(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測面の高さを計測する計測装置であって、
参照光と計測光との干渉光の強度を検出する複数の領域が２次元状に配列された検出部と、
光源からの光を第１の光と第２の光とに分離する第１の光学系と、
前記第１の光が入射され、前記第１の光から、断面内の互いに垂直な２方向の各々において光路長差を有する複数の参照光束を含む前記参照光を生成する生成部と、
前記生成部で生成された前記複数の参照光束のそれぞれが対応する前記複数の領域のそれぞれに入射するように、前記参照光を前記検出部に入射させる第２の光学系と、
前記第２の光を前記被計測面の計測点に集光する第３の光学系と、
前記計測点で反射された前記第２の光が前記複数の領域のそれぞれに入射するように、前記第２の光を前記計測光として前記検出部に入射させる第４の光学系と、
前記複数の領域のそれぞれで検出される干渉光の強度から前記計測点における前記被計測面の高さを算出する処理部と、
を有し、
前記生成部は、前記第１の光が入射する入射口と前記第１の光が射出する射出口との間の距離が互いに異なる複数の光導波路を含み、
前記複数の光導波路は、前記複数の光導波路のそれぞれの前記射出口が第１の方向及び前記第１の方向と直交する第２の方向に沿うように、配列されていることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記光導波路は、光ファイバで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
被計測面の高さを計測する計測装置であって、
参照光と計測光との干渉光の強度を検出する複数の領域が２次元状に配列された検出部と、
光源からの光を第１の光と第２の光とに分離する第１の光学系と、
前記第１の光が入射され、前記第１の光から、断面内の互いに垂直な２方向の各々において光路長差を有する複数の参照光束を含む前記参照光を生成する生成部と、
前記生成部で生成された前記複数の参照光束のそれぞれが対応する前記複数の領域のそれぞれに入射するように、前記参照光を前記検出部に入射させる第２の光学系と、
前記第２の光を前記被計測面の計測点に集光する第３の光学系と、
前記計測点で反射された前記第２の光が前記複数の領域のそれぞれに入射するように、前記第２の光を前記計測光として前記検出部に入射させる第４の光学系と、
前記複数の領域のそれぞれで検出される干渉光の強度から前記計測点における前記被計測面の高さを算出する処理部と、
を有し、
前記生成部は、光を回折するための繰り返しパターンを第１の方向に有する第１の回折光学素子と、光を回折するための繰り返しパターンを第２の方向に有する第２の回折光学素子とを含み、
前記第１の回折光学素子及び前記第２の回折光学素子は、前記第１の方向と前記第２の方向とが直交するように配置され、
前記第１の回折光学素子の繰り返しパターンで回折された前記第１の光は前記第１の方向に光路長差を有し、前記第２の回折光学素子の繰り返しパターンで回折された前記第１の光は前記第２の方向に光路長差を有することを特徴とする計測装置。
【請求項４】
被計測面の高さを計測する計測装置であって、
参照光と計測光との干渉光の強度を検出する複数の領域が２次元状に配列された検出部と、
光源からの光を第１の光と第２の光とに分離する第１の光学系と、
前記第１の光が入射され、前記第１の光から、断面内の互いに垂直な２方向の各々において光路長差を有する複数の参照光束を含む前記参照光を生成する生成部と、
前記生成部で生成された前記複数の参照光束のそれぞれが対応する前記複数の領域のそれぞれに入射するように、前記参照光を前記検出部に入射させる第２の光学系と、
前記第２の光を前記被計測面の計測点に集光する第３の光学系と、
前記計測点で反射された前記第２の光が前記複数の領域のそれぞれに入射するように、前記第２の光を前記計測光として前記検出部に入射させる第４の光学系と、
前記複数の領域のそれぞれで検出される干渉光の強度から前記計測点における前記被計測面の高さを算出する処理部と、
を有し、
前記生成部は、光を回折するための繰り返しパターンを第１の方向及び前記第１の方向と直交する第２の方向に有する回折光学素子を含み、
前記回折光学素子の繰り返しパターンで回折された前記第１の光は、前記第１の方向及び前記第２の方向のそれぞれに光路長差を有することを特徴とする計測装置。
【請求項５】
被計測面の高さを計測する計測装置であって、
参照光と計測光との干渉光の強度を検出する複数の領域が２次元状に配列された検出部と、
光源からの光を第１の光と第２の光とに分離する第１の光学系と、
前記第１の光が入射され、前記第１の光から、断面内の互いに垂直な２方向の各々において光路長差を有する複数の参照光束を含む前記参照光を生成する生成部と、
前記生成部で生成された前記複数の参照光束のそれぞれが対応する前記複数の領域のそれぞれに入射するように、前記参照光を前記検出部に入射させる第２の光学系と、
前記第２の光を前記被計測面の計測点に集光する第３の光学系と、
前記計測点で反射された前記第２の光が前記複数の領域のそれぞれに入射するように、前記第２の光を前記計測光として前記検出部に入射させる第４の光学系と、
前記複数の領域のそれぞれで検出される干渉光の強度から前記計測点における前記被計測面の高さを算出する処理部と、
前記生成部と前記検出部との間に配置され、前記生成部で前記参照光を生成する際に生じる色分散を低減する第５の光学系と、
を有することを特徴とする計測装置。
【請求項６】
前記第５の光学系は、非回転対称形状を有するレンズを含むことを特徴とする請求項５に記載の計測装置。
【請求項７】
前記第３の光学系と前記第４の光学系とは、１つの光学系で構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記処理部は、前記複数の領域のそれぞれに入射する前記複数の参照光束のそれぞれが有する光路長と前記複数の領域との対応関係に基づいて、前記被計測面の高さを算出することを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測面の高さを計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
計測対象物の被計測面（表面や裏面）や計測対象物の内部の断層の高さを計測する技術として、低コヒーレント光源を利用した白色干渉法が知られている（特許文献１及び２、非特許文献１参照）。白色干渉法では、被計測面で反射された光（計測光）と参照光とを干渉させ、かかる干渉光の強度（光干渉信号）から被計測面の高さを求めている。
【０００３】
例えば、特許文献１及び非特許文献１には、計測対象物の内部の断層を計測する技術が開示されている。また、特許文献２には、計測対象物の被計測面の形状（面形状）を計測する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−６４６１０号公報
【特許文献２】特開２００７−３３３４７０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ／Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１２、５２０１／１２  Ｊｕｎｅ  ２００６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術では、被計測面の高さの計測において、計測精度の高精度化と計測範囲の広範囲化とを両立させることができない。被計測面の高さを高精度に計測するためには、干渉光を検出する検出部を構成する複数の画素（検出領域）のそれぞれに入射する参照光間の光路長差を波長オーダーで、且つ、細かく設定する必要がある。一方、被計測面の高さ方向の計測範囲は、参照光間に設定される光路長差に検出部を構成する画素の総数を乗算した値に限定される。但し、現在の技術では、一方向に配列可能な画素の数は数千から一万程度である。従って、非特許文献１のように、検出部としてラインセンサを用いた場合には、計測精度の高精度化を優先すれば計測範囲が狭くなり、計測範囲の広範囲化を優先すれば計測精度が低くなってしまう。
【０００７】
特許文献１には、検出部として２次元センサを用いることが開示されている。但し、特許文献１では、２次元状に配列された画素のうち、一方向に配列された画素を被計測面の高さ（例えば、Ｚ方向）を計測するために使用し、他の方向に配列された画素を被計測面の位置（Ｚ方向に垂直なＸ方向やＹ方向）を計測するために使用している。このように、特許文献１では、被計測面の高さの計測に関して、２次元センサを実質的にラインセンサとして使用しているため、計測精度の高精度化と計測範囲の広範囲化とを両立させることはできない。
【０００８】
特許文献２には、複数の参照面を２次元状に配置することや２次元センサを用いることが開示されている。但し、特許文献２では、参照面に照射する光を光学系で集光しているため、光が照射される参照面の数が少数に限定され、参照光間の光路長差を細かくすることができない。また、２次元センサを構成する各画素に入射する参照光の光路長差は３つの画素列でしか異なっておらず、列内の各画素では（各行ごと）光路長差は変わっていない。従って、特許文献２においても、計測精度の高精度化と計測範囲の広範囲化とを両立させることは難しい。
【０００９】
更に、従来技術では、計測範囲の広範囲化を実現するためには、参照面を駆動する必要がある（即ち、駆動時間を要する）ため、計測に長時間を要してしまう。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、被計測面の高さの計測において、計測精度の高精度化と計測範囲の広範囲化との両立に有利な技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、被計測面の高さを計測する計測装置であって、参照光と計測光との干渉光の強度を検出する複数の領域が２次元状に配列された検出部と、光源からの光を第１の光と第２の光とに分離する第１の光学系と、前記第１の光が入射され、前記第１の光から、断面内の互いに垂直な２方向の各々において光路長差を有する複数の参照光束を含む前記参照光を生成する生成部と、前記生成部で生成された前記複数の参照光束のそれぞれが対応する前記複数の領域のそれぞれに入射するように、前記参照光を前記検出部に入射させる第２の光学系と、前記第２の光を前記被計測面の計測点に集光する第３の光学系と、前記計測点で反射された前記第２の光が前記複数の領域のそれぞれに入射するように、前記第２の光を前記計測光として前記検出部に入射させる第４の光学系と、前記複数の領域のそれぞれで検出される干渉光の強度から前記計測点における前記被計測面の高さを算出する処理部と、を有し、前記生成部は、前記第１の光が入射する入射口と前記第１の光が射出する射出口との間の距離が互いに異なる複数の光導波路を含み、前記複数の光導波路は、前記複数の光導波路のそれぞれの前記射出口が第１の方向及び前記第１の方向と直交する第２の方向に沿うように、配列されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、例えば、被計測面の高さの計測において、計測精度の高精度化と計測範囲の広範囲化との両立に有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す計測装置の検出部の構成及び検出部で検出される干渉光の強度の一例を示す図である。
【図３】図１に示す計測装置の参照光生成部の構成の一例を模式的に示す図である。
【図４】光路長差発生部の構成の一例を模式的に示す図である。
【図５】図１に示す計測装置の参照光生成部の別の構成の一例を模式的に示す図である。
【図６】第１の光路長差発生部の構成を模式的に示す図である。
【図７】第１の回折光学素子の構成の一例を模式的に示す図である。
【図８】第２の光路長差発生部の構成を模式的に示す図である。
【図９】第１の光路長差発生部の別の構成を模式的に示す図である。
【図１０】第２の光路長差発生部の別の構成を模式的に示す図である。
【図１１】光路長差発生部の別の構成の一例を模式的に示す図である。
【図１２】回折光学素子の構成の一例を模式的に示す図である。
【図１３】光路長差発生部の別の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１（ａ）は、本発明の一側面としての計測装置１００の構成を示す概略図である。計測装置１００は、計測対象物の被計測面１０３の高さを計測する計測装置である。被計測面１０３は、計測対象物の表面や内部の層面を含む。計測装置１００は、低コヒーレント光源１０１から射出された光を、ハーフミラー（第１の光学系）１０４によって、参照光生成部１０２に向かう光（第１の光）と被計測面１０３に向かう光（第２の光）とに分離する。次いで、計測装置１００は、参照光生成部１０２で生成された参照光と被計測面１０３で反射された光（計測光）とを干渉させ、かかる干渉光の強度を検出部１０８で検出する。そして、処理部（コンピュータ）１１１は、検出部１０８で検出された干渉光の強度（検出信号）のデータを取得し、そのデータを用いて被計測面１０３の高さを算出する。
【００１７】
計測装置１００の構成及び被計測面１０３の高さを計測するための処理について詳細に説明する。計測装置１００は、ハーフミラー１０４で分離された２つの光のうち一方の光（第１の光）を参照光生成部１０２に平行光（略平行光）で入射させるための光学系１０５を、低コヒーレント光源１０１と参照光生成部１０２との間の光路に有する。図１（ａ）では、光学系１０５は、１つのレンズで構成されているが、複数のレンズや複数のミラーなどで構成されていてもよい。また、図１（ａ）では、低コヒーレント光源１０１とハーフミラー１０４との間の光路に１つの光学系１０５が配置されている。但し、参照光生成部１０２に平行光を入射させるために、複数の光学系１０５を低コヒーレント光源１０１と参照光生成部１０２との間の光路に配置してもよい。
【００１８】
参照光生成部１０２は、光路長差発生部２０１を含み、入射した平行光の光から、かかる光の伝播方向に垂直な断面において、２次元状の光路長差を有する複数の参照光束を含む参照光を生成する。参照光生成部１０２の構成については、後で詳細に説明する。
【００１９】
検出部１０８は、参照光と計測光との干渉光の強度を検出する複数の領域（検出領域）、例えば、ＣＣＤ又はＭＯＳ素子（光電変換素子）を２次元状に配列した２次元ＣＣＤセンサや２次元ＣＭＯＳセンサで構成されている。但し、検出部１０８は、２次元ＣＣＤセンサや２次元ＣＭＯＳセンサに限定されるものではなく、光電変換素子を１次元状に配列した１次元ＣＣＤセンサや１次元ＣＭＯＳセンサを複数個配置して２次元センサを構成してもよい。
【００２０】
光学系（第２の光学系）１０９は、参照光生成部１０２で生成された参照光を、主波長の光が平行光となるように検出部１０８に入射させる。換言すれば、光学系１０９は、参照光生成部１０２で生成された参照光の複数の参照光束のそれぞれが対応する複数の検出領域のそれぞれに入射するように、参照光を検出部１０８に入射させる。なお、主波長の光とは、低コヒーレント光源１０１から射出される複数の波長の光のうち任意の波長の光（例えば、複数の波長の光うち最もエネルギー強度が高い波長の光）を表す。図１（ａ）では、光学系１０９は、ミラー及びハーフミラーで構成されているが、レンズやその他の光学素子を含んでいてもよい。
【００２１】
参照光生成部１０２（光路長差発生部２０１）と検出部１０８との間の光路には、参照光生成部１０２で参照光を生成する際に生じる色分散のうち、主波長に対する色分散を低減するための光学系（第５の光学系）１１０が配置されている。図１（ａ）では、光学系１１０は、１つのレンズで構成されているが、主波長に対する色分散を低減するために、複数のレンズや複数のミラーなどで構成されていてもよい。なお、色分散には回転対称性を有さない成分が含まれるため、光学系１１０は、回転対称軸を有さない非回転対称形状の光学面を有する非回転対称光学素子を少なくとも１つ含むとよい。
【００２２】
光学系（第３の光学系）１０６は、ハーフミラー１０４で分離された２つの光のうち他方の光（第２の光）を被計測面１０３の計測点に集光する。図１（ａ）では、光学系１０６は、１つのレンズで構成されているが、光を被計測面１０３の計測点に集光するために、複数のレンズや複数のミラーなどで構成されていてもよい。また、光学系１０６は、焦点位置を変化させる焦点位置可変機構や焦点位置を最適な位置に自動で変更するオートフォーカス機構を含んでもよい。
【００２３】
光学系（第４の光学系）１０７は、被計測面１０３の計測点で反射された光を検出部１０８に平行光（略平行光）で入射させる。換言すれば、光学系１０９は、被計測面１０３の計測点で反射された光が検出部１０８の複数の検出領域のそれぞれに入射するように、被計測面１０３の計測点で反射された光を計測光として検出部１０８に入射させる。図１（ａ）では、光学系１０７は、１つのレンズで構成されているが、複数のレンズや複数のミラーなどで構成されていてもよい。また、図１（ａ）では、光学系１０６と光学系１０７とは、異なる光学系で構成されているが、図１（ｂ）に示すように、１つの光学系１１２で構成してもよい。光学系１１２は、光学系１０６の機能と光学系１０７の機能とを有する。
【００２４】
計測装置１００において、被計測面１０３の計測点で反射された光のうち検出部１０８の複数の検出領域のそれぞれに入射する光（計測光）は、計測点から略等しい光路長で（即ち、光路長差がなく）検出部１０８（の検出領域）に入射する。一方、参照光に含まれる複数の参照光束のそれぞれは、検出部１０８の対応する複数の領域のそれぞれに入射し、その光路長は、検出部１０８（の検出領域）において２次元状の分布を有する。また、参照光においては、光学系１１０によって主波長に対する色分散が低減されているため、主波長以外の波長の光の光路長は、検出部１０８（の検出領域）において主波長の光路長と略等しい２次元状の分布を有する。従って、検出部１０８の各検出領域では、それぞれ異なる光路長を有する参照光束とそれぞれ略等しい光路長を有する計測光との干渉光の強度が検出される。
【００２５】
検出部１０８で検出される干渉光の強度は、参照光束の光路長と計測光の光路長とが一致した場合に最大値となり、参照光束の光路長と計測光の光路長との差（光路長差）が大きくなるにつれて減衰振動する。従って、処理部１１１は、干渉光の強度が最大値となる参照光束の光路長を求めることによって、被計測面１０３の計測点までの高さ（高さ情報）を得ることができる。但し、実際には、減衰振動が最大値となる参照光束の光路長を求めることは難しいため、処理部１１１は、幾つかの計測結果から減衰振動の包絡線を求め、かかる包絡線の頂点位置を最大値の位置として被計測面１０３の計測点の高さに変換している。
【００２６】
減衰運動の包絡線を高精度に求めるためには、一般的に、参照光束の光路長を主波長λの１／８程度の間隔で変化させて干渉光の強度を検出する必要がある。ここで、特許文献１及び２や非特許文献１などの従来技術では、参照光束の光路長差が１次元状の分布となっている。従って、かかる参照光束が入射する検出部の検出領域（画素）の数をｍ個とし、各検出領域のそれぞれに光路長がｄだけ異なる参照光束が入射するとすれば、検出部で検出可能な高さの範囲は、以下の式１で表される。
【００２７】
ｄ×ｍ    ・・・（式１）
従って、従来技術では、計測可能な被計測面の高さの範囲（計測範囲）も式１で表される範囲に限定されてしまう。例えば、ｄをλ／８とした場合、被計測面（の計測点）が計測装置の基準位置からｍ×λ／８の範囲内に存在しないと、被計測面の高さを計測することができない。また、計測範囲を拡大するためにｄを大きな値にした場合、被計測面の高さを高精度に計測することができない。
【００２８】
一方、本実施形態における計測装置１００では、上述したように、参照光束の光路長差が２次元状の分布となっている。従って、かかる参照光束が入射する検出部１０８の検出領域（画素）の数はｍ×ｎ個となり、検出部１０８で検出可能な高さの範囲は、以下の式２で表される。
【００２９】
ｄ×ｍ×ｎ    ・・・（式２）
例えば、検出部１０８の各検出領域Ｐ１１乃至Ｐｎｍの一例を図２（ａ）に示す。図２（ａ）を参照するに、参照光束のそれぞれが入射する検出部１０８の検出領域はｍ×ｎ個であり、各検出領域Ｐ１１乃至Ｐｎｍに入射する参照光束の光路長はｄだけ異なっている。従って、計測装置１００は、従来技術と比較して、計測可能な被計測面１０３の高さの範囲（計測範囲）を約ｎ倍としながらも、被計測面１０３の高さを高精度に計測することができる。
【００３０】
図２（ｂ）は、検出部１０８の各検出領域Ｐ１１乃至Ｐｎｍと、各検出領域Ｐ１１乃至Ｐｎｍで検出された干渉光の強度との関係を示す図である。ここでは、検出領域Ｐ１１に入射する参照光束の光路長が最も短く、検出領域Ｐ１２、Ｐ１３、・・・、Ｐ１ｍ、Ｐ２１、Ｐ２２、・・・、Ｐ２ｍ、・・・、Ｐｎ１、Ｐｎ２、・・・、Ｐｎｍの順に、入射する参照光束の光路長がｄだけ長くなるものとする。図２（ｂ）では、検出部１０８で検出された干渉光の強度を、参照光束の光路長が短い順にプロットしている。従って、図２（ｂ）における横軸は、参照光束の光路長に変換することが可能である。検出部１０８で検出された干渉光の強度から被計測面１０３（の計測点）の高さを求めるためには、上述したように、図２（ｂ）に太線で示す包絡線を演算などによって求める。そして、かかる包絡線の最大値の位置に相当する参照光束の光路長を求めることで、被計測面１０３の高さを得ることができる。換言すれば、処理部１１１において、検出部１０８の複数の検出領域のそれぞれに入射する複数の参照光束のそれぞれが有する光路長と複数の検出領域との対応関係に基づいて、検出部１０８で検出される干渉光の強度から計測点における高さを算出すればよい。
【００３１】
従来技術では、検出部の一方向に配列された検出領域、例えば、検出領域Ｐ１１乃至Ｐ１ｍのみで干渉光の強度（被計測面の高さに関する情報）を検出しているため、ｍ個の干渉光の強度しか得ることができない。従って、図２（ｂ）では、検出領域Ｐ１１乃至Ｐ１ｍで検出された干渉光の強度からは減衰振動が得られず、包絡線を求めることができない。換言すれば、従来技術では、被計測面の高さを求めることができない。一方、本実施形態における計測装置１００では、検出部１０８の検出領域Ｐ１１乃至Ｐｎｍで干渉光の強度を検出しているため、ｍ×ｎ個の干渉光の強度を得ることができ、計測範囲の広範囲化を実現している。
【００３２】
また、従来技術では、式１で表される範囲外に被計測面が存在する場合には、参照光を生成する参照面を駆動して参照光の光路長を変更する、或いは、検出部と被計測面との間の相対的な距離を変更する必要が生じてしまう。従って、参照面を駆動する時間などが必要となるため、被計測面の高さを短時間で計測することができなくなる。一方、本実施形態における計測装置１００では、上述したように、従来技術と比較して、計測可能な被計測面１０３の高さの範囲が約ｎ倍となっているため、上述したような駆動を必要とすることなく、被計測面１０３の高さを短時間で計測することができる。
【００３３】
本実施形態では、検出部１０８の各検出領域Ｐ１１乃至Ｐｎｍに、それぞれｄだけ光路長が異なる参照光束が入射する構成について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、検出部１０８の各検出領域Ｐ１１乃至Ｐｎｍに入射する参照光束の一部の光路長が重複していてもよい。この場合、検出部１０８で検出可能な高さの範囲は、式２で表される範囲から光路長の重複部を除いた範囲となる。
【００３４】
次に、参照光生成部１０２の構成について説明する。参照光生成部１０２は、上述したように、参照光束に２次元状の光路長差を発生させる光路長差発生部２０１を含んでいる。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、参照光生成部１０２の構成の一例を模式的に示す図である。
【００３５】
図３（ａ）を参照するに、ハーフミラー１０４で分離された２つの光のうち参照光生成部１０２に入射する光は、参照光生成部１０２に含まれる光路長差発生部２０１の入射口２１０に入射し、光路長差発生部２０１の射出口２１１から射出される。光路長差発生部２０１の射出口２１１から射出された光は、光学系２０２を介して、参照光生成部１０２から射出される。光学系２０２は、参照光生成部１０２から射出される光の方向（射出方向）を選択するために配置されている。図３（ａ）では、光学系２０２は、１つのミラーで構成されているが、複数のレンズや複数のミラーなどで構成されていてもよい。また、図１（ａ）では、光学系１１０は、参照光生成部１０２と光学系１０９との間の光路に配置されている。但し、光学系１１０は、光路長差発生部２０１と検出部１０８との間の光路に配置されていればよく、例えば、図３（ａ）に示すように、参照光生成部１０２に含まれていてもよい。
【００３６】
また、式２で表される計測範囲を更に広範囲化したい場合には、参照光生成部１０２の構成を図３（ｂ）に示す構成にすればよい。図３（ｂ）に示す参照光生成部１０２は、図３（ａ）に示す構成に加えて、光学系２０３と、光学系２０３を駆動する駆動部（不図示）とを有する。図３（ｂ）に示す参照光生成部１０２においては、駆動部によって光学系２０３を駆動することで検出部１０８までの光路長を変更する（例えば、長くする）ことが可能となり、計測範囲の更なる広範囲化を実現することができる。図３（ｂ）では、光学系２０３は、２つのミラーで構成されているが、検出部１０８までの光路長を変更するために、レンズやその他の光学素子を含んでいてもよい。
【００３７】
また、図３（ｂ）に示す参照光生成部１０２において、ｄ（光路長差）を波長以上の値に設定し、駆動部による光学系２０３の駆動量の刻み（単位駆動量）を波長以下に設定することによって、計測範囲の更なる広範囲化を実現することも可能である。
【００３８】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、光路長差発生部２０１の構成の一例を模式的に示す図である。光路長差発生部２０１は、入射口２１０を形成する入射窓ＩＷと射出口２１１を形成する射出窓ＥＷとの間の距離（即ち、長さ）が互いに異なる複数の光導波路ＬＧを含む。また、複数の光導波路ＬＧは、例えば、光ファイバで構成され、それぞれの射出口ＥＷが第１の方向（例えば、ｙ軸方向）及び第１の方向に直交する第２の方向（例えば、ｚ軸方向）に沿うように、２次元状に配列される。具体的には、光路長差発生部２０１は、図４（ａ）に示すように、入射窓ＩＷ及び射出窓ＥＷをｙ軸方向に沿って一列に配列させた光導波路ＬＧを含む複数の層Ａ１乃至ＡＨを、ｚ軸方向に積層して構成されている。また、図４（ｂ）に示すように、層Ａ１に含まれる複数の光導波路ＬＧのそれぞれの入射窓ＩＷと射出窓ＥＷとの間の距離は、互いにｄだけ異なる。同様に、層Ａ２乃至ＡＨのそれぞれに含まれる光導波路ＬＧのそれぞれの入射窓ＩＷと射出窓ＥＷとの間の距離は、互いにｄだけ異なる。なお、各層Ａ１乃至ＡＨのそれぞれに含まれる光導波路ＬＧのそれぞれの入射窓ＩＷと射出窓ＥＷとの間の距離は重複しないことが好ましいが、製造難易度などの観点から重複があってもよい。
【００３９】
図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照するに、光路長差発生部２０１の入射口２１０から入射した光は、２次元状に配列された互いに異なる長さの光導波路ＬＧを通過する。従って、光路長差発生部２０１の射出口２１１から射出される光は、２次元状の光路長差を有することになる。
【００４０】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、参照光生成部１０２の別の構成の一例を模式的に示す図である。参照光生成部１０２は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、光路長差発生部２０１として、第１の光路長差発生部２０１Ａと、第２の光路長差発生部２０１Ｂとを含んでいる。第１の光路長差発生部２０１Ａ及び第２の光路長差発生部２０１Ｂのそれぞれは、後述するように、少なくとも１つの回折光学素子を含む。
【００４１】
図５（ａ）を参照するに、ハーフミラー１０４で分離された２つの光のうち参照光生成部１０２に入射する光は、第１の光路長差発生部２０１Ａの入射口２１０に入射し、第１の光路長差発生部２０１Ａの射出口２１２から射出される。また、第１の光路長差発生部２０１Ａの射出口２１２から射出された光は、第２の光路長差発生部２０１Ｂの入射口２１３に入射し、第２の光路長差発生部２０１Ｂの射出口２１１から射出される。第２の光路長差発生部２０１Ｂの射出口２１１から射出された光は、光学系２０２を介して、参照光生成部１０２から射出される。
【００４２】
また、式２で表される計測範囲を更に広範囲化したい場合には、参照光生成部１０２の構成を図５（ｂ）に示す構成にすればよい。図５（ｂ）に示す参照光生成部１０２は、図５（ａ）に示す構成に加えて、光学系２０３と、光学系２０３を駆動する駆動部（不図示）とを有する。図５（ｂ）に示す参照光生成部１０２においては、上述したように、駆動部によって光学系２０３を駆動することで検出部１０８までの光路長を変更する（例えば、長くする）ことが可能となり、計測範囲の更なる広範囲化を実現することができる。
【００４３】
また、図５（ｂ）に示す参照光生成部１０２において、ｄ（光路長差）を波長以上の値に設定し、駆動部による光学系２０３の駆動量の刻み（単位駆動量）を波長以下に設定することによって、計測範囲の更なる広範囲化を実現することも可能である。
【００４４】
図６は、第１の光路長差発生部２０１Ａの構成を模式的に示す図である。図６を参照するに、入射口２１０から入射した光は、ミラー２３０で偏向されて第１の回折光学素子２２０に入射し、第１の回折光学素子２２０で回折される。第１の回折光学素子２２０で回折された光は、光学系１１０を介して、ミラー２３１、２３２及び２３３で偏向される。ミラー２３３で偏向された光は、ｙ軸方向に光を偏向するミラー２１２Ａを介して、射出口２１２から射出される。なお、図６では、第１の光路長差発生部２０１Ａは、１つの回折光学素子（第１の回折光学素子２２０）を含む構成であるが、複数の回折光学素子を含む構成であってもよい。また、ミラー２１２Ａ、２３０乃至２３３は、図６に示す構成に限定されるものではなく、入射口２１０から入射した光が第１の回折光学素子２２０を通過して射出口２１２に導光される構成であればよい。また、図１（ａ）では、光学系１１０は、参照光生成部１０２と光学系１０９との間の光路に配置されている。但し、光学系１１０は、第１の光路長差発生部２０１Ａと検出部１０８との間の光路に配置されていればよく、例えば、図６に示すように、第１の光路長差発生部２０１Ａに含まれていてもよい。なお、色分散は第１の回折光学素子２２０において発生するため、図６に示すように、光の伝播方向に沿って、第１の回折光学素子２２０に隣接して配置するとよい。
【００４５】
第１の回折光学素子２２０は、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、光を回折するための（即ち、回折光を発生させるための）繰り返しパターンをｘｙ平面上に有する。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の回折光学素子２２０の構成の一例を模式的に示す図である。図７（ａ）は、第１の回折光学素子２２０のｘｙ平面への投影図であり、図７（ｂ）は、第１の回折光学素子２２０のｘｚ平面への投影図である。
【００４６】
第１の回折光学素子２２０においては、ｘ軸方向（第１の方向）に繰り返しパターンが形成されている。以下では、繰り返しパターンが形成される方向を繰り返し方向と称する。また、第１の回折光学素子２２０において、繰り返しパターンは、主波長に対して任意の回折光を選択的に発生させる形状を有する。
【００４７】
図７は、第２の光路長差発生部２０１Ｂの構成を模式的に示す図である。第１の光路長差発生部２０１Ａの射出口２１２から射出された光は、第２の光路長差発生部２０１Ｂの入射口２１３に入射し、ミラー２３４で偏向される。ミラー２３４で偏向された光は、第２の回折光学素子２２２で回折され、光学系１１０を介して、ミラー２３５及び２３６で偏向され、射出口２１１から射出される。なお、図７では、第２の光路長差発生部２０１Ｂは、１つの回折光学素子（第２の回折光学素子２２２）を含む構成であるが、複数の回折光学素子を含む構成であってもよい。また、ミラー２３４乃至２３６は、図８に示す構成に限定されるものではなく、入射口２１３から入射した光が第２の回折光学素子２２２を通過して射出口２１１に導光される構成であればよい。また、図１（ａ）では、光学系１１０は、参照光生成部１０２と光学系１０９との間の光路に配置されている。但し、光学系１１０は、第２の光路長差発生部２０１Ｂと検出部１０８との間の光路に配置されていればよく、例えば、図８に示すように、第２の光路長差発生部２０１Ｂに含まれていてもよい。なお、色分散は第２の回折光学素子２２２において発生するため、図８に示すように、光の伝播方向に沿って、第２の回折光学素子２２２に隣接して配置するとよい。
【００４８】
第２の回折光学素子２２２においては、ｙ軸方向（第２の方向）に光を回折するための（即ち、回折光を発生させるための）繰り返しパターンが形成されている。また、第２の光路長差発生部２０１Ｂにおいて、第２の回折光学素子２２２は、第２の回折光学素子２２２の繰り返し方向が第１の回折光学素子２２０の繰り返し方向に直交するように、配置される。従って、第１の光路長差発生部２０１Ａでは、第１の回折光学素子２２０の繰り返し方向に分布を有する光路長差が発生し、第２の光路長差発生部２０１Ｂでは、第２の回折光学素子２２２の繰り返し方向に分布を有する光路長差が発生する。
【００４９】
ここで、図６を参照して、第１の光路長差発生部２０１Ａを幾何学的に説明する。第１の光路長差発生部２０１Ａでは、第１の回折光学素子２２０の繰り返し方向がｘｚ平面内に存在することによって、入射光はｘｚ平面内において最大で距離Ｌ１だけ異なる光路を通過する。従って、第１の回折光学素子２２０で回折された光には、繰り返し方向に対して最大で距離Ｌ１の光路長差が生じている。
【００５０】
同様に、図８を参照して、第２の光路長差発生部２０１Ｂを幾何学的に説明する。第２の光路長差発生部２０１Ｂでは、第２の回折光学素子２２２の繰り返し方向がｙ軸内に存在することによって、入射光はｘｙ平面内において最大で距離Ｌ３だけ異なる光路を通過する。従って、第２の回折光学素子２２２で回折された光には、繰り返し方向に対して最大で距離Ｌ３の光路長差が生じている。
【００５１】
このように、第１の光路長差発生部２０１Ａと第２の光路長差発生部２０１Ｂとは、互いに異なる２つの方向に分布を有する光路長を発生させる。換言すれば、第１の回折光学素子２２０の繰り返し方向と第２の回折光学素子２２２の繰り返し方向とを直交させることによって、第１の光路長差発生部２０１Ａと第２の光路長差発生部２０１Ｂとでは、互いに直交する２方向に分布を有する光路長が発生する。従って、第２の光路長差発生部２０１Ｂの射出口２１１から射出された光は、２次元状の光路長差を有することになる。
【００５２】
なお、図６及び図８では、第１の光路長差発生部２０１Ａ及び第２の光路長差発生部２０１Ｂは、透過型の回折光学素子を有しているが、これに限定されるものではない。例えば、図９及び図１０に示すように、第１の光路長差発生部２０１Ａ及び第２の光路長差発生部２０１Ｂは、反射型の回折光学素子を有していてもよい。図９は、第１の光路長差発生部２０１Ａの別の構成を模式的に示す図である。図１０は、第２の光路長差発生部２０１Ｂの別の構成を模式的に示す図である。
【００５３】
図９に示す第１の光路長差発生部２０１Ａは、透過型の第１の回折光学素子２２０の代わりに反射型の第１の回折光学素子２２１を有する。また、図１０に示す第２の光路長差発生部２０１Ｂは、透過型の第２の回折光学素子２２２の代わりに反射型の第２の回折光学素子２２３を有する。第１の回折光学素子２２１の繰り返し方向はｘｚ平面内に存在し、第２の回折光学素子２２３の繰り返し方向はｘｙ平面内に存在する。
【００５４】
図９を参照して、第１の光路長差発生部２０１Ａを幾何学的に説明する。第１の光路長差発生部２０１Ａでは、第１の回折光学素子２２１の繰り返し方向がｘｚ平面内に存在することによって、第１の回折光学素子２２１で回折された光には、繰り返し方向に対して最大で距離Ｌ２の光路長差が生じている。
【００５５】
同様に、図１０を参照して、第２の光路長差発生部２０１Ｂを幾何学的に説明する。第２の光路長差発生部２０１Ｂでは、第２の回折光学素子２２３の繰り返し方向がｘｙ平面内に存在することによって、第２の回折光学素子２２３で回折された光には、繰り返し方向に対して最大で距離Ｌ４の光路長差が生じている。
【００５６】
従って、第１の回折光学素子２２１の繰り返し方向と第２の回折光学素子２２３の繰り返し方向とを直交させることによって、第１の光路長差発生部２０１Ａと第２の光路長差発生部２０１Ｂとでは、互いに直交する２方向に分布を有する光路長が発生する。従って、第２の光路長差発生部２０１Ｂの射出口２１１から射出された光は、２次元状の光路長差を有することになる。
【００５７】
このように、図６又は図９に示す第１の光路長差発生部２０１Ａと、図８又は図１０に示す第２の光路長差発生部２０１Ｂとを適当に組み合わせることによって、２次元状の光路長差を有する光を生成することができる。
【００５８】
図１１は、光路長差発生部２０１の別の構成の一例を模式的に示す図である。図１１に示す光路長差発生部２０１は、後述するように、少なくとも１つの回折光学素子を含む。
【００５９】
図１１を参照するに、入射口２１０から入射した光は、回折光学素子２２４で回折され、光学系１１０を介して、ミラー２３６及び２３７で偏向され、射出口２１１から射出される。なお、ミラー２３６及び２３７は、図１１に示す構成に限定されるものではなく、入射口２１０から入射した光が回折光学素子２２４を通過して射出口２１１に導光される構成であればよい。また、図１（ａ）では、光学系１１０は、参照光生成部１０２と光学系１０９との間の光路に配置されている。但し、光学系１１０は、第１の光路長差発生部２０１と検出部１０８との間の光路に配置されていればよく、例えば、図１０に示すように、光路長差発生部２０１に含まれていてもよい。なお、色分散は回折光学素子２２４において発生するため、図１０に示すように、光の伝播方向に沿って、回折光学素子２２４に隣接して配置するとよい。また、回折光学素子２２４では、後述するように、異なる２つの方向に対して色分散が発生するため、図１０に示すように、光学系１１０は、少なくとも２つの光学素子を含むとよい。
【００６０】
回折光学素子２２４は、図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）に示すように、光を回折するための繰り返しパターンを互いに直交する２つの方向に有する。図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）は、回折光学素子２２４の構成の一例を模式的に示す図である。図１２（ａ）は、回折光学素子２２４のｘｙ平面への投影図であり、図１２（ｂ）は、回折光学素子２２４のｘｚ平面への投影図であり、図１２（ｃ）は、回折光学素子２２４の斜視図である。
【００６１】
回折光学素子２２４の２つの繰り返し方向のうち、一方の繰り返し方向は、図１２（ａ）に矢印で示すようにｘｙ平面内に存在し、他方の繰り返し方向は、図１２（ｂ）に矢印で示すようにｘｚ平面内に存在する。このように、回折光学素子２２４は、互いに直交する２つの方向に繰り返し方向を有するため、回折光学素子２２４で回折された光は、２次元状の光路長差を有する。具体的には、回折光学素子２２４に入射した光は、段差構造ｃ１１乃至ｃｎｍを通過する。ここで、段差構造ｃ１１乃至ｃｎｍは、空気の屈折率とは異なる屈折率を有し、光の伝播方向にそれぞれに異なる長さを有する。従って、段差構造ｃ１１乃至ｃｎｍのそれぞれを通過した光は、異なる光路長を有する。換言すれば、回折光学素子２２４で回折された光には、段差構造ｃ１１乃至ｃｎｍの配置に応じて、２次元状の光路長差が生じる。
【００６２】
なお、図１１では、光路長差発生部２０１は、透過型の回折光学素子を有しているが、これに限定されるものではない。例えば、図１３に示すように、光路長差発生部２０１は、反射型の回折光学素子を有していてもよい。図１３は、光路長差発生部２０１の別の構成を模式的に示す図である。
【００６３】
図１３に示す光路長差発生部２０１は、透過型の回折光学素子２２４の代わりに反射型の回折光学素子２２５を有する。回折光学素子２２５は、回折光学素子２２４と同様に、図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）に示される段差構造をｙ軸に対して反転させた段差構造を有し、その表面には光を反射する反射面が形成されている。従って、回折光学素子２２５に入射した光は、段差構造ｃ１１乃至ｃｎｍの反射面で反射される。ここで、段差構造ｃ１１乃至ｃｎｍの反射面は、光の伝播方向に対して、それぞれ異なる位置に存在しているため、回折光学素子２２５で反射された光には、段差構造ｃ１１乃至ｃｎｍの配置に応じて、２次元状の光路長差が生じる。
【００６４】
なお、図１１及び図１３では、光路長差発生部２０１は、１つの回折光学素子（透過型の回折光学素子２２４又は反射型の回折光学素子２２５）を含む構成であるが、複数の回折光学素子を含む構成であってもよい。
【００６５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図１】
0005743697.tif 000002
【図２】
0005743697.tif 000003
【図３】
0005743697.tif 000004
【図４】
0005743697.tif 000005
【図５】
0005743697.tif 000006
【図６】
0005743697.tif 000007
【図７】
0005743697.tif 000008
【図８】
0005743697.tif 000009
【図９】
0005743697.tif 000010
【図１０】
0005743697.tif 000011
【図１１】
0005743697.tif 000012
【図１２】
0005743697.tif 000013
【図１３】
0005743697.tif 000014