(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源からの光を２つの偏光成分に分離するための部材を備えた前記光源からの光を観察物体に導くための照明光学系と、前記照明光学系内で分離された２つの偏光成分を再構成するための部材を備えた観察物体の像を形成するための結像光学系とを有する微分干渉顕微鏡と、前記２つの偏光成分のリターデーション量を変化させる手段と、前記リターデーション量を検出する手段と、観察物体の像を撮像する手段とを備え、前記リターデーション量を変化させる手段によって形成されたリターデーション量が等しく符号の異なる観察物体の２つの微分干渉像を前記撮像手段で撮像する検出装置において、
該２つの微分干渉像の画像において夫々対応する画素毎に差演算および和演算を行って差画像情報Ｄ（ｘ，ｙ）と和画像情報Ｓ（ｘ，ｙ）を取得し、前記リターデーション量を検出する手段によって検出した偏光成分のリターデーション量をθ、前記各画像情報に対応する観察物体面上の位相量をΦ（ｘ，ｙ）とするとき、以下の式の何れかを用いて、前記２つの偏光成分の分離方向ｒに対応する観察物体面上の位相量の微分値∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒを検出し、ｒ方向の積分処理を行うことにより、観察物体面上の位相量Φ（ｘ，ｙ）を検出する演算手段を備えていることを特徴とする検出装置。
∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒ＝ｋ・｛（１−ｃｏｓθ）・Ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｓ（ｘ，ｙ）｝
∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒ＝ｋ・ｔａｎ-1〔｛（１−ｃｏｓθ）・Ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｓ（ｘ，ｙ）｝］
但し、前記ｋに関し、前記検出装置の光源から射出される光の波長をλとするとき、観察物体を透過観察する場合はｋ＝λ／２π、観察物体を反射観察する場合はｋ＝λ／４πである。
【請求項２】
光源と、該光源からの光を２つの偏光成分に分離するための部材を備えた前記光源からの光を観察物体に導くための照明光学系と、前記照明光学系内で分離された２つの偏光成分を再構成するための部材を備えた観察物体の像を形成するための結像光学系とを有する微分干渉顕微鏡と、前記２つの偏光成分のリターデーション量を変化させる手段と、前記リターデーション量を検出する手段と、観察物体の像を撮像する手段とを備え、前記リターデーション量を変化させる手段によって形成されたリターデーション量が等しく符号の異なる観察物体の２つの微分干渉像を前記撮像手段で撮像する検出装置に用いられる方法であって、
該２つの微分干渉像の画像において夫々対応する画素毎に差演算および和演算を行って差画像情報Ｄ（ｘ，ｙ）と和画像情報Ｓ（ｘ，ｙ）を取得し、前記リターデーション量を検出する手段によって検出した偏光成分のリターデーション量をθ、前記各画像情報に対応する観察物体面上の位相量をΦ（ｘ，ｙ）とするとき、以下の式の何れかを用いて、前記２つの偏光成分の分離方向ｒに対応する観察物体面上の位相量の微分値∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒを検出し、ｒ方向の積分処理を行うことにより、観察物体面上の位相量Φ（ｘ，ｙ）を検出する方法。
∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒ＝ｋ・｛（１−ｃｏｓθ）・Ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｓ（ｘ，ｙ）｝
∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒ＝ｋ・ｔａｎ-1〔｛（１−ｃｏｓθ）・Ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｓ（ｘ，ｙ）｝］
但し、前記ｋに関し、前記検出装置の光源から射出される光の波長をλとするとき、観察物体を透過観察する場合はｋ＝λ／２π、観察物体を反射観察する場合はｋ＝λ／４πである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微分干渉顕微鏡によって得られた観察物体の画像情報から観察物体の形状や観察物体の各観察点の座標，段差，位相変化等の物理量を検出するための装置およびこれを用いた検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微分干渉顕微鏡は、観察物体の位相変化や段差情報等を偏光干渉により可視化できることから、生体やＩＣパターン等の微細構造の観察に広く用いられている。特に、近年磁気ディスクの表面に形成された磁気ヘッドの密着防止用微小突起（バンプ）の検査や、半導体のパターン露光に用いられる位相シフトレチクルの欠陥やリターデーション（位相差）量の測定、半導体ウエハーの位置決め装置等に微分干渉顕微鏡を用いる試みがなされている。
【０００３】
例えば、下記の特許部文献１および特許文献２において、微分干渉顕微鏡をシァ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測定に応用する方法が開示されている。また、下記の特許文献３では、微分干渉顕微鏡を用いて半導体ウエハー上の位置決めマークのエッジ部を検出して半導体ウエハーの位置決めを行う方法が開示されている。
【０００４】
しかし、これらの方法は従来の干渉計測技術を微分干渉顕微鏡に応用したものであり、観察物体面での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の考慮もなされていない。
なお、これらの観察物体面上の光の回折や強度変化の影響については、下記の特許文献４において、本発明者が、微分干渉顕微鏡の結像特性を明らかにして、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抽出する方法を示した。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１４９７１９号公報
【特許文献２】特開平７−２４８２６１号公報
【特許文献３】特開平７−２３９２１２号公報
【特許文献４】特開平９−１５５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
微分干渉顕微鏡は観察物体面上の位相変化を画像における濃淡の分布に変換している。逆に、微分干渉画像における濃淡の分布を解析することにより、観察物体面上の位相変化を検出することができると考えられている。また、観察物体の段差のエッジ部は急激な位相変化を伴うことから、画像の濃淡値にも急激な変化が生じるので、微分干渉画像から濃淡値が急激に変化する部分を抽出することにより観察物体の段差の位置を検出できることが、上記の特許文献３等に示されている。
さらに、正常な標本の微分干渉画像をレファレンス画像とし、このレファレンス画像と観察物体像とを比較することで観察物体に混入した異物を検出する方法が、特開平５−２５６７９５号公報に示されている。
【０００７】
ところで、微分干渉画像における濃淡の分布から観察物体の位相分布を求める場合には、観察物体における光の透過率や反射率の変化，照明光の強度変化等の観察物体の位相変化以外の要素が混ざると、観察物体の位相変化を正確に検出することができなくなる。
これらの問題は、予め観察する物体の情報をレファレンス画像として取得し、このレファレンス画像のデータを基にした観察物体の画像処理を行うことによって、ある程度解決することはできる。しかし、この方法はレファレンス画像との比較処理を行うために長い時間が必要になり、半導体等の検査では検査時間の短縮化が要望されている点を考慮すると好ましくない。
【０００８】
また、観察物体の段差等のエッジ部の検出では、凸部から凹部に変わる部分と凹部から凸部に変わる部分とでは、微分干渉画像の濃淡の分布が反転する。従って、エッジ部を検出するには微分干渉画像において濃淡値の極大値と極小値の両方を検出しなくてはならない。
しかし、この場合、微分干渉画像を撮像する素子の検出特性や照明光の強度特性の変換により、検出特性が大きく変わってしまう。さらに、観察物体上の特定の領域での勾配を検出する場合には、微分干渉画像からは特定の値を検出することになり、特に外乱光の影響を受けやすくなるという問題がある。
【０００９】
ところで、観察物体の段差等の位相量の変化を計測するとき、段差が比較的小さい場合には、微分干渉顕微鏡に干渉計測で用いられる縞走査を組み合わせることにより、観察物体の位相情報を抽出することができる。縞走査を行うときには、偏光成分のリターデーション量が異なる４枚の画像を撮像して演算しなければならず、処理時間を短縮化する課題の達成はできない。
また、偏光成分のリターデーション量が０のときとπのときとでは、画像の濃淡値が大きく変化するので、正確な位相量を検出するためにはダイナミックレンジの広い撮像素子が必要になり、装置が複雑になる。
なお、本発明者は、上記の特許文献４において、微分干渉顕微鏡の結像特性に着目し、微分干渉画像から位相情報と強度情報を分離する方法を示した。
【００１０】
本発明は上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、観察物体の勾配，微小平面部，エッジ部，段差，位相変化量等の具体的な物理量を微分干渉顕微鏡によって得られる観察物体の微分干渉画像から位相情報と強度情報とを分離することにより、従来の方法よりも短時間で検出するための装置とこれを用いた検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明による検出装置は、光源と、該光源からの光を２つの偏光成分に分離するための部材を備えた前記光源からの光を観察物体に導くための照明光学系と、前記照明光学系内で分離された２つの偏光成分を再構成するための部材を備えた観察物体の像を形成するための結像光学系とを有する微分干渉顕微鏡と、前記２つの偏光成分のリターデーション量を変化させる手段と、前記リターデーション量を検出する手段と、観察物体の像を撮像する手段とを備え、前記リターデーション量を変化させる手段によって形成されたリターデーション量が等しく符号の異なる観察物体の２つの微分干渉像を前記撮像手段で撮像する検出装置において、該２つの微分干渉像の画像において夫々対応する画素毎に差演算および和演算を行って差画像情報Ｄ（ｘ，ｙ）と和画像情報Ｓ（ｘ，ｙ）を取得し、前記リターデーション量を検出する手段によって検出した偏光成分のリターデーション量をθ、前記各画像情報に対応する観察物体面上の位相量をΦ（ｘ，ｙ）とするとき、以下の式の何れかを用いて、前記２つの偏光成分の分離方向ｒに対応する観察物体面上の位相量の微分値∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒを検出し、ｒ方向の積分処理を行うことにより、観察物体面上の位相量Φ（ｘ，ｙ）を検出する演算手段を備えていることを特徴とする検出装置。
∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒ＝ｋ・｛（１−ｃｏｓθ）・Ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｓ（ｘ，ｙ）｝
∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒ＝ｋ・ｔａｎ-1〔｛（１−ｃｏｓθ）・Ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｓ（ｘ，ｙ）｝］
但し、前記ｋに関し、前記検出装置の光源から射出される光の波長をλとするとき、観察物体を透過観察する場合はｋ＝λ／２π、観察物体を反射観察する場合はｋ＝λ／４πである。
【００１２】
また、本発明の検出装置において、光源と、該光源からの光を２つの偏光成分に分離するための部材を備えた前記光源からの光を観察物体に導くための照明光学系と、前記照明光学系内で分離された２つの偏光成分を再構成するための部材を備えた観察物体の像を形成するための結像光学系とを有する微分干渉顕微鏡と、前記２つの偏光成分のリターデーション量を変化させる手段と、前記リターデーション量を検出する手段と、観察物体の像を撮像する手段とを備え、前記リターデーション量を変化させる手段によって形成されたリターデーション量が等しく符号の異なる観察物体の２つの微分干渉像を前記撮像手段で撮像する検出装置に用いられる方法であって、該２つの微分干渉像の画像において夫々対応する画素毎に差演算および和演算を行って差画像情報Ｄ（ｘ，ｙ）と和画像情報Ｓ（ｘ，ｙ）を取得し、前記リターデーション量を検出する手段によって検出した偏光成分のリターデーション量をθ、前記各画像情報に対応する観察物体面上の位相量をΦ（ｘ，ｙ）とするとき、以下の式の何れかを用いて、前記２つの偏光成分の分離方向ｒに対応する観察物体面上の位相量の微分値∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒを検出し、ｒ方向の積分処理を行うことにより、観察物体面上の位相量Φ（ｘ，ｙ）を検出する方法。
∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒ＝ｋ・｛（１−ｃｏｓθ）・Ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｓ（ｘ，ｙ）｝
∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒ＝ｋ・ｔａｎ-1〔｛（１−ｃｏｓθ）・Ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｓ（ｘ，ｙ）｝］
但し、前記ｋに関し、前記検出装置の光源から射出される光の波長をλとするとき、観察物体を透過観察する場合はｋ＝λ／２π、観察物体を反射観察する場合はｋ＝λ／４πである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、まず観察物体の微小な平面部分を正確に検出することができる。また、微小な平面部分を検出することにより、磁気ディスクの磁気ヘッド密着防止用微小突起の形状や欠陥の検出を行うことができる。
次に、画像情報を抽出してその絶対値や２乗値を形成することにより、エッジ部分による散乱光等の外乱の影響を受けずにエッジ部の検出を行うことができ、半導体ウエハー上に形成された位置決め用凹凸標本のエッジ部を正確に検出することができる。
そして、偏光成分のリターデーション量が±θである２つの画像から観察物体の位相分布を計測することができるので、観察物体の位相分布を計測する時間を短縮することができる。また、従来の縞走査法と比較すると画像を撮像する素子のダイナミックレンジに影響されることが少なくなり、装置の簡素化も図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明による検出装置は、光源と、光源からの光を２つの偏光成分に分離するための部材を備えた前記光源からの光を観察物体に導くための照明光学系と前記照明光学系内で分離された２つの偏光成分を再構成するための部材を備えた観察物体の像を形成するための結像光学系とを有する微分干渉顕微鏡と、前記２つの偏光成分のリターデーション量を変化させる手段と、観察物体の像を撮像する手段と、この撮像手段により取り込まれた画像の演算を行う手段とを備えている。
【００１５】
そして、本発明の検出装置において、照明光学系内で分離された２つの偏光成分のリターデーション量を検出して偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる観察物体の２つの微分干渉画像を形成し、これら２つの微分干渉画像において夫々対応する画素毎に差演算を行って差画像を取得し、この差画像から所定の範囲の画像情報を抽出することにより、観察物体の勾配が検出できる（第１の方法）。
【００１６】
また、本発明の検出装置において、照明光学系内で分離された２つの偏光成分のリターデーション量を検出して偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる観察物体の２つの微分干渉画像を形成し、これら２つの微分干渉画像において夫々対応する画素毎に差演算および和演算を行って差画像と和画像を取得し、これら差画像と和画像における画像情報の比を演算し、得られた結果から所定の範囲の画像情報を抽出することによっても、観察物体の勾配が検出できる（第２の方法）。
【００１７】
また、第１または第２の方法に従った演算の結果得られた画像情報から０値を中心に所定の範囲の画像情報を抽出すれば、観察物体上の位相変化のない部分または平面部分が検出できる（第３の方法）。
【００１８】
さらに、第３の方法によって検出された観察物体の位相変化のない部分または平面部の面積または形状を、基準とする他の標本から予め求めた平面部の面積または形状と比較することにより、観察物体と標本との相違が検出できる（第４の方法）。
【００１９】
また、本発明の検出装置を用いれば、観察物体上のエッジ部の検出も可能である。すなわち、本発明の検出装置において、照明光学系内で分離された２つの偏光成分のリターデーション量を検出して偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる観察物体の２つの微分干渉画像を形成し、これら２つの微分干渉画像において夫々対応する画素毎に差演算を行って差画像を取得し、この差画像における画像情報の絶対値を求め所定の閾値を設定し、閾値を越える画像領域を抽出することにより、観察物体上のエッジ部が検出できる（第５の方法）。
【００２０】
本発明の装置において、照明光学系内で分離された２つの偏光成分のリターデーション量を検出して偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる観察物体の２つの微分干渉画像を形成し、これら２つの微分干渉画像において夫々対応する画素毎に差演算および和演算を行って差画像および和画像を取得し、差画像と和画像とにおいて各画素毎に画像情報の比を演算し、この結果から観察物体の画像情報の絶対値を求め所定の閾値を設定し、この閾値を越える画像情報を抽出することによっても、観察物体上のエッジ部の検出が可能になる（第６の方法）。
【００２１】
また、本発明の検出装置において、照明光学系内で分離された２つの偏光成分のリターデーション量を検出して偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる観察物体の２つの微分干渉画像を形成し、これら２つの微分干渉画像において夫々対応するの画素毎に差演算を行って差画像を取得し、この差画像を差画像中の最大値と最小値の間の値で割り算した値の２乗を求め、所定の閾値を設定しこの閾値を越える画像領域を抽出することにより、観察物体上のエッジ部の検出が可能になる（第７の方法）。
【００２２】
また、本発明の検出装置において、照明光学系内で分離された２つの偏光成分のリターデーション量を検出して偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる観察物体の２つの微分干渉画像を形成し、これら２つの微分干渉画像において夫々対応する画素毎に差演算および和演算を行って差画像および和画像を取得し、差画像と和画像において各画素毎に画像情報の比を演算し、この結果得られた画像情報を画像情報中の最大値と最小値との間の値で割り算し、さらにこの結果得られた値を２乗演算し所定の閾値を設定して、閾値を越える画像領域を抽出することにより、観察物体上のエッジ部の検出が可能になる（第８の方法）。
【００２３】
さらに、第５乃至第８の方法に従って、前記閾値を越える画像領域の座標を求めることによっても、観察物体上のエッジ部の位置検出が可能になる（第９の方法）。
【００２４】
また、第５乃至第８の方法に従って、前記閾値を越える画像領域に特に基準となる座標を設定すれば、観察物体上のエッジ部の位置検出がより高精度にできる（第１０の方法）。
【００２５】
第５乃至第８の方法に従って、前記閾値を越える画像領域の座標を求めることにより、観察物体上の各エッジ部の間隔も検出できる（第１１の方法）。
【００２６】
また、第５乃至第８の方法に従って、前記閾値を越える画像領域に特に基準となる座標を設定すれば、観察物体上の各エッジ部の間隔がより高精度に検出できる（第１２の方法）。
【００２７】
さらに、本発明の検出装置において、まず、照明光学系内で分離された２つの偏光成分のリターデーション量を検出して偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる２つの微分干渉画像を形成して、これら２つの微分干渉画像において夫々対応する画素毎に差演算および和演算を行って差画像情報および和画像情報を取得する。次に、前記検出した偏光成分のリターデーション量をθ、前記差画像情報をＤ（ｘ，ｙ）、前記和画像情報をＳ（ｘ，ｙ）、前記各画像情報に対応する観察物体面上の位相量をΦ（ｘ，ｙ）とするとき、次の条件式（１），（２）の何れかを用いて、前記２つの偏光成分の分離方向ｒに対応する観察物体面上の位相量の微分値∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒを検出し、ｒ方向の積分処理を行えば、観察物体上の位相量Φ（ｘ，ｙ）の検出が可能になる（第１３の方法）。
∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒ＝ｋ・｛（１−ｃｏｓθ）・Ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｓ（ｘ，ｙ）｝   ・・・・（１）
∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒ＝ｋ・ｔａｎ-1〔｛（１−ｃｏｓθ）・Ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｓ（ｘ，ｙ）｝］ ・・・・（２）
但し、前記ｋに関し、前記検出装置の光源から射出される光の波長をλとするとき、観察物体を透過観察する場合はｋ＝λ／２π、観察物体を反射観察する場合はｋ＝λ／４πである。
【００２８】
また、本発明の検出装置において、まず、照明光学系内で分離された２つの偏光成分のリターデーション量を検出して偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる２つの微分干渉画像を形成して、これら２つの微分干渉画像において夫々対応する画素毎に差演算および和演算を行って差画像情報および和画像情報を取得する。次に、前記検出した偏光成分のリターデーション量をθ、前記差画像情報をＤ（ｘ，ｙ）、前記和画像情報をＳ（ｘ，ｙ）、前記各画像情報に対応する観察物体面上の位相量をΦ（ｘ，ｙ）、前記差画像情報Ｄ（ｘ，ｙ）を微分干渉顕微鏡の光学的応答特性を用いてデコンボリューションした画像情報をｄ（ｘ，ｙ）とするとき、次の条件式（３），（４）の何れかを用いることにより、観察物体面上の位相量Φ（ｘ，ｙ）が検出できる（第１４の方法）。
Φ（ｘ，ｙ）＝ｋ・｛（１−ｃｏｓθ）・ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｓ（ｘ，ｙ）｝  ・・・・（３）
Φ（ｘ，ｙ）＝ｋ・ｔａｎ-1〔｛（１−ｃｏｓθ）・ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｓ（ｘ，ｙ）｝］ ・・・・（４）
但し、前記ｋに関し、前記検出装置の光源から射出される光の波長をλとするとき、観察物体の透過観察の場合はｋ＝λ／２π、観察物体の反射観察の場合はｋ＝λ／４πである。
【００２９】
本発明の検出装置において、まず、照明光学系内で分離された２つの偏光成分のリターデーション量を検出して偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる２つの微分干渉画像を形成して、これら２つの微分干渉画像において夫々対応する位置の画素毎に差演算および和演算を行って差画像情報および和画像情報を取得する。次に、前記検出した偏光成分のリターデーション量をθ、前記差画像情報をＤ（ｘ，ｙ）、前記和画像情報をＳ（ｘ，ｙ）、前記各画像情報に対応する観察物体面上の位相量をΦ（ｘ，ｙ）、前記差画像情報Ｄ（ｘ，ｙ）を微分干渉顕微鏡の光学的応答特性を用いてデコンボリューションした画像情報をｄ（ｘ，ｙ）、前記和画像情報Ｓ（ｘ，ｙ）中の極小値を包絡する画像情報をＬ（ｘ，ｙ）とするとき、次の条件式（５），（６）の何れかを用いることにより、観察物体上の位相量Φ（ｘ，ｙ）の検出が可能になる（第１５の方法）。
Φ（ｘ，ｙ）＝ｋ・｛（１−ｃｏｓθ）・ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｌ（ｘ，ｙ）｝  ・・・・（５）
Φ（ｘ，ｙ）＝ｋ・ｔａｎ-1〔｛（１−ｃｏｓθ）・ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｌ（ｘ，ｙ）｝］ ・・・・（６）
但し、前記ｋに関し、前記検出装置の光源から射出される光の波長をλとするとき、観察物体の透過観察の場合はｋ＝λ／２π、観察物体の反射観察の場合はｋ＝λ／４πである。
【００３０】
本発明の検出装置において、まず、照明光学系内で分離された２つの偏光成分のリターデーション量を検出して偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる２つの微分干渉画像と、偏光成分のリターデーション量が０の微分干渉画像を形成し、前記偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる２つの微分干渉画像において夫々対応する画素毎に差演算および和演算を行って差画像情報および和画像情報を取得する。次に、前記検出した偏光成分のリターデーション量をθ、前記偏光成分のリターデーション量が０の画像情報をＯ（ｘ，ｙ）、前記差画像情報をＤ（ｘ，ｙ）、前記和画像情報をＳ（ｘ，ｙ）、前記各画像情報に対応する観察物体面上の位相量をΦ（ｘ，ｙ）とするとき、次の条件式（７），（８）の何れかを用い、２つの偏光成分の分離方向ｒに対応する観察物体の位相量の微分値∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒを検出し、ｒ方向の積分処理を行うことにより、観察物体上の位相量Φ（ｘ，ｙ）が検出できる（第１６の方法）。
∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒ＝ｋ・｛（１−ｃｏｓθ）・ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｂ（ｘ，ｙ）｝  ・・・・（７）
∂Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒ＝ｋ・ｔａｎ-1〔｛（１−ｃｏｓθ）・ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｂ（ｘ，ｙ）｝］・・・・（８）
但し、前記ｋに関し、前記検出装置の光源から射出される光の波長をλとするとき、観察物体の透過観察の場合はｋ＝λ／２π、観察物体の反射観察の場合はｋ＝λ／４πである。また、Ｂ（ｘ，ｙ）＝Ｓ（ｘ，ｙ）−２・Ｏ（ｘ，ｙ）である。
【００３１】
本発明の検出装置において、まず、照明光学系内で分離された２つの偏光成分のリターデーション量を検出して偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる２つの微分干渉画像と、偏光成分のリターデーション量が０の微分干渉画像を形成し、前記偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる２つの微分干渉画像において夫々対応する画素毎に差演算および和演算を行って差画像情報および和画像情報を取得する。次に、前記検出した偏光成分のリターデーション量をθ、前記偏光成分のリターデーション量が０の画像情報をＯ（ｘ，ｙ）、前記差画像情報をＤ（ｘ，ｙ）、前記和画像情報をＳ（ｘ，ｙ）、前記各画像情報に対応する観察物体面上の位相量をΦ（ｘ，ｙ）、前記差画像情報Ｄ（ｘ，ｙ）を微分干渉顕微鏡の光学的応答特性を用いてデコンボリューションした画像情報をｄ（ｘ，ｙ）とするとき、次の条件式（９），（１０）の何れかを用いることにより、観察物体面上の位相量Φ（ｘ，ｙ）が検出できる（第１７の方法）。
Φ（ｘ，ｙ）＝ｋ・｛（１−ｃｏｓθ）・ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｂ（ｘ，ｙ）｝   ・・・・（９）
Φ（ｘ，ｙ）＝ｋ・ｔａｎ-1〔｛（１−ｃｏｓθ）・ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・Ｂ（ｘ，ｙ）｝］ ・・・・（１０）
但し、前記ｋに関し、前記検出装置の光源から射出される光の波長をλとしたとき、観察物体の透過観察の場合はｋ＝λ／２π、観察物体の反射観察の場合はｋ＝λ／４πである。また、Ｂ（ｘ，ｙ）＝Ｓ（ｘ，ｙ）−２・Ｏ（ｘ，ｙ）である。
【００３２】
本発明の検出装置において、まず、照明光学系内で分離された２つの偏光成分のリターデーション量を検出して偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる２つの微分干渉画像と、偏光成分のリターデーション量が０の微分干渉画像を形成し、前記偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる２つの微分干渉画像において夫々対応する画素毎に差演算および和演算を行って差画像情報および和画像情報を取得する。次に、前記検出した偏光成分のリターデーション量をθ、前記偏光成分のリターデーション量が０の画像情報をＯ（ｘ，ｙ）、前記差画像情報をＤ（ｘ，ｙ）、前記和画像情報をＳ（ｘ，ｙ）、前記各画像情報に対応する観察物体面上の位相量をΦ（ｘ，ｙ）、前記差画像情報Ｄ（ｘ，ｙ）を微分干渉顕微鏡の光学的応答特性を用いてデコンボリューションした画像情報をｄ（ｘ，ｙ）、｛Ｓ（ｘ，ｙ）−２・Ｏ（ｘ，ｙ）｝中の極小値を包絡する画像情報をｂ（ｘ，ｙ）をとするとき、次の条件式（１１），（１２）の何れかを用いることにより、観察物体面上の位相量Φ（ｘ，ｙ）の検出ができる（第１８の方法）。
Φ（ｘ，ｙ）＝ｋ・｛（１−ｃｏｓθ）・ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・ｂ（ｘ，ｙ）｝   ・・・・（１１）
Φ（ｘ，ｙ）／∂ｒ＝ｋ・ｔａｎ-1〔｛（１−ｃｏｓθ）・ｄ（ｘ，ｙ）｝
／｛２ｓｉｎθ・ｂ（ｘ，ｙ）｝］ ・・・・（１２）
但し、前記ｋに関し、前記検出装置の光源から射出される光の波長をλとするとき、観察物体の透過観察の場合はｋ＝λ／２π、観察物体の反射観察の場合はｋ＝λ／４πである。
【００３３】
本発明者は、微分干渉顕微鏡の結像特性について、結像特性の導き方から結果までを上記の特許文献４において詳細に説明している。
微分干渉顕微鏡の特性は、微分干渉顕微鏡における像強度分布をＩ（ｘ，ｙ）、微分干渉顕微鏡内の２つの偏光成分のリターデーション量をθ、観察物体の光の透過（反射）率をＴ（ｘ，ｙ）、微分干渉顕微鏡の位相情報をＰ（ｘ，ｙ）、像の強度情報をＡ（ｘ，ｙ）とすると、簡略的に次の式（１３）で表せる。
Ｉ（ｘ，ｙ，θ）＝Ｔ（ｘ，ｙ）｛（１−ｃｏｓθ）・Ａ（ｘ，ｙ）／２
＋ｓｉｎθ・Ｐ（ｘ，ｙ）｝  ・・・・（１３）
また、式（１３）において−θのとき、
Ｉ（ｘ，ｙ，−θ）＝Ｔ（ｘ，ｙ）｛（１−ｃｏｓθ）・Ａ（ｘ，ｙ）／２
−ｓｉｎθ・Ｐ（ｘ，ｙ）｝  ・・・・（１４）
となる。
【００３４】
式（１３），（１４）から（１３）−（１４），（１３）＋（１４）を計算すると、
Ｉ（ｘ，ｙ，θ）−Ｉ（ｘ，ｙ，−θ）
＝２Ｔ（ｘ，ｙ）・ｓｉｎθ・Ｐ（ｘ，ｙ）                      ・・・・（１５）
Ｉ（ｘ，ｙ，θ）＋Ｉ（ｘ，ｙ，−θ）
＝Ｔ（ｘ，ｙ）・（１−ｃｏｓθ）・Ａ（ｘ，ｙ）                ・・・・（１６）
となる。
よって、差画像情報と和画像情報を形成することにより微分干渉画像から位相情報と像の強度情報とを分離することが可能になる。
【００３５】
さらに、微分干渉画像から位相情報を抽出することにより、観察物体の位相変化に対応した画像情報を求めることができる。特に、微分干渉画像の位相情報は観察物体の位相分布の微分値と相関しているので、画像の位相情報から所定の値を抽出することにより、観察物体において所定の値に対応した勾配を検出することができる。
従って、前述の第１の方法に示したように、偏光成分のリターデーション量が等しく符号が異なる２つの微分干渉画像から差画像を取得し、この差画像から所定の範囲の画像情報を抽出することによって、観察物体の勾配を容易に検出することができる。そして、この方法をシステム化することにより観察物体の勾配を検出する装置を構成できる。
【００３６】
ところで、観察物体の透過率（反射率）Ｔ（ｘ，ｙ）が比較的１に近い場合は、差画像情報を取得するだけで観察物体の勾配を十分正確に検出することができる。一般的な場合には、式（１５）と式（１６）の比を計算すると、Ｔ（ｘ，ｙ）の影響を除くことができる。
従って、第２の方法に示したように、差画像と和画像を取得しこれらの比を求めることにより、観察物体の光の透過率や反射率の影響を取り除いた上で、観察物体の勾配を検出することが可能である。また、この方法をシステム化することにより観察物体の勾配を検出する装置を構成できる。
【００３７】
また、第３の方法で述べたように、第１または第２の方法によって得られた画像情報から値が０になる部分を中心に所定の範囲内の画像領域を抽出すると、位相勾配がほぼ０になる領域を抽出することができる。これは観察物体から位相変化のない部分又は平面部分を検出することと等価となる。なぜなら、観察物体に曲面や球面が存在する場合、その面頂近傍や位相変化が生じない部分も平面ととらえることができるからである。さらに、観察物体の曲面や球面等に摩耗や変形，変質が生じると、この曲面や球面等の面頂部分にも変化が生じる。
そこで、第３の方法に示したように、観察物体の位相変化のない部分または平面を検出することにより、観察物体の摩耗や変形，変質を検出することが可能になる。また、この方法をシステム化することで、観察物体の摩耗や変形，変質を検出する装置を構成できる。
【００３８】
また、第４の方法に示すように、位相変化のない部分または平面部分の領域の面積や包絡する形状を決め、予め基準とした標本の面積や形状と比較することにより、観察物体の摩耗や変形，変質を量的に計測することが可能になる。さらに、相関検出を行うことにより、欠陥の検出も可能になる。
この方法を自動化すれば、第４の方法を実施する検出装置を構成できる。
【００３９】
観察物体の具体的な例としては、磁気ディスク上に形成された磁気ヘッドの密着防止用のバンプと呼ばれる微小な突起や、ＩＣチップ，ＩＣのリードフレームに形成されている球状の導電体、半導体基板上に形成された球状の導電体等がある。
そこで、前述の第４の方法を適用することにより、観察物体が均質である場合には、変質した部分が検出されるので相対的な欠陥を検出することが可能になる。例えば、ディスプレイ等に用いられる液晶セルや電極の変質を検出することが可能である。
【００４０】
また、段差のエッジ部を検出するために、微分干渉顕微鏡を用いることについては、上記の特許文献３に開示されている。しかし、これには微分干渉顕微鏡の結像特性については何ら示されておらず、段差部で生じる位相変化が干渉縞のコントラストを変えることからエッジ部が検出できるとしているだけである。実際に段差のエッジ部を顕微鏡で観察した場合、エッジ部で光が散乱していることが確認できる。この影響により、微分干渉顕微鏡で段差のエッジ部を観察すると、段差の凸部から凹部に変化する部分とその逆に凹部から凸部に変化する部分とでは像の濃淡が非対称になることが確認されている。
【００４１】
これの原因は、微分干渉像にエッジ部の散乱光成分が付加されているためと考えることができる。よって、エッジ部の散乱光は偏光特性がなくなると考え、エッジ部の散乱光成分をＮ（ｘ，ｙ）とすると、前述の式（１３）は、
Ｉ（ｘ，ｙ，θ）＝Ｔ（ｘ，ｙ）｛（１−ｃｏｓθ）・Ａ（ｘ，ｙ）／２
＋ｓｉｎθ・Ｐ（ｘ，ｙ）＋Ｎ（ｘ，ｙ）｝・・・・（１７）
と表せる。式（１７）式を用いても式（１３）と同様に差画像情報は式（１５）で表せる。
また、和画像情報については、
Ｉ（ｘ，ｙ，θ）＋Ｉ（ｘ，ｙ，−θ）＝Ｔ（ｘ，ｙ）｛（１−ｃｏｓθ）
・Ａ（ｘ，ｙ）＋２Ｎ（ｘ，ｙ）｝・・・・（１８）
となるが、散乱光成分は像の強度成分と比較すると微弱と考えられるので、式（１８）式に代えて近似的に式（１６）を用いても問題はない。
【００４２】
従って、差画像情報を抽出することにより、観察物体のエッジ部の位相変化に相関した位相情報を抽出することができる。具体的には、差画像から画像情報の極大値と極小値の両方を求め位相情報を抽出することにより、段差のエッジ部を検出することができる。抽出される位相情報は段差の凸部から凹部に変化する部分とその逆に凹部から凸部に変化する部分とでは像の濃淡の変化が対称であるため、第５の方法で示すように形成された差画像の画像情報の絶対値をとった画像情報を形成し、この画像情報から所定の閾値以上になる部分を抽出することにより、段差のエッジ部を検出することができる。
【００４３】
また、第６の方法で示したように、取得した差画像と和画像から、各画素毎に差画像と和画像における像の画像情報の比を演算することにより、観察物体の光の透過率や反射率の悪影響を除去することができる。さらに、前記演算で求められた結果の絶対値をとり所定の閾値以上になる部分を形成した画像情報を求めることにより、段差のエッジ部を正確に検出することができる。
さらに、形成された差画像の各画素データを２乗し差画像情報の２乗画像を形成すると、段差のエッジ部のように急激に像の濃淡が変化する部分はさらに変化が大きくなる。よって、このようにすることで、所定の閾値を設定してその値以上の部分を検出する第６の方法の精度をより向上させることができる。
【００４４】
撮像手段で取り込まれた画像は、通常各画素毎に０から２５５の２５６階調の整数データとして取り扱われる。差画像を形成する場合は−２５５から２５５の５１２階調の整数データになる。この整数データをそのまま２乗してもエッジ検出は良好に行える。さらに、エッジ検出の精度を向上させる方法としては、形成した差画像の最大値と最小値の間の値を設定し、この値で形成した差画像の画像データを割り算し、差画像の画像データを実数化する。これにより、差画像の画像データは１以下の領域と１以上の領域とから構成される。そして、閾値として１以上の値を設定することでエッジ検出の精度の向上が図れる。
従って、前述の第７の方法を用いることにより、段差のエッジ部をより精度よく検出することが可能になる。
【００４５】
また、第８の方法で示したように、差画像と和画像とにおける像の画像情報の比を求め観察物体の光の透過率や反射率の悪影響を取り除いてから、形成された画像情報の最大値と最小値の間の値を用いて割り算した画像を形成することにより、撮像素子のノイズ等の影響を除去することができ、段差のエッジ部をより精度よく検出することが可能になる。
【００４６】
また、第９の方法は第５乃至第８の方法の応用例である。この方法では、まず、撮像した画像上に座標系を設定し、検出したエッジ部の情報を画像上の座標に対応させる。そして、このエッジ部の座標が所定の座標に重なるまで相対的に観察物体を移動させることにより、観察物体の位置決めを行うことができる。
また、検出したエッジ部が特定の大きさをもちある程度の領域を占めるようになった場合には、その領域の座標系における２方向または１方向の中心または重心を求め、その中心値または重心値を代表点にすることで観察物体の位置決めを行うことができる。また、第９，第１０の方法で示したように、差画像を形成したエッジ部を検出することにより、観察物体の位置決めを行うこともできる。
【００４７】
位置決めと同様に、検出したエッジ情報から特定の２領域を設定し、その２領域の座標からその距離を計算し、結像光学系の光学倍率等のパラメータを用いて観察物体面上の距離に換算することで、観察物体面上の所定の２点間の距離を計測することができる。
従って、第１１，第１２の方法で示したように、差画像を形成しそのエッジ部を検出することにより、観察物体のエッジ間隔または長さを求めることができる。
【００４８】
以上、第５乃至第１２の方法についての説明をしたが、これらの方法を自動化すること等により検出装置として用いることは容易である。
また、偏光成分のリターデーション量が０のときの画像は、式（１７）においてエッジ部での錯乱光成分Ｎ（ｘ，ｙ）を表していると考えられるので、和画像から偏光成分のリターデーション量が０の画像情報を２倍した画像を引いた画像を形成し、この画像を和画像と置き換えて差画像との比を求めることにより、より高精度のエッジ検出が行える。
【００４９】
ところで、微分干渉顕微鏡に干渉計測で用いられている縞走査を組み合わせて観察物体の位相分布を計測する方法については、上記の特許文献１等に開示されている。通常、微分干渉顕微鏡に縞走査法を組み合わせた場合、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枚の微分干渉画像を取り込み、この４枚の微分干渉画像の各画素データを用いて、
ｔａｎ-1［｛Ｉ（π／２）−Ｉ（３π／２）｝／［Ｉ（０）−Ｉ（π）］］
・・・・（１９）
の演算を行うことで観察物体の位相情報を求めている。
【００５０】
干渉計測における縞走査法は、観察物体表面での光の回折及び散乱は生じないことを前提としている。しかし、微分干渉顕微鏡は物体面で回折する光を微分干渉画像に変換しているために、式（１３）で示したように、位相情報と強度情報の両方が組み合わされた形の画像が得られる。
偏光成分のリターデーション量θが±π／２の画像を取り込み、差画像と和画像を形成すると、差画像から式（１９）の「Ｉ（π／２）−Ｉ（３π／２）」に相当する情報が得られる。
従って、微分干渉顕微鏡においては、θ＝±π／２の画像を用いることにより、縞走査法と同様の情報が得られる。なお、任意のθに対しても同様の効果が得られる。
【００５１】
よって、第１３の方法に示したように、微分干渉顕微鏡で偏光成分のリターデーション量を検出しながら、偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる２つの微分干渉像から差画像と和画像を形成し、これから各画素毎に像の比をとりそのｔａｎ-1の値を求めることで観察物体のシァー方向における位相量の微分値を検出することができる。さらに、その微分値のシァー方向の積分値を求めることで、より正確に観察物体の各点における位相量を定量測定することができる。
【００５２】
また、観察する物体や微分干渉顕微鏡のシァー量により、微分干渉画像の濃淡が異なるので、濃淡が最良になるリターデーション量で画像を取り込み、位相検出することにより高精度の計測が可能となる。
検出する位相量が小さい場合には、ｔａｎ-1の値を求めなくても近似的に位相量の微分値を求めることができ、さらに積分処理を行うことで位相量を求めることもできる。
この場合、２枚の微分干渉画像から観察物体の位相分布を求めることができるので、従来の縞走査法を用いるよりも計測時間を短縮することができる。
【００５３】
また、微分干渉顕微鏡では、偏光成分のリターデーション量が０のときとπのときとでは、画像の濃淡の分布が大きく変わるので、縞走査法を用いる場合にはダイナミックレンジが非常に広い撮像素子が必要になる。
なお、本発明では、特に偏光成分のリターデーション量がπの画像を必要としないので、ダイナミックレンジが非常に広い撮像素子を用いなくても計測が可能である。
【００５４】
微分干渉顕微鏡を用いて観察物体の位相分布を計測する場合、微分干渉顕微鏡の瞳径は有限であるため、観察物体で回折した光を全て画像情報として取得することはできない。微分干渉顕微鏡の結像特性は前述の式（１３）で表される。また、位相情報Ｐ（ｘ，ｙ）と像の強度情報Ａ（ｘ，ｙ）は次の式（２０），（２１）に示すように、夫々特有の光学的応答関数でコンボリューションされた形になっている。従って、観察物体の位相情報を正確に求めるためには微分干渉顕微鏡の光学的応答特性を考慮する必要がある。
【００５５】
0004436878.tif 000002
・・・・（２０）
0004436878.tif 000003
・・・・（２１）
但し、
0004436878.tif 000004
0004436878.tif 000005
なお、ここで、Ｑ（ξ，ζ）は照明光学系の瞳関数、Ｒ（ξ，ζ）は結像光学系の瞳関数、Δx，Δyはシァー量のｘ成分，ｙ成分、ｆx，ｆyはｘ及びｙ方向の空間周波数を示す。
【００５６】
しかし、本発明では前述の第１４の方法で述べたように、差画像を形成した後にその差画像を式（２０）に示す微分干渉顕微鏡の位相情報に対応した光学的応答特性を用いてデコンボリューション処理を行い、和画像との差を求める等により積分処理を行わなくとも観察物体の位相量を正確に求めることができる。
【００５７】
しかしながら、観察物体の位相量が弱位相領域より大きくなると式（２１）の２項と３項の影響が大きくなりはじめる。観察物体の位相量を正確に求めるには、観察物体で回折散乱されない０次光を検出する必要がある。しかし、強度上は実際的には回折散乱された光と混ざった状態でしか検出できないので、強度情報から０次光成分を分離しなければならない。
【００５８】
分離する方法としては、像の濃淡情報をフーリエ変換し低い周波数のみを抽出することにより、０次光成分を分離することができる。また、像の濃淡情報の中で０次光成分は極小値になる部分と考えられる。よって、第１５の方法に示したように、和画像を形成することで像の濃淡情報を抽出して和画像の極小値を求め、その極小値を包絡する画像情報Ｌ（ｘ，ｙ）と差画像をデコンボリューションした画像情報ｄ（ｘ，ｙ）との比を求めることで、観察物体の位相量の検出精度を向上させることができる。
【００５９】
以上、第１３乃至第１５の方法について説明したが、これらの方法を自動化すること等により検出装置として用いることは容易である。そして、これにより検出時間の短縮化や、微分干渉画像を検出する撮像素子のダイナミックレンジの影響を受け難い等の効果が得られる。
【００６０】
観察物体の位相変化が比較的大きく、段差等のエッジ部が存在する場合には、そのエッジ部で光の散乱が生じる。このエッジ部で生じる錯乱が位相検出の精度を低下させる原因となり得る。この影響をなくすために、第１６の方法で述べたように、偏光成分のリターデーション量が０のときの画像と偏光成分のリターデーション量が±θのときの画像を各１枚ずつ計３枚を撮像し、偏光成分のリターデーション量が±θの画像から求められる差画像情報Ｄ（ｘ，ｙ），和画像情報Ｓ（ｘ，ｙ）とリターデーション量が０の画像情報Ｏ（ｘ，ｙ）とから、Ｂ（ｘ，ｙ）＝Ｓ（ｘ，ｙ）−２・Ｏ（ｘ，ｙ）の値を求め、差画像情報Ｄ（ｘ，ｙ）とＢ（ｘ，ｙ）との比を求めることによりエッジ部の散乱光を除去することができる。
【００６１】
また、第１７の方法に示したように、第１４の方法と同様にデコンボリューション処理を行うことにより、微分干渉顕微鏡の応答特性の影響を考慮した位相検出を行うことができる。また、第１８の方法で述べたように、第１５の方法と同様に画像情報の極小値を包絡する画像情報を形成し、差画像のデコンボリューション画像との比を求めることにより、エッジ部での散乱光の影響を考慮した位相検出を行うことができる。
【００６２】
以下、本発明の参考例および実施例を示し、本発明を詳細に説明する。
【００６３】
第１参考例
本参考例は、磁気ディスク上に形成された磁気ヘッドの密着防止用微小突起（バンプ）の検出方法を示すものである。本参考例では、金属物体を観察するための落射型の微分干渉顕微鏡を組み込んだ検出装置を用いる。その概略を図１に示す。
【００６４】
図１に示すように、本参考例で用いる検出装置は、光源１と、照明光学系２と結像光学系３とからなる微分干渉顕微鏡４と、微分干渉顕微鏡４で得られた像を撮像するＣＣＤカメラ５と、ＣＣＤカメラ５で撮像された像を演算するマイクロコンピュータ６とにより構成する。
照明光学系２は、光源１側から順に、レンズ７，絞り８，レンズ９，偏光子１０，１／４波長板１１，ハーフミラー１２，ノマルスキープリズム１３，及び対物レンズ１４を配置して構成している。また、結像光学系３は、観察物体１５側から順に、対物レンズ１４，ノマルスキープリズム１３，ハーフミラー１２，検光子１６，及びレンズ１７を配置して構成している。ハーフミラー１２，ノマルスキープリズム１３，対物レンズ１４は照明光学系２と観察光学系３において共通である。
【００６５】
図１に示した検出装置において、光源１から射出された光は偏光子１０を介することにより偏光された後、１／４波長板１１を透過し、ハーフミラー１２により下方へ反射される。この反射光は、対物レンズ１４の瞳位置に常光と異常光との分岐点がローカライズするように配置したノマルスキープリズム１３を介し、対物レンズ１４を透過することにより、観察物体１５上で常光と異常光とが所定のシァー量だけ分離される。そして、観察物体１５で反射された常光と異常光は、再度対物レンズ１４を透過した後、ノマルスキープリズム１３により再構成され、さらにハーフミラー１２を透過した後、検光子１６を透過することにより前記常光と異常光とが干渉し合い、レンズ１７を介してＣＣＤカメラ５の結像面に観察物体１５の微分干渉像を形成する。
【００６６】
ここで、偏光子１０は光軸を中心として回転可能になっている。さらに、偏光子１０にはパルスモータ１８を接続しこれをマイクロコンピュータ６で制御可能にして、偏光子１０の回転角度を自由に設定できるようにしてある。従って、マイクロコンピュータ６によりパルスモータ１８の回転を制御することにより、偏光子１０で偏光成分のリターデーション量を設定することができる。
また、１／４波長板１１はその進相軸若しくは遅相軸が検光子１６の偏光方向と一致するように固定されている。
【００６７】
本参考例では、まず、観察物体１５の代わりにレファレンスとなるミラーを置いて観察し、マイクロコンピュータ６を作動させて偏光子１０を回転させながら像の濃淡分布を取り込み、偏光子１０の回転角と偏光成分のリターデーション量の変化を求めておく。
次に、前記ミラーに代え観察物体１５として磁気ディスクを置き、偏光子１０を回転させ偏光成分のリターデーション量が所定の値θになるように設定し、磁気ディスクの画像を取り込む。なお、この場合の偏光成分のリターデーション量θについては、代表的な磁気ディスク等を観察し最適とされる値を設定しておく。
そして、偏光子１０を偏光線分のリターデーション量が−θとなるように回転させ、画像を取り込む。取り込んだ前記２枚の画像から差画像を形成し位相情報を抽出する。さらに、前記差画像から０値近傍の部分を抽出し、この０値近傍の部分とそれ以外の部分とを２値化した画像を形成する。
【００６８】
図２（ａ），（ｂ）は夫々偏光成分のリターデーション量がθ，−θのときのバンプの微分干渉像を示している。また、同図（ｃ）は位相情報の抽出のために形成した差画像（ここでは表示の都合上最大，最小値を２５６階調で示している）を示している。さらに、同図（ｄ）は前記差画像から０値近傍の値を抽出し０値近傍部分とそれ以外の部分を２値化したときの画像を示している。
なお、前記磁気ディスク上に形成されているパンプの断面は図３に示すような形状をしている。従って、バンプの面頂部分では勾配が０となる。但し、バンプが磁気ヘッドにより摩耗または変形した場合には、面頂部分の平面部分が変形してくる。
【００６９】
そして、本参考例では、図２（ｄ）の２値化した画像から図４に示すように面頂部分のデータを最小近似する円Ｒを求めその半径または直径をパラメータ化することにより、バンプの摩耗の度合いを検出することができる。
また、磁気ディスクは光の反射率がほぼ一様であるため、差画像を形成するだけで位相情報が検出できる。しかし、光の反射率が一様でない観察物体に対してはさらに図２（ａ），（ｂ）に示した像の和画像を形成し、この和画像と前記差画像において夫々対応する各画素データ毎の比をとった画像情報を形成することにより光の反射率の変化による影響を除去できる。
【００７０】
本参考例では磁気ディスクのバンプを検出する方法について説明したが、本参考例で示した検出方法はバンプ検出に限定されるものではない。例えば、ＩＣチップまたはリードフレーム上に形成されたＢＧＡ（ボールグリットアレイ）の球状の半田を検査する方法としても用いることができる。この場合、球状の半田の大きさが変化した場合には面頂部分の面積も変化するので、平面部分を検出して近似する円の半径や面積をパラメータ化することにより球状半田の大きさを検出することができる。また、形状の変化や欠陥も面頂を検出することによって可能になる。
【００７１】
また、本参考例では落射型の微分干渉顕微鏡を組み込んだ検出装置を用いたが、透過型の微分干渉顕微鏡を用いれば、透過標本の均質部分の検出を行うことができる。なお、この場合、均質部分を検出することにより、逆に均質ではない部分を検出することもできる。
【００７２】
第２参考例
本参考例は、半導体ウエハーの位置合わせ用凹凸標本（ボックスマーク）のエッジ検出の方法を示すものである。検出装置は、第１参考例と同様に図１に示した落射型の微分干渉顕微鏡を組み込んだものを用いる。
【００７３】
まず、図１に示した検出装置において、マイクロコンピュータ６を操作して偏光子１０を回転させて偏光成分のリターデーション量を変化させ、偏光成分のリターデーション量がθと−θの画像を取り込む。次に、この２枚の画像から差画像を形成し、この差画像の絶対値を求め所定の閾値を設定し、この閾値を基に閾値以上の部分と閾値以下の部分とで画像の２値化を行う。
【００７４】
図５（ａ），（ｂ）は夫々偏光成分のリターデーション量がθと−θの凹凸標本の微分干渉画像を示している。また、同図（ｃ）は位相情報を抽出するために形成した差画像（ここでは表示の都合上最大，最小値を２５６階調で示している）を示している。同図（ｄ）は前記差画像の絶対値をとって閾値を設定し、この閾値を基に閾値以上の部分と閾値以下の部分とで２値化した画像を示している。
【００７５】
本参考例の検出方法によれば、図５（ｄ）に示した画像から凹凸標本のエッジ部を検出することができる。そして、その画像上にｘ−ｙ座標を設定し、凹凸標本を画像上のｘ−ｙ座標に対応して２次元的に移動可能なステージに載せることにより凹凸標本の位置決めが可能になる（図６）。
さらに、図６に示した画像において、エッジ部の間隔を計測することにより凹凸標本の長さを計測することができる。
【００７６】
ここで、エッジ部の位置検出の精度を向上させる方法としては、前記画像上のｘ−ｙ座標において前述の方法により求めた閾値以上の領域の基準位置を求め、その基準位置をエッジ部の代表点とする方法や、閾値以上の領域における像の濃淡値の極大値を検出してこれを基準にしてエッジ部の座標を設定する方法がある。
【００７７】
本参考例では差画像の絶対値をとる例を示したが、差画像の最大値と最小値の間に所定の値を設定し、この値で差画像を割り算してもよい。これにより、差画像が±１以上の領域と±１以下の領域に分離できる。そして、差画像の各画素データの値を２乗することにより、前記±１以上の領域は像の濃淡値が１以上のより大きい値に、±１以下の領域は像の濃淡値が１以下のより小さい値になり、エッジ部の信号をより急峻にすることができ、エッジ検出の精度を向上させることができる。
【００７８】
さらに、凹凸標本も磁気ディスクと同様に光の反射率がほぼ一様であるため、差画像を形成するだけでも位相情報の抽出は可能である。しかし、光の反射率が一様でない凹凸標本に対しては、図５（ａ），（ｂ）に示した２枚の画像の和画像を形成し、差画像と和画像において各画素データ毎の比をとった画像情報を形成することにより、光の反射率の変化による影響を除去できる。なお、この方法は、ＩＣパターンの位置決めや長さ計測に応用することができる。
【００７９】
また、本参考例の検出方法では、透過型の微分干渉顕微鏡を用いることにより、液晶の透明電極の位置決めや、透明電極の間隔計測等に応用することができる。
【００８０】
実施例
本実施例は、位相物体の位相量の計測について位相格子を用いた検出方法を示すものである。本実施例では、透過型の微分干渉顕微鏡を組み込んだ検出装置を用いる。その概略を図７に示す。
【００８１】
図７に示すように、本実施例で用いる検出装置は、光源２１と、照明光学系２２と結像光学系２３とからなる微分干渉顕微鏡２４と、微分干渉顕微鏡２４で得られた像を撮像するＣＣＤカメラ２５と、ＣＣＤカメラ２５で撮像された像を演算するマイクロコンピュータ２６とにより構成する。
照明光学系２２は、レンズ２７，絞り２８，レンズ２９，偏光子３０，１／４波長板３１，ノマルスキープリズム３２，及びコンデンサーレンズ３３からなっている。また、観察光学系２３は、対物レンズ３４，ノマルスキープリズム３５，検光子３６，及びレンズ３７を配置して構成している。
【００８２】
図７に示した検出装置において、光源２１から射出された光は偏光子３０により偏光された後、１／４波長板３１を透過しコンデンサーレンズ３３の瞳位置に常光と異常光との分岐点がローカライズするように配置したノマルスキープリズム３２によりコンデンサーレンズ３３を介して観察物体１５上で常光と異常光とを所定のシァー量だけ分離させる。観察物体１５を透過した常光と異常光は対物レンズ３４を透過した後、対物レンズ３４の瞳位置に前記常光と異常光との合波点がローカライズするように配置したノマルスキープリズム３５により再構成され、さらに検光子３６を透過する際に前記常光と異常光とが互いに干渉し合い、レンズ３７を介してＣＣＤカメラ２５の結像面に観察物体１５の微分干渉像を形成する。
【００８３】
本実施例では、光源２１内には干渉フィルタを配置し、射出される照明光が波長５５０ｎｍの準単色光になるように設定している。
また、偏光子３０は光軸を中心として回転可能になっている。さらに、偏光子３０にはパルスモータ３８を接続しこれをマイクロコンピュータ２６で制御可能にして、偏光子３０の回転角度を自由に設定できるようにしてある。従って、マイクロコンピュータ２６によりパルスモータ３８の回転を制御することにより、偏光子３０で偏光成分のリターデーション量を設定することができる。
１／４波長板３１はその進相軸若しくは遅相軸が検光子３６の偏光方向と一致するように固定されている。
【００８４】
まず、本実施例では、均一的な位相物体を観察し、偏光子３０を回転させながら像の濃淡分布を取り込み、偏光子３０の回転角と偏光成分のリターデーション量の変化を求めておく。
次に、偏光成分のリターデーション量がθになるように偏光子３０を回転させて観察物体１５の画像を取り込む。なお、このときの偏光子３０の回転角をマイクロコンピュータ２６で検出し、同時にこのときの偏光成分のリターデーション量もマイクロコンピュータ２６で記憶する。同様に、偏光成分のリターデーション量が−θになるように偏光子３０を回転させて観察物体１５の画像を取り込む。また、このときの偏光子３０の回転角をマイクロコンピュータ２６で検出し、同時にこのときの偏光成分のリターデーション量もマイクロコンピュータ２６で記憶する。そして、取り込んだ偏光成分のリターデーション量がθと−θである２枚の画像から差画像と和画像を形成する。
さらに、形成した差画像をマイクロコンピュータ２６において図８に示す微分干渉顕微鏡の光学的応答特性を用いてデコンボリューションして、新たに光学的応答関数を考慮した位相情報画像を形成する。その後、形成された各画像情報を前記和画像で割り算し、ｔａｎ-1の値を求め、検出した偏光成分のリターデーション量θから求めた以下の値を掛けて位相分布に変換する。
【００８５】
ｋ・（１−ｃｏｓθ）／２ｓｉｎθ    但しｋ＝λ／２π（λ＝５５０ｎｍ）
・・・・（２２)
【００８６】
図９（ａ），（ｂ）は夫々偏光成分のリターデーション量がθ，−θである位相物体の画像を示している。図９（ｃ），（ｄ）は同図（ａ），（ｂ）に示した画像により形成された差画像，和画像を示している。図９（ｅ）はこのときの位相分布の再現図（格子の断面図）を示している。
また、参考までに従来の縞走査法を用いてデコンボリューション処理を行った位相分布を再現した格子の断面図を図１０に示す。
【００８７】
以上のように、本実施例によれば、偏光成分のリターデーション量が±θの２つの画像から従来の縞走査法による測定と同等の観察物体の位相分布が求められることが分かる。特に、従来の縞走査法を用いる場合では偏光成分のリターデーションが異なる４つの画像が必要になるのに対し、本実施例では偏光成分のリターデーション量が異なる２つの画像を用いるのみで従来の方法と同様に位相分布を求めることができるので、計測時間を短縮することができる。
【００８８】
ところで、本実施例の検出方法において、予め観察する物体の位相量が比較的小さいことが分かっている場合には、ｔａｎφ＝φの近似が成り立つので、ｔａｎ-1の値を求める処理を省略することができ、計測時間をさらに短縮することができる。そして、差画像と和画像との比を求めた後の画像をデコンボリューション処理しても同様の結果が得られる。
【００８９】
また、微分干渉顕微鏡の光学的応答特性は、照明光学系の明るさ絞りの径の大きさにより特性が変わる。観察物体によっては位相分布が特定の空間周波数帯域に偏る場合がある。このような物体の位相検出を行うときには、明るさ絞りの径を適当な大きさに設定することにより、応答特性を１に近い値のまま維持できるので、デコンボリューション処理を行わなくても位相分布を正確に求めることができる。
【００９０】
本実施例では、偏光成分のリターデーション量の検出を偏光子３０の回転角を検出することにより行っているが、検出装置に偏光成分のリターデーション量を検出する手段を付加し、この検出手段からの信号を用いて偏光成分のリターデーション量を求めてもよい。
また、偏光成分のリターデーション量を変化させる場合、偏光子３０を回転させる方法だけではなく、偏光子３０と１／４波長板３１との間に液晶素子を挿入し、液晶素子の印加電圧を変化させる方法や、偏光子３０と１／４波長板３１との間に１／２波長板を挿脱可能に配置する方法等を用いても同様の効果が得られる。
【００９１】
また、本実施例では透過観察を行う例を示しているが、図１に示した落射型の微分干渉顕微鏡を用いても同様の位相分布を求めることができる。但し、落射型のものを用いる場合には、観察物体が金属等の反射物体である場合、検出される位相分布が２倍の値になる。従って、このような場合には、前述の式（２２）においてｋ＝λ／４πとして位相分布を求めることが必要である。
【００９２】
本実施例では、偏光成分のリターデーション量が±θの２つの画像から観察物体の位相分布を求める具体的な方法を示しているが、同様に、偏光成分のリターデーション量が±θの２つの画像と偏光成分のリターデーション量が０の画像を取り込み、図９（ｄ）に示した画像から偏光成分のリターデーション量が０の画像情報の２倍を引き算してＢ（ｘ，ｙ）を求め（但しＢ（ｘ，ｙ）＝Ｓ（ｘ，ｙ）−２・Ｏ（ｘ，ｙ））、図９（ｃ）に示した差画像とＢ（ｘ，ｙ）との比を形成することにより、観察物体のエッジ部の光の散乱の影響を考慮した位相分布を検出することができる。
【００９３】
以上、本発明では第１，第２参考例および実施例を示して説明したように、撮像手段（ＣＣＤカメラ）を１台にし、偏光成分のリターデーション量を変化させながら画像を撮像する方法について述べてきた。しかし、本発明の意図は１台の撮像手段を使用することに限定されることはなく、２台の撮像手段を用いても同様の効果を得ることができる。
【００９４】
例えば、図１１，１２に示しように、検光子に代えて観察光学系中にＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）を配置して２つの直交する２偏光成分に分離し、夫々の偏光成分をＣＣＤカメラで受光するようにしてもよい。このようにすることにより、２つのＣＣＤカメラの結像面には夫々偏光成分のリターデーション量が等しく符号の異なる微分干渉画像が形成される。
よって、この２台のＣＣＤカメラからの画像を演算することにより、観察物体の勾配，平面部，複屈折部分、歪み，段差のエッジ部分，位相分布等の物理量を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明による観察物体の物理量を検出するための装置の構成を示す図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は夫々図１に示した装置を用いて第１参考例による方法で取得した偏光成分のリターデーション量がθ，−θのときの観察物体の微分干渉像を示す図である。（ｃ）は（ａ），（ｂ）に示した画像により形成した差画像を示す図である。（ｄ）は（ｃ）に示した差画像から０値近傍の値を抽出し０値近傍の部分とそれ以外の部分とを２値化したときの画像を示す図である。
【図３】磁気ディスク上に形成されているバンプの断面図である。
【図４】図３に示したバンプの摩耗の度合いを検出するための、図２（ｄ）に示した画像から前記バンプの面頂部分の情報を最少近似した画像を示す図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は夫々図１に示した装置を用いて第２参考例による方法で取得した偏光成分のリターデーション量がθ，−θのときの観察物体の微分干渉像を示す図である。（ｃ）は（ａ），（ｂ）に示した画像により形成した差画像を示す図である。（ｄ）は（ｃ）に示した差画像の絶対値をとって閾値を設定し、この閾値を基に閾値以上の部分と閾値以下の部分とで２値化した画像を示す図である。
【図６】第２参考例の方法により観察物体のエッジ部を検出し観察物体の位置決めを行う手順を説明するための図である。
【図７】本発明による観察物体の物理量を検出するための装置の構成を示す図である。
【図８】微分干渉顕微鏡の光学的応答特性を示すグラフである。
【図９】（ａ），（ｂ）は夫々図７に示した装置を用いて実施例による方法で取得した偏光成分のリターデーション量がθ，−θのときの観察物体の微分干渉像を示す図である。（ｃ），（ｄ）は夫々（ａ），（ｂ）に示した画像により形成した差画像，和画像を示す図である。（ｅ）は位相分布再現図である。
【図１０】従来の縞操作法により検出される位相分布再現図である。
【図１１】本発明による観察物体の物理量を検出するための装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明による観察物体の物理量を検出するための装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
１，２１            光源
２，２２            照明光学系
３，２３            結像光学系
４，２４            微分干渉顕微鏡
５，２５            ＣＣＤカメラ
６，２６            マイクロコンピュータ
７，９，１７，２７，２９，３７    レンズ
８，２８            絞り
１０，３０          偏光子
１１，３１  １／４  波長板
１２                ハーフミラー
１３，３２，３５    ノマルスキープリズム
１４，３４          対物レンズ
１５                観察物体
１６，３６          検光子
１８，３８          パルスモータ
３３                コンデンサーレンズ
【図１】
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【図３】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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