(57)【要約】【課題】  観察物体の形状に係わらず、つまりエッジ部分や平面状部分が混在しているか否かといったことに係わらず、その形状分布、或いは位相分布といった形状を示す情報を高精度に計測できる形状計測装置を提供する。【解決手段】  演算処理部４２は、画像取得部４１が取得したリターデーション量がθ、−θの２つの微分干渉画像から差画像Ｄ、和画像Ｓを形成し、形成した差画像Ｄ、及び和画像Ｓを用いて関連成分画像を形成する。次に関連成分画像上のエッジを抽出し、その抽出結果を用いて領域分割を行う。その分割後は、画像コントラスト変化が比較的に大きい領域はデコンボリューション処理により、その変化が比較的に小さい領域は積分処理により、位相成分をそれぞれ算出し、算出した位相成分の合成を行う。【選択図】      図２
2006300714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察物体の偏光成分のリターデーション量が異なる少なくとも２つの微分干渉画像から該観察物体の形状の計測を行う形状計測装置であって、
前記微分干渉画像を取得する画像取得手段と、
前記画像取得手段により取得した少なくとも２つの微分干渉画像から、前記観察物体の形状分布、及び位相分布の一方の微分値に関連した画像成分を持つ関連成分画像を形成する画像形成手段と、
前記画像形成手段が形成した関連成分画像をコントラストに注目して１種類以上の領域に分割する領域分割手段と、
前記領域分割手段が分割した領域毎に、該領域の種類に応じた処理を行い、前記形状分布、及び位相分布の少なくとも一方の形成を行う成分形成手段と、
を具備することを特徴とする形状計測装置。
【請求項２】
前記領域分割手段が前記関連成分画像を複種類の領域に分割した場合に、前記成分形成手段が前記領域毎に形成する形状分布、及び位相分布の少なくとも一方の合成を行い、前記観察物体の形状分布、及び位相分布の少なくとも一方を再生する合成手段、
を更に具備することを特徴とする請求項１記載の形状計測装置。
【請求項３】
前記合成手段は、前記領域分割手段が分割した領域間の包含関係を考慮して、前記合成を行う、
ことを特徴とする請求項２記載の形状計測装置。
【請求項４】
前記画像形成手段は、前記画像取得手段により取得した少なくとも２つの微分干渉画像から、夫々対応する画素毎に減算を行い、前記画像成分を持つ関連成分画像を形成する、
ことを特徴とする請求１記載の形状計測装置。
【請求項５】
前記画像形成手段は、前記画像取得手段により取得した少なくとも２つの微分干渉画像から、夫々対応する画素毎に減算を行って得られる差画像、及び夫々対応する画素毎に加算を行って得られる和画像をそれぞれ形成し、該形成した差画像、及び和画像を用いて前記関連成分画像を形成する、
ことを特徴とする請求１記載の形状計測装置。
【請求項６】
前記画像形成手段は、前記画像取得手段により取得した少なくとも２つの微分干渉画像から、夫々対応する画素毎に減算を行って得られる差画像、及び夫々対応する画素毎に乗算を行って得られる積画像をそれぞれ形成し、該形成した差画像、及び積画像を用いて前記関連成分画像を形成する、
ことを特徴とする請求１記載の形状計測装置。
【請求項７】
前記領域分割手段は、前記コントラストに注目することにより、該コントラストの変化の大きさに応じて２種類の領域に前記関連成分画像を分割する、
ことを特徴とする請求１、２、または３記載の形状計測装置。
【請求項８】
前記成分形成手段は、前記領域の種類に応じた処理として、前記コントラストの変化が比較的に大きい種類の領域では前記微分干渉画像を撮像した微分干渉顕微鏡での前記偏光成分の分離量、及び該微分干渉顕微鏡の光学特性から求まる応答特性を用いたデコンボリューション処理を行い、該コントラストの変化が比較的に大きくない種類の領域では該偏光成分の分離量を用いた積分処理を行う、
ことを特徴とする請求１記載の形状計測装置。
【請求項９】
観察物体の偏光成分のリターデーション量が異なる少なくとも２つの微分干渉画像から該観察物体の形状の計測を行う形状計測装置に実行させるプログラムであって、
前記微分干渉画像を取得する機能と、
前記取得する機能により取得した少なくとも２つの微分干渉画像から、前記観察物体の形状分布、及び位相分布の一方の微分値に関連した画像成分を持つ関連成分画像を形成する機能と、
前記形成する機能により形成した関連成分画像をコントラストに注目して１種類以上の領域に分割する機能と、
前記分割する機能により分割した領域毎に、該領域の種類に応じた処理を行い、前記形状分布、及び位相分布の少なくとも一方の形成を行う機能と、
を実現させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光成分のリターデーション量が異なる観察物体の少なくとも２つの微分干渉画像からその観察物体の形状の計測を行うための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
微分干渉顕微鏡では、物体に照射する光を２つに分け、これらの光の干渉によって生じる位相差や干渉色を可視化することができる。そのため、生体や透明な試料でも染色することなく、その形状を観察できるという利点を有している。それにより、生体やＩＣパターン等の微細構造を持つ物体の観察に広く用いられている。また、観察の他に、物体の位相分布や微細形状の計測にも用いられるようになっている。形状計測装置は、微分干渉顕微鏡により得られた微分干渉画像を用いてその計測を行うものである。従来の形状計測装置としては、例えば特許文献１、２、或いは非特許文献１に記載されたものがある。
【０００３】
例えば特許文献１には、微分干渉顕微鏡をシャーリング干渉計、及びマッハツェンダー干渉計と考えて、位相シフトレチクルの欠陥検出や位相検出に応用できる形状計測装置が記載されている。しかし、その形状計測装置は、周知の干渉計測技術を応用したものであり、観察物体面で発生する光の回折の影響は考慮されていない。また、観察物体における光の反射率や透過率の変化による光の強度変化に対する影響についても考慮されていない。これらのことから、形状が平滑でないような観察物体では計測精度が低かった。
【０００４】
観察物体面での光の回折や強度変化の影響を考慮した従来の形状計測装置としては、例えば特許文献２、或いは非特許文献１に記載されたものがある。その形状計測装置は、微分干渉顕微鏡によって得られた画像から、観察物体の位相情報を以下のようにして抽出している。ここでは説明を簡単にするため、１次元データの画像を想定して行うことにする。
【０００５】
微分干渉顕微鏡における２つの偏向成分の相対的なリターデーション（位相差）量をθとすると、微分干渉顕微鏡における１次元画像の強度分布Ｉ（ｘ，θ）は、以下のように表せる。
【０００６】
【数１】
2006300714.tif 000003
【０００７】
ここで、Φ（ｆ）は観察物体の位相分布Φ（ｘ）のフーリエ係数、Ｃはｘ点での透過率、又は反射率、ｆは空間周波数、Δはノマルスキープリズムのシアー量、をそれぞれ表している。式（１）右辺の第１〜第３項はそれぞれ、回折されずに透過した光成分、位相分布の微分値成分、及び観察物体面での屈折した光成分と倍周波数の非線形画像成分、をそれぞれ表している。また、微分干渉顕微鏡に搭載された結像光学系の瞳関数をＰ（ξ）、照明光学系の瞳の強度分布関数をＳ（ξ）とすると、式（１）中のＭ（ｆ）、ｍ０（ｆ）、及びｍｄ（ｆ）は、以下のように表すことができる。
【０００８】
【数２】
2006300714.tif 000004
【０００９】
偏光成分のリターデーション量がθと−θとなっている２つの微分干渉画像の差画像情報と和画像情報を用いることにより、観察物体の位相情報は分離して抽出することができる。具体的には、差画像情報、及び和画像情報はそれぞれ式（１）を用いて、以下のような式（２）、式（３）で近似することができる。
【００１０】
【数３】
2006300714.tif 000005
【００１１】
観察物体の段差部分の位相分布θｅ（ｘ）は、式（２）と式（３）を用いて導出される式（４）により求めることができる。その位相分布θｅ（ｘ）を求める処理はデコンボリューション処理と呼ばれる。
【００１２】
【数４】
2006300714.tif 000006
【００１３】
このようなことから、微分干渉画像に対する微分干渉顕微鏡の光学応答特性を用いたデコンボリューション処理を行うことにより、観察物体の位相分布θｅ（ｘ）を求めることができる。観察物体が段差等のエッジを有する構造のものである場合には、そのエッジ部分での光の回折や散乱の影響を考慮し、正確な位相量を計測することができる。
【特許文献１】特開平５−１４９７１９号公報
【特許文献２】特開平９−１５５０４号公報
【非特許文献１】“位相偏重型微分干渉顕微鏡を用いた高精度段差計測”、Ｏｐｌｕｓ、Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、空間周波数がゼロ（平面）の付近では、微分顕微鏡の周波数応答関数（ＯＴＦ）の値は０に近いものとなる。そのため、デコンボリューション処理により観察物体上の平面に近い部分の位相分布θｅ（ｘ）を求める際に、１／（ｓｉｎ（πΔｆ）Ｍ（ｆ））の計算結果が不安定となる。それにより、その部分では、デコンボリューション処理を適用できない。
【００１５】
その解決策としては、有効桁数を大きくするなどしてデータ量を増やしてデコンボリューション処理を行うという方法が考えられる。しかし、そのような方法を採用しても、不安定性を完全には解消することはできない。また、処理時間がより長くなる、処理にはより大きいメモリ量が必要となる、といった別の不具合が発生してしまう。このようなことから、その方法の採用は望ましくはないと言える。
【００１６】
観察物体の平面、及びそれに近い部分（以降「平面状部分」と総称する）では、入射光は正反射または透過し、回折光は発生しないと考えても良いため、微分干渉画像は反射光または透過光だけの干渉によって形成されるものとして扱っても差し支えないと言える。それにより、観察物体に存在する平面状部分の形状の計測では、デコンボリューション処理は必ずしも採用する必要はないと考えられる。
【００１７】
本発明は、観察物体の形状に係わらず、つまりエッジ部分や平面状部分が混在しているか否かといったことに係わらず、その形状分布、或いは位相分布といった形状を示す情報を高精度に計測できる形状計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の第１の態様の形状計測装置は、観察物体の偏光成分のリターデーション量が異なる少なくとも２つの微分干渉画像から該観察物体の形状の計測を行う形状計測装置であって、微分干渉画像を取得する画像取得手段と、画像取得手段により取得した少なくとも２つの微分干渉画像から、観察物体の形状分布、及び位相分布の一方の微分値に関連した画像成分を持つ関連成分画像を形成する画像形成手段と、画像形成手段が形成した関連成分画像をコントラストに注目して１種類以上の領域に分割する領域分割手段と、領域分割手段が分割した領域毎に、該領域の種類に応じた処理を行い、形状分布、及び位相分布の少なくとも一方を再生する成分形成手段と、を具備する。
【００１９】
本発明の第２の態様の形状計測装置は、上記第１の態様における構成に加えて、領域分割手段が関連成分画像を複種類の領域に分割した場合に、成分形成手段が領域毎に形成する形状分布、及び位相分布の少なくとも一方の合成を行い、観察物体の形状分布、及び位相分布の少なくとも一方を再生する合成手段、を更に具備する。
【００２０】
なお、上記合成手段は、領域分割手段が分割した領域間の包含関係を考慮して、合成を行う、ことが望ましい。
上位画像形成手段は、画像取得手段により取得した少なくとも２つの微分干渉画像から、夫々対応する画素毎に減算を行い、画像成分を持つ関連成分画像を形成する、ことが望ましい。または、画像取得手段により取得した少なくとも２つの微分干渉画像から、夫々対応する画素毎に減算を行って得られる差画像、及び夫々対応する画素毎に加算を行って得られる和画像をそれぞれ形成し、該形成した差画像、及び和画像を用いて関連成分画像を形成するか、或いは画像取得手段により取得した少なくとも２つの微分干渉画像から、夫々対応する画素毎に減算を行って得られる差画像、及び夫々対応する画素毎に乗算を行って得られる積画像をそれぞれ形成し、該形成した差画像、及び積画像を用いて関連成分画像を形成する、ことが望ましい。
【００２１】
上記領域分割手段は、コントラストに注目することにより、該コントラストの変化の大きさに応じて２種類の領域に関連成分画像を分割する、ことが望ましい。成分形成手段は、領域の種類に応じた処理として、コントラストの変化が比較的に大きい種類の領域では微分干渉画像を撮像した微分干渉顕微鏡での偏光成分の分離量、及び該微分干渉顕微鏡の光学特性から求まる応答特性を用いたデコンボリューション処理を行い、該コントラストの変化が比較的に大きくない種類の領域では該偏光成分の分離量を用いた積分処理を行う、ことが望ましい。
【００２２】
本発明のプログラムは、観察物体の偏光成分のリターデーション量が異なる少なくとも２つの微分干渉画像から該観察物体の形状の計測を行う形状計測装置に実行させることを前提とし、微分干渉画像を取得する機能と、取得する機能により取得した少なくとも２つの微分干渉画像から、観察物体の形状分布、及び位相分布の一方の微分値に関連した画像成分を持つ関連成分画像を形成する機能と、形成する機能により形成した関連成分画像をコントラストに注目して１種類以上の領域に分割する機能と、分割する機能により分割した領域毎に、該領域の種類に応じた処理を行い、形状分布、及び位相分布の少なくとも一方を形成する機能と、を実現させる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、観察物体の形状に係わらず、つまりエッジ（段差）部分や平面状部分が混在しているか否かといったことに係わらず、その形状分布、或いは位相分布といった形状を示す情報を高精度に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態による形状計測装置が採用された形状計測用システムの構成図である。
【００２５】
そのシステムは、図１に示すように、光源１と、照明光学系、及び結像光学系を有し、その結像光学系により観察物体ＳＭの微分干渉画像を結像する微分干渉顕微鏡２と、その結像光学系により結像された微分干渉画像を撮像するためのＣＣＤカメラ３と、本実施の形態による形状計測装置４と、を備えた構成となっている。それにより、本実施の形態による形状計測装置は、そのカメラ３により撮像した微分干渉画像を用いて観察物体ＳＭの形状の計測を行うものとして実現されている。
【００２６】
上記微分干渉顕微鏡２は、リターデーション量を変化させるためのリターデーション変化装置２１と、その変化装置２１の光が入射する側に配置されたレンズ２２、絞り２３、及びレンズ２４と、その変化装置２１により直線偏光された光を観察物体ＳＭに向けて反射するハーフミラー２５と、そのミラー２５が反射した光を互いに直交する２つの直線偏光に分割するノマルスキープリズム２６と、そのプリズム２６を透過した光を観察物体ＳＭ上に集光する対物レンズ２７と、観察物体ＳＭからの反射光が対物レンズ２７、ノマルスキープリズム２６、及びハーフミラー２５を介して入射する検光子２８と、その検光子２８によって２つの偏光を干渉させた後の光を集光して観察物体ＳＭの微分干渉画像を結像する結像レンズ２９と、を備えて構成されている。
【００２７】
上記微分干渉顕微鏡２では、光源１から出射された光はレンズ２２、絞り２３、及びレンズ２４を介してリターデーション変化装置２１に入射する。その変化装置２１は、ノマルスキープリズム２６に入射する偏光に対し任意のリターデーション量を与えるためのものである。例えば図３に示すように、図３中に一点鎖線で示す光軸を中心に配置された偏光子２１ａ、及びλ／４板２１ｂと、その光軸を中心にして偏光子２１ａを回転させるためのモータ２１ｃと、を備えた構成となっている。そのような構成とすることにより、リターデーション量は偏光子２１ａの回転角のモータ２１ｃによる調整（変更）を通して任意に変更できるようになっている。モータ２１ｃは、形状計測装置４によって駆動される。なお、リターデーション量の変更は、偏光子２１ａの代わりにλ／４板２１ｂを回転させることで行うようにしても良い。
【００２８】
リターデーション変化装置２１によって直線偏光された光は、ハーフミラー２５によって反射され、ノマルスキープリズム２６に入射する。それにより、その光はプリズム２６によって互いに直交する２つの直線偏光に分割され、分割された直線偏光は対物レンズ２７によって観察物体ＳＭ上にそれぞれ集光される。観察物体ＳＭ上で反射されたそれらの偏光は、再度、対物レンズ２７を透過した後、ノマルスキープリズム２６により合波される。合波された偏光は、ハーフミラー２５を透過した後、検光子２８を透過することにより干渉しあうことになる。そのようにして合成・干渉させた偏光を結像レンズ２９に入射させることにより、ＣＣＤカメラ３上に観察物体ＳＭの微分干渉画像が結像する。形状計測装置４は、そのように結像され、ＣＣＤカメラ３によって撮像される微分干渉画像を用いて観察物体ＳＭの形状計測を行う。
【００２９】
図２は、その形状計測装置４の機能構成を説明する図である。図２に示すように、ＣＣＤカメラ３が撮像して電気信号に変換した微分干渉画像を取得する画像取得部４１と、その取得部４１が取得した微分干渉画像を対象に演算処理を行う演算処理部４２と、リターデーション変化装置２１を構成するモータ２１ｃを駆動するためのモータ駆動部４３と、ユーザーが各種入力を行うための入力部４４と、表示装置上に画像を表示させるための表示部４５と、装置４全体の制御を行う制御部４６と、各種データを記憶できる記憶部４７と、を備えた構成となっている。
【００３０】
上記機能構成を備えた形状計測装置４は、例えばコンピュータ（データ処理装置）に、各部４１〜４４、及び４６を実現させるプログラムをロードすることにより実現させたものである。上記記憶部４７は、例えばハードディスク装置であり、そのプログラムは記憶部４７に格納されている。演算処理部４２、及び制御部４６は、コンピュータに搭載された資源を随時、用いつつ、ＣＰＵが記憶部４７に格納されたそのプログラムを実行することで実現される。画像取得部４１、及びモータ駆動部４３はそれぞれ、例えば外部装置と接続するためのインターフェースであり、入力部４４、及び表示部４５はそれぞれ、例えばそのようなインターフェース、或いは１つ以上の装置である。例えば入力部４４であれば、インターフェース、キーボード、及びマウス等のポインティングデバイスである。ここでは便宜的に、入力部４４、及び表示部４５はそれぞれ後者、つまり入力部４４であればユーザが操作の対象となる装置やそのインターフェース等を含むものとして以降の説明を行う。
【００３１】
上記の構成において、その動作を説明する。
ユーザは入力部４４を操作することで観察物体ＳＭの形状計測を指示する。その指示を行うと、制御部４６はモータ駆動部４３に指示してモータ２１ｃを駆動させ、予め定めたリターデーション量となるように偏光子２１ａを回転させる。その回転後に、画像取得部４１に指示してＣＣＤカメラ３による微分干渉画像の撮像を行わせ、その画像を取得させる。そのようにして１つの微分干渉画像を取得した後は、別のリターデーション量となるようにモータ駆動部４３にモータ２１ｃを駆動させて、そのリターデーション量での微分干渉画像の撮像を行わせる。
【００３２】
このようにして、リターデーション量の異なる少なくとも２つの微分干渉画像を取得する。ここでは便宜的に、取得する微分干渉画像は２つ、リターデーション量はθ、−θであるとする。取得した２つの微分干渉画像は演算処理部４２に送られる。
【００３３】
その演算処理部４２は、画像形成部５１、領域分割部５２、位相部５３、合成部５４、及び変換部５５、を備えた機能構成となっている。各部５１〜５５は、それぞれ以下のような処理を行う。
【００３４】
画像形成部５１は、画像取得部４１が取得した２つの微分干渉画像（画像データ）から、夫々対応する画素毎に差演算（減算）を行ってそれらの間の差分を画素のデータとする差画像Ｄを形成し、形成した差画像Ｄを用いて、観察物体ＳＭの位相分布の微分値に関連した画像成分を持つ画像（以降「関連成分画像」と呼ぶ）を形成する。その関連成分画像は、具体的には以下のようにして形成する。
【００３５】
特許文献２に記載されているように、差画像Ｄを形成することにより、従来の縞走査法と同様に位相成分を分離することができる。先ず、そのことを簡単に説明する。
特許文献１には、微分干渉顕微鏡に干渉計測で用いられている縞走査法を採用して観察物体の位相分布を計測する方法が記載されている。通常、微分干渉顕微鏡に縞走査法を採用した場合、偏光成分のリターデーション量が０、π／２、π、及び３π／２の４つの微分干渉画像を取り込み、これら４つの微分干渉画像の各画素データを用いて以下のように観察物体の位相分布の微分値を求めている。
【００３６】
【数５】
2006300714.tif 000007
【００３７】
偏光成分のリターデーション量が例えば±π／２の微分干渉画像を取り込み、差画像を形成すると、その差画像からＩ（ｘ，π／２）−Ｉ（ｘ，３π／２）に相当する情報が得られる。これは、任意のリターデーション量でも同様である。このようなことから、差画像Ｄを形成することにより、観察物体ＳＭの位相分布の微分値に関連した画像成分を形成することができる。
【００３８】
また、取り込んだリターデーション量がθ、−θである２つの微分干渉画像から、夫々対応する画素毎に加算を行ってそれらの間の合計を画素のデータとする和画像Ｓを形成することにより、強度成分を分離することができる。さらに、（（１−ｃｏｓθ）／ｓｉｎθ）・（Ｄ／Ｓ）の演算を行うことにより、強度成分の変動に左右されない観察物体ＳＭの位相分布の微分値に関連した画像成分を形成することができる。このことから、本実施の形態では、関連成分画像として、差画像Ｄと和画像から（（１−ｃｏｓθ）／ｓｉｎθ）・（Ｄ／Ｓ）の演算結果で形成される画像成分を持つものを形成している。差画像Ｄを関連成分画像として採用しても良い。
【００３９】
領域分割部５２は、画像形成部５１から関連成分画像を受け取り、領域分割を行う。その領域分割は、関連成分画像に存在するエッジを抽出するための処理を行い、その結果に対する２値化により行う。
【００４０】
エッジの抽出は、１次微分演算によって行うことができるが、ＳＯＢＥＬフィルタ、或いはラプラシアンフィルタなどの２次微分系のフィルタによって行っても良い。２値化は、所定の閾値以上か否かにより行い、その閾値以上の画素の値は１、その閾値より小さい画素の値は０、とさせる。ノイズ成分を除去（カット）するために、２値化画像に対する膨張処理、及び収縮処理を行っている。
【００４１】
上述したような２値化により、関連成分画像は、画像コントラスト変化の大きい部分（１−画素部分）、そのコントラスト変化の大きくない（小さい）部分（０−画素部分）の２種類の領域に分割される。微分干渉顕微鏡２の特性により、画像コントラスト変化の大きい部分（１−画素部分）は観察物体ＳＭ上の段差部分に対応し、画像コントラスト変化の小さい部分（０−画素部分）は観察物体ＳＭ上の平面状（平面、或いは平面に近い形状）部分に対応する。位相演算部５３には、関連成分画像、及び２値化（領域分割）結果が渡される。
【００４２】
位相演算部５３は、関連成分画像から位相分布を演算するものであり、第１、及び第２の位相分布算出部５３ａ、５３ｂを備えている。第１の位相分布算出部５３ａは、１−画素部分（段差部分）を対象にして、微分干渉顕微鏡２の偏光成分の分離量と光学特性から求まる応答特性ＯＴＦによりデコンボリューション処理（式（４）参照）を行い、位相分布φｅを算出する。第２の位相分布算出部５３ｂは、以下のようにして、０−画素部分の位相分布φｓを算出する。
【００４３】
観察物体ＳＭ上の平面状部分では、光が正反射または透過するために回折成分が得にくい。それにより、微分干渉顕微鏡２における１次元画像の強度分布Ｉ（ｘ，θ）は、次のように近似することができる。
【００４４】
Ｉ(ｘ，θ)≒(Ｃ／２)ｍ０(ｆ’)(１−ｃｏｓ(２πｆ’＋θ))    ・・・（６）
ここで、ｆ’は平面状部分に現れる特定の周波数である。
周波数ｆ’が十分に小さいと仮定すると、２つの偏光成分の分離方向ｒに対応する観察物体ＳＭ面上の位相分布の微分値（∂φｓ／∂ｒ）は以下に示す式（７）または式（８）のように近似できる。
【００４５】
∂φｓ／∂ｒ≒Ｄ      ・・・  （７）
∂φｓ／∂ｒ≒（（１−ｃｏｓθ）／ｓｉｎθ）・（Ｄ／Ｓ）    ・・・  （８）
このようなことから、第２の位相分布算出部５３ｂは、微分干渉顕微鏡２の偏光成分の分離量を用いた積分処理を行うことにより位相分布φｓを算出する。
【００４６】
上述したようにして、本実施の形態では、関連成分画像を画像コントラスト変化の大きさに応じて２種類の領域に分割し、分割した領域毎に、その種類にとって適切な処理を行い、位相分布φを算出する。このため、有効桁数を大きくするなどの対応を採用しなくとも、観察物体ＳＭの形状に係わらず、常に高精度に位相分布φを算出（計測）することができる。従って、そのような対応を採用することによって処理時間がより長くなる、必要なメモリ量がより大きくなる、といったようなことは確実に回避できることとなる。
【００４７】
位相分布φの算出は、リターデーション量が同じ、或いはほぼ同じで符号が異なる２つの微分干渉画像から行っている。それにより、特許文献２に記載された技術と比較して、より少ない画像から位相分布φを算出している。このため、観察物体ＳＭの撮像はより短時間に行えるようになり、位相分布φはより迅速、且つ容易に得られることとなる。
【００４８】
合成部５４は、位相演算部５３から、第１、及び第２の位相分布算出部５３ａ、５３ｂがそれぞれ算出した位相分布φｅ、φｓ、及び２値化結果を受け取る。それら位相分布φｅ、φｓは、領域毎に算出されたものである。このことから、合成部５４は、２値化結果を参照して、それらのデータの合成を行う。その合成は、より具体的には以下のようにして行っている。
【００４９】
先ず、２値化結果（２値化画像）を参照し、例えば１−画素部分の連結性を調べることにより、１−画素が形成している領域を全て特定し、特定した領域を連結成分集合ＣＥの要素としてまとめる。同様に、０−画素が形成している領域を全て特定し、特定した領域を連結成分集合ＣＳの要素としてまとめる。それらをまとめた後は、連結成分集合ＣＥ、ＣＳをそれぞれ構成する要素（領域）間の包含関係の判定を行う。位相分布φｅ、φｓの合成は、判定した包含関係を考慮して行う。
【００５０】
図６は、合成部５４によるデータ合成方法を説明する図である。ここで、図６を参照し、そのデータ合成方法についてより具体的に説明する。その図６では、上方にＣＳ０、ＣＥ０等の領域を有する観察物体ＳＭの画像を、下方にはその画像に引いたラインＬ上の位相成分φをそれぞれ表している。例えばＣＳ０は連結成分集合ＣＳに属する０番目の要素を表している。他のＣＳ１、ＣＥ０も同様である。このことから、図６に示す例では、要素間の包含関係は、要素ＣＳ１は要素ＣＥ０に包含され、その要素ＣＥ０は要素ＣＳ０に包含されているというものとなる。ここでは、要素ＣＳ０上の点Ａでの元の位相成分（位相値）はφＡと表記し、他の点Ｂ〜Ｄでの位相成分（位相値）も同様に表記する。合成後の位相成分）位相値）は「’」を付して表記する。
【００５１】
領域毎に位相成分φの算出を行っていることから、図６に示すように、元の位相成分φは要素（領域）の境界で不連続となっている。しかし、そのような不連続は実際には生じない。このことから、その不連続性を解消するためにデータ合成を行っている。
【００５２】
本実施の形態では、不連続性の解消、つまりデータ合成は、境界を形作る一方の要素における位相成分φを他方の要素の位相成分φに合わせる形で行っている。そのようにして不連続性を解消させる場合、位相成分φを操作するほうを適切に選択する必要がある。そうしないと、或る境界で不連続性を解消させた影響が他の境界に及ぼし、不連続性を解消できないことも発生するためである。図６に示す例では、例えば点Ｂの位相成分φＢを点Ａの位相成分φＡに合わせた後、点Ｃの位相成分φＣを点Ｄの位相成分φＤに合わせると、合わせた点Ｂ、Ａの位相成分φＢ、φＡは合わなくなってしまうためである。そのようなことを回避するために、要素間の包含関係を考慮して、位相成分φを操作する側を決定している。
【００５３】
図６に示す例では、要素ＣＥ０は要素ＣＳ１を包含し、要素ＣＳ０は要素ＣＥ０を包含する関係となっている。このことから、要素ＣＳ０、ＣＳ１、及びＣＥ０のみを対象にする場合には、例えば要素ＣＳ０とＣＥ０間、要素ＣＥ０とＣＳ１間の順序でデータ合成を行う。それにより、要素ＣＳ０を基準にする形でデータ合成を行う。
【００５４】
要素ＣＳ０を基準にする場合、位相成分φＡはφ’Ａとして扱う。それにより、位相成分φ’ＡとφＢの差（＝φ’Ａ−φＢ）を用いて要素ＣＥ０の位相成分φへの操作を行い、それらの合成を行う。その結果、位相成分φ’Ｂ、φ’Ｃはそれぞれ以下のようになる。
【００５５】
φ’Ｂ＝φＢ＋｜φ’Ａ−φＢ｜、φ’Ｃ＝φＣ＋｜φ’Ａ−φＢ｜    ・・・（９）
要素ＣＳ１の位相成分φへの操作も同様に、位相成分φ’ＣとφＤの差（＝φ’Ｃ−φＤ）を用いて行う。その結果、位相成分φ’Ｄは以下のようになる。
【００５６】
φ’Ｄ＝φＤ＋｜φ’Ｃ−φＤ    ・・・（１０）
要素間の包含関係を参照することにより、上述したようにして、基準とする要素と隣接する要素、その隣接する要素に隣接する要素、といった順序で注目する要素を変更しながらデータ合成を行う。それにより、要素間で位相成分φの不連続が生じないように、適切に合成を行っている。合成後のデータ（位相成分）が変換部５５に送られる。
【００５７】
変換部５５は、以下のようにして位相成分φの高さｈへの変換を行う。
ｈ＝ｋ・φ    ・・・（１１）
式（１１）中のｋは、光源１から射出される光の波長をλとするとき、微分干渉顕微鏡２は観察物体ＳＭを反射観察するタイプであることから、ｋ＝λ／（４π（ｎ−１））である。観察物体ＳＭを透過観察するタイプであった場合には、ｋ＝λ／（２π（ｎ−１））である。透過観察するタイプであれば、観察物体ＳＭが透明であっても形状計測を行うことができる。
【００５８】
変換部５５は各点で高さｈを算出する。それにより、１画像分の高さ情報を生成し、制御部４６に送る。制御部４６は、その高さ情報を記憶部４７に記憶させるか、或いはそれを表示部４５に表示させる。
【００５９】
図４は、演算処理のフローチャートである。上記演算処理部４２は、その演算処理をＣＰＵが実行することにより実現される。次に図４を参照して、その演算処理について詳細に説明する。その演算処理を実現させるプログラムは記憶部４７に記憶されている。そのプログラムは、例えばユーザが入力部４４を操作して、観察物体ＳＭの形状計測を指示することで起動される。
【００６０】
先ず、ステップＳ１では、モータ駆動部４３によりリターデーション変化装置２１の偏光子２１ａを回転させ、画像取得部４１によりＣＣＤカメラ３に撮像を行わせることにより、リターデーション量がθ、−θの２つの微分干渉画像を順次、取得し、それらの微分干渉画像から差画像Ｄ、和画像Ｓを形成し、形成した差画像Ｄ、及び和画像Ｓを用いて関連成分画像を形成する。その関連成分画像を形成した後はステップＳ２に移行する。演算処理部４２を構成する画像形成部５１は、このステップＳ１を実行することで実現される。
【００６１】
ステップＳ２では、関連成分画像上のエッジを抽出し、その抽出結果を用いて領域分割を行う。その分割後は、画像コントラスト変化が比較的に大きい領域はステップＳ３で位相成分φｅの算出を行い、その変化が比較的に大きくない（小さい）領域はステップＳ４で位相成分φｓの算出を行う。そのようにして種類別に領域の位相成分φを算出した後はステップＳ５に移行する。演算処理部４２を構成する領域分割部５２はステップＳ２、位相演算部５３はステップＳ３、及びＳ４をそれぞれ実行することで実現される。位相演算部５３では、より具体的には、第１の位相分布算出部５３ａはステップＳ３、第２の位相分布算出部５３ｂはステップＳ４をそれぞれ実行することで実現される。
【００６２】
ステップＳ５では、種類別に算出した領域の位相分布φを合成するためのデータ合成処理を行う。続くステップＳ６では、その合成処理の実行により得られる観察物体ＳＭの微分干渉画像全体の位相成分φを高さに変換する処理を行う（式（１１））。そのようにして得られた高さの情報を記憶部４７に格納するか、或いは表示部４５に表示させた後、一連の処理を終了する。合成部５４はステップＳ５、変換部５５はステップＳ６をそれぞれ実行することで実現される。
【００６３】
微分干渉画像によっては、その全体を段差部分、或いは平面状部分と見なすことがありうる。そのような画像を取得した場合、ステップＳ３、及びＳ４の一方のみが実行される。ステップＳ５のデータ合成処理では実質的にデータ合成は行われなくなる。
【００６４】
図５は、上記ステップＳ５として実行されるデータ合成処理のフローチャートである。次に図５を参照して、データ合成処理について詳細に説明する。そのデータ合成処理は、上述したように、ステップＳ２での領域の分割結果を考慮して行われる。
【００６５】
先ず、ステップＳ１１では、その分割結果を参照しつつ、１−画素部分の連結性を調べることにより、１−画素が形成している領域を全て特定し、特定した領域を連結成分集合ＣＥの要素として抽出する。続くステップＳ１２では同様に、０−画素が形成している領域を全て特定し、特定した領域を連結成分集合ＣＳの要素として抽出する。その後はステップＳ１３に移行する。
【００６６】
ステップＳ１３では、連結成分集合ＣＥ、ＣＳをそれぞれ構成する要素（領域）間の包含関係の判定を行う。その次に移行するステップＳ１４では、判定した包含関係を考慮して、各領域で算出した位相分布φの合成を行う。一連の処理は、その合成を行った後に終了する。
【００６７】
上述したように、包含関係を判定し、それを考慮して位相分布φの合成を行うことにより、位相成分φ（データ）の合成を適切に行うことができる。
なお、第１の実施の形態では、位相分布φから高さｈへの変換を合成後に行っているが、合成前に行うようにしても良い。
＜第２の実施の形態＞
上記第１の実施の形態では、差画像Ｄ、及び和画像Ｓを用いて関連成分画像の形成を行っている。これに対し、第２の実施の形態は、差画像Ｄ、及び積画像Ｍを用いて関連成分画像の形成を行うようにしたものである。その積画像Ｍは、画像取得部４１が取得した２つの微分干渉画像（画像データ）から、夫々対応する画素毎に積演算（乗算）を行ってそれらの乗算値を画素のデータとして持つものである。
【００６８】
第２の実施の形態による形状計測装置の構成は基本的に第１の実施の形態におけるそれと同じである。動作も大部分は同じか、或いは基本的に同じである。このようなことから、第１の実施の形態の説明で付した符号をそのまま用いて、第１の実施の形態から異なる部分についてのみ説明する。
【００６９】
第２の実施の形態では、差画像Ｄ、及び積画像Ｍは、リターデーション量がπ／２、−π／２の２つの微分干渉画像から形成する。画像形成部５１は、それら差画像Ｄ、及び積画像Ｍを用いて、ｔａｎ-1［Ｄ／（２√Ｍ）］を算出することにより関連成分画像を形成している。
【００７０】
第１の実施の形態では、差画像Ｄ、及び和画像Ｓを用いた（（１−ｃｏｓθ）／ｓｉｎθ）・（Ｄ／Ｓ）の演算を行い、関連成分画像を形成している。そのように関連成分画像を形成することにより、従来の縞走査法（式（５））と相当な情報を得ることができるが、完全に一致しているわけではない。しかし、ｔａｎ-1［Ｄ／（２√Ｍ）］の演算を行う場合、その縞走査法と一致する情報を得ることができる。
【００７１】
第２の実施の形態では、画像形成部５１は上述したようにして関連成分画像を形成する。演算処理部４２を構成する他の各部５２〜５５は第１の実施の形態と同様の処理を行う。このことから、図４に示す演算処理では、ステップＳ１の処理内容に相違する部分がある。
【００７２】
上述したようにして形成される関連成分画像上の平面状部分での画像成分は、位相成分φｓの微分値∂φｓ／∂ｒと以下のような関係が成り立つ。
∂φｓ／∂ｒ＝ｔａｎ-1［Ｄ／（２√Ｍ）］    ・・・  （１２）
このことから、その平面状部分では第１の実施の形態と同様に積分処理を行う。
【００７３】
図７は、第２の実施の形態で扱う各種画像を説明する図である。図７（ａ）はリターデーション量がπ／２の微分干渉画像、図７（ｂ）はリターデーション量が−π／２の微分干渉画像、図７（ｃ）はそれら微分干渉画像から得られた、形状、または位相分布の微分値の画像化結果（関連成分画像）、及び図７（ｄ）は最終的に再生された形状、または位相分布結果（の三次元図）、である。
【００７４】
図７（ａ）〜（ｄ）は、段差部分と平坦な部分が交互に並んだ形状の観察物体ＳＭの形状計測を行った場合のものである。そのような観察物体ＳＭであっても、図７（ｄ）から明らかなように、その全体像を正確に再生することができる。これは、第１の実施の形態でも同様である。
【００７５】
なお、本実施の形態（第１、及び第２の実施の形態）では、リターデーション量が異なる２つの微分干渉画像から観察物体ＳＭの形状計測を行うようにしているが、微分干渉画像はそれよりも多くしても良い。例えばリターデーション量が０、π／２、及び３π／２の３つの微分干渉画像を用いて形状計測を行うようにしても良い。リターデーション量の組み合わせ、画像の数は別のものであっても良い。
【００７６】
関連成分画像を対象にした領域分割は、コントラスト変化の大きさに注目して、それが比較的に大きいか否かにより２種類の領域に分けることで行っているが、それよりも多くの種類に領域を分けるようにしても良い。各領域での位相成分φの算出は、その種類にとって適切な処理方法であれば別の処理方法を任意に採用しても良い。
【００７７】
その微分干渉画像は微分干渉顕微鏡２から直接、取得する形となっているが、通信ネットワーク、或いは可搬性の記録媒体を介して取得しても良い。図２に示す各部４１〜４６の全て、或いはその一部を実現させるプログラムも同様に、通信ネットワーク、或いは記録媒体を介してコンピュータ（データ処理装置）にロードするようにしても良い。そのようにした場合には、コンピュータ、或いは既存の形状計測装置にそのプログラムをロードすることにより、本発明を適用した形状計測装置を実現させることができる。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で上述した以外の種々の変形を行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】第１の実施の形態による形状計測装置が採用された形状計測用システムの構成図である。
【図２】第１の実施の形態による形状計測装置の機能構成を説明する図である。
【図３】リターデーション変化装置の構成を説明する図である。
【図４】演算処理のフローチャートである。
【図５】データ合成処理のフローチャートである。
【図６】データ合成方法を説明する図である。
【図７】第２の実施の形態で扱う各種画像を説明する図である。
【符号の説明】
【００７９】
１    光源
２    微分干渉顕微鏡
３    ＣＣＤカメラ
４    形状計測装置
２１    リターデーション変化装置
４１    画像取得部
４２    演算処理部
４３    モータ駆動部
４４    入力部
４５    表示部
４６    制御部
４７    記憶部
５１    画像形成部
５２    領域分割部
５３    位相演算部
５３ａ    第１の位相分布算出部
５３ｂ    第２の位相分布算出部
５４    合成部
５５    変換部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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