(57)【要約】      （修正有）【課題】三次元形状データを簡単に取得できると使用者に感じさせることができる形状測定装置を提供する。【解決手段】左右の投光部を個別的にＯＮして、表示部に表示の画像が最適な明るさとなるように、露光時間又は照明の明るさを自動調整する工程S23。また、投光部を使って複数の縞パターンでスキャンし、これに同期してカメラで複数の縞画像を取得する工程S24。次いでリング照明または投光部の全白による均一照明を使って対象物の２Ｄテクスチャ画像を取得する工程S25。ＰＣは、取得した画像データを計測アルゴリズムによって画像処理及び解析して立体形状データを生成する工程S26。また、立体形状データに二次元テクスチャ画像をマッピングして生成した３Ｄテクスチャ画像を表示部（モニタ）に表示する工程S27,S28。【選択図】図１５
2014055810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に向けて延びる観察中心軸を有する受光部と、
前記対象物に対して斜め上方から光を照射する投光部と、
該投光部を使って前記対象物を照射しながら前記受光部で取得した計測用画像を所定のアルゴリズムで処理して三次元形状データを生成する三次元形状データ生成手段と、
前記受光部で取得した前記対象物の二次元テクスチャ画像を前記三次元形状データにマッピングして三次元テクスチャ画像を生成する３Ｄ画像生成手段と、
該３Ｄ画像生成手段が生成した三次元テクスチャ画像を表示する表示部と、
使用者の操作を受け付け、前記投光部による照明と該投光部の照明に同期して前記受光部が前記計測用画像を取得する処理と、次いで該計測用画像を前記所定のアルゴリズムで処理して三次元形状データを生成する処理と、前記受光部が前記対象物の前記二次元テクスチャ画像を取得する処理と、前記二次元テクスチャ画像を前記三次元形状データにマッピングして前記三次元テクスチャ画像を生成する処理とを実行させる制御手段とを有し、
前記受光部で前記対象物の画像を取り込むことに関連した各種のパラメータの調整を手動で行うことのできる応用測定モードと、前記受光部で前記対象物の画像を取り込むことに関連した各種のパラメータの調整が前記応用測定モードよりも少ない数のパラメータに対して手動で行うことのできる簡単測定モードとを使用者によって選択可能であることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記簡単測定モードが選択されたときに、前記計測用画像と前記二次元テクスチャ画像の明るさを夫々使用者が調整可能である、請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記応用測定モードが選択されたときに、前記投光部の照明の明るさを使用者が調整可能である、請求項１又は２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記投光部が少なくとも一対有し、該一対の投光部の照明の明るさを各投光部毎に調整可能である、請求項３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記応用測定モードが選択されたときに、使用者の調整の結果である前記二次元テクスチャ画像を前記表示部に表示させてプレビューが可能である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記投光部が固定倍率のテレセントリック光学系を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記受光部が固定倍率のテレセントリック光学系を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記受光部がモノクロ撮像素子を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記受光部の光軸の周囲に配置されたリング状の照明光出力部を更に有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記対象物を載置するステージを更に有し、
該ステージが、Ｘ軸及びＹ軸方向に移動可能なＸ−Ｙ軸ステージと、Ｚ軸方向に移動可能なＺ軸ステージと、Ｚ軸を中心に回転可能なθステージで構成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１１】
対象物に向けて延びる観察中心軸を有する受光部と、
前記対象物に対して斜め上方から光を照射する投光部と、
該投光部を使って前記対象物を照射しながら前記受光部で取得した計測用画像を所定のアルゴリズムで処理して三次元形状データを生成する三次元形状データ生成手段と、
前記受光部で取得した前記対象物の二次元テクスチャ画像を前記三次元形状データにマッピングして三次元テクスチャ画像を生成する３Ｄ画像生成手段と、
該３Ｄ画像生成手段が生成した三次元テクスチャ画像を表示する表示部とを有し、
前記三次元形状データ生成手段と前記３Ｄ画像生成手段とがコンピュータで構成された形状測定装置に適用されるプログラムであって、
使用者の操作を受け付け、前記投光部による照明と該投光部の照明に同期して前記受光部で前記計測用画像を取得する手順と、
次いで前記計測用画像を前記所定のアルゴリズムで処理して三次元形状データを生成する手順と、
前記受光部が前記対象物の前記二次元テクスチャ画像を取得する処理と、前記二次元テクスチャ画像を前記三次元形状データにマッピングして前記三次元テクスチャ画像を生成する手順と、
前記対象物の画像を前記受光部で取り込むことに関連した各種のパラメータの調整を手動で行うことのできる応用測定モードと、前記対象物の画像を前記受光部で取り込むことに関連した各種のパラメータの調整が前記応用測定モードよりも少ない数のパラメータに対して手動で行うことのできる簡単測定モードとを使用者によって選択させる表示画面を表示する手順とを前記コンピュータに実行させる形状測定装置用のプログラム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプログラムを記録したコンピュータで読取可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は形状測定装置及びこれに組み込まれるプログラム並びにこれを記憶した記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、二次元検査と三次元検査とを同時に行ってウエハのバンプのサイズ、ピッチ、欠けの有無を検査するのに好適な表面検査装置を提案している。具体的には、特許文献１に開示の表面検査装置は二次元検査用カメラと高さ検査用カメラとを備え、また、同軸落射照明と、二次元検査用カメラの光軸の周囲に配置された複数のレーザ光源とを有している。
【０００３】
バンプのサイズ、ピッチ、突起欠陥などの二次元検査は同軸落射照明光を用いて行われる。他方、高さの測定はレーザ光切断法によって行われる。具体的には、レーザ光源の幾つかは垂直面に配置され、他のレーザ光源は傾斜面に配置されている。これらシート状のレーザ光はバンプを備えたウエハで正反射光又は散乱光となってウエハ高さ及びバンプの形状を示す形状線として高さ検査用カメラで撮影される。高さ検査用カメラ及び二次元検査用カメラで撮影された画像は夫々画像処理されて、表面形状の良否の判定が行われる。
【０００４】
特許文献２は物体の二次元形状と三次元形状とを一つの装置で同時に認識できる測定装置を提案している。この測定装置は、ワーク（装着部品）をＸ軸方向に移動させる搬送装置（吸着スピンドル）に関連して設置される。測定装置は、鉛直線上に延びる光軸を備えたカメラを備え、このカメラはＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサを備えている。測定装置は、また、カメラの支持体に固定されたスリット光源を有し、このスリット光源はカメラの光軸に対して傾斜したスリット光をワークに照射する。スリット光はレーザライン光で構成されているが、このレーザライン光の変形例としてＬＥＤ光、ハロゲンランプなどの光をスリットを通過させて生成したスリット光が例示されている。搬送装置をＸ軸方向に移動した各位置でカメラがスリット光基準像とスリット光反射像とを撮像してＮ列、Ｍ列の画素を含む画像を作り、搬送装置が移動する各位置での撮像画像を合成することでワークの全画像を獲得する。そして、光切断法によって測定基準面からの高さを算出する。測定装置の一部を構成するコンピュータは、ワークのＸ軸方向の全長分の複数枚の画像を取り込んでワークの高さ寸法を求める三次元画像処理を実行する。また、二次元形状を求める二次元画像処理を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３３７８２３号公報
【特許文献２】特開２００３−２１４８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光学顕微鏡では対象物を拡大して観察したり、カメラで取得した画像を保存したり、モニタに表示されている撮影画像で様々な寸法計測が行われており、様々な分野で活用されている。近時は、カメラで対象物の画像を捉えてこれをモニタに表示して観察、画像の保存、寸法計測を効率良く行うことのできるデジタルマイクロスコープが普及し、物作りの現場ではデジタルマイクロスコープの操作に馴れ親しんでいるのが現状である。
【０００７】
三次元形状データを取得したい場合、デジタルマイクロスコープに追加するやり方で必要とされる光源を用意する必要がある。そして三次元形状データを得るには、追加した光源の調整、獲得した三次元形状データの確認を経て、三次元形状データを使った各種の寸法計測や分析を行う必要がある。しかし、三次元計測に馴染みのない使用者にとって、その作業は容易ではない。
【０００８】
本発明の目的は、三次元形状データを簡単に取得できると使用者に感じさせることのできる形状測定装置及びこれに組み込まれるプログラム並びにこれを記憶した記録媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の技術的課題は、本発明の一つの観点によれば、
対象物に向けて延びる観察中心軸を有する受光部と、
前記対象物に対して斜め上方から光を照射する投光部と、
該投光部を使って前記対象物を照射しながら前記受光部で取得した計測用画像を所定のアルゴリズムで処理して三次元形状データを生成する三次元形状データ生成手段と、
前記受光部で取得した前記対象物の二次元テクスチャ画像を前記三次元形状データにマッピングして三次元テクスチャ画像を生成する３Ｄ画像生成手段と、
該３Ｄ画像生成手段が生成した三次元テクスチャ画像を表示する表示部と、
使用者の操作を受け付け、前記投光部による照明と該投光部の照明に同期して前記受光部が前記計測用画像を取得する処理と、次いで該計測用画像を前記所定のアルゴリズムで処理して三次元形状データを生成する処理と、前記受光部が前記対象物の前記二次元テクスチャ画像を取得する処理と、前記二次元テクスチャ画像を前記三次元形状データにマッピングして前記三次元テクスチャ画像を生成する処理とを実行させる制御手段とを有し、
前記受光部で前記対象物の画像を取り込むことに関連した各種のパラメータの調整を手動で行うことのできる応用測定モードと、前記受光部で前記対象物の画像を取り込むことに関連した各種のパラメータの調整が前記応用測定モードよりも少ない数のパラメータに対して手動で行うことのできる簡単測定モードとを使用者によって選択可能であることを特徴とする形状測定装置を提供することにより達成される。
【００１０】
本発明によれば、測定モードとして様々なパラメータの調整及び設定を使用者が行う応用測定モードの他に、使用者が調整及び設定するパラメータの数を絞り込んだ簡単測定モードとを用意してあることから、簡単測定モードを選択したときには、使用者の手を煩わせることなく、三次元形状データを獲得して三次元（３Ｄ）テクスチャ画像を表示する一連の処理を自動的に実行させることで使用者に三次元形状データを簡単に取得できると感じさせることができる。
【００１１】
前記技術的課題は、本発明の他の観点によれば、
対象物に向けて延びる観察中心軸を有する受光部と、
前記対象物に対して斜め上方から光を照射する投光部と、
該投光部を使って前記対象物を照射しながら前記受光部で取得した計測用画像を所定のアルゴリズムで処理して三次元形状データを生成する三次元形状データ生成手段と、
前記受光部で取得した前記対象物の二次元テクスチャ画像を前記三次元形状データにマッピングして三次元テクスチャ画像を生成する３Ｄ画像生成手段と、
該３Ｄ画像生成手段が生成した三次元テクスチャ画像を表示する表示部とを有し、
前記三次元形状データ生成手段と前記３Ｄ画像生成手段とがコンピュータで構成された形状測定装置に適用されるプログラムであって、
使用者の操作を受け付け、前記投光部による照明と該投光部の照明に同期して前記受光部で前記計測用画像を取得する手順と、
次いで前記計測用画像を前記所定のアルゴリズムで処理して三次元形状データを生成する手順と、
前記受光部が前記対象物の前記二次元テクスチャ画像を取得する処理と、前記二次元テクスチャ画像を前記三次元形状データにマッピングして前記三次元テクスチャ画像を生成する手順と、
前記対象物の画像を前記受光部で取り込むことに関連した各種のパラメータの調整を手動で行うことのできる応用測定モードと、前記対象物の画像を前記受光部で取り込むことに関連した各種のパラメータの調整が前記応用測定モードよりも少ない数のパラメータに対して手動で行うことのできる簡単測定モードとを使用者によって選択させる表示画面を表示する手順とを前記コンピュータに実行させる形状測定装置用のプログラム及びこれを記憶した記録媒体を提供することにより達成される。
【００１２】
本発明の作用効果及び他の目的は本発明の好ましい実施例の詳しい説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光学顕微鏡（デジタルマイクロスコープを含む）や表面形状測定装置などの形状測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の形状測定装置の測定部の構成を示す模式図である。
【図３】光が照射された状態の測定対象物の模式図である。
【図４】光が照射された状態の測定対象物の模式図である。
【図５】画像を２画面表示するＧＵＩの一例を示す図である。
【図６】三角測距方式の原理を説明するための図である。
【図７】測定光の第１のパターンを説明するための図である。
【図８】測定光の第２のパターンを説明するための図である。
【図９】測定光の第３のパターンを説明するための図である。
【図１０】測定対象物の特定の部分における画素データ(受光された光の強度)と画素データが得られた画像の順番(何番目か)の関係を示す図である。
【図１１】測定光の第４のパターンを説明するための図である。
【図１２】実施例の形状測定装置において応用測定モードを選択したときの操作及び動作を説明するためのフローチャートである。
【図１３】応用測定モードにおいて対象物の二次元テクスチャ画像を取得するに際して使用者が行う各種の調整を説明するためのフローチャートである。
【図１４】応用測定モードにおいて測定用の三次元画像データを取得するに際して使用者が行う各種の調整を説明するためのフローチャートである。
【図１５】実施例の形状測定装置において簡単測定モード（高速測定モード）を選択したときの操作及び動作を説明するためのフローチャートである。
【図１６】顕微鏡モードと計測モードとを選択することのできる観察画面（ＧＵＩ）を示す図である。
【図１７】マイクロスコープボタンを押し下げて顕微鏡モードを選択したときに表示されるＧＵＩである。
【図１８】３Ｄスキャンボタンを押し下げて形状計測モードを選択した時に表示されるＧＵＩである。
【図１９】応用測定モードを選択したときに表示される測定条件設定のためのＧＵＩである。
【図２０】３Ｄテクスチャ画像が表示される結果確認のためのＧＵＩである。
【図２１】ＰＣにインストールされている解析アプリケーションの機能の一部を表示する機能ガイドのためのＧＵＩである。
【図２２】プロファイル測定のためのＧＵＩである。
【図２３】レポート表示のためのＧＵＩである。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１４】
以下に、添付の図面に基づいて本発明の好ましい実施例を説明する。
【００１５】
実施例の形状測定装置の全体構成（図１、図２など）：
図１は、実施例の形状測定装置５００の構成を示すブロック図であり、形状測定装置５００の典型例として光学顕微鏡（デジタルマイクロスコープを含む）や表面形状測定装置を挙げることができる。図２は、図１の形状測定装置５００の測定部の構成を示す模式図である。図１、図２を参照して、形状測定装置５００は、測定部１００、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）２００、制御部３００および表示部（モニタ）４００を備えている（図１）。
【００１６】
測定部１００は、投光部１１０、受光部１２０、照明光出力部１３０、ステージ１４０および制御基板１５０を含む。投光部１１０は、測定光源１１１、パターン生成部１１２および複数のレンズ１１３、１１４、１１５を含む。受光部１２０は、カメラ１２１および複数のレンズ１２２、１２３を含む。ステージ１４０上に測定対象物Ｓが載置される。
【００１７】
投光部１１０は、ステージ１４０の斜め上方に配置された投光ユニットで構成されている。投光部１１０は測定対象物Ｓの表面に対して斜め上方から光を照射する。測定部１００は、複数の投光部１１０を含んでもよい。図２の例においては、測定部１００は２つの投光部１１０を含む。以下、２つの投光部１１０を区別する場合は、一方の投光部１１０を第１の投光部１１０Ａと呼び、他方の投光部１１０を第２の投光部１１０Ｂと呼ぶ。一対の第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂは受光部１２０の光軸を挟んで鏡像対称に配置される。受光部１２０の光軸に対して投光部１１０からの光が斜めに照射されるため凹凸を含む立体形状の測定対象物Ｓに影が発生する。これに対して一対の第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂを鏡像対称に配置することで、この影の発生を抑えることができる。
【００１８】
第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの測定光源１１１は典型的には白色光を出射するハロゲンランプで構成される。測定光源１１１として、白色光を出射する白色ＬＥＤ（発光ダイオード）等の他の光源であってもよい。測定光源１１１から出射された光（以下、測定光と呼ぶ）は、レンズ１１３により適切に集光された後、パターン生成部１１２に入射する。ここに、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂはテレセントリック光学系が採用されており、これにより高い計測精度を確保することができる。すなわち、テレセントリック光学系は、レンズと対象物Ｓとの距離に左右されることなくパターンの結像サイズが一定であるため、立体である対象物Ｓの表面高さが一定でない場合（例えば凹凸面）であってもパターン寸法が変化しないため、高い精度で計測することができる。
【００１９】
パターン生成部１１２は、典型的にはＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）で構成される。ここにＤＭＤは表示素子の一種であり、数μm角のマイクロミラーが画素のように数十万個配置されており、各マイクロミラーが独立して傾きを変えることができる。この特性により、マイクロミラーの向きによって光を光軸方向に反射させたり（明／ＯＮ）、光軸から外に偏向させることができる（暗／ＯＦＦ）。このマイクロミラーは最大で数kHzの高速でＯＮ/ＯＦＦを切り替えることができるため、明るさの階調はＰＷＭ制御によって調整することができる。つまり、例えばＲＧＢ各色１６bitで６０Hzのカラー表示が可能である。パターン生成部１１２によって生成される照明パターンは縞パターン（図９：マルチスリット法）だけでなく任意の二次元パターンを生成することができる。
【００２０】
パターン生成部１１２は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon：反射型液晶素子)またはマスクで構成してもよい。パターン生成部１１２に入射した測定光は、予め設定されたパターンおよび予め設定された強度（明るさ）に変換されて出射される。パターン生成部１１２により出射された測定光は、複数のレンズ１１４、１１５により受光部１２０の観察及び測定が可能な視野よりも大きい径を有する光に変換された後、ステージ１４０上の測定対象物Ｓを照射する。
【００２１】
受光部１２０は、カメラ１２１とレンズユニット１２２、１２３とで構成され、ステージ１４０の上方に配置される。測定対象物Ｓにより反射した光は、ステージ１４０の上方に進み、受光部１２０の複数のレンズ１２２、１２３により集光及び結像され、そしてこの反射光はカメラ１２１によって受光される。
【００２２】
カメラ１２１は撮像素子１２１ａおよびレンズを含むカメラで構成される。実施例では、精度を優先して固定倍率のテレセントリック光学系の受光レンズユニットを採用しているが、ズームレンズを採用して広範な倍率で使用できるようにしてもよい。撮像素子１２１ａは、好ましくはモノクロの例えばＣＣＤ（電荷結合素子）で構成される。撮像素子１２１ａとしてＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の他の撮像素子を採用してもよい。撮像素子１２１ａの各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ）が制御基板１５０に出力される。
【００２３】
カラーの撮像素子を採用した場合、各画素を赤色用、緑色用、青色用の受光に対応させる必要があるため、モノクロの撮像素子と比較すると計測分解能が低く、また各画素にカラーフィルタを設ける必要があるため感度が低下する。これに対して、モノクロの撮像素子１２１ａを採用し、後述する照明光出力部１３０からＲＧＢに夫々対応した照明を時分割で照射（シーケンシャル照射）して撮像することにより、カラー画像を取得することができる。このような構成にすることにより、計測精度を低下させずに測定物の二次元カラーテクスチャ画像を取得することができる。
【００２４】
勿論、撮像素子１２１ａとして、カラーの撮像素子を用いても良いことは云うまでもない。この場合、計測精度や感度は低下するが、照明光出力部１３０からＲＧＢ照明を時分割で照射する必要がなくなり、白色光を照射するだけで、カラー画像を取得できるため、照明光学系をシンプルに構成できる。
【００２５】
制御基板１５０には、図示しないＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）およびＦＩＦＯ（First In First Out）メモリが実装される。カメラ１２１から出力される受光信号は、制御部３００による制御に基づいて、制御基板１５０のＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、ＦＩＦＯメモリに順次蓄積される。ＦＩＦＯメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次制御用ＰＣ２００に転送される。
【００２６】
図１に示すように、制御用ＰＣ２００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１０、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２０、作業用メモリ２３０、記憶装置２４０および操作部２５０を含む。また、操作部２５０は、キーボードおよびポインティングデバイスを含む。ポインティングデバイスとしては、マウスまたはジョイスティック等が用いられる。
【００２７】
ＲＯＭ２２０にはシステムプログラムが記憶される。作業用メモリ２３０はＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）で構成され、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置２４０はハードディスク等からなる。記憶装置２４０には、画像処理プログラムおよび形状測定プログラムが記憶される。また、記憶装置２４０は、制御基板１５０から与えられる画素データ等の種々のデータを保存するために用いられる。
【００２８】
ＣＰＵ２１０は、制御基板１５０から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。また、ＣＰＵ２１０は、生成した画像データに作業用メモリ２３０を用いて各種処理を行うとともに、画像データに基づく画像を表示部４００に表示させる。さらに、ＣＰＵ２１０は、後述するステージ駆動部１４５に駆動パルスを与える。表示部４００は、好ましくは薄型ディスプレイ、例えばＬＣＤパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。
【００２９】
図２において、測定対象物Ｓが載置されるステージ１４０上の平面（以下、載置面と呼ぶ）内で互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向と定義し、それぞれ矢印Ｘ、Ｙで示す。ステージ１４０の載置面に対して直交する方向をＺ方向と定義し、矢印Ｚで示す。Ｚ方向に平行な軸を中心に回転する方向（矢印θで図示）をθ方向と定義する。
【００３０】
ステージ１４０は、Ｘ−Ｙステージ１４１、Ｚステージ１４２およびθステージ１４３を含む。Ｘ−Ｙステージ１４１はＸ方向移動機構およびＹ方向移動機構を有する。Ｚステージ１４２はＺ方向移動機構を有する。θステージ１４３はθ方向回転機構を有する。これらＸ−Ｙステージ１４１、Ｚステージ１４２およびθステージ１４３によって、ステージ１４０が構成される。また、ステージ１４０は、その載置面に測定対象物Ｓを固定する図示しない固定部材（クランプ）をさらに含む。ステージ１４０は、その載置面に平行な軸を中心に回転可能な機構を有するチルトステージを更に含んでもよい。
【００３１】
ステージ１４０のＸ方向移動機構、Ｙ方向移動機構、Ｚ方向移動機構およびθ方向回転機構は、それぞれ独立して駆動制御できる駆動源を備えているのが良く、この駆動源の典型例としてステッピングモータを挙げることができる。ステージ１４０のＸ方向移動機構、Ｙ方向移動機構、Ｚ方向移動機構およびθ方向回転機構は、図１のステージ操作部１４４またはステージ駆動部１４５により駆動される。
【００３２】
使用者は、ステージ操作部１４４を手動で操作することにより、ステージ１４０の載置面を受光部１２０に対して相対的にＸ方向、Ｙ方向もしくはＺ方向に移動させるか、またはθ方向に回転させることができる。ステージ駆動部１４５は、ＰＣ２００より与えられる駆動パルスに基づいて、ステージ１４０のステッピングモータに電流を供給することにより、受光部１２０に対してステージ１４０を相対的にＸ方向、Ｙ方向もしくはＺ方向に移動させるか、またはθ方向に回転させることができる。
【００３３】
ここに、図２に示すように、左右の投光部１１０の中心軸（光軸）と受光部１２０の中心軸（光軸）は、ステージ１４０の焦点が最も合うピント平面で互いに交差するように、受光部１２０、投光部１１０、ステージ１４０の相対的な位置関係が定められている。また、θ方向の回転軸の中心は、受光部１２０の中心軸と一致しているため、θ方向にステージ１４０が回転した際に、測定対象物が視野から外れることなく、回転軸を中心に視野内で回転するようになっている。また、Ｚ方向移動機構に対して、これらＸ、Ｙ、θ及びチルト移動機構は支持されている。
【００３４】
すなわち、ステージ１４０をθ方向に回転させたり、チルトさせた状態であっても、受光部１２０の観察中心軸(光軸)と、Ｚ方向の移動軸にずれが生じない構成になっている。このようなステージ機構により、測定対象物の位置や姿勢を変化させた状態であっても、Ｚ方向にステージ１４０を移動させて異なる焦点位置の画像を複数撮像して合成することが可能となる。なお、本実施の形態ではステッピングモータにより駆動させることが可能な電動ステージを例に説明したが、手動でのみ変位させることが可能な手動ステージであっても良い。
【００３５】
制御部３００は、制御基板３１０および照明光源３２０を含む。制御基板３１０には、図示しないＣＰＵが実装される。制御基板３１０のＣＰＵは、ＰＣ２００のＣＰＵ２１０からの指令に基づいて、投光部１１０、受光部１２０および制御基板１５０を制御する。
【００３６】
照明光源３２０は、例えば赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）および青色光（Ｂ）を出射する３種類のＬＥＤを含む。各ＬＥＤから出射される光の輝度を制御することにより、照明光源３２０から任意の色の光を発生することができる。照明光源３２０が発生する光（以下、照明光と呼ぶ）は、導光部材（ライトガイド）を通してリング状の照明光出力部１３０から出力される。ＲＧＢ照明光出力部１３０を使って照射してカラー画像を生成する場合には、例えば各色の光源は300Hzでシーケンシャルに切り替えられる。
【００３７】
図２の照明光出力部１３０は、観察中心軸を中心とする円環形状を有するリング形照明が採用されている。このリング形の照明光出力部１３０は、受光部１２０を包囲した状態でステージ１４０の上方に配置される。これにより影が発生しないように照明光出力部１３０から測定対象物Ｓに照明光が照射される。すなわち、リング形状の照明を受光部１２０の光軸の周囲に配置したことで、測定対象物Ｓをほぼ影無しで観察することができる。したがって、測定対象物Ｓに対して斜めに投光する投光部１１０だけでは観察することのできない穴の底もリング状の照明出力部１３０を使うことで観察することができる。
【００３８】
図３および図４は、光が照射された状態の測定対象物Ｓの模式図である。図３および図４の例においては、測定対象物Ｓは上面の略中央に孔Ｓｈを有する。また、図３（ａ）、（ｃ）および図４（ａ）においては、影Ｓｓをハッチングにより表わしている。
【００３９】
図３（ａ）は第１の投光部１１０Ａ(図２)からの測定光が照射された状態の測定対象物Ｓの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第１の投光部１１０Ａから測定光を測定対象物Ｓに照射した場合、孔Ｓｈの深さによっては、孔Ｓｈの底部にまで測定光が到達せず、影Ｓｓが発生する。したがって、測定対象物Ｓの一部を観察することができない。
【００４０】
図３（ｃ）は第２の投光部１１０Ｂ(図２)からの測定光が照射された状態の測定対象物Ｓの平面図であり、図３（ｄ）は図３（ｃ）のＢ−Ｂ線断面図である。図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、第２の投光部１１０Ｂから測定光を測定対象物Ｓに照射した場合、孔Ｓｈの深さによっては、孔Ｓｈの底部にまで測定光が到達せず、影Ｓｓが発生する。したがって、測定対象物Ｓの一部を観察することができない。
【００４１】
図４（ａ）は第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの両方からの測定光が照射された状態の測定対象物Ｓの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの両方から測定光を測定対象物Ｓに照射した場合、第１又は第２の投光部１１０Ａ又は１１０Ｂから測定光を測定対象物Ｓに照射した場合に比べて、孔Ｓｈの底部にまで到達しない測定光が減少するため、発生する影Ｓｓが減少する。したがって、観察することができる測定対象物Ｓの部分が増加する。
【００４２】
図４（ｃ）は図２の照明光出力部１３０からの照明光が照射された状態の測定対象物Ｓの平面図であり、図４（ｄ）は図４（ｃ）のＤ−Ｄ線断面図である。図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、照明光は測定対象物Ｓの略真上から照射されるので、孔Ｓｈの深さによらず、孔Ｓｈの底部にまで照明光が到達する。したがって、測定対象物Ｓの大部分を観察することができる。
【００４３】
第１の投光部１１０Ａから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像と、第２の投光部１１０Ｂから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像とが横並びに表示部４００に表示（２画面表示）されてもよい。
【００４４】
ＰＣ（パソコン）２００は受光部１２０（制御基板１５０）から送信されるカメラ画像データを受け取って処理を実行する。表示部４００は、形状測定装置５００を制御するためのモニタとして機能し、カメラ撮影画像や制御用プログラムのＧＵＩを表示し、使用者はマウス、キーボードなどの入力手段を使って操作することができる。
【００４５】
図５は、画像を２画面表示するＧＵＩ（Graphical User Interface）の一例を示す図である。図５に示すように、表示部４００には２つの画像表示領域４１０、４２０が並ぶように設けられる。画像を２画面表示する場合には、投光部１１０Ａ、１１０Ｂから測定対象物Ｓに測定光が切り替わるように交互に照射される。画像表示領域４１０には、第１の投光部１１０Ａから測定光が照射された場合における測定対象物Ｓの画像が表示される。画像表示領域４２０には、第２の投光部１１０Ｂから測定光が照射された場合における測定対象物Ｓの画像が表示される。これにより、使用者は第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々により測定光を照射された場合における測定対象物Ｓの画像を区別して認識することができる。
【００４６】
なお、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂからの測定光の切り替えの頻度は、使用者が夫々を少なくとも動画と感じられる程度の値（例えば数Ｈｚ以上）に設定される。したがって、使用者には、測定部１００において両方の投光部１１０Ａ、１１０Ｂから測定対象物Ｓに測定光が略同時に照射され、同時に動画が更新されるように観測される。すなわち、投光部１１０Ａ、１１０Ｂからの測定光を照射して得た夫々の画像は、そのいずれも動画（ライブ画像）のように使用者に認識される。
【００４７】
引き続き図５を参照して、表示部４００には２つの明るさ設定バー４３０、４４０が表示される。明るさ設定バー４３０は、水平方向に移動可能なスライダ４３０ｓを有する。明るさ設定バー４４０は、水平方向に移動可能なスライダ４４０ｓを有する。明るさ設定バー４３０上のスライダ４３０ｓの位置は、第１の投光部１１０Ａから出射される測定光の明るさまたは１１０Ａからの測定光で画像を撮影する際のカメラ露光時間に対応する。明るさ設定バー４４０上のスライダ４４０ｓの位置は、第２の投光部１１０Ｂから出射される測定光の明るさまたは１１０Ｂからの測定光で画像を撮影する際のカメラ露光時間に対応する。
【００４８】
使用者は、図１のＰＣ２００の操作部２５０（典型的にはマウス）を操作して明るさ設定バー４３０のスライダ４３０ｓを水平方向に移動させることにより、第１の投光部１１０Ａから出射される測定光の明るさ又はこの第１の投光部１１０Ａに対応するカメラ露光時間を変更することができ、その結果がリアルタイムに表示部４００の表示画像に反映される。同様に、使用者は、操作部２５０（典型的にはマウス）を操作して明るさ設定バー４４０のスライダ４４０ｓを水平方向に移動させることにより、第２の投光部１１０Ｂから出射される測定光の明るさまたは第２の投光部１１０Ｂに対応するカメラ露光時間を変更することができ、その結果がリアルタイムに表示部４００の表示画像に反映される。
【００４９】
上記のように、画像表示領域４１０、４２０には、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々により測定光を照射された場合における測定対象物Ｓの画像が並ぶように表示される。したがって、使用者は、画像表示領域４１０、４２０に表示された測定対象物Ｓの画像を見ながら、明るさ設定バー４３０、４４０のスライダ４３０ｓ、４４０ｓの位置をそれぞれ移動させることにより、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々から出射される測定光の明るさまたはそれぞれの投光部に対応したカメラ露光時間を適切に調整することができる。
【００５０】
また、投光部１１０Ａ、１１０Ｂから出射される測定光の適切な明るさと照明光出力部１３０から出射される照明光の適切な明るさ又は夫々の照明に対応したカメラ露光時間との間に相関がある場合がある。この場合、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々から出射される測定光の明るさまたはそれぞれの投光部に対応したカメラ露光時間は、照明光出力部１３０から出射される照明光の明るさまたは照明光に対応したカメラ露光時間に基づいて自動的に調整されてもよい。
【００５１】
あるいは、照明光出力部１３０から出射される照明光の明るさまたは照明光に対応したカメラ露光時間に基づいて、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々から出射される測定光の明るさ又はそれぞれの投光部に対応したカメラ露光時間を適切にするための調整ガイドが表示部４００に表示されてもよい。この場合、使用者は、調整ガイドに基づいて明るさ設定バー４３０、４４０のスライダ４３０ｓ、４４０ｓの位置をそれぞれ移動させることにより、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々から出射される測定光の明るさまたはそれぞれの投光部に対応したカメラ露光時間を適切に調整することができる。
【００５２】
光の照射方向が異なれば、光の反射方向も異なるため、結果として得られる画像の明るさは、同じ部位であっても光の照射方向によって異なる。すなわち、計測に適した照明の明るさ、撮像素子の露光時間は照射方向によって異なることになる。この実施例では、複数の投光部１１０Ａ、１１０Ｂから光を照射して撮像されたそれぞれの画像の明るさを個別に調整可能とすることにより、照射方向毎に適切な照明の明るさ又は露光時間を設定することができる。また、明るさ調整中の画像は、画像表示領域４１０、４２０に更新されながら表示されるため、調整後の画像を確認しながら明るさを調整できる。この際に、画像表示領域４１０、４２０に表示された画像の中で、明るすぎて白とびしている部分や、暗すぎて黒つぶれしている部分を識別可能に表示することで、ユーザにとって明るさが適切に調整できているか否かをよりわかりやすく表示することも可能である。
【００５３】
測定対象物の形状測定：
（１）三角測距方式による形状測定（図６）：
測定部１００においては、三角測距方式により測定対象物Ｓの立体形状が測定される。図６は、三角測距方式の原理を説明するための図である。図６に示すように、投光部１１０から出射される測定光の光軸と受光部１２０に入射する測定光の光軸（受光部１２０の光軸）との間の角度αが予め設定される。角度αは０度よりも大きく９０度よりも小さい。
【００５４】
ステージ１４０上に測定対象物Ｓが載置されない場合、投光部１１０から出射される測定光は、ステージ１４０の載置面の点Ｏにより反射され、受光部１２０に入射する。一方、ステージ１４０上に測定対象物Ｓが載置される場合、投光部１１０から出射される測定光は、測定対象物Ｓの表面の点Ａにより反射され、受光部１２０に入射する。
【００５５】
点Ｏと点Ａとの間のＸ方向における距離を「ｄ」で示すと、ステージ１４０の載置面に対する測定対象物Ｓの点Ａの高さｈは、ｈ＝ｄ÷ｔａｎ（α）により与えられる。図１のＰＣ２００のＣＰＵ２１０は、制御基板１５０により与えられる測定対象物Ｓの画素データに基づいて、Ｘ方向における点Ｏと点Ａとの間の距離ｄを測定する。また、ＣＰＵ２１０は、測定された距離ｄに基づいて、測定対象物Ｓの表面の点Ａの高さｈを算出する。測定対象物Ｓの表面の全ての点の高さを算出することにより、測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定できる。しかしながら、測定対象物Ｓの表面の全ての点を計測するには、測定対象物Ｓの視野範囲内全域に対して測定光（測定点）を例えばラスタースキャンするなどの処理が必要であり、その処理に多大な時間が必要となる。
【００５６】
このことから、ライン状の照射パターンを測定対象物Ｓの表面に当てて一方向にスキャンする光切断法、縞状の照射パターンを測定対象物Ｓの表面に当て一方向にスキャンする縞投影法が周知である。そして、このようにして獲得した三次元形状データに対して、均一照明を測定対象物Ｓに当てて得た対象物画像を表面テクスチャ情報としてマッピングすることで対象物Ｓの三次元形状を表示部４００にディスプレイすることができる。三次元形状データを獲得するために実施例に採用可能な照射パターンを以下に例示的に説明する。ここに、マッピングとは、その典型例を具体的に説明すれば、三次元形状測定データと二次元テクスチャ画像とを同一のカメラで取得し、二次元テクスチャ画像の各ピクセルのデータと、三次元形状測定によって得られた高さ画像の同一ピクセルのデータとを対応付けして三次元テクスチャ画像を生成することを意味する。
【００５７】
（２）測定光の第１の照射パターン（図７：ライン状投影法）：
図７は、測定光の第１のパターンを説明するための図である。図７（ａ）は、ステージ１４０上の測定対象物Ｓに投光部１１０から測定光を照射した状態を示す。図７（ｂ）は、測定光が照射された測定対象物Ｓの平面図を示す。図７（ａ）に示すように、第１のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有する測定光（以下、ライン状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から出射される。この場合、図７（ｂ）に示すように、ステージ１４０に照射されたライン状測定光の部分と測定対象物Ｓの表面に照射されたライン状測定光の部分とは、測定対象物Ｓの表面の高さｈに対応する距離ｄだけＸ方向に互いにずれる。したがって、距離ｄを測定することにより、測定対象物Ｓの高さｈを算出することができる。
【００５８】
測定対象物Ｓの表面のＹ方向に沿った複数の部分が異なる高さを有する場合には、各部分について上記の距離ｄを測定することにより、Ｙ方向に沿った複数の部分の高さｈを算出することができる。
【００５９】
また、図１のＣＰＵ２１０は、Ｘ方向の一の位置でＹ方向に沿った複数の部分について距離ｄを測定した後、Ｙ方向に平行なライン状測定光をＸ方向に走査することにより、Ｘ方向の他の位置でＹ方向に沿った複数の部分について距離ｄを測定する。これにより、Ｘ方向の複数の位置におけるＹ方向に沿った測定対象物Ｓの複数の部分の高さｈが算出される。受光部１２０の観察及び測定可能な視野よりも広い範囲でライン状測定光をＸ方向に走査することにより、測定対象物Ｓの表面の全ての点の高さｈを算出することができる。これにより、測定対象物Ｓの三次元形状データを獲得することができる。
【００６０】
（３）測定光の第２の照射パターン（図８：正弦波位相シフト法）：
図８は、測定光の第２のパターンを説明するための図である。図８に示すように、第２のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有しかつＸ方向に強度が正弦波状に変化するパターンを有する測定光（以下、正弦波状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本例においては４回）出射される。正弦波位相シフト法では、最低３回の撮影で高さｈを求めることができる。後に説明するように、９０度(π/2)ずつ位相をシフトして４回撮影すると、計算式が非常に簡単になるという利点がある。
【００６１】
図８（ａ）は、１回目に出射される正弦波状測定光を示す。１回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、初期位相φを有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の任意の部分ＰOにより反射された光の強度（輝度）をＩ1とする。
【００６２】
図８（ｂ）は、２回目に出射される正弦波状測定光を示す。２回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、位相（φ＋π／２）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の部分ＰOにより反射された光の強度（輝度）をＩ2とする。
【００６３】
図８（ｃ）は、３回目に出射される正弦波状測定光を示す。３回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、位相（φ＋π）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の部分ＰOにより反射された光の強度（輝度）をＩ3とする。
【００６４】
図８（ｄ）は、４回目に出射される正弦波状測定光を示す。４回目の正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、位相（φ＋３π／２）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の部分ＰOにより反射された光の強度（輝度）をＩ4とする。
【００６５】
初期位相φは、φ＝ｔａｎ−１［（Ｉ1−Ｉ3）／（Ｉ2−Ｉ4）］で与えられる。この４点法を使うことにより、元になる正弦波の振幅や輝度中心を知る必要がなく、計測したＩ1〜Ｉ4から初期位相φを求めることにより測定対象物Ｓの任意の部分の高さｈが算出される。より詳しく説明すると、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、対象物Ｓが存在していないときの初期位相φoと、対象物Ｓが存在することによってシフトした初期位相φsとの位相差（図６の距離ｄに相当）を求めることで高さｈが算出される。すなわち、この方式によれば、４回の光の強度の測定により、測定対象物Ｓの全ての部分の初期位相φを高速かつ容易に算出することができる。なお、初期位相φは、最低３回、位相の異なる測定光を照射し、受光される光の強度（輝度）を測定することにより算出することができる。そして、測定対象物Ｓの表面上の全ての部分の高さｈを算出することにより、測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定することができる。この正弦波位相シフト法によれば、撮影枚数が最低３枚であり少ない撮影回数で立体情報を入手できるため高速で三次元形状データを獲得できるという利点がある。
【００６６】
（４）測定光の第３の照射パターン（図９：マルチスリット法）：
図９は、測定光の第３のパターンを説明するための図である。図９に示すように、第３のパターンとして、Ｙ方向に平行でかつＸ方向に並ぶような直線状の断面を有する複数の細線状のパターン測定光（以下、縞状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本例においては１６回）出射される。すなわち、スリット幅よりも狭いピッチで照明パターンを移動させて複数回の撮影が行われる。実施例では、このマルチスリット法と後に説明する空間コード法との組み合わせが採用されている。
【００６７】
縞状測定光においては、Ｙ方向に平行な直線状の明部分およびＹ方向に平行な直線状の暗部分がＸ方向に周期的に配列される。ここで、パターン生成部１１２がＤＭＤである場合には、マイクロミラーの寸法を１単位とする。縞状測定光の各明部分のＸ方向の幅は、例えば３単位であり、縞状測定光の各暗部分のＸ方向の幅は、例えば１３単位である。この場合、縞状測定光のＸ方向の周期は１６単位である。なお、明部分および暗部分の単位は、図２のパターン生成部１１２の構成により異なる。例えば、パターン生成部１１２が液晶である場合には、１単位は１画素の寸法である。
【００６８】
１回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が、測定対象物Ｓの１番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。図９（ａ）は、１回目の縞状測定光に対応する測定対象物Ｓの１番目の撮影画像である。
【００６９】
２回目の縞状測定光は、１回目の縞状測定光から明部分および暗部分をＸ方向に１単位だけ移動させたパターンを有する。２回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が、受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの２番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。
【００７０】
３回目の縞状測定光は、２回目の縞状測定光から明部分および暗部分をＸ方向に１単位だけ移動させたパターンを有する。３回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が、測定対象物Ｓの３番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。
【００７１】
同様の動作が繰り返されることにより、４〜１６回目の縞状測定光に対応する光の強度が、測定対象物Ｓの４〜１６番目の撮影画像の画素データに基づいてそれぞれ測定される。Ｘ方向の周期が１６単位である縞状測定光が１６回出射されることにより、測定対象物Ｓの表面の全ての部分に縞状測定光が照射される。なお、図９（ｂ）は、７回目の縞状測定光に対応する測定対象物Ｓの７番目の撮影画像である。図９（ｃ）は、１３回目の縞状測定光に対応する測定対象物Ｓの１３番目の撮影画像である。
【００７２】
図１０は、測定対象物Ｓの特定の部分における、画像が撮影されたタイミング(何番目か)と受光された光の強度との関係を示す図である。図１０の横軸は撮影画像の番号を示し、縦軸は受光された光の強度を示す。上述のように、測定対象物Ｓについて、１〜１６番目の撮影画像が生成される。また、生成された１〜１６番目の撮影画像の各画素に対応する光の強度（輝度）が測定される。
【００７３】
図１０に示すように、撮影画像の番号に対応する画像内の各部分の光の強度（輝度）を図示することにより散布図が得られる。得られた散布図に例えばガウシアン曲線、スプライン曲線または放物線をフィッティングさせることにより、光の強度が最大になるときの撮影画像の番号(何番目か)を、１未満の精度で推定することができる。図１０の例においては、フィッティングされた点線で示す曲線により、９番目と１０番目との間である9.38番目の撮影画像(このような撮影画像は実際にはなく、あくまで計算推定上としてのみ存在する)において、光の強度が最大になることが推定される。
【００７４】
また、フィッティングされた曲線により、光の強度の最大値を推定することもできる。測定対象物Ｓの各部分において推定された光の強度が最大値を取る撮影画像の番号に基づいて、これにマイクロミラー１単位が対象物Ｓ上で何μmに相当するかという数値を掛け合わせることで図６の「ｄ」に相当する距離を求め、そして、この値ｄに基づいて、測定対象物Ｓの各部の高さｈを算出することができる(ｈ＝ｄ÷ｔａｎ（α）)。この方法によれば、Ｓ／Ｎ（信号／ノイズ）比が十分に大きい光の強度に基づいて測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定できるので測定対象物Ｓの形状測定の精度を向上させることができる。
【００７５】
なお、正弦波状測定光または縞状測定光の周期的な投影パターンを用いた測定対象物Ｓの形状測定においては、測定対象物Ｓの表面の各部分の相対的な高さ（高さの相対値）が測定される。これは、個々の周期的な縞が区別できず、縞1周期分(２π)の整数倍に相当する不確かさが存在するため、絶対位相が求まらないからである。そのため、測定対象物Ｓの一の部分の高さとその部分に隣接する部分の高さが連続的に変化しているという仮定に基づいて、測定された高さのデータに公知のアンラッピング処理が行われてもよい。
【００７６】
このマルチスリット法によれば、１６画素周期、３画素幅のスリット光、移動ピッチ１画素の場合、撮影枚数は１６枚となる。画素毎に最大輝度となる撮影タイミング（何枚目の画像か）を補間計算で求める際に、常に輝度の高いデータを利用するため、精度を安定的に高め易い。
【００７７】
（５）測定光の第４の照射パターン（図１１：空間コード法）：
図１１は、測定光の第４のパターンを説明するための図である。図１１に示すように、第４のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有しかつ明部分と暗部分とがＸ方向に並ぶ測定光（以下、コード状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本例においては４回）出射される。コード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
【００７８】
実施例では、測定対象物Ｓの表面がＸ方向において複数（図１１の例では１６）の領域に分割される。以下、複数に分割されたＸ方向における測定対象物Ｓの領域をそれぞれ第１〜第１６の領域と呼ぶ。
【００７９】
図１１（ａ）は、１回目に出射されるコード状測定光を示す。１回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１〜第８の領域に照射される明部分を有する。また、１回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第９〜第１６の領域に照射される暗部分を有する。これにより、１回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、１回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は夫々５０％である。
【００８０】
図１１（ｂ）は、２回目に出射されるコード状測定光を示す。２回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第５〜第１２の領域に照射される明部分を有する。また、２回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１〜第４および第１３〜第１６の領域に照射される暗部分を有する。これにより、２回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、２回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
【００８１】
図１１（ｃ）は、３回目に出射されるコード状測定光を示す。３回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１、第２、第７〜第１０、第１５および第１６の領域に照射される明部分を有する。また、３回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第３〜第６および第１１〜第１４の領域に照射される暗部分を有する。これにより、３回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、３回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
【００８２】
図１１（ｄ）は、４回目に出射されるコード状測定光を示す。４回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１、第４、第５、第８、第９、第１２、第１３および第１６の領域に照射される明部分を有する。また、４回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第２、第３、第６、第７、第１０、第１１、第１４および第１５の領域に照射される暗部分を有する。これにより、４回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、４回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
【００８３】
コード状測定光の明部分に論理“１”が割り当てられ、コード状測定光の暗部分が論理“０”が割り当てられる。また、測定対象物Ｓの各領域に照射される１回目〜４回目のコード状測定光の論理の並びを符号と呼ぶ。この場合、測定対象物Ｓの第１の領域には、符号“１０１１”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第１の領域は、符号“１０１１”に符号化される。
【００８４】
測定対象物Ｓの第２の領域には、符号“１０１０”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第２の領域は、符号“１０１０”に符号化される。測定対象物Ｓの第３の領域には、符号“１０００”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第３の領域は、符号“１０００”に符号化される。同様に、測定対象物Ｓの第１６の領域には、符号“００１１”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第１６の領域は、符号“００１１”に符号化される。
【００８５】
このように、測定対象物Ｓの隣り合う領域の間では、符号のいずれかの桁が“１”のみ異なるようにコード状測定光が測定対象物Ｓに複数回照射される。すなわち、コード状測定光は、明部分および暗部分がグレイコード状に変化するように、複数回測定対象物Ｓに照射される。
【００８６】
測定対象物Ｓの表面の各領域で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光によってコード状測定光画像が生成され（この例では４枚の画像）、これらの画像から各領域の符号を測定する。この符号と、領域毎に、測定対象物Ｓが存在しない場合の符号との差分を求めることで、図６の「ｄ」に相当する距離が求まる。この際、画像内のX軸方向には前述の符号は１回のみ出現するというコード化法の特徴から、「ｄ」の絶対的な値が求まる。ここから、測定対象物Ｓのその領域の絶対的な高さ（高さの絶対値）が算出される。測定対象物Ｓの表面上の全ての領域の高さを算出することにより、測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定することができる。
【００８７】
上記の説明においては、測定対象物Ｓの表面がＸ方向において１６の領域に分割され、コード状測定光が投光部１１０から４回出射されたが、これに限定されない。測定対象物Ｓの表面がＸ方向において２Ｎの領域（Ｎは自然数）に分割され、コード状測定光が投光部１１０からＮ回出射されてもよい。上記の説明においては、理解を容易にするためにＮは４に設定されている。本実施の形態における形状測定処理においては、Ｎは例えば８に設定される。したがって、測定対象物Ｓの表面はＸ方向において２５６の領域に分割される。
【００８８】
コード状測定光を用いた測定対象物Ｓの形状測定においては、縞をコードとして分離できる最小距離、すなわち１画素分に相当する距離が最小の分解能となる。したがって、受光部１２０のＸ方向における視野の画素数が１０２４画素である場合、高さが例えば１０mmの測定対象物Ｓを１０mm÷１０２４≒１０μmの分解能で計測することができる。実施例では、このコード状測定光を用いた形状測定(絶対値が求まるが分解能が不足する)と上述したマルチスリット法とを組み合わせたアルゴリズムを使って三次元形状データが生成される。変形例として、上述したコード法と正弦波位相シフト法とを組み合わせたアルゴリズムを使って三次元形状データを生成するようにしてもよい。相対値しか求まらないが分解能が高いマルチスリット法又は正弦波位相シフト法とコード法との組み合わせによって、測定対象物Ｓの距離ｄの絶対値をより高い分解能で算出することができる。
【００８９】
特に、図９の縞状測定光を用いた測定対象物Ｓの形状測定においては、分解能を１／１００画素にすることができる。なお、１／１００画素の分解能は、受光部１２０のＸ方向における視野の画素数が１０２４画素である場合、測定対象物Ｓの表面をＸ方向において約１０００００の領域に分割すること（すなわちＮ≒１７）に相当する。
【００９０】
このコード状測定光を用いた形状測定法によれば絶対位相を求めることができるという利点があるが、分解能は比較的低い。したがって、絶対位相を知ることのできる空間コード法と、相対位相しか求めることのできない正弦波位相シフト法やマルチスリット法とを組み合わせることで、高分解能で且つ絶対値を得ることのできる計測法となる。つまり、このコード状測定光を用いた形状測定と縞状測定光を用いた形状測定とを組み合わせることにより、測定対象物Ｓの高さの絶対値をさらに高い分解能で算出することができる。
【００９１】
上述したライン状の測定光を測定対象物上で走査する方法（第１照射パターン：図７）は一般に光切断法と呼ばれる。一方、正弦波状の測定光を照射する方法（第２照射パターン：図８）、縞状の測定光を照射する方法（第３照射パターン：図９）、あるいはコード状の測定光を照射する方法（第４照射パターン：図１１）は、パターン投影法に分類される。また、パターン投影法の中でも、正弦波状の測定光を照射する方法と縞状の測定光を照射する方法は位相シフト法に分類され、コード状の測定光を照射する方法は空間コード法に分類される。
【００９２】
正弦波位相シフト法（第２、第３の照射パターン：図８、図９）は、周期的な投影パターンである正弦波や複数のスリット光を照射した際に、測定対象物Ｓが存在しない場合の基準高さ位置から反射した受光量に基づいて計算された位相と、測定対象物が存在する場合の測定対象物Ｓの表面から反射した受光量に基づいて計算された位相の位相差から測定対象物Ｓの高さを求める。位相シフト法は、個々の周期的な縞が区別できず、縞1周期分(２π)の整数倍に相当する不確かさが存在するため、絶対位相が求まらないという欠点があるが、光切断法に比べ取得する画像の枚数が少ないため計測時間が比較的短く、また、計測分解能が高いという長所がある。一方、空間コード法（第４照射パターン：図１１）は、対象物の領域毎に、対象物Ｓが存在することによって変化した符号が得られ、この符号と対象物Ｓが存在しない場合の符号との差分を領域毎に求めることで対象物の絶対的な高さを求めることができる。空間コード法も比較的少ない画像枚数で計測が可能であり、絶対的な高さを求めることができるという長所があるが、正弦波位相シフト法に比べると計測分解能に限界がある。
【００９３】
これらの投影法は、各々短所、長所を有しているが、いずれも三角測量の原理を用いている点は共通である。実施例では、上述したように第３の照射パターン（図９：マルチスリット法）と空間コード法(図１１)とを組み合わせたアルゴリズムが採用されているが、マルチスリット法に代えて正弦波位相シフト法を採用して、この正弦波位相シフト法と空間コード法とを組み合わせたアルゴリズムを採用してもよい。
【００９４】
実施例の形状測定装置５００は、真下に光を照射するリング状のＲＧＢ照明光出力部１３０と、斜めに光を照射する投光部１１０とを使い分けて撮像する。対象物Ｓを観察するだけのときには、ＲＧＢ照明光出力部１３０と投光部１１０の照明を適宜選択する又は一緒に使って最適な照明状態で対象物Ｓを観察することができる。３Ｄテクスチャ画像を生成するときには、リング状のＲＧＢ照明光出力部１３０を使って撮影したカラー画像（二次元テクスチャ画像）を取得し、また、投光部１１０を使って計測した三次元立体データを取得する。そして二次元テクスチャ画像を三次元立体データにマッピングして生成した３Ｄテクスチャ画像を表示部４００に表示する。表示部４００に表示された３Ｄテクスチャ画像は、測定対象物Ｓを目視したときの立体輪郭を忠実に再現するものであり、このリアルな３Ｄテクスチャ画像データをＰＣ２００に組み込んだ任意のプログラムを使って任意の方向から観察したり、計測や解析を行うことができる。
【００９５】
換言すると、従来の光学顕微鏡では、測定対象物の綺麗な画像をモニタ表示できるもの二次元（２Ｄ）画像であるため立体感やリアル感に乏しい。これに対して、実施例の形状測定装置５００によれば、綺麗な三次元（３Ｄ）テクスチャ画像をモニタ表示するため、これを観察する使用者にリアルな感覚を提供することができる。したがって、実施例の形状測定装置５００は、そのリアルな３Ｄテクスチャ画像が瞬時に表示されるのを見た使用者に対して、リアルな３Ｄテクスチャ画像のモニタ表示が瞬時に行われることに対する驚きを与え且つＰＣ２００の表示部４００内に対象物Ｓがそのまま取り込まれたかのような驚きを与えることができる。
【００９６】
実施例では、投光部１１０及び受光部１２０にテレセントリック光学系を採用することで対象物Ｓの光学像を極めて低い歪みで結像させ、また、撮像素子１２１ａにモノクロの撮像素子を採用することで、高感度、高Ｓ／Ｎ比の高画質画像を取得することができる。そして、この画像から高精度な三次元形状データを生成できる。同様に、照明出力部１３０による照明画像（２Ｄテクスチャ画像）も共通の受光部１２０を経て高画質に取得することができる。そして、三次元形状データと２Ｄ（二次元テクスチャ画像）とを組み合わせることで高画質の３Ｄ（三次元）テクスチャ画像を生成できる。この高画質の３Ｄテクスチャ画像が前述したリアリティを備えていることは言うまでもない。
【００９７】
形状測定装置５００の動作及び操作（図１２〜図２３）：
図１２〜図２３を参照して形状測定装置５００の動作及び操作を説明するが、形状測定装置５００の動作は、複数の動作モードから使用者が選択したモードに従って実行される。動作モードを例示的に説明すると、形状測定装置１００は顕微鏡モード又は形状計測モードを使用者が選択できる。図１６は、これに対応したＧＵＩを示す。図１６に図示のＧＵＩの右上部分に見られる「マイクロスコープ」ボタンを押すことで顕微鏡モードを選択できる。「マイクロスコープ」ボタンの左隣りの「３Ｄスキャン」ボタンを押すことで形状計測モードを選択できる。
【００９８】
「顕微鏡モード」が選択されると、形状測定装置５００はマイクロスコープとして動作することになるが、その際に図１７のＧＵＩに表示部４００の表示が切り替わり、通常の顕微鏡（マイクロスコープ）と同様に明るさ調整、フォーカス調整、倍率切り替え、寸法計測などができる。他方、「形状計測モード」が選択されると、形状測定装置５００は対象物Ｓの三次元形状測定を行って三次元形状データを生成すると共に、二次元テクスチャ画像を取得し、この二次元テクスチャ画像と三次元形状データとを組み合わせて三次元テクスチャ画像を生成して、これを表示する。
【００９９】
形状測定装置１００は、また、簡単測定モードと応用測定モードとを有し、使用者は簡単測定モード又は応用測定モードを選択できる。前述した図１６に図示のＧＵＩの右上部分に横並びに「１shot-3D」ボタンと「エキスパート」ボタンが配置してあるが、「１shot-3D」ボタンを押すと簡単測定モード（高速計測モード）を選択でき、形状測定に関連するパラメータの調整を全く意識することがなく、測定を行うことができ、また、三次元テクスチャ画像が表示される（図１５）。
【０１００】
なお、「簡単測定モード」では、２Ｄテクスチャ画像の明るさの目標値を使用者が調整できるのが好ましい。ここに、明るさの目標値とは明るさをフィードバック制御により調整する際、２Ｄテクスチャ画像の明るさをどのような明るさに収束させるかを設定するための目標値をいう。２Ｄテクスチャ画像の明るさは、多くの場合使用者の好みに左右されることから「簡単測定モード」において各種のパラメータを自動調整するにしても、明るさの目標値は使用者が調整できるようにするのが好ましい。簡単測定モードにおいて使用者がその目標値を設定して、図１８のＧＵＩの右下の「測定」ボタンを押すと、適切な明るさのテクスチャ画像と、適切な明るさで取得された形状測定結果が表示され、リアルな３Ｄテクスチャ画像が取得される。
【０１０１】
他方、図１６にＧＵＩに見られる「エキスパート」ボタンを使用者が押すと、図１９に示すＧＵＩの測定条件設定画面に切り替わり、図１９に図示のＧＵＩを使って形状測定に関連するパラメータの調整及び設定に使用者が関与することができる（図１２〜図１４）。
【０１０２】
なお、簡単測定モード及び応用測定モードのいずれにあっても、その結果を表示部４００に表示することができる（図２０）。すなわち、図２０の結果確認画面から分かるように、３Ｄビューア上にリアルな３Ｄテクスチャ画像が表示される。使用者は、マウスをドラッグして対象物Ｓの立体形状を確認することができる。
【０１０３】
表示部４００（モニタ：図１）に表示される結果確認画面（図２０）の右上の「解析アプリへ」のボタンを押すと、解析アプリケーションが起動すると共に図２１に示すＧＵＩ（機能ガイド画面）に切り替わり、このデータ解析アプリケーションで選択可能な機能の一部が表示される。
【０１０４】
例えば、図２１のＧＵＩに表示されているプロファイルボタンを押すと、図２２の画面にプロファイル表示に切り替わり、また、この図２２のＧＵＩの右下のレポート作成ボタンを押すことで図２３に示すレポートを表示させることができる。
【０１０５】
図１２は形状測定装置５００の基本動作とこれを実行させるために必要とされる使用者の操作を説明するためのフローチャートである。図１２のフローチャートに従って形状測定装置５００の動作及び操作を具体的に説明すると、先ず、使用者はステージ１４０上に測定対象物Ｓを載置し、次のステップＳ２で形状計測モード又は顕微鏡モードを選択する。顕微鏡モードが選択されたときには、従来から知られている顕微鏡と同じに測定対象物Ｓを観察することができる。その際、照明光出力部１３０を使ったリング照明が用いられる。
【０１０６】
いま、使用者が形状計測モードを選択したとすると、次のステップＳ３に進んで使用者は簡単測定モード又は応用測定モードを選択する。応用測定モードを選択したときには図１２のステップＳ４に進む。他方、簡単測定モードを選択したときには後に図１５を参照して説明する簡単測定モードの動作が実行される。
【０１０７】
応用測定モード（図１２〜図１４）：
ステップＳ４において、使用者は、ステージ１４０上に載置した測定対象物Ｓを映し出す表示部（モニタ）４００を見ながらピント、視野位置、明るさ又はカメラ露光時間などを調節する。この観察に使用する照明として、投光部１１０から均一照明を使用しても良いが、一般的には照明光出力部１３０を使ったリング照明が用いられる。
【０１０８】
次のステップＳ５において、照明をリング照明１３０から投光部１１０に切り替えて、投光部１１０の明るさ又はカメラ露光時間を調整する。投光部１１０による照明は測定対象物Ｓに対して斜めから当たるため、その表面性状の凹凸など立体形状による影が発生する。また、測定対象物Ｓの表面状態によってはステージ１４０をチルトさせたほうが良好な見え方になる場合もある。また、必要に応じて測定対象物Ｓの位置や姿勢を再調整する。
【０１０９】
前述の投光部１１０での調整で対象物Ｓを動かした場合は、再び照明光出力部１３０を使ったリング照明での対象物Ｓの見え方の確認、リング照明の明るさ又はカメラ露光時間の再調整などを行う（ステップＳ６）。勿論、この作業が不要であれば省略できる。対象物Ｓの姿勢、位置、ピント、及び投光部１１０を使う計測用の照明条件が確定したら（ステップＳ７）、使用者は計測開始ボタンを押し下げる（ステップＳ８）ことで、この指令に基づいて、投光部１１０のパターン生成部１１２とカメラ１２１とを同調制御して複数のパターンを投影しながら対象物Ｓの画像をカメラ１２１で取得し、そして制御基板１５０で適切な処理を施した後に制御用ＰＣ２００に送信する。すなわち、形状測定装置５００は投光部１１０を使って複数の縞パターンでスキャンしながらカメラ１２１で複数の縞画像を取得する（ステップＳ９）。そして、制御基板１５０で適切な処理を施した後に制御用ＰＣ２００に送信する。
【０１１０】
次のステップＳ１０では、また、カメラ１２１の光軸と同軸に配置されたリング照明１３０または投光部１１０の全白による均一照明を使って対象物Ｓの表面状態の画像(テクスチャ画像)をカメラ１２１で取得し、これを制御用ＰＣ２００に転送する。
【０１１１】
制御用ＰＣ２００は、受け取った画像データを上述した計測アルゴリズムによって適切に画像処理及び解析して立体形状データを生成し（ステップＳ１１）、そして専用プログラムによって前述の立体形状データに二次元テクスチャ画像をマッピングして生成した３Ｄテクスチャ画像を表示部（モニタ）４００に表示する。
【０１１２】
図１２を参照して、応用測定モードを説明すると、使用者は、リング状の照明光出力部１３０から測定対象物Ｓに光を照射して表示部４００に表示される画像を見ながら、対象物Ｓの位置や姿勢、受光部１２０の焦点、照明の明るさ又はカメラ露光時間などの撮影に関する調整（第１調整）を行う（ステップＳ４）。この第１調整の詳細は図１３を参照して後に詳しく説明する。
【０１１３】
上記第１調整が完了したら、次に測定のための第２の調整を行う（ステップＳ５）。この第２の調整では、測定対象物Ｓに対して斜め上方から光を照射する投光部１１０が使用される。すなわち、第１の調整で使用したリング状の照明光出力部１３０から投光部１１０に切り替えて第２調整が行われる。この第２調整（ステップＳ５）では、投光部１１０から対象物Ｓに光を照射して表示部４００に表示される画像を見ながら、対象物Ｓの位置や姿勢、照明の明るさ又はカメラ露光時間などを調整する。この第２調整の詳細は図１４を参照して後に詳しく説明する。
【０１１４】
第２の調整が完了したら、念のため次のステップＳ６で、照明をリング状照明光出力部１３０に切り替えて画像の見え方に問題が発生していないかを確認し、そして、仮に問題があればステップＳ７からステップＳ４に戻って第１、第２の再調整を行う。そして、満足できる画像表示になったらステップＳ８に進んで、表示部４００のＧＵＩに用意された「計測開始ボタン」を押す。
【０１１５】
引き続き図１２を参照して、ＰＣ２００は計測開始ボタンの操作を受けて（ステップＳ８）、投光部１１０を使った計測を開始させる（ステップＳ９）。投光部１１０から前述した第３照明パターン及び第４照明パターンの照明に同期してカメラ１２１で撮像した測定対象物Ｓの計測用の画像を取得する。この計測用画像の取込みに際し、各種のモードを用意しておき、使用者が選択したモードに従って行うようにしてもよい。具体的に説明すると、例えば凹凸の高さが比較的小さい滑らかな表面性状の対象物Ｓの場合には、第１又は第２の投光部１１０Ａ又は１１０Ｂのいずれか一方だけの照明で計測するモード、反射率の高い表面性状と低い表面性状が混在した対象物Ｓの場合にシャッター速度を変えて複数回撮影した画像を合成するハレーション除去モードなどを用意してもよい。勿論、この計測工程を反復的に行うモードを用意してもよい。
【０１１６】
次のステップＳ１０において、照明を投光部１１０からリング状の照明光出力部１３０に切り替えて対象物Ｓの２Ｄテクスチャ画像を取得する。前述したように、リング状の照明光出力部１３０の照明に加えて投光部１１０からの照明を付加してもよい。
【０１１７】
次のステップＳ１１は、上述したステップＳ９で取得した計測用の画像データのセットを前述した計測アルゴリズムに従って処理することで各画素毎に高さを求めて立体形状データを生成する。すなわち、ＣＰＵ２１０は、取得した縞パターン画像のセットを所定の計測アルゴリズムで処理することにより、測定対象物Ｓの三次元形状データを生成し、この三次元形状データは、作業用メモリ２３０に記憶される。
【０１１８】
そして、次のステップＳ１２でこの三次元形状データに２Ｄ（二次元）テクスチャ画像をマッピングすることで３Ｄ（三次元）カラー画像が生成され、この３Ｄカラー画像は表示部（モニタ）４００の３Ｄビューア上に表示される（Ｓ１３）。
【０１１９】
使用者は、計測開始ボタンを押す操作（Ｓ８）を行っただけで、表示部（モニタ）４００の表示が、ほぼ瞬時と言って良いほどの僅かな時間で、ステップＳ４〜Ｓ７で見え方を調整したカラー観察画像からリアルなカラー３Ｄテクスチャ画像に変化することに驚きを覚えるであろう。
【０１２０】
使用者は、その後、必要に応じて、対象物Ｓの目的とする箇所のデータが正しく取得できたかを表示部４００の３Ｄテクスチャ画像によって確認してＮＯであれば、最初からやり直せばよい。使用者が目的とするデータが取得できているのであれば、ＰＣ２００に組み込んである任意のプログラム（例えば計測用ソフト）を使って、例えば測定対象物Ｓの断面、エッジの角度、表面荒さなどの各種の計測及び解析を実行することになる（Ｓ１５）。
【０１２１】
第１調整の詳細（図１３）：
図１３は、上述したステップＳ４（図１２：第１調整）の詳細を説明するためのフローチャートである。図１３を参照して、使用者は、先ず、リング状の照明光出力部１３０をＯＮして（Ｓ４０１）、表示部４００に映し出されている画像を見ながら照明光の明るさやカメラ１２１の露光時間を調整する（ステップＳ４０２）。次に、表示部４００にリアルタイムに表示される画像の明るさが適切になったら、ステップＳ４０３からステップＳ４０４に進んでＺステージ１４２を動作させて焦点合わせを行い、これが完了したら（Ｓ４０５）、ステップＳ４０６に進んで、測定対象物Ｓの位置及び姿勢を調整する。具体的には、Ｘ−Ｙステージ１４１、θステージ１４３、チルトステージを動作させることにより、この調整を行うことができる。
【０１２２】
そして、測定対象物Ｓの観察したい部分が視野内に収まっていることを表示部４００の画像で確認できたら、ステップＳ４０７からステップＳ４０８に進んで、必要であればカメラ１２１の倍率を変更し、倍率が適切であれば、ステップＳ４０９からステップＳ４１０に進んで表示部４００に表示するテクスチャ画像の種類を選択する。ここに、テクスチャ画像の種類として、通常画像、フルフォーカス画像、HDR画像などを例示的に挙げることができる。テクスチャ画像の種類の選択によって、その後のステップのフルフォーカスの実行やハイダイナミックレンジ（HDR）モードの実行を行うか否かが判断される。なお、ステップＳ４０８の視野サイズの調整はデジタルズームで行うようにしてもよい。そして、次のステップ４１１で、対象物Ｓと受光部１２０との光軸方向の相対距離を変化させながら複数の画像を取得し、フォーカスの合った部分のみを合成して二次元テクスチャ画像を生成するフルフォーカスを選択する。また、ステップＳ４１３で照明出力部１３０の明るさ又はカメラ露光時間を変えて複数回撮影した画像を合成し、ダイナミックレンジを拡大したテクスチャ画像を生成するハイダイナミックレンジ(HDR)モードを選択するなど、予め用意してあるテクスチャ取得モードを選択して、その設定を行う（Ｓ４１４）。ここに、ハイダイナミックレンジ(HDR)モードは、２Ｄテクスチャ画像を取得する際の２Ｄテクスチャ画像の見栄えを改善する目的で使用される。
【０１２３】
次にステップＳ４１５でテクスチャ画像を確認するか否かを選択し、ＮＯであれば前述した第２調整（図１２：Ｓ３）に進む。この調整結果の確認は、調整後の２Ｄテクスチャ画像を表示部４００に表示させてプレビューし（Ｓ４１６）、このプレビューしたテクスチャ画像に満足できるときには第２調整（図１２：Ｓ３）に進む。プレビュー表示のテクスチャ画像に満足できないときにはステップＳ４１１に戻って再設定を行う。使用者の調整の結果である前記二次元（２Ｄ）テクスチャ画像を使用者がプレビューできることから、２Ｄテクスチャ画像の見栄えの的確な調整が可能となる。
【０１２４】
第２調整の詳細（図１４）：
図１４は、上述したステップＳ５（図１２：第２調整）の詳細を説明するためのフローチャートである。図１４を参照して、一対の投光部１１０Ａ、１１０Ｂのうち任意の投光部、例えば第１の投光部１１０ＡをＯＮして（Ｓ５０１）、この第１投光部１１０Ａから出射される測定光の明るさを仮調整する（Ｓ５０２）。表示部（モニタ）４００にリアルタイムに表示される測定対象物Ｓの画像を見て、計測したい箇所に照明が上手く当たっているかを確認し（Ｓ５０３）、ＮＯであれば、測定対象物Ｓの位置および姿勢を調整する（ステップＳ５０４）。この測定対象物Ｓの位置および姿勢の調整は、θステージ１４３やチルトステージを動作させることにより行うことができる。この調整で対象物Ｓの計測したい箇所に照明が適切に当たったことを表示部４００のリアルタイムの表示画像で確認できたら（Ｓ５０５）、ステップＳ５０６に進んで、計測したい箇所の明るさが適切であるか否かを表示部４００にリアルタイムに表示される画像を見て確認し（Ｓ５０６）、必要であれば明るさの再調整を行い（Ｓ５０７）、適切な明るさになったことを表示部４００の表示画像で確認できたら（Ｓ５０８）、ステップＳ５０９に進んで、計測したい箇所のピント合わせが適当か否かを確認する。
【０１２５】
ピント合わせが必要であれば、ステップＳ５１０に進んでＺステージ１４２を動作させて焦点合わせを行い、このピント合わせが表示部４００のリアルタイムの表示画像で確認できたら（Ｓ５１１）、ステップＳ５１２に進んで計測箇所の明るさ、姿勢、ピント合わせの全てが適切か否かを表示部４００の表示画像で確認し、適切でないパラメータがあれば、これを再調整する（Ｓ５１３）。
【０１２６】
上記の第１の投光部１１０Ａの調整が完了したら、ステップＳ５１４に進んで、照明を第１の投光部１１０Ａから第２の投光部１１０Ｂに切り替えて、この第２投光部１１０Ｂから出射される測定光の明るさを調整し、この明るさが表示部４００のリアルタイムの表示画像から適切であると判断したら第２調整を終了して、次のステップＳ６（図１２）に進む。
【０１２７】
なお、応用測定モードでは、立体形状計測に係る詳細な測定モードを選択することができるようにしてもよい。測定モードとは例えば、通常の立体形状計測を行うスタンダードモード、カメラの露光時間を変えて撮像した複数の画像に基づいて画像のハレーションを除去して立体形状計測を行うハレーション除去モード、樹脂等の半透明体を測定するためのファインモードなどが考えられる。測定しようとする測定対象物の種別に応じた様々な測定モードを用意しておき、使用者は測定対象物に対応した測定モードを選択することができる。
【０１２８】
また、応用測定モードでは、使用者は測定光の照射方向を選択することもできる。本実施の形態のように投光部が左右２つである場合は、両側投光、右側投光、左側投光のいずれかから選択する。両側投光で測定を行う場合、片側投光に比べると影部分が少なくなる。しかし、右側投光と左側投光による測定は互いに独立して行われるため、両側投光は片側投光に比べて時間がかかる。したがって、片側投光で十分に測定したい箇所が測定できる場合、片側投光による測定モードを選択した方が使用者にとって好ましいい。
【０１２９】
また、応用測定モードでは、測定精度を使用者が任意に選択できるようにしてもよい。例えば、低精度測定モード、標準測定モード、高精度測定モードなど、使用者が段階的に精度を変更することができる測定モードを用意する。例えば低精度測定モードでは、空間コード法のみによる測定、標準測定モードでは、低いビット数の空間コード法と粗い縞投影パターンによる測定を組み合わせたもの、高精度測定モードでは高いビット数の空間コード法と細かい縞投影パターンによる測定を組み合わせたものとすることができる。使用者は、求める測定精度と測定にかかる時間に基づいて、これらの測定モードを選択する。
【０１３０】
上述したように、応用測定モードでは、詳細な立体形状測定に係る様々なパラメータが調整可能であり、また、立体形状にマッピングされるテクスチャ画像の明るさ調整やテクスチャ画像の種別も設定可能である。使用者は図１９の左側に示す各照射方向から撮像された画像の合成画像と、その右側に上下に並んで表示された片側投光による画像を確認しながら、立体形状計測の設定を行うことができる。このときの画像には、影になって測定ができない領域や、明るすぎて飽和している領域を測定不能領域としてハイライト表示するなど、その他の領域と区別して表示する。使用者は、測定不能領域の変化を確認しながら、照射方向や明るさ、測定モード等を調整して、所望の領域が確実に測定が可能となるように各パラメータを調整することができる。
【０１３１】
テクスチャ画像の設定を行う際は、表示される画像を照明光出力部１３０で照明した観察画像に切り替える。使用者はリアルタイムに変化するテクスチャ画像の様子を確認しながら、明るさや種別の設定ができる。  応用測定モードで表示される画像は、使用者によるパラメータ選択に伴って変化する。例えば、テクスチャ画像の明るさ設定を行う場合は、表示画像は照明光出力部１３０で照明した観察画像に切り替わる。また、照射方向で両側投光を選択すると図１９に示す３分割の画像表示になり、片側投光を選択すると、選択された照明方向で撮像された画像１枚が拡大表示される（図示せず）。いずれの画像も動画であることが好ましく、パラメータの調整は、表示画像にリアルタイムに反映される。
【０１３２】
簡単測定モード（高速計測モード：図１５）：
図１２のステップＳ２において、表示部４００に表示されている簡単測定モードボタンを押すと、図１５のステップ２１に進む。このステップＳ２１では、リング状の照明光出力部１３０で照明しながら、表示部４００に映し出されている画像を見ながら対象物Ｓの位置や姿勢、ピント合わせを行う。画像の明るさは、使用者が予め設定した目標値に従って自動調整される。このステップＳ２での調整が完了したら、使用者は表示部４００に表示されている計測開始ボタンを押すことで簡単測定モードを実行させることができる（Ｓ２２）。
【０１３３】
ＰＣ２００は計測開始ボタンの操作を受けて、左右の投光部１１０Ａ、１１０Ｂを個別的にＯＮして、表示部４００に映し出されている画像が最適な明るさとなるように、露光時間又は照明の明るさの自動調整が行われる（Ｓ２３）。次のステップＳ２４では、投光部１１０を使って複数の縞パターンでスキャンし、そしてこれに同期してカメラ１２１で複数の縞画像を取得する。
【０１３４】
また、次のステップＳ２５において、カメラ１２１の光軸と同軸に配置されたリング照明１３０または投光部１１０の全白による均一照明を使って対象物Ｓの表面状態の画像(２Ｄテクスチャ画像)をカメラ１２１で取得し、これを制御用ＰＣ２００に転送する。
【０１３５】
制御用ＰＣ２００は、受け取った画像データを上述した計測アルゴリズムによって適切に画像処理及び解析して立体形状データを生成する（ステップＳ２６）。
【０１３６】
制御用ＰＣ２００は、専用プログラムによって前述の立体形状データに二次元テクスチャ画像をマッピングして生成した３Ｄテクスチャ画像を表示部（モニタ）４００の３Ｄビューア上に表示する（ステップＳ２７、Ｓ２８）。
【０１３７】
使用者は、その後、必要に応じて、対象物Ｓの目的とする箇所のデータが正しく取得できたかを表示部４００の３Ｄテクスチャ画像によって確認してＮＯであれば、最初からやり直せばよい（ステップＳ２９、Ｓ２１）。使用者が目的とするデータが取得できているのであれば、ＰＣ２００に組み込んである任意のプログラム（例えば計測用ソフト）を使って、例えば測定対象物Ｓの断面、エッジの角度、表面荒さなどの各種の計測及び解析を実行することになる（Ｓ３０）。また、必要に応じてレポート表示を行うことになる。
【０１３８】
この簡単測定モードを形状測定装置５００が備えることにより、使用者は、計測開始ボタンを押すだけで、その直後に表示部４００に表示される３Ｄテクスチャ画像を確認することができる。そして、この３Ｄテクスチャ画像が満足できるものであれば、ＰＣ２００に搭載してある種々のアプリケーション（例えば解析アプリケーション）を使って、対象物Ｓの解析などを行い、また、そのレポートを出力させることができる。
【０１３９】
上述した実施例では、リング状の照明光出力部１３０を用いた例を挙げたが、照明光出力部１３０は必ずしも必須ではない。このリング状の照明光出力部１３０は撮影画像に陰を作らないための照明要素に過ぎないことから他の照明器具を採用してもよいし、前述した投光部１１０のように斜め上方から対象物Ｓを照明する器具を採用してもよい。また、受光部１２０の光軸と同軸に配置された同軸落射照明を採用してもよい。
【０１４０】
また、簡単測定モードと応用測定モードのそれぞれで設定可能なパラメータや自動調整されるパラメータは上記に限られない。例えば、簡単測定モードでは、明るさの他に焦点位置を自動調整しても良い。この場合、明るさだけでなく、焦点位置も自動調整されるため、ぼけの少ないテクスチャ画像を立体形状データにマッピングすることが可能になる。焦点位置の調整は、例えば画像のコントラスト等を使った周知のオートフォーカス技術が採用できる。
【０１４１】
また、簡単測定モードによる測定を実行する計測開始ボタンを、ＰＣ２００（表示部４００）の表示画面ではなく、測定部１００本体に設けても良い。この場合、測定部１００に別途装着又は接続された表示部に測定結果を表示すれば、ＰＣ２００を使わなくても、測定結果を簡易に確認することができる。
【０１４２】
実施例の形状測定装置５００は三角測距の原理を用いた三次元形状計測機能を顕微鏡に付加していると言える。この場合、使用者は従来の顕微鏡や形状測定装置と比較して多くのパラメータを調整する必要がある。すなわち、観察に適したテクスチャ画像を取得するためのパラメータを調整し、かつ形状計測に適したパラメータを調整する必要がある。これらのパラメータを調整することで、観察に適した立体形状、すなわちカラー３Ｄテクスチャ画像を取得することができるが、馴れていない者にとって、カラー３Ｄテクスチャ画像取得のためのパラメータの調整は煩わしい。
【０１４３】
この問題に対して、実施例の形状測定装置５００は簡単測定モードを用意している。簡単測定モードを動作させることで、使用者は、形状計測用のパラメータを意識することなく、従来の顕微鏡において撮像ボタンを押して二次元の画像をキャプチャするのと同じ操作感で、カラー３Ｄテクスチャ画像を取得することができる。勿論、簡単測定モードは、複数のパラメータを作業者が設定する作業を軽減するのが目的であることから、全てのパラメータの設定を自動化してもよいが、作業者に設定を委ねた方が結果的に時間短縮になる例えば照射方向などの形状計測用のパラメータを使用者の設定に委ねてもよい。
【０１４４】
実施例の形状測定装置５００によれば、従来の顕微鏡やデジタルマイクロスコープなどで必要とされる作業と同じ作業を使用者に求めるだけであり、使用者にとって特別な操作を必要無しに、ＧＵＩに表示の「計測開始ボタン」を押すだけで三次元形状データを獲得でき、また、「計測開始ボタン」を押してからほぼ瞬時に表示部４００にリアルなカラー３Ｄテクスチャ画像を表示させることができる。
【０１４５】
このことは、三次元計測に余り馴染みのない使用者にとって、三次元形状データを取得するためのハードルが極めて低くなったことを意味する。したがって使用者は簡単な操作で三次元形状データを取得できる、その気軽さの中で、この三次元形状データを使った様々な計測、解析にエネルギを集中することができる。
【０１４６】
以上、本発明の実施例を説明したが、表示部４００にリアルなカラー３Ｄテクスチャ画像を表示させるために必要な操作の全て又は殆どを自動化してもよい。例えば前述した簡単測定モード（高速測定モード）において明るさ調整を自動で行うように設計することで、使用者にとって非常に簡単な操作だけでカラー３Ｄテクスチャ画像を表示部４００に表示させることができる。ただし、使用者の簡易さだけを追求しても、そのことが直ちに計測時間の短縮に結びつかない場合、例えば計測のための第２の調整（図１４）のように使用者に操作を委ねる方が適切な操作は使用者の操作に委ね、その結果を表示部４００にリアルタイムに表示される静止画像で確認しながら調整することで結局は測定時間を短縮できる。
【０１４７】
実施例の形状測定装置５００は、カメラ１２１の光軸と同軸に配置されたリング照明１３０を使った観察（デジタルマイクロスコープとして利用）や二次元計測にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
本発明は表面形状測定装置、顕微鏡、デジタルマイクロスコープなどの対象物の外形及び表面形状を非接触で計測する形状測定装置に好適に適用できる。
【符号の説明】
【０１４９】
１００  測定部
１１０  投光部
１２０  受光部
１２１  カメラ
１３０  リング状の照明光出力部
１４０  ステージ
２００  パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
４００  表示部（モニタ）
５００  形状測定装置
Ｓ    測定対象物
【図１】
2014055810.tif 000003
【図２】
2014055810.tif 000004
【図３】
2014055810.tif 000005
【図４】
2014055810.tif 000006
【図５】
2014055810.tif 000007
【図６】
2014055810.tif 000008
【図７】
2014055810.tif 000009
【図８】
2014055810.tif 000010
【図９】
2014055810.tif 000011
【図１０】
2014055810.tif 000012
【図１１】
2014055810.tif 000013
【図１２】
2014055810.tif 000014
【図１３】
2014055810.tif 000015
【図１４】
2014055810.tif 000016
【図１５】
2014055810.tif 000017
【図１６】
2014055810.tif 000018
【図１７】
2014055810.tif 000019
【図１８】
2014055810.tif 000020
【図１９】
2014055810.tif 000021
【図２０】
2014055810.tif 000022
【図２１】
2014055810.tif 000023
【図２２】
2014055810.tif 000024
【図２３】
2014055810.tif 000025