JP6073080B2 - 電磁波計測システム - Google Patents

Description

本発明は、コヒーレントな電磁波を照射することにより、極めて高速に表面状態の３次元的なプロファイルや細胞等の表面状態の計測や観察をＳ／Ｎ比の良い状態で実現させる電磁波計測システムに関し、顕微鏡等の横分解能を向上するのに好適なものである。

他方、従来よりＤＰＣ(Differential Phase Contrast)法と呼ばれる手法が知られている。これは、最初Dekkers and de Langにより電子顕微鏡に適用された技術であり、その後、Sheppard and Wilson等により光学的顕微鏡への拡張がなされた技術である。このＤＰＣ法は、試料に照射された電磁波に対してファーフィールドであって、電磁波の照射軸に対して対称に配置された２つのディテクタによりそれぞれ検出した０次回折光と１次回折光との干渉の結果の差動信号を求めることで、試料のプロファイル情報を得るものである。

しかしながら、ＤＰＣ法により差動信号から差動出力を取得する場合、外部の電磁波が出力差に影響を与え、正しい出力を得ることが困難であった。特に、透過物体を可視光により観察、計測する場合、微弱な信号が外部からの光に埋もれ、観察、計測する対象が信号出力の大きいものに限られる傾向があった。すなわち、従来のＤＰＣ法では、外部ノイズの影響により横分解能を向上することが困難であった。

他方、このＤＰＣ法であっても空間周波数が高くなった場合、これら０次回折光と１次回折光とが干渉できなくなり、その空間周波数が再現されない結果として、横分解能も限られた範囲でしかなかった。

以上より、従来のＤＰＣ法では、透過物体の透過率が悪いような場合には、微弱な信号を捕らえることが困難であり、また、空間周波数が高くなるほど信号は弱くなって、高い分解能が得られなかった。この一方、電磁波を用いた従来の結像型の顕微鏡においては、アッべの理論の限界とされる分解能を超えることはできなかった。したがって、光学顕微鏡はもとより、電子顕微鏡においても使用している実質的な波長による限界を打破することは困難であった。

そして、下記特許文献１の特開平６−８２６８３号公報には、外来光ノイズ等の影響を除去した測定を可能とする測距方法が開示されている。また、下記特許文献２の特開平６−２８８７６４号公報には、外来光ノイズを除去した測定を可能とする測距装置が開示されている。しかし、これら特許文献に開示の技術であっても、ＤＰＣ法と比較しても外部ノイズを十分に除去できるものではなく、また、空間周波数が高くなれば高い分解能が得られるものは存在していなかった。

特開平６−８２６８３号公報 特開平６−２８８７６４号公報

ここで、ＤＰＣ法の簡単な説明をする。
ＤＰＣ法によれば、コヒーレントな電磁波を対象物に照射し、この電磁波の照射軸に対して、ファーフィールドに配置された複数のディテクタによりそれぞれ信号を検出し、これら検出された信号強度の内の照射軸に対して対称位置にあるディテクタ間の信号強度の差出力を用いることにより、対称物のプロファイル情報を取得できる。この際、定性的にいえば、測定対象物の傾きが一方向に大きくなれば、一方のディテクタに入射される信号が大きくなる。また、測定対象物の傾きが逆方向に大きくなれば、他方のディテクタに入射される信号が大きくなる。

従って、対応するディテクタ同士の差出力は、プロファイルの傾きの大きさに関連する情報を示すことになる。この時、測定対象物から出力される信号自体が微弱であったり、プロファイルが微小であると傾きが小さくなったりするので、差出力が微弱になる。
以上より、ＤＰＣ法を用いた方法であっても、ディテクタから出力される信号が弱いと、外部からのノイズに影響されやすくなる。

次に、結像光学系を用いた従来の顕微鏡における対物レンズのＯＴＦ特性について、以下に説明する。
結像光学系を用いた従来の顕微鏡においては、対物レンズにて捉える対称物の空間周波数の１次回折光の成分と０次回折光の成分とが干渉して像形成を行うため、レンズの開口に１次回折光が入射されないと、その空間周波数は再現されないことになる。他方、低い周波数から高い周波数に至るにつれてその１次回折光の回折角は次第に大きくなるので、レンズに入力される１次回折光の量が減っていくことになる。その結果として、１次回折光が入力されない周波数がカットオフになり、低い周波数から高い周波数に至る途中で、変調度が次第に落ちていくようになる。

以上が対物レンズのＯＴＦ特性であり、したがって、結像系においては対物レンズに入力される１次回折光には自ずと限界があるので、再現される対称物の空間周波数に関連して分解能も自ずと限界があることになる。このように周波数の高い空間周波数の再現は、信号が小さくなるので、外乱ノイズの影響を受けやすくなる。

以上の定性的な説明を定量化して、以下に詳細に説明する。
図１１のように開口半径がaで焦点距離がｆの対物レンズ１１に平行光束が入射しているとする。なお、図１１においては、照射光軸を光軸Ｌ０で表し、この光軸Ｌ０に対して角度Θだけ傾く傾斜光軸を光軸Ｌ１で表している。通常の結像を用いた倒立型顕微鏡では、図１１のように光束が試料Ｓを透過する透過型となるが、光束が試料Ｓで折り返される反射型として考えてもよい。また、式を簡単にするために、１次元の開口として扱う。

また、簡単のために試料Ｓが高さｈでピッチdの正弦波状の形状をしているものとする。すなわち、光学的な位相θが以下の式で表される。
θ＝2π(h/λ)sin(2πx/d)・・・・・（１）式
試料Ｓから回折された光の振幅Ｅは、焦点距離ｆだけ離れた面において、（１）式のフーリエ変換とレンズの開口とのコンボリューションとして、与えられるので、以下のように表される。ただし、（１）式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は、±１次まで取るものとする。

ここで、（２）式のフーリエ変換が結像に寄与する。
したがって、強度Ｉは下記（３）式のようになる。

この（２）式の意味するところは、ｄ＝λf/2a＝0.5λ/NAより小さいピッチの情報は欠落するということであるが、これは、矩形開口のビーム径（sinc(ka)=0の最初の暗環半径ｗは、ka=πを満たすので、w=0.5λ/NAとなる ）と一致する。また、ｄ＞0.5λ/NAでもｄが小さいほど変調度が低下することを意味している。これを1/dの空間周波数と変調度との関係を示せば、ＭＴＦとなっている。

以上に示したように、通常の結像光学系では、対物レンズ１１のＮＡによって再現される空間周波数のリミットは、必然的にｄ＝λf/2a＝0.5λ/NAとなり、この値よりも小さいものは、どのようにしても再現されないことになる。

他方、ＤＰＣ法においても、ファーフィールドに配置された受光素子上での０次回折光と１次回折光の関係は結像光学系と同様なので、空間周波数のリミットは結像光学系と同様になる。また、上記した結像光学系に関する議論は、光波だけでなくコヒーレントな電磁波を結像する像形成装置全体に適用できる。
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、ＤＰＣ法により外部のノイズを除去してより微弱な強度の信号を取得し、かつ、通常のＤＰＣ法の再現空間周波数では取得不可能な空間周波数を取得し、実効上、分解能の高い電磁波計測システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成させるために、本発明は、コヒーレントな電磁波を変調してから測定対象物に対して照射する照射手段と、
該照射手段から照射される電磁波の照射軸を挟んで対称な位置に配置され、おのおの測定対象物で０次回折波と±１次回折波に回折された電磁波を検出する少なくとも２つの検出素子を有する電磁波検出手段と、
これら２つの検出素子でおのおの検出された電磁波を前記変調に対応した復調を行い、これら測定対象物で回折された電磁波の出力間の差信号を作成する信号作成手段と、
この差信号の位相差あるいは出力差を求めて測定対象物のプロファイル情報を得る計測手段と、
を含む電磁波計測システムとされるものである。

さらに、上記目的を達成させるために、本発明は、変調した光を測定対象物に収束照射する光源と、
収束照射の照射光軸上に位置し、前記測定対象物から出射された光束を平行な光束に変換する第１のレンズと、
第１のレンズからの透過光の内の照射光軸を挟んだ各側部分の光をそれぞれ受光する少なくとも２つの受光素子を有する第１の受光素子と、
前記照射光軸に対して第１の受光素子の受光素子が受光する各側にそれぞれ傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物から出射された光束をそれぞれ平行な光束とする一対の第２のレンズと、
第１のレンズから出射された光束と前記各第２のレンズから出射された光束とをそれぞれ干渉させる光学素子と、
該光学素子により干渉された各光束を受光する一対の第２の受光素子と、
変調されている前記光源からの光を前記変調に対応した復調を行ってから、第１の受光素子の照射光軸を挟んで位置する受光素子間の出力差および、一対の第２の受光素子間の出力差をそれぞれ検出する出力差検出部と、
を含む電磁波計測システムとされるものである。

また、本発明においては、前記第２のレンズからの出射光を前記光学素子に反射させる反射鏡が第２のレンズと光学素子との間に配置され、
該光学素子が、
第１のレンズから出射された平行な光束を分割する第１のビームスプリッターと、
前記反射鏡から反射された光束と前記第１のビームスプリッターで分割された光束とを合成させる第２のビームスプリッターと、
を含むものや、前記一対の第２の受光素子が、複数の受光素子によりそれぞれ構成され、かつ照射光軸を挟んで相互に対称な位置に配置されているものが好適である。

また、上記目的を達成させるために、本発明は、変調した光を測定対象物に平行照射する光源と、
平行照射の照射光軸に位置し、前記測定対象物から出射された光束を分割する第１のビームスプリッターと、
第１のビームスプリッターからの透過光の内の照射光軸を挟んだ各側部分の光をそれぞれ受光する少なくとも２つの受光素子を有する第１の受光素子と、
前記照射光軸に対して第１の受光素子の受光素子が受光する各側にそれぞれ傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物から出射された光束と第１のビームスプリッターで分割された光束とをそれぞれ干渉させる一対の第２のビームスプリッターと、
一対の第２のビームスプリッターにより干渉された各光束をそれぞれ受光する一対の第２の受光素子と、
変調されている前記光源からの光を前記変調に対応した復調を行ってから、第１の受光素子の照射光軸を挟んで位置する受光素子間の出力差および、一対の第２の受光素子間の出力差をそれぞれ検出する出力差検出部と、
を含む電磁波計測システムとされるものである。

また、本発明においては、前記一対の第２の受光素子が、複数の受光素子によりそれぞれ構成され、かつ照射光軸を挟んで相互に対称な位置に配置されているものが好適である。

さらに、上記目的を達成させるために、本発明は、変調した光を測定対象物に収束照射する光源と、
収束照射の照射光軸に対して傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物から出射された光束を平行な光束とするレンズと、
該レンズに入射される光束の前記照射光軸に近い該レンズの部分を通過する第１の光束と該照射光軸から遠い該レンズの一方の半面を通過する第２の光束を干渉させる第１の光学素子と、
第１の光学素子により干渉された光束をそれぞれ検出する複数の第１の受光素子と、
前記傾斜光軸に対して前記第１の光学素子と反対方向に配置され、前記第１の光束と前記第２の光束を干渉させる第２の光学素子と、
第２の光学素子により干渉された光束をそれぞれ検出する複数の第２の受光素子と、
変調されている前記光源からの光を前記変調に対応した復調を行ってから、複数の第１の受光素子の任意の受光出力と複数の第２の受光素子の任意の受光出力との差の出力値を検出する出力差検出部と、
を含む電磁波計測システムとされるものである。

さらにまた、上記目的を達成させるために、本発明は、変調した光を測定対象物に平行照射する光源と、
平行照射の照射光軸に対して傾きを有した傾斜光軸上に有る第１の光学素子と、
第１の光学素子により干渉された光を検出する複数の第１の受光素子と、
平行照射の照射光軸に対して第１の光学素子と逆の傾きを有した傾斜光軸上に有る第２の光学素子と、
第２の光学素子により干渉された光を検出する複数の第２の受光素子と、
変調されている前記光源からの光を前記変調に対応した復調を行ってから、複数の第１の受光素子の任意の受光出力と複数の第２の受光素子の任意の受光出力との差の出力値を検出する出力差検出部と、
を含み、
第１の光学素子および第２の光学素子が、
傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物から出射された光束を収束させる第１のレンズと、
該第１のレンズから出射される光束の照射光軸に近い該第１のレンズの一方の半面の第１の光束を平行な光束とする第２のレンズと、
照射光軸から遠い該第１のレンズの他方の半面の第２の光束を平行な光束とする第３のレンズと、
第２のレンズと第３のレンズより出射された光束同士を干渉させる光学素子と、
をそれぞれ有する電磁波計測システムとされるものである。

また、これら本発明においては、前記第１および第２の光学素子は、前記光束同士を干渉させる光学素子として、
前記第１の光束における像を反転する第１のプリズムと、
第１のプリズムからの光束と前記第２の光束との何れかをシフトして重ねる第２のプリズムと、
を含むものや、前記第１および第２の光学素子は、前記光束同士を干渉させる光学素子として、
前記第２の光束を反射するミラーと、
前記第１の光束と該ミラーで反射された光束を合成するビームスプリッターと、
を含むものや、前記第１および第２の光学素子は、前記光束同士を干渉させる光学素子として、収束レンズもしくは、収束レンズと拡大光学系を含むものや、前記第１および第２の光学素子は、前記光束同士を干渉させる光学素子として、収束レンズと該収束レンズの焦点付近に配置されたグレーティングを含むものや、変調および復調する際に用いた変調方式を単一周波数の振幅変調、位相変調、周波数変調としたものが好適である。

請求項に係る発明の作用を以下に説明する。
前述のようにＤＰＣ法は、試料に照射された電磁波に対してファーフィールドであって、電磁波の照射軸に対して対称に配置されたディテクタ同士の差動信号を検出することにより、試料のプロファイル情報を得るものである。

ところで、電磁波を用いての像の形成は、像自体の有する空間周波数の０次回折波と±１次回折波の干渉によるものと考えてよい。光学系のＭＴＦカーブは、光学系の対物レンズが受け取る１次回折光の量に直接的に関係する。したがって、対物レンズに入射されない１次回折光を有する空間周波数は、結像に寄与しないために、必然的にカットされる。この最小の空間周波数が光学系のカットオフ周波数となる。

一方、光学的なＤＰＣ法においては、レーザーのようなコヒーレント光を用いる。つまり、 試料に照射されたコヒーレント光の１次回折光と０次回折光との干渉の結果が、コヒーレント光の光軸に対して対称でファーフィールドに配置された受光素子に反映されることで、試料が測定または観察される。この際、試料の空間周波数が決定されるのは、結像光学系と同様になる。

ここで、試料から反射され、あるいは試料を透過された光の０次回折光は、照射された時の光の絞り角、すなわち、対物レンズのＮＡに依存した広がり角を有して、試料から出射される。同様に１次回折光は、空間周波数に依存した方向に角度を変え、さらに０次回折光と同じ広がり角で出射される。このことから、受光素子上で０次回折光と±１次回折光が重なり合った部分だけで、試料のプロファイル情報が得られる。

以上より、空間周波数が高いと、これら０次回折光と１次回折光とが干渉できなくなり、その空間周波数が再現されないことになる。そこで、これらの０次回折光と１次回折光とを受光素子に導く前に干渉させることで、再現される空間周波数の大幅な向上が実現される。このことから、試料と受光素子の間の空間に、干渉計（ファブリペロー、マッハ・ツェンダ等）を構築して、この箇所で０次回折光と１次回折光を干渉させるようにしている。

他方、０次回折光および１次回折光の各主光線軸の間に光軸を有するレンズを配置し、試料から回折された０次回折光もしくは１次回折光を平行光束とし、その片方の光に対して、ダブプリズムのような光学素子で像を反転し、さらに０次回折光と１次回折光が重なるようにロンボイドプリズムのような光学素子で平行シフトして、０次回折光と１次回折光を干渉させることが考えられる。これを１次回折光と０次回折光との間及び−１次回折光と０次回折光との間の２系統で行うことにより、ファーフィールドに配置した２組の受光素子の差動信号がより大きな空間周波数情報を有することになり、実質的に分解能が向上する。

また、０次回折光および１次回折光の各主光線軸の間に光軸を有するレンズを配置し、０次回折光の一部と１次回折光、−１次回折光の一部を拡大して受光素子のピッチと形成された干渉ピッチとがほぼ同じになるように調整して、選択的に受光素子を使うことが考えられる。

さらに、０次回折光および１次回折光の各主光線軸の間に光軸を有するレンズを配置し、試料から回折された０次回折光もしくは１次回折光を平行光束とし、拡大レンズ系により受光素子に０次回折光と１次回折光とを導くことで、受光素子上では、拡大された干渉縞が形成される。この際、１次回折光と０次回折光との間及び−１次回折光と０次回折光との間の２系統で行い、一方の受光素子が最大光量のときに他方の受光素子でほぼ０になるように、受光素子を調整する。
さらに、０次回折光および１次回折光の各主光線軸の間に光軸を有するレンズを配置し、試料から回折された０次回折光もしくは１次回折光を平行光束とし、この平行光束をレンズにより集光し、ほぼレンズの焦点付近に配置した適正な格子ピッチを有するグレーティングにより、実質上０次回折光と１次回折光を相互にシフト重ね合わせることで、干渉させる。

これにより、ファーフィールドに配置した２組の受光素子の差動信号がより大きな空間周波数情報を有することになり、実質的な分解能が向上する。さらに、本発明は、試料から出射された０次回折光と１次回折光の干渉情報を用いているので、照射光学系の影響は少ない。したがって、照射スポットが多少大きくても検出される空間周波数を高くすることが可能である。

本発明に係る電磁波計測システムは、画像処理等で行う推定法やレーリー限界にある変調度を無理やりデジタル処理等で引き揚げる手法に比較して、本質的に高い空間周波数を物理的に取得しているので、試料の有する本来の情報を取得していることになる。したがって、似非信号となることはない。
また、ファーフィールドに配置した２組の受光素子の差動信号が本来有する奥行き情報も同時に取得しているので、横分解能と同時に縦分解能にも優れた電磁波計測システムを提供することができ、レーザー走査顕微鏡に好適なものである。

また、ＤＰＣ法を用いた場合においては、２つの受光素子同士の差の出力を取得するが、外部から各々の受光素子に光が不均衡に入射されると信号に影響が出る。特に、観察対称物の透過光量が少ない場合や僅かな屈折率の変化があるような場合、微弱な信号光を電気的に大きなゲインで増幅する必要性が生じる。この様な場合、僅かな外乱光により、大きなノイズを生じ信号の極めて小さい成分が検出不能となる。

特に、上記したような０次回折光と１次回折光をシフトして重ねるような光学系においては、光を照射された試料から受光素子まで、いくつかの光学素子を挿入する必要性があり、外乱光が混入しやすくなる。そこで、照射する光を変調し、受光素子からの信号もこの変調信号に基づいて復調することにより、これらの外乱光の影響を極めて小さくすることができ、実際の設計の自由度が向上し、さらにＳ／Ｎ比が格段に向上する。

また、上記した可視光である光波を用いたものに限らず、ＤＰＣ法を採用し、光波のかわりにコヒーレントな電磁波を用いると共に、受光素子の代わりに電磁波に対応した検出器を用いることで、同様な効果ももたらすことができる。すなわち、電磁波に変調を加え、検出器の差動出力を取得する際に、変調に対応した復調を行うことで、外部からの電磁波の影響を減少させることができる。

上記したように、本発明の電磁波計測システムでは、試料に収束照射された光の信号をファーフィールドに配置された複数の受光素子の光軸を含む線に対して対称な受光素子同士の出力差として検出するような装置とし、試料からの１次回折光と０次回折光および−１次回折光と０次回折光の全部あるいは一部を実効上干渉させる光学系を配置し、それぞれの干渉強度を受光する対称的に配置した受光素子間で差信号を取得することにした。

実効上干渉させる光学系は、０次回折光と±１次回折光を別個に入射させるレンズを用いて、平行光とした０次回折光と±１次回折光を干渉させるか、０次回折光の光軸に対して傾斜させた光軸を有する２組のレンズにより、０次回折光と±１次回折光の一部をシフトして重ねる光学系か結像系と拡大光学系を用いる。この様にすると、同じＮＡを有するレンズを用いた結像光学系と比較して、１．５倍以上の空間周波数を取得することが可能となる。したがって、通常の結像光学系では得られない鮮明な光学像を得ることができる。

さらに、照射する光に変調を加え、受光素子間の出力差を取得する際に変調に対応した復調を行うことにより、出力差をきわめて精度よく検出することができる点と、受光素子で受光される光が非常に微弱でも検出回路系のゲインを高くすることで、高精度に検出できる点と、検出される信号は変調信号だけなので、外乱光の影響を受けることもなくなる点から、さらに高精度な検出ができ、非常に微弱でコントラストの低い位相情報やわずかな屈折率変化に対しても非常に高い分解能で観察、計測することが可能となる。この効果は光の代わりにコヒーレントな電磁波を用いても同様に生じる。

本発明の電磁波計測システムに係る実施例１を示した透過型電子顕微鏡を表す概略図である。 実施例１を光学顕微鏡に適用した際の構成を示す概略図である。 半導体レーザーの印加電流に対する光出力強度を表すグラフを示す図である。 本発明の電磁波計測システムに係る実施例２を示した光学系を表す概略図である。 本発明のＤＰＣ法における反射光学系を表す概略図である。 本発明の電磁波計測システムに係る実施例３を示した光学系を表す概略図である。 本発明の電磁波計測システムに係る実施例４を示した光学系を表す概略図である。 本発明の電磁波計測システムに係る実施例５を示した光学系を表す概略図である。 本発明の電磁波計測システムに係る実施例６を示した光学系を表す概略図である。 本発明の電磁波計測システムに係る実施例７を示した光学系を表す概略図である。 通常の結像光学系の原理を説明する原理図である。

以下に、本発明に係る電磁波計測システムの実施例１から実施例７を各図面に基づき、詳細に説明する。

本発明に係る電磁波計測システムの実施例１を以下に図１および図２を参照しつつ説明する。図１は本実施例の電磁波計測システムを透過型電子顕微鏡に適用した際の構成を示す概略図である。
図１に示すように、コヒーレントな電磁波とされる電子ビームを照射する照射手段である電子銃１と対向して収束レンズ２と収束絞り３が順次配置されていて、これらの下方に測定対象物である試料Ｓが設置されている。この試料Ｓのさらに下方に電磁波検出手段である検出器５を構成する一対の分割検出素子５Ａ、５Ｂが位置している。但し、電子銃１から照射される電子ビームの中心軸である照射軸Ｌを挟んで対称な位置にこれら一対の分割検出素子５Ａ、５Ｂは配置されていて、これら一対の分割検出素子５Ａ、５Ｂが電子銃１からの電子ビームをおのおの検出することになる。

この一方、電子銃１内には図示しないコントロールグリッドがあり、このコントロールグリッドに強度変調としてＡＭ変調が加えられている。但し、変調は振幅を一定にした位相変調や周波数変調であってもよい。また、一対の分割検出素子５Ａ、５Ｂには、一対の分割検出素子５Ａ、５Ｂでおのおの検出された電子ビームを前記変調に対応した復調を行い、これら電子ビームの出力間の差信号を作成する信号作成手段である信号作成器３０が接続されており、この信号作成器３０に、差信号の位相差あるいは強度差である出力差を求めて計測値を得る計測手段であるデータ処理部３１が、接続されている。

以上より、本実施例では、図１に示すように、電子銃１にて強度変調された電子ビームが、収束レンズ２、収束絞り３を経て試料Ｓに照射されると共に、この試料Ｓを透過して一対の分割検出素子５Ａ、５Ｂによりそれぞれ検出され、電子ビームの一対の分割検出素子５Ａ、５Ｂでの出力間の差信号が信号作成器３０により作成され、この差信号の位相差あるいは出力差がデータ処理部３１により求まる。

この際、信号作成器３０にて電子銃１での変調に対応した復調がされる。具体的には、 照射軸を挟んで分割された一対の分割検出素子５Ａ、５Ｂ間の差出力をこの信号作成器３０で得るときに、電子銃１で加えた変調方式に対応した復調方式で復調する。この様にすることにより、変調する際に加えられた周波数よりも小さい周波数変動が生じた場合あるいは熱起因等のランダムノイズがある場合であっても、復調時にキャンセルされるので、本実施例による透過型電子顕微鏡は外部ノイズに対して強くなる。

図２は本実施例の電磁波計測システムを光学顕微鏡に適用した際の構成を示す概略図である。
図２に示すように、コヒーレントな電磁波とされるレーザー光を照射する照射手段である半導体レーザー６と対向して、レーザー光を平行光束とするコリメーターレンズ７および光束を収束する対物レンズ８が順次配置されていて、これらの下方に試料Ｓが設置されている。この試料Ｓのさらに下方に電磁波検出手段である受光素子９を構成する一対の分割受光素子９Ａ、９Ｂが位置している。

但し、半導体レーザー６から出射された光束の中心軸である照射軸Ｌを挟んで対称な位置に一対の分割受光素子９Ａ、９Ｂが配置されていて、これら一対の分割受光素子９Ａ、９Ｂが半導体レーザー６からのレーザー光をおのおの検出することになる。

この一方、半導体レーザー６内においてレーザー光にＡＭ変調が加えられて強度変調される。但し、変調は、上記したように振幅を一定にした位相変調や周波数変調であってもよい。 また、一対の分割受光素子９Ａ、９Ｂには、一対の分割受光素子９Ａ、９Ｂでおのおの検出された光の出力間の差信号を作成する信号作成器３０が接続されており、この信号作成器３０に、差信号の位相差あるいは強度差である出力差を求めて計測値を得るデータ処理部３１が、接続されている。

以上より、本実施例では、図２に示すように、強度変調されて半導体レーザー６から出射されたレーザー光が、コリメーターレンズ７にて平行光とされ、この平行光が対物レンズ８にて収束させて、試料Ｓに照射され、この試料Ｓで回折されたレーザー光が透過光となる。そして、照射軸Ｌを挟んで試料Ｓから実質上ファーフィールドとなる位置に配置された一対の分割受光素子９Ａ、９Ｂによりこの透過光がそれぞれ検出され、レーザー光の一対の分割受光素子９Ａ、９Ｂでの出力間の差信号が信号作成器３０により作成され、この差信号の位相差あるいは出力差がデータ処理部３１により求まる。

この際、信号作成器３０にて半導体レーザー６での変調に対応した復調がされる。具体的には、照射軸Ｌを挟んで分割された一対の分割受光素子９Ａ、９Ｂ間の差出力をこの信号作成器３０で得るときに、半導体レーザー６で加えた変調方式に対応した復調方式で復調する。この様にすることにより、外乱光があっても、復調時にキャンセルされるので、外乱光による変動に対して光学顕微鏡が極めて強くなる。

以上より特に、試料Ｓの透過量が小さい場合や、検出感度が小さい場合（試料Ｓ内の屈折率変化や深さ変化が非常に小さく信号が小さい場合）にも外乱光により邪魔されず、本実施例は極めて有効なものである。
なお、図１および図２において、走査系が示されていないが、走査系は走査デバイスにいわゆる瞳伝達系を配置することで実現できるので、走査系をともに省略した。

これらの定量的な関係を主に光学顕微鏡に適用した図２を参照に以下に述べる。
簡単のために試料Ｓが高さｈでピッチdの正弦波状の形状をしているものとする。すなわち、光学的な位相θが以下の（４）式で表されるとする。
θ＝2π(h/λ)sin(2πx/d+θ0)・・・・・（４）式
また、半導体レーザー６の印加電流に対する光出力強度は、図３のようになる。つまり、電流の閾値をＩthとし、スロープ効率をγとすれば、光出力Ｐは、Ｐ＝γ（Ｉ−Ｉth）で表される。
ここで、電流Ｉoを中心として、振幅Ia、変調周波数fmのＡＭ変調とすれば、印加電流Ｉは、Ｉ＝Ia・cos(2πfmt)＋Ioで表される。
従って、光出力Ｐは、Ｐ＝γ(Ia・cos(2πfmt)＋Io)cos(2πfct) となる。すなわち、半導体レーザー６に与えられる強度変調は、（γ(Ia・cos(2πfmt)＋Io)cos(2πfct)となる。なおfcは光の振動数で、キャリアとみなすことができる。

他方、試料Ｓから回折された光の振幅Ｅは、焦点距離ｆだけ離れた面において、（４）式のフーリエ変換とレンズの開口とのコンボリューションとして、与えられるので、以下のように表される。ただし、（４）式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は、±１次まで取るものとする。
そして、この光の振幅Ｅは、光軸を中心にした境界を対象軸とした２つの受光素子で受光され、以下の（５）式で表される。

光軸を中心とした正の方向の強度Ｉ₊と負の方向の強度Ｉ_-は、それぞれ下記（６）式及び（７）式で与えられる。

従って、ＤＰＣの出力である２つの受光素子の差出力は、下記（８）式で与えられる。

（８）式に示すように、差の出力のうち変調成分でないａの係数項は、外乱があると変動する。この一方、変調成分であるωmにかかわる項は、外乱があっても変化しない。すなわち、半導体レーザーの強度変調信号cosωmtとこれと直交する信号sinωmtで検波する。
ここで、復調方法については、包絡線検波を行うか、いわゆる直交変換を行えばよい。直交変換の場合、検出された（６）式や（７）式の光強度信号に、cos(2πfmt)をかけて、周期Ｔ＝１/fmで実効上の積分を行う。
たとえば、デジタル処理では、適正にcos(2πfmt)をサンプリングして、｛γ(Ia・cos(2πfmt)＋Io)cos(2πfct)｝²との積を１周期にわたり加算することで、試料で回折された光による変調された信号を検波することができる。
また、直交検波を行うと、cosωmtに関して残る項は下記式となる。

sinωmtに関しては、残る項はない。従って、直交検波の結果、強度変化が下記式に比例する。

位相はcos（θ0）の符号によりπだけ異なる信号となる。強度はピッチdが小さくなると低下していき、ｄ＝λf/2a＝0.5λ/NAより小さいピッチの情報は欠落する。これは、矩形開口のビーム半径（sinc(ka)=0の最初の暗環半径ｗは、ka=πを満たすので、w=0.5λ/NAとなる）と一致する。

また、ｄ＞0.5λ/NAでもｄが小さいほど変調度が低下することを意味している。これを1/dの空間周波数と変調度との関係を示せば、ＭＴＦとなっている。特に、変調度が低い高周波成分の再生の場合や、実効的な高さあるいは屈折率の差がもたらす光学距離ｈの違いが微小であるとJ0とJ1の積が小さくなる場合には、上記式が小さくなる。
このため、変調項を含まない項は、外乱ノイズの影響を受けやすくなる。しかしながら、この微小な信号をとらえるために変調と対応する復調を行うと、この様な外部ノイズの影響を受けることがなくなる。

したがって、検出回路系のゲインを高くすることで、高精度な検出ができる。なお、復調方式も上記した例では、直交検波の例をあげたが、包絡線検波などでも良い。また、変調方式は強度変調だけではなく、上記のように変調と対応した復調ができればよいので位相変調でも周波数変調でも良い。

以下に、おもに別の横分解能の向上の手法と本発明の手法とを組み合わせたものを述べる。

本発明に係る電磁波計測システムの実施例２を以下に図４を参照しつつ説明する。なお、変復調に関する説明は、実施例１と同様なので詳細は割愛するが、レーザー光源１０に強度変調とされるγ(Ia・cos(2πfmt)＋Io)cos(2πfct)を加え、対応する復調方式で信号を検出するという内容は実施例１と同様である。
以下の数式において、強度変化に係る時間変化の項は、具体的に記載していないが、振幅Ｅには、強度変調項であるγ(Ia・cos(2πfmt)＋Io)cos(2πfct)が掛っているとみなし、強度Ｉには、｛γ(Ia・cos(2πfmt)＋Io)cos(2πfct)｝²のように積の形で掛っているとみなせば、復調された直交検波の結果、どのようになるか簡単に推察できる。

図４は、本実施例の電磁波計測システムの構成を示す概略図である。この図４に示すように、光を照射する光源であるレーザー光源１０が図示しない光学機器を介して、対物レンズ１１と対向して配置され、このレーザー光源１０が照射した光が、透過物の測定対象物である試料Ｓに収束照射されている。このレーザー光源１０の収束照射の照射光軸とされる光軸Ｌ０上には、凸レンズとされる第１のレンズであるレンズ１５が位置していて、試料Ｓを透過して出射された光束をレンズ１５が平行な光束に変換している。

このレンズ１５の下方の光軸Ｌ０上には、レンズ１５から出射された平行な光束をそれぞれ左右に分割する２つの第１のビームスプリッター１２Ａ、１２Ｂが連続して配置されており、この下方にこの光を受光する第１の受光素子２６が位置している。ただし、この第１の受光素子２６は、光軸Ｌ０を挟んで位置する２つの分割受光素子２６Ａ、２６Ｂにより構成されていて、右側寄りの分割受光素子２６Ａが、レンズ１５からの透過光の内の光軸Ｌ０の右側寄り部分を受光し、左側寄りの分割受光素子２６Ｂが、レンズ１５からの透過光の内の光軸Ｌ０の左側寄り部分を受光することになる。

この一方、光軸Ｌ０に対して図４の右側に傾きを有した傾斜光軸とされる光軸Ｌ１上には、凸レンズとされる第２のレンズであるレンズ１６が位置しており、このレンズ１６が試料Ｓから出射された光束を平行な光束としている。この光軸Ｌ１上には、この平行な光束を反射するための反射鏡１８が配置されており、また、この反射鏡１８の下方には、第２のビームスプリッター１３が位置している。このため、レンズ１６と第２のビームスプリッター１３との間に配置される反射鏡１８が、レンズ１６からの出射光を第２のビームスプリッター１３側に反射させている。また、第２のビームスプリッター１３の下方には、複数の分割受光素子から構成される第２の受光素子群２４が位置している。

さらに、２つの第１のビームスプリッター１２Ａ、１２Ｂの内の上側の第１のビームスプリッター１２Ａが分割された光束を第２のビームスプリッター１３側に送り出している。このため、レンズ１５から出射された光束とレンズ１６から出射された光束とを第２のビームスプリッター１３が干渉させて、この光束を第２の受光素子群２４が受光するようにさせている。

他方、上記と同様の構成を有したレンズ１７、反射鏡１９、第２のビームスプリッター１４および、第２の受光素子群２５が照射光軸Ｌ０を挟んで対称に、図４の左側にも配置されている。以上より、２つの第１のビームスプリッター１２Ａ、１２Ｂおよび左右の第２のビームスプリッター１３、１４が、レンズ１５から出射された光束とレンズ１６、１７から出射された光束とを干渉させている。

さらに、前述の分割受光素子２６Ａ、２６Ｂ、受光素子群２４、２５が、これら受光素子２６Ａ、２６Ｂ、受光素子群２４、２５からの信号を比較するための比較器３３にそれぞれ接続され、この比較器３３が、最終的にデータを処理して試料Ｓのプロフィル等を得るデータ処理部３４に繋がっている。このため、比較器３３及びデータ処理部３４が、光軸Ｌ０を挟んで位置する第１の受光素子２６の分割受光素子２６Ａ、２６Ｂ間の出力差および、一対の第２の受光素子群２４、２５間の出力差を検出する出力差検出部とされている。

以上のことより、この図４に示す対物レンズ１１で収束された光は、測定対象物である試料Ｓ上にスポットを形成する。このスポットは理想的には回折限界の径を有し、このスポット径内における試料Ｓのパターンの空間周波数情報が透過光として回折される。ここで、試料Ｓの有する空間周波数の１次回折光でレンズ１５に入射されない空間周波数を考えた場合、レンズ１５には試料Ｓを透過した０次回折光と上記空間周波数よりも低い空間周波数成分の光が入射される。このことで、レンズ１５単体では、レンズ１５の有するカットオフ周波数まで、試料Ｓのパターンが再現されうることになる。

ところが、レンズ１５に入射されない空間周波数はカットされ、像情報に欠落を生じることになる。そこで、図４に示すように０次回折光の光軸Ｌ０に対して、レンズ１６及びレンズ１７が相互に対象な位置であって、ある傾きを有して配置されている。０次回折光の光軸Ｌ０に対するこのレンズ１６及びレンズ１７の光軸Ｌ１、Ｌ２の傾き角は、試料Ｓのコントラストが最大になる空間周波数に匹敵するようにする。

すなわち、レンズ１６の光軸Ｌ１上の光束は、反射鏡１８で折り返され、ビームスプリッター１２Ａにより分離された０次回折光の光軸Ｌ０上の光束とビームスプリッター１３により合成される。合成された光自体は受光素子群２４に導かれる。したがって、０次回折光とレンズ１６から出射される１次回折光とを干渉させて受光素子群２４が受光する。このとき、最も高いコントラストを有する光束は、レンズ１６の光軸Ｌ１に一致する空間周波数の光束となるからである。

上記した光学系と０次回折光の光軸Ｌ０に対して反対方向に同様な光学系について考えた場合、レンズ１７の傾斜光軸とされる光軸Ｌ２上の光束は反射鏡１９で折り返され、このレンズ１７の光軸Ｌ２上の光束は、ビームスプリッター１２Ａを経てビームスプリッター１２Ｂにより折り返された０次回折光の光軸Ｌ０上の光束と、ビームスプリッター１４により合成される。合成された光自体は受光素子群２５に導かれる。０次回折光とレンズ１７から出射される−１次回折光とを干渉しつつ受光素子群２５が受光する。

ここで、受光素子群２４は複数の分割受光素子よりなり、おのおのの分割受光素子は０次回折光と１次回折光で干渉された干渉縞を適当なピッチでサンプリングした干渉縞強度を取得する。つまり、０次回折光の光軸Ｌ０と１次回折光の光軸Ｌ１が傾きを持たなければ、光束内で一様な干渉強度となるが、多少傾きを有した場合には一様なピッチの干渉縞を生じるからである。この干渉縞のピッチは、１次回折光の出射角度によるので、レンズ１６に入射される空間周波数を反映したものとなる。

また、受光素子群２５も複数の分割受光素子よりなり、おのおのの分割受光素子は０次回折光と−１次回折光で干渉された干渉縞を適当なピッチでサンプリングした干渉縞強度を取得し、上記と同様に動作する。

したがって、受光素子群２４、２５は、複数の分割受光素子によりそれぞれ構成される形で配置され、空間周波数の反映した情報が取得できるようになる。受光素子群２４，２５の実質上対応する空間周波数を取得している受光素子の差の出力を取得することにより、より高い空間周波数情報を取得できるようになる。

以上は、ＤＰＣ法の光学系において特に有効となる。簡単のために上記においては透過光学系で説明したが、試料面に対して反射する方向に本電磁波計測システムを配置しても同様な効果をもたらすことになる。

上記光学系により取得できる実質的な空間周波数を大きくできる点を以下に定量的に明らかにする。ただし、説明を簡単にするために試料Ｓが高さｈでピッチdの正弦波状の形状をしているものとする。すなわち、光学的な位相θが以下の式で表される。
θ＝2πh/λsin(2πx/d+θ０)・・・・・（４）式

試料Ｓから回折された光の振幅Ｅは、ｆだけ離れた面においては、（４）式のフーリエ変換とレンズの開口とのコンボリューションとして、与えられるので、以下のように表される。ただし、（４）式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は±１次まで取るものとする。ここで、Ｅ₀、Ｅ₁は、おのおの０次回折光と１次回折光が入射されるレンズ１５、レンズ１６を経た複素振幅分布である。おのおの（９）、（１０）式で表される。

同様にＥ_-1を−１次回折光が入射されるレンズ１７を経た振幅分布である複素振幅分布であるとすると、下記（１１）式のようになる。

０次回折光の複素振幅分布を表す（９）式と１次回折光の複素振幅分布を表す（１０）式とから、レンズ１５の光束とレンズ１６の光束とをビームスプリッター１２Ａ，１３で合成して、受光素子群２４上で干渉させた結果とされる受光素子群２４上の強度Ｉ₁は、下記式のようになる。

同様に０次回折光の複素振幅分布を表す（９）式と−１次回折光の複素振幅分布を表す（１１）式とから、レンズ１５の光束とレンズ１７の光束とをビームスプリッター１４，１２Ｂで合成して受光素子群２５上で干渉させた結果とされる受光素子群２５上の強度Ｉ₂は、下記式のようになる。

ただし、上記強度Ｉ₁と強度Ｉ₂は簡単のために０次回折光および±１次回折光の光路差が実質上ないものとした。このようにして、受光素子群２４と受光素子群２５との差出力を表すと下記式のようになる。

ここで、単独の受光素子を用いずに、適正個数の分割受光素子よりなる受光素子群としたのは、受光素子と空間周波数が対応関係にすることになるので、受光量より試料Ｓに含まれる空間周波数成分の分布も考慮に入れた解析ができるからである。
他方、もし０次回折光と１次回折光とを干渉させないと、±１次回折光の強度は、下記式のようになり、差出力を取得すると０となる。

また、たとえ和の出力を取得したとしても位相情報θ０は完全に失われることになり、試料Ｓにその空間周波数が存在するか否かの情報だけとなり、プロファイル情報等の知りたい情報を取得することはできない。

以下、上記光学系を具体的に適用して効果のあるＤＰＣ法の光学系について述べる。ここで、図２を用いて本発明のＤＰＣ法における透過光学系を説明する。また、図５は本発明のＤＰＣ法における反射光学系の概略図を示す。

まず、図２と同様の光学系を有した本実施例によれば、半導体レーザー６からの光束がコリメーターレンズ７により平行光束とされ、対物レンズ８に入射された後、試料Ｓに収束される。試料Ｓに収束された光は透過光となり、受光素子９に入射される。この受光素子９は、試料Ｓから実質上ファーフィールドとなる位置に配置され、照射軸である光軸Ｌに対して対称に２分割された分割受光素子９Ａ、９Ｂとされている。さらに、前述の受光素子群２４、２５が、図示しないものの図４と同様に存在している。但し、レンズ１５，１６，１７、ミラー、ビームスプリッター等は省略する。

この結果、光軸Ｌ上の収束光束が試料Ｓの屈折率分布や凸凹により０次回折光と±１次回折光とに分離され、分離されたこれらの光が干渉しつつ、分割受光素子９Ａ、９Ｂ、受光素子群２４、２５に受光される。これに伴い、試料Ｓの屈折率分布や凸凹の情報が、０次回折光と±１次回折光との干渉情報に基づき、分割受光素子９Ａ、９Ｂ、受光素子群２４、２５が、これら受光素子９Ａ，９Ｂ、受光素子群２４、２５からの信号を信号作成器３０の替わりに、図４に示す比較器３３が比較する。そして、この比較データをデータ処理部３１の替わりに、図４に示すデータ処理部３４が処理して試料Ｓのプロフィル等を得る。このとき、光軸Ｌに対して対象な受光素子９の２つの分割受光素子９Ａ、９Ｂ間の差出力に試料Ｓの上記情報が反映され、空間周波数の高い情報、すなわち横分解能の大幅な向上が図れるようになる。

これに対して、図５は反射光学系の概略図であり、図２の透過光学系と異なるのは、コリメーターレンズ７と対物レンズ８との間に配置されたビームスプリッター２９により光束の一部を取り出し、この光束を２分割された分割受光素子９Ａ、９Ｂからなる受光素子９でそれぞれ受光することにより、これらの差出力を検出することである。この際、試料Ｓからの反射平行光は、実質上ファーフィールド情報であることになる。なお、上記実施例では走査光学系を省略したが、走査系は走査デバイスに対していわゆる瞳伝達系を配置することにより実現できる。

また、これら図２での説明と同様に図５の光学系の受光素子部分に図４に示す光学系を用いることで、反射光学系において、空間周波数の高い情報、すなわち横分解能の大幅な向上が図れるようになる。この一方、試料Ｓに照射する光束を平行光束として、図４に示すレンズ１５，１６，１７を省き、その他の光学系は上記実施例と同じようにすることで、平行光束系に対応した電磁波計測システムとすることもできる。

さらに、ＤＰＣ法に比較すると、本発明のように半導体レーザー６を直接変調した方法では、位相変化および強度変化をきわめて精度よく検出できる点と、受光素子９で受光される光が非常に微弱でも検出回路系のゲインを高くすることで、高精度に検出できる点と、検出される信号は変調信号だけなので、外乱光の影響を受けることもなくなる点とを有することから、さらに高精度な検出ができることになる。

下記の実施例においては、ＤＰＣ法の光学系の受光素子部分に以下の実施例の受光素子系を適用することとし、受光素子系以外の光学系については上記同様であるので、これらの光学系の説明は省略する。
また、半導体レーザーの直接変調に関する利点も実施例１と同様なので、変復調関係の説明は割愛するが、本実施例を含め以下の実施例では、試料Ｓと受光素子間に光学系が挿入されているので、特に光軸Ｌ１側と光軸Ｌ２側とでバランスが外乱光により崩れやすい。この場合においても、変復調により外乱光の影響がなくなるので、このアンバランスが解消され、受光される光が非常に微弱でも検出回路系のゲインを高くすることで、高精度に検出でき、さらに高精度な検出が可能になる。

本実施例においては、０次回折光の光軸Ｌ０に対してレンズを傾斜して設置することで、０次回折光の一部だけでなく、同じレンズを用いた場合に比較してより高い空間周波数を有した１次回折光の一部を取り入れることで、これら０次回折光と１次回折光の干渉を実現している。

なお、実施例２と同様に、変復調に関する説明は実施例１と同様なので、詳細は割愛するが、レーザー光源１０に強度変調とされるγ(Ia・cos(2πfmt)＋Io)cos(2πfct)を加え、対応する復調方式で信号を検出するという内容は実施例１と同様である。
以下の数式において、強度変化に係る時間変化の項は、具体的に記載していないが、振幅Ｅには、強度変調項であるγ(Ia・cos(2πfmt)＋Io)cos(2πfct)が掛っているとみなし、強度Ｉには、｛γ(Ia・cos(2πfmt)＋Io)cos(2πfct)｝²のように積の形で掛っているとみなせば、復調された直交検波の結果、どのようになるか簡単に推察できる。

本実施例は、図６に示すように、平行光束が対物レンズ１１に入射し、試料Ｓに収束されるまでは、図４と同様である。ただし、本実施例においては、試料Ｓを透過した０次回折光の一部と１次回折光の一部とを、０次回折光と１次回折光との間の中間的な傾き角を有した光軸Ｌ３だけ傾けた状態のレンズ３６に取り入れる。そして、上記一部の１次回折光と上記一部の０次回折光をロンボイドプリズム３９のようなものにより、光束同士をシフトして重ね合わせることで、お互いの光束同士を干渉させる。

また、ロンボイドプリズム３９の一面を半透鏡３９Ａとし、この半透鏡３９Ａと反対の面を半透鏡３９Ｂにし、それぞれの面を通過して光を受光する受光素子４０，４１，４２を配置する。ここで、受光素子４０と受光素子４１は、それぞれ０次回折光の一部と１次回折光の一部との干渉結果を反映し、受光素子４２は、レンズ３６の０次回折光の一部が含まれる領域に回折される低い空間周波数の１次回折光と０次回折光の一部との干渉結果を反映する。

以下の式にて、０次回折光と１次回折光とが干渉した結果について説明する。
まず、図６で示した光学系と同様の光学系を、図６では示していないが０次回折光の光軸Ｌ０と対称となるように、−１次回折光に対しても配置する。これら対応する各受光素子の出力差を取得すると以下のように考えられる。説明を簡単にするために、試料Ｓが高さｈでピッチdの正弦波状の形状をしているものとすれば、光学的な位相θが以下の式で表される。

θ＝2πh/λsin(2πx/d+θ０)・・・・・（４）式

試料Ｓから回折された光の振幅Ｅは、ｆだけ離れた面においては、（４）式のフーリエ変換とレンズの開口とのコンボリューションとして与えられるので、以下のように表される。
ただし、（４）式の位相のフーリエ変換であるベッセル関数は±１次まで取るものとする。
図６に示すように光軸Ｌ３をレンズ３６のほぼsin^-1(ＮＡ)に相当する角度ξだけ傾ける。この際、光軸Ｌ３に対する垂直方向をｙ軸とし、（１）式の空間周波数1/dに相当する１次回折光の中心位置をＹ１とする。
このとき、上記（２）式を参考にして、光軸Ｌ３を角度ξだけ傾けた場合、（２）式の０次回折光は中心がaだけずれ、１次回折光の中心軸がy1になるので、下記の（１２）式で複素振幅分布Ｅ₁が与えられる。

同様に０次回折光の光軸Ｌ０に対して、１次回折光と対称な光学系における−１次回折光に関しては、下記の（１３）式となる。

図６の光学系は、レンズ３６の光軸Ｌ３を０次回折光と１次回折光との間の境界に実質上シフトして重ねているので、（１２）式は、下記の（１２）’式となる。

このようにy1=aのときに複素振幅分布Ｅ₁は最も大きく、y1=2aのときに０となる。
y1=2aは、０次回折光から見れば、3aに相当した空間周波数までの情報を取得したことになる。したがって、同じＮＡのレンズを用いた時に比較して１．５倍の空間周波数まで取得できたことになる。その分、光学的な分解能が実質的に向上したことになる。

他方、０次回折光の光軸Ｌ０に対して、１次回折光と対称な光学系における−１次回折光に関しては、同様にして−１次回折光の光軸Ｌ２に垂直方向をｙ’軸とすると、下記の（１３）’式となる。

このようにy1=-aのときに複素振幅分布Ｅ_-1は最も大きく、y1=-2aのときに０となる。
y1=-2aは、０次回折光から見れば、-3aに相当した空間周波数までの情報を取得したことになる。したがって、同じＮＡのレンズを用いた時に比較して1.5倍の空間周波数まで取得できたことになる。その分、光学的な分解能が実質的に向上したことになるのは、１次回折光と同様である。
さて、この様にして得た情報に対して、受光素子４０と受光素子４１の和の出力とそれと等価な−１次回折光の受光素子間で差出力ΔＩを下記の式により得るようにする。

これは、実質的に実施例１と同様な式となっている。ただし、実施例１に比較すると光学系はよりシンプルで、かつロンボイドプリズムのような簡単な素子で構成しており、レンズを一体的に成形するなどすれば、安定的な光学系とすることが可能である。なお、ロンボイドプリズムを、実質上２つのハーフミラーで構成しても同様な効果をもたらすことができる。

本発明に係る電磁波計測システムの実施例４を図７を参照しつつ、以下に説明する。
図７は、本実施例の電磁波計測システムの構成を示す概略図である。この図７に示すように、本実施例においては、０次回折光の光軸Ｌ０に対して、レンズ３６を傾斜して設置することで、０次回折光の一部だけでなく、同じレンズを用いた場合に比較してより高い空間周波数を有した１次回折光の一部を取り入れ、結像光学系にて干渉を実現している。なお、図示しないものの、本実施例においては、軸Ｌ０に対して対象な位置に同様な光学系が配置されている。なお、変復調に関する説明は実施例１と同様なので、詳細は実施例２、３と同様に割愛する。

レンズ３６を傾けて０次回折光の一部と１次回折光の一部を取得するところまでは、実施例３と同様である。本実施例では、レンズ３６により平行光束にした回折光同士をレンズ５２にて集光する。このレンズ５２により回折光同士が焦点近傍で重なり合って、実質的に干渉する。ただし、０次回折光と±１次回折光との干渉ではないので、試料Ｓ自体の結像とは異なる。

さらに、レンズ５２の実効的な焦点距離を長くすることで、干渉縞のピッチを広げることができる。もし、レンズ３６とレンズ５２の焦点距離が同じであれば、当然等倍となり、試料Ｓの空間周波数となる。これに対して、他方の−１次回折光の光学系にて干渉された結果は、ピッチがずれた干渉縞となる。しかしながら、干渉縞のピッチに対して受光素子が大きいと、±１次回折光を受光する素子の位置あわせが困難になる。

そこで、拡大光学系５３により干渉縞自体を拡大し、受光素子５０の大きさにほぼ等しくすれば、±１次回折光で自然と逆位相となるので、０次回折光がバイアスになるような形で明暗が逆になる。この様にすれば、極めて簡単に空間周波数の高い領域まで、情報を取得することができるようになる。本実施例の場合、レンズ５２を用いているので、このレンズ５２に入射される０次回折光と１次回折光の位相差がそのまま反映される程度の波面収差は許容される。したがって、高額なレンズを用いる必要性はない。

なお、本実施例においては、焦点距離が多少異なるレンズであっても、お互いの受光素子の受けとる光量に大きな変化がなく、レンズ面内の波面収差が大きくなければ、干渉縞のピッチが多少変わる程度なので、そのまま用いることができる。また、取得できる空間周波数の限界は、図７とほぼ同じ原理なので、１．５倍程度となる。この光学系は、レンズ系だけを用いて構成しているので、非常にシンプルで、外乱に対しても強い。しかしながら、本実施例では、拡大光学系５３を用いているので、信号強度が低下しやすく、±１次回折光の方向で外乱光によるバランスの崩れが生じやすい。このため、変復調による外乱ノイズの除去はこのアンバランスを修正する大きな効果をもたらす。

本発明に係る電磁波計測システムの実施例５を図８を参照しつつ、以下に説明する。
図８は、本実施例の電磁波計測システムの構成を示す概略図である。なお、実施例２、３、４と同様に、変復調に関する説明は、実施例１と同様なので、詳細は割愛する。
この図８に示すように、本実施例においては、試料Ｓに収束した光を入射せず、比較的大きな径を有する平行光束を入射することとする。この場合において、０次回折光の光軸Ｌ０に対して、レンズ３６を傾斜して設置することとした。このことで、０次回折光の一部だけでなく、同じレンズを用いた場合に比較してより高い空間周波数を有した１次回折光の一部を取り入れることができる。なお、図示しないものの、本実施例においては、軸Ｌ０に対して対象な位置に同様な光学系が配置されている。

ただし、レンズ３６を傾けて０次回折光の一部と１次回折光の一部を取得するところまでは、実施例２と同様である。本実施例では、０次回折光および１次回折光をそれぞれ集光光束とするが、レンズ３６のそれぞれの焦点位置に焦点を有する別々のレンズ６４，６５を配置し、これらのレンズ６４，６５により集光光束を平行光束とする。この様に平行光束にした以降は、図６および図７に示す光学系を用いて、０次回折光の一部と１次回折光の一部とを干渉させる。

この場合、試料Ｓに入射される光束径は大きいので、面内の情報が平均化されてしまう。そこで、入射された平行光束に図示しない制限開口を設けることで、その部分の情報として解釈するか、もしくは規則正しいパターン中の不規則パターンの検出が可能となる。 つまり、規則正しい１次回折光の方向が設計上予め分かっているので、その１次回折光の方向はレンズ３６の焦点にマスクすることで抑えることができる。

この一方、それ以外の成分はレンズ６４、６５に入射されるので、欠陥部からの情報を検出することができる。たとえば、半導体ウェハー上の欠陥検査や、ナノ構造の不均一性の検査等への適用が可能である。なお、取得できる空間周波数の限界は、図７とほぼ同じ原理なので、１．５倍程度となる。また、変復調に関する効果は、後段に用いる干渉光学系に依存するので、実施例３，４に準拠する。

本発明に係る電磁波計測システムの実施例６を以下に図９を参照しつつ説明する。
図９は、本実施例の電磁波計測システムの構成を示す概略図である。なお、実施例２、３、４、５と同様に、変復調に関する説明は、実施例１と同様なので、詳細は割愛する。本実施例は図７と同様な光学系に採用されるものであるが、本実施例においては、この図９に示すように拡大光学系５３をなくす替りに、回折格子であるグレーティング５４をレンズ５２の焦点付近に配置した構造としている。なお、図示しないものの、本実施例においては、軸Ｌ０に対して対象な位置に同様な光学系が配置されている。

この結果、試料Ｓにより回折された０次回折光と１次回折光がグレーティング５４により、さらに回折され、０次回折光と１次回折光が実質上干渉するようになる。図９において、斜線を施した部分が、０次回折光と１次回折光が重なる干渉部Ｋであるが、光軸Ｌ３に対して、逆側にも同様な干渉部Ｋが存在する。

ここで、グレーティング５４が明暗パターンの正弦波状で構成されていれば、グレーティング５４による回折波は、０次回折光、±１次回折光で位相差がない。この場合、光軸Ｌ３に対して対称な部分の位相差は同じなので、重なった部分は同相となる。従って、本実施例では、受光素子５０はグレーティング５４から出力された少なくとも２つの領域の上記干渉部Ｋを含む部分の光量を取得すればよい。

ただし、光軸Ｌ０に対して干渉部Ｋが対称で同相であるが、試料Ｓで回折された−１次回折光では、この干渉部Ｋの位相が１８０度反転する。これに対して、干渉部Ｋ以外の強度は、試料Ｓで回折された±１次回折光の方向で同一となるため、±１次回折光の強度の差動出力を取ると、干渉部Ｋのみの情報が残ることになる。

この一方、グレーティング５４が位相差を生じる実質上の正弦波状で構成されていると、グレーティング５４による０次回折光と±１次回折光で位相差が１８０°生じる。この場合、上記したように受光素子５０をグレーティング５４から出力された少なくとも１つの領域の干渉部Ｋを含む光量を取得すればよい。ただし、上記と異なる点は、グレーティング５４の有する位相差が反映することになるので、グレーティング５４のビームに対する位置も反映する。従って、グレーティング５４のビームに対する位置調整が必要になる。

なお、位置調整は非常に簡単で、あらかじめ用意した、ある空間周波数を有する位相格子の試料Ｓに対して、走査による観察される両側の受光素子５０の強度変調が最大になるように調整し、かつ、両側で位相差が１８０°になる様にすればよい。±１次回折光の強度の差動出力が、干渉部Ｋのみの情報が残ることは上記と同様である。なお、グレーティングを用いると、外乱光のスペクトルにより検出する受光素子上に強度分布が生じ、場所による差異が生じやすいが、変復調することによりこれらの影響をなくすことができる。

本発明に係る電磁波計測システムの実施例７を以下に図１０を参照しつつ説明する。
図１０は、本実施例の電磁波計測システムの構成を示す概略図である。なお、実施例２、３、４、５、６と同様に、変復調に関する説明は、実施例１と同様なので、詳細は割愛する。
本実施例は図９と同様なグレーティング５４を別の光学系に採用したものであるが、本実施例においては、この図１０に示すように、レンズ１５、１６、１７を有する他、反射鏡１８、１９を有する実施例１に近似した構造とされている。ただし、ビームスプリッター１２Ａ、１２Ｂ、１３、１４等が無い替りに、レンズ５５が反射鏡１８の下方に配置され、このレンズ５５と受光素子５７との間であって、レンズ５５の焦点位置にグレーティング５４が配置された構造となっている。

さらに、レンズ１５が大型とされて、このレンズ１５を透過した光束の一部がレンズ５５に入射されて、実施例５と同様に作用する。また、レンズ５６が反射鏡１９の下方に配置され、上記と同様にこのレンズ５６と受光素子５８との間であって、レンズ５６の焦点位置にグレーティング５４が配置された構造となっている。このため、これらレンズ５６、グレーティング５４、受光素子５８等によっても、上記と同様に作用する。なお、グレーティングを用いると、外乱光のスペクトルにより検出する受光素子上に強度分布が生じ、場所による差異が生じやすいが、変復調することによりこれらの影響をなくすことができる。

なお、本発明で用いられる電磁波の周波数領域としては、すべての周波数の電磁波が適用可能である。例えば光の波長に関しても、紫外光、可視光、赤外光のいずれについても、使用可能である。但し、用途により試料に対する波長は選択され、たとえば、吸収の多い波長はS/N比が悪くなるので避けるとか、蛍光と併用すれば蛍光発色が可能な波長を選択するとかすることが、考えられる。
他方、変調の周波数に関しては、試料の表面状態の計測や観察等をリアルタイムにハイビジョンクラスで画像化する場合には、60MHz程度の周波数で変調を行うことが考えられ、このようにすれば楽に画像化を実現できる。また、このように画像として表現する場合の他、データとして取得する場合等により、変調周波数は適宜選択することができる。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明は、顕微鏡だけでなく、さまざまな種類の光学機器や波動を有する電磁波を用いた計測機に適用でき、これら光学機器や波動を有する電磁波を用いた計測機の分解能を向上することができるものである。

１ 電子銃
２ 収束レンズ
３ 収束絞り
５ 検出器
５Ａ、５Ｂ 分割検出素子
６ 半導体レーザー
７ コリメーターレンズ
８ 対物レンズ
９ 受光素子
９Ａ、９Ｂ 分割受光素子
１０ レーザー光源
１１ 対物レンズ
１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４ ビームスプリッター
１５，１６，１７ レンズ
１８，１９ 反射鏡
２４，２５ 受光素子群
２６ 受光素子
２９ ビームスプリッター
３０ 信号作成器
３１ データ処理部
３３ 比較器
３４ データ処理部
３６ レンズ
３９ ロンボイドプリズム
４０，４１，４２ 受光素子
５０ 受光素子
５２ レンズ
５３ 拡大光学系
５４ グレーティング
５５，５６ レンズ
５７，５８ 受光素子
６４，６５ レンズ
Ｓ 試料
Ｌ０ 光軸
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 傾斜光軸

Claims (13)

1. コヒーレントな電磁波を変調してから測定対象物に対して照射する照射手段と、
   該照射手段から照射される電磁波の照射軸を挟んで対称な位置に配置され、おのおの測定対象物で０次回折波と±１次回折波に回折された電磁波を検出する少なくとも２つの検出素子を有する電磁波検出手段と、
   これら２つの検出素子でおのおの検出された電磁波を前記変調に対応した復調を行い、これら測定対象物で回折された電磁波の出力間の差信号を作成する信号作成手段と、
   この差信号の位相差あるいは出力差を求めて測定対象物のプロファイル情報を得る計測手段と、
   を含む電磁波計測システム。
2. 変調した光を測定対象物に収束照射する光源と、
   収束照射の照射光軸上に位置し、前記測定対象物から出射された光束を平行な光束に変換する第１のレンズと、
   第１のレンズからの透過光の内の照射光軸を挟んだ各側部分の光をそれぞれ受光する少なくとも２つの受光素子を有する第１の受光素子と、
   前記照射光軸に対して第１の受光素子の受光素子が受光する各側にそれぞれ傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物から出射された光束をそれぞれ平行な光束とする一対の第２のレンズと、
   第１のレンズから出射された光束と前記各第２のレンズから出射された光束とをそれぞれ干渉させる光学素子と、
   該光学素子により干渉された各光束を受光する一対の第２の受光素子と、
   変調されている前記光源からの光を前記変調に対応した復調を行ってから、第１の受光素子の照射光軸を挟んで位置する受光素子間の出力差および、一対の第２の受光素子間の出力差をそれぞれ検出する出力差検出部と、
   を含む電磁波計測システム。
3. 前記第２のレンズからの出射光を前記光学素子に反射させる反射鏡が第２のレンズと光学素子との間に配置され、
   該光学素子が、
   第１のレンズから出射された平行な光束を分割する第１のビームスプリッターと、
   前記反射鏡から反射された光束と前記第１のビームスプリッターで分割された光束とを合成させる第２のビームスプリッターと、
   を含む請求項２記載の電磁波計測システム。
4. 前記一対の第２の受光素子が、複数の受光素子によりそれぞれ構成され、かつ照射光軸を挟んで相互に対称な位置に配置されている請求項２または請求項３に記載の電磁波計測システム。
5. 変調した光を測定対象物に平行照射する光源と、
   平行照射の照射光軸に位置し、前記測定対象物から出射された光束を分割する第１のビームスプリッターと、
   第１のビームスプリッターからの透過光の内の照射光軸を挟んだ各側部分の光をそれぞれ受光する少なくとも２つの受光素子を有する第１の受光素子と、
   前記照射光軸に対して第１の受光素子の受光素子が受光する各側にそれぞれ傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物から出射された光束と第１のビームスプリッターで分割された光束とをそれぞれ干渉させる一対の第２のビームスプリッターと、
   一対の第２のビームスプリッターにより干渉された各光束をそれぞれ受光する一対の第２の受光素子と、
   変調されている前記光源からの光を前記変調に対応した復調を行ってから、第１の受光素子の照射光軸を挟んで位置する受光素子間の出力差および、一対の第２の受光素子間の出力差をそれぞれ検出する出力差検出部と、
   を含む電磁波計測システム。
6. 前記一対の第２の受光素子が、複数の受光素子によりそれぞれ構成され、かつ照射光軸を挟んで相互に対称な位置に配置されている請求項５記載の電磁波計測システム。
7. 変調した光を測定対象物に収束照射する光源と、
   収束照射の照射光軸に対して傾きを有した傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物から出射された光束を平行な光束とするレンズと、
   該レンズに入射される光束の前記照射光軸に近い該レンズの部分を通過する第１の光束と該照射光軸から遠い該レンズの一方の半面を通過する第２の光束を干渉させる第１の光学素子と、
   第１の光学素子により干渉された光束をそれぞれ検出する複数の第１の受光素子と、
   前記傾斜光軸に対して前記第１の光学素子と反対方向に配置され、前記第１の光束と前記第２の光束を干渉させる第２の光学素子と、
   第２の光学素子により干渉された光束をそれぞれ検出する複数の第２の受光素子と、
   変調されている前記光源からの光を前記変調に対応した復調を行ってから、複数の第１の受光素子の任意の受光出力と複数の第２の受光素子の任意の受光出力との差の出力値を検出する出力差検出部と、
   を含む電磁波計測システム。
8. 変調した光を測定対象物に平行照射する光源と、
   平行照射の照射光軸に対して傾きを有した傾斜光軸上に有る第１の光学素子と、
   第１の光学素子により干渉された光を検出する複数の第１の受光素子と、
   平行照射の照射光軸に対して第１の光学素子と逆の傾きを有した傾斜光軸上に有る第２の光学素子と、
   第２の光学素子により干渉された光を検出する複数の第２の受光素子と、
   変調されている前記光源からの光を前記変調に対応した復調を行ってから、複数の第１の受光素子の任意の受光出力と複数の第２の受光素子の任意の受光出力との差の出力値を検出する出力差検出部と、
   を含み、
   第１の光学素子および第２の光学素子が、
   傾斜光軸上に位置し、かつ、前記測定対象物から出射された光束を収束させる第１のレンズと、
   該第１のレンズから出射される光束の照射光軸に近い該第１のレンズの一方の半面の第１の光束を平行な光束とする第２のレンズと、
   照射光軸から遠い該第１のレンズの他方の半面の第２の光束を平行な光束とする第３のレンズと、
   第２のレンズと第３のレンズより出射された光束同士を干渉させる光学素子と、
   をそれぞれ有する電磁波計測システム。
9. 前記第１および第２の光学素子は、前記光束同士を干渉させる光学素子として、
   前記第１の光束における像を反転する第１のプリズムと、
   第１のプリズムからの光束と前記第２の光束との何れかをシフトして重ねる第２のプリズムと、
   を含む請求項７または請求項８に記載の電磁波計測システム。
10. 前記第１および第２の光学素子は、前記光束同士を干渉させる光学素子として、
    前記第２の光束を反射するミラーと、
    前記第１の光束と該ミラーで反射された光束を合成するビームスプリッターと、
    を含む請求項７または請求項８に記載の電磁波計測システム。
11. 前記第１および第２の光学素子は、前記光束同士を干渉させる光学素子として、収束レンズもしくは、収束レンズと拡大光学系である請求項７または請求項８に記載の電磁波計測システム。
12. 前記第１および第２の光学素子は、前記光束同士を干渉させる光学素子として、収束レンズと該収束レンズの焦点付近に配置されたグレーティングである請求項７または請求項８に記載の電磁波計測システム。
13. 変調および復調する際に用いた変調方式を単一周波数の振幅変調、位相変調、周波数変調としたことを特徴とする請求項１、２、５、７、８の何れかに記載の電磁波計測システム。

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