(57)【要約】【課題】被測定物の連続的かつ機械的な駆動なしに焦点面の異なる画像情報を短時間で得られる形状測定装置を提供する。【解決手段】光量センサー２はセンサー素子２ａ〜２ｄを１次元方向に備える。センサー素子２ａ〜２ｄは光学系（図示せず）によって、被測定物１の計測線１２近傍の高さＨａ，Ｈｂ，Ｈｃ，Ｈｄに焦点Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄを結ぶ。被測定物１の表面１３は黒白に塗り分けられ、センサー素子２ａ〜２ｄと光学系を被測定物１の領域Ｙ１から領域Ｙ８方向に移動走査する。時刻で各センサー素子の光量値を読み出し、その値を位置とともに記録する。各センサー素子の光量値は、被測定物１の表面１３に合焦ならば表面色の黒１３ｂまたは白１３ｗに対応し、合焦でなければ黒と白が混ざった灰色の値を持つ。この黒，白，灰色の光量値に基づき高さＨａ〜Ｈｄについて合焦評価を行うことで、各領域Ｙについての高さを同定できる。【選択図】図６
2010008265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の表面の像を結像するための光学系と、
前記被測定物の高さの異なる表面にそれぞれ対応する焦点面に配置した複数個の光量センサーと、
前記被測定物の表面を前記光学系で走査するための駆動系と、
前記複数個の光量センサーから得られる電気信号を処理して合焦点を検出し、前記合焦点から前記被測定物の表面の形状を測定する信号処理部と、を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記光量センサーから得られる信号差分の絶対値総和の大きさにより合焦点を検出することを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記複数個の光量センサーが、１次元に配置されたことを特徴とする請求項１または２記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記複数個の光量センサーが配置された方向と、被測定物を走査する方向が一致していることを特徴とする請求項３記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記複数個の光量センサーが、２次元に配置されたことを特徴とする請求項１または２記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記複数個の光量センサーが、異なる間隔で配置されたことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記被測定物と前記複数個の光量センサーとの間に偏向光学素子を設けたことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
光量センサーが、光電子増倍機能を備えた素子を用いたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項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、被測定物の表面の高さ形状を精密、かつ高速に測定する装置であって、特にプラズマディスプレイパネルのリブ高さ検査や集積回路の電極検査など大面積で微小な高さ測定をより高速で行う形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の被測定物の高さ測定方法には、共焦点測定方式，三角測距方式，光切断方式，合焦方式などがある。
【０００３】
この中の共焦点測定方式は、対物レンズの像側焦点位置にピンホールを設置した光学系を持ち、対物レンズが合焦する際に１つのピンホールを通過する光の量が最も大きくなることを利用して対象物の変位を計測する。
【０００４】
この共焦点測定方式には、被測定物の反射率や表面状態の影響を受けにくいという長所があるが、対物レンズまたは被測定物を上下に動かす機構が必要であること、１回の計測で被測定物上の１点の情報しか得られず、面的な高さ情報を得るために計測点を走査する必要があるなどの理由により、計測に要する時間が長いという欠点がある。
【０００５】
また、三角測距方式は対象物に集光させた照明を照射し、その反射光の一部を受光レンズでセンサーに結像させる。この対象物が変位すると反射光の集光する角度が変化し、センサー上の結像位置が移動することになる。これをとらえることで対象物の変位を計測する。この方式は可動部がないため高速な測定が可能であるという長所があるが、被測定物の反射率や表面状態，傾きなどによって測定精度が劣化しやすいという欠点がある。
【０００６】
光切断方式は三角測距方式の一種であり、対象物に集光させる照明をライン状とし、受光センサーに２次元センサーを用いることで、被測定物の変位をライン状にとらえるようにしたものである。
【０００７】
合焦方式は、焦点の異なる複数枚の画像について画像処理的な手法で合焦度合いの評価を行うことで、画像に含まれる対象物の変位を計測する手法である（非特許文献１参照）。そして、被測定物の凹凸が大きい場合でも正しく測定でき、画像に含まれる複数の位置の高さ情報が１回の計測で得られるという長所があるが、一般に対物レンズまたは被測定物を上下に動かす機構が必要である。
【０００８】
これに対し、例えば光路に挿入した平行平板を順次回転させて切り替える等の方法によって光学的光路長を変えることで焦点面を高速に変位させるなどの工夫が提案されているが（特許文献１参照）、光路長の変化が不連続であること、光学素子が切り替わる期間は受光素子が不感帯となることなどの課題がある。
【０００９】
また、いずれの方法も焦点面を変位させるために機械的な駆動が必要であり、さらに測定の間は光学系を被測定物に対して静止させておかねばならない。
【特許文献１】特開平８−３０４０４３号公報
【非特許文献１】石原満宏，佐々木博美，「合焦法による高速３次元形状計測」，精密工学会誌  vol.63，No.1，1997，pp124
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このような従来の技術は、焦点面を変位させるために機械的な動作を伴うことから、動作速度を高めにくいという欠点がある。また従来の技術では、計測の際は光学系の観測位置を静止させる必要があることから、計測に要する時間を短縮することが困難であるという問題がある。
【００１１】
本発明は、前記従来技術の問題を解決するものであり、被測定物の連続的に焦点面の異なる画像情報を短時間で得られる安価な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】
【００１２】
前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載した形状測定装置は、被測定物の表面の像を結像するための光学系と、被測定物の高さの異なる表面にそれぞれ対応する焦点面に配置した複数個の光量センサーと、被測定物の表面を光学系で走査するための駆動系と、複数個の光量センサーから得られる電気信号を処理して合焦点を検出し、前記合焦点から前記被測定物の表面の形状を測定する信号処理部と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載した発明は、請求項１の形状測定装置において、光量センサーから得られる信号差分の絶対値総和の大きさにより合焦点を検出することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３〜５に記載した発明は、請求項１，２の形状測定装置における複数個の光量センサーが、１次元に配置されたこと、さらに、配置された方向と被測定物を走査する方向が一致していること、または、複数個の光量センサーが、２次元に配置されたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６，７に記載した発明は、請求項３〜５の形状測定装置における複数個の光量センサーが、異なる間隔で配置されていること、また、偏向光学素子を設けたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項８に記載した発明は、請求項１〜７の形状測定装置における光量センサーが、光電子増倍機能を備えた素子を用いたことを特徴とする。
【００１７】
前記構成によれば、被測定物に対して連続的に画像情報を得ることができ、また機械的に駆動することなく焦点面の異なる画像情報を得られることから測定時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、従来の方法に比較して、被測定物に対して静止することなく連続的に焦点面の異なる画像情報が得られることから、形状測定の時間を短縮することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
最初に、本実施の形態１の装置構成と、その動作について説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施の形態１における形状測定装置の全体構成を示すブロック図であり、図２は測定の際の動作を説明する図である。図２に示すように、被測定物１の異なる高さの表面における点Ａ１１ａ，点Ｂ１１ｂは光学系のレンズ３２により異なる空間（点Ａ’２１ａ，点Ｂ’２１ｂ）に焦点を結ぶ。この焦点近傍の空間に複数個の光量センサー２（センサー素子２ａ，２ｂ）を配置する。図２に示す例では２個である。それぞれのセンサー素子２ａ、センサー素子２ｂは被測定物１の表面の点Ａ１１ａ、点Ｂ１１ｂそれぞれの焦点におかれている。また、照明に関わる光学系はすべて省略している。
【００２２】
図２の矢印方向に駆動系４（図１参照）を作動させて、被測定物１の表面を走査するとき、センサー素子２ａは点Ａ１１ａの高さがＨａのときのみ波形Ｗａ１のような変動する電気信号を出力する。同様にセンサー素子２ｂは点Ｂ１１ｂの高さがＨｂのときのみ波形Ｗｂ１のような電気信号を出力する。各センサー素子が焦点を結ぶ点に位置しないとき、波形Ｗａ２，Ｗｂ２のように出力の変動は少ない。
【００２３】
これは光量センサーが合焦点にないときは、ぼやけて平均化された光量が入るため出力の変動が小さくなるからである。センサー素子２ａとセンサー素子２ｂは、それぞれ高さＨａ、高さＨｂのみを検出することになる。そして、より多くの高さを検出するためには、多くの光量センサーを配置することにより、被測定物１上における複数の高さを細かく知ることができる。光量センサー（各センサー素子）からの出力電気信号は信号処理部により処理することで高さを同定する。
【００２４】
この光量センサーから得られた情報によって、領域ごとに合焦の度合いを評価するための画像処理の手法にはいくつかの方法が用いられる。例えば、最大最小法、平均差二乗和法（分散法）、平均差絶対値和法、差分絶対値総和法、差分二乗総和法などがあげられる。
【００２５】
続いて、本実施の形態１で得られた測定結果の処理方法について説明する。
【００２６】
以下に合焦の度合いを評価するための画像処理の手法の詳細を示す。ここでは、座標（ｘ，ｙ）の光量情報をｉ（ｘ，ｙ）とする。
【００２７】
まず、最大最小法ＥＤＲＧとは領域内の値の最大値と最小値の差を合焦評価値とするものであり、下記式（数１）として定義する。
【００２８】
【数１】
2010008265.tif 000003
平均差二乗和法ＥＶＡＲとは領域内の光量の代表的値と、各光量センサーの値との差の二乗和を合焦評価値とする方法である。領域内の光量の代表値として相加平均である、下記式（数２）を用いる。
【００２９】
【数２】
2010008265.tif 000004
また、平均差二乗和を、下記式（数３）として定義する。
【００３０】
【数３】
2010008265.tif 000005
これは一般に標本分散として知られる値である。また二乗の代わりに絶対値を用いてもよく、これを平均差絶対値和法ＥＶＲＳと呼び、下記式（数４）と定義する。
【００３１】
【数４】
2010008265.tif 000006
また代表値として、相加平均のほかにさまざまな要約統計量を用いることができ、例えば相乗平均である、下記式（数５）を用いてもよい。
【００３２】
【数５】
2010008265.tif 000007
このほか、中央値や最頻値などを用いてもよい。
【００３３】
差分絶対値総和法ＥＳＡＤとは、空間上で異なる位置における光量値との差の絶対値の総和として定義する。絶対値の代わりに二乗を用いてもよく（差分二乗総和法）、その場合の評価値をＥＳＳＤと呼ぶ。いずれも、差分を算出する相手との空間上の位置関係をｄｘおよびｄｙとして、下記式（数６）と定義する。
【００３４】
【数６】
2010008265.tif 000008
ｄｘおよびｄｙの値は被測定物の表面状態や光学分解能によって選択する。
【００３５】
なお、ここにあげた算出方法によって得られた評価値はすべて数値が大きいほど合焦の程度が大きいことを示すが、もちろん算出方法によっては合焦の程度が大きいほど数値が小さくなるようなものも考えられる。
【００３６】
この光量センサーから得た９つの出力値により最大最小法、平均差二乗和法（分散法）、平均差絶対値和法、差分絶対値総和法、差分二乗総和法を用いた具体的な２つの例を図３に示す。
【００３７】
以降の説明では便宜的に、文中において特段の注記のない限り評価値の数値が大きいほど合焦の程度が大きい評価方法をとるものとした。ここで、合焦評価は光量センサーから得られた複数の情報をもとに行うことから、得られた光量値よりも合焦評価値の方が情報の空間密度が低い。合焦評価の方法やパラメータが同じであれば、より正確な合焦評価値を得るためには光量センサーから得られた光量値をより多く用いればよいが、それに伴って合焦評価値の空間密度が低下する。合焦評価値の空間密度の低下を防ぐためには、より少ない数の光量値を用いて正確な合焦評価ができる合焦評価手法を選択する必要がある。
【００３８】
図４では、光学系（レンズ３２）の開口数をより高めることで、信号処理により適した電気信号を光量センサー２から得ることができる。一般に光学系の合焦する範囲Ｄは、光学系の開口数をＮＡとすると、下記式（数７）なる関係を持つ。
【００３９】
【数７】
2010008265.tif 000009
そのため、開口数を高めることにより光学系（レンズ３２）の合焦する範囲がより狭くなる。これにより、より小さい焦点面の変位によって、より大きな電気信号の変化が得られるようになる。
【００４０】
また、光学系（レンズ３２）の倍率や、被測定物１を照明する方法について、被測定物１の表面状態に応じて適切に選択すると、より信号処理に適した電気信号を得られる場合がある。例えば、斜め方向から照明を照射するといった方法がある。
【００４１】
実際に被測定物から得られた光量値を用いて、本実施の形態１で示した各種の合焦評価手法を比較した結果を（表１）に示す。
【００４２】
【表１】
2010008265.tif 000010
（表１）より、差分絶対値総和法において、ｄｘ，ｄｙのパラメータを「１」とした場合に最も評価値の変化割合が大きくなっていることがわかる。例えば、表面粗さが３μｍ程度の表面を持つ被測定物の表面２０μｍ四方を、開口数０．４６で空間分解能が１μｍ程度となるような倍率を持つ対物レンズを用いて、１μｍおきに撮像する。
【００４３】
光量センサーから得られる出力電気信号は２０点×２０点の計４００点であるが、これをサンプリングして得られた光量数値に対して、評価関数として差分絶対値総和法を用いて合焦評価値を算出した結果、合焦位置から１μｍ変位させたときに、評価値が５％程度の変化を示した。変位がないときの評価値の変動は３σで３％程度であったため、１μｍの変位を充分に検出できた。
【００４４】
ここで光量センサーに、例えば１次元方向に複数のセンサー素子を配列させたものを用いる。それぞれのセンサー素子が異なる高さに焦点を結ぶように傾斜させてセンサー素子を配置する。センサー素子の傾斜は、被測定物の高さに応じて決定する。例えば、被測定物が１００μｍの凹凸を持つ場合には、焦点面の傾斜は１００μｍよりも大きくしなければならない。
【００４５】
図５はセンサー素子を１次元方向に配列した様子を示す図である。光学系（レンズ３２）によって、光量センサー２のセンサー素子２ａ〜センサー素子２ｆが、それぞれ被測定物１の位置Ｐａ〜位置Ｐｆにおける高さＨａ〜高さＨｆに焦点を結んでいる。このような配置は、一般的に使われているＣＣＤやＭＯＳなど半導体の１次元イメージセンサーが利用できるため簡単かつ安価に装置を構成することができる。
【００４６】
以下に１次元方向に複数のセンサー素子を配列した場合の動作について説明する。図６（ａ）の斜視図に示すように、光量センサー２としてセンサー素子２ａ〜２ｄを１次元方向に４つ備えた装置を例とする。光量センサー２のセンサー素子２ａ〜２ｄは光学系（煩雑になるので図示せず）によって、それぞれ被測定物１の計測線１２近傍の高さＨａ，Ｈｂ，Ｈｃ，Ｈｄに焦点Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄを結ぶよう構成されている。
【００４７】
また、被測定物１の表面１３は、実際には図６（ｃ）に示すごとく黒白に塗り分けられているが、煩雑になるため図６（ａ）の被測定物１には表面の色を描いていない。ここでセンサー素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと光学系を図６（ａ）の被測定物１の領域Ｙ１から領域Ｙ８の方向に向かって図６（ｂ）の矢印の方向に移動走査する。時刻が進む度に各センサー素子から光量値を読み出し、その値を位置とともに記録する。
【００４８】
各センサー素子から得られる光量値は、被測定物１の表面１３に合焦していれば表面の色に応じて、黒１３ｂまたは白１３ｗに対応する値を持つ。被測定物１の表面１３に合焦していなければ、各センサー素子からは黒と白が混ざり合った灰色に相当する値を持つ。光量センサーにより記録された光量値を図７（ａ）〜（ｃ）に示す。
【００４９】
図７（ａ）に示すように、最初にセンサー素子２ｄが領域Ｙ１にさしかかったときの時刻をＴ１、また最後にセンサー素子２ａが領域Ｙ８を走査する時刻をＴ１４とする。その間の時刻を順にＴ２〜Ｔ１３とする。時刻の間隔は必ずしも等しいとは限らない。黒，白，灰色はそれぞれセンサー素子から得られた光量値を示す。斜線で示した部分は、センサー素子が被測定物に当たらない位置関係にあることを示し、この部分は処理に無関係である。
【００５０】
なお、図６（ａ）は図７（ａ）の時刻Ｔ７における位置関係を描いたものである。センサー素子２ａ〜２ｄは各々の高さＨａ〜Ｈｄに対応する。また各センサー素子が領域Ｙ１〜Ｙ８を通過した時刻をもとに位置と時刻をセンサー素子ごとに対応させる。この結果を図７（ｂ）に示す。この結果に対し、さらに高さＨａ〜Ｈｄそれぞれの情報列について合焦評価を行った結果を図７（ｃ）に示す。
【００５１】
図７（ｃ）において黒く示した部分は合焦していないことを、白く示した部分は合焦していることをそれぞれ示す。これより、それぞれの領域Ｙについて、その高さを同定できる。例えば、領域Ｙ１近傍については高さＨａが最も合焦していることがわかる。このようにして被測定物１の表面１３の計測線１２に沿った形状を再現できる。
【００５２】
なお、ここでは被測定物１を固定して光量センサー２を動かす方法を説明したが、被測定物１を動かして光量センサー２を固定してもよいし、光量センサー２と被測定物１を両方とも動かしてもよい。またここでは、便宜的に説明の処理をいくつかのステップに分割したが、必ずしもこのように処理を分割して行う必要はない。
【００５３】
この光学系の倍率は計測視野の短辺方向のサイズにより決定する。本方式における計測精度は、倍率ではなく主に光学系の開口数によって決定される。合焦評価を行うためには、被測定物１の表面１３に存在する凹凸を光量の変化としてとらえる必要があることから被測定物１の表面状態と光量センサー２のサイズに応じて光学系の倍率を決定する。例えば、被測定物１の表面１３が１μｍ程度の粗さを持つ場合は、これをとらえるためには、これより高い分解能が得られるよう倍率を選択する。また走査方向の情報密度は光量センサーからのデータ読み出し頻度と走査速度によって決まるが、これも同様に被測定物１の表面１３の構造に応じて決定すればよく、必ずしも視野の短辺方向の分解能と一致させる必要はない。
【００５４】
また、高さ方向の測定レンジは１次元方向の光量センサー２の長さおよびピッチと焦点面の傾斜の程度で決まる。測定レンジを増加させるためにはセンサー素子の個数を増やしたり、１次元方向の光量センサー２上の受光素子をより粗に配置したり、焦点面の傾斜の程度を強めるなどすればよい。高さ方向の測定分解能は高さ方向の測定レンジをセンサー素子の個数で割ったものであるから、分解能を高めるためには、焦点面の傾斜の程度を小さくしたり、１次元方向の光量センサー２上の受光素子の間隔を不均一にし、分解能を高める箇所により密に配置したりすればよい。
【００５５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、前述の実施の形態１で用いた光量センサー２を２次元のものに置き換えて、１回の走査によって被測定物１の面での高さ測定を可能としたものである。例えば、４×８素子で構成（センサー素子２ａｓ１〜８、２ｂｓ１〜８、２ｃｓ１〜８、２ｄｓ１〜８）される２次元光量センサー２ｓを用い、図８（ａ），（ｂ）に示すような被測定物１を走査した例を示す。また、図８においても光学系は描いていない。
【００５６】
実施形態１でした説明と同様に、被測定物１の表面には模様１４として、図８（ｂ）示すような黒白の模様がついている。煩雑になるのを防ぐため、図８（ａ）にはこの模様を描いていない。
【００５７】
図８（ａ）において、２次元光量センサー２ｓを４素子（行センサー素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）からなる第１方向と、８素子（列センサー素子ｓ１〜ｓ８）からなる第２方向とする。第２方向と直交する方向へ２次元光量センサー２ｓを走査し測定する。被測定物１の表面を走査する方向と平行な方向をそれぞれ領域Ｙ１〜Ｙ８とする。行センサー素子２ａ〜２ｄはそれぞれ異なる高さＨａ〜Ｈｄを走査し、列センサー素子ｓ１〜ｓ９はそれぞれ異なる領域Ｘ１〜Ｘ８を走査する。これは実施の形態１における１次元の光量センサー２が８組（すなわち、ｓ１（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）〜ｓ８（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ））あるのと本質的に同じである。
【００５８】
各センサー素子から得られる電気信号を時系列に表したものを図９に示す。図９において、黒，白，灰色，斜線の各意味は実施の形態１と同様である。黒，白は被測定物１の表面模様１４に光学系が合焦しており、その位置における被測定物１の表面の色がそれぞれ黒，白であったことを示す。灰色は被測定物１の表面に光学系が合焦していないことを示す。斜線は光学系が被測定物１をとらえていないことを示す。
【００５９】
図９の時刻Ｔ１のとき、センサー素子２ｄｓ１〜８が領域Ｙ１に達する。同様に、時刻Ｔ７のときセンサー素子２ａｓ１〜８が領域Ｙ１に達する。図８（ａ）は時刻Ｔ７における位置関係を描いたものである。列センサー素子ｓ１〜ｓ８は被測定物１の領域Ｘ１〜Ｘ８と対応する。時刻Ｔと走査方向の領域Ｙの関係は既知なので、これを用いて時刻Ｔと領域Ｙが対応する。
【００６０】
これにより、図１０に示すように情報を並べ替えることができる。さらに、高さＨａ〜Ｈｄについて情報を整理すれば、図１１に示すように高さＨごとに領域Ｘ−Ｙに関する２次元的な光量情報が得られる。この情報に対して領域ごとに合焦評価を算出した結果を図１２に示す。これより、領域ごとの高さが同定され、被測定物１の形状が得られる。得られた形状の情報を図１３に示す。
【００６１】
（実施の形態３）
前述の実施の形態１において少し説明したが、光量センサー２のセンサー素子を増やすことにより（すなわち特定焦点位置に光量センサー２を密に配置することより）多くの高さレベルを検出することができる（高さ分解能をあげることができる）。そこで、本発明の実施の形態３は、図１４に示すように、図５における光量センサー２のセンサー素子２ｆを３つに分割（２ｆ−１，２ｆ−２，２ｆ−３）した例を示している。この例では高さＨｅと高さＨｆを３分割（Ｈｆ１，Ｈｆ２，Ｈｆ３）した分解能で高さＨｆの周りに３レベル検出することができる。
【００６２】
また、本実施の形態３の応用として、より高い高さ分解能が被測定物１の特定の高さで必要な場合には図１５に示すような光量センサー２のセンサー素子配置ができる。すなわち、特定の焦点位置近傍で隣同士であるセンサー素子の位置差を小さくする。特定の焦点位置でセンサー素子を密に配置するのである。
【００６３】
図１５に示す場合は、光量センサー２のセンサー素子２ａ〜２ｃ、センサー素子２ｇ〜２ｉの高さ分解能はセンサー素子２ｄ〜２ｆのそれより高い。ここで、分解能の上限は主に光学系（レンズ３２）の被写界深度と、合焦評価に使える光量値の情報量との評価手法によって決まる。被写界深度は浅いほど高い分解能が実現できる。また、被写界深度は光学系の開口数によって変化し、開口数が大きいほど被写界深度が浅くなる。
【００６４】
例えば、開口数が０．４６の受光光学系を用い、空間分解能を１μｍ程度に設定し、被測定物１の表面２０μｍ角を走査して得られた２０点×２０点、すなわち４００点の光量値情報を用いて合焦評価を行った結果、高さ方向の分解能の上限は０．５μｍ程度であった。このとき、前述した実施の形態１で説明した差分絶対値総和法を合焦評価に用いた。
【００６５】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４は、前述の実施の形態３のように高さ分解能を部分的にあげたり下げたりすることを、直線的に焦点位置を変えた光量センサーを用いても可能としたものである。図１６に示すように、光学系の光学素子３４を設けたことによって、光学的に焦点位置を直線的ではなく歪ませることで行う。これにより、高さＨａ〜高さＨｉの合焦位置は、等間隔でない刻みで配置されることになる。
【００６６】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５は、実施の形態１で説明した１次元方向の光量センサー２（図６参照）を用いた場合と同様に、実施の形態２に示したような二次元光量センサー２ｓ（図８参照）を用いた場合においても、図１６の光学素子３４を用いた手段によって高さ分解能を部分的にあげたり下げたりすることが可能である。もちろん、センサー素子を傾斜させて配置させる方法と本方法を併用することもできる。
【００６７】
光量センサーの感度が高いほど、また応答速度が速いほど、高速に被測定物１の表面を走査することができる。また、実施の形態３に記載した構成を実現するにあたっては、センサー受光面を曲面にできる構造を有していることが望ましい。このような観点から、光量センサーとして光電子増倍管、マイクロチャンネルプレート、イメージインテンシファイアなどの光電子増倍機能を有する素子を用いるのもよい。これらの素子は一般にＣＣＤやＭＯＳなど半導体を用いたイメージセンサーと比べて感度を高めてもノイズの発生が少なく、また平面上のみならず曲面に配列させることがより容易なためである。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明に係る形状測定装置は、被測定物に対して静止することなく連続的に情報を得るとともに、機械的な駆動なしに焦点面の異なる画像情報が得られることから、大面積で高速に微細な３次元形状の検査が必要な分野に用いることができ、またシート状の対象物などを連続的に搬送している途上などで、被測定物を静止させずに表面の立体形状を測定することが求められる用途にも有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】実施の形態１における形状測定装置の全体構成を示すブロック図
【図２】実施の形態１の測定の動作を説明する図
【図３】光量センサーから得た出力値による最大最小法、平均差二乗和法（分散法）、平均差絶対値和法、差分絶対値総和法、差分二乗総和法の具体的な例を示す図
【図４】実施の形態１の形状測定装置の構成と原理の説明図
【図５】実施の形態１の１次元方向に配列したセンサー素子を示す図
【図６】（ａ）実施の形態１の形状測定の動作を説明する斜視図、（ｂ）実施の形態１の形状測定の動作を説明する側面図、（ｃ）実施の形態１の形状測定の動作を説明する被測定物の表面を示す図
【図７】（ａ）実施の形態１の光量センサーにより記録された光量値を示す図、（ｂ）実施の形態１の光量センサーにより記録された光量値を示す図、（ｃ）実施の形態１の光量センサーにより記録された光量値を示す図
【図８】（ａ）実施の形態２における形状測定の動作を説明する斜視図、（ｂ）実施の形態２における形状測定の動作を説明する被測定物の表面を示す図
【図９】実施の形態２の光量センサーにより時系列に記録された光量値を示す図
【図１０】実施の形態２の光量センサーの並べ替えた光量値を示す図
【図１１】実施の形態２の光量センサーの高さごとの値を示す図
【図１２】実施の形態２の光量センサーの情報に対して領域ごとに合焦評価を算出した結果を示す図
【図１３】実施の形態２の光量センサーから得られた形状の情報を示す図
【図１４】実施の形態３における光量センサーの高さ分解能をあげる方法を示す図
【図１５】実施の形態３の光量センサーの高さ分解能をあげる別の方法を示す図
【図１６】実施の形態４における光学素子により光量センサーの高さ分解能を変える方法を示す図
【符号の説明】
【００７０】
１  被測定物
２  光量センサー
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｉ  センサー素子
２ｆ−１，２ｆ−２，２ｆ−３  センサー素子
３  光学系
４  駆動系
５  制御部
１１ａ  点Ａ
１１ｂ  点Ｂ
１２  計測線
１３  表面
１３ｂ  黒
１３ｗ  白
１４  模様
２１ａ  点Ａ’
２１ｂ  点Ｂ’
３１  光源
３２  レンズ
３３  ミラー
３４  光学素子
【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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