特許 6130805 距離測定装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6130805

(24)【登録日】2017年4月21日

(45)【発行日】2017年5月17日

(54)【発明の名称】距離測定装置および方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20170508BHJP

   G01B 9/02 20060101ALI20170508BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/00 G

   G01B9/02

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-71085(P2014-71085)

(22)【出願日】2014年3月31日

(65)【公開番号】特開2015-194347(P2015-194347A)

(43)【公開日】2015年11月5日

【審査請求日】2016年3月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】藤原 久利

【審査官】 岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２８９７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／０１４９６９１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−１４１９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−６１９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−７３５０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ９／００−１１／３０

Ｇ０１Ｃ ３／００− ３／３２

Ｇ０１Ｓ１７／００−１７／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定装置であって、
前記物体からの前記反射光を回折させる回折格子と、
前記回折格子からの回折光を結像面に集光させる集光レンズと、
前記結像面上に配置されて、前記回折光のうち、予め設定された異なる２つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断するスペイシアルフィルタと、
前記スペイシアルフィルタを通過した異なる２つの次数の回折光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、
前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部と
を備えることを特徴とする距離測定装置。

【請求項2】

請求項１に記載の距離測定装置において、
前記集光レンズの焦点距離をｆとし、前記集光レンズから前記検出面までの距離をＬとし、前記回折格子の回折格子間隔をｄとし、前記スペイシアルフィルタを通過する回折光の次数差をｍとし、前記干渉縞のピッチをｐとした場合、前記集光レンズから前記物体までの対物距離ａは、次の式

【数1】

で求められることを特徴とする距離測定装置。

【請求項3】

物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定装置であって、
前記物体からの前記反射光を結像面に集光させる集光レンズと、
前記集光レンズで集光された前記反射光を回折させる回折格子と、
前記結像面上に配置されて、前記回折格子からの回折光のうち、予め設定された異なる２つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断するスペイシアルフィルタと、
前記スペイシアルフィルタを通過した異なる２つの次数の回折光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、
前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部と
を備えることを特徴とする距離測定装置。

【請求項4】

請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の距離測定装置において、
前記物体からの前記反射光を平行光とする対物レンズをさらに備え、
前記回折格子は、前記対物レンズからの前記平行光を回折させる
ことを特徴とする距離測定装置。

【請求項5】

物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定方法であって、
前記物体からの前記反射光を回折格子により回折させる回折ステップと、
前記回折格子からの回折光を集光レンズにより結像面に集光させる集光ステップと、
前記結像面上に集光した前記回折光のうち、予め設定された異なる２つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断する回折光選択ステップと、
選択された前記異なる２つの次数の回折光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出ステップと、
前記光検出ステップにより得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出ステップと
を備えることを特徴とする距離測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、距離測定技術に関し、特に物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて物体までの対物距離を測定する光学的距離測定技術に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザー光等の光を用いて、物体までの対物距離を非接触で測定できる光学的測定装置が知られている。このような光学的測定装置は、単に物体までの対物距離を測定するだけではなく、物体の表面形状測定や、薄膜の厚さ測定等、様々な用途への応用が考えられている。

【0003】

このような光学的測定装置としては、例えば、レーザー光を物体の表面に対して斜めに照射し、その反射光が到達した位置に基づいて、表面までの距離を三角測量の原理で算出するものが知られている。このような方式の光学的測定装置は装置構成が比較的単純であるため、安価な測定装置として広く普及している。しかしながら、反射面の傾きが距離の測定値に直接影響してしまう方式であるため、測定対象である物体の表面が平坦でない場合には測定誤差が大きくなる。

【0004】

これに対し、物体の表面が平坦でない場合にも適用できる距離測定装置として、光の干渉を利用する方式の光学的測定装置が提案されている。例えば、下記特許文献１に記載された光学的測定装置では、物体の被測定点に光を照射して反射させ、その反射光が、干渉縞の検出面であるＣＣＤイメージセンサに到達するような構成となっている。

【0005】

被測定点とＣＣＤイメージセンサとの間には光学レンズ系が配置されており、反射光は当該光学レンズ系を通ってＣＣＤイメージセンサに到達する。光学レンズ系は、被測定点からの反射光が複数の光路をそれぞれ通過した後、ＣＣＤイメージセンサに重ねて照射されるように構成されたものである。それぞれの光路の光路長は互いに異なっているため、ＣＣＤイメージセンサ上には光路差に起因して干渉縞が生じる。

【0006】

当該干渉縞の縞間隔は、被測定点とＣＣＤイメージセンサとの対物距離に応じて変化する。従って、この光学的測定装置では、ＣＣＤイメージセンサの出力から得られた縞間隔に基づいて、被測定点までの対物距離が算出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００４−２８９７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、このような従来技術では、互いに光路長の異なる複数の光路を生じさせるため、光学レンズ系を配置する必要があるが、このような光学レンズ系は、精密な研磨加工を要する多重焦点レンズや球体レンズ等によって構成される。したがって、このような光学レンズ系は、一般に高価となり、また精密な組み立てを必要とする。このため、距離測定装置のコストが増大するという問題点があった。

【0009】

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、簡素な構成の光学レンズ系により、物体までの対物距離を正確に測定することができる距離測定装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

このような目的を達成するために、本発明にかかる距離測定装置は、物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定装置であって、前記物体からの前記反射光を回折させる回折格子と、前記回折格子からの前記回折光を結像面に集光させる集光レンズと、前記結像面上に配置されて、前記回折光のうち、予め設定された異なる２つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断するスペイシアルフィルタと、前記スペイシアルフィルタを通過した異なる２つの次数の回折光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部とを備えている。

【0011】

また、本発明にかかる上記距離測定装置の一構成例は、前記集光レンズの焦点距離をｆとし、前記集光レンズから前記検出面までの距離をＬとし、前記回折格子の回折格子間隔をｄとし、前記スペイシアルフィルタを通過する回折光の次数差をｍとした場合、前記集光レンズから前記物体までの対物距離ａは、後述する式（１２）で求めるようにしたものである。

【0012】

また、本発明にかかる他の距離測定装置は、物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定装置であって、前記物体からの前記反射光を結像面に集光させる集光レンズと、前記集光レンズで集光された前記反射光を回折させる回折格子と、前記結像面上に配置されて、前記回折格子からの回折光のうち、予め設定された異なる２つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断するスペイシアルフィルタと、前記スペイシアルフィルタを通過した異なる２つの次数の回折光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部とを備えている。

【0013】

また、本発明にかかる上記距離測定装置の一構成例は、前記物体からの前記反射光を平行光とする対物レンズをさらに備え、前記回折格子は、前記対物レンズからの前記平行光を回折させるようにしたものである。

【0014】

また、本発明にかかる上記距離測定方法は、物体に光を照射して反射させ、その反射光に基づいて当該物体までの対物距離を測定する距離測定方法であって、前記物体からの前記反射光を回折格子により回折させる回折ステップと、前記回折格子からの前記回折光を集光レンズにより結像面に集光させる集光ステップと、前記結像面上に集光した前記回折光のうち、予め設定された異なる２つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断する回折光選択ステップと、選択された前記異なる２つの次数の回折光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出ステップと、前記光検出ステップにより得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出ステップとを備えている。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、回折格子とスペイシアルフィルタという極めて簡素な光学要素で、物体からの反射光から異なる２つの次数の回折光が選択されて、対物距離に応じて干渉縞ピッチが変化する干渉縞が、検出面上に発生する。
したがって、従来の精密な研磨加工を要する多重焦点レンズや球体レンズを用いる必要がなくなり、高価な光学系レンズやその精密な組み立てを省くことができる。このため、比較的安価なコストで、物体までの距離を正確に測定することができる距離測定装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１の実施の形態にかかる距離測定装置の構成を示す説明図である。

【図2】スペイシアルフィルタの構成例である。

【図3】本発明にかかる距離計測原理を示す説明図である。

【図4】回折格子での回折を示す説明図である。

【図5】異なる次数の回折光と光スポット間隔との関係を示す説明図である。

【図6】光スポット間隔と光路差との関係を示す説明図である。

【図7】検出面に生じた干渉縞を示す画像例である。

【図8】光検出素子で得られた検出結果の解析例である。

【図9】第２の実施の形態にかかる距離測定装置の構成を示す説明図である。

【図10】対物距離と干渉縞ピッチとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる距離測定装置１０について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる距離測定装置の構成を示す説明図である。

【0018】

この距離測定装置１０は、距離の測定対象となる物体Ｔに光を照射して反射させ、その反射光に基づいて物体Ｔまでの対物距離を測定する機能を有している。
図１に示すように、距離測定装置１０には、主な構成として、光源１１、光源レンズ１２、ビームスプリッタ１３、回折格子１４、集光レンズ１５、スペイシアルフィルタ１６、光検出素子１７、および距離算出部１８が設けられており、これらがケーシング（図示せず）内部に収納されている。

【0019】

光源１１は、距離測定に用いる単一波長の光（単色光）を発する装置である。光源１１としては、半導体レーザー装置、ナトリウムランプのような単色光や、白色光源と狭帯域バンドパスフィルタにより単一波長化された光を発する装置を用いることができる。
光源レンズ１２は、光源１１から発せられた光を集光してビームスプリッタ１３へ出力する機能を有している。

【0020】

ビームスプリッタ１３は、集光学系の光路Ｏ上に配置されて、光源レンズ１２で集光された光源１１からの光を反射して、光路Ｏに沿って物体Ｔの光スポットＡに照射する機能と、光スポットＡで拡散反射された反射光のうち、光路Ｏ方向に反射された反射光を集光レンズ１５へ透過させる機能を有している。

【0021】

回折格子１４は、光路Ｏ上に配置されて、ビームスプリッタ１３を透過した物体Ｔからの反射光を回折する機能を有している。
集光レンズ１５は、例えば凸レンズからなり、光路Ｏ上に配置されて、ビームスプリッタ１３を透過した物体Ｔからの反射光または回折格子１４からの回折光を結像面Ｑに集光する機能を有している。

【0022】

集光レンズ１５の位置については、ビームスプリッタ１３から結像面Ｑまでの範囲であれば、集光レンズ１５の前後、いずれの位置に配置してもよい。例えば、回折格子１４がビームスプリッタ１３と集光レンズ１５との間に配置されている場合、回折格子１４からの回折光が集光レンズ１５を介して結像面Ｑに結像される。また、回折格子１４が集光レンズ１５とスペイシアルフィルタ１６との間に配置されている場合、集光レンズ１５で集光された反射光が回折格子１４で回折された後、結像面Ｑに結像される。

【0023】

スペイシアルフィルタ１６は、結像面Ｑ上に配置されて、回折格子１４からの回折光のうち、予め設定された異なる２つの次数の回折光のみを選択的に通過させ、他の次数の回折光を遮断する機能を有している。

【0024】

図２は、スペイシアルフィルタの構成例である。回折格子１４からの回折光は、集光レンズ１５により結像面Ｑ上にそれぞれの次数に応じた光スポットＳＰに結像する。スペイシアルフィルタ１６は、全体として光を遮光する平板形状の遮光板からなり、結像面Ｑ上の光スポットＳＰを利用して、予め設定された異なる２つの次数に応じた光スポットＳＰの位置にそれぞれ透光穴Ｈ１，Ｈ２を設けたものである。

【0025】

これら透光穴Ｈ１，Ｈ２は、測定可能な対物距離ａの範囲を示す測定スパンに基づいて、予め設定された異なる２つの次数の回折光のみを通過させる位置および大きさで形成されている。これにより、予め設定された異なる２つの次数の回折光だけがスペイシアルフィルタ１６の透光穴を通過し、他の次数の回折光が遮断されることになる。

【0026】

光検出素子１７は、検出面Ｉに生じた、スペイシアルフィルタ１６を通過した２つの次数の回折光からなる干渉縞を検出し、検出結果を出力する機能を有している。光検出素子１７としては、例えば、CCD（Charge Coupled Device）やCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）リニアイメージセンサや、フォトダイオードアレイなどの一次元上に配置した受光素子が利用できる。
距離算出部１８は、ＣＰＵを用いた演算処理回路からなり、光検出素子１７で得られた検出結果を演算処理して干渉縞の周期長を抽出し、得られた周期長に基づいて集光レンズ１５から物体Ｔまでの対物距離を算出する機能を有している。

【0027】

［距離計測の原理］
次に、図３〜図６を参照して、本発明にかかる距離計測装置１０で用いる距離計測の原理について説明する。図３は、本発明にかかる距離計測原理を示す説明図である。図４は、回折格子での回折を示す説明図である。図５は、異なる次数の回折光と光スポット間隔との関係を示す説明図である。図６は、光スポット間隔と光路差との関係を示す説明図である。

【0028】

なお、図３では、距離計測装置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ある。また、図３〜図６において、回折格子１４における格子の長手方向（紙面垂直方向）をＸ方向とし、格子の周期方向（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。
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１５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。

【0029】

図３に示すように、物体Ｔから主点Ｍすなわち集光レンズ１５の位置までの対物距離をａとし、主点から結像面Ｑすなわちスペイシアルフィルタ１６までの距離をｂとし、集光レンズ１５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（１）で表される。

【数1】

【0030】

この式（１）からも分かるように、集光レンズ１５から物体Ｔまでの対物距離ａの変化に応じて、結像面Ｑの位置も変化するものとなる。
また、図４に示すように、回折格子１４の回折格子間隔をｄとし、回折次数をｎ（ｎ＝0，±1，±2，…）とし、光源波長をλとし、各回折光の回折角θｎとした場合、隣接する回折光間の光路差ΔＬは、次の式（２）で表される。

【数2】

【0031】

さらに、図５に示すように、格子により回折を受けた回折光は、集光レンズ１５により、結像面Ｑ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ｎ，ｎ’の回折光の回折角をθｎ，θｎ’とし、これら回折光による光スポットをＡｎ，Ａｎ‘とし、結像面Ｑ上における次数０の回折光による光スポットＡ０から光スポットＡｎ，Ａｎ‘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Ａｎ，Ａｎ‘のＹ方向のずれ幅Ｗは、次の式（３）で表される。

【数3】

【0032】

ここで、式（３）において、実際の回折格子間隔ｄはｎλ，ｎ’ λに比べて十分大きく、ｎλ／ｄおよびｎ‘λ／ｄが十分小さい値となるため、式（３）は次の式（４）のように近似される。

【数4】

【0033】

一方、図６に示すように、結像面Ｑ上の光スポットＡｎ，Ａｎ‘の光スポット間隔をＷとし、光スポットＡｎ，Ａｎ‘からの回折光が光検出素子１７の検出面Ｉ上に到達した到達点をＶとし、光スポットAｎ，Ａｎ‘の中間点からＺ方向に伸ばした線と検出面Ｉとが交わる点をＶ０とし、検出面Ｉ上でＹ方向に沿ったＶ０からＶまでの距離をＰとし、結像面Ｑから検出面Ｉまでの距離をｃとした場合、光スポットAｎから到達点Ｖへの回折光の光路長Ｌｎは三平方の定理により求められるが、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（５）のように近似できる。

【数5】

【0034】

また、光スポットAｎから到達点Ｖへの回折光の光路長Ｌｎ‘も、光路長Ｌｎと同様にして、次の式（６）のように近似できる。

【数6】

【0035】

したがって、これら光路長Ｌｎ，Ｌｎ’の光路差ΔＬは、次の式（７）で求められる。検出面Ｉ上では、この光路差ΔＬにより干渉縞が生じ、具体的には、光路差ΔＬが光の波長λの整数ｍ（ｍは、０以上の整数）倍となる場合、検出面Ｉにおいて明線が生じる。

【数7】

【0036】

ここで、検出面Ｉ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（７）のｍ＝１の場合に相当する。よって、検出面Ｉ上に生じた干渉縞の干渉縞ピッチｐは、式（７）を変形することにより、次の式（８）で求められる。

【数8】

【0037】

この際、光スポット間隔Ｗは式（４）で求められているため、これを式（８）に代入すれば、式（９）となる。

【数9】

【0038】

さらに、回折次数ｎ，ｎ’の次数差をｍとし、集光レンズ１５の主点から結像面Ｑまでの距離ｂと、結像面Ｑから検出面Ｉまでの距離ｃを、集光レンズ１５の主点から検出面Ｉまでの距離Ｌで置換した場合、式（９）は、次の式（１０）となる。

【数10】

【0039】

したがって、干渉縞ピッチｐは、集光レンズ１５の主点から検出面Ｉ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１５の主点から結像面Ｑまでの距離ｂは、前述した式（１）に示したように、物体Ｔから主点Ｍすなわち集光レンズ１５の位置までの対物距離ａと、集光レンズ１５の焦点距離ｆとで表され、式（１０）は式（１１）のように変形できる。

【数11】

【0040】

ここで、集光レンズ１５の焦点距離ｆ、集光レンズ１５の主点から検出面Ｉまでの距離Ｌ、および回折次数ｎ，ｎ’の次数差ｍは、それぞれ既知の値であることから、結果として、干渉縞ピッチｐは、物体Ｔから主点Ｍすなわち集光レンズ１５の位置までの対物距離ａの関数となることが分かる。このため、検出面Ｉに生じた干渉縞のピッチｐを測定することにより、次の式（１２）により、物体Ｔまでの対物距離ａを求めることができる。

【数12】

【0041】

図７は、検出面に生じた干渉縞を示す画像例である。干渉縞は、輝度の高い明線と輝度の低い暗線とが縞状に繰り返されて形成されている。したがって、互いに隣接する明線（または暗線）の間隔が干渉縞ピッチｐに相当する。

【0042】

図８は、光検出素子で得られた検出結果の解析例である。ここでは、横軸が干渉縞に直行するＸ方向に沿った画像のピクセル位置［ｐｉｃ］を示し、縦軸が各ピクセル位置における光強度（無単位）である。得られた検出結果は、ほぼ正弦波形状をなしており、そのピーク位置が明線に相当している。したがって、ピーク位置間に存在するピクセル数から干渉縞ピッチｐを示す実際の距離を算出できる。

【0043】

［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、物体Ｔからの反射光を回折格子１４で回折させた後、集光レンズ１５によりその回折光を結像面Ｑに集光させ、結像面Ｑ上に配置されたスペイシアルフィルタ１６で、これら回折光のうち、予め設定された異なる２つの次数の回折光のみを通過させ、他の次数の回折光を遮断し、スペイシアルフィルタ１６を通過した異なる２つの次数の回折光の重ね合わせにより検出面Ｉに生じた干渉縞を光検出素子１７で検出し、得られた検出結果を演算処理して干渉縞のピッチを抽出し、距離算出部１８でこのピッチに基づいて集光レンズ１５から物体Ｔまでの対物距離ａを算出するようにしたものである。

【0044】

これにより、回折格子１４とスペイシアルフィルタ１６という極めて簡素な光学要素で、物体Ｔからの反射光から異なる２つの次数の回折光が選択されて、対物距離ａに応じて干渉縞ピッチｐが変化する干渉縞が、検出面Ｉ上に発生する。
したがって、従来の精密な研磨加工を要する多重焦点レンズや球体レンズを用いる必要がなくなり、高価な光学系レンズやその精密な組み立てを省くことができる。このため、比較的安価なコストで、物体Ｔまでの対物距離ａを正確に測定することができる距離測定装置を実現することができる。

【0045】

この際、異なる２つの次数の回折光の選択にスペイシアルフィルタ１６を用いたので、回折格子１４の透過率分布が矩形状でも干渉縞は正弦波形状となるため、干渉縞ピッチｐの測定が容易となるとともに、回折格子１４の製作も容易となる。また、干渉縞の局在化、すなわち周期的な特定の距離近辺にのみ干渉縞が現れる現象が発生しないため、対物距離ａの測定スパンを広くすることができる。さらに、干渉縞ピッチｐが検出面Ｉ上で一定となるため、光検出素子１７の検出結果を補正する必要がなく、演算処理を簡素化できるとともに干渉縞ピッチｐの測定誤差を低減できる。

【0046】

［第２の実施の形態］
次に、図９を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる距離測定装置１０について説明する。図９は、第２の実施の形態にかかる距離測定装置の構成を示す説明図である。
本実施の形態では、前述した第１の実施の形態において、集光光学系に対物レンズ２０を設け、対物レンズ２０と集光レンズ１５との間の区間において、物体Ｔからの反射光を平行光に変換する場合について説明する。

【0047】

本実施の形態において、対物レンズ２０は、物体Ｔからの反射光を平行光に変換して、集光レンズ１５に出力する機能を有している。
図９の例では、対物レンズ２０と集光レンズ１５との間にビームスプリッタ１３および回折格子１４が配置されている。これにより、光源１１から発せられた光は、光源レンズ１２で平行光に変換された後、ビームスプリッタ１３で反射され、この後、対物レンズ２０により集光されて物体Ｔに照射される。

【0048】

また、物体Ｔからの反射光は、対物レンズ２０で平行光に変換された後、ビームスプリッタ１３を通過して回折格子１４で回折される。回折格子１４からの回折光は、第１の実施の形態と同様に、集光レンズ１５により結像面Ｑ上に集光された後、結像面Ｑ上のスペイシアルフィルタ１６で予め設定された異なる２つの次数の回折光だけが選択されて、検出面Ｉに照射される。

【0049】

これにより、第１の実施の形態と同様、対物レンズ２０から物体Ｔまでの対物距離に応じてピッチが変化する干渉縞が検出面Ｉ上に生じるため、このピッチから対物距離を算出することができる。

【0050】

図１０は、対物距離と干渉縞ピッチとの関係を示すグラフである。本実施の形態に基づいて、対物距離ａと干渉縞ピッチｐとの関係をシミュレーションにより求めた。この際、対物レンズ２０の焦点距離をｆ‘＝３０ｍｍとし、集光レンズ１５の焦点距離をｆ＝９ｍｍとし、集光レンズ１５から光検出素子１７までの距離をＬ＝６０ｍｍとし、回折格子１４の回折格子間隔をｄ＝０．０２ｍｍとした。
図１０のグラフによれば、対物距離ａの増加に応じて干渉縞ピッチｐが単調増加していることがわかる。

【0051】

［第２の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、集光光学系に対物レンズ２０を設け、対物レンズ２０と集光レンズ１５との間の区間において、物体Ｔからの反射光を平行光に変換するようにしたので、物体Ｔまでの対物距離ａが変化しても、その対物距離ａに応じた焦点距離を持つ対物レンズ２０に取り換えることにより、対物レンズ２０から検出面Ｉまでの区間においては、光路が一定となる。
このため、広範囲の対物距離ａに対応することができ、測定レンジを大幅に拡大することが可能となる。

【0052】

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

【符号の説明】

【0053】

１０…距離測定装置、１１…光源、１２…光源レンズ、１３…ビームスプリッタ、１４…回折格子、１５…集光レンズ、１６…スペイシアルフィルタ、１７…光検出素子、１８…距離算出部、２０…対物レンズ、Ｔ…物体、Ｑ…結像面、Ｉ…検出面、ａ…対物距離、ｐ…干渉縞ピッチ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】