(57)【要約】【課題】測定時間を短縮した形状測定装置を提供する。【解決手段】本発明に係る形状測定装置１は、演算処理装置５が、開口絞り装置２５の開口が第１位置に位置するときに撮像光学系３により撮像取得された測定画像における照明光の位置と、開口絞り装置２５の開口が第２位置に位置するときに撮像光学系３により撮像取得された測定画像における照明光の位置との間の相対位置関係に基づいて、被検物１０の表面の高さを算出するようになっている。【選択図】図１
2008256425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物の表面に対物レンズを介して所定の照明光を照射する照明光学系と、
前記被検物に照射された前記照明光を前記対物レンズを介して受光する受光光学系と、
前記受光光学系により取得された画像から前記被検物の表面の高さを算出して前記被検物の表面形状を測定する演算処理部とを備え、
前記照明光学系は、瞳位置に配設され、前記照明光学系の光軸に対して偏心した第１位置および、前記第１位置から前記照明光学系の光軸を中心に所定角度だけ移動した第２位置に開口を設けることが可能な開口絞り装置を有し、前記照明光が前記開口絞り装置の前記開口および前記対物レンズを通過して前記被検物に照射されるように構成されており、
前記演算処理部は、前記開口が前記第１位置に位置するときに前記受光光学系により取得された画像における前記照明光の位置と、前記開口が前記第２位置に位置するときに前記受光光学系により取得された画像における前記照明光の位置との間の相対位置関係に基づいて、前記被検物の表面の高さを算出することを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記照明光学系は、前記照明光学系の光軸上における光源と前記開口絞り装置との間に配設されて開口部が略円形状に形成された照明視野絞りを有して構成されることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記照明光学系は、前記照明光学系の光軸上における光源と前記開口絞り装置との間に配設されて開口部が略直線状に形成された照明視野絞りを有して構成されることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記受光光学系は、前記対物レンズに対する共役な瞳位置に配設され、前記被検物で反射した前記照明光を通過させる結像瞳絞りを有して構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記開口絞り装置は、前記第１位置および前記第２位置にそれぞれ前記開口が形成された開口絞り部材と、前記第１位置および前記第２位置に形成された前記開口をそれぞれ塞ぐように設けられた互いに異なる光学特性を有する一対のフィルタ部材とを有して構成されることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記開口絞り部材において、前記第１位置および前記第２位置に形成された前記開口と異なる径を有する開口が、前記第１位置および前記第２位置から前記照明光学系の光軸を中心に前記第１位置および前記第２位置の開口と干渉しない角度だけ回転移動した位置に少なくとも一対形成され、前記フィルタ部材が前記異なる径を有する対の開口をそれぞれ塞ぐように設けられており、
前記開口絞り装置に、前記第１位置および前記第２位置に形成された対の開口もしくは前記異なる径を有する対の開口のうち、いずれか一対の開口を選択的に露出させる遮蔽部が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記被検物が載置されて前記被検物と前記受光光学系との間の光軸方向距離を変化させることが可能なステージ部材を備え、
前記演算処理部は、前記ステージ部材を用いて変化させた前記光軸方向距離に応じて前記受光光学系により取得された複数の画像を利用して、前記相対位置関係に基づいて算出した前記被検物の表面の高さを補正することを特徴とする請求項１から請求項６のうち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、工業製品等の表面形状（三次元形状）を測定する形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、その一つに光学式の三次元形状測定装置がある。光学式三次元形状測定装置も種々の方式、構成のものがあるが、オートフォーカスの原理を利用して被検物の三次元形状を測定するものがある（例えば、特許文献１を参照）。このような装置においては、例えば、オートフォーカス動作を行いながら被検物を走査し、合焦時における被検物の高さ方向位置をエンコーダにより測定することで、被検物表面の三次元形状を求めるように構成されている。
【０００３】
その構成例を図１６に示す。光源１０１から出た光は、コンデンサレンズ１０２、照明視野絞り１０３、第１のリレーレンズ１０４、第１のハーフミラー１０５、および対物レンズ１０６を経て被検物１２０に達し、被検物１２０に光源１０１からの光が照射される。なお、照明視野絞り１０３は、被検物１２０に対して十分に小さい範囲を照明するように構成される。被検物１２０で反射した光は、対物レンズ１０６、第１のハーフミラー１０５、第２のハーフミラー１０７、および第２のリレーレンズ１０８を経てミラー１０９で反射し、被検物１２０と共役な瞳位置に設けられたナイフエッジ１１０、結像レンズ１１１、およびシリンドリカルレンズ１１２を経てＣＣＤカメラ１１３に達する。
【０００４】
ＡＦ（オートフォーカス）誤差信号は、いわゆるナイフエッジ法によって取得され、撮像装置１１３で撮像された像の位置のずれをフォーカス位置検出手段１１４により検出して行なわれる。フォーカス位置検出手段１１４は、検出したＡＦ誤差信号に基づいてフォーカスアクチュエータ１１５に駆動信号を出力し、フォーカスアクチュエータ１１５により、像が合焦状態となるように被検物１２０が載置されたステージ１２１を高さ方向に移動させる。このときのステージ１２１の高さ方向位置は、エンコーダ１２２を用いて検出することが可能である。また、ステージ１２１は前後左右に移動可能に構成されており、ステージ１２１を前後左右に移動させながら（すなわち、被検物１２０を走査しながら）合焦状態でのステージ１２１の高さ方向位置を記録することにより、被検物１２０の表面形状（三次元形状）を求めることができる。なお、このような形状測定装置には、第２の対物レンズ１１６、第２の結像レンズ１１７、および第２の撮像装置１１８からなる、被検物１２０を観察するための光学系も設けられている。
【特許文献１】特開平１１−１９０６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような形状測定装置では、合焦状態におけるステージの位置より被検物の高さを算出するため、測定点毎にステージ１２１を高さ方向に移動させなければならず、三次元形状を求めるまでに時間が掛かる場合があった。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、測定時間を短縮した形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的達成のため、本発明に係る形状測定装置は、被検物の表面に対物レンズを介して所定の照明光を照射する照明光学系と、前記被検物に照射された前記照明光を前記対物レンズを介して受光する受光光学系と、前記受光光学系により取得された画像から前記被検物の表面の高さを算出して前記被検物の表面形状を測定する演算処理部とを備え、前記照明光学系は、瞳位置に配設され、前記照明光学系の光軸に対して偏心した第１位置および、前記第１位置から前記照明光学系の光軸を中心に所定角度だけ移動した第２位置に開口を設けることが可能な開口絞り装置を有し、前記照明光が前記開口絞り装置の前記開口および前記対物レンズを通過して前記被検物に照射されるように構成されており、前記演算処理部は、前記開口が前記第１位置に位置するときに前記受光光学系により取得された画像における前記照明光の位置と、前記開口が前記第２位置に位置するときに前記受光光学系により取得された画像における前記照明光の位置との間の相対位置関係に基づいて、前記被検物の表面の高さを算出するようになっている。
【０００８】
また、上述の発明において、前記照明光学系は、前記照明光学系の光軸上における光源と前記開口絞り装置との間に配設されて開口部が略円形状に形成された照明視野絞りを有して構成されることが好ましい。
【０００９】
また、前記照明光学系は、前記照明光学系の光軸上における光源と前記開口絞り装置との間に配設されて開口部が略直線状に形成された照明視野絞りを有して構成されてもよい。
【００１０】
また、上述の発明において、前記受光光学系は、前記対物レンズに対する共役な瞳位置に配設され、前記被検物で反射した前記照明光を通過させる結像瞳絞りを有して構成されることが好ましい。
【００１１】
また、上述の発明において、前記開口絞り装置は、前記第１位置および前記第２位置にそれぞれ前記開口が形成された開口絞り部材と、前記第１位置および前記第２位置に形成された前記開口をそれぞれ塞ぐように設けられた互いに異なる光学特性を有する一対のフィルタ部材とを有して構成されることが好ましい。
【００１２】
さらに、前記開口絞り部材において、前記第１位置および前記第２位置に形成された前記開口と異なる径を有する開口が、前記第１位置および前記第２位置から前記照明光学系の光軸を中心に前記第１位置および前記第２位置の開口と干渉しない角度だけ回転移動した位置に少なくとも一対形成され、前記フィルタ部材が前記異なる径を有する対の開口をそれぞれ塞ぐように設けられており、前記開口絞り装置に、前記第１位置および前記第２位置に形成された対の開口もしくは前記異なる径を有する対の開口のうち、いずれか一対の開口を選択的に露出させる遮蔽部が設けられていることが好ましい。
【００１３】
また、上述の発明において、前記被検物が載置されて前記被検物と前記受光光学系との間の光軸方向距離を変化させることが可能なステージ部材を備え、前記演算処理部は、前記ステージ部材を用いて変化させた前記光軸方向距離に応じて前記受光光学系により取得された複数の画像を利用して、前記相対位置関係に基づいて算出した前記被検物の表面の高さを補正することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、測定時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。第１実施形態に係る三次元形状測定装置の概略構成を図１に示しており、まず、この形状測定装置について、図１を参照しながら説明する。この形状測定装置１は、被検物１０の表面に対物レンズ１１を介して所定の照明光を照射する照明光学系２と、被検物１０に照射された照明光を対物レンズ１１を介して受光し撮像する撮像光学系３と、被検物１０を観察するための観察光学系４と、撮像光学系３により撮像取得された測定画像から被検物１０の表面の高さを算出する演算処理装置５とを主体に構成される。
【００１６】
被検物１０はステージ１２上に載置されており、ステージ１２の上方に対物レンズ１１が配設されるようになっている。ステージ１２は、前後および左右方向へ移動可能なＸＹテーブル等から構成され、ステージ１２上に載置された被検物１０が前後および左右方向へ移動可能に構成されている。また、ステージ１２は、フォーカスアクチュエータ１３を用いて上下方向へ移動可能に構成されており、ステージ１２および被検物１０の高さ方向位置、すなわち被検物１０と撮像光学系３との間の光軸方向距離を変化させることができるようになっている。なお、ステージ１２の高さ方向位置は、エンコーダ１４を用いて検出される。
【００１７】
照明光学系２は、光軸上に並んだ、光源２１と、コンデンサレンズ２２と、照明視野絞り２３と、第１リレーレンズ２４と、開口絞り装置２５と、第２リレーレンズ２８と、第１ハーフミラー２９とを有して構成される。コンデンサレンズ２２は、光源２１からの光を集光して照明視野絞り２３に導くようになっている。
【００１８】
照明視野絞り２３は、図２に示すように、中央に（照明光学系２の光軸上に）開口２３ａを有する円盤状に形成され、光源２１側から照明視野絞り２３の開口２３ａを通過した光が第１リレーレンズ２４に達するようになっている。照明視野絞り２３の開口２３ａは略円形状に形成され、図５に示すように、対物レンズ１１から被検物１０の表面にスポット状の照明光が照射されるように設定される。これにより、被検物１０の表面にスポット状の照明光が照射されるため、被検物１０の表面の細かい測定が可能になり、精度の高い測定を行うことができる。図１に示す第１リレーレンズ２４は、照明視野絞り２３からの光を透過させて開口絞り装置２５に導くようになっている。
【００１９】
開口絞り装置２５は、対物レンズ１１に対する共役な瞳位置に配設された開口絞り部材２６を主体に構成される。開口絞り部材２６は、図３に示すように、円形の開口２７を有する円盤状に形成され、光源２１側から開口絞り部材２６の開口２７を通過した光が第２リレーレンズ２８に達するようになっている。開口絞り部材２６の開口２７は、開口絞り部材２６の中心、すなわち照明光学系２の光軸に対して偏心した第１位置に形成され、図５に示すように、対物レンズ１１から被検物１０に対して斜めに照明光が照射されるように設定される。なお、この開口２７は、光源２１からの光を通過させるため、光源２１から、コンデンサレンズ２２、照明視野絞り２３、および第１リレーレンズ２４を介して開口絞り部材２６まで到達する光路内に位置することになる。
【００２０】
開口絞り部材２６の周部は、図示しない回転機構により回転自在に支持されており、回転機構を用いて開口絞り部材２６を照明光学系２の光軸を中心に１８０度だけ回転させることで、開口絞り部材２６の開口２７を、図３における二点鎖線で示すように、前述の第１位置から照明光学系２の光軸を中心に１８０度だけ回転移動した第２位置に移動させることができるようになっている。なお同様に、開口絞り部材２６の開口２７を第２位置から第１位置に回転移動させることも可能である。
【００２１】
図１に示す第２リレーレンズ２８は、開口絞り装置２５からの光を透過させて第１ハーフミラー２９に導くようになっている。第１ハーフミラー２９は、第２リレーレンズ２８からの光を対物レンズ１１に向けて反射させるとともに、被検物１０および対物レンズ１１からの光を撮像光学系３の第２ハーフミラー３１に向けて透過させるようになっている。
【００２２】
撮像光学系３は、光軸上に並んだ、第２ハーフミラー３１と、第３リレーレンズ３２と、ミラー３３と、結像瞳絞り３４と、第１結像レンズ３６と、第１撮像装置３７とを有して構成される。第２ハーフミラー３１は、第１ハーフミラー２９からの光の一部を第３リレーレンズ３２に向けて反射させるとともに、第１ハーフミラー２９からの光の残りを観察光学系４に向けて透過させるようになっている。
【００２３】
なお、観察光学系４は、第２対物レンズ４１と、第２結像レンズ４２と、第２撮像装置４３とを有して構成され、第２ハーフミラー３１を透過した光が第２対物レンズ４１、第２結像レンズ４２を経て第２撮像装置４３に入射し、第２撮像装置４３で撮像された被検物１０を図示しない画像表示装置（モニター）を用いて観察できるようになっている。
【００２４】
第３リレーレンズ３２は、第２ハーフミラー３１からの光を透過させてミラー３３に導くようになっている。さらに、ミラー３３は、第３リレーレンズ３２からの光を結像瞳絞り３４に向けて反射させるようになっている。
【００２５】
結像瞳絞り３４は、図４に示すように、円形の開口３５を有する円盤状に形成され、対物レンズ１１に対する共役な瞳位置に配設される。結像瞳絞り３４の開口３５は、結像瞳絞り３４の中心、すなわち撮像光学系３の光軸に対して偏心した第１結像位置に形成され、開口絞り部材２６の開口２７が第１位置に位置するときに被検物１０で反射した照明光を通過させるように設定される。これにより、被検物１０からの光が第１結像レンズ３６から第１撮像装置３７へ斜め方向に入射するため、高い感度を有しながら適切な（結像側の）焦点深度を確保することができる。なお、結像瞳絞り３４の開口３５は、開口絞り部材２６の開口２７よりも若干径が大きくなっており、被検物１０の傾斜による反射光のずれを許容できるように設定される。
【００２６】
結像瞳絞り３４の周部は、図示しない回転機構により回転自在に支持されており、回転機構を用いて結像瞳絞り３４を撮像光学系３の光軸を中心に１８０度だけ回転させることで、結像瞳絞り３４の開口３５を、図４における二点鎖線で示すように、前述の第１結像位置から撮像光学系３の光軸を中心に１８０度だけ回転移動した第２結像位置に移動させることができるようになっている。なお同様に、結像瞳絞り３４の開口３５を第２結像位置から第１結像位置に回転移動させることも可能である。このように、第２結像位置に位置する結像瞳絞り３４の開口３５は、開口絞り部材２６の開口２７が第２位置に位置するときに被検物１０で反射した照明光を通過させるようになっている。
【００２７】
図１に示す第１結像レンズ３６は、結像瞳絞り３４からの光を第１撮像装置３７の撮像面に集光して結像させるようになっている。第１撮像装置３７は、被検物１０に照射された照明光を撮像するＣＣＤカメラ等から構成され、第１撮像装置３７により撮像取得された測定画像データは演算処理装置５に送られるようになっている。
【００２８】
演算処理装置５では、測定画像に対する所定の画像演算処理がなされて被検物１０の表面の高さが測定され、被検物１０の三次元形状が求められる。また、演算処理装置５は、フォーカスアクチュエータ１３と電気的に接続されており、演算処理装置５から出力された駆動信号を受けてフォーカスアクチュエータ１３が作動するようになっている。
【００２９】
以上のように構成された形状測定装置１において、光源２１からの照明光は、コンデンサレンズ２２、照明視野絞り２３、第１リレーレンズ２４、開口絞り装置２５、第２リレーレンズ２８、および第１ハーフミラー２９を介して、対物レンズ１１から被検物１０に対して斜めに照射される。被検物１０で反射した照明光は、対物レンズ１１から第１ハーフミラー２９、第２ハーフミラー３１、第３リレーレンズ３２、ミラー３３、結像瞳絞り３４、および第１結像レンズ３６を介して、第１撮像装置３７に入射し、第１撮像装置３７により被検物１０で反射した照明光が撮像される。
【００３０】
第１撮像装置３７による撮像は、開口絞り部材２６の開口２７を第１位置に位置させるとともに結像瞳絞り３４の開口３５を第１結像位置に位置させた状態で行われ、その後、開口絞り部材２６の開口２７を第２位置に位置させるとともに結像瞳絞り３４の開口３５を第２結像位置に位置させた状態で行われる。なお、この順番は逆であっても良い。また、第１撮像装置３７による撮像は、被検物１０が載置されたステージ１２を前後左右に移動させることにより、被検物１０上の全ての測定点について行われる。さらに、フォーカスアクチュエータ１３を用いてステージ１２をΔＺだけ上下移動させることにより、２つの（ΔＺだけ）異なる高さ方向位置（被検物１０と撮像光学系３との間の光軸方向距離）について、第１撮像装置３７による撮像が行われる。
【００３１】
このように第１撮像装置３７で撮像取得された測定画像データは演算処理装置５に送られ、演算処理装置５で測定画像に対する所定の画像演算処理がなされて被検物１０の表面の高さが測定され、被検物１０の三次元形状が求められる。このとき、演算処理装置５は、まず、図６に示すように、開口絞り部材２６の開口２７が第１位置に位置するときに撮像されたスポット状の照明光Ｉ１の位置と、開口絞り部材２６の開口２７が第２位置に位置するときに撮像されたスポット状の照明光Ｉ２の位置とを比較して、第１位置での照明光Ｉ１に対する第２位置での照明光Ｉ２の位置ずれ量（距離）Δｄを算出する。
【００３２】
次に、演算処理装置５は、図７に示すように、予め求めておいた被検物１０の表面の高さＺと位置ずれ量Δｄとの関係から、先に算出した位置ずれ量Δｄに対応する被検物１０の表面の高さＺを算出する。なお、位置ずれ量（距離）Δｄが零となるのは、第１位置での照明光Ｉ１と第２位置での照明光Ｉ２とが重なるときであり、撮像光学系３が合焦状態のときである。
【００３３】
次に、演算処理装置５は、図８に示すように、ΔＺだけ異なる高さ方向位置で撮像取得された測定画像データから、第１位置での照明光Ｉ１に対する第２位置での照明光Ｉ２の位置ずれ量Δｄ２を算出する。続いて、先に算出した被検物１０の表面の高さＺにΔＺを加えたときの表面高さＺ１（Ｚ１＝Ｚ＋ΔＺ）における、このときの位置ずれ量Δｄ２′を逆算する。そして、Δｄ２とΔｄ２′との差に応じた所定の補正係数を、先に算出した被検物１０の表面の高さＺに掛け合わせて補正する。なお、補正係数は、被検物１０の表面状態により経験的に求められる。
【００３４】
ところで、被検物１０の表面が完全拡散面の場合、Δｄ２とΔｄ２′とは一致して、その差は零となるはずである。しかしながら一般に、被検物１０の表面は鏡面反射面としての性格も有しており、この鏡面反射光の影響により被検物１０で反射した照明光の位置がずれて検出されることから、この影響を補正したものである。これにより、鏡面反射光の影響を考慮したより正確な形状測定が可能になる。
【００３５】
そして、このような表面の高さの算出が被検物１０上の全ての測定点について行われ、被検物１０の三次元形状が求められる。
【００３６】
この結果、第１実施形態の形状測定装置１によれば、演算処理装置５が、開口絞り装置２５の開口２７が第１位置に位置するときに撮像光学系３により撮像取得された測定画像における照明光の位置と、開口絞り装置２５の開口２７が第２位置に位置するときに撮像光学系３により撮像取得された測定画像における照明光の位置との間の相対位置関係に基づいて、被検物１０の表面の高さを算出するため、合焦状態にするために測定点毎にステージ１２を高さ方向に移動させる必要がないことから、測定時間を短縮することが可能になる。また、対物レンズ１１から被検物１０に対して斜めに照明光が照射されるため、高い感度を有しながら比較的深い焦点深度を確保することができる。
【００３７】
次に、形状測定装置の第２実施形態について説明する。第２実施形態の形状測定装置は、上述した第１実施形態の形状測定装置１に対して、照明視野絞り２３、開口絞り装置２５、結像瞳絞り３４、および演算処理装置５の装置構成のみ異なり、他の装置構成は同様であるため同一部位に同一番号を付して重複説明を省略する。図９に示すように、第２実施形態の形状測定装置５１は、第１実施形態の形状測定装置１と同様に、被検物１０の表面に対物レンズ１１を介して所定の照明光を照射する照明光学系２と、被検物１０に照射された照明光を対物レンズ１１を介して撮像する撮像光学系３と、被検物１０を観察するための観察光学系４と、撮像光学系３により撮像取得された測定画像から被検物１０の表面の高さを算出する演算処理装置５５とを主体に構成される。
【００３８】
照明光学系２において、照明視野絞り５８は、図１０に示すように、中央に（照明光学系２の光軸上に）開口５８ａを有する円盤状に形成され、光源２１側から照明視野絞り５８の開口５８ａを通過した光が第１リレーレンズ２４に達するようになっている。照明視野絞り５８の開口５８ａは略直線状に形成され、図１４に示すように、対物レンズ１１から被検物１０の表面に略直線状の照明光が照射されるように設定される。これにより、被検物１０の表面に略直線状の照明光が照射されるため、被検物１０を前後左右方向における一方向に移動させるだけで、全ての測定点における測定を行うことが可能になり、測定時間をより短縮することができる。
【００３９】
開口絞り装置６０は、対物レンズ１１に対する共役な瞳位置に配設された開口絞り部材６１と、開口絞り部材６１における光源２１側の表面に隣接して設けられた遮蔽部材７５とを主体に構成される。開口絞り部材６１は、図１１に示すように、円形の開口を複数有する円盤状に形成され、光源２１側から開口絞り部材６１におけるいずれかの開口を通過した光が第２リレーレンズ２８に達するようになっている。
【００４０】
開口絞り部材６１の第１開口６２ａは、開口絞り部材６１の中心、すなわち照明光学系２の光軸に対して偏心した第１位置に形成され、図１４に示すように、対物レンズ１１から被検物１０に対して斜めに照明光が照射されるように設定される。第１開口６２ａには、光を透過させる青色のフィルムである第１フィルタ部材７２ａが第１開口６２ａを塞ぐように設けられている。
【００４１】
開口絞り部材６１の第２開口６２ｂは、図１１に示すように、前述の第１位置から照明光学系２の光軸を中心に１８０度だけ回転移動した第２位置に形成され、図１４における二点鎖線で示すように、対物レンズ１１から被検物１０に対して第１開口６２ａの場合と反対側から（斜めに）照明光が照射されるように設定される。また、第２開口６２ｂは第１開口６２ａと同じ径を有している。第２開口６２ｂには、光を透過させる茶色のフィルムである第２フィルタ部材７２ｂが第２開口６２ｂを塞ぐように設けられている。
【００４２】
開口絞り部材６１の第３開口６３ａは、図１１に示すように、前述の第１位置から照明光学系２の光軸を中心に時計回りに６０度（各開口と干渉しない角度）だけ回転移動した位置に形成され、第３開口６３ａを第１位置に位置させたときに、対物レンズ１１から被検物１０に対して斜めに照明光が照射されるように設定される。また、第３開口６３ａは、第１開口６２ａおよび第２開口６２ｂよりも少し大きい径を有している。第３開口６３ａには、光を透過させる青色のフィルムである第３フィルタ部材７３ａが第３開口６３ａを塞ぐように設けられている。
【００４３】
開口絞り部材６１の第４開口６３ｂは、前述の第２位置から照明光学系２の光軸を中心に時計回りに６０度（各開口と干渉しない角度）だけ回転移動した位置に形成され、第４開口６３ｂを第２位置に位置させたときに、対物レンズ１１から被検物１０に対して第３開口６３ａの場合と反対側から（斜めに）照明光が照射されるように設定される。また、第４開口６３ｂは、第１開口６２ａおよび第２開口６２ｂよりも少し大きい径を有しており、第４開口６３ｂから（照明光学系２の光軸を中心に）１８０度だけ回転移動した第３開口６３ａと同じ径を有している。第４開口６３ｂには、光を透過させる茶色のフィルムである第４フィルタ部材７３ｂが第４開口６３ｂを塞ぐように設けられている。
【００４４】
開口絞り部材６１の第５開口６４ａは、前述の第１位置から照明光学系２の光軸を中心に時計回りに１２０度（各開口と干渉しない角度）だけ回転移動した位置に形成され、第５開口６４ａを第１位置に位置させたときに、対物レンズ１１から被検物１０に対して斜めに照明光が照射されるように設定される。また、第５開口６４ａは、第１開口６２ａおよび第２開口６２ｂ、並びに第３開口６３ａおよび第４開口６３ｂよりも大きい径を有している。第５開口６４ａには、光を透過させる青色のフィルムである第５フィルタ部材７４ａが第５開口６４ａを塞ぐように設けられている。
【００４５】
開口絞り部材６１の第６開口６４ｂは、前述の第２位置から照明光学系２の光軸を中心に時計回りに１２０度（各開口と干渉しない角度）だけ回転移動した位置に形成され、第６開口６４ｂを第２位置に位置させたときに、対物レンズ１１から被検物１０に対して第５開口６４ａの場合と反対側から（斜めに）照明光が照射されるように設定される。また、第６開口６４ｂは、第１開口６２ａおよび第２開口６２ｂ、並びに第３開口６３ａおよび第４開口６３ｂよりも大きい径を有しており、第６開口６４ｂから（照明光学系２の光軸を中心に）１８０度だけ回転移動した第５開口６４ａと同じ径を有している。第６開口６４ｂには、光を透過させる茶色のフィルムである第６フィルタ部材７４ｂが第６開口６４ｂを塞ぐように設けられている。
【００４６】
なお、開口絞り部材６１に形成される開口はそれぞれ、光源２１からの光を通過させるため、光源２１から、コンデンサレンズ２２、照明視野絞り５８、および第１リレーレンズ２４を介して開口絞り部材６１まで到達する光路内に位置することになる。
【００４７】
遮蔽部材７５は、図１２に示すように、中央にスリット部７６を有する円盤状に形成され、略直線状に形成されたスリット部７６を介して、第１位置および第２位置に位置する開口絞り部材６１の開口を光源２１側に露出させるようになっている。これにより、開口絞り部材６１において、第１位置および第２位置に位置する開口を通過した光だけが第２リレーレンズ２８に達するようになっている。
【００４８】
また、開口絞り部材６１の周部は、図示しない回転機構により回転自在に支持されており、回転機構を用いて開口絞り部材６１を照明光学系２の光軸を中心に６０度だけ回転させることで、第１開口６２ａおよび第２開口６２ｂ、第３開口６３ａおよび第４開口６３ｂ、並びに第５開口６４ａおよび第６開口６４ｂで対となる開口のうち、いずれか一対の開口を選択的に光源２１側に露出させることが可能になる。このように、異なる径を有する開口を設けることにより、被検物１０に対する解像度を適宜変更することができる。
【００４９】
撮像光学系３において、結像瞳絞り８０は、図１３に示すように、円形の第１開口部８１ａおよび第２開口部８１ｂを有する円盤状に形成され、対物レンズ１１に対する共役な瞳位置に配設される。第１開口部８１ａは、結像瞳絞り８０の中心、すなわち撮像光学系３の光軸に対して偏心した第１結像位置に形成され、開口絞り部材６１において第１位置に位置する開口を通過して被検物１０で反射した照明光を通過させるように設定される。第２開口部８１ｂは、前述の第１結像位置から撮像光学系３の光軸を中心に１８０度だけ回転移動した第２結像位置に形成され、開口絞り部材６１において第２位置に位置する開口を通過して被検物１０で反射した照明光を通過させるように設定される。
【００５０】
これにより、被検物１０からの光が第１結像レンズ３６から第１撮像装置３７へ斜め方向に入射するため、高い感度を有しながら適切な（結像側の）焦点深度を確保することができる。なお、第１開口部８１ａおよび第２開口部８１ｂは、開口絞り部材６１の各開口よりも若干径が大きくなっており、被検物１０の傾斜による反射光のずれを許容できるように設定される。
【００５１】
演算処理装置５５では、測定画像に対する所定の画像演算処理がなされて被検物１０の表面の高さが測定され、被検物１０の三次元形状が求められる。また、演算処理装置５５は、フォーカスアクチュエータ１３と電気的に接続されており、演算処理装置５５から出力された駆動信号を受けてフォーカスアクチュエータ１３が作動するようになっている。
【００５２】
以上のように構成された形状測定装置５１において、光源２１からの照明光は、コンデンサレンズ２２、照明視野絞り５８、第１リレーレンズ２４、開口絞り装置６０、第２リレーレンズ２８、および第１ハーフミラー２９を介して、対物レンズ１１から被検物１０に対して斜めに照射される。被検物１０で反射した照明光は、対物レンズ１１から第１ハーフミラー２９、第２ハーフミラー３１、第３リレーレンズ３２、ミラー３３、結像瞳絞り８０、および第１結像レンズ３６を介して、第１撮像装置３７に入射し、第１撮像装置３７により被検物１０で反射した照明光が撮像される。
【００５３】
第１撮像装置３７による撮像は、被検物１０が載置されたステージ１２を前後左右方向における一方向（例えば、略直線状の照明光が延びる方向と垂直な方向）に移動させることにより、被検物１０上の全ての測定点について行われる。さらに、フォーカスアクチュエータ１３を用いてステージ１２をΔＺだけ上下移動させることにより、２つの（ΔＺだけ）異なる高さ方向位置（被検物１０と撮像光学系３との間の光軸方向距離）について、第１撮像装置３７による撮像が行われる。またこのとき、開口絞り装置６０において、必要とされる解像度に応じ、第１開口６２ａおよび第２開口６２ｂ、第３開口６３ａおよび第４開口６３ｂ、並びに第５開口６４ａおよび第６開口６４ｂで対となる開口のうち、いずれか一対の開口を第１位置および第２位置に位置させておく。
【００５４】
このように第１撮像装置３７で撮像取得された測定画像データは演算処理装置５５に送られ、演算処理装置５５で測定画像に対する所定の画像演算処理がなされて被検物１０の表面の高さが測定され、被検物１０の三次元形状が求められる。このとき、演算処理装置５５は、まず、図１５に示すように、第１位置に位置する開口絞り部材６１の開口を通過した光による略直線状の照明光Ｉ１の位置と、第２位置に位置する開口絞り部材６１の開口を通過した光による略直線状の照明光Ｉ２の位置とを比較して、第１位置での照明光Ｉ１に対する第２位置での照明光Ｉ２の位置ずれ量（距離）Δｄを算出する。
【００５５】
なお、第２実施形態の形状測定装置５１では、第１開口６２ａ、第３開口６３ａ、および第５開口６４ａのフィルタ部材７２ａ〜７４ａが光を透過させる青色のフィルムであり、第２開口６２ｂ、第４開口６３ｂ、および第６開口６４ｂのフィルタ部材７２ｂ〜７４ｂが光を透過させる茶色のフィルムであるため、例えば、第１位置での照明光Ｉ１が青色となるとともに第２位置での照明光Ｉ２が茶色となって両者を容易に識別することができることから、第１位置での照明光Ｉ１および第２位置での照明光Ｉ２を一回の撮像で取得することが可能である。これにより、測定画像の取得回数を低減させることが可能になり、測定時間をより短縮することができる。
【００５６】
また、第２実施形態の形状測定装置５１では、測定画像において各照明光Ｉ１，Ｉ２が略直線状に表示されるため、演算処理装置５５は、位置ずれ量Δｄを各照明光Ｉ１，Ｉ２が表示された（各測定点に対応する）ピクセル毎に算出する。これにより、略直線状に延びる照明光に沿った複数の測定点での表面高さを算出することができる。
【００５７】
次に、演算処理装置５５は、第１実施形態の場合と同様にして、算出した位置ずれ量Δｄに対応する被検物１０の表面の高さＺを算出する。なお、位置ずれ量（距離）Δｄが零となるのは、第１位置での照明光Ｉ１と第２位置での照明光Ｉ２とが重なるときであり、撮像光学系３が合焦状態のときである。
【００５８】
次に、演算処理装置５５は、第１実施形態の場合と同様にして、ΔＺだけ異なる高さ方向位置で撮像取得された測定画像データから、第１位置での照明光Ｉ１に対する第２位置での照明光Ｉ２の位置ずれ量Δｄ２を算出し、表面高さＺ１（Ｚ１＝Ｚ＋ΔＺ）における位置ずれ量Δｄ２′を逆算して、Δｄ２とΔｄ２′との差に応じた所定の補正係数を、先に算出した被検物１０の表面の高さＺに掛け合わせて補正する。
【００５９】
そして、このような表面の高さの算出が被検物１０上の全ての測定点について行われ、被検物１０の三次元形状が求められる。
【００６０】
この結果、第２実施形態の形状測定装置５１によれば、第１実施形態の形状測定装置１と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
なお、上述の各実施形態において、異なる高さ方向位置での位置ずれ量Δｄ２，Δｄ２′の差に応じた所定の補正係数を、算出した被検物１０の表面の高さＺに掛け合わせて補正を行っているが、これに限られるものではなく、例えば、複数の異なる高さ方向位置で、被検物１０の表面の高さをそれぞれ算出し、被検物１０の表面の高さの平均値を求めて補正するようにしてもよい。
【００６２】
また、上述の各実施形態において、２つの（ΔＺだけ）異なる高さ方向位置（被検物１０と撮像光学系３との間の光軸方向距離）について、第１撮像装置３７による撮像が行われているが、これに限られるものではなく、３つ以上の複数の異なる高さ方向位置について、第１撮像装置３７による測定画像の撮像取得を行い、これらの測定画像に基づいて被検物１０の表面の高さを算出するようにしてもよい。このようにすれば、細かな補正を行うことが可能になるため、測定精度を向上させることができる。なおこのとき、必要とされる解像度に応じて、撮像が行われる高さ方向位置の数（Ｚのスライス数）が決定されることになる。
【００６３】
また、上述の各実施形態において、第１位置から照明光学系２の光軸を中心に１８０度だけ回転移動した位置に、第２位置が設けられているが、これに限られるものではなく、例えば、第１位置から照明光学系２の光軸を中心に９０度だけ回転移動した位置でもよく、第１位置から照明光学系２の光軸を中心に所定角度だけ回転移動した位置であればよい。
【００６４】
また、上述の第２実施形態において、開口絞り部材６１に、互いに異なる径を有する開口が三対だけ設けられているが、これに限られるものではなく、例えば、一対だけの組み合わせや、四対の組み合わせでもよく、開口の数（対）はいくつであっても構わない。
【００６５】
また、上述の第２実施形態において、各フィルタ部材は、光を透過させる青もしくは茶色のフィルムから構成されているが、これに限られるものではなく、例えば、偏光フィルタであってもよく、互いに異なる光学特性を有するフィルタ部材であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１実施形態に係る形状測定装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る照明視野絞りの正面図である。
【図３】第１実施形態に係る開口絞り装置の正面図である。
【図４】第１実施形態に係る結像瞳絞りの正面図である。
【図５】被検物にスポット状の照明光が照射された状態を示す説明図である。
【図６】測定画像の一例を示す説明図である。
【図７】被検物の表面の高さと照明光の位置ずれ量との関係を示す説明図である。
【図８】被検物を上下移動させたときの、被検物の表面の高さと照明光の位置ずれ量との関係を示す説明図である。
【図９】第２実施形態に係る形状測定装置の概略構成図である。
【図１０】第２実施形態に係る照明視野絞りの正面図である。
【図１１】第２実施形態に係る開口絞り部材の正面図である。
【図１２】第２実施形態に係る開口絞り装置の正面図である。
【図１３】第２実施形態に係る結像瞳絞りの正面図である。
【図１４】被検物に略直線状の照明光が照射された状態を示す説明図である。
【図１５】測定画像の一例を示す説明図である。
【図１６】従来における形状測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  形状測定装置（第１実施形態）
２  照明光学系                          ３  撮像光学系（受光光学系）
５  演算処理装置（演算処理部）
１０  被検物                            １１  対物レンズ
１２  ステージ
２１  光源                              ２３  照明視野絞り（２３ａ  開口）
２５  開口絞り装置                      ２６  開口絞り部材
２７  開口
３４  結像瞳絞り                        ３５  開口
５１  形状測定装置（第２実施形態）
５５  演算処理装置（演算処理部）        ５８  照明視野絞り（５８ａ  開口）
６０  開口絞り装置                      ６１  開口絞り部材
６２ａ  第１開口                        ６２ｂ  第２開口
６３ａ  第３開口                        ６３ｂ  第４開口
６４ａ  第５開口                        ６４ｂ  第６開口
７２ａ  第１フィルタ部材                ７２ｂ  第２フィルタ部材
７３ａ  第３フィルタ部材                ７３ｂ  第４フィルタ部材
７４ａ  第５フィルタ部材                ７４ｂ  第６フィルタ部材
７５  遮蔽部材
８０  結像瞳絞り
８１ａ  第１開口部                      ８１ｂ  第１開口部
【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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【図１６】
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