing the DC component and the negative frequency component from the original interference fringe signal. The Fourier transform unit 120 and the inverse Fourier transform unit 123 described above have configurations corresponding to each other.

位相算出部１２４は、逆フーリエ変換部１２３によって復元された干渉縞信号の位相を算出する。より詳細には、位相算出部１２４は、逆フーリエ変換部１２３によって復元された複素数表現の干渉縞信号の実部と虚部とに基づいて、光検出器１１の複数の受光素子（画素）のそれぞれの位置での干渉縞信号の位相を算出する。 The phase calculation unit 124 calculates the phase of the interference fringe signal restored by the inverse Fourier transform unit 123. More specifically, the phase calculation unit 124 determines the plurality of light receiving elements (pixels) of the photodetector 11 based on the real part and the imaginary part of the interference fringe signal represented by the complex number that is restored by the inverse Fourier transform unit 123. The phase of the interference fringe signal at each position is calculated.

また、位相算出部１２４は、隣接画素間の位相の値に２πの位相とびがある場合に、２πの整数倍を加減して位相接続を行う。例えば、隣接画素間の位相差を求め、その位相差が予め設定されている位相のしきい値を超えている場合に、位相接続を行う構成としてもよい。このように、位相算出部１２４は、位相接続された位相分布における干渉縞信号の位相を求める。 Further, the phase calculation unit 124 performs phase connection by adding or subtracting an integral multiple of 2π when the phase value between adjacent pixels has a phase difference of 2π. For example, the phase difference between adjacent pixels may be obtained, and phase connection may be performed when the phase difference exceeds a preset phase threshold value. In this way, the phase calculator 124 obtains the phase of the interference fringe signal in the phase-connected phase distribution.

干渉縞周波数算出部１２５は、位相算出部１２４が算出した、復元された干渉縞信号の位相に基づいて、干渉縞の空間周波数である干渉縞周波数を算出する。より詳細には、干渉縞周波数算出部１２５は、位相算出部１２４が算出した光検出器１１のｉ番目（ｉは整数）およびｉ＋１番目の画素のそれぞれの位置における復元された干渉縞信号の位相φ（ｉ）およびφ（ｉ＋１）の値を用いて、ｉ番目の画素の位置での干渉縞周波数ｆ（ｉ）を次式（１）により算出する。なお、次式（１）においてｐpixelは光検出器１１の受光素子同士の間隔、すなわちピクセルピッチを示す。
ｆ（ｉ）＝｛φ（ｉ＋１）−φ（ｉ）｝／２πｐpixel ・・・（１） The interference fringe frequency calculation unit 125 calculates the interference fringe frequency, which is the spatial frequency of the interference fringes, based on the phase of the restored interference fringe signal calculated by the phase calculation unit 124. More specifically, the interference fringe frequency calculation unit 125 calculates the phase of the restored interference fringe signal at each position of the i-th (i is an integer) and i+1-th pixel of the photodetector 11 calculated by the phase calculation unit 124. By using the values of φ(i) and φ(i+1), the interference fringe frequency f(i) at the position of the i-th pixel is calculated by the following equation (1). Note that in the following expression (1), p pixel represents the interval between the light receiving elements of the photodetector 11, that is, the pixel pitch.
f(i)={φ(i+1)−φ(i)}/2πp pixel (1)

干渉縞周波数算出部１２５は、例えば、位相算出部１２４が算出した複数の画素について算出した干渉縞信号の位相φ（ｉ）（ただし、ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）に対する近似直線の傾きから干渉縞周波数ｆを求めてもよい。干渉縞周波数算出部１２５は、例えば、最小二乗法によって位相φ（ｉ）の近似直線を求めることができる。 The interference fringe frequency calculation unit 125, for example, approximates a straight line to the phase φ(i) (where i=1, 2,..., N) of the interference fringe signal calculated for the plurality of pixels calculated by the phase calculation unit 124. The interference fringe frequency f may be obtained from the slope of. The interference fringe frequency calculation unit 125 can obtain an approximate straight line of the phase φ(i) by the least square method, for example.

上式（２）において、ｆ（ｉ）はｉ画素位置での干渉縞周波数、ｎは光検出器１１の画素数を示し、ｐpixelは光検出器１１の受光素子同士の間隔、すなわちピクセルピッチを示す。 In the above formula (2), f(i) is the interference fringe frequency at the i pixel position, n is the number of pixels of the photodetector 11, and p pixel is the distance between the light receiving elements of the photodetector 11, that is, the pixel pitch. Indicates.

このように、リニアイメージセンサなどの光検出器１１における一定の距離での干渉縞信号の平均周波数を求めることで、光学系１０に起因した収差などの影響を抑えた干渉縞周波数を求めることができる。 In this way, by obtaining the average frequency of the interference fringe signals at a certain distance in the photodetector 11 such as a linear image sensor, the interference fringe frequency that suppresses the influence of the aberration caused by the optical system 10 can be obtained. it can.

記憶部１２６は、フーリエ変換部１２０によって得られた干渉縞信号の周波数スペクトル、ピーク周波数検出部１２１によって検出された基準周波数ｆr、および逆フーリエ変換部１２３によって復元された干渉縞信号を記憶する。また、記憶部１２６は、位相算出部１２４によって算出された干渉縞信号の位相、干渉縞周波数算出部１２５によって算出された干渉縞周波数ｆを記憶する。 The storage unit 126 stores the frequency spectrum of the interference fringe signal obtained by the Fourier transform unit 120, the reference frequency f r detected by the peak frequency detection unit 121, and the interference fringe signal restored by the inverse Fourier transform unit 123. .. The storage unit 126 also stores the phase of the interference fringe signal calculated by the phase calculation unit 124 and the interference fringe frequency f calculated by the interference fringe frequency calculation unit 125.

［干渉縞解析の原理］
次に、本実施の形態に係る干渉縞解析の原理について説明する。
光検出器１１で検出された干渉縞信号が正弦波であると仮定して、干渉縞信号を関数ｃｏｓ（ω0ｘ）と表す。ただし、ω0は干渉縞信号における基本角周波数を表し、ω0＝２πｆ0（ｆ0は干渉縞周波数の基本周波数）である。また、ｘは光検出器１１の受光素子の配列方向の距離を示す。光検出器１１で検出された干渉縞信号をフーリエ変換して得られる周波数スペクトルＦ（ω）は次式（３）で表される。 [Principle of interference fringe analysis]
Next, the principle of interference fringe analysis according to the present embodiment will be described.
Assuming that the interference fringe signal detected by the photodetector 11 is a sine wave, the interference fringe signal is represented as a function cos(ω 0 x). However, ω 0 represents the fundamental angular frequency in the interference fringe signal, and ω 0 =2πf 0 (f 0 is the fundamental frequency of the interference fringe frequency). Further, x indicates the distance in the arrangement direction of the light receiving elements of the photodetector 11. The frequency spectrum F(ω) obtained by Fourier transforming the interference fringe signal detected by the photodetector 11 is represented by the following expression (3).

上式（３）において、干渉縞信号の空間周波数分布を示す周波数スペクトルには、＋ω0と−ω0の正負の周波数成分が含まれている。
ここで、正の周波数成分＋ω0だけを周波数スペクトルから取り出して逆フーリエ変換した信号は、次の式（４）で表される。 In the above expression (3), the frequency spectrum showing the spatial frequency distribution of the interference fringe signal includes positive and negative frequency components of +ω 0 and −ω 0 .
Here, the signal obtained by taking out only the positive frequency component +ω 0 from the frequency spectrum and performing the inverse Fourier transform is represented by the following expression (4).

上式（４）の実部と虚部より、光検出器１１に含まれる複数の画素それぞれの位置における位相φは、次の式（５）で求めることができる。 From the real part and the imaginary part of the above equation (4), the phase φ at each position of the plurality of pixels included in the photodetector 11 can be obtained by the following equation (5).

干渉縞信号の位相の変化が、ここで求める干渉縞の周波数となり、干渉縞周波数ｆ（ｘ）は次の式（６）で求めることができる。 The change in the phase of the interference fringe signal becomes the frequency of the interference fringe obtained here, and the interference fringe frequency f(x) can be obtained by the following equation (6).

実際には、上述した式（１）により、ｉ番目の画素の位相φ（ｉ）および（ｉ＋１）番目の画素の位相φ（ｉ＋１）より干渉縞周波数ｆ（ｉ）を求めることができる。 Actually, the interference fringe frequency f(i) can be obtained from the phase φ(i) of the i-th pixel and the phase φ(i+1) of the (i+1)-th pixel by the above-described formula (1).

［干渉縞解析装置のコンピュータ構成］
上述した構成を有する干渉縞解析装置１２を実現するコンピュータ構成について図３を参照して説明する。 [Computer configuration of interference fringe analyzer]
A computer configuration for realizing the interference fringe analysis device 12 having the above configuration will be described with reference to FIG.

図３に示すように、干渉縞解析装置１２は、例えば、バス２０１を介して接続されるＣＰＵ２０２、主記憶装置２０３、通信インターフェース２０４、補助記憶装置２０５、入出力装置２０６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。干渉縞解析装置１２は、外部に設けられた光学系１０、光検出器１１、および表示装置１６がそれぞれバス２０１を介して接続されている。 As shown in FIG. 3, the interference fringe analysis device 12 is, for example, a computer including a CPU 202, a main storage device 203, a communication interface 204, an auxiliary storage device 205, an input/output device 206, which are connected via a bus 201, and these. Can be realized by a program that controls the hardware resources of The interference fringe analysis device 12 is connected to an optical system 10, a photodetector 11, and a display device 16 provided outside via a bus 201, respectively.

主記憶装置２０３には、ＣＰＵ２０２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。ＣＰＵ２０２と主記憶装置２０３とによって、図２に示した位相算出部１２４や干渉縞周波数算出部１２５を含む干渉縞解析装置１２の各機能が実現される。 Programs for the CPU 202 to perform various controls and calculations are stored in the main storage device 203 in advance. Each function of the interference fringe analysis device 12 including the phase calculator 124 and the interference fringe frequency calculator 125 shown in FIG. 2 is realized by the CPU 202 and the main storage device 203.

通信インターフェース２０４は、通信ネットワークＮＷを介して各種外部電子機器との通信を行うためのインターフェース回路である。 The communication interface 204 is an interface circuit for communicating with various external electronic devices via the communication network NW.

通信インターフェース２０４としては、例えば、ＬＴＥ、３Ｇ、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線データ通信規格に対応した演算インターフェースおよびアンテナを用いることができる。 As the communication interface 204, for example, an arithmetic interface and an antenna compatible with a wireless data communication standard such as LTE, 3G, wireless LAN, and Bluetooth (registered trademark) can be used.

補助記憶装置２０５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。補助記憶装置２０５には、記憶媒体としてハードディスクやフラッシュメモリなどの半導体メモリを使用することができる。 The auxiliary storage device 205 includes a readable/writable storage medium and a drive device for reading/writing various information such as programs and data from/to the storage medium. The auxiliary storage device 205 can use a semiconductor memory such as a hard disk or a flash memory as a storage medium.

補助記憶装置２０５は、光検出器１１によって検出された干渉縞を示すデータを記憶する記憶領域や、干渉縞解析装置１２が干渉縞の解析処理を行うためのプログラムを格納するプログラム格納領域を有する。さらには、例えば、上述したデータやプログラムなどをバックアップするためのバックアップ領域などを有していてもよい。 The auxiliary storage device 205 has a storage area for storing data indicating the interference fringes detected by the photodetector 11 and a program storage area for storing a program for the interference fringe analysis device 12 to perform the interference fringe analysis processing. .. Further, for example, it may have a backup area for backing up the above-mentioned data and programs.

入出力装置２０６は、光学系１０、光検出器１１や表示装置１６など外部機器からの信号を入力したり、外部機器へ信号を出力したりするＩ／Ｏ端子により構成される。 The input/output device 206 is composed of I/O terminals for inputting signals from external devices such as the optical system 10, the photodetector 11 and the display device 16 and outputting signals to the external devices.

ここで、補助記憶装置２０５のプログラム格納領域に格納されているプログラムは、本明細書で説明する干渉縞の解析処理の順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであってもよく、並列に、あるいは呼び出しが行われたときなどの必要なタイミングで処理が行われるプログラムであってもよい。また、プログラムは、１つのコンピュータにより処理されるものでもよく、複数のコンピュータによって分散処理されるものであってもよい。 Here, the program stored in the program storage area of the auxiliary storage device 205 may be a program that is processed in time series in accordance with the order of the interference fringe analysis processing described in this specification, or in parallel. Alternatively, the program may be a program that is processed at a necessary timing such as when a call is made. Further, the program may be processed by one computer or may be processed in a distributed manner by a plurality of computers.

また、図１で説明した距離算出器１３は、上述の干渉縞解析装置１２と同様のコンピュータにより実現することができる。また、図１で説明した距離測定装置１についても、同様のコンピュータによって実現することができる。距離算出器１３と干渉縞解析装置１２とは、同一のコンピュータで構成されていてもよい。 The distance calculator 13 described with reference to FIG. 1 can be realized by the same computer as the interference fringe analyzer 12 described above. The distance measuring device 1 described with reference to FIG. 1 can also be realized by a similar computer. The distance calculator 13 and the interference fringe analyzer 12 may be configured by the same computer.

［光学系の構成］
次に、本実施の形態に係る光学系１０について図４を参照して説明する。
光学系１０は、光源１０１、光源レンズ１０２、ビームスプリッタ１０３、回折光学素子１０４、および集光レンズ１０５を備える。光学系１０によって生成された干渉縞は、光検出器１１の検出面１１０で検出され、干渉縞解析装置１２に入力される。 [Optical system configuration]
Next, the optical system 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
The optical system 10 includes a light source 101, a light source lens 102, a beam splitter 103, a diffractive optical element 104, and a condenser lens 105. The interference fringes generated by the optical system 10 are detected by the detection surface 110 of the photodetector 11 and input to the interference fringe analyzer 12.

光源１０１と、光源レンズ１０２と、ビームスプリッタ１０３とは、光源１０１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。 The light source 101, the light source lens 102, and the beam splitter 103 configure an irradiation optical system that collects and irradiates the light emitted from the light source 101 on the measurement target T.

光源１０１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１０１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。 The light source 101 is a device that emits light of a single wavelength (monochromatic light) used for distance measurement. As the light source 101, a semiconductor laser device, a monochromatic light such as a sodium lamp, or a device that emits light having a single wavelength by a white light source and a narrow bandpass filter can be used.

光源レンズ１０２は、光源１０１から出射された光を集光してビームスプリッタ１０３へ出射する。 The light source lens 102 collects the light emitted from the light source 101 and emits it to the beam splitter 103.

ビームスプリッタ１０３は、集光学系の光路Ｏ上に配置されて、光源レンズ１０２で集光された光源１０１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１０３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１０４に入射させる。 The beam splitter 103 is arranged on the optical path O of the collection optical system, reflects the light from the light source 101 condensed by the light source lens 102, and irradiates the light spot A of the measurement target T along the optical path O. .. In addition, the beam splitter 103 causes the reflected light reflected in the optical path O direction among the reflected light diffusely reflected by the light spot A to enter the diffractive optical element 104.

回折光学素子１０４は、光路Ｏ上に配置され、ビームスプリッタ１０３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１０４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。 The diffractive optical element 104 is arranged on the optical path O, and the reflected light from the measurement target T that has passed through the beam splitter 103 is incident on the diffractive optical element 104. The diffractive optical element 104 controls incident light according to a preset diffraction characteristic, changes the phase of the incident light, and emits only diffracted light of two preset orders based on the diffraction characteristic.

より詳細には、回折光学素子１０４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１０４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。 More specifically, the diffractive optical element 104 is composed of a diffraction grating in which a concavo-convex structure is arranged two-dimensionally and periodically. In this embodiment, a case where a transmission type phase diffraction grating is used as the diffractive optical element 104 will be described, but a reflection type phase diffraction grating may be used.

回折光学素子１０４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１０４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。 The diffractive optical element 104 is an element in which a fine concavo-convex structure is formed on the surface of an optical substrate such as quartz or ZnSe, and the intensity distribution of incident light can be shaped into a desired distribution by utilizing the diffraction phenomenon of light due to the concavo-convex structure. Is. More specifically, the diffractive optical element 104 can output only the diffracted light of the required order, for example, the ±1st order diffracted light, and can not emit the diffracted light of other unnecessary orders.

回折光学素子１０４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１０４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。 The uneven structure of the diffractive optical element 104 may have a sinusoidal cross-sectional shape, for example. By having a sinusoidal cross-sectional shape, the diffractive optical element 104 can emit only ±1st-order diffracted light and remove high-order diffracted light.

また、本実施の形態に係る回折光学素子１０４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（７）を満たす構成とすることができる。
Ｄ＝ｎ（ｍ＋１／２）λ・ｃｏｓφ ・・・（７）
上式（７）において、ｎは回折光学素子１０４の材質の屈折率、ｍは整数（ｍ＝０，±１，・・・）、λは、光源１０１から出射される光の波長、φは回折光学素子１０４における任意の入射角を示す。 Further, since the diffractive optical element 104 according to the present embodiment is a transmission type phase diffraction grating, in order to remove the 0th-order diffracted light, the step D between the peak and the valley which the sine wave shape has is the optical path length. Can be configured to satisfy the following expression (7).
D=n(m+1/2)λ·cosφ (7)
In the above equation (7), n is the refractive index of the material of the diffractive optical element 104, m is an integer (m=0, ±1,...), λ is the wavelength of light emitted from the light source 101, and φ is An arbitrary angle of incidence on the diffractive optical element 104 is shown.

一方、回折光学素子１０４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（８）を満たす構成とすることができる。
Ｄ＝（ｍ＋１／２）λ・ｃｏｓφ／２ ・・・（８）
上式（８）において、ｍは整数（ｍ＝０，±１，・・・）、λは、光源１０１から出射される光の波長、φは回折光学素子１０４における任意の入射角を示す。 On the other hand, when a reflection type phase diffraction grating is used as the diffractive optical element 104, the step D between the peak and the valley of the sinusoidal shape can be configured to satisfy the following expression (8) in terms of optical path length.
D=(m+1/2)λ·cos φ/2 (8)
In the above formula (8), m is an integer (m=0, ±1,...), λ is the wavelength of light emitted from the light source 101, and φ is an arbitrary incident angle on the diffractive optical element 104.

なお、上式（７）および（８）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１０４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。 In the above equations (7) and (8), it is sufficient to design the step D such that the phase becomes π. That is, the phases of the diffracted lights emitted from the diffractive optical element 104 are opposite to each other and cancel each other, and the 0th-order diffracted lights are removed.

また、回折光学素子１０４である位相型格子の格子周期ｄは、光源１０１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。 Further, the grating period d of the phase type grating which is the diffractive optical element 104 is sufficiently larger than the wavelength λ of the light of the light source 101, and for example, d>10λ. As a result, a structure suitable for practical use as a phase grating can be obtained.

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１０４の格子形状を設計すればよいことになる。 Under the above conditions, for example, in order to obtain the ±1st order diffracted light, the grating shape of the diffractive optical element 104 is determined based on the spatial optical path distribution obtained by performing the inverse Fourier transform on the distribution of the emitted light of the desired order. It just has to be designed.

集光レンズ１０５は、回折光学素子１０４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１０５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１０４から出射される２つの次数の回折光を結像面Ｆに集光させる。 The condenser lens 105 condenses the diffracted light of two orders by the diffractive optical element 104. In the present embodiment, the condensing lens 105 is composed of, for example, a convex lens, is arranged on the optical path O, and condenses the diffracted light of two orders emitted from the diffractive optical element 104 onto the imaging plane F.

光検出器１１は、回折光学素子１０４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、光検出器１１は、検出面１１０を有し、この検出面１１０において干渉縞の明暗パターンを検出する。 The photodetector 11 detects the interference fringes generated by the two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element 104, and outputs the detection result. More specifically, the photodetector 11 has a detection surface 110, and detects a bright-dark pattern of interference fringes on the detection surface 110.

［距離測定の原理］
次に、本発明に係る距離測定装置１における距離測定の原理について、図５から図８を参照して説明する。 [Principle of distance measurement]
Next, the principle of distance measurement in the distance measuring device 1 according to the present invention will be described with reference to FIGS.

なお、図５では、光学系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５から図８において、位相回折格子で構成される回折光学素子１０４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、格子の面内でかつ格子の長手方向に直交する方向（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。 In FIG. 5, only the collecting optical system of the optical system 10 is shown as a main part, and the projection optical system is omitted. 5 to 8, one longitudinal direction (perpendicular to the paper surface) of the grating in the diffractive optical element 104 formed of the phase diffraction grating is defined as the X direction, and is in the plane of the grating and orthogonal to the longitudinal direction of the grating. The direction (vertical direction on the paper surface) is the Y direction, and the direction perpendicular to the lattice plane (the horizontal direction on the paper surface) is the Z direction.

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１０５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。 Originally, the lens has two principal points according to the incident direction of light, and the respective positions are different, but in the following, in order to avoid complication of the mathematical expression, the condensing lens 105 is a thin single lens, Each equation was derived assuming that there is only one principal point at the lens center.

図５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１０５の位置までの対物距離をａとし、主点から結像面Ｆまでの距離をｂとし、集光レンズ１０５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（９）で表される。
As shown in FIG. 5, the objective distance from the measurement target T to the principal point M, that is, the position of the condenser lens 105 is a, the distance from the principal point to the image plane F is b, and the focal length of the condenser lens 105 is Where f is f, these relationships are expressed by the following formula (9) by the imaging formula (lens formula).

上式（９）からも分かるように、集光レンズ１０５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Ｆの位置も変化するものとなる。
また、図６に示すように、回折光学素子１０４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１０１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（１０）で表される。 As can be seen from the above equation (9), the position of the image plane F also changes according to the change of the object distance a from the condenser lens 105 to the measurement target T.
Further, as shown in FIG. 6, the interval of the concavo-convex structure formed on the diffractive optical element 104, that is, the grating period is d, and the diffraction order is k (k=0, ±1, ±2,...), The wavelength of the light source 101 is λ, and the diffraction angle θk of each diffracted light. In this case, the optical path difference ΔL between the adjacent diffracted lights is expressed by the following equation (10).

さらに、図７に示すように、回折光学素子１０４から出射された回折光は、集光レンズ１０５により、結像面Ｆ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（１１）で表される。 Further, as shown in FIG. 7, the diffracted light emitted from the diffractive optical element 104 forms a plurality of light spots on the imaging plane F in the Y direction by the condenser lens 105. Here, the diffraction angles of diffracted lights of two different orders k and k′ are θk and θk′, and the light spots by these diffracted lights are Ak and Ak′, and the light spot from the point A0 where the optical axis intersects the image plane. When the distances to Ak and Ak′ along the Y direction are W1 and W2, the deviation width W of these light spots Ak and Ak′ in the Y direction is expressed by the following equation (11).

ここで、上式（１１）において、実際の回折光学素子１０４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（１１）は次の式（１２）のように近似される。
Here, in the above equation (11), the grating period d of the actual concavo-convex structure in the diffractive optical element 104 is sufficiently larger than kλ and k′λ, and kλ/d and k′λ/d are sufficiently small values. Therefore, the equation (11) is approximated by the following equation (12).

一方、図８に示すように、結像面Ｆ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器１１の検出面１１０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器１１の検出面１１０とが交わる点をＶ０とし、検出面１１０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Ｆから検出面１１０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（１３）のように近似できる。 On the other hand, as shown in FIG. 8, the light spot interval between the light spots Ak and Ak′ on the image plane F is W, and the diffracted light from the light spots Ak and Ak′ reaches the detection surface 110 of the photodetector 11. The reached point is V. Further, a point where a line extending from the midpoint of the light spots Ak and Ak′ in the Z direction and the detection surface 110 of the photodetector 11 intersect is defined as V0, and V0 to V along the Y direction on the detection surface 110 Let P be the distance. When the distance from the image plane F to the detection plane 110 is c, the optical path length Lk of the diffracted light from the light spot Ak to the arrival point V is obtained by the Pythagorean theorem. However, since the light spot interval W and the distance P are sufficiently smaller than the distance c, it can be approximated by the following equation (13).

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（１４）のように近似できる。 Also, the optical path length Lk′ of the diffracted light from the light spot Ak to the arrival point V can be approximated by the following equation (14) in the same manner as the optical path length Lk.

したがって、これら光路長Ｌｋ，Ｌｋ’の光路差ΔＬは、次の式（１５）で求められる。検出面１１０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１１０において明線が生じる。 Therefore, the optical path difference ΔL between these optical path lengths Lk and Lk′ is obtained by the following equation (15). On the detection surface 110, interference fringes are generated due to this optical path difference ΔL. More specifically, when the optical path difference ΔL is an integer j (j is an integer of 0 or more) times the wavelength λ of light, a bright line is generated on the detection surface 110.

ここで、検出面１１０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（１５）のｊ＝１の場合に相当する。よって、光検出器１１の検出面１１０上に生じた干渉縞の干渉縞ピッチｐは、式（１５）を変形することにより、次の式（１６）で求められる。
Here, among the bright lines generated on the detection surface 110, the interval between adjacent bright lines is the interference fringe pitch p, which corresponds to the case where j=1 in the equation (15). Therefore, the interference fringe pitch p of the interference fringes generated on the detection surface 110 of the photodetector 11 is obtained by the following equation (16) by modifying the equation (15).

この際、光スポット間隔Ｗは式（１２）で求められているため、これを式（１６）に代入すれば、式（１７）となる。
At this time, since the light spot interval W is obtained by the equation (12), if this is substituted into the equation (16), the equation (17) is obtained.

さらに、回折次数ｋ，ｋ’の次数差をΔｋとし、集光レンズ１０５の主点から結像面Ｆまでの距離ｂと、結像面Ｆから検出面１１０までの距離ｃを、集光レンズ１０５の主点から検出面１１０までの距離Ｌで置換する。この場合、式（１７）は、次の式（１８）となる。
Further, assuming that the difference between the diffraction orders k and k′ is Δk, the distance b from the principal point of the condenser lens 105 to the image plane F and the distance c from the image plane F to the detection plane 110 are determined by the condenser lens. The distance L from the principal point of 105 to the detection surface 110 is replaced. In this case, the equation (17) becomes the following equation (18).

したがって、干渉縞ピッチｐは、集光レンズ１０５の主点から検出面１１０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１０５の主点から結像面Ｆまでの距離ｂは、前述した式（９）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１０５の位置までの対物距離ａと、集光レンズ１０５の焦点距離ｆとで表される。これより、式（１８）は式（１９）のように変形できる。
Therefore, it can be seen that the interference fringe pitch p is obtained by a function that depends on the distance L from the principal point of the condenser lens 105 to the detection surface 110.
At this time, the distance b from the principal point of the condenser lens 105 to the image formation plane F is determined by the objective from the object T to be measured to the principal point M, that is, the position of the condenser lens 105, as shown in the above equation (9). It is represented by the distance a and the focal length f of the condenser lens 105. From this, equation (18) can be transformed into equation (19).

ここで、集光レンズ１０５の焦点距離ｆ、集光レンズ１０５の主点から検出面１１０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１０５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、光検出器１１の検出面１１０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（２０）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。
Here, the focal length f of the condenser lens 105, the distance L from the principal point of the condenser lens 105 to the detection surface 110, and the order difference Δk of the diffraction orders k and k′ are known values. From this, as a result, it can be seen that the interference fringe pitch p is a function of the object distance a from the measurement target T to the principal point M, that is, the position of the condenser lens 105. Therefore, by measuring the interference fringe pitch p detected on the detection surface 110 of the photodetector 11, the objective distance a to the measurement target T can be obtained by the following equation (20).

［距離測定方法］
次に、本実施の形態に係る干渉縞解析装置１２を備える距離測定装置１の動作について、図９のフローチャートを参照して説明する。まず、測定対象Ｔが光学系１０の所定の測定領域に配置される。また、設定器１４は、外部からの入力により、光源１０１の光量や露光時間などの初期調整を行う。 [Distance measuring method]
Next, the operation of the distance measuring device 1 including the interference fringe analyzer 12 according to this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. First, the measurement target T is placed in a predetermined measurement region of the optical system 10. Further, the setter 14 performs initial adjustment of the light amount of the light source 101, the exposure time, etc. by input from the outside.

その後、光源１０１から出射された光は、光源レンズ１０２によって集光されて、ビームスプリッタ１０３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の表面で反射された光は、ビームスプリッタ１０３を透過して、回折光学素子１０４に入射する。回折光学素子１０４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）。 Then, the light emitted from the light source 101 is condensed by the light source lens 102, and is irradiated toward the measurement target T by the beam splitter 103 (step S1). Next, the light reflected on the surface of the measurement target T passes through the beam splitter 103 and enters the diffractive optical element 104. The diffractive optical element 104 controls the incident light according to a preset diffraction characteristic, changes the phase of the incident light, and emits only the diffracted light of two preset orders based on the diffraction characteristic (step S2). ..

次に、回折光学素子１０４から出射された２つの次数の回折光は、集光レンズ１０５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、光検出器１１によって検出される（ステップＳ３）。 Next, the two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element 104 are condensed by the condenser lens 105. Then, the interference fringes generated by the two orders of diffracted light are detected by the photodetector 11 (step S3).

その後、光検出器１１は、検出した干渉縞の明暗パターンを示す干渉縞信号を干渉縞解析装置１２に入力する（ステップＳ４）。そして、干渉縞解析装置１２は、上述した干渉縞解析の原理に基づく演算を行い、干渉縞周波数ｆを求める（ステップＳ５）。 Then, the photodetector 11 inputs the interference fringe signal which shows the detected light-dark pattern of the interference fringe into the interference fringe analyzer 12 (step S4). Then, the interference fringe analysis device 12 performs a calculation based on the above-described principle of the interference fringe analysis to obtain the interference fringe frequency f (step S5).

次に、距離算出器１３は、干渉縞解析装置１２によって求められた干渉縞周波数ｆを用いて、上述した距離測定の原理に基づく演算を行い、集光レンズ１０５から測定対象Ｔまでの対物距離ａを算出する（ステップＳ６）。 Next, the distance calculator 13 uses the interference fringe frequency f obtained by the interference fringe analyzer 12 to perform a calculation based on the above-described principle of distance measurement, and the objective distance from the condenser lens 105 to the measurement target T. a is calculated (step S6).

［干渉縞解析方法］
次に、干渉縞解析装置１２による干渉縞の解析処理（図９のステップＳ５）について、図１０のフローチャートを参照して説明する。まず、光検出器１１によって検出された、例えば、図１１に示す干渉縞の明暗パターンは、干渉縞信号として干渉縞解析装置１２に入力される。図１１に示す干渉縞は、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。 [Interference fringe analysis method]
Next, the interference fringe analysis processing by the interference fringe analyzer 12 (step S5 in FIG. 9) will be described with reference to the flowchart in FIG. First, for example, the bright and dark pattern of the interference fringes shown in FIG. 11 detected by the photodetector 11 is input to the interference fringe analysis device 12 as an interference fringe signal. In the interference fringes shown in FIG. 11, the horizontal axis represents the pixel position [pic] of the image along the Y direction orthogonal to the interference fringe, and the vertical axis represents the light intensity (no unit) at each pixel position. The obtained detection result has a substantially sinusoidal shape, and its peak position corresponds to the bright line.

まず、フーリエ変換部１２０は、光検出器１１によって検出された干渉縞信号をフーリエ変換して、干渉縞信号の周波数スペクトルを出力する（ステップＳ５０）。図１２は、フーリエ変換部１２０から出力される周波数スペクトルの強度分布の一例を示す図である。図１２において、横軸は空間周波数、縦軸は光強度を示している。図１２の例に示すように、フーリエ変換部１２０によって干渉縞信号がフーリエ変換されて得られた周波数スペクトルには、周波数ゼロの直流成分のピークｐｋ０、負の周波数のピークｐｋ２、およびこれと対となる正の周波数のピークｐｋ１など複数のピークを含んでいる。 First, the Fourier transform unit 120 Fourier transforms the interference fringe signal detected by the photodetector 11, and outputs the frequency spectrum of the interference fringe signal (step S50). FIG. 12 is a diagram showing an example of the intensity distribution of the frequency spectrum output from the Fourier transform unit 120. In FIG. 12, the horizontal axis represents the spatial frequency and the vertical axis represents the light intensity. As shown in the example of FIG. 12, in the frequency spectrum obtained by Fourier transforming the interference fringe signal by the Fourier transform unit 120, the peak pk0 of the direct current component of frequency zero, the peak pk2 of the negative frequency, and the pair thereof. It includes a plurality of peaks such as a positive frequency peak pk1.

次に、ピーク周波数検出部１２１は、ステップＳ５０で得られた干渉縞信号の周波数スペクトルに含まれる複数のピークのうち、直流成分のピークおよび負の周波数成分のピークを除いた正の周波数成分のピークのなかで光強度が最大となるピークの空間周波数を検出する（ステップＳ５１）。図１２の例では、ピーク周波数検出部１２１は、ピークｐｋ１を検出し、この空間周波数を基準周波数ｆrとして記憶部１２６に記憶する。 Next, the peak frequency detection unit 121 detects the positive frequency component excluding the peak of the DC component and the peak of the negative frequency component among the plurality of peaks included in the frequency spectrum of the interference fringe signal obtained in step S50. Among the peaks, the spatial frequency of the peak having the maximum light intensity is detected (step S51). In the example of FIG. 12, the peak frequency detecting unit 121 detects the peak pk1, the storage unit 126 to the spatial frequency as the reference frequency f r.

次に、バンドパスフィルタ１２２は、干渉縞信号の周波数スペクトルに含まれる空間周波数成分のうち、基準周波数ｆr付近の周波数帯を透過させる（ステップＳ５２）。具体的には、図１３の太線で示すように、バンドパスフィルタ１２２は、基準周波数ｆr付近の周波数帯を透過させ、それ以外の直流成分のピークｐｋ０および負の周波数成分のピークｐｋ２を含む点線で示す周波数成分を除去する。 Then, the band-pass filter 122, among the spatial frequency components included in the frequency spectrum of the interference fringe signal, and transmits the frequency band near the reference frequency f r (step S52). More specifically, as shown by a thick line in FIG. 13, the band-pass filter 122, is transmitted through the frequency band near the reference frequency f r, including the peak pk2 peak pk0 and negative frequency components of the other DC components The frequency component indicated by the dotted line is removed.

その後、逆フーリエ変換部１２３は、ステップＳ５１で基準周波数ｆr付近の周波数帯が透過された周波数スペクトルを逆フーリエ変換する（ステップＳ５３）。より詳細には、逆フーリエ変換部１２３は、上述した干渉縞解析の原理による演算（式（４））に従って逆フーリエ変換を行う。 Then, the inverse Fourier transform unit 123, a frequency band near the reference frequency f r is inverse Fourier transform on the transmission frequency spectrum in the step S51 (step S53). More specifically, the inverse Fourier transform unit 123 performs the inverse Fourier transform in accordance with the calculation (formula (4)) based on the above-described principle of interference fringe analysis.

次に、位相算出部１２４は、逆フーリエ変換部１２３によって復元された空間領域の干渉縞信号の位相を算出する（ステップＳ５４）。より詳細には、位相算出部１２４は、逆フーリエ変換によって得られた複素数表現の干渉縞信号の実部および虚部（式（４））より、光検出器１１に含まれる複数の画素それぞれの位置における位相を算出する（式（５）。 Next, the phase calculation unit 124 calculates the phase of the interference fringe signal in the spatial region restored by the inverse Fourier transform unit 123 (step S54). More specifically, the phase calculation unit 124 calculates each of the plurality of pixels included in the photodetector 11 from the real part and the imaginary part (Equation (4)) of the interference fringe signal represented by the complex number obtained by the inverse Fourier transform. The phase at the position is calculated (equation (5)).

次に、位相算出部１２４は、ステップＳ５４で算出した位相において、隣接画素の位相差に基づいて位相接続を行う（ステップＳ５５）。ｉ画素位置での干渉縞信号の位相φ（ｉ）は−π〜πの間に畳み込まれ、２π周期で不連続な値となる。そのため、位相算出部１２４は、隣接画素間の位相の値に２πの位相とびがある場合に、２πの整数倍を加減して位相接続を行う。 Next, the phase calculation unit 124 performs phase connection based on the phase difference between adjacent pixels in the phase calculated in step S54 (step S55). The phase φ(i) of the interference fringe signal at the i pixel position is convolved between −π and π and becomes a discontinuous value in 2π cycles. Therefore, the phase calculation unit 124 performs phase connection by adding or subtracting an integral multiple of 2π when the phase value between adjacent pixels has a phase difference of 2π.

次に、干渉縞周波数算出部１２５は、位相算出部１２４によって算出された、復元された干渉縞信号の位相に基づいて干渉縞周波数ｆを算出する（ステップＳ５６）。より詳細には、干渉縞周波数算出部１２５は、光検出器１１の複数の画素それぞれの位置での干渉縞信号の位相の空間変化を干渉縞周波数ｆとして求める（式（６））。干渉縞周波数算出部１２５は、例えば、図１４に示すように、画素位置ごとの位相のデータから最小二乗法による近似直線の傾きを求め、これを干渉縞周波数ｆとして求めてもよい。 Next, the interference fringe frequency calculation unit 125 calculates the interference fringe frequency f based on the phase of the restored interference fringe signal calculated by the phase calculation unit 124 (step S56). More specifically, the interference fringe frequency calculation unit 125 obtains the spatial change in the phase of the interference fringe signal at the positions of the plurality of pixels of the photodetector 11 as the interference fringe frequency f (equation (6)). The interference fringe frequency calculation unit 125 may obtain the slope of the approximate straight line by the method of least squares from the phase data for each pixel position, as shown in FIG. 14, and obtain this as the interference fringe frequency f.

なお、干渉縞周波数算出部１２５は、ステップＳ５６で算出した干渉縞周波数に基づいて、光検出器１１における受光素子の配列距離における平均周波数を算出してもよい（式（２））。 Note that the interference fringe frequency calculation unit 125 may calculate the average frequency at the array distance of the light receiving elements in the photodetector 11 based on the interference fringe frequency calculated in step S56 (equation (2)).

このように、本実施の形態に係る干渉縞解析方法では、干渉縞信号の空間周波数領域において直流成分や負の周波数成分を除去するので、より高精度な干渉縞周波数を得ることができる。また、干渉縞周波数の平均周波数を求めることにより、収差による影響が低減された干渉縞周波数を得ることができる。 As described above, in the interference fringe analysis method according to the present embodiment, the DC component and the negative frequency component are removed in the spatial frequency region of the interference fringe signal, so that a more accurate interference fringe frequency can be obtained. Further, by obtaining the average frequency of the interference fringe frequencies, it is possible to obtain the interference fringe frequency in which the influence of aberration is reduced.

その後、処理は図９のステップＳ６に戻り、距離算出器１３によって干渉縞周波数または干渉縞信号の平均周波数に基づいて対物距離ａが算出される。 After that, the process returns to step S6 of FIG. 9, and the distance calculator 13 calculates the object distance a based on the interference fringe frequency or the average frequency of the interference fringe signals.

以上説明したように、第１の実施の形態によれば、干渉縞解析装置１２は、干渉縞信号からノイズの原因となる直流成分や負の周波数成分などを分離するので、リニアイメージセンサなどの受光素子の配列における設計上の制限を受けずに、より高精度かつ高分解能な干渉縞周波数を得ることができる。 As described above, according to the first embodiment, the interference fringe analysis device 12 separates a DC component or a negative frequency component, which causes noise, from the interference fringe signal. The interference fringe frequency with higher accuracy and higher resolution can be obtained without being restricted by the design of the arrangement of the light receiving elements.

また、本実施の形態に係る干渉縞解析装置１２によれば、干渉縞信号から直流成分や負の周波数成分などを分離した信号を逆フーリエ変換して得られた位相変化を周波数変換するので、計算量や回路規模を抑えつつ、より高精度かつ高分解能な干渉縞周波数を得ることができる。 Further, according to the interference fringe analysis device 12 according to the present embodiment, the phase change obtained by performing the inverse Fourier transform on the signal obtained by separating the DC component and the negative frequency component from the interference fringe signal is frequency-converted. It is possible to obtain an interference fringe frequency with higher accuracy and higher resolution while suppressing the amount of calculation and the circuit scale.

また、本実施の形態に係る距離測定装置１によれば、高精度かつ高分解能な干渉縞周波数を用いるので、対物距離ａの測定精度を向上させることができる。 Further, according to the distance measuring device 1 according to the present embodiment, since the interference fringe frequency with high precision and high resolution is used, it is possible to improve the measurement precision of the object distance a.

なお、上述の実施の形態において、ピーク周波数検出部１２１は、干渉縞信号の周波数スペクトルから基準周波数ｆrを検出する場合について説明したが、これとは異なる方法により基準周波数ｆrを取得してもよい。例えば、光検出器１１によって検出された干渉縞信号から直流成分を除去してゼロクロス点を検出して、そのゼロクロス点に同期した信号を基準周波数ｆrとして求めてもよい。 In the above embodiment, the peak frequency detection unit 121 has described the case of detecting the reference frequency f r from the frequency spectrum of the interference fringe signal, but the reference frequency f r is obtained by a method different from this. Good. For example, by detecting the zero-cross point by removing a DC component from the interference fringe signal detected by the photodetector 11, it may be obtained a signal synchronized with its zero-crossing point as the reference frequency f r.

あるいは、ピーク周波数検出部１２１は、光検出器１１によって検出された干渉縞信号を微分して、微分した値における減少から増加への切り替わりを検出して基準周波数ｆrを求めてもよい。 Alternatively, the peak frequency detection unit 121 may differentiate the interference fringe signal detected by the photodetector 11 and detect the switching from decrease to increase in the differentiated value to obtain the reference frequency f r .

［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。 [Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same components as those in the above-described first embodiment will be designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

第１の実施の形態では、バンドパスフィルタ１２２によって基準周波数ｆr付近の周波数が透過された周波数スペクトルを逆フーリエ変換部１２３が逆フーリエ変換する場合について説明した。これに対して、第２の実施の形態は、バンドパスフィルタ１２２を透過された周波数スペクトルに対して周波数シフトを行う周波数シフタ１２７をさらに備える。以下、第１の実施の形態と異なる構成を中心に説明する。 In the first embodiment, it has been described a case where a frequency spectrum in which the frequency in the vicinity of the reference frequency f r is transmitted by the band-pass filter 122 is the inverse Fourier transform unit 123 inverse Fourier transform. On the other hand, the second embodiment further includes a frequency shifter 127 that performs frequency shift on the frequency spectrum transmitted through the bandpass filter 122. Hereinafter, the configuration different from that of the first embodiment will be mainly described.

図１５に示すように、第２の実施の形態に係る干渉縞解析装置１２Ａは、フーリエ変換部１２０、ピーク周波数算出部１２１、バンドパスフィルタ１２２、逆フーリエ変換部１２３、位相算出部１２４、干渉縞周波数算出部１２５、記憶部１２６、および周波数シフタ１２７を備える。なお、干渉縞解析装置１２Ａを備える距離測定装置１の構成は、図１で説明した第１の実施の形態の構成と同様である。 As shown in FIG. 15, the interference fringe analyzer 12A according to the second embodiment includes a Fourier transform unit 120, a peak frequency calculation unit 121, a bandpass filter 122, an inverse Fourier transform unit 123, a phase calculation unit 124, and an interference. A stripe frequency calculation unit 125, a storage unit 126, and a frequency shifter 127 are provided. The configuration of the distance measuring device 1 including the interference fringe analysis device 12A is similar to that of the first embodiment described with reference to FIG.

周波数シフタ１２７は、基準周波数ｆrをシフト量として、フーリエ変換部１２０によって得られた周波数スペクトルの空間周波数軸をシフトさせる周波数シフトを行う。より詳細には、周波数シフタ１２７は、バンドパスフィルタ１２２から出力された周波数スペクトルに対して周波数シフトを行う。周波数シフタ１２７は、基準周波数ｆrを有する周波数スペクトルの強度のピーク位置が周波数ゼロの位置となるように周波数スペクトルの空間周波数軸を−ｆrだけずらす。 The frequency shifter 127 shifts the spatial frequency axis of the frequency spectrum obtained by the Fourier transform unit 120 using the reference frequency fr as a shift amount. More specifically, the frequency shifter 127 performs frequency shift on the frequency spectrum output from the bandpass filter 122. Frequency shifter 127, the peak position of the intensity of the frequency spectrum with a reference frequency f r is shifted spatial frequency axis of the frequency spectrum as a position of zero frequency by -f r.

周波数シフタ１２７は、干渉縞信号の周波数スペクトルにおいて、基準周波数ｆr、すなわち、周波数スペクトルの強度が最大となるピークの空間周波数をキャリア周波数としたときに、この空間的なキャリア周波数に相当する空間周波数を除去して、基準周波数ｆrを変調する変調周波数成分、または揺らぎの空間周波数成分を抽出することになる。 In the frequency spectrum of the interference fringe signal, the frequency shifter 127 has a space corresponding to the spatial frequency of the reference frequency f r , that is, when the spatial frequency of the peak at which the intensity of the frequency spectrum is maximum is the carrier frequency. The frequency is removed, and the modulation frequency component that modulates the reference frequency f r or the spatial frequency component of fluctuation is extracted.

なお、周波数シフタ１２７は、バンドパスフィルタ１２２を通す前の、直流成分が含まれている干渉縞信号の周波数スペクトルに対して周波数シフトを行ってもよい。 The frequency shifter 127 may shift the frequency spectrum of the interference fringe signal containing the DC component before passing through the bandpass filter 122.

逆フーリエ変換部１２３は、バンドパスフィルタ１２２によって基準周波数ｆr付近の周波数帯のみが透過され、かつ、周波数シフタ１２７によって周波数がシフトされた空間周波数の周波数スペクトルに基づいて、空間領域の干渉縞信号を復元する。より詳細には、逆フーリエ変換部１２３は、周波数シフタ１２７から出力される周波数スペクトルを逆離散フーリエ変換し、複素数表現の干渉縞信号を復元する。逆フーリエ変換部１２３が出力する干渉縞信号は、元の干渉縞信号からその直流成分や負の周波数成分、および空間的なキャリア周波数成分（基準周波数ｆr）が除かれた信号である。 Inverse Fourier transform unit 123, only the frequency band near the reference frequency f r by a band-pass filter 122 is transmitted, and, based on the frequency spectrum of the spatial frequency whose frequency is shifted by the frequency shifter 127, the interference fringes in the spatial domain Restore the signal. More specifically, the inverse Fourier transform unit 123 performs an inverse discrete Fourier transform on the frequency spectrum output from the frequency shifter 127 to restore an interference fringe signal represented by a complex number. The interference fringe signal output from the inverse Fourier transform unit 123 is a signal obtained by removing the DC component, the negative frequency component, and the spatial carrier frequency component (reference frequency f r ) from the original interference fringe signal.

位相算出部１２４は、逆フーリエ変換部１２３によって復元された干渉縞信号の位相を算出する。より詳細には、位相算出部１２４は、逆フーリエ変換部１２３によって復元された複素数表現の干渉縞信号の実部と虚部とに基づいて、光検出器１１の複数の受光素子（画素）のそれぞれの位置での干渉縞信号の位相を算出する。 The phase calculation unit 124 calculates the phase of the interference fringe signal restored by the inverse Fourier transform unit 123. More specifically, the phase calculation unit 124 determines the plurality of light receiving elements (pixels) of the photodetector 11 based on the real part and the imaginary part of the interference fringe signal represented by the complex number that is restored by the inverse Fourier transform unit 123. The phase of the interference fringe signal at each position is calculated.

また、位相算出部１２４は、隣接画素間の位相の値に２πの位相とびがある場合に、２πの整数倍を加減して位相接続を行う。例えば、隣接画素間の位相差を求め、その位相差が予め設定されている位相のしきい値を超えている場合に、位相接続を行う構成としてもよい。このように、位相算出部１２４は、位相接続された位相分布における干渉縞信号の位相を求める。 Further, the phase calculation unit 124 performs phase connection by adding or subtracting an integral multiple of 2π when the phase value between adjacent pixels has a phase difference of 2π. For example, the phase difference between adjacent pixels may be obtained, and phase connection may be performed when the phase difference exceeds a preset phase threshold value. In this way, the phase calculator 124 obtains the phase of the interference fringe signal in the phase-connected phase distribution.

干渉縞周波数算出部１２５は、位相算出部１２４が算出した、復元された干渉縞信号の位相に基づいて、干渉縞の空間周波数である干渉縞周波数を算出する。より詳細には、干渉縞周波数算出部１２５は、位相算出部１２４が算出した光検出器１１のｉ番目（ｉは整数）およびｉ＋１番目の画素のそれぞれの位置における復元された干渉縞信号の位相φ（ｉ）およびφ（ｉ＋１）の値を用いて、ｉ番目の画素の位置での干渉縞周波数ｆ（ｉ）を上述した式（１）（ｆ（ｉ）＝ｆr＋｛φ（ｉ＋１）−φ（ｉ）｝／２πｐpixel）により算出する。 The interference fringe frequency calculation unit 125 calculates the interference fringe frequency, which is the spatial frequency of the interference fringes, based on the phase of the restored interference fringe signal calculated by the phase calculation unit 124. More specifically, the interference fringe frequency calculation unit 125 calculates the phase of the restored interference fringe signal at each position of the i-th (i is an integer) and i+1-th pixel of the photodetector 11 calculated by the phase calculation unit 124. Using the values of φ(i) and φ(i+1), the interference fringe frequency f(i) at the position of the i-th pixel is calculated by the above-mentioned equation (1) (f(i)= fr + {φ(i+1) )-Φ(i)}/2πp pixel ).

これを換言するならば、干渉縞周波数算出部１２５は、まず、式（１）における位相φ（ｉ）と位相φ（ｉ＋１）の差、すなわち位相の空間変化から補正周波数ｆc＝｛φ（ｉ＋１）−φ（ｉ）｝／２πを求める。干渉縞周波数算出部１２５は、例えば、位相算出部１２４が算出した複数の画素について算出した干渉縞信号の位相φ（ｉ）（ただし、ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）に対する近似直線の傾きを求めて補正周波数ｆcとしてもよい。干渉縞周波数算出部１２５は、例えば、最小二乗法によって位相φ（ｉ）の近似直線を求めてもよい。次いで、干渉縞周波数算出部１２５は、基準周波数ｆrに補正周波数ｆcを加えた空間周波数を干渉縞周波数ｆとして算出する。 In other words, the interference fringe frequency calculation unit 125 first corrects the correction frequency f c ={φ( from the difference between the phase φ(i) and the phase φ(i+1) in Expression (1), that is, the spatial change of the phase. i+1)−φ(i)}/2π is calculated. The interference fringe frequency calculation unit 125, for example, approximates a straight line to the phase φ(i) (where i=1, 2,..., N) of the interference fringe signal calculated for the plurality of pixels calculated by the phase calculation unit 124. The correction frequency f c may be obtained by obtaining the slope of The interference fringe frequency calculation unit 125 may obtain the approximate straight line of the phase φ(i) by the least square method, for example. Then, the interference fringe frequency calculator 125 calculates the spatial frequency plus the correction frequency f c to the reference frequency f r as an interference fringe frequency f.

また、干渉縞周波数算出部１２５は、上式（１）によって求めたｉ画素位置での干渉縞周波数ｆ（ｉ）を用いて、干渉縞信号の平均周波数ｆavgを上述した式（２）により求めることができる。 Further, the interference fringe frequency calculation unit 125 uses the interference fringe frequency f(i) at the i pixel position obtained by the above equation (1) to calculate the average frequency f avg of the interference fringe signal by the above equation (2). You can ask.

このように、リニアイメージセンサなどの光検出器１１における一定の距離での干渉縞信号の平均周波数を求めることで、光学系１０に起因した収差などの影響を抑えた干渉縞周波数を求めることができる。 In this way, by obtaining the average frequency of the interference fringe signals at a certain distance in the photodetector 11 such as a linear image sensor, the interference fringe frequency that suppresses the influence of the aberration caused by the optical system 10 can be obtained. it can.

記憶部１２６は、フーリエ変換部１２０によって得られた干渉縞信号の周波数スペクトル、ピーク周波数検出部１２１によって検出された基準周波数ｆr、および逆フーリエ変換部１２３によって復元された干渉縞信号を記憶する。また、記憶部１２６は、位相算出部１２４によって算出された干渉縞信号の位相、干渉縞周波数算出部１２５によって算出された補正周波数ｆc、および補正後の干渉縞周波数ｆを記憶する。 The storage unit 126 stores the frequency spectrum of the interference fringe signal obtained by the Fourier transform unit 120, the reference frequency f r detected by the peak frequency detection unit 121, and the interference fringe signal restored by the inverse Fourier transform unit 123. .. In addition, the storage unit 126 stores the phase of the interference fringe signal calculated by the phase calculation unit 124, the correction frequency f c calculated by the interference fringe frequency calculation unit 125, and the corrected interference fringe frequency f.

［干渉縞解析の原理］
次に、本実施の形態に係る干渉縞解析の原理について説明する。
フーリエ変換の性質より、光検出器１１によって検出された干渉縞信号をフーリエ変換した信号をＦ（ω−ωr）とする。ただし、ω，ωrは、それぞれ干渉縞信号ｆの角周波数、基準周波数ｆrの角周波数であり、ω＝２πｆ、ωr＝２πｆrである。 [Principle of interference fringe analysis]
Next, the principle of interference fringe analysis according to the present embodiment will be described.
Due to the nature of the Fourier transform, a signal obtained by Fourier transforming the interference fringe signal detected by the photodetector 11 is defined as F(ω-ω r ). However, ω and ω r are the angular frequency of the interference fringe signal f and the angular frequency of the reference frequency f r , respectively, and ω=2πf and ω r =2πf r .

上記の干渉縞信号をフーリエ変換した信号Ｆ（ω−ωr）を逆フーリエ変換した信号は、次の式（２１）で表される。
A signal obtained by performing an inverse Fourier transform on the signal F(ω-ω r ) obtained by Fourier transforming the interference fringe signal is represented by the following equation (21).

上式（２１）において、ｘは光検出器１１の受光素子の配列方向の距離を示す。上式（２１）の干渉縞周波数ｆ（ｘ）を次の式（２２）で表す。 In the above equation (21), x represents the distance in the arrangement direction of the light receiving elements of the photodetector 11. The interference fringe frequency f(x) of the above equation (21) is represented by the following equation (22).

上式（２２）において、φxは初期位相を示す。また、上式（２１）を、式（２２）を用いて書き直すと次の式（２３）で表される。 In the above equation (22), φ x represents the initial phase. Further, when the above equation (21) is rewritten using equation (22), it is represented by the following equation (23).

上式（２３）の実部および虚部より、光検出器１１に含まれる複数の画素それぞれの位置における位相φcは、次の式（２４）で求めることができる。 From the real part and the imaginary part of the above equation (23), the phase φ c at each position of the plurality of pixels included in the photodetector 11 can be obtained by the following equation (24).

上式（２４）は、干渉縞信号の位相φc（ｘ）と干渉縞周波数ｆ（ｘ）との関係を示しており、画素間における位相φc（ｘ）の変化ｄφc（ｘ）／ｄｘは、干渉縞周波数ｆと基準周波数ｆrとの差ｆc（ｘ）に比例する。各画素位置間の干渉縞周波数ｆと基準周波数ｆrとの差の補正周波数ｆcは、位相φcの微分から、次式（２５）で表される。 The above equation (24), the change d.phi c of shows the relationship between the phase phi c of the interference fringe signal (x) and an interference fringe frequency f (x), the phase phi c between the pixel (x) (x) / dx is proportional to the difference f c (x) of the interference fringe frequency f and the reference frequency f r. The correction frequency f c of the difference between the interference fringe frequency f and the reference frequency f r between each pixel position is expressed by the following equation (25) from the differentiation of the phase φ c .

上式（２５）より、干渉縞周波数ｆが距離との関係ｆ（ｘ）となり、そのｆ（ｘ）は、基準周波数ｆrに補正周波数ｆcを加えた式（２６）により求まる。 From the above equation (25), the relationship f (x) next to the fringe frequency f and distance, the f (x) is found by equation (26) to the reference frequency f r plus correction frequency f c.

［干渉縞解析方法］
次に、干渉縞解析装置１２Ａによる干渉縞の解析処理について、図１６のフローチャートを参照して説明する。なお、本実施の形態に係る距離測定方法については、第１の実施の形態（図９）と同様である。まず、光検出器１１によって検出された、例えば、図１１に示す干渉縞の明暗パターンは、干渉縞信号として干渉縞解析装置１２に入力される。図１１に示す干渉縞は、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。 [Interference fringe analysis method]
Next, the interference fringe analysis processing by the interference fringe analyzer 12A will be described with reference to the flowchart in FIG. The distance measuring method according to this embodiment is the same as that of the first embodiment (FIG. 9). First, for example, the bright and dark pattern of the interference fringes shown in FIG. 11 detected by the photodetector 11 is input to the interference fringe analysis device 12 as an interference fringe signal. In the interference fringes shown in FIG. 11, the horizontal axis represents the pixel position [pic] of the image along the Y direction orthogonal to the interference fringe, and the vertical axis represents the light intensity (no unit) at each pixel position. The obtained detection result has a substantially sinusoidal shape, and its peak position corresponds to the bright line.

まず、フーリエ変換部１２０は、光検出器１１によって検出された干渉縞信号をフーリエ変換して、干渉縞信号の周波数スペクトルを出力する（ステップＳ５０Ａ）。図１２の例に示すように、フーリエ変換部１２０によって干渉縞信号がフーリエ変換されて得られた周波数スペクトルには、周波数ゼロの直流成分のピークｐｋ０、負の周波数のピークｐｋ２、およびこれと対となる正の周波数のピークｐｋ１など複数のピークを含んでいる。 First, the Fourier transform unit 120 Fourier transforms the interference fringe signal detected by the photodetector 11 and outputs the frequency spectrum of the interference fringe signal (step S50A). As shown in the example of FIG. 12, in the frequency spectrum obtained by Fourier transforming the interference fringe signal by the Fourier transform unit 120, the peak pk0 of the direct current component of frequency zero, the peak pk2 of the negative frequency, and the pair thereof. It includes a plurality of peaks such as a positive frequency peak pk1.

次に、ピーク周波数検出部１２１は、ステップＳ５０Ａで得られた干渉縞信号の周波数スペクトルに含まれる複数のピークのうち、直流成分のピークおよび負の周波数成分のピークを除いた正の周波数成分のピークのなかで光強度が最大となるピークの空間周波数を検出する（ステップＳ５１Ａ）。図１２の例では、ピーク周波数検出部１２１は、ピークｐｋ１を検出し、この空間周波数を基準周波数ｆrとして記憶部１２６に記憶する。 Next, the peak frequency detection unit 121 detects the positive frequency component of the plurality of peaks included in the frequency spectrum of the interference fringe signal obtained in step S50A, excluding the peak of the DC component and the peak of the negative frequency component. Among the peaks, the spatial frequency of the peak having the maximum light intensity is detected (step S51A). In the example of FIG. 12, the peak frequency detecting unit 121 detects the peak pk1, the storage unit 126 to the spatial frequency as the reference frequency f r.

次に、バンドパスフィルタ１２２は、干渉縞信号の周波数スペクトルに含まれる空間周波数成分のうち、基準周波数ｆr付近の周波数帯を透過させる（ステップＳ５２Ａ）。具体的には、図１３の太線で示すように、バンドパスフィルタ１２２は、基準周波数ｆr付近の周波数帯を透過させ、それ以外の直流成分のピークｐｋ０および負の周波数成分のピークｐｋ２を含む点線で示す周波数成分を除去する。 Then, the band-pass filter 122, among the spatial frequency components included in the frequency spectrum of the interference fringe signal, and transmits the frequency band near the reference frequency f r (step S52A). More specifically, as shown by a thick line in FIG. 13, the band-pass filter 122, is transmitted through the frequency band near the reference frequency f r, including the peak pk2 peak pk0 and negative frequency components of the other DC components The frequency component indicated by the dotted line is removed.

次に、周波数シフタ１２７は、バンドパスフィルタ１２２から出力された周波数スペクトルに対して周波数シフトを行う（ステップＳ５３Ａ）。より詳細には、図１７に示すように、周波数シフタ１２７は、基準周波数ｆrの周波数をシフト量として、干渉縞信号の周波数スペクトルについて、ピークｐｋ１の周波数を原点（周波数ゼロ）の位置になるように空間周波数軸をシフトさせる。 Next, the frequency shifter 127 frequency-shifts the frequency spectrum output from the bandpass filter 122 (step S53A). More specifically, as shown in FIG. 17, the frequency shifter 127 sets the frequency of the reference frequency f r as the shift amount and sets the frequency of the peak pk1 to the origin (frequency zero) position in the frequency spectrum of the interference fringe signal. To shift the spatial frequency axis.

その後、逆フーリエ変換部１２３は、ステップＳ５２Ａで基準周波数ｆr付近の周波数帯が透過され、さらに、ステップＳ５３Ａで周波数シフトされた周波数スペクトルを逆フーリエ変換する（ステップＳ５４Ａ）。より詳細には、逆フーリエ変換部１２３は、上述した干渉縞解析の原理による演算（式（２１）から式（２３））に従って逆フーリエ変換を行う。 Then, the inverse Fourier transform unit 123, a frequency band near the reference frequency f r is transmitted in step S52A, further inverse Fourier transform a frequency spectrum that is frequency shifted in step S53A (step S54A). More specifically, the inverse Fourier transform unit 123 performs the inverse Fourier transform in accordance with the calculation (formula (21) to formula (23)) based on the principle of interference fringe analysis described above.

次に、位相算出部１２４は、逆フーリエ変換部１２３によって復元された空間領域の干渉縞信号の位相を算出する（ステップＳ５５Ａ）。より詳細には、位相算出部１２４は、逆フーリエ変換によって得られた複素数表現の干渉縞信号の実部および虚部（式（２４））より、光検出器１１に含まれる複数の画素それぞれの位置における位相を算出する。 Next, the phase calculation unit 124 calculates the phase of the interference fringe signal in the spatial region restored by the inverse Fourier transform unit 123 (step S55A). More specifically, the phase calculation unit 124 calculates each of a plurality of pixels included in the photodetector 11 based on the real part and the imaginary part (Equation (24)) of the interference fringe signal represented by the complex number obtained by the inverse Fourier transform. Calculate the phase at the position.

また、位相算出部１２４は、ステップＳ５５Ａにおいて隣接画素の位相差に基づいて位相接続を行う。ｉ画素位置での干渉縞信号の位相φc（ｉ）は−π〜πの間に畳み込まれ、２π周期で不連続な値となる。そのため、位相算出部１２４は、隣接画素間の位相の値に２πの位相とびがある場合に、２πの整数倍を加減して位相接続を行う。例えば、隣接画素間の位相差を求め、その位相差が予め設定されている位相のしきい値を超えている場合に、位相接続を行う構成としてもよい。このように、位相算出部１２４は、位相接続された位相分布における干渉縞信号の位相φc（ｉ）を求める。 In addition, the phase calculation unit 124 performs phase connection based on the phase difference between the adjacent pixels in step S55A. The phase φ c (i) of the interference fringe signal at the i pixel position is convoluted between −π and π and becomes a discontinuous value in 2π cycles. Therefore, the phase calculation unit 124 performs phase connection by adding or subtracting an integral multiple of 2π when the phase value between adjacent pixels has a phase difference of 2π. For example, the phase difference between adjacent pixels may be obtained, and phase connection may be performed when the phase difference exceeds a preset phase threshold value. In this way, the phase calculator 124 obtains the phase φ c (i) of the interference fringe signal in the phase-connected phase distribution.

次に、干渉縞周波数算出部１２５は、位相算出部１２４によって算出された、復元された干渉縞信号の位相に基づいて補正周波数ｆcを算出する（ステップＳ５６Ａ）。より詳細には、干渉縞周波数算出部１２５は、光検出器１１の複数の画素それぞれの位置での干渉縞信号の位相の空間変化を補正周波数ｆcとして求める。干渉縞周波数算出部１２５は、例えば、図１４に示すように、画素位置ごとの位相のデータから最小二乗法による近似直線の傾きを求め、これを補正周波数ｆcとしてもよい。 Next, the interference fringe frequency calculation unit 125 calculates the correction frequency f c based on the phase of the restored interference fringe signal calculated by the phase calculation unit 124 (step S56A). More specifically, the interference fringe frequency calculation unit 125 obtains the spatial change in the phase of the interference fringe signal at the positions of the plurality of pixels of the photodetector 11 as the correction frequency f c . The interference fringe frequency calculation unit 125 may obtain the slope of the approximate straight line by the method of least squares from the phase data for each pixel position as shown in FIG. 14, and use this as the correction frequency f c .

次に、干渉縞周波数算出部１２５は、ステップＳ５６Ａで算出された補正周波数ｆcで基準周波数ｆrを補正し、干渉縞周波数ｆを求める（ステップＳ５７Ａ）。より詳細には、干渉縞周波数算出部１２５は、基準周波数ｆrと補正周波数ｆcとを足し合わせることで、補正された干渉縞周波数ｆを算出する。 Next, the interference fringe frequency calculator 125 corrects the reference frequency f r in the correction frequency f c which is calculated in step S56A, obtaining the interference fringe frequency f (step S57A). More specifically, the interference fringe frequency calculator 125, by adding the reference frequency f r and the correction frequency f c, calculates a corrected interference fringe frequency f.

なお、干渉縞周波数算出部１２５は、ステップＳ５７Ａで算出した干渉縞周波数に基づいて、光検出器１１における受光素子の配列距離における平均周波数を算出してもよい。 Note that the interference fringe frequency calculation unit 125 may calculate the average frequency at the array distance of the light receiving elements in the photodetector 11 based on the interference fringe frequency calculated in step S57A.

このように、本実施の形態に係る干渉縞解析方法では、干渉縞信号の空間周波数領域において直流成分や負の周波数成分を除去して周波数シフトを行うので、より高精度な干渉縞周波数を得ることができる。また、干渉縞周波数の平均周波数を求めることにより、収差による影響が低減された干渉縞周波数を得ることができる。 As described above, in the interference fringe analysis method according to the present embodiment, since the DC component and the negative frequency component are removed in the spatial frequency region of the interference fringe signal to perform the frequency shift, a more accurate interference fringe frequency is obtained. be able to. Further, by obtaining the average frequency of the interference fringe frequencies, it is possible to obtain the interference fringe frequency in which the influence of aberration is reduced.

その後、処理は図９のステップＳ６に戻り、距離算出器１３によって干渉縞周波数または干渉縞信号の平均周波数に基づいて対物距離ａが算出される。 After that, the process returns to step S6 of FIG. 9, and the distance calculator 13 calculates the object distance a based on the interference fringe frequency or the average frequency of the interference fringe signals.

以上説明したように、第２の実施の形態によれば、干渉縞解析装置１２は、干渉縞信号からノイズの原因となる直流成分や負の周波数成分などを分離して干渉縞信号を補正するので、リニアイメージセンサなどの受光素子の配列における設計上の制限を受けずに、より高精度かつ高分解能な干渉縞周波数を得ることができる。 As described above, according to the second embodiment, the interference fringe analyzer 12 corrects the interference fringe signal by separating the DC component or the negative frequency component that causes noise from the interference fringe signal. Therefore, it is possible to obtain the interference fringe frequency with higher accuracy and higher resolution without being restricted by the design of the arrangement of the light receiving elements such as the linear image sensor.

また、本実施の形態に係る距離測定装置１によれば、高精度かつ高分解能な干渉縞周波数を用いるので、対物距離ａの測定精度を向上させることができる。 Further, according to the distance measuring device 1 according to the present embodiment, since the interference fringe frequency with high precision and high resolution is used, it is possible to improve the measurement precision of the object distance a.

なお、説明した実施の形態では、周波数シフタ１２７は、バンドパスフィルタ１２２から出力された基準周波数ｆr付近の周波数帯が透過された周波数スペクトルについての周波数シフトを行う場合について説明した。しかし、これらの手順が実行される順序はこれに制限されない。例えば、周波数シフタ１２７が干渉縞信号の周波数スペクトルの周波数シフトを行った後に、バンドパスフィルタ１２２を通してもよい。 In the embodiment described, the frequency shifter 127, has been described a case where the frequency band near the reference frequency f r which is output from the band pass filter 122 performs a frequency shift for the transmitted frequency spectrum. However, the order in which these procedures are performed is not limited to this. For example, the frequency shifter 127 may shift the frequency spectrum of the interference fringe signal and then pass the bandpass filter 122.

また、周波数シフタ１２７は、基準周波数ｆrをシフト量として、基準周波数ｆrのピークが原点（周波数ゼロ）の位置となるように、周波数スペクトルの空間周波数軸に対する周波数シフトを行う場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、周波数シフタ１２７は、所定のシフト量を用いて周波数ゼロ付近に周波数をシフトすれば、必ずしも原点の位置に一致するように周波数シフトしなくてもよい。 The frequency shifter 127, the reference frequency f r as the shift amount, the peak of the reference frequency f r is such that the position of the origin (zero frequency), has been described a case where a frequency shift with respect to the spatial frequency axis of the frequency spectrum However, the present invention is not limited to this. For example, the frequency shifter 127 does not necessarily have to shift the frequency so as to match the position of the origin, as long as the frequency shifter shifts the frequency to near zero frequency using a predetermined shift amount.

［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。 [Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same components as those in the above-described first and second embodiments will be designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

第１および第２の実施の形態では、干渉縞信号の周波数スペクトルにバンドパスフィルタ１２２を通して、基準周波数ｆr付近の周波数帯を透過させ、直流成分および負の周波数成分を除去する場合について説明した。これに対し、第３の実施の形態では、干渉縞解析装置１２は、ＤＣカット部１２８を備え、フーリエ変換部１２０に入力される干渉縞信号から予め直流成分を除去する。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。 In the first and second embodiments, through a band-pass filter 122 to the frequency spectrum of the interference fringe signal, is transmitted through the frequency band near the reference frequency f r, it has been described a case of removing the DC component and the negative frequency component .. On the other hand, in the third embodiment, the interference fringe analysis device 12 includes the DC cut unit 128, and removes the DC component from the interference fringe signal input to the Fourier transform unit 120 in advance. Hereinafter, the configuration different from the first and second embodiments will be mainly described.

図１８に示すように、干渉縞解析装置１２Ｂは、フーリエ変換部１２０、ピーク周波数検出部１２１、バンドパスフィルタ１２２、逆フーリエ変換部１２３、位相算出部１２４、干渉縞周波数算出部１２５、記憶部１２６、周波数シフタ１２７、およびＤＣカット部１２８を備える。 As shown in FIG. 18, the interference fringe analysis device 12B includes a Fourier transform unit 120, a peak frequency detection unit 121, a bandpass filter 122, an inverse Fourier transform unit 123, a phase calculation unit 124, an interference fringe frequency calculation unit 125, and a storage unit. It includes a 126, a frequency shifter 127, and a DC cut section 128.

ＤＣカット部１２８は、光検出器１１によって検出された干渉縞信号に含まれる直流成分を除去する。ＤＣカット部１２８は、例えば、光検出器１１の受光素子（画素）に対応する値（輝度）の平均値を求め、画素ごとにこの平均値と輝度との差分を求めることによって直流成分を除去することができる。ＤＣカット部１２８によって直流成分が除去された干渉縞信号は、フーリエ変換部１２０に入力される。フーリエ変換部１２０に入力される干渉縞信号から予め直流成分を低減させることで、干渉縞信号に含まれるノイズをより確実に低減することができる。 The DC cut unit 128 removes the DC component included in the interference fringe signal detected by the photodetector 11. The DC cut unit 128 removes the DC component by, for example, obtaining the average value of the values (luminance) corresponding to the light receiving elements (pixels) of the photodetector 11 and obtaining the difference between this average value and the luminance for each pixel. can do. The interference fringe signal from which the DC component has been removed by the DC cut unit 128 is input to the Fourier transform unit 120. By reducing the direct current component from the interference fringe signal input to the Fourier transform unit 120 in advance, noise included in the interference fringe signal can be reduced more reliably.

次に、本実施の形態に係る干渉縞解析装置１２Ｂによって実行される干渉縞の解析処理について、図１９のフローチャートを用いて説明する。なお、距離測定装置１による動作は図９で説明した処理と同様である。 Next, the interference fringe analysis process executed by the interference fringe analyzer 12B according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. The operation of the distance measuring device 1 is the same as the process described in FIG.

まず、ＤＣカット部１２８は、光検出器１１によって検出された干渉縞の明暗パターンを示す干渉縞信号から直流成分を除去する（ステップＳ１５０）。その後、フーリエ変換部１２０は、ＤＣカット部１２８によって直流成分が除去された干渉縞信号をフーリエ変換して周波数スペクトルを出力する（ステップＳ１５１）。 First, the DC cut unit 128 removes the DC component from the interference fringe signal indicating the bright and dark pattern of the interference fringes detected by the photodetector 11 (step S150). After that, the Fourier transform unit 120 Fourier transforms the interference fringe signal from which the DC component is removed by the DC cut unit 128, and outputs a frequency spectrum (step S151).

次に、ピーク周波数検出部１２１は、ステップＳ１５１で得られた、直流成分が除去された周波数スペクトルに含まれるピークのうち、正の周波数帯で光強度が最大となっているピークの空間周波数を検出する（ステップＳ１５２）。ピーク周波数検出部１２１は、検出したピークの空間周波数を基準周波数ｆrとして記憶部１２７に記憶する。 Next, the peak frequency detection unit 121 determines the spatial frequency of the peak having the maximum light intensity in the positive frequency band among the peaks included in the frequency spectrum from which the direct current component has been removed, obtained in step S151. It is detected (step S152). Peak frequency detection unit 121 stores in the storage unit 127 the spatial frequency of the detected peak as the reference frequency f r.

次に、バンドパスフィルタ１２２は、干渉縞信号に含まれる空間周波数帯のうち、基準周波数ｆr付近の周波数帯を透過させる（ステップＳ１５３）。より詳細には、バンドパスフィルタ１２２は、直流成分が除去された干渉縞信号の周波数スペクトルにおいて、基準周波数ｆr付近の周波数帯のみを透過させ、負の周波数成分を含む他の空間周波数の成分を除去する。 Then, the band-pass filter 122, of the spatial frequency band included in the interference fringe signal, and transmits the frequency band near the reference frequency f r (step S153). More specifically, the band-pass filter 122, in the frequency spectrum of the interference fringe signal DC component has been removed, by transmitting only the frequency band near the reference frequency f r, components other spatial frequencies including the negative frequency component To remove.

次に、周波数シフタ１２７は、バンドパスフィルタ１２２から出力された干渉縞信号の周波数スペクトルについて、周波数シフトを行う（ステップＳ１５４）。具体的には、周波数シフタ１２７は、基準周波数ｆrをシフト量として、基準周波数ｆrのピークを原点（周波数ゼロ）の位置となるように、周波数スペクトルの空間周波数軸に対する周波数シフトを行う。 Next, the frequency shifter 127 shifts the frequency of the frequency spectrum of the interference fringe signal output from the bandpass filter 122 (step S154). Specifically, the frequency shifter 127, the reference frequency f r as the shift amount, a peak of the reference frequency f r to be the position of the origin (zero frequency), the frequency shift relative to the spatial frequency axis of the frequency spectrum.

その後、逆フーリエ変換部１２３は、ステップＳ１５３で基準周波数ｆr付近の周波数帯を透過させ、ステップＳ１５４で周波数シフトした干渉縞信号の周波数スペクトルを逆フーリエ変換する（ステップＳ１５５）。逆フーリエ変換部１２３は、空間周波数領域の周波数スペクトルを逆フーリエ変換して空間領域の干渉縞信号を復元する（式（２１）から（式（２３））。 After that, the inverse Fourier transform unit 123 transmits the frequency band near the reference frequency f r in step S153, and inverse Fourier transforms the frequency spectrum of the interference fringe signal frequency-shifted in step S154 (step S155). The inverse Fourier transform unit 123 performs an inverse Fourier transform on the frequency spectrum in the spatial frequency domain to restore the interference fringe signal in the spatial domain (Equation (21) to (Equation (23)).

次に、位相算出部１２４は、逆フーリエ変換部１２３によって復元された空間領域の干渉縞信号の位相を算出する（ステップＳ１５６）。より詳細には、位相算出部１２４は、逆フーリエ変換により得られた複素数表現の干渉縞信号の実部および虚部（式（２４））より、光検出器１１に含まれる複数の画素それぞれの位置における位相を算出する。 Next, the phase calculation unit 124 calculates the phase of the interference fringe signal in the spatial region restored by the inverse Fourier transform unit 123 (step S156). More specifically, the phase calculation unit 124 calculates each of the plurality of pixels included in the photodetector 11 based on the real part and the imaginary part (Equation (24)) of the interference fringe signal represented by the complex number obtained by the inverse Fourier transform. Calculate the phase at the position.

次に、干渉縞周波数算出部１２５は、位相算出部１２４によって算出された、復元された干渉縞信号の位相に基づいて補正周波数ｆcを算出する（ステップＳ１５７）。より詳細には、干渉縞周波数算出部１２５は、光検出器１１の複数の画素それぞれの位置での干渉縞信号の位相の空間変化を補正周波数ｆcとして求める。干渉縞周波数算出部１２５は、画素位置ごとの位相のデータから最小二乗法による回帰直線の傾きを求め、これを補正周波数ｆcとしてもよい。 Next, the interference fringe frequency calculation unit 125 calculates the correction frequency f c based on the phase of the restored interference fringe signal calculated by the phase calculation unit 124 (step S157). More specifically, the interference fringe frequency calculation unit 125 obtains the spatial change in the phase of the interference fringe signal at the positions of the plurality of pixels of the photodetector 11 as the correction frequency f c . The interference fringe frequency calculation unit 125 may obtain the slope of the regression line by the method of least squares from the phase data for each pixel position, and use this as the correction frequency f c .

次に、干渉縞周波数算出部１２５は、ステップＳ１５７で算出された補正周波数ｆcで基準周波数ｆrを補正し、干渉縞周波数ｆを求める（ステップＳ１５８）。より詳細には、干渉縞周波数算出部１２５は、基準周波数ｆrと補正周波数ｆcとを足し合わせることで、補正された干渉縞周波数ｆを算出する。 Next, the interference fringe frequency calculator 125 corrects the reference frequency f r in the correction frequency f c which is calculated in step S157, obtaining the interference fringe frequency f (step S158). More specifically, the interference fringe frequency calculator 125, by adding the reference frequency f r and the correction frequency f c, calculates a corrected interference fringe frequency f.

なお、干渉縞周波数算出部１２５は、ステップＳ１５８で算出した干渉縞周波数に基づいて、光検出器１１における受光素子の配列距離における平均周波数を算出してもよい。 Note that the interference fringe frequency calculation unit 125 may calculate the average frequency at the array distance of the light receiving elements in the photodetector 11 based on the interference fringe frequency calculated in step S158.

その後、処理は図９のステップＳ６に戻り、距離算出器１３によって干渉縞周波数または干渉縞信号の平均周波数に基づいて対物距離ａが算出される。 After that, the process returns to step S6 of FIG. 9, and the distance calculator 13 calculates the object distance a based on the interference fringe frequency or the average frequency of the interference fringe signals.

なお、説明した第３の実施の形態に係る干渉縞解析装置１２Ｂは、周波数フィルタ１２７を備える構成を用いて説明したが、干渉縞解析装置１２Ｂは、周波数フィルタ１２７を備えていない第１の実施の形態に係る干渉縞解析装置１２と同様の構成にも適用できる。 Although the interference fringe analysis device 12B according to the third embodiment has been described using the configuration including the frequency filter 127, the interference fringe analysis device 12B does not include the frequency filter 127 in the first embodiment. It can be applied to the same configuration as the interference fringe analysis device 12 according to the embodiment.

以上説明したように、第３の実施の形態に係る干渉縞解析装置１２Ｂによれば、ＤＣカット部１２８が、光検出器１１によって検出された干渉縞信号の直流成分を予め除去するので、基準周波数ｆrの検出やバンドパスフィルタ１２２による負の周波数帯の除去および基準周波数ｆr付近の周波数帯の透過においてノイズの影響をより確実に抑制することができる。その結果として、より高精度な干渉縞周波数を得ることができ、対物距離ａの測定精度も向上する。 As described above, according to the interference fringe analysis device 12B of the third embodiment, the DC cut unit 128 removes the DC component of the interference fringe signal detected by the photodetector 11 in advance. it is possible to more reliably suppress the influence of noise in the transmission frequency band of the removal and the region around the center frequency f r of the negative frequency band by detecting and band-pass filter 122 of the frequency f r. As a result, it is possible to obtain a more accurate interference fringe frequency and improve the measurement accuracy of the object distance a.

また、説明した実施の形態に係る距離測定装置１によれば、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１０４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１０を用いて対物距離ａを測定することができる。 Further, according to the distance measuring device 1 according to the described embodiment, the reflected light reflected from the measurement target T is used as the incident light, and only the diffracted light of the two orders preset by changing the phase of the incident light is used. Since the diffractive optical element 104 that emits light is included, a spatial filter is not needed, and the objective distance a can be measured using the more simplified optical system 10.

また、回折光学素子１０４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１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。 Further, since the diffractive optical element 104 emits only the diffracted light of two preset orders, the lens for performing the Fourier transform, which is required in the conventional technique using the amplitude type diffraction grating, is unnecessary. Becomes Therefore, the distance measuring device 1 can measure the object distance a without performing precise position adjustment in the optical system such as installing a spatial filter at the position of the Fourier transform surface.

また、説明した実施の形態に係る距離測定装置１は、回折光学素子１０４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１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。 Further, in the distance measuring device 1 according to the described embodiment, the diffractive optical element 104 emits diffracted light without blocking a part of incident light. Therefore, compared with the case where the amplitude type diffraction grating is used, the distance measuring device 1 according to the present embodiment can obtain higher diffraction efficiency for diffracted light of a desired order. As a result, distance measurement can be performed using light with stronger signal intensity.

また、説明した実施の形態では、レーザ光などの光の反射光によって生ずる干渉縞の周波数を求める場合について説明したが、Ｘ線など、可視光、紫外線、および赤外線以外の電磁波の干渉計測を行うこともできる。この場合、光学系１０はミラーなどを有する反射光学系で構成することができる。また、光検出器１１は、例えば、シンチレータなどを用いて構成することができる。 Further, in the described embodiment, the case of obtaining the frequency of the interference fringes generated by the reflected light of light such as laser light has been described, but interference measurement of electromagnetic waves other than visible light such as X-rays, ultraviolet rays and infrared rays is performed. You can also In this case, the optical system 10 can be configured by a reflective optical system having a mirror or the like. Further, the photodetector 11 can be configured using, for example, a scintillator or the like.

また、説明した実施の形態では、位相算出部１２４がｉ画素位置における位相φ（ｉ）を算出し、干渉縞周波数算出部１２５が位相変化、すなわち位相の微分を行って干渉縞信号を補正した干渉縞周波数ｆ（ｉ）を求める場合について説明した。このときに、位相算出部１２４は、例えば、算出したｉ画素位置での位相φ（ｉ）について、光学系１０に起因した収差による干渉縞の影響を補正してもよい。 In the embodiment described above, the phase calculation unit 124 calculates the phase φ(i) at the i pixel position, and the interference fringe frequency calculation unit 125 corrects the interference fringe signal by changing the phase, that is, differentiating the phase. The case of obtaining the interference fringe frequency f(i) has been described. At this time, the phase calculation unit 124 may correct the influence of the interference fringes due to the aberration caused by the optical system 10 on the calculated phase φ(i) at the i pixel position, for example.

また、説明した実施の形態では、対物距離ａを測定する場合について説明したが、干渉縞解析装置１２によって算出された干渉縞周波数に基づいて、測定対象Ｔの形状や変位を測定してもよい。 Further, in the embodiment described, the case where the object distance a is measured has been described, but the shape and displacement of the measurement target T may be measured based on the interference fringe frequency calculated by the interference fringe analyzer 12. ..

また、説明した実施の形態では、距離測定装置１は、集光レンズ１０５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１は、結像面Ｆ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１０５の代わりに、平行光や発散光を生成するレンズを用いてもよい。 Moreover, in the embodiment described, the case where the distance measuring device 1 is provided with the condenser lens 105 to form convergent light has been described. However, since the distance measuring device 1 does not need to form a Fourier transform surface on the image forming plane F, a lens that generates parallel light or divergent light may be used instead of the condenser lens 105.

また、集光レンズ１０５を用いずに、回折光学素子１０４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、光検出器１１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１は、対物距離ａとして、光検出器１１の検出面１１０から測定対象Ｔまでの距離を測定する。 Further, a configuration may be employed in which the photodetector 11 directly detects the interference fringes generated by the diffracted light of two orders emitted from the diffractive optical element 104 without using the condenser lens 105. .. In this case, the distance measuring device 1 measures the distance from the detection surface 110 of the photodetector 11 to the measurement target T as the objective distance a.

また、説明した実施の形態に係る距離測定装置１において、回折光学素子１０４と光検出器１１との間の光路Ｏ上に、回折光学素子１０４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１０４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１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。 Further, in the distance measuring device 1 according to the described embodiment, two light beams are provided on the optical path O between the diffractive optical element 104 and the photodetector 11 in the direction orthogonal to the diffraction direction of the diffractive optical element 104 and the optical axis. A means for collecting the diffracted light of the order may be provided. Examples of the light condensing unit include a cylindrical lens that uses light refraction and a reflecting mirror. Further, the diffractive optical element 104 itself may be provided with a lens function to configure a light condensing unit. The distance measuring device 1 can further increase the signal intensity of the diffracted light by further including such a condensing unit.

また、説明した実施の形態に係る距離測定装置１は、位相回折格子で構成される回折光学素子１０４を備える場合について説明した。しかし、回折光学素子１０４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。 Further, the distance measuring device 1 according to the embodiment described has been described as including the diffractive optical element 104 including a phase diffraction grating. However, the diffractive optical element 104 is not limited to the phase diffraction grating, and for example, a spatial light modulator can be used.

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。 The spatial light modulator has, for example, a liquid crystal layer and a plurality of electrodes arranged along the surface of the liquid crystal layer, and a voltage is individually applied to the liquid crystal layer from each of the plurality of electrodes to separate the liquid crystal layer. Phase modulation is performed on incident light that is incident, and only diffracted light of two preset orders is emitted. By using the spatial light modulator, the orders of the two diffracted lights emitted can be made variable according to the application.

なお、ここで開示された実施の形態に関連して記述された機能ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、ＧＰＵ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ＦＰＧＡあるいはその他のプログラマブル論理デバイス、ディスクリートゲートあるいはトランジスタロジック、ディスクリートハードウェア部品、または上述した機能を実現するために設計された上記いずれかの組み合わせを用いて実行されうる。 The functional blocks, modules, and circuits described in connection with the embodiments disclosed herein are general-purpose processors, GPUs, digital signal processors (DSPs), application-specific integrated circuits (ASICs), FPGAs, and others. Programmable logic device, discrete gate or transistor logic, discrete hardware components, or any combination of the above designed to implement the functions described above.

汎用プロセッサとしてマイクロプロセッサを用いることが可能であるが、代わりに、従来技術によるプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、あるいは状態機器を用いることも可能である。プロセッサは、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサとの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアに接続された１つ以上のマイクロプロセッサ、またはこのような任意の構成である計算デバイスの組み合わせとして実現することも可能である。 A general purpose processor may be a microprocessor, but in the alternative, the processor may be any conventional processor, controller, microcontroller, or state machine. The processor may be implemented, for example, as a combination of a DSP and a microprocessor, multiple microprocessors, one or more microprocessors connected to a DSP core, or a combination of computing devices of any such configuration. Is.

以上、本発明の干渉縞解析装置、干渉縞解析方法、および距離測定装置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。 Although the embodiments of the interference fringe analysis device, the interference fringe analysis method, and the distance measuring device of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the described embodiments, and the invention described in the claims. Various modifications that can be envisioned by those skilled in the art can be made within the range.

１…距離測定装置、１０…光学系、１１…光検出器、１２…干渉縞解析装置、１３…距離算出器、１４…設定器、１５…記憶装置、１６…表示装置、１０１…光源、１０２…光源レンズ、１０３…ビームスプリッタ、１０４…回折光学素子、１０５…集光レンズ、１１０…検出面、１２０…フーリエ変換部、１２１…ピーク周波数検出部、１２２…バンドパスフィルタ、１２３…逆フーリエ変換部、１２４…位相算出部、１２５…干渉縞周波数算出部、１２６…記憶部、２０１…バス、２０２…ＣＰＵ、２０３…主記憶装置、２０４…通信インターフェース、２０５…補助記憶装置、２０６…入出力装置、ＮＷ…通信ネットワーク、Ｔ…測定対象、Ｆ…結像面、ａ…対物距離、ｐ…干渉縞ピッチ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Distance measuring device, 10... Optical system, 11... Photodetector, 12... Interference fringe analysis device, 13... Distance calculator, 14... Setting device, 15... Storage device, 16... Display device, 101... Light source, 102 ... Light source lens, 103... Beam splitter, 104... Diffractive optical element, 105... Condensing lens, 110... Detection surface, 120... Fourier transform section, 121... Peak frequency detection section, 122... Bandpass filter, 123... Inverse Fourier transform Unit, 124... Phase calculation unit, 125... Interference fringe frequency calculation unit, 126... Storage unit, 201... Bus, 202... CPU, 203... Main storage device, 204... Communication interface, 205... Auxiliary storage device, 206... Input/output Device, NW...communication network, T...measurement object, F...imaging plane, a...objective distance, p...interference fringe pitch.

Claims (11)

光検出器によって検出された干渉縞の明暗パターンを示す干渉縞信号を、空間周波数領域のスペクトルに変換するように構成された変換部と、
前記変換部によって変換されたスペクトルに含まれるピークのうち、強度が最大となるピークの空間周波数を基準周波数として検出するように構成されたピーク周波数検出部と、
前記ピーク周波数検出部によって検出された前記基準周波数を透過するように構成されたフィルタと、
前記フィルタによって前記基準周波数が透過されたスペクトルを、空間領域の信号に変換するように構成された逆変換部と、
前記逆変換部によって変換された前記空間領域の信号の位相を算出するように構成された位相算出部と、
算出された前記位相に基づいて干渉縞信号の空間周波数を示す干渉縞周波数を算出するように構成された周波数算出部と
を備える干渉縞解析装置。 An interference fringe signal indicating the light-dark pattern of the interference fringes detected by the photodetector, a conversion unit configured to convert to a spectrum in the spatial frequency domain,
Among the peaks included in the spectrum converted by the conversion unit, a peak frequency detection unit configured to detect the spatial frequency of the peak having the maximum intensity as a reference frequency,
A filter configured to transmit the reference frequency detected by the peak frequency detection unit,
An inverse transform unit configured to transform a spectrum in which the reference frequency is transmitted by the filter into a signal in a spatial domain,
A phase calculator configured to calculate the phase of the signal in the spatial domain converted by the inverse converter,
An interference fringe analysis device configured to calculate an interference fringe frequency indicating a spatial frequency of the interference fringe signal based on the calculated phase. 請求項１に記載の干渉縞解析装置において、
前記基準周波数をシフト量として、スペクトルの空間周波数軸をシフトするように構成された周波数シフタをさらに備え、
前記逆変換部は、前記フィルタによって前記基準周波数が透過され、かつ、前記周波数シフタによって前記空間周波数軸がシフトされたスペクトルを空間領域の信号に変換する
ことを特徴とする干渉縞解析装置。 The interference fringe analyzer according to claim 1,
The reference frequency as a shift amount, further comprising a frequency shifter configured to shift the spatial frequency axis of the spectrum,
The interference fringe analysis device is characterized in that the inverse transforming unit transforms a spectrum in which the reference frequency is transmitted by the filter and the spatial frequency axis is shifted by the frequency shifter into a signal in a spatial domain. 請求項１に記載の干渉縞解析装置において、
前記光検出器は、所定の方向に配列された複数の画素を含む受光面を有し、
前記位相算出部は、前記複数の画素のそれぞれの位置での、前記逆変換部によって変換された前記空間領域の信号の位相を算出し、
前記周波数算出部は、算出された前記位相の空間変化から前記干渉縞周波数を求める
ことを特徴とする干渉縞解析装置。 The interference fringe analyzer according to claim 1,
The photodetector has a light receiving surface including a plurality of pixels arranged in a predetermined direction,
The phase calculation unit calculates the phase of the signal in the spatial region converted by the inverse conversion unit at each position of the plurality of pixels,
The interference fringe analysis apparatus, wherein the frequency calculation unit obtains the interference fringe frequency from the calculated spatial change of the phase. 請求項２に記載の干渉縞解析装置において、
前記光検出器は、所定の方向に配列された複数の画素を含む受光面を有し、
前記位相算出部は、前記複数の画素のそれぞれの位置での、前記逆変換部によって変換された前記空間領域の信号の位相を算出し、
前記周波数算出部は、算出された前記位相から前記複数の画素のそれぞれの位置における前記干渉縞周波数と前記基準周波数との差を補正周波数として算出し、前記基準周波数と前記補正周波数とに基づいて、前記干渉縞周波数を求める
ことを特徴とする干渉縞解析装置。 The interference fringe analyzer according to claim 2,
The photodetector has a light receiving surface including a plurality of pixels arranged in a predetermined direction,
The phase calculation unit calculates the phase of the signal in the spatial region converted by the inverse conversion unit at each position of the plurality of pixels,
The frequency calculation unit calculates a difference between the interference fringe frequency and the reference frequency at each position of the plurality of pixels from the calculated phase as a correction frequency, and based on the reference frequency and the correction frequency. An interference fringe analysis device, wherein the interference fringe frequency is obtained. 請求項３または請求項４に記載の干渉縞解析装置において、
前記周波数算出部は、前記位相算出部によって算出された前記位相の空間変化の近似直線の傾きから前記干渉縞周波数を求めることを特徴とする干渉縞解析装置。 The interference fringe analysis device according to claim 3 or 4,
An interference fringe analysis apparatus, wherein the frequency calculation unit obtains the interference fringe frequency from the slope of an approximate straight line of the spatial variation of the phase calculated by the phase calculation unit. 請求項３から５のいずれか１項に記載の干渉縞解析装置において、
前記周波数算出部は、算出した前記複数の画素のそれぞれの位置における干渉縞信号の前記干渉縞周波数と前記光検出器の画素同士の間隔を示す画素ピッチと、前記光検出器の画素数とを用いて干渉縞信号の平均周波数を算出する
ことを特徴とする干渉縞解析装置。 The interference fringe analyzer according to any one of claims 3 to 5,
The frequency calculation unit calculates the interference fringe frequency of the interference fringe signal at each position of the calculated plurality of pixels and a pixel pitch indicating the interval between pixels of the photodetector, and the number of pixels of the photodetector. An interference fringe analysis device characterized by calculating an average frequency of an interference fringe signal. 請求項１から６のいずれか１項に記載の干渉縞解析装置において、
前記ピーク周波数検出部は、前記スペクトルに含まれる正の空間周波数成分のうち、強度が最大となるピークの空間周波数を前記基準周波数として検出することを特徴とする干渉縞解析装置。 The interference fringe analyzer according to any one of claims 1 to 6,
The interference fringe analysis device according to claim 1, wherein the peak frequency detection unit detects, as the reference frequency, a spatial frequency of a peak having a maximum intensity among the positive spatial frequency components included in the spectrum. 請求項１から７のいずれか１項に記載の干渉縞解析装置において、
前記光検出器によって検出された干渉縞信号に含まれる直流成分を除去するように構成されたＤＣカット部をさらに備え、
前記変換部は、前記ＤＣカット部によって直流成分が除去された干渉縞信号を空間周波数領域のスペクトルに変換する
ことを特徴とする干渉縞解析装置。 The interference fringe analyzer according to any one of claims 1 to 7,
Further comprising a DC cut unit configured to remove a DC component included in the interference fringe signal detected by the photodetector,
The conversion unit converts the interference fringe signal from which the DC component has been removed by the DC cut unit into a spectrum in a spatial frequency domain. 請求項１から８のいずれか１項に記載の干渉縞解析装置と、
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、
を有する光学系と、
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器と、
前記干渉縞解析装置によって求められた干渉縞の周波数に基づいて、前記光検出器から前記測定対象までの対物距離を算出する距離算出器と
を備える距離測定装置。 An interference fringe analyzer according to any one of claims 1 to 8,
An irradiation optical system that collects and irradiates the light from the light source on the measurement target,
A diffractive optical element that emits diffracted light of two preset orders by changing the phase of the incident light using reflected light reflected from the measurement object as incident light;
An optical system having
A photodetector for detecting interference fringes generated by the two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element;
A distance calculator that calculates an objective distance from the photodetector to the measurement target based on the frequency of the interference fringes obtained by the interference fringe analyzer. 光検出器によって検出された干渉縞の明暗パターンを示す干渉縞信号を、空間周波数領域のスペクトルに変換する第１ステップと、
前記第１ステップで変換されたスペクトルに含まれるピークのうち、強度が最大となるピークの空間周波数を基準周波数として検出する第２ステップと、
前記第２ステップで検出された前記基準周波数をフィルタによって透過させる第３ステップと、
前記第３ステップで前記基準周波数が透過されたスペクトルに基づいて、空間領域の信号に変換する第４ステップと、
前記第４ステップで変換された前記空間領域の信号の位相を算出する第５ステップと、
前記第５ステップで算出された前記位相に基づいて干渉縞信号の空間周波数を示す干渉縞周波数を算出する第６ステップと
を備える干渉縞解析方法。 A first step of converting an interference fringe signal showing a light-dark pattern of the interference fringes detected by the photodetector into a spectrum in the spatial frequency domain;
A second step of detecting, as a reference frequency, a spatial frequency of a peak having a maximum intensity among the peaks included in the spectrum converted in the first step;
A third step of transmitting the reference frequency detected in the second step by a filter,
A fourth step of converting to a signal in the spatial domain based on the spectrum transmitted by the reference frequency in the third step;
A fifth step of calculating the phase of the signal in the spatial domain converted in the fourth step;
And a sixth step of calculating an interference fringe frequency indicating a spatial frequency of the interference fringe signal based on the phase calculated in the fifth step. 請求項１０に記載の干渉縞解析方法において、
前記基準周波数をシフト量として、スペクトルの空間周波数軸をシフトする第６ステップをさらに備え、
前記第５ステップは、前記第３ステップで前記基準周波数が透過され、かつ、前記第６ステップで前記空間周波数軸がシフトされたスペクトルに基づいて、空間領域の信号に変換する
ことを特徴とする干渉縞解析方法。 The interference fringe analysis method according to claim 10,
Further comprising a sixth step of shifting the spatial frequency axis of the spectrum using the reference frequency as a shift amount,
In the fifth step, the reference frequency is transmitted in the third step, and the spatial frequency axis is shifted in the sixth step, and is converted into a spatial domain signal based on the spectrum. Interference fringe analysis method.
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