(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の波長成分を有する光を計測物に照射する光源と、
前記光源により照らされた前記計測物からの前記光が入射するように配置されるとともに、軸上色収差によって、前記光の入射側における焦点距離を前記波長成分ごとに異ならせる光学系と、
前記光学系から出射された前記光を可変の光路長差を有する第１および第２の光束に分割するとともに、前記第１および第２の光束を重ね合わせることによって干渉画像を生成する干渉画像生成部とを備え、前記干渉画像は、前記第１および第２の光束の干渉によって生じた干渉光の強度の情報を有し、
前記干渉画像が有する前記干渉光の強度の情報から、前記光の分光スペクトルの情報を有する分光画像を生成する分光画像生成部と、
前記分光画像が有する前記分光スペクトルの情報から前記分光画像内での合焦点位置を算出することによって、前記計測物の立体形状を算出する形状算出部とをさらに備える、計測装置。
【請求項２】
前記光学系は、前記計測物からの前記光が入射するように配置された回折レンズを含む、請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記第１の光束の第１の光路長は固定長であり、
前記第２の光束の第２の光路長は可変長であり、
前記干渉画像生成部は、
前記第２の光路長を形成するための光学部品と、
前記光学部品を移動させるためのピエゾ駆動装置とを含む、請求項２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記第１の光束の第１の光路長は固定長であり、
前記第２の光束の第２の光路長は可変長であり、
前記干渉画像生成部は、
前記第２の光路長を形成するための光学部品と、
前記光学部品に連結されるとともに磁性体によって形成された振動子と、
前記振動子の振幅を制御するための電磁コイルとを含む、請求項２に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は計測装置に関し、特に、物体の立体形状を計測するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、物体の立体形状を計測するための各種の装置および方法が提案されている。
たとえば特許文献１（特許第２９２８５４８号公報）は、合焦点方式に従って物体の立体形状を計測するための方法および装置を開示する。この方法によれば、対象物を載せた試料台が上下機構によって上下方向に移動される間に、その対象物の画像が取得される。これにより焦点面が互いに異なる複数の画像が取得される。それら複数の画像に対して所定の画像処理（具体的にはコントラストの検出）を実行することにより、画素ごとに焦点位置が求められる。画素ごとの焦点位置から対象物の立体形状が求められる。
【０００３】
たとえば特許文献２（特開２００７−１７４０１号公報）は、１台の撮影装置による１回の撮影によって簡便に立体形状を得るための方法および装置を開示する。この方法によれば、軸上色収差によって光の波長ごとに結像距離が異なる撮影光学系を通して被写体が撮影される。その軸上色収差を利用することで、被写体の表面の異なる部分に焦点があっている複数の波長ごとの被写体画像が得られる。上記方法によれば、それら複数の画像が立体画像情報として取得される。
【０００４】
また、たとえば特許文献３（特開２００９−１４５２７９号公報）は、機械的な動きをともなうことなく物体の立体形状を計測することを可能にするための計測装置を開示する。この装置は、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を備える。光源は、被計測体を照射するための光の波長を変化させる。これにより焦点距離の異なる複数の画像が撮像系によって取得されるとともに、それら複数の画像を用いて被計測体の立体形状に関する情報が取得される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２９２８５４８号公報
【特許文献２】特開２００７−１７４０１号公報
【特許文献３】特開２００９−１４５２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
物体の立体形状を計測するための従来の技術によれば、計測精度の向上と装置の構成の簡素化との両方を達成することが難しいという課題がある。
【０００７】
たとえば特許文献１に開示された装置では、試料台を上下させるための機構が必要となる。なお特許文献１には、試料台に代えて対物レンズを上下させてもよいことが記載されている。しかしながら対物レンズを上下させる場合には、対物レンズを動かすための機構が必要となる。特許文献１に開示された構成によれば、試料あるいは対物レンズを移動させるための機構が必要となるため計測装置が大型化する。
【０００８】
たとえば特許文献２によれば、計測装置の構成を簡素化することができるものの、計測精度を高めることは容易ではない。特許文献２では、撮影光学系の具体例として、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３つの撮像素子を備えるとともにプリズムにより色像を分解するカメラが示されている。このカメラを使用することによって、焦点面の異なる画像として各色に対応した３つの画像を得ることができる。高精度で物体の立体形状を計測するためには、焦点面の異なる画像の数がより多いことが好ましいが、上記カメラでは焦点面の異なる画像の数を増やすことが難しい。さらに、カメラによって取得される画像が対象物表面の色の影響を受けることも想定される。特許文献２に開示された方法によれば、立体形状の計測に先立って、対象物表面の色が計測結果にどのように影響するかを予め把握することが求められる。さらに、その把握された結果に基づいて計測装置を校正する必要も生じる。
【０００９】
たとえば特許文献３に開示された方法を実行するためには、波長可変光源が必要である。しかしながら、このような波長可変光源は一般的に複雑な構成を有する。このため一般的な波長可変光源は、大型であり、かつ高価である。なお、特許文献３に開示された波長可変光源は、偏光を利用して各波長の強度を制御するとともに波長掃引を行なうものであり、具体的には、高輝度な白色点光源であるスーパーコンティニウム光源と、回折格子と、反射型液晶素子アレイとを備える。すなわち、特許文献３に開示された波長可変光源は、偏光あるいは強度を制御するための複雑な構成を有している。
【００１０】
本発明の目的は、簡素な構造で立体形状を高精度に計測可能な計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のある局面に係る計測装置は、複数の波長成分を有する光を計測物に照射する光源と、光学系と、干渉画像生成部とを備える。光学系は、光源により照らされた計測物からの光が入射するように配置されるとともに、軸上色収差によって、光の入射側における焦点距離を波長成分ごとに異ならせる。干渉画像生成部は、光学系から出射された光を可変の光路長差を有する第１および第２の光束に分割するとともに、第１および第２の光束を重ね合わせることによって干渉画像を生成する。干渉画像は、第１および第２の光束の干渉によって生じた干渉光の強度の情報を有する。計測装置は、分光画像生成部と、形状算出部とをさらに備える。分光画像生成部は、干渉画像が有する干渉光の強度の情報から、光の分光スペクトルの情報を有する分光画像を生成する。形状算出部は、分光画像が有する分光スペクトルの情報から分光画像内での合焦点位置を算出することによって、計測物の立体形状を算出する。
【００１２】
好ましくは、光学系は、計測物からの光が入射するように配置された回折レンズを含む。
【００１３】
好ましくは、第１の光束の第１の光路長は固定長である。第２の光束の第２の光路長は可変長である。干渉画像生成部は、第２の光路長を形成するための光学部品と、光学部品を移動させるためのピエゾ駆動装置とを含む。
【００１４】
好ましくは、第１の光束の第１の光路長は固定長である。第２の光束の第２の光路長は可変長である。干渉画像生成部は、第２の光路長を形成するための光学部品と、光学部品に連結されるとともに磁性体によって形成された振動子と、振動子の振幅を制御するための電磁コイルとを含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡素な構造で立体形状を高精度に計測可能な計測装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る計測装置の基本的構成を示した図である。
【図２】図１に示した計測装置１００による計測物の立体形状の計測方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】光路長差ｄと撮像部で受光された干渉光の強度ｉ（ｄ）との関係を示した図である。
【図４】スペクトルＩ（ν）と波数νとの関係を示した図である。
【図５】撮像部によって取得された干渉画像と、分光画像生成部によって生成された分光画像との関係を説明するための図である。
【図６】分光画像と焦点面との関係を示した図である。
【図７】分光画像内のある画素における合焦測度とｚ軸方向の距離との関係を模式的に示した図である。
【図８】単一波長の光を計測物に照射した場合の合焦測度を示した図である。
【図９】画像の微分によって合焦測度を算出する方法を説明するための図である。
【図１０】回折レンズと組レンズとを対比した図である。
【図１１】光路長可変部の他の構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態に係る計測装置の基本的構成を示した図である。図１を参照して、計測装置１００は、計測物５０の立体形状を計測する。具体的には、計測装置１００は、光源１と、回折レンズ２と、干渉画像生成部３と、制御部４とを備える。
【００１９】
光源１は、複数の波長成分を有する光を計測物５０に照射する。たとえば光源１はハロゲンランプ、キセノンランプ、白色ＬＥＤ、メタルハライドランプ、白熱電球等の白色光源である。
【００２０】
回折レンズ２は、軸上色収差を有する光学系として計測装置１００に用いられる。回折レンズ２のレンズ表面５に計測物５０の表面からの光が入射されるように、回折レンズ２が配置される。回折レンズ２は、軸上色収差を有しているため、回折レンズ２のレンズ表面５の側における焦点距離を光の波長に応じて異ならせる。焦点面Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ、波長λ１，λ２，λ３の光に対する回折レンズ２の焦点面を示す。波長λ１，λ２，λ３は光源１からの光に含まれる波長成分である。上記のような軸上色収差を生じさせるため、回折レンズ２のレンズ表面５は、たとえばキノフォーム形状あるいはバイナリ形状(ステップ形状、階段形状)に形成される。ただし回折レンズ２の構成は、上記の構成に限定されるものではない。
【００２１】
上記説明では３つの波長成分を例示したが、光源１が発する光に含まれる波長成分の数は複数であれば特に限定されない。ただし計測物５０の立体形状をより精度よく計測するためには、光源１から発せられる光がより多くの波長成分を含むことが好ましい。
【００２２】
干渉画像生成部３は、回折レンズ２から出射された光Ｌを光束Ｌ１，Ｌ２に分離する。さらに干渉画像生成部３は、光束Ｌ１の光路（第１の光路）と光束Ｌ２の光路（第２の光路）との間の光路長差を変化させる。干渉画像生成部３は、光路長差を互いに有する光束Ｌ１，Ｌ２を重ね合わせることによって干渉画像を生成する。干渉画像は、複数の画素からなる。各画素は、光束Ｌ１，Ｌ２の干渉によって生じた干渉光の強度の情報を有する。干渉画像生成部３は、光路長差を変化させるごとに干渉画像を生成する。したがって互いに異なる複数の光路長にそれぞれ対応した複数の干渉画像が生成される。
【００２３】
具体的には、干渉画像生成部３は、ハーフミラー１１と、固定鏡１２と、光路長可変部１３と、レンズ１４と、撮像部１５とを備える。光路長可変部１３は、可動鏡１６およびピエゾ駆動装置１７とを含む。ハーフミラー１１、固定鏡１２および光路長可変部１３（可動鏡１６）によって干渉計が構成される。本発明の実施の形態では、マイケルソン干渉計が構成される。
【００２４】
ハーフミラー１１は、回折レンズ２からの光Ｌを、光束Ｌ１，Ｌ２に分割する。光束Ｌ１はハーフミラー１１によって固定鏡１２に向かう。光束Ｌ１は固定鏡１２で反射されてハーフミラー１１に向けて戻る。ハーフミラー１１に向けて戻る光束Ｌ１はハーフミラー１１を透過するとともにレンズ１４に向けて進む。上記のハーフミラー１１から固定鏡１２を介してレンズ１４に至る光路が光束Ｌ１の光路である。一方、光束Ｌ２はハーフミラー１１を透過して可動鏡１６に向かう。光束Ｌ２は可動鏡１６で反射されるとともにハーフミラー１１に向けて戻る。ハーフミラー１１に向けて戻る光束Ｌ２はハーフミラー１１によって反射されるとともにレンズ１４に向けて進む。上記のハーフミラー１１から可動鏡１６を介してレンズ１４に至る光路が光束Ｌ２の光路である。
【００２５】
光路長可変部１３は光束Ｌ１の光路長と光束Ｌ２の光路長との間の差（光路長差）を変化させる。具体的には、ピエゾ駆動装置１７が可動鏡１６を移動させることによって光束Ｌ２の光路長が変化する。一方、光束Ｌ１の光路長は固定されている。ピエゾ駆動装置１７は、電圧が印加されることによって伸縮するピエゾ素子（図示せず）を有する。ピエゾ素子に印加される電圧を変化させることで、ピエゾ素子が動く。この動きを利用して可動鏡１６が移動する。
【００２６】
光路長が互いに異なる光束Ｌ１，Ｌ２がレンズ１４に向けて進む際に互いに重なりあう。これによって干渉光が生じる。レンズ１４は干渉光を撮像部１５に結像させるためのレンズである。撮像部１５は、二次元状に配列された複数の撮像素子１５Ａ（たとえばＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサなど）によって形成される撮像面１５Ｂを有しており、レンズ１４によってその撮像面１５Ｂに結像した画像（干渉画像）を取得する。撮像部１５は、取得した干渉画像のデータを制御部４に送る。
【００２７】
制御部４は、たとえば所定のプログラムを実行するコンピュータによって実現される。制御部４は、分光画像生成部２１および立体形状算出部２２を含む。
【００２８】
分光画像生成部２１は、可動鏡１６を移動させるためにピエゾ駆動装置１７に印加する電圧を変化させる。さらに分光画像生成部２１は、撮像部１５が干渉画像を取得するように撮像部１５を制御する。
【００２９】
分光画像生成部２１は、撮像部１５によって取得された複数の干渉画像を用いて、波数ごとに画像を生成する。波数（波長でもよい）ごとに生成された画像を以後「分光画像」と呼ぶ。分光画像生成部２１は、干渉画像に含まれる干渉光の強度の情報をフーリエ変換することにより、分光画像を取得する。分光画像に含まれる各画素は、計測物５０の表面からの光の分光スペクトルの情報を有する。
【００３０】
立体形状算出部２２は、分光画像生成部２１によって生成された分光画像に基づいて、分光画像内の画素ごとに合焦点位置を算出する。さらに立体形状算出部２２は、その合焦点位置に基づいて、計測物５０の立体形状に関する情報を取得する。この情報は、計測物５０全体あるいは一部の形状に関する情報でもよいし、計測物５０の表面の任意の位置の高さに関する情報であってもよい。この説明における「高さ」とは、基準位置（たとえば計測物５０の底面の位置）から計測対象の位置までのｚ軸方向の変位を意味する。
【００３１】
本発明の実施の形態では、以下のような原理によって計測物の立体形状が計測される。まず、計測装置１００は、軸上色収差を有する光学系として回折レンズ２を有する。計測物５０からの光の入射側における焦点距離が光の波長成分ごとに異なるように回折レンズ２が配置される。
【００３２】
干渉画像生成部３の側から回折レンズ２を介して計測物５０を観察すると次のように計測物５０の像が観察される。すなわち、ある波長の光で計測物５０を照らした場合には、たとえば焦点のあっていない計測物５０の像が観察される。一方、別の波長の光で計測物５０を照らした場合には、たとえば計測物５０の表面の一部に焦点があった像が観察される。さらに別の波長の光で計測物５０を照らした場合には、たとえば計測物５０の表面の他の部分に焦点があった像が観察される。
【００３３】
本発明の実施の形態では、計測物５０が複数の波長成分を有する光によって照らされる。回折レンズ２を介して観察された計測物５０の像は、各波長成分に対応した像を重なり合わせた像となるので、全体的にぼやけた像となる。本発明の実施の形態では、回折レンズ２を介して観察された計測物５０の像を２次元フーリエ変換することによって、波長成分（その波長に対応する波数）ごとに分光画像を生成する。なお、分光画像の生成手段としては、フーリエ変換に限らず、ウェーブレット変換、最大エントロピー法など、その他の周波数解析用手法を用いてもよい。
【００３４】
各波長成分に対応する複数の分光画像は、回折レンズ２のｚ軸方向の焦点距離が互いに異なる複数の画像とみなすことができる。本発明の実施の形態によれば、立体形状算出部２２は、複数の分光画像を用いて、分光画像を構成する各画素での合焦点位置を求める。画素ごとに合焦点位置を算出することによって、立体形状算出部２２は、計測物の立体形状を算出する。
【００３５】
本発明の実施の形態では、上記の２次元フーリエ分光による撮像を適用することにより、コンピュータ（制御部４）での処理によって複数の分光画像を生成できる。したがって２次元フーリエ分光による撮像は、光学フィルタを用いた色ごとの撮像とは異なる。
【００３６】
図２は、図１に示した計測装置１００による計測物の立体形状の計測方法を説明するためのフローチャートである。図１および図２を参照して、処理が開始されると、可動鏡１６によって、光束Ｌ１の光路長と光束Ｌ２の光路長との間の光路長差を変化させる（ステップＳ１）。上記のように、分光画像生成部２１がピエゾ駆動装置１７に印加する電圧を変化させることによって、ピエゾ素子が伸縮する。これにより可動鏡１６が移動するため、光路長差が変化する。光路長差とピエゾ駆動装置１７に印加される電圧との関係は実験などによって予め決定される。分光画像生成部２１は、その関係を定義するテーブルを記憶するとともに、当該関係に従ってピエゾ駆動装置１７に印加される電圧を変化させる。
【００３７】
次に、撮像部１５は、干渉画像を撮像する（ステップＳ２）。撮像部１５は、分光画像生成部２１からの指令に応じて干渉画像を撮像するための処理を実行するとともに、その干渉画像のデータを分光画像生成部２１に送信する。分光画像生成部２１は、干渉画像のデータを受信するとともに、そのデータを記憶する。
【００３８】
続いて分光画像生成部２１は、光路長差の変化の範囲が指定範囲に達したかどうかを判定する（ステップＳ３）。指定範囲とは、ピエゾ駆動装置１７による可動鏡１６の移動範囲であり、分光画像生成部２１に予め記憶される。光路長差の変化の範囲がまだ指定範囲に達していないと判定された場合（ステップＳ３においてＮＯ）、処理はステップＳ１に戻される。一方、光路長差の変化の範囲が指定範囲に達したと判定された場合（ステップＳ３においてＹＥＳ）、処理はステップＳ４に進む。光路長差の変化の範囲が指定範囲に達するまでステップＳ１〜Ｓ３の処理が繰り返される。したがって、光路長差が変化するたびに干渉画像が撮像される。
【００３９】
続いて分光画像生成部２１は、ステップＳ１〜Ｓ３の処理によって得られた複数の干渉画像を用いて、２次元フーリエ分光法により波数ごとの分光画像を生成する（ステップＳ４）。ステップＳ４の処理によって複数の分光画像が生成される。各分光画像のデータは、分光画像生成部２１から立体形状算出部２２へと送られる。
【００４０】
立体形状算出部２２は、複数の分光画像から合焦測度を算出する（ステップＳ５）。この明細書において、合焦測度とは、各画素において焦点が合っている程度を代表して示す数値として定義される。
【００４１】
次に、立体形状算出部２２は、分光画像の全画素に対して、合焦点位置を算出する（ステップＳ６）。具体的には、立体形状算出部２２は、分光画像内の画素ごとに、合焦測度の値が最大となる焦点位置を算出する。この位置が合焦点位置に対応する。
【００４２】
続いて、立体形状算出部２２は、ステップＳ６の処理によって算出された画素ごとの合焦点位置を用いて計測物５０の立体形状を求める（ステップＳ７）。合焦点位置から計測物５０の立体形状を算出するための方法としては、各種の公知の方法、たとえば特許文献１に開示の方法を適用できるので、その方法に関する詳細な説明はここでは繰り返さない。
【００４３】
さらに立体形状算出部２２は、その算出された立体形状に関する情報を出力する（ステップＳ８）。ステップＳ８の処理が終了すると、全体の処理が終了する。
【００４４】
＜２次元フーリエ分光法について＞
計測物５０の表面からの光は、回折レンズ２を通り、さらに、ハーフミラー１１、固定鏡１２および光路長可変部１３（可動鏡１６およびピエゾ駆動装置１７）によって構成される干渉計を通る。以下の説明では、光束Ｌ１，Ｌ２の間の光路長差をｄと表わす。撮像部１５によって受光された干渉光の強度ｉ（ｄ）は、以下の式（１）に従って表わされる。
【００４５】
【数１】
0005477183.tif 000002
【００４６】
式（１）におけるＩ（ν）は、計測物５０の表面からの光のスペクトル強度を示す関数であり、νは波数である。波数νと波長λとの間にはν＝１／λの関係が成立する。上記式（１）は、ｉ（ｄ）とＩ（ν）とがフーリエ変換対であることを示している。
【００４７】
図３は、光路長差ｄと撮像部で受光された干渉光の強度ｉ（ｄ）との関係を示した図である。図４は、スペクトルＩ（ν）と波数νとの関係を示した図である。図３および図４を参照して、信号強度ｉ（ｄ）を光路長差ｄで離散フーリエ変換することにより、スペクトルＩ（ν）を得ることができる。図３に示した信号強度とは、撮像部１５の各撮像素子が受光した干渉光の強度である。
【００４８】
図２のステップＳ１〜Ｓ３の処理において、光路長差ｄが−ＬからＬまでΔＬずつ変化するものとする。ピエゾ駆動装置１７が可動鏡１６をΔＬだけ移動させるたびに撮像部１５が干渉画像を撮像する。撮像部１５を構成する複数の撮像素子１５Ａの各々は、サンプリング間隔ΔＬで、干渉光の強度を示す信号を出力する。図３に示すように、撮像素子１５Ａから出力される信号の強度は、光路長差ｄにしたがって変化する。
【００４９】
信号強度ｉ（ｄ）を光路長差ｄで離散フーリエ変換することにより、ν＝０からν＝１／ΔＬまでの範囲にわたり、１／（２Ｌ）の間隔でスペクトルＩ（ν）が得られる。Ｌを大きくするほど、すなわち可動鏡１６のストロークを大きくするほど１／（２Ｌ）が小さくなるのでスペクトルＩ（ν）の分解能が向上する。
【００５０】
なお、本発明の実施の形態では、光路長差ｄを０を中心として正方向および負方向に同じ量だけ変化させる。ただし、光路長差ｄの正方向の変化量と負方向の変化量とが同じである必要はない。
【００５１】
図４に示されるように、ΔＬによってスペクトルＩ（ν）の波数の範囲を決定することができる。本発明の実施の形態では、たとえば光源１のスペクトルからΔＬが決定される。
【００５２】
＜形状計測について＞
図５は、撮像部によって取得された干渉画像と、分光画像生成部によって生成された分光画像との関係を説明するための図である。なお、図５では図２のフローチャートにおけるステップＳ１〜Ｓ４の処理が示されている。
【００５３】
図５を参照して、撮像部１５は、光路長差ｄが−ＬからＬまでΔＬずつ変化するたびに干渉画像を取得する。これにより複数（＝２Ｌ／ΔＬ）の干渉画像が取得される。図５では、代表的に、光路長差ｄが−Ｌ，−Ｌ＋ΔＬ，０，Ｌ−ΔＬ，Ｌの各場合に対応する干渉画像３１，３２，３３，３４，３５を示す。
【００５４】
分光画像生成部２１は、干渉画像の位置（ｘ，ｙ）にある画素Ｐ１の輝度値を複数の干渉画像のすべてに対して取得する。これにより分光画像生成部２１は、その画素Ｐ１のスペクトル（信号強度）ｉ（ｄ）を取得する。
【００５５】
次に分光画像生成部２１は、スペクトルｉ（ｄ）を離散フーリエ変換する。これにより、その位置（ｘ，ｙ）における分光スペクトルＩ（ｘ，ｙ）が得られる。上記のように分光スペクトルＩ（ｘ、ｙ）は波数νの関数である。
【００５６】
分光画像生成部２１は、干渉画像内のすべての画素に対して、スペクトルｉ（ｄ）を算出するとともに、そのスペクトルｉ（ｄ）の離散フーリエ変換によって分光スペクトルＩ（ｘ，ｙ）を算出する。これにより、分光画像生成部２１は、波数ごとの分光画像を生成する。図４にも示されるように波数は０〜１／ΔＬまでの範囲内で１／２Ｌずつ変化する。図５では、分光画像生成部２１によって生成される複数の分光画像のうち代表的に、分光画像４１〜４５を示す。画素Ｐ２は、分光画像内の位置（ｘ，ｙ）における画素である。
【００５７】
図６は、分光画像と焦点面との関係を示した図である。図６を参照して、回折レンズ２および干渉画像生成部３によって、干渉画像が取得される。制御部４は、その干渉画像を用いて分光画像を生成する。図６では、代表的に分光画像４１Ａ〜４１Ｃが生成される。
【００５８】
本発明の実施の形態では、軸上色収差を有する光学系（回折レンズ２）と２次元フーリエ分光法とを組み合わせることにより、複数の分光画像の各々は、焦点面の異なる画像と等価となる。分光画像４１Ａ〜４１Ｃは、たとえば図１に示した焦点面Ａ〜Ｃにそれぞれ対応した画像である。
【００５９】
画素Ｐ２は、分光画像内の位置（ｘ，ｙ）にある画素である。画素Ｐ２およびその周辺画素のスペクトルＩ（ν）から、その画素Ｐ２に対応する計測物５０の表面の位置で焦点が合うときの波数を求めることができる。このときの波数から、上記の位置における回折レンズ２の焦点距離を求めることができる。分光画像内の全ての画素に対して焦点距離を求めることにより、計測物５０の立体形状を求めることができる。
【００６０】
図７は、分光画像内のある画素における合焦測度とｚ軸方向の距離との関係を模式的に示した図である。図７を参照して、合焦測度ＦＭはｚ軸方向の距離に応じて変化する。本発明の実施の形態では、合焦測度ＦＭが最も大きくなるときのｚ軸方向の位置を合焦点位置と定義する。
【００６１】
図８は、単一波長の光を計測物に照射した場合の合焦測度を示した図である。図８を参照して、単一波長の光を計測物に照射した場合、ｚ軸上のある位置においてのみ分光画像に輝点が生じる。したがって合焦点位置を決定することが難しい。本発明の実施の形態では、複数の波長成分を有する光を計測物５０に照射する。これにより分光画像内の画素の合焦測度ＦＭをｚ軸方向の位置に応じて変化させることができるので、合焦点位置をより正確に特定することが可能となる。合焦点位置を正確に特定することによって計測物の立体形状をより精度よく計測できる。
【００６２】
本発明の実施の形態では、立体形状算出部２２が合焦測度を算出するための方法は特に限定されない。たとえば注目画素近傍のコントラストから合焦測度を算出する方法を用いることができる。具体的には、画像の微分によって合焦測度を算出する方法、注目画素を含む局所領域の輝度の分散を求めることで合焦測度を算出する方法などを適用できる。以下では、前者の方法について説明する。
【００６３】
図９は、画像の微分によって合焦測度を算出する方法を説明するための図である。図９を参照して、画素ＰＡは分光画像内の注目画素である。画素ＰＡの座標を（ｘ，ｙ）と示す。
【００６４】
画像の微分のための演算子として、以下の式（２）に示す微分演算子ＭＬ（ｘ，ｙ）を用いる。微分演算子ＭＬ（ｘ，ｙ）は干渉画像の２次微分に対応するとともに、注目画素（画素ＰＡ）近傍のコントラストを表わしている。
【００６５】
【数２】
0005477183.tif 000003
【００６６】
式（２）において、Ｉ（ｘ，ｙ）は、画素ＰＡの輝度値を示す。ｐは、画素ＰＡと比較される画素と、画素ＰＡとの間の画素間隔を示す。ｐは計測物の表面のテクスチャの空間周波数に依存して決定される。なお図９ではｐ＝１の場合が示されている。この場合、画素ＰＡと比較される画素は、画素ＰＡに対してｘ軸方向に隣合う画素、およびｙ軸方向に隣合う画素となる。
【００６７】
微分演算子ＭＬ（ｘ，ｙ）による演算結果は、分光画像に含まれるノイズに対して敏感に反応する。このため、式（３）に示されるように、注目画素（画素ＰＡ）を中心とした（２Ｎ＋１）×（２Ｎ＋１）個（Ｎは１以上の整数）の画素に対する微分演算子ＭＬ（ｘ，ｙ）を用いて微分演算子ＭＬ（ｘ，ｙ）を平均化する。図９ではＮ＝１の場合を表わしている。
【００６８】
【数３】
0005477183.tif 000004
【００６９】
式（３）によって得られるＦＭ（ｘ，ｙ）が注目画素（画素ＰＡ）の合焦測度として定義される。図７に示されるように、合焦測度ＦＭ（ｘ，ｙ）の値が最大となる位置が合焦点位置として求められる。ただし、立体形状算出部２２は合焦測度ＦＭ（ｘ，ｙ）の曲線をガウス曲線に近似した上で、合焦点位置を求める。合焦測度ＦＭ（ｘ，ｙ）は離散的に得られるため、合焦測度ＦＭ（ｘ，ｙ）の曲線をガウス曲線に近似することで、合焦点位置をより正確に算出することができる。また、干渉画像にノイズが含まれる（この結果、分光画像にノイズが含まれる）場合においても、合焦測度ＦＭ（ｘ，ｙ）の曲線をガウス曲線に近似することで、合焦点位置をより正確に算出することができる。
【００７０】
上記のように本発明の実施の形態では、複数の波長成分を有する光を発する光源と、軸上色収差を有する光学系と、２次元フーリエ分光法との組み合わせによって物体の立体形状を計測する。特許文献１に開示されるような従来技術では、焦点距離を変化させるために、計測物を載せたステージを移動させたり、対物レンズを移動させたりする必要がある。このため試料台あるいは対物レンズを移動させるための機構が大型化するとともに複雑化する。これに対して本発明の実施の形態では、可動部分は可動鏡１６のみでよい。一般的に、対物レンズやステージに比べて可動鏡に使うミラーは小型で軽い。このため、可動部分を小型化できるとともにその構成を簡素化することができる。したがって本発明の実施の形態によれば、計測装置を小型することができる。
【００７１】
また、本発明の実施の形態によれば、光源によって計測物に照射する光の波長を選択する必要がない。このため光源の構成を簡素化できる。したがってこの点からも、本発明の実施の形態によれば、計測装置を小型することができる。
【００７２】
また、本発明の実施の形態によれば、光路長差ｄの変化幅（図３の場合には２Ｌ）を大きくすることで、干渉画像および分光画像の数を増やすことができる。分光画像の数を増やすことで合焦点位置を正確に特定することができるので計測物の形状の計測精度を高めることができる。
【００７３】
＜光学系の構成について＞
上記のように、本発明の実施の形態に係る計測装置１００は、軸上色収差を有する光学系として回折レンズ２を備える。軸上色収差を有する光学系として、回折レンズ２に代えて、複数のレンズを組み合わせた組レンズも計測装置１００に適用することができる。ただし、以下の理由によって、回折レンズ２を計測装置１００に適用することがより好ましい。
【００７４】
回折レンズ２の焦点距離は、原理的に波数に対して線形に変化する。具体的に説明すると、回折レンズの焦点距離ｆは、波数νを用いて以下の式（４）に従って表わされる。
【００７５】
ｆ＝ｃ×ν  …（４）
ｃは比例定数である。上述のように波数νは波長λの逆数である（ν＝１／λ）。回折レンズの焦点距離ｆを波数νで微分すると、ｄｆ／ｄν＝ｃとなる。すなわち、回折レンズの場合、波数νに対する焦点距離ｆの変化率は一定である。
【００７６】
本発明の実施の形態によれば、このような特性を有する回折レンズと２次元フーリエ分光とを組み合わせることによって、所定の計測範囲内で計測精度を一定に保つことができる。上記のように、本発明の実施の形態では一定の波数（上述の説明では１／２Ｌ）ごとに分光画像が得られる。波数νに対する焦点距離ｆの変化率は一定であるので、複数の分光画像の各々は、焦点距離ｆを一定量変化させるたびに得られる画像といえる。焦点距離を一定量ずつ変化させたときの画像が得られることで、所定の計測範囲内で計測精度を一定に保つことができる。所定の計測範囲とは、たとえば製品に求められる計測範囲として予め設計された範囲である。
【００７７】
図１０は、回折レンズと組レンズとを対比した図である。図１０（Ａ）は、軸上色収差を有する光学系に回折レンズ２を適用した場合を示した図である。図１０（Ｂ）は、軸上色収差を有する光学系に組レンズ２Ａを適用した場合を示した図である。
【００７８】
図１０（Ａ）を参照して、回折レンズ２および干渉画像生成部３によって干渉画像が取得される。さらに、制御部４（図１０に示さず）によって、干渉画像から分光画像が生成される。生成された分光画像は、回折レンズ２および干渉画像生成部３（撮像部１５）からのｚ軸方向の距離を等距離（距離ａ）で変化させながらサンプリングした画像に対応する。したがって計測範囲内において計測精度を一定に保つことができる。
【００７９】
図１０（Ｂ）を参照して、回折レンズ２に代えて組レンズ２Ａを用いた場合、一般的に焦点距離は波数に対して非線形に変化する。このため、組レンズ２Ａを用いた場合に得られる分光画像は、焦点面のｚ軸方向の位置を不等のピッチ（距離ａ１〜ａ６）で変化させながらサンプリングした画像となる。すなわち計測範囲内で計測精度が変化する可能性がある。したがって組レンズ２Ａを用いる場合には、たとえば、焦点距離と波数との関係が予め実験などによって確認される。立体形状算出部２２はその関係に従って計測結果を補正する。
【００８０】
また干渉画像生成部３の構成も図１に示した構成に限定されるものではない。図１１は、光路長可変部の他の構成例を示した図である。図１１を参照して、光路長可変部１３Ａは、ピエゾ駆動装置１７に代えて、コイル駆動装置１７Ａを有する。コイル駆動装置１７Ａは、電磁コイル１７２と、電磁コイル１７２をオンおよびオフするための駆動回路１７１と、片持ち梁１７３とを備える。
【００８１】
駆動回路１７１は、制御部４からパルス信号が供給されることにより電磁コイル１７２に通電する。片持ち梁１７３は磁性体で構成され、通電された電磁コイル１７２に引き寄せられる。制御部４が駆動回路１７１にパルス信号の供給を停止すると、駆動回路１７１は電磁コイル１７２の通電を停止するので、片持ち梁１７３は元の位置に戻る。
【００８２】
制御部４が駆動回路１７１にパルス信号の供給および供給停止を繰り返すことで、電磁コイルのオンオフが繰り返される。これにより片持ち梁１７３が振動する。可動鏡１６は、片持ち梁１７３に接着されるので、片持ち梁１７３の振動に伴って、その位置を変化させる。たとえばパルス信号の強度を変化させることによって、片持ち梁１７３の振幅が制御される。これにより光路長差ｄを一定のピッチで変化させることができる。
【００８３】
なお、片持ち梁１７３の表面を研磨することによって鏡面が形成されてもよい。この鏡面を可動鏡１６に代えて用いることもできる。また、図示しないが、図１７に示した片持ち梁１７３および電磁コイル１７２を音叉振動子に置き換えてもよい。この構成によれば音叉振動子の先端に可動鏡１６を取り付けるとともに、その音叉振動子を振動させることで光路長差ｄを変化させることができる。
【００８４】
また、干渉画像を生成するための構成は、図１に示した構成に限定されるものではなく、図１に示した構成からの変更（たとえばミラー、レンズ等の光学部品の追加など）を行なってもよい。また、図１では、干渉画像を生成するための干渉計としてマイケルソン干渉計を示している。しかしながらマイケルソン干渉計以外の干渉計（たとえばミラウ干渉計）を本発明の実施の形態に係る計測装置に適用してもよい。
【００８５】
今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内で全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８６】
１  光源、２  回折レンズ、２Ａ  組レンズ、３  干渉画像生成部、４  制御部、５  レンズ表面、１１  ハーフミラー、１２  固定鏡、１３，１３Ａ  光路長可変部、１４  レンズ、１５  撮像部、１５Ａ  撮像素子、１５Ｂ  撮像面、１６  可動鏡、１７  ピエゾ駆動装置、１７Ａ  コイル駆動装置、２１  分光画像生成部、２２  立体形状算出部、３１〜３５，４１〜４５，４１Ａ〜４１Ｃ  分光画像、５０  計測物、１００  計測装置、１７１  駆動回路、１７２  電磁コイル、１７３  片持ち梁、Ａ〜Ｃ  焦点面、Ｌ，Ｌ１，Ｌ２  光、Ｐ１，Ｐ２，ＰＡ  画素。
【図１】
0005477183.tif 000005
【図２】
0005477183.tif 000006
【図３】
0005477183.tif 000007
【図４】
0005477183.tif 000008
【図５】
0005477183.tif 000009
【図６】
0005477183.tif 000010
【図７】
0005477183.tif 000011
【図８】
0005477183.tif 000012
【図９】
0005477183.tif 000013
【図１０】
0005477183.tif 000014
【図１１】
0005477183.tif 000015