JP5927112B2 - 電界スペクトル測定装置および物体測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、参照波路を伝播する参照波および参照波路と基点を同一とする１つまたは２つ以上の測定波路を伝播する測定波を受け取り、たとえば参照波のスペクトルと、参照波と測定波の合成波の二乗に比例する信号とに基づき、測定波の種々のスペクトルを取得することができるスペクトル測定装置、および前記スペクトル測定装置を用いて被測定物体の空間情報，エネルギー構造情報，屈折率，透過率，反射率等を取得することができる物体測定装置に関する。

従来、ミラー掃引により干渉信号の計測を行う技術（特許文献１，特許文献２）が知られている。これらの技術は、白色光源を用いることで高い分解能の測定ができ、簡単なスペクトル情報も得ることができる。

しかし、特許文献１，特許文献２の技術では、分光情報を空間分解することができない。

本発明の目的は、参照波のスペクトルと、参照波と測定波の合成波の二乗に比例する信号とに基づき測定波の種々のスペクトルを取得する（または、参照波の自己相関および参照波と測定波の相互相関に基づき測定波の種々のスペクトルを取得する）ことができるスペクトル測定装置を提供することである。

本発明の他の目的は、前記スペクトル測定装置を用いて被測定物体の空間情報，エネルギー構造情報，屈折率，透過率，反射率の少なくとも１つを取得することができる物体測定装置を提供することである。

本発明のスペクトル測定装置の第１態様は（１）および（２）を要旨とする。
（１）
参照波路を伝播する参照波と、前記参照波路と同一の基点を持つ測定波路を伝播する測定波とを受け取り、前記測定波のスペクトルを求めるスペクトル測定装置において、
前記スペクトルが、被測定物体の表面または内部で折り返し、または前記被測定物体を貫通した前記測定波のスペクトルであり、
前記参照波のスペクトルと、
前記参照波と前記測定波の合成波の二乗に比例する信号とに基づき、
前記測定波のスペクトルを求めることを特徴とするスペクトル測定装置。

（２）
前記測定波のスペクトルがパワースペクトルであり、当該パワースペクトルが、
［参照波と測定波の合成波の二乗に比例する信号をフーリエ変換することにより得られるスペクトル］²／［参照波のスペクトル］
で表されることを特徴とする（１）に記載のスペクトル測定装置。

たとえば、スペクトル測定装置は、参照波路を伝播する参照波Ｓ_rと、前記参照波路と同一の基点を持つ測定波路を伝播する測定波Ｓ_sとを受け取り、前記測定波Ｓ_sの電界スペクトルＥ_s（ω）、パワースペクトル｜Ｅ_s（ω）｜²、振幅スペクトルＡ_s、位相スペクトルφ_sの少なくとも１つを求めることができる。この場合に、前記参照波Ｓ_rの自己相関Ｉ_rrをフーリエ変換（フーリエ変換Ｆ_rr）して前記参照波Ｓ_rのパワースペクトル｜Ｅ_r｜²を求めるとともに、
前記参照波Ｓ_rと前記測定波Ｓ_sとの相互相関Ｉ_rsのフーリエ変換（フーリエ変換Ｆ_rs）の二乗を求め、
前記参照波Ｓ_rのパワースペクトル｜Ｅ_r｜²と前記相互相関Ｉ_rsの前記フーリエ変換Ｆ_rsに基づき、前記スペクトルの少なくとも１つを求める
ことができる。

ここで、パワースペクトル｜Ｅ_s｜²は、
｜Ｅ_s｜²＝（相互相関Ｉ_rsの前記フーリエ変換Ｆ_rs）²
／（参照波Ｓ_rの自己相関Ｉ_rrのフーリエ変換Ｆ_rr）
で表される。

本発明の物体測定装置の第１態様は（３）および（４）を要旨とする。
（３）
属性特定装置を備えた物体測定装置において、
前記属性特定装置が、（１）に記載のスペクトル測定装置の機能を持ち、
前記参照波路および前記測定波路は、同一の発生源を基点とし、前記測定波路は被測定物体の表面または内部で折り返しまたは被測定物体を貫通するように形成され、
前記属性特定装置は、測定した前記測定波のスペクトルに基づき、前記被測定物体の属性情報（たとえば、前記空間情報、前記エネルギー構造情報、屈折率、透過率、反射率の少なくとも一つ）を求めることを特徴とする物体測定装置。

（４）
前記参照波が、
伝播方向に垂直な仮想線に沿って遅延時間または進み時間が漸次変化する特性を持ち、または、
伝播方向に垂直な仮想ＸＹ平面のＸ方向に沿って遅延時間または進み時間が漸次変化する特性を持つ、
ことを特徴とする（３）に記載の物体測定装置。

たとえば、物体測定装置は、スペクトル測定装置の機能を持つ属性特定装置を備える。
物体測定装置において、参照波路および測定波路は、同一の光源を基点とし、前記測定波路は被測定物体の表面または内部で折り返しまたは被測定物体を貫通するように形成され、
前記属性特定装置は、測定した前記測定波Ｓ_sの、パワースペクトル｜Ｅ_s｜²、振幅スペクトルＡ_s、位相スペクトルφ_sの少なくとも１つに基づき、前記被測定物体の属性情報（たとえば、前記空間情報、前記エネルギー構造情報、屈折率、透過率、反射率の少なくとも一つ）を求めることができる。

この物体測定装置では、被測定物体の位置に全反射ミラーをセットし、参照波路がこの全反射ミラーで折り返すように構成できる。

本発明のスペクトル測定装置の第２態様は（５）を要旨とする。
（５）
参照波路を伝播する参照波と、前記参照波路と同一の基点を持つ測定波路を伝播する測定波とを受け取り、前記測定波のスペクトルを求めるスペクトル測定装置において、
前記参照波のスペクトルを求めるとともに、
前記参照波と前記測定波との相互相関のフーリエ変換を求め、
前記参照波のスペクトルと前記相互相関の前記フーリエ変換に基づき、前記スペクトルを求める、
ことを特徴とするスペクトル測定装置。

具体的には、
電界スペクトルＥ_s（ω）は、
測定波Ｓ_sの電界スペクトルＥ_s（ω）の複素共役Ｅ_s ^*
＝（相互相関Ｉ_rsの前記フーリエ変換Ｆ_rs）
／（参照波Ｓ_rの電界スペクトル）
Ｅ_s ^*はＥ_sの複素共役
で表される。

本発明の物体測定装置の第２態様は（６）および（７）を要旨とする。
（６）
属性特定装置を備えた物体測定装置において、
前記属性特定装置が、（５）に記載のスペクトル測定装置の機能を持ち、
前記参照波路および前記測定波路は、同一の発生源を基点とし、前記測定波路は被測定物体の表面または内部で折り返しまたは被測定物体を貫通するように形成され、
前記属性特定装置は、測定した前記測定波の前記スペクトルに基づき、前記被測定物体の、属性情報（たとえば、前記空間情報、前記エネルギー構造情報、屈折率、透過率、反射率の少なくとも一つ）を求める、
ことを特徴とする物体測定装置。

（７）
前記参照波が、
伝播方向に垂直な仮想線に沿って遅延時間または進み時間が漸次変化する特性を持ち、または、
伝播方向に垂直な仮想ＸＹ平面のＸ方向に沿って遅延時間または進み時間が漸次変化する特性を持つ、
ことを特徴とする（６）に記載の物体測定装置。

本発明のスペクトル測定装置の第３態様は（８）および（９）を要旨とする。
（８）
参照波路を伝播する参照波と、参照波路と同一の基点を持つ、第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路を伝播する第１，第２，・・・，第Ｎ測定波とを受け取り、前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波の各スペクトルを求めるスペクトル測定装置において、
前記スペクトルが、被測定物体の表面または内部で折り返し、または前記被測定物体を貫通した前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波のスペクトルであり、
前記参照波のスペクトルと、
前記参照波と前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波の各合成波の二乗に比例する各信号とに基づき、
前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波の各スペクトルを求めることを特徴とするスペクトル測定装置。

（９）
前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波の各スペクトルがパワースペクトルであり、当該第ｋ測定波（ｋは、１，２，・・・，Ｎの何れか）のパワースペクトルが、
［参照波と第ｋ測定波の合成波の二乗に比例する信号をフーリエ変換することにより得られるスペクトル］²／［参照波のスペクトル］
で表されることを特徴とする（８）に記載のスペクトル測定装置。

たとえば、スペクトル測定装置は、参照波路を伝播する参照波Ｓ_rと、参照波路と同一の基点を持つ、第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路を伝播する第１，第２，・・・，第Ｎ測定波Ｓ_s1，Ｓ_s2，・・・，Ｓ_sNとを受け取り、前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波Ｓ_s1，Ｓ_s2，・・・，Ｓ_sNの電界スペクトルＥ_s（ω）を求めることができる。
この場合に、スペクトル測定装置は、参照波路を伝播する参照波Ｓ_rと、前記参照波路と同一の基点を持つ第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路を伝播する第１，第２，・・・，第Ｎ測定波Ｓ_s1，Ｓ_s2，・・・，Ｓ_sNとを受け取り、前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波Ｓ_s1，Ｓ_s2，・・・，Ｓ_sNの電界スペクトルＥ_s1（ω），Ｅ_s2（ω），・・・，Ｅ_sN（ω）、パワースペクトル｜Ｅ_s1（ω）｜²，｜Ｅ_s2（ω）｜²，・・・，｜Ｅ_sN（ω）｜²、振幅スペクトルＡ_s1（ω），Ａ_s2（ω），・・・，Ａ_sN（ω）、位相スペクトルφ_s1（ω），φ_s2（ω），・・・，φ_sN（ω）の少なくとも１つを求めることができる。
スペクトル測定装置は、前記参照波Ｓ_rの自己相関Ｉ_rrをフーリエ変換して（フーリエ変換Ｆ_rr）前記参照波Ｓ_rのパワースペクトル｜Ｅ_r｜²を求めるとともに、
前記参照波Ｓ_rと前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波Ｓ_s1，Ｓ_s2，・・・，Ｓ_sNとの相互相関Ｉ_rs1，Ｉ_rs2，・・・，Ｉ_rsNのフーリエ変換Ｆ_rs1，Ｆ_rs2，・・・，Ｆ_rsNの二乗をそれぞれ求め、
前記参照波Ｓ_rのパワースペクトル｜Ｅ_r｜²と前記相互相関Ｉ_rs1，Ｉ_rs2，・・・，Ｉ_rsNの前記フーリエ変換Ｆ_rs1，Ｆ_rs2，・・・，Ｆ_rsNの二乗に基づき、前記スペクトルの少なくとも１つを求めることができる。

本発明の物体測定装置の第３態様は（１０）および（１１）を要旨とする。
（１０）
属性特定装置を備えた物体測定装置において、
前記属性特定装置が、（９）に記載のスペクトル測定装置の機能を持ち、
前記参照波路および前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路は、同一の発生源を基点とし、前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路は被測定物体の表面または内部で折り返しまたは被測定物体を貫通するように形成され、
前記属性特定装置は、測定した前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波の各スペクトルに基づき、前記被測定物体の属性情報を求める、
ことを特徴とする物体測定装置。

（１１）
前記参照波が、
伝播方向に垂直な仮想線に沿って遅延時間または進み時間が漸次変化する特性を持ち、または、
前記参照波が、伝播方向に垂直な仮想ＸＹ平面のＸ方向に沿った成分の遅延時間または進み時間が漸次変化する特性を持つ、
ことを特徴とする（１０）に記載の物体測定装置。

たとえば、物体測定装置は、スペクトル測定装置の機能を持つ属性特定装置を備える。
物体測定装置において、参照波路および前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路は、同一の光源を基点とし、前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路は被測定物体の表面または内部で折り返しまたは被測定物体を貫通するように形成され、
前記属性特定装置は、測定した前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波Ｓ_s1，Ｓ_s2，・・・，Ｓ_sNの電界スペクトルＥ_s1（ω），Ｅ_s2（ω），・・・，Ｅ_sN（ω）に基づき、前記被測定物体の属性情報（たとえば、前記空間情報、前記エネルギー構造情報、屈折率、透過率、反射率の少なくとも一つ）を求めることができる。

本発明のスペクトル測定装置の第４態様は（１２）を要旨とする。
（１２）
参照波路を伝播する参照波と、参照波路と同一の基点を持つ、第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路を伝播する第１，第２，・・・，第Ｎ測定波を受け取り、前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波の電界スペクトルを求めるスペクトル測定装置において、
前記参照波のスペクトルを求めるとともに、
前記参照波と前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波との各相互相関のフーリエ変換をそれぞれ求め、
前記参照波のスペクトルと前記各相互相関の前記各フーリエ変換に基づき、前記スペクトルを求める、
ことを特徴とするスペクトル測定装置。

本発明の物体測定装置の第４態様は（１３）および（１４）を要旨とする。
（１３）
属性特定装置を備えた物体測定装置において、
前記属性特定装置が、請求項１２に記載のスペクトル測定装置の機能を持ち、
前記参照波路および前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波は、同一の発生源を基点とし、前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路は被測定物体の表面または内部で折り返しまたは被測定物体を貫通するように形成され、
前記属性特定装置は、測定した前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波の電界スペクトルに基づき、前記被測定物体の属性情報を求める、
ことを特徴とする物体測定装置。

（１４）
前記参照波が、
伝播方向に垂直な仮想線に沿って遅延時間または進み時間が漸次変化する特性を持ち、または、
伝播方向に垂直な仮想ＸＹ平面のＸ方向に沿って遅延時間または進み時間が漸次変化する特性を持つ、
ことを特徴とする（１３）に記載の物体測定装置。

物体測定装置は、スペクトル測定装置の機能を持つ属性特定装置を備えている。
第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路は、同一の発生源（光源）を基点とし、第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路は被測定物体の表面または内部で折り返しまたは被測定物体Ｏを貫通するように形成される。
属性特定装置は、測定した第１，第２，・・・，第Ｎ測定波Ｓ_s1，Ｓ_s2，・・・，Ｓ_sNの電界スペクトルＥ_s1（ω），Ｅ_s2（ω），・・・，Ｅ_sN（ω）に基づき、被測定物体の属性情報（たとえば、前記空間情報、前記エネルギー構造情報、屈折率、透過率、反射率の少なくとも一つ）を求めることができる。

《第１基本態様》

第１基本態様は、（１），（２）のスペクトル測定装置および（３）の物体測定装置に対応する。

本発明の第１基本態様を、参照波Ｓ_r，測定波Ｓ_sが光である場合を例に、図１および図２により説明する。なお、本発明は、光のほか、Ｘ線、テラヘルツ波、ラジオ波、ミリ波等にも適用できる。

図１および図２に示すように、物体測定装置１００は、発生源（光源１１）と、干渉計１２と、属性特定装置１３とを備えている。光源１１から出射される光は、典型的には白色光源のような広帯域光である。干渉計１２は、本態様ではビームスプリッタ１２１と参照ミラー１２２と参照ミラー駆動部１２３を備えている。

参照波路ＰＴＨ_rは、光源１１を基点として、ビームスプリッタ１２１を介して参照ミラー１２２に到達し、参照ミラー１２２を折り返して、さらにビームスプリッタ１２１を介し属性特定装置１３に到達する。

図２に参照されるように、測定波路ＰＴＨ_sは、光源１１を基点として、ビームスプリッタ１２１を介して被測定物体Ｏに到達し、被測定物体Ｏにて折り返して、さらにビームスプリッタ１２１を介し属性特定装置１３に到達する。

属性特定装置１３は、スペクトル測定装置としての機能を備えており、光検出器１３１と演算処理部１３２とを有している。演算処理部１３２は、参照波Ｓ_rの自己相関Ｉ_rrを求めてこれをフーリエ変換、さらに参照波Ｓ_rと測定波Ｓ_sとの相互相関Ｉ_rsを求めこれをフーリエ変換する。
そして、これらのフーリエ変換Ｆ_rr，Ｆ_rsとから、測定波Ｓ_sの電界スペクトルＥ_s（ω）、パワースペクトル｜Ｅ_s（ω）｜²、振幅スペクトルＡ_s（ω）、位相スペクトルφ_s（ω）の少なくとも１つを求めることができる。

自己相関Ｉ_rrを求めるときは、たとえば、図１に示すように被測定物体Ｏの位置に全反射ミラー１２４を設けておく。

演算処理部１３２は、演算器１３２１と、前述したメモリ１３２２とを備えている。演算器１３２１は、自己相関Ｉ_rrを求め、フーリエ変換し、フーリエ変換Ｆ_rrはメモリ１３２２に記憶される。

一方、被測定物体Ｏの測定に際しては、図２に示すように光検出器１３１は、参照波Ｓ_rおよび被測定物体Ｏにて反射された測定波Ｓ_s（干渉波）ビームスプリッタ１２１を介して受光する。

演算器１３２１は、光検出器１３１が検出した干渉波を電気信号として受け取り、参照波Ｓ_rと測定波Ｓ_sとから相互相関Ｉ_rsを求め、フーリエ変換する（フーリエ変換Ｆ_rsとする）。

そして、演算器１３２１は、メモリ１３２２に記憶された自己相関Ｉ_rrのフーリエ変換Ｆ_rrと、相互相関Ｉ_rsのフーリエ変換Ｆ_rsとから測定波Ｓ_sのパワースペクトル｜Ｅ_s｜²を、
｜Ｅ_s｜²＝（相互相関Ｉ_rsのフーリエ変換Ｆ_rs）²
／（参照波Ｓ_rの自己相関Ｉ_rrのフーリエ変換Ｆ_rr）
として求めることができる。

また、演算処理部１３２は、測定した測定波Ｓ_sのパワースペクトル｜Ｅ_s｜²に基づき、被測定物体Ｏの、空間情報、エネルギー構造情報、屈折率、透過率、反射率の少なくとも一つを求めることができる。
《第２基本態様》

第２基本態様は、（５）のスペクトル測定装置および（６）の物体測定装置に対応する。
本発明の第２基本態様を、参照波Ｓ_r，測定波Ｓ_sが光である場合を例に、図３および図４により説明する。

図３および図４に示すように、物体測定装置２００は、発生源（光源２１）と、干渉計２２と、属性特定装置２３とを備えている。
光源２１から出射される光は、典型的には白色光源のような広帯域光である。干渉計２２は、本態様ではビームスプリッタ２２１と参照ミラー２２２と参照ミラー駆動部２２３を備えている。参照波路ＰＴＨ_rは、光源２１を基点として、ビームスプリッタ２２１を介して参照ミラー２２２に到達し、参照ミラー２２２を折り返して、さらにビームスプリッタ２２１を介し属性特定装置２３に到達する。

図４に参照されるように、測定波路ＰＴＨ_sは、光源２１を基点として、ビームスプリッタ２２１を介して被測定物体Ｏに到達し、被測定物体Ｏにて折り返して、さらにビームスプリッタ２２１を介し属性特定装置２３に到達する。属性特定装置２３は、スペクトル測定装置としての機能を備えており、光検出器２３１と演算処理部２３２と電界スペクトル測定部２３３とビームスプリッタ２３４とを有している。

参照波Ｓ_rの電界スペクトルＥｒ（ω）は電界スペクトル測定部２３３により求めることができる。電界スペクトル測定部２３３は、補助信号生成部２３３１と、相対位相検出部２３３２と、振幅検出部２３３３と、周波数選択部２３３４を有している。

電界スペクトルＥｒ（ω）を測定するときは、たとえば、図３に示すように被測定物体Ｏの位置に光吸収板２２４を設けておく等により、光検出器２３１が参照波Ｓ_rのみを検出するように（すなわち、被測定物体Ｏからの反射波が光検出器２３１に到達しないように）する。補助信号生成部２３３１は、たとえば２波長モードロック広帯域レーザであり、周波数中間値が参照波成分ｓ_rm，ｓ_rn（周波数間隔Δω）の周波数の間に設定され、周波数間隔が２つの参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnの周波数間隔と同一の２つの補助信号ｕ_am，ｕ_anを生成する。

相対位相検出部２３３２は、２つの参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnと２つの補助信号ｕ_am，ｕ_anとから、周波数が低い参照波成分ｓ_rmと補助信号ｕ_amとのビート信号ＢＴ_m（図示せず）、および周波数が高い参照波成分ｓ_rnと補助信号ｕ_amとのビート信号ＢＴ_n（図示せず）を生成し、これら２つのビート信号の乗算信号を生成する。この乗算信号の直流成分から、検出系により定まる定数を取り除けば、参照波成分ｓ_rmとｓ_rnとの相対位相φ_rn−φ_rmを検出することができる。また、振幅検出部２３３３は、補助信号ｕ_amと参照波成分ｓ_rmのビート信号ＢＴ_m（図示せず）から参照波成分ｓ_rmの振幅Ａ_rmを測定することができるし、補助信号ｕ_amを参照波成分ｓ_rnのビート信号ＢＴ_n（図示せず）から参照波成分ｓ_rnの振幅Ａ_rnを測定することができるし検出することができる。

電界スペクトル測定部２３３は、上記の処理を、周波数が異なる多数の参照波成分ｓ_rnの対について行うことで、参照波Ｓ_rの電界スペクトルＥｒ（ω）を得ることができる。この電界スペクトルＥｒ（ω）は、演算処理部２３２のメモリ２３２２に記憶される。

一方、被測定物体Ｏの測定に際しては、図４に示すように光検出器２３１は、参照波Ｓ_rおよび被測定物体Ｏにて反射された測定波Ｓ_s（干渉波）ビームスプリッタ２２１を介して受光する。

演算処理部２３２は、演算器２３２１と、前述したメモリ２３２２とを備えている。演算器２３２１は、相互相関の演算を演算する機能を備えている、光検出器２３１が検出した干渉波を電気信号として受け取り、参照波Ｓ_rと測定波Ｓ_sとから相互相関Ｉ_rsを求め、これをフーリエ変換する（フーリエ変換Ｆ_rsとする）。

そして、演算器２３２１は、メモリ２３２２に記憶された電界スペクトルＥｒ（ω）と、フーリエ変換Ｆ_rsとから測定波Ｓ_sの電界スペクトルＥ_sを、
測定波Ｓ_sの電界スペクトルＥ_s（ω）の複素共役Ｅ_s ^*
＝（相互相関Ｉ_rsのフーリエ変換Ｆ_rs）
／（参照波Ｓ_rの電界スペクトル）
として求めることができる。

演算処理部２３２は、測定した測定波Ｓ_sの電界スペクトルＥ_s（ω）に基づき、被測定物体Ｏの、空間情報、エネルギー構造情報、屈折率、透過率、反射率の少なくとも一つを求めることができる。

なお、サンプリングに際しては、「サンプリング定理」に従って、λ／２ｃの時間よりも短い時間でサンプリングする必要がある。

《第３基本態様》
第３基本態様は、（４），（７）の物体測定装置に対応する。
本発明では、参照波Ｓ_rが伝播方向に垂直な仮想線に沿って遅延時間（または進み時間）が漸次変化する特性を持つようにできる。図５（Ａ），（Ｂ）は、時間遅れのイメージ図であり、図５（Ａ）は時間遅れが生じる前の参照波Ｓ_rであり、図５（Ｂ）は時間遅れが生じた後の参照波Ｓ_rである。図５（Ｂ）では、Ｓ_r参照波は伝播方向に垂直な仮想線ｇに沿って遅延時間Δｔが漸次変化する特性を示している。この場合には、被測定物体Ｏの点の深さ方向の属性が得られる。すなわち、光検出器１３１，２３１は、画素が一次元配列されセンサを使用することができ、センサの各画素は、被測定物体ＯのｃΔｔの深さに対応する情報を持つ光を検出する。

また、本発明では、参照波Ｓ_rの伝播方向に垂直な仮想ＸＹ平面のＸ方向に沿った成分の遅延時間（進み時間）が漸次変化するようにできる。図６（Ａ），（Ｂ）は、時間遅れのイメージ図であり、図６（Ａ）は時間遅れが生じる前の参照波Ｓ_rであり、図６（Ｂ）は時間遅れが生じた後の参照波Ｓ_rである。図６（Ｂ）では、Ｓ_r参照波は伝播方向に垂直な仮想面Ｇに沿って遅延時間Δｔが漸次変化する特性を示している。この場合には、被測定物体Ｏの切断線の深さ方向の属性が得られる。すなわち、光検出器１３１，２３１は、画素が二次元配列されセンサを使用することができ、センサのＸ方向の画素群は、Ｙ座標に対応する点における被測定物体ＯのｃΔｔの深さに対応する情報を持つ光を検出する。
《応用態様》

本発明では、上記の基本態様を拡張し、Ｎ層の被測定物体Ｏについても、電界スペクトルＥ_s（ω）、パワースペクトル｜Ｅ_s（ω）｜²、振幅スペクトルＡ_s（ω）、位相スペクトルφ_s（ω）の少なくとも１つを求めることができる。この応用態様は、（８），（９），（１２）のスペクトル測定装置および（１０），（１１），（１３），（１４）の物体測定装置に対応する。その説明は、後述する。

汎用のスペクトル計測装置で不均一な内部構造を有する被測定物体を計測する場合、複雑な分光スペクトル情報が積算された（入り混じった）スペクトル情報が観測される。

これに対して、本発明の手法を用いると、被測定物体の深さごと（解像度は数ミクロン）の属性情報、たとえば、空間情報のほか、エネルギー構造情報、屈折率、透過率、反射率等を同時に測定することができる。

特に、本発明では、２次元断層像をイメージセンサのフレームレートで計測するのでリアルタイムな断層画像計測と分光スペクトル情報の取得が可能である。

医療用途では、たとえば、光コヒーレンストモグラフィーがすでに実用化され、光による非侵襲・非接触な内部組織の構造を計測する需要が高まっている。眼科の眼底検査や皮膚癌、内科の胃癌など消化器系の疾患を診断するための断層画像計測を行える検査機器がすでに実用化されている。しかし、形態から癌などの疾患を判断するには熟練した経験や知識が必要となる。本発明により、組織毎のスペクトル情報を得ることもできるので、客観的に癌組織の判別を行うことが可能となる。

なお、本発明は、参照側に多重反射を利用すれば、長距離（たとえば、数十メートル）離れた被測定物体の測定も可能である。

本発明の第１基本態様の構成図であり、参照波の自己相関を測定する様子を示す図である。 本発明の第１基本態様の構成図であり、参照波と測定波との相互相関および測定波の各種スペクトルならびに被測定物体の属性を測定する様子を示す図である。 本発明の第２基本態様の構成図であり、参照波の電解スペクトルを測定する様子を示す図である。 本発明の第２基本態様の構成図であり、参照波と測定波との相互相関および測定波の各種スペクトルならびに被測定物体の属性を測定する様子を示す図である。 被測定物体の属性を点深さについて測定する際に参照波を時間遅れさせるイメージ説明図であり、（Ａ）は時間遅れが生じる前の参照波であり、（Ｂ）は時間遅れが生じた後の参照波である。 被測定物体の属性を線深さについて測定する際に参照波を時間遅れさせるイメージ説明図であり、（Ａ）は時間遅れが生じる前の参照波であり、（Ｂ）は時間遅れが生じた後の参照波である。 本発明の第１実施形態の構成図であり、被測定物体の位置に全反射ミラーをセットして参照波の自己相関を測定する様子を示す図である。 本発明の第１実施形態の構成図であり、被測定物体が２つの境界面を持つ場合の、参照波と測定波との相互相関および測定波の各種スペクトルならびに被測定物体の属性を測定する様子を示す図である。 本発明の第１実施形態の構成図であり、被測定物体が複数の境界面を持つ場合の、参照波と測定波との相互相関および測定波の各種スペクトルならびに被測定物体の属性を測定する様子を示す図である。 本発明の第２実施形態の第１構成例を示す図であり、図３および図４の物体測定装置を具体化例を示す図である。 図１０の第１構成例の相対位相検出部と振幅検出部を詳細に示す図である。 本発明の第２実施形態の第２構成例を示す図であり、図３および図４の物体測定装置を具体化例を示す図である。る。 図１２の第２構成例の相対位相検出部と振幅検出部を詳細に示す図である。 本発明の第２実施形態における補助信号の周波数と参照波成分の周波数との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態において位相を検出するときの正規化直流成分と相対位相との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態にいて正規化直流成分が、みかけ上２つ検出されたときの「真の相対位相」を判定する方法を示す説明図である。 本発明において使用される干渉計の第１構成例（マッハツェンダー型）の説明図である。 図１７に示した干渉計に使用される変調器を示す図である。 本発明において使用される干渉計の第２構成例（マッハツェンダー型）の説明図である。 図１９に示した干渉計に使用される変調器を示す図である。 本発明において使用される干渉計の第３構成例（マッハツェンダー型）の説明図である。 本発明において使用される干渉計の第４構成例（マッハツェンダー型）の説明図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。なお、本実施形態においては、「波」として「光」を使用しているので、本発明における、「発生源」を「光源」に置き換えて説明する。
≪第１実施形態≫

図７から図９により、本発明の物体測定装置１００の第１実施形態を説明する。本実施形態では、参照波Ｓ_rの自己相関と、参照波Ｓ_rと測定波Ｓ_sとの相互相関ととから、測定波のパワースペクトル，位相等を求め、被測定物体の空間情報，エネルギー構造情報，屈折率，透過率，反射率等を取得する例を説明する。
まず、〔１〕被測定物体位置に全反射ミラーをセットし自己相関を取得しこれをフーリエ変換して、測定光のパワースペクトルを求める。
次に、〔２〕被測定物体位置に被測定物体Ｏをセットして、相互相関を取得しこれをフーリエ変換する。
そして、〔３〕自己相関のフーリエ変換と、相互相関のフーリエ変換に基づき、被測定物体のパワースペクトル，位相等を求める。

〔１〕自己相関の取得、そのフーリエ変換および参照光のパワースペクトルの取得
図７に示すように、被測定物体位置に全反射ミラー１２４を設置し、干渉光（自己相関Ｉ_rr（ｔ））を測定し、そのフーリエ変換から参照波Ｓ_rのパワースペクトルを求める。

（Ａ）参照光の自己相関のフーリエ変換が電界スペクトルであることの証明
干渉計において、自己相関のフーリエ変換が、光源１１のパワースペクトルとなることを検証する。
光源１１のパワースペクトルが｜Ａ（ω）｜²（以下、Ａ（ω）²と記すこともある）であるとすると、干渉計１２から出力される参照波Ｓ_rの電界Ｅ_r（ｔ，τ）は、（１）式で表される。
Ｅ_r（ｔ，τ）
＝〔Ａ（ω）／２^1/2〕ｅｘｐ〔ｊ｛ωｔ−（ｎ₀ωＬ_r／ｃ）｝〕・・・（１）
ｎ₀：参照波路ＰＴＨ_r，測定波路ＰＴＨ_sにおける屈折率
ｃ：光速
Ｌ_r：参照波Ｓ_rの光路長（参照波路ＰＴＨ_rの路長）
τ：参照ミラーが距離変位したときの時間変位

一方、干渉計１２から出力される、全反射ミラー１２４からの反射光（測定波Ｓ_s）の電界Ｅ_mirr（ｔ）は、（２）式で表される。
Ｅ_mirr（ｔ）
＝〔Ａ（ω）／２^1/2〕ｅｘｐ〔ｊ｛ωｔ−（ｎ₀ωＬ_s／ｃ）｝〕・・・（２）
Ｌ_s：測定波Ｓ_sの光路長（測定波路ＰＴＨ_sの光路長）

参照波Ｓ_rの電界Ｅ_r（ｔ，τ）と、測定波Ｓ_mirrの電界Ｅ_mirr（ｔ）との干渉出力Ｉ_rr（ｔ）は（３）式のように表される。
Ｉ_rr（ｔ）
＝Ａ（ω）²＋Ａ（ω）²ｅｘｐ〔ｊ｛〔−（ｎ₀ω／ｃ）（Ｌ_r−Ｌ_s）｝〕
＝Ａ（ω）²＋Ａ（ω）²ｅｘｐ（ｊωτ）・・・（３）
Ｉ_rr（ｔ）は、正弦波であり、この変動成分のフーリエ変換は、（４）式で表される。

Ａ（ω）Ａ（ω）^*＝Ａ（ω）²・・・（４）
Ａ（ω）^*：Ａ（ω）の複素共役
これにより、Ａ（ω）はウィーナー・キンチンの定理を満たす。すなわち、干渉光（ｔ）は自己相関Ｉ_rrを与え、（５）式に示すように、そのフーリエ変換Ｆ［Ｉ_rr（ｔ）］から電界スペクトルＥ_rr（ω）が得られることが証明される。

Ｅ_rr（ω）＝Ｆ［Ｉ_rr（ｔ）］・・・（５）
（Ｂ）本実施形態では、まず、干渉光（自己相関Ｉ_rr（ｔ））を測定しそのフーリエ変換を求める。（Ａ）で証明したように、このフーリエ変換は参照波Ｓ_rのパワースペクトルである。

〔２〕相互相関の取得、そのフーリエ変換および測定光の電界スペクトルの取得
つぎに、図８に示すように、図７の全反射ミラー１２４の位置に、表面（境界面Ｂ₀）が置き換わるように被測定物体Ｏをセットする。

図８に示すように干渉計１２の参照ミラー１２２を走査して（遅延時間：τ）、参照波Ｓ_rと被測定物体Ｏからの測定光（反射光）の干渉を計測する。被測定物体Ｏは、ΔＬ_s1／２の間隔で隣接する２つの境界面Ｂ₀，Ｂ₁を持ち、境界面Ｂ₀からの測定波Ｓ_s1の光路長（境界面Ｂ₀で折り返す第１測定波路ＰＴＨ_s1の光路長）はＬ₀、境界面Ｂ₁の反射光（測定波Ｓ_s2）の光路長（境界面Ｂ₁で折り返す第２測定波路ＰＴＨ_s2の路長）はＬ_s1（＝Ｌ₀＋ΔＬ_s1）である。
一方、参照波Ｓ_rの光路長は、前述したように、Ｌ_r＝Ｌ₀＋（ｃ／ｎ₀）τである。

また、境界面Ｂ₀，Ｂ₁の間には、屈折率（複素数）がｎ₁（ω）である物質で満たされているとする。被測定物体Ｏ以外の空間は、空気のようにほぼ波長に依存しない一定の屈折率ｎ₀であるとする。

また、境界面Ｂ₀，Ｂ₁での振幅反射率を、それぞれとして、ｒ_s0+，ｒ_s0-，ｒ_s1+，で表し、境界面Ｂ₀，Ｂ₁での振幅透過率を、ｔ_s0+，ｔ_s0-，ｔ_s1+，で表す。ここで、＋は入射向きを、−は反射向き表す。
ただし、
｜ｒ_s0+｜≦１，｜ｒ_s0-｜≦１，０≦ｔ_s0+≦１，０≦ｔ_s0-≦１
｜ｒ_s1+｜≦１，０≦ｔ_s1+≦１
である。

この場合の参照波Ｓ_rの電界波形は（６）式（（１）式と同じ）で表される。
Ｅ_r（ｔ，τ）
＝〔Ａ（ω）／２^1/2〕ｅｘｐ〔ｊ｛ωｔ−（ｎ₀ωＬ_r／ｃ）｝〕
＝〔Ａ（ω）／２^1/2〕ｅｘｐ〔ｊ｛ωｔ−（ｎ₀ωＬ₀／ｃ）＋ωτ｝〕・・・（６）

一方、被測定物体Ｏからの２つの反射光（測定波Ｓ_s1，Ｓ_s2）の電界Ｅ_s0（ｔ），Ｅ_s1（ｔ）はそれぞれ、（７）式および（８）式で表される。
Ｅ_s0（ｔ）＝〔ｒ_s0+Ａ（ω）／２^1/2〕ｅｘｐ〔ｊ｛ωｔ−（ｎ₀ωＬ₀／ｃ）｝〕
・・・（７）
Ｅ_s1（ｔ）＝〔（ｔ_s0+ｔ_s0-ｒ_s0+）Ａ（ω）／２^1/2〕
ｅｘｐ〔ｊ｛ωｔ−（ｎ₀ωＬ₀／ｃ）−（ｎ₁（ω）ωΔＬ_s1／ｃ）｝〕
・・・（８）

低コヒーレンス光源を用いる場合、ΔＬ_s1がコヒーレンス長より長ければ、Ｅ_s0（ｔ）とＥ_s1（ｔ）は干渉しない。
そこで、（Ａ）参照波Ｓ_rの電界Ｅ_r（ｔ，τ）と反射光（測定波Ｓ_s1）の電界Ｅ_s0（ｔ）との干渉、（Ｂ）参照波Ｓ_rの電界Ｅ_r（ｔ，τ）と反射光（測定波Ｓ_s2）の電界Ｅ_s1（ｔ）との干渉を検討する。

（Ａ）参照波Ｓ_rと測定波Ｓ_s1の干渉の検討
光検出器１３１で検出される参照波Ｓ_rと、境界面Ｂ₀からの反射波（測定波Ｓ_s0）干渉出力Ｉ_r(s0)（τ）は（９）式で表される。

Ｉ_r(s0)（τ）＝Ａ（ω）²／２＋ｒ_s0+ ²Ａ（ω）²／２
＋ｒ_s0+Ａ（ω）²ｃｏｓ｛−（ｎ₀ω（Ｌ₀−Ｌ_r）／ｃ｝
Ｌ_r＝Ｌ₀＋ｃτ／ｎ₀なので、
Ｉ₀（τ）＝Ａ（ω）²／２＋ｒ_s0+ ²Ａ（ω）²／２＋ｒ_s0+Ａ（ω）²ｃｏｓ（ωτ）
・・・（９）

（９）式は正弦波であり、（９）式の変動成分のフーリエ変換で得られる振幅は、（１０）式で表される。
｛｜ｒ_s0+｜²Ａ（ω）²｝＊δ（ω）＝｜ｒ_s0+｜Ａ（ω）²・・・（１０）
したがって、（１０）式と、（４）式とから（１１）式が成り立つ。
Ｆ［Ｉ₀（τ）］²／Ｆ［Ｉ_rr（τ）］＝｛ｒ_s0+ ²Ａ（ω）⁴｝／Ａ（ω）²
＝ｒ_s0+ ²Ａ（ω）²・・・（１１）
（１１）式は、反射係数分の損失が加わった境界面Ｂ₀の反射光（測定波Ｓ_s1）のパワースペクトルである。
（Ｂ）参照波Ｓ_rと反射光（測定波Ｓ_s2）との干渉の検討

一方、本例では、試料に吸収がある場合を想定している。屈折率ｎ_s1 ^re（ω）と、吸収係数ｃ／ω｛ｎ_s1 ^im（ω）｝を用いて複素屈折率ｎ_s1（ω）は、（１２）式で表される。

ｎ_s1（ω）＝ｎ_s1 ^re（ω）＋ｊｃ／ω｛ｎ_s1 ^im（ω）｝・・・（１２）
（１２）式を用いて、参照波Ｓ_rと境界面Ｂ₁からの反射光（測定波Ｓ_s2）との干渉出力Ｉ_sは、（１３）式のように表される。

Ｉ_r(s1)（τ）＝Ａ（ω）²／２＋（ｔ_s0+ｔ_s0-ｒ_s1+）²Ａ（ω）²／２
＋（ｔ_s0+ｔ_s0-ｒ_s1+）²Ａ（ω）²
ｃｏｓ｛ωｔ−（ｎ₀ωＬ₀／ｃ）−（ｎ₁（ω）ωΔＬ_s1／ｃ）−（ｎ₀ωＬ_r／ｃ）｝

Ｌ_r＝Ｌ₀＋ｃτ／ｎ₀の関係式、および（１０）式を用いると、
Ｉ_r(s1)（τ）＝Ａ（ω）²／２＋（ｔ_s0+ｔ_s0-ｒ_s1+）²Ａ（ω）²／２
＋（ｔ_s0+ｔ_s0-ｒ_s1+）²Ａ（ω）²
〔（ｔ_s0+ｔ_s0-ｒ_s1+）Ａ（ω）²ｅｘｐ｛−ｎ_s1 ^im（ω）ΔＬ_s1｝〕
ｃｏｓ（ωτ）ｃｏｓ（−ｎ_s1 ^re（ω）ΔＬ_s1／ｃ）
・・・（１３）

（１３）式の変動成分をフーリエ変換すると、振幅Ａ_sが（１４）式により、位相φ_sが（１５）式により求められる。
Ａ_s（ω）＝〔（ｔ_s0+ｔ_s0-ｒ_s1+）Ａ（ω）²ｅｘｐ｛−ｎ_s1 ^im（ω）ΔＬ₁｝〕・・・（１４）

φ_s（ω）＝−ｎ_s1 ^re（ω）ΔＬ_s1／ｃ・・・（１５）
反射光Ｅ₂のパワースペクトルは、式（１６）として求められる。
Ｆ［Ｉ_s（τ）］²／Ｆ［Ｉ_rr（τ）］
＝（ｔ_s0+ｔ_s0-ｒ_s1+）²Ａ（ω）²ｅｘｐ｛−２ｎ_s1 ^im（ω）ΔＬ_s1｝・・・（１６）
すなわち、（１６）式は、吸収係数の波長依存性と、厚さにしたがって元のスペクトルが減衰することを意味する。

さらに、（１４）式の振幅Ａ₁（ω）を元の光源のパワースペクトルで割って対数を計算すれば、その実部（（１７）式）により、距離に比例した強度で吸収スペクトルが得られ、またその虚部（（１８）式）により、屈折率も得られる。
ｎ_s1 ^re（ω）＝−φ_s（ω）・ｃ／（ωΔＬ_s1）・・・（１７）
ｎ_s1 ^im（ω）＝（１／ΔＬ_s1）ｌｏｇ_e〔Ａ₁（ω）／｛（ｔ_s0+ｔ_s0-ｒ_s1+）Ａ（ω）²｝〕
・・・（１８）

さらに、ｎ_s1 ^re（ω）が波長に依存しないｎ_s1 ^reに近似できる場合には、群遅延を得ることができる。すなわち、（１３）式の位相φ₁（ω）をωで微分し、位相スペクトルの傾きを計算すれば、式（１７）式の群遅延が得られる。
ｄφ₁（ω）／ｄω＝−ｎ_s1 ^reΔＬ_s1・・・（１９）
これは、境界面Ｂ₁の反射で得られる相関波形の横軸τが、境界面Ｂ₀から得られる波形からずれていることを示し、試料に吸収がない場合でも相互相関波形を計測していることを示す。

次に、図９に示すように、境界面を３つ以上（Ｂ₀，Ｂ₁，・・・，Ｂ_N）を持つ被測定物体Ｏについての測定について説明する。この測定においては、図１０（Ａ）に示すような、干渉波が測定されたものとする。

まず、この場合には、図１０（Ｂ）に示すように、境界面Ｂ₀の反射により得られる干渉波形（時間軸τ上の位置τ₀参照）を決定するとともに（（Ｂ−１）参照）、境界面Ｂ₁の反射により得られる干渉波形も決定する（（Ｂ−２）参照）。
次に、図１０（Ｃ）に示すように、これらの干渉波形から、境界面Ｂ₀，Ｂ₁間で生じる多重反射によるゴースト（すなわち、複数の干渉波形）を、見つもること（取得すること、すなわちアサインすること）ができる。

次に、図１０（Ｄ）に示すように、検出した干渉波形から、境界面Ｂ₀およびＢ₁からの反射波と、前述した境界面Ｂ₀，Ｂ₁間で生じた多重反射によるゴーストを演算により除去する。
この除去結果の中から、τ₀に最も近い干渉波形を３番目の境界面Ｂ₃による、一度だけ反射された干渉波形として見つもること（取得すること、すなわちアサインすること）ができる。
以下同様に、４番目，５番目，・・・，Ｎ番目の境界面Ｂ₃，Ｂ₄，Ｂ₅，・・・，Ｂ_Nによる干渉波形を見積もることができる。
≪第２実施形態≫

図１０から図１６により、本発明の物体測定装置２００の第２実施形態を説明する。第１実施形態では、参照波Ｓ_rの電界スペクトルを、被測定物体Ｏの位置に全反射ミラー１２４をセットし、参照波Ｓ_rを測定し干渉光（自己相関Ｉ_rr（ω））をフーリエ変換して電解スペクトルＥ_r（ω）を求めたが、全反射ミラー１２４を使用せずに、参照波Ｓ_rの電界スペクトルＥ_r（ω）を直接求めることができる。
すなわち、本実施形態では、参照波Ｓ_rの電界スペクトルを求め、これと参照波Ｓ_rと測定波Ｓ_sとの相互相関とから測定波Ｓ_sの電界スペクトルを求め、被測定物体の空間情報，エネルギー構造情報，屈折率，透過率，反射率等を取得する。
〈第１構成例〉

図１０において物体測定装置２００は、図３および図４で説明した物体測定装置２００を具体化したもので、属性特定装置２３は、光検出器２３１と、演算処理部２３２と、電界スペクトル測定部２３３と、ビームスプリッタ２３４とからなる。

図１０において、属性特定装置２３は、参照波Ｓ_rに含まれる参照波成分ｓ_r1，ｓ_r2，・・・，ｓ_rq（周波数の低い順に並べてある）中の２つの参照波成分ｓ_rm，ｓ_rn（典型的には、ｎ＝ｍ＋１）ついて、相対位相および振幅を検出する処理を、参照波成分の組み合わせを変えて直列的に行う（シリアル処理する）。

図３および図４で説明したように、本構成例では電界スペクトル測定部２３３は、補助信号生成部２３３１と、相対位相検出部２３３２と、振幅検出部２３３３と、周波数選択部２３３４とを備えている。また、演算処理部２３２は、演算器２３２１とメモリ２３２２とを備えている。

本構成例では、電界スペクトル測定部２３３により、参照波Ｓ_rの電界スペクトルＥｒ（ω）を測定する場合には、被測定物体Ｏの位置に光吸収板２２４をセットしておき、光検出器２３１が参照波Ｓ_rのみを検出できるようにしておく。そして、電界スペクトル測定部２３３はビームスプリッタ２３４を介して参照波Ｓ_rを取り込む。

周波数選択部２３３４は、参照波Ｓ_rに周波数成分として含まれる周波数が異なる複数の参照波成分ｓ_r1，ｓ_r2，・・・，ｓ_rqの中から２つを選択する。この選択した参照波成分をｓ_rm，ｓ_rnとする。なお、ｓ_r1，ｓ_r2，・・・，ｓ_rqは、離散的な値として任意に決定することができ、ｓ_rm，ｓ_rnは周波数が隣接した２つの参照波成分である。

補助信号生成部２３３１は、周波数中間値が参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnの周波数の間に設定され、周波数間隔が２つの参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnの周波数間隔と同一の２つの補助信号ｕ_am，ｕ_anを生成する。
相対位相検出部２３３２は、参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnと補助信号ｕ_am，ｕ_anから、参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnの相対位相を検出する。

振幅検出部２３３３は、参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnと補助信号ｕ_amとから参照波成分ｓ_rmの振幅Ａ_rmを検出し、参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnと補助信号ｕ_amとから参照波成分ｓ_rnの振幅Ａ_rnを検出する。

これら相対位相の検出および振幅の検出は、多数の参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnの組について行われ、演算器２３２１は、これらの検出結果を順次取り込み、メモリ２３２２に記録し、これらの記録結果から参照波Ｓ_rの電界スペクトルＥｒ（ω）を演算することができる。
そして、図４で説明したように、参照波Ｓ_rと測定波Ｓ_sとの相互相関を測定して、これをフーリエ変換すること測定波Ｓ_sの電界スペクトルＥｒ（ω）を求めることができるし、被測定物体Ｏの種々の属性を測定することができる。

図１１に、相対位相検出部２３３２と、振幅検出部２３３３の構成を示す。相対位相検出部２３３２は、合波器（ＣＰ）と、フォトダイオード（ＰＤ）と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）と、デバイダ（ＤＶ）と、ミキサ（ＭＸ）と、相対位相演算部（ＲＰＰ）とからなる。

本構成例では、参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnは（３３）式，（３４）式のように表されるものとする。
ｓ_rm＝Ａ_rmｅｘｐ｛ｊ（ω_rmｔ−φ_rm）｝・・・（３３）
ｓ_rn＝Ａ_rnｅｘｐ｛ｊ（ω_rnｔ−φ_rn）｝・・・（３４）
ここで、Ａ_rm，Ａ_rnはｓ_rm，ｓ_rnの振幅、ω_rm，ω_rnはｓ_rm，ｓ_rnの周波数、φ_rm，φ_rnはｓ_rm，ｓ_rnの位相である。
φ_rn−φ_rmは未知である。なお、φ_rm，φ_rnの一方が既知であることもあるが、通常は、φ_rm，φ_rnの双方が未知である。

補助信号生成部２３３１が生成する補助信号ｕ_am，ｕ_anは（３５）式，（３６）式のように表されるものとする。
ｕ_am＝Ａ_amｅｘｐ｛ｊ（ω_amｔ−φ_am）｝・・・（３５）
ｕ_am＝Ａ_anｅｘｐ｛ｊ（ω_anｔ−φ_an）｝・・・（３６）
ここで、Ａ_am，Ａ_anはｕ_am，ｕ_anの振幅、ω_am，ω_anはｕ_am，ｕ_anの周波数、φ_am，φ_anはｓ_am，ｓ_anの位相である。

補助信号ｕ_am，ｕ_anの周波数間隔Ω_Dは、図１４に示すように参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnの周波数間隔と同一であり、補助信号ｕ_amの周波数ω_amと参照波成分ｓ_rnの周波数ω_rnの中間値（ω_an−ω_am）／２が２つの参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnの周波数の間（ω_rmからω_rnの間）に設定されている。
本構成例では、参照波成分ｓ_rmと補助信号ｕ_amとの周波数差（あるいは、参照波成分ｓ_rnと補助信号ｕ_anとの周波数差）をΔω、すなわち、Δω＝ω_rm−ω_am＝ω_rn−ω_anとすると、ΔωとΩ_Dとの間には、（３７）式の関係が成立している。
｜Δω｜＜｜Ω_D｜／２・・・（３７）

補助信号ｕ_am，ｕ_anは（３８）式，（３９）式のように表される。
ｕ_am＝Ａ_amｅｘｐ〔｛ｊ（ω_rm−Δω）ｔ−φ_am｝〕・・・（３８）
ｕ_an＝Ａ_anｅｘｐ〔｛ｊ（ω_rm−Δω）ｔ−φ_an｝〕・・・（３９）

相対位相検出部２３３２は、ｓ_rm，ｓ_rnを、光分岐器ｃ１を介して取得し、これらの参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnと補助信号ｕ_am，ｕ_anとから、周波数が低い参照波成分ｓ_rmと周波数が低い補助信号ｕ_amとのビート信号ＢＴ₁、および周波数が高い参照波成分ｓ_rnと周波数が高い補助信号ｕ_amとのビート信号ＢＴ₂を生成する。そして、これら２つのビート信号の乗算信号を生成する。

合波器ＣＰは、２つの参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnと２つの補助信号ｕ_am，ｕ_anとを合波し、合波信号を生成する。そして、この合波信号をフォトダイオード（ＰＤ）により光電変換する。

フォトダイオード（ＰＤ）の出力には、参照波成分ｓ_rmと補助信号ｕ_amとのビート信号ＢＴ₁、および参照波成分ｓ_rnと補助信号ｕ_amとのビート信号ＢＴ₂が含まれる。バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）は、これらのビート信号の中から、ビート信号ＢＴ₁とＢＴ₂（周波数Δω）を抽出する。

参照波成分ｓ_rmと補助信号ｕ_amとにより生じる周波数Δωのビート信号をＢＴ₁、参照波成分ｓ_rnと補助信号ｕ_amとにより生じる周波数Δωのビート信号をＢＴ₂でそれぞれ示すと、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）の出力には、（４０）式で示す項が含まれる。
２Ａ_rmＡ_amｃｏｓ｛Δωｔ＋（φ_rm−φ_am）＋ｃｎｓｔ₁｝］
＋２Ａ_rnＡ_anｃｏｓ｛Δωｔ＋（φ_rn−φ_an）＋ｃｎｓｔ₂｝］・・・（４０）
ここで、
ｃｎｓｔ₁＝（２π／ｃ）×〔ω_rmｎ_rＬ_r−ω_amｎ_aＬ_a〕
ｃｎｓｔ₂＝（２π／ｃ）×〔ω_rnｎ_rＬ_r−ω_anｎ_aＬ_a〕
ｃ：光速
ｎ_r：参照波路の屈折率
ｎ_a：補助信号路の屈折率
Ｌ_r：参照波路長
Ｌ_a：補助信号路長

（４０）式の第１項はビート信号ＢＴ₁の要素であり、第１項はビート信号ＢＴ₂の要素である。
バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）の出力、すなわちビート信号ＢＴ₂は、デバイダ（ＤＶ）により２つのパスに分けられ、ミキサ（ＭＸ）により乗算される。

ミキサ（ＭＸ）の出力（乗算信号ＭＰＬ）は（４１）式のように表される。なお、簡単のためにφ_an＝φ_amとしてある。
ＭＰＬ＝（Ａ_rm ²Ａ_am ²＋Ａ_rn ²Ａ_an ²）／２
＋Ａ_rmＡ_rnＡ_amＡ_anｃｏｓ（ｃｎｓｔ₂−ｃｎｓｔ₁）
＋Ｒ（Δωｔ）・・・（４１）

（４１）のｃｎｓｔ₂−ｃｎｓｔ₁は、（４２）式で表される。
ｃｎｓｔ₂−ｃｎｓｔ₁
＝（２π／ｃ）
×〔（ω_rnｎ_r−ω_rmｎ_r）Ｌ_r−（ω_amｎ_a−ω_anｎ_a）Ｌ_a〕・・・（４２）

（４１）式におけるＲ（Δωｔ）は、ビート周波数と時間との積に依存する関数である。
相対位相演算部（ＲＰＰ）は、以下に述べるように（（４３）式，（４４）式参照）、乗算信号ＭＰＬの直流成分を取り出し、この直流成分から検出系により定まる定数を取り除き、２つの参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnの相対位相（φ_rn−φ_rm）を検出する。

乗算信号ＭＰＬの直流成分ＤＣは、（４１）式から、次のように表される。
ＤＣ＝（Ａ_rm ²Ａ_am ²＋Ａ_rn ²Ａ_an ²）／２
＋Ａ_rmＡ_rnＡ_amＡ_anｃｏｓ〔（φ_rm−φ_rn）＋（ｃｎｓｔ₂−ｃｎｓｔ₁）〕・・・（４３）

この式からコサイン部分のみを取り出し正規化すると、正規化直流成分ＤＣ_NMLは（４４）式のように表される。なお、Ａ_rmＡ_rnＡ_amＡ_anは、予め測定された値である。
ＤＣ_NML＝ｃｏｓ〔（φ_rn−φ_rm）＋（ｃｎｓｔ₂−ｃｎｓｔ₁）〕・・・（４４）

この正規化直流成分ＤＣ_NMLから位相に依存しない要素（検出系により定まる定数（ｃｎｓｔ₂−ｃｎｓｔ₁））を除去することで２つの参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnの相対位相Φ_r（＝（φ_rn−φ_rn））が求められる。なお、（４４）式では、オフセット分（１／２）を省略して示してある。

図１５に、正規化直流成分ＤＣ_NMLと相対位相Φ_rとの関係を示す。図１５に示すように、相対位相演算部（ＲＰＰ）は、通常、あるＤＣ_NMLについて、みかけ上２つの相対位相Φ_r（１），Φ_r（２）を検出する。Φ_r（１）は０〜π〔ｒａｄ〕の間にあり、Φ_r（２）はπ〜２π〔ｒａｄ〕の間にある。

通常、参照波成分ｓ_rm，ｓ_rnの相対位相が０〜π〔ｒａｄ〕の間にあるのか、π〜２π〔ｒａｄ〕の間にあるのかがわからない。この場合には、図示はしないが、参照波路上または補助信号路上の何れかの箇所に信号路長変調部を設けることができるし、補助信号生成部２３３１の内部に信号路長変調部を設けることもできる。

図１５に示した２つの「みかけ上の相対位相」Φ_r（１），Φ_r（２）のうちの一方を、「真の相対位相」として特定することができる。たとえば、補助信号路長Ｌ_aを微小距離長くしたとすると、（４２）式のｃｎｓｔ₂−ｃｎｓｔ₁の値が小さくなり、補助信号路長Ｌ_aを微小距離短くすると、（４２）式のｃｎｓｔ₂−ｃｎｓｔ₁の値が大きくなる。

また、参照波路長Ｌ_rを微小距離長くすると、（４２）式のｃｎｓｔ₂−ｃｎｓｔ₁の値が大きくなり、逆に参照波路長Ｌ_rを微小距離短くすると、（４２）式のｃｎｓｔ₂−ｃｎｓｔ₁の値が小さくなる。

たとえば、ＤＣ_NMLの値がγであり、みかけ上、Φ_A（１），Φ_A（２）の２つの相対位相が検出されたとする（図１５参照）。
この場合に、補助信号路長Ｌ_aをＬ_a＋ΔＬ（ΔＬ＞０）に変化させたとする。この場合、図１６（Ａ）に示すように、信号路長特性はＬ_a（実線）からＬ_a＋ΔＬ（破線）に変化する。このとき、ＤＣ_NMLがγ（１）に減少したとすれば、Φ_r（１）が「真の相対位相」であると判定できるし、ＤＣ_NMLがγ（２）に増加したとすれば、Φ_r（２）が「真の相対位相」であると判定できる。

また、補助信号路長Ｌ_aをＬ_a＋ΔＬ（ΔＬ＜０）に変化させたとする。この場合、図１５（Ｂ）に示すように、信号路長特性はＬ_a（実線）からＬ_a＋ΔＬ（破線）に変化する。このとき、ＤＣ_NMLがγ（１）に減少したとすれば、Φ_r（２）が「真の相対位相」であると判定できるし、ＤＣ_NMLがγ（２）に増加したとすれば、Φ_r（１）が「真の相対位相」であると判定できる。
〈第２構成例〉

図１２の物体測定装置２００は、図３および図４で説明した物体測定装置２００において周波数選択部を不要としたものである。属性特定装置２３は、光検出器２３１と、演算処理部２３２と、電界スペクトル測定部２３３と、ビームスプリッタ２３４とからなる。

図１２において、属性特定装置２３は、参照波Ｓ_rから、周波数成分が異なる参照波成分ｓ_r1，ｓ_r2，・・・，ｓ_rN（周波数の低い順に並べてある）を一括して抽出し、これらの中の２つの参照波成分ｓ_rm，ｓ_rn（典型的には、ｎ＝ｍ＋１）の組について、相対位相および振幅を検出する処理を、参照波成分の組み合わせを変えて並列的に行う（パラレル処理する）。

属性特定装置２３は、光検出器２３１と、演算処理部２３２と、電界スペクトル測定部２３３とからなる。
本構成例では電界スペクトル測定部２３３は、補助信号生成部２３３１と、相対位相検出部２３３２と、振幅検出部２３３３と、周波数分解部２３３５を備えている。また、本構成例では、演算処理部２３２は、演算器２３２１とメモリ２３２２とを備えている。

本構成例では、第１構成例と同様、電界スペクトル測定部２３３により、参照波Ｓ_rの電界スペクトルＥｒ（ω）を測定する場合には、被測定物体Ｏの位置に光吸収板２２４をセットしておき、光検出器２３１が参照波Ｓ_rのみを検出できるようにしておく。そして、電界スペクトル測定部２３３はビームスプリッタ２３４を介して参照波Ｓ_rを取り込む。
周波数分解部２３３５は、参照波Ｓ_rに周波数成分として含まれる周波数が異なる複数の参照波成分ｓ_r1，ｓ_r2，・・・，ｓ_rqを生成する。

補助信号生成部２３３１は、周波数中間値が隣接する２つの参照波成分の周波数の間に設定され、周波数間隔がこれら２つの参照波成分の周波数間隔と同一の２つの補助信号ｕ_a1，ｕ_a2，・・・，ｕ_qを生成する。
相対位相検出部２３３２は、隣接する２つの参照波成分ｓ_rk，ｓ_r(k+1)と補助信号ｕ_ak，ｕ_a(k+1)との合波から、参照波成分ｓ_rk，ｓ_r(k+1)の相対位相を検出する。本構成例では、ｋ＝１，２，・・・，ｑ−１としたときの、（ｑ−１）個の相対位相が同時に検出できる。

振幅検出部２３３３は、相対位相検出部２３３２における処理信号から参照波成分ｓ_rkの振幅Ａ_rkを検出する。本構成例では、ｋ＝１，２，・・・，ｑとしたときのｑ個の振幅を同時に検出できる。
演算器２３２１は、これら相対位相の検出結果および振幅の検出結果を取り込み、メモリ２３２２に記録し、これらの記録結果から参照波Ｓ_rの電界スペクトルＥｒ（ω）等を演算することができる。

すなわち、図４で説明したように、参照波Ｓ_rと測定波Ｓ_sとの相互相関を測定して、これをフーリエ変換すること測定波Ｓ_sの電界スペクトルＥｒ（ω）を求めることができるし、被測定物体Ｏの種々の属性を測定することができる。
図１３に、相対位相検出部２３３２と、振幅検出部２３３３の構成を示す。相対位相検出部２３３２は、ｑ出力のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）と、出力側に設けたフォトダイオード（ＰＤ）の群ＰＤＧと、ＰＤＧの出力信号からそれぞれ２つの信号を選択する信号選択回路（ＳＬＣＴ）と、ＳＬＣＴの出力信号を乗算する（ｑ−１）個のミキサの群（ＭＩＸＧ）と、ＭＩＸＧの出力信号を入力して相対位相を検出する相対位相演算部（ＲＰＰ）とを備えている。

本実施形態では、信号選択回路ＳＬＣＴには、ｓ_r1とｕ_a1とのビート信号ＢＴ₁，ｓ_r2とｕ_a2とのビート信号ＢＴ₂，・・・，ｓ_rqと補助信号ｕ_aqとのビート信号ＢＴ₂が入力される。信号選択回路ＳＬＣＴは、（Ｂ₁とＢ₂），（Ｂ₂とＢ₃），（Ｂ₃とＢ₄），・・・，（Ｂ_N-1，Ｂ_N）のように、ビート信号を「重複を許して」選択することで、全てのビート信号は、位相を介して関連付けられる。

ミキサ群ＭＩＸＧを構成する（Ｎ−１）個のミキサは、２つのビート信号を乗算して、乗算信号（ｋ番目のビート信号とｋ＋１番目のビート信号との乗算信号）を、相対位相演算部ＲＰＰの第１相対位相演算部，第２相対位相演算部，・・・，第（ｑ−１）相対位相演算部に送出する。

第ｋ相対位相演算部（ｋ＝１，２，・・・，ｑ−１）では、ＭＩＸＧの各乗算信号の直流成分から、検出系により定まる定数を取り除き、２つのビート信号の生成の基礎となった２つの参照波成分ｓ_rk，ｓ_r(k+1)の相対位相（φ_r(k+1)−φ_rk）を検出することができる。

振幅検出部２３３３は、第１振幅演算部，第２振幅演算部，・・・，第ｑ振幅演算部からなり、ｋ番目のビート信号の振幅から参照波成分ｓ_rkの振幅Ａ_rkを検出することができる。
上記した相対位相φ_r(k+1)−φ_rkおよび振幅Ａ_rkは、演算処理部２３２のメモリ２３２２に電界スペクトルＥｒ（ω）として記憶される。

本例では、ＡＷＧ３２１を用いてビート信号の生成、ビート信号の乗算、相対位相の検出処理および振幅検出をパラレルに行っているので高速の演算が可能である。

本構成例でも物体測定装置２００でも、構成例１と同様、相対位相の解が２つ生じることがある。この場合にも、構成例１で説明したと同様、信号路長変調部により信号路長（光路長)を変調することで「真の相対位相」を判定することが判定できる。

５，６，７，８，１２，２２ 干渉計
１１，２１，５１，６１，７１，８１ 光源
１３，２３ 属性特定装置
２４，５４，６４，７４，８４，１３１，２３１ 光検出器
４２，７２，７５，１２１，２２１，２３２４ ビームスプリッタ
４９，５９，６９，７９ 移動ステージ
５３，６３，７３，８３ 変調器
１００，２００ 物体測定装置
１２２，２２２ 参照ミラー
１２３，２２３ 参照ミラー駆動部
１２４ 全反射ミラー
１３２，２３２ 演算処理部
２２４ 光吸収板
２３３ 電界スペクトル測定部
３２１ ＡＷＧ
３５３，５２２，５５１，５５２，５５３，６２１，６５１，６５２，７５１，７５３，８５１，８５２，８５３ レンズ系
５２１，５２２，６２１，６２３，６３２ ビームスプリッタ
５３２，６３２，７３２，７３３，８３２ シリンドリカルレンズ
５３３，６３３，８３３ 変調ミラー
１３２１，２３２１ 演算器
１３２２，２３２２ メモリ
２３３１ 補助信号生成部
２３３２ 相対位相検出部
２３３３ 振幅検出部
２３３４ 周波数選択部
２３３５ 周波数分解部

Claims (4)

1. 参照波路を伝播する参照波と、参照波路と同一の基点を持つ、第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路を伝播する第１，第２，・・・，第Ｎ測定波とを受け取り、前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波の各スペクトルを求めるスペクトル測定装置において、
   前記スペクトルが、被測定物体の表面または内部で折り返し、または前記被測定物体を貫通した前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波のスペクトルであり、
   前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波のスペクトルは、前記被測定物体において深さ方向の位置が異なる第１，第２，・・・，第Ｎ層の面からの反射波に各々対応しており、
   前記参照波のスペクトルと、
   前記参照波と前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波の各合成波の二乗に比例する各信号とに基づき、
   前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波の各スペクトルを求めることを特徴とするスペクトル測定装置。
2. 前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波の各スペクトルがパワースペクトルであり、当該第ｋ測定波（ｋは、１，２，・・・，Ｎの何れか）のパワースペクトルが、
   ［参照波と第ｋ測定波の合成波の二乗に比例する信号をフーリエ変換することにより得られるスペクトル］²／［参照波のスペクトル］
   で表されることを特徴とする請求項１に記載のスペクトル測定装置。
3. 属性特定装置を備えた物体測定装置において、
   前記属性特定装置が、請求項２に記載のスペクトル測定装置の機能を持ち、
   前記参照波路および前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路は、同一の発生源を基点とし、前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波路は被測定物体の表面または内部で折り返しまたは被測定物体を貫通するように形成され、
   前記属性特定装置は、測定した前記第１，第２，・・・，第Ｎ測定波の各スペクトルに基づき、前記被測定物体の属性情報を求める、
   ことを特徴とする物体測定装置。
4. 前記参照波が、
   伝播方向に垂直な仮想線に沿って遅延時間または進み時間が漸次変化する特性を持ち、または、
   前記参照波が、伝播方向に垂直な仮想ＸＹ平面のＸ方向に沿った成分の遅延時間または進み時間が漸次変化する特性を持つ、
   ことを特徴とする請求項３に記載の物体測定装置。