用于计算物体表面的高度图的方法和系统技术方案

用于计算物体表面的高度图的方法和系统。在用于从通过光学系统扫描物体表面的光学2.5D轮廓的图像栈计算物体表面的高度图的方法和系统中，在相对于物体表面的不同高度位置处扫描焦平面。在焦平面的各高度位置处拍摄图像以形成图像栈。扫描所述焦平面包括长距离感测和短距离感测焦平面的位移以感测低空间频率分量和高空间频率分量。通过将低空间频率分量和高空间频率分量结合估算焦平面的高度位置。基于估算的各相应焦平面的高度位置计算图像栈中各图像的高度位置。将图像栈的图像插值到等距的高度位置以获得校正的图像栈。从校正的图像栈计算物体表面的高度图。

【技术实现步骤摘要】
用于计算物体表面的高度图的方法和系统
本专利技术涉及通过光学系统扫描物体表面的光学2.5D轮廓领域中的方法和系统。更具体地，本专利技术涉及用于从在该扫描光学轮廓中的图像栈计算物体表面的高度图的方法和系统。光学系统被构造成在相对于物体表面的不同高度位置处扫描焦平面、在各高度位置处拍摄图像以形成图像栈并且从该图像栈计算物体表面的高度图。本文中扫描光学2.5D轮廓包括像白光干涉仪(WhiteLightInterferometry，即，WLI)、结构照明显微镜(StructuredIlluminationMicroscopy，即，SIM)、变焦(PonitFromFocus，同义词：FocusVariation)显微镜、共聚焦显微镜等的技术。
技术介绍
在光学扫描2.5D轮廓仪中，光学传感器系统相对于试验样品扫描。在各扫描位置处记录样品的图像以生成图像栈。将这些图像进行处理以计算高度图。在大多数用于从图像栈计算高度图的算法中，采用所有图像之间的恒定光程长度差(步长)、或者至少需要已知拍摄各图像的精确位置。实际上，由于伺服误差或者内部和外部振动源，图像之间的步长将存在误差。这些步长的误差将相应地导致结果高度图的误差。本文中讨论WLI作为示例来说明这些误差。在干涉仪中，光束被分成两束：测量光束和参考光束。当两束光重新结合时，可以记录干涉图样(条纹)随着测量光束和参考光束之间的路径长度差的变化。在窄角分布的完全相干光的情况下，干涉图样将不确定地拉伸。在这种情况下，根据干涉图样求解路径长度差是不明确的。通过降低光谱相干性(使用宽带光谱，也称为白光)，将会减小干涉图样的长度(相干长度)并且测量光束和参考光束之间的路径长度差能够由条纹图样决定。在应用WLI进行样品的表面测量时，相对于样品表面竖直地扫描焦平面。在各焦点位置处拍摄图像。结合的图像形成3D图像栈。该图像栈的各横向位置定义了干涉图。从各干涉图能够确定出在样品的横向位置处的局部高度位置。大多数市售的WLI设备被指定为测量具有仅几纳米(nm)的重复性的高度图。通过使用傅里叶变换(FT)方法完成干涉数据的分析。在标准的FT方法中，计算记录的干涉信号的傅里叶变换或快速傅里叶变换。作为示例，首先可以计算所记录的干涉信号的FT。接下来，可以将除了对应于照明光谱的正空间频率之外的所有的频率贡献设置为零。通过进行傅立叶逆变换，所获得的信号的模数表示原始干涉图案的包络函数，而幅角(argument)表示原始干涉图案的中心波长的相位。通过确定重量中心找到包络线的顶点。该顶点能够用作局部样品高度的第一估算值。接下来，通过展开相位的线性插值来找到最近的相位过零点(phase-zero-crossing)。与相位过零点相对应的位置提供了高精度的样品高度。其它人使用了FT方法的变型，也使用了其它方法。然而，这些方法对于非等距扫描步进都具有几乎相同的灵敏度。标准的FT方法采用完全等距扫描步进。如果扫描步进并非完全等距，则在结果高度图中将存在误差。能够区分关于非等距扫描步进的三种误差：1.如果非等距误差小，这将导致包络线顶点和相位过零点两者的小的偏移。这导致了所测量的高度图中对应于试验样品内的高度变化的波纹。2.如果这些步进中的非等距离大，则相位过零点定位算法可能会对齐到一个相邻的相位过零点。这种类型的误差在高度图中以离散跳跃的形式出现，大小为半中心波长的整数倍。3.局部平均扫描步长可能会在整个扫描范围内变化。由于标准算法采用例如恰好为50nm、60nm或70nm的固定扫描步进，该效果将导致比例误差。因此，高度图将被压缩或拉伸。该效果将导致例如在测量步进高度(stepheight)时的系统误差。因此，特别是当所记录的图像栈的图像位置中的误差是由扫描误差、振动或伺服电机误差引起的时候，仍然需要对WLI测量的精度(步进高度测量)和重复性两者进行改进。
技术实现思路
期望的是提供一种改进的或者可选的方法和装置来改进所记录的物体的图像位置。还期望的是改进在扫描光学2.5D轮廓中的高度图测量的精度。还期望的是改进在扫描光学2.5D轮廓中的高度图测量的重复性。还期望的是改进在扫描误差、振动或伺服电机误差的情况下的高度图测量的精度。为了更好的解决这些问题中的一个或多个问题，本专利技术的第一方面提供一种用于从通过光学系统扫描物体表面的光学2.5D轮廓的图像栈计算物体表面的高度图的方法。所述方法包括：在相对于所述物体表面的不同高度位置处扫描焦平面；在所述焦平面的各高度位置处拍摄图像以形成图像栈，其中，扫描所述焦平面包括：-长距离感测所述焦平面的位移以感测低空间频率分量；-短距离感测所述焦平面的位移以感测高空间频率分量；以及-通过将所述低空间频率分量和所述高空间频率分量结合估算所述焦平面的高度位置；基于估算的各相应焦平面的高度位置计算所述图像栈中各图像的高度位置；将所述图像栈的所述图像插值到等距的高度位置以获得校正的图像栈；以及从校正的所述图像栈计算所述物体表面的所述高度图。通过使用两种不同类型的位移感测(一方面使用用于感测位移的低空间频率分量的长距离感测(longrangesensing)，另一方面使用用于感测位移的高空间频率分量的短距离感测(shortrangesensing)，能够计算出物体、特别是物体表面和对应于各焦平面的光学系统之间的真实距离的最佳估算值。长距离感测在记录低空间频率运动或位移时特别精确，而短距离感测在记录高空间频率运动或位移时特别精确。通过将低空间频率分量和高空间频率分量结合，能够获得物体表面和光学系统的焦平面(即，相对于物体表面的焦平面的高度位置)之间的距离的特别精确的估算值。在该结合操作中，滤波器可以用于选择长距离感测和短距离感测提供的最合适的空间频率。例如，可以对由长距离感测测量的低空间频率分量进行滤波以去除高空间频率分量。可选地或者另外地，可以对由短距离感测测量的高空间频率分量进行滤波以去除低空间频率分量。滤波可以包括使用滑动平均滤波器、在频域中使用傅里叶变换的滤波器或者任何其它合适的数字功能(digitalfunction)。插值步骤包括使用对应于各焦平面相对应的高度位置的估算值将图像栈强度插值到所有焦平面之间的等距的距离。所述插值步骤可以包括进行线性插值、样条插值或者三次插值。在本方法的实施方式中，所述长距离感测包括光学、机械或者电容编码，特别地包括线性编码。可以使用包括光学、机械或电容编码器、特别是线性编码器的长距离型位移传感器进行长距离感测。在本方法的实施方式中，所述短距离感测包括感测振动。可以使用包括至少一个振敏传感器(vibrationsensitivesensor)、特别是加速度计或者激光多普勒测振仪(LDV)的短距离型位移传感器进行短距离感测。在实施方式中，LDV包括片上系统(systemonachip)或者光子集成装置(photonicintegrateddevice)。在本方法的实施方式中，从所述光学系统、特别地从所述光学系统的物镜进行所述短距离感测。为此，将至少一个短距离型位移传感器安装于光学系统、特别地安装于光学系统的物镜。如果能够假设物体或物体平台比光学系统受到振动的影响小，则将至少一个短距离型位移传感器安装到光学系统、特别地安装到光学系统的物镜可能就足够本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于计算物体表面的高度图的方法，其从通过光学系统扫描物体表面的光学2.5D轮廓的图像栈计算物体表面的高度图，所述方法包括：在相对于所述物体表面的不同高度位置处扫描焦平面；在所述焦平面的各高度位置处拍摄图像以形成图像栈，其中，扫描所述焦平面包括：‑长距离感测所述焦平面的位移以感测低空间频率分量；‑短距离感测所述焦平面的位移以感测高空间频率分量；以及‑通过将所述低空间频率分量和所述高空间频率分量结合估算所述焦平面的高度位置；基于估算的各相应焦平面的高度位置计算所述图像栈中各图像的高度位置；将所述图像栈的所述图像插值到等距的高度位置以获得校正的图像栈；以及从校正的所述图像栈计算所述物体表面的所述高度图。

【技术特征摘要】
2017.04.26 EP 17168243.81.一种用于计算物体表面的高度图的方法，其从通过光学系统扫描物体表面的光学2.5D轮廓的图像栈计算物体表面的高度图，所述方法包括：在相对于所述物体表面的不同高度位置处扫描焦平面；在所述焦平面的各高度位置处拍摄图像以形成图像栈，其中，扫描所述焦平面包括：-长距离感测所述焦平面的位移以感测低空间频率分量；-短距离感测所述焦平面的位移以感测高空间频率分量；以及-通过将所述低空间频率分量和所述高空间频率分量结合估算所述焦平面的高度位置；基于估算的各相应焦平面的高度位置计算所述图像栈中各图像的高度位置；将所述图像栈的所述图像插值到等距的高度位置以获得校正的图像栈；以及从校正的所述图像栈计算所述物体表面的所述高度图。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插值步骤包括进行线性插值、样条插值或者三次插值。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述长距离感测包括光学、机械或者电容编码，特别地包括线性编码。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述短距离感测包括感测振动。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，从所述光学系统、特别地从所述光学系统的物镜进行所述短距离感测。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述短距离感测包括感测所述光学系统相对于所述物体或者相对于支撑所述物体的物体平台的位移。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还从所述物体或者从支撑所述物体的物体平台进行所述短距离感测，并且所述短距离感测基于由从所述光学系统进行的所述短距离感测所感测到的位移和由从所述物体或从支撑所述物体的所述物体平台进行的所述短距离感测所感测到的位移之间的差异。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：对来自所述长距离感测的测量进行滤波以去除高空间频率分量，和/或对来自所述短距离感测的测量进行滤波以去除低空间频率分量。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述滤波包括使用滑动平均滤波器或者在频域中使用傅里叶变换的滤波器。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在获得校正的所述图像栈之前，还包括：感测所述图像栈的各图像的横向位移误差；以及如果感测到任一图像的横向位移误差，则对所述任一图像进行横向移位或插值以校正所述横向位移误差。11.一种用于计算物体表...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·奎达克尔斯，
申请(专利权)人：株式会社三丰，
类型：发明
国别省市：日本,JP