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WO2020100344A1 - 測定装置及び測定装置を用いた投光システム - Google Patents

測定装置及び測定装置を用いた投光システム Download PDF

Info

Publication number
WO2020100344A1
WO2020100344A1 PCT/JP2019/027092 JP2019027092W WO2020100344A1 WO 2020100344 A1 WO2020100344 A1 WO 2020100344A1 JP 2019027092 W JP2019027092 W JP 2019027092W WO 2020100344 A1 WO2020100344 A1 WO 2020100344A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
light source
optical path
measuring device
optical
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/027092
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
佳史 村田
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
Priority to CN201980065814.4A priority Critical patent/CN112805530B/zh
Priority to DE112019004154.1T priority patent/DE112019004154T5/de
Priority to JP2020556589A priority patent/JP7167999B2/ja
Publication of WO2020100344A1 publication Critical patent/WO2020100344A1/ja
Priority to US17/190,107 priority patent/US20210180950A1/en

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02—Details
    • G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
    • G01C3/08—Use of electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration

Definitions

  • the present invention relates to a measuring device and a light projecting system using the measuring device.
  • Patent Document 2 discloses an optical microscope that projects a pattern image on a sample using two light-shielding patterns and calculates the distance to the sample based on the two projected images.
  • this optical microscope by arranging the two light-shielding patterns so that the distances from the optical axis are different from each other, the two images projected on the sample are focused at different depths through the lens. As a result, a difference in contrast occurs between the two images detected by the sensor, and the distance to the sample can be calculated based on this difference in contrast.
  • the present disclosure has been made in view of such circumstances, and an object of the present disclosure is to use a measuring device and a measuring device capable of measuring an object while suppressing the influence of image distortion caused by an optical system. It is to provide a floodlighting system.
  • a measuring apparatus includes an illumination optical system that irradiates an object with irradiation light having a predetermined pattern via different first optical paths and second optical paths, and via the first optical path.
  • An illumination system for observing the second light source image projected on the object via the first light source image projected on the object and the second optical path, and the illumination optical system includes the light passing through the first optical path.
  • the light passing through the second optical path is configured to be condensed at a predetermined position in a plan view of the object viewed along the traveling direction of the irradiation light and different positions in the traveling direction of the irradiation light.
  • the object is measured based on the first light source image and the second light source image observed by the observation system.
  • a measuring apparatus includes an illumination optical system that irradiates an object with irradiation light having a predetermined pattern via different first optical paths and second optical paths, and via the first optical path. And an observation system for observing the second light source image projected on the object via the first light source image projected on the object and the second optical path, and the illumination optical system includes the first optical path and the second optical path. Is configured so that the light is condensed at different positions in the traveling direction of the irradiation light at positions where the distance from the optical axis is the same in the plane direction with the optical axis of the illumination optical system as the normal line. The object is measured based on the obtained first light source image and second light source image.
  • the effect of the appearing aberration is the same, and thus the object can be measured while suppressing the effect of image distortion caused by the optical system. It is possible to provide a simple measuring device and a light projecting system using the measuring device.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a measuring device according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a perspective structure of an illumination optical system in the measuring apparatus according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view of the pattern plate in the measuring device according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4A is a diagram showing an image of an image captured by the image capturing unit when the object is at the point A.
  • FIG. 4B is a diagram showing an image of an image captured by the image capturing unit when the object is at the point B.
  • FIG. 5 is a top view which shows the planar structure of the pattern board which concerns on a 1st modification.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a measuring device according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a perspective structure of an illumination optical system in the measuring apparatus according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is an
  • FIG. 6 is a side view showing a side structure of the pattern plate according to the first modification.
  • FIG. 7 is a top view which shows the planar structure of the pattern board which concerns on a 2nd modification.
  • FIG. 8 is a figure for demonstrating the condensing of the pattern light in the measuring device using the pattern board which concerns on a 2nd modification.
  • FIG. 9A is a plan view showing a planar structure of a pattern plate in the measuring apparatus according to the second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 9B is a plan view showing the planar structure of the pattern plate according to the third modification.
  • FIG. 10 is a diagram showing the overall configuration of the measuring apparatus according to the third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 11 is a plan view showing the planar structure of the pattern plate in the measuring device according to the third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 12A is a diagram illustrating an image of an image captured by the image capturing unit when the object is at the point A.
  • FIG. 12B is a diagram illustrating an image of an image captured by the image capturing unit when the object is at the point B.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an image of an image captured by the image capturing unit when the tilt of the target object is measured using the measuring device according to the third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an image of an image captured by the imaging unit when the shape of an object is measured using the measuring device according to the third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 12A is a diagram illustrating an image of an image captured by the image capturing unit when the object is at the point A.
  • FIG. 12B is a diagram illustrating an image of an image captured by the image capturing unit when the object is at the point B.
  • FIG. 15 is a diagram showing an overall configuration of a laser beam projection system to which the measuring apparatus according to the first embodiment of the present disclosure is applied.
  • FIG. 16A is a diagram for explaining the operation of the laser beam projection system.
  • FIG. 16B is a diagram for explaining the operation of the laser beam projection system.
  • FIG. 16C is a diagram for explaining the operation of the laser beam projection system.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a measuring device according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a perspective structure of an illumination optical system in the measuring apparatus according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view of the pattern plate in the measuring device according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the measuring apparatus 1A includes an illumination optical system 10A that projects pattern light of a predetermined pattern onto an object W, and an observation system 20 that can observe a light source image projected onto the object W. Equipped with.
  • the illumination optical system 10A constitutes so-called critical illumination that irradiates irradiation light so that a light source image is formed near the object W.
  • the illumination optical system 10A includes, for example, a light source 11, a pattern plate 12A, a lens unit 13, a mirror 14, and a condenser lens 15.
  • the light source 11 emits irradiation light.
  • the pattern board 12A is provided on the optical path of the irradiation light emitted from the light source 11.
  • the pattern plate 12A constitutes a pattern of the pattern light projected on the object W.
  • the pattern plate 12A includes a transmissive portion that transmits light and a dimming portion that blocks or dims the light.
  • the pattern of the pattern light is determined by the arrangement of the transmissive part and the dimming part.
  • the pattern plate 12A has a circular flat plate shape as shown in FIG. 2, and a cross-shaped slit 120 is formed near the center thereof.
  • the slit 120 configures a transmissive portion that transmits the irradiation light, and a region other than the region where the slit 120 is formed configures a dimming portion that blocks or dims the irradiation light.
  • the pattern plate 12A is obtained by closely contacting a thinly processed mask member on a roughened glass surface, or a mask such as chrome on the glass surface. May be vapor-deposited, or the phosphor may be distributed in the same shape. Alternatively, a diffusion plate may be provided in front of or behind the pattern plate.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view showing an area in which the cross-shaped slit 120 is formed.
  • the cross-shaped slit 120 includes two rectangular slits 121a and 121b arranged side by side in the longitudinal direction of the paper and two rectangular slits arranged side by side in the lateral direction. 121c and 121d are included.
  • the two slits 121a and 121b are provided with polarizers 122a and 122b, respectively, and the two slits 121c and 121d are provided with polarizers 122c and 122d, respectively.
  • the polarizers 122a and 122b and the polarizers 122c and 122d are polarizers that transmit lights having different polarization directions.
  • the pattern light generated by the pattern plate 12A includes light having two polarization directions, that is, light that has passed through the slits 121a and 121b and light that has passed through the slits 121c and 121d.
  • the two types of polarization directions may be, for example, directions orthogonal to each other.
  • the lens unit 13 includes a lens 130.
  • the lens 130 is a specific example of an optical member that guides irradiation light in a predetermined direction.
  • the lens 130 has a circular flat plate shape.
  • the material of the lens 130 is not particularly limited, but the lens 130 is made of, for example, quartz including artificial quartz. Quartz has a high transmittance in a wide wavelength range compared to other materials such as glass, and is a case where light having a relatively short wavelength and strong energy (for example, deep ultraviolet light) is transmitted. The optical characteristics are not easily damaged and the deterioration is slow. Further, since quartz does not have deliquescent property, it has excellent water resistance.
  • the -Quartz is a uniaxial crystal that has an optical axis in one direction. Therefore, when the traveling direction of the light passing through the crystal is not parallel to the optical axis of the crystal, the light passing through the crystal is separated into the ordinary ray and the extraordinary ray having different vibrating surfaces to proceed, and so-called birefringence occurs. This is because, due to the crystal structure of quartz, the phase velocity of light rays varies depending on the traveling direction, and thus the refractive index varies depending on the vibrating surface.
  • the lens 130 is arranged such that the traveling direction of the pattern light emitted from the pattern plate 12A and the optical axis of the lens 130 are not parallel. As a result, as described above, the pattern light including the light of the two types of polarization directions is refracted at the refraction angles different from each other in the lens 130, and travels separately in the first optical path L1 and the second optical path L2.
  • the lens unit 13 includes one lens 130 in the present embodiment, the number of lenses, the shape, the material, and the like of the lens unit 13 are examples, and the present invention is not limited to this.
  • the material of the lens 130 is not limited to quartz, and may be other uniaxial crystal or biaxial crystal, for example.
  • the optical member is not limited to a lens and may be a prism, for example.
  • the pattern light transmitted through the lens 130 is reflected by the mirror 14, condensed by the condenser lens 15, and projected onto the object W.
  • the details of the light source image formed in the vicinity of the object W will be described later.
  • the observation system 20 has, for example, a half mirror 21 and an imaging unit 22.
  • the half mirror 21 transmits a part of the pattern light and reflects a part of the light reflected by the object W toward the imaging unit 22.
  • the half mirror 21 is included not only in the observation system 20 but also in the illumination optical system 10A.
  • the image capturing unit 22 captures the light source image of the pattern light projected on the object W by receiving the light reflected by the half mirror 21.
  • the imaging unit 22 is one specific example for observing the light source image, and the structure for observing the image is not limited to this.
  • FIG. 4A is a diagram showing an image of an image captured by the image capturing unit 22 when the target object W is at the point A.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating an image of an image captured by the image capturing unit 22 when the target object W is located at the point B.
  • the light transmitted through the slits 121a and 121b of the pattern plate 12A connects the first light source images 220a and 220b via the first optical path L1, and the light transmitted through the slits 121c and 121d passes through the second optical path L2.
  • the second light source images 220c and 220d are connected. Note that, for convenience of description, although the four slits 121a to 121d are shown apart from each other in FIG. 3, it is assumed that these four slits are sufficiently close to the size of the object W.
  • the first light source images 220a and 220b and the second light source images 220c and 220d corresponding to the slits 121a to 121d are substantially the same in plan view of the object W as seen along the traveling direction of the pattern light. It is assumed that the object W is projected at a predetermined position (approximately the same position).
  • the light that has passed through the first optical path L1 and the light that has passed through the second optical path L2 are refracted at the lens 130 at different refraction angles. Therefore, the light that has passed through the first optical path L1 and the light that has passed through the second optical path L2 are in the traveling direction of the pattern light (in the present embodiment, the optical axis direction of the condenser lens 15. Hereinafter, also referred to as “depth direction”). .) Are focused on different positions (see FIG. 1).
  • the first light source images 220a and 220b passing through the first optical path L1 are in focus and thus clear.
  • the second light source images 220c and 220d passing through the second optical path L2 are unfocused and unclear.
  • the first light source images 220a and 220b passing through the first optical path L1 are out of focus and are blurred.
  • the second light source images 220c and 220d passing through the second optical path L2 are clearly focused because they are in focus. Therefore, the difference between the first light source image and the second light source image includes the distance information to the object W.
  • the distance from a part (for example, the condenser lens 15) of the measuring device 1A to the object W is measured based on the characteristics (for example, sharpness, contrast, etc.) of the light source image observed by the imaging unit 22. be able to. Further, by adopting this configuration, the following effects (1) to (4) are exhibited.
  • the pattern light is divided into the first optical path L1 and the second optical path L2 and is applied to the target object W, so that a plurality of light source images projected at a predetermined position on the target object.
  • the sharpness can be compared. Therefore, for example, as disclosed in Patent Document 2 described above, a configuration for comparing the sharpness of two light source images projected at positions distant from each other on the object (hereinafter, this configuration is also referred to as a “comparative example”).
  • this configuration is also referred to as a “comparative example”.
  • quartz has a smaller degree of birefringence than other uniaxial crystals, it is possible to reduce the deviation between the first light source image and the second light source image. Therefore, by configuring the lens 130 with quartz, for example, precise measurement can be performed.
  • the light forming the two light source images is transmitted through the positions having different distances from the optical axis of the lens, and thus the images are distorted by the aberration or distortion of the lens such as coma or astigmatism. May occur, resulting in poor measurement accuracy.
  • the distortion it is necessary to finely adjust the illumination optical system or store the distortion of the image for each measuring device, which may complicate the design and calculation.
  • the first optical path L1 and the second optical path L2 pass through almost the same position of the lens, the influence of the distortion of the light source image caused by the optical system such as the lens aberration and distortion is suppressed.
  • the measurement accuracy can be improved as compared with the comparative example.
  • the design and analysis can be simplified and the measurement speed can be increased as compared with the comparative example.
  • the region near the optical axis of the lens 130 is less susceptible to aberrations than other regions, so that the first optical path L1 and the second optical path L2 pass through the paraxial region. , It becomes easier to obtain these effects.
  • the light source image passing through the first optical path L1 and the second optical path L2 is projected at substantially the same position in the plan view of the object W, so that one sensor is sufficient, The number of points can be reduced or the scale of the device can be reduced.
  • the measuring device 1A can be applied to a head-up display, can measure the distance from the driver to the windshield in an automobile, and can be utilized for applications such as drowsiness prevention.
  • the measuring device 1A can be used in various systems such as motion capture, projection mapping, and an optometer.
  • optical path of the pattern light is divided into two
  • number of optical paths is not limited to this, and may be three or more.
  • the measuring device 1A measures is not limited to the distance, and various other information can be displayed. Can be obtained. For example, it may be used for object detection to detect whether or not there is an object within the measurement range.
  • the slit 120 (transmissive portion) is formed in the pattern plate 12A, and the pattern light is generated by the light transmitted through the slit 120.
  • the arrangement of the light units may be reversed. That is, the pattern plate may have a configuration in which the pattern light is generated by including most of the transmissive portion that transmits light and the patterned light-reducing portion that diminishes or blocks light. In this case, the transmissive part may be roughened so as to diffuse the light.
  • the method of shifting the position where the pattern light is condensed in the depth direction to obtain the light source image with different sharpness is not limited to the above-described embodiment, and can be realized by other configurations. Other configurations for obtaining light source images having different sharpness will be described below.
  • FIG. 5 is a plan view showing a plane structure of a pattern plate 12B according to a first modification of the pattern plate 12A
  • FIG. 6 is a side view showing a side structure of a pattern plate 12B according to the first modification of the pattern plate 12A. It is a figure.
  • description of matters common to the above-described embodiment will be omitted, and only different points will be described. In particular, similar effects obtained by the same configuration will not be sequentially described for each embodiment.
  • FIGS. 5 and 6 are enlarged views of a region of the pattern plate 12B where the cross-shaped slits are formed.
  • the pattern plate 12B has regions having different lengths in the traveling direction of the pattern light (that is, the thickness of the pattern plate 12B).
  • Two slits 123a and 123b are formed in the first region R1 having a relatively large thickness, and two slits 123c and 123d are formed in a relatively thin second region R2. That is, the emission position of the light transmitted through the slits 123a and 123b and the emission position of the light transmitted through the slits 123c and 123d are different from each other in the traveling direction of the pattern light. Therefore, even with such a configuration, it is possible to divide the pattern light into the first optical path and the second optical path and form a plurality of light source images that are condensed at different positions in the depth direction.
  • the material of the lens corresponding to the lens 130 described above may not have birefringence, and for example, glass. It may be a lens composed of the above. That is, in this modification, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained without using a polarizer or a birefringent lens.
  • FIG. 7 is a plan view showing a planar structure of a pattern plate 12C according to a second modification of the pattern plate 12A
  • FIG. 8 is a measuring device 1A using the pattern plate 12C according to the second modification of the pattern plate 12A.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining how the patterned light is condensed in FIG.
  • FIG. 7 is an enlarged view of a region of the pattern plate 12C in which cross-shaped slits are formed.
  • the pattern plate 12C is formed with four slits 121a to 121d similar to those of the pattern plate 12A shown in FIG. 3, and these four slits 121a to 121d respectively have wavelengths for transmitting lights of different wavelengths.
  • Filters 124a to 124d are provided. When the irradiation light passes through the pattern plate 12C, the irradiation light is divided into light having four different wavelengths.
  • the lens corresponding to the above-described lens 130 may be a high-dispersion lens made of flint glass, for example. Flint glass has a low Abbe number, which indicates the amount of displacement of the refractive index with respect to the wavelength of light, that is, it has a large chromatic dispersion. Therefore, as shown in FIG. To have.
  • the pattern light includes light of four wavelengths, the light-collecting positions of the four light source images in the depth direction are different from each other. Therefore, of the four light source images captured by the image capturing unit 22, the amount of received light of the wavelength of the light source image that is most focused on the object W is larger than the amount of received light of the wavelengths of the other light source images. Become. In other words, the distance to the object can be measured based on the wavelength of the light source image received by the imaging unit 22 and the amount of received light.
  • the number of slits formed on the pattern plate 12C is four, and the wavelength filter has four wavelengths.
  • the number of slits and the number of wavelengths of the wavelength filter are shown. Is not limited to four, and may be two or three, or five or more.
  • these wavelength filters are not necessarily filters that transmit light in a single wavelength band, and may be filters that transmit light in a plurality of wavelength bands, such as a complementary color transmission filter. ..
  • FIG. 9A is a plan view showing a planar structure of the pattern plate 12D in the measuring apparatus according to the second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 9B is a plan view showing a planar structure of a pattern plate 12E according to a third modification example of the pattern plate.
  • the measuring device according to the second embodiment is different from the measuring device according to the above-described first embodiment in the position and shape of the slit formed in the pattern plate.
  • the pattern plate 12D shown in FIG. 9A has four rectangular slits 125a to 125d formed at positions having the same distance from the optical axis in the surface direction with the optical axis of the illumination optical system 10A as the normal line.
  • the pattern plate 12E shown in FIG. 9B has four arc-shaped slits 126a to 126d formed at positions having the same distance from the optical axis in the surface direction with the optical axis of the illumination optical system 10A as the normal line.
  • These slits 125a to 125d and 126a to 126d may be provided with a polarizer, for example, similar to the above-mentioned pattern plate 12A, or may be provided with a wavelength filter similarly to the pattern plate 12C.
  • the pattern plates 12D and 12E may have regions having different thicknesses like the pattern plate 12B.
  • the light transmitted through each pattern is focused at different positions in the depth direction, as in the above-described measuring apparatus 1A. Therefore, similarly to the above-described measuring apparatus 1A, the distance to the object W can be measured based on the sharpness of the plurality of light source images projected on the object W.
  • the plurality of slits formed on the pattern plates 12D and 12E are separated from each other by a distance from each other as compared with the plurality of slits formed on the pattern plates 12A to 12C. Therefore, for example, in the pattern plate 12D, the first light source image that passes through the slit 125a and is projected onto the target object W through the first optical path, and the target object W that passes through the slit 125b and passes through the second optical path. And the second light source image projected onto the object W can be projected onto positions distant from each other in plan view of the object W.
  • the slits are formed in the pattern plates 12D and 12E at positions where the distances from the optical axis are equal to each other, the light source image corresponding to each slit is distorted by the aberration or distortion of the lens. However, it is considered that they are distorted symmetrically to each other.
  • the influence is minimal. Therefore, even with such a slit arrangement, the measurement accuracy can be improved as compared with the comparative example.
  • the shape, number and arrangement of the slits formed on the pattern plate are not particularly limited. Further, the above-mentioned slits may be formed in combination.
  • FIG. 10 is a diagram showing an overall configuration of a measuring device according to a third embodiment of the present disclosure
  • FIG. 11 is a plan view showing a planar structure of a pattern plate in the measuring device according to the third embodiment of the present disclosure. is there.
  • the illumination optical system 10B includes a pattern plate 12F instead of the pattern plate 12A, and the optical path of the irradiation light is transmitted through a region other than the paraxial region, a so-called off-axis region.
  • the present embodiment does not assume symmetrical aberrations in each optical path. Therefore, it is sufficient that the light from the light source 11 is condensed, and it can be applied to an optical system having no optical axis, for example, a free-form surface system.
  • a configuration using an off-axis region of an optical system having an optical axis will be described, but the configuration is not limited to this. Since the configuration of the observation system 20 can be the same as that of the above-described measuring apparatus 1A, the illustration is omitted in FIG.
  • the pattern plate 12F has an annular slit 127 formed around the optical axis. It is assumed that the slit 127 has such a size that a light source image corresponding to the slit 127 is projected with a planar spread with respect to the size of the object W in a plan view of the object W.
  • the lens 130 has different refracting power depending on the polarization direction of transmitted light, and the refracting action splits the irradiation light into the first optical path and the second optical path.
  • the lens 130 may be a lens made of, for example, a uniaxial crystal.
  • the optical axis of the lens may be parallel to or perpendicular to the optical axis of the illumination optical system 10B.
  • the irradiation light is transmitted through the off-axis region of the lens 130.
  • the refractive index of the ordinary ray and the refractive index of the extraordinary ray are different from each other. That is, since the ordinary light ray and the extraordinary light ray have different lens magnifications, the imaging unit 22 (not shown) observes the slightly shifted dual first light source image and second light source image. (See FIG. 10). Thereby, the distance to the object W can be measured based on the sharpness and the position of the first light source image and the second light source image.
  • “slightly displaced” is sufficiently close to the size of the target object W, and in the plan view of the target object W, the first light source image and the second light source image are substantially a predetermined value of the target object W.
  • the deviation is such that it can be treated as being projected on a position.
  • the light source image and the second light source image may be a "slightly shifted" double image.
  • FIG. 12A is a diagram showing an image of an image captured by the image capturing unit 22 when the target object W is located at the point A.
  • FIG. 12B is a diagram showing an image of an image captured by the image capturing unit 22 when the object W is at the point B.
  • the outer first annular light source image 221a is clearly focused because it is in focus, and the inner annular first light source image 221a is sharp.
  • the second light source image 221b appears blurry.
  • the outer annular first light source image 221a appears blurry and the inner annular second image 221a appears.
  • the light source image 221b is clearly focused because it is in focus. In this way, the distance to the object W can be measured based on the sharpness of the double-shifted image.
  • the inclination of the object and the inclination of the object are determined based on the position and sharpness of the light source image.
  • the shape can be measured. This point will be further described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • FIG. 13 is a diagram showing an image of an image captured by the image capturing unit 22 when measuring the inclination of an object using the measuring device according to the third embodiment of the present disclosure.
  • the inner annular second light source image 222b is less clear on the upper right side of the paper
  • the outer annular first light source image 222a is less clear on the lower left side of the paper.
  • FIG. 14 is a diagram showing an image of an image captured by the image capturing unit 22 when the shape of an object is measured using the measuring device according to the third embodiment of the present disclosure.
  • a pattern plate in which a plurality of (three in the present embodiment) annular slits are concentrically formed around the optical axis is used.
  • Double first light source image 223a and second light source image 223b, first light source image 224a and second light source image 224b, and first light source image 225a and second light source image 225b are projected from the three slits, respectively.
  • the outer first light source image 223a is more unclear than the inner second light source image 223b
  • the second light source image 225b on the inner side is more unclear than the first light source image 225a on the outer side. Therefore, it can be seen that this object is a hemispherical shape that is closest to the condenser lens 15 in the vicinity of the center of the paper surface and is farther from the condenser lens 15 as it approaches the outside.
  • the distance to the object W can be measured over a two-dimensional range.
  • FIG. 15 is a diagram showing an overall configuration of a laser beam projection system to which the measuring device according to the first embodiment of the present disclosure is applied.
  • 16A to 16C are diagrams for explaining the operation of the laser beam projection system.
  • the laser beam projection system 2 includes, for example, a projection system 30, a height adjustment system 40, and a control system in addition to the illumination optical system 10A and the observation system 20 in the measurement device 1A described above. And 50.
  • the light projecting system 30 projects the laser beam B onto the object W via at least a part of the illumination optical system 10A of the measuring apparatus 1A to process the object W.
  • the laser beam B is applied to the object W via the condenser lens 15 included in the illumination optical system 10A.
  • the wavelength of the laser beam B is different from the wavelength of the pattern light emitted from the illumination optical system 10A, for example, and the laser beam B and the pattern light are distinguishable from each other in the observation system 20.
  • the height adjusting system 40 adjusts the working distance WD, which is the distance from the condenser lens 15 in the light projecting system 30 to the object W.
  • the working distance WD is the distance from the condenser lens 15 in the light projecting system 30 to the object W.
  • the measuring device 1A measures the working distance WD according to the above-mentioned principle.
  • the control system 50 controls the height adjustment system 40 based on the working distance WD measured by the measuring device 1A so as to maintain the working distance WD in a predetermined condition.
  • the predetermined condition includes, for example, that the working distance WD and the focal length of the condenser lens 15 match.
  • the refractive index of the condenser lens 15 may change and the focal length of the condenser lens 15 may change as the temperature rises due to the irradiation of the laser beam.
  • the working distance WD and the focal length of the condenser lens 15 do not match, and the focus position of the laser beam may not match the target object W.
  • the temperature rise may occur due to, for example, light absorption heat generation due to the glass material or coating material of the lens containing impurities, a change in environmental temperature, or the effect of radiation from an object.
  • FIG. 16A shows a state in which the working distance WD and the focal length f of the condenser lens 15 match and the focus position of the laser beam B matches the object W.
  • the first light source image that has passed through the first optical path L1 and the second light source image that has passed through the second optical path L2 in the measuring apparatus 1A are initially set to have the same degree of sharpness, for example.
  • the focal length f of the condenser lens 15 becomes short and the focal length fa becomes as shown in FIG. 16B (f> fa).
  • the working distance WD and the focal length fa of the condenser lens 15 do not match, and the focus position of the laser beam B does not match the object W.
  • the first optical path L1 and the second optical path L2 in the measuring apparatus 1A also pass through the condenser lens 15 which is the same as the light projecting system 30, the optical paths change similarly to the laser beam B, and the first optical path L1a and the first optical path L1a. It becomes two optical paths L2a (see FIG. 16B). Thereby, for example, one of the plurality of light source images projected on the object W becomes clear and the other becomes unclear.
  • the control system 50 controls the height adjustment system 40 based on the changes in the sharpness of these light source images observed in the observation system 20 so that the sharpness of both light source images becomes similar again, Adjust the working distance WD.
  • Adjust the working distance WD As a result of the above operation, as shown in FIG. 16C, the adjusted working distance WDa and the focal length fa of the condenser lens 15 match again, and the focus position of the laser beam Ba comes to match the object W.
  • the condenser lens 15 is shared by the illumination optical system 10A and the projector system 30, so that the change in the focal length of the condenser lens 15 can be measured. Therefore, as compared with, for example, a configuration in which the working distance is matched with the unique focal length of the condenser lens, the focus position can be adjusted to the object W with higher accuracy.
  • control system 50 controls the operation of the height adjustment system 40 in the above-described embodiment, instead of this, for example, a light source image observed in the observation system 20 of the measuring apparatus 1A. May be displayed on the display, and the user may manually operate the height adjustment system 40 while viewing the display to adjust the working distance.
  • the light projecting system 30 projects the laser beam B to process the object W, but the light projected by the light projecting system is not limited to the laser beam. , Other types of light may be used.
  • 1A, 1B ... Measuring device, 2 Laser beam projecting system, 10A, 10B ... Illumination optical system, 11 ... Light source, 12A-12F ... Pattern plate, 13 ... Lens unit, 14 ... Mirror, 15 ... Condenser lens, 20 ... Observation system, 21 ... Half mirror, 22 ... Imaging unit, 30 ... Projection system, 40 ... Height adjustment system, 50 ... Control system, 120, 121a to 121d, 123a to 123d, 125a to 125d, 126a to 126d, 127 ... slits, 122a to 122d ... polarizers, 124a to 124d ... wavelength filters, 130 ...
  • lenses 220a, 220b, 221a, 222a ... first light source image, 220c, 220d, 221b, 222b ... second light source image, L1 ... second 1 optical path, L2 ... second optical path, R1 ... first area, R2 ... second area, B ... laser beam

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Abstract

光学系に起因する像の歪みの影響を抑制しつつ対象物を測定可能な測定装置及び測定装置を用いた投光システムを提供する。測定装置（１Ａ）は、所定のパターンを有する照射光を、互いに異なる第１光路（Ｌ１）及び第２光路（Ｌ２）を経由して対象物に照射する照明光学系（１０Ａ）と、第１光路（Ｌ１）を経由して対象物に投影された第１光源像（２２０ａ，２２０ｂ）及び第２光路（Ｌ２）を経由して対象物に投影された第２光源像（２２０ｃ，２２０ｄ）を観察する観察系（２０）と、を備え、照明光学系（１０Ａ）は、第１光路（Ｌ１）を経由した光及び第２光路（Ｌ２）を経由した光が、照射光の進行方向に沿って見た対象物の平面視における所定の位置であって、照射光の進行方向における互いに異なる位置に集光するように構成され、観察系（２０）により観察された第１光源像及び第２光源像に基づいて対象物を測定する。

Description

測定装置及び測定装置を用いた投光システム
　本発明は、測定装置及び測定装置を用いた投光システムに関する。
　従来、光学の分野において、物体に照射された光の反射光を検出することにより、物体までの距離を算出する方法が知られている。例えば、下記特許文献１には、対象物に照射された光の反射光のうちスリット板を通過した光を受光し、その受光量の変化に基づいて対象物の変位量を検出する光学式の変位センサが開示されている。
　また、下記特許文献２には、２つの遮光パターンを用いて試料にパターン像を投影し、投影された２つの像に基づいて試料までの距離を算出する光学顕微鏡が開示されている。この光学顕微鏡では、光軸からの距離が互いに異なるように２つの遮光パターンを配置することにより、試料に投影された２つの像のピントがレンズを介して互いに異なる深さに合うこととなる。これにより、センサにおいて検出される２つの像にコントラストの相違が生じるため、このコントラストの相違に基づいて試料までの距離を算出することができる。
特開２０１２－２２９９８３号公報 特開２００８－２８１７１９号公報
　上記特許文献１に開示された変位センサによると、対象物との距離が変化したか否かを検出することはできるが、当該距離そのものを検出することはできない。他方、上記特許文献２に開示された光学顕微鏡によると、対象物までの距離を測定することができるが、２つの遮光パターンによる像がレンズの光軸からの距離が異なる位置を透過するため、レンズの収差やディストーションにより、像に互いに異なる歪みやぼけが生じ、距離の測定精度が劣るおそれがある。
　本開示はこのような事情に鑑みてなされたものであり、本開示の目的は、光学系に起因する像の歪みの影響を抑制しつつ対象物を測定可能な測定装置及び測定装置を用いた投光システムを提供することである。
　本開示の一側面に係る測定装置は、所定のパターンを有する照射光を、互いに異なる第１光路及び第２光路を経由して対象物に照射する照明光学系と、第１光路を経由して対象物に投影された第１光源像及び第２光路を経由して対象物に投影された第２光源像を観察する観察系と、を備え、照明光学系は、第１光路を経由した光及び第２光路を経由した光が、照射光の進行方向に沿って見た対象物の平面視における所定の位置であって、照射光の進行方向における互いに異なる位置に集光するように構成され、観察系により観察された第１光源像及び第２光源像に基づいて対象物を測定する。
　本開示の一側面に係る測定装置は、所定のパターンを有する照射光を、互いに異なる第１光路及び第２光路を経由して対象物に照射する照明光学系と、第１光路を経由して対象物に投影された第１光源像及び第２光路を経由して対象物に投影された第２光源像を観察する観察系と、を備え、照明光学系は、第１光路及び第２光路が、照明光学系の光軸を法線とする面方向において光軸からの距離が等しい位置であって、照射光の進行方向における互いに異なる位置に集光するように構成され、観察系により観察された第１光源像及び第２光源像に基づいて対象物を測定する。
　本開示によれば、第１光路と第２光路に収差が現れるとしても、現れる収差の影響は同様であることから、光学系に起因する像の歪みの影響を抑制しつつ対象物を測定可能な測定装置及び測定装置を用いた投光システムを提供することができる。
図１は、本開示の第１実施形態に係る測定装置の全体構成を示す図である。 図２は、本開示の第１実施形態に係る測定装置における照明光学系の斜視構造を示す斜視図である。 図３は、本開示の第１実施形態に係る測定装置におけるパターン板の拡大平面図である。 図４Ａは、対象物が地点Ａにある場合に撮像部により撮像される画像のイメージを示す図である。 図４Ｂは、対象物が地点Ｂにある場合に撮像部により撮像される画像のイメージを示す図である。 図５は、第１変形例に係るパターン板の平面構造を示す平面図である。 図６は、第１変形例に係るパターン板の側面構造を示す側面図である。 図７は、第２変形例に係るパターン板の平面構造を示す平面図である。 図８は、第２変形例に係るパターン板を用いた測定装置におけるパターン光の集光を説明するための図である。 図９Ａは、本開示の第２実施形態に係る測定装置におけるパターン板の平面構造を示す平面図である。 図９Ｂは、第３変形例に係るパターン板の平面構造を示す平面図である。 図１０は、本開示の第３実施形態に係る測定装置の全体構成を示す図である。 図１１は、本開示の第３実施形態に係る測定装置におけるパターン板の平面構造を示す平面図である。 図１２Ａは、対象物が地点Ａにある場合に撮像部により撮像される画像のイメージを示す図である。 図１２Ｂは、対象物が地点Ｂにある場合に撮像部により撮像される画像のイメージを示す図である。 図１３は、本開示の第３実施形態に係る測定装置を用いて対象物の傾きを測定する場合に、撮像部により撮像される画像のイメージを示す図である。 図１４は、本開示の第３実施形態に係る測定装置を用いて対象物の形状を測定する場合に、撮像部により撮像される画像のイメージを示す図である。 図１５は、本開示の第１実施形態に係る測定装置が適用されたレーザービーム投光システムの全体構成を示す図である。 図１６Ａは、レーザービーム投光システムの動作を説明するための図である。 図１６Ｂは、レーザービーム投光システムの動作を説明するための図である。 図１６Ｃは、レーザービーム投光システムの動作を説明するための図である。
　以下に本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面の記載において同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本願発明の技術的範囲を当該実施の形態に限定して解するべきではない。
　図１から図３を参照して、本開示の第１実施形態に係る測定装置について説明する。図１は、本開示の第１実施形態に係る測定装置の全体構成を示す図である。図２は、本開示の第１実施形態に係る測定装置における照明光学系の斜視構造を示す斜視図である。図３は、本開示の第１実施形態に係る測定装置におけるパターン板の拡大平面図である。
　図１に示されるように、測定装置１Ａは、対象物Ｗに所定のパターンのパターン光を投影する照明光学系１０Ａと、対象物Ｗに投影された光源像を観察可能な観察系２０と、を備える。
　照明光学系１０Ａは、対象物Ｗの近傍に光源像が結ばれるように照射光を照射する、いわゆるクリティカル照明を構成する。具体的に、照明光学系１０Ａは、例えば、光源１１と、パターン板１２Ａと、レンズユニット１３と、ミラー１４と、コンデンサレンズ１５と、を有する。
　光源１１は、照射光を照射する。
　パターン板１２Ａは、光源１１から照射された照射光の光路上に設けられる。パターン板１２Ａは、対象物Ｗに投影するパターン光のパターンを構成する。パターン板１２Ａは、光を透過させる透過部と、光を遮断又は減光させる減光部を含む。透過部及び減光部の配置によりパターン光のパターンが決定される。本実施形態においてパターン板１２Ａは、図２に示されるように円形平板状を成し、その中央付近にクロス状のスリット１２０が形成されている。スリット１２０は、照射光を透過させる透過部を構成し、スリット１２０が形成された領域以外の領域は、照射光を遮断又は減光させる減光部を構成する。なお、スリット１２０を透過した光を拡散させるため、パターン板１２Ａは、粗面に加工されたガラス面上に薄く加工されたマスク部材を密着させたものや、同ガラス面上にクロムなどのマスクを蒸着したものであってもよく、又は蛍光体を同形状に分布させたものであってもよい。あるいは、パターン板の前又は後ろに拡散板が設けられてもよい。
　図３は、クロス状のスリット１２０が形成された領域を拡大して示した平面図である。図３に示されるように、クロス状のスリット１２０は、紙面の縦方向に並んで配置された２つの矩形状のスリット１２１ａ，１２１ｂと、横方向に並んで配置された２つの矩形状のスリット１２１ｃ，１２１ｄと、を含む。
　２つのスリット１２１ａ，１２１ｂには、偏光子１２２ａ，１２２ｂがそれぞれ設けられ、２つのスリット１２１ｃ，１２１ｄには、偏光子１２２ｃ，１２２ｄがそれぞれ設けられている。偏光子１２２ａ，１２２ｂと偏光子１２２ｃ，１２２ｄは、互いに異なる偏光方向の光を透過させる偏光子である。これにより、パターン板１２Ａにより生成されるパターン光は、スリット１２１ａ，１２１ｂを透過した光と、スリット１２１ｃ，１２１ｄを透過した光の２種類の偏光方向の光を含むこととなる。なお、２種類の偏光方向は、例えば互いに直交する方向であってもよい。
　レンズユニット１３は、レンズ１３０を含む。レンズ１３０は、照射光を所定の方向に導く光学部材の一具体例である。本実施形態において、レンズ１３０は、円形平板状を成す。レンズ１３０の材質は特に限定されないが、レンズ１３０は、例えば人工水晶を含む水晶により構成される。水晶は、例えばガラス等の他の材料に比べて広い波長の範囲において高い透過率を有し、かつ波長が比較的短くエネルギーが強力な光（例えば、深紫外光）を透過させる場合であっても光学的特徴が損なわれにくく、劣化の進行が遅い。また、水晶は潮解性を有しないため耐水性に優れる。
　水晶は、一方向の光学軸を有する一軸性結晶である。従って、水晶を透過する光の進行方向が水晶の光学軸と平行でない場合、水晶を透過する光は振動面が互いに異なる常光線と異常光線とに分離されて進行し、いわゆる複屈折が生じる。これは水晶の結晶構造上、光線の位相速度が進行方向に応じて異なることにより、振動面により屈折率が異なるためである。本実施形態において、レンズ１３０は、パターン板１２Ａから照射されるパターン光の進行方向とレンズ１３０の光学軸が平行とならないように配置される。これにより、上述のとおり２種類の偏光方向の光を含むパターン光は、レンズ１３０において互いに異なる屈折角で屈折し、第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２に分かれて進む。
　なお、本実施形態ではレンズユニット１３が１つのレンズ１３０を含む構成が示されているが、レンズユニット１３が有するレンズの枚数、形状及び材質等は一例であり、これに限定されない。また、レンズ１３０の材料は水晶に限られず、例えば他の一軸性結晶であってもよく、あるいは二軸性結晶であってもよい。さらに、光学部材はレンズに限られず、例えばプリズムであってもよい。
　レンズ１３０を透過したパターン光は、ミラー１４において反射され、コンデンサレンズ１５により集光されて対象物Ｗに投影される。対象物Ｗの近傍に結ばれる光源像の詳細については後述する。
　観察系２０は、例えば、ハーフミラー２１と、撮像部２２と、を有する。
　ハーフミラー２１は、パターン光の一部を透過させるとともに、対象物Ｗにおいて反射された光の一部を撮像部２２に向けて反射させる。なお、ハーフミラー２１は、観察系２０に含まれるとともに、照明光学系１０Ａにも含まれる。
　撮像部２２は、ハーフミラー２１において反射された光を受光することにより、対象物Ｗに投影されたパターン光の光源像を撮像する。なお、撮像部２２は、光源像を観察するための一具体例であり、像を観察するための構造はこれに限定されない。
　撮像部２２において撮像される光源像の詳細について、図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。図４Ａは、対象物Ｗが地点Ａにある場合に撮像部２２により撮像される画像のイメージを示す図である。図４Ｂは、対象物Ｗが地点Ｂにある場合に撮像部２２により撮像される画像のイメージを示す図である。
　パターン板１２Ａのスリット１２１ａ，１２１ｂを透過した光は、第１光路Ｌ１を経由して第１光源像２２０ａ，２２０ｂを結び、スリット１２１ｃ，１２１ｄを透過した光は、第２光路Ｌ２を経由して第２光源像２２０ｃ，２２０ｄを結ぶ。なお、説明の便宜上、図３においては４つのスリット１２１ａ～１２１ｄが互いに離れて図示されているが、これらの４つのスリットは対象物Ｗの大きさに対して十分に近いものとする。すなわち、各スリット１２１ａ～１２１ｄに対応する第１光源像２２０ａ，２２０ｂ及び第２光源像２２０ｃ，２２０ｄは、それぞれ、パターン光の進行方向に沿って見た対象物Ｗの平面視において、実質的に対象物Ｗの所定の位置（ほぼ同じ位置）に投影されるものとする。
　上述のとおり、第１光路Ｌ１を経由した光と第２光路Ｌ２を経由した光は、レンズ１３０において互いに異なる屈折角で屈折する。従って、第１光路Ｌ１を経由した光と第２光路Ｌ２を経由した光は、パターン光の進行方向（本実施形態においては、コンデンサレンズ１５の光軸方向。以下、「深さ方向」とも呼ぶ。）において互いに異なる位置に集光する（図１参照）。これにより、例えば対象物Ｗがコンデンサレンズ１５から相対的に近い地点Ａにある場合、図４Ａに示されるように、第１光路Ｌ１を経由した第１光源像２２０ａ，２２０ｂはピントが合うため鮮明に写り、第２光路Ｌ２を経由した第２光源像２２０ｃ，２２０ｄはピントが合わず不鮮明に写る。他方、対象物Ｗがコンデンサレンズ１５から相対的に遠い地点Ｂにある場合、図４Ｂに示されるように、第１光路Ｌ１を経由した第１光源像２２０ａ，２２０ｂはピントが合わず不鮮明に写り、第２光路Ｌ２を経由した第２光源像２２０ｃ，２２０ｄはピントが合うため鮮明に写る。従って、第１光源像と第２光源像の差異は、対象物Ｗまでの距離情報を含むことになる。言い換えると、撮像部２２により観察される光源像の特性（例えば、鮮明度、コントラスト等）に基づいて、測定装置１Ａの一部（例えば、コンデンサレンズ１５）から対象物Ｗまでの距離を測定することができる。また、本構成を採用することにより、以下の（１）～（４）に示す効果を奏する。
　（１）本実施形態においては、パターン光が第１光路Ｌ１及び第２光路Ｌ２に分かれて対象物Ｗに照射されることにより、対象物上の所定の位置に投影された複数の光源像の鮮明度を比較することができる。従って、例えば上記特許文献２に開示されるように、対象物上の互いに離れた位置に投影された２つの光源像の鮮明度を比較する構成（以下、当該構成を「比較例」とも呼ぶ。）に比べて、対象物の表面に凹凸があったり、照明光学系に対して対象物の表面が傾いていたりする場合であっても、対象物までの距離を精度高く測定することができる。また、互いに離れた２つの光源像を投影することが困難であるほど微小な大きさの対象物であっても、距離を測定することができる。特に、水晶は他の一軸性結晶に比べて複屈折の度合いが小さいため、第１光源像と第２光源像のずれを小さくすることができる。従って、水晶によりレンズ１３０を構成することにより、例えば精密な計測を行うことができる。
　（２）比較例においては、２つの光源像を形成する光がレンズの光軸からの距離が異なる位置を透過するため、例えばコマ収差又は非点収差などのレンズの収差やディストーションにより像に歪みが生じ、測定精度が劣るおそれがある。あるいは、当該歪みを補正するため、照明光学系を微調整したり測定装置ごとに像の歪み方を記憶させたりする必要があり、設計や計算が複雑化し得る。この点、本実施形態によると、第１光路Ｌ１及び第２光路Ｌ２がレンズのほぼ同じ位置を透過するため、レンズの収差やディストーションなどといった光学系に起因する光源像の歪みの影響を抑制することができ、比較例に比べて測定精度を向上させることができる。あるいは、歪みを補正する必要がなくなるため、比較例に比べて設計や解析が単純化し、測定を高速化することができる。特に、レンズ１３０の光軸に近い領域（近軸領域）は、他の領域に比べて収差の影響を受けにくいため、第１光路Ｌ１及び第２光路Ｌ２が当該近軸領域を透過することにより、これらの効果を得やすくなる。
　（３）比較例においては、２つの光源像が対象物の平面視において異なる位置に投影されるため、２つの光源像を観察するために複数のセンサ又は大型のセンサを要する。この点、本実施形態によると、第１光路Ｌ１及び第２光路Ｌ２を経由した光源像が、対象物Ｗの平面視においてほぼ同じ位置に投影されるため、１つのセンサがあれば足り、部品点数の減少又は装置の規模の縮小を図ることができる。
　（４）比較例においては、２つの光源像がレンズの異なる位置を透過するため、偏心光学系や自由曲面で構成された光学系に適用すると像に非対称なぼけが生じ、対象物までの距離を適切に測定することができない。この点、本実施形態によると、第１光路Ｌ１及び第２光路Ｌ２がレンズのほぼ同じ位置を透過するため、偏心光学系や自由曲面で構成された光学系にも適用することができる。例えば、測定装置１Ａは、ヘッドアップディスプレイに適用可能であり、自動車において運転者からフロントガラスまでの距離を測定し、居眠り防止等のアプリケーションに活用することができる。あるいは、測定装置１Ａは、モーションキャプチャ、プロジェクションマッピング、検眼器等の様々なシステムに用いることができる。
　なお、上述の実施形態では、パターン光の光路が２つに分けられる例が示されているが、光路の数はこれに限られず、３つ以上であってもよい。
　また、上述の実施形態では、測定装置１Ａの一部から対象物Ｗまでの距離を測定する例について説明したが、測定装置１Ａが測定するものは当該距離に限られず、他の様々な情報を取得可能である。例えば、測定範囲内に対象物が有るか無いかを検知する物体検知に用いられてもよい。
　また、上述の実施形態では、パターン板１２Ａにスリット１２０（透過部）が形成され、スリット１２０を透過した光によりパターン光が生成される例が示されているが、パターン板における透過部と減光部の配置は逆であってもよい。すなわち、パターン板は、光を透過させる大部分の透過部と、光を減光又は遮断させるパターン状の減光部を有することによりパターン光が生成される構成であってもよい。この場合、透過部は、光を拡散させるように粗面になっていてもよい。
　パターン光が集光する深さ方向の位置をずらし、鮮明度が異なる光源像を得る方法は上述の実施形態に限らず、他の構成によっても実現可能である。以下に、鮮明度が異なる光源像を得る他の構成について説明する。
　図５は、パターン板１２Ａの第１変形例に係るパターン板１２Ｂの平面構造を示す平面図であり、図６は、パターン板１２Ａの第１変形例に係るパターン板１２Ｂの側面構造を示す側面図である。なお、以下の変形例及び実施形態においては、上述の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
　図５及び図６は、図３と同様に、パターン板１２Ｂのうちクロス状のスリットが形成された領域を拡大して示した図である。パターン板１２Ｂは、パターン光の進行方向における長さ（すなわち、パターン板１２Ｂの厚み）が異なる領域を有する。当該厚みが相対的に厚い第１領域Ｒ１に２つのスリット１２３ａ，１２３ｂが形成され、相対的に薄い第２領域Ｒ２に２つのスリット１２３ｃ，１２３ｄが形成されている。すなわち、スリット１２３ａ，１２３ｂを透過する光の出射位置と、スリット１２３ｃ，１２３ｄを透過する光の出射位置が、パターン光の進行方向において互いに異なる。従って、このような構成であってもパターン光を第１光路と第２光路に分け、深さ方向において異なる位置に集光する複数の光源像を形成することができる。
　なお、パターン板１２Ｂにおいては、パターン板１２Ｂの厚みによりパターン光の光路を分けることができるため、上述のレンズ１３０に相当するレンズの材料は複屈折性を有していなくてもよく、例えばガラス等により構成されるレンズであってもよい。すなわち、本変形例では、偏光子や複屈折性のレンズを用いることなく、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
　図７は、パターン板１２Ａの第２変形例に係るパターン板１２Ｃの平面構造を示す平面図であり、図８は、パターン板１２Ａの第２変形例に係るパターン板１２Ｃを用いた測定装置１Ａにおけるパターン光の集光を説明するための図である。
　図７は、図３と同様に、パターン板１２Ｃのうちクロス状のスリットが形成された領域を拡大して示した図である。パターン板１２Ｃには、図３に示されるパターン板１２Ａと同様の４つのスリット１２１ａ～１２１ｄが形成されており、これらの４つのスリット１２１ａ～１２１ｄに、それぞれ、互いに異なる波長の光を透過させる波長フィルタ１２４ａ～１２４ｄが設けられている。照射光がパターン板１２Ｃを透過する際、照射光は互いに異なる４つの波長の光に分けられる。
　本変形例において、上述のレンズ１３０に相当するレンズは、例えばフリントガラスにより構成される高分散レンズであってよい。フリントガラスは、光の波長に対する屈折率の変位量を示すアッベ数が低く、すなわち色分散が大きいため、図８に示されるように光の集光位置が深さ方向において所定の範囲の広がりを持つ。本変形例では、パターン光が４つの波長の光を含むため、４つの光源像の深さ方向の集光位置がそれぞれ異なることとなる。従って、撮像部２２において撮像される４つの光源像のうち、対象物Ｗに最もピントが合っている光源像の波長の光の受光量は、その他の光源像の波長の光の受光量より多くなる。言い換えると、撮像部２２において受光される光源像の波長及びその受光量に基づいて、対象物までの距離を測定することができる。
　なお、本変形例では、パターン板１２Ｃに形成されるスリットの数が４つであり、波長フィルタの波長が４種類である例が示されているが、当該スリットの数及び波長フィルタの波長数は４つに限られず、２つ又は３つ、あるいは５つ以上であってもよい。また、これらの波長フィルタは、必ずしも単一の波長帯の光を透過させるフィルタである必要はなく、補色の透過フィルタなどのように、複数の波長帯の光を透過させるフィルタであってもよい。
　次に、本開示の第２実施形態に係る測定装置について、図９Ａ及び図９Ｂを参照して説明する。
　図９Ａは、本開示の第２実施形態に係る測定装置におけるパターン板１２Ｄの平面構造を示す平面図である。図９Ｂは、パターン板の第３変形例に係るパターン板１２Ｅの平面構造を示す平面図である。第２実施形態に係る測定装置は、上述の第１実施形態に係る測定装置に比べて、パターン板に形成されるスリットの位置及び形状が異なる。
　図９Ａに示されるパターン板１２Ｄは、照明光学系１０Ａの光軸を法線とする面方向において光軸からの距離が等しい位置に形成された４つの矩形状のスリット１２５ａ～１２５ｄを有する。図９Ｂに示されるパターン板１２Ｅは、照明光学系１０Ａの光軸を法線とする面方向において光軸からの距離が等しい位置に形成された４つの弧状のスリット１２６ａ～１２６ｄを有する。これらのスリット１２５ａ～１２５ｄ，１２６ａ～１２６ｄには、例えば上述のパターン板１２Ａと同様に偏光子が設けられていてもよく、又はパターン板１２Ｃと同様に波長フィルタが設けられていてもよい。あるいは、パターン板１２Ｄ，１２Ｅは、パターン板１２Ｂと同様に厚みが異なる領域を有していてもよい。このような構成を適用することにより、上述の測定装置１Ａと同様に、各パターンを透過した光が深さ方向において互いに異なる位置に集光することとなる。従って、上述の測定装置１Ａと同様に、対象物Ｗに投影された複数の光源像の鮮明度に基づいて、対象物Ｗまでの距離を測定することができる。
　ここで、パターン板１２Ｄ，１２Ｅに形成された複数のスリットは、上述のパターン板１２Ａ～１２Ｃに形成された複数のスリットに比べて、スリット間の距離が互いに離れている。従って、例えばパターン板１２Ｄにおいて、スリット１２５ａを透過して第１光路を経由して対象物Ｗに投影される第１光源像と、スリット１２５ｂを透過して第２光路を経由して対象物Ｗに投影される第２光源像とが、対象物Ｗの平面視において離れた位置に投影され得る。しかしながら、この場合であっても、パターン板１２Ｄ，１２Ｅでは、光軸からの距離が互いに等しい位置に各スリットが形成されるため、各スリットに対応する光源像は、レンズの収差やディストーションにより歪むとしても、互いに対称に歪むと考えられる。加えて、第１光路及び第２光路がレンズの近軸領域を透過する場合、その影響はごく小さい。従って、このようなスリットの配置であっても、比較例に比べて測定精度を向上させることができる。
　このように、パターン板に形成されるスリットの形状、個数及び配置は特に限定されない。また、上述の各スリットは組み合わせて形成されてもよい。
　図１０は、本開示の第３実施形態に係る測定装置の全体構成を示す図であり、図１１は、本開示の第３実施形態に係る測定装置におけるパターン板の平面構造を示す平面図である。
　本実施形態に係る測定装置１Ｂは、照明光学系１０Ｂがパターン板１２Ａの代わりにパターン板１２Ｆを備え、かつ照射光の光路が近軸領域以外の領域、いわゆる軸外領域を透過するという点で、上述の測定装置１Ａと異なる。すなわち、本実施形態においては、各光路において対称な収差を前提としてない。従って、光源１１からの光が集光しさえすればよく、光軸を持たない光学系、例えば自由曲面系などにも適用し得る。なお、以下では光軸を持つ光学系の軸外領域を用いた構成について説明を行うが、これに限定されることはない。観察系２０の構成は上述の測定装置１Ａと同様とすることができるため、図１０においては図示が省略されている。
　図１１に示されるように、パターン板１２Ｆには、光軸を中心とした円環状のスリット１２７が形成されている。スリット１２７は、スリット１２７に対応する光源像が、対象物Ｗの平面視において対象物Ｗの大きさに対して平面的な広がりを持って投影される程度の大きさであるものとする。
　レンズ１３０は、例えば上述の第１実施形態と同様に、透過する光の偏光方向に応じて異なる屈折力を有し、その屈折作用により照射光を第１光路及び第２光路に分ける。具体的には、レンズ１３０は、例えば一軸性結晶により構成されたレンズであってもよい。当該レンズの光学軸は、照明光学系１０Ｂの光軸と平行であってもよく、垂直であってもよい。
　本実施形態においては、レンズ１３０の軸外領域を照射光が透過する。ここで、レンズ１３０における複屈折により、常光線の屈折率と異常光線の屈折率とは互いに異なる。つまり、常光線と異常光線とではレンズの倍率が異なるため、撮像部２２（不図示）は、対象物Ｗ上においてややずれた二重の第１光源像及び第２光源像を観察することとなる（図１０参照）。これにより、当該第１光源像及び第２光源像の鮮明度及び位置に基づいて、対象物Ｗまでの距離を測定することができる。なお、「ややずれた」とは、対象物Ｗの大きさに対して十分に近く、対象物Ｗの平面視において、第１光源像及び第２光源像が実質的に対象物Ｗの所定の位置に投影されるものとして扱える程度のずれである。例えば、第１光源像と第２光源像のいずれか一方が明瞭に見える際に、一方の光源像の少なくとも一部と他方の光源像のぼけた領域の少なくとも一部が重なるときに、第１光源像と第２光源像を「ややずれた」二重の像としてもよい。
　図１２Ａは、対象物Ｗが地点Ａにある場合に撮像部２２により撮像される画像のイメージを示す図である。図１２Ｂは、対象物Ｗが地点Ｂにある場合に撮像部２２により撮像される画像のイメージを示す図である。
　図１２Ａに示されるように、対象物Ｗがコンデンサレンズ１５から相対的に近い地点Ａにある場合、外側の円環状の第１光源像２２１ａは焦点が合うため鮮明に写り、内側の円環状の第２光源像２２１ｂはぼやけて写る。他方、図１２Ｂに示されるように、対象物Ｗがコンデンサレンズ１５から相対的に遠い地点Ｂにある場合、外側の円環状の第１光源像２２１ａはぼやけて写り、内側の円環状の第２光源像２２１ｂは焦点が合うため鮮明に写る。このように、二重にずれた像の鮮明度に基づいて、対象物Ｗまでの距離を測定することができる。
　上述の構成により、本実施形態によると、上述の第１実施形態に係る測定装置１Ａに比べて、偏光子を用いることなく対象物Ｗを測定することができる。
　また、本実施形態では、対象物Ｗに投影された光源像が対象物Ｗに対して平面的な広がりを持っているため、当該光源像の位置及び鮮明度に基づいて、対象物の傾きや形状を測定することができる。この点について、図１３及び図１４を参照してさらに説明する。
　図１３は、本開示の第３実施形態に係る測定装置を用いて対象物の傾きを測定する場合に、撮像部２２により撮像される画像のイメージを示す図である。
　図１３に示される例では、紙面の右上側では内側の円環状の第２光源像２２２ｂの方が不鮮明であり、紙面の左下側では外側の円環状の第１光源像２２２ａの方が不鮮明である。これらの画像から、当該対象物は、紙面の右上側ではコンデンサレンズ１５に近く、紙面の左下側ではコンデンサレンズ１５から遠くなるように照明光学系１０Ｂに対して傾きを持った平板状であることが分かる。
　図１４は、本開示の第３実施形態に係る測定装置を用いて対象物の形状を測定する場合に、撮像部２２により撮像される画像のイメージを示す図である。
　図１４に示される例では、光軸を中心として同心円状に複数（本実施形態では、３つ）の円環状のスリットが形成されたパターン板が用いられている。３つのスリットから、それぞれ二重の第１光源像２２３ａ及び第２光源像２２３ｂ、第１光源像２２４ａ及び第２光源像２２４ｂ、並びに第１光源像２２５ａ及び第２光源像２２５ｂが投影される。最も外側のスリットに対応する光源像においては、内側の第２光源像２２３ｂより外側の第１光源像２２３ａの方がより不鮮明であるのに対し、最も内側のスリットに対応する光源像においては、外側の第１光源像２２５ａより内側の第２光源像２２５ｂの方がより不鮮明である。従って、この対象物は、紙面の中央付近が最もコンデンサレンズ１５に近く、外側に近付くにつれてコンデンサレンズ１５から遠くなった半球状であることが分かる。
　このように、対象物Ｗに投影されるパターンが対象物Ｗに対して平面的な広がりを持つ構成によると、対象物Ｗまでの距離を二次元の範囲にわたって測定することができる。
　次に、上述の測定装置が適用されたレーザービーム投光システムについて説明する。
　図１５は、本開示の第１実施形態に係る測定装置が適用されたレーザービーム投光システムの全体構成を示す図である。図１６Ａから図１６Ｃは、レーザービーム投光システムの動作を説明するための図である。
　図１５に示されるように、レーザービーム投光システム２は、例えば、上述の測定装置１Ａにおける照明光学系１０Ａ及び観察系２０に加え、投光系３０と、高さ調整系４０と、制御系５０と、を備える。
　投光系３０は、測定装置１Ａの照明光学系１０Ａの少なくとも一部を経由して、対象物ＷにレーザービームＢを投光し、対象物Ｗを加工する。本実施形態においては、レーザービームＢは、照明光学系１０Ａに含まれるコンデンサレンズ１５を経由して対象物Ｗに照射される。レーザービームＢの波長は、例えば照明光学系１０Ａから照射されるパターン光の波長とは異なるものであり、観察系２０においてレーザービームＢとパターン光は互いに区別可能であるものとする。
　高さ調整系４０は、投光系３０におけるコンデンサレンズ１５から対象物Ｗまでの距離であるワーキングディスタンスＷＤを調整する。当該ワーキングディスタンスＷＤを調整することにより、レーザービームＢの深さ方向の集光位置を適切な位置に合わせることができる。
　測定装置１Ａは、上述の原理により、ワーキングディスタンスＷＤを測定する。
　制御系５０は、測定装置１Ａにより測定されたワーキングディスタンスＷＤに基づいて、当該ワーキングディスタンスＷＤを所定の条件に保つように高さ調整系４０を制御する。所定の条件とは、例えば、ワーキングディスタンスＷＤとコンデンサレンズ１５の焦点距離が一致することを含む。
　このようなレーザービームの投光系３０においては、例えばレーザービームの照射による温度の上昇に伴い、例えばコンデンサレンズ１５の屈折率が変化し、ひいてはコンデンサレンズ１５の焦点距離が変化し得る。この場合、ワーキングディスタンスＷＤとコンデンサレンズ１５の焦点距離が一致せず、レーザービームの集光位置が対象物Ｗに合わなくなるおそれがある。なお、温度の上昇は、例えばレンズの硝材やコーティング材が不純物を含むことによる光吸収発熱、環境温度の変化、又は対象物からの輻射の影響等により生じ得る。
　例えば、図１６Ａは、ワーキングディスタンスＷＤとコンデンサレンズ１５の焦点距離ｆが一致し、レーザービームＢの集光位置が対象物Ｗに合っている状態を示す。このとき、測定装置１Ａにおける第１光路Ｌ１を経由した第１光源像と、第２光路Ｌ２を経由した第２光源像は、例えばいずれも同程度の鮮明度となるように初期設定される。
　温度の上昇に伴いコンデンサレンズ１５の屈折率が変化すると、図１６Ｂに示されるようにコンデンサレンズ１５の焦点距離ｆが短くなり、焦点距離ｆａとなる（ｆ＞ｆａ）。これにより、ワーキングディスタンスＷＤとコンデンサレンズ１５の焦点距離ｆａが一致せず、レーザービームＢの集光位置が対象物Ｗに合わなくなる。このとき、測定装置１Ａにおける第１光路Ｌ１及び第２光路Ｌ２もまた、投光系３０と同じコンデンサレンズ１５を透過するため、レーザービームＢと同様に光路が変化し、第１光路Ｌ１ａ及び第２光路Ｌ２ａとなる（図１６Ｂ参照）。これにより、対象物Ｗに投影される複数の光源像は、例えば一方が鮮明となり、他方が不鮮明となる。
　制御系５０は、観察系２０において観察されたこれらの光源像の鮮明度の変化に基づいて、双方の光源像の鮮明度が再び同程度となるように高さ調整系４０を制御して、ワーキングディスタンスＷＤを調整する。上記の動作により、図１６Ｃに示されるように、調整されたワーキングディスタンスＷＤａとコンデンサレンズ１５の焦点距離ｆａが再び一致し、レーザービームＢａの集光位置が対象物Ｗに合うようになる。
　このように、本実施形態に係るレーザービーム投光システム２によると、ワーキングディスタンスＷＤとコンデンサレンズ１５の焦点距離とが一致する状態が保たれるため、加工条件を途中で変えたり、加工の最初と最後で加工部の品質がばらついたりすることなく加工ができ、レーザービームによる加工精度が向上する。また、本実施形態に係るレーザービーム投光システム２では、照明光学系１０Ａと投光系３０においてコンデンサレンズ１５が共有されるため、コンデンサレンズ１５の焦点距離の変化を測定することができる。従って、例えばワーキングディスタンスをコンデンサレンズの固有の焦点距離に一致させる構成に比べて、より高い精度で対象物Ｗに集光位置を合わせることができる。
　なお、上述の実施形態においては、制御系５０が高さ調整系４０の動作を制御する構成が示されているが、これに代えて、例えば測定装置１Ａの観察系２０において観察された光源像をディスプレイに表示し、ユーザが当該ディスプレイを視認しながら高さ調整系４０を手動で操作してワーキングディスタンスを調整してもよい。
　また、上述の実施形態においては、投光系３０がレーザービームＢを投光し、対象物Ｗを加工する例が示されているが、投光系が投光する光はレーザービームに限られず、他の種類の光であってもよい。
　以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更又は改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
　１Ａ，１Ｂ…測定装置、２…レーザービーム投光システム、１０Ａ，１０Ｂ…照明光学系、１１…光源、１２Ａ～１２Ｆ…パターン板、１３…レンズユニット、１４…ミラー、１５…コンデンサレンズ、２０…観察系、２１…ハーフミラー、２２…撮像部、３０…投光系、４０…高さ調整系、５０…制御系、１２０，１２１ａ～１２１ｄ，１２３ａ～１２３ｄ，１２５ａ～１２５ｄ，１２６ａ～１２６ｄ，１２７…スリット、１２２ａ～１２２ｄ…偏光子、１２４ａ～１２４ｄ…波長フィルタ、１３０…レンズ、２２０ａ，２２０ｂ，２２１ａ，２２２ａ…第１光源像、２２０ｃ，２２０ｄ，２２１ｂ，２２２ｂ…第２光源像、Ｌ１…第１光路、Ｌ２…第２光路、Ｒ１…第１領域、Ｒ２…第２領域、Ｂ…レーザービーム

Claims (11)

  1. 　所定のパターンを有する照射光を、互いに異なる第１光路及び第２光路を経由して対象物に照射する照明光学系と、
    　前記第１光路を経由して前記対象物に投影された第１光源像及び前記第２光路を経由して前記対象物に投影された第２光源像を観察する観察系と、を備え、
    　前記照明光学系は、前記第１光路を経由した光及び前記第２光路を経由した光が、前記照射光の進行方向に沿って見た前記対象物の平面視における所定の位置であって、前記照射光の進行方向における互いに異なる位置に集光するように構成され、
    　前記観察系により観察された前記第１光源像及び前記第２光源像に基づいて前記対象物を測定する、測定装置。
  2. 　所定のパターンを有する照射光を、互いに異なる第１光路及び第２光路を経由して対象物に照射する照明光学系と、
    　前記第１光路を経由して前記対象物に投影された第１光源像及び前記第２光路を経由して前記対象物に投影された第２光源像を観察する観察系と、を備え、
    　前記照明光学系は、前記第１光路及び前記第２光路が、前記照明光学系の光軸を法線とする面方向において前記光軸からの距離が等しい位置であって、前記照射光の進行方向における互いに異なる位置に集光するように構成され、
    　前記観察系により観察された前記第１光源像及び前記第２光源像に基づいて前記対象物を測定する、測定装置。
  3. 　前記照明光学系は、前記照射光の光路上に設けられたパターン板及び光学部材を有し、
    　前記パターン板は、光を透過させる透過部及び光を遮断又は減光させる減光部の配置により前記所定のパターンを構成する、
    　請求項１又は２に記載の測定装置。
  4. 　前記パターン板は、前記照射光の進行方向における長さが互いに異なる第１領域及び第２領域を含み、
    　前記透過部は、前記第１領域及び前記第２領域にそれぞれ形成された複数のスリットを含む、
    　請求項３に記載の測定装置。
  5. 　前記透過部は、前記パターン板に形成された複数のスリットと、当該複数のスリットにそれぞれ設けられた互いに異なる偏光方向の光を透過させる複数の偏光子と、を含み、
    　前記光学部材は、前記複数の偏光子をそれぞれ透過した光の偏光方向に応じて異なる屈折力を有し、屈折作用により前記照射光を前記第１光路及び前記第２光路に分ける、
    　請求項３に記載の測定装置。
  6. 　前記照射光は、前記光学部材の軸外領域を透過し、
    　前記光学部材は、偏光方向に応じて異なる屈折力を有し、屈折作用により前記照射光を前記第１光路及び前記第２光路に分ける、
    　請求項３に記載の測定装置。
  7. 　前記光学部材は、水晶により構成されたレンズを含む、
    　請求項５又は６に記載の測定装置。
  8. 　前記透過部は、前記パターン板に形成された複数のスリットと、当該複数のスリットにそれぞれ設けられた互いに異なる波長の光を透過させる複数の波長フィルタと、を含み、
    　前記光学部材は、前記複数の波長フィルタをそれぞれ透過した光の波長に応じて前記第１光源像及び第２光源像を形成する、高分散レンズを含む、
    　請求項３に記載の測定装置。
  9. 　前記透過部又は前記減光部は、前記照射光の進行方向に沿って見た前記パターン板の平面視において同心円状に配置された複数の円環状を成す、
    　請求項６に記載の測定装置。
  10. 　請求項１から９のいずれか一項に記載の測定装置と、
    　前記対象物に前記照明光学系の少なくとも一部を経由して光を投光する投光系と、
    　前記投光系におけるワーキングディスタンスを調整する調整系と、
    　前記測定装置により測定された前記ワーキングディスタンスを所定の条件に保つように前記調整系を制御する制御系と、を備える、投光システム。
  11. 　前記投光系が投光する光の波長は、前記照明光学系が照射する照射光の波長と異なる、
    　請求項１０に記載の投光システム。
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