KR102552799B1 - 광학 측정 방법 및 광학 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

광학 측정 방법은, 조명광으로 샘플을 조명하여 얻어지는 물체광을 조명광과 코히런트한 참조광으로 변조하여 생성되는 홀로그램을 기록하기 위한 광학계를 구성하는 스텝과, 샘플이 존재하지 않는 상태에서, 조명광의 광학 경로 상에, 이미 알려진 광파 분포를 발생시키는 광학계를 포함하는 교정 유닛을 배치하는 스텝과, 교정 유닛이 광파 분포를 발생시키고 있는 상태에서 발생하는 제 1 홀로그램을 기록하는 스텝과, 교정 유닛의 배치 위치를 나타내는 정보와, 이미 알려진 광파 분포와, 제 1 홀로그램에 기초하여, 참조광의 광파 분포의 정보를 산출하는 스텝을 포함한다.

Description

광학 측정 방법 및 광학 측정 시스템

본 발명은, 디지털 홀로그래피를 이용하는 광학 측정 방법 및 광학 측정 시스템에 관한 것이다.

샘플의 형상을 보다 높은 정밀도로 측정하는 방법으로서, 디지털 홀로그래피가 제안 및 실용화되어 있다. 디지털 홀로그래피는, 참조광과 샘플에 광을 조명하여 발생하는 물체광을 중첩시켜 발생하는 간섭 무늬를 관측함으로써, 물체광의 파면의 형상을 취득하여, 샘플의 형상 등을 측정하는 기술이다. 전형적으로는, 이하와 같은 선행 기술이 존재한다.

미국 특허 제6411406호 명세서 (특허문헌 1) 는, 홀로그래픽 화상을 재구성하는 방법 등을 개시한다.

국제공개 제2013/047709호 (특허문헌 2) 는, 반사 모드와 투과 모드의 쌍방을 실시하는 실용적인 디지털 홀로그래피 방법을 개시한다.

국제공개 제2011/089820호 (특허문헌 3) 는, 복소 진폭 인라인 홀로그램의 작성 방법 등을 개시한다.

국제공개 제2012/005315호 (특허문헌 4) 는, 인라인 구면파광을 사용하여 구해진 미소 피사체의 복소 진폭 인라인 홀로그램으로부터 분해능을 높인 화상을 재생하기 위한 고분해능 화상 재생용 홀로그램 작성 방법 등을 개시한다.

국제공개 제2020/045584호 (특허문헌 5) 는, 광학계를 구성하는 큐브형의 빔 결합기가 갖는 굴절률의 영향이 고려되어 성능이 향상된 홀로그래픽 촬상 장치 등을 개시한다. 보다 구체적으로는, 인라인 구면파 참조광의 집광점으로부터 발하여지는 구면파에 대해, 빔 결합기의 굴절률을 고려하여 빔 결합기의 내부의 전파를 포함하는 광 전파 계산을 실시함으로써, 홀로그램면에 있어서의 광파를 나타내는 인라인 참조광 홀로그램을 생성하는 방법이 개시되어 있다.

미국 특허 제6411406호 명세서 국제공개 제2013/047709호 국제공개 제2011/089820호 국제공개 제2012/005315호 국제공개 제2020/045584호

미국 특허 제6411406호 명세서 (특허문헌 1) 에 개시되는 방법은, 공액 이미지의 중첩에 의해 정확한 물체광이 얻어지지 않는다는 과제가 존재한다.

국제공개 제2013/047709호 (특허문헌 2) 에 개시되는 방법은, 결상 광학계를 사용한 구성이기 때문에, 결상 광학계에 있어서 수차가 발생하여, 삼차원 분포를 정확하게 기록할 수 없다는 과제가 존재한다.

국제공개 제2011/089820호 (특허문헌 3) 는, 참조광의 결정이 완전하지는 않기 때문에, 기록되는 물체광 데이터에 변형이 발생할 수 있다는 과제가 존재한다.

국제공개 제2012/005315호 (특허문헌 4), 및 국제공개 제2020/045584호 (특허문헌 5) 는, 인라인 구면파광을 인라인의 축으로 정확하게 조정할 필요가 있어, 조정에 수고를 필요로 한다는 과제가 존재한다.

본 발명은, 조정의 수고를 삭감하면서, 보다 고정밀도로 샘플을 측정할 수 있는 기술을 제공한다.

본 발명의 어느 국면에 따른 광학 측정 방법은, 조명광으로 샘플을 조명하여 얻어지는 물체광을 조명광과 코히런트한 참조광으로 변조하여 생성되는 홀로그램을 기록하기 위한 광학계를 구성하는 스텝과, 샘플이 존재하지 않는 상태에서, 조명광의 광학 경로 상에, 이미 알려진 광파 분포를 발생시키는 광학계를 포함하는 교정 유닛을 배치하는 스텝과, 교정 유닛이 광파 분포를 발생시키고 있는 상태에서 발생하는 제 1 홀로그램을 기록하는 스텝과, 교정 유닛의 배치 위치를 나타내는 정보와, 이미 알려진 광파 분포와, 제 1 홀로그램에 기초하여, 참조광의 광파 분포의 정보를 산출하는 스텝을 포함한다.

교정 유닛은, 발생하는 광파 분포를 공간적으로 이동시킬 수 있도록 구성되어 있어도 된다. 광학 측정 방법은, 발생하는 광파 분포를 제 1 홀로그램을 기록한 위치와는 상이한 복수의 위치로 이동시킴과 함께, 복수의 위치에 있어서 각각 발생하는 복수의 제 2 홀로그램을 기록하는 스텝과, 이미 알려진 광파 분포로부터 산출되는 스펙트럼과 복수의 제 2 홀로그램에 대응하는 광파 분포로부터 산출되는 스펙트럼으로부터 파면 수차를 산출하는 스텝과, 파면 수차를 최소화하도록, 교정 유닛의 배치 위치를 나타내는 정보를 조정하는 스텝을 추가로 포함하고 있어도 된다.

광학 측정 방법은, 복수의 제 2 홀로그램의 각각에 공간 주파수 필터링을 적용하고, 필터링 결과와 참조광의 광파 분포의 정보에 기초하여, 복수의 제 2 홀로그램에 각각 대응하는 복수의 물체광 홀로그램을 산출하는 스텝과, 이미 알려진 광파 분포에 기초하여, 복수의 물체광 홀로그램을 각각 수정함으로써, 복수의 제 2 홀로그램에 대응하는 복수의 광파 분포를 각각 산출하는 스텝을 추가로 포함하고 있어도 된다.

파면 수차를 산출하는 스텝은, 이미 알려진 광파 분포로부터 산출되는 스펙트럼과 제 2 홀로그램에 대응하는 광파 분포로부터 산출되는 스펙트럼의 위상차 분포인 위상차 분포 스펙트럼을 산출하는 스텝과, 위상차 분포 스펙트럼 전체의 평균값에 대한 제곱 평균 제곱근을 오차로서 산출하는 스텝을 포함하고 있어도 된다.

광학 측정 방법은, 조명광으로 샘플을 조명하여 얻어지는 물체광을 참조광으로 변조하여 생성되는 제 3 홀로그램을 기록하는 스텝과, 제 3 홀로그램에 공간 주파수 필터링을 적용하고, 필터링 결과와 참조광의 광파 분포의 정보에 기초하여, 물체광 홀로그램을 산출하는 스텝을 추가로 포함하고 있어도 된다.

참조광의 광파 분포의 정보는, 참조광의 광파 분포의 복소 공액을 포함하고 있어도 된다.

본 발명의 다른 국면에 따른 광학 측정 방법은, 조명광으로 샘플을 조명하여 얻어지는 물체광을 조명광과 코히런트한 참조광으로 변조하여 생성되는 홀로그램을 기록하기 위한 광학계를 구성하는 스텝과, 광학계에 있어서의 참조광의 광파 분포의 정보를 취득하는 스텝과, 조명광으로 샘플을 조명하여 얻어지는 물체광을 조명광과 코히런트한 참조광으로 변조하여 생성되는 홀로그램을 기록하는 스텝과, 홀로그램에 공간 주파수 필터링을 적용하고, 필터링 결과와 참조광의 광파 분포의 정보에 기초하여, 물체광 홀로그램을 산출하는 스텝을 포함한다.

참조광의 광파 분포의 정보는, 샘플이 존재하지 않는 상태에서, 조명광의 광학 경로 상에, 이미 알려진 광파 분포를 발생시키는 광학계를 포함하는 교정 유닛이 배치되었을 때에 기록되는 홀로그램과, 교정 유닛의 배치 위치를 나타내는 정보와, 이미 알려진 광파 분포에 기초하여 미리 산출되어도 된다.

본 발명의 또 다른 국면에 따른 광학 측정 시스템은, 코히런트광을 발생시키는 광원과, 광원으로부터의 코히런트광으로부터 조명광 및 참조광을 생성하는 빔 스플리터와, 조명광으로 샘플을 조명하여 얻어지는 물체광을 조명광과 코히런트한 참조광으로 변조하여 생성되는 홀로그램을 이미지 센서로 기록하기 위한 광학계와, 광학계에 있어서의 참조광의 광파 분포의 정보를 격납하는 격납부를 갖는 처리 장치를 포함한다. 처리 장치는, 이미지 센서로 기록된 홀로그램에 공간 주파수 필터링을 적용하고, 필터링 결과와 참조광의 광파 분포의 정보에 기초하여, 물체광 홀로그램을 산출한다.

참조광의 광파 분포의 정보는, 샘플이 존재하지 않는 상태에서, 조명광의 광학 경로 상에, 이미 알려진 광파 분포를 발생시키는 광학계를 포함하는 교정 유닛이 배치되었을 때에 기록되는 홀로그램과, 교정 유닛의 배치 위치를 나타내는 정보와, 이미 알려진 광파 분포에 기초하여 미리 산출되어도 된다.

본 발명의 어느 실시형태에 의하면, 조정의 수고를 삭감하면서, 보다 고정밀도로 샘플을 측정할 수 있다.

도 1 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템의 구성예 (측정 처리용) 를 나타내는 모식도이다.
도 2 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템의 구성예 (교정 처리) 를 나타내는 모식도이다.
도 3 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템의 프로파일 생성부의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 4 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템에 포함되는 처리 장치의 하드웨어 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 5 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템에 있어서 실행되는 측정 처리의 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다.
도 6 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템에 있어서 실행되는 교정 처리의 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다.
도 7 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템에 있어서 실행되는 교정 처리의 다른 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다.
도 8 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템의 교정 처리의 초기 단계에 있어서의 측정예를 나타내는 도면이다.
도 9 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템의 교정 처리의 처리 후에 있어서의 측정예를 나타내는 도면이다.
도 10 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템에 의한 샘플의 측정예를 나타내는 도면이다.
도 11 은, 본 실시형태의 변형예 1 에 따른 광학 측정 시스템의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 12 는, 본 실시형태의 변형예 2 에 따른 광학 측정 시스템의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 13 은, 본 실시형태의 변형예 3 에 따른 광학 측정 시스템의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 14 는, 본 실시형태의 변형예 4 에 따른 광학 측정 시스템의 구성예를 나타내는 모식도이다.

본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에 대해서는, 동일 부호를 부여하고 그 설명은 반복하지 않는다.

＜A. 광학 측정 시스템의 구성예＞

본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템은, 점 광원과 같은 발산광을 참조광으로서 사용하는 디지털 홀로그래피를 이용한다. 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템은, 샘플과 이미지 센서 사이에 렌즈가 존재하지 않는, 렌즈리스 디지털 홀로그래피의 구성을 채용한다.

도 1 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 의 구성예 (측정 처리용) 를 나타내는 모식도이다. 도 1 에 나타내는 구성예를 사용함으로써, 샘플의 형상을 나타내는 광파 분포를 기록한다. 보다 구체적으로는, 도 1 에 나타내는 광학계는, 조명광 (Q) 으로 샘플 (S) 을 조명하여 얻어지는 물체광 (O) 을, 오프 액시스 배치된 참조광 (R) 으로 변조하여 생성되는 홀로그램 I_OR 을 기록하기 위한 광학계에 상당한다.

도 1 을 참조하여, 광학 측정 시스템 (1) 은, 광원 (10) 과, 빔 익스팬더 (BE) 와, 빔 스플리터 (BS1, BS2) 와, 미러 (M1, M2) 와, 시야 마스크 (A1) 와, 집광 렌즈 (L1, L2) 와, 이미지 센서 (D) 를 포함한다.

광원 (10) 은, 레이저 등으로 구성되고, 코히런트광을 발생시킨다.

빔 익스팬더 (BE) 는, 광원 (10) 으로부터의 광의 단면 직경을 소정 사이즈로 확대시킨다.

빔 스플리터 (BS1) 는, 빔 익스팬더 (BE) 에 의해 확대된 광을 2 개로 분기시킨다. 빔 스플리터 (BS1) 에 의해 분기되는 일방의 광 (빔 스플리터 (BS1) 의 반사측의 광) 이 조명광 (Q) 에 상당하고, 타방의 광 (빔 스플리터 (BS1) 의 투과측의 광) 이 오프 액시스 배치된 참조광 (R) 에 상당한다. 그 때문에, 조명광 (Q) 과 참조광 (R) 은 서로 코히런트하다. 이와 같이, 빔 스플리터 (BS1) 는, 광원 (10) 으로부터의 코히런트광으로부터 조명광 (Q) 및 참조광 (R) 을 생성한다.

조명광 (Q) 은, 미러 (M1) 로 반사되어 전파 방향이 바뀐 후, 시야 마스크 (A1) 를 통과한다.

시야 마스크 (A1) 는, 조명광 (Q) 으로 샘플 (S) 을 조명하는 범위를 소정 범위로 제한한다. 제한부의 일례로서, 차광 부재에 소정 범위에 대응하는 개구 (SP1) 가 형성되어 있는 시야 마스크 (A1) 를 사용해도 된다. 조명광 (Q) 은, 개구 (SP1) 에 대응하는 영역을 통과한다.

시야 마스크 (A1) 의 개구 (SP1) 의 이미지는, 집광 렌즈 (L1) 를 통과하여, 샘플 (S) 에 결상된다. 즉, 시야 마스크 (A1) 를 조명하는 광 중, 개구 (SP1) 에 대응하는 부분의 광만이 시야 마스크 (A1) 를 통과하게 된다. 이로써, 시야 마스크 (A1) 를 통과한 조명광 (Q) 이 샘플 (S) 을 조명하는 범위를 제한할 수 있다.

샘플 (S) 을 조명하는 범위는, 물체광 (O) 의 정보를 포함하는 성분과, 광 강도 성분 및 공액 광 성분 사이에서, 푸리에 공간 (공간 주파수 영역) 에 있어서의 중복을 회피할 수 있도록 결정된다. 이와 같은 조명광 (Q) 의 조명 범위의 제한에 의해, 성분 간의 중복에 의한 노이즈를 억제할 수 있어, 보다 고정밀도의 측정을 실현할 수 있다. 단, 시야 마스크 (A1) 를 생략해도 된다.

조명광 (Q) 이 샘플 (S) 을 투과함으로써 물체광 (O) 이 생성된다. 물체광 (O) 은, 빔 스플리터 (BS2) 의 하프 미러 (HM2) 를 투과하여, 이미지 센서 (D) 에 입사된다.

한편, 참조광 (R) 은, 미러 (M2) 로 반사되어 전파 방향이 바뀐 후, 집광 렌즈 (L2) 에 의해 집광된다. 집광 렌즈 (L2) 에 의한 집광점 (FP1) 이 점 광원의 위치에 상당한다. 즉, 오프 액시스 배치된 참조광 (R) 은, 점 광원으로부터 조사된 광으로 간주할 수 있다. 최종적으로, 참조광 (R) 은, 하프 미러 (HM2) 로 반사되어 이미지 센서 (D) 에 입사된다.

이와 같이, 하프 미러 (HM2) 에 있어서, 조명광 (Q) 으로 샘플 (S) 을 조명하여 얻어지는 물체광 (O) 이 오프 액시스 배치된 참조광 (R) 으로 변조된다. 변조에 의해 발생한 홀로그램 I_OR 이 이미지 센서 (D) 로 기록된다.

처리 장치 (100) 는, 이미지 센서 (D) 로 기록되는 홀로그램 I_OR 과, 교정에 의해 얻어진 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 포함하는 교정 정보 (114) 를 사용하여, 샘플 (S) 의 이미지 재생에 필요한 정보를 산출한다.

도 1 에는, 큐브형의 빔 스플리터 (BS2) 를 채용하는 구성예를 나타내지만, 개구수를 높일 목적이나 작동 거리를 확보할 목적으로, 빔 스플리터 (BS2) 의 굴절률을 상대적으로 높게 해도 되고, 입방체의 형상을 다른 임의의 형상으로 변형해도 된다.

홀로그램 I_OR 을 기록하기 위한 빔 스플리터는, 상이한 매질끼리가 접하는 면인 경계면을 평면으로 간주할 수 있는 한, 어떠한 형상을 채용해도 된다. 예를 들어, 큐브형이 아니라, 판상의 빔 스플리터를 채용해도 된다.

또, 물체광의 광파면에 대하여 빔 스플리터 (BS2) 를 경사시켜도 된다. 이와 같은 경사에 의해, 미광 (迷光) 을 억제할 수 있다. 또, 빔 스플리터 (BS2) 를 사이에 두고, 샘플 (S) 과 이미지 센서 (D) 가 대향 배치된 구성예를 나타내지만, 빔 스플리터 (BS2) 를 사이에 두고, 집광 렌즈 (L2) 와 이미지 센서 (D) 가 대향 배치된 구성예를 채용해도 된다.

도 2 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 의 구성예 (교정 처리) 를 나타내는 모식도이다. 도 2 에 나타내는 광학 측정 시스템 (1) 은, 도 1 에 나타내는 구성에 있어서, 샘플 (S), 시야 마스크 (A1) 및 집광 렌즈 (L1) 대신에, 교정 유닛 (20) 을 배치한 것이다. 또한, 참조광 (R) 에 관한 구성 (미러 (M2) 및 집광 렌즈 (L2)) 은, 도 1 인 채로 유지된다.

도 2 에 나타내는 구성예를 사용함으로써, 교정용 홀로그램 I_PiR 을 기록한다. 교정용 홀로그램 I_PiR 은, 이미 알려진 광파 분포 P (x, y, z) 를 복수의 위치로 평행 이동시킨 것을, 오프 액시스 배치된 참조광 (R) 으로 각각 변조하여 생성되는 홀로그램의 집합이다.

본 명세서에 있어서,「이미 알려진 광파 분포」란, 요구되는 측정 성능에 필요한 정밀도로 특정 가능한 광파 분포를 의미한다. 그 때문에, 교정용 홀로그램 I_PiR 의 생성에 사용되는 광의 광파 분포는, 필요한 정밀도로 근사 표현할 수 있으면 되고, 일절의 오차 없이 완전히 기술할 수 없어도 된다. 단, 광파 분포 자체는, 평행 이동에 수반하여 변화하지 않는 것으로 한다.

교정용 홀로그램 I_PiR 을 기록함으로서, 상기 서술한 특허문헌 4 및 특허문헌 5 에 개시되는 구성과는 달리, 인라인 구면파광을 인라인의 축으로 정확하게 조정할 필요가 없다. 교정용 홀로그램 I_PiR 을 사용한 이미지 재생의 처리에 대해서는 후술한다.

교정 유닛 (20) 은, 프로파일 생성부 (30) 와 시야 제한 마스크 (FA) 를 포함한다.

프로파일 생성부 (30) 는, 이미 알려진 광파 분포를 발생시키는 광학계이다. 이와 같이, 샘플 (S) 이 존재하지 않는 상태에서, 조명광 (Q) 의 광학 경로 상에, 이미 알려진 광파 분포를 발생시키는 광학계 (프로파일 생성부 (30)) 를 포함하는 교정 유닛 (20) 이 배치된다.

프로파일 생성부 (30) 는, 발생하는 광파 분포를 공간적으로 이동시킬 수 있도록 구성되어 있어도 된다. 보다 구체적으로는, 프로파일 생성부 (30) 는, 광파 분포를 x 축 방향, y 축 방향, z 축 방향으로 각각 평행 이동 (시프트) 시킬 수 있는 기능을 갖고 있어도 된다. 빔 스플리터 (BS1) 에 의해 분기되는 조명광 (Q) 이, 미러 (M1) 로 반사되어 전파 방향이 바뀐 후, 프로파일 생성부 (30) 에 입사됨으로써, 공간적으로 이동 가능한 이미 알려진 광파 분포 P 가 생성된다.

시야 제한 마스크 (FA) 는, 이미지 센서 (D) 로 기록 가능한 시야 범위에 대응하는 개구 (SP2) 를 갖고 있다. 또한, 시야 제한 마스크 (FA) 의 위치는, 고정되어 있다. 프로파일 생성부 (30) 가 생성하는 광파 분포 P 는, x 축 방향, y 축 방향, z 축 방향으로 각각 평행 이동 가능하지만, 시야 제한 마스크 (FA) 의 개구 (SP2) 는, 프로파일 생성부 (30) 가 생성하는 광파 분포 P 를 차단하지 않도록 설계된다. 즉, 광파 분포 P 는, 시야 제한 마스크 (FA) 의 개구 (SP2) 를 통과할 수 있는 범위에서 평행 이동하게 된다. 단, 시야 제한 마스크 (FA) 를 생략해도 된다.

＜B. 프로파일 생성부 (30) 의 구성예＞

다음으로, 교정 유닛 (20) 의 프로파일 생성부 (30) 의 구성예에 대해 설명한다. 상기 서술한 바와 같이, 프로파일 생성부 (30) 는, 이미 알려진 광파 분포를 생성할 수 있으면, 어떠한 광학계를 채용해도 된다. 프로파일 생성부 (30) 의 전형적인 몇 가지의 구성예에 대해 설명한다.

도 3 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 의 프로파일 생성부 (30) 의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 3(A) ∼ 도 3(D) 에 나타내는 광학계는, 모두 평면파인 조명광 (Q) 이 입사되면, 이미 알려진 광파 분포 P 를 생성한다.

도 3(A) 에 나타내는 프로파일 생성부 (30A) 는, 핀홀을 사용하는 광학계로서, 3 축으로 각각 평행 이동 가능한 차광판 (31) 을 포함한다. 차광판 (31) 의 조명광 (Q) 의 조명 범위 내에 핀홀 (32) 이 형성되어 있다. 조명광 (Q) 의 빔 직경은, 핀홀 (32) 을 포함하는 범위를 충분히 조명할 수 있는 크기로 설정된다.

도 3(B) 에 나타내는 프로파일 생성부 (30B) 는, 핀홀 및 집광 렌즈를 사용하는 광학계로서, 3 축으로 각각 평행 이동 가능한 차광판 (33) 및 차광판 (34) 을 포함한다. 차광판 (33) 및 차광판 (34) 은, 서로 연결되어 있고, 일체가 되어 평행 이동한다. 차광판 (33) 의 조명광 (Q) 의 조명 범위 내에 집광 렌즈 (35) 가 형성되어 있고, 차광판 (34) 을 통과한 조명광 (Q) 의 조명 범위 내에 핀홀 (36) 이 형성되어 있다. 조명광 (Q) 의 빔 직경은, 집광 렌즈 (35) 및 핀홀 (36) 을 충분한 광량이 통과할 수 있는 크기로 설정된다.

도 3(C) 에 나타내는 프로파일 생성부 (30C) 는, 핀홀을 사용하지 않고, 수차가 이미 알려진 집광 렌즈를 사용하는 광학계이다. 프로파일 생성부 (30C) 는, 3 축으로 각각 평행 이동 가능한 차광판 (31) 을 포함한다. 차광판 (31) 의 조명광 (Q) 의 조명 범위 내에 집광 렌즈 (37) 가 형성되어 있다. 조명광 (Q) 의 빔 직경은, 집광 렌즈 (37) 를 포함하는 범위를 충분히 조명할 수 있는 크기로 설정된다.

도 3(D) 에 나타내는 프로파일 생성부 (30D) 는, 핀홀을 사용하지 않고, 수차가 이미 알려진 대물 렌즈를 사용하는 광학계이다. 프로파일 생성부 (30D) 는, 3 축으로 각각 평행 이동 가능한 차광판 (31) 을 포함한다. 차광판 (31) 의 조명광 (Q) 의 조명 범위 내에 대물 렌즈 (38) 가 형성되어 있다. 조명광 (Q) 의 빔 직경은, 대물 렌즈 (38) 를 포함하는 범위를 충분히 조명할 수 있는 크기로 설정된다.

또한, 도 3(A) ∼ 도 3(D) 에 나타내는 구성예에 한정되지 않고, 이미 알려진 광파 분포를 생성할 수 있는 임의의 광학계를 채용할 수 있다.

＜C. 측정 처리＞

다음으로, 광학 측정 시스템 (1) 에 의한 샘플 (S) 의 측정 처리에 대해 설명한다. 이하의 설명에 있어서는, 이미지 센서 (D) 의 수광면을「기록면」으로 하고, 기록면과 빔 스플리터 (BS2) 의 중심 광축의 교점을「원점」으로 한다. 광축 방향을 z 축으로 하고, z 축에 직교하는 2 개의 축을 각각 x 축 및 y 축으로 한다. 즉, 광축은, 이미지 센서 (D) 의 기록면에 대하여 수직이 되고, x 축 및 y 축은, 이미지 센서 (D) 의 기록면에 대하여 평행이 된다.

또, 기록면으로부터 소정 거리만큼 떨어진 주목하고 있는 면을「샘플면」이라고 칭한다.

도 1 에 나타내는 광학계에 있어서, 이미지 센서 (D) 로 기록되는 물체광 (O) 및 참조광 (R) 의 광파 분포는, 이하의 (1) 및 (2) 식과 같은 일반식으로 표현할 수 있다.

또한, 물체광 (O) 및 오프 액시스 배치된 참조광 (R) 은, 각주파수 ω 를 갖는, 서로 코히런트한 광이다. 설명의 편의상, 이하의 식에 있어서는, 좌표 (x, y) 를 적절히 생략하는 경우가 있다.

이미지 센서 (D) 가 1 회의 촬상으로 기록하는 홀로그램 I_OR 은, (1) 식으로 표현되는 광과 (2) 식으로 표현되는 광의 합성광의 광 강도로서, 이하의 (3) 식과 같이 산출된다.

(3) 식에 공간 주파수 필터링을 적용함으로써, 복소 진폭 홀로그램 J_OR 은, 이하의 (4) 식과 같이 산출된다.

복소 진폭 홀로그램 J_OR 을 교정 처리에 의해 얻어지는 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* (＝ R₀exp(-iφ_R)) 로 제산함으로써, 물체광 홀로그램 U 는, 이하의 (5) 식과 같이 산출된다.

(5) 식에 나타내는 물체광 홀로그램 U 는, 이미지 센서 (D) 의 기록면에 있어서의 물체광 (O) 의 광파 분포로부터 시간항 (-ωt) 을 제외한 것에 상당한다. 그 때문에, 평면파 전개와 같은 근사를 사용하지 않는 회절 계산을 사용함으로써, 수차가 없는 정확한 이미지 재생을 실시할 수 있다.

또한, 물체광 홀로그램 U 가 표본화 정리를 만족하지 않는 주파수 성분을 포함하는 경우에는, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 로 제산하기 전에, 보간 처리에 의해 복소 진폭 홀로그램 J_OR 의 샘플링수 (화소수) 를 증가시켜도 된다. 샘플링수를 증가시킨 후, 증가시킨 복소 진폭 홀로그램 J_OR 을 격자상으로 분할하고, 분할한 격자끼리를 중첩시킴으로써 복소 진폭 홀로그램 J_OR 을 축소시켜도 된다. 또한, 격자의 사이즈는, 홀로그램으로부터 재생되는 이미지의 사이즈보다 크게 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 샘플링수의 증가 및 중첩을 실시함으로써, 연산량의 증가를 억제할 수 있다.

또, 푸리에 변환의 성질을 이용하여, 푸리에 스펙트럼 상에서 샘플링 점수의 증가와 중첩에 상당하는 처리를 실현해도 된다.

샘플링수의 증가 및 중첩에 의해 얻어진 복소 진폭 분포를 재생용 물체광 홀로그램 U_Σ 로 한다. 단, 샘플링수의 증가 및 중첩이 필요없는 경우에는, 물체광 홀로그램 U 를 그대로 재생용 물체광 홀로그램 U_Σ 로서 취급한다.

재생용 물체광 홀로그램 U_Σ 는, 샘플면의 상태를 재생 가능한 정보를 갖는 홀로그램이다.

다음으로, 매질 내의 회절 계산과 경사면의 이미지 재생에 대해 설명한다.

재생용 물체광 홀로그램 U_Σ 에 대해 평면파 전개에 의한 회절 계산을 실시함으로써, 임의의 샘플면에 있어서의 광파 분포를 재생할 수 있다. 평면파 전개에 의해 재생용 물체광 홀로그램 U_Σ 를 거리 d 만큼 전파시킨 (기록면으로부터 거리 d 만큼 떨어진 샘플면에 있어서의) 광파 분포를 복소 진폭 분포 U_d 로 한다.

이미지 센서 (D) 의 기록면으로부터 재생되는 거리 d 까지 포함되는 M 개의 매질 (m ＝ 1, 2, …, M) 의 거리를 d_m, 굴절률을 n_m 으로 하면, 복소 진폭 분포 U_d 는, 이하의 (6) 식과 같이 일반화할 수 있다. 단, 식 중의 k_zm 은 (7) 식에 따라서 산출된다.

또한, 복수의 매질이 존재하는 경우에는, 매질 간의 경계면은 기록면에 대하여 평행인 것으로 한다. 또, 매질 m 으로부터 매질 m ＋ 1 에 입사될 때의 투과 계수를 T_{m, m＋1} (k_x, k_y) 로 표현한다. 단, T_{M, M＋1} (k_x, k_y) 에 대해서는 항상 1 인 것으로 간주한다.

예를 들어, 공기 중만을 거리 d 만큼 전파시키는 경우에는, M ＝ 1 이고, d₁ ＝ d, n_m ＝ 1 이 된다.

또한, 매질 m 으로부터 매질 m ＋ 1 에 입사될 때의 투과 계수가 파수 k_x, k_y 에 의존하지 않고 대략 일정하다고 간주할 수 있는 경우에는, T_{m, m＋1} ≡ 1 로 하여 계산을 간략화해도 된다.

또한, 매질 간의 경계면이 광파면과 일치하고 있지 않은 경우에는, 광파면이 경계면과 일치하도록 좌표계를 회전 변환시킨다. 이 경우에는, 매질 간의 경계면은 기록면에 대하여 평행이 아니어도 된다. 회전 변환의 조작은, 공간 주파수 스펙트럼 상에서 실시할 수 있다. 이하의 (8) 식 및 (9) 식에 따라서, 굴절률 n 의 매질에 있어서의 광파면을 푸리에 변환시킴으로써, 공간 주파수 스펙트럼의 좌표 (u, v) 에 있어서의 공간 주파수 벡터 ν ＝ (u, v, w) 를 산출한다.

이하의 (10) 식에 따라서, 새로운 좌표계로의 회전 변환을 정의하는 행렬 A 를 사용하여 공간 주파수 벡터 ν 를 회전 변환시킴으로써, 새로운 공간 주파수 벡터 (u', v', w') 를 산출한다.

산출된 공간 주파수 벡터의 좌표 u' 및 좌표 v' 는, 회전 변환 후의 공간 주파수 스펙트럼의 좌표에 상당한다. 경계면 전의 파면의 전체 데이터에 대해, 상기 서술한 바와 같은 회전 변환의 조작을 실시함으로써, 경계면 후의 파면의 공간 주파수 스펙트럼을 산출할 수 있다.

또한, 경사면의 이미지를 재생하기 위해 사용할 수도 있다. 회전 변환 후의 파면의 공간 주파수 스펙트럼을 역푸리에 변환시킴으로써, 회전 변환 후의 면에 있어서의 광파 분포를 산출할 수 있다.

회절 계산의 결과로서 얻어지는 광파 분포가 물체광의 복소 진폭 분포 U_d 가 된다. 그 때문에, 복소 진폭 분포 U_d 는, 임의의 연산 처리에 의해 시각화할 수 있다. 예를 들어, 복소 진폭 분포 U_d 로부터 진폭 성분을 추출하여 화상화함으로써, 광학 현미경의 명시야에 상당하는 이미지가 얻어진다.

＜D. 교정 처리＞

다음으로, 도 2 에 나타내는 구성예를 사용한 교정 처리에 대해 설명한다. 교정 처리에 있어서는, 참조광 (R) 의 광파 분포의 정보가 결정된다. 참조광 (R) 의 광파 분포의 정보는, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 포함한다.

도 2 에 나타내는 구성예에 있어서, 교정 유닛 (20) 이 생성하는 이미 알려진 광파 분포 P 를 임의의 오프셋 좌표 (x_pi, y_pi, z_pi) (i ＝ 0 ∼ N － 1) 로 평행 이동시킴으로써, 광파 분포 P_i (i ＝ 0 ∼ N － 1) 를 생성한다. 예를 들어, 도 3(A) ∼ 도 3(D) 에 나타내는 바와 같이, 프로파일 생성부 (30) 를 x 축 방향, y 축 방향, z 축 방향 중 1 또는 복수의 방향으로 임의로 이동시킴으로써 (즉, 광파 분포 P 를 생성하는 광학 유닛을 임의의 오프셋 좌표에 배치함으로써), 광파 분포 P_i 를 생성할 수 있다.

광파 분포 P_i 는, 이미 알려진 광파 분포 P 를 각 축 방향을 따라 평행 이동시킨 것이다. 그 때문에, 이미지 센서 (D) 의 기록면 (z ＝ 0) 에 있어서의 광파 분포 P_i 는, 이미지 센서 (D) 의 기록면 (z ＝ 0) 에 있어서의 광파 분포 P (이미 알려진 것이다) 와 오프셋 좌표 (x_pi, y_pi, z_pi) 를 사용하여, 이하의 (11) 식과 같이 표현할 수 있다.

이미지 센서 (D) 가 기록하는 교정용 홀로그램 I_PiR 은, 이하의 (12) 식과 같이 표현할 수 있다. (12) 식의 제 3 항을 필터링함으로써, 복소 진폭 홀로그램 J_PiR 은, 이하의 (13) 식과 같이 산출된다.

오프셋 좌표 (x_pi, y_pi, z_pi) 가 이미 알려진 것이면, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* (＝ R₀exp(-iφ_R)) 는, 이하의 (14) 식과 같이 산출된다.

이 경우에는, 1 개의 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 에 대응하는 광파 분포 P₀ 으로부터 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 산출할 수 있다. 프로파일 생성부 (30) 가 이미 알려진 광파 분포 P 를 복수의 위치로 평행 이동시키는 기능을 가져 둘 필요는 없다.

한편으로, 오프셋 좌표가 불분명하거나, 또는, 필요한 정밀도의 오프셋 좌표 가 얻어지지 않는 경우에는, 이하와 같은 파라미터 피팅을 사용하여, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 결정한다.

보다 구체적으로는, 번호 i ＝ 0 의 광파 분포 P₀ 에 대응하는 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 으로서, 적절한 초기값을 설정한다. 설정되는 초기값은, 교정 유닛 (20) 의 광학적인 위치 관계를 고려하여 결정된다. 임의의 번호 i 에 대한 물체광 홀로그램 U_i 는, (14) 식에 나타내는 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 사용하여, 이하의 (15) 식과 같이 표현할 수 있다.

이 때, 모든 번호 i (i ＝ 0 ∼ N － 1) 에 대해, 이하의 (16) 식의 관계가 성립해야만 한다.

번호 i ＝ 0 에 있어서, (16) 식의 관계가 성립하는 것은 분명하다. 번호 i ≠ 0 에 있어서, (14) 식에 나타내는 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 가 올바르게 산출되어 있으면, (16) 식은 (17) 식과 같이 변형할 수 있으므로, (16) 식의 관계는 성립하게 된다.

요컨대, 모든 번호 i (i ＝ 0 ∼ N － 1) 에 대해, (16) 식의 관계가 성립하지 않는 경우에는, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 가 올바르게 산출되어 있지 않은 것을 의미한다. 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 가 올바르게 산출되지 않는 이유는, 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 이 올바르지 않기 때문이며, 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 을 올바른 값으로 조정할 필요가 있다.

오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 의 조정에 앞서, 교정용 홀로그램 I_PiR 로부터 산출되는 광파 분포를 수정하는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로는, 번호 i ＝ 1 ∼ N － 1 의 각각에 대해, 물체광 홀로그램 U_i 로부터 재생되는 이미지의 광파 분포가 기록면에 있어서의 이미 알려진 광파 분포 P 와 일치하도록, 광파 분포 P_i 를 수정한다. 수정 후의 광파 분포를 수정 광파 분포 P_i' 라고 칭한다.

(11) 식 및 (15) ∼ (17) 식으로부터, 이하의 (18) 식에 나타내는 관계가 성립한다. 단, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 가 올바르게 산출되어 있지 않은 것으로 상정하고 있다. 이 상태에 있어서, 이하의 (19) 식에 나타내는 바와 같이, 이미 알려진 광파 분포 P 와 일치하도록, 물체광 홀로그램 U_i 를 x 축, y 축, z 축으로 각각 수정함으로써, 수정 광파 분포 P_i' 를 결정한다.

x 축 방향 및 y 축 방향의 조정은, 물체광 홀로그램 U_i (x, y) 에 대응하는 이미지 센서 (D) 의 대상 화소군을 어긋나게 함 (오프셋을 부여함) 으로써 실현된다. z 축 방향 (포커스 위치) 의 수정은, (6) 식에 나타내는 평면파 전개에 의한 회절 계산에 의해 실현된다. 즉, z 축 방향의 수정은, 이미지 센서 (D) 로 기록되는 물체광 홀로그램 U_i 를 회절 계산할 때에, 이미지 재생되는 거리를 변화시킴으로써 실현된다.

또한, 광파 분포 P_i (i ＝ 1 ∼ N － 1) 가 하프 미러 등의 매질을 투과하는 경우에는, 상기 서술한 매질 내의 회절 계산과 경사면의 이미지 재생의 처리와 동일한 처리를 적용하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하여, 번호 i ＝ 1 ∼ N － 1 에 대해, 광파 분포를 수정한 수정 광파 분포 P_i' 를 산출한다.

최종적으로, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 결정하는 처리가 실행된다. 구체적으로는, 모든 번호 i (i ＝ 0 ∼ N － 1) 에 대해, 이미 알려진 광파 분포 P 및 수정 광파 분포 P_i' 를 각각 푸리에 변환시켜, 스펙트럼 F[P] 및 스펙트럼 F[P_i'] 를 산출한다. 그리고, 스펙트럼 F[P] 와 스펙트럼 F[P_i'] 의 위상차 분포를 나타내는 위상차 분포 스펙트럼 W_i (u, v) (＝ arg(F[P_i']/F[P])) 를 산출한다. 여기서, arg() 는, 복소수의 편각 (위상) 을 산출하는 함수이다.

또한, 위상차 분포 스펙트럼 W_i (u, v) 중, 위상 주기성의 영향으로 위상의 불연속 (갭) 이 발생하고 있는 부분에 대해서는, 위상을 연속시키기 위한 처리를 실시하는 것이 바람직하다.

위상차 분포 스펙트럼 W_i (u, v) 를 사용하여, 이하의 (20) 식에 나타내는 바와 같이, 파면 수차 W_{i_err} 을 산출할 수 있다. 파면 수차 W_{i_err} 은, 위상차 분포 스펙트럼 W_i 전체의 평균값 W_ave 를 참값으로 하고, 참값에 대한 제곱 평균 제곱근을 오차로서 산출한 것이다.

여기서, 평균값 W_ave 는, 위상차 분포 스펙트럼 W_i (u, v) 의 평균값이고, S_W 는, 위상차 분포 스펙트럼 W_i (u, v) 를 적분하는 범위의 면적이다. 적분 범위는, 위상차 분포 스펙트럼 W_i (u, v) 중, 유효한 데이터가 존재하는 부분이며, 파면 수차 W_{i_err} 및 평균값 W_ave 의 산출에 있어서 공통이다.

또한, 좁은 의미의「파면 수차」는, 상기 서술한 파면 수차 W_{i_err} 에 λ/2π (λ : 파장) 를 곱한 값을 의미한다. 그 때문에, W_{i_err} × λ/2π 를 파면 수차라고 칭해도 된다. 단, λ/2π 는 고정값의 계수이기 때문에, 이하의 처리에 대해서는, 계수인 λ/2π 를 생략한 형태로 설명한다. 단, 후술하는 도 8 및 도 9 에 나타내는 측정예에 있어서는, 좁은 의미의 파면 수차를 사용하여 평가를 실시하고 있다.

올바른 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 에 기초하여 광파 분포가 재생되고 있는 경우에는, 파면 수차 W_{i_err} 은 0 이 된다. 한편, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 에 오차가 있는 경우에는, 파면 위상에 변형이 발생하므로 파면 수차 W_{i_err} 은 0 이 되지 않는다.

그 때문에, 모든 번호 i (i ＝ 0 ∼ N － 1) 에 대한 파면 수차 W_{i_err} (절대값) 의 총합 (＝ ΣW_{i_err}) 을 최소화하도록, 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 을 조정한다. 파라미터 피팅의 수법에는, 일반적인 최적화 알고리즘을 사용할 수 있다.

또한, 생성되는 광파 분포 P_i 의 수는 많을수록, 파라미터 피팅의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또, 광파 분포 P_i 는, 이미지 센서 (D) 로 기록 가능한 시야 범위의 전역에 걸쳐서 치우침 없이 설정하는 것이 바람직하다.

＜E. 처리 장치 (100)＞

다음으로, 광학 측정 시스템 (1) 에 포함되는 처리 장치 (100) 의 하드웨어 구성예에 대해 설명한다.

도 4 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 에 포함되는 처리 장치 (100) 의 하드웨어 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 4 를 참조하여, 처리 장치 (100) 는, 주요한 하드웨어 요소로서, 프로세서 (102) 와, 주메모리 (104) 와, 입력부 (106) 와, 표시부 (108) 와, 스토리지 (110) 와, 인터페이스 (120) 와, 네트워크 인터페이스 (122) 와, 미디어 드라이브 (124) 를 포함한다.

프로세서 (102) 는, 전형적으로는, CPU (Central Processing Unit) 나 GPU (Graphics Processing Unit) 등의 연산 처리부이며, 스토리지 (110) 에 격납되어 있는 1 또는 복수의 프로그램을 주메모리 (104) 에 판독 출력하여 실행한다. 주메모리 (104) 는, DRAM (Dynamic Random Access Memory) 또는 SRAM (Static Random Access Memory) 과 같은 휘발성 메모리이며, 프로세서 (102) 가 프로그램을 실행하기 위한 워킹 메모리로서 기능한다.

입력부 (106) 는, 키보드나 마우스 등을 포함하며, 사용자로부터의 조작을 접수한다. 표시부 (108) 는, 프로세서 (102) 에 의한 프로그램의 실행 결과 등을 사용자에게 출력한다.

스토리지 (110) 는, 하드 디스크나 플래시 메모리 등의 불휘발성 메모리로 이루어지고, 각종 프로그램이나 데이터를 격납한다. 보다 구체적으로는, 스토리지 (110) 는, 오퍼레이팅 시스템 (111) (OS : Operating System) 과, 측정 프로그램 (112) 과, 교정 프로그램 (113) 과, 교정 정보 (114) 와, 홀로그램 데이터 (115) 와, 측정 결과 (116) 를 유지한다.

오퍼레이팅 시스템 (111) 은, 프로세서 (102) 가 프로그램을 실행하는 환경을 제공한다. 측정 프로그램 (112) 은, 프로세서 (102) 에 의해 실행됨으로써, 본 실시형태에 따른 측정 처리 등을 실현한다. 교정 프로그램 (113) 은, 프로세서 (102) 에 의해 실행됨으로써, 본 실시형태에 따른 교정 처리 등을 실현한다. 교정 정보 (114) 는, 교정 처리에 의해 결정되는 파라미터이며, 측정 처리에 있어서 참조된다. 홀로그램 데이터 (115) 는, 이미지 센서 (D) 로부터 출력되는 이미지 데이터에 상당한다. 측정 결과 (116) 는, 측정 프로그램 (112) 의 실행에 의해 얻어지는 측정 결과를 포함한다.

이와 같이, 스토리지 (110) 는, 도 1 및 도 2 에 나타내는 광학계에 있어서의 참조광 (R) 의 광파 분포의 정보 (교정 정보 (114)) 를 격납한다.

인터페이스 (120) 는, 처리 장치 (100) 와 이미지 센서 (D) 사이에서의 데이터 전송을 중개한다. 네트워크 인터페이스 (122) 는, 처리 장치 (100) 와 외부의 서버 장치 사이에서의 데이터 전송을 중개한다.

미디어 드라이브 (124) 는, 프로세서 (102) 로 실행되는 프로그램 등을 격납한 기록 매체 (126) (예를 들어, 광학 디스크 등) 로부터 필요한 데이터를 판독 출력하여, 스토리지 (110) 에 격납한다. 또한, 처리 장치 (100) 에 있어서 실행되는 측정 프로그램 (112) 및/또는 교정 프로그램 (113) 등은, 기록 매체 (126) 등을 통하여 인스톨되어도 되고, 네트워크 인터페이스 (122) 등을 통하여 서버 장치로부터 다운로드되어도 된다.

측정 프로그램 (112) 및/또는 교정 프로그램 (113) 은, 오퍼레이팅 시스템 (111) 의 일부로서 제공되는 프로그램 모듈 중, 필요한 모듈을 소정의 배열로 소정의 타이밍에서 불러내어 처리를 실행시키는 것이어도 된다. 그러한 경우, 당해 모듈을 포함하지 않는 측정 프로그램 (112) 및/또는 교정 프로그램 (113) 에 대해서도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 측정 프로그램 (112) 및/또는 교정 프로그램 (113) 은, 다른 프로그램의 일부에 편입되어 제공되는 것이어도 된다.

또한, 처리 장치 (100) 의 프로세서 (102) 가 프로그램을 실행함으로써 제공되는 기능의 전부 또는 일부를 하드 와이어드 로직 회로 (예를 들어, FPGA (Field-Programmable Gate Array) 나 ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 등) 에 의해 실현해도 된다.

설명의 편의상, 도 4 에는, 측정 처리 및 교정 처리의 양방을 실행 가능한 처리 장치 (100) 의 구성예를 나타내지만, 측정 처리 및 교정 처리의 일방만을 실행 가능하게 해도 된다. 예를 들어, 광학 측정 시스템 (1) 의 공장 출하 전에 교정 처리가 실행되어, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 가 미리 결정된다. 그 때문에, 공장 출하 후에는 교정 처리가 실행될 필요는 없어, 측정 처리만이 실행되는 경우도 있다. 이와 같은 경우에는, 교정 처리를 실행 가능한 처리 장치와, 측정 처리를 실행 가능한 처리 장치를 각각 준비해도 된다.

＜F. 처리 순서＞

다음으로, 광학 측정 시스템 (1) 에 있어서 실행되는 측정 처리 및 교정 처리에 대해 설명한다.

(f1 : 측정 처리)

도 5 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 에 있어서 실행되는 측정 처리의 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다. 도 5 에 나타내는 측정 처리에 있어서는, 도 1 및 도 2 에 나타내는 광학계에 있어서의 참조광 (R) 의 광파 분포의 정보인 복소 공액 R^* 가 어떠한 방법으로 미리 취득되어 있다. 도 5 에 나타내는 처리 장치 (100) 가 실행하는 스텝은, 전형적으로는, 처리 장치 (100) 의 프로세서 (102) 가 측정 프로그램 (112) 을 실행함으로써 실현된다.

도 5 를 참조하여, 도 1 에 나타내는 광학계를 구성함과 함께, 샘플 (S) 을 배치한다 (스텝 S100). 그리고, 광원 (10) 으로부터 코히런트광을 발생시켜, 처리 장치 (100) 는, 이미지 센서 (D) 로 홀로그램 I_OR 을 기록한다 (스텝 S102). 이와 같이, 조명광 (Q) 으로 샘플 (S) 을 조명하여 얻어지는 물체광 (O) 을 참조광 (R) 으로 변조하여 생성되는 홀로그램 I_OR (제 3 홀로그램) 을 기록하는 처리가 실행된다.

처리 장치 (100) 는, 기록한 홀로그램 I_OR 에 공간 주파수 필터링을 적용함으로써, 복소 진폭 홀로그램 J_OR 을 산출한다 (스텝 S104) (상기 서술한 (4) 식 참조). 계속해서, 처리 장치 (100) 는, 산출한 복소 진폭 홀로그램 J_OR 을 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 로 제산함으로써, 물체광 홀로그램 U 를 산출한다 (스텝 S106) (상기 서술한 (5) 식 참조). 이와 같이, 홀로그램 I_OR (제 3 홀로그램) 에 공간 주파수 필터링을 적용하고, 필터링 결과와 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* (참조광 (R) 의 광파 분포의 정보) 에 기초하여, 물체광 홀로그램 U 를 산출하는 처리가 실행된다.

또한, 처리 장치 (100) 는, 물체광 홀로그램 U 에 대하여, 샘플링 점수의 증가와 중첩의 처리를 실시함으로써, 재생용 물체광 홀로그램 U_Σ 를 산출해도 된다. 샘플링 점수의 증가와 중첩의 처리를 생략하는 경우에는, 물체광 홀로그램 U 를 그대로 재생용 물체광 홀로그램 U_Σ 로서 취급한다.

처리 장치 (100) 는, 산출한 재생용 물체광 홀로그램 U_Σ 를 샘플면까지 회절 계산함으로써, 복소 진폭 분포 U_d 를 산출한다 (스텝 S108) (상기 서술한 (6) 식 및 (7) 식 참조). 그리고, 처리 장치 (100) 는, 산출한 복소 진폭 분포 U_d 의 일부 또는 전부의 정보를 사용하여 측정 결과를 생성한다 (스텝 S110). 예를 들어, 복소 진폭 분포 U_d 로부터 진폭 성분을 추출하여 화상화함으로써, 광학 현미경의 명시야에 상당하는 이미지가 생성된다.

도 5 에 나타내는 스텝 S102 ∼ S110 의 처리는, 샘플 (S) 마다 실행된다. 또한, 복수의 샘플 (S) 에 각각 대응하는 홀로그램 I_OR 을 먼저 기록해 두고, 사후적으로 측정 결과를 생성하는 처리를 실행해도 된다.

(f2 : 교정 처리)

도 6 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 에 있어서 실행되는 교정 처리의 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다. 도 6 에 나타내는 교정 처리는, 이미 알려진 광파 분포 P 및 올바른 오프셋 좌표가 얻어지는 경우의 처리 순서이다. 도 6 에 나타내는 처리 장치 (100) 가 실행하는 스텝은, 전형적으로는, 처리 장치 (100) 의 프로세서 (102) 가 교정 프로그램 (113) 을 실행함으로써 실현된다.

도 6 을 참조하여, 도 2 에 나타내는 광학계를 구성함과 함께, 교정 유닛 (20) 을 배치한다 (스텝 S200). 이 때, 교정 유닛 (20) 의 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 은 정확하게 설정된다 (스텝 S202). 이와 같이, 조명광 (Q) 으로 샘플 (S) 을 조명하여 얻어지는 물체광 (O) 을 참조광 (R) 으로 변조하여 생성되는 홀로그램을 기록하기 위한 광학계 (도 1 및 도 2 에 나타내는 광학 측정 시스템 (1)) 를 구성하는 처리와, 샘플 (S) 이 존재하지 않는 상태에서, 조명광 (Q) 의 광학 경로 상에, 이미 알려진 광파 분포 P 를 발생시키는 광학계 (프로파일 생성부 (30)) 를 포함하는 교정 유닛 (20) 을 배치하는 처리가 실행된다.

그리고, 광원 (10) 으로부터 코히런트광을 발생시켜, 처리 장치 (100) 는, 이미지 센서 (D) 로 교정용 홀로그램 I_P0R 을 기록한다 (스텝 S204). 이와 같이, 교정 유닛 (20) 이 광파 분포 P₀ 을 발생시키고 있는 상태에서 발생하는 교정용 홀로그램 I_P0R (제 1 홀로그램) 을 기록하는 처리가 실행된다.

처리 장치 (100) 는, 이미 알려진 광파 분포 P 및 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 을 사용하여, 광파 분포 P₀ 을 산출하고 (스텝 S206) (상기 서술한 (11) 식 참조), 산출한 광파 분포 P₀ 및 기록된 교정용 홀로그램 I_P0R 을 사용하여, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 산출한다 (스텝 S208) (상기 서술한 (14) 식 참조). 이와 같이, 교정 유닛 (20) 의 배치 위치를 나타내는 정보 (오프셋 좌표) 와, 이미 알려진 광파 분포 P 와, 교정용 홀로그램 I_P0R (제 1 홀로그램) 에 기초하여, 참조광 (R) 의 광파 분포의 정보인 복소 공액 R^* 를 산출하는 처리가 실행된다.

그리고, 처리 장치 (100) 는, 산출한 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 포함하는 교정 정보 (114) 를 출력한다 (스텝 S210). 이상으로, 교정 처리는 종료된다.

도 7 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 에 있어서 실행되는 교정 처리의 다른 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다. 도 7 에 나타내는 교정 처리는, 올바른 오프셋 좌표가 얻어지지 않는 경우의 처리 순서이다. 도 7 에 나타내는 처리 장치 (100) 가 실행하는 스텝은, 전형적으로는, 처리 장치 (100) 의 프로세서 (102) 가 교정 프로그램 (113) 을 실행함으로써 실현된다.

도 7 을 참조하여, 도 2 에 나타내는 광학계를 구성함과 함께, 교정 유닛 (20) 을 배치한다 (스텝 S250). 이와 같이, 조명광 (Q) 으로 샘플 (S) 을 조명하여 얻어지는 물체광 (O) 을 참조광 (R) 으로 변조하여 생성되는 홀로그램을 기록하기 위한 광학계 (도 1 및 도 2 에 나타내는 광학 측정 시스템 (1)) 를 구성하는 처리와, 샘플 (S) 이 존재하지 않는 상태에서, 조명광 (Q) 의 광학 경로 상에, 이미 알려진 광파 분포 P 를 발생시키는 광학계 (프로파일 생성부 (30)) 를 포함하는 교정 유닛 (20) 을 배치하는 처리가 실행된다.

계속해서, 프로파일 생성부 (30) 를 순차 평행 이동시켜, N 개의 교정용 홀로그램 I_PiR 을 기록하는 처리가 실행된다. 보다 구체적으로는, 교정 유닛 (20) 을 번호 i 에 대응하는 오프셋 좌표 (x_pi, y_pi, z_pi) 로 설정한다 (스텝 S252). 그리고, 광원 (10) 으로부터 코히런트광을 발생시켜, 처리 장치 (100) 는, 이미지 센서 (D) 로 교정용 홀로그램 I_PiR 을 기록한다 (스텝 S254). 스텝 S252 및 S254 의 처리는, 번호 i 가 0 에서 N － 1 까지 반복된다.

이와 같이, 교정 유닛 (20) 이 광파 분포 P₀ 을 발생시키고 있는 상태에서 발생하는 교정용 홀로그램 I_P0R (제 1 홀로그램) 을 기록하는 처리가 실행된다. 또, 교정 유닛 (20) 이 발생시키는 광파 분포를 교정용 홀로그램 I_P0R (제 1 홀로그램) 을 기록한 위치 (오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0)) 와는 상이한 복수의 위치 (오프셋 좌표 (x_pi, y_pi, z_pi : i ＞ 0)) 로 이동시킴과 함께, 복수의 위치에 있어서 각각 발생하는 복수의 교정용 홀로그램 I_PiR (복수의 제 2 홀로그램) 을 기록하는 처리가 실행된다.

계속해서, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 잠정적으로 산출하는 처리가 실행된다. 보다 구체적으로는, 번호 i ＝ 0 의 광파 분포 P₀ 에 대응하는 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 으로서, 적절한 초기값을 설정한다 (스텝 S256). 그리고, 처리 장치 (100) 는, 이미 알려진 광파 분포 P 및 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 의 초기값을 사용하여, 광파 분포 P₀ 을 산출하고 (스텝 S258) (상기 서술한 (11) 식 참조), 산출한 광파 분포 P₀ 및 기록된 교정용 홀로그램 I_P0R 을 사용하여, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 잠정적으로 산출한다 (스텝 S260) (상기 서술한 (14) 식 참조).

이와 같이, 교정 유닛 (20) 의 배치 위치를 나타내는 정보 (오프셋 좌표의 초기값) 와, 이미 알려진 광파 분포 P 와, 교정용 홀로그램 I_P0R (제 1 홀로그램) 에 기초하여, 참조광 (R) 의 광파 분포의 정보인 복소 공액 R^* 를 산출하는 처리가 실행된다.

계속해서, 광파 분포를 수정하는 처리가 실행된다. 보다 구체적으로는, 처리 장치 (100) 는, 기록한 교정용 홀로그램 I_PiR 에 공간 주파수 필터링을 적용함으로써, 복소 진폭 홀로그램 J_PiR 을 산출한다 (스텝 S262) (상기 서술한 (4) 식 참조). 계속해서, 처리 장치 (100) 는, 산출한 복소 진폭 홀로그램 J_PiR 을 현재의 복소 공액 R^* 로 제산함으로써, 물체광 홀로그램 U_i 를 산출한다 (스텝 S264) (상기 서술한 (6) 식 및 (7) 식 참조). 이와 같이, 복수의 교정용 홀로그램 I_PiR (복수의 제 2 홀로그램) 의 각각에 공간 주파수 필터링을 적용하고, 필터링 결과와 복소 공액 R^* (참조광 (R) 의 광파 분포의 정보) 에 기초하여, 복수의 교정용 홀로그램 I_PiR 에 각각 대응하는 복수의 물체광 홀로그램 U_i 를 산출하는 처리가 실행된다.

계속해서, 처리 장치 (100) 는, 산출한 물체광 홀로그램 U_i 로부터 광파 분포 P_i 를 결정한다 (스텝 S266). 그리고, 처리 장치 (100) 는, 이미 알려진 광파 분포 P 와 일치하도록 물체광 홀로그램 U_i 를 수정함으로써, 수정 광파 분포 P_i' 를 산출한다 (스텝 S268) (상기 서술한 (18) 식 및 (19) 식 참조). 이와 같이, 처리 장치 (100) 는, 이미 알려진 광파 분포 P 에 기초하여, 복수의 물체광 홀로그램 U_i 를 각각 수정함으로써, 복수의 교정용 홀로그램 I_PiR 에 대응하는 복수의 수정 광파 분포 P_i' 를 각각 산출한다.

계속해서, 처리 장치 (100) 는, 이미 알려진 광파 분포 P 로부터 산출되는 스펙트럼과 복수의 교정용 홀로그램 I_PiR (복수의 제 2 홀로그램) 에 대응하는 수정 광파 분포 P_i' 로부터 산출되는 스펙트럼으로부터 파면 수차를 산출한다.

보다 구체적으로는, 처리 장치 (100) 는, 이미 알려진 광파 분포 P 및 수정 광파 분포 P_i' 를 각각 푸리에 변환시켜, 스펙트럼 F[P] 및 스펙트럼 F[P_i'] 를 산출한다 (스텝 S270). 그리고, 처리 장치 (100) 는, 스펙트럼 F[P] 와 스펙트럼 F[P_i'] 의 위상차 분포를 나타내는 위상차 분포 스펙트럼 W_i (u, v) (＝ arg(F[P_i']/F[P])) 를 산출한다 (스텝 S272). 이와 같이, 처리 장치 (100) 는, 이미 알려진 광파 분포 P 로부터 산출되는 스펙트럼 F[P] 와 교정용 홀로그램 I_PiR (제 2 홀로그램) 에 대응하는 수정 광파 분포 P_i' 로부터 산출되는 스펙트럼 F[P_i'] 의 위상차 분포인 위상차 분포 스펙트럼 W_i (u, v) 를 산출한다.

최종적으로, 처리 장치 (100) 는, 산출한 위상차 분포 스펙트럼 W_i (u, v) 를 사용하여, 파면 수차 W_{i_err} 을 산출한다 (스텝 S274). 상기 서술한 (20) 식에 나타내는 바와 같이, 처리 장치 (100) 는, 파면 수차 W_{i_err} 의 산출 처리에 있어서, 위상차 분포 스펙트럼 W_i 전체의 평균값 W_ave 에 대한 제곱 평균 제곱근을 오차로서 산출한다.

스텝 S262 ∼ S274 의 처리는, 번호 i 가 1 에서 N － 1 까지 반복된다.

계속해서, 처리 장치 (100) 는, 파면 수차 W_{i_err} 을 최소화하도록, 교정 유닛 (20) 의 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 의 값 (배치 위치를 나타내는 정보) 을 조정한다.

보다 구체적으로는, 처리 장치 (100) 는, 스텝 S274 에 있어서 산출된 파면 수차 W_{i_err} 의 총합 (＝ ΣW_{i_err}) 을 산출하고 (스텝 S276), 산출한 파면 수차 W_{i_err} 의 총합이 수속 조건을 만족하고 있는지의 여부를 판단한다 (스텝 S278). 수속 조건은, 예를 들어, 파면 수차 W_{i_err} 의 총합이 미리 정해진 값 이하인 것을 포함하고 있어도 된다.

파면 수차 W_{i_err} 의 총합이 수속 조건을 만족하고 있지 않으면 (스텝 S278 에 있어서 아니오), 처리 장치 (100) 는, 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 의 값을 변경하고 (스텝 S280), 스텝 S260 이하의 처리를 반복한다.

파면 수차 W_{i_err} 의 총합이 수속 조건을 만족하고 있으면 (스텝 S278 에 있어서 예), 처리 장치 (100) 는, 현재의 복소 공액 R^* 를 포함하는 교정 정보 (114) 를 출력한다 (스텝 S282). 그리고, 교정 처리는 종료된다.

＜G. 측정예＞

다음으로, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템에 의한 측정예를 나타낸다. 이하의 측정예는, 교정 유닛 (20) 을 사용하여 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 결정하는 것에 의한 고정밀도화를 설명하기 위한 것이다.

먼저, 도 2 에 나타내는 광학계를 구성하였다. 광원 (10) 의 파장은 532 ㎚ 로 하고, 기록 개구수 NA ＝ 0.5 의 광학계를 구성하였다. 그리고, 교정 유닛 (20) 이 생성하는 광파 분포 P_i (i ＝ 0 ∼ N － 1) 를 기록하였다. 도 8 및 도 9 에 나타내는 측정예에 있어서는, 광파 분포 P_i 를 11 지점 (N ＝ 11 ; i ＝ 0 ∼ 10) 에서 기록하였다.

상기 서술한 바와 같이, 광파 분포 P_i 는, 이미지 센서 (D) 의 시야 범위 내에 있어서, 이미 알려진 광파 분포 P 를 x 축 방향, y 축 방향, z 축 방향으로 각각 평행 이동시킨 것이다. 이미 알려진 광파 분포 P 로는, 점 광원을 사용하였다.

광파 분포 P₀ 에 대응하는 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 으로서, 교정 유닛 (20) 의 광학적인 위치 관계를 고려하여 결정된 초기값을 설정하고, 설정된 초기값을 사용하여 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 산출하였다.

도 8 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 의 교정 처리의 초기 단계에 있어서의 측정예를 나타내는 도면이다. 도 8(A) 에는, 오프셋 좌표의 초기값을 사용하여 재생된 물체광 홀로그램 U₁ 의 집광점 부근의 진폭 분포를 나타낸다. 도 8(B) 에는, 물체광 홀로그램 U₁ 의 집광점 부근의 진폭 분포를 사용하여 산출된 파면 수차 W_{1_err} 의 분포를 나타낸다. 오프셋 좌표의 초기값을 사용한 경우의 파면 수차 W_{1_err} 은, 2.924λ 였다.

오프셋 좌표의 초기값은, 교정 유닛 (20) 의 광학적인 위치 관계를 올바르게 반영한 것은 아니므로, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 도 부정확하다. 그 결과, 도 8(A) 에 나타내는 바와 같이, 집광점 (에어리 디스크의 스폿) 도 스폿상으로는 되지 않고, 흩어져 있다. 또, 도 8(B) 에 나타내는 바와 같이, 물체광 홀로그램 U₁ 에는 큰 파면 수차가 발생하고 있다.

다음으로, 상기 서술한 순서에 따라서, 파면 수차의 총합을 최소화하도록, 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 을 조정한 결과를 나타낸다. 조정된 오프셋 좌표 (x_p0, y_p0, z_p0) 을 사용하여 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 산출하였다.

도 9 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 의 교정 처리의 처리 후에 있어서의 측정예를 나타내는 도면이다. 도 9(A) 에는, 조정 후의 오프셋 좌표를 사용하여 재생된 물체광 홀로그램 U₁ 의 집광점 부근의 진폭 분포를 나타낸다. 도 9(B) 에는, 물체광 홀로그램 U₁ 의 집광점 부근의 진폭 분포를 사용하여 산출된 파면 수차 W_{1_err} 의 분포를 나타낸다. 오프셋 좌표의 초기값을 사용한 경우의 파면 수차 W_{1_err} 은, 0.023λ 였다. 도 9(A) 에 나타내는 바와 같이, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 정확하게 결정함으로써, 물체광 홀로그램 U₁ 에는 집광점 (에어리 디스크의 스폿) 이 형성되어 있고, 도 9(B) 에 나타내는 바와 같이, 분명한 파면 수차는 보이지 않는다.

일반적으로, 파면 수차가 0.07λ 이하인 상태는 회절 한계로 간주되고 있으며, 파면 수차 W_{1_err} 이 0.023λ 이므로, 충분한 결상 성능을 갖고 있다고 할 수 있다. 또, 번호 i ＝ 2 ∼ 10 의 경우에 대해서도 파면 수차를 산출하면, 모든 재생 이미지에 대해, 파면 수차 W_{i_err} 은 0.07λ 이하가 되고, 시야 내 전역에 걸쳐서 회절 한계의 결상 성능을 갖고 있다.

도 10 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 에 의한 샘플의 측정예를 나타내는 도면이다. 도 10 에는, 도 1 에 나타내는 광학 측정 시스템 (1) 을 사용하여 기록한 홀로그램 I_OR 로부터 재생된 샘플 (USAF 1951 분해능 테스트 타깃) 의 재생 이미지를 나타낸다.

도 10(A1) 및 도 10(A2) 에는, 오프셋 좌표의 초기값을 사용한 재생 이미지를 나타낸다. 도 10(A1) 에는, 분해능 테스트 타깃의 전체 이미지를 나타내고, 도 10(A2) 에는, 분해능 테스트 타깃의 부분 확대도를 나타낸다.

도 10(A1) 및 도 10(A2) 에 나타내는 재생 이미지에 있어서는, 큰 변형이 발생하고 있음과 함께, 분해능 테스트 타깃의 그룹 9 에 있는 패턴선은 충분히 분해되어 있지 않다.

도 10(B1) 및 도 10(B2) 에는, 조정 후의 오프셋 좌표를 사용한 재생 이미지를 나타낸다. 도 10(B1) 에는, 분해능 테스트 타깃의 전체 이미지를 나타내고, 도 10(B2) 에는, 분해능 테스트 타깃의 부분 확대도를 나타낸다.

도 10(B1) 에 나타내는 재생 이미지에 있어서는, 큰 변형은 발생하고 있지 않다. 또, 도 10(B2) 에 있어서 직사각형 프레임선으로 나타낸 테스트 타깃의 9-6 패턴의 선 (폭 0.548 ㎛) 이 3 개의 선으로서 분해되어 있으며, 광학계로부터 결정되는 이론 분해능 0.532 ㎛ 와 동일한 정도의 성능이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 상기 서술한 바와 같은 교정 처리에 의해 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^* 를 정확하게 결정함으로써, 고정밀도로 샘플을 측정할 수 있는 것을 알 수 있다.

＜H. 변형예＞

도 1 및 도 2 에는, 투과형의 광학계를 채용한 광학 측정 시스템 (1) 의 구성예를 예시하였지만, 이 구성예에 한정되지 않으며, 이하와 같은 각종 변형이 가능하다.

(h1 : 변형예 1)

본 실시형태의 변형예 1 로서, 참조광을 샘플에 근방하여 배치한 구성예에 대해 설명한다.

도 11 은, 본 실시형태의 변형예 1 에 따른 광학 측정 시스템 (1A) 의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 11(A) 에는 측정 처리용의 구성예를 나타내고, 도 11(B) 에는 교정 처리용의 구성예를 나타낸다.

도 11(A) 를 참조하여, 광학 측정 시스템 (1A) 에 있어서는, 하프 미러 (HM2) 대신에, 미러 (M3) 가 배치되어 있다. 미러 (M3) 는, 샘플 (S) 로부터 물체광 (O) 으로부터 조사되는 범위 외에 배치되어 있다. 참조광 (R) 은, 미러 (M4) 로 반사되어 전파 방향이 바뀌어 미러 (M3) 로 유도된다. 참조광 (R) 은, 미러 (M3) 로 다시 반사되어, 이미지 센서 (D) 의 수광면으로 유도된다. 즉, 이미지 센서 (D) 의 수광면에 있어서, 조명광 (Q) 으로 샘플 (S) 을 조명하여 얻어지는 물체광 (O) 이 참조광 (R) 으로 변조된다.

이와 같이, 작동 거리를 확보할 필요가 없는 경우에는, 하프 미러 (HM2) 대신에, 미러 (M3) 를 채용해도 된다. 미러 (M3) 는, 평면 거울, 볼록면 거울, 오목면 거울 중 어느 것이어도 된다.

도 11(B) 를 참조하여, 광학 측정 시스템 (1A) 에 있어서, 교정 유닛 (20) 을 포함하는 프로파일 생성부 (30) 는, 조명 광학계인 시야 마스크 (A1) 및 집광 렌즈 (L1) 를 치환하는 형태로 배치된다. 교정 처리에 대해서는, 상기 서술한 처리와 동일하다.

(h2 : 변형예 2)

본 실시형태의 변형예 2 로서, 조명 광학계를 생략한 구성예에 대해 설명한다.

도 12 는, 본 실시형태의 변형예 2 에 따른 광학 측정 시스템 (1B) 의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 12(A) 에는 측정 처리용의 구성예를 나타내고, 도 12(B) 에는 교정 처리용의 구성예를 나타낸다.

도 12(A) 를 참조하여, 광학 측정 시스템 (1B) 에 있어서는, 샘플 (S) 의 근방에 시야 제한 마스크 (FA) 가 배치되어 있다. 이와 같은 시야 제한 마스크 (FA) 를 사용함으로써, 조명 광학계를 간략화 혹은 생략할 수 있다. 도 12(A) 에는, 조명 광학계에 상당하는 결합 광학계 (시야 마스크 (A1) 및 집광 렌즈 (L1)) 를 생략한 구성예를 나타낸다.

또한, 조명광 (Q) 과 참조광 (R) 사이에서 간섭성을 유지할 수 있는 한에 있어서, 조명광 (Q) 으로 샘플 (S) 을 조명하는 광학계는 어떠한 것이어도 된다. 예를 들어, 조명광 (Q) 을 비스듬하게 입사시켜도 되고, 조명광 (Q) 으로서 확산 조명을 채용해도 된다.

도 12(B) 를 참조하여, 광학 측정 시스템 (1B) 에 있어서, 교정 유닛 (20) 을 포함하는 프로파일 생성부 (30) 는, 샘플 (S) 을 제거한 후, 조명광 (Q) 의 광로 상에 배치된다. 또한, 조명 광학계가 생략되어 있으므로, 교정 유닛 (20) 을 배치할 때에 조명 광학계를 제거할 필요는 없다. 교정 처리에 대해서는, 상기 서술한 처리와 동일하다.

(h3 : 변형예 3)

본 실시형태의 변형예 3 으로서, 반사형 광학계를 채용한 구성예에 대해 설명한다.

도 13 은, 본 실시형태의 변형예 3 에 따른 광학 측정 시스템 (1C) 의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 13(A) 에는 측정 처리용의 구성예를 나타내고, 도 13(B) 에는 교정 처리용의 구성예를 나타낸다.

도 13(A) 를 참조하여, 광학 측정 시스템 (1C) 에 있어서는, 빔 스플리터 (BS1) 로 분기된 조명광 (Q) 은, 미러 (M1) 및 미러 (M5) 로 각각 반사되어 전파 방향이 바뀐 후, 집광 렌즈 (L3), 시야 마스크 (A1), 집광 렌즈 (L4) 를 통과하여, 하프 미러 (HM2) 로 유도된다. 또한, 조명광 (Q) 은, 하프 미러 (HM2) 로 반사되어 샘플 (S) 을 조명한다. 조명광 (Q) 으로 샘플 (S) 을 조명하여 얻어지는 물체광 (O) (즉, 샘플 (S) 로 반사된 광) 은, 하프 미러 (HM2) 를 투과하여, 이미지 센서 (D) 에 입사된다.

한편, 참조광 (R) 은, 미러 (M2) 로 반사되어 전파 방향이 바뀐 후, 집광 렌즈 (L2) 에 의해 집광된다. 집광 렌즈 (L2) 에 의한 집광점 (FP1) 이 점 광원의 위치에 상당한다. 최종적으로, 참조광 (R) 은, 하프 미러 (HM2) 로 반사되어 이미지 센서 (D) 에 입사된다.

도 13(B) 를 참조하여, 광학 측정 시스템 (1C) 에 있어서의 교정 처리는, 도 2 및 도 12(B) 와 동일하게, 투과형의 광학계를 사용하여 실시된다. 보다 구체적으로는, 교정 유닛 (20) 을 포함하는 프로파일 생성부 (30) 는, 샘플 (S) 을 제거한 후, 조명광 (Q) 의 광로 상에 배치된다. 교정 처리에 대해서는, 상기 서술한 처리와 동일하다.

(h4 : 변형예 4)

본 실시형태의 변형예 4 로서, 샘플 (S) 로부터의 산란광의 측정에 적합한 구성예에 대해 설명한다.

도 14 는, 본 실시형태의 변형예 4 에 따른 광학 측정 시스템 (1D) 의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 14(A) 에는 측정 처리용의 구성예를 나타내고, 도 14(B) 에는 교정 처리용의 구성예를 나타낸다.

도 14(A) 를 참조하여, 광학 측정 시스템 (1D) 에 있어서는, 빔 스플리터 (BS1) 로 분기된 조명광 (Q) 은, 미러 (M6) 로 반사되어 전파 방향이 바뀐 후, 샘플 (S) 을 조사한다. 조명광 (Q) 으로 샘플 (S) 을 조명함으로써 발생하는 산란광이, 물체광 (O) 으로서 이미지 센서 (D) 에 입사된다.

광학 측정 시스템 (1D) 에 있어서는, 샘플 (S) 에서 발생하는 산란광을 측정할 수 있다. 또한, 샘플 (S) 의 근방에는, 필요에 따라 시야 제한 마스크 (FA) 를 배치해도 된다. 시야 제한 마스크 (FA) 를 배치함으로써, 노이즈를 억제할 수 있다.

도 14(B) 를 참조하여, 광학 측정 시스템 (1D) 에 있어서의 교정 처리는, 도 2 및 도 12(B) 와 동일하게, 투과형의 광학계를 사용하여 실시된다. 보다 구체적으로는, 교정 유닛 (20) 을 포함하는 프로파일 생성부 (30) 는, 샘플 (S) 을 제거한 후, 조명광 (Q) 의 광로 상에 배치된다. 교정 처리에 대해서는, 상기 서술한 처리와 동일하다.

(h5 : 변형예 5)

상기 서술한 설명에 있어서는, 특정한 파장 대역의 코히런트광을 발생시키는 광원 (10) 을 사용하는 구성에 대해 주로 설명하였지만, 복수의 파장 대역의 코히런트광을 발생시키는 광원 (10) 을 사용해도 된다. 예를 들어, 적색 (R), 녹색 (G), 청색 (B) 의 각각에 대응하는 파장 대역의 코히런트광을 발생시킴과 함께, 각각의 색에 수광 감도를 갖는 이미지 센서 (D) 를 채용함으로써, 각 색의 홀로그램을 기록할 수 있다.

또, 이미지 센서 (D) 로서 편광 이미지 센서를 채용함으로써, 편광 홀로그램을 기록할 수 있다.

＜I. 이점＞

본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템은, 샘플과 이미지 센서 사이에 렌즈 등의 결상 광학계가 존재하지 않는, 렌즈리스 디지털 홀로그래피의 구성을 채용한다. 그 때문에, 조명광으로 샘플을 조명하여 얻어지는 물체광에 수차 등의 오차가 발생하지 않는다.

본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템은, 교정 처리에 의해 참조광의 광파 분포의 정보 (예를 들어, 참조광 (R) 의 광파 분포의 복소 공액 R^*) 를 미리 취득한다. 광학 측정 시스템은, 조명광으로 샘플을 조명하여 얻어지는 물체광을 참조광으로 변조하여 생성되는 홀로그램과, 참조광의 광파 분포의 정보에 기초하여, 물체광 홀로그램을 산출함으로써, 샘플의 임의의 위치의 형상 (광파 진폭 및 위상) 등을 사후적으로 산출 혹은 측정할 수 있다.

본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템은, 물체광 대신에, 이미 알려진 광파 분포를 이미 알려진 배치 위치 (좌표) 에서 조명함으로써, 참조광의 광파 분포의 정보를 산출할 수 있다. 그 때문에, 인라인 구면파광을 인라인의 축으로 정확하게 조정할 필요가 없어, 조정에 수고를 필요로 하지도 않는다.

본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템은, 물체광 대신에, 이미 알려진 광파 분포를 복수의 배치 위치 (좌표) 에서 조명함으로써, 파라미터 피팅에 의해 참조광의 광파 분포의 정보를 산출할 수 있다. 그 때문에, 인라인 구면파광을 인라인의 축으로 정확하게 조정할 필요가 없어, 조정에 수고를 필요로 하지도 않는다. 추가로, 이미 알려진 광파 분포를 조명하는 배치 위치를 정확하게 몰라도, 정확한 참조광의 광파 분포의 정보를 산출할 수 있다.

이번에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아닌 것으로 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 설명이 아니라, 청구범위에 의해 나타내며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1, 1A, 1B, 1C, 1D : 광학 측정 시스템
10 : 광원
20 : 교정 유닛
30, 30A, 30B, 30C, 30D : 프로파일 생성부
31, 33, 34 : 차광판
32, 36 : 핀홀
35, 37, L1, L2, L3, L4 : 집광 렌즈
38 : 대물 렌즈
100 : 처리 장치
102 : 프로세서
104 : 주메모리
106 : 입력부
108 : 표시부
110 : 스토리지
111 : 오퍼레이팅 시스템
112 : 측정 프로그램
113 : 교정 프로그램
114 : 교정 정보
115 : 홀로그램 데이터
116 : 측정 결과
120 : 인터페이스
122 : 네트워크 인터페이스
124 : 미디어 드라이브
126 : 기록 매체
A1 : 시야 마스크
BE : 빔 익스팬더
BS1, BS2 : 빔 스플리터
D : 이미지 센서
FA : 시야 제한 마스크
FP1 : 집광점
M1, M2, M3, M4, M5, M6 : 미러
O : 물체광
Q : 조명광
R : 참조광
S : 샘플
SP1, SP2 : 개구

Claims (10)

1. 조명광으로 샘플을 조명하여 얻어지는 물체광을 상기 조명광과 코히런트한 참조광으로 변조하여 생성되는 홀로그램을 기록하기 위한 광학계를 구성하는 스텝과,
   상기 샘플이 존재하지 않는 상태에서, 상기 조명광의 광학 경로 상에, 이미 알려진 광파 분포를 발생시키는 광학계를 포함하는 교정 유닛을 배치하는 스텝과,
   상기 교정 유닛이 광파 분포를 발생시키고 있는 상태에서 발생하는 제 1 홀로그램을 기록하는 스텝과,
   상기 교정 유닛의 배치 위치를 나타내는 정보와, 상기 이미 알려진 광파 분포와, 상기 제 1 홀로그램에 기초하여, 상기 참조광의 광파 분포의 정보를 산출하는 스텝을 구비하는, 광학 측정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 교정 유닛은, 발생하는 광파 분포를 공간적으로 이동시킬 수 있도록 구성되어 있고,
   상기 광학 측정 방법은,
   발생하는 광파 분포를 상기 제 1 홀로그램을 기록한 위치와는 상이한 복수의 위치로 이동시킴과 함께, 상기 복수의 위치에 있어서 각각 발생하는 복수의 제 2 홀로그램을 기록하는 스텝과,
   이미 알려진 광파 분포로부터 산출되는 스펙트럼과 상기 복수의 제 2 홀로그램에 대응하는 광파 분포로부터 산출되는 스펙트럼으로부터 파면 수차를 산출하는 스텝과,
   상기 파면 수차를 최소화하도록, 상기 교정 유닛의 배치 위치를 나타내는 정보를 조정하는 스텝을 추가로 구비하는, 광학 측정 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 복수의 제 2 홀로그램의 각각에 공간 주파수 필터링을 적용하고, 필터링 결과와 상기 참조광의 광파 분포의 정보에 기초하여, 상기 복수의 제 2 홀로그램에 각각 대응하는 복수의 물체광 홀로그램을 산출하는 스텝과,
   상기 이미 알려진 광파 분포에 기초하여, 상기 복수의 물체광 홀로그램을 각각 수정함으로써, 상기 복수의 제 2 홀로그램에 대응하는 복수의 광파 분포를 각각 산출하는 스텝을 추가로 구비하는, 광학 측정 방법.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 파면 수차를 산출하는 스텝은,
   상기 이미 알려진 광파 분포로부터 산출되는 스펙트럼과 상기 제 2 홀로그램에 대응하는 광파 분포로부터 산출되는 스펙트럼의 위상차 분포인 위상차 분포 스펙트럼을 산출하는 스텝과,
   상기 위상차 분포 스펙트럼 전체의 평균값에 대한 제곱 평균 제곱근을 오차로서 산출하는 스텝을 포함하는, 광학 측정 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 조명광으로 상기 샘플을 조명하여 얻어지는 상기 물체광을 상기 참조광으로 변조하여 생성되는 제 3 홀로그램을 기록하는 스텝과,
   상기 제 3 홀로그램에 공간 주파수 필터링을 적용하고, 필터링 결과와 상기 참조광의 광파 분포의 정보에 기초하여, 물체광 홀로그램을 산출하는 스텝을 추가로 구비하는, 광학 측정 방법.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 참조광의 광파 분포의 정보는, 상기 참조광의 광파 분포의 복소 공액을 포함하는, 광학 측정 방법.
7. 조명광으로 샘플을 조명하여 얻어지는 물체광을 상기 조명광과 코히런트한 참조광으로 변조하여 생성되는 홀로그램을 기록하기 위한 광학계를 구성하는 스텝과,
   상기 광학계에 있어서의 상기 참조광의 광파 분포의 정보를 취득하는 스텝과,
   조명광으로 샘플을 조명하여 얻어지는 물체광을 상기 조명광과 코히런트한 참조광으로 변조하여 생성되는 홀로그램을 기록하는 스텝과,
   상기 홀로그램에 공간 주파수 필터링을 적용하고, 필터링 결과와 상기 참조광의 광파 분포의 정보에 기초하여, 물체광 홀로그램을 산출하는 스텝을 구비하고,
   상기 참조광의 광파 분포의 정보를 취득하는 스텝은, 상기 샘플이 존재하지 않는 상태에서, 상기 조명광의 광학 경로 상에 이미 알려진 광파 분포를 발생시키는 광학계를 포함하는 교정 유닛이 배치되었을 때에 기록되는 홀로그램과, 상기 교정 유닛의 배치 위치를 나타내는 정보와, 상기 이미 알려진 광파 분포에 기초하여, 상기 참조광의 광파 분포의 정보를 산출하는 스텝을 포함하고,
   상기 교정 유닛은, 발생하는 광파 분포를 공간적으로 이동시킬 수 있도록 구성되어 있는, 광학 측정 방법.
8. 코히런트광을 발생시키는 광원과,
   상기 광원으로부터의 코히런트광으로부터 조명광 및 참조광을 생성하는 빔 스플리터와,
   조명광으로 샘플을 조명하여 얻어지는 물체광을 상기 조명광과 코히런트한 참조광으로 변조하여 생성되는 홀로그램을 이미지 센서로 기록하기 위한 광학계와,
   상기 광학계에 있어서의 상기 참조광의 광파 분포의 정보를 격납하는 격납부를 갖는 처리 장치를 구비하고,
   상기 처리 장치는, 상기 이미지 센서로 기록된 홀로그램에 공간 주파수 필터링을 적용하고, 필터링 결과와 상기 참조광의 광파 분포의 정보에 기초하여, 물체광 홀로그램을 산출하고,
   상기 참조광의 광파 분포의 정보는, 상기 샘플이 존재하지 않는 상태에서, 상기 조명광의 광학 경로 상에 이미 알려진 광파 분포를 발생시키는 광학계를 포함하는 교정 유닛이 배치되었을 때에 기록되는 홀로그램과, 상기 교정 유닛의 배치 위치를 나타내는 정보와, 상기 이미 알려진 광파 분포에 기초하여 미리 산출되고,
   상기 교정 유닛은, 발생하는 광파 분포를 공간적으로 이동시킬 수 있도록 구성되어 있는, 광학 측정 시스템.
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