KR20200105940A - Distance measuring device and method - Google Patents

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KR20200105940A
KR20200105940A KR1020207023552A KR20207023552A KR20200105940A KR 20200105940 A KR20200105940 A KR 20200105940A KR 1020207023552 A KR1020207023552 A KR 1020207023552A KR 20207023552 A KR20207023552 A KR 20207023552A KR 20200105940 A KR20200105940 A KR 20200105940A
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KR1020207023552A
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히사토시 후지와라
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아즈빌주식회사
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Abstract

거리 측정 장치(10)는, 광원(11)으로부터의 광을 측정 대상(T)에 집광시켜 조사하는 조사 광학계와, 측정 대상(T)으로부터 반사되는 반사광을 입사광으로 하며, 입사광의 위상을 바꾸어 미리 설정된 2개의 차수의 회절광을 출사하는 회절 광학 소자(14)와, 회절 광학 소자(14)로부터 출사된 2개의 차수의 회절광에 의해 생긴 간섭 줄무늬를 검출하는 광검출 소자(16)와, 광검출 소자(14)에서 얻어진 검출 결과에 기초하여 광검출 소자(14)로부터 측정 대상(T)까지의 대물 거리(a)를 산출하는 거리 산출부(17)를 구비한다.The distance measuring device 10 uses an irradiation optical system for condensing and irradiating light from the light source 11 on a measurement object T, and reflected light reflected from the measurement object T as incident light, and changes the phase of the incident light in advance. A diffractive optical element 14 that emits diffracted light of two orders of set, a photodetecting element 16 that detects interference fringes generated by diffracted light of two orders emitted from the diffractive optical element 14, and light A distance calculation unit 17 is provided for calculating an object distance a from the photodetection element 14 to the measurement object T based on the detection result obtained by the detection element 14.

Description

거리 측정 장치 및 방법Distance measuring device and method

본 발명은 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 물체에 광을 조사하여 반사시키고, 그 반사광에 기초하여 측정 대상까지의 대물 거리를 측정하는 광학적 거리 측정 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a distance measurement apparatus and method, and more particularly, to an optical distance measurement technology for irradiating and reflecting light on an object, and measuring an object distance to a measurement object based on the reflected light.

종래부터, 레이저 광 등의 광을 이용하여, 측정 대상까지의 대물 거리를 비접촉으로 측정할 수 있는 광학적 측정 장치가 알려져 있다. 이러한 광학적 측정 장치는, 단순히 측정 대상까지의 대물 거리를 측정할 뿐만 아니라, 측정 대상의 표면 형상 측정이나, 박막의 두께 측정 등, 여러 가지 용도에 응용되고 있다.BACKGROUND ART [0002] BACKGROUND ART An optical measuring device capable of non-contact measurement of an object distance to a measurement object using light such as laser light has conventionally been known. Such an optical measuring device is applied not only to simply measuring the distance of the object to the object to be measured, but also to measuring the surface shape of the object to be measured, and measuring the thickness of a thin film.

예컨대, 특허문헌 1은, 측정 대상에 반사된 반사광을 회절시키는 진폭형의 회절 격자와, 회절 격자로부터의 회절광을 결상면에 집광시키는 집광 렌즈와, 결상면 상에 배치되어, 회절광 중 미리 설정된 다른 2개의 차수의 회절광만을 투과시키고, 다른 차수의 회절광을 차단하는 스페이셜 필터를 갖는 거리 측정 장치를 개시하고 있다.For example, Patent Document 1 discloses an amplitude-type diffraction grating for diffracting reflected light reflected on a measurement object, a condensing lens for condensing diffracted light from the diffraction grating on an imaging surface, and disposed on the imaging surface, Disclosed is a distance measuring apparatus having a spatial filter that transmits only diffracted light of two different orders set and blocks diffracted light of different orders.

특허문헌 1에 기재된 거리 측정 장치에서는 스페이셜 필터를 이용하여, 진폭형의 회절 격자로 생긴 다수의 차수의 회절광으로부터, 미리 설정된 2개의 차수의 회절광만을 투과시킨다. 그리고, 그 2개의 차수의 회절광을 간섭시켜 대물 거리를 측정한다.In the distance measuring device described in Patent Document 1, only diffracted light of two orders set in advance is transmitted from the diffracted light of a plurality of orders generated by an amplitude-type diffraction grating using a spatial filter. Then, the object distance is measured by interfering with the diffracted light of the two orders.

보다 상세하게는, 특허문헌 1에 기재된 거리 측정 장치에서는, 직사각형 파형의 투과율 분포를 갖는 진폭형의 회절 격자가 이용되고 있다. 그 때문에, 특허문헌 1에 기재된 거리 측정 장치에서는, 원하는 특정 차수의 회절광, 예컨대, ±1차 회절광뿐만 아니라, 고차의 회절광이나, 회절하지 않고 그대로 직진 투과하는 0차 회절광이 나타난다.More specifically, in the distance measuring device described in Patent Document 1, an amplitude-type diffraction grating having a transmittance distribution of a rectangular waveform is used. Therefore, in the distance measuring apparatus described in Patent Document 1, not only diffracted light of a desired specific order, such as ±1st order diffracted light, but also high-order diffracted light, or zero-order diffracted light transmitted straight through without diffraction appears.

또한, 특허문헌 1에 기재된 거리 측정 장치에서는, 미리 설정된 2개의 차수의 회절광만을 간섭시키기 위해, 집광 렌즈를 이용하여 푸리에 변환을 행하고, 이 푸리에 변환면에서 스페이셜 필터로 원하는 2개의 차수의 회절광을 필터링하여 투과시키고 있다.In addition, in the distance measuring apparatus described in Patent Document 1, in order to interfere only diffracted light of two preset orders, Fourier transform is performed using a condensing lens, and diffraction of two orders desired by a spatial filter on the Fourier transform surface. Light is filtered and transmitted.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2015-194347호 공보Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 2015-194347 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2013-186350호 공보Patent Document 2: Japanese Patent Laid-Open No. 2013-186350

그러나, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 집광 렌즈 및 스페이셜 필터의 위치를 적합한 위치로 조정해야 하고, 이 조정이 충분하지 않은 경우에는, 간섭 줄무늬(干涉縞)가 흐트러져 거리 측정을 행하기 어려워지는 경우가 있다. 또한, 스페이셜 필터에는, 높은 가공 정밀도가 요구되기 때문에, 광학계의 구성이 복잡해지는 문제가 있었다.However, in the technique described in Patent Document 1, the position of the condensing lens and the spatial filter must be adjusted to an appropriate position, and if this adjustment is not sufficient, the interference fringes are disturbed, making it difficult to measure the distance. There are cases. Further, since the spatial filter requires high processing precision, there is a problem that the configuration of the optical system is complicated.

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 스페이셜 필터를 불필요로 하여, 보다 간소화된 광학계를 이용하여 대물 거리를 측정할 수 있는 거리 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and an object thereof is to provide a distance measuring apparatus capable of measuring an object distance using a more simplified optical system without the need for a spatial filter.

전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 거리 측정 장치는, 광원으로부터의 광을 측정 대상에 집광시켜 조사하는 조사 광학계와, 상기 측정 대상으로부터 반사되는 반사광을 입사광으로 하며, 상기 입사광의 위상을 바꾸어 미리 설정된 2개의 차수의 회절광을 출사하는 회절 광학 소자와, 상기 회절 광학 소자로부터 출사된 상기 2개의 차수의 회절광에 의해 생긴 간섭 줄무늬를 검출하는 광검출 소자와, 상기 광검출 소자에서 얻어진 검출 결과에 기초하여 상기 광검출 소자로부터 상기 측정 대상까지의 대물 거리를 산출하는 거리 산출부를 구비하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above-described problem, the distance measuring apparatus according to the present invention includes an irradiation optical system for condensing and irradiating light from a light source to a measurement object, and reflecting light reflected from the measurement object as incident light, and the phase of the incident light In turn, a diffractive optical element that emits diffracted light of two orders previously set, a photodetecting element that detects interference fringes generated by the diffracted light of the two orders emitted from the diffractive optical element, and a photodetecting element obtained from the photodetecting element And a distance calculator configured to calculate an object distance from the photodetector to the object to be measured based on a detection result.

또한, 본 발명에 따른 거리 측정 장치에 있어서, 상기 회절 광학 소자는, 2차원적으로, 또한 주기적으로 배열된 요철 구조를 갖는 회절 격자를 구비하고 있어도 좋다.Further, in the distance measuring apparatus according to the present invention, the diffractive optical element may be provided with a diffraction grating having an uneven structure arranged two-dimensionally and periodically.

또한, 본 발명에 따른 거리 측정 장치에 있어서, 상기 회절 격자는, 상기 요철 구조가 정현파 형상의 단면 형상을 갖는 투과형의 위상 회절 격자이고, 상기 정현파 형상에 포함되는 산과 골의 단차(D)는, D=n(m+1/2)λ·cosφ(단, n은 상기 회절 격자의 재질의 굴절률, m은 정수이고, m=0, ±1, ···, λ는 광원으로부터 출사되는 광의 파장, φ는 상기 회절 격자의 임의의 입사각)를 만족하고 있어도 좋다.Further, in the distance measuring apparatus according to the present invention, the diffraction grating is a transmission-type phase diffraction grating in which the uneven structure has a sinusoidal cross-sectional shape, and the step D between the peaks and valleys included in the sine wave shape is, D=n(m+1/2)λ·cosφ (where n is the refractive index of the material of the diffraction grating, m is an integer, and m = 0, ±1, ..., λ is the wavelength of light emitted from the light source , φ may satisfy an arbitrary angle of incidence of the diffraction grating).

또한, 본 발명에 따른 거리 측정 장치에 있어서, 상기 회절 격자는, 상기 요철 구조가 정현파 형상의 단면 형상을 갖는 반사형의 위상 회절 격자이고, 상기 정현파 형상에 포함되는 산과 골의 단차(D)는, D=(m+1/2)λ·cosφ/2(단, m은 정수이고, m=0, ±1, ···, λ는 광원으로부터 출사되는 광의 파장, φ는 상기 회절 격자의 임의의 입사각)를 만족하고 있어도 좋다.In addition, in the distance measuring apparatus according to the present invention, the diffraction grating is a reflective phase diffraction grating in which the uneven structure has a sinusoidal cross-sectional shape, and the step D between the peaks and valleys included in the sine wave shape is , D=(m+1/2)λ·cosφ/2 (where m is an integer, m=0, ±1, ..., λ is the wavelength of light emitted from the light source, φ is the arbitrary Incidence angle) may be satisfied.

또한, 본 발명에 따른 거리 측정 장치에 있어서, 상기 회절 광학 소자는, 액정층과, 상기 액정층의 표면을 따라 배치된 복수의 전극을 갖고, 상기 복수의 전극 각각으로부터 상기 액정층에 개별로 전압을 인가하여, 상기 액정층에 입사하는 상기 입사광에 대하여 위상 변조를 행하는 공간 광변조기를 구비하고 있어도 좋다.In addition, in the distance measuring apparatus according to the present invention, the diffractive optical element has a liquid crystal layer and a plurality of electrodes disposed along a surface of the liquid crystal layer, and a voltage is individually applied to the liquid crystal layer from each of the plurality of electrodes. A spatial light modulator for performing phase modulation on the incident light incident on the liquid crystal layer may be provided.

또한, 본 발명에 따른 거리 측정 장치에 있어서, 상기 회절 광학 소자로부터 출사된 상기 2개의 차수의 회절광을 집광시키는 집광 렌즈를 더 구비하고, 상기 광검출 소자는, 상기 집광 렌즈에 의해 집광된 상기 2개의 차수의 회절광에 의해 생긴 간섭 줄무늬를 검출하고, 상기 거리 산출부는, 상기 집광 렌즈로부터 상기 측정 대상까지의 대물 거리를 산출하여도 좋다.In addition, in the distance measuring apparatus according to the present invention, further comprising a condensing lens for condensing the diffracted light of the two orders emitted from the diffractive optical element, wherein the light detection element is condensed by the condensing lens. An interference fringe generated by diffracted light of two orders may be detected, and the distance calculating unit may calculate an objective distance from the condensing lens to the measurement object.

또한, 본 발명에 따른 거리 측정 장치에 있어서, 상기 회절 광학 소자는, 출사되는 상기 2개의 차수의 회절광을, 회절 방향과 광축에 직교하는 방향에 집광시키는 기능을 더 구비하고 있어도 좋다.Further, in the distance measuring apparatus according to the present invention, the diffractive optical element may further have a function of condensing the emitted diffracted light of the two orders in a direction orthogonal to the diffraction direction and the optical axis.

또한, 본 발명에 따른 거리 측정 장치에 있어서, 상기 조사 광학계는, 상기 광원으로부터의 광을 집광시키는 광원 렌즈와, 상기 광원 렌즈로부터 출사되는 광을 상기 측정 대상을 향하게 하는 빔 스플리터를 구비하고 있어도 좋다.Further, in the distance measuring apparatus according to the present invention, the irradiation optical system may include a light source lens for condensing light from the light source and a beam splitter for directing light emitted from the light source lens toward the measurement object. .

또한, 본 발명에 따른 거리 측정 방법은, 광원으로부터의 광을 측정 대상에 집광시켜 조사하는 조사 단계와, 상기 측정 대상으로부터 반사되는 반사광을 입사광으로 하며, 상기 입사광의 위상을 바꾸어 미리 설정된 2개의 차수의 회절광을 출사하는 회절 단계와, 상기 회절 단계에서 출사된 상기 2개의 차수의 회절광에 의해 생긴 간섭 줄무늬를 광검출 소자로 검출하는 광검출 단계와, 상기 광검출 단계에서 얻어진 검출 결과에 기초하여 상기 광검출 소자로부터 상기 측정 대상까지의 대물 거리를 산출하는 거리 산출 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, the distance measurement method according to the present invention includes an irradiation step of condensing and irradiating light from a light source to a measurement object, and using the reflected light reflected from the measurement object as incident light, and changing the phase of the incident light to two preset orders. The diffraction step of emitting diffracted light of, and the light detection step of detecting an interference fringe generated by the diffracted light of the two orders emitted in the diffraction step with a light detection element, and the detection result obtained in the light detection step And a distance calculation step of calculating an object distance from the photodetector to the object to be measured.

본 발명에 따르면, 측정 대상으로부터 반사된 입사광의 위상을 바꾸어, 미리 설정된 2개의 차수의 회절광을 출사하는 회절 광학 소자를 갖기 때문에, 스페이셜 필터를 불필요로 하여, 보다 간소화된 광학계를 이용하여 대물 거리를 측정할 수 있다.According to the present invention, since it has a diffractive optical element that changes the phase of the incident light reflected from the measurement object and emits diffracted light of two preset orders, a spatial filter is unnecessary, and a more simplified optical system is used. You can measure the distance.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 거리 측정 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 거리 측정의 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 회절 광학 소자에 의한 회절을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 다른 차수의 회절광과 광스폿 간격의 관계를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 광스폿 간격과 광로차의 관계를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 검출면에 생긴 간섭 줄무늬를 나타내는 화상예이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 거리 산출부를 실현하는 컴퓨터의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 거리 측정 장치의 동작을 설명하는 흐름도면이다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 거리 측정 장치의 변형예를 나타내는 도면이다.1 is a schematic diagram showing a configuration of a distance measuring device according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram for explaining the principle of distance measurement according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining diffraction by a diffractive optical element according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining a relationship between diffracted light of different orders and a light spot spacing according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram for explaining a relationship between a light spot spacing and an optical path difference according to an embodiment of the present invention.
6 is an image example showing interference fringes generated on the detection surface according to the embodiment of the present invention.
Fig. 7 is a block diagram showing a configuration example of a computer that realizes a distance calculation unit according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating the operation of the distance measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
9 is a diagram showing a modified example of the distance measuring device according to the embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 적합한 실시형태에 대해서, 도 1 내지 도 9를 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 9.

[실시형태][Embodiment]

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 거리 측정 장치(10)의 구성을 나타내는 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a configuration of a distance measuring device 10 according to an embodiment of the present invention.

거리 측정 장치(10)는, 측정 대상(T)에 광을 조사하여 반사시키고, 그 반사광에 기초하여 측정 대상(T)까지의 대물 거리를 측정한다.The distance measuring device 10 irradiates and reflects light on the measurement object T, and measures the object distance to the measurement object T based on the reflected light.

거리 측정 장치(10)는, 광원(11), 광원 렌즈(12), 빔 스플리터(13), 회절 광학 소자(14), 집광 렌즈(15), 광검출 소자(16) 및 거리 산출부(17)를 구비한다. 거리 측정 장치(10)는, 예컨대, 상기 구성이 도시하지 않는 케이싱 내부에 수납되어 있어도 좋다.The distance measuring device 10 includes a light source 11, a light source lens 12, a beam splitter 13, a diffractive optical element 14, a condensing lens 15, a light detection element 16, and a distance calculation unit 17. ). The distance measuring device 10 may be housed, for example, in a casing (not shown).

광원(11)과, 광원 렌즈(12)와, 빔 스플리터(13)는, 광원(11)으로부터 출사되는 광을 측정 대상(T)에 집광하여 조사하는 조사 광학계를 구성한다.The light source 11, the light source lens 12, and the beam splitter 13 constitute an irradiation optical system for condensing and irradiating light emitted from the light source 11 onto the measurement object T.

광원(11)은, 거리 측정에 이용하는 단일 파장의 광(단색광)을 발하는 장치이다. 광원(11)으로서는, 반도체 레이저 장치, 나트륨 램프와 같은 단색광이나, 백색 광원과 협대역 밴드 패스 필터에 의해 단일 파장화된 광을 발하는 장치를 이용할 수 있다.The light source 11 is a device that emits light of a single wavelength (single color light) used for distance measurement. As the light source 11, a semiconductor laser device, a monochromatic light such as a sodium lamp, or a device that emits a single wavelength of light by a white light source and a narrow band pass filter can be used.

광원 렌즈(12)는, 광원(11)으로부터 출사된 광을 집광하여 빔 스플리터(13)에 출사한다.The light source lens 12 condenses the light emitted from the light source 11 and emits it to the beam splitter 13.

빔 스플리터(13)는, 집광 광학계의 광로(O) 상에 배치되며, 광원 렌즈(12)에서 집광된 광원(11)으로부터의 광을 반사하여, 광로(O)를 따라 측정 대상(T)의 광스폿(A)에 조사한다. 또한, 빔 스플리터(13)는, 광스폿(A)에서 확산 반사된 반사광 중, 광로(O) 방향에 반사된 반사광을 회절 광학 소자(14)에 입사시킨다.The beam splitter 13 is disposed on the optical path O of the condensing optical system, reflects the light from the light source 11 condensed by the light source lens 12, and reflects the light of the measurement object T along the optical path O. It irradiates the light spot (A). Further, the beam splitter 13 causes the diffractive optical element 14 to enter the reflected light reflected in the direction of the optical path O among the reflected light diffusely reflected from the light spot A.

회절 광학 소자(14)는, 광로(O) 상에 배치되며, 빔 스플리터(13)를 투과한 측정 대상(T)으로부터의 반사광이 입사된다. 회절 광학 소자(14)는, 미리 설정된 회절 특성에 의해 입사광을 제어하여, 입사광의 위상을 바꾸어 회절 특성에 기초한, 미리 설정된 2개의 차수의 회절광만을 출사한다.The diffractive optical element 14 is disposed on the optical path O, and the reflected light from the measurement object T transmitted through the beam splitter 13 is incident. The diffractive optical element 14 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.

보다 상세하게는, 회절 광학 소자(14)는, 요철 구조가 2차원으로, 또한 주기적으로 배열된 회절 격자로 구성된다. 본 실시형태에서는, 회절 광학 소자(14)로서, 투과형의 위상 회절 격자를 이용하는 경우에 대해서 설명하지만, 반사형의 위상 회절 격자를 이용하여도 좋다.More specifically, the diffractive optical element 14 is composed of a diffraction grating in which the uneven structure is arranged in two dimensions and periodically. In this embodiment, a case where a transmission-type phase diffraction grating is used as the diffractive optical element 14 is described, but a reflection-type phase diffraction grating may be used.

회절 광학 소자(14)는, 석영이나 ZnSe 등의 광학 기판 표면에 미세한 요철 구조가 형성되고, 요철 구조에 의한 광의 회절 현상을 이용하여 입사광의 강도 분포를 원하는 분포로 정형할 수 있는 소자이다. 보다 구체적으로는, 회절 광학 소자(14)는, 필요한 차수의 회절광, 예컨대, ±1차 회절광만을 출력하고, 그 외의 불필요한 차수의 회절광을 출사하지 않을 수 있다.The diffractive optical element 14 is an element capable of forming a fine uneven structure on the surface of an optical substrate such as quartz or ZnSe, and shaping the intensity distribution of incident light into a desired distribution by using the diffraction phenomenon of light by the uneven structure. More specifically, the diffractive optical element 14 may output only diffracted light of a required order, for example, diffracted light of the order of ±1, and may not emit diffracted light of other unnecessary order.

회절 광학 소자(14)는, 요철 구조가, 예컨대, 정현파 형상의 단면 형상을 갖고 있어도 좋다. 정현파 형상의 단면 형상을 가짐으로써, 회절 광학 소자(14)는, ±1차 회절광만을 출사하고, 고차 회절광을 제거할 수 있다.The diffractive optical element 14 may have an uneven structure, for example, a sinusoidal cross-sectional shape. By having a sine wave-shaped cross-sectional shape, the diffractive optical element 14 can emit only ±1st order diffracted light and remove higher order diffracted light.

또한, 본 실시형태에 따른 회절 광학 소자(14)는 투과형의 위상 회절 격자이기 때문에, 0차 회절광을 제거하기 위해, 정현파 형상이 갖는 산과 골의 단차(D)는, 광로 길이로 다음 식 (1)을 만족하는 구성으로 할 수 있다.In addition, since the diffraction optical element 14 according to the present embodiment is a transmission-type phase diffraction grating, in order to remove the zero-order diffracted light, the step D between the peaks and valleys of the sine wave shape is the optical path length, and the following equation ( It can be configured to satisfy 1).

D=n(m+1/2)λ·cosφ···(1)D=n(m+1/2)λ·cosφ···(1)

상기 식 (1)에 있어서, n은 회절 광학 소자(14)의 재질의 굴절률, m은 정수(m=0, ±1, ···), λ는 광원(11)으로부터 출사되는 광의 파장, φ는 회절 광학 소자(14)에 있어서의 임의의 입사각을 나타낸다.In the above formula (1), n is the refractive index of the material of the diffractive optical element 14, m is an integer (m = 0, ±1, ...), λ is the wavelength of light emitted from the light source 11, φ Denotes an arbitrary angle of incidence in the diffractive optical element 14.

한편, 회절 광학 소자(14)로서 반사형의 위상 회절 격자를 이용하는 경우, 정현파 형상이 갖는 산과 골의 단차(D)는, 광로 길이로 다음 식 (2)를 만족하는 구성으로 할 수 있다.On the other hand, when a reflective phase diffraction grating is used as the diffractive optical element 14, the step D between the peaks and valleys of the sinusoidal wave shape can be configured to satisfy the following equation (2) as an optical path length.

D=(m+1/2)λ·cosφ/2 ···(2)D=(m+1/2)λ·cosφ/2 ···(2)

상기 식 (2)에 있어서, m은 정수(m=0, ±1, ···), λ는 광원(11)으로부터 출사되는 광의 파장, φ는 회절 광학 소자(14)에 있어서의 임의의 입사각을 나타낸다.In the above equation (2), m is an integer (m=0, ±1, ...), λ is the wavelength of light emitted from the light source 11, and φ is an arbitrary angle of incidence in the diffractive optical element 14 Represents.

또한, 상기 식 (1) 및 (2)에 있어서, 위상에서는, π가 되는 것 같은 단차(D)를 설계하면 좋다. 즉, 회절 광학 소자(14)로부터 출사되는 회절광의 위상이 서로 역위상이 됨으로써 상쇄되어, 0차 회절광이 제거되게 된다.In addition, in the above formulas (1) and (2), in the phase, it is sufficient to design a step D such that π is obtained. That is, the phases of the diffracted light emitted from the diffractive optical element 14 are offset by being in phase opposite to each other, and the zero-order diffracted light is removed.

또한, 회절 광학 소자(14)인 위상형 격자의 격자 주기(d)는, 광원(11)의 광의 파장(λ)에 비해서 충분히 크고, 예컨대, d＞10λ 정도로 한다. 이에 의해, 위상형 격자로서 실용에 충분한 구성으로 할 수 있다.In addition, the grating period (d) of the phased grating as the diffractive optical element 14 is sufficiently larger than the wavelength (λ) of the light of the light source 11, for example, d>10λ. Thereby, it can be set as a structure sufficient for practical use as a phase type grating.

상기 조건 하에, 예컨대, ±1차 회절광을 얻기 위해서는, 원하는 차수의 출사광의 분포를 역푸리에 변환한 공간적인 광로 분포에 기초하여 회절 광학 소자(14)의 격자 형상을 설계하면 좋다(특허문헌 2 참조).Under the above conditions, for example, in order to obtain ±1st order diffracted light, the grating shape of the diffractive optical element 14 may be designed based on the spatial light path distribution obtained by inverse Fourier transform of the distribution of the output light of the desired order (Patent Document 2 Reference).

집광 렌즈(15)는, 회절 광학 소자(14)에 의한 2개의 차수의 회절광을 집광시킨다. 본 실시형태에서는, 집광 렌즈(15)는, 예컨대 볼록 렌즈를 포함하고, 광로(O) 상에 배치되며, 회절 광학 소자(14)로부터 출사되는 2개의 차수의 회절광을 결상면(Q)에 집광시킨다.The condensing lens 15 condenses two orders of diffracted light by the diffractive optical element 14. In the present embodiment, the condensing lens 15 includes, for example, a convex lens, is disposed on the optical path O, and transmits two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element 14 to the imaging surface Q. Condensing.

광검출 소자(16)는, 회절 광학 소자(14)로부터 출사된 2개의 차수의 회절광에 의해 발생한 간섭 줄무늬를 검출하여, 검출 결과를 출력한다. 보다 상세하게는, 광검출 소자(16)는, 검출면(I)을 갖고, 이 검출면(I)에 있어서 간섭 줄무늬를 검출한다. 광검출 소자(16)로서는, 예컨대, CCD(Charged Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 리니어 이미지 센서나, 포토다이오드 어레이 등의 1차원 상에 배치한 수광 소자를 이용할 수 있다.The photodetecting element 16 detects an interference fringe generated by diffracted light of two orders emitted from the diffractive optical element 14, and outputs a detection result. More specifically, the photodetector element 16 has a detection surface I, and detects an interference fringe on the detection surface I. As the photodetecting element 16, for example, a charged coupled device (CCD), a Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) linear image sensor, or a light-receiving element disposed on one dimension such as a photodiode array can be used.

거리 산출부(17)는, 광검출 소자(16)에서 얻어진 검출 결과로부터 연산 처리를 행하여, 간섭 줄무늬의 주기 길이를 추출하고, 얻어진 주기 길이에 기초하여 집광 렌즈(15)로부터 측정 대상(T)까지의 대물 거리를 산출한다. 또한, 거리 산출부(17)의 구성의 상세는 후술한다.The distance calculation unit 17 performs arithmetic processing from the detection result obtained by the photodetector 16 to extract the period length of the interference fringe, and based on the obtained period length, the measurement object T from the condensing lens 15 Calculate the object distance to. In addition, details of the configuration of the distance calculating unit 17 will be described later.

[거리 측정의 원리][Principle of distance measurement]

다음에, 본 발명에 따른 거리 측정 장치(10)에 있어서의 거리 측정의 원리에 대해서, 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.Next, the principle of distance measurement in the distance measurement apparatus 10 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 5.

또한, 도 2에서는, 거리 측정 장치(10) 중, 집광 광학계만을 중요부로서 나타내고, 투영 광학계에 대해서는 생략하고 있다. 또한, 도 2 내지 도 5에 있어서, 위상 회절 격자로 구성되는 회절 광학 소자(14)에 있어서의 격자의 한쪽의 길이 방향(지면 수직 방향)을 X 방향으로 하고, 격자의 다른쪽의 길이 방향(지면 상하 방향)을 Y 방향으로 하고, 격자면에 수직인 방향(지면 좌우 방향)을 Z 방향으로 한다.In addition, in FIG. 2, of the distance measuring device 10, only the condensing optical system is shown as an important part, and the projection optical system is omitted. In addition, in Figs. 2 to 5, one longitudinal direction of the grating in the diffractive optical element 14 constituted by a phase diffraction grating (the vertical direction of the paper) is set as the X direction, and the other longitudinal direction of the grating ( The vertical direction of the paper) is set to the Y direction, and the direction perpendicular to the grid plane (the left and right direction of the paper) is set to the Z direction.

또한, 본래, 렌즈에는 광의 입사 방향을 따라 2개의 주점이 있고, 각각의 위치가 다르지만, 이하에서는, 수식의 복잡화를 피하기 위해, 집광 렌즈(15)가 박육 단렌즈를 포함하고, 주점이 렌즈 중심에 하나만 존재한다고 가정하여, 각 식을 도출하였다.In addition, originally, the lens has two main points along the incidence direction of light, and each position is different, but hereinafter, in order to avoid complicated equations, the condensing lens 15 includes a thin single lens, and the main point is the lens center. Each equation was derived assuming that there is only one in.

도 2에 나타내는 바와 같이, 측정 대상(T)으로부터 주점(M) 즉 집광 렌즈(15)의 위치까지의 대물 거리를 a로 하고, 주점으로부터 결상면(Q)까지의 거리를 b로 하고, 집광 렌즈(15)의 초점 거리를 f로 한 경우, 이들의 관계는, 결상의 공식(렌즈의 공식)에 따라, 다음 식 (3)으로 표시된다.As shown in Fig. 2, the objective distance from the measurement object T to the main point M, that is, the position of the condensing lens 15 is set to a, the distance from the main point to the imaging surface Q is set to b, and condensing When the focal length of the lens 15 is f, the relationship between these is expressed by the following equation (3) according to the formula of the image formation (the formula of the lens).

[수식 1][Equation 1]

Figure pct00001
Figure pct00001

상기 식 (3)으로부터도 알 수 있듯이, 집광 렌즈(15)로부터 측정 대상(T)까지의 대물 거리(a)의 변화에 따라, 결상면(Q)의 위치도 변화하는 것이 된다.As can also be seen from the above equation (3), the position of the imaging surface Q also changes according to the change in the object distance a from the condensing lens 15 to the measurement object T.

또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 회절 광학 소자(14)에 형성된 요철 구조의 간격, 즉 격자 주기를 d로 하고, 회절 차수를 k(k=0, ±1, ±2, ···)로 하고, 광원(11)의 파장을 λ로 하고, 각 회절광의 회절각을 θk로 한다. 이 경우, 인접하는 회절광 간의 광로차(ΔL)는, 다음 식 (4)로 표시된다.In addition, as shown in Fig. 3, the spacing of the uneven structure formed in the diffractive optical element 14, that is, the grating period is d, and the diffraction order is k (k = 0, ±1, ±2, ...). Then, the wavelength of the light source 11 is set to λ, and the diffraction angle of each diffracted light is set to θk. In this case, the optical path difference (ΔL) between adjacent diffracted lights is expressed by the following equation (4).

[수식 2][Equation 2]

Figure pct00002
Figure pct00002

또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 회절 광학 소자(14)로부터 출사된 회절광은, 집광 렌즈(15)에 의해, 결상면(Q) 상의 Y 방향에 복수의 광스폿을 형성한다. 여기서, 다른 2개의 차수(k, k')의 회절광의 회절각을 θk, θk'로 하고, 이들 회절광에 의한 광스폿을 Ak, Ak'로 하고, 광축과 결상면이 교차하는 점(A0)으로부터 광스폿(Ak, Ak')까지의 Y 방향을 따른 거리를 W1, W2로 한 경우, 이들 광스폿(Ak, Ak')의 Y 방향의 어긋남 폭(W)은, 다음 식 (5)로 표시된다.Further, as shown in Fig. 4, the diffracted light emitted from the diffractive optical element 14 forms a plurality of light spots in the Y direction on the imaging surface Q by the condensing lens 15. Here, the diffraction angles of the diffracted light of the other two orders (k, k') are set to θk and θk', the light spots of these diffracted light are set to Ak, Ak', and the point where the optical axis and the imaging plane intersect (A0 ) To the light spots (Ak, Ak') in the Y direction as W1, W2, the deviation width (W) in the Y direction of these light spots (Ak, Ak') is the following equation (5) It is represented by

[수식 3][Equation 3]

Figure pct00003
Figure pct00003

여기서, 상기 식 (5)에 있어서, 실제의 회절 광학 소자(14)에 있어서의 요철 구조의 격자 주기(d)는, kλ, k'λ에 비해서 충분히 커서, kλ/d 및 k'λ/d가 충분히 작은 값이 되기 때문에, 식 (5)는 다음 식 (6)과 같이 근사된다. Here, in the above formula (5), the grating period (d) of the uneven structure in the actual diffractive optical element 14 is sufficiently large compared to kλ and k'λ, and kλ/d and k'λ/d Since is a sufficiently small value, Equation (5) is approximated as Equation (6) below.

[수식 4][Equation 4]

Figure pct00004
Figure pct00004

한편, 도 5에 나타내는 바와 같이, 결상면(Q) 상의 광스폿(Ak, Ak')의 광스폿 간격을 W로 하고, 광스폿(Ak, Ak')으로부터의 회절광이 광검출 소자(16)의 검출면(I)에 도달한 도달점을 V로 한다. 또한, 광스폿(Ak, Ak')의 중간점으로부터 Z 방향으로 신장시킨 선과 광검출 소자(16)의 검출면(I)이 교차하는 점을 V0으로 하고, 검출면(I) 상에서 Y 방향을 따른 V0부터 V까지의 거리를 P로 한다. 결상면(Q)으로부터 검출면(I)까지의 거리를 c로 한 경우, 광스폿(Ak)으로부터 도달점(V)에의 회절광의 광로 길이(Lk)는 피타고라스의 정리에 따라 구해진다. 그러나, 거리(c)에 비해서 광스폿 간격(W)과 거리(P)가 충분히 작기 때문에, 다음 식 (7)과 같이 근사할 수 있다.On the other hand, as shown in Fig. 5, the light spot spacing of the light spots Ak and Ak' on the imaging surface Q is W, and the diffracted light from the light spots Ak and Ak' is transmitted to the photodetector 16 The point of arrival at the detection surface (I) of) is V. In addition, the point at which the line extended in the Z direction from the midpoint of the light spots (Ak, Ak') and the detection surface (I) of the photodetector (16) intersect is set as V0, and the Y direction on the detection surface (I) is The following distance from V0 to V is set to P. When the distance from the imaging surface Q to the detection surface I is c, the optical path length Lk of the diffracted light from the optical spot Ak to the reaching point V is obtained according to the Pythagorean theorem. However, since the light spot spacing W and the distance P are sufficiently small compared to the distance c, it can be approximated as in the following equation (7).

[수식 5][Equation 5]

Figure pct00005
Figure pct00005

또한, 광스폿(Ak)으로부터 도달점(V)에의 회절광의 광로 길이(Lk')도, 광로 길이(Lk)와 동일하게 하여, 다음 식 (8)과 같이 근사할 수 있다. Further, the optical path length (Lk') of the diffracted light from the optical spot (Ak) to the reaching point (V) is also the same as the optical path length (Lk), and can be approximated by the following equation (8).

[수식 6][Equation 6]

Figure pct00006
Figure pct00006

따라서, 이들 광로 길이(Lk, Lk')의 광로차(ΔL)는, 다음 식 (9)로 구해진다. 검출면(I) 상에서는, 이 광로차(ΔL)에 의해 간섭 줄무늬가 생긴다. 보다 구체적으로는, 광로차(ΔL)가 광의 파장(λ)의 정수(j)(j는, 0 이상의 정수)배가 되는 경우, 검출면(I)에 있어서 명선(明線)이 생긴다.Therefore, the optical path difference ΔL of these optical path lengths Lk and Lk' is obtained by the following equation (9). On the detection surface I, interference fringes are generated by this optical path difference ΔL. More specifically, when the optical path difference ΔL is an integer j (j is an integer greater than or equal to 0) times the wavelength of light λ, a bright line is generated on the detection surface I.

[수식 7][Equation 7]

Figure pct00007
Figure pct00007

여기서, 검출면(I) 상에 생긴 각 명선 중, 인접하는 명선의 간격이 간섭 줄무늬 피치(p)가 되고, 식 (9)의 j=1인 경우에 상당한다. 따라서, 광검출 소자(16)의 검출면(I) 상에 생긴 간섭 줄무늬의 간섭 줄무늬 피치(p)는, 식 (9)를 변형함으로써, 다음 식 (10)으로 구해진다.Here, among the bright lines generated on the detection surface I, the interval between the adjacent bright lines becomes the interference fringe pitch p, which corresponds to the case where j = 1 in equation (9). Therefore, the interference fringe pitch p of the interference fringes generated on the detection surface I of the photodetector 16 is obtained by the following equation (10) by modifying equation (9).

[수식 8][Equation 8]

Figure pct00008
Figure pct00008

이때, 광스폿 간격(W)은 식 (6)으로 구해지기 때문에, 이것을 식 (10)에 대입하면, 식 (11)이 된다.At this time, since the light spot spacing (W) is obtained by equation (6), substituting it into equation (10) gives equation (11).

[수식 9][Equation 9]

Figure pct00009
Figure pct00009

또한, 회절 차수(k, k')의 차수차를 Δk로 하고, 집광 렌즈(15)의 주점으로부터 결상면(Q)까지의 거리(b)와, 결상면(Q)으로부터 검출면(I)까지의 거리(c)를, 집광 렌즈(15)의 주점으로부터 검출면(I)까지의 거리(L)로 치환한다. 이 경우, 식 (11)은, 다음 식 (12)가 된다.Further, the diffraction order (k, k') is set to Δk, the distance (b) from the main point of the condensing lens 15 to the imaging surface (Q), and the detection surface (I) from the imaging surface (Q) The distance c to is replaced by the distance L from the main point of the condensing lens 15 to the detection surface I. In this case, Expression (11) becomes the following Expression (12).

[수식 10][Equation 10]

Figure pct00010
Figure pct00010

따라서, 간섭 줄무늬 피치(p)는, 집광 렌즈(15)의 주점으로부터 검출면(I)까지의 거리(L)에 의존하는 함수로 구해지는 것을 알았다.Therefore, it was found that the interference fringe pitch p was obtained as a function dependent on the distance L from the main point of the condensing lens 15 to the detection surface I.

이때, 집광 렌즈(15)의 주점으로부터 결상면(Q)까지의 거리(b)는, 전술한 식 (3)에 나타낸 바와 같이, 측정 대상(T)으로부터 주점(M) 즉 집광 렌즈(15)의 위치까지의 대물 거리(a)와, 집광 렌즈(15)의 초점 거리(f)로 표시된다. 이것으로부터, 식 (12)는 식 (13)과 같이 변형할 수 있다.At this time, the distance b from the main point of the condensing lens 15 to the imaging surface Q is the main point M from the measurement object T, that is, the condensing lens 15, as shown in Equation (3) above. It is expressed by the objective distance (a) to the position of and the focal length (f) of the condensing lens 15. From this, equation (12) can be transformed as in equation (13).

[수식 11][Equation 11]

Figure pct00011
Figure pct00011

여기서, 집광 렌즈(15)의 초점 거리(f), 집광 렌즈(15)의 주점으로부터 검출면(I)까지의 거리(L) 및 회절 차수(k, k')의 차수차(Δk)는, 각각 기지의 값이다. 이것으로부터, 결과로서, 간섭 줄무늬 피치(p)는, 측정 대상(T)으로부터 주점(M) 즉 집광 렌즈(15)의 위치까지의 대물 거리(a)의 함수가 되는 것을 알았다. 그 때문에, 광검출 소자(16)의 검출면(I)으로부터 검출되는 간섭 줄무늬 피치(p)를 측정함으로써, 다음 식 (14)에 따라, 측정 대상(T)까지의 대물 거리(a)를 구할 수 있다.Here, the focal length f of the condensing lens 15, the distance L from the main point of the condensing lens 15 to the detection surface I, and the order difference Δk of the diffraction orders k, k'are, Each is a known value. From this, as a result, it was found that the interference fringe pitch p becomes a function of the objective distance a from the measurement object T to the main point M, that is, the position of the condensing lens 15. Therefore, by measuring the interference fringe pitch p detected from the detection surface I of the photodetector 16, the objective distance a to the measurement object T can be obtained according to the following equation (14). I can.

[수식 12][Equation 12]

Figure pct00012
Figure pct00012

도 6은 광검출 소자(16)에서 얻어진 검출 결과의 해석예이다. 여기서는, 횡축이 간섭 줄무늬에 직행하는 Y 방향을 따른 화상의 픽셀 위치[pic]를 나타내고, 종축이 각 픽셀 위치에 있어서의 광강도(무단위)이다. 얻어진 검출 결과는, 거의 정현파 형상을 이루고 있고, 그 피크 위치가 명선에 상당한다. 따라서, 피크 위치 간에 존재하는 픽셀수로부터 간섭 줄무늬 피치(p)를 나타내는 실제의 거리를 산출할 수 있다.6 is an analysis example of the detection result obtained by the photodetector 16. Here, the horizontal axis represents the pixel position [pic] of the image along the Y direction, which runs directly to the interference fringe, and the vertical axis represents the light intensity (unitless) at each pixel position. The obtained detection result has a substantially sinusoidal shape, and the peak position corresponds to a bright line. Accordingly, the actual distance representing the interference fringe pitch p can be calculated from the number of pixels existing between the peak positions.

도 7은 전술한 대물 거리(a)의 산출에 따른 연산 처리를 행하는 거리 산출부(17)의 구성을 나타내는 블록도이다.Fig. 7 is a block diagram showing the configuration of the distance calculating unit 17 that performs calculation processing according to the calculation of the above-described object distance a.

거리 산출부(17)는, 버스(101)를 통해 접속되는 CPU(103)와 주기억 장치(104)를 갖는 연산 장치(102), 통신 제어 장치(105), I/F(106), 외부 기억 장치(107), 표시 장치(108) 등을 구비하는 컴퓨터와, 이들의 하드웨어 자원을 제어하는 프로그램에 의해 실현할 수 있다.The distance calculation unit 17 includes a CPU 103 connected via a bus 101 and a computing unit 102 having a main memory unit 104, a communication control unit 105, an I/F 106, and an external memory. This can be realized by a computer including the device 107, the display device 108, and the like, and a program that controls these hardware resources.

도 7에 나타내는 바와 같이, 광검출 소자(16)는, I/F(106)를 통해 거리 산출부(17)에 접속되어 있고, 얻어진 검출 결과를 I/F(106)를 통해 거리 산출부(17)에 출력한다.As shown in FIG. 7, the photodetecting element 16 is connected to the distance calculating unit 17 via the I/F 106, and the obtained detection result is transmitted through the I/F 106 to the distance calculating unit ( 17).

표시 장치(108)는, 액정 디스플레이 등으로 구성되며, 연산 장치(102)에 의한 대물 거리(a)의 산출 결과를 표시한다.The display device 108 is constituted by a liquid crystal display or the like, and displays the calculation result of the object distance a by the arithmetic device 102.

통신 제어 장치(105)는, 각종 외부 전자 기기와의 사이를 통신 네트워크를 통해 접속하기 위한 제어 장치이다. 통신 제어 장치(105)는, 대물 거리(a)의 산출 결과 등을 통신 네트워크를 통해 외부에 송출하여도 좋다.The communication control device 105 is a control device for connecting to various external electronic devices through a communication network. The communication control device 105 may transmit the calculation result of the object distance a to the outside through a communication network.

[거리 측정 장치의 동작][Operation of distance measuring device]

전술한 구성을 갖는 거리 측정 장치(10)의 동작에 대해서, 도 8의 흐름도를 참조하여 설명한다.The operation of the distance measuring apparatus 10 having the above-described configuration will be described with reference to the flowchart in FIG. 8.

먼저, 거리 측정 장치(10)에, 측정 대상(T)이 배치된다. 또한, 광원(11)의 광량이나 노광 시간 등의 초기 조정이 행해진다.First, in the distance measuring device 10, the measurement object T is arrange|positioned. In addition, initial adjustment of the amount of light and exposure time of the light source 11 is performed.

그 후, 광원(11)으로부터 출사된 광은, 광원 렌즈(12)에 의해 집광되어, 빔 스플리터(13)에 의해 측정 대상(T)을 향하여 조사된다(단계 S1). 다음에, 측정 대상(T)에 반사된 광은, 빔 스플리터(13)를 투과하여, 회절 광학 소자(14)에 입사한다. 회절 광학 소자(14)는, 미리 설정된 회절 특성에 의해 입사광을 제어하여, 입사광의 위상을 바꾸어 그 회절 특성에 기초한, 미리 설정된 2개의 차수의 회절광만을 출사한다(단계 S2).After that, the light emitted from the light source 11 is condensed by the light source lens 12 and irradiated toward the measurement object T by the beam splitter 13 (step S1). Next, the light reflected by the measurement object T passes through the beam splitter 13 and enters the diffractive optical element 14. The diffractive optical element 14 controls the 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 (step S2).

다음에, 회절 광학 소자(14)로부터 출사된 2개의 차수의 회절광은, 집광 렌즈(15)에 의해 집광된다. 그리고, 2개의 차수의 회절광에 의해 발생하는 간섭 줄무늬는, 광검출 소자(16)에 의해 검출된다(단계 S3).Next, the two orders of diffracted light emitted from the diffractive optical element 14 are condensed by the condensing lens 15. Then, the interference fringes generated by the diffracted light of the two orders are detected by the photodetecting element 16 (step S3).

그 후, 광검출 소자(16)는, 검출한 간섭 줄무늬의 정보를 거리 산출부(17)에 입력한다. 그리고, 거리 산출부(17)는, 전술한 거리 측정의 원리에 기초한 연산을 행하여, 측정 대상(T)의 대물 거리(a)를 산출한다(단계 S5).After that, the photodetecting element 16 inputs the detected interference fringe information to the distance calculating unit 17. Then, the distance calculation unit 17 calculates the object distance a of the measurement object T by performing calculation based on the above-described principle of distance measurement (step S5).

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 따르면, 거리 측정 장치(10)는, 측정 대상(T)으로부터 반사되는 반사광을 입사광으로 하며, 입사광의 위상을 바꾸어 미리 설정된 2개의 차수의 회절광만을 출사하는 회절 광학 소자(14)를 갖기 때문에, 스페이셜 필터를 불필요로 하여, 보다 간소화된 광학계를 이용하여 대물 거리(a)를 측정할 수 있다.As described above, according to the present embodiment, the distance measuring apparatus 10 uses the reflected light reflected from the measurement object T as incident light, and changes the phase of the incident light to emit only diffracted light of two preset orders. Since the optical element 14 is provided, the spatial filter is unnecessary, and the objective distance a can be measured using a more simplified optical system.

또한, 회절 광학 소자(14)는, 미리 설정된 2개의 차수의 회절광만을 출사하기 때문에, 종래의 진폭형의 회절 격자를 이용한 기술에서는 필요하였던, 푸리에 변환을 행하기 위한 렌즈도 불필요해진다. 그 때문에, 거리 측정 장치(10)는, 푸리에 변환면의 위치에 스페이셜 필터를 설치하기 위한 것 등의 광학계에 있어서의 정밀한 위치 조정을 행하는 일없이, 대물 거리(a)를 측정할 수 있다.In addition, since the diffractive optical element 14 emits only diffracted light of two orders set in advance, a lens for performing Fourier transform, which is required in a technique using a conventional amplitude-type diffraction grating, becomes unnecessary. Therefore, the distance measuring device 10 can measure the object distance a without performing precise position adjustment in an optical system, such as for installing a spatial filter at the position of the Fourier transform surface.

또한, 본 실시형태에 따른 거리 측정 장치(10)는, 회절 광학 소자(14)에 있어서, 입사광의 일부를 차단하는 일없이 회절광을 출사한다. 그 때문에, 진폭형의 회절 격자를 이용한 경우와 비교하여, 본 실시형태에 따른 거리 측정 장치(10)는, 원하는 차수의 회절광에 대하여 보다 높은 회절 효율이 얻어진다. 그 결과로서, 보다 신호 강도가 강한 광을 이용하여 거리 측정을 행할 수 있다.Further, in the diffraction optical element 14, the distance measuring apparatus 10 according to the present embodiment emits diffracted light without blocking a part of the incident light. Therefore, compared with the case where an amplitude type diffraction grating is used, the distance measuring apparatus 10 according to the present embodiment achieves higher diffraction efficiency for diffracted light of a desired order. As a result, distance measurement can be performed using light having a stronger signal intensity.

또한, 설명한 실시형태에서는, 거리 측정 장치(10)는, 집광 렌즈(15)를 구비하고, 수속광을 구성하는 경우에 대해서 설명하였다. 그러나, 거리 측정 장치(10)는, 결상면(Q)에 있어서 푸리에 변환면을 구성할 필요는 없기 때문에, 집광 렌즈(15) 대신에, 도 9에 나타내는 바와 같이, 렌즈(15A)를 이용하여 평행광이나 발산광을 구성하여도 좋다.In addition, in the described embodiment, the case where the distance measuring device 10 is provided with the condensing lens 15 and constitutes the convergent light has been described. However, since the distance measuring device 10 does not need to configure a Fourier transform surface in the imaging surface Q, instead of the condensing lens 15, the lens 15A is used as shown in FIG. Parallel light or divergent light may be formed.

또한, 집광 렌즈(15)를 이용하지 않고, 회절 광학 소자(14)로부터 출사되는 2개의 차수의 회절광에 의해 발생하는 간섭 줄무늬를, 직접적으로, 광검출 소자(16)로 검출하는 구성을 채용하여도 좋다. 이 경우, 거리 측정 장치(10)는, 대물 거리(a)로서, 광검출 소자(16)의 검출면(I)으로부터 측정 대상(T)까지의 거리를 측정한다.In addition, without using the condensing lens 15, interference fringes generated by diffracted light of two orders emitted from the diffractive optical element 14 are directly detected by the photodetecting element 16. You may do it. In this case, the distance measuring apparatus 10 measures the distance from the detection surface I of the photodetector 16 to the measurement object T as the object distance a.

또한, 설명한 실시형태에 따른 거리 측정 장치(10)에 있어서, 회절 광학 소자(14)와 광검출 소자(16) 사이의 광로(O) 상에, 회절 광학 소자(14)의 회절 방향과 광축에 직교하는 방향에 2개의 차수의 회절광을 집광하는 수단을 마련하여도 좋다. 집광 수단으로서는, 예컨대, 광의 굴절을 이용한 실리드리컬 렌즈나, 반사경 등을 들 수 있다. 또한, 회절 광학 소자(14) 자체에 렌즈의 기능을 마련하여, 집광 수단을 구성하여도 좋다. 이러한 집광 수단을 더 구비함으로써, 거리 측정 장치(10)에 있어서, 회절광의 신호 강도를 보다 크게 하게 하는 것이 가능해진다.In addition, in the distance measuring apparatus 10 according to the described embodiment, on the optical path O between the diffractive optical element 14 and the light detecting element 16, the diffraction direction and the optical axis of the diffractive optical element 14 A means for condensing diffracted light of two orders may be provided in a direction orthogonal to each other. Examples of the condensing means include a cyclic lens using refraction of light, a reflector, and the like. Further, the diffractive optical element 14 itself may be provided with the function of a lens to constitute a condensing means. By further providing such a condensing means, in the distance measuring apparatus 10, it becomes possible to increase the signal intensity of the diffracted light.

또한, 설명한 실시형태에 따른 거리 측정 장치(10)는, 위상 회절 격자로 구성되는 회절 광학 소자(14)를 구비하는 경우에 대해서 설명하였다. 그러나, 회절 광학 소자(14)는, 위상 회절 격자에 한정되지 않고, 예컨대, 공간 광변조기를 이용할 수 있다.In addition, the case where the distance measuring apparatus 10 according to the described embodiment includes the diffractive optical element 14 constituted by a phase diffraction grating has been described. However, the diffractive optical element 14 is not limited to a phase diffraction grating, and for example, a spatial light modulator can be used.

공간 광변조기는, 예컨대, 액정층과, 그 액정층의 표면을 따라 배치된 복수의 전극을 갖고, 복수의 전극 각각으로부터 액정층에 개별로 전압을 인가하여, 액정층에 입사하는 입사광에 대하여 위상 변조를 행하여, 미리 설정된 2개의 차수의 회절광만을 출사한다. 공간 광변조기를 이용함으로써, 출사하는 2개의 회절광의 차수를 용도에 따라 가변으로 할 수 있다.A spatial light modulator, for example, has a liquid crystal layer and a plurality of electrodes disposed along the surface of the liquid crystal layer, and applies a voltage to the liquid crystal layer from each of the plurality of electrodes individually, and phase with respect to incident light incident on the liquid crystal layer. Modulation is performed, and only diffracted light of two orders set in advance is emitted. By using a spatial light modulator, the order of the two emitted diffracted lights can be made variable depending on the application.

이상, 본 발명의 거리 측정 장치 및 거리 측정 방법에 있어서의 실시형태에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 설명한 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 청구항에 기재한 발명의 범위에 있어서 당업자가 상정할 수 있는 각종 변형을 행하는 것이 가능하다.As described above, the embodiments of the distance measuring apparatus and the distance measuring method of the present invention have been described, but the present invention is not limited to the described embodiments, and various types that can be assumed by those skilled in the art within the scope of the invention described in the claims. It is possible to make a transformation.

10: 거리 측정 장치 11: 광원
12: 광원 렌즈 13: 빔 스플리터
14: 회절 광학 소자 15: 집광 렌즈
16: 광검출 소자 17: 거리 산출부
T: 측정 대상 Q: 결상면
I: 검출면 a: 대물 거리
p: 간섭 줄무늬 피치 101: 버스
102: 연산 장치 103: CPU
104: 주기억 장치 105: 통신 제어 장치
106: I/F 107: 외부 기억 장치
108: 표시 장치10: distance measuring device 11: light source
12: light source lens 13: beam splitter
14: diffraction optical element 15: condensing lens
16: photodetection element 17: distance calculation unit
T: target Q: imaging plane
I: detection surface a: object distance
p: interference fringe pitch 101: bus
102: computing unit 103: CPU
104: main memory device 105: communication control device
106: I/F 107: external memory
108: display device

Claims (9)

광원으로부터의 광을 측정 대상에 집광시켜 조사하는 조사 광학계와,
상기 측정 대상으로부터 반사되는 반사광을 입사광으로 하며, 상기 입사광의 위상을 바꾸어 미리 설정된 2개의 차수의 회절광을 출사하는 회절 광학 소자와,
상기 회절 광학 소자로부터 출사된 상기 2개의 차수의 회절광에 의해 생긴 간섭 줄무늬(干涉縞)를 검출하는 광검출 소자와,
상기 광검출 소자에서 얻어진 검출 결과에 기초하여 상기 광검출 소자로부터 상기 측정 대상까지의 대물 거리를 산출하는 거리 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.An irradiation optical system for condensing and irradiating light from a light source on a measurement object,
A diffractive optical element that uses reflected light reflected from the measurement object as incident light, and changes a phase of the incident light to emit diffracted light of two preset orders;
A photodetecting element for detecting an interference fringe generated by the diffracted light of the two orders emitted from the diffractive optical element;
And a distance calculator configured to calculate an object distance from the photodetector to the measurement object based on a detection result obtained by the photodetector. 제1항에 있어서,
상기 회절 광학 소자는, 2차원적으로, 또한 주기적으로 배열된 요철 구조를 갖는 회절 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.The method of claim 1,
The diffractive optical element comprises a diffraction grating having an uneven structure arranged two-dimensionally and periodically. 제2항에 있어서,
상기 회절 격자는, 상기 요철 구조가 정현파 형상의 단면 형상을 갖는 투과형의 위상 회절 격자이고, 상기 정현파 형상에 포함되는 산과 골의 단차(D)는, D=n(m+1/2)λ·cosφ(단, n은 상기 회절 격자의 재질의 굴절률, m은 정수이고, m=0, ±1, ···, λ는 광원으로부터 출사되는 광의 파장, φ는 상기 회절 격자의 임의의 입사각)를 만족하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.The method of claim 2,
The diffraction grating is a transmission-type phase diffraction grating in which the uneven structure has a sinusoidal cross-sectional shape, and the step (D) between a peak and a valley included in the sine wave shape is D=n(m+1/2)λ· cosφ (where n is the refractive index of the material of the diffraction grating, m is an integer, m = 0, ±1, ..., λ is the wavelength of light emitted from the light source, and φ is an arbitrary angle of incidence of the diffraction grating) Distance measuring device, characterized in that to be satisfied. 제2항에 있어서,
상기 회절 격자는, 상기 요철 구조가 정현파 형상의 단면 형상을 갖는 반사형의 위상 회절 격자이고, 상기 정현파 형상에 포함되는 산과 골의 단차(D)는, D=(m+1/2)λ·cosφ/2(단, m은 정수이고, m=0, ±1, ···, λ는 광원으로부터 출사되는 광의 파장, φ는 상기 회절 격자의 임의의 입사각)를 만족하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.The method of claim 2,
The diffraction grating is a reflective phase diffraction grating in which the uneven structure has a sinusoidal cross-sectional shape, and the step D between the peaks and valleys included in the sine wave shape is D=(m+1/2)λ· Distance measurement characterized by satisfying cosφ/2 (where m is an integer, m=0, ±1, ..., λ is the wavelength of light emitted from the light source, and φ is an arbitrary angle of incidence of the diffraction grating) Device. 제1항에 있어서,
상기 회절 광학 소자는, 액정층과, 상기 액정층의 표면을 따라 배치된 복수의 전극을 갖고, 상기 복수의 전극 각각으로부터 상기 액정층에 개별로 전압을 인가하여, 상기 액정층에 입사하는 상기 입사광에 대하여 위상 변조를 행하는 공간 광변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.The method of claim 1,
The diffractive optical element has a liquid crystal layer and a plurality of electrodes disposed along a surface of the liquid crystal layer, and the incident light incident on the liquid crystal layer by individually applying a voltage to the liquid crystal layer from each of the plurality of electrodes A distance measuring apparatus comprising a spatial light modulator that performs phase modulation on the. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회절 광학 소자로부터 출사된 상기 2개의 차수의 회절광을 집광시키는 집광 렌즈를 더 포함하고,
상기 광검출 소자는, 상기 집광 렌즈에 의해 집광된 상기 2개의 차수의 회절광에 의해 생긴 간섭 줄무늬를 검출하고,
상기 거리 산출부는, 상기 집광 렌즈로부터 상기 측정 대상까지의 대물 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.The method according to any one of claims 1 to 5,
Further comprising a condensing lens for condensing the diffracted light of the two orders emitted from the diffraction optical element,
The photodetecting element detects an interference fringe generated by the diffracted light of the two orders condensed by the condensing lens,
The distance calculation unit calculates an objective distance from the condensing lens to the measurement object. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회절 광학 소자는, 출사되는 상기 2개의 차수의 회절광을, 회절 방향과 광축에 직교하는 방향에 집광시키는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.The method according to any one of claims 1 to 6,
The diffractive optical element further comprises a function of condensing the emitted diffracted light of the two orders in a diffraction direction and a direction orthogonal to an optical axis. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조사 광학계는,
상기 광원으로부터의 광을 집광시키는 광원 렌즈와,
상기 광원 렌즈로부터 출사되는 광을 상기 측정 대상을 향하게 하는 빔 스플리터를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.The method according to any one of claims 1 to 7,
The irradiation optical system,
A light source lens for condensing light from the light source,
And a beam splitter for directing the light emitted from the light source lens toward the measurement object. 광원으로부터의 광을 측정 대상에 집광시켜 조사하는 조사 단계와,
상기 측정 대상으로부터 반사되는 반사광을 입사광으로 하며, 상기 입사광의 위상을 바꾸어 미리 설정된 2개의 차수의 회절광을 출사하는 회절 단계와,
상기 회절 단계에서 출사된 상기 2개의 차수의 회절광에 의해 생긴 간섭 줄무늬를 광검출 소자로 검출하는 광검출 단계와,
상기 광검출 단계에서 얻어진 검출 결과에 기초하여 상기 광검출 소자로부터 상기 측정 대상까지의 대물 거리를 산출하는 거리 산출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.An irradiation step of condensing and irradiating light from a light source on a measurement object,
A diffraction step of using the reflected light reflected from the measurement object as incident light, changing a phase of the incident light to emit diffracted light of two preset orders;
A light detection step of detecting an interference fringe generated by the diffracted light of the two orders emitted in the diffraction step with a light detection element,
And a distance calculation step of calculating an object distance from the photodetector to the measurement object based on the detection result obtained in the photodetection step.
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