(57)【要約】【課題】測定精度を向上させる。【解決手段】投影パタン２４により、投影パタンが被検物１３に投影され、像面パタン３２ａ乃至３２ｃにより、被検物１３において反射または拡散した光が、像面パタンに応じて透過されて、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃに入射させる。そして、投影パタン２４と像面パタン３２ａ乃至３２ｃとの位相関係に基づく、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃの画素ごとの校正データと、像面パタン３２ａ乃至３２ｃの位相が、投影パタン２４の位相に対して相対的にずらされた複数の状態の被検物１３をCCDセンサ３４ａ乃至３４ｃが撮像して得られた画像の輝度情報とを用いて、被検物１３の形状が算出される。本発明は、例えば、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２
2010112910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物の形状を測定する形状測定装置において、
前記被検物を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段の１画素に対応する前記被検物の表面内に、所定の投影ピッチで明部と暗部とが繰り返す投影パタンを、前記被検物に投影する投影手段と、
前記撮像手段の近傍または共役面に配置され、前記被検物において反射または拡散した光を、前記投影ピッチに対応したピッチで高透過部と低透過部とが繰り返す像面パタンを透過させ、前記撮像手段に入射させる透過手段と、
前記投影手段による投影パタンと、前記透過手段による像面パタンとの位相関係に基づく、前記撮像手段の画素ごとの校正データを記憶する校正データ記憶手段と、
前記像面パタンにより前記投影パタンに対してお互いに異なる位相関係の前記反射光または拡散光を抽出し、それぞれの位相関係で前記被検物を前記撮像手段が撮像して得られた画像の輝度情報と、前記校正データ記憶手段に記憶されている校正データとを用いて、前記被検物の形状を算出する算出手段と
を備えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
複数の前記撮像手段と複数の前記投影手段とを有し、
前記撮像手段には、前記投影パタンに対してそれぞれ所定の相対位相ずれを有する前記像面パタンが固定的に配置されている
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】
前記算出手段は、前記画像の輝度情報と前記校正データとを用いて、前記被検物に対する合焦の程度を画素ごとに算出する
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】
前記投影手段による投影パタンの投影ピッチを、第１の投影ピッチと第２の投影ピッチとで切り替える切替手段と、
前記被検物に前記投影パタンが投影される光軸に沿って、前記第１の投影ピッチに基づいた移動量、または前記第２の投影ピッチに基づいた移動量ごとに、前記被検物を相対的に移動させる移動手段と
をさらに備え、
前記撮像手段は、前記移動手段により前記被検物が前記移動量ごとに移動される所定位置において前記被検物を撮像し、
前記算出手段は、前記所定位置ごとに得られる前記画像の輝度情報と、前記校正データとを用いて、前記被検物に対する合焦の程度を画素ごとに求め、前記被検物の形状を算出する
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５】
前記第１の投影ピッチと、前記像面パタンのピッチとが略同一であり、
前記第２の投影ピッチが、前記像面パタンのピッチの略整数倍である
ことを特徴とする請求項４に記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置に関し、特に、測定精度の良好な形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工業製品等の３次元形状を測定する方法として、合焦点法が広く採用されている。
【０００３】
合焦点法による測定に関する技術としては、例えば、特許文献１が知られている。特許文献１に開示されている装置においては、合焦点法による測定を行う際に、被検物にパタン光を投光し、このパタンを撮像系により撮像し観察して合焦位置を計測することで、かかる被検物の形状を測定している。
【０００４】
このような装置では、一般的に、合焦位置を検出する際に、撮像素子により撮像された画像のコントラスト値が利用される。そして、合焦位置を高精度で検出するために必要なコントラスト値を得るためには、光学系が十分に高いＮＡ（Numerical Aperture：開口数）であるとともに、そのＮＡに見合った微細なパタン（望ましくは、解像度の限界に近い周期のパタン）を投影することが必要である。
【０００５】
図１を参照して、投影パタンの細かさと、合焦位置の測定精度との関係について説明する。
【０００６】
図１において、横軸は、測定面が光学系の合焦位置による光軸方向にずれている距離を示すデフォーカス量を示しており、デフォーカスが０である位置において、測定面が合焦位置に一致していることを示している。縦軸は、画像のコントラスト値を示している。
【０００７】
図１に示されている曲線Ｌ１乃至Ｌ６は、６種類の細かさの異なる投影パタンを用いて撮像したときに得られる値を、それぞれの投影パタンごとに繋いだものであり、曲線Ｌ１は、最も粗い投影パタンを用いたときに得られた値であり、曲線Ｌ２から曲線Ｌ６に従って微細な投影パタンが用いられ、曲線Ｌ６は、最も微細な投影パタンを用いたときに得られた値である。
【０００８】
図１に示すように、より微細な投影パタンを用いて得られた曲線の方が、ピークが鋭いものとなっており、最も微細な投影パタンを用いて得られた曲線Ｌ６のピークが最も鋭くなっている。このように、ピークの鋭い曲線のようなコントラスト値を得ることができれば、測定面にフォーカスが合っているか否か、もしくはデフォーカス具合を詳細に判定することができる。従って、微細な投影パタンを用いることで、測定精度を向上させることができる。
【０００９】
また、測定精度を向上させるために微細な投影パタンを用いる場合、投影パタンに見合った分解能の撮像素子を用いて撮像しなければならないという条件を満たす必要がある。
【００１０】
【特許文献１】特許２９２８５４８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、微細な投影パタンを用いて測定精度を向上させるためには、投影パタンに見合った分解能の撮像素子を用いなければならない。しかしながら、一般的に入手可能な所定の画素数の撮像素子を用いる場合、高精度で観察を行うときには視野が狭くなり、広い視野で観察を行うときには測定精度が低下するという制限がある。従って、所定の画素数の撮像素子を用いた観察において、視野を狭くすることなく、測定精度を向上させることが求められている。
【００１２】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、測定精度を向上させることが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】
【００１３】
本発明の形状測定装置は、被検物の形状を測定する形状測定装置であって、前記被検物を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の１画素に対応する前記被検物の表面内に、所定の投影ピッチで明部と暗部とが繰り返す投影パタンを、前記被検物に投影する投影手段と、前記撮像手段の近傍または共役面に配置され、前記被検物において反射または拡散した光を、前記投影ピッチに対応したピッチで高透過部と低透過部とが繰り返す像面パタンを透過させ、前記撮像手段に入射させる透過手段と、前記投影手段による投影パタンと、前記透過手段による像面パタンとの位相関係に基づく、前記撮像手段の画素ごとの校正データを記憶する校正データ記憶手段と、前記像面パタンにより前記投影パタンに対してお互いに異なる位相関係の前記反射光または拡散光を抽出し、それぞれの位相関係で前記被検物を前記撮像手段が撮像して得られた画像の輝度情報と、前記校正データ記憶手段に記憶されている校正データとを用いて、前記被検物の形状を算出する算出手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の形状測定装置においては、撮像手段により被検物が撮像され、投影手段により、撮像手段の１画素に対応する被検物の表面内に、所定の投影ピッチで明部と暗部とが繰り返す投影パタンが被検物に投影される。透過手段は、撮像手段の近傍または共役面に配置され、被検物において反射または拡散した光を、投影ピッチに対応したピッチで高透過部と低透過部とが繰り返す像面パタンに応じて透過させ、撮像手段に入射させる。そして、投影手段による投影パタンと、透過手段による像面パタンとの位相関係に基づく、撮像手段の画素ごとの校正データが記憶されており、この校正データと、像面パタンにより投影パタンに対してお互いに異なる位相関係の反射光または拡散光を抽出し、それぞれの位相関係で被検物を撮像手段が撮像して得られた画像の輝度情報とを用いて、被検物の形状が算出される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の形状測定装置によれば、測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図２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例を示す図である。
【００１８】
形状測定装置１１では、被測定対象である被検物１３がステージ１２に載置され、測定部１４が、被検物１３にパタンを投影するとともに、パタンが投影された被検物１３を撮像し、画像処理部１５が、測定部１４から出力される画像データに対して画像処理を施し、コントローラ１６が、その画像データから被検物１３の形状を求めるとともに、ステージ１２および測定部１４を制御する。
【００１９】
ステージ１２は、図示しない駆動部により図２の上下方向（以下、適宜、Ｚ方向と称する）に駆動可能とされており、コントローラ１６の制御に従って駆動することで、光学系の焦点面Ｓに対する被検物１３の相対位置（焦点位置）を変化させる。
【００２０】
測定部１４は、被検物１３にパタンを投影するための光源２１を有しており、光源２１から出射された光は、コンデンサレンズ２２を介してリレーレンズ２３に入射し、リレーレンズ２３により、被検物１３に投光（照射）される光の焦点面Ｓと像面共役な面に集光され、その共役な面に配置されている投影パタン２４に入射する。
【００２１】
投影パタン２４は、例えば、透過型の液晶素子により構成され、所定のピッチ（周期）で正弦波状に透過状態が変化するように明部と暗部（高透過部と低透過部）が形成された正弦波パタン（図３Ａ）が被検物１３に投影されるように、光の透過を制御する。また、投影パタン２４は、コントローラ１６の制御に応じて、被検物１３に投影する正弦波パタンのピッチ（以下、適宜、投影ピッチと称する）を変更する。
【００２２】
そして、光源２１からの光は、投影パタン２４を通過することにより正弦波パタンを有するパタン光となり、リレーレンズ２５を介してハーフプリズム２６に入射する。ハーフプリズム２６は、リレーレンズ２５からのパタン光を反射して対物レンズ２７に入射させる。対物レンズ２７は、ハーフプリズム２６からのパタン光を所定の焦点面Ｓに集光して、正弦波パタンの像を被検物１３に投影する。即ち、投影パタン２４を経てパタン光となった光源２１からの光は、リレーレンズ２５、ハーフプリズム２６、および対物レンズ２７によって、被検物１３の焦点面Ｓに正弦波パタンの像を結ぶことになる。
【００２３】
被検物１３に投影された正弦波パタンの像は、被検物１３の表面において反射（拡散反射または鏡面反射）して、対物レンズ２７を介してハーフプリズム２６に入射する。つまり、焦点面Ｓにできる正弦波パタンの実像が、被検物１３で折り返して、対物レンズ２７を介してハーフプリズム２６に入射する。
【００２４】
ハーフプリズム２６は、被検物１３において反射され、対物レンズ２７を介して入射した光の一部を透過させ、その光は、リレーレンズ２８および結像レンズ２９を介して、ビームスプリッタ３０に入射する。
【００２５】
ビームスプリッタ３０は、入射する光束の１／３を透過させるとともに、残りの２／３を反射してビームスプリッタ３１に入射させる。ビームスプリッタ３１は、例えば、ハーフプリズムであり、入射する光束の１／２を反射するとともに、残りの１／２を透過させる。即ち、ビームスプリッタ３０および３１により、被検物１３において反射した光が３つの光束に均等に分割される。
【００２６】
また、ビームスプリッタ３０および３１に入射する光は、結像レンズ２９により集光され、ビームスプリッタ３０および３１により分割された後、像面パタン３２ａ乃至３２ｃの位置（共役面）に一次像を結像する。
【００２７】
像面パタン３２ａ乃至３２ｃは、エッチング処理などで、所定のピッチ（周期）で正弦波状に明部と暗部が形成された正弦波パタン（図３Ｂ乃至図３Ｄ）を有する薄いガラスプレートを用いることができる。被検物１３において反射された光のうちの、像面パタン３２ａ乃至３２ｃにおける正弦波パタンを透過した光が、結像レンズ３３ａ乃至３３ｃによりCCDセンサ３４ａ乃至３４ｃの受光面にそれぞれ結像される。
【００２８】
また、像面パタン３２ａ乃至３２ｃは、それぞれに形成されている正弦波パタンが、投影パタン２４による正弦波パタンに対して、所定の位相、例えば、それぞれ-120deg，0deg，120degでシフトされる（ずらされる）ように、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃに対して固定的に配置されている。即ち、上述したように、被検物１３に照射される光は、投影パタン２４による正弦波パタンのパタン光となっており、被検物１３により反射されて像面パタン３２ａ乃至３２ｃに入射するパタン光の位相を基準として、像面パタン３２ａ乃至３２ｃは、それぞれ-120deg，0deg，120degでシフトした透過特性が付加されるように配置される。
【００２９】
つまり、投影パタン２４による正弦波パタンに対して、像面パタン３２ａの正弦波パタンは、-120degシフトした特性が付加されるように配置され、像面パタン３２ｂの正弦波パタンは、0degシフトした特性が付加される（即ち、一致する）ように配置され、像面パタン３２ｃの正弦波パタンは、120degシフトした特性が付加されるように配置される。
【００３０】
CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃは、像面パタン３２ａ乃至３２ｃを介して、投影パタン２４による正弦波パタンが投影された被検物１３を、その正弦波パタンに対して、像面パタン３２ａ乃至３２ｃによる正弦波パタンにそれぞれ-120deg，0deg，120degずらされた特性が付加された状態で撮像し、その結果得られる画像データを画像処理部１５に供給する。
【００３１】
画像処理部１５は、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃから供給される画像データに対して、例えば、ノイズ成分を除去する処理等の所定の画像処理を施し、コントローラ１６を介して図示しないモニタなどに画像を出力する。ここで、CCDセンサ３４ａおよび３４ｂから出力される画像データに対し、CCDセンサ３４ｃから出力される画像データは裏像となっているので、画像処理部１５は、CCDセンサ３４ｃからの画像データに対し、左右反転する画像処理を施す必要がある。
【００３２】
コントローラ１６は、画像処理部１５から出力される３パタンの画像データから求められる輝度情報（コントラスト）に基づいて、被検物１３の形状を算出する。
【００３３】
また、コントローラ１６は、投影パタン２４が形成する正弦波パタンの投影ピッチを変更させたり、その投影ピッチに応じて決定される、ステージ１２をＺ方向に移動させるピッチ（以下、適宜、Ｚピッチと称する）で、ステージ１２を移動させる。
【００３４】
次に、図３を参照して、投影パタン２４の正弦波パタンと、像面パタン３２ａ乃至３２ｃの正弦波パタンとの位相関係について説明する。
【００３５】
図３には、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃの１画素に対応する大きさの正弦波パタンが示されており、図３に示すように、投影パタン２４および像面パタン３２ａ乃至３２ｃは、例えば、１画素あたり５ピッチの正弦波パタンを形成する。
【００３６】
図３Ａには、投影パタン２４により形成される正弦波パタンが示されている。投影パタン２４の正弦波パタンの周期としては、対物レンズ２７の解像限界に近いものが望ましく、例えば、光学系のＮＡが0.1であるとしたとき、解像限界は、λ／２ＮＡ＝2.75μｍとなるので、被検物１３上で数μｍのピッチとなるものが好ましい。
【００３７】
図３Ｂ乃至図３Ｄには、像面パタン３２ａ乃至３２ｃにより形成される正弦波パタンがそれぞれ示されている。投影パタン２４の正弦波パタンに対して、位相が0degシフトされて（即ち、投影パタン２４の位相と一致して）いる正弦波パタンが像面パタン３２ｂに形成され（図３Ｂ）、位相が120degシフトされている正弦波パタンが像面パタン３２ｃに形成され（図３Ｃ）、投影パタン２４の正弦波パタンに対して位相が+240degシフト（即ち、-120degシフト）されている正弦波パタンが像面パタン３２ａに形成され（図３Ｄ）ている。
【００３８】
図３においては、投影パタン２４のピッチと、像面パタン３２ａ乃至３２ｃのピッチとは、ほぼ同一とされている。例えば、投影パタン２４の正弦波パタンのピッチが、６μｍである場合、像面パタン３２ａ乃至３２ｃの正弦波パタンどうしのシフト量は２μｍであり、例えば、像面パタン３２ａおよび３２ｃが、像面パタン３２ｂを基準として、それぞれに２μｍずれた位相関係の位置となるように、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃに対して固定的に配置される。
【００３９】
そして、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃは、それぞれの位相関係にある正弦波パタンを介して被検物１３を撮像することで、３枚１組の画像データを取得し、コントローラ１６は、それらの画像データから、各画素での輝度値（各画素が受光した光の光量）を算出する。
【００４０】
即ち、像面パタン３２ａを介してCCDセンサ３４ａにより撮像された画像データの点（ｘ，ｙ）での輝度値をＩ１（ｘ，ｙ）とし、像面パタン３２ｂを介してCCDセンサ３４ｂにより撮像された画像データの点（ｘ，ｙ）での輝度値をＩ２（ｘ，ｙ）とし、像面パタン３２ｃを介してCCDセンサ３４ｃにより撮像された画像データの点（ｘ，ｙ）での輝度値をＩ３（ｘ，ｙ）とすると、輝度値Ｉ１（ｘ，ｙ）乃至Ｉ３（ｘ，ｙ）は、次の式（１）で表される。
【００４１】
【数１】
2010112910.tif 000003
【００４２】
但し、式（１）において、積分は１ピクセルについて行われ、ａ（ｘ，ｙ）は、画像データの点（ｘ，ｙ）での環境光（例えば、投影パタン２４を介した光源２１からの光以外の迷光）を示しており、ｂ（ｘ，ｙ）は、画像データの点（ｘ，ｙ）に対応する被検物１３からの戻り光の振幅率を示している。ここで、振幅率とは、完全に合焦しており表面反射率100％の時の振幅を１として規格化した値である。また、φ（ｘ，ｙ）は、投影パタン２４における正弦波パタンの初期位相を示している。なお、輝度値には、像面パタン３２ａ乃至３２ｃにおける正弦波パタンのピッチも影響を与えるが、３つの正弦波パタンは、それぞれピッチが一致しているため、式（１）において、正弦波パタンのピッチは省略することができる。
【００４３】
そして、式（１）を書き直すと、次の式（２）が得られる。
【００４４】
【数２】
2010112910.tif 000004
【００４５】
ここで、例えば、環境光ａ（ｘ，ｙ）および振幅率ｂ（ｘ，ｙ）が、１ピクセル内では一定であるものとすると、式（２）は、次の式（３）で表される。
【００４６】
【数３】
2010112910.tif 000005
【００４７】
ただし、式（３）において、環境光Ａ（ｘ，ｙ）は、環境光ａ（ｘ，ｙ）を１ピクセルについて積分した値であり、振幅率Ｂ（ｘ，ｙ）は、振幅率ｂ（ｘ，ｙ）を１ピクセルについて積分した値である。
【００４８】
コントローラ１６には、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃから画像データが供給され、コントローラ１６は、画像データの各画素の輝度値Ｉ１（ｘ，ｙ）乃至Ｉ３（ｘ，ｙ）を用いて、各画素の振幅率Ｂ（ｘ，ｙ）を算出し、振幅率Ｂを画像のコントラスト値とすることができる。
【００４９】
ところで、例えば、像面パタン３２ａ乃至３２ｃが、投影パタン２４に対して正確に-120deg，0deg，120degだけシフトした位置に配置されていれば、式（３）から正確なコントラスト値を求めることができる。しかしながら、例えば、120degに対応するシフト量は、上述したように２μｍ程度であり、像面パタン３２ａ乃至３２ｃを正確に-120deg，0deg，120degだけシフトした位置に配置させることは困難である。即ち、測定部１４の組み立て精度などにより、像面パタン３２ａ乃至３２ｃは、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃに対して正確なシフト量から若干ずれて固定さることがあり、そのようなずれによって、形状測定装置１１による被検物１３の測定結果に誤差が生じることがある。
【００５０】
そこで、例えば、形状測定装置１１では、像面パタン３２ａ乃至３２ｃを固定させた後に、所定の測定条件（例えば、環境光が遮断された状況、かつ、反射率が均一な被測定物（完全に近い拡散板など））で予め測定を行って校正データ（像面パタン３２ａ乃至３２ｃのずれに応じて輝度値Ｉ１（ｘ，ｙ）乃至Ｉ３（ｘ，ｙ）を校正するデータ）を取得しておき、コントローラ１６に校正データを予め記憶させておく。
【００５１】
例えば、像面パタン３２ａの-120degに対するずれをαとし、像面パタン３２ｂの0degに対するずれをβとし、像面パタン３２ｃの-120degに対するずれをγとすると、式（３）は、式（４）として表され、コントローラ１６は、式（５）を校正データとして記憶している。
【００５２】
【数４】
2010112910.tif 000006
【数５】
2010112910.tif 000007
【００５３】
このように、コントローラ１６が予め求められた校正データを記憶しておくことで、輝度値Ｉ１乃至Ｉ３は、環境光Ａと振幅率Ｂとの一次結合として表される。
【００５４】
また、上述の式（５）で表される校正データは、画像データの画素ごとに求められ、コントローラ１６は、画素分のサイズを有する校正テーブルを作成し、内蔵するメモリに格納することができる。また、校正テーブルは、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃごとに作成される。
【００５５】
なお、例えば、第１の投影ピッチに対して、第２の投影ピッチが１０倍である場合（例えば、第１の投影ピッチが画素に対して５ピッチであり、第２の投影ピッチが画素に対して0.5ピッチである場合）、第２の投影ピッチを用いて得られる画像データの各画素の振幅率Ｂは、次の式（６）で表される。
【００５６】
【数６】
2010112910.tif 000008
【００５７】
ただし、式（６）において、Ａは、環境光の光量であり、θは、第１の投影ピッチであり、Ｐは、像面パタン３２ａ乃至３２ｃを配置する際にずらされる位相である。
【００５８】
ここで、焦点面Ｓに一致する被検物１３の表面に対応する画像上の点において、コントラスト値が最大となる。従って、コントローラ１６は、各Ｚピッチにおけるコントラスト値が最大となる画像上の点の座標を求めることで、その焦点面Ｓでの被検物１３の形状を求めることができる。
【００５９】
そして、コントローラ１６は、所定のＺピッチでステージ１２を移動させつつ、画像データを取得することで、Ｚ方向の各高さでの被検物１３の形状を求め、これにより、被検物１３の立体的な形状を求めることができる。
【００６０】
このように、Ｚ方向の測定精度はＺピッチによって決まり、Ｚピッチは、投影パタン２４の正弦波パタンの投影ピッチに応じて決定される。
【００６１】
次に、図４を参照して、投影パタン２４の正弦波パタンの投影ピッチと、Ｚピッチとの関係について説明する。
【００６２】
図４には、第１の投影ピッチの正弦波パタンが投影パタン２４に形成されたときにおける、所定の測定面をＺ方向に移動させたときに得られるコントラスト値の変化、および、第１の投影ピッチより大きな第２の投影ピッチの正弦波パタンが投影パタン２４に形成されたときにおける、所定の測定面をＺ方向に移動させたときに得られるコントラスト値の変化が示されている。
【００６３】
例えば、図４に示すように、第１の投影ピッチは、撮像素子の１画素あたり５周期の正弦波のパタンが投影されるピッチとされ、第２の投影ピッチは、撮像素子の１画素あたり2.5周期の正弦波のパタンが投影されるピッチとされる。
【００６４】
コントラスト値の変化を示す曲線は、測定面にピントが合っているＺ方向の位置においてピークとなり、その位置からＺ方向に離れるに従い低減する形状を示している。即ち、コントラスト値がピークとなるＺ方向の位置からずれるに従い、撮像素子により撮像される投影パタンのボケが大きくなる。
【００６５】
ここで、コントラスト値がピークとなる位置を補間計算する関係上、Ｚピッチは、コントラスト値がピークの値から半減した値になるまで幅の半分とすることが望ましい。
【００６６】
図４に示すように、正弦波パタンが第１の投影ピッチであるときのコントラスト値の変化は、正弦波パタンが第２の投影ピッチであるときのコントラスト値の変化よりも先鋭であり、正弦波パタンが第１の投影ピッチであるときのＺピッチの方は、第２の投影ピッチであるときのＺピッチよりも狭くなる。例えば、正弦波パタンが第１の投影ピッチであるときのＺピッチは、正弦波パタンが第２の投影ピッチであるときのＺピッチの１／５程度となっている。
【００６７】
具体的には、例えば、第１の投影ピッチが１μｍであるときのＺピッチは約８μｍとなり、第２の投影ピッチが３〜５μｍであるときのＺピッチは約３０μｍとなる。なお、Ｚピッチの具体的な数値は、投影ピッチの他、測定部１４の光学系のＮＡや、使用する撮像素子のＳ／Ｎなどにも関係して決定されるものであり、光学系や撮像素子などの設計の自由度の範囲内で適宜決定される。
【００６８】
また、上述したような形状測定装置１１による測定結果の誤差は、像面パタン３２ａ乃至３２ｃのシフト量に対するずれだけでなく、投影パタン２４に形成される正弦波パタンの投影ピッチも影響を与えるため、コントローラ１６には、正弦波パタンの投影ピッチごとに求められた校正データが記憶される。例えば、コントローラ１６は、第１の投影ピッチで求められた校正テーブルＴ１１，Ｔ１２，Ｔ１３と、第２の投影ピッチで求められた校正テーブルＴ２１，Ｔ２２，Ｔ２３とを記憶している。
【００６９】
このように、形状測定装置１１では、投影パタン２４の正弦波パタンの投影ピッチを変更することができ、例えば、被検物１３が検出されるまでは、第２の投影ピッチの正弦波パタンを用いて広いＺピッチで測定を行い、被検物１３が検出されると、第１の投影ピッチの正弦波パタンを用いて狭いＺピッチで詳細な測定を行うことができる。
【００７０】
次に、図５は、図２の形状測定装置１１が被検物１３の形状を測定する処理を説明するフローチャートである。
【００７１】
例えば、ユーザが、ステージ１２に被検物１３をセットすると処理が開始され、ステップＳ１１において、ユーザが、図示しない入力装置を操作して、ステージ１２をＺ方向に移動させる際の開始位置および終了位置を入力すると、コントローラ１６は、その開始位置にステージ１２を移動させる。
【００７２】
ステップＳ１１の処理後、処理はステップＳ１２に進み、コントローラ１６は、投影パタン２４を制御して、第２の投影ピッチ（例えば、12μｍ）の正弦波パタンを形成させ、処理はステップＳ１３に進む。
【００７３】
ステップＳ１３において、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃは、投影パタン２４を介して第２の投影ピッチの正弦波パタンが投影されている被検物１３の像を、像面パタン３２ａ乃至３２ｃそれぞれを介して撮像する。コントローラ１６は、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃにより撮像された画像データの画素ごとにコントラスト値を算出して、画素ごとのコントラスト値をコントラスト配列に格納する。ここで、コントローラ１６は、第２の投影ピッチで求められた校正テーブルＴ２１，Ｔ２２，Ｔ２３を用いて、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃそれぞれにより撮像された画像の画素値を校正し、コントラスト値を算出する。
【００７４】
ステップＳ１３の処理後、処理はステップＳ１４に進み、コントローラ１６は、投影パタン２４に形成された正弦波パタンの第２の投影ピッチに応じたＺピッチ（例えば、30μｍ）でステージ１２を下方に移動させる。
【００７５】
ステップＳ１４の処理後、処理はステップＳ１５に進み、ステップＳ１３と同様に、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃによる撮像が行われ、コントローラ１６は、画素ごとのコントラスト値をコントラスト配列に格納する。
【００７６】
ステップＳ１５の処理後、処理はステップＳ１６に進み、コントローラ１６は、コントラスト配列に格納されているコントラスト値に基づいて、これまでに測定されたＺ方向の範囲に、コントラストピークを持つ画素が存在するか否かを判定する。例えば、コントローラ１６は、所定の画素における連続した３つのコントラスト値を用いたガウス近似を求め、その近似曲線がピークを有するか否かを判定する。
【００７７】
ステップＳ１６において、コントローラ１６が、コントラストピークを持つ画素が存在しないと判定した場合、処理はステップＳ１４に戻り、以下、同様の処理が繰り返される。
【００７８】
一方、コントローラ１６が、コントラストピークが存在すると判定した場合、処理はステップＳ１７に進む。
【００７９】
ステップＳ１７において、コントローラ１６は、現在のステージ１２の位置（Ｚ０）を記憶し、直前のステップＳ１４でステージ１２を移動させたＺピッチだけ、ステージ１２を上方に移動させ、処理はステップＳ１８に進む。
【００８０】
ステップＳ１８において、コントローラ１６は、投影パタン２４を制御して投影ピッチを切り替え、第１の投影ピッチ（例えば、6μｍ）の正弦波パタンを形成させて、処理はステップＳ１９に進む。
【００８１】
ステップＳ１９において、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃは、投影パタン２４を介して第１の投影ピッチの正弦波パタンが投影されている被検物１３の像を、像面パタン３２ａ乃至３２ｃそれぞれを介して撮像する。コントローラ１６は、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃにより撮像された画像データの画素ごとにコントラスト値を算出して、画素ごとのコントラスト値をコントラスト配列に格納する。ここで、コントローラ１６は、第１の投影ピッチで求められた校正テーブルＴ１１，Ｔ１２，Ｔ１３を用いて、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃそれぞれにより撮像された画像の画素値を校正し、コントラスト値を算出する。
【００８２】
ステップＳ１９の処理後、処理はステップＳ２０に進み、コントローラ１６は、投影パタン２４に形成された正弦波パタンの第１の投影ピッチに応じたＺピッチ（例えば、8μｍ）でステージ１２を下方に移動させる。
【００８３】
ステップＳ２０の処理後、処理はステップＳ２１に進み、ステップＳ１９と同様に、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃによる撮像が行われ、コントローラ１６は、画素ごとのコントラスト値をコントラスト配列に格納する。
【００８４】
ステップＳ２１の処理後、処理はステップＳ２２に進み、画像処理部１５は、コントラスト配列に格納されているコントラスト値に基づいて、ステップＳ１８で第１の投影パタンを用いた測定を開始してからＺ方向の範囲に、コントラストピークを持つ画素が存在するか否かを判定する。
【００８５】
ステップＳ２２において、画像処理部１５が、コントラストピークを持つ画素が存在しないと判定した場合、処理はステップＳ２０に戻り、以下、同様の処理が繰り返される。一方、画像処理部１５が、コントラストピークが存在すると判定した場合、処理はステップＳ２３に進む。
【００８６】
ステップＳ２３において、コントローラ１６は、コントラストピークを持つ画素における連続した３つのコントラスト値を用いてガウス近似でピークとなるＺ値を求め、その値を、点群配列における該当する画素に格納する。
【００８７】
ステップＳ２３の処理後、処理はステップＳ２４に進み、コントローラ１６は、ステージ１２がステップＳ１１でユーザにより入力された終了位置まで移動されているか否かを判定する。
【００８８】
ステップＳ２４において、コントローラ１６が、ステージ１２が終了位置まで移動されていないと判定した場合、処理はステップＳ２５に進み、コントローラ１６は、直前のステップＳ１７で記憶したステージ１２の位置（Ｚ０）に、ステージ１２を移動させる。ステップＳ２４の処理後、処理はステップＳ１４に戻り、以下、同様の処理が繰り返される。
【００８９】
一方、ステップＳ２４において、コントローラ１６が、ステージ１２が終了位置まで移動されていると判定した場合、処理はステップＳ２６に進む。
【００９０】
ステップＳ２６において、コントローラ１６は、ユーザにより入力されたＺ方向の範囲における被検物１３のコントラスト値から求められた各画素でのＺ値（ステップＳ２３で点群配列の各画素に格納されたＺ値）に基づいて、被検物１３の形状データを算出し、処理は終了する。
【００９１】
以上のように、形状測定装置１１では、投影パタン２４により正弦波パタンが投影された被検物１３を、像面パタン３２ａ乃至３２ｃにおける正弦波パタンを介して、その正弦波パタンの位相を相対的にシフトさせた状態で所定枚数の一組の画像データを得ることで、被検物１３の形状を測定する測定精度を向上させることができる。
【００９２】
即ち、従来の形状測定方法において、高精度で測定するには微細な投影パタンに見合った分解能の撮像素子を用いる必要があったが、形状測定装置１１では、一般的に入手可能な所定の画素数のCCDセンサ３４ａ乃至３４ｃを用いて、例えば、像面パタン３２ａ乃至３２ｃにおける正弦波パタンの位相を２π／３シフトさせて３枚の画像を撮像することで、それらの画像データから、被検物１３の形状を高精度に測定することができる。
【００９３】
また、被検物１３の形状を測定する精度を下げることにより、より広い視野で被検物１３の形状を測定することができる。
【００９４】
さらに、コントローラ１６には、予め求められた校正データが記憶されており、この校正データを用いてCCDセンサ３４ａ乃至３４ｃから出力される画像データの画素ごとの輝度値を校正するので、例えば、像面パタン３２ａ乃至３２ｃの位相関係が正確に２π／３でなかったとしても、位相関係のずれに基づく誤差が発生することがなく、測定精度の低下を回避することができる。また、このような校正を行うことができない場合には、像面パタン３２ａ乃至３２ｃを正確な位相関係で配置させるための微調整機構が必要となるが、そのような微調整機構などを必要とすることもなく、測定部１４の構成を簡易化することができる。
【００９５】
また、投影パタン２４に形成される正弦波パタンの投影ピッチを変更することができるので、必要に応じてＺピッチを調整することができ、任意の測定精度で被検物１３を測定することで、効率よく測定を行うことができる。
【００９６】
具体的には、高精度に測定を行う領域として予め指定された高精度測定領域のみを第１の投影ピッチで詳細な測定を行い、その他の領域では、第２の投影ピッチで高速な測定を行うことができる。また、第２の投影ピッチで全範囲について高速な測定を行い、被検物１３が存在する付近のみ第１の投影ピッチで詳細な測定を行うようにすることができる。
【００９７】
また、像面パタン３２ａ乃至３２ｃによるパタンとして正弦波パタンを用いることにより、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃに多くの光を入射させることができ、ノイズの少ない画像を得ることができ、ひいては、測定精度を向上させることができる。
【００９８】
また、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃにより画像をそれぞれ取得することにより、測定時間の短縮を図ることができる。即ち、例えば、１つのCCDセンサを用いて、そのCCDセンサに対して位相関係に応じたシフト量で像面パタンを駆動部（例えば、ピエゾ素子）などにより移動させ、３回の撮像を行うことで、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃによる画像と同様の画像を取得することができるが、このような場合にも駆動位置を予め求め、構成データを記憶しておくことにより適用することができる。ただし、この場合は、像面パタンを移動させるために測定時間が長くなることがあった。
【００９９】
なお、１つのCCDセンサを用いて測定部１４を構成することで、測定部１４を小型化することができる。
【０１００】
さらに、１つのCCDセンサ、または、３つのCCDセンサを用いる他、２つまたは４つ以上のCCDセンサを用いる構成とすることができる。例えば、２つのCCDセンサと、それぞれのCCDセンサに対する２つの像面パタンとを用いる場合には、投影パタンに対して２つの像面パタンのピッチを僅かにずらすような構成にすることで、被検物１３の形状を測定することができる。例えば、２つのCCDセンサを用いて、２位相のみの画像を取得した場合には、振幅率Ｂを求める際に、係数が全く同じ値となり、解が得られない場合がある。このように解が得られない場合には、その画素を欠測点として検出することで、被検物１３の形状を測定することができる。
【０１０１】
なお、像面パタン３２ａ乃至３２ｃによるパタンは正弦波パタンに限られるものではなく、投影パタン２４との位相差に応じた強度の光を得ることができれば、像面パタン３０をスリットパタンとしてもよい。
【０１０２】
また、本実施の形態では、像面パタン３２ａ乃至３２ｃが、共役面に配置されているが、像面パタン３２ａ乃至３２ｃは、CCDセンサ３４ａ乃至３４ｃの直前にそれぞれ配置されるように構成することができる。また、センサとしては、CMOSなどの固体増幅型画像センサを用いることができる。
【０１０３】
また、上述のフローチャートを参照して説明した各処理は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいは個別に実行される処理（例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理）も含むものである。
【０１０４】
なお、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】
【０１０５】
【図１】投影パタンの細かさと、合焦位置の測定精度との関係を示す図である。
【図２】本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の構成例を示す図である。
【図３】投影パタン２４および像面パタン３２ａ乃至３２ｃによるパタンを説明する図である。
【図４】投影ピッチとＺピッチとの関係を説明する図である。
【図５】形状測定装置１１が被検物１３の形状を測定する処理を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０６】
１１  形状測定装置，  １２  ステージ，  １３  被検物，  １４  測定部，  １５  画像処理部，  １６  コントローラ，  ２１  光源，  ２２  コンデンサレンズ，  ２３  リレーレンズ，  ２４  投影パタン，  ２５  リレーレンズ，  ２６  ハーフプリズム，  ２７  対物レンズ，  ２８  リレーレンズ，  ２９  結像レンズ，  ３０および３１  ビームスプリッタ，  ３２ａ乃至３２ｃ  像面パタン，  ３３ａ乃至３３ｃ  結像レンズ，  ３４ａ乃至３４ｃ  CCDセンサ
【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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