CN108692676A - 使用了扫描型白色干涉显微镜的三维形状计测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供三维形状计测方法，其使用了扫描型白色干涉显微镜。在使用了扫描型白色干涉显微镜的三维形状计测中，通过使用负的干涉信号确保干涉信号的光量，从而对计测对象物能够进行适当的计测。该三维形状计测方法使用传感器获取与对计测对象物照射的来自光源的照射光对应的干涉信号，获取干涉信号中的信号强度比相当于信号强度的补偿值的基线小的负的干涉信号，根据负的干涉信号的信号强度设定用于计测计测对象物的高度信息的照射光的光量即计测光量。

Description

使用了扫描型白色干涉显微镜的三维形状计测方法

技术领域

本发明涉及通过使用了白色光源的干涉计测来进行三维形状计测的方法。

背景技术

扫描型白色干涉显微镜是通过对试样照射白色光并将所获得的干涉信号转换为高度信息来进行三维计测的装置，根据所获得的干涉信号进行各种计算从而进行表面形状、高度、高低差异、膜厚、表面粗糙度、同种材料/异种材料等的判定。

在使用了扫描型白色干涉显微镜的三维计测中，以往，为了不丢失传感器所计测的干涉信号的信息，调整光源的光量，使得干涉信号强度不超过传感器的输出饱和值。

例如，在专利文献1中，通过OCT(optical coherence tomography；光学干涉断层摄影)来进行图像化，但是，当检测饱和时，产生饱和伪像(artefact)，因此采取减小光源的电力重新进行扫掠(sweep)等对策。在专利文献2中，以尼奎斯特(Nyquist)间隔以上的采样点间隔获取数据并对采样点间隔内的数据进行内插(interpolation)而获得高度信息。

专利文献1：日本特表2015-523578号公报

专利文献2：日本特开2009-047527号公报

在现有的基于扫描型白色干涉显微镜的三维形状计测中，与光源的光量的设定相关地存在如下两个问题。第一个是与对光进行检测的传感器的输出的饱和相关的问题。即，根据计测对象物的特性，有时所计测的干涉条纹的对比度(contrast)较小，即能见度不好。在这种情况下，由于想要使干涉信号强度变大，因此期望尽可能增大光源的光量。然而，若增大光源的光量，则入射到对光进行检测的传感器的入射光的强度也增大。而且，传感器的输出值与入射光的强度对应地增大，从而该输出值容易达到传感器的输出饱和值，传感器的输出容易饱和。例如，认为在计测对象物的反射率较小且反射光强度弱的情况下容易产生这样的问题。

第二个是与传感器的S/N比(信噪比)相关的问题。通常在对光进行检测的传感器中，随着入射光强度变大S/N比呈累积函数增加。换言之，噪声相对于信号的比例随着入射光强度变大呈累积函数变小。因此，存在如下的要求：要通过增大光源的光量尽可能确保S/N比、即减小噪声的比例。

发明内容

本发明提供一种可以实现更适当的计测的、使用了扫描型白色干涉显微镜的三维形状计测方法。

本发明是一种使用了扫描型白色干涉显微镜的三维形状计测方法，该三维形状计测方法如下：使用传感器获取与对计测对象物照射的来自光源的照射光对应的干涉信号，获取该干涉信号中的信号强度比相当于信号强度的补偿(offset)值的基线小的负的干涉信号，根据该负的干涉信号的信号强度设定用于计测所述计测对象物的高度信息的所述照射光的光量即计测光量。

根据本发明，即使增大光源的光量使传感器的输出值达到最大值即饱和，也能够通过利用负的干涉信号的成分以较高的光量对计测对象物(试样)的表面的形状进行计测。因此，对能见度不好的计测对象物也能够容易掌握表面的形状。

附图说明

图1是本发明的实施方式的扫描型白色干涉显微镜的整体结构图。

图2是针对传感器的信号绘制N/S曲线的图。

图3是通过扫描型白色干涉显微镜进行观测的一般的干涉信号的曲线图。

图4是示出使光源的光量设定值变化时的干涉信号的能见度的观测结果的曲线图。

图5是示出相对于光源的光量设定值的正的干涉信号和负的干涉信号的计测结果的例子的曲线图。

图6(a)～(e)是图5中(a)～(e)所示的代表点处的干涉信号的曲线图。

图7是示出为了求出干涉信号波形的包络线而使用的一例的平方律检波的例子的曲线图。

图8(a)～(e)是示出在对图6(a)～(e)的曲线图应用平方律检波之后求出包络线的波形的曲线图。

图9是示出将使光源的光量设定值变化时的干涉信号波形的包络线相对于传感器的输出值变化的情形的概念图。

图10是在图9的解释的基础上再次说明计测的图5的结果的曲线图。

图11是示出一个实施方式中的用于设定计测光量的方法的图，(a)示出了该方法的流程图，(b)示出了基线达到传感器的输出饱和值并且负的干涉信号的信号强度不为最大值的状态下的干涉信号的概念图，(c)示出了基线达到传感器的输出饱和值且负的干涉信号的信号强度为最大值的状态下的干涉信号的概念图。

图12是示出另一实施方式中的用于设定计测光量的方法的流程图，是基于多重扫掠的三维形状计测方法的流程图。

图13是示出沿图12的流程图的处理的概念图。

图14示出了把干涉信号的基线的至少一部分的信号强度与传感器的输出饱和值相等的光量设定为计测光量的方法的一例，(a)是一例的流程图，(b)是将(a)的相应的步骤在干涉信号上示出的概念图。

图15示出了把干涉信号的基线的至少一部分的信号强度与传感器的输出饱和值相等的光量设定为计测光量的方法的另外一例(a)是该例子的流程图，(b)是将(a)的相应的步骤在干涉信号上示出的概念图。

图16示出了把干涉信号的基线的至少一部分的信号强度与传感器的输出饱和值相等的光量设定为计测光量的方法的再一例，(a)是该例子的流程图，(b)是将(a)的相应的步骤在干涉信号上示出的概念图。

标号说明

10：装置主体；11：光源(白色光源)；12：滤光器(包含波长滤光器)；13：分束器；14：双光束干涉物镜(物镜)；15：传感器；16：压电致动器；20：工作台；30：计算机；100：扫描型白色干涉显微镜；D：试样(包含计测对象物)。

具体实施方式

下面，根据图1～图11对本发明的使用了扫描型白色干涉显微镜的三维形状计测方法的优选实施方式进行详细说明。

图1是本发明的实施方式的扫描型白色干涉显微镜的整体结构图。扫描型白色干涉显微镜100包含装置主体10、载置有计测对象的试样S(计测对象物)的工作台20、对所获得的数据进行处理的计算机(处理器)30。装置主体10包含光源(白色光源)11、滤光器12、分束器13、双光束干涉物镜(物镜)14、传感器(检测器)15、压电致动器16。

如箭头A所示，从光源11射出的照射光(白色光)在通过滤光器(例如波长滤光器、偏振滤光器等)12之后，被分束器13引导到双光束干涉物镜14(箭头B)。照射光被双光束干涉物镜14内的分束器分割为朝向计测对象物(包含试样S自身及其内部的物质)侧的第一照射光和朝向未图示的参照镜侧的第二照射光这两个光。在从相对于计测对象物对置配置的双光束干涉物镜14内的分束器到计测对象物的光学距离与从该分束器到参照镜的光学距离相等时，计测信号能够以两个照射光的干涉信号的形态进行观测，传感器15将该干涉信号作为干涉条纹(干涉图案)进行拍摄，并将干涉信号保持、保存在计算机30中。另外，在图1的实施方式中，由于从分束器13到未图示的参照镜的距离被固定，因此通过使用压电致动器16进行扫掠(sweep)(箭头C的移动)，使与计测对象物的距离变化。扫描型白色干涉显微镜100由于使用相干长度(coherence length)较短的光源(例如相干长度为1μm以下)，因此获得干涉信号的位置为存在计测对象物的z位置(高度位置)。操作者对扫描型白色干涉显微镜100的计算机30进行操作，使双光束干涉物镜14沿箭头C在高度方向上移动，从而沿高度方向(z方向)对计测对象物(包含试样D及其内部的物质)进行扫描(scanning)，观察计测对象物的表面的性状(凹凸等)。

图2是用双对数表示噪声相对于获取与照射光对应的干涉信号的传感器15的、输出信号强度的比例即N/S比的特性的图。通常，入射到传感器的入射光量越大则从传感器15产生的噪声的比例越按照累积函数变小(曲线图由于是对数显示因此线性地下降)。由该传感器15的特性可知，入射光量、即输出信号强度越尽可能大则噪声的比例越小，甚至能够在S/N比较好的条件下进行计测(曲线图的右侧)。另外，传感器15是能够捕捉光的装置，广义上包含摄像元件、照相机等，并未特别限定。

图3是示出通过扫描型白色干涉显微镜100进行观测的一般的干涉信号即从光源11对计测对象物以规定的光量I照射照射光(白色光)时获得的干涉信号的曲线图。横轴相当于试样S中的计测对象物的位置即z位置(高度位置)。这里，横轴相当于光路长度差(OPD：Optical Path Difference)Δp，光路长度差Δp相当于从上述的双光束干涉物镜14内的分束器到计测对象物的光学距离与从该分束器到参照镜的光学距离的差。在光路长度差Δp＝0的位置处干涉信号取峰值，在该位置存在计测对象物。

扫描型白色干涉显微镜100的传感器15观测到的信号强度S(I)在某个入射光量I下，如下述的式(1)所示，由参照光强度I₁和来自计测对象物的反射光强度I₂的补偿项(第一项和第二项)以及作为干涉信号的第三项构成。第三项中的Δp为上述的光路长度差。如图3所示，补偿项为对干涉信号的信号强度0与计测对象物的存在无关地标准地赋予的信号强度的补偿值。

【数学式1】

作为式(1)的干涉项的第三项相当于图3的实线所示的干涉信号。通常与I₁和I₂的补偿项相比处于上侧的部分被称作正干涉的正的干涉信号，与补偿项相比处于下侧的部分被称作负干涉的负的干涉信号。在正的干涉信号的部分中，干涉信号变明亮，在负的干涉信号的部分中，干涉信号变暗，从而形成明暗图案反复的干涉条纹。该干涉条纹与作为计测对象物的高度信息(高度位置)的凹凸对应。

在式(1)中，正的干涉信号的最大值S(+)是在cos(Δp)＝1时通过下式(2)来求出的。

【数学式2】

另一方面，在式(1)中，负的干涉信号的最大值S(-)是在cos(Δp)＝-1时通过下式(3)来求出的。

【数学式3】

在图3中，I₁和I₂的补偿项(I₁+I₂)相当于基线B(I)，为以下的式(4)。位于与基线B(I)相比处于上侧的位置且信号强度比基线大的部分为正的干涉信号，位于与基线B(I)相比处于下侧的位置且信号强度比基线小的部分为负的干涉信号。

【数学式4】

B(I)＝I₁+I₂ …(4)

另外，由于式(1)表示物理现象，因此注意到在实际上发生了干涉现象之后，通过传感器15来进行计测。因此，假设即使I₁和I₂的补偿项、即(4)的基线B(I)超过传感器15的输出的饱和值即传感器15的输出饱和值(最大输出值)，与基线B(I)相比处于下侧的部分即比基线B(I)小的负的干涉信号能够通过传感器15进行检测，此时，式(3)的信号强度通过传感器15进行检测。

这里，在增大光源11的照射光的光量I时，作为I₁和I₂的补偿项的基线B的上升速度(为B(I)相对于I的变化的变化，B(I)的I的微分)通过下式(5)来表示。

【数学式5】

在增大光源11的光量I时，在式(1)中，如果第三项的干涉信号的大小的上升速度比上述式(5)所表示的补偿项的上升速度大，随着增大光源11的光量I干涉信号也变大，这在测定上是优选的。然而，实际上这不会发生。这是因为，如下式(6)那样，如果从相加/几何平均的关系来看，补偿项B(I)必须为第三项的最大值以上，如对式(6)进行微分而获得的式(7)所示，补偿项的上升速度必须为第三项的上升速度以上。

【数学式6】

【数学式7】

如图2那样，从S/N比的观点来看，存在如下的前提：如果增大光源的照射光的光量则越大越优选，但是，光量的增大当然导致作为补偿项的基线的增加。而且，根据上式(5)～(7)，通常认为基线的增加速度比在计测中重要的干涉信号的增加速度大，因光量的增加而干涉信号容易达到传感器15的输出的饱和值，从而很难检测到准确的强度。

鉴于这样的情况，在高度信息的计测中优选的干涉信号的选定中，通常使用表示被称作能见度(visibility)V的干涉条纹的鲜明度的概念。即，能见度V是表示干涉条纹的明暗的对比的量，被认为与对比度、传递函数MTF(Modulated Transfer Function)同义。

能见度V通过以下的式(8)来表示，通常认为能见度V较大的干涉信号在计测中优选。在式(8)中，Imax是最大的观测干涉信号强度，Imin是最小的观测干涉信号强度，如图3所示，分别是以传感器15的信号强度0为基准的作为绝对值的强度。即，能见度V是最大观测干涉信号强度与最小观测干涉信号强度的和与两者之差的比。

【数学式8】

图4是示出使光源11的照射光的光量设定值变化时的正的干涉信号的能见度的观测结果的曲线图。光源11的照射光的光量沿横轴变动。能见度相对于横轴的光量的变化量的变化量为dV/dI，相当于在图4中画线的斜率γA(＝0.33)、γB(＝0.13)。两个斜率对应于两种不同的计测对象物。图4示出了正的干涉信号中的能见度的变化，斜率γ(+)变为以下的式(9)，取0≤γ≤1的值。另一方面，在与负的干涉速度的比的情况下，定义为γ(-)并变为式(10)，取-1≤γ≤0的值。

【数学式9】

【数学式10】

也称为能见度相对于光量的变化的感应度，在本说明中，将γ也称为“能见度感应度”。计测对象物根据其种类而具有固有的能见度感应度。

以往，如图4所示，着眼于正的干涉信号中的能见度的变化，与该能见度最好的值对应的光量被认为光源11的最佳光量。在图4中，具有第一斜率(第一能见度感应度)γA的第一计测对象物在光量L₁下能见度最大。另一方面，具有第二斜率(第二能见度感应度)γB的第二计测对象物在光量L₃下能见度最大。第一计测对象物和第二计测对象物的反射率等物性(包含表面形状、倾斜角度等)不同，第一斜率(第一能见度感应度)与第二斜率(第二能见度感应度)不同。

即，根据现有的一般的考虑方法，对于第一计测对象物而言光量L₁是最佳的照射光的光量设定值，对于第二计测对象物而言光量L₃是最佳的照射光的光量设定值。即，在斜率γA、γB成立的范围中，式(9)成立，相对于光量的增加能见度也增大。然而，在比光量L₁、光量L₃大的光量下(在曲线图的右侧)，超过传感器15的输出的饱和值，因此能见度减小，光源11的输出被抑制为光量L₁、光量L₃以下是现有的考虑方法。在该状态下，例如通过规定的方法(例如利用通过采样获得的正的干涉信号的采样点的模型函数来进行拟合(fitting)等)获取图3中虚线所示的上侧的包络线、即正的干涉信号的包络线，根据其峰值获得高度信息。

然而，本来应该认为获得最大的信号强度的光量为最佳光量。因此，与迄今为止的考虑方法不同，发明者着眼于负的干涉信号尤其是相对于光量的变化的负的干涉信号的变化。如图3中点划线所示的下侧的包络线那样，也能够根据负的干涉信号获取包络线的峰值。图5是对相对于光源11的光量的设定值的正的干涉信号的强度和负的干涉信号的强度进行绘图而得的曲线图。另外，为了易于掌握现象，光源11选择使输出的光量呈线形变化。由该图可知，在随着增大光量的设定正的干涉信号的强度迎来峰值之后，负的干涉信号的强度迎来最小的值(负的峰值)。关于斜率γA的计测对象物是代表点(c)和(d)所表示的部分。

图6是针对图5中的γA＝0.33的计测对象物的光源的光量设定值中的(a)～(e)所表示的代表点处的干涉信号的曲线图。在表示光源的光量设定值较小的情况的图6(a)中，基线较低，干涉信号也较小，但是，若增大光量设定值，则像图6(b)那样，随着基线的上升干涉信号也变大。另外，此时，注意到满足了式(7)的条件。而且，若进一步提高光量设定值，则如图6(c)所示，正的干涉信号达到传感器的最大输出值、即饱和值(曲线图中的上限)。而且，若进一步提高光量设定值，则如图6(d)那样，基线达到传感器的饱和值。而且，若进一步提高光量设定值，则负的干涉信号也达到饱和值，如图6(e)那样观测到的干涉信号的大小逐渐变小。

这样的情况源自式(7)成立，即在光量的增大下式(1)的第三项的干涉信号的大小的上升速度为式(5)的补偿项即基线的上升速度以下。在γ＝1的情况(式(9)中的分子与分母的比相同，即与平均亮度值增加的量相等干涉信号强度也变大的情况)以外的情况下，若提高光量设定值，则干涉信号的大小最终如图6(e)所示那样变小。另外，在图6(d)中，正的干涉信号为0，本来在图5(d)中正的干涉信号的部分(空心菱形◇的标记)在理论上也必须为0，但由于测定上的误差，因此输出规定的值。

图7示出了作为求出包络线的方法的一种的平方律检波的例子。正的干涉信号和负的干涉信号的包络线的最大峰值位置(大小为4I₁I₂)原本是由式(1)的第三项构成，因此要注意到一致。能够通过使用平方律检波利用将正的干涉信号和负的干涉信号合并的2倍数据。

图8(a)～(e)是对图6(a)～(e)的波形应用图7所示那样的基于平方律检波的包络线的生成的结果。尤其是如图8(d)和(e)那样即使在干涉信号的一部分饱和的状态下也能够生成包络线。在这种情况下，原来仅是负的干涉信号，但通过使用平方律检波，能够进行与图8(a)～(c)的正的干涉信号的绝对值的比较。但是，这里，作为求出包络线的方法的一例例举了平方律检波，但不限于此，也可以使用任何方法。

图9示出了使光源11的光量设定值增加时的干涉信号的包络线的变化。另外，观测者仅通过传感器15能够观测干涉信号，但即使传感器15的输出值饱和而观测者无法观测干涉信号，实际上也会发生作为物理现象的干涉现象。即，图9(d)、图9(e)示出了在传感器15的饱和值以上预想的干涉信号。

如图9(a)、图9(b)那样，在光源11的光量设定值较小时传感器15的输出值不饱和，因此观测到的正的干涉信号强度和负的干涉信号强度分别用S(+)-B和S(-)-B来表示。而且，如图9(c)所示，当正的干涉信号的最大值达到传感器15的输出值的饱和值时，正的干涉信号的信号强度(正的干涉信号强度)为最大。观测到的正的干涉信号的信号强度作为饱和值-B被观测。另一方面，此时负的干涉信号还未达到饱和值，因此用S(-)-B观测负的干涉信号的信号强度(负的干涉信号强度)。

并且，当增大光源11的光量设定值时，如图9(d)所示，基线达到饱和值，观测的正的干涉信号的信号强度为0。而且，在基线达到饱和值时，负的干涉信号的信号强度为最大。由于基线达到饱和值，因此观测到S(-)-饱和值的信号强度。

并且，当提高光源11的光量设定值时，则如图9(e)所示，在负的干涉信号的信号强度的最大值S(-)-饱和值逐渐变小时，并且，若提高光量设定值，则最终与正的干涉信号同样地达到0。

图10是与图5的曲线图相关地根据图9的考虑方法分析光源11的光量的变化与干涉信号的信号强度的变化的关系的曲线图。作为第一斜率(第一能见度感应度)γA(＝0.33)的计测对象物的正的干涉信号的空心菱形(◇)在低光量侧对光源11的光量设定值增加干涉信号强度(参照箭头A)。而且，正的干涉信号的信号强度达到传感器15的饱和值时的光量设定值为L₁(参照图4)。而且，由于在L₁以上的光量正的干涉信号已经达到传感器15的饱和值，因此信号强度不会变大，如图9(d)、(e)所示，与基线的上升无关，信号强度均减小(参照箭头B)。

另一方面，负的干涉信号的信号强度在正的干涉信号的信号强度在L₁下达到饱和值之后也过一会增加。若将负的干涉信号的信号强度为最大值时的光量设定值设为L₂，则光量增大ΔL_A。而且，光量L₂中的负的干涉信号的大小与光量L₁的正的干涉信号的大小相比增加了ΔI_A。即，最佳的光量设定值不是L₁，而是比它大ΔL_A的L₂。而且，在负的干涉信号的信号强度为最大值时，可以认为是基线强度达到饱和值时。

对第二斜率(第二能见度感应度)γB(＝0.13)的计测对象物也能获得同样的结论，在比正的干涉信号的信号强度迎来峰值的光量L₃(参照图4)大ΔL_B的光量L₄下，负的干涉信号的信号强度迎来峰值，光量L₄下的干涉信号的信号强度比光量L₃下的干涉信号的信号强度增加ΔI_B。

如上所述，以往光源11的光量的最佳值通常是将在能见度为最大时或干涉信号不饱和即正的干涉信号达到最大值之前的光量设定为最佳(参照图4)。

然而，为了求出计测对象物的三维形状，只要可以获得图3所示那样的包络线的最大值、即包络线的峰值即可，即使正的干涉信号的一部分饱和也能求出包络线。即，也可以仅通过负的干涉信号求出包络线的峰值位置，更何况可以根据负的干涉信号的一部分求出包络线的峰值(例如参照图8(e))。尤其是可以根据通过获取至少负的干涉信号的包络线并且至少对该包络线进行平方律检波而获得的新的平方律检波后的包络线的峰值设定计测光量。在这种情况下，只要没有问题，则也可以获取饱和的正的干涉信号的包络线，并与负的干涉信号的包络线一并设定计测光量。另外，也可以一并对正的干涉信号的包络线和负的干涉信号的包络线进行平方律检波。

本发明不是对能见度而是对干涉信号的大小被估计为最大的负的干涉信号导出信号强度取最大值的光量在高度信息的获取中为最佳的光量这样的结论。在本说明书中，为了计测计测对象物的高度信息，将应该设定的该最佳光量称为“计测光量”。

图11(a)是用于通过本发明的一个实施方式设定计测光量的流程图。操作者对扫描型白色干涉显微镜100的计算机30进行操作，沿高度方向进行扫描(scanning)，以使焦点对准到计测对象物的规定的观察位置(规定的高度位置)的方式使双光束干涉物镜14移动。而且，设定在规定的观察位置使光源11的照射光的光量增加的模式，使光量增加(步骤S1)。计算机30一边对传感器15所获取的干涉信号进行监视一边对正的干涉信号的最大值(例如包络线的峰值)是否达到传感器15的输出饱和值(最大输出值)进行判定(步骤S2)，在未达到的情况下，返回到(参照图9(a)、(b))步骤S1，继续进行光量的增加(步骤S2；“否”)。在判定为正的干涉信号的最大值达到饱和值的情况下(步骤S2；“是”)，计算机30获取正的干涉信号的最大值(步骤S3；参照图9(c))。

接下来，计算机30对干涉信号的基线是否达到传感器的输出饱和值进行判定(步骤S4)，在未达到的情况下，返回到步骤S1，继续进行光量的增加(步骤S4；“否”)。在基线达到输出饱和值的情况下(步骤S4；“是”)，计算机30判定为在当前的高度位置即作为当前观察的计测对象物的区域(xy面内)的观察区域(例如双光束干涉物镜14的视野)内该光量是用于计测计测对象物的高度信息的最佳光量，并设定该光量作为照射光的计测光量(步骤S5)。本状态是图9(d)的状态，干涉信号中的正的干涉信号的至少一部分(在图9(d)中是全部)的信号强度超过传感器15的输出饱和值，由此正的干涉信号的至少一部分(在图9(d)中是全部)处于饱和的状态。

并且，计算机30也对负的干涉信号(的包络线)是否达到最大值(例如包络线的峰值是否为最大值)进行判定(步骤S6)，在未达到的情况下，返回到步骤S1，继续进行光量的增加(步骤S6；“否”)。在负的干涉信号(的包络线)达到最大值的情况下(步骤S6；“是”)，计算机30设定该干涉信号中的光量作为照射光的计测光量(步骤S5)。

这里，基线的信号强度像图3那样只要是直线则在所有的观察区域中，基线达到输出饱和值时和负的干涉信号的峰值为最大值时是相同的，因此图11的处理在步骤S4处结束。然而，基线的信号强度通常像图3那样不是恒定值，例如在xy面内等计测对象物内的任意的方向上变动。图11(b)、(c)示出了基线的信号强度像图3那样不是直线，横轴为xy面内的任意的方向，在该方向上基线的信号强度变动的状态(取基线曲线)作为进行步骤S6的判定的前提。在这种情况下，在观察区域内各像素的基线的信号强度变动。

图11(b)示出了基线达到传感器的输出饱和值的同时负的干涉信号(的包络线)的信号强度未成为最大的状态下的干涉信号的概念图(步骤S6；“否”)。这里，处于如下状态：在计测对象物内的任意的方向上基线的信号强度变动，基线的至少一部分的信号强度达到传感器15的输出饱和值。该状态对应于步骤S6的“否”，但也可以不进一步增加光量，而把该状态下的光量设定为计测光量。然而，通过从该状态使光量增加，能够使其信号强度增加，而不会使负的干涉信号进一步饱和。图11(c)示出了从图11(b)增加光量的状态，示出了基线达到传感器15的输出饱和值并且负的干涉信号(的包络线)的信号强度为最大值的状态下的干涉信号的概念图(步骤S7)。这意味着在所关注的像素中获得了最佳光量。在该状态下，干涉信号中的信号强度比基线大的所有的正的干涉信号超过传感器15的输出饱和值，由此正的干涉信号处于无法被传感器15检测的状态，在这一点上与图9(d)、(e)相同。

在上述的处理中，计算机30获取信号强度比相当于干涉信号的信号强度的补偿值的基线小的负的干涉信号，并根据该负的干涉信号的信号强度设定用于计测计测对象物的高度信息的照射光的光量即计测光量。更详细地说，计算机30像已经说明的那样获取负的干涉信号的包络线，并根据该包络线的峰值设定计测光量。

另外，像对图4进行了说明的那样，针对具有第一能见度感应度的第一计测对象物，在第一计测对象物的基线的至少一部分的信号强度达到传感器15的输出饱和值的状态下，设定第一计测光量。另一方面，针对具有第二能见度感应度的第二计测对象物，在第二计测对象物的基线的至少一部分的信号强度达到传感器15的输出饱和值的状态下，设定与第一计测光量不同的第二计测光量。这样，可以按具有不同的能见度的材料(也可以是两种以上)设定最佳计测光量。

图12是用于确定本发明的另一实施方式的最佳光量的流程图，示出了基于多重扫描的三维形状计测方法。所谓多重扫描不是通过一次的高度方向(z方向)上的扫描(扫描)获取与观察区域对应的图像内的所有像素、或该图像中的规定的数量以上的像素的信息(高度信息)，而是在每一次的扫描中获取与观察区域对应的图像中的仅局部的像素的信息。所谓多重扫描是通过重复进行这样的处理获取该图像中的规定的比例以上的像素的信息的概念。

操作者对扫描型白色干涉显微镜100的计算机30进行操作，在高度方向上进行扫描(scanning)，以使焦点对准到计测对象物的规定的观察位置(规定的高度位置)的方式使双光束干涉物镜14移动。而且，设定在规定的观察位置使光源11的照射光的光量增加的模式，使光量增加(步骤S11)。接下来，计算机30对干涉信号的基线是否达到传感器的输出饱和值进行判定(步骤S12)，在未达到的情况下，返回到步骤S11，继续进行光量的增加(步骤S12；“否”)。在基线达到输出饱和值的情况下(步骤S12；“是”)，计算机30将该光量设定为计测光量，进行干涉信号的测定(步骤S13)。

接下来，计算机30对光源的光量是否达到最大输出值进行判定(步骤S14)，在光量达到最大输出值的情况下(步骤S14；“是”)，结束处理。另一方面，在光量未达到最大输出值的情况下(步骤S14；“否”)，计算机30对扫描型白色干涉显微镜100是否被设定为进行多重扫描的模式进行判定(步骤S15)，在未设定为进行多重扫描的模式的情况下(步骤S15；“否”)，结束处理。

另一方面，在设定为进行多重扫描的模式的情况下(步骤S15；“是”)，计算机30对已经进行的扫描次数是否达到预先指定的多重扫描的指定次数进行判定(步骤S16)。另外，计算机30也并行地对在已经进行的扫描中获取到高度信息的像素是否达到预先指定的像素的获取率进行判定(步骤S17)。在已经进行的扫描次数未达到多重扫描的指定次数的情况下(步骤S16；“否”)，或者在已经进行的扫描中获取到高度信息的像素未达到指定的像素的获取率的情况下(步骤S17；“否”)，从计测对象去除从步骤S13中的、根据通过计测光量获得的干涉信号获得了高度信息的像素(步骤S18)，对除此以外的剩下的像素再次开始来自步骤S11的处理。在步骤S11以后，以使剩下的像素的干涉信号的基线达到传感器的输出饱和值的方式增加照射光的光量，设定新的计测光量。

另一方面，在已经进行的扫描次数达到多重扫描的指定次数的情况下(步骤S16；“是”)，或者在已经进行的扫描中获取到高度信息的像素达到指定的像素数的获取率的情况下(步骤S17；“是”)，在任意其一的情况下结束处理。

图13是用概念图示出沿图12的流程图的处理的图，与图11(b)、(c)同样地示出了横轴为计测对象物内的xy面内的任意的方向，在该方向上基线的信号强度变动的状态。(1)、(2)表示图12的步骤S11、S12的处理，(3)表示在图12的步骤S13～S17中与xy面的观察区域对应的图像中的、仅对一部分的像素获得了高度信息。(4)表示图12的步骤S18的处理，(5)、(6)表示再次实施图12的步骤S11、S12的处理。

图14示出了把干涉信号的基线的至少一部分的信号强度与传感器的输出饱和值相等的光量设定为计测光量的方法的例子。图14(a)是本方法的流程图，图14(b)是将图14(a)的相应的步骤在干涉信号上示出的概念图。操作者预先对扫描型白色干涉显微镜100进行操作获取观测到干涉条纹的规定的高度位置(z位置)即干涉信号的峰值(步骤S21)。操作者对扫描型白色干涉显微镜100进行操作，在与从该位置离开正或负的干涉信号的半值宽度相当的相干长度L_C以上的间隔L(L＞L_C)的上方位置处获取基线(步骤S22)。在该位置上，由于无法观察到干涉条纹的波形，因此仅能够获取基线。

这里，通过提高光源11的光量，使基线的强度上升到传感器15的输出饱和值(步骤S23)。然后，通过将焦点返回到步骤S21中的原来的高度位置(步骤S24)，能够获得基线达到传感器15的输出饱和值的状态下的干涉条纹波形(步骤S25)。其结果是，把基线的至少一部分的信号强度与传感器15的输出饱和值相等的照射光的光量设定为计测光量。根据本方法，由于在进行扫描时必须向上方向移动，因此没有无用的移动，能够缩短计测时间。

图15示出了把干涉信号的基线的至少一部分的信号强度与传感器的输出饱和值相等的光量设定为计测光量的方法的另外一例。图15(a)是本方法的流程图，图15(b)是将图15(a)的相应的步骤在干涉信号上示出的概念图。操作者预先对扫描型白色干涉显微镜100进行操作获取观测到干涉条纹的规定的高度位置(z位置)即干涉信号的峰值位置(步骤S31)。而且，扫描获得表示高度方向上的信号强度的高度方向(z方向)上的干涉信号(步骤S32)。

接下来，计算机30从高度方向上的干涉信号中去除正的干涉信号和负的干涉信号从而求出基线(步骤S33)。然后，对该基线的强度是否达到传感器15的输出饱和值进行判定(步骤S34)。在基线的信号强度未达到传感器15的输出饱和值的情况下(步骤S34；“否”)，提高光量(步骤S35)，再次进行步骤S32以后的处理。在基线的信号强度达到传感器15的输出饱和值的情况下(步骤S34；“是”)，获得基线达到传感器15的输出饱和值的状态下的干涉信号(步骤S36)。其结果上，把基线的至少一部分的信号强度与传感器15的输出饱和值相等的光量设定为计测光量。

图16示出了把干涉信号的基线的至少一部分的信号强度与传感器的输出饱和值相等的光量设定为计测光量的方法的再一例。图16(a)是本方法的流程图，图16(b)是将图16(a)的相应的步骤在干涉信号上示出的概念图。操作者预先对扫描型白色干涉显微镜100进行操作获取观测到干涉条纹的规定的面内方向位置(xy面内位置)即表示面内方向上的信号强度的面内方向(xy方向)上的干涉信号的峰值位置(步骤S41)。

接下来，计算机30从面内方向上的干涉信号中去除正的干涉信号和负的干涉信号从而求出面内方向上的基线(步骤S42)。然后，对该基线的信号强度是否达到传感器15的输出饱和值进行判定(步骤S43)。在基线的信号强度未达到传感器15的输出饱和值的情况下(步骤S43；“否”)，提高光量(步骤S44)，再次进行步骤S42以后的处理。在基线的强度达到传感器15的输出饱和值的情况下(步骤S43；“是”)，获得基线达到传感器15的输出饱和值的状态下的干涉信号(步骤S45)。其结果是，把基线的至少一部分的信号强度与传感器15的输出饱和值相等的光量设定为计测光量。

在本发明的使用了扫描型白色干涉显微镜的三维形状计测方法中，计算机30尤其是计算机30所具有的运算装置读取存储在各种存储装置中的程序从而执行该方法的各工序。换言之，该程序以使计算机执行三维形状计测方法的方式进行作用。

根据本发明，即使干涉信号的一部分饱和也能求出包络线，从而能够求出最大值峰值。因此，能够计测计测对象物的表面的形状。

根据本发明，尤其是在干涉信号的一半达到饱和的状况下，也能够利用负干涉的干涉信号的成分来求出包络线的峰值，从而能够计测计测对象物的表面的形状。

另外，根据本发明，只要在干涉信号的一半以上饱和的状况下则能够根据负干涉的干涉信号来求出包络线从而求出最大值峰值。

另外，本发明并不限定于上述的实施方式，可以进行适当的变形、改良等。除此之外，只要能够实现本发明，则上述实施方式中的各构成要素的材质、形状、尺寸、数值、形态、数目、配置位置等可以是任意的而不受限定。

工业上的可利用性

根据本发明，在使用了扫描型白色干涉显微镜的三维形状计测方法中，对反射率小的计测对象物、即较暗的物体也能够进行适当的表面形状的计测。

Claims (12)

1.一种三维形状计测方法，其是使用了扫描型白色干涉显微镜的三维形状计测方法，其中，

使用传感器获取与对计测对象物照射的来自光源的照射光对应的干涉信号，

获取该干涉信号中的信号强度比相当于信号强度的补偿值的基线小的负的干涉信号，

根据该负的干涉信号的信号强度设定用于计测所述计测对象物的高度信息的所述照射光的光量即计测光量。

2.根据权利要求1所述的三维形状计测方法，其中，

获取所述负的干涉信号的包络线，

根据该包络线的峰值设定所述计测光量。

3.根据权利要求1所述的三维形状计测方法，其中，

所述干涉信号中的信号强度比基线大的正的干涉信号的至少一部分的信号强度超过所述传感器的输出饱和值，由此判断所述正的干涉信号的至少一部分饱和。

4.根据权利要求3所述的三维形状计测方法，其中，

获取至少所述负的干涉信号的包络线并且获取至少一部分饱和的所述正的干涉信号的包络线，根据所述两个包络线设定所述计测光量。

5.根据权利要求3所述的三维形状计测方法，其中，

根据通过获取至少所述负的干涉信号的包络线并且至少对该包络线进行平方律检波而获得的平方律检波后的包络线的峰值设定所述计测光量。

6.根据权利要求1所述的三维形状计测方法，其中，

基线的信号强度在所述计测对象物内的任意的方向上变动，

在基线的至少一部分的信号强度达到所述传感器的输出饱和值的状态下，设定所述计测光量。

7.根据权利要求6所述的三维形状计测方法，其中，

使干涉信号中的信号强度比基线大的所有正的干涉信号超过所述传感器的输出饱和值，由此促使正的干涉信号不被所述传感器检测出来。

8.根据权利要求6所述的三维形状计测方法，其中，

在所述计测对象物为多个的情况下，该多个计测对象物分别具有固有的能见度感应度，在该固有的能见度感应度之下对所述多个计测对象物设定各自的计测光量。

9.根据权利要求1所述的三维形状计测方法，其中，

从计测对象去除与所述计测对象物的观察区域对应的图像中的、根据通过所述计测光量获得的干涉信号获得了所述高度信息的像素，

以使剩下的像素的干涉信号的基线达到所述传感器的输出饱和值的方式增加照射光的光量，设定新的计测光量。

10.根据权利要求1所述的三维形状计测方法，其中，

在与所述干涉信号的峰值离开相干长度以上的间隔的上方位置处获取基线，

把该基线的至少一部分的信号强度与所述传感器的输出饱和值相等的照射光的光量设定为所述计测光量。

11.根据权利要求3所述的三维形状计测方法，其中，

从所述计测对象物的高度方向的干涉信号去除正的干涉信号和负的干涉信号从而获取高度方向的基线，

把该基线的至少一部分的信号强度与所述传感器的输出饱和值相等的照射光的光量设定为所述计测光量。

12.根据权利要求3所述的三维形状计测方法，其中，

从所述计测对象物的规定的面内方向的干涉信号去除正的干涉信号和负的干涉信号从而获取该面内方向的基线，

把该基线的至少一部分的信号强度与所述传感器的输出饱和值相等的照射光的光量设定为所述计测光量。