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JP2019191087A - Interference signal phase correction method - Google Patents

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JP2019191087A
JP2019191087A JP2018086746A JP2018086746A JP2019191087A JP 2019191087 A JP2019191087 A JP 2019191087A JP 2018086746 A JP2018086746 A JP 2018086746A JP 2018086746 A JP2018086746 A JP 2018086746A JP 2019191087 A JP2019191087 A JP 2019191087A
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有吾 小野田
Yugo ONODA
有吾 小野田
栄広 佐藤
Yoshihiro Sato
栄広 佐藤
晶一 長谷川
Shoichi Hasegawa
晶一 長谷川
香織 柳川
Kaori Yanagawa
香織 柳川
石橋 清隆
Kiyotaka Ishibashi
清隆 石橋
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Abstract

【課題】周期関数を伴った物理現象を計測する際に、不可避的に発生する位相ずれを補正する。【解決手段】光源から測定対象物に測定媒体を照射して、周期関数を呈する干渉信号を取得し、干渉信号について複数のサンプリング点においてサンプリングを行い、各サンプリング点における位相ずれを求め、当該位相ずれに基づき干渉信号の位相補正を行う、干渉信号の位相補正方法。【選択図】図3PROBLEM TO BE SOLVED: To correct a phase shift which is inevitably generated when measuring a physical phenomenon involving a periodic function. SOLUTION: An object to be measured is irradiated with a measurement medium from a light source, an interference signal exhibiting a periodic function is acquired, the interference signal is sampled at a plurality of sampling points, a phase shift at each sampling point is obtained, and the phase is concerned. A method for correcting the phase of an interference signal, which corrects the phase of the interference signal based on the shift. [Selection diagram] Fig. 3

Description

本発明は、周期関数をデジタルサンプリングした際に生じるシステム誤差(システマチックエラー)を除去する干渉信号の位相補正方法に関する。   The present invention relates to an interference signal phase correction method for removing a system error caused when a periodic function is digitally sampled.

周期関数の物理現象を利用した計測・分析装置は多数存在する。例えば、走査型白色干渉顕微鏡や位相シフト電子線ホログラフィなどである。干渉現象は特に三角関数を用いて表現され周期関数を呈する。本発明は光や電子に関わらず、周期関数をもつ物理現象(たとえば干渉現象)を対象とする。一般に位相シフト法と呼ばれる、意図的に位相をシフトさせる手法においても、サンプリングタイミング自身が同様にシフトするため適用可能である。   There are many measurement and analysis devices that use physical phenomena of periodic functions. For example, a scanning white interference microscope or phase shift electron beam holography. The interference phenomenon is expressed using a trigonometric function and exhibits a periodic function. The present invention is directed to a physical phenomenon having a periodic function (for example, an interference phenomenon) regardless of light or electrons. The method of intentionally shifting the phase, generally called the phase shift method, can also be applied because the sampling timing itself is similarly shifted.

サンプリングタイミングの重要性は特許文献1に代表されるように従来から着目されている。特許文献1が示すところは、データ取得する際にサンプリングタイミングを揃えるためのいわゆる前処理に関する技術である。   The importance of sampling timing has hitherto been noted as represented by Patent Document 1. Patent Document 1 shows a technique related to so-called preprocessing for aligning sampling timing when data is acquired.

また、特許文献2においても掃引の線形性を担保するためにトリガ信号を用いて干渉信号を取得しているが、これもまたデータを取得する際の前処理に関する技術である。   Also, in Patent Document 2, an interference signal is acquired using a trigger signal in order to ensure the linearity of sweeping, but this is also a technique related to preprocessing when acquiring data.

非特許文献1では、信号周波数の2倍のシステマチックエラーに関する記載があり、90°サンプリングタイミングをずらしたものと平均化することでシステマチックエラーをキャンセリングすることが紹介されている。
また、システマチックエラーを補正するためのいくつかのアルゴリズムはランダムノイズの影響を受けやすいものが存在すると述べられている。
Non-Patent Document 1 describes a systematic error that is twice the signal frequency, and introduces canceling a systematic error by averaging it with a 90 ° sampling timing shifted.
Also, it is stated that some algorithms for correcting systematic errors are susceptible to random noise.

非特許文献2では、干渉計測装置において信号周波数の2倍のシステマチックエラーとその除去方法に関するアルゴリズムが紹介されている。   Non-Patent Document 2 introduces an algorithm related to a systematic error twice the signal frequency and a method for removing the systematic error in the interference measurement apparatus.

非特許文献3では、同様に周期ノイズに関して報告があり、振動ノイズにより位相誤差が生じるとされている。また、その位相誤差を補正した例が報告されている。   In Non-Patent Document 3, there is also a report regarding periodic noise, and it is said that a phase error is caused by vibration noise. An example in which the phase error is corrected has been reported.

特開2013−250127号公報JP 2013-250127 A 特開2017−9327号公報JP 2017-9327 A

Interferogram Analysis for Optical Testing, Second Edition, D. Malacara,et.al.,CRC Press, p213, 2005.Interferogram Analysis for Optical Testing, Second Edition, D. Malacara, et.al., CRC Press, p213, 2005. Digital wave-front measuring interferometry: some systematic error sources, J. Schwider, et.al., Appl. Optics, Vol.22, 1983.Digital wave-front measuring interferometry: some systematic error sources, J. Schwider, et.al., Appl. Optics, Vol.22, 1983. Vibration in phase-shifting interferometry:P.Groot, J. Opt. Soc. Am.A, Vol.12, pp.354-365,1995Vibration in phase-shifting interferometry: P.Groot, J. Opt. Soc. Am.A, Vol.12, pp.354-365,1995

本発明が解決の対象としているのは、特許文献1および特許文献2のように前処理のものではなく、データ取得後の後処理に関するものである。1点のみの点計測であればデータ取得時にサンプリングタイミングを揃えることは可能である。しかしながら、例えばカメラを使用した三次元形状計測では、サンプリング対象となる点は1点のみの計測ではなく、数百万画素がサンプリングの対象となる。そして、三次元形状計測においては、測定対象物は任意形状であるため、それぞれの画素においてサンプリングタイミングを全ての画素で揃えて、データ取得することは原理的に難しい。これは、例えば、光源の波長掃引時の線形性や物理的に動く装置の掃引の線形性が担保されていたとしても生じる問題である。   The object of the present invention is not related to preprocessing as in Patent Document 1 and Patent Document 2, but relates to postprocessing after data acquisition. If only one point is measured, it is possible to align the sampling timing at the time of data acquisition. However, for example, in three-dimensional shape measurement using a camera, a point to be sampled is not a single point measurement, but millions of pixels are to be sampled. In the three-dimensional shape measurement, since the measurement target has an arbitrary shape, it is theoretically difficult to acquire data by aligning the sampling timing for all the pixels in each pixel. This is a problem that occurs even when the linearity of the light source at the time of wavelength sweeping or the linearity of the sweeping of a physically moving device is ensured.

図3は、表面又は内部に存在する試料が平坦であっても、当該試料が傾いた状況では、サンプリングタイミングのずれが生じてしまう現象を示している。このため任意形状の場合を考えると、取得データは必ずサンプリングタイミングずれを含んで計測される。
本発明では、このデータ取得に際して、不可避的なサンプリングタイミングずれ(位相)による、いわゆる位相補正の方法を提供し、システマチックエラーを解決する。
FIG. 3 shows a phenomenon in which even if a sample existing on the surface or inside is flat, the sampling timing shifts when the sample is tilted. Therefore, considering the case of an arbitrary shape, the acquired data is always measured with a sampling timing shift.
In the present invention, a so-called phase correction method based on an inevitable sampling timing shift (phase) is provided at the time of data acquisition to solve a systematic error.

非特許文献1で紹介されているように、同じアルゴリズムでも90°位相をずらしたものと平均化すれば、システマチックエラーは除去できるが、この方法だと90°位相をずらしたもので再度、データ取得を行わなければならない。すなわち、データ取得開始時刻が同時刻ではないため、同時刻ではないことによる初期のランダムノイズが避けられなくなる。また、データ取得に2倍の時間がかかることになる。   As introduced in Non-Patent Document 1, even if the same algorithm is averaged with a phase shifted by 90 °, the systematic error can be removed, but with this method, the phase is shifted by 90 ° and again, Data acquisition must be performed. That is, since the data acquisition start time is not the same time, initial random noise due to the fact that the data acquisition start time is not the same time cannot be avoided. In addition, it takes twice as much time to acquire data.

非特許文献2、3のように従来から知られている位相補正方法はArcTanを使用しており、位相−π/2〜+π/2を求めるために、ArcTan(X)において内部の項Xは−∞〜+∞の値を取る必要がある。図6に示すように、このことは結果的に−π/2や+π/2の近傍の位相を正確に求めることを困難とすることが予想される。   As in Non-Patent Documents 2 and 3, a conventionally known phase correction method uses ArcTan, and in order to obtain the phase −π / 2 to + π / 2, the internal term X in ArcTan (X) is It is necessary to take a value of −∞ to + ∞. As shown in FIG. 6, this is expected to make it difficult to accurately determine the phase in the vicinity of −π / 2 or + π / 2 as a result.

一回の取得データから90°ずれた成分を使用してArcTanから位相を求めることは、全ての入力Xに対して線形性は確保できておらず入力Xに対しての感度が異なることになる。まして、入力Xは−∞〜+∞の値を取る必要がある(図6参照)。   Obtaining a phase from ArcTan using a component shifted by 90 ° from a single acquired data cannot ensure linearity for all the inputs X, and the sensitivity to the inputs X is different. . In addition, the input X needs to take values from −∞ to + ∞ (see FIG. 6).

本発明は、サンプリングタイミングのずれに基づく位相ずれ等を求め、この位相ずれの分を補正することでシステマチックエラーを解消・補正することを提供する手法である。   The present invention is a technique for obtaining a phase shift or the like based on a sampling timing shift and correcting and correcting the amount of the phase shift to provide a systematic error solution.

本発明の干渉信号の位相補正方法は、測定対象物に測定媒体を照射して、周期関数を有する干渉信号を取得し、前記干渉信号について複数のサンプリング点においてサンプリングを行い、各サンプリング点における位相ずれを求め、当該位相ずれに基づき前記干渉信号の位相補正を行う。   According to the interference signal phase correction method of the present invention, a measurement medium is irradiated with a measurement medium to obtain an interference signal having a periodic function, the interference signal is sampled at a plurality of sampling points, and the phase at each sampling point is obtained. A shift is obtained, and the phase of the interference signal is corrected based on the phase shift.

本発明によれば、測定対象物の形状の測定等の際におけるデジタルサンプリング時に生ずる不可避的なサンプリングタイミングのずれ等を補正できるようになり、システマチックエラーを除去した形状測定や物理計測が可能となる。   According to the present invention, it becomes possible to correct an inevitable sampling timing shift that occurs during digital sampling when measuring the shape of an object to be measured, and it is possible to perform shape measurement and physical measurement that eliminate systematic errors. Become.

図1は、本発明の実施の形態の1つの適用例である走査型白色干渉顕微鏡の全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram of a scanning white interference microscope which is one application example of an embodiment of the present invention. 図2Aは、サンプリングタイミングずれによる位相ずれを示したグラフである。FIG. 2A is a graph showing a phase shift due to a sampling timing shift. 図2Bは、サンプリングタイミングずれと複素屈折率による位相ずれを示したグラフである。FIG. 2B is a graph showing a sampling timing shift and a phase shift due to the complex refractive index. 図2Cは、複素屈折率による位相ずれを示したグラフである。FIG. 2C is a graph showing the phase shift due to the complex refractive index. 図3は、平面形状を有する測定対象物を測定した場合でも、干渉信号のサンプリングタイミングがずれる現象を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a phenomenon in which the sampling timing of the interference signal is shifted even when a measurement object having a planar shape is measured. 図4は、cosとsinのグラフである。FIG. 4 is a graph of cos and sin. 図5は、ArcCos(X)およびArcSin(X)のグラフである。FIG. 5 is a graph of ArcCos (X) and ArcSin (X). 図6は、ArcTan(X)のグラフであり、Xが−∞〜+∞の値を取らないと位相−π/2〜+π/2を表現できないことを示すグラフである。FIG. 6 is a graph of ArcTan (X), which indicates that the phase −π / 2 to + π / 2 cannot be expressed unless X takes a value of −∞ to + ∞. 図7は、実施形態の干渉信号の位相補正方法の処理を示す処理フロー図である。FIG. 7 is a process flow diagram illustrating processing of the interference signal phase correction method according to the embodiment. 図8は、複素屈折率があるときの得られる干渉信号の例である。FIG. 8 is an example of an interference signal obtained when there is a complex refractive index. 図9は、サンプリングタイミングのずれを含んだ状態での干渉信号の例である。FIG. 9 is an example of an interference signal in a state including a sampling timing shift. 図10は、複素屈折率を求めるため、XY面内において平均化する区間領域の例を示した模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of a section area that is averaged in the XY plane in order to obtain a complex refractive index.

以下、本発明に係る干渉信号の位相補正方法に関して、走査型白色干渉顕微鏡を例に、干渉計測を元に、図1〜図10に基づいて詳述する。   Hereinafter, the interference signal phase correction method according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 10 based on interference measurement, taking a scanning white interference microscope as an example.

図1は、本発明の実施の形態の1つの適用例である走査型白色干渉顕微鏡の全体構成図である。走査型白色干渉顕微鏡100は、装置本体10と、計測対象の試料D(測定対象物)が載置されたステージ20と、得られたデータを処理するコンピュータ(プロセッサ)30とを含む。装置本体10は、光源(白色光源)11と、フィルタ12と、ビームスプリッタ13と、二光束干渉対物レンズ(対物レンズ)14と、センサ(検出器)15と、ピエゾアクチュエータ16と、を含む。   FIG. 1 is an overall configuration diagram of a scanning white interference microscope which is one application example of an embodiment of the present invention. The scanning white interference microscope 100 includes an apparatus main body 10, a stage 20 on which a sample D (measurement object) to be measured is placed, and a computer (processor) 30 that processes the obtained data. The apparatus main body 10 includes a light source (white light source) 11, a filter 12, a beam splitter 13, a two-beam interference objective lens (objective lens) 14, a sensor (detector) 15, and a piezo actuator 16.

矢印Aで示すように光源11から出射された照射光(白色光)は、フィルタ(例えば波長フィルタ、偏光フィルタなど)12を通過した後、ビームスプリッタ13で二光束干渉対物レンズ14へ導かれる(矢印B)。照射光は二光束干渉対物レンズ14内のビームスプリッタで、測定対象物(試料D自体およびその内部の物質を含む)側へ向かう第1の照射光と、図示せぬ参照ミラー側へ向かう第2の照射光の2つに分割される。測定対象物に対して対向して配置される二光束干渉対物レンズ14内のビームスプリッタから測定対象物までの光学距離と、当該ビームスプリッタから参照ミラーまでの光学距離が等しくなった時に、計測信号が2つの照射光の干渉信号の形態で観測可能となり、センサ15がこの干渉信号を干渉縞(干渉パターン)として撮像し、周期関数である干渉信号がコンピュータ30に保持、格納される。また、図1の実施形態では、ビームスプリッタ13から図示せぬ参照ミラーまでの距離が固定されているため、ピエゾアクチュエータ16を用いて掃引させることにより(矢印Cの動き)、測定対象物との距離を変化させている。走査型白色干渉顕微鏡100はコヒーレンス長の短い光源を用いているが(例えば、コヒーレンス長が1μm以下)、本発明ではコヒーレンス長の長さは任意である。レーザーでも白色光でも可能である。白色光では、干渉信号が得られた位置が、測定対象物が存在するz位置(高さ位置)となる。操作者は、走査型白色干渉顕微鏡100のコンピュータ30を操作し、矢印Cに沿って高さ方向に二光束干渉対物レンズ14を移動させ、測定対象物(試料D及びその内部の物質を含む)を高さ方向(z方向)にスキャン(走査)し、測定対象物の表面の性状(凹凸など)を観察する。   Irradiated light (white light) emitted from the light source 11 as indicated by an arrow A passes through a filter (for example, a wavelength filter, a polarizing filter) 12 and then is guided to a two-beam interference objective lens 14 by a beam splitter 13 ( Arrow B). The irradiation light is a beam splitter in the two-beam interference objective lens 14, and the first irradiation light toward the measurement object (including the sample D itself and the substance therein) and the second irradiation toward the reference mirror (not shown). Are divided into two. When the optical distance from the beam splitter to the measurement object in the two-beam interference objective lens 14 arranged to face the measurement object becomes equal to the optical distance from the beam splitter to the reference mirror, the measurement signal Can be observed in the form of interference signals of the two irradiation lights, and the sensor 15 images the interference signals as interference fringes (interference patterns), and the interference signal as a periodic function is held and stored in the computer 30. Further, in the embodiment of FIG. 1, since the distance from the beam splitter 13 to a reference mirror (not shown) is fixed, by sweeping using the piezo actuator 16 (movement of arrow C), The distance is changed. The scanning white interference microscope 100 uses a light source with a short coherence length (for example, the coherence length is 1 μm or less), but in the present invention, the length of the coherence length is arbitrary. Laser or white light is possible. In white light, the position where the interference signal is obtained is the z position (height position) where the measurement object exists. The operator operates the computer 30 of the scanning white interference microscope 100 to move the two-beam interference objective lens 14 in the height direction along the arrow C, and the measurement object (including the sample D and the substance therein). Are scanned in the height direction (z direction), and the surface properties (such as irregularities) of the measurement object are observed.

図1では、光(白色光、レーザーなどを含む)を測定対象物に照射する測定媒体として用いる白色干渉顕微鏡を例に挙げたが、本発明は、干渉現象をはじめ周期関数(三角関数、三角波関数等)を測定する装置であれば適用可能である。他の装置には、例えば測定媒体として電子ビームを用いる位相シフト電子線ホログラフィ、広義での電磁波、粒子等を測定媒体として用いる装置等が含まれる。   In FIG. 1, a white interference microscope used as a measurement medium that irradiates a measurement target with light (including white light, laser, etc.) is taken as an example. However, the present invention includes a periodic function (trigonometric function, triangular wave) including an interference phenomenon. Any device that measures a function etc. can be applied. Other devices include, for example, a device using a phase shift electron holography using an electron beam as a measurement medium, an electromagnetic wave in a broad sense, particles or the like as a measurement medium.

図1の走査型白色干渉顕微鏡100により得られる干渉信号は、多くの場合システマチックエラーに起因するノイズを含む。従来から、このようなノイズをキャンセルする手法が提示されてきたが、どれも満足のいくものではなかった。今回、発明者は、このノイズの原因について改めて鋭意検討した。   The interference signal obtained by the scanning white interference microscope 100 in FIG. 1 often includes noise due to systematic errors. Conventionally, methods for canceling such noise have been presented, but none of them has been satisfactory. This time, the inventor conducted an earnest examination on the cause of this noise.

図1の走査型白色干渉顕微鏡100により得られる干渉信号は、主に三角関数を用いて表現される。図2A〜図2Cは、干渉信号のサンプリングタイミングを説明するための図であり(ただし白色干渉時におけるガウシアン分布は考慮していない)、縦軸は干渉信号の強度(輝度等)、横軸は後述する基準状態における干渉信号の強度が最大値となる特定の点を0度とした場合における位相、または当該基準状態に対する位相のずれを示す位相ずれに対応する。そして、次の式(1)が、図2A〜図2Cに示されたグラフを表現する数式に相当する。式(1)の関数fは、グラフの縦軸であって測定の対象となる測定対象物から得られる干渉信号を表現しており、測定対象関数として定義付けられる。本例では、測定対象関数は周期性を持った周期関数であり、具体的にはcos関数で表される三角関数である。   The interference signal obtained by the scanning white interference microscope 100 of FIG. 1 is mainly expressed using a trigonometric function. 2A to 2C are diagrams for explaining the sampling timing of the interference signal (however, the Gaussian distribution at the time of white interference is not considered), the vertical axis is the interference signal intensity (luminance, etc.), and the horizontal axis is This corresponds to a phase when a specific point at which the intensity of an interference signal in a reference state, which will be described later, reaches a maximum value is 0 degree, or a phase shift indicating a phase shift with respect to the reference state. Then, the following expression (1) corresponds to an expression expressing the graphs shown in FIGS. 2A to 2C. The function f in the equation (1) is an ordinate of the graph and expresses an interference signal obtained from a measurement target to be measured, and is defined as a measurement target function. In this example, the measurement target function is a periodic function having periodicity, specifically, a trigonometric function represented by a cos function.

式(1)において、zは物理的な掃引方向(高さ方向)の位置(座標)であり、得られた干渉信号は、カメラのフレームレートに従いフレームレート間隔で、複数のサンプリング点においてデジタルサンプリングされる。φstは、後述するサンプリングタイミングの違いにより不可避的に生ずる位相ずれを表す位相項である。φは、たとえサンプリングタイミングが同じだとしても、物質(試料D)の持つ複素屈折率により観測波形に生ずる位相ずれ(遅れ)を表す位相項である。 In Equation (1), z is a position (coordinate) in the physical sweep direction (height direction), and the obtained interference signal is digitally sampled at a plurality of sampling points at frame rate intervals according to the frame rate of the camera. Is done. φ st is a phase term representing a phase shift inevitably caused by a difference in sampling timing described later. The phi c, A watered down sampling timing are the same, a phase term representing the substances phase shift caused the observed waveform by the complex refractive index with a (Sample D) (late).

φst、φといった位相ずれに伴う位相項のない基準状態を{Z, cos(Z)}と仮定した組み合わせにおいて、基準状態であればどの状態でも{Z, cos(Z)}でサンプリングされるが、三次元形状測定における任意形状では、常にどの点においても{Z, cos(Z)}の基準状態でサンプリングできるとは限らない。次に図3を用いて説明するように、必ずサンプリングタイミングはずれる。 In a combination assuming that a reference state having no phase term due to phase shift such as φ st and φ c is {Z, cos (Z)}, any state is sampled by {Z, cos (Z)} as long as it is a reference state. However, in an arbitrary shape in the three-dimensional shape measurement, it is not always possible to sample at any point in the reference state of {Z, cos (Z)}. Next, as will be described with reference to FIG.

カメラの撮像素子(図1ではセンサ15)はXY面内において数百万の画素(ピクセル)によって埋め尽くされている。図3ではXY面内(横方向)で等間隔に配置された3つのピクセル31〜33に着目している。等間隔に配置されたそれぞれの1ピクセルは、グラフ中の所定のフレームレート(例えば1/60sec等)34(図3の縦の時間軸における等間隔の横線)に従い、グラフの横軸の輝度に対応した輝度情報を取り続ける。   The imaging element of the camera (sensor 15 in FIG. 1) is filled with millions of pixels (pixels) in the XY plane. In FIG. 3, attention is paid to three pixels 31 to 33 arranged at equal intervals in the XY plane (lateral direction). Each pixel arranged at equal intervals follows the predetermined frame rate (for example, 1/60 sec, etc.) 34 in the graph (the horizontal lines at equal intervals on the vertical time axis in FIG. 3). Continue to take corresponding brightness information.

白色干渉では、モータやPZTなどを使用して、ちょうど参照面との光学距離が合致したときに、干渉現象が起きる。測定対象物35(試料Dの表面及びその内部の物質を含む)を真に平坦なものと仮定をして、傾けた状態でカメラを用いて計測を行うとそれぞれのカメラのピクセルで観測される干渉縞の時間に対するピーク位置も変わる。すなわち測定対象物35と平行な仮想直線36に沿ってピーク位置はシフトする。   In white interference, an interference phenomenon occurs when the optical distance from the reference surface is matched using a motor or PZT. Assuming that the measurement object 35 (including the surface of the sample D and the substance inside thereof) is truly flat, and measurement is performed using the camera in an inclined state, observation is performed at each pixel of the camera. The peak position with respect to time of the interference fringe also changes. That is, the peak position shifts along a virtual straight line 36 parallel to the measurement object 35.

干渉信号(干渉波形)とフレームレートを表す横線の交点がそれぞれのピクセルにおいて観測される輝度情報である。ピクセル31は、干渉信号の山の頂点、すなわち輝度の頂点をサンプリング点37においてサンプリングしている。一方、他のピクセル32、33は、干渉信号の山の頂点からずれた箇所のサンプリング点38、39においてサンプリングしている。すなわち、真に平坦なものと仮定した測定対象物35でさえ、傾けただけで各ピクセルにおいて干渉信号の中でサンプリングされる点が異なってくる。サンプリング定理は満たしているものの、このサンプリングするタイミングが違うことによるサンプリングタイミングずれがシステマチックエラーを生む要因となる。   The intersection of the interference signal (interference waveform) and the horizontal line representing the frame rate is the luminance information observed at each pixel. The pixel 31 samples the peak of the interference signal, that is, the peak of the luminance at the sampling point 37. On the other hand, the other pixels 32 and 33 are sampled at sampling points 38 and 39 at positions shifted from the peaks of the interference signals. That is, even the measurement object 35 assumed to be truly flat differs in that it is sampled in the interference signal at each pixel only by tilting. Although the sampling theorem is satisfied, this sampling timing shift caused by the difference in sampling timing causes a systematic error.

このようなサンプリングタイミングのずれは、{Z+φst, cos(Z+φst)}で表される。図2Aにおいて、白丸で表すサンプリング点群21Aは、基準状態でサンプリングされたサンプリング点の群に相当する。一方、黒丸で表すサンプリング点群21Bは、サンプリング点群21Aに対し相対的に、22.5°に相当する位相ずれの分だけずれてサンプリングされたサンプリング点の群に相当する。サンプリング点群21Aとサンプリング点群21Bは、図3におけるサンプリング点37とサンプリング点38(またはサンプリング点39)の関係に相当し、サンプリングタイミングのずれが生じていることが理解できる。 Such a shift in sampling timing is represented by {Z + φ st , cos (Z + φ st )}. In FIG. 2A, a sampling point group 21A represented by white circles corresponds to a group of sampling points sampled in the reference state. On the other hand, the sampling point group 21B represented by a black circle corresponds to a group of sampling points sampled with a phase shift corresponding to 22.5 ° relative to the sampling point group 21A. The sampling point group 21A and the sampling point group 21B correspond to the relationship between the sampling point 37 and the sampling point 38 (or the sampling point 39) in FIG. 3, and it can be understood that a sampling timing shift occurs.

横軸の位相における1周期360°に対して2点を超える数でサンプリングすればサンプリング定理を満たす。図2A〜図2Cでは1周期8点、すなわち45°ごとにサンプリングを行った例を示している。   Sampling theorem is satisfied if sampling is performed at a number exceeding two points with respect to one period of 360 ° in the phase of the horizontal axis. 2A to 2C show an example in which sampling is performed at 8 points in one cycle, that is, every 45 °.

さらに、現実の測定対象物35は複素屈折率を持っており、位相が遅れたり進んだりして観測されたりする。図2Bは、上述したサンプリングタイミングずれに加えて複素屈折率によるずれをも考慮した例を示し、数式では{Z+φst, cos(Z+φst+φ)}で表される。本例では、基準状態でサンプリングされたサンプリング点群21Bと、サンプリングタイミングが22.5°ずれてサンプリングされたサンプリング点群22Bに加え、サンプリング点群23Bが存在する。サンプリング点群22Bに対し、さらに複素屈折率φが存在すると、サンプリング点群23Bは計測される点の位置は、サンプリング点群22Bの位置から上下方向にシフトし、サンプリング点群21Bに対して左方向にシフトしたように見える。 Furthermore, the actual measurement object 35 has a complex refractive index, and is observed with a phase lag or advance. FIG. 2B shows an example in which a shift due to the complex refractive index is taken into account in addition to the above-described sampling timing shift, and is expressed by {Z + φ st , cos (Z + φ st + φ c )} in the mathematical expression. In this example, a sampling point group 23B exists in addition to the sampling point group 21B sampled in the reference state and the sampling point group 22B sampled with a sampling timing shifted by 22.5 °. To the sampling point group 22B, when there are more complex refractive index phi c, a position of a point sampling point group 23B is measured is shifted in the vertical direction from the position of the sampling point group 22B, the sampling point group 21B It looks like it has shifted to the left.

図2Cは、サンプリングタイミングずれはないものの複素屈折率φが22.5°の例を示す。サンプリング点群23Cは図2Bにおけるサンプリングタイミングずれ22.5°のサンプリング点群22Bと同じ形状(同じサンプリング点)を呈するものの、図2Cでは複素屈折率φにより横方向にシフトしているのが分かる。 Figure 2C, although the sampling timing shift is not complex refractive index phi c shows an example of 22.5 °. Although the sampling point group 23C exhibits the same shape (same sampling point) and sampling point group 22B of the sampling timing shift 22.5 ° in FIG. 2B, that are shifted laterally by the complex refractive index phi c in Figure 2C I understand.

このように発明者は、サンプリングタイミングの位相ずれおよび物質の複素屈折率に基づく位相ずれが、観測時のシステマチックノイズの発生を招いていることを突き止めた。そこで発明者は以下に述べるステップに従い、これらの位相ずれを求め、キャンセルする位相補正方法を実現するに至った。   As described above, the inventor has found that the phase shift based on the sampling timing and the phase shift based on the complex refractive index of the substance cause the occurrence of systematic noise during observation. Therefore, the inventor has achieved a phase correction method for obtaining and canceling these phase shifts in accordance with the steps described below.

白色干渉の場合には図2A〜図2Cで説明した三角関数に、近似的にはガウシアンであるExp(−x)の包絡線が掛け算される。複素屈折率φにより、包絡線のマクロなピーク位置とサンプリングされた最大値のピークは異なることになるため、サンプリングタイミングは重要な要素となる(後述する図8および図9参照)。各位相項φst、φの位相は似てはいるが、タイミングのずれを生ずる原因の観点からは異なる関数であり、各々個別に検討する必要がある。 In the case of white interference, the trigonometric function described in FIGS. 2A to 2C is multiplied by an envelope of Exp (−x 2 ) that is approximately Gaussian. The complex refractive index phi c, the peak of the macroscopic peak positions and the sampled maximum value of the envelope will be different, the sampling timing is an important factor (see FIGS. 8 and 9 described later). Although the phases of the phase terms φ st and φ c are similar, they are different functions from the viewpoint of the cause of the timing shift and need to be individually examined.

本発明は、いわゆる位相項であるφstおよびφを式(1)から抽出することにより、これらの項を導く。ここで式(1)は規格化(式(1)が取り得る最大値で割られている、すなわち大きさ1)されていることを前提としており、白色干渉計(走査型白色干渉顕微鏡)による測定データはExp(−x)をはじめとした包絡線で割ることにより規格化される。式(1)の右辺から分析対象であるφstおよびφを抽出するため、一般的な位相変調および三角関数の加法定理の考え方に基づき、式(1)の測定対象関数にcos(z)を乗ずると、以下の式(2)、(3)が得られる。cos(z)は位相変調において用いられる位相変調関数として定義づけられる。 The present invention derives these terms by extracting the so-called phase terms φ st and φ c from equation (1). Here, equation (1) is premised on normalization (divided by the maximum value that equation (1) can take, ie, size 1), and is based on a white interferometer (scanning white interference microscope). The measurement data is normalized by dividing by the envelope including Exp (−x 2 ). In order to extract φ st and φ c to be analyzed from the right side of Equation (1), cos (z) is defined as the measurement target function of Equation (1) based on the general phase modulation and trigonometric addition theorem. The following formulas (2) and (3) are obtained. cos (z) is defined as a phase modulation function used in phase modulation.

抽出したいcos(φst+φ)を見込んで式(3)に2を乗じた後、ローパスフィルタ(平均化)を適用することにより、第2項のcos(2Z+φst+φ)をキャンセルし、残ったcos(φst+φ)の項をXとして、以下の式(4)が求められる。この式(4)は、入力位相にも相当する(これは後に求めたい位相でもある)(φst+φ)を位相に、出力値をXとしてプロットしたグラフを表現し、図4に示すいわゆるcos波、sin波を得ることができる。 The expression (3) is multiplied by 2 in anticipation of cos (φ st + φ c ) to be extracted, and then a low-pass filter (averaging) is applied to cancel the second term cos (2Z + φ st + φ c ), Using the remaining cos (φ st + φ c ) as X, the following equation (4) is obtained. This expression (4) expresses a graph in which the output value is X with the phase corresponding to the input phase (this is also the phase to be obtained later) (φ st + φ c ) and the output value as X, which is shown in FIG. A cos wave and a sin wave can be obtained.

そして、式(4)について、逆関数であるArcCosをとることで、φstとφの合算値ではあるが、図5に示すように位相情報51を求めることが可能となる。すなわち、測定対象関数と位相変調関数の乗算の結果である式(2)、(3)から導かれる出力値Xを入力値に置き換え、この入力値Xを位相算出のための位相算出関数であるArcCosに与え、その値から各サンプリング点における位相ずれ、すなわちφst+φを求めることができる。 Then, the equation (4), by taking the ArcCos is an inverse function, albeit at sum of phi st and phi c, it is possible to obtain the phase information 51 as shown in FIG. That is, the output value X derived from Expressions (2) and (3), which is the result of multiplication of the measurement target function and the phase modulation function, is replaced with an input value, and this input value X is a phase calculation function for phase calculation. The phase shift at each sampling point, that is, φ st + φ c can be obtained from the value given to ArcCos.

図4および図5は、元のcos関数から逆関数ArcCosを適用する過程を示している。しかしながらノイズの全くない状態では正しく位相を求めることはできるが、実際にはランダムノイズが含まれて計測されるため、境界部分ではどうしてもランダムノイズの影響を受けやすい現象が発生してくる。   4 and 5 show the process of applying the inverse function ArcCos from the original cos function. However, the phase can be obtained correctly in the absence of noise, but in reality, random noise is included and measured, so that a phenomenon that is apt to be influenced by random noise occurs at the boundary portion.

例えば、図4においてcos関数の0°の基準状態ではX(=cos0)が1であるが、現実にはランダムノイズが含まれることにより、最大値で規格化をした際に真値は1であるのに、低めのXの値がでてしまう。これは最終的に図5で示すX=1の近傍の領域52において、位相0°は正確には求まらず、少し大きい位相の値が出力されることを意味する。   For example, in FIG. 4, X (= cos 0) is 1 in the reference state of 0 ° of the cos function. However, since the random noise is actually included, the true value is 1 when standardized by the maximum value. Even though there is a lower X value. This means that, finally, in the region 52 in the vicinity of X = 1 shown in FIG. 5, the phase 0 ° is not accurately obtained and a slightly larger phase value is output.

上記の方法ではcos(z)を掛けることでcos(z)に対する、すなわち位相0°に対するf(z,φst,φ)の位相ずれを算出した。そして最終的にArcCosをとって求まった位相ずれから補正をすればいいわけであるが、ArcCosは図5に示すように0〜180°の値を返す。f(z,φst,φ)の位相が0°のとき、返されるArcCos(X)の値も図5の通り0°であるが、ArcCos(X)の出力が0°近傍の領域52において、入力値Xに対して位相の変化量は大きい。すなわち、ノイズにより少しでも入力値Xが変化してしまうと、求められる位相も大きく変化してしまう。つまりノイズに弱い。 In the above method, the phase shift of f (z, φ st , φ c ) with respect to cos (z), that is, with respect to phase 0 °, is calculated by multiplying cos (z). Then, correction can be made from the phase shift finally obtained by taking ArcCos, but ArcCos returns a value of 0 to 180 ° as shown in FIG. When the phase of f (z, φ st , φ c ) is 0 °, the returned value of ArcCos (X) is also 0 ° as shown in FIG. 5, but the region 52 where the output of ArcCos (X) is near 0 °. , The amount of change in phase with respect to the input value X is large. That is, if the input value X changes even a little due to noise, the required phase also changes greatly. In other words, it is vulnerable to noise.

そこでノイズに対して強い位相位置に補正を合わせるのが好ましいと考えられる。そこで、式(2)とは異なり、ノイズに強いπ/2ずれた位置に合わせるため、cos(z)の代わりに、位相変調関数としてcos(z+π/2)=−sin(z)をかけて、次の式(5)、(6)を得る。さらに2を乗じた後、ローパスフィルタ(例えば平均化)を適用することにより、式(7)を得る。   Therefore, it is considered preferable to adjust the phase position to be strong against noise. Therefore, unlike equation (2), in order to adjust to a position shifted by π / 2 which is resistant to noise, instead of cos (z), cos (z + π / 2) = − sin (z) is applied as a phase modulation function. The following formulas (5) and (6) are obtained. Further, after multiplying by 2, a low-pass filter (for example, averaging) is applied to obtain Equation (7).

得られた式(7)に対し、その逆関数はArcSinとなり、この値を取るのが好ましい。すなわち、測定対象関数と位相変調関数の乗算の結果である式(5)、(6)から導かれる値を入力Xとし、この入力Xを位相算出のための位相算出関数であるArcSinに与え、その値から各サンプリング点における位相ずれを求めることができる。図5に示す様に、f(z,φst,φ)の位相が0°のとき、ArcSin(X)の出力は0°近傍の領域53となり、領域52の様な発散系と異なり入力Xに対する位相の変化量は小さく、出力も0°となり、かつノイズに対して強い領域となる。 The inverse function of the obtained equation (7) is ArcSin, and it is preferable to take this value. That is, a value derived from Expressions (5) and (6), which is a result of multiplication of the measurement target function and the phase modulation function, is set as an input X, and this input X is given to ArcSin which is a phase calculation function for phase calculation. The phase shift at each sampling point can be obtained from the value. As shown in FIG. 5, when the phase of f (z, φ st , φ c ) is 0 °, the output of ArcSin (X) is a region 53 near 0 °, which is different from the divergent system like the region 52. The amount of change in phase with respect to X is small, the output is 0 °, and the region is strong against noise.

上記では、測定対象関数をcos関数としたときの位相変調関数がcos関数と−sin関数の2つの例を紹介した(以下の表1に示すパターン(3)とパターン(8)に対応する)。ここで、式(1)に対応する測定対象関数をf(z)、f(z)に対する位相変調関数をg(z)、最終的に算出したい位相ずれを導くための位相算出関数h(z)とすると、求めたい位相φは、以下の式(8)によって表される。   In the above, two examples of the phase modulation function when the measurement target function is the cos function are the cos function and the −sin function (corresponding to the pattern (3) and the pattern (8) shown in Table 1 below). . Here, the function to be measured corresponding to the equation (1) is f (z), the phase modulation function for f (z) is g (z), and the phase calculation function h (z for deriving the phase shift to be finally calculated ), The phase φ to be obtained is expressed by the following equation (8).

それぞれの関数の組み合わせにより、2×2×2の8パターンが基本形として存在する。これらをまとめて表1に示す。   There are 8 patterns of 2 × 2 × 2 as basic shapes depending on the combination of each function. These are summarized in Table 1.

パターン(1)やパターン(4)でも良いが、毎回、計算時にオフセット分の−90°を計算するのは、計算コストが高くなってしまう。したがって、(5)や(8)の組合せが好ましい。   Although the pattern (1) or the pattern (4) may be used, calculating the offset of −90 ° at the time of calculation increases the calculation cost. Therefore, the combination of (5) and (8) is preferable.

位相を求めるためにArcTanを用いることも多いが、図6に示されるように、入力Xが無限大でないと位相90°は求まらないため、ArcCosやArcSinと比べ感度の均一化はより難しいことが予想される。   ArcTan is often used to obtain the phase, but as shown in FIG. 6, since the phase 90 ° cannot be obtained unless the input X is infinite, it is more difficult to equalize the sensitivity compared to ArcCos and ArcSin. It is expected that.

尚、式(6)から式(7)におけるローパス、すなわち平均化であるが、第1項のsin(φst+φ)は定数値である一方、第2項のsin(2z+φst+φ)は三角関数の周期関数であるため、例えば−π〜+πの区間、ひいてはn*2*πの区間(nは正の整数)におけるサンプリングデータの平均値を求めることにより、第2項はキャンセリングされる(0になる)。すなわち、目的である第1項のみを取り出すには、例えば周期関数の最低限の1周期に相当する−π〜+πの区間の様に、周期関数のn周期に相当するn*2*πの区間におけるサンプリングデータの位相ずれの平均値を求める平均化を行えばよい。すなわち、周期関数のn周期に相当するn*2*πの区間における各サンプリング点の位相ずれの平均値から最終的な位相ずれを求めることができる。 Note that the low-pass, that is, averaging in the equations (6) to (7), that is, the first term sin (φ st + φ c ) is a constant value, while the second term sin (2z + φ st + φ c ). Is a periodic function of a trigonometric function. For example, the second term is canceled by obtaining an average value of sampling data in a section of −π to + π, and thus in a section of n * 2 * π (n is a positive integer). Done (becomes 0). That is, in order to extract only the target first term, for example, an interval of n * 2 * π corresponding to the n period of the periodic function, such as a section of −π to + π corresponding to the minimum one period of the periodic function. What is necessary is just to perform the average which calculates | requires the average value of the phase shift of the sampling data in an area. That is, the final phase shift can be obtained from the average value of the phase shifts at the respective sampling points in the interval of n * 2 * π corresponding to the n period of the periodic function.

ここで、注意すべき二点について述べる。
(注意点1)
φst+φの位相を求める際、S/Nの向上のために、一般的にはできるだけ広い区間を平均化することが検討される。ところで、これまでの説明では図2A〜図2Cに示すランダムノイズがない純粋な三角関数を仮定したが、白色干渉の場合にはコヒーレンス長が短いことから、次式で示されるような分光光学特性から決まるガウシアン分布の様な包絡線を伴った干渉波形が得られる。式(9)はランダムノイズが存在しない理想的なガウシアン分布に則った干渉信号の関数を示し、式(10)は現実的に不可避的なランダムノイズを考慮した干渉信号の関数を示している。
Here are two points to note.
(Note 1)
When obtaining the phase of φ st + φ c , in order to improve the S / N, it is generally considered to average as wide a section as possible. In the above description, the pure trigonometric function without random noise shown in FIGS. 2A to 2C is assumed. However, in the case of white light interference, the coherence length is short. An interference waveform with an envelope like a Gaussian distribution determined by Expression (9) shows a function of an interference signal in accordance with an ideal Gaussian distribution in which no random noise exists, and Expression (10) shows a function of an interference signal in consideration of practically inevitable random noise.

ここでμは包絡線の中心ピーク位置を示し、複素屈折率φと相対的な関係を持つ。σは光源の特性に依存するコヒーレンス長に対応する。 Here μ represents the central peak position of the envelope, having a relative relationship with the complex refractive index phi c. σ corresponds to the coherence length depending on the characteristics of the light source.

位相情報を求めるために包絡線を除去するため、システマチックエラーを含んだ状態に対して、求まった包絡線で式(10)を除すると、式(11)のようになる。   In order to remove the envelope in order to obtain the phase information, when the equation (10) is divided by the obtained envelope for the state including the systematic error, the equation (11) is obtained.

包絡線の中心位置であるμから遠ざかった位置、すなわちガウシアン分布の裾野では包絡線の値がゼロに近くなるため、その極限ではゼロ除算が発生する。すなわちノイズが拡張されてしまう。従って、白色光源のように、コヒーレンス長が有限の場合には平均化区間をむやみに大きくすることは有効ではない。そのため、平均化区間は、例えば一周期分に相当する−π〜+πを標準とするのが好ましい。すなわち、周期関数の1周期に相当する−π〜+πの区間における各サンプリング点の位相ずれの平均値から最終的な位相ずれを求める。言い換えると、波長に対してコヒーレンス長が非常に大きいレーザー(〜100m)等の場合、このような区間の限定の必要はないということが言える。   Since the envelope value is close to zero at a position away from μ, which is the center position of the envelope, that is, at the base of the Gaussian distribution, division by zero occurs at that limit. That is, noise is expanded. Therefore, when the coherence length is finite as in the case of a white light source, it is not effective to increase the averaging interval excessively. For this reason, it is preferable that the averaging interval be standard, for example, −π to + π corresponding to one period. That is, the final phase shift is obtained from the average value of the phase shifts at the respective sampling points in the section of −π to + π corresponding to one period of the periodic function. In other words, it can be said that such a section need not be limited in the case of a laser (˜100 m) having a very large coherence length with respect to the wavelength.

(注意点2)
サンプリング点数が多ければ影響度は小さくなるが、サンプリング点数が少ない場合には顕著になる問題がある。平均化するサンプリング点数が偶数個の場合は、周期関数においてちょうどキャンセリングされるため平均値を求めることが可能である。一方、サンプリング点数が奇数個の場合はキャンセリングされず、最後に余った1点により真値である平均値から余った1点分だけ位相がずれてしまう。
(Note 2)
If the number of sampling points is large, the degree of influence is small, but if the number of sampling points is small, there is a problem that becomes prominent. When the number of sampling points to be averaged is an even number, the average value can be obtained because it is canceled in the periodic function. On the other hand, when the number of sampling points is an odd number, the canceling is not performed, and the phase is shifted by one remaining point from the average value which is a true value due to the last remaining point.

そのため、平均化区間はn*2*π(例えば−π〜+π)であるが、平均化する点数は偶数個にすることが、位相の真値を求めるためには好ましい。例えば、データ数が8個の時は正しく位相90°が求まるが、9個の場合には余った1点の影響により真値とは異なった位相(例えば60°の位相)が求まってしまう。すなわち、偶数個のサンプリング点の位相ずれの平均値を求めて最終的な位相ずれを求める。   Therefore, although the averaging interval is n * 2 * π (for example, −π to + π), it is preferable to obtain an even number of points for averaging in order to obtain the true value of the phase. For example, when the number of data is 8, the phase 90 ° is obtained correctly, but when it is 9, a phase different from the true value (for example, a phase of 60 °) is obtained due to the influence of the remaining one point. That is, the average value of the phase shifts of the even number of sampling points is obtained to obtain the final phase shift.

以上の過程から複素屈折率φを含んだ状態ではあるものの、位相φst+φを求めることができるようになった。図7は全体の処理フロー図を示す。この処理により、求まった位相ずれ情報であるφst+φに基づき測定結果(観測結果)を補正することで、全ての測定点において同位相となり、サンプリングタイミングずれもそれぞれの計測点に対して相対的にゼロとなるため、システマチックエラーを除去できるようになる。図7はこれまでの説明のまとめであり、図1の走査型白色干渉顕微鏡100、特にそのコンピュータ30が行う処理フローを示している。このような処理はコンピュータ30が所定のアプリケーションを実行することにより行われるが、処理を行うハードウェア、ソフトウェア等の種類、記憶態様等は特に限定されない。 From the above process, the phase φ st + φ c can be obtained although the complex refractive index φ c is included. FIG. 7 shows an overall processing flow diagram. By this processing, the measurement result (observation result) is corrected based on φ st + φ c which is the obtained phase shift information, so that the same phase is obtained at all measurement points, and the sampling timing shift is also relative to each measurement point. Therefore, systematic errors can be eliminated. FIG. 7 is a summary of the description so far, and shows a processing flow performed by the scanning white interference microscope 100 of FIG. Such processing is performed by the computer 30 executing a predetermined application, but the type of hardware, software, etc., the storage mode, etc. for performing the processing are not particularly limited.

図7に示す様に、まずコンピュータ30は、測定結果である干渉信号から包絡線(ガウシアン分布に基づく包絡線等)を除去する(ステップS41)。続いてコンピュータ30は、ここで得られた測定対象関数の規格化を行う(ステップS42)。光源11が白色光源(白色干渉)の場合には、仮に求めた包絡線を用いて規格化を行うが、レーザーの場合には最大値で規格化を行う。   As shown in FIG. 7, first, the computer 30 removes an envelope (such as an envelope based on a Gaussian distribution) from the interference signal as a measurement result (step S41). Subsequently, the computer 30 normalizes the measurement target function obtained here (step S42). When the light source 11 is a white light source (white interference), normalization is performed using the temporarily obtained envelope, but in the case of a laser, normalization is performed with the maximum value.

次にコンピュータ30は、光源11の中心波長が既知という前提の下、規格化した測定対象関数に位相変調関数を乗算する(ステップS43)。ここでは、表1に示した基準に基づいて行うことが好ましい。   Next, the computer 30 multiplies the normalized measurement target function by the phase modulation function under the assumption that the center wavelength of the light source 11 is known (step S43). Here, it is preferable to carry out based on the criteria shown in Table 1.

次にコンピュータ30は、所定の区間における平均化処理を行う(ステップS44)。白色干渉の場合には−π〜+πの区間で平均化することが好ましい。レーザーの場合にはn*2*πの区間で平均化してもよい。   Next, the computer 30 performs an averaging process in a predetermined section (step S44). In the case of white light interference, it is preferable to average in the section of −π to + π. In the case of a laser, it may be averaged over an interval of n * 2 * π.

次にコンピュータ30は、上記の平均化区間における偶数個のサンプリング点について平均値を算出する(ステップS45)。さらにコンピュータ30は、乗算の結果から導かれる値を入力とする位相算出関数であるArcSinの値から、測定結果の補正量となる位相ずれ情報を求める(ステップS46)。最後にコンピュータ30は、求まった位相ずれ情報から測定結果を補正する(ステップS47)。具体的には、測定結果の値に対して位相ずれ情報を加算し、最終的な位相を得る。これにより本発明の干渉信号の位相補正方法が実施される。   Next, the computer 30 calculates an average value for an even number of sampling points in the averaging section (step S45). Further, the computer 30 obtains phase shift information that is a correction amount of the measurement result from the value of ArcSin that is a phase calculation function that receives a value derived from the result of multiplication (step S46). Finally, the computer 30 corrects the measurement result from the obtained phase shift information (step S47). Specifically, the phase shift information is added to the value of the measurement result to obtain the final phase. Thus, the interference signal phase correction method of the present invention is implemented.

上述した処理により、走査型白色干渉顕微鏡100はシステマチックエラーを除去することが可能となった。よって、非特許文献1や非特許文献2に記載されているシステマチックエラーの代表である2倍周期ノイズは削除できるようになった。しかしながら、この削除後においても複素屈折率φは依然として含まれたまま測定されている。すなわち、各サンプリング点における位相ずれは、サンプリングタイミングのずれに基づく位相ずれφstと、測定対象物の複素屈折率に基づく位相ずれφから構成されており、φstとφの各々が個別に求められていない。 Through the above-described processing, the scanning white interference microscope 100 can remove the systematic error. Therefore, the double period noise that is representative of systematic errors described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 can be deleted. However, even after this deletion, the complex refractive index φ c is still measured. That is, the phase shift at each sampling point is composed of a phase shift φ st based on the sampling timing shift and a phase shift φ c based on the complex refractive index of the measurement object, and each of φ st and φ c is individual. Not asked for.

ここで複素屈折率φを求める手法として、図8および図9に示すようにマクロな包絡線のピークに対して、干渉信号は水平にシフトしていることから、概算的に求めることは可能であることが予想される。複素屈折率は、光等の測定媒体の入力に対して応答遅れを示す指標に相当するからである。 As a method for obtaining the here complex refractive index phi c, the peak of the macro envelope as shown in FIGS. 8 and 9, since the interference signal is shifted horizontally, estimated to be available to determine It is expected that This is because the complex refractive index corresponds to an index indicating a response delay with respect to the input of a measurement medium such as light.

マクロな包絡線から最も近い最大値ピークから複素屈折率φを求めてしまうと、最大で以下の式(12)における位相誤差φerrorを含んで算出してしまう可能性がある。 If the complex refractive index φ c is obtained from the maximum peak closest to the macro envelope, there is a possibility that it is calculated including the phase error φ error in the following equation (12) at the maximum.

前述した様に、サンプリングタイミングのずれは均一かつ平坦な材料の測定対象物においても、傾いただけで発生してしまう。一方、複素屈折率は材料起因のため、傾いても複素屈折率φが大きく異なることはないと推定される。この特性を利用して、ある同一材料(同じ複素屈折率を有する測定点)に対して、図10に示すように光を照射する方向に対して垂直なXY面内において、その特定領域における各サンプリング点において位相ずれφst+φを得る。そして、各サンプリング点におけるこの位相ずれの平均値を、上述した要領により求めることにより、複素屈折率φを算出することができる。 As described above, the sampling timing shift occurs even when the measurement object is a uniform and flat material. On the other hand, the complex refractive index of the material due, complex refractive index phi c is estimated to vary from no greater inclined. Utilizing this characteristic, each of the specific regions in the XY plane perpendicular to the direction of irradiating light to the same material (measurement point having the same complex refractive index) as shown in FIG. A phase shift φ st + φ c is obtained at the sampling point. Then, the average value of the phase shift at each sampling point, by determining the manner described above, it is possible to calculate the complex refractive index phi c.

特に、取得した位相ずれφst+φを、周期関数の1周期の整数倍に相当するn*2*π(nは正の整数)の区間領域Aにおいて平均化することによりサンプリングタイミングずれはキャンセリングされる。一方、平均化した際にベースラインとして残る平均値が複素屈折率φとして抽出される。 In particular, the sampling phase shift is canceled by averaging the acquired phase shift φ st + φ c in the section area A of n * 2 * π (n is a positive integer) corresponding to an integral multiple of one period of the periodic function. Be ringed. On the other hand, the average value remains as a baseline upon averaging is extracted as the complex refractive index phi c.

図10ではn*2*πの区間領域Aの例として、2π(n=1)、4π(n=2)、6π(n=3)の例を示す。n*2*πよりあふれた分は真値からずれを生じさせてしまうためnは大きい方が好ましい。なぜなら、全体に対するあふれた分が占める割合が減り、影響度が小さくなるからである。また、上述した様に、サンプリングタイミングずれをキャンセリングさせるためのXY面の平均化区間n*2*πにおけるデータの個数は偶数個が好ましい。尚、本方法は材料、すなわち複素屈折率が大きく変動しないと推測される領域(区間領域A)に限定して行うことが好ましい。   FIG. 10 shows an example of 2π (n = 1), 4π (n = 2), and 6π (n = 3) as an example of the section region A of n * 2 * π. Since the portion overflowing from n * 2 * π causes a deviation from the true value, n is preferably larger. This is because the ratio of the overflowing portion to the whole is reduced and the influence is reduced. Further, as described above, the number of data in the averaging interval n * 2 * π of the XY plane for canceling the sampling timing deviation is preferably an even number. In addition, it is preferable to perform this method only in the area | region (section area A) where it is estimated that a material, ie, a complex refractive index, does not change a lot.

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。   In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A deformation | transformation, improvement, etc. are possible suitably. In addition, the material, shape, dimension, numerical value, form, number, arrangement location, and the like of each component in the above-described embodiment are arbitrary and are not limited as long as the present invention can be achieved.

本発明によれば、周期関数をもった物理現象をサンプリングする際に生じるサンプリングタイミング補正が可能となり、システマチックエラーを除去した測定が可能となる。   According to the present invention, it is possible to correct a sampling timing that occurs when sampling a physical phenomenon having a periodic function, and it is possible to perform measurement while removing a systematic error.

10 装置本体
11 光源(白色光源)
12 フィルタ(波長フィルタを含む)
13 ビームスプリッタ
14 二光束干渉対物レンズ(対物レンズ)
15 センサ
16 ピエゾアクチュエータ
20 ステージ
30 コンピュータ
100 走査型白色干渉顕微鏡
D 試料(測定対象物を含む)
10 Device body 11 Light source (white light source)
12 filters (including wavelength filters)
13 Beam splitter 14 Two-beam interference objective lens (objective lens)
15 Sensor 16 Piezo actuator 20 Stage 30 Computer 100 Scanning white interference microscope D Sample (including measurement object)

Claims (10)

測定対象物に測定媒体を照射して、周期関数を有する干渉信号を取得し、
前記干渉信号について複数のサンプリング点においてサンプリングを行い、
各サンプリング点における位相ずれを求め、当該位相ずれに基づき前記干渉信号の位相補正を行う、
干渉信号の位相補正方法。
Irradiate the measurement object to the measurement object, acquire an interference signal having a periodic function,
Sampling at a plurality of sampling points for the interference signal,
Obtain a phase shift at each sampling point, and perform phase correction of the interference signal based on the phase shift.
Interference signal phase correction method.
請求項1に記載の干渉信号の位相補正方法であって、
干渉信号の周期関数である三角関数の測定対象関数に位相変調のための位相変調関数を乗じ、
乗算の結果から導かれる値を入力とする、位相算出関数であるArcSinの値から各サンプリング点における位相ずれを求める、
干渉信号の位相補正方法。
A method for correcting a phase of an interference signal according to claim 1,
Multiply the target function of the trigonometric function, which is the periodic function of the interference signal, by the phase modulation function for phase modulation,
A phase shift at each sampling point is obtained from the value of ArcSin, which is a phase calculation function, with a value derived from the result of multiplication as an input.
Interference signal phase correction method.
請求項1または2に記載の干渉信号の位相補正方法であって、
前記周期関数のn周期に相当するn*2*πの区間(nは正の整数)における各サンプリング点の位相ずれの平均値から最終的な位相ずれを求める、
干渉信号の位相補正方法。
The phase correction method for interference signals according to claim 1 or 2,
A final phase shift is obtained from an average value of the phase shifts of the respective sampling points in an interval of n * 2 * π (n is a positive integer) corresponding to n periods of the periodic function.
Interference signal phase correction method.
請求項1に記載の干渉信号の位相補正方法であって、
前記測定媒体は、光源から照射される任意のコヒーレンス長を有する光である、
干渉信号の位相補正方法。
A method for correcting a phase of an interference signal according to claim 1,
The measurement medium is light having an arbitrary coherence length irradiated from a light source.
Interference signal phase correction method.
請求項4に記載の干渉信号の位相補正方法であって、
前記コヒーレンス長が有限の場合は、周期関数の1周期に相当する−π〜+πの区間における各サンプリング点の位相ずれの平均値から最終的な位相ずれを求める、
干渉信号の位相補正方法。
The method for correcting a phase of an interference signal according to claim 4,
When the coherence length is finite, a final phase shift is obtained from the average value of the phase shifts at the respective sampling points in a section of −π to + π corresponding to one period of the periodic function.
Interference signal phase correction method.
請求項1から5のいずれか1項に記載の干渉信号の位相補正方法であって、
偶数個のサンプリング点の位相ずれの平均値を求めて最終的な位相ずれを求める、
干渉信号の位相補正方法。
An interference signal phase correction method according to any one of claims 1 to 5,
Find the average phase shift of an even number of sampling points to find the final phase shift.
Interference signal phase correction method.
請求項1から6のいずれか1項に記載の干渉信号の位相補正方法であって、
前記測定媒体を照射する方向に対して垂直なXY面内において、各サンプリング点における位相ずれを構成するサンプリングタイミングのずれに基づく位相ずれおよび前記測定対象物の複素屈折率に基づく位相ずれを求める、
干渉信号の位相補正方法。
The phase correction method for an interference signal according to any one of claims 1 to 6,
Obtaining a phase shift based on a sampling timing shift constituting a phase shift at each sampling point and a phase shift based on the complex refractive index of the measurement object in an XY plane perpendicular to the direction in which the measurement medium is irradiated;
Interference signal phase correction method.
請求項7に記載の干渉信号の位相補正方法であって、
前記XY面内の特定領域において各サンプリング点の位相ずれの平均値を求めることにより、当該特定領域の複素屈折率を求める、
干渉信号の位相補正方法。
The phase correction method for interference signals according to claim 7,
By obtaining the average value of the phase shift of each sampling point in the specific area in the XY plane, the complex refractive index of the specific area is obtained.
Interference signal phase correction method.
請求項8に記載の干渉信号の位相補正方法であって、
前記特定領域は、周期関数の1周期の整数倍の領域に相当するn*2*π(nは正の整数)の区間領域である、
干渉信号の位相補正方法。
The phase correction method for interference signals according to claim 8,
The specific area is a section area of n * 2 * π (n is a positive integer) corresponding to an area that is an integral multiple of one period of the periodic function.
Interference signal phase correction method.
請求項9に記載の干渉信号の位相補正方法であって、
前記特定領域における偶数個のサンプリング点の位相ずれの平均値から前記特定領域の複素屈折率を求める、
干渉信号の位相補正方法。
A method for correcting a phase of an interference signal according to claim 9,
Obtaining a complex refractive index of the specific region from an average value of phase shifts of an even number of sampling points in the specific region;
Interference signal phase correction method.
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