構造測定方法および構造測定装置
【課題】キャリア周波数の干渉により生じる深さ方向の像の不鮮明さや誤差を低減して、深さ方向の構造をより鮮明かつ高精度に観察・測定する。
【解決手段】周波数が異なる複数のレーザ光を発生する光源１１と、コム周波数間隔が可変で中心角周波数が異なる複数のコム光を順次生成するコム光生成装置１２からのコム光が順次入射され参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出する光学干渉計１３と、複数のコム光の中心角周波数を設定し、コム周波数間隔を掃引し、所定の演算を行う演算制御部１４は、光学干渉計１３における参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出し、各検出において得られた干渉成分の検出値から、測定対象の深さ方向の反射構率分布や散乱係数分布のみを取り出す演算を行うことで、測定対象の構造測定を行う。
【解決手段】周波数が異なる複数のレーザ光を発生する光源１１と、コム周波数間隔が可変で中心角周波数が異なる複数のコム光を順次生成するコム光生成装置１２からのコム光が順次入射され参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出する光学干渉計１３と、複数のコム光の中心角周波数を設定し、コム周波数間隔を掃引し、所定の演算を行う演算制御部１４は、光学干渉計１３における参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出し、各検出において得られた干渉成分の検出値から、測定対象の深さ方向の反射構率分布や散乱係数分布のみを取り出す演算を行うことで、測定対象の構造測定を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数コムを用いて、物体や人体の表面形状あるいは表面近傍の内部構造（本発明において、表面形状および内部構造を、単に「構造」と言う）を観察・測定する技術に関する。具体的には、光周波数コムを光学干渉計に入射し、前記光学干渉計における固定された参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより検出し、測定対象の深さ方向の反射率分布あるいは散乱係数分布を測定する方法において、中心角周波数の異なる複数の光周波数コムを用いることにより、深さ方向の構造をより鮮明かつ高精度に観察・測定する構造測定方法および構造測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の干渉現象を用いた測定対象の表面形状の計測（Ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）、および内部構造の観察（Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を行う技術として、従来、特許文献１，非特許文献１に記載された「白色干渉法」、特許文献２，非特許文献２に記載された「周波数走査干渉法」、特許文献３−５，非特許文献３に記載された「光コム周波数間隔掃引干渉法」が知られている。これらの干渉測定法は、光源からの光を測定対象からの戻り光（信号光）と参照鏡からの戻り光（信号光）に分けて干渉測定を行う点は共通である。
【０００３】
「白色干渉法」では、図１２に示すように、広帯域な白色光源７１からの光Ｓを干渉計７２に入射して、干渉計測を行う。信号光Ｓ１と参照光Ｓ２の光路差がゼロとなる付近でのみ干渉が起こる。参照ミラー７２１を機械的に掃引することでフォトダイオード（ＰＤ）７２３により干渉光を測定する。参照ミラー７２１の位置と干渉信号から、信号光Ｓ１の反射位置（測定対象７２２の形状）を同定する。図１２では、干渉出力と、信号光Ｓ１と参照光Ｓ２との光路差との関係がグラフにより示されている。奥行き方向の分解能は、白色光源７１の帯域に反比例するため、広い帯域の光源を用いるほど、細かい形状を測定することができる．
【０００４】
「周波数掃引法」では、図１３に示すように、周波数掃引レーザ（周波数が走査可能なレーザ）８１からの光Ｓを干渉計８２に入射して、干渉計測を行う。参照ミラー８２１は固定である。周波数掃引レーザ８１の周波数を掃引しつつ、フォトダイオード（ＰＤ）８２３により、信号光Ｓ１と参照光Ｓ２との干渉光の波形を測定する。干渉波をフーリエ変換して信号光Ｓ１の反射位置（測定対象８２２の内部構造等）を計算する。図１３では、周波数掃引レーザ８１からの光Ｓが掃引されている様子をグラフで示すとともに、ＰＤ８２３が検出した干渉出力と光源周波数ｆとの関係、フーリエ変換した波形と光路差との関係がグラフにより示されている。奥行き方向の分解能は、光源周波数が走査可能な帯域で決まり、走査帯域が広いほど高い分解能が実現できる。
【０００５】
「光コム周波数間隔掃引干渉法」では、図１４に示すように、単一周波数光源９１１からの光Ｓが、周波数コム光発生器９１２に入射する。周波数コム光発生器９１２が、コム周波数間隔ｆｉが掃引可能なコム光Ｓｃｍｂを発生する。コム光Ｓｃｍｂは、周波数軸上に多数の輝線スペクトルが一定の周波数間隔で整列した光のことを指す。参照ミラー９２１は固定である。イメージセンサ９２３により、信号光Ｓ１と参照光Ｓ２との干渉光の波形を測定する。干渉ピークが現れる光路差の位置はコム周波数間隔ｆｉに依存し、等間隔に現れる。そのため、コム周波数間隔ｆｉを掃引すると、光路差０の位置は動かないが、それ以外の位置は周波数間隔に依存して動くので測定対象９２２の深さ方向の反射率分布（測定対象９２２の内部構造等）が周波数間隔から同定できる。図１４では、周波数コム光発生器９１２が発生する帯域ｆＢの周波数コム光を図示するとともに、コム光Ｓｃｍｂが掃引されている様子も図示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２０１００４２号「光波反射像測定装置」
【特許文献２】ＷＯ２００６／０２２３４２「生体組織測定用の光干渉トモグラフィー用光発生装置及び生体組織測定用の光干渉トモグラフィー装置」
【特許文献３】日本国特許第４５４３１８０号 「形状測定方法、形状測定装置およびコム光発生装置」
【特許文献４】米国特許 ７４４０１１２
【特許文献５】ドイツ特許 ＰＮ１６００１ＤＥ
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｄ． Ｈｕａｎｇ， Ｅ． Ａ． Ｓｗａｎｓｏｎ， Ｃ． Ｐ． Ｌｉｎ， Ｊ． Ｓ． Ｓｃｈｕｍａｎ， Ｗ． Ｇ． Ｓｔｉｎｓｏｎ， Ｗ． Ｃｈａｎｇ， Ｍ． Ｒ． Ｈｅｅ， Ｔ． Ｆｌｏｔｔｅ， Ｋ． Ｇｒｅｇｏｒｙ， Ｃ． Ａ． Ｐｕｌｉａｆｉｔｏ， ａｎｄ Ｊ． Ｇ． Ｆｕｊｉｍｏｔｏ， Ｓｃｉｅｎｃｅ ２５４（１９９１） １１７８．
【非特許文献２】Ｔ． Ｋｕｂｏｔａ， Ｍ． Ｎａｒａ ａｎｄ Ｔ． Ｙｏｓｈｉｎｏ： Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．， １２ （１９８７） ３１０−３１２．
【非特許文献３】Ｓ． Ｃｈｏｉ， Ｍ． Ｙａｍａｍｏｔｏ， Ｄ． Ｍｏｔｅｋｉ， Ｔ． Ｓｈｉｏｄａ， Ｙ． Ｔａｎａｋａ， ａｎｄ Ｔ． Ｋｕｒｏｋａｗａ，“Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｃｏｍｂ−ｂａｓｅｄ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ Ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，” Ｏｐｔｉｃｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ． ３１ Ｎｏ． １３， ｐｐ． １９７６．−１９７８， Ｊｕｌｙ， ２００６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
「白色干渉法」では、表面形状測定（Ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）、および内部構造測定（Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）が可能である。しかし、機械的に可動される参照ミラー７２１の保守に手間がかかる。また、白色光源７１からの光強度が弱いため、測定時間が長くなり、また安定性が悪い。
【０００９】
「周波数走査法」では、表面形状測定、および内部構造測定が可能であり、機械的可動部分がないため、動作が安定しており、小型化が図られる。しかし、広い範囲に渉って周波数を掃引することが難しく、また周波数掃引光源が高価である。
【００１０】
「光コム間隔周波数掃引法」では、機械的可動部分がないため、動作が安定しており、小型化が図られ、また高速な測定が可能である。しかし、「光コム間隔周波数掃引法」は、図４において後述するように、キャリア周波数の干渉が弱めあう位置となった場合、包絡線信号全体が小さくなり、鮮明な画像が得られず正確な測定ができない場合が生じる。すなわち、表面形状測定を行う場合には、境界面の反射が大きいため測定できるが、内部構造測定の場合には、微弱で連続した散乱を測定しなければならず、測定ができない場合が生じてしまう。
【００１１】
本発明の目的は、キャリア周波数の干渉により生じる深さ方向の像の不鮮明さや誤差を低減して、深さ方向の構造をより鮮明かつ高精度に観察・測定する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の構造測定方法は、（１）から（３）を要旨とする。
（１）
周波数が異なる複数のレーザ光から中心角周波数が異なる複数のコム光を順次生成して光学干渉計に入射し、複数のコム光ごとに、前記光学干渉計における固定された参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出し、これらの検出値に基づき測定対象の構造を測定する構造測定方法であって、
前記複数回の検出ごとに、前記各検出において得られた干渉成分の検出値から、反射分布および／または散乱分布を取り出す演算を行うことで、前記測定対象の構造測定を行うことを特徴とする構造測定方法。
【００１３】
（２）
ｍ次の干渉成分が現れるように前記光学干渉計の参照側と測定対象側との光学長差を設定する（１）に記載の構造測定方法であって、
用意される中心角周波数が異なるコム光が２つであり、これら２つの中心角周波数ω1，ω2の差（ω1−ω2）を、
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ
ｍ：次数（正の整数）
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
Ω0：基準となるコム間隔角周波数
となるように設定することを特徴とする構造測定方法。
【００１４】
（３）
干渉出力が得られる測定対象の深さｚが、
ｚ＝ｍ×（πｃ／Ω）
となるようなｍ次の干渉を測定する設定において、
境界面や内部構造の散乱分布ｓc（ｚ，Ω）を、ｐ1（Ω），ｐ2（Ω）を実数として、
ｓc（ｚ，Ω）＝｛ｐ1（Ω）2＋ｐ2（Ω）2｝1/2
により求め、
または、
ｑ1（Ω）＝ｄｐ1（Ω）／ｄΩ
ｑ2（Ω）＝ｄｐ2（Ω）／ｄΩ
の２つの式から、
ｓc（ｚ，Ω）＝−ｍπｃ｛ｑ21（Ω）＋ｑ22（Ω）｝1/2／ｚ2
により求めることを特徴とする（２）に記載の構造測定方法。
ｚ：測定対象の基準位置からの深さ方向の距離
ｍ：次数（正の整数）
Ω：コム間隔の角周波数（掃引角周波数）
ｃ：光速
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
ｓc（ｚ，Ω）：Ωで掃引したときの演算値（測定値）
ｐ1（Ω）：中心角周波数ω1のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
ｐ2（Ω）：中心角周波数ω2のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
【００１５】
本発明の構造測定装置は、（４）から（７）を要旨とする。
（４）
周波数が異なる複数のレーザ光を発生する光源と、
前記光源から出射されるレーザ光を元に、コム周波数間隔が可変で中心角周波数が異なる複数のコム光を順次生成するコム光生成装置と、
前記コム光生成装置からのコム光が順次入射され、固定された参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出する光学干渉計と、
前記複数のコム光の中心角周波数を設定し、コム周波数間隔を掃引し、所定の演算を行う演算制御部と、
を備えた構造測定装置であって、
前記演算制御部は、前記光学干渉計における前記参照鏡からの戻り光と前記測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出し、前記各検出において得られた干渉成分の検出値から、測定対象の深さ方向の反射構率分布および／または散乱係数分布のみを取り出す演算を行うことで、前記測定対象の構造測定を行うことを特徴とする構造測定装置。
【００１６】
（５）
前記光源として、単一周波数光源と、前記単一周波数光源からの光を入射し、周波数を僅かに変化させる周波数シフタとからなることを特徴とする（４）に記載の構造測定装置。
【００１７】
（６）
ｍ次の干渉成分が現れるように前記光学干渉計の参照側と測定対象側との光学長差を設定する（４）または（５）に記載の構造測定方法であって、
用意される中心角周波数の異なるコム光が２つであり、これら２つの中心角周波数ω1，ω2の差（ω1−ω2）を、
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ
中心角周波数ω1，ω2の差（ω1−ω2）を、
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ
ｍ：次数（正の整数）
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
Ω0：基準となるコム間隔角周波数
となるように設定することを特徴とする構造測定装置。
【００１８】
（７）
干渉出力が得られる測定対象の深さｚが、
ｚ＝ｍ×（πｃ／Ω）
となるように設定した請求項６に記載の構造測定装置において、
前記演算制御部は、
境界面や内部構造の散乱分布ｓc（ｚ，Ω）を、ｐ1（Ω），ｐ2（Ω）を実数として、
ｓc（ｚ，Ω）＝｛ｐ1（Ω）2＋ｐ2（Ω）2｝1/2
により求め、
または、
ｑ1（Ω）＝ｄｐ1（Ω）／ｄΩ、
ｑ2（Ω）＝ｄｐ2（Ω）／ｄΩ
の２つの式から、
ｓc（ｚ，Ω）＝−ｍπｃ｛ｑ21（Ω）＋ｑ22（Ω）｝1/2／ｚ2
により求めることを特徴とする請求項６に記載の構造測定装置。
ｚ：基準位置からの深さ方向の距離
ｍ：次数（正の整数）
Ω：コム光の角周波数間隔（掃引角周波数の間隔）
ｃ：光速
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
ｓc（ｚ，Ω）：Ωで掃引したときの演算値（測定値）
ｐ1（Ω）：中心角周波数ω1のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
ｐ2（Ω）：中心角周波数ω2のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
【発明の効果】
【００１９】
従来の「光コム間隔周波数掃引法」で問題となっていた、キャリア周波数の干渉により生じる深さ方向の像の不鮮明さや誤差を低減して、深さ方向の構造をより鮮明かつ高精度に観察・測定できる。特に、微弱で連続した散乱を測定する内部構造測定の場合にも、十分に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の構造測定装置の概要を示す図である。
【図２】本発明で使用される光学干渉計の構成を示す図である。
【図３】（Ａ）は単一周波数光源からの光を周波数シフタにより周波数変換する光源を示す図、（Ｂ）は２つの単一周波数光源からの周波数が異なる光を光切替えスイッチにより切り替える光源を示す図である。
【図４】従来の「光コム間隔周波数掃引干渉法」の干渉出力を示す説明図である。
【図５】本発明の構造測定方法による干渉出力を示す説明図である。
【図６】光周波数コムのパワースペクトルを示す図である。
【図７】従来の光コム間隔周波数掃引による形状測定装置を示す図である。
【図８】周波数コムを光源に用いた干渉計の出力を示す図であり、横軸は参照側と測定側の遅延時間差を示す。
【図９】測定対象の一例を示す図であり、ｎ1はガラス、ｎ2は空気である。
【図１０】従来の光コム間隔周波数掃引法で、図９の測定対象を測定した結果を示す図である。
【図１１】本発明の方法で、図９の測定対象を測定した結果を示す図である。
【図１２】従来の、白色干渉法による形状測定の概要を示す図である。
【図１３】従来の、周波数掃引法による形状測定の概要を示す図である。
【図１４】従来の、光コム周波数間隔掃引干渉法による形状測定の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
《発明の概要》
本発明の構造測定装置の概要を図１に示す。なお、本発明の構造測定方法は以下の説明に含まれるので、特に記載はしない。
図１において、構造測定装置１は、光源１１と、コム光生成装置１２と、光学干渉計１３と、演算制御部１４とを備える。光学干渉計１３は、図２に示すように、固定された参照鏡１３１と、ビームスプリッタ（ＢＳ）と、イメージセンサ１３３とを有しており、コム光生成装置１２からの光をコリメータＣＬを介して入射する。イメージセンサ１３３により、参照鏡１３１からの戻り光と測定対象１３２からの戻り光との干渉出力を、コム間隔周波数を掃引することにより検出し、これらの検出値に基づき測定対象１３２の構造を測定する。ただし、周波数コムの中心角周波数を複数回変化させ、その度ごとに前記コム間隔周波数の掃引による測定を行う。なお、以下の説明において、構造測定装置１において、本発明の本質とはならない構成要素については図示を省略する。たとえば、演算制御部１４には、表示装置や印刷装置が接続されてもよいが、これらの図示はしない。また、光学干渉計１３では、説明に必要ではないレンズ系の図示は省略してある。
【００２２】
光源１１は、周波数が異なる複数のレーザ光を生成する。光源１１は、周波数が異なる光を生成するものであれば、（ａ）単一周波数レーザと周波数シフタとからなるもの、（ｂ）周波数がわずかに異なる２つの単一周波数レーザと光切替スイッチを用いたもの、（ｃ）波長可変レーザからなるもの等を使用することができる。
（ａ）の構成の光源を図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）に示すように、周波数が異なる複数の光を順次生成するための光源１１として、単一周波数光源１１１と周波数シフタ１１２とを組み合わせて使用することができる。たとえば、周波数シフタ１１２として、単側波帯（ＳＳＢ）変調器を用いることができ、周波数シフト量は、マイクロ波発生器１１３によりＳＳＢ変調器に印加する周波数によって決まる。したがって、演算制御部１４（図１に示されている）がマイクロ波発生器１１３を正確に制御できる。
（ｂ）の構成の光源を図３（Ｂ）に示す。図３（Ｂ）に示すように、２つの単一周波数レーザ１１１Ａの出射光と、単一周波数レーザ１１１Ｂの出射光とを、
光切替スイッチ１１４により切り替え、周波数が異なる複数の光を順次生成することができる。
【００２３】
コム光生成装置１２は、光源１１から出射されるレーザ光を元に、コム周波数間隔が可変で中心角周波数が異なる複数のコム光Ｓｃｍｂ，ｋ（ｋ＝１，２，３，・・・）を順次を生成することができる。コム光生成装置としては、例えば次のような構成のものを用いることができる。
単一周波数レーザの光をマイクロ波駆動のＬＮ変調器で変調して種となるコム光を発生する。最終的に発生する光コムの周波数間隔は、このマイクロ波周波数で決定される。次にこの種コム光の各モードの振幅と位相を光パルスシンセサイザで調整し、種コム光から数ピコ秒幅の短光パルスを合成する。次にこの光パルスを増幅してファイバに入射することによりパルス幅を圧縮したのち、非線形ファイバに入射してスーパーコンティニューム（ＳＣ）コム光を発生させる。なお、前記光パルスシンセサイザは、回折格子と変調器が石英光回路に集積された構造からなり、振幅と位相の調整によりピコ秒程度の短光パルスを合成するデバイスである。このＳＣコム光のコム間隔周波数は、前記マイクロ波の周波数で決定される。したがって、前記マイクロ波の周波数を僅かの範囲で掃引すれば、ＳＣコム光のコム間隔周波数も掃引される。
【００２４】
光学干渉計１３は、コム光生成装置１２からのコム光が順次入射され、固定された参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム間隔周波数の掃引に同期して検出する。
演算制御部１４は、複数のコム光Ｓｃｍｂ，ｋ（ｋ＝１，２，３，・・・）の中心角周波数を設定し、コム間隔周波数を掃引する。すなわち、周波数コムの中心角周波数を複数回変化させ、その度ごとに前記コム間隔周波数の掃引に同期した干渉出力を測定する。複数回の測定において得られた干渉成分の検出値から、測定対象の反射分布および／または散乱分布を取り出す演算を行う。
【００２５】
光学干渉計１３は、参照側のＢＳから鏡までの光学長Ｌr、および測定対象側のＢＳから測定対象までの光学長Ｌsの差が、基準コム間隔周波数Ω0に対して次のような関係を満たすように設定する。
Ｌr−Ｌs＝ｍ×（πｃ／Ω0）
このとき、光学干渉計１３からｍ次（ｍ：正の整数）の干渉が出力される（ｃ：光速）。すなわち、コム間隔周波数をΩ0に設定したとき、測定対象の深さ方向に対して距離ｚ0（＝ｍπｃ／Ω0）の点からの干渉出力が得られる。
ここで、コム間隔周波数をΩ0からΩに僅かに変化させると、次の式で表される深さｚからの干渉出力が得られる。
ｚ＝ｍ×（πｃ／Ω）
以上のような設定において、
用意される中心角周波数の異なるコム光（それぞれの中心角周波数をω1，ω2とする）が２つであり、これら２つの中心角周波数の差を、
（中心角周波数の差）＝（基準コム間隔周波数）÷（干渉次数の４倍）
すなわち、
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ
となるように設定する。
中心角周波数ω1のコム光のコム間隔周波数Ωを掃引して得られる検出値の干渉成分をｐ1（Ω），中心角周波数ω2のコム光のコム間隔周波数Ωを掃引して得られる検出値の干渉成分をｐ2（Ω）とする。
測定対象に明確な反射境界が存在する（例えば、物体の表面形状を測定する）場合は、ｐ1（Ω）とｐ2（Ω）から、反射率分布ｓr（Ω）を次式により求められる。
ｓr（Ω）＝｛ｐ1（Ω）2＋ｐ2（Ω）2｝1/2
一方、内部構造の測定（例えばＯＣＴのように物体の内部断面の測定）をする場合は、ｐ1（Ω）とｐ2（Ω）をそれぞれΩで微分する。
ｑ1（Ω）＝ｄｐ1（Ω）／ｄΩ
ｑ2（Ω）＝ｄｐ2（Ω）／ｄΩ
上記の２つの式から次のようにして、内部構造の散乱分布ｓc（ｚ，Ω）を求めることができる。
ｓc（ｚ，Ω）＝−ｍπｃ｛ｑ21（Ω）＋ｑ22（Ω）｝1/2／ｚ2
なお、演算の詳細については、実施例において説明する。
【００２６】
このようにして、図１３で説明した「光コム間隔周波数掃引干渉法」の問題点（キャリア周波数の干渉により生じる深さ方向の像の不鮮明さや誤差）を回避できる。
これにより、測定対象や生体の断層画像を連続的に測定するトモグラフィーも実現可能となる。
【００２７】
図１３で説明した従来の「光コム間隔周波数掃引干渉法」の干渉出力を図４に示し、本発明の構造測定方法による干渉出力を図５に示す。
これらは、何れもコム間隔周波数掃引により干渉出力の包絡線が変化することを利用する。測定対象からの反射光を信号光とし、その反射位置をコム間隔周波数により同定して、測定対象の表面形状や内部構造の測定を行う。
【００２８】
後述するように、光コム間隔周波数を掃引したときに現れる干渉出力は、包絡線の関数にｃｏｓ（２ω0ｚ／ｃ）というキャリア周波数の干渉による項が掛かった形となる。そのため、信号光Ｓ１と参照光Ｓ２が強め合う干渉が起きる場合（図４の位置ｚd）、包絡線の位置を走査して包絡線をなぞるように波形が取得でき計測が可能となる。弱め合う干渉が起きる場合には（図４の位置ｚb）、干渉出力がゼロとなるため、包絡線を走査しても信号出力がゼロとなり、何も信号が得られない。
このように、奥行き方向に沿って測定位置がｚaからｚgへ動くと、その位置に応じた干渉出力は図のように変化するため、反射境界が鮮明でなくなる。
【００２９】
一方、本発明での構造測定方法および構造測定装置では、所定周波数の光から生成した周波数コム光により作られる干渉波と、この光と中心角周波数が所定周波数分異なる光により生成した周波数コム光から作られる干渉波を生成する。この２つの干渉波（図５参照）は、π／２位相が異なる。
これら２つの干渉波を利用して２回測定して二乗和を計算すると、どの位置（ｚａ−ｚｇ）でも測定が可能となり、３次元形状・断層構造が測定できる。
【００３０】
《実施形態》
＜周波数コムを用いた従来の干渉計測法の原理＞
図６は、コム光のパワースペクトルを示している。
コム光のパワースペクトル｜Ｕ0（ω−ω0）｜2は次式のように表すことができる。
｜Ｕ0（ω−ω0）｜2
∝Ｆ（ω−ω0）［Ｇ（ω）＊Σδ（ω−ω0−ｍΩ0）］ （１）
（＊は畳み込み積分を表す）
ω0：コムの中心角周波数
Ω0：基準のコム間隔角周波数
Ｆ（ω）：スペクトルの包絡線形状を示す関数
Ｇ（ω）：周波数コムの縦モードの形状を示す関数
Σ：ｍ＝０，１，２としたときのδ（ω−ω0−ｍΩ0）の総和
δ：デルタ関数
【００３１】
図７は従来の形状計測装置３を示す図であり、形状計測装置３により、図１４においてすでに説明した「光コム周波数間隔掃引干渉法」が実施される。
図７において、形状計測装置３は、レーザ３１１と、周波数コム光発生器３１２と、コリメータＣＬと、干渉計３３とからなる。
干渉計３３は、コリメータＣＬにより、周波数コム光発生器３１２から出射した光を広げてコリメートし、干渉計３３に入射する。ここで、コリメートされた光は、一様であるとする。
【００３２】
干渉計３３に入射された周波数コム光は、
Ｚ方向を測定対象の深さ方向にとる。イメージセンサ上の平面（ｘ，ｙ）上の１点で考える。
２つの分枝の遅延時間差をτとして、
サンプル側からの複素光振幅を、
ｕs（ｔ−τ）＝ｓ（τ）ｕ0（ｔ−τ）
とする。また、参照側からの複素光振幅を、
ｕr（ｔ）＝ｒｕ0（ｔ）
とする。ここで
ｓ（τ）：遅延時間τに相当する測定対象の深さ方向の点からの光の戻る割合
ｒ：参照鏡の反射率
である。
【００３３】
イメージセンサの１つの画素の出力ｉ（τ）は、次のように表される。
ｉ（τ）∝＜｜ｕs（ｔ−τ）＋ｕr（ｔ）｜2＞
＝（ｓ2（τ）＋ｒ2）＜｜ｕ0（ｔ）｜2＞
＋２Ｒｅ［ｓ（τ）ｒ＜ｕ0（ｔ）ｕ0*（ｔ−τ）＞］ （２）
ここで＜・・＞は、イメージセンサの蓄積時間内での時間平均を表す。
【００３４】
ウィナーキンチン（Ｗｉｅｎｅｒ−Ｋｈｉｎｔｃｈｉｎｅ）の定理から、干渉信号（自己相関関数）は光源のパワースペクトルのフーリエ逆変換となるので、自己相関関数Γ（τ）は次のようになる。
Γ（τ）≡＜ｕ0（ｔ）ｕ0*（ｔ−τ）＞
＝［ｆ（τ）・Σδ（τ−ｍＴ）］ｇ（τ）ｅｘｐ（ｊω0τ）
Ｔ≡２π／Ω0 （３）
【００３５】
式（３）より、図８に示すように、一定の遅延時間差（すなわち干渉距離差）の箇所ごとにきわめて強い干渉出力が現れる。つまり、周波数コムを干渉系に入射すると、遅延時間差τが次のような条件を満たす時、干渉はきわめて強い値を示す。
τ＝ｍπ／Ω
ｆ（τ），ｇ（τ）は実関数である。またｍ次の干渉のみを考える。すなわち、測定対象側と参照側の遅延時間差をτとし、これがｍＴの近傍にあるように参照鏡の位置を設定する。
【００３６】
このとき、
＜｜ｕ0（ｔ）｜2＞＝Γ（０）≒ｆ（０）ｇ（０）
＜ｕ0（ｔ）ｕ0*（ｔ−τ）＞
＝Γ（τ）≒ｇ（ｍＴ）ｆ（τ−ｍＴ）ｅｘｐ（ｊω0τ）
したがって、イメージセンサ上の出力は、
ｉ（τ）∝ｆ（０）ｇ（０）（ｓ2（τ）＋ｒ2）
＋２ｒｓ（τ）ｇ（ｍＴ）ｆ（τ−ｍＴ）ｃｏｓ（ω0τ）
＝ｆ（０）ｇ（０）（ｓ2（τ）＋ｒ2）
＋２ｒｓ（τ）ｇ（ｍ・２π／Ω0）ｆ（τ−ｍ・２π／Ω）ｃｏｓ（ω0τ） （４）
ここで、Ωはコム角周波数間隔（Ω0は基準のコム角周波数間隔）、ω0は光の中心角周波数である。ΩはΩ0の近傍で掃引される。
【００３７】
光学的深さ方向のｚを２分枝の遅延時間の差をもとに、次のように定義する。
ｚ≡ｃτ／２
ここで、遅延時間差τがｍＴの近傍にあるので、 ｚ≒ｍ・πｃ／Ω0（＝ｍλRF／２） （５）
ｉ（ｚ，Ω）∝ｆ（０）ｇ（０）（ｓ2（ｚ）＋ｒ2）＋２ｒｓ（ｚ）ｇ（ｍ・２π／Ω0）ｆ（２／ｃ（ｚ−ｍ・πｃ／Ω））ｃｏｓ（２πω0ｚ／ｃ） （６）
これは、掃引されるマイクロ波周波数がΩのとき、深さｚの点から戻ってくる光の干渉出力を表している。
【００３８】
たとえば、ｆ（τ）がガウス関数の場合は、
ｆ（τ）＝ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛τ／（Δτ／２）｝2］
Δτ：半値幅 （７）
で表すことができる。
したがって、
ｉ（ｚ，Ω）∝ｆ（０）ｇ（０）（ｓ2（ｚ）＋ｒ2）
＋２ｒｓ（ｚ）ｇ（ｍ・２π／Ω0）
×ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛（ｚ−ｍ・πｃ／Ω）／（ｚres／２）｝2］ｃｏｓ（２ω0ｚ／ｃ） （８）
ｚres＝ｃΔτ／２：深さｚ方向の分解能
すなわち、参照ミラーを動かし距離差を走査する代わりに、コム周波数間隔Ωを掃引すれば、（８）式の条件を満たすところで干渉信号が現れ、機械的可動部が無い測定が可能になる。しかし、式（８）の干渉項はキャリア周波数成分ｃｏｓ（２ω0ｚ／ｃ）の項がある。そのため図４で説明したように、位置によって干渉成分が変化するので反射境界が明瞭でなくなる、あるいは内部構造が鮮明に見えないという問題がある。
【００３９】
＜本発明の原理＞
〔Ａ〕 表面形状の測定（膜厚測定のように境界のみを見る場合も含む）
測定される信号は、マイクロ波周波数Ωの掃引により、
ｚc＝ｍ・πｃ／Ω0を中心に、測定対象のｚc−ａ／２からｚc＋ａ／２の深さ範囲が検出されるとする。
一般に、ａはｚc／１００のオーダーである。
また、ｍは一般に、３〜２０の範囲の整数値とする。
表面がｚ0のところにあるとき、ｚ＝ｚ0以外のところからくる光は無視できるとする。また、表面からの反射光あるいは散乱光の割合をｓ（ｚ0）とすると、ＣＣＤの１つの画素の信号は次のようになる。
ｉ（Ω）＝ｆ（０）ｇ（０）（ｓ2（ｚ0）＋ｒ2）
＋２ｒｓ（ｚ0）ｇ（ｍ・２π／Ω0））
×ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛（ｚ0−ｍ・πｃ／Ω）／（ｚres／２）｝2］ｃｏｓ（２ω0ｚ0／ｃ） （９）
【００４０】
図９（Ａ），（Ｂ）は、測定対象の一例として積み重ねたガラス板を示す図である。
図１０（Ａ），（Ｂ）は、図８のガラス板を従来方法で構造測定を行った例を示している。境界となる４つの反射面が観測されるが、ｃｏｓ（２ω0ｚ0／ｃ）の項によって、正負や大きさが変化する。通常、表面が光入射面に完全に平行であることはないので、表面自体は測定される。しかし、場所によってｃｏｓの項のために０に近くなる場合がある。
【００４１】
そこで、２つのコムの中心角周波数に対し、次のような信号処理を行う。
２つのコムの中心角周波数をω1，ω2とし、それぞれに対してコム間隔周波数を掃引すると干渉信号が得られる。測定結果からバイアス部分を差し引いた干渉項（第２項）を、ω1のコムに対してｐ1（Ω）、ω2のコムに対してｐ2（Ω）とする。
ただし、２つのコム中心角周波数の差を次のように設定する。
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ （１０）
【００４２】
このとき、
ｐ1（Ω）＝ｓc（Ω）ｃｏｓ（２ω1ｚ／ｃ） （１１）
ｐ2（Ω）＝ｓc（Ω）ｃｏｓ（２ω2ｚ／ｃ）
＝ｓc（Ω）ｃｏｓ｛２ω1ｚ／ｃ−（π／２）・（ｚ／ｚc）｝
≒ｓc（Ω）ｓｉｎ（２ω1ｚ／ｃ） （１２）
ただし、
ｓc（Ω）＝２ｒｓ（ｚ0）ｇ（ｍ・２π／Ω0）×ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛（ｚ0−ｍ・πｃ／Ω）／（ｚres／２）｝2］ （１３）
【００４３】
取得された２つのデータから次のようにして、ｓc（Ω）を求めることができる。
ｓc（Ω）＝｛ｐ21（Ω）＋ｐ22（Ω）｝1/2
＝２ｒｓ（ｚ0）ｇ（ｍ・２π／Ω0）
×ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛（ｚ0−ｍ・πｃ／Ω）／（ｚres／２）｝2］ （１４）
すなわち、これより散乱分布ｓ（ｚ）が求められる。
【００４４】
図１１は、上記のようにして、図９のガラス板を測定対象として本発明の構造測定方法による測定を行った例を示している。全ての境界面で高さの揃った鮮明な信号が得られていることが判る。
【００４５】
〔Ｂ〕 内部構造の測定（ＯＣＴのように物体の内部断面の測定をしようとする場合を含む）
測定される信号は、マイクロ波周波数Ωの掃引により、ｚc＝ｍ・πｃ／Ω0を中心に測定対象のｚc−ａ／２からからｚc＋ａ／２の深さ範囲が検出されるとする。一般に、ａはｚc／１００のオーダーである。すると、ＣＣＤの１つの画素には、測定対象のいろいろな深さからくる光が合わされて露光されるので、式（６）を積分した信号ｉs（Ω）が画素の信号となる。
【００４６】
ｉs（Ω）＝∫ｉ（ｚ，Ω）ｄｚ
＝∫［ｆ（０）ｇ（０）（ｓ2（ｚ）＋ｒ2）
＋２ｒｓ（ｚ）ｇ（ｍ・２π／Ω0））
×ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛（ｚ−ｍ・πｃ／Ω）／（ｚres／２）｝2］ｃｏｓ（２ω0ｚ／ｃ）］ｄｚ
（積分範囲は、ｚc−ａ／２からからｚc＋ａ／２まで）
（１５）
【００４７】
上記の信号のバイアス部分を差し引いた干渉項（積分の第２項）のみを、次のように書き直す。
ｐ（Ω）＝∫ｓc（ｚ，Ω）ｃｏｓ（２ω0ｚ／ｃ）ｄｚ （１６）
【００４８】
ただし、
ｓc（ｚ，Ω）
＝２ｒｓ（ｚ）ｇ（ｍ・２π／Ω0）
×ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛（ｚ−ｍ・πｃ／Ω）／（ｚres／２）｝2］ （１７）
上記の干渉項は、ｃｏｓによって平均化されるので鮮明な画像が得られない。
【００４９】
そこで、２つのコムの中心角周波数に対し、次のような信号処理を行う。
２つのコムの中心角周波数をω1，ω2とし、それぞれに対してコム間隔周波数を掃引すると干渉信号が得られる。測定結果からバイアス部分を差し引いた干渉項（第２項）を、ω1のコムに対してｐ1（Ω）、ω2のコムに対してｐ2（Ω）とする。
ただし、２つのコム中心角周波数の差を次のように設定する。
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ （１８）
【００５０】
このとき、
ｐ1（Ω）＝∫ｓc（ｚ，Ω）ｃｏｓ（２ω1ｚ／ｃ）ｄｚ （１９）
ｐ2（Ω）＝∫ｓc（ｚ，Ω）ｃｏｓ（２ω2ｚ／ｃ）ｄｚ
＝∫ｓc（ｚ，Ω）ｃｏｓ｛２ω1ｚ／ｃ−（π／２）・（ｚ／ｚc）｝ｄｚ
＝∫ｓc（ｚ，Ω）ｓｉｎ（２ω1ｚ／ｃ）ｄｚ （２０）
【００５１】
取得された２つのデータをそれぞれΩで微分する。
ｑ1（Ω）＝ｄｐ1（Ω）／ｄΩ （２１）
ｑ2（Ω）＝ｄｐ2（Ω）／ｄΩ （２２）
上記の２つの式から次のようにして、ｓc（ｚ，Ω）を求めることができる。
ｓc（ｚ，Ω）＝−ｍπｃ｛ｑ21（Ω）＋ｑ22（Ω）｝1/2／ｚ2
【００５２】
これより、ｓc（ｚ，Ω）、すなわち内部構造の散乱分布ｓc（ｚ）を求めることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 構造測定装置
３ 形状計測装置
１１ 光源
１２ コム光生成装置
１３ 光学干渉計
１４ 演算制御部
３３ 干渉計
７１ 白色光源
７２ 干渉計
８１ 周波数掃引レーザ
８２ 干渉計
１１１ 単一周波数光源
１１１Ａ，１１１Ｂ 単一周波数レーザ
１１２ 周波数シフタ
１１３ マイクロ波発生器
１１４ 光切替スイッチ
１３１ 参照鏡
１３２ 測定対象
１３３ イメージセンサ
３１１ レーザ
３１２ 周波数コム光発生器
７２１ 参照ミラー
７２２ 測定対象
７２３ フォトダイオード
８２１ 参照ミラー
８２２ 測定対象
８２３ フォトダイオード
９１１ 単一周波数光源
９１２ 周波数コム光発生器
９２１ 参照ミラー
９２２ 測定対象
９２３ イメージセンサ
ＣＬ コリメータ
Ｌr，Ｌs 光学長
Ｓ１ 信号光
Ｓ２ 参照光
Ｓｃｍｂ コム光
ｃｏｓ キャリア周波数成分
ｆ 光源周波数
ｆB 帯域
ｆi コム周波数間隔
ｉs 信号
ｓ 測定対象の構造の反射または散乱分布
ｚ 測定対象の深さ方向の距離
Ω0 基準となるコム間隔周波数
ω1 コムの中心角周波数
ω2 コムの中心角周波数
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数コムを用いて、物体や人体の表面形状あるいは表面近傍の内部構造（本発明において、表面形状および内部構造を、単に「構造」と言う）を観察・測定する技術に関する。具体的には、光周波数コムを光学干渉計に入射し、前記光学干渉計における固定された参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより検出し、測定対象の深さ方向の反射率分布あるいは散乱係数分布を測定する方法において、中心角周波数の異なる複数の光周波数コムを用いることにより、深さ方向の構造をより鮮明かつ高精度に観察・測定する構造測定方法および構造測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の干渉現象を用いた測定対象の表面形状の計測（Ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）、および内部構造の観察（Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を行う技術として、従来、特許文献１，非特許文献１に記載された「白色干渉法」、特許文献２，非特許文献２に記載された「周波数走査干渉法」、特許文献３−５，非特許文献３に記載された「光コム周波数間隔掃引干渉法」が知られている。これらの干渉測定法は、光源からの光を測定対象からの戻り光（信号光）と参照鏡からの戻り光（信号光）に分けて干渉測定を行う点は共通である。
【０００３】
「白色干渉法」では、図１２に示すように、広帯域な白色光源７１からの光Ｓを干渉計７２に入射して、干渉計測を行う。信号光Ｓ１と参照光Ｓ２の光路差がゼロとなる付近でのみ干渉が起こる。参照ミラー７２１を機械的に掃引することでフォトダイオード（ＰＤ）７２３により干渉光を測定する。参照ミラー７２１の位置と干渉信号から、信号光Ｓ１の反射位置（測定対象７２２の形状）を同定する。図１２では、干渉出力と、信号光Ｓ１と参照光Ｓ２との光路差との関係がグラフにより示されている。奥行き方向の分解能は、白色光源７１の帯域に反比例するため、広い帯域の光源を用いるほど、細かい形状を測定することができる．
【０００４】
「周波数掃引法」では、図１３に示すように、周波数掃引レーザ（周波数が走査可能なレーザ）８１からの光Ｓを干渉計８２に入射して、干渉計測を行う。参照ミラー８２１は固定である。周波数掃引レーザ８１の周波数を掃引しつつ、フォトダイオード（ＰＤ）８２３により、信号光Ｓ１と参照光Ｓ２との干渉光の波形を測定する。干渉波をフーリエ変換して信号光Ｓ１の反射位置（測定対象８２２の内部構造等）を計算する。図１３では、周波数掃引レーザ８１からの光Ｓが掃引されている様子をグラフで示すとともに、ＰＤ８２３が検出した干渉出力と光源周波数ｆとの関係、フーリエ変換した波形と光路差との関係がグラフにより示されている。奥行き方向の分解能は、光源周波数が走査可能な帯域で決まり、走査帯域が広いほど高い分解能が実現できる。
【０００５】
「光コム周波数間隔掃引干渉法」では、図１４に示すように、単一周波数光源９１１からの光Ｓが、周波数コム光発生器９１２に入射する。周波数コム光発生器９１２が、コム周波数間隔ｆｉが掃引可能なコム光Ｓｃｍｂを発生する。コム光Ｓｃｍｂは、周波数軸上に多数の輝線スペクトルが一定の周波数間隔で整列した光のことを指す。参照ミラー９２１は固定である。イメージセンサ９２３により、信号光Ｓ１と参照光Ｓ２との干渉光の波形を測定する。干渉ピークが現れる光路差の位置はコム周波数間隔ｆｉに依存し、等間隔に現れる。そのため、コム周波数間隔ｆｉを掃引すると、光路差０の位置は動かないが、それ以外の位置は周波数間隔に依存して動くので測定対象９２２の深さ方向の反射率分布（測定対象９２２の内部構造等）が周波数間隔から同定できる。図１４では、周波数コム光発生器９１２が発生する帯域ｆＢの周波数コム光を図示するとともに、コム光Ｓｃｍｂが掃引されている様子も図示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２０１００４２号「光波反射像測定装置」
【特許文献２】ＷＯ２００６／０２２３４２「生体組織測定用の光干渉トモグラフィー用光発生装置及び生体組織測定用の光干渉トモグラフィー装置」
【特許文献３】日本国特許第４５４３１８０号 「形状測定方法、形状測定装置およびコム光発生装置」
【特許文献４】米国特許 ７４４０１１２
【特許文献５】ドイツ特許 ＰＮ１６００１ＤＥ
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｄ． Ｈｕａｎｇ， Ｅ． Ａ． Ｓｗａｎｓｏｎ， Ｃ． Ｐ． Ｌｉｎ， Ｊ． Ｓ． Ｓｃｈｕｍａｎ， Ｗ． Ｇ． Ｓｔｉｎｓｏｎ， Ｗ． Ｃｈａｎｇ， Ｍ． Ｒ． Ｈｅｅ， Ｔ． Ｆｌｏｔｔｅ， Ｋ． Ｇｒｅｇｏｒｙ， Ｃ． Ａ． Ｐｕｌｉａｆｉｔｏ， ａｎｄ Ｊ． Ｇ． Ｆｕｊｉｍｏｔｏ， Ｓｃｉｅｎｃｅ ２５４（１９９１） １１７８．
【非特許文献２】Ｔ． Ｋｕｂｏｔａ， Ｍ． Ｎａｒａ ａｎｄ Ｔ． Ｙｏｓｈｉｎｏ： Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．， １２ （１９８７） ３１０−３１２．
【非特許文献３】Ｓ． Ｃｈｏｉ， Ｍ． Ｙａｍａｍｏｔｏ， Ｄ． Ｍｏｔｅｋｉ， Ｔ． Ｓｈｉｏｄａ， Ｙ． Ｔａｎａｋａ， ａｎｄ Ｔ． Ｋｕｒｏｋａｗａ，“Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｃｏｍｂ−ｂａｓｅｄ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ Ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，” Ｏｐｔｉｃｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ． ３１ Ｎｏ． １３， ｐｐ． １９７６．−１９７８， Ｊｕｌｙ， ２００６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
「白色干渉法」では、表面形状測定（Ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）、および内部構造測定（Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）が可能である。しかし、機械的に可動される参照ミラー７２１の保守に手間がかかる。また、白色光源７１からの光強度が弱いため、測定時間が長くなり、また安定性が悪い。
【０００９】
「周波数走査法」では、表面形状測定、および内部構造測定が可能であり、機械的可動部分がないため、動作が安定しており、小型化が図られる。しかし、広い範囲に渉って周波数を掃引することが難しく、また周波数掃引光源が高価である。
【００１０】
「光コム間隔周波数掃引法」では、機械的可動部分がないため、動作が安定しており、小型化が図られ、また高速な測定が可能である。しかし、「光コム間隔周波数掃引法」は、図４において後述するように、キャリア周波数の干渉が弱めあう位置となった場合、包絡線信号全体が小さくなり、鮮明な画像が得られず正確な測定ができない場合が生じる。すなわち、表面形状測定を行う場合には、境界面の反射が大きいため測定できるが、内部構造測定の場合には、微弱で連続した散乱を測定しなければならず、測定ができない場合が生じてしまう。
【００１１】
本発明の目的は、キャリア周波数の干渉により生じる深さ方向の像の不鮮明さや誤差を低減して、深さ方向の構造をより鮮明かつ高精度に観察・測定する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の構造測定方法は、（１）から（３）を要旨とする。
（１）
周波数が異なる複数のレーザ光から中心角周波数が異なる複数のコム光を順次生成して光学干渉計に入射し、複数のコム光ごとに、前記光学干渉計における固定された参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出し、これらの検出値に基づき測定対象の構造を測定する構造測定方法であって、
前記複数回の検出ごとに、前記各検出において得られた干渉成分の検出値から、反射分布および／または散乱分布を取り出す演算を行うことで、前記測定対象の構造測定を行うことを特徴とする構造測定方法。
【００１３】
（２）
ｍ次の干渉成分が現れるように前記光学干渉計の参照側と測定対象側との光学長差を設定する（１）に記載の構造測定方法であって、
用意される中心角周波数が異なるコム光が２つであり、これら２つの中心角周波数ω1，ω2の差（ω1−ω2）を、
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ
ｍ：次数（正の整数）
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
Ω0：基準となるコム間隔角周波数
となるように設定することを特徴とする構造測定方法。
【００１４】
（３）
干渉出力が得られる測定対象の深さｚが、
ｚ＝ｍ×（πｃ／Ω）
となるようなｍ次の干渉を測定する設定において、
境界面や内部構造の散乱分布ｓc（ｚ，Ω）を、ｐ1（Ω），ｐ2（Ω）を実数として、
ｓc（ｚ，Ω）＝｛ｐ1（Ω）2＋ｐ2（Ω）2｝1/2
により求め、
または、
ｑ1（Ω）＝ｄｐ1（Ω）／ｄΩ
ｑ2（Ω）＝ｄｐ2（Ω）／ｄΩ
の２つの式から、
ｓc（ｚ，Ω）＝−ｍπｃ｛ｑ21（Ω）＋ｑ22（Ω）｝1/2／ｚ2
により求めることを特徴とする（２）に記載の構造測定方法。
ｚ：測定対象の基準位置からの深さ方向の距離
ｍ：次数（正の整数）
Ω：コム間隔の角周波数（掃引角周波数）
ｃ：光速
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
ｓc（ｚ，Ω）：Ωで掃引したときの演算値（測定値）
ｐ1（Ω）：中心角周波数ω1のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
ｐ2（Ω）：中心角周波数ω2のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
【００１５】
本発明の構造測定装置は、（４）から（７）を要旨とする。
（４）
周波数が異なる複数のレーザ光を発生する光源と、
前記光源から出射されるレーザ光を元に、コム周波数間隔が可変で中心角周波数が異なる複数のコム光を順次生成するコム光生成装置と、
前記コム光生成装置からのコム光が順次入射され、固定された参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出する光学干渉計と、
前記複数のコム光の中心角周波数を設定し、コム周波数間隔を掃引し、所定の演算を行う演算制御部と、
を備えた構造測定装置であって、
前記演算制御部は、前記光学干渉計における前記参照鏡からの戻り光と前記測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出し、前記各検出において得られた干渉成分の検出値から、測定対象の深さ方向の反射構率分布および／または散乱係数分布のみを取り出す演算を行うことで、前記測定対象の構造測定を行うことを特徴とする構造測定装置。
【００１６】
（５）
前記光源として、単一周波数光源と、前記単一周波数光源からの光を入射し、周波数を僅かに変化させる周波数シフタとからなることを特徴とする（４）に記載の構造測定装置。
【００１７】
（６）
ｍ次の干渉成分が現れるように前記光学干渉計の参照側と測定対象側との光学長差を設定する（４）または（５）に記載の構造測定方法であって、
用意される中心角周波数の異なるコム光が２つであり、これら２つの中心角周波数ω1，ω2の差（ω1−ω2）を、
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ
中心角周波数ω1，ω2の差（ω1−ω2）を、
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ
ｍ：次数（正の整数）
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
Ω0：基準となるコム間隔角周波数
となるように設定することを特徴とする構造測定装置。
【００１８】
（７）
干渉出力が得られる測定対象の深さｚが、
ｚ＝ｍ×（πｃ／Ω）
となるように設定した請求項６に記載の構造測定装置において、
前記演算制御部は、
境界面や内部構造の散乱分布ｓc（ｚ，Ω）を、ｐ1（Ω），ｐ2（Ω）を実数として、
ｓc（ｚ，Ω）＝｛ｐ1（Ω）2＋ｐ2（Ω）2｝1/2
により求め、
または、
ｑ1（Ω）＝ｄｐ1（Ω）／ｄΩ、
ｑ2（Ω）＝ｄｐ2（Ω）／ｄΩ
の２つの式から、
ｓc（ｚ，Ω）＝−ｍπｃ｛ｑ21（Ω）＋ｑ22（Ω）｝1/2／ｚ2
により求めることを特徴とする請求項６に記載の構造測定装置。
ｚ：基準位置からの深さ方向の距離
ｍ：次数（正の整数）
Ω：コム光の角周波数間隔（掃引角周波数の間隔）
ｃ：光速
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
ｓc（ｚ，Ω）：Ωで掃引したときの演算値（測定値）
ｐ1（Ω）：中心角周波数ω1のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
ｐ2（Ω）：中心角周波数ω2のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
【発明の効果】
【００１９】
従来の「光コム間隔周波数掃引法」で問題となっていた、キャリア周波数の干渉により生じる深さ方向の像の不鮮明さや誤差を低減して、深さ方向の構造をより鮮明かつ高精度に観察・測定できる。特に、微弱で連続した散乱を測定する内部構造測定の場合にも、十分に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の構造測定装置の概要を示す図である。
【図２】本発明で使用される光学干渉計の構成を示す図である。
【図３】（Ａ）は単一周波数光源からの光を周波数シフタにより周波数変換する光源を示す図、（Ｂ）は２つの単一周波数光源からの周波数が異なる光を光切替えスイッチにより切り替える光源を示す図である。
【図４】従来の「光コム間隔周波数掃引干渉法」の干渉出力を示す説明図である。
【図５】本発明の構造測定方法による干渉出力を示す説明図である。
【図６】光周波数コムのパワースペクトルを示す図である。
【図７】従来の光コム間隔周波数掃引による形状測定装置を示す図である。
【図８】周波数コムを光源に用いた干渉計の出力を示す図であり、横軸は参照側と測定側の遅延時間差を示す。
【図９】測定対象の一例を示す図であり、ｎ1はガラス、ｎ2は空気である。
【図１０】従来の光コム間隔周波数掃引法で、図９の測定対象を測定した結果を示す図である。
【図１１】本発明の方法で、図９の測定対象を測定した結果を示す図である。
【図１２】従来の、白色干渉法による形状測定の概要を示す図である。
【図１３】従来の、周波数掃引法による形状測定の概要を示す図である。
【図１４】従来の、光コム周波数間隔掃引干渉法による形状測定の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
《発明の概要》
本発明の構造測定装置の概要を図１に示す。なお、本発明の構造測定方法は以下の説明に含まれるので、特に記載はしない。
図１において、構造測定装置１は、光源１１と、コム光生成装置１２と、光学干渉計１３と、演算制御部１４とを備える。光学干渉計１３は、図２に示すように、固定された参照鏡１３１と、ビームスプリッタ（ＢＳ）と、イメージセンサ１３３とを有しており、コム光生成装置１２からの光をコリメータＣＬを介して入射する。イメージセンサ１３３により、参照鏡１３１からの戻り光と測定対象１３２からの戻り光との干渉出力を、コム間隔周波数を掃引することにより検出し、これらの検出値に基づき測定対象１３２の構造を測定する。ただし、周波数コムの中心角周波数を複数回変化させ、その度ごとに前記コム間隔周波数の掃引による測定を行う。なお、以下の説明において、構造測定装置１において、本発明の本質とはならない構成要素については図示を省略する。たとえば、演算制御部１４には、表示装置や印刷装置が接続されてもよいが、これらの図示はしない。また、光学干渉計１３では、説明に必要ではないレンズ系の図示は省略してある。
【００２２】
光源１１は、周波数が異なる複数のレーザ光を生成する。光源１１は、周波数が異なる光を生成するものであれば、（ａ）単一周波数レーザと周波数シフタとからなるもの、（ｂ）周波数がわずかに異なる２つの単一周波数レーザと光切替スイッチを用いたもの、（ｃ）波長可変レーザからなるもの等を使用することができる。
（ａ）の構成の光源を図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）に示すように、周波数が異なる複数の光を順次生成するための光源１１として、単一周波数光源１１１と周波数シフタ１１２とを組み合わせて使用することができる。たとえば、周波数シフタ１１２として、単側波帯（ＳＳＢ）変調器を用いることができ、周波数シフト量は、マイクロ波発生器１１３によりＳＳＢ変調器に印加する周波数によって決まる。したがって、演算制御部１４（図１に示されている）がマイクロ波発生器１１３を正確に制御できる。
（ｂ）の構成の光源を図３（Ｂ）に示す。図３（Ｂ）に示すように、２つの単一周波数レーザ１１１Ａの出射光と、単一周波数レーザ１１１Ｂの出射光とを、
光切替スイッチ１１４により切り替え、周波数が異なる複数の光を順次生成することができる。
【００２３】
コム光生成装置１２は、光源１１から出射されるレーザ光を元に、コム周波数間隔が可変で中心角周波数が異なる複数のコム光Ｓｃｍｂ，ｋ（ｋ＝１，２，３，・・・）を順次を生成することができる。コム光生成装置としては、例えば次のような構成のものを用いることができる。
単一周波数レーザの光をマイクロ波駆動のＬＮ変調器で変調して種となるコム光を発生する。最終的に発生する光コムの周波数間隔は、このマイクロ波周波数で決定される。次にこの種コム光の各モードの振幅と位相を光パルスシンセサイザで調整し、種コム光から数ピコ秒幅の短光パルスを合成する。次にこの光パルスを増幅してファイバに入射することによりパルス幅を圧縮したのち、非線形ファイバに入射してスーパーコンティニューム（ＳＣ）コム光を発生させる。なお、前記光パルスシンセサイザは、回折格子と変調器が石英光回路に集積された構造からなり、振幅と位相の調整によりピコ秒程度の短光パルスを合成するデバイスである。このＳＣコム光のコム間隔周波数は、前記マイクロ波の周波数で決定される。したがって、前記マイクロ波の周波数を僅かの範囲で掃引すれば、ＳＣコム光のコム間隔周波数も掃引される。
【００２４】
光学干渉計１３は、コム光生成装置１２からのコム光が順次入射され、固定された参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム間隔周波数の掃引に同期して検出する。
演算制御部１４は、複数のコム光Ｓｃｍｂ，ｋ（ｋ＝１，２，３，・・・）の中心角周波数を設定し、コム間隔周波数を掃引する。すなわち、周波数コムの中心角周波数を複数回変化させ、その度ごとに前記コム間隔周波数の掃引に同期した干渉出力を測定する。複数回の測定において得られた干渉成分の検出値から、測定対象の反射分布および／または散乱分布を取り出す演算を行う。
【００２５】
光学干渉計１３は、参照側のＢＳから鏡までの光学長Ｌr、および測定対象側のＢＳから測定対象までの光学長Ｌsの差が、基準コム間隔周波数Ω0に対して次のような関係を満たすように設定する。
Ｌr−Ｌs＝ｍ×（πｃ／Ω0）
このとき、光学干渉計１３からｍ次（ｍ：正の整数）の干渉が出力される（ｃ：光速）。すなわち、コム間隔周波数をΩ0に設定したとき、測定対象の深さ方向に対して距離ｚ0（＝ｍπｃ／Ω0）の点からの干渉出力が得られる。
ここで、コム間隔周波数をΩ0からΩに僅かに変化させると、次の式で表される深さｚからの干渉出力が得られる。
ｚ＝ｍ×（πｃ／Ω）
以上のような設定において、
用意される中心角周波数の異なるコム光（それぞれの中心角周波数をω1，ω2とする）が２つであり、これら２つの中心角周波数の差を、
（中心角周波数の差）＝（基準コム間隔周波数）÷（干渉次数の４倍）
すなわち、
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ
となるように設定する。
中心角周波数ω1のコム光のコム間隔周波数Ωを掃引して得られる検出値の干渉成分をｐ1（Ω），中心角周波数ω2のコム光のコム間隔周波数Ωを掃引して得られる検出値の干渉成分をｐ2（Ω）とする。
測定対象に明確な反射境界が存在する（例えば、物体の表面形状を測定する）場合は、ｐ1（Ω）とｐ2（Ω）から、反射率分布ｓr（Ω）を次式により求められる。
ｓr（Ω）＝｛ｐ1（Ω）2＋ｐ2（Ω）2｝1/2
一方、内部構造の測定（例えばＯＣＴのように物体の内部断面の測定）をする場合は、ｐ1（Ω）とｐ2（Ω）をそれぞれΩで微分する。
ｑ1（Ω）＝ｄｐ1（Ω）／ｄΩ
ｑ2（Ω）＝ｄｐ2（Ω）／ｄΩ
上記の２つの式から次のようにして、内部構造の散乱分布ｓc（ｚ，Ω）を求めることができる。
ｓc（ｚ，Ω）＝−ｍπｃ｛ｑ21（Ω）＋ｑ22（Ω）｝1/2／ｚ2
なお、演算の詳細については、実施例において説明する。
【００２６】
このようにして、図１３で説明した「光コム間隔周波数掃引干渉法」の問題点（キャリア周波数の干渉により生じる深さ方向の像の不鮮明さや誤差）を回避できる。
これにより、測定対象や生体の断層画像を連続的に測定するトモグラフィーも実現可能となる。
【００２７】
図１３で説明した従来の「光コム間隔周波数掃引干渉法」の干渉出力を図４に示し、本発明の構造測定方法による干渉出力を図５に示す。
これらは、何れもコム間隔周波数掃引により干渉出力の包絡線が変化することを利用する。測定対象からの反射光を信号光とし、その反射位置をコム間隔周波数により同定して、測定対象の表面形状や内部構造の測定を行う。
【００２８】
後述するように、光コム間隔周波数を掃引したときに現れる干渉出力は、包絡線の関数にｃｏｓ（２ω0ｚ／ｃ）というキャリア周波数の干渉による項が掛かった形となる。そのため、信号光Ｓ１と参照光Ｓ２が強め合う干渉が起きる場合（図４の位置ｚd）、包絡線の位置を走査して包絡線をなぞるように波形が取得でき計測が可能となる。弱め合う干渉が起きる場合には（図４の位置ｚb）、干渉出力がゼロとなるため、包絡線を走査しても信号出力がゼロとなり、何も信号が得られない。
このように、奥行き方向に沿って測定位置がｚaからｚgへ動くと、その位置に応じた干渉出力は図のように変化するため、反射境界が鮮明でなくなる。
【００２９】
一方、本発明での構造測定方法および構造測定装置では、所定周波数の光から生成した周波数コム光により作られる干渉波と、この光と中心角周波数が所定周波数分異なる光により生成した周波数コム光から作られる干渉波を生成する。この２つの干渉波（図５参照）は、π／２位相が異なる。
これら２つの干渉波を利用して２回測定して二乗和を計算すると、どの位置（ｚａ−ｚｇ）でも測定が可能となり、３次元形状・断層構造が測定できる。
【００３０】
《実施形態》
＜周波数コムを用いた従来の干渉計測法の原理＞
図６は、コム光のパワースペクトルを示している。
コム光のパワースペクトル｜Ｕ0（ω−ω0）｜2は次式のように表すことができる。
｜Ｕ0（ω−ω0）｜2
∝Ｆ（ω−ω0）［Ｇ（ω）＊Σδ（ω−ω0−ｍΩ0）］ （１）
（＊は畳み込み積分を表す）
ω0：コムの中心角周波数
Ω0：基準のコム間隔角周波数
Ｆ（ω）：スペクトルの包絡線形状を示す関数
Ｇ（ω）：周波数コムの縦モードの形状を示す関数
Σ：ｍ＝０，１，２としたときのδ（ω−ω0−ｍΩ0）の総和
δ：デルタ関数
【００３１】
図７は従来の形状計測装置３を示す図であり、形状計測装置３により、図１４においてすでに説明した「光コム周波数間隔掃引干渉法」が実施される。
図７において、形状計測装置３は、レーザ３１１と、周波数コム光発生器３１２と、コリメータＣＬと、干渉計３３とからなる。
干渉計３３は、コリメータＣＬにより、周波数コム光発生器３１２から出射した光を広げてコリメートし、干渉計３３に入射する。ここで、コリメートされた光は、一様であるとする。
【００３２】
干渉計３３に入射された周波数コム光は、
Ｚ方向を測定対象の深さ方向にとる。イメージセンサ上の平面（ｘ，ｙ）上の１点で考える。
２つの分枝の遅延時間差をτとして、
サンプル側からの複素光振幅を、
ｕs（ｔ−τ）＝ｓ（τ）ｕ0（ｔ−τ）
とする。また、参照側からの複素光振幅を、
ｕr（ｔ）＝ｒｕ0（ｔ）
とする。ここで
ｓ（τ）：遅延時間τに相当する測定対象の深さ方向の点からの光の戻る割合
ｒ：参照鏡の反射率
である。
【００３３】
イメージセンサの１つの画素の出力ｉ（τ）は、次のように表される。
ｉ（τ）∝＜｜ｕs（ｔ−τ）＋ｕr（ｔ）｜2＞
＝（ｓ2（τ）＋ｒ2）＜｜ｕ0（ｔ）｜2＞
＋２Ｒｅ［ｓ（τ）ｒ＜ｕ0（ｔ）ｕ0*（ｔ−τ）＞］ （２）
ここで＜・・＞は、イメージセンサの蓄積時間内での時間平均を表す。
【００３４】
ウィナーキンチン（Ｗｉｅｎｅｒ−Ｋｈｉｎｔｃｈｉｎｅ）の定理から、干渉信号（自己相関関数）は光源のパワースペクトルのフーリエ逆変換となるので、自己相関関数Γ（τ）は次のようになる。
Γ（τ）≡＜ｕ0（ｔ）ｕ0*（ｔ−τ）＞
＝［ｆ（τ）・Σδ（τ−ｍＴ）］ｇ（τ）ｅｘｐ（ｊω0τ）
Ｔ≡２π／Ω0 （３）
【００３５】
式（３）より、図８に示すように、一定の遅延時間差（すなわち干渉距離差）の箇所ごとにきわめて強い干渉出力が現れる。つまり、周波数コムを干渉系に入射すると、遅延時間差τが次のような条件を満たす時、干渉はきわめて強い値を示す。
τ＝ｍπ／Ω
ｆ（τ），ｇ（τ）は実関数である。またｍ次の干渉のみを考える。すなわち、測定対象側と参照側の遅延時間差をτとし、これがｍＴの近傍にあるように参照鏡の位置を設定する。
【００３６】
このとき、
＜｜ｕ0（ｔ）｜2＞＝Γ（０）≒ｆ（０）ｇ（０）
＜ｕ0（ｔ）ｕ0*（ｔ−τ）＞
＝Γ（τ）≒ｇ（ｍＴ）ｆ（τ−ｍＴ）ｅｘｐ（ｊω0τ）
したがって、イメージセンサ上の出力は、
ｉ（τ）∝ｆ（０）ｇ（０）（ｓ2（τ）＋ｒ2）
＋２ｒｓ（τ）ｇ（ｍＴ）ｆ（τ−ｍＴ）ｃｏｓ（ω0τ）
＝ｆ（０）ｇ（０）（ｓ2（τ）＋ｒ2）
＋２ｒｓ（τ）ｇ（ｍ・２π／Ω0）ｆ（τ−ｍ・２π／Ω）ｃｏｓ（ω0τ） （４）
ここで、Ωはコム角周波数間隔（Ω0は基準のコム角周波数間隔）、ω0は光の中心角周波数である。ΩはΩ0の近傍で掃引される。
【００３７】
光学的深さ方向のｚを２分枝の遅延時間の差をもとに、次のように定義する。
ｚ≡ｃτ／２
ここで、遅延時間差τがｍＴの近傍にあるので、 ｚ≒ｍ・πｃ／Ω0（＝ｍλRF／２） （５）
ｉ（ｚ，Ω）∝ｆ（０）ｇ（０）（ｓ2（ｚ）＋ｒ2）＋２ｒｓ（ｚ）ｇ（ｍ・２π／Ω0）ｆ（２／ｃ（ｚ−ｍ・πｃ／Ω））ｃｏｓ（２πω0ｚ／ｃ） （６）
これは、掃引されるマイクロ波周波数がΩのとき、深さｚの点から戻ってくる光の干渉出力を表している。
【００３８】
たとえば、ｆ（τ）がガウス関数の場合は、
ｆ（τ）＝ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛τ／（Δτ／２）｝2］
Δτ：半値幅 （７）
で表すことができる。
したがって、
ｉ（ｚ，Ω）∝ｆ（０）ｇ（０）（ｓ2（ｚ）＋ｒ2）
＋２ｒｓ（ｚ）ｇ（ｍ・２π／Ω0）
×ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛（ｚ−ｍ・πｃ／Ω）／（ｚres／２）｝2］ｃｏｓ（２ω0ｚ／ｃ） （８）
ｚres＝ｃΔτ／２：深さｚ方向の分解能
すなわち、参照ミラーを動かし距離差を走査する代わりに、コム周波数間隔Ωを掃引すれば、（８）式の条件を満たすところで干渉信号が現れ、機械的可動部が無い測定が可能になる。しかし、式（８）の干渉項はキャリア周波数成分ｃｏｓ（２ω0ｚ／ｃ）の項がある。そのため図４で説明したように、位置によって干渉成分が変化するので反射境界が明瞭でなくなる、あるいは内部構造が鮮明に見えないという問題がある。
【００３９】
＜本発明の原理＞
〔Ａ〕 表面形状の測定（膜厚測定のように境界のみを見る場合も含む）
測定される信号は、マイクロ波周波数Ωの掃引により、
ｚc＝ｍ・πｃ／Ω0を中心に、測定対象のｚc−ａ／２からｚc＋ａ／２の深さ範囲が検出されるとする。
一般に、ａはｚc／１００のオーダーである。
また、ｍは一般に、３〜２０の範囲の整数値とする。
表面がｚ0のところにあるとき、ｚ＝ｚ0以外のところからくる光は無視できるとする。また、表面からの反射光あるいは散乱光の割合をｓ（ｚ0）とすると、ＣＣＤの１つの画素の信号は次のようになる。
ｉ（Ω）＝ｆ（０）ｇ（０）（ｓ2（ｚ0）＋ｒ2）
＋２ｒｓ（ｚ0）ｇ（ｍ・２π／Ω0））
×ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛（ｚ0−ｍ・πｃ／Ω）／（ｚres／２）｝2］ｃｏｓ（２ω0ｚ0／ｃ） （９）
【００４０】
図９（Ａ），（Ｂ）は、測定対象の一例として積み重ねたガラス板を示す図である。
図１０（Ａ），（Ｂ）は、図８のガラス板を従来方法で構造測定を行った例を示している。境界となる４つの反射面が観測されるが、ｃｏｓ（２ω0ｚ0／ｃ）の項によって、正負や大きさが変化する。通常、表面が光入射面に完全に平行であることはないので、表面自体は測定される。しかし、場所によってｃｏｓの項のために０に近くなる場合がある。
【００４１】
そこで、２つのコムの中心角周波数に対し、次のような信号処理を行う。
２つのコムの中心角周波数をω1，ω2とし、それぞれに対してコム間隔周波数を掃引すると干渉信号が得られる。測定結果からバイアス部分を差し引いた干渉項（第２項）を、ω1のコムに対してｐ1（Ω）、ω2のコムに対してｐ2（Ω）とする。
ただし、２つのコム中心角周波数の差を次のように設定する。
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ （１０）
【００４２】
このとき、
ｐ1（Ω）＝ｓc（Ω）ｃｏｓ（２ω1ｚ／ｃ） （１１）
ｐ2（Ω）＝ｓc（Ω）ｃｏｓ（２ω2ｚ／ｃ）
＝ｓc（Ω）ｃｏｓ｛２ω1ｚ／ｃ−（π／２）・（ｚ／ｚc）｝
≒ｓc（Ω）ｓｉｎ（２ω1ｚ／ｃ） （１２）
ただし、
ｓc（Ω）＝２ｒｓ（ｚ0）ｇ（ｍ・２π／Ω0）×ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛（ｚ0−ｍ・πｃ／Ω）／（ｚres／２）｝2］ （１３）
【００４３】
取得された２つのデータから次のようにして、ｓc（Ω）を求めることができる。
ｓc（Ω）＝｛ｐ21（Ω）＋ｐ22（Ω）｝1/2
＝２ｒｓ（ｚ0）ｇ（ｍ・２π／Ω0）
×ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛（ｚ0−ｍ・πｃ／Ω）／（ｚres／２）｝2］ （１４）
すなわち、これより散乱分布ｓ（ｚ）が求められる。
【００４４】
図１１は、上記のようにして、図９のガラス板を測定対象として本発明の構造測定方法による測定を行った例を示している。全ての境界面で高さの揃った鮮明な信号が得られていることが判る。
【００４５】
〔Ｂ〕 内部構造の測定（ＯＣＴのように物体の内部断面の測定をしようとする場合を含む）
測定される信号は、マイクロ波周波数Ωの掃引により、ｚc＝ｍ・πｃ／Ω0を中心に測定対象のｚc−ａ／２からからｚc＋ａ／２の深さ範囲が検出されるとする。一般に、ａはｚc／１００のオーダーである。すると、ＣＣＤの１つの画素には、測定対象のいろいろな深さからくる光が合わされて露光されるので、式（６）を積分した信号ｉs（Ω）が画素の信号となる。
【００４６】
ｉs（Ω）＝∫ｉ（ｚ，Ω）ｄｚ
＝∫［ｆ（０）ｇ（０）（ｓ2（ｚ）＋ｒ2）
＋２ｒｓ（ｚ）ｇ（ｍ・２π／Ω0））
×ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛（ｚ−ｍ・πｃ／Ω）／（ｚres／２）｝2］ｃｏｓ（２ω0ｚ／ｃ）］ｄｚ
（積分範囲は、ｚc−ａ／２からからｚc＋ａ／２まで）
（１５）
【００４７】
上記の信号のバイアス部分を差し引いた干渉項（積分の第２項）のみを、次のように書き直す。
ｐ（Ω）＝∫ｓc（ｚ，Ω）ｃｏｓ（２ω0ｚ／ｃ）ｄｚ （１６）
【００４８】
ただし、
ｓc（ｚ，Ω）
＝２ｒｓ（ｚ）ｇ（ｍ・２π／Ω0）
×ｅｘｐ［−（ｌｏｇe２）｛（ｚ−ｍ・πｃ／Ω）／（ｚres／２）｝2］ （１７）
上記の干渉項は、ｃｏｓによって平均化されるので鮮明な画像が得られない。
【００４９】
そこで、２つのコムの中心角周波数に対し、次のような信号処理を行う。
２つのコムの中心角周波数をω1，ω2とし、それぞれに対してコム間隔周波数を掃引すると干渉信号が得られる。測定結果からバイアス部分を差し引いた干渉項（第２項）を、ω1のコムに対してｐ1（Ω）、ω2のコムに対してｐ2（Ω）とする。
ただし、２つのコム中心角周波数の差を次のように設定する。
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ （１８）
【００５０】
このとき、
ｐ1（Ω）＝∫ｓc（ｚ，Ω）ｃｏｓ（２ω1ｚ／ｃ）ｄｚ （１９）
ｐ2（Ω）＝∫ｓc（ｚ，Ω）ｃｏｓ（２ω2ｚ／ｃ）ｄｚ
＝∫ｓc（ｚ，Ω）ｃｏｓ｛２ω1ｚ／ｃ−（π／２）・（ｚ／ｚc）｝ｄｚ
＝∫ｓc（ｚ，Ω）ｓｉｎ（２ω1ｚ／ｃ）ｄｚ （２０）
【００５１】
取得された２つのデータをそれぞれΩで微分する。
ｑ1（Ω）＝ｄｐ1（Ω）／ｄΩ （２１）
ｑ2（Ω）＝ｄｐ2（Ω）／ｄΩ （２２）
上記の２つの式から次のようにして、ｓc（ｚ，Ω）を求めることができる。
ｓc（ｚ，Ω）＝−ｍπｃ｛ｑ21（Ω）＋ｑ22（Ω）｝1/2／ｚ2
【００５２】
これより、ｓc（ｚ，Ω）、すなわち内部構造の散乱分布ｓc（ｚ）を求めることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 構造測定装置
３ 形状計測装置
１１ 光源
１２ コム光生成装置
１３ 光学干渉計
１４ 演算制御部
３３ 干渉計
７１ 白色光源
７２ 干渉計
８１ 周波数掃引レーザ
８２ 干渉計
１１１ 単一周波数光源
１１１Ａ，１１１Ｂ 単一周波数レーザ
１１２ 周波数シフタ
１１３ マイクロ波発生器
１１４ 光切替スイッチ
１３１ 参照鏡
１３２ 測定対象
１３３ イメージセンサ
３１１ レーザ
３１２ 周波数コム光発生器
７２１ 参照ミラー
７２２ 測定対象
７２３ フォトダイオード
８２１ 参照ミラー
８２２ 測定対象
８２３ フォトダイオード
９１１ 単一周波数光源
９１２ 周波数コム光発生器
９２１ 参照ミラー
９２２ 測定対象
９２３ イメージセンサ
ＣＬ コリメータ
Ｌr，Ｌs 光学長
Ｓ１ 信号光
Ｓ２ 参照光
Ｓｃｍｂ コム光
ｃｏｓ キャリア周波数成分
ｆ 光源周波数
ｆB 帯域
ｆi コム周波数間隔
ｉs 信号
ｓ 測定対象の構造の反射または散乱分布
ｚ 測定対象の深さ方向の距離
Ω0 基準となるコム間隔周波数
ω1 コムの中心角周波数
ω2 コムの中心角周波数
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数が異なる複数のレーザ光から中心角周波数が異なる複数のコム光を順次生成して光学干渉計に入射し、複数のコム光ごとに、前記光学干渉計における固定された参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出し、これらの検出値に基づき測定対象の構造を測定する構造測定方法であって、
前記複数回の検出ごとに、前記各検出において得られた干渉成分の検出値から、反射分布および／または散乱分布を取り出す演算を行うことで、前記測定対象の構造測定を行うことを特徴とする構造測定方法。
【請求項２】
ｍ次の干渉成分が現れるように前記光学干渉計の参照側と測定対象側との光学長差を設定する請求項１に記載の構造測定方法であって、
用意される中心角周波数が異なるコム光が２つであり、これら２つの中心角周波数ω1，ω2の差（ω1−ω2）を、
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ
ｍ：次数（正の整数）
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
Ω0：基準となるコム間隔角周波数
となるように設定することを特徴とする構造測定方法。
【請求項３】
干渉出力が得られる測定対象の深さｚが、
ｚ＝ｍ×（πｃ／Ω）
となるようなｍ次の干渉を測定する設定において、
境界面や内部構造の散乱分布ｓc（ｚ，Ω）を、ｐ1（Ω），ｐ2（Ω）を実数として、
ｓc（ｚ，Ω）＝｛ｐ1（Ω）2＋ｐ2（Ω）2｝1/2
により求め、
または、
ｑ1（Ω）＝ｄｐ1（Ω）／ｄΩ
ｑ2（Ω）＝ｄｐ2（Ω）／ｄΩ
の２つの式から、
ｓc（ｚ，Ω）＝−ｍπｃ｛ｑ21（Ω）＋ｑ22（Ω）｝1/2／ｚ2
により求めることを特徴とする請求項２に記載の構造測定方法。
ｚ：測定対象の基準位置からの深さ方向の距離
ｍ：次数（正の整数）
Ω：コム間隔の角周波数（掃引角周波数）
ｃ：光速
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
ｓc（ｚ，Ω）：Ωで掃引したときの演算値（測定値）
ｐ1（Ω）：中心角周波数ω1のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
ｐ2（Ω）：中心角周波数ω2のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
【請求項４】
周波数が異なる複数のレーザ光を発生する光源と、
前記光源から出射されるレーザ光を元に、コム周波数間隔が可変で中心角周波数が異なる複数のコム光を順次生成するコム光生成装置と、
前記コム光生成装置からのコム光が順次入射され、固定された参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出する光学干渉計と、
前記複数のコム光の中心角周波数を設定し、コム周波数間隔を掃引し、所定の演算を行う演算制御部と、
を備えた構造測定装置であって、
前記演算制御部は、前記光学干渉計における前記参照鏡からの戻り光と前記測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出し、前記各検出において得られた干渉成分の検出値から、測定対象の深さ方向の反射構率分布および／または散乱係数分布のみを取り出す演算を行うことで、前記測定対象の構造測定を行うことを特徴とする構造測定装置。
【請求項５】
前記光源として、単一周波数光源と、前記単一周波数光源からの光を入射し、周波数を僅かに変化させる周波数シフタとからなることを特徴とする請求項４に記載の構造測定装置。
【請求項６】
ｍ次の干渉成分が現れるように前記光学干渉計の参照側と測定対象側との光学長差を設定する請求項４または５に記載の構造測定装置であって、
用意される中心角周波数の異なるコム光が２つであり、これら２つの中心角周波数ω1，ω2の差（ω1−ω2）を、
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ
ｍ：次数（正の整数）
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
Ω0：基準となるコム間隔角周波数
となるように設定することを特徴とする構造測定装置。
【請求項７】
干渉出力が得られる測定対象の深さｚが、
ｚ＝ｍ×（πｃ／Ω）
となるように設定した請求項６に記載の構造測定装置において、
前記演算制御部は、
境界面や内部構造の散乱分布ｓc（ｚ，Ω）を、ｐ1（Ω），ｐ2（Ω）を実数として、
ｓc（ｚ，Ω）＝｛ｐ1（Ω）2＋ｐ2（Ω）2｝1/2
により求め、
または、
ｑ1（Ω）＝ｄｐ1（Ω）／ｄΩ
ｑ2（Ω）＝ｄｐ2（Ω）／ｄΩ
の２つの式から、
ｓc（ｚ，Ω）＝−ｍπｃ｛ｑ21（Ω）＋ｑ22（Ω）｝1/2／ｚ2
により求めることを特徴とする請求項６に記載の構造測定装置。
ｚ：基準位置からの深さ方向の距離
ｍ：次数（正の整数）
Ω：コム光の角周波数間隔（掃引角周波数の間隔）
ｃ：光速
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
ｓc（ｚ，Ω）：Ωで掃引したときの演算値（測定値）
ｐ1（Ω）：中心角周波数ω1のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
ｐ2（Ω）：中心角周波数ω2のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
【請求項１】
周波数が異なる複数のレーザ光から中心角周波数が異なる複数のコム光を順次生成して光学干渉計に入射し、複数のコム光ごとに、前記光学干渉計における固定された参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出し、これらの検出値に基づき測定対象の構造を測定する構造測定方法であって、
前記複数回の検出ごとに、前記各検出において得られた干渉成分の検出値から、反射分布および／または散乱分布を取り出す演算を行うことで、前記測定対象の構造測定を行うことを特徴とする構造測定方法。
【請求項２】
ｍ次の干渉成分が現れるように前記光学干渉計の参照側と測定対象側との光学長差を設定する請求項１に記載の構造測定方法であって、
用意される中心角周波数が異なるコム光が２つであり、これら２つの中心角周波数ω1，ω2の差（ω1−ω2）を、
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ
ｍ：次数（正の整数）
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
Ω0：基準となるコム間隔角周波数
となるように設定することを特徴とする構造測定方法。
【請求項３】
干渉出力が得られる測定対象の深さｚが、
ｚ＝ｍ×（πｃ／Ω）
となるようなｍ次の干渉を測定する設定において、
境界面や内部構造の散乱分布ｓc（ｚ，Ω）を、ｐ1（Ω），ｐ2（Ω）を実数として、
ｓc（ｚ，Ω）＝｛ｐ1（Ω）2＋ｐ2（Ω）2｝1/2
により求め、
または、
ｑ1（Ω）＝ｄｐ1（Ω）／ｄΩ
ｑ2（Ω）＝ｄｐ2（Ω）／ｄΩ
の２つの式から、
ｓc（ｚ，Ω）＝−ｍπｃ｛ｑ21（Ω）＋ｑ22（Ω）｝1/2／ｚ2
により求めることを特徴とする請求項２に記載の構造測定方法。
ｚ：測定対象の基準位置からの深さ方向の距離
ｍ：次数（正の整数）
Ω：コム間隔の角周波数（掃引角周波数）
ｃ：光速
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
ｓc（ｚ，Ω）：Ωで掃引したときの演算値（測定値）
ｐ1（Ω）：中心角周波数ω1のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
ｐ2（Ω）：中心角周波数ω2のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
【請求項４】
周波数が異なる複数のレーザ光を発生する光源と、
前記光源から出射されるレーザ光を元に、コム周波数間隔が可変で中心角周波数が異なる複数のコム光を順次生成するコム光生成装置と、
前記コム光生成装置からのコム光が順次入射され、固定された参照鏡からの戻り光と測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出する光学干渉計と、
前記複数のコム光の中心角周波数を設定し、コム周波数間隔を掃引し、所定の演算を行う演算制御部と、
を備えた構造測定装置であって、
前記演算制御部は、前記光学干渉計における前記参照鏡からの戻り光と前記測定対象からの戻り光との干渉出力を、コム周波数間隔を掃引することにより複数回検出し、前記各検出において得られた干渉成分の検出値から、測定対象の深さ方向の反射構率分布および／または散乱係数分布のみを取り出す演算を行うことで、前記測定対象の構造測定を行うことを特徴とする構造測定装置。
【請求項５】
前記光源として、単一周波数光源と、前記単一周波数光源からの光を入射し、周波数を僅かに変化させる周波数シフタとからなることを特徴とする請求項４に記載の構造測定装置。
【請求項６】
ｍ次の干渉成分が現れるように前記光学干渉計の参照側と測定対象側との光学長差を設定する請求項４または５に記載の構造測定装置であって、
用意される中心角周波数の異なるコム光が２つであり、これら２つの中心角周波数ω1，ω2の差（ω1−ω2）を、
ω1−ω2＝Ω0／４ｍ
ｍ：次数（正の整数）
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
Ω0：基準となるコム間隔角周波数
となるように設定することを特徴とする構造測定装置。
【請求項７】
干渉出力が得られる測定対象の深さｚが、
ｚ＝ｍ×（πｃ／Ω）
となるように設定した請求項６に記載の構造測定装置において、
前記演算制御部は、
境界面や内部構造の散乱分布ｓc（ｚ，Ω）を、ｐ1（Ω），ｐ2（Ω）を実数として、
ｓc（ｚ，Ω）＝｛ｐ1（Ω）2＋ｐ2（Ω）2｝1/2
により求め、
または、
ｑ1（Ω）＝ｄｐ1（Ω）／ｄΩ
ｑ2（Ω）＝ｄｐ2（Ω）／ｄΩ
の２つの式から、
ｓc（ｚ，Ω）＝−ｍπｃ｛ｑ21（Ω）＋ｑ22（Ω）｝1/2／ｚ2
により求めることを特徴とする請求項６に記載の構造測定装置。
ｚ：基準位置からの深さ方向の距離
ｍ：次数（正の整数）
Ω：コム光の角周波数間隔（掃引角周波数の間隔）
ｃ：光速
ω1：一方のコム光の中心角周波数
ω2：他方のコム光の中心角周波数
ｓc（ｚ，Ω）：Ωで掃引したときの演算値（測定値）
ｐ1（Ω）：中心角周波数ω1のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
ｐ2（Ω）：中心角周波数ω2のコム光に対し、Ωを掃引したときのイメージセンサ出力の干渉項（測定値）
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１５４７２８（Ｐ２０１２−１５４７２８Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３１０９（Ｐ２０１１−１３１０９）
【出願日】平成２３年１月２５日（２０１１．１．２５）
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２５日（２０１１．１．２５）
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【Ｆターム（参考）】
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