(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に薄膜が形成された対象物に対し、所定の基準軸に平行な偏光成分のみを有する照射光を、当該対象物の全方位から均一に照射する偏光照射部と、
前記対象物の前記基準軸上に設けられ、前記対象物の表面で反射して生成された干渉光のうち前記基準軸と直交する面内の特定方位に平行な偏光成分を、異なる複数の前記特定方位ごとに受光するとともに、受光した前記干渉光の受光強度及び分光スペクトルを、内部に配列された複数の画素ごとに取得する分光撮像部と、
前記画素の各々において最大の受光強度を与える波長に基づいて、当該画素に対応する前記対象物の表面部位ごとの法線の、前記基準軸に対する角度を特定する天頂角演算部と、
前記画素の各々において最大の受光強度を与える前記特定方位に基づいて、当該画素に対応する前記対象物の表面部位ごとの法線の、前記基準軸の周方向の角度を特定する方位角演算部と、
を備える三次元形状計測装置。
【請求項２】
前記偏光照射部は、
表面に薄膜が形成された対象物に対し、照射光を、当該対象物の全方位から均一に照射する全方位照射部と、
前記全方位照射部と前記対象物との間に設けられ、前記全方位照射部が照射した前記照射光のうち前記基準軸に平行な偏光成分のみを透過させる固定偏光部と、
を有する請求項１に記載の三次元形状計測装置。
【請求項３】
前記分光撮像部は、
前記基準軸と直交する面内で回転可能に設けられ、前記干渉光のうち回転角度に応じた方位に平行な偏光成分のみを透過させる可変偏光部を有する
請求項１または請求項２に記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
前記天頂角演算部は、
最大の受光強度を与える波長の当該受光強度と、当該波長の光の前記対象物の表面に対する入射角と、の関係を示す理論式に基づいて前記入射角を特定することで、当該画素に対応する前記対象物の表面部位ごとの法線の、前記基準軸に対する角度を特定する
ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の三次元形状計測装置。
【請求項５】
前記方位角演算部は、更に、
前記周方向の角度を、前記表面部位の各々の、前記対象物を前記分光撮像部からみた場合における当該対象物の外縁との位置関係に基づいて特定する
ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の三次元形状計測装置。
【請求項６】
前記分光撮像部の画素ごとに取得された前記分光スペクトルと、前記照射光の入射角と、前記対象物の表面に形成された薄膜の膜厚及び屈折率と、の関係を示す理論式に基づいて、前記表面部位ごとの、前記薄膜の膜厚及び屈折率を算出する薄膜特性演算部をさらに備える
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の三次元形状計測装置。
【請求項７】
表面に薄膜が形成された対象物に対し、所定の基準軸に平行な偏光成分のみを有する照射光を、当該対象物の全方位から均一に照射するステップと、
前記対象物の前記基準軸上において、前記対象物の表面で反射して生成された干渉光のうち前記基準軸と直交する面内の特定方位に平行な偏光成分を、異なる複数の前記特定方位ごとに受光するステップと、
受光した前記干渉光の受光強度及び分光スペクトルを、配列された複数の画素ごとに取得するステップと、
前記画素の各々において最大の受光強度を与える波長に基づいて、当該画素に対応する前記対象物の表面部位ごとの法線の、前記基準軸に対する角度を特定するステップと、
前記画素の各々において最大の受光強度を与える前記特定方位に基づいて、当該画素に対応する前記対象物の表面部位ごとの法線の、前記基準軸の周方向の角度を特定するステップと、
を有する三次元形状計測方法。
【請求項８】
表面に薄膜が形成された対象物に対し、所定の基準軸に平行な偏光成分のみを有する照射光を、当該対象物の全方位から均一に照射する偏光照射部と、
前記対象物の前記基準軸上に設けられ、前記対象物の表面で反射して生成された干渉光を受光するとともに、受光した前記干渉光の受光強度及び分光スペクトルを、内部に配列された複数の画素ごとに取得する分光撮像部と、
前記画素の各々において最大の受光強度を与える波長に基づいて、当該画素に対応する前記対象物の表面部位ごとにおける前記照射光の入射角を特定する入射角演算部と、
前記分光撮像部の画素ごとに取得された前記分光スペクトルと、前記照射光の入射角と、前記対象物の表面に形成された薄膜の膜厚及び屈折率と、の関係を示す理論式に基づいて、前記対象物の特定の表面部位に形成された前記薄膜の膜厚及び屈折率を算出する薄膜特性演算部と、
を備える薄膜計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状計測装置、三次元形状計測方法及び薄膜計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、実物体をデジタル化する技術を用いて、三次元物体の色、形、質感を復元、コンピュータグラフィックによる映像コンテンツを作成する取り組みが、様々な用途で利用されている。しかしながら、多くの複雑な反射特性を持つ物体があり、これらをデジタル化する技術が日々研究されている。
【０００３】
例えば、ある下地層に層状の媒体が積層されている場合において、物体表面に入射する光は、層の中と表面で反射する光に分かれる。層の中に入った光は下地で跳ね返り、光路差により位相のずれた光として表面から出射する。この二つの光が干渉することにより、虹色の光を作り出す。このような光を構造色という。このような構造色を持つものとして、表面に薄膜が形成された実物体がある。
【０００４】
ところで、三次元形状計測の分野では拡散反射物体などの形状を計測するものと、レーザーレンジセンサーやパターン投影による形状計測、又は、ステレオ撮影による形状計測等がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２３３５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、表面に薄膜等が形成されて構造色を有する実物体を計測の対象物とした場合、レーザー等を照射して対象物表面における拡散反射光により形状を計測する三次元形状計測装置では、正確に三次元形状を計測できない場合がある。また、ステレオ撮影による二種類の画像情報から三次元形状を推定する三次元形状計測装置では、撮影される方位に応じて構造色の色合いが変化するため、精度よく三次元形状を計測できない場合がある。
【０００７】
この発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであって、表面に薄膜が形成されて構造色を有する対象物の三次元形状を精度よく計測可能な三次元形状計測装置、三次元形状計測方法及び薄膜計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するために、本発明の一態様は、表面に薄膜が形成された対象物に対し、所定の基準軸に平行な偏光成分のみを有する照射光を、当該対象物の全方位から均一に照射する偏光照射部と、前記対象物の前記基準軸上に設けられ、前記対象物の表面で反射して生成された干渉光のうち前記基準軸と直交する面内の特定方位に平行な偏光成分を、異なる複数の前記特定方位ごとに受光するとともに、受光した前記干渉光の受光強度及び分光スペクトルを、内部に配列された複数の画素ごとに取得する分光撮像部と、前記画素の各々において最大の受光強度を与える波長に基づいて、当該画素に対応する前記対象物の表面部位ごとの法線の、前記基準軸に対する角度を特定する天頂角演算部と、前記画素の各々において最大の受光強度を与える前記特定方位に基づいて、当該画素に対応する前記対象物の表面部位ごとの法線の、前記基準軸の周方向の角度を特定する方位角演算部と、を備える三次元形状計測装置である。
【０００９】
また、本発明の一態様は、上述の三次元形状計測装置において、前記偏光照射部が、表面に薄膜が形成された対象物に対し、照射光を、当該対象物の全方位から均一に照射する全方位照射部と、前記全方位照射部と前記対象物との間に設けられ、前記全方位照射部が照射した前記照射光のうち前記基準軸に平行な偏光成分のみを透過させる固定偏光部と、を有する。
【００１０】
また、本発明の一態様は、上述の三次元形状計測装置において、前記分光撮像部が、前記基準軸と直交する面内で回転可能に設けられ、前記干渉光のうち回転角度に応じた方位に平行な偏光成分のみを透過させる可変偏光部を有する。
【００１１】
また、本発明の一態様は、上述の三次元形状計測装置において、前記天頂角演算部が、最大の受光強度を与える波長の当該受光強度と、当該波長の光の前記対象物の表面に対する入射角と、の関係を示す理論式に基づいて前記入射角を特定することで、当該画素に対応する前記対象物の表面部位ごとの法線の、前記基準軸に対する角度を特定することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の一態様は、上述の三次元形状計測装置において、前記方位角演算部が、更に、前記周方向の角度を、前記表面部位の各々の、前記対象物を前記分光撮像部からみた場合における当該対象物の外縁との位置関係に基づいて特定することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の一態様は、上述の三次元形状計測装置において、前記分光撮像部の画素ごとに取得された前記分光スペクトルと、前記照射光の入射角と、前記対象物の表面に形成された薄膜の膜厚及び屈折率と、の関係を示す理論式に基づいて、前記表面部位ごとの、前記薄膜の膜厚及び屈折率を算出する薄膜特性演算部をさらに備える。
【００１４】
また、本発明の一態様は、表面に薄膜が形成された対象物に対し、所定の基準軸に平行な偏光成分のみを有する照射光を、当該対象物の全方位から均一に照射するステップと、前記対象物の前記基準軸上において、前記対象物の表面で反射して生成された干渉光のうち前記基準軸と直交する面内の特定方位に平行な偏光成分を、異なる複数の前記特定方位ごとに受光するステップと、受光した前記干渉光の受光強度及び分光スペクトルを、配列された複数の画素ごとに取得するステップと、前記画素の各々において最大の受光強度を与える波長に基づいて、当該画素に対応する前記対象物の表面部位ごとの法線の、前記基準軸に対する角度を特定するステップと、前記画素の各々において最大の受光強度を与える前記特定方位に基づいて、当該画素に対応する前記対象物の表面部位ごとの法線の、前記基準軸の周方向の角度を特定するステップと、を有する三次元形状計測方法である。
【００１５】
また、本発明の一態様は、表面に薄膜が形成された対象物に対し、所定の基準軸に平行な偏光成分のみを有する照射光を、当該対象物の全方位から均一に照射する偏光照射部と、前記対象物の前記基準軸上に設けられ、前記対象物の表面で反射して生成された干渉光を受光するとともに、受光した前記干渉光の受光強度及び分光スペクトルを、内部に配列された複数の画素ごとに取得する分光撮像部と、前記画素の各々において最大の受光強度を与える波長に基づいて、当該画素に対応する前記対象物の表面部位ごとにおける前記照射光の入射角を特定する入射角演算部と、前記分光撮像部の画素ごとに取得された前記分光スペクトルと、前記照射光の入射角と、前記対象物の表面に形成された薄膜の膜厚及び屈折率と、の関係を示す理論式に基づいて、前記対象物の特定の表面部位に形成された前記薄膜の膜厚及び屈折率を算出する薄膜特性演算部と、を備える薄膜計測装置である。
【発明の効果】
【００１６】
上述の三次元形状計測装置、三次元形状計測方法及び薄膜計測装置によれば、表面に薄膜が形成されて構造色を有する対象物の三次元形状を精度よく計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る三次元形状計測装置の機能構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る偏光照射部の機能を説明する図である。
【図３】第１の実施形態に係る分光撮像部の機能を説明する第１の図である。
【図４】第１の実施形態に係る分光撮像部の機能を説明する第２の図である。
【図５】第１の実施形態に係る計算処理部の機能構成を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る計算処理部の処理フローを示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る天頂角演算部の機能を説明する第１の図である。
【図８】第１の実施形態に係る天頂角演算部の機能を説明する第２の図である。
【図９】第１の実施形態に係る方位角演算部の機能を説明する図である。
【図１０】第１の実施形態に係る撮像データ及び膜厚分布の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態に係る三次元形状計測装置について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、第１の実施形態に係る三次元形状計測装置の機能構成を示す図である。
図１に示すように、第１の実施形態に係る三次元形状計測装置１は、計算処理部１０と、偏光照射部１１と、分光撮像部１２と、を備えている。三次元形状計測装置１は、表面に薄膜が積層された立体的形状（三次元形状）を有する対象物Ｇの当該立体的形状を、光学的手段により精度よく計測可能な三次元形状計測装置である。
【００２０】
計算処理部１０は、三次元形状計測装置１全体の動作を制御する。計測処理部１０は、後述する偏光照射部１１、分光撮像部１２に所定の制御信号を出力しながら、当該偏光照射部１１による照射光の照射、分光撮像部１２による撮像処理等を制御する。また、計測処理部１０は、分光撮像部１２が取得した対象物Ｇの撮像データに基づいて、各種算出処理を実行し、対象物Ｇの立体的形状（三次元形状）を計測する。
【００２１】
偏光照射部１１は、対象物Ｇに対し、天頂方向（地表面に対する垂直方向（図１の＋Ｚ方向））に沿って配される基準軸Ｏに平行な偏光成分のみを有する照射光Ｐ１’を、当該対象物Ｇの全方位から均一に照射する。
具体的には、偏光照射部１１は、図１に示すように、複数の光源１１０と、拡散板１１１と、固定偏光部１１２と、を有して構成される。
【００２２】
光源１１０は、対象物Ｇの周囲に複数設けられ、分光分布がほぼ均一な白色光である光（照射光Ｐ１）を出射する。
拡散板１１１は、対象物Ｇを中心とする球状に形成された球体の板である。拡散板１１１は、球体の外部に配される複数の光源１１０が出射する照射光Ｐ１を取り込んで板内部で拡散させ、照射光Ｐ１の強度分布を球面方向に均一化して球体の内部に放射する。
光源１１０及び拡散板１１１は、以上のような構成により、照射光Ｐ１を、対象物Ｇの全方位から均一に照射する全方位照射部として機能する。
なお、全方位照射部は、照射光Ｐ１を、対象物Ｇの全方位から均一に照射する態様であれば、上述の態様に限定されない。例えば、全方位照射部は、一つの光源から入射した照射光Ｐ１を球体の内部において均一に拡散可能な積分球光源を用いてもよいし、一つ又は複数の光源を、対象物Ｇを中心とする球面に沿って移動させながら、照射光Ｐ１の全方位からの照射を実現するものであってもよい。
また、上述の「対象物Ｇの全方位から均一に照射する」との文言は、必ずしも対象物Ｇの“全ての方位”から照射される意味に限定されず、三次元形状計測装置１による三次元形状の計測精度が許容される限度において一部の方位（例えば、分光撮像部１２が配される方位、及びその対極の方位）からの照射光Ｐ１の照射がなされない態様であってもよい。
【００２３】
固定偏光部１１２は、基準軸Ｏに沿って延在する筒状に形成された直線偏光フィルタである。固定偏光部１１２は、光源１１０及び拡散板１１１と、対象物Ｇと、の間に設けられ、光源１１０が拡散板１１１を介して照射した照射光Ｐ１のうち、基準軸Ｏに平行な偏光成分のみを透過させる。
【００２４】
分光撮像部１２は、対象物Ｇの基準軸Ｏ上に設けられた撮像装置（固定カメラ）である。分光撮像部１２は、照射光Ｐ１’が対象物Ｇの表面で反射することで生成された干渉光Ｐ２のうち基準軸Ｏと直交する面内の特定方位に平行な偏光成分を、異なる複数の特定方位ごとに受光する。分光撮像部１２は、更に、受光した干渉光Ｐ２の受光強度及び分光スペクトルを、内部に配列された複数の画素１２２ごとに取得する。
具体的には、分光撮像部１２は、図１に示すように、本体部１２０と、可変偏光部１２１と、複数の画素１２２と、を有して構成される。
【００２５】
本体部１２０は、基準軸Ｏを光軸とする集光レンズ１２０ａを備え、集光レンズ１２０ａを介して干渉光Ｐ２を内部に取り込む。
可変偏光部１２１は、対象物Ｇと本体部１２０の集光レンズ１２０ａとの間において基準軸Ｏと直交する面内で回転可能に設けられ、干渉光Ｐ２のうち回転角度に応じた方位に平行な偏光成分のみを透過させる直線偏光フィルタである。この可変偏光部１２１が所望の回転角度に回転することで、分光撮像部１２０は、干渉光Ｐ２のうち基準軸Ｏと直交する面内の特定方位に平行な偏光成分を、回転角度に応じた異なる複数の特定方位ごとに受光することができる。
なお、以下の説明においても、三次元形状計測装置１は、基準軸Ｏが天頂方向を向くように配されるものとして説明するが、他の実施形態に係る三次元形状計測装置１においてはこの態様に限定されず、基準軸Ｏをいかなる方位にも取り得る。
【００２６】
図２は、第１の実施形態に係る偏光照射部の機能を説明する図である。
図２（ａ）は、偏光照射部１１の固定偏光部１１２を上方（＋Ｚ方向側）から見た場合の模式図である。
図２（ａ）に示すように、固定偏光部１１２は、基準軸Ｏに延在するように筒状に形成されながら、内部に対象物Ｇを配している。光源１１０及び拡散板１１１（図２（ａ）には図示せず）から出射された照射光Ｐ１は、固定偏光部１１２を介して、全方位から対象物Ｇに照射される。
【００２７】
ここで、上述したように、固定偏光部１１２は、基準軸Ｏと平行な偏光成分のみを透過させる線偏光フィルタである。したがって、各方位から照射される照射光Ｐ１の全ては、固定偏光部１１２を透過して、基準軸Ｏに平行な方位に振動する線偏光（照射光Ｐ１’）となって対象物Ｇに照射される。
例えば、図２（ｂ）に示すように、光源１１０（及び拡散板１１１）により、−Ｘ方向から＋Ｘ方向に向けて出射される照射光Ｐ１には、基準軸Ｏに平行な方向（±Ｚ方向）に振動する線偏光成分の他、例えば、基準軸Ｏに直交する方向（±Ｙ方向）に振動する線偏光成分等が含まれている（それ以外の直線偏光成分や、円偏光成分等も含まれ得る）。このような照射光Ｐ１が固定偏光部１１２に入射すると、基準軸Ｏに平行な方向に振動する線偏光成分のみが透過し、それ以外の偏光成分は遮断される。したがって、基準軸Ｏに平行な偏光成分のみからなる照射光Ｐ１’が、固定偏光部１１２の内部に配された対象物Ｇに照射する。
【００２８】
図３は、第１の実施形態に係る分光撮像部の機能を説明する第１の図である。
以下、図３に示す反射の例を参照しながら、分光撮像部１２の画素１２２が受光可能な干渉光Ｐ２について説明する。
図３に示すように、対象物Ｇの表面の一部である表面部位ｇ１に対し、ある入射角θ１から入射した照射光Ｐ１’は、当該表面部位ｇ１において反射角θ１で反射し、干渉光Ｐ２となって進行する（“干渉光”についての説明は後述する）。この照射光Ｐ１’及び干渉光Ｐ２は、上述した固定偏光部１１２の機能により、いずれも基準軸Ｏ（±Ｚ軸）と平行な面内（入射面Ｑの面内）で振動する偏光成分のみを有して進行する。なお、一般的な反射特性として入射面Ｑと反射面（表面部位ｇ１）とは、互いに直交する関係にあり、したがって、入射面Ｑには、表面部位ｇ１の法線方向を示す法線ベクトルＮも含まれる（図３参照）。
【００２９】
ここで、干渉光Ｐ２が基準軸Ｏに沿って天頂方向（＋Ｚ方向）に進行する場合、図３に示すように、干渉光Ｐ２は、まず可変偏光部１２１に入射する。上述したように、可変偏光部１２１は、基準軸Ｏと直交する面内（ＸＹ平面内）で回転可能に設けられ、その回転角度に応じた方位ｎの偏光成分のみを透過させる。したがって、ＸＹ平面内における方位ｎが干渉光Ｐ２の偏光成分の振動方向と一致したとき、即ち、方位ｎが入射面Ｑと平行な位置関係となったときに、干渉光Ｐ２が可変偏光部１２１を透過する。なお、この場合、表面部位ｇ１で反射した反射光（干渉光Ｐ２）は、表面部位ｇ１に対応する画素１２２において受光される。
【００３０】
すなわち、法線ベクトルＮのＸＹ平面内方向成分が可変偏光部１２１の方位ｎが示す方位と一致する表面部位において反射した反射光（干渉光Ｐ２）のみが、各々の表面部位に対応する画素１２２に受光される。したがって、各画素１２２において最大受光強度を与える可変偏光部１２１の方位ｎ（回転角度）が分かれば、当該画素１２２に対応する表面部位における法線ベクトルＮのＸＹ平面内方向成分、即ち、方位角（基準軸Ｏの周方向の角度）を特定することができる。
例えば、図３においては、画素１２２において最大受光強度を与える可変偏光部１２１の方位ｎ（回転角度）が、画素１２２に対応する表面部位ｇ１における法線ベクトルＮの方位角と一致する。
【００３１】
可変偏光部１２１は、後述する計算処理部１０による制御により、回転角度を、０〜１８０度で連続的に回転させる。所定ステップごとに異なる複数の回転角度で取得された撮像データは、直ちに、計測処理部１０に備えられた記憶部１０８に記憶される。
なお、分光撮像部１２の構造は、図１に示した態様に限定されない。例えば、分光撮像部１２は、集光レンズ１２０ａと可変偏光部１２１とが一体に設けられた態様を成していてもよい。その他、分光撮像部１２は、干渉光Ｐ２のうち特定方位に平行な偏光成分を、異なる複数の当該特定方位別に受光可能とするものであれば、他の如何なる態様であっても構わない。
【００３２】
図４は、第１の実施形態に係る分光撮像部の機能を説明する第２の図である。
また、分光撮像部１２は、受光した干渉光Ｐ２の受光強度及び分光スペクトルを、画素１２２ごとに取得する機能を有している。
図４（ａ）に示すように、対象物Ｇの下地層には、膜厚ｄの薄膜層Ｆが積層されている。ここで想定する対象物Ｇとは、例えば、蒸着またはコーティングされた加飾材やセキリティ材等である。なお、本実施形態に係る三次元形状計測装置１の計測対象となる対象物Ｇにおいて、薄膜層Ｆの膜厚ｄは未知であってよく、また、均一に形成されていなくともよい。
【００３３】
図４（ａ）では、対象物Ｇに対して大気層Ａを通じて照射光Ｐ１’が入射角θ１で入射する例を示している。この場合、図４（ａ）に示すように、照射光Ｐ１’は、大気層Ａの屈折率ｎ１（ｎ１＝１．０）、薄膜Ｆの屈折率ｎ２、対象物Ｇの屈折率ｎ３、及び、入射角θ１に応じて、薄膜層Ｆの内部で反射を繰り返しながら、種々の反射光Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４、・・・を出射する。ここで、θ２、θ３はそれぞれ薄膜層Ｆ、対象物Ｇにおける屈折角である。このとき、例えば、薄膜Ｆの表面で反射した反射光Ｐ２１と、薄膜Ｆの内部に透過して下地（対象物Ｇ）で反射して再度大気層Ａを進行する反射光Ｐ２２と、の光路差Ｌにより、強めあう波長と弱めあう波長が生じ、結果として、反射光Ｐ２１、Ｐ２２、・・・の総和である反射光（干渉光Ｐ２）の分光分布が均一でなくなる。ここで、光路差Ｌは、図４（ａ）に示すＢＣ間の距離とＣＤ間の距離との和となるため、式（１）で与えられる。
【００３４】
【数１】
0006365977.tif 000002
【００３５】
式（１）より、反射光Ｐ２１と反射光Ｐ２２との位相差Δは、式（２）により求められる。
【００３６】
【数２】
0006365977.tif 000003
【００３７】
ここで、λは、照射光Ｐ１’及び反射光Ｐ２１の特定の波長である。即ち、位相差Δが２πの自然数倍となる条件を満たす波長λの分光成分が強め合って観測される。
【００３８】
一方、照射光Ｐ１’の強度（光の強さの度合い）を強度Ｅ０とすると、干渉光Ｐ２の強度Ｅは、反射光Ｐ１、Ｐ２、・・・の各々の強度Ｅ１、Ｅ２、・・・の総和となる。この反射光（干渉光Ｐ２）の強度Ｅは、照射光Ｐ１’の強度Ｅ０、フレネル反射係数ｒ１２、ｒ２３及びｒ２１、及び、フレネル透過係数ｔ１２、ｔ２１によって、式（３）のように近似される。
【００３９】
【数３】
0006365977.tif 000004
【００４０】
ここで、フレネル反射係数ｒ１２及びフレネル反射係数ｒ２３は、それぞれ、大気層Ａから薄膜層Ｆに入射しようとする光の反射係数、及び、薄膜層Ｆから対象物Ｇに入射しようとする光の反射係数である。また、フレネル反射係数ｒ２１は、薄膜層Ｆから大気層Ａに入射しようとする光の反射係数である。同様に、フレネル透過係数ｔ１２及びフレネル透過係数ｔ２１は、それぞれ、大気層Ａから薄膜層Ｆに入射しようとする光の透過係数、及び、薄膜層Ｆから大気層Ａに入射しようとする光の透過係数である。
【００４１】
式（１）から反射率Ｒの絶対値に変換すると、照射光Ｐ１’に対する干渉光Ｐ２の反射率Ｒが次の式（４）で表される。
【００４２】
【数４】
0006365977.tif 000005
【００４３】
ここで、ｓ波のフレネル反射係数ｒ及びフレネル透過係数ｔが式（５）で表され、ｐ波のフレネル反射係数ｒ及びフレネル透過係数ｔが式（６）で表されることを用いて変換している。
【００４４】
【数５】
0006365977.tif 000006
【００４５】
【数６】
0006365977.tif 000007
【００４６】
なお、式（５）、式（６）におけるｉ、ｊは自然数である。
【００４７】
図４（ｂ）は、横軸に波長λを、縦軸に波長λごとの受光強度Ｉを示すグラフであり、照射光Ｐ１’の薄膜層Ｆにおける反射によって生じた干渉光Ｐ２の分光スペクトルの例を示している。なお、干渉光Ｐ２そのものの画素１２２における受光強度Ｉａは、分光スペクトルにおける波長λごとの受光強度Ｉを積分することで求められる。
図４（ｂ）に示すように、分光撮像部１２は、薄膜Ｆを介した反射により生成された干渉光Ｐ２の受光強度Ｉａ及びその分光スペクトルを、受光した画素１２２ごとに取得する。分光撮像部１２は、例えば、可視波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの間の分光スペクトルを取得し、計算処理部１０に設けられた記憶部１０８等に撮像データとして記録する。
【００４８】
図５は、第１の実施形態に係る計算処理部の機能構成を示す図である。
図５に示すように、計算処理部１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１００と、操作部１０６と、外部接続インターフェイス１０７と、記憶部１０８と、を備えている。計算処理部１０は、汎用のパーソナルコンピュータ等であってよい。
【００４９】
ＣＰＵ１００は、三次元形状計測装置１の処理全体の制御を司る。ＣＰＵ１００は、所定の記憶領域（記憶部１０８等）に読み込まれた制御・計測用プログラムに基づいて動作することで、撮像制御部１０１、天頂角演算部１０２、方位角演算部１０３、三次元形状構築部１０４及び薄膜特性演算部１０５としての機能を発揮する。
操作部１０６は、例えばマウス、キーボード、タッチパネル等の入力インターフェイスであって、三次元形状計測装置１のオペレータによる各種操作の入力を受け付ける。
記憶部１０８は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶デバイスである。記憶部１０８には、複数の画素１２２ごとに取得された分光スペクトル等が撮像データとして記録される。
外部接続インターフェイス１０７は、外部装置との通信を行うための通信インターフェイスであり、外部接続インターフェイス１０７は、専用の通信ケーブル等を介して偏光照射部１１及び分光撮像部１２に接続されている。
【００５０】
また、ＣＰＵ１００は、次の各機能部として機能する。
撮像制御部１０１は、外部接続インターフェイス１０７を介して接続された偏光照射部１１、分光撮像部１２に所定の制御信号を出力しながら、当該偏光照射部１１による照射光の照射、分光撮像部１２による撮像処理等を制御する。
例えば、撮像制御部１０１は、偏光照射部１１に対し対象物Ｇ（図１）への照射光Ｐ１’の照射を実施させながら、分光撮像部１２に対し、撮像データ（画素１２２ごとの分光スペクトル）を取得させる。このとき、撮像制御部１０１は、所定の制御信号を通じて、分光撮像部１２の可変偏光部１２１の回転角度を所定ステップごとに変化させながら、その都度、撮像データを取得させる。このようにすることで、分光撮像部１２０は、干渉光Ｐ２のうち、上記所定ステップごとに異なる複数の方位ｎ（図３）に平行な偏光成分ごとの分光スペクトルを、自動的に取得することができる。
【００５１】
天頂角演算部１０２は、画素１２２の各々において最大の受光強度を与える波長に基づいて、当該画素１２２に対応する対象物Ｇの表面部位ごとの法線の、基準軸Ｏに対する角度（天頂角）を特定する。
方位角演算部１０３は、画素１２２の各々において最大の受光強度を与える可変偏光部１２１の回転角度（方位ｎ）に基づいて、当該画素１２２に対応する対象物Ｇの表面部位ごとの法線の方位角を特定する。
三次元形状構築部１０４は、天頂角演算部１０２及び方位角演算部１０３によって特定された表面部位ごとの法線（法線ベクトル）の向く方位に基づいて、対象物Ｇを構成する表面部位ごとの面の向きを特定しながら、撮像データを有する各画素１２２に対応する表面部位を全て繋ぎ合わせることで、対象物Ｇの三次元形状を構築する。
薄膜特性演算部１０５は、画素１２２ごとに取得された分光スペクトル（図４（ｂ）参照）と、照射光Ｐ１’の入射角（入射角θ１、図４（ａ）参照）と、薄膜層Ｆの膜厚ｄ及び屈折率ｎ２（図４（ａ））と、の関係を示す理論式に基づいて、対象物Ｇの表面部位ごとの、薄膜層Ｆの膜厚ｄ及び屈折率ｎ２を算出する。
【００５２】
図６は、第１の実施形態に係る計算処理部の処理フローを示す図である。
以下、計算処理部１０（ＣＰＵ１００）の各機能構成による具体的な処理フローについて、図６及び以下に示す図７〜図９を用いて説明する。
まず、撮像制御部１０１は、操作部１０６を通じてオペレータから計測開始の指示を受け付けると、偏光照射部１１による対象物Ｇへの照射処理、及び、分光撮像部１２による撮像処理を実施し、撮像データを取得する（ステップＳ１）。このとき、撮像制御部１０１は、分光撮像部１２の可変偏光部１２１の回転角度を所定ステップごとに変更しながら連続的に撮像データを複数取得する。撮像制御部１０１は、分光撮像部１２により取得された撮像データを逐次記憶部１３に記録する。
次に、天頂角演算部１０２は、取得された撮像データから、撮像データを構成する画素１２２ごとに対応する対象物Ｇの各表面部位における法線の天頂角を算出する（ステップＳ２）。天頂角演算部１０２によるステップＳ２の処理について、以下の図７、図８を参照しながら詳細に説明する。
【００５３】
図７は、第１の実施形態に係る天頂角演算部の機能を説明する第１の図である。
図７は、対象物Ｇの一部を側面側（−Ｙ方向側）からみた場合の様子を示している。
図７に示すように、天頂角演算部１０２は、対象物Ｇの表面部位ごとの法線ベクトルの方位を特定する。例えば、天頂角演算部１０２は、対象物Ｇのある表面部位ｇ１に対応する画素１２２において取得された分光スペクトルに基づいて、表面部位ｇ１の法線ベクトルＮの天頂角θを特定する。同様に、天頂角演算部１０２は、表面部位ｇ１’に対応する画素１２２において取得された分光スペクトルに基づいて、法線ベクトルＮ’の天頂角θ’を特定する。このようにして、天頂角演算部１０２は、対象物Ｇの全表面部位に対応する法線の天頂角を特定する。
具体的には、天頂角演算部１０２は、以下に説明するように、最大の受光強度を与える波長（ピーク波長λｔ）の受光強度Ｉｔと、当該ピーク波長λｔの光の対象物Ｇの表面に対する入射角θ１と、の関係を示す理論式に基づいて、実測値（分光スペクトル）から入射角θ１を特定することで、天頂角θを特定する。
【００５４】
図８は、第１の実施形態に係る天頂角演算部の機能を説明する第２の図である。
ここで、図８（ａ）は、横軸に波長λを、縦軸に反射率Ｒを示すグラフである。ここで、縦軸の反射率Ｒは、事前に実施される測定により、受光強度Ｉと一対一に対応付けられている。
上述の図４（ａ）に示したように、薄膜層Ｆを有する表面で反射する各反射光Ｐ２１、Ｐ２２、・・・の光路差Ｌは、入射角θ１（屈折角θ２）に依存して変化する（式（１）参照）ため、強め合う波長λｔは、当該入射角θ１に対応する。したがって、図８（ａ）に示すように、入射角θ１が、１０度、３０度、６０度と大きくなるにつれ、ピーク波長λｔは、λ３、λ２、λ１（λ３＞λ２＞λ１）と、シフトする。また、ピーク波長λｔの受光強度Ｉｔに対応する反射率Ｒｔは、Ｒ３、Ｒ２、Ｒ１（Ｒ３＜Ｒ２＜Ｒ１）と徐々に大きくなる傾向が示される。
【００５５】
ここで、大気層Ａ、薄膜層Ｆ及び下地層（対象物Ｇ）の各屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３が、ｎ１＜ｎ２＜ｎ３の条件を満たす場合、ピーク波長λｔにおける位相差Δが２πになるため、層の屈折率ｎ２が未知であっても式（４）を、次の式（７）のように近似することができる。
【００５６】
【数７】
0006365977.tif 000008
【００５７】
ここで、図８（ｂ）は、横軸に入射角θ１を、縦軸にピーク波長λｔの反射率Ｒｔを示すグラフであり、式（７）の理論式により与えられるグラフである。
天頂角演算部１０２は、下地層（対象物Ｇ）の屈折率ｎ３が既知であれば、薄膜層Ｆの屈折率ｎ２が未知であっても、実測により得られた受光強度Ｉｔ（反射率Ｒｔ）を式（７）に当てはめることで、入射角θ１を特定することができる。また、画素１２２ごとに求められた入射角θ１は、その表面部位における反射角である天頂角θに一致する（図３参照）。したがって、天頂角演算部１０２は、ピーク波長λｔの受光強度Ｉｔと、当該ピーク波長λｔの光の対象物Ｇの表面に対する入射角θ１と、の関係を示す理論式（式（７））に基づいて、各表面部位における法線の天頂角θを特定することができる。
【００５８】
天頂角演算部１０２が、各表面部位における法線の天頂角θを特定すると、次いで、方位角演算部１０３が、ステップＳ１で取得された撮像データから、撮像データを構成する画素１２２ごとに対応する対象物Ｇの各表面部位における法線の方位角を算出する（図６、ステップＳ３）。方位角演算部１０３によるステップＳ３の処理について、以下の図９を参照しながら詳細に説明する。
【００５９】
図９は、第１の実施形態に係る方位角演算部の機能を説明する図である。
図９（ａ）は、対象物Ｇを分光撮像部１２側（＋Ｚ方向側）からみた場合の図である。
方位角演算部１０３は、対象物Ｇの表面部位ごとに、干渉光Ｐ２の最大の受光強度を与える可変偏光部１２１の回転角度（即ち、可変偏光部１２１が透過させる特定の偏光成分の方位ｎ）に基づいて、対象物Ｇの表面部位ごとの法線の方位角φを特定する。
例えば、図９（ａ）に示すように、方位角演算部１０３は、表面部位ｇ１に対応する画素１２２において受光した干渉光Ｐ２の受光強度の最大値を与える可変偏光部１２１の回転角度に基づいて、当該表面部位ｇ１における法線ベクトルＮ１の方位角φ１を特定する。同様に、方位角演算部１０３は、表面部位ｇ２、ｇ３、ｇ４、・・・の各々に対応する画素１２２において受光した干渉光Ｐ２の受光強度の最大値を与える回転角度に基づいて、当該表面部位ｇ２、ｇ３、ｇ４、・・・の各々における法線ベクトルＮ２、Ｎ３、Ｎ４、・・・の方位角φ２、φ３、φ４、・・・を特定する。
【００６０】
ここで、図９（ｂ）は、横軸に可変偏光部１２１の回転角度ｋを、縦軸に干渉光Ｐ２の受光強度Ｉａを表したグラフである。受光強度Ｉａは、画素１２２ごとに取得された分光スペクトル（図４（ｂ）参照）から求められる。
例えば、方位角演算部１０３は、ある表面部位ｇ１に対応する画素１２２において、可変偏光部１２１の複数の異なる回転角度ｋごとに取得された複数の受光強度Ｉａを比較して、最大の受光強度Ｉａ１を特定する。ここで、表面部位ｇ１に対応する画素１２２において、当該表面部位ｇ１で反射した干渉光Ｐ２を最大限に受光可能となる条件は、可変偏光部１２１の方位ｎが当該干渉光Ｐ２の偏光成分の振動方向に一致する場合である（図３参照）。したがって、方位角演算部１０３は、図９（ｂ）において最大の受光強度Ｉａ１を与える可変偏光部１２１の回転角度ｋ１が、干渉光Ｐ２の偏光成分の振動方向に一致し、更に、表面部位ｇ１の法線ベクトルＮ１の方位角φ１に一致するものとみなす。このようにして、方位角演算部１０３は、各表面部位に対応する各画素１２２において最大の受光強度Ｉａを与える回転角度ｋを、当該表面部位ごとに特定し、対象物Ｇの各表面部位における法線ベクトルＮの方位角φを特定する。
【００６１】
なお、上述の方法の場合、最大の受光強度Ｉａ１を与える回転角度ｋ１を特定したとしても、対応する表面部位ｇ１における方位角φ１は、回転角度ｋ１と一致する角度か、回転角度ｋ１から１８０°回転した角度か、を特定することができない。
したがって、本実施形態に係る方位角演算部１０３は、方位角φを、各表面部位の、対象物Ｇを分光撮像部１２からみた場合における当該対象物Ｇの外縁との位置関係に基づいて一意に特定する。具体的には、方位角演算部１０３は、図９（ａ）に示すように、対象物Ｇの外縁を示す輪郭線Ｇｃを抽出する。輪郭線Ｇｃは、対象物Ｇの領域と、当該対象物Ｇが存在しない大気層Ａの領域と、を区画する境界である。ここで、輪郭線Ｇｃの各所における表面部位の法線ベクトルＮが向く方位は、当該輪郭線Ｇｃの各所において対象物Ｇの領域から大気層Ａの領域に向かう方位に一致する。したがって、本実施形態に係る方位角演算部１０３は、輪郭線Ｇｃの区画内に配される他の表面部位の法線ベクトルは、当該表面部位から近い側に配される輪郭線Ｇｃの所定箇所における法線ベクトルと同じ方位を向いているものと仮定して、方位角φを一意に特定する。
例えば、方位角演算部１０３は、まず、図９（ａ）における表面部位ｇ１における方位角φ１が、回転角度ｋ１、又は、回転角度ｋ１＋１８０°の何れかであるところまで特定する。次に、方位角演算部１０３は、表面部位ｇ１の位置から方位角φ１＝ｋ１の方位に位置する輪郭線Ｇｃまでの距離と、表面部位ｇ１から方位角φ１＝ｋ１＋１８０°の方位に位置する輪郭線Ｇｃまでの距離と、を比較する。そして、方位角演算部１０３は、比較の結果、上記距離が短かった方の輪郭線Ｇｃを向く方位となるように方位角φ１を特定する。
【００６２】
天頂角演算部１０２により対象物Ｇの各表面部位における天頂角θを特定され、方位角演算部１０３により同表面部位における法線の方位角φを特定されたことで、各表面部位に対応する法線ベクトルＮの三次元空間上の方位、即ち、画素１２２ごとに対応する表面部位ごとの面の向きが特定される。三次元形状構築部１０４は、ステップＳ２〜Ｓ３の処理によって特定された表面部位ごとの面の向きを参照しながら各表面部位を連結しながら三次元形状を構築する（ステップＳ４）。
以上の処理により、計算処理部１０は、分光撮像部１２により取得された複数の撮像データに基づいて、対象物Ｇの三次元形状の計測を完了する。
【００６３】
更に、本実施形態に係る計算処理部１０は、薄膜特性演算部１０５の機能により、対象物Ｇの表面に形成された薄膜層Ｆ（図４（ａ））の特性も取得することができる。薄膜特性演算部１０５は、ステップＳ２で天頂角演算部１０２により特定された表面部位ごとの天頂角θ１を利用して、当該表面部位の各々に形成された薄膜層Ｆの膜厚ｄ及び屈折率ｎ２（図４（ａ））を算出する（図６、ステップＳ５）。
【００６４】
以下、次に、以下に示す各数式を参照しながら、薄膜特性演算部１０５の機能について説明する。まず、上述した式（１）、（２）より、波長λと位相差Δとの関係を示す一般式は、式（８）のように表される。
【００６５】
【数８】
0006365977.tif 000009
【００６６】
なお、式（８）のθ２は、屈折角θ２（図４（ａ））である。
ここで、干渉光Ｐ２のうち強め合いを起こす分光成分の波長（ピーク波長λｔ）においては、その位相差Δｔが、２πの自然数ｍ（ｍ＝１、２、・・・）倍になる。これと、式（８）より、強め合いを起こす分光成分の位相差Δｔは次の式（９）のように表される。
【００６７】
【数９】
0006365977.tif 000010
【００６８】
となる。ｃｏｓ２θ＝１−ｓｉｎ２θと、スネルの法則より、式（９）は、式（１０）のように変形される。
【００６９】
【数１０】
0006365977.tif 000011
【００７０】
式（１０）より、薄膜層Ｆの膜厚ｄは、式（１１）となる。
【００７１】
【数１１】
0006365977.tif 000012
【００７２】
よって、式（８）の位相差Δは、式（１２）のように表される。
【００７３】
【数１２】
0006365977.tif 000013
【００７４】
そして、式（１２）と式（５）と、を式（４）に代入すると、未知となる係数は薄膜層Ｆの屈折率ｎ２と自然数ｍである。ここで、入射角θ１は、天頂角演算部１０２が実測値（分光スペクトル）に基づいて特定した天頂角θの導出の際に既知となっている。また、ピーク波長λｔは、画素１２２において取得された実測値（分光スペクトル）により既知となっている。
【００７５】
屈折率ｎ２は大気層Ａの屈折率ｎ１（＝１．０）より大きく下地層（対象物Ｇ）の屈折率ｎ３より小さいことが想定されている。また、膜厚ｄは１０００ｎｍ以下であることが想定される場合、自然数ｍが取り得る値は、２、３種類程度に限定される。薄膜特性演算部１０５は、このような制約条件を用いて、理論式に基づいて導かれる理論上の反射率Ｒｅと、実際に画素１２２において計測された反射率Ｒｏと、の二乗誤差を式（１３）のように最小化する屈折率ｎ２と自然数ｍを算出する。例えば、薄膜特性演算部１０５は、可視波長３８０〜７８０ｎｍの間で上記誤差が最小となるように、屈折率ｎ２と自然数ｍとを推定する。
【００７６】
【数１３】
0006365977.tif 000014
【００７７】
推定された自然数ｍと薄膜層Ｆの屈折率ｎ２により、薄膜層Ｆの膜厚ｄが、式（１１）を通じて特定される。薄膜特性演算部１０５は、薄膜特性演算部１０５は、このようにして、対象物Ｇの表面上に形成された薄膜層Ｆの膜厚ｄと屈折率ｎ２の面内分布を算出する（ステップＳ５）。
【００７８】
図１０は、第１の実施形態に係る撮像データ及び膜厚分布の例を示す図である。
図１０（ａ）は、分光撮像部１２が干渉光Ｐ２を取り込んで、画素１２２ごとに取得した分光スペクトルにより構成された画像（撮像データ）の例である。
図１０（ａ）に示す撮像データは、分光撮像部１２により取得される対象物Ｇの撮像データである。円柱状の対象物Ｇの各表面部位において生じた干渉光Ｐ２が、対応する画素１２２の各々において取り込まれる。撮像データ（図１０（ａ））は、画素１２２ごとに観測されたピーク波長λｔを、当該画素１２２において表示する色情報（Ｒ、Ｇ、Ｂ各々の数値の組み合わせからなる情報）に対応させた画像情報である（撮像データは、虹色に分布した画像情報となる）。
図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のように取得された分光スペクトルに基づいて、薄膜特性演算部１０５が算出した薄膜層Ｆの膜厚分布である。本実施形態に係る三次元形状計測装置１は、対象物Ｇの三次元形状だけでなく、図１０（ｂ）に示すような、当該対象物Ｇの表面に形成された薄膜層Ｆの特性（膜厚ｄ、屈折率ｎ２）の分布を推定することができる。
【００７９】
以上、第１の実施形態に係る三次元形状計測装置１によれば、上述した天頂角演算部１０２及び方位角演算部１０３の機能により対象物Ｇの表面部位ごとの法線の向く方位を一意に特定するので、表面に薄膜が形成されて構造色を有する実物体の三次元形状を精度よく、当該対象物の三次元形状を計測することができる。
【００８０】
また、第１の実施形態に係る三次元形状計測装置１は、天頂角演算部１０２により、ピーク波長λｔの受光強度Ｉａ（反射率Ｒ）と、当該ピーク波長λｔの光の対象物Ｇの表面に対する入射角θ１と、の関係を示す理論式（式（７））に基づいて入射角を特定することを特徴としている。これにより、三次元形状計測装置１は、薄膜層Ｆの特性（膜厚ｄ、屈折率ｎ２）が未知のままであっても、天頂角（入射角θ１）を特定することが可能となる。
なお、他の実施形態に係る三次元形状計測装置１は、薄膜層Ｆの特性（膜厚ｄ、屈折率ｎ２）が既知であることを前提として、分光スペクトルに基づいて天頂角を特定するものであってもよい。薄膜層Ｆの特性が既知の場合、天頂角演算部１０２は、単に、観測されたピーク波長λｔから式（１１）等に基づいて天頂角（入射角θ１）を特定するものであってもよい。
【００８１】
また、第１の実施形態に係る三次元形状計測装置１は、薄膜特性演算部１０５により、画素１２２ごとに取得された分光スペクトルと、入射角θ１と、薄膜層Ｆの特性（膜厚ｄ及び屈折率ｎ２）と、の関係を示す理論式に基づいて、対象物Ｇの各表面部位における薄膜層Ｆの当該特性を推定可能としている。
これにより、三次元形状計測装置１は、対象物Ｇの三次元形状だけでなく、当該対象物Ｇの表面に形成された薄膜層Ｆの特性（膜厚ｄ、屈折率ｎ２）の分布を推定することができる。
【００８２】
以上、第１の実施形態に係る三次元形状計測装置１について詳細に説明したが、本実施形態に係る三次元形状計測装置１の具体的な態様は、上述のものに限定されることはなく、要旨を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を加えることは可能である。
例えば、他の実施形態に係る三次元形状計測装置１は、三次元形状を有する対象物Ｇの表面に形成された薄膜層Ｆの特性を計測する薄膜計測装置として機能するものであってもよい。この場合、当該薄膜計測装置としての三次元形状計測装置１は、方位角φを特定する機能を有していなくともよく、したがって、方位角演算部１０３、及び、方位角を特定するために必要な可変偏光部１２１を具備しなくともよい。ただし、当該他の実施形態に係る三次元形状計測装置１の他の機能構成は、第１の実施形態（図１）と同様である。
【００８３】
即ち、他の実施形態に係る三次元形状計測装置１（薄膜計測装置）は、表面に薄膜層Ｆが形成された対象物Ｇに対し、所定の基準軸Ｏに平行な偏光成分のみを有する照射光Ｐ１’を、当該対象物Ｇの全方位から均一に照射する偏光照射部１１と、対象物Ｇの基準軸Ｏ上に設けられ、当該対象物Ｇの表面で反射して生成された干渉光Ｐ２を受光するとともに、受光した干渉光Ｐ２の受光強度及び分光スペクトルを、内部に配列された複数の画素１２２ごとに取得する分光撮像部１２と、を備えている。
さらに、三次元形状計測装置１（薄膜計測装置）は、画素１２２の各々において最大の受光強度を与える波長（ピーク波長λｔ）に基づいて、当該画素１２２に対応する対象物Ｇの表面部位ごとにおける照射光Ｐ１’の入射角θ１を特定する入射角演算部と、分光撮像部１２の画素１２２ごとに取得された分光スペクトルと、照射光Ｐ１’の入射角θ１と、対象物Ｇの表面に形成された薄膜の膜厚ｄ及び屈折率ｎ２と、の関係を示す理論式に基づいて、対象物Ｇの特定の表面部位に形成された薄膜の膜厚ｄ及び屈折率ｎ２を算出する薄膜特性演算部１０５と、を備えている。ここで、入射角演算部は、第１の実施形態に係る天頂角演算部１０２と同様の機能構成により実現される（図７、図８等を参照）。
【００８４】
従来、薄膜の膜厚を計測する手段としては、分光干渉法やエリプソメトリ等が代表的である。しかしながら、これらの手段はいずれも、スポット光が照射された小領域の膜厚しか測定することができず、また、複雑な凹凸の表面上に形成された薄膜の膜厚を計測することは困難である。
一方、本実施形態に係る薄膜計測装置によれば、複雑な表面形状を有する対象物に対する１回の分光撮影だけで、下地層（対象物Ｇ）に積層された薄膜層Ｆの屈折率ｎ２と膜厚ｄの面内分布を全て計測することができる。したがって、複雑な三次元形状の表面上に形成された薄膜の特性を簡素に把握することができる。
【００８５】
また、上述の各実施形態においては、ＣＰＵ１００の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各手順を行うものとしている。ここで、上述したＣＰＵ１００の各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって上記各種処理が行われる。ここで、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
また、ＣＰＵ１００の各機能構成が、ネットワークで接続される複数の装置に渡って具備される態様であってもよい。
【００８６】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００８７】
１  三次元形状計測装置（薄膜計測装置）
１０  計算処理部
１００  ＣＰＵ
１０１  撮像制御部
１０２  天頂角演算部（入射角演算部）
１０３  方位角演算部
１０４  三次元形状構築部
１０５  薄膜特性演算部
１０６  操作部
１０７  外部接続インターフェイス
１０８  記憶部
１１  偏光照射部
１１０  光源（全方位照射部）
１１１  拡散板（全方位照射部）
１１２  固定偏光部
１２  分光撮像部
１２０  本体部
１２１  可変偏光部
１２２  画素
Ｇ  対象物
ｇ１  表面部位
Ｏ  基準軸
Ａ  大気層
Ｆ  薄膜層
Ｐ１、Ｐ１’  照射光
Ｐ２  干渉光
【図１】
0006365977.tif 000015
【図２】
0006365977.tif 000016
【図３】
0006365977.tif 000017
【図４】
0006365977.tif 000018
【図５】
0006365977.tif 000019
【図６】
0006365977.tif 000020
【図７】
0006365977.tif 000021
【図８】
0006365977.tif 000022
【図９】
0006365977.tif 000023
【図１０】
0006365977.tif 000024