形状測定方法
【課題】正確な表面形状測定を行うことができる形状測定方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る形状測定方法は、被検物と撮像光学系との間の光軸方向距離を変化させて、光軸方向距離に応じた複数の被検物の測定画像を撮像取得するステップ（プＳ１０１〜Ｓ１０３）と、前記ステップで取得した複数の測定画像に基づいてそれぞれ、被検物の表面の高さを複数算出するステップ（Ｓ１０４）と、前記ステップで複数算出した被検物の表面の高さに基づいて、複数の測定画像の中から、撮像光学系が被検物に対して合焦状態となる光軸方向距離に対応した合焦測定画像を決定するステップ（Ｓ１０５〜Ｓ１０６）と、前記ステップで決定した合焦測定画像に基づいて被検物の表面の高さを算出する第４のステップ（Ｓ１０７〜Ｓ１０８）とを有している。
【解決手段】本発明に係る形状測定方法は、被検物と撮像光学系との間の光軸方向距離を変化させて、光軸方向距離に応じた複数の被検物の測定画像を撮像取得するステップ（プＳ１０１〜Ｓ１０３）と、前記ステップで取得した複数の測定画像に基づいてそれぞれ、被検物の表面の高さを複数算出するステップ（Ｓ１０４）と、前記ステップで複数算出した被検物の表面の高さに基づいて、複数の測定画像の中から、撮像光学系が被検物に対して合焦状態となる光軸方向距離に対応した合焦測定画像を決定するステップ（Ｓ１０５〜Ｓ１０６）と、前記ステップで決定した合焦測定画像に基づいて被検物の表面の高さを算出する第４のステップ（Ｓ１０７〜Ｓ１０８）とを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業製品等の表面形状（三次元形状）を測定する形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定装置がある。光学式三次元形状測定装置も種々の方式、構成のものがあるが、被検物に所定の投影パターン（縞模様や、格子模様）を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置（各画素）での縞の位相を求めて各画像位置の高さを算出し、被検物の三次元形状を測定するものがある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
このような装置においては、例えば、被検物（測定対象物）の表面に縞パターンからなる投影パターンを投影し、投影方向と異なる角度から被検物に投影された縞パターンを撮像し、三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。
【０００４】
その構成例を図６に示しており、光源５１からの光が縞模様の投影パターンマスク５２および投影レンズ５３を通して被検物５４の表面に投影される。被検物５４の表面に投影された投影パターンマスク５２の縞模様は、被検物５４の表面三次元形状に応じて変形され、このように変形された被検物５４の表面のパターンを、投影方向と異なる角度から撮像レンズ５５を介して撮像装置（例えば、ＣＣＤセンサ）により撮像されて、演算処理装置５７に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置５７においては、このように撮像された被検物表面の撮像画像データを三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。
【特許文献１】特開２０００−９４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、被検物に照射された光はどの方向にも一様な強度で反射する、すなわち完全拡散反射するという前提の下で上述の三次元形状測定が行われているが、実際には被検物の表面は完全拡散面ではなく、鏡面反射面としての性格も有しており、この鏡面反射光の影響を受けて縞パターン位置がずれて撮像され、三次元形状測定に誤差が生じるという問題がある。
【０００６】
この問題について、図７〜図９を参照して詳しく説明する。まず、被検物表面Ａが完全拡散面であると、図７に示すように被検物表面Ａにビーム光６１を照射した場合、その反射光分布６２は全方向に同一強度となる。このため、被検物表面Ａをどの方向から撮像しても同一の撮像効果が得られる。一方、被検物表面Ａが鏡面である場合には、図８に示すように被検物表面Ａにビーム光６１を照射した場合、その反射光は、正反射方向の光６３が最大強度を有し、その両側に向かって強度が小さくなる反射光強度分布６４となる。このため、被検物表面Ａを正反射光６３とは異なる方向の反射光、例えば、図において符号６５で示す反射光を受ける方向から撮像すれば光の強度分布が不均一となる。
【０００７】
具体的には、図示のように、反射光６５を、撮像レンズ６６を介してＣＣＤカメラ６７で撮像した場合、被検物表面Ａにおけるビーム光６１の照射点Ｂの像が撮像レンズ６６により合焦されてＣＣＤカメラ６７により撮像されたときには、図９（ａ）に示すように照射点Ｂを示す点画像となり、強度分布が不均一となる問題は生じない。すなわち、合焦位置での撮像画像は鏡面反射光の影響を受けることはない。しかしながら、ＣＣＤカメラ６７が合焦位置から外れた位置に位置する場合には、照射点Ｂが広がった像となり、図９（ｂ）に示すように、所定の大きさの円状の像Ｂ′が撮像される。このとき、鏡面反射光は正反射方向の強度が最大でここから離れるに従って強度が低下する分布を有する光であるため、図示のように、この像Ｂ′は、正反射光に近い方が明るく、これから遠ざかるに応じて暗くなる像となる。このような光強度分布を有した像Ｂ′に基づいて被検物表面Ａにおけるビーム光６１の照射点Ｂを算出するときには、像Ｂ′の光強度分布の中心点Ｂ（０）を照射点の位置であると算出するため、図示のように実際の照射点Ｂに対して算出された照射点位置Ｂ（０）がΔｄだけずれることになる。このようなずれを有して三次元形状測定を行った場合、当然ながらその測定結果が誤差を有するという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、正確な表面形状測定を行うことができる形状測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的達成のため、本発明に係る形状測定方法は、撮像光学系を用いて撮像した被検物の撮像結果に基づき被検物の形状を測定する形状測定方法であって、被検物に形状測定のためのパターンを投影する第１のステップと、パターンが投影された被検物の撮像を、撮像光学系の光軸方向における被検物と撮像光学系との間の距離を変化させて複数回行う第２のステップと、第２のステップで得られた各撮像結果の中の投影されたパターンが合焦状態または合焦状態に近い部分に基づいて形状測定を行う第３のステップとを有している。
【００１０】
なお、第２のステップで得られた各撮像結果から投影されたパターンが合焦状態または合焦状態に近い部分を抽出した合焦画像を合成する第４のステップをさらに有することが好ましい。
【００１１】
また、第２の本発明に係る形状測定方法は、撮像光学系を用いて撮像した被検物の測定画像に基づき被検物の形状を測定する形状測定方法であって、被検物と撮像光学系との間の光軸方向距離を変化させて、光軸方向距離に応じた複数の被検物の画像を撮像取得する第１のステップと、第１のステップで取得した複数の画像に基づいてそれぞれ、被検物の形状を複数算出する第２のステップと、第２のステップで複数算出した被検物の形状に基づいて、複数の画像の中から、撮像光学系が被検物に対して合焦状態となる光軸方向距離に対応した合焦測定画像を決定する第３のステップと、第３のステップで決定した合焦測定画像に基づいて被検物の形状を算出する第４のステップとを有している。
【００１２】
なお、所定の投影パターンを被検物に投影し、投影パターンの投影方向と異なる方向から撮像光学系を用いて撮像した被検物の画像に基づき被検物の形状を測定する形状測定方法の場合、撮像光学系の開口数をＮＡとし、撮像光学系による撮像範囲に対応した画像における１ピクセルあたりの長さをＡｐとし、被検物の表面状態により決まる状態係数をＳとし、第１のステップにおいて複数の画像を撮像取得する際に光軸方向距離を変化させる１ピッチあたりの変化量をΔＺとしたとき、次式
ΔＺ＜Ａｐ／ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）｝×Ｓ
の条件を満足することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、正確な表面形状測定を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。第１実施形態に係る形状測定方法が用いられる三次元形状測定装置の概略構成を図１に示しており、まず、この形状測定装置について、図１を参照しながら説明する。なお、図１において、図１（ａ）および図１（ｂ）にそれぞれ形状測定装置Ｍ１を示しているが、これは同一のものであり、説明の便宜上、被検物の相対位置を第１位置（Ｚ１位置）に設定したものを図１（ａ）に示し、被検物の相対位置を第２位置（Ｚ２位置）に設定したものを図１（ｂ）に示している。
【００１５】
この形状測定装置Ｍ１は、光源１と、光源１からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク２と、投影パターンマスク２を通過した光源１からの光を被検物１０の表面に投影させる投影レンズ３とからなるパターン投影系ＭＡ１と、被検物１０からの反射光を撮像レンズ６を介して撮像する撮像装置７からなる撮像光学系ＭＢ１とを有して構成される。
【００１６】
パターン投影系ＭＡ１において、投影パターンマスク２は例えば液晶素子により構成され、任意の形状およびピッチのパターン（例えば、正弦波状の縞模様パターンや、格子状パターン等）を形成することができるようになっている。これにより、光源１からの光をこの投影パターンマスク２に通過させ、投影レンズ３により集光させることで、投影パターンマスク２により形成された所望の投影パターンを被検物１０の表面に投影させることができる。なお、図１では、理解を容易にするために濃淡による０／１パターンとなっているが、実際には、濃淡による０〜２πの位相を有するパターンを用いることができる。
【００１７】
撮像光学系ＭＢ１において、撮像装置７は、被検物１０からの光を受けて被検物１０を撮像するＣＣＤカメラ等から構成される。また、撮像装置７により撮像された被検物１０の画像データは、演算処理装置９に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物１０の表面の高さが算出され、被検物１０の三次元形状（表面形状）が求められる。
【００１８】
なお、パターン投影系ＭＡ１および撮像光学系ＭＢ１は一つのフレーム（図示せず）により一体に固定されて構成され、被検物１０は図示しない支持台上に載置されて支持される。また、この支持台をパターン投影系ＭＡ１および撮像光学系ＭＢ１が固定されたフレームに対して光軸方向に相対移動させる位置調整器（図示せず）が設けられ、この位置調整器を用いて、パターン投影系ＭＡ１および撮像光学系ＭＢ１に対して被検物１０を光軸方向に相対移動させる光軸方向位置調整が可能になっている。
【００１９】
次に、以上のように構成された形状測定装置Ｍ１による被検物１０の形状測定方法について、図２に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。この測定に際しては、まず、ステップＳ１０１において、被検物１０を位置調整器により所定の第１光軸方向位置（Ｚ１位置）に位置させる。この状態を図１（ａ）に示しており、被検物１０が第１光軸方向位置に位置する状態で、光源１からの光を投影パターンマスク２および投影レンズ３を介して被検物１０に照射させて被検物１０の表面に投影パターンを投影する。このように投影されて被検物１０から反射する光は、撮像レンズ６を介して集光されて撮像装置７に入射する。
【００２０】
次に、ステップＳ１０２において、撮像装置７により、被検物１０に投影された投影パターンを撮像する。撮像により得られた被検物１０の測定画像データは、撮像装置７から演算処理装置９に送られる。なお、三角測量の原理を用いる場合、位相接続のため、撮像装置７による撮像は、投影パターンマスク２により投影パターンのピッチ（縞模様の間隔）を変えて複数回行われ、一組の測定画像データ群が取得される。
【００２１】
ところで、撮像装置７の画素数を１０００×１０００ピクセルとし、撮像範囲を１００×１００ｍｍとすると、撮像範囲における１ピクセルあたりの長さは、１００ｍｍ／１０００＝１００μｍとなる。撮像光学系ＭＢ１の分解能がこの値に近いか小さいと、被検物１０と撮像装置７（ＣＣＤカメラ）との間でモアレが生じて測定が不安定になる。そのため、撮像光学系ＭＢ１の分解能は、撮像範囲における１ピクセルあたりの長さより大きいことが望ましい。
【００２２】
なお、撮像光学系ＭＢ１の分解能をｄとし、撮像光学系ＭＢ１の開口数をＮＡとし、光の波長をλとしたとき、顕微鏡における（斜入射での）分解能の式ｄ＝λ／（２×ＮＡ）を採用すると、ＮＡ＝λ／（２×ｄ）となる。このとき、撮像光学系ＭＢ１の分解能を、撮像範囲における１ピクセルあたりの長さ（１００μｍ）より大きい２００μｍとすると、λ≒０．５μｍとして、ＮＡ＝０．５μｍ／（２×２００μｍ）≒０．００１２となり、撮像光学系ＭＢ１の開口数が０．００１２と決まる。
【００２３】
次に、ステップＳ１０３において、位置調整器により被検物１０を第１光軸方向位置（Ｚ１位置）から光軸方向にΔＺずつ移動させ、各光軸方向位置について、ステップＳ１０１〜Ｓ１０２と同様に、被検物１０の表面に投影パターンを投影して、被検物１０に投影された投影パターンを撮像する。なお、被検物１０が第１光軸方向位置（Ｚ１位置）から光軸方向にΔＺだけ移動して第２光軸方向位置（Ｚ２位置）に位置する状態を図１（ｂ）に示す。
【００２４】
ここで、図３に示すように、被検物１０の高さ方向に対し角度θをなす方向から投影パターンを投影し、被検物１０の高さ方向から被検物１０に投影された投影パターンを撮像した場合、被検物１０がΔＺだけ移動したときの投影パターンの位置ずれΔｂは、撮像光学系ＭＢ１がテレセントリックの状態のとき、Δｂ＝ΔＺ×ｔａｎθとなる。また、被検物１０の表面状態により、テレセントリックの状態から外れることを考慮すると、撮像光学系ＭＢ１の開口数をＮＡとおけば、被検物１０がΔＺだけ移動したときの投影パターンの最大位置ずれΔｂｍは、Δｂｍ＝ΔＺ×ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）｝となる。
【００２５】
この投影パターンの最大位置ずれが、撮像範囲における１ピクセルあたりの長さより十分に小さければ、被検物１０がΔＺだけ移動しても、あるピクセルにおける投影パターンの位置ずれが隣接するピクセルに掛かることはない。そのため、撮像範囲における１ピクセルあたりの長さをＡｐとすると、次の（１）式を満足することが望ましい。なお、Ｓは被検物１０の表面状態により決まる状態係数であり、経験的に求められる。
【００２６】
ΔＺ＜Ａｐ／ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）｝×Ｓ …（１）
【００２７】
なお、撮像装置７の画素数を１０００×１０００ピクセルとし、撮像範囲を１００×１００ｍｍとすると、撮像範囲における１ピクセルあたりの長さＡｐは、前述したように１００μｍとなる。またこのとき、前述したように、撮像光学系ＭＢ１の開口数ＮＡは０．００１２と決まる。そして、Ｓ＝１とすると、Ａｐ／ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）｝×Ｓ＝１００μｍ／ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（０．００１２）｝≒８０ｍｍ（８００００μｍ）となる。（１）式より、ΔＺ＜８０ｍｍである必要があり、このとき例えば、８０ｍｍの１／１００である（すなわち、８０ｍｍより十分に小さい）０．８ｍｍが、実際のΔＺとして決定される。
【００２８】
次に、ステップＳ１０４において、演算処理装置９で所定の演算処理を行うことにより、撮像装置７から送られた測定画像データに基づいて、三角測量の原理等を用いて被検物１０の表面の高さを算出する。このとき、ΔＺずつ移動させた各光軸方向位置について、すなわち、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３で得られた複数の測定画像データに基づいてそれぞれ、被検物１０の表面の高さを（複数）算出する。
【００２９】
次に、ステップＳ１０５において、各光軸方向位置について算出した複数の（例えば、被検物１０をΔＺずつ９回移動させて測定画像データを取得したときは１０個の）被検物１０の表面の高さを平均し、被検物１０の表面の高さの平均値を算出する。
【００３０】
次に、ステップＳ１０６において、ステップＳ１０５で算出した被検物１０の表面の高さの平均値と、各光軸方向位置について算出した被検物１０の表面の高さとを比較して、平均値に近い被検物１０の表面の高さを選択し、この被検物１０の表面の高さが算出された測定画像を、撮像光学系ＭＢ１が被検物１０に対して合焦状態となるときの（光軸方向距離に対応した）合焦測定画像と決定する。
【００３１】
なお、ステップＳ１０４〜Ｓ１０６は、測定画像における各ピクセル（画素）について行われ、ステップＳ１０７において、ステップＳ１０６でピクセル毎に決定した合焦測定画像から、各合焦測定画像に対応するピクセルを抜き出して繋ぎ合わせ、仮想の合焦画像を作成する。
【００３２】
そして、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０７で作成した合焦画像データに基づいて、三角測量の原理等を用いて被検物１０の表面の高さを算出する。
【００３３】
この結果、第１実施形態の形状測定方法によれば、合焦状態に近い状態で撮像取得された合焦測定画像に基づいて被検物１０の表面の高さを算出するため、鏡面反射光の影響を受けない合焦状態に近い状態での測定点におけるより正確な輝度を知ることができることから、鏡面反射光の影響を排除して正確な表面形状測定を行うことが可能になる。また、上述の（１）式の条件を満足することにより、被検物１０がΔＺだけ移動しても、あるピクセルにおける測定点の位置ずれが隣接するピクセルに掛かることはないので、より正確な表面形状測定を行うことが可能になる。
【００３４】
なお、上述の第１実施形態において、状態係数Ｓを経験的に求めているが、これに限られるものではなく、状態係数を測定により求めることも可能である。例えば、開口数の異なるか、もしくは撮像方向の異なる複数の撮像光学系を用意し、まず、これらの撮像光学系を用いて、被検物の測定画像をそれぞれ撮像取得する。そして、複数の撮像光学系によりそれぞれ撮像取得した測定画像に基づいて、具体的には、各測定画像における輝度の比に基づいて、鏡面反射の影響を考慮した反射光の光軸の角度を算出し、この角度と光学系の開口数から、状態係数を決定する。このようにすれば、測定により状態係数を自動的に決定することが可能になり、また、形状測定装置に対する測定手順の登録時に、状態係数を算出することが可能である。
【００３５】
続いて、形状測定方法の第２実施形態について、図４を参照しながら説明する。なお、図４において、図４（ａ）および図４（ｂ）にそれぞれ第２実施形態に係る形状測定装置Ｍ２を示しているが、これは同一のものであり、説明の便宜上、被検物の相対位置を第１位置（Ｙ１位置）に設定したものを図４（ａ）に示し、被検物の相対位置を第２位置（Ｙ２位置）に設定したものを図４（ｂ）に示している。
【００３６】
第２実施形態の形状測定装置Ｍ２は、光源２１と、光源２１からの光を集光するコンデンサレンズ２２と、コンデンサレンズ２２を通過した光源２１からの光を被検物３０の表面に照射させる結像レンズ２４とからなる照明光学系ＭＡ２と、被検物３０からの反射光をミラー２３および撮像レンズ２６を介して撮像する撮像装置２７からなる撮像光学系ＭＢ２とを有して構成される。なお、被検物３０は、所定の媒質３２（例えば、着色された水）で満たされた透明の水槽３１内に載置される。
【００３７】
撮像光学系ＭＢ２において、撮像装置２７は、被検物３０からの光を受けて被検物３０を撮像するＣＣＤカメラ等から構成される。ここで所定の画像演算処理がなされて被検物１０の表面の高さが算出され、被検物１０の三次元形状（表面形状）が求められる。ミラー２３は、コンデンサレンズ２２と結像レンズ２４との間に設けられ、コンデンサレンズ２２からの光を結像レンズ２４および被検物３０に向けて透過させるとともに、被検物３０からの光を撮像レンズ２６および撮像装置２７に向けて反射させるようになっている。これにより、第２実施形態の形状測定装置Ｍ２は、照明光学系ＭＡ２による照明方向と、撮像光学系ＭＢ２による撮像方向とが、実質的に同じ方向になっている。
【００３８】
なお、照明光学系ＭＡ２および撮像光学系ＭＢ２は一つのフレーム（図示せず）により一体に固定されて構成され、被検物１０は水槽３１内に設けられた支持台（図示せず）上に載置されて支持される。また、この支持台を照明光学系ＭＡ２および撮像光学系ＭＢ２が固定されたフレームに対して光軸方向に相対移動させる位置調整器（図示せず）が設けられ、この位置調整器を用いて、照明光学系ＭＡ２および撮像光学系ＭＢ２に対して被検物１０を光軸方向に相対移動させる光軸方向位置調整が可能になっている。
【００３９】
次に、第２実施形態の形状測定装置Ｍ２による被検物３０の形状測定方法について、図５に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。この測定に際しては、まず、ステップＳ２０１において、被検物３０を位置調整器により所定の第１光軸方向位置（Ｙ１位置）に位置させる。この状態を図４（ａ）に示しており、被検物３０が第１光軸方向位置に位置する状態で、光源２１からの光を、コンデンサレンズ２２、ミラー２３、結像レンズ２４、および媒質３２を介して被検物３０に照射させる。このように投影されて被検物３０から反射する光は、媒質３２、結像レンズ２４、ミラー２３、および撮像レンズ２６を介して撮像装置２７に入射する。
【００４０】
次に、ステップＳ２０２において、撮像装置２７により、照明光が照射された被検物３０を撮像する。撮像により得られた被検物３０の測定画像データは、撮像装置２７から演算処理装置２９に送られる。
【００４１】
次に、ステップＳ２０３において、位置調整器により被検物３０を第１光軸方向位置（Ｙ１位置）から光軸方向にΔＹずつ移動させ、各光軸方向位置について、ステップＳ２０１〜Ｓ２０２と同様に、被検物３０の表面に照明光を照射して、照明光が照射された被検物３０を撮像する。なお、被検物３０が第１光軸方向位置（Ｙ１位置）から光軸方向にΔＹだけ移動して第２光軸方向位置（Ｙ２位置）に位置する状態を図４（ｂ）に示す。
【００４２】
次に、ステップＳ２０４において、演算処理装置２９で所定の演算処理を行うことにより、撮像装置２７から送られた測定画像データに基づいて、媒質中３２を進む光の移動量と輝度の減衰量との関係等を利用して被検物３０の表面の高さを算出する。このとき、ΔＹずつ移動させた各光軸方向位置について、すなわち、ステップＳ２０１〜Ｓ２０３で得られた複数の測定画像データに基づいてそれぞれ、被検物３０の表面の高さを（複数）算出する。
【００４３】
次に、ステップＳ２０５において、各光軸方向位置について算出した複数の（例えば、被検物３０をΔＹずつ９回移動させて測定画像データを取得したときは１０個の）被検物３０の表面の高さを平均し、被検物３０の表面の高さの平均値を算出する。
【００４４】
次に、ステップＳ２０６において、ステップＳ２０５で算出した被検物３０の表面の高さの平均値と、各光軸方向位置について算出した被検物３０の表面の高さとを比較して、平均値に近い被検物３０の表面の高さを選択し、この被検物３０の表面の高さが算出された測定画像を、撮像光学系ＭＢ２が被検物３０に対して合焦状態となるときの（光軸方向距離に対応した）合焦測定画像と決定する。
【００４５】
なお、ステップＳ２０４〜Ｓ２０６は、測定画像における各ピクセル（画素）について行われ、ステップＳ２０７において、ステップＳ２０６でピクセル毎に決定した合焦測定画像から、各合焦測定画像に対応する被検物３０の表面の高さをそれぞれ採用することにより、各ピクセル（画素）における被検物３０の表面の高さを算出する。
【００４６】
このように、媒質中を透過する光の減衰を利用して被検物の表面の高さを算出する場合、撮像光学系ＭＢ２が被検物３０に対して合焦状態でなくなると、輝度の減衰に加え、デフォーカスによる減光が影響して、測定画像における輝度の測定精度が低下してしまう。これに対し、第２実施形態の形状測定方法によれば、合焦状態に近い状態で撮像取得された合焦測定画像に基づいて被検物３０の表面の高さを算出するため、デフォーカスによる減光の影響を受けない合焦状態に近い状態での測定点におけるより正確な輝度を知ることができることから、デフォーカスによる減光の影響を排除して正確な表面形状測定を行うことが可能になる。
【００４７】
なお、上述の第各実施形態において、被検物の表面の高さの平均値に基づいて、合焦測定画像を決定しているが、これに限られるものではなく、被検物の形状をある程度予測できるのであれば、各光軸方向位置について算出した複数の被検物の表面の高さを加重平均するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施形態の形状測定方法に用いられる形状測定装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態の形状測定方法を示すフローチャートである。
【図３】被検物の傾斜部分を示す説明図である。
【図４】第２実施形態の形状測定方法に用いられる形状測定装置の概略構成図である。
【図５】第２実施形態の形状測定方法を示すフローチャートである。
【図６】従来における形状測定装置の概略構成図である。
【図７】拡散反射光を説明する説明図である。
【図８】鏡面反射光を説明する説明図である。
【図９】鏡面反射光を受けた被検物表面の照明点の撮像画像を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
Ｍ１ 形状測定装置（第１実施形態） Ｍ２ 形状測定装置（第２実施形態）
ＭＡ１ パターン投影系 ＭＡ２ 照明光学系
ＭＢ１ 撮像光学系（第１実施形態） ＭＢ２ 撮像光学系（第２実施形態）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業製品等の表面形状（三次元形状）を測定する形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定装置がある。光学式三次元形状測定装置も種々の方式、構成のものがあるが、被検物に所定の投影パターン（縞模様や、格子模様）を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置（各画素）での縞の位相を求めて各画像位置の高さを算出し、被検物の三次元形状を測定するものがある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
このような装置においては、例えば、被検物（測定対象物）の表面に縞パターンからなる投影パターンを投影し、投影方向と異なる角度から被検物に投影された縞パターンを撮像し、三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。
【０００４】
その構成例を図６に示しており、光源５１からの光が縞模様の投影パターンマスク５２および投影レンズ５３を通して被検物５４の表面に投影される。被検物５４の表面に投影された投影パターンマスク５２の縞模様は、被検物５４の表面三次元形状に応じて変形され、このように変形された被検物５４の表面のパターンを、投影方向と異なる角度から撮像レンズ５５を介して撮像装置（例えば、ＣＣＤセンサ）により撮像されて、演算処理装置５７に送られ、ここで撮像画像データの演算処理が行われる。演算処理装置５７においては、このように撮像された被検物表面の撮像画像データを三角測量の原理等を用いて縞パターンの位相分布を算出し、被検物表面の三次元形状を求める演算処理が行われる。
【特許文献１】特開２０００−９４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、被検物に照射された光はどの方向にも一様な強度で反射する、すなわち完全拡散反射するという前提の下で上述の三次元形状測定が行われているが、実際には被検物の表面は完全拡散面ではなく、鏡面反射面としての性格も有しており、この鏡面反射光の影響を受けて縞パターン位置がずれて撮像され、三次元形状測定に誤差が生じるという問題がある。
【０００６】
この問題について、図７〜図９を参照して詳しく説明する。まず、被検物表面Ａが完全拡散面であると、図７に示すように被検物表面Ａにビーム光６１を照射した場合、その反射光分布６２は全方向に同一強度となる。このため、被検物表面Ａをどの方向から撮像しても同一の撮像効果が得られる。一方、被検物表面Ａが鏡面である場合には、図８に示すように被検物表面Ａにビーム光６１を照射した場合、その反射光は、正反射方向の光６３が最大強度を有し、その両側に向かって強度が小さくなる反射光強度分布６４となる。このため、被検物表面Ａを正反射光６３とは異なる方向の反射光、例えば、図において符号６５で示す反射光を受ける方向から撮像すれば光の強度分布が不均一となる。
【０００７】
具体的には、図示のように、反射光６５を、撮像レンズ６６を介してＣＣＤカメラ６７で撮像した場合、被検物表面Ａにおけるビーム光６１の照射点Ｂの像が撮像レンズ６６により合焦されてＣＣＤカメラ６７により撮像されたときには、図９（ａ）に示すように照射点Ｂを示す点画像となり、強度分布が不均一となる問題は生じない。すなわち、合焦位置での撮像画像は鏡面反射光の影響を受けることはない。しかしながら、ＣＣＤカメラ６７が合焦位置から外れた位置に位置する場合には、照射点Ｂが広がった像となり、図９（ｂ）に示すように、所定の大きさの円状の像Ｂ′が撮像される。このとき、鏡面反射光は正反射方向の強度が最大でここから離れるに従って強度が低下する分布を有する光であるため、図示のように、この像Ｂ′は、正反射光に近い方が明るく、これから遠ざかるに応じて暗くなる像となる。このような光強度分布を有した像Ｂ′に基づいて被検物表面Ａにおけるビーム光６１の照射点Ｂを算出するときには、像Ｂ′の光強度分布の中心点Ｂ（０）を照射点の位置であると算出するため、図示のように実際の照射点Ｂに対して算出された照射点位置Ｂ（０）がΔｄだけずれることになる。このようなずれを有して三次元形状測定を行った場合、当然ながらその測定結果が誤差を有するという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、正確な表面形状測定を行うことができる形状測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的達成のため、本発明に係る形状測定方法は、撮像光学系を用いて撮像した被検物の撮像結果に基づき被検物の形状を測定する形状測定方法であって、被検物に形状測定のためのパターンを投影する第１のステップと、パターンが投影された被検物の撮像を、撮像光学系の光軸方向における被検物と撮像光学系との間の距離を変化させて複数回行う第２のステップと、第２のステップで得られた各撮像結果の中の投影されたパターンが合焦状態または合焦状態に近い部分に基づいて形状測定を行う第３のステップとを有している。
【００１０】
なお、第２のステップで得られた各撮像結果から投影されたパターンが合焦状態または合焦状態に近い部分を抽出した合焦画像を合成する第４のステップをさらに有することが好ましい。
【００１１】
また、第２の本発明に係る形状測定方法は、撮像光学系を用いて撮像した被検物の測定画像に基づき被検物の形状を測定する形状測定方法であって、被検物と撮像光学系との間の光軸方向距離を変化させて、光軸方向距離に応じた複数の被検物の画像を撮像取得する第１のステップと、第１のステップで取得した複数の画像に基づいてそれぞれ、被検物の形状を複数算出する第２のステップと、第２のステップで複数算出した被検物の形状に基づいて、複数の画像の中から、撮像光学系が被検物に対して合焦状態となる光軸方向距離に対応した合焦測定画像を決定する第３のステップと、第３のステップで決定した合焦測定画像に基づいて被検物の形状を算出する第４のステップとを有している。
【００１２】
なお、所定の投影パターンを被検物に投影し、投影パターンの投影方向と異なる方向から撮像光学系を用いて撮像した被検物の画像に基づき被検物の形状を測定する形状測定方法の場合、撮像光学系の開口数をＮＡとし、撮像光学系による撮像範囲に対応した画像における１ピクセルあたりの長さをＡｐとし、被検物の表面状態により決まる状態係数をＳとし、第１のステップにおいて複数の画像を撮像取得する際に光軸方向距離を変化させる１ピッチあたりの変化量をΔＺとしたとき、次式
ΔＺ＜Ａｐ／ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）｝×Ｓ
の条件を満足することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、正確な表面形状測定を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。第１実施形態に係る形状測定方法が用いられる三次元形状測定装置の概略構成を図１に示しており、まず、この形状測定装置について、図１を参照しながら説明する。なお、図１において、図１（ａ）および図１（ｂ）にそれぞれ形状測定装置Ｍ１を示しているが、これは同一のものであり、説明の便宜上、被検物の相対位置を第１位置（Ｚ１位置）に設定したものを図１（ａ）に示し、被検物の相対位置を第２位置（Ｚ２位置）に設定したものを図１（ｂ）に示している。
【００１５】
この形状測定装置Ｍ１は、光源１と、光源１からの光に縞模様を与えるための投影パターンマスク２と、投影パターンマスク２を通過した光源１からの光を被検物１０の表面に投影させる投影レンズ３とからなるパターン投影系ＭＡ１と、被検物１０からの反射光を撮像レンズ６を介して撮像する撮像装置７からなる撮像光学系ＭＢ１とを有して構成される。
【００１６】
パターン投影系ＭＡ１において、投影パターンマスク２は例えば液晶素子により構成され、任意の形状およびピッチのパターン（例えば、正弦波状の縞模様パターンや、格子状パターン等）を形成することができるようになっている。これにより、光源１からの光をこの投影パターンマスク２に通過させ、投影レンズ３により集光させることで、投影パターンマスク２により形成された所望の投影パターンを被検物１０の表面に投影させることができる。なお、図１では、理解を容易にするために濃淡による０／１パターンとなっているが、実際には、濃淡による０〜２πの位相を有するパターンを用いることができる。
【００１７】
撮像光学系ＭＢ１において、撮像装置７は、被検物１０からの光を受けて被検物１０を撮像するＣＣＤカメラ等から構成される。また、撮像装置７により撮像された被検物１０の画像データは、演算処理装置９に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物１０の表面の高さが算出され、被検物１０の三次元形状（表面形状）が求められる。
【００１８】
なお、パターン投影系ＭＡ１および撮像光学系ＭＢ１は一つのフレーム（図示せず）により一体に固定されて構成され、被検物１０は図示しない支持台上に載置されて支持される。また、この支持台をパターン投影系ＭＡ１および撮像光学系ＭＢ１が固定されたフレームに対して光軸方向に相対移動させる位置調整器（図示せず）が設けられ、この位置調整器を用いて、パターン投影系ＭＡ１および撮像光学系ＭＢ１に対して被検物１０を光軸方向に相対移動させる光軸方向位置調整が可能になっている。
【００１９】
次に、以上のように構成された形状測定装置Ｍ１による被検物１０の形状測定方法について、図２に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。この測定に際しては、まず、ステップＳ１０１において、被検物１０を位置調整器により所定の第１光軸方向位置（Ｚ１位置）に位置させる。この状態を図１（ａ）に示しており、被検物１０が第１光軸方向位置に位置する状態で、光源１からの光を投影パターンマスク２および投影レンズ３を介して被検物１０に照射させて被検物１０の表面に投影パターンを投影する。このように投影されて被検物１０から反射する光は、撮像レンズ６を介して集光されて撮像装置７に入射する。
【００２０】
次に、ステップＳ１０２において、撮像装置７により、被検物１０に投影された投影パターンを撮像する。撮像により得られた被検物１０の測定画像データは、撮像装置７から演算処理装置９に送られる。なお、三角測量の原理を用いる場合、位相接続のため、撮像装置７による撮像は、投影パターンマスク２により投影パターンのピッチ（縞模様の間隔）を変えて複数回行われ、一組の測定画像データ群が取得される。
【００２１】
ところで、撮像装置７の画素数を１０００×１０００ピクセルとし、撮像範囲を１００×１００ｍｍとすると、撮像範囲における１ピクセルあたりの長さは、１００ｍｍ／１０００＝１００μｍとなる。撮像光学系ＭＢ１の分解能がこの値に近いか小さいと、被検物１０と撮像装置７（ＣＣＤカメラ）との間でモアレが生じて測定が不安定になる。そのため、撮像光学系ＭＢ１の分解能は、撮像範囲における１ピクセルあたりの長さより大きいことが望ましい。
【００２２】
なお、撮像光学系ＭＢ１の分解能をｄとし、撮像光学系ＭＢ１の開口数をＮＡとし、光の波長をλとしたとき、顕微鏡における（斜入射での）分解能の式ｄ＝λ／（２×ＮＡ）を採用すると、ＮＡ＝λ／（２×ｄ）となる。このとき、撮像光学系ＭＢ１の分解能を、撮像範囲における１ピクセルあたりの長さ（１００μｍ）より大きい２００μｍとすると、λ≒０．５μｍとして、ＮＡ＝０．５μｍ／（２×２００μｍ）≒０．００１２となり、撮像光学系ＭＢ１の開口数が０．００１２と決まる。
【００２３】
次に、ステップＳ１０３において、位置調整器により被検物１０を第１光軸方向位置（Ｚ１位置）から光軸方向にΔＺずつ移動させ、各光軸方向位置について、ステップＳ１０１〜Ｓ１０２と同様に、被検物１０の表面に投影パターンを投影して、被検物１０に投影された投影パターンを撮像する。なお、被検物１０が第１光軸方向位置（Ｚ１位置）から光軸方向にΔＺだけ移動して第２光軸方向位置（Ｚ２位置）に位置する状態を図１（ｂ）に示す。
【００２４】
ここで、図３に示すように、被検物１０の高さ方向に対し角度θをなす方向から投影パターンを投影し、被検物１０の高さ方向から被検物１０に投影された投影パターンを撮像した場合、被検物１０がΔＺだけ移動したときの投影パターンの位置ずれΔｂは、撮像光学系ＭＢ１がテレセントリックの状態のとき、Δｂ＝ΔＺ×ｔａｎθとなる。また、被検物１０の表面状態により、テレセントリックの状態から外れることを考慮すると、撮像光学系ＭＢ１の開口数をＮＡとおけば、被検物１０がΔＺだけ移動したときの投影パターンの最大位置ずれΔｂｍは、Δｂｍ＝ΔＺ×ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）｝となる。
【００２５】
この投影パターンの最大位置ずれが、撮像範囲における１ピクセルあたりの長さより十分に小さければ、被検物１０がΔＺだけ移動しても、あるピクセルにおける投影パターンの位置ずれが隣接するピクセルに掛かることはない。そのため、撮像範囲における１ピクセルあたりの長さをＡｐとすると、次の（１）式を満足することが望ましい。なお、Ｓは被検物１０の表面状態により決まる状態係数であり、経験的に求められる。
【００２６】
ΔＺ＜Ａｐ／ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）｝×Ｓ …（１）
【００２７】
なお、撮像装置７の画素数を１０００×１０００ピクセルとし、撮像範囲を１００×１００ｍｍとすると、撮像範囲における１ピクセルあたりの長さＡｐは、前述したように１００μｍとなる。またこのとき、前述したように、撮像光学系ＭＢ１の開口数ＮＡは０．００１２と決まる。そして、Ｓ＝１とすると、Ａｐ／ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）｝×Ｓ＝１００μｍ／ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（０．００１２）｝≒８０ｍｍ（８００００μｍ）となる。（１）式より、ΔＺ＜８０ｍｍである必要があり、このとき例えば、８０ｍｍの１／１００である（すなわち、８０ｍｍより十分に小さい）０．８ｍｍが、実際のΔＺとして決定される。
【００２８】
次に、ステップＳ１０４において、演算処理装置９で所定の演算処理を行うことにより、撮像装置７から送られた測定画像データに基づいて、三角測量の原理等を用いて被検物１０の表面の高さを算出する。このとき、ΔＺずつ移動させた各光軸方向位置について、すなわち、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３で得られた複数の測定画像データに基づいてそれぞれ、被検物１０の表面の高さを（複数）算出する。
【００２９】
次に、ステップＳ１０５において、各光軸方向位置について算出した複数の（例えば、被検物１０をΔＺずつ９回移動させて測定画像データを取得したときは１０個の）被検物１０の表面の高さを平均し、被検物１０の表面の高さの平均値を算出する。
【００３０】
次に、ステップＳ１０６において、ステップＳ１０５で算出した被検物１０の表面の高さの平均値と、各光軸方向位置について算出した被検物１０の表面の高さとを比較して、平均値に近い被検物１０の表面の高さを選択し、この被検物１０の表面の高さが算出された測定画像を、撮像光学系ＭＢ１が被検物１０に対して合焦状態となるときの（光軸方向距離に対応した）合焦測定画像と決定する。
【００３１】
なお、ステップＳ１０４〜Ｓ１０６は、測定画像における各ピクセル（画素）について行われ、ステップＳ１０７において、ステップＳ１０６でピクセル毎に決定した合焦測定画像から、各合焦測定画像に対応するピクセルを抜き出して繋ぎ合わせ、仮想の合焦画像を作成する。
【００３２】
そして、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０７で作成した合焦画像データに基づいて、三角測量の原理等を用いて被検物１０の表面の高さを算出する。
【００３３】
この結果、第１実施形態の形状測定方法によれば、合焦状態に近い状態で撮像取得された合焦測定画像に基づいて被検物１０の表面の高さを算出するため、鏡面反射光の影響を受けない合焦状態に近い状態での測定点におけるより正確な輝度を知ることができることから、鏡面反射光の影響を排除して正確な表面形状測定を行うことが可能になる。また、上述の（１）式の条件を満足することにより、被検物１０がΔＺだけ移動しても、あるピクセルにおける測定点の位置ずれが隣接するピクセルに掛かることはないので、より正確な表面形状測定を行うことが可能になる。
【００３４】
なお、上述の第１実施形態において、状態係数Ｓを経験的に求めているが、これに限られるものではなく、状態係数を測定により求めることも可能である。例えば、開口数の異なるか、もしくは撮像方向の異なる複数の撮像光学系を用意し、まず、これらの撮像光学系を用いて、被検物の測定画像をそれぞれ撮像取得する。そして、複数の撮像光学系によりそれぞれ撮像取得した測定画像に基づいて、具体的には、各測定画像における輝度の比に基づいて、鏡面反射の影響を考慮した反射光の光軸の角度を算出し、この角度と光学系の開口数から、状態係数を決定する。このようにすれば、測定により状態係数を自動的に決定することが可能になり、また、形状測定装置に対する測定手順の登録時に、状態係数を算出することが可能である。
【００３５】
続いて、形状測定方法の第２実施形態について、図４を参照しながら説明する。なお、図４において、図４（ａ）および図４（ｂ）にそれぞれ第２実施形態に係る形状測定装置Ｍ２を示しているが、これは同一のものであり、説明の便宜上、被検物の相対位置を第１位置（Ｙ１位置）に設定したものを図４（ａ）に示し、被検物の相対位置を第２位置（Ｙ２位置）に設定したものを図４（ｂ）に示している。
【００３６】
第２実施形態の形状測定装置Ｍ２は、光源２１と、光源２１からの光を集光するコンデンサレンズ２２と、コンデンサレンズ２２を通過した光源２１からの光を被検物３０の表面に照射させる結像レンズ２４とからなる照明光学系ＭＡ２と、被検物３０からの反射光をミラー２３および撮像レンズ２６を介して撮像する撮像装置２７からなる撮像光学系ＭＢ２とを有して構成される。なお、被検物３０は、所定の媒質３２（例えば、着色された水）で満たされた透明の水槽３１内に載置される。
【００３７】
撮像光学系ＭＢ２において、撮像装置２７は、被検物３０からの光を受けて被検物３０を撮像するＣＣＤカメラ等から構成される。ここで所定の画像演算処理がなされて被検物１０の表面の高さが算出され、被検物１０の三次元形状（表面形状）が求められる。ミラー２３は、コンデンサレンズ２２と結像レンズ２４との間に設けられ、コンデンサレンズ２２からの光を結像レンズ２４および被検物３０に向けて透過させるとともに、被検物３０からの光を撮像レンズ２６および撮像装置２７に向けて反射させるようになっている。これにより、第２実施形態の形状測定装置Ｍ２は、照明光学系ＭＡ２による照明方向と、撮像光学系ＭＢ２による撮像方向とが、実質的に同じ方向になっている。
【００３８】
なお、照明光学系ＭＡ２および撮像光学系ＭＢ２は一つのフレーム（図示せず）により一体に固定されて構成され、被検物１０は水槽３１内に設けられた支持台（図示せず）上に載置されて支持される。また、この支持台を照明光学系ＭＡ２および撮像光学系ＭＢ２が固定されたフレームに対して光軸方向に相対移動させる位置調整器（図示せず）が設けられ、この位置調整器を用いて、照明光学系ＭＡ２および撮像光学系ＭＢ２に対して被検物１０を光軸方向に相対移動させる光軸方向位置調整が可能になっている。
【００３９】
次に、第２実施形態の形状測定装置Ｍ２による被検物３０の形状測定方法について、図５に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。この測定に際しては、まず、ステップＳ２０１において、被検物３０を位置調整器により所定の第１光軸方向位置（Ｙ１位置）に位置させる。この状態を図４（ａ）に示しており、被検物３０が第１光軸方向位置に位置する状態で、光源２１からの光を、コンデンサレンズ２２、ミラー２３、結像レンズ２４、および媒質３２を介して被検物３０に照射させる。このように投影されて被検物３０から反射する光は、媒質３２、結像レンズ２４、ミラー２３、および撮像レンズ２６を介して撮像装置２７に入射する。
【００４０】
次に、ステップＳ２０２において、撮像装置２７により、照明光が照射された被検物３０を撮像する。撮像により得られた被検物３０の測定画像データは、撮像装置２７から演算処理装置２９に送られる。
【００４１】
次に、ステップＳ２０３において、位置調整器により被検物３０を第１光軸方向位置（Ｙ１位置）から光軸方向にΔＹずつ移動させ、各光軸方向位置について、ステップＳ２０１〜Ｓ２０２と同様に、被検物３０の表面に照明光を照射して、照明光が照射された被検物３０を撮像する。なお、被検物３０が第１光軸方向位置（Ｙ１位置）から光軸方向にΔＹだけ移動して第２光軸方向位置（Ｙ２位置）に位置する状態を図４（ｂ）に示す。
【００４２】
次に、ステップＳ２０４において、演算処理装置２９で所定の演算処理を行うことにより、撮像装置２７から送られた測定画像データに基づいて、媒質中３２を進む光の移動量と輝度の減衰量との関係等を利用して被検物３０の表面の高さを算出する。このとき、ΔＹずつ移動させた各光軸方向位置について、すなわち、ステップＳ２０１〜Ｓ２０３で得られた複数の測定画像データに基づいてそれぞれ、被検物３０の表面の高さを（複数）算出する。
【００４３】
次に、ステップＳ２０５において、各光軸方向位置について算出した複数の（例えば、被検物３０をΔＹずつ９回移動させて測定画像データを取得したときは１０個の）被検物３０の表面の高さを平均し、被検物３０の表面の高さの平均値を算出する。
【００４４】
次に、ステップＳ２０６において、ステップＳ２０５で算出した被検物３０の表面の高さの平均値と、各光軸方向位置について算出した被検物３０の表面の高さとを比較して、平均値に近い被検物３０の表面の高さを選択し、この被検物３０の表面の高さが算出された測定画像を、撮像光学系ＭＢ２が被検物３０に対して合焦状態となるときの（光軸方向距離に対応した）合焦測定画像と決定する。
【００４５】
なお、ステップＳ２０４〜Ｓ２０６は、測定画像における各ピクセル（画素）について行われ、ステップＳ２０７において、ステップＳ２０６でピクセル毎に決定した合焦測定画像から、各合焦測定画像に対応する被検物３０の表面の高さをそれぞれ採用することにより、各ピクセル（画素）における被検物３０の表面の高さを算出する。
【００４６】
このように、媒質中を透過する光の減衰を利用して被検物の表面の高さを算出する場合、撮像光学系ＭＢ２が被検物３０に対して合焦状態でなくなると、輝度の減衰に加え、デフォーカスによる減光が影響して、測定画像における輝度の測定精度が低下してしまう。これに対し、第２実施形態の形状測定方法によれば、合焦状態に近い状態で撮像取得された合焦測定画像に基づいて被検物３０の表面の高さを算出するため、デフォーカスによる減光の影響を受けない合焦状態に近い状態での測定点におけるより正確な輝度を知ることができることから、デフォーカスによる減光の影響を排除して正確な表面形状測定を行うことが可能になる。
【００４７】
なお、上述の第各実施形態において、被検物の表面の高さの平均値に基づいて、合焦測定画像を決定しているが、これに限られるものではなく、被検物の形状をある程度予測できるのであれば、各光軸方向位置について算出した複数の被検物の表面の高さを加重平均するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施形態の形状測定方法に用いられる形状測定装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態の形状測定方法を示すフローチャートである。
【図３】被検物の傾斜部分を示す説明図である。
【図４】第２実施形態の形状測定方法に用いられる形状測定装置の概略構成図である。
【図５】第２実施形態の形状測定方法を示すフローチャートである。
【図６】従来における形状測定装置の概略構成図である。
【図７】拡散反射光を説明する説明図である。
【図８】鏡面反射光を説明する説明図である。
【図９】鏡面反射光を受けた被検物表面の照明点の撮像画像を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
Ｍ１ 形状測定装置（第１実施形態） Ｍ２ 形状測定装置（第２実施形態）
ＭＡ１ パターン投影系 ＭＡ２ 照明光学系
ＭＢ１ 撮像光学系（第１実施形態） ＭＢ２ 撮像光学系（第２実施形態）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像光学系を用いて撮像した被検物の撮像結果に基づき前記被検物の形状を測定する形状測定方法であって、
前記被検物に前記形状測定のためのパターンを投影する第１のステップと、
前記パターンが投影された前記被検物の前記撮像を、前記撮像光学系の光軸方向における前記被検物と前記撮像光学系との間の距離を変化させて複数回行う第２のステップと、
前記第２のステップで得られた各撮像結果の中の前記投影されたパターンが合焦状態または合焦状態に近い部分に基づいて前記形状測定を行う第３のステップとを有することを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
前記第２のステップで得られた各撮像結果から前記投影されたパターンが前記合焦状態または合焦状態に近い部分を抽出した合焦画像を合成する第４のステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。
【請求項３】
撮像光学系を用いて撮像した被検物の画像に基づき前記被検物の形状を測定する形状測定方法であって、
前記被検物と前記撮像光学系との間の光軸方向距離を変化させて、前記光軸方向距離に応じた複数の前記被検物の画像を撮像取得する第１のステップと、
前記第１のステップで取得した前記複数の画像に基づいてそれぞれ、前記被検物の形状を複数算出する第２のステップと、
前記第２のステップで複数算出した前記被検物の形状に基づいて、前記複数の画像の中から、前記撮像光学系が前記被検物に対して合焦状態となる前記光軸方向距離に対応した合焦測定画像を決定する第３のステップと、
前記第３のステップで決定した前記合焦測定画像に基づいて前記被検物の形状を算出する第４のステップとを有することを特徴とする形状測定方法。
【請求項４】
所定の投影パターンを前記被検物に投影し、前記投影パターンの投影方向と異なる方向から前記撮像光学系を用いて撮像した前記被検物の前記画像に基づき前記被検物の形状を測定する形状測定方法であって、
前記撮像光学系の開口数をＮＡとし、前記撮像光学系による撮像範囲に対応した前記画像における１ピクセルあたりの長さをＡｐとし、前記被検物の表面状態により決まる状態係数をＳとし、前記第１のステップにおいて前記複数の画像を撮像取得する際に前記光軸方向距離を変化させる１ピッチあたりの変化量をΔＺとしたとき、次式
ΔＺ＜Ａｐ／ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）｝×Ｓ
の条件を満足することを特徴とする請求項３に記載の形状測定方法。
【請求項１】
撮像光学系を用いて撮像した被検物の撮像結果に基づき前記被検物の形状を測定する形状測定方法であって、
前記被検物に前記形状測定のためのパターンを投影する第１のステップと、
前記パターンが投影された前記被検物の前記撮像を、前記撮像光学系の光軸方向における前記被検物と前記撮像光学系との間の距離を変化させて複数回行う第２のステップと、
前記第２のステップで得られた各撮像結果の中の前記投影されたパターンが合焦状態または合焦状態に近い部分に基づいて前記形状測定を行う第３のステップとを有することを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
前記第２のステップで得られた各撮像結果から前記投影されたパターンが前記合焦状態または合焦状態に近い部分を抽出した合焦画像を合成する第４のステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。
【請求項３】
撮像光学系を用いて撮像した被検物の画像に基づき前記被検物の形状を測定する形状測定方法であって、
前記被検物と前記撮像光学系との間の光軸方向距離を変化させて、前記光軸方向距離に応じた複数の前記被検物の画像を撮像取得する第１のステップと、
前記第１のステップで取得した前記複数の画像に基づいてそれぞれ、前記被検物の形状を複数算出する第２のステップと、
前記第２のステップで複数算出した前記被検物の形状に基づいて、前記複数の画像の中から、前記撮像光学系が前記被検物に対して合焦状態となる前記光軸方向距離に対応した合焦測定画像を決定する第３のステップと、
前記第３のステップで決定した前記合焦測定画像に基づいて前記被検物の形状を算出する第４のステップとを有することを特徴とする形状測定方法。
【請求項４】
所定の投影パターンを前記被検物に投影し、前記投影パターンの投影方向と異なる方向から前記撮像光学系を用いて撮像した前記被検物の前記画像に基づき前記被検物の形状を測定する形状測定方法であって、
前記撮像光学系の開口数をＮＡとし、前記撮像光学系による撮像範囲に対応した前記画像における１ピクセルあたりの長さをＡｐとし、前記被検物の表面状態により決まる状態係数をＳとし、前記第１のステップにおいて前記複数の画像を撮像取得する際に前記光軸方向距離を変化させる１ピッチあたりの変化量をΔＺとしたとき、次式
ΔＺ＜Ａｐ／ｔａｎ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）｝×Ｓ
の条件を満足することを特徴とする請求項３に記載の形状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２１６０７６（Ｐ２００８−２１６０７６Ａ）
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５４５７０（Ｐ２００７−５４５７０）
【出願日】平成１９年３月５日（２００７．３．５）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月５日（２００７．３．５）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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