JP3739987B2

JP3739987B2 - トモグラフィー装置

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Publication number: JP3739987B2
Application number: JP2000046831A
Authority: JP
Inventors: 元伸興梠; 元一大津
Original assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Current assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Priority date: 2000-02-18
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2020-02-18
Also published as: US20010045513A1; US6493091B2; JP2001227911A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の干渉性を利用して測定試料の構造を検出するためのトモグラフィー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光干渉トモグラフィーを用いた形状測定装置は、物体の内部構造、屈折率や厚さ等を得ることができる測定装置として知られている。
【０００３】
この形状測定装置としては、例えば図１４に示すようなものがある。この形状測定装置は、可干渉距離が短い光源１０１から出射した光Ｌ１０１をビームスプリッタ１０２で物体光Ｌ１０２と参照光Ｌ１０３とに分割する。物体光Ｌ１０２は、スキャナ１０３を介して測定試料Ｓで反射されて物体光Ｌ１０４とされ再びビームスプリッタ１０２に入射される。また、参照光Ｌ１０３は、周波数シフタ１０４を介してモータ１０６で位置決めされた参照光用ミラー１０５で反射されて再びビームスプリッタ１０２に入射される。
【０００４】
物体光Ｌ１０４と参照光Ｌ１０３とは、ビームスプリッタ１０２に入射されることで合成され、干渉光Ｌ１０５として光検出器１０７に入射される。光検出器１０７では、物体光Ｌ１０４と参照光Ｌ１０３との干渉により光強度が変調された干渉光を検出して検出信号を生成する。検出信号は信号処理回路１０８で例えばフィルタリング、Ａ／Ｄ（analog to digital）変換されて制御部１０９に入力される。制御部１０９では、入力された信号に基づいて、例えば測定試料Ｓの内部構造を示す画像を測定結果として生成する。また、制御部１０９では、入力された信号やモータ１０６からのフィードバック信号に基づいてモータ駆動回路１１０を制御してモータ１０６を駆動する。また、制御部１０９では、測定試料Ｓの表面上で物体光Ｌ１０２を走査させるようにスキャナ１０３を制御する。
【０００５】
このような形状測定装置では、測定試料ＳをＺ方向又は参照用ミラー１０５をＸ方向に移動させて、測定試料Ｓ又は参照用ミラー１０５が移動した距離を求めることにより、測定試料Ｓの深さ方向における反射率分布を得る。これにより、形状測定装置は、深さ方向における反射率分布を得ることで、測定試料Ｓの断層計測を行って測定試料Ｓの内部形状及び外部形状を測定することができる。この形状測定装置では、例えば赤色〜近赤外の波長領域の光を用いることにより、生体内部の観測に用いることができる。
【０００６】
また、従来の形状測定装置において、可干渉距離の短い光源１０１としてパルスレーザを出射したときには、参照用ミラー１０５で反射するパルスのタイミングが合うことにより干渉が発生した成分を用いて測定試料Ｓの内部構造を観測することもできる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の形状測定装置では、通常、光源１０１が単一であるために、参照用ミラー１０５のＸ方向における位置を機械的に制御して干渉を制御しなければならなかった。ここで、参照用ミラー１０５の動作速度には限界があり、従来の形状測定装置では、測定試料Ｓを測定するのに多大な時間を要することが多かった。
【０００８】
更に、従来において、光周波数変調干渉法（Optical Frequency Domain Reflectometry：ＯＦＤＲ）と称される手法を適用したトモグラフィー装置が提案されているが、現実には使用するレーザの周波数を広範囲に掃引する必要があり、このときに機械的駆動が用いられている。
【０００９】
更に、従来では、機械的な駆動を用いない例もあるが、分解能が低いという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上述したような実情に鑑みて提案されたものであり、短時間且つ高分解能で試料の測定を行うことができるトモグラフィー装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決する本発明に係るトモグラフィー装置は、可干渉性を有する光を出射する光源と、周波数ｆ_１の第１の信号を生成する第１の信号生成手段と、上記第１の信号生成手段からの第１の信号を用いて上記光源からの光を変調して、上記光源からの光に周波数ｆ_１間隔ごとに側帯波を有する参照光を生成する第１の光周波数コム発生手段と、周波数ｆ_２の第２の信号を生成する第２の信号生成手段と、上記第２の信号生成手段からの第２の信号を用いて上記光源からの光を変調して、上記光源からの光に周波数ｆ_２間隔ごとに側帯波を有する物体光を生成する第２の光周波数コム発生手段と、上記第１の光周波数コム発生手段からの参照光と、上記第２の光周波数コム発生手段で生成され被測定物体で反射された物体光と、を合成した干渉光を生成する合成手段と、上記第１の信号及び第２の信号間の位相差又は周波数差を変化させることにより、上記第１の光周波数コム発生手段からの参照光と上記第２の光周波数コム発生手段からの物体光との干渉タイミングを制御して、上記干渉光の干渉による光強度の変化を検出する検出手段と、上記第２の光周波数コム発生手段からの物体光の照射位置を被測定物体上で走査する走査手段と、上記検出手段からの干渉検出結果に基づいて、被測定物体の形状情報を検出する形状検出手段と、上記走査手段で走査されることで、上記形状検出手段で生成された複数の形状情報を用いて、被測定物体の形状を示す画像を生成する画像生成手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
本発明を適用したトモグラフィー装置１は、例えば図１に示すように構成される。
【００１５】
図１に示すトモグラフィー装置１は、光源２からのレーザ光をビームスプリッタ３を介して第１の光周波数コム発生器５、ビームスプリッタ３及びミラー４を介して第２の光周波数コム発生器６に入射し、第１の光周波数コム発生器５からの光をミラー７、周波数シフタ８、アイソレータ９、ビームスプリッタ１０に入射するとともに、第２の光周波数コム発生器６からの光をアイソレータ１１、ビームスプリッタ１０、スキャナ１２を介して測定試料Ｓに入射し、測定試料Ｓからの反射光をビームスプリッタ１０で合成して光検出器１３で受光する光学系を備える。また、このトモグラフィー装置１は、光検出器１３で検出した光検出信号を用いて試料測定結果を得るための信号処理部１４及び制御部１５を備える。更に、トモグラフィー装置１は、第１の光周波数コム発生器５に第１の変調信号を供給する外部発振器１６、第２の光周波数コム発生器６に第２の変調信号を供給する位相シフタ１７を備え、更に位相シフタ１７を制御する位相制御部１８を備える。
【００１６】
光源２は、可干渉性を有し所定の周波数のレーザ光Ｌ１を発生してビームスプリッタ３に出射する。
【００１７】
ビームスプリッタ３は、光源２からレーザ光Ｌ１が入射され、レーザ光Ｌ１をレーザ光Ｌ２とレーザ光Ｌ３とに分割する。このビームスプリッタ３は、レーザ光Ｌ２を第１の光周波数コム発生器５に出射するとともに、レーザ光Ｌ３を第２の光周波数コム発生器６に出射する。
【００１８】
外部発振器１６は、周波数ｆ_mの第１の変調信号を発生する発振器からなる。この外部発振器１６は、第１の変調信号を第１の光周波数コム発生器５及び位相シフタ１７に供給する。
【００１９】
第１の光周波数コム発生器（Optical Frequency Comb Generator）４は、ビームスプリッタ３からレーザ光Ｌ２が入射されるとともに、外部発振器１６から周波数ｆ_mの第１の変調信号が入力される。この第１の光周波数コム発生器５は、例えばＥＯＭ（電気光学変調器）と当該ＥＯＭを挟むように対向して配設された反射鏡とからなり、ＥＯＭと反射鏡で光発振器を構成してなる。この第１の光周波数コム発生器５は、入射したレーザ光Ｌ２の周波数を中心周波数ν₁として、周波数ｆ_mの等周波数間隔で側帯波（サイドバンド）を発生させた参照光を生成する。この結果、参照光は、中心周波数ν₁からｋｆ_m（ｋ＝−ｍ，−ｍ＋１，−ｍ＋２，・・・，０，１，２，・・・，ｎ）の周波数成分の側帯波を有する光となされる。
【００２０】
また、この第１の光周波数コム発生器５は、第１の変調信号の所定の位相に応じた所定のタイミングのパルス光として参照光Ｌ４を出射する。この第１の光周波数コム発生器５は、側帯波を有し、パルス光とした参照光Ｌ４をミラー７に出射する。第１の光周波数コム発生器５から出射された参照光Ｌ４は、ミラー７を介して周波数シフタ８に入射される。
【００２１】
なお、本実施の形態では、第１の光周波数コム発生器５から出射する参照光Ｌ４がパルス光である一例について説明するが、パルス光でなくても良く、位相変調光であってもよい。
【００２２】
周波数シフタ８は、ミラー７からの参照光Ｌ４を透過させることで、参照光Ｌ４の各周波数成分の周波数ν1＋ｋｆmをＳｆだけシフトさせる。この結果、周波数シフタ８は、参照光Ｌ４に含まれる各周波数成分をν1＋ｋｆm＋Ｓｆとし、ビームスプリッタ１０に出射する。周波数シフタ８は、例えば内部に発生した超音波により音響光学相互作用で参照光Ｌ４の周波数を変化させる音響光学変調器（ＡＯＭ：acoustooptic modulator）からなる。
【００２３】
位相シフタ１７は、位相制御部１８から位相制御信号が入力され、位相シフト量φが制御される。この位相シフタ１７は、外部発振器１６からの第１の変調信号の位相を位相シフト量φだけシフトさせる。
【００２４】
この位相シフタ１７は、第２の光周波数コム発生器６から出射する物体光Ｌ６のタイミングを制御する。ここで、第１の変調信号及び第２の変調信号のゼロクロス点で参照光Ｌ４及び物体光Ｌ６が出射する。この位相シフタ１７は、第１の変調信号（図２（ａ））と第２の変調信号（図２（ｃ）との間に位相シフト量φを与えることで、参照光Ｌ４（図２（ｂ））と物体光（図２（ｄ））とのタイミングに時間差Δｔを与える。
【００２５】
ここで、参照光Ｌ４が出射するタイミングと物体光Ｌ６が出射するタイミングとの間の時間差Δｔは、（φ／２π）×（１／ｆ_m）で表現される。
【００２６】
また、この第２の光周波数コム発生器６は、物体光Ｌ６を出射するタイミングを制御することでパルス光とする。この第２の光周波数コム発生器６は、中心周波数ν₂を中心とした側帯波を有し、パルス光とした参照光Ｌ５をビームスプリッタ１０に出射する。なお、本実施の形態では、第２の光周波数コム発生器６から出射する物体光Ｌ６がパルス光である一例について説明するが、パルス光でなくても良く、参照光Ｌ４と干渉する光であれば良い。
【００２７】
アイソレータ９は、周波数シフタ８からの参照光Ｌ５をビームスプリッタ１０に透過する。このアイソレータ９は、周波数シフタ８からビームスプリッタ１０に向かう方向にのみ光を透過する機能を有し、ビームスプリッタ１０で反射して第１の光周波数コム発生器５に入射する光を遮断する。
【００２８】
アイソレータ１１は、第２の光周波数コム発生器６からの物体光Ｌ６をビームスプリッタ１０に透過する。このアイソレータ１１は、第２の光周波数コム発生器６からビームスプリッタ１０に向かう方向にのみ光を透過する機能を有し、ビームスプリッタ１０で反射して第２の光周波数コム発生器６に入射する光を遮断する。
【００２９】
ビームスプリッタ１０は、ミラー７及び周波数シフタ８を介して第１の光周波数コム発生器５からの参照光Ｌ５が入射されるとともに、第２の光周波数コム発生器６から物体光Ｌ６が入射される。このビームスプリッタ１０は、第２の光周波数コム発生器６からの物体光Ｌ６をスキャナ１２に透過する。また、このビームスプリッタ１０は、スキャナ１２から測定試料Ｓで反射した物体光Ｌ８が入射され、スキャナ１２からの物体光Ｌ８と参照光Ｌ５とを合成した干渉光Ｌ９を光検出器１３に出射する。
【００３０】
スキャナ１２は、ビームスプリッタ１０を介して第２の光周波数コム発生器６からの物体光Ｌ６が入射される。このスキャナ１２は、制御部１５からの制御信号に従って測定試料Ｓの表面で物体光Ｌ７を走査させる。また、スキャナ１２は、測定試料Ｓの内部で反射した物体光Ｌ８が入射され、ビームスプリッタ１０に導く。
【００３１】
光検出器１３は、ビームスプリッタ１０からの干渉光Ｌ９が入射され、干渉光Ｌ９の光強度に応じた光検出信号を得る。光検出器１３は、干渉光Ｌ９を検出したことによる光検出信号を信号処理部１４に出力する。
【００３２】
信号処理部１４は、光検出器１３からの光検出信号について所定の信号処理を施す。信号処理部１４は、例えばフィルタリング、包絡線検出をして直流信号に変換し、Ａ／Ｄ（analog to digital）変換を光検出信号に行い、物体光Ｌ８の測定試料Ｓ内での反射位置を示す反射率分布信号を生成する。なお、信号処理部１４の処理内容については後述する。
【００３３】
また、信号処理部１４は、光検出器１３から光検出信号を用いて、スペクトル解析処理を行う。この信号処理部１４は、光検出器１３からの光検出信号にスペクトル分解処理を行うことで、干渉光Ｌ９に含まれる各周波数成分の強度を検出し、各周波数成分の吸収を示す分光情報を制御部１５に出力する。
【００３４】
位相制御部１８は、制御部１５から制御信号が入力される。この位相制御部１８は、制御部１５からの制御信号に基づいて、位相シフタ１７の位相シフト量φを決定して位相制御信号を位相シフタ１７に出力することで、位相シフタ１７の位相シフト量φを設定する。
制御部１５は、位相制御部１８に制御信号を出力することで、位相シフタ１７での位相シフト量φを変化させ、参照光と物体光とのタイミングの時間差Δｔを制御する。この制御部１５は、連続的に位相シフト量φを変化させるように位相制御部１８を制御することで、時間差Δｔを連続的に変化させて掃引する。
【００３５】
制御部１５は、信号処理部１４から反射率分布信号が入力され、測定試料Ｓの深さ方向における形状情報を生成する。この制御部１５は、深さ方向における形状情報を用いて、測定試料Ｓの内部構造を示す断面画像を生成する。
【００３６】
このように構成されたトモグラフィー装置１において、例えば図３（ａ）に示す参照光と図３（ｂ）に示す物体光とが合成されて光検出器１３に入射し、図３（ａ）に示す参照光と図３（ｂ）に示す物体光とが合波された光検出信号が信号処理部１４に入力される。ここで、参照光（図３（ａ））と物体光（図３（ｂ））とは、Δｔ_２を物体光が測定試料Ｓに入射して再度ビームスプリッタ１０に入射するために発生する遅延時間による参照光と物体光との時間差とすると、時間差Δｔ−Δｔ_２を有して入射される。また、参照光と物体光とは、図４に示すように、位相シフタ１７により位相シフト量φが変化されることで時間差Δｔが時間に依存した形で変化される。上記時間差Δｔ−Δｔ_２は、第１の光周波数コム発生器５及び第２の光周波数コム発生器６が発した光が光検出器１３に達するまでの時間差であり、測定試料Ｓが光を反射する場所で異なる。
【００３７】
第１の光周波数コム発生器５が発生させる参照光の電場の時間的変化は、外部発振器１６で発生させる第１の変調信号の周波数をｆ_ｍとし、ｋを−ｍ次からｎ次まで変化させたとき、下記式１で示すように、
【００３８】
【数１】

【００３９】
で表現され、第２の光周波数コム発生器６が発生させる光の電場の時間的変化は、測定試料Ｓの反射点を一点とし、位相シフタ１７から入力される第２の変調信号の第１の変調信号に対する位相シフト量をφとし、位相シフタ１７から第２の光周波数コム発生器６に供給する第２の変調信号の周波数をｆ_m2とし、ｋを−ｍ次からｎ次まで変化させ、第２の光周波数コム発生器６の発生させたサイドバンドが第１の光周波数コム発生器５と同じ−ｍ次〜ｎ次まで発生したとすると、光検出器１３において式１に対して
【００４０】
【数２】

【００４１】
で表現される。上記式１中のＡ_ｋ（ｋ＝−ｍ、−ｍ＋１，−ｍ＋２・・・ｎ）は参照光に含まれる各周波数成分の光複素振幅であり、上記式２中のＢ_ｋ（ｋ＝−ｍ、−ｍ＋１，−ｍ＋２・・・ｎ）は物体光に含まれる各周波数成分の光複素振幅であり、ｉconsｔはトモグラフィー装置１を構成する各光学部品の位置に依存する値であり、ν_１は参照光の中心周波数であり、ν_２は物体光の中心周波数であり、第１の光周波数コム発生器５と第２の光周波数コム発生器６とに入射する光が単一の光源２から出射した光を分割したものであるとすると、ν_１とν_２とは同じ値となる。
【００４２】
制御部１５は、位相制御部１８を制御して位相シフト量を掃引することで、参照光と物体光とに位相シフタ１７で位相シフト量φを与え、参照光と物体光とを干渉させて光検出信号を得る。
【００４３】
参照光と物体光とが干渉したときの光検出信号は、
｜（参照光のスペクトル）＋（物体光のスペクトル）｜² （式３）
と表現される。ここで、光検出器１３の検出帯域Ｗの上限の値をＳｆ＜Ｗ＜ｆ_mとし、上記式３を用いて得た光検出信号の直流成分をカットすると、光検出信号は、図５に示すような波形の信号となる。ここで、図５に示す光検出信号は、ｋを−ｍ次から＋ｎ次まで変化させたとき、
【００４４】
【数３】

【００４５】
に比例した値となる。ここで、式４中では、ν₁＝ν₂であることから、単にνと表記し、ｆ_m1＝ｆ_m2であることから、単にｆ_mと表記している。
【００４６】
第１の光周波数コム発生器５と第２の光周波数コム発生器６とは同じ性能のコム発生器であるのでＡ_ｋとＢ_ｋ ^＊との積が実数であり、したがって、式４中の２πｆ_ｍΔｔ_２−φが０又は２πの整数倍となったとき、周波数Ｓｆの周波数付近の変調された波形が非常に大きくなる。すなわち、変調された波形は、位相シフト量φを変化させることで時間差Δｔの変化に応じて、図５に示すように、Δｔ_２＋（Ｎ／ｆ_ｍ）（Ｎは整数）の時刻で出現する。
【００４７】
制御部１５は、位相シフト量φの変化により時間差Δｔを変化させて時間差Δｔ₂を求め、測定試料Ｓの内部の反射点を決定する。これにより、制御部１５は、測定試料Ｓ内部での反射率分布信号を得て、反射点間の対応関係を得る。
【００４８】
また、この制御部１５は、光検出器１３からの光検出信号を用いて、分光情報を得て、測定試料Ｓの材質等を得ることもできる。
【００４９】
なお、図１に示したトモグラフィー装置１では、第１の変調信号に対して位相差を与えて第２の光周波数コム発生器６に供給する位相シフタ１７を備える一例について説明したが、第１の光周波数コム発生器５に供給する変調信号の位相をシフトさせても良い。
【００５０】
また、図１の周波数シフタ８は、トモグラフィー装置１で測定試料Ｓの反射点の対応関係を測定するだけならば、ミラー７からの光に対して周波数シフトを与える一例のみならず、第１の光周波数コム発生器５の前段等に配置しても良く、更には無くても良い。
【００５１】
つぎに、本発明を適用した他のトモグラフィー装置２０について図６を参照して説明する。なお、上述したトモグラフィー装置１と同様の部分については同一符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００５２】
このトモグラフィー装置２０は、第１の光周波数コム発生器５に第１の変調信号を供給する第１の外部発振器２１、第２の光周波数コム発生器６に第２の変調信号を供給する第２の外部発振器２２、第１の外部発振器２１及び第２の外部発振器２２を制御する変調信号制御部２３を備える点で図１に示したトモグラフィー装置１とは異なる。
【００５３】
この変調信号制御部２３は、図７に示すように、ミキサ３１、ローパスフィルタ３２、位相弁別器３３、制御用アンプ３４からなる。このような変調信号制御部２３では、第１の外部発振器２１及び第２の外部発振器２２から出力する変調信号をミキサ３１で混合し、ローパスフィルタ３２を介して位相弁別器３３に入力する。位相弁別器３３では制御部１５から与えられる周波数δｆの発振信号を基準信号とし、ローパスフィルタ３２からの信号と基準信号との位相差に比例した位相誤差信号を生成する。この変調信号制御部２３は、位相弁別器３３で生成した位相誤差信号を制御用アンプ３４を介して第２の外部発振器２２に出力する。これにより、変調信号制御部２３では、第１の外部発振器２１と第２の外部発振器２２とにヘテロダイン位相同期制御をすることで、第１の外部発振器２１及び第２の外部発振器２２で発生させる第１の変調信号及び第２の変調信号との位相差を高精度に制御し、異なる周波数の第１の変調信号及び第２の変調信号を生成する。
【００５４】
ここで、上記位相シフト量φの連続的な変化が周波数ｆm1と周波数ｆm2との周波数差δｆに相当し、下記式５に示すように
ｆm2−ｆm1＝δｆ（式５）
となる。
【００５５】
ここで図１において、第２の光周波数コム発生器（Optical Frequency Comb Generator）６には、ビームスプリッタ３からレーザ光Ｌ３が入射されるとともに、位相シフタ１７から電圧Ｖ＝ｓｉｎ（２πｆ_mｔ＋φ）の第２の変調信号が入力される。このとき、φ＝２πδｆｔとすれば、第２の変調信号は
Ｖ＝ｓｉｎ（２π（ｆ_m＋δｆ）ｔ）
となり、ｆ_m＋δｆの周波数の信号となる。したがって、位相シフタ１７を用いるよりも２台の発振器２１、２２を用いることで位相差φを大きく変化させることができ、図６に示すトモグラフィー装置２０では、上述のトモグラフィー装置１と比較して、位相差の掃引を広い範囲で行うことができる。
【００５６】
第１の外部発振器２１は、周波数ｆ_m1の第１の変調信号を第１の光周波数コム発生器５に供給する。また、第２の外部発振器２２は、周波数ｆ_m1とは異なる値の周波数ｆ_m2の第２の変調信号を第２の光周波数コム発生器６に供給する。ここで、第１の外部発振器２１及び第２の外部発振器２２は、変調信号制御部２３からの制御信号に応じて第１の変調信号及び第２の変調信号の周波数差を制御する。この結果、参照光Ｌ１４と物体光Ｌ１６とはΔｔ＝δｆｔ／ｆｍで表現される時間差に依存して出力される。
【００５７】
このようなトモグラフィー装置２０では、制御部１５により、周波数ｆ_m1及び周波数ｆ_m2を制御して参照光と物体光の干渉タイミングの時間差Δｔを制御し、参照光と物体光との干渉を検出し、測定試料Ｓの深さ方向の反射率分布信号を生成するとともに、光検出器１３で検出した光検出信号を用いてスペクトル解析を行うことで分光情報を得て、測定試料Ｓの材質を観測する。
【００５８】
すなわち、制御部１５では、例えば第１の光周波数コム発生器５からの負の周波数シフトさせた参照光のパワースペクトルが図８（ａ）に示す特性を有し、物体光のパワースペクトルが図８（ｂ）に示す特性を有するとき、光検出器１３で干渉光を検出した光検出信号についてスペクトル分解処理をし、パワースペクトルを測定すると、第１の光周波数コム発生器５及び第２の光周波数コム発生器６のｋ次光のサイドバンドの振幅Ａ_ｋＢ_ｋ ^＊が周波数（Ｓｆ＋ｋδｆ）の値として求まり、これを分光情報とする。例えば図８（ｂ）に示すように物体光のｋ次光成分に吸収が発生していたとき、図９に示すように、光検出器１３で検出するｋ次の信号成分の信号強度が小さくなるという分光情報を得る。
【００５９】
また、このトモグラフィー装置２０では、ヘテロダイン制御を行って第１の変調信号及び第２の変調信号を生成するように制御する変調信号制御部２３を備えているので、高精度に第１の変調信号と第２の変調信号との位相差を制御することができ、高精度の干渉結果、分光情報を得ることができる。また、このトモグラフィー装置２０では、位相差を広範囲にわたって掃引しても、高精度に位相差を制御することができる。
【００６０】
つぎに、上述の本発明を適用したトモグラフィー装置１，２０の原理について説明する。
【００６１】
トモグラフィー装置１，２０では、第１の光周波数コム発生器５及び第２の光周波数コム発生器６から出射する参照光及び物体光の干渉タイミングを制御することで、側帯波を有する参照光と物体光とで干渉を発生させるが、このことを、図１０に示す実験系３０を参照して実証する。
【００６２】
この実験系３０では、光源３１から出射したレーザ光Ｌ３１をビームスプリッタ３２で分割することによりレーザ光Ｌ３２を第１の光周波数コム発生器３３に入射するとともに、レーザ光Ｌ３３をミラー３４を介して第２の光周波数コム発生器３５に入射する。そして、この実験系３０において、第１の光周波数コム発生器３３及び第２の光周波数コム発生器３５に入射されたレーザ光Ｌ３２，Ｌ３３は、側帯波が発生され参照光Ｌ３４及び物体光Ｌ３５とされタイミングが制御されて出射され、ミラー３６，３７、ビームスプリッタ３８を介して光検出器３９に入射するように構成されている。ここで、参照光Ｌ３４と物体光Ｌ３５とは、ビームスプリッタ３８で合成されることにより干渉光Ｌ３６となされて光検出器３９に入射する。
【００６３】
また、この実験系３０では、第１の光周波数コム発生器３３に周波数ｆ_mの第１の変調信号を供給する外部発振器４０と、第２の光周波数コム発生器３５に周波数ｆ_mの第２の変調信号を供給する位相シフタ４１とを備える。この実験系３０では、上述のトモグラフィー装置１，２０と同様に、第１の変調信号と第２の変調信号との間に位相シフト量φの位相差を付け、干渉タイミングの時間差Δｔを制御する。
【００６４】
このような実験系３０において、参照光Ｌ３４と物体光Ｌ３５との間のタイミングを変化させることで、時間差Δｔ［ｐｓ］を変化させたときの干渉光Ｌ３６を光検出器３９で検出したときの光検出信号の信号強度［ｄＢ］を測定した結果を図１１に示す。
【００６５】
図１１によれば、時間差Δｔが０［ｐｓ］〜０．５［ｐｓ］では信号強度が大きく、更に時間差Δｔが大きくなると、信号強度が次第に小さくなることが分かる。この結果、第１の光周波数コム発生器３３及び第２の光周波数コム発生器３５からの参照光と物体光との間で光の干渉が発生し、参照光と物体光との光路差を機械的に変化させて干渉光の光強度を測定する場合と同様に、参照光Ｌ３４及び物体光Ｌ３５のスペクトルの幅から決定される可干渉距離に応じた干渉の測定ができることが分かる。したがって、独立した２つの第１の光周波数コム発生器３３、第２の光周波数コム発生器３５からの光を用いて干渉光の光強度が変化することが実証される。
【００６６】
ここで、従来のトモグラフィー装置において、干渉位置を電気的に制御することは、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）からなる光源を用いては不可能であり、２台の独立したパルス光源を用いても不可能であった。
【００６７】
しかしながら、本発明を適用したトモグラフィー装置１，２０によれば、干渉性の高い単一のシングルモードレーザを共有して用いているため、モードロックレーザが発生するような広い周波数スペクトル幅を有しているのにもかかわらず、参照光及び物体光のタイミングを第１の光周波数コム発生器５及び第２の光周波数コム発生器６で制御しても、常にパルスが一致する位置で光の干渉を発生させることができる。
【００６８】
また、トモグラフィー装置１，２０によれば、第１の光周波数コム発生器５及び第２の光周波数コム発生器６に供給する第１及び第２の変調信号の位相差を変化させて干渉タイミングを制御するので、電気的制御のみで物体光と参照光との間に時間差を設けることができ、高速で時間差Δｔの掃引をして干渉位置を検出することができる。すなわち、このトモグラフィー装置１，２０によれば、従来のトモグラフィー装置で参照光と物体光との間に光路差（時間差）を与えるための参照光用ミラーの機械的変調を行う必要が無く、機械的な速度で掃引速度が制限されるようなことはない。
【００６９】
また、従来のトモグラフィー装置において、参照光用ミラーの役割は、ドップラーシフトにより光スペクトルの各成分に対して周波数シフトを与えることにある。ここで、参照光用ミラーを機械的に駆動するときの速度をｖとし、参照光用ミラーに垂直に入射した参照光が反射する際に受けるドップラーシフトは、
２ｖν／ｃ［Ｈｚ］
で表現される。上記の式において、νは参照光の周波数であり、ｃは光速である。従って上記の式によれば、光のモードの周波数間隔の１Ｈｚ当たりのドップラーシフトの差は、
２ｖ／ｃ［Ｈｚ／Ｈｚ］
となる。例えば参照光用ミラーを駆動するときの機械的速度を３００ｍ／ｓ（音速）とすると、ドップラーシフトは２×１０^-6［Ｈｚ］となる。
【００７０】
一方、本発明を適用したトモグラフィー装置１，２０では、参照光の各周波数成分に対して、必要なだけ周波数シフトを起こさせることができる。従って、このトモグラフィー装置１，２０によれば、機械的動作を行う必要が無く、ドップラーシフトと等価の周波数シフトを発生させることができる。すなわち、このトモグラフィー装置１，２０によれば、従来の低い干渉性の光源に代えて、第１の光周波数コム発生器５及び第２の光周波数コム発生器６を用い、出射する光の各周波数成分の周波数シフトを用いて、各周波数成分に対して必要なだけ周波数シフトを行う。これにより、トモグラフィー装置１，２０では、参照光と物体光とに含まれる各周波数成分ごとに相対的な周波数シフトを発生させることにより、従来の機械的動作による処理を電気的な制御のみで行うことができる。
【００７１】
このようなトモグラフィー装置１，２０において、物体光を出射する第１の光周波数コム発生器５の変調周波数をｆ_mとし、参照光を出射する第２の光周波数コム発生器６の変調周波数をｆ_m＋δｆとすると、光の周波数１Ｈｚ当たりの周波数シフトの差は、δｆ／ｆ_m［Ｈｚ／Ｈｚ］となる。
【００７２】
例えば、第１の光周波数コム発生器５と第２の光周波数コム発生器６との間の周波数差δｆを１×１０⁶Ｈｚ、変調周波数ｆ_mを１×１０⁹Ｈｚとしたとき、周波数差［Ｈｚ／Ｈｚ］は、１×１０^-3［Ｈｚ／Ｈｚ］となる。したがって、トモグラフィー装置１，２０によれば、従来の機械的駆動を用いたときの１Ｈｚ当たりの周波数差（２×１０^-6［Ｈｚ］）と比較して、１Ｈｚ当たりの周波数差を５００倍とすることができる。したがって、このトモグラフィー装置１，２０によれば、従来のトモグラフィー装置と比較して測定試料Ｓの深さ方向における掃引速度を５００倍とすることができる。更に、トモグラフィー装置１，２０によれば、上記例でのトモグラフィー装置が音速で機械的動作を行うことは現実的でなく、従来トモグラフィー装置と比較したときの掃引速度は更に高速である考えられる。
【００７３】
更に、トモグラフィー装置１，２０によれば、電気的に時間差の掃引を行うので、機械的動作を用いた従来のトモグラフィー装置よりも周波数シフトを正確に与えることができ、距離の校正を正確に行うことができる。
【００７４】
更にまた、トモグラフィー装置１，２０によれば、電気的に時間差の掃引を行うので、測定試料Ｓの深さ方向への掃引範囲の選択も自由に設定することができる。
【００７５】
更にまた、トモグラフィー装置１，２０では、周波数シフトを行っても、第１の光周波数コム発生器５及び第２の光周波数コム発生器６から出射する光の周波数間隔が離散的となっているので、１／δｆの時間ごとに相対的な側帯波間の位相の値は元に戻る。したがって、トモグラフィー装置１，２０によれば、従来の機械的動作を用いたトモグラフィー装置で行っていた参照用ミラーを往復動作させる必要が無く、高速且つ連続して周波数シフトを行っても、正確に干渉位置の測定を行うことができる。
【００７６】
トモグラフィー装置１，２０では、図１１に示すように、参照光と物体光との間に設けることができる時間差が０．５［ｐｓ］であり、距離に換算すると０．１５ｍｍ程度の分解能であるが、最近の高性能な光周波数コム発生器を用いるか、光ファイバを用いた光周波数コム発生器を使用することで、更に分解能を向上させることができる。
【００７７】
また、トモグラフィー装置１，２０では、同一の性能を有するコム発生器を用いた場合について説明したが、位相を制御する機能が同じであれば本発明が適用可能である。
【００７８】
また、本発明では、パルス光源として光周波数コム発生器を用いた一例について説明したが、モードロックレーザ等のパルス光源の各モードの中心周波数及び繰り返し周波数を制御して擬似的に光周波数コム発生器から出射する光とすることで上述した効果と同じ効果を得ることができる。
【００７９】
更に、図１に示したトモグラフィー装置１，２０では、第１及び第２の光周波数コム発生器を含む各構成部分を光ファイバを用いたものとするとともに、各部を光ファイバで接続しても良い。なお、以下に示すトモグラフィー装置の説明では、同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００８０】
このようなトモグラフィー装置５０は、図１２に示すように、光源５１、アイソレータ５２、カプラ５３を備え、カプラ５３で分離したレーザ光を第１の光周波数コム発生器５４及び第２の光周波数コム発生器５５に入射する。第１の光周波数コム発生器５４及び第２の光周波数コム発生器５５は、光ファイバを介して入射されるカプラ５３からの光にサイドバンドを発生させてアイソレータ５６を介してカプラ５８に入射し、アイソレータ５７を介してカプラ５８に入射する。カプラ５８では、第１の光周波数コム発生器５４からの光をスキャナ１２を介して測定試料Ｓに入射して測定試料Ｓからの反射した物体光と第２の光周波数コム発生器５５からの参照光を合成して光検出器１３に入射する。ここで、アイソレータ５２，５６，５７は、カプラ５３，５８からの戻り光を遮断する機能を有する。
【００８１】
このようなトモグラフィー装置５０では、光源５１、アイソレータ５２、カプラ５３、第１の光周波数コム発生器５４、位相シフタ８、アイソレータ５６、スキャナ１２、カプラ５８及び光検出器１３を光ファイバで接続するとともに、カプラ５３、第２の光周波数コム発生器５５アイソレータ５７及びカプラ５８を光ファイバで接続することにより、上述のトモグラフィー装置１，２０と比較して装置全体の大きさを小さくすることができる。
【００８２】
また、光ファイバを用いて各光学部品を接続する他のトモグラフィー装置６０を図１３に示す。このようなトモグラフィー装置６０では、第２の光周波数コム発生器６１から出射する物体光を光サーキュレータ６３、スキャナ１２を介して測定試料Ｓに入射し、測定試料Ｓで反射した物体光を光サーキュレータ６３を介して５０％カプラ６４に入射する。
【００８３】
ここで、光サーキュレータ６３は、１００％の光効率で第２の光周波数コム発生器６１からの光をスキャナ１２に通過させるとともにスキャナ１２からの光を５０％カプラ６４に透過する。すなわち、光サーキュレータ６３は、入射された光を光の入射方向に反射させるようなことなく透過する。
【００８４】
５０％カプラ６４では、光サーキュレータ６３からの物体光と第１の光周波数コム発生器６２からの参照光とを合成し、干渉光全体の光量の５０％の光として第１の光検出器６５及び第２の光検出器６６に出射する。
【００８５】
第１の光検出器６５及び第２の光検出器６６では、５０％カプラ６４からの光の光強度に応じた検出信号を差動増幅器６７に出力する。
【００８６】
差動増幅器６７は、第２の光検出器６６からの検出信号が正入力端子に入力され、第２の光検出器６６からの検出信号が負入力端子に入力される。この差動増幅器６７は、第１の光検出器６５及び第２の光検出器６６からの検出信号の差をとることによりノイズを低減させて信号処理部１４に干渉検出信号を供給する。
【００８７】
このようなトモグラフィー装置６０によれば、第１の光検出器６５及び第２の光検出器６６で検出した物体光Ｌ４１及び参照光Ｌ４２から生成した検出信号の信号強度の差を取ることにより、強度ノイズの影響を低減することで、干渉検出信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００８８】
また、このトモグラフィー装置６０では、光サーキュレータ６３を用いているので、上述のトモグラフィー装置５０とは異なりカプラ５８に入射された光が光入射方向に反射するようなことがなく、カプラによる光損失を減少させて光の無駄を減らすことができ、トモグラフィー装置５０と比較してＳ／Ｎ比の向上が実現できる。
【００８９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係るトモグラフィー装置では、第１の光周波数コム発生手段からの参照光と第２の光周波数コム発生手段からの物体光との干渉タイミングを制御して干渉光の干渉を検出することができるので、電気的に参照光と物体光との間の出射タイミングの掃引を行うことができ、干渉位置を検出するときの動作を高速にして試料の形状を示す画像を生成する処理時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したトモグラフィー装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は第１の変調信号の時間的変化、（ｂ）は第１の光周波数コム発生器から出射される参照光の強度の時間的変化、（ｃ）は第２の変調信号の時間的変化、（ｄ）は第２の光周波数コム発生器から出射される物体光の強度の時間的変化を示す図である。
【図３】（ａ）は参照光の強度の時間的変化、（ｂ）は物体光の強度の時間的変化を示す図である。
【図４】時間差Δｔの時間的変化を示す図である。
【図５】光検出信号の時間−電圧特性を示す図である。
【図６】本発明を適用した他のトモグラフィー装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明を適用した他のトモグラフィー装置の変調信号制御部の構成を示すブロック図である。
【図８】（ａ）は参照光のパワースペクトルを示し、（ｂ）は干渉光のパワースペクトルを示す図である。
【図９】干渉光を検出した光検出信号のパワースペクトルを示す図である。
【図１０】本発明を適用したトモグラフィー装置の原理を説明するための実験系の構成を示すブロック図である。
【図１１】図９に示す実験系において、時間差Δｔ［ｐｓ］を変化させたときの干渉光の強度［ｄＢ］の変化を示す図である。
【図１２】本発明を適用した更に他のトモグラフィー装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明を適用した更に他のトモグラフィー装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】従来の形状検出装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１，２０トモグラフィー装置、２光源、４第１の光周波数コム発生器、５第２の光周波数コム発生器、８ビームスプリッタ、９スキャナ、１０光検出器、１１信号処理部、１２制御部、１３外部発振器、１４位相シフタ、１５位相制御部、２１第１の外部発振器、２２第２の外部発振器、２３位相制御部、３０実験系、３３第１の光周波数コム発生器、３５第２の光周波数コム発生器、３８ビームスプリッタ、３９光検出器、４０外部発振器、４１位相シフタ

Claims

可干渉性を有する光を出射する光源と、
周波数ｆ_１の第１の信号を生成する第１の信号生成手段と、
上記第１の信号生成手段からの第１の信号を用いて上記光源からの光を変調して、上記光源からの光に周波数ｆ_１間隔ごとに側帯波を有する参照光を生成する第１の光周波数コム発生手段と、
周波数ｆ_２の第２の信号を生成する第２の信号生成手段と、
上記第２の信号生成手段からの第２の信号を用いて上記光源からの光を変調して、上記光源からの光に周波数ｆ_２間隔ごとに側帯波を有する物体光を生成する第２の光周波数コム発生手段と、
上記第１の光周波数コム発生手段からの参照光と、上記第２の光周波数コム発生手段で生成され被測定物体で反射された物体光と、を合成した干渉光を生成する合成手段と、
上記第１の信号及び第２の信号間の位相差又は周波数差を変化させることにより、上記第１の光周波数コム発生手段からの参照光と上記第２の光周波数コム発生手段からの物体光との干渉タイミングを制御して、上記干渉光の干渉による光強度の変化を検出する検出手段と、
上記第２の光周波数コム発生手段からの物体光の照射位置を被測定物体上で走査する走査手段と、
上記検出手段からの干渉検出結果に基づいて、被測定物体の形状情報を検出する形状検出手段と、
上記走査手段で走査されることで、上記形状検出手段で生成された複数の形状情報を用いて、被測定物体の形状を示す画像を生成する画像生成手段とを備えることを特徴とするトモグラフィー装置。
上記検出手段で検出した干渉検出結果を用いて、分光情報を検出する上記分光検出手段を備えることを特徴とする請求項１記載のトモグラフィー装置。
上記第１の信号生成手段と第２の信号生成手段で発生させる第１の信号及び第２の信号をヘテロダイン位相同期制御するヘテロダイン制御手段を備えることを特徴とする請求項１記載のトモグラフィー装置。
上記第１の光周波数コム発生手段及び第２の光周波数コム発生手段は光ファイバを用いてなり、上記各手段は光ファイバを用いて接続してなることを特徴とする請求項１記載のトモグラフィー装置。