(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦合画像での計測時の統計的誤差を減少するように焦合画像を焦点外画像から識別するための方法において、
（ａ）点光源からプローブビーム及び基準ビームを発生する工程と、
（ｂ）前記基準ビームに反対称空間特性を生じる工程と、
（ｃ）前記プローブビームを焦合画像点に差し向けることによって焦合戻りプローブビームを発生する工程と、
（ｄ）前記焦合戻りプローブビームに反対称空間特性を生じる工程と、
（ｅ）前記基準ビームを焦点外画像点からのビームと干渉させる工程と、
（ｆ）前記基準ビームを前記焦合戻りプローブビームと干渉させる工程と、
（ｇ）単ピクセル検出器によって、
ｉ．前記基準ビームをこの基準ビームの振幅の平方として検出し、
ｉｉ．前記焦合戻りプローブビームを戻り基準ビームの振幅と前記焦合戻りプローブビームの振幅との間の干渉項として検出する工程とを含み、
かくして、前記焦点外画像ビームの振幅と前記戻り基準ビームの振幅との間の干渉項の振幅が大幅に減少し、これによって、前記単ピクセル検出器が発生するデータの統計的誤差を減少させる、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記焦点外画像点からのビームは、焦点外戻りプローブビームである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
工程（ａ）は、線光源を構成する複数の点の夫々から複数のプローブビーム及び基準ビームを発生する工程を含み、工程（ｄ）は、前記基準ビームの各々及び複数の対応する焦合戻りプローブビームの各々を、複数の対応する単ピクセル検出器によって夫々検出する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
焦合画像を焦点外画像から識別するための方法において、
（ａ）点光源から発せられたビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした反対称第１ビームを発生する工程と、
（ｂ）前記位相をシフトした第１ビームを基準ビーム及び反対称プローブビームに分割する工程と、
（ｃ）前記反対称プローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした対称プローブビームを発生する工程と、
（ｄ）前記位相をシフトした対称プローブビームを焦合点に結像し、この焦合点の対象材料が前記位相をシフトした対称ビームを反射及び／又は散乱及び／又は透過し、焦合対称戻りプローブビームを発生する工程と、
（ｅ）前記焦合対称戻りプローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした焦合反対称戻りプローブビームを発生する工程と、
（ｆ）前記基準ビームを焦合画像平面の基準鏡に結像し、これを反射して戻り基準ビームを発生する工程と、
（ｇ）前記戻り基準ビームを前記位相をシフトした焦合戻りプローブビームと干渉させ、前記焦合点の対象材料を表す干渉ビームを発生し、これを単ピクセル検出器の焦合画像点に結像する工程と、
（ｈ）前記位相をシフトした対称プローブビームの一部を対象材料によって焦点外画像平面で反射及び／又は散乱及び／又は透過し、焦点外非反対称戻りプローブビームを発生する工程と、
（ｉ）前記焦点外非反対称戻りプローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした焦点外非反対称戻りプローブビームを発生し、この位相をシフトした焦点外非反対称戻りプローブビームを前記戻り基準ビームと干渉させ、前記焦点外非反対称戻りプローブビームの大部分を単ピクセル検出器のところで相殺し、これによって、前記対象材料からの焦点外光線の効果を実質的になくす、ことを特徴とする方法。
【請求項５】
工程（ｅ）及び（ｉ）に記載の位相シフトを同じ位相シフターで行う、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
工程（ｅ）及び（ｉ）に記載の位相シフトを異なる位相シフターで行う、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
（ａ）前記基準ビームの複数の部分の位相をシフトし、対称基準ビームを発生する工程と、
（ｂ）前記対称基準ビームを焦合画像平面の基準鏡に結像し、これを反射して対称戻り基準ビームを発生する工程と、
（ｃ）前記対称戻り基準ビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした反対称戻り基準ビームを発生する工程とを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記単ピクセル検出器が発生した、第１の強さを表す第１出力信号を計測する工程を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
（１）前記基準ビーム及び前記戻り基準ビームの各々の複数の部分の位相を、位相シフターによって発生された初期位相シフトから全部でπラジアンだけシフトした後、前記単ピクセル検出器が発生した、第２の強さを表す第２出力信号を計測し、前記第２の強さを前記第１の強さから減じ、前記焦合対称戻りプローブビームの前記振幅の第１成分の計測値を発生し、これにより、前記焦点外非反対称戻りプローブビームの光線の効果を実質的に相殺する工程と、
（２）前記基準ビーム及び前記戻り基準ビームの各々の複数の部分の位相を初期位相シフトから全部でπ／２ラジアンだけシフトした後、前記単ピクセル検出器が発生した、第３の強さを表す第３出力信号を計測する工程と、
（３）前記基準ビーム及び前記対称戻り基準ビームの各々の複数の部分の位相を初期位相シフトから全部で３π／２ラジアンだけシフトした後、前記単ピクセル検出器が発生した、第４の強さを表す第４出力信号を計測し、
前記第４の強さを前記第３の強さから減じ、前記焦合対称戻りプローブビームの前記振幅の第２成分の計測値を発生し、これにより、前記焦点外非反対称戻りプローブビームの光線の効果を実質的に相殺する工程とを含み、
前記焦合戻りプローブビームの前記振幅の前記第１及び第２の成分は、ともに、前記焦合対称戻りプローブビームの複素振幅を表す、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記工程（１）、（２）、及び（３）をコンピューターで実行する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記工程（ａ）乃至（ｉ）を前記対象材料の別の部分について焦合点で実行できるように、前記対象材料を機械的に並進させる工程を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
前記工程（ａ）乃至（ｉ）を前記対象材料の別の部分について焦合点で実行できるように、前記対象材料を機械的に並進させる工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
線光源を構成する複数の点光源からビームを発生する工程を含み、前記工程（ａ）乃至（ｉ）を各点光源及び対応する単ピクセル検出器の夫々について実行する、請求項４に記載の方法。
【請求項１４】
焦合画像を焦点外画像から識別するためのシステムにおいて、
（ａ）ビームを発生する点光源と、
（ｂ）前記ビームの光路に配置された、前記ビームの複数の部分の位相をシフトして位相をシフトした反対称第１ビームを発生する第１位相シフターと、
（ｃ）前記位相をシフトした第１ビームの光路に配置された、前記位相をシフトした第１ビームを基準ビーム及び反対称プローブビームに分ける第１スプリッターと、
（ｄ）前記反対称プローブビームの光路に配置された、前記反対称プローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした対称プローブビームを発生するように作動する第２位相シフターと、
（ｅ）前記位相をシフトした対称プローブビームの光路に配置された、前記位相をシフトした対称プローブビームを焦合点に結像し、焦合点の対象材料が前記位相をシフトした対称ビームを反射及び／又は散乱及び／又は透過し、焦合対称戻りプローブビームを発生するように作動する第１光学結像装置と、
（ｆ）前記焦合対称戻りプローブビームの光路に配置された、前記焦合対称戻りプローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした焦合反対称戻りプローブビームを発生するように作動する位相シフターと、
（ｇ）前記基準ビームの光路に配置された、前記反対称基準ビームを焦合画像平面の基準鏡に結像し、これを反射して戻り基準ビームを発生するように作動する第２光学結像装置と、
（ｈ）前記戻り基準ビームを位相をシフトした焦合反対称戻りプローブビームと干渉させ、焦合点の対象材料を表す干渉ビームを発生し、この干渉ビームを単ピクセル検出器の画像点に結像する第３光学結像装置と、
（ｉ）前記位相をシフトした対称プローブビームの一部を対象材料によって焦点外画像平面で反射及び／又は散乱及び／又は透過し、焦点外戻りプローブビームを発生する工程と、
（ｊ）前記焦点外戻りプローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした焦点外非反対称戻りプローブビームを発生するように作動する第２位相シフターとを有し、前記第３光学結像システム装置は、前記位相をシフトした焦点外非反対称戻りプローブビームを前記焦合戻り基準ビームと干渉させ、前記焦点外非反対称戻りプローブビームの大部分を前記単ピクセル検出器のところで相殺し、これによって、前記対象材料からの焦点外光線の効果を実質的になくす、ことを特徴とするシステム。
【請求項１５】
前記焦合対称戻りプローブビームの前記光路に配置された前記位相シフターは、第２位相シフターである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記焦合対称戻りプローブビームの前記光路に配置された前記位相シフターは、第２位相シフター以外の位相シフターである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
（ａ）前記基準ビームの前記光路に配置された、前記基準ビームの複数の部分の位相をシフトし、対称基準ビームを発生する第３位相シフターと、
（ｂ）前記対称基準ビームを焦合画像平面の前記基準鏡に結像し、これを反射して対称戻り基準ビームを発生するように作動する第２光学結像装置とを有し、
（ｃ）前記第３位相シフターは、前記対称戻り基準ビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした反対称戻り基準ビームを発生する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記単ピクセル検出器が発生した、第１の強さを表す第１出力信号を計測する演算装置を含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
（１）前記基準ビーム及び前記戻り基準ビームの各々の複数の部分の位相を初期位相シフトから全部でπラジアンだけシフトした後、前記単ピクセル検出器が発生した、第２の強さを表す第２出力信号を計測し、
（２）前記基準ビーム及び前記戻り基準ビームの各々の複数の部分の位相を初期位相シフトから全部でπ／２ラジアンだけシフトし、
（３）前記基準ビーム及び前記対称戻り基準ビームの各々の複数の部分の位相を初期位相シフトから全部で３π／２ラジアンだけシフトするため、
前記基準ビームの前記光路及び前記戻り基準ビームの前記光路に配置された位相シフト手段を含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
（１）前記第２の強さを前記第１の強さから減じ、前記焦合対称戻りプローブビームの前記振幅の第１成分の計測値を発生し、前記焦点外非反対称戻りプローブビームの光線の効果を実質的に相殺し、
（２）前記単ピクセル検出器が発生した、第３の強さを表す第３出力信号を計測し、
（３）前記単ピクセル検出器が発生した、第４の強さを表す第４出力信号を計測し、前記第４の強さを前記第３の強さから減じ、前記焦合対称戻りプローブビームの前記振幅の第２成分の計測値を発生し、前記焦点外非反対称戻りプローブビームの光線の効果を実質的に相殺するための演算手段を含み、
前記焦合戻りプローブビームの前記振幅の前記第１及び第２の成分は、ともに、前記焦合対称戻りプローブビームの複素振幅を表す、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記対象材料を並進させ、前記対象材料の別の部分を焦合点に位置決めするようになった機械式並進器を含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２２】
前記演算手段に接続されており、前記対象材料を並進させてこの対象材料の別の部分を焦合点に位置決めするようになった機械式並進器を含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
前記ビームは、線光源を構成する複数の点光源のうちの一つから発せられ、前記システムは、各点光源と夫々対応する複数の単ピクセル検出器を含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２４】
焦合画像を焦点外画像から識別するための方法において、
（ａ）第１ビームを基準ビーム及びプローブビームに分割する工程と、
（ｂ）前記プローブビームを焦合点に結像し、前記焦合点の対象材料が前記ビームを透過し、焦合透過プローブビームを発生する工程と、
（ｃ）前記焦合透過プローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした焦合反対称透過プローブビームを発生する工程と、
（ｄ）前記基準ビームを焦合画像点に結像し、これを透過して戻り基準ビームを発生する工程と、
（ｅ）前記基準ビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした反対称基準ビームを発生する工程と、
（ｆ）前記位相をシフトした反対称戻り基準ビームを前記位相をシフトした焦合反対称プローブビームと干渉させ、前記焦合点の対象材料を表す干渉ビームを発生し、これを単ピクセル検出器の画像点に結像する工程と、
（ｇ）前記プローブビームの一部を対象材料の焦点外画像点を透過させ、焦点外透過プローブビームを発生する工程と、
（ｈ）前記焦点外透過プローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした焦点外非反対称透過プローブビームを発生し、前記位相をシフトした焦点外非反対称透過プローブビームを焦合反対称基準ビームと干渉させ、前記焦点外非反対称透過プローブビームの大部分を前記単ピクセル検出器のところで相殺し、これによって前記対象材料からの焦点外光線の効果を実質的になくす、ことを特徴とする方法。
【請求項２５】
焦合画像を焦点外画像から識別するためのシステムにおいて、
（ａ）第１ビームを発生する点光源と、
（ｂ）前記第１ビームの光路に配置された、前記第１ビームを基準ビーム及びプローブビームに分割する第１スプリッターと、
（ｃ）前記プローブビームを焦合点に結像し、前記焦合点の対象材料がこのビームを透過して焦合透過プローブビームを発生する第１光学結像装置と、
（ｄ）前記焦合透過プローブビームの光路に配置され、前記焦合透過プローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした焦合反対称透過プローブビームを発生する第１位相シフターと、
（ｅ）前記基準ビームを焦合画像点に結像し、このビームを透過させて戻り基準ビームを発生する第２光学結像装置と、
（ｆ）前記基準ビームの光路に配置され、前記基準ビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした反対称基準ビームを発生する第２位相シフターと、
（ｇ）前記位相をシフトした反対称戻り基準ビームを前記位相をシフトした焦合反対称プローブビームと干渉させ、前記焦合点の対象材料を表す干渉ビームを発生し、これを単ピクセル検出器の画像点に結像するように作動する第３光学結像装置とを有し、
（ｈ）前記プローブビームの一部は、対象材料の焦点外画像点を透過し、焦点外透過プローブビームを発生し、
（ｉ）前記第２位相シフターは、前記焦点外透過プローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした焦点外非反対称透過プローブビームを発生するように作動し、前記第３光学結像装置は、前記位相をシフトした焦点外非反対称透過プローブビームを前記焦合反対称基準ビームと干渉させ、前記焦点外非反対称透過プローブビームの大部分を単ピクセル検出器のところで相殺し、これによって、対象材料からの焦点外光線の効果を実質的になくす、ことを特徴とするシステム。
【請求項２６】
焦合画像を焦点外画像から識別するための方法において、
（ａ）点光源から発せられたビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした反対称第１ビームを発生する工程であって、位相シフトは、前記位相をシフトした反対称ビームを平面内で焦合した場合、このビームの前記平面内での振幅分布が前記画像の中心を中心として少なくとも前記平面内の一つの軸線に沿って反対称であるように行われる、工程と、
（ｂ）前記位相をシフトした第１ビームを、反対称基準ビーム及び反対称プローブビームに分割する工程と、
（ｃ）前記反対称プローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした対称プローブビームを発生する工程であって、位相シフトは、前記位相をシフトした対称ビームを平面内で焦合した場合、このビームの前記平面内での振幅分布が前記画像の中心を中心として対称であるように行われる、工程と、
（ｄ）前記位相をシフトした対称プローブビームを焦合点に結像し、この焦合点の対象材料が前記位相をシフトした対称ビームを反射し及び／又は散乱し、焦合公称対称戻りプローブビームを発生する工程と、
（ｅ）前記焦合公称対称戻りプローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした焦合公称反対称戻りプローブビームを発生する工程と、
（ｆ）前記対称基準ビームを焦合画像平面の基準鏡に結像し、これを反射して焦合反対称戻り基準ビームを発生する工程と、
（ｇ）前記位相をシフトした焦合反対称戻り基準ビームを前記位相をシフトした焦合公称反対称戻りプローブビームと干渉させ、焦合点の対象材料を表す干渉ビームを発生し、このビームを単ピクセル検出器の焦合画像点に結像する工程と、
（ｈ）前記位相をシフトした対称プローブビームの一部を対象材料によって焦点外点で反射し及び／又は散乱し、焦点外公称対称戻りプローブビームを発生する工程と、
（ｉ）前記焦点外公称対称戻りプローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした焦点外非反対称戻りプローブビームを発生し、前記位相をシフトした焦点外非反対称戻りプローブビームを前記位相をシフトした焦合反対称戻り基準ビームと干渉させ、前記焦点外非反対称戻りプローブビームの大部分を単ピクセル検出器のところで相殺し、これによって、前記対象材料からの焦点外光線の効果を実質的になくす工程とを含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２７】
前記単ピクセル検出器が発生した、第１の強さを表す第１出力信号を計測する工程を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
（１）前記反対称基準ビーム及び前記位相をシフトした焦合反対称戻り基準ビームの各々の複数の部分の位相を、位相シフターが発生した初期位相シフトから全部でπラジアンだけシフトした後、前記単ピクセル検出器が発生した、第２の強さを表す第２出力信号を計測し、前記第２の強さを前記第１の強さから減じ、前記焦合対称戻りプローブビームの前記振幅の第１成分の計測値を発生し、前記焦点外非反対称戻りプローブビームの光線の効果を実質的に相殺する工程と、
（２）前記反対称基準ビーム及び前記位相をシフトした焦合反対称戻り基準ビームの各々の複数の部分の位相を前記初期位相シフトから全部でπ／２ラジアンだけシフトした後、前記単ピクセル検出器が発生した、第３の強さを表す第３出力信号を計測する工程と、
（３）前記反対称基準ビーム及び前記位相をシフトした焦合反対称戻り基準ビームの各々の複数の部分の位相を前記初期位相シフトから全部で３π／２ラジアンだけシフトした後、前記単ピクセル検出器が発生した、第４の強さを表す第４出力信号を計測し、前記第４の強さを前記第３の強さから減じ、前記焦合対称戻りプローブビームの前記振幅の第２成分の計測値を発生し、前記位相をシフトした焦点外非反対称戻りプローブビームの光線の効果を実質的に相殺する工程とを含み、
前記焦合戻りプローブビームの前記振幅の第１及び第２の成分は、ともに、前記焦合対称戻りプローブビームの複素振幅を表す、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
工程（１）、（２）、及び（３）をコンピューターによって実行する工程を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記工程（ａ）乃至（ｉ）を前記対象材料の別の部分について焦合点で実行できるように、前記対象材料を機械的に並進させる工程を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記工程（ａ）乃至（ｉ）を前記対象材料の別の部分について焦合点で実行できるように、前記対象材料を機械的に並進させる工程を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
線光源を構成する複数の点光源からビームを発生する工程を含み、前記工程（ａ）乃至（ｉ）を各点光源及び対応する単ピクセル検出器の夫々について実行する、請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
焦合画像を焦点外画像から識別するためのシステムにおいて、
（ａ）ビームを発生する点光源と、
（ｂ）前記ビームの光路に配置された、前記ビームの複数の部分の位相をシフトして位相をシフトした反対称第１ビームを発生する第１位相シフターであって、位相シフトは、前記位相をシフトした反対称ビームを平面内で焦合した場合、このビームの前記平面での振幅分布が前記画像の中心を中心として少なくとも前記平面内の一つの軸線に沿って反対称であるように行われる、第１位相シフターと、
（ｃ）前記位相をシフトした第１ビームの光路に配置された、前記位相をシフトした第１ビームを反対称基準ビーム及び反対称プローブビームに分ける第１スプリッターと、
（ｄ）前記反対称プローブビームの光路に配置された、前記反対称プローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした対称プローブビームを発生するように作動する第２位相シフターであって、位相シフトは、前記位相をシフトした対称ビームを平面内で焦合した場合、このビームの前記平面での振幅分布が前記画像の中心を中心として対称であるように行われる、第２位相シフターと、
（ｅ）前記位相をシフトした対称プローブビームの光路に配置された、前記位相をシフトした対称プローブビームを焦合点に結像し、焦合点の対象材料が、前記位相をシフトした対称ビームを反射及び／又は散乱及び／又は透過し、焦合公称対称戻りプローブビームを発生するように作動する第１光学結像装置と、
（ｆ）前記公称焦合対称戻りプローブビームの光路に配置された、前記焦合公称対称戻りプローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした焦合公称反対称戻りプローブビームを発生するように作動する位相シフターと、
（ｇ）前記反対称基準ビームの光路に配置された、前記反対称基準ビームの複数の部分の位相をシフトし、対称基準ビームを発生する第３位相シフターと、
（ｈ）前記対称基準ビームの光路に配置された、前記対称基準ビームを焦合画像平面の基準鏡に結像し、これを反射して焦合対称戻り基準ビームを発生する第２光学結像装置とを有し、
（ｉ）前記第３位相シフターは、前記焦合対称戻り基準ビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした焦合反対称戻り基準ビームを発生するように作動し、
（ｊ）前記位相をシフトした焦合反対称戻り基準ビームを前記位相をシフトした焦合公称反対称戻りプローブビームと干渉させ、焦合点の対象材料を表す干渉ビームを発生し、この干渉ビームを単ピクセル検出器の画像点に結像する、第３光学結像装置を更に有し、
（ｋ）前記位相をシフトした対称プローブビームの一部が対象材料によって焦点外点で反射及び／又は散乱され、焦点外公称対称戻りプローブビームを発生し、
（ｌ）前記第２位相シフターは、前記焦点外公称対称戻りプローブビームの複数の部分の位相をシフトし、位相をシフトした焦点外非反対称戻りプローブビームを発生するように作動し、前記第３光学結像システム装置は、前記位相をシフトした焦点外非反対称戻りプローブビームを前記位相をシフトした焦合反対称戻り基準ビームと干渉させ、前記焦点外非反対称戻りプローブビームの大部分を前記単ピクセル検出器のところで相殺し、これによって、前記対象材料からの焦点外光線の効果を実質的になくす、ことを特徴とするシステム。
【請求項３４】
前記単ピクセル検出器が発生した、第１の強さを表す第１出力信号を計測する演算装置を含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
（１）前記反対称基準ビーム及び前記位相をシフトした焦合反対称戻り基準ビームの各々の複数の部分の位相を初期位相シフトから全部でπラジアンだけシフトした後、前記単ピクセル検出器が発生した、第２の強さを表す第２出力信号を計測し、
（２）前記反対称基準ビーム及び前記位相をシフトした焦合反対称戻り基準ビームの各々の複数の部分の位相を初期位相シフトから全部でπ／２ラジアンだけシフトし、
（３）前記反対称基準ビーム及び前記位相をシフトした焦合反対称戻り基準ビームの各々の複数の部分の位相を初期位相シフトから全部で３π／２ラジアンだけシフトするため、
前記基準ビームの前記光路及び前記戻り基準ビームの前記光路に配置された位相シフト手段を含む、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
（１）前記第２の強さを前記第１の強さから減じ、前記焦合公称対称戻りプローブビームの前記振幅の第１成分の計測値を発生し、前記焦点外非反対称戻りプローブビームの光線の効果を実質的に相殺し、
（２）前記単ピクセル検出器が発生した、第３の強さを表す第３出力信号を計測し、
（３）前記単ピクセル検出器が発生した、第４の強さを表す第４出力信号を計測し、前記第４の強さを前記第３の強さから減じ、前記焦合公称対称戻りプローブビームの前記振幅の第２成分の計測値を発生し、前記位相をシフトした焦点外非反対称戻りプローブビームの光線の効果を実質的に相殺するための演算手段を含み、
前記焦合戻りプローブビームの前記振幅の前記第１及び第２の成分は、ともに、前記焦合公称対称戻りプローブビームの複素振幅を表す、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記対象材料を並進させ、前記対象材料の別の部分を焦合点に位置決めするようになった機械式並進器を含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３８】
前記演算手段に接続されており、前記対象材料を並進させてこの対象材料の別の部分を焦合点に位置決めするようになった機械式並進器を含む、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３９】
前記ビームは、線光源を構成する複数の点光源のうちの一つから発せられ、前記システムは、各点光源と夫々対応する複数の単ピクセル検出器を含む、請求項３３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、生体、集積回路、及び他のサンプルについて正確な測定を実行するため、その画像を利用する工程を含む、光学画像、音響画像、及び電子画像の処理プロセスに関する。
発明の背景
本出願は、「焦点の合っている画像を、背景及び前景の光源からの焦点の外れた光信号から識別するための方法及び装置」という標題で１９９６年６月５日に出願されたシリアル番号０８−６５８，３６５号、弁護士の明細書整理Ｎｏ．５３９１−Ａ−０３である、Ｈ．Ａ．ヒル、Ｐ．Ｈ．オグレスビー、及びＤ．Ａ．ジーベルにより協同に所有され、共に未決定の出願と関連している。その出願の内容は、これを参照することにより、その全ての内容を本明細書中に具体的に組み入れられる。
本発明は、対象の焦合画像又はその断面を迅速に正確に生成する技術に関する。この技術によれば、焦点の外れた前景及び又は背景の光源からの光信号の影響が、統計的及び系統的な誤差の両方に関してほとんど消滅させられる。共焦顕微鏡及び共焦干渉顕微鏡は、例えば生命科学、生体サンプルの研究、工業製品検査、及び半導体計測学などにおいて、多数の応用が見出されている。これは、これらの道具の独自の３次元結像能力の故である。
おそらくは、焦点外画像からの背景が焦合画像からの信号より有意に大きくなったとき、最も難しい多次元の画像処理に直面させられる。そのような環境は、厚いサンプルの研究中、特に共焦システムの伝播モードとは対照的な反射モードで作業するときに、頻繁に発生する。
３次元の顕微鏡的標本の体積特性（volume property）を決定するため２つの一般的なアプローチが存在する。そのようなアプローチは、従来の顕微鏡及び共焦顕微鏡に基づいている。一般には、従来の顕微鏡に関するアプローチは、共焦顕微鏡に関するアプローチと比較して、データを得る時間がより少なくて済むが、３次元画像のためのデータを処理する時間がより多く必要となる。
従来の画像処理システムでは、画像化されるべき対象の一部分がその最良の焦点位置から光軸上に変位されたとき、その画像コントラストが減少するが、その明るさは一定に保たれ、該画像の変位された焦点外部分は、該対象の焦合部分の視野と干渉する。
システムの点拡散関数（point-spread function）が知られており、対象の独立した各々の区画に対して画像が得られた場合、焦点外の光により寄与された信号を効率的に除去し、焦点の合ったデータのみを含む画像を生成するため、周知のコンピュータアルゴリズムをそのような画像に適用することができる。そのようなアルゴリズムは、いくつかの別個のタイプからなり、「コンピュータ−デコンボルーション（deconvolutions）」と称され、一般に、高価なコンピュータ設備、並びに、所望の統計的精度を得るために、かなりのコンピュータ処理時間と相当量のデータとを必要とする。
ワイドフィールド法（wide field method：ＷＦＭ）（proc.Soc.PhotoOpt.Instrum.Eng.,SPIE,1980年264号の110頁〜117頁Ｄ．Ａ．アガード及びＪ．Ｗ．セダットによる「画像処理技術を利用した生体標本の３次元解析」、Anal.Biochem.1981年111号の257頁〜268頁Ｄ．Ａ．アガード、Ｒ．Ａ．シュタインバーグによる「電気泳動（Electrophoretograms）の定量解析：超分解能への数学的アプローチ」、Methods Cell Biol.1989年30号の353頁〜377頁Ｄ．Ａ．アガード、Ｙ．ヒラオカ、Ｐ．ショー、及びＪ．Ｗ．セダットによる「３次元の蛍光顕微鏡」、Annue.Rev.Biophys.Bioeng.1984年13号の191頁〜219頁Ｄ．Ａ．アガードによる「光学的に区画する顕微鏡」、Sci.1987年238号の36頁〜41頁Ｙ．ヒラオカ、Ｊ．Ｗ．セダット及びＤ．Ａ．アガードによる「生体構造の定量的光学顕微鏡に対する電荷結合素子の使用」、Sci.1990年248号の73頁〜76頁Ｗ．デンク、Ｊ．Ｈ．ストリンクラー及びＷ．Ｗ．ウェブによる「２光子レーザ走査型蛍光顕微鏡」を参照）では、従来の顕微鏡を使用して、関心の対象となっている容積全体に亘って隣接する焦点面の画像からなる組を、順次獲得していく。各々の画像は、冷却された電荷結合素子（ＣＣＤ）の画像センサ（Sci.Ａｍ.1982年247号の67頁〜74頁Ｊ．クリスチャン及びＭ．ブルーケによる「天文学における電荷結合素子」）を使用することによって記録され、焦合画像平面及び焦点外画像平面の両方からのデータを含んでいる。
レーザを使用したコンピュータ演算断層撮影技術が、従来の顕微鏡を使用して実行される。応用光学（Appl.Opt.）２９号の3805頁〜3809頁（１９９０）に記載された、Ｓ．カワタ、Ｏ．ナカムラ、Ｔ．ノダ、Ｈ．オオキ、Ｋ．オギノ、Ｙ．クロイワ及びＳ．ミナミによる「レーザを使用したコンピュータ演算断層撮影用の顕微鏡」により論じられたシステムは、Ｘ線を使用したコンピュータ演算断層放射線撮影の技術に密接に関連しているが、２次元スライスの再構成というよりも、３次元容積の再構成を用いている。厚い３次元サンプルの投影画像は、斜め照明光学系で変更された従来の伝播顕微鏡で収集され、サンプル内部の３次元構成はコンピュータによって再構成される。ここで、このデータは、３次元画像用のデータを処理するのに要する時間と比較して短時間内に得られる。カワタなど（上記引用例）による一つの実験では、８０×８０×３６−ボクセル（voxel）の再構成は、全ての投影データを収集し、それらを小型コンピュータに送出するのに数分間を要した。次に、毎秒２０メガ浮動小数点演算（ＭＦＬＯＰＳ）の演算速度でベクトル演算プロセッサを使用したにも係わらず、画像のデジタル再構成のために約３０分間を要した。
従来における、点即ちピンホール型式の共焦顕微鏡では、点光源からの光は、いわゆるスポットとして知られる非常に小さい空間内に焦点を結ばれる。この顕微鏡は、散乱されてスポットから反射された光か、或いは、該点検出器の上にスポットを通って伝播される光を焦点として結ぶ。反射点−共焦顕微鏡では、入射光は、スポット中のサンプルのその部分によって反射、即ち、後方散乱される。スポットの外側のサンプルによって反射即ち後方散乱される光は、検出器上に良好には焦点を結ばれず、かくして、該光は拡散し、その結果、該検出器がそのような反射即ち後方散乱された光の小部分のみを受け取ることになる。伝播点−共焦顕微鏡では、入射光がスポット中のサンプルのその部分により散乱又は吸収されない限り、入射光は伝播される。一般には、点光源及び点検出器は、従来の光源及び従来の検出器の前にピンホールを備えたマスクを各々配置することによって、それに近いものが作られる。
同様に、従来のスリット共焦顕微鏡システムでは、線光源からの光は、これもスポットとして知られている非常に狭い細長い空間の中に焦点を合わせられる。スリット共焦顕微鏡は、散乱されてスポットから反射された光か、或いは、該直線状検出器の上にスポットを通って伝播される光を焦点として結ぶ。線光源及び直線状検出器は、従来の光源及び従来の検出器列の前にスリットを備えたマスクを各々配置することによって、それに近いものが作られる。その代わりに、線光源は、焦点の合わせられたレーザビームを、画像を得るべき即ち検査されるべき対象を横切って走査することによっても、それに近いものが作られる。
対象の小部分のみが共焦顕微鏡によって画像化されるので、対象の完全な２次元像又は３次元像を生成するように十分な画像データを得るためには、画像化されるべき対象を移動するか、或いは、光源及び検出器を移動するかのいずれかをなさなければならない。以前のスリット共焦システムは、２次元画像データの連続的な直線部分を得るため、スリットに対して垂直方向に対象を直線に沿って動かしていた。他方において、ただ一つだけのピンホールを持つ点共焦システムは、２次元画像データを得るためには２次元の仕方で動かされ、３次元画像データの組を得るためには３次元の仕方で動かさなければならない。未加工の画像データは、典型的には格納されており、その後で検査即ち画像化される対象の２次元断面又は３次元画像を形成するために処理される。従来の顕微鏡に対して焦点外画像への感度を減少させることは、与えられた量のデータに対する統計的精度を改善することにつながり、この処理操作は、従来の顕微鏡のアプローチで得られたデータを処理するとき要求される操作と比較して、かなり簡単になる。
タンデム走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）として知られたシステムでは、照明の螺旋パターン及び検出器ピンホールがニプコー円板（Nipkow disk）の中に、その円板が回転するとき食刻され、完全に固定された対象が２次元内で走査される［J.Opt.Soc.A.58号（５）661頁〜664頁（1968）に記載されたＭ．ペトラン及びＧ．Ｓ．キノによる「タンデム走査反射光式顕微鏡」と、Appl.Phys.Lett.53号716頁〜718頁（1988）に記載されたＧ．Ｑ．キシアノ、Ｔ．Ｒ．コルレ、及びＧ．Ｓ．キノによる「実時間共焦走査式光学顕微鏡」とを参照せよ］。光学処理の点に関して、ＴＳＯＭは、基本的に、２次元区画を一時刻に１点だけ効率的に走査する手段を備えた単一点の共焦顕微鏡である。
共焦構成で２次元画像を得るとき要求される走査量を減少するため実行される２つの技術例が、応用光学（Appl.Opt.）３３号（４）、５６７頁〜５７２頁（１９９４）に記載されたＨ．Ｊ．ティジアニ及びＨ．−Ｍ．ウーデによる「マイクロレンズ配列の共焦構成による３次元解析」の仕事と、Ｊ．カーステンズ、Ｊ．Ｒ．マンデビレ及びＦ．Ｙ．ウーによる「異なる高さにおける焦点容積を備えたタンデム直線状走査型共焦画像処理システム」という標題の特許（１９９３年９月に登録された米国特許番号５，２４８，８７６）との中に見出される。上記引用したティジアニ及びウーデのマイクロレンズ配列共焦構成は、多数ピンホール源及び共焦形状で多数要素を持つ検出器を使用したときと同じ焦点外画像識別能力を有する。そのようなシステムは、多数の点を同時に検査することを可能にするが、焦点外画像に対する識別で妥協している。マイクロレンズの密度を高くすればするほど、焦点外画像に対して識別するシステムの能力はより低下し、その結果として、３次元画像を生成するため要求されるコンピュータ−デコンボルーションの複雑さ及びコストを増加させる。更に、上記引用したティジアニ及びウーデのシステムは、軸範囲に重大な制限を持っている。この範囲は、マイクロレンズの焦点の長さを超えることができず、この焦点長さは、与えられた数字上の開口に対して定められたマイクロレンズの直径に比例する。従って、マイクロレンズの数が増大するとき、これに関連して許される軸範囲が減少する。
上記引用したカーステンズ等によるシステムは、多数のピンホールを組み込み、多数の点を同時に検査することを可能にするため共焦構成の検出器を正確な位置に合わせている。しかしながら、先のパラグラフで説明したように、このゲインは、焦点外画像に対する識別で妥協しており、その結果として、要求される継時的なコンピュータ−デコンボルーションの複雑さ及びコストを増加させる。ピンホールの密度を高くすればするほど、焦点外画像に対して識別するシステムの能力はより低下する。最高の識別能力は、たった一つのピンホールを使用するとき達成されよう。
電子工学の検査に共焦顕微鏡を適用することは、マイクロエレクトロニクス−エンジニアリング  ５号、５７３頁〜５８０頁（１９８６）に記載されたＴ．ザッフェ及びＲ．Ｗ．ウィンナエンヅ−フォン−レザンヅによる「極微小構造測定のための共焦レーザ顕微鏡」及びＳＰＩＥ、５６５号、８１頁〜８７頁（１９８５）に記載されたＪ．Ｔ．リンドウ、Ｓ．Ｄ．ベネット及びＩ．Ｒ．スミスによる「集積回路の計測学（Metrology）のための走査式レーザ画像処理」で提案されている。共焦システムにより提供される軸上識別は、半導体製造環境において役立つ。例えば、そのようなシステムは、層間剥離、気泡、及び構造体やコーティングの厚さなど、高さに依存する特徴の検査を改善するため提供することができよう。しかしながら、電子工学の検査のため共焦画像処理システムを用いることに関連していくつかの問題がある。例えば、単一のピンホールシステムは、２次元上で対象を走査するため非常に多大な時間を要する。対象上にレーザビームを走査するための光学システムは非常に複雑である。そして、前記したＴＳＯＭで使用される回転するディスクを用いたアプローチは、整合及び維持において問題を発生させる。
必要とされる異なる深さのスライスの数（及び従って収集される画像データの量）は、測定されなければならない高さの範囲に依存し、必要とされる光学システムの高さ解像度及び性能にも依存する。典型的な電子工学の検査では、１０乃至１００の異なる深さのスライス画像が必要とされよう。更に、いくつかの色彩バンドのデータが材料を識別するために必要とされ得る。共焦画像処理システムでは、別個の２次元走査が各々所望の高さに対して必要とされる。多数の色彩バンドのデータが望まれる場合、各々の高さにおいて多数の２次元走査が必要とされる。焦点レベルをシフトすることによって、同様のデータを隣接する平面から得ることができ、そして３次元強度データのセットを獲得することができる。
かくして、従来技術の共焦顕微鏡システムのいずれも、特に検査又は画像化分野において、迅速及び又は信頼性の高い３次元断層放射線撮影画像処理システムを構成することができない。
共焦アプローチは、より直接的でより良好に作動するけれども、例えば共焦の蛍光作用において、まだら構造の濃度が高いときには、従来の顕微鏡を用いたアプローチは、それでもなお、いくつかの利点を持っている。これらのうち最も重要なものは、後者が、紫外線（ＵＶ）の領域で励起される染料を利用することができ、該染料は、しばしば可視領域で励起される染料と比べてよりロバストで効率的であるように思われるということである。紫外線レーザを、共焦顕微鏡の光源として組み込むことができる［J.Microsc（Oxfbrd）1991年163号（Pt.2）,201頁〜210頁Ｍ．モンタグ、Ｊ．クルリィーズ、Ｒ．ヨルゲンズ、Ｈ．グンドラッハ、Ｍ．Ｆ．トレンデレンブルグ及びＨ．スプリングによる「共焦走査式紫外線レーザ顕微鏡を用いた作業：高感度及び多数パラメータ蛍光で特定のＤＮＡの位置決定」；ニューロサイエンス（Neurosci）.Res.1991年10号の245頁〜259頁Ｋ．クバ、Ｓ．−Ｙ．フア及びＭ．ノーミによる「ウシガエルの交換神経節細胞で共焦レーザ走査式顕微鏡により測定された細胞間のＣａ2+の空間的及び動的変化」；マイクロサイエンスジャーナル（J.Microsc）1993年169号（Pt.1）,15頁〜26頁Ｃ．ブリットン、Ｊ．レヒライター及びＤ．Ｅ．クラッファムによる「紫外波長の光及び可視波長の光により励起された染料で同時に共焦結像を可能にした光学的変更」］、或いは、紫外線染料を「２光子」技術（上記引用したＷ．デンクなどの技術）を用いた赤外（ＩＲ）光で励起することができる。これらの技術は、相当高価であり、実際上の困難さを有している。
更に、従来の顕微鏡システムで使用される冷却ＣＣＤ検出器は、共焦顕微鏡システムで光電子増倍管（ＰＭＴ）が行うように、直列というより並列にデータを収集する。その結果、ＣＣＤを、その性能を低下させることなく、より迅速に読み出すように作ることができる場合、従来の顕微鏡システムの３次元データ記録率は、たとえコンピュータ−デコンボルーション演算に要する時間によって、そのデータが実際に３次元画像として見ることができる前に遅延時間が追加されたとしても共焦顕微鏡システムの記録率よりも有意に高くなることが判明した。
２次元データ列を並列に記録するために使用されるＣＣＤ検出器と、スリット又はピンホール共焦顕微鏡との間で選択するとき、統計的精度に関連したＳ／Ｎ比もまた考慮に入れなければならない。２次元ＣＣＤピクセルの良好な容量は、２００，０００電子のオーダーを持つ。このことは、例えばＰＭＴのもの又は光発電装置などの他の光放射検出器で達成可能な統計的精度と比較して、単一露出で達成し得る統計的精度を制限する。その結果、焦点の外れた背景の寄与が焦合画像信号より有意に大きくなる、それらの応用に対して、Ｓ／Ｎ比の考慮は、他の全ての考慮は等価な中で、スリット共焦顕微鏡におけるデータの１次元並列記録は標準顕微鏡におけるデータの２次元記録より良好に働くと共に、単一のピンホール共焦顕微鏡におけるデータの外形に沿った即ち各点での逐一の記録は、スリット共焦顕微鏡におけるデータの１次元並列記録よりも良好に働くという結論に導く。
Ｓ／Ｎ比により測定されたような統計的精度の考慮が、例えば標準顕微鏡を超えたスリット共焦顕微鏡又はスリット共焦顕微鏡を超えた単一のピンホール共焦顕微鏡などのシステムの選択に影響を及ぼすとき、選択されたシステムのための焦点外画像からの残りの信号は、焦点の合っている信号と比べられるか或いはより大きくなり得る。そのような場合には、例えば光学的放射の散乱が吸収を超えて支配的であるところの光学的波長において生体サンプル中の深いところを検査するときなどがある。この場合には、非常に長い、即ち、データを獲得するのに要する時間と比べて長い、コンピュータ−デコンボルーションの必要性が残されている。このことは、残りの焦点外画像信号より遥かに小さい焦合画像信号を探すとき、概して単一のピンホール共焦顕微鏡並びにスリット共焦顕微鏡にとって事実である。
ＰＭＴからの信号よりもＣＣＤ検出器からの信号を正確にデジタル化することの方がより容易であるけれども（Scanning  1994年13号の184頁〜198頁Ｊ．Ｂ．パーレーによる「共焦光顕微鏡における根本的且つ実際的な制限」）、ＰＭＴは高精度で特徴付けすることができる単一の装置であるが、その一方でＣＣＤは実際に個別の検出器からなる大きい配列であり、その動作を特徴付ける感度及びオフセットにおけるピクセル間の変動に対する修正操作が追加のノイズに係わる（Ｙ．ヒラオカなどの上記引用；Methods Cell Biol.1989年29号239頁〜267頁のＪ．Ｅ．ワンプラー及びＫ．クッツによる「光電子増倍管及び画像検出器を使用する定量蛍光顕微鏡」；Methods Cell Biol.1989年30号47頁〜83頁のZ.ジェリセビック、Ｂ．ウィーゼ、Ｊ．ブリアン及びＬ．Ｃ．スミスによる「画像システムの妥当性：定量的研究のための顕微鏡画像システムを評価し有効にするためのステップ」）。
３次元顕微鏡の２つの方法で使用された光検出器間の上記識別は、完全であるとみなすべきではないことを記しておくべきである。冷却ＣＣＤ検出器は、回転ディスクの孔を使用することにより走査機能を達成する、それらの共焦顕微鏡のための最も適切な光検出器であるからである（ペトランなどの上記引用；キシアノなどの上記引用）。
「光学コヒーレンス−ドメインのレフレクトメトリ（reflectmetry）（ＯＣＤＲ）として知られた別の技術が、システムの３次元特性についての情報を得るために使用されてきた。この方法は、次の論文に説明されている。（１）Opt.Lett.1987年12（3）号158頁〜160頁Ｒ．Ｃ．ヤングクイスト、Ｓ．カー及びD.E.N.デービスによる「光学コヒーレンス−ドメインのレフレクター：新しい光学評価技術」；（２）Appl.Opt.1987年26（9）号1603頁〜1606頁Ｋ．タカダ、Ｉ．ヨコハマ、Ｋ．チバ及びＪ．ノダによる「干渉計技術に基づく光学波案内装置における誤った配置のための新しい測定システム」；（３）Appl.Opt.1987年26（14）号2836頁〜2842頁Ｂ．Ｌ．ダニエルソン及びＣ．Ｄ．ウィッテンベルグによる「マイクロメートルの解像度を備えた波案内の反射学（Guided-Wave Reflectometry with Micrometer Resolution）」；ＯＣＤＲ方法は、パルス化された光源の代わりに、短いコヒーレンス長を備えた広帯域連続波の光源を使用するという点において、コヒーレント光学時間領域レフレクトメトリ（ＯＴＤＲ）技術とは異なっている。光源ビームは、一つのアームが可動ミラーを有する干渉計に入り、このミラーから反射された光が基準ビームを提供し、他のアームがテストされる光学システムを包含する。２つのアームからコヒーレントに混合されて反射された光における干渉信号は、通常のヘテロダイン法によって検出され、光学システムに関する所望の情報を与える。
ＯＣＤＲ技術において後方散乱された信号のヘテロダイン検出は、「白色光インターフェロメトリの方法によって達成される。該方法では、ビームが干渉計の２つのアームの中に分割され、調整可能なミラー及び後方散乱するサイトによって反射され、コヒーレントに再結合される。この方法は、２つのアーム間の光学経路の長さの差がビームのコヒーレンス長より短いときのみ、干渉縞が、再結合されたビーム中に現れるという事実を利用している。上記参照文献（１）及び（３）で説明されたＯＣＤＲシステムは、この原理を使用し、参考文献（３）は、調整可能なミラーを走査し、再結合される信号の強度を測定することによって得られる、テストシステムにおけるファイバーギャップ（fiber gaps）のインターフェログラム（Interferograms）を示している。参考文献（１）は、基準アームのミラーが制御された周波数及び振幅で振動して基準信号にドップラーシフトを引き起こし、再結合された信号がビート周波数信号を検出するためフィルター処理回路に供給される、変更された方法も説明している。
この技術の別のバリエーションは、参照文献（２）で示されており、この技術では、基準アームミラーが固定位置にあり、２つのアームの光学経路長の差がコヒーレント長を超えている。次に、結合された信号は、一方が所定位置に固定され他方が移動可能である２つのミラーを備えた第２のマイケルソン干渉計の中に導入される。この移動可能なミラーが走査され、第２の干渉計のアーム間の経路長の差は、散乱するサイトに対応する移動可能なミラーの個々の位置において後方散乱信号と基準信号との間の遅延を補償する。実際には、一定周波数で振動する位相変化は、このサイトに導くファイバー内の圧電変換モデュレータの手段によって後方散乱するサイトからの信号に課される。第２のマイケルソン干渉計からの出力信号は、内部に設置された増幅器に供給され、該増幅器は圧電変換モデュレーション及び走査するミラーの運動により引き起こされるドップラーシフトの両方から生じるビート周波数信号を検出する。この技術は、１５μｍ程度の短い分解能を備えたガラス製波案内手段の不規則性を測定するため使用されてきた［Opt.Lett.14（13）号706頁〜708頁（1989）Ｔ．タカダ、Ｎ．タカト、Ｊ．ノダ及びＹ．ノグチによる「１．３μｍ波長の超発光ダイオードを使用する干渉光学時間領域レフレクトメトリシステムを備えたシリカベースの波案内手段の特徴付け」］。
ＯＣＤＲの別のバリエーションは、眼底部層の厚さを測定するため使用されてきた二重ビームの部分コヒーレンスの干渉計（ＰＣＩ）である［Opt.Eng.34（3）号701頁〜710頁（1995年）Ｗ．ドレクサー、Ｃ．Ｋ．ヒッツェンバーガー、Ｈ．サットマン及びＡ．Ｆ．ファーチャーによる「部分コヒーレンス断層放射線撮影法による眼底層の厚さの測定」］。ドレクサーなどにより使用されるＰＣＩでは、外部のマイケルソン干渉計が、高い空間コヒーレンスではあるが１５μｍの非常に短いコヒーレンス長さの光ビームを、基準ビーム（１）と測定ビーム（２）との２つの部分に分割する。干渉計の出口では、これら２つの構成要素が共軸二重ビームを形成するため再び結合される。この２つのビーム構成要素は、干渉計アーム長の差の２倍の経路差を持ち、眼を照明し、眼内部に存在するいくつかの境界面で反射されて異なる屈折率の媒体を分離する。従って、各々のビーム構成要素（１及び２）は、これらの境界面での反射によって更に下位の構成要素に分解される。反射された下位の構成要素は、光検出器上に重ね合わせられる。眼内部の２つの境界の間の光学距離が干渉計アーム長さの差の２倍に等しい場合、同じ全経路長さに亘って走り、その結果干渉するであろう２つの下位構成要素が存在する。干渉パターンが観察されるところの干渉アーム長さの差の各値は、眼内部の光学距離に等しい。すぐ近くで他の強い反射が存在しない場合、これらの境界面の絶対位置を、生体内で５μｍの正確さを持って決定することができる。しかしながら、ＰＣＩは、３次元走査に必要とされる時間の間の対象運動の故に、制限を被る。
光学コヒーレント断層放射線撮影法（ＯＣＴ）と呼ばれたＯＣＤＲの別のバージョンは、Opt.Lett.１８（２１）号1864頁〜1866頁（1993年）のＥ．Ａ．スワンソン、Ｊ．Ａ．イザット、Ｍ．Ｒ．ヒー、Ｄ．ヒュアング、Ｃ．Ｐ．リン、Ｊ．Ｓ．シューマン、Ｃ．Ａ．ピュリアフィト及びＪ．Ｇ．フジモトによる「網膜中における光学コヒーレンス断層放射線撮影法による画像」と、１９９４年６月１４日に登録された米国特許番号５，３２１，５０１号のＥ．Ａ．スワンソン、Ｄ．ヒュアング、Ｊ．Ｇ．フジモト、Ｃ．Ａ．ピュリアフィト、Ｃ．Ｐ．リン、及びＪ．Ｓ．シューマンによる「サンプルの長さ方向の範囲を制御する手段で光学画像を画像化するための方法及び装置」とによって、生体内の網膜の画像化処理に対して報告されてきた。上記に参照された特許は、サンプル上で光学画像の結像を実行するための方法及び装置を説明しており、そこではサンプル中の長さ方向の走査又は位置決めは、サンプルへ、そして基準レフレクターへと導く光学経路のための相対光学経路長を変化させるか、或いは、装置に適用される光源からの出力の光学特性を変化させることのいずれかによって提供される。１又は２次元の横断走査は、そのような方向におけるサンプルとプローブモジュールとの間の制御された相対運動を提供することによって、及び又は、プローブモジュールの光学放射を選択された横断位置に向けることによってサンプル上に提供される。報告された空間分解能は，高感度（１００ｄＢダイナミックレンジ）で２０μｍより小さい。しかしながら、ＯＴＣは、３次元走査のため要求される時間の間、対象の運動故の制限を被る。
光学干渉計の輪郭走査は非接触層法が要求されるとき表面の３次元輪郭抽出のために幅広く使用されている。これらの輪郭走査は、典型的には、位相シフトの干渉計（ＰＳＩ）技術を使用し、高速で正確、その上再現可能であるが、光源の中間波長と比較して表面が滑らかであるという要請を受ける。１／４波長（典型的には１５０ｎｍ）より大きい表面の不連続性は、干渉の周期的性質のため単一波長の測定では、曖昧さなく分解することができない。多数波長の測定がこの範囲を拡大することができるが、波長の精度に課された制約及び環境の安定性が厳しくなり得る（「地形表面の測定用の光学システム」という標題で、Ｎ．バラスブラマニアンに対して１９８２年７月２０日に登録された米国特許Ｎｏ．４，３４０，３０６号）
白色光で走査する干渉計学（ＳＷＬＩ）に基づく輪郭走査は、荒い不連続的な表面の測定に対する従来のＰＳＩ輪郭走査における多くの限界を克服する。多くの論文がこの技術を詳細に説明している（応用光学（Appl.Opt.）３３号（３１）、７３３４頁〜７３３８頁（１９９４年）Ｌ．デック及びＰ．ダ・グルートにおける参考文献２−７を参照せよ）。典型的には、これらの輪郭走査は、広帯域光源で照明された等しい経路の干渉計の一つのアームを軸上に中継している間に、視野内の各点に対するコントラスト基準特徴（即ち、ピークコントラスト又はピーク励起（peak fit））の位置を記録する。この技術に関する共通の問題は、実時間で各点のコントラストを演算するために要する莫大な演算量である。しばしば、コントラスト演算のみが個別のサンプリング間隔のために精度が不十分となり、サンプリング密度を増加させるか、或いは、補間技術を導入することのいずれかを余儀なくさせる。これらの技術はいずれもデータ獲得プロセスを更に遅くさせてしまう。コヒーレンスプローブ顕微鏡（ＣＰＭ）は、このクラスの輪郭走査手段の一例である（「集積回路及びその他の検査のため２ビーム干渉顕微鏡を使用する方法並びに装置」という標題で、Ｍ．デビッドソンに対して１９８９年４月４日に登録された米国特許Ｎｏ．４，８１８、１１０号；SPIE 775号,233頁〜247頁（1987年）Ｍ．デビッドソン、Ｋ．カウフマン、Ｉ．メーザー及びＦ．コーエンによる「集積回路の検査及び計測学への干渉顕微鏡の応用」；「集積回路計測学への応用を持ったコヒーレンスプローブ顕微鏡のための画像強調方法」という標題で、Ｍ．デビッドソン、Ｋ．カウフマン及びＩ．メーザーに対して１９９２年５月１２日に登録された米国特許Ｎｏ．５，１１２、１２９号）。一般に輪郭走査手段、特にＣＰＭは、３次元対象では働くことができず、従来の干渉顕微鏡に典型的な背景を持ち、変動に対して敏感であり、強力なコンピュータ解析を必要とする。
白色干渉計学（ＷＬＩ）で出会う問題の一つは、位相の曖昧さである。位相の曖昧さに関して注意を払った輪郭走査法が、Opt.Lett.19（13）号、995頁〜997頁（1994年）に掲載された「分散干渉計輪郭走査器（Dispersive Interferometric Profilometer）」という標題の論文でＪ．シュウイダー及びＬ．ゾウによって提案された分散干渉計輪郭走査器（ＤＩＰ）である。ＷＬＩに対する同様のアプローチは、Pure Appl.Opt.４号，643頁〜651頁（1995年）に掲載された「同期サンプルされた白色光周波数帯スペクトル干渉計を用いた絶対距離測定」という標題の論文でＵ．シュネル、Ｅ．ズィマーマン及びＲ．デンドリンカーによっても報告された。
一般に、位相の曖昧さの問題は、ＤＩＰを使用して完全に避けることができる。ＤＩＰ装置では、白色光源の平行ビームがアポクロマート顕微鏡の対物レンズの前でフィゾー干渉計の実像ウェッジ（real wedge）上に垂直に当たる。フィゾー干渉計は、基準プレートのより内側の表面と対象の表面とによって形成される。次に、光が格子分光計のスリット上に後方散乱される。該格子分光計は、ソファー（sofar）の不可視の縞パターンを分散し、そのスペクトルを線形アレー検出器の上に投影する。検出器上において、分光計のスリットにより選択された表面の各点は、フィゾー干渉計における空気ギャップの分散されたスペクトルを与える。ウェッジ型式のインターフェログラム（Interferogram）の強度分布から位相情報を得るためフーリエ変換及びフィルター処理法を使用することによって縞パターンを数値的に評価することができる。
位相の曖昧さの問題はＤＩＰの使用で避けることができるけれども、ＤＩＰは３次元対象の検査を必要とする応用には不適である。これは、焦点外画像からＤＩＰで生成される比較的大きい本質的な背景の結果である。この背景に関する問題は、標準干渉顕微鏡を使用して３次元画像を生成しようとするとき直面する背景の問題と比較することができる。
干渉顕微鏡で出会う上記引用された背景問題は、Optica Acta 29号（12）,1573頁〜1577頁（1982年）に掲載された「共焦干渉顕微鏡」という標題の論文でＤ．Ｋ．ハミルトン及びＣ．Ｊ．Ｒ．シェパードにより説明された共焦顕微鏡の干渉バージョンで減じられる。このシステムは、点検出器の後方投影された画像と合致するように配列された焦合レーザスポットに対して対象が走査される、共焦顕微鏡に基づいている。反射型共焦顕微鏡の干渉形態は、１つのビームが対象上に焦合されるマイケルソン干渉計に基づいている。このシステムは、共焦干渉顕微鏡システムに固有の焦点外画像から背景を減少させるという重要な特性を持っている。上記引用したハミルトンとシェパードの共焦干渉顕微鏡は、必要な３次元のデータ獲得走査の間に、そのシステムをサンプル運動に敏感にさせている３次元対象において１時刻に１点のみで反射された信号を測定する。
上記引用したヒルなどによる未決定の出願は、対象及び又は検出器での焦点外画像の故に背景により断層結像に持ちこまれる系統的誤差を減少させるのに良く適している。この技術は、データ獲得計画を並列に実施することもできる。上記引用したヒルなどの技術は、焦合画像を焦点外画像から識別するためそれらの画像の横断空間特性（transverse spatial properties）の相違を利用する。しかしながら、上記引用したヒルなどの技術は、焦点外画像からなる背景によって持ち込まれる統計的誤差を減少させるようには使用することができない。ヒルなどの未決定の出願に掲げられた実施例もまた、望まれた画像の振幅の大きさの二乗が記録され、複素振幅それ自体を記録するのではない構成の共焦顕微鏡に使用されるために全て設計されている。
必要とされているものは、焦点外画像に対する画像データの感度が従来技術の共焦及び共焦干渉顕微鏡システムに固有の感度より小さく減少されていること、系統的誤差及び統計的誤差の両方に関して焦点外画像に対する画像データの感度が減少されること、焦点外画像への感度が減少することに伴ってコンピュータ−デコンボルーションの必要性を減少させること、共焦干渉顕微鏡システムに固有の高いＳ／Ｎ比の可能性、及び、散乱及び又は反射された光若しくは音のビームの複素振幅を測定する可能性を兼ね備えたシステムである。
発明の概要
以上により、本発明の目的は、高速で信頼性が高い、１次元、２次元及び３次元の複素振幅の断層画像撮像法を提供することである。
本発明の目的は、焦点外点画像からの光の統計的誤差及び系統的誤差の両方の影響を好都合に減少させるか、又は、消滅させた複素振幅の断層画像撮像法を提供することである。
本発明の別の目的は、上述された従来技術の欠点を回避するように改善された複素振幅の断層画像撮像法を提供することである。
本発明の別の目的は、焦点の外れた光の系統的影響が非常に減少されたか又は消滅させられた、改善された複素振幅の断層画像撮像法を提供することである。
本発明の別の目的は、多数の点画像で対象の同時結像を可能とする、複素振幅の断層画像撮像法を提供することである。
本発明の別の目的は、干渉計システムで達成可能である画像に対するＳ／Ｎ比を得るための手段を備えた、１次元、２次元及び３次元における好都合な複素振幅の断層画像撮像法を提供することである。
本発明の別の目的は、非線型微分方程式を解法するという計算上の困難さを回避した複素振幅の断層画像撮像法を提供することである。
簡単に説明すれば、本発明の実施例によれば、広帯域で空間的にインコヒーレントな点光源から光源ピンホールへの光学放射を焦合させることによって、焦点外画像の複素振幅から焦合画像の複素振幅を識別するための方法及び装置が提供される。光源ピンホールから発散した光線はコリメートされて第１の位相シフターに向けられる。コリメートされた光線のうち第１の部分の位相は、第１の量の位相シフトされた光線を生成するため該位相シフターによってシフトされ、及び、コリメートされた光線のうち第２の部分の位相は、第２の量の位相シフトされた光線を生成するため該位相シフターによってシフトされる。第１及び第２の量の位相シフトされた光線は第１のスポットに焦点を合わせられる。
第１の量の位相シフトされた光線のうち第１のスポットから放射した光線はコリメートされてビームスプリッターに向けられる。コリメートされた光線のうち第１の部分は、第１の量のプローブビームを形成するためビームスプリッターを通過し、コリメートされた光線のうち第２の部分は、第１の量の基準ビームを形成するためビームスプリッターによって反射される。第２の量の位相シフトされた光線のうち第１のスポットから放射した光線はコリメートされてビームスプリッターに向けられる。コリメートされた光線のうち第１の部分は、第２の量のプローブビームを形成するためビームスプリッターを通過し、コリメートされた光線のうち第２の部分は、第２の量の基準ビームを形成するためビームスプリッターによって反射される。
プローブビームのうち第１及び第２の量の光線は、第２の位相シフターに向けられる。プローブビームのうち第１の量の光線は、第３の量のプローブビームを形成するため位相シフトされ、プローブビームのうち第２の量の光線は、第４の量のプローブビームを形成するため位相シフトされる。ここで、第３及び第４の量のプローブビームに対して、前記第１及び第２の位相シフターによって生成される正味の位相シフト量は、同じである。第３及び第４の量のプローブビームは、プローブレンズにより対象材料のスポット上に焦合され、これによって対象材料を照明する。
基準ビームのうち第１及び第２の量の光線は、第３の位相シフターに向けられる。基準ビームのうち第１の量の光線は、第３の量の基準ビームを形成するため位相シフトされ、基準ビームのうち第２の量の光線は、第４の量の基準ビームを形成するため位相シフトされる。ここで、第３及び第４の量の基準ビームに対して、前記第１及び第３の位相シフターによって生成される正味の位相シフト量は同じである。第３及び第４の量の基準ビームは、基準レンズによって基準ミラーのスポット上に焦合される。
照明された対象からプローブレンズの方向に放射される、プローブビームの反射及び又は散乱された光線は、散乱プローブビームを形成し、プローブレンズによってコリメートされ、第２の位相シフターに向けられる。コリメートされた光線のうち第１の部分の位相は、第１の散乱プローブビーム量の位相シフト光線を生成するためシフトされ、コリメートされた光線のうち第２の部分の位相は、第２の散乱プローブビーム量の位相シフト光線を生成するためシフトされる。第１及び第２の散乱プローブビーム量の光線はビームスプリッターに向けられる。第１及び第２の散乱プローブビーム量の光線の一部分は、ビームスプリッターによって反射され、各々、第３及び第４の量の散乱プローブビームを形成する。散乱プローブビームの第３及び第４の量のコリメート光線は、検出器のレンズによって、検出器ピンホールの平面上に焦合される。
基準レンズの方向に基準ミラー上のスポットから放射された反射光線は、反射基準ビームを形成し、基準レンズによってコリメートされ、第３の位相シフターに向けられる。コリメートされた光線のうち第１の部分の位相は、第１の反射基準ビーム量の位相シフトされた光線を生成するためシフトされ、コリメートされた光線のうち第２の部分の位相は、第２の反射基準ビーム量の位相シフトされた光線を生成するためシフトされる。第１及び第２の反射基準ビーム量の光線はビームスプリッターに向けられる。第１及び第２の反射基準ビーム量の一部分は、ビームスプリッターにより伝達されて、各々、第３及び第４の量の反射基準ビームを形成する。反射基準ビームの第３及び第４の量のコリメート光線は、検出器のレンズによって、検出器ピンホールの平面上に焦合される。
検出器ピンホールによって伝達された、第３及び第４の量の散乱プローブビームと第３及び第４の量の反射基準ビームとを重ね合わせた強度は、第１の強度測定値として単ピクセル検出器によって測定される。第３及び第４の量の反射基準ビームの位相は、第４の位相シフターによってπラジアンだけシフトされ、各々、第５及び第６の量の反射基準ビームを形成する。検出器ピンホールによって伝達された、第３及び第４の量の散乱プローブビームと第５及び第６の量の反射基準ビームとを重ね合わせた強度は、第２の強度測定値として単ピクセル検出器によって測定される。
第３及び第４の量の反射基準ビームの位相は、第４の位相シフターにより追加の−π／２ラジアンだけシフトされて、各々、第７及び第８の量の反射基準ビームを形成する。検出器ピンホールによって伝達された、第３及び第４の量の散乱プローブビームと第７及び第８の量の反射基準ビームとを重ね合わせた強度は、第３の強度測定値として単ピクセル検出器によって測定される。第３及び第４の量の反射基準ビームの位相は、第４の位相シフターにより追加のπラジアンだけシフトされて、各々、第９及び第１０の量の反射基準ビームを形成する。検出器ピンホールによって伝達された、第３及び第４の量の散乱プローブビームと第９及び第１０の量の反射基準ビームとを重ね合わせた強度は、第４の強度測定値として単ピクセル検出器によって測定される。
次のステップでは、第１、第２、第３及び第４の強度測定値が、演算処理のためコンピュータに送られる。第２の強度測定値が該コンピュータにより第１の強度測定値から減算され、焦点外画像からの光の影響を打ち消した状態で検出器ピンホール平面で焦点が合った散乱プローブビームの複素振幅の第１の成分値の測定を与える。第４の強度測定値が該コンピュータにより第３の強度測定値から減算され、焦点外画像からの光の影響を打ち消した状態で検出器ピンホール平面で焦点が合った散乱プローブビームの複素振幅の第２の成分値の測定を与える。
散乱プローブビームの振幅の第１及び第２の成分値は、それだけで直交成分の値であり、焦点外画像からの光の影響を打ち消した状態で検出器ピンホール平面で焦点が合った散乱プローブビームの複素振幅の正確な測定を複素定数の範囲内で与える。当業者に知られているコンピュータ及びコンピュータアルゴリズムを使用することによって、対象材料の１次元、２次元及び３次元の表現が、各々１次元、２次元及び３次元で対象材料を走査することにより得られた第１、第２、第３及び第４の強度値の各々１次元、２次元及び３次元の配列から得られる。対象材料の走査は、該対象材料をコンピュータにより制御された並進器で１次元、２次元及び３次元に計画的に動かすことによって達成される。コンピュータアルゴリズムは、焦点外画像に対する修正が本発明の装置によって達成される補償を超えて望まれる場合には、コンピュータ−デコンボルーションを備えるようにしてもよい。
本発明の第２の実施例によれば、広帯域で空間的に広がり且つ空間的にインコヒーレントな線光源から直線状光源ピンホールアレイ上へ光学放射を結像することによって焦合画像の複素振幅を焦点外画像の複素振幅から識別するための方法及び装置が提供される。この装置は、第１の実施例の光源ピンホールが、その方向が当該システムの光軸に垂直な直線状光源ピンホールアレイに置き換えられ、第１の実施例の検出器ピンホールが１次元の直線状検出器ピンホールアレイに置き換えられ、及び、第１の実施例の単ピクセル検出器が１次元の直線状検出器ピクセルアレイに置き換えられ、前記直線状検出器ピンホールアレイと前記検出器ピクセルとが該検出器において焦点の合った平面内の直線状光源ピンホールアレイの画像を用いて配位されたところの前述の実施例に係る電子演算処理手段を含む。散乱プローブビームの測定された直交複素振幅成分は、焦点外画像からの光の影響を打ち消した状態で直線状検出器ピンホールアレイの平面で焦点が合った散乱されたプローブビームの複素振幅の正確な測定を複素定数の範囲内で与える。対象の線部分における直線状点アレイの正確な１次元表現は、走査を必要としない状態で直線状光源ピンホールアレイの方向によって選択された方向で得られる。当業者に知られているコンピュータアルゴリズムを使用することによって、対象の正確な１次元表現が、２つの隣接する光源ピンホールの対象での画像の間の距離に等しい長さに亘る直線状光源ピンホールアレイの方向により選択された方向に対象を走査することにより得られた第１、第２、第３及び第４の強度値の２次元配列から得られる。更に加えて、当業者に知られているコンピュータアルゴリズムを使用することによって、対象の正確な２次元及び３次元の表現が、２つの隣接する光源ピンホールの対象での画像の間の距離に等しい長さに亘る直線状光源ピンホールアレイの方向により選択された方向に対象を走査すると共に、各々、第２の次元並びに第２及び第３の次元の対象を走査することにより得られた第１、第２、第３及び第４の強度値の２次元及び３次元の配列から得られる。焦点外画像に対する修正が本発明の装置により達成される補償を超えて必要とされる場合には、コンピュータアルゴリズムは当業者に知られているコンピュータ−デコンボルーションを備えていてもよい。
本発明の第１及び第２の好ましい実施例に対して代替となる実施例は、追加の光学手段と、本発明の第１及び第２の好ましい実施例に係る主要な装置で用いられたのと実質的に同じ電子演算処理手段と、を使用して、Ｓ／Ｎ比を改善し最適化する能力を備えている。追加の光学手段は、基準ビーム及びプローブビームに対して変更された経路を含み、これによって、第１の実施例に係る検出器ピンホール或いは第２の実施例に係る直線状検出器ピンホールアレイのいずれかに焦合される反射基準ビームの振幅を、各々、検出器ピンホール或いは直線状検出器ピンホールアレイのいずれかの上に結像される散乱プローブビームの振幅に対して調整することができる。
本発明の第３の実施例によれば、前述した第１実施例の装置と、検出器ピンホール上に結像された散乱プローブビームの振幅に対して検出器ピンホールに焦合された反射散乱ビームの振幅を調整するための光学手段とを含んで、Ｓ／Ｎ比を改善し最適化するための手段を用いて焦合画像の複素振幅を焦点外画像の複素振幅から識別するための方法及び装置が提供される。広帯域の空間的にインコヒーレントな点光源からの光線は、光源ピンホール上に焦合される。光源ピンホールから放射される光線は、コリメートされ、第１の位相シフターに向けられる。コリメートされた光線のうち第１の部分の位相は、第１の量の位相シフトされた光線を生成するためシフトされ、コリメートされた光線のうち第２の部分の位相は、第２の量の位相シフトされた光線を生成するためシフトされる。第１及び第２の量の位相シフトされた光線は、第１のビームスプリッターに当たる。第１の量の位相シフトされた光線の第１の部分は第１の量のプローブビームを形成するため第１のビームスプリッターを通過し、第１の量の位相シフトされた光線の第２の部分は第１の量の基準ビームを形成するため第１のビームスプリッターによって反射される。第２の量の位相シフトされた光線の第１の部分は第２の量のプローブビームを形成するため第１のビームスプリッターを通過し、第２の量の位相シフトされた光線の第２の部分は第２の量の基準ビームを形成するため第１のビームスプリッターによって反射される。第１及び第２の量のプローブビームは、第１のプローブビームのスポット上に焦合される。第１及び第２の量の基準ビームは、第１の基準ビームのスポット上に焦合される。
第１の量のプローブビームのうち第１のプローブビームスポットから放射した光線はコリメートされて第２のビームスプリッターに向けられる。コリメートされた光線のうち第１の部分は、第１の量のプローブビームを形成するため第２のビームスプリッターを通過して第３の量のプローブビームを形成する。第２の量のプローブビームのうち第１のプローブビームスポットから放射した光線はコリメートされて第２のビームスプリッターに向けられる。コリメートされた光線のうち第１の部分は、第２のビームスプリッターを通過して第４の量のプローブビームを形成する。第３及び第４の量のプローブビームの光線は第２の位相シフターに向けられる。第３の量のプローブビームの光線は、第２の位相シフターを通過し、第５の量のプローブビームを形成するため位相シフトされる。第４の量のプローブビームの光線は、第２の位相シフターを通過し、第６の量のプローブビームを形成するため位相シフトされる。ここで、第５及び第６の量のプローブビームに対して第１及び第２の位相シフターによって生成された正味の位相シフトは同じである。
第１の量の基準ビームのうち第１の基準ビームスポットから放射した光線はコリメートされて第３の位相シフターに向けられ、第３の量の基準ビームとして現れる。第２の量の基準ビームのうち第１の基準ビームスポットから放射した光線はコリメートされて第３の位相シフターに向けられ、第４の量の基準ビームとして現れる。ここで、第３及び第４の量の基準ビームに対して第１及び第３の位相シフターによって生成された正味の位相シフトは同じである。第３の量の基準ビームの第１の部分は第５の量の基準ビームを形成するため第３のビームスプリッターによって反射される。第４の量の基準ビームの第１の部分は第６の量の基準ビームを形成するため第３のビームスプリッターによって反射される。
コリメートされた第５及び第６の量のプローブビームは、プローブレンズによって対象材料の第２のプローブビームスポットの上に焦合され、これによって該対象材料を照明する。コリメートされた第５及び第６の量の基準ビームは基準レンズによって基準ミラー上の第２の基準ビームスポットの上に焦合される。
照明された対象からプローブレンズの方向に放射されたプローブビームの反射及び又は散乱された光線は、散乱されたプローブビームを形成する。散乱されたプローブビームは、プローブレンズによってコリメートされ、第２の位相シフターに向けられる。コリメートされた光線のうち第１の部分の位相は、位相シフトされた光線のうち第１の散乱プローブビーム量を生成するためシフトされ、コリメートされた光線のうち第２の部分の位相は、位相シフトされた光線のうち第２の散乱プローブビーム量を生成するためシフトされる。第１及び第２の散乱プローブビーム量の光線は、第２のビームスプリッターに向けられる。第１及び第２の散乱プローブビーム量の一部分は、第３及び第４の量の散乱プローブビームを各々形成するため第２のビームスプリッターによって反射される。第３及び第４の量の散乱プローブビームのコリメート光線は、検出器ピンホールの平面内で散乱プローブビームスポットを形成するため検出器レンズによって焦合される。
第２の基準ビームスポットから基準レンズの方向に放射された反射光は、反射基準ビームを形成し、コリメートされて第３のビームスプリッターに向けられる。反射基準ビームの一部分は、第３のビームスプリッターによって伝達され、第４の位相シフター上に入射する。第４の位相シフターによって伝達された入射ビームの第１の部分の位相は、位相シフトされた光線のうち第１の反射基準ビーム量を生成するためシフトされる。第４の位相シフターによって伝達された入射ビームの第２の部分の位相は、位相シフトされた光線のうち第２の反射基準ビーム量を生成するためシフトされる。第１及び第２の反射基準ビーム量の光線は、第２のビームスプリッターに向けられる。第１及び第２の反射基準ビーム量の一部分は、第３及び第４の量の反射基準ビームを各々形成するため第２のビームスプリッターによって伝達される。第３及び第４の量の反射基準ビームのコリメートされた光線は、検出器ピンホールの平面内で反射基準ビームスポットを形成するため検出器レンズによって焦合される。
検出器ピンホールによって伝達された、第３及び第４の量の散乱プローブビームと第３及び第４の量の反射基準ビームとを重ね合わせた強度は、単ピクセル検出器により第１の強度測定値として測定される。第３及び第４の量の反射基準ビームの位相は、第５及び第６の量の反射基準ビームを各々形成するため第５の位相シフターによりπラジアンだけシフトされる。検出器ピンホールによって伝達された、第３及び第４の量の散乱プローブビームと第５及び第６の量の反射基準ビームとを重ね合わせた強度は、単ピクセル検出器により第２の強度測定値として測定される。
第３及び第４の量の反射基準ビームの位相は、第７及び第８の量の反射基準ビームを各々形成するため第５の位相シフターにより追加の−π／２ラジアンだけシフトされる。検出器ピンホールによって伝達された、第３及び第４の量の散乱プローブビームと第７及び第８の量の反射基準ビームとを重ね合わせた強度は、単ピクセル検出器により第３の強度測定値として測定される。第３及び第４の量の反射基準ビームの位相は、第９及び第１０の量の反射基準ビームを各々形成するため第５の位相シフターにより追加のπラジアンだけシフトされる。検出器ピンホールによって伝達された、第３及び第４の量の散乱プローブビームと第９及び第１０の量の反射基準ビームとを重ね合わせた強度は、単ピクセル検出器により第４の強度測定値として測定される。
次のステップでは、第１、第２、第３及び第４の強度測定値が、演算処理のためコンピュータに送られる。第２の強度測定値が該コンピュータにより第１の強度測定値から減算され、焦点外画像からの光の影響を打ち消した状態で検出器ピンホール平面で焦点が合った散乱プローブビームの複素振幅の第１の成分値の測定を与える。第４の強度測定値が該コンピュータにより第３の強度測定値から減算され、焦点外画像からの光の影響を打ち消した状態で検出器ピンホール平面で焦点が合った散乱プローブビームの複素振幅の第２の成分値の測定を与える。
散乱プローブビームの振幅の第１及び第２の成分値は、それだけで直交成分の値であり、焦点外画像からの光の影響を打ち消した状態で検出器ピンホール平面で焦点が合った散乱プローブビームの複素振幅の正確な測定を複素定数の範囲内で与える。当業者に知られているコンピュータ及びコンピュータアルゴリズムを使用することによって、対象材料の１次元、２次元及び３次元の表現が、各々１次元、２次元及び３次元で対象材料を走査することにより得られた第１、第２、第３及び第４の強度値の各々１次元、２次元及び３次元の配列から得られる。対象材料の走査は、該対象材料をコンピュータにより制御された並進器で１次元、２次元及び３次元に計画的に動かすことによって達成される。コンピュータアルゴリズムは、焦点外画像に対する修正が本発明の装置によって達成される補償を超えて望まれる場合には、コンピュータ−デコンボルーションを備えるようにしてもよい。
Ｓ／Ｎ比は、所望の複素振幅を測定することに関して第３の実施例で最適化することができる。この最適化は、第３及び第４の量の散乱プローブビームの振幅と、第３及び第４の量の反射基準ビームの振幅との比を、第１、第２及び第３のビームスプリッターの反射−伝達特性を変えることで調整することによって達成される。
本発明の第４の実施例によれば、広帯域で空間的に広がり且つ空間的にインコヒーレントな線光源から直線状光源ピンホールアレイ上へ光学放射を結像することによって焦合画像の複素振幅を焦点外画像の複素振幅から識別するための方法及び装置が提供される。この装置は、第３の実施例の光源ピンホールが、その方向が当該システムの光軸に垂直な直線状光源ピンホールアレイに置き換えられ、第３の実施例の検出器ピンホールが１次元の直線状検出器ピンホールアレイに置き換えられ、及び、第３の実施例の単ピクセル検出器が１次元の直線状検出器ピクセルアレイに置き換えられ、前記直線状検出器ピンホールアレイと前記検出器ピクセルとが該直線状検出器ピンホールアレイにおいて焦点の合った平面内の直線状光源ピンホールアレイの画像と整合されているところの前述の実施例に係る電子処理手段を含む。散乱プローブビームの直交複素振幅成分の測定値は、焦点外画像からの光の影響を打ち消した状態で直線状検出器ピンホールアレイの平面で焦点が合った散乱されたプローブビームの複素振幅の正確な測定を複素定数の範囲内で与える。対象の線部分における直線状点アレイの正確な１次元表現は、走査を必要としない状態で直線状光源ピンホールアレイの方向によって選択された方向で得られる。当業者に知られているコンピュータ及びコンピュータアルゴリズムを使用することによって、対象の正確な１次元表現が、２つの隣接する光源ピンホールの対象での画像の間の距離に等しい長さに亘る直線状光源ピンホールアレイの方向により選択された方向に対象を走査することにより得られた第１、第２、第３及び第４の強度値の２次元配列から得られる。更に加えて、当業者に知られているコンピュータアルゴリズムを使用することによって、対象の正確な２次元及び３次元の表現が、２つの隣接する光源ピンホールの対象での画像の間の距離に等しい長さに亘る直線状光源ピンホールアレイの方向により選択された方向に対象を走査すると共に、各々、第２の次元並びに第２及び第３の次元の対象を走査することにより得られた第１、第２、第３及び第４の強度値の２次元及び３次元の配列から得られる。対象材料の走査は、コンピュータにより制御される並進器を用いて１次元及び２次元に対象材料を計画的に動かすことによって達成される。焦点外画像に対する修正が本発明の装置により達成される補償を超えて必要とされる場合には、コンピュータアルゴリズムは当業者に知られているコンピュータ−デコンボルーションを備えていてもよい。
第３の実施例で得られたＳ／Ｎ比は、所望の複素振幅を測定することに関して最適化することができる。この最適化は、第３及び第４の量の散乱プローブビームの振幅と、第３及び第４の量の反射基準ビームの振幅との比を、第１、第２及び第３のビームスプリッターの反射−伝達特性を変えることで調整することによって達成される。
第１、第２、第３及び第４の好ましい実施例に対して代替となる第５及び第６の好ましい実施例は、プローブビームの伝播方向と同じ方向に、公称上、対象材料を通って伝達される光から得られる画像に対して焦合画像の複素振幅を焦点外画像の複素振幅から識別するための能力を備えており、実質的に同じ装置と、光学手段が追加された最初の４つの好ましい実施例の電子処理手段と、を含む。この追加の光学手段は、好ましくは、前述した伝達モードで作動する干渉計の形態からなる。
本発明の「可能化技術」は、例えば電子顕微鏡で用いられる電子ビームや、或いは、適切なコリメートレンズと結像レンズと位相シフターとが提供され得る音波でさえも、任意の電磁放射に対して適用できるということが理解されよう。ビームの振幅が強度の代わりに検出される応用のため、振幅の平方を生成する関数が検出器に続く電子処理において作用されなければならない。
空間的にインコヒーレントな線光源が使用されるときには一般に系統的誤差が低下するけれども、線光源は、系統的誤差を減少させるため第２、第４或いは第６の好ましい実施例のいずれの場合においても線光源の方向に空間的にインコヒーレントである必要はない。
光源は、狭いスペクトル線又は広帯域にされたスペクトル線のいずれでも可能である。
本発明の利点は、対象の複素散乱振幅がＰＣＩ及びＯＣＴの場合において散乱振幅の代わりに得られるということである。これは、対象材料の与えられた型式の１次元、２次元或いは３次元画像を得るために必要とされるコンピュータ解析量に関して特に重要である。
別の利点は、１次元、２次元及び３次元の画像化処理において複素散乱振幅を得るために必要とされるコンピュータ処理が、一般に用いられる従来の共焦顕微鏡で必要とされる処理と比べて大幅に減少されるということである。
別の利点は、本発明の装置で既に大幅に減少された焦点外画像に対して修正が必要である場合、所与のレベルの修正を達成するため本発明の装置に関して必要とされるコンピュータ処理は、従来技術の走査型単一ピンホール共焦干渉顕微鏡で必要とされるコンピュータ処理と比較して有意に減少されるということである。
別の利点は、所与の測定時間間隔毎に対象に与えられた点で測定された複素散乱振幅における統計的ノイズへの背景放射の寄与が、複素散乱振幅それ自体のサイズから主要に派生する放射にまで減少させることができ、特に、背景放射の振幅が所望の複素散乱振幅のサイズと比べて比較的大きい場合に対して有効であるということである。これは、従来の走査型単一ピンホール共焦顕微鏡システムでは達成することができない。
本発明の装置で得られた画像中の統計的誤差は、従来の共焦干渉顕微鏡システムで得られた画像中の統計的誤差と比較して減少される。
本発明の装置は、要約すると、（１）系統的誤差を減じ、（２）統計的誤差を減じ、（３）検出器及び電子演算処理技術に対するダイナミックレンジの要求を減じ、（４）１次元、２次元或いは３次元画像のいずれかを生成するために必要とされるコンピュータ処理を減じ、（５）狭帯域及び広帯域のいずれでも作動することができ、及び又は、（６）混濁した媒体を介して結像するときでも作動することができる。一般に、これらの特徴の１又はそれ以上は、並列作動に対して満足させることができる。
【図面の簡単な説明】
図面において、類似の参照特徴は、いくつかの図面に亘って同様の構成要素を指し示している。
共に関連付けられた図１ａ乃至１ｊは、本発明の好ましい第１の実施例を概略形態で示している。ここで、図１ａは、サブシステム８０及び８１と、８１及び８２と、８１及び８３と、８２及び８４と、８３及び８４との間の光学経路、コンピュータ１１８から並進器１１６及びサブシステム８３の位相シフター４４への電気信号の経路、並びに、サブシステム８４の検出器１１４からコンピュータ１１８への電気信号の経路を示している。
図１ｂは、サブシステム８０を示している。
図１ｃは、サブシステム８１を示している。
図１ｄは、サブシステム８２にプローブビームが入る場合のサブシステム８２を示している。
図１ｅは、サブシステム８３に基準ビームが入る場合のサブシステム８３を示している。
図１ｆは、サブシステム８２からプローブビームが出る場合のサブシステム８２を示している。
図１ｇは、サブシステム８３から基準ビームが出る場合のサブシステム８３を示している。
図１ｈは、サブシステム８４にプローブビームが入る場合のサブシステム８４を示している。
図１ｉは、サブシステム８４に基準ビームが入る場合のサブシステム８４を示している。
図１ｊは、サブシステム８４の焦点外ビームがサブシステム８２での光の散乱及び又は反射から発生する場合のサブシステム８２及び８４を示している。
共に関連付けられた図２ａ乃至２ｄは、本発明の好ましい第２の実施例を概略形態で示している。ここで、図２ａは、サブシステム８０ａ及び８１と、８１及び８２と、８１及び８３と、８２及び８４ａと、８３及び８４ａとの間の光学経路、コンピュータ１１８から並進器１１６及びサブシステム８３の位相シフター４４への電気信号の経路、並びに、サブシステム８４ａの検出器１１４ａからコンピュータ１１８への電気信号の経路を示している。
図２ｂは、サブシステム８０ａを示している。
図２ｃは、サブシステム８４ａにプローブビームが入る場合のサブシステム８４ａを示している。
図２ｄは、サブシステム８４ａに基準ビームが入る場合のサブシステム８４ａを示している。
共に関連付けられた図３ａ乃至３ｊは、本発明の好ましい第３の実施例を概略形態で示している。ここで、図３ａは、サブシステム８０及び８１ａと、８０及び８１ｂと、８１ａ及び８２と、８１ｂ及び８３ａと、８２及び８４と、８３ａ及び８４との間の光学経路、コンピュータ１１８から並進器１１６及びサブシステム８３ａの位相シフター４４への電気信号の経路、並びに、サブシステム８４の検出器１１４からコンピュータ１１８への電気信号の経路を示している。
図３ｂは、サブシステム８０を示している。
図３ｃは、サブシステム８１ａを示している。
図３ｄは、サブシステム８２にプローブビームが入る場合のサブシステム８２を示している。
図３ｅは、サブシステム８１ｂを示している。
図３ｆは、サブシステム８３ａに基準ビームが入る場合のサブシステム８３ａを示している。
図３ｇは、サブシステム８２からプローブビームが出る場合のサブシステム８２を示している。
図３ｈは、サブシステム８３ａから基準ビームが出る場合のサブシステム８３ａを示している。
図３ｉは、サブシステム８４にプローブビームが入る場合のサブシステム８４を示している。
図３ｊは、サブシステム８４に基準ビームが入る場合のサブシステム８４を示している。
共に関連付けられた図４ａ乃至４ｄは、本発明の好ましい第４の実施例を概略形態で示している。ここで、図４ａは、サブシステム８０ａ及び８１ａと、８０ａ及び８１ｂと、８１ａ及び８２と、８１ｂ及び８３ａと、８２及び８４ａと、８３ａと８４ａとの間の光学経路、コンピュータ１１８から並進器１１６及びサブシステム８３ａの位相シフター４４への電気信号の経路、並びに、サブシステム８４の検出器１１４ａからコンピュータ１１８への電気信号の経路を示している。
図４ｂは、サブシステム８０ａを示している。
図４ｃは、サブシステム８４ａにプローブビームが入る場合のサブシステム８４ａを示している。
図４ｄは、サブシステム８４ａに基準ビームが入る場合のサブシステム８４ａを示している。
共に関連付けられた図５ａ乃至５ｆは、本発明の好ましい第５の実施例を概略形態で示している。ここで、図５ａは、サブシステム８０ｂ及び８２ａと、８０ｂ及び８１ｂと、８２ａ及び８５と、８１ｂ及び８５との間の光学経路、コンピュータ１１８から並進器１１６及びサブシステム８５の位相シフター４４への電気信号の経路、並びに、サブシステム８５の検出器１１４からコンピュータ１１８への電気信号の経路を示している。
図５ｂは、サブシステム８０ｂを示している。
図５ｃは、サブシステム８２ａを示している。
図５ｄは、サブシステム８１ｂを示している。
図５ｅは、サブシステム８５にプローブビームが入る場合のサブシステム８５を示している。
図５ｆは、サブシステム８５に基準ビームが入る場合のサブシステム８５を示している。
共に関連付けられた図６ａ乃至６ｄは、本発明の好ましい第６の実施例を概略形態で示している。ここで、図６ａは、サブシステム８０ｃ及び８２ａと、８０ｃ及び８１ｂと、８２ａ及び８５ａと、８１ｂ及び８５ａとの間の光学経路、コンピュータ１１８から並進器１１６及びサブシステム８５の位相シフター４４への電気信号の経路、並びに、サブシステム８５の検出器１１４ａからコンピュータ１１８への電気信号の経路を示している。
図６ｂは、サブシステム８０ｃを示している。
図６ｃは、サブシステム８５ａにプローブビームが入る場合のサブシステム８５ａを示している。
図６ｄは、サブシステム８５ａに基準ビームが入る場合のサブシステム８５ａを示している。
図７は、３つの結像区分を備えた反射型共焦顕微鏡の幾何学を表している。
図８は、本発明の６つの好ましい実施例に従って、ｙ3＝０、ｚ3＝０及びｖ1＝０に対する（ｘ3ｋｄ0／ｆ）の関数として２つのエレメント位相シフトシステム（ｍ＝１）用の単ピクセル検出器１１４における焦合画像平面４７内の反射基準ビーム振幅ＵR（ｖ3）を表したグラフである。
図９は、本発明の６つの好ましい実施例に従って、ｙ3＝０及びｚ3＝５０λ（ｆ／ｄ0）2に対する（ｘ3ｋｄ0／ｆ）の関数として４つのエレメント位相シフトシステム（ｍ＝２）用の検出器ピンホール平面４７内のビームＢ５２Ｄ−１、−２、−３、−４（図１ｊを参照せよ）の各々に対する背景振幅の大きさの平方を表したグラフである。
発明の詳細な説明
本発明は、立体的画像空間即ち領域の容積エレメントによって反射された光及び／又は散乱された光の複素振幅を、検査を受ける容積エレメントと重なったこのエレメントの前方、後方、及び側方の構造の焦点外画像が発する背景光の複素振幅から分離できる。ここに説明した断層放射線撮影技術は、画像平面内の所望の複素振幅信号を、様々な機構で発生した「背景」複素振幅信号及び「前景」複素振幅信号から分離できる。これらの背景複素振幅信号及び前景複素振幅信号は、（１）対象材料の画像化されるスライス以外の区分の焦点外画像、（２）所望の振幅信号の散乱、（３）画像化されるスライス以外の光源から発せられた信号の散乱、及び／又は（４）熱放射である。散乱場所及び熱放射源は、検査を受ける対象物のスライスの前方、後方、及び／又は内部の空間に配置されている。
本発明の技術は、焦点外画像に対し、一つ又は二つの異なる識別レベルで実施される。第１レベル（レベル１）では、本発明の装置の夫々のサブシステムの瞳での一次位相パターンの変化を導入することによって、画像化サブシステムのインパルス応答機能を一つの平面内で操作する。第２レベル（レベル２）では、夫々のサブシステムの瞳での二次位相パターンの変化を導入することによって画像化サブセクションのインパルス応答機能を二つの直交平面内で操作する。レベル２を実施すると、焦点内画像からの焦点外画像の識別が、レベル１を実施する場合よりも効果的に行われる。しかしながら、本発明の第２実施例、第４実施例、及び第６実施例のいずれかでレベル１識別を使用する場合、直線状光源ピンホールアレイをスリットとして形成するのがよいが、これに対し、第２実施例、第４実施例、及び第６実施例でレベル２識別を使用する場合、光源ピンホール間の間隔は、下記の式（３８）による最小値よりも大きくなければならない。レベル１及びレベル２の識別は、以下に説明する好ましい実施例のいずれについても実施できる。
レベル１識別又はレベル２識別のいずれかに関して形成された本発明の装置の好ましい実施例の各々に共通である、本発明の可能化技術を、以下にレベル１識別に関する好ましい実施例についてのみ説明する。
先ず最初に、様々な具体的実施例及びこれらの実施例の作動を説明した後、その基となる理論を説明する。
添付図面を詳細に説明すると、第１ａ図乃至第１ｊ図には、本発明の第１の好ましい実施例の現在の好ましい態様が概略に示してある。
第１ａ図乃至第１ｊ図に示すように、本発明の好ましい実施例は、ビームスプリッター１００、対象材料１１２、ｘｙｚ並進器１１６、基準鏡１２０、及び検出器１１４を含む干渉計である。この形体は、当該技術分野において、マイケルソン干渉計として周知であり、簡単な例として示してある。偏光マイケルソン干渉計、及びＣ．ザノリの「距離及び角度を計測するための微分干渉計装置の原理、利点、及び用途」という標題の文献（ＶＤＲ  Ｂｅｒｉｃｈｔｅ  ＮＲ．７４９，９３−１０６，１９８９）等の当該技術分野で周知の他の形態の干渉計を、本発明の好ましい第１実施例の精神及び範囲から大幅に逸脱することなく、第１ａ図乃至第１ｊ図の装置に組み込むことができる。
第１ｂ図は、第１ａ図に示すサブシステム８０の一実施例を概略の形態で示す。第１の好ましい実施例について、光源１０は、好ましくは点光源であるか或いは光源の表面に亘って空間的にインコヒーレントな放射線源、好ましくはレーザー又は同様のコヒーレントな又は部分的にコヒーレントな放射線源であり、好ましくは偏光光源である。光源１０は、サブシステム８０の光軸３と整合した入力ビーム２を放出する。第１ｂ図に示すように、入力ビーム２は焦合レンズ６に進入し、画像平面７のピンホール８に焦合する。複数の光線ビーム１２−１、１２−２、１２−３、１２−４を含む光線ビーム１２は、ピンホール８から発散し、光軸がサブシステム８０の光軸３と整合したレンズ１６に進入する。光線ビーム１２は、光線ビーム１２Ａ−１、１２Ａ−２、１２Ａ−３、１２Ａ−４を含むコリメートされた光線ビーム１２Ａとしてレンズ１６から出て、位相シフター１４に進入する。位相シフター１４は、夫々の光軸がサブシステム８０の光軸３と平行であるように配置された矩形の位相シフター１４−１、１４−２、１４−３、１４−４を含む。位相シフターの数は、整数である２ｍ、ｍ等の任意の適当な数であるのがよい。第１ｂ図に示す例では、ｍ＝２の場合についてであり、本発明の装置の構成要素間の関係を明らかに示す上で四つの位相シフターで十分である。平行な光線ビーム１２Ａ−１、１２Ａ−２、１２Ａ−３、１２Ａ−４は、位相シフター１４−１、１４−２、１４−３、１４−４を夫々通過し、夫々、光線ビーム１２Ｂ−１、１２Ｂ−２、１２Ｂ−３、１２Ｂ−４として位相シフター１４を出る。これらの光線ビームは、光線ビーム１２Ｂを構成する。位相シフター１４−２及び１４−４の各々は、位相シフター１４−１及び１４−３の各々によって導入される位相シフトよりもπラジアン大きい位相シフトを導入する。位相シフター１４−１及び１４−３によって導入された位相シフトは同じである。
第１ａ図では、光線ビーム１２Ｂはサブシステム８０を出てサブシステム８１に進入する。第１ｃ図では、光線ビーム１２Ｂはレンズ２６に進入し、光線ビーム１２Ｃ−１、１２Ｃ−２、１２Ｃ−３、１２Ｃ−４を含む光線ビーム１２Ｃとして出る。レンズ２６は、光線ビーム１２Ｃを焦合画像平面１７の点画像１８に焦合する。光線ビーム１２Ｃは、光線ビーム２２−１、２２−２、２２−３、２２−４を含む光線ビーム２２として点画像１８から出る。光線ビーム２２は、光軸がサブシステム８１の光軸３と整合したレンズ３６に進入する。光線ビーム２２は、光線ビーム２２Ａ−１、２２Ａ−２、２２Ａ−３、２２Ａ−４を含むコリメートされた光線ビーム２２Ａとしてレンズ３６を出て、サブシステム８１から出る。
第１ａ図に示すように、光線ビーム２２Ａは、一部がビームスプリッター１００を透過し、光線ビームＰ２２Ｂ−１、Ｐ２２Ｂ−２、Ｐ２２Ｂ−３、Ｐ２２Ｂ−４を含む光線ビームＰ２２Ｂとなり、第１ｄ図に示すサブシステム８２に進入する。
第１ｄ図では、光線ビームＰ２２Ｂは、位相シフター２４−１、２４−２、２４−３、２４−４を含む位相シフター２４に当る。位相シフター２４は、位相シフター１４と同数の２ｍ個の素子を含み、第１ｄ図にｍ＝２で示す。光線ビームＰ２２Ｂ−１、Ｐ２２Ｂ−２、Ｐ２２Ｂ−３、Ｐ２２Ｂ−４は位相シフター２４−１、２４−２、２４−３、２４−４を夫々通過し、光線ビームＰ２２Ｃ−１、Ｐ２２Ｃ−２、Ｐ２２Ｃ−３、Ｐ２２Ｃ−４を夫々含む光線ビームＰ２２Ｃとして出る。位相シフター２４−１及び２４−３が導入する位相シフトの値は同じであり、位相シフター２４−２又は２４−４のいずれかによって導入される位相シフトよりもπラジアン大きい。位相シフター２４−２及び２４−４によって導入された位相シフトの値は同じである。
各位相シフター対１４−１及び２４−１、１４−２及び２４−２、１４−２及び２４−２、及び１４−４及び２４−４によって導入された位相シフトの和は、πラジアンである。かくして、光線ビームＰ２２Ｃ−１、Ｐ２２Ｃ−２、Ｐ２２Ｃ−３、Ｐ２２Ｃ−４のうちの任意の二つの光線ビーム間には正味の相対的位相シフトはない。光線ビームＰ２２Ｃは、光線ビームＰ２２Ｄ−１、Ｐ２２Ｄ−２、Ｐ２２Ｄ−３、Ｐ２２Ｄ−４を含む光線ビームＰ２２Ｄとしてレンズ４６を通過し、これらの光線ビームは、対象材料１１２の焦合画像平面２７の点画像２８に焦合される。レンズ４６の光軸は、サブシステム８２の光軸３と整合している。
第１ａ図では、光線ビーム２２Ａの一部は、ビームスプリッター１００によって、光線ビームＲ２２Ｂ−１、Ｒ２２Ｂ−２、Ｒ２２Ｂ−３、Ｒ２２Ｂ−４を含む光線ビームＲ２２Ｂとして反射される。光線ビームＲ２２Ｂは、第１ｅ図に示すサブシステム８３に進入する。第１ｅ図に示すように、光線ビームＲ２２Ｂは、位相シフター３４−１、３４−２、３４−３、３４−４を含む位相シフター３４に当たる。位相シフター３４には、位相シフター１４と同数の２ｍ個の素子が含まれており、第１ｅ図にｍ＝２で示してある。光線ビームＲ２２Ｂは、位相シフター３４を通過した後に位相シフター４４を通過し、光線ビームＲ２２Ｃ−１、Ｒ２２Ｃ−２、Ｒ２２Ｃ−３、Ｒ２２Ｃ−４を含む光線ビームＲ２２Ｃとして出る。位相シフター４４によって導入された位相シフトは、コンピューター１１８からの信号１３２によって制御される。位相シフター３４−１及び３４−３によって導入された位相シフトの値は等しく、位相シフター３４−２又は３４−４のいずれかによって導入された位相シフトよりもπラジアン大きい。位相シフター３４−２又は３４−４によって導入された位相シフトの値は等しい。かくして、光線ビームＲ２２Ｃ−１、Ｒ２２Ｃ−２、Ｒ２２Ｃ−３、Ｒ２２Ｃ−４のうちの任意の二つの光線ビーム間には正味の相対的位相シフトはない。光線ビームＲ２２Ｃは、光線ビームＲ２２Ｄ−１、Ｒ２２Ｄ−２、Ｒ２２Ｄ−３、Ｒ２２Ｄ−４を含む光線ビームＲ２２Ｄとしてレンズ５６を通過する。光線ビームＲ２２Ｄは、反射鏡１２０の焦合画像平面３７の点画像３８にレンズ５６によって焦合される。レンズ５６の光軸は、サブシステム８３の光軸３ａと整合している。
第１ｆ図では、光線ビームＰ２２Ｄの一部（第１ｄ図参照）が対象材料によって、点画像２８のところで反射され及び／又は散乱され、光線ビームＰ３２を構成する複数の光線ビームＰ３２−１、Ｐ３２−２、Ｐ３２−３、Ｐ３２−４となる。光線ビームＰ３２は、焦合画像平面２７の点画像２８から発散し、レンズ４６に進入する。第１ｆ図でわかるように、光線ビームＰ３２は、光線ビームＰ３２Ａ−１、Ｐ３２Ａ−２、Ｐ３２Ａ−３、Ｐ３２Ａ−４を含むコリメートされた光線ビームＰ３２Ａとしてレンズ４６から出る。光線ビームＰ３２Ａ−１、Ｐ３２Ａ−２、Ｐ３２Ａ−３、Ｐ３２Ａ−４は、位相シフター２４−４、２４−３、２４−２、２４−１を夫々通過し、光線ビームＰ３２Ｂ−１、Ｐ３２Ｂ−２、Ｐ３２Ｂ−３、Ｐ３２Ｂ−４として夫々出る。光線ビームＰ３２Ｂ−１、Ｐ３２Ｂ−２、Ｐ３２Ｂ−３、Ｐ３２Ｂ−４は、光線ビームＰ３２Ｂを構成し、この光線ビームはサブシステム８２を出る。位相シフター２４−１及び２４−３によって導入された位相シフトの値は等しく、位相シフター２４−２又は２４−４によって導入された位相シフトよりもπラジアン大きい。これらの位相シフター２４−２又は２４−４によって導入された位相シフトの値は等しい。
第１ｇ図では、光線ビームＲ２２Ｄ（第１ｅ図参照）は、反射鏡１２０によって反射され、光線ビームＲ３２−１、Ｒ３２−２、Ｒ３２−３、Ｒ３２−４を含む光線ビームＲ３２となる。光線ビームＲ３２は、焦合画像平面３７の点画像３８から発散し、レンズ５６に進入する。第１ｇ図に示すように、光線ビームＲ３２は、レンズ５６から、光線ビームＲ３２Ａ−１、Ｒ３２Ａ−２、Ｒ３２Ａ−３、Ｒ３２Ａ−４を含むコリメートされた光線ビームＲ３２Ａとして出る。光線ビームＲ３２Ａ−１、Ｒ３２Ａ−２、Ｒ３２Ａ−３、Ｒ３２Ａ−４は、先ず最初に位相シフター４４を通過した後、位相シフター３４−４、３４−３、３４−２、３４−１を夫々通過し、光線ビームＲ３２Ｂ−１、Ｒ３２Ｂ−２、Ｒ３２Ｂ−３、Ｒ３２Ｂ−４として夫々出る。位相シフター４４によって導入される位相シフトは、コンピューター１１８からの信号１３２によって制御される。位相シフター３４−１及び３４−３によって導入された位相シフトの値は等しく、位相シフター３４−２又は３４−４のいずれかによって導入された位相シフトよりもπラジアン大きい。位相シフター３４−２及び３４−４によって導入された位相シフトの値は等しい。光線ビームＲ３２Ｂ−１、Ｒ３２Ｂ−２、Ｒ３２Ｂ−３、Ｒ３２Ｂ−４は、サブシステム８３を出る光線ビームＲ３２Ｂを構成する。
第１ａ図には、光線ビームＰ３２Ｂの一部が、ビームスプリッター１００によって、光線ビームＰ３２Ｃ−１、Ｐ３２Ｃ−２、Ｐ３２Ｃ−３、Ｐ３２Ｃ−４を含む光線ビームＰ３２Ｃとして反射されることが示してある。光線ビームＰ３２Ｃは、第１ｈ図に示すサブシステム８４に進入し、レンズ６６を通過し、光線ビームＰ３２Ｄ−１、Ｐ３２Ｄ−２、Ｐ３２Ｄ−３、Ｐ３２Ｄ−４を含む光線ビームＰ３２Ｄとして出る。光線ビームＰ３２Ｄは、レンズ６６によって、単ピクセル検出器１１４の焦合画像平面４７の点画像４８に焦合される。レンズ６６の光軸は、セル８４のサブシステム光軸３ｂと整合している。
第１ａ図には、光線ビームＲ３２Ｂの一部が、光線ビームＲ３２Ｃ−１、Ｒ３２Ｃ−２、Ｒ３２Ｃ−３、Ｒ３２Ｃ−４を含む光線ビームＲ３２Ｃとしてビームスプリッター１００を透過することが示してある。光線ビームＲ３２Ｃは、第１ｉ図では、光線ビームＲ３２Ｃはレンズ６６を通過し、光線ビームＲ３２Ｄ−１、Ｒ３２Ｄ−２、Ｒ３２Ｄ−３、Ｒ３２Ｄ−４を含む光線ビームＲ３２Ｄとして出る。光線ビームＲ３２Ｄは、レンズ６６によって、単ピクセル検出器１１４の焦合画像平面４７の点画像４８に焦合される。第１ｊ図では、光線ビームＰ２２の一部（第１ａ図及び第１ｄ図参照）が、複数の光線ビームＢ５２−１、Ｂ５２−２、Ｂ５２−３、Ｂ５２−４を含む光線ビームＢ５２として、焦点外画像平面５７の「焦点外」点画像５８のところで対象材料によって反射され及び／又は散乱される。光線ビームＢ５２は、焦点外点画像５８から発散し、レンズ４６に進入する。第１ｊ図に示すように、光線ビームＢ５２は、光線ビームＢ５２Ａ−１、Ｂ５２Ａ−２、Ｂ５２Ａ−３、Ｂ５２Ａ−４を含む実質的にコリメートされた光線ビームＢ５２Ａとしてレンズ４６から出る。光線ビームＢ５２Ａ−１、Ｂ５２Ａ−２、Ｂ５２Ａ−３、Ｂ５２Ａ−４は、位相シフター２４−４、２４−３、２４−２、２４−１を夫々通過し、光線ビームＢ５２Ｂ−１、Ｂ５２Ｂ−２、Ｂ５２Ｂ−３、Ｂ５２Ｂ−４として夫々出る。これらの光線ビームＢ５２Ｂ−１、Ｂ５２Ｂ−２、Ｂ５２Ｂ−３、Ｂ５２Ｂ−４は光線ビームＢ５２Ｂを構成する。位相シフター２４−１及び２４−３によって導入された位相シフトの値は等しく、位相シフター２４−２又は２４−４のいずれかによって導入された位相シフトよりもπラジアン大きい。光線ビームＢ５２Ｂの一部は、ビームスプリッター１００によって、光線ビームＢ５２Ｃ−１、Ｂ５２Ｃ−２、Ｂ５２Ｃ−３、Ｂ５２Ｃ−４を含む光線ビームＢ５２Ｃとして反射される。光線ビームＢ５２Ｃはレンズ６６を通過し、光線ビームＢ５２Ｄ−１、Ｂ５２Ｄ−２、Ｂ５２Ｄ−３、Ｂ５２Ｄ−４を含む光線ビームＢ５２Ｄとして出る。光線ビームＢ５２Ｄは、焦合画像平面４７からずれた焦点外画像平面６７の点画像６８にレンズ６６によって焦合される。
第１ａ図乃至第１ｊ図に示す本発明の装置の作動は、４つの強度の計測値の順序を単ピクセル検出器１１４によって獲得することに基づいている。４つの強度の値Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3、及びＩ4の順序は、単ピクセル検出器１１４によって定められる。位相シフター４４は、χ0ラジアン、χ0＋πラジアン、χ0＋π／２ラジアン、及びχ0＋３π／２ラジアンの夫々の位相シフト（位相シフター４４を両方向に通過する際に発生する位相シフトを含む、基準ビームの全位相シフト）の順序を導入する。ここで、χ0は、任意の所定の位相シフト値である。（勿論、位相シフター３４及び４４の機能を、コンピューター１１８によって制御される単一の位相シフターに組み込むこともできる。）４つの強度の値Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3、及びＩ4をコンピューター１１８にデジタルフォーマット又はアナログフォーマットのいずれかで信号１３１として送出し、次いでこれを処理する。強度の４つの値Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3、及びＩ4をデジタルフォーマットに変換するため、従来の変換回路、即ちアナログ−デジタル変換器が、検出器１１４又はコンピューター１１８のいずれかに含まれている。位相シフター４４の位相シフトは、コンピューター１１８によって発生され次いで伝達される信号１３２によって、以下に式（２５）に示すように制御される。位相シフター４４は、電気−光学式の装置であってもよいし、光学波長に関して広帯域作動で使用するための、本明細書中下文で説明する種類の装置であってもよい。次いで、強度の差Ｉ1−Ｉ2及びＩ3−Ｉ4を、コンピューター１１８によって、下文に記載した式（２４ａ）及び（２４ｂ）に従って計算する。これらの差には、焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｃｒｏｓｓ  ｔｅｒｍ）だけが比較的高効率で含まれる。
焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの複素振幅（第１ｈ図参照）と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅（第１ｉ図参照）との間の相互干渉項を隔離する上での比較的高い効率は、二つのシステム特性の結果として得られる。第１システム特性は、複素目盛り係数内で、焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの複素振幅及び焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅の焦合点画像４８での空間的分布が、位相シフター４４によって導入された随意の位相シフトと実質的に同じであるということである。第２システム特性は、位相シフター４４によって導入される位相シフトが、πラジアン、３πラジアン、...だけ減少したり増大したりする場合、焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項が符号を変えることである。位相シフター４４によって導入された位相シフトがπラジアン、３πラジアン、...だけ減少したり増大したりする場合に、焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項の符号が変わるため、この相互干渉項は、強度の差Ｉ1−Ｉ2及びＩ3−Ｉ4を相殺しない。しかしながら、相互干渉項が全くない場合には、焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの強度及び焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの強度は、強度の差Ｉ1−Ｉ2及びＩ3−Ｉ4を相殺する。上述のシステム特性は、共焦干渉顕微鏡に共通した特徴であり、これを「共焦干渉システム特性」と呼ぶ。
焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄ（第１ｊ図参照）について、焦合点画像４８では、強度の差Ｉ1−Ｉ2及びＩ3−Ｉ4は、焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅及び焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間に相互干渉項だけを含む。これは、共焦干渉計システム特性の結果である。しかしながら、焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項の大きさは、従来技術の共焦干渉顕微鏡における対応する相互干渉項に関して全体に減少する。
焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄ及び焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの両方が同時に存在する一般的な場合には、強度の差Ｉ1−Ｉ2及びＩ3−Ｉ4には、焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項及び焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅及び焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項の二つの相互干渉項が存在する。焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅及び焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄとの間の相互干渉項は、共焦干渉計システム特性のため、強度の差Ｉ1−Ｉ2及びＩ3−Ｉ4を相殺する。
焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項は、焦点外画像からの背景を示すものである。本発明の装置を従来技術の干渉共焦顕微鏡システムと比較すると、焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項の大きさが小さくなるのに対し、焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項の大きさは実質的に減少しない。焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項の減少は、部分的には、画像平面までの距離が増大するに従ってビームの振幅が減少するためである。この特性は、従来技術の共焦干渉顕微鏡で背景を減少する上での基礎である。しかしながら、本発明の装置では、焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅とも焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項の大きさの減少が、従来技術の共焦干渉顕微鏡で得られたのと比較して高められる。
上文中で言及した大きさの減少は、位相シフター１４、２４、及び３４を設けることによって高められる。位相シフター１４、２４、及び３４は、焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの複素振幅、焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅、及び焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅の空間的特性を焦合画像平面４７のところで変化させる。焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの複素振幅及び焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅の空間的特性は、両方とも、位相シフター１４、２４、及び３４によって変化されるけれども、夫々の複素振幅の変化した空間的分布は実質的に同じである。この特徴は、焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項に対する強度の差Ｉ1−Ｉ2及びＩ3−Ｉ4の感度の議論に関して上文中に説明してある。
しかしながら、焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅及び焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅の、焦合画像平面４７での変更された空間的分布の夫々は、明らかに異なっている。焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅は、焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの中心を中心として反対称関数である。これとは対照的に、焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅と干渉する焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの部分は、主に、第１ｊ図に示すように光線ビームＢ５２Ｄ−１、Ｂ５２Ｄ−２、Ｂ５２Ｄ−３、Ｂ５２Ｄ−４の一つと関連した複素振幅である。第１ｊ図は、反射基準ビームＲ３２Ｄの焦合画像の空間に亘るほんの僅かの相対的変化を概括的に示す。かくして、焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項の空間的分布は、主に、焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの中心を中心とした反対称分布である。
単ピクセル検出器１１４によって点画像４８のところで記録された、焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項が強度の値に及ぼす寄与は、反射基準ビームＲ３２Ｄの焦合画像の空間に亘るこの相互干渉項の積分である。反対称関数の反対称軸線を中心とした空間間隔に亘るこの関数の積分は、理想的にはゼロである。かくして、焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項が、単ピクセル検出器１１４によって画像点４８のところに記録された強度の値に及ぼす正味の寄与は、従来技術の共焦干渉顕微鏡で得られた寄与を大幅に越えて減少する。
例えば、第１ａ図乃至第１ｊ図のシステムでは、散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の干渉により、単ピクセル検出器１１４で発生する光電子の数が従来技術と比較して大幅に減少する。総合チャージ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｈａｒｇｅ）の統計的不確定性及び従って出力信号は、単ピクセル検出器で発生した光電子の総数の平方根と関連しており、第１ａ図乃至第１ｊ図の装置では出力信号の統計的誤差が大幅に減少する。
第１実施例の詳細な説明において、光線ビームＰ２２Ｃ−１、Ｐ２２Ｃ−２、Ｐ２２Ｃ−３、Ｐ２２Ｃ−４のうちの任意の二つの光線ビーム間には正味の相対的位相シフトがないということに着目されたい。この特徴により、第１実施例の詳細な説明で明確に系統立てて説明した以下の目的を達成できる。即ち、ピンホール８の共役画像を対象材料１１２の焦合画像平面２７及び基準鏡１２０の焦合画像平面３７に発生する。ピンホール８のこれらの共役画像は、夫々の位相シフター１４及び２４、及び位相シフター１４及び３４の存在によっては実質的に変わらないが、焦合画像平面４７の焦合画像に大幅な変化を生じる。焦合画像平面４７の焦合画像は、対象材料１１２の画像点２８及び基準鏡１２０の焦合画像平面３７に対して共役である。
更に、第１実施例から位相シフター１４を取り除くと何が起こるのかを考えることによって、位相シフター１４、２４、及び３４の間の相互関係を得ることができる。この場合、焦合反射基準ビームＲ３２Ｄは、焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの空間特性の変化を実質的に伴わずに反対称関数から対称関数に変化する。かくして、焦点外散乱プローブビームＢ５２Ｄの複素振幅と焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの複素振幅との間の相互干渉項の空間的分布は、主として、焦合反射基準ビームＲ３２Ｄの中心を中心とした対称分布をなす。しかし、対称関数の、この関数の対称軸線を中心とした空間間隔に亘る積分は、一般的にはゼロでなく、単ピクセル検出器１１４が画像点４８のところに記録した強度の値は、従来技術の共焦干渉顕微鏡で達成された値を越えて減少することが実質的にない。
以上の説明は、対象材料１１２の特定の部分の特定の焦合画像点２８に関するが、コンピューター１１８は、対象材料１１２の他の部分を焦合画像点２８に位置決めし、システムが対象材料１１２の所望の線区分、平面区分、又は容積区分を「走査」できるように並進器１１６に制御信号１３３を加えることができる。
次に、第２ａ図乃至第２ｄ図を参照すると、第２ａ図には、本発明の第２実施例が概略の形態で示してある。この図では、光源サブシステム８０ａ及び検出器サブシステム８４ａは、好ましくは、スリット式共焦顕微鏡検査用に形成されている。第２ａ図乃至第２ｄ図では、第１ａ図乃至第１ｊ図を参照して上文中に説明した要素と同様の要素に対して同じ参照番号が使用してある。第２ｂ図に示すサブシステム８０ａにおける変更は、光源１０ａの領域に施されている。この光源は、この実施例では、好ましくは、広帯域の空間的にインコヒーレントな線光源、好ましくはランプフィラメント又はレーザーダイオードアレイである。第１実施例のピンホール８の領域には、この実施例では、好ましくは、レンズ６によって形成された線光源１０ａの画像と整合した直線状光源ピンホールアレイ８ａが設けられている。第２ｃ図及び第２ｄ図に示すサブシステム８４ａの変更は、検出器１１４ａの領域に施されている。検出器１１４ａの領域では、第１実施例の画像平面４７のピンホールは、この実施例では、好ましくは、直線状検出器ピンホールアレイであり、直線状光源ピンホールアレイ８ａの画像と画像平面４７で整合する。第１実施例の単ピクセル検出器１１４は、この実施例では、好ましくは、直線状ピクセルアレイでできた直線状検出器アレイ１１４ａである。第２ｂ図では、直線状光源ピンホールアレイ８ａ及び光源１０ａは、第２ｂ図の平面に対して垂直に整合しており、第２ｃ図及び第２ｄ図では、直線状検出器ピンホールアレイ及び直線状検出器ピクセルアレイは、第２ｃ図及び第２ｄ図の平面に対して垂直に整合している。
第２ａ図乃至第２ｄ図に示す第２実施例の残りの部分は、好ましくは、第１ａ図乃至第１ｊ図の説明で第１の好ましい実施例について説明されたのと同じであり、説明を繰り返さない。
次に第３ａ図乃至第３ｊ図を参照すると、これらの図には本発明の第３実施例が示してある。この実施例では、Ｓ／Ｎ比を改良し且つ最適化するために第１の好ましい実施例の基準ビーム及びプローブビームの光路が変更してある。第３実施例用の装置及び電子式演算処理手段は、第１の好ましい実施例について使用されたのと実質的に同じであり、基準ビーム及びプローブビームの振幅の比を調節できるように第１実施例の干渉計を再構成する光学手段が追加してある。第３の好ましい実施例の光学素子は、第１の好ましい実施例で表示した素子と同様に作動し、第３の好ましい実施例の電子式演算処理手段は、第１の好ましい実施例で表示した電子的作動と同様に作動する。基準ビームの振幅とプローブビームの振幅との比は、第３ａ図のビームスプリッター１００、１００ａ、及び１００ｂの透過／反射係数を変更することによって調節される。例えば、第１ａ乃至第１ｊ図では、反射された基準ビームＲ３２Ｄ及び焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの両方の元のビームは、ビームスプリッター１００を一回透過し、一回反射されるのである。従って、第１ａ乃至第１ｊ図では、基準ビームＲ３２Ｄの振幅及びプローブビームＰ３２Ｄの振幅の比は、ビームスプリッター１００の透過／反射係数を変更することによって調節することができない。しかしながら、第３ａ乃至第３ｊ図では、反射された基準ビームＲ３２Ｄの元のビームは、ビームスプリッター１００及び１００ａの夫々のところで一回透過し一回反射されるが、焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの元のビームは、ビームスプリッター１００ａのところで１回透過し、ビームスプリッター１００のところで１回透過する。かくして、反射された基準ビームＲ３２Ｄ及び焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの元のビームは、第１ａ乃至第１ｊ図の場合のようにビームスプリッター１００及び１００ａによって同じ処理を受けるのではない。例えば、第３ａ乃至第３ｊ図の実施例では、ビームスプリッター１００の透過率及び／又はビームスプリッター１００ａの反射率を高めることによって、反射された基準ビームＲ３２Ｄの振幅と焦合散乱プローブビームＰ３２Ｄの振幅との間の比を大きくすることができる。
第３ａ乃至第３ｊ図に示すように、本発明の第３の好ましい実施例は、ビームスプリッター１００、１００ａ、及び１００ｂ、対象材料１１２、基準鏡１２０、及び検出器１１４を含む干渉計である。この形体は、当該技術分野において、マイケルソン干渉計の一形態として周知であり、簡単な例として示してある。偏光マイケルソン干渉計、及びザノリ，脚注（Ｚａｎｏｒｉ，ｉｂｉｄ．）の「距離及び角度を計測するための微分干渉計装置の原理、利点、及び用途」という標題の文献に記載された干渉計等の当該技術分野で周知の他の形態の干渉計を、本発明の好ましい第３実施例の精神及び範囲から大幅に逸脱することなく、第３ａ図乃至第３ｊ図の装置に組み込むことができる。
第３ｂは、第３ａ図に示すサブシステム８０の実施例を概略の形態で示す。第３の好ましい実施例について、光源１０は、好ましくは、点光源又は光源の表面に亘って空間的にインコヒーレントな放射線源、レーザー又は同様のコヒーレントな又は部分的にコヒーレントな放射線源、及び好ましくは偏光光源である。光源１０は、サブシステム８０の光軸３と整合した入力ビーム２を発する。第３ｂ図に示すように、光線ビーム２は焦合レンズ６に進入し、画像平面７のピンホール８に焦合される。複数の光線ビーム１２−１、１２−２、１２−３、１２−４を含む光線ビーム１２は、ピンホール８から発散し、サブシステム８０の光軸３と整合した光軸を持つレンズ１６に進入する。光線ビーム１２は、光線ビーム１２Ａ−１、１２Ａ−２、１２Ａ−３、１２Ａ−４を含むコリメートされた光線ビーム１２Ａとしてレンズ１６から出て、位相シフター１４に進入する。位相シフター１４は、矩形の位相シフター１４−１、１４−２、１４−３、１４−４を含む。これらの位相シフターは、夫々の光軸がサブシステム８０の光軸３と平行であるように配置されている。位相シフターの数は、整数である任意の適当な数２ｍ、ｍであるのがよい。第３ｂ図に示す例は、ｍ＝２の場合についてであり、本発明の装置の構成要素間の関係を明瞭に示す上で４つの位相シフターで十分な場合である。平行な光線ビーム１２Ａ−１、１２Ａ−２、１２Ａ−３、１２Ａ−４が位相シフター１４−１、１４−２、１４−３、１４−４を夫々通過し、位相シフター１４から光線ビーム１２Ｂ−１、１２Ｂ−２、１２Ｂ−３、１２Ｂ−４として夫々出る。これらの光線ビームが光線ビーム１２Ｂを構成する。位相シフター１４−２及び１４−４の各々は、位相シフター１４−１及び１４−３の各々が導入する位相シフトよりも大きなπラジアンの位相シフトを導入する。位相シフター１４−１及び１４−３が導入する位相シフトは同じである。
第３ａ図では、サブシステム８０を出た光線ビーム１２Ｂは、一部が、光線ビームＰ１２Ｂ−１、Ｐ１２Ｂ−２、Ｐ１２Ｂ−３、Ｐ１２Ｂ−４を含む光線ビームＰ１２Ｂとしてビームスプリッター１００ａを透過する。光線ビームＰ１２Ｂは、サブシステム８１ａに進入する。第３ｃ図では、光線ビームＰ１２Ｂはレンズ２６ａに進入し、光線ビームＰ１２Ｃ−１、Ｐ１２Ｃ−２、Ｐ１２Ｃ−３、Ｐ１２Ｃ−４を含む光線ビームＰ１２Ｃとして出る。レンズ２６ａは、焦合画像平面１７ａの画像点１８ａに光線ビームＰ１２Ｃを焦合する。光線ビームＰ１２Ｃは、点画像１８ａから光線ビームＰ２２−１、Ｐ２２−２、Ｐ２２−３、Ｐ２２−４を含む光線ビームＰ２２として出る。光線ビームＰ２２は、光軸がサブシステム８１ａの光軸３と整合したレンズ３６ａに進入する。光線ビームＰ２２は、光線ビームＰ２２Ａ−１、Ｐ２２Ａ−２、Ｐ２２Ａ−３、Ｐ２２Ａ−４を含むコリメートされた光線ビームＰ２２Ａとしてレンズ３６ａを出てサブシステム８１ａを出る。
第３ａ図に示すように、光線ビームＰ２２Ａは、一部が、光線ビームＰ２２Ｂ−１、Ｐ２２Ｂ−２、Ｐ２２Ｂ−３、Ｐ２２Ｂ−４を含む光線ビームＰ２２Ｂとしてビームスプリッター１００を透過し、第３ｄ図に示すサブシステム８２に進入する。
第３ｄ図では、光線ビームＰ２２Ｂは、素子２４−１、２４−２、２４−３、２４−４を含む位相シフター２４に当たる。位相シフター２４は、位相シフター１４と同数の２ｍ個の素子を含み、第３ｄ図にｍ＝２で示してある。光線ビームＰ２２Ｂ−１、Ｐ２２Ｂ−２、Ｐ２２Ｂ−３、Ｐ２２Ｂ−４は、位相シフター２４−１、２４−２、２４−３、２４−４を夫々通過し、光線ビームＰ２２Ｃ−１、Ｐ２２Ｃ−２、Ｐ２２Ｃ−３、Ｐ２２Ｃ−４を含む光線ビームＰ２２Ｃとして夫々出る。位相シフター２４−１及び２４−３が導入する位相シフトの値は等しく、これらの位相シフトは、位相シフター２４−２又は２４−４のいずれかが導入する位相シフトよりもπラジアン大きい。位相シフター２４−２及び２４−４が導入する位相シフトの値は同じである。かくして、上文中に説明したように、光線ビームＰ２２Ｃ−１、Ｐ２２Ｃ−２、Ｐ２２Ｃ−３、Ｐ２２Ｃ−４のうちの任意の二つの光線ビーム間には、正味の相対的位相シフトはない。光線ビームＰ２２Ｃは、光線ビームＰ２２Ｄ−１、Ｐ２２Ｄ−２、Ｐ２２Ｄ−３、Ｐ２２Ｄ−４を含む光線ビームＰ２２Ｄとしてレンズ４６を通過する。光線ビームは、対象材料１１２の焦合画像平面２７の点画像２８にレンズ４６によって焦合される。レンズ４６の光軸は、サブシステム８２の光軸３と整合している。
第３ａ図では、光線ビーム１２Ｂは、一部が、ビームスプリッター１００ａによって、光線ビームＲ１２Ｂ−１、Ｒ１２Ｂ−２、Ｒ１２Ｂ−３、Ｒ１２Ｂ−４を含む光線ビームＲ１２Ｂとして反射される。この光線ビームＲ１２Ｂは、第３ｄ図に示すサブシステム８１ｂに進入する。
第３ｅ図では、光線ビームＲ１２Ｂは、光線ビームＲ１２Ｃ−１、Ｒ１２Ｃ−２、Ｒ１２Ｃ−３、Ｒ１２Ｃ−４を含む光線ビームＲ１２Ｃとしてレンズ２６ｂを出る。レンズ２６ｂは、サブシステム８１ｂの光軸３ｂと整合した光軸を有する。レンズ２６ｂは、平面鏡１２０ｂと関連して、光線ビームＲ１２Ｃを焦合画像平面１７ｂの点画像１８ｂに焦合する。光線ビームＲ１２Ｃは、Ｒ２２−１、Ｒ２２−２、Ｒ２２−３、Ｒ２２−４を含む光線ビームＲ２２として点画像１８ｂから出る。光線ビームＲ２２は、サブシステム８１ｂの光軸３ｃと整合した光軸を有するレンズ３６ｂに進入する。光線ビームＲ２２は、光線ビームＲ２２Ａ−１、Ｒ２２Ａ−２、Ｒ２２Ａ−３、Ｒ２２Ａ−４を含むコリメートされた光線ビームＲ２２Ａとしてレンズ３６ｂを出てサブシステム８１ｂを出る。
第３ａ図に示すように、光線ビームＲ２２Ａは、サブシステム８１ｂを出た後にサブシステム８３ａに進入する。第３ｆ図に示すサブシステム８３ａでは、光線ビームＲ２２Ａは、３４ａ−１、３４ａ−２、３４ａ−３、３４ａ−４を含む位相シフター３４ａに当たる。位相シフター３４ａは、位相シフター１４と同数の２ｍ個の素子を含み、第３ｆ図にｍ＝２で示してある。光線ビームＲ２２Ａは、光線ビームＲ２２Ｂとして位相シフター３４ａを通過する。この光線ビームＲ２２Ｂは、次いで、光線ビームＲ２２Ｃ−１、Ｒ２２Ｃ−２、Ｒ２２Ｃ−３、Ｒ２２Ｃ−４を含む光線ビームＲ２２Ｃとして部分的に反射される。位相シフター３４ａ−１及び３４ａ−３によって導入された位相シフトの値は等しく、位相シフター３４ａ−２又は３４ａ−４のいずれかによって導入された位相シフトよりもπラジアン大きい。位相シフター３４ａ−２及び３４ａ−４が導入する位相シフトの値は等しい。かくして、光線ビームＲ２２Ｃ−１、Ｒ２２Ｃ−２、Ｒ２２Ｃ−３、Ｒ２２Ｃ−４のうちの任意の二つの光線ビーム間には、正味の相対的位相シフトはない。光線ビームＲ２２Ｃは、光線ビームＲ２２Ｄ−１、Ｒ２２Ｄ−２、Ｒ２２Ｄ−３、Ｒ２２Ｄ−４を含む光線ビームＲ２２Ｄとしてレンズ５６ａを通過する。光線ビームＲ２２Ｄは、基準鏡１２０の焦合画像平面３７の点画像３８にレンズ５６ａによって焦合される。レンズ５６ａの光軸は、サブシステム８３ａの光軸３ａと整合している。
第３ｇ図では、光線ビームＰ２２Ｄの一部（第３ｄ図参照）が、対象材料によって点画像２８のところで、光線ビームＰ３２を構成する複数の光線ビームＰ３２−１、Ｐ３２−２、Ｐ３２−３、Ｐ３２−４として反射され及び／又は散乱される。光線ビームＰ３２は、焦合画像平面２７の点画像２８から発散し、レンズ４６に進入する。第３ｇ図に示すように、光線ビームＰ３２は、光線ビームＰ３２Ａ−１、Ｐ３２Ａ−２、Ｐ３２Ａ−３、Ｐ３２Ａ−４からなるコリメートした光線ビームＰ３２Ａとしてレンズ４６から出る。光線ビームＰ３２Ａ−１、Ｐ３２Ａ−２、Ｐ３２Ａ−３、Ｐ３２Ａ−４は、位相シフター２４−４、２４−３、２４−２、２４−１を夫々通過し、光線ビームＰ３２Ｂ−１、Ｐ３２Ｂ−２、Ｐ３２Ｂ−３、Ｐ３２Ｂ−４として夫々出る。光線ビームＰ３２Ｂ−１、Ｐ３２Ｂ−２、Ｐ３２Ｂ−３、Ｐ３２Ｂ−４は、光線ビームＰ３２Ｂを構成し、サブシステム８２を出る。位相シフター２４−１及び２４−３によって導入された位相シフトの値は等しく、位相シフター２４−２又は２４−４のいずれかによって導入された位相シフトよりもπラジアン大きい。位相シフター２４−２及び２４−４によって導入された位相シフトの値は等しい。
第３ｈ図では、光線ビームＲ２２Ｄ（第３ｆ図参照）は、光線ビームＲ３２−１、Ｒ３２−２、Ｒ３２−３、Ｒ３２−４を含む光線ビームＲ３２として基準鏡１２０によって反射される。光線ビームＲ３２は、焦合画像Ｂ３７の点画像３８から発散し、レンズ５６ａに進入する。第３ｈ図に示すように、光線ビームＲ３２は、光線ビームＲ３２Ａ−１、Ｒ３２Ａ−２、Ｒ３２Ａ−３、Ｒ３２Ａ−４を含むコリメートされた光線ビームＲ３２Ａとしてレンズ５６ａを出る。これらの光線ビームＲ３２Ａ−１、Ｒ３２Ａ−２、Ｒ３２Ａ−３、Ｒ３２Ａ−４は、ビームスプリッター１００ｂを部分的に透過する。部分的に透過したビームは、次いで、位相シフター４４を通過し、その後、位相シフター３４−４、３４−３、３４−２、３４−１を夫々通過し、光線ビームＲ３２Ｂ−１、Ｒ３２Ｂ−２、Ｒ３２Ｂ−３、Ｒ３２Ｂ−４として夫々出る。位相シフター４４によって導入される位相シフトは、コンピューター１１８からの信号１３２によって制御される。位相シフター３４−１及び３４−３が導入する位相シフトの値は等しく、位相シフター３４−２又は３４−４のいずれかによって導入された位相シフトよりもπラジアン大きい。位相シフター３４−２及び３４−４によって導入された位相シフトの値は等しい。光線ビームＲ３２Ｂ−１、Ｒ３２Ｂ−２、Ｒ３２Ｂ−３、Ｒ３２Ｂ−４は、サブシステム８３ａを出る光線ビームＲ３２Ｂを構成する。
第３ａ図には、光線ビームＰ３２Ｂが、ビームスプリッター１００によって、光線ビームＰ３２Ｃ−１、Ｐ３２Ｃ−２、Ｐ３２Ｃ−３、Ｐ３２Ｃ−４を含む光線ビームＰ３２Ｃとして部分的に反射されることが示してある。光線ビームＰ３２Ｃは、第３ｉ図に示すサブシステム８４に進入し、次いでレンズ６６を通過し、光線ビームＰ３２Ｄ−１、Ｐ３２Ｄ−２、Ｐ３２Ｄ−３、Ｐ３２Ｄ−４を含む光線ビームＰ３２Ｄとして出る。光線ビームＰ３２Ｄは、レンズ６６によって単ピクセル検出器１１４の焦合画像平面４７の点画像４８に焦合される。レンズ６６の光軸は、セル８４のサブシステム光軸３ａと整合している。
第３ａ図には、光線ビームＲ３２Ｂが、光線ビームＲ３２Ｃ−１、Ｒ３２Ｃ−２、Ｒ３２Ｃ−３、Ｒ３２Ｃ−４を含む光線ビームＲ３２Ｃとしてビームスプリッター１００を部分的に透過することが示してある。光線ビームＲ３２Ｃは、次いで、第３ｊ図に示すサブシステム８４に進入する。第３ｊ図では、光線ビームＲ３２Ｃはレンズ６６を通過し、光線ビームＲ３２Ｄ−１、Ｒ３２Ｄ−２、Ｒ３２Ｄ−３、Ｒ３２Ｄ−４を含む光線ビームＲ３２Ｄとして出る。光線ビームＲ３２Ｄは、レンズ６６によって、単ピクセル検出器１１４の焦合画像平面４７の点画像４８に焦合される。
第３ａ図乃至第３ｊ図に示す第３実施例の残りは、好ましくは、第１ａ図乃至第１ｊ図の記載に説明されているのと同じであり、再び説明しない。
次に第４ａ図乃至第４ｄ図を参照すると、これらの図には、本発明の第４実施例が概略に示してある。この実施例では、光源サブシステム８０ａ及び検出器サブシステム８４ａは、好ましくは、スリット式鏡焦点顕微鏡検査用に形成されている。第４ａ図乃至第４ｄ図では、第３ａ図乃至第３ｊ図を参照して上文中に説明したのと同じ要素に対して同じ参照番号が附してある。第４ｂ図に示すサブシステム８０ａの変更は、光源領域１０ａにあり、この領域は、この実施例では、好ましくは、広帯域の空間的にインコヒーレントな線光源、好ましくはランプフィラメント又はレーザーダイオードアレイでできており、第３実施例のピンホール領域８は、この実施例では、好ましくは、レンズ６によって形成された線光源１０ａの画像と整合した直線状光源ピンホールアレイ８ａでできている。第４ｃ図及び第４ｄ図に示すサブシステム８４ａは、検出器１１４ａの領域で変更が加えられている。第３実施例の画像平面４７のピンホールは、この実施例では、好ましくは、直線状光源ピンホールアレイ８ａの画像と整合した直線状検出器ピンホールアレイであり、第３実施例の単ピクセル検出器１１４は、この実施例では、好ましくは、直線状ピクセルアレイでできた直線状検出器アレイ１１４ａである。第４ｂ図では、直線状光源ピンホールアレイ８ａ及び光源１０ａは、第４ｂ図の平面に対して垂直に整合しており、第４ｃ図及び第４ｄ図では、直線状検出器ピンホールアレイ及び直線状検出器ピクセルアレイは、第４ｃ図及び第４ｄ図の平面に対して垂直に整合している。
第４ａ図乃至第４ｄ図に示す第４実施例の残りの部分は、好ましくは、第３ａ図乃至第３ｊ図の説明で第３の好ましい実施例について説明されたのと同じであり、説明を繰り返さない。
次に第５ａ図乃至第５ｆ図を参照すると、これらの図には本発明の第５実施例が示してある。この実施例では、プローブビームの伝播方向と同方向で対象材料を垂直方向に透過した光から得られた画像について、焦合画像の複素振幅と焦点外画像の複素振幅との間を識別する目的で、第１及び第３の実施例の基準ビーム及びプローブビームの光路が変更してある。第５ａ図乃至第５ｆ図に示すように、本発明の第５実施例は、ビームスプリッター１００ａ及び１００ｃ、対象材料１１２、半透鏡（ｆｏｌｄｉｎｇ  ｍｉｒｒｏｒ）１２０ｂ及び１２０ｃ、及び検出器１１４を含む干渉計である。この形体は、当該技術分野においてマッハ−ツェンダー干渉計として周知であり、単なる例示として示してある。第５ａ図乃至第５ｆ図の装置には、本発明の好ましい第５実施例の精神及び範囲から大幅に逸脱することなく、当該技術分野で周知の他の形態の干渉計を組み込むことができる。
第５ｂ図は、第５ａ図に示すサブシステム８０の実施例を概略の形態で示す。第５の好ましい実施例については、光源１０は、好ましくは、点光源又は光源の表面に亘って空間的にインコヒーレントな放射線源、好ましくはレーザー又はコヒーレントな又は部分的にコヒーレントな放射線源であり、好ましくは偏光光源である。光源１０は、サブシステム８０ｂの光軸３と整合した入力ビーム２を発する。第５ｂ図に示すように、光線ビーム２は焦合レンズ６に進入し、画像平面７のピンホール８に焦合する。複数の光線ビーム１２−１、１２−２、１２−３、１２−４を含む光線ビーム１２は、ピンホール８から発散し、光軸がサブシステム８０の光軸３と整合したレンズ１６に進入する。光線ビーム１２は、光線ビーム１２Ａ−１、１２Ａ−２、１２Ａ−３、１２Ａ−４を含むコリメートされた光線ビーム１２Ａとしてレンズ１６から出て、サブシステム８０ｂを出る。
第５ａ図では、光線ビーム１２Ａはサブシステム８０ｂを光線ビーム１２Ｂとして出る。光線ビーム１２Ｂの一部はビームスプリッター１００ａを透過し、光線ビームＰ１２Ｂ−１、Ｐ１２Ｂ−２、Ｐ１２Ｂ−３、Ｐ１２Ｂ−４を含む光線ビームＰ１２Ｂとなる。光線ビームＰ１２Ｂはサブシステム８２ａに進入する。第５ｃ図では、光線ビームＰ１２Ｂはレンズ４６ａに進入し、Ｐ１２Ｃ−１、Ｐ１２Ｃ−２、Ｐ１２Ｃ−３、Ｐ１２Ｃ−４を含む光線ビームＰ１２Ｃとして出る。レンズ４６ａは、光線ビームＰ１２Ｃを対象材料１１２の焦合画像平面２７の点画像２８に焦合する。レンズ４６ａの光軸は、サブシステム８２ａの光軸３と整合している。第５ｃ図では、光線ビームＰ１２Ｃの一部は、対象材料１１２を透過し、点画像４８を通過した後、光線ビームＰ２２を構成する複数の光線ビームＰ２２−１、Ｐ２２−２、Ｐ２２−３、Ｐ２２−４となる。光線ビームＰ２２は、焦合画像平面２７の点画像２８から発散し、レンズ４６ｂに進入する。第５ｃ図に示すように、光線ビームＰ２２は、光線ビームＰ３２−１、Ｐ３２−２、Ｐ３２−３、Ｐ３２−４を含むコリメートされた光線ビームＰ３２としてレンズ４６ｂから出る。光線ビームＰ３２はサブシステム８２ａを出る。
第５ａ図では、光線ビーム１２Ｂの一部はビームスプリッター１００ａによって反射され、光線ビームＲ１２Ｂ−１、Ｒ１２Ｂ−２、Ｒ１２Ｂ−３、Ｒ１２Ｂ−４を含む光線ビームＲ１２Ｂとなる。光線ビームＲ１２Ｂは、サブシステム８１ｂに進入する。
第５ｄ図では、光線ビームＲ１２Ｂはレンズ２６ｂに進入し、光線ビームＲ１２Ｃ−１、Ｒ１２Ｃ−２、Ｒ１２Ｃ−３、Ｒ１２Ｃ−４を含む光線ビームＲ１２Ｃとして出る。レンズ２６ｂの光軸は、サブシステム８１ｂの光軸３ｂと整合している。レンズ２６ｂは、平面鏡１２０ｂと関連して、光線ビームＲ１２Ｃを焦合画像平面１７ｂの点画像１８ｂに焦合する。光線ビームＲ１２Ｃは、点画像１８ｂを光線ビームＲ３２−１、Ｒ３２−２、Ｒ３２−３、Ｒ３２−４を含む光線ビームＲ３２として出る。光線ビームＲ３２は、光軸がサブシステム８１ｂの光軸３ｃと整合したレンズ３６ｂに進入する。光線ビームＲ３２は、光線ビームＲ３２Ａ−１、Ｒ３２Ａ−２、Ｒ３２Ａ−３、Ｒ３２Ａ−４を含むコリメートされた光線ビームＲ３２Ａとしてレンズ３６ｂを出て、サブシステム８１ｂを出る。
第５ａ図を参照すると、光線ビームＰ３２が鏡１２０ｃによって反射され、サブセクション８５に光線ビームＰ３２Ａとして進入することが示してある。第５ｅ図では、光線ビームはサブセクション８５に進入し、位相シフター２４ａに当たる。光線ビームＰ３２Ａ−１、Ｐ３２Ａ−２、Ｐ３２Ａ−３、Ｐ３２Ａ−４は、位相シフター２４ａ−１、２４ａ−２、２４ａ−３、２４ａ−４を夫々通過し、光線ビームＰ３２Ｂ−１、Ｐ３２Ｂ−２、Ｐ３２Ｂ−３、Ｐ３２Ｂ−４として夫々出る。光線ビームＰ３２Ｂ−１、Ｐ３２Ｂ−２、Ｐ３２Ｂ−３、Ｐ３２Ｂ−４は、光線ビームＰ３２Ｂを構成する。位相シフター２４ａ−１及び２４ａ−３によって導入された位相シフトの値は等しく、位相シフター２４ａ−２又は２４ａ−４のいずれかによって導入された位相シフトよりもπラジアン大きい。位相シフター２４ａ−２及び２４ａ−４によって導入された位相シフトの値は等しい。
第５ｅ図には、光線ビームＰ３２Ｂの一部がビームスプリッター１００ｃによって反射され、光線ビームＰ３２Ｃ−１、Ｐ３２Ｃ−２、Ｐ３２Ｃ−３、Ｐ３２Ｃ−４を含む光線ビームＰ３２Ｃとなることが示してある。光線ビームＰ３２Ｃは、レンズ６６を通過し、光線ビームＰ３２Ｄ−１、Ｐ３２Ｄ−２、Ｐ３２Ｄ−３、Ｐ３２Ｄ−４を含む光線ビームＰ３２Ｄとして出る。光線ビームＰ３２Ｄはレンズ６６によって単ピクセル検出器１１４の焦合画像平面４７の点画像４８に焦合される。レンズ６６の光軸は、セル８５のサブシステム光軸３ｃと整合している。
第５ａ図を再び参照すると、この図には、光線ビームＲ３２Ａがサブシステム８５に進入することが示してある。第５ｆ図に示すサブシステム８５では、光線ビームＲ３２Ａ−１、Ｒ３２Ａ−２、Ｒ３２Ａ−３、Ｒ３２Ａ−４は、先ず最初に位相シフター３４−１、３４−２、３４−３、３４−４を夫々通過し、その後、位相シフター４４を通過し、光線ビームＲ３２Ｂ−１、Ｒ３２Ｂ−２、Ｒ３２Ｂ−３、Ｒ３２Ｂ−４として夫々出る。光線ビームＲ３２Ｂ−１、Ｒ３２Ｂ−２、Ｒ３２Ｂ−３、Ｒ３２Ｂ−４は光線ビームＲ３２Ｂを構成する。位相シフター４４によって導入された位相シフトは、コンピューター１１８からの信号１３２によって制御される。位相シフター３４−１及び３４−３によって導入された位相シフトの値は等しく、これらの値は、位相シフター３４−２又は３４−４のいずれかによって導入された位相シフトよりもπラジアン大きい。位相シフター３４−２及び３４−４によって導入された位相シフトの値は等しい。光線ビームＲ３２Ｂの一部は、ビームスプリッター１００ｃを透過し、光線ビームＲ３２Ｃ−１、Ｒ３２Ｃ−２、Ｒ３２Ｃ−３、Ｒ３２Ｃ−４を含む光線ビームＲ３２Ｃとなる。光線ビームＲ３２Ｃはレンズ６６を通過し、光線ビームＲ３２Ｄ−１、Ｒ３２Ｄ−２、Ｒ３２Ｄ−３、Ｒ３２Ｄ−４を含む光線ビームＲ３２Ｄとして出る。光線ビームＲ３２Ｄは、レンズ６６によって、単ピクセル検出器１１４の焦合画像平面４７の点画像４８に焦合される。
第５ａ図乃至第５ｆ図に示す第５実施例の残りの部分は、好ましくは、第１ａ図乃至第１ｊ図及び第３ａ図乃至第３ｊ図の説明で説明されたのと同じであり、説明を繰り返さない。
次に、本発明の第６実施例を概略に示す第６ａ図乃至第６ｄ図を参照する。この実施例では、光源サブシステム８０ｃ及び検出器サブシステム８５ａは、好ましくは、スリット式共焦顕微鏡検査用に形成されている。第６ａ図乃至第６ｄ図では、第５ａ図乃至第５ｆ図を参照して上文中に説明したのと同様の要素に同じ参照番号が使用されている。第６ｂ図に示すサブシステム８０ｃの変更は、光源領域１０ａにあり、この領域は、この実施例では、好ましくは、広帯域の空間的にインコヒーレントな線光源、好ましくはランプフィラメント又はレーザーダイオードアレイでできており、第５実施例のピンホール領域８は、この実施例では、好ましくは、レンズ６によって形成された線光源１０ａの画像と整合した直線状光源ピンホールアレイ８ａでできている。第６ｃ図及び第６ｄ図に示すサブシステム８５ａは、検出器１１４ａの領域で変更が加えられている。第５実施例の画像平面４７のピンホールは、この実施例では、好ましくは、直線状光源ピンホールアレイ８ａの画像平面４７の画像と整合した直線状検出器ピンホールアレイであり、第５実施例の単ピクセル検出器１１４は、この実施例では、好ましくは、直線状ピクセルアレイでできた直線状検出器アレイ１１４ａである。第６ｂ図では、直線状光源ピンホールアレイ８ａ及び光源１０ａは、第６ｂ図の平面に対して垂直に整合しており、第６ｃ図及び第６ｄ図では、直線状検出器ピンホールアレイ及び直線状検出器ピクセルアレイは、第６ｃ図及び第６ｄ図の平面に対して垂直に整合している。
第６ａ図乃至第６ｄ図に示す第６実施例の残りの部分は、好ましくは、第５ａ図乃至第５ｆ図の説明で第５の好ましい実施例について説明されたのと同じであり、説明を繰り返さない。
位相シフター１４、２４、２４ａ、３４、及び３４ａは、本発明の装置の特性を変化させるため、即ち、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、焦点外画像からの信号の大きさを減少することと空間解像とを相対的に変化させるため、アポダイズ（ａｐｏｄｉｚｅ）できるということは当業者には理解されよう。更に、位相シフター１４、２４、２４ａ、３４、及び３４ａの機能は、位相シフターの他の組み合わせによって得ることができ、又は一組の同心の円環体又は他の幾何学的パターンでできた区分を含む素子によって提供できるということは当業者には理解されよう。
位相シフター１４、２４、２４ａ、３４、及び３４ａは、電子−光学型位相シフター又は分散性光学素子型位相シフターであるのがよい。下文において、分散性光学素子型を広帯域作動に関して参照する。別の態様では、位相シフター４４によって導入されたものとして説明した位相シフターは、例えば基準鏡１２０等の鏡をサブシステム８３及び８３ａの光軸３ａの方向に変位させることによっても提供でる。
広帯域光源についての本発明の装置の改良された性能は、位相シフター１４、２４、２４ａ、３４、３４ａ、及び４４が提供する位相シフトが波長に依存しない場合に得られる。位相シフターの必要条件は、位相シフター１４、２４、２４ａ、３４、３４ａ、及び４４を、１９８０年７月にＨ．Ａ．ヒル、Ｊ．Ｗ．フィゴスキ、Ｐ．Ｔ．バラードに賦与された「背景補償干渉計」という標題の米国特許第４，２１３，７０６号、及び１９８１年１２月にＨ．Ａ．ヒル、Ｊ．Ｗ．フィゴスキ、Ｐ．Ｔ．バラードに賦与された「背景補償干渉計」という標題の米国特許第４，３０４，４６４号に開示されているように適切に設計することによって満たすことができる。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。上掲の米国特許第４，３０４，４６４号に基づいた６つの好ましい実施例に対して適当な広帯域位相シフターの設計が、ヒル、オグレスビー、及びジーベル（脚注）に開示されている。
理論
背景振幅減少
好ましい実施例に記載した装置は全て、ピンホール共焦干渉顕微鏡検査システム又はスリット式共焦顕微鏡検査システムのいずれかの例である。共焦顕微鏡検査システムの背景減少力（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｃａｐａｃｉｔｙ）は、その最も重要な属性の一つであり、共焦顕微鏡検査の強力な光学的区分分け特性（ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｅｃｔｉｏｎｉｎｇ  ｐｒｏｐｅｒｔｙ）により得られる。これは、被写界深度を制限する従来の顕微鏡検査とは性質が全く異なる。相違点は、従来の顕微鏡では焦点外情報をぼやけさせるのに過ぎないのに対し、共焦システムでは遙かに弱い強度で実際に検出し、焦点平面から軸線方向に離間された場所で散乱された光は、検出器平面でデフォーカスされ、及び従って、検出器平面に置かれたマスクを効率的に通過できない（１９９０年にロンドンのアカデミックプレス社から刊行された、Ｔ．ウィルソンが編集した、共焦顕微鏡検査という文献の、Ｃ．Ｊ．Ｒ．シェパード及びＣ．Ｊ．コズウェルの「共焦顕微鏡検査における立体的画像」を参照されたい）。
第１ａ図乃至第１ｊ図、第２ａ図乃至第２ｄ図、第３ａ図乃至第３ｊ図、第４ａ図乃至第４ｄ図、第５ａ図乃至第５ｆ図、第６ａ図乃至第６ｄ図の本発明の共焦干渉顕微鏡の優れた特性は、反射され又は透過した基準ビーム及び散乱され又は透過したプローブビームが、両方とも、瞳孔関数の変化によって、焦合画像点４８のところで大幅に変化されているのに対し、焦合画像点４８の焦点外ビームの部分がほとんど変化しないということである。共焦干渉顕微鏡検査システムは、対象物の平面的画像及び立体的画像を得る目的で光学的区分分けを改良するための手段として当該技術分野で周知であり、顕微鏡について瞳孔関数を変化させるスキーム（１９５９年にニューヨークのペルガモンプレス社から刊行されたＭ．ボーン及びＥ．ウルフの「光学の原理」の第８．６．３．章の第４２３頁乃至４２７頁を参照されたい）は、特定の用途用にコントラストを改良するための手段として当該技術分野で周知である。しかしながら、背景光により生じる系統的誤差及び統計的誤差を減少する目的で共焦干渉顕微鏡検査と瞳孔関数の変化を同じシステムで組み合わせることは、本発明者が本明細書で最初に教示することであると考えられる。
焦合画像についてのインパルス応答機能
非螢光式共焦走査型顕微鏡（１９９０年にロンドンのアカデミックプレス社から刊行された「光学式及び電子式の顕微鏡検査の進歩」の第１０巻のＣ．Ｊ．Ｒ．シェパードの「走査型光学式顕微鏡検査」という文献、１９７７年に刊行された「オプティカ・アクタ」第２４巻（１０）の第１０５１頁乃至第１０７３頁のＣ．Ｊ．Ｒ．シェパード及びＡ．チョウドハリーの文献を参照されたい）には、反射モード及び透過モードの二つの有用なモードがある。実際には、対象物を軸線方向に沿って走査し、及びかくして立体画像を形成することによって共焦顕微鏡で光学的区分分けを行うことは容易である（１９９０年に顕微鏡検査誌１５９号（Ｐｔ２）の第１７９頁乃至第１９４頁に記載されたＣ．Ｊ．Ｒ．シェパード及びＣ．Ｊ．コズウェルの論文、１９７８年にオプティクスレット誌３号の第１１５頁乃至第１１７頁に記載されたＣ．Ｊ．Ｒ．シェパード及びＴ．ウィルソンの論文、１９８３年にプロックＲ．ソック．ロンド（Ｐｒｏｃ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ）Ａ３８７の第１７１頁乃至第１８６頁に記載されたＣ．Ｊ．Ｒ．シェパード、Ｄ．Ｋ．ハミルトン、及びＩ．Ｊ．コックスの論文を参照されたい）。
三つの画像区分を持つ反射モードの共焦顕微鏡の形体（第７図参照）を考えると、座標を適当に変化させ、散乱されていないプローブビームを処理することによって、透過モードの共焦顕微鏡の性質を反射モードの性質から得ることができる。光源１０、対象物１１２、及び検出器１１４を含む第１ａ図乃至第１ｊ図で参照したサブシステムの組み合わせについて、第７図のレンズ１は、レンズ１６及び２６の組み合わせと等価であり、第７図のレンズ２は、レンズ３６及び４６の組み合わせと等価であり、第７図のレンズ３は、レンズ４６及び６６の組み合わせと等価である。４つの空間、即ち画像平面７Ａの空間、画像平面１７Ａの空間、対象物１１２の空間又は基準鏡２０の空間のいずれか、及び検出器１１４の画像空間４７Ａについて、光学的座標（υi、ωi、νi）を決定する。上記空間の夫々について、ｉ＝１、２、０、３である。
0004229472.tif 000002
ここで、sinαiは、ｉ番目の空間の開口数であり、波数は、ｋ＝２π／λであり、λは真空中の放射線の波長であり、
0004229472.tif 000003
は、ｉ番目の空間での光路距離である。これらの光路距離は、以下のように定義される。
0004229472.tif 000004
ここで、積分は夫々の光の光路に沿って行われ、ｎ（ｘi’、ｙi’、ｚi’）は、位置（ｘi’、ｙi’、ｚi’）での屈折率である。
共焦顕微鏡での画像は、画像を干渉性伝達関数によって記載できる干渉性顕微鏡（ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）（シェパード及びチョウドハリー、ｏｐ．ｃｉｔを参照されたい）として挙動する。干渉性伝達関数は、インパルス応答関数のフーリエ変換である。かくして、第７図のシステムについての有効な立体的インパルス応答関数ｈe（v3,v0,v2,v1）は、以下のように表現できる。
ｈe（v3,V0,v2,v1）＝ｈ3（v3−v0）ｈ2（v0−v2）ｈ1（v2−v1）    （３）
ここで、
0004229472.tif 000005
であり、ｈi、Ｐi、Ｗiは、夫々、ｉ番目の等価のレンズについてのインパルス応答関数、瞳孔関数、及び波面収差関数である（１９９２年の応用光学誌第３１号（１４）の第２５４１頁乃至第２５４９頁に記載されたＭ．グー及びＣ．Ｊ．Ｒ．シェパードの論文の１０乃至１２を参照されたい）。ｊは、（−１）1/2である。インパルス応答関数は、点光源対象物に応じた画像ｂでの振幅である。位相シフター１４、２４、２４ａ、３４、３４ａ、及び４４の関数を適当な瞳孔関数Ｐiに組み込む。位相シフター１４、２４、２４ａ、３４、３４ａ、及び４４の任意のアポダイゼイションの機能もまた、適当なＰiに組み込まれている。
立体的対象物が散乱分布ｔ（v0）によって特徴付けられると仮定すると（１９８９年の光学会誌Ａｍ．ａ，６（９）のＣ．Ｊ．Ｒ．シェパード及びＸ．Ｑ．マオの論文を参照されたい）、単位容積当りの散乱は、以下の式によって屈折率ｎに関連付けられるということが示される（１９６９年の光学誌の第１コラムの第１５３頁乃至第１５６頁に記載されたＥ．ウルフの文献を参照されたい）。
ｔ（v0）＝ｊｋ2〔１−ｎ2（v0）〕    （５）
ｎ及びｔは、一般的には複素数であり、式（５）のｊは、無損失媒体中では散乱波は直接波に対して位相が１／４周期（９０°）ずれていることを考慮する。多重散乱の効果は無視できるものと仮定する。更に、散乱していない放射線を無視する。これは、直接的（散乱していない）放射線が画像に影響を及ぼさないため、反射モード顕微鏡について有効な仮定である。画像振幅は、対象物を構成する画素（ｅｌｅｍｅｎｔａｌ）スライスに亘って加算できる。これは、重ね合わせの原理が有効であるためである。更に、振幅分布Ａ（v1）のインコヒーレントな光源に亘って積分しなければならない。対象物への入射放射線及び対象物によって反射／散乱された放射線の両方について、対象物での放射線の減衰を考慮に入れた減衰関数ａ（v0）もまた含まれていなければならない。かくして、画像空間４７Ａでの焦合散乱プローブビームＵSの振幅は、以下の式によって与えられる。
0004229472.tif 000006
ここで、Ｒ1及びＴ1は、夫々、ビームスプリッター１００についての反射率及び透過率である。
レンズのインパルス応答関数は、以下のように書くことができる。
0004229472.tif 000007
式（７ｃ）のファクタｅｘｐ
0004229472.tif 000008
の符号を、式（７ａ）及び（７ｂ）の対応する因子に関して変化させるのは、ｖ0空間で起こる反射のためである。式（７ａ）、（７ｂ）、及び（７ｃ）を式（６）に代入し、ｖ2空間に亘って積分を実行すると、ＵS（ｖ3）について以下の式が得られる。
0004229472.tif 000009
ここで、画像空間１７Ａで空間フィルタリングが行われず、波面収差関数Ｗ2が波面収差関数Ｗ1と組み合わせられているものと仮定する。
0004229472.tif 000010
と設定することによって、透過モード共焦顕微鏡形体についての適当な式ＵS（ｖ3）を式（９）から得る。
本開示において簡略化を図るため、波面収差関数Ｗi＝１であり且つ瞳孔関数Ｐiのアポダイゼイションがない、即ち位相シフター１４、２４、２４ａ、３４、３４ａ、及び４４のアポダイゼイションがないと仮定する。当業者は、解像度を変化させるためにアポダイゼイションを使用した場合、例えば、ＵS（ｖ3）について結果的に得られた算術的表現が更に複雑になるけれども、それにも拘わらず、重要な特徴がその対称的空間特性又は反対称空間特性に関して保持されるということを理解するであろう。式（９）を簡略化を図るためのこれらの仮定について及びレベル１識別の場合について積分すると、以下の式が得られる。
0004229472.tif 000011
ここで、
0004229472.tif 000012
に代え、ａ’及びｄ0は、夫々、位相シフター１４、２４、２４ａ、３４、及び３４ａの素子の幅及び中心間距離であり、ｓｉｎｃｘ≡（ｓｉｎｘ）／ｘである。Ｗi依存性は抑えられている。これは、レベル１識別において、焦点外画像からの背景の減少に関連しないためである。
反射基準ビームの振幅についての対応する表現は、以下の通りである。
0004229472.tif 000013
ここで、
0004229472.tif 000014
に代えた。
ａ’＝ｄの特殊な場合を考えると、次いで、式（１０）及び（１１）は以下のように簡単になる。
0004229472.tif 000015
式（１３）のυ0を積分することによって以下の結果を得る。
0004229472.tif 000016
２素子位相シフトシステム（ｍ＝１）についてＵR（ｖ3）の一例を、ｙ3＝０、ｚ3＝０、υ1＝０における関数（ｘ3ｋｄ0／ｆ）として第８図に示す。
υ1を中心としたＵR（ｖ3）の反対称空間分布は、項ｓｉｎ〔（１／２）（υ3−υ1）によって式（１４）に明らかに示してある。ＵS（ｖ3）の空間分布は、一般的には、同様の挙動を示す。これは、式（１２）が式（１３）と同じ算術的構造であるためである。焦点外画像から背景の振幅を選択的に減少させるのに使用されるのは、この反対称的空間分布である。
焦点外画像の振幅
検出器焦合画像平面４７での焦点外ビームＵBの振幅は、フレネル積分Ｃ（ｚ）及びＳ（ｚ）に関して表現できる。これらの積分は以下のように定義される。
0004229472.tif 000017
〔アブラモヴイッツ及びステガンの「算術関数ハンドブック（Ｎａｔ．Ｂｕｒ．ｏｆ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ，応用数学叢書第５５巻）１９６４年」の第７．３章の第３００頁乃至第３０２頁を参照されたい〕。ＵBについての表現は、
0004229472.tif 000018
であり、この式は、ｖ1＝（０、０、０）に配置された点光源８に付いてである。レベル２識別についてξ3及びη3に亘って積分した後、以下の式に示す結果が得られた。
0004229472.tif 000019
ｆは、レンズ３の射出瞳でのビームの波面の曲率半径であり、（ｘB、ｙB、ｚB）は、焦合画像平面４７での焦点外座標であり、（ＡB／ｆ）は、レンズ３の射出瞳での焦点外ビームの振幅である。例えば、υ3方向で作動するレベル１識別についての結果は以下の通りである。
0004229472.tif 000020
レベル１識別についてのビームＢ５２Ｄ−１、Ｂ５２Ｄ−２、Ｂ５２Ｄ−３、Ｂ５２Ｄ−４の各々について、｜ＵB（ｖ3）｜2の一例を、ｙ3＝０でｚ3＝５０λ（ｆ／ｄ0）2での関数（ｘ3ｄ0／λｆ）として第９図に示す。
フレネル積分（アブラモヴイッツ及びステガン、脚注参照）の性質を使用することによって、検出器ピンホールに亘る（ＵRＵB*＋ＵR*ＵB）が、従来技術の共焦干渉顕微鏡検査を行う場合について、及び本明細書中に開示した本明細書の場合について、以下のように挙動することを示すことができる。
0004229472.tif 000021
ここで、Ｕ*は、Ｕの複素共役を示し、積分は、ＵRが、レベル１識別についてはｘ3で、レベル２識別については、ｘ3及びｙ3の両方で、反対称な位置を中心とした間隔に亘って行われる。
本発明を具体化した装置の非常に顕著な特徴は、焦点外画像源の独立した容積エレメントの各々について、干渉項を大幅に減少できるということである。従って、この減少により、統計的誤差、並びに焦点外画像からの背景によって生じる系統的誤差の両方が減少する。
統計的誤差
随意の立体走査対象物１１２の平らな横方向区分に対する本発明の装置の応答を考える。所与の走査対象物１１２の平らな横方向区分についての検出器のピクセルからの出力電流Ｉは、以下の式に示す形態である。
Ｉ（Ｚ0,S−ｚ0,R，χ）
＝∬p｜ＵR｜2ｄｘ3ｄｙ3＋∬p｜ＵB｜2ｄｘ3ｄｙ3＋∬p｜ＵS｜2ｄｘ3ｄｙ3
＋ｃｏｓχ∬p（ＵRＵS*＋ＵR*ＵS）ｄｘ3ｄｙ3
＋ｊｓｉｎχ∬p（ＵRＵS*−ＵR*ＵS）ｄｘ3ｄｙ3
＋ｃｏｓχ∬p（ＵRＵB*＋ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3
＋ｊｓｉｎχ∬p（ＵRＵB*−ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3
＋∬p（ＵSＵB*＋ＵS*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3    （２３）
ここで、積分∬pは、ピクセルの領域に亘って実行され、χは、位相シフター４４によって導入された位相シフトである。強度の差Ｉ1−Ｉ2、及びＩ3−Ｉ4は以下の通りである。
Ｉ1−Ｉ2＝２∬p（ＵRＵB*＋ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3
＋２∬p（ＵRＵS*＋ＵR*ＵS）ｄｘ3ｄｙ3    （２４ａ）
Ｉ3−Ｉ4＝ｊ２∬p（ＵRＵB*−ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3
＋ｊ２∬p（ＵRＵS*−ＵR*ＵS）ｄｘ3ｄｙ3    （２４ｂ）
ここで、Ｉpは、以下の式によって定義される。
Ｉp≡Ｉ（χ＝χp），χ1＝０，χ2＝π、χ3＝π／２，χ4＝３π／２    （２５）
∬p（ＵRＵS*＋ＵR*ＵS）ｄｘ3ｄｙ3及びｊ∬p（ＵRＵS*＋ＵR*ＵS）ｄｘ3ｄｙ3についての統計的誤差は、夫々、以下のように表現できる。
0004229472.tif 000022
式（２６ａ）及び（２６ｂ）の導出においてはσ2（∬p｜ＵR｜2ｄｘ3ｄｙ3）＝∬p｜ＵR｜2ｄｘ3ｄｙ3及びσ2（∬p｜ＵB｜2ｄｘ3ｄｙ3）＝∬p｜ＵB｜2ｄｘ3ｄｙ3、即ちシステムの統計的ノイズは、検出された光電子放出電子数のポアソン分布によって決定され、∬p｜ＵR｜2ｄｘ3ｄｙ3及び∬p｜ＵB｜2ｄｘ3ｄｙ3は、両方とも、光電子放出電子の大きな数に相当すると仮定された。∬p｜ＵR｜2ｄｘ3ｄｙ3≫∬p｜ＵS｜2ｄｘ3ｄｙ3及び∬p｜ＵB｜2ｄｘ3ｄｙ3≫∬p｜ＵS｜2ｄｘ3ｄｙ3である場合については、式（２６ａ）及び（２６ｂ）の右辺側のＵSに依存する項を無視でき、この場合、以下の簡単な式となる。
0004229472.tif 000023
∬p｜ＵR｜2ｄｘ3ｄｙ3＝２∬p｜ＵB｜2ｄｘ3ｄｙ3から∬p｜ＵR｜2ｄｘ3ｄｙ3≫∬p｜ＵB｜2ｄｘ3ｄｙ3に移行するときに得られる、∬p（ＵRＵS*＋ＵR*ＵS）ｄｘ3ｄｙ3及びｊ∬p（ＵRＵS*−ＵR*ＵS）ｄｘ3ｄｙ3についてのＳ／Ｎ比の追加のゲインは、約（３／２）の因子である。しかしながら、この後者のゲインは、光源の出力及び信号処理電子装置のダイナミックレンジの大幅な増大を代償として得られた値である。従って、｜ＵR｜についての最適の選択は、代表的には、以下の式に示す条件で行われる。
0004229472.tif 000024
式（２８）によって表現された条件が満たされた場合には、式（２７ａ）及び（２７ｂ）によって与えられた統計的誤差は、以下の不等式に表現したように示される。
0004229472.tif 000025
式（２６ａ）及び（２６ｂ）又は式（２７ａ）及び（２７ｂ）を調査すると、焦点外画像からの背景を減少させる、本発明を具体化した装置は、所与の作動値ＵS及びＵRについての統計的誤差が、従来技術の共焦干渉顕微鏡検査システムと比較して低い。代表的には、本発明を具体化した装置を使用した場合に得られるＳ／Ｎ比は、本明細書中に開示した本発明を使用しない共焦干渉顕微鏡によって得られた値よりも（３／２）1/2の係数だけ大きい。
式（２６ａ）及び（２６ｂ）、式（２７ａ）及び（２７ｂ）、式（２９ａ）及び（２９ｂ）の解釈は以下の通りである。本明細書中に開示した本発明では、一組の４つの強度の計測値から複素散乱振幅の成分を得ることができ、これは、対象物の独立した位置の各々について、推論された複素散乱振幅の各成分についての統計的誤差が、代表的には、複素散乱振幅の統計分布自体によって定められた限定された統計的誤差の係数の（３／２）1/2内にあるように行われ、ここに言及した統計的誤差は、光源の比較的低い作動出力レベル及び信号処理電子装置で必要なダイナミックレンジ容量を従来技術の共焦干渉顕微鏡と比較して比較的低くして得ることができる。
項と独立した位置（ｔｅｒｍ  ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を使用することは、計測された四つの強度からなる関連した組が統計学的に独立した組であるということを意味する。
第１ａ図乃至第１ｊ図、及び第２ａ図乃至第２ｄ図に示す第１及び第２の実施例について、位相シフター２４の透過度を低下させて散乱プローブビーム及び焦点外画像ビームを画像平面４７のところで同時に減衰させることによって、式（２８）によって表現された条件を得ることができる。所与のＳ／Ｎ比を得るためには、この減衰手順は、位相シフター２４での減衰の増大時に光源１０の強度を増大する必要がある。第３ａ図乃至第３ｊ図、及び第４ａ図乃至第４ｄ図に示す本発明の第３及び第４の実施例は、ビームスプリッター１００、１００ａ、及び１００ｂの互いに対する透過／反射性を調節することによって、式（２８）が与える条件を満たすことができる。代表的には、第３又は第４の実施例のいずれかを使用して式（２８）によって表現された条件を満たす場合には、光源１０又は１０ａは、一般的には、ビームスプリッター２４の透過度の減少に基づく上述の減衰手順によって必要とされるよりも低い出力レベルで作動できる。
変形例の第５及び第６実施例に適した、ＵS、ＵB、及びＵRについての式は、表１に示す夫々の係数をフェーザーに乗じることによって、第１及び第２の実施例についての夫々の量についての式から得ることができる。表１は、ビームスプリッター１００、１００ａ、及び１００ｂの夫々について、反射率Ｒi及び透過率Ｔiの夫々を表にしたものである。ｉ＝１、２、及び３である。
0004229472.tif 000026
焦点外画像による系統的誤差
｜ＵR｜が計測されている限り、Ｉ1−Ｉ2及びＩ3−Ｉ4の計測値と関連して式（２４ａ）及び（２４ｂ）を使用し、フェーザーＵSの実部と虚数部の計測値を得ることができる。これは当業者に知られている追加の光学的手段並びに検出器で行うことができる。以下の潜在的系統的誤差項が残っている。
∬p（ＵRＵB*＋ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3    （３０ａ）
∬p（ＵRＵB*−ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3    （３０ｂ）
これらの系統的誤差項は、｜ＵB｜≫｜ＵS｜である場合に顕著である。従って、式（３０ａ）及び（３０ｂ）によって表現される干渉項を受入れることのできるレベルに補償するのが望ましい。
本明細書中に開示した本発明での、項∬p（ＵRＵB*＋ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3及び項∬p（ＵRＵB*−ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3に対する補償は、コンピューター処理方法で行われ、従来技術の共焦干渉顕微鏡検査で必要とされるよりも簡単である。これは、ＵBの空間特性が、検査を受ける立体的対象物１１２の散乱特性及び従ってＵSの積分式で決まるためである。これらの積分方程式（２４ａ）及び（２４ｂ）は、第２種のフレドホルム型積分方程式である。本発明を具体化した装置等で項∬p（ＵRＵB*＋ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3及び項∬p（ＵRＵB*−ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3を減少させるとき、夫々の積分方程式を反転させてＵSを減少させるのにコンピューター処理が必要とされる。一般的には、必要なコンピューター処理における減少速度は、項∬p（ＵRＵB*＋ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3及び項∬p（ＵRＵB*−ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3の減少速度よりも速い。
干渉計によるこれらの計測値について、相互干渉項即ち∬p（ＵSＵB*＋ＵS*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3の項は、本発明を具体化した装置における項とは対照的に補償されない。式（２４ａ）及び（２４ｂ）と対応する積分方程式は、非線型積分方程式である。これらの積分方程式は、ＵSについて２次の積分方程式である。非線型積分方程式は、それらの解を得る上で、コンピューターのハードウェア及びソフトウェアに関し、一般的には、線型積分方程式の場合よりもかなり精緻であることを必要とする。かくして、本発明を具体化した装置を、項∬p（ＵSＵB*＋ＵS*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3で作動する態様から、項∬p（ＵRＵB*＋ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3及び項∬p（ＵRＵB*−ＵR*ＵB）ｄｘ3ｄｙ3で作動する態様に変換することにより、従来技術のピンホール共焦顕微鏡検査に関し、本発明の重要な特徴を提供する。
更に、背景信号∬p｜ＵB｜2ｄｘ3ｄｙ3に起因した系統的誤差の減少は、本発明を具体化した装置で完全であり、これは、従来技術のピンホール共焦顕微鏡で得られるのとは対照的であるということに着目されたい。
広帯域作動
本発明の一つの顕著な特徴は、光源が広帯域光源である場合に、焦点外画像からの背景効果を更に減少できるということである。式（１４）に示すようなシステム特性から、式（１２）によって与えられたＵS（ｖ3）についての高い感度が、位相（υ3−υ1）が以下の条件を満たす限り、焦合画像について維持されるということが明らかである。
0004229472.tif 000027
ここで、〔σ（ｑ）〕2は、独立変数ｑの分散である。
（υ3−υ1）の所与の値についての信号に対する寄与率は、（ｘ3−ｘ1）／ｆとｋとの間に双曲線相関を有し、（υ3−υ1）はｋ（ｘ3−ｘ1）／ｆに比例する。従って、ｋ及び（ｘ3−ｘ1）／ｆの対応する許容された値が式（３１）を満たすことができ、検出器で画像が得られるようにｋに制限が加えられ、これによりＳ／Ｎ比が（焦点外信号の強度に対する焦合信号の強度に関する）改善される。式（３１）から、以下の関係が得られる。
0004229472.tif 000028
式（３２）の左側の二つの項の各々が左側に等しく寄与するモードで作動するように選択すると、
0004229472.tif 000029
が得られる。
式（３４）から、（σk／ｋ）について以下の式が得られる。
（υ3−υ1）＝［ｋｄ0（ｘ3−Ｘ0）/ｆ］＝ｒπ；ｒ＝１，３，...    （３５）
ここで、ｒπは、以下の式で表す因子のピークを与える（υ3−υ1）の値の部分集合を表す。
0004229472.tif 000030
となる。
本発明を具体化した装置は、λでの比較的広帯域の作動について有効であることが式（３７）から明らかである。例えば、ｍ＝１及びｒ＝１である場合には、
0004229472.tif 000031
であり、ｍ＝２及びｒ＝１である場合には、
0004229472.tif 000032
である。
効果的に使用できるｒの値の範囲は制限されている。この制限は、Ｓ／Ｎ比を考慮に入れることによる。観察された信号に寄与する式（３６）によって与えられた係数の各ピークでは、信号の強度が改善されている。しかしながら、含まれるピークの数が増大し、及びかくしてｒの最大値即ちｒmaxが増大するに従って、ｋについての帯域幅を式（３７）に従って減少させなければならない。
本発明の第２、第４、又は第６の実施例のいずれかでレベル２識別を使用する場合には、光源ピンホール間の間隔もまた制限されている。この制限は、広帯域作動の区分の分析と同様の種類の分析を使用して得ることができる。第１４図に示すようなシステム特性から、以下の式（３８）が成立する限り、焦合画像について、ＵS（ｖ3）に関して高い感度が維持されるということが明らかである。
0004229472.tif 000033
ここで、δｖ1は、直線状光源ピンホールアレイの夫々の隣接したピンホール間の間隔である。
式（３３）及び（３４）によって表現された制限の右側は、ｘ1又はｙ1に左右されないということは明らかである。かくして、本発明を具体化した装置は、点状光源の作用を受け、ｘ1及びｙ1についての値の範囲には制限が本来的に及ぼされない。
混濁した媒体を通した観察
本明細書中に開示した本発明の別の顕著な特徴は、混濁した媒体を通して観察を行うた場合に焦点外画像から背景の効果を大幅に減少することである。混濁した媒体を通して観察を行うためのインパルス応答関数ｈA,Mは、以下の通りである。
ｈA,M＝ｈA＊ｈM    （３９）
ここで、ｈAは、非乱流媒体を通して観察を行う場合の装置のインパルス応答関数であり、ｈMは、乱流媒体に対するインパルス応答関数であり、＊は、ｈA及びｈMのたたみこみ演算を意味する。ｈA＊ｈMのフーリエ変換は以下の式で表される。
0004229472.tif 000034
ここで、
0004229472.tif 000035
は、ｈのフーリエ変換である。
インパルス応答関数ｈMは、以下の式で示すガウス分布によって非常に良好に示される。
0004229472.tif 000036
ここで、σ2はｈMの分散である。
ｈMのフーリエ変換は、以下の式によって与えられる。
0004229472.tif 000037
ここで、ｑは、ｖに対して共役の空間角振動数ベクトル（ａｎｇｕｌａｒ  ｓ  ｐａｔｉａｌ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｖｅｃｔｏｒ）である。ｈAの最も低い振動数ピークは、以下の式で示す振動数のところにある。
ｑ＝２π（ｄ0／λ）    （４３）
次式が成立する場合、ｑ＝（ｄ0／λ）でｈA,Mについて比較的大きな値が維持されることが式（４０）及び（４２）から明らかである。
0004229472.tif 000038
式（４３）及び（４５）を使用する場合、使用できるｄ0の値は以下の条件によって制限される。
0004229472.tif 000039
かくして、本発明を具体化した断層放射線画像システムは、ｈMによって与えられた除去振動数以下の空間周波数に対して比較的高い感度を維持するように形成できる。
本発明によれば、随意の空間特性の基準ビーム振幅について、背景光（即ち焦点外戻りプローブビーム）の振幅と基準ビームの振幅との間の干渉項は、望ましからぬ系統的誤差の発生を制御し、望ましからぬ統計的誤差の発生で重要である。本発明の上述の実施例では、背景光の振幅と基準ビームの振幅との間の干渉項は、位相シフトによって基準ビームに反対称空間特性が生じるために減少する。この干渉項が減少するため、単ピクセル検出器によって発生されたデータに、受入れられない程大きな系統的誤差や統計的誤差を発生させることがない。
更に、基準ビームの振幅及び基準ビームと焦合戻りプローブビームとの間の干渉項（即ち「所望の信号」）は相関している。基準ビームは、基準ビームの信号の平方として検出される。焦合戻りプローブビームは、戻り基準ビームと焦合戻りプローブビームとの間の干渉項、即ち、基準ビームの振幅を乗じた焦合戻りプローブビームの振幅として検出される。従って、検出された基準ビーム及び検出された戻りプローブビームは、基準ビームの振幅が各々に存在するため、相関している。この相関関係により、対象材料の性質がこのような干渉項から統計的に更に正確に決定される。従って、基準ビームと焦合戻りプローブビームとの間の干渉項に応じて単ピクセル検出器が発生したデータから、焦合対象材料の正確な性質を得ることができる。これは、基準ビームの振幅の平方又は焦合外戻りプローブビームの振幅の平方のいずれかに応じてでなく、焦合プローブビームの振幅の平方に応じて単ピクセル検出器で発生した光電子の数によって統計的正確さが制限されるためである。
更に、別の及び／又は追加の光学素子及び検出器を、本発明の開示の実施例の１つに組み込むことができるということは当業者には理解されよう。例えば、変形例では、対象材料を探るために使用される放射線の特性を変えるため、偏光ビームスプリッターを使用でき、又は追加の位相シフト素子とともに使用できる。別の例は、光源の強度を監視するために検出器を加える。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、これらの及び他の明らかな変更を導入できる。
第１ａ図乃至第１ｊ図の例について位相シフター３４を省略できるということは理解されるべきである。その場合、焦合画像平面３７の画像点３８のところに生ぜしめられた点光源８の画像は、反射基準ビームが焦合画像平面４７の画像点４８のところに発生した点光源８の画像が上文中に説明した画像と実質的に代わらないけれども、上文中に説明した画像と異なる。同様に、第２ａ図乃至第２ｄ図で位相シフター３４を省略でき、第３ａ図乃至第３ｊ図及び第４ａ図乃至第４ｄ図で位相シフター３４及び３４ａを省略できる。
更に、単ピクセル検出器平面での反射基準ビームの振幅の空間的分布が空間的に実質的に反対称な分布を生じる限り、位相シフター１４、２４、２４ａ、３４、及び３４ａの位相シフト素子の空間的形体を、上文中に説明した形体とは異なる形体にでき、及び／又はアポダイズできるということは理解されるべきである。しかしながら、単ピクセル検出器が発生した画像データは、対象材料１１２の所望の断層放射線画像を発生するため、上文中に説明した本発明の実施例とは僅かに異なる方法で処理されなければならない。
更に、上文中に説明した実施例の干渉計は、例えば、対象材料１１２を偏光で探る目的で、又は干渉計を通って単ピクセル検出器又は多ピクセル検出器に至る光の処理量を増大するため、偏光型であってもよいということは理解されるべきである。しかしながら、反射された基準ビームと散乱されたプローブビームとを単ピクセル検出器又は多ピクセル検出器のところで混合する目的で偏光ビームスプリッター等の追加の光学素子を上述の装置に加える必要がある。
【図１ａ】
0004229472.tif 000040
【図１ｂ】
0004229472.tif 000041
【図１ｃ】
0004229472.tif 000042
【図１ｄ】
0004229472.tif 000043
【図１ｅ】
0004229472.tif 000044
【図１ｆ】
0004229472.tif 000045
【図１ｇ】
0004229472.tif 000046
【図１ｈ】
0004229472.tif 000047
【図１ｉ】
0004229472.tif 000048
【図１ｊ】
0004229472.tif 000049
【図２ａ】
0004229472.tif 000050
【図２ｂ】
0004229472.tif 000051
【図２ｃ】
0004229472.tif 000052
【図２ｄ】
0004229472.tif 000053
【図３ａ】
0004229472.tif 000054
【図３ｂ】
0004229472.tif 000055
【図３ｃ】
0004229472.tif 000056
【図３ｄ】
0004229472.tif 000057
【図３ｅ】
0004229472.tif 000058
【図３ｆ】
0004229472.tif 000059
【図３ｇ】
0004229472.tif 000060
【図３ｈ】
0004229472.tif 000061
【図３ｉ】
0004229472.tif 000062
【図３ｊ】
0004229472.tif 000063
【図４ａ】
0004229472.tif 000064
【図４ｂ】
0004229472.tif 000065
【図４ｃ】
0004229472.tif 000066
【図４ｄ】
0004229472.tif 000067
【図５ａ】
0004229472.tif 000068
【図５ｂ】
0004229472.tif 000069
【図５ｃ】
0004229472.tif 000070
【図５ｄ】
0004229472.tif 000071
【図５ｅ】
0004229472.tif 000072
【図５ｆ】
0004229472.tif 000073
【図６ａ】
0004229472.tif 000074
【図６ｂ】
0004229472.tif 000075
【図６ｃ】
0004229472.tif 000076
【図６ｄ】
0004229472.tif 000077
【図７】
0004229472.tif 000078
【図８】
0004229472.tif 000079
【図９】
0004229472.tif 000080