特許 6616650 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】6616650

(24)【登録日】2019年11月15日

(45)【発行日】2019年12月4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 20060101AFI20191125BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/00 G

   G01B11/00 B

【請求項の数】14

【全頁数】37

(21)【出願番号】特願2015-202899(P2015-202899)

(22)【出願日】2015年10月14日

(65)【公開番号】特開2017-75829(P2017-75829A)

(43)【公開日】2017年4月20日

【審査請求日】2018年9月21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】 川村 大輔

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０８−０６１９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４５５５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５３１５７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０５５８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２６９３０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

(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、
前記物体に照射される光を発する光源と、
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、
前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する回折光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの次数の回折光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置されることを特徴とする距離測定装置。

【請求項2】

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、
前記物体に照射される光を発する光源と、
前記物体からの前記反射光を第１の虚スポットに集光させる集光レンズと、
前記第１の虚スポットを通過した前記反射光を内部で２つの出力光に分離して、当該反射光が入射される第１面と対向する第２面から出力する両面ハーフミラーと、
前記両面ハーフミラーからの２つの出力光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、
前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部とを備え、
前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する出力光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの出力光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置さ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、
前記物体に照射される光を発する光源と、
前記物体からの前記反射光を第１の虚スポットに集光させる集光レンズと、
前記第１の虚スポットを通過した前記反射光を２つの出力光に分離して、当該反射光が入射される第１面から出力する両面ハーフミラーと、
前記両面ハーフミラーから出力された２つの出力光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、
前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部とを備え、
前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する出力光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの出力光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置されることを特徴とする距離測定装置。

【請求項4】

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、
前記物体に照射される光を発する光源と、
前記物体からの前記反射光を回折させる回折格子と、
前記物体と前記回折格子との間に配置され、前記物体からの前記反射光が前記回折格子で回折された後に結像面に結像するように前記反射光を集光する集光レンズと、
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、
前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する回折光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの次数の回折光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置されることを特徴とする距離測定装置。

【請求項5】

請求項１または４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、前記回折格子の格子の間隔を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6】

請求項１、４、５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7】

請求項２に記載の距離測定装置において、
前記両面ハーフミラーは、互いに平行配置された半透光性を持つ前記第１面および前記第２面を有し、集光光学系の光軸に対して傾きを持って配置されて、前記反射光が当該第１面を透過した後に当該第２面を透過した第１の出力光と、当該反射光が当該第１面を透過した後に当該第２面で反射し、その後当該第１面で再び反射した後に当該第２面を透過した第２の出力光とを、前記２つの出力光として出力することを特徴とする距離測定装置。

【請求項8】

請求項７に記載の距離測定装置において、
前記複数のコヒーレント光源から出射する複数の光の波長をλとし、前記集光レンズの焦点距離をｆとし、当該集光レンズから前記第１の虚スポットまでの距離と前記第１の出力光の仮想的な光源点である第２の虚スポットから前記検出面までの距離との和をｇとし、当該第２の虚スポットと前記第２の出力光の仮想的な光源点である第３の虚スポットとの前記集光光学系の光軸と直交する方向における距離をΔｘとし、前記両面ハーフミラーの厚さをｔとし、前記両面ハーフミラーの傾き角度をθ₁とし、前記両面ハーフミラーの屈折率をｎとし、前記干渉縞のピッチをｐとした場合、前記集光レンズから前記物体までの対物距離ａを、次の式

【数2】

で求めることを特徴とする距離測定装置。

【請求項9】

請求項３に記載の距離測定装置において、
前記両面ハーフミラーは、互いに平行配置された半透光性を持つ前記第１面および第２面を有し、集光光学系の光軸に対して傾きを持って配置されて、前記反射光が前記第１面で反射された第１の出力光と、当該反射光が当該第１面を透過した後に当該第２面で反射し、その後当該第１面を透過した第２の出力光とを、前記２つの出力光として出力することを特徴とする距離測定装置。

【請求項10】

請求項９に記載の距離測定装置において、
前記複数のコヒーレント光源から出射する複数の光の波長をλとし、前記集光レンズの焦点距離をｆとし、当該集光レンズから前記第１の虚スポットまでの距離と前記第１の出力光の仮想的な光源点である第２の虚スポットから前記検出面までの距離との和をｇとし、当該第２の虚スポットと前記第２の出力光の仮想的な光源点である第３の虚スポットとの前記集光光学系の光軸と直交する方向における距離をΔｘとし、前記両面ハーフミラーの厚さをｔとし、前記両面ハーフミラーの傾き角度をθ₁とし、前記両面ハーフミラーの屈折率をｎとし、前記干渉縞のピッチをｐとした場合、前記集光レンズから前記物体までの対物距離ａを、次の式

【数3】

で求めることを特徴とする距離測定装置。

【請求項11】

請求項２、３、７〜１０のいずれか１つに記載の距離測定装置において、
前記物体からの前記反射光を平行光とする対物レンズをさらに備え、
前記集光レンズは、前記対物レンズからの前記平行光を前記第１の虚スポットに集光させることを特徴とする距離測定装置。

【請求項12】

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、
光源から前記物体に光を照射する照射ステップと、
前記物体からの前記反射光を回折格子によって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って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光検出素子によって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含み、
前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する回折光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの次数の回折光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置されることを特徴とする距離測定方法。

【請求項13】

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、
光源から前記物体に光を照射する照射ステップと、
前記物体からの前記反射光を集光レンズによって第１の虚スポットに集光させる集光ステップと、
前記第１の虚スポットを通過した前記反射光を両面ハーフミラーの内部で２つの出力光に分離して、当該反射光が入射される前記両面ハーフミラーの第１面と対向する前記両面ハーフミラーの第２面から出力する光分離ステップと、
前記両面ハーフミラーからの２つの出力光により検出面に生じた干渉縞を光検出素子によって検出する光検出ステップと、
前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出ステップとを含み、
前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する出力光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの出力光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置されることを特徴とする距離測定方法。

【請求項14】

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、
光源から前記物体に光を照射する照射ステップと、
前記物体からの前記反射光を集光レンズによって第１の虚スポットに集光させる集光ステップと、
前記第１の虚スポットを通過した前記反射光を両面ハーフミラーによって２つの出力光に分離して、当該反射光が入射される前記両面ハーフミラーの第１面から出力する光分離ステップと、
前記両面ハーフミラーから出力された２つの出力光により検出面に生じた干渉縞を光検出素子によって検出する光検出ステップと、
前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出ステップとを含み、
前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する出力光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの出力光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置され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ものである。

【背景技術】

【0002】

レーザ光等の光を用いて、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】

本発明は、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、前記物体に照射される光を発する光源と、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、前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する回折光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの次数の回折光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置されることを特徴とするものである。

【0011】

また、本発明の距離測定装置は、前記物体に照射される光を発する光源と、前記物体からの前記反射光を第１の虚スポットに集光させる集光レンズと、前記第１の虚スポットを通過した前記反射光を内部で２つの出力光に分離して、当該反射光が入射される第１面と対向する第２面から出力する両面ハーフミラーと、前記両面ハーフミラーからの２つの出力光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部とを備え、前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する出力光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの出力光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置されることを特徴とするものである。

【0012】

また、本発明の距離測定装置は、前記物体に照射される光を発する光源と、前記物体からの前記反射光を第１の虚スポットに集光させる集光レンズと、前記第１の虚スポットを通過した前記反射光を２つの出力光に分離して、当該反射光が入射される第１面から出力する両面ハーフミラーと、前記両面ハーフミラーから出力された２つの出力光により検出面に生じた干渉縞を検出する光検出素子と、前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出部とを備え、前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する出力光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの出力光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置されることを特徴とするものである。
また、本発明の距離測定装置は、前記物体に照射される光を発する光源と、前記物体からの前記反射光を回折させる回折格子と、前記物体と前記回折格子との間に配置され、前記物体からの前記反射光が前記回折格子で回折された後に結像面に結像するように前記反射光を集光する集光レンズと、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、前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する回折光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの次数の回折光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置されることを特徴とするものである。

【0013】

また、本発明の距離測定方法は、光源から前記物体に光を照射する照射ステップと、前記物体からの前記反射光を回折格子によって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って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光検出素子によって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含み、前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する回折光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの次数の回折光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置されることを特徴とするものである。

【0014】

また、本発明の距離測定方法は、光源から前記物体に光を照射する照射ステップと、前記物体からの前記反射光を集光レンズによって第１の虚スポットに集光させる集光ステップと、前記第１の虚スポットを通過した前記反射光を両面ハーフミラーの内部で２つの出力光に分離して、当該反射光が入射される前記両面ハーフミラーの第１面と対向する前記両面ハーフミラーの第２面から出力する光分離ステップと、前記両面ハーフミラーからの２つの出力光により検出面に生じた干渉縞を光検出素子によって検出する光検出ステップと、前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出ステップとを含み、前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する出力光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの出力光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置されることを特徴とするものである。

【0015】

また、本発明の距離測定方法は、光源から前記物体に光を照射する照射ステップと、前記物体からの前記反射光を集光レンズによって第１の虚スポットに集光させる集光ステップと、前記第１の虚スポットを通過した前記反射光を両面ハーフミラーによって２つの出力光に分離して、当該反射光が入射される前記両面ハーフミラーの第１面から出力する光分離ステップと、前記両面ハーフミラーから出力された２つの出力光により検出面に生じた干渉縞を光検出素子によって検出する光検出ステップと、前記光検出素子で得られた検出結果を演算処理して前記干渉縞のピッチを抽出し、このピッチに基づいて前記集光レンズから前記物体までの対物距離を算出する距離算出ステップとを含み、前記光源は、複数のコヒーレント光源からなり、この複数のコヒーレント光源は、前記光検出素子に入射する出力光の光軸に対して垂直な方向で、かつ前記反射光を前記２つの出力光に分割するシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置されることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0016】

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。また、本発明では、光源として複数のコヒーレント光源を使用することにより、物体の表面が粗面であっても、簡便かつ安価な方法で、干渉縞のコントラストの低下を抑えつつ、干渉縞の波面の乱れを低減することができ、距離計測の誤差の発生を抑えることができる。

【0017】

また、本発明では、両面ハーフミラーという極めて簡素な既存の光学要素で、物体からの反射光が、仮想的な光源点である虚スポットの位置が互いに異なる２つの出力光に分離され、これら出力光により対物距離に応じてピッチが変化する干渉縞が検出面に発生する。このため、従来の精密な研磨加工を要する多重焦点レンズや球体レンズを用いる必要がなくなり、高価な光学系レンズやその精密な組み立てを省くことができる。したがって、比較的安価なコストで、物体までの対物距離を正確に測定することができる距離測定装置を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の第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】本発明の第１の実施の形態において物体側から光源を見た図である。

【図3】スペイシアルフィルタの構成例である。

【図4】本発明の第１の実施の形態にかかる距離計測原理を示す説明図である。

【図5】回折格子での回折を示す説明図である。

【図6】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7】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8】検出面に生じた干渉縞を示す画像例である。

【図9】光検出素子で得られた検出結果の解析例である。

【図10】本発明の第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11】対物距離と干渉縞ピッチとの関係を示すグラフである。

【図12】本発明の第３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13】両面ハーフミラーにより発生する２つの虚スポットの間隔を示す説明図である。

【図14】両面ハーフミラーによる結像点の延長を示す説明図である。

【図15】両面ハーフミラーによる光のずれを示す説明図である。

【図16】第１の出力光の主光線を示す説明図である。

【図17】第２の出力光の主光線を示す説明図である。

【図18】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19】本発明の第３の実施の形態にかかる距離計測原理を示す説明図である。

【図20】本発明の第４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21】本発明の第５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22】両面ハーフミラーにより発生する２つの虚スポットの間隔を示す説明図である。

【図23】第１の出力光および第２の出力光の主光線を示す説明図である。

【図24】本発明の第５の実施の形態にかかる距離計測原理を示す説明図である。

【図25】本発明の第６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。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

本実施の形態では、光源１１として、複数の半導体レーザ（コヒーレント光源）を用いる。複数の半導体レーザが発する光の波長は同一で、光量も同一であることが望ましい。この複数の半導体レーザは、光検出素子１７に入射する回折光の光軸（後述する光路Ｏ）に対して垂直な方向で、かつレーザ光を後述のように２つの回折光に分割するシア方向（図１の上下方向）に対して垂直な方向（図１の紙面に垂直な方向）に沿って発光点が並ぶように配置される。図２は物体Ｔ側から光源１１を見た図であり、図２の左右方向は図１の紙面に垂直な方向に相当する。図２の例は、光源１１が、２つの半導体レーザ２１−１，２１−２で構成される例を示している。

【0022】

このような複数の半導体レーザの好適な例としては、例えばレーザプリンタ用のマルチビーム半導体レーザがある。本実施の形態では、物体Ｔ上の互いに近接した複数の点に複数の半導体レーザからのレーザ光が入射することが望ましいので、複数の半導体レーザの発光点間の距離が小さい（例えば数十μｍ程度）ことが望ましい。光源１１として、マルチビーム半導体レーザを使用すれば、同一ウエハプロセスで作製できるうえ、パッケージも一つで済むため、低コストであると共に、発光点間距離を小さくできるので、光学系を簡便にできる。

【0023】

光源レンズ１２は、光源１１から発せられた光を集光してビームスプリッタ１３へ出力する機能を有している。
ビームスプリッタ１３は、集光学系の光路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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

図３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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

距離算出部１８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）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ピッチ（周期長）を抽出し、得られたピッチに基づいて集光レンズ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。距離算出部１８を構成する演算処理回路は、ＣＰＵ、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータである。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明する処理を実行する。

【0031】

［距離計測の原理］
次に、図４〜図７を参照して、本実施の形態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４は、本実施の形態にかかる距離計測原理を示す説明図である。図５は、回折格子での回折を示す説明図である。図６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７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。

【0032】

なお、図４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４〜図７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。

【0033】

図４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】

【0034】

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５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θ_n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】

【0035】

さらに、図６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θ_n，θ_n’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】

【0036】

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】

【0037】

一方、図７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】

【0038】

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】

【0039】

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】

【0040】

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】

【0041】

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】

【0042】

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】

【0043】

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】

【0044】

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】

【0045】

図８は、検出面に生じた干渉縞を示す画像例である。干渉縞は、輝度の高い明線と輝度の低い暗線とが縞状に繰り返されて形成されている。したがって、互いに隣接する明線（または暗線）の間隔が干渉縞ピッチｐに相当する。

【0046】

図９は、光検出素子１７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。

【0047】

［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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

また、本実施の形態では、上記のとおり、光源１１として複数の半導体レーザを使用している。光源１１に半導体レーザなどのコヒーレント光源を用いると、可干渉性が高いために、光干渉を使った計測では、高感度に干渉縞を計測するのに適している。しかし、物体Ｔの表面が紙のような粗面（表面の凹凸がランダム）の場合、表面の凹凸により光の波面が乱れることにより、干渉縞に歪みが生じ、距離計測に誤差が生じる。

【0051】

波面の乱れを低減する方法としては、光源として、白熱電球とバンドパスフィルタの組み合わせを使用したり、ＬＥＤなどのインコヒーレント光源を使用したりする方法がある。しかしながら、白熱電球は寿命が短いという問題があり、ＬＥＤの場合には、面発光なので、物体Ｔに照射される光のビームウエストが大きくなり、干渉縞のコントラストが低下するという問題がある。また、波面の乱れを低減する別の方法として、縦マルチモード半導体レーザを使用したり、半導体レーザに高周波を重畳させたりする方法があるが、縦マルチモード半導体レーザは、低出力タイプの製作がプロセス上難しく、高価になるという問題がある。また、半導体レーザに高周波を重畳させる方法は、半導体レーザへの数百ＭＨｚの電気的な信号印加が、他の電子回路にノイズとして影響を与え易いという問題がある。

【0052】

そこで、本実施の形態では、半導体レーザを複数個用いることにより空間コヒーレンシーを低下させる。コヒーレンシーを落とすことにより光源１１の波面が揃わなくなり、波面の乱れを平均化するという効果が得られ、この波面の平均化により、干渉縞の波面歪みを低減することができる。半導体レーザの個数をＮ（Ｎは２以上の整数）とすると、波面の乱れは１／√Ｎ倍になる。したがって、例えば光源１１として２つの半導体レーザを用いた場合、波面の歪みは１／√２倍になる。以上のように、本実施の形態では、物体Ｔの表面が粗面であっても、簡便かつ安価な方法で、干渉縞のコントラストの低下を抑えつつ、干渉縞の波面の乱れを低減することができ、距離計測の誤差の発生を抑えることができる。複数の半導体レーザを、光軸に対して垂直な方向で、かつシア方向に対して垂直な方向に沿って発光点が並ぶように配置することにより、干渉縞の位相が変化することはなく、干渉縞の強度が減衰することはない。

【0053】

［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。図１０は、本発明の第２の実施の形態にかかる距離測定装置１０の構成を示す説明図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。
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。

【0054】

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１０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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

図１１は、対物距離と干渉縞ピッチとの関係を示すグラフである。本実施の形態に基づいて、対物距離ａと干渉縞ピッチｐとの関係をシミュレーションにより求めた。この際、対物レンズ２０の焦点距離をｆ’＝３０ｍｍとし、集光レンズ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１１のグラフによれば、対物距離ａの増加に応じて干渉縞ピッチｐが単調増加していることがわかる。

【0058】

［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。

【0059】

［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。図１２は、本発明の第３の実施の形態にかかる距離測定装置１０ａの構成を示す説明図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。

【0060】

図１２に示すように、距離測定装置１０ａには、主な構成として、光源１１、光源レンズ１２、ビームスプリッタ１３、集光レンズ２４、両面ハーフミラー２５、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。

【0061】

第１、第２の実施の形態と同様に、光源１１は複数の半導体レーザからなる。複数の半導体レーザは、光検出素子１７に入射する出力光の光軸Ｏに対して垂直な方向で、かつレーザ光を後述のように２つの出力光に分割するシア方向（図１２の上下方向）に対して垂直な方向（図１２の紙面に垂直な方向）に沿って発光点が並ぶように配置される。
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。

【0062】

ビームスプリッタ１３は、集光光学系の光軸Ｏ上に配置されて、光源レンズ１２で集光された光源１１からの光を反射して、光軸Ｏに沿って物体Ｔの光スポットＡに照射する機能と、光スポットＡで拡散反射された反射光のうち、光軸Ｏ方向に反射された反射光を集光レンズ２４へ透過させる機能を有している。なお、本実施の形態において、光スポットＡが光軸Ｏ上にない場合は、光軸を主光線と読み替るものとする。
集光レンズ２４は、例えば凸レンズからなり、光軸Ｏ上に配置されて、ビームスプリッタ１３を透過した物体Ｔからの反射光を虚スポットＵに集光させる機能を有している。

【0063】

両面ハーフミラー２５は、全体として透明の平行平板からなり、互いに平行配置された、ハーフミラーコーティングなどの処理が施された半透光性を持つ第１面２５Ａおよび第２面２５Ｂを有し、集光光学系の光軸Ｏに対して傾きを持って配置されて、虚スポットＵを通過した反射光である主光線Ｓを内部で２つの出力光Ｓ１，Ｓ２に分離して、当該反射光が入射される第１面２５Ａと対向する第２面２５Ｂから出力する機能を有している。

【0064】

これにより、入射された主光線Ｓは、主に、第１面２５Ａを透過した後に第２面２５Ｂを透過した第１の出力光と、入射された主光線Ｓが第１面２５Ａを透過した後に第２面２５Ｂで反射し、その後第１面２５Ａで再び反射した後に第２面２５Ｂを透過した第２の出力光Ｓ２とに分離されて出力される。
なお、両面ハーフミラー２５の第１面２５Ａおよび第２面２５Ｂにおける透過率と反射率については、１：１に限定されるものではなく、１：１以外であってもよい。

【0065】

光検出素子１７は、両面ハーフミラー２５を通過した２つの出力光Ｓ１，Ｓ２により、検出面Ｉに生じた干渉縞を検出し、検出結果を出力する。
第１の実施の形態と同様に、距離算出部１８は、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ピッチ（周期長）を抽出し、得られたピッチに基づいて集光レンズ２４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。

【0066】

［距離計測の原理］
次に、図１３〜図１９を参照して、本実施の形態にかかる距離計測装置１０ａで用いる距離計測の原理について説明する。なお、図１９では、距離計測装置１０ａのうち、集光光学系のみを要部として示し、投影光学系については省略してある。また、図１３〜図１９において、理解を容易とするため、光線については主光線のみを示し、光軸Ｏと直交する方向のうち紙面上下方向をＸ方向とし、紙面垂直方向をＹ方向とし、光軸Ｏに沿った紙面左右方向をＺ方向とした。また、本来、レンズには光の入射方向に応じて２つの主点があり、それぞれの位置が異なるが、以下では、数式の複雑化を避けるため、集光レンズ２４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。

【0067】

集光レンズ２４で虚スポットＵに集光された物体Ｔからの反射光である主光線Ｓが、両面ハーフミラー２５に入射された場合、主に、第１面２５Ａを透過した後に第２面２５Ｂで反射させずに透過する第１の出力光Ｓ１と、第１面２５Ａを透過した後に第２面２５Ｂで反射し、さらに第１面２５Ａで再び反射し第２面２５Ｂを透過する第２の出力光Ｓ２とに分離される。したがって、第２の出力光Ｓ２は第１の出力光Ｓ１と平行であるが、両面ハーフミラー２５内部で２回反射するため、第１の出力光Ｓ１が第２面２５Ｂから出射する位置とは異なる位置から出射される。

【0068】

ここで、両面ハーフミラー２５の存在を無視して、第１の出力光Ｓ１と第２の出力光Ｓ２の仮想的な集光点（光源点）を虚スポットＵ１，Ｕ２とした場合、両面ハーフミラー２５での屈折および反射により、これら虚スポットＵ１，Ｕ２は、実際の主光線Ｓの虚スポットＵからそれぞれずれた互いに異なる位置となる。このため、虚スポットＵ１，Ｕ２からの第１および第２の出力光Ｓ１，Ｓ２が光検出素子１７の検出面Ｉに投影された場合、検出面Ｉ上に干渉縞が発生する。

【0069】

本実施の形態は、この干渉縞のピッチｐが、集光レンズ２４から物体Ｔの光スポットＡまでの対物距離ａに応じて変化することに着目し、検出面Ｉ上に発生した干渉縞を光検出素子１７で検出して、距離算出部１８で、そのピッチｐを測定し、得られたピッチｐに基づいて集光レンズ２４から物体Ｔまでの対物距離ａを算出するようにしたものである。
以下では、両面ハーフミラー２５に対する主光線Ｓの入射角θ₁、すなわち両面ハーフミラー２５の傾きと、Ｘ方向およびＺ方向における虚スポットＵ１，Ｕ２の間隔ΔＸ，ΔＺとの関係を説明した上で、これら間隔ΔＸ，ΔＺとピッチｐ、さらにはピッチｐと対物距離ａとの関係について説明する。

【0070】

［Ｘ方向における虚スポット間隔Δｘ］
図１３に示すように、両面ハーフミラー２５の厚さ、すなわち第１面２５Ａと第２面２５Ｂとの距離をｔとし、両面ハーフミラー２５に対する光Ｓの入射角をθ₁とし、第１面２５Ａおよび第２面２５Ｂにおける屈折角をθ₂とした場合、第２面２５Ｂにおける第１の出力光Ｓ１と第２の出力光Ｓ２の出射位置の距離ｗは、次の式（１３）で表される。

【数13】

また、両面ハーフミラー２５の相対屈折率をｎとした場合、スネルの法則から、θ₁とθ₂との関係は、次の式（１４）で表される。

【数14】

【0071】

したがって、式（１４）を式（１３）に代入した場合、距離ｗは、θ₁を用いた次の式（１５）となり、Ｘ方向における虚スポットＵ１，Ｕ２の間隔Δｘは、次の式（１６）で求められる。

【数15】

【数16】

【0072】

［Ｚ方向における虚スポット間隔ΔＺ］
両面ハーフミラー２５から出射された第１および第２の出力光Ｓ１，Ｓ２は、主光線Ｓが両面ハーフミラー２５の法線方向Ｚｇに沿って、検出面Ｉ側あるいは集光レンズ２４側にそれぞれ平行移動したものと見なすことができる。
したがって、両面ハーフミラー２５の法線方向Ｚｇにおける、虚スポットＵから虚スポットＵ１，Ｕ２までの距離Ｌｄ１，Ｌｄ２を算出すれば、これらＬｄ１，Ｌｄ２からＺ方向における虚スポットＵ１，Ｕ２間の虚スポット間隔ΔＺを求めことができる。

【0073】

まず、図１４および図１５を参照して、光の平行移動について説明する。
図１４に示すように、光Ｓａを集光する集光レンズＣとその結像点Ｐａとの間に、屈折率の高い両面ハーフミラー２５などの平行平板からなる透光性を持つ媒体Ｇを挿入した場合、光Ｓａが平行移動した状態となり、媒体Ｇを透過した光Ｓｂの結像点は、媒体Ｇの法線方向Ｚｇに沿って結像点Ｐａから結像点Ｐｂまで延長されることになる。

【0074】

ここで、図１５に示すように、媒体Ｇの相対屈折率をｎとし、媒体Ｇの厚さをｔとし、媒体Ｇに対する光Ｓａの入射角をθ₁とし、媒体Ｇ内部での屈折角をθ₂とし、法線方向Ｚｇに沿った光Ｓａから光Ｓｂへの平行移動距離をｄとした場合、媒体Ｇの出射面上における、媒体Ｇに対する光Ｓａの入射位置と媒体Ｇからの光Ｓｂの出射位置との距離ｋは、次の式（１７）で表され、平行移動距離ｄは次の式（１８）で求められる。

【数17】

【数18】

【0075】

次に、図１６を参照して、第１の出力光Ｓ１の平行移動について説明する。図１６では、理解を容易とするため、光軸Ｏを傾け、両面ハーフミラー２５の法線を基準（水平）としている。
前述した光の平行移動と同様にして、両面ハーフミラー２５から出射された第１の出力光Ｓ１は、図１６に示すように、両面ハーフミラー２５に入射した主光線Ｓが、両面ハーフミラー２５の法線方向Ｚｇに沿って、平行移動したものと見なすことができる。

【0076】

まず、入射角θ₁で第１面２５Ａ上の点Ａから入射した主光線Ｓは、法線方向Ｚｇに対して屈折角θ₂の角度で屈折した後、両面ハーフミラー２５内部を透過して、第２面２５Ｂ上の点Ｃから第１の出力光Ｓ１として出射する。

【0077】

この際、点Ａを通過する法線が第２面２５Ｂと交差する位置を点Ｂとし、第１の出力光Ｓ１を第１面２５Ａ側に延長した場合に第１面２５Ａと交差する位置を点Ａ’’とし、線分Ａ’’−Ｃが線分Ａ−Ｂと交差する位置を点Ａ’とした場合、点Ａ’を通過して点Ｃから出射する第１の出力光Ｓ１は、点Ａに入射した主光線Ｓの直進光Ｓ１’が、法線方向Ｚｇに沿って検出面Ｉ側に点Ａ’まで平行移動したものと見なすことができ、線分Ａ−Ａ’の距離ｄ１が第１の出力光Ｓ１の平行移動距離に相当する。

【0078】

ここで、三角形ＡＢＣと三角形Ａ’ＢＣは、辺ＢＣを共通としているため、次の式（１９）の関係が得られる。また、両面ハーフミラー２５の相対屈折率をｎとし，両面ハーフミラー２５の厚さをｔとして、スネルの法則により、式（１９）のθ₂をθ₁で置換した場合、線分Ａ−Ａ’の距離ｄ１は式（２０）で求められる。

【数19】

【数20】

【0079】

したがって、このような第１の出力光Ｓ１の平行移動により、主光線Ｓの光路長が線分Ａ’’−Ａ’の長さＬｄ１だけ検出面Ｉ側に短縮されたことを示しており、見かけ上、虚スポットＵが法線方向Ｚｇに沿って距離ｄ１だけ検出面Ｉ側に虚スポットＵ１まで移動したことを示している。このＬｄ１は式（２０）で求めた距離ｄ１から次の式（２１）で求められる。

【数21】

【0080】

次に、図１７を参照して、第２の出力光Ｓ２の平行移動について説明する。図１７では、理解を容易とするため、光軸Ｏを傾け、両面ハーフミラー２５の法線を基準としている。前述した第１の出力光Ｓ１の平行移動と同様にして、両面ハーフミラー２５から出射された第２の出力光Ｓ２は、図１７に示すように、両面ハーフミラー２５に入射した主光線Ｓが、両面ハーフミラー２５の法線方向Ｚｇに沿って、平行移動したものと見なすことができる。

【0081】

まず、入射角θ₁で第１面２５Ａ上の点Ａから入射した主光線Ｓは、法線方向Ｚｇに対して屈折角θ₂の角度で屈折した後、両面ハーフミラー２５内部を透過して、第２面２５Ｂおよび第１面２５Ａで反射し、第２面２５Ｂ上の点Ｅから第１の出力光Ｓ１として出射する。

【0082】

この際、点Ａから点Ｅまでの経路は、厚さ３ｔの両面ハーフミラー２５内部を反射せずに透過した経路と等しいものと見なすことかできる。したがって、点Ａから点Ｅまでの経路を第１面２５Ａの左側に展開し、第１面２５Ａから距離２ｔだけ離れた仮想第１面上で、これら展開経路と点Ａを通過する法線とが交差する点を点Ｄとし、第２の出力光Ｓ２を仮想第１面側に延長した場合に点Ａを通過する法線と交差する点を点Ｄ’とした場合、点Ｄ’を通過する第２の出力光Ｓ２は、点Ｄに入射した主光線Ｓ’の直進光Ｓ２’が、法線方向Ｚｇに沿って検出面Ｉ側に平行移動したものと見なすことができ、線分Ｄ−Ｄ’が第２の出力光Ｓ２の平行移動距離ｄ２に相当する。

【0083】

ここで、三角形ＤＢＥと三角形Ｄ’ＢＥは、辺ＢＥを共通としているため、次の式（２２）の関係が得られる。また、両面ハーフミラー２５の相対屈折率をｎとし，両面ハーフミラー２５の厚さをｔとして、スネルの法則により、式（２２）のθ₂をθ₁で置換した場合、線分Ｄ−Ｄ’の距離ｄ２は、式（２２）に基づき式（２３）で求められる。

【数22】

【数23】

【0084】

したがって、第２の出力光Ｓ２を仮想第１面側に延長した際に、仮想第１面と交差する点を点Ｄ’’とした場合、このような第２の出力光Ｓ２の平行移動により、主光線Ｓの光路長が線分Ｄ’’−Ｄ’の長さＬｄ２’だけ検出面Ｉ側に短縮されたことを示しており、見かけ上、虚スポットＵが法線方向Ｚｇに沿って距離ｄ２だけ検出面Ｉ側に虚スポットＵ２まで移動したことを示している。このＬｄ２’は式（２３）で求めた距離ｄ２から次の式（２４）で求められる。

【数24】

【0085】

ここで、この距離Ｌｄ２’には、仮想第１面まで２ｔ分だけ展開した展開距離２ｔ／ｃｏｓθ₁が含まれている。このため、第２の出力光Ｓ２を仮想第１面側に延長した場合に第１面２５Ｂと交差する点を点Ｄ’’’とした場合、線分Ｄ’−Ｄ’’’だけ、主光線Ｓの光路長が集光レンズ２４側に延長したものと見なすことができ、この光路長Ｌｄ２は、次の式（２５）で求められる。

【数25】

【0086】

したがって、Ｚ方向における虚スポットＵ１，Ｕ２の間隔Δｚは、第１の出力光Ｓ１の光路差Ｌｄ１と第２の出力光Ｓ２の光路差Ｌｄ２に基づいて、次の式（２６）で求められる。

【数26】

【0087】

［虚スポット間隔ΔＸ，ΔＺとピッチｐとの関係］
次に、図１８を参照して、虚スポットＵ１，Ｕ２の間隔ΔＸ，ΔＺと、検出面Ｉ上に生じる干渉縞のピッチｐとの関係について説明する。図１８では、理解を容易とするため、光軸Ｏを基準（水平）とし、両面ハーフミラー２５は無視するものとする。

【0088】

図１８において、虚スポットＵ１，Ｕ２は、Ｘ方向に間隔ΔＸだけ離れるとともに、Ｚ方向に間隔ΔＺだけ離れて位置している。ここで、虚スポットＵ１からの第１の出力光Ｓ１と、虚スポットＵ２からの第２の出力光Ｓ２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、虚スポットＵ１を通過するＸ方向の線と虚スポットＵ２を通過するＺ方向の線との交点を点Ｄとし、線分Ｕ１−Ｄの中間点Ｄ０からＺ方向に伸ばした線と検出面Ｉとが交わる点をＶ０とし、検出面Ｉ上でＹ方向に沿ったＶ０からＶまでの距離をＰとし、虚スポットＵ１から検出面Ｉまでの距離をｃとする。

【0089】

第１の出力光Ｓ１に関する虚スポットＵ１から到達点Ｖまでの光路長Ｌ１は、三平方の定理により、次の式（２７）で求められる。この際、距離ｃに比較して間隔Δｘが非常に小さく、Ｚ方向に対する線分Ｄ０−Ｖの傾きΦに代表される第１の出力光Ｓ１および第２の出力光Ｓ２の傾きが非常に小さいため、光路長Ｌ１は次の式（２８）のように近似できる。

【数27】

【数28】

【0090】

一方、線分Ｕ２−Ｖと線分Ｕ１−Ｄとの交点を点Ｕ２’とした場合、第２の出力光Ｓ２に関する虚スポットＵ２から到達点Ｖまでの光路長Ｌ２は、線分Ｕ２−Ｕ２’の光路長Ｌ２１と線分Ｕ２’−Ｖの光路長Ｌ２２との和で求められる。
まず、光路長Ｌ２１については、線分Ｄ−Ｕ２’の距離をｘ’とした場合、前述した式（２８）と同様にして、次の式（２９）により求められる。

【数29】

【0091】

ここで、前述したように、線分Ｕ２−Ｕ２’の傾きΦが非常に小さく、距離ｘ’／間隔ΔｚすなわちｔａｎΦが極めて小さいため、式（２９）の右辺第２項は非常に小さい値となる。このため、結果として光路長Ｌ２１はΔｚで近似できることになる。
一方、光路長Ｌ２２は、光路長Ｌ１と同様は、三平方の定理により、次の式（３０）で求められる。

【数30】

【0092】

これにより、光路長Ｌ２は次の式（３１）で求められ、虚スポットＵ１からの第１の出力光Ｓ１と、虚スポットＵ２からの第２の出力光Ｓ２との光路差ΔＬは、次の式（３２）で求められる。

【数31】

【数32】

【0093】

検出面Ｉ上では、この光路差ΔＬにより干渉縞が生じ、具体的には、光路差ΔＬが光の波長λの整数ｍ（ｍは、０以上の整数）倍となる場合、検出面Ｉにおいて明線が生じる。また、光路差ΔＬのうち間隔Δｚは一定値であり、この値は、干渉縞の初期位相にのみ影響を与えるだけで干渉縞ピッチｐには影響を与えるものではない。

【0094】

したがって、検出面Ｉ上に生じた各明線のうち、隣接する明線の間隔は干渉縞ピッチｐとなり、その値はｍ＝１の場合に相当する。よって、検出面Ｉ上に生じた干渉縞の干渉縞ピッチｐは、式（３２）において光路差ΔＬ＝λとし、間隔Δｚを無視することにより、次の式（３３）で求められる。

【数33】

【0095】

一方、図１９に示すように、物体Ｔから主点Ｍすなわち集光レンズ２４の位置までの対物距離をａとし、主点から虚スポットＵまでの距離をｂとし、集光レンズ２４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（３４）で表される。

【数34】

【0096】

したがって、主点から虚スポットＵまでの距離ｂと虚スポットＵ１から検出面Ｉまでの距離ｃの和を距離ｇ（ｇ＝一定）としてｃ＝ｇ−ｂとし、これに式（３４）から求められる距離ｂを代入すると、前述した式（３３）は次の式（３５）となる。したがって、式（２３から、物体Ｔから主点Ｍすなわち集光レンズ２４の位置までの対物距離ａは、次の式（３６）で求められることになる。

【数35】

【数36】

【0097】

本実施の形態においても、光検出素子１７の検出面Ｉには図８と同様の干渉縞が生じ、光検出素子１７で得られる検出結果は、図９と同様に、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。

【0098】

［第３の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、物体Ｔからの反射光を集光レンズ２４により虚スポットＵに一旦集光させた後、両面ハーフミラー２５により２つの出力光に分離して、反射光が入射される第１面と対向する第２面から出力し、これら２つの出力光により検出面Ｉに生じた干渉縞を光検出素子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２４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。

【0099】

これにより、両面ハーフミラー２５という極めて簡素な既存の光学要素で、物体Ｔからの反射光が、仮想的な集光点である虚スポットＵ１，Ｕ２の位置が互いに異なる２つの出力光Ｓ１，Ｓ２に分離され、これら出力光Ｓ１，Ｓ２により対物距離ａに応じてピッチｐが変化する干渉縞が検出面Ｉ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可能となる。

【0100】

また、本実施の形態は、両面ハーフミラー２５に、それぞれ半透光性を持つ平行配置された２つの第１面２５Ａおよび第２面２５Ｂを設け、虚スポットＵに一旦集光した反射光のうち、第１面２５Ａを透過した光を第２面２５Ｂで反射させずに透過させて第１の出力光Ｓ１として出力する機能と、第１面２５Ａを透過した光を第２面２５Ｂで反射した後に第１面２５Ａで再び反射し第２面２５Ｂを透過させて第２の出力光Ｓ２として出力するようにしたものである。

【0101】

これにより、両面ハーフミラー２５という極めて簡素な光学要素で、虚スポットＵからの反射光Ｓを、虚スポットＵ１からの第１の出力光Ｓ１と虚スポットＵ２からの第２の出力光Ｓ２とに容易に分離させることができ、効率よく干渉縞を発生させることができる。
また、干渉縞は正弦波形状となるため、干渉縞ピッチｐの測定が容易となるとともに、干渉縞の局在化、すなわち周期的な特定の距離近辺にのみ干渉縞が現れる現象が発生しないため、対物距離ａの測定スパンを広くすることができる。さらに、干渉縞ピッチｐが検出面Ｉ上で一定となるため、光検出素子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。

【0102】

また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、光源１１として複数の半導体レーザを使用することにより、物体Ｔの表面が粗面であっても、簡便かつ安価な方法で、干渉縞のコントラストの低下を抑えつつ、干渉縞の波面の乱れを低減することができ、距離計測の誤差の発生を抑えることができる。

【0103】

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図２０は、本発明の第４の実施の形態にかかる距離測定装置１０ａの構成を示す説明図であり、図１、図１２と同様の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態では、前述した第３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２４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。

【0104】

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２４に出力する機能を有している。
図２０の例では、対物レンズ２０と集光レンズ２４との間にビームスプリッタ１３が配置されている。これにより、光源１１から発せられた光は、光源レンズ１２で平行光に変換された後、ビームスプリッタ１３で反射され、この後、対物レンズ２０により集光されて物体Ｔに照射される。

【0105】

また、物体Ｔからの反射光は、対物レンズ２０で平行光に変換され、ビームスプリッタ１３を通過して集光レンズ２４により虚スポットＵに一旦集光させた後、虚スポットＵから広がり始めた反射光が両面ハーフミラー２５を通過して検出面Ｉに照射される。

【0106】

これにより、第３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。

【0107】

［第４の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態では、第２の実施の形態と同様に、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２４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。

【0108】

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図２１は、本発明の第５の実施の形態にかかる距離測定装置１０ｂの構成を示す説明図であり、図１、図１２と同様の構成には同一の符号を付してある。

【0109】

図２１に示すように、距離測定装置１０ｂには、主な構成として、光源１１、光源レンズ１２、ビームスプリッタ１３、集光レンズ２４、両面ハーフミラー３５、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。

【0110】

第１〜第４の実施の形態と同様に、光源１１は複数の半導体レーザからなる。複数の半導体レーザは、光検出素子１７に入射する出力光の光軸（検出面Ｉの垂線であり、後述する垂線Ｏ’）に対して垂直な方向で、かつレーザ光を２つの出力光に分割するシア方向（図２１の左右方向）に対して垂直な方向（図２１の紙面に垂直な方向）に沿って発光点が並ぶように配置される。
光源レンズ１２、ビームスプリッタ１３、および集光レンズ２４については第３の実施の形態で説明したとおりである。

【0111】

両面ハーフミラー３５は、全体として透明の平行平板からなり、互いに平行配置された、ハーフミラーコーティングなどの処理が施された半透光性を持つ第１面３５Ａおよび第２面３５Ｂを有し、集光光学系の光軸Ｏに対して傾きを持って配置されて、虚スポットＵを通過した反射光である主光線Ｓを内部で２つの出力光Ｓ１，Ｓ２に分離して、当該反射光が入射される第１面３５Ａから出力する機能を有している。

【0112】

これにより、入射された主光線Ｓは、主に、第１面３５Ａで反射した第１の出力光と、入射された主光線Ｓが第１面３５Ａを透過した後に第２面３５Ｂで反射し、その後第１面３５Ａを透過した第２の出力光Ｓ２とに分離されて出力される。
なお、両面ハーフミラー３５の第１面３５Ａおよび第２面３５Ｂにおける透過率と反射率については、１：１に限定されるものではなく、１：１以外であってもよい。また、第２面３５Ｂについては、光を透過しない全反射ミラーであっても、ハーフミラーの場合と同様の効果が得られる。

【0113】

光検出素子１７は、両面ハーフミラー３５を通過した２つの出力光Ｓ１，Ｓ２により、検出面Ｉに生じた干渉縞を検出し、検出結果を出力する。なお、本実施の形態では、検出面Ｉの垂線Ｏ’が光軸Ｏとが直交するよう光検出素子１７が配置されている場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、両面ハーフミラー３５の傾きに応じて光検出素子１７を配置すればよい。

【0114】

第１の実施の形態と同様に、距離算出部１８は、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ピッチ（周期長）を抽出し、得られたピッチに基づいて集光レンズ２４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。

【0115】

［距離計測の原理］
次に、図１４、図１５、図１８、図２２〜図２４を参照して、本実施の形態にかかる距離計測装置１０ｂで用いる距離計測の原理について説明する。なお、図２４では、距離計測装置１０ｂのうち、集光光学系のみを要部として示し、投影光学系については省略してある。また、図１４、図１５、図１８、図２２〜図２４において、理解を容易とするため、光線については主光線のみを示し、光軸Ｏと直交する方向のうち紙面上下方向をＸ方向とし、紙面垂直方向をＹ方向とし、光軸Ｏに沿った紙面左右方向をＺ方向とした。また、本来、レンズには光の入射方向に応じて２つの主点があり、それぞれの位置が異なるが、以下では、数式の複雑化を避けるため、集光レンズ２４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。

【0116】

集光レンズ２４で虚スポットＵに集光された物体Ｔからの反射光である主光線Ｓが、両面ハーフミラー３５に入射された場合、主に、第１面３５Ａで反射した第１の出力光Ｓ１と、第１面３５Ａを透過した後に第２面３５Ｂで反射し、さらに第１面３５Ａを透過した第２の出力光Ｓ２とに分離される。したがって、第２の出力光Ｓ２は第１の出力光Ｓ１と平行であるが、両面ハーフミラー３５内部で１回反射するため、第１の出力光Ｓ１が第１面３５Ａから出射する位置とは異なる位置から出射される。

【0117】

ここで、両面ハーフミラー３５の存在を無視して、第１の出力光Ｓ１と第２の出力光Ｓ２の仮想的な集光点（光源点）を虚スポットＵ１，Ｕ２とした場合、両面ハーフミラー３５での屈折および反射により、Ｕ１はＵと等しい位置となるが、Ｕ２は、実際の主光線Ｓの虚スポットＵからずれた互いに異なる位置となる。このため、虚スポットＵ１，Ｕ２からの第１および第２の出力光Ｓ１，Ｓ２が光検出素子１７の検出面Ｉに投影された場合、検出面Ｉ上に干渉縞が発生する。

【0118】

本実施の形態は、この干渉縞のピッチｐが、集光レンズ２４から物体Ｔの光スポットＡまでの対物距離ａに応じて変化することに着目し、検出面Ｉ上に発生した干渉縞を光検出素子１７で検出して、距離算出部１８で、そのピッチｐを測定し、得られたピッチｐに基づいて集光レンズ２４から物体Ｔまでの対物距離ａを算出するようにしたものである。
以下では、両面ハーフミラー３５に対する主光線Ｓの入射角θ₁、すなわち両面ハーフミラー３５の傾きと、Ｘ方向およびＺ方向における虚スポットＵ１，Ｕ２の間隔ΔＸ，ΔＺとの関係を説明した上で、これら間隔ΔＸ，ΔＺとピッチｐ、さらにはピッチｐと対物距離ａとの関係について説明する。

【0119】

［Ｘ方向における虚スポット間隔Δｘ］
図２２に示すように、両面ハーフミラー３５の厚さ、すなわち第１面３５Ａと第２面３５Ｂとの距離をｔとし、両面ハーフミラー３５に対する光Ｓの入射角をθ₁とし、第１面３５Ａおよび第２面３５Ｂにおける屈折角をθ₂とした場合、第１面３５Ｂにおける第１の出力光Ｓ１と第２の出力光Ｓ２の出射位置の距離ｗは、上記の式（１３）で表される。

【0120】

また、両面ハーフミラー３５の相対屈折率をｎとした場合、スネルの法則から、θ₁とθ₂との関係は、上記の式（１４）で表される。
したがって、式（１４）を式（１３）に代入した場合、距離ｗは、θ₁を用いた式（１５）となり、Ｘ方向における虚スポットＵ１，Ｕ２の間隔Δｘは、式（１６）で求められる。

【0121】

［Ｚ方向における虚スポット間隔ΔＺ］
両面ハーフミラー３５から出射された第１の出力光Ｓ１は第１面３５Ａで反射した光であるため、Ｓ１の虚スポットＵ１は虚スポットＵと等しい。一方、第２の出力光Ｓ２は、主光線Ｓが両面ハーフミラー３５の法線方向Ｚｇに沿って、検出面Ｉ側あるいは集光レンズ２４側にそれぞれ平行移動したものと見なすことができる。
したがって、両面ハーフミラー３５の法線方向Ｚｇにおける、虚スポットＵから虚スポットＵ２までの距離Ｌｄ２を算出すれば、このＬｄ２からＺ方向における虚スポットＵ１，Ｕ２間の虚スポット間隔ΔＺを求めことができる。

【0122】

まず、図１４および図１５を参照して、光の平行移動について説明する。
図１４に示したように、光Ｓａを集光する集光レンズＣとその結像点Ｐａとの間に、屈折率の高い両面ハーフミラー３５などの平行平板からなる透光性を持つ媒体Ｇを挿入した場合、光Ｓａが平行移動した状態となり、媒体Ｇを透過した光Ｓｂの結像点は、媒体Ｇの法線方向Ｚｇに沿って結像点Ｐａから結像点Ｐｂまで延長されることになる。

【0123】

図１５に示したように、媒体Ｇの相対屈折率をｎとし、媒体Ｇの厚さをｔとし、媒体Ｇに対する光Ｓａの入射角をθ₁とし、媒体Ｇ内部での屈折角をθ₂とし、法線方向Ｚｇに沿った光Ｓａから光Ｓｂへの平行移動距離をｄとした場合、媒体Ｇの出射面上における、媒体Ｇに対する光Ｓａの入射位置と媒体Ｇからの光Ｓｂの出射位置との距離ｋは、上記の式（１７）で表され、平行移動距離ｄは上記の式（１８）で求められる。

【0124】

次に、図２３を参照して、第２の出力光Ｓ２の平行移動について説明する。図２３では、理解を容易とするため、光軸Ｏを傾け、両面ハーフミラー３５の法線を基準（水平）としている。なお、第１の出力光Ｓ１については平行移動していないので、Ｓ１に関する光路差Ｌｄ１はゼロ（＝０）とする。
前述した光の平行移動と同様にして、両面ハーフミラー３５から出射された第２の出力光Ｓ２は、図２３に示すように、両面ハーフミラー３５に入射した主光線Ｓが、両面ハーフミラー３５の法線方向Ｚｇに沿って、平行移動したものと見なすことができる。

【0125】

まず、入射角θ₁で第１面上の点Ａから入射した主光線Ｓは、法線方向Ｚｇに対して屈折角θ₂の角度で屈折した後、両面ハーフミラー３５内部を透過して、第２面３５Ｂ上の点Ｂで反射した後、第１面３５Ａ上の点Ｃから第２の出力光Ｓ２として出射する。

【0126】

この際、点Ａから点Ｃまでの経路は、厚さ２ｔの両面ハーフミラー３５内部を反射せずに透過した経路と等しいものと見なすことかできる。したがって、点Ａから点Ｃまでの経路を第２面３５Ｂの右側に展開し、第１面３５Ａから距離２ｔだけ離れた仮想第１面上の点Ｄから主光線Ｓが入射角θ₁で入射し、第２面３５Ｂ上の点Ｂを通過した後、第１面３５Ａ上の点Ｃから出射した場合と同等となる。

【0127】

この場合、第２の出力光Ｓ２を仮想第１面側に延長した場合に点Ａを通過する法線と交差する点を点Ｄ’とした場合、点Ｄ’を通過して点Ｃから出射する第２の出力光Ｓ２は、点Ｄに入射した主光線Ｓ’の直進光Ｓ２’が、法線方向Ｚｇに沿って集光レンズ２４側に平行移動したものと見なすことができ、線分Ｄ−Ｄ’が第２の出力光Ｓ２の平行移動距離ｄ２に相当する。

【0128】

ここで、三角形ＡＤＣと三角形ＡＤ’Ｃは、辺ＡＣを共通としているため、次の式（３７）の関係が得られる。また、両面ハーフミラー３５の相対屈折率をｎとし，両面ハーフミラー３５の厚さをｔとして、スネルの法則により、式（３７）のθ₂をθ₁で置換した場合、線分Ｄ−Ｄ’の距離ｄ２は式（３８）で求められる。

【数37】

【数38】

【0129】

したがって、第２の出力光Ｓ２を仮想第１面側に延長した場合に仮想第１面と交差する点を点Ｄ’’とした場合、このような第２の出力光Ｓ２の平行移動により、主光線Ｓの光路長が線分Ｄ’’−Ｄ’の長さＬｄ２’だけ検出面Ｉ側に延長されたことになる。このことは、見かけ上、虚スポットＵが法線方向Ｚｇに沿って距離ｄ２だけ集光レンズ２４側に虚スポットＵ１まで移動したことを示している。このため、このＬｄ２’は式（３８）で求めた距離ｄ１から次の式（３９）で求められる。

【数39】

【0130】

ここで、この距離Ｌｄ２’には、仮想第１面まで２ｔ分だけ展開した展開距離２ｔ／ｃｏｓθ₁が含まれている。したがって、第２の出力光Ｓ２に関する実際の光路差Ｌｄ２は、次の式（４０）で求められる。

【数40】

【0131】

したがって、Ｚ方向における虚スポットＵ１，Ｕ２の間隔Δｚは、第２の出力光Ｓ２の光路差Ｌｄ２に基づいて、上記の式（２６）で求められる。

【0132】

［虚スポット間隔ΔＸ，ΔＺとピッチｐとの関係］
次に、図１８を参照して、虚スポットＵ１，Ｕ２の間隔ΔＸ，ΔＺと、検出面Ｉ上に生じる干渉縞のピッチｐとの関係について説明する。図１８では、理解を容易とするため、光軸Ｏを基準（水平）とし、両面ハーフミラー３５は無視するものとする。

【0133】

図１８において、虚スポットＵ１，Ｕ２は、Ｘ方向に間隔ΔＸだけ離れるとともに、Ｚ方向に間隔ΔＺだけ離れて位置している。ここで、虚スポットＵ１からの第１の出力光Ｓ１と、虚スポットＵ２からの第２の出力光Ｓ２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、虚スポットＵ１を通過するＸ方向の線と虚スポットＵ２を通過するＺ方向の線との交点を点Ｄとし、線分Ｕ１−Ｄの中間点Ｄ０からＺ方向に伸ばした線と検出面Ｉとが交わる点をＶ０とし、検出面Ｉ上でＹ方向に沿ったＶ０からＶまでの距離をＰとし、虚スポットＵ１から検出面Ｉまでの距離をｃとする。

【0134】

第１の出力光Ｓ１に関する虚スポットＵ１から到達点Ｖまでの光路長Ｌ１は、三平方の定理により、上記の式（２７）で求められる。この際、距離ｃに比較して間隔Δｘが非常に小さく、Ｚ方向に対する線分Ｄ０−Ｖの傾きΦに代表される第１の出力光Ｓ１および第２の出力光Ｓ２の傾きが非常に小さいため、光路長Ｌ１は上記の式（２８）のように近似できる。

【0135】

一方、線分Ｕ２−Ｖと線分Ｕ１−Ｄとの交点を点Ｕ２’とした場合、第２の出力光Ｓ２に関する虚スポットＵ２から到達点Ｖまでの光路長Ｌ２は、線分Ｕ２−Ｕ２’の光路長Ｌ２１と線分Ｕ２’−Ｖの光路長Ｌ２２との和で求められる。
まず、光路長Ｌ２１については、線分Ｄ−Ｕ２’の距離をｘ’とした場合、前述した式（２８）と同様にして、上記の式（２９）により求められる。

【0136】

ここで、前述したように、線分Ｕ２−Ｕ２’の傾きΦが非常に小さく、距離ｘ’／間隔ΔｚすなわちｔａｎΦが極めて小さいため、式（２９）の右辺第２項は非常に小さい値となる。このため、結果として光路長Ｌ２１はΔｚで近似できることになる。
一方、光路長Ｌ２２は、光路長Ｌ１と同様は、三平方の定理により、上記の式（３０）で求められる。

【0137】

これにより、光路長Ｌ２は上記の式（３１）で求められ、虚スポットＵ１からの第１の出力光Ｓ１と、虚スポットＵ２からの第２の出力光Ｓ２との光路差ΔＬは、上記の式（３２）で求められる。

【0138】

検出面Ｉ上では、この光路差ΔＬにより干渉縞が生じ、具体的には、光路差ΔＬが光の波長λの整数ｍ（ｍは、０以上の整数）倍となる場合、検出面Ｉにおいて明線が生じる。また、光路差ΔＬのうち間隔Δｚは一定値であり、この値は、干渉縞の初期位相にのみ影響を与えるだけで干渉縞ピッチｐには影響を与えるものではない。

【0139】

したがって、検出面Ｉ上に生じた各明線のうち、隣接する明線の間隔は干渉縞ピッチｐとなり、その値はｍ＝１の場合に相当する。よって、検出面Ｉ上に生じた干渉縞の干渉縞ピッチｐは、式（３２）において光路差ΔＬ＝λとし、間隔Δｚを無視することにより、上記の式（３３）で求められる。

【0140】

一方、図２４に示すように、物体Ｔから主点Ｍすなわち集光レンズ２４の位置までの対物距離をａとし、主点から虚スポットＵまでの距離をｂとし、集光レンズ２４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、上記の式（３４）で表される。

【0141】

したがって、主点から虚スポットＵまでの距離ｂと虚スポットＵ１から検出面Ｉまでの距離ｃ（ｃ＝虚スポットＵ１から第１面３５Ａまでの距離ｃ１＋第１面３５Ａから検出面Ｉまでの距離ｃ２）の和を距離ｇ（ｇ＝一定）としてｃ＝ｇ−ｂとし、これに式（３４）から求められる距離ｂを代入すると、前述した式（３３）は上記の式（３５）となる。したがって、式（３５）から、物体Ｔから主点Ｍすなわち集光レンズ２４の位置までの対物距離ａは、上記の式（３６）で求められることになる。

【0142】

本実施の形態においても、光検出素子１７の検出面Ｉには図８と同様の干渉縞が生じ、光検出素子１７で得られる検出結果は、図９と同様に、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。

【0143】

［第５の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、物体Ｔからの反射光を集光レンズ２４により虚スポットＵに一旦集光させた後、両面ハーフミラー３５により２つの出力光に分離して、反射光が入射される第１面から出力し、これら２つの出力光により検出面Ｉに生じた干渉縞を光検出素子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２４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。

【0144】

これにより、両面ハーフミラー３５により、物体Ｔからの反射光が集光した虚スポットＵが仮想的な２つの虚スポットＵ１（＝Ｕ），Ｕ２に分離されて、これら虚スポットＵ１，Ｕ２を仮想的な集光点とする反射光により、対物距離ａに応じて干渉縞ピッチｐが変化する干渉縞が、検出面Ｉ上に発生する。
したがって、両面ハーフミラー３５という極めて簡素な既存の光学要素で、虚スポットＵからの反射光Ｓを、虚スポットＵ１からの第１の出力光Ｓ１と虚スポットＵ２からの第２の出力光Ｓ２とに容易に分離させることができる。このため、従来の精密な研磨加工を要する多重焦点レンズや球体レンズを用いる必要がなくなり、高価な光学系レンズやその精密な組み立てを省くことができる。これにより、比較的安価なコストで、物体Ｔまでの対物距離ａを正確に測定することができる距離測定装置を実現することが可能となる。

【0145】

また、本実施の形態は、両面ハーフミラー３５に、それぞれ半透光性を持つ平行配置された２つの第１面３５Ａおよび第２面３５Ｂを設け、虚スポットＵに一旦集光した反射光のうち、その一部を第１面３５Ａで反射させて第１の出力光Ｓ１として出力する機能と、他の一部を第１面３５Ａを透過した光を第２面３５Ｂで反射した後に第１面３５Ａを透過させて第２の出力光Ｓ２として出力するようにしたものである。

【0146】

これにより、両面ハーフミラー３５という極めて簡素な光学要素で、虚スポットＵからの反射光Ｓを、虚スポットＵ１からの第１の出力光Ｓ１と虚スポットＵ２からの第２の出力光Ｓ２とに容易に分離させることができ、効率よく干渉縞を発生させることができる。
また、干渉縞は正弦波形状となるため、干渉縞ピッチｐの測定が容易となるとともに、干渉縞の局在化、すなわち周期的な特定の距離近辺にのみ干渉縞が現れる現象が発生しないため、対物距離ａの測定スパンを広くすることができる。さらに、干渉縞ピッチｐが検出面Ｉ上で一定となるため、光検出素子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。

【0147】

また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、光源１１として複数の半導体レーザを使用することにより、物体Ｔの表面が粗面であっても、簡便かつ安価な方法で、干渉縞のコントラストの低下を抑えつつ、干渉縞の波面の乱れを低減することができ、距離計測の誤差の発生を抑えることができる。

【0148】

［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図２５は、本発明の第６の実施の形態にかかる距離測定装置１０ｂの構成を示す説明図であり、図１、図１２、図２１と同様の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態では、前述した第５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２４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。

【0149】

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２４に出力する機能を有している。
図２５の例では、対物レンズ２０と集光レンズ２４との間にビームスプリッタ１３が配置されている。これにより、光源１１から発せられた光は、光源レンズ１２で平行光に変換された後、ビームスプリッタ１３で反射され、この後、対物レンズ２０により集光されて物体Ｔに照射される。

【0150】

また、物体Ｔからの反射光は、対物レンズ２０で平行光に変換され、ビームスプリッタ１３を通過して集光レンズ２４により虚スポットＵに一旦集光させた後、虚スポットＵから広がり始めた反射光が両面ハーフミラー３５を通過して検出面Ｉに照射される。

【0151】

これにより、第５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。

【0152】

［第６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２４との間の区間において、物体Ｔからの反射光を平行光に変換するようにしたので、物体Ｔまでの対物距離ａが変化しても、その対物距離ａに応じた焦点距離を持つ対物レンズ２０に取り換えることにより、対物レンズ２０から検出面Ｉまでの区間においては、光路が一定となる。
このため、広範囲の対物距離ａに対応することができ、測定レンジを大幅に拡大することが可能となる。
［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

【産業上の利用可能性】

【0153】

本発明は、物体までの距離を光学的に測定する技術に適用することができる。

【符号の説明】

【0154】

１０，１０ａ，１０ｂ…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、１５，２４…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、２１…半導体レーザ、２５，３５……両面ハーフミラー、Ｔ…物体、Ｑ…結像面、Ｉ…検出面、ａ…対物距離、ｐ…干渉縞ピッチ、Ｕ…虚スポット。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】