(57)【要約】【課題】高い精度で被検物の形状を測定できるようにする。【解決手段】複数のＭＬを有するMLA１２は、対物レンズ１１の背後に配置され、撮像素子１３は、MLA１２の背後に設置され、対物レンズ１１による被検物像を撮像する。画像処理部１４は、撮像素子１３の出力から複数のＭＬと色収差の両方の作用によって得られる異なる焦点を有する複数の焦点画像Ｉm，Ｉc1を生成し、生成した複数の焦点画像Ｉm，Ｉc1に基づいて、高い精度で被検物Ｐの形状を測定できる。本発明は、被検物の形状を測定する形状測定装置に適用できる。【選択図】図１
2010127723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
色収差を有する色収差レンズと、
前記色収差レンズの背後に配置され、２次元に配列された複数のレンズを有する光学素子と、
前記光学素子の背後に配置された２次元の第１撮像素子と、
前記第１撮像素子の出力から、異なる物体位置に焦点の合った複数の画像を生成する画像生成手段と、
前記の画像に基づいて、被検物の形状を測定する形状測定手段と
を備えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記画像生成手段は、所定の複数の測定波長毎に、前記第１撮像素子の出力から、異なる物体位置に焦点の合った複数の画像を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記色収差レンズが結像する被検物像を撮像する２次元の第２撮像素子をさらに備え、
前記画像処理手段は、前記第２撮像素子の出力から色収差の作用により得られる異なる物体位置に焦点の合った複数の画像を生成し、
前記形状測定手段は、前記第１撮像素子の出力から得られる異なる物体位置に関する情報を、前記第２撮像素子から得られる被検物の情報の物体位置に関する補正情報として用いて前記被検物の形状を測定する
ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記第１撮像素子は、前記色収差レンズの射出瞳と共役である
ことを特徴とする請求項１ないし３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記光学素子と、前記第２撮像素子とは、光学的に等価な位置に配設される
ことを特徴とする請求項３ないし４に記載の形状測定装置。
【請求項６】
被検物を結像する色収差レンズと、
前記色収差レンズの背後で光路を２つに分割する光路分割器と、
前記光路分割器で分割された光路の一方に配置した光学素子と、
前記光学素子の背後に配置した第１撮像素子と、
前記光路分割器で分割された光路の他方に配置した第２撮像素子と、
前記第１撮像素子と前記第２撮像素子の出力を入力し、前記被検物の形状を測定する形状測定手段と
を備えることを特徴とする形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズの色収差を利用して被検物の形状を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】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】
【０００４】
しかしながら、上記の特許文献１を含む色収差を利用した測定では、測定光軸方向での高い分解能を得ることと測定光軸に垂直な面内で高い分解能を得ることとを両立することが難しいという問題があった。
【０００５】
本発明は、高い精度で被検物の形状を測定できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の形状測定装置は、色収差を有する色収差レンズと、前記色収差レンズの背後に配置され、２次元に配列された複数のレンズを有する光学素子と、前記光学素子の背後に配置された２次元の第１撮像素子と、前記第１撮像素子の出力から、異なる物体位置に焦点の合った複数の画像を生成する画像生成手段と、前記の画像に基づいて、被検物の形状を測定する形状測定手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の形状測定装置は、被検物を結像する色収差レンズと、前記色収差レンズの背後で光路を２つに分割する光路分割器と、前記光路分割器で分割された光路の一方に配置した光学素子と、前記光学素子の背後に配置した第１撮像素子と、前記光路分割器で分割された光路の他方に配置した第２撮像素子と、前記第１撮像素子と前記第２撮像素子の出力を入力し、前記被検物の形状を測定する形状測定手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高い精度で被検物の形状を測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
図１は、本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の構成を示す図である。
【００１１】
図１には、形状測定装置の構成の例として、図１ａ、図１ｂ、図１ｃの３つの構成が図示されており、以下、図１ａ、図１ｂ、図１ｃの順に説明する。
【００１２】
図１ａに示すように、形状測定装置は、第１の構成として、色収差レンズ１１、マイクロレンズアレイ（以下、MLAという）１２、撮像素子１３、画像処理部１４、光源１５、照明レンズ系１６、透過パターン１７、反射ミラー１８、及びハーフミラー１９を含むようにして構成される。
【００１３】
図１に示す構成では、所定の物体距離にある被検物Ｐの像を捕える色収差レンズ（色収差対物レンズ）１１の、例えば緑の波長に対する結像位置にMLA１２が置かれ、このMLA１２の背後に撮像素子１３が配置される。例えば、撮像素子１３は、MLA１２の各マイクロレンズのほぼ焦点位置に置かれる。そして、撮像素子１３の撮像面は、MLA１２を介して色収差レンズ１１の射出瞳と略共役となっている。
【００１４】
なお、本実施の形態では、MLA１２が緑の波長に対して所定の物体距離と共役にして、撮像素子１３の撮像面と色収差レンズ１１の射出瞳とを共役にした構成について説明するが、MLA１２と色収差レンズ１１の射出瞳とを共役にした構成を採用しても同様である。そして、さらに、これらの位置関係は厳密なものではなく、相互の位置関係が分かっていれば、演算補正を行うことができる。勿論、光学系相互の関係によっては、像を正しく捉えられない場合もあるので、像が正しく捉えられる、という前提は必要になる。
【００１５】
色収差レンズ１１は、色収差を有するレンズであり、光の波長によって屈折率が異なる。従って、色収差レンズ１１に入射した被検物Ｐからの光は、波長によって焦点距離（集光位置）が異なる。
【００１６】
MLA１２は、複数のマイクロレンズ（以下、ＭＬという）を２次元状にならべてなる光学素子である。なお、図１の例では、図の簡略化のため、７×７個のＭＬからなるMLA１２のうちの縦方向の７個のＭＬを図示しているが、ＭＬの数は、撮像素子１３により撮像される画像信号に必要な分解能に応じて適宜設定される。なお、後述する他の図では、２１×２１個のＭＬからなるＭＬのうちの縦方向の２１個のＭＬを図示しているものもあるが、図１の７×７個のＭＬからなるMLA１２と同一に考えることができる。
【００１７】
撮像素子１３は、例えば、CCD（Charge Coupled Device）センサやCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどであり、MLA１２の各ＭＬを通過した光を受光する所定の画素配列を、ＭＬに対応した配置パターンで配置してなる。画素配列の縦方向と横方向の画素数は、個々のＭＬを個別に透過した部分光束を個別に受けられるように、適宜設定される。
【００１８】
以上の構成を有することで、撮像素子１３の撮像面上には、MLA１２の各ＭＬによって色収差レンズ１１の射出瞳の像が複数形成される。以下、撮像素子１３の撮像面において、各ＭＬで結像した像のできる領域を、ＭＬ領域と称する。
【００１９】
また、第１の構成では、図１ａに示すように、被検物Ｐに対し測定用補助光を照射するための光源１５ないしハーフミラー１９からなる照明系が設けられている。
【００２０】
光源１５としては、例えば、複数の異なる波長（色）の光を照明するLED（Light Emitting Diode）などが用いられる。複数の異なる波長を有する光源１５からの照明光は、照明レンズ系１６に入射する。
【００２１】
照明レンズ系１６は、光源１５より射出した照明光で透過パターン１７を均一に照明する。
【００２２】
透過パターン１７は平板状に形成されており、照明レンズ系１６の光軸と垂直に交わるように配置されている。透過パターン１７には、照明レンズ系１６の光軸と交わる面に、前後左右方向に一定間隔を有して規則正しい位置で上下に開口した格子状の開口部が複数設けられている。なお、被検物Ｐに投影するパターンとして、格子状の開口部の代わりに、例えば縦縞や横縞などのような他のパターンを用いてもよい。
【００２３】
反射ミラー１８は、照明レンズ系１６の光軸に対して４５度傾斜した状態で、照明光路中に挿入されている。透過パターン１７より射出した光は、反射ミラー１８で９０度上方へ曲げられ、ハーフミラー１９に入射する。
【００２４】
ハーフミラー１９は、反射ミラー１８で反射した光を反射して９０度方向を変え、色収差レンズ１１へ入射させる。なお、ハーフミラー１９の代わりにビームスプリッタを配置することも可能である。
【００２５】
これにより、被検物Ｐの表面には、格子状のパターンが結像投影される（色収差レンズ１１で透過パターン１７を被検物Ｐと共役にするか、被検物Ｐを透過パターン１７と共役になる位置に置く）。図１ａの例では、等間隔に並んだ７×７個の格子のパターンが被検物Ｐの表面に結像している。
【００２６】
そして、被検物Ｐの表面に結像した照明光の一部は、被検物Ｐの表面の反射光となって、色収差レンズ１１に入射して、ハーフミラー１９を透過した後、さらにMLA１２を通過し、撮像素子１３の撮像面上で結像する。撮像素子１３の撮像面で結像した反射光は、その撮像面上に形成された画素エリアの各受光部において受光され、画像処理部１４に出力される。
【００２７】
さらに、別の構成として、ハーフミラー１９を偏光ビームスプリッタ（以下、PBSという）に代え、その手前の光路に偏光板１９ａを挿入し、Ｓ偏光のみPBSで反射させてレンズに入れる。さらに、１／４波長板２０を色収差レンズ１１と被検物Ｐとの間に挿入する。これにより、戻ってきた反射光は、１／４波長板２０により偏光方向が９０度回転し、Ｐ偏光となって、PBSを透過する。このような構成で、ハーフミラー１９を使った場合と比し、検出光の光量を約２倍に増加でき、Ｓ／Ｎの良い画像が取得できる。
【００２８】
画像処理部１４は、撮像素子１３から出力される画像信号から被検物Ｐの３次元の形状を測定する処理（以下、３次元形状測定処理という）を実行し、被検物Ｐの形状を測定する。すなわち、画像処理部１４は、既知である透過パターンの形状が被検物Ｐの表面に投影された投影パターンがどのように変形し、どのようにぼけたかを投影パターンの交点やスポットなどにおける、エッジやコントラストの変化を検出することによって行う。
【００２９】
光源１５は、例えば、Ｒ色（赤色）光、Ｇ色（緑色）光、及びＢ色（青色）光を時系列に順次に点灯する。撮像素子１３の撮像面には、それらの３色の光による被検物Ｐの色別反射像が結像するため、異なる複数の波長（色）の画像を同期して検出する。撮像素子１３の撮像面には、色収差を有する色収差レンズ１１を通過した光が結像するので、Ｒ色光、Ｇ色光、及びＢ色光のそれぞれの色別反射像から得られる被検物Ｐの画像の焦点位置は異なる。これにより、画像処理部１４では、色収差によってＲ，Ｇ，Ｂ各色光に応じた焦点位置の多焦点画像を得ることができる。
【００３０】
また、この場合、照明系からの照明光と、被検物Ｐの表面での反射光とが、色収差レンズ１１を通過するので、色収差による焦点差は２倍になり、その結果、被検物Ｐの高さ方向、すなわち、色収差レンズ１１の光軸方向（Ｚ方向）の測定感度は２倍となる。
【００３１】
光源の波長を時系列的に順次点灯していく方式は、フィールドシーケンシャル（Field Sequential）法と呼ばれる照明方式である。このフィールドシーケンシャル法では、異なる複数の波長の光を時系列に順次に点灯するので、測定光学系にカラーフィルタを設ける必要がなく、さらに、撮像素子１３として、単色（モノクロ）の撮像素子を用いることができる。また、単に、光源１５からの照明光の波長の種類を増やすだけで、その波長の種類だけ焦点位置の異なる被検物Ｐの画像を取得できるので、被検物Ｐの形状の測定の際の精度や分解能を容易に向上させることができる。
【００３２】
次に、図１ｂを参照して、形状測定装置の第２の構成について説明する。
【００３３】
図１ｂの第２の構成は、図１ａの第１の構成、すなわち、被検物Ｐに対し異なる複数の波長の光を順次切り替えて照射するように構成された照明系の代わりに、色収差レンズ１１の被検物側のレンズ部分を囲むようにRGBリング照明部２１が取り付けられている。
【００３４】
RGBリング照明部２１は、例えば、Ｒ色光、Ｇ色光、及びＢ色光等の異なる複数の波長の光を照射可能なリングLED（Light Emitting Diode）照明装置である。RGBリング照明部２１による照明は、上述した図１ａの構成と同様にフィールドシーケンシャル法を採用して、Ｒ色光、Ｇ色光、及びＢ色光を時系列に順次に点灯してもよいし、あるいは、Ｒ色光、Ｇ色光、及びＢ色光のそれぞれの光を同時に照射してもよい。
【００３５】
フィールドシーケンシャル法を採用した場合、RGBリング照明部２１によるＲ色光、Ｇ色光、Ｂ色光からなる照明光が順次被検物Ｐの表面に照射され、被検物Ｐで反射した光は色収差レンズ１１に入射し、MLA１２を通過した後、撮像素子１３の撮像面上に結像する。画像処理部１４は、撮像素子１３から出力される画像信号に基づいて、順次、被検物Ｐの３次元形状測定処理を実行する。この場合の撮像素子１３は、いわゆるモノクロの安価な撮像素子を用いることができる。
【００３６】
また、第２の構成において、RGBリング照明部２１による同時照明を行う場合には、撮像素子１３に不図示のカラーフィルタを配置して、被検物Ｐによる反射光をＲＧＢの３色の光に分光することで、撮像素子１３の撮像面には、被検物ＰのＲ色光、Ｇ色光、及びＢ色光のそれぞれの色別反射像を結像するようにできる。いわゆるカラーカメラである。これにより、画像処理部１４では、焦点位置の異なる被検物Ｐの複数の画像を得ることができる。勿論、モノクロの撮像素子を用い、Ｒ色光、Ｇ色光、及びＢ色光のフィルタを順次切り替えて測定することもできる。
【００３７】
なお、図１ｂの第２の構成では、図１ａの第１の構成と異なり、透過パターン１７によるパターンの投影を行っていないので、被検物Ｐの表面には格子状のパターンは投影されないこととなる。そこで、第２の構成では、３次元形状測定処理を実行する際に得られる被検物Ｐの複数の多焦点画像から、被検物Ｐのエッジ（輪郭）やコントラスト（濃度差）、段差構造、模様等を抽出することにより、色収差による焦点のずれ量を検出する。また、RGBリング照明部２１からの照明光は、被検物Ｐの表面で反射された後の１回だけ、色収差レンズ１１を通過するので、第２の構成での焦点差は、色収差により得られた量のまま（１倍）となるが、その分だけ距離の広い領域での測定が実行できる。従って、パターン投影とリング照明の両者を併設する構成にすれば、距離の広い範囲の測定と、精度の高い測定とを使い分け、あるいは同時に実現することができる。
【００３８】
この同時照明を行うと、撮像素子１３にカラー対応を図ることで、一度の撮像で、ＲＧＢの３色の画像信号を得ることができるので、複数回の撮像を要しない分の処理時間を短縮することが可能となる。また、RGBリング照明部２１は連続的に光を照明すればよいので、測定光学系の構成が簡略化され、コストの面においても利点がある。
【００３９】
次に、図１ｃを参照して、形状測定装置の第３の構成について説明する。
【００４０】
図１ｃの第３の構成は、第１の構成（図１ａ）の光源１５ないしハーフミラー１９、又は、第２の構成（図１ｂ）のRGBリング照明部２１の照明系の代わりに、色収差レンズ１１の被検物側のレンズ面にカラーフィルタ２２が取り付けられている。従って、第３の構成では、照明系は配置されていないので補助光はなく、自然光のみを用いる。
【００４１】
すなわち、第３の構成では、被検物Ｐの表面からの自然光による反射光は、カラーフィルタ２２に入射して分光された後、色収差レンズ１１とMLA１２を通過し、撮像素子１３の撮像面上で結像する。
【００４２】
なお、図１ｃでは、カラーフィルタ２２を、色収差レンズ１１に取り付ける例を図示しているが、撮像素子１３内のカラーフィルタを用いることも可能である。例えば、カラーのCCDやCMOSセンサ内のカラーフィルタを利用する場合、このカラーフィルタは、分光特性として広い波長帯域を持っているので、本実施の形態のような色収差を簡単な構成で利用できるので、コストを抑えることが可能となる。この点は、第２の構成でカラーカメラを用いた場合と同様である。両者の違いはRGBリング照明部２１があるかないかである。
【００４３】
以上のように、図１の第１の構成ないし第３の構成では、照明のあて方やパターン投影の有無、カラーフィルタの配置位置などが異なるものの、いずれの構成でも色収差と複数のＭＬによって多焦点画像を取得できる構成を有している点においては同じである。
【００４４】
次に、図２ないし図４を参照して、本発明を適用した形状測定装置の光学系の詳細について説明する。なお、この光学系（図１の色収差レンズ１１、MLA１２、及び撮像素子１３）は、後述する第２の実施の形態における光学系（図６以降で説明する色収差系）と区別するために、MLA色収差系と称する。
【００４５】
まず、図２を参照して、MLA色収差系において、MLA１２を構成する複数のＭＬのレンズ作用により得られる複数の焦点画像（以下、焦点画像Ｉmという）の取得の原理を説明する。
【００４６】
図２は、MLA色収差系の光線追跡図を示しており、図２ａは主波長λ（例えばＧ色光）に関して、被検物Ｐに色収差レンズ１１の焦点が合っている場合（被検物面Ｐ0）の光線図である。
【００４７】
図２ａでは、被検物面Ｐ0の任意の３点から射出した光線が描かれているが、ここでは、色収差レンズ１１の光軸と一致する位置（中央の点）から射出した光線について説明する。ただし、他の２つの位置から射出される光線についても同様に考えることができる。
【００４８】
被検物面Ｐ0の色収差レンズ１１の光軸と一致する位置から射出した光線ｒ1，ｒ2，ｒ3，ｒ4，ｒ5は、色収差レンズ１１を通過後、色収差レンズ１１の光軸と一致するＭＬ上の１点に集光し（ＭＬの光軸と一致）、ＭＬのレンズ作用によって撮像素子１３の撮像面に結像する。すなわち、撮像素子１３の撮像面では、１つのＭＬ領域内の画素が撮像面の縦方向に並ぶ５つの画素ａi，ｂi，ｃi，ｄi，ｅiであると仮定すると、光線ｒ1，ｒ2，ｒ3，ｒ4，ｒ5は、画素ａi，ｂi，ｃi，ｄi，ｅiにそれぞれ受光され、ａi，ｂi，ｃi，ｄi，ｅiの画素信号となる。ただし、ｉは光軸と垂直な撮像素子１３の撮像面内のＭＬ領域におけるＹ方向の座標を意味する。
【００４９】
従って、色収差レンズ１１からの光線がMLA１２上で結ばれる場合の結像面（Ｚ＝０）での各画像信号は、これらの和となる。すなわち、画像信号の信号強度をＬとすれば、Ｌ（ｉ）は下記の式（１）で求めることができる。
【００５０】
Ｌ（ｉ）＝（ａi＋ｂi＋ｃi＋ｄi＋ｅi）      ・・・（１）
【００５１】
なお、実際には、ＭＬ領域については２次元的に考える必要があるので、Ｙ方向以外のＸ方向についても考える必要があるが、ここでは説明を簡略化するためにＹ方向についてのみ述べる。
【００５２】
図２ｂは、被検物面Ｐ0よりも色収差レンズ１１に近いレンズ側の被検物面Ｐ1からの光線図である。
【００５３】
被検物面Ｐ1の色収差レンズ１１の光軸と一致する位置から射出した光線ｒ1，ｒ2，ｒ3，ｒ4，ｒ5は、色収差レンズ１１を通過後、一点には集光せず、その後、そのまま各ＭＬに入射する。ＭＬに入射した各光線は、ＭＬのレンズ作用によって撮像素子１３の撮像面に結像する。すなわち、色収差レンズ１１からの光線がMLA１２上で結ばれず、結像面が各ＭＬの表面からずれた位置となる場合、各光線は１つのＭＬ領域内に収まらず、複数のＭＬ領域内の各画素にそれぞれ受光される。この場合、画像信号の信号強度（Ｌ）は、下記の式（２）から求めることができる。
【００５４】
Ｌ（ｉ）＝（ａi+2＋ｂi+1＋ｃi＋ｄi-1＋ｅi-2）      ・・・（２）
【００５５】
すなわち、被検物Ｐの焦点位置より内側の被検物面Ｐ1の場合、撮像素子１３の撮像面上では、光線ｒ1，ｒ2，ｒ3，ｒ4，ｒ5は、光軸方向に収束している。
【００５６】
図２ｃは、被検物面Ｐ0よりも色収差レンズ１１から遠い物体側の被検物面Ｐ-1からの光線図である。
【００５７】
被検物面Ｐ-1の色収差レンズ１１の光軸と一致する位置から射出した光線ｒ1，ｒ2，ｒ3，ｒ4，ｒ5は、色収差レンズ１１を通過後、MLA１２の手前の一点に集光し、その後、各ＭＬに入射する。ＭＬに入射した各光線は、ＭＬのレンズ作用によって撮像素子１３の撮像面に結像する。この場合、画像信号の信号強度（Ｌ）は、下記の式（３）から求めることができる。
【００５８】
Ｌ（ｉ）＝（ａi-2＋ｂi-1＋ｃi＋ｄi+1＋ｅi+2）      ・・・（３）
【００５９】
すなわち、被検物Ｐの焦点位置より外側の被検物面Ｐ-1の場合、光線ｒ1，ｒ2，ｒ3，ｒ4，ｒ5は、MLA１２の手前の一点に集光し、撮像素子１３の撮像面上では、光軸方向から外側に広がっている。
【００６０】
以上、図２ａないし図２ｃに示したように、MLA色収差系において、被検物面からの光線は、所定の軸上色収差を有する色収差レンズを通過後、MLA１２を構成する各ＭＬ上で結像され、その背後に配置された撮像素子１３によって方向別の画像信号として検出される。そして、それらの画像信号を光線の方向別に再構成することによって、焦点の異なる複数の画像である焦点画像Ｉmが得られる。
【００６１】
次に、図３を参照して、MLA色収差系において、色収差レンズ１１の色収差により得られる複数の焦点画像（以下、焦点画像Ｉc1という）の取得の原理について説明する。
【００６２】
先に説明した図２においては、被検物Ｐの被検物面Ｐ0，Ｐ1，Ｐ2から射出される光線は、複数のＭＬにより得られる複数の焦点画像Ｉmの取得の原理を説明するために、主波長λ0による光線だけを図示していた。しかし、実際には、図１の形状測定装置の構成でも説明したように、撮像素子１３の撮像面には、Ｒ色光、Ｇ色光、及びＢ色光などの異なる複数の波長（色）を有する光による色別反射像が結像される。
【００６３】
図３には、Ｒ色光、Ｇ色光、及びＢ色光による被検物Ｐの色別反射像が撮像素子１３の撮像面に結像する様子を示している。
【００６４】
なお、図３以降の説明では、Ｒ色（赤色）光の波長をλ0、Ｇ色（緑色）光の波長をλ1、Ｂ色（青色）光の波長をλ2で表し、それらの波長は、λ2＜λ1＜λ0の関係を有する。また、それらの波長による光線を図示する場合には、Ｒ色光を実線、Ｇ色光を一点鎖線、Ｂ色光を点線によって、それぞれ表す。
【００６５】
図３においては、波長λ0のＲ色光、波長λ1のＧ色光、及び波長λ2のＢ色光の異なる波長の３色の光を用いた場合、図中右側のMLA１２のＭＬ上と、撮像素子１３の撮像面上では同じ位置に結像する光線が、図中左側の被検物Ｐ側では、色収差の影響により波長ごとに異なる位置で焦点を結んでいる。
【００６６】
すなわち、最も波長の長いＲ色光の被検物面Ｐ（λ0）が最も色収差レンズ１１と離れた位置となり、その次に波長の長いＧ色光の被検物面Ｐ（λ1）が、被検物面Ｐ（λ0）よりも色収差レンズ１１と近い位置となり、最も波長の短いＢ色光の被検物面Ｐ（λ2）が被検物面Ｐ（λ1）よりもさらに色収差レンズ１１と近い位置となる。つまり、主波長λ0以外の波長λ1，λ2についても考慮すると、色収差によって、それらの波長λ0，λ1，λ2ごとに異なる焦点位置（被検物面Ｐ（λ0），Ｐ（λ1），Ｐ（λ2））となる。
【００６７】
なお、色収差を用いて複数の焦点画像Ｉc1を取得する場合、図２で説明した焦点画像Ｉmの取得の場合とは異なり、波長によって色収差レンズ１１の焦点距離ｆが変化するため、像の倍率が変化することになる。よって、撮像素子１３の撮像面上の画素の位置がシフトすることを考慮して、画像を再構成する画像処理を実行する必要がある。
【００６８】
以上、図３に示したように、MLA色収差系において、波長λ0，波長λ1，波長λ2の各光線は、色収差レンズ１１の色収差分だけ、異なる位置に像を結ぶので、異なる焦点距離ｆを有するレンズによって結像された像と見なすことができる。これにより、焦点の異なる複数の画像である焦点画像Ｉc1が得られる。
【００６９】
そうすると、図２及び図３を参照して説明したように、図１の形状測定装置では、MLA１２を構成する複数のＭＬと、色収差の両方の作用により、異なる焦点を有する複数の焦点画像（以下、焦点画像Ｉm，Ｉc1という）が得られる。その取得の原理を光線図により図示すると、図４に示すようになる。
【００７０】
すなわち、図４には、波長λ0、波長λ1、及び波長λ2の異なる３色の波長による色収差によって３段階の焦点差が得られ、複数のＭＬによって被検物面Ｐ1と被検物面Ｐ2の２段階の焦点差が得られる様子が図示されている。
【００７１】
図４ａは、被検物面Ｐ1と被検物面Ｐ2上の色収差レンズ１１の光軸と一致した位置から射出した光線による複数の焦点の形成の様子を図示している。上述したように、被検物面Ｐ1からの光線は、色収差レンズ１１を通過後、MLA１２の手前の一点に集光し、その後、各ＭＬに入射するが、色収差の影響によって、波長λ0、波長λ1、及び波長λ2のＲＧＢの３波長ごとに、被検物面Ｐ1（λ0）、被検物面Ｐ1（λ1）、被検物面Ｐ1（λ2）の異なる位置でそれぞれ焦点を結んでいる。
【００７２】
また、被検物面Ｐ1よりも色収差レンズ１１に近い被検物面Ｐ2からの光線は、色収差レンズ１１を通過後MLA１２上で結ばれるが、色収差の影響によって被検物面Ｐ1と同様に、ＲＧＢの３波長ごとに被検物面Ｐ2（λ0）、被検物面Ｐ2（λ1）、被検物面Ｐ2（λ2）の異なる位置でそれぞれ焦点を結んでいる。
【００７３】
図４ｂは、被検物面Ｐ1と被検物面Ｐ2上の色収差レンズ１１の光軸とは異なる位置から射出した光線による複数の焦点の形成の様子が図示されている。被検物面Ｐ1からの光線は、図４ａの被検物面Ｐ1からの光線と同様に、ＲＧＢの３波長ごとに被検物面Ｐ1（λ0）、被検物面Ｐ1（λ1）、被検物面Ｐ1（λ2）の異なる位置でそれぞれ焦点を結ぶ。また、被検物面Ｐ2からの光線は、図４ａの被検物面Ｐ2からの光線と同様に、ＲＧＢの３波長ごとに被検物面Ｐ2（λ0）、被検物面Ｐ2（λ1）、被検物面Ｐ2（λ2）の異なる位置でそれぞれ焦点を結ぶ。
【００７４】
このように、図４のMLA色収差系においては、色収差によって、波長λ0、波長λ1、及び波長λ2の異なる３色の波長による３段階の焦点差が得られ、MLA１２の複数のＭＬによって被検物面Ｐ1と被検物面Ｐ2の２段階の焦点差が得られる。従って、図４の例では、Ｐ1（λ0），Ｐ1（λ1），Ｐ1（λ2），Ｐ2（λ0），Ｐ2（λ1），Ｐ2（λ2）の６つの焦点位置を取得し、それらの焦点における焦点画像Ｉm，Ｉc1を生成することが可能となる。
【００７５】
また、図４では、設定により色収差の量を少なくすることで、同一被検物面における波長λ0，波長λ1，波長λ2を被検物面ごとに繰り返し取得する例について説明したが、この色収差の量が大きくなるように設定を変更して、波長λ0，波長λ1，波長λ2の間隔を大きくすることで、異なる被検物面の同一の波長が連続するように、Ｐ1（λ0），Ｐ2（λ0），Ｐ1（λ1），Ｐ2（λ1），Ｐ1（λ2），Ｐ2（λ2）の順で取得するようにしてもよい。
【００７６】
なお、図４では、３波長による３段階の焦点差と、被検物面Ｐ1と被検物面Ｐ2による２段階の焦点差が得られる例について説明したが、波長の数を増やしたり、ＭＬの数を増やしたりすることで、それらの焦点差の数を増やすことができる。つまり、焦点差の数を増やせるということは、焦点画像Ｉm，Ｉc1の数も増やせることを意味する。
【００７７】
すなわち、いずれの場合でも、MLA１２の複数のＭＬにより得られる焦点の数をＮm、色収差により得られる焦点の数をＮcとすれば、上記の構成を採用することで、Ｎm×Ｎc枚の異なる焦点を有する焦点画像Ｉm，Ｉc1が得られることになる。そして、第１の実施の形態では、このようにして取得されるＮm×Ｎc枚の焦点画像Ｉm，Ｉc1を用いて、被検物Ｐの３次元の形状を測定する処理を行う。
【００７８】
次に、図５のフローチャートを参照して、図１の形状測定装置によって実行される、３次元形状測定処理について説明する。
【００７９】
画像処理部１４は、ステップＳ１１において、撮像素子１３から出力される画像信号を取得し、複数の焦点画像Ｉm，Ｉc1を生成する。具体的には、図４等を参照して説明したように、MLA１２を構成する複数のＭＬと、色収差の両方の作用によって、異なる焦点を有する複数の焦点画像Ｉm，Ｉc1が得られる。
【００８０】
ステップＳ１２において、画像処理部１４は、測定の信号処理を行う。具体的には、画像処理部１４は、例えば、多焦点逐次処理法などのエッジ処理によって被検物Ｐの各エッジ座標（Ｘ，Ｙ）位置でのＺを求める。
【００８１】
ここでは、多焦点逐次処理におけるエッジ処理として、フーリエ変換（ウェーブレット変換）法を用いた場合を一例にして説明する。
【００８２】
すなわち、ステップＳ１１の処理によって得られるＮm×Ｎc枚の焦点画像Ｉm，Ｉc1が形成された後、一般的に広く用いられているSFF（Shape From Focus）と同様の処理によって、各々の画像の同じ画素エリアの位置において、フォーカス情報を検出することができる。なお、SFFとは、撮像装置と試料とを撮像装置の測定光軸方向へ相対的に移動させつつ、撮像装置によって試料を撮像し、上記光軸方向の異なった位置に焦点の合った複数の画像を得て、これらの画像に基づいて試料の立体形状を求めるものである。
【００８３】
ステップＳ１２の処理では、焦点位置の異なる複数の被検物面（図４の例では、・・・，Ｐ1（λ0），Ｐ1（λ1），Ｐ1（λ2），Ｐ2（λ0），Ｐ2（λ1），Ｐ2（λ2）・・・）の画像群である焦点画像Ｉm，Ｉc1について、それぞれFFT（Fast Fourier Transform）により画像信号をフーリエ変換（又はウェーブレット変換）し、空間周波数空間内（フーリエ面上）で高周波成分のみをハイパスフィルタ（High Pass Filter）にて抽出した後、逆フーリエ変換（又は逆ウェーブレット変換）する。
【００８４】
この処理によって、ほぼエッジ（輪郭）部分のみの画像となる。次に、これらの画像でエッジのある各点の位置（Ｘ，Ｙ）に着目して、複数の被検物面（・・・，Ｐ1（λ0），Ｐ1（λ1），Ｐ1（λ2），Ｐ2（λ0），Ｐ2（λ1），Ｐ2（λ2）・・・）の画像群である焦点画像Ｉm，Ｉc1の中から、最もエッジの鋭い（傾き成分の最も高い）画像をベストフォーカス（Ｚ）として選択する。
【００８５】
そして、画像処理部１４は、ステップＳ１３において、距離測定の処理を行い、ステップＳ１４において、被検物Ｐの３次元形状を測定して、処理は終了する。
【００８６】
具体的には、画像処理部１４によって、ステップＳ１２の処理によって求められた、被検物Ｐの各エッジ座標（Ｘ，Ｙ）の位置でのＺ座標を用いた距離測定が行われる。この距離測定にはいくつかの方法があるが、例えば、以下の方法によって求めることができる。
【００８７】
ここで、色収差レンズ１１と撮像素子１３の撮像面の間隔ａ（以下、レンズ位置ａともいう）と、色収差レンズ１１の焦点距離ｆから、下記の式（４）のガウスの公式により、被検物Ｐの表面の測定点までの距離ｂを求めることができる。
【００８８】
１／ｂ＝１／ｆ−１／ａ・・・（４）
【００８９】
図１の形状測定装置による測定では、上記の機構的に決まるレンズ位置ａとは別に、MLA１２を通した撮像素子１３の撮像面上の画像信号を組み換え、加算することにより、仮想的にレンズと撮像面との間隔ａ1，ａ2，ａ3，・・・，ａnを構築する。これらの値を、式（４）に代入して得られる値ｂ（距離ｂ）の値列が、複数の被検物面（・・・，Ｐ1（λ0），Ｐ1（λ1），Ｐ1（λ2），Ｐ2（λ0），Ｐ2（λ1），Ｐ2（λ2）・・・）の位置となる。
【００９０】
すなわち、被検物面の位置の値は、式（４）に基づき、色収差レンズ１１と撮像素子１３の撮像面との間隔ａ、又は色収差レンズ１１と仮想的な焦点面との間隔（ａ1，ａ2，ａ3，・・・，ａn）によって一義的に決まる。
【００９１】
したがって、被検物Ｐの各エッジ座標（Ｘ，Ｙ）の位置でのＺ座標である焦点面の位置（撮像素子１３の撮像面上にある場合も含む（すなわち、ａ1，ａ2，ａ3，・・・，ａn））を定めれば、その位置に焦点が合うべき被検物Ｐの部位の位置がわかり、その部位までの距離ｂが式（４）を用いて求めることができる。その結果、求めた距離ｂの値と撮像素子１３から出力される２次元画像の座標（Ｘ，Ｙ）情報と合わせて、被検物Ｐの上記部分の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、すなわち、３次元の空間座標を決定することができる。
【００９２】
以上のように、図１の形状測定装置においては、画像処理部１４によって、Ｎm×Ｎc枚の焦点画像Ｉm，Ｉc1を用いた信号処理が行われ、それにより得られる被検物Ｐの各エッジ座標（Ｘ，Ｙ）位置でのＺ座標から、被検物Ｐの表面の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、すなわち、３次元形状が測定される。
【００９３】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００９４】
図６は、本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の他の構成を示す図である。
【００９５】
図６において、図１と対応する箇所には同一の符号が付してあり、その説明は省略する。すなわち、図６ａないし図６ｃは、上述した図１ａ（第１の構成）ないし図１ｃ（第３の構成）にそれぞれ対応しており、それぞれの構成において新たに撮像素子３１が設けられ、撮像素子が撮像素子１３と撮像素子３１の２系統となっている。
【００９６】
図６ａに示すように、第１の構成では、照明系の反射ミラー１８の代わりに、ハーフミラー３２が設けられ、そのハーフミラー３２の背後に、撮像素子３１が配置される。従って、ハーフミラー３２は、透過パターン１７の開口部を通過した照明光を反射させて９０度向きを変えるとともに、色収差レンズ１１を通過した後、ハーフミラー１９により反射された被検物Ｐの表面の反射光を透過し、撮像素子３１の撮像面に結像させる。
【００９７】
撮像素子３１の撮像面で結像した反射光は、その撮像面上に形成された画素エリアの各受光部において受光され、撮像素子１３の出力と同様に画像処理部１４に出力される。
【００９８】
画像処理部１４には、上述した撮像素子１３から出力される画像信号の他に、撮像素子３１から出力される画像信号が入力される。画像処理部１４は、それらの画像信号に基づいて、被検物Ｐの３次元形状測定処理を実行し、被検物Ｐの形状を測定する。
【００９９】
なお、図６ｂ、図６ｃにおいても同様に、色収差レンズ１１とMLA１２との間に配置されたハーフミラー３３によって、色収差レンズ１１を通過した後の被検物Ｐの表面の反射光が反射され、撮像素子３１の撮像面に結像される。
【０１００】
以上のように、図６の形状測定装置においては、図１の形状測定装置と同様に、撮像素子１３の出力から複数の焦点画像Ｉm，Ｉc1が取得されるとともに、撮像素子３１の撮像面には、色収差によって、Ｒ色光、Ｇ色光、及びＢ色光などの異なる複数の波長（色）を有する光による色別反射像が結像されるので、撮像素子３１の出力から異なる焦点を有する複数の焦点画像（以下、焦点画像Ｉc2という）が取得される。
【０１０１】
なお、上述した第１の実施の形態では、焦点画像Ｉm，Ｉc1を取得するためのMLA色収差系について説明したが、第２の実施の形態では、焦点画像Ｉm，Ｉc1の他に焦点画像Ｉc2も取得するので、この焦点画像Ｉc2を取得するための色収差レンズ１１及び撮像素子３１を、MLA色収差系と区別するために色収差系と称して説明する。
【０１０２】
図７は、図６の形状測定装置におけるMLA色収差系と色収差系の詳細な構成を示す図である。
【０１０３】
図７ａには、MLA色収差系の構成が示されており、上述したように、パターンが投影された被検物Ｐから射出した光線は、色収差レンズ１１とMLA１２を通過した後、撮像素子１３の撮像面に結像する。なお、図７ａのMLA色収差系では、Ｒ色光、Ｇ色光、及びＢ色光による色収差の例を述べているため、撮像素子１３の撮像面として、ＲＧＢに対応するＲ面、Ｇ面、Ｂ面の３つの面が描かれている。
【０１０４】
このMLA色収差系においては、ＲＧＢの３波長の色収差による焦点差と、MLA１２を構成する複数のＭＬによる焦点差によって求められる複数の焦点画像Ｉm，Ｉc1が得られることになる。
【０１０５】
一方、図７ｂには、色収差系の構成が示されており、上述したように、パターンが投影された被検物Ｐから射出した光線は、色収差レンズ１１を通過した後、撮像素子３１の撮像面に結像する。図７ｂの色収差系においても、図７ａのMLA色収差系と同様に、ＲＧＢに対応するＲ面、Ｇ面、Ｂ面の３つの面が描かれている。
【０１０６】
この色収差系においては、ＲＢＧの３波長の色収差による焦点差によって求められる複数の焦点画像Ｉc2が得られることになる。
【０１０７】
このようにして得られる、MLA色収差系の焦点画像Ｉm，Ｉc1と、色収差系の焦点画像Ｉc2であるが、その取得方法が異なっているため、３次元方向に異なる分解能を有する画像となっている。ここでは、MLA色収差系の撮像素子１３（図７ａ）と、色収差系の撮像素子３１（図７ｂ）の画素数が共に、水平3,000画素×垂直2,000画素の総画素数600万画素である場合を例にして、焦点画像Ｉm，Ｉc1と焦点画像Ｉc2の分解能の違いについて説明する。
【０１０８】
例えば、図７ａのMLA色収差系において１つのＭＬ領域毎に10×10画素ずつの画素が必要であるとすると、MLA色収差系の空間分解能（ＸＹ分解能）は、300×200画素となる。一方、図７ｂの色収差系では、ＭＬについて考慮する必要がないので、その空間分解能（ＸＹ分解能）は3,000×2,000画素のままとなる。つまり、ＸＹ分解能についてだけ考えると、MLA色収差系よりも、色収差系のほうが高い分解能を有している。
【０１０９】
また、高さ方向の分解能（Ｚ分解能）について考えると、MLA色収差系では、複数のＭＬと色収差の両方の作用によって多数の焦点画像Ｉm，Ｉc1が得られるため十分な分解能を持つが、色収差系では、色収差の作用による焦点画像Ｉc2が得られるだけとなり、十分な分解能を有しているとは言えない。
【０１１０】
このように、MLA色収差系では、ＸＹ分解能は低くなるが、Ｚ分解能は高くなる。逆に、色収差系ではＸＹ分解能は高いが、Ｚ分解能は低くなる。この両者の特性を踏まえると、Ｚ方向の分解能をMLA色収差系とし、ＸＹ方向の分解能を色収差系とすることができれば、ＸＹＺ方向の全ての分解能を上げることができる。
【０１１１】
そこで、図６の形状測定装置では、ＸＹ分解能は低いが多数を取得できる焦点画像Ｉm，Ｉc1から得られる被検物Ｐの形状のＺ方向に関する情報を、ＸＹ分解能は高いが少数しか取得できない焦点画像Ｉc2から得られる被検物Ｐの形状のＺ方向に関する情報の補正情報として用いた、３次元形状測定処理を実行する。
【０１１２】
次に、図８のフローチャートを参照して、図６の形状測定装置により実行される３次元形状測定処理について説明する。
【０１１３】
ステップＳ３１において、画像処理部１４は、MLA色収差系の撮像素子１３から出力される画像信号に基づいて、MLA色収差系におけるＲＧＢの３波長の色収差とMLA１２の複数のＭＬの両方の作用によって得られる複数の焦点画像Ｉm，Ｉc1を生成する。
【０１１４】
例えば、上述した図７では、撮像素子１３の総画素数が3,000×2,000画素であって、MLA色収差系の１つのＭＬ領域が10×10画素であるので、ＭＬ領域の数は、300×200個となる。つまり、この焦点画像Ｉm，Ｉc1は、ＸＹ分解能の低い画像となる。
【０１１５】
ステップＳ３２において、画像処理部１４は、複数の焦点画像Ｉmに基づいて、被検物Ｐの表面の３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求める。複数の焦点画像Ｉmから被検物Ｐの３次元形状を求める処理は、上述した図５の３次元形状測定処理と同じであるので、その説明は省略する。
【０１１６】
ステップＳ３３において、画像処理部１４は、ステップＳ３２の処理で求められた被検物Ｐの表面のＺ座標に対する、複数の焦点画像Ｉc1から得られるＲＧＢの３波長の各信号強度（信号強度の比率）を、フォーカス評価値として、キャリブレーションテーブルに登録する。
【０１１７】
ＲＧＢの３波長のフォーカス評価値を図示すると、例えば、次のようになる。すなわち、図９には、縦軸をフォーカス評価値、横軸をＺ（物体距離）とした場合において、ＲＧＢの３波長の色収差によるＺに対するフォーカス評価値の変化をグラフ化したものが示されている。フォーカス評価値は、０から１の間の値であり、その値が１のとき焦点が合っていることを意味し、１から離れるにしたがってぼけることを意味する
【０１１８】
図９では、三角の点を結んだ曲線は波長λ0のＲ色光、四角の点を結んだ曲線は波長λ1のＧ色光、菱形の点を結んだ曲線は波長λ2のＢ色光をそれぞれ表している。フォーカス評価値の最大値が最も大きいのがＧ色光の曲線（中央の曲線）であり、その次に最大値の大きいのがＲ色光の曲線（右側の曲線）であり、最大値が最も小さいのがＢ色光の曲線（左側の曲線）である。
【０１１９】
このＲＧＢの色収差によるフォーカス評価値の変化と、MLA１２を構成する複数のＭＬによる焦点位置との関係を図示すると、例えば、次のようになる。
【０１２０】
すなわち、図１０では、図９と同様に、ＲＧＢの３波長の色収差によるフォーカス評価値の変化をグラフ化しているので、そのスケールは異なっているが、波長λ0のＲ色光（右側の曲線）、波長λ1のＧ色光（中央の曲線）、波長λ2のＢ色光（左側の曲線）は、図９に対応している。つまり、図１０は、図９の横軸のＺに着目した場合に、フォーカス評価値が得られる波長の曲線が２つ以上ある範囲を抜き出したものである。
【０１２１】
また、図１０には、MLA１２を構成する複数のＭＬによる焦点位置、すなわち、焦点画像Ｉmから求められた被検物Ｐの表面のＺ座標が、横軸のＺの値に対応するように図中の縦方向の点線で描かれている。図１０では、この焦点位置として、Ｚ-4，Ｚ-3，Ｚ-2，Ｚ-1，Ｚ-0，Ｚ1，Ｚ2，Ｚ3，Ｚ4，Ｚ5，Ｚ6が記述されている。
【０１２２】
図１０に示すように、Ｚ-4ないしＺ4の範囲では、Ｒ色光、Ｇ色光、及びＢ色光の３つの波長の光からフォーカス評価値が求められ、Ｚ-4ないしＺ6の範囲では、Ｚ5ないしＺ6の範囲でのＢ色光のフォーカス評価値を得ることができないため、Ｒ色光及びＧ色光の２つの波長の光からフォーカス評価値が求められる。
【０１２３】
図１０では、Ｚ-4ないしＺ4の範囲において、Ｒ色光、Ｇ色光、及びＢ色光の３つの波長により、３つのピークを持っている変化の急峻な波形が得られることになる。つまり、この波形の変化率が大きいということは、焦点深度が浅くなることを意味しており、図１０のＲＧＢの３波長を用いることで、測定の精度が高くなる。従って、波長の数が多いほど、精度の高い測定ができるとも言える。
【０１２４】
また、仮に、ＲＧＢのいずれかの単色のみ（単一波長）での検出について考えると、十分なフォーカス評価値を得ることができるのは、Ｒ色光ではＺ1ないしＺ6の範囲、Ｇ色光ではＺ-2ないしＺ2の範囲、Ｂ色光ではＺ-4ないしＺ-1の範囲だけとなる。つまり、色（波長）の数が多いほど（少なくとも２波長以上）、広い範囲の測定ができることを意味する。
【０１２５】
なお、色収差系の場合には、高さ方向（Ｚ方向）の正確な値を求めるために規格化を行う必要が出てくる。すなわち、仮に、複数のＭＬを用いないで、色収差だけでフォーカス評価値を考える場合、ＲＧＢのフォーカス信号のそれぞれの差分等の信号強度の関係から、Ｚ方向の距離測定は可能となるが、一般的に、それらの信号強度は、被検物Ｐの分光特性に依存するために、ＲＧＢの信号強度の比からＺ方向の距離測定を実行する場合には、信号強度の最大値を一致するように規格化してからでないと、測定を実行することは困難である。一方、本発明では、MLA１２を配置することで、複数のＭＬによって得られる多数の焦点の中からピークがどこにあるかを求めているので、ＲＧＢのそれぞれの信号強度の最大値が分かればよく、信号強度の最大値を揃える必要がないため、複数のＭＬを用いない色収差系の場合のように規格化する必要がない。
【０１２６】
すなわち、第２の実施の形態では、図９に示すＲＧＢのフォーカス評価値を規格化せずに、そのまま用いることができる。
【０１２７】
そして、図１０に示している、被検物Ｐの表面のＺ座標に対するＲＧＢの３波長のフォーカス評価値は、キャリブレーションテーブルに登録される。
【０１２８】
キャリブレーションテーブルは、ＲＧＢの３波長の信号強度の比率を示すフォーカス評価値と、被検物Ｐの表面のＺ座標とを関連付けて格納しており、その格納された情報は、図１０のグラフの値（被検物Ｐの表面のＺ座標に対するＲＧＢの３波長のフォーカス評価値）に対応している。
【０１２９】
図１１は、キャリブレーションテーブルの一例を示す図である。
【０１３０】
図１１においては、ｇR，ｇG，ｇBが、それぞれ、Ｒ色光、Ｇ色光、Ｂ色光のフォーカス評価値を表しており、図１０に示したＲＧＢの３色の波長からフォーカス評価値を得られるＺ-4ないしＺ4の範囲の値が示されている。
【０１３１】
すなわち、キャリブレーションテーブルには、Ｚ-4のフォーカス評価値（ｇR，ｇG，ｇB）として、（0.05，0.08，0.2）が登録される。同様に、Ｚ-3には（0.05，0.1，0.7）、Ｚ-2には（0.08，0.3，0.6）、Ｚ-1には（0.1，0.7，0.2）、Ｚ0には（0.1，1.0，0.1）、Ｚ1には（0.2，0.7，0.05）、Ｚ2には（0.6，0.3，0.02）、Ｚ3には（0.8，0.1，0.01）、Ｚ4には（0.8，0.08，0.01）のフォーカス評価値がそれぞれ登録される。
【０１３２】
なお、ＲＧＢの３色の波長ではなく、Ｒ，Ｇの２波長の色収差による測定を行う場合、キャリブレーションテーブルには、ｇR，ｇGの値だけが登録される。つまり、キャリブレーションテーブルには、波長の数に応じたフォーカス評価値が登録される。
【０１３３】
以上のようにして、例えば、300×200個の各ＭＬ領域ごとに、被検物Ｐの表面のＺ座標に対するＲＧＢの３波長のフォーカス評価値が求められ、キャリブレーションテーブルに登録される。
【０１３４】
なお、フォーカス評価値、つまり、ＲＧＢの３波長の各信号強度の特性には、次の図１２ないし図１４の光線図に示すような関係がある。
【０１３５】
図１２は、被検物Ｐの位置がＺ0にあるときの各波長毎の撮像素子１３の撮像面上の画像信号の強度分布を示している。図１２ではＧ色光の波長λ1を基準波長とした場合におけるＲ色光の波長λ0，Ｂ色光の波長λ2の信号強度を示しており、図１２ａはＧ色光の波長λ1による信号強度、図１２ｂはＢ色光の波長λ2による信号強度、図１２ｃはＲ色光の波長λ0による信号強度をそれぞれ示している。
【０１３６】
図１２ａないし図１２ｃにおいては、Ｚ0に位置する被検物Ｐの任意の３点から射出した光線が描かれている。被検物Ｐ上の３点から射出した光線は、色収差レンズ１１を通過後、ＭＬに入射し、撮像素子１３の撮像面に結像する。また、撮像素子１３の撮像面で受光された画像信号の強度分布は、撮像素子１３の図中右側に示されている。すなわち、撮像素子１３の右側には、３つのＭＬ領域が描かれており、それらのＭＬ領域は縦方向の５個の画素（図中の縦方向に並んだ５つの正方形）からなる。そして、それらの画素を示す５つの正方形の右側には、各画素により受光された画像信号の信号強度を表す四角が描かれている（この四角の横方向の幅が大きいほど、信号強度が大きいことを意味する）。このとき、色収差レンズ１１からの光線がMLA１２の各ＭＬ上で結ばれる場合の結像面（Ｚ＝０）での画像信号の信号強度Ｌは、図中の縦方向に並ぶ５つの画素を、ａi，ｂi，ｃi，ｄi，ｅiとすれば、図２ａで説明した場合と同様に、上記の式（１）、つまり、Ｌ（ｉ）＝（ａi＋ｂi＋ｃi＋ｄi＋ｅi）により求められる。なお、これらの関係は、後述する図１３及び図１４でも基本的に同様とされる。
【０１３７】
ここで、図１２ａのＧ色光の波長λ1による信号強度、図１２ｂのＢ色光の波長λ2による信号強度、及び図１２ｃはＲ色光の波長λ0による信号強度を見てみると、ＭＬ領域で受光された画像信号の信号強度は、基準波長であるＧ色光の波長λ1が最も大きく、次に大きくなるのがＲ色光の波長λ0、そして、Ｂ色光の波長λ2が最も小さくなる。
【０１３８】
すなわち、Ｒ色光の波長λ0、Ｂ色光の波長λ2の場合、色収差の影響によって、Ｇ色光の波長λ1とは異なる結像位置に像を結ぶため、それらの波長から得られる信号強度Ｌ（ｉ）の値は、波長λ1による値よりも小さくなる。
【０１３９】
図１３には、Ｚ1（図１２のＺ0よりレンズ側）に位置する被検物Ｐの任意の３点から射出した光線が描かれている。
【０１４０】
図１３において、図１２と同様に、図１３ａのＧ色光の波長λ1、図１３ｂのＢ色光の波長λ2、及び図１３ｃのＲ色光の波長λ0のそれぞれによる信号強度を見てみると、被検物Ｐがレンズ側にあるために短い波長側で焦点が合うので、信号強度は、強い順に、波長λ2、波長λ1、波長λ0となる。
【０１４１】
また、図１４には、Ｚ-1（図１２のＺ0より物体側）に位置する被検物Ｐの任意の３点から射出した光線が描かれている。
【０１４２】
図１４において、図１２と同様に、図１４ａのＧ色光の波長λ1、図１４ｂのＢ色光の波長λ2、及び図１４ｃのＲ色光の波長λ0のそれぞれによる信号強度を見てみると、被検物Ｐが物体側にあるために長い波長側で焦点が合うので、信号強度は、強い順に、波長λ0、波長λ1、波長λ2となる。
【０１４３】
このように、ＲＧＢの３波長の各信号強度は、図１２ないし図１４の３つの位置（Ｚ0，Ｚ-1，Ｚ1）で説明したように、被検物Ｐの位置によって変わることがある。従って、図１０及び図１１においては、図１２ないし図１４で示したＲＧＢの３波長の信号強度の特性を考慮して、Ｚ-4ないしＺ4の範囲でのＲＧＢの３波長のフォーカス評価値が求められ、キャリブレーションテーブルに登録されることになる。
【０１４４】
図８のフローチャートに戻り、ステップＳ３４において、画像処理部１４は、色収差系の撮像素子３１から出力される画像信号に基づいて、色収差系におけるＲＧＢの３波長の色収差の作用によって得られる複数の焦点画像Ｉc2を生成する。
【０１４５】
例えば、上述した図７では、撮像素子３１の総画素数が3,000×2,000画素であるので、3,000×2,000画素の焦点画像Ｉc2が得られる。つまり、この焦点画像Ｉc2は十分に高いＸＹ分解能を有している。
【０１４６】
ステップＳ３５において、画像処理部１４は、複数の焦点画像Ｉc2から得られるフォーカス評価値を用いて、キャリブレーションテーブルから被検物Ｐの表面のＺ座標を求めることで、被検物Ｐの３次元形状を測定する。
【０１４７】
すなわち、色収差系の焦点画像Ｉc2から得られる被検物Ｐの表面の３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、ＸＹ分解能は高いものの、Ｚ分解能は低くなるので、図１１のキャリブレーションテーブルによって対応付けられるMLA色収差系の焦点画像Ｉm，Ｉc1から得られた高い分解能を有するＺ座標を、より高精度な被検物Ｐの表面のＺ座標として求める。
【０１４８】
具体的には、色収差系による焦点画像Ｉc2から求められる座標Ｚに対するＲＧＢの３波長の各信号強度（フォーカス評価値）を、それぞれ、ｆR，ｆG，ｆBとすると、図１１のキャリブレーションテーブルに格納されているＲＧＢの３波長のフォーカス評価値は、それぞれ、ｇR（ｉ），ｇG（ｉ），ｇB（ｉ）となるので、それらの評価値の相関値は、例えば、下記の式（５）により求められる。
【０１４９】
ＳＡＤ（ｉ）＝（｜ｆR−ｇR（ｉ）｜＋｜ｆG−ｇG（ｉ）｜＋｜ｆB−ｇB（ｉ）｜）      ・・・（５）
【０１５０】
なお、式（５）は、ＳＡＤ（sum of absolute difference）法を用いたものであるが、これ以外の相関法を用いることも可能である。
【０１５１】
そして、ＳＡＤ（ｉ）の値が最小となるときのｉを求め、それにより得られる座標Ｚiを求める。このＳＡＤ（ｉ）とＺiとの関係をグラフ化すると、例えば、図１５のように表すことができる。
【０１５２】
図１５には、式（５）から求められるＳＡＤ（ｉ）の値を縦軸とし、Ｚiを横軸とした場合において、式（５）に対して、焦点画像Ｉc2から求められるフォーカス評価値ｆR，ｆG，ｆBと、図１１のキャリブレーションテーブルに登録されたフォーカス評価値ｇR（ｉ），ｇG（ｉ），ｇB（ｉ）にｉ＝−４〜６を代入することで得られるＳＡＤ（−４）ないしＳＡＤ（６）の値を結んだ曲線を示している。
【０１５３】
図１５の例の場合、ＳＡＤ（０）の場合にＳＡＤ（ｉ）の値が最小となる、すなわち、色収差系によるフォーカス評価値ｆR，ｆG，ｆBの組み合わせは、MLA色収差系によるフォーカス評価値ｇR（０），ｇG（０），ｇB（０）の組み合わせに最も近いので、Ｚ0が被検物Ｐの表面のＺ座標として求められる。
【０１５４】
具体的には、色収差系の焦点画像Ｉc2の3,000×2,000画素の全ての画素について、MLA色収差系のＭＬ領域に対応する10×10画素ごとに、キャリブレーションテーブルに登録されているMLA色収差系によるフォーカス評価値ｇR（ｉ），ｇG（ｉ），ｇB（ｉ）（300×200個の各ＭＬ領域ごとに登録されているＲＧＢの３波長のフォーカス評価値）の参照先を順次変更しながら、色収差系によるフォーカス評価値ｆR，ｆG，ｆBとの相関値を求め、最も相関の高いMLA色収差系によるフォーカス評価値に対応する被検物ＰのＺ座標を求める。従って、このようにして求められるＺ座標は高い分解能を有する。例えば、上述した図９のグラフにおいて、色収差系によるＲＧＢの３波長のフォーカス評価値ｆR，ｆG，ｆBがＲ，Ｇ，Ｂ色光の曲線上の黒丸の点であったとすると、被検物ＰのＺ座標は、図中の矢印の位置（物体距離（Ｚ））と求められる。
【０１５５】
すなわち、図６の形状測定装置は、ＸＹ分解能は低いが多数を取得できる焦点画像Ｉm，Ｉc1から得られる被検物Ｐの形状のＺ方向に関する情報を、ＸＹ分解能は高いが少数しか取得できない焦点画像Ｉc2から得られる被検物Ｐの形状のＺ方向に関する情報の補正情報として用いて、３次元形状測定処理を実行し、ＸＹＺの３方向のすべて方向において高い精度で被検物Ｐの形状を測定できる。
【０１５６】
なお、これまで説明した第２の実施の形態において、図６ａのパターン投影法を用いる場合は別途注意が必要である。つまり、撮像されるパターンの画像は、色収差系の場合は、例えば3,000×2,000画素の高い解像度を有するが、MLA色収差系では、300×200画素という低解像度の画像しか得られない。しかし、どちらも同じパターンを撮像するので、色収差系用と、MLA色収差系用とで両方の解像に適するパターン（テキスチャ）を用意する必要がある。図１６には、そのパターンの一例を示している。図１６においては、大きな白黒のマス目がMLA色収差系用となり、その中の小さな白黒の点が色収差系用となる。これらのパターンを用いて、先述した処理が実行される。
【０１５７】
以上のようにして、図６の形状測定装置による３次元形状測定処理が行われる。
【０１５８】
このように、本発明によれば、高い精度で被検物の形状を測定できる。
【０１５９】
また、例えば、MLA１２のＭＬの数をＮとし、１つのＭＬ領域内の画素数をＭとすると、撮像素子１３に必要となる画素数はＭ×Ｎ画素となる。しかし、実際には、撮像素子１３の画素数には制限があるため、Ｎを大きくすると、各ＭＬ領域内の画素数Ｍが少なくなる。また、Ｍの数が少ないと、焦点方向の十分な情報（Ｚ分解能）が得られなくなり、また、各ＭＬの口径が極端に小さくなると、光の回折の影響で像がぼやけてしまう。一方、Ｎの数を少なくすると、焦点画像を形成するための画素数が少なくなり、ＸＹ分解能（水平解像度）が得られなくなる。また、各ＭＬの口径が極端に広くなると、焦点面がレンズ焦点面からずれた位置では、撮像素子１３の撮像面上で正確な焦点を結ばないことになる。つまり、撮像面でのぼけが生じ、隣接する画素と画像信号が重なり、誤差の要因となる。
【０１６０】
本発明によって、上記の問題を解決することができる。すなわち、本発明では、色収差を積極的に利用して、異なる焦点の焦点画像を生成する。つまり、複数の異なる波長で撮像される画像は、波長の違いによって、焦点距離ｆが変わるため、焦点位置の異なる焦点画像となる。これによって、適切なＮ（MLA１２のＭＬの数）を設定し、焦点画像の数を多数に増やすことができる。また、色収差の像を撮像素子固有の高い分解能を保ったままに、像を捕えることにより、３次元形状測定において重要となる、水平分解能と高さ（奥行き）方向の分解能の両立が実現できる。
【０１６１】
なお、上述した一連の処理は、ハードウェアにより実行させることもできるし、ソフトウェアにより実行させることもできる。一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ、又は、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータ等に、記録媒体からインストールされる。
【０１６２】
この記録媒体は、コンピュータとは別に、利用者にプログラムを提供するために配布される、プログラムが記録されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、若しくは半導体メモリ等により構成されるだけでなく、コンピュータに予め組み込まれた状態で利用者に提供される、プログラムが記録されているハードディスクドライブやROM（Read Only Memory）等で構成される。
【０１６３】
また、上述した一連の処理を実行させるプログラムは、必要に応じてルータ、モデム等のインタフェースを介して、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線又は無線の通信媒体を介してコンピュータにインストールされるようにしてもよい。
【０１６４】
なお、本明細書において、記録媒体に格納されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。
【０１６５】
また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】複数のＭＬの作用によって得られる複数の焦点画像の取得の原理を説明する光線図である。
【図３】色収差の作用によって得られる複数の焦点画像の取得の原理を説明する光線図である。
【図４】複数のＭＬと色収差の両方の作用により、複数の焦点画像が得られる様子を示す光線図である。
【図５】図１の形状測定装置により実行される３次元形状測定処理について説明するフローチャートである。
【図６】本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の他の構成を示す図である。
【図７】MLA色収差系と、色収差系の詳細な構成を示す図である。
【図８】図６の形状測定装置により実行される３次元形状測定処理について説明するフローチャートである。
【図９】ＲＧＢの色収差によるフォーカス評価値の変化を示すグラフである。
【図１０】ＲＧＢの色収差によるフォーカス評価値の変化と、MLAによる焦点位置との関係を示すグラフである。
【図１１】キャリブレーションテーブルの一例を示す図である。
【図１２】被検物の位置がＺ0にあるときの画像信号の強度分布を示す光線図である。
【図１３】被検物の位置がＺ1にあるときの画像信号の強度分布を示す光線図である。
【図１４】被検物の位置がＺ-1にあるときの画像信号の強度分布を示す光線図である。
【図１５】ＳＡＤ値とＺとの関係を示すグラフである。
【図１６】投影パターンの例を示す図である。
【符号の説明】
【０１６７】
１１  色収差レンズ，  １２  MLA，  １３  撮像素子，  １４  画像処理部，  １５  光源，  １６  照明レンズ系，  １７  透過パターン，  １８  反射ミラー，  １９  ハーフミラー，  ２１  RGBリング照明部，  ２２  カラーフィルタ，  ３１  撮像素子，  ３２  ハーフミラー，  ３３  ハーフミラー，  ＭＬ  マイクロレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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