３次元形状測定装置
【課題】 装置の機械的な動きを伴うことなく３次元の形状を測定することが可能な３次元形状測定装置を提供すること。
【解決手段】形状測定装置１は、所定の波長帯域の中で波長を変えて光を出力することができる光源２と、繰り返しパターンを有する２次元チャート３と、所定の量の色収差を有し、光源２から出力された光によって照明された２次元チャート３の像を被測定体Ｓに投影する対物光学系７と、被測定体Ｓで散乱された２次元チャート３の投影像を撮像する撮像装置１０〜１２と、保存されたチャートデータ及び対物光学系７の色収差量に基づいて被測定体Ｓの３次元形状を算出する制御ユニット１３とを備える。撮像装置１０〜１２はまた、２次元チャート３の投影像を得た際の光源２からの出力光の波長に対応させて、撮像された２次元チャート３の投影像をチャートデータとして保存領域に保存する。
【解決手段】形状測定装置１は、所定の波長帯域の中で波長を変えて光を出力することができる光源２と、繰り返しパターンを有する２次元チャート３と、所定の量の色収差を有し、光源２から出力された光によって照明された２次元チャート３の像を被測定体Ｓに投影する対物光学系７と、被測定体Ｓで散乱された２次元チャート３の投影像を撮像する撮像装置１０〜１２と、保存されたチャートデータ及び対物光学系７の色収差量に基づいて被測定体Ｓの３次元形状を算出する制御ユニット１３とを備える。撮像装置１０〜１２はまた、２次元チャート３の投影像を得た際の光源２からの出力光の波長に対応させて、撮像された２次元チャート３の投影像をチャートデータとして保存領域に保存する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物体表面の３次元形状を非接触で光学的に精密測定する装置として、光学系の軸上色収差を利用する装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。この種の装置では、意図的に軸上色収差を持たせた投影光学系と複数波長の光を出力可能な光源とを用いることで非接触で３次元形状を測定することを可能としている。
【特許文献１】特許第２８１２３７１号明細書
【特許文献２】特開平７−２２９７２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
３次元形状を測定する際、被測定体と当該被測定体に投光する光との間の相対的な位置関係を機械的に変化させると、測定時間が長くなる上、走査機構が必要となるため、装置の複雑化をも招く。
【０００４】
本発明は、装置の機械的な動きを伴うことなく３次元の形状を測定することが可能な３次元形状測定装置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】
【０００５】
本発明を例示する態様に従えば、被測定体の３次元形状を測定する装置であって、所定の波長帯域の中で波長を変えて光を出力することができる光源と、光を透過する領域を有するパターンが所定の方向に沿って繰り返される２次元チャートと、所定の量の色収差を有し、光源から出力された光によって照明された２次元チャートの像を被測定体に投影する投影光学系と、被測定体で散乱された２次元チャートの投影像を撮像して、当該２次元チャートの投影像を得た際の光源からの出力光の波長に対応させて撮像された２次元チャートの投影像をチャートデータとして保存領域に保存する撮像部と、保存領域に保存されたチャートデータ及び投影光学系の色収差量に基づいて被測定体の３次元形状を算出する撮像データ処理部と、を備える３次元形状測定装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、装置の機械的な動きを伴うことなく３次元の形状を測定することが可能な３次元形状測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
【０００８】
図１を参照して、第１実施形態に係る形状測定装置１の構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る形状測定装置の構成図である。
【０００９】
図１に示す形状測定装置１は、スペクトラム光源２と、２次元チャート３と、コリメータ４と、偏光ビームスプリッタ５と、１／４波長板６と、対物光学系（投影光学系）７と、結像光学系８と、波長帯分岐プリズム（分岐部）９と、第１の撮像装置１０と、第２の撮像装置１１と、第３の撮像装置１２と、制御ユニット１３とを備えている。形状測定装置１は、スペクトラム光源２から出力された光Ｌで照明された２次元チャート３の像を対物光学系７によって被測定体Ｓ上に投影し、被測定体Ｓ上の２次元チャート３の投影像の散乱光を撮像したデータと対物光学系７が有する軸上色収差とを比較することによって、被測定体Ｓの３次元形状を測定する装置である。
【００１０】
スペクトラム光源２は、複数（本実施形態では３つ）の波長帯域である第１の波長帯域ＷＢ１、第２の波長帯域ＷＢ２、及び第３の波長帯域ＷＢ３それぞれの中で波長を変えて、複数の部分波長帯（スペクトラム）の光を同時に出力することができる。複数の部分波長帯は何れも、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の何れかの一部の波長帯域である。スペクトラム光源２は、各波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の中で波長帯（スペクトラム）を変えて光Ｌを出力する。スペクトラム光源２は、光源装置２１と、光源コリメータ２２と、拡散素子２３と、照明光学系２４とを備える。
【００１１】
光源装置２１は、所望の波長帯を有する光Ｌを出力する。光源コリメータ２２は、光源装置２１から出力された光Ｌをコリメートし、平行光束とする。拡散素子２３は、光束コリメータ２２で平行光束とされた光Ｌを拡散する。拡散素子２３として、例えば拡散板、又はフライアイレンズ等を用いることができる。
【００１２】
ここで、図２を参照して、光源装置２１の構成について説明する。図２は、光源装置２１の構成図である。図２に示すように、幾何光学的にはほぼ点光源とみなせ、しかも連続スペクトラム光源という特徴を持つスーパーコンティニュアム光源からの平行光束Ｂ１を出力する光源部１０１から出力される連続スペクトラム平行光束Ｂ１は、偏光分岐素子１０２に入射する。なお、図２において、光線に付された両方向矢印と黒丸は、それぞれ、互いに直角な偏光の振動方向を示している。これらの２つが同時に記載されている光線は、両方の偏光成分を併せ持つ光線を示す。
【００１３】
偏光分岐素子１０２は、入射光を、互いに直交する２つの直線偏光成分を有する出力光として分岐出力するもので、例えばカルサイトなどの複屈折結晶からなるウォラストンプリズムにすれば高い消光比（100000：１程度）が得られる。ウォラストンプリズムの代わりに、ノマルスキープリズム等を用いてもよい。なお、偏光分岐素子１０２は表面反射光束が光源部１０１の中の光源点に戻らないよう、わずかに傾けて設置する。
【００１４】
図２では平行光束Ｂ１を偏向させるために平面ミラー１１０を設置してあるが、これは配置上の必要性に応じて設置してもしなくてもよい。
【００１５】
平行光束Ｂ１は、偏光分岐素子１０２によって互いに直交する偏光成分別に光束Ｂ２とＢ３に分解され、所定の角度をなして別方向に進行する。次に、正のパワーを有する第一フォーカシング光学系１０３によって、これらの光束Ｂ２、Ｂ３はそれぞれほぼ点像に集光される。ここで、偏光分岐素子１０２内にできている光束Ｂ２とＢ３の分岐点と、第一フォーカシング光学系１０３の焦平面とをなるべく一致させることが望ましい。そうすることで、第一フォーカシング光学系１０３通過後の光束Ｂ２とＢ３の２本の主光線は平行となる。
【００１６】
この点像位置に分光器１０４の入出力スリット１４１を設置する。スーパーコンティニュアム光源やレーザ光源ならば、ほぼ点状に集光できるので、入出力スリット１４１は必要というわけではないが、余計な光が分光器１０４の内部に混入するのを防げるのであった方がよい。分光器１０４は波長分散型とする。図２に示した例ではグレーティングを波長分散素子１４３とし、コリメータ１４２とカメラ光学系１４４とが設けられている。なお、グレーティングの代わりにプリズム等の波長分散素子を適宜使用することができる。
【００１７】
分光器１０４は、入出力スリット１４１開口面上の２つの点像を波長分解して、発光源のスペクトラム像を２つ形成する。２つのスペクトラム像は２本のほぼ平行に並んだ線形状になる。それぞれの線状スペクトラム像位置に対して１つの反射型液晶素子アレイが対応するよう２列アレイ構成とした反射型液晶素子アレイデバイス１０６が設置される。その内部に備えられている反射型液晶素子内ミラーのミラー面上にスペクトラム像が所定の波長範囲においてあまさず形成され、かつ反射されるように位置が決められている。従って、光束Ｂ２とＢ３は反射されて分光器１０４内部に戻る。
【００１８】
分光器１０４の光学系は、各反射型液晶素子に入射する該当波長要素光束の主光線がなるべく平行に配列するよう設計されてあることが望ましい。これは、波長分散素子１４３状の各波長の主光線の分岐点を、カメラ光学系１４４の焦平面上、あるいはその近傍に配置することで実現できる。そうすることにより、平面上に配列している反射型液晶素子アレイ１６１及び１６２への入射角度条件をそろえることができ、入射角度のばらつきによるリターデーション特性のばらつきを発生させなくすることができる。また、迷光の方向を揃えることができ、迷光の処理を容易にすることができる。
【００１９】
反射型液晶素子アレイデバイス１０６の光入出力面には必要に応じてリターデーション補償板１０５を接着しておく。リターデーション補償板１０５は液晶素子にわずかに残してある初期リターデーション、および偏光分岐素子１０２と反射型液晶素子アレイデバイス１０６との間の光学系を原因として発生する可能性のあるリターデーションとを相殺するために用いられる。このとき接着面での反射光は迷光になる恐れがあるので、所定の値以下になるように注意する。必要があれば接着面にも反射防止膜を施す。
【００２０】
通常は２つの反射型液晶素子アレイ１６１，１６２に対して１つのリターデーション補償板１０５を用意すれば足りるが、必要なら２分岐された直線偏光光束経路個々に対して最適化した２枚のリターデーション補償板を用意し、それぞれを該当する反射型液晶素子アレイ上に貼り付けてもよい。
【００２１】
反射型液晶素子アレイデバイス１０６を分光光束が反射する際、個々の液晶素子に独立的に印加された電圧にしたがってリターデーションが発生する。したがって反射型液晶素子アレイデバイス１０６反射後の偏光状態は一般的には楕円偏光である。反射型液晶素子アレイデバイス１０６によって、波長要素ごとに独立的に所定のリターデーションを発生させ楕円偏光化することで偏光分岐素子１０２を再通過する際に、分光アッテネーション作用を発生させ、出力光に対して所望のスペクトラム特性を持たせる。
【００２２】
なお、光束Ｂ２、Ｂ３の偏光状態差は、波長分散素子１４３に入射する際、および反射型液晶素子アレイデバイス１０６で反射された後波長分散素子１４３に再入射する際、ともに大きく異なっている。波長分散素子１４３の分光透過特性（または分光反射特性）には通常偏光依存性があるが、とりわけグレーティングの場合には顕著に現れる。この波長分散素子１４３の分光特性偏光依存性をなくしたいときには、波長分散素子１４３の分光特性偏光依存性が相殺されるよう、光束Ｂ４とＢ５とが偏光分岐素子１０２を再通過する時の偏光分岐素子１０２による分光アッテネーション量に差異を持たせればよい。これは、光束Ｂ４とＢ５に反射型液晶素子アレイ１６１、１６２間で波長の関数としての所定の量だけ異なるリターデーション量を付加させれば実現する。
【００２３】
図２に示すように、反射型液晶素子アレイデバイス１０６には後述の制御ユニット１３が接続されている。制御ユニット１３は、各液晶素子への印加電圧を制御する。制御ユニット１３への制御信号は、図示はしていないが、外部のパソコン等の制御装置から与えられる。
【００２４】
反射型液晶素子アレイデバイス１０６を反射した光束は分光器１０４を逆進する中、波長合波作用を受け、２本の白色光束Ｂ４とＢ５に戻る。そして入出力スリット１４１上で、入力時と同じ位置に集光する。
【００２５】
入出力スリット１４１の開口上にできる２つのスポットの中心を結ぶ直線を含む平面のうち、この２つのスポットに集光する光束（集光光束）の２本の主光線を含む平面に対して直交する平面を入出力スリット面と名づける。光束Ｂ２、Ｂ３の主光線が、入出力スリット１４１のそれぞれのスポットに入射するとき、それぞれの主光線が入出力スリット面の法線に対して、集光光束の集光ＮＡよりも大きな角度をなして入射するように、光束Ｂ２、Ｂ３の主光線の入射角度を傾けておく。そうすることで、入出力スリット１４１から反射型液晶素子アレイデバイス１０６までの光束Ｂ２、Ｂ３と、反射型液晶素子アレイデバイス１０６で反射後入出力スリット１４１まで戻る出力光束Ｂ４、Ｂ５とが、入出力スリット１４１近傍および反射型液晶素子アレイデバイス１０６の反射点近傍以外では分離するようになる。これは、入出力スリット１４１と、反射型液晶素子デバイス１０６の反射面とが共役にされていることから明らかである。
【００２６】
なお、液晶素子内を通過する光線には本来角度分布などない方が望ましく、この場合も入射光束と反射光束とが角度をなさない方がよいが、光束ＮＡを十分小さく設定し、光束入射傾角もなるべく小さく抑えることで、光線角度分布の弊害を低減させることができる。
【００２７】
分光器１０４の入出力スリット１４１から出力された光束は、第一フォーカシング光学系１０３でコリメートされた後、偏光分岐素子１０２に戻る。
【００２８】
前述の通り第一フォーカシング光学系１０３の焦平面を偏光分岐素子１０２の偏光分岐点に合わせることで、分光器１０４の入出力スリット１４１に入射する２本の光束Ｂ２、Ｂ３の主光線は互いに平行となり、入出力スリット１４１から射出する２本の光束Ｂ４、Ｂ５の主光線も互いに平行となる。また第一フォーカシング光学系１０３によってコリメート作用を受けるのと同時に、２本の光束Ｂ４、Ｂ５は偏光分岐素子１０２内において交わる。このとき、前述のように、光束Ｂ２、Ｂ３と光束Ｂ４、Ｂ５とが分離されているので、偏光分岐素子１０２に光束Ｂ４、Ｂ５が入射する位置は、光束Ｂ２、Ｂ３が入射する位置とは異なる位置となる。
【００２９】
偏光分岐素子１０２に戻った２本の白色光束Ｂ４、Ｂ５は、偏光成分によって、光源部１０１から発した光束Ｂ１が最初に偏光分岐素子１０２に入射する方向と平行な方向に偏向される第一偏向成分と、それ以外の方向に偏向される第二偏向成分および第三偏向成分とに分かれる。
【００３０】
第一偏向成分は、戻って来た２本の白色光束それぞれの成分がほぼ重なり、おおよそ1本の光束となって偏光分岐素子１０２から出て行く。これを出力光束Ｂ８と呼ぶ。第二偏向成分および第三偏向偏光成分光は偏光分岐素子通過後、異なる２方向に進行する。これらを廃棄光束Ｂ６、Ｂ７と呼ぶ。
【００３１】
このとき、前述のように、偏光分岐素子１０２に光束Ｂ４、Ｂ５が入射する位置は、光束Ｂ２、Ｂ３が入射する位置とは異なる位置となるので、偏光分岐素子１０２を通過した出力光束Ｂ８が光源部１０１に直接戻ることが避けられ、光源部１０１の動作が不安定化することがない。
【００３２】
光路に沿って偏光分岐素子１０２の次に、正のパワーを有する第二フォーカシング光学系１０８を設置し、特に出力光束Ｂ８を集光させる。廃棄光束Ｂ６、Ｂ７は第二フォーカシング光学系１０８に入射させてもさせなくてもどちらでもかまわない。出力光束Ｂ８の集光点にピンホール１０９を設置し、出力光束Ｂ８だけを通過させることで、所望のスペクトラムを有した光束を得る。
【００３３】
なお、第二フォーカシング光学系１０８とピンホール１０９を設ける代わりに、単に出力光束Ｂ８のみを通過させる開口を設けるようにしてもよい。この場合には、第二フォーカシング光学系１０８とピンホール１０９を設けた場合に比して、取り出される光束に多少の迷光が混じることが避けられないが、これが問題にならなければ、このような構成でも、所望のスペクトラムを有した光束を得ることができる。
【００３４】
再び、図１を参照して形状測定装置１の説明を続ける。照明光学系２４は、正のパワーを有する。また、照明光学系２４は、その焦点位置が拡散素子２３に一致するよう配置される。
【００３５】
２次元チャート３は、スペクトラム光源２によって照明される。また、２次元チャート３は、拡散素子２３が配置された側とは反対側の照明光学系２４の焦点位置であって、且つ後述のコリメータ４の焦点位置に配置される。図３を参照して、２次元チャート３が有するパターンについて説明する。図３は、２次元チャート３を形状測定装置１の光軸Ａｘに沿って見たときの平面図を表す。
【００３６】
２次元チャート３には、図３に示されるように、ピンホール３Ａが２次元的に配列されている。そして、２次元チャート３では、ピンホール３Ａによる２次元パターンが、光軸Ａｘと直交し且つ互いに直交する２つの方向に沿って繰り返される。ピンホール３Ａは、光を透過する透過領域として機能する。
【００３７】
再び、図１を参照して形状測定装置１の説明を続ける。コリメータ４は、２次元チャート３の透過領域を通過した照明光Ｌをコリメートして、平行光束とする。図１に示されるように、コリメータ４は正のパワーを有する。コリメータ４は、軸上色収差及び倍率色収差（焦点距離の色収差）の両方ともを十分除去するように設計されている。
【００３８】
偏光ビームスプリッタ５は、照明光ＬのＰ偏光成分（又はＳ偏光成分）を透過し、Ｓ偏光成分（Ｐ偏光成分）を反射する。これにより、偏光ビームスプリッタ５で反射された照明光Ｌは直線偏光化される。偏光ビームスプリッタ５は、反射により照明光Ｌの光路を略９０°偏向する。また、偏光ビームスプリッタ５は、後述の被測定体Ｓでの散乱された後、後述の１／４波長板６を通過した光Ｌのうち、所定の直線偏光成分を有する光を透過する。
【００３９】
１／４波長板６は、偏光ビームスプリッタ５で光路が偏向された照明光Ｌを円偏光に変換する。１／４波長板６は、後述の被測定体Ｓでの散乱光Ｌの中の所定の偏光成分光を直線偏光に変換する。このとき、この成分光の偏光面は、偏光ビームスプリッタ５で反射された照明光Ｌの偏光面に対し光軸Ａｘを中心として９０°回転しているので、偏光ビームスプリッタ５を透過する。
【００４０】
対物光学系７は、被測定体Ｓ上に投影した２次元チャート３の像が被測定体Ｓで散乱（反射も含む）された光の一部をコリメートして１／４波長板６に入射させる。すなわち、対物光学系７は、スペクトラム光源２から出力された光Ｌによって照明された２次元チャート３の像を被測定体Ｓに投影する。対物光学系７は、照明光Ｌの波長により、被測定体Ｓ上において対物光学系７の光軸Ａｘ方向で異なる位置に２次元チャート３の像を投影する。具体的には、３つの波長λ１、λ０、λ２の光（λ１＜λ０＜λ２）を考えたとき、波長λ１の光Ｌ１は対物光学系７の光軸Ａｘ方向における位置Ｆ１で合焦し、波長λ０の光Ｌ０は対物光学系７の光軸Ａｘ方向における位置Ｆ０で合焦し、波長λ２の光Ｌ２は対物光学系７の光軸Ａｘ方向における位置Ｆ２で合焦する。ここで、位置Ｆ１、Ｆ０、Ｆ２は、この順でスペクトラム光源２に近い。
【００４１】
対物光学系７は、無限遠共役設計の正のパワーを有する光学系であって、軸上色収差は所定量だけ有しているが、倍率色収差については十分除去されている光学系である。対物光学系７は、第１の対物光学系３１と開口絞り３２と第２の対物光学系３３とを備える。第１の対物光学系３１は、所定の量の軸上色収差を発生する軸上色収差発生素子として機能する。第１の対物光学系３１は、第２の対物光学系３３の焦点面上に設置される。第１の対物光学系３１は、基準波長におけるパワー値が０であるとともに、所定の波長帯域内において基準波長から外れるほど徐々にパワー絶対値が増大し且つ波長に対してパワー値変動が単調であるような素子である。基準波長としては、例えば測定に使用する第１〜第３の波長帯域ＷＢ１〜ＷＢ３それぞれの内の中心付近の波長を選べばよい。
【００４２】
開口絞り３２は、第１及び第２の対物光学系３１、３３の間に配置される。正のパワーを有する第２の対物光学系３３は、スペクトラム光源２から出力される所定の波長帯域内の光に対して軸上色収差及び倍率色収差の双方が十分に補正された色収差補正済対物光学系として機能する。第２の対物光学系３３としては、例えば普通の無限遠共役設計の顕微鏡対物レンズを用いる。ただし、この場合、無限遠物点側焦点が光学系の外に出ていて、第１の対物光学系３１を物理的に設置できることが必要である。
【００４３】
図４に第１の対物光学系３１の一例についてその構成を示す。第１の対物光学系３１は、平凹レンズ３１Ａと平凸レンズ３１Ｂとを備える。対物光学系３１の表裏は問わない。平凹レンズ３１Ａの凹面の曲率半径と平凸レンズ３１Ｂの凸面の曲率半径とは同一である。第１の対物光学系３１は、平凹レンズ３１Ａの凹面と平凸レンズ３１Ｂの凸面とを接合した接合レンズである。
【００４４】
平凹レンズ３１Ａ及び平凸レンズ３１は、基準波長における屈折率が略等しいが、分散値が異なる媒質によって形成されている。したがって、平凹レンズ３１Ａ及び平凸レンズ３１Ｂの接合レンズである第１の対物光学系３１は、基準波長に対しては単なる平行平面板として機能する一方、基準波長以外の波長に対してはわずかだがパワーを有する光学系として機能する。そのため、第１の対物光学系３１を通過した光は、波長によって異なる角度で第１の対物光学系３１を出射し、その結果第１の対物光学系３１は軸上色収差を発生する。
【００４５】
再び、図１を参照して形状測定装置１の説明を続ける。結像光学系８には、偏光ビームスプリッタ５を通過した散乱光が入射する。結像光学系８によって被測定体Ｓの像が形成される。結像光学系８は、軸上色収差及び倍率色収差（焦点距離の色収差）の両方ともを十分除去するように設計されている。
【００４６】
波長帯分岐プリズム９は、被測定体Ｓで散乱され結像光学系８を通過した２次元チャート３の投影像をスペクトラム光源２が出力する複数の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の数だけ波長に基づいて分岐する。本実施形態に係る波長帯分岐プリズム９は、結像光学系８を通過した２次元チャート３の投影像を３つに分岐する３分岐型である。波長帯分岐プリズム９として、例えば３板式カメラに用いられるＲＧＢ３色分解プリズムを用いることができる。
【００４７】
波長帯分岐プリズム９は、第１の波長帯域ＷＢ１に対応する波長の光を第１の撮像装置１０に、第２の波長帯域ＷＢ２に対応する波長の光を第２の撮像装置１１に、第３の波長帯域ＷＢ３に対応する波長の光を第３の撮像装置１２にそれぞれ入射させる。
【００４８】
第１〜第３の撮像装置１０〜１２はいずれも、波長帯分岐プリズム９によって分岐された２次元チャート３の投影像を撮像する。第１〜第３の撮像装置１０〜１２はいずれも、２次元チャート３の投影像を得たときのスペクトラム光源２からの出力光の波長に対応させて、撮像された２次元チャート３の投影像をチャートデータとして後述の制御ユニット１３の保存領域に保存する。第１〜第３の撮像装置１０〜１２として、例えばＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等を用いることができる。
【００４９】
制御ユニット１３は、制御部１３Ａ及び解析部１３Ｂを備える。制御部１３Ａは、光源装置２１に印加する電圧を制御し、スペクトラム光源２から出力される光の波長を制御する。
【００５０】
解析部１３Ｂは、第１〜第３の撮像装置１０〜１２に保存されたチャートデータ及び既知の対物光学系７の軸上色収差量に基づいて被測定体Ｓの３次元形状を算出する。
【００５１】
次に、形状測定装置１によって被測定体Ｓの３次元形状を測定する方法を説明する。スペクトラム光源２から第１の波長帯域ＷＢ１内の一部である部分波長帯（スペクトラム）を有する光、第２の波長帯域ＷＢ２内の一部である部分波長帯（スペクトラム）を有する光、及び第３の波長帯域ＷＢ３内の一部である部分波長帯（スペクトラム）を有する光が同時に照明光Ｌとして出力される。照明光Ｌは、２次元チャート３のピンホール３Ａが繰り返し配置された面を照明する。２次元チャート３を通過した照明光Ｌは、コリメータ４で平行光束にされる。平行光束となった照明光Ｌのうち一部の光（Ｐ偏光成分又はＳ偏光成分）は偏光ビームスプリッタ５で反射され、残り（Ｓ偏光成分又はＰ偏光成分）は偏光ビームスプリッタ５を透過する。偏光ビームスプリッタ５で反射された光Ｌは、１／４波長板６を通過する。光Ｌは、１／４波長板６を通過する前は直線偏光の光であるが、通過後円偏光に変換されている。１／４波長板６を通過した光Ｌは、第１の対物光学系３１、開口絞り３２、及び第２の対物光学系３３を通過して、被測定体Ｓの表面及びその近傍に合焦する。
【００５２】
対物光学系７を通過した光Ｌは、倍率色収差は十分に除去されている一方、軸上色収差を所定の量だけ発生する。図５を参照して、対物光学系７の軸上色収差及び倍率色収差について説明する。図５は、対物光学系７の軸上色収差及び倍率色収差について模式的に説明するための図である。図５では、光学系の構造を薄肉レンズ系で表現している。図５は、スペクトラム光源２側、すなわち第１の対物光学系３１側から平行光束が入射する場合を示す。
【００５３】
図５において、基準波長光線Ｌ０は実線で示されている。第１の対物光学系３１は基準波長ではパワーが０なので光線はそのまま屈折することなく通過し、第２の対物光学系３３を通過後その焦点である位置Ｆ０に集光する。一方、基準波長前後の波長光線Ｌ１、Ｌ２は破線で示してある。基準波長以外の波長の光線Ｌ１、Ｌ２に対して、第１の対物光学系３１はわずかだが正又は負のパワーを有する。そのため、これらの波長光線Ｌ１、Ｌ２は第１の対物光学系３１によって集光又は発散される。そして、第２の対物光学系３３に入射後、基準波長光線Ｌ０の場合とは光軸Ａｘ上の異なる位置Ｆ１、Ｆ２に集光する。すなわち、軸上色収差を示す。
【００５４】
ここで、第１の対物光学系３１が第２の対物光学系３３の焦点面（焦点距離ｆ）に位置しているため、第１の対物光学系３１の射出面上の１点から分かれて射出される３つの異なる波長の光線Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２は、第２の対物光学系３２通過後互いに平行を保って進行する。したがって、光線Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２の光軸Ａｘ上での集光点である位置Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２は異なるが、光軸Ａｘとなす角度は３つの光線Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２とも同じ角度θである。
【００５５】
第１の対物光学系３１に入射するまで３つの光線Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２は、光軸Ａｘに平行な同一光線である。したがって、焦点距離の定義から、対物光学系７の焦点距離は３つの波長の光線Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２いずれについても同一である。よって、第２の対物光学系３２に残存する微小色収差を無視すれば、対物光学系７の倍率色収差は存在しないと考えることができる。
【００５６】
こうして、対物光学系７を通過した光Ｌは上述のように軸上色収差を示すため、光軸Ａｘに沿って異なる位置（例えば、位置Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２等）に合焦する。そして、対物光学系７を通過した光Ｌは、２次元チャート３の像を被測定体Ｓ上に投影する。被測定体Ｓ上に投影される２次元チャート３の像も、像を投影する光の波長によってピントの合い方が異なる。すなわち、被測定体Ｓ表面の任意の位置に投影された２次元チャート３の像を考えたとき、当該位置における光軸Ａｘ方向での高さ（凹凸量）に応じて２次元チャート３の像が被測定体Ｓ表面で合焦する際の波長は異なる。
【００５７】
さらに、図６を参照して、被測定体Ｓ上に投影される２次元チャート３の像の合焦位置が波長によって変化することを示す。図６に示されるように、被測定体Ｓ上の位置Ｓ１には、波長λ１の光が合焦する。被測定体Ｓ上の位置Ｓ２には、波長λ０の光が合焦する。被測定体Ｓ上の位置Ｓ３には、波長λ２の光が合焦する。
【００５８】
ここで、被測定体Ｓに２次元チャート３の像を投影する光Ｌは、投影像の部位にかかわらず主光線が対物光学系７の光軸Ａｘに平行であること、すなわちテレセントリックな像投影を行うことが望ましい。これは、被測定体Ｓへテレセントリックに２次元チャート３の像を投影することにより、例えば被測定体Ｓの高さ（凹凸量）が変化しても、被測定体Ｓ上に投影される２次元チャート３の像の横ずれは抑制されることによる。なお、テレセントリックな投影を実現するためには、開口絞り３２を対物光学系７の光源側焦点面上又はその近傍に設置する必要がある。一方で、前述のように、倍率色収差の発生を抑制するためには、薄肉レンズ表現において第１の対物光学系３１の位置と第２の対物光学系３２の光源側焦点面とを一致させることが望ましい。
【００５９】
被測定体Ｓ上に投影された２次元チャート３の像は、被測定体Ｓで散乱される。被測定体Ｓで散乱された光Ｌは、再度対物光学系７及び１／４波長板６を通過する。１／４波長板６を通過するときに、偏光ビームスプリッタ５を通過した後の直線偏光と同じ方向の直線偏光成分については、偏光面が光軸Ａｘを中心に９０度回転する。したがって、この場合、偏光ビームスプリッタ５によって光Ｌが反射されることなく透過していく。すなわち、被測定体Ｓからの散乱光Ｌが散乱前の偏光状態を保っているほど高い効率で偏光ビームスプリッタ５を透過することになる。偏光ビームスプリッタ５を透過した散乱光Ｌは結像光学系８に入射し、結像光学系８によって被測定体Ｓの像が形成される。
【００６０】
結像光学系８によって形成された被測定体Ｓの像は、第１〜３の撮像装置１０〜１２の何れかで撮像される。そして、この投影像を得たときのスペクトラム光源２からの出力光の波長に対応させて、撮像された２次元チャート３の投影像を制御ユニット１３の保存領域にチャートデータとして保存する。
【００６１】
保存されたチャートデータは、対物光学系７の色収差量に基づいて、制御ユニット１３の解析部１３Ｂによって処理される。そして、制御ユニット１３の解析部１３Ｂは、被測定体Ｓの３次元形状を算出する。
【００６２】
本実施形態に係る形状測定装置１の解析部１３Ｂが被測定体Ｓの３次元形状を算出する原理を以下に説明する。例えば、スペクトラム光源２から出力する第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の照明光Ｌの部分波長帯（スペクトラム）の幅を一定幅に制限し、幅を一定に保ったまま第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３内で部分波長帯を移動、すなわち波長を大きく又は小さくする。そして、スペクトラム光源２から出力される照明光Ｌの波長を変化させつつ、被測定体Ｓの像を第１〜第３の撮像装置１０〜１２で撮像する。被測定体Ｓ表面の高さ（凹凸量）とその高さで合焦する照明光Ｌの波長とは一対一に対応しているので、被測定体Ｓの高さに応じて被測定体Ｓ表面に合焦する波長が一意に決定される。こうした原理に基づき、制御ユニット１３の解析部１３Ｂは、取得したチャートデータを画像解析する。
【００６３】
図７及び図８を参照して、撮像装置で撮像された２次元チャート３の像（ピンホール像）の強度（ピンホール像強度）とスペクトラム光源２から出力された光の波長との関係を説明する。図７は、ピンホール像強度を波長の関数として表した図である。図８は、被測定体Ｓ上に投影された２次元チャート３の像の散乱光を撮像したときのバックグラウンドとピーク値とのコントラスト、すなわちピンホール像強度のバックグラウンドとピーク値とのコントラストを波長の関数として示した図である。
【００６４】
図７は、所定の幅を有する部分波長帯での２次元チャート３の像を、適当な波長間隔で複数サンプリングした場合を示す。図７から理解されるように、サンプリングした５つの部分波長帯ｄλ１〜ｄλ５において、ピンホール像の中心部でピンホール像強度のピーク値Ｉｐを有する。さらに、サンプリングした５つの部分波長帯ｄλ１〜ｄλ５において、ピンホール像強度のバックグラウンド値Ｉｖを有する。
【００６５】
図８では、サンプリングされた５つの部分波長帯ｄλ１〜ｄλ５におけるピンホール像強度について、ピーク値Ｉｐとバックグラウンド値Ｉｖとのコントラストを波長の関数として示す。図８のコントラストがピークを示す波長λｐ、すなわちピーク値Ｉｐとバックグラウンド値Ｉｖとの差が最大の波長λｐを合焦波長とみなす。そして、合焦波長λｐと対物光学系７の軸上色収差との対応から、被測定体Ｓの該当部位の光軸Ａｘ方向での高さ（凹凸量）を算出する。
【００６６】
制御ユニット１３の解析部１３Ｂは、画像解析の結果、例えば図７及び図８のグラフを保持し、上述の原理により被測定体Ｓ表面の３次元形状を算出することができる。解析部１３Ｂは、被測定体Ｓ上において２次元的に部位ごとの高さを一通り算出し、その算出されたデータを被測定体Ｓの表面形状として２次元マップに出力してもよい。
【００６７】
このように、制御ユニット１３の解析部１３Ｂは、保存されたチャートデータ及び対物光学系７の色収差量に基づいて被測定体Ｓの３次元形状を算出する撮像データ処理部として機能することができる。すなわち、制御ユニット１３の解析部１３Ｂは、スペクトラム光源２から出力された照明光Ｌの波長と２次元チャート３の投影像の強度との関係に基づいて、被測定体Ｓ上の任意の位置での合焦波長を求め、当該合焦波長についての対物光学系７の色収差量から被測定体Ｓ上の任意の位置における対物光学系７の光軸Ａｘ方向での高さ（凹凸量）を算出して被測定体Ｓの３次元形状を測定するものである。
【００６８】
ここで、図９を参照して、波長帯分岐プリズム９による波長帯分岐と照明光の第１〜第３の波長帯域との関係を説明する。図９（ａ）〜図９（ｃ）それぞれに示されているグラフの横軸は波長を表し、縦軸は透過率を表す。図９（ａ）〜図９（ｃ）の第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３内の曲線がそれぞれ、３分岐された後の波長帯域を表し、それらが第１の撮像装置１０、第２の撮像装置１１、及び第３の撮像装置１２で撮像される。スペクトラム光源２からは、図９（ａ）に示すように、各波長帯域ＷＢ１〜ＷＢ３の一部として含まれる部分波長帯域の光が出力される。部分波長帯域は、対応する波長帯域ＷＢ１〜ＷＢ３内を出ない範囲で波長帯域を変化させる。２次元チャート３の像の撮像は、所定の波長変化ごとに行う。
【００６９】
また、図９（ｂ）に示すように、隣接する波長帯域間のクロスオーバー領域（重複波長領域）、すなわち第１及び第２の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２のクロスオーバー領域ＣＢ１並びに第２及び第３の波長帯域ＷＢ２、ＷＢ３のクロスオーバー領域ＣＢ２内の波長の光を出力するときは、実際に出力する波長帯数をスペクトラム光源２が出力できる波長帯数より１つ少ない数（本実施形態では２つ）に減らす。これにより、図９（ｃ）に示すような１つの波長帯域内に２つの出力部分波長帯域が存在してしまう事態を抑制する。
【００７０】
形状測定装置１は、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１〜ＷＢ３内の複数の波長の光を出力できるスペクトラム光源２を備える。また、対物光学系７は所定の軸上色収差を発生させることができる。そのため、形状測定装置１では、軸上色収差を利用して被測定体Ｓの任意の位置での光軸Ａｘ方向の高さ（凹凸量）を非接触で測定することが可能である。
【００７１】
一般に、干渉法、モアレトポグラフィー、及びパターン投影法等を用いて被測定体の３次元形状を測定する方法が知られている。これらの方法では、被測定体Ｓの表面に現れた縞模様の変形から位相変化を読み取り、これを表面の凹凸に換算して表面形状を算出している。これらの方法では、被測定体の凹凸が計測パターンの位相の１周期を超える深さのときは、計測された位相が２π単位で折りたたまれるラッピング現象を発生する。そのため、位相の折りたたみであるラッピングを伸ばして、正しい凹凸量に戻すアンラッピング処理を施す必要が生じてしまう。これに対し、形状測定装置１では軸上色収差を用いて被測定体Ｓの形状を測定しているため、アンラッピング処理は不要となる。
【００７２】
また、形状測定装置１では、２次元にパターンが配置された２次元チャート３の像を撮像装置１０〜１２により撮像することで、被測定体Ｓの表面の所定範囲の情報を一度に測定することができる。すなわち、装置において機械的な動きを伴うことなく被測定体Ｓの３次元形状を測定することが可能である。このように、二次元的に作用するチャート３及び撮像装置１０〜１２を用いて測定を行うため、２次元データ取得のための画像走査機構が不要となり装置を簡素化することが可能となる。
【００７３】
さらに、形状測定装置１では装置の簡素化に伴い、装置が振動することの抑制、コストの抑制、及び装置の動作の安定等も可能となる。
【００７４】
また、形状測定装置１では、スペクトラム光源２が第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の３つの波長帯域において出力する部分波長帯域を変化させつつ、同時に３つの部分波長帯域を出力している。また、形状測定装置１は、波長帯分岐プリズム９を用いて測定する波長の範囲を３つに分割し、分割された波長帯域ごとに並行して第１〜第３の撮像装置１０〜１２によって撮像される。すなわち、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３において、出力する部分波長帯域の変化と２次元チャート３の像の撮像とを並列的に行う。これにより、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の全域を波長帯分岐せずに撮像する場合に比べて、短時間で必要なデータを取得することが可能となる。
【００７５】
さらに、対物光学系７の軸上色収差量及び光源から出力された光の波長範囲の選択によって、被測定体Ｓの光軸Ａｘ方向の高さ（凹凸量）の範囲を自由に設定することもできる。したがって、幅広い測定対象に対して形状の測定が可能である。
（第２実施形態）
【００７６】
図１０を参照して、第２実施形態に係る形状測定装置４１の構成について説明する。第２実施形態に係る形状測定装置４１は、２次元チャートに対して斜めに照明光を入射する点で第１実施形態に係る形状測定装置１とは異なる。図１０は、第２実施形態に係る形状測定装置の構成図である。
【００７７】
図１０に示す形状測定装置４１は、スペクトラム光源２と、２次元チャート４２と、コリメータ４と、平面ミラー４３と、対物光学系（投影光学系）４４と、結像光学系８と、波長帯分岐プリズム（分岐部）９と、第１の撮像装置１０と、第２の撮像装置１１と、第３の撮像装置１２と、制御ユニット１３とを備えている。
【００７８】
２次元チャート４２は、スペクトラム光源２によって照明される。図１１は、２次元チャート４２を形状測定装置４１の光軸Ａｘに沿って見たときの平面図を表す。２次元チャート４２には、図１１に示されるように、ストライプ状のスリット４２Ａが所定の方向に沿って配置された縞模様パターンが形成されている。スリット４２Ａは、光を透過する透過領域として機能する。
【００７９】
２次元チャート４２は、図１０において被測定体Ｓ上に形成されるスリット４２Ａの像の長手方向が図１０の紙面に直交する方向となるように、配置される。
【００８０】
形状測定装置４１では、図１０に示すように、２次元チャート４２を斜めに照明し、測定装置４１の光軸Ａｘに対して非回転対称な光強度分布を持たせる。平面ミラー１２は、２次元チャート４２を通過しチャート４２の像を投影する光を対物光学系４４に到達させる。
【００８１】
対物光学系４４は、第１の対物光学系５１、投影光用部分開口絞り５２、撮像光用部分開口絞り５３、及び第２の対物光学系５４を備える。第１の対物光学系５１は、所定の量の軸上色収差を発生する軸上色収差発生素子として機能する。投影光用の部分開口絞り５２は、対物光学系４４の光軸Ａｘを含み、かつ図１０の紙面に垂直な平面で開口絞り面を二分したとき、その片方の領域において２次元チャート４２からの投影光を効率的に通過させる位置に設置される。その結果、被測定体Ｓは斜め照明される。
【００８２】
第２の対物光学系５４は、スペクトラム光源２から出力される所定の波長帯域内の光に対して軸上色収差及び倍率色収差の双方が十分に補正された色収差補正済対物光学系として機能する。撮像光用部分開口絞り５３は、投影光用部分開口絞り５２と同一平面上であって且つ隣接して設置されている。撮像光用部分開口絞り５３は、対物光学系４４に戻った被測定体Ｓからの反射光及び散乱光の一部を通過させる。そして、撮像光用部分開口絞り５３を通過した成分の光のみが、結像光学系８に入射する。なお、投影光用部分開口絞り５２及び撮像光用部分開口絞り５３は、必ずしも、図示位置にある必要はなく、同等効果の得られる場所に設置しても構わない。
【００８３】
形状測定装置４１では、対物光学系４４は、隣接して配置された投影光用部分開口絞り５２及び撮像光用部分開口絞り５３を有し、被測定体Ｓに入射する前の投影光Ｌは投影光用部分開口絞り５２のみを通過する。すなわち、対物光学系４４は、その領域を二分割したときにどちらかの領域（投影光用部分開口絞り５２に相当する領域）内からのみスペクトラム光源２からの出力光が射出されるような射出瞳形状を有する。
【００８４】
また、制御ユニット１３の解析部１３Ｂは、撮像装置１０〜１２において得られたチャートデータの所定の複数領域における重心位置の変化を検出し、対物光学系４４の軸上色収差特性と比較することで複数領域それぞれに対応する被測定体Ｓの位置の対物光学系４４の光軸Ａｘ方向での凹凸量を算出する。
【００８５】
形状測定装置４１では、スリットパターンの繰り返しを有する２次元チャート４２を用い、さらに２次元チャートに対して斜めに照明光を入射するため、波長ごとの２次元チャート４２のスリット４２Ａの像の歪み量とボケ量とを算出し、これを対物光学系４４の軸上色収差と比較することで、被測定物Ｓの光軸Ａｘ方向での高さ（凹凸量）を求める。
【００８６】
図１２に示すように、被測定体Ｓ上に形成された２次元チャート４２のパターンの像（スリット像）において、任意の位置Ｘ０での光強度分布断面が照明光Ｌの波長に応じて変化する。図１２（ａ）〜図１２（ｅ）において、照明光Ｌの波長の大きさが異なる場合の任意の位置Ｘ０における被測定体Ｓの断面形状に対し、２次元チャート４２の像を形成する照明光Ｌの結像位置を示す。図１２（ａ）〜図１２（ｅ）は、この順に波長が大きく又は小さくなっている場合に対応する。図１２（ｃ）は、任意の位置Ｘ０において２次元チャート４２の像を形成する照明光が合焦した状態を示す。図１２（ａ）〜図１２（ｅ）のグラフの横軸は被測定体Ｓ上での位置を、縦軸は高さ（凹凸量）を示す。
【００８７】
図１３は、撮像装置で撮像したスリット像の光強度分布を示す。図１３（ａ）〜図１３（ｅ）はそれぞれ、図１２（ａ）〜図１２（ｅ）に対応している。すなわち、図１３（ａ）〜図１３（ｅ）は、図１２（ａ）〜図１２（ｅ）に対応する波長の大きさの照明光Ｌで２次元チャート４２が照明された場合の集光状態を表す。図１３（ａ）〜図１３（ｅ）のグラフの横軸は被測定体Ｓ上での位置を、縦軸はスリット像光強度分布を示す。
【００８８】
図１３から理解されるように、照明光Ｌの波長変化に応じてスリット像光強度分布のピーク位置がＸ軸方向に移動する。位置Ｘ０に強度分布のピークが一致したとき、すなわち図１３（ｃ）が合焦状態である。制御ユニット１３の解析部１３Ｂによって、強度分布のピークのＸ座標値と照明光Ｌの波長との関係から、被測定体Ｓの任意の位置Ｘ０において合焦する照明光の波長を算出し、対物光学系４４の軸上色収差に照らし合せて被測定体Ｓの着目部位Ｘ０の高さ（凹凸量）を求める。そして、制御ユニット１３の解析部１３Ｂにより、２次元的に被測定体Ｓ上の部位ごとの高さが一通り算出されたならば、そのデータを被測定体Ｓの表面形状として２次元マップを出力する。
【００８９】
図１４を参照して、被測定体Ｓ上に投影される２次元チャート４２の像の合焦位置が波長によって変化することを示す。図１４に示されるように、被測定体Ｓ上の位置Ｓ１には、波長λ１の光が合焦する。被測定体Ｓ上の位置Ｓ２には、波長λ０の光が合焦する。被測定体Ｓ上の位置Ｓ３には、波長λ２の光が合焦する。
【００９０】
形状測定装置４１では、投影光用部分開口絞り５２が対物光学系４４の光軸Ａｘを含まない偏芯した位置に配置されている。そのため、第１実施形態に係る形状測定装置１と同じように対物光学系４４の全開口に光が入射していると仮定した場合に、第１実施形態の場合と同様被測定体Ｓにテレセントリックな投影光が入射するように設定しておくことで、図１４に示すように、被測定体Ｓに対して斜めから２次元チャート４２の像を投影したとしても、被測定体Ｓの高さの変化による投影像の横ずれは発生しにくい。
【００９１】
形状測定装置４１は、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１〜ＷＢ３内の複数の波長の光を出力できるスペクトラム光源２を備える。また、対物光学系４４は所定の軸上色収差を発生させることができる。そのため、形状測定装置４１では、軸上色収差を利用して被測定体Ｓの任意の位置での光軸Ａｘ方向の高さ（凹凸量）を非接触で測定することが可能である。
【００９２】
また、形状測定装置４１では軸上色収差を用いて被測定体Ｓの形状を測定しているため、アンラッピング処理は不要となる。
【００９３】
また、形状測定装置４１では、２次元にパターンが配置された２次元チャート４２の像を撮像装置１０〜１２により撮像することで、被測定体Ｓの表面の所定範囲の情報を一度に測定している。すなわち、装置において機械的な動きを伴うことなく被測定体Ｓの３次元形状を測定することが可能である。そのため、形状測定装置４１は、２次元データ取得のための画像走査機構が不要となり装置を簡素化することが可能となる。さらに、形状測定装置４１では装置の簡素化に伴い、装置が振動することの抑制、コストの抑制、及び装置の動作の安定等も可能となる。
【００９４】
また、形状測定装置４１は、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３において、出力する部分波長帯域の変化と２次元チャート３の像の撮像とを並列的に行う。これにより、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の全域を波長帯分岐せずに撮像する場合に比べて、短時間で必要なデータを取得することが可能となる。
【００９５】
さらに、形状測定装置４１では、対物光学系７の軸上色収差量及び光源から出力された光の波長範囲の選択によって、被測定体Ｓの光軸Ａｘ方向の高さ（凹凸量）の範囲を自由に設定することもできる。したがって、幅広い測定対象に対して形状の測定が可能である。
【００９６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、軸上色収差発生素子として機能する第１の対物光学系３１、５１は、図１、図４、及び図１０に記載された構成に限定されない。したがって、例えば、第１の対物光学系３１を図１５に示すように構成してもよい。図１５では、平凹レンズ３１Ａと平凸レンズ３１Ｂとの接合レンズである第１の対物光学系３１を１個ではなく、２個用意して適当な間隔で配置している。２つの第１の対物光学系３１は、同一媒質のレンズ同士、すなわち平凸レンズ３１Ｂ同士が向かい合わせになるように並べて、開口絞り３２を２つの第１の対物光学系３１の中間に配置している。
【００９７】
また、第１の対物光学系５１を図１６に示すように構成してもよい。図１６では、平凹レンズ５１Ａと平凸レンズ５１Ｂとの接合レンズである第１の対物光学系５１を１個ではなく、２個用意して適当な間隔で配置している。２つの第１の対物光学系５１は、同一媒質のレンズ同士、すなわち平凸レンズ５１Ｂ同士が向かい合わせになるように並べて、投影光用部分開口絞り５２及び撮像光用部分開口絞り５３を、２つの第１の対物光学系３１の中間に配置している。
【００９８】
図１５に示すように、２つの第１の対物光学系３１とその中央に配置された開口絞り３２とを用いる場合、開口絞り３２が第２の対物光学系３２の光源側焦点面と共役になるように設置することで、実用上十分な近似で倍率色収差の発生を十分に抑制することができる。さらに、この場合、テレセントリック条件をも満たすことが可能である。これは、第１の対物光学系３１のパワーの絶対値がごく小さいことによる。
【００９９】
また、２次元チャートとして、第１実施形態で示したチャート３及び第２実施形態で示したチャート４２以外のパターンを有するチャートを用いてもよい。
【０１００】
また、チャートデータを保存する保存領域は、制御ユニット１３内に限らず、例えば撮像装置内に存在していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】第１実施形態に係る形状測定装置の構成図である。
【図２】第１実施形態に係る形状測定装置が備える光源装置の構成図である。
【図３】２次元チャートを形状測定装置の光軸に沿って見たときの平面図である。
【図４】第１実施形態に係る形状測定装置が備える第１の対物光学系の構成図である。
【図５】対物光学系の軸上色収差及び倍率色収差について模式的に説明するための図である。
【図６】被測定体上に投影される２次元チャートの像の合焦位置が波長によって変化することを説明するための図である。
【図７】所定の幅を有する部分波長帯での２次元チャートの像強度を示す図である。
【図８】サンプリングされた部分波長帯でのピンホール像強度のピーク値とバックグラウンド値とのコントラストを波長の関数として示す図である。
【図９】波長帯分岐プリズムによる波長帯分岐と照明光の第１〜第３の波長帯域との関係を説明するための図である。
【図１０】第２実施形態に係る形状測定装置の構成図である。
【図１１】２次元チャートを形状測定装置の光軸に沿って見たときの平面図である。
【図１２】被測定体上の任意の位置に形成された２次元チャートの像の波長による結像状態を表す図である。
【図１３】撮像装置で撮像したスリット像の光強度分布を示す図である。
【図１４】被測定体上に投影された２次元チャートの像の合焦位置が波長によって変化することを説明するための図である。
【図１５】第１実施形態に係る形状測定装置の第１の対物光学系の変形例の構成図である。
【図１６】第２実施形態に係る形状測定装置の第１の対物光学系の変形例の構成図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１、４１…形状測定装置、２…スペクトラム光源、３、４２…２次元チャート、４…コリメータ、５…偏光ビームスプリッタ、６…１／４波長板、７、４４…対物光学系、８…結像光学系、９…波長帯分岐プリズム、１０…第１の撮像装置、１１…第２の撮像装置、１２…第３の撮像装置、１３…制御ユニット、４３…平面ミラー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物体表面の３次元形状を非接触で光学的に精密測定する装置として、光学系の軸上色収差を利用する装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。この種の装置では、意図的に軸上色収差を持たせた投影光学系と複数波長の光を出力可能な光源とを用いることで非接触で３次元形状を測定することを可能としている。
【特許文献１】特許第２８１２３７１号明細書
【特許文献２】特開平７−２２９７２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
３次元形状を測定する際、被測定体と当該被測定体に投光する光との間の相対的な位置関係を機械的に変化させると、測定時間が長くなる上、走査機構が必要となるため、装置の複雑化をも招く。
【０００４】
本発明は、装置の機械的な動きを伴うことなく３次元の形状を測定することが可能な３次元形状測定装置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】
【０００５】
本発明を例示する態様に従えば、被測定体の３次元形状を測定する装置であって、所定の波長帯域の中で波長を変えて光を出力することができる光源と、光を透過する領域を有するパターンが所定の方向に沿って繰り返される２次元チャートと、所定の量の色収差を有し、光源から出力された光によって照明された２次元チャートの像を被測定体に投影する投影光学系と、被測定体で散乱された２次元チャートの投影像を撮像して、当該２次元チャートの投影像を得た際の光源からの出力光の波長に対応させて撮像された２次元チャートの投影像をチャートデータとして保存領域に保存する撮像部と、保存領域に保存されたチャートデータ及び投影光学系の色収差量に基づいて被測定体の３次元形状を算出する撮像データ処理部と、を備える３次元形状測定装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、装置の機械的な動きを伴うことなく３次元の形状を測定することが可能な３次元形状測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
【０００８】
図１を参照して、第１実施形態に係る形状測定装置１の構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る形状測定装置の構成図である。
【０００９】
図１に示す形状測定装置１は、スペクトラム光源２と、２次元チャート３と、コリメータ４と、偏光ビームスプリッタ５と、１／４波長板６と、対物光学系（投影光学系）７と、結像光学系８と、波長帯分岐プリズム（分岐部）９と、第１の撮像装置１０と、第２の撮像装置１１と、第３の撮像装置１２と、制御ユニット１３とを備えている。形状測定装置１は、スペクトラム光源２から出力された光Ｌで照明された２次元チャート３の像を対物光学系７によって被測定体Ｓ上に投影し、被測定体Ｓ上の２次元チャート３の投影像の散乱光を撮像したデータと対物光学系７が有する軸上色収差とを比較することによって、被測定体Ｓの３次元形状を測定する装置である。
【００１０】
スペクトラム光源２は、複数（本実施形態では３つ）の波長帯域である第１の波長帯域ＷＢ１、第２の波長帯域ＷＢ２、及び第３の波長帯域ＷＢ３それぞれの中で波長を変えて、複数の部分波長帯（スペクトラム）の光を同時に出力することができる。複数の部分波長帯は何れも、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の何れかの一部の波長帯域である。スペクトラム光源２は、各波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の中で波長帯（スペクトラム）を変えて光Ｌを出力する。スペクトラム光源２は、光源装置２１と、光源コリメータ２２と、拡散素子２３と、照明光学系２４とを備える。
【００１１】
光源装置２１は、所望の波長帯を有する光Ｌを出力する。光源コリメータ２２は、光源装置２１から出力された光Ｌをコリメートし、平行光束とする。拡散素子２３は、光束コリメータ２２で平行光束とされた光Ｌを拡散する。拡散素子２３として、例えば拡散板、又はフライアイレンズ等を用いることができる。
【００１２】
ここで、図２を参照して、光源装置２１の構成について説明する。図２は、光源装置２１の構成図である。図２に示すように、幾何光学的にはほぼ点光源とみなせ、しかも連続スペクトラム光源という特徴を持つスーパーコンティニュアム光源からの平行光束Ｂ１を出力する光源部１０１から出力される連続スペクトラム平行光束Ｂ１は、偏光分岐素子１０２に入射する。なお、図２において、光線に付された両方向矢印と黒丸は、それぞれ、互いに直角な偏光の振動方向を示している。これらの２つが同時に記載されている光線は、両方の偏光成分を併せ持つ光線を示す。
【００１３】
偏光分岐素子１０２は、入射光を、互いに直交する２つの直線偏光成分を有する出力光として分岐出力するもので、例えばカルサイトなどの複屈折結晶からなるウォラストンプリズムにすれば高い消光比（100000：１程度）が得られる。ウォラストンプリズムの代わりに、ノマルスキープリズム等を用いてもよい。なお、偏光分岐素子１０２は表面反射光束が光源部１０１の中の光源点に戻らないよう、わずかに傾けて設置する。
【００１４】
図２では平行光束Ｂ１を偏向させるために平面ミラー１１０を設置してあるが、これは配置上の必要性に応じて設置してもしなくてもよい。
【００１５】
平行光束Ｂ１は、偏光分岐素子１０２によって互いに直交する偏光成分別に光束Ｂ２とＢ３に分解され、所定の角度をなして別方向に進行する。次に、正のパワーを有する第一フォーカシング光学系１０３によって、これらの光束Ｂ２、Ｂ３はそれぞれほぼ点像に集光される。ここで、偏光分岐素子１０２内にできている光束Ｂ２とＢ３の分岐点と、第一フォーカシング光学系１０３の焦平面とをなるべく一致させることが望ましい。そうすることで、第一フォーカシング光学系１０３通過後の光束Ｂ２とＢ３の２本の主光線は平行となる。
【００１６】
この点像位置に分光器１０４の入出力スリット１４１を設置する。スーパーコンティニュアム光源やレーザ光源ならば、ほぼ点状に集光できるので、入出力スリット１４１は必要というわけではないが、余計な光が分光器１０４の内部に混入するのを防げるのであった方がよい。分光器１０４は波長分散型とする。図２に示した例ではグレーティングを波長分散素子１４３とし、コリメータ１４２とカメラ光学系１４４とが設けられている。なお、グレーティングの代わりにプリズム等の波長分散素子を適宜使用することができる。
【００１７】
分光器１０４は、入出力スリット１４１開口面上の２つの点像を波長分解して、発光源のスペクトラム像を２つ形成する。２つのスペクトラム像は２本のほぼ平行に並んだ線形状になる。それぞれの線状スペクトラム像位置に対して１つの反射型液晶素子アレイが対応するよう２列アレイ構成とした反射型液晶素子アレイデバイス１０６が設置される。その内部に備えられている反射型液晶素子内ミラーのミラー面上にスペクトラム像が所定の波長範囲においてあまさず形成され、かつ反射されるように位置が決められている。従って、光束Ｂ２とＢ３は反射されて分光器１０４内部に戻る。
【００１８】
分光器１０４の光学系は、各反射型液晶素子に入射する該当波長要素光束の主光線がなるべく平行に配列するよう設計されてあることが望ましい。これは、波長分散素子１４３状の各波長の主光線の分岐点を、カメラ光学系１４４の焦平面上、あるいはその近傍に配置することで実現できる。そうすることにより、平面上に配列している反射型液晶素子アレイ１６１及び１６２への入射角度条件をそろえることができ、入射角度のばらつきによるリターデーション特性のばらつきを発生させなくすることができる。また、迷光の方向を揃えることができ、迷光の処理を容易にすることができる。
【００１９】
反射型液晶素子アレイデバイス１０６の光入出力面には必要に応じてリターデーション補償板１０５を接着しておく。リターデーション補償板１０５は液晶素子にわずかに残してある初期リターデーション、および偏光分岐素子１０２と反射型液晶素子アレイデバイス１０６との間の光学系を原因として発生する可能性のあるリターデーションとを相殺するために用いられる。このとき接着面での反射光は迷光になる恐れがあるので、所定の値以下になるように注意する。必要があれば接着面にも反射防止膜を施す。
【００２０】
通常は２つの反射型液晶素子アレイ１６１，１６２に対して１つのリターデーション補償板１０５を用意すれば足りるが、必要なら２分岐された直線偏光光束経路個々に対して最適化した２枚のリターデーション補償板を用意し、それぞれを該当する反射型液晶素子アレイ上に貼り付けてもよい。
【００２１】
反射型液晶素子アレイデバイス１０６を分光光束が反射する際、個々の液晶素子に独立的に印加された電圧にしたがってリターデーションが発生する。したがって反射型液晶素子アレイデバイス１０６反射後の偏光状態は一般的には楕円偏光である。反射型液晶素子アレイデバイス１０６によって、波長要素ごとに独立的に所定のリターデーションを発生させ楕円偏光化することで偏光分岐素子１０２を再通過する際に、分光アッテネーション作用を発生させ、出力光に対して所望のスペクトラム特性を持たせる。
【００２２】
なお、光束Ｂ２、Ｂ３の偏光状態差は、波長分散素子１４３に入射する際、および反射型液晶素子アレイデバイス１０６で反射された後波長分散素子１４３に再入射する際、ともに大きく異なっている。波長分散素子１４３の分光透過特性（または分光反射特性）には通常偏光依存性があるが、とりわけグレーティングの場合には顕著に現れる。この波長分散素子１４３の分光特性偏光依存性をなくしたいときには、波長分散素子１４３の分光特性偏光依存性が相殺されるよう、光束Ｂ４とＢ５とが偏光分岐素子１０２を再通過する時の偏光分岐素子１０２による分光アッテネーション量に差異を持たせればよい。これは、光束Ｂ４とＢ５に反射型液晶素子アレイ１６１、１６２間で波長の関数としての所定の量だけ異なるリターデーション量を付加させれば実現する。
【００２３】
図２に示すように、反射型液晶素子アレイデバイス１０６には後述の制御ユニット１３が接続されている。制御ユニット１３は、各液晶素子への印加電圧を制御する。制御ユニット１３への制御信号は、図示はしていないが、外部のパソコン等の制御装置から与えられる。
【００２４】
反射型液晶素子アレイデバイス１０６を反射した光束は分光器１０４を逆進する中、波長合波作用を受け、２本の白色光束Ｂ４とＢ５に戻る。そして入出力スリット１４１上で、入力時と同じ位置に集光する。
【００２５】
入出力スリット１４１の開口上にできる２つのスポットの中心を結ぶ直線を含む平面のうち、この２つのスポットに集光する光束（集光光束）の２本の主光線を含む平面に対して直交する平面を入出力スリット面と名づける。光束Ｂ２、Ｂ３の主光線が、入出力スリット１４１のそれぞれのスポットに入射するとき、それぞれの主光線が入出力スリット面の法線に対して、集光光束の集光ＮＡよりも大きな角度をなして入射するように、光束Ｂ２、Ｂ３の主光線の入射角度を傾けておく。そうすることで、入出力スリット１４１から反射型液晶素子アレイデバイス１０６までの光束Ｂ２、Ｂ３と、反射型液晶素子アレイデバイス１０６で反射後入出力スリット１４１まで戻る出力光束Ｂ４、Ｂ５とが、入出力スリット１４１近傍および反射型液晶素子アレイデバイス１０６の反射点近傍以外では分離するようになる。これは、入出力スリット１４１と、反射型液晶素子デバイス１０６の反射面とが共役にされていることから明らかである。
【００２６】
なお、液晶素子内を通過する光線には本来角度分布などない方が望ましく、この場合も入射光束と反射光束とが角度をなさない方がよいが、光束ＮＡを十分小さく設定し、光束入射傾角もなるべく小さく抑えることで、光線角度分布の弊害を低減させることができる。
【００２７】
分光器１０４の入出力スリット１４１から出力された光束は、第一フォーカシング光学系１０３でコリメートされた後、偏光分岐素子１０２に戻る。
【００２８】
前述の通り第一フォーカシング光学系１０３の焦平面を偏光分岐素子１０２の偏光分岐点に合わせることで、分光器１０４の入出力スリット１４１に入射する２本の光束Ｂ２、Ｂ３の主光線は互いに平行となり、入出力スリット１４１から射出する２本の光束Ｂ４、Ｂ５の主光線も互いに平行となる。また第一フォーカシング光学系１０３によってコリメート作用を受けるのと同時に、２本の光束Ｂ４、Ｂ５は偏光分岐素子１０２内において交わる。このとき、前述のように、光束Ｂ２、Ｂ３と光束Ｂ４、Ｂ５とが分離されているので、偏光分岐素子１０２に光束Ｂ４、Ｂ５が入射する位置は、光束Ｂ２、Ｂ３が入射する位置とは異なる位置となる。
【００２９】
偏光分岐素子１０２に戻った２本の白色光束Ｂ４、Ｂ５は、偏光成分によって、光源部１０１から発した光束Ｂ１が最初に偏光分岐素子１０２に入射する方向と平行な方向に偏向される第一偏向成分と、それ以外の方向に偏向される第二偏向成分および第三偏向成分とに分かれる。
【００３０】
第一偏向成分は、戻って来た２本の白色光束それぞれの成分がほぼ重なり、おおよそ1本の光束となって偏光分岐素子１０２から出て行く。これを出力光束Ｂ８と呼ぶ。第二偏向成分および第三偏向偏光成分光は偏光分岐素子通過後、異なる２方向に進行する。これらを廃棄光束Ｂ６、Ｂ７と呼ぶ。
【００３１】
このとき、前述のように、偏光分岐素子１０２に光束Ｂ４、Ｂ５が入射する位置は、光束Ｂ２、Ｂ３が入射する位置とは異なる位置となるので、偏光分岐素子１０２を通過した出力光束Ｂ８が光源部１０１に直接戻ることが避けられ、光源部１０１の動作が不安定化することがない。
【００３２】
光路に沿って偏光分岐素子１０２の次に、正のパワーを有する第二フォーカシング光学系１０８を設置し、特に出力光束Ｂ８を集光させる。廃棄光束Ｂ６、Ｂ７は第二フォーカシング光学系１０８に入射させてもさせなくてもどちらでもかまわない。出力光束Ｂ８の集光点にピンホール１０９を設置し、出力光束Ｂ８だけを通過させることで、所望のスペクトラムを有した光束を得る。
【００３３】
なお、第二フォーカシング光学系１０８とピンホール１０９を設ける代わりに、単に出力光束Ｂ８のみを通過させる開口を設けるようにしてもよい。この場合には、第二フォーカシング光学系１０８とピンホール１０９を設けた場合に比して、取り出される光束に多少の迷光が混じることが避けられないが、これが問題にならなければ、このような構成でも、所望のスペクトラムを有した光束を得ることができる。
【００３４】
再び、図１を参照して形状測定装置１の説明を続ける。照明光学系２４は、正のパワーを有する。また、照明光学系２４は、その焦点位置が拡散素子２３に一致するよう配置される。
【００３５】
２次元チャート３は、スペクトラム光源２によって照明される。また、２次元チャート３は、拡散素子２３が配置された側とは反対側の照明光学系２４の焦点位置であって、且つ後述のコリメータ４の焦点位置に配置される。図３を参照して、２次元チャート３が有するパターンについて説明する。図３は、２次元チャート３を形状測定装置１の光軸Ａｘに沿って見たときの平面図を表す。
【００３６】
２次元チャート３には、図３に示されるように、ピンホール３Ａが２次元的に配列されている。そして、２次元チャート３では、ピンホール３Ａによる２次元パターンが、光軸Ａｘと直交し且つ互いに直交する２つの方向に沿って繰り返される。ピンホール３Ａは、光を透過する透過領域として機能する。
【００３７】
再び、図１を参照して形状測定装置１の説明を続ける。コリメータ４は、２次元チャート３の透過領域を通過した照明光Ｌをコリメートして、平行光束とする。図１に示されるように、コリメータ４は正のパワーを有する。コリメータ４は、軸上色収差及び倍率色収差（焦点距離の色収差）の両方ともを十分除去するように設計されている。
【００３８】
偏光ビームスプリッタ５は、照明光ＬのＰ偏光成分（又はＳ偏光成分）を透過し、Ｓ偏光成分（Ｐ偏光成分）を反射する。これにより、偏光ビームスプリッタ５で反射された照明光Ｌは直線偏光化される。偏光ビームスプリッタ５は、反射により照明光Ｌの光路を略９０°偏向する。また、偏光ビームスプリッタ５は、後述の被測定体Ｓでの散乱された後、後述の１／４波長板６を通過した光Ｌのうち、所定の直線偏光成分を有する光を透過する。
【００３９】
１／４波長板６は、偏光ビームスプリッタ５で光路が偏向された照明光Ｌを円偏光に変換する。１／４波長板６は、後述の被測定体Ｓでの散乱光Ｌの中の所定の偏光成分光を直線偏光に変換する。このとき、この成分光の偏光面は、偏光ビームスプリッタ５で反射された照明光Ｌの偏光面に対し光軸Ａｘを中心として９０°回転しているので、偏光ビームスプリッタ５を透過する。
【００４０】
対物光学系７は、被測定体Ｓ上に投影した２次元チャート３の像が被測定体Ｓで散乱（反射も含む）された光の一部をコリメートして１／４波長板６に入射させる。すなわち、対物光学系７は、スペクトラム光源２から出力された光Ｌによって照明された２次元チャート３の像を被測定体Ｓに投影する。対物光学系７は、照明光Ｌの波長により、被測定体Ｓ上において対物光学系７の光軸Ａｘ方向で異なる位置に２次元チャート３の像を投影する。具体的には、３つの波長λ１、λ０、λ２の光（λ１＜λ０＜λ２）を考えたとき、波長λ１の光Ｌ１は対物光学系７の光軸Ａｘ方向における位置Ｆ１で合焦し、波長λ０の光Ｌ０は対物光学系７の光軸Ａｘ方向における位置Ｆ０で合焦し、波長λ２の光Ｌ２は対物光学系７の光軸Ａｘ方向における位置Ｆ２で合焦する。ここで、位置Ｆ１、Ｆ０、Ｆ２は、この順でスペクトラム光源２に近い。
【００４１】
対物光学系７は、無限遠共役設計の正のパワーを有する光学系であって、軸上色収差は所定量だけ有しているが、倍率色収差については十分除去されている光学系である。対物光学系７は、第１の対物光学系３１と開口絞り３２と第２の対物光学系３３とを備える。第１の対物光学系３１は、所定の量の軸上色収差を発生する軸上色収差発生素子として機能する。第１の対物光学系３１は、第２の対物光学系３３の焦点面上に設置される。第１の対物光学系３１は、基準波長におけるパワー値が０であるとともに、所定の波長帯域内において基準波長から外れるほど徐々にパワー絶対値が増大し且つ波長に対してパワー値変動が単調であるような素子である。基準波長としては、例えば測定に使用する第１〜第３の波長帯域ＷＢ１〜ＷＢ３それぞれの内の中心付近の波長を選べばよい。
【００４２】
開口絞り３２は、第１及び第２の対物光学系３１、３３の間に配置される。正のパワーを有する第２の対物光学系３３は、スペクトラム光源２から出力される所定の波長帯域内の光に対して軸上色収差及び倍率色収差の双方が十分に補正された色収差補正済対物光学系として機能する。第２の対物光学系３３としては、例えば普通の無限遠共役設計の顕微鏡対物レンズを用いる。ただし、この場合、無限遠物点側焦点が光学系の外に出ていて、第１の対物光学系３１を物理的に設置できることが必要である。
【００４３】
図４に第１の対物光学系３１の一例についてその構成を示す。第１の対物光学系３１は、平凹レンズ３１Ａと平凸レンズ３１Ｂとを備える。対物光学系３１の表裏は問わない。平凹レンズ３１Ａの凹面の曲率半径と平凸レンズ３１Ｂの凸面の曲率半径とは同一である。第１の対物光学系３１は、平凹レンズ３１Ａの凹面と平凸レンズ３１Ｂの凸面とを接合した接合レンズである。
【００４４】
平凹レンズ３１Ａ及び平凸レンズ３１は、基準波長における屈折率が略等しいが、分散値が異なる媒質によって形成されている。したがって、平凹レンズ３１Ａ及び平凸レンズ３１Ｂの接合レンズである第１の対物光学系３１は、基準波長に対しては単なる平行平面板として機能する一方、基準波長以外の波長に対してはわずかだがパワーを有する光学系として機能する。そのため、第１の対物光学系３１を通過した光は、波長によって異なる角度で第１の対物光学系３１を出射し、その結果第１の対物光学系３１は軸上色収差を発生する。
【００４５】
再び、図１を参照して形状測定装置１の説明を続ける。結像光学系８には、偏光ビームスプリッタ５を通過した散乱光が入射する。結像光学系８によって被測定体Ｓの像が形成される。結像光学系８は、軸上色収差及び倍率色収差（焦点距離の色収差）の両方ともを十分除去するように設計されている。
【００４６】
波長帯分岐プリズム９は、被測定体Ｓで散乱され結像光学系８を通過した２次元チャート３の投影像をスペクトラム光源２が出力する複数の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の数だけ波長に基づいて分岐する。本実施形態に係る波長帯分岐プリズム９は、結像光学系８を通過した２次元チャート３の投影像を３つに分岐する３分岐型である。波長帯分岐プリズム９として、例えば３板式カメラに用いられるＲＧＢ３色分解プリズムを用いることができる。
【００４７】
波長帯分岐プリズム９は、第１の波長帯域ＷＢ１に対応する波長の光を第１の撮像装置１０に、第２の波長帯域ＷＢ２に対応する波長の光を第２の撮像装置１１に、第３の波長帯域ＷＢ３に対応する波長の光を第３の撮像装置１２にそれぞれ入射させる。
【００４８】
第１〜第３の撮像装置１０〜１２はいずれも、波長帯分岐プリズム９によって分岐された２次元チャート３の投影像を撮像する。第１〜第３の撮像装置１０〜１２はいずれも、２次元チャート３の投影像を得たときのスペクトラム光源２からの出力光の波長に対応させて、撮像された２次元チャート３の投影像をチャートデータとして後述の制御ユニット１３の保存領域に保存する。第１〜第３の撮像装置１０〜１２として、例えばＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等を用いることができる。
【００４９】
制御ユニット１３は、制御部１３Ａ及び解析部１３Ｂを備える。制御部１３Ａは、光源装置２１に印加する電圧を制御し、スペクトラム光源２から出力される光の波長を制御する。
【００５０】
解析部１３Ｂは、第１〜第３の撮像装置１０〜１２に保存されたチャートデータ及び既知の対物光学系７の軸上色収差量に基づいて被測定体Ｓの３次元形状を算出する。
【００５１】
次に、形状測定装置１によって被測定体Ｓの３次元形状を測定する方法を説明する。スペクトラム光源２から第１の波長帯域ＷＢ１内の一部である部分波長帯（スペクトラム）を有する光、第２の波長帯域ＷＢ２内の一部である部分波長帯（スペクトラム）を有する光、及び第３の波長帯域ＷＢ３内の一部である部分波長帯（スペクトラム）を有する光が同時に照明光Ｌとして出力される。照明光Ｌは、２次元チャート３のピンホール３Ａが繰り返し配置された面を照明する。２次元チャート３を通過した照明光Ｌは、コリメータ４で平行光束にされる。平行光束となった照明光Ｌのうち一部の光（Ｐ偏光成分又はＳ偏光成分）は偏光ビームスプリッタ５で反射され、残り（Ｓ偏光成分又はＰ偏光成分）は偏光ビームスプリッタ５を透過する。偏光ビームスプリッタ５で反射された光Ｌは、１／４波長板６を通過する。光Ｌは、１／４波長板６を通過する前は直線偏光の光であるが、通過後円偏光に変換されている。１／４波長板６を通過した光Ｌは、第１の対物光学系３１、開口絞り３２、及び第２の対物光学系３３を通過して、被測定体Ｓの表面及びその近傍に合焦する。
【００５２】
対物光学系７を通過した光Ｌは、倍率色収差は十分に除去されている一方、軸上色収差を所定の量だけ発生する。図５を参照して、対物光学系７の軸上色収差及び倍率色収差について説明する。図５は、対物光学系７の軸上色収差及び倍率色収差について模式的に説明するための図である。図５では、光学系の構造を薄肉レンズ系で表現している。図５は、スペクトラム光源２側、すなわち第１の対物光学系３１側から平行光束が入射する場合を示す。
【００５３】
図５において、基準波長光線Ｌ０は実線で示されている。第１の対物光学系３１は基準波長ではパワーが０なので光線はそのまま屈折することなく通過し、第２の対物光学系３３を通過後その焦点である位置Ｆ０に集光する。一方、基準波長前後の波長光線Ｌ１、Ｌ２は破線で示してある。基準波長以外の波長の光線Ｌ１、Ｌ２に対して、第１の対物光学系３１はわずかだが正又は負のパワーを有する。そのため、これらの波長光線Ｌ１、Ｌ２は第１の対物光学系３１によって集光又は発散される。そして、第２の対物光学系３３に入射後、基準波長光線Ｌ０の場合とは光軸Ａｘ上の異なる位置Ｆ１、Ｆ２に集光する。すなわち、軸上色収差を示す。
【００５４】
ここで、第１の対物光学系３１が第２の対物光学系３３の焦点面（焦点距離ｆ）に位置しているため、第１の対物光学系３１の射出面上の１点から分かれて射出される３つの異なる波長の光線Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２は、第２の対物光学系３２通過後互いに平行を保って進行する。したがって、光線Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２の光軸Ａｘ上での集光点である位置Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２は異なるが、光軸Ａｘとなす角度は３つの光線Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２とも同じ角度θである。
【００５５】
第１の対物光学系３１に入射するまで３つの光線Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２は、光軸Ａｘに平行な同一光線である。したがって、焦点距離の定義から、対物光学系７の焦点距離は３つの波長の光線Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２いずれについても同一である。よって、第２の対物光学系３２に残存する微小色収差を無視すれば、対物光学系７の倍率色収差は存在しないと考えることができる。
【００５６】
こうして、対物光学系７を通過した光Ｌは上述のように軸上色収差を示すため、光軸Ａｘに沿って異なる位置（例えば、位置Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２等）に合焦する。そして、対物光学系７を通過した光Ｌは、２次元チャート３の像を被測定体Ｓ上に投影する。被測定体Ｓ上に投影される２次元チャート３の像も、像を投影する光の波長によってピントの合い方が異なる。すなわち、被測定体Ｓ表面の任意の位置に投影された２次元チャート３の像を考えたとき、当該位置における光軸Ａｘ方向での高さ（凹凸量）に応じて２次元チャート３の像が被測定体Ｓ表面で合焦する際の波長は異なる。
【００５７】
さらに、図６を参照して、被測定体Ｓ上に投影される２次元チャート３の像の合焦位置が波長によって変化することを示す。図６に示されるように、被測定体Ｓ上の位置Ｓ１には、波長λ１の光が合焦する。被測定体Ｓ上の位置Ｓ２には、波長λ０の光が合焦する。被測定体Ｓ上の位置Ｓ３には、波長λ２の光が合焦する。
【００５８】
ここで、被測定体Ｓに２次元チャート３の像を投影する光Ｌは、投影像の部位にかかわらず主光線が対物光学系７の光軸Ａｘに平行であること、すなわちテレセントリックな像投影を行うことが望ましい。これは、被測定体Ｓへテレセントリックに２次元チャート３の像を投影することにより、例えば被測定体Ｓの高さ（凹凸量）が変化しても、被測定体Ｓ上に投影される２次元チャート３の像の横ずれは抑制されることによる。なお、テレセントリックな投影を実現するためには、開口絞り３２を対物光学系７の光源側焦点面上又はその近傍に設置する必要がある。一方で、前述のように、倍率色収差の発生を抑制するためには、薄肉レンズ表現において第１の対物光学系３１の位置と第２の対物光学系３２の光源側焦点面とを一致させることが望ましい。
【００５９】
被測定体Ｓ上に投影された２次元チャート３の像は、被測定体Ｓで散乱される。被測定体Ｓで散乱された光Ｌは、再度対物光学系７及び１／４波長板６を通過する。１／４波長板６を通過するときに、偏光ビームスプリッタ５を通過した後の直線偏光と同じ方向の直線偏光成分については、偏光面が光軸Ａｘを中心に９０度回転する。したがって、この場合、偏光ビームスプリッタ５によって光Ｌが反射されることなく透過していく。すなわち、被測定体Ｓからの散乱光Ｌが散乱前の偏光状態を保っているほど高い効率で偏光ビームスプリッタ５を透過することになる。偏光ビームスプリッタ５を透過した散乱光Ｌは結像光学系８に入射し、結像光学系８によって被測定体Ｓの像が形成される。
【００６０】
結像光学系８によって形成された被測定体Ｓの像は、第１〜３の撮像装置１０〜１２の何れかで撮像される。そして、この投影像を得たときのスペクトラム光源２からの出力光の波長に対応させて、撮像された２次元チャート３の投影像を制御ユニット１３の保存領域にチャートデータとして保存する。
【００６１】
保存されたチャートデータは、対物光学系７の色収差量に基づいて、制御ユニット１３の解析部１３Ｂによって処理される。そして、制御ユニット１３の解析部１３Ｂは、被測定体Ｓの３次元形状を算出する。
【００６２】
本実施形態に係る形状測定装置１の解析部１３Ｂが被測定体Ｓの３次元形状を算出する原理を以下に説明する。例えば、スペクトラム光源２から出力する第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の照明光Ｌの部分波長帯（スペクトラム）の幅を一定幅に制限し、幅を一定に保ったまま第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３内で部分波長帯を移動、すなわち波長を大きく又は小さくする。そして、スペクトラム光源２から出力される照明光Ｌの波長を変化させつつ、被測定体Ｓの像を第１〜第３の撮像装置１０〜１２で撮像する。被測定体Ｓ表面の高さ（凹凸量）とその高さで合焦する照明光Ｌの波長とは一対一に対応しているので、被測定体Ｓの高さに応じて被測定体Ｓ表面に合焦する波長が一意に決定される。こうした原理に基づき、制御ユニット１３の解析部１３Ｂは、取得したチャートデータを画像解析する。
【００６３】
図７及び図８を参照して、撮像装置で撮像された２次元チャート３の像（ピンホール像）の強度（ピンホール像強度）とスペクトラム光源２から出力された光の波長との関係を説明する。図７は、ピンホール像強度を波長の関数として表した図である。図８は、被測定体Ｓ上に投影された２次元チャート３の像の散乱光を撮像したときのバックグラウンドとピーク値とのコントラスト、すなわちピンホール像強度のバックグラウンドとピーク値とのコントラストを波長の関数として示した図である。
【００６４】
図７は、所定の幅を有する部分波長帯での２次元チャート３の像を、適当な波長間隔で複数サンプリングした場合を示す。図７から理解されるように、サンプリングした５つの部分波長帯ｄλ１〜ｄλ５において、ピンホール像の中心部でピンホール像強度のピーク値Ｉｐを有する。さらに、サンプリングした５つの部分波長帯ｄλ１〜ｄλ５において、ピンホール像強度のバックグラウンド値Ｉｖを有する。
【００６５】
図８では、サンプリングされた５つの部分波長帯ｄλ１〜ｄλ５におけるピンホール像強度について、ピーク値Ｉｐとバックグラウンド値Ｉｖとのコントラストを波長の関数として示す。図８のコントラストがピークを示す波長λｐ、すなわちピーク値Ｉｐとバックグラウンド値Ｉｖとの差が最大の波長λｐを合焦波長とみなす。そして、合焦波長λｐと対物光学系７の軸上色収差との対応から、被測定体Ｓの該当部位の光軸Ａｘ方向での高さ（凹凸量）を算出する。
【００６６】
制御ユニット１３の解析部１３Ｂは、画像解析の結果、例えば図７及び図８のグラフを保持し、上述の原理により被測定体Ｓ表面の３次元形状を算出することができる。解析部１３Ｂは、被測定体Ｓ上において２次元的に部位ごとの高さを一通り算出し、その算出されたデータを被測定体Ｓの表面形状として２次元マップに出力してもよい。
【００６７】
このように、制御ユニット１３の解析部１３Ｂは、保存されたチャートデータ及び対物光学系７の色収差量に基づいて被測定体Ｓの３次元形状を算出する撮像データ処理部として機能することができる。すなわち、制御ユニット１３の解析部１３Ｂは、スペクトラム光源２から出力された照明光Ｌの波長と２次元チャート３の投影像の強度との関係に基づいて、被測定体Ｓ上の任意の位置での合焦波長を求め、当該合焦波長についての対物光学系７の色収差量から被測定体Ｓ上の任意の位置における対物光学系７の光軸Ａｘ方向での高さ（凹凸量）を算出して被測定体Ｓの３次元形状を測定するものである。
【００６８】
ここで、図９を参照して、波長帯分岐プリズム９による波長帯分岐と照明光の第１〜第３の波長帯域との関係を説明する。図９（ａ）〜図９（ｃ）それぞれに示されているグラフの横軸は波長を表し、縦軸は透過率を表す。図９（ａ）〜図９（ｃ）の第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３内の曲線がそれぞれ、３分岐された後の波長帯域を表し、それらが第１の撮像装置１０、第２の撮像装置１１、及び第３の撮像装置１２で撮像される。スペクトラム光源２からは、図９（ａ）に示すように、各波長帯域ＷＢ１〜ＷＢ３の一部として含まれる部分波長帯域の光が出力される。部分波長帯域は、対応する波長帯域ＷＢ１〜ＷＢ３内を出ない範囲で波長帯域を変化させる。２次元チャート３の像の撮像は、所定の波長変化ごとに行う。
【００６９】
また、図９（ｂ）に示すように、隣接する波長帯域間のクロスオーバー領域（重複波長領域）、すなわち第１及び第２の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２のクロスオーバー領域ＣＢ１並びに第２及び第３の波長帯域ＷＢ２、ＷＢ３のクロスオーバー領域ＣＢ２内の波長の光を出力するときは、実際に出力する波長帯数をスペクトラム光源２が出力できる波長帯数より１つ少ない数（本実施形態では２つ）に減らす。これにより、図９（ｃ）に示すような１つの波長帯域内に２つの出力部分波長帯域が存在してしまう事態を抑制する。
【００７０】
形状測定装置１は、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１〜ＷＢ３内の複数の波長の光を出力できるスペクトラム光源２を備える。また、対物光学系７は所定の軸上色収差を発生させることができる。そのため、形状測定装置１では、軸上色収差を利用して被測定体Ｓの任意の位置での光軸Ａｘ方向の高さ（凹凸量）を非接触で測定することが可能である。
【００７１】
一般に、干渉法、モアレトポグラフィー、及びパターン投影法等を用いて被測定体の３次元形状を測定する方法が知られている。これらの方法では、被測定体Ｓの表面に現れた縞模様の変形から位相変化を読み取り、これを表面の凹凸に換算して表面形状を算出している。これらの方法では、被測定体の凹凸が計測パターンの位相の１周期を超える深さのときは、計測された位相が２π単位で折りたたまれるラッピング現象を発生する。そのため、位相の折りたたみであるラッピングを伸ばして、正しい凹凸量に戻すアンラッピング処理を施す必要が生じてしまう。これに対し、形状測定装置１では軸上色収差を用いて被測定体Ｓの形状を測定しているため、アンラッピング処理は不要となる。
【００７２】
また、形状測定装置１では、２次元にパターンが配置された２次元チャート３の像を撮像装置１０〜１２により撮像することで、被測定体Ｓの表面の所定範囲の情報を一度に測定することができる。すなわち、装置において機械的な動きを伴うことなく被測定体Ｓの３次元形状を測定することが可能である。このように、二次元的に作用するチャート３及び撮像装置１０〜１２を用いて測定を行うため、２次元データ取得のための画像走査機構が不要となり装置を簡素化することが可能となる。
【００７３】
さらに、形状測定装置１では装置の簡素化に伴い、装置が振動することの抑制、コストの抑制、及び装置の動作の安定等も可能となる。
【００７４】
また、形状測定装置１では、スペクトラム光源２が第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の３つの波長帯域において出力する部分波長帯域を変化させつつ、同時に３つの部分波長帯域を出力している。また、形状測定装置１は、波長帯分岐プリズム９を用いて測定する波長の範囲を３つに分割し、分割された波長帯域ごとに並行して第１〜第３の撮像装置１０〜１２によって撮像される。すなわち、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３において、出力する部分波長帯域の変化と２次元チャート３の像の撮像とを並列的に行う。これにより、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の全域を波長帯分岐せずに撮像する場合に比べて、短時間で必要なデータを取得することが可能となる。
【００７５】
さらに、対物光学系７の軸上色収差量及び光源から出力された光の波長範囲の選択によって、被測定体Ｓの光軸Ａｘ方向の高さ（凹凸量）の範囲を自由に設定することもできる。したがって、幅広い測定対象に対して形状の測定が可能である。
（第２実施形態）
【００７６】
図１０を参照して、第２実施形態に係る形状測定装置４１の構成について説明する。第２実施形態に係る形状測定装置４１は、２次元チャートに対して斜めに照明光を入射する点で第１実施形態に係る形状測定装置１とは異なる。図１０は、第２実施形態に係る形状測定装置の構成図である。
【００７７】
図１０に示す形状測定装置４１は、スペクトラム光源２と、２次元チャート４２と、コリメータ４と、平面ミラー４３と、対物光学系（投影光学系）４４と、結像光学系８と、波長帯分岐プリズム（分岐部）９と、第１の撮像装置１０と、第２の撮像装置１１と、第３の撮像装置１２と、制御ユニット１３とを備えている。
【００７８】
２次元チャート４２は、スペクトラム光源２によって照明される。図１１は、２次元チャート４２を形状測定装置４１の光軸Ａｘに沿って見たときの平面図を表す。２次元チャート４２には、図１１に示されるように、ストライプ状のスリット４２Ａが所定の方向に沿って配置された縞模様パターンが形成されている。スリット４２Ａは、光を透過する透過領域として機能する。
【００７９】
２次元チャート４２は、図１０において被測定体Ｓ上に形成されるスリット４２Ａの像の長手方向が図１０の紙面に直交する方向となるように、配置される。
【００８０】
形状測定装置４１では、図１０に示すように、２次元チャート４２を斜めに照明し、測定装置４１の光軸Ａｘに対して非回転対称な光強度分布を持たせる。平面ミラー１２は、２次元チャート４２を通過しチャート４２の像を投影する光を対物光学系４４に到達させる。
【００８１】
対物光学系４４は、第１の対物光学系５１、投影光用部分開口絞り５２、撮像光用部分開口絞り５３、及び第２の対物光学系５４を備える。第１の対物光学系５１は、所定の量の軸上色収差を発生する軸上色収差発生素子として機能する。投影光用の部分開口絞り５２は、対物光学系４４の光軸Ａｘを含み、かつ図１０の紙面に垂直な平面で開口絞り面を二分したとき、その片方の領域において２次元チャート４２からの投影光を効率的に通過させる位置に設置される。その結果、被測定体Ｓは斜め照明される。
【００８２】
第２の対物光学系５４は、スペクトラム光源２から出力される所定の波長帯域内の光に対して軸上色収差及び倍率色収差の双方が十分に補正された色収差補正済対物光学系として機能する。撮像光用部分開口絞り５３は、投影光用部分開口絞り５２と同一平面上であって且つ隣接して設置されている。撮像光用部分開口絞り５３は、対物光学系４４に戻った被測定体Ｓからの反射光及び散乱光の一部を通過させる。そして、撮像光用部分開口絞り５３を通過した成分の光のみが、結像光学系８に入射する。なお、投影光用部分開口絞り５２及び撮像光用部分開口絞り５３は、必ずしも、図示位置にある必要はなく、同等効果の得られる場所に設置しても構わない。
【００８３】
形状測定装置４１では、対物光学系４４は、隣接して配置された投影光用部分開口絞り５２及び撮像光用部分開口絞り５３を有し、被測定体Ｓに入射する前の投影光Ｌは投影光用部分開口絞り５２のみを通過する。すなわち、対物光学系４４は、その領域を二分割したときにどちらかの領域（投影光用部分開口絞り５２に相当する領域）内からのみスペクトラム光源２からの出力光が射出されるような射出瞳形状を有する。
【００８４】
また、制御ユニット１３の解析部１３Ｂは、撮像装置１０〜１２において得られたチャートデータの所定の複数領域における重心位置の変化を検出し、対物光学系４４の軸上色収差特性と比較することで複数領域それぞれに対応する被測定体Ｓの位置の対物光学系４４の光軸Ａｘ方向での凹凸量を算出する。
【００８５】
形状測定装置４１では、スリットパターンの繰り返しを有する２次元チャート４２を用い、さらに２次元チャートに対して斜めに照明光を入射するため、波長ごとの２次元チャート４２のスリット４２Ａの像の歪み量とボケ量とを算出し、これを対物光学系４４の軸上色収差と比較することで、被測定物Ｓの光軸Ａｘ方向での高さ（凹凸量）を求める。
【００８６】
図１２に示すように、被測定体Ｓ上に形成された２次元チャート４２のパターンの像（スリット像）において、任意の位置Ｘ０での光強度分布断面が照明光Ｌの波長に応じて変化する。図１２（ａ）〜図１２（ｅ）において、照明光Ｌの波長の大きさが異なる場合の任意の位置Ｘ０における被測定体Ｓの断面形状に対し、２次元チャート４２の像を形成する照明光Ｌの結像位置を示す。図１２（ａ）〜図１２（ｅ）は、この順に波長が大きく又は小さくなっている場合に対応する。図１２（ｃ）は、任意の位置Ｘ０において２次元チャート４２の像を形成する照明光が合焦した状態を示す。図１２（ａ）〜図１２（ｅ）のグラフの横軸は被測定体Ｓ上での位置を、縦軸は高さ（凹凸量）を示す。
【００８７】
図１３は、撮像装置で撮像したスリット像の光強度分布を示す。図１３（ａ）〜図１３（ｅ）はそれぞれ、図１２（ａ）〜図１２（ｅ）に対応している。すなわち、図１３（ａ）〜図１３（ｅ）は、図１２（ａ）〜図１２（ｅ）に対応する波長の大きさの照明光Ｌで２次元チャート４２が照明された場合の集光状態を表す。図１３（ａ）〜図１３（ｅ）のグラフの横軸は被測定体Ｓ上での位置を、縦軸はスリット像光強度分布を示す。
【００８８】
図１３から理解されるように、照明光Ｌの波長変化に応じてスリット像光強度分布のピーク位置がＸ軸方向に移動する。位置Ｘ０に強度分布のピークが一致したとき、すなわち図１３（ｃ）が合焦状態である。制御ユニット１３の解析部１３Ｂによって、強度分布のピークのＸ座標値と照明光Ｌの波長との関係から、被測定体Ｓの任意の位置Ｘ０において合焦する照明光の波長を算出し、対物光学系４４の軸上色収差に照らし合せて被測定体Ｓの着目部位Ｘ０の高さ（凹凸量）を求める。そして、制御ユニット１３の解析部１３Ｂにより、２次元的に被測定体Ｓ上の部位ごとの高さが一通り算出されたならば、そのデータを被測定体Ｓの表面形状として２次元マップを出力する。
【００８９】
図１４を参照して、被測定体Ｓ上に投影される２次元チャート４２の像の合焦位置が波長によって変化することを示す。図１４に示されるように、被測定体Ｓ上の位置Ｓ１には、波長λ１の光が合焦する。被測定体Ｓ上の位置Ｓ２には、波長λ０の光が合焦する。被測定体Ｓ上の位置Ｓ３には、波長λ２の光が合焦する。
【００９０】
形状測定装置４１では、投影光用部分開口絞り５２が対物光学系４４の光軸Ａｘを含まない偏芯した位置に配置されている。そのため、第１実施形態に係る形状測定装置１と同じように対物光学系４４の全開口に光が入射していると仮定した場合に、第１実施形態の場合と同様被測定体Ｓにテレセントリックな投影光が入射するように設定しておくことで、図１４に示すように、被測定体Ｓに対して斜めから２次元チャート４２の像を投影したとしても、被測定体Ｓの高さの変化による投影像の横ずれは発生しにくい。
【００９１】
形状測定装置４１は、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１〜ＷＢ３内の複数の波長の光を出力できるスペクトラム光源２を備える。また、対物光学系４４は所定の軸上色収差を発生させることができる。そのため、形状測定装置４１では、軸上色収差を利用して被測定体Ｓの任意の位置での光軸Ａｘ方向の高さ（凹凸量）を非接触で測定することが可能である。
【００９２】
また、形状測定装置４１では軸上色収差を用いて被測定体Ｓの形状を測定しているため、アンラッピング処理は不要となる。
【００９３】
また、形状測定装置４１では、２次元にパターンが配置された２次元チャート４２の像を撮像装置１０〜１２により撮像することで、被測定体Ｓの表面の所定範囲の情報を一度に測定している。すなわち、装置において機械的な動きを伴うことなく被測定体Ｓの３次元形状を測定することが可能である。そのため、形状測定装置４１は、２次元データ取得のための画像走査機構が不要となり装置を簡素化することが可能となる。さらに、形状測定装置４１では装置の簡素化に伴い、装置が振動することの抑制、コストの抑制、及び装置の動作の安定等も可能となる。
【００９４】
また、形状測定装置４１は、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３において、出力する部分波長帯域の変化と２次元チャート３の像の撮像とを並列的に行う。これにより、第１〜第３の波長帯域ＷＢ１、ＷＢ２、ＷＢ３の全域を波長帯分岐せずに撮像する場合に比べて、短時間で必要なデータを取得することが可能となる。
【００９５】
さらに、形状測定装置４１では、対物光学系７の軸上色収差量及び光源から出力された光の波長範囲の選択によって、被測定体Ｓの光軸Ａｘ方向の高さ（凹凸量）の範囲を自由に設定することもできる。したがって、幅広い測定対象に対して形状の測定が可能である。
【００９６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、軸上色収差発生素子として機能する第１の対物光学系３１、５１は、図１、図４、及び図１０に記載された構成に限定されない。したがって、例えば、第１の対物光学系３１を図１５に示すように構成してもよい。図１５では、平凹レンズ３１Ａと平凸レンズ３１Ｂとの接合レンズである第１の対物光学系３１を１個ではなく、２個用意して適当な間隔で配置している。２つの第１の対物光学系３１は、同一媒質のレンズ同士、すなわち平凸レンズ３１Ｂ同士が向かい合わせになるように並べて、開口絞り３２を２つの第１の対物光学系３１の中間に配置している。
【００９７】
また、第１の対物光学系５１を図１６に示すように構成してもよい。図１６では、平凹レンズ５１Ａと平凸レンズ５１Ｂとの接合レンズである第１の対物光学系５１を１個ではなく、２個用意して適当な間隔で配置している。２つの第１の対物光学系５１は、同一媒質のレンズ同士、すなわち平凸レンズ５１Ｂ同士が向かい合わせになるように並べて、投影光用部分開口絞り５２及び撮像光用部分開口絞り５３を、２つの第１の対物光学系３１の中間に配置している。
【００９８】
図１５に示すように、２つの第１の対物光学系３１とその中央に配置された開口絞り３２とを用いる場合、開口絞り３２が第２の対物光学系３２の光源側焦点面と共役になるように設置することで、実用上十分な近似で倍率色収差の発生を十分に抑制することができる。さらに、この場合、テレセントリック条件をも満たすことが可能である。これは、第１の対物光学系３１のパワーの絶対値がごく小さいことによる。
【００９９】
また、２次元チャートとして、第１実施形態で示したチャート３及び第２実施形態で示したチャート４２以外のパターンを有するチャートを用いてもよい。
【０１００】
また、チャートデータを保存する保存領域は、制御ユニット１３内に限らず、例えば撮像装置内に存在していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】第１実施形態に係る形状測定装置の構成図である。
【図２】第１実施形態に係る形状測定装置が備える光源装置の構成図である。
【図３】２次元チャートを形状測定装置の光軸に沿って見たときの平面図である。
【図４】第１実施形態に係る形状測定装置が備える第１の対物光学系の構成図である。
【図５】対物光学系の軸上色収差及び倍率色収差について模式的に説明するための図である。
【図６】被測定体上に投影される２次元チャートの像の合焦位置が波長によって変化することを説明するための図である。
【図７】所定の幅を有する部分波長帯での２次元チャートの像強度を示す図である。
【図８】サンプリングされた部分波長帯でのピンホール像強度のピーク値とバックグラウンド値とのコントラストを波長の関数として示す図である。
【図９】波長帯分岐プリズムによる波長帯分岐と照明光の第１〜第３の波長帯域との関係を説明するための図である。
【図１０】第２実施形態に係る形状測定装置の構成図である。
【図１１】２次元チャートを形状測定装置の光軸に沿って見たときの平面図である。
【図１２】被測定体上の任意の位置に形成された２次元チャートの像の波長による結像状態を表す図である。
【図１３】撮像装置で撮像したスリット像の光強度分布を示す図である。
【図１４】被測定体上に投影された２次元チャートの像の合焦位置が波長によって変化することを説明するための図である。
【図１５】第１実施形態に係る形状測定装置の第１の対物光学系の変形例の構成図である。
【図１６】第２実施形態に係る形状測定装置の第１の対物光学系の変形例の構成図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１、４１…形状測定装置、２…スペクトラム光源、３、４２…２次元チャート、４…コリメータ、５…偏光ビームスプリッタ、６…１／４波長板、７、４４…対物光学系、８…結像光学系、９…波長帯分岐プリズム、１０…第１の撮像装置、１１…第２の撮像装置、１２…第３の撮像装置、１３…制御ユニット、４３…平面ミラー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定体の３次元形状を測定する装置であって、
所定の波長帯域の中で波長を変えて光を出力することができる光源と、
光を透過する領域を有するパターンが所定の方向に沿って繰り返される２次元チャートと、
所定の量の色収差を有し、前記光源から出力された光によって照明された前記２次元チャートの像を前記被測定体に投影する投影光学系と、
前記被測定体で散乱された前記２次元チャートの投影像を撮像して、当該２次元チャートの投影像を得た際の前記光源からの出力光の波長に対応させて撮像された前記２次元チャートの投影像をチャートデータとして保存領域に保存する撮像部と、
前記保存領域に保存された前記チャートデータ及び前記投影光学系の色収差量に基づいて前記被測定体の３次元形状を算出する撮像データ処理部と、を備える３次元形状測定装置。
【請求項２】
前記撮像データ処理部は、前記光源から出力された光の波長と前記２次元チャートの投影像の強度との関係に基づいて前記被測定体上の任意の位置での合焦波長を求め、前記合焦波長についての前記投影光学系の色収差量から前記被測定体上の前記任意の位置における前記投影光学系の光軸方向での凹凸量を算出して前記被測定体の３次元形状を測定する請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項３】
前記光源は、前記所定の波長帯域内の一部である部分波長帯域の光を出力し、当該部分波長帯域を前記所定の波長帯域内で変えて光を出力し、
前記撮像データ処理部は、前記部分波長帯域内においてピークを示す前記チャートの投影像の強度と前記部分波長帯域内におけるバックグラウンド強度との差が最も大きいときの波長を前記合焦波長として特定する請求項２記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】
前記投影光学系は、その領域を二分割したときにどちらかの領域内からのみ前記光源からの出力光が射出されるような射出瞳を有し、
前記撮像データ処理部は、前記撮像部において得られた前記チャートデータの所定の複数領域における重心位置の変化を検出し、当該重心位置の変化を前記投影光学系の色収差と比較することで前記複数領域それぞれに対応する前記被測定体の位置での前記投影光学系の光軸方向での凹凸量を算出して前記被測定体の３次元形状を測定することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記投影光学系が有する前記色収差は軸上色収差である請求項１〜４の何れか一項に記載の３次元形状測定装置。
【請求項６】
前記光源は、前記所定の波長帯域を含む複数の波長帯域それぞれの中で波長を変えて、複数の波長の光を同時に出力することができ、
前記撮像部を、前記複数の波長帯域それぞれに対応するように、当該複数の波長帯域の数だけ備え、
前記被測定体で散乱された前記チャートの投影像を前記複数の波長帯域の数だけ波長に基づいて分岐する分岐部をさらに備え、
前記分岐部によって分岐された前記チャートの投影像を、対応する前記撮像部で撮像する請求項１〜５の何れか一項に記載の３次元形状測定装置。
【請求項１】
被測定体の３次元形状を測定する装置であって、
所定の波長帯域の中で波長を変えて光を出力することができる光源と、
光を透過する領域を有するパターンが所定の方向に沿って繰り返される２次元チャートと、
所定の量の色収差を有し、前記光源から出力された光によって照明された前記２次元チャートの像を前記被測定体に投影する投影光学系と、
前記被測定体で散乱された前記２次元チャートの投影像を撮像して、当該２次元チャートの投影像を得た際の前記光源からの出力光の波長に対応させて撮像された前記２次元チャートの投影像をチャートデータとして保存領域に保存する撮像部と、
前記保存領域に保存された前記チャートデータ及び前記投影光学系の色収差量に基づいて前記被測定体の３次元形状を算出する撮像データ処理部と、を備える３次元形状測定装置。
【請求項２】
前記撮像データ処理部は、前記光源から出力された光の波長と前記２次元チャートの投影像の強度との関係に基づいて前記被測定体上の任意の位置での合焦波長を求め、前記合焦波長についての前記投影光学系の色収差量から前記被測定体上の前記任意の位置における前記投影光学系の光軸方向での凹凸量を算出して前記被測定体の３次元形状を測定する請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項３】
前記光源は、前記所定の波長帯域内の一部である部分波長帯域の光を出力し、当該部分波長帯域を前記所定の波長帯域内で変えて光を出力し、
前記撮像データ処理部は、前記部分波長帯域内においてピークを示す前記チャートの投影像の強度と前記部分波長帯域内におけるバックグラウンド強度との差が最も大きいときの波長を前記合焦波長として特定する請求項２記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】
前記投影光学系は、その領域を二分割したときにどちらかの領域内からのみ前記光源からの出力光が射出されるような射出瞳を有し、
前記撮像データ処理部は、前記撮像部において得られた前記チャートデータの所定の複数領域における重心位置の変化を検出し、当該重心位置の変化を前記投影光学系の色収差と比較することで前記複数領域それぞれに対応する前記被測定体の位置での前記投影光学系の光軸方向での凹凸量を算出して前記被測定体の３次元形状を測定することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記投影光学系が有する前記色収差は軸上色収差である請求項１〜４の何れか一項に記載の３次元形状測定装置。
【請求項６】
前記光源は、前記所定の波長帯域を含む複数の波長帯域それぞれの中で波長を変えて、複数の波長の光を同時に出力することができ、
前記撮像部を、前記複数の波長帯域それぞれに対応するように、当該複数の波長帯域の数だけ備え、
前記被測定体で散乱された前記チャートの投影像を前記複数の波長帯域の数だけ波長に基づいて分岐する分岐部をさらに備え、
前記分岐部によって分岐された前記チャートの投影像を、対応する前記撮像部で撮像する請求項１〜５の何れか一項に記載の３次元形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−１４５２７９（Ｐ２００９−１４５２７９Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２５１３７（Ｐ２００７−３２５１３７）
【出願日】平成１９年１２月１７日（２００７．１２．１７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１７日（２００７．１２．１７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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