JP2015148614A - 構造化照明顕微鏡法での画像シーケンス及び評価方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】構造化照明顕微鏡法で複数の空間位置の高さを特定する方法及び装置を提供する。
【解決手段】光ビームが表面に投射され、光軸に直交する正弦波空間パターンを有し、空間パターンは異なる空間パターン位置に移動する。表面は、異なる走査位置において前記光軸に沿って走査される。続く空間パターン位置間の移動距離と、続く走査位置間の走査距離との間に一定の関係が存在する。表面によって反射される光は、走査位置において検出され、空間パターンは対応する空間パターン位置を有する。表面の空間位置毎に検出される光から、走査位置に対応する強度値の包絡曲線が特定される。表面の空間位置の高さを表す、包絡曲線の最大値及びそれに対応する走査位置が選択される。空間パターンは、１／４パターン波長距離及び１／ｎパターン波長距離のそれぞれにわたり、第１の空間方向及び第２の空間方向において一連の２ｎステップ（ｎ＞２）で移動する。
【選択図】図１

Description

分野
本発明は、顕微鏡システムの分野に関し、より詳細には、構造化照明顕微鏡法の方法及びシステムに関する。特に、本発明は、試料の３Ｄ高さマップを提供する改善された方法及びシステムに関する。

本発明の背景
欧州特許出願公開第２ ３２７ ９５６ Ａ１号は、三次元構造の個々の特徴の範囲（距離）の特定に使用される光学センサを開示している。センサは、試料を照明する空間変調周期パターン光源を有する。検出素子のアレイを使用して、投射パターンの画像を検出する。試料が合焦位置を通して移動する間、パターンは、周期パターンが周期性を有する方向に平行する、光学センサの光軸に直交する方向において空間周期光パターンを移動させるとき、少なくとも３つの空間変調位相で変化する。検出器の出力信号の分析は、検出器の空間位置毎に、走査中に検出される信号の振幅を特定することと、振幅が最大値を有する走査位置を特定することとを含む。

米国特許出願公開第２０１０／０１３５５４７ Ａ１号は、構造化照明を用いるオプティカルセクショニング顕微鏡法のシステム及び方法を開示している。光源が、複数の位相の各位相でサンプルを連続して照明する空間パターンを有する光ビームを生成する。複数の方向での正弦波パターンが使用される。パターンは、単一のＺ位置においてｘ方向及びｙ方向の両方で移動され、この特許は、軸方向にセクショニングされた画像を取得する評価方法を与える。

米国特許出願公開第２０１２／０１４２４３号は、測定対象物の三次元画像を形成する方法に関する。この方法は、撮像光学系の最良合焦表面に光を向けることを含み、光は、最良合焦表面において少なくとも一方向で強度変調を有する。測定対象物は撮像光学系に対して相対的に走査され、測定対象物の被走査により、測定対象物の表面が撮像光学系の最良合焦表面を通過する。走査中の測定対象物の一連の位置の各位置で、測定対象物の単一の画像が、撮像光学系を使用して取得される。最良合焦表面での光の強度変調は、連続画像で異なる。測定対象物の三次元画像が、取得画像に基づいて形成される。画像のシーケンス及び評価は開示されていない。

従来技術では、良好なＺ解像度を有するとともに、近傍点が異なる高さ及び反射率を有し得、局所傾斜が存在し得る表面構造から高度に独立した、試料の３Ｄ高さマップを作成する解決策は提供されていない。

本発明の概要
試料の改善された３Ｄ高さマップを作成する方法及び装置を提供することが望ましい。良好なＺ解像度を有する、試料の３Ｄ高さマップを作成する方法及び装置を提供することも望ましい。表面構造から大方独立して、試料の３Ｄ高さマップを作成する方法及び装置を提供することが更に望ましい。

これらの懸案事項のうちの１つ又は複数によりよく対処するために、本発明の第１の態様では、試料の表面上での複数の空間位置の高さを特定する方法が提供される。この方法は、
試料の表面上での複数の空間位置の高さを特定する方法であって、
光軸に直交する少なくとも２つの方向において周期性を有する空間パターンを有した光ビームを表面に投射するステップと、
空間パターンを異なる空間パターン位置に移動させるステップと、
異なる走査位置において光軸に沿って表面を走査するステップと、
走査位置において表面によって反射された光を検出するステップと、
表面の空間位置毎に検出される光から、走査位置に対応する強度値の包絡曲線を特定するステップと、
表面の空間位置の高さを表す包絡曲線の最大値及びそれに対応する走査位置を選択するステップと
を含み、
走査するステップは、空間パターン位置間の移動距離と、走査位置間の走査距離との間に一定の関係を有するように表面を走査し、
検出するステップは、走査位置に対応した空間パターン位置に応じた空間パターンを有する光を検出し、
空間パターンは、少なくとも２つの方向においてパターン波長を有する正弦波パターンであり、
移動させるステップは、開始空間パターン位置及び次の空間パターン位置に関して、
（ａ）１／４パターン波長という第１の移動距離だけ、空間パターンを開始空間パターン位置に対して第１の空間方向に相対的に移動させ、
（ｂ）１／ｎパターン波長という第２の移動距離だけ、空間パターンを開始空間パターン位置に対して第２の空間方向に相対的に移動させて、次の空間パターン位置に移動させ、
（ｃ）この次の空間パターン位置を開始空間パターン位置とすること
をｎ回繰り返すことによって、空間パターンを一連の２ｎステップ（ｎ＞２）で移動させる。

正弦波空間パターンでは、光強度は、少なくとも２つのレベルで丸められ、デジタル化され得る。パターンはデジタル化ピクセルを含み得、各パターンには、少なくとも２つのピクセルでの波長が含まれる。

この方法により、良好なＺ解像度を有するとともに、表面構造から独立した試料の３Ｄ高さマップの作成が可能である。コントラスト包絡曲線は、異なる高さ及び反射率を有する近傍点や局所傾斜の影響を受けにくく、試料へのパターン化光ビームの投射及び／又は試料によって反射される光の検出において、使用される顕微鏡対物レンズの収差の影響も受けにくいように見える。

ステップ（ａ）及び（ｂ）の順序を逆にし得ることに留意する。第１の空間方向が第２の空間方向と異なることに更に留意する。特に、第１の空間方向は、第２の空間方向に対して傾斜する（ゼロ度とは異なる）。

方法の一実施形態では、上記少なくとも２つの方向のそれぞれにおけるパターン波長は等しい。そのような等しいパターン波長を用いることで、試料の方向性構造からの影響が制限される。

方法の一実施形態では、空間パターンは２つの直交する正弦波パターンを含み、ｋ個の走査位置の場合、空間パターンの点（ｘ，ｙ）の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、
として定義され、式中、
ｉ＝１，１，２，２，．．．，ｎ，ｎ
ｊ＝０，１，０，１，．．．
ｋ＝２ｉ＋ｊ−１
である。

方法の別の実施形態では、空間パターンは、互いに１２０°に向けられた３つの正弦波パターンを含み、ｋ個の走査位置の場合、空間パターンの点（ｘ，ｙ）の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、
として定義され、式中、
ｉ＝１，１，２，２，．．．，ｎ，ｎ
ｊ＝０，１，０，１，．．．
ｋ＝２ｉ＋ｊ−１
である。

方法の一実施形態では、連続する２つの空間パターン位置間を移動する時間期間及び連続する２つの走査位置間を移動する時間期間は等しい。したがって、空間パターン位置に達するときは常に、同時に走査位置に達することができ、それにより、表面の各空間位置で光検出器によって検出される光の強度値は、対応する走査位置でも取得されることになり、それにより、取得時間が最小化される。

方法の一実施形態では、走査移動は連続移動、特に均等な移動（例えば、等速移動、等間隔移動等）である。ある走査位置から更なる走査位置に移動する、連続した、好ましくは均等な走査移動中、空間パターンの位相は、第１の空間方向と第２の空間方向において交互に変わり、それにより、あらゆる走査位置において、所定位相の空間パターンが設定され、試料の表面によって反射される光が検出される。連続し、好ましくは均等な走査移動は、短いデータ取得時間を提供する。

方法の一実施形態では、包絡曲線の最大値を選択するステップは、包絡線の重心を計算することを含む。

方法の一実施形態では、光ビームは、光パルスが移動する空間パターンの位相と同期されるストローブ光ビームである。

感度の増大を提供する方法の一実施形態では、表面の各空間位置で検出される光から特定される各強度値は、光強度が検出されたときに発せられた、空間パターン上の対応する空間位置の光強度に基づいて、加重係数で乗算される。

方法の一実施形態では、局所コントラストが、波長の半分だけ、又は波長の半分に波長の倍数を足したものだけ隔てられた空間位置での強度値の差に基づいて計算される。各空間位置及び走査位置のこれらの局所コントラスト値から、強度値から包絡曲線を特定する方法と同一の方法を用いて、包絡曲線が特定される。

本発明の第２の態様では、特に本発明による方法を実行するための、試料の表面上での複数の空間位置の高さを特定する装置が提供される。この装置は、
光軸に直交する少なくとも２つの方向において周期性を有する空間パターンを有した光ビームを表面に投射するように構成される光ビームプロジェクタと、
異なる走査位置において光軸に沿って表面を走査するように構成されるスキャナと、
走査位置において表面によって反射された光を検出するように構成される光検出器と、
表面の空間位置毎に光検出器によって検出される光から、走査位置に対応する強度値の包絡曲線を特定し、包絡曲線の最大値及びそれに対応する走査位置を選択し、表面の空間位置の高さを計算するように構成される処理ユニットと
を含み、
光ビームプロジェクタは、表面に投射する光ビームの空間パターンを異なる空間パターン位置に移動させ、
スキャナは、空間パターン位置間の移動距離と、走査位置間の走査距離との間に一定の関係を有するように表面を走査し、
光検出器は、走査位置に対応した空間パターン位置に応じた空間パターンを有する光を検出し、
空間パターンは、少なくとも２つの方向においてパターン波長を有する正弦波パターンであり、
光ビームプロジェクタは、開始空間パターン位置及び次の空間パターン位置に関して、
（ａ）１／４パターン波長という第１の移動距離だけ、空間パターンを開始空間パターン位置に対して第１の空間方向に相対的に移動させ、
（ｂ）１／ｎパターン波長という第２の移動距離だけ、空間パターンを開始空間パターン位置に対して第２の空間方向に相対的に移動させて、次の空間パターン位置に移動させ、
（ｃ）この次の空間パターン位置を開始空間パターン位置とすること
をｎ回繰り返すことによって、空間パターンを一連の２ｎステップ（ｎ＞２）で移動させる。

本発明のこれら及び他の態様が、以下の詳細な説明を参照し、同様の参照符号が同様の部分を示す添付図面と併せて考慮されることにより、よりよく理解されるため、より容易に理解されるだろう。

図面の簡単な説明
本発明による装置の一実施形態を概略的に示す。 本発明による方法の流れ図を示す。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの一実施形態を示す。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの一連の強度分布である。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの一連の強度分布である。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの一連の強度分布である。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの一連の強度分布である。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの一連の強度分布である。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの一連の強度分布である。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの一連の強度分布である。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの一連の強度分布である。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの別の強度分布シーケンスである。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの別の強度分布シーケンスである。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの別の強度分布シーケンスである。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの別の強度分布シーケンスである。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの別の強度分布シーケンスである。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの別の強度分布シーケンスである。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの別の強度分布シーケンスである。 本発明による方法及び装置の一実施形態で使用される二次元照明パターンの別の強度分布シーケンスである。 単一のピクセルの光検出器によって生成される測定強度信号を示す。 図６ａによる測定強度信号からそれぞれ計算される包絡関数／包絡曲線を示す。 単一のピクセルの光検出器によって生成される測定強度信号を示す。 図６ｂによる測定強度信号からそれぞれ計算される包絡関数／包絡曲線を示す。 本発明による装置の更なる実施形態を概略的に示す。

実施形態の詳細な説明
図１は、試料８の三次元３Ｄ高さマップを形成する装置１を示す。装置１は、光ビーム３を生成するように構築され構成される光源２を含む。光ビーム３の経路に、空間光変調器４、レンズ５、及びビームスプリッタ６が配置される。装置１は、光ビーム３を受け取り、伝導するように構成される対物レンズ７と、上面９の高さマップを特定すべき試料８を担持する支持体２０とを更に含む。装置１には、第２のレンズ１０と、受光した光ビーム３の入射光の強度を信号に変換するようにそれぞれ構成される光検出素子のアレイを含む二次元光検出器１１（カメラ等）とが更に設けられる。信号は処理ユニット１２に送信され、処理ユニット１２は、好ましくは、装置１を制御するとともに、信号データを処理して、上記高さマップを提供するようにプログラムされるコンピュータ又はコンピュータシステムによって形成される。対物レンズ７は、図１に示されるように、＋又は−Ｚ方向に試料８を走査するように構成し得る。これに追加又は代替として、試料８は、＋又は−Ｚ方向に試料８を移動させることによっても走査し得る。後者の移動は、支持体２０を移動させることによって実行し得る。また、これに追加又は代替として、光源２、空間変調器４、レンズ５、ビームスプリッタ６、対物レンズ７、第２のレンズ１０、及び光検出器１１を含む顕微鏡組立体をまとめて、試料８及びその支持体２０に対して相対的に移動させることで、異なる走査位置を含む走査機能を得ることができる。

空間光変調器４は、光ビーム３の光軸に直交する相互に異なる単一の方向に移動可能な、パターンが変化しないグレーティングを含み、移動空間パターンを有する光ビーム３を生成することができる。空間光変調器４の代わりに、ストリップアレイ、走査ミラー装置、レーザ走査プロジェクタ等を有するデジタルマイクロミラー装置、ＤＭＤ、反射型又は透過型液晶装置、ＬＣＤ、液晶オンシリコン、ＬＣｏＳ、デバイス、発光デバイス、ＬＥＤにおいて実施されるような、利用可能なマイクロディスクプレイ技術を使用し得る。

所望の周期性空間パターンを得るために、幾つかの実施形態では、異なる一次元正弦パターンが連続して投射され、ハードウェア又はソフトウェアによって結合され、本明細書において評価が特定される同じ多次元パターンを効率的に与える。

光源２によって生成される光ビーム３は、空間光変調器４を経て、レンズ５を通って進行してビームスプリッタ６に達し、ビームスプリッタ６は光ビーム３を対物レンズ７に向け、次に、対物レンズ７は光ビーム３を試料８の表面９に向ける。試料８によって反射される光ビーム３は、対物レンズ７、ビームスプリッタ６、及び第２のレンズ１０を通って移動し、光検出器１１に入射する。

図２は、試料の３Ｄ高さマップを特定する方法を示す流れ図を示す。

ステップ２００において、光ビームは試料の表面に投射される。光ビーム３は、光ビーム３の光軸に直交する少なくとも２つの方向において周期性を有する空間パターンを有する。

ステップ２１０において、空間パターンは、後述するように、ある空間パターン位置から異なる空間パターン位置に移動する。

ステップ２２０において、試料８の表面は、ある走査位置から次の走査位置に光軸に沿って走査される。ステップ２２０は、ステップ２１０と略連続して、重複して、又は同時に実行し得る。以降の空間パターン位置間の移動距離と、以降の走査位置間の走査距離との間には、一定の関係がある。

ステップ２３０において、対応する空間パターン位置を有する走査位置において、試料の表面によって反射された光が検出される。この検出により、光ビーム３の空間パターンによって変調される、試料８の表面９上の位置での光強度データが生成される。強度データは、評価のために記憶される。

ステップ２４０において、異なる空間パターン位置及び対応する走査位置に対して、ステップ２００〜２３０を繰り返すべきか否かが判断される。「はい」で示されるように、繰り返すべき場合、フローはステップ２００に続く。「いいえ」で示されるように、繰り返すべきではない場合、フローはステップ２５０に続く。繰り返しの判断は、以降の走査位置間の走査距離を考慮に入れて、試料８の合計（予期）高さ範囲に基づいて行われる。

ステップ２５０において、全ての走査位置での強度データを収集すると、走査位置に対応する強度値の包絡曲線が、表面９の各空間位置で検出された光から求められる。

ステップ２６０において、表面９の空間位置の高さを表す包絡曲線の最大値及びそれに対応する走査位置が、特定される。

空間光変調器４は、複数の方向において周期性を有する空間パターンを生成するか、又は幾つかの単方向パターンからそのようなパターンを構成するように構成される。空間パターンは、上記少なくとも２つの方向においてパターン波長を有する正弦波パターンである（ステップ２００参照）。

ステップ２１０に付け加えて、空間パターンは２ｎステップ（ｎ＞２）のシーケンスで移動する。空間パターンは、開始空間パターン位置及び次の空間パターン位置に関わる以下のステップ（ａ）〜（ｃ）、すなわち、
（ａ）１／４パターン波長という第１の移動距離だけ、第１の空間方向に空間パターンを開始空間パターン位置に対して相対的に移動させるステップと、
（ｂ）１／ｎパターン波長という第２の移動距離だけ、第２の空間方向に空間パターンを開始空間パターン位置に対して相対的に移動させて、次の空間パターン位置に移動させるステップと、
（ｃ）この次の空間パターン位置を開始空間パターン位置とするステップと、
をｎ回繰り返すことによって移動する。

そのような空間パターンを単一方向にだけ移動させる場合、空間パターンを第１の空間方向に移動させると、空間パターンの一定位相に起因する、最小コントラスト線が出現する。この欠点に対処するために、空間パターンは、上記単一方向（第２の空間方向）での各ステップ後に、第１の空間方向においてその波長の１／４（λ／４）だけ移動する。あるいは、空間パターンは、上記単一方向での各ステップ前に、第１の空間方向においてその波長の１／４だけ移動することができる。これにより、合計で２ｎステップ後に空間パターンが繰り返されることになる。空間パターンのこの移動中、空間パターンが投射される試料８は、Ｚ方向において、好ましくは単調に移動する。画像が、空間パターンの各ステップにおいて画像検出器１１によって撮影され、それと併せて、試料８の対応するＺ位置が記録される。

以下において、空間光変調器４でのＸ、Ｙ位置は（ｘ，ｙ）で示され、試料８での対応する投射位置は（ｘ’，ｙ’）で示され、画像検出器での対応する投射画像の座標は（ｘ’’，ｙ’’）で示される。

第１の例として、空間パターンは、正弦波の市松模様として説明することができる２つの直交する正弦波パターンを含み得る。第２の例として、空間パターンは、互いに１２０°で投射される３つの正弦パターンを含み得る。

そのような正弦パターンでは、光強度は、少なくとも２つのレベルで丸められ、デジタル化することができる。

空間パターンを正弦波の市松模様として説明することができる２つの直交する正弦波パターンを含む第１の例によれば、例えば、光源２と空間光変調器４との組み合わせ等のデジタル照明装置のピクセルの位置を表す、Ｘ、Ｙ直交座標系での周期パターンの強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、以下の式（１）で表現されるように書くことができる。
式中、λは、ｘ方向及びｙ方向で同じものとして測定される波長である。すなわち、λは、ｘ及びｙの単位でパターンが繰り返される周期である。強度Ｉ（ｘ，ｙ）は０〜１でスケーリングし得るが、任意の係数で乗算することができる。一例として、Ｉ（ｘ，ｙ）は２５５で乗算することができ、そしてあらゆる値を最近傍の整数値に丸めて、８ビット２進数で強度を表すことができる。

式（１）によるパターンは、市松模様のパターンの正弦波版としてみなすことができる。一例として、１〜３６０の範囲のｘ、ｙを有するとともに、７２ｘ、ｙ単位の波長λを有するパターンを図３に与える。

２ｎステップ（ｎ＞２）の周期シーケンスは、式（２）に従って定義することができる。
式中、
ｉ＝１，１，２，２，．．．，ｎ，ｎ
ｊ＝０，１，０，１，０，．．．
である。

ｎ＝４及び投射数ｋ＝２ｉ＋ｊ−１の場合、画像検出器１１に投射されるｋ個の画像のシーケンスでは、表１に示されるように、以下の値のｉ及びｊが上記に従ってとられる。

一例として、図４ａ〜図４ｈは、８ステップシーケンス（ｎ＝４）及び１６×１６グリッド上のピクセル８個の波長λの場合の強度分布を示す。図４ａ〜図４ｈの場合、それぞれｋ＝１〜８であり、８個の異なる走査位置がある。図４ａ〜図４ｈに示されるｋ＝１〜８の空間パターンのシーケンスを繰り返すことで、更なる走査位置をとり得る。

この例では、シーケンスｋ＝１−３−５−７（図４ａ、図４ｃ、図４ｅ、図４ｇのそれぞれ）は、ステップπ／２でのＸ方向での位相シフトを表す。シーケンスｋ＝２−４−６−８（図４ｂ、図４ｄ、図４ｆ、図４ｈのそれぞれ）も、ステップπ／２でのＸ方向での位相シフトを表す。シーケンスｋ＝１−３−５−７が最小コントラストを提供するＹ位置（ｙ＝２、６、１０、１４）では、シーケンスｋ＝２−４−６−８はコントラストが最大になり、一方、シーケンスｋ＝１−３−５−７が最大コントラストを提供するＹ位置（ｙ＝４、８、１２、１６）では、シーケンスｋ＝２−４−６−８はコントラストが最小になる。

さらに、シーケンスｋ＝１−２−５−６は、ステップπ／２でのＹ方向での位相シフトを表す。シーケンスｋ＝３−４−７−８は、シーケンスｋ＝１−２−５−６が最小コントラストを提供するＸ位置（ｘ＝４、８、１２、１６）で最大コントラストを提供し、一方、シーケンスｋ＝３−４−７−８は、シーケンスｋ＝１−２−５−６のコントラストが最大コントラストを提供するＸ位置（ｘ＝２、６、１０、１４）で最小コントラストを提供する。

対称軸の数を更に増大することが有利であり得る。これは、１２０°以下に向けられた３つの正弦パターンを追加することによって行うことができる。第２の例によれば、空間パターンは、互いに対して１２０°に投射される３つの正弦パターンを含む。

次に、２ｎステップ（ｎ＞２）の周期シーケンスは、式（２ａ）に従って定義することができる。
式中、
ｉ＝１，１，２，２，．．．，ｎ，ｎ
ｊ＝０，１，０，１，０，．．．
である。

パターンは投射されるため、式（２ａ）によって与えられる強度値は、例えば０〜１の間で、又は８ビット尺度で０〜２５５の間で正規化することができる。

ｎ＝４及び投射数ｋ＝２ｉ＋ｊ−１の場合、画像検出器１１に投射されるｋ個の画像のシーケンスでは、表２に示されるように、以下の値のｉ及びｊが上記に従ってとられる。

一例として、図５ａ〜図５ｈは、８ステップシーケンス（ｎ＝４）及びピクセル８個の波長λの場合の強度分布を示す。図５ａ〜図５ｈの場合、それぞれｋ＝１〜８であり、８個の異なる走査位置がある。図５ａ〜図５ｈに示されるｋ＝１〜８の空間パターンのシーケンスを繰り返すことで、更なる走査位置をとり得る。

画像の記録された強度の評価において、その他の空間方向に直交する同じシフトを有する強度への関係が考慮される。これは、偶数のｋ番号を有する画像の場合はすべて、偶数のｋ番号を有する画像のみに関連することを意味する。同じことが奇数のｋ番号を有する画像に対しても当てはまる。

信号のこれらのサブセットでは、欧州特許出願公開第２３２７９５６ Ａ１号に記載される任意の方法を使用することができる。

これらの２つのサブセットは、画像番号ｋの関数として、画像平面でのあらゆる（ｘ’’，ｙ’’）座標の包絡曲線関数値が得られるように結合される。

一例として、包絡関数Ｅ_ｃは、式（３）に従って引用文献［１］と同様に定義することができる。

別の例は、式（４）に従って引用文献［２］に記載される７ステップインターフェログラムアルゴリズムを使用する。

ここで、ｋは投射数であり、ｚ_ｋは試料８の対応するＺ座標である。

図６ａでは、ｋが奇数の投射の場合には測定のコントラストが最大となり、ｋが偶数の投射の場合には測定のコントラストが最小となるような、ある単一ピクセルの「信号」（強度データ）を示す。図６ｃは、ｋが偶数及び奇数の何れの投射でも、測定のコントラストが中間である場合の信号強度データを提供する。図６ｂ、図６ｄは、式（３）によって計算される各包絡関数を提供する。

最後に、包絡関数の最大値に関連する走査位置が特定される。この位置は表面９の高さを表す。

最大値を特定する一可能性は、重心を計算することによるものである。これは、ｋが奇数及び偶数の両方の投射での測定結果の加重平均を考慮に入れる。重心ｚ（ｘ，ｙ）は式（５）によって与えられる。

式中、ｋ_ｍは、Ｅ_ｃの最大値に対応する位置指標であり、ｒは、包絡関数が背景雑音よりもはるかに大きい範囲である。

ピークフィッティング関数がｚ（ｘ，ｙ）の特定に使用される場合、まず、式（６）に従って偶数及び奇数のｋ投射の測定値を結合することにより、Ｅ_ｃの値を平滑化することができる。

これは式（７）に従って近似することができる。

各空間位置で結果として得られるＺの数値を結合して、表面９の高さマップを形成する。

位相高感度変更では、捕捉された強度を、あらゆるＺステップ（走査ステップ）で式（８）によって与えられる加重係数Ｗ（ｘ’’，ｙ’’）で乗算することにより、方法の感度を増大させることができ、Ｘ及びＹ座標並びに波長は画像平面を指し、投射強度のＸ、Ｙ座標に対応する。画像平面での加重係数は、式（８）に従って定義される。
式中、λ’’は、画像検出器１１での空間パターンの有効波長である。

ここで、位相高感度振幅関数Ａ_ｐｓを式（９）に従って定義することができる。
式中、
ｉ＝１，１，２，２，．．．，ｎ，ｎ
ｊ＝０，１，０，１，．．．
ｋ＝２ｉ＋ｊ−１
である。

この関数Ａ_ｐｓから、最大値をＺ座標の近似としてとることができるか、又は一次近似としてとることができ、その後、関数Ｅ_ＰＳ＝（Ａ_ｐｓ）^２が計算され、これは、例えば、式（５）を適用することによって包絡関数として扱われる。

この方法は、異なる反射率を有し、試料８の表面９上の焦点からずれている（ｘ’，ｙ’）点の測定値に影響するような、測定すべき試料８上の近傍点の影響を低減する。この方法は、異なる位相を有する近傍点の影響を低減する。

位相高感度方法の別の言い回しは、任意の強度差（Ｉ（ｘ’’，ｙ’’，ｚ_ｋ）−Ｉ（ｘ’’，ｙ’’，ｚ_ｋ＋４））を、試料８に合焦されているときに有することができる最大の変調で重み付けすべきであるということである。これは、Ｉ（ｘ’’，ｙ’’，ｚ_ｋ）−Ｉ（ｘ’’，ｙ’’，ｚ_ｋ＋４）を含む任意の項を加重することに等しい。

グリッド上の（ｘ，ｙ，ｋ）と検出器での（ｘ’’，ｙ’’，ｚ_ｋ）との対応は、別個の較正により、例えば、光学平面を測定し、最大変調深度近傍の位相を測定することにより、確立することができる。ｎ＝４の場合、位相は式（１０）でのように定義することができる。

これから、ｋ＝０及びｋ＝１での位相を、偶数及び奇数の測定値のそれぞれから特定することができる。試料の高さの関数としての位相では、式（１１）

が、ｋが偶数及び奇数のそれぞれで当てはまる。

φ_０（ｘ’’，ｙ’’）が、偶数及び奇数の測定値に特定されると、ｃｏｓ（φ（ｘ’’，ｙ’’，ｚ_ｋ））を、他の表面の以降の測定値での加重関数Ｗ（ｘ’’，ｙ’’，ｚ）として使用することができる。この加重関数は、フーリエ領域での２Ｄフィルタリングによって平滑化することができる。

この方法は、レンズ焦点法（ＳＦＦ：Shape-From-Focus）として知られている、引用文献［３］に記載されているようなコントラスト検出方法と組み合わせることもできる。一例として、強度Ｉ（ｘ’’，ｙ’’，ｚ_ｋ）の代わりに、式（１２）に従ってコントラスト振幅Ａ_ｓｆｆを定義することができる。

これは、引用文献［３］において式（１６）として定義されるラプラス演算子に類似する。引用文献［４］での式（３）では、絶対値がとられ、本開示によれば、絶対値をとることは、Ａ_ＳＦＦ（ｘ’’，ｙ’’，Ｚ_ｋ）＝−Ａ_ＳＦＦ（ｘ’’，ｙ’’，ｚ_ｋ＋４）であるため、位相シフト及びコントラスト法の利点を損ない、これは、式（３）及び（５）を適用する場合に使用される。

式（３）において強度Ｉ（ｘ’’，ｙ’’，ｚ_ｋ）をとることとの違いは、ここでは、パターンで照明されるＸ−Ｙ平面での画像自体での変調が、Ｚの関数としてみなされることである。これは、式（３）での強度Ｉ（ｘ’’，ｙ’’，ｚ_ｋ）の適用により、小さく雑音の多い信号が与えられるおそれがある明るい環境での小さな暗いスポットに、よりよい信号を与えることができる。

式（１２）によるコントラスト関数は、式（２）でのようにシフトされ、包絡線検出方法である式（３）〜（６）を用いて評価される式（１）で定義されるようなパターンと共に使用し得る。

周囲と同じくらい明るい点の場合、式（３）を強度に適用すると、その最大値での信号が近傍点の強度及び高さに依存しないため、より高いＺ精度及びより高い（ｘ，ｙ）解像度が与えられ得る。また、局所ピーク又は高傾斜エリアでは、式（１０）の適用は、式（３）において強度を直接とるよりも悪い信号が与えられ得る。

点がλ／２だけ隔てられた状態でのコントラストをとる代わりに、点がλ／２＋ｎ・λだけ離れた状態でのコントラストも同様にとることができる。Ｅ_ｃ及びＡ_ＳＦＦの相対信号強度に基づいて、いずれかから導出されるＺ値又は加重結合を最終値としてとることができる。

このコントラスト計算ではまた、強度変調を加重することもでき、したがって、強度変調が発生し得ない場所では変調を測定しなくてもよい。

画像検出器１１の一露出時間内で一次元正弦パターンを連続して投射することにより、図４ａ〜図４ｈ及び図５ａ〜図５ｈにあるようなパターンを得ることができることに留意する。例えば、式（２）は式（１３）に従って書き換えることができる。

ここで、式（１３）では、Ａ及びＢは一次元正弦パターンを表している。試料８がＺ方向に移動している間、これらが画像検出器１１の一露出時間内で連続して投射される場合、効率的に同じパターンが画像検出器１１によって捕捉される。有効なＺ座標として、２つの捕捉画像の平均Ｚ位置を、有効多次元正弦パターンに寄与する値としてとらなければならない。図７に示されるように、異なる向き方向を有する２つの正弦空間パターン４、１４を結合することによっても、同じ効果を達成することができる。この場合、空間パターンは、ＬＣＤディスプレイ又は同様の２Ｄ投射装置と比較して、単一方向でより容易に生成し移動させることができる、光源２、１３によってそれぞれ照明されるハードウェアグレーティングからなることができる。

上述したように、試料の表面上の複数の空間位置の高さを特定する方法及び装置では、光ビームが表面に投射される。光ビームは、光ビームの光軸に直交する少なくとも２つの方向において正弦空間パターンを有し、空間パターンは異なる空間パターン位置に移動する。表面は、異なる走査位置において上記光軸に沿って走査される。これら空間パターン位置の移動及び走査位置の走査において、以降の空間パターン位置間の移動距離と、以降の走査位置間の走査距離との間に一定の関係が存在する。表面によって反射される光は、走査位置において検出され、空間パターンは対応する空間パターン位置を有する。表面の空間位置毎に検出される光から、走査位置に対応する強度値の包絡曲線が特定される。表面の空間位置の高さを表す、包絡曲線の最大値及びそれに対応する走査位置が選択される。空間パターンは、１／４パターン波長距離及び１／ｎパターン波長距離のそれぞれにわたり、第１の空間方向及び第２の空間方向において一連の２ｎステップ（ｎ＞２）で移動する。

必要に応じて、本発明の詳細な実施形態が本明細書に開示されるが、開示される実施形態は、本発明の単なる例示であり、本発明を様々な形態で実施可能なことを理解されたい。したがって、本明細書に開示される特定の構造的詳細及び機能的詳細は、限定として解釈されるべきではなく、単に特許請求の範囲のベースとして、且つ略あらゆる適切な詳細の構造で本発明を様々に利用することを当業者に教示するための代表的なベースとして解釈されるべきである。さらに、本明細書において使用される用語及び語句は、限定を意図せず、むしろ、本発明の理解可能な説明を提供することを意図する。

本明細書において使用される場合、「ａ」／「ａｎ」という用語は、１つ又は２つ以上として定義される。本明細書において使用される場合、複数という用語は、２つ又は３つ以上として定義される。本明細書において使用される場合、別という用語は、少なくとも第２又は第３以上として定義される。本明細書において使用される場合、含む及び／又は有するという用語は、包含する（すなわち、他の要素又はステップを除外しないオープンランゲージ）として定義される。特許請求の範囲での任意の参照符号は、本発明の特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

特定の手段が、相互に異なる独立クレームで列挙されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。

単一のプロセッサ又は他のユニットが、特許請求の範囲において列挙される幾つかのアイテムの機能を満たし得る。

コンピュータプログラムという用語は、１つ又は複数のコンピュータシステムで１つ又は複数のプロセッサによって実行されるように設計される命令シーケンスとして定義される。プログラム、コンピュータプログラム、又はソフトウェアアプリケーションは、サブルーチン、関数、プロシージャ、オブジェクトメソッド、オブジェクトインプリメンテーション、実行可能アプリケーション、アプレット、サーブレット、ソースコード、オブジェクトコード、共有ライブラリ／動的ロードライブラリ、及び／又はコンピュータシステムで実行されるように設計される他の命令シーケンスを含み得る。

コンピュータプログラムは、光学記憶媒体又は他のハードウェアと共に、若しくはその一部として供給される個体状態媒体等の適する媒体に記憶し、且つ／又は分配することができるが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介するなど、他の形態で分配し、且つ／又は実行することもできる。

１ 装置
２ 光源
３ 光ビーム
４ 空間光変調器
５ レンズ
６ ビームスプリッタ
７ 対物レンズ
８ 試料
９ 表面
１０ 第２のレンズ
１１ 二次元光検出器
１２ 処理ユニット
２０ 支持体

Claims (12)

1. 試料（８）の表面（９）上での複数の空間位置の高さを特定する方法であって、
   光軸に直交する少なくとも２つの方向において周期性を有する空間パターンを有した光ビーム（３）を前記表面（９）に投射するステップと、
   前記空間パターンを異なる空間パターン位置に移動させるステップと、
   異なる走査位置において前記光軸に沿って前記表面（９）を走査するステップと、
   前記走査位置において前記表面によって反射された光を検出するステップと、
   前記表面（９）の空間位置毎に検出される光から、走査位置に対応する強度値の包絡曲線を特定するステップと、
   前記表面（９）の前記空間位置の高さを表す前記包絡曲線の最大値及びそれに対応する走査位置を選択するステップと
   を含み、
   前記走査するステップは、空間パターン位置間の移動距離と、走査位置間の走査距離との間に一定の関係を有するように前記表面を走査し、
   前記検出するステップは、走査位置に対応した空間パターン位置に応じた空間パターンを有する光を検出し、
   前記空間パターンは、前記少なくとも２つの方向においてパターン波長を有する正弦波パターンであり、
   前記移動させるステップは、開始空間パターン位置及び次の空間パターン位置に関して、
   （ａ）１／４パターン波長という第１の移動距離だけ、前記空間パターンを前記開始空間パターン位置に対して第１の空間方向に相対的に移動させ、
   （ｂ）１／ｎパターン波長という第２の移動距離だけ、前記空間パターンを前記開始空間パターン位置に対して第２の空間方向に相対的に移動させて、前記次の空間パターン位置に移動させ、
   （ｃ）この次の空間パターン位置を前記開始空間パターン位置とすること
   をｎ回繰り返すことによって、前記空間パターンを一連の２ｎステップ（ｎ＞２）で移動させる、方法
2. 前記少なくとも２つの方向のそれぞれでの前記パターン波長は等しい、請求項１に記載の方法。
3. 前記空間パターンは２つの直交する正弦波パターンを含み、ｋ個の走査位置の場合、前記空間パターンの点（ｘ，ｙ）の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、
   
   として定義され、式中、
   ｉ＝１，１，２，２，．．．，ｎ，ｎ
   ｊ＝０，１，０，１，．．．
   ｋ＝２ｉ＋ｊ−１
   である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記空間パターンは、互いに１２０°に向けられた３つの正弦波パターンを含み、ｋ個の走査位置の場合、前記空間パターンの点（ｘ，ｙ）の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、
   
   として定義され、式中、
   ｉ＝１，１，２，２，．．．，ｎ，ｎ
   ｊ＝０，１，０，１，．．．
   ｋ＝２ｉ＋ｊ−１
   である、請求項１又は２に記載の方法。
5. 連続する２つの空間パターン位置間を移動する時間期間及び連続する２つの走査位置間を移動する時間期間は等しい、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
6. 前記走査移動は連続移動、特に均等な移動である、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記包絡曲線の最大値を選択するステップは、前記包絡線の重心を計算することを含む、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
8. 前記光ビームは、光パルスが前記移動する空間パターンの位相と同期されるストローブ光ビームである、請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
9. 前記表面（９）の各空間位置で検出される光から特定される各強度値は、前記光強度が検出されたときに発せられた、前記空間パターン上の前記対応する空間位置の前記光強度に基づいて、加重係数が乗算される、請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
10. 前記特定するステップは、前記波長の半分だけ、又は前記波長の半分に波長の倍数を足したものだけ隔てられた空間位置での強度値の差に基づいて、局所コントラストを計算することと、
    前記局所コントラスト値から、空間位置及び走査位置毎に、包絡曲線を特定することと、
    を含む、請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
11. 試料の表面（９）上での複数の空間位置の高さを特定する装置であって、
    光軸に直交する少なくとも２つの方向において周期性を有する空間パターンを有した光ビーム（３）を前記表面（９）に投射するように構成される光ビームプロジェクタと、
    異なる走査位置において前記光軸に沿って前記表面（９）を走査するように構成されるスキャナと、
    前記走査位置において前記表面によって反射された光を検出するように構成される光検出器と、
    前記表面（９）の空間位置毎に前記光検出器（１１）によって検出される光から、走査位置に対応する強度値の包絡曲線を特定し、前記包絡曲線の最大値及びそれに対応する走査位置を選択し、前記表面（９）の前記空間位置の高さを計算するように構成される処理ユニットと
    を含み、
    前記光ビームプロジェクタは、前記表面（９）に投射する光ビームの空間パターンを異なる空間パターン位置に移動させ、
    前記スキャナは、空間パターン位置間の移動距離と、走査位置間の走査距離との間に一定の関係を有するように前記表面を走査し、
    前記光検出器は、走査位置に対応した空間パターン位置に応じた空間パターンを有する光を検出し、
    前記空間パターンは、前記少なくとも２つの方向においてパターン波長を有する正弦波パターンであり、
    前記光ビームプロジェクタは、開始空間パターン位置及び次の空間パターン位置に関して、
    （ａ）１／４パターン波長という第１の移動距離だけ、前記空間パターンを前記開始空間パターン位置に対して第１の空間方向に相対的に移動させ、
    （ｂ）１／ｎパターン波長という第２の移動距離だけ、前記空間パターンを前記開始空間パターン位置に対して第２の空間方向に相対的に移動させて、前記次の空間パターン位置に移動させ、
    （ｃ）この次の空間パターン位置を前記開始空間パターン位置とすること
    をｎ回繰り返すことによって、前記空間パターンを一連の２ｎステップ（ｎ＞２）で移動させる、装置。
12. プロセッサにロードされると、前記プロセッサに、請求項１１に記載の装置を制御させて、請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法を実行させるコンピュータ命令を含むコンピュータプログラム。