(57)【要約】【目的】被測定体までの距離を計測する測距手段と、計測距離に応じて投影レンズ系および結像レンズ系のフォーカス調整を行なうフォーカス調整手段と、フォーカス調整がなされた状態のモアレ縞の縞感度を算定する縞感度算定手段とを備えることにより、被測定体までの距離が変わっても容易に高精度な形状解析を行なえるようにする。【解決手段】測距手段はＣＣＤカメラ５２および距離算定部７５により構成され、フォーカス調整手段は両レンズ系４２，４４を支持する第２の移動ステージ６６，フォーカスモータ６７、ドライバ７９およびフォーカス調整部７４により構成されている。また、縞感度算定手段は縞感度調整部７１により構成され、フォーカス調整がなされた状態のモアレ縞の縞感度が所定の縞感度となるように、両光軸Ａｘ１，Ａｘ２間の距離を調整する。【選択図】          図２
2005214807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定体上に投影格子の像を投影する投影レンズ系と、この投影により前記被測定体上に形成された変形格子像を観測用基準格子上に結像させて前記被測定体の形状に対応するモアレ縞を形成する結像レンズ系とを備えた格子投影型モアレ装置において、
前記被測定体までの距離を計測する測距手段と、
該測距手段により計測された前記距離に応じて、前記投影レンズ系および前記結像レンズ系のフォーカス調整を行なうフォーカス調整手段と、
該フォーカス調整手段による前記フォーカス調整がなされた状態の前記モアレ縞の縞感度を算定する縞感度算定手段とを備えてなることを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項２】
前記縞感度算定手段により算定された前記縞感度に基づき、前記フォーカス調整がなされた状態の前記モアレ縞から前記被測定体の形状解析を行なうように構成されていることを特徴とする請求項１記載の格子投影型モアレ装置。
【請求項３】
前記フォーカス調整がなされた状態の前記モアレ縞の縞感度が所定の縞感度となるように、前記投影レンズ系および前記結像レンズ系の各光軸間の距離を調整するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の格子投影型モアレ装置。
【請求項４】
光源からの光を前記投影格子に照射し前記投影レンズ系を介して前記被測定体を照明する格子照明系を備え、
前記各光軸間の距離の調整操作に応じて、前記投影レンズ系の光軸に対する前記格子照明系の光軸の傾きを調整するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の格子投影型モアレ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は格子投影型のモアレ装置に関し、特に投影レンズ系および結像レンズ系のフォーカス調整機能を備えた格子投影型モアレ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定体の立体形状情報の取り込みを短時間で容易に行なうための装置として、格子投影型モアレトポグラフィ手法を利用した格子投影型モアレ装置が知られている。この格子投影型モアレ装置は、互いに平行な光軸を有する投影レンズ系および結像レンズ系を備えており、投影レンズ系によって投影格子の像を被測定体上に投影することにより被測定体上に形成された変形格子像を、結像レンズ系によって観測用基準格子（撮影格子）上に結像させ、この結像により形成される等高線モアレ縞の画像を撮像手段によって取り込むように構成されている。
【０００３】
このような格子投影型モアレ装置を用いて被測定体の形状解析を行なう際には、観測される等高線モアレ縞の縞間隔と被測定体形状の高低差との対応関係を示す縞感度を確定することが重要となる。この縞感度は投影格子および観測用基準格子の格子ピッチや、投影レンズ系および結像レンズ系の各光軸間距離等の装置構成によって変化するが、投影レンズ系および結像レンズ系がテレセントリックなものとされない一般的な格子投影型モアレ装置においては、装置から被測定体までの距離によっても大きく変化することが知られている。
【０００４】
このため一般的な格子投影型モアレ装置においては、観測される等高線モアレ縞の各縞が、装置と被測定体との間に仮想的に形成される複数の等次数モアレ面の何番目に対応したものであるのかを求めて各縞の縞感度を決定する必要があり、そのために装置から被測定体までの距離を正確に計測することが重要となる。従来、上記撮像手段として用いられるＣＣＤカメラのオートフォーカス機能を用いてこの距離計測を行ない、それに基づき縞感度の補正を行なうようにした格子投影型モアレ装置も知られている（下記特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−４６５３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、投影格子の像がいわゆるピントの合った状態で形成されるのは、投影レンズ系の焦点距離や投影レンズ系から投影格子までの距離等によって決定される合焦位置を挟む焦点深度の距離範囲内に限られる。このため、この距離範囲内に被測定体を設置しなければ、変形格子像がいわゆるピンボケ状態となり正確な形状解析を行なうことができない。従来の多くの格子投影型モアレ装置は、投影格子の像の形成位置が装置から所定の距離で固定されており、このため被測定体の設置位置が非常に制限されるという問題がある。
【０００７】
一方、投影レンズ系および結像レンズ系の各フォーカス調整機能を備えた格子投影型モアレ装置も知られている。しかし、これまでのものでは、投影レンズ系におけるフォーカス調整と結像レンズ系におけるフォーカス調整とを、オペレータがそれぞれ別個に行なわなければならず、またフォーカス調整とは別に、被測定体までの距離が変わる度にそれを正確に計測して縞感度を求める必要もある。このため測定手順が煩雑となり、高精度な形状解析を行なうためには多くの時間を要するという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、被測定体までの距離の設定許容範囲が広く、被測定体までの距離が変わっても容易に高精度な形状解析を実施し得る格子投影型モアレ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】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明に係る格子投影型モアレ装置は、
被測定体上に投影格子の像を投影する投影レンズ系と、この投影により前記被測定体上に形成された変形格子像を観測用基準格子上に結像させて前記被測定体の形状に対応するモアレ縞を形成する結像レンズ系とを備えた格子投影型モアレ装置において、
前記被測定体までの距離を計測する測距手段と、
該測距手段により計測された前記距離に応じて、前記投影レンズ系および前記結像レンズ系のフォーカス調整を行なうフォーカス調整手段と、
該フォーカス調整手段による前記フォーカス調整がなされた状態の前記モアレ縞の縞感度を算定する縞感度算定手段とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明において、前記縞感度算定手段により算定された前記縞感度に基づき、前記フォーカス調整がなされた状態の前記モアレ縞から前記被測定体の形状解析を行なうように構成することができる。
【００１１】
また、前記フォーカス調整がなされた状態の前記モアレ縞の縞感度が所定の縞感度となるように、前記投影レンズ系および前記結像レンズ系の各光軸間の距離を調整するように構成してもよい。
【００１２】
また、光源からの光を前記投影格子に照射し前記投影レンズ系を介して前記被測定体を照明する格子照明系とを備えるものとし、前記各光軸間の距離の調整に応じて、前記投影レンズ系の光軸に対する前記格子照明系の光軸の傾きを調整するように構成することもできる。
【００１３】
なお、上記「フォーカス調整がなされた状態」とは、フォーカス調整が実際になされた状態と、仮想的になされた状態との双方を含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る格子投影型モアレ装置によれば、上記構成を備えていることにより、被測定体までの距離の設定許容範囲が広く、被測定体までの距離が変わっても容易に高精度な形状解析を行なうことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態に係る格子投影型モアレ装置の全体構成を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る格子投影型モアレ装置（以下、単に「モアレ装置」と称することがある）１０は、測定ヘッド１２，電源機器駆動部１４，制御部１６，およびモニタ１８を備えてなり、測定ヘッド１２において被測定体２の立体形状情報およびテクスチャ情報を取り込み、これら立体形状情報およびテクスチャ情報を電源機器駆動部１４を介して制御部１６へ出力し、制御部１６において立体形状情報とテクスチャ情報とを合成処理して被測定体２の３次元イメージを生成し、これをモニタ１８に表示するようになっている。制御部１６にはキーボード２０およびマウス２２が接続されており、これらを操作することにより、モニタ１８における３次元イメージの表示角度の変更等その表示内容の切換え操作を行なうことができるようになっている。
【００１７】
また、上記測定ヘッド１２における立体形状情報の取り込みは、格子投影型モアレトポグラフィ手法を利用して行なうようになっている。図１において、測定ヘッド１２の前方に１点鎖線で示すのが、格子投影型モアレトポグラフィ手法における仮想基準格子面Ｐｇである。この測定ヘッド１２および上記制御部１６の基本構成および測定ヘッド１２による格子投影型モアレトポグラフィ手法の基本的作用を、図２および図３を用いて説明する。図２は測定ヘッド１２および制御部１６の基本構成を示す平面図、図３は測定ヘッド１２による格子投影型モアレトポグラフィ手法の基本的作用を示す図である。
【００１８】
図２に示すように測定ヘッド１２は、投影光学系２６および観測光学系２８を備えてなる。投影光学系２６は、台板３４上に配置された照明ランプ３２，熱線カットフィルタ（図示略）およびコンデンサレンズ３６からなる格子照明系３８と、投影格子４０と、投影レンズ系４２とを備えてなり、一方、観測光学系２８は、結像レンズ系４４と、観測用基準格子（撮影格子）４６と、フィールドレンズ４８，折り返しミラー５０およびＣＣＤカメラ５２からなるテレビ光学系５４とを備えてなる。
【００１９】
上記投影レンズ系４２および結像レンズ系４４は、その各光軸Ａｘ１およびＡｘ２が互いに平行になるようにして取り付けられている。また上記格子照明系３８は、その光軸Ａｘ３が上記投影レンズ系４２の光軸Ａｘ１と斜交するように配置されており、照明ランプ３２の光源３３から出た光を図中左斜め上方から投影格子４０に照射して、投影レンズ系４２の略入射瞳位置に光源３３の像を形成するとともに、投影レンズ系４２を介して被測定体２を照明するようになっている。
【００２０】
上記投影レンズ系４２は、投影格子４０の像を図２に１点鎖線で示す仮想基準格子面Ｐｇ上に結ぶように構成され、その焦点深度δ内に配置された被測定体２上にピントの合った変形格子像を形成するようになっている。一方、上記結像レンズ系４４は、被測定体２上に形成された変形格子像を観測用基準格子４６上に結像するように構成されている。すなわち、投影レンズ系４２において投影格子４０は仮想基準格子面Ｐｇと共役の位置関係で配置されており、一方、結像レンズ系４４において観測用基準格子４６も仮想基準格子面Ｐｇと共役の位置関係で配置されている。
【００２１】
なお、本実施形態において、上記投影レンズ系４２および結像レンズ系４４は、焦点距離等のレンズ特性が互いに略同一に構成されており、投影格子４０および観測用基準格子４６は、各光軸Ａｘ１，Ａｘ２上における投影レンズ系４２および結像レンズ系４４までの距離が互いに略同一となるように配置されている。また、投影格子４０および観測用基準格子４６は、いずれも互いに等しいピッチで上下方向（紙面に垂直な方向）に延びる格子線を有しており、光軸Ａｘ１およびＡｘ２と直交する同一平面内に設けられている。
【００２２】
一方、上記テレビ光学系５４のフィールドレンズ４８および折り返しミラー５０は、共に結像レンズ系４４の光軸Ａｘ２上に配置されており、上記ＣＣＤカメラ５２は、光軸Ａｘ２に対して折り返しミラー５０により直角に折り返された光軸上に配置されている。そしてテレビ光学系５４は、フィールドレンズ４８および折り返しミラー５０を経由した観測用基準格子４６の像をＣＣＤカメラ５２において撮影レンズ５６によりＣＣＤイメージセンサ５８上に結像させて、これをＴＶ画像として取り込むようになっている。これにより、変形格子像が観測用基準格子４６上に結像されることにより生じるモアレ縞の像が取り込まれる。なお、ＣＣＤカメラ５２は、ＣＣＤイメージセンサ５８が検出する光量に応じて撮影レンズ５６のフォーカスを自動調整するオートフォーカス機能を有している。
【００２３】
図３において１点鎖線で示す仮想基準格子面Ｐｇおよびこの仮想基準格子面Ｐｇと平行な実線で示す複数の面が次数の異なる等次数モアレ面（以下モアレ面という）を形成しており、これら各モアレ面と被測定体２が交差する曲線に沿ってモアレ縞が形成されることとなる。図３には、仮想基準格子面Ｐｇの手前側（図中下側）にのみ実線でモアレ面を示しているが、仮想基準格子面Ｐｇの奥側（図中上側）にも複数のモアレ面が形成される。したがって、被測定体２が仮想基準格子面Ｐｇを前後にまたがるように配置された場合においてもモアレ縞は形成される。
【００２４】
上述したように投影格子４０の像がピントの合った状態で形成されるのは、投影レンズ系４２の焦点距離や投影レンズ系４２から投影格子４０までの距離等によって決定される合焦位置を挟む焦点深度δ（図２参照）の距離範囲内に限られるため、この距離範囲内に被測定体２を設置しなければ、変形格子像がピンボケ状態となり正確な形状解析を行なうことができない。本実施形態に係る格子投影型モアレ装置１０は、被測定体２までの距離の設定許容範囲が広く、被測定体２までの距離が変わっても容易に高精度な形状解析を実施することができるようにするため、以下の特徴を備えている。
【００２５】
すなわち、上記モアレ装置は、被測定体までの距離を計測する測距手段と、該測距手段により計測された前記距離に応じて、投影レンズ系および結像レンズ系のフォーカス調整を行なうフォーカス調整手段と、該フォーカス調整手段によるフォーカス調整がなされた状態のモアレ縞の縞感度を算定する縞感度算定手段とを備えてなる。
【００２６】
また、フォーカス調整がなされた状態のモアレ縞の縞感度が所定の縞感度となるように、投影レンズ系および結像レンズ系の各光軸間の距離を調整するように構成されており、さらにこの各光軸間の距離の調整操作に応じて、投影レンズ系の光軸に対する格子照明系の光軸の傾きを調整するように構成されている。
【００２７】
以下、この特徴点について、図２を参照しながらより詳細に説明する。図２に示すように格子照明系３８は照明系調整ステージ６０上に配置されている。この照明系調整ステージ６０は、駆動モータ６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃによってそれぞれ駆動される１軸ステージ６０Ａ，回転ステージ６０Ｂ，１軸ステージ６０Ｃを備えてなる。１軸ステージ６０Ａは、格子照明系３８を台板３４と共に格子照明系３８の光軸Ａｘ３の方向に移動させるように構成されている。回転ステージ６０Ｂは、１軸ステージ６０Ａを格子照明系３８と共に支持し、格子照明系３８を紙面と直交する所定の回転軸（図示略）周りに回動させるように構成されている。また、１軸ステージ６０Ｃは、回転ステージ６０Ｂを１軸ステージ６０Ａ，格子照明系３８と共に支持し、格子照明系３８を紙面内において上記投影レンズ系４２の光軸Ａｘ１と直角な方向（図中左右方向）に移動させるように構成されている。
【００２８】
これら１軸ステージ６０Ａ，回転ステージ６０Ｂ，１軸ステージ６０Ｃの各動きにより照明系調整ステージ６０は、投影レンズ系４２の入射瞳の中心位置を回転中心として格子照明系３８の位置を調整し、光軸Ａｘ１に対する格子照明系３８の光軸Ａｘ３の傾きを変えて、光源３３からの光の照射方向を変え得るように構成されている。
【００２９】
また、投影レンズ系４２は鏡胴を介して第１の移動ステージ６４上に配置され、結像レンズ系４４は鏡胴を介して第２の移動ステージ６６上に配置されている。第１の移動ステージ６４は第２の移動ステージ６６上に配置され、駆動モータ６５の駆動力によって、投影レンズ系４２を鏡胴と共に図中左右方向に移動させ、これにより投影レンズ系４２の光軸Ａｘ１と結像レンズ系４４の光軸Ａｘ２との間の距離を変え得るように構成されている。一方、第２の移動ステージ６６は、フォーカスモータ６７の駆動力によって、投影レンズ系４２および結像レンズ系４４を同時に各光軸Ａｘ１，Ａｘ２方向に移動させ、これにより投影レンズ系４２と投影格子４０との間の距離および結像レンズ系４４と観測用基準格子４６との間の距離を変え得るように構成されている。
【００３０】
また、上記投影格子４０および観測用基準格子４６は、フリンジスキャンステージ６２および格子退避ステージ６８上にそれぞれ配置されている。フリンジスキャンステージ６２は、フリンジスキャンモータ６３によって駆動され、フリンジスキャン測定を実施することができるように投影格子４０を図中左右方向に微動させて、これにより投影格子４０と観測用基準格子４６との位相差を変えてモアレ縞を走査させるように構成されている。一方、格子退避ステージ６８は、観測用基準格子４６が結像レンズ系４４の光路上に位置するモアレ縞観測位置と、光路上から外れた退避位置（図示略）とを選択的に採り得るように、観測用基準格子４６を支持している。なお、この観測用基準格子４６の移動は、測定ヘッド１２の筐体側面から突出する格子退避ノブ（図示略）を手動により出し入れすることによってなされる。
【００３１】
一方、図２に示すように制御部１６は、該制御部１６内に装備されたＣＰＵやプログラムが格納されてなるメインメモリ等からなる、画像処理解析部７０，縞感度算定調整部７１，格子移動制御部７２，格子照明系移動制御部７３，フォーカス調整部７４および距離算定部７５を備えている。
【００３２】
上記距離算定部７５は上記ＣＣＤカメラ５２と共に上記測距手段を構成するものであり、ＣＣＤカメラ５２のオートフォーカス機能により移動する撮影レンズ５６の移動量に基づき、被測定体２までの距離を自動計測するように構成されている。この自動計測は、概略的には次の手順で行なわれる。すなわち、自動計測に際しては、まず撮影レンズ５６の基準位置が決められる。この基準位置は、例えば上記モアレ縞観測位置にある観測用基準格子４６の像が、フィールドレンズ４８および撮影レンズ５６によってＣＣＤイメージセンサ５８上に結像されるときの撮影レンズ５６の位置とされる。
【００３３】
そして、自動計測する際には、上記モアレ縞観測位置にある被測定体２の観測用基準格子４６は上記退避位置へ移動され、また投影格子４０の投影は行なわれない。結像レンズ系４４のフォーカス調整がなされていない段階では、結像レンズ系４４による被測定体２の結像位置は、上記モアレ縞観測位置からずれることとなる。この被測定体２の像をＣＣＤイメージセンサ５８上に結像させるため、ＣＣＤカメラ５２のオートフォーカス機能により撮影レンズ５６が移動する。なお、このときフィールドレンズ４８も連動して移動する。このときの撮影レンズ５６の上記基準位置からの移動量に基づき、結像レンズ系４４による被測定体２の像の結像位置を求めることができ、これにより上記モアレ縞観測位置から被測定体２までの距離を算定することが可能となる。なお、この自動計測のより詳細な手順については前掲の特許文献１に記載されている。
【００３４】
上記フォーカス調整部７４は、距離算定部７５において算定された被測定体２までの距離に基づき、投影格子４０の結像位置が被測定体２上となるために必要な投影レンズ系４２の移動量、および上記モアレ縞観測位置にある観測用基準格子４６上に変形格子像が結像されるために必要な結像レンズ系４４の移動量を求め、これらのフォーカス調整を行なうように構成されている。すなわち、フォーカス調整部７４からの制御信号に基づいてドライバ７９から駆動信号が出力され、この駆動信号により上記フォーカスモータ６７を介して上記第２の移動ステージ６６が駆動され、投影レンズ系４２および結像レンズ系４４を図中上下方向に移動させるようになっている。このように本実施形態では、第２の移動ステージ６６，フォーカスモータ６７、ドライバ７９およびフォーカス調整部７４により上記フォーカス調整手段が構成されている。なお、投影レンズ系４２および結像レンズ系４４の移動量の算定方法については後述する。
【００３５】
上記縞感度算定調整部７１は上記縞感度算定手段を構成するものであり、投影レンズ系４２および結像レンズ系４４のフォーカス調整がなされた状態のモアレ縞の縞感度を算定するとともに、この縞感度が所定の縞感度となるように、投影レンズ系４２および結像レンズ系４４の各光軸Ａｘ１，Ａｘ２間の距離を調整するように構成されている。すなわち、縞感度算定調整部７１からの制御信号に基づいてドライバ７６から駆動信号が出力され、この駆動信号により上記駆動モータ６５を介して上記第１の移動ステージ６４が駆動され、投影レンズ系４２を図中左右方向に移動させるようになっている。なお、投影レンズ系４２の移動量の算定方法については後述する。
【００３６】
上記格子照明系移動制御部７３は、投影レンズ系４２および結像レンズ系４４の各光軸Ａｘ１，Ａｘ２間の距離の調整に応じて、投影レンズ系４２の光軸Ａｘ１に対する格子照明系３８の光軸Ａｘ３の傾きを調整するように構成されている。すなわち、格子照明系移動制御部７３からの制御信号に基づいてドライバ７８から駆動信号が出力され、この駆動信号により上記駆動モータ６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃを介して上記１軸ステージ６０Ａ，回転ステージ６０Ｂ，１軸ステージ６０Ｃがそれぞれ駆動されて、格子照明系３８を投影レンズ系４２の入射瞳の中心位置（投影レンズ系４２が薄肉レンズと近似できる場合には、その主点位置と略一致する）を回転中心として回転させ（回転半径は不変）、その光軸Ａｘ３の傾きを変えるようになっている。なお、本実施形態では、格子照明系３８の光軸Ａｘ３の方向が常に被測定体２の表面中心部を向くように、光軸Ａｘ３の傾き調整が行なわれる。また上記投影格子４０は、格子照明系３８および投影レンズ系４２との位置関係が変化しても、常に格子照明系３８から投影レンズ系４２に向かう照明光束上に位置し得るように、その図中左右方向の長さが観測用基準格子４６に比較して長く形成されている。
【００３７】
上記格子移動制御部７２は、フリンジスキャン計測を実施する際に、投影格子４０および観測用基準格子４６間の位相差を変えてモアレ縞を走査させるように構成されている。すなわち、格子移動制御部７２からの制御信号に基づいてドライバ７７から駆動信号が出力され、この駆動信号により上記フリンジスキャンモータ６３を介して上記フリンジスキャンステージ６２が駆動され、投影格子４０を観測用基準格子４６に対して図中左右方向に移動させるようになっている。
【００３８】
上記画像処理解析部７０は、ＣＰＵ，プログラムが格納されてなるメインメモリの他に、フレームメモリ，画像ボードおよびグラフィックスボード等からなり、ＣＣＤカメラ５２により撮像された画像に基づき被測定体２の立体形状情報およびテクスチャ情報を算定するとともに、これら立体形状情報およびテクスチャ情報に基づき被測定体２の３次元イメージを生成し、これをモニタ１８に表示するように構成されている。
【００３９】
以下、本実施形態におけるフォーカス調整のための投影レンズ系４２および結像レンズ系４４の移動量および縞感度調整のための投影レンズ系４２の移動量の算定方法について、図４を参照しながら説明する。図４は本実施形態に係るフォーカス調整および縞感度調整に必要な各移動量の算定方法を示す図である。
【００４０】
図４に示す配置において、投影格子４０の結像位置が投影格子４０から距離Ｄだけ離れた位置となり、この位置に形成された投影格子４０の像が観測用基準格子４６上に結像されるために必要な結像レンズ系４４から被測定体２までの距離Ｌ（投影レンズ系４２から被測定体２までの距離も同じ）と、結像レンズ系４４から観測用基準格子４６までの距離ｂ（投影レンズ系４２から投影格子４０までの距離も同じ）との間には、投影レンズ系４２および結像レンズ系４４の焦点距離をｆとするとき、いわゆるレンズの公式と称される下式（１）の近似的関係がある。
【００４１】
（１／Ｌ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ……（１）
【００４２】
一方、図２に示すＣＣＤカメラ５２のオートフォーカス機能により調整される撮影レンズ５６の移動量に基づき、距離算定部７５において上記距離Ｄ（図４参照）が算定される。この距離Ｄと上記距離Ｌおよびｂとの間には、下式（２）の関係があるので、これら式（１），（２）により、上記距離Ｌおよびｂを求めることができる。
【００４３】
Ｄ＝Ｌ＋ｂ……（２）
【００４４】
また、求められた距離Ｌおよびｂと合致するように投影レンズ系４２および結像レンズ系４４のフォーカス調整をした場合に観察されるモアレ縞の縞感度ｈｎは、このときの両光軸Ａｘ１，Ａｘ２間の距離ａと、両格子４０，４４の格子ピッチｐ０と、上記距離Ｌとを用いて、下式（３）で表される。
【００４５】
ｈｎ＝ｍｎＬｐ０／（ａ−ｍｎｐ０）……（３）
【００４６】
ここで、ｍは投影レンズ系４２の倍率（ｍ＝Ｌ／ｂ）を表し、ｎは整数を表す。なお、上式（３）のｈｎは、上記距離Ｌ上に図３に示す仮想基準モアレ面Ｐｇが形成された場合において、この仮想基準モアレ面Ｐｇに続き被測定体２側に向けて順次形成される仮想のｎ番目のモアレ面までの仮想基準モアレ面Ｐｇからの距離を示している。
【００４７】
次に、図４に示すように被測定体２の位置がΔＤ（被測定体２が結像レンズ系４４から遠ざかる向きを正として図４では実線の矢印で表示し、近づく向きを負として図４では破線の矢印で表示する）だけ移動した場合を考える。このとき投影格子４０の結像位置が投影格子４０から距離Ｄ＋ΔＤ離れた位置となり、この位置に形成された投影格子４０の像が観測用基準格子４６上に結像されるために必要な結像レンズ系４４から被測定体２までの距離Ｌ´（投影レンズ系４２から被測定体２までの距離も同じ）と、結像レンズ系４４から観測用基準格子４６までの距離ｂ´（投影レンズ系４２から投影格子４０までの距離も同じ）との間には、先程と同様に下式（４）の近似的関係がある。
【００４８】
（１／Ｌ´）＋（１／ｂ´）＝１／ｆ……（４）
【００４９】
このような関係を満たすためには、投影レンズ系４２および結像レンズ系４４を図４に示すΔｂ（投影レンズ系４２および結像レンズ系４４が投影格子４０および観測用基準格子４６にそれぞれ近づく向きを正として図４では実線の矢印で表示し、遠ざかる向きを負として図４では破線の矢印で表示する）だけ移動させる必要がある。本実施形態において、距離（Ｌ＋ΔＤ）は、図２に示すＣＣＤカメラ５２のオートフォーカス機能により調整される撮影レンズ５６の移動量に基づき、距離算定部７５において算定される。また、上記距離ｂ，ｂ´およびΔｂの間には下式（５）の関係があり、上記距離Ｌ，Ｌ´およびΔＤとの間には下式（６）の関係があるので、これらの式（４），（５），（６）より、上記距離Ｌ´およびｂ´を求めることができる。
【００５０】
ｂ´＝ｂ−Δｂ……（５）
Ｌ´＝Ｌ＋ΔＤ＋Δｂ……（６）
【００５１】
次に、求められた距離Ｌ´およびｂ´と合致するように投影レンズ系４２および結像レンズ系４４のフォーカス調整を行なうとともに、その際に観察されるモアレ縞の縞感度を調整するために、両光軸Ａｘ１，Ａｘ２間の距離を変更する。両光軸Ａｘ１，Ａｘ２間の距離をａ´としたときに観察されるフォーカス調整後のモアレ縞の縞感度ｈｎ´は、この距離ａ´と、上記格子ピッチｐ０と、上記距離Ｌ´とを用いて、下式（７）で表される。
【００５２】
ｈｎ´＝ｍ´ｎＬ´ｐ０／（ａ´−ｍ´ｎｐ０）……（７）
【００５３】
ここで、ｍ´はフォーカス調整後の投影レンズ系４２の倍率（ｍ´＝Ｌ´／ｂ´）を表す。他の文字については上式（３）と同様である。
【００５４】
ここでは、上式（７）で規定される縞感度ｈｎ´が、上式（３）で規定される縞感度ｈｎとｎ＝１の場合において等しくなる（ｈ１＝ｈ１´）ように調整する場合を例にとって説明する。このとき、２つの縞感度ｈ１，ｈ１´は、それぞれ上式（３），（７）においてｎ＝１を代入したものであり、これらが等しいと置いて整理すると、ａ´は下式（８）で表される。
【００５５】
ａ´＝（Ｌ´ｐ０／ｂ´）×（１＋（ａｂ−Ｌｐ０）Ｌ´／Ｌ２ｐ０）……（８）
【００５６】
ここで、ｍ＝Ｌ／ｂ，ｍ´＝Ｌ´／ｂ´の関係を用いている。
【００５７】
両光軸Ａｘ１，Ａｘ２間の距離を上式（８）で表されるａ´とするために必要な投影レンズ系４２の移動量Δａ（投影レンズ系４２が結像レンズ系４４から遠ざかる向きを正として図４では実線の矢印で表示し、近づく向きを負として図４では破線の矢印で表示する）は、Δａ＝ａ´−ａの関係と上式（８）の関係とから下式（９）により求まる。
【００５８】
Δａ＝（（Ｌ＋ΔＬ＋Δｂ）ｐ０／（ｂ−Δｂ））
×（１＋（（ａｂ−Ｌｐ０）×（Ｌ＋ΔＬ＋Δｂ））／Ｌ２ｐ０）−ａ……（９）
【００５９】
ここで、Ｌ´＝Ｌ＋ΔＬ＋Δｂ，ｂ´＝ｂ−Δｂの関係を用いている。
【００６０】
上式（９）により求められる移動量Δａだけ投影レンズ系４２を移動させることによって、被測定体２までの距離がΔＤだけ変わっても上記２つの縞感度ｈ１，ｈ１´を互いに等しくすることができる。このように縞感度を等しくすることより、モニタ１８（図１参照）上に表示されるモアレ縞を観察する際、被測定体２の立体形状を把握し易くなる。
【００６１】
なお、被測定体２の位置の変化量ΔＤが少ない場合には、このΔＤと上記投影レンズ系４２および結像レンズ系４４の移動量Δｂとの関係を下式（１０）のように表し、この式（１０）に基づき投影レンズ系４２および結像レンズ系４４の移動量を算定してもよい。下式（１０）は、上記距離Ｄとｂとの関係を上式（１），（２）より求めてｂをＤの関数ｂ（Ｄ）として表し、この関数ｂ（Ｄ）をＤで微分した際の微分係数（ｄ／ｄＤ）ｂ（Ｄ）を比例定数とすることにより得られる。
【００６２】
Δｂ＝（ｄ／ｄＤ）ｂ（Ｄ）×ΔＤ……（１０）
【００６３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を行なうことが可能である。
【００６４】
例えば、上記実施形態においては、投影レンズ系および結像レンズ系のフォーカス調整後、縞感度の調整を行なうようにしているが、縞感度の調整は行なわずに、フォーカス調整後に観測されるモアレ縞の縞感度を算定し、その縞感度に基づき被測定体の形状解析を行なうようにしてもよい。
【００６５】
また、上記実施形態においては、図２に示すように投影レンズ系４２および結像レンズ系４４の光軸方向への移動を、第２の移動ステージ６６を用いて一体的に行なっているが、投影レンズ系４２および結像レンズ系４４をそれぞれ別個の移動ステージにより支持し、これらの光軸方向への移動を別個に行なうようにすることもできる。また、光軸方向への移動に際しては、鏡胴ごと移動させるのではなく鏡胴内のレンズのみを移動させるようにすることも可能である。なお、投影レンズ系および結像レンズ系としてズームレンズを用いることも可能である。
【００６６】
また、上記実施形態においては、図２に示すように被測定体２までの距離の計測を、ＣＣＤカメラ５２のオートフォーカス機能を利用して行なっているが、三角測量の手法を用いて測距を行なうようにしてもよい。例えば、レーザ光源を用いてレーザビームを被測定体の所定の１点に向けて照射し、その反射光をＣＣＤイメージセンサ等により撮像する。このときのレーザ光源とＣＣＤイメージセンサとの位置関係およびＣＣＤイメージセンサ上における反射光の検出位置等からレーザビームの出射角度および反射光の入射角度を求め、これらから被測定体までの距離を求めることができる。
【００６７】
また、上記実施形態においては、図２に示すように格子照明系３８の位置調整は、格子照明系移動制御部７３からの指令に基づき照明系調整ステージ６０により自動的に行なわれるようになっているが、この位置調整を手動で行なうようにすることも可能である。手動で調整する場合には、回転ステージ６０Ｂにより格子照明系３８の光軸Ａｘ３の傾きを設定した後、１軸ステージ６０Ａにより光軸Ａｘ３が投影レンズ系４２の入射瞳の中心を通るように設定し、その後、１軸ステージ６０Ｃにより投影レンズ系４２の入射瞳の中心位置と光源３３との距離を調整すればよい。
【００６８】
また、本発明において投影格子および観測用基準格子は、格子線が直線となる直線格子に限定されない。各格子線が平行な状態に並ぶもの（いわゆる平行格子）であれば、格子線が曲線となる曲線格子であってもよい。
【００６９】
また、上記実施形態においては、図２に示すように投影レンズ系４２および結像レンズ系４４のフォーカス調整を、これら両レンズ系４２，４４を光軸方向に移動させることにより行なっているが、このフォーカス調整を投影格子４０および観測用基準格子４６を光軸方向に移動させることにより行なうようにすることもできる。また、両レンズ系４２，４４のレンズ特性を互いに異なるものとすることもできる。
【００７０】
以下、両レンズ系のレンズ特性が互いに異なり、また両格子を光軸方向に移動させることによりフォーカス調整を行なう場合において、フォーカス調整および縞感度調整に必要な各移動量の算定方法について図５を用いて説明する。図５は本発明の他の実施形態に係るフォーカス調整および縞感度調整に必要な各移動量の算定方法を示す図である。
【００７１】
図５に示す実施形態では、投影レンズ系４２の焦点距離がｆ２、結像レンズ系４４の焦点距離がｆ１（ｆ１≠ｆ２）とされている。このため、投影レンズ系４２および結像レンズ系４４のフォーカス調整が正しくなされている場合において、投影レンズ系４２から投影格子４０までの距離ｂ２と結像レンズ系４４から観測用基準格子４６までの距離ｂ１とは互いに異なっている。また、投影レンズ系４２から被測定体２までの距離Ｌ２と結像レンズ系４４から被測定体２までの距離Ｌ１も互いに異なっている。さらに、（被測定体２上の）投影格子４０の結像位置において、両レンズ系４４，４２の各倍率ｍ１（ｍ１＝Ｌ１／ｂ１），ｍ２（ｍ２＝Ｌ２／ｂ２）が互いに等しくなる（ｍ１＝ｍ２）ように、両格子４６，４０から被測定体２までの各距離Ｄ１，Ｄ２が設定されている。また、両レンズ系４２，４４のフォーカス調整は、両レンズ系４２，４４に対して両格子４０，４６を光軸方向に移動させることにより行なわれるように構成されている。
【００７２】
結像レンズ系４４から被測定体２までの距離Ｌ１がΔＬ１（被測定体２が結像レンズ系４４から遠ざかる向きを正として図５では実線の矢印で表示し、近づく向きを負として図５では破線の矢印で表示する）だけ変化した場合を考える。このとき投影格子４０の結像位置が投影レンズ系４２から距離Ｌ２＋ΔＬ１離れた位置となり、この位置に形成された投影格子４０の像が観測用基準格子４６上に結像されるために必要な両格子４６，４０の各移動量Δｂ１，Δｂ２（投影格子４０および観測用基準格子４６が、投影レンズ系４２および結像レンズ系４４にそれぞれ近づく向きを正として図５では実線の矢印で表示し、遠ざかる向きを負として図５では破線の矢印で表示する）と、被測定体２の上記移動量ΔＬ１との関係は、それぞれ下式（１１），（１２）により表される。
【００７３】
Δｂ１＝（ｆ１／（Ｌ１−ｆ１））２×ΔＬ１……（１１）
Δｂ２＝（ｆ１ｆ２／（Ｌ１−ｆ１）２）×ΔＬ１……（１２）
【００７４】
また、前述の実施形態と同様に縞感度を調整する場合に必要となる投影レンズ系４２の移動量Δａ（投影レンズ系４２が結像レンズ系４４から遠ざかる向きを正として図５では実線の矢印で表示し、近づく向きを負として図５では破線の矢印で表示する）は、下式（１３）により求められる。
【００７５】
Δａ＝{（(Ｌ１＋ΔＬ１)×((Ｌ１＋ΔＬ１)×(ａｂ１−Ｌ１ｐ０)＋Ｌ１２ｐ０））
／（ｂ１−（ｆ１／（Ｌ１−ｆ１））２×ΔＬ１）×Ｌ１２）}−ａ……（１３）
【００７６】
ここで、ｐ０は両格子４０，４６の格子ピッチを表している。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の一実施形態に係る格子投影型モアレ装置の全体構成図
【図２】図１に示す測定ヘッドおよび制御部の基本構成を示す図
【図３】格子投影型モアレトポグラフィ手法の基本的作用を示す図
【図４】一実施形態に係るフォーカス調整および縞感度調整の算定方法を示す図
【図５】他の実施形態に係るフォーカス調整および縞感度調整の算定方法を示す図
【符号の説明】
【００７８】
２      被測定体
１０      格子投影型モアレ装置（モアレ装置）
１２      測定ヘッド
１４      電源機器駆動部
１６      制御部
１８      モニタ
２０      キーボード
２２      マウス
２６      投影光学系
２８      観測光学系
３２      照明ランプ
３３      光源
３４      台板
３６      コンデンサレンズ
３８      格子照明系
４０      投影格子
４２      投影レンズ系
４４      結像レンズ系
４６      観測用基準格子（撮影格子）
４８      フィールドレンズ
５０      折り返しミラー
５２      ＣＣＤカメラ
５４      テレビ光学系
５６      撮影レンズ
５８      ＣＣＤイメージセンサ
６０      照明系調整ステージ
６０Ａ，６０Ｃ      １軸ステージ
６０Ｂ    回転ステージ
６１Ａ〜６１Ｃ，６５      駆動モータ
６２      フリンジスキャンステージ
６３      フリンジスキャンモータ
６４      第１の移動ステージ
６６      第２の移動ステージ
６７      フォーカスモータ
６８      格子退避ステージ
７０      画像処理解析部
７１      縞感度算定調整部
７２      格子移動制御部
７３      格子照明系移動制御部
７４      フォーカス調整部
７５      距離算定部
７６〜７９      ドライバ
Ａｘ１〜Ａｘ３      光軸
Ｐｇ      仮想基準格子面
Ｄ      観測用基準格子から被測定体までの距離
Ｌ，Ｌ´，Ｌ１      結像レンズ系から被測定体までの距離
Ｌ２      投影レンズ系から被測定体までの距離
ａ      投影レンズ系と結像レンズ系の各光軸間距離
Δａ      投影レンズ系と結像レンズ系の各光軸間距離の変化量
ｂ，ｂ´，ｂ１      結像レンズ系から観測用基準格子までの距離
Δｂ，Δｂ１      結像レンズ系の光軸方向への移動量
ｂ２      投影レンズ系から投影格子までの距離
Δｂ２      投影レンズ系の光軸方向への移動量
δ      焦点深度
【図１】
2005214807.tif 000003
【図２】
2005214807.tif 000004
【図３】
2005214807.tif 000005
【図４】
2005214807.tif 000006
【図５】
2005214807.tif 000007