(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１画素、複数の第２画素、複数の第３画素および複数の第４画素を含む撮像素子と、
複数の第１入射領域および複数の第２入射領域を有する干渉素子と、
第１波長帯域の光を前記複数の第１入射領域に入射させ、前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を前記複数の第２入射領域に入射させる光学系と、
を備え、
前記干渉素子は、
前記複数の第１入射領域のうち互いに隣接した２つの第１入射領域に入射した前記第１波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第１画素のいずれかに導き、前記２つの第１入射領域に入射した前記第１波長帯域の光の他の一部を前記複数の第２画素のいずれかに導き、
前記複数の第２入射領域のうち互いに隣接した２つの第２入射領域に入射した前記第２波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第３画素群のいずれかに導き、前記２つの第２入射領域に入射した前記第２波長帯域の光の他の一部を前記複数の第４画素のいずれかに導く、光検出装置。
【請求項２】
前記複数の第１画素が検出した光強度情報および前記複数の第２画素が検出した光強度情報から第１位相差情報を求め、
前記複数の第３画素が検出した光強度情報および前記複数の第４画素が検出した光強度情報から第２位相差情報を求める、演算回路
をさらに備えた、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記演算回路は、前記第１位相差情報および前記第２位相差情報から、第１波長帯域に含まれる第１波長および前記第２波長帯域に含まれる第２波長の等価波長における位相差情報を求める請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記干渉素子は、複数の光結合層を含み、
前記複数の光結合層は、それぞれ、回折格子を有する導波層を備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記干渉素子は、前記２つの第１入射領域の間に位置する第１遮光領域と、前記２つの第２入射領域の間に位置する第２遮光領域とを有し、
前記複数の光結合層は、前記２つの第１入射領域および前記第１遮光領域、または、前記２つの第２入射領域および前記第２遮光領域に対応して位置する光結合層を含み、
前記複数の第２画素は、前記２つの第１入射領域に対応して位置する２つの第２画素を含み、
前記複数の第１画素は、前記第１遮光領域に対応して位置する第１画素を含み、
前記複数の第４画素は、前記２つの第２入射領域に対応して位置する２つの第４画素を含み、
前記複数の第３画素は、前記第２遮光領域に対応して位置する第３画素を含む、請求項４に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記干渉素子は、
第１光伝搬路と、
第２光伝搬路と、
前記第１光伝搬路と前記第２光伝搬路との間を接続する第３光伝搬路を備える、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記第１光伝搬路は、前記２つの第１入射領域の一方または前記２つの第２入射領域の一方からの光が入射する入射部と、前記入射した光の一部を前記複数の第２画素の何れかまたは前記複数の第４画素の何れかに出射する出射部と、を備え、
前記第２光伝搬路は、前記２つの第１入射領域の他方または前記２つの第２入射領域の他方からの光が入射する入射部と、前記入射した光の一部を前記複数の第２画素の何れかまたは前記複数の第４画素の何れかに出射する出射部と、を備える請求項６に記載の光検出装置。
【請求項８】
前記干渉素子は、第４光伝搬路をさらに備え、
前記第４光伝搬路は、前記第３光伝搬路と接続された入射部と、前記入射部から入射した光を前記複数の第１画素のいずれか又は前記複数の第３画素のいずれかに出射する出射部と、を備える請求項７に記載の光検出装置。
【請求項９】
前記光学系は、前記第１波長帯域の光を選択的に透過する複数の第１バンドパスフィルタおよび前記第２波長帯域の光を選択的に透過する複数の第２バンドパスフィルタを有するフィルタアレイを含む、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１０】
前記光学系は、
前記第１波長帯域の光を選択的に透過する第１バンドパスフィルタと、
前記第２波長帯域の光を選択的に透過する第２バンドパスフィルタと、
前記第１バンドパスフィルタを透過した前記第１波長帯域の光を、前記複数の第１入射領域に入射させ、前記第２バンドパスフィルタを透過した前記第２波長帯域の光を、前記複数の第２入射領域に入射させるアレイ状光学素子と、
を備える請求項１に記載の光検出装置。
【請求項１１】
複数の第５画素および複数の第６画素を含む撮像素子と、
複数の第５入射領域を含む干渉素子と、
第１波長帯域の光および前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を出射する照明と、
を備え、
前記干渉素子は、
前記複数の第５入射領域のうち互いに隣接した２つの第５入射領域に入射した前記第１波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第５画素のいずれかに導き、前記２つの第５入射領域に入射した前記第１波長帯域の光の他の一部を前記複数の第６画素のいずれかに導き、
前記２つの第５入射領域に入射した前記第２波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第５画素のいずれかに導き、前記２つの第５入射領域に入射した前記第２波長帯域の光の他の一部を前記複数の第６画素のいずれかに導く、光検出装置。
【請求項１２】
前記照明は、前記第１波長帯域の光および前記第２波長帯域の光を同時に出射する請求項１１に記載の光検出装置。
【請求項１３】
前記照明は、前記第１波長帯域の光および前記第２波長帯域の光を時分割で出射する請求項１１に記載の光検出装置。
【請求項１４】
前記第１、第２および第３光伝搬路は、フォトニック結晶によって構成される請求項６に記載の光検出装置。
【請求項１５】
前記第１、第２、第３および第４光伝搬路は、フォトニック結晶によって構成される請求項８に記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、干渉素子を備えた光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の干渉現象を利用して、物体の形状や距離を高精度かつ非接触で計測する装置が実用化されている。一般にこのような装置では、物体を反射または透過した光（物体光）と参照面を反射した光（参照光）とを干渉させ、生成された干渉光を撮像して観測する。参照面の平面度が十分に保証された状態では、干渉光の干渉縞は物体光の光路長に対応して発生する。光の波長分の光路長の変化により１周期の干渉縞が生ずるので、干渉縞のパターンから物体の計測対象面の立体形状を求めることができる。
【０００３】
光の波長以上の光路長の差は干渉縞の繰り返しとして生じる。物体の計測対象面がなめらかであれば、この干渉縞の数を数えることにより、光の波長を超える光路長の差を見積もることも可能である。
【０００４】
物体の計測対象面に波長を超える段差がある場合には、段差の部分で干渉縞が欠落するので、光路長の差を正しく求めることができない。このような場合の物体の形状の計測方法として、２波長干渉法が知られている。２波長干渉法は、例えば特許文献１や非特許文献１に記載されている。
【０００５】
２波長干渉法は２つの波長の光を用いて干渉計測をする。それぞれの波長の光による干渉縞の画像を独立または同時に撮像し、両方の波長の干渉縞情報をもとに物体の計測対象面の形状を求める。２つの波長をλ1およびλ2とすると、２波長干渉法による実効的な測定波長λeffは以下のようになることが知られている。
【数１】
0006775196.tif 000002
【０００６】
例えば、λ2＝１．１×λ1である場合、λeff＝１１×λ1となり、より大きな段差を正しく見積もることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２２１０３２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｙｅｏｕ−Ｙｅｎ  Ｃｈｅｎｇ  ａｎｄ  Ｊａｍｅｓ  Ｃ．  Ｗｙａｎｔ：”Ｔｗｏ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，  ｖｏｌ．２３，  Ｎｏ．１４，  Ｐ４５３９〜４５４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本開示の、限定的ではない例示的なある実施の形態は、光学部分がより小型で、周囲環境の影響をより受けにくい光検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の一態様にかかる光検出装置は、複数の第１画素、複数の第２画素、複数の第３画素および複数の第４画素を含む撮像素子と、複数の第１入射領域および複数の第２入射領域を有する干渉素子と、第１波長帯域の光を前記複数の第１入射領域に入射させ、前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を前記複数の第２入射領域に入射させる光学系と、を備える。前記干渉素子は、前記複数の第１入射領域のうち互いに隣接した２つの第１入射領域に入射した前記第１波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第１画素のいずれかに導き、前記２つの第１入射領域に入射した前記第１波長帯域の光の他の一部を前記複数の第２画素のいずれかに導き、前記複数の第２入射領域のうち互いに隣接した２つの第２入射領域に入射した前記第２波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第３画素群のいずれかに導き、前記２つの第２入射領域に入射した前記第２波長帯域の光の他の一部を前記複数の第４画素のいずれかに導く。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、光学部分がより小型で、周囲環境の影響をより受けにくい光検出装置が実現し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の第１実施形態に係る、光検出装置の構成の概要図
【図２】本開示の第１実施形態に係る、光学系の具体例を示す図
【図３Ａ】本開示の第１実施形態に係る、光学系の別の具体例を示す図
【図３Ｂ】本開示の第１実施形態に係る、光学系の別の具体例を示す図
【図３Ｃ】本開示の第１実施形態に係る、光学系の別の具体例を示す図
【図３Ｄ】本開示の第１実施形態に係る、光学系の別の具体例を示す図
【図３Ｅ】本開示の第１実施形態に係る、光学系のさらに別の具体例を示す図
【図３Ｆ】本開示の第１実施形態に係る、光学系のさらに別の具体例を示す図
【図４Ａ】本開示の第１実施形態に係る、入射領域群の配置例を示す図
【図４Ｂ】本開示の第１実施形態に係る、入射領域群の配置例を示す図
【図４Ｃ】本開示の第１実施形態に係る、入射領域群の配置例を示す図
【図４Ｄ】本開示の第１実施形態に係る、入射領域群の配置例を示す図
【図４Ｅ】本開示の第１実施形態に係る、入射領域群の配置例を示す図
【図５Ａ】本開示の第１実施形態に係る、干渉素子の具体例を示す図
【図５Ｂ】本開示の第１実施形態に係る、干渉素子の具体例を示す図
【図５Ｃ】本開示の第１実施形態に係る、干渉素子の具体例を示す図
【図５Ｄ】本開示の第１実施形態に係る、干渉素子の具体例を示す図
【図６Ａ】本開示の第１実施形態に係る、干渉素子の別の具体例を示す図
【図６Ｂ】本開示の第１実施形態に係る、干渉素子の別の具体例を示す図
【図６Ｃ】本開示の第１実施形態に係る、干渉素子の別の具体例を示す図
【図６Ｄ】本開示の第１実施形態に係る、干渉素子の別の具体例を示す図
【図７Ａ】本開示の第１実施形態に係る、画素群の配置例を示す図
【図７Ｂ】本開示の第１実施形態に係る、画素群の配置例を示す図
【図７Ｃ】本開示の第１実施形態に係る、画素群の配置例を示す図
【図７Ｄ】本開示の第１実施形態に係る、画素群の配置例を示す図
【図７Ｅ】本開示の第１実施形態に係る、画素群の配置例を示す図
【図８】本開示の第１実施形態に係る、光強度信号の出力例を示す図
【図９】本開示の第１実施形態に係る、演算部の具体例を示す図
【図１０】本開示の第２実施形態に係る、光検出装置の構成の概要図
【図１１】本開示の第３実施形態に係る、光検出装置の構成の概要図
【図１２】本開示の実施例に係る、干渉素子の構成を示す図
【図１３】本開示の実施例に係る、入射光の位相差と干渉光および透過光の強度との関係を示す図
【図１４Ａ】本開示の第１実施例に係る、被測定物体（サンプル）の形状を示す図
【図１４Ｂ】本開示の第１実施例に係る、被測定物体（サンプル）の形状を示す図
【図１５Ａ】本開示の第１実施例に係る、第１画素群の各画素に入射した光の強度を示す図
【図１５Ｂ】本開示の第１実施例に係る、第２画素群の各画素に入射した光の強度を示す図
【図１５Ｃ】本開示の第１実施例に係る、第３画素群の各画素に入射した光の強度を示す図
【図１５Ｄ】本開示の第１実施例に係る、第４画素群の各画素に入射した光の強度を示す図
【図１６Ａ】本開示の第１実施例に係る、中心波長λ1における位相差絶対値の分布を示す図
【図１６Ｂ】本開示の第１実施例に係る、中心波長λ2における位相差絶対値の分布を示す図
【図１７Ａ】本開示の第１実施例に係る、中心波長λ1における位相差値の分布を示す図
【図１７Ｂ】本開示の第１実施例に係る、中心波長λ2における位相差値の分布を示す図
【図１８】本開示の第１実施例に係る、等価波長λeff2における位相差値の分布を示す図
【図１９】本開示の第１実施例に係る、等価波長λeff2における位相値の分布を示す図
【図２０Ａ】本開示の第１実施例に係る、中心波長λ1における位相値の分布を示す図
【図２０Ｂ】本開示の第１実施例に係る、中心波長λ2における位相値の分布を示す図
【図２１】本開示の第１実施例に係る、等価波長λeff2で復元したサンプル形状を示す図
【図２２Ａ】本開示の第１実施例に係る、中心波長λ1で復元したサンプル形状を示す図
【図２２Ｂ】本開示の第１実施例に係る、中心波長λ2で復元したサンプル形状を示す図
【図２３】本開示の第２実施例に係る、被測定物体（サンプル）の形状を示す図
【図２４Ａ】本開示の第２実施例に係る、中心波長λ1における被測定物体の段差と干渉光および透過光の強度との関係を示す図
【図２４Ｂ】本開示の第２実施例に係る、中心波長λ2における被測定物体の段差と干渉光および透過光の強度との関係を示す図
【図２５Ａ】本開示の第２実施例に係る、中心波長λeffにおける被測定物体の段差と干渉光強度との関係を示す図
【図２５Ｂ】本開示の第２実施例に係る、中心波長λeffにおける被測定物体の段差と透過光強度との関係を示す図
【図２６】照明光とバンドパスフィルタの関係の一例を示す図
【図２７】照明光とバンドパスフィルタの関係の他の例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本開示の一態様に至った経緯）
本開示は、光の干渉現象を利用して、物体の形状や距離に関連する情報を画像として取得する光検出装置に関する。特に波長を超える段差や形状の変化を、画像として高精度に計測できる光検出装置に関する。本発明者らは、特許文献１および非特許文献１に開示された従来の光検出装置を詳細に検討した。これらの文献に開示された光検出装置によれば、干渉光を発生させるためのハーフミラーが必須であり、撮像管または撮像素子が波長ごとに必要になる場合もある。このため、光検出装置における光学系を小型化するには限界があると考えられる。また、光路が所定の空間中に存在することから空気の対流、光学系の振動など周囲環境の変化や影響を受けやすいと考えられる。
【００１４】
このような課題に鑑み、本発明者らは、光学系の小型化が可能であり、周囲環境の影響を受けにくい、新規な光検出装置を想到した。
【００１５】
本開示の一態様の光検出装置は、複数の第１画素、複数の第２画素、複数の第３画素および複数の第４画素を含む撮像素子と、複数の第１入射領域および複数の第２入射領域を有する干渉素子と、第１波長帯域の光を前記複数の第１入射領域に入射させ、前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を前記複数の第２入射領域に入射させる光学系と、を備えている。前記干渉素子は、前記複数の第１入射領域のうち互いに隣接した２つの第１入射領域に入射した前記第１波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第１画素のいずれかに導き、前記２つの第１入射領域に入射した前記第１波長帯域の光の他の一部を前記複数の第２画素のいずれかに導き、前記複数の第２入射領域のうち互いに隣接した２つの第２入射領域に入射した前記第２波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第３画素群のいずれかに導き、前記２つの第２入射領域に入射した前記第２波長帯域の光の他の一部を前記複数の第４画素のいずれかに導く。
【００１６】
ここで、「第１波長帯域の光」とは、第１波長帯域に含まれる何れかの波長を有する光である。また、「第２波長帯域の光」とは、第２波長帯域に含まれる何れかの波長を有する光である。よって、第１および第２波長帯域の光は、単波長の光であってもよく、また、所定の帯域幅を有する光であってもよい。
【００１７】
光検出装置は、前記複数の第１画素が検出した光強度情報および前記複数の第２画素が検出した光強度情報から第１位相差情報を求め、前記複数の第３画素が検出した光強度情報および前記複数の第４画素が検出した光強度情報から第２位相差情報を求める、演算回路をさらに備えていてもよい。
【００１８】
前記演算回路は、前記第１位相差情報および前記第２位相差情報から、第１波長帯域に含まれる第１波長および前記第２波長帯域に含まれる第２波長の等価波長における位相差情報を求めてもよい。
【００１９】
前記干渉素子は、複数の光結合層を含み、前記複数の光結合層は、それぞれ、回折格子を有する導波層を備えていてもよい。
【００２０】
前記干渉素子は、前記２つの第１入射領域の間に位置する第１遮光領域と、前記２つの第２入射領域の間に位置する第２遮光領域とを有していてもよい。前記複数の光結合層は、前記２つの第１入射領域および前記第１遮光領域、または、前記２つの第２入射領域および前記第２遮光領域に対応して位置する光結合層を含んでいてもよい。前記複数の第２画素は、前記２つの第１入射領域に対応して位置する２つの第２画素を含んでいてもよい。前記複数の第１画素は、前記第１遮光領域に対応して位置する第１画素を含んでいてもよい。前記複数の第４画素は、前記２つの第２入射領域に対応して位置する２つの第４画素を含んでいてもよい。前記複数の第３画素は、前記第２遮光領域に対応して位置する第３画素を含んでいてもよい。
【００２１】
前記干渉素子は、第１光伝搬路と、第２光伝搬路と、前記第１光伝搬路と前記第２光伝搬路との間を接続する第３光伝搬路を備えていてもよい。
【００２２】
前記第１光伝搬路は、前記２つの第１入射領域の一方または前記２つの第２入射領域の一方からの光が入射する入射部と、前記入射した光の一部を前記複数の第２画素の何れかまたは前記複数の第４画素の何れかに出射する出射部と、を備えていてもよい。前記第２光伝搬路は、前記２つの第１入射領域の他方または前記２つの第２入射領域の他方からの光が入射する入射部と、前記入射した光の一部を前記複数の第２画素の何れかまたは前記複数の第４画素の何れかに出射する出射部と、を備えていてもよい。
【００２３】
前記干渉素子は、第４光伝搬路をさらに備え、前記第４光伝搬路は、前記第３光伝搬路と接続された入射部と、前記入射部から入射した光を前記複数の第１画素のいずれか又は前記複数の第３画素のいずれかに出射する出射部と、を備えていてもよい。
【００２４】
前記光学系は、前記第１波長帯域の光を選択的に透過する複数の第１バンドパスフィルタおよび前記第２波長帯域の光を選択的に透過する複数の第２バンドパスフィルタを有するフィルタアレイを含んでいてもよい。
【００２５】
前記光学系は、前記第１波長帯域の光を選択的に透過する第１バンドパスフィルタと、前記第２波長帯域の光を選択的に透過する第２バンドパスフィルタと、前記第１バンドパスフィルタを透過した前記第１波長帯域の光を、前記複数の第１入射領域に入射させ、前記第２バンドパスフィルタを透過した前記第２波長帯域の光を、前記複数の第２入射領域に入射させるアレイ状光学素子と、を備えていてもよい。
【００２６】
本開示の他の態様の光検出装置は、複数の第５画素および複数の第６画素を含む撮像素子と、複数の第５入射領域を含む干渉素子と、第１波長帯域の光および前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を出射する照明と、を備えている。前記干渉素子は、前記複数の第５入射領域のうち互いに隣接した２つの第５入射領域に入射した前記第１波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第５画素のいずれかに導き、前記２つの第５入射領域に入射した前記第１波長帯域の光の他の一部を前記複数の第６画素のいずれかに導き、前記２つの第５入射領域に入射した前記第２波長帯域の光の一部を干渉させて、前記干渉した光を前記複数の第５画素のいずれかに導き、前記２つの第５入射領域に入射した前記第２波長帯域の光の他の一部を前記複数の第６画素のいずれかに導く。
【００２７】
前記照明は、前記第１波長帯域の光および前記第２波長帯域の光を同時に出射してもよい。前記照明は、前記第１波長帯域の光および前記第２波長帯域の光を時分割で出射してもよい。
【００２８】
前記第１、第２および第３光伝搬路は、フォトニック結晶によって構成されていてもよい。前記第１、第２、第３および第４光伝搬路は、フォトニック結晶によって構成されていてもよい。
【００２９】
以下、図面を参照しながら、本開示による光検出装置の実施形態を具体的に説明する。
【００３０】
（第１実施形態の概要）
図１は、本開示の第１実施形態に係る光検出装置の構成の概要を示す模式図である。光検出装置は、光学系１０１、干渉素子１０６および撮像素子１０９を備える。説明のため、この図では干渉素子および撮像素子は断面で示させている。また図の理解を容易にするため、図１以降の各図には、ｘｙｚ方向の３軸の向き（左手系）を併記している。各構成部分の具体例は後述する。
【００３１】
撮像素子１０９は複数の画素をそれぞれ有する第１、第２、第３および第４画素群１１０、１１１、１１２、１１３を含む。立体形状や距離を正確に測定したい対象物からの反射光は、入射光として光学系１０１に入射する。
【００３２】
光学系１０１は、第１波長帯域の光１０２および第２波長帯域の光１０３を干渉素子１０６に入射させる。干渉素子１０６は、複数の入射領域をそれぞれ有する第１入射領域群１０４および第２入射領域群１０５を含む。光学系１０１は、第１波長帯域の光１０２を主として干渉素子１０６の第１入射領域群１０４に入射させる。また光学系１０１は、第２波長帯域の光１０３を主として第２入射領域群１０５に入射させる。
【００３３】
ここで第２波長帯域の光１０３は、第１波長帯域の光１０２とその中心波長が異なっている。また第２波長帯域の光１０３の帯域と第１波長帯域の光１０２の帯域とは重ならないことが、物体の段差や形状をより正確に求められる点でより好ましい。また、第１波長帯域の光１０２および第２波長帯域の光１０３の帯域幅はそれぞれ２０ｎｍ以下であることが、二つの波長帯域の光の中心波長を近づけて計測範囲を広げられる点でより好ましく、５ｎｍ以下であればさらに好ましい。
【００３４】
干渉素子１０６に存在する第１入射領域群１０４および第２入射領域群１０５は、少なくとも光を透過させることのできる開口部があればよく、物理的な構造物が存在しなくてもよい。また、第１入射領域群１０４と第２入射領域群１０５が物理的に同じものであってもよい。本明細書で「第１」入射領域群と「第２」入射領域群とを分けて説明しているのは、各入射領域群に入射する光の性質が異なるからである。
【００３５】
第１入射領域群１０４に入射した光のうち、隣接する少なくとも１対の入射領域から入射した光の一部を、干渉素子１０６内で互いに干渉させて、干渉光１０７として撮像素子１０９側に放射させる。また、上記１対の入射領域から入射した光の別の一部は、干渉させずに透過光１０８として直接撮像素子１０９側に放射させる。第２入射領域群１０５に入射した光についても、第１入射領域群１０４に入射した光と同様に、干渉光１０７および透過光１０８として撮像素子１０９側に放射させる。
【００３６】
干渉素子１０６と撮像素子１０９との距離は、干渉光１０７および透過光１０８を効率良く撮像素子の各画素に入射させる（すなわち結合効率を高める）ために、近接させることが望ましい。距離は１００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であればさらに好ましい。
【００３７】
第１波長帯域の光１０２から生成された干渉光１０７を、主として撮像素子１０９内の第１画素群１１０に導き、透過光１０８を主として第２画素群１１１に導く。同様に第２波長帯域の光１０３から生成された干渉光１０７と透過光１０８を、主としてそれぞれ第３画素群１１２と第４画素群１１３に導く。
【００３８】
ここで第１〜第４画素群１１０〜１１３は、フォトダイオードなどの光検出器であればよく、いずれも物理的に同じ構造の検出器であってもよい。本明細書で「第１」〜「第４」の画素群を分けて説明しているのは、各画素群に入射する光の性質が異なるからである。
【００３９】
光検出装置は、撮像素子１０９から得られる電気的信号を処理するために、第１演算部１１４、第２演算部１１５および第３演算部１１８をさらに備える。第１画素群１１０および第２画素群１１１に入射した光の強度情報は、電気信号として第１演算部１１４に入力される。第１演算部１１４は入力された信号をもとにして、第１位相差情報１１６を算出し出力する。これは第１波長帯域の中心波長（すなわち従来例のλ1）に対する位相差
情報に相当する。
【００４０】
同様にして、第３画素群１１２および第４画素群１１３に入射した光の強度情報は、電気信号として第２演算部１１５に入力される。第２演算部１１５は入力された信号をもとにして、第２位相差情報１１７を算出し出力する。これは第２波長帯域の中心波長（すなわち従来例のλ2）に対する位相差情報に相当する。
【００４１】
第３演算部１１８では、第１位相差情報１１６および第２位相差情報１１７をもとにして、等価位相差情報１１９（すなわち従来例のλeffに対する位相差情報）を算出し出力する。
【００４２】
このような構成により、光学部分がより小型で、周囲環境の影響をより受けにくく、光の波長を超える段差のある物体でも誤りなく形状を測定できる光検出装置を実現できる。
【００４３】
（光学系の具体構成例）
次に、光学系１０１の具体的な構成例について、図２および図３Ａ〜図３Ｆを参照しながら説明する。
【００４４】
図２は光学系１０１の一部としてフィルタアレイを備える。フィルタアレイは、干渉素子１０６の光入射側に近接して配置された複数の第１バンドパスフィルタ２０１および複数の第２バンドパスフィルタ２０２を含む。第１バンドパスフィルタ２０１は第１波長帯域の光を透過する波長特性を有し、第１入射領域群１０４に隣接して配置されている。第２バンドパスフィルタ２０２は第２波長帯域の光を透過する波長特性を有し、第２入射領域群１０５に隣接して配置されている。バンドパスフィルタは例えば誘電体多層膜や顔料を成膜することで作製する。光学系１０１のうち、バンドパスフィルタが存在しない領域は遮光領域であることが好ましい。
【００４５】
図３Ａから図３Ｄは、光学系１０１が、瞳領域近傍に設けられたバンドパスフィルタとアレイ状光学素子を含む例を示す。光学系１０１は、瞳領域を有する絞り３０６と、フィルタアレイ３０７と、レンズ３０４と、アレイ状光学素子３０５とを含む。図３Ａは光学系１０１の構成の概略を示し、図３Ｂはフィルタアレイ３０７の平面構造を示す。図３Ｃは、アレイ状光学素子３０５の模式的な斜視図であり、図３Ｄは、光学系１０１を透過し干渉素子１０６に入射する光を模式的に示す。
【００４６】
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、絞り３０６の瞳領域は、光学系１０１の光軸Ｖを含む水平方向に広がる平面によって領域Ｄ１および領域Ｄ２に分割されている。フィルタアレイ３０７は、領域Ｄ２に配置された第２バンドパスフィルタ３０３と、領域Ｄ１に配置された第１バンドパスフィルタ３０２を有する。
【００４７】
第１および第２光学領域Ｄ１、Ｄ２を通過した入射光は、レンズ３０４によって集束し、アレイ状光学素子３０５に入射する。アレイ状光学素子３０５は、例えば、ｘ方向に伸びるシリンドリカルレンズがｙ方向に複数配列されたレンチキュラーレンズである。アレイ状光学素子３０５は第１バンドパスフィルタ３０２を透過した前記第１波長帯域の光を、第１入射領域群１０４に入射させ、第２バンドパスフィルタ３０３を透過した第２波長帯域の光を、第２入射領域群１０５に入射させる。第１入射領域群１０４および第２入射領域群１０５への入射効率を高めるため、干渉素子１０６の表面にマイクロレンズアレイ３０８を設けてもよい。後述するように、フィルタアレイ３０７およびアレイ状光学素子３０５は、図３Ｅおよび図３Ｆに示す形状を有していてもよい。
【００４８】
これらの第１および第２バンドパスフィルタ３０２、３０３の透過波長特性は、それぞれ図２に説明した第１および第２バンドパスフィルタ２０１および２０２の透過波長特性とそれぞれ同様のものである。異なるのはバンドパスフィルタのサイズが大きいことであり、サイズが大きいと作製が容易になる利点がある。また、バンドパスフィルタのみを中心波長の異なるものに交換することで、計測可能範囲を変えることもできる。
【００４９】
図２および図３Ａ〜Ｆに示した例では、入射光の波長帯域幅が比較的広い場合（例えばハロゲンランプや白色ＬＥＤ光源を用いる場合）も、バンドパスフィルタによって二つの波長帯の光を適切に取り出すことができる（図２６参照）。入射光に含まれる二つの波長帯域が、それぞれバンドパスフィルタの透過波長帯域と同程度以下の帯域幅をもともと有している場合（例えば２つのレーザ光源）は、バンドパスフィルタの透過帯域幅は必ずしも狭い必要はない。このような場合、バンドパスフィルタの透過帯域幅は、二つの波長帯域の光を互いに分離できれば、比較的広いものであってもよい。バンドパスフィルタの代わりに、第１波長帯域の光を透過させるローパスフィルタおよび第２波長帯域の光を透過させるハイパスフィルタを用いても良い（図２７参照）。透過帯域幅が広い光学フィルタは容易に製造することができる。
【００５０】
（入射領域群の配置例）
図１では干渉素子１０６を断面図として示したが、正面（すなわち光入射側）から見た場合の干渉素子内の入射領域群の配置例を図４を用いて説明する。
【００５１】
図４Ａは、第１入射領域群１０４および第２入射領域群１０５を併せて一列に並べて配置した例である。このような配置を用いれば、被測定物体の一次元的な形状や距離情報を、ライン型の撮像素子を用いて計測することができる。
【００５２】
図４Ｂは、第１入射領域群１０４と第２入射領域群１０５をそれぞれ一列に並べて配置した例である。このような配置を用いれば、グレーティングを用いて干渉素子を作製する場合に作製が容易となる利点がある（後述する）。
【００５３】
図４Ｃは、図４Ｂに示した入射領域群の配置を２次元に拡張したものである。被測定物体の２次元的な形状や距離情報を画像として計測することができる。
【００５４】
図４Ｄは、入射領域群の別の２次元的な配置例である。第１入射領域群１０４と第２入射領域群１０５とを２列おきに配置している。この例で各入射領域群に近接してバンドパスフィルタを設ける場合、各バンドパスフィルタの幅を広く取れる（すなわち入射領域群２列分の幅にできる）ので、バンドパスフィルタの作製が容易になる利点がある。
【００５５】
図４Ｅは、入射領域群のさらに別の２次元的な配置例である。第１入射領域群１０４と第２入射領域群１０５を、それぞれ４行４列（合計８領域）ごとに配置している。この場合も、各バンドパスフィルタの幅を広く取れる（すなわち４列分の幅にできる）ので、バンドパスフィルタの作製が容易になる利点がある。
【００５６】
なお入射領域を正面から見たときの形状は必ずしも正方形である必要はなく、円形や長方形等であってもよい。
【００５７】
光学系１０１として、図２に示すように、干渉素子１０６の光入射側に近接して配置されたフィルタアレイを用いる場合、図４Ａから図４Ｅに示される、第１入射領域群１０４および第２入射領域群１０５の配置に対応して、複数の第１バンドパスフィルタ２０１および複数の第２バンドパスフィルタ２０２が配置されたフィルタアレイを用いればよい。
【００５８】
図３Ａから図３Ｄを参照して説明したように、光学系１０１が、瞳領域近傍に設けられたバンドパスフィルタとアレイ状光学素子を含む場合には、以下に説明するように構成する。
【００５９】
まず、図４Ａに示すように、干渉素子１０６において、第１入射領域群１０４および第２入射領域群１０５がｙ方向に１次元に配列されている場合には、図３Ａに示すように、第２バンドパスフィルタ３０３および第１バンドパスフィルタ３０２がｙ方向に配列されたフィルタアレイ３０７と、図３Ｃに示すように、ｘ方向に伸びるシリンドリカルレンズがｙ方向に配列されたアレイ状光学素子（レンチキュラーレンズ）３０５を用いる。この場合、干渉素子１０６の第１入射領域群１０４および第２入射領域群１０５は１次元に配列されているため、アレイ状光学素子３０５のｘ方向の長さは１画素分でよい。
【００６０】
図４Ｂから図４Ｄに示すように第１入射領域群１０４および第２入射領域群１０５が異なる列に配置された干渉素子１０６を用いる場合には、図３Ａに示すフィルタアレイ３０７および図３Ｃに示すアレイ状光学素子３０５のｘ方向とｙ方向との配列を入れ替えたもの、つまり、第２バンドパスフィルタ３０３および第１バンドパスフィルタ３０２がｘ方向に配列されたフィルタアレイと、ｙ方向に伸びるシリンドリカルレンズがｘ方向に配列されたレンチキュラーレンズを用いる。図４Ｂおよび図４Ｃに示すように１列の第１入射領域群１０４と１列の第２入射領域群１０５との組を一単位として並べた干渉素子１０６を用いる場合には、レンチキュラーレンズの各シリンドリカルレンズの幅は２画素分に対応した幅を有している。また、図４Ｄに示すように、２列の第１入射領域群１０４と２列の第２入射領域群１０５との組を一単位として並べた干渉素子１０６を用いる場合には、レンチキュラーレンズの各シリンドリカルレンズの幅は４画素分に対応した幅を有している。
【００６１】
図４Ｅに示すように第１入射領域群１０４および第２入射領域群１０５をチェックパターン状に並べた干渉素子１０６を用いる場合には、図３Ｅに示すフィルタアレイ３０７を用いる。絞り３０６の瞳領域は、光学系１０１の光軸Ｖを含む互いに直交する２つの平面によって領域Ｄ１からＤ４に分割されている。フィルタアレイ３０７は、領域Ｄ２、Ｄ４に配置された第２バンドパスフィルタ３０３と、領域Ｄ１、Ｄ３に配置された第１バンドパスフィルタ３０２を有する。アレイ状光学素子３０５には、図３Ｆに示すように、ｘ方向およびｙ方向に配列されたマイクロレンズアレイを用いる。各マイクロレンズＭはｘ方向およびｙ方向にそれぞれ４つずつ配置された１６画素分の大きさに対応している。
【００６２】
（干渉素子の具体構成例）
次に、干渉素子１０６の具体的な構成例、および画素群との配置関係について、図５および図６を参照しながら説明する。
【００６３】
図５Ａから図５Ｄは、干渉素子１０６に複数の光結合層を用いた場合の例を断面図として示している。
【００６４】
複数の光結合層５０２は、それぞれ、グレーティング５０３が形成された導波層５０４を含む。導波層５０４は、第１入射領域群１０４の互いに隣接した２つの入射領域、または第２入射領域群１０５の互いに隣接した２つの入射領域にそれぞれ対応して位置している。干渉素子１０６の基材は例えばＳｉＯ2からなる。導波層５０４は基材よりも高屈折率の層であり、例えばＴａ2Ｏ5からなる。導波層５０４は１層に限られず、低屈折率の層を挟んで複数の層から構成されていてもよい。
【００６５】
導波層５０４の少なくとも入射側界面には、所定のピッチのグレーティング５０３が位置している。グレーティング５０３は直線グレーティングであり、その格子ベクトルの方向は光結合層５０２の面内で、図５Ａから図５Ｄの紙面上下方向に平行とする。
【００６６】
干渉素子１０６の光入射側において、第１および第２入射領域群１０４、１０５ではない領域には、遮光領域５０１を設ける。つまり、第１入射領域群１０４の互いに隣接した２つの入射領域、および、第２入射領域群１０５の互いに隣接した２つの入射領域の間には、遮光領域が位置している。遮光領域５０１は、例えばＡｌ、Ａｇ、Ａｕなどの反射性の金属材料からなり、第１および第２波長帯域の光を十分遮光できる程度の厚さを有する。
【００６７】
以下、図５Ａを用いて第１入射領域群１０４に入射した光の光路を説明する。第１波長帯域の光が結合するようにグレーティング５０３のピッチを設定すれば、第１入射領域群の互いに隣接した２つの入射領域１０４ａおよび１０４ｂを入射した光の一部は、それぞれ導波光５０６ａおよび５０６ｂとして導波層５０４内に入射し伝搬する。導波光５０６ａおよび５０６ｂは導波層５０４内で干渉し、干渉光１０７ａとして導波層５０４から撮像素子１０９側に放射され、第１画素群１１０のうちの一つの画素１１０ａに入射する。ここで導波光５０６ａおよび５０６ｂは、隣接する一対の入射領域１０４ａおよび１０４ｂからそれぞれ伝搬した光である。干渉光１０７の強度は第１入射領域群１０４に入射した光の位相差に依存する。入射領域１０４ａおよび１０４ｂを入射した光の別の一部は、導波光とはならずに、透過光１０８ａおよび１０８ｂとして撮像素子１０９側に放射され、第２画素群１１１のうちの画素１１１ａおよび１１１ｂに入射する。したがって、画素１１０ａ、１１１ａおよび１１１ｂに入射した光の強度を検出することによって、入射領域１０４ａおよび１０４ｂに入射した、第１波長帯域の光の位相差を求めることができる。
【００６８】
図５Ａに示すように、第２入射領域群１０５に入射した光の光路についても、上記と同様に説明できる。第２入射領域群１０５のうち隣接した一対の入射領域に入射した光の位相差を、第３画素群１１２および第４画素群１１３に入射した光の強度から求めることができる理由も、第１入射領域群の場合と同様である。
【００６９】
図５Ａは、第１および第２入射領域群１０４、１０５が図４Ａに示すように１次元に配置された干渉素子１０６における複数の光結合層５０２の断面構成を示している。この構成では、グレーティングの格子ベクトルの方向に第１入射領域群１０４および第２入射領域群１０５の両方が存在するので、第１および第２入射領域群１０４、１０５の境界で導波層５０４より低屈折率の媒質を介して複数の光結合層５０２を分離させていてもよい。このようにすれば、バンドパスフィルタで分離した第１および第２波長帯域の光が互いに干渉しないため、第１波長帯域の光の位相差と第２波長帯域の光の位相差を、それぞれ独立して検出することができる。
【００７０】
図５Ｂおよび図５Ｃは、第１および第２入射領域群１０４、１０５が図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄに示すように異なる列に配置されている場合における光結合層５０２の断面構成を示している。図５Ｂは第１入射領域群１０４の列で切断したときの断面図であり、図５Ｃは第２入射領域群１０５の列で切断したときの断面図である。この構成ではグレーティングの格子ベクトルの方向には第１入射領域群１０４または第２入射領域群１０５のいずれかしか存在しないので、光結合層を分離しなくても、第１波長帯域の光の位相差と第２波長帯域の光の位相差を、それぞれ独立して検出することができる。光結合層５０２を分離しない構造のほうが、光結合層５０２の作製は容易である。
【００７１】
図５Ｄは、第１および第２入射領域群１０４、１０５が図４Ｅに示すようにチェックパターン状に配置されている場合における複数の光結合層５０２の断面構成を示している。この構成では図５Ａと同様に、グレーティングの格子ベクトルの方向に第１入射領域群１０４および第２入射領域群１０５の両方が存在するので、第１および第２入射領域群１０４、１０５の境界で複数の光結合層を分離させていてもよく、光結合層を分離させた部分の直下にある画素は未使用画素５０５として、位相差情報の算出には用いないことにしてもよい。
【００７２】
（干渉素子の具体構成の別の例）
図６Ａから図６Ｄは、干渉素子１０６にフォトニック結晶を用いた場合の例を断面図として示している。
【００７３】
フォトニック結晶６０１は光伝搬路を構成するために用いる。光伝搬路は、少なくとも、第１および第２光伝搬路６０２、６０３と、第１光伝搬路６０２と第２光伝搬路６０３との間を結ぶ第３光伝搬路６０４とを含んでいる。第１光伝搬路６０２の入射部は、第２光伝搬路６０３の入射部とは異なる位置に配置され、第１光伝搬路６０２の出射部は、第２光伝搬路６０３の出射部とは異なる位置に配置される。図６に示す光伝搬路は、さらに、第４光伝搬路６０５を含んでいる。第４光伝搬路６０５は、第３光伝搬路６０４に接続され、第３光伝搬路６０４から入射した光が伝播する。複数の光結合層５０２で干渉素子を構成した場合と同様に干渉光と透過光を分離して検出する場合、光伝搬路は第４光伝搬路６０５を含むことが好ましい。ただし、第１および第２光伝搬路６０２、６０３の出射光の強度は、第１および第２光伝搬路６０２、６０３に入射した光の位相差に依存して変化するので、第４光伝搬路６０５が存在しない構成であっても、位相差情報を求めることは可能である。
【００７４】
フォトニック結晶６０１は、例えば空洞、屈折率の異なる領域、誘電体ポスト等の周期的な配列からなり、光伝搬路は周期的な配列の一部を除去することによって形成する。第１および第２光伝搬路６０２、６０３の入射部の位置は、第１入射領域群１０４の互いに隣接した２つの入射領域とそれぞれ一致している。つまり、第１および第２光伝搬路６０２、６０３は、第１入射領域群１０４の互いに隣接した２つの入射領域にそれぞれ接続している。第１入射領域群１０４は、上述したような互いに隣接した２つの入射領域の組を複数含む。また、第２入射領域群１０５も、互いに隣接した２つの入射領域の組を複数含む。これらの複数の入射領域の組に対応して複数の第１および第２光伝搬路の組が、上記と同様に配置される。また、第１および第２光伝搬路の各組に対応して、第１光伝搬路と第２光伝搬路との間を結ぶ第３光伝搬路、および第３光伝搬路に接続された第４光伝搬路が設けられる。
【００７５】
また、第１、第２光伝搬路６０２、６０３のそれぞれの出射部に隣接して第２画素群１１１のいずれかの画素が配置され、第４光伝搬路６０５の出射部に隣接して第１画素群１１０のいずれかの画素が配置される。第１入射領域群１０４の他の入射領域の各組に対応する第１および第２光伝搬路の出射部についても同様に、これらの出射部それぞれに隣接して第２画素群１１１のいずれかの画素が配置される。また、これらの第１光伝搬路と第２光伝搬路との間を結ぶ第３光伝搬路に接続された第４光伝搬路の出射部に隣接して第１画素群１１０のいずれかの画素が配置される。また、第２入射領域群１０５の入射領域の各組に対応する第１および第２光伝搬路の出射部についても同様に、これらの出射部それぞれに隣接して第４画素群１１３のいずれかの画素が配置される。また、これらの第１光伝搬路と第２光伝搬路との間を結ぶ第３光伝搬路に接続された第４光伝搬路の出射部に隣接して第３画素群１１２のいずれかの画素が配置される。
この構成では、第３光伝搬路６０４が伸びる方向に第１入射領域群１０４および第２入射領域群１０５の両方が存在するので、第１および第２入射領域群１０４、１０５の境界において誘電体ポストを残すことで第３光伝搬路６０４を分離させていてもよい。このようにすれば、バンドパスフィルタで分離した第１および第２波長帯域の光が互いに干渉しないため、第１波長帯域の光の位相差と第２波長帯域の光の位相差を、それぞれ独立して検出することができる。
【００７６】
このような構成にすることにより、第１および第２入射領域群１０４、１０５のうち、隣接する一対の入射領域から入射した光の一部は第３光伝搬路で干渉し、干渉光１０７として干渉素子１０６から出射する。第３光伝搬路における光の干渉状態は、隣接する一対の入射領域から入射した光の位相差に依存して変化する。また入射領域から入射した光の別の一部は透過光１０８として干渉素子１０６から出射する。これらの干渉光１０７および透過光１０８の強度を撮像素子１０９の画素で検出することにより、複数の光結合層５０２で干渉素子を構成した場合と同様に、光の位相差情報を求めることができる。
【００７７】
図６Ａは、図４Ａに示すように１次元に第１および第２入射領域群１０４、１０５が配置された干渉素子１０６の断面構成を示している。
【００７８】
図６Ｂおよび図６Ｃは、第１および第２入射領域群１０４、１０５が図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄに示すように異なる列に配置されている場合における干渉素子１０６の断面構成を示している。この構成では第３光伝搬路６０４が伸びる方向には第１入射領域群１０４または第２入射領域群１０５のいずれかしか存在しないので、第３光伝搬路６０４を分離しなくても、第１波長帯域の光の位相差と第２波長帯域の光の位相差を、それぞれ独立して検出することができる。
【００７９】
図６Ｄは、第１および第２入射領域群１０４、１０５が図４Ｅに示すようにチェックパターン状に配置されている場合の干渉素子１０６の断面構成を示している。図６Ａおよび図６Ｄでは同じ列に第１および第２入射領域群１０４、１０５が配置される構成となっている。このような構成では、図６Ａおよび図６Ｄで示しているように、入射領域から入射する波長帯域ごとに光伝搬路を分離すれば、第１波長帯域の光の位相差と第２波長帯域の光の位相差を、それぞれ独立して検出することができる。
【００８０】
（撮像素子の画素配置）
図１、図５および図６では撮像素子１０９を断面図として示したが、正面（すなわち光入射側）から見た場合の撮像素子１０９内の画素群の配置例を、図７Ａから図７Ｅを用いて説明する。
図７Ａから図７Ｅは、それぞれ図４Ａから図４Ｅに示すように第１および第２入射領域群１０４、１０５が配置されている場合における画素群の配置例を示している。第１入射領域群１０４に入射した光の干渉光１０７が第１画素群１１０のうちのいずれかの画素に、第１入射領域群１０４に入射した光の透過光１０８が第２画素群１１１のうちのいずれかの画素に、第２入射領域群１０５に入射した光の干渉光１０７が第３画素群１１２のうちのいずれかの画素に、第２入射領域群１０５に入射した光の透過光１０８が第４画素群１１３のうちのいずれかの画素に入射するような、画素群の配置となっている。各入射領域の位置と各画素の位置とは、ほぼ一致している、すなわち、ほぼずれがないことが、各画素への不要なクロストーク成分を減らせることから、より好ましい。
【００８１】
（演算部の構成例）
図８および図９を用いて、図１に示す光検出装置における撮像素子１０９からの信号の流れと、演算部の構成の例を説明する。
【００８２】
図８に示すように、入射領域および遮光領域と撮像素子の各画素から出力される信号を定義する。各信号はいずれも対応する各画素に入射した光の強度に応じて出力される。
【００８３】
入射領域および遮光領域は以下のように呼ぶ。第ｍの入射領域群に属するｎ番目の入射領域をＡmnで表す。Ａm1とＡm2の組、Ａm3とＡm4の組はそれぞれ第ｍ入射領域群の隣接する一対の入射領域である。入射領域の間にある、ｎ番目の遮光領域（または入射領域でない領域）をＳ0nで表す。
【００８４】
信号は以下のように呼ぶ。入射領域Ａmnまたは遮光領域Ｓmnの直下にある画素からの、透過光の信号をｔmnで表す。入射領域Ａmnまたは遮光領域Ｓmnの直下にある画素からの、干渉光の信号はｉmnで表す。
【００８５】
図９に示すように、第１演算部１１４は、信号ｔ11、ｉ01、ｔ12、ｔ13、ｉ03、ｔ14を入力し、第１の位相差情報ｐ11、ｐ01、ｐ12、ｐ13、ｐ03、ｐ14を出力する。また、第２演算部１１５は、信号ｔ21、ｉ02、ｔ12、ｔ23、ｉ04、ｔ24を入力し、第２の位相差情報ｐ21、ｐ02、ｐ22、ｐ23、ｐ04、ｐ24を出力する。また、第３演算部１１８は、第１の位相差情報ｐ11、ｐ01、ｐ12、ｐ13、ｐ03、ｐ14および第２の位相差情報ｐ21、ｐ02、ｐ22、ｐ23、ｐ04、ｐ24を入力し、等価位相差情報Ｅ11、Ｅ01、Ｅ12、Ｅ13、Ｅ02、Ｅ22、Ｅ13、Ｅ03、Ｅ14、Ｅ23、Ｅ04、Ｅ24を出力する。これらの情報は電気信号で表されるものであってもよいし、コンピュータ等のメモリに保持される情報であってもよい。また、第１、第２および第３演算部１１４、１１５、１１８は１つ又は複数の電子回路により構成されるものであってもよいし、コンピュータ、サーバー、携帯電子機器等で動作するプログラムに含まれるものであってもよい。
【００８６】
第１位相差情報１１６は第１波長帯域の中心波長（すなわち従来例のλ1）に対する位相差情報であり、第２位相差情報１１７は第２波長帯域の中心波長（すなわち従来例のλ2）位相差情報である。入射領域Ａmnまたは遮光領域Ｓmnの位置から隣接距離ｄadj（すなわち隣接する一対の入射領域間の距離）だけ離れた光同士の位相差情報をｐmnで表す。
【００８７】
等価位相差情報１１９は、等価波長（すなわち従来例のλeff）に対する位相差情報である。入射領域Ａmnまたは遮光領域Ｓmnの位置から隣接距離ｄadj（すなわち隣接する一対の入射領域間の距離）だけ離れた光同士の等価位相差情報をＥmnで表す。
【００８８】
第１演算部１１４は、第１波長帯域の光を干渉または透過させて出力された信号（ｔ11、ｉ01、ｔ12、ｔ13、ｉ03、ｔ14）から、演算によって、各々の入射領域または遮光領域における位相差情報（ｐ11、ｐ01、ｐ12、ｐ13、ｐ03、ｐ14）を求める。これは、干渉光１０７または透過光１０８の光強度と、直上の入射領域または遮光領域における位相差との関係を、あらかじめ実験で求め、テーブルや計算式としてメモリに保持し、保持したテーブルや計算式を用いて求めることができる。例えば、位相差が既知である２つの第１波長の光を、第１入射領域群の隣接する２つの入射領域に入射させ、干渉光または透過光の強度を測定する。２つの第１波長の光の位相差を異ならせ、干渉光または透過光の強度測定を繰り返すことにより、位相差と光強度との関係を実験的に求めることができる。用いた光の波長から位相差に対応する距離が計算によって求められる。
【００８９】
第２演算部１１５は、第１演算部１１４と同様に、第２波長領域の光を干渉または透過させて出力された信号（ｔ21、ｉ02、ｔ12、ｔ23、ｉ04、ｔ24）から、演算によって、各々の入射領域または遮光領域における位相差情報（ｐ21、ｐ02、ｐ22、ｐ23、ｐ04、ｐ24）を求める。
【００９０】
第３演算部１１８は、第１波長帯域の光に関連する第１位相差情報（ｐ11、ｐ01、ｐ12、ｐ13、ｐ03、ｐ14）と、第２波長帯域の光に関連する第２位相差情報（ｐ21、ｐ02、ｐ22、ｐ23、ｐ04、ｐ24）とを用いて、等価位相差情報（Ｅ11、Ｅ01、Ｅ12、Ｅ13、Ｅ02、Ｅ22、Ｅ13、Ｅ03、Ｅ14、Ｅ23、Ｅ04、Ｅ24）を求める。等価位相差情報は、特許文献１や非特許文献１に記載の、公知の手法を用いて求めることができる。
【００９１】
ここで位相差情報は、必ずしもすべての入射領域または遮光領域（すなわち、撮像素子の画素）に対応付けて求める必要はない。複数の入射領域または遮光領域にわたった領域（例えば図８のＡ11、Ｓ01およびＡ12領域）の平均的な位相差情報を求めるものであってもよい。また、位相差情報として実際の位相差の値そのものを求めるものでなくてもよく、干渉素子の特定の領域間に入射した光の位相差に関連のある値であればよい。この位相差情報をもとにして、被測定物体の形状を求める。
【００９２】
（第１実施形態の効果）
本実施形態によれば、撮像素子１０９に近接させた干渉素子１０６の内部で干渉光を発生させているので、ハーフミラーや参照鏡といった大型の光学部品が不要となり、従来よりも小型の光検出装置を実現し得る。また、干渉素子直上や瞳領域近傍に設けたバンドパスフィルタで２つの波長帯域を分離するので、複数の撮像管あるいは撮像素子を用いる必要がなく、従来よりも光検出装置の光学部分を小型化できる。また、複数の波長帯域の光を計測に用いるので、光の波長を超える段差のある物体でも誤りなく形状を計測できる。さらに、干渉現象の発生のために光路を空気中で引き回す必要がないので、周囲環境（例えば空気対流や振動）の影響を受けにくい、精密な計測結果を得ることができる。
【００９３】
（第２実施形態）
第１実施形態では、入射光をバンドパスフィルタに透過させることによって、中心波長の異なる二つの波長帯域の光を得ていた。第１実施形態によれば、入射光がある程度波長帯域が広い光（例えばハロゲンランプや白色ＬＥＤ光源）場合でも、入射光の波長帯域よりも狭い通過帯域のバンドパスフィルタを用いることにより、適切に２つの波長帯域の光を得ることができる。
【００９４】
これに対し、入射光である二つの波長帯域の光が、それぞれバンドパスフィルタの透過波長帯域と同程度の幅の波長スペクトルをもともと有していれば、バンドパスフィルタを有しない構成の実施形態も考えられる。以下では、その実施形態について説明する。このような光源としては、例えばレーザ光源が挙げられる。
【００９５】
図１０は、本開示の第２実施形態の構成を説明する図である。
【００９６】
照明１００１は、被測定物体に第１または第２波長帯域の光を照射する。波長帯域切換器１００２は、照明１００１が中心波長の異なる二つの波長帯域の光を時分割で切り換えて放射させるように、照明１００１を制御する。
【００９７】
例えば、照明１００１が、波長チューナブルレーザ光源を備え、波長帯域切換器１００２が、波長チューナブルレーザ光源の波長を切り替える回路を備えていてもよい。また、照明１００１が、放射波長帯域の異なる２つのレーザ光源を備え、波長帯域切換器１００２が、２つのレーザ光源の放射／非放射を交替に切り換える回路を備えていてもよい。また、照明１００１が、比較的波長帯域の広い光源と複数のバンドパスフィルタを備え、波長帯域切換器１００２が、光源からの光路上に配置するバンドパスフィルタを交替に切り換える機構を備えていてもよい。
【００９８】
被測定物体を透過または反射した光は入射光として光学系１００３に入射する。光学系１００３は入射光の波長帯域を空間的に分けることなく、第１または第２波長帯域の光１００４を第５の入射領域群１００５に入射させる。干渉素子１０６内で干渉光１０７と透過光１０８が発生する過程は第１実施形態と同様である。また、撮像素子１０９の第５の画素群１００６と第６の画素群１００７に干渉光１０７と透過光１０８が発生する過程も第１実施形態と同様である。第１実施形態と異なるのは、いずれの入射領域およびいずれの画素にも、第１および第２波長帯域の光１００４が入射し得ることである。
【００９９】
第５の画素群１００６および第６の画素群１００７から出力された光強度信号を第４演算部１００９に入力する。第４演算部１００９は入力された信号をもとにして、第１位相差情報１１６および第２位相差情報１１７を算出し出力する。光強度信号から位相差情報を求める過程は第１実施形態と同様である。異なるのは、波長帯域切換器１００２からの同期信号１００８をもとにして、第１波長帯域の光が照射されているタイミングの光強度信号を用いて第１位相差情報１１６を求め、第２波長帯域の光が照射されているタイミングの光強度信号を用いて第２位相差情報１１７を求めることである。
【０１００】
第１実施形態と同様に、第３演算部１１８では、第１位相差情報１１６および第２位相差情報１１７をもとにして、等価位相差情報１１９を算出し出力する。
【０１０１】
このような構成では、光学系にバンドパスフィルタを用いる必要がないので、さらに簡易な構成の光検出装置を実現できる。
【０１０２】
（第３実施形態）
第２実施形態では、中心波長の異なる２つの波長帯域の照明を時分割で切り換えて放射する構成を説明した。第３実施形態では、これら２つの波長帯域の照明を同時に照射する構成について述べる。
【０１０３】
図１１は、本開示の第３実施形態の構成を説明する図である。
【０１０４】
第１波長帯域の照明１１０１と第２波長帯域の照明１１０２は、同時に被測定物体に照射される。これら２つの照明は、中心波長が異なる放射波長帯域を有する。また、これら２つの照明は、例えばビームスプリッタを用いて、光軸および放射方向を同じにして放射することがより好ましい。
【０１０５】
被測定物体を透過または反射した光は入射光として光学系１００３に入射する。光学系１００３は入射光の波長帯域を空間的に分けることなく、第１および第２波長帯域の光１１０３を第５の入射領域群１００５に入射させる。第５の入射領域群のいずれの入射領域およびいずれの画素にも、第１および第２波長帯域の光が入射し得ることは、第２実施形態と同様である。
【０１０６】
第５の画素群１００６には干渉光１０７が、第６の画素群１００７には透過光１０８が入射する。ここで、干渉光１０７および透過光１０８は第１および第２両方の波長帯域の光から生成されるので、２つの波長帯域の光の重ね合わせが生じる。
【０１０７】
この状態では、第１および第２波長帯域の位相差に基づく光強度信号を独立に取得することはできないが、その代わりに画素群からの信号には、隣接した一対の入射領域に入射した光の位相差を等価波長で観測した場合に相当する成分が含まれる。第５の演算部１１０４では、この等価波長で観測した場合に相当する成分を抽出して、等価位相差情報１１９を算出する。
【０１０８】
このような構成では、時分割で照明を切り換える必要がないので、さらに簡易な構成の光検出装置を実現できる。
【０１０９】
（第１実施例）
以下では、本開示の第１実施例を説明する。
【０１１０】
本実施例では、第１入射領域群１０４と第２入射領域群１０５の配置は図４Ｃに示す形態とした。すなわち、干渉素子１０６では、第１入射領域群と第２入射領域群は１列ごとに交互に配置される。言い換えれば、第１波長帯域の光（この光の中心波長をλ1とする）と、第２波長帯域の光（この光をλ2とする）は、干渉素子１０６上で１列ごとに交互に入射する。各列では入射領域と遮光領域とが交互に配置される。
【０１１１】
第１〜第４画素群１１０〜１１３は図７Ｃに示す形態を有するものとした。前述したように、第１および第２画素群と第１入射領域群、第３および第４画素群と第２入射領域群は、それぞれ対応関係にある。画素数は１００ピクセル×１００ピクセルとした。
【０１１２】
本実施例で用いた干渉素子の具体的な断面構造を図１２に示す。干渉素子１０６は光結合層を有する。入射光は入射領域１２０１および遮光領域５０１に向けて照射される。遮光層１２０２は入射領域と遮光領域を区別するために設けられている。遮光層の材料はＡｌで厚さは１００ｎｍとした。入射領域および遮光領域の幅はいずれも５．６μｍである。
【０１１３】
光結合層５０２は６層の導波層からなり、導波層の上下界面にはグレーティングが形成されている。導波層は相対的に屈折率の高い透明層であり、本実施例ではＴａ2Ｏ5を用いて構成した。導波層を挟む材料は相対的に屈折率の低い透明層であり、本実施例ではＳｉＯ2を用いて構成した。グレーティングの深さは０．２μｍ、ピッチ（図１２中のΛ）は０．４５μｍである。Ｔａ2Ｏ5層の厚さ（図１２中のｔ1）は０．３４μｍ、導波層間のＳｉＯ2層の厚さ（図１２中のｔ2）は０．２２μｍとした。
【０１１４】
このような構造の干渉素子１０６に対して波長８５０ｎｍの光を入射面に垂直に入射させたとき、干渉光領域１２０３から放射される干渉光１０７の強度と、透過光領域１２０４から放射される透過光１０８の強度を、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ  ｍｅｔｈｏｄ）法により計算した。入射光のパラメータとして、隣接した入射領域１２０１に入射する光の強度を同等とし、位相差を−１８０度から１８０度まで変化させた。
【０１１５】
図１３に、入射光の位相差に対する干渉光１０７および透過光１０８の強度の計算結果を示す（図では、位相差の単位「度」を［ｄｅｇ．］と表記している）。強度比は入射光の強度に対する比率を示している。
【０１１６】
位相差がほぼ０度（すなわち同相）の場合には、干渉光の強度が最大になり、透過光の強度が最小になっている。また、位相差がほぼ±１８０度の場合には、干渉光の強度が最小となり、透過光の強度が最大となっている。これらの結果から、位相差に応じて干渉光と透過光の強度が変化していることが分かる。このことは、干渉素子内で、隣接した入射領域から入射した光が互いに干渉した結果、干渉光および透過光が放射されていることを示している。
【０１１７】
次にこの結果を用いて、被測定物体を透過した光から物体の形状を推定する過程を、計算で説明する。
【０１１８】
被測定物体として、図１４Ａに示す形状のサンプルを設定する。サンプルは細いくさび状の底部と中央の凸部からなる。ｘ方向からサンプルを見たときの形状の概略を図１４Ｂに示す。くさびの太さは６００ｎｍであり、凸部の高さは５０μｍである。サンプルの屈折率は１．４５とした。
【０１１９】
このサンプルの底面側から入射した光がサンプルを透過し、光路長差を生じた状態で、入射光として光学系に入射するものとした。また、サンプルのｘ＝１〜１００およびｙ＝１〜１００の範囲の平面に対応する領域を通過した光が、撮像素子の１００×１００ピクセルの範囲の画素に入射すると仮定した。
【０１２０】
サンプルに入射させる光の中心波長は、λ1＝８４５ｎｍおよびλ2＝８５５ｎｍとした。それぞれの光の帯域幅は、半値全幅で５ｎｍである。
【０１２１】
図１５に、撮像素子の各画素に入射した光の強度を示す。図１５Ａは中心波長λ1の干渉光（すなわち第１画素群に入射した光）、図１５Ｂは中心波長λ2の干渉光（すなわち第２画素群に入射した光）、図１５Ｃは中心波長λ1の透過光（すなわち第２画素群に入射した光）、図１５Ｄは中心波長λ2の透過光（すなわち第４画素群に入射した光）である。図１５の各図で、図示している画素群に該当しない画素（例えば図１５Ａの第２、第３および第４画素群に該当する画素）は、強度をゼロとして示した。図１５の各図からは、列方向（すなわち図のｙ方向）で見たときに、隣接した入射領域で光路長差が大きく変化した箇所では大きな強度変化が生じていることがわかる。
【０１２２】
実際の計測では、図１３に示した関係を用いれば、撮像素子の各画素に入射した光の強度から、その画素における位相差の絶対値を求めることができる。これは、第１演算部１１４および第２演算部１１５における演算で、位相差情報を求める工程に相当する。ただし、中心波長λ1の位相差値と中心波長λ2の位相差値は１列ごとに交互に取得されるので、それぞれの中心波長で位相差の絶対値が取得できない列は、例えば両隣の列の位相差の絶対値から補間することによって位相差の絶対値を求める。このようにして算出した中心波長λ1およびλ2における位相差の絶対値を、それぞれ図１６Ａおよび図１６Ｂに示した。
【０１２３】
位相差の極性を判別するには、例えば、ｘ方向を軸にしてサンプルをわずかに傾けたときの、位相差の絶対値の変化を観測すればよい。位相差の極性によって、位相差の絶対値の増減方向が変わるからである。このようにして、極性付きで求めた中心波長λ1およびλ2における位相差の値を、それぞれ図１７Ａおよび図１７Ｂに示した。
【０１２４】
中心波長λ1およびλ2における隣接した入射領域の位相差の値から、等価波長λeffにおける隣接した入射領域の位相差の値を算出することは、特許文献１や非特許文献１などに記載されている方法を用いれば可能である。これは、第３演算部１１８における演算で、位相差情報を求める工程に相当する。このようにして求めた等価波長λeffにおける位相差値を、図１８に示す。
【０１２５】
λeffにおける位相差値を列方向で積分すれば、λeffにおける位相値を算出できる。図１９は、λeffにおける位相値の算出結果である。
【０１２６】
なお、λ1およびλ2における位相差値をそれぞれ列方向で積分して、λ1およびλ2における位相値を算出し、その算出結果からλeffにおける位相値を求めてもよい。λ1およびλ2における位相値をそれぞれ図２０Ａおよび図２０Ｂに示す。
【０１２７】
λeffにおける位相値から光路長差の分布を求めることができるので、サンプルの屈折率の値を用いて、サンプルの形状を復元して推定することができる。推定した形状を図２１に示す。図１４Ａに示した、もとのサンプルの形状をほぼ復元できていることがわかる。
【０１２８】
このサンプルのように、高さが約５０μｍの段差がある形状を誤りなく復元できたのは、λ1およびλ2の２つの波長の光を用いたからである。本実施例の等価波長λeffは、（８５５×８４５）／（８５５−８４５）＝７２．２μｍとなるので、この等価波長を超えない光路長差に相当する段差であれば、誤りなく復元できることになる。比較として、λ1またはλ2のいずれかの光のみから形状を復元した結果を図２２Ａおよび図２２Ｂに示す。サンプルの凸部の段差が波長を超えているので、形状を正確に復元できていないことがわかる。
【０１２９】
以上述べたように、本開示は、光学部分がより小型で、周囲環境の影響をより受けにくく、光の波長を超える段差のある物体でも誤りなく形状を測定できる光検出装置を提供する。
【０１３０】
（第２実施例）
以下では、本開示の第２実施例について述べる。
【０１３１】
本実施例は、本開示の第３実施形態で述べた光検出装置で、被測定物体の段差を計測する方法を説明する。
【０１３２】
光検出装置は図１１に示す構成を用いる。すなわち、第１および第２波長帯域の光が、光学系により空間的に分離されない構成としている。干渉素子の構造は上記第１実施例と同様である。また、第１実施形態と同じく、サンプルに入射させる光の中心波長は、λ1＝８４５ｎｍおよびλ2＝８５５ｎｍとした。
【０１３３】
被測定物体として、図２３に示す形状のサンプルを想定した。高さの異なる２個のサンプルを接触させて設置し、サンプル間の段差をＬ  としている。サンプルの屈折率は１．４５とした。
【０１３４】
このサンプルの底面側から入射した光がサンプルを透過し、段差によって光路長差を生じた状態で、入射光として光学系に入射するものとした。
【０１３５】
隣接する一対の入射領域に入射した光がこの光路長差を有する場合に、得られる干渉光と透過光の強度を、それぞれ図２４Ａおよび図２４Ｂに示す。強度比は入射光に対する干渉光または透過光の強度の比を示す。また強度比は段差Ｌをパラメータとして、中心波長λ1とλ2に分けてプロットした。λ1とλ2は波長が異なるので、同じ段差Ｌでも位相差がずれる。その結果、干渉光および透過光の強度も、λ1とλ2とで段差Ｌによって強度がずれることがわかる。
【０１３６】
図１１に示した光検出装置の構成では、中心波長λ1とλ2の光が同時に撮像素子の画素に入射するので、撮像素子から得られる光強度信号はλ1とλ2の光を重ね合わせたものになる。重ね合わせられた干渉光および透過光の強度と、段差Ｌとの関係とをプロットしたものを、それぞれ図２５Ａおよび図２５Ｂに示す。図からわかるように、干渉光および透過光のいずれにおいても、包絡線の成分が段差Ｌに対して緩やかに変化していることがわかる。これが、等価波長λeffで位相差を観測した場合に相当する成分である。
【０１３７】
この現象を用いると、例えばサンプルを熱膨張させて段差Ｌの変化を計測できる。すなわち、段差Ｌを変化させながら干渉光または透過光の強度を観測し、包絡線の成分を抽出すれば（これは第５の演算部で演算する工程に相当する）、入射光の波長を超える段差を誤りなく計測することが可能である。
【０１３８】
なお、上記実施形態の光検出装置では入射光を中心波長の異なる２つの帯域の光としたが、３つ以上の帯域でもよい。また、波長の値も上記に限るものではなく、用途に応じて最適な値を設定すればよい。
【０１３９】
また、上記の実施の形態および実施例で用いた光検出装置の構成は上述のものに限るわけではなく、上記発明の構成および効果を満たす範囲内で適切なものに変更することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
本開示の光検出装置は、産業用、医療用、美容用、セキュリティ用、車載用等の計測に応用できる。また、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等に対して、位相差分布または位相分布という新たな撮像機能を付加しうるものである。
【符号の説明】
【０１４１】
１０１      光学系
１０２      第１波長帯域の光
１０３      第２波長帯域の光
１０４      第１入射領域群
１０５      第２入射領域群
１０６      干渉素子
１０７      干渉光
１０９      撮像素子
１１０〜１１３      第１〜第４画素群
１１４      第１演算部
１１５      第２演算部
１１６      第１位相差情報
１１７      第２位相差情報
１１８      第３演算部
１１９      等価位相差情報
２０１      第１バンドパスフィルタ
２０２      第２バンドパスフィルタ
３０２      第１バンドパスフィルタ
３０３      第２バンドパスフィルタ
３０４      レンズ
３０５      アレイ状光学素子
３０６      絞り
３０７      フィルタアレイ
３０８      マイクロレンズアレイ
５０１      遮光領域
５０２      光結合層
５０３      グレーティング
５０４      導波層
５０５      未使用画素
５０６ａ    導波光
６０１      フォトニック結晶
６０２〜６０５      第１〜第４光伝搬路
１００１    照明
１００２    波長帯域切換器
１００３    光学系
１００４、１１０３    光
１００６    第５の画素群
１００７    第６の画素群
１００８    同期信号
１００９    第４演算部
１１０１、１１０２    照明
１１０４    第５の演算部
１２０１    入射領域
１２０２    遮光層
１２０３    干渉光領域
１２０４    透過光領域
【図１】
0006775196.tif 000003
【図２】
0006775196.tif 000004
【図３Ａ】
0006775196.tif 000005
【図３Ｂ】
0006775196.tif 000006
【図３Ｃ】
0006775196.tif 000007
【図３Ｄ】
0006775196.tif 000008
【図３Ｅ】
0006775196.tif 000009
【図３Ｆ】
0006775196.tif 000010
【図４Ａ】
0006775196.tif 000011
【図４Ｂ】
0006775196.tif 000012
【図４Ｃ】
0006775196.tif 000013
【図４Ｄ】
0006775196.tif 000014
【図４Ｅ】
0006775196.tif 000015
【図５Ａ】
0006775196.tif 000016
【図５Ｂ】
0006775196.tif 000017
【図５Ｃ】
0006775196.tif 000018
【図５Ｄ】
0006775196.tif 000019
【図６Ａ】
0006775196.tif 000020
【図６Ｂ】
0006775196.tif 000021
【図６Ｃ】
0006775196.tif 000022
【図６Ｄ】
0006775196.tif 000023
【図７Ａ】
0006775196.tif 000024
【図７Ｂ】
0006775196.tif 000025
【図７Ｃ】
0006775196.tif 000026
【図７Ｄ】
0006775196.tif 000027
【図７Ｅ】
0006775196.tif 000028
【図８】
0006775196.tif 000029
【図９】
0006775196.tif 000030
【図１０】
0006775196.tif 000031
【図１１】
0006775196.tif 000032
【図１２】
0006775196.tif 000033
【図１３】
0006775196.tif 000034
【図１４Ａ】
0006775196.tif 000035
【図１４Ｂ】
0006775196.tif 000036
【図１５Ａ】
0006775196.tif 000037
【図１５Ｂ】
0006775196.tif 000038
【図１５Ｃ】
0006775196.tif 000039
【図１５Ｄ】
0006775196.tif 000040
【図１６Ａ】
0006775196.tif 000041
【図１６Ｂ】
0006775196.tif 000042
【図１７Ａ】
0006775196.tif 000043
【図１７Ｂ】
0006775196.tif 000044
【図１８】
0006775196.tif 000045
【図１９】
0006775196.tif 000046
【図２０Ａ】
0006775196.tif 000047
【図２０Ｂ】
0006775196.tif 000048
【図２１】
0006775196.tif 000049
【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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