KR20200105940A - 거리 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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.

Description

거리 측정 장치 및 방법

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.

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.

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.

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.

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.

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.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2015-194347호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2013-186350호 공보

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.

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.

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.

또한, 본 발명에 따른 거리 측정 장치에 있어서, 상기 회절 광학 소자는, 2차원적으로, 또한 주기적으로 배열된 요철 구조를 갖는 회절 격자를 구비하고 있어도 좋다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

이하, 본 발명의 적합한 실시형태에 대해서, 도 1 내지 도 9를 참조하여 상세하게 설명한다.

[실시형태]

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 거리 측정 장치(10)의 구성을 나타내는 모식도이다.

거리 측정 장치(10)는, 측정 대상(T)에 광을 조사하여 반사시키고, 그 반사광에 기초하여 측정 대상(T)까지의 대물 거리를 측정한다.

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.

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.

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.

광원 렌즈(12)는, 광원(11)으로부터 출사된 광을 집광하여 빔 스플리터(13)에 출사한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

[거리 측정의 원리]

다음에, 본 발명에 따른 거리 측정 장치(10)에 있어서의 거리 측정의 원리에 대해서, 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.

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.

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.

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.

[수식 1]

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.

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.

[수식 2]

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.

[수식 3]

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.

[수식 4]

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.

[수식 5]

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.

[수식 6]

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.

[수식 7]

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.

[수식 8]

이때, 광스폿 간격(W)은 식 (6)으로 구해지기 때문에, 이것을 식 (10)에 대입하면, 식 (11)이 된다.

[수식 9]

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.

[수식 10]

따라서, 간섭 줄무늬 피치(p)는, 집광 렌즈(15)의 주점으로부터 검출면(I)까지의 거리(L)에 의존하는 함수로 구해지는 것을 알았다.

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.

[수식 11]

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.

[수식 12]

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.

도 7은 전술한 대물 거리(a)의 산출에 따른 연산 처리를 행하는 거리 산출부(17)의 구성을 나타내는 블록도이다.

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.

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.

표시 장치(108)는, 액정 디스플레이 등으로 구성되며, 연산 장치(102)에 의한 대물 거리(a)의 산출 결과를 표시한다.

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.

[거리 측정 장치의 동작]

전술한 구성을 갖는 거리 측정 장치(10)의 동작에 대해서, 도 8의 흐름도를 참조하여 설명한다.

먼저, 거리 측정 장치(10)에, 측정 대상(T)이 배치된다. 또한, 광원(11)의 광량이나 노광 시간 등의 초기 조정이 행해진다.

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).

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).

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 장치

Claims (9)

1. 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.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회절 광학 소자는, 2차원적으로, 또한 주기적으로 배열된 요철 구조를 갖는 회절 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.

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