(57)【要約】  少なくとも２つの光線が作り出した干渉パターンを取り込む少なくとも１つの撮像デバイスと、少なくとも２つの光線のうちの少なくとも１つの光線の光経路内に位置する少なくとも１つのアパーチャと、を備え、少なくとも１つのアパーチャは少なくとも１つの光線の軸線から離れるように位置しおり、この結果ある角度範囲で集光された少なくとも１つの光線のサブセットを通過させる、ホログラフィ干渉計。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの光線が作り出した干渉パターンを取り込む少なくとも１つの撮像デバイスと、
前記少なくとも２つの光線のうちの少なくとも１つの光線の光経路内に位置する少なくとも１つのアパーチャと、を備え、
前記少なくとも１つのアパーチャは前記少なくとも１つの光線の軸線から離れるように位置し、この結果ある角度範囲で集光された前記少なくとも１つの光線のサブセットを通過させる、
ホログラフィ干渉計。
【請求項２】
前記少なくとも１つのアパーチャは、少なくとも２つのアパーチャを含み、各アパーチャが前記少なくとも２つの光線のそれぞれの軸線から離れるように前記少なくとも２つのアパーチャのうちの別のアパーチャとは違うところに位置し、この結果前記少なくとも２つの光線の前記それぞれの実質的に異なるサブセットを通過させる、請求項１に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項３】
前記少なくとも２つのアパーチャのうちの１つを通過する光が作り出した干渉パターンを各々取り込む、少なくとも２つの撮像デバイスを更に備える、請求項２に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項４】
単一波長の光源からの異なる波長をシミュレートし、
単色コヒーレント光源と、
前記光源からの光を、対象構造を照射する第１の光線および参照ミラーを照射する第２の光線へと分割し、前記第１の光線と前記第２の光線を組み合わせて組み合わされた単一の光線にする、光学構成と、を更に備える、請求項３に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項５】
前記第１の光線の光経路は前記第２の光線の光経路と光学的に同一である、請求項４に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項６】
参照ミラーを有さず、前記少なくとも２つのアパーチャの各々は、前記少なくとも２つの光線のうちの１つの光経路内に位置する、請求項２に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項７】
元の光線を前記少なくとも２つの光線へと分割する少なくとも１つのビーム・スプリッタ
を更に備える、請求項１に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項８】
参照ミラーを有さず、前記ビーム・スプリッタは対象構造から反射された光線を前記少なくとも２つの光線へと分割する、請求項７に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項９】
前記対象構造を照射する単色コヒーレント光源を更に備える、請求項８に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項１０】
前記対象構造は環境光によって照射される、請求項８に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項１１】
前記対象構造は拡散反射物体である、請求項８に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項１２】
分光フィルタを更に備える、請求項８に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのビーム・スプリッタは少なくとも１つの偏光ビーム・スプリッタを含む、請求項８に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの偏光ビーム・スプリッタは、前記元の光線を２つの直交する偏光を有する前記少なくとも２つの光線へと分割する、請求項１３に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項１５】
半波長波長板を更に備える、請求項１３に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのアパーチャの位置、サイズ、および形状のうちの少なくとも１つは、複数の異なる干渉パターンを作り出すように動的に制御される、請求項１に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項１７】
前記ホログラフィ干渉計の倍率は、複数の異なる干渉パターンを作り出すように動的に制御される、請求項１に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項１８】
前記ホログラフィ干渉計の焦点は、複数の異なる干渉パターンを作り出すように動的に制御される、請求項１に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項１９】
少なくとも２つの光線が作り出した干渉パターンを取り込む少なくとも１つの撮像デバイスを配置するステップと、
前記少なくとも２つの光線のうちの少なくとも１つの光線の光経路内に位置する少なくとも１つのアパーチャを配置するステップと、を含み、
前記少なくとも１つのアパーチャは前記少なくとも１つの光線の軸線から離れるように位置し、この結果ある角度範囲で集光された前記少なくとも１つの光線のサブセットを通過させる、
ホログラフィ干渉計を設定する方法。
【請求項２０】
少なくとも１つの単色コヒーレント光源と、
干渉パターンを取り込む撮像デバイスと、
前記光源からの光を、対象構造を照射し前記撮像デバイス内へと反射される第１の光線および参照ミラーを照射し前記撮像デバイス内へと反射される第２の光線へと分割して、前記干渉パターンを作り出す、光学構成と、を備え、
前記第１の光線の光経路は前記第２の光線の光経路と光学的に同一である、
ホログラフィ干渉計。
【請求項２１】
元の光線を少なくとも２つの光線へと分割する少なくとも１つのビーム・スプリッタと、
前記少なくとも２つの光線が物体から反射された後で作り出した干渉パターンを取り込む、少なくとも１つの撮像デバイスと、を備え、
前記少なくとも２つの光線は前記物体に対して異なる入射角を有する、
ホログラフィ干渉計。
【請求項２２】
前記少なくとも２つの光線のうちの少なくとも１つの光線の前記元の光線の元の光軸からの距離を変えて前記異なる入射角を作り出す、少なくとも１つのミラーを更に備える、
請求項２１に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項２３】
前記少なくとも１つのビーム・スプリッタは少なくとも１つの偏光ビーム・スプリッタを含む、請求項２１に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの撮像デバイスは、異なる偏光角を有する光が作り出した干渉パターンを各々取り込む少なくとも２つの撮像デバイスを含む、請求項２２に記載のホログラフィ干渉計。
【請求項２５】
ホログラフィ干渉計の撮像デバイスから干渉パターンのデジタル画像を受信するステップであって、前記干渉パターンは対象構造の撮像によって作り出される、受信するステップと、
前記画像の２次元区域を選択するステップと、
前記２次元区域中の前記干渉パターンを分析して前記干渉パターンの位相を計算するステップと、
前記位相から前記対象構造のそれぞれの区域の高さを推定するステップと、
を含む、ホログラフィ干渉計が生成した画像から対象構造の高さ測定値を得る方法。
【請求項２６】
前記２次元区域のサイズは、前記ホログラフィ干渉計の理論上の光スポットのサイズの１０倍未満である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記２次元区域のサイズは前記画像のサイズの１０分の１未満である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記干渉パターンは、少なくとも２つの波長の干渉画像の合計を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記分析するステップは前記２次元区域に対するフーリエ変換を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記干渉パターンは前記２次元区域内で実質的に整数個の周期を有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
前記分析するステップは、振幅および前記位相の反復計算を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
請求項２５に記載の方法を実行するように適合されているコンピュータ実行可能命令を備える、コンピュータ可読媒体。
【請求項３３】
非一時的コンピュータ可読記憶媒体と、
ホログラフィ干渉計の撮像デバイスから干渉パターンのデジタル画像を受信するための第１のプログラム命令であって、前記干渉パターンは対象構造の撮像によって作り出される、第１のプログラム命令と、
前記画像の２次元区域を選択するための第２のプログラム命令と、
前記２次元区域中の前記干渉パターンを分析して前記干渉パターンの位相を計算するための第３のプログラム命令と、
前記位相から前記対象構造のそれぞれの区域の高さを推定するための第４のプログラム命令と、を備え、
前記第１、第２、第３、および第４のプログラム命令は、前記非一時的コンピュータ可読記憶媒体から、少なくとも１つのコンピュータ化されたプロセッサによって実行される、
ホログラフィ干渉計が生成した画像から対象構造の高さ測定値を得るためのソフトウェア・プログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、そのいくつかの実施形態ではホログラフィ画像処理に関し、より具体的には、ただしこれに限るものではないが、ホログラフィ干渉測定を用いる３次元測定の方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ホログラフィ画像処理は、物体（例えば集積回路（ＩＣ）半導体ウエハまたはフラット・パネル・ディスプレイ（ＦＰＤ））から到達する光の振幅および位相の情報を記録するもので、顕微鏡法において物体の３Ｄ外形（ｐｒｏｆｉｌｅ）、すなわち画像中の各点の相対高さを再構築するために使用することができる。
【０００３】
一部の方法では、物体と参照画像との間のゼロ角度と、同じ物体位置での複数回の画像取得と組み合わされて位相および振幅の情報を分離することを可能にする、位相スキャン機構とが使用される。これらの方法では、コヒーレント長の非常に短い照明を用いる場合さえある。しかしながら、このようなスキームは一般に、ウエハ検査など、物体を限られた時間内に横方向スキャンする必要のある用途にとっては低速過ぎる。
【０００４】
ホログラフィ干渉測定を用いて物体の高速横方向スキャンを達成するためには、単一の画像から位相情報を抽出できることが望まれる。このことは、物体光と参照光との間にゼロ以外の角度を導入することおよびコヒーレント照明を使用することによって行われ得る。画像中の空間周波数は、物体撮像光軸と参照撮像光軸との間の角度に依存する。物体が例えば盛り上がった表面を有するとき、干渉線はシフトする。画像を分析することによって、干渉線の位相変化を抽出すること、およびこの変化から物体の特徴の高さを導くことが可能になる。
【０００５】
画像から位相情報を抽出できるためには、干渉線の密度は、カメラのピクセル化によって均されてしまわない程度に十分に低いが、位相情報の良好な横方向解像度（この解像度は典型的には干渉線の１周期である）を有する程度に十分に高い必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のいくつかの実施形態の態様によれば、少なくとも２つの光線が作り出した干渉パターンを取り込む少なくとも１つの撮像デバイスと、少なくとも２つの光線のうちの少なくとも１つの光線の光経路内に位置する少なくとも１つのアパーチャと、を備え、少なくとも１つのアパーチャは少なくとも１つの光線の軸線から離れるように位置し、この結果ある角度範囲で集光された少なくとも１つの光線のサブセットを通過させる、ホログラフィ干渉計、が提供される。このことにより、異なる主角度から到達する集光された光の光線が分離される。
【０００７】
任意選択的には、少なくとも１つのアパーチャは、少なくとも２つのアパーチャを含み、アパーチャの各アパーチャが少なくとも２つの光線のうちの対応する光線の軸線から離れるように少なくとも２つのアパーチャのうちの別のアパーチャとは違うところに位置し、この結果少なくとも２つの光線のうちの対応する光線の実質的に異なるサブセットを通過させる。
【０００８】
更に任意選択的には、ホログラフィ干渉計は、少なくとも２つのアパーチャのうちの１つを通過する光が作り出した干渉パターンを各々取り込む、少なくとも２つの撮像デバイスを更に備える。
【０００９】
更に任意選択的には、ホログラフィ干渉計は、単一波長の光源からの異なる波長をシミュレートし、単色コヒーレント光源と、光源からの光を、対象構造を照射する第１の光線および参照ミラーを照射する第２の光線へと分割し、第１の光線と第２の光線を組み合わせて組み合わされた単一の光線にする、光学構成と、を更に備える。単一波長の光源からの様々な有効波長を用いるので、高価な複数波長の光源の必要性が無くなる。
【００１０】
更に任意選択的には、第１の光線の光経路は、第２の光線の光経路と光学的に同一である。
【００１１】
更に任意選択的には、ホログラフィ干渉計は参照ミラーを有さず、少なくとも２つのアパーチャの各々は、少なくとも２つの光線のうちの１つの光経路内に位置する。
【００１２】
任意選択的には、ホログラフィ干渉計は、元の光線を少なくとも２つの光線へと分割する、少なくとも１つのビーム・スプリッタを更に備える。
【００１３】
更に任意選択的には、ホログラフィ干渉計は参照ミラーを有さず、ビーム・スプリッタは、対象構造から反射された光線を少なくとも２つの光線へと分割する。
【００１４】
更に任意選択的には、ホログラフィ干渉計は、対象構造を照射する単色コヒーレント光源を更に備える。
【００１５】
更に任意選択的には、対象構造は環境光によって照射される。
【００１６】
更に任意選択的には、対象構造は拡散反射物体である。
【００１７】
更に任意選択的には、ホログラフィ干渉計は分光フィルタを更に備える。
【００１８】
更に任意選択的には、少なくとも１つのビーム・スプリッタは、少なくとも１つの偏光ビーム・スプリッタを含む。
【００１９】
更に任意選択的には、少なくとも１つの偏光ビーム・スプリッタは、元の光線を２つの直交する偏光を有する少なくとも２つの光線へと分割する。
【００２０】
更に任意選択的には、ホログラフィ干渉計は、半波長波長板を更に備える。
【００２１】
任意選択的には、少なくとも１つのアパーチャの位置、サイズ、および形状のうちの少なくとも１つは、複数の異なる干渉パターンを作り出すように動的に制御される。
【００２２】
任意選択的には、ホログラフィ干渉計の倍率は、複数の異なる干渉パターンを作り出すように動的に制御される。
【００２３】
任意選択的には、ホログラフィ干渉計の焦点は、複数の異なる干渉パターンを作り出すように動的に制御される。
【００２４】
本発明のいくつかの実施形態の態様によれば、元の光線を少なくとも２つの光線へと分割する少なくとも１つのビーム・スプリッタと、少なくとも２つの光線が物体から反射された後で作り出した干渉パターンを取り込む、少なくとも１つの撮像デバイスと、を備え、少なくとも２つの光線は物体に対して異なる入射角を有する、ホログラフィ干渉計、が提供される。
【００２５】
任意選択的には、ホログラフィ干渉計は、少なくとも２つの光線のうちの少なくとも１つの光線の元の光線の元の光軸からの距離を変えて異なる入射角を作り出す、少なくとも１つのミラーを更に備える。
【００２６】
任意選択的には、少なくとも１つのビーム・スプリッタは、少なくとも１つの偏光ビーム・スプリッタを含む。
【００２７】
任意選択的には、少なくとも１つの撮像デバイスは、異なる偏光角を有する光が作り出した干渉パターンを各々取り込む少なくとも２つの撮像デバイスを含む。
【００２８】
本発明のいくつかの実施形態の態様によれば、少なくとも２つの光線が作り出した干渉パターンを取り込む少なくとも１つの撮像デバイスを配置するステップと、少なくとも２つの光線のうちの少なくとも１つの光線の光経路内に位置する少なくとも１つのアパーチャを配置するステップと、を含み、少なくとも１つのアパーチャは少なくとも１つの光線の軸線から離れるように位置しこの結果ある角度範囲で集光された少なくとも１つの光線のサブセットを通過させる、ホログラフィ干渉計を設定する方法、が提供される。
【００２９】
本発明のいくつかの実施形態の態様によれば、少なくとも１つの単色コヒーレント光源と、干渉パターンを取り込む撮像デバイスと、光源からの光を、対象構造を照射し撮像デバイス内へと反射される第１の光線および参照ミラーを照射し撮像デバイス内へと反射される第２の光線へと分割して、干渉パターンを作り出す、光学構成と、を備え、第１の光線の光経路は第２の光線の光経路と光学的に同一である、ホログラフィ干渉計、が提供される。このことにより、物体画像と参照画像との間の位相差が、物体の特徴と画像間の計画上の角度とによって本質的に決定されることが保証される。
【００３０】
本発明のいくつかの実施形態の態様によれば、ホログラフィ干渉計の撮像デバイスから干渉パターンのデジタル画像を受信するステップであって、干渉パターンは対象構造の撮像によって作り出される、受信するステップと、画像の２次元区域を選択するステップと、２次元区域中の干渉パターンを分析して干渉パターンの位相を計算するステップと、位相から対象構造の対応する区域の高さを推定するステップと、を含む、ホログラフィ干渉計が生成した画像から対象構造の高さ測定値を得る方法、が提供される。これにより空間的な不鮮明化が限定され、またこれは一般的な方法よりも演算コストが低い。
【００３１】
任意選択的には、２次元区域のサイズは、ホログラフィ干渉計の理論上の光スポットのサイズの１０倍未満である。
【００３２】
任意選択的には、２次元区域のサイズは画像のサイズの１０分の１未満である。
【００３３】
任意選択的には、干渉パターンは、少なくとも２つの波長の干渉画像の合計を含む。
【００３４】
任意選択的には、分析するステップは、２次元区域に対するフーリエ変換を含む。
【００３５】
任意選択的には、干渉パターンは、２次元区域内で実質的に整数個の周期を有する。
【００３６】
任意選択的には、分析するステップは、振幅および位相の反復計算を含む。
【００３７】
本発明のいくつかの実施形態によれば、方法を実行するように適合されているコンピュータ実行可能命令を含むコンピュータ可読媒体が提供される。
【００３８】
本発明のいくつかの実施形態の態様によれば、非一時的コンピュータ可読記憶媒体と、ホログラフィ干渉計の撮像デバイスから干渉パターンのデジタル画像を受信するための第１のプログラム命令であって、干渉パターンは対象構造の撮像によって作り出される、第１のプログラム命令と、画像の２次元区域を選択するための第２のプログラム命令と、２次元区域中の干渉パターンを分析して干渉パターンの位相を計算するための第３のプログラム命令と、位相から対象構造の対応する区域の高さを推定するための第４のプログラム命令と、を備え、第１、第２、第３、および第４のプログラム命令は、非一時的コンピュータ可読記憶媒体から、少なくとも１つのコンピュータ化されたプロセッサによって実行される、ホログラフィ干渉計が生成した画像から対象構造の高さ測定値を得るためのソフトウェア・プログラム製品、が提供される。
【００３９】
別様に定義されていない限り、本明細書において用いる全ての技術および／または科学用語は、本発明に関連する技術の当業者が一般に理解するものと同じ意味を有する。本発明の実施形態の実施または試験において、本明細書に記載する方法および材料と類似または同等の方法および材料を用いることができるが、例示的な方法および／または材料を以下に記載する。対立する場合は、定義を含め、特許明細書が優先する。加えて、材料、方法、および例は例示的なものに過ぎず、必ずしも限定的であるように意図されていない。
【００４０】
本発明の実施形態の方法および／またはシステムの実施は、選択されたタスクを、手動で、自動で、またはこれらを組み合わせて、実行または完了することを伴い得る。更に、本発明の方法および／またはシステムの実施形態の実際の機器使用および装備によれば、オペレーティング・システムを使用して、ハードウェアによって、ソフトウェアによって、またはファームウェアによって、またはこれらの組合せによって、いくつかの選択されたタスクを実施できる。
【００４１】
例えば、本発明の実施形態に係る選択されたタスクを実行するためのハードウェアは、チップまたは回路として実装され得る。ソフトウェアとして、本発明の実施形態に係る選択されたタスクは、任意の好適なオペレーティング・システムを使用してコンピュータによって実行される複数のソフトウェア命令として実装され得る。本発明の例示的な実施形態では、本明細書に記載するような方法および／またはシステムの例示的な実施形態に係る１つまたは複数のタスクは、複数の命令を実行するためのコンピューティング・プラットフォームなどの、データ・プロセッサによって実行される。任意選択的に、データ・プロセッサは、命令および／もしくはデータを記憶するための揮発性メモリ、ならびに／または、命令および／もしくはデータを記憶するための不揮発性ストレージ、例えば、磁気ハードディスクおよび／もしくは取り外し可能な媒体を含む。任意選択的に、ネットワーク接続も提供される。ディスプレイ、および／または、キーボードもしくはマウスなどのユーザ入力デバイスも、任意選択的に提供される。
【００４２】
本発明のいくつかの実施形態が、添付の図面を参照して、単なる例として、本明細書に記載されている。ここで図面を詳細に具体的に参照するが、示されている詳細は例としてのものであり、本発明の実施形態を例示的に検討することを目的としていることを強調しておく。この点に関して、説明を図面と併せて解釈することにより、本発明の実施形態がどのように実施され得るかが、当業者に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明のいくつかの実施形態による、例示的な光経路が対になっているホログラフィ画像処理構成の概略図である。
【図２】本発明のいくつかの実施形態による、ホログラフィ干渉計が生成した画像から対象構造の高さ測定値を得る方法を概略的に表すフローチャートである。
【図３】本発明のいくつかの実施形態による、対象構造の異なる特徴のｚ高さへの応答として予想される画像からの、例示的なスーパー・ピクセルの図である。
【図４】本発明のいくつかの実施形態による、単一の波長を用いて複数の干渉測定画像を撮影するための、ホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である。
【図５】本発明のいくつかの実施形態による、アパーチャ面の概略図である。
【図６】本発明のいくつかの実施形態による、単一の波長を用いて複数の干渉測定画像を撮影するための、ホログラフィ干渉計の代替の光学構成の概略図である。
【図７】光の照射および集光の２つの主光線角度の光経路長の差を比較する、単純化した例の図である。
【図８】本発明のいくつかの実施形態による、参照部を有さないホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である。
【図９】本発明のいくつかの実施形態による、アパーチャ面の概略図である。
【図１０】本発明のいくつかの実施形態による、ビーム・スプリッタを利用して４つの異なる有効波数を達成するホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である。
【図１１】本発明のいくつかの実施形態による、環境光を用いて拡散反射物体の外形を特定するための、ホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である。
【図１２】本発明のいくつかの実施形態による、偏光を用いて拡散反射物体の外形を特定するための、ホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である。
【図１３】本発明のいくつかの実施形態による、偏光を用いて遠方にある拡散反射物体の外形を特定するための、ホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である。
【図１４】本発明のいくつかの実施形態による、角度の異なる光線によって照射される物体の外形を特定するための、ホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である。
【図１５】本発明のいくつかの実施形態による、図１４のホログラフィ干渉計のアパーチャ面の例示的な照射パターン構成の概略図である。
【図１６】本発明のいくつかの実施形態による、２つの光線間の位相差の依存度および２つの反射光線強度のシミュレーション例を示すグラフである。
【図１７】本発明のいくつかの実施形態による、角度の異なる偏光光線によって照射される物体の外形を特定するための、ホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である。
【図１８】本発明のいくつかの実施形態による、角度の異なる偏光光線によって照射される物体の外形を特定するための、ホログラフィ干渉計の別の光学構成の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明は、そのいくつかの実施形態ではホログラフィ画像処理に関し、より具体的には、ただしこれに限るものではないが、ホログラフィ干渉測定を用いる３次元測定の方法およびシステムに関する。
【００４５】
本発明のいくつかの実施形態によれば、視野上の干渉線の均一性を最大にするための、物体光および参照光に関して同一の光経路を有するホログラフィ干渉計が提供される。このことは、ミラーの参照画像を物体画像を構築するために使用されるものと本質的に同じ光経路を用いて構築することによって行われる。
【００４６】
多くの光学構成において、視野全体にわたって均一な干渉線密度を達成するのは困難な場合があるが、その理由は、光学系の回折が限定的でかつ物体に焦点が合っている場合でさえ、画像点の位相（例えば、平坦な物体視野を有する視野の中心にある画像点に対する）は、視野を横断する、特に視野の中心（光軸）から離れていくときに、急に変化し得るからである。これらの構成では典型的には、参照画像は物体画像とは光学構成が異なるため参照画像にはこの位相挙動が表れず、したがって、画像間の干渉により生成される画像では、干渉線密度が（合焦された平坦な物体の場合でさえ）視野にわたって変化し、典型的には視野中心から遠ざかるにつれ密度が高くなり、この密度は干渉線の密度がカメラのピクセルよりも高くなると消失する場合さえある。光経路が対になっているホログラフィ画像処理構成は、物体画像と参照画像との間の位相差が、物体の特徴と画像間の計画された角度とによって本質的に決定されることを保証することによって、この問題を解決する。
【００４７】
本発明のいくつかの実施形態によれば、ピクセルの小さいブロック（スーパー・ピクセル）を用いて画像を分析して位相を見つけ、各々の高さを推定することによって、ホログラフィ干渉計が生成した画像から対象構造の高さ測定値を得る方法が提供される。
【００４８】
干渉パターン画像中の各点の位相を見つけるための一般的な方法は、画像全体（またはその大部分、例えば関心領域）に対してフーリエ変換を使用し、フーリエ空間内でいくつかの操作（例えば、原点のシフト、デジタル・フィルタリング）を行い、その後逆フーリエ変換で戻すことである。第１の難点は、フーリエ空間内での操作により空間的空間内の情報が不鮮明になる傾向があり、この結果位相測定に誤差が持ち込まれることである。第２の難点は、フーリエ変換（およびその逆変換）は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムを使用する場合でさえ、演算コストが高いことである。スーパー・ピクセルを使用することにより、空間的な不鮮明化がスーパー・ピクセルのサイズに限定され、またこれは演算コストがより低い。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態によれば、単一の光源からの複数の角度に分割された光線を使用するホログラフィ干渉計が提供される。このことは、（物体および／または参照ミラーから反射した）元の光線中の集光された光の異なる主角度から到達する光線を、アパーチャを使用して分離することによって行われる。各アパーチャは様々な角度範囲から到達する光を通過させ、したがってアパーチャ面の様々な部分が選択および通過される。光線のうちの１つの光経路内に位置する、１つまたは複数のアパーチャが使用され、これら光線はビーム・スプリッタによって任意選択的に分割されている。アパーチャの各々は、分割された光線の軸線から離れるように、任意選択的にその他のアパーチャとは異なる角度で、位置する。光線軸線に対するアパーチャの正確な位置、形状、およびサイズにより、その経路で使用される光線の集光される角度範囲が制御される。アパーチャ面のこれらの異なる部分を通過した光は、角度で分割された光線を作り出す。干渉パターンを作り出すために、この発想を異なる方法でおよび異なる光学構成を用いて使用することができる。例えば、複数の角度に分割された光線を使用して、複数の波長をシミュレートし複数の干渉パターンを作り出してもよく、および／または、それらの光線を使用して、互いに干渉させて干渉パターンを作り出してもよい。
【００５０】
いくつかの実施形態によれば、単一の波長を使用して複数の干渉測定画像が撮影され、これらの画像の各々は、異なる主光線角度に対応する位相情報を含む。点の高さへの位相の依存度はこれらの角度に依存し、このため角度で分割された光線は、「有効波長」を有すると言われる場合もある。有効波長はこのため、カメラ上で画像を構築するために使用される、集光された光の角度を選択することによって制御される。
【００５１】
多くの場合において、撮像のために使用される波長によって高さのダイナミック・レンジが限定されるので、１つの干渉測定画像では十分ではない。これに対する一般的な解決法は、異なる波長で撮られたいくつかの干渉測定画像を使用することである。波長を慎重に選択することによって、撮像のために使用される波長よりも大きいダイナミック・レンジを得ることが可能になる（これは位相のアンラッピングとして、または合成波長の構築として知られている）。高さ測定の大きいダイナミック・レンジを達成するために、精確に制御された波長を有する調節可能なレーザ源が必要となり、系の性能を最適化するために、波長の何らかの微調整を用いる場合がある。単一波長の光源からの様々な有効波長を用いるので、高価な複数波長の光源の必要性が無くなる。
【００５２】
いくつかの実施形態によれば、ホログラフィ干渉計は参照ミラーを有さず、物体から集光された２つの異なる主光線角度の光に基づく２つの画像間に干渉が存在する。単色コヒーレント光源または外部の周囲照明を使用することができる。
【００５３】
いくつかの実施形態によれば、環境光を用いて拡散反射物体の外形を特定する（ｐｒｏｆｉｌｅ）ことができる。物体から反射した環境光の一部は特定の方向に反射され、対物レンズによって集光される。いくつかの実施形態によれば、拡散反射物体表面が、任意選択的に直交する、異なる偏光を各々有する２つの異なる角度範囲で照射される。このことにより干渉線のコントラストが増す。
【００５４】
本発明のいくつかの実施形態によれば、物体の照射にはいくつかの角度しか含まれておらず、このため角度範囲をフィルタリングする必要の無い、ホログラフィ干渉計が提供される。光源光線は分割され、（アパーチャ面における）一方または両方の光線の光軸からの変位は、例えばミラーによって制御される。光線間の経路差は、プリズムによって補償される。このことにより、Ｚのダイナミック・レンジ、ならびにカメラ上での干渉線の密度および角度の、両方の制御が可能になる。
【００５５】
任意選択的には、光線は、偏光ビーム・スプリッタによって分割される。このことは、例えば物体が反射表面を覆う透過層から成る場合に、物体から反射した光の振幅を測定するのに有利である。
【００５６】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明はその適用において、以下の説明において明記されるならびに／または図面および／もしくは実施例において例示される、構成要素および／または方法の構造および配置構成の詳細に、必ずしも限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が、または様々な様式での実施もしくは実行が、可能である。
【００５７】
本発明は、システム、方法、またはコンピュータ・プログラム製品あるいはそれらの組合せであり得る。コンピュータ・プログラム製品は、プロセッサに本発明の態様を実行させるためのコンピュータ可読プログラム命令を有する、コンピュータ可読記憶媒体を含んでもよい。
【００５８】
コンピュータ可読記憶媒体は、命令実行デバイスによって使用される命令を保持および保存できる有形のデバイスであってもよい。コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、電子ストレージ・デバイス、磁気ストレージ・デバイス、光ストレージ・デバイス、電磁ストレージ・デバイス、半導体ストレージ・デバイス、または以上の任意の好適な組合せであり得るが、これらに限定されない。コンピュータ可読記憶媒体のより具体的な例の非網羅的なリストには、以下、すなわち、ポータブル・コンピュータ・ディスケット、ハードディスク、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能なプログラマブル読取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭもしくはフラッシュ・メモリ）、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＲＡＭ）、ポータブル・コンパクト・ディスク読取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、メモリ・スティック、フロッピー（Ｒ）・ディスク、命令が記録されているパンチカードもしくは溝の中の隆起構造などの機械的に符号化されたデバイス、および以上の任意の好適な組合せが含まれる。本明細書において使用されるコンピュータ可読記憶媒体は、電波もしくは他の自由に伝播する電磁波、導波路もしくは他の伝送媒体を通じて伝播する電磁波（例えば、光ファイバ・ケーブルを通過する光パルス）、または配線を介して伝送される電気信号などの、一時的信号そのものであると解釈されるべきではない。
【００５９】
本明細書に記載されるコンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータ可読記憶媒体からそれぞれのコンピューティング／処理デバイスに、あるいは、ネットワーク、例えば、インターネット、ローカル・エリア・ネットワーク、ワイド・エリア・ネットワーク、もしくはワイヤレス・ネットワーク、またはそれらの組合せを経由して、外部のコンピュータまたは外部ストレージ・デバイスに、ダウンロードされ得る。ネットワークは、銅伝送ケーブル、光伝送ファイバ、ワイヤレス伝送、ルータ、ファイアウォール、スイッチ、ゲートウェイ・コンピュータ、またはエッジ・サーバ、あるいはそれらの組合せを備え得る。各コンピューティング／処理デバイス内のネットワーク・アダプタ・カードまたはネットワーク・インターフェースが、ネットワークからコンピュータ可読プログラム命令を受信し、それらのコンピュータ可読プログラム命令を、それぞれのコンピューティング／処理デバイス内のコンピュータ可読記憶媒体に保存されるように転送する。
【００６０】
本発明の動作を実行するためのコンピュータ可読プログラム命令は、アセンブラ命令、命令セット・アーキテクチャ（ＩＳＡ）命令、マシン命令、マシン依存型命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ、または、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ（Ｒ）、Ｃ＋＋などのオブジェクト指向プログラミング言語、および「Ｃ」プログラミング言語もしくは類似のプログラミング言語などの従来の手続き型プログラミング言語を含む、１つもしくは複数のプログラミング言語の任意の組合せで書かれた、ソース・コードもしくはオブジェクト・コードのいずれか、であり得る。コンピュータ可読プログラム命令は、専らユーザのコンピュータ上で、スタンド・アロン・ソフトウェア・パッケージとして部分的にユーザのコンピュータ上で、部分的にユーザのコンピュータ上でかつ部分的に遠隔のコンピュータ上で、または専ら遠隔のコンピュータもしくはサーバ上で、実行することができる。後者のシナリオでは、遠隔のコンピュータを、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）もしくはワイド・エリア・ネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意の種類のネットワークを介して使用者のコンピュータに接続してもよく、または、外部のコンピュータへの接続を（例えば、インターネット・サービス・プロバイダを利用してインターネットを介して）行ってもよい。いくつかの実施形態では、例えばプログラマブル・ロジック回路、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、またはプログラマブル・ロジック・アレイ（ＰＬＡ）を含む電子回路は、本発明の態様を行うために、コンピュータ可読プログラム命令の状態情報を利用することによって、コンピュータ可読プログラム命令を実行して電子回路を個人化することができる。
【００６１】
本明細書には、本発明の実施形態に係る方法、装置（システム）、およびコンピュータ・プログラム製品のフローチャート図またはブロック図あるいはその両方を参照して、本発明の態様が記載されている。フローチャート図またはブロック図あるいはその両方の各ブロック、およびフローチャート図またはブロック図あるいはその両方におけるブロックの組合せを、コンピュータ可読プログラム命令によって実施できることが、理解されるであろう。
【００６２】
これらのコンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータまたは他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサを介して実行される命令が、フローチャートまたはブロック図あるいはその両方の１つまたは複数のブロックに指定される機能／動作を実施する手段を作り出すべく、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサに提供されてマシンを作り出すものであってよい。これらのコンピュータ可読プログラム命令はまた、命令が保存されたコンピュータ可読記憶媒体が、フローチャートまたはブロック図あるいはその両方の１つまたは複数のブロックに指定される機能／動作の態様を実施する命令を含んだ製品を備えるように、コンピュータ可読記憶媒体に保存され、コンピュータ、プログラム可能なデータ処理装置、または他のデバイス、あるいはそれらの組合せに特定の方式で機能するように指示できるものであってもよい。
【００６３】
コンピュータ可読プログラム命令はまた、コンピュータ、他のプログラム可能装置、または他のデバイスで実行される命令が、フローチャートまたはブロック図あるいはその両方の１つまたは複数のブロックに指定される機能／動作を実施するように、コンピュータによって実行されるプロセスを作り出すべく、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、または他のデバイスにロードされ、コンピュータ、他のプログラム可能装置、または他のデバイス上で一連の動作ステップを実行させるものであってもよい。
【００６４】
図中のフローチャートおよびブロック図には、本発明の様々な実施形態に係るシステム、方法、およびコンピュータ・プログラム製品の、可能な実装形態のアーキテクチャ、機能性、および動作が説明されている。この関連において、フローチャートまたはブロック図内の各ブロックは、指定された論理機能を実施するための１つまたは複数の実行可能命令を備える、モジュール、セグメント、または命令の一部分を表すことができる。いくつかの代替的実装形態において、ブロック内に記された機能は、図に記されたものとは異なる順序で行われ得る。例えば連続して示される２つのブロックは、実際は実質的に並行して実行され得、またはこれらのブロックは時には関わる機能に応じて、逆の順序で実行され得る。ブロック図またはフローチャート図あるいはその両方の各ブロック、およびブロック図またはフローチャート図あるいはその両方におけるブロックの組合せは、指定された機能もしくは動作を行う、または専用ハードウェアとコンピュータ命令の組合せを実行する、専用ハードウェア・ベースのシステムによって実施され得ることもまた、留意されるであろう。
【００６５】
ここで、本発明のいくつかの実施形態による、例示的な光経路が対になっているホログラフィ画像処理構成の概略図である、図１を参照する。参照ミラーの画像は、物体画像を構成するために使用されるものと本質的に同じ光経路を用いて構築される−２つの光線の光経路は光学的に同一である。単色コヒーレント光源１０１および集束レンズ１０２が、視野絞り１０３上に照射視野面を作り出す。ビーム・スプリッタ１０４、１０５、１０６、および１０７は、干渉計の物体レッグ（ｏｂｊｅｃｔ  ｌｅｇ）（対象構造１０８を照射する光線）と参照レッグ（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｌｅｇ）（参照ミラー１０９を照射する光線）との間で光を分割し、その後反射された画像をカメラ１１０などの撮像デバイス上で組み合わせる。
【００６６】
光源１０１は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、連続波（ＣＷ）レーザ、および／またはパルス状レーザであり得る。対象構造は、集積回路（ＩＣ）半導体ウエハ、半導体、フラット・パネル・ディスプレイ（ＦＰＤ）、および／またはプリント回路基板（ＰＣＢ）などの、高さの差が干渉測定するのに十分に小さい任意の種類の物体であり得る。撮像デバイスは、光センサ、フィルム、カメラ、および／または任意の他の種類の光を取り込むデバイスであり得る。
【００６７】
物体光軸と参照光軸との間の角度により、カメラ１１０上に線状干渉パターンが作り出され、このパターンから、物体画像と参照画像との間の相対的な位相が推測され得る。干渉パターンを得るために、照射のコヒーレンス長は、物体レッグと参照レッグとの間の光経路差よりも長い必要がある。
【００６８】
任意選択的には、このスキームは、各波長に対してカメラを割り当てること、および、ダイクロイック・ビーム・スプリッタを使用して各波長の画像をその割り当てられたカメラに送ることによって、複数の単色波長を使用するように容易に拡張できる。
【００６９】
任意選択的には、各組が各波長の参照画像に異なる角度を与えるダイクロイック・ビーム・スプリッタの組で、ミラー１１１、１１２を置き換えることによって、単一のカメラを用いて複数の波長を使用するスキームもまた可能になる。
【００７０】
ここで、本発明のいくつかの実施形態による、ホログラフィ干渉計が生成した画像から対象構造の高さ測定値を得る方法を概略的に表すフローチャートである、図２を参照する。
【００７１】
最初に、２０１に示すように、ホログラフィ干渉計の撮像デバイスから、対象構造を撮像することによって作り出された干渉パターンのデジタル画像を受信する。
【００７２】
干渉測定線のピクセル未満の解像度を達成するために、参照面を傾けることができる。例えば、ｓｉｎ（軸線角度）＝１／（スーパー・ピクセルの長さ、単位：ピクセル）として計算される傾きでは、サブ・サンプリングの均一な分布が得られる。
【００７３】
次いで、２０２に示すように、画像の２次元区域（「スーパー・ピクセル」または分析窓とも呼ばれる）が選択される。スーパー・ピクセルはピクセルの集まりであり、これに対して、高さおよび／または厚さなどの垂直軸情報が得られる。スーパー・ピクセルのサイズは、例えば、ほぼ理論上の光スポットのサイズ、理論上の光スポットサイズの１０倍未満、画像のサイズの１０分の１未満、および／または任意の他のサイズであり得る。
【００７４】
単一のカメラを使用する複数波長の光学構成の場合、スーパー・ピクセル中のサブ・ピクセルの数は、組み合わされた干渉パターンから位相を確実に抽出する能力によって決定される。対象構造上のピクセルのサイズは、画像の光学倍率に依存する。スーパー・ピクセルのサイズ（ピクセルの数で測定される）は、使用される全ての波長の個々の位相が得られるように定められる。例えば、１次元内に３つの波長を配するためには、最低で２＊（波長の数）＋１＝７ピクセルが必要である。光スポットには対称性があるので、スーパー・ピクセルはこの場合、７×７ピクセルと定義され得る。２Ｄ配置構成を使用することが可能であり、この場合、５ｘ５のスーパー・ピクセルは最大４波長に対応でき、７ｘ７は最大６波長に対応できる、等である。スループットを大きくするためにより小さいスーパー・ピクセルを用いた処理を用いることができるが、これにより（位相を計算するために使用されるピクセルがより少ないため）位相正確度が下がる場合がある。
【００７５】
本発明のいくつかの実施形態による、対象構造の異なる特徴のｚ高さへの応答として予想される画像からの例示的なスーパー・ピクセルの図である、図３を参照する。波長は干渉し合わないため、カメラ中の画像は、カメラはこの構成では単色用であるので、３つの波長の各々の３つの画像の単純合計である。
【００７６】
任意選択的には、複数波長の光学構成の場合、異なる波長の介在する干渉パターン間の分離は、各波長の干渉パターンがスーパー・ピクセル内で実質的に整数個の異なる周期を有するように参照光角度を設計することによって、行うことができる。参照反射面１０９は、各波長に関してウエハに対する小さい角度を使用し、この角度は、スーパー・ピクセル中に完全な数の周期が存在するように選択され得る。周期の数は、第１の波長（λ１）では１つ、第２では２つ、等であり得る。角度は、ｄｓｉｎθ１＝λ１、ｄｓｉｎθ２＝λ２、等となるように選択され、ここでｄはスーパー・ピクセルのサイズである。この場合、スーパー・ピクセル中のピクセルの強度の単純なフーリエ解析によって、各波長の位相および波長あたりの変調の振幅を得ることができる。これを達成するための光学的な方法は、画像とは異なる別個の光学系による異なる方位角度からの参照光の投入によるものであり得る。
【００７７】
次いで、２０３に示すように、区域中の干渉パターンを分析して、パターンの位相を見つけ、対象構造の対応する区域の高さを推定する。
【００７８】
ｘ，ｙの添え字を付した、ｎ×ｍ個のピクセルから成るスーパー・ピクセルにわたる光照射野の強度は、以下：
【数１】
2020522716.tif 000003
のように表すことができ、ここで、
【数２】
2020522716.tif 000004
は物体画像の振幅および位相を表し、
【数３】
2020522716.tif 000005
は参照画像の振幅および位相を表す。物体画像の振幅および位相は、スーパー・ピクセルにわたって一定であると仮定される。このことは、光スポット以下のサイズのスーパー・ピクセルに関して、および／または、物体がこの領域において一定の高さを有する平坦な表面を有する場合に、概ね当てはまる。参照光の位相に関するｘ，ｙの依存性は、干渉線（すなわち物体画像と参照画像との間の角度）から生じる。
【００７９】
任意選択的には、ｎが干渉線の空間波長の整数倍であるとき、スーパー・ピクセルから位相を抽出するための演算は非常に単純である（単一周波数の位相しか必要とされないためＦＦＴは必要とされない）。
【００８０】
例えば、
【数４】
2020522716.tif 000006
ｘ＝０，１，・・・，（ｎ−１）であるとき、位相φは
【数５】
2020522716.tif 000007
を用いて見つけられる。θｘ，ｙの値は較正において決定することができ、例えば平坦な表面を物体が有する場合、ゼロ高さにあると定義される。
【００８１】
任意選択的には、ｎが干渉線の空間波長の整数倍でないとき、スーパー・ピクセル上の干渉線の位相および振幅を抽出するために、以下の反復手順に関する例を使用することができる。
１．較正を使用してθｘ，ｙおよびＢを決定する（θｘ，ｙは上記したように、Ｂはビーム・ストップなどの非反射性の物体を使用することによって、決定できる）。
２．Ａ２≒（Σｘ，ｙ（Ｉｘ，ｙ−Ｂ２））／（ｎｍ）を使用してＡを推定する
３．［Ａｃｏｓ（φ）］および［Ａｓｉｎ（φ）］で立てられた過制約なｎ＊ｍ線形方程式：
２Ｂｃｏｓ（θｘ，ｙ）［Ａｃｏｓ（φ）］＋２Ｂｓｉｎ（θｘ，ｙ）［Ａｓｉｎ（φ）］−（Ｉｘ，ｙ−Ａ２−Ｂ２）＝０
を、ムーア−ペンローズの係数行列の擬似逆行列を使用して解く。
４．この解からＡおよびφを抽出する。
５．必要に応じて、Ａの新しい推定値を用いてステップ３を繰り返し、次いでステップ４を繰り返す。Ａおよびφが収束するまで繰り返す。
【００８２】
任意選択的には、このアルゴリズムは、単一のカメラ上にいくつかの干渉画像が記録される場合に拡張することができる。これらの場合には干渉画像ごとに２つの変数が存在し、逆行列のノイズ増幅を最小化するように画像干渉線の（２Ｄ）空間周波数を選択することが有利である。
【００８３】
ここで、本発明のいくつかの実施形態による、単一の波長を用いて複数（この例では２つ）の干渉測定画像を撮影するためのホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である、図４を参照する。これらの画像の各々は、異なる主光線角度におよびしたがって異なる角度に分割された光線（または有効波長）に対応する位相情報を含み、複数の真の波長を用いる必要が無く、したがって拡張性のある複数波長の光源の必要性が無くなる。
【００８４】
この発想は、異なる画像に対して、（物体から反射される）集光される光の異なる主角度を選択するというものである。点のＺ高さに対する位相の依存度はこれらの角度に依存し、したがって、（Ｚに対する位相の依存度に関する）有効波長は、カメラ上での画像構築のために使用される集光される光の角度を選択することによって制御される。
【００８５】
任意選択的には、異なる有効波長を各々有する複数の画像を生成するために、一方または両方のアパーチャのシフト角度、位置、形状、ならびに／またはサイズは、動的に制御および／または変更される。任意選択的には、この構成はカメラを１つしか含まなくてもよく、この場合画像は、異なる時間に異なる有効波長で撮影され得る。
【００８６】
任意選択的には、複数の異なる画像を生成するために、光学系の焦点および／または倍率が変更および／または動的に制御される。これらの画像を組み合わせることによって、高さ特定または距離測定のダイナミック・レンジが広くなる。任意選択的には、アパーチャの変更、焦点、および／または倍率は、コンピュータによって制御される。
【００８７】
この例では、参照光経路および物体光経路は図１の例と同じ方式で結合されるが、撮像視野面におけるカメラの代わりに、レンズ４０１が、結像される視野面がレンズの焦点面にくるように設置されている。レンズ４０１は対物レンズのアパーチャ面をその焦点距離に等しい距離のところに結像させる。結像された対物レンズのアパーチャ面の近くに光線分配器（ｂｅａｍ  ｓｈａｒｅｒ）４０２が設置されており、これにより光線が２つの経路へと分割される。各経路内にアパーチャ４０３が設置される。各アパーチャ４０３は、光線の軸線から斜めにシフトされている（離れるように位置する）。光線軸線に対するアパーチャ４０３の正確な位置、形状、およびサイズにより、その経路で使用される光線の集光される角度範囲が制御される。物体を各カメラ４０５上に再結像させるために、各経路において再結像レンズ（ｒｅ−ｉｍａｇｅ  ｌｅｎｓ）４０４が使用され、このときアパーチャ４０３を通過して集光された角度範囲のみが使用される。
【００８８】
本発明のいくつかの実施形態によるアパーチャ面の概略図である、図５も参照する。円５０１は光線の対物受光円錐（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ  ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ  ｃｏｎｅ）を表す。円５０２はアパーチャの表面に対して垂直な光円錐、すなわち光線の軸線からシフトされていないアパーチャを表し、一方、円５０３は角度θの光線の円錐、すなわち光線の軸線からシフトされているアパーチャを表す。
【００８９】
本発明のいくつかの実施形態による、単一の波長を用いて複数の干渉測定画像を撮影するためのホログラフィ干渉計の代替の光学構成の概略図である、図６も参照する。レンズ６０１（レンズＤ）が、チューブ・レンズが作り出した共役視野面の手前からその焦点距離のところに設置されている。レンズ６０１は自体とその焦点との間の距離の半分まで視野面を移動させ、その焦点のところにアパーチャ面を作り出す。光線分配器（またはビーム・スプリッタ）によりアパーチャ面の手前で光線を分割し、ここで各カメラに対して使用する立体角が選択される。レンズ６０２（レンズＥ）はレンズ６０１の半分の焦点距離を有し、アパーチャ面がその焦点にくるように設置されており、このとき視野面はこの距離の２倍のところにあり、したがってレンズ６０２は、（その焦点距離の２倍の距離にある）カメラ上に視野面を再結像させる。
【００９０】
任意選択的には、図１に関して記載したように、図４および図６に記載する光学構成は、ミラーをダイクロイック・ビーム・スプリッタの組で置き換えることによって、単一のカメラを用いて複数の波長を使用するように改変することができる。
【００９１】
ここで、物体の反射表面がその高さをＺだけ変えるときの光照射および集光の２つの主光線角度の光経路差を比較する単純化した例である、図７を参照する。
【００９２】
第１の角度は表面に対して垂直であり、第２の角度は法線に対してθである。説明の都合上、初期表面位置に焦点があっており、両角度の測定される位相は初期状態ではゼロである。
【００９３】
第１の角度については、位相変化はφ１＝ｋＬ１＝ｋ＊２Ｚであり、ここで、ｋはラジアン／単位長さを単位とする波数である。第２については、位相変化はφ２＝ｋ（Ｌ２Ａ＋Ｌ２Ｂ）であり、ここで、Ｌ２Ａ＝Ｌ２Ｂｃｏｓ２θ、Ｌ２Ｂ＝Ｚ／ｃｏｓθであるので、φ２＝ｋＺ（１＋ｃｏｓ２θ）／ｃｏｓθ＝ｋ＊２Ｚ＊ｃｏｓθである。第２の場合における位相変化は法線角度の場合と同じであるが、ｋｃｏｓθの「有効波数」を有する。したがって、法線（第１の）角度に対応する有効波長がλであるとき、第２の入射角に対する有効波長はλ／ｃｏｓθである。
【００９４】
任意選択的には、アパーチャの位置および直径は、有効波数の融通性および／または較正を可能とするようにコンピュータから制御される。アパーチャは、円形の穴および／または任意の他の形状を含んでもよい。
【００９５】
任意選択的には、２つ以上の干渉画像を利用するために、追加のビーム・スプリッタおよび／または光線分配器が追加される。このことは、高さ測定のダイナミック・レンジを大きくするために有用である。
【００９６】
ここで、本発明のいくつかの実施形態による、参照部を有さないホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である、図８を参照する。この構成では、物体から集光された光の２つの角度の間に干渉が存在する。レンズ８０１がアパーチャ面を結像し、光線分配器８０２により光線がアパーチャ８０３に向けて分割される。再結像レンズ８０４の背後で、各々角度の異なる２つの光線が、カメラ８０５上で干渉し合う。
【００９７】
ここで、本発明のいくつかの実施形態によるアパーチャ面の概略図である、図９を参照する。大きな円は光線の対物受光円錐を表し、２つのより小さい円は、干渉し合う画像のために使用される角度の異なる光線の円錐を表す。
【００９８】
この場合の有効波数はｋ｜ｃｏｓ（θ１）−ｃｏｓ（θ２）｜であり、ここでθ１およびθ２は物体面における法線までの何らかの有効角度であり、ｋは単一波長の波数である。対応する有効波長は、λ／｜ｃｏｓ（θ１）−ｃｏｓ（θ２）｜である。
【００９９】
組み合わされた画像の空間的な不鮮明化を低減するために、２つの干渉する画像をカメラ上で正確に位置合わせするのが有利である。
【０１００】
任意選択的には、異なる有効波数を有する追加の干渉画像を生成するために、追加のビーム・スプリッタおよび／または光線シェアが追加される。ここで、本発明のいくつかの実施形態による、ビーム・スプリッタを利用して４つの異なる有効波数を達成するホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である、図１０を参照する。このスキームを使用して、高さ測定のダイナミック・レンジを４のべき乗で大きくすることができる。
【０１０１】
任意選択的には、物体照明は示されている系の外部にあってもよい。その場合でも、コヒーレンス長は２つの干渉し合う画像の間の光経路差よりも長くする必要があり、更に、角度の異なる集光同士の間でのコヒーレンスが必要である。
【０１０２】
任意選択的には、この光学系に分光フィルタが追加される。分光フィルタによりコヒーレンス長が延びるとともに、干渉線の不鮮明化が低減される。このフィルタの最適化は、用途および外部照明に依存する。
【０１０３】
ここで、本発明のいくつかの実施形態による、環境光を用いて拡散反射物体の外形を特定するためのホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である、図１１を参照する。
【０１０４】
拡散反射物体は、物体の表面に入射する光線が、ただ１つの角度ではなく多くの角度で散乱されるように光を反射する。このため、物体から反射した環境光の一部は特定の方向に反射され、対物レンズ１１０１によって集光される。レンズ１１０２は、光線を２つのを分割された光線へと分割するビーム・スプリッタ１１０３の背後に、２つの共役アパーチャ面を作り出す。分割された光線の各々は、異なる立体角が選択されるように、アパーチャ・ストップ１１０４のうちの一方によってフィルタリングされる。任意選択的には、２つの光線の光経路は等しい。共役視野面をカメラに中継するために、レンズ１１０５および１１０６が使用される。光線はビーム・スプリッタ１１０７によって組み合わされ、カメラ１１０８上である角度で干渉し合う。２つの光線の間の光経路差は、系の焦点面からの物体の距離に、ならびに、波長および光軸と物体との間の立体角に依存する。カメラ上の干渉パターンの位相を分析することによって、物体までの距離を計算することができ、物体の外形を特定することができる。
【０１０５】
任意選択的には、光学収差の効果を補正するために較正を用いてもよい。較正されるパラメータとしては、例えば、焦点面位置、および／またはカメラ上の視野位置あたりのＺ−位相依存度を挙げることができる。
【０１０６】
任意選択的には、集光された光のコヒーレンスを高めるために分光フィルタが使用され、この結果、カメラ上の２つの画像が経路差のより大きな範囲にわたって干渉線が生じ得るようになっている。
【０１０７】
任意選択的には、系の焦点面を制御するために、１つまたは複数の光学構成要素が、変更および／または動的に制御（例えば移動、傾斜、および／または任意の方法で変更）される。このことは、広い光学スペクトル帯域幅が必要である（したがってコヒーレンス長が短い）ときに、または、（経路差がコヒーレンス長よりも大きい場合のある）大きなＺ範囲を取り扱うために、有利であり得る。任意選択的には、光学構成要素の変更は、コンピュータによって制御される。
【０１０８】
場合によっては、物体の表面が拡散反射性を有する場合、干渉線のコントラストが低下し得る、および／または、表面高さと干渉線位相との間の関係は表面の散乱特性に依存し得る。
【０１０９】
ここで、本発明のいくつかの実施形態による、偏光を用いて拡散反射物体の外形を特定するためのホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である、図１２を参照する。
【０１１０】
物体表面は、異なる偏光を各々有する２つの異なる角度範囲で照射される。任意選択的には、２つの偏光は直交する。反射された２つの偏光は、構成の光集光部において分離され、アパーチャによって、（その偏光にとっての）正反射に対応する角度範囲が通されるように、各々フィルタリングされる。したがってこの構成により、正反射性の、一部拡散反射性の、または高拡散反射性の表面に対応することができる。
【０１１１】
レンズ１２０１および１２０２により、光源が偏光ビーム・スプリッタ１２０３の背後の共役アパーチャ面に結像される。直線偏光子１２０４はフィギュア面（ｆｉｇｕｒｅ  ｐｌａｎｅ）に対して４５度で配向されており、偏光同士の間のコヒーレンスを確保する。各アパーチャ面において、分割された２つの光線は、アパーチャ１２０５および１２０６の各々によって、異なる立体角が選択されるようにフィルタリングされる。これらの光線は偏光ビーム・スプリッタ１２０７によって組み合わされて、続いて物体を照射する。集光されると、２つの偏光は偏光ビーム・スプリッタ１２０８によって分離される。分割された光線の各々は、共役アパーチャ面においてアパーチャ１２０９および１２１０の一方により、異なる立体角が選択されるようにフィルタリングされる。光線のうちの一方の偏光が半波長（λ／２）波長板１２１１によって回転され、このとき他方は窓１２１２を通過し、この結果２つの光線は、ビーム・スプリッタ１２１３によって組み合わされた後で、カメラ１２１４上で干渉し合う。
【０１１２】
任意選択的には、光学構成の集光部における２つの偏光経路の角度範囲は、同一である。このことは、正反射光の角度を変える湾曲した表面上で有利であり得る。このことはまた、光学点像分布関数領域内の高さの差の大きい拡散反射表面および焦点のずれた表面上でも有利であり得るが、その理由はこのことにより、干渉し合う光線の両方が、撮像された表面に焦点が合っていないときでさえも、本質的に同じ物体領域をカメラの視野点上に結像することが保証されるからである。この場合、有効波長は、光の波長と照射部における角度範囲選択とによって決定される。任意選択的には、特定の用途にとって有利になるように、角度範囲選択の任意の他の構成を用いてもよい。
【０１１３】
任意選択的には、高さ測定のダイナミック・レンジは、１つまたは複数の波長を追加することによって大きくなる。追加の波長の干渉線は、別個のカメラで撮像されてもよく、または、１つのカメラ上で２つ以上の干渉パターンに組み合わされてもよい。
【０１１４】
任意選択的には、この構成は、特定の用途に対して系の設計を最適化するために、既出の構成スキームと組み合わされる。
【０１１５】
ここで、本発明のいくつかの実施形態による、偏光を用いて遠方にある拡散反射物体の外形を特定するためのホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である、図１３を参照する。照射は、２つの偏光に対して異なる照射角度範囲を利用する。任意選択的には、光学構成の光集光部における２つの偏光経路の角度範囲は、同一である。
【０１１６】
参照部を有さない上記した光学的スキームは、角度範囲のフィルタ処理に基づいている。望まれない角度をフィルタリングして除去する代わりに、照射が最初から必要な角度しか含んでいない、同様の光学的スキームを設計することもまた可能である。
【０１１７】
ここで、本発明のいくつかの実施形態による、角度の異なる光線によって照射される物体の外形を特定するためのホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である、図１４を参照する。光源は例えば、レーザ源からの光を通すファイバまたはファイバ束であってもよい。
【０１１８】
光学系により、光源光線が分割され光線間の変位が制御されると同時に、必要であれば、光線間の経路差を本質的にゼロに保つことが可能になる。（アパーチャ面における）光軸からの両光線の変位の制御によって、Ｚダイナミック・レンジならびにカメラ上の干渉線密度および角度の、両方を制御することが可能である。
【０１１９】
ビーム・スプリッタ１４０１は光を２つの光線に分割し、ビーム・スプリッタ１４０２はそれらを再び組み合わせる。ミラー１４０３は、元の光軸からの１つの光線の距離を変化させるように（矢印で示す軸線に沿って）変位される。このことにより、物体に対する光線の入射角が作り出される。光軸からの一方の光線の異なる変位は、物体に対する異なる照射入射角へと転換される。プリズム１４０４の変位により、光線同士の間の経路長差が任意選択的に補償される。
【０１２０】
ここで、本発明のいくつかの実施形態による、図１４のホログラフィ干渉計のアパーチャ面の例示的な照射パターン構成の概略図である、図１５を参照する。
【０１２１】
干渉線の位相のＺへの依存度φはφ＝ｋ＊２Ｚ＊（ｃｏｓθ１−ｃｏｓθ２）によって与えられ、ここでｋは角波数であり、θ１およびθ２は光軸に対する照射角度である。カメラ上の干渉線の密度はｋ｜ｓｉｎθ１−ｓｉｎθ２｜／Ｍによって与えられ、ここでＭは光学倍率である。
【０１２２】
いくつかの用途では、物体から反射した光の振幅を測定することが有利であり得る。このことは、例えば、物体が反射表面を覆う透過層から成る場合に当てはまり得る。この場合、透過層により反射光の位相が変化し、このため、反射表面のＺおよび／または透過層頂面のＺの個別の測定が困難な場合がある。
【０１２３】
ここで、本発明のいくつかの実施形態による、２つの光線間の位相差の依存度および２つの反射光線強度のシミュレーション例を示すグラフである、図１６を参照する。
【０１２４】
反射光の強度の測定により透過層の厚さについての情報を得ることができ、またこの測定を用いて、透過層頂部の適正なＺを計算できるように位相を「補正」することができる。測定された「ＤＣ」およびカメラ上の干渉線の変調強度から、以下を用いて光線強度を導くことが可能である：
【数６】
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ここで、ＨおよびＬの下付き文字は、高いおよび低い振幅を示す。これ以上知見が無ければ、振幅と照射角度との間の対応関係（すなわちどの振幅がどの角度に属するかの認識）が、曖昧なものとなり得る。
【０１２５】
この曖昧さは偏光によって解消され得る。ここで、本発明のいくつかの実施形態による、角度の異なる偏光光線によって照射される物体の外形を特定するためのホログラフィ干渉計の光学構成の概略図である、図１７を参照する。直線偏光光源からの光がλ／２波長板１７０１を通過し、偏光ビーム・スプリッタ１７０２によって分割される。角度が変化した後で、光線は偏光ビーム・スプリッタ１７０３によって組み合わされる。２つの照射光線は、任意選択的に直交する、異なる偏光を有する。図１７のホログラフィ干渉計は例として直線偏光を使用するが、他の偏光を使用してもよい。物体から反射した組み合わされた光線は、ビーム・スプリッタ１７０６によって２つのカメラ１７０４および１７０５へと分割される。直線偏光子１７０７および１７０８は各々、光線偏光方向に対して異なる角度を成すその軸線を有する。２つのカメラに対して２つの異なる偏光子軸角度を使用することにより、どの振幅がどの偏光に（したがってどの照射角度に）対応するかを識別することが可能である。
【０１２６】
ここで、本発明のいくつかの実施形態による、角度の異なる偏光光線によって照射される物体の外形を特定するためのホログラフィ干渉計の別の光学構成の概略図である、図１８を参照する。この構成では、干渉線の密度を照射角度から独立して操作し、カメラに対する２つの光線の相対入射角を制御することが可能である。このことは、光学構成の集光部に設置される、偏光ビーム・スプリッタ、プリズム、およびミラーの第２の組によって可能となり、またこのことより、２つの偏光の集光角度の、照射角度から独立した制御が可能になる。
【０１２７】
本発明の様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示されてきたが、網羅的であることも、開示される実施形態に限定されることも意図していない。当業者には記載される実施形態の範囲および趣旨から逸脱することなく多くの修正および変更が明らかであろう。本明細書で用いられる専門用語は、実施形態の原理、実際の用途、もしくは市場で見られる技術に対する技術的な改善を最もよく説明するように、または、他の当業者が本明細書において開示される実施形態を理解できるように、選択された。
【０１２８】
本出願の最終的な形態である特許の有効期間中に、関連する多くの干渉計が開発されることが予想されるが、干渉計という用語の範囲には、そのような新しい技術の全てが先験的に含まれることが意図される。
【０１２９】
「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有している」という用語、およびこれらの活用形は、「含んでいるが限定はされない」ことを意味する。この用語は、「から成る」および「から本質的に成る」という用語を包含する。
【０１３０】
「から本質的に成る」という句は、組成または方法が追加の原料および／またはステップを含み得るが、ただしその追加の原料および／またはステップが、特許請求される組成または方法の基本的かつ新規な特徴を実質的に変えない場合に限られることを意味する。
【０１３１】
本明細書で使用する場合、単数形の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、そうではないと文脈が明白に規定しない限りは、複数の言及対象を含む。例えば、「１つの化合物」または「少なくとも１つの化合物」という用語は、これらの混合物を含め、複数の化合物を含み得る。
【０１３２】
「例示的な」という語は、本明細書では、「例、事例、または例示としての役割を果たす」ことを意味するように使用される。「例示的」であるとして記載されるどのような実施形態も、必ずしも他の実施形態よりも好ましいかもしくは有利なものとして解釈されるものではなく、かつ／または、他の実施形態からの特徴の組み込みを除外するものではない。
【０１３３】
「任意選択的に」という語は、本明細書では、「ある実施形態では提供されるが他の実施形態では提供されない」ことを意味するように使用される。本発明のいずれの特定の実施形態も、複数の「任意選択的な」特徴を、そのような特徴が対立しない限り含み得る。
【０１３４】
本出願の全体にわたって、本発明の様々な実施形態が、範囲フォーマットで提示される場合がある。範囲フォーマットでの記載は、単に便利さおよび簡潔さのためであり、本発明の範囲に対する融通の利かない限定として解釈されるべきではないことが、理解されるべきである。したがって、範囲の記載は、全ての可能な下位範囲ならびにその範囲内の個々の数値を具体的に開示しているものと見なされるべきである。例えば、１から６までのような範囲の記載は、１から３まで、１から４まで、１から５まで、２から４まで、２から６まで、３から６まで、等のような下位範囲、ならびに、その範囲内の個々の数、例えば１、２、３、４、５、および６を、具体的に開示しているものと見なされるべきである。このことは範囲の幅に関係なく適用される。
【０１３５】
本明細書において数の範囲が示される場合はいつでも、示された範囲内の任意の引用された数（分数または整数）を含むことを意図している。第１の示された数と第２の示された数との「間の範囲の／範囲である」という句、および第１の示された数「から」第２の示された数「までの範囲の／範囲である」という句は、本明細書では互いに交換可能に使用され、第１および第２の示された数ならびにこれらの間の全ての分数および整数を含むことを意図している。
【０１３６】
明瞭さのために別個の実施形態の文脈で記載される本発明の特定の特徴を、単一の実施形態において組み合わせて提供してもよいことが諒解される。逆に、簡潔にするために単一の実施形態の文脈で記載される本発明の様々な特徴を、個別に、または任意の好適な下位組合せで、または本発明の任意の他の記載される実施形態において好適であるように、提供してもよい。様々な実施形態の文脈で記載される特定の特徴は、これらの要素がなければその実施形態が機能しないのでない限りは、これらの実施形態の必須の特徴と見なされるべきではない。
【０１３７】
本発明についてその具体的な実施形態と併せて記載してきたが、多くの代替形態、修正形態、および変形形態が当業者には明らかであることは明白である。したがって、付属の特許請求の範囲の趣旨および広い範囲の中にある、全てのそのような代替形態、修正形態、および変形形態を包含することが意図されている。
【０１３８】
本明細書において言及した全ての刊行物、特許、および特許出願は、個々の刊行物、特許、または特許出願が参照により本明細書に組み込まれることが具体的にかつ個々に示されていた場合と同じ程度まで、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。加えて、本出願における任意の参考文献の引用または特定は、そのような参考文献が本発明に対する先行技術として利用可能であることを認めるものとして解釈されるものではない。項目見出しが使用される限りにおいて、これらは必ずしも限定的であると解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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