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特開2022-134769干渉縞解析装置、干渉縞解析方法、距離測定装置および距離測定方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022134769
(43)【公開日】2022-09-15
(54)【発明の名称】干渉縞解析装置、干渉縞解析方法、距離測定装置および距離測定方法
(51)【国際特許分類】
G01B 9/02 20220101AFI20220908BHJP
G01B 11/00 20060101ALI20220908BHJP
【ＦＩ】
G01B9/02
G01B11/00 B
G01B11/00 G
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021034150
(22)【出願日】2021-03-04
(71)【出願人】
【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】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(72)【発明者】
【氏名】古谷 雅
(72)【発明者】
【氏名】藤井 絵理
【テーマコード（参考）】
2F064
2F065
【Ｆターム（参考）】
2F064AA01
2F064AA09
2F064CC03
2F064FF01
2F064FF05
2F064GG00
2F064HH02
2F064HH07
2F064JJ00
2F064JJ01
2F064JJ04
2F064JJ06
2F064JJ15
2F065AA06
2F065AA20
2F065BB05
2F065DD04
2F065DD11
2F065EE00
2F065FF48
2F065FF52
2F065GG06
2F065GG22
2F065HH04
2F065JJ02
2F065JJ25
2F065LL04
2F065LL12
2F065LL42
2F065QQ16
2F065QQ18
2F065QQ24
2F065QQ29
2F065QQ31
2F065QQ33
2F065QQ44
2F065UU05
(57)【要約】
【課題】光検出素子へのノイズ光の入射による計測誤差を低減する。
【解決手段】干渉縞解析装置１２は、光検出素子によって検出された光強度信号のうち、光検出素子の検出面上の一部の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出する信号抽出部１２９と、抽出された光強度信号の位相を検出面上の位置毎に算出する位相算出部１２４と、複数の抽出領域のうちの１つを選択して光強度信号の位相の近似直線を求める近似直線算出部１３０と、近似直線算出部１３０によって選択された領域以外の抽出領域における光強度信号の位相と近似直線とが連続的になるように、複数の抽出領域の位相接続を行う位相接続部１３１と、位相接続された全ての抽出領域における光強度信号の位相に基づいて干渉縞周波数を算出する干渉縞周波数算出部１２５を備える。
【選択図】 図２
【解決手段】干渉縞解析装置１２は、光検出素子によって検出された光強度信号のうち、光検出素子の検出面上の一部の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出する信号抽出部１２９と、抽出された光強度信号の位相を検出面上の位置毎に算出する位相算出部１２４と、複数の抽出領域のうちの１つを選択して光強度信号の位相の近似直線を求める近似直線算出部１３０と、近似直線算出部１３０によって選択された領域以外の抽出領域における光強度信号の位相と近似直線とが連続的になるように、複数の抽出領域の位相接続を行う位相接続部１３１と、位相接続された全ての抽出領域における光強度信号の位相に基づいて干渉縞周波数を算出する干渉縞周波数算出部１２５を備える。
【選択図】 図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光検出素子によって検出された干渉縞の明暗パターンを示す光強度信号のうち、前記光検出素子の検出面上の一部の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出するように構成された信号抽出部と、
前記信号抽出部によって抽出された光強度信号の位相を前記検出面上の位置毎に算出するように構成された位相算出部と、
複数の前記抽出領域のうちの１つを選択して光強度信号の位相の近似直線を求めるように構成された近似直線算出部と、
前記近似直線算出部によって選択された領域以外の抽出領域における光強度信号の位相と前記近似直線とが連続的になるように、前記複数の抽出領域の位相接続を行うように構成された位相接続部と、
前記位相接続された全ての抽出領域における光強度信号の位相に基づいて光強度信号の空間周波数を示す干渉縞周波数を算出するように構成された周波数算出部とを備えることを特徴とする干渉縞解析装置。
前記信号抽出部によって抽出された光強度信号の位相を前記検出面上の位置毎に算出するように構成された位相算出部と、
複数の前記抽出領域のうちの１つを選択して光強度信号の位相の近似直線を求めるように構成された近似直線算出部と、
前記近似直線算出部によって選択された領域以外の抽出領域における光強度信号の位相と前記近似直線とが連続的になるように、前記複数の抽出領域の位相接続を行うように構成された位相接続部と、
前記位相接続された全ての抽出領域における光強度信号の位相に基づいて光強度信号の空間周波数を示す干渉縞周波数を算出するように構成された周波数算出部とを備えることを特徴とする干渉縞解析装置。
【請求項2】
請求項１記載の干渉縞解析装置において、
前記信号抽出部は、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち光強度が所定の閾値以上の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出することを特徴とする干渉縞解析装置。
前記信号抽出部は、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち光強度が所定の閾値以上の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出することを特徴とする干渉縞解析装置。
【請求項3】
請求項１記載の干渉縞解析装置において、
前記信号抽出部は、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち予め規定された領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出することを特徴とする干渉縞解析装置。
前記信号抽出部は、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち予め規定された領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出することを特徴とする干渉縞解析装置。
【請求項4】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の干渉縞解析装置において、
前記位相算出部は、前記抽出領域における光強度信号の位相が連続的になるように位相接続を前記抽出領域毎に行うことを特徴とする干渉縞解析装置。
前記位相算出部は、前記抽出領域における光強度信号の位相が連続的になるように位相接続を前記抽出領域毎に行うことを特徴とする干渉縞解析装置。
【請求項5】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の干渉縞解析装置において、
前記周波数算出部は、前記位相接続部によって位相接続された全ての抽出領域における光強度信号の位相の近似直線の傾きから前記干渉縞周波数を求めることを特徴とする干渉縞解析装置。
前記周波数算出部は、前記位相接続部によって位相接続された全ての抽出領域における光強度信号の位相の近似直線の傾きから前記干渉縞周波数を求めることを特徴とする干渉縞解析装置。
【請求項6】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の干渉縞解析装置において、
前記信号抽出部によって抽出された光強度信号を空間周波数領域のスペクトルに変換する処理を前記抽出領域毎に行うように構成された変換部と、
前記変換部によって変換されたスペクトルに含まれるピークのうち、強度が最大となるピークの空間周波数を基準周波数として前記抽出領域毎に検出するように構成されたピーク周波数検出部と、
前記変換部によって変換されたスペクトルのうち前記基準周波数付近の周波数帯のみを通過させるフィルタ処理を前記抽出領域毎に行うように構成されたフィルタと、
前記フィルタ処理後のスペクトルを、空間領域の光強度信号に変換する処理を前記抽出領域毎に行うように構成された逆変換部とをさらに備え、
前記位相算出部は、前記信号抽出部によって抽出された光強度信号の代わりに、前記逆変換部によって復元された光強度信号の位相を前記検出面上の位置毎に算出することを特徴とする干渉縞解析装置。
前記信号抽出部によって抽出された光強度信号を空間周波数領域のスペクトルに変換する処理を前記抽出領域毎に行うように構成された変換部と、
前記変換部によって変換されたスペクトルに含まれるピークのうち、強度が最大となるピークの空間周波数を基準周波数として前記抽出領域毎に検出するように構成されたピーク周波数検出部と、
前記変換部によって変換されたスペクトルのうち前記基準周波数付近の周波数帯のみを通過させるフィルタ処理を前記抽出領域毎に行うように構成されたフィルタと、
前記フィルタ処理後のスペクトルを、空間領域の光強度信号に変換する処理を前記抽出領域毎に行うように構成された逆変換部とをさらに備え、
前記位相算出部は、前記信号抽出部によって抽出された光強度信号の代わりに、前記逆変換部によって復元された光強度信号の位相を前記検出面上の位置毎に算出することを特徴とする干渉縞解析装置。
【請求項7】
請求項６記載の干渉縞解析装置において、
前記ピーク周波数検出部は、前記変換部によって変換されたスペクトルに含まれる正の空間周波数成分のうち、強度が最大となるピークの空間周波数を前記基準周波数として検出することを特徴とする干渉縞解析装置。
前記ピーク周波数検出部は、前記変換部によって変換されたスペクトルに含まれる正の空間周波数成分のうち、強度が最大となるピークの空間周波数を前記基準周波数として検出することを特徴とする干渉縞解析装置。
【請求項8】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の干渉縞解析装置と、
光源からの光を測定対象に照射する照射光学系と、
前記測定対象からの反射光を受光する光検出素子と、
前記測定対象と前記光検出素子との間に設けられ、前記測定対象からの反射光を２分割して異なる入射角で前記光検出素子に入射させる干渉光学系と、
前記干渉縞解析装置によって求められた干渉縞周波数に基づいて、前記光検出素子から前記測定対象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。
光源からの光を測定対象に照射する照射光学系と、
前記測定対象からの反射光を受光する光検出素子と、
前記測定対象と前記光検出素子との間に設けられ、前記測定対象からの反射光を２分割して異なる入射角で前記光検出素子に入射させる干渉光学系と、
前記干渉縞解析装置によって求められた干渉縞周波数に基づいて、前記光検出素子から前記測定対象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9】
請求項８記載の距離測定装置において、
前記干渉光学系は、前記測定対象から反射される反射光を入射光として、前記入射光の位相を変えて予め設定された２つの次数の回折光を出射する回折光学素子を含むことを特徴とする距離測定装置。
前記干渉光学系は、前記測定対象から反射される反射光を入射光として、前記入射光の位相を変えて予め設定された２つの次数の回折光を出射する回折光学素子を含むことを特徴とする距離測定装置。
【請求項10】
光検出素子によって検出された干渉縞の明暗パターンを示す光強度信号のうち、前記光検出素子の検出面上の一部の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出する信号抽出ステップと、
前記信号抽出ステップで抽出した光強度信号の位相を前記検出面上の位置毎に算出する位相算出ステップと、
複数の前記抽出領域のうちの１つを選択して光強度信号の位相の近似直線を求める近似直線算出ステップと、
前記近似直線算出ステップで選択した領域以外の抽出領域における光強度信号の位相と前記近似直線とが連続的になるように、前記複数の抽出領域の位相接続を行う位相接続ステップと、
前記位相接続された全ての抽出領域における光強度信号の位相に基づいて光強度信号の空間周波数を示す干渉縞周波数を算出する周波数算出ステップとを含むことを特徴とする干渉縞解析方法。
前記信号抽出ステップで抽出した光強度信号の位相を前記検出面上の位置毎に算出する位相算出ステップと、
複数の前記抽出領域のうちの１つを選択して光強度信号の位相の近似直線を求める近似直線算出ステップと、
前記近似直線算出ステップで選択した領域以外の抽出領域における光強度信号の位相と前記近似直線とが連続的になるように、前記複数の抽出領域の位相接続を行う位相接続ステップと、
前記位相接続された全ての抽出領域における光強度信号の位相に基づいて光強度信号の空間周波数を示す干渉縞周波数を算出する周波数算出ステップとを含むことを特徴とする干渉縞解析方法。
【請求項11】
請求項１０記載の干渉縞解析方法において、
前記信号抽出ステップは、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち光強度が所定の閾値以上の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出するステップを含むことを特徴とする干渉縞解析方法。
前記信号抽出ステップは、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち光強度が所定の閾値以上の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出するステップを含むことを特徴とする干渉縞解析方法。
【請求項12】
請求項１０記載の干渉縞解析方法において、
前記信号抽出ステップは、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち予め規定された領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出するステップを含むことを特徴とする干渉縞解析方法。
前記信号抽出ステップは、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち予め規定された領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出するステップを含むことを特徴とする干渉縞解析方法。
【請求項13】
請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の干渉縞解析方法において、
前記信号抽出ステップで抽出した光強度信号を空間周波数領域のスペクトルに変換する処理を前記抽出領域毎に行う変換ステップと、
前記変換ステップで変換したスペクトルに含まれるピークのうち、強度が最大となるピークの空間周波数を基準周波数として前記抽出領域毎に検出する基本周波数検出ステップと、
前記変換ステップで変換したスペクトルのうち前記基準周波数付近の周波数帯のみを通過させるフィルタ処理を前記抽出領域毎に行うフィルタ処理ステップと、
前記フィルタ処理後のスペクトルを、空間領域の光強度信号に変換する処理を前記抽出領域毎に行う逆変換ステップとをさらに含み、
前記位相算出ステップは、前記信号抽出ステップで抽出した光強度信号の代わりに、前記逆変換ステップで復元した光強度信号の位相を前記検出面上の位置毎に算出するステップを含むことを特徴とする干渉縞解析方法。
前記信号抽出ステップで抽出した光強度信号を空間周波数領域のスペクトルに変換する処理を前記抽出領域毎に行う変換ステップと、
前記変換ステップで変換したスペクトルに含まれるピークのうち、強度が最大となるピークの空間周波数を基準周波数として前記抽出領域毎に検出する基本周波数検出ステップと、
前記変換ステップで変換したスペクトルのうち前記基準周波数付近の周波数帯のみを通過させるフィルタ処理を前記抽出領域毎に行うフィルタ処理ステップと、
前記フィルタ処理後のスペクトルを、空間領域の光強度信号に変換する処理を前記抽出領域毎に行う逆変換ステップとをさらに含み、
前記位相算出ステップは、前記信号抽出ステップで抽出した光強度信号の代わりに、前記逆変換ステップで復元した光強度信号の位相を前記検出面上の位置毎に算出するステップを含むことを特徴とする干渉縞解析方法。
【請求項14】
光源からの光を測定対象に照射する照射ステップと、
前記測定対象からの反射光を入射光として、前記入射光を２分割して異なる入射角で光検出素子に入射させる光検出ステップと、
請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の各ステップと、
前記干渉縞周波数に基づいて前記光検出素子から前記測定対象までの対物距離を算出する距離算出ステップとを含むことを特徴とする距離測定方法。
前記測定対象からの反射光を入射光として、前記入射光を２分割して異なる入射角で光検出素子に入射させる光検出ステップと、
請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の各ステップと、
前記干渉縞周波数に基づいて前記光検出素子から前記測定対象までの対物距離を算出する距離算出ステップとを含む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、干渉縞解析装置、干渉縞解析方法、距離測定装置および距離測定方法に関し、特に物体で反射された光の干渉縞を解析して測定対象までの対物距離を測定する光干渉計測技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、レーザ光等の光の干渉を利用して、測定対象までの対物距離や形状、変位などを非接触で測定する光学的測定装置が知られている。特許文献１に開示された距離測定装置では、測定対象に光を照射し、測定対象からの反射光が回折格子を通過した際に生じる干渉縞のピッチから対物距離を求める。干渉縞のピッチを求める際には、干渉縞信号をフーリエ変換によって空間周波数領域のスペクトルに変換して周波数フィルタリングを行った後に、逆フーリエ変換によってスペクトルを空間領域の信号に変換して位相を求め、位相の傾きから干渉縞のピッチを求める。
【0003】
特許文献１に開示された距離測定装置では、干渉縞を計測する際に、ノイズ光が光検出素子に入射した場合、上記の方法で得られる位相にノイズが含まれ、計測誤差になるという課題があった。測定対象からの拡散反射光を信号光と設定した場合、ノイズ光とは、測定対象からの拡散反射光以外の光であり、例えば測定対象からの正反射光や、光学系内のレンズ等による不要な反射光や、環境光などである。特に、一例として、対象物体の表面状態によっては正反射光が強く、光検出素子が飽和するような非常に強い正反射光が入射することがあるため、大きな計測誤差の要因となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２０－１０１５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、光検出素子へのノイズ光の入射による計測誤差を低減することができる干渉縞解析装置、干渉縞解析方法、距離測定装置および距離測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の干渉縞解析装置は、光検出素子によって検出された干渉縞の明暗パターンを示す光強度信号のうち、前記光検出素子の検出面上の一部の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出するように構成された信号抽出部と、前記信号抽出部によって抽出された光強度信号の位相を前記検出面上の位置毎に算出するように構成された位相算出部と、複数の前記抽出領域のうちの１つを選択して光強度信号の位相の近似直線を求めるように構成された近似直線算出部と、前記近似直線算出部によって選択された領域以外の抽出領域における光強度信号の位相と前記近似直線とが連続的になるように、前記複数の抽出領域の位相接続を行うように構成された位相接続部と、前記位相接続された全ての抽出領域における光強度信号の位相に基づいて光強度信号の空間周波数を示す干渉縞周波数を算出するように構成された周波数算出部とを備えることを特徴とするものである。
【0007】
また、本発明の干渉縞解析装置の１構成例において、前記信号抽出部は、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち光強度が所定の閾値以上の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出することを特徴とするものである。
また、本発明の干渉縞解析装置の１構成例において、前記信号抽出部は、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち予め規定された領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出することを特徴とするものである。
また、本発明の干渉縞解析装置の１構成例において、前記位相算出部は、前記抽出領域における光強度信号の位相が連続的になるように位相接続を前記抽出領域毎に行うことを特徴とするものである。
また、本発明の干渉縞解析装置の１構成例において、前記周波数算出部は、前記位相接続部によって位相接続された全ての抽出領域における光強度信号の位相の近似直線の傾きから前記干渉縞周波数を求めることを特徴とするものである。
また、本発明の干渉縞解析装置の１構成例において、前記信号抽出部は、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち予め規定された領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出することを特徴とするものである。
また、本発明の干渉縞解析装置の１構成例において、前記位相算出部は、前記抽出領域における光強度信号の位相が連続的になるように位相接続を前記抽出領域毎に行うことを特徴とするものである。
また、本発明の干渉縞解析装置の１構成例において、前記周波数算出部は、前記位相接続部によって位相接続された全ての抽出領域における光強度信号の位相の近似直線の傾きから前記干渉縞周波数を求めることを特徴とするものである。
【0008】
また、本発明の干渉縞解析装置の１構成例は、前記信号抽出部によって抽出された光強度信号を空間周波数領域のスペクトルに変換する処理を前記抽出領域毎に行うように構成された変換部と、前記変換部によって変換されたスペクトルに含まれるピークのうち、強度が最大となるピークの空間周波数を基準周波数として前記抽出領域毎に検出するように構成されたピーク周波数検出部と、前記変換部によって変換されたスペクトルのうち前記基準周波数付近の周波数帯のみを通過させるフィルタ処理を前記抽出領域毎に行うように構成されたフィルタと、前記フィルタ処理後のスペクトルを、空間領域の光強度信号に変換する処理を前記抽出領域毎に行うように構成された逆変換部とをさらに備え、前記位相算出部は、前記信号抽出部によって抽出された光強度信号の代わりに、前記逆変換部によって復元された光強度信号の位相を前記検出面上の位置毎に算出することを特徴とするものである。
また、本発明の干渉縞解析装置の１構成例において、前記ピーク周波数検出部は、前記変換部によって変換されたスペクトルに含まれる正の空間周波数成分のうち、強度が最大となるピークの空間周波数を前記基準周波数として検出することを特徴とするものである。
また、本発明の干渉縞解析装置の１構成例において、前記ピーク周波数検出部は、前記変換部によって変換されたスペクトルに含まれる正の空間周波数成分のうち、強度が最大となるピークの空間周波数を前記基準周波数として検出することを特徴とするものである。
【0009】
また、本発明の距離測定装置は、干渉縞解析装置と、光源からの光を測定対象に照射する照射光学系と、前記測定対象からの反射光を受光する光検出素子と、前記測定対象と前記光検出素子との間に設けられ、前記測定対象からの反射光を２分割して異なる入射角で前記光検出素子に入射させる干渉光学系と、前記干渉縞解析装置によって求められた干渉縞周波数に基づいて、前記光検出素子から前記測定対象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ものである。
また、本発明の距離測定装置の１構成例において、前記干渉光学系は、前記測定対象から反射される反射光を入射光として、前記入射光の位相を変えて予め設定された２つの次数の回折光を出射する回折光学素子を含む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の１構成例において、前記干渉光学系は、前記測定対象から反射される反射光を入射光として、前記入射光の位相を変えて予め設定された２つの次数の回折光を出射する回折光学素子を含むことを特徴とするものである。
【0010】
また、本発明の干渉縞解析方法は、光検出素子によって検出された干渉縞の明暗パターンを示す光強度信号のうち、前記光検出素子の検出面上の一部の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出する信号抽出ステップと、前記信号抽出ステップで抽出した光強度信号の位相を前記検出面上の位置毎に算出する位相算出ステップと、複数の前記抽出領域のうちの１つを選択して光強度信号の位相の近似直線を求める近似直線算出ステップと、前記近似直線算出ステップで選択した領域以外の抽出領域における光強度信号の位相と前記近似直線とが連続的になるように、前記複数の抽出領域の位相接続を行う位相接続ステップと、前記位相接続された全ての抽出領域における光強度信号の位相に基づいて光強度信号の空間周波数を示す干渉縞周波数を算出する周波数算出ステップとを含むことを特徴とするものである。
【0011】
また、本発明の干渉縞解析方法の１構成例において、前記信号抽出ステップは、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち光強度が所定の閾値以上の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出するステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の干渉縞解析方法の１構成例において、前記信号抽出ステップは、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち予め規定された領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出するステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の干渉縞解析方法の１構成例において、前記信号抽出ステップは、前記光検出素子の検出面上の全領域のうち予め規定された領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出するステップを含むことを特徴とするものである。
【0012】
また、本発明の干渉縞解析方法の１構成例は、前記信号抽出ステップで抽出した光強度信号を空間周波数領域のスペクトルに変換する処理を前記抽出領域毎に行う変換ステップと、前記変換ステップで変換したスペクトルに含まれるピークのうち、強度が最大となるピークの空間周波数を基準周波数として前記抽出領域毎に検出する基本周波数検出ステップと、前記変換ステップで変換したスペクトルのうち前記基準周波数付近の周波数帯のみを通過させるフィルタ処理を前記抽出領域毎に行うフィルタ処理ステップと、前記フィルタ処理後のスペクトルを、空間領域の光強度信号に変換する処理を前記抽出領域毎に行う逆変換ステップとをさらに含み、前記位相算出ステップは、前記信号抽出ステップで抽出した光強度信号の代わりに、前記逆変換ステップで復元した光強度信号の位相を前記検出面上の位置毎に算出するステップを含む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、光源からの光を測定対象に照射する照射ステップと、前記測定対象からの反射光を入射光として、前記入射光を２分割して異なる入射角で光検出素子に入射させる光検出ステップと、前記の各ステップと、前記干渉縞周波数に基づいて前記光検出素子から前記測定対象までの対物距離を算出する距離算出ステップとを含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、光検出素子によって検出された光強度信号のうち、光検出素子の検出面上の一部の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出し、抽出した光強度信号の位相を検出面上の位置毎に算出し、複数の抽出領域のうちの１つを選択して光強度信号の位相の近似直線を求め、選択した領域以外の抽出領域における光強度信号の位相と近似直線とが連続的になるように複数の抽出領域の位相接続を行い、位相接続した全ての抽出領域における光強度信号の位相に基づいて光強度信号の空間周波数を示す干渉縞周波数を算出することにより、光検出素子へのノイズ光の入射による計測誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【発明を実施するための形態】
【0016】
［発明の原理］
本発明では、特許文献１に開示された手法を用いる際に、光検出素子で得られた光強度信号のうち、一部の光強度信号のみを用いて解析を行う。さらに、その光強度信号は不連続であることを特徴とする。
本発明では、特許文献１に開示された手法を用いる際に、光検出素子で得られた光強度信号のうち、一部の光強度信号のみを用いて解析を行う。さらに、その光強度信号は不連続であることを特徴とする。
【0017】
一部の光強度信号のみを用いる理由は、ノイズ光が支配的な部分の光強度信号を使わずに、測定対象からの信号光（例えば拡散反射光）が支配的な部分の光強度信号のみを用いて解析することで、計測誤差を低減するためである。例えば光検出素子で得られた光強度信号の中央部分に強いノイズ光が含まれている場合に、光強度信号の中央部分を除いた両端の部分のみの、不連続な光強度信号を用いて解析する。
【0018】
［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。距離測定装置１は、測定対象に光を照射して反射させ、その反射光の干渉縞を解析して得られた干渉縞周波数に基づいて測定対象までの対物距離を測定する。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。距離測定装置１は、測定対象に光を照射して反射させ、その反射光の干渉縞を解析して得られた干渉縞周波数に基づいて測定対象までの対物距離を測定する。
【0019】
距離測定装置１は、図１に示すように、光学系１０と、光検出素子１１と、干渉縞解析装置１２と、距離算出部１３と、設定部１４と、記憶装置１５と、表示装置１６とを備える。距離測定装置１は、例えば、図１には図示しないケーシング内部に収納されていてもよい。
【0020】
光学系１０は、図３に示すように、光源１０１からの光を集光して測定対象Ｔに照射する照射光学系１０６と、測定対象Ｔから反射される反射光を入射光として、入射光の位相を変えて予め設定された２つの次数の回折光を出射する回折光学素子１０４とを備える。回折光学素子１０４から出射された２つの次数の回折光により干渉縞が生ずる。図３では、回折光学素子１０４における格子の一方の長手方向（紙面垂直方向）をＸ方向とし、格子の面内でかつ格子の長手方向に直交する方向（紙面上下方向）をＹ方向とし、格子面に垂直な方向（紙面左右方向）をＺ方向とする。回折光学素子１０４は干渉光学系１０７を構成している。なお、光学系１０の詳細は後述する。
【0021】
光検出素子１１は、複数の受光素子が空間的に配列された検出面１１０を有し、図３に示すように、光学系１０の回折光学素子１０４を挟んで測定対象Ｔとは反対側に配置されている。光検出素子１１は、望ましくは、光学系１０の光軸上に、検出面１１０と光軸とが互いに直交するように配置されて、回折光学素子１０４から出射された２つの次数の回折光により生じた干渉縞による明暗パターンを検出する。
【0022】
光検出素子１１としては、例えば、ＣＣＤ（Charged Coupled Device）等の撮像素子や、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）やフォトダイオードなどの受光素子を空間的に配列したリニアイメージセンサやフォトダイオードアレイなどを用いることができる。
【0023】
干渉縞解析装置１２は、光検出素子１１によって検出された干渉縞の明暗パターンを示す光強度信号から干渉縞の空間周波数、すなわち干渉縞周波数を求める。干渉縞解析装置１２の詳細は後述する。
【0024】
距離算出部１３は、干渉縞解析装置１２によって求められた干渉縞周波数に基づいて光検出素子１１から測定対象Ｔまでの対物距離を算出する。
【0025】
設定部１４は、光学系１０、光検出素子１１、および表示装置１６の動作を制御する。また、設定部１４は、干渉縞解析装置１２が備えるバンドパスフィルタ１２２のフィルタ係数の設定などを外部からの入力に応じて行う。
【0026】
記憶装置１５は、例えば、ＨＤＤやフラッシュメモリなどの記憶装置からなり、光検出素子１１が検出した干渉縞を記憶する。また、記憶装置１５は、干渉縞解析装置１２によって求められた干渉縞周波数、および距離算出部１３によって算出された対物距離ａを記憶する。さらに、記憶装置１５は、設定部１４が光学系１０や光検出素子１１などの駆動制御を行う際の初期設定に関する情報を記憶する。
【0027】
表示装置１６は、液晶画面などのディスプレイで構成され、光検出素子１１によって検出された干渉縞の波形を表示する。また、表示装置１６は、干渉縞解析装置１２によって求められた干渉縞周波数を示す情報や、距離算出部１３によって算出された対物距離を示す情報を表示する。
【0028】
［干渉縞解析装置の構成］
次に、上述した干渉縞解析装置１２の機能構成について図２を参照してより詳細に説明する。干渉縞解析装置１２は、フーリエ変換部（変換部）１２０と、ピーク周波数検出部１２１と、バンドパスフィルタ（フィルタ）１２２と、逆フーリエ変換部（逆変換部）１２３と、位相算出部１２４と、干渉縞周波数算出部（周波数算出部）１２５と、記憶部１２６と、信号抽出部１２９と、近似直線算出部１３０と、位相接続部１３１とを備える。
次に、上述した干渉縞解析装置１２の機能構成について図２を参照してより詳細に説明する。干渉縞解析装置１２は、フーリエ変換部（変換部）１２０と、ピーク周波数検出部１２１と、バンドパスフィルタ（フィルタ）１２２と、逆フーリエ変換部（逆変換部）１２３と、位相算出部１２４と、干渉縞周波数算出部（周波数算出部）１２５と、記憶部１２６と、信号抽出部１２９と、近似直線算出部１３０と、位相接続部１３１とを備える。
【0029】
信号抽出部１２９は、光検出素子１１によって検出された干渉縞の明暗パターンを示す光強度信号のうち、光検出素子１１の検出面上の一部の領域を除き、残りの抽出領域の光強度信号を抽出する。例えば図４に示すように光検出素子１１で得られた光強度信号の中央部分に強いノイズ光が含まれていた場合に、光強度が所定の閾値ＴＨ以上の領域を除き、残りの抽出領域（光強度が閾値ＴＨ未満の領域であり、図４の例では光検出素子１１の両端の領域）の光強度信号を抽出する。
【0030】
フーリエ変換部１２０は、光強度信号を空間周波数領域のスペクトルに変換する。より詳細には、フーリエ変換部１２０は、空間領域の光強度信号を離散フーリエ変換して、光強度信号の空間周波数分布を示す周波数スペクトルを出力する。一般的に、フーリエ変換部１２０によって得られる周波数スペクトルには、直流成分および正負の周波数成分を含む複数のピークが含まれている。ただし、フーリエ変換部１２０は、信号抽出部１２９によって一部の領域の光強度信号のみが抽出された場合、抽出された領域毎に変換処理を行う。
【0031】
ピーク周波数検出部１２１は、フーリエ変換部１２０によって得られた光強度信号の周波数スペクトルに含まれるピークのうち、光強度が最大となるピークの空間周波数（以下、基準周波数ｆｒという。）を検出する。より詳細には、ピーク周波数検出部１２１は、周波数スペクトルに含まれる直流成分（周波数ゼロ）および負の周波数成分を除いた正の周波数成分のピークのうち、光強度が最大となるピークの空間周波数を基準周波数ｆｒとして検出する。ピーク周波数検出部１２１は、信号抽出部１２９によって一部の領域の光強度信号のみが抽出された場合、抽出された領域毎に基準周波数ｆｒの検出処理を行う。
【0032】
バンドパスフィルタ１２２は、フーリエ変換部１２０によって得られた周波数スペクトルに対して基準周波数ｆｒを透過させるフィルタである。バンドパスフィルタ１２２の通過帯域は基準周波数ｆｒに応じて可変とする。より詳細には、バンドパスフィルタ１２２は、光強度信号の周波数スペクトルに対して、基準周波数ｆｒ付近の周波数帯のみを通過させ、光強度信号に含まれる直流成分や負の周波数成分および正の高調波成分を含む他の周波数成分を除去する。バンドパスフィルタ１２２は、中心周波数である基準周波数ｆｒから任意の帯域幅に設計すればよく、例えば、基準周波数ｆｒに隣接するピークが排除される帯域幅を用いてもよい。これにより、光強度信号に含まれるノイズを低減させることができる。バンドパスフィルタ１２２は、信号抽出部１２９によって一部の領域の光強度信号のみが抽出された場合、抽出された領域毎にフィルタ処理を行う。
【0033】
逆フーリエ変換部１２３は、バンドパスフィルタ１２２によって基準周波数ｆｒ付近の周波数帯のみが透過された空間周波数の周波数スペクトルに基づいて、空間領域の光強度信号を復元する。より詳細には、逆フーリエ変換部１２３は、バンドパスフィルタ１２２から出力される周波数スペクトルを逆離散フーリエ変換し、複素数表現の光強度信号を復元する。逆フーリエ変換部１２３が出力する光強度信号は、元の光強度信号からその直流成分や負の周波数成分が除かれた信号である。上述したフーリエ変換部１２０と逆フーリエ変換部１２３とは互いに対応する構成を有する。逆フーリエ変換部１２３は、信号抽出部１２９によって一部の領域の光強度信号のみが抽出された場合、抽出された領域毎に処理を行う。
【0034】
位相算出部１２４は、逆フーリエ変換部１２３によって復元された光強度信号の位相を算出する。より詳細には、位相算出部１２４は、逆フーリエ変換部１２３によって復元された複素数表現の光強度信号の実部と虚部とに基づいて、光検出素子１１の複数の受光素子（画素）のそれぞれの位置での光強度信号の位相を算出する。
【0035】
また、位相算出部１２４は、隣接画素間の位相の値に２πの位相とびがある場合に、位相が連続的になるように２πの整数倍を加減して位相接続を行う。例えば、隣接画素間の位相差を求め、その位相差が予め設定されている位相のしきい値（±π）を超えている場合に、位相接続を行う構成としてもよい。位相算出部１２４は、信号抽出部１２９によって一部の領域の光強度信号のみが抽出された場合、抽出された領域毎に位相算出と位相接続の処理を行う。
【0036】
干渉縞周波数算出部１２５は、位相算出部１２４が算出した、復元された光強度信号の位相に基づいて、干渉縞の空間周波数である干渉縞周波数を算出する。より詳細には、位相算出部１２４が算出した複数の画素について算出した光強度信号の位相φ（ｉ）（ただし、ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）に対する近似直線の傾きから干渉縞周波数ｆ（ｉ）を求める。干渉縞周波数算出部１２５は、例えば、最小二乗法によって位相φ（ｉ）の近似直線を求めることができる。
このように、リニアイメージセンサなどの光検出素子１１における一定の距離での光強度信号の位相に対する近似直線の傾きから干渉縞周波数を求めることで、光学系１０に起因した収差などの影響を抑えた干渉縞周波数を求めることができる。
このように、リニアイメージセンサなどの光検出素子１１における一定の距離での光強度信号の位相に対する近似直線の傾きから干渉縞周波数を求めることで、光学系１０に起因した収差などの影響を抑えた干渉縞周波数を求めることができる。
【0037】
記憶部１２６は、フーリエ変換部１２０によって得られた光強度信号の周波数スペクトル、ピーク周波数検出部１２１によって検出された基準周波数ｆｒ、および逆フーリエ変換部１２３によって復元された光強度信号を記憶する。また、記憶部１２６は、位相算出部１２４によって算出された光強度信号の位相、干渉縞周波数算出部１２５によって算出された干渉縞周波数ｆを記憶する。
【0038】
［干渉縞解析の基本原理］
次に、本実施例に係る干渉縞解析の基本原理について説明する。光検出素子１１で検出された光強度信号が正弦波であると仮定して、光強度信号を関数ｃｏｓ（ω０ｘ）と表す。ただし、ω０は光強度信号における基本角周波数を表し、ω０＝２πｆ０（ｆ０は干渉縞周波数の基本周波数）である。また、ｘは光検出素子１１の受光素子の配列方向の距離を示す。光検出素子１１で検出された光強度信号をフーリエ変換して得られる周波数スペクトルＦ（ω）は次式（１）で表される。
次に、本実施例に係る干渉縞解析の基本原理について説明する。光検出素子１１で検出された光強度信号が正弦波であると仮定して、光強度信号を関数ｃｏｓ（ω０ｘ）と表す。ただし、ω０は光強度信号における基本角周波数を表し、ω０＝２πｆ０（ｆ０は干渉縞周波数の基本周波数）である。また、ｘは光検出素子１１の受光素子の配列方向の距離を示す。光検出素子１１で検出された光強度信号をフーリエ変換して得られる周波数スペクトルＦ（ω）は次式（１）で表される。
【0039】
【数1】
【0040】
上式（１）において、光強度信号の空間周波数分布を示す周波数スペクトルには、＋ω０と－ω０の正負の周波数成分が含まれている。
ここで、正の周波数成分＋ω０だけを周波数スペクトルから取り出して逆フーリエ変換した信号は、次の式（２）で表される。
ここで、正の周波数成分＋ω０だけを周波数スペクトルから取り出して逆フーリエ変換した信号は、次の式（２）で表される。
【0041】
【数2】
【0042】
上式（２）の実部と虚部より、光検出素子１１に含まれる複数の画素それぞれの位置における位相φは、次の式（３）で求めることができる。
【0043】
【数3】
【0044】
光強度信号の位相の変化が、ここで求める干渉縞の周波数となり、干渉縞周波数ｆ（ｘ）は次の式（４）で求めることができる。
【0045】
【数4】
【0046】
実際には、位相φにはノイズが含まれるため、上述したように光検出素子１１における一定の距離での光強度信号の位相に対する近似直線の傾きから、干渉縞周波数を求めることができる。
【0047】
［光学系の構成］
次に、本実施例に係る光学系１０について図３を参照して説明する。光学系１０は、光源１０１と、光源レンズ１０２と、ビームスプリッタ１０３と、回折光学素子１０４と、集光レンズ１０５とを備える。光学系１０によって生成された干渉縞は、光検出素子１１の検出面１１０で検出され、干渉縞解析装置１２に入力される。
次に、本実施例に係る光学系１０について図３を参照して説明する。光学系１０は、光源１０１と、光源レンズ１０２と、ビームスプリッタ１０３と、回折光学素子１０４と、集光レンズ１０５とを備える。光学系１０によって生成された干渉縞は、光検出素子１１の検出面１１０で検出され、干渉縞解析装置１２に入力される。
【0048】
光源１０１と、光源レンズ１０２と、ビームスプリッタ１０３とは、光源１０１から出射される光を測定対象Ｔに集光して照射する照射光学系１０６を構成している。
【0049】
光源１０１は、距離測定に用いる単一波長の光（単色光）を発する装置である。光源１０１としては、半導体レーザ装置、ナトリウムランプのような単色光や、白色光源と狭帯域バンドパスフィルタにより単一波長化された光を発する装置を用いることができる。
【0050】
光源レンズ１０２は、光源１０１から出射された光を集光してビームスプリッタ１０３へ出射する。
【0051】
ビームスプリッタ１０３は、集光学系の光路Ｏ上に配置されて、光源レンズ１０２で集光された光源１０１からの光を反射して、光路Ｏに沿って測定対象Ｔの光スポットＡに照射する。また、ビームスプリッタ１０３は、光スポットＡで拡散反射された反射光のうち、光路Ｏ方向に反射された反射光を回折光学素子１０４に入射させる。
【0052】
回折光学素子１０４は、光路Ｏ上に配置され、ビームスプリッタ１０３を透過した測定対象Ｔからの反射光が入射される。回折光学素子１０４は、予め設定された回折特性により入射光を制御し、入射光の位相を変えて回折特性に基づく、予め設定された２つの次数の回折光を出射する。
【0053】
より詳細には、回折光学素子１０４は、凹凸構造が２次元に、かつ周期的に配列された回折格子で構成される。本実施例では、回折光学素子１０４として、透過型の位相回折格子を用いる場合について説明するが、反射型の位相回折格子を用いてもよい。
【0054】
回折光学素子１０４は、石英やＺｎＳｅなどの光学基板表面に微細な凹凸構造が形成され、凹凸構造による光の回折現象を利用して入射光の強度分布を所望の分布に整形することができる素子である。より具体的には、回折光学素子１０４は、必要とされる次数の回折光、例えば、±１次の回折光のみを出力し、その他の不要な次数の回折光を出射しないことができる。
【0055】
回折光学素子１０４は、凹凸構造が、例えば、正弦波形状の断面形状を有していてもよい。正弦波形状の断面形状を有することにより、回折光学素子１０４は、±１次の回折光のみを出射し、高次の回折光を除去することができる。
【0056】
また、本実施例に係る回折光学素子１０４は透過型の位相回折格子であるので、０次の回折光を除去するために、正弦波形状が有する山と谷との段差Ｄは、光路長で次の式（５）を満たす構成とすることができる。
Ｄ＝ｎ（ｍ＋１／２）λ・ｃｏｓφ ・・・（５）
上式（５）において、ｎは回折光学素子１０４の材質の屈折率、ｍは整数（ｍ＝０，±１，・・・）、λは、光源１０１から出射される光の波長、φは回折光学素子１０４における任意の入射角を示す。
Ｄ＝ｎ（ｍ＋１／２）λ・ｃｏｓφ ・・・（５）
上式（５）において、ｎは回折光学素子１０４の材質の屈折率、ｍは整数（ｍ＝０，±１，・・・）、λは、光源１０１から出射される光の波長、φは回折光学素子１０４における任意の入射角を示す。
【0057】
一方、回折光学素子１０４として反射型の位相回折格子を用いる場合、正弦波形状が有する山と谷との段差Ｄは、光路長で次の式（６）を満たす構成とすることができる。
Ｄ＝（ｍ＋１／２）λ・ｃｏｓφ／２ ・・・（６）
上式（６）において、ｍは整数（ｍ＝０，±１，・・・）、λは、光源１０１から出射される光の波長、φは回折光学素子１０４における任意の入射角を示す。
Ｄ＝（ｍ＋１／２）λ・ｃｏｓφ／２ ・・・（６）
上式（６）において、ｍは整数（ｍ＝０，±１，・・・）、λは、光源１０１から出射される光の波長、φは回折光学素子１０４における任意の入射角を示す。
【0058】
なお、上式（５）および（６）において、位相では、πとなるような段差Ｄを設計すればよい。すなわち、回折光学素子１０４から出射される回折光の位相が互いに逆位相となることにより打ち消し合い、０次の回折光が除去されることになる。
【0059】
また、回折光学素子１０４である位相型格子の格子周期ｄは、光源１０１の光の波長λに比べて十分に大きく、例えば、ｄ＞１０λ程度とする。これにより、位相型格子として実用に足る構成とすることができる。
【0060】
上記の条件のもと、例えば、±１次の回折光を得るためには、所望の次数の出射光の分布を逆フーリエ変換した空間的な光路分布に基づいて回折光学素子１０４の格子形状を設計すればよいことになる。
【0061】
集光レンズ１０５は、回折光学素子１０４による２つの次数の回折光を集光させる。本実施例では、集光レンズ１０５は、例えば凸レンズからなり、光路Ｏ上に配置されて、回折光学素子１０４から出射される２つの次数の回折光を結像面に集光させる。
【0062】
光検出素子１１は、回折光学素子１０４から出射された２つの次数の回折光により発生した干渉縞を検出し、検出結果を出力する。より詳細には、光検出素子１１は、検出面１１０を有し、この検出面１１０において干渉縞の明暗パターンを検出する。
【0063】
以上の光学系１０の構成は特許文献１に開示された構成と同様であるが、本実施例では、測定対象Ｔからの拡散反射光を信号光として設定し、正反射光をノイズ光として扱う。正反射光と拡散反射光が生じる測定対象Ｔに向けて光を照射したとき、測定対象Ｔで正反射した光の広がり角は、照射された光の集光角（ビームスプリッタ１０３から測定対象Ｔへの光の角度）と同等である。これに対し、測定対象Ｔで拡散反射した光の広がり角は、照射された光の集光角より大きくなる。
【0064】
そこで、これらの反射光により生じた干渉縞を光検出素子１１で受光する際に、照射する光の集光角に対し、より広い角度で反射した光も光検出素子１１で受光するように光学系１０を設計する。これにより、正反射光により生じた干渉縞は光検出素子１１で受光した領域の一部で観測され、その外側に拡散反射光により生じた干渉縞が観測されるので、外側部分の光強度信号を用いて解析を行う。
【0065】
光検出素子１１に入射する拡散反射光は光検出素子１１の検出面内で比較的一定の強度となるが、正反射光は光検出素子１１の面内で急激な強度分布を持っている。このため、上記のように光強度分布から正反射光が入射しているか否かを判断できる。正反射光が入射していると判断した場合、その領域の大きさは、図３に示した「正反射光と拡散反射光が検出される領域」程度となる。測定対象Ｔが光軸に対して傾いた場合、「正反射光と拡散反射光が検出される領域」は移動するが、大きさは変わらない。
【0066】
［距離測定の原理］
本発明に係る距離測定装置１における距離測定の原理は特許文献１と同じである。特許文献１によれば、測定対象Ｔから集光レンズ１０５までの対物距離ａは、次の式（７）のように得られる。
本発明に係る距離測定装置１における距離測定の原理は特許文献１と同じである。特許文献１によれば、測定対象Ｔから集光レンズ１０５までの対物距離ａは、次の式（７）のように得られる。
【0067】
【数5】
【0068】
式（７）において、Ｌ１は集光レンズ１０５の既知の焦点距離、Ｌ２は集光レンズ１０５の主点から光検出素子１１の検出面１１０までの既知の距離、ｄは回折光学素子１０４の既知の回折格子間隔、Δｋは回折光学素子１０４を通過する、２つの次数ｋ，ｋ’の回折光の既知の次数差、ｐは検出面１１０に生じた干渉縞のピッチである。
【0069】
［距離測定方法］
次に、本実施例に係る干渉縞解析装置１２を備える距離測定装置１の動作について、図５のフローチャートを参照して説明する。まず、測定対象Ｔが光学系１０の所定の測定領域に配置される。また、設定部１４は、外部からの入力により、光源１０１の光量や露光時間などの初期調整を行う。
次に、本実施例に係る干渉縞解析装置１２を備える距離測定装置１の動作について、図５のフローチャートを参照して説明する。まず、測定対象Ｔが光学系１０の所定の測定領域に配置される。また、設定部１４は、外部からの入力により、光源１０１の光量や露光時間などの初期調整を行う。
【0070】
その後、光源１０１から出射した光は、光源レンズ１０２によって集光されて、ビームスプリッタ１０３により測定対象Ｔに向けて照射される（図５ステップＳ１）。次に、測定対象Ｔの表面で反射された光は、ビームスプリッタ１０３を透過して、回折光学素子１０４に入射する。回折光学素子１０４は、予め設定された回折特性により入射光を制御し、入射光の位相を変えてその回折特性に基づく、予め設定された２つの次数の回折光を出射する（図５ステップＳ２）。
【0071】
次に、回折光学素子１０４から出射された２つの次数の回折光は、集光レンズ１０５によって集光される。そして、２つの次数の回折光により発生する干渉縞は、光検出素子１１によって検出される（図５ステップＳ３）。
【0072】
光検出素子１１は、検出した干渉縞の明暗パターンを示す光強度信号を干渉縞解析装置１２に入力する（図５ステップＳ４）。そして、干渉縞解析装置１２は、上述した干渉縞解析の原理に基づく演算を行い、干渉縞周波数ｆを求める（図５ステップＳ５）。
【0073】
次に、距離算出部１３は、干渉縞解析装置１２によって求められた干渉縞周波数ｆから干渉縞のピッチｐを求め、式（７）により集光レンズ１０５から測定対象Ｔまでの対物距離ａを算出する（図５ステップＳ６）。
【0074】
［干渉縞解析方法］
次に、干渉縞解析装置１２による干渉縞の解析処理（図５のステップＳ５）について、図６のフローチャートを参照して説明する。まず、光検出素子１１によって検出された、例えば、図７に示す干渉縞の明暗パターンは、光強度信号として干渉縞解析装置１２に入力される。図７に示す干渉縞は、横軸が干渉縞に直行するＹ方向に沿った画像のピクセル位置を示し、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。
次に、干渉縞解析装置１２による干渉縞の解析処理（図５のステップＳ５）について、図６のフローチャートを参照して説明する。まず、光検出素子１１によって検出された、例えば、図７に示す干渉縞の明暗パターンは、光強度信号として干渉縞解析装置１２に入力される。図７に示す干渉縞は、横軸が干渉縞に直行するＹ方向に沿った画像のピクセル位置を示し、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。
【0075】
まず、干渉縞解析装置１２の信号抽出部１２９は、図４で説明したように、光強度が所定の閾値ＴＨ以上の領域を除き、光強度が閾値ＴＨ未満の領域の光強度信号を抽出することにより、光検出素子１１の検出面１１０上でノイズ光が支配的な領域の光強度信号を除く（図６ステップＳ５０）。
【0076】
ノイズ光が強い場合、信号抽出部１２９の処理により、光検出素子１１の検出面１１０上での光強度信号の抽出領域が不連続となるが、ここでは光強度が閾値ＴＨ以上の領域がなかった場合の動作について先に説明する。
【0077】
干渉縞解析装置１２のフーリエ変換部１２０は、光強度信号をフーリエ変換して、光強度信号の周波数スペクトルを出力する（図６ステップＳ５２）。図８は、フーリエ変換部１２０から出力される周波数スペクトルの強度分布の一例を示す図である。図８において、横軸は空間周波数、縦軸は光強度を示している。図８の例に示すように、フーリエ変換部１２０によって光強度信号がフーリエ変換されて得られた周波数スペクトルには、周波数ゼロの直流成分のピークｐｋ０、負の周波数のピークｐｋ２、およびこれと対となる正の周波数のピークｐｋ１など複数のピークを含んでいる。
【0078】
次に、干渉縞解析装置１２のピーク周波数検出部１２１は、ステップＳ５２で得られた光強度信号の周波数スペクトルに含まれる複数のピークのうち、直流成分のピークおよび負の周波数成分のピークを除いた正の周波数成分のピークのなかで光強度が最大となるピークの空間周波数を検出する（図６ステップＳ５３）。図８の例では、ピーク周波数検出部１２１は、ピークｐｋ１を検出し、この空間周波数を基準周波数ｆｒとして記憶部１２６に格納する。
【0079】
次に、干渉縞解析装置１２のバンドパスフィルタ１２２は、光強度信号の周波数スペクトルに含まれる空間周波数成分のうち、基準周波数ｆｒ付近の周波数帯を透過させる（図６ステップＳ５４）。具体的には、図９の線９０で示すように、バンドパスフィルタ１２２は、基準周波数ｆｒ付近の周波数帯を透過させ、それ以外の直流成分のピークｐｋ０および負の周波数成分のピークｐｋ２を含む点線９１で示す周波数成分を除去する。
【0080】
干渉縞解析装置１２の逆フーリエ変換部１２３は、バンドパスフィルタ１２２を通過した、基準周波数ｆｒ付近の周波数帯の周波数スペクトルを逆フーリエ変換する（図６ステップＳ５５）。より詳細には、逆フーリエ変換部１２３は、上述した干渉縞解析の原理による演算（式（２））に従って逆フーリエ変換を行う。
【0081】
干渉縞解析装置１２の位相算出部１２４は、逆フーリエ変換部１２３によって復元された空間領域の光強度信号の位相を算出する（図６ステップＳ５６）。より詳細には、位相算出部１２４は、逆フーリエ変換によって得られた複素数表現の光強度信号の実部および虚部（式（２））より、光検出素子１１に含まれる複数の画素それぞれの位置における位相φを算出する（式（３））。
【0082】
次に、位相算出部１２４は、ステップＳ５６で算出した位相φについて、隣接画素の位相差に基づいて位相接続を行う（図６ステップＳ５７）。ｉ画素位置での光強度信号の位相φ（ｉ）は－π～πの間に畳み込まれ、２π周期で不連続な値となる。そのため、位相算出部１２４は、隣接画素間の位相の値に２πの位相とびがある場合に、２πの整数倍を加減算して位相接続を行う。
【0083】
次に、干渉縞解析装置１２の干渉縞周波数算出部１２５は、位相算出部１２４によって算出された、復元された光強度信号の位相に基づいて干渉縞周波数ｆを算出する（図６ステップＳ５８）。具体的には図１０に示すように、画素位置ごとの位相のデータから最小二乗法による近似直線の傾きを求め、この傾きを干渉縞周波数ｆとして求める。
【0084】
次に、ノイズ光が強く、信号抽出部１２９の処理により、光検出素子１１の検出面１１０上での光強度信号の抽出領域が不連続となった場合（図６ステップＳ５１においてＹＥＳ）の動作について説明する。
【0085】
干渉縞解析装置１２のフーリエ変換部１２０は、信号抽出部１２９によって抽出された複数の領域の光強度信号についてステップＳ５２と同じフーリエ変換の処理を光強度信号の抽出領域毎に行う（図６ステップＳ５９）。
【0086】
干渉縞解析装置１２のピーク周波数検出部１２１は、ステップＳ５９で得られた光強度信号の周波数スペクトルについてステップＳ５３と同じ基準周波数ｆｒの検出処理を光強度信号の抽出領域毎に行う（図６ステップＳ６０）。これにより、領域毎に基準周波数ｆｒが得られる。
【0087】
干渉縞解析装置１２のバンドパスフィルタ１２２は、ステップＳ５９で得られた光強度信号の周波数スペクトルについてステップＳ５４と同じフィルタ処理を光強度信号の抽出領域毎に行う（図６ステップＳ６１）。
【0088】
干渉縞解析装置１２の逆フーリエ変換部１２３は、ステップＳ６１で得られた周波数スペクトルについてステップＳ５５と同じ逆フーリエ変換の処理を光強度信号の抽出領域毎に行う（図６ステップＳ６２）。
【0089】
干渉縞解析装置１２の位相算出部１２４は、ステップＳ６２によって復元された空間領域の光強度信号についてステップＳ５６と同じ位相φの算出処理を光強度信号の抽出領域毎に行う（図６ステップＳ６３）。
さらに、位相算出部１２４は、ステップＳ６３で算出した位相φについてステップＳ５７と同じ位相接続の処理を光強度信号の抽出領域毎に行う（図６ステップＳ６４）。
さらに、位相算出部１２４は、ステップＳ６３で算出した位相φについてステップＳ５７と同じ位相接続の処理を光強度信号の抽出領域毎に行う（図６ステップＳ６４）。
【0090】
位相算出部１２４が抽出領域のそれぞれで求めた位相φは、抽出領域が不連続なために途中で途切れているものの、実際は空間的に連続しているので、領域間の位相接続が可能である。この領域間の位相接続について以下に説明する。
【0091】
干渉縞解析装置１２の近似直線算出部１３０は、ステップＳ６４で領域毎の位相接続が終了した複数の抽出領域のうち１つの領域を選択して位相φの近似直線を最小二乗法によって求める（図６ステップＳ６５）。このとき、任意の領域を選択してよいが、領域の長さ（図３のＹ方向の長さ、図７、図１０の横軸方向の長さ）が最も長い抽出領域を選択して位相φの近似直線を求めることが望ましい。選択する領域の長さが短いと、ノイズの影響により誤差の大きい近似直線を求めてしまうので、次に説明する領域間の位相接続を失敗する可能性が高くする。
【0092】
続いて、干渉縞解析装置１２の位相接続部１３１は、近似直線算出部１３０によって選択された領域以外の抽出領域における光強度信号の位相φと近似直線との位相φの差分の絶対値がπ以下になるように、複数の抽出領域を位相接続する（図６ステップＳ６６）。具体的には、位相接続部１３１は、近似直線算出部１３０によって選択された領域以外の抽出領域のうち、近似直線との位相φの差分の絶対値がπを超える領域について光強度信号の位相φに２ｊπ（ｊは正の整数）の加算または減算を行うことにより、位相φの差分の絶対値がπ以下になるようにする。
【0093】
図１１は領域間の位相接続の例を示す図である。図１１の例では、近似直線算出部１３０が左端の抽出領域Ａ１を選択して近似直線ＬＳを求めた後の結果を示している。右端の抽出領域Ａ２について位相算出部１２４が算出した光強度信号の位相φと近似直線ＬＳとの位相φの差分の絶対値はπを超えている。そこで、位相接続部１３１は、図１１に示すように右端の抽出領域Ａ２の位相φから４πを減算することにより、位相φの差分の絶対値がπ以下になり、位相φが連続的になるようにしている。
【0094】
最後に、干渉縞解析装置１２の干渉縞周波数算出部１２５は、位相接続した全ての抽出領域における光強度信号の位相φの近似直線の傾きを最小二乗法等により求め、求めた傾きを干渉縞周波数ｆとする（図６ステップＳ６７）。
【0095】
以上ように、本実施例では、ノイズ光が支配的な部分の光強度信号を使わずに、測定対象Ｔからの信号光（拡散反射光）が支配的な部分の光強度信号のみを用いて解析することで、干渉縞周波数ｆおよび対物距離ａの計測誤差を低減することができる。
【0096】
なお、図４、図１１の例では、抽出領域が２つの場合について説明しているが、抽出領域が３つ以上になることも有り得る。例えば正反射光以外に、環境光や、光学系１０内のレンズ等による不要な反射光が、光検出素子１１の別々の場所に入射すれば、光強度が閾値ＴＨ以上の領域が２つ以上になることがあるので、これらノイズ光が強い領域を除くことで抽出領域が３つ以上になる。抽出領域が３つ以上の場合も上記と同様の方法により領域間の位相接続ができることは言うまでもない。
【0097】
また、本実施例では、ピーク周波数検出部１２１が光強度信号の周波数スペクトルから基準周波数ｆｒを検出する場合について説明したが、これとは異なる方法により基準周波数ｆｒを取得してもよい。例えば、光検出素子１１によって検出された光強度信号から直流成分を除去してゼロクロス点を検出して、そのゼロクロス点に同期した信号を基準周波数ｆｒとして求めてもよい。
【0098】
あるいは、ピーク周波数検出部１２１は、光検出素子１１によって検出された光強度信号を微分して、微分した値における減少から増加への切り替わりを検出して基準周波数ｆｒを求めてもよい。
【0099】
［第２の実施例］
第１の実施例では、光検出素子１１の検出面１１０上の領域のうち光強度が閾値ＴＨ以上の領域を除くようにしているが、予め規定された領域を除くようにしてもよい。図１２は本発明の第２の実施例に係る干渉縞解析装置１２の構成例を示すブロック図である。
第１の実施例では、光検出素子１１の検出面１１０上の領域のうち光強度が閾値ＴＨ以上の領域を除くようにしているが、予め規定された領域を除くようにしてもよい。図１２は本発明の第２の実施例に係る干渉縞解析装置１２の構成例を示すブロック図である。
【0100】
本実施例の干渉縞解析装置１２は、フーリエ変換部１２０と、ピーク周波数検出部１２１と、バンドパスフィルタ１２２と、逆フーリエ変換部１２３と、位相算出部１２４と、干渉縞周波数算出部１２５と、記憶部１２６と、信号抽出部１２９ａと、近似直線算出部１３０と、位相接続部１３１とを備える。距離測定装置としての構成は第１の実施例と同じである。
【0101】
図１３は本実施例の干渉縞解析装置１２の動作を説明するフローチャートである。信号抽出部１２９ａは、光検出素子１１の検出面１１０上の全領域のうち予め規定された領域の光強度信号を除いた光強度信号を抽出する（図１３ステップＳ５０ａ）。
【0102】
例えば光学系１０内のレンズ等による不要な反射光が、光検出素子１１の同じ場所に常に入射することがある。この場合は除くべき領域を予め規定することができるため、不要な反射光が入射する領域を信号抽出部１２９ａによって除くことができる。同様の不要な入射は、外部からの環境光でも有り得る。また、光軸に対して測定対象Ｔが傾いている場合、図３に示した「正反射光と拡散反射光が検出される領域」が光検出素子１１の中央部の位置からずれることになるが、光軸に対する測定対象Ｔの傾きが常に一定であれば、光検出素子１１の同じ場所に常に正反射光が入射するので、この正反射光が入射する領域を信号抽出部１２９ａによって除くことができる。
図１３のステップＳ５１～Ｓ６７の処理は第１の実施例で説明したとおりである。
図１３のステップＳ５１～Ｓ６７の処理は第１の実施例で説明したとおりである。
【0103】
こうして、本実施例では、除くべき領域を予め規定することができる場合に、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。
第１の実施例と同様に、予め規定された除くべき領域が２つ以上（抽出された不連続な領域が３つ以上）あってもよいことは言うまでもない。
第１の実施例と同様に、予め規定された除くべき領域が２つ以上（抽出された不連続な領域が３つ以上）あってもよいことは言うまでもない。
【0104】
なお、第１、第２の実施例では、レーザ光などの光の反射光によって生ずる干渉縞の周波数を求める場合について説明したが、Ｘ線など、可視光、紫外線、および赤外線以外の電磁波の干渉計測を行うこともできる。この場合、光学系１０はミラーなどを有する反射光学系で構成することができる。また、光検出素子１１は、例えば、シンチレータなどを用いて構成することができる。
【0105】
また、第１、第２の実施例では、対物距離ａを測定する場合について説明したが、干渉縞解析装置１２によって算出された干渉縞周波数に基づいて、測定対象Ｔの形状や変位を測定してもよい。
【0106】
また、第１、第２の実施例では、距離測定装置１は、集光レンズ１０５を備え、収束光を構成する場合について説明した。しかし、距離測定装置１は、結像面においてフーリエ変換面を構成する必要はないため、集光レンズ１０５の代わりに、平行光や発散光を生成するレンズを用いてもよい。
【0107】
また、集光レンズ１０５を用いずに、回折光学素子１０４から出射される２つの次数の回折光により発生する干渉縞を、直接的に、光検出素子１１で検出する構成を採用してもよい。この場合、距離測定装置１は、対物距離ａとして、光検出素子１１の検出面１１０から測定対象Ｔまでの距離を測定する。
【0108】
また、第１、第２の実施例に係る距離測定装置１において、回折光学素子１０４と光検出素子１１との間の光路Ｏ上に、回折光学素子１０４の回折方向と光軸に直交する方向に２つの次数の回折光を集光する手段を設けてもよい。集光手段としては、例えば、光の屈折を利用したシリンドリカルレンズや、反射鏡などが挙げられる。また、回折光学素子１０４自体にレンズの機能を設け、集光手段を構成してもよい。このような集光手段をさらに備えることで、距離測定装置１において、回折光の信号強度をより大きくさせることが可能となる。
【0109】
また、第１、第２の実施例では、位相回折格子で構成される回折光学素子１０４を備える場合について説明した。しかし、回折光学素子１０４は、位相回折格子に限られず、例えば、空間光変調器を用いることができる。
【0110】
空間光変調器は、例えば、液晶層と、その液晶層の表面に沿って配置された複数の電極を有し、複数の電極のそれぞれから液晶層に個別に電圧を印加して、液晶層を入射する入射光に対して位相変調を行い、予め設定された２つの次数の回折光のみを出射する。空間光変調器を用いることにより、出射する２つの回折光の次数を用途に応じて可変とすることができる。
【0111】
第１、第２の実施例で説明した干渉縞解析装置１２と距離算出部１３と設定部１４と記憶装置１５とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインターフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図１４に示す。
【0112】
コンピュータは、ＣＰＵ３００と、記憶装置３０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）３０２とを備えている。Ｉ／Ｆ３０２には、光検出素子１１、表示装置１６等が接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の干渉縞解析方法、距離測定方法を実現させるためのプログラムは記憶装置３０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置３０１に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施例で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【0113】
本発明は、物体で反射された光の干渉縞を解析する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【0114】
１…距離測定装置、１０…光学系、１１…光検出素子、１２…干渉縞解析装置、１３…距離算出部、１４…設定部、１５…記憶装置、１６…表示装置、１０１…光源、１０２…光源レンズ、１０３…ビームスプリッタ、１０４…回折光学素子、１０５…集光レンズ、１０６…照射光学系、１０７…干渉光学系、１１０…検出面、１２０…フーリエ変換部、１２１…ピーク周波数検出部、１２２…バンドパスフィルタ、１２３…逆フーリエ変換部、１２４…位相算出部、１２５…干渉縞周波数算出部、１２６…記憶部、１２９，１２９ａ…信号抽出部、１３０…近似直線算出部、１３１…位相接続部。
【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】