(57)【要約】【課題】本発明では、従来の方法では焦点深度程度の範囲でしか利用できなかった微分干渉像からの位相像再生法をより広い範囲に拡張する。【解決手段】本発明の上記課題は、リタデーション変化装置、撮像装置、演算装置、焦点駆動装置を備えた微分干渉顕微鏡を使って、前記焦点駆動装置により焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査し、それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させた２枚の画像を撮像し、前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成し、前記差画像を光学的応答関数によってデコンボリューションすることによって前記焦点位置での位相分布画像を形成し、前記差画像から絶対値演算を行うことによって絶対値画像を形成し、すべて焦点位置での前記絶対値画像の各画素を比較することによって最大値を与える画素によってマスク画像を形成し、前記位相分布画像から前記マスク画像を使ってその焦点位置での位相分布情報を抽出することによって達成できる。【選択図】  図８
2008111726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リタデーション変化装置、撮像装置、演算装置、焦点駆動装置を備えた微分干渉顕微鏡において、
前記焦点駆動装置により焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する過程と、
それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させた２枚の画像を撮像する過程と、
前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する過程と、
前記差画像から絶対値演算を行うことによって絶対値画像を形成する過程と、
前記絶対値画像の各画素に対しすべて焦点位置での絶対値画像の強度を比較し、最大値を与える画素の焦点位置座標を検出する過程を有する観察物体各点の３次元情報を求める３次元計測方法。
【請求項２】
リタデーション変化装置、撮像装置、演算装置、焦点駆動装置を備えた微分干渉顕微鏡において、
前記焦点駆動装置により焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する過程と、
それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させた２枚の画像を撮像する過程と、
前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する過程と、
前記差画像から絶対値演算を行うことによって絶対値画像を形成する過程と、
前記絶対値画像の各画素に対しすべて焦点位置での絶対値画像の強度を比較し、最大値を与える画素によってマスク画像を形成する過程と、
前記差画像を光学的応答関数によってデコンボリューションすることによって前記焦点位置での位相分布画像を形成する過程と、
前記位相分布画像から前記マスク画像を使ってその焦点位置での位相分布情報を抽出する過程を有する３次元計測方法。
【請求項３】
リタデーション変化装置、撮像装置、演算装置、焦点駆動装置を備えた微分干渉顕微鏡において、
前記焦点駆動装置により焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する過程と、
それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させた２枚の画像を撮像する過程と、
前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する過程と、
前記差画像を小領域に分割し、小領域内の最大値と最小値を検出し、最大値から最小値を引いた値を小領域コントラストとする過程と、
前記差画像の各小領域に対しすべて焦点位置での小領域コントラストを比較し、最大値を与える小領域の焦点位置を検出する過程を有する３次元計測方法。
【請求項４】
リタデーション変化装置、撮像装置、演算装置、焦点駆動装置を備えた微分干渉顕微鏡において、
前記焦点駆動装置により焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する過程と、
それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させた２枚の画像を撮像する過程と、
前記２枚の画像から差演算を行い、差画像を形成する過程と、
前記差画像を小領域に分割し、小領域内の最大値と最小値を検出し、最大値から最小値を引いた値を小領域コントラストとする過程と、
前記差画像の各小領域に対しすべて焦点位置での小領域コントラストを比較し、最大値を与える小領域によってマスク画像を形成する過程と、
前記差画像を光学的応答関数によってデコンボリューションすることによって前記焦点位置での位相分布画像を形成する過程と、
前記位相分布画像から前記マスク画像を使ってその焦点位置での位相分布情報を抽出する過程を有する３次元計測方法。
【請求項５】
前記走査間隔は前記微分干渉顕微鏡の焦点深度以下であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の３次元計測方法。
【請求項６】
前記リタデーション量は９０度であることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の３次元計測方法。
【請求項７】
焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する焦点駆動装置と、
それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させるリタデーション変化装置と、
それぞれの前記焦点位置で前記リタデーション量を反転させた２枚の画像を取り込む撮像装置と、
前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する差演算手段と、
前記差画像から絶対値演算を行うことによって絶対値画像を形成する絶対値手段と、
すべて焦点位置での前記絶対値画像の各画素を比較することによって最大値を与える画素によって各画素の焦点位置座標を検出する手段を備える微分干渉顕微鏡。
【請求項８】
焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する焦点駆動装置と、
それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させるリタデーション変化装置と、
それぞれの前記焦点位置で前記リタデーション量を反転させた２枚の画像を取り込む撮像装置と、
前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する差演算手段と、
前記差画像から絶対値演算を行うことによって絶対値画像を形成する絶対値手段と、
前記絶対値画像の各画素に対しすべて焦点位置での絶対値画像の強度を比較し、最大値を与える画素によってマスク画像を形成する最大値検出手段と、
前記差画像を光学的応答関数によってデコンボリューションすることによって前記焦点位置での位相分布画像を形成するデコンボリューション手段と、
前記位相分布画像から前記マスク画像を使ってその焦点位置での位相分布情報を抽出する抽出手段を備える微分干渉顕微鏡。
【請求項９】
焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する焦点駆動装置と、
それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させるリタデーション変化装置と、
それぞれの前記焦点位置で前記リタデーション量を反転させた２枚の画像を取り込む撮像装置と、
前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する差演算手段と、
前記差画像を小領域に分割し、小領域内の最大値と最小値を検出し、最大値から最小値を引いた値を小領域コントラストとするエリアコントラスト手段と、
前記差画像の各小領域に対しすべて焦点位置での小領域コントラストを比較し、最大値を与える小領域の焦点位置座標を検出する最大値検出手段を備える微分干渉顕微鏡。
【請求項１０】
焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する焦点駆動装置と、
それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させるリタデーション変化装置と、
それぞれの前記焦点位置で前記リタデーション量を反転させた２枚の画像を取り込む撮像装置と、前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する差演算手段と、
前記差画像を小領域に分割し、小領域内の最大値と最小値を検出し、最大値から最小値を引いた値を小領域コントラストとするエリアコントラスト手段と、
前記差画像の各小領域に対しすべて焦点位置での小領域コントラストを比較し、最大値を与える小領域の焦点位置座標を検出する最大値検出手段を使ってマスク画像を形成するマスク画像手段と、
前記差画像を光学的応答関数によってデコンボリューションすることによって前記焦点位置での位相分布画像を形成するデコンボリューション手段と、
前記位相分布画像から前記マスク画像を使ってその焦点位置での位相分布情報を抽出する抽出手段を備える微分干渉顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細菌やバクテリアなどの微細物体や、金属等の結晶構造などを高解像力で観測するために用いられる微分干渉顕微鏡を備えた観察装置と、これを使って焦点深度よりも広い範囲に分布する試料から３次元構造を再生する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、微分干渉顕微鏡では、複屈折性を有するプリズムにより光線を常光と異常光との２つに分離し、この分離した常光と異常光とを被観察物体にむけて照射し、この物体に対して透過もしくは反射させた後にお互いに干渉させることによって、被観察物体の勾配の画像を形成することが出来る。現在、従来の２光束干渉計測技術を微分干渉顕微鏡に応用し、被観察物体の位相分布や微細形状を計測する試みがなされている。特に、半導体製造分野において、位相シフトマスクの位相シフタの膜厚を高精度に測定する方法が、特許文献１に開示されている。また、微分干渉顕微鏡の測定精度を向上させるために、干渉計測における縦走査法を微分干渉顕微鏡に応用した例としては、非特許文献１や特許文献２がある。
【特許文献１】特開平６−２２９７２４号公報
【非特許文献１】ＳＰＩＥ．Ｖｏｌ．ＣＲ４６，１９９２
【特許文献２】特開平５−２３２３８４号公報
【０００３】
微分干渉顕微鏡を被観察物体の計測に適用する場合には、特許文献１に示されるように、微分干渉顕微鏡をマッハツェンダ型の２光束干渉計として捕らえ、被観察物体で回折される光の影響はないとして、常光と異常光との光路差を求めることにより、被観察物体の移動情報などを得ている。ところで、通常の微分干渉顕微鏡では、被観察物体面での常光と異常光との分離幅をシェア量と読んでいるが、このシェア量を微分干渉顕微鏡の分解能程度に設定して常光および異常光それぞれの回折光を干渉させて像を形成している。このため、シェア量が微分干渉顕微鏡の解像力やコントラストを決定する重要なパラメータであることが知られている。したがって、微分干渉顕微鏡を用いて被観察物体の位相分布や微細形状の計測を行うためには、微分干渉顕微鏡特有のシェア量および被観察物体の回折の影響を考慮する必要がある。
【０００４】
しかし、非特許文献１や特許文献２に記載の方法では、被観察物体で回折した光はすべて像面に伝達されると考え、光学系の開口数などによる回折光の欠落（応答特性）についての考慮は一切なされておらず、そのような方法から得られた画像からは正確な被観察物体の位相分布を求めることは難しかった。
【０００５】
そこで、特許文献３や特許文献４では観察像から正確に被観察物体の位相分布を求めることが出来る微分干渉顕微鏡について、その原理と方法について示した。
【特許文献３】特開平９−１０５８６４号公報
【特許文献４】特開２００２−３５０１１７公報
【０００６】
しかし、特許文献３や特許文献４の方法は顕微鏡の焦点深度の範囲の中の位相分布あるいは微小な凹凸の情報を得ることができるが、焦点深度を超えた構造についてはその立体構造について観察することが出来なかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明では、従来の方法では焦点深度程度の範囲内での利用に限られていた微分干渉像からの位相像再生法をより広い範囲に拡張する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の課題は、リタデーション変化装置、撮像装置、演算装置、焦点駆動装置を備えた微分干渉顕微鏡において、前記焦点駆動装置により焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する過程と、それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させた２枚の画像を撮像する過程と、前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する過程と、前記差画像から絶対値演算を行うことによって絶対値画像を形成する過程と、前記絶対値画像の各画素に対しすべて焦点位置での絶対値画像の強度を比較し、最大値を与える画素の焦点位置座標を検出する過程を組み合わせることによって達成できる。
【０００９】
また、前記焦点駆動装置により焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する過程と、それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させた２枚の画像を撮像する過程と、前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する過程と、前記差画像から絶対値演算を行うことによって絶対値画像を形成する過程と、前記絶対値画像の各画素に対しすべて焦点位置での絶対値画像の強度を比較し、最大値を与える画素によってマスク画像を形成する過程と、前記差画像を光学的応答関数によってデコンボリューションすることによって前記焦点位置での位相分布画像を形成する過程と、前記位相分布画像から前記マスク画像を使ってその焦点位置での位相分布情報を抽出する過程を組み合わせることによっても達成できる。
【００１０】
さらに、前記焦点駆動装置により焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する過程と、それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させた２枚の画像を撮像する過程と、前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する過程と、前記差画像を小領域に分割し、小領域内の最大値と最小値を検出し、最大値から最小値を引いた値を小領域コントラストとする過程と、前記差画像の各小領域に対しすべて焦点位置での小領域コントラストを比較し、最大値を与える小領域の焦点位置を検出する過程を組み合わせることによっても達成できる。
【００１１】
また、前記焦点駆動装置により焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する過程と、それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させた２枚の画像を撮像し、前記２枚の画像から差演算を行い、差画像を形成する過程と、前記差画像を小領域に分割し、小領域内の最大値と最小値を検出し、最大値から最小値を引いた値を小領域コントラストとする過程と、前記差画像の各小領域に対しすべて焦点位置での小領域コントラストを比較し、最大値を与える小領域によってマスク画像を形成する過程と、前記差画像を光学的応答関数によってデコンボリューションすることによって前記焦点位置での位相分布画像を形成する過程と、前記位相分布画像から前記マスク画像を使ってその焦点位置での位相分布情報を抽出する過程を組み合わせても達成できる。
【００１２】
このとき、前記間隔は前記微分干渉顕微鏡の焦点深度以下であることが望ましい。こうすることによって、試料のすべての範囲において正しい位相情報を取得できる。
さらに、前記リタデーション量は９０度であることが望ましい。このとき、差画像におけるリタデーション量の差が最大になるので、本発明の効果が最も期待できる。
【００１３】
本発明の課題は、焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する焦点駆動装置と、それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させるリタデーション変化装置と、それぞれの前記焦点位置で前記リタデーション量を反転させた２枚の画像を取り込む撮像装置と、前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する差演算手段と、前記差画像から絶対値演算を行うことによって絶対値画像を形成する絶対値手段と、すべて焦点位置での前記絶対値画像の各画素を比較することによって最大値を与える画素によって各画素の焦点位置座標を検出する手段を備える微分干渉顕微鏡によって達成される。
【００１４】
また、焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する焦点駆動装置と、それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させるリタデーション変化装置と、それぞれの前記焦点位置で前記リタデーション量を反転させた２枚の画像を取り込む撮像装置と、前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する差演算手段と、前記差画像から絶対値演算を行うことによって絶対値画像を形成する絶対値手段と、前記絶対値画像の各画素に対しすべて焦点位置での絶対値画像の強度を比較し、最大値を与える画素によってマスク画像を形成する最大値検出手段と、前記差画像を光学的応答関数によってデコンボリューションすることによって前記焦点位置での位相分布画像を形成するデコンボリューション手段と、前記位相分布画像から前記マスク画像を使ってその焦点位置での位相分布情報を抽出する抽出手段を備える微分干渉顕微鏡によっても達成される。
【００１５】
また、焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する焦点駆動装置と、それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させるリタデーション変化装置と、それぞれの前記焦点位置で前記リタデーション量を反転させた２枚の画像を取り込む撮像装置と、前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する差演算手段と、前記差画像を小領域に分割し、小領域内の最大値と最小値を検出し、最大値から最小値を引いた値を小領域コントラストとするエリアコントラスト手段と、前記差画像の各小領域に対しすべて焦点位置での小領域コントラストを比較し、最大値を与える小領域の焦点位置座標を検出する最大値検出手段を備える微分干渉顕微鏡によっても達成される。
【００１６】
さらに、焦点位置をある範囲内で一定の間隔で走査する焦点駆動装置と、それぞれの前記焦点位置でリタデーション量を反転させるリタデーション変化装置と、それぞれの前記焦点位置で前記リタデーション量を反転させた２枚の画像を取り込む撮像装置と、前記２枚の画像から差演算を行うことによって差画像を形成する差演算手段と、前記差画像を小領域に分割し、小領域内の最大値と最小値を検出し、最大値から最小値を引いた値を小領域コントラストとするエリアコントラスト手段と、前記差画像の各小領域に対しすべて焦点位置での小領域コントラストを比較し、最大値を与える小領域の焦点位置座標を検出する最大値検出手段を使ってマスク画像を形成するマスク画像手段と、前記差画像を光学的応答関数によってデコンボリューションすることによって前記焦点位置での位相分布画像を形成するデコンボリューション手段と、前記位相分布画像から前記マスク画像を使ってその焦点位置での位相分布情報を抽出する抽出手段を備える微分干渉顕微鏡によっても達成される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、従来の方法では焦点深度程度の範囲でしか利用できなかった微分干渉像からの位相像再生法がより広い範囲に拡張される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を説明するにあたり、説明を簡単にするため、微分干渉顕微鏡に備えられた光学系の瞳位置とノマルスキープリズムのローカライズ位置とを一致させた一次元モデルに基づいて行うことにする。
【００１９】
いま、微分干渉顕微鏡の照明光学系の瞳関数をQ(ξ)、結像光学系の瞳関数をP(ξ)とする。また、被観察物体（標本）の位相分布をφ(x)としてボルン近似を行うと、
【００２０】
【数１】
2008111726.tif 000003
【００２１】
となる。よって、被観察物体の像強度分布I(x)は部分的コヒーレント結像の式より、
【００２２】
【数２】
2008111726.tif 000004
【００２３】
と表せる。ただし、Φ(f)はφ(x)のフーリエ変換を表し、fは空間周波数を示す。また、R(f,f')は部分的コヒーレント結像での伝達関数に相当するもので、ＴＣＣと呼ばれ、以下の式で表される。
【００２４】
【数３】
2008111726.tif 000005
【００２５】
次に、微分干渉顕微鏡は偏光干渉を利用したものであるので、上述の結像式（２）にも偏光の要素も組み入れる。そのために、ノマルスキープリズムにより分離された常光および異常光の振動方向をそれぞれの座標軸の方向にとった偏光座標を設定する。
【００２６】
微分干渉顕微鏡においては、光源から発せられた光は偏光子により直線偏光とされた後、ノマルスキープリズムに入射しお互いに直交する偏光成分（常光および異常光）に分離される。従って、結像光学系の瞳関数P(ξ)は２次元ベクトルで表され、
【００２７】
【数４】
2008111726.tif 000006
【００２８】
となる。なお、a,bは前記偏光子による直線偏光の成分を示す。さらに、分離された常光と異常光とはシェア量Δだけお互いに離れた被観察物体面の２点を通過した後、結像光学系中に配置されたノマルスキープリズムにより合波され、検光子を通過する際に常光と異常光がお互いに干渉し合いその干渉像を結像面に形成するようになっている。
【００２９】
従って、検光子の偏光成分をα、βとし、光源からの光が照明光学系の瞳位置での常光と異常光とに分離されることを考慮すると、上述のＴＣＣは
【００３０】
【数５】
2008111726.tif 000007
【００３１】
と表すことができる。また、常光と異常光との間のリタデーションをθとし、結像光学系の明視野の瞳関数をP(ξ)とすると、
【００３２】
【数６】
2008111726.tif 000008
【００３３】
と表すことができる。また、偏光子と検光子との偏光方向が互いに直交（クロスニコル）し、結像光学系は理想光学系であると仮定した場合、微分干渉顕微鏡の像強度分布は式（３）および式（４）を用いて、
【００３４】
【数７】
2008111726.tif 000009
【００３５】
と近似的に表すことができる。ただし、
【００３６】
【数８】
2008111726.tif 000010
【００３７】
である。
ここで、リタデーションθの量を反転させたもの
【００３８】
【数９】
2008111726.tif 000011
【００３９】
との差画像の強度分布を考えると、
【００４０】
【数１０】
2008111726.tif 000012
【００４１】
となる。つまり、応答関数sin(fΔ/2)M(f)によって式（６）をデコンボリューションすることによって位相分布φ(x)が復元される。詳細は特許文献３に開示されている。
しかし、上記の方法は焦点が合っている範囲内でしか適用できないという問題がある。もし焦点深度の範囲を超えて被観察物体が分布している状況で、上記の方法を適用した場合は適切な位相情報を得ることが出来ない（後述の図２を参照）。その理由は、微分干渉顕微鏡のＭＴＦであるM(f)はデフォーカス量に依存して減少してしまうからである。その結果、上述の方法を焦点深度の範囲を超えて適応すると正確な位相分布を求めることが出来ない。
【００４２】
本発明ではこの問題を解決するために、焦点位置ｚを観察物体上で走査した時に一連の画像I(x,z,θ)とI(x,z,-θ)を取得し、これらの画像情報を使って焦点深度を超えた範囲に対して位相分布を取得する。
ここで、焦点位置ｚに依存した結像は
【００４３】
【数１１】
2008111726.tif 000013
【００４４】
であり、デフォーカスが生じると像コントラストが低下し背景の像強度に近づいていく。
合焦位置では像コントラストが最大になるので、像コントラストの最大値を検出することで合焦位置検出することが出来る。しかし、背景の強度の影響により、像コントラストの検出精度が低下してしまう。
ここで、その差画像を形成すると、
【００４５】
【数１２】
2008111726.tif 000014
【００４６】
であり、背景の強度の影響を無くすことが出来て像コントラストの検出精度を向上させることが出来る。
焦点位置を観察物体上で走査した場合に、焦点が合っている画像の領域を上記の（６’）から見つけ出すことが出来れば、その領域に限定して上記のデコンボリューションを実行することで、その焦点位置での位相分布を求めることが出来る。つまり、焦点位置の移動に関してM(f,z)が最大となる画像上の位置が求められれば良いといえる。
【００４７】
ところが、式（６’）を見ると解るように、右辺で焦点位置zに依存する部分はM(f,z)であることから、M(f,z)の最大を探す操作は、式（６’）の値を調べることに帰着される。しかし、ここで注意したいことは、M(f,z)の最大を求めることはI(x,z,θ)のコントラストの最大を求めることに相当することである。
【００４８】
本発明ではI(x,z,θ)のコントラストの最大を求める代わりに、差画像である式（６’）の絶対値
【００４９】
【数１３】
2008111726.tif 000015
【００５０】
を考えて、この最大値を与える領域を焦点が合っている領域と判断する。こうすることによって、通常は最大値と最小値の両方を検出しなければいけないプロセスを簡略化できる。
【００５１】
なお、上記の方法の代わりに小領域コントラスト法を利用しても本発明の実施が出来る。小領域コントラスト法とは差画像を小領域に分割し、その小領域の中で差画像の最大値と最小値の差（つまりコントラスト）を求め、この値が焦点位置ｚに関して最大となるときを合焦位置と判定する。
【００５２】
いずれの方法を採用するにせよ、焦点位置ｚを動かした場合の一連の差画像から焦点があっている領域だけを抜き出し、合焦領域を１、非合焦領域を０とした画像を生成する。これをマスク画像と呼ぶ。ここでマスク画像はお互いに非交和である。
【００５３】
マスク画像と先述のデコンボリューションを実施した画像（これは焦点深度を超えた範囲でデコンボリューションを実施した画像）の積を考えることにより、正しい位相情報のみを抽出する。
【００５４】
抽出された各焦点位置での位相情報を複合することによって、焦点深度を超えた範囲に分布する被観察物体の立体構造を再生することが出来る。例えば複合の仕方としては、焦点位置の違いの分だけ、高さの情報を付加した状態で画像化してもよいし、３次元画像として画像化してもよい。
【００５５】
次に、本発明の実施の効果を実施の例を参照しながら説明する。以下に述べる本発明の実施の例は、シリコンウェハー上に半導体製造技術を用いて製作された、段差が50nmで溝幅が1.0, 1.2, 1.4 μmである格子パターンを撮像したものである。この格子パターンは本発明の効果を確かめるために高低差が３μｍになるように傾斜して配置している。撮像条件は対物レンズが５０倍でありＮＡ０．７５である。以上の条件の下で、リタデーション量θが＋９０度であるものと−９０度である微分干渉像を、焦点位置を１μｍずらして取得した。
【００５６】
図１は上述のように取得されたリタデーションが反転した画像の差画像を表している。図１の（ａ）（ｂ）（ｃ）では焦点位置が異なるので、シリコンウェハー上の合焦点領域が異なることが見て取れる。ちなみに、（ａ）では画像の下部、（ｂ）では画像の中央部、（ｃ）では画像の上部に焦点が合っている。
【００５７】
図２は、図１の（ａ）（ｂ）（ｃ）をデコンボリューションして位相分布像を再生したものである。同図から見て取れるように、合焦点領域の外では正しく位相分布が再生されていない。
【００５８】
図３は、図１の（ａ）（ｂ）（ｃ）の差画像を画素ごとの強度の絶対値を取ったものである。図３の（ａ）（ｂ）（ｃ）を比べると解るように、焦点が合っている領域では明るさが強くなっている。
【００５９】
図４は、図３の（ａ）（ｂ）（ｃ）の絶対値画像の中で、焦点位置を変化させたときに（つまり、図３の（ａ）（ｂ）（ｃ）のなかで）最大値となる画素を１とし、それ以外を０とした画像を示している。この画像をマスク画像と呼び、値が１（画像上は白）の領域は焦点が合っていることを示している。
【００６０】
図５は、図４の（ａ）（ｂ）（ｃ）のマスク画像を使って、図２の（ａ）（ｂ）（ｃ）の位相分布像から正しい位相分布情報の領域だけ抜き出したものである。
図６の（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図２の（ａ）（ｂ）（ｃ）の、それぞれ、４３０行目の画素、２６０行目の画素、８０行目の画素における、位相分布の断面をグラフにしたものである。このグラフにおいて、横軸は画素を表し、縦軸は位相差を高さ（単位はｎｍ）に変換したものである。これらのグラフから理解されるように、本発明ではシリコンウェハーの高さ（本来は５０ｎｍ）であるものをほぼ正確に計測することが出来ている。
【００６１】
次に、本発明の実施に利用される顕微鏡の構成例を説明する。図７に示される顕微鏡の構成例は落射照明型の正立顕微鏡の模式図であるが、本発明の実施にはこの顕微鏡構成に限らない。観測する試料に応じて、倒立方顕微鏡や透過照明型の顕微鏡などを自由に利用することが出来る。
【００６２】
光源１から放射された光はコレクタレンズ２で集光し開口絞り３の位置に結像させた後、視野絞り４で照明光が調節され、フィールドレンズ５を経由して、ハーフミラー６によって反射され、対物レンズ７の瞳面に光源像が投影される。本構成例では、フィールドレンズ５と対物レンズ７の間に、さらに偏光子８と、１／４位相板９と、ノマルスキープリズム１０を有する。これらは微分干渉観測に利用される光学素子である。本構成例において１／４位相板９が利用される理由は、リタデーション量θを調節する際に利点があるからである。リタデーション量を調節する方法として一番簡単な方法はノマルスキープリズム１０を移動させることである。しかしこの方法は、微調節をする際に困難がある。そこで、本構成例では、１／４位相板９を配置し、偏光子８を回転させることによってリタデーション量θを調節する方式をとっている。つまりセナルモン法を採用した構成例である。
【００６３】
観察光学系の構成としては、観察対象物１１から反射された光線は対物レンズ７によって並行に射出し、ノマルスキープリズム１０とハーフミラー６と検光子１２を経由し、結像レンズ１３によって撮像素子１４の受光面に結像される。
【００６４】
撮像素子１４により取得された画像はコンピュータ１６に保管され、さらに差画像の生成、絶対値画像の生成、マスク画像の生成、デコンボリューションなどの処理が行われる。
【００６５】
また、コンピュータ１６は偏光子８を回転させるためのパルスモータ１５の制御も兼ねている。
最後に本発明の実施の例のフローチャートを図８を使って説明する。
【００６６】
まず、ある焦点位置でリタデーションが反転した２枚の画像I(x,z,θ)とI(x,z,-θ)を取得する（Ｓ１）。その後、２枚の画像I(x,z,θ)とI(x,z,-θ)から差画像I(x,z,θ) - I(x,z,θ)を生成する（Ｓ２）。さらに、差画像I(x,z,θ)-I(x,z,-θ)から絶対値像|I(x,z,θ) - I(x,z,-θ)|を生成する（Ｓ３）と同時に、差画像I(x,z,θ)-I(x,z,-θ)に上述のデコンボリューションを実施して位相分布像を生成する（Ｓ４）。その後、焦点位置を移動させて次の画像取得に備える（Ｓ５）。この一連の動作（Ｓ１からＳ５）を被観察対象物の高さを網羅するだけ繰り返す。
【００６７】
この様にして取得された一連の絶対値像|I(x,z,θ)-I(x,z,-θ)|から、各画素ごとに焦点位置に関する最大値を求める（Ｓ６）。その結果を受けて、最大値となる画素を１としそれ以外を０とするマスク画像を生成する（Ｓ７）。最後に、（Ｓ５）で生成された位相分布像から、（Ｓ７）で生成されたマスク画像を使って正しい位相分布が再生されている領域を抽出する（Ｓ８）。
【００６８】
以上のように、本発明によれば、焦点深度を超えた範囲でも被観察物体の位相分布を観測することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施の例における差画像である。
【図２】本発明の実施の例における位相分布像である。
【図３】本発明の実施の例における絶対値像である。
【図４】本発明の実施の例におけるマスク画像である。
【図５】本発明の実施の例における抽出された位相分布像である。
【図６】本発明の実施の例における効果を示すグラフである。
【図７】本発明の実施に利用される顕微鏡の構成例である。
【図８】本発明の実施の例のフローチャートである。
【符号の説明】
【００７０】
１・・・光源
２・・・コレクタレンズ
３・・・開口絞り
４・・・視野絞り
５・・・フィールドレンズ
６・・・ハーフレンズ
７・・・対物レンズ
８・・・偏光子
９・・・１／４位相版
１０・・・ノマルスキープリズム
１１・・・被観察対象物
１２・・・検光子
１３・・・結像レンズ
１４・・・撮像素子
１５・・・パルスモータ
１６・・・コンピュータ
【図４】
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【図８】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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