CN101889189B - 表面形状测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种表面形状测量装置，其使利用双波长移相干涉术的物体的表面形状测量装置的测量精度提高。其具备：低相干光源的光源(101)、透射波长不同的多个波长滤波器(103)、角度控制部(104c)、解析部(114)，并且，通过在实施双波长移相干涉术时由解析部(114)检测出双波长的波长差且对在一个波长运算下的波长值和相位值进行修正，来防止条纹次数的运算错误。接着，通过控制波长滤波器(103)的角度，使实际的波长差与设计值一致。由此，始终可使双波长的波长差控制为恒定，从而即使存在由温度变化或时间推移所引起的波长变动也能够高精度地测量表面形状。

Description

表面形状测量装置及方法

技术领域

本发明涉及在通过对物体进行光照射且根据该干涉光对物体的表面形状进行测量的技术中、尤其将多个不同波长的光切换地进行照射的多波长移相干涉术有关的物体的表面形状测量装置及方法。

背景技术

目前，作为高精度地测量物体的表面形状的技术，公知的有使用光波的干涉的移相干涉术(例如参照专利文献1)。作为该移相干涉术的特征，通过从使参照平面移动了某已知量时所得到的多个干涉条纹图像中对干涉条纹的相位进行解析，能够消除环境和噪音的影响。由此，通过移相干涉术可获得相位检测精度高达波长的1/100左右。

但是，实际上，某个像素(x，y)的相位是使用整数m(以下称为条纹次数)由(数1)赋予的。与此相对，通过该方法可检测的干涉条纹相位为(数1)中的φ₁(x，y)，相位为从0至2π。由于在这样的状态下不能表现出物体表面的形状，因此，存在对相位超过2π而折返的部分进行检测并使之结合的“相位结合”的方法。但是，即使在该方法中，当不连续部分或者半波长以上的段差时，由于干涉条纹不连续，也就不能高精度地测量形状。

数1

φ₁’(x，y)＝φ₁(x，y)+2πm(x，y)         …(数1)

相对于这样的问题，公知的有将两个不同波长的光切换地进行照射的“双波长移相干涉术”(例如参照专利文献2)。该方法中，对波长不同的两个光的相位进行比较，在相位差从0至2π的范围，能够将一个光的波长的条纹次数一意地决定。在此，将求得条纹次数的光的波长和相位分别设为λ₁、φ₁(x，y)，在条纹次数m(x，y)决定后，物体的表面高度h(x，y)可由(数2)赋予，因此，基本上能够以1波长的移相的精度进行测量。

数2

h(x，y)＝(λ₁/2){φ₁(x，y)/2π)+m(x，y)}      …(数2)

另外，若将双波长(波长λ1，λ2)的相位进行合成且将相位差从0至2π的区间认为生成了1波长的光，则与在该合成波长的光下检测相位是等效的。在此，合成波长λeq由(数3)表示。相对于单波长的测量量程为λ1/2，双波长(也称两波长)的合成波长的测量量程扩大至λ_eq/2。

数3

λ_eq＝(λ₁*λ₂)/(λ₂-λ₁)        …(数3)

下面表示具体的方法。首先，在波长λ₁、λ₂分别进行移相。将在各像素中可检测的相位设为φ₁、φ₂时，成为(数4)。在此，h(x，y)表示像素(x，y)中的高度，m₁(x，y)、m₂(x，y)表示两波长的理想条纹次数。接着，使用该相位值由(数5)求出双波长间的光程差ΔD。

数4

φ₁(x，y)＝(4π/λ₁)×h(x，y)-2πm₁(x，y)

φ₂(x，y)＝(4π/λ₂)×h(x，y)-2πm₂(x，y)        …(数4)

数5

ΔD＝(λ₁×φ₁-λ₂×φ₂)/2π         …(数5)

由此，像素(x，y)的波长λ₁的条纹次数如下求出。

首先，使用条纹次数m₁、m₂的关系进行情况划分。即，条纹次数m₁和m₂的关系在双波长的合成波长的测量量程内有以下三种情况，分别通过不同的计算式求出条纹次数m。

(1)m2＝m1的情况(数6)

(2)m2＝m1-1的情况(数7)

(3)m2＝m1+1的情况(数8)

数6

m＝ΔD/Δλ＝(λ₁×φ₁-λ₂×φ₂)/2π(λ₂-λ₁)     …(数6)

数7

m＝(ΔD/Δλ)+(λ₂/Δλ)＝(λ₁×φ₁-λ₂×φ₂)/2π(λ₂-λ₁)+λ₂/(λ₂-λ₁)    …(数7)

数8

m＝(ΔD/Δλ)-(λ₂/Δλ)＝(λ₁×φ₁-λ₂×φ₂)/2π(λ₂-λ₁)-λ₂/(λ₂-λ₁)    …(数8)

这些情况划分是以“(1)-π＜(φ₁-φ₂)＜π”、“(2)(φ₁-φ₂)＞π”、“(3)(φ₁-φ₂)＜-π”条件进行判别的。可通过由此所求出的条纹次数m加以四舍五入来决定。

可通过以上的动作将测量量程扩大。

作为该方法的应用，有如下所述的多波长移相干涉术，其通过进一步照射不同波长的光而生成不同的两个合成波长，并对合成波长进一步适用双波长移相干涉术，进一步使合成波长延长。

包含双波长移相干涉术的多波长移相干涉术中存在不耐噪音的问题。下面对该理由进行说明。

首先，能够在一个合成波长的测量量程内一意地决定的条纹次数之数n由(数9)赋予。越使波长差减少，能够判别的条纹次数之数就越增大。将相位差从0至2π的区域进行分割且用于条纹次数的判别时，条纹次数1所分配的相位差宽度为2π/n。就不发生条纹次数错误的条件而言，将各波长的相位检测误差设为δ_φ1，δ_φ2时，其为(数10)，且n越大则容许的相位检测误差越减小。例如n＝30时，如果在各波长不设为λ/120以下，则条纹次数错误不会成为0。

数9

n＝λ₂/(λ₂-λ₁)    …(数9)

数10

δ_φ1+δ_φ2＜(π/n)    …(数10)

因此，即使相位的检测精度与1波长相等，测量量程越被扩大，越在条纹次数决定时容易发生错误。而且，不满足(数10)时，条纹次数中产生误差，测量结果中发生半波长单位的误差。作为误差的外部原因，除了随机误差以外，还可举出双波长间的相位偏移、及测量结果的解析工序中在实际所照射的光的波长和运算中使用的波长值之间存在差异。

误差原因中，关于双波长间的相位偏移，正在研究以双波长移相干涉术的测量精度提高为目的的条纹次数错误修正算法(例如，参照专利文献3)。其为如下所述的方法，在条纹次数计算的四舍五入工序中，通过对四舍五入前后的条纹次数进行比较，检测出双波长间的相位偏移的影响，并通过按照消除该影响的方式在四舍五入前的条纹次数上加上或者减去修正值，来修正条纹次数。

对其进行解析陈述，由各波长的移相所得到的实际的相位在所述的(数4)中包括相位偏移δ，如(数11)所示。

数11

φ₁(x，y)＝(4π/λ₁)×h(x，y)-2πm₁(x，y)

φ₂(x，y)＝(4π/λ₂)×h(x，y)-2πm₂(x，y)-δ        …(数11)

(数11)的相位偏移δ是在h(x，y)＝0时的双波长间的相位差。将其代入(数6)、(数7)、(数8)，就成为以下三种情况。

(1)m₂＝m₁的情况(数12)

(2)m₂＝m₁-1的情况(数13)

(3)m₂＝m₁+1的情况(数14)

数12

m＝ΔD/Δλ＝(λ₁×φ₁-λ₂×φ₂)/2π(λ₂-λ₁)+{λ₂/2π(λ₂-λ₁)}δ    …(数12)

数13

m＝(ΔD/Δλ)+(λ₂/Δλ)＝(λ₁×φ₁-λ₂×φ₂)/2π(λ₂-λ₁)+λ₂/(λ₂-λ₁)

                           +{λ₂/2π(λ₂-λ₁)}δ  …(数13)

数14

m＝(ΔD/Δλ)-(λ₂/Δλ)＝(λ₁×φ₁-λ₂×φ₂)/2π(λ₂-λ₁)-λ₂/(λ₂-λ₁)

                                                   +{λ₂/2π(λ₂-λ₁)}δ  …(数14)

即，(数12)～(数14)的任一种情况，都成为(数15)。在δ＝0的情况下，与(数6)一致；否则的情况下则产生来自m1的偏移。在δ＝0的理想的情况下，m＝m₁，因此，将m₁称为理想条纹次数。将理想条纹次数m₁和所计算出的条纹次数之间的差设为Δm。可知在差Δm上重叠随机误差时，四舍五入的阶段中误差程度(也称误差量：誤差分)易超过0.5，条纹次数错误的产生比率增高。

数15

m＝m₁+{λ₂/2π(λ₂-λ₁)}δ    …(数15)

与之相对，所述条纹次数错误修正算法中，首先，将条纹次数m被四舍五入后的值设为m′，求出差(m′-m)的分布。该分布为从-1/2至1/2为止，将其制成直方图的话，则为图9A及图9B。相位偏移δ的影响存在时，分布的峰从0起移位，其移位量与相位偏移δ的项相等，因此，能够在不受随机误差的影响的状态下检测出相位偏移δ的项。专利文献3的方法中，通过将移位量检测出并从条纹次数m扣除后再一次进行四舍五入，来防止条纹次数错误。

另外，专利文献3中，由于通常在超过双波长的合成波长的测量量程的表面形状中不能进行上述的条纹次数错误的修正，所以提案有将相当于一个测量量程的部分抽出的标号计算法。

专利文献

专利文献1：(日本)特开2003-344025号公报

专利文献2：美国专利第4832489号

专利文献3：(日本)特开2005-326249号公报

但是，上述目前的多波长移相干涉术中，可将测定量程扩展，但测定精度会下降。具体而言，上述目前的算法中，将照射的光的波长作为已知数来进行处理的，但经过温度变化或者时间推移，有时光的波长的实际波长和运算值不同。在这种情况下，存在噪音的检测精度及条纹次数错误的修正精度降低的问题。

以上各数式中，运算值中加上“′”，与实际的值进行区别。相位φ₁、φ₂由上述的(数11)赋予，在(数5)及(数6)的情况下，成为(数16)、(数17)。在此，λ₁′、λ₂′是运算的值。

数16

ΔD’＝{λ₁’×φ₁-λ₂’×φ₂}/2π…(数16)

数17

m’＝ΔD/(λ₂’-λ₁’)…(数17)

将(数11)代入(数16)、(数17)，得到条纹次数m和理想条纹次数m₁的关系(数18)、(数19)。由此可知，理想条纹次数m₁越增大，误差Δm也越增大。

数18

m(x，y)≈{(λ₂-λ₁)/(λ₂’-λ₁’)}×m₁(x，y)-{λ₂’/2π(λ₂’-λ₁’)}δ    …(数18)

数19

Δm(x，y)＝m-m₁＝[{λ₂-λ₁-(λ₂’-λ₁’)}/(λ₂’-λ₁’)]

                                  ×m₁(x，y)-{λ₂’/2π(λ₂’-λ₁’)}δ    …(数19)

如上所述，目前的算法中，着眼于条纹次数四舍五入时的误差程度，由于根据条纹次数而误差Δm不同，因此，修正精度不充分，误差Δm增大时发生错误。

发明内容

本发明是解决上述目前技术的问题的发明，其目的在于提供与目前的多波长移相干涉术相比较，能够高精度地测量物体的表面形状的表面形状测量装置及方法。

为了实现上述目的，本发明构成如下。

根据本发明的第一方式，其具备：

将光辐射的光源；

透射波长分别不同的多个波长滤波器；

切换所述多个波长滤波器的切换装置；

干涉光学系统，使透过由所述切换装置切换的所述多个波长滤波器中的一个波长滤波器的光分路后向被检测物和参照面进行照射，且使所分别反射的光叠加而干涉；

摄像装置，对由所述干涉光学系统干涉的干涉条纹的图像进行摄像；

干涉条纹相位检测部，从由所述摄像装置摄像的图像中计算出干涉条纹的相位；

滤波器角度调节部，使由所述切换装置切换所述多个波长滤波器所算出的、至少两个波长的干涉条纹的相位组合而检测出波长差，基于所述波长差，对与入射至所述波长滤波器的光的光轴相对应的所述多个波长滤波器中的一个波长滤波器的倾斜角度进行调节；

解析部，在所述一个波长滤波器的倾斜角度调节后的状态下，通过所述干涉光学系统、所述摄像装置、所述干涉条纹相位检测部的使用，进行所述被检测物体的表面形状测量。

根据本发明的第二方式，在第一方式所述的表面形状测量装置中，其还具备：运算错误防止部，基于通过使至少两个波长的干涉条纹的相位组合所检测出的所述波长差，对干涉条纹的相位进行修正。

根据本发明的第三方式，在第二方式所述的表面形状测量装置中，

所述运算错误防止部具有：

条纹次数计算部，使所述两个波长和相位组合来计算各像素中的条纹次数；

条纹次数分布解析部，根据由所述条纹次数计算部算出的所述条纹次数的分布而检测出所述两个波长间的波长差和相位差；

波长值修正部，修正所述任一个波长的运算值而使其与波长差一致；

相位值修正部，将在所述任一个波长的相位修正后所述两个波长的相位差为0时的相位值计算出并进行修正。

根据本发明的第四方式，在第三方式所述的表面形状测量装置中，

所述滤波器角度调整部由角度控制部构成，该角度控制部以预先使所述波长滤波器和光轴的角度倾斜成设在5度～10度的范围内的值之状态为基准，在±1度的范围内调节所述波长滤波器的角度，

并且，所述表面形状测量装置还具备：基于由所述条纹次数分布解析部算出的波长差和所述设计值之差来计算角度控制量的角度控制量计算部，

在所述运算错误防止部中，由所述多个波长滤波器组合的所述两个波长(λ₁，λ₂)，在所述角度控制部的基准状态下满足(数20)，其中n设为整数。

数20

n＝λ₂/(λ₂-λ₁)    …(数20)

根据本发明的第五方式，提供一种表面形状测量方法，

使来自光源的光透射波长滤波器，使透过所述波长滤波器的光分路后向被检测物体及参照面进行照射，且使所分别反射的光叠加而干涉；将由所述被检测物体和所述参照面所反射的光叠加而干涉的光作为图像进行摄像；从所述摄像的图像中计算出所干涉之光的干涉条纹相位的相位计算步骤，在至少两个不同波长的波长滤波器的切换下进行之后，

使所述至少两个波长的干涉条纹的相位组合并检测出波长差，

基于所述波长差，对与入射至所述波长滤波器的光的光轴相对应的所述多个波长滤波器中的一个波长滤波器的倾斜角度进行调节；

在所述一个波长滤波器的倾斜角度调节后的状态下，进行所述相位计算步骤，从而进行所述被检测物体的表面形状测量。

根据本发明的第六方式，在第五方式所述的表面形状测量方法中，

还具有运算错误防止步骤，基于通过使所述两个波长的干涉条纹的相位组合所检测出的波长差，对相位进行修正。

根据本发明的第七方式，在第六方式所述的表面形状测量方法中，

在所述运算错误防止步骤中，在使所述两个波长的相位组合并检测出波长差、且基于所述检测的实际的波长差对相位进行修正时，

使所述两个波长的相位组合而由条纹次数计算部计算出各像素中的条纹次数，

根据由所述条纹次数计算部算出的所述条纹次数的分布，由条纹次数分布解析部检测出所述双波长间的波长差和相位差，

由波长值修正部修正所述任一个波长的运算值而使其与实际的波长差一致，

由相位值修正部将在所述任一个波长的相位修正后所述双波长的相位差为0时的相位值计算出并进行修正。

根据本发明的第八发明，在第七方式所述的表面形状测量方法中，

在由所述条纹次数分布解析部根据所述条纹次数计算部所算出的所述条纹次数的分布而检测出所述双波长间的实际的波长差和相位差时，

根据所述两个波长的干涉条纹相位，计算出在所述两波长的条纹次数一致的像素中的条纹次数，且计算条纹次数的分布的直方图，

检测出所述直方图的多个峰位置和所述直方图的多个峰间隔，

根据所述峰间隔和所述峰位置来检测出所述相位差。

根据本发明的第九发明，在第七方式所述的表面形状测量方法中，

由所述滤波器角度调节部按照使所述波长差与设计值一致的方式对使所述多个波长滤波器中的一个波长滤波器倾斜的角度进行调节时，

通过角度调节部，以预先使所述波长滤波器和光轴的角度倾斜成设在5度～10度的范围内的值之状态为基准，在±1度的范围内调节所述波长滤波器的角度，

并且，基于由所述条纹次数分布解析部算出的波长差和所述设计值之差，由角度控制量计算部计算出角度控制量。

根据所述构成的装置及方法，能够抑制波长变动的影响，与以前相比，能够高精度地测量物体的表面形状，另外，能够将条纹次数的运算错误控制在最小限度，提高形状测量精度，另外，通过使波长差始终与设计波长差一致，能够防止从上述式的条件由波长的变动引起偏离，能够防止相对于时间推移或温度变化的测量精度的降低。

根据本发明，可以起到如下所述效果，即，相对于温度变化大的环境、或物体的表面性状粗糙且易发生错误的物体，在利用多波长移相干涉术的测量中，能够高精度地测量物体的表面形状。

附图说明

通过与关于附图的优选实施方式相关联的如下的记述可以明确本发明的这些和其它的目的和特征，该图中，

图1A是表示作为本发明第一实施方式的表面形状测量装置的一例的干涉测量装置的概略图；

图1B是表示所述第一实施方式的所述干涉测量装置的切换装置的构成的概略图；

图1C是表示从图1B的箭头指向C观测到的、所述第一实施方式的所述干涉测量装置的切换装置的构成的概略图；

图1D是表示从图1B的箭头指向D观测到的、所述第一实施方式的所述干涉测量装置的切换装置的构成的概略图；

图1E是表示所述干涉测量装置的解析部的构成的图；

图2A是所述第一实施方式的表面形状测量方法的初次测量流程图；

图2B是所述第一实施方式的表面形状测量方法的第二次以后的测量流程图；

图3是所述第一实施方式的解析部的动作流程图；

图4是所述第一实施方式的错误防止算法的测量流程图；

图5是表示所述第一实施方式的条纹次数分布的修正前直方图的图；

图6是表示所述第一实施方式的条纹次数分布的修正后直方图的图；

图7是表示作为本发明的第二实施方式的表面形状测量装置之一例的干涉测量装置的概略图；

图8是所述第二实施方式的表面形状测量方法的测量流程图；

图9A是目前的条纹次数修正算法的修正原理图；

图9B是目前的条纹次数修正算法的修正原理图；

图10是表示在测量电路图案时的与波长滤波器和光轴的角度偏移相对应的波长变化量的图表；

图11是表示在测量显示面板用电极图案时的与波长滤波器和光轴的角度偏移相对应的波长变化量的图表。

具体实施方式

在本发明的记述中，在附图中对相同的部件标注相同的参考符号并省略说明。

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1A是表示作为本发明第一实施方式的表面形状测量装置的一例的干涉测量装置的概略图。

图1A中，作为一例的低相干光源的光源101，是将具有多个波长(例如、波长λ₁、λ₂两个波长)的光进行辐射的光源。作为该光源101，例如使用SLD(Super Luminescent Diode)、卤钨灯、重叠了高频率的LD(Luminescent Diode)等。尤其，SLD在数10nm的波长带域可辐射高亮度的光，是适用于双波长移相术的光源。

从光源101所辐射的光通过准直透镜102成为平行光。准直透镜102优选的是在两个不同的波长λ₁、λ₂的双方中，使射出的光尽可能地平行，且在测量视场内使光量分布尽可能地均匀。例如，为了使从SLD或LD射出的光的光量分布均匀，作为准直透镜102的一例使用变形棱镜(Anamorphic Prism)等。

就形成为平行光的光而言，其波长由波长滤波器103限定。波长滤波器103其透射波长被包含于光源101辐射的光的波长带，且透过波长滤波器103后的两个波长(λ₁、λ₂)始终满足(数21)的关系。在此n为整数。

数21

n＝λ₂/(λ₂-λ₁)                                …(数21)

作为两个波长(λ₁、λ₂)，例如波长780nm和810nm的组合满足(数21)的关系，合成波长为λeq≒21μm左右，与仅1波长的情况相比，测定范围扩大至26倍。由此，使用多波长移相干涉术，可进行高度离散偏差大的物体的表面形状测定。

另外，波长滤波器103的透射波长带域优选可确保进行测量所需的充分的可干涉距离，例如，使用透射波长带域为数nm左右的干涉滤波器等。透射波长带域为3nm时，可干涉距离为100μm左右。该值在本发明中即使考虑设置精度也可以说是充分的值。将多个波长滤波器103安装于作为切换装置(切换机构)104S的一例的滤波轮104，通过滤波轮104对透过不同波长的波长滤波器103可分别进行切换。在此，使用了滤波轮104，但也可以相对于来自光源101的光透过的光路由气缸等使多个波长滤波器出入来切换多个波长滤波器。

就切换装置104S而言，作为一例，如图1A～图1E所示，其由滤波轮104、旋转机构(角度控制部)104c、电动机104b构成。在滤波轮104具有多个波长滤波器103。作为一例，如图1C所示，波长滤波器103由分别透过不同波长的4个波长滤波器103A、103B、103C、103D(例如波长λ₁用的波长滤波器103A、103C和波长λ₂用的波长滤波器103B、103D)构成。在滤波轮104的旋转中心有轴104a被固定，在轴104a连结有电动机104b的旋转轴。而且，电动机104b被驱动旋转时，能够使滤波轮104旋转规定的角度，并将自光源101的光透过的波长滤波器103切换为其它的波长滤波器103。通过在滤波轮104所设置的旋转机构(倾斜机构)104c，能够调节相对于来自光源101的光的光轴的、波长滤波器103的倾斜。作为该旋转机构(角度控制部)104c可以使用公知的机构。

旋转机构104c作为滤波器角度调节部的一例发挥功能，鉴于基于温度变化或时间推移所假想的波长变动，对波长滤波器103和来自光源101的光的光轴的角度进行调节。因此，优选的是，预先将光的入射角(相对于与入射至波长滤波器103的光的光轴正交的轴之角度)设为规定的角度(基准角度)θ(例如，在5度～10度的范围内决定的值(初始值)，例如9度)，并在基准角度θ的±1度的范围内，能够以0.01度以下的精度控制所述角度。作为实现上述内容的装置或机构，例如有使用步进电动机的旋转台。

透过波长滤波器103的光由反射镜向半透明镜106侧反射后，入射到半透明镜106。而且，透射波长滤波器103的光被半透明镜106分割，所分割的光分别入射到被检测物体107和参照面108，该被检测物体107由XY工作台等被检测件保持部107h保持。被检测物体107为测量对象物。之后，由被检测物体107和参照面108分别反射的光，再次在半透明镜106重合(也称叠加)并相互干涉。而且，所重合的光透过成像透镜109后在摄像机110成像。即，使在干涉状态下透过成像透镜109的光在摄像机110的受光元件上成像而进行摄像。参照面108安装于压电工作台111，通过驱动压电工作台111，能够使参照面108沿光轴方向移动。该压电工作台111至少能移动光源的波长程度的距离。

另外，由半透明镜106和参照面108和被检测件保持部107h构成干涉光学系统103的一例。另外，由成像透镜109和摄像机110构成摄像装置(摄像机构)131的一例。

自动工作台112及位置记录部113相对于透过各波长滤波器103的光使成像透镜109及摄像机110分别预先移动至对焦的位置，并分别记录这些位置。而且，在控制部1000的控制下，在测量开始的同时，与由滤波轮104所进行的波长切换同步地使成像透镜109及摄像机110分别移动至规定的位置。即意思是，例如，按照在第一波长λ₁和第二波长λ₂之间的波长滤波器103的切换，使成像透镜109及摄像机110分别移动至第一波长λ₁用的位置和第二波长λ₂用的位置。其原因在于，由于在上述780nm和810nm的双波长(λ₁、λ₂)的组合中，在成像透镜109上存在不可忽视的光轴上的色差，因此要对其进行修正。由测量中移动的摄像机110所取入的图像，从摄像机110输入解析部114，所输入的图像的信息被解析部114解析。即，本实施方式的表面形状测量装置中的处理，除了旋转机构104c的角度控制处理以外，均由解析部114进行。解析部114如图1E所示由作为干涉条纹相位检测部的一例的相位计算部114c、运算错误防止部114d、表面高度计算部114e、角度控制量计算部114f构成。该解析部114与切换装置104S、角度控制部104c、摄像机110、和位置记录部113、自动工作台112、压电工作台111分别连接，并且可相互进行需要的信息的输入或输出，在控制部1000的控制下，进行表面形状测量装置的表面形状测量动作。另外，控制部1000分别与解析部114和光源101直接连接，并且经由解析部114与切换装置104S、旋转机构104c、摄像机110、位置记录部113、自动工作台112、压电工作台111间接地分别连接，对各自的动作进行控制。

图2A是表示关于形状测量的测量流程图，对于上述在图1A示出其构成的双波长干涉计的形状测量方法，参照图1A及图2A及图2B进行说明。下面的处理是在控制部1000的控制下由解析部114自身进行的。

首先，进行波长λ₁的移相(参照步骤S101)。在切换装置104S中，将波长滤波器103切换为波长λ₁用的波长滤波器103(设定为波长λ₁)，由旋转机构104c使波长滤波器103向规定的角度(基准角度)θ(例如，在5度～10度的范围内决定的值(初始值)，例如9度)倾斜。而且，通过自动工作台112使成像透镜109及摄像机110向位置记录部113所记录的且为波长λ₁的对焦的位置分别移动，进行移相的动作。

接着，进行波长λ₂的移相(参照步骤S102)。在切换装置104S中，将波长滤波器103从波长λ₁用的波长滤波器103切换为波长λ₂用的波长滤波器103，由角度控制部104c使波长滤波器103向规定的角度(基准角度)θ(例如，在5度～10度的范围内决定的值(初始值)，例如9度)倾斜。而且，通过自动工作台112使成像透镜109及摄像机110向位置记录部113所记录的且为波长λ₂的对焦的位置分别移动，进行移相的动作。

接着，将摄像机110所摄像的图像取入解析部114的相位计算部114c，并将所取入的图像由解析部114的相位计算部114c进行解析(参照步骤S103)。所取入的图像由解析部114进行解析后，物体的表面形状数据(物体的表面高度)及波长λ2的角度控制量由解析部114计算出。这样，完成第一次表面形状测量动作。

图2B是表示在通过所述图2A的形状测量有关的测量流程图进行的表面形状测量后所要进行的、第二次以后的表面形状测量有关的测量流程图的图。下面的处理也在控制部1000的控制下由解析部114自身进行。

首先，步骤S104是用于下一次表面形状测量的准备动作。即，根据由步骤S103的处理所得到的波长λ₂的角度控制量，通过旋转机构104c对波长滤波器103和光的入射角(参照步骤S104)进行控制。换言之，通过旋转机构104c，按照使实际的波长差与设计值一致的方式，对使多个波长滤波器103中的一个波长滤波器103(波长λ₂用的波长滤波器103)倾斜的角度进行调节。

该第二次测量中，在基于步骤S104的处理结果控制了波长滤波器103和光的入射角的状态下，通过进行与图2A相同的步骤S101～步骤S103，进行第二次的表面形状测量。

以上的步骤S101～步骤S103、步骤S104、步骤S101～步骤S103是表面形状测量动作、和使测量条件固定化的波长控制的动作。

另外，图3是表示在图2A及图2B所示的步骤S103的处理中的解析部114的动作的流程图。下面，对步骤S103的处理进行详细说明。

首先，通过解析部114的相位计算部114c，在从双波长的干涉光图像起分别进行移相的状态下，计算干涉条纹的相位φ₁、φ₂(参照步骤S111)。

接着，根据相位计算部114c计算出的相位φ₁、φ₂及波长λ₁、λ₂的输入值，由解析部114的运算错误防止部114d按照所述的(数6)、(数7)、(数8)计算出所述条纹次数m(参照步骤S112)。换言之，由运算错误防止部114d使两个波长的相位组合而检测出实际的波长差，且基于检测出的实际的波长来修正相位。在此，首先，在计算条纹次数前，通过运算错误防止部114d执行按照与理想条纹次数m₁的偏差Δm为最小的方式修正波长差和相位值的“错误防止算法”。关于“错误防止算法”将后述。使用所修正的波长值和相位值，根据(数6)、(数7)、(数8)，由运算错误防止部114d算出条纹次数m。

接着，使用相位φ₁及条纹次数m，根据上述的(数2)，由解析部114的表面高度计算部114e求出物体的表面高度h(x、y)(步骤S113)。

接着，使实际所照射的光的波长差与设计值一致所需要的、波长滤波器103和光的入射角由解析部114的角度控制量计算部114f计算(步骤S114)。

首先，在步骤S112的处理中使用运算错误防止部114d按照后述的“错误防止算法”检测出实际的波长差，且与设计波长差的差Δ由角度控制量计算部114f计算。

接着，波长滤波器103的角度控制量由角度控制量计算部114f计算出，但在此，预先将波长滤波器103的基准角度θ设为9度，并在基准角度θ±1度的微小范围内调节角度。该基准角度θ的选择范围例如从5度～10度的范围内选择基准角度。因为在该范围以外光的透过量降低过度，因此不优选。由此，可使与设计波长差的差Δ和角度线性近似，倾斜量θ₂由(数22)赋予。

数22

θ₂＝a(Δ/λ₀)+9[deg]                              …(数22)

在此，λ₀是波长滤波器103的波长(nm)，Δ是要修正的波长量(nm)。a是由波长滤波器103的特性及基准角度所决定的系数，例如在本实施方式的干涉滤波器中，取a＝781.3的值。在800nm附近的波长下，在±1度的范围内进行约±1nm的波长控制。波长滤波器103的温度特性在所述波长下按0.03nm/℃赋予，因此，可知能够充分地应对波长变动。

另外，步骤S114的处理中，由角度控制量计算部114f控制两个波长中的一个波长并使波长差与设计值一致。通过控制两个波长中的一个波长而使波长差始终固定的方法，其效果可通过(数23)、(数24)得以确认。关于将波长差λ₂-λ₁控制为一定的情况和不控制为一定的情况，各自与λ₁的变化相应的条纹次数的数n的变化量Δn为

(1)存在使波长差固定的控制(数23)

(2)不存在使波长差固定的控制(数24)

，减少至(λ₂-λ₁)/λ₁倍。

(数23)

Δn＝dn/dλ₁＝1/(λ₂-λ₁)        …(数23)

(数24)

Δn＝dn/dλ₁＝λ₁/(λ₂-λ₁)²      …(数24)

例如，将波长λ₁设为780nm，将波长λ₂设为810nm，由于温度的变化，仅波长λ₁的波长滤波器103的透射波长变化。在波长一温度特性为0.03nm/℃左右的情况下，若温度变化为30度，则波长λ₁的变化为0.9nm。这样，就温度变换前的条纹次数的数n＝26而言，没有波长控制时的变化量Δn＝0.835；相对于此，进行波长差控制时的变化量为Δn＝0.03，几乎没有发生变化。由此，上述的(数21)的条纹次数的数n的变化被大幅抑制，条纹次数的数n始终取与整数接近的值。这样，即使是超过双波长的测量量程的表面形状，“错误防止算法”也是有效的。从不依赖于标号计算法等方法这一观点来看，对于使测量对象扩大化具有意义。

图4是表示使用运算错误防止部114d进行的、“错误防止算法”部分的动作的流程图。为了进行下面的处理，如图1E所示，运算错误防止部114d由条纹次数计算部114d-1、条纹次数分布解析部114d-2、波长值修正部114d-3、相位值修正部114d-4构成。

首先，根据两个波长λ1、λ2的值及两波长的相位，与上述的(数6)、(数7)、(数8)相同，各像素中的条纹次数m由运算错误防止部114d的条纹次数计算部114d-1计算出(步骤S121)。在此不进行四舍五入。

接着，通过运算错误防止部114d的条纹次数分布解析部114d-2，根据所求出的视场内的条纹次数来制作条纹次数的分布m(x、y)，从该制作的条纹次数的分布m(x、y)抽出适当的像素，计算出条纹次数m的直方图(步骤S122)。在此，抽出适当的像素的意思是抽出干涉条纹的对比度比阈值高的部分的像素(可作为有效像素来处理的像素)。像素抽出中，优选(数6)的m₁＝m₂的条件。图5表示实际进行测量所得到的直方图。从(数18)可知，直方图在每个Δλ/Δλ′处具有峰、且为伴随(数18)的第二项的移位的分布。

接着，通过运算错误防止部114d的条纹次数分布解析部114d-2，求出所述直方图的多个峰位置和直方图的多个峰间隔，来计算出实际的波长差(步骤S123)。作为峰值间隔的计算方法可以考虑各种方法，但优选通过傅立叶变换求出功率谱等的耐噪音的方法。可以对该峰间隔乘以运算波长差Δλ′，来计算实际的波长差。

接着，通过运算错误防止部114d的波长值修正部114d-3，使运算波长差Δλ′与实际的波长差Δλ一致(步骤S 124)。对波长λ1或者波长λ2进行修正而使运算的波长差Δλ′与实际的波长差Δλ一致，将(数19)的第一项设为“0”。

接着，通过运算错误防止部114d的相位值修正部114d-4，基于被修正后的波长值，更新直方图的峰位置(步骤S125)。即使不对直方图进行再次的计算，通过(数18)只要更新峰值的位置即可。

接着，通过运算错误防止部114d的相位值修正部114-4，计算出各峰位置和理想条纹次数的差(步骤S126)。其以高精度地求出(数19)的第二项为目的。在此，为了进行差的计算，可以考虑将各峰位置和理想条纹次数的差全部求出并进行平均等的方法。

接着，通过运算错误防止部114d的条纹次数部分解析部114d-2，从所述峰位置求出所述双波长的相位差、即双波长间的相位偏移δ(步骤S127)。将(数19)的第二项的值设为X时，可以根据(数25)求出相位偏移δ。

数25

δ＝-{2π(λ₂’-λ₁’)/λ₂’}×X     …(数25)

接着，通过运算错误防止部114d的相位值修正部114d-4，进行使相位φ₂以位相偏移δ行进的处理(步骤S128)。为了使各像素中的相位φ₂以位相偏移δ行进，具有各种方法，可单纯地在各像素的φ₂加上相位偏移δ，在超过2π的部分或者少于0的部分减去或者加上2π而得到。

接着，通过运算错误防止部114d，根据被修正后的波长λ₂″及相位φ₂的值，计算条纹次数分布m(x，y)，并通过进行四舍五入而决定各像素中的条纹次数m(步骤S129)。在该时刻所得到的直方图，如图6所示，峰与理想条纹次数m₁一致。

根据上述构成，在双波长移相中，不论由温度变化或者时间推移所假想的波长变动如何，都能够最大限度地限制条纹次数错误，与目前的算法相比，能够提高测量精度。下面，对提高测量精度的例子进行说明。

测量电路图案时，测量对象物的段差的量级为10～50μm，将测量量程设为100μm时，需要的测量精度为100nm。

就专利文献1的方法的测量精度而言，在λ₁＝800nm、λ₂＝805nm的情况下，当温度变化为±20℃时，产生0.03(nm/℃)×20(℃)＝0.6(nm)的波长变动。另外，测量50μm的段差时，测量精度为1.78μm，导致精度不足。

与之相对，第一实施方式的测量中，可在37.3nm的测量精度下进行测量。这时，关于所需要的波长滤波器103的角度控制量，为了与20℃的温度变化相对应，在λ₂＝±0.6nm(±0.07％)的范围内控制来自光源的光的波长的情况下，以角度θ＝5°为基准，在4°～6°的范围内进行控即可。图10是表示与波长滤波器103和来自光源101的光的光轴的角度偏移相对应的波长变化量的图表。

测量显示面板用电极图案时，测量对象物的段差的量级为1～10μm，将测量量程设为20μm时，所需要的测量精度为10nm。

就专利文献1的方法的测量精度而言，在λ₁＝780nm、λ₂＝810nm的情况下，温度变化为20℃时，产生0.03(nm/℃)×20(℃)＝0.6(nm)的波长变动。另外，测量10μm的段差时，测量精度为189nm，导致精度不足。

与此相对，第一实施方式的测量中，可在7.41nm的测量精度下进行测量。这时，关于需要的波长滤波器的角度控制量，在λ2＝±0.6nm(±0.07％)的范围内控制波长的情况下，为了与20℃的温度变化相应，以角度θ＝5°为基准，在4°～6°的范围内进行控即可。图11是表示与波长滤波器103和来自光源101的光的光轴的角度偏移相对应的波长变化量的图表。另外，温度变化量相等的情况下，无论测量量程如何，波长变化量不变。

(第二实施方式)

图7是表示作为本发明的第二实施方式的表面形状测量装置之一例的干涉测量装置的概略图。

图7中，对于和图1A～图1E相同的构成要素使用相同的符号，并省略其说明。在第二实施方式中，滤波轮204与上述第一实施方式的滤波轮104相对应。第二实施方式中，安装于滤波轮204的波长滤波器103(103A、103B、103C)为三个。三个波长滤波器103(103A、103B、103C)可分别由切换装置104S进行切换(作为该构成，例如在图1C中，替代波长滤波器103C而配置波长滤波器103E即可)。将各个波长滤波器103(103A、103B、103C)的不同透射波长设为λ₁、λ₂、λ₃时，通过双波长移相的动作所组合的两个波长始终满足(数21)。例如，下面使(λ₁、λ₂)及(λ₁、λ₃)的双波长移相组合而进行三波长移相，且这些波长的组合始终满足(数21)。

图8是表示关于形状测量的测量流程图的图。对于由在图7示出其构成的干涉测量装置即三波长移相干涉计的形状测量的方法，参照图7及图8进行说明。另外，第二实施方式的三波长移相中，成为使所述的第一实施方式的双波长移相及错误防止算法组合的动作。以下的处理在解析部114的控制下进行，或者由解析部114自身进行。

首先，进行波长λ₁和λ₂的双波长移相(参照步骤S201)。该动作与从上述图2A及图2B中的步骤S101的处理到步骤S103的处理相对应。只是，在步骤S103的处理的解析中，进行从图3的步骤S111的处理到步骤S112的处理，得到波长λ₂和相位φ₂的修正值及条纹次数m_a。

接着，进行波长λ₁和λ₃的双波长移相(参照步骤S202)。与步骤S201的处理相同，得到波长λ₃的和相位φ₃的修正值及条纹次数m_b。

接着，通过条纹次数m_a、m_b生成合成相位φ_a、φ_b(参照步骤S203)。合成相位φ_a由(数26)求出。关于合成相位φ_b，也与合成相位φ_a同样地求出。

(数26)

φ_a＝{(λ₂-λ₁)/λ₂}(φ₁+2πm_a)    …(数26)

接着，对合成相位φ_a、φ_b进行双波长移相(参照步骤S204)。该动作与从图2A及图2B中的步骤S101的处理到步骤S103的处理、及从图3的步骤S111的处理到步骤S112的处理相对应。关于合成相位φ_a、φ_b，只要在步骤S201的处理、步骤S202的处理中修正了波长和相位，便不需要进行修正。将求出的条纹次数四舍五入，得到条纹次数m_c。

接着，从条纹次数m_c及条纹次数m_a，根据(数27)，计算出三波长合成波长的测量量程内的条纹次数m(参照步骤S205)。

数27

m＝m_a+{λ₂/(λ₂-λ₁)}m_c    …(数27)

接着，通过将得到的条纹次数m四舍五入，并代入(数2)，算出高度h(x、y)(参照步骤S206)。

接着，基于在步骤S201的处理及步骤S202的处理中所检测出的波长差，按照与图3的步骤S114的处理相同的方式，使波长差与设计值一致(参照步骤S207)。由此，实际的波长λ₂、λ₃得以修正，(数21)所示的条纹次数的数成为整数，在下一次的测量步骤S201的处理及步骤S202的处理中，能够维持误差检测精度。

通过设为上述的构成，无论由温度变化或时间推移所假想的波长变动或物体的表面形状如何，都能够修正波长误差和相位偏移，且与目前的多波长移相干涉术中的测量相比，可高精度地测量物体的表面形状。

另外，通过适当组合上述各种实施方式或变形例中的任意的实施方式或实施例，能够起到各自所具有的效果。

工业上的可利用性

本发明的表明形状测量装置及方法，通过相对于波长误差和相位偏移对运算值进行修正并将波长差固定为一定，能够提高在温度变化大的环境下的测量、或物体的表面性状粗糙且易发生条纹次数错误的物体有关的测量精度，另外，认为也可通过测量母板(master)而应用于光源的波长校正。因此，为了评价物体的表面形状，本发明例如可使用于显示面板的电极、电路图案、或者金属加工零件等的表面形状测量。

对于本发明，在参照附图的同时与优选实施方式相联系地充分地进行了阐述，但对于熟习该技术的人来说，明显可进行各种变形或修正。这样的变形或修正只要不脱离所添附的权利要求书的本发明的范围，都应理解为包含于其中。

Claims (9)

1.一种表面形状测量装置，其具备：

光源，将光进行辐射；

多个波长滤波器，透射波长分别不同；

切换装置，切换所述多个波长滤波器；

干涉光学系统，使透过由所述切换装置切换的所述多个波长滤波器中的一个波长滤波器的光分路后向被检测物体和参照面进行照射，且使所分别反射的光叠加而干涉；

摄像装置，对由所述干涉光学系统干涉的干涉条纹的图像进行摄像；

干涉条纹相位检测部，从由所述摄像装置摄像的图像中计算出干涉条纹的相位；

滤波器角度调节部，使由所述切换装置切换所述多个波长滤波器所算出的、两个波长的干涉条纹的相位组合而检测出波长差，基于所述波长差，对与入射至所述波长滤波器的光的光轴相对应的所述多个波长滤波器中的一个波长滤波器的倾斜角度进行调节；

表面高度计算部，其在所述一个波长滤波器的倾斜角度调节后的状态下，通过所述干涉光学系统、所述摄像装置、及所述干涉条纹相位检测部的使用，求出所述被检测物体的表面高度。

2.如权利要求1所述的表面形状测量装置，其中，还具备：

运算错误防止部，基于通过使两个波长的干涉条纹的相位组合所检测出的所述波长差，对干涉条纹的相位进行修正。

3.如权利要求2所述的表面形状测量装置，其中，

所述运算错误防止部具有：

条纹次数计算部，使两个波长和相位组合来计算出各像素中的条纹次数；

条纹次数分布解析部，根据由所述条纹次数计算部算出的所述条纹次数的分布而检测出所述两个波长的波长差和所述两个波长的干涉条纹的相位差；

波长值修正部，通过修正所述两个波长的任一个波长的运算值而使其与所述条纹次数分布解析部所检测的所述两个波长的波长差一致；

相位值修正部，将在所述两个波长的任一个波长的干涉条纹的相位修正后所述两个波长的干涉条纹的相位差为0时的相位值计算出并进行修正。

4.如权利要求3所述的表面形状测量装置，其中，

所述滤波器角度调节部由角度控制部构成，该角度控制部以预先使所述波长滤波器和光轴的角度倾斜成设在5度～10度的范围内的值之状态为基准，在±1度的范围内调节所述波长滤波器的角度，

并且，所述表面形状测量装置还具备：基于由所述条纹次数分布解析部算出的所述两个波长的波长差与设计值之差来计算角度控制量的角度控制量计算部，

在所述运算错误防止部中，由所述多个波长滤波器所组合的所述两个波长(λ₁，λ₂)，在所述角度控制部的基准状态下满足数1，其中n设为整数，

n＝λ₂/(λ₂-λ₁)        …(数1)。

5.一种表面形状测量方法，使来自光源的光透射波长滤波器，使透过所述波长滤波器的光分路后向被检测物体及参照面进行照射，且使所分别反射的光叠加而干涉；将由所述被检测物体和所述参照面所反射的光叠加而干涉的光作为图像进行摄像；从所述摄像的图像中计算出所干涉之光的干涉条纹相位的相位计算步骤，在不同的两个波长的波长滤波器的切换下进行之后，

使所述两个波长的干涉条纹的相位组合并检测出波长差，

基于所述波长差，对与入射至所述波长滤波器的光的光轴相对应的两个波长滤波器中的一个波长滤波器的倾斜角度进行调节；

在所述一个波长滤波器的倾斜角度调节后的状态下，进行所述相位计算步骤，从而进行所述被检测物体的表面形状测量。

6.如权利要求5所述的表面形状测量方法，其中，

还具有运算错误防止步骤，基于通过使所述两个波长的干涉条纹的相位组合所检测出的波长差，对相位进行修正。

7.如权利要求6所述的表面形状测量方法，其中，

在所述运算错误防止步骤中，在使所述两个波长的干涉条纹的相位组合并检测出波长差、且基于所检测的波长差对相位进行修正时，

使所述两个波长和相位组合而由条纹次数计算部计算出各像素中的条纹次数，

根据由所述条纹次数计算部算出的所述条纹次数的分布，由条纹次数分布解析部检测出所述两个波长的波长差和所述两个波长的干涉条纹的相位差，

由波长值修正部修正所述两个波长的任一个波长的运算值而使其与所述条纹次数分布解析部所检测的所述两个波长的波长差一致，

由相位值修正部将在所述两个波长的任一个波长的干涉条纹的相位修正后所述两个波长的干涉条纹的相位差为0时的相位值计算出并进行修正。

8.如权利要求7所述的表面形状测量方法，其中，

在由所述条纹次数分布解析部根据所述条纹次数计算部所算出的所述条纹次数的分布而检测出所述两个波长的波长差和所述两个波长的干涉条纹的相位差时，

根据所述两个波长的干涉条纹相位，计算出在所述两个波长的条纹次数一致的像素中的条纹次数，且计算出条纹次数的分布的直方图，

检测出所述直方图的多个峰位置和所述直方图的多个峰间隔，

根据所述峰间隔和所述峰位置来检测出所述两个波长的干涉条纹的相位差。

9.如权利要求7所述的表面形状测量方法，其中，

由滤波器角度调节部按照使所述条纹次数分布解析部所检测的所述两个波长的波长差与设计值一致的方式对所述两个波长滤波器中的一个波长滤波器的倾斜角度进行调节时，

通过角度控制部，以预先使所述波长滤波器和光轴的角度倾斜成设在5度～10度的范围内的值之状态为基准，在±1度的范围内调节所述波长滤波器的角度，

并且，基于由所述条纹次数分布解析部算出的所述两个波长的波长差与所述设计值之差，由角度控制量计算部计算出角度控制量。

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