(57)【要約】      （修正有）【課題】測定対象物の形状を短時間かつ高い精度で測定することが可能になるとともに低コスト化が実現可能な形状測定装置を提供する。【解決手段】投光部１１０Ａは、パターン生成部１１２および両側テレセントリック光学系ＴＴを含む。パターン生成部１１２は、形状測定用のパターンを有する測定光束を生成する。両側テレセントリック光学系ＴＴは、生成された測定光束をステージ１４０の斜め上方からステージ１４０の上面に導く。受光部は、ステージ１４０に載置された測定対象物からステージ１４０の上方に向かう反射光束を受光し、受光量を示す受光信号を出力する。ステージ１４０、パターン生成部１１２、および投光部１１０Ａの両側テレセントリック光学系ＴＴは、パターン生成部１１２の出射面とステージ１４０の上面とが両側テレセントリック光学系ＴＴの主平面に関してシャインプルーフの原理に従うように配置される。【選択図】図９
2014106094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に測定光束を照射するとともに測定対象物からの反射光束に基づいて三角測距方式により測定対象物の立体形状を測定する形状測定装置であって、
測定対象物が載置される上面を有するステージと、
前記ステージの上面に向かって斜め上方から測定光束を投光する第１の投光装置と、
前記ステージに載置された測定対象物から前記ステージの上方に反射される光束を受光し、受光量を示す受光信号を出力するように構成される受光装置とを備え、
前記第１の投光装置は、
光を発生する第１の光源と、
前記第１の光源により発生された光から形状測定用のパターンを有する光を測定光束として生成して出射する第１のパターン生成部と、
前記第１のパターン生成部により出射された測定光束を前記ステージの上面に導く第１の両側テレセントリック光学系とを含み、
前記ステージ、前記第１のパターン生成部および前記第１の両側テレセントリック光学系は、前記第１のパターン生成部の出射面と前記ステージの上面とが前記第１の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うように配置される、形状測定装置。
【請求項２】
前記第１の投光装置から前記ステージの上面に向かう前記第１の投光装置の光軸と前記ステージの上面から前記受光装置に向かう前記受光装置の光軸とを含む第１の面内において、前記ステージの上面上での測定光束の照射領域の長さは前記受光装置が受光可能な反射光束の幅よりも大きい、請求項１記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記第１の投光装置から前記ステージの上面に向かう前記第１の投光装置の光軸と前記ステージの上面に直交する軸とがなす角度をαで表し、前記第１の面内において前記第１の投光装置から前記ステージの上面に導かれる測定光束の幅をｗｐで表し、前記第１の面内において前記受光装置が受光可能な反射光束の幅をｗｉで表し、前記受光装置の光軸方向における測定可能な範囲の大きさを２・ｖで表す場合に、
ｗｐ≧ ｗｉ・ｃｏｓα＋２・ｖ・ｓｉｎα
の関係が満たされる、請求項２記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記受光装置は、
第１の受光素子と、
前記ステージに載置された測定対象物からの反射光束を前記第１の受光素子に導く第１の受光光学系とを含み、
前記第１の受光光学系は、物体側テレセントリック光学系または両側テレセントリック光学系である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記第１の投光装置の前記第１の両側テレセントリック光学系の前記ステージ上の焦点深度の範囲は、前記受光装置の前記第１の受光光学系の被写界深度の範囲よりも大きい、請求項４記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記受光装置は、
第２の受光素子と、
前記ステージに載置された測定対象物からの反射光束を前記第２の受光素子に導く第２の受光光学系とを含み、
記第２の受光光学系は、物体側テレセントリック光学系または両側テレセントリック光学系であり、
前記第１の受光光学系の倍率と前記第２の受光光学系の倍率とが互いに異なる、請求項４または５記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記ステージの上面に向かって斜め上方から測定光束を投光する第２の投光装置をさらに備え、
前記第２の投光装置は、
光を発生する第２の光源と、
前記第２の光源により発生された光から形状測定用のパターンを有する光を測定光束として生成して出射する第２のパターン生成部と、
前記第２のパターン生成部により出射された測定光束を前記ステージの上面に導く第２の両側テレセントリック光学系とを含み、
前記ステージ、前記第２のパターン生成部および前記第２の両側テレセントリック光学系は、前記第２のパターン生成部の出射面と前記ステージの上面とが前記第２の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うように配置される、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】
前記第２の投光装置から前記ステージの上面に向かう前記第２の投光装置の光軸と前記ステージの上面から前記受光装置に向かう前記受光装置の光軸とを含む第２の面内において、前記ステージの上面上での測定光束の照射領域の長さは前記受光装置が受光可能な反射光束の幅よりも大きい、請求項７記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記第２の投光装置から前記ステージの上面に向かう前記第２の投光装置の光軸と前記ステージの上面に直交する軸とがなす角度をαで表し、前記第２の面内において前記第２の投光装置から前記ステージの上面に導かれる測定光束の幅をｗｐで表し、前記第２の面内において前記受光装置が受光可能な反射光束の幅をｗｉで表し、前記受光装置の光軸方向における測定可能な範囲の大きさを２・ｖで表す場合に、
ｗｐ≧ ｗｉ・ｃｏｓα＋２・ｖ・ｓｉｎα
の関係が満たされる、請求項８記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記第１の投光装置および前記第２の投光装置は、前記ステージの上面上で前記第１の投光装置からの測定光束の照射領域の少なくとも一部と前記第２の投光装置からの測定光束の照射領域の少なくとも一部とが重なるように、前記ステージの上面から前記受光装置に向かう前記受光装置の光軸を含む面の一方側および他方側に配置される、請求項７〜９のいずれか一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、形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三角測距方式の形状測定装置では、ステージの上面に測定対象物が載置された状態で、測定対象物の表面に光が照射され、その反射光が１次元または２次元に配列された画素を有する受光素子により受光される。受光素子により得られる受光量分布のピーク位置に基づいて、測定対象物の表面の高さを計測することができる。これにより、測定対象物の形状を測定することができる。
【０００３】
非特許文献１においては、符号化された光と位相シフト法とを組み合わせた三角測距方式の形状測定が提案されている。また、非特許文献２においては、符号化された光とストライプ状の光とを組み合わせた三角測距方式の形状測定が提案されている。これらの方式においては、測定対象物の形状測定の精度を向上させることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Toni F. Schenk, "Remote Sensing and Reconstruction for Three-Dimensional Objects and Scenes", Proceedings of SPIE, Volume 2572, pp. 1-9 (1995)
【非特許文献２】Sabry F. El-Hakim and Armin Gruen, "Videometrics and Optical Methods for 3D Shape Measurement", Proceedings of SPIE, Volume 4309, pp. 219-231 (2001)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
測定対象物に照射される光（以下、測定光束と呼ぶ。）は、所定のパターンを有し、光源で発生される光をＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）で反射することにより生成することができる。ＤＭＤは２次元に配列された複数の画素をそれぞれ構成する複数のマイクロミラーを備える。ＤＭＤの複数の画素がそれぞれ制御されることにより、測定光束のパターンが調整される。
【０００６】
例えば、ステージの上面に向かって斜め上方から矩形の断面を有する測定光束が照射される。このとき、ステージの上面上における測定光束の照射領域が矩形ではなく台形を有する場合がある。このように、ステージの上面上における測定光束の照射領域がＤＭＤにより生成される測定光束の断面形状に対して全く異なる形状を有する場合には、測定対象物の形状を正確に測定することができない。
【０００７】
そこで、受光素子が測定対象物からの反射光を受けることにより得られる受光データを補正することにより三角測距方式の形状測定を行うことが考えられる。しかしながら、この補正時には、ＤＭＤの複数の画素からそれぞれ出射される光線が受光素子の受光面のいずれの位置に入射するかをそれぞれ算出する必要がある。ＤＭＤにおける光線の出射位置とその光線の受光素子における受光位置との関係がＤＭＤの画素ごとに異なると、互いに異なる多数の演算処理を行う必要が生じる。そのため、複雑な演算処理に時間を要し、測定時間が長くなる。演算処理を短時間化するためには、高い性能を有する高価な処理装置が必要になる。この場合、形状測定装置のコストが増加する。
【０００８】
本発明の目的は、測定対象物の形状を短時間かつ高い精度で測定することが可能になるとともに低コスト化が実現可能な形状測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明に係る形状測定装置は、測定対象物に測定光束を照射するとともに測定対象物からの反射光束に基づいて三角測距方式により測定対象物の立体形状を測定する形状測定装置であって、測定対象物が載置される上面を有するステージと、ステージの上面に向かって斜め上方から測定光束を投光する第１の投光装置と、ステージに載置された測定対象物からステージの上方に反射される光束を受光し、受光量を示す受光信号を出力するように構成される受光装置とを備え、第１の投光装置は、光を発生する第１の光源と、第１の光源により発生された光から形状測定用のパターンを有する光を測定光束として生成して出射する第１のパターン生成部と、第１のパターン生成部により出射された測定光束をステージの上面に導く第１の両側テレセントリック光学系とを含み、ステージ、第１のパターン生成部および第１の両側テレセントリック光学系は、第１のパターン生成部の出射面とステージの上面とが第１の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うように配置されるものである。
【００１０】
その形状測定装置においては、第１の光源により光が発生され、第１のパターン生成部により形状測定用のパターンを有する光が測定光束として生成される。生成された測定光束が、第１のパターン生成部の出射面から出射される。出射された測定光束は、第１の両側テレセントリック光学系を通してステージの斜め上方からステージの上面に向かって照射される。それにより、ステージの上面に載置された測定対象物に測定光束が照射される。
【００１１】
ステージに載置された測定対象物からステージの上方に向かう反射光束が受光装置により受光される。それにより、受光装置から受光量を示す受光信号が出力される。出力される受光信号に基づいて、三角測距方式により測定対象物の立体形状が測定される。
【００１２】
第１のパターン生成部の出射面とステージの上面とが第１の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うので、ステージの上面上に、第１のパターン生成部の出射面全体の焦点を合わせることができる。
【００１３】
また、第１のパターン生成部の出射面から第１の両側テレセントリック光学系に出射される測定光束（以下、出射光束と呼ぶ。）および第１の両側テレセントリック光学系からステージの上面に照射される測定光束（以下、照射光束と呼ぶ。）はそれぞれ平行光束である。したがって、出射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向の任意の位置で一定であり、第１のパターン生成部の出射面上での測定光束の断面の大きさおよび形状と等しい。また、照射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向の任意の位置で一定である。照射光束の断面の形状は、出射光束の断面の形状と相似である。照射光束の断面の大きさおよび形状が任意の位置で一定であるため、ステージ上の測定対象物の高さが異なる場合でも、測定対象物上での照射光束の照射領域の大きさおよび形状が等しくなる。その結果、異なる高さの複数の部分を有する測定対象物を測定する場合に、複数の部分のそれぞれの測定結果の精度にばらつきが生じることが抑制される。
【００１４】
照射光束は、主光線が光軸に平行な光線束である。そのため、照射光束が広がり角を有する場合には、照射光束の断面は光の進行方向に進むにつれて大きくなる。このような場合でも、照射光束の広がり角が所定範囲内にある場合には、照射光束の断面は進行方向においてほぼ一定となる。したがって、照射光束を平行光束とみなすことができる。
【００１５】
ここで、第１の投光装置の照射光束の中心軸を含みかつステージの上面に垂直な面とステージの上面との交線に平行な方向を第１の方向と呼び、第１の方向に直交しかつステージの上面に平行な方向を第２の方向と呼ぶ。照射光束は、ステージの上面に斜め上方から照射されるので、ステージの上面での照射光束の照射領域は、照射光束の断面に対して第１の方向において拡大され、第２の方向においては拡大されない。
【００１６】
この場合、照射領域は、第２の方向の任意の位置において照射光束の断面に対して第１の方向に同じ比率で拡大される。ステージの上面から第１の受光装置へ向かう反射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向における任意の位置で一定である。
【００１７】
このように、受光装置に向かう反射光束の断面は、出射光束の断面に対して第２の方向の任意の位置で第１の方向に一定の比率で拡大され、第１の方向の任意の位置で第２の方向に一定の比率で拡大されている。したがって、第１のパターン生成部の出射面の任意の位置から出射される光線が受光装置の受光面のいずれの位置に入射するかを容易に算出することができる。それにより、受光装置の受光面のいずれの位置についても同一の演算式を用いることが可能になる。その結果、三角測距方式の形状測定のための演算処理が単純化されるとともに、測定時間を短縮することができる。また、高い性能を有する高価な処理装置を用いる必要がなくなるので、形状測定装置の低コスト化が実現される。
【００１８】
（２）第１の投光装置からステージの上面に向かう第１の投光装置の光軸とステージの上面から受光装置に向かう受光装置の光軸とを含む第１の面内において、ステージの上面上での測定光束の照射領域の長さは受光装置が受光可能な反射光束の幅よりも大きくてもよい。
【００１９】
ステージの上面に斜め上方から照射光束が照射されるので、受光装置が受光可能な反射光束の断面の領域（以下、受光可能領域と呼ぶ。）とステージの上面での照射光束の照射領域とが等しい場合、第１の投光装置から遠い測定対象物の部分に照射光束が照射されないことがある。その場合、測定光束が照射されない測定対象物の部分は、測定不可能な部分となる。
【００２０】
上記の構成によれば、第１の面内において、受光装置が受光可能な反射光束の幅よりもステージの上面上での測定光束の照射領域の長さが大きいので、第１の投光装置を用いた形状測定時に、ステージの上面上での測定光束の照射領域が受光可能領域と一致している場合に比べて測定対象物における測定不可能な部分の発生を低減することが可能になる。
【００２１】
（３）第１の投光装置からステージの上面に向かう第１の投光装置の光軸とステージの上面に直交する軸とがなす角度をαで表し、第１の面内において第１の投光装置からステージの上面に導かれる測定光束の幅をｗｐで表し、第１の面内において受光装置が受光可能な反射光束の幅をｗｉで表し、受光装置の光軸方向における測定可能な範囲の大きさを２・ｖで表す場合に、ｗｐ≧ ｗｉ・ｃｏｓα＋２・ｖ・ｓｉｎαの関係が満たされてもよい。
【００２２】
この場合、測定対象物を受光可能領域上に載置することにより、受光装置の光軸方向における測定可能な範囲内で、測定対象物の全体に渡って第１の投光装置からの照射光束を照射することができる。したがって、測定不可能な部分の発生をさらに低減することが可能になる。
【００２３】
（４）受光装置は、第１の受光素子と、ステージに載置された測定対象物からの反射光束を第１の受光素子に導く第１の受光光学系とを含み、第１の受光光学系は、物体側テレセントリック光学系または両側テレセントリック光学系であってもよい。
【００２４】
この場合、物体側テレセントリック光学系または両側テレセントリック光学系に向かう反射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向の任意の位置で一定である。そのため、ステージ上の測定対象物の高さが異なる場合でも、測定対象物上での反射領域の大きさおよび形状が等しくなる。その結果、異なる高さの複数の部分を有する測定対象物を測定する場合に、複数の部分のそれぞれの測定結果の精度にばらつきが生じることが抑制される。
【００２５】
（５）第１の投光装置の第１の両側テレセントリック光学系のステージ上の焦点深度の範囲は、受光装置の第１の受光光学系の被写界深度の範囲よりも大きくてもよい。
【００２６】
この場合、第１の両側テレセントリック光学系の光軸方向において一定以上の精度で測定光束を照射可能な範囲が、第１の受光光学系の光軸方向において一定以上の精度で反射光束を受光可能な範囲よりも大きくなる。それにより、三角測距方式の形状測定時に一定以上の精度で測定可能な測定対象物の高さを、受光装置の光軸方向における測定可能な範囲に基づいて定めることができる。
【００２７】
（６）受光装置は、第２の受光素子と、ステージに載置された測定対象物からの反射光束を第２の受光素子に導く第２の受光光学系とを含み、記第２の受光光学系は、物体側テレセントリック光学系または両側テレセントリック光学系であり、第１の受光光学系の倍率と第２の受光光学系の倍率とが互いに異なってもよい。それにより、互いに異なる複数種類の倍率で測定対象物を観察することが可能になる。
【００２８】
（７）ステージの上面に向かって斜め上方から測定光束を投光する第２の投光装置をさらに備え、第２の投光装置は、光を発生する第２の光源と、第２の光源により発生された光から形状測定用のパターンを有する光を測定光束として生成して出射する第２のパターン生成部と、第２のパターン生成部により出射された測定光束をステージの上面に導く第２の両側テレセントリック光学系とを含み、ステージ、第２のパターン生成部および第２の両側テレセントリック光学系は、第２のパターン生成部の出射面とステージの上面とが第２の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うように配置されてもよい。
【００２９】
この場合、第２の投光装置においては、第２の光源により光が発生され、第２のパターン生成部により形状測定用のパターンを有する光が測定光束として生成される。生成された測定光束が、第２のパターン生成部の出射面から出射される。出射された測定光束は、第２の両側テレセントリック光学系を通してステージの斜め上方からステージの上面に向かって照射される。それにより、ステージの上面に載置された測定対象物に測定光束が照射される。
【００３０】
ステージに載置された測定対象物からステージの上方に向かう反射光束が受光装置により受光される。それにより、受光装置から受光量を示す受光信号が出力される。出力される受光信号に基づいて、三角測距方式により測定対象物の立体形状が測定される。
【００３１】
第２のパターン生成部の出射面とステージの上面とが第２の両側テレセントリック光学系の主平面に関してシャインプルーフの原理に従うので、ステージの上面上に、第２のパターン生成部の出射面全体の焦点を合わせることができる。
【００３２】
また、第２のパターン生成部の出射面から第２の両側テレセントリック光学系に出射される出射光束および第２の両側テレセントリック光学系からステージの上面に照射される照射光束はそれぞれ平行光束である。したがって、出射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向の任意の位置で一定であり、第２のパターン生成部の出射面上での測定光束の断面の大きさおよび形状と等しい。また、照射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向の任意の位置で一定である。照射光束の断面の形状は、出射光束の断面の形状と相似である。照射光束の断面の大きさおよび形状が任意の位置で一定であるため、ステージ上の測定対象物の高さが異なる場合でも、測定対象物上での照射光束の照射領域の大きさおよび形状が等しくなる。その結果、異なる高さの複数の部分を有する測定対象物を測定する場合に、複数の部分のそれぞれの測定結果の精度にばらつきが生じることが抑制される。
【００３３】
ここで、第２の投光装置の照射光束の中心軸を含みかつステージの上面に垂直な面とステージの上面との交線に平行な方向を第３の方向と呼び、第３の方向に直交しかつステージの上面に平行な方向を第４の方向と呼ぶ。第２の投光装置においても、照射光束がステージの上面に斜め上方から照射されるので、ステージの上面での照射光束の照射領域は、照射光束の断面に対して第３の方向において拡大され、第４の方向においては拡大されない。
【００３４】
この場合、照射領域は、第４の方向の任意の位置において照射光束の断面に対して第３の方向に同じ比率で拡大される。ステージの上面から受光装置へ向かう反射光束の断面の大きさおよび形状は、その進行方向における任意の位置で一定である。
【００３５】
このように、受光装置に向かう反射光束の断面は、出射光束の断面に対して第４の方向の任意の位置で第３の方向に一定の比率で拡大され、第３の方向の任意の位置で第４の方向に一定の比率で拡大されている。したがって、第２のパターン生成部の出射面の任意の位置から出射される光線が受光装置の受光面のいずれの位置に入射するかを容易に算出することができる。それにより、例えば受光装置の受光面のいずれの位置についても同一の演算式を用いることが可能になる。その結果、三角測距方式の形状測定のための演算処理が単純化されるとともに、測定時間を短縮することができる。また、高い性能を有する高価な処理装置を用いる必要がなくなるので、形状測定装置の低コスト化が実現される。
【００３６】
上記のように、第１の投光装置から投光される測定光束と第２の測定装置から投光される測定光束とに基づいて高い精度で三角測距方式の形状測定を行うことができる。
【００３７】
（８）第２の投光装置からステージの上面に向かう第２の投光装置の光軸とステージの上面から受光装置に向かう受光装置の光軸とを含む第２の面内において、ステージの上面上での測定光束の照射領域の長さは受光装置が受光可能な反射光束の幅よりも大きくてもよい。
【００３８】
上記の構成によれば、第２の面内において、受光装置が受光可能な反射光束の幅よりもステージの上面上での測定光束の照射領域の長さが大きいので、第２の投光装置を用いた形状測定時に、ステージの上面上での測定光束の照射領域が受光可能領域と一致している場合に比べて測定対象物における測定不可能な部分の発生を低減することが可能になる。
【００３９】
（９）第２の投光装置からステージの上面に向かう第２の投光装置の光軸とステージの上面に直交する軸とがなす角度をαで表し、第２の面内において第２の投光装置からステージの上面に導かれる測定光束の幅をｗｐで表し、第２の面内において受光装置が受光可能な反射光束の幅をｗｉで表し、受光装置の光軸方向における測定可能な範囲の大きさを２・ｖで表す場合に、ｗｐ≧ ｗｉ・ｃｏｓα＋２・ｖ・ｓｉｎαの関係が満たされてもよい。
【００４０】
この場合、測定対象物を受光可能領域上に載置することにより、受光装置の光軸方向における測定可能な範囲内で、測定対象物の全体に渡って第２の投光装置からの照射光束を照射することができる。したがって、測定不可能な部分の発生をさらに低減することが可能になる。
【００４１】
（１０）第１の投光装置および第２の投光装置は、ステージの上面上で第１の投光装置からの測定光束の照射領域の少なくとも一部と第２の投光装置からの測定光束の照射領域の少なくとも一部とが重なるように、ステージの上面から受光装置に向かう受光装置の光軸を含む面の一方側および他方側に配置されてもよい。
【００４２】
この場合、ステージの上面に載置される測定対象物に対して互いに異なる複数の方向から測定光束を投光することができる。それにより、第１の投光装置から投光される測定光束により測定不可能な部分がある場合に、その測定不可能な部分の形状を第２の投光装置から投光される測定光束を用いて測定することができる。同様に、第２の投光装置から投光される測定光束により測定不可能な部分がある場合に、その測定不可能な部分の形状を第１の投光装置から投光される測定光束を用いて測定することができる。これらの結果、測定不可能な部分をさらに低減することができる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、測定対象物の形状を短時間かつ高い精度で測定することが可能になるとともに、形状測定装置の低コスト化が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施の形態に係る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】図１の形状測定装置の測定部の外観斜視図である。
【図４】三角測距方式の原理を説明するための図である。
【図５】動作モード選択時における表示部のＧＵＩの一例を示す図である。
【図６】動作モード選択時における表示部のＧＵＩの一例を示す図である。
【図７】形状測定処理実行後における表示部のＧＵＩの一例を示す図である。
【図８】図３の投光部の両側テレセントリック光学系の機能を説明するための図である。
【図９】ステージに対するパターン生成部および両側テレセントリック光学系の位置関係を示す図である。
【図１０】（ａ）は図９のパターン出射面を示す図であり、（ｂ）は図９のステージの載置面上の照射領域を示す図である。
【図１１】図９のパターン出射面を構成する複数の画素の位置と複数の画素にそれぞれ対応する照射領域の複数の部分の位置との関係を説明するための図である。
【図１２】参考例に係る測定部を説明するための図である。
【図１３】図１２のステージの載置面上の照射領域を示す図である。
【図１４】図１２のパターン出射面を構成する複数の画素の位置と複数の画素にそれぞれ対応する照射領域の複数の部分の位置との関係を説明するための図である。
【図１５】光軸通過面における照射領域と受光可能領域とのより好ましい関係を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
［１］形状測定装置の構成
図１は、本発明の一実施の形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。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３は、図１の形状測定装置５００の測定部の外観斜視図である。以下、本実施の形態に係る形状測定装置５００について、図１、図２および図３を参照しながら説明する。
【００４６】
図１に示すように、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４００を備える。測定部１００は、例えば顕微鏡であり、複数の投光部１１０Ａ，１１０Ｂ、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。図２に示すように、各投光部１１０Ａ，１１０Ｂは、測定光源１１１、パターン生成部１１２、複数のレンズ１１３，１１４，１１５、絞り１１６および複数の折り曲げミラー１１７，１１８を含む。受光部１２０は、複数のカメラ１２１Ａ，１２１Ｂ、複数のレンズ１２２，１２３Ａ，１２３Ｂ、ハーフミラー１２４および絞り１２５Ａ，１２５Ｂを含む。ステージ１４０上には、測定対象物Ｓが載置される。
【００４７】
図３に示すように、ステージ１４０は台座１９０に設けられる。台座１９０から上方に延びるように支柱１９１が設けられている。支柱１９１の上端部に光学系支持体１９２が取り付けられている。光学系支持体１９２は、ステージ１４０の上方に位置するように受光部１２０を支持する。また、光学系支持体１９２は、それぞれステージ１４０の斜め上方に位置するように２つの投光部１１０Ａ，１１０Ｂを支持する。２つの投光部１１０Ａ，１１０Ｂは、受光部１２０の光軸ＲＯＡを含みかつ測定部１００の前後方向に延びる面を挟んで対称に配置される。
【００４８】
各投光部１１０Ａ，１１０Ｂの測定光源１１１は、例えば白色光を出射するハロゲンランプである。測定光源１１１は、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。
【００４９】
図２および図３に示すように、測定光源１１１から出射された光は、レンズ１１３により適切に集光された後、折り曲げミラー１１７により反射され、パターン生成部１１２に入射する。
【００５０】
ここで、レンズ１１３はコリメートレンズである。それにより、パターン生成部１１２に入射する光の広がり角が微小な所定範囲内となるように調整される。それにより、パターン生成部１１２に入射する光束を平行光束とみなすことができる。なお、測定光源１１１から出射される光が平行光または極めて小さい広がり角を有する光である場合、レンズ１１３は設けられなくてもよい。
【００５１】
また、パターン生成部１１２は、例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）である。この場合、パターン生成部１１２は、マトリクス状に配列された複数のマイクロミラーからなるパターン出射面１１２Ｓ（図３）を有する。複数のマイクロミラーにより複数の画素がそれぞれ構成される。パターン生成部１１２は、透過型ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、反射型ＬＣＤ、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon：反射型液晶素子）またはマスクであってもよい。パターン生成部１１２は、入射した光から予め設定された形状測定用のパターンおよび予め設定された強度（明るさ）を有する光束（以下、測定光束と呼ぶ。）を生成し、生成された測定光束をパターン出射面１１２Ｓから出射する。
【００５２】
パターン生成部１１２により出射された測定光束は、複数のレンズ１１４，１１５および絞り１１６により測定対象物Ｓの寸法よりも大きい径を有する光束に変換された後、折り曲げミラー１１８により反射され、ステージ１４０上の測定対象物Ｓに照射される。本実施の形態においては、複数のレンズ１１４，１１５および絞り１１６により両側テレセントリック光学系ＴＴが構成される。各投光部１１０Ａ，１１０Ｂにおける両側テレセントリック光学系ＴＴの詳細は後述する。
【００５３】
受光部１２０においては、測定対象物Ｓによりステージ１４０の上方に反射された測定光束が、受光部１２０のレンズ１２２に入射する。レンズ１２２に入射された測定光束の一部は、ハーフミラー１２４を透過し、レンズ１２３Ａおよび絞り１２５Ａにより集光および結像され、カメラ１２１Ａで受光される。また、レンズ１２２に入射された測定光束の残りは、ハーフミラー１２４で反射され、受光部１２０の複数のレンズ１２３Ｂおよび絞り１２５Ｂにより集光および結像され、カメラ１２１Ｂで受光される。
【００５４】
本実施の形態に係る受光部１２０においては、後述するようにレンズ１２２，１２３Ａおよび絞り１２５Ａによりカメラ１２１Ａに対応する一の両側テレセントリック光学系が構成される。また、レンズ１２２，１２３Ｂおよび絞り１２５Ｂによりカメラ１２１Ｂに対応する他の両側テレセントリック光学系が構成される。
【００５５】
各カメラ１２１Ａ，１２１Ｂは、例えば撮像素子１２１ａおよびレンズを含むＣＣＤ（電荷結合素子）カメラである。撮像素子１２１ａは、例えばモノクロＣＣＤ（電荷結合素子）である。撮像素子１２１ａは、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であってもよい。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（図１）に出力される。
【００５６】
モノクロＣＣＤには、カラーＣＣＤとは異なり、赤色波長の光を受光する画素、緑色波長の光を受光する画素および青色波長の光を受光する画素を設ける必要がない。そのため、モノクロＣＣＤの計測の分解能はカラーＣＣＤの分解能よりも高くなる。また、モノクロＣＣＤには、カラーＣＣＤとは異なり、各画素にカラーフィルタを設ける必要がない。そのため、モノクロＣＣＤの感度はカラーＣＣＤの感度よりも高くなる。これらの理由により、本例におけるカメラ１２１Ａ，１２１ＢにはモノクロＣＣＤが設けられる。
【００５７】
本例においては、照明光出力部１３０は、測定対象物Ｓに赤色波長の光、緑色波長の光および青色波長の光を時分割で出射する。この構成によれば、モノクロＣＣＤを用いた受光部１２０により測定対象物Ｓのカラー画像を撮像することができる。
【００５８】
一方、カラーＣＣＤが十分な分解能および感度を有する場合には、撮像素子１２１ａは、カラーＣＣＤであってもよい。この場合、照明光出力部１３０は、測定対象物Ｓに赤色波長の光、緑色波長の光および青色波長の光を時分割で照射する必要はなく、白色光を測定対象物Ｓに照射する。そのため、照明光源３２０の構成を単純にすることができる。
【００５９】
図１の制御基板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１２１Ａ，１２１Ｂのいずれか一方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ＰＣ２００に転送される。
【００６０】
図１に示すように、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。
【００６１】
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）からなり、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。
【００６２】
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１４６に駆動パルスを与える。表示部４００は、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。
【００６３】
図２および図３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をθ方向と定義し、矢印θで示す。
【００６４】
ステージ１４０は、Ｘ−Ｙステージ１４１、Ｚステージ１４２、θステージ１４３およびチルトステージ１４４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。チルトステージ１４４は、載置面に平行な軸を中心に回転可能な機構（以下、あおり回転機構と呼ぶ。）を有する。図２および図３の例では、チルトステージ１４４は回転していない。Ｘ−Ｙステージ１４１、Ｚステージ１４２、θステージ１４３およびチルトステージ１４４により、ステージ１４０が構成される。また、ステージ１４０は、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。
【００６５】
ここで、受光部１２０の焦点に位置しかつ受光部１２０の光軸ＲＯＡに垂直な平面を受光部１２０の焦点面と呼ぶ。図２および図３に示すように、投光部１１０Ａ，１１０Ｂ、受光部１２０およびステージ１４０の相対的な位置関係は、投光部１１０Ａからステージ１４０の載置面に向かう投光部１１０Ａの光軸ＴＯＡ１、投光部１１０Ｂからステージ１４０の載置面に向かう投光部１１０Ｂの光軸ＴＯＡ２、およびステージ１４０の載置面から受光部１２０に向かう受光部１２０の光軸ＲＯＡが受光部１２０の焦点面で互いに交差するように設定される。図３においては、投光部１１０Ｂの光軸ＴＯＡ２の一部の図示が省略される。
【００６６】
また、投光部１１０Ａの焦点を含みＸＹ方向に平行な平面を投光部１１０Ａの焦点面と呼び、投光部１１０Ｂの焦点を含みＸＹ方向に平行な平面を投光部１１０Ｂの焦点面と呼ぶ。この場合、各投光部１１０Ａ，１１０Ｂは、投光部１１０Ａの焦点面および投光部１１０Ｂの焦点面が受光部１２０の焦点を含む位置で交差するように構成される。
【００６７】
θステージ１４３のθ方向の回転軸の中心は、受光部１２０の光軸と一致している。そのため、θステージ１４３をθ方向に回転させた場合に、測定対象物Ｓを視野から外すことなく、回転軸を中心に視野内で回転させることができる。また、Ｘ−Ｙステージ１４１、θステージ１４３およびチルトステージ１４４は、Ｚステージ１４２により支持されている。
【００６８】
すなわち、θステージ１４３をθ方向に回転させるか、またはチルトステージ１４４をあおり方向に回転させた状態であっても、受光部１２０の中心軸とＺステージ１４２の移動軸とにずれが生じないように構成されている。ここで、あおり方向とは、載置面に平行な軸を中心とする回転方向である。この構成により、測定対象物Ｓの位置または姿勢を変化させた状態であっても、Ｚ方向にステージ１４０を移動させて受光部１２０の異なる複数の焦点位置においてそれぞれ撮像した複数の画像を合成することが可能となる。
【００６９】
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、θ方向回転機構およびあおり回転機構には、それぞれステッピングモータが用いられる。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、θ方向回転機構およびあおり回転機構は、図１のステージ操作部１４５またはステージ駆動部１４６により駆動される。
【００７０】
使用者は、ステージ操作部１４５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方向もしくはあおり方向に回転させることができる。ステージ駆動部１４６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、ステージ１４０を受光部１２０に相対的にＸ方向、Ｙ方向もしくはＺ方向に移動させるか、またはθ方向もしくはあおり方向に回転させることができる。
【００７１】
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、θ方向回転機構およびあおり回転機構の各々に用いられるステッピングモータにはエンコーダが取り付けられている。各エンコーダの出力信号は、例えばＣＰＵ２１０に与えられる。ＣＰＵ２１０は、ステージ１４０の各エンコーダから与えられる信号に基づいて、ステージ１４０の載置面のＸ方向の位置（Ｘ位置）、Ｙ方向の位置（Ｙ位置）、Ｚ方向の位置（Ｚ位置）、θ方向の回転角（θ回転角）、またはあおり方向の回転角の変化量を算出することができる。
【００７２】
なお、本実施の形態では、ステージ１４０はステッピングモータにより駆動することが可能であるとともに手動により操作することが可能な電動ステージであるが、これに限定されない。ステージ１４０はステッピングモータでのみ駆動することが可能な電動ステージであってもよいし、手動でのみ操作することが可能な手動ステージであってもよい。
【００７３】
図１の制御部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１１０Ａ，１１０Ｂ、受光部１２０および制御基板１５０を制御する。
【００７４】
照明光源３２０は、例えば赤色光、緑色光および青色光を出射する３つの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から発生される光（以下、照明光と呼ぶ。）は、導光部材（ライトガイド）を通して測定部１００の照明光出力部１３０から出力される。なお、制御部３００に照明光源３２０を設けずに、測定部１００に照明光源３２０を設けてもよい。この場合、測定部１００には照明光出力部１３０が設けられない。
【００７５】
図２の照明光出力部１３０は、円環形状を有し、受光部１２０を取り囲むようにステージ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。
【００７６】
図３に示すように、受光部１２０の内部では、ハーフミラー１２４からカメラ１２１Ｂに向かう光軸ＲＯＡがＹ方向に延びる。また、投光部１１０Ａの内部では、パターン生成部１１２から折り曲げミラー１１８に向かう光軸ＴＯＡ１がＹ方向に延びる。さらに、投光部１１０Ｂの内部では、パターン生成部１１２から折り曲げミラー１１８に向かう光軸ＴＯＡ２がＹ方向に延びる。
【００７７】
このように、測定部１００においては、ハーフミラー１２４および複数の折り曲げミラー１１７，１１８が用いられることにより、受光部１２０の光軸ＲＯＡの一部および投光部１１０Ａ，１１０Ｂの光軸ＴＯＡ１，ＴＯＡ２の一部が互いに並行となる。
【００７８】
それにより、受光部１２０におけるハーフミラー１２４からカメラ１２１Ｂまでの間の光学系の部分と、投光部１１０Ａ，１１０Ｂにおけるパターン生成部１１２から折り曲げミラー１１８までの間の光学系の部分とが、Ｘ方向に並ぶように光学系支持体１９２により支持される。これにより、複数種類の光学系を含む測定部１００の構成がＸＺ方向に大型化することが防止される。
【００７９】
［２］測定対象物の形状測定
（１）三角測距方式による形状測定
測定部１００においては、三角測距方式により測定対象物Ｓの形状が測定される。図４は、三角測距方式の原理を説明するための図である。図４に示すように、例えば投光部１１０Ａから出射される光線の光軸と受光部１２０に入射する反射光の光軸（受光部１２０の光軸）との間の角度γが予め設定される。角度γは、０度よりも大きく９０度よりも小さい。
【００８０】
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１１０Ａから出射される光線は、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１１０Ａから出射される光線は、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。
【００８１】
点Ｏと点Ａとの間のＸ方向における距離をｄとすると、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（γ）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の三次元的な形状が測定される。
【００８２】
三角測距方式の形状測定時には、測定対象物Ｓの表面の全ての点に測定光束を照射するために、図１の投光部１１０Ａ，１１０Ｂからステージ１４０の載置面上に向かって種々のパターンを有する測定光束が出射される。測定光束のパターンは、図１のパターン生成部１１２により制御される。
【００８３】
例えば第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束（以下、ライン状測定光束と呼ぶ。）が投光部１１０Ａ，１００Ｂから出射される。また、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束（以下、正弦波状測定光束と呼ぶ。）が投光部１１０Ａ，１００Ｂから複数回（本例においては４回）出射される。さらに、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測定光束（以下、縞状測定光束と呼ぶ。）が投光部１１０Ａ，１００Ｂから複数回（本例においては１６回）出射される。さらに、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方向に並ぶ測定光束（以下、コード状測定光束と呼ぶ。）が投光部１１０Ａ，１００Ｂから複数回（本例においては４回）出射される。コード状測定光束の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
【００８４】
上述のライン状測定光束を測定対象物Ｓ上で走査する方法は一般に光切断法と呼ばれる。一方、正弦波状測定光束、縞状測定光束またはコード状測定光束を測定対象物Ｓに照射する方法は、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、正弦波状測定光束または縞状測定光束を測定対象物Ｓに照射する方法は位相シフト法に分類され、コード状測定光束を測定対象物Ｓに照射する方法は空間コード法に分類される。
【００８５】
本実施の形態に係る測定部１００においては、ステージ１４０の上面に載置される測定対象物Ｓに対して互いに異なる複数（本例では２つ）の方向から測定光束を投光することができる。それにより、投光部１１０Ａから投光される測定光束により測定不可能な部分がある場合に、その測定不可能な部分の形状を投光部１１０Ｂから投光される測定光束を用いて測定することができる。同様に、投光部１１０Ｂから投光される測定光束により測定不可能な部分がある場合に、その測定不可能な部分の形状を投光部１１０Ａから投光される測定光束を用いて測定することができる。これらの結果、測定対象物Ｓにおける測定不可能な部分を低減することができる。
【００８６】
（２）受光系測定可能範囲
三角測距方式の形状測定においては、測定対象物Ｓの表面の位置が受光部１２０の焦点から光軸方向に遠ざかるほど測定対象物Ｓからカメラ１２１Ａ，１２１Ｂの撮像素子１２１ａに入射する光のぼけの度合いが大きくなる。同様に、測定対象物Ｓの表面の位置が受光部１２０の焦点よりも近接するほど測定対象物Ｓからカメラ１２１Ａ，１２１Ｂの撮像素子１２１ａに入射する光のぼけの度合いが大きくなる。受光部１２０の撮像素子１２１ａに入射する光のぼけの度合いは、例えば受光部１２０の受光光学系の倍率および開口数等に応じて変化する。
【００８７】
測定対象物Ｓから受光部１２０に入射する光のぼけの度合いが大きくなると、測定対象物Ｓの表面の高さの測定精度が低下する。そこで、本実施の形態では、一定以上の測定精度を得ることが可能であると考えられる受光部１２０の光軸方向の範囲が受光部１２０の構成に応じて形状測定装置５００ごとに予め定められる。以下の説明では、このようにして予め定められる受光部１２０のＺ方向における範囲を受光系測定可能範囲と呼ぶ。本実施の形態では、受光系測定可能範囲は、カメラ１２１Ａ，１２１Ｂにそれぞれ対応するように設定される。
【００８８】
例えば、カメラ１２１Ａに対応する受光系測定可能範囲は、測定対象物Ｓの表面に縞状測定光束を照射した状態で測定対象物Ｓを受光部１２０の光軸方向に移動させた場合に、カメラ１２１Ａの撮像素子１２１ａに入射する光のぼけの度合いが所定のしきい値を超えない範囲に定められる。同様に、カメラ１２１Ｂに対応する受光系測定可能範囲は、測定対象物Ｓの表面に縞状測定光束を照射した状態で測定対象物Ｓを受光部１２０の光軸方向に移動させた場合に、カメラ１２１Ｂの撮像素子１２１ａに入射する光のぼけの度合いが所定のしきい値を超えない範囲に定められる。
【００８９】
カメラ１２１Ａに対応する受光系測定可能範囲は、カメラ１２１Ａに対応する受光光学系の被写界深度の範囲を含みかつカメラ１２１Ａに対応する受光光学系の被写界深度の範囲よりも大きい。同様に、カメラ１２１Ｂに対応する受光系測定可能範囲は、カメラ１２１Ｂに対応する受光光学系の被写界深度の範囲を含みかつカメラ１２１Ｂに対応する受光光学系の被写界深度の範囲よりも大きい。
【００９０】
［３］顕微鏡モードおよび形状測定モード
本実施の形態に係る形状測定装置５００は、顕微鏡モードで動作可能であるとともに形状測定モードで動作可能である。図５および図６は、動作モード選択時における表示部４００のＧＵＩ（Graphical User Interface）の一例を示す図である。図５および図６に示すように、画像表示領域５５０および設定変更領域５７０，５８０が表示部４００に表示される。画像表示領域５５０には、受光部１２０により撮像された測定対象物Ｓの画像が表示される。
【００９１】
設定変更領域５７０には、明るさ選択欄５７１、明るさ設定バー５７２、表示切換欄５７３、倍率切換欄５７４、倍率選択欄５７５および焦点調整欄５７６が表示される。明るさ設定バー５７２は、水平方向に移動可能なスライダ５７２ｓを有する。
【００９２】
使用者は、明るさ選択欄５７１において受光部１２０の露光時間の方式を選択することにより、受光部１２０の露光時間の方式をオート（自動）と手動との間で切り換えることができる。受光部１２０の露光時間の方式として手動が選択されている場合、使用者は、ＰＣ２００の操作部２５０を操作して明るさ設定バー５７２のスライダ５７２ｓを水平方向に移動させることにより、受光部１２０の露光時間を調整することができる。使用者は、表示切換欄５７３から画像の表示の種類を選択することにより、画像の表示の種類をカラーとモノクロとの間で切り換えることができる。
【００９３】
受光部１２０においては、一方のカメラ１２１Ａに対応するレンズの倍率が、他方のカメラ１２１Ｂに対応するレンズの倍率よりも低い。そこで、本例では、一方のカメラ１２１Ａを低倍率カメラと呼び、他方のカメラ１２１Ｂを高倍率カメラと呼ぶ。使用者は、倍率切換欄５７４においてカメラの倍率を選択することにより、受光部１２０の低倍率カメラ（カメラ１２１Ａ）と高倍率カメラ（カメラ１２１Ｂ）とを切り替えて使用することができる。それにより、制御基板１５０に受光信号を出力するカメラが低倍率カメラ（カメラ１２１Ａ）と高倍率カメラ（カメラ１２１Ｂ）との間で切り換えられる。
【００９４】
受光部１２０はデジタルズーム機能を有する。本例においては、２つのカメラ１２１Ａ，１２１Ｂとデジタルズーム機能とを組み合わせることにより、カメラの倍率を実質的に２種類以上に変更することができる。使用者は、倍率選択欄５７５において倍率を選択することにより、受光部１２０のカメラの倍率を設定することができる。デジタルズーム機能が用いられる際には、カメラの種類（高倍率カメラおよび低倍率カメラ）ごとに定められる受光系測定可能範囲が倍率の変化量に基づいて補正されてもよい。
【００９５】
使用者は、焦点調整欄５７６に数値を入力することにより、入力された数値に対応する距離だけＺ方向に受光部１２０の焦点位置を変化させることができる。受光部１２０の焦点位置の変化は、ステージ１４０のＺステージ１４２の位置、すなわち受光部１２０と測定対象物Ｓとの間のＺ方向の相対的な距離を変化させることにより行われる。
【００９６】
設定変更領域５８０には、顕微鏡モード選択タブ５８０Ａおよび形状測定モード選択タブ５８０Ｂが表示される。顕微鏡モード選択タブ５８０Ａが選択されている場合には、形状測定装置５００は、顕微鏡モードで動作する。顕微鏡モードにおいては、照明光出力部１３０から照明光が測定対象物Ｓに照射される。この状態で、測定対象物Ｓの拡大観察を行うことができる。
【００９７】
図５に示すように、顕微鏡モード選択タブ５８０Ａが選択されている場合、設定変更領域５８０には、ツール選択欄５８１および撮影ボタン５８２が表示される。使用者は、撮影ボタン５８２を操作することにより、画像表示領域５５０に表示されている測定対象物Ｓの画像を撮影（キャプチャ）することができる。
【００９８】
ツール選択欄５８１には、複数の実行ツールをそれぞれ選択するための複数のアイコンが表示される。使用者は、ツール選択欄５８１の複数のアイコンのいずれかを操作することにより、観察されている測定対象物Ｓの画像の平面測定、画像への目盛りの挿入、深度合成、画像へのコメントの挿入または画像の改善等の実行ツールを実行することができる。
【００９９】
例えば、平面測定の実行が選択されている場合、ツール選択欄５８１の下方には測定ツール表示欄５８１ａおよび補助ツール表示欄５８１ｂが表示される。測定ツール表示欄５８１ａには、２点間の距離の測定、２つの平行線間の距離の測定、円の直径または半径の測定、および２つの直線がなす角度の測定等をそれぞれ実行するための複数のアイコンが表示される。補助ツール表示欄５８１ｂには、画像表示領域５５０の画像に点、線または円等の補助的な描画をそれぞれ実行するための複数のアイコンが表示される。
【０１００】
形状測定モード選択タブ５８０Ｂが選択されている場合には、形状測定装置５００は、形状測定モードで動作する。図６に示すように、形状測定モード選択タブ５８０Ｂが選択されている場合、設定変更領域５８０には、測定ボタン５８３が表示される。使用者は、形状測定の準備が終了した後、測定ボタン５８３を操作することにより、三角測距方式により測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定する形状測定処理を実行することができる。
【０１０１】
図７は、形状測定処理実行後における表示部４００のＧＵＩの一例を示す図である。図７に示すように、形状測定処理において生成されたデータに基づいて、測定対象物Ｓの画像が画像表示領域５５０に表示される。使用者は、合成画像上で、測定対象物Ｓの測定結果の確認または簡単な計測を実行することができる。
【０１０２】
［４］両側テレセントリック光学系
（１）投光部について
図８は、図３の投光部１１０Ａの両側テレセントリック光学系ＴＴの機能を説明するための図である。図８に示すように、本実施の形態では、パターン生成部１１２のパターン出射面１１２Ｓが両側テレセントリック光学系ＴＴの一方側の焦点面ＦＳ１に含まれるように、パターン生成部１１２が配置される。
【０１０３】
この場合、パターン出射面１１２Ｓから両側テレセントリック光学系ＴＴに出射される測定光束（以下、出射光束と呼ぶ。）の主光線ＰＲが光軸ＴＯＡ１と平行になる。上記のように、パターン生成部１１２に入射する光の広がり角は、コリメートレンズであるレンズ１１３により所定範囲内となるように調整される。それにより、出射光束の広がり角も所定範囲内にある。したがって、出射光束の断面の大きさおよび形状は、光軸ＴＯＡ１上の任意の位置でほぼ一定となる。
【０１０４】
また、両側テレセントリック光学系ＴＴから図３のステージ１４０の載置面に照射される測定光束（以下、照射光束と呼ぶ。）の主光線ＰＲも光軸ＴＯＡ１と平行になる。出射光束と同様に、照射光束の広がり角も所定範囲内にある。それにより、照射光束の断面の大きさおよび形状が光軸ＴＯＡ１上の任意の位置でほぼ一定となる。
【０１０５】
上記のように、パターン出射面１１２Ｓが両側テレセントリック光学系ＴＴの一方側の焦点面ＦＳ１に含まれる場合、照射光束が測定対象物Ｓに照射されると、光軸ＴＯＡ１の方向における測定対象物Ｓの位置が両側テレセントリック光学系ＴＴの他方側の焦点面ＦＳ２から離間するほど測定対象物Ｓに投影されるパターンのぼけの度合いが大きくなる。
【０１０６】
測定対象物Ｓに投影されるパターンのぼけの度合いが大きくなると、測定対象物Ｓの表面形状の測定精度が低下する。そこで、一定以上の測定精度を得ることが可能であると考えられる投光部１１０Ａの光軸方向の範囲が投光系測定可能範囲ＣＡとして定められる。
【０１０７】
図８の例では、両側テレセントリック光学系ＴＴの光軸方向において焦点面ＦＳ２よりも前方に距離ＳＦ離れた位置から焦点面ＦＳ２よりも後方に距離ＳＢ離れた位置までの範囲が投光系測定可能範囲ＣＡとして示される。
【０１０８】
投光系測定可能範囲ＣＡは、両側テレセントリック光学系ＴＴの焦点深度の範囲を含みかつ両側テレセントリック光学系ＴＴの焦点深度の範囲よりも大きい。
【０１０９】
上記のように、照射光束の断面の大きさおよび形状が任意の位置でほぼ一定であると、ステージ１４０上の測定対象物Ｓの高さが異なる場合でも、測定対象物Ｓ上での照射光束の断面の大きさおよび形状がほぼ等しくなる。その結果、異なる高さの複数の部分を有する測定対象物Ｓを測定する場合に、複数の部分のそれぞれの測定結果の精度にばらつきが生じることが抑制される。
【０１１０】
図３の投光部１１０Ｂにおいても、パターン生成部１１２のパターン出射面１１２Ｓが両側テレセントリック光学系ＴＴの一方側の焦点面ＦＳ１に含まれるように、パターン生成部１１２が配置される。それにより、上記の例と同様の効果を得ることができる。
【０１１１】
（２）受光部について
形状測定装置５００においては、投光部１１０Ａ，１１０Ｂに限らず、受光部１２０にも両側テレセントリック光学系が用いられる。具体的には、受光部１２０においては、図３のレンズ１２２，１２３Ａおよび絞り１２５Ａにより一の両側テレセントリック光学系が構成され、レンズ１２２，１２３Ｂおよび絞り１２５Ｂにより他の両側テレセントリック光学系が構成される。
【０１１２】
各両側テレセントリック光学系においては、測定対象物Ｓからレンズ１２２に向かう反射光束の主光線が一の両側テレセントリック光学系の光軸と平行になる。上記のように、照射光束の広がり角が所定範囲内にある場合には、反射光束の広がり角も所定範囲内にある。それにより、測定対象物Ｓからレンズ１２２に向かう反射光束の断面の大きさおよび形状が光軸ＲＯＡ上の任意の位置でほぼ一定となる。
【０１１３】
この場合、ステージ１４０上の測定対象物Ｓの高さが異なる場合でも、測定対象物Ｓ上での反射光束の断面の大きさおよび形状がほぼ等しくなる。その結果、異なる高さの複数の部分を有する測定対象物Ｓを測定する場合に、複数の部分のそれぞれの測定結果の精度にばらつきが生じることが抑制される。
【０１１４】
本実施の形態においては、投光部１１０Ａ，１１０Ｂの両側テレセントリック光学系ＴＴの焦点深度の範囲が、受光部１２０の各両側テレセントリック光学系の被写界深度の範囲よりも大きくなるように設定される。
【０１１５】
例えば、投光部１１０Ａ，１１０Ｂの両側テレセントリック光学系ＴＴの倍率と受光部１２０の一の両側テレセントリック光学系の倍率とがほぼ等しい場合に、投光部１１０Ａ，１１０Ｂの両側テレセントリック光学系ＴＴの開口数は、受光部１２０の一の両側テレセントリック光学系の開口数よりも小さくなるように設定される。また、投光部１１０Ａ，１１０Ｂの両側テレセントリック光学系ＴＴの倍率と受光部１２０の他の両側テレセントリック光学系の倍率とがほぼ等しい場合に、投光部１１０Ａ，１１０Ｂの両側テレセントリック光学系ＴＴの開口数は、受光部１２０の他の両側テレセントリック光学系の開口数よりも小さくなるように設定される。この場合、測定部１００の投光部１１０Ａ，１１０Ｂの焦点深度の範囲が受光部１２０の被写界深度の範囲よりも大きくなる。それにより、測定部１００の投光部１１０Ａ，１１０Ｂの投光系測定可能範囲ＣＡを受光部１２０の受光系測定可能範囲よりも大きくすることができる。したがって、形状測定装置５００により一定以上の精度で測定可能な測定対象物Ｓの高さの範囲を受光部１２０の受光系測定可能範囲に基づいて定めることができる。
【０１１６】
［５］シャインプルーフの原理を利用した投光光学系の配置
以下の説明では、図２および図３のステージ１４０に測定対象物Ｓが載置されておらずかつステージ１４０があおり方向に回転していない状態（例えば、載置面が水平に保持された状態）で、各投光部１１０Ａ，１１０Ｂから照射光束が照射されるステージ１４０の載置面上の領域を照射領域と呼ぶ。
【０１１７】
測定部１００においては、三角測距方式の形状測定を行うために、投光部１１０Ａ，１１０Ｂの光軸ＴＯＡ１，ＴＯＡ２がそれぞれステージ１４０の載置面から受光部１２０に向かう受光部１２０の光軸方向（Ｚ方向）に対して傾斜する。このような構成においては、各投光部１１０Ａ，１１０Ｂの両側テレセントリック光学系ＴＴの他方側の焦点面ＦＳ２が光軸ＴＯＡ１，ＴＯＡ２に対して直交していると、ステージ１４０をＺ方向に移動させてもステージ１４０の載置面上にパターン生成部１１２のパターン出射面１１２Ｓ全体の焦点を合わせることができない。そのため、測定対象物Ｓの測定精度が低下する。そこで、本実施の形態では、以下のようにして投光部１１０Ａ，１１０Ｂの各構成要素の配置が定められる。
【０１１８】
図９は、ステージ１４０に対するパターン生成部１１２および両側テレセントリック光学系ＴＴの位置関係を示す図である。図９に示すように、シャインプルーフの定理に従ってパターン生成部１１２のパターン出射面１１２Ｓ、両側テレセントリック光学系ＴＴおよびステージ１４０の載置面の配置が定められる。
【０１１９】
具体的には、ステージ１４０があおり方向に回転しておらずステージ１４０が特定のＺ位置にある状態で、両側テレセントリック光学系ＴＴの主平面を含む面ＰＰ、パターン生成部１１２のパターン出射面１１２Ｓを含む面ＩＳ、およびステージ１４０の載置面を含む面ＳＳが共通の直線ＬＰ上で互いに交差するようにパターン生成部１１２および両側テレセントリック光学系ＴＴが配置される。
【０１２０】
ステージ１４０の載置面が両側テレセントリック光学系ＴＴの他方側の焦点面ＦＳ２（図８）に含まれる場合には、ステージ１４０の載置面上の照射領域１４０Ｓにパターン出射面１１２Ｓ全体の焦点が合う。それにより、高い精度で測定対象物Ｓを測定することができる。
【０１２１】
また、本例では、ステージ１４０がＺ方向に移動する場合に、ステージ１４０の上面に照射される照射光束のぼけの度合いが、測定光束の焦点面からの載置面のずれ量に応じてほぼ均一に変化する。したがって、測定対象物Ｓが投光系測定可能範囲ＣＡ内に位置するようにステージ１４０の載置面をＺ方向に移動させることにより、種々のパターンを有する測定光束を一定以上の精度で測定対象物Ｓに容易に照射させることができる。
【０１２２】
図１０（ａ）は図９のパターン出射面１１２Ｓを示す図であり、図１０（ｂ）は図９のステージ１４０の載置面上の照射領域１４０Ｓを示す図である。図１０（ａ）に示すように、図９のパターン出射面１１２Ｓは矩形状を有する。以下の説明においては、図９のパターン出射面１１２Ｓの全面から平行光が出射されることにより、断面矩形の照射光束がステージ１４０の載置面に照射されるものとする。ここで、パターン出射面１１２Ｓの横方向の長さをａとし、縦方向の長さをｂとする。また、図１０（ｂ）に示すように、照射領域１４０Ｓの横方向の長さをＡ１とし、照射領域１４０Ｓの縦方向の長さをＢ１とする。図１０（ａ），（ｂ）のパターン出射面１１２Ｓおよび照射領域１４０Ｓにおいては、横方向は図９の直線ＬＰに平行な方向を示し、縦方向は図９の面ＩＳ，ＳＳ上で直線ＬＰに直交する方向を示す。
【０１２３】
両側テレセントリック光学系ＴＴの光軸ＴＯＡ１，ＴＯＡ２に直交する面に対する面ＩＳの傾きをφとし、光軸ＴＯＡ１，ＴＯＡ２に直交する面に対する面ＳＳの傾きをθとし、両側テレセントリック光学系ＴＴの倍率をβとする。この場合、照射領域１４０Ｓの横方向の長さＡ１および照射領域１４０Ｓの縦方向の長さＢ１は、それぞれ下記式（１），（２）で表すことができる。
【０１２４】
Ａ１＝β・ａ      …（１）
Ｂ１＝（１／ｃｏｓθ）・ｃｏｓφ・β・ｂ      …（２）
上記の式（１），（２）によれば、照射領域１４０Ｓの縦方向の長さＢ１は、倍率βで拡大されたパターン出射面１１２Ｓの縦方向の長さｂに対してさらに（１／ｃｏｓθ）・ｃｏｓφ分拡大されている。一方、照射領域１４０Ｓの横方向の長さＡ１は、倍率βで拡大されたパターン出射面１１２Ｓの横方向の長さａに対して拡大されていない。
【０１２５】
この場合、照射領域１４０Ｓは、横方向の任意の位置においてパターン出射面１１２Ｓの断面、すなわち照射光束の断面に対して縦方向に同じ比率で拡大される。また、照射領域１４０Ｓは、縦方向の任意の位置において照射光束の断面に対して横方向に同じ比率で拡大される。
【０１２６】
図１１は、図９のパターン出射面１１２Ｓを構成する複数の画素の位置と複数の画素にそれぞれ対応する照射領域１４０Ｓの複数の部分の位置との関係を説明するための図である。
【０１２７】
図１１（ａ）に図９のパターン出射面１１２Ｓを構成する複数の画素が示される。複数の画素はそれぞれ正方形状を有する。図１１（ａ）では、各画素の中心部にその画素位置を示す黒点が付される。パターン出射面１１２Ｓは横方向にｊ個の画素を有し、縦方向にｋ個の画素を有するものとする。以下の説明では、パターン出射面１１２Ｓにおける複数の画素をそれぞれ識別するために、例えば横方向にｍ（ｍはｊ以下の自然数）番目かつ縦方向にｎ（ｎはｋ以下の自然数）番目の位置にある画素を画素［ｍ，ｎ］と表記する。さらに、図１１（ａ）に示すように、画素［１，１］の位置を原点として横方向に延びるようにｘ軸を定義し、縦方向に延びるようにｙ軸を定義する。
【０１２８】
この場合、ｘ軸方向において互いに隣り合う画素間の距離（画素ピッチ）およびｙ軸方向において互いに隣り合う画素間の距離（画素ピッチ）をＵとすると、画素［ｍ，ｎ］の位置は（Ｕ・ｍ，Ｕ・ｎ）と表すことができる。
【０１２９】
図１１（ｂ）に図１１（ａ）の複数の画素にそれぞれ対応する図９の照射領域１４０Ｓの複数の部分が示される。ここで、パターン出射面１１２Ｓの複数の画素にそれぞれ対応する照射領域１４０Ｓの複数の部分とは、パターン出射面１１２Ｓの複数の画素からそれぞれ出射された光線がステージ１４０の載置面上に照射される複数の部分をいう。図１１（ｂ）の例では、各部分の中心部にその部分の位置を示す黒点が付される。照射領域１４０Ｓにおける複数の部分をそれぞれ識別するために、図１１（ａ）の画素［ｍ，ｎ］に対応する部分を対応部分［ｍ，ｎ］と表記する。さらに、対応部分［１，１］の位置を原点として横方向に延びるようにｘ軸を定義し、縦方向に延びるようにｙ軸を定義する。
【０１３０】
この場合、上記の式（１），（２）を参照すると、対応部分［ｍ，ｎ］の位置は（β・Ｕ・ｍ，（１／ｃｏｓθ）・ｃｏｓφ・β・Ｕ・ｎ）と表すことができる。このように、パターン出射面１１２Ｓおよびステージ１４０の載置面上に共通のｘｙ座標系を定義した場合には、対応部分のｘ座標を対応する画素のｘ座標を用いた一次式で表すことができる。また、対応部分のｙ座標を対応する画素のｙ座標を用いた一次式で表すことができる。したがって、パターン出射面１１２Ｓを構成する複数の画素の位置と複数の画素にそれぞれ対応する照射領域１４０Ｓの複数の対応部分の位置との間には共通の線形関係が存在する。
【０１３１】
図１１（ｂ）に一点鎖線で示すように、照射領域１４０Ｓ内で照射領域１４０Ｓよりも小さい矩形領域１２１ｖから図２および図３の受光部１２０の光軸方向（Ｚ方向）に反射する反射光束が受光部１２０のカメラ１２１Ａおよびカメラ１２１Ｂに入射する。ステージ１４０の載置面から受光部１２０に向かう反射光束の断面の大きさおよび形状は、受光部１２０の光軸ＲＯＡ（図３）の任意の位置でほぼ一定である。
【０１３２】
受光部１２０においては、カメラ１２１Ａの撮像素子１２１ａの受光面およびカメラ１２１Ｂの撮像素子１２１ａの受光面はそれぞれ受光部１２０の光軸ＲＯＡに対して直交する。それにより、各撮像素子１２１ａの受光面においては、縦方向および横方向に対して一定の比率で縮小された矩形領域１２１ｖの反射光束が受光される。
【０１３３】
この場合、パターン生成部１１２のパターン出射面１１２Ｓの複数の画素から出射される光線が、それぞれカメラ１２１Ａ，１２１Ｂの各撮像素子１２１ａのいずれの位置にある画素に入射するかを容易に算出することができる。
【０１３４】
それにより、カメラ１２１Ａ，１２１Ｂの各撮像素子１２１ａのいずれの位置についても同一の演算式を用いることが可能になる。このように、三角測距方式の形状測定のための演算処理が単純化されると共に、測定時間を短縮することができる。また、高い性能を有する高価な処理装置を用いる必要がなくなるので、形状測定装置５００の低コスト化が実現される。
【０１３５】
参考例として、両側テレセントリック光学系ＴＴの代わりにテレセントリック性を有さない光学系（以下、非テレセントリック光学系と呼ぶ。）を用いた場合の測定部１００の例を説明する。
【０１３６】
図１２は、参考例に係る測定部１００を説明するための図である。図１２では、ステージ１４０に対するパターン生成部１１２および非テレセントリック光学系の位置関係が示される。図１２に示すように、本例の非テレセントリック光学系ＴＸは、０°よりも大きい画角を有する複数のレンズ１１４ｘ，１１５ｘおよび絞り１１６ｘを含む。
【０１３７】
本例においても、図９の例と同様に、シャインプルーフの条件を満たすようにパターン生成部１１２のパターン出射面１１２Ｓ、非テレセントリック光学系ＴＸおよびステージ１４０の載置面の配置が定められる。この場合、パターン出射面１１２Ｓが非テレセントリック光学系ＴＸの一方の焦点面に含まれるようにパターン生成部１１２が配置されかつステージ１４０の載置面が非テレセントリック光学系ＴＸの他方の焦点面に含まれる場合には、ステージ１４０の載置面上の照射領域１４０Ｓにパターン出射面１１２Ｓ全体の焦点が合う。
【０１３８】
図１３は図１２のステージ１４０の載置面上の照射領域１４０Ｓを示す図である。図１３に示すように、投光部１１０Ａ，１１０Ｂに両側テレセントリック光学系ＴＴに代えて非テレセントリック光学系ＴＸを用いた場合には、矩形状を有する図１２のパターン出射面１１２Ｓに対して載置面上の照射領域１４０Ｓが台形に歪む。
【０１３９】
この場合、照射領域１４０Ｓの縦方向の長さＢ１は、非テレセントリック光学系ＴＸの倍率をβとすると上記の式（２）で表すことができる。しかしながら、照射領域１４０Ｓは、縦方向の任意の位置において照射光束の断面に対して横方向に異なる比率で拡大される。そのため、上記の式（１）と同様に表すことはできない。
【０１４０】
図１４は、図１２のパターン出射面１１２Ｓを構成する複数の画素の位置と複数の画素にそれぞれ対応する照射領域１４０Ｓの複数の部分の位置との関係を説明するための図である。
【０１４１】
図１４（ａ）に図１２のパターン出射面１１２Ｓを構成する複数の画素が示される。図１２のパターン出射面１１２Ｓは、図９のパターン出射面１１２Ｓと同じである。したがって、本例においても、パターン出射面１１２Ｓにおける画素［ｍ，ｎ］の位置を（Ｕ・ｍ，Ｕ・ｎ）と表す。
【０１４２】
図１４（ｂ）に図１４（ａ）の複数の画素にそれぞれ対応する図１２の照射領域１４０Ｓの複数の部分が示される。図１１（ｂ）の例と同様に、照射領域１４０Ｓにおける複数の部分をそれぞれ識別するために、図１４（ａ）の画素［ｍ，ｎ］に対応する部分を対応部分［ｍ，ｎ］と表記する。さらに、対応部分［１，１］の位置を原点として横方向に延びるようにｘ軸を定義し、縦方向に延びるようにｙ軸を定義する。
【０１４３】
この場合、図１２の照射領域１４０Ｓは台形に歪んでいるので、例えば横方向に並ぶ複数の対応部分のｘ座標は、縦方向の任意の位置で異なる演算式で表される。
【０１４４】
図１４（ｂ）にも、照射領域１４０Ｓのうちカメラ１２１Ａ，１２１Ｂの各撮像素子１２１ａに入射する反射光束の矩形領域１２１ｖが一点鎖線で示される。図１４（ｂ）に示すように、本例では、矩形領域１２１ｖ内の複数の部分で複数の対応部分の分布が異なる。そのため、パターン生成部１１２のパターン出射面１１２Ｓの複数の画素から出射される光線が、それぞれカメラ１２１Ａ，１２１Ｂの各撮像素子１２１ａのいずれの位置にある画素に入射するかを、パターン出射面１１２Ｓの画素ごとに互いに異なる演算処理で算出する必要がある。この場合、パターン生成部１１２のパターン出射面１１２Ｓの複数の画素から出射される光線が、それぞれカメラ１２１Ａ，１２１Ｂの各撮像素子１２１ａのいずれの位置にある画素に入射するかを算出することは容易ではない。
【０１４５】
このように、本参考例では、三角測距方式の形状測定のための演算処理が単純化されず、測定時間が長時間化する。また、複雑な演算処理を繰り返し行うために高い性能を有する高価な処理装置が必要となり、形状測定装置５００の製造コストが増加する。
【０１４６】
［６］測定光束の投光幅と受光幅との好ましい関係
以下の説明においては、ステージ１４０の載置面上で受光部１２０が受光可能な反射光束の断面の領域を受光可能領域と呼ぶ。また、ステージ１４０の載置面に向かう各投光部１１０Ａ，１１０Ｂの光軸ＴＯＡ１，ＴＯＡ２とステージ１４０の上面から受光部１２０に向かう受光部１２０の光軸ＲＯＡとを含む面を光軸通過面と呼ぶ。さらに、ＸＹ方向において受光可能領域の範囲内でかつＺ方向における受光系測定可能範囲内の空間を測定可能空間と呼ぶ。
【０１４７】
図１５は、光軸通過面における照射領域１４０Ｓと受光可能領域との好ましい関係を説明するための図である。例えばステージ１４０の載置面が受光部１２０の焦点に位置する場合には、Ｚ方向におけるステージ１４０の載置面から受光系測定可能範囲の１／２の高さｖまでの範囲で測定対象物Ｓの形状を一定以上の精度で測定することができる。
【０１４８】
しかしながら、例えばパターン生成部１１２のパターン出射面１１２Ｓの全体から出射光束が出射されることによりステージ１４０の載置面に照射される照射光束の照射領域１４０Ｓの形状および大きさと受光可能領域１４０Ｒの形状および大きさとが一致する場合には、測定対象物Ｓの高さが受光系測定可能範囲の１／２の高さｖ以下であっても測定対象物Ｓに照射光束が照射されない部分が生じる可能性がある。
【０１４９】
例えば、図１５（ａ）の例では、太い点線で示すように、各投光部１１０Ａ，１１０Ｂから遠い測定対象物Ｓの一部分ＰＡに照射光束が照射されない。そのため、測定対象物Ｓの一部分ＰＡの形状を測定することはできない。
【０１５０】
したがって、光軸通過面におけるステージ１４０の載置面上での照射領域１４０Ｓの長さは光軸通過面におけるステージ１４０の載置面上での受光可能領域１４０Ｒの長さよりも大きくなるように設定されることが好ましい。
【０１５１】
この場合、光軸通過面内におけるステージ１４０の載置面上での照射領域１４０Ｓの長さが光軸通過面におけるステージ１４０の載置面上での受光可能領域１４０Ｒの長さと一致している場合に比べて、測定対象物Ｓにおける照射光束が照射されない部分を少なくすることができる。
【０１５２】
光軸通過面におけるステージ１４０の載置面上での照射領域１４０Ｓの長さおよび光軸通過面におけるステージ１４０の載置面上での受光可能領域１４０Ｒの長さは以下の条件に従って設定されることがより好ましい。
【０１５３】
図１５（ｂ）に、測定可能空間ＣＳと光軸通過面におけるステージ１４０の載置面上での照射領域１４０Ｓの長さおよび光軸通過面におけるステージ１４０の載置面上での受光可能領域１４０Ｒの長さとのより好ましい関係が示される。図１５（ｂ）の例では、Ｚ方向における測定可能空間ＣＳの中心位置にステージ１４０の載置面が配置される。
【０１５４】
この場合、ステージ１４０の載置面に向かう各投光部１１０Ａ，１１０Ｂの光軸ＴＯＡ１，ＴＯＡ２とステージ１４０の載置面に直交する軸とがなす角度をαで表すと、測定可能空間ＣＳを通る照射光束が投影されることになる載置面のＸ方向の最大範囲ｃは、受光系測定可能範囲の１／２の高さｖ、および光軸通過面内での受光可能領域１４０Ｒの幅ｗｉ（測定可能空間ＣＳのＸ方向の大きさ）を用いて次のように表すことができる。
【０１５５】
ｃ＝ｗｉ＋２・ｖ・ｔａｎα      …（３）
また、光軸通過面内で各投光部１１０Ａ，１１０Ｂの光軸ＴＯＡ１，ＴＯＡ２に直交する方向にｗｐの幅を有する照射光束がステージ１４０の載置面上に照射される場合の照射領域１４０ＳのＸ方向の範囲ｄは、次のように表すことができる。
【０１５６】
ｄ＝ｗｐ／ｃｏｓα      …（４）
図１５（ｂ）に示すように、ｄ≧ｃである場合に、測定可能空間ＣＳ内にある測定対象物Ｓのほぼ全体に照射光束を照射することができる。したがって、上記の式（３），（４）から、光軸通過面内における受光可能領域１４０ＲのＸ方向の幅ｗｉと、光軸通過面内における各投光部１１０Ａ，１１０Ｂの光軸ＴＯＡ１，ＴＯＡ２に直交する方向の幅ｗｐとの間に下記式（５）の関係が満たされる場合には、測定可能空間ＣＳ内に位置する測定対象物Ｓにおける照射光束が照射されない部分を十分に少なくすることができる。また、測定可能空間ＣＳ内に位置する測定対象物Ｓの部分を一定以上の精度で測定することができる。
【０１５７】
ｗｐ≧ ｗｉ・ｃｏｓα＋２・ｖ・ｓｉｎα      …（５）
［７］受光部の撮像素子および投光部のパターン生成部の一制御例
（１）受光部の撮像素子
本実施の形態においては、カメラ１２１Ａの撮像素子１２１ａおよびカメラ１２１Ｂの撮像素子１２１ａには、同じ画素数および同じ画素ピッチを有する同一構造の撮像素子が用いられる。それにより、受光部１２０の構成が単純化する。
【０１５８】
ステージ１４０の載置面上に照射されるパターン光束は、ステージ１４０の載置面または測定対象物Ｓの表面で反射された後、低倍率および高倍率のカメラ１２１Ａ，１２１Ｂの撮像素子１２１ａにそれぞれ入射する。このとき、反射光束として高倍率のカメラ１２１Ｂの撮像素子１２１ａに入射するパターン光束は、低倍率のカメラ１２１Ａの撮像素子１２１ａに入射するパターン光束に対して大きくなるように調整される。そのため、例えばステージ１４０の載置面上に縞状測定光束が照射された場合に、高倍率のカメラ１２１Ｂの撮像素子１２１ａに入射する縞状測定光束の一つの縞パターンを受ける画素数は、低倍率のカメラ１２１Ａの撮像素子１２１ａに入射する縞状測定光束の一つの縞パターンを受ける画素数よりも多くなる。
【０１５９】
この場合、高倍率のカメラ１２１Ｂから取得される画像データに対して、低倍率のカメラ１２１Ａから取得される画像データとは異なる画像処理を適用する。例えば、高倍率のカメラ１２１Ｂから取得される画像データに対して強度の高いガウシアンフィルタを適用し、低倍率のカメラ１２１Ａから取得される画像データに対して強度の低いガウシアンフィルタを適用する。
【０１６０】
（２）投光部のパターン生成部の一制御例
低倍率のカメラ１２１Ａと高倍率のカメラ１２１Ｂとを切り替えて使用する場合には、切り替えられたカメラの倍率に応じてパターン生成部１１２により生成されるパターン光束の大きさを変更してもよい。
【０１６１】
例えば高倍率のカメラ１２１Ｂで撮像する場合にピッチの細かいパターン光束がステージ１４０の載置面上に照射され、低倍率のカメラ１２１Ａで撮像する場合にピッチの粗いパターン光束がステージ１４０の載置面上に照射されるように、パターン生成部１１２が制御されてもよい。
【０１６２】
それにより、低倍率および高倍率のカメラ１２１Ａ，１２１Ｂに同一構造の撮像素子を用いる場合に、カメラ１２１Ａの撮像素子１２１ａに入射するパターン光束を受ける画素数とカメラ１２１Ｂの撮像素子１２１ａに入射するパターン光束を受ける画素数との差を０にする、あるいは小さくすることができる。その結果、高倍率のカメラ１２１Ｂから取得される画像データおよび低倍率のカメラ１２１Ａから取得される画像データに共通の画像処理を適用することができる。
【０１６３】
［８］他の実施形態
（１）上記の実施の形態では、測定部１００は、２つの投光部１１０Ａ，１１０Ｂを備える。これに限らず、測定部１００は、測定対象物Ｓに測定光束を照射する構成として、２つの投光部１１０Ａ，１１０Ｂのうち一方の投光部のみを有してもよい。この場合、測定部１００の構成が単純化する。
【０１６４】
（２）上記の実施の形態に係る受光部１２０においては、図３のレンズ１２２，１２３Ａおよび絞り１２５Ａにより一の両側テレセントリック光学系が構成され、レンズ１２２，１２３Ｂおよび絞り１２５Ｂにより他の両側テレセントリック光学系が構成される。これに代えて、受光部１２０においては、図３のレンズ１２２のみがテレセントリックレンズにより構成されてもよい。この場合、レンズ１２２，１２３Ａおよび絞り１２５Ａにより一の物体側テレセントリック光学系が構成され、レンズ１２２，１２３Ｂおよび絞り１２５Ｂにより他の物体側テレセントリック光学系が構成される。
【０１６５】
この場合においても、測定対象物Ｓからレンズ１２２に向かう反射光束の主光線が一の両側テレセントリック光学系の光軸と平行になる。それにより、測定対象物Ｓからレンズ１２２に向かう反射光束の断面の大きさおよび形状が光軸ＲＯＡ上の任意の位置で一定となる。したがって、ステージ１４０上の測定対象物Ｓの高さが異なる場合でも、測定対象物Ｓ上での反射光束の反射領域の大きさおよび形状が等しくなる。その結果、異なる高さを有する測定対象物Ｓの形状を高い精度で測定することが可能となる。
【０１６６】
（３）上記の実施の形態では、高倍率のカメラ１２１Ｂで撮像する場合も低倍率のカメラ１２１Ａで撮像する場合も、パターン出射面１１２Ｓから出射されるパターン光束が同一の拡大率でステージ１４０の載置面上に照射される。
【０１６７】
これに限らず、各投光部１１０Ａ，１１０Ｂにレボルバ等の変倍機構を設けてもよい。この場合、例えば高倍率のカメラ１２１Ｂで撮像する場合にピッチの細かいパターン光束がステージ１４０の載置面上に照射され、低倍率のカメラ１２１Ａで撮像する場合にピッチの粗いパターン光束がステージ１４０の載置面上に照射されるように、変倍機構を調整することができる。
【０１６８】
それにより、低倍率および高倍率のカメラ１２１Ａ，１２１Ｂに同一構造の撮像素子を用いる場合に、カメラ１２１Ａの撮像素子１２１ａに入射するパターン光束を受ける画素数とカメラ１２１Ｂの撮像素子１２１ａに入射するパターン光束を受ける画素数との差を０にする、あるいは小さくすることができる。その結果、高倍率のカメラ１２１Ｂから取得される画像データおよび低倍率のカメラ１２１Ａから取得される画像データに共通の画像処理を適用することができる。
【０１６９】
（４）上記の実施の形態では、受光部１２０に変倍機構としてハーフミラー１２４を用いた二分岐光学系および２つのカメラ１２１Ａ，１２１Ｂが用いられる。これに限らず、受光部１２０においては、上記の二分岐光学系に代えてズームレンズを設けてもよい。この場合、受光部１２０に設ける撮像素子１２１ａを１つにすることができる。
【０１７０】
受光部１２０にズームレンズを用いる場合には、三角測距方式の形状測定時に、ズームレンズにより調整可能な範囲を所定範囲内に制限することが好ましい。それにより、高いテレセントリック性を有さないズームレンズを用いる場合でも、受光部１２０に物体側テレセントリックレンズを用いた場合とほぼ同様の測定精度を維持することができる。
【０１７１】
また、受光部１２０にズームレンズを用いる場合には、各倍率における補正パラメータを予め作業用メモリ２３０等に保持してもよい。この場合、形状測定時のズームレンズの倍率および保持された補正パラメータに基づいて、画像データを補正することにより高い測定精度を維持することができる。
【０１７２】
（５）図２および図３に示される投光部１１０Ａ，１１０Ｂにおいては、レンズ１１３および折り曲げミラー１１７，１１８は設けられなくてもよい。この場合、測定部１００の構成が単純化する。
【０１７３】
（６）上記の実施の形態では、受光部１２０は倍率が互いに異なる複数のカメラ１２１Ａ，１２１Ｂを有する。これに限らず、受光部１２０は、上記の２つのカメラ１２１Ａ，１２１Ｂのうち一方のカメラのみを含んでもよい。
【０１７４】
（７）上記の実施の形態では、２つの投光部１１０Ａ，１１０Ｂは、受光部１２０の光軸ＲＯＡを含みかつ測定部１００の前後方向に延びる面を挟んで対称に配置される。これに限らず、投光部１１０Ａ，１１０Ｂは、受光部１２０の光軸ＲＯＡを含みかつ測定部１００の前後方向に延びる面を挟んで対称に配置されなくてもよい。すなわち、ステージ１４０の載置面から受光部１２０に向かう受光部１２０の光軸ＲＯＡと投光部１１０Ａからステージ１４０の載置面に向かう光軸ＴＯＡ１とを含む光軸通過面と、ステージ１４０の載置面から受光部１２０に向かう受光部１２０の光軸ＲＯＡと投光部１１０Ｂからステージ１４０の載置面に向かう光軸ＴＯＡ２とを含む光軸通過面とが互いに交差してもよい。この場合においても、ステージ１４０に載置された測定対象物Ｓに異なる方向から測定光束を照射することができる。それにより、測定対象物Ｓにおける測定不可能な部分を低減することができる。
【０１７５】
［９］請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【０１７６】
上記の実施の形態においては、測定対象物Ｓが測定対象物の例であり、形状測定装置５００が形状測定装置の例であり、ステージ１４０がステージの例であり、ステージ１４０の載置面がステージの上面の例であり、投光部１１０Ａが第１の投光装置の例である。
【０１７７】
また、受光部１２０が受光装置の例であり、投光部１１０Ａの測定光源１１１が第１の光源の例であり、投光部１１０Ａのパターン生成部１１２が第１のパターン生成部の例であり、投光部１１０Ａの両側テレセントリック光学系ＴＴが第１の両側テレセントリック光学系の例であり、投光部１１０Ａのパターン生成部１１２のパターン出射面１１２Ｓが第１のパターン生成部の出射面の例である。
【０１７８】
また、投光部１１０Ａの光軸ＴＯＡ１が第１の投光装置の光軸の例であり、受光部１２０の光軸ＲＯＡが受光装置の光軸の例であり、ステージ１４０の載置面から受光部１２０に向かう受光部１２０の光軸ＲＯＡと投光部１１０Ａからステージ１４０の上面に向かう光軸ＴＯＡ１とを含む光軸通過面が第１の面の例であり、ステージ１４０の載置面から受光部１２０に向かう受光部１２０の光軸ＲＯＡと投光部１１０Ｂからステージ１４０の載置面に向かう光軸ＴＯＡ２とを含む光軸通過面が第２の面の例であり、カメラ１２１Ａの撮像素子１２１ａが第１の受光素子の例であり、受光部１２０において一の両側テレセントリック光学系を構成するレンズ１２２，１２３Ａおよび絞り１２５Ａが第１の受光光学系の例であり、カメラ１２１Ｂの撮像素子１２１ａが第２の受光素子の例である。
【０１７９】
また、受光部１２０において他の両側テレセントリック光学系を構成するレンズ１２２，１２３Ｂおよび絞り１２５Ｂが第２の受光光学系の例であり、投光部１１０Ｂが第２の投光装置の例であり、投光部１１０Ｂの測定光源１１１が第２の光源の例であり、投光部１１０Ｂのパターン生成部１１２が第２のパターン生成部の例である。
【０１８０】
また、投光部１１０Ｂの両側テレセントリック光学系ＴＴが第２の両側テレセントリック光学系の例であり、投光部１１０Ｂのパターン生成部１１２のパターン出射面１１２Ｓが第２のパターン生成部の出射面の例であり、投光部１１０Ｂの光軸ＴＯＡ２が第２の投光装置の光軸の例である。
【０１８１】
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１８２】
本発明は、三角測距方式の形状測定を行う種々の形状測定装置に有効に利用することができる。
【符号の説明】
【０１８３】
１００  測定部
１１１  測定光源
１１２  パターン生成部
１１２Ｓ  パターン出射面
１１３，１１４，１１５，１２２  レンズ
１１７，１１８  ミラー
１２０  受光部
１２１Ａ，１２１Ｂ  カメラ
１２１ａ  撮像素子
１２４  ハーフミラー
１３０  照明光出力部
１４０  ステージ
１４１  Ｘ−Ｙステージ
１４２  Ｚステージ
１４３  θステージ
１４４  チルトステージ
１４５  ステージ操作部
１４６  ステージ駆動部
１５０  制御基板
１９０  台座
１９１  支柱
１９２  光学系支持体
２００  ＰＣ
２１０  ＣＰＵ
２２０  ＲＯＭ
２３０  作業用メモリ
２４０  記憶装置
２５０  操作部
３００  制御部
３１０  制御基板
３２０  照明光源
４００  表示部
５００  形状測定装置
５５０  画像表示領域
５７０，５８０  設定変更領域
５７１  選択欄
５７２  設定バー
５７３  表示切換欄
５７４  倍率切換欄
５７５  倍率選択欄
５７６  焦点調整欄
５８０  設定変更領域
５８１  ツール選択欄
５８２  撮影ボタン
５８３  測定ボタン
ＣＡ  投光系測定可能範囲
ＣＳ  測定可能空間
ＩＳ，ＰＰ，ＳＳ  面
ＦＳ１，ＦＳ２  焦点面
ＬＰ  直線
ＰＡ  一部分
ＰＲ  主光線
Ｓ  測定対象物
ＳＦ，ＳＢ  距離
ＲＯＡ，ＴＯＡ１，ＴＯＡ２  光軸
ＴＴ  両側テレセントリック光学系
ＴＸ  非テレセントリック光学系
【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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