(57)【要約】【課題】光波の位相の空間分布を有効に検出できる並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法を提供する。【解決手段】並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法であって、干渉光の位相の直交成分を２台のイメージセンサ３２，３４を用いてそれぞれ検出することにより、イメージセンサ３２，３４の記録レートでの干渉光波の位相分布を測定する。【選択図】図１
2005214927.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続光を出力するコヒーレント光源から出射した光ビームを第１のレンズと第２のレンズによってビーム径を広げ、さらに第１のビームスプリッタにより、信号光と参照光とに二分し、参照光と分かれた信号光は、被測定物体に入射し、該被測定物体からの反射光波の一部は第１のビームスプリッタによって反射され、一対の結像用レンズを介して第２のビームスプリッタへ伝送され、一方、参照光は周波数シフタを通過することで周波数シフトを受けた後、参照ミラーへ伝送され、該参照ミラーからの反射光波は前記周波数シフタを再び通過することで更なる周波数シフトを受け、その参照光波の一部は第１のビームスプリッタを透過して信号光と重畳することにより干渉光を生成し、該干渉光は前記一対の結像用レンズを透過して第２のビームスプリッタへ伝搬し、干渉光の位相の直交成分を２
台のイメージセンサを用いてそれぞれ検出することにより、イメージセンサの記録レートでの干渉光波の位相分布を測定することを特徴とする並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法。
【請求項２】
請求項１記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記イメージセンサがＣＣＤカメラであることを特徴とする並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、干渉光波の位相分布を測定するために、前記第１のビームスプリッタにより光波重畳された干渉光を前記第２のビームスプリッタで２分割し、２分割された干渉光ビームを第１のシャッターと第２のシャッターを用いて周期的遮断（サンプリング）し、それらサンプリング周波数が等しく、ともにΔｆである場合、サンプリング周波数とビート周波数間の差（δｆ＝｜ｆD −Δｆ｜）が小さく、蓄積型イメージセンサの応答周波数に比べて十分低い場合、干渉光を受光した第１のイメージセンサから次式のような
【数１】
2005214927.tif 000015
（ただし、Ｋ1 は第２のビームスプリッタの透過率及び第１のイメージセンサの光電変換率を含めた光検出効率）
出力ｉ1 を求めることを特徴とする並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法。
【請求項４】
請求項３記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記第１及び第２のシャッターのｏｎ−ｏｆｆタイミング間にΔｔ＝１／（４Δｆ）の時間差を設けることにより、前記第１のシャッターにかけるサンプリング関数の位相を前記第２のシャッターにかけるサンプリング関数の位相に対して相対的にπ／２シフトし、前記第２のイメージセンサからの出力ｉ2 を次式
【数２】
2005214927.tif 000016
（ただし、Ｋ2 は第２のビームスプリッタの透過率および第２のイメージセンサの光電変換率を含めた光検出効率）
を用いて求めることを特徴とする並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法。
【請求項５】
請求項４記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記第１のシャッターと第２のシャッターをｏｎ（開）の状態に保つことにより、連続的な干渉光を受光し、該干渉光のビート周波数が前記イメージセンサの応答周波数より十分高いことを条件として、前記２台のイメージセンサからの出力ｉ3 とｉ4 を次式
ｉ3 ＝Ｋ1 ・（Ｉs ＋Ｉr ）
ｉ4 ＝Ｋ2 ・（Ｉs ＋Ｉr ）
で求め、これにより、前記第１及び第２のイメージセンサに含まれる干渉信号成分Ｓ1 ，Ｓ2 を
【数３】
2005214927.tif 000017
で求め、上記両式の比較から、光干渉信号の振幅である
【数４】
2005214927.tif 000018
を求めることを特徴とする並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法。
【請求項６】
請求項１又は２記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記干渉光をそのビート周波数に近い周波数でサンプリングしてさらに前記２台のイメージセンサで受光することで、ヘテロダイン信号成分をゼロないしゼロに近い周波数δｆの交流信号として検出することを特徴とする並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法。
【請求項７】
請求項６記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記ヘテロダイン信号成分を直流信号として検出することを特徴とする並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法。
【請求項８】
請求項１又は２記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記コヒーレント光源として連続発振のレーザ光源を用いることを特徴とする並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法。
【請求項９】
請求項１又は２記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記コヒーレント光源として可干渉距離１００μｍ以下のセントダイオード（ＳＬＤ）を用いて、ヘテロダイン干渉計測が低コヒーレンス干渉の性質を有するようにすることを特徴とする並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法。
【請求項１０】
請求項１又は２記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記コヒーレント光源として可干渉距離５０μｍ以下の発光ダイオードを用いることを特徴とする並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法。
【請求項１１】
請求項３記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記第１及び第２のシャッターが液晶素子を用いた高速光シャッターであることを特徴とする並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体、特に微細表面構造を持つ、透明もしくは光吸収と散乱媒質に光ビームを照射し、その被検体を伝搬（反射もしくは透過）した光を利用して、その被検体の表面もしくは内部の形態情報を画像化する光干渉計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光干渉法を用いた光画像計測技術は、非接触で高い空間分解能を持つことから、微細構造を持つサンプルの内部ないし外部形状の計測に盛んに応用されている。図５に広く用いられているマイケルソン干渉計の基本構成を示す。
【０００３】
図５において、１はレーザ光源、２は半透明ミラー、３は参照ミラー、４は被測定物体、５は光検出器である。
【０００４】
干渉計において重畳される参照光と信号光の強度をそれぞれＩr とＩs 、また両光波の間の周波数差をｆifとすると、光検出器５から次のようなヘテロダイン信号が得られる（例えば、下記非特許文献１参照）。
【０００５】
【数５】
2005214927.tif 000003
【０００６】
式（１）の第３項は交流電気信号で、その周波数ｆifは、二つの光波のうなり（ビート）に等しいことから、ビート周波数と呼ばれる。ヘテロダイン干渉計では、参照光と信号光の少なくとも一方を、例えば音響光学変調器で周波数シフトすることにより、２つの光波に差周波数を与えることができる。
【０００７】
他方、ヘテロダイン検出法で得られる電気信号の位相Δθには両光波間の光路長差Δｌの情報が含まれている。光波長をλとすると、Δθ＝φ＋２πΔｌ／λの関係がある。ここでは、φは測定の初期位相値である。
【０００８】
従って、参照光側にある被測定物体が光軸上、すなわち深さ（ｚ−）方向上にΔｚ分の位置を変化すれば、ヘテロダイン信号の位相に４Δｚπ／λの変化量が生じる。この位相の変化量を測定することにより、光波長以下の深さ分解能が得られる。また、ヘテロダイン検出法による位相測定を被測定物体の鉛直面（ｘ−ｙ）に対して実施すれば、高精度な表面形状測定を実現することができる（例えば、下記非特許文献２参照）。
【０００９】
また、本発明の基本的な構成を示す２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置として、本願発明者らによる下記特許文献１が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−３３０５５８号公報
【非特許文献１】吉沢、瀬田編、‘光ヘテロダイン技術’、新技術コミュニケーションズ社出版（１９９４）
【非特許文献２】辻内、河野、鈴木監修、“高精度鏡面形状測定法”、オプトロニクス社出版（１９８８）
【非特許文献３】Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ，Ｋ．Ｓａｔｏｒｉ，Ｈ．Ｉｎａｂａ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３４，１１０１（１９９８）
【非特許文献４】Ｍ．Ａｋｉｂａ，Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ，Ｎ．Ｔａｎｎｏ，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２８，８１６（２００３）
【非特許文献５】Ｊ．Ｈ．Ｂｒｕｎｉｎｇ，Ｄ．Ｒ．Ｈｅｒｒｉｏｔｔ，Ｊ．Ｅ．Ｇｌｌａｇｈｅｒ，Ｄ．Ｗｈｉｔｅ，Ｊ．Ｂｒａｎｇａｃｉｏ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．１３，２６９３（１９７４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ヘテロダイン電気信号の位相を測定するために、ビート周波数と同じ周波数の基準信号を用いた比較方法が広く用いられている。この方法では、検出されたヘテロダイン信号と基準信号を位相比較回路に入力して位相差を求める。このような位相測定方法は構成が比較的簡単であり、単一検出器を用いた光ヘテロダイン干渉計に用いられることが多い。しかし、２次元形状計測では、光ビームの走査によって被測定体の各部位からの反射光波を順次に検出する必要があるので、計測時間の短縮に限界がある。
【００１１】
図６は画像計測の更なる高速化を図った従来のマイケルソン干渉計の基本構成図である。
【００１２】
この図において、１１はレーザ光源、１２，１３はレンズ、１４は半透明ミラー、１５は参照ミラー、１６は被測定物体、１７は２次元光センサアレイである。
【００１３】
画像計測の更なる高速化のためには、例えば図６に示すように、レーザ光源１１からの信号光のビーム径を広げて被測定物体１６に入射し、その反射光波を２次元光センサアレイ１７、例えばＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）カメラで並列検出する方法が有効であると思われる。これにより、光軸に垂直なｘ−ｙ面上の位相分布を求めることができる。しかし、現在市販されているＣＣＤカメラは応答特性が低く、数ｋＨｚから数ＭＨｚ程度のビート周波数に追従できないという問題点がある。
【００１４】
光ヘテロダイン信号の並列検出方法として、２次元光検出器アレイによる方法が報告されている（例えば、上記非特許文献３参照）。この方法では、２次元光検出器アレイからの複数のヘテロダイン信号は並列の信号処理系に入力され、めいめいのヘテロダイン信号振幅と位相を検出することができる。しかし、位相分布測定の空間分解能が高くなるにつれてアレイの素子数が増え、その素子数に対応したチャンネル数をもつ信号処理系が必要となることから、実用上に難点がある。
【００１５】
本発明は、上記状況に鑑み、光波の位相の空間分布を有効に検出できる並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、連続光を出力するコヒーレント光源から出射した光ビームを第１のレンズと第２のレンズによってビーム径を広げ、さらに第１のビームスプリッタにより、信号光と参照光とに二分し、参照光と分かれた信号光は、被測定物体に入射し、該被測定物体からの反射光波の一部は第１のビームスプリッタによって反射され、一対の結像用レンズを介して第２のビームスプリッタへ伝送され、一方、参照光は周波数シフタを通過することで周波数シフトを受けた後、参照ミラーへ伝送され、該参照ミラーからの反射光波は前記周波数シフタを再び通過することで更なる周波数シフトを受け、その参照光波の一部は第１のビームスプリッタを透過して信号光と重畳することにより干渉光を生成し、該干渉光は前記一対の結像用レンズを透過
して第２のビームスプリッタへ伝搬し、干渉光の位相の直交成分を２台のイメージセンサを用いてそれぞれ検出することにより、イメージセンサの記録レートでの干渉光波の位相分布を測定することを特徴とする。
【００１７】
〔２〕上記〔１〕記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記イメージセンサがＣＣＤカメラであることを特徴とする。
【００１８】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、干渉光波の位相分布を測定するために、前記第１のビームスプリッタにより光波重畳された干渉光を前記第２のビームスプリッタで２分割し、２分割された干渉光ビームを第１のシャッターと第２のシャッターを用いて周期的遮断（サンプリング）し、それらサンプリング周波数が等しく、ともにΔｆである場合、サンプリング周波数とビート周波数間の差（δｆ＝｜ｆD −Δｆ｜）が小さく、蓄積型イメージセンサの応答周波数に比べて十分低い場合、干渉光を受光した第１のイメージセンサからは次式のような
【００１９】
【数６】
2005214927.tif 000004
【００２０】
（ただし、Ｋ1 は第２のビームスプリッタの透過率及び第１のイメージセンサの光電変換率を含めた光検出効率）
出力ｉ1 を求めることを特徴とする。
【００２１】
〔４〕上記〔３〕記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記第１及び第２のシャッターのｏｎ−ｏｆｆタイミング間にΔｔ＝１／（４Δｆ）の時間差を設けることにより、前記第１のシャッターにかけるサンプリング関数の位相を前記第２のシャッターにかけるサンプリング関数の位相に対して相対的にπ／２シフトし、前記第２のイメージセンサからの出力ｉ2 を次式
【００２２】
【数７】
2005214927.tif 000005
【００２３】
（ただし、Ｋ2 は第２のビームスプリッタの透過率および第２のイメージセンサの光電変換率を含めた光検出効率）
を用いて求めることを特徴とする並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法。
【００２４】
〔５〕上記〔４〕記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記第１のシャッターと第２のシャッターをｏｎ（開）の状態に保ち、連続的な干渉光を受光し、この干渉光のビート周波数が蓄積型イメージセンサの応答周波数より十分高いことを条件として、前記２台のイメージセンサからの出力ｉ3 とｉ4 を次式
ｉ3 ＝Ｋ1 ・（Ｉs ＋Ｉr ）                              …（４）
ｉ4 ＝Ｋ2 ・（Ｉs ＋Ｉr ）                              …（５）
で求め、
これにより、前記第１及び第２のイメージセンサに含まれる干渉信号成分Ｓ1 ，Ｓ2 を
【００２５】
【数８】
2005214927.tif 000006
【００２６】
で求め、上記両式の比較から、光干渉信号の振幅である
【００２７】
【数９】
2005214927.tif 000007
【００２８】
を求めることを特徴とする。
【００２９】
〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記干渉光をそのビート周波数に近い周波数でサンプリングしてさらに前記２台のイメージセンサで受光することで、ヘテロダイン信号成分をゼロないしゼロに近い周波数δｆの交流信号として検出することを特徴とする。
【００３０】
〔７〕上記〔６〕記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記ヘテロダイン信号成分を直流信号として検出することを特徴とする。
【００３１】
〔８〕上記〔１〕又は〔２〕記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記コヒーレント光源として連続発振のレーザ光源を用いることを特徴とする。
【００３２】
〔９〕上記〔１〕又は〔２〕記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記コヒーレント光源として可干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）を用いて、ヘテロダイン干渉計測が低コヒーレンス干渉の性質を有するようにすることを特徴とする。
【００３３】
〔１０〕上記〔１〕又は〔２〕記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記コヒーレント光源として可干渉距離５０μｍ以下の発光ダイオードを用いることを特徴とする。
【００３４】
〔１１〕上記〔３〕記載の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法において、前記第１及び第２のシャッターが液晶素子を用いた高速光シャッターであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、光波の位相の空間分布を有効に検出できる並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
連続光を出力するコヒーレント光源から出射した光ビームを第１のレンズと第２のレンズによってビーム径を広げ、さらに第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）により、信号光と参照光とに二分し、参照光と分かれた信号光は、微細な外部形状をもつ被測定物体に入射し、該被測定物体からの反射光波の一部は第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）によって反射され、一対の結像用レンズを介して第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）へ伝送され、一方、参照光は周波数シフタを通過することで周波数シフトを受けた後、参照ミラーへ伝送され、該参照ミラーからの反射光波は前記周波数シフタを再び通過することで更なる周波数シフトを受け、その参照光波の一部は第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）を透過して信号光と重畳することにより干渉光を生成し、該干渉光は前記一対の結像用レンズを透過し
て第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）へ伝搬し、干渉光の位相の直交成分を２台のイメージセンサを用いてそれぞれ検出することにより、イメージセンサの記録レートでの干渉光波の位相分布を測定する。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３８】
図１は本発明の実施例を示す２次元光ヘテロダイン画像計測装置の構成図である。
【００３９】
この図において、２１はレーザ光源、２２，２３はビーム径を広げるためのレンズ、２４は第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）、２５は周波数シフタ、２６は参照ミラー、２７は被測定物体、２８，２９は結像用レンズ、３０は第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）、３１は第１のシャッター、３２は第１のイメージセンサ（第１のＣＣＤ）、３３は第２のシャッター、３４は第２のイメージセンサ（第２のＣＣＤ）、３５はパルス信号発生器、３６はπ／２位相シフタである。
【００４０】
連続光を出力するコヒーレント光源、例えば、レーザ光源２１から出射した光ビームはレンズ２２とレンズ２３によってビーム径が広げられ、さらに第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）２４により、信号光と参照光とに二分される。参照光と分かれた信号光は、例えば微細な外部形状をもつ被測定物体２７に入射する。被測定物体２７からの反射光波の一部は第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）２４によって反射され、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）３０へ伝送される。
【００４１】
一方、参照光は例えば電気光学変調器もしくは音響光学変調器からなる周波数シフタ２５を通過することで周波数シフトを受けた後、参照ミラー（全反射鏡）２６へ伝送される。参照ミラー２６からの反射光波は周波数シフタ２５を再び通過することで更なる周波数シフトを受ける。このような参照光波の一部は、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）２４を透過して信号光と重畳することにより干渉光を生成する。干渉光は、結像用レンズ２８と２９を透過して第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）３０へ伝搬する。
【００４２】
本発明によれば、イメージセンサ３２，３４、例えばＣＣＤカメラを用いて光ヘテロダイン検出を行うことにより、信号光の位相の空間分布を測定する。
【００４３】
以下に、本発明による測定原理を説明する。
【００４４】
上記した第１のビームスプリッタ２４（ＢＳ１）からなる光波重畳の手段で得た干渉光を第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）３０で２分割する。さらに、２分割された干渉光ビームを第１のシャッター３１と第２のシャッター３３を用いて周期的遮断（サンプリング）する。それらサンプリング周波数が等しく、ともにΔｆであるとする。
【００４５】
ここで、サンプリング周波数とビート周波数間の差（δｆ＝｜ｆD −Δｆ｜）が小さく、蓄積型光センサの応答周波数に比べて十分低いのであれば、周波数同期検出の原理により、干渉光を受光した第１のイメージセンサ３２からは次のような出力ｉ1 が得られる（例えば、上記非特許文献４参照）。
【００４６】
【数１０】
2005214927.tif 000008
【００４７】
ここで、Ｋ1 は第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）３０の透過率および第１のイメージセンサ３２の光電変換率を含めた光検出効率である。第１のイメージセンサ３２は多数の受光素子（ピクセル）を持っており、めいめいの出力には、上記式（２）に従って入射してくる参照と信号の両光波の強度と位相差の情報が含まれることが明白である。
【００４８】
本発明によれば、第１，第２のシャッター３１，３３のｏｎ−ｏｆｆタイミング間にΔｔ＝１／（４Δｆ）の時間差を設けることで、第１のシャッター３１にかけるサンプリング関数の位相を第２のシャッター３１にかけるサンプリング関数の位相に対して相対的にπ／２シフトすれば、第２のイメージセンサ（第２のＣＣＤ）３４からの出力ｉ2 は、
【００４９】
【数１１】
2005214927.tif 000009
【００５０】
で求められる。ここで、Ｋ2 は第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）３４の透過率と第２のイメージセンサ（第２のＣＣＤ）３４の光電変換率を含めた光検出効率である。
【００５１】
式（２）と式（３）から分かるように、イメージセンサの出力には信号光と参照光の強度のほかに、光干渉信号の振幅〔√（Ｉs Ｉr ）〕及び位相（２πδｆｔ＋φ）に関する項が含まれている。
【００５２】
本発明によれば、干渉光をそのビート周波数に近い周波数でサンプリングしてさらにイメージセンサで受光することで、ヘテロダイン信号成分をゼロないしゼロに近い周波数δｆの交流信号として検出する。この点が従来のヘテロダイン検出法と根本的に異なる点である。それにより、ヘテロダイン信号成分を直流信号として検出することも可能である。
【００５３】
本発明は、信号光のおよその強度を検出することに着眼し、上記２チャンネルのサンプリング方法と、次の検出方法を特徴とする。
【００５４】
例えば、図１に示す第１のシャッター３１と第２のシャッター３３を“ｏｎ”、すなわち“開き”の状態に保つことにより、連続的な干渉光を受光することも可能である。その場合、干渉光のビート周波数が蓄積型光センサの応答周波数より十分高いのであれば、第１のイメージセンサ３２と第２のイメージセンサ３４からの出力ｉ3 とｉ4 はそれぞれ次のようである。
【００５５】
ｉ3 ＝Ｋ1 ・（Ｉs ＋Ｉr ）                              …（４）
ｉ4 ＝Ｋ2 ・（Ｉs ＋Ｉr ）                              …（５）
そこで、本発明によれば、以下のような演算処理を施すことにより、光干渉信号の振幅〔√（Ｉs Ｉr ）〕に関する情報を抽出する。
【００５６】
上記式（２）〜（５）の結果から、第１、第２のイメージセンサの出力に含まれる干渉信号成分は以下のように算出される。
【００５７】
【数１２】
2005214927.tif 000010
【００５８】
上記式（６）と式（７）の比較から、Ｓ2 とＳ1 はそれぞれ同期検出法における“Ｉ”（ｉｎ−ｐｈａｓｅ）信号と“Ｑ”（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）信号に対応することが分かる。これより、光干渉信号の振幅は
【００５９】
【数１３】
2005214927.tif 000011
【００６０】
と求まる。ここで、ｒは第１、第２の両イメージセンサ３２，３４による検出効率の比であり、上記式（４）と式（５）から次のように与えられる。
【００６１】
【数１４】
2005214927.tif 000012
【００６２】
本発明は、上記したように、干渉信号の振幅が求まることを十分認識して、次の測定方法で干渉光の位相の空間分布を求めることを特徴とする。
【００６３】
ある測定時間ｔ＝ｔ1 において、第１、第２のイメージセンサ３２，３４から干渉成分Ｓ1 （ｔ1 ）とＳ2 （ｔ1 ）が検出されるとすると、上記式（６）と式（７）から両干渉成分の比を取ることで次のような結果が得られる。
【００６４】
【数１５】
2005214927.tif 000013
【００６５】
上記式（１０）から、信号Ｓ1 （ｔ1 ）とＳ2 （ｔ1 ）の強度比は干渉光の振幅に依存せず、干渉光波の位相情報のみを含めていることが分かる。これより、２次元のセンサアレイ例えばＣＣＤカメラを用いて干渉光を２次元（ｘ−ｙ面）検出することにより、各ピクセルで検出される電気信号の位相φ（ｘ，ｙ）を次のように求めることができる。
【００６６】
【数１６】
2005214927.tif 000014
【００６７】
上記式（１１）の第２項はゼロないしゼロに近い周波数をもつ交流信号の測定時間ｔ1 における瞬時位相値で、ＣＣＤのピクセルの位置によらず、均一であると考えられる。従って、例えばＣＣＤセンサの中心（ｘ＝０，ｙ＝０）に位置するピクセルで検出される位相を基準に、各ピクセルで検出される電気信号の位相差を求めることにより、ヘテロダイン信号、すなわち干渉光波の位相差の空間分布を画像化することができる。ここでは、例としてＣＣＤセンサの中心位置で検出される電気信号の位相を基準値としたが、他の位置で検出される位相を基準にしても干渉光波の位相分布の画像化に有効であることが明白である。
【００６８】
図２は、本発明による図１の光画像計測装置に広帯域光源として連続出力のスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた実施例を示す。
【００６９】
この図において、広帯域光源として連続出力のＳＬＤ４１を用いる点と、参照ミラーとしてＺ軸スキャンが可能なピエゾ素子４２を有する参照ミラー４３を配置する点以外は図１に示す光画像計測装置と同様である。
【００７０】
市販されている近赤外域ＳＬＤの場合コヒーレント長ｌc ≒３０μｍ、また発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合ｌc ≒１０μｍ程度である。このような広帯域光源を用いることにより、図２に示されるヘテロダイン干渉計は低コヒーレンス干渉の性質を備えることを特徴とする。
【００７１】
低コヒーレント光源を用いた図２に示される計測装置によるヘテロダイン干渉計測では、信号光と参照光との光路長差が光源の極めて短いコヒーレント長以内にあるときのみ、光干渉が生成される。そのため、例えば参照ミラー４３の位置をスキャンして参照光の光路長を信号光の光路長に等しくなるように調節することが望ましい。他方、図２の実施例では、低コヒーレンス干渉の性質を備えることにより、被測定物体の表面もしくは内部からの干渉光を深さ分解して検出することができる。
【００７２】
また、図２の実施例では、光ヘテロダイン計測におけるビート周波数を発生する機構として、参照ミラー４３の背後に振動素子、例えばピエゾ素子４２を付着させ、参照ミラー４３の振動によって参照光にドップラ周波数シフトを与える。第１のシャッター３１と第２のシャッター３３としては、例えば液晶素子または電気光学素子を用いた高速シャッターを使用することが望ましい。
【００７３】
図２の実施例を用いた位相分布の測定結果例を図３に示す。ここでは、広帯域光源として連続出力のＳＬＤ（中心波長８３０ｎｍ、スペクトル半値幅約２０ｎｍ）、また、被測定物体としてガラス凸レンズ（焦点距離１００ｍｍ）を用いた。図３の２次元位相分布を定量的に考察するために、図４に位相値の変化を表す１次元表示を示す。ただし、図４の結果は、図３において矢印で示されている横線Ａ−Ａに対応したものである。図３と図４の結果で見られるように、干渉光の位相の空間分布はレンズの表面形状に対応して連続的に変化している。この位相変化分から、被測定物体の表面形状を精密に計測できる。
【００７４】
なお、光源としては、可干渉距離１００μｍ以下のＳＬＤを用いることができる。また、光源としては、可干渉距離５０μｍ以下の発光ダイオードを用いるようにしてもよい。更に、前記第１、第２のシャッターとしては液晶素子を用いた高速光シャッターが望ましい。
【００７５】
高精度形状測定方法として、光干渉計にイメージセンサ、例えばＣＣＤカメラを用い、参照光の位相を順次シフトさせながら、複数の干渉縞を記録する位相シフト方法がよく知られている（例えば、上記非特許文献５参照）。この従来の方法に比べて、本発明は、周波数同期検出方法を光ヘテロダイン検出に応用することにより、干渉光の位相の直交成分を２台のイメージセンサ、例えばＣＣＤカメラを用いてそれぞれ検出することで、複数の干渉縞を記録することなく、イメージセンサの記録レートで干渉光波の位相分布を測定することができる。
【００７６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の並列光ヘテロダイン検出法を用いた光干渉計測方法は、被検体の表面もしくは内部の形態情報を画像化するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施例を示す２次元光ヘテロダイン画像計測装置の構成図である。
【図２】図１の光画像計測装置に広帯域光源として連続出力のスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた実施例を示す図である。
【図３】図２の実施例を用いた位相分布の測定結果例を示す図である。
【図４】図３の位相分布図において矢印で示される横線Ａ−Ａに対応した１次位相表示図である。
【図５】従来のマイケルソン干渉計の基本構成図である。
【図６】画像計測の更なる高速化を図った従来のマイケルソン干渉計の基本構成図である。
【符号の説明】
【００７９】
２１    レーザ光源
２２，２３    ビーム径を広げるためのレンズ
２４    第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）
２５    周波数シフタ
２６，４３    参照ミラー
２７    被測定物体
２８，２９    結像用レンズ
３０    第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）
３１    第１のシャッター
３２    第１のイメージセンサ（第１のＣＣＤ）
３３    第２のシャッター
３４    第２のイメージセンサ（第２のＣＣＤ）
３５    パルス信号発生器
３６    π／２位相シフタ
４１    連続出力のＳＬＤ
４２    Ｚ軸スキャンが可能なピエゾ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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