特開 2023-137279 計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023137279

(43)【公開日】2023-09-29

(54)【発明の名称】計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 9/02015 20220101AFI20230922BHJP

   G01B 11/06 20060101ALI20230922BHJP

   G01S 17/08 20060101ALI20230922BHJP

【ＦＩ】

G01B9/02015

G01B11/06 G

G01S17/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022043412

(22)【出願日】2022-03-18

(71)【出願人】

【識別番号】316005926

【氏名又は名称】ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504190548

【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学

(74)【代理人】

【識別番号】100140958

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 学

(74)【代理人】

【識別番号】100137888

【弁理士】

【氏名又は名称】大山 夏子

(74)【代理人】

【識別番号】100154036

【弁理士】

【氏名又は名称】久保 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】横地 界斗

(72)【発明者】

【氏名】塩田 達俊

【テーマコード（参考）】

2F064

2F065

5J084

【Ｆターム（参考）】

2F064AA01

2F064CC10

2F064FF07

2F064GG22

2F064GG51

2F065AA30

2F065BB17

2F065CC31

2F065FF11

2F065FF31

2F065FF51

2F065GG07

2F065GG24

2F065JJ18

2F065QQ25

5J084AA06

5J084AD01

5J084BA36

5J084BA40

5J084BB01

5J084BB06

5J084BB07

5J084BB14

5J084BB21

5J084BB31

5J084BB32

5J084BB40

5J084CA07

5J084CA48

5J084DA08

5J084EA07

(57)【要約】

【課題】測定可能な距離のレンジをより拡大させることが可能な計測装置を提供する。
【解決手段】第１の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光を含み、測定対象で反射又は透過した第１の光と、前記第１の時間遅延と異なる第２の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光を含む第２の光とを干渉させた光を検出する光検出部と、前記光検出部による検出結果に基づいて、前記測定対象による前記第１の光の遅延時間を計測する時間計測部と、を備える、計測装置。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光を含み、測定対象で反射又は透過した第１の光と、前記第１の時間遅延と異なる第２の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光を含む第２の光とを干渉させた光を検出する光検出部と、
前記光検出部による検出結果に基づいて、前記測定対象による前記第１の光の遅延時間を計測する時間計測部と、
を備える、計測装置。

【請求項2】

前記第１の光、及び前記第２の光は、光源から出射された光を互いに異なる光共振器にそれぞれ通過させることで生成される、請求項１に記載の計測装置。

【請求項3】

前記光共振器は、それぞれファブリ・ペロー・エタロンである、請求項２に記載の計測装置。

【請求項4】

前記光源は、低コヒーレンス光源である、請求項２に記載の計測装置。

【請求項5】

前記光源から出射された光は、時間的に振幅変調される、請求項２に記載の計測装置。

【請求項6】

前記光検出部は、アバランシェ増倍素子を含む、請求項１に記載の計測装置。

【請求項7】

前記光検出部は、前記アバランシェ増倍素子を検出面に複数配列させた素子アレイを含む、請求項６に記載の計測装置。

【請求項8】

前記光検出部の前段には、前記第１の光と前記第２の光とを干渉させた光を前記検出面に結像させる結像光学系が設けられる、請求項７に記載の計測装置。

【請求項9】

前記時間計測部は、時間デジタイザ回路を含む、請求項１に記載の計測装置。

【請求項10】

前記時間計測部は、前記第１の光と前記第２の光とのインターフェログラムに基づいて、前記測定対象による前記第１の光の遅延時間を計測する、請求項１に記載の計測装置。

【請求項11】

前記第１の光、又は前記第２の光の少なくともいずれかの光路中には、分散補償素子が設けられる、請求項１に記載の計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＴｏＦ（Time of Flight）センサなどの光を用いて対象物との距離を計測する計測装置の開発が進められている。特に、光の干渉を用いて光路長差を測定することで、近距離の対象物との距離を高分解能で測定することが可能な計測装置が注目されている。

【0003】

下記特許文献１には、第１の多波長光源から出射され被検面で反射された被検光束と、第２の多波長光源から出射され参照面で反射された参照光束との干渉信号を検出することで、参照面と被検面との光路長差を計測する光波干渉計測装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０－２６１８９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記特許文献１に開示された光波干渉計測装置は、被検光束と参照光束との干渉信号を分光器で周波数計測しているため、測定可能な光路長差のレンジが分光器の計測帯域で制限され、狭くなってしまう。

【0006】

そこで、本開示では、測定可能な距離のレンジをより拡大することが可能な、新規かつ改良された計測装置を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示によれば、第１の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光を含み、測定対象で反射又は透過した第１の光と、前記第１の時間遅延と異なる第２の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光を含む第２の光とを干渉させた光を検出する光検出部と、前記光検出部による検出結果に基づいて、前記測定対象による前記第１の光の遅延時間を計測する時間計測部と、を備える、計測装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の一実施形態に係る計測装置の構成を示す模式図である。

【図2】光源から出射された光の振幅変調を示す説明図である。

【図3】第１の光共振器、及び第２の光共振器から出射された光の時間波形を示す説明図である。

【図4】第１の光共振器から出射された光と、第２の光共振器から出射された光との干渉、及び干渉光の検出を示す説明図である。

【図5A】表面照射型のＡＰＤの構成を示す縦断面図である。

【図5B】裏面照射型のＡＰＤの構成を示す縦断面図である。

【図5C】ＡＰＤの詳細構成を示す縦断面図である。

【図5D】ＡＰＤを上面側から平面視した場合のＡＰＤのアレイ配置を示す平面図である。

【図6】第１の変形例に係る計測装置の構成を示す模式図である。

【図7】第２の変形例に係る計測装置の構成を示す模式図である。

【図8】第３の変形例に係る計測装置の構成を示す模式図である。

【図9】第４の変形例に係る計測装置の構成を示す模式図である。

【図10】第５の変形例に係る計測装置の構成を示す模式図である。

【図11】第６の変形例に係る計測装置の構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

【0010】

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．構成例
１．１．計測装置の構成
１．２．計測装置の動作
１．３．ＡＰＤの構成
２．変形例
２．１．第１の変形例
２．２．第２の変形例
２．３．第３の変形例
２．４．第４の変形例
２．５．第５の変形例
２．６．第６の変形例

【0011】

＜１．構成例＞
（１．１．計測装置の構成）
まず、図１を参照して、本開示の一実施形態に係る計測装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る計測装置１０の構成を示す模式図である。

【0012】

図１に示すように、計測装置１０は、光源１１０と、レンズ系１４１と、ビームスプリッタ１４２と、第１の光共振器１２１と、第２の光共振器１２２と、ビームスプリッタ１４５と、光検出部１３１と、時間計測部１３２とを備える。

【0013】

計測装置１０は、第１の光共振器１２１から出射された光と、第２の光共振器１２２から出射された光との干渉光を光検出部１３１にて検出し、干渉光の遅延を検出することで、測定対象１を透過した光に生じる遅延時間を計測する計測装置である。これによれば、計測装置１０は、測定対象１の光路長を決定する膜厚などを導出することができる。

【0014】

光源１１０は、ブロードなスペクトルを持つ低コヒーレンス光を出射する広帯域光源である。一例として、光源１１０は、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）光源であってもよい。ＳＬＤ光源は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）のように幅広いスペクトルを有すると共に、ＬＤ（Laser Diode）のように高い輝度を有する光を出射することができる。他の例として、光源１１０は、広帯域光を生成するＳＣ（Super Continuum）光源であってもよい。

【0015】

レンズ系１４１は、光源１１０から出射された光を成形してビームスプリッタ１４２に導く光学系である。例えば、レンズ系１４１は、光源１１０から出射された光を平行光（コリメート光）に成形するシリンドリカルレンズを含む光学系であってもよい。

【0016】

ビームスプリッタ１４２は、レンズ系１４１から入射したコリメート光を互いに直交する２方向の光に分波する光学素子である。ビームスプリッタ１４２にて分波された一方の光は、第１の光共振器１２１に入射し、ビームスプリッタ１４２にて分波された他方の光は、ミラー１４３で反射された後、第２の光共振器１２２に入射する。ビームスプリッタ１４２は、無偏光ビームスプリッタであってもよい。

【0017】

第１の光共振器１２１は、入射した光を共振させることで、入射した広帯域光を第１の時間遅延で繰り返し重畳させる光学素子である。第２の光共振器１２２は、入射した光を共振させることで、第１の時間遅延とは異なる第２の時間遅延で入射した広帯域光を繰り返し重畳させる光学素子である。第１の光共振器１２１、及び第２の光共振器１２２は、例えば、ファブリ・ペロー・エタロンであってもよい。

【0018】

ファブリ・ペロー・エタロンは、互いに平行になるように対向して配置された一対の半透明鏡（エタロン対）を含む光学素子である。ファブリ・ペロー・エタロンは、エタロン対の間で多重反射された光同士の干渉によって、半波長の整数倍がエタロン対の間の光路長に等しくなる光だけを透過させることができる。したがって、ファブリ・ペロー・エタロンは、エタロン対の間の光路長で決まる波長周期の光を出射することができる。また、ファブリ・ペロー・エタロンは、エタロン対の内側で多重反射される光がエタロン対の間を往復するたびにエタロン対の外側に光を出射する。したがって、ファブリ・ペロー・エタロンは、エタロン対の間を光が往復する時間に対応する時間遅延で上記光を重畳して出射することができる。これにより、ファブリ・ペロー・エタロンは、エタロン対の間の光路長で決まる波長周期を有する光を、エタロン対の間の光の往復時間に対応する時間遅延で繰り返し重畳した広帯域光を出射することができる。

【0019】

第１の光共振器１２１、及び第２の光共振器１２２は、例えば、エタロン対の間の距離が互いに異なるファブリ・ペロー・エタロンで構成されることで、上述したように異なる時間遅延で入射した広帯域光を繰り返し重畳させることができる。

【0020】

ビームスプリッタ１４５は、互いに直交する方向から入射した２つの光を合波する光学素子である。ビームスプリッタ１４５は、第１の光共振器１２１から出射され、ミラー１４４で反射された後、測定対象１を透過した光と、第２の光共振器１２２から出射された光とを合波することができる。したがって、ビームスプリッタ１４５で合波された光は、第１の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光と、第２の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光との干渉光となる。ビームスプリッタ１４５は、無偏光ビームスプリッタであってもよい。

【0021】

光検出部１３１は、入射する光を電気信号に変換して検出する検出器である。例えば、光検出部１３１は、ＡＰＤ（Avalanche PhotoDiode）又はＳＰＡＤ（Single-Photon Avalanche Diode）などの光電変換素子であってもよく、これらのＡＰＤ又はＳＰＡＤを二次元平面に配列した光電変換素子アレイであってもよい。

【0022】

光検出部１３１は、第１の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光と、第２の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光との干渉光を光電変換によって検出する。後述するように、第１の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光と、第２の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光との干渉光は、異なる周波数の光を互いに干渉させたビートとなる。したがって、光検出部１３１は、上記ビートを電気信号として検出することができる。

【0023】

時間計測部１３２は、光検出部１３１による光の検出結果に基づいて、測定対象１を透過した光の測定対象１による遅延時間を計測する。時間計測部１３２は、例えば、時間デジタイザ回路（Time-to-Digital Converter: TDC）を含んでもよい。

【0024】

時間デジタイザ回路は、スタート信号とストップ信号との信号エッジの時間差を測定し、測定結果をデジタル値で出力する回路である。時間デジタイザ回路は、例えば、光源１１０から光が出射された際に発せられた信号をスタート信号とし、光検出部１３１による光の検出信号をストップ信号とすることで、光源１１０から光検出部１３１までの光の到達時間を計測してもよい。例えば、測定対象１を透過した光に遅延が発生した場合、第１の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光と、第２の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光との干渉が変化し、光検出部１３１にて検出されるビートのタイミングが変化する。そのため、時間計測部１３２は、ビートの検出タイミングを計測することで、測定対象１による光の遅延時間を計測することができる。

【0025】

（１．２．計測装置の動作）
続いて、図２～図４を参照して、本実施形態に係る計測装置１０の計測動作について説明する。図２は、光源１１０から出射された光の振幅変調を示す説明図である。図３は、第１の光共振器１２１、及び第２の光共振器１２２から出射された光の時間波形を示す説明図である。図４は、第１の光共振器１２１から出射された光と、第２の光共振器１２２から出射された光との干渉、及び干渉光の検出を示す説明図である。

【0026】

本実施形態に係る計測装置１０では、光源１１０から出射された光は、第１の光共振器１２１、及び第２の光共振器１２２から出射される広帯域光のＳ／Ｎ比を向上させるために時間的に振幅変調されてもよい。

【0027】

例えば、図２に示すように、光源１１０から出射された光１１１が連続した同一振幅の広帯域光である場合、光源１１０から出射された光１１１は、０と１とを交互に繰り返す変調用の光１１２と重畳されることで時間的に振幅変調されてもよい。振幅変調された光１１３は、振幅が大きな期間と、振幅が０である期間とが交互に周期的に繰り返される光パルス列となる。したがって、振幅変調された光１１３は、繰り返し重畳された際に、重畳された光の各々を振幅が０である期間でより明確に分離することができる。これにより、計測装置１０は、背景光を抑制することができるため、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

【0028】

このように振幅変調された光１１３は、第１の光共振器１２１、及び第２の光共振器１２２に入射することで、第１の光共振器１２１、及び第２の光共振器１２２の各々の時間遅延で繰り返し重畳される。

【0029】

具体的には、図３に示すように、第１の光共振器１２１、及び第２の光共振器１２２を構成するファブリ・ペロー・エタロンは、エタロン対の間の光路長で決まる波長周期の光１１４のみを透過させる。これにより、ファブリ・ペロー・エタロンを透過した光１１４は、エタロン対の間の往復回数に応じてエタロン対の間の光１１４の往復時間ｔ_{ｒｏｕｎｄ}の遅延を加算して繰り返し重畳された光となる。したがって、ファブリ・ペロー・エタロンから出射される光１２５は、エタロン対の間の光１１４の往復時間ｔ_{ｒｏｕｎｄ}の周期で間欠的に出射される光を含むことになる。

【0030】

その後、第１の光共振器１２１から出射された光と、第２の光共振器１２２から出射された光とは、ビームスプリッタ１４５で合波された後、光検出部１３１で検出される。

【0031】

図４に示すように、第１の光共振器１２１、及び第２の光共振器１２２ではエタロン対の間の距離が互いに異なる。したがって、第１の光共振器１２１から出射された光と、第２の光共振器１２２から出射された光とは、互いに異なる波長周期の光を互いに異なる時間遅延で重畳させた光となる。これにより、第１の光共振器１２１から出射された光と、第２の光共振器１２２から出射された光とは、異なる周波数の光パルス列が互いに干渉し合うことで両者の周波数の差に等しいうなり（ビート）を発生させる。光検出部１３１は、干渉によって発生したビートを掃引時間Δｔごとに光電変換することで、検出した光を掃引時間Δｔごとの積分値（サンプリング値）として検出することができる。なお、掃引時間Δｔは、第１の光共振器１２１から出射される光の繰り返し周期ｔ_１と同じであってもよい。

【0032】

計測装置１０では、測定対象１の透過によって第１の光共振器１２１から出射された光が遅延するため、干渉によって発生するビートの形状又は到達タイミングが変化する。したがって、計測装置１０は、光検出部１３１にて検出されたサンプリング値の波形（インターフェログラムとも称される）の到達タイミングの遅延を時間計測部１３２にて計測することで、測定対象１の膜厚などを解析することができる。また、計測装置１０は、サンプリング値の波形をフーリエ変換することで導出された位相差スペクトルの傾きから、測定対象１によるサンプリング波形の到達タイミングの遅延を導出してもよい。

【0033】

以上にて説明したように、本実施形態に係る計測装置１０は、第１の光共振器１２１から出射された光と、第２の光共振器１２２から出射された光との干渉によるビートの到達タイミングによって測定対象１による光の遅延時間を導出することができる。

【0034】

また、計測装置１０は、干渉によるビートをＡＰＤ又はＳＰＡＤなどの光電変換素子を含む光検出部１３１で時間的に検出することができる。したがって、計測装置１０は、検出器の検出帯域によって測定可能な距離のレンジが制限されることを回避することができる。

【0035】

さらに、第１の光共振器１２１、及び第２の光共振器１２２から出射された光の重畳周期（すなわち時間遅延）は、例えば、ファブリ・ペロー・エタロンのエタロン対の間の距離で制御することができる。これによれば、計測装置１０は、エタロン対の間の距離を拡大し、第１の光共振器１２１から出射された光と、第２の光共振器１２２から出射された光との重畳周期をより大きくすることで、より大きな遅延時間を計測することができる。したがって、計測装置１０は、測定対象１の膜厚などのデータの測定可能レンジをより拡大することが可能である。

【0036】

（１．３．ＡＰＤの構成）
ここで、図５Ａ～図５Ｄを参照して、光検出部１３１に含まれるＡＰＤ又はＳＰＡＤの構成について説明する。ＡＰＤは、光電変換にて発生した電荷を高電界のＰＮ接合領域で増倍させる（アバランシェ増倍させる）ことで、入射光を高感度で検出するフォトダイオードである。ＳＰＡＤは、ブレークダウン電圧よりも高いバイアス電圧で動作させたＡＰＤであり、１個のフォトンを検出することが可能である。

【0037】

図５Ａは、表面照射型のＡＰＤ２１の構成を示す縦断面図である。図５Ａに示すように、ＡＰＤ２１を含む画素２０Ａは、ＡＰＤ２１の上に配線層２２が設けられ、配線層２２の上にオンチップレンズ２３が設けられて構成される。画素２０Ａでは、光は、オンチップレンズ２３側（図５Ａでは上方側）から入射し、配線層２２を透過してＡＰＤ２１に入射する。画素２０Ａの各々の画素回路は、画素２０Ａが設けられた基板と同一の基板内に設けられる。

【0038】

図５Ｂは、裏面照射型のＡＰＤ２１の構成を示す縦断面図である。ＡＰＤ２１を含む画素２０Ｂは、オンチップレンズ２３の上にＡＰＤ２１が設けられ、ＡＰＤ２１の上にセンサ基板４１が設けられ、センサ基板４１の上に回路基板４２が設けられて構成される。画素２０Ｂでは、光は、オンチップレンズ２３側（図５Ｂでは下方側）から入射し、ＡＰＤ２１に入射する。画素２０Ｂの各々の画素回路は、回路基板４２に設けられてもよく、画素２０Ｂが設けられた基板と同一の基板内に設けられてもよい。

【0039】

図５Ｃは、ＡＰＤ２１の詳細構成を示す縦断面図である。図５Ｃでは、ＡＰＤ２１のみを図示し、オンチップレンズ２３等の他の構成の図示は省略する。

【0040】

図５Ｃに示すように、ＡＰＤ２１は、第１導電型（例えば、ｎ型）の第１半導体領域１０１と、第１半導体領域１０１の下方に設けられた第２導電型（例えば、ｐ型）の第２半導体領域１０２とを含む。第１半導体領域１０１及び第２半導体領域１０２は、例えば、Ｓｉで構成されたウェル層１０３内に設けられる。

【0041】

ウェル層１０３は、第１導電型又は第２導電型の半導体領域である。例えば、ウェル層１０３は、１×１０^１４個／ｃｍ^３程度の低濃度にドーピングされたｎ型又はｐ型の半導体領域であってもよい。このような場合、ウェル層１０３は、より空乏化しやすくなるため、ＡＰＤ２１の検出効率（Photon Detection Efficiency: PDE）を向上させることができる。

【0042】

第１半導体領域１０１及び第２半導体領域１０２には、界面でｐｎ接合が形成され、第２半導体領域１０２には、光の入射によって生じた電荷をアバランシェ増倍する増倍領域が形成される。このとき、第２半導体領域１０２は、さらに空乏化されることで、ＡＰＤ２１のＰＤＥを向上させることができる。

【0043】

第１半導体領域１０１は、カソードとして機能し、コンタクト１０４を介して回路に接続される。第１半導体領域１０１と分離領域１０８との間には、第１半導体領域１０１と同層にアノード１０５が設けられる。アノード１０５は、コンタクト１０６を介して回路に接続される。

【0044】

ＡＰＤ２１の外周には、ＡＰＤ２１を他の素子と電気的に分離するための分離領域１０８が設けられる。分離領域１０８は、例えば、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ、又はＳＩＯＮなどの無機絶縁性材料で構成されてもよい。

【0045】

分離領域１０８とウェル層１０３との間には、ｐ型の半導体領域であるホール蓄積領域１０７ａが設けられる。具体的には、ホール蓄積領域１０７ａは、アノード１０５と電気的に接続された状態で、アノード１０５の下側から分離領域１０８に沿ってウェル層１０３の下部側（ＡＰＤ２１の裏面側）に延在して設けられる。ホール蓄積領域１０７ａは、異なる材質が接する界面で発生する暗電流を抑制するために、分離領域１０８とウェル層１０３との間に設けられる。

【0046】

また、裏面照射型のＡＰＤ２１では、図５Ｂに示すように、ウェル層１０３の下部側（第１半導体領域１０１が設けられている側とは反対側）には、オンチップレンズ２３が設けられる。そのため、ホール蓄積領域１０７ａは、オンチップレンズ２３とウェル層１０３との界面にも設けられる。

【0047】

一方、表面照射型のＡＰＤ２１では、ウェル層１０３の下部側（第１半導体領域１０１が設けられている側とは反対側）には、図示しないＳｉ基板が設けられる。そのため、図示しないＳｉ基板とウェル層１０３との界面には、ホール蓄積領域１０７ａが設けられなくともよい。ただし、図示しないＳｉ基板とウェル層１０３との界面にホール蓄積領域１０７ａが設けられてもよいことは言うまでもない。

【0048】

すなわち、ホール蓄積領域１０７ａは、ウェル層１０３の上面（第１半導体領域１０１が設けられている側の面）以外の面に設けられてもよく、ウェル層１０３の上面及び下面以外の面に設けられてもよい。

【0049】

ＡＰＤ２１が二次元平面にアレイ状に配列される場合、分離領域１０８は、ＡＰＤ２１の各々の間に設けられることで、ＡＰＤ２１の各々を電気的に分離する。

【0050】

図５Ｄを参照して、ＡＰＤ２１が二次元平面にアレイ状に配列される場合について説明する。図５Ｄは、ＡＰＤ２１を上面側（第１半導体領域１０１が設けられている側）から平面視した場合のＡＰＤ２１のアレイ配置を示す平面図である。図５Ｄでは、２×２の４個のＡＰＤ２１（ＡＰＤ２１－１～ＡＰＤ２１－４）が配置されている例を示す。

【0051】

図５Ｄに示すように、分離領域１０８は、ＡＰＤ２１の各々と１対１対応して増倍領域が設けられるように、ＡＰＤ２１の各々の増倍領域の周囲を囲んで二次元格子状に設けられる。分離領域１０８は、ウェル層１０３の上面側から下面側まで貫通して設けられてもよく、一部のみ貫通して設けられてもよい。

【0052】

また、二次元格子状に設けられた分離領域１０８の内側にアノード１０５が設けられる。また、ＡＰＤ２１の中央部分に設けられた第１半導体領域１０１とアノード１０５との間にはウェル層１０３が設けられる。ホール蓄積領域１０７ａは図５Ｄでは図示されないが、分離領域１０８の内側のアノード１０５と略同一となる領域に設けられる。

【0053】

図５Ｄでは、第１半導体領域１０１が四角形形状で設けられる例を示した。第１半導体領域１０１が四角形形状で設けられる場合、ＡＰＤ２１は、増倍領域である第１半導体領域１０１の面積をより広く確保することができるため、ＡＰＤ２１のＰＤＥを向上させることができる。一方、第１半導体領域１０１が円形形状で設けられる場合、ＡＰＤ２１は、四角形形状の角部での電界集中を抑制することができるため、角部での意図しないブレークダウンを低減することができる。

【0054】

＜２．変形例＞
次に、図６～図１１を参照して、本実施形態に係る計測装置１０の第１～第６の変形例について説明する。

【0055】

（２．１．第１の変形例）
図６は、第１の変形例に係る計測装置１１の構成を示す模式図である。図６に示すように、第１の変形例では、図１に示す計測装置１０に対して、ビームスプリッタ１４５と光検出部１３１との間にビームスプリッタ１４５で合波された干渉光を光検出部１３１の検出面に結像させる結像光学系１４６がさらに設けられる点が異なる。

【0056】

結像光学系１４６は、例えば、ビームスプリッタ１４５からの光を平行光線に変換するレンズと、変換された平行光線を光検出部１３１の検出面に結像させるレンズと、光検出部１３１に入射する干渉光の量を制御する絞りとを含んで構成される。また、測定対象１による透過光の散乱が少ない場合、結像光学系１４６は、ビームスプリッタ１４５からの光を光検出部１３１の検出面に結像させる複眼レンズ又はフレネルレンズを含んで構成されてもよい。これによれば、光検出部１３１は、結像光学系１４６にて検出面に結像された干渉光をＡＰＤ又はＳＰＡＤを検出面に二次元配列した光電変換素子アレイにて一括して検出することができる。

【0057】

第１の変形例に係る計測装置１１は、光源１１０から測定対象１に対して面として光を照射し、測定対象１を透過した光の干渉光を光検出部１３１のＡＰＤアレイ又はＳＰＡＤアレイで面として検出することができる。したがって、第１の変形例に係る計測装置１１は、測定対象１を含む測定領域を走査することなく、測定領域全体の測定情報を一括して取得することが可能である。よって、第１の変形例に係る計測装置１１は、測定対象１の測定情報をより高速に取得することが可能である。また、第１の変形例に係る計測装置１１は、結像光学系１４６に含まれるレンズを長焦点レンズとすることで、奥行方向に対する水平方向の分解能を維持すること、及びＦ値制御によって高感度化又は高解像度化することが可能である。

【0058】

（２．２．第２の変形例）
図７は、第２の変形例に係る計測装置１２の構成を示す模式図である。図７に示すように、第２の変形例では、第１の光共振器１２１から出射された光がビームスプリッタ１４７を介して測定対象１に照射され、測定対象１からの反射光を含む光がビームスプリッタ１４５にて第２の光共振器１２２から出射された光と合波される。

【0059】

ビームスプリッタ１４７は、第１の光共振器１２１から出射された光の一部を透過させて測定対象１に導くと共に、測定対象１で反射した光を反射してビームスプリッタ１４５に導く光学素子である。また、ビームスプリッタ１４７は、第１の光共振器１２１から出射された光の一部を反射してビームスプリッタ１４５に導くことができる。したがって、第１の光共振器１２１から出射され、ビームスプリッタ１４５に入射する光には、ビームスプリッタ１４７から測定対象１までの光の往復時間に対応する遅延時間が加わった光が含まれる。

【0060】

これによれば、第２の変形例に係る計測装置１２は、干渉によって発生するビートの到達タイミングを時間計測部１３２にて計測することで、ビームスプリッタ１４７から測定対象１までの光の往復時間を計測することができる。よって、第２の変形例に係る計測装置１２は、ビームスプリッタ１４７から測定対象１までの距離を計測する測距センサとして機能することが可能である。

【0061】

（２．３．第３の変形例）
図８は、第３の変形例に係る計測装置１３の構成を示す模式図である。図８に示すように、第３の変形例では、第１の変形例に係る計測装置１１に対して、ビームスプリッタ１４５と光検出部１３１との間に、ビームスプリッタ１４５で合波された干渉光を光検出部１３１の検出面に結像させる結像光学系１４６がさらに設けられる点が異なる。

【0062】

結像光学系１４６は、例えば、ビームスプリッタ１４５からの光を平行光線に変換するレンズと、変換された平行光線を光検出部１３１の検出面に結像させるレンズと、光検出部１３１に入射する干渉光の量を制御する絞りとを含んで構成される。光検出部１３１は、ＡＰＤ又はＳＰＡＤを検出面に二次元配列した光電変換素子アレイを含み、結像光学系１４６にて検出面に結像された干渉光を光電変換素子アレイにて一括で検出することができる。

【0063】

これによれば、第３の変形例に係る計測装置１３は、光源１１０から測定対象１に対して面として光を照射し、測定対象１で反射した光の干渉光を光検出部１３１のＡＰＤアレイ又はＳＰＡＤアレイで面として検出することができる。したがって、第３の変形例に係る計測装置１３は、測定対象１を含む測定領域を走査することなく、測定領域全体の測距情報を一括して取得することが可能である。よって、第３の変形例に係る計測装置１３は、測定対象１までの測距情報をより高速に取得することが可能である。

【0064】

（２．４．第４の変形例）
図９は、第４の変形例に係る計測装置１４の構成を示す模式図である。図９に示すように、第４の変形例では、図１に示す計測装置１０に対して、参照ミラー１５０がさらに設けられる点が異なる。第１の光共振器１２１から出射された光は、ビームスプリッタ１４７を介して参照ミラー１５０に照射され、参照ミラー１５０からの反射光を含む光がビームスプリッタ１４５にて第２の光共振器１２２から出射された光と合波される。

【0065】

ビームスプリッタ１４７は、第１の光共振器１２１から出射された光の一部を透過させて測定対象１に導くと共に、測定対象１で反射した光を反射してビームスプリッタ１４５に導く光学素子である。また、ビームスプリッタ１４７は、第１の光共振器１２１から出射された光の一部を反射してビームスプリッタ１４５に導くことができる。なお、参照ミラー１５０は、ビームスプリッタ１４７までの距離を調整可能に設けられる。

【0066】

これによれば、第４の変形例に係る計測装置１４は、ビームスプリッタ１４５に合波される光に測定対象１による遅延を検出するための基準となる参照光を含ませることができる。したがって、第４の変形例に係る計測装置１４は、測定対象１による光の遅延時間をより高精度で検出することが可能である。

【0067】

（２．５．第５の変形例）
図１０は、第５の変形例に係る計測装置１５の構成を示す模式図である。図１０に示すように、第５の変形例では、第１の変形例に係る計測装置１１に対して、第１の光共振器１２１とビームスプリッタ１４７との間に分散補償素子１６１がさらに設けられる点が異なる。

【0068】

分散補償素子１６１は、第１の光共振器１２１から出射された光の分散による信号波形の歪みを補償する光学素子である。分散補償素子１６１は、例えば、回折格子対、プリズム対、又は分散補償光ファイバなどの公知の分散補償器であってもよい。

【0069】

これによれば、第５の変形例に係る計測装置１５は、第１の光共振器１２１から出射された光の信号波形の歪みを抑制することができるため、ビームスプリッタ１４５にてより高精度のビートを生成することができる。したがって、第５の変形例に係る計測装置１５は、光検出部１３１によるビートの検出精度を向上させることができるため、測定対象１までの距離の測定精度を向上させることができる。

【0070】

（２．６．第６の変形例）
図１１は、第６の変形例に係る計測装置１６の構成を示す模式図である。図１１に示すように、第６の変形例では、第５の変形例に係る計測装置１５に対して、第２の光共振器１２２とビームスプリッタ１４５との間に分散補償素子１６２がさらに設けられる点が異なる。

【0071】

分散補償素子１６２は、第２の光共振器１２２から出射された光の分散による信号波形の歪みを補償する光学素子である。分散補償素子１６２は、分散補償素子１６１と同様に、例えば、回折格子対、プリズム対、又は分散補償光ファイバなどの公知の分散補償器であってもよい。

【0072】

これによれば、第６の変形例に係る計測装置１６は、さらに、第２の光共振器１２２から出射された光の信号波形の歪みを抑制することができるため、ビームスプリッタ１４５にてより高精度のビートを生成することができる。したがって、第６の変形例に係る計測装置１６は、光検出部１３１によるビートの検出精度を向上させることができるため、測定対象１までの距離の測定精度をさらに向上させることができる。

【0073】

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

【0074】

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

【0075】

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
第１の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光を含み、測定対象で反射又は透過した第１の光と、前記第１の時間遅延と異なる第２の時間遅延で繰り返し重畳される広帯域光を含む第２の光とを干渉させた光を検出する光検出部と、
前記光検出部による検出結果に基づいて、前記測定対象による前記第１の光の遅延時間を計測する時間計測部と、
を備える、計測装置。
（２）
前記第１の光、及び前記第２の光は、光源から出射された光を互いに異なる光共振器にそれぞれ通過させることで生成される、前記（１）に記載の計測装置。
（３）
前記光共振器は、それぞれファブリ・ペロー・エタロンである、前記（２）に記載の計測装置。
（４）
前記光源は、低コヒーレンス光源である、前記（２）又は（３）に記載の計測装置。
（５）
前記光源から出射された光は、時間的に振幅変調される、前記（２）～（４）のいずれか一項に記載の計測装置。
（６）
前記光検出部は、アバランシェ増倍素子を含む、前記（１）～（５）のいずれか一項に記載の計測装置。
（７）
前記光検出部は、前記アバランシェ増倍素子を検出面に複数配列させた素子アレイを含む、前記（６）に記載の計測装置。
（８）
前記光検出部の前段には、前記第１の光と前記第２の光とを干渉させた光を前記検出面に結像させる結像光学系が設けられる、前記（７）に記載の計測装置。
（９）
前記時間計測部は、時間デジタイザ回路を含む、前記（１）～（８）のいずれか一項に記載の計測装置。
（１０）
前記時間計測部は、前記第１の光と前記第２の光とのインターフェログラムに基づいて、前記測定対象による前記第１の光の遅延時間を計測する、前記（１）～（９）のいずれか一項に記載の計測装置。
（１１）
前記第１の光、又は前記第２の光の少なくともいずれかの光路中には、分散補償素子が設けられる、前記（１）～（１０）のいずれか一項に記載の計測装置。

【符号の説明】

【0076】

１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６ 計測装置
１１０ 光源
１２１ 第１の光共振器
１２２ 第２の光共振器
１３１ 光検出部
１３２ 時間計測部
１４１ レンズ系
１４２，１４５，１４７ ビームスプリッタ
１４３，１４４ ミラー
１４６ 結像光学系
１５０ 参照ミラー
１６１，１６２ 分散補償素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】