CN116793266A - 表面形状的测量方法和表面形状测量装置 - Google Patents

Abstract

提供了能够减少测量时间的表面形状的测量方法和表面形状测量装置。表面形状的测量方法使用用于获取由参考光和测量光之间的光路差生成的干涉条纹图像的干涉仪光学头，通过使干涉仪光学头针对测量对象表面在沿干涉仪光学头的光轴的Z轴方向上从起点到终点进行扫描来获取N个干涉条纹图像，并且基于干涉条纹图像来对测量对象表面的表面形状进行测量。在该测量方法中，针对N个干涉条纹图像中的共同位置，关于由指示沿Z轴方向的干涉光强度的变化的N个点的值构成的干涉信号，来确定由预定分析波长的光产生的干涉条纹的相位，并且基于该相位来确定分析波长的范围内的测量对象表面在Z轴方向上的相对位置。

Description

表面形状的测量方法和表面形状测量装置

技术领域

本发明涉及使用干涉仪光学头的表面形状的测量方法和表面形状测量装置。

背景技术

传统上已知使用由光干涉引起的干涉条纹的亮度信息来对测量对象的表面形状等进行精确测量的表面形状测量装置。

例如，在使用用于施加诸如白色光等的具有低相干度的光的光源的表面形状测量装置中，在参考光路和测量光路的光路长度一致的焦点处，以使各波长的干涉条纹的峰值彼此重叠的方式合成的干涉条纹的亮度变高。因此，表面形状测量装置可以通过以下方式来对测量对象的表面形状进行测量：在改变参考光路或测量光路的光路长度的同时，利用诸如CCD照相机等的摄像元件拍摄示出干涉光强度的二维分布的干涉条纹图像；并且在拍摄视场中的各个测量位置处检测干涉光的强度达到峰值的焦点，以对各个测量位置处的测量表面(即，测量对象的表面)的高度进行测量(例如，参见专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP2011-191118A

发明内容

发明要解决的问题

在上述表面形状测量装置中，干涉光的亮度变化以生成干涉的光的波长大致的周期发生。因此，需要在以比波长足够小的间隔改变参考光路或测量光路的光路长度的同时，重复干涉条纹图像的拍摄。然后，表面形状测量装置分析所累积的数百至数千个干涉条纹图像，以识别各个像素位置处的测量表面的高度。该分析包括粗略地检测干涉光的强度最大的高度的粗略峰值检测处理、以及确定详细高度的精细峰值检测处理。

在粗略峰值检测处理中，对于构成干涉条纹图像的各个像素的位置，在应用用于确定指示相对于高度方向上的位置的亮度值变化的信号波形的处理之后、并且在对信号波形应用诸如平方、积分和平滑微分等的信号处理之后，进行峰值搜索以确定干涉光的强度最大的高度。在精细峰值检测处理中，通过关注于构成干涉条纹图像的各个像素的位置处的信号波形的相位来确定测量表面的详细高度。具体地，在精细峰值检测处理中，在通过粗略峰值检测处理提取干涉部周围的数据之后，使用FFT对所提取的数据进行相位分析，并且分析干涉信号的峰值。

以这种方式，利用传统的表面形状测量装置，对于单次表面形状测量需要大量的时间，这是因为在拍摄大量干涉条纹图像之后对所获得的全部图像进一步进行分析处理。另外，对所累积的大量图像进行的横向分析处理需要大量工作存储器和高计算能力。此外，传统的精细峰值检测处理无法与粗略峰值检测处理并行执行。

因此，本发明的目的是提供能够解决上述问题、抑制分析处理所需的工作存储器和计算能力、从而减少测量时间的表面形状的测量方法和表面形状测量装置。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题，本发明所涉及的表面形状的测量方法：使用干涉仪光学头，所述干涉仪光学头用于通过分束器将从光源施加的非相干光分割成向参考镜的参考光和向测量对象表面的测量光，并且获取由从所述参考镜反射的光和从所述测量对象表面反射的光之间的光路差所生成的干涉条纹图像；在使所述干涉仪光学头针对所述测量对象表面在沿所述干涉仪光学头的光轴的Z轴方向上从起点到终点进行扫描的同时，获取N个干涉条纹图像，其中N≥2；以及基于所述N个干涉条纹图像来对所述测量对象表面的表面形状进行测量。在该测量方法中，针对所述N个干涉条纹图像中的共同位置，关于由指示沿Z轴方向的干涉光强度的变化的N个点的值构成的干涉信号，确定由预定分析波长Λ的光所产生的干涉条纹的相位以及基于所述相位/>来识别在所述分析波长的范围内的所述测量对象表面在Z轴方向上的相对位置Z_FΛ。

在本发明中，可以所述测量对象表面在Z轴方向上的相对位置Z_FΛ可以由下式(1)计算：

在本发明中，所述干涉信号f(z)的分析波长Λ处的傅里叶变换F(Λ^-1)可以基于下式(2)来确定：

其中，Z轴方向上的扫描间距是z_p，并且从起点开始计数的数据点的顺序是第n个，并且由所述分析波长Λ的光所产生的干涉条纹的相位可以是基于作为复数而获得的F(Λ^-1)的辐角来确定的。

在本发明中，可以通过选择ξ和Λ使得Λ＝N·z_p/ξ，通过离散傅里叶变换来确定F(Λ^-1)，其中ξ是整数。

在本发明中，在获取到第一个干涉条纹图像之后，在顺次获取第M个干涉条纹图像的同时，对直至第(M-1)个图像为止的干涉条纹图像进行分析处理，其中2≤M≤N。

所述分析处理包括傅里叶变换处理，在所述傅里叶变换处理中，至少针对最后获取的第K个干涉条纹图像中的各个位置，计算下式(3)的值，

将该值与下式(4)相加，

其中，式(4)是已针对直至第(K-1)个点为止的点所确定的傅里叶变换F(Λ^-1)的离散和，并且由此计算下式(5)，

其中，式(5)是针对直至第K个点为止的点的分析波长Λ处的傅里叶变换F(Λ^-1)的离散和。

然后，通过在获取到所述第N个干涉条纹图像之后进行的分析处理中的傅里叶变换处理所获得的离散和是所述干涉信号f(z)的分析波长Λ处的傅里叶变换F(Λ^-1)。

在本发明中，当所述测量对象表面在Z轴方向上的绝对位置Z_S被表示为Z_S＝Λ×m+Z_FΛ时，可以基于通过与所述相对位置Z_FΛ的计算不同的方法所获得的所述测量对象表面在Z轴方向上的位置Z_R来识别整数m，并且可以使用Z_S＝Λ×m+Z_FΛ计算所述绝对位置Z_S，其中m是整数。

在本发明中，m可以是最接近(Z_R-Z_FΛ)/Λ的整数。在这种情况下，可以将所述分析波长Λ选择为k×2ⁿ，其中，k是如下值，该值的2以上的整数倍是所述扫描间距z_p。

在本发明中，可以根据由N个点的值构成的通过对所述干涉信号的平方值或绝对值进行积分而获得的积分曲线来确定以下直线：起点侧噪声部直线，其近似起点侧噪声部，其中所述起点侧噪声部对应于与接近所述测量对象表面相比更接近起点的不发生干涉的范围；终点侧噪声部直线，其近似终点侧噪声部，其中所述终点侧噪声部对应于与接近所述测量对象表面相比更接近终点的不发生干涉的范围；以及干涉部直线，其近似与所述测量对象表面附近的发生干涉的范围相对应的干涉部，以及所述测量对象表面在Z轴方向上的位置Z_R可以是基于所述起点侧噪声部直线、所述终点侧噪声部直线和所述干涉部直线来确定的。

在本发明中，当在用于对所述干涉条纹图像进行摄像的光接收元件处接收到从所述光源施加的光时，可以从信号强度最大的波长附近选择所述分析波长Λ。所述分析波长Λ可以大于或等于290nm且小于或等于350nm。特别地，所述分析波长Λ可以为320nm。

另外，本发明所涉及的表面形状测量装置对测量对象的测量对象表面的表面形状进行测量。这样的表面形状测量装置包括：干涉仪光学头，用于通过分束器将从用于施加非相干光的光源施加的光分割成向参考镜的参考光和向所述测量对象表面的测量光，并且通过摄像元件获取由从所述参考镜反射的光和从所述测量对象表面反射的光之间的光路差所生成的干涉条纹图像；以及分析单元，用于基于所述干涉仪光学头所获取的干涉条纹图像来确定所述测量对象表面的表面形状。所述干涉仪光学头在针对所述测量对象表面在沿所述干涉仪光学头的光轴的Z轴方向上从起点到终点进行扫描的同时，获取N个干涉条纹图像，其中N≥2。针对所述干涉仪光学头所获取的N个干涉条纹图像中的共同位置，所述分析单元关于由指示沿Z轴方向的干涉光强度的变化的N个点的值构成的干涉信号，确定由分析波长Λ的光所产生的干涉条纹的相位，并且基于所述相位来识别在所述分析波长的范围内的所述测量对象表面在Z轴方向上的相对位置Z_FΛ。

附图说明

图1是示出表面形状测量装置1的整体配置的立体图。

图2是连同光路一起示出干涉仪光学头152的配置的示意图。

图3是示出物镜部22的结构、测量光路和参考光路的主要部分放大图。

图4是示出计算机主体201的配置的框图。

图5A示出干涉信号的示例，并且图5B示出基于干涉信号的积分曲线w的示例。

图6是示出近似积分曲线的三个直线(L1至L3)、根据这些直线所计算出的中间直线L4、以及测量对象表面处的位置Z_cross的图。

图7是示出本实施例的表面形状测量中的粗略峰值检测处理的过程的示例的流程图。

图8是示出本实施例的表面形状测量中的精细峰值检测处理的过程的示例的流程图。

具体实施方式

(表面形状测量装置的配置)

下面将参考附图描述作为根据本发明的表面形状测量装置1的第一实施例的表面形状测量装置1。表面形状测量装置1是通过组合干涉光学系统和图像测量装置而获得的。

图1是示出根据第一实施例的表面形状测量装置1的整体配置的立体图。表面形状测量装置1对测量对象(工件)W的测量对象表面的表面形状进行测量。表面形状测量装置1包括非接触型图像测量机10和计算机系统2，该计算机系统2用于驱动和控制该图像测量机10并进行必要的数据处理。除此之外，表面形状测量装置1还可以适当地包括用于打印出测量结果等的打印机等。

图像测量机10包括架台11、试样台(工作台)12、支撑臂13a和13b、X轴引导件14和摄像单元15。如图1所示，表面形状测量装置1放置在被安装在地板上的除振台3上。除振台3防止地板的振动传播到台上的表面形状测量装置1。除振台3可以是有源的或无源的。架台11放置在振动去除工作台3的顶板上，并且在该顶板上方以使得作为基面的顶面与水平面对准的方式放置被放置有工件W的工作台12。在下文中，描述对在与工作台12的基面平行的方向上延伸的X轴和Y轴、以及在与基面垂直的方向上延伸的Z轴。工作台12由未示出的Y轴驱动机构在Y轴方向上驱动，并且工件W可以相对于摄像单元在Y轴方向上移动。向上延伸的支撑臂13a和13b固定在架台11的两侧的中心处，并且以使得支撑臂13a和13b的上端联接的方式固定X轴引导件14。该X轴引导件14支撑摄像单元15。摄像单元15由未示出的X轴驱动机构沿着X轴引导件14来驱动。

摄像单元15包括用于对工件W的二维图像进行摄像的图像光学头151和用于通过光干涉测量来测量工件W的表面形状的干涉仪光学头152。使用任一头，在计算机系统2所设置的测量位置处测量工件W。图像光学头151的测量视场通常设置得比干涉仪光学头152的测量视场宽，并且可以通过计算机系统2的控制来切换和使用这两个头。图像光学头151和干涉仪光学头152由共同支撑板支撑以维持恒定的位置关系，并且被预校准使得测量的坐标轴在切换前后不改变。

图像光学头151包括CCD照相机、照明装置、调焦机构和其他元件，并拍摄工件W的二维图像。将所拍摄的二维图像的数据导入到计算机系统2中。

图2是连同光路一起示出干涉仪光学头152的配置的示意图。如下面将描述的，干涉仪光学头152通过摄像元件获取通过从测量光路反射的光和从参考光路反射的光之间的光路差所生成的干涉条纹图像。干涉仪光学头152构成如图2所示的迈克尔逊型干涉仪，并且包括发光部20、照明导光部21、物镜部22、图像形成透镜24、摄像部25和驱动机构部26。

发光部20是用于施加相干度低的光(即，非相干光)的光源。这里，相干度低的光例如可以是具有大约100μm或更小的相干长度的光。发光部20输出在宽带(例如，500至800nm的波长)上具有大量波长分量的相干度低的宽带光。例如，灯光源(诸如卤素等)、发光二极管(LED)、超辐射二极管(SLD)和其他光源用于发光部20。从发光部20输出的光例如优选是白色光，但光不限于此，只要光是相干度低的光即可。

照明导光部21包括分束器211和准直透镜212。从发光部20发射的光从与物镜部22的光轴垂直的方向经由准直透镜212以平行方式施加到分束器211，然后从分束器211发射沿着光轴的光，并从上方向物镜部22施加平行光束。

物镜部22被配置为包括物镜221、分束器222、参考镜部223和其他元件。参考镜部223在预定位置处还包括参考镜224。在物镜部22中，当平行光束从上方入射到物镜221时，入射光在物镜221处变成会聚光并入射到分束器222内部的反射表面222a。

入射光在分束器222处分支成沿着参考镜部223中的参考光路行进的反射光(参考光)以及沿着放置有工件W的测量光路行进的透射光(测量光)。反射光被参考镜224反射，然后进一步被分束器222的反射表面222a反射。另一方面，透射光在会聚时行进，被工件W反射，并且透射通过分束器222的反射表面222a。来自参考镜224的反射光和来自工件W的反射光被分束器222的反射表面222a被合成为合成波。

在分束器222的反射表面222a的位置处合成的合成波在物镜221处变成平行光束，向上行进，穿过照明导光部21，并入射到图像形成透镜24(图2中的点划线)。图像形成透镜24会聚合成波，并且在摄像部25上形成干涉条纹图像。

摄像部25例如是由用于构成摄像部件的二维摄像元件构成的CCD照相机，并且该摄像部25对从物镜部22输出的合成波(来自工件W的反射光和来自参考镜224的反射光)的干涉条纹图像进行摄像。

图3是物镜部22的主要部分放大图。驱动机构部26与本发明的光路长度可变部件相对应，并且通过来自计算机系统2的移动命令来使干涉仪光学头152在光轴方向上移动。图3示出参考光路(虚线)和测量光路(实线)在光路长度上相等的状态。当进行测量时，通过在使干涉仪光学头152在光轴方向上(即，在Z轴方向上)移动的同时拍摄干涉条纹图像，来以不同测量光路长度的状态获取大量干涉条纹图像。当测量光路的长度和参考光路的长度之间的差等于或小于来自光源的大致相干长度时，发生干涉，并且当测量光路的长度和参考光路的长度一致时，干涉强度变为最高(即，干涉条纹的对比度达到最大)。应当注意，尽管上面作为示例说明了使干涉仪光学头152移动的情况，但也可以具有通过使工作台12移动来调整测量光路的长度的配置。另外，也可以具有如下的配置：可以通过使参考镜224在光轴方向(即，图3中的左右方向)上移动而使参考光路的长度可变。因此，在干涉仪光学头152中，参考光路或测量光路的光路长度是可变的。

在计算机系统2的控制下，通过驱动机构部26使干涉仪光学头152沿着光轴方向上的位置移动和扫描，并且摄像部25在每次移动预定距离时进行摄像。将干涉条纹图像顺次传送并导入到计算机系统2中。

返回参考图1，计算机系统2包括计算机主体201、键盘202、操纵杆盒(在下文中被称为J/S)203、鼠标204和显示器205。计算机系统2基于干涉仪光学头152所获取的干涉条纹图像来确定测量对象表面的表面形状。计算机系统2用作本发明中的分析单元。

图4是示出计算机主体201的配置的框图。如图4所示，计算机主体201包括用作控制中心的CPU 40；存储部41；工作存储器42；接口(在图4中表示为“IF”)43、44、45、46；以及用于控制显示器205上的显示的显示控制部47。

从键盘202、J/S 203或鼠标204输入的操作员指令信息经由接口43输入到CPU 40。接口44连接到图像测量机10，从CPU 40向图像测量机10供给各种控制信号，从图像测量机10接收各种状态信息和图像等，并且将这些状态信息和图像等输入到CPU 40。

在选择图像测量模式的情况下，显示控制部47在显示器205上显示从图像光学头151中的CCD照相机供给的图像信号所形成的图像。在选择光干涉测量模式的情况下，显示控制部47基于CPU 40的控制，根据需要在显示器205上显示干涉仪光学头152所拍摄的图像、干涉仪光学头152所测量的表面形状数据、以及其他数据。图像光学头151和干涉仪光学头152的测量结果可以经由接口45输出到打印机。

工作存储器42提供用于CPU 40的各种类型的处理的工作区域。存储部41例如由硬盘驱动器和RAM等配置，并且存储CPU 40所要执行的程序、表面形状测量装置1的测量结果、以及其他数据。CPU 40所要执行的程序包括用于进行下面描述的分析处理的程序。

CPU 40基于经由各个接口输入的各种类型的信息、操作员指令、以及存储在存储部41中的程序等来进行各种类型的处理，该处理包括：在使用图像光学头151的图像测量模式和使用干涉仪光学头152的光干涉测量模式之间切换；指定测量范围；使摄像单元15在X轴方向上移动；使工作台12在Y轴方向上移动；通过图像光学头151对二维图像进行摄像；通过干涉仪光学头152测量干涉条纹图像；以及计算表面形状。

当计算表面形状时，CPU 40针对干涉条纹图像中的各个像素位置识别发生干涉条纹的峰值的移动扫描位置，并且这样的移动扫描位置被认为是干涉条纹图像中的各个像素位置的高度(即，在Z轴方向上的位置)。

接下来，将描述用于使用本实施例的表面形状测量装置1来确定干涉条纹图像中的各个像素位置处的高度的方法。在下文中，在使干涉仪光学头152在沿光轴的Z轴方向上从起点(例如，在Z轴方向上的扫描范围中的最接近工件W的位置)到终点(例如，在Z轴方向上的扫描范围中的最远离工件W的位置)扫描的同时，获取N个(其中，N≥2)干涉条纹图像。然后，基于以这种方式获取的N个干涉条纹图像来确定各个像素位置处的高度(即，在Z轴方向上的位置)。可以根据所确定的各个像素位置的高度来把握工件W的表面形状。

(粗略峰值检测处理)

首先，将描述粗略峰值检测处理。在本实施例的粗略峰值检测处理中，对于N个干涉条纹图像中的共同像素位置，将指示沿着Z轴方向的各个摄像位置处的干涉光强度的变化的信号(即，像素的亮度值)视为干涉信号(图5A)，确定该干涉信号的平方值或该干涉信号的绝对值，并且根据通过对平方值或绝对值进行积分而获得的积分曲线(图5B)来确定各个像素位置处的高度(即，在Z轴方向上的位置)。

在本实施例的方法中，如图6所示，这样的积分曲线被近似为由起点侧噪声部直线L1、干涉部直线L2和终点侧噪声部直线L3构成的三个直线。起点侧噪声部直线L1近似起点侧噪声部，该起点侧噪声部对应于与测量对象表面相比更接近起点的不发生干涉的范围。另外，终点侧噪声部直线L3近似终点侧噪声部，该终点侧噪声部对应于与测量对象表面相比更接近终点的不发生干涉的范围。此外，干涉部直线L2近似与在测量对象表面附近发生干涉的范围相对应的干涉部。

可以基于积分曲线中的从起点起的预定数量的点(例如，10个点)来确定起点侧噪声部直线L1。可以基于积分曲线中的从终点起的预定数量的点(例如，10个点)来确定终点侧噪声部直线L3。另外，可以在起点侧噪声部直线L1和终点侧噪声部直线L3的斜率相等的限制下确定起点侧噪声部直线L1和终点侧噪声部直线L3。

干涉部直线L2可以是针对积分曲线中的预定数量的连续点的近似直线中具有最大斜率的直线。例如，可以通过对所有预定数量的连续点应用最小二乘法来确定近似直线。可替代地，可以将连接了预定数量的连续点的两端处的点的直线设置为近似直线。

然后，基于起点侧噪声部直线L1、终点侧噪声部直线L3和干涉部直线L2来确定测量对象表面在Z轴方向上的位置(高度)。具体地，确定中间直线L4，该中间直线L4具有通过对起点侧噪声部直线L1的斜率和终点侧噪声部直线L3的斜率取平均而获得的斜率，并且具有通过对起点侧噪声部直线的截距和终点侧噪声部直线的截距取平均而获得的截距。然后，确定中间直线L4和干涉部直线L2之间的交点Z_cross，并且将该交点的位置定义为测量对象表面在Z轴方向上的位置(高度)Z_R。

可以通过将上述方法应用于干涉条纹图像中的所有像素并获得在Z轴方向上的位置Z_R，来获得工件W的表面形状。

通过上述方法根据积分曲线来确定测量对象表面在Z轴方向上的位置Z_R，但是可以在获得构成积分曲线的所有N个点之前(即，在对N个干涉条纹图像进行摄像之前)开始用于确定像素位置处的高度的分析处理。在下文中，将参考图7所示的流程图描述如下方法：通过在利用干涉仪光学头152对干涉条纹图像进行摄像并将其导入到计算机系统2中的同时使用已存储在计算机系统2中的干涉条纹图像，在获得所有N个干涉条纹图像之前进行分析处理的至少一部分。通过该方法，可以实现处理时间和处理负荷的减少。

如上所述，在表面形状测量装置1中，在沿着干涉仪光学头152的光轴的Z轴方向上从起点到终点扫描的同时，对N个(其中，N≥2)干涉条纹图像顺次进行摄像，并将图像传送到计算机系统2。在根据本方法的粗略峰值检测处理中，当测量开始时，表面形状测量装置1首先获取第一个干涉条纹图像(步骤S10)。然后，在使干涉仪光学头152的位置扫描的同时，顺次获取第M个干涉条纹图像(其中，2≤M≤N)，并且计算机系统2与此并行地对直至第(M-1)个图像为止的干涉条纹图像实施分析处理(步骤S20)。

用于直至第(M-1)个图像为止的干涉条纹图像的分析处理包括积分曲线更新处理(步骤S21)，该积分曲线更新处理用于针对最后获取的第(M-1)个干涉条纹图像中的各个位置，确定构成积分曲线的从起点到第(M-1)个点的点的值。该积分曲线更新处理是如下的处理：针对第(M-1)个干涉条纹图像中的各个位置，通过将亮度值的平方值与直至第(M-2)个图像为止的积分值相加来确定积分曲线中的第(M-1)个点的值。积分值的初始值(即，当M＝2时，加上了亮度值的平方值的直至第(M-2＝0)个图像为止的积分值)为0。

另外，用于直至第(M-1)个图像为止的干涉条纹图像的分析处理包括最新近似直线计算处理(步骤S22)，该最新近似直线计算处理用于针对包括积分曲线的第(M-1)个点作为最接近终点的点的预定数量的连续点来确定近似直线。如果(M-1)不满足预定数量，则可以无需执行最新近似直线计算处理。

此外，用于直至第(M-1)个图像为止的干涉条纹图像的分析处理包括暂定干涉部直线更新处理(步骤S23)，该暂定干涉部直线更新处理用于确定在针对直至积分曲线中的第(M-1)个点为止的预定数量的连续点的近似直线中具有最大斜率的暂定干涉部直线。在该暂定干涉部直线更新处理中，将针对直至积分曲线中的第(M-2)个点为止的点所确定的暂定干涉部直线与在最新近似直线计算处理中所确定的近似直线进行比较，并且将具有较大斜率的直线确定为新的暂定干涉部直线。如果(M-1)不满足预定数量，则可以无需执行暂定干涉部直线更新处理。

以这种方式，通过在获取第M个干涉条纹图像的同时进行已获取的直至第(M-1)个图像为止的干涉条纹图像的分析处理，可以在获取所有N个干涉条纹图像之前进行用于确定测量对象表面的高度的处理的一部分。

在步骤S20之后，如果尚未获取第N个干涉条纹图像(步骤S30；否)，则流程图返回到步骤S20，并且在获取下一个干涉条纹图像的同时对已获取的干涉条纹图像进行分析处理。

在重复步骤S20直至获取第N个干涉条纹图像之后(步骤S30；是)，对第一个干涉条纹图像到第N个干涉条纹图像进行分析处理(步骤S40)。对第一个干涉条纹图像到第N个干涉条纹图像进行的分析处理包括：用于确定积分曲线中的第N个点的值的积分曲线更新处理(步骤S41)、最新近似直线计算处理(步骤S42)和暂定干涉部直线更新处理(步骤S43)。将对第一个干涉条纹图像到第N个干涉条纹图像进行的分析处理中的暂定干涉部直线更新处理中所获得的暂定干涉部直线确定为干涉部直线。

以这种方式，当获取第N个干涉条纹图像时，已经可以确定直至已获取的第(N-1)个点为止的积分曲线以及基于直至第(N-1)个点为止的积分曲线的暂定干涉部直线。然后，在获取第N个干涉条纹图像之后，能够仅通过确定积分曲线中的第N个点(即，最后一点)来建立整个积分曲线。另外，能够仅通过确定包括第N个点的近似直线，将其与基于直至第(N-1)个点为止的积分曲线的暂定干涉部直线进行比较，并进行选择，来获得最终干涉部直线。

另外，在获取第N个干涉条纹图像之后的分析处理中，基于积分曲线中的从起点起的预定数量的点和积分曲线中的从终点起的预定数量的点，来确定起点侧噪声部直线L1和终点侧噪声部直线L3(步骤S44)。

如果对于起点侧噪声部直线L1和终点侧噪声部直线L3的斜率相等没有限制，则当(M-1)与确定起点侧噪声部直线L1所需的点数一致时，可以在用于直至第(M-1)个图像为止的干涉条纹图像的分析处理中确定起点侧噪声部直线L1，并且可以在已获取第N个干涉条纹图像之后的分析处理中确定终点侧噪声部直线L3。

在已获取第N个干涉条纹图像之后的分析处理中，随后根据起点侧噪声部直线L1和终点侧噪声部直线L3确定中间直线(步骤S45)。此外，确定中间直线和干涉部直线之间的交点，并且将该交点的位置Z_cross定义为测量对象表面在Z轴方向上的位置(高度)Z_R(步骤S46)。

以这种方式，在已确定干涉部直线之后，可以通过诸如利用相对少的点的直线近似和直线的交点的计算等的具有相对低的处理负荷并且不需要大量工作存储器的处理，来确定测量对象表面的高度。

如上所述，根据本实施例的表面形状测量装置1可以抑制在粗略峰值检测处理中分析处理所需的工作存储器和计算能力。另外，通过并行进行干涉条纹图像的摄像和分析处理，可以减少测量时间。

(精细峰值检测处理)

接下来，将描述精细峰值检测处理。在本实施例的精细峰值检测处理中，通过关注于干涉信号的相位来准确地识别测量对象表面在Z轴方向上的相对位置(高度)。

如上所述，从发光部20发射的相干度低的光(即，非相干光)是以白色光为代表的具有故意降低的相干度、并且各种波长的光线以恒定比例混合的光。因为在非相干光中混合了多个波长，所以仅当涉及工件W处的反射的测量光路和涉及参考镜处的反射的参考光路的长度近似相等时，才发生干涉条纹。

然而，因为从发光部20发射的非相干光具有宽波长带，所以如果包含在反射光中的波长带分布由于工件表面的颜色和/或形状而改变，则其与干涉信号的失真直接相关联，并且成为测量误差的因素。另外，在具有多个波长分量的非相干光中难以定义相位。由于这些因素，不能说直接分析非相干光所产生的干涉信号而获得的相位是高精度的。因此，在本实施例的精细峰值检测处理中，从光源的波长带中提取特定分析波长Λ的分量并进行分析。然后，可以根据以这种方式获得的这样的分析波长的相位来准确地确定测量对象表面在Z轴方向上的相对位置(高度)。这里，相对位置是指在分析波长Λ的一个波长的范围内的位置。

为了对从发光部20发射的非相干光中所包含的波长分量中的特定分析波长Λ进行相位分析，对干涉信号进行傅里叶变换，并且对干涉信号中所包含的分析波长Λ进行分析。在传统的精细峰值检测处理中使用快速傅里叶变换(FFT)作为对干涉信号进行傅里叶变换的方式。FFT由于卷积而能够以低计算量进行高速运算，但是这具有数据点的数量必须是2ⁿ、并且区间必须是周期函数的限制。如果区间不是周期性的，则已知使用窗函数来使区间的开头和结尾模糊以使区间成为伪周期函数。然而，当使用窗函数时，分析误差的发生是不可避免的。因此，在本实施例中，使用离散傅里叶变换(DFT)来对分析波长Λ进行相位分析。由于DFT不涉及卷积，因此放松了与数据点的数量有关的限制。另一方面，已知DFT比FFT需要更多时间来计算，但是在本实施例中，DFT仅应用于所选择的分析波长Λ，因此计算时间的增加是有限的。

在干涉仪光学头152的干涉光学系统中，当干涉仪光学头152移位时，向工件W的入射光路和反射光路这两者的光路长度改变。结果，在到达摄像部25时，光路差是干涉仪光学头152的位移量的两倍。因此，干涉光的波长是光源波长的一半，并且如果光源波长是λ并且干涉信号中所包含的分析波长是Λ，则关系是Λ＝λ/2。

在下面，将考虑对干涉信号中所包含的分析波长Λ进行分析的情况。

通过上述方法的表面形状测量的形状误差随着在摄像部25处检测到的干涉信号的强度越大而趋于越小。因此，应当从摄像部25所检测到的干涉信号的强度最大的波长附近选择分析波长Λ。例如，Λ优选为260nm至400nm，更优选为290nm至350nm，并且特别优选为320nm。

用于对干涉信号的数据函数f(z)进行傅里叶变换的定义式在式(6)中示出：

假设干涉仪光学头152以扫描间距z_p等间隔地获取图像。如果n是干涉光图像的摄像数量，则式(6)中的z可以被n·z_p代替，并且式(6)可以被变换为如式(7)中的离散和：

通过引入整数ξ和摄像图像的总数N，并且用N·z_p/ξ代替Λ，可以将式(7)变换为式(8)：

例如，考虑摄像图像的总数N＝500且扫描间距z_p＝50nm的情况，并且在Λ＝300nm附近进行分析。在这种情况下，选择ξ和Λ使得Λ＝N·z_p/ξ。理想情况下，应分析正好在Λ＝300nm处的光。然而，由于DFT具有仅能够处理具有Λ＝50×500/ξ的离散值的波长的限制，因此选择Λ＝301.205nm(ξ＝83)以使误差最小。将N＝500、z_p＝50nm和ξ＝83代入式(8)，这得到了式(9)：

F(Λ^-1)是复数，可以被表示为F(Λ^-1)＝a+bi。在这种情况下，由分析波长Λ处的光产生的干涉条纹的强度被计算为I＝|F(Λ^-1)|²＝|a+bi|²＝a²+b²。如式(10)所示，其相位被计算为F(Λ^-1)的辐角(argument)：

通过利用式(1)将通过式(10)所确定的相位转换为长度维度，来确定根据干涉信号所确定的在Z轴方向上的相对位置(高度)Z_FΛ：

可以通过上述方法来确定精细峰值检测处理中的测量对象表面在Z轴方向上的位置Z_FΛ，但是可以在获得构成干涉信号的所有N个点之前(即，在对N个干涉条纹图像进行摄像之前)开始用于确定像素位置处的高度的分析处理。在下文中，将参考图8所示的流程图描述如下方法：通过在利用干涉仪光学头152对干涉条纹图像进行摄像并将其导入到计算机系统2中的同时使用已存储在计算机系统2中的干涉条纹图像，在获得所有N个干涉条纹图像之前进行分析处理的至少一部分。通过该方法，可以实现处理时间和处理负荷的减少。另外，该精细峰值检测处理可以与先前描述的粗略峰值检测处理并行实施。

如上所述，在表面形状测量装置1中，在沿着干涉仪光学头152的光轴的的Z轴方向上从起点到终点扫描的同时，对N个(其中，N≥2)干涉条纹图像顺次进行摄像，并将图像传送到计算机系统2。在根据本方法的精细峰值检测处理中，当测量开始时，表面形状测量装置1首先获取第一个干涉条纹图像(步骤S110)。然后，在使干涉仪光学头152的位置扫描的同时，顺次获取第M个干涉条纹图像(其中，2≤M≤N)，并且与此并行地，计算机系统2对直至第(M-1)个图像为止的干涉条纹图像实施分析处理(步骤S120)。

对直至第(M-1)个图像为止的干涉条纹图像的分析处理至少包括傅里叶变换处理(步骤S121)。在该傅里叶变换处理中，针对最后获取的第K个干涉条纹图像中的各个位置，计算式(3)的值：

并且将该值与式(4)相加，其中，该式(4)是已针对直至第(K-1)个点为止的点所确定的傅里叶变换F(Λ^-1)的离散和：

由此计算式(5)，该式(5)是针对直至第K个点为止的点的分析波长Λ处的傅里叶变换F(Λ^-1)的离散和。离散和的初始值为0。

在步骤S120之后，如果尚未获取第N个干涉条纹图像(步骤S130；否)，则流程图返回到步骤S120，并且在获取下一个干涉条纹图像的同时对已获取的干涉条纹图像进行分析处理。

在重复步骤S120直至获取第N个干涉条纹图像之后(步骤S130；是)，对第一个干涉条纹图像到第N个干涉条纹图像进行分析处理(步骤S140)。针对第一个干涉条纹图像到第N个干涉条纹图像的分析处理包括与上述类似的傅里叶变换处理(步骤S141)。通过在获取第N个干涉条纹图像之后的分析处理中的傅里叶变换处理所获得的离散和是干涉信号f(z)的分析波长Λ处的傅里叶变换F(Λ^-1)。

另外，在对第一个干涉条纹图像到第N个干涉条纹图像的分析处理中，通过上述式(5)计算F(Λ^-1)的相位(步骤S142)，并且通过上述式(1)确定测量对象表面的坐标(高度)Z_FΛ(步骤S143)。

以这种方式，当获取第N个干涉条纹图像时，已经可以确定已获取的直至第(N-1)个点为止的点的分析波长Λ处的傅里叶变换F(Λ^-1)的离散和。然后，在获取第N个干涉条纹图像之后，可以仅通过将第N个点(即，最后一点)反映在傅里叶变换F(Λ^-1)的离散和中来建立干涉信号f(z)的分析波长Λ处的傅里叶变换F(Λ^-1)。以这种方式，可以通过利用具有相对低的处理负荷并且不需要大量工作存储器的处理进行精细峰值检测处理来确定测量对象表面的相对位置。

如上所述，根据本实施例的表面形状测量装置1可以抑制精细峰值检测处理中的分析处理所需的工作存储器和计算能力。另外，通过并行进行干涉条纹图像的摄像和分析处理，可以减少测量时间。

图8所示的流程图中所示的精细峰值检测处理中的分析处理可以与图7所示的流程图中所示的粗略峰值检测处理中的分析处理并行进行。更具体地，可以并行进行图7中的步骤S20和图8中的步骤S120，并且可以并行进行图7中的步骤S40和图8中的步骤S140。因此，在获取第N个干涉条纹图像之后，可以通过很少处理来确定通过粗略峰值检测的测量对象表面的坐标(高度)Z_R和通过精细峰值检测的测量对象表面在Z轴方向上的相对位置(高度)Z_FΛ。

(合成粗略峰值检测和精细峰值检测)

在上述精细峰值检测处理中，基于特定分析波长Λ处的干涉信号的相位来识别在Z轴方向上的位置，因此所识别的位置是在分析波长的范围内的测量对象表面在Z轴方向上的相对位置Z_FΛ。因此，能够仅在精细峰值检测处理中识别的高度的范围被限制为-Λ/2至+Λ/2的范围。换句话说，如果测量对象表面的绝对位置(真实位置)Z_S被表示为Z_S＝Λ×m+Z_FΛ(其中，m作为整数)，则在识别到整数m的情况下可以根据在精细峰值检测处理中确定的相对位置Z_FΛ来确定绝对位置Z_S。

因此，基于通过粗略峰值检测处理所确定的高度Z_R，通过式(11)确定最佳m：

换句话说，m是最接近(Z_R-Z_FΛ)/Λ的整数。

使用以这种方式确定的m，测量对象表面的绝对位置Z_S可以由Z_S＝Λ×m+Z_FΛ来确定。

因此，当使用式(11)确定测量对象表面的绝对位置时，需要进行除法。在大多数算术装置(特别是无法进行浮点处理的算术装置)中，以定点进行除法，但利用定点的除法需要时间，这是因为它涉及多个处理步骤。为了解决该问题，当k是扫描间距z_p的约数(即，k是如下值，该值的2以上的整数倍是扫描间距z_p)时，优选选择分析波长Λ为k×2ⁿ。

在式(11)中，假设Z_R＝Z_{R_index}·Z_p，并且Z_FΛ＝Z_{FΛ_phase}·Λ。其中，Z_{R_index}是表示Z_R是扫描间距Z_p的多少倍的整数，并且Z_{FΛ_phase}是分析波长Λ处的光的相位(等同于从式(1)或式(10)中的Φ确定的Φ/2π)。

在这种情况下，可以使用k(即扫描间距z_p的约数)来表示z_p＝k·z_p’。然后，如果选择分析波长Λ使得Λ＝2ⁿ·k，则式(11)可以被变换为式(12)。

因此，如果选择分析波长Λ使得Λ＝2ⁿ·k，则用于确定m的除法使用2ⁿ作为除数。通常，在算术装置中，使用2ⁿ作为除数的除法可以被n位的位移位运算(bit-shiftoperation)代替，因此通过使用这样的分析波长Λ，可以排除由于涉及多个处理步骤而花费时间的除法，并且可以实现处理时间的减少。

(实施例的变形例)

应当注意，本发明不限于上述实施例，并且在本发明中包括用于使得能够实现本发明的目的的任意变型和改进等。

例如，在上述实施例中，作为示例描述了使用迈克尔逊型干涉仪的图像测量装置，但是本发明可以适用于除了图像测量装置之外的使用干涉仪的各种测量装置和/或显微镜等。本发明还可以适用于使用诸如Millau型、Fiseau型、Twyman-Green型或其他类型等的等光路干涉仪的测量装置。

在上述实施例中，粗略峰值检测处理和精细峰值检测处理中的分析处理由计算机系统2进行，但是分析处理的一部分或全部可以通过使用ASIC和/或FPGA的专用硬件来实现。

另外，在上述实施例中，绝对位置Z_S是根据通过精细峰值检测处理所获得的相对位置Z_FΛ和通过粗略峰值检测处理所获得的位置Z_R来确定的，但是绝对位置Z_S也可以根据相对位置Z_FΛ和通过与上述方法不同的方法所确定的位置来确定。例如，绝对位置Z_S可以根据通过传统的粗略峰值检测方法所获得的位置和通过上述精细峰值检测处理所获得的相对位置Z_FΛ来确定。

应当注意，通过本领域技术人员对上述各实施例的组件适当进行添加、删除和/或设计改变所获得的实施例以及通过本领域技术人员适当组合各实施例的特征所获得的实施例，在假设包括本发明的要点的情况下，也被涵盖在本发明的范围内。

产业上的可利用性

本发明能够通过应用于光干涉测量装置来减少干涉条纹图像的拍摄图像数量和测量时间。

Claims (13)

1.一种表面形状的测量方法，在该测量方法中：

使用干涉仪光学头，所述干涉仪光学头用于通过分束器将从光源施加的非相干光分割成向参考镜的参考光和向测量对象表面的测量光，并且获取由从所述参考镜反射的光和从所述测量对象表面反射的光之间的光路差所生成的干涉条纹图像；

在使所述干涉仪光学头针对所述测量对象表面在沿所述干涉仪光学头的光轴的Z轴方向上从起点到终点进行扫描的同时，获取N个干涉条纹图像，其中N≥2；以及

基于所述N个干涉条纹图像来对所述测量对象表面的表面形状进行测量，

其中，针对所述N个干涉条纹图像中的共同位置，

关于由指示沿Z轴方向的干涉光强度的变化的N个点的值构成的干涉信号，确定由预定分析波长Λ的光所产生的干涉条纹的相位以及

基于所述相位来识别在所述分析波长的范围内的所述测量对象表面在Z轴方向上的相对位置Z_FΛ。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其中，所述测量对象表面在Z轴方向上的相对位置Z_FΛ由下式(1)计算：

3.根据权利要求1或2所述的测量方法，其中，所述干涉信号f(z)的分析波长Λ处的傅里叶变换F(Λ^-1)基于下式(2)来确定：

其中，Z轴方向上的扫描间距是z_p，并且从起点开始计数的数据点的顺序是第n个，并且由所述分析波长Λ的光所产生的干涉条纹的相位是基于作为复数而获得的F(Λ^-1)的辐角来确定的。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其中，通过选择ξ和Λ使得Λ＝N·z_p/ξ，通过离散傅里叶变换来确定F(Λ^-1)，其中ξ是整数。

5.根据权利要求3所述的测量方法，

其中，在获取到第一个干涉条纹图像之后，在顺次获取第M个干涉条纹图像的同时，对直至第(M-1)个图像为止的干涉条纹图像进行分析处理，其中2≤M≤N，以及

在获取到第N个干涉条纹图像之后，对所述第一个干涉条纹图像直到所述第N个干涉条纹图像进行所述分析处理，以及

其中，所述分析处理包括傅里叶变换处理，在所述傅里叶变换处理中，至少针对最后获取的第K个干涉条纹图像中的各个位置，计算下式(3)的值，

将该值与下式(4)相加，

其中，式(4)是已针对直至第(K-1)个点为止的点所确定的傅里叶变换F(Λ^-1)的离散和，并且由此计算下式(5)，

其中，式(5)是针对直至第K个点为止的点的分析波长Λ处的傅里叶变换F(Λ^-1)的离散和，以及

通过在获取到所述第N个干涉条纹图像之后进行的分析处理中的傅里叶变换处理所获得的离散和是所述干涉信号f(z)的分析波长Λ处的傅里叶变换F(Λ^-1)。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其中，当所述测量对象表面在Z轴方向上的绝对位置Z_S被表示为Z_S＝Λ×m+Z_FΛ时，基于通过与所述相对位置Z_FΛ的计算不同的方法所获得的所述测量对象表面在Z轴方向上的位置Z_R来识别整数m，并且使用Z_S＝Λ×m+Z_FΛ计算所述绝对位置Z_S，其中m是整数。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其中，m是最接近(Z_R-Z_FΛ)/Λ的整数。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其中，将所述分析波长Λ选择为k×2ⁿ，其中，k是如下值，该值的2以上的整数倍是所述扫描间距z_p。

9.根据权利要求6所述的测量方法，其中，根据由N个点的值构成的通过对所述干涉信号的平方值或绝对值进行积分而获得的积分曲线来确定以下直线：起点侧噪声部直线，其近似起点侧噪声部，其中所述起点侧噪声部对应于与接近所述测量对象表面相比更接近起点的不发生干涉的范围；终点侧噪声部直线，其近似终点侧噪声部，其中所述终点侧噪声部对应于与接近所述测量对象表面相比更接近终点的不发生干涉的范围；以及干涉部直线，其近似与所述测量对象表面附近的发生干涉的范围相对应的干涉部，以及

所述测量对象表面在Z轴方向上的位置Z_R是基于所述起点侧噪声部直线、所述终点侧噪声部直线和所述干涉部直线来确定的。

10.根据权利要求1所述的测量方法，其中，当在用于对所述干涉条纹图像进行摄像的光接收元件处接收到从所述光源施加的光时，从信号强度最大的波长附近选择所述分析波长Λ。

11.根据权利要求1所述的测量方法，其中，所述分析波长Λ大于或等于290nm且小于或等于350nm。

12.根据权利要求11所述的测量方法，其中，所述分析波长Λ为320nm。

13.一种表面形状测量装置，用于对测量对象的测量对象表面的表面形状进行测量，所述表面形状测量装置包括：

干涉仪光学头，用于通过分束器将从用于施加非相干光的光源施加的光分割成向参考镜的参考光和向所述测量对象表面的测量光，并且通过摄像元件获取由从所述参考镜反射的光和从所述测量对象表面反射的光之间的光路差所生成的干涉条纹图像；以及

分析单元，用于基于所述干涉仪光学头所获取的干涉条纹图像来确定所述测量对象表面的表面形状，

其中，所述干涉仪光学头在针对所述测量对象表面在沿所述干涉仪光学头的光轴的Z轴方向上从起点到终点进行扫描的同时，获取N个干涉条纹图像，其中N≥2，以及

针对所述干涉仪光学头所获取的N个干涉条纹图像中的共同位置，所述分析单元关于由指示沿Z轴方向的干涉光强度的变化的N个点的值构成的干涉信号，确定由预定分析波长Λ的光所产生的干涉条纹的相位，并且基于所述相位来识别在所述分析波长的范围内的所述测量对象表面在Z轴方向上的相对位置Z_FΛ。