JP2022109486A - 光測定装置及び光測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光パルスが放射されてから検出されるまでの間に、光パルスの順番が入れ替わったり、光パルスが重なったりしても、検出された光パルスが、どのタイミングで放射された光パルスに対応する反射光パルスであるかを正しく識別することができる光測定装置及び光測定方法を提供する。【解決手段】時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の光パルスを、中心波長ごとに互いに空間的に分離して測定対象に入射させ、測定対象によって反射された複数の光パルスを合波して受光し、複数の光パルスの時間波形信号を得る。時間波形信号に現れる個々の光パルスを、それぞれの時間波形に基づいて互いに識別することができる。【選択図】図１

Description

本開示は、光測定装置及び光測定方法に関する。

非特許文献１には、分光素子を用いて、複数の波長成分を含む広帯域光パルスから波長が互いに異なる複数の光パルスを空間的に分離し、それら複数の光パルスのそれぞれを被写体上の複数の位置のそれぞれに向けて互いに異なるタイミングで放射し、被写体上の複数の位置のそれぞれにおいて反射された光パルスを一つの受光素子で検出して、被写体上の複数の位置のそれぞれについて距離計測を行う技術が開示されている。

Yunshan Jiang, Sebastian Karpf andBahram Jalali, "Time-stretch LiDAR as a spectrally scanned time-of-flightranging camera", Nature Photonics 14, pp. 14-18 (2020)

非特許文献１に開示された技術においては、波長が互いに異なる複数の光パルスのそれぞれが被写体上の複数の位置のそれぞれに向けて放射されるので、被写体に向けて放射される光パルスの波長は、被写体上の位置ごとに異なっているが、光パルスの時間波形は、被写体上のどの位置についても同じである。したがって、被写体によって反射され、一つの受光素子で検出された複数の光パルスを互いに識別することができない。そのため、被写体上の複数の位置のそれぞれに向けて光パルスを放射してから、被写体上の複数の位置のそれぞれにおいて反射された光パルスを検出するまでの間に、光パルスの順番が入れ替わったり、光パルスが重なったりしても、それを認識することができない。したがって、検出された光パルスが、どのタイミングで放射された光パルスに対応する反射光パルスであるかを正しく識別することができない。その結果、被写体上の複数の位置のそれぞれについて、距離計測を正しく行うことができないという問題がある。

本開示は、光パルスが放射されてから検出されるまでの間に、光パルスの順番が入れ替わったり、光パルスが重なったりしても、検出された光パルスが、どのタイミングで放射された光パルスに対応する反射光パルスであるかを正しく識別することができる光測定装置及び光測定方法を提供することを目的とする。

本開示に係る光測定装置は、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスを出力する測定光パルス光源と、複数の測定光パルスを中心波長ごとに互いに空間的に分離して、測定対象に入射させる分光部と、測定対象によって反射された又は測定対象を透過した複数の測定光パルスを合波して、一つの光路上に出射させる合波部と、合波部から出射した複数の測定光パルスを受光して、複数の測定光パルスの時間波形信号を出力する光検出部と、時間波形信号に基づいて、複数の測定光パルスのそれぞれが光検出部によって受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測する計測部と、を備える。

また、本開示に係る光測定方法は、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスを出力するステップと、複数の測定光パルスを中心波長ごとに互いに空間的に分離して、測定対象に入射させるステップと、測定対象によって反射された又は測定対象を透過した複数の測定光パルスを合波して、一つの光路上に出射させるステップと、一つの光路上に出射した複数の測定光パルスを受光して、複数の測定光パルスの時間波形信号を出力するステップと、時間波形信号に基づいて、複数の測定光パルスのそれぞれが受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測するステップと、を備える。

本開示に係る光測定装置及び光測定方法によれば、測定光パルスが放射されてから検出されるまでの間に、測定光パルスの順番が入れ替わったり、測定光パルスが重なったりしても、検出された測定光パルスが、どのタイミングで放射された測定光パルスに対応するかを正しく識別することができる。したがって、測定光パルスを利用した計測を正しく行うことができる。

第１の実施形態に係る距離測定装置の構成の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る距離測定装置のパルス形成部の構成の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る距離測定装置の空間光変調器（ＳＬＭ）の変調面を示す図である。 第１の実施形態に係る距離測定装置によって計測された複数の反射光パルスの時間波形の一例を模式的に示す図である。 比較例に係る距離測定装置によって計測された複数の反射光パルスの時間波形の一例を模式的に示す図である。 第１の実施形態に係る距離測定装置の構成の一部を示す図である。 第１の実施形態に係る距離測定装置によって計測された複数の反射光パルスの時間波形の一例を模式的に示す図である。 （ａ）シングルパルス状の広帯域測定光パルスのスペクトル波形を示す。（ｂ）その広帯域測定光パルスの時間強度波形を示す。 （ａ）ＳＬＭにおいて矩形波状の位相スペクトル変調を与えたときのパルス形成部からの出力光のスペクトル波形を示す。（ｂ）その出力光の時間強度波形を示す。 反復フーリエ変換法による位相スペクトルの計算手順を示す図である。 位相スペクトル関数の計算手順を示す図である。 スペクトル強度の計算手順を示す図である。 ターゲットスペクトログラムの生成手順の一例を示す図である。 強度スペクトル関数を算出する手順の一例を示す図である。 （ａ）スペクトログラムＳＧ_ＩＦＴＡ（ω，ｔ）を示す図である。（ｂ）スペクトログラムＳＧ_ＩＦＴＡ（ω，ｔ）が変化したターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ_０（ω，ｔ）を示す図である。 第２の実施形態に係る表面粗さ測定装置の構成の一例を示す図である。 第２の実施形態に係る表面粗さ測定装置によって計測された複数の測定光パルス及び複数の反射光パルスの時間波形の一例を模式的に示す図である。 第１の実施形態の第１の変形例に係る距離測定装置の二次元分光器の構成の一例を示す図である。 第１の実施形態の第１の変形例に係る距離測定装置のＶＩＰＡ板の構造を示す側面図である。 第１の実施形態の第２の変形例に係る距離測定装置の構成の一例を示す図である。 第１の実施形態の第３の変形例に係る距離測定装置の構成の一例を示す図である。 第１の実施形態の第４の変形例に係る距離測定装置の構成の一例を示す図である。 第１の実施形態の第４の変形例に係る距離測定装置のパルス形成部の構成の一例を示す図である。 時間波形が互いに異なる複数のパルスからなるパルス列の時間波形の一例を示す図である。 時間波形が互いに異なる複数のパルスからなるパルス列の時間波形の一例をフーリエ変換して得られたスペクトルの一例を示す図である。

本開示に係る光測定装置は、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスを出力する測定光パルス光源と、複数の測定光パルスを中心波長ごとに互いに空間的に分離して、測定対象に入射させる分光部と、測定対象によって反射された又は測定対象を透過した複数の測定光パルスを合波して、一つの光路上に出射させる合波部と、合波部から出射した複数の測定光パルスを受光して、複数の測定光パルスの時間波形信号を出力する光検出部と、時間波形信号に基づいて、複数の測定光パルスのそれぞれが光検出部によって受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測する計測部と、を備える。

また、本開示に係る光測定方法は、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスを出力するステップと、複数の測定光パルスを中心波長ごとに互いに空間的に分離して、測定対象に入射させるステップと、測定対象によって反射された又は測定対象を透過した複数の測定光パルスを合波して、一つの光路上に出射させるステップと、一つの光路上に出射した複数の測定光パルスを受光して、複数の測定光パルスの時間波形信号を出力するステップと、時間波形信号に基づいて、複数の測定光パルスのそれぞれが受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測するステップと、を備える。

本開示に係る光測定装置及び光測定方法は、時間波形が互いに異なる複数の測定光パルスを測定対象に入射させるので、測定対象によって反射された又は測定対象を透過した複数の測定光パルスを受光して得られる時間波形信号に現れる個々の測定光パルスを、それらが現れる順番によらずに互いに識別することができる。したがって、測定光パルスが放射されてから検出されるまでの間に、測定光パルスの順番が入れ替わったり、測定光パルスが重なったりしても、検出された測定光パルスが、どのタイミングで放射された測定光パルスに対応するかを正しく識別することができるので、測定光パルスを利用した計測を正しく行うことができる。

上記の光測定装置において、測定対象に入射する前の複数の測定光パルスは、互いに時間間隔を有し、測定光パルス列を構成していてもよい。この場合、複数の測定光パルスを容易に形成することができる。

上記の光測定装置において、測定光パルス光源は、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる光パルスを出力する複数のパルスレーザ光源と、複数のパルスレーザ光源のそれぞれが出力した光パルスを合波して、複数の測定光パルスとして出力する合波光学系と、を含んでいてもよい。この場合、一般的なパルスレーザ光源を利用して、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスを容易に形成することができる。

上記の光測定装置において、複数のパルスレーザ光源は、発光波長が互いに異なる複数の半導体レーザ光源であり、複数の半導体レーザ光源のそれぞれに供給される駆動電流は、複数の半導体レーザ光源のそれぞれが出力する光パルスの時間波形が互いに異なるように、互いに異なっていてもよい。この場合、一般的なレーザ光源である半導体レーザ光源を利用して、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスを容易に形成することができる。また、複数の測定光パルスの時間波形を、例えばフォトダイオード、光電子増倍管等の一般的な光検出器によって容易に計測することができる。

上記の光測定装置において、測定光パルス光源は、複数の波長成分を有する広帯域光パルスを出力するパルスレーザ光源と、広帯域光パルスから複数の測定光パルスを形成するパルス形成部と、を含んでいてもよい。この場合、フェムト秒オーダーの半値全幅を有する複数の測定光パルスを容易に形成することができるので、測定分解能を向上させることができる。

上記の光測定装置において、パルス形成部は、広帯域光パルスに含まれる複数の波長成分を、波長ごとに空間的に分離する分光素子と、波長ごとに空間的に分離された複数の波長成分のそれぞれの位相及び強度の少なくとも一方を、複数の波長成分が合波されると時間波形及び中心波長が互いに異なる複数の光パルスが形成されるように変調する空間光変調器と、位相及び強度の少なくとも一方が変調された複数の波長成分を合波して、複数の測定光パルスとして出力する合波光学系と、を含んでいてもよい。この場合、広帯域光パルスに含まれる複数の波長成分の位相及び強度を正確に変調することができるので、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスを容易に形成することができる。

上記の光測定装置において、光検出部は、合波部から出射した複数の測定光パルスと、参照光パルスとを受光して、両者の相互相関を含む相関光を出力する相関光学系と、相関光を受光して相関信号を出力する光検出器と、を含み、相関光学系は、複数の測定光パルスに対する参照光パルスの時間遅延量を変化させながら、複数の測定光パルスと参照光パルスとを重畳させることによって相関光を出力し、光検出部は、時間遅延量ごとに得られた相関信号から時間波形信号を生成して出力してもよい。この場合、複数の測定光パルスと参照光パルスとの相互相関を利用して、フェムト秒オーダーの半値全幅を有する複数の測定光パルスの時間波形を計測することができるので、フェムト秒オーダーの半値全幅を有する複数の測定光パルスを用いて測定分解能を向上させることができる。

上記の光測定装置において、相関光学系は、パルスレーザ光源が出力する広帯域光パルスの一部を広帯域光パルスから分岐して参照光パルスとするビームスプリッタと、参照光パルスの時間遅延量を変化させる移動反射鏡と、複数の測定光パルスと参照光パルスとを重畳させて相関光を生成する光学素子と、を含んでいてもよい。この場合、参照光パルスを容易に得ることができるので、複数の測定光パルスと参照光パルスとの相互相関を含む相関光を容易に得ることができる。

上記の光測定装置において、光学素子は、非線形光学結晶を含んでいてもよい。この場合、非線形光学結晶において発生する二次高調波を利用して、複数の測定光パルスと参照光パルスとの相互相関を含む相関光を容易に得ることができる。

上記の光測定装置において、パルスレーザ光源は、光周波数コム光源であってもよい。この場合、光周波数コムを利用した精密な測定が可能になる。

上記の光測定装置において、光検出部は、合波部から出射した複数の測定光パルスと、参照光パルスとを受光して、両者の相互相関を含む相関光を出力する相関光学系と、相関光を受光して相関信号を出力する光検出器と、を含み、相関光学系は、参照光パルスを出力する第２のパルスレーザ光源を含み、第２のパルスレーザ光源は、パルスレーザ光源と位相が同期され、光パルスを出力する周期がパルスレーザ光源と異なる光周波数コム光源であってもよい。この場合、複数の測定光パルスと参照光パルスとの相互相関を利用して、フェムト秒オーダーの半値全幅を有する複数の測定光パルスの時間波形を計測することができるので、フェムト秒オーダーの半値全幅を有する複数の測定光パルスを用いて測定分解能を向上させることができる。また、デュアルコム分光技術を利用した精密な測定が可能になる。さらに、参照光パルスの時間遅延量を変化させる移動反射鏡が不要なので、測定のダイナミックレンジを拡大し、測定に要する時間を短縮することができる。

上記の光測定装置において、パルス形成部は、広帯域光パルスに含まれる複数の波長成分を、波長ごとに空間的に分離するアレイ導波路回折格子と、波長ごとに空間的に分離された複数の波長成分のそれぞれを伝送する複数の光ファイバと、複数の光ファイバによって伝送された複数の波長成分を合波して、前記複数の測定光パルスとして出力するアレイ導波路回折格子と、を含み、複数の光ファイバは、長さ及び屈折率の少なくとも一方が互いに異なっていてもよい。この場合、パルス形成部を小型化することができる。また、可動部がないので、パルス形成部を堅牢にすることができ、複数の測定光パルスを安定的に形成することができる。

上記の光測定装置において、パルスレーザ光源は、連続波レーザ光を出力する連続波レーザ光源と、連続波レーザ光を受光し、広帯域光パルスに変換して出力するマイクロリング共振器と、を含んでいてもよい。この場合、フェムト秒オーダーの半値全幅を有する複数の測定光パルスを安定的に形成することができるので、測定分解能を向上させることができる。

上記の光測定装置において、光検出部は、複数の測定光パルスを受光し、自己相関を含む相関光を出力するマイクロリング共振器を含んでいてもよい。この場合、複数の測定光パルスの自己相関を利用して、フェムト秒オーダーの半値全幅を有する複数の測定光パルスの時間波形を計測することができるので、フェムト秒オーダーの半値全幅を有する複数の測定光パルスを用いて測定分解能を向上させることができる。また、デュアルコム分光技術を利用した精密な測定が可能になる。また、パルスレーザ光源が一つで済み、さらに、参照光パルスの時間遅延量を変化させる移動反射鏡が不要なので、測定のダイナミックレンジを拡大し、測定に要する時間を短縮することができる。

上記の光測定装置において、光検出部は、フォトダイオード又は光電子増倍管を含んでいてもよい。この場合、一般的な光検出器であるフォトダイオード又は光電子増倍管を利用して測定を行うことができる。

上記の光測定装置において、計測部は、時間波形信号をフーリエ解析するフーリエ解析部と、フーリエ解析の結果に基づいて、時間波形信号から複数の測定光パルスのそれぞれが受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測する演算部と、を含んでいてもよい。この場合、複数の測定光パルスのそれぞれを時間軸上で識別することなく、複数の測定光パルスのそれぞれが光検出部によって受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測することができる。

上記の光測定装置において、分光部は、回折格子を含んでいてもよく、また、合波部は、回折格子を含んでいてもよい。この場合、一般的な分光素子である回折格子を利用して、分光部又は合波部を容易に構成することができる。

上記の光測定装置において、合波部は、測定対象によって反射された複数の測定光パルスを合波して、一つの光路上に出射させ、合波部は、前記分光部を兼ねていてもよい。この場合、光測定装置を構成する光学素子の数を減らすことができる。

上記の光測定装置において、分光部は、複数の測定光パルスを２つの方向に沿って互いに空間的に分離してもよい。この場合、二次元的な測定が可能になる。

上記の光測定装置において、計測部は、複数の測定光パルスのそれぞれが光検出部によって受光されたタイミング又は当該タイミングの差に基づいて、測定対象までの距離、測定対象の厚み、測定対象の表面に形成された膜の厚み及び屈折率、並びに測定対象の表面粗さのうち少なくとも１つを算出してもよい。本開示に係る光測定装置によれば、これらの物理量を正しく測定することができる。

本開示に係る光測定装置及び光測定方法の実施形態を、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されない。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

図１は、本開示の光測定装置の第１の実施形態に係る距離測定装置１Ａの構成の一例を示す図である。距離測定装置１Ａは、パルスレーザ光源２、ビームスプリッタ３、パルス形成部４、ビームスプリッタ５、回折格子６、レンズ７、移動反射鏡８、固定反射鏡９ａ、９ｂ、レンズ１０、光学素子１１、光検出器１２、及び信号処理装置１３を備え、測定対象である物体１００までの距離を測定する。

パルスレーザ光源２は、広帯域光パルスＰを出力する。パルスレーザ光源２は、例えばフェムト秒レーザ光源である。パルスレーザ光源２は、例えば固体レーザ光源であり、一例ではＬＤ直接励起型Ｙｂ：ＹＡＧパルスレーザ光源である。広帯域光パルスＰの時間波形は、例えばガウス関数形状であり、広帯域光パルスＰの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、例えば１０ｆｓ以上１００００ｆｓ以下であり、一例では１００ｆｓである。すなわち、広帯域光パルスＰは、いわゆるフェムト秒光パルスである。広帯域光パルスＰは、ある程度の波長帯域幅を有する光パルスであり、連続する複数の波長成分を含む。広帯域光パルスＰの帯域幅は、例えば１０ｎｍであり、広帯域光パルスＰの中心波長は、例えば１０３０ｎｍである。

広帯域光パルスＰの一部は、ビームスプリッタ３によって反射されて広帯域測定光パルスＰｓとなり、パルス形成部４に入射する。広帯域光パルスＰの残りの部分は、ビームスプリッタ３を透過することにより広帯域光パルスＰから分岐されて、参照光パルスＰｒとなる。

パルス形成部４は、広帯域測定光パルスＰｓから、複数の測定光パルスＰａを形成する。複数の測定光パルスＰａは、広帯域測定光パルスＰｓの波長帯域を、複数の波長帯域に分け、それぞれの波長帯域を用いて生成したシングルパルス群である。複数の波長帯域は、それぞれの境界近傍において、互いに重なり合う部分を有していてもよい。複数の測定光パルスＰａも、広帯域光パルスＰと同様に、フェムト秒光パルスである。複数の測定光パルスＰａは、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる。

パルスレーザ光源２、ビームスプリッタ３、及びパルス形成部４は、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスＰａを出力する測定光パルス光源を構成する。

図１には、複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスとして、３つの測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３のみが示されている。しかし、複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスの数は、３に限られるものではなく、任意の数（例えば、２０）とすることができる。

また、図１には、複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３の時間波形の一例として、矩形波状、ガウス関数形状、及び三角波状が模式的に示されている。しかし、個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３の時間波形は、これらに限られるものではなく、任意の形状（例えば、のこぎり波状、多重ピーク形状等）とすることができる。また、適当な時間波形（例えば、ガウス関数形状）を有するシングルパルスを複数個連続させたパルス群を一つのパルスと見做し、各パルス群に含まれるシングルパルスの個数を互いに異ならせることによって、時間波形が互いに異なる複数のパルスを形成してもよい。例えば、時間波形が互いに異なるパルスとして、シングルパルスが２つ連続するパルス（２連パルス）、３つ連続するパルス（３連パルス）、４つ連続するパルス（４連パルス）等を用いてもよい。

複数の測定光パルスＰａは、図１に示されるように互いに時間間隔を有していてもよい。この場合、複数の測定光パルスＰａは、測定光パルス列を構成する。また、複数の測定光パルスＰａは、互いに時間間隔を有しなくてもよい。この場合、複数の測定光パルスＰａは、互いに重なり合っている。複数の測定光パルスＰａが互いに時間間隔を有する場合、その時間間隔は、図１に示されるようにすべて同じでもよいし、互いに異なっていてもよい。

図２は、パルス形成部４の構成の一例を示す図である。パルス形成部４は、回折格子４１、レンズ４２、空間光変調器（ＳＬＭ）４３、レンズ４４、及び回折格子４５を有する。

回折格子４１は、分光素子であり、ビームスプリッタ３を介してパルスレーザ光源２と光学的に結合されている。回折格子４１は、広帯域測定光パルスＰｓに含まれる複数の波長成分を、波長ごとに空間的に分離する。回折格子４１に代えて、プリズム等の他の分光素子を用いてもよい。レンズ４２は、複数の波長成分を含む光Ｐ１を波長成分ごとに集め、ＳＬＭ４３の変調面に結像させる。レンズ４２に代えて、凹面鏡を用いてもよい。

ＳＬＭ４３は、レンズ４２を介して回折格子４１と光学的に結合されている。ＳＬＭ４３は、広帯域測定光パルスＰｓを複数の測定光パルスＰａに変換するために、回折格子４１から出射した複数の波長成分の位相を相互にずらす。そのために、ＳＬＭ４３は、図示しない制御部からの制御信号を受けて、複数の波長成分を含む光Ｐ１の位相変調と強度変調とを同時に行う。ＳＬＭ４３は、位相変調のみ、又は強度変調のみを行ってもよい。ＳＬＭ４３は、例えば位相変調型であり、一例ではＬＣＯＳ（liquid crystal on silicon）型である。ＳＬＭ４３は、図２に示されるように透過型であってもよいし、反射型であってもよい。

図３は、ＳＬＭ４３の変調面４６を示す図である。図３に示されるように、変調面４６には、複数の変調領域４６ａが方向ＡＡに沿って並んでおり、複数の変調領域４６ａのそれぞれは、方向ＡＡと交差する方向ＡＢに延びている。方向ＡＡは、回折格子４１による分光方向である。変調面４６は、フーリエ変換面として働き、複数の変調領域４６ａのそれぞれには、分光後の対応する各波長成分が入射する。ＳＬＭ４３は、複数の変調領域４６ａのそれぞれにおいて、入射した各波長成分の位相及び強度を他の波長成分から独立して変調する。本実施形態のＳＬＭ４３は、位相変調型であるので、強度変調は、変調面４６に呈示される位相パターン（位相画像）によって実現される。なお、ＳＬＭ４３における変調方法の詳細については、後述する。

図２に戻ると、レンズ４４は、ＳＬＭ４３によって変調された変調光Ｐ２の各波長成分を回折格子４５上の一点に集める。レンズ４４は、変調光Ｐ２を集光する集光光学系として機能する。回折格子４５は、合波光学系として機能し、変調光Ｐ２の各波長成分を合波する。すなわち、レンズ４４及び回折格子４５によって、変調光Ｐ２の複数の波長成分が互いに集光・合波されて、複数の測定光パルスＰａとなる。レンズ４４に代えて、凹面鏡を用いてもよい。回折格子４５に代えて、プリズム等の他の分光素子を用いてもよい。

図１に戻ると、パルス形成部４によって形成された複数の測定光パルスＰａは、ビームスプリッタ５を透過して回折格子６に入射する。

回折格子６は、分光素子であり、入射した複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３を波長ごとに空間的に分離する。個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３は、中心波長が互いに異なるので、回折格子６によって互いに異なる方向に回折され、互いに空間的に分離される。レンズ７は、互いに空間的に分離された個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３をそれぞれ集光し、物体１００の表面上の互いに異なる位置に照射する。回折格子６及びレンズ７は、複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３を中心波長ごとに互いに空間的に分離して、物体１００に入射させる分光部を構成する。回折格子６に代えて、プリズム等の他の分光素子を用いてもよい。レンズ７に代えて、凹面鏡を用いてもよい。

物体１００の表面上の互いに異なる位置に照射された個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３の少なくとも一部は、物体１００の表面によって反射され、それぞれ個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３となる。

レンズ７は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を回折格子６上の一点に集める。レンズ７は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を集光する集光光学系として機能する。回折格子６は、合波光学系として機能する。回折格子６は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を合波し、複数の反射光パルスＰｂとしてビームスプリッタ５に向けて出射させる。レンズ７及び回折格子６は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を互いに集光・合波して、複数の反射光パルスＰｂとしてビームスプリッタ５に向かって出射させる合波部を構成する。

複数の測定光パルスＰａは、フェムト秒光パルスであるから、複数の反射光パルスＰｂも、一般的にはフェムト秒光パルスである。また、複数の測定光パルスＰａは、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なるから、複数の反射光パルスＰｂも、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる。

複数の測定光パルスＰａは、前述のとおり、測定光パルス列を構成する場合もあるし、互いに重なり合っている場合もある。複数の反射光パルスＰｂも同様であるが、一般的には、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３は、物体１００の表面によってそれぞれ異なるタイミングで反射されたパルスであり、したがって、複数の反射光パルスＰｂは、互いに時間間隔を有しており、反射光パルス列を構成する。

複数の反射光パルスＰｂは、ビームスプリッタ５によって反射されて、レンズ１０に入射する。

距離測定装置１Ａでは、個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３とそれに対応する個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３とが同じ光路を互いに逆向きに進むように構成されており、複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３を互いに空間的に分離して物体１００に照射する分光部と、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を互いに集光・合波して複数の反射光パルスＰｂとしてビームスプリッタ５に向けて出射させる合波部との両方において、回折格子６及びレンズ７を兼用している。しかし、個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３とそれに対応する個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３とが互いに異なる光路を進むように構成し、分光部と合波部とを別個に構成してもよい。

参照光パルスＰｒは、移動反射鏡８、固定反射鏡９ａ、９ｂによって順次反射されて、レンズ１０に入射する。複数の反射鏡８、９ａ、９ｂの少なくとも一部（図１に示される例では、移動反射鏡８）は、図示しない移動ステージに搭載されており、図１に矢印Ｌで示される光軸方向に移動可能である。これによって、参照光パルスＰｒの光路長は、可変とされている。

レンズ１０は、複数の反射光パルスＰｂ及び参照光パルスＰｒのそれぞれを光学素子１１に向けて集光するとともに、光学素子１１において、複数の反射光パルスＰｂの光軸と参照光パルスＰｒの光軸とを所定の角度でもって互いに交差させる。

光学素子１１は、例えば二次高調波（ＳＨＧ）を発生する非線形光学結晶を含む。非線形光学結晶としては、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）結晶、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶、ＢＢＯ（β－ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶等が挙げられる。

非線形光学結晶を含む光学素子１１においては、複数の反射光パルスＰｂの光軸と参照光パルスＰｒの光軸とが所定の角度でもって互いに交差しているので、複数の反射光パルスＰｂ及び参照光パルスＰｒが光学素子１１に入射すると、両者の光軸の交点を起点として二次高調波Ｐｃが発生する。この二次高調波Ｐｃは、複数の反射光パルスＰｂと参照光パルスＰｒとの相互相関を含む相関光である。移動反射鏡８、固定反射鏡９ａ、９ｂ、レンズ１０、及び光学素子１１は、複数の反射光パルスＰｂと参照光パルスＰｒとの相互相関を含む相関光を出力する相関光学系を構成する。

光学素子１１において発生した二次高調波Ｐｃは、図示しないレンズによって平行化又は集光された後、光検出器１２に入射する。光検出器１２は、二次高調波Ｐｃを受光し、電気信号に変換して出力する。光検出器１２は、例えばフォトダイオード、光電子増倍管等である。

非線形光学結晶を含む光学素子１１において二次高調波が発生するのは、複数の反射光パルスＰｂ及び参照光パルスＰｒの両方が光学素子１１に入射したときである。したがって、光学素子１１において発生した二次高調波Ｐｃは、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を、参照光パルスＰｒが光学素子１１に入射したタイミングでサンプリングした光信号に相当する。

距離測定装置１Ａにおいては、参照光パルスＰｒの光路長は可変とされているので、複数の反射光パルスＰｂ及び参照光パルスＰｒのそれぞれが光学素子１１に入射するタイミングに差を設けることができ、かつその差を変化させることができる。そこで、パルスレーザ光源２から広帯域光パルスＰを一定の周期で繰り返し出力させて、複数の反射光パルスＰｂを一定の周期で繰り返し発生させておき、参照光パルスＰｒの光路長を所定の長さにすることにより、光学素子１１において一周期の間の所定のタイミングで発生する二次高調波Ｐｃを光検出器１２によって受光し、電気信号に変換して出力することができる。したがって、参照光パルスＰｒの光路長を変化させながら、光学素子１１において発生する二次高調波Ｐｃを光検出器１２によって繰り返し検出することによって、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を異なるタイミングでサンプリングした光信号に相当する電気信号を順次取得することができる。信号処理装置１３は、このようにして順次取得した電気信号を処理することにより、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測する。

通常、光パルスの時間波形は、その光パルスを直接受光した光検出器（例えば、フォトダイオード、光電子増倍管等）が出力する電気信号の時間波形に基づいて計測することができる。しかし、光検出器の応答速度には限界があるので、光パルスのパルス幅が狭くなるにつれて、光検出器が出力する電気信号の時間波形は、光パルスの時間波形を忠実に反映しなくなる。したがって、光パルスを直接受光した光検出器が出力する電気信号の時間波形によっては、パルス幅が狭い光パルス（例えば、フェムト秒光パルス）の時間波形を正確に計測することができない。そこで、距離測定装置１Ａにおいては、上述したように、相関光学系を用いた光サンプリング技術を利用して、光パルスの時間波形を計測している。

移動反射鏡８、固定反射鏡９ａ、９ｂ、レンズ１０、及び光学素子１１によって構成される相関光学系と、光検出器１２と、信号処理装置１３とは、複数の反射光パルスＰｂを受光して、その時間波形信号を出力する光検出部を構成する。また、信号処理装置１３は、複数の反射光パルスＰｂの時間波形信号に基づいて、複数の反射光パルスＰｂが受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測する計測部を構成する。

複数の反射光パルスＰｂに含まれる個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３は、時間波形が互いに異なるので、複数の反射光パルスＰｂの時間波形から個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を識別することができる。したがって、複数の反射光パルスＰｂが光学素子１１に入射するまでの間に、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３の順番が入れ替わったり、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３が互いに重なったりしても、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３が個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３に対応する反射光パルスであることを識別することができる。

以下では、図１及び図４を参照して、距離測定装置１Ａを用いて物体１００までの距離を測定する手順の一例を説明する。図４は、距離測定装置１Ａによって計測された複数の反射光パルスＰｂの時間波形の一例を模式的に示す図である。

まず、基準物体を用意する。基準物体としては、例えば平坦な表面を有する平板を用いることができる。そして、基準物体までの距離は、既知であるとする。

次に、距離測定装置１Ａによって、基準物体に複数の測定光パルスＰａを照射し、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測する。基準物体から得られる複数の反射光パルスＰｂの時間波形の一例が、図４（ａ）に模式的に示されている。個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３は、時間波形が互いに異なるので、複数の反射光パルスＰｂの時間波形から個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を識別することができる。

なお、図１に示されるように、複数の測定光パルスＰａが測定光パルス列を構成し、個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３がこの順に並んでいるとすると、個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３は、基準物体の表面上の互いに異なる位置に、この順に入射する。基準物体は、平坦な表面を有する平板であるから、個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３は、入射した順に反射されて、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３となる。そうすると、複数の反射光パルスＰｂは、反射光パルス列を構成し、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３は、必ずこの順に並んでいることになる。したがって、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測すると、例えば図４（ａ）に模式的に示されるように、最初に反射光パルスＰｂ１の時間波形が現れ、次いで、反射光パルスＰｂ２の時間波形、反射光パルスＰｂ３の時間波形が順次現れることになる。すなわち、基準物体が平坦な表面を有する平板である場合には、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３の時間波形を、それぞれが現れる順番に基づいて識別することもできる。

次に、距離測定装置１Ａによって、測定対象である物体１００に複数の測定光パルスＰａを照射し、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測する。物体１００から得られる複数の反射光パルスＰｂの時間波形の一例が、図４（ｂ）に模式的に示されている。

例えば、物体１００までの距離が基準物体までの距離よりも小さいとすると、複数の反射光パルスＰｂの時間波形が現れるタイミングは、基準物体に比べて早まることになる。さらに例えば、図１に示されるように、物体１００が平坦な表面を有する平板でなく、物体１００までの距離が物体１００の表面上の位置ごとに異なるとすると、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３の時間波形が現れるタイミングが早まる度合いは、互いに異なることになる。これは、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３が、物体１００の表面上の互いに異なる位置（つまり、互いに距離が異なる位置）に照射された個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３が物体１００の表面によって反射されることによって生じたものだからである。例えば、図１に示される例では、測定光パルスＰａ３は、複数の測定光パルスＰａが構成する測定光パルス列の最後尾に位置するが、物体１００の表面上の最も距離が小さい位置に照射されるので、他の測定光パルスよりも早いタイミングで反射されて反射光パルスＰｂ３となる可能性がある。その場合、反射光パルスＰｂ３は、複数の反射光パルスＰｂが構成する反射光パルス列の先頭に位置することになる。したがって、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測すると、例えば図４（ｂ）に模式的に示されるように、複数の反射光パルスＰｂの時間波形は、全体的に図４（ａ）に模式的に示された時間波形よりも早いタイミングで現れることになり、しかも、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３の時間波形が現れる順番は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を生じさせた個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３の並び順とは異なる場合がある。

個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３は、時間波形が互いに異なるので、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３が時間波形に現れる順番が、個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３の並び順と一致するか異なるかに関係なく、複数の反射光パルスＰｂの時間波形から個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を識別することができる。したがって、基準物体から得られた複数の反射光パルスＰｂの時間波形と、物体１００から得られた複数の反射光パルスＰｂの時間波形とを比較して、特定の反射光パルス（例えば、反射光パルスＰｂ３）について、その反射光パルスの時間波形が現れるタイミングが、基準物体と物体１００とでどれだけ違うかを測定することができる。例えば、図４に示されるように、物体１００から得られた複数の反射光パルスＰｂの時間波形において反射光パルスＰｂ３の時間波形が現れるタイミングが、基準物体から得られた複数の反射光パルスＰｂの時間波形において反射光パルスＰｂ３の時間波形が現れるタイミングよりも、Δｔだけ早まっているとすると、Δｔは、測定光パルスＰａ３が入射した位置における基準物体までの距離から、同じ位置における物体１００までの距離を差し引いた差分に対応する量になる。基準物体までの距離は既知である。また、基準物体は平坦な表面を有する平板なので、基準物体までの距離は基準物体の表面上の位置によらず同一である。したがって、Δｔに基づいて、その位置における物体１００までの距離を算出することができる。

なお、物体１００までの距離が基準物体までの距離よりも大きい場合は、反射光パルスＰｂ３の時間波形が現れるタイミングがΔｔだけ早まるのではなく、逆に遅れることになる。その場合、Δｔは、物体１００までの距離から基準物体までの距離を差し引いた差分に対応する量になる。したがって、Δｔに基づいて物体１００までの距離を算出することができることに変わりはない。

図５は、比較例に係る距離測定装置によって計測された複数の反射光パルスＰｂの時間波形の一例を模式的に示す図である。

比較例に係る距離測定装置の構成は、複数の測定光パルスＰａの時間波形が互いに同一（例えば、いずれもガウス関数形状）である点を除いて、第１の実施形態に係る距離測定装置１Ａの構成と同じである。比較例に係る距離測定装置においては、複数の測定光パルスＰａの時間波形が互いに同一であるから、複数の反射光パルスＰｂの時間波形も、互いに同一（例えば、いずれもガウス関数形状）である。比較例に係る距離測定装置によって基準物体から得られる複数の反射光パルスＰｂの時間波形の一例を図５（ａ）に、物体１００から得られる複数の反射光パルスＰｂの時間波形の一例を図５（ｂ）に、それぞれ模式的に示す。

比較例に係る距離測定装置を用いた場合でも、基準物体が平坦な表面を有する平板であれば、基準物体から得られる複数の反射光パルスＰｂについては、それに含まれる個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を識別することが可能である。前述のとおり、図１に示されるように、複数の測定光パルスＰａが測定光パルス列を構成し、個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３がこの順に並んでいるとすると、個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３は、基準物体の表面上の互いに異なる位置に、この順に入射し、この順に反射されて、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３となるから、複数の反射光パルスＰｂに含まれる個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３は、必ずこの順に並んでいることになる。すなわち、図５（ａ）に模式的に示されるように、複数の反射光パルスＰｂの時間波形には、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３の時間波形がこの順に現れる。したがって、複数の反射光パルスＰｂの時間波形が互いに同一でも、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３の時間波形を、それぞれが現れる順番に基づいて識別することができる。

これに対して、物体１００から得られる複数の反射光パルスＰｂについては、それに含まれる個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を識別することはできない。一般に、物体１００の表面は平坦ではなく、個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３は、物体１００の表面上の互いに異なる位置で互いに異なるタイミングで反射されて個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３となるので、複数の測定光パルスＰａが測定光パルス列を構成し、個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３がこの順に並んでいるとしても、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３の時間波形が現れる順番は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を生じさせた個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３の並び順とは異なる場合がある。そのような場合、図５（ｂ）に模式的に示されるように、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３は、その時間波形に基づいて互いに区別することができず、しかも、それぞれが現れる順番に基づいて互いに識別することもできない。

以上に述べたとおり、第１の実施形態に係る距離測定装置１Ａは、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスＰａを測定対象である物体１００に入射させるので、複数の反射光パルスＰｂに含まれる個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３の順番が入れ替わったり、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３が互いに重なったりしても、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を正しく識別することができる。したがって、物体１００までの距離を正しく測定することができる。

なお、以上の説明においては、まず、基準物体からの複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測し、次に、物体１００からの複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測することとしたが、基準物体及び物体１００からの反射光パルスの時間波形を同時に計測することもできる。すなわち、距離測定装置１Ａが照射する複数の測定光パルスＰａは、互いに空間的に分離されているから、複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスの一部（例えば、測定光パルスＰａ１）を基準物体に、残り（例えば、測定光パルスＰａ２、Ｐａ３）を物体１００に、それぞれ同時に照射することが可能である。その場合においては、基準物体からの反射光パルスＰｂ１の時間波形が現れるタイミングと、物体１００からの反射光パルスＰｂ２、Ｐｂ３の時間波形が現れるタイミングとの時間差に基づいて、物体１００までの距離を測定することができる。

第１の実施例に係る距離測定装置１Ａは、物体１００の厚みの測定に用いることもできる。以下では、図１及び図４を参照して、距離測定装置１Ａを用いて物体１００の厚みを測定する手順の一例を説明する。

まず、厚みが既知の基準物体を用意し、基準物体を例えば試料台に載置する。厚みが既知の基準物体としては、例えば既知の一様な厚みを有する平板を用いることができる。以下では、基準物体は既知の一様な厚みを有する平板であるとして説明するが、これに限られるものではない。厚みが一様でない物体であっても、物体の表面上の位置ごとに厚みが既知であれば、基準物体として用いることができる。

次に、距離測定装置１Ａによって、基準物体に複数の測定光パルスＰａを照射し、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測する。基準物体から得られる複数の反射光パルスＰｂの時間波形の一例が、図４（ａ）に模式的に示されている。

次に、基準物体に代えて、測定対象である物体１００を試料台に載置し、距離測定装置１Ａによって、物体１００に複数の測定光パルスＰａを照射し、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測する。物体１００から得られる複数の反射光パルスＰｂの時間波形の一例が、図４（ｂ）に模式的に示されている。

例えば、物体１００の厚みが基準物体の厚みより大きいとすると、複数の反射光パルスＰｂの時間波形が現れるタイミングは、基準物体に比べて早まることになる。さらに例えば、図１に示されるように、物体１００の厚みが物体１００の表面上の位置ごとに異なるとすると、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３の時間波形が現れるタイミングが早まる度合いは、互いに異なることになる。したがって、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測すると、例えば図４（ｂ）に模式的に示されるように、複数の反射光パルスＰｂの時間波形は、全体的に図４（ａ）に模式的に示された時間波形よりも早いタイミングで現れることになり、しかも、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３の時間波形が現れる順番は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を生じさせた個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３の並び順とは異なる場合がある。

これ以降は、距離測定と同様である。すなわち、基準物体から得られた複数の反射光パルスＰｂの時間波形と、物体１００から得られた複数の反射光パルスＰｂの時間波形とを比較して、特定の反射光パルス（例えば、反射光パルスＰｂ３）について、その反射光パルスの時間波形が現れるタイミングが、基準物体と物体１００とでどれだけ違うかを測定する。例えば、図４に示されるように、物体１００から得られた複数の反射光パルスＰｂの時間波形において反射光パルスＰｂ３の時間波形が現れるタイミングが、基準物体から得られた複数の反射光パルスＰｂの時間波形において反射光パルスＰｂ３の時間波形が現れるタイミングよりも、Δｔだけ早まるとすると、Δｔは、測定光パルスＰａ３が入射した位置における物体１００の厚みから、同じ位置における基準物体の厚みを差し引いた差分に対応する量になる。その位置における基準物体の厚みは既知であるから、Δｔに基づいて、その位置における物体１００の厚みを算出することができる。

なお、物体１００の厚みが基準物体の厚みより小さい場合は、反射光パルスＰｂ３の時間波形が現れるタイミングがΔｔだけ早まるのではなく、逆に遅れることになる。その場合でも、Δｔに基づいて物体１００の厚みを算出することができることに変わりはない。

第１の実施例に係る距離測定装置１Ａは、膜厚の測定に用いることもできる。以下では、図６及び図７を参照して、距離測定装置１Ａを用いて膜厚を測定する手順の一例を説明する。図６は、図１に示される距離測定装置１Ａの構成の一部を示す図である。図７は、距離測定装置１Ａによって計測された複数の反射光パルスＰｂの時間波形の一例を模式的に示す図である。

図６に示されるように、距離測定装置１Ａによって、測定対象としての多層膜構造体２００に複数の測定光パルスＰａを照射し、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測する。

多層膜構造体２００は、薄膜２０１を含み、薄膜２０１は、基板２０２の表面に形成されている。基板２０２は、例えば一様な厚みを有する平板であるが、これに限られるものではない。薄膜２０１の厚みは、一様であってもよいし、図６に示されるように薄膜２０１の表面上の位置ごとに異なっていてもよい。なお、図６に示される多層膜構造体２００においては、基板２０２の表面に形成される薄膜２０１は１層のみとされている。しかし、薄膜２０１の層数は、１に限られるものではなく、任意の数とすることができる。

多層膜構造体２００の表面上の互いに異なる位置に照射された個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３は、薄膜２０１の表面によって反射されるだけでなく、薄膜２０１を透過して基板２０２の表面に達し、基板２０２の表面によっても反射される。すなわち、多層膜構造体２００に照射された複数の測定光パルスＰａのそれぞれから、複数の反射光パルスが生じる。例えば図７（ｂ）に模式的に示されるように、測定光パルスＰａ３の一部は、薄膜２０１の表面によって反射されて第１の反射光パルスＰｂ３１となり、残りの部分のさらに一部は、薄膜２０１を透過した後、基板２０２の表面によって反射されて第２の反射光パルスＰｂ３２となる。図７（ｂ）には示されていないが、測定光パルスＰａ１、Ｐａ２からも、同様に、それぞれ第１の反射光パルス及び第２の反射光パルスが生じる。

なお、図７（ａ）は、基準物体（既知の一様な厚みを有する平板）から得られる複数の反射光パルスＰｂの時間波形の一例を示す図であり、図４（ａ）と同じものであるから、説明を省略する。

一般に、基板と基板上に形成された複数層の薄膜とで構成される多層膜構造体に照射された光パルスは、最上層の薄膜の表面及び基板の表面によって反射されるだけでなく、薄膜と薄膜との境界面によっても反射されるから、薄膜の層数をＮとすると、Ｎ＋１個の反射光パルスが生じる。したがって、複数の測定光パルスＰａのそれぞれを、多層膜構造体２００の表面上の互いに異なる位置に入射させ、ある位置に入射した測定光パルス（例えば、測定光パルスＰａ３）から生じる反射光パルス（例えば、第１の反射光パルスＰｂ３１、第２の反射光パルスＰｂ３２）の数を数えることによって、その位置における薄膜２０１の層数を調べることができる。

また、複数の反射光パルスＰｂの時間波形において、第１の反射光パルスＰｂ３１（薄膜２０１の表面によって反射された光パルス）及び第２の反射光パルスＰｂ３２（基板２０２の表面によって反射された光パルス）の時間波形が現れるタイミングの差Δｔと、薄膜２０１の既知の屈折率とに基づいて、測定光パルスＰａ３が入射した位置における薄膜２０１の厚みを算出することができる。

なお、薄膜２０１の厚みが既知である場合には、タイミングの差Δｔに基づいて、薄膜２０１の屈折率を算出することができる。すなわち、第１の実施形態に係る距離測定装置１Ａは、屈折率の測定にも用いることができる。

ここで、図２に示されたパルス形成部４のＳＬＭ４３における、単一パルスである広帯域測定光パルスＰｓを複数の測定光パルスＰａに変換するための変調方法について詳細に説明する。レンズ４４よりも前の領域（スペクトル領域）と、回折格子４５よりも後ろの領域（時間領域）とは、互いにフーリエ変換の関係にあり、スペクトル領域における位相変調は、時間領域における時間強度波形に影響する。したがって、パルス形成部４からの出力光は、ＳＬＭ４３の変調パターンに応じた、広帯域測定光パルスＰｓとは異なる様々な時間強度波形を有することができる。

図８（ａ）は、一例として、シングルパルス状の広帯域測定光パルスＰｓのスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ１１及びスペクトル強度Ｇ１２）を示し、図８（ｂ）は、その広帯域測定光パルスＰｓの時間強度波形を示す。また、図９（ａ）は、一例として、ＳＬＭ４３において矩形波状の位相スペクトル変調を与えたときのパルス形成部４からの出力光のスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ２１及びスペクトル強度Ｇ２２）を示し、図９（ｂ）は、該出力光の時間強度波形を示す。図８（ａ）及び図９（ａ）において、横軸は波長（ｎｍ）を示し、左の縦軸は強度スペクトルの強度値（任意単位）を示し、右の縦軸は位相スペクトルの位相値（ｒａｄ）を示す。また、図８（ｂ）及び図９（ｂ）において、横軸は時間（フェムト秒）を表し、縦軸は光強度（任意単位）を表す。

この例では、矩形波状の位相スペクトル波形を出力光に与えることにより、広帯域測定光パルスＰｓのシングルパルスが、高次光を伴うダブルパルスに変換されている。なお、図９に示されるスペクトル及び波形は一例であって、様々な位相スペクトル及び強度スペクトルの組み合わせにより、パルス形成部４からの出力光の時間強度波形を様々な形状に整形することができる。

パルス形成部４の出力光の時間強度波形を所望の波形に近づけるための位相変調パターンは、ＳＬＭ４３を制御するためのデータ、すなわち複素振幅分布の強度あるいは位相分布の強度のテーブルを含むデータとして構成される。変調パターンは、例えば、計算機合成ホログラム（Computer-Generated Holograms (CGH)）である。本実施形態では、所望の波形を得る為の位相スペクトルを出力光に与える位相変調用の位相パターンと、所望の波形を得るための強度スペクトルを出力光に与える強度変調用の位相パターンとを含む位相パターンをＳＬＭ４３に呈示させる。

ここで、所望の時間強度波形は時間領域の関数として表され、位相スペクトルは周波数領域の関数として表される。したがって、所望の時間強度波形に対応する位相スペクトルは、例えば、所望の時間強度波形に基づく反復フーリエ変換によって得られる。図１０は、反復フーリエ変換法による位相スペクトルの計算手順を示す図である。

まず、周波数ωの関数である初期の強度スペクトル関数Ａ_０（ω）及び位相スペクトル関数Ψ_０（ω）を用意する（図中の処理番号（１））。一例では、これらの強度スペクトル関数Ａ_０（ω）及び位相スペクトル関数Ψ_０（ω）はそれぞれ入力光のスペクトル強度及びスペクトル位相を表す。次に、強度スペクトル関数Ａ_０（ω）及び位相スペクトル関数Ψ_ｎ（ω）を含む周波数領域の波形関数（ａ）を用意する（図中の処理番号（２））。

添え字ｎは、第ｎ回目のフーリエ変換処理後を表す。最初（第１回目）のフーリエ変換処理の前においては、位相スペクトル関数Ψ_ｎ（ω）として上述した初期の位相スペクトル関数Ψ_０（ω）が用いられる。ただし、ｉは虚数単位である。

続いて、上記関数（ａ）に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ１）。これにより、時間強度波形関数ｂ_ｎ（ｔ）及び時間位相波形関数Θ_ｎ（ｔ）を含む時間領域の波形関数（ｂ）が得られる（図中の処理番号（３））。

続いて、上記関数（ｂ）に含まれる時間強度波形関数ｂ_ｎ（ｔ）を、所望の波形（例えば光パルスの時間間隔及び本数）に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ_０（ｔ）に置き換える（図中の処理番号（４）、（５））。

続いて、上記関数（ｄ）に対して時間領域から周波数領域への逆フーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ２）。これにより、強度スペクトル関数Ｂ_ｎ（ω）及び位相スペクトル関数Ψ_ｎ（ω）を含む周波数領域の波形関数（ｅ）が得られる（図中の処理番号（６））。

続いて、上記関数（ｅ）に含まれる強度スペクトル関数Ｂ_ｎ（ω）を拘束するため、初期の強度スペクトル関数Ａ_０（ω）に置き換える（図中の処理番号（７））。

以降、上記の処理（２）～（７）を複数回繰り返し行うことにより、波形関数中の位相スペクトル関数Ψ_ｎ（ω）が表す位相スペクトル形状を、所望の時間強度波形に対応する位相スペクトル形状に近づけることができる。最終的に得られる位相スペクトル関数Ψ_ＩＦＴＡ（ω）に基づいて、所望の時間強度波形、すなわち二以上の光パルスを含む複数の測定光パルスＰａを得るための変調パターンが作成される。

上述したような反復フーリエ法では、時間強度波形を制御することはできるが、時間強度波形を構成する周波数成分（帯域波長）を制御することはできない。そこで、複数の測定光パルスＰａを構成する二以上の光パルスの中心波長を互いに異ならせる場合には、以下に説明する算出方法を用いて、変調パターンの基になる位相スペクトル関数及び強度スペクトル関数を算出する。図１１は、位相スペクトル関数の計算手順を示す図である。

まず、周波数ωの関数である初期の強度スペクトル関数Ａ_０（ω）及び位相スペクトル関数Φ_０（ω）を用意する（図中の処理番号（１））。一例では、これらの強度スペクトル関数Ａ_０（ω）及び位相スペクトル関数Φ_０（ω）はそれぞれ入力光のスペクトル強度及びスペクトル位相を表す。次に、強度スペクトル関数Ａ_０（ω）及び位相スペクトル関数Φ_０（ω）を含む周波数領域の第１波形関数（ｇ）を用意する（処理番号（２－ａ））。ただし、ｉは虚数単位である。

続いて、上記関数（ｇ）に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ３）。これにより、時間強度波形関数ａ_０（ｔ）及び時間位相波形関数φ_０（ｔ）を含む時間領域の第２波形関数（ｈ）が得られる（処理番号（３））。

続いて、次の数式（ｉ）に示されるように、時間強度波形関数ｂ_０（ｔ）に、所望の波形（例えば光パルスの時間間隔及び本数）に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ_０（ｔ）を代入する（処理番号（４－ａ））。

続いて、次の数式（ｊ）に示されるように、時間強度波形関数ａ_０（ｔ）を時間強度波形関数ｂ_０（ｔ）で置き換える。すなわち、上記関数（ｈ）に含まれる時間強度波形関数ａ_０（ｔ）を、所望の波形（例えば光パルスの時間間隔及び本数）に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ_０（ｔ）に置き換える（処理番号（５））。

続いて、置き換え後の第２波形関数（ｊ）のスペクトログラムが、所望の波長帯域に従って予め生成されたターゲットスペクトログラムに近づくように第２波形関数を修正する。まず、置き換え後の第２波形関数（ｊ）に対して時間－周波数変換を施すことにより、第２波形関数（ｊ）をスペクトログラムＳＧ_０，ｋ（ω，ｔ）に変換する（図中の処理番号（５－ａ））。添え字ｋは、第ｋ回目の変換処理を表す。

ここで、時間－周波数変換とは、時間波形のような複合信号に対して、周波数フィルタ処理または数値演算処理（窓関数をずらしながら乗算して、各々の時間に対してスペクトルを導出する処理）を施し、時間、周波数、信号成分の強さ（スペクトル強度）からなる三次元情報に変換することをいう。また、本実施形態では、その変換結果（時間、周波数、スペクトル強度）を「スペクトログラム」と定義する。時間－周波数変換としては、例えば、短時間フーリエ変換（Short-Time Fourier Transform (STFT)）やウェーブレット変換（ハールウェーブレット変換、ガボールウェーブレット変換、メキシカンハットウェーブレット変換、モルレーウェーブレット変換）などがある。

また、所望の波長帯域に従って予め生成されたターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ_０（ω，ｔ）を取得する。このターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ_０（ω，ｔ）は、目標とする時間波形（時間強度波形とそれを構成する周波数成分）と概ね同値であり、処理番号（５－ｂ）のターゲットスペクトログラム関数において生成される。

次に、スペクトログラムＳＧ_０，ｋ（ω，ｔ）とターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ_０（ω，ｔ）とのパターンマッチングを行い、類似度（どの程度一致しているか）を調べる。本実施形態では、類似度を表す指標として、評価値を算出する。そして、続く処理番号（５－ｃ）では、得られた評価値が、所定の終了条件を満たすか否かの判定を行う。条件を満たせば処理番号（６）へ進み、満たさなければ処理番号（５－ｄ）へ進む。処理番号（５－ｄ）では、第２波形関数に含まれる時間位相波形関数φ_０（ｔ）を任意の時間位相波形関数φ_０，ｋ（ｔ）に変更する。時間位相波形関数を変更した後の第２波形関数は、ＳＴＦＴなどの時間－周波数変換により再びスペクトログラムに変換される。

以降、上述した処理番号（５－ａ）～（５－ｄ）が繰り返し行われる。こうして、スペクトログラムＳＧ_０，ｋ（ω，ｔ）がターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ_０（ω，ｔ）に次第に近づくように、第２波形関数が修正される。その後、修正後の第２波形関数に対して逆フーリエ変換を行い（図中の矢印Ａ４）、周波数領域の第３波形関数（ｋ）を生成する（処理番号（６））。

この第３波形関数（ｋ）に含まれる位相スペクトル関数Φ_０，ｋ（ω）が、最終的に得られる所望の位相スペクトル関数Φ_{ＴＷＣ－ＴＦＤ}（ω）となる。この位相スペクトル関数Φ_{ＴＷＣ－ＴＦＤ}（ω）に基づいて、変調パターンが作成される。

図１２は、スペクトル強度の計算手順を示す図である。なお、処理番号（１）から処理番号（５－ｃ）までは、上述したスペクトル位相の計算手順と同様なので説明を省略する。

スペクトログラムＳＧ_０，ｋ（ω，ｔ）とターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ_０（ω，ｔ）との類似度を示す評価値が所定の終了条件を満たさない場合、第２波形関数に含まれる時間位相波形関数φ_０（ｔ）は初期値で拘束しつつ、時間強度波形関数ｂ_０（ｔ）を任意の時間強度波形関数ｂ_０，ｋ（ｔ）に変更する（処理番号（５－ｅ））。時間強度波形関数を変更した後の第２波形関数は、ＳＴＦＴなどの時間－周波数変換により再びスペクトログラムに変換される。

以降、処理番号（５－ａ）～（５－ｃ）が繰り返し行われる。こうして、スペクトログラムＳＧ_０，ｋ（ω，ｔ）がターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ_０（ω，ｔ）に次第に近づくように、第２波形関数が修正される。その後、修正後の第２波形関数に対して逆フーリエ変換を行い（図中の矢印Ａ４）、周波数領域の第３波形関数（ｍ）を生成する（処理番号（６））。

続いて、処理番号（７－ｂ）では、第３波形関数（ｍ）に含まれる強度スペクトル関数Ｂ_０，ｋ（ω）に対し、入力光の強度スペクトルに基づくフィルタ処理を行う。具体的には、強度スペクトル関数Ｂ_０，ｋ（ω）に係数αを乗じた強度スペクトルのうち、入力光の強度スペクトルに基づいて定められる波長ごとのカットオフ強度を超える部分をカットする。全ての波長域において、強度スペクトル関数αＢ_０，ｋ（ω）が入力光のスペクトル強度を超えないようにするためである。

一例では、波長ごとのカットオフ強度は、入力光の強度スペクトル（本実施形態では初期の強度スペクトル関数Ａ_０（ω））と一致するように設定される。その場合、次の数式（ｎ）に示されるように、強度スペクトル関数αＢ_０，ｋ（ω）が強度スペクトル関数Ａ_０（ω）よりも大きい周波数では、強度スペクトル関数Ａ_{ＴＷＣ－ＴＦＤ}（ω）の値として強度スペクトル関数Ａ_０（ω）の値が取り入れられる。また、強度スペクトル関数αＢ_０，ｋ（ω）が強度スペクトル関数Ａ_０（ω）以下である周波数では、強度スペクトル関数Ａ_{ＴＷＣ－ＴＦＤ}（ω）の値として強度スペクトル関数αＢ_０，ｋ（ω）の値が取り入れられる（図中の処理番号（７－ｂ））。

この強度スペクトル関数Ａ_{ＴＷＣ－ＴＦＤ}（ω）が、最終的に得られる所望のスペクトル強度として変調パターンの生成に用いられる。

そして、位相スペクトル関数Φ_{ＴＷＣ－ＴＦＤ}（ω）により示されるスペクトル位相と、強度スペクトル関数Ａ_{ＴＷＣ－ＴＦＤ}（ω）により示されるスペクトル強度とを出力光に与えるための位相変調パターン（例えば、計算機合成ホログラム）を算出する。図１３は、ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ_０（ω，ｔ）の生成手順の一例を示す図である。ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ_０（ω，ｔ）は、目標とする時間波形（時間強度波形とそれを構成する周波数成分（波長帯域成分））を示すので、ターゲットスペクトログラムの作成は、周波数成分（波長帯域成分）を制御するために極めて重要な工程である。

図１３に示されるように、まずスペクトル波形（初期の強度スペクトル関数Ａ_０（ω）及び初期の位相スペクトル関数Φ_０（ω））、並びに所望の時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ_０（ｔ）を入力する。また、所望の周波数（波長）帯域情報を含む時間関数ｐ_０（ｔ）を入力する（処理番号（１））。次に、例えば図１０に示された反復フーリエ変換法を用いて、時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ_０（ｔ）を実現するための位相スペクトル関数Φ_ＩＦＴＡ（ω）を算出する（処理番号（２））。続いて、先に得られた位相スペクトル関数Φ_ＩＦＴＡ（ω）を利用した反復フーリエ変換法により、時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ_０（ｔ）を実現するための強度スペクトル関数Ａ_ＩＦＴＡ（ω）を算出する（処理番号（３））。ここで、図１４は、強度スペクトル関数Ａ_ＩＦＴＡ（ω）を算出する手順の一例を示す図である。

まず、初期の強度スペクトル関数Ａ_ｋ＝０（ω）及び位相スペクトル関数Ψ_０（ω）を用意する（図中の処理番号（１））。次に、強度スペクトル関数Ａ_ｋ（ω）及び位相スペクトル関数Ψ_０（ω）を含む周波数領域の波形関数（ｏ）を用意する（図中の処理番号（２））。

添え字ｋは、第ｋ回目のフーリエ変換処理後を表す。最初（第１回目）のフーリエ変換処理の前においては、強度スペクトル関数Ａ_ｋ（ω）として上記の初期強度スペクトル関数Ａ_ｋ＝０（ω）が用いられる。ただし、ｉは虚数単位である。

続いて、上記関数（ｏ）に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ５）。これにより、時間強度波形関数ｂ_ｋ（ｔ）を含む時間領域の波形関数（ｐ）が得られる（図中の処理番号（３））。

続いて、上記関数（ｐ）に含まれる時間強度波形関数ｂ_ｋ（ｔ）を、所望の波形（例えば光パルスの時間間隔及び本数）に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ_０（ｔ）に置き換える（図中の処理番号（４）、（５））。

続いて、上記関数（ｒ）に対して時間領域から周波数領域への逆フーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ６）。これにより、強度スペクトル関数Ｃ_ｋ（ω）及び位相スペクトル関数Ψ_ｋ（ω）を含む周波数領域の波形関数（ｓ）が得られる（図中の処理番号（６））。

続いて、上記関数（ｓ）に含まれる位相スペクトル関数Ψ_ｋ（ω）を拘束するため、初期の位相スペクトル関数Ψ_０（ω）に置き換える（図中の処理番号（７－ａ））。

また、逆フーリエ変換後の周波数領域における強度スペクトル関数Ｃ_ｋ（ω）に対し、入力光の強度スペクトルに基づくフィルタ処理を行う。具体的には、強度スペクトル関数Ｃ_ｋ（ω）により表される強度スペクトルのうち、入力光の強度スペクトルに基づいて定められる波長ごとのカットオフ強度を超える部分をカットする。

一例では、波長ごとのカットオフ強度は、入力光の強度スペクトル（例えば初期の強度スペクトル関数Ａ_ｋ＝０（ω））と一致するように設定される。その場合、次の数式（ｕ）に示されるように、強度スペクトル関数Ｃ_ｋ（ω）が強度スペクトル関数Ａ_ｋ＝０（ω）よりも大きい周波数では、強度スペクトル関数Ａ_ｋ（ω）の値として強度スペクトル関数Ａ_ｋ＝０（ω）の値が取り入れられる。また、強度スペクトル関数Ｃ_ｋ（ω）が強度スペクトル関数Ａ_ｋ＝０（ω）以下である周波数では、強度スペクトル関数Ａ_ｋ（ω）の値として強度スペクトル関数Ｃ_ｋ（ω）の値が取り入れられる（図中の処理番号（７－ｂ））。

上記関数（ｓ）に含まれる強度スペクトル関数Ｃ_ｋ（ω）を、上記数式（ｕ）によるフィルタ処理後の強度スペクトル関数Ａ_ｋ（ω）に置き換える。

以降、上記の処理（２）～（７－ｂ）を繰り返し行うことにより、波形関数中の強度スペクトル関数Ａ_ｋ（ω）が表す強度スペクトル形状を、所望の時間強度波形に対応する強度スペクトル形状に近づけることができる。最終的に、強度スペクトル関数Ａ_ＩＦＴＡ（ω）が得られる。

再び図１３を参照する。以上に説明した処理番号（２）、（３）における位相スペクトル関数Φ_ＩＦＴＡ（ω）及び強度スペクトル関数Ａ_ＩＦＴＡ（ω）の算出によって、これらの関数を含む周波数領域の第３波形関数（ｖ）が得られる（処理番号（４））。

次に、上の波形関数（ｖ）をフーリエ変換する。これにより、時間領域の第４波形関数（ｗ）が得られる（処理番号（５））。

次に、時間－周波数変換により第４波形関数（ｗ）をスペクトログラムＳＧ_ＩＦＴＡ（ω，ｔ）に変換する（処理番号（６））。そして、処理番号（７）では、所望の周波数（波長）帯域情報を含む時間関数ｐ_０（ｔ）を基にスペクトログラムＳＧ_ＩＦＴＡ（ω，ｔ）を修正することにより、ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ_０（ω，ｔ）を生成する。例えば、二次元データにより構成されるスペクトログラムＳＧ_ＩＦＴＡ（ω，ｔ）に現れる特徴的パターンを部分的に切り出し、時間関数ｐ_０（ｔ）を基に当該部分の周波数成分の操作を行う。以下、その具体例について詳細に説明する。

例えば、所望の時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ_０（ｔ）として時間間隔が２ピコ秒であるトリプルパルスを設定した場合について考える。このとき、スペクトログラムＳＧ_ＩＦＴＡ（ω，ｔ）は、図１５（ａ）に示されるような結果となる。なお、図１５（ａ）において横軸は時間（単位：フェムト秒）を示し、縦軸は波長（単位：ｎｍ）を示す。また、スペクトログラムの値は、図の明暗によって示されており、明るいほどスペクトログラムの値が大きい。このスペクトログラムＳＧ_ＩＦＴＡ（ω，ｔ）において、トリプルパルスは２ピコ秒間隔で時間軸上に分かれたドメインＤ_１、Ｄ_２、及びＤ_３として現れる。ドメインＤ_１、Ｄ_２、及びＤ_３の中心（ピーク）波長は８００ｎｍである。

仮に出力光の時間強度波形のみを制御したい（単にトリプルパルスを得たい）場合には、これらのドメインＤ_１、Ｄ_２、及びＤ_３を操作する必要はない。しかし、各パルスの周波数（波長）帯域を制御したい場合には、これらのドメインＤ_１、Ｄ_２、及びＤ_３の操作が必要となる。すなわち、図１５（ｂ）に示されるように、波長軸（縦軸）に沿った方向に各ドメインＤ_１、Ｄ_２、及びＤ_３を互いに独立して移動させることは、それぞれのパルスの構成周波数（波長帯域）を変更することを意味する。このような各パルスの構成周波数（波長帯域）の変更は、時間関数ｐ_０（ｔ）を基に行われる。

例えば、ドメインＤ_２のピーク波長を８００ｎｍで据え置き、ドメインＤ_１及びＤ_３のピーク波長がそれぞれ－２ｎｍ、＋２ｎｍだけ平行移動するように時間関数ｐ_０（ｔ）を記述するとき、スペクトログラムＳＧ_ＩＦＴＡ（ω，ｔ）は、図１５（ｂ）に示されるターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ_０（ω，ｔ）に変化する。例えばスペクトログラムにこのような処理を施すことによって、時間強度波形の形状を変えずに、各パルスの構成周波数（波長帯域）が任意に制御されたターゲットスペクトログラムを作成することができる。

図１６は、本開示の光測定装置の第２の実施形態に係る表面粗さ測定装置１Ｂの構成の一例を示す図である。表面粗さ測定装置１Ｂの構成は、複数の測定光パルスＰａの時間波形を計測するための構成が追加されていることを除いて、図１～図３に示される第１の実施形態に係る距離測定装置１Ａの構成と同じである。図１６には示されていないが、表面粗さ測定装置１Ｂも、距離測定装置１Ａと同様の相関光学系及び信号処理装置を備えている。表面粗さ測定装置１Ｂは、測定対象である物体３００の表面粗さを測定する。

表面粗さ測定装置１Ｂにおいても、パルス形成部４によって形成された複数の測定光パルスＰａは、ビームスプリッタ５を透過し、測定対象である物体３００の表面に入射する。そして、複数の測定光パルスＰａは、物体３００の表面によって反射されて複数の反射光パルスＰｂとなる。複数の反射光パルスＰｂは、参照光パルスＰｒとともに、図示しない相関光学系に入射し、両者の相関関係を含む相関光となって光検出器１２に入射する。そして、相関光学系を用いた光サンプリング技術を利用して、複数の反射光パルスＰｂの時間波形が計測されるが、その手順は距離測定装置１Ａと同様であるから、詳細な説明は省略する。

一方、複数の測定光パルスＰａは、ビームスプリッタ５によって反射されて、参照光パルスＰｒとともに、図示しない相関光学系に入射し、両者の相関関係を含む相関光となって、光検出器１４に入射する。そして、複数の測定光パルスＰａについても、相関光学系を用いた光サンプリング技術を利用して、時間波形が計測される。

図１７は、第２の実施形態に係る表面粗さ測定装置１Ｂによって計測された複数の測定光パルスＰａ及び複数の反射光パルスＰｂの時間波形の一例を模式的に示す図である。

表面粗さ測定装置１Ｂにおいて、複数の測定光パルスＰａは、図１７（ａ）に模式的に示されるように、互いに時間間隔を有しており、測定光パルス列を構成している。そして、複数の測定光パルスＰａの時間間隔は、例えば、いずれも同じΔｔである。これに対して、複数の反射光パルスＰｂの時間間隔は、図１７（ｂ）に模式的に示すように、ΔｔからΔｔ１、Δｔ２に変化し、かつ互いに異なるものになっている。

物体３００の表面が理想的な平面（完全に平坦な面）であれば、複数の反射光パルスＰｂの時間間隔は変化せず、複数の測定光パルスＰａの間隔と同じになる。複数の反射光パルスＰｂの時間間隔と複数の測定光パルスＰａの時間間隔との差分は、物体３００の表面粗さを示す量であるので、これを測定することにより、物体３００の表面粗さを測定することができる。

なお、図１７（ａ）に示される複数の測定光パルスＰａにおいては、光パルスの時間間隔がすべて同じとされている。しかし、物体３００の表面粗さを測定するには、複数の反射光パルスＰｂの時間間隔との差分が分かればよいので、複数の測定光パルスＰａの時間間隔のうち少なくとも２つの時間間隔は、互いに同じでなくてもよい。

本開示の光測定装置の第１の実施形態に係る距離測定装置１Ａ及び第２の実施形態に係る表面粗さ測定装置１Ｂは、いずれも、以上に詳細に説明した具体例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

図１８は、第１の実施形態の第１の変形例に係る距離測定装置において、回折格子６の代わりに用いられる二次元分光器６Ａの構成の一例を示す図である。二次元分光器６Ａは、シリンドリカルレンズ６１と、ＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）板６２と、レンズ６３と、回折格子６４とを含む。ＶＩＰＡ板６２に代えて、エシェロン格子（階段格子）を用いてもよい。

パルス形成部４によって形成された複数の測定光パルスＰａは、ビームスプリッタ５を透過し（図１）、シリンドリカルレンズ６１に入射する。シリンドリカルレンズ６１は、複数の測定光パルスＰａを集光し、ＶＩＰＡ板６２に入射させる。シリンドリカルレンズ６１によって集光された複数の測定光パルスＰａの空間形状は、シリンドリカルレンズ６１の母線の方向ｘに沿って延びる直線である。

図１９は、ＶＩＰＡ板６２の構造を示す側面図である。ＶＩＰＡ板６２は、一方の表面と他方の表面とが互いに平行なガラス基板６２ａと、ガラス基板６２ａの一方の表面に形成された完全反射膜６２ｂと、ガラス基板６２ａの他方の表面に形成された部分反射膜６２ｃとを有する。完全反射膜６２ｂの反射率は、１００％であり、部分反射膜６２ｃの反射率は、１００％未満（例えば、９９％）である。ガラス基板６２ａの一方の表面には、ガラス基板６２ａの一つの辺に沿って、完全反射膜６２ｂが形成されない光入射領域６２ｄが設けられる。

図１８に戻ると、シリンドリカルレンズ６１によって集光された複数の測定光パルスＰａは、光入射領域６２ｄにおいてＶＩＰＡ板６２に入射し、完全反射膜６２ｂと部分反射膜６２ｃとの間で多重反射する。複数の測定光パルスＰａは、多重反射する間に起こる光の干渉の結果、その空間形状である直線が延びる方向（シリンドリカルレンズの母線の方向ｘ）と直交する方向ｙに沿って分光され、部分反射膜６１ｃを透過してＶＩＰＡ板６２から出射する。ＶＩＰＡ板６２から出射する光は、複数の波長成分を含み、その複数の波長成分の周波数間隔は、出射方向とガラス基板６２ａの厚み（完全反射膜６２ｂと部分反射膜６２ｃとの間隔）とによって定まる。

レンズ６３は、ＶＩＰＡ板６２によって分光された複数の測定光パルスＰａを集光し、回折格子６４に入射させる。回折格子６４は、複数の測定光パルスＰａをシリンドリカルレンズ６１の母線の方向ｘに沿って分光し、レンズ７に入射させる（図１）。したがって、複数の測定光パルスＰａは、シリンドリカルレンズ６１の母線の方向ｘとそれに直交する方向ｙとの２つの方向に沿って空間的に分離される。レンズ７は、２つの方向に沿って互いに空間的に分離された個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３をそれぞれ集光し、物体１００の表面上の互いに異なる位置に照射する。二次元分光器６Ａ及びレンズ７は、複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３を中心波長ごとに互いに空間的に分離して、物体１００に入射させる分光部を構成する。

第１の実施形態に係る距離測定装置１Ａにおいては、複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３を互いに空間的に分離して物体１００に照射する分光部と、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を互いに集光・合波して複数の反射光パルスＰｂとしてビームスプリッタ５に向けて出射させる合波部との両方において、回折格子６及びレンズ７を兼用している。しかし、二次元分光器６Ａ及びレンズ７によって分光部を構成する場合は、個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３とそれに対応する個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３とが互いに異なる光路を進むように構成し、二次元分光器６Ａ及びレンズ７によって構成される分光部とは別に、合波部を設ける必要がある。

第１の実施形態に係る距離測定装置１Ａにおいては、回折格子６を用いて、複数の測定光パルスＰａを波長ごとに空間的に分離するので、複数の測定光パルスＰａは、回折格子６の分光方向に沿って一次元的に分離される。したがって、距離の一次元的分布の測定が可能である。

これに対して、二次元分光器６Ａを用いる第１の変形例に係る距離測定装置においては、複数の測定光パルスＰａが互いに直交する２つの方向ｘ及びｙに沿って二次元的に分離されるので、距離の二次元的分布の測定が可能である。

第１の実施形態に係る距離測定装置１Ａと同様、二次元分光器６Ａを用いる第１の変形例に係る距離測定装置も、物体の厚み測定、膜厚の測定、及び膜の屈折率の測定に用いることができる。その場合は、物体の厚み、膜厚、及び膜の屈折率の二次元分布の測定が可能である。

第２の実施形態に係る表面粗さ測定装置１Ｂにおいても、回折格子６に代えて、二次元分光器６Ａを用いることにより、表面粗さの二次元分布の測定が可能になる。

図２０は、第１の実施形態の第２の変形例に係る距離測定装置１Ｃの構成の一例を示す図である。距離測定装置１Ｃは、発光波長が互いに異なる複数の半導体レーザ光源２１、２２、２３、合波光学系２４、ビームスプリッタ５、回折格子６、レンズ７、光検出器１２、及び信号処理装置１３を備え、測定対象である物体１００までの距離を測定する。

複数の半導体レーザ光源２１、２２、２３は、互いに異なるタイミングで、互いに時間波形が異なる測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３をそれぞれ出力する。測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３の出力タイミング及び時間波形の制御は、複数の半導体レーザ光源２１、２２、２３のそれぞれに供給される駆動電流を制御することによって行われる。合波光学系２４は、測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３を合波し、複数の測定光パルスＰａとしてビームスプリッタ５に向けて出射させる。合波光学系２４は、回折格子、プリズム等の分光素子によって構成することができる。また、合波光学系２４は、ダイクロイックミラー等によって構成することもできる。複数の半導体レーザ光源２１、２２、２３及び合波光学系２４は、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスＰａを出力する測定光パルス光源を構成する。複数の測定光パルスＰａのパルス幅は、１０ｎｓ以上１００００ｎｓ以下であり、一例では１００ｎｓである。すなわち、複数の測定光パルスＰａは、いわゆるナノ秒光パルスである。

複数の測定光パルスＰａは、ビームスプリッタ５を透過して回折格子６に入射する。回折格子６は、入射した複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３を波長ごとに空間的に分離する。レンズ７は、互いに空間的に分離された個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３をそれぞれ集光し、物体１００の表面上の互いに異なる位置に照射する。回折格子６及びレンズ７は、複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３を中心波長ごとに互いに空間的に分離して、物体１００に入射させる分光部を構成する。回折格子６に代えて、プリズム等の他の分光素子を用いてもよい。レンズ７に代えて、凹面鏡を用いてもよい。

物体１００の表面上の互いに異なる位置に照射された個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３の少なくとも一部は、物体１００の表面によって反射され、それぞれ個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３となる。複数の反射光パルスＰｂも、ナノ秒光パルスである。

レンズ７は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を回折格子６上の一点に集める。レンズ７は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を集光する集光光学系として機能する。回折格子６は、合波光学系として機能する。回折格子６は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を合波し、複数の反射光パルスＰｂとしてビームスプリッタ５に向けて出射させる。レンズ７及び回折格子６は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を互いに集光・合波して、複数の反射光パルスＰｂとしてビームスプリッタ５に向かって出射させる合波部を構成する。

複数の反射光パルスＰｂは、ビームスプリッタ５によって反射されて、光検出器１２に入射する。光検出器１２は、例えばフォトダイオード、光電子増倍管等である。複数の反射光パルスＰｂは、ナノ秒パルスなので、その光強度の時間変化は、フェムト秒パルスよりも緩やかであり、一般的な光検出器（例えば、フォトダイオード、光電子増倍管等）の応答速度でも追随可能である。したがって、複数の反射光パルスＰｂの時間波形は、例えばフォトダイオード、光電子増倍管等の光検出器１２が出力する電気信号の時間波形によって直接計測することができる。ただし、ナノ秒光パルスの時間波形を正確に評価するために、光検出器１２の応答周波数は、１ＧＨｚ以上であることが望ましい。光検出器１２は、複数の反射光パルスＰｂを受光して、その時間波形信号を出力する光検出部を構成する。また、信号処理装置１３は、複数の反射光パルスＰｂの時間波形信号に基づいて、複数の反射光パルスＰｂが受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測する計測部を構成する。

第１の実施形態の第２の変形例に係る距離測定装置１Ｃにおいては、複数の測定光パルスＰａとしてナノ秒光パルスを用いているので、相関光学系を用いた光サンプリング技術を利用することなく、光検出器１２によって複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測することが可能である。したがって、測定光パルスＰａのパルス幅が広い分、距離分解能は低下するが、相関光学系を設ける必要がないので、装置の構成が簡単になる。また、時間波形を計測するために光サンプリングを繰り返す必要もないので、距離測定に要する時間を短縮することできる。

図２１は、第１の実施形態の第３の変形例に係る距離測定装置１Ｄの構成の一例を示す図である。距離測定装置１Ｄは、デュアルコム分光技術を利用している点で、第１の実施形態に係る距離測定装置１Ａと異なる。距離測定装置１Ｄは、第１のパルスレーザ光源２Ａ、第２のパルスレーザ光源２Ｂ、パルス形成部４、ビームスプリッタ５、回折格子６、レンズ７、反射鏡１５、ビームスプリッタ１６、光検出器１２、及び信号処理装置１３を備え、測定対象である物体１００までの距離を測定する。

第１のパルスレーザ光源２Ａ及び第２のパルスレーザ光源２Ｂは、いずれもパルス周期及びオフセット周波数が安定化された光周波数コム光源であり、等しい周波数間隔で並んだモード群（コムモード群）からなるフェムト秒光パルスを周期的に出力する。第１のパルスレーザ光源２Ａと第２のパルスレーザ光源２Ｂとは、互いに位相が同期されており、フェムト秒光パルスを出力する周期がわずかに異なる。第１のパルスレーザ光源２Ａは、広帯域測定光パルスＰｓを出力し、第２のパルスレーザ光源２Ｂは、参照光パルスＰｒを出力する。

第１のパルスレーザ光源２Ａが出力した広帯域測定光パルスＰｓは、パルス形成部４に入射する。パルス形成部４は、広帯域測定光パルスＰｓから複数の測定光パルスＰａを形成する。複数の測定光パルスＰａは、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる。パルス形成部４の構成は、第１の実施形態に係る距離測定装置１Ａと同じであるから、説明は省略する。第１のパルスレーザ光源２Ａ及びパルス形成部４は、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスＰａを出力する測定光パルス光源を構成する。

複数の測定光パルスＰａは、ビームスプリッタ５を透過して回折格子に入射する。回折格子は、入射した複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３を互いに空間的に分離する。レンズ７は、個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３をそれぞれ集光し、物体１００の表面上の互いに異なる位置に照射する。回折格子６及びレンズ７は、複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３を中心波長ごとに互いに空間的に分離して、物体１００に入射させる分光部を構成する。

物体１００の表面上の互いに異なる位置に照射された個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３の少なくとも一部は、物体１００の表面によって反射され、それぞれ個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３となる。

レンズ７は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を回折格子６上の一点に集める。レンズ７は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を集光する集光光学系として機能する。回折格子６は、合波光学系として機能する。回折格子６は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を合波し、複数の反射光パルスＰｂとしてビームスプリッタ５に向けて出射させる。レンズ７及び回折格子６は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を互いに集光・合波して、複数の反射光パルスＰｂとしてビームスプリッタ５に向かって出射させる合波部を構成する。

複数の反射光パルスＰｂは、ビームスプリッタ５及び反射鏡１５によって反射されて、ビームスプリッタ１６に入射する。一方、第２のパルスレーザ光源２Ｂが出力した参照光パルスＰｒも、ビームスプリッタ１６に入射する。そして、複数の反射光パルスＰｂは、ビームスプリッタ１６によって反射され、また、参照光パルスＰｒは、ビームスプリッタ１６を透過し、いずれも図示しないレンズによって集光されて、光検出器１２に入射する。このとき、複数の反射光パルスＰｂと参照光パルスＰｒとが干渉して干渉光となるので、光検出器１２は、その干渉光を受光し、電気信号に変換して出力する。複数の反射光パルスＰｂと参照光パルスＰｒとの干渉光は、両者の相互相関を含む相関光であり、反射鏡１５及びビームスプリッタ１６は、複数の反射光パルスＰｂと参照光パルスＰｒとの相互相関を含む相関光を出力する相関光学系を構成する。

ここで、第１のパルスレーザ光源２Ａ及び第２のパルスレーザ光源２Ｂは、いずれもフェムト秒光パルスを周期的に出力し、かつその周期がわずかに異なるので、複数の反射光パルスＰｂと参照光パルスＰｒとがビームスプリッタ１６に入射するタイミングに差が生じ、かつその差が時間とともに変化する。したがって、光検出器１２は、複数の反射光パルスＰｂと参照光パルスＰｒとの相互相関を含む相関光の強度を表す電気信号を、複数の反射光パルスＰｂに対する参照光パルスＰｒの時間遅延を変化させながら、順次出力する。これによって、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を異なるタイミングでサンプリングした光信号に相当する電気信号を順次取得することができる。信号処理装置１３は、このようにして順次取得した電気信号を処理することにより、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測する。

反射鏡１５及びビームスプリッタ１６が構成する相関光学系と、光検出器１２と、信号処理装置１３とは、複数の反射光パルスＰｂを受光して、その時間波形信号を出力する光検出部を構成する。また、信号処理装置１３は、複数の反射光パルスＰｂの時間波形信号に基づいて、複数の反射光パルスＰｂが受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測する計測部を構成する。

第１の実施形態に係る距離測定装置１Ａにおいては、複数の反射光パルスＰｂの時間波形をサンプリングするために、移動ステージに搭載された移動反射鏡８を移動させて、参照光パルスＰｒの光路長（つまり、時間遅延）を変化させる必要がある。移動反射鏡８の移動量及び移動速度には限界があるので、距離測定のダイナミックレンジ及び距離測定に要する時間にも限界がある。

これに対して、第１の実施形態の第３の変形例に係る距離測定装置１Ｄにおいては、移動反射鏡を使用しないので、距離測定装置１Ａに比べて、距離測定のダイナミックレンジを拡大することができ、距離測定に要する時間を短縮することができる。

図２２は、第１の実施形態の第４の変形例に係る距離測定装置１Ｅの構成の一例を示す図である。距離測定装置１Ｅは、連続波レーザ光源２０、マイクロリング共振器２５、パルス形成部４Ａ、ビームスプリッタ５、回折格子６、レンズ７、マイクロリング共振器１７、光検出器１２、及び信号処理装置１３を備え、測定対象である物体１００までの距離を測定する。

連続波レーザ光源２０は、連続波レーザ光ＣＷを出力する。連続波レーザ光源２０が出力する連続波レーザ光ＣＷをマイクロリング共振器２５に通すことによって、パルス状のレーザ光を発振させることができる。それによって発生するパルスレーザ光は、例えばフェムト秒光パルスである。マイクロリング共振器２５は、このようにして発生したフェムト秒光パルスを、広帯域光パルスＰとして周期的に出力し、パルス形成部４Ａに入射させる。パルス形成部４Ａは、広帯域光パルスＰから複数の測定光パルスＰａを形成する。複数の測定光パルスＰａは、時間波形が互いに異なり、かつ、中心波長が互いに異なる。連続波レーザ光源２０、マイクロリング共振器２５、及びパルス形成部４Ａは、時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスＰａを出力する測定光パルス光源を構成する。

図２３は、パルス形成部４Ａの構成の一例を示す図である。パルス形成部４Ａは、アレイ導波路回折格子４１Ａ、複数の光ファイバ４３Ａ、及びアレイ導波路回折格子４５Ａを有する。アレイ導波路回折格子４１Ａは、分光素子であり、マイクロリング共振器２５と光学的に結合されている。アレイ導波路回折格子４１Ａは、広帯域光パルスＰに含まれる複数の波長成分を、波長ごとに空間的に分離し、各波長成分を複数の光ファイバ４３Ａのそれぞれに入射させる。なお、図２３には、複数の光ファイバ４３Ａとして、３本の光ファイバ４３ａ、４３ｂ、４３ｃのみが示されている。しかし、複数の光ファイバの数は、３に限られるものではなく、任意の数とすることができる。

複数の光ファイバ４３Ａは、長さ及び屈折率の少なくとも一方が互いに異なる。各波長成分は、複数の光ファイバ４３Ａの長さの違いに応じて、互いに異なる量だけ遅延される。また、各波長成分は、複数の光ファイバ４３Ａのそれぞれを伝搬するうちに、パルスの形状が変化する。複数の光ファイバ４３Ａは互いに屈折率が異なるので、複数の光ファイバ４３Ａのそれぞれを伝搬する光の分散も互いに異なる。したがって、各波長成分が複数の光ファイバ４３Ａのそれぞれを伝搬するうちに生じるパルスの形状の変化も互いに異なる。このようにアレイ導波路回折格子４１Ａから出射した複数の波長成分が互いに異なる量だけ遅延し、かつ各波長成分のパルスの形状の変化が互いに異なることを利用して、広帯域光パルスＰを複数の測定光パルスＰａに変換することができる。複数の光ファイバ４３Ａは、例えば分散補償ファイバやフォトニック結晶ファイバである。

複数の光ファイバ４３Ａのそれぞれを通過した各波長成分は、アレイ導波路回折格子４５Ａに入射する。アレイ導波路回折格子４５Ａは、複数の光ファイバ４３Ａのそれぞれを通過した各波長成分を合波し、複数の測定光パルスＰａとして出射させる。

連続波レーザ光源２０、マイクロリング共振器２５、及びパルス形成部４Ａは、時間波長が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスＰａを出力する測定光パルス光源を構成する。

図２２に戻ると、パルス形成部４Ａによって形成された複数の測定光パルスＰａは、ビームスプリッタ５を透過して回折格子６に入射する。回折格子６は、入射した複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３を波長ごとに空間的に分離する。レンズ７は、互いに空間的に分離された個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３をそれぞれ集光し、物体１００の表面上の互いに異なる位置に照射する。回折格子６及びレンズ７は、複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３を中心波長ごとに互いに空間的に分離して、物体１００に入射させる分光部を構成する。

物体１００の表面上の互いに異なる位置に照射された個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３の少なくとも一部は、物体１００の表面によって反射され、それぞれ個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３となる。

レンズ７は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を回折格子６上の一点に集める。レンズ７は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を集光する集光光学系として機能する。回折格子６は、合波光学系として機能する。回折格子６は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を合波し、複数の反射光パルスＰｂとしてビームスプリッタ５に向けて出射させる。レンズ７及び回折格子６は、個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を互いに集光・合波して、複数の反射光パルスＰｂとしてビームスプリッタ５に向かって出射させる合波部を構成する。

複数の反射光パルスＰｂは、ビームスプリッタ５によって反射されて、マイクロリング共振器１７に入射する。複数の反射光パルスＰｂは、マイクロリング共振器１７内で互いに干渉し、干渉光となってマイクロリング共振器１７から出射する。光検出器１２は、その干渉光を受光し、電気信号に変換して出力する。複数の反射光パルスＰｂ相互の干渉光は、複数の反射光パルスＰｂの自己相関を含む相関光であり、マイクロリング共振器１７は、複数の反射光パルスＰｂ相互の自己相関を含む相関光を出力する相関光学系を構成する。

光検出器１２が出力する電気信号の時間波形は、複数の反射光パルスＰｂの自己相関を含む相関光の時間波形である。信号処理装置１３は、光検出器１２が出力する電気信号の時間波形に基づいて、複数の反射光パルスＰｂの時間波形を計測する。

マイクロリング共振器１７と、光検出器１２と、信号処理装置１３とは、複数の反射光パルスＰｂを受光して、その時間波形信号を出力する光検出部を構成する。また、信号処理装置１３は、複数の反射光パルスＰｂの時間波形信号に基づいて、複数の反射光パルスＰｂが受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測する計測部を構成する。

第１の実施形態の第４の変形例に係る距離測定装置１Ｅにおいては、第３の変形例に係る距離測定装置１Ｄと同じく、移動反射鏡を使用しないので、距離測定装置１Ａに比べて、距離測定のダイナミックレンジを拡大することができ、距離測定に要する時間を短縮することができる。これに加えて、第４の変形例に係る距離測定装置１Ｅにおいては、デュアルコム分光技術を利用しながらも、第３の変形例に係る距離測定装置１Ｄとは違って、２つのパルスレーザ光源を位相同期したり、各パルスレーザ光源が周期的に出力するフェムト秒光パルスの周期をわずかに相違させたりするといった複雑な操作が不要になる。

本開示の光測定装置においては、複数の反射光パルスＰｂに含まれる個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３を、それぞれの時間波形に基づいて識別する。例えば、複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３の特徴点を事前に抽出しておけば、その特徴点に基づいて、複数の反射光パルスＰｂの時間波形に現れる個々の反射光パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３の時間波形を識別することができる。

このように、本開示の光測定装置においては、各パルスを時間軸上で識別することによって、各パルスが受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測することができる。

これとは別に、各パルスが受光されたタイミング又は当該タイミングの差は、複数の反射光パルスＰｂの時間波形をフーリエ変換して得られるスペクトルから計測することもできる。

図２４は、時間波形が互いに異なる複数のパルスからなるパルス列の時間波形の一例を示す図である。図２４には、時間波形が互いに異なる複数のパルスからなるパルス列として、複数のシングルパルスをそれぞれ含み、シングルパルスが連続する個数が互いに異なる３つのパルス（２連パルス、３連パルス、及び４連パルス）からなるパルス列が示されている。図２４（ａ）は、複数の測定光パルスＰａに含まれる個々の測定光パルスである２連パルスＰａ１、３連パルスＰａ２、及び４連パルスＰａ３の時間波形の一例を示す図であり、図２４（ｂ）は、複数の反射光パルスＰｂに含まれる個々の反射光パルスである２連パルスＰｂ１、３連パルスＰｂ２、及び４連パルスＰｂ３を示す図である。複数の反射光パルスＰｂに含まれる各パルスＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３同士の間隔は、複数の測定光パルスＰａに含まれる各パルスＰａ１、Ｐａ２、Ｐａ３同士の間隔よりも狭くなっている。

図２５は、図２４に示された時間波形をフーリエ変換して得られたスペクトルの一例を示す図である。曲線Ｃａは、複数の測定光パルスＰａの時間波形のスペクトルであり、曲線Ｃｂは、複数の反射光パルスＰｂの時間波形のスペクトルである。複数の反射光パルスＰｂに含まれる各パルスの間隔が複数の測定光パルスＰａに含まれる各パルスの間隔よりも狭くなったことを反映して、２つの曲線Ｃａ、Ｃｂの間に差異が生じている。したがって、複数の測定光パルスＰａ及び複数の反射光パルスＰｂについて時間波形を計測し、それぞれをフーリエ変換して得られるスペクトルを比較することにより、複数の測定光パルスＰａと複数の反射光パルスＰｂとの間で生じた個々のパルスの順番及び間隔の変化を算出することができる。

１Ａ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…距離測定装置、１Ｂ…表面粗さ測定装置、２，２Ａ，２Ｂ…パルスレーザ光源、２０…連続波レーザ光源、２１，２２…半導体レーザ光源、２４…合波光学系、２５…マイクロリング共振器、４，４Ａ…パルス形成部、４１，４５…回折格子、４１Ａ，４５Ａ…アレイ導波路回折格子、４３…空間光変調器（ＳＬＭ）、４３Ａ，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ…光ファイバ、６…回折格子、６Ａ…二次元分光器、６２…ＶＩＰＡ板、６４…回折格子、８…移動反射鏡、１１…光学素子、１２，１４…光検出器、１７…マイクロリング共振器、１００…物体、２００…多層膜構造体、３００…物体、ＣＷ…連続波レーザ光、Ｐ…広帯域光パルス、Ｐａ，Ｐａ１，Ｐａ２，Ｐａ３…測定光パルス、Ｐｂ，Ｐｂ１，Ｐｂ２，Ｐｂ３…反射光パルス、Ｐｒ…参照光パルス。

Claims (22)

1. 時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスを出力する測定光パルス光源と、
   前記複数の測定光パルスを前記中心波長ごとに互いに空間的に分離して、測定対象に入射させる分光部と、
   前記測定対象によって反射された又は前記測定対象を透過した前記複数の測定光パルスを合波して、一つの光路上に出射させる合波部と、
   前記合波部から出射した前記複数の測定光パルスを受光して、前記複数の測定光パルスの時間波形信号を出力する光検出部と、
   前記時間波形信号に基づいて、前記複数の測定光パルスのそれぞれが前記光検出部によって受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測する計測部と、を備える、
   光測定装置。
2. 前記測定対象に入射する前の前記複数の測定光パルスは、互いに時間間隔を有し、測定光パルス列を構成している、
   請求項１に記載の光測定装置。
3. 前記測定光パルス光源は、
   時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる光パルスを出力する複数のパルスレーザ光源と、
   前記複数のパルスレーザ光源のそれぞれが出力した光パルスを合波して、前記複数の測定光パルスとして出力する合波光学系と、を含む、
   請求項１又は２に記載の光測定装置。
4. 前記複数のパルスレーザ光源は、発光波長が互いに異なる複数の半導体レーザ光源であり、
   前記複数の半導体レーザ光源のそれぞれに供給される駆動電流は、前記複数の半導体レーザ光源のそれぞれが出力する光パルスの時間波形が互いに異なるように、互いに異なっている、
   請求項３に記載の光測定装置。
5. 前記測定光パルス光源は、
   複数の波長成分を有する広帯域光パルスを出力するパルスレーザ光源と、
   前記広帯域光パルスから前記複数の測定光パルスを形成するパルス形成部と、を含む、
   請求項１又は２に記載の光測定装置。
6. 前記パルス形成部は、
   前記広帯域光パルスに含まれる複数の波長成分を、波長ごとに空間的に分離する分光素子と、
   波長ごとに空間的に分離された前記複数の波長成分のそれぞれの位相及び強度の少なくとも一方を、前記複数の波長成分が合波されると時間波形及び中心波長が互いに異なる複数の光パルスが形成されるように変調する空間光変調器と、
   位相及び強度の少なくとも一方が変調された前記複数の波長成分を合波して、前記複数の測定光パルスとして出力する合波光学系と、を含む、
   請求項５に記載の光測定装置。
7. 前記光検出部は、
   前記合波部から出射した前記複数の測定光パルスと、参照光パルスとを受光して、両者の相互相関を含む相関光を出力する相関光学系と、
   前記相関光を受光して相関信号を出力する光検出器と、を含み、
   前記相関光学系は、前記複数の測定光パルスに対する前記参照光パルスの時間遅延量を変化させながら、前記複数の測定光パルスと前記参照光パルスとを重畳させることによって前記相関光を出力し、
   前記光検出部は、前記時間遅延量ごとに得られた前記相関信号から前記時間波形信号を生成して出力する、
   請求項６に記載の光測定装置。
8. 前記相関光学系は、
   前記パルスレーザ光源が出力する前記広帯域光パルスの一部を前記広帯域光パルスから分岐して前記参照光パルスとするビームスプリッタと、
   前記参照光パルスの時間遅延量を変化させる移動反射鏡と、
   前記複数の測定光パルスと前記参照光パルスとを重畳させて前記相関光を生成する光学素子と、を含む、
   請求項７に記載の光測定装置。
9. 前記光学素子は、非線形光学結晶を含む、
   請求項８に記載の光測定装置。
10. 前記パルスレーザ光源は、光周波数コム光源である、
    請求項７に記載の光測定装置。
11. 前記光検出部は、
    前記合波部から出射した前記複数の測定光パルスと、参照光パルスとを受光して、両者の相互相関を含む相関光を出力する相関光学系と、
    前記相関光を受光して相関信号を出力する光検出器と、を含み、
    前記相関光学系は、
    参照光パルスを出力する第２のパルスレーザ光源を含み、
    前記第２のパルスレーザ光源は、前記パルスレーザ光源と位相が同期され、光パルスを出力する周期が前記パルスレーザ光源と異なる光周波数コム光源である、
    請求項１０に記載の光測定装置。
12. 前記パルス形成部は、
    前記広帯域光パルスに含まれる複数の波長成分を、波長ごとに空間的に分離するアレイ導波路回折格子と、
    波長ごとに空間的に分離された前記複数の波長成分のそれぞれを伝送する複数の光ファイバと、
    前記複数の光ファイバによって伝送された前記複数の波長成分を合波して、前記複数の測定光パルスとして出力するアレイ導波路回折格子と、を含み、
    前記複数の光ファイバは、長さ及び屈折率の少なくとも一方が互いに異なっている、
    請求項５に記載の光測定装置。
13. 前記パルスレーザ光源は、
    連続波レーザ光を出力する連続波レーザ光源と、
    前記連続波レーザ光を受光し、前記広帯域光パルスに変換して出力するマイクロリング共振器と、を含む、
    請求項１２に記載の光測定装置。
14. 前記光検出部は、
    前記複数の測定光パルスを受光し、自己相関を含む相関光を出力するマイクロリング共振器を含む、
    請求項１３に記載の光測定装置。
15. 前記光検出部は、フォトダイオード又は光電子増倍管を含む、
    請求項１～１４のいずれか一項に記載の光測定装置。
16. 前記計測部は、
    前記時間波形信号をフーリエ解析するフーリエ解析部と、
    前記フーリエ解析の結果に基づいて、前記時間波形信号から前記複数の測定光パルスのそれぞれが前記光検出部によって受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測する演算部と、を含む、
    請求項１～１５のいずれか一項に記載の光測定装置。
17. 前記分光部は、回折格子を含む、
    請求項１～１６のいずれか一項に記載の光測定装置。
18. 前記合波部は、回折格子を含む、
    請求項１～１７のいずれか一項に記載の光測定装置。
19. 前記合波部は、前記測定対象によって反射された前記複数の測定光パルスを合波して、一つの光路上に出射させ、
    前記合波部は、前記分光部を兼ねる、
    請求項１～１８のいずれか一項に記載の光測定装置。
20. 前記分光部は、前記複数の測定光パルスを２つの方向に沿って互いに空間的に分離する、請求項１～１８のいずれか一項に記載の光測定装置。
21. 前記計測部は、前記タイミング又は前記差に基づいて、測定対象までの距離、測定対象の厚み、測定対象の表面に形成された膜の厚み及び屈折率、並びに測定対象の表面粗さのうち少なくとも１つを算出する、
    請求項１～２０のいずれか一項に記載された光測定装置。
22. 時間波形が互いに異なり、かつ中心波長が互いに異なる複数の測定光パルスを出力するステップと、
    前記複数の測定光パルスを前記中心波長ごとに互いに空間的に分離して、測定対象に入射させるステップと、
    前記測定対象によって反射された又は前記測定対象を透過した前記複数の測定光パルスを合波して、一つの光路上に出射させるステップと、
    前記一つの光路上に出射した前記複数の測定光パルスを受光して、前記複数の測定光パルスの時間波形信号を出力するステップと、
    前記時間波形信号に基づいて、前記複数の測定光パルスのそれぞれが受光されたタイミング又は当該タイミングの差を計測するステップと、を備える、
    光測定方法。

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