特表 2024-530836 スペクトロフィロメータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-08-23

(54)【発明の名称】スペクトロフィロメータ

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/36 20060101AFI20240816BHJP

   G03H 1/04 20060101ALI20240816BHJP

【ＦＩ】

G01J3/36

G03H1/04

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024537794

(86)(22)【出願日】2022-08-25

(85)【翻訳文提出日】2024-04-18

(86)【国際出願番号】 US2022041521

(87)【国際公開番号】W WO2023028227

(87)【国際公開日】2023-03-02

(31)【優先権主張番号】63/236,896

(32)【優先日】2021-08-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524073681

【氏名又は名称】レイヤー メトリックス インク．

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】マーフィー， ドミニク

【テーマコード（参考）】

2G020

2K008

【Ｆターム（参考）】

2G020CB23

2G020CC01

2G020CC02

2G020CC21

2G020CC22

2G020CC63

2G020CD04

2G020CD16

2G020CD24

2G020CD35

2G020CD36

2G020CD37

2K008AA06

2K008BB04

2K008HH00

2K008HH18

2K008HH21

2K008HH28

(57)【要約】

スペクトロフィロメータが提供される。スペクトロフィロメータは、プロフィロメータ、筐体、１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素、および／または１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素を含む。１つまたは複数の干渉計ビーム分割要素および１つまたは複数の分光計ビーム分散要素は、筐体内に収容され、入射電磁放射線に応答して信号を生成するように構成された１つまたは複数の放射線感受性要素をプロフィロメータと共有し、各々が１つまたは複数の光出力を生成する。１つまたは複数の光出力は、それぞれの光軸が１つまたは複数の放射線感受性要素の平面内で実質的に交差するように構成される。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのプロフィロメータと、
筐体と、
１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素および／または１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素と
を備えるスペクトロフィロメータであって、前記１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素および／または前記１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素が、
前記筐体内に収容され、
入射電磁放射線に応答して信号を生成するように構成された１つまたは複数の放射線感受性要素を前記少なくとも１つのプロフィロメータと共有し、
それぞれの光軸が前記１つまたは複数の放射線感受性要素の平面内で実質的に交差するように構成された１つまたは複数の光出力を生成するように設定される、
スペクトロフィロメータ。

【請求項2】

前記光出力間に１つまたは複数の反射面をさらに備える、請求項１に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項3】

前記１つまたは複数の反射面が、前記１つまたは複数の反射面のうちの１つまたは複数上に１つまたは複数の光学コーティングを含む、請求項２に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項4】

前記１つまたは複数の反射面が、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）要素である、請求項２に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項5】

各ＭＥＭＳ要素が、前記入射電磁放射線の一部を反射するように制御可能であり、設定される、請求項４に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項6】

前記１つまたは複数の放射線感受性要素が、１つまたは複数の空間的に異なる位置から発信した１つまたは複数の入力を検出するように設定される、請求項１に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項7】

前記１つまたは複数の入力が、前記１つまたは複数の光出力を含む、請求項６に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項8】

前記１つまたは複数の入力が、１つまたは複数の撮像バンドルを含む、請求項６に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項9】

前記１つまたは複数の入力が、１つまたは複数の光導波路を含む、請求項６に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項10】

前記１つまたは複数の光導波路が、１つまたは複数の光ファイバーを含む、請求項９に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項11】

１つまたは複数の光導波路をさらに備える、請求項１に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項12】

前記１つまたは複数の光導波路が、１つまたは複数の光ファイバーを含む、請求項１１に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項13】

前記１つまたは複数の光ファイバーが、微細構造光ファイバーおよびマルチコア光ファイバーのうちの１つまたは複数を含む、請求項１２に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項14】

前記１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素および／または前記１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素が、動的に調整可能である、請求項１に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項15】

１つまたは複数のプロセッサと、
命令を記憶するように設定されたメモリと
をさらに備え、前記命令が、前記１つまたは複数のプロセッサによって実行されたとき、前記１つまたは複数のプロセッサに、
前記１つまたは複数の放射線感受性要素によって生成された１つまたは複数の信号を処理することと、
前記入射電磁放射線の空間強度プロファイルを生成することと
を行わせる、請求項１に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項16】

前記命令が、前記１つまたは複数のプロセッサによって実行されたとき、前記１つまたは複数のプロセッサに、さらに、
変換処理技法、
カーブフィッティング技法、
周波数フィルタリング技法、
縞計数技法、
補間技法、
重み付け技法、
微分の１つまたは複数の次数、
積分の１つまたは複数の次数、
予測分析技法、
機械学習技法、および
人工知能技法
のうちの１つまたは複数を使用して前記空間強度プロファイルからデータを復元させ、
前記データが、
時間データ、
スペクトルデータ、
位相データ、
振幅データ、および
偏光データ
のうちの１つまたは複数を含む、請求項１５に記載のスペクトロフィロメータ。

【請求項17】

筐体と、
プロセッサと、
メモリと、
少なくとも１つのプロフィロメータと、
１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素および／または１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素と
を備えるスペクトロフィロメータを設けることであって、
前記１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素および／または前記１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素が、
前記筐体内に収容され、
入射電磁放射線に応答して信号を生成するように構成された１つまたは複数の放射線感受性要素を共有し、
それぞれの光軸が前記１つまたは複数の放射線感受性要素の平面内で実質的に交差するように構成された１つまたは複数の光出力を生成するように設定される、スペクトロフィロメータを設けることと、
前記プロセッサを使用して、前記入射電磁放射線の空間強度プロファイルを生成するために、前記１つまたは複数の放射線感受性要素によって生成された１つまたは複数の信号を処理することと
を含む、電磁放射線を分析する方法。

【請求項18】

前記プロセッサを使用して、
変換処理技法、
カーブフィッティング技法、
周波数フィルタリング技法、
縞計数技法、
補間技法、
重み付け技法、
微分の１つまたは複数の次数、
積分の１つまたは複数の次数、
予測分析技法、
機械学習技法、および
人工知能技法
のうちの１つまたは複数を使用して前記空間強度プロファイルからデータを復元すること
をさらに含み、前記データが、
時間データ、
スペクトルデータ、
位相データ、
振幅データ、および
偏光データ
のうちの１つまたは複数を含む、請求項１７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年８月２５日に出願された米国仮特許出願第６３／２３６，８９６号の優先権を主張し、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本発明は、分光計、分光器、放射計、干渉計、プロフィロメータに関し、詳細には、限定はしないが、光学スペクトロフィロメータに関する。

【背景技術】

【0003】

干渉計および分光計は、光などの電磁放射線の特性を測定するために様々な分野において使用される。それらは、例えば、その強度、偏光、波長、周波数、または位相など、放射線の様々な特性を測定するために使用される。

【0004】

プロフィロメータは、プロファイル特徴、例えば、表面粗さ、うねり、特徴高さ、平滑度、空隙検出および欠陥検出の評価または測定のために、様々な分野において使用される。

【0005】

干渉計、分光計およびプロフィロメータは、電磁放射線を収集し、収集された電磁放射線を、電磁放射線からパターンを生成するように操作し、収集および操作された電磁放射線から形成された生成されたパターンを検出し、検出されたパターンを検出したことに応答して信号を生成する、電磁波処理システムと見なされ得る。干渉計、分光計およびプロフィロメータの要素は、静的または動的であり得、それらの要素は、それらが静的または動的に走査または平行移動されることを可能にするように取り付けられ得る。

【0006】

いくつかの干渉計システムでは、電磁放射線をヤングのスリット構成に通して２つ以上の二次放射線源を形成し、二次放射線源は、放射線源がスリットを出るときに回折し、次いで、放射線源が重なるときに干渉する。その場合、干渉パターンは、干渉パターンの空間表現であるインターフェログラムとして検出される。インターフェログラムの形態は、回折光のスペクトル成分によって決定される。

【0007】

いくつかの分光計システムでは、電磁放射線を回折格子および撮像構成に通して複数の二次放射線源を形成し、二次放射線源は、放射線源がスリットを出るときに回折し、次いで、放射線源が重なるときに干渉する。その場合、干渉パターンは、干渉パターンの空間表現であるスペクトログラムとして検出される。スペクトログラムの形態は、回折光のスペクトル成分によって決定される。

【0008】

いくつかのプロフィロメータシステムでは、電磁放射線のパターンが関心表面上に投影され、関心表面からの電磁放射線の反射パターンが、表面の画像パターンプロファイルマップ表現として検出される。プロファイルマップの形態は、反射光のパターンによって決定される。

【0009】

検出器アレイは、一般的に、信号処理および分析のためにインターフェログラム、スペクトログラム、および画像パターンを記録および捕捉するために使用される。画像分析、周波数分析、数学的変換、縞計数、機械視覚、および重み付けアルゴリズムの範囲は、一般的に、他のデータの中でも、振幅、強度、時間情報、スペクトル情報、プロファイル情報および／または位相情報を復元するためにパターンを分析するために使用される。

【0010】

干渉計、分光計およびプロフィロメータは、典型的には独立して使用され、同じハウジング、光学素子、または検出要素を共有せず、干渉計、分光計およびプロフィロメータ機器において生成および検出されたパターンは、典型的には、分散周波数および振幅が大きく異なる。例えば、低コヒーレンス源を考慮すると、波面干渉計を使用して作り出された干渉パターンは、狭い範囲にわたって少数の高周波振動を含み、スペクトルパターンは、広い範囲にわたって多数の低周波振動を含む。この逆は、それぞれ高コヒーレンス源に当てはまる。プロフィロメータ投影パターンは、振幅、周波数、位相および偏光が劇的に変動し得る。

【0011】

干渉計は、典型的には、そのような光の広いベクトル分散性質により低コヒーレンス光の収集が制限されるが、分光計機器が大幅に小さく制限されるように、最も高い視認性、忠実度、および分解能のためにシングルモードで最も良く動作される。分光計は、レーザ光の狭いベクトル分散性質により、光の大部分が１つまたは少数の画素のみを照射してそれらを飽和状態にするため、高コヒーレンス光で動作されるときに飽和を受けやすいが、波面干渉計は、アレイ内の大部分の画素にわたってレーザ光を分散させる。プロフィロメータ撮像パターンも、典型的には、パターン特徴周波数および強度の範囲にわたってアレイ内の画素の大部分にわたって分散される。

【0012】

少なくともこれらの理由で、これらの制限を回避する改善されたスペクトロフィロメータが必要とされている。

【発明の概要】

【0013】

本開示の一態様によれば、スペクトロフィロメータが提供される。スペクトロフィロメータは、筐体、少なくとも１つのプロフィロメータ、ならびに１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素および／または１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素を含む。少なくとも１つのプロフィロメータならびに１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素および／または１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素は、筐体内に収容され、入射電磁放射線に応答して信号を生成するように構成された１つまたは複数の放射線感受性要素を共有し、各々１つまたは複数の光出力を生成する。１つまたは複数の光出力は、それぞれの光軸が１つまたは複数の放射線感受性要素の平面内で実質的に交差するように構成される。

【0014】

様々な態様によれば、スペクトロフィロメータは、光出力間に１つまたは複数の反射面をさらに含み得る。

【0015】

様々な態様によれば、１つまたは複数の反射面は、表面のうちの１つまたは複数上に１つまたは複数の光学コーティングを含む。

【0016】

様々な態様によれば、反射面のうちの１つまたは複数は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）要素である。ＭＥＭＳ要素の各々は、入射電磁放射線の一部を反射するように制御可能であり、設定される。

【0017】

様々な態様によれば、１つまたは複数の放射線感受性要素は、１つまたは複数の空間的に異なる位置から発信した１つまたは複数の入力を検出するように設定される。

【0018】

様々な態様によれば、１つまたは複数の入力は、少なくとも１つのプロフィロメータ、ならびに１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素および／または１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素からの１つまたは複数の光出力を含む。

【0019】

様々な態様によれば、１つまたは複数の入力は、１つまたは複数の撮像バンドルを含む。

【0020】

様々な態様によれば、１つまたは複数の入力は、１つまたは複数の光導波路を含む。

【0021】

様々な態様によれば、１つまたは複数の光導波路は、１つまたは複数の光ファイバーを含む。

【0022】

様々な態様によれば、スペクトロフィロメータは、１つまたは複数の光導波路をさらに含む。

【0023】

様々な態様によれば、１つまたは複数の光導波路は、１つまたは複数の光ファイバーを含む。

【0024】

様々な態様によれば、１つまたは複数の光ファイバーは、微細構造光ファイバーおよびマルチコア光ファイバーのうちの１つまたは複数を含む。

【0025】

様々な態様によれば、１つまたは複数の干渉計ビーム分割要素は、動的に調整可能である。

【0026】

様々な態様によれば、１つまたは複数の分光計ビーム分散要素は、動的に調整可能である。

【0027】

様々な態様によれば、スペクトロフィロメータは、１つまたは複数のプロセッサと、メモリとをさらに含む。メモリは、命令を記憶するように設定され、命令は、１つまたは複数のプロセッサによって実行されたとき、１つまたは複数のプロセッサに、１つまたは複数の放射線感受性要素によって生成された１つまたは複数の信号を処理することと、入射電磁放射線の空間強度プロファイルを生成することとを行わせる。

【0028】

様々な態様によれば、命令は、１つまたは複数のプロセッサによって実行されたとき、１つまたは複数のプロセッサに、さらに、変換処理技法、カーブフィッティング技法、周波数フィルタリング技法、縞計数技法、補間技法、重み付け技法、微分の１つまたは複数の次数、積分の１つまたは複数の次数、予測分析技法、機械学習技法、および人工知能技法のうちの１つまたは複数を使用して空間強度プロファイルからデータを復元させる。データは、時間データ、スペクトルデータ、位相データ、振幅データ、および偏光データのうちの１つまたは複数を含む。

【0029】

本開示の別の態様によれば、電磁放射線を分析する方法が提供される。本方法は、スペクトロフィロメータを設けることを含む。スペクトロフィロメータは、筐体、プロセッサ、メモリ、少なくとも１つのプロフィロメータ、ならびに１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素および／または１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素を含む。少なくとも１つのプロフィロメータならびに１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素および／または１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素は、筐体内に収容され、入射電磁放射線に応答して信号を生成するように構成された１つまたは複数の放射線感受性要素を共有し、各々１つまたは複数の光出力を生成する。１つまたは複数の光出力は、それぞれの光軸が１つまたは複数の放射線感受性要素の平面内で実質的に交差するように構成される。本方法は、プロセッサを使用して、１つまたは複数の放射線感受性要素によって生成された１つまたは複数の信号を処理することと、入射電磁放射線の空間強度プロファイルを生成することとをさらに含む。

【0030】

様々な実施形態によれば、本方法は、プロセッサを使用して、変換処理技法、カーブフィッティング技法、周波数フィルタリング技法、縞計数技法、補間技法、重み付け技法、微分の１つまたは複数の次数、積分の１つまたは複数の次数、予測分析技法、位相分析技法、機械学習技法、および／または人工知能技法を使用して空間強度プロファイルからデータを復元することをさらに含む。データは、時間データ、スペクトルデータ、位相データ、周波数データ、振幅データ、および偏光データのうちの１つまたは複数を含む。

【0031】

本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照してなされる、単に例として与えられる、本発明の好ましい実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。

【0032】

本開示の前述のおよび他の特徴は、添付の図面と併せてとられる、以下の説明および添付の特許請求の範囲から、より完全に明らかになるであろう。これらの図面が本開示によるいくつかの例を示すにすぎず、したがって、その範囲を限定するものと見なされるべきではないことを理解して、本開示は、添付の図面の使用によって追加の特異性および詳細を伴って説明される。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】知られている波面干渉計の概略図である。

【図2】知られている回折格子分光計の概略図である。

【図3】知られているプロフィロメータの概略図である。

【図4】本開示の一実施形態によるスペクトロフィロメータの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

以下の詳細な説明では、本明細書の一部をなす添付の図面が参照される。図面では、文脈が別段に指示しない限り、同様の記号は、典型的には、同様の構成要素を識別する。詳細な説明、図面、および特許請求の範囲において説明される例示的な例は、限定を意味するものではない。本明細書に提示される主題の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の例が利用され得、他の変更が行われ得る。本開示の態様は、本明細書で概して説明され、図に示されているように、多種多様な異なる設定において構成され、置換され、組み合わせられ、分離され、設計され得、そのすべてが本明細書で暗黙的に企図されることが容易に理解されよう。

【0035】

本明細書で使用される単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が別段に明示しない限り、複数の参照を含む。別段に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術および科学用語は、当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書で使用されるとき、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」（または「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」）という用語は、「限定はしないが、含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）（または含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ））」を意味する。本明細書で使用されるとき、「例示的（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」という用語は、「例として」を意味するものであり、特定の例示的な項目が選好されるまたは必要とされることを示すものではない。

【0036】

本明細書では、「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、数値に関連して使用されるとき、その数に近いが厳密にその数ではない値を含むものとする。例えば、いくつかの実施形態では、「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、その値の＋／－１０パーセント以内の値を含み得る。

【0037】

本開示の様々な実施形態は、複数の異なる信号タイプの同期データセットと、限定はしないが、スペクトルデータ、干渉データ、画像データ、および／または関連データを含む異なる信号タイプからの派生情報との、同時捕捉および記録に関する。様々な実施形態によれば、スペクトログラム生成システムを使用する共有検出器アレイ上への低コヒーレンス低強度光の同時収集および撮像と、インターフェログラム生成システムを使用して共有検出器アレイ上への高コヒーレンス高強度光を収集および撮像することとが提供される。例示的な実施形態では、共有検出器アレイ上への複数の位置および／または複数の機器からの収集および撮像光も提供される。

【0038】

ここで図１を参照すると、光ファイバー干渉計に基づく、例示的な先行技術干渉計１００の概略図が、例示的に示されている。

【0039】

図１に示されているように、干渉計１００は入力開口を含む。開口は、光ファイバー入力ポート１０２ａと、１×２光ファイバーカプラ／スプリッタ１０４と、２つの出力光ファイバー導波路アーム１０６ａ、１０６ｂとを有する導波路アーム１０２であり得る。２つの出力光ファイバー導波路アーム１０６ａ、１０６ｂの各々は、光ファイバー光出力ポート１０８ａ、１０８ｂを有する。導波路アームの各々は、クラッド領域によって囲まれたコア領域を含み得、クラッド領域はコア領域よりも低い屈折率を有する。出力ポート１０８ａ、１０８ｂは、距離ｄだけ離れている。様々な実施形態によれば、距離ｄは、およそ１ｍｍから１０ｍｍの間である。

【0040】

所与の導波路アーム１０２、１０６ａ、１０６ｂ中で透過されている光の各波長が、光学モードとして存在する。各モードは、典型的には、特定の空間的範囲を示し、導波路アーム１０２、１０６ａ、１０６ｂの導波路パラメータに依存する特徴的なモードプロファイルを有する。導波路パラメータは、コア領域およびクラッド領域の相対屈折率および寸法と、透過されている光の波長とに依存する。光ファイバー導波路アーム１０２、１０６ａ、および１０６ｂの各々は、干渉計１００が機能するように設計された光の最高周波数に対応する特定の最小波長よりも長い波長のためのシングルモード導波路アームである。

【0041】

干渉計１００は、入力ポート１０２ａにおいて受け取られた光を２つの出力ポート１０８ａ、１０８ｂの間で実質的に等しく分割するように設定されたスプリッタ１０４を含む。

【0042】

干渉計１００の使用の一例によれば、分析されるべきである光などの電磁放射線Ｅは、入力導波路アーム１０２の入力ポート１０２ａによって受け取られ（すなわち、それに結合され）、スプリッタ１０４によって出力導波路アーム１０６ａ、１０６ｂの間で分割される。分割された光は、それぞれ、２つの出力ポート１０８ａ、１０８ｂから出射する。出射光は、回折および干渉して特徴的な干渉パターンを形成し、この干渉パターンは、出力ポート１０８ａ、１０８ｂから距離Ｚだけ離間した検出器１１０を照射し、検出器１１０によって検出され得る。検出器１１０は、例えば、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）検出器アレイなど、個々の感光検出器要素（画素）１１２のアレイであり得る。

【0043】

出力ポート１０８ａ、１０８ｂの各々は、波長依存性であり得、導波路コア領域および導波路クラッド領域の相対屈折率、ならびに導波路コアの物理的サイズに関係する、開口数を含む。出力ポート１０８ａ、１０８ｂから出射する光は、それぞれの出力ポート１０８ａ、１０８ｂの開口数に依存する発散角で、周囲の媒質（典型的には空気）中に回折する。典型的には、出力ポート１０８ａ、１０８ｂの各々は、所与の波長について同じ開口数を有する。

【0044】

２つの回折ビームが出力ポート１０８ａ、１０８ｂから出射し、伝搬および発散すると、ビームは、波面のフィールドが干渉するように空間的に重なる。フィールドは、重なるビームにより、強度変動をもたらし、強度変動は相対光路遅延差に依存し、相対光路遅延差は出射光の波長に依存する。所与の平面内のこの強度変動は、出射光に特徴的である干渉縞パターンである。遅延差は検出器１１０の表面にわたって発生して干渉縞を形成し、遅延差を使用して、検出器１１０の平面内の光強度変動の空間的または時間的に依存する画像または表現であるインターフェログラムが形成される。

【0045】

検出器１１０の要素１１２の各々は、干渉パターンを測定し、インターフェログラムを形成するために検出器１１０が使用され得るように、例えば、要素１１２に入射する光の強度に比例する電荷信号を生成するように構成される。典型的には、干渉計１００は、空間サンプリングレートが干渉縞パターンの空間周期性の少なくとも２倍になるように、検出器１１０の少なくとも２つの要素１１２が各干渉縞からの光を検出するように構成される。これは、干渉計１００が、ナイキストサンプリング基準を満たし、縞周期性の無損失測定を行うことを可能にする。

【0046】

典型的には、インターフェログラムは、専用の処理エレクトロニクス（図示せず）、またはインターフェログラムのデジタル表現を受信する適切な処理ソフトウェアでプログラムされたコンピュータのいずれかによって処理される。処理エレクトロニクスまたはコンピュータは、検出器からの電荷信号を読み取って空間強度プロファイルを形成し、したがって、ナイキストレートを上回るレートで干渉縞の画像（インターフェログラム）を捕捉する。次いで、処理エレクトロニクスまたは処理ソフトウェアは、例えば、空間的に依存する強度パターンを分析するために、数学的変換処理、フーリエ変換処理、ヒルベルト変換処理および統計的分析、縞計数および重み付け、または任意の他の適切な処理技法のうちの１つまたは複数を使用して、捕捉された空間画像データを処理し得る。これは、干渉計１００を照射する光の特徴づけを可能にし、時間および／またはスペクトルおよび／または位相および／または振幅および／または偏光情報が復元されることを可能にする。

【0047】

ここで図２を参照すると、透過回折格子分光計に基づく、あるタイプの先行技術分光計２００の一例の概略図が、例示的に示されている。

【0048】

分光計２００は、光ファイバー入力ポート２０２ａと透過回折格子２０４とを有する導波路アーム２０２であり得る入力開口を含む。例えば、追加のビーム整形光学素子、コリメート光学素子、およびフィルタリング光学素子が含まれ得るが、簡単のために、それらは、ここでは示されない。

【0049】

回折格子２０４は、そこに入射する光を遮断し、格子線２０６を介して光を分割し、複数の二次波面２０８を放射する。

【0050】

分光計２００の使用の一例によれば、分析されるべきである光など、電磁放射線Ｅは、入力導波路アーム２０２の入力ポート２０２ａによって受け取られ（すなわち、それに結合され）、回折格子２０４の線２０６によって遮断され、光の複数の二次出力波面２０８をそれぞれ回折格子２０４から出射させる。出射光は、回折および干渉して特徴的な回折干渉パターンを形成し、この回折干渉パターンは、検出器１１０を照射し、検出器１１０によって検出され得る。検出器１１０は、例えば、ＣＣＤ検出器アレイなど、個々の感光検出器要素（画素）１１２のアレイであり得る。

【0051】

回折格子線２０６からの出力２０８の各々は開口数を有し、開口数は、それぞれ、波長依存性であり得、材料インデックス特性ならびに物理的サイズを関係付けることができる。線２０６から出射する光は、それぞれの線の開口数に依存する発散角で、周囲の媒質（典型的には空気）中に回折する。典型的には、格子線は均一であるため、線２０６の各線は、所与の波長について同じ開口数を有する。

【0052】

ビームが回折格子２０４から外側に回折すると、それらは、それぞれ、伝搬および発散し、ビームは、波面のフィールドが干渉するように空間的に重なる。フィールドは、重なるビームにより、強度変動をもたらし、強度変動は相対光路遅延差に依存し、相対光路遅延差は出射光の波長に依存する。所与の平面内のこの強度変動は、出射光に特徴的である回折パターンとして知られている干渉縞パターンである。遅延差は検出器１１０の表面にわたって発生して干渉縞を形成し、遅延差を使用して、検出器１１０の平面内の光強度変動の空間的または時間的に依存する画像または表現である回折パターンが形成される。

【0053】

検出器１１０の要素１１２の各々は、回折パターンを測定し、スペクトラムに干渉するために検出器１１０が使用され得るように、例えば、要素１１２に入射する光の強度に比例する電荷信号を生成するように構成される。広帯域動作では、分光計２００は、典型的には、入射光のスペクトルにおいて検出および分解され得る波長の数を最適化するために、光の各波長が検出器１１０の要素１１２のうちの１つまたは少数に限定されるように構成される。

【0054】

典型的には、回折パターンは、専用の処理エレクトロニクス（図示せず）、またはインターフェログラムのデジタル表現を受信する適切な処理ソフトウェアでプログラムされたコンピュータのいずれかによって処理される。処理エレクトロニクスまたはコンピュータは、検出器からの電荷信号を読み取って空間強度プロファイルを形成し、したがって、回折パターンの画像を捕捉する。次いで、処理エレクトロニクスまたは処理ソフトウェアは、例えば、空間的に依存する強度パターンを分析するために、縞計数および重み付け、変換処理、または任意の他の適切な処理技法のうちの１つまたは複数を使用して、捕捉された空間画像データを処理し得る。これは、分光計２００を照射する光の特徴づけを可能にし、スペクトル情報が復元されることを可能にし、スペクトル情報はさらに分析および処理され得る。

【0055】

ここで図３を参照すると、画像パターン投影システムプロフィロメータに基づく、あるタイプの先行技術プロフィロメータ３００の一例の概略図が、例示的に示されている。

【0056】

プロフィロメータ３００は、関心物体３０４を照射する画像パターン投影システム３０２を含む。関心物体３０４は、複数の点からの入射画像パターン３０６を反射し、物体からの反射パターン３０８は、検出器１１０に入射する。

【0057】

例えば、追加の収集光学素子、ビーム整形光学素子、コリメート光学素子、偏光光学素子およびフィルタリング光学素子が含まれ得るが、簡単のために、それらは、ここでは示されない。反射光は、検出器１１０の平面内の光強度変動の空間的および／または時間的に依存する画像または表現である特徴的なパターンを形成する。検出器１１０は、例えば、ＣＣＤ検出器アレイなど、個々の感光検出器要素（画素）１１２のアレイであり得る。

【0058】

検出器１１０の要素１１２の各々は、反射パターンを測定し、プロファイルに干渉するために検出器１１０が使用され得るように、例えば、要素１１２に入射する光の強度に比例する電荷信号を生成するように構成される。

【0059】

典型的には、反射パターンは、専用の処理エレクトロニクス（図示せず）、またはインターフェログラムのデジタル表現を受信する適切な処理ソフトウェアでプログラムされたコンピュータのいずれかによって処理される。処理エレクトロニクスまたはコンピュータは、検出器からの電荷信号を読み取って空間強度プロファイルを形成し、したがって、反射パターンの画像を捕捉する。次いで、処理エレクトロニクスまたは処理ソフトウェアは、例えば、空間的に依存する強度パターンを分析するために、縞計数および重み付け、変換処理、位相分析、または任意の他の適切な処理技法のうちの１つまたは複数を使用して、捕捉された空間画像データを処理し得る。これは、物体３０４を照射する光の特徴づけを可能にし、プロファイル情報が復元されることを可能にし、プロファイル情報はさらに分析および処理され得る。

【0060】

ここで図４を参照すると、本開示の様々な実施形態による、スペクトロフィロメータ４００の例示的な実施形態を示す概略図が、例示的に示されている。

【0061】

スペクトロフィロメータ４００は、少なくとも１つのプロフィロメータ画像パターン投影システム４３０、ならびに１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素４２０および／または１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素４２５を含む。いくつかの実施形態によれば、スペクトロフィロメータ４００は、少なくとも１つのプロフィロメータ画像パターン投影システム４３０と、１つまたは複数の干渉計ビーム分割要素４２０とを含む。いくつかの実施形態によれば、スペクトロフィロメータ４００は、少なくとも１つのプロフィロメータ画像パターン投影システム４３０と、１つまたは複数の分光計ビーム分散要素４２５とを含む。様々な実施形態によれば、１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素４２０および／または１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素４２５は、筐体４１５内に収容される。

【0062】

少なくとも１つのプロフィロメータならびに１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素４２０および／または１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素４２５は、入射電磁放射線に応答して信号を生成するように構成された１つまたは複数の放射線感受性要素１１２を共有し、１つまたは複数の光出力を生成するように設定される。１つまたは複数の光出力は、それぞれの光軸が１つまたは複数の放射線感受性要素の平面内で実質的に交差するように構成される。

【0063】

様々な実施形態によれば、スペクトロフィロメータ４００は、光出力間に１つまたは複数の反射面を含む。１つまたは複数の反射面は、表面のうちの１つまたは複数上に１つまたは複数の光学コーティングを含む。１つまたは複数の反射面は、１つまたは複数の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）要素を含むことができる。様々な実施形態によれば、ＭＥＭＳ要素の各々は、入射電磁放射線の一部を反射するように制御可能であり、設定される。

【0064】

様々な実施形態によれば、１つまたは複数の放射線感受性要素は、１つまたは複数の空間的に異なる位置から発信した１つまたは複数の入力を検出するように設定される。１つまたは複数の入力は、１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素および／または１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素からの１つまたは複数の光出力を含む。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の入力は、１つまたは複数の撮像バンドルを含む。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の入力は、１つまたは複数の光導波路を含む。１つまたは複数の光導波路は、１つまたは複数の光ファイバーを含むことができる。１つまたは複数の光ファイバーは、微細構造光ファイバー、マルチコア光ファイバー、および／または他の適切な形態の光ファイバーを含むことができる。

【0065】

スペクトロフィロメータ４００は、導波路アーム１０２、２０２であり得る１つまたは複数の入力開口と、１×２、ｎ×２、１×ｎまたはｎ×ｎであり得る光ファイバーカプラ／スプリッタ１０４と、各々光ファイバー光出力ポート１０８ａ、１０８ｂを有する出力光ファイバー導波路アーム１０６ａ、１０６ｂとを含む。導波路アームの各々は、クラッド領域によって囲まれたコア領域を含み、クラッド領域はコア領域よりも低い屈折率を有する。出力ポート１０８ａ、１０８ｂは、距離ｄだけ離れている。様々な実施形態によれば、距離ｄは、およそ１～１０ｍｍである。ただし、本開示の精神および機能性を維持しながら、他の適切な距離が組み込まれ、および／または実装され得ることに留意されたい。

【0066】

所与の導波路アーム１０２、１０６ａ、１０６ｂ中で透過されている光の各波長が、光学モードとして存在する。様々な実施形態によれば、各光学モードは、特定の空間的範囲を示し、導波路アーム１０２、１０６ａ、１０６ｂの導波路パラメータに依存する特徴的なモードプロファイルを有する。導波路パラメータは、コア領域およびクラッド領域の相対屈折率および寸法と、透過されている光の波長とに依存する。典型的には、光ファイバー導波路アーム１０２、１０６ａ、および１０６ｂの各々は、スペクトロフィロメータ４００が機能するように設計された光の最高周波数に対応する特定の最小波長よりも長い波長のためのシングルモードである。スプリッタ１０４は、受け取られた光を２つの出力ポート１０８ａ、１０８ｂ間で分割する。

【0067】

スペクトロフィロメータ４００はまた、透過回折格子２０４など、少なくとも１つの分散光学要素を含む。例えば、追加の撮像バンドル、ビーム整形光学素子、コリメート光学素子、およびフィルタリング光学素子が含まれ得るが、簡単のために、それらは、ここでは示されない。回折格子２０４は、そこに入射する光を遮断し、格子線２０６を介して光を分割し、複数の二次波面２０８を放射する。

【0068】

スペクトロフィロメータ４００の使用の一例によれば、分析されるべきである光などの電磁放射線Ｅは、一方または両方の入力１０２、２０２において受け取られる。ビア１０２を伝搬する光は、スプリッタ１０４によって出力導波路アーム１０６ａ、１０６ｂ間で分割される。分割された光は、それぞれ、２つの出力ポート１０８ａ、１０８ｂから出射する。出射光は、回折および干渉して特徴的な干渉パターンを形成し、この干渉パターンは、少なくとも１つの検出器１１０を照射し、少なくとも１つの検出器１１０によって検出され得る。検出器１１０は、例えば、ＣＣＤ検出器アレイなど、個々の感光検出器要素（画素）１１２のアレイであり得る。入力２０２によって受け取られた光は、回折格子２０４の線２０６によって遮断され、光の複数の二次出力波面２０８が、それぞれ、回折格子２０４から出射する。出射光は、回折および干渉して特徴的な回折干渉パターンを形成し、この回折干渉パターンは、少なくとも１つの検出器１１０を照射し、少なくとも１つの検出器１１０によって検出され得る。少なくとも１つのスプリッタ１０４を使用して生成された干渉縞と、回折格子２０４によって生成された回折パターンなど、少なくとも１つの分散要素を使用して生成されたパターンとの重なりは、少なくとも１つの検出器１１０によって検出され得るスペクトロフェログラムを作り出す。

【0069】

出力ポート１０８ａ、１０８ｂの各々は、波長依存性であり得、導波路コア領域および導波路クラッド領域の相対屈折率、ならびに導波路コアの物理的サイズに関係する、開口数を有する。出力ポート１０８ａ、１０８ｂから出射する光は、それぞれの出力ポート１０８ａ、１０８ｂの開口数に依存する発散角で、周囲の媒質（典型的には空気）中に回折する。典型的には、出力ポート１０８ａ、１０８ｂの各々は、所与の波長について同じ開口数を有する。

【0070】

２つの回折ビームが出力ポート１０８ａ、１０８ｂから出射し、各々伝搬および発散すると、ビームは、波面のフィールドが干渉するように空間的に重なる。フィールドは、重なるビームにより、強度変動をもたらし、強度変動は相対光路遅延差に依存し、相対光路遅延差は出射光の波長に依存する。所与の平面内のこの強度変動は、出射光に特徴的である干渉縞パターンである。遅延差は検出器１１０の表面にわたって発生して干渉縞を形成し、遅延差を使用して、検出器１１０の平面内の光強度変動の空間的または時間的に依存する画像または表現であるインターフェログラムが形成される。

【0071】

回折格子線２０６からの出力２０８の各々は開口数を有し、開口数は、それぞれ、波長依存性であり、材料インデックス特性ならびに物理的サイズを関係付けることができる。線２０６から出射する光は、それぞれの線の開口数に依存する発散角で、周囲の媒質（典型的には空気）中に回折する。典型的には、格子線は均一であるため、線２０６の各線は、所与の波長について同じ開口数を有する。

【0072】

１つもしくは複数の干渉計ビーム分割要素および／または１つもしくは複数の分光計ビーム分散要素は、静的であるか、または動的に調整可能であり得る。ビームが回折格子２０４から外側に回折すると、それらは、それぞれ、伝搬および発散し、ビームは、波面のフィールドが干渉するように空間的に重なる。フィールドは、重なるビームにより、強度変動をもたらし、強度変動は相対光路遅延差に依存し、相対光路遅延差は出射光の波長に依存する。所与の平面内のこの強度変動は、出射光に特徴的である回折パターンとして知られている干渉縞パターンである。遅延差は検出器２１０の表面にわたって発生して干渉縞を形成し、遅延差を使用して、検出器１１０の平面内の光強度変動の空間的または時間的に依存する画像または表現である回折パターンが形成される。

【0073】

検出器１１０の要素１１２の各々は、スペクトロフィログラムを測定するために検出器１１０が使用され得るように、例えば、要素１１２に入射する光の強度に比例する電荷信号を生成するように構成される。典型的には、スペクトロフィロメータ４００は、空間サンプリングレートが干渉縞パターンの空間周期性の少なくとも２倍になるように、検出器１１０の少なくとも２つの要素１１２が各干渉縞成分からの光を検出するように構成される。これは、スペクトロフィロメータ４００が、ナイキストサンプリング基準を満たし、スペクトロフィログラムのインターフェログラム成分についてのフリンジ周期性の無損失測定を行うことを可能にする。

【0074】

広帯域動作では、スペクトロフィロメータ４００の分散要素（例えば、回折格子２０４）から生成された回折パターンは、典型的には、光の各波長において、それが、入射光のスペクトルにおいて検出および分解され得る波長の数を最適化するために、検出器１１０の要素１１２のうちの１つまたは少数に限定されるように構成される。

【0075】

スペクトロフィロメータ４００は、関心物体３０４を照射する画像パターン投影システム３０２を含む。関心物体３０４は、複数の点からの入射画像パターン３０６を反射し、物体からの反射パターン３０８は、検出器１１０に入射する。

【0076】

例えば、追加の収集光学素子、ビーム整形光学素子、コリメート光学素子、偏光光学素子およびフィルタリング光学素子が含まれ得るが、簡単のために、それらは、ここでは示されない。反射光は、検出器１１０の平面内の光強度変動の空間的および／または時間的に依存する画像または表現である特徴的なパターンを形成する。検出器１１０は、例えば、ＣＣＤ検出器アレイなど、個々の感光検出器要素（画素）１１２のアレイであり得る。

【0077】

検出器１１０の要素１１２の各々は、反射パターンを測定し、プロファイルに干渉するために検出器１１０が使用され得るように、例えば、要素１１２に入射する光の強度に比例する電荷信号を生成するように構成される。

【0078】

典型的には、反射パターンは、専用の処理エレクトロニクス（図示せず）、またはインターフェログラムのデジタル表現を受信する適切な処理ソフトウェアでプログラムされたコンピュータのいずれかによって処理される。処理エレクトロニクスまたはコンピュータは、検出器からの電荷信号を読み取って空間強度プロファイルを形成し、したがって、反射パターンの画像を捕捉する。次いで、処理エレクトロニクスまたは処理ソフトウェアは、例えば、空間的に依存する強度パターンを分析するために、縞計数および重み付け、変換処理、位相分析、または任意の他の適切な処理技法のうちの１つまたは複数を使用して、捕捉された空間画像データを処理し得る。これは、物体３０４を照射する光の特徴づけを可能にし、プロファイル情報が復元されることを可能にし、プロファイル情報はさらに分析および処理され得る。

【0079】

典型的には、スペクトロフィログラムは、専用の処理エレクトロニクス（図示せず）、またはスペクトロフィログラムのデジタル表現を受信する適切な処理ソフトウェアでプログラムされたコンピュータのいずれかによって処理される。処理エレクトロニクスまたはコンピュータは、検出器からの電荷信号を読み取って空間強度プロファイルを形成し、したがって、スペクトロフィログラムの画像を捕捉する。次いで、処理エレクトロニクスまたは処理ソフトウェアは、例えば、空間的に依存する強度パターンを分析するために、縞計数および重み付け、変換処理、または任意の他の適切な処理技法のうちの１つまたは複数を使用して、捕捉された空間画像データを処理し得る。これは、スペクトロフィロメータ４００を照射する光の特徴づけを可能にし、スペクトルおよび／または時間および／または位相および／または振幅および／または偏光情報が復元されることを可能にし、それらの情報はさらに分析および処理され得る。

【0080】

スペクトロフィログラムを数学的に処理することを通して、スペクトロフィログラムに含まれる高周波成分および低周波成分を選択的に選び、分離し、再結合することが可能である。様々な実施形態によれば、スペクトロフィロメータ４００は、１つまたは複数のプロセッサ４０５および１つまたは複数のメモリ４１０を含む。メモリ４１０は、命令を記憶するように設定され、命令は、プロセッサ４０５によって実行されたとき、プロセッサ４０５に、１つまたは複数の放射線感受性要素によって生成された１つまたは複数の信号を処理すること、入射電磁放射線の空間強度プロファイルを生成すること、および／または空間強度プロファイルからデータを復元することを行わせる。様々な実施形態によれば、データ復元は、例えば、変換処理技法、カーブフィッティング技法、周波数フィルタリング技法、縞計数技法、補間技法、重み付け技法、微分の１つまたは複数の次数、積分の１つまたは複数の次数、予測分析技法、位相分析技法、機械学習技法、人工知能技法、および／または他の適切な技法など、適切な技法を使用して実施される。データは、時間データ、スペクトルデータ、位相データ、振幅データ、偏光データ、および／または他の適切なタイプのデータを含む。

【0081】

スペクトロフィロメータ４００は、任意の適切な用途のために任意の適切な分野において使用され得る。例えば、スペクトロフィロメータ４００は、プロセス監視の用途、生産監視の用途、製造用途、インライン監視の用途、閉ループ、適応プロセス制御監視の用途、および／または他の適切な用途において使用され得る。さらに、スペクトロフィロメータ４００は、多数のデータの同期データセットを単一の検出器アレイ上に同時に捕捉および記録するという利点を有することに留意されたい。さらに、スペクトロフィロメータ４００が、単一の検出器アレイ上に多数のデータを捕捉することによってデータセットサイズが大幅に低減されるという利点を有することと、これが、限定はしないが、産業用モノのインターネット（ＩＩｏＴ）用途、プロセス監視用途、閉ループ制御用途、適応プロセス制御用途、および積層造形用途を含むモノのインターネット（ＩｏＴ）用途に関連するデータの量のその急増をどのように低減するかに留意されたい。

【0082】

実施形態の前述の説明は、特許請求の範囲によって定義されるように本発明を限定するものとしてではなく、例示するものとして解釈されるべきである。容易に理解されるように、特許請求の範囲に記載されているように本発明から逸脱することなく、上記に記載された特徴の多数の変形および組合せが利用され得る。そのような変形は、本発明の範囲からの逸脱と見なされず、そのような変形はすべて、以下の特許請求の範囲内に含まれるものとする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】