用多波长来测量表面形状测量方法和使用此方法的装置的制作方法

专利名称：用多波长来测量表面形状测量方法和使用此方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用多波长来测量表面形状测量方法和使用该方法的装置，该用 多波长来测量表面形状测量方法利用波长不同的多个单色光，测量半导体晶 片、液晶板、等离子体显示板、磁膜、玻璃衬底、金属模等的具有平坦度的测 量对象物的凹凸。
背景技术：
以往，测量对象面的表面形状的测量方法如下地进行。按个别定时输出不同波长的第1单色光和第2单色光，用分束镜将各单色光照射到作为测量对象物的晶片的表面和基准镜上，使从两者反射后返回的反射光又汇聚到分束镜，通过同一光路，产生干涉条纹。这时，用2维图像检测器检测出每一单色光的 反射光。此检测出的反射光呈现为干涉条纹，并且在表面的高低差部分，千涉 条纹产生偏移。即，根据由单色光产生的连续的干涉条纹的偏移部分中两个偏 移量接近的部分的该偏移量，求出晶片的图案的高低差(参考日本国特开2002 —340524号公报)。然而，已有的方法存在如下问题。拍摄测量对象物的表面高低差图像时，由于陡峭的高低差部分在显示画面 上显示的干涉条纹部分产生偏移，因此能判断是否有高低差。然而，高低差状态未知的情况下，不能判断干涉条纹偏移的部分的高低差 是凸状还是凹状。因而，不能准确求出测量对象面的陡峭处的边缘部分。此外，如果按不同的定时照射不同波长的单色光，则由于不能检测出各自 的干涉条纹，因此为了对测量对象物的表面高低差和形状进行测量而花费时 间。也就是说，如果不能使单色光连续扫描测量对象物的整个表面，就不能使 单色光也遍及多个测量对象物进行连续扫描。发明内容本发明是着眼于这种实况而完成的，其目的在于提供一种能高速且高精度地测量处在测量对象物的表面的凹凸高低差的多波长的表面形状测量方法和 使用该方法的装置。为了达到此目的，本发明采用如下组成。一种多波长的表面形状测量方法，通过分支单元对测量对象面和基准面照 射单色光，根据因从测量对象面和基准面两者反射并返回同一光路的反射光而 产生的干涉条纹的强度值，求出测量对象的表面高度和表面形状，所述方法包 含下列过程-第1过程，该第1过程中对光的行进方向以任意角度的倾斜姿势配置所述 基准面，将波长不同的多个单色光同时照射到测量对象物和基准面，并取得其 产生的干涉条纹的图像；第2过程，该第2过程中每一单色光求出取得的所述图像中各像素的干涉 条纹的强度值；第3过程，该第3过程中利用求干扰条纹波形的表达式，对每一所述像素 利用各像素的强度值及其附近的多个像素的强度值，并假设这些像素的干涉条 纹波形的直流分量、交流振幅和相位相等，对每一单色光求出各像素的相位；第4过程，该第4过程中根据对每一单色光求出的各像素的相位求出表面 高度的候补群，并从各波长的候补群求出共同的高度，作为实际高度；第5过程，该第5过程中根据求出的所述实际高度，求出测量对象物的表 面形状。根据本发明的多波长的表面形状测量方法，将波长不同的多个单色光同时 照射到测量对象物和基准面，并以对光的行进方向倾斜任意角度的姿势配置基 准面，从而利用从测量对象面和基准面返回同一光路的反射光，对每一单色光 产生干涉条纹。每一单色光以像素为单位求出此干涉条纹的强度值。然后，利 用求干涉条纹波形的表达式，对各像素利用各像素的强度值和每一像素处在其 邻近的像素的强度值，假设各像素包含的干涉条纹波形的直流分量、交流振幅 和相位相等，对每一单色光求出各像素的相位。这时，能抵消各像素的直流分 量和交流振幅，不需要施行去除空间频率分量用的低通滤波器处理。因而，能 准确求出测量对象面的陡峭处的边缘部分，而不使空间分辨率降低。根据此求出的相位，对每一单色光求测量对象物的表面高度的候补群，进 而从各候补群求出共同的高度，作为实际高度。所以，与根据单一相位求表面 高度相比，能从较大的候补范围高精度地求出实际高度，并能利用组合使用的波长提高能测量的高度的上限。而且，由于能以同时输出多个单色光并同时检测出这些单色光组成的反射 光的方式，对测量对象物的表面高度和表面形状进行测量，因此能得到同一条 件下的测量结果。换句话说，不容易受振动等干扰的影响。还能谋求提高作业效率。再者，上述方法中，最好一面使朝向测量对象物的光和1个或多个测量对 象物相对平行移动、 一面以规定的时间间隔对测量对象物的每一测量位置重复 进行第1过程至第5过程，从而求出测量对象物的表面形状。根据此方法，能一面对测量对象物的整个表面连续照射单色光、 一面实时 地求出测量对象物的表面高度和表面形状。又，上述方法最好使各像素的强度值g (X， y)在像素附近，拟合干涉条 纹波形表达式g (x， y) = a + bcos (2兀fj + 27ifyy +々}，从而求出所求的 每一所述波长的相位。根据此方法，能较佳地实施上述第1发明。又，上述方法最好利用配备将多个单色光分离的滤色片的摄像单元拍摄所 述干涉条纹的图像，去除因滤色片特性产生的串扰的影响而包含在每一单色光 中的其它单色光的干涉条纹的强度值。根据此方法，能去除测量对象的单色光中包含的因滤色片特性而产生非所 需的其它单色光的干涉条纹强度值。因而，能高精度地求出测量对象物的表面 形状。又，为了达到此目的，本发明也可为如下组成。一种多波长的表面形状测量装置，通过分支单元对测量对象面和基准面照 射单色光，根据因从测量对象面和基准面两者反射并返回同一光路的反射光而 产生的干涉条纹的强度值，求出测量对象的表面高度和表面形状，所述装置包 含下列组成要素保持单元，该保持单元以对光的行进方向倾斜任意角度的姿势配置所述基准面，而且放置并保持测量对象物；照明单元，该照明单元同时输出波长不同的多个单色光；摄像单元，该摄像单元利用照射多个所述单色光后从测量对象物和基准面 反射并返回同一光路的反射光，使每一单色光产生干涉条纹，并拍摄测量对象 面；取样单元，该取样单元对每一像素装入所拍摄的所述测量对象面，作为干 涉条纹的强度值；存储单元，该存储单元存储作为由所述取样单元装入的所述强度值的干扰 条纹强度值群；运算单元，该运算单元对每一像素从所述存储单元存储的强度值群读出强 度值，利用各像素的强度值和每一像素处在其邻近的像素的强度值，假设各像 素包含的干扰条纹波形的直流分量、交流振幅和相位相等，并利用求干扰条纹 波形的表达式，对每一单色光求出各像素的相位后，根据每一单色光求出的各像素的相位求出多个表面高度候补群，从各候补 群求出共同的高度作为实际高度，进而，从该求出的所述测量对象面的表面高度，求出表面形状。又可构成如下。一种多波长的表面形状测量装置，通过分支单元对测量对象面和基准面照 射单色光，根据因从测量对象面和基准面两者反射并返回同一光路的反射光而 产生的干涉条纹的强度值，求出测量对象的表面高度和表面形状，所述装置包 含下列组成要素保持单元，该保持单元以对光的行进方向倾斜任意角度的姿势配置所述基 准面，而且放置并保持测量对象物；照明单元，该照明单元输出多个波长组成的光；分离单元，该分离单元将照射所述光后从测量对象物和基准面反射并返回 同一光路的反射光分离为不同波长的多个单色光；摄像单元，该摄像单元使分离的每一所述单色光产生干涉条纹，并拍摄测 量对象面；取样单元，该取样单元对每一像素装入所拍摄的所述测量对象面，作为干 涉条纹的强度值；存储单元，该存储单元存储作为由所述取样单元装入的所述强度值的干扰 条纹强度值群；运算单元，该运算单元对每一像素从所述存储单元存储的强度值群读出强 度值，利用各像素的强度值和每一像素处在其邻近的像素的强度值，假设各像 素包含的干扰条纹波形的直流分量、交流振幅和相位相等，并利用求干扰条纹 波形的表达式，对每一单色光求出各像素的相位后，从根据每一单色光求出的各像素的相位进行换算并求出的多个表面高度 候补群，求出共同的高度作为实际高度，进而，从该求出的所述测量对象面的表面高度求出表面形状。根据上述多波长的表面形状测量装置，保持单元保持测量对象物。照明单 元同时输出波长不同的多个单色光。摄像单元利用照射多个所述单色光后从测 量对象物和基准面反射并返回同一光路的反射光，使每一单色光产生干涉条 纹，并拍摄测量对象面。取样单元对每一像素装入所拍摄的所述测量对象面， 作为干涉条纹的强度值。存储单元存储作为由取样单元装入的强度值的干扰条 纹强度值群。运算单元对每一像素从存储单元存储的强度值群读出强度值，利 用各像素的强度值和每一像素处在其邻近的像素的强度值，假设各像素包含的 干扰条纹波形的直流分量、交流振幅和相位相等，并利用求干扰条纹波形的表 达式，对每一单色光求出各像素的相位后，根据每一单色光求出的各像素的相 位求出的多个表面高度候补群，从各候补群求出共同的高度作为实际高度，进 而，从该求出的所述测量对象面的表面高度求出表面形状。艮P，能将波长不同的多个单色光同时照射到测量对象物和基准面，并且每 一不同的波长从返回同一光路的反射光求出以像素为单位的多个表面高度候 补群。进而，从各候补群求出共同的高度，作为实际高度。所以，能从大的候 补范围求出准确的表面高度。其结果，能从求得的表面高度求出测量对象物的 表面高度。也就是说，能较佳地实现上述第1发明。再者，上述组成中，可将照明单元在结构上构成例如具有输出不同的波长 的多个单色光源，又可构成包含白色光源和分离成白色光源输出的光中规定的 不同的多个波长的单色光并使其朝向分支单元的光学单元。根据此组成，能实现容易同时将不同的多个波长的单色光照射到测量对象 物和基准面。而且，也可构成照明单元利用输出由多个波长组成的光的单元，并且在摄 像单元内或其前配置将该光分离为波长不同的多个单色光的分离单元(例如滤色片)。这时，运算单元去除因滤色片特性产生的串扰的影响而包含在每一单 色光中的其它单色光的干涉条纹的强度值，则更好。根据此组成，能高精度地 求出测量对象的单色光的干涉条纹强度值，进而能高精度地求出测量对象物的 表面形状。又，所述运算单元最好使各像素的强度值g (x， y)在像素附近，拟合干涉条纹波形表达式<formula>formula see original document page 11</formula>从而求出所 求的各像素的相位。


为了说明发明，附图中示出目前认为较佳的若干形态，但应理解发明不受 图中所示组成和单元限制。图1是示出本实施例的表面形状测量装置的概略组成的图； 图2是示出表面形状测量装置中的处理的流程图； 图3是示出测量对象面的拍摄图像数据的图；图4是示出拍摄图像的X轴方向亮度变化的图；图5是示出利用siru()和cos小的符号信息能确定(()的范围的图； 图6是示出实际表面高度的图；图7是示出利用本实施例测量陡峭高低差时的测量结果的图；图8是示出变换例的表面形状测量装置中的处理的流程图；图9是示出空间频率的估计处理的流程图；图IO是示出空间频率的估计处理的模式图；图11是示出空间频率的估计实验结果的图；图12是示出利用变换例方法的实测结果的图；图13是示出彩色滤色片特性的图；图14是示出蓝光源发光时产生的串扰的图；图15是示出红光源发光时产生的串扰的图；图16是示出绿光源发光时产生的串扰的图；图17是示出串扰的非校正亮度数据和校正亮度数据的图；图18是示出串扰的非校正相位数据的图；图19是示出串扰的校正相位数据的图。
具体实施方式
下面，参照

本发明的实施例。再者，本实施例中，取利用干涉条 纹测量表面形状实质上平坦的测量对象物的表面高度和表面形状为例进行说 明。图1是示出本发明实施例的表面形状测量装置的概略组成的图。此表面形状测量装置配备对半导体晶片、液晶板、等离子体显示板、磁膜、 玻璃衬底、金属膜等在表面具有凹凸高低差的实质上平坦的测量对象物30照 射特定波长区的单色光的光学系统单元1、控制光学系统单元1的控制系统单元2、以及放置并保持测量对象物30的保持台40。光学系统单元1配备往测量对象面30A和基准面15输出不同的多个波长 的单色光的照明装置10、使各单色光成为平行光的准直透镜11、将两个单色 光反射到测量对象物30的方向而使来自测量对象物30的方向的光通过的半透 明反射镜13、汇聚半透明反射镜13反射来的单色光的物镜14、将通过物镜14 的单色光分为反射到基准面15的基准光和通过测量对象面30A的测量光并再 汇聚基准面15反射的基准光和测量对象面30A反射的测量光从而产生干涉条 纹的分束镜17、使汇聚基准光和测量光后得到的单色光成像的成像透镜18、 以及连同干涉条纹一起拍摄测量对象面30A的摄像装置19。照明装置10的组成包含输出不同的2个波长的光的第1光源10A和第2 光源IOB、以及使从不同方向输出的两个光一致往相同方向的光学构件IOC。 作为本实施例的各光源IOA、 IOB，利用例如LED(发光二极管)，输出例如下列 波长的光。第1光源10A的波长、=470 nm(纳米)，第2光源10B的波长人2 = 627 nm(纳米)。再者，照明装置IO相当于本发明的照明单元。半透明反射镜13将来自准直透镜11的平行光往测量对象物30反射，另 -方面却使从测量对象物30返回的反射光通过。物镜14是将入射来的两个单色光汇聚到作为焦点的测量对象面的透镜。分束镜17，将物镜14汇聚的光分成在基准面15上反射的基准光和在测量 对象面30A上反射的测量光。而且，又对各面上反射并返回同一光路的基准光 和测量光进行汇聚，从而产生干涉条纹。再者，分束镜17相当于本发明的分 支单元。基准面15，其表面受到镜面加工，以对基准光行进方向前后倾斜的姿势加 以安装。此基准面15反射的基准光到达分束镜17后，此基准光又被分束镜17 反射。再者，通过以对基准光行进方向前后倾斜的姿势安装基准面15，使基准光 的到达距离和到达摄像装置19前的距离因其反射面的位置而变化。这等效于 移动基准面15，从而使基准面15与分束镜17之间的距离L,变动。也就是说，通过分束镜17的测量光被往焦点汇聚，并在测量对象面30A上进行反射。此反射的测量光到达分束镜17，并通过该分束镜17。分束镜17又汇聚基准光和测量光。这时，由于基准面15与分束镜17之 间的距离L,和分束镜17与测量对象面30A之间的距离L2不同，产生光路差。 根据此光路差，基准光和测量光产生干涉。摄像装置19，拍摄由测量光映出的测量对象面30A的图像。这时，由于基 准面15倾斜，拍摄的测量对象面30A的图像中拍摄干涉条纹，即干涉造成的 亮度在空间上的变动。由控制系统单元2的存储器21收集此拍摄的图像数据。 而且，后文将说明，结构上构成利用控制系统单元2的驱动部24，将光学系统 单元l往图l中的x、 y、 z轴方向移动到希望的拍摄部位。又，由摄像装置19 在规定的取样定时拍摄测量对象面30A、 30B的图像，并由控制系统单元2收 集其图像数据。再者，摄像装置19相当于本发明的摄像单元，控制系统单元2 作为本发明的取样单元起作用。作为本实施例的摄像装置19，构成能检测出波长不同的多个单色光即可， 例如有CCD固体摄像元件、MOS图像传感器、CMOS图像传感器、光电摄像管、 雪崩电子倍增效应摄像管、EB - CCD等。控制系统单元2配备进行整个表面形状测量装置的集中控制和规定的运算 用的CPU20、存储由CPU20逐次收集的图像数据或运算结果等各种数据和程序 等的存储器21、输入取样定时或拍摄区等其它设定信息的鼠标器或键盘等输入 部22、以及显示测量对象面30A的图像等的监视器23。而且，根据CPU20的 指示，驱动光学系统单元l，使其上下左右移动。例如，由配备包含2轴驱动 型伺服电机等驱动机构的驱动部24的计算机系统构成。再者，CPU20相当于本 发明的运算单元。CPU20是"中央运算处理装置"，对摄像装置19、存储器21和驱动部24 进行控制，并配备根据包含摄像装置19拍摄的干涉条纹的测量对象面30A的 图像数据进行求出测量对象物30的表面高度的运算处理的相位计算部25、从 求出的多个表面高度数据求表面形状的图像数据编制部27。后文阐述此CPU20 中的相位计算部25和图像数据编制部27的处理。CPU20还连接监视器23、键 盘或鼠标器等输入部22。操作者一面观测监视器23上显示的操作画面、 一面 从输入部22进行各种设定信息的输入。而且，监视器23上将测量对象面30A 的表面图像或凹凸形状等作为数值或图像进行显示。驱动部24是例如使光学系统单元1往图1中的x、 y、 z轴方向移动到希望的拍摄部位的装置。此驱动部24包含配备根据来自CPU20的指示往x、 y、 z 轴方向驱动光学系统单元1的、例如3轴驱动型伺服电机的驱动机构。再者， 本实施例中，使光学系统单元1动作，但也可例如使放置测量对象物30的保 持台40往正交3轴方向变动。而且，移动轴可为2轴或少于2轴或者不存在。下面，按照图2所示流程图说明作为本实施例的特征部分的整个表面形状 测量装置进行的处理。再者，本实施例中，取图1那样将基准面15倾斜的情况为例进行说明。 此情况下，拍摄图像如图3所示。再者，本实施例中，为了简化说明，取x轴 方向的情况为例进行说明。也能作往包含y、 z方向的3维方向移动的测量。 《步骤S1》取得测量数据CPU20使未示出的步进电机等驱动系统驱动，从而驱动部24使光学系统单 元1移动到测量对象物30的拍摄区。拍摄位置确定时，光学系统单元1从照 明装置10的各光源IOA、 10B同时输出不同波长的单色光、、X2。这两个单色 光被光学部件10c汇聚后，朝向半透明反射镜13。摄像装置19与单色光的输出联动地开动，例如进行1次图1所示具有凸 部30B的测量对象面30A的拍摄。将此拍摄取得的测量对象面30A的干涉条纹 的图像数据存储到存储器21。即，存储器21中对每一单色光存储倾斜姿势的 基准面15上的反射光和受测量对象面30A反射并返回的反射光产生的干涉条 纹的图像数据。这时在基准面15上反射的光的传播距离(L,的2倍)在基准面 15的反射位置有规则地变动。因而，测量对象面30A的高度平坦的部分中，来 自测量对象面30A的反射光的传播距离(L2的2倍)在测量部位无变动，所以摄 像装置19拍摄的图像的干涉条纹根据基准面15的倾斜方向和角度，空间上有 规则地呈现在拍摄面内。每次来自基准面15的反射光的传播距离(L,的2倍) 与来自测量对象面30A的反射光的传播距离(L2的2倍)之差为人，/ 2 = 235nm 和入2 / 2 = 313. 5nm，呈现1周期份额的该干涉条纹。另一方面，在如图1所示那样测量对象面30A的高度产生变动的部位中， 呈现为干涉条纹偏移的不规则条纹图案。再者，此过程相当于本发明中的第l过程。 《步骤S2》取得干涉光强度值CPU20从图像数据装入存储器21中存储的各像素的强度值，即测量对象面 30A的干涉光的强度值。这时，在测量对象面30A和凸部30B的高度变动的图4所示像素号200和330附近，呈现为干涉条纹空间相位偏移(例如图4的本实 施例中，往X轴方向偏移)的不规则条纹图案。再者，此过程相当于本发明中的第2过程。 《步骤S3》算出各波长以像素为单位的相位())l、小2CPU20的相位计算部25使用测量对象面30A的计算对象的像素和该像素相 邻的像素(本实施例中为x轴方向相邻的像素)各自的干涉条纹光强度值，利用 预先决定的算法求出该像素的相位。具体而言，使计算对象的像素和该像素相 邻的像素的干涉条纹的光的强度值拟合求干涉条纹波形的表达式，从而求出相 位。首先，如下面的式(l)那样记述检索对象的像素的干涉条纹的光的强度值。 <formula>formula see original document page 15</formula> …(1) 这里，x是计算对象的像素的位置坐标，a (x)是干涉条纹波形中包含的 直流分量，b (x)是干涉条纹波形中包含的交流分量(是振动分量的振幅，下 文适当称为"交流振幅")，f是干涉条纹g 00的空间频率分量，小(x)是 测量对象面30A的规定像素所对应的相位，是应计算的相位。再者，以2维(x、 y)表现计算对象的像素的位置坐标，但本实施例为了简化说明，以省略y坐标 的方式记述。接着，关于相邻的像素，由于从计算对象的像素偏移微小距离Ax，如下面 的式(2)那样表现其干涉条纹的光的强度值。<formula>formula see original document page 15</formula> … (2)这里，本实施例中，计算对象的像素与相邻相素的间距为微小的距离，所 以假设横跨各像素的干涉条纹中包含的直流分量、交流振幅和相位相等，并利 用下面的关系式(3) (5)。<formula>formula see original document page 15</formula> …(3)<formula>formula see original document page 15</formula> ... (4)<formula>formula see original document page 15</formula> (5)这里，a、 b、小是常数。通过上述式(3) (5)那样假设，式(1)和式(2)能置换成下面的式(la)和式 (2a)。<formula>formula see original document page 15</formula>(la)<formula>formula see original document page 16</formula>接着，对式(la)和式(2a)进行变换，从而编制成下面的式(6)、式(7)。<formula>formula see original document page 16</formula> …(7) 接着，利用加法定理，将式(6)、式(7)变换成下面的式(8)、式<formula>formula see original document page 16</formula>接着，用行列式(10)表示这些式(8)、式(9)。(刚...(10)再者，将A表示如下。<formula>formula see original document page 16</formula>这里，从行列式(10)的左边乘A的逆矩阵并展开，从而求出下面的式(11)、 式(12)。sin(2丌脉)<formula>formula see original document page 16</formula>利用上述式(ll)、式(12)，能得到下面的式(13)。再者，这里将上述bsin()) 和bcos())分别取为bsin(j) 二 S和bcos()) = C，又使tan()) 二 S / C。())=arctan {S / C} + n，兀 …(13) 再者，n'是整数。这里，CPU20还配备符号判断部26，此符号判断部26参照sir4和cos())的 符号信息。使用此符号信息时，根据Si一和COS(()的符号的组合，能将(()的存在 范围从兀扩展到2n。图5是参照式(13)所示那样的sim))和cos())的符号信息来确 定小的范围用的具体的图。因此，使用sinc()和cos々的符号信息，则能用式(14)表示式(13)。())=arctan {S / C} + 2nn ... (14) 再者，n是整数。所以，如果G (x)和干涉条纹波形的空间频率f已知，就能利用式(14) 求出相位([)。G (x)包含像素的亮度信息g (x)和g (x + Ax)以及干涉条纹 波形的直流分量a，因而其结果为g (x)和g (x + Ax)、干涉条纹波形的 直流分量a、干涉条纹波形的空间频率f已知，则能用式(14)求出())。即，利用 上述运算式求出波长人'和、时各自的相位小1、小2。能以作为摄像装置19的像素亮度信息的方式取得g (x)和g (x + Ax)。能用例如取摄像装置19观测到的全部像素的平均值的方法、取相位计算 对象像素的邻近像素的平均值的方法或预先测量反射率的方法等求出a。能用例如根据基准面15的设置角度求出的方法、预先根据作为测量对象 物观察平坦面时的干涉条纹波形在画面内的干涉条纹数求出的方法等求出f。再者，此过程相当于本发明分第3过程。 《步骤S4》算出各波长的以像素为单位的表面高度z^ z2CPU20将上述式(14)对每一波长入,、^算出的计算对象像素的相位f (x)、 f (x)代入到下面的式(15)，求出各自的高度z, (x) 、 z2 (x)。z (x) = [(j) (x) / 4兀]入+ z。 …(15)再者，z。是测量对象物30的基准高度。这里，取波长人的情况下，每一人/2的范围存在表面高度的解的候补值群。 因而，本实施例那样利用波长、、人2时的表面高度的解的候补值群周期性地存 在于每一两个候补值群的、/2和、/2的最小公倍数的范围。由于应求的表面高度仅l个，从两个候补值群求出共同的高度，作为实际 高度。即，将在各候补值群求出的表面高度的解的候补值中相互最接近的高度 当作实际高度。例如，周期性地存在的、的解的候补值群为图6(a)那样，人2的解的候补值 群为图6(b)那样。这里，相当于图1所示测量对象物30的底部30A的部分为 像素号的约0至200和330至500，凸部30B为中央的像素号200附近至330。 因此，每一像素对两个候补值群进行比较，并提取底部30A和凸部30B的表面 高度实质上一致的值。即， 一方的底部30A由于波长乙的高度zu与入2的高度 ^一致，将这时的值作为实际高度。另一方的凸部30B由于波长、的高度z13与^的高度Z23—致，将这时的值作为实际高度。
也就是说，基于此原理，根据用波长、、入2的测量的相位(^ (X) 、 ((h (X)，
利用下面的式(15a)、式(15b)求出各自的表面高度。
<formula>formula see original document page 18</formula>《步骤S5》算出以像素为单位的实际高度Z 又，利用上述2个公式，并由下面的式(15c)求出实际高度Z。 Z (x)=[①(x) / 2tt + N] (A / 2) …(15c)
但是<formula>formula see original document page 18</formula>者，此过程相当于本发明的第4过程。 《步骤S6》对全部像素结束计算？ CPU20重复进行步骤S3 S6的处理，直到对全部像素结束相位和高度的计算。
《步骤S7》显示表面形状
CPU20的图像数据编制部27根据算出的实际高度的信息编制测量对象面 30A、 30B的显示图像。然后，CPU20根据此图像数据编制部27编制的信息， 如图7所示，在监视器23上显示测量对象物30的表面高度的信息，或显示基 于这些各特定部位的高度的信息的3维或2维图像。操作者可通过观察这些显 示，掌握处在测量对象面30A的表面的凹凸形状。至此，测量对象面30A的表 面形状测量处理结束。
再者，此过程相当于本发明的第5过程。
如上文所述，在从摄像装置19拍摄的图像数据算出每一像素的干涉条纹 的光的强度值和其附近的多个像素的强度值的过程中，假设各像素的干涉条纹 波形包含的直流分量a (x)、交流振幅b (x)和相位())(x)各自对各像素相 等，并进行联立比较，从而能抵消各像素的干涉条纹的直流分量和交流振幅。
因而，能不利用低通滤波器而测量测量对象面30A的表面高度，所以能高 精度地求出测量对象面30A的陡峭边缘部分，如图7所示。结果，能高精度地 测量测量对象面30A的表面形状。
又，根据求出的相位对每一单色光求测量对象面的表面高度候补值群，进 而从各候补群求出共同的高度作为实际高度，所以与根据单一相位求表面高度 相比，能从较大的候补范围高精度地求出实际高度。又能利用组合使用的波长提高能测量的高度的上限。例如，减小、、人2之差，则能检测出更大的凹凸高低差。
而且，由于根据相位求出测量对象物30的表面高度，能判别表面的凹凸 形状。
又，能以同时输出并同时检测出单色光组成的反射光的方式，对测量对象 物30的表面高度和表面形状进行测量，所以能谋求提高作业效率。
本发明不限于上述实施例，也能变换实施如下。
(l)上述实施例中，利用与计算对象像素相邻的1个像素的干涉光强度值
求出测量对象面30A的高度，但也可利用计算对象像素附近的2个像素，从共 计3个像素求测量对象面30A的高度。
此情况下，解3元联立方程式，能求出3个未知变量。因此，与利用计算 对象像素相邻的l个像素的干涉光强度值求解时相比，能添加干涉条纹波形的 直流分量a或干涉条纹波形的空间频率f ，当作未知数。
举用别的方法估计f并添加a作为未知数的例子，则利用计算对象像素x + Ax'、相邻相素x + Ax2和x + Ax"共计3个像素的干涉光的强度值，如下面 的式(16)那样求此规定像素的高度。
ton -二 (g2 — gl)'+ "3)+"广2& + gs),cos" + cos(x + M) 一(16〉
—(g广Si) ■ sin(;c + Ax3) +- 2& + g,) sin(jc + Ax2) + (g3 - g2)sin(;e + Ax!)
但是，gi = g (x + AxJ ， g2 二 g (x + Ax2) ， g3 = g (x + Ax3)。 利用上述运算处理，能高精度地求出测量对象面30A的规定像素的表面高度。
又，本发明中，可利用不少于4个的多个邻近像素求出测量对象面30A的 高度。这时，由于根据多个像素的强度值的信息求())(x)，具有能减小拍摄时 的亮度噪声或计算时的量化误差对测量值的影响的特点。
艮P，上述实施例中，CPU20的相位计算部25利用预先决定的算法求出所求 测量对象面30A的像素x的相位，以便求出该像x和该像素x附近的多个(N个) 像素x + Ax, (I = 1、 2、 3、……、N)(本实施例中存在于x轴方向的多个像 素)各自的干涉条纹的光强度值。具体而言，由下面的式(17)求出计算对象像 素x的干涉条纹的光强度值。
g (x + Ax;) 二 a (x + Ax; ) + b (x + Axjcos (2nf (x + AxJ +小(x+ AXi)} …(17)
此情况下，也与上述实施例相同，假设各像素的干涉条纹中包含的直流分 量、交流振幅和相位相等，并应用上述式(3) 式(5)。本实施例的情况下，成 为下面的式(18) 式(20)那样。
a (Xi) = a (x + AXi) 二 a …(18)
b (x,) = b (x + Axi) = b …(19)
小(Xi)=小(x + Axi) =((> .--(20)
通过上述式(18) 式(20)那样假设，能将式(17)表示成下面的式(21)。
g (x + Axj) = a + bcos (2兀f (x + Ax》 + ((>}
=a + bcos(j) cos {2tt* f (x + Ax;)} — bsinc)) sin {2兀《 f (x + Axi)} …(21)
从这些N元联立方程式，以基于拟合的估算求出干涉条纹波形的直流分量 a.、交流振幅b、空间频率f、相位())。这里，与从2像素或3像素算出相位()) 时相同，也可用别的方法求出干涉条纹波形的直流分量a和干涉条纹波形大空 间频率f。
接着，记述估计干涉条纹波形的空间频率f并以基于拟合的估算求出干涉 条纹波形的直流分量a的例子。
尤其是本变换例中，在上述实施例的图2所示流程图的步骤S2与步骤S3 之间进行空间频率f估计的运算处理。即，此变换例的总体流程图如图8所示。 因而，首先说明步骤S3中的空间频率f的估计的算法。 《步骤S3》估计空间频率f
首先，空间频率f的估计中利用例如Prony法。g卩，根据预先取得的多个 等间隔取样值一面修改取样点频率fs、 一面逐次进行取样化。最后，又收敛到 fs = 4f，又估出空间频率f。具体而言，利用下面的算法。
根据预先取得的多个等间隔取样值，利用等间隔取样点x。、 Xl、 x2、 &这4 个点，从下面的式(22)求出空间频率f。
f 二 (fs / 2兀)acos [U - x2 + x, - x0) / {2* (x2 - x,川 …(22)
再者，acos为arccos(反余弓玄)。
这里，Prony法的空间频率估计精度高达取样频率fs近似于作为估计对象 的空间频率f的4倍(fs 二 4f)。因而， 一面逐次修改取样频率fs、 一面使其 收敛到fs = 4f。再者，取样点间隔t只能取1个像素的整数倍，所以将取样频率fs与得 到的空间频率f之比最接近4时的频率估计为空间频率f。
本实施例中，利用上述算法，沿图9所示流程图执行空间频率f的估计如下。
《步骤SIO》将取样频率的暂定值fs'设定为初始值f, 将对预先取得的取样点数据的取样频率暂定值fs'设定为fl。具体而言， 将取样频率f,设定得大于2倍估计频率，将取样点间隔t设定成小于奈奎斯特 间隔。例如，如图10所示，在取样点间隔t收敛到不大于二分之一周期T的 范围，设定暂定取样频率t。
《步骤Sll》算出取样点间隔t 从公式t = round (1 / fs，)算出取样点间隔t。再者，round的含义为 基于四舍五入的整数化。
《步骤S12》判断收敛 对上次算出的间隔t和新算出的间隔t进行比较运算，在算出的值相同时， 在该时间点判断为收敛。例如，如图11的红条纹的实验数据所示，重复进行4 次计算的情况下，取样点间隔t按6、 9、 10、 IO的顺序变化。即，在第4次 计算中判断为收敛。这样在新算出的间隔t为与上次的间隔t相同的值时，结 束本处理，进至步骤S4。如果新的间隔t与上次不同，进至下面的步骤S13。 《步骤S13》算出取样频率fs 确定间隔t，则以fs = 1 / t的方式算出取样频率fs。
《步骤S14》算出空间频率f 对测量对象区域内的每一像素，以间隔t选择取样点x。、 Xl、 x2、 X:i这4 个点，并利用式(22)算出空间频率f，从而计算整个区域的平均值。 《步骤S15》算出新取样频率的暂定值fs' 求出空间频率f，则利用fs = 4f的关系算出新取样频率的最大值fs，。 一 求出该最大值fs'就返回步骤Sll，重复其后的步骤，直到步骤S12中上次的间 隔t与新的间隔t一致为止。
接着，结束空间频率f的估计，则对式(21)，根据多个像素的强度值g (x + AXi)，求满足下面的式(23)的a、 bcos())、 bsim))这组数据。从其中的bcoscl)、 bsin())可求出(t)。<formula>formula see original document page 22</formula> (2 3)
这里，如下面的式(24)、式(25)、式(26)那样计算,
<formula>formula see original document page 22</formula>
(2 4)
<formula>formula see original document page 22</formula>(2 5)
<formula>formula see original document page 22</formula>
(2 6)
接着，可如下面的式(27)那样求出满足式(23)的a。
<formula>formula see original document page 22</formula> …(27)
于是，可用下面的式(28)从矢量分量a求出相位(t)。
<formula>formula see original document page 22</formula>
(2 8)
可从此式(28)与上述实施例所示式(13)、式(14)同样地求出(l)。 如上文所述，对计算对象像素利用多个该像素的相邻像素，也能高精度地
求出该像素的高度。再者，此变换实施例中，利用处在X轴方向的多个相邻相
素，但对其利用Y轴方向的像素等的像素利用无专门限制。
(2) 上述实施例中，利用分布在X轴方向或Y轴方向的1个轴的邻近像素 进行说明，但也可利用分布在XY平面上的邻近像素。此情况下，可对作为计 算对象处在x、 y坐标上的像素将处在该像素附近的像素的坐标取为x,、 y,(i = 1、 2、 、 N)进行解方程，并可将上述式(l)取为g (x、 y)=a + bcos (2兀fxX
+ 27tfyy+ (() (x)H乍运算处理。
(3) 上述实施例中，以静止状态拍摄测量对象物30，但也可构成一面使长 测量对象物或多个测量对象物30以规定速度移动、 一面取与此移动速度同步，并在规定取样时间拍摄测量对象面30A的图像，求出表面高度。
(4) 上述实施例中，也可在从每一单色光求出的表面高度的候补值群算出
实际高度的过程中，算出并利用候补值的平均。利用这点，能抵消装置等的个 体误差。
(5) 上述实施例中，也可照明装置IO的光源利用白色光源，并且在白色光 到达测量对象面和基准面前的光路上，配置从白色光提取不同波长的单色光的 光学单元。而且，也可在反射光到达摄像装置30前的光路上配置同样的光学 单元。还可构成用单独的摄像装置19拍摄各单色光。
(6) 上述实施例中，求出l个测量对象物30的表面高度和表面形状，但也 可构成如下。例如， 一面使多个测量对象物30在传送路径上连续传送或使定 向配置在活动台上的多个测量对象物30在X - Y平面上移动、 一面对全部测 量对象物30求出其表面高度和表面形状。
(7) 上述实施例中，在预先保持测量对象物30的平行度的状态下，任意设 定基准面15的角度，并进行测量，但也可构成如下。例如，使测量对象物30 的测量面方保持平坦度并设置高度已知的基准区，在设定基准面15的角度后， 预先测量此区的高度，而且测量这时的测量对象物30的斜率。于是，结构上 可构成算出此求出的斜率的校正量，并利用其结果进行校正。利用这点，能估 计干涉条纹波形的空间频率分量。
(8) 上述实施例中，光源使用波长不同的2个LED，但可用例如波长入= 627nm的红(R)、波长人=530nm的绿(G)和波长人=470nm的蓝(B)组成的RGB -LED,以代替该LED。此情况下，摄像装置19利用配备例如图13所示那样可将 来自这3个光源的反射光分离为单色光的滤色片的彩色相机。再者各LED的波 长不限于上述值。
滤色片取决于其特性，但如图13所示，分离单色光中包含其它单色光的 频段的光。也就是说，产生串扰。
因此，该变换例那样使用多个频段不同的单色光的情况下，最好去除实际 测量时产生的串扰。
利用实验或模拟预先求出去除各分离单色光包含的其它单色光所需的校 正系数，并利用该校正系数校正由观测求出的每一像素的强度值，从而进行串 扰的去除。
例如，利用下面的方法能求出校正系数。首先，说明串扰的模型式和校正式。照射RGB-LED光源而取得的图像中， 根据各光源个别照射的亮度的加和性，其亮度信号I能用下面的式(29)表示。
I (R、 G、 B) = I (R) + I (G) + I (B) …(29)
这里，考虑从各像素的观测亮度B'、 G'、 R'求出实际亮度B、 G、 R。此情 况下，由于串扰影响各光源的亮度，各单色光的观测亮度B'、 G'、 R'包含其它 光源的亮度。因而，观测亮度与实际亮度的关系可用下面的模型式(30a) (30c) 表示。
B， = B + aG + bR …(30a) G， = cB + G + dR …(30b) R， = eB + fG + R …(30c)
这里，式(30a) (30c)的a f是表示串扰的大小的系数。 根据该式(30a) (30c)，各光源所对应的实际亮度在各系数小的情况下， 系数之积的项能忽略，可由下面的式(31a) (31c)近似地求出该亮度。 B 二 B， - aG， - bR， ... (31a)
G = G， - cB， - dR，…(31b) R 二 R， - eB， - fG， …(31c) 接着，说明求串扰的大小a f的方法。
首先，个别点亮各光源。这时，对多个像素求输出到监视器的RGB的亮度。 例如，求仅使绿(G)LED点亮时的RGB亮度。同样，使红(R)和蓝(B) LED个别点 亮，对多个像素求各自的RGB输出。
这里，从得到的RGB输出求出图14至图16所示的相关图，并根据每一观 测光源包含的与其它光源的相关关系求出校正系数。
例如，仅使蓝(B)LED点亮时，如图14所示，蓝(B)至绿(G)的串扰的校正 系数为0.23，蓝(B)至红(R)的串扰的校正系数为0.00。同样，仅使红(R)LED 点亮时，如图15所示，红(R)至蓝(B)的串扰的校正系数为0.00，红(R)至绿(G) 的串扰的校正系数为0.04。仅使绿(G)LED点亮时，如图16所示，绿(G)至蓝 (B)的串扰的校正系数为0.08，绿(G)至红(R)的串扰的校正系数为0. 13。
又，作为其它方法，对同时照射RGB - LED的全部光源而得到的图像应用 上述方法，也能得到校正系数。但是，此情况下，需要非常多的亮度数据。
使3波长的LED点亮并拍摄测量对象物的图像的结果，如图17所示，得 到校正处理前和校正处理后的亮度分布。S卩，得到的结果为虚线所示的校正前亮度分布在相当于测量对象物的高低差部分的x坐标210 240附近变化小， 但校正后的亮度变化大，其程度即使目视也容易读取。同样，利用上述亮度分布的数据求以像素为单位的相位时，得到下列结果。 即，利用图18所示的校正前的分布数据的情况下，即使无高低差的部分也成 为波状起伏的形状。与此相反，校正后，如图19所示，高低差部分210 240 以外，形成实质上平坦，仅在高低差部分看到大变化。因而，根据本实施例，即使利用相邻频段的多个单色光，也能去除串扰造 成的其它单色光的非所需亮度(光强度值)。本发明能以其它具体方式实施而不脱离其思想和本质，因而作为发明范围 的指示，应参照所附权利要求书，而非上述说明。
权利要求
1、一种用多波长来测量表面形状的测量方法，通过分支单元对测量对象面和基准面照射单色光，根据因从测量对象面和基准面两者反射并返回同一光路的反射光而产生的干涉条纹的强度值，求出测量对象面的表面高度和表面形状，其特征在于，所述测量方法包含下列过程第1过程，该第1过程中以对光的行进方向倾斜任意角度的姿势配置所述基准面，将波长不同的多个单色光同时照射到测量对象物和基准面，并取得其产生的干涉条纹的图像；第2过程，该第2过程中对每一单色光求出取得的所述图像中各像素的干涉条纹的强度值；第3过程，该第3过程中利用求干扰条纹波形的表达式，对每一所述像素利用各像素的强度值及其附近的多个像素的强度值，并假设这些像素的干涉条纹波形的直流分量、交流振幅和相位相等，对每一单色光求出各像素的相位；第4过程，该第4过程中根据对每一单色光求出的各像素的相位求出表面高度的候补群，并从各波长的候补群求出共同的高度，作为实际高度；第5过程，该第5过程中根据求出的所述实际高度，求出测量对象物的表面形状。
2、 如权利要求1中所述的用多波长来测量表面形状的测量方法，其特征 在于，一面使朝向所述测量对象物的光和1个或多个测量对象物相对平行移动、 一面以规定的时间间隔对测量对象物的每一测量位置重复进行所述第1过程至 第5过程，从而求出测量对象物的表面形状。
3、 如权利要求1或2中所述的用多波长来测量表面形状的测量方法，其 特征在于，使各像素的强度值g (x， y)在像素附近，拟合干涉条纹波形表达式g (x， y) 二 a + bcos {27ifxx + 27tfyy +々}，从而求出所求的每一所述波长的相位。
4、 如权利要求1至3中任一项所述的用多波长来测量表面形状的测量方 法，其特征在于，利用配备将多个单色光分离的滤色片的摄像单元，拍摄所述干涉条纹的图像，去除因所述滤色片特性产生的串扰的影响而包含在每一所述单色光中的 其它单色光的干涉条纹的强度值。
5、 一种用多波长来测量表面形状的测量装置，通过分支单元对测量对象 面和基准面照射单色光，根据因从测量对象面和基准面两者反射并返回同一光 路的反射光而产生的干涉条纹的强度值，求出测量对象面的表面高度和表面形 状，其特征在于，所述测量装置包含下列组成要素保持单元，该保持单元以对光的行进方向倾斜任意角度的姿势配置所述基准面，而且放置并保持测量对象物；照明单元，该照明单元同时输出波长不同的多个单色光；摄像单元，该摄像单元利用照射多个所述单色光后从测量对象物和基准面 反射并返回同一光路的反射光，使每一单色光产生干涉条纹，并拍摄测量对象 面；取样单元，该取样单元对每一像素装入所拍摄的所述测量对象面，作为干 涉条纹的强度值；存储单元，该存储单元存储作为由所述取样单元装入的所述强度值的干扰 条纹强度值群；运算单元，该运算单元对每一像素从所述存储单元存储的强度值群读出强 度值，利用各像素的强度值和每一像素的邻近的像素的强度值，假设各像素包 含的干扰条纹波形的直流分量、交流振幅和相位相等，并利用求干扰条纹波形 的表达式，对每一单色光求出各像素的相位后，根据每一单色光求出的各像素的相位求出多个表面高度候补群，从各候补群求出共同的高度作为实际高度，进而，从该求出的所述测量对象面的表面高度，求出表面形状。
6、 如权利要求5中所述的用多波长来测量表面形状的测量装置，其特征 在于，所述测量装置还包含下列组成要素驱动单元，该驱动单元中至少由所述照明单元、摄像单元、分支单元和基 准面构成光学系统单元，并且使所述保持单元和所述光学系统单元的至少一方移动，以便使朝向所述测 量对象物的光和1个或多个测量对象物相对平行移动；控制单元，该控制单元一面使光学系统单元和保持单元相对平行移动、一面控制所述各单元工作，以便求出测量对象物的表面形状。
7、 如权利要求5或6中所述的用多波长来测量表面形状的测量装置，其 特征在于，照明单元具有输出不同波长的多个单色光源。
8、 如权利要求7中所述的用多波长来测量表面形状的测量装置，其特征 在于，所述摄像单元配备将多个单色光分离的滤色片，所述运算单元用所述滤色片特性产生的串扰的影响，去除每一所述单色光 包含的其它单色光的干涉条纹的强度值。
9、 如权利要求5或6中所述的用多波长来测量表面形状的测量装置，其特征在于，照明单元的组成包含 白色光源、以及光学单元，该光学单元从白色光源分离为规定的不同的多个波长的单色 光，并使其朝向所述分支单元。
10、 一种用多波长来测量表面形状的测量装置，通过分支单元对测量对象 面和基准面照射单色光，根据因从测量对象面和基准面两者反射并返回同一光 路的反射光而产生的干涉条纹的强度值，求出测量对象面的表面高度和表面形 状，其特征在于，所述测量装置包含下列组成要素保持单元，该保持单元以对光的行进方向倾斜任意角度的姿势配置所述基 准面，而且放置并保持测量对象物；照明单元，该照明单元输出多个波长组成的光；分离单元，该分离单元将照射所述光后从测量对象物和基准面反射并返回 同一光路的反射光分离为不同波长的多个单色光；摄像单元，该摄像单元使分离出的每一所述单色光产生干涉条纹，并拍摄测量对象面；取样单元，该取样单元对每一像素装入所拍摄的所述测量对象面，作为干 涉条纹的强度值；存储单元，该存储单元存储作为由所述取样单元装入的所述强度值的干扰 条纹强度值群；运算单元，该运算单元对每一像素从所述存储单元存储的强度值群读出强4度值，利用各像素的强度值和每一像素的邻近的像素的强度值，假设各像素包 含的干扰条纹波形的直流分量、交流振幅和相位相等，并利用求干扰条纹波形 的表达式，对每一单色光求出各像素的相位后，从根据每一单色光求出的各像素的相位进行换算并求出的多个表面高度 候补群，求出共同的高度作为实际高度，进而，从该求出的所述测量对象面的表面高度，求出表面形状。
11、 如权利要求10中所述的用多波长来测量表面形状的测量装置，其特 征在于，所述分离单元是将多个单色光分离的滤色片，并且所述运算单元去除因所述滤色片特性产生的串扰的影响而在每一所述单 色光中包含的其它单色光的干涉条纹的强度值。
12、 如权利要求5至11中任一项所述的用多波长来测量表面形状的测量装置，其特征在于，所述运算单元使各像素的强度值g (x， y)在像素附近，拟合干涉条纹波 形表达式g (x, y) = a + bcos (2兀f,x + 2兀fj + <j)}，从而求出每一波长的 相位。
全文摘要
本发明提供一种用多波长来测量表面形状测量方法和使用该方法的装置。通过以对光的行进方向倾斜任意角度的姿势配置基准面，利用从测量对象面和基准面返回同一光路的反射光产生干涉条纹。这时，利用不同的多波长单色光，由摄像装置拍摄各单色光产生的干涉条纹的各像素的强度值。CPU利用求干涉条纹波形的表达式，对每一计算对象像素利用各像素的强度值和处在其邻近的像素的强度值，假设各像素包含的干涉条纹波形的直流分量、交流振幅和相位相等，对每一波长求出各像素的干涉条纹波形的相位候补值群。进而，从多个候补值群求出共同的表面高度。
文档编号G01B11/00GK101236067SQ20081000578
公开日2008年8月6日 申请日期2008年1月31日 优先权日2007年1月31日
发明者北川克一, 小川英光, 杉山将, 铃木一嘉 申请人:国立大学法人东京工业大学;东丽工程株式会社