(57)【要約】干渉パターンを生成するために照明周波数で対象物に光を当て、対象物の複数の位相シフトであるサンプリング周波数で干渉パターンをサンプリングし、それによって、サンプリングされた干渉パターンが異なる位相角で集められ、サンプリングされた干渉パターンに応じて照明周波数の波長と位相角を再構成し、照明周波数を変えると共に、上記ステップを繰り返し、集められて再構成された複数の情報に応じて対象物の画像を作成する干渉分光方法である。
2005516205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉パターンを生成するために照明周波数で対象物に光を当てるステップと、
対象物の複数の位相シフトであるサンプリング周波数で干渉パターンをサンプリングし、それによって、サンプリングされた干渉パターンが異なる位相角で集められるステップと、
OLE_LINK1  サンプリングされた干渉パターンに応じて照明周波数の波長と位相角を再構成するステップと、
OLE_LINK1  照明周波数を変え、上記ステップを繰り返すステップと、
集められて再構成された複数の情報に応じて対象物の画像を作成するステップと
からなることを特徴とする干渉分光方法。
【請求項２】
サンプリング周波数は、少なくとも対象物の位相シフトよりも大きなオーダーである請求項１に記載の干渉分光方法。
【請求項３】
サンプリング周波数は、対象物の位相シフト約１８回である請求項２に記載の干渉分光方法。
【請求項４】
前記再構成ステップは、サンプリングされた干渉パターンを相互に関連付けることを含む請求項１に記載の干渉分光方法。
【請求項５】
前記再構成ステップは、波長の位相角を確定するためにｎ−バケットアルゴリズムを用いることを含む請求項１に記載の干渉分光方法。
【請求項６】
ｎ−バケットアルゴリズムは、フォー−バケットアルゴリズムである請求項５に記載の干渉分光方法。
【請求項７】
前記作成ステップは、合成開口レーダー技術を用いることを含む請求項１に記載の干渉分光方法。
【請求項８】
既知の範囲内で変化する照明周波数を用いて対象物の干渉パターンを形成するステップと、
サンプリングされた干渉パターンを形成するために対象物の複数の位相シフトであるサンプリング周波数で干渉パターンを集めるステップと、
サンプリングされた干渉パターンに応じて照明周波数の波長と位相角を再構成するステップと、
照明周波数の既知の範囲を変え、上記のステップを繰り返すステップと、
集められて再構成された複数の情報に応じて対象物の画像を作成するステップと
からなることを特徴とする干渉分光方法。
【請求項９】
サンプリング周波数は、少なくとも対象物の位相シフトよりも大きなオーダーである請求項８に記載の干渉分光方法。
【請求項１０】
サンプリング周波数は、対象物の位相シフト約１８回である請求項９に記載の干渉分光方法。
【請求項１１】
前記再構成ステップは、サンプリングされた干渉パターンの相関を取ることを含む請求項８に記載の干渉分光方法。
【請求項１２】
前記再構成ステップは、ｎ−バケットアルゴリズムを用いることを含む請求項８に記載の干渉分光方法。
【請求項１３】
ｎ−バケットアルゴリズムは、フォー−バケットアルゴリズムである請求項１２に記載の干渉分光方法。
【請求項１４】
名目上で対象物に光を当てるが、第一の周波数を変えることなく対象物の干渉パターンを形成するステップと、
少なくとも対象物の位相シフトよりも大きなオーダーで第二の周波数で干渉パターンを繰り返しサンプリングし、それによって、干渉パターンが少なくとも波長に従って約１０回サンプリングされるステップと、
サンプリングされた干渉パターンに応じて第一の周波数の波長と位相角を再構成するステップと、
異なる名目上の周波数を選び、前記照明ステップ、前記サンプリングステップ及び前記再構成ステップを繰り返すステップと、
サンプリングされて再構成された複数の情報に応じて対象物の画像を作成するステップと
からなることを特徴とする干渉分光方法。
【請求項１５】
前記再構成ステップは、サンプリングされた干渉パターンの相関を取ることを含む請求項１４に記載の干渉分光方法。
【請求項１６】
前記再構成ステップは、ｎ−バケットアルゴリズムを用いることを含む請求項１４に記載の干渉分光方法。
【請求項１７】
ｎ−バケットアルゴリズムは、フォー−バケットアルゴリズムである請求項１６に記載の干渉分光方法。
【請求項１８】
前記作成ステップは、合成開口レーダー技術を用いることを含む請求項１４に記載の干渉分光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉分光方法に関し、より詳しくは、波長可変レーザーのように、波長可変の照明源を用いる干渉分光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、「位相変化に基づく計測補正を備えた干渉計」というタイトルで２００２年１月２５日に出願された米国仮特許出願NO.60/351,730の優先権を主張する。
【０００３】
位相シフト干渉計は、干渉分光方法の分野において当業者に知られている。模範的なシステムに関する先行技術文献情報は、例えば非特許文献１や非特許文献２から入手することができる。一般的に、これらのシステムは、単波長レーザーか白色（言い換えれば、多染性）光が用いられる。
【非特許文献１】ジーゴ・コーポレーション（Zygo Corporation）、コネチカット州ミドルフィルード（Middlefield,Connecticut）、［online］、インターネット＜URL：www.zygo.com＞
【非特許文献２】ヴィーコ・インスツルメンツ・インコーポレーション（Veeco Instruments Inc.）、ニューヨーク州ウッドバリー（Woodbury,New York）、［online］、インターネット＜URL：www.veeco.com＞
【０００４】
単波長干渉計は、ヘリウム・ネオン（HeNe）のようなガスレーザーが昔から用いられている。さらに最近では、単波長システムは、レーザーの温度と順方向電流とを制御することにより出力波長が制御され得るダイオードレーザーが用いられるようになってきている。その結果、単波長システムは、通常は波長ドリフト及び／又は波長ジッターによって苦しめられることがない。
【０００５】
白色光システムは、広帯域の光源を単独あるいは狭帯域の干渉フィルターと共に利用する。これらのシステムもまた、通常は波長ドリフトといった劣化問題によって苦しめられることはない。
【０００６】
さらに最近では、多重波長干渉計システムが市場に参入し始めてきている。これらのシステムは、通常は多重波長性能を実現するための波長可変レーザーを含む。多くの型式の適切な波長可変レーザーが存在し、例えば、ダイ、チタニウム・サファイア、アレクサンドライト、分配フィードバックダイオード、分配ブラッグ反射ダイオード及び外部キャビティーダイオードがある。現在では、波長可変ダイオードレーザーは、商用で最も費用効果が高い。残念ながら、ダイオードレーザーの波長出力は、温度と順方向電流（とその他のパラメータ）に応じて変化する。現代の電子回路は、進歩したものではあるが、波長がドリフトやジッターを起こさないようにレーザーを十分に安定化させるべく、温度と順方向電流（とその他のパラメータ）を調整することはできない。例えば、外部キャビティー波長可変レーザーは、回折格子及び／又はミラーを備えた場合の外部キャビティーの電気機械的動作に左右される。これらのシステムには、電気的制御が温度、順方向電流及び回折格子の位置を修正することによってレーザーを安定化させようとする波長でドリフトやジッターを起こす傾向がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
干渉計は、不等路程干渉計においては１００ピコメータオーダーあるいはそれ以下での波長変化を、電位相誤差に形を変えることができるように、十分に感度が良い。その結果、多重波長干渉計やそのようなレーザーを利用するレーザーレーダーシステムは、レーザードリフトやジッターによって望ましい性能よりも悪くなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の問題は、周波数が対象物の位相シフトよりも極めて大きくなった時に干渉パターンがサンプリングされる本発明の干渉分光方法によって克服される。波長とその位相角は、サンプリングされた干渉パターンから再構成される。この再構成に基づいて、対象物の表面は公知の技術を用いて計算される。
【０００９】
本発明は、予め考慮されたドリフト及びジッターの否定的な特性を波長とその位相角を再構成することに用いられる肯定的な特性に変える。レーザーのドリフト及び／又はジッターは、干渉分光方法において肯定的であり、否定的ではない。その結果、（名目上とは対立した）実際の周波数と位相角に関係なく、その方法が波長を再構成することができるため、本発明は、結果として比較的安価なレーザーを用いつつ質の高められた干渉分光方法になる。
【００１０】
本方法は、本来備わっているか後から生じたものであるかのどちらであっても、レーザーがドリフト及び／又はジッターを持つという前提に基づく。不等路程干渉計において、ドリフトとジッターは、位相変化として理解される。レーザーが次の波長に移動するように命令される後の干渉計における位相変化シーンをサンプリングするに十分な速さの速度で連続的な情報静止画像を得ることによって、異なる静止画像における多くの位相誤差は、干渉計の視野内の領域内の個々の画素の相関によって割り出される。
【００１１】
本発明は、スペックル干渉計及びノンスペックル干渉計の両方に適用される。
【００１２】
本発明のこれら及びその他の目的、優位性及び特徴は、最良の形態の詳細な説明と図面を参照することによって、十分に理解され、高く評価されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の方法は、各種の干渉計と結び付けて用いられ得る。本方法は、トウィマン・グリーン（Twyman Green）、ミケルソン（Michelson）、フィジュー（Fizeau）、フェブリー・ペロット（Fabry Perot）、マッハ・ツェンダー（Mach Zender）といった、特に不等路程干渉計にふさわしい。図１に示す模範的な干渉計１０は、対象物路程（object arm path length）が参照物路程（reference arm path length）よりも長いミケルソン干渉計である。ミケルソン干渉計１０は、波長可変レーザー１２、ビームスプリッター１４、光学系１６、参照ミラー１８、カメラ２０を含む。干渉計１０は、望ましい位相シフトを生成するために参照ミラー１８を移動させるための圧電体（図示しない）をさらに含む。多重波長を使い、各波長でのデータのｎ位相（一般には、０度、９０度、１８０度、２７０度の四つの位相）を得ることによって、対象物の表面高さが公知の曖昧さで再構成され得る。
【００１４】
典型的な干渉計において、レーザー１２は、カルフォルニア州サンノゼのニュー・フォーカス・インコーポレーション（New Focus Inc）製モデル6316のダイオードレーザーである。そのようなレーザーは、命令された波長に安定せず、望ましい波長に合わされた後に実にドリフトする。本発明でないと、このドリフトは、ちょうど参照ミラー１８が物理的に移動したかのようにフリンジ及び位相誤差を引き起こす。
【００１５】
もし、二つの路程（言い換えれば、対象物路程及び参照物路程）が等しければ、少量のレーザードリフトは、著しく位相に影響を与える。しかしながら、対象物路程に対する参照物路程の比率で、位相は様々な要素によって著しく影響を受ける。波長自立は、本発明の方法を用いて高められた極めて重大な要素の一つである。
【００１６】
本発明の方法において、干渉パターンや干渉グラフは、対象物の位相シフトよりも周波数が極めて高い時や大きい時にサンプリングされる。特に開示した実施形態においては、干渉パターンは、対象物の位相シフトが３６０度になる前に約１８回の割合でサンプリングされる。対象物の位相シフトよりもおよそ大きなオーダーのサンプリングレートは、本方法を実施するための最低条件であると考えられる。レーザーの１８回というサンプリングレートは、静止画像が他の静止画像と互いに２０度ずつ離れるので、後のいくつかの工程を簡素化する。本実施形態においては、３２の静止画像がサンプリングされる。図２及び図３は、本方法の間で集められた３２の連続したフリンジ画像を示す。
【００１７】
「静止画像３２に対する相関」というタイトルの図２及び図３の第２列目は、任意に選ばれた参照静止画像に対する静止画像３２の相関を示す。本発明においては、静止画像３２又はそれに続く静止画像は、参照静止画像として任意に選ばれる。二つの静止画像（あるいはそれぞれ静止画像内のサブ領域）間における相関の計算方法は、異なる静止画像のそれぞれ画像の絶対値の全ての和を得ることによって実行される。この方法論は、乗算の加算や減法である数学的相関ではない。加算結果は、肯定的であり、参照静止画像における位相シフトに対する相関を認めるそれぞれ画素を変化させる補正を取り除く。図２及び図３において、比較的低い数の静止画像は比較的高い相関を示し、比較的高い数の静止画像は比較的低い相関を示す。
【００１８】
この工程における次のステップは、参照静止画像に対する各静止画像の相関に基づく各静止画像の位相角を計算することにある。位相角を計算するための方程式は、
Angle = 180 ？ (acos(Corr/MaxCorr)*360/π
ここで、Corrは、静止画像の相関であり、MaxCorrは、最も高い（言い換えれば、最も悪い）相関の静止画像である。
【００１９】
上述の方程式を用いて計算された「静止画像３２からの推定位相シフト」は、図２及び図３の第３列目に示される。同様（言い換えれば、静止画像１４と静止画像３２）の相関である静止画像は、位相シフトがゼロである。その他の静止画像の位相シフトは、他の静止画像とおよそ２０度離れている。
【００２０】
最後に、「静止画像３２からの実位相シフト」は、推定されあるいは計算された位相シフトを丸められて決定される。この「静止画像３２からの実位相シフト」は、図２及び図３の第４列目に示される。位相計算における誤差は、開示された実施形態にとって重要ではない。
【００２１】
本発明の開示された計算は、様々な前提に基づいている。第一の前提は、レーザーのミニスイープあるいはドリフトが一方向に連続することである。ドリフトは、時間やキャプチャーレートと線形である必要はない。しかしながら、キャプチャーレートは、（ドリフトの速度と比較して）十分に速いので、静止画像がドリフト時に得られる。ドリフトは、十分に遅いので、ドリフトは、フリンジをぼんやりさせず、位相再構成において著しい誤差を生じさせる。
【００２２】
第二の前提は、ドリフトの総計が命令されたレーザーステップよりも小さいオーダーであることである。しかしながら、この前提はいつも真でなければならないわけではない。干渉計の腕における不均衡の総計は、レーザーがスイープしている間の波長変化及び安定性を推定するのに用いられ得る。
【００２３】
第三の前提は、参照物路程及び対象物路程が完全に不変で計測中に変化しないことである。
【００２４】
第四の前提は、計測される対象物が容認できる不均衡な距離で特徴付けられる表面を有することである。最も大きな不均衡の割合を備えた表面特徴と比較して最も低い不均衡の割合を備えた表面特徴での相違は小さく、従って、無視できる。
【００２５】
図４及び図５は、Ｚ方向高さでの他点を得るための本発明のステップを示す。最初に、レーザーは、最初の波長に動かされる（ステップ１０１）。開示されたニュー・フォーカス・レーザーは、８２７ナノメーター（nm）から８５２nmの波長可変レンジを持つ。
【００２６】
二番目に、内部画像と他の計測静止画像がメモリーから消去される（ステップ１０２）。
【００２７】
三番目に、レーザーは、１nmの単位で任意に選ばれた次の波長に動くように命令される（ステップ１０３）。つまり、（最初の移動からの）一回目の移動は、８２７nmから８２８nmである。
【００２８】
四番目に、レーザーが波長を動かすのを許容し、新しい波長で安定させるために短い遅延（言い換えれば、２秒）が取り入れられる（ステップ１０４）。
【００２９】
五番目に、３２の静止画像のデータを取得する（ステップ１０５）。サンプリングの間、レーザーは、命令されたあるいは名目上の波長からドリフトを起こすが、レンジは１nmよりも小さい。事実、ドリフトは、約０．００１nm（言い換えれば、１ピコメーター）程度のレンジである。干渉計が不均衡のため、このドリフトは、命令された波長から位相シフトとして現れる。レーザーがおそらくドリフトしている間に静止画像が得られるため、これらの静止画像をドリフト静止画像と言う。
【００３０】
六番目に、伝統的な方法論を用いて、圧電体がミラー１８をシフトさせるように作動し、０度、９０度、１８０度、２７０度での四つの追加された静止画像が得られる（ステップ１０６）。これらの静止画像は、参照ミラーが圧電体によって物理的に移動させられている間に静止画像が得られるため、これらの静止画像を圧電体シフト静止画像と言う。もし望むなら、位相精度を改善するために四つ以上の圧電体シフト静止画像が取得され得る。
【００３１】
七番目に、０度と１８０度の圧電体シフト静止画像が計算され、相関の中心がドリフト静止画像となるように、９０度と２７０度の圧電体シフト静止画像が相関される（ステップ１０７）。
【００３２】
八番目に、得られた最後のドリフト静止画像が参照静止画像となり、画素毎を基準として各ドリフト静止画像の相関値が計算される（ステップ１０８）。異なる画素の絶対値の合計が参照静止画像に対する相関を提供する。この相関は、全ての分野や画像技術の各分野で実行され得る。
【００３３】
九番目に、レーザーが少なくとも一つの完全なシフト波長を十分に引き起こすべくドリフトしているかどうかを確定するために、ドリフト静止画像における最も悪いケースの相関が圧電体シフト静止画像の間の相関と比較される（ステップ１０９）。もし、そのようなシフトが起こっていなければ、圧電体シフト静止画像だけがその後の工程に用いられる。その場合、前提は、レーザーがドリフトの間に安定し、それゆえ、圧電体シフトの間も依然として安定しているということである。この場合、方法はステップ１０３にシフトする。
【００３４】
十番目に、９０度と２７０度の静止画像の相関が最大相関の０．７０７（Cos45）として同一に扱われる（ステップ１１０）。二つの静止画像は、同じ方向での連続的なドリフトであるために識別され得る。
【００３５】
十一番目に、ドリフト静止画像と圧電体静止画像の修正に基づいて、位相が各画素で再構成される（ステップ１１１）。好ましい実施形態では、再構成に用いられるアルゴリズムは、干渉計の分野における当業者によく知られている従来からのフォー−バケット（four-bucket）アルゴリズムである。最も悪い相関を持つ静止画像は、参照静止画像での位相を外れた１８０度の静止画像であると推測される。最も悪いケースの相関誤差の０．７０７（Cos45）である静止画像は、位相を外れた９０度か２７０度の何れかである。標準的なフォー−バケット位相接続法を用い、複雑な表面のベクトルは、画素毎に計算される。フォー−バケットよりも用いられる位相再構成のためのアルゴリズムもまた用いられ得る。事実、ｎ−バケットアルゴリズムが、スイープ内の全ての静止画像が利用されるように用いられる。
【００３６】
十二番目に、追加された波長がサンプリングされたか否かを確定するためのチェックが行われる（ステップ１１２）。もし、これがｙｅｓならば、プログラムフローはステップ１０３に戻る。もし、これがｎｏならば、プログラムフローはステップ１１３に続く。ステップ１０３からステップ１１２は、全ての波長が計測されるまで繰り返される。
【００３７】
十二番目に、複雑な情報の全てが集められた後、干渉計の分野で広く知られている標準的な合成開口レーダー（ＳＡＲ）を用いて対象物の表面高さが計算される（ステップ１１３）。
【００３８】
本発明のメリットはたくさんある。一つ目は、レーザー安定性が要求されないことである。実に、本発明は、レーザーのどんな不安定性も肯定的な利点にする。二つ目は、本発明が参照物路程を著しく小さくし、システム全体のサイズを小さくできることである。三つ目は、本発明は、位相再構成での援助を安定化させるためにレーザーに要求される時間を発展的に使用できることである。四つ目は、ドラフト静止画像とその後の工程が参照物の腕、ノイズ、温度、湿度、ヒステリシス、圧電体シフトシステムでの電気的誤差の校正に依存していないことである。五つ目は、本発明が圧電体を移動させる追加時間を必要とせずにより多くの位相データを生成することである。六つ目は、本発明が圧電体と静止画像生成とを組み合わせる必要性を無くすことである。
【００３９】
代わりの実施形態として、レーザーは、波長の少なくとも一つの全サイクルを確定するためにドリフトが強制され得る。そのような実施形態は、圧電体シフト方法を全く必要としない。さらに代わりの実施形態として、レーザーは、大きなアンビギュイティで高解像度の計測を得るために連続的なスイープが強制され得る。
【００４０】
以上の説明は、本発明の好ましい実施形態である。均等論を含む特許法の原則に従って解釈される添付の特許請求の範囲で明らかにされる本発明の要旨等から外れない範囲で様々な変更と修正が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本干渉分光方法と結び付けて用いるのに適切な不等路程を有する干渉計の概略の説明図である。
【図２】与えられた名目上の波長に対して本干渉分光方法を用いて得られた干渉パターン静止画像の例を示す。
【図３】与えられた名目上の波長に対して本干渉分光方法を用いて得られた干渉パターン静止画像の例の続きを示す。
【図４】本発明の方法を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の方法を説明するフローチャートの続きである。
【図１】
2005516205.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005516205.tif 000006
【図５】
2005516205.tif 000007
【国際調査報告】
2005516205.tif 000008
2005516205.tif 000009
2005516205.tif 000010
2005516205.tif 000011
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