(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の立体形状及び分光情報を測定する分光立体形状測定装置であって、
白色光により照明された被測定物によって反射または散乱された測定光に対して白色干渉縞を生じさせる干渉計と、
前記干渉計から出力された光の強度を測定する点検出器と、
前記干渉計を移動させる第１の可動ステージと、
前記点検出器と接続され、前記白色干渉縞信号から被測定物の立体形状及び分光情報を求めるコントローラとを有し、
前記干渉計は、
前記測定光を第１の光束と第２の光束に分割して出射させる光線分割素子と、
前記第１の光束の波面を第１の方向に沿って反転させて、該波面が反転された前記第１の光束を前記光線分割素子へ向けて反射する第１の反射素子と、
前記第２の光束の波面を、前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って反転させて、該波面が反転された前記第２の光束を、前記光線分割素子へ向けて反射する第２の反射素子と、
前記第２の反射素子を、前記光線分割素子と前記第２の反射素子を結ぶ直線に平行な第３の方向に移動させることにより、前記光線分割素子と前記第２の反射素子の間隔を変更して、前記第１の光束と前記第２の光束との間に所定の光路差を生じさせる第２の可動ステージとを有し、
前記コントローラは、
前記第１の可動ステージを制御して、前記干渉計と被測定物の相対的な位置を変えつつ、かつ前記第２の可動ステージを制御して、前記第２の反射素子を前記第３の方向に沿って移動させつつ、前記点検出器により受光された光の強度を測定することにより、白色干渉縞信号を取得し、
前記白色干渉縞信号を、前記第１の光束と前記第２の光束間の光路差について周波数変換することにより、被測定物の所定点の分光情報を表す相互スペクトル密度を決定し、かつ
前記相互スペクトル密度を前記干渉計の移動量について周波数変換することにより、被測定物上の前記所定点で反射または散乱された光の波面を決定する、
ことを特徴とする分光立体形状測定装置。
【請求項２】
前記コントローラは、前記干渉計と被測定物間の相対的な位置を変えるために、前記干渉計を、前記第１の方向または前記第２の方向に沿って移動させ、
前記相互スペクトル密度を前記第１の方向の移動量及び前記第２の方向の移動量について周波数変換することにより、被測定物上の前記所定点から放射された光の波面を決定する、請求項１に記載の分光立体形状測定装置。
【請求項３】
前記第１の方向は、前記第１の反射素子及び前記光線分割素子が配置される水平面と直交する方向であり、かつ前記第２の方向は、前記水平面と平行な方向である、請求項１または２に記載の分光立体形状測定装置。
【請求項４】
前記干渉計と前記点検出器の間に配置され、前記第１の反射素子の反射面を前記点検出器の検出面に結像する光学素子をさらに有する、請求項１〜３の何れか一項に記載の分光立体形状測定装置。
【請求項５】
白色光により照明された被測定物によって反射または散乱された測定光に対して白色干渉縞を生じさせる干渉計と、前記干渉計から出力された光の強度を測定する点検出器と、前記干渉計を移動させる第１の可動ステージとを有する分光立体形状測定装置による分光立体形状測定方法であって、
前記干渉計は、
前記測定光を第１の光束と第２の光束に分割して出射させる光線分割素子と、
前記第１の光束の波面を第１の方向に沿って反転させて、該波面が反転された前記第１の光束を前記光線分割素子へ向けて反射する第１の反射素子と、
前記第２の光束の波面を、前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って反転させて、該波面が反転された前記第２の光束を、前記光線分割素子へ向けて反射する第２の反射素子と、
前記第２の反射素子を、前記光線分割素子と前記第２の反射素子を結ぶ直線に平行な第３の方向に移動させることにより、前記光線分割素子と前記第２の反射素子の間隔を変更して、前記第１の光束と前記第２の光束との間に所定の光路差を生じさせる第２の可動ステージとを有し、
前記分光立体形状測定方法は、
前記第１の可動ステージを制御して、前記干渉計と被測定物の相対的な位置を変えつつ、かつ前記第２の可動ステージを制御して、前記第２の反射素子を前記第３の方向に沿って移動させつつ、前記点検出器により受光された光の強度を測定することにより、白色干渉縞信号を取得するステップと、
前記白色干渉縞信号を、前記第１の光束と前記第２の光束間の光路差について周波数変換することにより、被測定物の所定点の分光情報を表す相互スペクトル密度を決定するステップと、
前記相互スペクトル密度を前記干渉計の移動量について周波数変換することにより、被測定物上の前記所定点で反射または散乱された光の波面を決定するステップと、
を含むことを特徴とする分光立体形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光立体形状測定装置及び分光立体形状測定方法に関し、特に、白色干渉を用いて被測定物の立体形状及び分光情報を測定する分光立体形状測定装置及び分光立体形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、加工部品など、被測定物の形状を非接触で精密に測定する方法として、白色干渉の原理を用いた方法が提案されている。このような方法は、一般に、白色光源から放射された測定光を二つの光束に分割し、一方を被測定物で反射させ、他方を参照鏡で反射させて、それら光束を一つに合わせることにより干渉を生じさせる。この干渉により生じる白色干渉縞は、二つの光束間の光路長が略等しいときに観測される。その白色干渉縞では、二つの光束間の光路差が０となる場合に最も振幅が大きくなり、光路差が大きくなるにつれて急激に振幅が減少する。そこで、白色干渉縞の振幅が最大となるピーク位置を測定することにより、被測定物の測定対象寸法が求められる（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
このような白色干渉を用いた測定装置の中には、被測定物の立体形状だけでなく、非測定物の分光情報も測定可能な測定装置も提案されている（例えば、特許文献２を参照）。  例えば、特許文献２に開示された立体形状測定及び分析装置は、光源から照射され、被測定物で反射された光のうち、０次回折光を分別光学系により位相可変フィルタの可動反射部に、高次回折光を固定反射部に導いて、それぞれ反射させる。そしてその装置は、それら反射光を、干渉光学系により略１点に収束させて、干渉を生じさせる。この状態で位相可変フィルタの可動反射部を移動させることにより、干渉光学系の結像点における干渉光の強度は徐々に変化する。また干渉光のピーク点での可動反射部の位置は、被測定物における出発点と可動反射部との距離に依存する。そこでこの装置は、ピーク点での可動反射部の位置より、出発点の位置を算出する。このような測定及び計算を被測定物の像を構成する各点について行うことにより、この装置は被測定物の立体形状を測定できる。そして各点でのインターフェログラムをフーリエ変換することにより、各点の分析を行うことができる。
【０００４】
特許文献２に開示された装置では、被測定物の立体形状の測定解像度を高くするためには、光源から放射される光の波長の範囲を広くしなければならない。可動反射部で反射される光の光路長と固定反射部で反射される光の光路長とが一致しなくなったときに、波長ごとの干渉強度が変わるため、放射される光の波長の範囲が広いほど干渉光の強度が急激に減少し、白色干渉縞のピッチ幅が狭くなるためである。しかし、光源から放射される光の波長の範囲が広くなるほど、被測定物の様々な点において反射された光が、それぞれの光路長差における白色干渉縞の生成に寄与することになるので、分光情報の解像度は低下してしまう。
【０００５】
そこで、本発明者等は、鋭意研究の結果、この白色干渉計による形状測定の原理をさらに発展させ、被測定物の立体形状の測定解像度を低下させることなく、被測定物の表面の分光情報も高い解像度で測定可能な干渉計測システムを開発した（例えば、非特許文献１及び２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２８１４９２号公報
【特許文献２】特開２００５−２４１４９３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】吉森、「コヒーレンス関数の合成に基づいたパッシブデジタルマルチスペクトルホログラフィ」、Proc. Of SPIE “Holography 2005”、（米国）、SPIE、2005年、Vol.6252、p.625221-1-625221-4
【非特許文献２】小原、吉森、「双曲線型合成開口インターフェログラムからの分光立体映像再生」、日本光学会年次学術講演会予稿集、2007年11月26日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１及び２に開示された干渉計測システムは、白色照明された被測定物により反射または散乱された光の波面をビームスプリッタにより二つの光束に分割する。そしてこの干渉計測システムは、二つの光束間に光路差を与えて再度一つに合わせることによって白色干渉を生じさせ、生じた白色干渉縞を２次元検出器により検出する。この干渉計測システムは、測定動作中、被測定物上の各点からの波面を再現するために、被測定物の位置を、ビームスプリッタの入射面に対して平行な面内で水平方向または垂直方向に移動させて、波面の異なる位置同士が干渉した干渉縞を取得する。またこの干渉計測システムは、測定動作中、被測定物上の各点から反射または散乱された光の波長を調べるために、二つの光束の光路差を変えて干渉縞を取得する。そのため、この干渉計測システムにより得られた測定データは５次元のデータとなる。すなわち、測定データには、２次元検出器上の各画素の水平方向の位置及び垂直方向の位置、被測定物の基準位置に対する水平方向のシフト量及び垂直方向のシフト量、及び二つの光束の光路差の各次元が含まれる。そのため、被測定物の立体形状及び分光情報を再現するために必要な演算量及びメモリの容量は、非常に膨大なものとなる。したがって、この計測システムでは、１回の測定に要する処理時間が非常に長く、あるいは、大容量のハードウェアリソースが必要であった。
【０００９】
上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、測定に必要なデータ量を抑制しつつ、被測定物の立体形状及び分光情報を測定することが可能な分光立体形状測定装置及び分光立体形状測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一つの実施態様によれば、被測定物の立体形状及び分光情報を測定する分光立体形状測定装置が提供される。係る分光立体形状測定装置は、白色光により照明された被測定物によって反射または散乱された測定光に対して白色干渉縞を生じさせる干渉計と、干渉計から出力された光の強度を測定する点検出器と、干渉計を移動させる第１の可動ステージと、点検出器と接続され、白色干渉縞信号から被測定物の立体形状及び分光情報を求めるコントローラとを有する。そして干渉計は、測定光を第１の光束と第２の光束に分割して出射させる光線分割素子と、第１の光束の波面を第１の方向に沿って反転させて、その波面が反転された第１の光束を光線分割素子へ向けて反射する第１の反射素子と、第２の光束の波面を、第１の方向と異なる第２の方向に沿って反転させて、波面が反転された第２の光束を、光線分割素子へ向けて反射する第２の反射素子と、第２の反射素子を、光線分割素子と第２の反射素子を結ぶ直線に平行な第３の方向に移動させることにより、光線分割素子と第２の反射素子の間隔を変更して、第１の光束と第２の光束との間に所定の光路差を生じさせる第２の可動ステージとを有する。またコントローラは、第１の可動ステージを制御して、干渉計と被測定物の相対的な位置を変えつつ、かつ第２の可動ステージを制御して、第２の反射素子を第３の方向に沿って移動させつつ、点検出器により受光された光の強度を測定することにより、白色干渉縞信号を取得し、白色干渉縞信号を、第１の光束と第２の光束間の光路差について周波数変換することにより、被測定物の所定点の分光情報を表す相互スペクトル密度を決定し、かつ相互スペクトル密度を干渉計の移動量について周波数変換することにより、被測定物上の所定点で反射または散乱された光の波面を決定する。
【００１１】
また、本発明において、コントローラは、干渉計と被測定物間の相対的な位置を変えるために、干渉計を、第１の方向または第２の方向に沿って移動させ、相互スペクトル密度を第１の方向の移動量及び第２の方向の移動量について周波数変換することにより、被測定物上の所定点で反射または散乱された光の波面を決定することが好ましい。
【００１２】
また、本発明において、第１の方向は、第１の反射素子及び光線分割素子が配置される水平面に直交する方向であり、かつ第２の方向は、水平面と平行な方向であることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明に係る分光立体形状測定装置は、干渉計と点検出器の間に配置され、第１の反射素子の反射面を点検出器の検出面に結像する光学素子を有することが好ましい。
【００１４】
また、本発明の他の実施態様によれば、白色光により照明された被測定物によって反射または散乱された測定光に対して白色干渉縞を生じさせる干渉計と、干渉計から出力された光の強度を測定する点検出器と、干渉計を移動させる第１の可動ステージとを有する分光立体形状測定装置による分光立体形状測定方法が提供される。係る分光立体形状測定方法において、干渉計は、測定光を第１の光束と第２の光束に分割して出射させる光線分割素子と、第１の光束の波面を第１の方向に沿って反転させて、波面が反転された第１の光束を光線分割素子へ向けて反射する第１の反射素子と、第２の光束の波面を、第１の方向と異なる第２の方向に沿って反転させて、波面が反転された第２の光束を、光線分割素子へ向けて反射する第２の反射素子と、第２の反射素子を、光線分割素子と第２の反射素子を結ぶ直線に平行な第３の方向に移動させることにより、光線分割素子と第２の反射素子の間隔を変更して、第１の光束と第２の光束との間に所定の光路差を生じさせる第２の可動ステージとを有する。そして分光立体形状測定方法は、第１の可動ステージを制御して、干渉計と被測定物の相対的な位置を変えつつ、かつ第２の可動ステージを制御して、第２の反射素子を第３の方向に沿って移動させつつ、点検出器により受光された光の強度を測定することにより、白色干渉縞信号を取得するステップと、白色干渉縞信号を、第１の光束と第２の光束間の光路差について周波数変換することにより、被測定物の所定点の分光情報を表す相互スペクトル密度を決定するステップと、相互スペクトル密度を干渉計の移動量について周波数変換することにより、被測定物上の所定点で反射光または散乱された光の波面を決定するステップとを含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、測定に必要なデータ量を抑制しつつ、被測定物の立体形状及び分光情報を測定することが可能な分光立体形状測定装置及び分光立体形状測定方法を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一つの実施形態に係る分光立体測定装置の概略構成図である。
【図２】コントローラの機能ブロック図である。
【図３】本発明の一つの実施形態に係る分光立体測定装置により得られた双曲線型干渉縞の概略図である。
【図４】本発明の一つの実施形態に係る分光立体測定装置の動作フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態に係る分光立体形状測定装置を、図を参照しつつ説明する。
本発明の一つの実施形態に係る分光立体形状測定装置は、白色光で照明された被測定物により反射または散乱された光を、干渉計の光線分割素子により二つの光束に分割する。そしてこの分光立体形状測定装置は、それら二つの光束を別個に配置された二つの反射部材でそれぞれ反射することにより、二つの光束間に所定の光路差を生じさせた後、再度一つの光束に合わせ、点検出器でその光束の強度を測定する。この分光立体形状測定装置は、各光束の波面の向き及び各光束間の波面間の着目するずれ量に対応する光束が点検出器の検出面に到達するように、各反射部材の反射面の向きを調節するとともに、二つの反射部材と光線分割素子を一体的に動かす。これにより、この分光立体形状測定装置は、被測定物及び点検出器を移動させることなく、白色干渉縞を得ることで、測定に要するデータ数を減らしつつ、被測定物の立体形状及び分光情報を測定するものである。
【００１８】
図１は、本発明の一つの実施形態に係る分光立体形状測定装置１の概略構成を示す図である。分光立体形状測定装置１は、干渉計２と、干渉計２が載置される可動ステージ３と、レンズ４と、点検出器５と、コントローラ６を有する。
【００１９】
干渉計２は、光線分割素子２１と、反射素子２２及び２３と、微動ステージ２４を有する。光線分割素子２１は、例えば、ビームスプリッタまたはハーフミラーの何れかで構成される。そして光線分割素子２１は、白色照明された被測定物１０により反射または散乱された光を、反射素子２２へ向かう第１の光束Ｂ１と反射素子２３へ向かう第２の光束Ｂ２に分割する。また光線分割素子２１は、反射素子２２により反射された第１の光束Ｂ１と反射素子２３により反射された第２の光束Ｂ２とを一つの光束に合わせて、レンズ４へ向けて出射する。
なお、被測定物１０を照明する光源の種類及び配置については、特に制限はなく、光源として、例えば、自然光、白色LEDなど、２種類以上の波長の光を放射する各種の光源を利用することができる。ただし、被測定物１０の測定対象となる面は、できるだけ均一な照度で照明されることが好ましい。
【００２０】
反射素子２２及び２３は、例えば、二つの反射面が直角をなして配置された直角ミラーまたは直角プリズムを有する。そして反射素子２２は、一方の反射面において、光線分割素子２１、反射素子２２及び２３が配置された水平面に対して直交する垂直方向または直角方法、かつ光束Ｂ１の入射方向に直交する方向に光束Ｂ１を反射する。さらに、反射素子２２は、その一方の反射面で反射された光束Ｂ１を、他方の反射面において、光束Ｂ１が反射素子２２に入射した方向と平行かつ逆の方向へ向けて反射する。その結果、反射素子２２で反射された光束Ｂ１は、その波面が水平面に垂直または直角な方向について反転され、再度光線分割素子２１へ向かう。
【００２１】
一方、反射素子２３は、一方の反射面において、光線分割素子２１、反射素子２２及び２３が配置された水平面に対して平行な水平方向で、かつ光束Ｂ２の入射方向に直交する方向に光束Ｂ２を反射する。さらに、反射素子２３は、その一方の反射面で反射された光束Ｂ２を、他方の反射面において、光束Ｂ２が反射素子２３に入射した方向と平行かつ逆の方向へ向けて反射する。その結果、反射素子２３で反射された光束Ｂ２は、その波面が水平面に平行な方向について反転され、再度光線分割素子２１へ向かう。
このように、反射素子２２と反射素子２３が、それぞれ、光束Ｂ１の波面と光束Ｂ２の波面を互いに対して異なる方向に反転するように配置されている。そのため、干渉計２は、反射素子２２で反射された光束Ｂ１の波面と反射素子２３で反射された光束Ｂ２の波面とをずらすことができる。
【００２２】
微動ステージ２４は、例えば、ピエゾステージで構成される。そして微動ステージ２４上に反射素子２３が載置される。また微動ステージ２４は、コントローラ６と接続されており、コントローラ６からの制御信号に応じて、微動ステージ２４に載置された反射素子２３を、反射素子２３に対する光束Ｂ２の入射方向に沿って移動させる。そのため、反射素子２３と光線分割素子２１の間隔は、微動ステージ２４を動作させることにより調節可能となっている。一方、光線分割素子２１及び反射素子２２は、可動ステージ３上に固定されている。したがって、反射素子２３と光線分割素子２１の間隔を調整することにより、干渉計２は、光束Ｂ１と光束Ｂ２との間に所望の光路差を生じさせることができる。
【００２３】
なお、以下では、便宜上、光線分割素子２１、反射素子２２及び２３が配置された水平面に平行で、かつ、光束Ｂ１が反射素子２２へ向かう方向をx軸、その水平面に対して直角をなす方向をy軸、またその水平面に平行で、かつ、光束Ｂ２が反射素子２３へ向かう方向をz軸とする座標系を設定する。またこの座標系において、原点(0,0,0)は、レンズ４の光軸が存在する水平面における、被測定物１０が配置される近傍に設定される。
【００２４】
可動ステージ３は、例えば、ステッピングモータまたはピエゾ素子で駆動される公知の２軸精密ステージとすることができる。そして可動ステージ３は、コントローラ６と接続点されており、検出器５上で白色干渉を生じさせる光束Ｂ１の波面と光束Ｂ２の波面の組み合わせを変えるために、コントローラ６からの制御信号に応じて干渉計２全体をx軸方向またはy軸方向に移動させる。
【００２５】
レンズ４は、光線分割素子２１から出射された光束を点検出器５の検出面に集光する。ここでレンズ４は、被写界深度をできるだけ狭くして、ｚ軸方向の解像度を高くするために、点検出器５の検出面と反射素子２２の反射面とが結像関係になるように配置される。ただし、レンズ４と干渉計２及び点検出器５の位置関係は、この例に限られず、例えば、レンズ４は、被測定物１０上の任意の点を点検出器５の検出面上に結像するように配置されてもよい。また、レンズ４の代わりに、反射鏡を用いてもよい。
【００２６】
点検出器５は、例えば、アバランシェフォトダイオード、PINフォトダイオードあるいは光電子増倍管などの光電変換器を有する。そして点検出器５は、コントローラ６と接続され、反射素子２２で反射された光束Ｂ１と反射素子２３で反射された光束Ｂ２を受光し、受光強度に応じた電気信号をコントローラ６へ出力する。なお、点検出器５は、光電変換器から出力された電気信号を増幅する増幅回路を有してもよい。さらに点検出器５は、光電変換器から出力された電気信号あるいは増幅回路により増幅された電気信号をデジタル電気信号に変換するアナログ−デジタルコンバータを有してもよい。さらにまた、点検出器５は、CCDまたはC-MOSなどの光電変換素子が２次元に配列された２次元検出器を有してもよい。この場合には、点検出器５は、光束Ｂ１及びＢ２が集光される位置に配置された、２次元検出器の各画素の出力信号の合計または平均値をコントローラ６へ出力する。
【００２７】
コントローラ６は、いわゆるコンピュータで構成される。そしてコントローラ６は、分光立体形状測定装置１全体を制御するとともに、点検出器５により得られた電気信号から被測定物１０上の各点から得られる波面を再生する。
図２に、コントローラ６の機能ブロック図を示す。図２に示すように、コントローラ６は、電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ、磁気ディスク、光ディスク及びそれらの読取装置等の少なくとも一つを有する記憶部６１と、ＲＳ２３２Ｃ、イーサネット（登録商標）などの通信規格にしたがって構成されたインターフェース回路及びデバイスドライバなどのソフトウェアからなる通信部６２を有する。
さらにコントローラ６は、図示していないＣＰＵなどのプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリ、及びその周辺回路と、プロセッサ上で実行されるコンピュータプログラムによって実現される機能モジュールとして、分光立体形状測定装置１の各部を制御する制御部６３と、点検出器５により検出された信号に基づいて、被測定物１０の立体形状及び色を求める波面再生部６４とを有する。
【００２８】
制御部６３は、通信部６２を介して制御信号を送信することにより可動ステージ３を制御して、干渉計２をx軸方向及びy軸方向の所定位置に移動させる。また制御部６３は、通信部６２を介して制御信号を送信することにより微動ステージ２４を制御して、反射素子２３と光線分割素子２１間の間隔を変更させて、光束Ｂ１と光束Ｂ２との間に所定の光路差を生じさせる。
【００２９】
波面再生部６４は、点検出器５により検出された光強度信号に応じた電気信号により表される白色干渉縞から、被測定物１０の立体形状及び分光情報を求める。
【００３０】
以下、分光立体形状測定装置１による被測定物１０の立体形状及び分光情報を測定するための原理について説明する。
まず、干渉計２をx軸方向に沿ってX/2、y軸方向に沿ってY/2だけ移動し、光束Ｂ１と光束Ｂ２の光路差をZとしたとき、点検出器５で検出される光強度I(X,Y,Z)は、次式で表される。
【数１】
0005454769.tif 000002
ただし、X=0のとき、干渉計２は、反射素子２３の中心点、すなわち、反射素子２３が有する２枚の反射面が交差する点がレンズ４によって点検出器５の検出面に結像されるように配置される。そして、図１において、反射素子２３が有する二つの反射面のうち、点検出器５に近い側の反射面に光束Ｂ２の中心（主光線）が入射するように干渉計２が移動したとき、すなわち、反射素子２２と被測定物１０間の光路長が長くなる方向に干渉計２が移動したとき、X>0となる。またY=0のとき、干渉計２は、レンズ４の光軸上に、反射素子２２の中心点、すなわち、反射素子２２が有する２枚の反射面が交差する点が位置するように配置される。そして反射素子２２の中心点がレンズ４の光軸よりも上方に位置するように干渉計２が移動したとき、Y>0となる。なお、X=0、Y=0であれば、光束Ｂ１と光束Ｂ２の光路差に起因するものを除けば、反射部材２２で反転された光束Ｂ１の波面と反射部材２３で反転された光束Ｂ２の波面は同一となる。
さらに、z0は、光束Ｂ１とＢ２の光路差が0のときの原点から反射素子２３の中心点までの距離を表す。また、I(p')は、光束Ｂ１の強度を表し、I(p)は光束Ｂ２の強度を表す。なお、位置p、p'において、それぞれ、X、Yの値が反転しているのは、反射素子２２及び２３によって、それぞれ、波面が垂直方向及び水平方向に反転されているためである。そしてΓ(p',p)は、位置p'における光束Ｂ１の複素振幅V(p')及び位置pにおける光束Ｂ２の複素振幅V(p)の空間コヒーレンス関数である。さらに、Γ*及びV*は、それぞれ、Γ及びVの複素共役を表す。
【００３１】
ここで、ω=ck=c/λ（ただしcは、光速であり、kは波数であり、λは波長である）とすると、Wiener-Khinchinの定理により、空間コヒーレンス関数Γ(p',p)を、光束Ｂ１とＢ２の光路差、すなわちZについて逆フーリエ変換することにより、近似的に被測定物１０から放射された光の波長情報を表す相互スペクトル密度W(p',p";ω)を求めることができる。ただし、p"=(0,-Y,z0)である。
【数２】
0005454769.tif 000003
なお、実際には、点検出器５により測定されるのは、光強度I(X,Y,Z)であるため、波面再生部６４は、（１）式の右辺を逆フーリエ変換した値
F-1[I(p)+I(p')]+W(p',p";ω)+W*(p',p";ω)                        （３）
を得ることができる。なお、F-1[]は逆フーリエ変換を表す。しかし、I(p)+I(p')は、Zの値によらず一定であるため、F-1[I(p)+I(p')]はバイアス成分に過ぎない。また、W*(p',p";ω)は、W(p',p";ω)の複素共役である。そのため、コントローラ６は、（３）式からW(p',p";ω)を求めることができる。
【００３２】
一方、相互スペクトル密度W(p',p";ω)は、被測定物１０上の各点から放射された球面波のうち、光束Ｂ１の複素振幅の複素共役と光束Ｂ２の複素振幅の重ね合わせとして表現できるから、相互スペクトル密度W(p',p";ω)は、次式で表される。
【数３】
0005454769.tif 000004
ただし、I(rs,ω)は、被測定物１０上の任意の点rs=(xs,ys,zs)から放射される、波長λ(=c/ω)の光の強度を表す。また、z=(z0-zs)である。
【００３３】
従って、相互スペクトル密度W(p',p";ω)を求めることができれば、被測定物１０上の座標(x1,y1,z1)から放射される再生波面J(x1,y1,z1;ω)は、（４）式に表された相互スペクトル密度W(p',p";ω)をX、Yについて次式のように周波数変換することにより得られる。
【数４】
0005454769.tif 000005
そしてこの再生波面J(x1,y1,z1;ω)は、被測定物１０上の任意の点について求めることができ、かつ、（５）式中にωが含まれていることから明らかなように分光情報を含んでいる。従って、被測定物１０の立体形状及び分光情報が、被測定物１０の各点から放射される波面という形で求められる。
【００３４】
図３に、分光立体形状測定装置１により取得される白色干渉縞信号の概略図を示す。図３に示されるように、白色干渉縞３００は、干渉計２の移動量の２倍であるX、Yと、光束Ｂ１とＢ２の光路差Zをそれぞれ互いに直交する軸とした直交座標系において、３次元状の干渉縞となる。そして白色干渉縞３００は、（４）式に表されるように、干渉計２の移動量の２倍であるX、Yにより表される面内では、双曲線状の干渉縞となる。一方、白色干渉縞３００は、光束Ｂ１とＢ２の光路差Zの方向には、（３）式に表されるようにZの長さに依存する同心円状の干渉縞となる。
【００３５】
図４に、被測定物１０の立体形状及び色を測定する際の分光立体形状測定装置１の動作フローチャートを示す。なお、以下に説明する動作は、コントローラ６により制御される。
測定が開始されると、コントローラ６の制御部６３は、通信部６２を介して可動ステージ３へ制御信号を送信することにより、干渉計２を所定の測定点へ移動させる（ステップＳ１０１）。次に、制御部６３は、通信部６２を介して微動ステージ２３へ制御信号を送信することにより、光束Ｂ１と光束Ｂ２の光路差を変えつつ、点検出器５により受光される光強度を測定する（ステップＳ１０２）。そして制御部６３は、点検出器５から受信した、その光強度に対応する電気信号により表される白色干渉縞信号を、干渉計２の移動量及び光束Ｂ１と光束Ｂ２の光路差を関連付けて、コントローラ６の記憶部６１に記憶する（ステップＳ１０３）。なお、上記のように、記憶部６１に記憶されたこれらの信号は、干渉計２のx軸方向及びy軸方向の移動量の２倍と、光束Ｂ１とＢ２間の光路差をそれぞれの軸とする３次元状の白色干渉縞を表す。そして制御部６３は、干渉計２に関する全ての測定点について干渉縞信号が得られたか否か判定する（ステップＳ１０４）。全ての測定点についての干渉縞信号が得られていない場合、制御部６３は、制御をステップＳ１０１へ戻し、干渉計２を次の測定点に移動させて、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４の処理を繰り返す。
【００３６】
一方、ステップＳ１０４において、全ての測定点についての干渉縞信号が得られている場合、コントローラ６の波面再生部６４は、記憶部６１に記憶された干渉縞信号を、上記の（２）式または（３）式に従って光束Ｂ１とＢ２間の光路差について逆フーリエ変換することにより、相互スペクトル密度W(p',p";ω)を算出する（ステップＳ１０５）。そして波面再生部６４は、得られた相互スペクトル密度W(p',p";ω)を、（５）式に従って干渉計２のx軸方向の移動量及びy軸方向の移動量に関して２次元の周波数変換を行うことにより、被測定物１０上の座標(x1,y1,z1)から放射される再生波面J(x1,y1,z1;ω)を求める（ステップＳ１０６）。そしてコントローラ６は処理を終了する。
【００３７】
以上説明してきたように、本発明の一つの実施形態に係る分光立体測定装置は、白色照明された被測定物で反射または散乱された光を二つの光束に分割し、それら二つの光束の波面を反射部材で反転するとともに、干渉計と被測定物の相対的な位置関係を変えることにより、二つの光束の波面をずらして干渉を生じさせる。そしてこの分光立体形状測定装置は、各光束の波面の向き及び各光束間の波面間の着目するずれ量に対応する光束が点検出器の検出面に到達するように、各反射部材の反射面の向きを調節するとともに、二つの反射部材と光線分割素子を一体的に動かす。これにより、この分光立体形状測定装置は、被測定物及び点検出器を移動させることなく、被測定物上の各点からの波面による白色干渉縞を得ることができる。そしてこの分光立体形状測定装置は、二つの光束の波面の向きに応じて得られる白色干渉縞を、その干渉縞の形に応じた周波数変換式により再生波面を求めることで、測定に要するデータ数を減らしつつ、被測定物の立体形状及び分光情報を測定することができる。
【００３８】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、干渉計２が有する二つの反射素子２２及び２３が、光束Ｂ１及びＢ２の波面を反転する方向は、互いに対して異なっていればよく、上記の実施形態に示した方向に限られない。例えば、反射素子２２が、光線分割素子２１、反射素子２２及び２３が配置された水平面に沿って水平方向に光束Ｂ２の波面を反転させ、一方、反射素子２３が、その水平面に対して直交する垂直方向に波面を反転させるように、反射素子２２、２３を配置してもよい。さらに、反射素子２２は、光束Ｂ１の波面を上記の水平面及びその水平面と直交する方向に対して45°傾いた第１の方向に反転させ、反射素子２３は、光束Ｂ２の波面を第１の方向と90°をなす第２の方向に反転させてもよい。
また、光束Ｂ１とＢ２間の光路差を変更するために、反射素子２３を移動させる代わりに、反射素子２２を移動させて、反射素子２２と光線分割素子２１の間隔を変えてもよい。このように、光束Ｂ１及びＢ２の波面を反転させる方向及び反射素子の移動方向が設定される場合、その反転方向及び移動方向に応じて、上記の（１）〜（５）式を修正すればよい。
【００３９】
また、本発明に係る分光立体測定装置と内視鏡を組み合わせることにより、直接的に視認不能な場所にある被測定物の立体形状及び分光情報を測定することもできる。この場合、内視鏡の観察範囲に被測定物が含まれるように、内視鏡の遠位端を被測定物に近接し、且つ被測定物へ向けて配置し、一方、内視鏡の近位端を、その近位端から出射される光が干渉計２へ向かうように配置すればよい。本発明に係る分光立体測定装置は、被測定物をコヒーレンス光で照明することを必要としないので、直接視認することができない被測定物についても、容易にその立体形状及び分光情報を測定することができる。
以上のように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００４０】
１    分光立体測定装置
１０    被測定物
２    干渉計
２１    光線分割素子
２２、２３    反射素子
２４    微動ステージ
３    可動ステージ
４    レンズ
５    点検出器
６    コントローラ
６１    記憶部
６２    通信部
６３    制御部
６４    波面再生部
【図１】
0005454769.tif 000006
【図２】
0005454769.tif 000007
【図４】
0005454769.tif 000008
【図３】
0005454769.tif 000009