JPWO2012029809A1 - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

光源１１と測定光照射系１３と参照コム光分離器１４と光合波器１５と光検出器１６とを備え、参照コム光分離器１４は、広帯域光を入射し、当該広帯域光を、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値の大きさに応じて周波数間隔が連続的に変化する参照コム光に分離し、Ｘ軸を測定対象の仮想の切断線とし、Ｙ座標を深さとして、検出面に表れる干渉画像を測定対象の断層画像とする。これにより、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値の大きさに応じて周波数間隔が（連続的に）変化する参照コム光を用いて、ダイナミックレンジが大きい深さ方向の一次元断層、または深さ方向の二次元断層を測定する。

Description

本発明は、可動走査機構を持たずかつフーリエ変換等の演算が不要な、広帯域光光源を備えた距離測定に好適な形状測定技術に関し、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値の大きさに応じて周波数間隔が変化する参照コム光を用いて、深さ方向の一次元断層、または深さ方向の二次元断層の測定ができる形状測定装置および形状測定方法に関する。

物体等の表面形状や光透過物体等の内部構造を測定するために、マイケルソン型の距離測定装置（干渉計）がたとえば使用される（非特許文献１参照）。マイケルソン型の距離測定装置は、図１７に示すように白色光源を用いたものが知られている。図１７の距離測定装置８では、白色光源８１からの白色光ＷＬはビームスプリッタ８２を透過して測定対象８３に照射される。一方、ビームスプリッタ８２により反射されて可動ミラー８４に照射される。

測定対象８３の反射光ＬＲ１はビームスプリッタ８２により反射され、可動ミラー８４の反射光ＬＲ２はビームスプリッタ８２を透過する。これらの反射光ＬＲ１，ＬＲ２は合波される。合波光ＬＲ３は干渉プロファイル測定器８５に入射され、干渉プロファイル測定器８５は白色光の干渉プロファイルを測定する。

図１７では、可動ミラー８４が走査機構８６により距離走査される。この距離走査により、測定対象８３から干渉プロファイル測定器８５までの距離と、可動ミラー８４から干渉プロファイル測定器８５までの距離とが等しいときに干渉が生じる。この干渉は、図１８（Ａ）に示す白色光源８１が出力する白色光ＷＬのパワースペクトルの逆フーリエ変換に依る。

図１８（Ｂ）に示すように、この干渉波形の幅は、白色光源８１の帯域幅（図１８（Ｂ）中のΔω）と反比例の関係にあるので、白色光源８１を用いると分解能は高くなる。なお、合波光ＬＲ３は、可動ミラー８４の走査距離（ΔＬ）を関数とした白色光源の自己相関関数である。図１８（Ｂ）において２π／Δωは自己相関関数の半値幅である。

Optics Letters, Vol. 25, Issue 2, pp. 111-113 (2000) "Spectroscopic optical coherence tomography" U. Morgner etc.

図１７に示した距離測定装置８では、白色光を使用しているため高い分解能を得ることができる。しかし、可動ミラー８４を走査するため、測定に長時間を要し、可動機構があるために装置が大型化するし、機械的なメンテナンスが必要となる。また、ダイナミックレンジは、極めて短く、せいぜい１ｃｍ程度である。

本発明の目的は、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値の大きさに応じて周波数間隔が（連続的に）変化する参照コム光を用いて、深さ方向の一次元断層、または深さ方向の二次元断層を測定することである。
本発明の他の目的は、上記の目的に加えて、ダイナミックレンジが大きい深さ方向の一次元断層、または深さ方向の二次元断層を測定することである。

本発明の形状測定装置および形状測定方法は、以下を要旨とする。
（１）
広帯域光を生成する光源と、
前記広帯域光を測定対象に測定光として照射する測定光照射系と、
前記広帯域光を入射し、当該広帯域光を、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値の大きさに応じて周波数間隔が連続的に変化しかつＸ軸方向に幅を持つ参照コム光に分離して出射する参照コム光分離器と、
前記測定対象から反射される反射光または前記測定対象を透過する透過光と前記参照コム光分離器から出射される参照コム光とを合波する光合波器と、
前記光合波器からの合成光を受光し、検出面上の光強度を検出する光検出器と、
を備え、
前記Ｘ軸を前記測定対象の仮想の切断線とし、前記Ｙ座標を深さとして、前記検出面に表れる干渉画像を前記測定対象の二次元断層画像とする、ことを特徴とする形状測定装置。

（２）
参照コム光の光路上に、参照コム光の空間的な距離変調を行う変調器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。

（３）
前記光検出器は、異なる深さ領域ごとの干渉画像を前記検出面に重ね合わせて取得することを特徴とする（１）または（２）に記載の形状測定装置。

（４）
参照光路長または測定光路長を１回または複数回微小変化させることで、前記干渉画像を前記検出面上で移動させ、そのときの移動量により、異なる深さ領域の干渉画像を峻別することを特徴とする（１）から（３）の何れかに記載の形状測定装置。

（５）
前記参照コム光分離器が、光共振器であることを特徴とする（１）から（４）の何れかに記載の形状測定装置。

（６）
前記光共振器が、ファブリペローエタロン共振器であることを特徴とする（５）に記載の形状測定装置。

（７）
広帯域光を生成する光源と、
前記広帯域光を測定対象に測定光として照射する測定光照射系と、
前記広帯域光を入射し、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値の大きさに応じて周波数間隔が（連続的に）変化する参照コム光（周波数間隔：Δω（Ｙ））を生成する参照コム光分離器と、
前記測定対象から反射される反射光または前記測定対象を透過する透過光と前記参照コム光分離器からの参照コム光とを合波する光合波器と、
前記光合波器からの合成光を受光し、Ｙ軸に沿った光の光強度を検出するラインセンサからなる光検出器と、
を備え、
前記Ｙ座標を深さとして、光検出器に表れる干渉ライン画像を前記測定対象の線断層画像とすることを特徴とする形状測定装置。

（８）
参照コム光の空間的な距離変調を行うことを特徴とする（７）に記載の形状測定装置。

（９）
前記光検出器に、異なる深さ領域ごとの干渉ライン画像を重ね合わせて取得することを特徴とする（７）または（８）に記載の形状測定装置。

（１０）
参照光路長または測定光路長を１回または複数回微小変化させることで、前記検出面上での干渉ライン画像を前記検出面上で移動させ、そのときの移動量により、異なる深さ領域の干渉ライン画像を峻別することを特徴とする（７）から（９）の何れかに記載の形状測定装置。

（１１）
前記参照コム光分離器が、光共振器であることを特徴とする（７）から（１０）の何れかに記載の形状測定装置。
（１２）
前記光共振器が、ファブリぺローエタロン共振器であることを特徴とする（１１）に記載の形状測定装置。

（１３）
広帯域光を測定対象に測定光として照射するとともに、
前記広帯域光を、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値の大きさに応じて周波数間隔が（連続的に）変化するＸ軸方向に幅を持つ参照コム光に分離し
前記測定対象から反射される反射光または前記測定対象を透過する透過光と前記参照コム光とを合成し、
光検出器により、前記合成光を受光し、検出面上の光強度を検出し、
前記Ｘ軸を前記測定対象の仮想の切断線とし、前記Ｙ座標を深さとして、検出面に表れる干渉画像を前記測定対象の二次元断層画像とすることを特徴とする形状測定方法。

（１４）
参照コム光の空間的な距離変調を行うことを特徴とする（１３）に記載の形状測定方法。

（１５）
前記光検出器の検出面に、異なる深さ領域ごとの干渉画像を重ね合わせて取得することを特徴とする（１３）または（１４）に記載の形状測定方法。

（１６）
参照光路長または測定光路長を１回または複数回微小変化させることで、前記干渉画像を前記検出面上で移動させ、そのときの移動量により、異なる深さ領域の干渉画像を峻別することを特徴とする（１３）から（１５）の何れかに記載の形状測定方法。

（１７）
広帯域光を測定対象に測定光として照射するとともに、
前記広帯域光を、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値の大きさに応じて周波数間隔が（連続的に）変化する参照コム光に分離し、
前記測定対象から反射される反射光または前記測定対象を透過する透過光と前記参照コム光とを合成し、
前記光検出器により、前記合成光を受光し、前記Ｙ軸に沿った光の光強度を検出し、
前記Ｙ座標を深さとして、前記光検出器に表れる干渉ライン画像を前記測定対象の線断層画像とすることを特徴とする形状測定方法。

（１８）
参照コム光の空間的な距離変調を行うことを特徴とする（１７）に記載の形状測定方法。

（１９）
前記光検出器に、異なる深さ領域ごとの干渉ライン画像を重ね合わせて取得することを特徴とする（１７）または（１８）に記載の形状測定方法。

（２０）
参照光路長または測定光路長を１回または複数回微小変化させることで、前記検出面上での干渉ライン画像を前記検出面上で移動させ、そのときの移動量により、異なる深さ領域の干渉ライン画像を峻別することを特徴とする（１７）から（１９）の何れか記載の形状測定方法。

異なる深さ領域ごとの干渉画像を重ね合わせて取得することができるので、計測範囲（ダイナミックレンジ）を大幅に拡大することができる。

測定対象からの反射光を検出する本発明の実施形態を示す図であり、（Ａ）は光分岐器を使用した例を示す図、（Ｂ）は光分岐器を使用しない例を示す図である。 測定対象の透過光を検出する本発明の実施形態を示す図であり、（Ａ）は光分岐器を使用した例を示す図、（Ｂ）は光分岐器を使用しない例を示す図である。 図１（Ａ）に対応する図であり、深さ方向の二次元断層を測定する形状測定装置を示す図である。 （Ａ）は本発明におけるファブリペローエタロン共振器の動作説明図であり、（Ｂ）は動作説明図である。 ＦＰＥＲの出射光の説明図である。 コム光を表すδ関数列のフーリエ変換と、自己相関関数との関係を示すグラフである。 （Ａ），（Ｂ）は、異なる次数（すなわち、異なる深さ）での干渉が生じた場合の検出面上のピクセル位置と、自己相関関数との関係を示す図である。 （Ａ）は光路長を変化させないときの検出面上でのサンプルミラーの位置を示す図、（Ｂ）は光路長を変化させたときに検出面上で干渉している行が２ピクセル分移動している様子を示す図、（Ｃ）は光路長を変化させたときに検出面上で干渉している行が８ピクセル分移動している様子を示す図、（Ｄ）は光路長を変化させたときに検出面上で干渉している行が７ピクセル分移動している様子を示す図である。 光検出器の検出面上に異なる深さ領域ごとの干渉画像を重ね合わせて取得する例を示しており、（Ａ）は参照光路にガラス板を挿入しない場合、（Ｂ）は参照光路にガラス板を挿入した場合を示している。 （Ａ）はＦＰＥＲを用いたことにより生じる測定不能になる領域（不感領域）を示す図、（Ｂ）はＦＰＥＲを用いたことにより生じる、同一の反射対象が異なる次数として検出面に同時に表れてしまう領域を示す図、（Ｃ）はこれらの領域の発生を解消した様子を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は空間的な距離変調を行う変調器の説明図、（Ｃ）は次数を表す線の特性を非直線にする光路変調素子を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は両面に電圧を加えることにより光路長を可変としたＦＰＥＲを示す図である。 （Ａ）は光共振器としてＶＩＰＡを使用した例を示す図、（Ｂ）はＶＩＰＡを用いたことにより生じる、測定不能になる領域（不感領域）および同一の反射対象が異なる次数として検出面に同時に表れてしまう領域を示す図である。 （Ａ）は変調器により測定不能になる領域（不感領域）を変化させた様子を示す説明図、（Ｂ）は同一の反射対象が異なる次数として検出面に同時に表れてしまう領域を変化させた様子を示す説明図である。 本発明の形状測定装置の他の実施形態を示す説明図である。 本発明の形状測定装置の一部を光ファイバー系により構成した実施形態を示す説明図である。 白色光源を用いた、従来のマイケルソン型の距離測定装置を示す図である。 （Ａ）は図１７の干渉計における光源のパワースペクトルを示す図、（Ｂ）は干渉波形を示す図である。

図１（Ａ），（Ｂ）、図２（Ａ），（Ｂ）は本発明の形状測定装置の第１実施形態の設計例を示す図である。
図１（Ａ），（Ｂ）は、測定対象からの反射光を検出するする例を示し、図２（Ａ），（Ｂ）は、測定対象を透過する透過光を検出するする例を示している。

図１（Ａ），（Ｂ）は、深さ方向の二次元断層または深さ方向の一次元断層を、測定光を測定対象から反射させて測定する構成図である。
図１（Ａ）において形状測定装置１は、光源１１と、光分岐器１２と、測定光照射系１３と、参照コム光分離器１４と、光合波器１５と、光検出器１６とを備えている。
光源１１は、白色光、スーパコンティニューム光等の広帯域光を生成する。光分岐器１２は、光源１１からの光を測定光と参照光に分岐する。光源１１から直接、測定光および参照光を取り出す場合には、図１（Ｂ）に示すように光分岐器１２を設けないようにできる。

測定光照射系１３は、広帯域光を測定対象に測定光として照射する。測定光照射系１３では、広帯域光が楔形状になるように測定対象にライン照射することができる。一ラインに照射したときは、深さ方向の二次元断層を得ることができる。また、測定光照射系１３では、広帯域光が錐形になるように測定対象に点照射することができる。一点に照射したときは深さ方向の一次元断層の測定ができる。

参照コム光分離器１４として、光共振器が使用できる。この光共振器として、ファブリペローエタロン共振器（ＦＰＥＲ）を使用することができるし、バーチャリ・イメージド・フェイズド・アレイ（ＶＩＰＡ）を使用することもできる。
参照コム光分離器１４は、光源１１からの広帯域光を入射し、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値の大きさに応じて周波数間隔が（連続的に）変化するコム光（周波数間隔：Δω（Ｙ））からなる参照コム光を生成する。

深さ方向の二次元断層を得る場合には、参照コム光は、Ｘ軸方向に幅を持つ必要がある。深さ方向の一次元断層を得る場合には、参照コム光は、Ｘ軸方向に幅を持つ必要はない（もちろん、幅を持っていてもよい）。
光合波器１５は、測定対象から反射される反射光と参照コム光分離器からの参照コム光とを合波する。
光検出器１６はＣＣＤから構成でき、光合波器１５からの合成光を受光し、光強度を検出する。深さ方向の二次元断層を得る場合には、光検出器１６は、二次元センサである検出面上の光強度を検出する。深さ方向の一次元断層を得る場合には、光検出器１６は、ラインセンサであり、Ｙ軸に沿って設けられたラインセンサ上の光強度を検出する。
図１（Ａ），（Ｂ）の形状測定装置１、Ｘ軸を測定対象の仮想の切断線とし、Ｙ軸のＹ座標を深さとして、検出面に表れる干渉画像を測定対象の二次元断層画像とすることができる。

図２（Ａ），（Ｂ）は、前述したように、測定対象を透過する透過光を検出する例を示しており、図２（Ａ），（Ｂ）は、深さ方向の二次元断層，深さ方向の一次元断層を、測定光を測定対象に透過させて測定する構成図である。

図２（Ａ），（Ｂ）は、深さ方向の二次元断層または深さ方向の一次元断層を測定する構成図である。
図２（Ａ）の形状測定装置１は、図１（Ａ）の形状測定装置１と同様、光源１１と、光分岐器１２と、測定光照射系１３と、参照コム光分離器１４と、光合波器１５と、光検出器１６とを備えている。ただし、図１（Ａ）では測定光照射系１３は、光合波器１５の外側（光合波器１５を通過した先）に設けられたが、図２（Ａ）では測定光照射系１３は、光分岐器１２と光合波器１５との間に設けられている。

図２（Ａ）では、参照光の光路長（光源１１から参照コム光分離器１４を経て光検出器１６に至る経路）と測定光（光源１１から測定対象で折り返して光合波器１５を経て光検出器１６に至る経路）の光路長とは異なって描いてあるが、実際には両光路長はほぼ同じに設定してある。なお、光源１１から直接、測定光および参照光を取り出す場合には、図２（Ｂ）に示すように光分岐器１２を設けないようにできる。

図３は、図１（Ａ）に対応する図であり、深さ方向の二次元断層を測定する形状測定装置２Ａを示す図である。
図３において、形状測定装置２Ａは、光源２１と、光分岐器２２と、測定光照射系２３と、参照コム光分離器２４と、光合波器２５と、光検出器２６と、ミラー２７１，２７２と、ビーム径調整系２８と、光路長変更器２９を備えている。ここで、測定光照射系２３は、シリンドリカルレンズ２３１および測定対象２３２からなる。参照コム光分離器２４は、ファブリペローエタロン共振器（ＦＰＥＲ）２４１およびシリンドリカルレンズ２４２，２４３からなる。ビーム径調整系２８は、球面レンズ２８１，２８２からなる。光路長変更器２９は、ガラス板２９１およびガラス板移動器２９２からなる。

光源２１はスーパー・ルミネッセント・ダイオードである。光源２１からのレーザ光ＬＢは、光分岐器２２において参照光ＬＢ_REFと測定光ＬＢ_MSRとに分岐される。参照光ＬＢ_REFは、ミラー２７１、光路長変更器２９、ミラー２７２を介して参照コム光分離器２４に入射され、参照コム光分離器２４はＣＭＢ_REFを出力する。なお、光路長変更器２９は、光路にガラス板２９１が介在されないこともあるし、介在されることもある。

一方、測定光ＬＢ_MSRは、ビーム径調整系２８に入射される。測定光ＬＢ_MSRは、球面レンズ２８１，２８２によりビーム径が調整され、光合波器２５およびシリンドリカルレンズ２３１を介して測定対象２３２に照射される。
参照コム光分離器２４からの参照コム光ＣＭＢ_REFは、および測定対象２３２からの反射光は、光合波器２５により合成されて光検出器２６に照射される。

以下、形状測定装置２Ａを詳細に説明する。
参照コム光分離器２４は、前述したようにＦＰＥＲ２４１と、シリンドリカルレンズ２４２，２４３とからなる。ＦＰＥＲ２４１は、図４（Ａ）に示すように、本実施形態では、石英ガラス基板の出射面に反射率９５％で金を蒸着し、入射側には入射口を残して反射率９５％で金を蒸着して作成した。

図４（Ｂ）に示すように、参照コム光分離器２４では、参照光ＬＢ_REFは、シリンドリカルレンズ２４２から、ＦＰＥＲ２４１の入射口に入射する。
ＦＰＥＲ２４１は、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、広帯域光を入射し、参照コム光ＣＭＢ_REFを生成する。参照コム光ＣＭＢ_REFは、図４（Ａ），（Ｂ）および図５（Ａ）に示すように、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値の大きさに応じて周波数間隔が（連続的に）変化する。すなわち、参照コム光ＣＭＢ_REFは、Ｘ軸方向に幅を持ち、周波数間隔がＹ座標に依存するコム光である。この周波数間隔は、Δω（Ｙ）で表される。

なお、図５（Ｂ）に光検出器２６の検出面を示す。また、ＦＰＥＲ２４１からのＹ座標に依存する成分は、実際には、図５（Ｃ）に示すように、シリンドリカルレンズ２４３により、光検出器２６の検出面上に結像される。図５（Ｃ）では、結像は光検出器２６の検出面上に生じるが、たとえば検出面の中央部では結像するが周辺部では検出面上に結合しないこともある。この場合には、適宜の補正を行うことができる。

図５（Ａ）に示すように、同図のＹ座標は、光検出器２６の検出面上のＹ軸（深さ方向）のＹ座標に対応している。図６に示すように、コム光を表すδ関数列のフーリエ変換は、自己相関関数を与える。自己相関関数の横軸は時間であり、この時間は距離（測定対象の深さ）に換算される。
したがって、参照コム光と、測定光とが干渉した場合には、当該干渉した参照コム光の自己相関関数の値に対応する深さからの反射光であることがわかる。

ところで、図６の自己相関関数に示すように、一つのピクセルには、異なる次数のピークが割り当てられている。したがって、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、異なる次数（すなわち、異なる深さ）での干渉が生じたとしても、このままではどの次数による干渉かの区別ができない。
そこで、本実施形態では、以下に述べるようにして、ピークの次数を特定することができる。

たとえば、検出面上のあるピクセルに干渉が生じている状態で、参照光路長をΔＬだけ変えると、当該ピクセルは検出面上を深さの±方向（Ｙ軸方向）にあるピクセル個数分だけ移動する。参照光路長を微小距離だけ変えたときの、干渉が生じているピクセルの移動量は、自己相関関数の次数により異なる。したがって、予め、次数に対応する移動量を知っていれば、何次の次数により生じた干渉かを知ることができる。

なお、図８（Ａ）は、光路長を変化させないときの検出面上でのサンプルミラーの位置を示している。この状態で、参照光路にガラス板２９１を挿入すると、出射方向をＺ軸方向としたときのＹ座標値に応じた周波数間隔Δω（Ｙ）が変化する。

図８（Ｂ）は光路長を変化させたときに検出面上で干渉している行が２ピクセル分移動している様子を示している。図８（Ｃ）は光路長を変化させたときに検出面上で干渉している行が８ピクセル分移動している様子を示している。図８（Ｄ）は光路長を変化させたときに検出面上で干渉している行が７ピクセル分移動している様子を示している。

図９は、光検出器２６の検出面上に異なる深さ領域ごとの干渉画像（すなわち、相関関数の異なる次数における干渉画像）を重ね合わせて取得する例を示しており、（Ａ）は参照光路にガラス板２９１を挿入しない場合、（Ｂ）は参照光路にガラス板２９１を挿入した場合を示している。図９（Ａ），（Ｂ）を比較すればわかるように、次数によって干渉画像の移動距離は異なる。よって、１回または複数回の光路長を変化させることにより異なる次数における干渉画像を分離することができる。

上記の実施形態では、参照光ＬＢ_REFの光路長を変化させたが、測定光ＬＢ_MSRの光路長を変化させることもできる。また、ミラー２７１，２７２の少なくとも一方を動かすことで光路長を変化させてもよい。

ところで、本発明の形状測定装置では、測定対象の深さ（Ｙ軸の値）によって、測定ができなくなったり、測定が困難になる領域が存在したりする場合がある。
図１０（Ａ），（Ｂ）はこの不都合を説明するための図である。図１０（Ａ）において、光検出器２６の干渉位置（検出面のＹ座標）は、ゼロ次線Ｆ０，１次線Ｆ１，２次線Ｆ２，・・・と反射面Ｓ（または透過面）との交点Ｐにより決定される。
このため、これらの線の何れとも交差し得ない領域（図１０（Ａ）における領域Ｇ１）が不感領域となってしまう。逆に、反射面Ｓ（または透過面）が複数の線と交差する領域（図１０における領域Ｇ２）では同一の反射面Ｓが異なる次数として検出面に同時に表れてしまう。

この不都合を解消するために、図１１（Ａ），（Ｂ）で示すような空間的な距離変調を行う変調器４を用いることができる。図１１（Ａ），（Ｂ）の変調器４は、断面が楔形状の光路変調素子４１１と、平凸シリンドリカルレンズ４１２と、両凸シリンドリカルレンズとから構成されている。光路変調素子４１１の一方または双方の面に階段が形成されている。
変調器４を用いることで、Ｙ座標値に応じて光路長を変調することができる。また、図１１（Ａ），（Ｂ）において、光路変調素子４１１を上下させると、ゼロ次線Ｆ０，１次線Ｆ１，２次線Ｆ２，・・・の傾斜を変えることができる。
これにより図１０（Ｃ）に示すように不感となる領域Ｇ１や反射面Ｓ（または透過面）が複数の線と交差する領域Ｇ２をなくすことができる。
光路長を増加することで、図１０（Ｃ）に示すように不感領域をなくすことができるし、同一の反射対象が異なる次数として検出面に同時に表れてしまうといった影響も低減できる。
なお、図示しないが、一つの光路変調素子４１１を用いて、図１１（Ａ）と図１１（Ｂ）の形態間に適宜切替えることができる機構を参照光経路や測定光経路に設けておくことができる。
また、変調器４の特性を適宜に設定することが可能である。たとえば、図１１（Ｃ）に示すように光路変調素子４１１のステップ部分を湾曲っせることができる。これにより、各次数線の傾斜が、Ｙ座標値が大きくなるほど徐々になだらかになるようにでき、これにより、不感領域をなくすことも可能となる。

ＦＰＥＲ２４１は、図１０（Ａ）や図１０（Ｂ）に示したような光路長を変調する機能をもともと備えている。この光路長は、図１２（Ａ），（Ｂ）に示すように、ＦＰＥＲ２４１の両面に直流または交流の電圧（Ｅ）を加えることで、二段階に切替えたり、連続的に変化させたりできる。図１２（Ａ）では、電源Ｅを可変にしてあり、図１２（Ｂ）ではスイッチＳＷにより電源Ｅをオンオフしている。

本発明では、参照コム光分離器２４として、図１３（Ａ）に示すバーチャリ・イメージド・フェイズド・アレイ（ＶＩＰＡ）２４７を使用することができる。図１３（Ｂ）に示すように、ＶＩＰＡ２４７を使用した場合にも、ＦＰＥＲ２４１を使用したときと同様、測定不能になる領域（不感領域）および同一の反射対象が異なる次数として検出面に同時に表れてしまう領域が発生する。
このような不都合は、図１１に示した変調器４を使用したり、図１２に示したと同様、ＶＩＰＡ２４７の両面に電圧を加えたりすることで上記領域を変動させることができる。
図１４（Ａ）に、変調器により測定不能になる領域（不感領域）を変化させた様子を示す。また図１４（Ｂ）に、同一の反射対象が異なる次数として検出面に同時に表れてしまう領域を変化させた様子を示す。

図１５は本発明の形状測定装置の他の実施形態を示す説明図である。本実施形態の形状測定装置２Ｂは、深さ方向の一次元断層を測定することができる。図１５の構成は基本的には図３の構成と同じである。なお、図１５では、測定光照射系２３のシリンドリカルレンズ２３１（集光レンズ）を球面レンズとしてある。

図１６は本発明の形状測定装置の一部を光ファイバー系により構成した実施形態を示す説明図である。図１６において形状測定装置３は、光源３１と、カプラー３２と、測定光照射系３３（シリンドリカルレンズ３３１および測定対象３３２からなる）と、参照コム光分離器３４（ＦＰＥＲ３４１およびシリンドリカルレンズ３４２，３４３からなる）と、光合波器３５と、光検出器３６と、コリメータ３７，３８と、光路長変更器３９（位相変調器からなる）を備えている。
本実施形態の形状測定装置３の動作も基本的には図３の形状測定装置２Ａの動作と同じである。

なお、本発明では、測定光ＬＢ_MSRのスペクトルを解析することで、測定対象２３２の種々のプロファイルを測定することもできる。

１，２Ａ，２Ｂ，３ 形状測定装置
１１，２１，３１ 光源
１２，２２ 光分岐器
１３，２３，３３ 測定光照射系
１４，２４，３４ 参照コム光分離器
１５，２５，３５ 光合波器
１６，２６，３６ 光検出器
２８ ビーム径調整系
２９，３９ 光路長変更器
３２ カプラー
３７ コリメータ
２３１，２４２，３３１，３４２，４１２ シリンドリカルレンズ
２３２，３３２ 測定対象
２４１，３４１ ＦＰＥＲ
２７１，２７２ ミラー
２８１ 球面レンズ
２９１ ガラス板
２９２ ガラス板移動器
４１１ 光路変調素子
４１３ 両凸シリンドリカルレンズ
ＣＭＢ_REF 参照コム光
ＬＢ レーザ光
ＬＢ_MSR 測定光
ＬＢ_REF 参照光

【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、可動走査機構を持たずかつフーリエ変換等の演算が不要な、広帯域光光源を備えた距離測定に好適な形状測定技術に関し、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値の大きさに応じて周波数間隔が変化する参照コム光を用いて、深さ方向の一次元断層、または深さ方向の二次元断層の測定ができる形状測定装置に関する。
背景技術
［０００２］
物体等の表面形状や光透過物体等の内部構造を測定するために、マイケルソン型の距離測定装置（干渉計）がたとえば使用される（非特許文献１参照）。マイケルソン型の距離測定装置は、図１７に示すように白色光源を用いたものが知られている。図１７の距離測定装置８では、白色光源８１からの白色光ＷＬはビームスプリッタ８２を透過して測定対象８３に照射される。一方、ビームスプリッタ８２により反射されて可動ミラー８４に照射される。
［０００３］
測定対象８３の反射光ＬＲ１はビームスプリッタ８２により反射され、可動ミラー８４の反射光ＬＲ２はビームスプリッタ８２を透過する。これらの反射光ＬＲ１，ＬＲ２は合波される。合波光ＬＲ３は干渉プロファイル測定器８５に入射され、干渉プロファイル測定器８５は白色光の干渉プロファイルを測定する。
［０００４］
図１７では、可動ミラー８４が走査機構８６により距離走査される。この距離走査により、測定対象８３から干渉プロファイル測定器８５までの距離と、可動ミラー８４から干渉プロファイル測定器８５までの距離とが等しいときに干渉が生じる。この干渉は、図１８（Ａ）に示す白色光源８１が出力する白色光ＷＬのパワースペクトルの逆フーリエ変換に依る。
［０００５］
図１８（Ｂ）に示すように、この干渉波形の幅は、白色光源８１の帯域幅

【０００３】
前記広帯域光を入射し、当該広帯域光を、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値に応じて周波数間隔が連続的に変化しかつＸ軸方向に幅を持つ参照コム光に分離して出射する参照コム光分離器と、
前記測定対象から反射される反射光または前記測定対象を透過する透過光と前記参照コム光分離器から出射される参照コム光とを合波する光合波器と、
前記光合波器からの合成光を受光し、検出面上の干渉波形の複数の次数の光強度を同時に検出する光検出器と、
を備え、
前記Ｘ軸を前記測定対象の仮想の切断線とし、前記Ｙ座標を深さとして、前記検出面に表れる干渉画像を前記測定対象の二次元断層画像とする、ことを特徴とする形状測定装置。
［００１０］
（２）
広帯域光を生成する光源と、
前記広帯域光を測定対象に測定光として照射する測定光照射系と、
前記広帯域光を入射し、当該広帯域光を参照コム光に分離してＺ軸方向に出射する参照コム光分離器と、
前記参照コム光の光路上に、Ｘ軸方向に幅を持ち、結像点においてＹ座標値に応じて周波数間隔が連続的に変化するように、前記参照コム光の空間的な距離変調を行う変調器と、
前記測定対象から反射される反射光または前記測定対象を透過する透過光と前記参照コム光分離器から出射される参照コム光とを合波する光合波器と、
前記光合波器からの合成光を受光し、検出面上の干渉波形の複数の次数の光強度を同時に検出する光検出器と、
を備え、
前記Ｘ軸を前記測定対象の仮想の切断線とし、前記Ｙ座標を深さとして、前記検出面に表れる干渉画像を前記測定対象の二次元断層画像とする、こと

【０００４】
を特徴とする形状測定装置。
［００１１］
（３）
前記光検出器は、異なる深さ領域ごとの干渉画像を前記検出面に重ね合わせて取得することを特徴とする（１）に記載の形状測定装置。
［００１２］
（４）
参照光路長または測定光路長を１回または複数回微小変化させることで、前記干渉画像を前記検出面上で移動させ、そのときの移動量により、異なる深さ領域の干渉画像を峻別することを特徴とする（１）に記載の形状測定装置。
［００１３］
（５）
前記参照コム光分離器が、ＶＩＰＡであることを特徴とする（１）に記載の形状測定装置。
［００１４］
（７）
広帯域光を生成する光源と、
前記広帯域光を測定対象に測定光として照射する測定光照射系と、
前記広帯域光を入射し、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値に応じて周波数間隔が連続的に変化する参照コム光を生成する参照コム光分離器と、
前記測定対象から反射される反射光または前記測定対象を透過する透過光と前記参照コム光分離器から出射される参照コム光とを合波する光合波器と、
前記光合波器からの合成光を受光し、Ｙ軸に沿った干渉波形の複数の次数の光強度を同時に検出するラインセンサからなる光検出器と、
を備え、
前記Ｙ座標を深さとして、光検出器に表れる干渉ライン画像を前記測定対象の線断層画像とすることを特徴とする形状測定装置。
［００１５］
（８）
広帯域光を生成する光源と、

【０００５】
前記広帯域光を測定対象に測定光として照射する測定光照射系と、
前記広帯域光を入射し、当該広帯域光を参照コム光に分離してＺ軸方向に出射する参照コム光分離器と、
前記参照コム光の光路上に、結像点においてＹ座標値に応じて周波数間隔が連続的に変化するように、前記参照コム光の空間的な距離変調を行う変調器と、
前記測定対象から反射される反射光または前記測定対象を透過する透過光と前記参照コム光分離器から出射される参照コム光とを合波する光合波器と、
前記光合波器からの合成光を受光し、Ｙ軸に沿った干渉波形の複数の次数の光強度を同時に検出するラインセンサからなる光検出器と、
を備え、
前記Ｙ座標を深さとして、光検出器に表れる干渉ライン画像を前記測定対象の線断層画像とすることを特徴とする形状測定装置。
［００１６］
（９）
前記光検出器は、異なる深さ領域ごとの干渉ライン画像を重ね合わせて取得することを特徴とする（７）に記載の形状測定装置。
［００１７］
（１０）
参照光路長または測定光路長を１回または複数回微小変化させることで、前記検出面上での干渉ライン画像を前記検出面上で移動させ、そのときの移動量により、異なる深さ領域の干渉ライン画像を峻別することを特徴とする（７）に記載の形状測定装置。
［００１８］
（１１）
前記参照コム光分離器が、ＶＩＰＡであることを特徴とする（７）に記載の形状測定装置。
［００１９］
（２１）
前記光検出器は、異なる深さ領域ごとの干渉画像を前記検出面に重ね合わせて取得することを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置

【０００６】
。前記光検出器は、異なる深さ領域ごとの干渉画像を前記検出面に重ね合わせて取得することができる。
［００２０］
（２２）
前記参照コム光分離器が、光共振器であることを特徴とする（２）に記載の形状測定装置。
［００２１］
（２３）
前記光検出器に、異なる深さ領域ごとの干渉ライン画像を重ね合わせて取得することを特徴とする（８）に記載の形状測定装置。
［００２２］
（２４） 前記参照コム光分離器が、光共振器であることを特徴とする（８）に記載の形状測定装置。
［００２３］
（２）および（８）の光共振器として、ファブリペローエタロン共振器を用いることができる。
［００２４］
［００２５］
［００２６］
［００２７］
発明の効果
［００２８］
異なる深さ領域ごとの干渉画像を重ね合わせて取得することができるので、計測範囲（ダイナミックレンジ）を大幅に拡大することができる。
図面の簡単な説明
［００２９］
［図１］測定対象からの反射光を検出する本発明の実施形態を示す図であり、（Ａ）は光分岐器を使用した例を示す図、（Ｂ）は光分岐器を使用しない例を示す図である。
［図２］測定対象の透過光を検出する本発明の実施形態を示す図であり、（Ａ）は光分岐器を使用した例を示す図、（Ｂ）は光分岐器を使用しない例を示す

Claims (20)

1. 広帯域光を生成する光源と、
   前記広帯域光を測定対象に測定光として照射する測定光照射系と、
   前記広帯域光を入射し、当該広帯域光を、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値に応じて周波数間隔が連続的に変化しかつＸ軸方向に幅を持つ参照コム光に分離して出射する参照コム光分離器と、
   前記測定対象から反射される反射光または前記測定対象を透過する透過光と前記参照コム光分離器から出射される参照コム光とを合波する光合波器と、
   前記光合波器からの合成光を受光し、検出面上の光強度を検出する光検出器と、
   を備え、
   前記Ｘ軸を前記測定対象の仮想の切断線とし、前記座標を深さとして、前記検出面に表れる干渉画像を前記測定対象の二次元断層画像とする、ことを特徴とする形状測定装置。
2. 参照コム光の光路上に、参照コム光の空間的な距離変調を行う変調器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記光検出器は、異なる深さ領域ごとの干渉画像を前記検出面に重ね合わせて取得することを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定装置。
4. 参照光路長または測定光路長を１回または複数回微小変化させることで、前記干渉画像を前記検出面上で移動させ、そのときの移動量により、異なる深さ領域の干渉画像を峻別することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の形状測定装置。
5. 前記参照コム光分離器が、光共振器であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の形状測定装置。
6. 前記光共振器が、ファブリペローエタロン共振器であることを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
7. 広帯域光を生成する光源と、
   前記広帯域光を測定対象に測定光として照射する測定光照射系と、
   前記広帯域光を入射し、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値に応じて周波数間隔が（連続的に）変化する参照コム光を生成する参照コム光分離器と、
   前記測定対象から反射される反射光または前記測定対象を透過する透過光と前記参照コム光分離器からの参照コム光とを合波する光合波器と、
   前記光合波器からの合成光を受光し、Ｙ軸に沿った光の光強度を検出するラインセンサからなる光検出器と、
   を備え、
   前記座標を深さとして、光検出器に表れる干渉ライン画像を前記測定対象の線断層画像とすることを特徴とする形状測定装置。
8. 参照コム光の空間的な距離変調を行うことを特徴とする請求項７に記載の形状測定装置。
9. 前記光検出器に、異なる深さ領域ごとの干渉ライン画像を重ね合わせて取得することを特徴とする請求項７または８に記載の形状測定装置。
10. 参照光路長または測定光路長を１回または複数回微小変化させることで、前記検出面上での干渉ライン画像を前記検出面上で移動させ、そのときの移動量により、異なる深さ領域の干渉ライン画像を峻別することを特徴とする請求項７から９の何れか１項に記載の形状測定装置。
11. 前記参照コム光分離器が、光共振器であることを特徴とする請求項７から１０の何れか１項に記載の形状測定装置。
12. 前記光共振器が、ファブリぺローエタロン共振器であることを特徴とする請求項１１に記載の形状測定装置。
13. 広帯域光を測定対象に測定光として照射するとともに、
    前記広帯域光を、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値に応じて周波数間隔が（連続的に）変化するＸ軸方向に幅を持つ参照コム光に分離し
    前記測定対象から反射される反射光または前記測定対象を透過する透過光と前記参照コム光とを合成し、
    光検出器により、前記合成光を受光し、検出面上の光強度を検出し、
    前記Ｘ軸を前記測定対象の仮想の切断線とし、前記座標を深さとして、検出面に表れる干渉画像を前記測定対象の二次元断層画像とすることを特徴とする形状測定方法。
14. 参照コム光の空間的な距離変調を行うことを特徴とする請求項１３に記載の形状測定方法。
15. 前記光検出器の検出面に、異なる深さ領域ごとの干渉画像を重ね合わせて取得することを特徴とする請求項１３または１４に記載の形状測定方法。
16. 参照光路長または測定光路長を１回または複数回微小変化させることで、前記干渉画像を前記検出面上で移動させ、そのときの移動量により、異なる深さ領域の干渉画像を峻別することを特徴とする請求項１３から１５の何れか１項に記載の形状測定方法。
17. 広帯域光を測定対象に測定光として照射するとともに、
    前記広帯域光を、出射方向をＺ軸方向としたときに結像点におけるＹ座標値の大きさに応じて周波数間隔が（連続的に）変化する参照コム光に分離し、
    前記測定対象から反射される反射光または前記測定対象を透過する透過光と前記参照コム光とを合成し、
    前記光検出器により、前記合成光を受光し、前記Ｙ軸に沿った光の光強度を検出し、
    前記座標を深さとして、前記光検出器に表れる干渉ライン画像を前記測定対象の線断層画像とすることを特徴とする形状測定方法。
18. 参照コム光の空間的な距離変調を行うことを特徴とする請求項１７に記載の形状測定方法。
19. 前記光検出器に、異なる深さ領域ごとの干渉ライン画像を重ね合わせて取得することを特徴とする請求項１７または１８に記載の形状測定方法。
20. 参照光路長または測定光路長を１回または複数回微小変化させることで、前記検出面上での干渉ライン画像を前記検出面上で移動させ、そのときの移動量により、異なる深さ領域の干渉ライン画像を峻別することを特徴とする請求項１７から１９の何れか１項に記載の形状測定方法。