JP3375641B2

JP3375641B2 - 回折限界を超過した分解能（超分解能）を達成するための、物体の顕微鏡検査方法及び干渉顕微鏡

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Publication number: JP3375641B2
Application number: JP50769196A
Authority: JP
Inventors: ハーエフフェルゼルクリスティアン; マセリンクローベルト; ヘルマンシュライアーハンス
Original assignee: ナノフォーカスマテリアルテヒニークゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
Priority date: 1994-08-19
Filing date: 1995-08-16
Publication date: 2003-02-10
Anticipated expiration: 2015-08-16
Also published as: ATE189055T1; DE59507656D1; EP0776457A1; EP0776457B1; US5995227A; DE4429416A1; WO1996006324A1; JPH10504395A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、分解能が極端に高い干渉顕微鏡を用いて、
物体の顕微鏡検査を行う方法に関し、この干渉顕微鏡で
は、前記物体は、光源を用いて対物レンズを通して照射
され、その際、前記光源の光ビームは、ビームスプリッ
タを介して少なくとも２つのコヒーレントな部分光ビー
ムに分割され、該各部分光ビームのうちの少なくとも１
つの部分光ビームは、前記物体の照射のために使用さ
れ、前記各部分光ビームは、前記物体及び場合によって
は参照物体の照射後、干渉されて再度合成して案内さ
れ、画像領域において走査される干渉画像検出器に、少
なくとも１つの干渉画像を形成するために案内され、１
つ又は複数の干渉画像の画像情報から、適切なアルゴリ
ズムを用いて位相画像が算出され、回折限界を超過する
分解能の達成のために、即ち、利用光の1/2波長よりも
小さな前記物体上で、測定すべき不確定位置領域Δｘの
回折限界を超過する分解能の達成のために算出される。

更に、本発明は、干渉顕微鏡、例えば、リニーク（Li
nnik）型の干渉顕微鏡に関し、物体の照射用光源と、該
光源から送出された光ビームを、少なくとも２つのコヒ
ーレントな各部分光ビームに分割するためのビームスプ
リッターとを有しており、前記各部分光ビームのうちの
少なくとも１つの部分光ビームは、前記物体の照射用に
設けられており、更に、画像領域内が走査される干渉画
像検出器、例えば、ピクセル型CCD列を、干渉された各
部分光ビームの干渉画像の形成のため、有利には、前述
の方法の実行のために設けられている。

位相測定干渉顕微鏡用の技術は、例えば、Catherine
Creathの論文“Phase−Measurement Interferometry Te
chniques"E.Wolf,Progress in Optics XXVT,Amsterdam
1988,頁350−393から公知である。

一般的には、干渉顕微鏡では、物体ビームとコヒーレ
ントな参照ビームとの干渉によって画像面内に形成され
る干渉パターンが位相画像に変換され、その際、画像の
走査乃至撮影によって、走査された干渉画像検出器、例
えば、ピクセル型CCD列によって、及び、得られた単数
又は多数の画像の、ソフトウエア−アルゴリズムによる
別の処理によって行われる。種々のアルゴリズム及びそ
の各効果乃至各効用は、上述の引用論文に報告されてい
る。

本発明にとっては、殊に、前に引用した論文の3.4章
に記載されている４−ステップ−処理方式（Vier−Schr
itt−Vorgehensweise）、いわゆるFour−Bucket−方法
（後で、背景知識として説明する）が、役立つ。この方
法は、冒頭に挙げた形式のものによると、干渉顕微鏡に
より、回折限界を超過する分解能、即ち、利用光の1/2
波長よりも小さな、測定すべき不確定位置領域の回折限
界を超過する分解能、いわゆる超分解能が達成されると
いう観点で行われる。

いわゆるFour−Bucket−アルゴリズムは、１つの位相
画像を得るために、４つの強度画像を利用する。（２光
ビーム−）干渉パターンでの強度は、以下のように記述
することができる：（１）Ｉ(x,y)＝a²(x,y)(１＋μ(x,y)cosφ(x,y)) その際、ａ（x,y）は、実際の振幅、μ（x,y）は、縞
コントラスト（変調深さ）及びφ（x,y）は、得るべき
位相画像である。検出器は、この強度分布を走査して検
出する。従って、CCD検出器のピクセル（i,j）に対し
て、以下が得られる：（２）Ｉ(i,j)a²(i,j)(１＋μ(i,j)cosφ(i,j)) その際、干渉顕微鏡として、種々の型の顕微鏡、例え
ば、Mirau型,Nomarski型等を利用することができる。何
れにせよ、リニーク型の顕微鏡が有利である。その種の
顕微鏡は、例えば、H.Beyer及びH.Riesenberg、“Handb
uch der Mikroskopie",Berlin,1988,6.2章に記載されて
いる。

リニーク型の顕微鏡（図１に示されているような）の
場合、光ビームは、ビームスプリッターを用いて、物体
ビーム及び参照ビームに分割され、その際、物体ビーム
は、この場合、物体から反射され、参照ビームは、参照
ミラーによって反射される。その後、両光ビームは、干
渉して検出器に供給される。参照ミラーは、参照ビーム
の光ビーム方向に移動することができる。

前述の４−ステップ−方法乃至Four−Bucker−方法を
用いるためには、参照ミラーは、その元の位置に関して
式（２）の画像を達成するのに、距離1/4・λ、−1/8・
λ、及び1/8・λに亙ってそれぞれ移動され、その際、
λは、光源の利用光ビームの波長である。それから、４
つの画像が得られる：（３）I₁＝a²（１＋μcosφ） I₂＝a²（１−μcosφ） I₃＝a²（１−μsinφ） I₄＝a²（１＋μsinφ）この４つの式では、簡便に表すために、各ピクセル座
標が省かれている。

式（３）から、各ピクセルに対して、以下の式が妥当
することが分かる：（４）tanφ＝（I₄−I₃）／（I₁−I₂）当然、φは、−π/2〜＋π/2で得られる。比較的大き
な値の場合、展開方法が必要である。商業上得られるソ
フトウェアでは、いわゆるアルゴリズムが使われる。如
何なる位相測定アルゴリズムも、引用したCreathの論文
に記載されているように、何れにせよ、既述のような、
値φの限界の問題があるが、どんの場合でも、所定の程
度以下である。

既述のFour−Bucket−アルゴリズムは、例えば、前述
の論文に記載されているような他のアルゴリズムに比べ
て、利点と欠点とを有している。利点は、このアルゴリ
ズムが、検出器−非直線性に対して比較的影響を受けな
いという点にある。欠点は、このアルゴリズムが、/2−
位相ステップでの誤差に対して、つまり、参照ミラーの
位置決めに関して比較的影響を受けるという点にある。
これにより、通常のディジタル干渉計は、所望の超分解
能（超解像）にとっては、あまり適してない。実際に
は、特に良好な環境下であっても、λ/100以下の精度し
か得られないが、超分解能の精度の高い実験の場合に
は、λ/1000の精度が所望乃至必要である。それでも、
前述のFour−Bucker−アルゴリズムは、所望の精度に関
して、この精度を改善し得る最善の候補である。

本発明の課題は、干渉顕微鏡の空間及び位相分解能
を、超分解能の観点で最適化された方法乃至干渉顕微鏡
を提示することにある。

方法的な観点では、この課題は、本発明によると、干渉画像検出器の前に結合された、倍率を調整すること
ができるズーム装置を用いて、倍率（Ｖ）を調整し、該
倍率（Ｖ）によって、測定すべき不確定位置領域（Δ
ｘ）を、検出器スクリーンの１部分領域、場合によって
は、画像領域の１部分領域に対応付させ、その際、前記
倍率（Ｖ）は、位相画像における位相（φ）の位相勾配
（δφ／δｘ）及び信号−対−雑音比（SNR）に依存し
て調整され、そのために、帰還結合によって、位相画像
からの画像情報を、ズーム調整のために使用することに
よって解決される。

上述の解決手段の各要件により、冒頭に記載した形式
の方法での空間分解能を制御することができ、その際、
何れにせよ、位相分解能及び空間（ラテラル）分解能
を、位相画像内での各グラジエント乃至エッジの検出を
介して相互に結合することができ、つまり、位相が一定
の場合、この結合は、決して行われないのである。

それに相応して、位相分解能（Δφ）及び各縁、エッ
ジ乃至リッジの位置測定精度を以下のように表すことが
できる：（５）Δφ＝Δｘ・δφ／δｘここで、δφ／δｘは、縁の勾配を用いて表すことが
できる量である。位相φが、位置座標ｘの連続関数であ
るので、算出されたδφ／δｘを用いて、位相Δφの測
定時の不確定領域は、位置（例えば、縁）の測定時の不
確定位置領域Δｘを伴い、式（５）によって与えられ
る。

式（３）及び（４）から、不確定位相領域は、検出器
ノイズに正比例し、その結果、（６）Δφ＝1/SNR_D である。

そこで、SNR_Dは、検出器の信号−対−雑音−比を示
す。この点については、前述のCatherine Creathの論文
“Phase−Measurement Interferometry Techniques"E.W
olf,Progress in Optics XXVT,Amsterdam 1988,頁350−
393に記載されており、当業者には自明の事項である。

その際、装置内の分散により制約されるコヒーレントな
ノイズは、同じ効果を有している点に考慮すべきであ
る。従って、このような、ノイズの２つの起源につい
て、以下のように纏めることができる。

式（５）から分かることは、Δｘは、画像領域内で、
検出器ノイズSNR_D及び縁の勾配δφ／δｘが分かってい
る場合に検出することができ、その際、場合によって
は、局所又は平均化された縁勾配をΔｘの測定のために
得ることができるということである。

空間的（ラテラル）分解能は、本発明によると、不確
定位置領域Δｘが、量pdpと等しくなるようにして画像
を拡大することによって最適化され、その際、dpは、検
出器ピクセルの大きさであり、ｐは、１よりも小さなピ
クセル補間係数（実際には、例えば、ｐ＝0.1）であ
る。そのため、本発明によると、干渉顕微鏡に、調整す
ることができる別個のズーム−倍率拡大装置が設けられ
ている。その際、この調整は、位相画像から得られる縁
勾配に関する情報によって制御される。

このズーム倍率は、（７）Ｖ＝pdp/Δｘ＝pdp・δφ／δｘ・SNR によって得られる。光学ズーム倍率は、不確定位置領域
Δｘをカメラの分解能（pdp）に等しくするような倍率
にすることによって得られる。この（７）式で得られる
倍率は、本発明の調整の目的である。即ち、初めに、位
相縁の勾配が値δφ／δｘであると、その結果、不確定
位置領域Δｘは、式（５）及び（６）から、 Δｘ＝（（δφ／δｘ）・SNR_D）^-1 により得られ、Δｘが量pdpと等しくなるようにするこ
とによって、倍率を拡大する必要があり、こうすること
により、式（７）によりズーム倍率が達成される。自動
作動中、このズーム倍率は、制御電子回路によって制御
される。この制御回路は通常のやり方であり、当業者に
は公知のことである。

この式（７）では、値pdp及びSNRは、与えられるもの
と見なすことができる。この積は、経験的に求めること
ができる。実際には、dpは、12μｍであり、ｐは、0.2
であり、SNRは、51.2として設定することができる。

従って、式（７）を考慮して、本発明によると、先
ず、一度、１位相画像から、縁勾配が算出され、それに
より、増幅器を用いて、その他の所与の各値を考慮し
て、倍率Ｖに比例する信号を形成することができる。こ
の信号により、ズーム−モータを制御することができ
る。また、本発明によると、帰還結合分路によって、位
相画像から得られた情報から、最適な倍率が求められ、
その倍率を用いて、ズーム装置が調整され、それによ
り、結果が改善されて、検出器装置を最適に利用するこ
とができる。

本発明の方法の実施例では、干渉画像での位相特異点
を用いた位置の検査乃至測定のために、検出器ノイズ
（SNR）に対して比例し、且つ、光ビーム幅パラメータ
（ｂ）に反比例する最大倍率（V_S）が選定される。

位相特異点は、例えば、比較的高次のレーザーモード
で形成することができる。そこでは、リニアな特異点が
形成される。

その種の各モードの、縮退した重なりにより、点状の
特異点が生じることがある。更に、干渉パターンでの各
特異点は、ガウス分布の２つの光ビームの干渉の際、形
成することができる。荒い表面から拡散されて、開口を
用いて観測される、各領域の班パターンの場合でも、特
異点を形成することができる。同様に、領域が非連続的
に表面から拡散されている場合、特異点を形成すること
ができる。

式（７）に基づいて、この特異点の場合に、最大倍率
係数V_Sに達する。と言うのは、特異点の場合に、その画
像面での位相分布の最大勾配が形成されるからである。
特にリニアな特異点の場合、このリニアな特異点は、ゼ
ロ振幅の輪郭として定義することができ、そのゼロ振幅
の両側で、各波は、相互に逆の位相を有している。従っ
て、特異点の超過の際には、位相は、πから跳躍的に変
化する。その位相グラジエントの勾配は、そのような点
では、無限である。

Four−Bucket−アルゴリズムを用いて、そのような特
異点を検査する場合、領域は、ｘ＝０での特異点の隣
で、（８）Ｅ＝x/b によって与えられ、振幅の位相が、πだけ跳躍的に変化
する。ｂは、適切な光ビーム幅パラメータである。特異
点は、例えば、異なった光ビーム中心を有する２つのガ
ウス光ビームの干渉によって形成することができる。

参照領域E_R＝ｅ^ｉφの干渉から、（９）I₁＝１＋x²/b²＋２・x/b・cosφ が形成される。

Four−Bucketアルゴリズムを用いて、以下が得られ
る：（10）（I₃−I₄）／（I₁−I₂）＝（４・x/b・sinφ）／（４・x/b・cosφ）係数４・x/bを約分すると、特異点の両側面上に同じt
anφが得られることが分かる。これは、驚くべきことで
はない。と言うのは、tanφは、周期πで周期的である
からである。位置ｘ＝０では、式（10）の右側の分数
は、不定である。

物理的意味を得るためには、ノイズ項をI₁−I₄に加算
する必要がある。特異点は、そうでない場合には滑らか
な位相プロフィールのゆらぎと見なされるにすぎない。

特異点の輪郭は、通常のゼロ振幅の位置として以下の
式から得ることができる：（11）I₁−I₂＝４・x/b・cosφ I₃−I₄＝４・x/b・sinφ この両式から、各ノイズ項の加算後、特異点輪郭の局
所化の精度は、（12）δx/b＝1/SNR その結果、ズーム倍率係数Ｖの最大値が以下の式によ
って得られる：（13）Vs＝pdp/b・SNR 各位相対象の各画像での特異点の検出及び局所化につ
いての実験的及び理論的研究は、既に、V.P.Tychinsky
によって行われており、例えば、刊行物Opt.comm.80.1
頁〜７頁（1991）、及び同74.41頁〜45頁（1989）に記
載されている。

Tychinskyの顕微鏡の倍率は、V_S・ｂが検出器の大き
さに対して同じであるように選定される。この場合に
は、値V_S・ｂを割るpdpは、１行のピクセルの数のオー
ダーである。Tychinskyでは、分解能は、ピクセルの数
によって制限されている。しかし、不必要な制限であ
る。V_S・ｂは、検出器よりも大きく選定してもよい。Ty
chinskyによると、分解能は、に比例する。本発明では、（12）において、コヒーレン
トな検出により、分解能が1/SNRに比例するように示さ
れる。

本発明の次の実施例（独立した保護が請求されてい
る）では、測定に必要な、場合によっては設けられる参
照物体の位置が、参照物体の側で、干渉測定を用いて調
整されるようにすることによって特徴付けられる。

更に、前述のように、いわゆるFour−Bucketアルゴリ
ズムは、参照物体、例えば、参照ミラーの調整の際、特
に、参照ミラーを段階的に調整する際の誤差に比較的影
響され易い（式（２）と（３）との間で示されてい
る）。

この方法の、位置の影響を受け易さによって精度を損
なわないようにするために、本発明によると、参照物体
のそれぞれの位置を、その物体側で、干渉測定を用いて
調整乃至検査することが提案されている。複雑な干渉系
では、更に第２の独立した干渉系を統合する必要がない
ようにするために、次の実施例が提案されている。即
ち、測定に必要な、参照物体の位置の調整のために、干
渉画像検出器と同一にすることができる検出器と、参照
物体乃至参照物体用の移動装置との間の帰還結合によっ
て、少なくとも１つの、予め検出された画像の情報が利
用され、つまり、干渉系自体が参照物体の相応の較正の
ために使われるのである。その際、干渉画像検出器その
ものを使用することができ、この検出器の所定領域を使
用することができ、又は、別個の簡単な検出器を使用す
ることもできる。と言うのは、その検査測定は、出来る
限り迅速に行う必要があるからである。

参照物体の軸線方向位置制御は、最も簡単には、参照
物体の位置を調和振動を加えることによって変調乃至変
化するようにして行われる。その際、所定周波数ω、例
えば、1000Hzの変調振動が使用される。この方法の殊に
エレガントで有利な実施例では、参照物体の位置決め用
の物体が、そのためにその物体の側で実行すべき干渉測
定に関して、参照物体として使用されるのである。

参照物体の軸線方向での位置制御の方法及び効果につ
いて、以下詳細に説明する： π/2−位相ステップ（Four−Bucket−アルゴリズムの
場合に実行される）の微細且つ厳密な制御による位相測
定の精度の制御が提案されている。これを行う一つの手
段は、この各位相ステップを別個の干渉計（顕微鏡の参
照ビーム内に挿入されている）を用いて測定することに
ある。これは、勿論実行可能であるが、付加的に複雑
な、設定すべき系を必要とする。更に、その際、物体と
参照物体との間の、例えば、振動によって、場合によっ
て生じる相対的な位置変化は、検出も補償もできない。

また、この提案の利点は、物体自体を参照ミラーの位
置測定のために利用する点にある。それにより、殊に正
確に、物体に対する参照ミラーの位置も決められる。更
に、この方法により、この系の既存の機能を最も良く利
用することができるようになる。この制御のためには、
別個の検出器を使用してもよい。しかし、干渉信号を、
干渉画像検出器の主要部を介して平均化することによっ
て求めることもできる。この信号は、以下のように表す
ことができる：（14）＝^２（１＋cos）この式では、求められた位相は、以下の式により与えら
れる：（15）tan＝＜sinφ＞／＜cosφ＞その際、括弧は、干渉画像検出器の利用部分に亙って
の積分を意味するものとする。変調深さμは、ほぼ以下
の式により与えられる：（16）＝１−Ｄ（φ）ここで、Ｄ（φ）は、物体の位相の変数である。干渉
顕微鏡で公知のやり方で、参照ミラーが、距離（φ_０・
λ/2π）に亙ってシフトされた場合、それにより、基準
位相は値φ_０だけ変化し（φ_０は、基準位相の変化分で
あり、は、φの平均値である）、積分された信号は、
以下のようになる：（17）＝^２（１＋cos（−φ_０））参照ミラーの、値（−φ_０）が、−π/2,0,π/2,π
に等しいような位置が求められる。

これを求めるためには、参照ミラーの位置は、調和の
周波数ω（小さい振幅Δφ、典型的には、λ/100のオー
ダー）で変調され、その結果、以下の積分された信号が
得られる：（18）(ｔ)＝^２(１＋cos(−φ_０＋Δφcosωｔ)) ＝φ_０＝０である場合、強度（ｔ）は、ω及び２
ωでの、正規化された振幅０及び−１を持った周波数成
分を有している。−φ_０＝πの場合、この正規化され
た振幅は、０及び１であり、−φ_０＝π/2の場合、振
幅は、１及び０であり、−φ_０＝−π/2の場合、振幅
−１及び０である。従って、帰還結合ループは、参照ミ
ラーを、そのように特徴付けられた位置の一つに極めて
正確に調整するように構成することができる。変調深さ
は、制御ループのスティフネスを決める。これは、式
（16）から分かるように、変数Ｄ（φ）が小さい場合に
は大きい。その際、比較的滑らかな物体である。ざらざ
らした物体の場合、小さな変調深さが得られる。これ
は、合理的でもある。と言うのは、正確な位相測定は、
殊に、小さな位相変化の物体の場合に必要であるからで
ある。

冒頭に引用した論文Creathのシミュレーションから分
かることは、λ/1000の精度でFour−Bucket−アルゴリ
ズムを実行するためには、位相ステップの１％の精度で
充分であるということである。10mラジアンの変調振幅
の場合、これは、ノイズ（SNR）は、積分された信号の3
0dB（10bit−抑圧）を必要とする。これは、CCD−列の
主要部に亙って積分され、又は、積分された信号を形成
するために、別個のダイオードを使用すると、現実的で
あるように思われる。この別個のダイオードを用いた場
合には、CCD−列の主要部に亙って積分した場合より
も、極めて高速の位相ステップを実行することができる
ようになる。例えば、ピエゾ−セラミックアクチュエー
ターを使用した場合、小さな振幅で1000Hzの周波数変調
を実行することができるようになる。

装置によると、立てられた課題は、本発明によると、
干渉画像検出器と同一にすることができる検出器と、各
部分光ビームの一つによって照射された参照物体用の作
動装置との間に帰還結合分路を設けることを特徴とする
改善された干渉顕微鏡によって解決される。これによ
り、この方法での既述の利点は、例えば、参照ミラーを
正確に調整して、それにより、Four−Bucket−アルゴリ
ズムに関して、比較的正確な測定を達成するために、位
相画像からの情報を利用することができるようにして、
達成される。この予備調整測定は、例えば、干渉画像検
出器の所定の領域を用いて決めることができるか、又
は、その他の別個の高速検出器を用いることができる。

本発明の別の実施例によると、干渉顕微鏡は、参照物
体用の作動装置が、所定周波数での参照物体の振動運動
用の発振器、それぞれの検出器信号用の入力側、積分さ
れた強度信号（ｔ）の異なる周波数成分における入力
側の各信号を比較して、この比較結果に依存して制御部
を制御して、参照物体を位置決めするための比較器を有
していることにより特徴付けられる。これに対しても、
このやり方及び効果については、本発明の方法での相応
の個所で既に説明されている。

本発明の干渉顕微鏡の次の別の実施例（独立的な保護
が請求されている）は、干渉画像検出器の前に結合され
た、倍率Ｖが調整可能なズーム装置及び干渉画像検出器
と、物体の測定すべき、それぞれの測定状況に依存して
ズーム装置の倍率Ｖを調整するための調整装置との間の
帰還結合分路とを有していることを特徴とする。

正に、ズーム装置を用いた倍率拡大も、帰還結合分路
を用いることによる効果を以て調整され、その際、最適
倍率の調整のために、所要情報が位相画像から得られ、
例えば、CCD−列の１ピクセル内に補間されていて、検
出器を、その様に殊に良好に利用することができるよう
にされる。干渉顕微鏡は、そのために、有利には、帰還
結合分路内に、干渉画像検出器の干渉画像の処理用の画
像処理装置及び調整装置の相応の制御用の制御電子回路
を有している。

実施例によると、干渉顕微鏡は、制御電子回路が、画
像処理装置で算出された信号用の入力側と、増幅器とを
有していて、この信号は、関心のある位置領域Δｘ内の
干渉画像の測定された位相の勾配に依存しており、増幅
器は、その位相勾配に比例する、倍率Ｖの調整用の制御
信号を送出するようにしたことを特徴とする。

本発明の、その他の要件が得られる実施例について、
図示されている。その際：図１は、本発明のリニーク型の干渉顕微鏡の平面略図を
示し、図２は、参照ミラーの位置制御用の帰還結合ループのブ
ロック接続図を示し、図３は、倍率の調整および制御用の帰還結合ループを供
えた、図１の型の干渉顕微鏡を示し、図４は、図３の帰還結合分路のブロック接続図を示し、図５は、変更された照射装置を備えた、図３の干渉顕微
鏡の変形実施例を示す図である。

図１には、リニーク型の本発明の干渉顕微鏡の第１の
実施例が示されている。

この系は、物体１（図示の場合には、反射されてい
る）、対物レンズ２、ビームスプリッター３（半透過鏡
として構成されている）照射光ビーム４（光源から送出
された）参照対物レンズ５（対物レンズ２に相応して構
成されている）、参照ミラー６（図示の２重矢印の方向
で光ビームに対して同軸方向に可動である）を有してい
る。更に、参照ミラー６は、２つの軸線の回りに揺動乃
至回動可能である。更に、系は、干渉画像検出器として
CCD−列７（その画像は、画像プロセッサー19によって
各位相画像に変換される）を有している。

照射光ビーム４は、ビームスプリッター３に入射し、
このビームスプリッター３によって物体ビームと参照ビ
ームとに分割される。この物体ビームは、対物レンズ２
を通って検査すべき物体１に入射し、この物体１によっ
て反射され、参照ビームは、参照対物レンズ５を通って
参照ミラー６に入射し、この参照ミラー６によって反射
される。ビームスプリッター３の領域内では、両分割光
ビームは、再び合成して案内されて、CCD−列７に投射
され、このCCD−列７で、両部分光ビームの干渉画像が
測定される。先ず、強度Ｉの強度パターンが測定され
る。しかし、殊に、位相についての位相情報が得られ、
この位相情報から、最終的に、回折限界を越える干渉顕
微鏡の超分解能（即ち、式（１）〜（４）に従う）が得
られる。そのために、参照ミラー６は、段階的に、その
位置が変えられるようにする必要があり、つまり、波長
の各分数に相応する段階ずつ変える必要がある。このミ
ラー位置の調整の精度に、結局は、本来の干渉測定の精
度も依存するのである。従って、参照ミラー６の正確な
ミラー位置の調整は、図１に示されている干渉顕微鏡で
は、帰還結合分路８を用いて、つまり、制御装置９によ
って制御乃至調整される。帰還結合分路の場合、干渉画
像検出器として使用されるCCD−列７から情報が取り出
されるが、そのために、簡単な、付加的な検出器10を設
けることもできる（図１に実施例として示されているよ
うに）。この検出器10の場合、干渉光ビームが光ビーム
路から分路されている。

実質的には、参照ミラー６の位置調整の制御のために
は、この参照ミラーは、バイブレーションでの調和振動
で、即ち、位置振動させて使用される。式（14）〜（1
8）によると、その式から、参照ミラー６の位置調整の
所望の情報を得ることができる。

図２には、図１の制御装置９の詳細ブロック接続図が
示されている。

制御装置９は、入力側11を有しており、この入力側11
を介して、強度信号が検出器10又は検出器７の集積領域
から入る。更に、制御装置９は、発振器12を有してお
り、この発振器12は、変調周波数ωで、参照ミラー６を
作動し、比較周波数ω、２ωを形成し、この比較周波数
をヘテロダイン増幅器13乃至14で入力信号と混合する。
このヘテロダイン増幅器13乃至14の（バンドフィルタリ
ングされた）出力信号Ａ（ω）及びＡ（２ω）は、比較
回路15で、画像プロセッサー19によって形成された参照
信号A₁及びA₂と比較される。それから、この比較結果に
基づいて、相応して、比較器15の出力信号によって、参
照ミラー６が所望の位置に正確に調整される。

図３には、図１の型の干渉顕微鏡の実施例が示されて
おり、殊に、帰還結合分路８（分かり易くするために図
３では省略されている）に付加的に、図３の干渉顕微鏡
は、帰還結合分路16を有しており、この帰還結合分路16
は、倍率Ｖの調整のための倍率拡大装置として、ズーム
装置17、並びに、制御電子回路18及び画像プロセッサー
19を有している。同じ構成要素は、図１と同じ参照記号
で示されている。

帰還結合分路16によって、CCD−列７で得られた干渉
画像に依存して、ズーム装置17を介して、そのような倍
率Ｖが最適乃至最大に調整され、この倍率は、CCD−列
のピクセル内の所定の補間の際、CCD−列の一層良好な
利用、従って、最適な分解能が達成される。

制御電子回路18は、図４では、ブロック結合図でやや
詳細に図示されている。

画像プロセッサ19から、入力信号20が先ず増幅器21に
供給され、増幅器21は、倍率Ｖに比例する信号を比較器
22に送出し、比較器22は、倍率から１倍率ステップを減
算する。この比較器の出力信号は、電力増幅器23に供給
され、この電力増幅器23は、モーター24を制御し、モー
ター24は、ズーム装置17の相応のズーム調整を行う。

図５には、本発明の干渉顕微鏡の別の実施例が示され
ている。同じ構成要素は、図１と同じ参照番号で示され
ている。

更に、この干渉顕微鏡は、ズーム装置17を使うことが
できる。

この干渉顕微鏡での特殊性は、光源25の構成にある、
つまり、照射光ビームの光ビーム路が、光学系26及び方
向変換ミラー27を介して形成されて、照射光ビーム、並
びに、ズーム装置17を介して帰還された干渉光ビーム
も、図３に図示された場合とは別のようにして供給され
るように構成されている点にある。

基本的には、干渉顕微鏡用の広帯域光源を、単色光源
のように使用することもできる。物体ビームと参照ビー
ムとの間の光学的経路長を、光源のコヒーレント長より
も小さく保持するように注意する必要がある。その際、
物体の照射部分は、検出器の大きさ及び倍率に適合して
いる必要がある。これは、照射分路での倍率の制御を必
要とする。この要件は、照射光ビームがズーム装置17を
介して送出される図５の装置では、簡単に別の要件なし
に充足することができる。

コヒーレント長が制限された光源を用いた場合の効果
は、装置内で拡散された光が、物体ビームと参照ビーム
と共にインコヒーレントなものと見なすことができると
いう点にある。これにより、同一背景強度が検出器で形
成されるが、この同一背景強度は、Four−Bucket−アル
ゴリズムを使用して抑圧される。引用したTychinskyの
研究では、物体は、焦点化されたレーザー光ビームで照
射される。この光ビームの像によって、検出器が覆われ
ている。この場合、焦点化された照射が必要であるが、
他の場合には、その照射パターンを、種々に可視領域に
適合させる必要がある。図５の装置により、そのような
適合が実現される（自動的に）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ローベルトマセリンクドイツ連邦共和国Ｄ−28844 ヴァイエ−レーステベーケングルント８ (72)発明者ハンスヘルマンシュライアードイツ連邦共和国Ｄ−26131 オルデンブルクアウグスト−ヴェークマン− シュトラーセ７ (56)参考文献特開平５−264545（ＪＰ，Ａ) 特開平４−289402（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 9/02 G01B 9/04 G01B 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】分解能が極端に高い干渉顕微鏡を用いて、
物体（１）の顕微鏡検査を行う方法であって、前記干渉
顕微鏡では、前記物体（１）は、光源（25）を用いて対
物レンズ（２）を通して照射され、その際、前記光源の
光ビーム（４）は、ビームスプリッタ（３）を介して少
なくとも２つのコヒーレントな部分光ビームに分割さ
れ、該各部分光ビームのうちの少なくとも１つの部分光
ビームは、前記物体（１）の照射のために使用され、前
記各部分光ビームは、前記物体（１）の照射後、干渉さ
れて再度合成して案内され、画像領域において走査され
る干渉画像検出器（７）に、少なくとも１つの干渉画像
を形成するために案内され、１つ又は複数の干渉画像の
画像情報から、適切なアルゴリズムを用いて位相画像が
算出され、回折限界を超過する分解能の達成のために、
即ち、利用光ビームの1/2波長よりも小さな前記物体
で、測定すべき不確定位置領域（Δｘ）の回折限界を超
過する分解能の達成のために位相画像算出される方法に
おいて、干渉画像検出器（７）の前に結合された、倍率（Ｖ）を
調整することができるズーム装置（17）を用いて、倍率
（Ｖ）を調整し、該倍率（Ｖ）によって、測定すべき不
確定位置領域（Δｘ）が、検出器スクリーンの１部分領
域に割当てられ、その際、前記倍率（Ｖ）は、位相画像
内の位相（φ）の位相勾配（δφ／δｘ）及び信号−対
−雑音比（SNR）に依存して調整され、そのために、帰
還結合によって、位相画像からの画像情報が、ズーム調
整のために使用されることを特徴とする方法。
【請求項２】干渉画像での位相特異点を用いた位置の検
査乃至測定のために、検出器ノイズ（SNR）に比例し、
且つ、光ビーム幅パラメータ（ｂ）に反比例する最大倍
率（V_S）が選定されることを特徴とする請求の範囲第１
項記載の方法。
【請求項３】測定に必要な参照物体（６）の位置が、参
照物体の側で、干渉測定を用いて調整されるようにする
ことを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項記載の
回折限界を超過する分解能の干渉顕微鏡を用いて、物体
の顕微鏡検査を行う方法。
【請求項４】測定に必要な、参照物体（６）の位置の調
整のために、干渉画像検出器（７）と同一にすることが
できる検出器（10）又は付加的な検出器（10）と、参照
物体（６）乃至該参照物体（６）用の移動装置との間の
帰還結合によって、少なくとも１つの、予め検出された
画像の情報が利用されるようにすることを特徴とする、
請求の範囲第３項記載の回折限界を超過する分解能の干
渉顕微鏡を用いて、物体の顕微鏡検査を行う方法。
【請求項５】参照物体（６）の位置は、第２の個所に調
和振動（周波数ω）を加えることによって変調乃至変化
され、それにより生じる、変調乃至変化なしの第１の個
所での位相φ_０と前記第２の個所の領域内での変調によ
って変化した位相φ_０＋Δφcosωｔとの間の位相差の
変化から、前記参照物体（６）の位置決め用の比較的正
確なデータを得ることができるようになることを特徴と
する請求の範囲第４項記載の方法。
【請求項６】参照物体（６）の位置決め乃至位置調整の
ため、集積された強度信号（ｔ）の各周波数成分は、
変調周波数（ω）及び２倍の周波数（２ω）の元で取り
出されるようにしたことを特徴とする請求の範囲第５項
記載の方法。
【請求項７】照射は、光源（25）から到来した光ビーム
（４）を用いて、該光ビームの、物体ビーム及び参照ビ
ームへの光ビーム分割の前に、ズーム光学系（17）によ
って行われ、該光学系を用いて、干渉された各光ビーム
の干渉画像が、前記各光ビームが合成して案内された
後、干渉画像検出器（７）に画像形成されるようにする
ことを特徴とする請求の範囲第１項から第６項迄の１項
記載の方法。
【請求項８】物体（１）の照射用の光源（25）と、該光
源（25）から送出された光ビーム（４）を少なくとも２
つのコヒーレントな各部分光ビームに分割するためのビ
ームスプリッター（３）とを備えており、前記各部分光
ビームのうち、少なくとも１つの部分光ビームは、前記
物体（１）の照射用に設けられており、更に、画像領域
内が走査される干渉画像検出器（７）を有していて、干
渉された各部分光ビームの干渉画像の形成のために用い
る、請求の範囲第１項から第７項迄の１記載の方法を実
施するための干渉顕微鏡において、干渉画像検出器（７）の前に接続された、倍率（Ｖ）を
調整することができるズーム装置（17）と、前記干渉画
像検出器（７）と前記ズーム装置（17）の倍率（Ｖ）を
測定すべき各測定状況に依存して調整するための調整装
置（24）との間の帰還結合分路（16）とが設けられてい
ることを特徴とする干渉顕微鏡。
【請求項９】帰還結合分路（16）は、干渉画像検出器
（７）の干渉画像の処理用の画像処理装置（19）と、調
整装置（24）の相応の制御用の制御電子回路（18）とを
有していることを特徴とする請求の範囲第８項記載の干
渉顕微鏡。
【請求項１０】制御電子回路（18）が、画像処理装置
（19）で算出された信号用の入力側（20）と、増幅器
（21,23）とを有していて、前記信号は、物体（１）の
関心位置領域内の干渉画像の測定された位相の勾配に依
存しており、増幅器（21,23）は、前記位相勾配に比例
する、倍率（Ｖ）の調整用の制御信号を送出するように
したことを特徴とする請求の範囲第９記載の干渉顕微
鏡。
【請求項１１】光ビーム案内装置が設けられており、該
光ビーム案内装置は、照射光ビーム（４）をコヒーレン
トな各部分光ビームに分割する前に、光源（25）から到
来した照射光ビーム（４）をズーム光学系（17）によっ
て伝送し、該ズーム光学系（17）によって、干渉画像が
干渉画像検出器（７）に画像形成されることを特徴とす
る、請求の範囲第８項から第10項迄の１項記載の干渉顕
微鏡。