本發(fā)明涉及具備干涉元件的光檢測裝置。

背景技術(shù)：

利用光的干涉現(xiàn)象高精度且非接觸地計測物體的形狀及距離的裝置已被實用化。通常在這樣的裝置中，使在物體上反射或透射的光(物體光)與在參照面上反射的光(參照光)干涉，將生成的干涉光進(jìn)行攝像并觀測。在充分保證了參照面的平面度的狀態(tài)下，對應(yīng)于物體光的光路長而產(chǎn)生干涉光的干涉條紋。由于光的波長量的光路長的變化而產(chǎn)生1周期的干涉條紋，所以根據(jù)干涉條紋的圖案能夠求出物體的計測對象面的立體形狀。

光的波長以上的光路長的差作為干涉條紋的重復(fù)而產(chǎn)生。如果物體的計測對象面是平滑的，則也可以通過對該干涉條紋的數(shù)量進(jìn)行計數(shù)來估計超過光的波長的光路長的差。

在物體的計測對象面有超過波長的階差的情況下，在階差的部分處干涉條紋缺失，所以不能正確地求出光路長的差。作為這樣的情況下的物體的形狀的計測方法，已知有2波長干涉法。例如在專利文獻(xiàn)1及非專利文獻(xiàn)1中記載了2波長干涉法。

2波長干涉法使用兩個波長的光進(jìn)行干涉計測。將由各個波長的光形成的干涉條紋的圖像獨立地或同時進(jìn)行攝像，基于兩者的波長的干涉條紋信息求出物體的計測對象面的形狀。如果設(shè)兩個波長為λ1及λ2，則已知通過2波長干涉法得到的有效的測量波長λeff如以下這樣。

[數(shù)式1]

例如，在λ2＝1.1×λ1的情況下，λeff＝11×λ1，能夠正確地估計更大的階差。

專利文獻(xiàn)1：特開平10－221032號公報

非專利文獻(xiàn)1：yeou－yenchengandjamesc.wyant:＂two－wavelengthphaseshiftinginterferometry＂,appliedoptics,vol.23,no.14,p4539～4543

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本申請的非限定性的例示性的一實施方式提供一種光學(xué)部分更小型、更不易受到周圍環(huán)境的影響的光檢測裝置。

有關(guān)本申請的一技術(shù)方案的光檢測裝置具備：攝像元件，包括多個第1像素、多個第2像素、多個第3像素及多個第4像素；干涉元件，具有多個第1入射區(qū)域及多個第2入射區(qū)域；以及光學(xué)系統(tǒng)，使第1波段的光向上述多個第1入射區(qū)域入射，使與上述第1波段不同的第2波段的光向上述多個第2入射區(qū)域入射。上述干涉元件使入射到上述多個第1入射區(qū)域之中相互相鄰的兩個第1入射區(qū)域中的上述第1波段的光的一部分進(jìn)行干涉，將干涉后的上述光向上述多個第1像素中的某一個引導(dǎo)，將入射到上述兩個第1入射區(qū)域中的上述第1波段的光的另一部分向上述多個第2像素中的某一個引導(dǎo)；上述干涉元件使入射到上述多個第2入射區(qū)域之中相互相鄰的兩個第2入射區(qū)域中的上述第2波段的光的一部分進(jìn)行干涉，將干涉后的上述光向上述多個第3像素中的某一個引導(dǎo)，將入射到上述兩個第2入射區(qū)域中的上述第2波段的光的另一部分向上述多個第4像素中的某一個引導(dǎo)。

有關(guān)本申請的另一技術(shù)方案的光檢測裝置具備：攝像元件，包括多個第5像素及多個第6像素；干涉元件，包括多個第5入射區(qū)域；以及照明，射出第1波段的光及與上述第1波段不同的第2波段的光；上述干涉元件使入射到上述多個第5入射區(qū)域之中相互相鄰的兩個第5入射區(qū)域中的上述第1波段的光的一部分進(jìn)行干涉，將干涉后的上述光向上述多個第5像素中的某一個引導(dǎo)，將入射到上述兩個第5入射區(qū)域中的上述第1波段的光的另一部分向上述多個第6像素中的某一個引導(dǎo)；上述干涉元件使入射到上述兩個第5入射區(qū)域中的上述第2波段的光的一部分進(jìn)行干涉，將干涉后的上述光向上述多個第5像素中的某一個引導(dǎo)，將入射到上述兩個第5入射區(qū)域中的上述第2波段的光的另一部分向上述多個第6像素中的某一個引導(dǎo)。

根據(jù)本申請，能夠?qū)崿F(xiàn)一種光學(xué)部分更小型、更不易受到周圍環(huán)境的影響的光檢測裝置。

附圖說明

圖1是有關(guān)本申請的第1實施方式的光檢測裝置的結(jié)構(gòu)的概要圖。

圖2是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的光學(xué)系統(tǒng)的具體例的圖。

圖3a是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的光學(xué)系統(tǒng)的另一具體例的圖。

圖3b是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的光學(xué)系統(tǒng)的另一具體例的圖。

圖3c是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的光學(xué)系統(tǒng)的另一具體例的圖。

圖3d是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的光學(xué)系統(tǒng)的另一具體例的圖。

圖3e是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的光學(xué)系統(tǒng)的再另一具體例的圖。

圖3f是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的光學(xué)系統(tǒng)的再另一具體例的圖。

圖4a是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的入射區(qū)域組的配置例的圖。

圖4b是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的入射區(qū)域組的配置例的圖。

圖4c是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的入射區(qū)域組的配置例的圖。

圖4d是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的入射區(qū)域組的配置例的圖。

圖4e是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的入射區(qū)域組的配置例的圖。

圖5a是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的干涉元件的具體例的圖。

圖5b是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的干涉元件的具體例的圖。

圖5c是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的干涉元件的具體例的圖。

圖5d是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的干涉元件的具體例的圖。

圖6a是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的干涉元件的另一具體例的圖。

圖6b是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的干涉元件的另一具體例的圖。

圖6c是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的干涉元件的另一具體例的圖。

圖6d是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的干涉元件的另一具體例的圖。

圖7a是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的像素組的配置例的圖。

圖7b是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的像素組的配置例的圖。

圖7c是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的像素組的配置例的圖。

圖7d是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的像素組的配置例的圖。

圖7e是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的像素組的配置例的圖。

圖8是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的光強度信號的輸出例的圖。

圖9是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的運算部的具體例的圖。

圖10是有關(guān)本申請的第2實施方式的光檢測裝置的結(jié)構(gòu)的概要圖。

圖11是有關(guān)本申請的第3實施方式的光檢測裝置的結(jié)構(gòu)的概要圖。

圖12是表示有關(guān)本申請的實施例的干涉元件的結(jié)構(gòu)的圖。

圖13是表示有關(guān)本申請的實施例的入射光的相位差與干涉光及透射光的強度間的關(guān)系的圖。

圖14a是表示有關(guān)本申請的第1實施例的被測量物體(試樣)的形狀的圖。

圖14b是表示有關(guān)本申請的第1實施例的被測量物體(試樣)的形狀的圖。

圖15a是表示有關(guān)本申請的第1實施例的入射到第1像素組的各像素中的光的強度的圖。

圖15b是表示有關(guān)本申請的第1實施例的入射到第2像素組的各像素中的光的強度的圖。

圖15c是表示有關(guān)本申請的第1實施例的入射到第3像素組的各像素中的光的強度的圖。

圖15d是表示有關(guān)本申請的第1實施例的入射到第4像素組的各像素中的光的強度的圖。

圖16a是表示有關(guān)本申請的第1實施例的中心波長λ1下的相位差絕對值的分布的圖。

圖16b是表示有關(guān)本申請的第1實施例的中心波長λ2下的相位差絕對值的分布的圖。

圖17a是表示有關(guān)本申請的第1實施例的中心波長λ1下的相位差值的分布的圖。

圖17b是表示有關(guān)本申請的第1實施例的中心波長λ2下的相位差值的分布的圖。

圖18是表示有關(guān)本申請的第1實施例的等價波長λeff2下的相位差值的分布的圖。

圖19是表示有關(guān)本申請的第1實施例的等價波長λeff2下的相位值的分布的圖。

圖20a是表示有關(guān)本申請的第1實施例的中心波長λ1下的相位值的分布的圖。

圖20b是表示有關(guān)本申請的第1實施例的中心波長λ2下的相位值的分布的圖。

圖21是表示有關(guān)本申請的第1實施例的以等價波長λeff2復(fù)原的試樣形狀的圖。

圖22a是表示有關(guān)本申請的第1實施例的以中心波長λ1復(fù)原的試樣形狀的圖。

圖22b是表示有關(guān)本申請的第1實施例的以中心波長λ2復(fù)原的試樣形狀的圖。

圖23是表示有關(guān)本申請的第2實施例的被測量物體(試樣)的形狀的圖。

圖24a是表示有關(guān)本申請的第2實施例的中心波長λ1下的被測量物體的階差與干涉光及透射光的強度間的關(guān)系的圖。

圖24b是表示有關(guān)本申請的第2實施例的中心波長λ2下的被測量物體的階差與干涉光及透射光的強度間的關(guān)系的圖。

圖25a是表示有關(guān)本申請的第2實施例的中心波長λeff下的被測量物體的階差與干涉光強度間的關(guān)系的圖。

圖25b是表示有關(guān)本申請的第2實施例的中心波長λeff下的被測量物體的階差與透射光強度間的關(guān)系的圖。

圖26是表示照明光與帶通濾波器的關(guān)系的一例的圖。

圖27是表示照明光與帶通濾波器的關(guān)系的另一例的圖。

標(biāo)號說明

101光學(xué)系統(tǒng)

102第1波段的光

103第2波段的光

104第1入射區(qū)域組

105第2入射區(qū)域組

106干涉元件

107干涉光

109攝像元件

110～113第1～第4像素組

114第1運算部

115第2運算部

116第1相位差信息

117第2相位差信息

118第3運算部

119等價相位差信息

201第1帶通濾波器

202第2帶通濾波器

302第1帶通濾波器

303第2帶通濾波器

304透鏡

305陣列狀光學(xué)元件

306光圈

307濾波器陣列

308微透鏡陣列

501遮光區(qū)域

502光耦合層

503光柵

504波導(dǎo)層

505未使用像素

506a波導(dǎo)光

601光子晶體

602～605第1～第4光傳輸路徑

1001照明

1002波段切換器

1003光學(xué)系統(tǒng)

1004、1103光

1006第5像素組

1007第6像素組

1008同步信號

1009第4運算部

1101、1102照明

1104第5運算部

1201入射區(qū)域

1202遮光層

1203干涉光區(qū)域

1204透射光區(qū)域

具體實施方式

(達(dá)到本申請的一技術(shù)方案的經(jīng)由)

本申請涉及利用光的干涉現(xiàn)象將與物體的形狀或距離相關(guān)聯(lián)的信息作為圖像來取得的光檢測裝置。特別涉及能夠?qū)⒊^波長的階差或形狀的變化作為圖像而高精度地計測的光檢測裝置。本發(fā)明者們詳細(xì)地研究了在專利文獻(xiàn)1及非專利文獻(xiàn)1中公開的以往的光檢測裝置。根據(jù)在這些文獻(xiàn)中公開的光檢測裝置，用來產(chǎn)生干涉光的半反射鏡是必須的，也有按每個波長而需要攝像管或攝像元件的情況。因此，可以想到在使光檢測裝置的光學(xué)系統(tǒng)小型化方面是有限的。此外，可以想到由于光路存在于規(guī)定的空間中，所以容易受到空氣的對流、光學(xué)系統(tǒng)的振動等周圍環(huán)境的變化或影響。

鑒于這樣的課題，本發(fā)明者們想到了能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的小型化、不易受到周圍環(huán)境的影響的新的光檢測裝置。

本申請的一技術(shù)方案的光檢測裝置具備：攝像元件，包括多個第1像素、多個第2像素、多個第3像素及多個第4像素；干涉元件，具有多個第1入射區(qū)域及多個第2入射區(qū)域；以及光學(xué)系統(tǒng)，使第1波段的光向上述多個第1入射區(qū)域入射，使與上述第1波段不同的第2波段的光向上述多個第2入射區(qū)域入射。上述干涉元件使入射到上述多個第1入射區(qū)域之中相互相鄰的兩個第1入射區(qū)域中的上述第1波段的光的一部分干涉，將干涉后的上述光向上述多個第1像素中的某一個引導(dǎo)，將入射到上述兩個第1入射區(qū)域中的上述第1波段的光的另一部分向上述多個第2像素中的某一個引導(dǎo)；上述干涉元件使入射到上述多個第2入射區(qū)域之中相互相鄰的兩個第2入射區(qū)域中的上述第2波段的光的一部分干涉，將干涉后的上述光向上述多個第3像素中的某一個引導(dǎo)，將入射到上述兩個第2入射區(qū)域中的上述第2波段的光的另一部分向上述多個第4像素中的某一個引導(dǎo)。

這里，所謂“第1波段的光”，是具有第1波段中包含的某一個波長的光。此外，所謂“第2波段的光”，是具有第2波段中包含的某一個波長的光。因此，第1及第2波段的光既可以是單波長的光，此外也可以是具有規(guī)定的帶寬的光。

光檢測裝置也可以還具備運算電路，該運算電路根據(jù)上述多個第1像素檢測出的光強度信息及上述多個第2像素檢測出的光強度信息求出第1相位差信息，根據(jù)上述多個第3像素檢測出的光強度信息及上述多個第4像素檢測出的光強度信息求出第2相位差信息。

上述運算電路也可以根據(jù)上述第1相位差信息及上述第2相位差信息，求出第1波段中包含的第1波長及上述第2波段中包含的第2波長的等價波長下的相位差信息。

也可以是，上述干涉元件包括多個光耦合層；上述多個光耦合層分別具備具有衍射光柵的波導(dǎo)層。

上述干涉元件也可以具有位于上述兩個第1入射區(qū)域之間的第1遮光區(qū)域、和位于上述兩個第2入射區(qū)域之間的第2遮光區(qū)域。上述多個光耦合層也可以包括與上述兩個第1入射區(qū)域及上述第1遮光區(qū)域?qū)?yīng)地配置、或者與上述兩個第2入射區(qū)域及上述第2遮光區(qū)域?qū)?yīng)地配置的光耦合層。上述多個第2像素也可以包括與上述兩個第1入射區(qū)域?qū)?yīng)地配置的兩個第2像素。上述多個第1像素也可以包括與上述第1遮光區(qū)域?qū)?yīng)地配置的第1像素。上述多個第4像素也可以包括與上述兩個第2入射區(qū)域?qū)?yīng)地配置的兩個第4像素。上述多個第3像素也可以包括與上述第2遮光區(qū)域?qū)?yīng)地配置的第3像素。

上述干涉元件也可以具備：第1光傳輸路徑；第2光傳輸路徑；以及第3光傳輸路徑，將上述第1光傳輸路徑與上述第2光傳輸路徑之間連接。

上述第1光傳輸路徑也可以具備來自上述兩個第1入射區(qū)域的一方或上述兩個第2入射區(qū)域的一方的光入射的入射部、以及將入射的上述光的一部分向上述多個第2像素中的某一個或上述多個第4像素中的某一個射出的射出部。上述第2光傳輸路徑也可以具備來自上述兩個第1入射區(qū)域的另一方或上述兩個第2入射區(qū)域的另一方的光入射的入射部、以及將入射的上述光的一部分向上述多個第2像素中的某一個或上述多個第4像素中的某一個射出的射出部。

也可以是，上述干涉元件還具備第4光傳輸路徑；上述第4光傳輸路徑具備與上述第3光傳輸路徑連接的入射部、以及將從上述入射部入射的光向上述多個第1像素中的某一個或上述多個第3像素中的某一個射出的射出部。

上述光學(xué)系統(tǒng)也可以包括具有使上述第1波段的光選擇性地透射的多個第1帶通濾波器及使上述第2波段的光選擇性地透射的多個第2帶通濾波器的濾波器陣列。

上述光學(xué)系統(tǒng)也可以具備：第1帶通濾波器，使上述第1波段的光選擇性地透射；第2帶通濾波器，使上述第2波段的光選擇性地透射；以及陣列狀光學(xué)元件，使透射了上述第1帶通濾波器的上述第1波段的光向上述多個第1入射區(qū)域入射，使透射了上述第2帶通濾波器的上述第2波段的光向上述多個第2入射區(qū)域入射。

本申請的另一技術(shù)方案的光檢測裝置具備：攝像元件，包括多個第5像素及多個第6像素；干涉元件，包括多個第5入射區(qū)域；以及照明，射出第1波段的光及與上述第1波段不同的第2波段的光。上述干涉元件使入射到上述多個第5入射區(qū)域中的相互相鄰的兩個第5入射區(qū)域中的上述第1波段的光的一部分干涉，將干涉后的上述光向上述多個第5像素中的某一個引導(dǎo)，將入射到上述兩個第5入射區(qū)域中的上述第1波段的光的另一部分向上述多個第6像素中的某一個引導(dǎo)；上述干涉元件使入射到上述兩個第5入射區(qū)域中的上述第2波段的光的一部分干涉，將干涉后的上述光向上述多個第5像素中的某一個引導(dǎo)，將入射到上述兩個第5入射區(qū)域中的上述第2波段的光的另一部分向上述多個第6像素中的某一個引導(dǎo)。

上述照明也可以將上述第1波段的光及上述第2波段的光同時射出。上述照明也可以將上述第1波段的光及上述第2波段的光分時地射出。

上述第1、第2及第3光傳輸路徑也可以由光子晶體構(gòu)成。上述第1、第2、第3及第4光傳輸路徑也可以由光子晶體構(gòu)成。

以下，參照附圖具體地說明本申請的光檢測裝置的實施方式。

(第1實施方式的概要)

圖1是表示有關(guān)本申請的第1實施方式的光檢測裝置的結(jié)構(gòu)的概要的示意圖。光檢測裝置具備光學(xué)系統(tǒng)101、干涉元件106及攝像元件109。為了說明，在該圖中將干涉元件及攝像元件用截面表示。此外，為了使圖的理解變?nèi)菀?，在圖1以后的各圖中，將xyz方向的3軸的朝向(左手系)一起表示。各結(jié)構(gòu)部分的具體例后述。

攝像元件109包括分別具有多個像素的第1、第2、第3及第4像素組110、111、112、113。想要正確地測量立體形狀及距離的來自對象物的反射光作為入射光向光學(xué)系統(tǒng)101入射。

光學(xué)系統(tǒng)101使第1波段的光102及第2波段的光103向干涉元件106入射。干涉元件106包括分別具有多個入射區(qū)域的第1入射區(qū)域組104及第2入射區(qū)域組105。光學(xué)系統(tǒng)101主要使第1波段的光102向干涉元件106的第1入射區(qū)域組104入射。此外，光學(xué)系統(tǒng)101主要使第2波段的光103向第2入射區(qū)域組105入射。

這里，第2波段的光103的中心波長與第1波段的光102的中心波長不同。此外，在更正確地求出物體的階差及形狀這一點上，更優(yōu)選的是第2波段的光103的帶域與第1波段的光102的帶域不重疊。此外，在使兩個波段的光的中心波長接近而擴大計測范圍這一點上，更優(yōu)選的是第1波段的光102及第2波段的光103的帶寬分別是20nm以下，更加優(yōu)選的是5nm以下。

存在于干涉元件104上的第1入射區(qū)域組104及第2入射區(qū)域組105只要有至少能夠使光透射的開口部就可以，也可以不存在物理上的構(gòu)造物。此外，第1入射區(qū)域組104和第2入射區(qū)域組105也可以在物理上是相同的。在本說明書中分為“第1”入射區(qū)域組和“第2”入射區(qū)域組進(jìn)行說明是因為，向各入射區(qū)域組入射的光的性質(zhì)不同。

使入射到第1入射區(qū)域組104中的光之中從相鄰的至少1對入射區(qū)域入射的光的一部分在干涉元件106內(nèi)相互干涉，作為干涉光107向攝像元件109側(cè)放射。此外，從上述1對入射區(qū)域入射的光的另一部分不干涉而作為透射光108直接向攝像元件109側(cè)放射。關(guān)于入射到第2入射區(qū)域組105中的光，也與入射到第1入射區(qū)域組104中的光同樣，作為干涉光107及透射光108向攝像元件109側(cè)放射。

為了使干涉光107及透射光108高效地向攝像元件的各像素入射(即提高耦合效率)，干涉元件104與攝像元件109之間的距離優(yōu)選的是接近。距離優(yōu)選的是100μm以下，更優(yōu)選的是10μm以下。

將從第1波段的光102生成的干涉光107主要向攝像元件109內(nèi)的第1像素組110引導(dǎo)，將透射光108主要向第2像素組111引導(dǎo)。同樣，將從第2波段的光103生成的干涉光107和透射光108主要分別向第3像素組112和第4像素組113引導(dǎo)。

這里，第1～第4像素組110～113只要是光敏二極管等光檢測器就可以，也可以是在物理上都為相同構(gòu)造的檢測器。在本說明書中分為“第1”～“第4”的像素組進(jìn)行說明，是因為向各像素組入射的光的性質(zhì)不同。

光檢測裝置為了對從攝像元件109得到的電信號進(jìn)行處理，還具備第1運算部114、第2運算部115及第3運算部118。入射到第1像素組110及第2像素組111中的光的強度信息作為電信號輸入至第1運算部114。第1運算部114基于輸入的信號，計算第1相位差信息116并輸出。這相當(dāng)于相對于第1波段的中心波長(即以往例的λ1)的相位差信息。

同樣，入射到第3像素組112及第4像素組113中的光的強度信息作為電信號輸入至第2運算部115。第2運算部115基于輸入的信號計算第2相位差信息117并輸出。這相當(dāng)于相對于第2波段的中心波長(即以往例的λ2)的相位差信息。

在第3運算部118中，基于第1相位差信息116及第2相位差信息117，計算等價相位差信息119(即相對于以往例的λeff的相位差信息)并輸出。

通過這樣的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)部分更小型、不易受到周圍環(huán)境的影響、即使是有超過光的波長的階差的物體也能夠沒有錯誤地測量形狀的光檢測裝置。

(光學(xué)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)例)

接著，參照圖2及圖3a～圖3f對光學(xué)系統(tǒng)101的具體的結(jié)構(gòu)例進(jìn)行說明。

圖2中作為光學(xué)系統(tǒng)101的一部分而具備濾波器陣列。濾波器陣列包括接近于干涉元件106的光入射側(cè)而配置的多個第1帶通濾波器201及多個第2帶通濾波器202。第1帶通濾波器201具有使第1波段的光透射的波長特性，相鄰于第1入射區(qū)域組104而配置。第2帶通濾波器202具有使第2波段的光透射的波長特性，接近于第2入射區(qū)域組105而配置。帶通濾波器例如通過將電介質(zhì)多層膜或顏料成膜而制作。光學(xué)系統(tǒng)10中的不存在帶通濾波器的區(qū)域優(yōu)選的是遮光區(qū)域。

圖3a至圖3d表示光學(xué)系統(tǒng)101包括設(shè)置在光瞳區(qū)域附近的帶通濾波器和陣列狀光學(xué)元件的例子。光學(xué)系統(tǒng)101包括具有光瞳區(qū)域的光圈306、濾波器陣列307、透鏡304和陣列狀光學(xué)元件305。圖3a表示光學(xué)系統(tǒng)101的結(jié)構(gòu)的概略，圖3b表示濾波器陣列307的平面構(gòu)造。圖3c是陣列狀光學(xué)元件305的示意性的立體圖，圖3d示意地表示透射光學(xué)系統(tǒng)101而向干涉元件106入射的光。

如圖3a及圖3b所示，光圈306的光瞳區(qū)域被在包含光學(xué)系統(tǒng)101的光軸v的水平方向上展開的平面分割為區(qū)域d1及區(qū)域d2。濾波器陣列307具有配置在區(qū)域d2中的第2帶通濾波器303和配置在區(qū)域d1中的第1帶通濾波器302。

穿過了第1及第2光學(xué)區(qū)域d1、d2的入射光通過透鏡304聚焦，向陣列狀光學(xué)元件305入射。陣列狀光學(xué)元件305例如是將沿x方向延伸的圓柱形透鏡在y方向上排列了多個的雙凸透鏡。陣列狀光學(xué)元件305使透射了第1帶通濾波器302的上述第1波段的光向第1入射區(qū)域組104入射，使透射了第2帶通濾波器303的第2波段的光向第2入射區(qū)域組105入射。為了提高向第1入射區(qū)域組104及第2入射區(qū)域組105的入射效率，也可以在干涉元件106的表面上設(shè)置微透鏡陣列308。如后述那樣，濾波器陣列307及陣列狀光學(xué)元件305也可以具有圖3e及圖3f所示的形狀。

這些第1及第2帶通濾波器302、303的透射波長特性與分別在圖2中說明的第1及第2帶通濾波器201及202的透射波長特性分別是同樣的。不同的是帶通濾波器的尺寸較大，如果尺寸較大則有制作變?nèi)菀椎膬?yōu)點。此外，也可以通過僅將帶通濾波器更換為中心波長不同的帶通濾波器，來改變可計測范圍。

在圖2及圖3a～圖3f所示的例子中，在入射光的波段寬度比較寬的情況下(例如在使用鹵素?zé)艋虬咨玪ed光源的情況下)，也能夠用帶通濾波器適當(dāng)?shù)厝〕鰞蓚€波段的光(參照圖26)。在入射光中包含的兩個波段分別原本具有與帶通濾波器的透射波段相同程度以下的帶寬的情況下(例如兩個激光源)，帶通濾波器的透射帶寬并不一定需要窄。在這樣的情況下，帶通濾波器的透射帶寬只要能夠?qū)蓚€波段的光相互分離，則也可以是比較寬。也可以代替帶通濾波器而使用使第1波段的光透射的低通濾波器及使第2波段的光透射的高通濾波器(參照圖27)。透射帶寬較寬的光學(xué)濾波器能夠容易地制造。

(入射區(qū)域組的配置例)

在圖1中將干涉元件106表示為了剖視圖，而使用圖4說明從正面(即光入射側(cè))觀察的情況下的干涉元件內(nèi)的入射區(qū)域組的配置例。

圖4a是將第1入射區(qū)域組104及第2入射區(qū)域組105一起排列為一列而配置的例子。如果使用這樣的配置，則能夠?qū)⒈粶y量物體的一維的形狀及距離信息使用線(line)型的攝像元件計測。

圖4b是將第1入射區(qū)域組104和第2入射區(qū)域組105分別排列為一列而配置的例子。如果使用這樣的配置，則有在使用光柵制作干涉元件的情況下制作變?nèi)菀椎膬?yōu)點(后述)。

圖4c是將圖4b所示的入射區(qū)域組的配置2維地擴展的圖。能夠?qū)⒈粶y量物體的2維的形狀及距離信息作為圖像來計測。

圖4d是入射區(qū)域組的另一2維的配置例。將第1入射區(qū)域組104和第2入射區(qū)域組105每隔2列配置。在該例中，在接近于各入射區(qū)域組設(shè)置帶通濾波器的情況下，能將各帶通濾波器的寬度設(shè)得較寬(即能夠設(shè)為入射區(qū)域組2列的寬度)，所以有帶通濾波器的制作變?nèi)菀椎膬?yōu)點。

圖4e是入射區(qū)域組的再另一2維的配置例。將第1入射區(qū)域組104和第2入射區(qū)域組105分別按照4行4列(合計8區(qū)域)配置。在此情況下，也能將各帶通濾波器的寬度設(shè)得較大(即能夠設(shè)為4列的寬度)，所以有帶通濾波器的制作變?nèi)菀椎膬?yōu)點。

另外，將入射區(qū)域從正面觀察時的形狀并不一定需要是正方形，也可以是圓形或長方形等。

作為光學(xué)系統(tǒng)101，如圖2所示，在使用接近于干涉元件106的光入射側(cè)而配置的濾波器陣列的情況下，只要對應(yīng)于圖4a至圖4e所示的第1入射區(qū)域組104及第2入射區(qū)域組105的配置而使用配置有多個第1帶通濾波器201及多個第2帶通濾波器202的濾波器陣列就可以。

如參照圖3a至圖3d說明那樣，光學(xué)系統(tǒng)101在包括設(shè)置在光瞳區(qū)域附近的帶通濾波器和陣列狀光學(xué)元件的情況下，如以下說明那樣構(gòu)成。

首先，如圖4a所示，在干涉元件106中，第1入射區(qū)域組104及第2入射區(qū)域組105在y方向上1維地排列的情況下，使用如圖3a所示在y方向上排列有第2帶通濾波器303及第1帶通濾波器302的濾波器陣列307、和如圖3c所示在y方向上排列有沿x方向延伸的圓柱形透鏡的陣列狀光學(xué)元件(雙凸透鏡)305。在此情況下，由于干涉元件106的第1入射區(qū)域組104及第2入射區(qū)域組105被1維地排列，所以陣列狀光學(xué)元件305的x方向的長度是1個像素的量就可以。

在使用如圖4b至圖4d所示第1入射區(qū)域組104及第2入射區(qū)域組105被配置在不同的列中的干涉元件106的情況下，使用將圖3a所示的濾波器陣列307以及圖3c所示的陣列狀光學(xué)元件305的x方向與y方向的排列替換的結(jié)構(gòu)，即使用在x方向上排列有第2帶通濾波器303及第1帶通濾波器302的濾波器陣列和在x方向上排列有沿y方向延伸的圓柱形透鏡的雙凸透鏡。在使用如圖4b及圖4c所示將1列第1入射區(qū)域組104和1列第2入射區(qū)域組105的組作為一個單位排列的干涉元件106的情況下，雙凸透鏡的各圓柱形透鏡的寬度具有與兩個像素的量對應(yīng)的寬度。此外，在使用如圖4d所示將2列第1入射區(qū)域組104和列的第2入射區(qū)域組105的組作為一個單位排列的干涉元件106的情況下，雙凸透鏡的各圓柱形透鏡的寬度具有與4個像素的量對應(yīng)的寬度。

在使用如圖4e所示將第1入射區(qū)域組104及第2入射區(qū)域組105排列為棋盤格圖案狀的干涉元件106的情況下，使用圖3e所示的濾波器陣列307。光圈306的光瞳區(qū)域被包含光學(xué)系統(tǒng)101的光軸v的相互正交的兩個平面分割為區(qū)域d1至d4。濾波器陣列307具有配置在區(qū)域d2、d4中的第2帶通濾波器303、和配置在區(qū)域d1、d3中的第1帶通濾波器302。在陣列狀光學(xué)元件305中，使用如圖3f所示在x方向及y方向上排列的微透鏡陣列。各微透鏡m對應(yīng)于在x方向及y方向上分別配置有各4個的16像素量的大小。

(干涉元件的具體結(jié)構(gòu)例)

接著，參照圖5及圖6對干涉元件106的具體的結(jié)構(gòu)例及與像素組的配置關(guān)系進(jìn)行說明。

圖5a至圖5d將在干涉元件106中使用多個光耦合層的情況下的例子表示為剖視圖。

多個光耦合層502分別包括形成有光柵503的波導(dǎo)層504。波導(dǎo)層504分別與第1入射區(qū)域組104的相互相鄰的兩個入射區(qū)域或第2入射區(qū)域組105的相互相鄰的兩個入射區(qū)域?qū)?yīng)地配置。干涉元件106的基材例如由sio2構(gòu)成。波導(dǎo)層504是比基材高折射率的層，例如由ta2o5構(gòu)成。波導(dǎo)層504并不限于1層，也可以夾著低折射率的層而由多個層構(gòu)成。

規(guī)定的間距的光柵503位于波導(dǎo)層504的至少入射側(cè)界面。光柵503是直線光柵，其柵格矢量的方向在光耦合層502的面內(nèi)與圖5a至圖5d的紙面上下方向平行。

在干涉元件106的光入射側(cè)，在不是第1及第2入射區(qū)域組104、105的區(qū)域中設(shè)置遮光區(qū)域501。即，遮光區(qū)域位于第1入射區(qū)域組104的相互相鄰的兩個入射區(qū)域之間、以及第2入射區(qū)域組105的相互相鄰的兩個入射區(qū)域之間。遮光區(qū)域501例如由al、ag、au等的反射性的金屬材料構(gòu)成，具有能夠?qū)⒌?及第2波段的光充分遮光的程度的厚度。

以下，使用圖5a說明入射到第1入射區(qū)域組104中的光的光路。如果設(shè)定光柵503的間距以使第1波段的光耦合，則入射到第1入射區(qū)域組的相互相鄰的兩個入射區(qū)域104a及104b中的光的一部分分別作為波導(dǎo)光506a及506b向波導(dǎo)層504內(nèi)入射并傳輸。波導(dǎo)光506a及506b在波導(dǎo)層504內(nèi)干涉，作為干涉光107a被從波導(dǎo)層504向攝像元件109側(cè)放射，向第1像素組110中的一個像素110a入射。這里，波導(dǎo)光506a及506b是從相鄰的一對入射區(qū)域104a及104b分別傳輸?shù)墓?。干涉?07的強度依賴于入射到第1入射區(qū)域組104中的光的相位差。入射到入射區(qū)域104a及104b中的光的另一部分沒有成為波導(dǎo)光，而作為透射光108a及108b被向攝像元件109側(cè)放射，向第2像素組111中的像素111a及111b入射。因而，通過檢測入射到像素110a、111a及111b中的光的強度，能夠求出入射到入射區(qū)域104a及104b中的第1波段的光的相位差。

如圖5a所示，關(guān)于入射到第2入射區(qū)域組105中的光的光路也能夠與上述同樣地說明。能夠根據(jù)入射到第3像素組112及第4像素組113中的光的強度求出入射到第2入射區(qū)域組105中的相鄰的一對入射區(qū)域中的光的相位差的理由也與第1入射區(qū)域組的情況是同樣的。

圖5a表示第1及第2入射區(qū)域組104、105如圖4a所示以1維配置的干涉元件106的多個光耦合層502的截面結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，由于在光柵的柵格矢量的方向上存在第1入射區(qū)域組104及第2入射區(qū)域組105這兩者，所以也可以在第1及第2入射區(qū)域組104、105的邊界經(jīng)由比波導(dǎo)層504低折射率的介質(zhì)使多個光耦合層502分離。如果這樣，則由帶通濾波器分離后的第1及第2波段的光不相互干涉，所以能夠分別獨立地檢測第1波段的光的相位差和第2波段的光的相位差。

圖5b及圖5c表示第1及第2入射區(qū)域組104、105如圖4b、圖4c及圖4d所示配置在不同的列中的情況下的光耦合層502的截面結(jié)構(gòu)。圖5b是在第1入射區(qū)域組104的列切斷時的剖視圖，圖5c是在第2入射區(qū)域組105的列切斷時的剖視圖。在該結(jié)構(gòu)中，由于在光柵的柵格矢量的方向上僅存在第1入射區(qū)域組104或第2入射區(qū)域組105中的某一方，所以即使不將光耦合層分離，也能夠分別獨立地檢測第1波段的光的相位差和第2波段的光的相位差。不將光耦合層502分離的構(gòu)造時，光耦合層502的制作更容易。

圖5d表示第1及第2入射區(qū)域組104、105如圖4e所示配置為棋盤格圖案狀的情況下的多個光耦合層502的截面結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，與圖5a同樣，由于在光柵的柵格矢量的方向上存在第1入射區(qū)域組104及第2入射區(qū)域組105這兩者，所以也可以在第1及第2入射區(qū)域組104、105的邊界使多個光耦合層分離，處于使光耦合層分離的部分的正下方的像素也可以作為未使用像素505而在相位差信息的計算中不使用。

(干涉元件的具體結(jié)構(gòu)的另一例)

圖6a至圖6d將在干涉元件106中使用光子晶體的情況下的例子表示為剖視圖。

光子晶體601用于構(gòu)成光傳輸路徑。光傳輸路徑至少包括第1及第2光傳輸路徑602、603、和將第1光傳輸路徑602與第2光傳輸路徑603之間連結(jié)的第3光傳輸路徑604。第1光傳輸路徑602的入射部配置在與第2光傳輸路徑603的入射部不同的位置，第1光傳輸路徑602的射出部配置在與第2光傳輸路徑603的射出部不同的位置。圖6所示的光傳輸路徑還包括第4光傳輸路徑605。圖6所示的光傳輸路徑還包括第4光傳輸路徑605。第4光傳輸路徑605與第3光傳輸路徑604連接，傳播從第3光傳輸路徑604入射的光。在與由多個光耦合層502構(gòu)成干涉元件的情況同樣地將干涉光和透射光分離而檢測的情況下，光傳輸路徑優(yōu)選的是包括第4光傳輸路徑605。但是，由于第1及第2光傳輸路徑602、603的射出光的強度依賴于入射到第1及第2光傳輸路徑602、603中的光的相位差而變化，所以即使是不存在第4光傳輸路徑605的結(jié)構(gòu)也能夠求出相位差信息。

光子晶體601例如由空洞、折射率不同的區(qū)域、電介質(zhì)柱等的周期性的排列構(gòu)成，光傳輸路徑通過將周期性的排列的一部分除去而形成。第1及第2光傳輸路徑602、603的入射部的位置與第1入射區(qū)域組104的相互相鄰的兩個入射區(qū)域分別一致。即，第1及第2光傳輸路徑602、603分別與第1入射區(qū)域組104的相互相鄰的兩個入射區(qū)域連接。第1入射區(qū)域組104包括多個上述那樣的相互相鄰的兩個入射區(qū)域的組。此外，第2入射區(qū)域組105也包括多個相互相鄰的兩個入射區(qū)域的組。對應(yīng)于這些多個入射區(qū)域的組而與上述同樣地配置多個第1及第2光傳輸路徑的組。此外，對應(yīng)于第1及第2光傳輸路徑的各組而設(shè)置將第1光傳輸路徑與第2光傳輸路徑之間連結(jié)的第3光傳輸路徑、以及與第3光傳輸路徑連接的第4光傳輸路徑。

此外，與第1、第2光傳輸路徑602、603的各自的射出部相鄰而配置第2像素組111中的某一個像素，與第4光傳輸路徑605的射出部相鄰而配置第1像素組110中的某一個像素。關(guān)于與第1入射區(qū)域組104的其他入射區(qū)域的各組對應(yīng)的第1及第2光傳輸路徑的射出部也同樣，與這些射出部分別相鄰而配置第2像素組111中的某一個像素。此外，與連接于將這些第1光傳輸路徑與第2光傳輸路徑之間連結(jié)的第3光傳輸路徑上的第4光傳輸路徑的射出部相鄰而配置第1像素組110中的某一個像素。此外，關(guān)于與第2入射區(qū)域組105的入射區(qū)域的各組對應(yīng)的第1及第2光傳輸路徑的射出部也同樣，與這些射出部分別相鄰而配置第4像素組113中的某一個像素。此外，與連接于將這些第1光傳輸路徑與第2光傳輸路徑之間連結(jié)的第3光傳輸路徑上的第4光傳輸路徑的射出部相鄰而配置第3像素組112中的某一個像素。

在該結(jié)構(gòu)中，由于在第3光傳輸路徑604延伸的方向上存在第1入射區(qū)域組104及第2入射區(qū)域組105這兩者，所以也可以通過在第1及第2入射區(qū)域組104、105的邊界留下電介質(zhì)柱而使第3光傳輸路徑604分離。如果這樣，則由帶通濾波器分離后的第1及第2波段的光不相互干涉，所以能夠分別獨立地檢測第1波段的光的相位差和第2波段的光的相位差。

通過做成這樣的結(jié)構(gòu)，從第1及第2入射區(qū)域組104、105中的相鄰的一對入射區(qū)域入射的光的一部分在第3光傳輸路徑干涉，作為干涉光107而從干涉元件106射出。第3光傳輸路徑中的光的干涉狀態(tài)依賴于從相鄰的一對入射區(qū)域入射的光的相位差而變化。此外，從入射區(qū)域入射的光的另一部分作為透射光108從干涉元件106射出。通過將這些干涉光107及透射光108的強度用攝像元件109的像素檢測，能夠與由多個光耦合層502構(gòu)成干涉元件的情況同樣地求出光的相位差信息。

圖6a表示如圖4a所示1維地配置有第1及第2入射區(qū)域組104、105的干涉元件106的截面結(jié)構(gòu)。

圖6b及圖6c表示第1及第2入射區(qū)域組104、105如圖4b、圖4c及圖4d所示配置在不同的列中的情況下的干涉元件106的截面結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，由于在第3光傳輸路徑604延伸的方向上僅存在第1入射區(qū)域組104或第2入射區(qū)域組105中的某一方，所以即使不將第3光傳輸路徑604分離，也能夠分別獨立地檢測第1波段的光的相位差和第2波段的光的相位差。

圖6d表示第1及第2入射區(qū)域組104、105如圖4e所示配置為棋盤格圖案狀的情況下的干涉元件106的截面結(jié)構(gòu)。在圖6a及圖6d中為在相同列中配置第1及第2入射區(qū)域組104、105的結(jié)構(gòu)。在這樣的結(jié)構(gòu)中，如圖6a及圖6d所示，如果按從入射區(qū)域入射的每個波段將光傳輸路徑分離，則能夠分別獨立地檢測第1波段的光的相位差和第2波段的光的相位差。

(攝像元件的像素配置)

在圖1、圖5及圖6中將攝像元件109表示為剖視圖，而使用圖7a至圖7e說明從正面(即光入射側(cè))觀察的情況下的攝像元件109內(nèi)的像素組的配置例。

圖7a至圖7e分別表示如圖4a至圖4e所示配置了第1及第2入射區(qū)域組104、105的情況下的像素組的配置例。像素組的配置為：入射到第1入射區(qū)域組104中的光的干涉光107向第1像素組110中的某一個像素入射、入射到第1入射區(qū)域組104中的光的透射光108向第2像素組111中的某一個像素入射、入射到第2入射區(qū)域組105中的光的干涉光107向第3像素組112中的某一個像素入射、入射到第2入射區(qū)域組105中的光的透射光108向第4像素組113中的某一個像素入射。各入射區(qū)域的位置與各像素的位置大致一致、即大致沒有偏差時使向各像素的不需要的串?dāng)_成分減少，所以更為優(yōu)選。

(運算部的結(jié)構(gòu)例)

使用圖8及圖9，說明來自圖1所示的光檢測裝置的攝像元件109的信號的流程、和運算部的結(jié)構(gòu)的例子。

如圖8所示，定義入射區(qū)域及遮光區(qū)域和從攝像元件的各像素輸出的信號。各信號都根據(jù)入射到對應(yīng)的各像素中的光的強度而輸出。

入射區(qū)域及遮光區(qū)域如以下這樣稱呼。將屬于第m入射區(qū)域組的第n個入射區(qū)域用amn表示。am1和am2的組、am3和am4的組分別是第m入射區(qū)域組的相鄰的一對入射區(qū)域。將處于入射區(qū)域之間的第n個遮光區(qū)域(或不是入射區(qū)域的區(qū)域)用s0n表示。

信號如以下這樣稱呼。將來自處于入射區(qū)域amn或遮光區(qū)域smn的正下方的像素的、透射光的信號用tmn表示。將來自處于入射區(qū)域amn或遮光區(qū)域smn的正下方的像素的、干涉光的信號用imn表示。

如圖9所示，第1運算部114以信號t11，i01，t12，t13，i03，t14為輸入，輸出第1相位差信息p11，p01，p12，p13，p03，p14。此外，第2運算部115以信號t21，i02，t12，t23，i04，t24為輸入，輸出第2相位差信息p21，p02，p22，p23，p04，p24。此外，第3運算部118以第1相位差信息p11，p01，p12，p13，p03，p14及第2相位差信息p21，p02，p22，p23，p04，p24為輸入，輸出等價相位差信息e11，e01，e12，e13，e02，e22，e13，e03，e14，e23，e04，e24。這些信息既可以是用電信號表示的信息，也可以是保持在計算機等的存儲器中的信息。此外，第1、第2及第3運算部114、115、118既可以由1個或多個電子電路構(gòu)成，也可以包含于在計算機、服務(wù)器、便攜電子設(shè)備等中動作的程序中。

第1相位差信息116是相對于第1波段的中心波長(即以往例的λ1)的相位差信息，第2相位差信息117是第2波段的中心波長(即以往例的λ2)相位差信息。將從入射區(qū)域amn或遮光區(qū)域smn的位置離開了相鄰距離dadj(即相鄰的一對入射區(qū)域間的距離)的光彼此的相位差信息用pmn表示。

等價相位差信息119是相對于等價波長(即以往例的λeff)的相位差信息。將從入射區(qū)域amn或遮光區(qū)域smn的位置離開了相鄰距離dadj(即相鄰的一對入射區(qū)域間的距離)的光彼此的等價相位差信息用emn表示。

第1運算部114根據(jù)使第1波段的光干涉或透射而輸出的信號(t11，i01，t12，t13，i03，t14)，通過運算求出各個入射區(qū)域或遮光區(qū)域中的相位差信息(p11，p01，p12，p13，p03，p14)。這可以預(yù)先通過實驗求出干涉光107或透射光108的光強度與正上方的入射區(qū)域或遮光區(qū)域中的相位差的關(guān)系，并作為表或計算式保持在存儲器中，使用保持的表或計算式來求出。例如，使相位差為已知的兩個第1波長的光向第1入射區(qū)域組的相鄰的兩個入射區(qū)域入射，測量干涉光或透射光的強度。通過使兩個第1波長的光的相位差不同、重復(fù)干涉光或透射光的強度測量，能夠通過實驗求出相位差與光強度的關(guān)系。根據(jù)使用的光的波長通過計算來求出與相位差對應(yīng)的距離。

第2運算部115與第1運算部114同樣，根據(jù)使第2波長區(qū)域的光干涉或透射而輸出的信號(t21，i02，t12，t23，i04，t24)，通過運算求出各個入射區(qū)域或遮光區(qū)域中的相位差信息(p21，p02，p22，p23，p04，p24)。

第3運算部118使用與第1波段的光關(guān)聯(lián)的第1相位差信息(p11，p01，p12，p13，p03，p14)和與第2波段的光關(guān)聯(lián)的第2相位差信息(p21，p02，p22，p23，p04，p24)，求出等價相位差信息(e11，e01，e12，e13，e02，e22，e13，e03，e14，e23，e04，e24)。等價相位差信息可以使用在專利文獻(xiàn)1或非專利文獻(xiàn)1中記載的周知的方法求出。

這里，相位差信息并不一定需要與全部的入射區(qū)域或遮光區(qū)域(即，攝像元件的像素)建立對應(yīng)而求出。也可以是求出遍及多個入射區(qū)域或遮光區(qū)域的區(qū)域(例如圖8的a11，s01及a12區(qū)域)的平均的相位差信息。此外，作為相位差信息也可以不是求出實際的相位差的值本身，只要是與入射到干涉元件的特定的區(qū)域間中的光的相位差有關(guān)聯(lián)的值就可以。基于該相位差信息求出被測量物體的形狀。

(第1實施方式的效果)

根據(jù)本實施方式，由于在接近于攝像元件109的干涉元件106的內(nèi)部產(chǎn)生干涉光，所以不再需要半反射鏡或參照鏡等大型的光學(xué)部件，能夠?qū)崿F(xiàn)比以往小型的光檢測裝置。此外，由于用設(shè)置在干涉元件正上方或光瞳區(qū)域附近的帶通濾波器將兩個波段分離，所以不需要使用多個攝像管或攝像元件，與以往相比能夠使光檢測裝置的光學(xué)部分小型化。此外，由于在計測中使用多個波段的光，所以即使是超過光的波長的有階差的物體也能夠沒有錯誤地計測形狀。進(jìn)而，不需要為了干涉現(xiàn)象的發(fā)生而將光路在空氣中引繞，所以能夠得到不易受到周圍環(huán)境(例如空氣對流或振動)的影響的精密的計測結(jié)果。

(第2實施方式)

在第1實施方式中，通過使入射光透射帶通濾波器，得到了中心波長不同的兩個波段的光。根據(jù)第1實施方式，即使在入射光是波段某種程度寬的光(例如鹵素?zé)艋虬咨玪ed光源)情況下，通過使用比入射光的波段窄的通帶的帶通濾波器，也能夠適當(dāng)?shù)氐玫絻蓚€波段的光。

相對于此，如果作為入射光的兩個波段的光原本分別具有與帶通濾波器的透射波段相同程度的寬度的波長波譜，則也可以考慮不具有帶通濾波器的結(jié)構(gòu)的實施方式。以下，對該實施方式進(jìn)行說明。作為這樣的光源，例如可以舉出激光源。

圖10是說明本申請的第2實施方式的結(jié)構(gòu)的圖。

照明1001向被測量物體照射第1或第2波段的光。波段切換器1002控制照明1001，以使照明1001將中心波長不同的兩個波段的光分時地切換而放射。

例如也可以是，照明1001具備波長可調(diào)諧激光源，波段切換器1002具備對波長可調(diào)諧激光源的波長進(jìn)行切換的電路。此外也可以是，照明1001具備放射波段不同的兩個激光源，波段切換器1002具備將兩個激光源的放射/非放射交替地切換的電路。此外也可以是，照明1001具備波段比較寬的光源和多個帶通濾波器，波段切換器1002具備將配置在來自光源的光路上的帶通濾波器交替地切換的機構(gòu)。

在被測量物體透射或反射的光作為入射光向光學(xué)系統(tǒng)1003入射。光學(xué)系統(tǒng)1003不將入射光的波段在空間上劃分，而使第1或第2波段的光1004向第5入射區(qū)域組1005入射。在干涉元件106內(nèi)干涉光107和透射光108發(fā)生的過程與第1實施方式是同樣的。此外，在攝像元件109的第5像素組1006和第6像素組1007中發(fā)生干涉光107和透射光108的過程也與第1實施方式是同樣的。與第1實施方式不同的是，第1及第2波段的光1004、1005對哪個入射區(qū)域及哪個像素都能夠入射。

將從第5像素組1006及第6像素組1007輸出的光強度信號向第4運算部1009輸入。第4運算部1009基于輸入的信號，計算第1相位差信息116及第2相位差信息117并輸出。根據(jù)光強度信號求出相位差信息的過程與第1實施方式是同樣的。不同的是，基于來自波段切換器1002的同步信號1008，使用被照射第1波段的光的定時的光強度信號求出第1相位差信息116，使用被照射第2波段的光的定時的光強度信號求出第2相位差信息117。

與第1實施方式同樣，在第3運算部118中，基于第1相位差信息116及第2相位差信息117計算等價相位差信息119并輸出。

在這樣的結(jié)構(gòu)中，由于在光學(xué)系統(tǒng)中不需要使用帶通濾波器，所以能夠?qū)崿F(xiàn)更簡單的結(jié)構(gòu)的光檢測裝置。

(第3實施方式)

在第2實施方式中，說明了將中心波長不同的兩個波段的照明分時地切換而放射的結(jié)構(gòu)。在第3實施方式中，對將這兩個波段的照明同時照射的結(jié)構(gòu)進(jìn)行敘述。

圖11是說明本申請的第3實施方式的結(jié)構(gòu)的圖。

第1波段的照明1101和第2波段的照明1102被同時向被測量物體照射。這兩個照明具有中心波長不同的放射波段。此外，更優(yōu)選的是這兩個照明使用例如分束器使光軸及放射方向相同而放射。

在被測量物體透射或反射的光作為入射光向光學(xué)系統(tǒng)1003入射。光學(xué)系統(tǒng)1003不將入射光的波段在空間上劃分，而使第1及第2波段的光1103向第5入射區(qū)域組1005入射。與第2實施方式同樣，第1及第2波段的光對于第5入射區(qū)域組的哪個入射區(qū)域及哪個像素都能夠入射。

干涉光107向第5像素組1006入射，透射光108向第6像素組1007入射。這里，由于干涉光107及透射光108是從第1及第2兩者的波段的光生成的，所以發(fā)生兩個波段的光的疊加。

在此狀態(tài)下，雖然不能獨立地取得基于第1及第2波段的相位差的光強度信號，但代之在來自像素組的信號中包含相當(dāng)于將入射到相鄰的一對入射區(qū)域中的光的相位差以等價波長觀測的情況的成分。在第5運算部1104中，將相當(dāng)于以該等價波長觀測的情況的成分提取，計算等價相位差信息119。

在這樣的結(jié)構(gòu)中，由于不需要分時地切換照明，所以能夠?qū)崿F(xiàn)更簡單的結(jié)構(gòu)的光檢測裝置。

(第1實施例)

以下，說明本申請的第1實施例。

在本實施例中，第1入射區(qū)域組104和第2入射區(qū)域組105的配置為圖4c所示的形態(tài)。即，在干涉元件106中，第1入射區(qū)域組和第2入射區(qū)域組按每1列交替地配置。換言之，第1波段的光(設(shè)該光的中心波長為λ1)和第2波段的光(設(shè)該光為λ2)在干涉元件106上按每1列交替地入射。在各列中，入射區(qū)域和遮光區(qū)域交替地配置。

假設(shè)第1～第4像素組110～113具有圖7c所示的形態(tài)。如上述那樣，第1及第2像素組和第1入射區(qū)域組、第3及第4像素組和第2入射區(qū)域組分別處于對應(yīng)關(guān)系。像素數(shù)為100像素×100像素。

在圖12中表示在本實施例中使用的干涉元件的具體的截面構(gòu)造。干涉元件106具有光耦合層。入射光被朝向入射區(qū)域1201及遮光區(qū)域501照射。遮光層1202是為了將入射區(qū)域與遮光區(qū)域區(qū)分而設(shè)置的。遮光層的材料為al，厚度為100nm。入射區(qū)域及遮光區(qū)域的寬度都是5.6μm。

光耦合層502由6層波導(dǎo)層構(gòu)成，在波導(dǎo)層的上下界面形成有光柵。波導(dǎo)層是折射率相對高的透明層，在本實施例中使用ta2o5構(gòu)成。夾著波導(dǎo)層的材料是折射率相對低的透明層，在本實施例中使用sio2構(gòu)成。光柵的深度是0.2μm，間距(圖12中的λ)是0.45μm。ta2o5層的厚度(圖12中的t1)是0.34μm，波導(dǎo)層間的sio2層的厚度(圖12中的t2)為0.22μm。

對于這樣的構(gòu)造的干涉元件106使波長850nm的光垂直于入射面而入射時，通過fdtd(finite－differencetime－domainmethod)法計算從干涉光區(qū)域1203放射的干涉光107的強度和從透射光區(qū)域1204放射的透射光108的強度。作為入射光的參數(shù)，使向相鄰的入射區(qū)域1201入射的光的強度同等，使相位差從－180度變化到180度。

在圖13中表示與入射光的相位差對應(yīng)的干涉光107及透射光108的強度的計算結(jié)果(在圖中，將相位差的單位“度”表述為[deg.])。強度比表示相對于入射光的強度的比率。

在相位差大致是0度(即同相)的情況下，干涉光的強度為最大，透射光的強度為最小。此外，在相位差大致為±180度的情況下，干涉光的強度為最小，透射光的強度為最大。根據(jù)這些結(jié)果可知，干涉光和透射光的強度對應(yīng)于相位差而變化。這表示在干涉元件內(nèi)從相鄰的入射區(qū)域入射的光相互干涉的結(jié)果是放射干涉光及透射光。

接著，使用該結(jié)果通過計算說明根據(jù)透射了被測量物體的光推測物體的形狀的過程。

作為被測量物體而設(shè)定圖14a所示的形狀的試樣。試樣由較細(xì)的楔子狀的底部和中央的凸部構(gòu)成。在圖14b中表示從x方向觀察試樣時的形狀的概略。楔子的粗細(xì)是600nm，凸部的高度是50μm。試樣的折射率為1.45。

假設(shè)在從該試樣的底面?zhèn)热肷涞墓馔干湓嚇?、發(fā)生了光路長差的狀態(tài)下作為入射光向光學(xué)系統(tǒng)入射。此外，假定穿過了與試樣的x＝1～100及y＝1～100的范圍的平面對應(yīng)的區(qū)域的光入射到攝像元件的100×100像素的范圍的像素中。

假設(shè)向試樣入射的光的中心波長為λ1＝845nm及λ2＝855nm。各自的光的帶寬在半值全寬下是5nm。

在圖15中表示入射到攝像元件的各像素中的光的強度。圖15a是中心波長λ1的干涉光(即入射到第1像素組中的光)，圖15b是中心波長λ2的干涉光(即入射到第2像素組中的光)，圖15c是中心波長λ1的透射光(即入射到第2像素組中的光)，圖15d是中心波長λ2的透射光(即入射到第4像素組中的光)。在圖15的各圖中，不對應(yīng)于圖示的像素組的像素(例如對應(yīng)于圖15a的第2、第3及第4像素組的像素)的強度表示為零。根據(jù)圖15的各圖可知，當(dāng)以列方向(即圖的y方向)觀察時，在相鄰的入射區(qū)域中光路長差大幅變化的部位發(fā)生了較大的強度變化。

在實際的計測中，如果使用圖13所示的關(guān)系，則能夠根據(jù)入射到攝像元件的各像素中的光的強度來求出該像素中的相位差的絕對值。這相當(dāng)于通過第1運算部114及第2運算部115中的運算求出相位差信息的工序。但是，由于按每1列交替地取得中心波長λ1的相位差值和中心波長λ2的相位差值，所以在各自的中心波長下不能取得相位差的絕對值的列例如通過從兩個鄰列的相位差的絕對值進(jìn)行插補來求出相位差的絕對值。將這樣計算出的中心波長λ1及λ2下的相位差的絕對值分別表示在圖16a及圖16b中。

為了判別相位差的極性，例如只要觀測以x方向為軸將試樣稍稍傾斜時的相位差的絕對值的變化就可以。這是因為，相位差的絕對值的增減方向根據(jù)相位差的極性而變化。這樣，將帶極性求出的中心波長λ1及λ2下的相位差的值分別表示在圖17a及圖17b中。

根據(jù)中心波長λ1及λ2下的相鄰的入射區(qū)域的相位差的值計算等價波長λeff下的相鄰的入射區(qū)域的相位差的值時只要使用在專利文獻(xiàn)1或非專利文獻(xiàn)1等中記載的方法就能夠?qū)崿F(xiàn)。這相當(dāng)于通過第3運算部118中的運算求出相位差信息的工序。將這樣求出的等價波長λeff下的相位差值表示在圖18中。

如果將λeff下的相位差值在列方向上積分，則能夠計算λeff下的相位值。圖19是λeff下的相位值的計算結(jié)果。

另外，也可以將λ1及λ2下的相位差值分別在列方向上積分而計算λ1及λ2下的相位值，根據(jù)該計算結(jié)果求出λeff下的相位值。將λ1及λ2下的相位值分別表示在圖20a及圖20b中。

由于能夠根據(jù)λeff下的相位值求出光路長差的分布，所以能夠使用試樣的折射率的值將試樣的形狀復(fù)原并推測。將推測出的形狀表示在圖21中?？芍軌虼笾聫?fù)原出圖14a所示的原來的試樣的形狀。

能夠?qū)⑷缭撛嚇幽菢痈叨扔屑s50μm的階差的形狀沒有錯誤地復(fù)原，是因為使用了λ1及λ2這兩個波長的光。由于本實施例的等價波長λeff為(855×845)/(855－845)＝72.2μm，所以只要是與不超過該等價波長的光路長差對應(yīng)的階差，就能夠沒有錯誤地復(fù)原。作為比較，將僅根據(jù)λ1或λ2中的某一個的光將形狀復(fù)原的結(jié)果表示在圖22a及圖22b中。由于試樣的凸部的階差超過了波長，所以可知未能將形狀正確地復(fù)原。

如以上所述，本申請?zhí)峁┮环N光學(xué)部分更小型、更不易受到周圍環(huán)境的影響、即使是有超過光的波長的階差的物體也能夠沒有錯誤地測量形狀的光檢測裝置。

(第2實施例)

以下，對本申請的第2實施例進(jìn)行敘述。

本實施例說明用在本申請的第3實施方式中敘述的光檢測裝置計測被測量物體的階差的方法。

光檢測裝置使用圖11所示的結(jié)構(gòu)。即，構(gòu)成為不將第1及第2波段的光通過光學(xué)系統(tǒng)在空間上分離。干涉元件的構(gòu)造與上述第1實施例是同樣的。此外，與第1實施方式同樣，向試樣入射的光的中心波長為λ1＝845nm及λ2＝855nm。

作為被測量物體而設(shè)想了圖23所示的形狀的試樣。使高度不同的兩個試樣接觸而設(shè)置，設(shè)試樣間的階差為l。試樣的折射率為1.45。

假設(shè)在從該試樣的底面?zhèn)热肷涞墓馔干湓嚇印⒁螂A差而產(chǎn)生了光路長差的狀態(tài)下，作為入射光向光學(xué)系統(tǒng)入射。

將在入射到相鄰的一對入射區(qū)域中的光具有該光路長差的情況下得到的干涉光和透射光的強度分別表示在圖24a及圖24b中。強度比表示干涉光或透射光相對于入射光的強度的比。此外，關(guān)于強度比，以階差l為參數(shù)，分為中心波長λ1和λ2而描繪。由于λ1和λ2波長不同，所以即使是相同的階差l，相位差也會有偏差。結(jié)果可知，干涉光及透射光的強度也在λ1和λ2下根據(jù)階差l而強度有偏差。

在圖11所示的光檢測裝置的結(jié)構(gòu)中，由于中心波長λ1和λ2的光同時向攝像元件的像素入射，所以從攝像元件得到的光強度信號成為使λ1和λ2的光疊加的強度。將描繪了疊加后的干涉光及透射光的強度與階差l的關(guān)系的圖分別表示在圖25a及圖25b中。由圖可知，在干涉光及透射光中，包絡(luò)線的成分都相對于階差l平緩地變化。這是相當(dāng)于等價波長λeff下觀測了相位差的情況的成分。

如果使用該現(xiàn)象，則例如能夠使試樣熱膨脹而計測階差l的變化。即，如果一邊使階差l變化一邊觀測干涉光或透射光的強度，提取包絡(luò)線的成分(這相當(dāng)于第5運算部中進(jìn)行運算的工序)，則能夠沒有錯誤地計測超過入射光的波長的階差。

另外，在上述實施方式的光檢測裝置中，使入射光為中心波長不同的兩個波段的光，但也可以是3個以上的波段。此外，波長的值也并不限于上述，只要根據(jù)用途設(shè)定最優(yōu)的值就可以。

此外，在上述實施方式及實施例中使用的光檢測裝置的結(jié)構(gòu)并不限于上述結(jié)構(gòu)，可以在滿足上述發(fā)明的結(jié)構(gòu)及效果的范圍內(nèi)變更為適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。

本申請的光檢測裝置能夠應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)用、醫(yī)療用、美容用、安全用、車載用等的計測。此外，對于數(shù)字靜像照相機及攝像機等能夠附加相位差分布或相位分布這樣的新的攝像功能。