(57)【要約】【課題】光学的な限界以上の解像度での撮影を可能とする。【解決手段】パターン生成部の各投光素子を制御することで規定される、ステージ上に投影される投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチで、ステージ上の投影パターンの位相がシフトされるように、投光部及び受光部に対してステージを、受光部の光軸方向に相対的に微小変位させる光軸方向駆動部と、ステージが光軸方向の第一位置にある状態で、受光部により複数の投影パターンでそれぞれ撮像された第一パターン画像の集合である第一パターン画像セットと、光軸方向駆動部によりステージを、第一位置から第二位置に微小変位させた状態で、受光部により複数の投影パターンでそれぞれ撮像された第二パターン画像の集合である第二パターン画像セットに基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する形状測定処理部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物を載置するステージと、
測定光を出射する測定光源と、
互いに独立して制御される複数の投光素子が二次元状に配置され、前記測定光源の測定光から周期的な明暗の位相を有する投影パターンを生成するパターン生成部と
を有し、当該投影パターンの位相を変化させて測定対象物に照射する投光部と、
前記投光部から照射され、測定対象物で反射された、位相が異なる複数の投影パターンを撮像して、パターン画像セットを生成する受光部と、
前記パターン生成部の各投光素子を制御することで規定される、前記ステージ上に投影される投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチで、前記ステージ上の投影パターンの位相がシフトされるように、前記投光部及び前記受光部に対して前記ステージを、前記受光部の光軸方向に相対的に微小変位させる光軸方向駆動部と、
前記ステージが前記光軸方向の第一位置にある状態で、前記受光部により複数の投影パターンでそれぞれ撮像された第一パターン画像の集合である第一パターン画像セットと、
前記光軸方向駆動部により前記ステージを、前記第一位置から第二位置に微小変位させた状態で、前記受光部により複数の投影パターンでそれぞれ撮像された第二パターン画像の集合である第二パターン画像セットに基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する形状測定処理部と、
を備える形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の形状測定装置であって、
前記第二パターン画像セットは、該第二パターン画像セットと対応する第一パターン画像の位相との位相シフト量が、投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチである形状測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の形状測定装置であって、
前記形状測定処理部が、前記第一パターン画像セットと、第二パターン画像セットを構成する各パターン画像を、位相のシフト量の順に並び変え、該並び変えられた各パターン画像に基づき、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定するよう構成してなる形状測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状測定装置であって、
前記形状測定処理部が、前記第一パターン画像セットと、第二パターン画像セットと、
前記光軸方向駆動部により前記ステージを、前記第二位置から前記第一位置と異なる第三位置に微小変位させた状態で、前記受光部により複数の投影パターンでそれぞれ撮像された第三パターン画像の集合
である第三パターン画像セットであって、対応する前記第一パターン画像と第二パターン画像の位相シフト量と、前記第二パターン画像と第三パターン画像の位相シフト量の和が、投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチである第三パターン画像セット
を構成する各パターン画像に基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定するよう構成してなる形状測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の形状測定装置であって、
前記形状測定処理部が、前記第一パターン画像セットが取得された後、前記光軸方向駆動部により前記ステージを前記第一位置から第三位置に微小変位させて、前記第三パターン画像セットを取得し、さらに前記ステージを前記第三位置から第二位置に微小変位させて、前記第二パターン画像セットを取得し、これらのパターン画像に基づいて、表面形状の測定を行うよう構成してなる形状測定装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の形状測定装置であって、
前記第一位置と第三位置の間に、前記第二位置が位置しており、
前記形状測定処理部は、
前記第二パターン画像セットに含まれる各第二パターン画像の位相を、基準位相とし、
前記第一パターン画像セットに含まれる各第一パターン画像の位相を、基準位相に対して負の方向にシフトされた位相とし、
前記第三パターン画像セットに含まれる各第三パターン画像の位相を、基準位相に対して正の方向にシフトされた位相として、
これらのパターン画像に基づいて位相のピーク位置を推定して、表面形状の測定を行うよう構成してなる形状測定装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の形状測定装置であって、さらに、
前記ステージ上に投影される投影パターンの位相の幅を、前記パターン生成部の各投光素子を制御することで調整可能な測定制御部を備える形状測定装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の形状測定装置であって、さらに、
前記投光部と前記受光部を含む上ヘッドを備え、
前記光軸方向駆動部が、前記上ヘッドとステージとの相対距離を微小変位させるよう構成してなる形状測定装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の形状測定装置であって、
前記光軸方向駆動部が、前記受光部の焦点位置を調整可能に構成してなる形状測定装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の形状測定装置であって、さらに、
前記ステージの高さを検出するスケールユニットを備える形状測定装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の形状測定装置であって、
前記スケールユニットで前記ステージの高さを検出する移動軸を、前記受光部の光軸と平行に近接して配置してなる形状測定装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の形状測定装置であって、
前記スケールユニットが、
前記光軸を前記ステージの下方に延長した光軸延長線上、又は当該光軸延長線に近傍且つ該延長線と平行な直線上で、前記ステージ支持部と共に移動するセンサ移動部と、
前記ステージと連結されたベース筐体に支持されて、前記センサ移動部の位置を検出するためのスケール部と、
を含む形状測定装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の形状測定装置であって、
前記受光部が、テレセントリック光学系である形状測定装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の形状測定装置であって、
前記投光部は、
前記ステージ上に載置された測定対象物に対し、第一方向から第一投影パターンを照射する第一投光部と、
前記ステージ上に載置された測定対象物に対し、第二方向から第二投影パターンを照射する第二投光部とを備え、
前記受光部は、
前記第一投光部から照射され、測定対象物から反射された第一投影パターンを受光して第一受光データを出力し、
前記第二投光部から照射され、測定対象物から反射された第二投影パターンを受光して第二受光データを出力し、
前記形状測定処理部が、
前記第一投光部で得られた各パターン画像に基づいて得られた、測定対象物の表面形状の情報を含む第一立体形状データと、
前記第二投光部で得られた各パターン画像に基づいて得られた、測定対象物の表面形状の情報を含む第二立体形状データとを合成して、合成立体形状データを生成してなる形状測定装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の形状測定装置であって、
前記受光部は、
第一倍率の第一受光部と、
前記第一倍率よりも高倍率の第二受光部と
を備えており、
前記投光部は、前記第一受光部と合致させた光学設計とされてなる形状測定装置。
【請求項１６】
測定対象物の形状を測定する形状測定方法であって、
測定対象物を載置するステージが、受光部の光軸方向の第一位置にある状態で、互いに独立して制御される複数の投光素子が二次元状に配置され、測定光源の測定光から周期的な明暗の位相を有する投影パターンを生成するパターン生成部でもって、当該投影パターンの位相を順次変化させて、投光部から測定対象物に照射し、測定対象物で反射された、位相が異なる複数の投影パターンを受光部で撮像した、第一パターン画像の集合である第一パターン画像セットを生成する工程と、
前記ステージ上に投影される投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチで、前記ステージ上の投影パターンの位相がシフトされるように、前記投光部及び前記受光部に対して前記ステージを、光軸方向駆動部により、前記第一位置から、前記受光部の光軸方向に相対的に第二位置に微小変位させる工程と、
前記ステージが前記第二位置にある状態で、前記投光部から測定対象物に対し投影パターンを、位相を順次変化させて照射し、測定対象物で反射された、位相が異なる複数の投影パターンを受光部で撮像した、第二パターン画像の集合である第二パターン画像セットを生成する工程と、
前記第一パターン画像セット及び第二パターン画像セットに基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、形状測定処理部で測定対象物の表面形状を測定する工程と、
を含む形状測定方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の形状測定方法であって、
前記形状測定処理部が、前記第一パターン画像セットと、第二パターン画像セットを構成する各パターン画像を、位相のシフト量の順に並び変え、該並び変えられた各パターン画像に基づき、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する形状測定方法。
【請求項１８】
請求項１６又は１７に記載の形状測定方法であって、さらに、
前記第一パターン画像セットを生成する工程の後、前記光軸方向駆動部により前記ステージを、前記第一位置から前記第二位置と異なる第三位置に微小変位させる工程と、
前記ステージを第三位置とした状態で、前記受光部により複数の投影パターンでそれぞれ撮像された第三パターン画像の集合である第三パターン画像セットであって、対応する前記第一パターン画像と第二パターン画像の位相シフト量と、前記第二パターン画像と第三パターン画像の位相シフト量の和が、投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチである第三パターン画像セットを生成する工程を含み、
前記形状測定処理部が測定対象物の表面形状を測定する工程が、前記第一パターン画像セットと、第二パターン画像セットと、第三パターン画像セットを構成する各パターン画像に基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する形状測定方法。
【請求項１９】
測定対象物の形状を測定する形状測定プログラムであって、
測定対象物を載置するステージが、受光部の光軸方向の第一位置にある状態で、互いに独立して制御される複数の投光素子が二次元状に配置され、測定光源の測定光から周期的な明暗の位相を有する投影パターンを生成するパターン生成部でもって、当該投影パターンの位相を順次変化させて、投光部から測定対象物に照射し、測定対象物で反射された、位相が異なる複数の投影パターンを受光部で撮像した、第一パターン画像の集合である第一パターン画像セットを生成する機能と、
前記ステージ上に投影される投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチで、前記ステージ上の投影パターンの位相がシフトされるように、前記投光部及び前記受光部に対して前記ステージを、光軸方向駆動部により、前記第一位置から、前記受光部の光軸方向に相対的に第二位置に微小変位させる機能と、
前記ステージが前記第二位置にある状態で、前記投光部から測定対象物に対し投影パターンを、位相を順次変化させて照射し、測定対象物で反射された、位相が異なる複数の投影パターンを受光部で撮像した、第二パターン画像の集合である第二パターン画像セットを生成する機能と、
前記第一パターン画像セット及び第二パターン画像セットに基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する機能と、
をコンピュータに実現させるための形状測定プログラム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のプログラムであって、
前記形状測定機能が、前記第一パターン画像セットと、第二パターン画像セットを構成する各パターン画像を、位相のシフト量の順に並び変え、該並び変えられた各パターン画像に基づき、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する形状測定プログラム。
【請求項２１】
請求項１９又は２０に記載のプログラムであって、さらに、
前記光軸方向駆動部により前記ステージを、前記第一位置から前記第二位置と異なる第三位置に微小変位させる機能と、
前記ステージを第三位置とした状態で、前記受光部により複数の投影パターンでそれぞれ撮像された第三パターン画像の集合である第三パターン画像セットであって、対応する前記第一パターン画像と第二パターン画像の位相シフト量と、前記第二パターン画像と第三パターン画像の位相シフト量の和が、投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチである第三パターン画像セットを生成する機能を含み、
前記測定対象物の表面形状を測定する機能が、前記第一パターン画像セットと、第二パターン画像セットと、第三パターン画像セットを構成する各パターン画像に基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定するプログラム。
【請求項２２】
請求項１９〜２１のいずれか一項に記載のプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体又は記録した機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置、形状測定方法及び形状測定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
三角測距の原理を用いたパターン投影法により、測定対象物（ワーク）の表面の形状を測定する形状測定装置が知られている（例えば特許文献１）。このような形状測定装置では、短時間でワークの三次元形状を測定することが可能である。
【０００３】
パターン投影を使った計測装置が知られている。このパターン投影計測は、原理的には、測定対象物に対して斜めにパターン光（この特許文献３ではスリット光）を投光し、その反射光をカメラ等の撮像部で受光して、三角測距の原理を使って測定対象物の三次元形状を計測するものである。
【０００４】
従来のパターン投影計測装置は一般的に単一倍率を前提に設計されている。具体的には、形状測定装置は、投光系及び受光系の光学倍率を予め整合させて提供されているため、ユーザは提供されている投光系及び受光系の倍率のセットの中から所望のセットを選択しているのが実情である。
【０００５】
一般的に、計測精度を高めるには観察倍率すなわち受光倍率と投光倍率とを、光学的に例えば１：１というように一定の対をなす関係で設計するのが望ましいと認識されている。この設計指針に基づいて、形状測定装置は投光系及び受光系の光学倍率を整合させたセットとして設計されている。
【０００６】
一方で、近年の受光系の受光素子（撮像素子）の技術革新により、高度な解像度が実現されるようになっている。しかしながら、パターン光を生成する投光系の光学解像度については技術的に受光系ほどの解像度が得られていないため、投光系と受光系の光学倍率に乖離が生じている。一般に投光系はＤＭＤ等が実現されているところ、投光するパターンは一定となる。これに対して受光系の撮像素子は解像度を変化させることができるため、高倍率、低倍率に対応させることができる。このような乖離のため、高倍率と低倍率とで画素の対応が得られてないという問題があった。すなわち、せっかく受光系を高倍率にしても、投光系が低倍率の場合は、低倍率に合わせる必要があり、その恩恵を享受することができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−１０９４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的の一は、光学的な限界以上の解像度での撮影を可能とした形状測定装置、計測測定方法、形状測定プログラム並びにコンピュータで読み取り可能な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及び発明の効果】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る形状測定装置によれば、測定対象物を載置するステージと、測定光を出射する測定光源と、互いに独立して制御される複数の投光素子が二次元状に配置され、前記測定光源の測定光から周期的な明暗の位相を有する投影パターンを生成するパターン生成部とを有し、当該投影パターンの位相を変化させて測定対象物に照射する投光部と、前記投光部から照射され、測定対象物で反射された、位相が異なる複数の投影パターンを撮像して、パターン画像セットを生成する受光部と、前記パターン生成部の各投光素子を制御することで規定される、前記ステージ上に投影される投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチで、前記ステージ上の投影パターンの位相がシフトされるように、前記投光部及び前記受光部に対して前記ステージを、前記受光部の光軸方向に相対的に微小変位させる光軸方向駆動部と、前記ステージが前記光軸方向の第一位置にある状態で、前記受光部により複数の投影パターンでそれぞれ撮像された第一パターン画像の集合である第一パターン画像セットと、前記光軸方向駆動部により前記ステージを、前記第一位置から第二位置に微小変位させた状態で、前記受光部により複数の投影パターンでそれぞれ撮像された第二パターン画像の集合である第二パターン画像セットに基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する形状測定処理部とを備えることができる。上記構成により、投光素子で得られる位相よりも細かな微小ピッチにてピーク位置を演算できるので、投光素子の解像度を超えた高精度な形状測定が可能となる。
【００１０】
また、本発明の第２の側面に係る形状測定装置によれば、上記構成に加えて、前記第二パターン画像セットを、該第二パターン画像セットと対応する第一パターン画像の位相との位相シフト量が、投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチとできる。
【００１１】
さらに、本発明の第３の側面に係る形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記形状測定処理部が、前記第一パターン画像セットと、第二パターン画像セットを構成する各パターン画像を、位相のシフト量の順に並び変え、該並び変えられた各パターン画像に基づき、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定するよう構成できる。上記構成により、ソートされたパターン画像から、ピーク位置の推定が容易となり、投光素子の解像度を超える正確な形状測定が可能となる。
【００１２】
さらにまた、本発明の第４の側面に係る形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記形状測定処理部が、前記第一パターン画像セットと、第二パターン画像セットと、前記光軸方向駆動部により前記ステージを、前記第二位置から前記第一位置と異なる第三位置に微小変位させた状態で、前記受光部により複数の投影パターンでそれぞれ撮像された第三パターン画像の集合である第三パターン画像セットであって、対応する前記第一パターン画像と第二パターン画像の位相シフト量と、前記第二パターン画像と第三パターン画像の位相シフト量の和が、投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチである第三パターン画像セットを構成する各パターン画像に基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定するよう構成できる。上記構成により、３つの異なる位相にシフトされたパターン画像に基づいて、より精細なピーク位置の推定が可能となり、より精細な形状測定が実現される。
【００１３】
さらにまた、本発明の第５の側面に係る形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記形状測定処理部が、前記第一パターン画像セットが取得された後、前記光軸方向駆動部により前記ステージを前記第一位置から第三位置に微小変位させて、前記第三パターン画像セットを取得し、さらに前記ステージを前記第三位置から第二位置に微小変位させて、前記第二パターン画像セットを取得し、これらのパターン画像に基づいて、表面形状の測定を行うよう構成できる。上記構成により、基準位置を中心として上下に移動させることで、ステージ位置の下限、上限に近い位置での深度測定範囲を中心に寄せることが可能となる。
【００１４】
さらにまた、本発明の第６の側面に係る形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記第一位置と第三位置の間に、前記第二位置が位置しており、前記形状測定処理部は、前記第二パターン画像セットに含まれる各第二パターン画像の位相を、基準位相とし、前記第一パターン画像セットに含まれる各第一パターン画像の位相を、基準位相に対して負の方向にシフトされた位相とし、前記第三パターン画像セットに含まれる各第三パターン画像の位相を、基準位相に対して正の方向にシフトされた位相として、これらのパターン画像に基づいて位相のピーク位置を推定して、表面形状の測定を行うよう構成できる。
【００１５】
さらにまた、本発明の第７の側面に係る形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、前記ステージ上に投影される投影パターンの位相の幅を、前記パターン生成部の各投光素子を制御することで調整可能な測定制御部を備えることができる。
【００１６】
さらにまた、本発明の第８の側面に係る形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、前記投光部と前記受光部を含む上ヘッドを備え、前記光軸方向駆動部が、前記上ヘッドとステージとの相対距離を微小変位させるよう構成できる。
【００１７】
さらにまた、本発明の第９の側面に係る形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記光軸方向駆動部が、前記受光部の焦点位置を調整可能に構成できる。上記構成により、Ｚ方向の焦点を調整する機構を、位相シフトのための機構に兼用できるので、部品点数を増やすことなく、構成を簡素化しながら分解能を向上させることが可能となる。
【００１８】
さらにまた、本発明の第１０の側面に係る形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、さらに前記ステージの高さを検出するスケールユニットを備えることができる。
【００１９】
さらにまた、本発明の第１１の側面に係る形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記スケールユニットで前記ステージの高さを検出する移動軸を、前記受光部の光軸と平行に近接して配置することができる。
【００２０】
さらにまた、本発明の第１２の側面に係る形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記スケールユニットが、前記光軸を前記ステージの下方に延長した光軸延長線上、又は当該光軸延長線に近傍且つ該延長線と平行な直線上で、前記ステージ支持部と共に移動するセンサ移動部と、前記ステージと連結されたベース筐体に支持されて、前記センサ移動部の位置を検出するためのスケール部とを含むことができる。
【００２１】
さらにまた、本発明の第１３の側面に係る形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記受光部をテレセントリック光学系とすることができる。上記構成により、受光部とステージとの相対距離を変化させても視野が変更されないため、投光パターン以外は変化しない画像として、画素ずらしを容易に実現できる。
【００２２】
さらにまた、本発明の第１４の側面に係る形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記投光部は、前記ステージ上に載置された測定対象物に対し、第一方向から第一投影パターンを照射する第一投光部と、前記ステージ上に載置された測定対象物に対し、第二方向から第二投影パターンを照射する第二投光部とを備え、前記受光部は、前記第一投光部から照射され、測定対象物から反射された第一投影パターンを受光して第一受光データを出力し、前記第二投光部から照射され、測定対象物から反射された第二投影パターンを受光して第二受光データを出力し、前記形状測定処理部が、前記第一投光部で得られた各パターン画像に基づいて得られた、測定対象物の表面形状の情報を含む第一立体形状データと、前記第二投光部で得られた各パターン画像に基づいて得られた、測定対象物の表面形状の情報を含む第二立体形状データとを合成して、合成立体形状データを生成することができる。上記構成により、異なる方向からそれぞれ得られた立体形状を統合して、測定不能な部位や誤差の少ない形状測定が可能となる。
【００２３】
さらにまた、本発明の第１５の側面に係る形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記受光部は、第一倍率の第一受光部と、前記第一倍率よりも高倍率の第二受光部とを備えており、前記投光部は、前記第一受光部と合致させた光学設計とすることができる。上記構成により、低倍率の第一受光部に一致させて投光部を光学設計しつつ、高倍率の第二受光部においても、微小ピッチで撮像したパターン画像に基づく位相のピーク位置の推定によって、精度の高い測定が可能となる。
【００２４】
さらにまた、本発明の第１６の側面に係る形状測定方法によれば、測定対象物の形状を測定する形状測定方法であって、測定対象物を載置するステージが、受光部の光軸方向の第一位置にある状態で、互いに独立して制御される複数の投光素子が二次元状に配置され、測定光源の測定光から周期的な明暗の位相を有する投影パターンを生成するパターン生成部でもって、当該投影パターンの位相を順次変化させて、投光部から測定対象物に照射し、測定対象物で反射された、位相が異なる複数の投影パターンを受光部で撮像した、第一パターン画像の集合である第一パターン画像セットを生成する工程と、前記ステージ上に投影される投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチで、前記ステージ上の投影パターンの位相がシフトされるように、前記投光部及び前記受光部に対して前記ステージを、光軸方向駆動部により、前記第一位置から、前記受光部の光軸方向に相対的に第二位置に微小変位させる工程と、前記ステージが前記第二位置にある状態で、前記投光部から測定対象物に対し投影パターンを、位相を順次変化させて照射し、測定対象物で反射された、位相が異なる複数の投影パターンを受光部で撮像した、第二パターン画像の集合である第二パターン画像セットを生成する工程と、前記第一パターン画像セット及び第二パターン画像セットに基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、形状測定処理部で測定対象物の表面形状を測定する工程とを含むことができる。これにより、投光素子で得られる位相よりも細かな微小ピッチにてピーク位置を演算できるので、投光素子の解像度を超えた高精度な形状測定が可能となる。
【００２５】
さらにまた、本発明の第１７の側面に係る形状測定方法によれば、上記に加えて、前記形状測定処理部が、前記第一パターン画像セットと、第二パターン画像セットを構成する各パターン画像を、位相のシフト量の順に並び変え、該並び変えられた各パターン画像に基づき、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定することができる。これにより、ソートされたパターン画像から、ピーク位置の推定が容易となり、投光素子の解像度を超える正確な形状測定が可能となる。
【００２６】
さらにまた、本発明の第１８の側面に係る形状測定方法によれば、上記何れかに加えてさらに、前記第一パターン画像セットを生成する工程の後、前記光軸方向駆動部により前記ステージを、前記第一位置から前記第二位置と異なる第三位置に微小変位させる工程と、前記ステージを第三位置とした状態で、前記受光部により複数の投影パターンでそれぞれ撮像された第三パターン画像の集合である第三パターン画像セットであって、対応する前記第一パターン画像と第二パターン画像の位相シフト量と、前記第二パターン画像と第三パターン画像の位相シフト量の和が、投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチである第三パターン画像セットを生成する工程を含み、前記形状測定処理部が測定対象物の表面形状を測定する工程が、前記第一パターン画像セットと、第二パターン画像セットと、第三パターン画像セットを構成する各パターン画像に基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定することができる。これにより、３つの異なる位相にシフトされたパターン画像に基づいて、より精細なピーク位置の推定が可能となり、より精細な形状測定が実現される。
【００２７】
さらにまた、本発明の第１９の側面に係る形状測定プログラムによれば、測定対象物の形状を測定する形状測定プログラムであって、測定対象物を載置するステージが、受光部の光軸方向の第一位置にある状態で、互いに独立して制御される複数の投光素子が二次元状に配置され、測定光源の測定光から周期的な明暗の位相を有する投影パターンを生成するパターン生成部でもって、当該投影パターンの位相を順次変化させて、投光部から測定対象物に照射し、測定対象物で反射された、位相が異なる複数の投影パターンを受光部で撮像した、第一パターン画像の集合である第一パターン画像セットを生成する機能と、前記ステージ上に投影される投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチで、前記ステージ上の投影パターンの位相がシフトされるように、前記投光部及び前記受光部に対して前記ステージを、光軸方向駆動部により、前記第一位置から、前記受光部の光軸方向に相対的に第二位置に微小変位させる機能と、前記ステージが前記第二位置にある状態で、前記投光部から測定対象物に対し投影パターンを、位相を順次変化させて照射し、測定対象物で反射された、位相が異なる複数の投影パターンを受光部で撮像した、第二パターン画像の集合である第二パターン画像セットを生成する機能と、前記第一パターン画像セット及び第二パターン画像セットに基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する機能とをコンピュータに実現させることができる。上記構成により、投光素子で得られる位相よりも細かな微小ピッチにてピーク位置を演算できるので、投光素子の解像度を超えた高精度な形状測定が可能となる。
【００２８】
さらにまた、本発明の第２０の側面に係る形状測定プログラムによれば、上記構成に加えて、前記形状測定機能が、前記第一パターン画像セットと、第二パターン画像セットを構成する各パターン画像を、位相のシフト量の順に並び変え、該並び変えられた各パターン画像に基づき、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定することができる。上記構成により、ソートされたパターン画像から、ピーク位置の推定が容易となり、投光素子の解像度を超える正確な形状測定が可能となる。
【００２９】
さらにまた、本発明の第２１の側面に係る形状測定プログラムによれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、前記光軸方向駆動部により前記ステージを、前記第一位置から前記第二位置と異なる第三位置に微小変位させる機能と、前記ステージを第三位置とした状態で、前記受光部により複数の投影パターンでそれぞれ撮像された第三パターン画像の集合である第三パターン画像セットであって、対応する前記第一パターン画像と第二パターン画像の位相シフト量と、前記第二パターン画像と第三パターン画像の位相シフト量の和が、投影パターンの位相の幅よりも細かな微小ピッチである第三パターン画像セットを生成する機能を含み、前記測定対象物の表面形状を測定する機能が、前記第一パターン画像セットと、第二パターン画像セットと、第三パターン画像セットを構成する各パターン画像に基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定することができる。記構成により、３つの異なる位相にシフトされたパターン画像に基づいて、より精細なピーク位置の推定が可能となり、より精細な形状測定が実現される。
【００３０】
また第２２の側面に係るコンピュータで読み取り可能な記録媒体又は記録した機器は、上記プログラムを格納するものである。記録媒体には、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷやフレキシブルディスク、磁気テープ、ＭＯ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ＋Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）、ＨＤ  ＤＶＤ（ＡＯＤ）等の磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリその他のプログラムを格納可能な媒体が含まれる。またプログラムには、上記記録媒体に格納されて配布されるものの他、インターネット等のネットワーク回線を通じてダウンロードによって配布される形態のものも含まれる。さらに記録媒体にはプログラムを記録可能な機器、例えば上記プログラムがソフトウェアやファームウェア等の形態で実行可能な状態に実装された汎用もしくは専用機器を含む。さらにまたプログラムに含まれる各処理や機能は、コンピュータで実行可能なプログラムソフトウエアにより実行してもよいし、各部の処理を所定のゲートアレイ（ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、ＤＳＰ）等のハードウエア、又はプログラムソフトウエアとハードウエアの一部の要素を実現する部分的ハードウエアモジュールとが混在する形式で実現してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態１に係る計測顕微鏡装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る計測顕微鏡装置を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態３に係る計測顕微鏡装置を示すブロック図である。
【図４】図１の撮像手段の構成を示すブロック図である。
【図５】計測顕微鏡装置操作プログラムのＧＵＩの一例を示すイメージ図である。
【図６】テレセントリック両側投光の光学系を示す模式図である。
【図７】左右投光と測定範囲の関係を示す模式図である。
【図８】形状測定の手順を示すフローチャートである。
【図９】テクスチャ画像を取得する手順を示すフローチャートである。
【図１０】計測設定を行う手順を示すフローチャートである。
【図１１】上ヘッドと下ヘッドを接続した状態を示す側面図である。
【図１２】図１２Ａは、ステージの下方にＺステージを配置し、スケール部を離間させた構成を示す模式図、図１２Ｂは、ステージの下方にスケールユニットを配置し、Ｚステージを背面に配置した構成を示す模式図である。スケールユニットとブラケットの接続部位を示す斜視図である。
【図１３】図１３Ａは高さＡ、図１３Ｂは高さＢ、図１３Ｃは高さＣにおける、測定範囲を示す模式図である。
【図１４】図１４Ａ〜図１４Ｃは、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃの各高さで得られた光学画像、図１４Ｄ〜図１４Ｆは、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃの各高さで得られた縞画像を、それぞれ示すイメージ図である。
【図１５】図１５Ａは図１３Ａの高さＡ、図１５Ｂは図１３Ｂの高さＢ、図１５Ｃは図１３Ｃの高さＣで得られた測定結果を、図１５Ｄはこれらを連結する様子を示す模式図である。
【図１６】図１６Ａは深度探索範囲内のデータを非表示とした合成画像のイメージ図、図１６Ｂは深度探索範囲内のデータを表示させた合成画像のイメージ図である。
【図１７】図１７Ａは別の測定対象物の深度探索範囲内のデータを非表示とした合成画像のイメージ図、図１７Ｂは深度探索範囲内のデータを表示させた合成画像のイメージ図である。
【図１８】測定可能な高さ範囲外で深度探索範囲内にある測定対象物の高さ位置に縞画像が確認できる状態を示すイメージ図である。
【図１９】別の測定対象物に対して、測定可能な高さ範囲外で深度探索範囲内にある高さ位置に縞画像が確認できる状態を示すイメージ図である。
【図２０】連結時の画像の粗さとピッチの関係を示すグラフである。
【図２１】連結測定範囲を自動で決定する深度探索範囲を説明する模式図である。
【図２２】取得済みの画素を累積する様子を示す模式図である。
【図２３】累積画像の変遷を示す模式図である。
【図２４】自動深度拡張の手順を示すフローチャートである。
【図２５】実施例２に係る自動深度拡張を説明する模式図である。
【図２６】形状測定プログラムのフルオートモードのユーザインターフェース画面を示すイメージ図である。
【図２７】測定モード選択を行う例を示すイメージ図である。
【図２８】深度拡張モード選択を行う例を示すイメージ図である。
【図２９】測定方向選択を行う例を示すイメージ図である。
【図３０】測定明るさ設定を行う例を示すイメージ図である。
【図３１】部分領域の設定例を示すイメージ図である。
【図３２】図３１の測定対象物の光学画像を示すイメージ図である。
【図３３】図３３Ａは、図３２の測定対象物から通常測定モードで生成された高さ画像、図３３Ｂは、反射／潜り込み光除去モードで生成された高さ画像のイメージ図である。
【図３４】図３４Ａはある測定対象物の縞画像のイメージ図、図３４Ｂは図３４Ａの測定対象物の内、金属部分の輝度プロファイル、図３４Ｃは穴部分の輝度プロファイル、図３４Ｄは白樹脂部分の輝度プロファイルである。
【図３５】自動画像ＸＹ連結処理の手順を示すフローチャートである。
【図３６】図３６Ａ〜図３６Ｃは渦巻き状にマップ画像が作成される様子を示すイメージ図である。
【図３７】図３７Ａ〜図３７Ｃは、手動で連結領域を指定する方法を示すイメージ図である。
【図３８】自動で連結領域を設定する方法を示すイメージ図である。
【図３９】マップ画像で連結領域を決めた後測定を開始する手順を示すフローチャートである。
【図４０】測定中に立体形状データを解析しながら連結領域を設定する手順を示すフローチャートである。
【図４１】部分領域測定設定を自動調整して合成立体形状データを生成する手順を示すフローチャートである。
【図４２】測定対象物に複数の部分領域を設定した状態を示す側面図である。
【図４３】図４２の分割測定領域毎の部分領域測定設定を示す表である。
【図４４】テレセントリック光学系を示す模式図である。
【図４５】パターン画像を複数枚撮像する様子を示すイメージ図である。
【図４６】マルチスリット法によるパターン画像の輝度変化から輝度値を補間する方法を示すグラフである。
【図４７】図４７Ａは基準高さ、図４７Ｂは図４７Ａからステージ高さを変化させた状態の、投光パターンの観察位置の変化を示す模式図である。
【図４８】図４８Ａは補間なし、図４８Ｂは補間パターンありの、サンプリング点数と位相推定精度を示すグラフである。
【図４９】図４９Ａは微小送りなし、図４９Ｂは微小送りありによる分解能向上効果の得られた観察画像の例を示すイメージ図である。
【図５０】Ｚステージを移動させる縞の微小送りによる処理の手順を示すフローチャートである。
【図５１】撮影画像のソートと基準位置の関係を示す模式図である。
【図５２】傾斜ガラスの回転運動による微小送りを示す模式図である。
【図５３】投光部の微小画素ずらしを行う形状測定装置のブロック図である。
【図５４】投光部の微小画素ずらしを行う形状測定装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための形状測定装置、形状測定方法、形状測定プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体を例示するものであって、本発明は形状測定装置、形状測定方法、形状測定プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００３３】
本明細書において、「テクスチャ画像」とは、光学画像に代表される、テクスチャ情報を有する観察画像である。一方、「高さ画像」とは、距離画像等とも呼ばれるものであり、高さ情報を含む画像の意味で使用する。例えば、高さ情報を輝度や色度等に変換して二次元画像として表示した画像や、高さ情報をＺ座標情報として三次元状に表示した画像が挙げられる。またこのような高さ画像にテクスチャ画像をテクスチャ情報として貼り付けた三次元の合成画像も、高さ画像に含む。また、本明細書において高さ画像の表示形態は二次元状に表示されるものに限られず、三次元状に表示されるものも含む。例えば、高さ画像の有する高さ情報を輝度等に変換して二次元画像として表示したものや、高さ情報をＺ座標情報として三次元状に表示したものを含む。
【００３４】
さらに本明細書において測定対象物をステージ上に置く「姿勢」とは、測定対象物の回転角度を意味する。なお、測定対象物が円錐のような平面視において点対称の形状の場合は、回転角度に依らず同じ結果が得られるため、姿勢は規定する必要がない。
【００３５】
なお、以下の実施例では測定対象物の高さ情報を取得するため、構造化照明を測定対象物に対して照射して、測定対象物の表面で反射された反射光から得られる縞投影画像を用いた三角測距に基づく計測方法を用いた例を示している。ただ、本発明は測定対象物の高さ情報を取得するための原理や構成を、これに限らず、他の方法、例えば縞投影に代えてラインレーザを用いた三角測距方式や、共焦点・干渉原理を利用した方式も適用することができる。
［実施形態１］
【００３６】
本発明の実施形態１に係る形状測定装置の構成を示すブロック図を図１に示す。形状測定装置５００は、図１に示すように、撮像手段１００、制御手段２００、光源部３００、表示部４００及び操作デバイス４５０を備える。この構成は一例であって、各部材や各部材に含まれる機能ブロックは、適宜統合させたり、分割させることができる。例えば、制御手段に光源部を含めてもよい。また制御手段を、コントローラと汎用コンピュータに分割してもよい。
（撮像手段１００）
【００３７】
撮像手段１００は、投光部１１０と、受光部１２０と、測定制御部１５０と、ステージ１４０と、光軸方向駆動部１４６と、ステージ平面方向駆動部１４８を備える。投光部１１０は、ステージ１４０上に載置された測定対象物ＷＫに対し、パターン光を照射するための部材である。受光部１２０は、投光部１１０から照射されて、測定対象物ＷＫで反射されたパターン光を受光して、受光データを出力する。測定制御部１５０は、投光部１１０の投光と受光部１２０の受光を駆動し、また受光部１２０の受光データを出力するための部材である。この撮像手段は、パターン投影法に基づいて測定対象物ＷＫの形状を測定する。
［実施形態２］
【００３８】
図１の例では、高さ画像を取得するための測定光を投光するパターン投光系と、テクスチャ画像を撮像するための照明光を照射する照明投光系を、別個に設けた例を説明した。ただ本発明は、投光系を個別に設ける構成に限定せず、投光系を共通化してもよい。このような例を実施形態２として、図２のブロック図に示す。この図に示す形状測定装置５００Ｂにおいて、図１と同様の部材については、同じ符号を付して詳細説明を省略する。
【００３９】
実施形態２に係る形状測定装置５００Ｂは、図１の形状測定装置５００と比べて、照明光出力部及び観察用照明光源を備えていない。この形状測定装置５００Ｂでは、投光部１１０が照明光の照射を兼用している。例えば投光部１１０がパターン投影する際のパターンをすべて点灯として照射することで、面状光源として利用して照明光と同様の光を照射できる。この構成であれば、照明光出力部を省略できるので、形状測定装置の構成を簡素化できる利点が得られる。
【００４０】
一方、ステージ１４０は、測定対象物ＷＫを載置するための部材である。また光軸方向駆動部１４６は、ステージ１４０を受光部１２０に対して光軸方向に相対的に移動させることにより、受光部１２０の焦点位置を調整するための部材である。この例では光軸方向駆動部１４６は、ステージ１４０側を駆動させて、焦点距離を調整する焦点調整部として機能する。また光軸方向駆動部１４６は、電動でステージ１４０を駆動するステージ駆動部と、手動でステージ１４０を操作するためのステージ操作部を備えている。これら詳細については後述する。
【００４１】
またステージ平面方向駆動部１４８は、ステージ１４０を受光部１２０の光軸方向と直交するステージ平面方向に相対的に移動させるための部材である。ステージ平面方向駆動部１４８はステージ１４０を水平面内で駆動させる駆動部であり、視野範囲を調整することができる。ステージ１４０側を駆動させる例においては、ステージ平面方向駆動部１４８はＸＹステージ１４１に相当し、一方光軸方向駆動部１４６はＺステージ１４２に相当する。
［実施形態３］
【００４２】
ただ本発明は、光軸方向駆動部１４６をステージ１４０側の移動に限定せず、投光部１１０及び受光部１２０側を移動させてもよい。このような例を実施形態３に係る形状測定装置として、図３のブロック図に示す。この図に示す形状測定装置５００Ｃにおいても、図１等と同様の部材については、同じ符号を付して詳細説明を省略する。
【００４３】
実施形態３に係る形状測定装置５００Ｃは、撮像手段１００Ｃにおいて、ステージ１４０側の高さを固定する一方、光軸方向駆動部１４６Ｃで、投光部１１０及び受光部１２０側を移動させている。光軸方向駆動部１４６Ｃは、投光部１１０や受光部１２０などの撮像系を手動で操作するための撮像系操作部１４４Ｃと、撮像系を電動で駆動するための撮像系駆動部１４５Ｃを備えている。この構成であっても、同様に焦点位置を調整できる。またステージ１４０の高さを一定とすることで、ステージ１４０上に測定対象物ＷＫを載置する高さを一定に維持できるので、測定対象物ＷＫの載置作業をスムーズに行える利点が得られる。なお、ステージ側と投光部及び受光部側の両方を移動可能とさせてもよい。このように本明細書においては、ステージ側、あるいは投光部及び受光部側のいずれか又は両方を移動させる場合でも、深度方向に焦点位置を調整できる。よって本明細書において「ステージを受光部に対して光軸方向に相対的に移動させる」というときは、ステージ側を移動させる態様と投光部及び受光部側を移動させる態様、及び両者を移動させる態様を含むものとする。
（制御手段２００）
【００４４】
制御手段２００は、立体形状データ生成部２１２と、三次元画像合成部２１３と、判定処理部２１４と、深度拡張処理部２１５と、合成処理部２１６と、測定設定自動調整部２１７と、立体形状データ連結部２１９と、記憶部２４０と、設定部２５０とを備える。
（測定設定自動調整部２１７）
【００４５】
測定設定自動調整部２１７は、各部分領域の立体形状データ及び該立体形状データを生成する際に各部分領域で取得された受光データの少なくともいずれかに基づいて、該部分領域の測定設定を自動的に調整するための部材である。測定設定自動調整部２１７は、各部分領域において、部分領域測定設定を自動的に調整し、必要に応じて各部分領域の測定設定に変更する。このように各部分領域の測定設定が変更された場合、この部分領域の測定設定に従って、立体形状データ生成部で再度立体形状データを生成し直す。すなわち、調整後の各部分領域の測定設定に従って、投光部でパターン光を投光し、受光部で調整受光データを受光し、これに基づいて、立体形状データ生成部で調整立体形状データを生成する。さらに立体形状データ連結部２１９でこの調整立体形状データを連結して連結調整立体形状データを生成する。これにより、一旦取得された受光データや立体形状データに基づいて最適な条件に変更された各部分領域の測定設定でもって立体形状データを生成し、より正確な計測を行うことが可能となる。
（立体形状データ連結部２１９）
【００４６】
立体形状データ連結部２１９は、測定設定調整部により調整された各部分領域の測定設定に従って、前記立体形状データ生成処理により再度生成された各部分領域の立体形状データを連結し、連結領域に対応する連結立体形状データを生成するための部材である。
（立体形状データ生成部２１２）
【００４７】
立体形状データ生成部２１２は、連結領域設定部２５６で設定された各部分領域において、測定設定部２５５で設定された測定設定に従って、受光部により出力された受光データに基づいて、測定対象物の形状を示す立体形状データをパターン投影法で生成する部材である。図１等の例では、立体形状データ生成部２１２は、投光部１１０により順次位相をシフトして投光され、測定対象物ＷＫの表面から反射した光を受光部１２０が複数回受光し、出力した複数の受光データに基づいて、測定対象物ＷＫの表面形状によって変化する位相データを取得し、当該位相データに基づいて、受光部１２０の光軸と直交するステージ平面内に存在する測定対象物ＷＫの形状をパターン投影法で測定して立体形状データを取得する。このステージ平面は、面状に指定され、例えばＸＹ平面上で指定される。また立体形状データは、画素毎に取得することが好ましい。なおここでいう立体形状データは、高さ情報を測定可能なデータの意味である。例えば、測定対象物を示す各画素が測定対象物の三次元座標を示す高さ画像が、立体形状データに含まれる。すなわち立体形状データは、必ずしも高さ情報を直接有していることは要さず、例えば高さ情報を測定前の、パターン投影法で測定した縞画像や、位相データ、縞画像から画素毎に測定対象物の三次元座標（例えばＸＹＺ座標）を示す高さ情報を計測したデータも、立体形状データに含む。
【００４８】
また立体形状データ生成部２１２は、高さ画像を生成することもできる。このため立体形状データ生成部２１２は、高さ画像を生成する高さ画像生成部２１２ｂや、高さ画像に対して計測を行う形状測定処理部２１２ｃを含めることができる。このように立体形状データ生成部２１２を、立体形状データに含まれる、測定対象物を示す各画素が測定対象物の三次元座標を示す高さ画像を生成するよう構成してもよい。
（判定処理部２１４）
【００４９】
判定処理部２１４は、立体形状データ取得部２１２により取得された立体形状データに基づいて、深度測定範囲内に高さ情報を有さない未測定の領域が存在するか否かを、所定の判定条件に従って判定するための部材である。パターン投影法では、縞パターンのコントラストが低くても、隣り合う明部と暗部が区別できる程度のコントラストを有していれば、立体形状データの取得が可能である。したがって、深度測定範囲とは、ステージ１４０を受光部１２０、投光部１１０、又はその両方に対し、相対的に移動させることなく高さ情報を取得可能な受光部１２０の光軸方向のある一定の幅を有する範囲を示す。より詳細には、深度測定範囲は、投光部１１０により測定対象物ＷＫ上に投光された縞パターンが最も大きいコントラストで撮像される位置に対し、光軸方向上下に一定の範囲を有する。ここで、一定の範囲とは、受光部１２０により投光部１１０から投光された縞パターンが少なくとも撮像可能な範囲であり、異なる方向からパターン光を投光する投光部１１０が複数存在する場合は、すべての投光部１１０から投光された縞パターンが撮像される範囲に基づいて定義されてよい。また、未測定の領域とは、立体形状データの内、高さ情報を取得できないデータを指す。例えば縞投影の縞パターンが映っていない画素や複数の画素からなる領域が挙げられる。また所定の判定条件には、立体形状データに含まれる縞画像のコントラストや、輝度が所定値に至っているかなどが挙げられる。
【００５０】
すなわち、最終的な立体形状データが得られていない画素の中で、パターンが投影されていることが判定できる程度の輝度値が得られている画素が存在する場合には、測定対象物が存在しているものと判断して、これを元に深度測定範囲を変えて立体形状データの取得を試みる。
【００５１】
判定処理部２１４は、このような判定条件に基づいて、高さの計測が可能な程度に縞パターンが得られているかを判定することで、深度測定範囲内に高さ情報を有さない未測定の領域が存在するか否かを判断できる。
【００５２】
また判定処理部２１４は、深度測定範囲内で高さ情報を測定可能な取得済みの画素を累積して、この取得済み画素を累積した累積画像に基づいて未測定の画素が存在するか否かを判定するよう構成できる。
【００５３】
さらに判定処理部２１４は、深度測定範囲内のいずれかの部位に立体形状データを有するか否かを判定し、未測定画素の有無を判定するよう構成してもよい。このように、深度測定範囲内に高さが測定できた画素があれば、深度を自動拡張するようにしてもよい。すなわち深度測定範囲内で一点でも測定できたら、拡張するように制御することもできる。
（深度拡張処理部２１５）
【００５４】
深度拡張処理部２１５は、判定処理部２１４による未測定判定処理により、未測定の領域が存在すると判定された場合に、光軸方向駆動部１４６を制御して受光部１２０の焦点位置を変更するための部材である。
（設定部２５０）
【００５５】
設定部２５０は、位置指定部２５１と、終了条件設定部２５２と、深度範囲設定部２５３と、深度拡張モード選択部２５４と、測定設定部２５５と、連結領域設定部２５６と、測定モード選択部２５７を備える。
（位置指定部２５１）
【００５６】
位置指定部２５１は、表示部４００上に表示された測定対象物ＷＫの画像上で、ＸＹ位置を指定するための部材である。
（終了条件設定部２５２）
【００５７】
終了条件設定部２５２は、光軸方向駆動部１４６を制御して受光部１２０の焦点位置を変更する焦点位置変更処理を終了する所定の終了条件を設定するための部材である。
【００５８】
ここで判定処理部２１４による所定の終了条件とは、移動範囲の物理的な限界、例えばステージ１４０がそれ以上移動できない位置に到達した状態が挙げられる。また所定の終了条件として、そもそも測定できない状態の他、未測定だが縞画像が取得できない状態も挙げられる。
【００５９】
なお深度拡張処理部２１５は、光軸方向駆動部１４６を動作させる際に、受光部１２０とステージ１４０との距離が長くなる方向に動作させることが好ましい。これにより、ステージ１４０上に載置された測定対象物ＷＫが受光部１２０に接触する事態を回避することができる。この場合、受光部１２０とステージ１４０が離れる一方向にのみ動作するため、ステージの初期位置を適切に設定しないと、測定対象物ＷＫの全体を測定することができなくなる。使用者はステージ１４０を受光部１２０の光軸方向に移動させながら、測定を行いたい測定対象物ＷＫの最も低い位置（受光部１２０が離れた位置）の測定が可能で、且つ測定対象物ＷＫの最も高い位置（受光部１２０に最も近い位置）が受光部１２０に衝突しない位置にステージ１４０の初期位置としてセットする。この作業は、使用者が表示部４００に表示された立体形状データを確認したり、実際のステージ１４０と受光部１２０との距離を目視で確認することにより行うことができる。
【００６０】
一方で、深度拡張処理部２１５が、受光部１２０とステージ１４０との距離が短くなる方向にも光軸方向駆動部１４６の動作を許容する場合は、ステージ１４０上の測定対象物ＷＫがカメラ等と接触する事態を阻止するための機構を備えることが好ましい。例えば、測定対象物ＷＫの最も高い部位の大まかな高さを予め取得しておき、この高さよりも短い距離に受光部１２０とステージ１４０とが接近することを禁止するように、深度拡張処理部２１５で光軸方向駆動部１４６の動作を制限する。受光部１２０とステージ１４０との距離が短くなる方向、及び長くなる方向の両方向にステージの移動を許容する場合は、ステージ１４０の初期位置から、まずいずれか一方の方向にステージ１４０を移動して、判定処理部２１４による終了条件が満たされない場合は、他方の方向にステージ１４０を移動し、終了条件が満たされるまで往復動作を行う。 
【００６１】
深度範囲設定部２５３は、光軸方向駆動部１４６を制御して受光部１２０の焦点位置を変更する範囲を設定するための部材である。
【００６２】
深度拡張モード選択部２５４は、光軸方向駆動部１４６を制御して受光部１２０の焦点位置を変更する焦点位置変更処理を、所定の範囲内で行うか、自動的に拡張するかを切り替えるための部材である。
（測定設定部２５５）
【００６３】
測定設定部２５５は、連結領域を設定するための部材である。連結領域は、複数の部分領域に分割される。各部分領域は、形状測定装置で測定可能な視野又はこれよりも若干狭い領域に対応する。このように複数の部分領域に分けて、各部分領域にステージを平面方向駆動部で移動させ、それぞれで生成した立体形状データをＸＹ平面方向に連結することで、ハードウェア仕様上の制限のある視野を拡大した広域画像を得ることが可能となる。
（連結領域設定部２５６）
【００６４】
連結領域設定部２５６は、平面方向駆動部で平面方向におけるステージの相対位置を移動させる領域として、複数の部分領域で構成された連結領域を設定する部材である。
（測定モード選択部２５７）
【００６５】
測定モード選択部２５７は、立体形状データ生成部で測定対象物の立体形状データを生成する際の測定モードとして、通常モードと、通常モードよりも精細な測定を行うためのファインモードと、受光データからハレーションを除去するハレーション除去モードのいずれかを選択するための部材である。
（合成処理部２１６）
【００６６】
合成処理部２１６は、判定処理部２１４による未測定判定処理により、未測定の領域が存在しないと判定されるか、又は所定の終了条件を満たすまで、立体形状データ生成部２１２による立体形状データ取得処理、判定処理部２１４による未測定判定処理、深度拡張処理部２１５による焦点位置変更処理を自動的に繰り返して生成された複数の高さ画像を合成した合成高さ画像を生成するための部材である。
【００６７】
このような形状測定装置により、深度方向の測定範囲を各視野において拡張することが可能となる。
（高さ情報の取得方法）
【００６８】
本実施形態では、高さ情報を取得するための方法として、三角測距の原理に基づくパターン投影法を用いている。この方式では、１回の深度測定範囲が広い三角測距方式をベースにしながら、測定対象物又は形状測定装置の位置を、物理的又は光学的に移動させて測定を繰り返す。そして得られた測定結果を合成していくことで、１回の測定で実現できる深度測定範囲を移動した分だけ、深度方向にトータルの高さを拡張していくことができる。この結果、高速に、かつ三角測距方式よりも広い範囲を測定可能となる。これによって、より広い視野を、高い分解能で計測可能な形状測定装置や形状測定方法が実現される。
（ＸＹ画像連結機能）
【００６９】
また合成処理部２１６は、ステージ１４０をＸＹ方向に移動させて撮像したＸＹ座標が異なる複数の高さ画像を、ＸＹ平面上で連結することもできる。このようなＸＹ連結の場合は、ステージ平面方向駆動部１４８でもってステージ１４０を水平方向に移動させて、異なる視野範囲で撮像した画像を水平方向に連結する。例えばテクスチャ画像取得部２１８で複数回に分けて撮像された、異なる部位を示すテクスチャ画像同士をＸＹ連結部で連結して、大きなテクスチャ画像として連結画像を、基準対象画像や検査対象画像として利用することもできる。特に高倍率な光学画像等を撮像可能な形状測定装置においては、低倍率なテクスチャ画像ではその能力を十分に発揮できないことがあり、高倍率で高精細なテクスチャ画像を画像連結機能で生成して、精度の高い画像検査を実現することができる。あるいは、高倍率の画像は視野が狭いため、異なる視野で撮像した画像同士を連結することで視野を拡大した連結画像を得ることもできる。また画像連結機能、ここではＸＹ連結機能はテクスチャ画像に限らず、高さ画像や合成高さ画像、あるいはテクスチャ画像と高さ画像を合成した合成画像に対しても実行することができる。ステージ１４０をＸＹ方向に移動させて取得した複数の立体形状データを連結する場合は、各ＸＹ位置において、深度拡張処理部２１５による深度拡張処理を自動的に行い、生成された複数の立体形状データ同士が連結される。これにより、ＸＹ方向に大きく、且つ高さ方向に大きな起伏がある測定対象物ＷＫであっても、測定対象物ＷＫ全体の測定を容易に行うことができる。また、各ＸＹ位置で測定対象物ＷＫに高さ方向の起伏が異なる場合、各ＸＹ位置において深度拡張処理部２１５による深度拡張処理の有無、又は回数が異なる。例えば、測定対象物が割と平坦であり、１回の測定で全体が測定深度範囲に収まるＸＹ位置では深度拡張処理を行わずに立体形状データを生成し、測定対象物の起伏が大きく、深度拡張処理が必要なＸＹ位置では複数回の深度拡張処理を行って立体形状データを生成し、これらの立体形状データ同士をＸＹ方向に連結することができる。
【００７０】
記憶部２４０は、各種のデータを保存したり、設定値を記憶するための部材であり、半導体記憶素子等が利用できる。ここでは記憶部２４０は、高さ画像を保存する高さ画像記憶部２４１と、テクスチャ画像を保存するテクスチャ画像記憶部２４２と、測定設定自動調整部２１７により調整された各部分領域の測定設定を保存するための測定設定保存部２４３を備える。
【００７１】
表示部４００は、取得した画像等を表示するための部材である。例えばＬＣＤや有機ＥＬ、ＣＲＴ等が利用できる。
【００７２】
操作デバイス４５０は、ユーザの入力等を受け付けるための部材であり、マウスやキーボード、コンソール等の入力デバイスが利用できる。また表示部４００にタッチパネルを使用することで、表示部と操作デバイスを兼用することもできる。
（ブロック図）
【００７３】
図１の形状測定装置５００の撮像手段１００の構成例を、図４のブロック図に示す。撮像手段１００は、投光部１１０、受光部１２０、照明光出力部１３０、ステージ１４０及び測定制御部１５０を含む。投光部１１０は、測定光源１１１、パターン生成部１１２及び複数のレンズ１１３、１１４、１１５を含む。受光部１２０は、カメラ１２１及び複数のレンズ１２２、１２３を含む。ステージ１４０上には、測定対象物ＷＫが載置される。
（投光部１１０）
【００７４】
投光部１１０は、ステージ１４０の斜め上方に配置される。撮像手段１００は、複数の投光部１１０を含んでもよい。図４の例においては、撮像手段１００は２つの投光部１１０を含む。ここでは、第一の方向から測定対象物ＷＫに対してパターン光を照射可能な第一投光部１１０Ａ（図４において右側）と、第一の方向とは異なる第二の方向から測定対象物ＷＫに対してパターン光を照射可能な第二投光部１１０Ｂ（図４において左側）を、それぞれ配置している。第一投光部１１０Ａ、第二投光部１１０Ｂは受光部１２０の光軸を挟んで対称に配置される。なお投光部を３以上備えたり、逆に投光部を一のみとしたり、あるいは共通の投光部を用いながら、投光部とステージを相対移動させることで照明の方向を異ならせて投光させることも可能である。さらに図４の例では投光部１１０が投光する垂直方向に対する照明光の照射角度を固定としているが、これを可変とすることもできる。
【００７５】
図４の受光部１２０は、第一投光部１１０Ａから照射され、測定対象物ＷＫから反射された第一パターン光を受光して第一受光データを出力する。その一方でこの受光部１２０は、第二投光部１１０Ｂから照射され、測定対象物ＷＫから反射された第二パターン光を受光して第二受光データを出力する。受光部１２０が出力する受光データは、例えば縞投影法に基づく縞画像である。
【００７６】
また受光データを受ける立体形状データ取得部２１２は、受光部１２０が受光した第一受光データに基づいて、測定対象物ＷＫの第一高さ画像を生成する。一方で、立体形状データ取得部２１２は、受光部１２０が受光した第二受光データに基づいて、測定対象物ＷＫの第二高さ画像を生成する。
（深度測定範囲）
【００７７】
ここで、ステージ１４０上の受光部１２０の撮影視野の位置するステージ平面内において、第一投光部１１０Ａ及び第二投光部１１０Ｂから、第一パターン光及び第二パターン光をそれぞれ照射可能な共通の高さ範囲を、深度測定範囲とする。合成処理部２１６は、この深度測定範囲内の立体形状データを有する第一高さ画像と第二高さ画像を合成して、合成高さ画像を生成する。
（深度探索範囲）
【００７８】
一方で、ステージ１４０上の受光部１２０のステージ平面内に、第一投光部１１０Ａ及び第二投光部１１０Ｂのいずれか一方のみから、第一パターン光又は第二パターン光を照射可能な領域を含む高さ範囲を深度探索範囲とする。判定処理部２１４は、この深度探索範囲内に測定対象物ＷＫの表面領域が存在するか否かを判定条件とすることができる。
（測定光源１１１）
【００７９】
各第一投光部１１０Ａ、第二投光部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。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。
【００８０】
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。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）又はマスクであってもよい。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及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・測定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ＷＫに照射される。
【００８１】
なお図４の配置は一例であり、光学系部材の配置は適宜変更できる。例えばパターン生成部１１２をレンズ１１５の出射面側に配置してもよい。
（受光部１２０）
【００８２】
受光部１２０は、ステージ１４０の上方に配置される。測定対象物ＷＫによりステージ１４０の上方に反射された測定光は、受光部１２０の複数のレンズ１２２、１２３により集光、結像された後、カメラ１２１により受光される。
（カメラ１２１）
【００８３】
カメラ１２１は、例えば撮像素子１２１ａ及びレンズを含む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。カラーの撮像素子は各画素を赤色用、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。そのため、本実施形態では、撮像素子としてモノクロのＣＣＤを採用し、後述する照明光出力部１３０をＲＧＢにそれぞれ対応した照明を時分割で照射して撮像することにより、カラー画像を取得している。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カラー画像を取得することができる。
【００８４】
ただ、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にそれぞれ対応した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。  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。）が測定制御部１５０に出力される。
（測定制御部１５０）
【００８５】
測定制御部１５０には、Ａ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）及び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、光源部３００による制御に基づいて、測定制御部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共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手段２００に転送される。
（制御手段２００）
【００８６】
図１に示すように、制御手段２００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１０、ＲＯＭ２２０（リードオンリメモリ）、作業用メモリ２３０、記憶部２４０及び設定部２５０を含む。制御手段２００には、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）やワークステーション等のコンピュータが利用できる。また、専用のコントローラを用意してもよい。あるいは、汎用のコンピュータと専用のコントローラを組み合わせて、制御手段２００を構築してもよい。この例では、制御手段２００を、形状測定プログラムをインストールしたコンピュータで構成している。
【００８７】
設定部２５０は、操作デバイス４５０で操作される。操作デバイス４５０は、キーボード及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、マウス又はジョイスティック等が用いられる。また操作デバイス４５０を表示部４００と統合することもできる。例えば表示部４００にタッチパネルを用いることで、表示部に操作部の機能を持たせることが可能となる。
【００８８】
ＲＯＭ２２０には、システムプログラムが記憶される。作業用メモリは、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。記憶部２４０は、ハードディスク等からなる。記憶部２４０には、画像処理プログラム及び形状測定プログラムが記憶される。また、記憶部２４０は、測定制御部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。
【００８９】
ＣＰＵ２１０は、測定制御部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共に、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。さらにこのＣＰＵは、後述する立体形状データ生成部２１２と、判定処理部２１４と、合成処理部２１６と、三次元画像合成部２１３と、深度拡張処理部２１５の機能を実現する。
（表示部４００）
【００９０】
表示部４００は、撮像手段１００で取得された測定画像や、撮像された観察画像を表示させるための部材である。表示部４００は、例えばＬＣＤパネル又は有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。
（ステージ１４０）
【００９１】
ステージ１４０は、上面に測定対象物ＷＫを載置するための部材である。このステージ１４０は、図１に示すようにユーザが手動でステージ１４０を移動させるためのステージ操作部１４４と、電動でステージ１４０を移動させるためのステージ駆動部１４５を備える。
【００９２】
図４において、測定対象物ＷＫ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方向及び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。なお、θステージの回転軸はＺ方向に平行な光軸と平行である必要はなく、例えば当該光軸に対して４５°傾いていてもよい。
【００９３】
ステージ１４０は、ＸＹステージ１４１、Ｚステージ１４２及びθステージ１４３を含む。ＸＹステージ１４１は、ステージ平面方向駆動部として、Ｘ方向移動機構及び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。ＸＹステージ１４１、Ｚステージ１４２及びθステージ１４３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ＷＫを固定する固定部材（クランプ）をさらに含む。ステージ１４０は、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さらに含んでもよい。
【００９４】
ステージ１４０のＸ方向移動機構、Ｙ方向移動機構、Ｚ方向移動機構及びθ方向回転機構には、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方向移動機構及びθ方向回転機構は、図１のステージ操作部１４４又はステージ駆動部１４５により駆動される。
【００９５】
ユーザは、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、又はθ方向に回転させることができる。ステージ駆動部１４５は、制御手段２００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、又はθ方向に回転させることができる。
【００９６】
ここで図４に示すように、左右の投光部１１０の中心軸と受光部１２０の中心軸は、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ＷＫ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ＸＹθ及びチルト移動機構は支持されている。すなわち、ステージを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の中心軸と、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ＷＫ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、手動でのみ移動させることが可能な手動ステージであっても良い。
（光源部３００）
【００９７】
光源部３００は、制御基板３１０及び観察用照明光源３２０を含む。制御基板３１０には、ＣＰＵが実装される。制御基板３１０のＣＰＵは、制御手段２００のＣＰＵ２１０からの指令に基づいて、投光部１１０、受光部１２０及び測定制御部１５０を制御する。なお、この構成は一例であり、他の構成としてもよい。例えば測定制御部１５０で投光部１１０や受光部１２０を制御したり、又は制御手段２００で投光部１１０や受光部１２０を制御することとして、制御基板を省略してもよい。あるいはこの光源部３００に、撮像手段１００を駆動するための電源回路を設けることもできる。
（観察用照明光源３２０）
【００９８】
観察用照明光源３２０は、例えば赤色光、緑色光及び青色光を出射する３色の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、観察用照明光源３２０から任意の色の光を発生することができる。観察用照明光源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）を通して撮像手段１００の照明光出力部１３０から出力される。
【００９９】
照明光出力部１３０から出力される照明光は、赤色光、緑色光及び青色光を時分割で切り替えて測定対象物ＷＫに照射する。これにより、これらのＲＧＢ光でそれぞれ撮像された観察画像を合成して、カラーの観察画像を得て、表示部４００に表示させることができる。
【０１００】
このようにしてカラーの観察画像を表示させる際、照明光の色を切り替える切替周波数を、表示部４００で表示内容を更新する（画面を書き換える）際のフレームレートと一致させると、フレームレートが低い場合（例えば数Ｈｚ程度）は、ちらつきが顕著となる。特に、ＲＧＢの原色によるカラー切り替えが目立つと、ユーザに不快感を与えることがある。そこで、ＲＧＢの照明光を切り替える切替周波数を、ユーザが認識できない程度の高速（例えば数百Ｈｚ）とすることで、このような問題を回避できる。照明光の色の切り替えは、照明光出力部１３０等により行われる。また、高速で照明光のＲＧＢを切り替えつつも、実際に撮像手段１００で測定対象物ＷＫを撮像するタイミングは、表示部４００の表示内容の更新のタイミングとする。すなわち、観察像の撮像のタイミングと照明光の切り替えのタイミングは完全に一致させる必要はなく、撮像素子によるＲＧＢの観察画像の撮像が可能な程度に、いいかえると照明光のＲＧＢの切り替え周期が撮像周期の倍数となるようにリンクさせることで対応できる。この方法であれば、照明光の切り替えのタイミングを高速化することができ、撮像素子１２１ａで処理可能なフレームレートを向上させることなく、ユーザに与える不快感を低減できる。
【０１０１】
図１の例では観察用照明光源３２０を撮像手段１００に対して外付けとして、光源部３００に観察用照明光源３２０を配置している。このようにすることで、観察用照明光源３２０の発熱が撮像手段１００の光学系に影響を与える事態を回避できる。ただ、発熱量の小さい観察用照明光源を利用したり、あるいは相応の放熱機構を撮像手段側に設ける等して、撮像手段側に観察用照明光源を設けることもできる。この場合、照明光出力部に観察用照明光源を組み込む等、照明光出力部と観察用照明光源を一体化することが可能となり、光源部と撮像手段とを光学的に接続するための導光部材を不要とでき、構成を簡素化できる。同様に投光部についても、投光用光源を撮像手段に内蔵したり、あるいは光源部側に外付けとすることもできる。
【０１０２】
図４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ＷＫに照明光が照射される。また照明光出力部１３０は、円環形状のリング照明とする他、同軸落射照明、側射スポット照明、透過照明等としたり、これらの組み合わせとすることもできる。また投光部１１０から均一光を照射して照明光とすることで、照明光出力部を省いてもよい。例えば投光部１１０として、二次元アレイを利用した白パターン画像投影を可能とすることで、投光部１１０を照明光出力部に兼用できる。このように、投光部１１０の二次元アレイの白パターン画像投影を観察用照明光源として使用する場合は、二次元アレイを透過又は反射した光を拡散板を通して測定対象物ＷＫに投影することにより、二次元アレイの画素格子が測定対象物ＷＫに映りこまないようにしてもよい。
（ＧＵＩの例）
【０１０３】
形状測定装置は、制御手段２００であるＰＣに形状測定装置５００を操作するための操作プログラムをインストールしている。表示部４００には、形状測定プログラムを操作するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）が表示される。このようなＧＵＩ画面の一例を図５に示す。この例においては、表示部４００において、第一投光部１１０Ａから第一測定光が照射された測定対象物ＷＫの第一測定画像Ｓ１と、第二投光部１１０Ｂから第二測定光が照射された測定対象物ＷＫの第二測定画像Ｓ２とが並ぶように、表示させることができる。この例では、表示部４００の左側に設けられた画像表示領域４１０の、右側に第一表示領域４１６を、左側に第二表示領域４１７を設けている。このような２画面表示とすることで、各測定光で得られる測定画像の様子、特に影となる領域等を対比しながら確認できる。なお、画像表示領域の分割例は、このように左右に並べる構成に限らず、上下に並べる、あるいは別画面として構成する等、任意の構成が適宜利用できる。
【０１０４】
また形状測定装置の操作プログラムには、表示中の画像を、観察画像と測定画像とに切り替え可能な画像切替手段が設けられている。この例では、画像切替手段として、「観察画像」ボタン４２７を押下すると、観察用照明光源を用いて撮像した観察画像が画像表示領域４１０に表示され、また「測定画像」ボタン４２８を押下すると、測定光投光手段を用いて取得した測定画像が画像表示領域４１０に表示される。ユーザは、図１の制御手段２００の操作デバイス４５０でもって、ＧＵＩに設けられた操作領域４２０を操作して、例えば明るさ調整を行うことにより、第一投光部１１０Ａや第二投光部１１０Ｂから出射される測定光の明るさ又は対応するカメラ露光時間を変更することができる。ここでは、測定光の明るさを変えるパラメータを、カメラの露光時間としている。また必要に応じて、観察画像の撮像条件を設定する。図５の画像表示領域４１０の上段には、このような観察画像の撮像条件を設定するための観察画像撮像条件設定手段４９０が設けられている。観察画像撮像条件設定手段４９０は、例えば観察画像を撮像するシャッタースピード切り換えや撮像の倍率、フォーカス調整等の設定を含んでいる。図５に示す例では、撮像手段の明るさを「オート」又は「マニュアル」から選択する。「マニュアル」を選択した場合は、カメラ明るさ調整スライダでもって撮像手段の明るさを調整する。
【０１０５】
上記のように、画像表示領域４１０には、第一投光部１１０Ａ、第二投光部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ＷＫの画像が並ぶように表示できる。したがって、ユーザは、画像表示領域４１０に表示された測定対象物ＷＫの画像を見ながら、明るさ調整スライダ４４４、４４６の位置をそれぞれ移動させることにより、第一投光部１１０Ａ、第二投光部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１１０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。
【０１０６】
また、第一投光部１１０Ａ、第二投光部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それぞれ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、第一投光部１１０Ａ、第二投光部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１１０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又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。
【０１０７】
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又は照明光に対応したカメラ露光時間に基づいて、第一投光部１１０Ａ、第二投光部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１１０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、ユーザは、調整ガイドに基づいて明るさ調整スライダ４４４、４４６の位置をそれぞれ移動させることにより、第一投光部１１０Ａ、第二投光部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１１０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。
【０１０８】
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、測定に適した測定光の明るさ、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。本実施形態では、複数の第一投光部１１０Ａ、第二投光部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測定光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判り易く表示することも可能である。
（テレセントリック両側投光光学系）
【０１０９】
ここで、テレセントリック両側投光の光学系の模式図を図６に示す。この図に示すように、ステージ１４０上に載置された測定対象物ＷＫに対して投光する投光部１２０を構成する投光光学系として、第一投光部１１０Ａで構成される右投光光学系と、第二投光部１１０Ｂで構成される左投光光学系がそれぞれ配置される。このように投光光学系を左右にそれぞれ設けることで、パターン光が影になって測定不能となる領域を低減できる等の利点が得られる。
【０１１０】
一方、受光１２０を構成する受光光学系は、低倍率用撮像素子１２０Ａと、高倍率用撮像素子１２０Ｂを備えている。中央のプリズム１２４の上方には、二分岐両側テレセントリック受光レンズ１２５が設けられている。またプリズム１２４の右側には、高倍率用撮像素子１２０Ｂが配置される。なお投光光学系は、図６に示すように、視野よりも広めに照射されている。
【０１１１】
受光光学系は、受光レンズ及びカメラユニットで構成される。受光レンズは精度を優先し、固定倍率のテレセントリック光学系としているが、ズームレンズとして広い倍率をカバーしても良い。形状測定装置は二分岐の固定焦点両側テレセントリック光学系を採用しており、カメラが低倍率用カメラ、及び高倍率用カメラの２個構成となっている。これにより、ズームレンズのような機械的な切り替えではなく、電気的な切り替えによる倍率変更が可能となり、機械位置決め精度に起因する測定精度ずれ等が発生しない、安定した測定性能が実現できる。
【０１１２】
左右両側投光による測定範囲について、図７の模式図に基づいて説明する。形状測定装置では、影領域（測定不能領域）を最小限とすべく、受光レンズを挟んで左右対称な方向からパターン投光が可能な構成としており、左右にそれぞれパターン投光光学系を配置している。
【０１１３】
受光レンズには、二分岐両側テレセントリック受光レンズ１２５を採用しており、測定対象物ＷＫの高さによる倍率変化が無い、真上から見た歪みの無い画像が取得できると共に、両側テレセントリック投光レンズの構成と合わせると、視野内どこでも投受光角度が一定であるという測定設定をシンプルにできる効果が発揮される。二分岐両側テレセントリック受光レンズ１２５は図７に示すように、２倍率が同軸な視野を有しており、倍率を切り替えても視野調整を不要にできるメリットがある。
【０１１４】
左右投光レンズ１１６からは、平行な光束として二次元パターン光が、測定対象物ＷＫに対して左右均等な投光角度から照射される。左右から受光レンズを挟んで対象に二次元パターン光を照射することの利点としては、前述の影を最小にする効果だけでなく、左右それぞれの測定結果を合成（例えば平均処理など）することにより、左右それぞれに発生する誤差を軽減できるという点が挙げられる。
【０１１５】
左右投光と測定範囲の関係において、図７の模式図に示すように、測定視野（ＸＹ方向）の広さは、受光レンズの光束の幅（図７における細線（低倍率）もしくは太線（高倍率）な光線の幅）で決定され、１組のパターン投影を用いた高さ測定の範囲については、投光と受光の関係性から決定される。図７における点線枠の領域のように、受光光束と左右からの投光光束の共通領域として深度測定範囲を定義する。すなわち、点線枠で示す左右投光照射の共通領域が、測定可能な高さのレンジを示す。このように深度測定範囲を決定することで、深度測定範囲の中であればどこで測定しても、左右からの光の当たり方が均一であり、また、左右それぞれの測定を平均化することで計測が安定する効果を深度測定範囲全域で実現できる。
（ＸＹステージ１４１）
【０１１６】
ＸＹステージ１４１は内部に傾斜センサ、ステージ駆動部１４５（マイコン・ＦＰＧＡ・モータードライバ）を有する。またＸＹステージ１４１は、ステージ支持部１５２を通じて電気的にベース筐体１４９内部のステージ駆動部１４５と接続されている。ステージ支持部１５２とＸＹステージ１４１との電気接続をコネクタで構成することで、ＸＹステージ１４１も着脱可能な構成となり、チルト・回転ステージといった異なる視野調整ステージに切り替えることも可能となる。
（縞投影法による計測の流れ）
【０１１７】
次に、図４に基づいて、形状を測定する動作の流れの概要を説明する。なお、ここでの説明はすべてＺステージ１４２を高さ方向に固定した「ワンショット測定」におけるものとする。
【０１１８】
まずユーザは、計測したい測定対象物ＷＫをステージ１４０上に配置し、表示部４００に映し出された光学画像を見ながら焦点、視野位置、明るさなどを照明条件調整部で調節する。ここでは照明光出力部１３０として、リング照明を用いている。ただ照明光出力部１３０は、リング照明に限らず、例えば投光系照明部を構成する投光部１１０から均一照明を照射しても良い。
【０１１９】
次に、照明光をリング照明から投光部１１０に切り替えて、投光系照明光の明るさを調整する。投光部１１０による照明光は斜めから当たるため、測定対象物ＷＫの形状による影が発生する。また、測定対象物ＷＫの表面状態によっては、照明光を多少傾斜させたほうが良好な見え方になる場合もある。照明光を傾斜させるには、例えばステージ１４０を傾斜可能なチルトステージを用いたり、投光部１１０に傾斜機構を設ける。また照明光の影や表面状態の影響を抑えるために、必要に応じて測定対象物ＷＫの位置や姿勢を再調整する。
【０１２０】
このような投光部１１０での調整工程において、測定対象物ＷＫを移動させた場合は、再びリング照明に切り替えて、リング照明光での測定対象物ＷＫの見え方の確認や、リング照明光の明るさの再調整などを行う。なお、この作業は、不要であれば省略することもできる。
【０１２１】
測定対象物ＷＫの姿勢、位置、焦点、及び計測用の照明条件が確定したら、制御手段２００から、測定開始の指令を測定制御部１５０に送信する。制御手段２００は、上述の通り形状測定プログラムをインストールしたコンピュータで構成される。この指令を受けて、測定部は投光部１１０内のパターン生成ユニットと撮像手段１００を同期制御し、複数のパターンを投影しながら、測定対象物ＷＫの複数の画像を撮像手段１００で取得し、制御基板３１０にて適切な処理を施した後、制御手段２００に送信する。
（高さ画像の生成）
【０１２２】
制御手段２００が受け取った画像データは、形状測定プログラム内の計測アルゴリズムで適切に画像処理され解析されて、立体形状データが生成される。具体的には、高さ画像生成部２１２ｂにより、高さ情報を有する高さ画像が生成される。
（テクスチャ画像の生成）
【０１２３】
一方で、測定対象物ＷＫに照明光を照射し、測定対象物ＷＫの表面状態を示す画像であるテクスチャ画像を撮像手段１００で取得する。例えば、測定対象物ＷＫにリング照明を照射したり、あるいは投光部１１０から、すべての画素をＯＮにした投光パターン（全白）を照射する等して、均一な照明光で光学画像を撮像し、テクスチャ画像とする。
【０１２４】
またテスクチャ画像は、一枚のみならず、複数枚撮像してもよい。この際、複数のテクスチャ画像を合成してＨＤＲ画像や深度合成画像を生成することもできる。ＨＤＲ（ハイダイナミックレンジ）画像は、複数枚のテクスチャ画像をカメラの露光時間を変えて撮像した後、これらをハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）合成して生成される画像である。また深度合成画像は、測定対象物ＷＫの測定対象部分の高低差が被写界深度を超える場合、高さ方向を異ならせて個々に撮像した観察画像中から、焦点が合った部分だけを抜き出して合成した画像である。
（合成画像の生成）
【０１２５】
得られたテクスチャ画像も、制御手段２００に転送される。制御手段２００は、テクスチャ画像と高さ画像を合成して合成画像を生成する。例えば、形状測定プログラムにて立体形状データである高さ画像にテクスチャ画像をマッピングして、三次元画像合成部で合成画像データを生成する。合成画像は、表示部４００に表示される。この状態で、合成画像に対して所望の計測、解析を行うことができる。
（形状測定方法）
【０１２６】
以上説明した合成画像を生成して形状測定を行う手順を、図８のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ８０１において、測定対象物ＷＫをステージ１４０に置く。
【０１２７】
次にステップＳ８０２において、リング照明を使用して、測定対象物ＷＫの位置、姿勢、焦点、明るさを調整する。
【０１２８】
次にステップＳ８０３において、投光系に切り替えて、投光系照明の明るさ、測定対象物ＷＫの位置や姿勢を調整する。
【０１２９】
次にステップＳ８０４において、リング照明に再び切り替え、さらに投光系に切り替えて、見え方を確認する。
【０１３０】
次にステップＳ８０５において、見え方に問題はないか確認する。問題があればステップＳ８０２に戻って、上記の処理を繰り返す。一方問題がなければ、ステップＳ８０６に進み、計測開始ボタンを押す。
【０１３１】
次にステップＳ８０７において、投光系から縞パターンを投影、スキャンし、これと同期してカメラで測定対象物ＷＫの複数枚の縞画像を取得する。ここで左右投光、ＨＤＲ、その他の性能改善のため、本ステップを規数回繰り返してもよい。例えば露光時間を変えて複数回パターン光を投影することで、ハレーションの影響を軽減できる。
【０１３２】
次にステップＳ８０８において、リング照明を点灯し、測定対象物ＷＫのテクスチャ面像を取得する。
【０１３３】
次にステップＳ８０９において、縞画像セットを計測アルゴリズムで処理し、立体形状データを生成する。
【０１３４】
次にステップＳ８１０において、立体形状データにデクスチャ画像をマッピングする。
【０１３５】
次にステップＳ８１１において、結果を表示させる。そしてステップＳ８１２において、目的の箇所のデータが正しく取得できたか否かを判定し、否の場合はステップＳ８３に戻って上記の処理を繰り返す。一方、取得できている場合はステップＳ８１３に進み、計測用ソフトなどを使用して、各種計測、解析を実行する。
【０１３６】
以上のようにして、形状測定装置を用いて合成画像を生成して、形状測定を行うことができる。なお図１３のステップＳ８０１とステップＳ８０２は、順序を入れ替えても良い。その場合はまず計測設定（ステップＳ８０２）にて測定対象物ＷＫの姿勢、位置、焦点合わせを行い、テクスチャ画像取得（ステップＳ８０１）では測定対象物ＷＫの姿勢、位置、焦点を変更しないようにして、リング照明の明るさやテクスチャ種類の選択などのみを行うようにする。
（テクスチャ画像を取得する手順）
【０１３７】
次にテクスチャ画像を取得する手順を、図９のフローチャートに基づいて説明する。この手順は、図８のステップＳ８０２の工程を詳細に説明したものに相当する。まずステップＳ９０１において、リング照明に切り替える。
【０１３８】
次にステップＳ９０２において、リング照明の明るさを調整する。そしてステップＳ９０３において、明るさが適切かどうかを判定し、適切でない場合は  ステップＳ９０２に戻って処理を繰り返す。一方、明るさが適切な場合はステップＳ９０４に進み、Ｚステージ１４２を移動させて、測定対象物ＷＫの焦点位置を合わせる。さらにステップＳ９０５において、焦点位置が合っているかどうかを判定し、合っていない場合はステップＳ９０４に戻って処理を繰り返す。一方、焦点位置が合っている場合は、ステップＳ９０６に進み、ＸＹ・θ・チルトステージを移動させて、測定対象物ＷＫの位置、姿勢を合わせる。なお、これらのステップＳ９０２〜ステップＳ９０６は、順序を適宜入れ替えてもよい。
【０１３９】
次にステップＳ９０７において、見たい部位が視野内収まっているかを判定し、収まっていない場合はステップＳ９０６に戻って処理を繰り返す。一方、収まっている場合はステップＳ９０８において、倍率を変更してサイズを調整する。
【０１４０】
次にステップＳ９０９において、倍率が適切か否かを判定し、否の場合はステップＳ９０８に戻って処理を繰り返す。一方、倍率が適切な場合はステップＳ９１０に進み、テクスチャ画像の種類を選択するか否かを判定する。否の場合はステップＳ９１１に進んで通常画像を選択し、この処理を終了する。
【０１４１】
一方、テクスチャ画像の種類を選択する場合は、ステップＳ９１２に進み、深度合成を行うか否かを判定し、行う場合はステップＳ９１３に進み、深度合成の設定を実行する。一方、行わない場合はステップＳ９１４に直接ジャンプする。
【０１４２】
次にステップＳ９１４において、ＨＤＲを行うか否かを判定し、行う場合はステップＳ９１５に進み、ＨＤＲの設定を実行する。一方、行わない場合はステップＳ９１６に直接ジャンプする。
【０１４３】
次にステップＳ９１６において、テクスチャ画像の確認を行うか否かを判定し、行う倍はステップＳ９１７に進み、テクスチャ画像のプレビューを表示させる。一方、行わない場合はこの処理を終了する。
【０１４４】
次にステップＳ９１８において、プレビュー表示されたテクスチャ画像の結果に満足したか否かを判定し、否の場合はステップＳ９１２に戻って処理を繰り返す。一方、満足した場合は、この処理を終了する。以上のようにして、テクスチャ画像を取得することができる。
（測定設定の設定を行う手順）
【０１４５】
立体形状データを生成するための測定設定は、投光部のパターン光の投光設定や、受光部の受光設定や撮像条件、照明部の照明条件等を含んでいる。これらの測定設定は、図１等の測定設定部２５５で設定される。ここで測定設定の設定を行う手順を、図１０のフローチャートに基づいて説明する。この手順は、図８のステップＳ８０３の工程を詳細に説明したものに相当する。
【０１４６】
まずステップＳ１００１において、計測用投光系（図４において左側投光系）に切り替える。次にステップＳ１００２において、明るさを仮に調整する。
【０１４７】
そしてステップＳ１００３において、計測箇所に照明が当たっているか否かを判定し、否の場合はステップＳ１００４において、θ・チルトステージを動かして、測定対象物ＷＫの位置、姿勢を調整する。一方、計測箇所に照明が当たっている場合は、ステップＳ１００６に直接ジャンプする。
【０１４８】
次にステップＳ１００５において、照明が当たったか否かを判定し、ステップＳ１００４に戻って処理を繰り返す。一方、照明が当たっている場合はステップＳ１００６において、計測箇所の明るさが適切か否かを判定する。否の場合は、ステップＳ１００７において明るさを調整する。一方、照明が当たっている場合は、ステップＳ１００９に直接ジャンプする。
【０１４９】
次にステップＳ１００８において、明るさが合っているかを判定し、否の場合はステップＳ１００７に戻って処理を繰り返す。一方、明るさが合っている場合はステップＳ１００９において、計測箇所に焦点が合っているかを判定する。否の場合はステップＳ１０１０において、ステージ１４０を動かして、計測箇所に焦点を合わせる。一方、明るさが合っている場合は、ステップＳ１０１２にジャンプする。
【０１５０】
次にステップＳ１０１１において、焦点が合っているか否かを判定し、否の場合はステップＳ１０１０に戻って処理を繰り返す。一方、焦点が合っている場合はステップＳ１０１２に進み、総合判断を行う。ここでは、計測箇所の明るさ、姿勢、焦点が適切か否かを判定し、適切でない場合はステップＳ１０１３において、適切でないパラメータを確認し、適切な手順に戻る。戻る先は、適切でないパラメータに応じて、ステップＳ１００４、ステップＳ１００７、ステップＳ１０１０の何れかとなる。
【０１５１】
一方、総合判断において適切と判定された場合は、ステップＳ１０１４に進み、計測用投光系（図４において右側投光系）に切り替える。次にステップＳ１０１５において、明るさを調整し、さらにステップＳ１０１６において、明るさが合ったか否かを判定する。合っていない場合はステップＳ１０１５に戻って処理を繰り返す。一方、明るさが合っている場合はこの処理を終了する。
【０１５２】
なお、これらの手順において位置調整、姿勢調整、焦点調整、明るさ調整の順序は、適宜入れ替えることができる。
【０１５３】
このようにして、測定設定を設定することができる。また測定設定は、ユーザが測定設定部２５５から自動で行う他、形状測定装置側で自動で行わせることもできる。
（深度方向の測定範囲拡張機能）
【０１５４】
本実施形態においては、非接触測定方式として、三角測距方式に基づくパターン投影法を採用している。この方式では、１回の深度測定範囲が広い三角測距方式をベースにしながら、測定対象物もしくは形状測定装置の位置を物理的もしくは光学的に移動させて測定を繰り返し、測定結果を合成していくことで、１回の測定で実現できる深度測定範囲を、移動した分だけ拡張することが可能となる。この結果、高速に、かつ三角測距方式よりも広い範囲を測定可能となり、より広い視野を高い分解能で計測可能な形状測定装置や形状測定方法を実現できる。そして、深度方向の測定範囲を各視野において拡張することが可能となる。
【０１５５】
実施形態１に係る形状測定装置は、図１１に示すように、非接触で測定対象物の表面形状を測定可能であり、縞投影法を用いた三角測距方式で１回の測定で受光光学系視野内の各画素における高さ情報を取得することができる。また形状測定装置は、測定部と相対的に移動可能なステージ１４０を有しており、ステージ高さ読取軸と観察光軸とが共通の軸を有している。
【０１５６】
この形状測定装置は、１つの上ヘッド１０１の内部に２つの倍率で観察可能な二分岐受光光学系を有している。これにより、同軸視野で倍率を切り替えた測定が可能となる。低倍率、高倍率の２倍率は同一の光軸を有している。この光軸と受光光学系の最良フォーカス面（合焦面）との交点を中心に、左右対称な方向に傾斜したパターン投光光軸を有する。このパターン投光光軸方向から、それぞれパターン投影を行い、複数の画像を受光光学系で撮像・解析して、高さ情報を算出する。
（測定範囲）
【０１５７】
形状測定装置の合焦面と測定範囲は、図７に示すように、上ヘッド１０１は真上から真下を見下ろす方向に撮影視野を有している。上ヘッド１０１の下部に配置されたＸＹＺステージ上の測定対象物を、真上から測定する形態となっている。ユーザは測定対象物をＸＹＺステージの天面に配置し、ＸＹステージ１４１を動かすことで視野を、Ｚステージ１４２を動かすことでフォーカスを調整することができる。あるいは、受光光学系側を移動させることでも、測定対象物と受光光学系との相対距離（ワーキングディスタンス）を変化させてフォーカスを調整することができる。なお、ここで言うフォーカスとは、受光光学系の合焦を意味する。この形状測定装置では、図７に示すように、高さ方向の深度測定範囲はこの合焦面を中心に上下に対象な一定の幅を持っている。ただ、対称であることは必須でない。
【０１５８】
ＸＹＺステージは、Ｚステージ１４２が受光光軸と略一致する方向に配置されている。これによりＺステージ１４２の移動のみで、光軸方向の測定対象物高さ（もしくは相対的な上ヘッド１０１と測定対象物の光軸方向の位置関係）を変更できる。また、Ｚステージ１４２の内部には、Ｚステージ１４２の移動距離を検出可能なスケールユニット１６０が配置されている。スケールユニット１６０は、図１１に示す通り、上ヘッド１０１の視野直下に配置されている。このようにスケールユニット１６０が視野直下に配置されていることで、深度測定範囲と測定対象物の位置関係を最小の誤差で検出可能となる。一般に、検出を行いたい座標点に対して、検出を行うセンサの位置すなわち測定軸が、測定対象物の測定位置からオフセットしている場合は、アッベの原理に基づいて計測誤差が発生し得る。図１２Ａで示すように、測定したい位置と並列状に測定軸を配置する場合に、この状態が発生する。その一方でアッベの原理によれば、測定軸と測定対象物の測定位置とが同一平面の延長線上にあるときは、このような測定誤差を極減できる。すなわち、図１２Ｂに示すように、測定したい位置と測定軸を直列状に配置する。
（深度拡張機能）
【０１５９】
深度測定範囲を高さ方向に拡張するため、光軸方向駆動部１４６でもってステージ１４０と受光部１２０との相対距離を光軸方向に移動させる。受光部１２０は、所定の焦点深度を有しており、焦点深度により定まる一定範囲の高さ（深度測定範囲）でしかパターン画像を撮像できない。そこで、光軸方向駆動部１４６でもって深度測定範囲をシフトさせることで、測定可能な深度測定範囲を拡張できる。すなわち、同じ視野（受光部１２０の光軸方向と直交するステージ平面内）で生成した高さ画像を、対応するＸＹ座標の画素毎に高さ方向に連結することで、深度測定範囲の制約を超える高さの合成高さ画像を得ることが可能となる。
【０１６０】
このような深度拡張機能に際しては、同じ視野すなわちＸＹ平面の範囲内で生成された高さ画像同士を連結することが必要となる。また、同じ条件で生成した高さ画像同士を連結する必要がある。具体的には、図７に示すような左右の投光部１１０からパターン光を投光する場合は、両側から投光して生成した高さ画像の場合は、両側投光の高さ画像同士を連結して合成高さ画像を生成する。またいずれか一方の投光部１１０を用いる片側投光で生成された高さ画像の場合は、同じく片側投光の高さ画像同士を連結する。この際、右側投光なら右側投光の高さ画像同士を、左側投光なら左側投光の高さ画像同士を、それぞれ連結する。
【０１６１】
図７等の例では、Ｚステージの移動を伴いながら複数の測定を実行し、その測定結果を、測定を実行した各Ｚステージ高さを元に結合していくことで深度測定範囲を拡張できる。このような、Ｚステージ高さを固定した１回の測定を「ワンショット測定」と呼び、複数のＺステージ高さで測定した結果を結合した測定を「深度拡張測定」と呼ぶ。
【０１６２】
ここで、深度測定範囲の高さ方向拡張の概念を、図１３Ａ〜図１３Ｃを用いて説明する。図１３Ａ〜図１３Ｃは、高さＡ、高さＢ、高さＣのそれぞれにおいて、左投光範囲と右投光範囲で規定される深度測定範囲を、破線の枠状で示している。
【０１６３】
形状測定装置の有する深度測定範囲ＨＩＡ（図１３Ａの点線枠で示す範囲）よりも高い構造を有する測定対象物ＷＫ２を測定する場合、Ｚステージ１４２を高さ方向に移動（高さＡ→Ｂ→Ｃ）することで、測定対象物ＷＫ２の各面を深度測定範囲に収めることが可能となる。（図１３Ａ〜図１３Ｃの太線）
【０１６４】
このときに観察される光学画像を、図１４Ａ〜図１４Ｃに、また縞投影法で取得される縞画像を、図１４Ｄ〜図１４Ｆに、それぞれ示す。図１４Ａ〜図１４Ｃにおいて、焦点の合った領域を模式的に斜線で示している。
【０１６５】
図１４Ａ、図１４Ｄでは、高さＡで測定対象物の最低面に焦点が合っており、測定対象物の最下部の形状を測定することができる。また図１４Ｂ、図１４Ｅに示すようにＺステージ１４２を少し下げた高さＢでは、高さＡでは深度測定範囲外（縞画像上で縞のぼけが大きい箇所、赤点線領域）だった箇所に焦点が合い、この面を中心に一定の幅に収まっている領域の形状を測定可能となる。さらにＺステージ１４２を下げた高さＣでは、図１４Ｃ、図１４Ｆに示すように測定対象物の最高点に存在する形状（赤点線）に焦点があり、この面を中心に一定の幅に収まっている領域の形状を測定可能となる。
【０１６６】
この３つの高さにおいて、Ｚステージ１４２の高さは、スケールユニット１６０によって検出されており、ワンショット毎のステージ高さ座標を取得することが可能である。スケールユニット１６０は、ステージ１４０と受光部１２０の光軸方向との相対的な距離を示すスケール値を出力する。
【０１６７】
ここで、３回の測定で得られたワンショット毎の測定結果を連結する手順を、図１５Ａ〜図１５Ｄの模式図に基づいて説明する。図１５Ａ〜図１５Ｄに示すように、ワンショット毎の測定で一定の高さ範囲（それぞれ図１５Ａは点線枠、図１５Ｂは破線枠、図１５Ｃは一点鎖線枠）の測定データが得られる。この際、ステージ１４０の相対的な移動量、もしくは絶対的なステージ高さを測定時に検出する。この検出された座標を測定データ原点の値としてオフセットさせることで、各ショットの相対関係が定義されることとなる。この結果を足し合わせることで、通常のワンショット深度測定範囲を拡張した連結測定データが得られる。
【０１６８】
このように、スケールユニット１６０で各高さ画像が取得された時のスケール値を記憶し、合成時には各高さ画像の画素値をスケール値に基づいてオフセットして合成する。具体的には、合成処理部２１６は、各高さ画像が生成された際のスケールユニット１６０のスケール値を記憶しておき、高さ画像を合成する際には、各高さ画像の画素値をスケール値に基づいてオフセットして合成する。
【０１６９】
以上のようにして、縞投影によって一回の撮像で測定可能なワンショット測定を、繰り返し行って高さ方向を連結することで、深度方向に拡張した測定が可能となる。なお、ワンショット深度測定範囲の連結に際しては、必ずしも連続させる必要はなく、深度方向に離間させた離散的なワンショット測定であってもよい。例えば、ユーザが手動で深度拡張を行う場合は、測定に必要な領域のみの立体形状データを取得すれば足り、測定対象物の高さ方向のすべての情報を必要としない場合もある。
（マスク領域）
【０１７０】
また深度方向に自動拡張する場合においても、深度拡張したい範囲をユーザが設定することもできる。例えば深度拡張処理部２１５に、光軸方向駆動部１４６を制御して受光部１２０の焦点位置を変更する範囲を設定するための深度範囲設定部２５３を備え、深度範囲設定部２５３でユーザが深度拡張に際して不要な範囲としてマスク領域を設定してもよい。このように深度拡張測定は、ワンショット測定の連続的な連結のみならず、離間させた連結も含む。
【０１７１】
上述した通り、測定対象物の測定と共に、Ｚステージ１４２の高さを検出することで、Ｚステージ移動量に対する実際の移動量の誤差を考慮しなくて済むようになる。ここで仮にＺステージの高さ検出を行わない場合を考えると、この場合はＺステージの移動パルス（移動指示量）に基づいて各ワンショットの原点指定をすることになるが、ステージ移動誤差がそのまま連結測定誤差になる。これに加えて、形状測定装置の構成によっては、図１２Ａで示したとおり、移動駆動軸と実際の測定対象物積載位置とのずれが原因で、アッベの原理に基づく誤差も発生し得る。これに対して、図１２Ｂに示すように、Ｚステージの高さを検出すると共に、ステージ１４０の高さを検出する測定軸を光軸に近付けることで、誤差を低減して高精度な高さ検出が実現される。また、このことで高さ方向の合成に際しても、精度を向上させることが可能となる。
【０１７２】
図１５Ａ〜図１５Ｄに示す例では、測定対象物ＷＫ２として比較的単純な段差を有する場合を示した。測定対象物によっては、二段階のＺステージ高さ（例えば図１４Ａの高さＡと図１４Ｂの高さＢ）で測定対象物の高さ方向全体を測定領域に収めることが可能となる。このような、各高さにおける複数のワンショットデータにおいて、共通する高さ情報の合成について説明する。
（共通高さ情報の合成ロジック）
【０１７３】
共通する高さ情報の合成方法は、重み付き平均を計算する方法、又は高さ情報の信頼性から片方のみ採用する方法がある。それぞれの高さ情報がほぼ同じ高さを示している場合は、より合焦面に近い位置で得られた高さ情報の方が、誤差が少ないと考えられる。このことから、合焦面からの距離に応じた重み付き平均により計算を行う。
【０１７４】
一方、それぞれの高さ情報が大きく異なる場合は、測定対象物内部での光の多重反射等の影響により、いずれかの高さ情報がノイズである可能性が高い。そのため、この場合は、画像のぼけ具合、もしくは照明の有無での輝度のコントラストなどから、いずれの高さを採用するか判定するための信頼度を求め、信頼度の高い方を採用する。
（信頼性の低いデータ）
【０１７５】
高さ画像に含まれるデータの内、信頼性の高い画素については、表示部４００上に表示させたり、測定に使用する。一方で、信頼性の低いデータについては、誤差を含んでいることが懸念されるため、表示部４００上に表示させず、また測定等にも使用しない。
【０１７６】
一方で、信頼性の低いデータであっても、深度拡張に際して、立体形状データが存在しているか否かの判定には用いることができる。深度方向に拡張して高さ画像を取得するかどうかは、その高さ方向に測定対象物が継続して存在するかどうかが判定できれば足り、高い精度は要求されない。そこで本実施形態においては、通常の測定や高さ画像の構築には用いられない、信頼性の低いデータであっても、深度拡張の要否の判定にはこれを用いることが可能となる。
【０１７７】
一例として、ある測定対象物について、形状測定装置の仕様上の制約で一定高さまでの深度測定範囲で生成された高さ画像を図１６Ａ〜図１６Ｂに示す。この図において図１６Ａは、深度測定範囲内において信頼性の低い画素については、非表示としている。このように、表示部４００において高さ画像を表示させる際には、信頼性の高い画素は表示させ、信頼性の低い画素は表示させないことが一般的である。一方で、図１６Ａの高さ画像において、信頼性の低い画素も表示させた例を図１６Ｂに示す。この図において、破線で囲んだ領域で示す円柱状の上端面の画素については、精度が悪いため測定対象物の寸法計測等に用いるデータとしては不適であるものの、この測定対象物は円柱の上端面よりも上方に連続して存在しているであろうことは推測できる。したがって深度拡張測定を実行する際は、上方にさらに深度測定範囲を設定することで、より広範な範囲での高さ画像を生成できる。同様に、他の形状の測定対象物の高さ画像を図１７Ａ〜図１７Ｂに示す。この図において図１７Ａは、信頼性の低い画素を非表示とした高さ画像を、図１７Ｂは信頼性の低い画素も含めて表示させた高さ画像を、それぞれ示している。同様に図１７Ｂにおいて破線で囲む領域を用いることで、これよりもさらに上方に連続して測定対象物が存在していることが推測でき、深度拡張測定に際して深度を拡張する方向をこの立体形状データから判定することが可能となる。
（立体形状データの端部の画素）
【０１７８】
このように、高さ画像の端部に位置する立体形状データでもって、深度拡張測定を行うか否かを判定することができる。なお、本発明は深度拡張測定に際して、立体形状データの端部の画素に基づいて判定を行う方法に限らず、深度測定範囲の中間のデータに基づいて判定してもよい。例えば端部から所定距離離れた位置の画素が立体形状データを有するか否かに基づいて判定したり、あるいは深度測定範囲のいずれかの画素が立体形状データを有しておれば、深度拡張測定を実行するように構成することもできる。例えば、最終的な立体形状データが得られていない画素の中で、パターンが投影されていることが判定できる程度の輝度値が得られている画素がいずれかに存在する場合に、未測定画素が存在すると判定処理部で判定して、深度拡張測定を実行するように構成してもよい。この場合、ノイズや誤検出を避けるため、立体形状データを有する画素の数や領域、体積が一定以上である場合とするなど、しきい値を設定することが好ましい。
（表示モード切替部）
【０１７９】
このように本実施形態に係る形状測定プログラムにおいては、信頼性の低い画素についても、表示部４００上に表示させることが可能となる。例えば表示モード切替部でもって、信頼性の低い画素データを非表示とする通常表示モードと、信頼性の低い画素データについても表示させる可視化モードを切り替え可能とすることができる。上述した図１６、図１７の例では、図１６Ａ、図１７Ａは通常表示モード、図１６Ｂ、図１７Ｂは可視化モードを、それぞれ示している。
（立体形状データに基づく深度拡張測定の要否判定）
【０１８０】
以上の例では、高さ画像を構成する画素データ、すなわち高さ情報を演算したデータに基づいて、深度拡張測定の要否を判定する例を説明した。ただ本発明は、深度拡張測定の要否判定を、高さ画像に限定せず、高さ情報を演算する前の元データや生データに基づいて、これらの要否判定を行うように構成してもよい。このような例を図１８や図１９に基づいて説明する。図１８は、測定対象物に縞パターンを投影した縞画像の例を示している。この図において、破線で囲んだ領域は、深度測定範囲外にあるため、縞パターンのコントラストが低い。ただ、このような深度測定範囲外であっても、縞パターンが投影されているため、他の縞パターンと比べて精度は落ちるものの、深度拡張測定の要否判定には利用可能である。すなわち図１８の例では、測定対象物が深度測定範囲よりも高い位置に形状を有している（ここでは円筒状に突出している）ことが把握できるので、この方向に深度拡張測定を行うことが有効であることが、当該深度測定範囲の外側の縞パターンによって判定できる。
【０１８１】
さらに、深度拡張測定を行うに際して、上方向に拡張するか、下方向拡張するかの判定も、このような立体形状データに基づいて行うことができる。例えば図１９に示す測定対象物の例では、図において上側と下側に、深度測定範囲外の部分が存在している。この内、太線の破線で囲んだ上側の領域の方が、細線の破線で囲んだ下側の領域よりも輝度が高い。一般には、深度測定範囲外のデータについて、カメラや照明に近い側が明るく、遠い側がくらい傾向にある。よって、投影パターンの明るさやコントラストに基づいて、深度測定範囲外のデータが、該高さ範囲の高い方の外側に存在しているのか、低い側の外側に存在しているのかを判別できる。よって、いずれの方向に深度拡張測定を行えば、この部分の高さ画像を取得できるのかを推定することが可能となる。
（移動ピッチ）
【０１８２】
高さ画像を連続するように連結する場合において、Ｚステージ１４２を移動させる位置は、高さ画像の連結時に高さ方向の隙間が生じないように、各Ｚステージ位置の差が、深度測定範囲の高さ以下になるようにする必要がある。合成時に高さが滑らかにつながるようにするため、図１５Ｄに示すように、深度測定範囲が一部オーバーラップするよう、深度測定範囲の高さより若干短い方が望ましい。ただし、オーバーラップ領域が大きすぎると、連結に必要な合計枚数が大きくなり、測定時間とのトレードオフが生じる。このため、深度測定範囲の１％〜３３％程度をオーバーラップさせることが好ましく、また５％〜２５％がより好ましく、１０％〜２０％がさらに好ましい。
（テクスチャ画像の移動ピッチ）
【０１８３】
合成画像の生成に際して、高さ画像を複数枚撮像するためにＺステージを深度方向に移動させる移動ピッチと、テクスチャ画像を撮像する移動ピッチとは、一致させてもよいが、必ずしも一致させる必要はなく、これらを独立して設定することもできる。特に高さ画像については、縞画像等のパターン画像の焦点が必ずしも合っていなくても、コントラスト差などが確認できれば高さ情報の計測は可能となる。一方でテクスチャ画像については、焦点が合っていないと見栄えの影響が大きい。このため、テクスチャ画像の移動ピッチを、高さ画像の移動ピッチよりも細かくすることが、いいかえるとテクスチャ画像の枚数を多くすることが好ましい。細かな移動ピッチで撮影された複数のテクスチャ画像を深度合成することにより、ほぼ全体でピントの合った鮮明な深度合成画像が得られる。この深度合成画像を、高さ画像を合成して得られた合成高さ画像にマッピングすることにより、鮮明なテクスチャ情報と、深度が深い高さ情報を有する立体形状データを取得することができる。
【０１８４】
一方、高さ画像を複数枚撮像するために、ステージを深度方向に移動させる都度、テクスチャ画像も一緒に撮像し、撮像したテクスチャ画像を深度合成し、深度合成したテクスチャ画像を、高さ画像を合成して得られた合成高さ画像にマッピングするようにしてもよい。この場合、深度合成画像の鮮明度は落ちるものの、高さ画像を撮像するためのステージ移動以外に、深度合成画像を得るためのステージ移動が不要となるので、処理に時間がかからないメリットがある。  
【０１８５】
ここで、連結時の画像の粗さ (相対値)と移動ピッチの関係を図２０のグラフに示す。図２０において、横軸は深度測定範囲高さに対する移動ピッチを、縦軸は平面を斜めに連結したときの面粗さを、それぞれ示している。この図に示すように、移動ピッチを大きくしていくにつれて、粗さが大きくなることが判る。
【０１８６】
なお以上の例においては、Ｚステージを移動させる移動ピッチを一定量としたが、本発明はこの構成に限らず、例えばユーザが指定する任意の移動量とすることもできる。
（高さ画像の連結領域）
【０１８７】
このように複数の高さ画像を連結する際、高さ画像同士で高さ方向に重複している領域の扱いが問題となる。すなわち、連結対象の２つの高さ画像で、重複する部分の高さ情報として、合成高さ画像ではいずれを用いるべきかを決める必要がある。このため合成処理部２１６は、重複する部分の扱いを予め定めている。例えば図１５Ａで得られた高さ画像ＨＩＡを、図１５Ｂで得られた高さ画像ＨＩＢと連結する場合、図１５Ｄの合成高さ画像ＣＨＩにおいて、高さ画像ＨＩＡの上方と高さ画像ＨＩＢの下方とが重複領域ＯＬ１において重複している。同様に高さ画像ＨＩＢを画像ＨＩＣと連結する場合、高さ画像ＨＩＢの上方と高さ画像ＨＩＣの下方とが重複領域ＯＬ１において重複している。このような場合に合成処理部２１６は、信頼性指標に基づいて重複領域を処理する。
（信頼性指標）
【０１８８】
ここで信頼性指標とは、深度測定範囲が重複する重複領域において、各高さ画像が対応するステージ平面内の画素の有する高さ情報が、真値すなわち真の高さにどれだけ近いかを示す指標である。高さ情報を高さ画像を構成する画素の画素値とする場合は、画素値の信頼性を示す指標といえる。
【０１８９】
このように、複数の高さ画像を深度方向に連結するに際して、単純な加算平均などを用いずに信頼性指標を用いることで、重複する領域における高さ情報の信頼性を高めた合成高さ画像を得ることができる。
【０１９０】
具体的な信頼性指標としては、受光部１２０の焦点位置からの距離が近い方を採用する。高さ画像をパターン投影法で作成する場合は、焦点位置でなくともパターン画像（例えば縞画像）が得られ、高さ情報の演算が可能であるものの、焦点位置に近い程パターン画像が鮮明となって、高さ情報の精度が高い傾向にある。そこで、焦点距離を信頼性指標として用い、その高さ画像を生成した際の焦点位置と、注目画素との距離が近いほど、得られた高さ情報の信頼性も高いと判断できる。
【０１９１】
あるいは、信頼性指標として周囲画素とのコントラストを用いてもよい。具体的には、ある高さ画像の画素の信頼性指標として、この高さ画像を生成する元となったパターン画像における対応する画素と、この画素の周囲に位置する画素とのコントラストとする。周囲の画素とのコントラストが高い程、境界が鮮明なパターン光となって高さ情報を精度よく演算できる。あるいはまた、元のパターン画像の輝度値等を信頼性指標として用いてもよい。
【０１９２】
このようにして得られた信頼性指標に基づいて、信頼性指標が高い方の画素を、合成高さ画像の画素として採用することができる。
【０１９３】
なお、そもそも高さ情報が得られていない画素の場合は、無効として、高さ情報の得られている方の画素を用いる。両方の画素で高さ情報が得られていない場合は、合成高さ画像においても高さ情報は無効（ｎｕｌｌ）となる。例えば深度測定範囲が重複する領域において、高さ画像の対応するＸＹ座標の画素値について、一方の高さ画像の画素が有効で、他方の高さ画像の画素が無効な場合は、有効な画素の画素値を用いる。これにより、複数の高さ画像を深度方向に連結するに際して、重複する領域における高さ情報について、欠損した画素を補間した合成高さ画像を得ることができる。
【０１９４】
一方、信頼性指標の高い方を採用して低い方を破棄するのみならず、重み付けを行うこともできる。例えば信頼性指標の高い方の画素値の比重を高く、低い方の画素値の比重を低くするように重み付けを行うことで、より正確な高さ情報を得ることが期待できる。
【０１９５】
あるいは、信頼性指標を用いた重み付け加算平均に基づいて、合成高さ画像の高さ情報を演算してもよい。
（差分）
【０１９６】
また、部分的に重なり合う２枚の高さ画像から、所定以上の差分がある画素を抽出することもできる。具体的には、深度測定範囲が重複する領域において、合成処理部２１６が差分として画素を抽出し、この内で信頼性指標が高い画素値を採用するよう構成できる。この場合、合成処理部２１６に、高さ画像同士で所定以上の差分がある画素を抽出する差分画素抽出手段を設けてもよい。
【０１９７】
さらに、深度測定範囲が部分的に重複する高さ画像の合成に際して、高さ情報を選択あるいは演算する条件を、データの差分量に応じて変更することもできる。例えば、データの差分が所定以上の時は信頼性指標の高い方の画素を採用し、所定値以下の場合には、信頼性指標を用いた重み付け加算平均に基づいて、合成高さ画像の高さ情報を演算してもよい。
（連結測定の範囲の設定）
【０１９８】
上述した連結測定を実施する場合、深度測定範囲を決定する方法が幾つか考えられる。例えば、（１）Ｚステージの上限、下限座標をユーザに入力させ、一定の移動ピッチで上下限を含む範囲を測定、連結させる方法；（２）現在のＺステージ高さから上下方向に何段階取得するかをユーザに決定させ、一定の移動ピッチで複数段階の測定を実施、連結する方法等が考えられる。
【０１９９】
しかしながら、このような深度測定範囲決定方法では、いずれも測定の前処理として、深度測定範囲を決定する手順が必要となる。この手順は、手間がかかるのみならず、複数の視野において異なる高さ範囲を指定する場合には、その都度設定が必要となって、非常に操作が煩雑となる問題があった。そこで本実施形態においては、連結測定の範囲を自動で決定可能としている。
（深度測定範囲の設定）
【０２００】
連結深度測定範囲を自動で決定するために、本実施形態１では深度探索範囲を定義する。まず図２１で示す形状測定装置においては、受光光学系の左右対称な角度から、平行光束として投光光線が測定対象物ＷＫに向かって照射される。ここで、形状測定装置が精度を保証して計測可能な範囲が、深度測定範囲である。深度測定範囲においては、左右からの投光による測定結果を平均又は合成した計測を実施することで、測定の安定化、高精度化が期待できるため、左右からの投光光束の「共通領域」として定義される。
【０２０１】
一方で、左右それぞれから独立して照射される光束のそれぞれにおいては、高精度に設定した深度測定範囲よりも広い高さ範囲で投光光束が照射されている。そこで、撮影視野に収まり、かつこれら左右それぞれの投光光束の和集合領域を深度探索範囲として定義する。これにより、測定には用いることができなくても、測定対象物上の深度測定範囲外の形状における、概略の高さ情報を取得することが可能となる。
（三角測距方式の組み合わせ）
【０２０２】
本実施形態に係る形状測定装置においては、より高精度な測定を実施するために、空間コード法とマルチスリット法、又は空間コード法と正弦波位相シフト法を組み合わせて測定を行っている。しかしながら、深度測定範囲を超えた領域では、光学系の持つ被写界深度の関係で、投影した縞パターンがぼけてしまい、十分な解像度・精度の高さ測定が不可能となる。一方で、空間コード法の比較的低分解能な測定を担う縞パターンは、図１８に示したように、縞そのものの太さが光学系の被写界深度に対して十分太いため、深度測定範囲を超えた領域であっても、大まかな縞形状を保持していることが多い。図１８において円筒状の天面に照射された縞パターンは、深度探索範囲上に位置するため縞がぼけているものの、大まかな縞形状は維持されている。この特性を利用すれば、深度探索範囲内かつ深度測定範囲外の、おおまかな高さ情報を得ることが可能となる。
【０２０３】
なお、本実施例では、空間コード法とマルチスリット法、又は空間コード法と正弦波位相シフト法を組み合わせて測定を行ったが、空間コード法を用いなくても周期が異なる２以上のパターンをそれぞれ位相シフトして投影することにより、空間コード法との組み合わせ測定と同様の効果を得ることもできる。例えば、周期が粗い第一パターンを投影し、位相シフトすることにより測定対象物ＷＫの低分解能な測定を行い、次いで周期が短い第二パターンを投影し、位相シフトすることにより測定対象物ＷＫの高分解能な測定を行い、これらを組み合わせることで絶対値を有する精度の高い測定が可能である。この場合は低分解能な測定の結果を、上記空間コード法の測定結果と同様に取扱うことができる。
（深度拡張モード選択部２５４）
【０２０４】
上述の通り本実施形態に係る形状測定装置においては、Ｚステージ高さを固定した１回の測定を行うワンショット測定機能と、複数のＺステージ高さで測定した結果を結合する深度拡張測定機能を備えている。ここで、深度拡張測定機能として、自動で深度拡張を行う自動深度拡張機能と、手動で深度拡張を行う手動深度拡張測定機能のいずれかを行うことができる。あるいは、これらを切り替え可能とすることもできる。深度拡張測定機能の自動と手動を切り替えるには、深度拡張モード選択部２５４でもって行わせる。
（実施例１：累積画像に基づく自動深度拡張）
【０２０５】
ここで、実施例１に係る自動深度拡張について説明する。深度探索範囲内かつ深度測定範囲外のおおまかな高さ情報から、それらの高さを深度測定範囲内で測定するＺステージ位置を求め、その位置に移動して測定を行うことで、自動的に連結測定の範囲を拡張できる。ここでは図２２に示すように、視野を構成する画素の内で、立体形状データを取得した画素（測定画素）を累積していく。図２２の例では、深度測定範囲ＨＴ１で撮像した画像ＩＧ１では、矩形状の周囲の領域では高さが取得できているものの、中央の楕円の領域では高さが取得できておらず、高さ情報が欠損した画素を持つ画像となっている。そして、深度測定範囲をＨＴ１からＨＴ２に変更して画像ＩＧ２を撮像すると、画像ＩＧ１では高さ未測定であった画素の一部で高さが得られている。同様にして深度測定範囲ＨＴ３で画像ＩＧ３を、深度測定範囲ＨＴ４で画像ＩＧ４を、それぞれ撮像すると、それぞれ欠損してた画素で高さが取得されている。このようにして、深度測定範囲毎に高さが得られた画素を、図２３Ａ〜図２３Ｄに示すように累積していく。例えば図２３Ａでは、画像ＩＧ１を、また図２３Ｂではこの画像ＩＧ１に、画像ＩＧ２で高さ情報の得られた画素を蓄積した蓄積画像を示している。これによって図２３の画像ＩＧ１と比べ、高さ情報の欠損している未測定画素が低減していることが判る。さらに図２３Ｃでは、画像ＩＧ３で高さ情報の得られた画素を蓄積した蓄積画像を示しており、図２３Ｂよりも未測定画素の領域がさらに低減している。そして図２３Ｄでは、画像ＩＧ４で得られた画素を累積して、すべての領域の画素で高さ情報が得られている。このように、取得済み画素を累積した累積画像に基づいて未測定の画素（未測定画素）の有無を判定し、未測定画素が存在する場合は自動で立体形状データの取得を継続していく。そして、視野を構成する画素が測定画素で順次満たされていき、未測定画素がなくなった時点で処理を終了する。
（立体形状データ）
【０２０６】
ここで立体形状データとは、測定対象物の形状をパターン投影法で測定するためのデータであり、必ずしも高さ情報を含むことを要しない。すなわち、高さ情報を未測定のデータであっても、高さ情報を演算可能なデータを含む場合は立体形状データと呼ぶ。
（自動深度拡張の手順）
【０２０７】
このような自動連結の手順を、図２４に示す。まずステップＳ２４０１において、測定を行う。次にステップＳ２４０２において、深度探索範囲内に対応する高さを有する領域があるか否かを判定し、ある場合はステップＳ２４０３に進み、Ｚステージ１４２を、深度探索範囲内に対応する高さを有する領域が測定可能なＺステージ位置に移動させる。この際、既に測定したＺステージ位置は除く。また、候補となるＺステージ位置が複数ある場合は、最も近い位置に移動させる。そしてステップＳ２４０１に戻って、測定などの処理を繰り返す。一方、ステップＳ２４０２において、深度探索範囲内領域がないと判定された場合は、ステップＳ２４０４に進み、測定を終了する。
【０２０８】
このように、Ｚステージ１４２の各位置での測定で、深度探索範囲内で深度測定範囲外の高さ情報を記憶しておく。これにより、移動すべきＺステージ位置が上下両側に存在していても、上下両方向に拡張していくことが可能になる。また、一度測定したＺステージ位置には移動しないようにすることで、測定が無限ループとなる事態を回避できる。
【０２０９】
このような手順により、測定対象物のすべての高さを網羅した連結測定が可能になる。また、Ｚステージ１４２の移動が必要なくなった時点で測定が終了するため、連結測定の合計時間は、常に最小となる。
【０２１０】
また、自動深度拡張に際して、Ｚステージ１４２の上限の高さを設定することもできる。Ｚステージ１４２の上限高さは、自動深度拡張時のＺステージ位置の最高値として形状測定装置側で規定値とする他、ステージ１４０上に載置した測定対象物の高さに応じて、若干のマージンを加味して自動設定させたり、あるいは規定値や自動設定された値をユーザが調整可能としたり、任意の値を指定可能としてもよい。これにより、自動深度拡張時にＺステージが上昇しすぎて、ステージ上の測定対象物がレンズに衝突する事態を回避できる。
（光学系に関する変形例）
【０２１１】
以上の実施形態１に係る形状測定装置では、撮像部を構成する受光部１２０を単眼のカメラとし、また測定対象物の上方に投光部１１０を２つ設けて、左右二方向から投光させる構成について説明したが、本発明は光学系の構成をこれに限定するものでなく、他の光学系を採用することもできる。例えば、受光部として単眼のカメラを用いて、投光部を一方向のみからの投光とすることもできる。あるいは、受光部として単眼カメラに代えて複眼カメラを用いて、一方向から投光させてもよい。
（測定原理に関する変形例）
【０２１２】
また、上述した実施形態１に係る形状測定装置では、測定対象物の三次元形状を測定する測定原理として、グレイコードとマルチスリット投影の三角測距法を採用したが、本発明は測定対象物の三次元形状を測定する測定原理をこれに限定するものでなく、他の方式も適宜利用できる。例えば、正弦波投光による三角測距法や、ランダムパターン投光による三角測距法、ライン光投影とスキャンによる三角測距法等の方法が利用できる。
（測定対象物の移動機構に関する変形例）
【０２１３】
さらに、上述した実施形態１に係る形状測定装置では、Ｚステージ１４２を移動させる機構としてＺステージ１４２を直接移動させる構成を採用しているが、本発明は測定対象物の移動機構をこれに限定するものでなく、他の構成も適宜利用できる。例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸について並進、回転の６つの自由度を持つ移動ステージを用いたり、あるいは手動による自動移動としてもよい。
（測定対象物のワーキングディスタンス調整機構に関する変形例）
【０２１４】
さらに、上述した実施形態１に係る形状測定装置では、Ｚステージ１４２を移動させて測定対象物と受光部１２０とのワーキングディスタンスを調整する構成を採用しているが、本発明はワーキングディスタンスの調整機構をこれに限定するものでなく、他の構成も適宜利用できる。例えば、受光部側を移動させてもよい。
（実施例２：単一高さ画像の端部に基づく自動深度拡張）
【０２１５】
以上の例では、取得済み画素を累積した累積画像に基づいて深度拡張の要否を判定する自動深度拡張の手順を説明した。ただ本発明は、必ずしも画像の高さ方向への深度拡張及び自動連結に際して、過去の画素を累積することを要しない。例えば、単一の高さ画像から深度拡張の要否を判定することもできる。このような例を実施例２として、以下説明する。ここでは図２５に示すように、ある深度測定範囲内で高さ画像を取得する。そして、得られた一枚の高さ画像において、深度測定範囲の端部、すなわちこの深度測定範囲の上限又は下限の何れかに立体形状データを有するか否かを判定する。例えば高さ画像の一方の端部に立体形状データを有する場合は、深度測定範囲の外側に測定対象物が延びている可能性が高いと推定し、さらに深度測定範囲を変えて高さ計測を行う。そして変更後の深度測定範囲においても、同様に端部に立体形状データを有するか否かを判定して、同様に立体形状データを有する場合はさらに深度測定範囲を変えて処理を継続する。一方で、端部に立体形状データが存在しない場合は、この方向への処理を終え、他方の端部に立体形状データが存在するか否かを判定し、同様の処理を行う。そして、両方の端部で立体形状データが存在しない場合は、処理を終了する。なお、上記は一例であり、例えば両方の端部に立体形状データが存在する場合は、一方の端部に深度測定範囲を拡張した後、他方の端部に深度測定範囲を拡張するようにしてもよい。ただしこの方法では、Ｚステージを一方の端部の方向に拡張した後、元の位置に戻って他方の端部の方向に拡張することとなり、Ｚステージの移動量が大きくなる可能性がある。そこで上述の通り、上下何れかの方向に一旦拡張を継続し、その後、他方の方向に拡張するようにすることが好ましい。
（実施例３：単一高さ画像の範囲内に基づく自動深度拡張）
【０２１６】
さらに本発明は、上述した単一の高さ画像の端部に立体形状データが存在するか否かでもって深度測定範囲の拡張の有無を判定する方法に限られず、深度測定範囲内で立体形状データが測定できた画素が存在すれば、深度測定範囲を拡張するようにしてもよい。すなわち、ある深度測定範囲で取得した高さ画像において、深度測定範囲内のいずれか一でも立体形状データが測定できた画素が存在すれば、測定対象物が存在していると推定して、その方向への深度拡張を継続する。この方法であれば、単に高さ画像が立体形状データを含むことのみで判定を行えるため、判定処理を簡単に行える利点が得られる。
（自動深度拡張測定機能を有する形状測定プログラム）
【０２１７】
ここで、自動深度拡張測定機能を形状測定プログラムのユーザインターフェース画面の例を図２６〜図３０に示す。これらの図に示す形状測定プログラムも、画像表示領域４１０と操作領域４２０を備える。画像表示領域４１０は、測定対象物のテクスチャ画像や高さ画像を表示させるための領域である。操作領域４２０は、主に各種の操作をユーザが指示したり、ユーザに対して操作内容の説明や誘導を行うための領域である。図２６等の画面では、左側から画面の大半に画像表示領域４１０を配置し、右側に操作領域４２０を配置している。さらに画像表示領域４１０の上には、撮像条件の設定を行う撮像設定部の一形態として、画像表示領域４１０で表示される画像に対して、倍率表示や焦点調整等を行うための撮像設定領域５１０が配置されている。なおこれらの配置は一例であって、各部材の配置や大きさ等は適宜変更できる。
（観察モード切替部）
【０２１８】
形状測定プログラムから、高さ画像に基づく観察と、テクスチャ画像に基づく観察を行うことができる。観察の切り替えは、観察モード切替部から行う。図２６の例では、観察モード切替部の一形態として、操作領域４２０に「３Ｄ測定」タブ５３１と「画像観察」タブ５３２が設けられており、何れかのタブを選択することで観察モードの切り替えが可能となる。「３Ｄ測定」タブ５３１を選択すると、高さ画像の生成及び生成された高さ画像に基づく計測などの観察が可能となる。一方、「画像観察」タブ５３２を選択すると、テクスチャ画像に基づく計測等の観察が可能となる。
（フルオート観察モード）
【０２１９】
ここで、形状測定プログラムで自動深度拡張測定機能を実行するには、図２６の画面から「フルオート」ボタン５３３を押下する。これにより、フルオート観察モードすなわち自動深度拡張測定モードが選択される。フルオート観察モードでは自動で深度方向への拡張が行われて、画像表示領域４１０に表示される測定対象物の合成高さ画像が取得される。
（マニュアル観察モード）
【０２２０】
一方、形状測定プログラムで手動深度拡張測定機能を実行するには、図２６の画面から「マニュアル」ボタン５３５を押下する。これにより、マニュアル観察モードが選択されて、手動で深度方向への拡張が可能となる。マニュアル観察モードの例を図２７に示す。この例に示すマニュアル観察画面５４０では、操作領域４２０に「Ｚ測定範囲」指定欄５４１、「測定モード」選択欄５４２、「測定方向」指定欄５４３、「測定明るさ」設定欄５４４、「テクスチャ撮影」選択欄５４５が設けられている。
（「Ｚ測定範囲」指定欄５４１）
【０２２１】
「Ｚ測定範囲」指定欄５４１は、深度拡張測定モードを選択する深度拡張モード選択部２５４の一形態をなす。この例では、図２７に示すように「Ｚ測定範囲」指定欄５４１において、ユーザがドロップボックスから「自動」、「測定」、「手動」のいずれかを選択できる。この内「自動」を選択すると、自動で深度拡張測定を実行する自動深度拡張モードとなる。また「手動」を選択すると、ユーザが手動で深度拡張測定を実行する手動深度拡張モードとなる。一方、「測定」を選択すると、所定の深度範囲の測定を行う。いいかえると、深度範囲を拡張せず、形状測定装置で測定可能な所定の高さ範囲で高さ画像を生成する。上述した、Ｚステージ高さを固定した１回の測定を行うワンショット測定機能に相当する。
【０２２２】
「測定モード」選択欄５４２は、測定モードを選択する測定モード選択部２５７の一態様である。測定モードとは、高さ画像の生成に際して撮像される縞画像の撮像条件を調整することで、観察の用途に応じた測定を行えるようにするものであり、予め複数の測定モードが準備されており、ユーザは観察の目的等に応じて所望の測定モードを選択する。「測定モード」選択欄５４２では、複数の測定モードの中からいずれかを指定する。ここでは、図２８に示すようにドロップボックスから「オート」、「スタンダード」、「反射／潜り込み光除去モード」、「高精細（粗さ）」のいずれかを選択できる。
【０２２３】
「オート」を選択すると、複数の測定モードの内から、自動で適切な測定モードが選択されるオード測定モードが選択される。
【０２２４】
「スタンダード」を選択すると、標準的な測定モードであるスタンダード測定モードが選択される。
【０２２５】
「反射／潜り込み除去」を選択すると、投光の反射や潜り込み光の除去に適した反射／潜り込み光除去モードが選択される。この測定モードはファイン測定モード等とも呼ばれ、測定光の投影パターンをスタンダード測定モードよりも細かくしており、潜り込み光や多重反射、乱反射等の間接光成分を排除する測定モードである。この測定モードは、測定対象物が白濁樹脂のような半透明体や、ネジのような凹凸金属体の場合に効果が高い。測定に要する時間は、スタンダード測定モードよりも長くなる。
【０２２６】
「高精細（粗さ）」を選択すると、測定対象物の表面の粗さの測定といった、より高精細な高さ画像を生成する高精細モードが選択される。
【０２２７】
また、他の測定モードを追加してもよい。例えばハレーション除去測定モードは、投影パターンはスタンダードと同じであるが、露光時間又は測定光の投影光量を変化させることで、ダイナミックレンジを拡大して測定する測定モードである。これによって明暗差の激しい対象物で黒潰れや白とびを抑制できる効果が得られる。例えば、金属体に黒樹脂が埋まっているような対象物で効果的となる。測定に要する時間は、スタンダード測定モードよりも長くなる。さらにスーパーファイン測定モードは、上述した反射／潜り込み光除去モードとハレーション除去測定モードの組み合わせであり、最も精度を向上できるが、その分測定に要する時間は最も長くなる。
【０２２８】
「測定方向」指定欄５４３では、投光部１１０を指定する。ここでは、図４で示す第一投光部１１０Ａ、第二投光部１１０Ｂのいずれか又は両方を選択できる。図２９に示す例では、「測定方向」指定欄５４３に設けられたドロップボックスから、「左側のみ」、「右側のみ」、「両方」のいずれかを選択できる。
【０２２９】
「左側のみ」を選択すると、図４の第一投光部１１０Ａが選択されて左側からの投光のみが得られる。「右側のみ」を選択すると、図４の第二投光部１１０Ｂが選択されて右側からのみ投光される。「両方」を選択すると、図４の第一投光部１１０Ａ及び第二投光部１１０Ｂが選択されて、両側から投光される。
【０２３０】
「測定明るさ」設定欄５４４では、画像表示領域４１０で表示される画像の明るさを調整する。テクスチャ画像の明るさは、例えば撮像部である受光部１２０の露光時間やシャッタースピードを調整することで可能となる。また「測定明るさ」設定欄５４４では、テクスチャ画像の明るさの調整を自動で行うオート明るさ調整と、手動で調整するマニュアル明るさ調整を、ラジオボタンで切り替え可能としている。例えば、図３０に示すように「オート」を選択すると、現在画像表示領域４１０で表示されている画像に応じて、自動で適切な明るさに調整される。また「マニュアル」を選択すると、ユーザが手動で画像の明るさを調整できる。ここでは、スライダでもってテクスチャ画像の明るさを調整するよう構成している。また画像表示領域４１０で表示される画像の明るさが、「測定明るさ」設定欄５４４で調整した後の明るさに、リアルタイムに反映される。
（テクスチャ画像選択手段４６０）
【０２３１】
テクスチャ画像選択手段４６０の一形態である「テクスチャ撮影」選択欄５４５では、撮影するテクスチャ画像を選択する。ここでは、「ノーマル」と「ＨＤＲ」をラジオボタンで選択可能としている。「ノーマル」を選択すると、通常のテクスチャ画像を撮影するよう設定される。一方、「ＨＤＲ」を選択すると、ＨＤＲ画像を撮影するよう選択される。また、その他のテクスチャ画像を選択可能としてもよい。例えば深度合成画像を選択可能としてもよい。
【０２３２】
以上のようにして形状測定装置は、高さ情報を有する高さ画像を生成することができる。このようにして得られた測定対象物の三次元の形状に対して、形状測定装置を用いて測定を行うことができる。例えば指定した寸法や高さの測定や、これらの平均値や最大値、最小値、面積、体積の算出等が行える。
【０２３３】
また、ステージ上に載置した測定対象物を同じ姿勢のまま、測定設定として記憶し、連続測定に用いることもできる。例えば、基準品の測定対象物について、これらの値を測定し、測定設定として保存部に保存した後、比較品の測定対象物をステージ上に逐次載せ替えて、基準品の値との比較を行うこともできる。このような比較測定の場合、比較品の測定対象物の値を測定するには、基準品と同じ姿勢で測定する必要がある。すなわち、基準品の測定対象物の高さ画像を取得した際の姿勢と同じ姿勢で、ステージ上に載置する必要がある。このためユーザに対して、ステージ上に測定対象物を置く位置を示すガイドを表示させたり、治具を用いて物理的にガイドする等の方法を用いることが好ましい。
【０２３４】
また、ステージ１４０をＺステージ１４２のみならず、ＸＹステージ１４１も電動で駆動するようにした場合は、ステージ側を移動、回転させて、このステージ上の測定対象物の姿勢を、基準品の測定対象物の姿勢と同じ状態に調整することもできる。この場合、例えば比較品の測定対象物のテクスチャ画像や輪郭画像、高さ画像等を取得し、基準品の測定対象物でパターンマッチングを行い、対応する位置及び姿勢（回転角度など）を求め、得られた位置及び姿勢に比較品の測定対象物を配置するようにＸＹステージ１４１をステージ駆動部で移動させる。この方法であれば、ステージ１４０上に比較品の測定対象物を置く作業を簡素化できる。
（自動画像ＸＹ連結機能）
【０２３５】
また本実施形態に係る形状測定装置によれば、高さ画像等の立体形状データをＸＹ方向に連結する画像連結に際して、各立体形状データを生成する際の測定設定を個別に調整すると共に、この調整作業を自動化することもできる。例えば、受光部の光軸方向と直交する平面であるＸＹ平面において画像を連結するＸＹ連結に際して、図３１に示すように低倍率で撮像した画像、あるいはナビゲーション用の連結マップ画像を広域画像として、この広域画像を複数の部分領域に分割し、各部分領域で生成した立体形状データである高さ画像をＸＹ方向に連結して合成高さ画像を生成する場合を考える。このようなＸＹ平面での画像連結処理において、各部分領域で順に高さ画像を生成するに際して、測定を行う測定設定を設定する必要がある。ここで、測定設定を各部分領域で共通にしてしまうと、十分な精度の高さ画像が得られないことがある。例えば測定対象物が部分的に異なる材質で構成された場合は、投光したパターン光が金属のような光沢面で多重反射されたり、半透明の樹脂の部分ではパターン光が潜り込みを生じる等して、通常の測定では正しい高さ画像が得られないことがある。この場合には、多重反射や光の潜り込みに適した測定設定にて高さ画像を測定する必要があるところ、このような測定では撮像を複数回行う必要があるなど、高さ画像の生成に時間がかかる。このため、すべての部分領域で同じ測定設定として高さ画像を生成すると、トータルでかかる時間が長くなってしまう。同様に測定対象物中に凹凸の起伏が大きい領域と平坦な領域が混在する場合は、凹凸の高低差がある領域ではＺステージを深度方向に駆動させて異なる高さでの撮像を繰り返す必要があるところ、平坦な領域で同様に高さの異なる撮像を繰り返すと、無駄な動作が増える上時間がかかる。また、このような様々な部分領域に対してユーザが手動で適切な測定設定を個別に設定することも考えられるが、この作業は非常に手間がかかるという問題があった。
【０２３６】
さらに一方では、部分領域毎に測定後の立体形状データをユーザに表示させて、ユーザがその部分領域の形状測定をやり直したい場合には、測定設定を変更した上で再度測定を行い、所望の測定結果が得られると、この新たに得られた立体形状データに置き換える方法も考えられる。しかしこの場合であっても、ユーザが測定結果を一々確認して、再測定の必要性を判断しなければならず、手間がかかっていた。また、測定設定をどのように変更すれば所望の測定結果が得られるかについても、容易には判断できないことがあり、更に作業を複雑にしていた。
【０２３７】
そこで本実施形態においては、このような高さ画像等の立体形状データをＸＹ連結して合成立体形状データを生成するに際しての測定設定の調整作業を自動化させることで、容易に視野の広い立体形状データを取得することを可能としている。すなわち、複数の部分領域に対して、設定条件を個別に自動調整可能としてユーザの負担を軽減している。特に、一旦取得した受光データや立体形状データに基づいて、部分領域測定設定を適切な条件に調整すると共に、必要に応じて調整後の各部分領域の測定設定でもって再度立体形状データを生成して、より高品質あるいは高精度な立体形状データを得ることができる。また部分領域毎に調整した各部分領域の測定設定を保存することで、同様の測定対象物の検査を行う際にはこれを読み出して測定設定とすることにより、測定設定の自動調整の工程を省略して処理の簡素化を図ることもできる。
（測定設定自動調整部２１７）
【０２３８】
このような測定設定の自動調整は、図１等で示す測定設定自動調整部２１７で行う。画像ＸＹ連結に際して、測定設定自動調整部２１７は、部分領域測定設定の調整を全自動で行う他、ユーザが測定設定部２５５で設定した測定設定を、測定設定自動調整部２１７で自動で調整したり、あるいは逆に、測定設定自動調整部２１７で自動で調整した測定設定を、ユーザが測定設定部２５５で調整するようにしてもよい。また自動設定に際しても、形状測定装置側で初期値として設定した測定設定を、測定設定自動調整部２１７で調整して調整測定設定とすることもできる。このように測定設定自動調整部２１７は、高さ画像等の立体形状データを生成するための測定設定を完全自動で調整する他、ユーザによる設定を組み合わせた半自動としてもよい。なお測定設定部２５５は、初期の測定設定をユーザが手動で設定するための部材である。ただ測定設定部２５５を、形状測定装置側で予め準備した測定設定の初期設定値を入力する部材としてもよい。そして各部分領域の測定設定は、ユーザが指定した部分領域測定設定、あるいは機器側で用意された初期設定値、測定設定自動調整部２１７により自動調整された条件である。
（反射光、潜り込み光除去モード）
【０２３９】
ここで、反射光や潜り込み光の存在する場合に、これら除去する測定設定で測定を行う測定モードについて説明する。例えば図３２に示すように、半透明の樹脂製の拡散板を備える測定対象物に対して、一般的な測定設定で測定を行った場合、すなわちパターン光を投光して縞画像から生成された高さ画像の例を、図３３Ａに示す。この図に示すように、通常のスキャンモードでは潜り込み光の影響により、半透明な拡散板部分はうまく測定できず、高さ画像のデータが欠損した状態となる。これに対して、測定モードを反射／潜り込み光除去モードとして測定した高さ画像の例を、図３３Ｂに示す。上述のとおり反射／潜り込み光除去モードにおいては、測定光の投影パターンを通常よりも細かくすることで、間接光成分を低減する。潜り込み光除去モードで測定した結果、図に示すように、半透明な拡散板部分も相当部分で測定ができていることが判る。
【０２４０】
ただ、このような特殊な測定モードは通常よりも処理時間が長くなってしまう。このためすべての部分領域において、あるいはすべてのＸＹ位置において、潜り込み光除去モードで測定すると、測定時間が長大になってしまう。そこで、潜り込み光や多重反射光が多い領域についてだけ、この測定モードを使うようにすることで測定時間を短縮できる。上述の例では、一旦スタンダード測定モードで高さ画像を生成し、図３３Ａに示すように欠損している領域が生じた部分領域においては、部分領域測定設定を測定設定自動調整部２１７で再設定して、高さ画像を生成し直して差し替えることで、図３３Ｂに示すような欠損部分の少ない高さ画像を得ることができる。
【０２４１】
同様に、測定対象物の高低差が大きい領域については、深度範囲を拡張して測定しつつも、高低差が小さい領域では深度範囲を限定して測定を行うことで、測定時間を圧縮して効率良く測定処理を行える。例えば図３３Ａ、図３３Ｂの例において、すべてのＸＹ位置で測定対象物の高さ範囲（図中において矢印で示す範囲）を測定すると時間がかかるところ、測定対象物の外殻の領域のみ（図３１において連結領域の周囲に位置する部分領域）について深度拡張測定モードを行う一方で、それ以外の部分領域（図３１において連結領域の内部に位置する部分領域）ではＺ範囲拡張を行わないことで、測定時間を短縮できる。
（潜り込み光と空隙との判別）
【０２４２】
また測定設定自動調整部２１７は、測定モードの自動選択にあたり、高さ画像の一部に欠損部分が生じている場合に、その原因が潜り込み光によるものか、あるいはそもそも形状自体が欠損しているものなのか（空隙や穴など）を区別する。いいかえると、潜り込み光が原因と判定した場合は、部分領域測定設定を変更した再測定を行うものの、空隙と判定した場合は、再測定を行わない。このような判定方法の一例を、図３４Ａ〜図３４Ｄに基づいて説明する。これらの図において、図３４Ａはある測定対象物の縞画像のイメージ図を、図３４Ｂは図３４Ａの測定対象物の内、金属部分の輝度プロファイルを、図３４Ｃは穴部分の輝度プロファイルを、図３４Ｄは白樹脂部分の輝度プロファイルを、それぞれ示している。この内図３４Ｂに示す金属部分については、輝度プロファイルで明確なピークが表れており、正しく高さ情報を測定できることが判る。一方、図３４Ｃの穴部分と、図３４Ｄの白樹脂部分は、縞画像上ではいずれも黒く、パターン光が得られていない。ただし、図３４Ｃの穴部分では輝度プロファイルのベース部分が殆どゼロであるのに対し、図３４Ｄの樹脂部分ではベース部分に一定の変位（輝度）が得られていることが判る。このように、図３４Ｃ、図３４Ｄ共、輝度プロファイル上でピークが殆ど得られていないものの、ベース部分に輝度信号が得られているか否かでもって、存在しない形状なのか、光の潜り込みによって輝度が得られていないのかを、測定設定自動調整部２１７でもって区別することが可能となる。
（自動画像ＸＹ連結処理の手順）
【０２４３】
ここで、合成立体形状データを生成する自動画像ＸＹ連結処理の手順を、図３５のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ３５０１において、ステージ１４０の位置を初期化する。ここでステージ１４０は、電動式のＸＹステージとする。
【０２４４】
次にステップＳ３５０２において、測定対象物をＸＹステージの上に載置する。この状態で表示部上に光学画像を表示させ、倍率を調整し（ステップＳ３５０３）、焦点位置を調整する（ステップＳ３５０４）。これらの手順は、適宜入れ替えてもよい。
（マップ画像の作成）
【０２４５】
次にステップＳ３５０５において、マップ画像を作成する。マップ画像とは、得たい合成立体形状データと同程度の視野を有する広域画像である。マップ画像の作成には、渦巻き状にＸＹステージを移動させる方法や、自動で視野を移動させる方法等が利用できる。
（渦巻き状マップ画像作成方法）
【０２４６】
ここで渦巻き状にＸＹステージを移動させる方法を図３６Ａ〜図３６Ｃに基づいて説明する。まず初期位置をユーザが指定する。ここでは図３６Ａに示すように、測定対象物の一部を表示部上に表示させる。初期位置は測定対象物の中心近傍に設定することが好ましい。このように初期位置を決定した上で、ユーザが渦巻き状マップ画像作成の開始を指示すると、初期位置を中心としてその周囲に視野が自動的に移動されて、移動された視野の光学画像が順次撮像されていく。例えば図３６Ｂに示すように、初期位置から下に視野が移動されて光学画像が取得され、さらに左に移動して光学画像を撮像する。このように、渦巻き状に視野が順次移動されて、各位置での光学画像を撮像していく。ここでは初期位置を中心に時計回りに視野が移動されるよう、ＸＹステージをステージ平面方向駆動部１４８でもって移動させる。このようにして、徐々に視野が拡大されてマップ画像が作成されていく。ユーザは表示部を見ながら、所望の測定対象物の視野が得られた時点で、渦巻き状マップ画像作成処理の終了を指示する。例えば停止ボタンを押下することで、渦巻き状マップ画像作成処理が終了される。このようにして、渦巻き状にマップ画像が作成される。
（ＸＹ連結領域の指定）
【０２４７】
次にステップＳ３５０６において、ＸＹ連結を行うＸＹ連結領域を指定する。ここでは自動で画像連結を行う自動画像ＸＹ連結領域の指定方法を選択している。ＸＹ連結領域については、手動で指定する方法と自動で指定する方法が利用できる。ここで、手動でＸＹ連結領域を設定する方法の例を、図３７Ａ〜図３７Ｃに示す。これらの方法では、手動で自動ＸＹ連結領域の始点や終点を設定する。例えば図３７Ａの例では、自動ＸＹ連結領域の始点と終点を設定する。具体的には、ＸＹ連結領域の始点（左端・上端）および終点（右端・下端）の位置を、画面に表示された画像を確認しながら指定する。または図３７Ｂに示すように、「始点」と「長さ」で指定してもい。この例では、ＸＹ連結領域の始点（左端・上端）の位置を決定すると共に、そこから領域の縦横の長さを指定する。あるいは図３７Ｃに示すように、「始点」と「枚数」で指定してもよい。この例では、ＸＹ連結領域の始点（左端・上端）の位置を決定すると共に、そこから縦横にそれぞれ何枚の画像を測定、連結するかを指定する。
【０２４８】
また、自動でＸＹ連結領域を設定する方法を、図３８に示す。この例では、形状測定装置が画像処理により、測定対象物の外縁をエッジ領域とし、これが内挿されるように自動的にＸＹ連結領域を決定する。
（ＸＹ連結領域の自動設定方法）
【０２４９】
このようなＸＹ連結領域を自動で設定する方法として、例えば測定前にマップ画像を撮影してＸＹ連結領域を決めた後、測定を開始する方法や、測定中に立体形状データを解析しながらＸＹ連結領域を決める方法等が挙げられる。これらの方法について、図３９、図４０のフローチャートに基づいて説明する。
【０２５０】
まず、マップ画像でＸＹ連結領域を決めた後、測定を開始する方法について、図３９のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ３９０１において、ステージ１４０上の現在位置で、測定対象物のテクスチャ画像を撮影する。次にステップＳ３９０２において、このテクスチャ画像から、測定対象物の輪郭部分のみを抽出した二値化画像に変換する。そして、ステージ面と測定対象物の輪郭を抽出する。次にステップＳ３９０３において、測定対象物が上下左右のどの側に伸びているかを二値化画像から判断し、その方向にＸＹステージを移動させる。そしてステップＳ３９０４において、測定対象物全体のテクスチャ画像が得られたか否かを判定し、得られていない場合は上記ステップＳ３９０１〜Ｓ７３０３を繰り返す。
【０２５１】
そして測定対象物全体のテクスチャ画像が得られた場合はステップＳ３９０５に進み、マップ画像から測定対象物とステージ面のエッジ部分を抽出して、これが収まるようなＸＹ連結領域を自動設定する。さらにステップＳ３９０６において、ユーザは測定開始前に設定された領域を確認し、必要があれば除外領域を設定する。最後にステップＳ３９０７において、このようにして規定されたＸＹ連結領域内での測定を開始する。
【０２５２】
次に、測定中に立体形状データを解析しながらＸＹ連結領域を設定する方法について、図４０のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ４００１において、ステージ１４０の現在位置において測定対象物の測定を行う。ここではテクスチャ画像を撮像する。次にステップＳ４００２において、このテクスチャ画像から測定対象物の輪郭部分のみを抽出した二値化画像に変換する。そしてステップＳ４００３において、この二値化画像から測定対象物が上下左右のどちらの面に伸びているかを判断して、その方向にＸＹステージを移動させる。さらにステップＳ４００４において、測定対象物全体のテクスチャ画像が撮像されたか否かを判定し、未だの場合はステップＳ４００１に戻って上記作業を繰り返す。このようにして測定対象物全体のテクスチャ画像を撮像する。なお、この例ではテクスチャ画像に基づいてＸＹ連結領域を設定する方法について説明したが、これに限らず、例えば高さ画像等の立体形状データを解析してＸＹ連結領域を決めることも可能である。
【０２５３】
このようにしてＸＹ連結領域が自動的に設定される。図３８の画面に戻って説明を続けると、画像表示領域には、測定対象物の全景が表示されるように倍率を調整した光学画像が表示される。また、測定対象物に重ねて、画像連結の対象となる矩形状のＸＹ連結領域を示している。さらにＸＹ連結領域を、複数の部分領域に分割してグリッド状に表示させている。この例では、自動で演算されたＸＹ連結領域を、自動で部分領域に分割している。またこの状態で、ユーザは表示された測定対象物とＸＹ連結領域、部分領域を確認しながら、必要に応じて設定を変更するよう構成してもよい。図３８の例では、画像表示領域に表示された部分領域と対応して、操作領域には部分領域の縦横の大きさや枚数が表示されており、ユーザはこれらの値を調整することができる。また操作領域には、ユーザが行うべき手順を表示させて、設定を誘導させることもできる。この例では、「測定領域の設定」として「測定したい範囲が枠内に収まるように、矩形の位置や大きさを調整します。サイズ／枚数を指定して設定することもできます。」と表示される。
【０２５４】
また、測定を行わないマスク領域を設定してもよい。図３８の例では、マスク領域設定部として、表示領域に「連結除外領域を設定する」チェック欄を設けている。また、マスク領域設定部の説明として、「測定不要な個所を除外領域として設定します。」とテキストで表示させ、ユーザに対して設定を案内している。
【０２５５】
特に測定対象物の全域をＸＹ連結領域で含める必要はなく、ユーザが測定を行いたい領域、例えば表面状態を確認したい領域、高さを測定したい部位、割れや欠けの有無を検査したい領域といった、測定対象物上で注目したい部位のみの立体形状データを取得できれば足りる。よって、必要な領域のみに部分領域を設定したり、測定が不要な領域にマスク領域を設定したりするなどして、効率良く形状測定を行うことが可能となる。
【０２５６】
また本明細書においては、説明の便宜上、ＸＹ連結領域を複数の部分領域に分割する例を説明したが、必ずしも分割する必要はなく、例えば後述する図４２のように、測定したい領域を個別に指定する構成としてもよい。このように本明細書においては、測定対象の複数の領域を集合的にＸＹ連結領域と呼び、またＸＹ連結領域の部分集合を部分領域と呼ぶ。
【０２５７】
このようにしてＸＹ連結領域が設定された状態で、立体形状データを測定する測定設定を設定する。ここでは、図２７で示したように、深度方向への拡張の有無や範囲を決定する深度拡張測定モードを深度拡張モード選択部２５４で選択し、図２８で示したように、測定モードを測定モード選択部２５７で選択し、図２９で示したように、投光部１１０による測定方向を測定方向指定部で選択し、さらに図３０で示したように、画像表示領域４１０で表示される画像の明るさを測定明るさ設定部で設定する。
【０２５８】
このようにして測定設定が設定された状態で、ステップＳ３５０８において連結測定の開始する。ここではユーザによる「測定」ボタンの押下を受け付ける。そしてステップＳ３５０９において、測定を実行し、立体形状データを生成すると共に、テクスチャ画像を撮影する。
【０２５９】
次にステップＳ３５１０において、深度探索範囲内領域があるか否かを判定し、ある場合はステップＳ３５１１に進み、深度探索範囲内領域を測定可能な高さ位置にＺステージを移動させる。この際、既に測定した高さ位置は除く。また高さ位置が複数ある場合は、最も近い高さ位置に移動させる。そしてステップＳ３５０９に戻って処理を繰り返す。
【０２６０】
一方、深度探索範囲内領域がない場合は、ステップＳ３５１２に進み、連結領域内のすべての合成画像データが生成されたか否かを判定する。未だの場合、すなわち未測定の部分領域が存在する場合は、ステップＳ３５１３でＸＹステージを当該部分領域に移動させた上で、ステップＳ３５０９に戻って処理を繰り返す。
【０２６１】
そして各部分領域の測定を終えて、連結領域内のすべての合成高さ画像データが生成されたと判定された場合は、ステップＳ３５１４において、生成された合成高さ画像を表示させる。
【０２６２】
このようにして、合成高さ画像をＸＹ連結した広域合成高さ画像を生成することができる。
（部分領域測定設定の自動調整）
【０２６３】
一方、このような広域合成高さ画像の生成に際して、各部分領域毎に部分領域測定設定を自動調整することも可能である。このような広域合成高さ画像の生成手順を、図４１のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ４１０１において、ステージ１４０上に測定対象物を載置させる。次にステップＳ４１０２において、マップ画像を作成する。さらにステップＳ４１０３において、連続領域の設定を行う。ここまでの作業は、上述した図３５のステップＳ３５０１〜ステップＳ３５０６と同様であり、詳細説明を省略する。
【０２６４】
次にステップＳ４１０４において、ＸＹステージを所定の部分領域に移動させる。ここでは、平面方向駆動部でもってＸＹステージを、最初に立体形状データを生成する部分領域に移動させる。
【０２６５】
次にステップＳ４１０５において、この部分領域における測定設定する。ここでは、最初に立体形状データを生成する部分領域における測定設定の初期値を設定する。この測定設定は、初期設定値を予め形状測定装置側で指定したり、部分領域の光学画像から測定設定自動調整部２１７が自動で解析したり、あるいはユーザが手動で測定設定を設定してもよい。
【０２６６】
次にステップＳ４１０６において、測定を実行する。ここでは立体形状データ生成部で立体形状データを生成すると共に、テクスチャ画像取得部２１８でテクスチャ画像を撮影する。
【０２６７】
次にステップＳ４１０７において、部分領域測定設定を自動調整する。ここでは測定設定自動調整部２１７が、必要に応じて部分領域測定設定を変更した部分領域の測定設定にする。そしてステップＳ４１０８において、部分領域の測定設定で再度測定する必要があるか否かを判定し、必要と判定された場合はステップＳ４１０６に戻って再度立体形状データを生成する。なお、テクスチャ画像の再撮像は不要である。ここで再測定の必要性の判断は、例えば測定設定自動調整部２１７が、部分領域測定設定を妥当と判断して変更しなかった場合は、再測定の必要なしとする。
【０２６８】
このようにして測定が実行された後、ステップＳ４１０９に進み、未測定の部分領域があるか否かを判定し、存在する場合はステップＳ４１０４に戻って、当該未測定の部分領域への移動や測定を同様に行う。
【０２６９】
そしてすべての部分領域の測定が終了すると、ステップＳ４１１０に進み、得られた立体形状データを合成して合成立体形状データを作成する。
【０２７０】
このようにして、自動で部分領域測定設定を調整し、必要に応じて再測定を行って立体形状データを取得し直し、最終的に広視野の合成立体形状データを高品質で得ることができる。
（ＸＹ連結測定設定の編集）
【０２７１】
また連結測定の完了後に、ユーザは測定結果を確認できる。例えば、得られた広域合成高さ画像を表示部に表示させて、所望の結果が得られているかを視覚的に確認できる。また必要に応じて、各部分領域において分割測定設定を変えて測定をやり直すことができる。この際には、部分領域測定設定を再編集することができる。
【０２７２】
また一部の部分領域でのみ測定し直して得られた高さ画像を用いて、広域合成高さ画像を再生成できる。
【０２７３】
さらに、各部分領域における測定設定を測定設定保存部２４３に保存しておくことで、この測定設定を検査実行時に再利用することができる。例えば測定対象物として、基準品の測定対象物との差分を調べる良品検査を行う場合は、検査の運用時において短時間で正確な結果が得られるよう、基準品の測定対象物から各部分領域の測定設定を設定する作業には長めの時間をかけることができる。これによって検査運用時における迅速かつ精度の高い測定が実行可能となる。
（連続測定モード）
【０２７４】
この場合、立体形状データ生成部は、通常測定モードと、連続測定モードとを切り替え可能とすることができる。通常測定モードは、上述した通り測定設定自動調整部２１７で部分領域毎に部分領域測定設定を変化させて、立体形状データを生成する測定モードである。一方連続測定モードは、測定設定保存部２４３に予め保存された部分領域測定設定を部分領域毎に読み出して、立体形状データを生成する測定モードである。いいかえると、連続測定モードにおいては、部分領域測定設定を自動調整することは行わず、保存済みの部分領域測定設定を読み出して使用することで、処理時間の短縮化を図ることができる。
【０２７５】
例えば図４２の側面図に示すような表面に突起を部分的に備えた測定対象物の測定を行う場合を考える。突起は色が異なり、また測定対象物の表面の一部に半透明の樹脂部部を備えている。このような測定対象物に対して、部分領域Ａ〜Ｄを設定する例を考える。この場合において、各部分領域の部分領域測定設定を、図４３のように予め設定して保存しておく。例えば部分領域Ａと部分領域Ｂとでは、材質の色が異なるため、露光レベル（露光時間や測定光の強度）を異ならせることで、それぞれの縞パターンのコントラストが表現され易くしている。また部分領域Ｂにおいては潜り込み光が発生するため、測定モードを反射／潜り込み光除去モード（ファインモード）としている。さらに部分領域Ｄでは高低差が大きいため、深度拡張測定モードとするようＺ測定範囲を拡大している。このように、各部分領域に適した測定設定に予め設定して保存しておき、多くの測定対象物の検査を行う連続測定モードに際しては測定設定の自動調整を省略して保存済みの測定設定を読み出して使用することにより、処理時間を短縮化させつつも精度の高い測定や検査を行うことが可能となる。
（誘導部）
【０２７６】
連続測定モードにおいては、撮像手段から見て、測定対象物の位置及び姿勢が、保存済みの部分領域測定設定を設定した際の位置及び姿勢である基準姿勢と同じになるように調整する必要がある。このため基準姿勢と同じ位置及び姿勢で測定対象物を配置するようにユーザに促す誘導部を備えてもよい。誘導部は、例えば表示部上に、ユーザに対して測定対象物をステージ１４０に載置する際、基準姿勢と同じ位置及び姿勢で配置するように誘導メッセージを出力する。
（測定対象位置姿勢検出部）
【０２７７】
また、ステージ１４０上に載置された測定対象物の位置及び姿勢を検出する測定対象位置姿勢検出部を設けてもよく、測定設定保存部２４３に保存された部分領域の測定設定の取得時の測定対象物の位置及び姿勢に基づいて、測定対象位置姿勢検出部で検出された測定対象物の位置及び姿勢を、平面方向駆動部を駆動させて調整するよう構成してもよい。
（位置決め治具）
【０２７８】
あるいは、位置決め治具を用いて物理的に測定対象物の位置及び姿勢を規制してもよい。位置決め治具でもって、ステージ１４０上に載置された測定対象物の位置及び姿勢を、測定設定保存部２４３に保存された部分領域の測定設定の取得時の測定対象物の位置及び姿勢と一致させる。
（縞ずらしによる分解能向上機能）
【０２７９】
本実施形態に係る形状測定装置は、受光部の受光系光軸と共通する駆動軸を持つＺステージを有しており、さらに受光系光軸と傾斜した方向からパターン投光を行う投光系光軸を保有している。また受光光学系は、低倍率と高倍率の２つの倍率を、共通の光軸で切り替え可能な二分岐光学系となっており、複数の観察・測定倍率においていずれも、Ｚステージ駆動軸と共通の受光系光軸を実現している。なお、本発明においては必ずしも受光側の倍率を２つ有する必要はなく、１つとしてもよいし、また３つ以上としてもよい。
【０２８０】
また本実施形態に係る形状測定装置で採用する受光光学系、投光光学系は、いずれも両側テレセントリック光学系を採用している。特にＺステージ上においては、図４４に示すように投光系、受光系はいずれも平行光線で構成されている。なお、本発明においてはステージ上でテレセントリック光学系が得られておれば足り、両側テレセントリック光学系に限定されるものではなく、片側テレセントリック光学系でもよい。以下の説明では、簡単のためこれらをまとめて単にテレセントリック光学系と呼ぶ。
【０２８１】
図４４に示す通り、ステージ上又は測定対象物の表面上において、投光光線は受光系光軸に対して、どの位置においても一定角度で照射される構成である。また受光光線も、受光系光軸に対してどの位置でも平行にレンズに入射する構成となっている。この結果、ステージ上又は測定対象物表面上において、投光光線・受光光線の相対関係、すなわち投光角度は常に一定となる。三角測距の原理を用いると、高さｈは投光角θ、縞のずれ量ｄを用いて次式で算出できる。
【０２８２】
ｈ＝ｄ÷ｔａｎθ  ・・・式（１）
【０２８３】
ステージ上又は測定対象物表面上において投光角θを一定とすることで、画面全体での一括演算が可能となり、測定演算方法がシンプルで高速処理が可能となる利点が得られる。またテレセントリック光学系を採用したことで、受光系光軸に沿って移動するＺステージの位置が変化しても、観察画像の倍率変化が生じない。このため、撮影視野上のどの点をとっても、Ｚステージ移動軸と受光光束とが一致していることとなり、高さが変わってもステージ上又はサンプル表面上の観測点と受光光束の位置関係に変化が生じない。このような、テレセントリック光学系のステージ上で投受光光束がいずれも平行光として定義されるが故の利点を生かして、以下に説明するとおり、分解能向上が実現される。
（受光系光軸に沿って駆動するステージで分解能を向上可能させる方法）
【０２８４】
ここで、本実施形態に係る形状測定装置及び測定方法に採用されている縞投影による形状測定方法について、分解能の観点から解説する。上述の通り、本実施形態に係る形状測定装置においては、空間コード法と、マルチスリット法又は位相シフト法を組み合わせることで、測定を実現している。
【０２８５】
ここで空間コード法は、測定視野を撮像素子であるＣＭＯＳの解像度で分解可能な空間分解能に対して、比較的粗い高さ分解能を担っている。すなわち、空間コード法の最小パターン幅は、撮像素子の画素に対して、少なくとも２画素以上の幅を持った、比較的太い縞で構成されている。
【０２８６】
一方、マルチスリット法又は位相シフト法は、このような空間コード法の最小分解能で実現できる高さ分解能を補完する形で、比較的細かい分解能を有している。一般的には、位相すなわち縞パターンの送り量の検出能力が分解能を決定する。
（縞パターン送り量の検出）
【０２８７】
縞パターン送り量の検出については、撮像素子の画素毎に算出される方法と、画面全体の空間を位相空間と見立てて再サンプリングする方法とが考えられる。一例として、撮像素子の画素毎に算出される方法を前提にする。測定実行時には、撮影視野に対して投光パターンを、投光部の投光素子から投光し、受光部でパターン画像を複数枚撮像する。このとき、投光パターンとして用いられるマルチスリットパターン又は正弦波パターンは、投光素子の最小分解能に基づき決定される最小送り分解能によって、投射位置をずらして投影される。得られた複数枚のパターン画像上の画素毎に注目して、得られた複数の画像輝度を並べると、撮像順序毎の輝度変化が捉えられる。この際、撮像順序を時間軸の位相座標と見立て、等間隔に時間分割したものを各画像での位相と同義とみなすことができる。
【０２８８】
マルチスリット法においては、例えば一つの計算手法として、図４５のように得られる画素毎の位相−輝度プロットに対して、図４６のグラフのようにピーク推定を行う。これによって、縞パターンのライン上のパターン強度が極大となるピーク位置、すなわちピーク位相を算出できる。このピーク位相が、画素における位相値となり、その位相情報から高さ情報を上述した式（１）に基づいて算出する。
【０２８９】
また、正弦波位相シフト法においては、位相を順次送って投影される正弦波パターンの複数画像から、現時点での位相座標を推定することができる。
（高さの最小分解能を決定する指標）
【０２９０】
ここで、高さの最小分解能を決定する指標として、マルチスリット法のピーク推定精度、又は正弦波位相シフト法での位相推定精度が考えられる。さらに、このピーク推定精度を決定する要因としては、位相送り分解能、すなわち縞パターンをどれだけ細やかに移動させられるか、が挙げられる。この位相送り分解能は、図４４に示したパターン投影を行う投光部の持つ画素の最小空間分解能と、パターン投影倍率によって決定される。
【０２９１】
パターン生成部１１２を構成するＤＭＤでは、一般的にミラー画素サイズが撮像素子（例えばＣＣＤやＣＭＯＳセンサ）と比べて大きく、かつ解像度は低いことが多い。ＤＭＤを投光部として選択する場合、受光部で受光可能な撮影視野の全域又は撮影視野以上の広さでパターン投影を実施しようとすると、受光系で分解できる空間幅（＝撮像素子の画素ピッチ÷受光結像倍率）と、投光系照明部で投影できる最小の分解幅（＝投光素子の画素ピッチ×投光投影倍率）とでは、投光系照明部の方が広くなってしまう傾向にある。このような構成において、複数の投影パターン画像から得られる輝度プロットは、本来連続的に縞パターンを送った場合に描かれるピークカーブを「粗く」サンプリングした状態となってしまう。この「粗い」サンプリング点から、ピーク位相を推定することになると、量子化誤差や推定誤差が大きくなる傾向にある。逆に、このサンプリング点の間を何らかの手法で補間した輝度プロットが得られると、ピーク推定精度の向上や量子化誤差低減が可能となる。補間には、例えば図４６に示す輝度プロファイルのグラフが利用できる。このように、通常の縞パターン送り量よりも細かい送りでパターン投影を実現することができれば、測定分解能の向上が見込めることとなる。
【０２９２】
また、受光系分解能よりも投光系分解能が大きい構成においては、最小の縞パターン送り距離の中に複数の受光画素が含まれることとなる。この結果、隣り合う撮像素子画素上において、同じ輝度ピークが描かれることとなり、それぞれの位相順位が同一となってしまう現象が生じる。この現象によって、測定結果上に縞パターンと並行に筋状の系統誤差が生じるケースも考えられる。この点に鑑みても、位相送りが細かいほど、隣り合う受光画素同士の関係性も「分離」可能となっていくことが判る。また、系統誤差を除去するための後処理フィルタが不要となり、結果として得られる空間分解能、測定データの「解像感」を高めることが可能となる。
（Ｚステージ微小送り）
【０２９３】
本実施形態においては、この縞パターンの微小送りを、撮像側の受光部の移動でなく、Ｚステージ側の移動によって実現している。図４７Ａ及び図４７Ｂに、投光パターンとＺステージ高さ変化の関係を表す。これらの図において、図４７Ａは基準高さＨＢ、図４７Ｂは図４７Ａからステージ高さを基準高さＨＢよりも低いシフト高さＨＬに変化させた状態の、投光パターンの観察位置の変化を、それぞれ示している。これらの図に示すように、測定対象物ＷＫを載せたステージ１４０面上に投光光学系から投光パターン（図中細実線）が照射されているとする。受光光学系は、受光系光軸、ステージ移動軸と平行な光線によって撮影視野を形成しており、それぞれの投光パターンは図４７Ａに示すように観測される。ここで、図４７Ｂに示すように、ステージ１４０が下方に移動した場合、投光パターン（図中細破線）は左方向にずれて観測される。すなわち、投影された縞パターン全体が、（実際は投光パターンは固定で移動していないものの）ステージ１４０の移動に伴って視野内を左右に移動したように観察される。
【０２９４】
投光パターンの送り量は、空間コード法とマルチスリット法又は正弦波位相シフト法を組合せた計測においては、空間コード法の最小分解能に相当し、これはマルチスリット法ではスリット間の距離に相当し、正弦波位相シフト法では位相の波長に相当する。また、この空間コード法の分解能は一般的には受光側の被写界深度よりも浅い。さらには、マルチスリット法又は正弦波位相シフト法で送られる最小位相送り量は、投光部の分解能で決定されることを考えると、受光側の被写界深度と比べて非常に微小な高さ変化に相当する。
【０２９５】
今、１回の測定セットを実行したとして、Ｚステージの高さを投光部分解能以下に相当する高さの分だけ移動させるとする。この結果、受光観察画像は一切変化しないが、測定対象物又は撮影視野に投影される縞パターンは、投光部の分解能以下の幅で微小に視野中を左右（縞パターン送り方向）に移動させることが可能となる。この状態で再度１回の測定セットを実行すると、Ｚステージを移動させる前の縞画像に比べて縞パターンのみが微小にずれた縞画像セットが得られる。
【０２９６】
このようにして、Ｚステージ高さをずらした２回の計測セットから得られた縞画像全体を、交互に並べ替えを行うことで、結果的に図４８Ｂに示すサンプリング点数の補間が実現される。比較のため、補間なしのグラフを図４８Ａに示す。これらの図から明らかなとおり、補間パターンを含めることで、最大輝度の位置を補間曲線から推定する際に、より正確な推定が可能となる。補間なしの図４８Ａの例では、ピーク位置を９．３８枚目のパターン画像と推定しているのに対し、補間パターンありの図４８Ｂの例は、ピーク位置を９．３５枚目のパターン画像と推定しており、より正確なピーク位置の推定結果が得られていることが判る。このように、通常の測定分解能に対して測定分解能、又は測定データ解像感を向上させた測定結果を得ることが可能となる。この微小送りによって得られた画像例を図４９Ｂに示す。また比較のため、微小送りなしの画像例を図４９Ａに示す。これらの図に示すように、微小送りによって解像度が向上されていることが判る。
【０２９７】
なお、ステージ面上でテレセントリックな投受光関係が成立していることで、ステージの微小上下動による視野変化が発生しないこと、照射位置ずれによる投影縞パターンピッチ誤差や倍率変化が最小となることで、追加の画像処理、補正等を不要にできるメリットがある。ただ、本発明はテレセントリック光学系であることを必ずしも必須としない。非テレセントリック系光学系であっても、倍率等の補正を行うことで同様の効果は得られる。
【０２９８】
また本実施形態では、Ｚステージの内部に、高さを検出するスケールユニットを設けている。このスケールユニットは、視野の直下に配置されており、ステージ高さを高精度に計測可能である。
【０２９９】
図４８Ｂに示した補間点は、Ｚステージの移動量に誤差が生じる場合、そのまま補間点の位置誤差となり、かえってピーク推定誤差を拡大することとなる。そのため、Ｚステージ移動量が所定の量動いていない場合は、スケールユニットによってセンシングされた位置情報を元に、補完する位相座標を補正することが可能となる。結果的に、Ｚステージ位置決め精度に対する要求を過度に高める必要性も無くなるため、機器構成上安価に、容易に実現が可能となる。
（Ｚステージを移動させる縞の微小送りの手順）
【０３００】
次に、Ｚステージを移動させる縞の微小送りによる処理の手順を、図５０のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップＳ５００１において、Ｚステージを基準位置からＤＭＤを１／３画素分上に移動させる。この位置が第一位置となる。次にステップＳ５００２において、左右のマルチスリット縞画像を撮影する。この画像が第一パターン画像セットとなる。
【０３０１】
一方ステップＳ５００３において、Ｚステージを基準位置からＤＭＤを１／３画素分下に移動させる。この位置が第三位置となる。そしてステップＳ５００４において、左右のマルチスリット縞画像を撮影する。この画像が第三パターン画像セットとなる。
【０３０２】
次にステップＳ５００５において、Ｚステージを基準の高さに移動する。この位置が第二位置（基準位置）となる。そしてステップＳ５００６において、左右のマルチスリット縞画像を撮影する。この画像が第二パターン画像セットとなる。この段階で、左側の測定と右側の測定をそれぞれ実行する。まずステップＳ５００７−１において、縞画像のソートを行う。そしてステップＳ５００８−１において、マルチスリット縞画像のピーク計算を行う。
【０３０３】
一方でステップＳ５００９において、グレイコード撮影を行う。そしてステップＳ５０１０−１において、グレイコードの位相計算を行う。さらにステップＳ５０１１−１において、ステップＳ５００８−１のマルチスリット縞画像のピーク計算結果と、ステップＳ５０１０−１のグレイコードの位相計算結果から、位相合成を行い、ステップＳ５０１２−１において、高さ計算を行う。
【０３０４】
その一方で、同様の処理を右側測定においても並行して行う。まずステップＳ５００６の右側のマルチスリット縞画像に基づいて、ステップＳ５００７−２において縞画像のソートを行い、ステップＳ５００８−２においてマルチスリット縞画像のピーク計算を行う。一方でステップＳ５００９におけるグレイコード撮影結果に従い、ステップＳ５０１０−２においてグレイコードの位相計算を行う。そしてステップＳ５０１１−２において、ステップＳ５００８−２のマルチスリット縞画像のピーク計算結果と、ステップＳ５０１０−２のグレイコードの位相計算結果から、位相合成を行って、ステップＳ５０１２−２において、高さ計算を行う。
【０３０５】
このようにして得られた左右それぞれの高さを、ステップＳ５０１３において合成する。このようにして、Ｚステージ移動による縞の微小送りにより、高さを計算する。
（ステージ移動）
【０３０６】
図５０の例では、測定を３回行っている。これによってＤＭＤの画素の１／３のサブピクセルとした分解能での測定が可能となる。ただ本発明は測定回数を３回に限定するものでなく、ステージ移動の分解能が許すかぎり、４回や５回測定など、任意の回数とすることができる。
【０３０７】
また、基準位置を中心として上下に移動させることで、Ｚステージ位置の下限、上限に近い位置での深度測定範囲を中心に寄せている。また左右測定の場合には、Ｚステージ移動時の縞の移動が左右対称に表れるため、移動方向を上下に分けることで左右の処理を共通化できるという利点も得られる。
【０３０８】
さらに移動精度が悪いＺステージを用いていても、Ｚステージの移動量を検出可能なスケールユニットを配し、フィードバック制御させることで微小送りを実現できる利点も得られる。
（縞画像撮影）
【０３０９】
また縞画像撮影に際し、マルチスリット縞画像を先に撮影することで、計算時間が長いマルチスリット計算をグレイコード撮影中に開始することができ、測定時間の短縮化が図られる。
（高さ計算）
【０３１０】
撮影画像のソートと基準位置の関係を図５１に示す。高さ計算に際しては、測定方向（左右）からステージの上下移動での縞の移動方向が判る。そこで、縞のシフト方向が連続的になるように、左右それぞれで縞画像をソートする。これによって、別々に撮影したマルチスリット縞画像を一連のマルチスリット縞画像として取り扱うことができるようになる。この際に、グレイコードの基準位相より左側にシフトする画像も撮影されるが、これを負のシフト量として扱うことで共通的に計算することができる。
【０３１１】
また、Ｚ位置毎のマルチスリット縞画像の送り量は、正確にＤＭＤ一画素ピッチで取得できる。ただし、Ｚステージの移動を伴うマルチスリット縞画像の送り量は、Ｚステージの移動精度によってばらついてしまう。そこでＺステージの移動量を検出可能なスケールユニットを用いることで、得られたＺ位置（真値）を利用して、等間隔ではない点を考慮して補完計算することで、誤差を低減させることができる。なお、Ｚステージの移動精度が高精度な場合は、スケールユニットを不要とすることができる。
【０３１２】
通常測定に際しては、ＣＭＯＳ等の撮像素子のノイズや、空気揺らぎなどの影響によって微小なノイズが発生する。そこで、このような測定結果に対して平滑化フィルタをかけることで、高さデータに対するノイズを低減させることができる。また、縞画像の微小送りを実現することで、ピーク推定が安定し、ＳＮ比が改善される。このため、平滑化フィルタのサイズを小さくしても、通常測定と同等のＳＮ比を実現できる。これによってフィルタサイズを小さくして高さデータのエッジのぼけを低減できるため、形状再現性も向上させることができる。また、空気揺らぎのような時間軸に対してランダムで発生するずれによって生じるノイズに対しても、異なる時間に撮影されたＺ位置の縞画像が存在することで、単発の縞ずれの影響を低減させることができる。
【０３１３】
さらに、低倍率用カメラと高倍率用カメラなど、異なる倍率の撮像素子を有する形状測定装置の場合、低倍率用カメラの撮影視野に合わせて、パターン投光光学系の視野を設定する。この結果、撮像素子の一画素とＤＭＤの一画素の相対サイズは、低倍率用カメラに最適化されてしまい、高倍率用カメラ一画素に対するＤＭＤ一画素が相対的に大きくなって、縞の送り量が低倍率の場合と比較して、より離散的なならざるを得ない。これに対してパターン投光光学系にズーム機能を搭載することも考えられるが、光学系が非常に複雑になって装置も大型化してしまう。そこで本実施形態においては、縞の幅を低倍率よりも細くし、Ｚステージ移動を使った縞の微小送りを利用することで、低倍率用カメラと同等の縞サイズ、縞の送り量を実現することができる。
【０３１４】
なお、以上の例では光学系として受光系の撮像素子を一とし、かつ投光系の投光素子を一方向からの投光とした構成について説明したが、本発明はこの構成に限られず、例えば撮像素子を一としつつ、投光素子を二方向からの投光としてもよい。あるいは撮像素子を二とし、投光素子を一方向からの投光としてもよい。
【０３１５】
また測定原理についても、以上の例ではグレイコードにマルチスリット投影の三角測距法を採用しているが、本発明はこの構成に限られず、例えば正弦波投光による三角測距法を用いてもよい。あるいはランダムパターン投光による三角測距法や、ライン光投影にスキャンによる三角測距法を組み合わせてもよい。
【０３１６】
さらに測定対象物の移動方法に関して、以上の例ではＺステージによる直動のみとしたが、本発明はこの構成に限られず、例えばＸ，Ｙ，Ｚ，各軸並進、回転の６つの自由度を持つ移動ステージとしたり、手動による自動移動とすることもできる。
【０３１７】
なお、縞パターンの微小送りについては、上述したＺステージの移動に限らず、例えば図５２に示すように傾斜ガラスの回転運動によって、ステージ上の投影中心位置を微小移動させる構成としてもよい。この図に示す撮像素子は、その光軸上に平行平板ガラスと像側テレセントリック投光レンズを備えている。この平行平板ガラスを、光軸に対して平板チルト角θで傾斜させて回転させることで、パターン光を半径ｄ分だけシフトさせることができる。
【０３１８】
あるいは、ＸＹステージを微小移動させて測定対象物上のパターン照射位置を微小にずらす方法も利用できる。あるいはまた、図５３、図５４に示すように、物理的に投光部を微小移動させる方法も利用できる。これらの図に示す投光部１１０は定倍率の光学系で構成されており、一方受光部１２０はズームレンズが採用されて広範な倍率で受光可能である。ステージ１４０上の対象物Ｓでの投光パターンを受け取る時に、最小の観察倍率（受光倍率）のときの観察画像上での最小パターン幅に少なくとも１画素、好ましくは複数の画素が含まれる解像度を撮像素子１２１ａが有している。投光部１１０は微小変位駆動機構１１７を有し、この微小変位駆動機構１１７によってパターン生成部１１２が変位される。
【産業上の利用可能性】
【０３１９】
本発明の形状測定装置、形状測定方法、形状測定プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器は、三角測距の原理を利用した顕微鏡や計測器、検査装置やデジタイザに好適に利用できる。
【符号の説明】
【０３２０】
１００、１００Ｃ…撮像手段
１０１…上ヘッド
１０２…下ヘッド
１１０…投光部；１１０Ａ…第一投光部；１１０Ｂ…第二投光部
１１１…測定光源
１１２…パターン生成部
１１３〜１１５、１２２、１２３…レンズ
１１６…左右投光レンズ
１２０…受光部
１２０Ａ…低倍率用撮像素子；１２０Ｂ…高倍率用撮像素子
１２１…カメラ
１２１ａ…撮像素子
１２４…プリズム
１２５…二分岐両側テレセントリック受光レンズ
１３０…照明光出力部
１４０…ステージ
１４０ｂ…土台側穴部
１４１…ＸＹステージ
１４２…Ｚステージ
１４３…θステージ
１４４…ステージ操作部；１４４Ｃ…撮像系操作部
１４５…ステージ駆動部；１４５Ｃ…撮像系駆動部
１４６、１４６Ｃ…光軸方向駆動部
１４８…ステージ平面方向駆動部
１４９…ベース筐体
１５０…測定制御部
１５１…土台部
１５１ｂ…土台側穴部
１５２…ステージ支持部
１６０…スケールユニット
１６１…センサ移動部
１６２…スケール部
１６３…球状体
１６４…板材
１６５…板状部材
１６７…保持部
２００…制御手段
２１０…ＣＰＵ
２１２…立体形状データ生成部
２１２ｂ…高さ画像生成部
２１２ｃ…形状測定処理部
２１３…三次元画像合成部
２１４…判定処理部
２１５…深度拡張処理部
２１６…合成処理部
２１７…測定設定自動調整部
２１８…テクスチャ画像取得部
２１９…立体形状データ連結部
２２０…ＲＯＭ
２３０…作業用メモリ
２４０…記憶部
２４１…高さ画像記憶部
２４２…テクスチャ画像記憶部
２４３…測定設定保存部
２５０…設定部
２５１…位置指定部
２５２…終了条件設定部
２５３…深度範囲設定部
２５４…深度拡張モード選択部
２５５…測定設定部
２５６…連結領域設定部
２５７…測定モード選択部
３００…光源部
３１０…制御基板
３２０…観察用照明光源
４００…表示部
４１０…画像表示領域
４１６…第一表示領域
４１７…第二表示領域
４２０…操作領域
４２７…「観察画像」ボタン
４２８…「測定画像」ボタン
４５０…操作デバイス
４９０…観察画像撮像条件設定手段
５００、５００Ｂ、５００Ｃ…形状測定装置
５１０…撮像設定領域
５１１…カメラ調整欄
５１２…カメラ選択欄
５１３…倍率設定欄
５１４…「カメラ設定」ボタン
５１５…フォーカス設定欄
５１６…フォーカス調整欄；５１６ｂ…焦点位置表示欄
５１７…「オートフォーカス」ボタン
５１９…メンテナンス設定欄；５１９ｂ…「測定調整」ボタン
５３１…「３Ｄ測定」タブ
５３２…「画像観察」タブ
５３３…「フルオート」ボタン
５３５…「マニュアル」ボタン
５４０…マニュアル観察画面
５４１…「Ｚ測定範囲」指定欄
５４２…「測定モード」選択欄
５４３…「測定方向」指定欄
５４４…「測定明るさ」設定欄
５４５…「テクスチャ撮影」選択欄
ＷＫ、ＷＫ２…測定対象物
ＣＨＩ…合成高さ画像
ＨＩＡ、ＨＩＢ、ＨＩＣ…高さ画像
ＯＬ１、ＯＬ２…重複領域
ＨＴ１、ＨＴ２、ＨＴ３、ＨＴ４…深度測定範囲
ＩＧ１、ＩＧ２、ＩＧ３、ＩＧ４…画像
Ｓ１…第一測定画像；Ｓ２…第二測定画像
【図１】
2019190921.tif 000003
【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】
2019190921.tif 000012
【図１１】
2019190921.tif 000013
【図１２】
2019190921.tif 000014
【図１３】
2019190921.tif 000015
【図１４】
2019190921.tif 000016
【図１５】
2019190921.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2019190921.tif 000019
【図１８】
2019190921.tif 000020
【図１９】
2019190921.tif 000021
【図２０】
2019190921.tif 000022
【図２１】
2019190921.tif 000023
【図２２】
2019190921.tif 000024
【図２３】
2019190921.tif 000025
【図２４】
2019190921.tif 000026
【図２５】
2019190921.tif 000027
【図２６】
2019190921.tif 000028
【図２７】
2019190921.tif 000029
【図２８】
2019190921.tif 000030
【図２９】
2019190921.tif 000031
【図３０】
2019190921.tif 000032
【図３１】
2019190921.tif 000033
【図３２】
2019190921.tif 000034
【図３３】
2019190921.tif 000035
【図３４】
2019190921.tif 000036
【図３５】
2019190921.tif 000037
【図３６】
2019190921.tif 000038
【図３７】
2019190921.tif 000039
【図３８】
2019190921.tif 000040
【図３９】
2019190921.tif 000041
【図４０】
2019190921.tif 000042
【図４１】
2019190921.tif 000043
【図４２】
2019190921.tif 000044
【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
2019190921.tif 000048
【図４７】
2019190921.tif 000049
【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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