(57)【要約】【課題】本発明の目的は、光学的処理を減らし、簡易な規模で、三次元測定を信頼性の良く行える技術を提供する。【解決手段】ビームスプリッター５が、広帯域光及びコヒーレント光を合波して参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させて照射し、参照鏡からの反射光と被測定物の照射範囲の照射位置からの各反射光とを合波して出力する光学系において、光路長可変手段８により測定光路の光路長を変化させて、その変化に応じてカメラ１０が光路形成部からの出力を撮像することによって干渉縞のデータを取得する。光路長検出手段１４はそのデータにより、光路長の変化に対する前記コヒーレント光による干渉縞の変化をスケールとして、広帯域光による干渉縞が生ずる測定光路の光路長を求める構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数スペクトラムを有する広帯域光を出力する広帯域光源（１）と、
ほぼ単波長成分のコヒーレント光を出力するコヒーレント光源（１１）と、
該広帯域光及びコヒーレント光を合波して参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させ、前記参照鏡からの反射光と照射された前記被測定物の照射範囲の照射位置からの各反射光とを合波して出力する光路形成部（５）と、
前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変手段（８）と、
該光路長可変手段による該光路長の変化に対応して、前記光路形成部からの出力を撮像することによって干渉縞のデータを取得する撮像手段（１０）と、
該撮像手段が出力するデータにより、前記広帯域光による干渉縞が生ずる前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を、該光路長の変化に対する前記コヒーレント光による干渉縞の変化を基に求める光路長検出手段（１４）と、を備えた三次元形状測定装置。
【請求項２】
前記撮像手段は、前記光路長可変手段が変化させる前記光路長の変化に対する時間変化に応じて撮像し、
前記光路長検出手段は、該撮像手段が出力するデータを基に、前記時間変化に対する前記広帯域光による干渉縞の特徴点と前記時間変化に対する前記コヒーレント光による干渉縞の変化とを対比して、前記広帯域光による干渉縞の特徴点を該コヒーレント光の波長を基に光路長に換算して求めることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
【請求項３】
前記光路長検出手段は、撮像手段が出力するデータから少なくとも前記コヒーレント光の成分を分波する分波手段（１４ａ）と、該撮像手段が出力するデータを基に前記時間変化に対する前記広帯域光による干渉縞の特徴点を求める白色光干渉縞光路長検出手段（１４ｃ）と、分波された前記コヒーレント光の成分により前記時間変化に対する前記コヒーレント光による干渉縞の変化を求めるとともに、前記特徴点と前記コヒーレント光による干渉縞の変化とを対比して、前記コヒーレント光の波長を基に光路長に換算して求めるコヒーレント光路長参照手段（１４ｂ）とを備えたことを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定装置。
【請求項４】
前記コヒーレント光による干渉縞の変化は、該干渉縞の振幅又は位相の周期的変化であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記光路長検出手段が、照射された前記被測定物の照射範囲の各照射位置における前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を求めた結果に基づいて、一照射位置の光路長と他の照射位置の光路長との差を基に、各照射位置の相対的変位を求める変位演算手段（１５）と、を備えた請求項１，２、３又は４に記載の三次元形状測定装置。
【請求項６】
前記広帯域光による干渉縞の特徴点は、該干渉縞の振幅のピーク点又は該広帯域光に含まれる少なくとも２つ以上のスペクトル成分の位相の交点であることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の三次元形状測定装置。
【請求項７】
複数スペクトルを有する広帯域光を出力する広帯域光源（１）と、
該広帯域光を参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させ、前記参照鏡からの反射光と前記被測定物の照射された照射範囲の照射位置からの各反射光とを合波して出力する光路形成部（５）と、
前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変手段（８）と、
該光路長可変手段による該光路長の変化に応じて、前記光路形成部からの出力を撮像することによって干渉縞のデータを取得する撮像手段（１０）と、
前記撮像手段が出力するデータから、ほぼ単一スペクトル成分のコヒーレント光を抽出し、前記広帯域光による干渉縞が生ずる前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を、該光路長の変化に対する前記コヒーレント光による干渉縞の変化を基に求める光路長検出手段（１４）と、を備えた三次元形状測定装置。
【請求項８】
複数波長成分を有する広帯域光を出力する広帯域光源（１）と、
該広帯域光を参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させて照射し、前記参照鏡からの反射光と前記被測定物の照射された照射範囲の照射位置からの各反射光とを合波して出力する光路形成部（５）と、
前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変手段（８）と、
該光路長可変手段による該光路長の変化に応じて、前記光路形成部からの出力を撮像することによって干渉縞のデータを取得する撮像手段（１０）と、
前記撮像手段が出力するデータより、少なくとも２つ以上のスペクトル成分を抽出する分波手段（１４ｄ）と、前記２つ以上のスペクトル成分の各干渉縞の位相変化の交点を求める干渉縞光路長検出手段（１４ｆ）と、前記位相変化の交点における前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を、前記２つ以上のスペクトル成分のうちいずれか一つによる干渉縞の変化を参照して求めるコヒーレント光路長参照手段（１４ｅ）とを備えた三次元形状測定装置。
【請求項９】
複数スペクトル成分を有する広帯域光を出力する広帯域光源（１）と、該広帯域光を、参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させて、前記参照鏡からの反射光と照射された前記被測定物の照射範囲の各照射位置からの反射光を合波して出力する光路形成部（５）と、前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変手段（８）と、該光路長が変化するときの時間軸上の所定時間間隔で、前記光路形成部からの出力を撮像することによって前記広帯域光による干渉縞のデータを取得する撮像手段（１０）と、該撮像手段が出力するデータを基に、前記広帯域光による干渉縞の特徴点が生ずる前記所定時間間隔に対する時間位置を基に前記各照射位置の光路長を求める光路長検出手段（１４）と、を備えた三次元形状測定装置において、
ほぼ単波長成分の参照光を出力するコヒーレント光源（１１）と、
該コヒーレント光を前記広帯域光に合波して前記光路形成部に入射させる合成部（１２）と、を備え、
前記光路長検出手段は、前記広帯域光による干渉縞の特徴点が生ずる前記所定時間間隔に対する時間位置を、前記撮像手段が出力する前記コヒーレント光による干渉縞の前記時間間隔に対する振幅変化又はその位相変化を基準として表すことを特徴とする三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスペクトラム（以下、波長で説明する。）を有する広帯域光（例えば、白色光）による干渉現象を用いて被測定物の形状を立体的に測定する三次元形状測定装置に関する。特に、広帯域光の一方を遠端に参照鏡を有する参照光路に入射し、広帯域光の他方を遠端に被測定物を有する測定光路へ入射し、参照鏡（反射鏡）及び被測定物からの各戻り光による干渉を生じさせる干渉部（干渉計）において、参照光路又は測定光路のいずれかの光路長を変化して得られた干渉縞が生ずる光路長を基に、被測定物の形状を測定する三次元形状測定装置であって、その干渉縞が生ずる光路長を信頼性良く求める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、上記の干渉現象を用いた形状測定装置においては、参照光路と測定光路の双方の光路長が等しくなったときに、干渉縞が最大の輝度を示すことを利用している。つまり、参照光路又は測定光路のいずれかの光路長を変化させ（以下、参照光路の光路長を固定とし、測定光路の光路長を変化させるとして説明する。）、そのとき生じる干渉縞が最大の輝度を示す位置の光路長（光路長の変化量）を、光路長の変化方向における被測定物の変位として測定している（特許文献１、２）。
【０００３】
特許文献１においては、ピエゾアクチュエータにより（ピエゾを電圧駆動することにより）測定光路の光路長を変化させるとともに、撮像手段により被測定物のある測定点における光路長の変化に対応する干渉縞を撮像する。そして、その撮像データから干渉縞の最大輝度となる点のピエゾ駆動電圧という電気量を検出することで、そのときの測定光路の光路長）を検出している。
【０００４】
特許文献１の方法によれば、簡単であるが、信頼性に乏しい恐れがある。つまり、ピエゾ等の素子の特性がそのまま測定確度等に影響する恐れがある。したがって、周囲環境、経年変化等によってその影響を受けやすい。この影響を防止しようとすると、校正手段（方法）が必要になる。
【０００５】
特許文献２の方法によれば、白色光を参照光路と測定光路に分岐して入力させ、その参照光路の参照鏡からの戻り光から所定の波長の光を光学的狭帯域フィルタで抽出し、抽出した光の繰り返しで、干渉縞のピークが現れる測定光路の光路長を求めている。この場合は、確度が改善されるが、光の領域で狭帯域フィルタで抽出するため、規模的に大きくなる問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３１０５１８号公報
【特許文献２】ＵＳＰ６６２８９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、光学的処理を減らし、簡易な規模で、三次元測定を信頼性良く行える技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的と達成するために、ほぼ単一な波長のコヒーレント光の干渉縞の波長（周期）は、そのコヒーレント光と一致することに着眼している。つまり、測定光路の光路長を変化させたときの複数波長を含む広帯域光の干渉縞とほぼ単一な波長のコヒーレント光の干渉縞を撮像し、広帯域光の干渉縞が生じる光路長（例えば、干渉縞のピーク等の特徴が生ずる光路長）をコヒーレント光の干渉縞をスケールとしてスケーリング（値付け）する構成とした。広帯域光による干渉縞が生じる光路長は、測定光路の光路長をある基準位置から変化させたときの変化量（移動量）で表しても良い。また、複数波長を含む広帯域光の干渉縞とその複数波長から抽出した一部波長の干渉縞を基に、スケーリングする構成とした。
【０００９】
具体的には、請求項１に記載の発明は、複数スペクトラムを有する広帯域光を出力する広帯域光源（１）と、
ほぼ単波長成分のコヒーレント光を出力するコヒーレント光源（１１）と、
該広帯域光及びコヒーレント光を合波して参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させ、前記参照鏡からの反射光と照射された前記被測定物の照射範囲の照射位置からの各反射光とを合波して出力する光路形成部（５）と、
前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変手段（８）と、
該光路長可変手段による該光路長の変化に対応して、前記光路形成部からの出力を撮像することによって干渉縞のデータを取得する撮像手段（１０）と、
該撮像手段が出力するデータにより、前記広帯域光による干渉縞が生ずる前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を、該光路長の変化に対する前記コヒーレント光による干渉縞の変化を基に求める光路長検出手段（１４）と、を備えた。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記撮像手段は、前記光路長可変手段が変化させる前記光路長の変化に対する時間変化に応じて撮像し、
前記光路長検出手段は、該撮像手段が出力するデータを基に、前記時間変化に対する前記広帯域光による干渉縞の特徴点と前記時間変化に対する前記コヒーレント光による干渉縞の変化とを対比して、前記広帯域光による干渉縞の特徴点を該コヒーレント光の波長を基に光路長に換算して求める構成とした。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記光路長検出手段は、撮像手段が出力するデータから少なくとも前記コヒーレント光の成分を分波する分波手段（１４ａ）と、該撮像手段が出力するデータを基に前記時間変化に対する前記広帯域光による干渉縞の特徴点を求める白色光干渉縞光路長検出手段（１４ｃ）と、分波された前記コヒーレント光の成分により前記時間変化に対する前記コヒーレント光による干渉縞の変化を求めるとともに、前記特徴点と前記コヒーレント光による干渉縞の変化とを対比して、前記コヒーレント光の波長を基に光路長に換算して求めるコヒーレント光路長参照手段（１４ｂ）とを備えた。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記コヒーレント光による干渉縞の変化は、該干渉縞の振幅又は位相の周期的変化であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の三次元形状測定装置。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記光路長検出手段が、照射された前記被測定物の照射範囲の各照射位置における前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を求めた結果に基づいて、一照射位置の光路長と他の照射位置の光路長との差を基に、各照射位置の相対的変位を求める変位演算手段（１５）と、を備えた。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記広帯域光による干渉縞の特徴点は、該干渉縞の振幅のピーク点又は該広帯域光に含まれる少なくとも２つ以上のスペクトル成分の位相の交点である構成とした。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、複数スペクトルを有する広帯域光を出力する広帯域光源（１）と、
該広帯域光を参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させ、前記参照鏡からの反射光と前記被測定物の照射された照射範囲の照射位置からの各反射光とを合波して出力する光路形成部（５）と、
前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変手段（８）と、
該光路長可変手段による該光路長の変化に応じて、前記光路形成部からの出力を撮像することによって干渉縞のデータを取得する撮像手段（１０）と、
前記撮像手段が出力するデータから、ほぼ単一スペクトル成分のコヒーレント光を抽出し、前記広帯域光による干渉縞が生ずる前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を、該光路長の変化に対する前記コヒーレント光による干渉縞の変化を基に求める光路長検出手段（１４）と、を備えた。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、複数波長成分を有する広帯域光を出力する広帯域光源（１）と、
該広帯域光を参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させて照射し、前記参照鏡からの反射光と前記被測定物の照射された照射範囲の照射位置からの各反射光とを合波して出力する光路形成部（５）と、
前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変手段（８）と、
該光路長可変手段による該光路長の変化に応じて、前記光路形成部からの出力を撮像することによって干渉縞のデータを取得する撮像手段（１０）と、
前記撮像手段が出力するデータより、少なくとも２つ以上のスペクトル成分を抽出する分波手段（１４ｄ）と、前記２つ以上のスペクトル成分の各干渉縞の位相変化の交点を求める干渉縞光路長検出手段（１４ｆ）と、前記位相変化の交点における前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を、前記２つ以上のスペクトル成分のうちいずれか一つによる干渉縞の変化を参照して求めるコヒーレント光路長参照手段（１４ｅ）とを備えた。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、複数スペクトル成分を有する広帯域光を出力する広帯域光源（１）と、該広帯域光を、参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させて、前記参照鏡からの反射光と照射された前記被測定物の照射範囲の各照射位置からの反射光を合波して出力する光路形成部（５）と、前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変手段（８）と、該光路長が変化するときの時間軸上の所定時間間隔で、前記光路形成部からの出力を撮像することによって前記広帯域光による干渉縞のデータを取得する撮像手段（１０）と、該撮像手段が出力するデータを基に、前記広帯域光による干渉縞の特徴点が生ずる前記所定時間間隔に対する時間位置を基に前記各照射位置の光路長を求める光路長検出手段（１４）と、を備えた三次元形状測定装置において、
ほぼ単波長成分の参照光を出力するコヒーレント光源（１１）と、
該コヒーレント光を前記広帯域光に合波して前記光路形成部に入射させる合成部（１２）と、を備え、
前記光路長検出手段は、前記広帯域光による干渉縞の特徴点が生ずる前記所定時間間隔に対する時間位置を、前記撮像手段が出力する前記コヒーレント光による干渉縞の前記時間間隔に対する振幅変化又はその位相変化を基準として表す構成とした。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１、２、３及び９は、広帯域光とコヒーレント光の双方によるそれぞれの干渉縞を撮像手段で同時に撮像して、撮像手段から得られるそれぞれの干渉縞のデータ（電気信号としてのデータ）基に、広帯域光による干渉縞が生ずる光路長を、コヒーレント光による干渉縞の変化を参照して求める構成とした。したがって、コヒーレント光源は必要とするものの、電気的な処理で、つまり容易な構成で、コヒーレント光の干渉縞の繰り返し間隔（コヒーレント光の波長に等しい）で信頼性良く測定ができる。
【００１９】
請求項６、８は、広帯域光による干渉縞の位置として干渉縞の特徴を表すピーク位置（いずれも、位置は光路長上の位置）を求めるにあたって、広帯域光による干渉縞のうち、異なる２つの波長成分による２つの干渉縞の位相を基に求めることから、より精度良く測定できる。
【００２０】
請求項７、８は、コヒーレント光源を用いずにその代わりとして、広帯域光の一部の波長を抽出してその干渉縞を用いることから、より構成が簡単になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る実施形態を、図を用いて説明する。図１は、第１の実施形態の機能構成を示す図である。図２は、図１の光路長検出手段１４を説明するための図である。図３は、図１の分波手段１４ａを説明するための図である。図４は、ピエゾ８に代わる光路長可変手段の例である。図５は、第２の実施形態の機能構成を示す図である。図６は、第３の実施形態の機能構成を示す図である。
【００２２】
[１．第１の実施形態の全体構成]
第１の実施形態は、上記したように、広帯域光とコヒーレント光の双方によるそれぞれの干渉縞を撮像手段１０で撮像して、撮像手段１０から得られるそれぞれの干渉縞のデータを基に、広帯域光による干渉縞が生ずる光路長（光路長を干渉縞が生ずるまでに光路長を変化させたときの変化量でも良い。）を、コヒーレント光による干渉縞の変化を参照して求める構成である。
以下の説明で、測定光路の光路長を変化させたときに、干渉縞が生ずる光路長（光路長を干渉縞が生ずるまでに光路長を変化させたときの変化量）を「特定光路長」と言うことがある。
【００２３】
第１の実施形態は、大きく分けて、コヒーレント光による干渉縞をカメラ１０（撮像手段）で撮像して、その干渉縞の繰り返しからスケールを生成する場合と、広帯域光による干渉縞が生ずる光路長（特定光路長）を、コヒーレント光による干渉縞の変化（スケール）を参照して求める場合の二つがある。これらの動作はほぼ同時でも良いし、又は先にスケールを生成して、その後に光路長を求める動作であっても良い。前者の同時動作は、動作に時間差が殆ど無いので、環境変化、測定条件の違いの影響を受けることが少ない。後者の時系列的な動作であっても、短時間の時間差であるから室内等で同じ条件で測定している分には、ほぼ前者と同様に信頼性の良い結果が得られる。
【００２４】
「１．１  広帯域光（白色光）による干渉縞を生成する光学系の構成]
図１の光源１は、広帯域に亘る多数の波長成分を有しコヒーレンシーの低い広帯域光を出射する光源であって、ここでは、例えば、白色光源を用いる。コリメータレンズ２は、光源２からの白色光（広帯域光）を集光してビームスプリッター３へ送る。ビームスプリッター３は、白色光の方向を変換して対物レンズ４へ送る。対物レンズ４は、白色光を平行光にしてビームスプリッター５（光路形成部）へ送る。ビームスプリッター５は、対物レンズ４から受けた白色光を２方向へ分岐し、一つは測定光として被測定物７へ送り（ビームスプリッター５から被測定物７への光路を測定光路とする。）、他の一つは参照光として参照鏡６へ送る（ビームスプリッター５から参照鏡６への光路を参照光路とする。）。この例では、ビームスプリッター５と参照鏡６との間は固定、つまり参照光路の光路長は一定の固定長さとされている。
ビームスプリッター５の代わりに、ハーフミラーで構成することともできる。
【００２５】
測定光路は、被測定物７の表面上の測定したい所望の照射範囲を同時に白色光で照射される構成にされている。
【００２６】
［１．２  レーザー光（コヒーレント光）による干渉縞を生成する光学系の構成］
図１において、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１１は、ほぼ単一波長を有する光源である。つまり、「ほぼ単一波長」とは、ピエゾ８により変化させた光路長の範囲において、コヒーレンシーを確保できるほどの波長成分（スペクトル）であることを言う。このＨｅ−Ｎｅレーザー１１からのレーザー光は、ビームスプリッター１２により、白色光と同一の光路へ導入される。そして白色光と同様に、参照光路及び測定光路へ入る。レーザー光は、被測定物７へ向けて集光される。図１では、レーザー光（粗い点線で示す。）は、被測定物７の測定範囲の中心からズレた位置にあるが、何処にあっても、固定した位置であれば校正できるので測定範囲の中心であっても良い。
【００２７】
［１．３  白色光及びレーザー光による干渉縞検出までの共通の光学系及び処理の構成］
以下の説明において、白色光とレーザー光との区別をすること無く、単に「戻り光」「干渉縞」等と言う表現をしたときは、白色光及びレーザー光に共通するものとする。
【００２８】
被測定物７は、ピエゾ８の上に搭載されている。ピエゾ８は、圧電素子で構成され、光路長制御手段１６からの指示により、連続的に、被測定物７をＸＹ平面（図１の紙面に直交する面）に対してＺ軸方向（図１の紙面の上下方向）へ変位（移動）させることにより測定光路の光路長を所定速度で可変制御する。
【００２９】
なお、ここでは、本発明における光路長を変化させる可変方法としては、連続的な可変であり、可変速度を一定として、説明するが、後記するように可変方法は、ステップ上に可変しても良いし、可変速度も、サイン関数等の所定関数状に変化しても良い。
【００３０】
ピエゾ８は、光路長制御手段１６の制御によって、ビームスプリッター５の固定位置に対して測定光路の光路長を変化させる手段（光路長可変手段）である。なお、ここでは、参照光路の光路長を固定、測定光路の光路長を変化させることで説明するが、干渉縞を生成するには、ピエゾ８を参照鏡６へ取り付け、測定光路を固定とし、参照光路の光路長を可変する構成にしても可能である。
【００３１】
参照鏡６及び被測定物７から反射されてきた各白色光及び各レーザー光（以下、区別する場合は「戻り白色光」「戻りレーザー光」と言い、区別無く纏めて「戻り光」と言うことがある。）は、ビームスプリッター５で合波（合成）され、さらに対物レンズ４で集光される。戻り白色光は、ビームスプリッター３を通過して結像レンズ９により平行光にされてカメラ１０へ入力される。戻りレーザー光は、ビームスプリッター３を通過して結像レンズ９により集光にされてカメラ１０へ入力される。
【００３２】
このとき、光路長制御手段１６からの指示で、ピエゾ８が測定光路の光路長を変化させる距離（或いは変化させるときの時間間隔）に応じて、カメラ１０が戻り光を撮像することにより、戻り光（戻り白色光、戻りレーザー光を含む）による干渉縞が撮像される（実際は、撮像は、戻り白色光及び戻りレーザー光を撮像しているだけであるが、後に撮像データを展開したときに現れる戻り白色光及び戻りレーザー光による干渉縞含むので、「干渉縞を撮像」と表現している。）。撮像された干渉縞は、メモリ１３に記憶される。このとき、測定光路は、上記のように被測定物７の所望の照射範囲を白色光により同時に照射する構成にされているので、照射範囲の各照射位置、つまり測定したい位置（以下、「測定位置」と言う。）からの戻り白色光に対応する干渉縞が撮像される。
【００３３】
なお、図１の光学系の変形としては、対物レンズ４の代わりに測定光路と参照光路のそれぞれに対物レンズを配置する光学系を構成することもできるので、本発明は、図１の光学系に限らない。以下の説明は、図１に沿って説明する。
【００３４】
メモリ１３は、光路長制御手段１６が所定時間間隔のタイミング信号を生成してピエゾ８へ時間間隔に応じて光路長を可変指示するので、そのタイミング信号のタイミングで戻り光の撮像データ（戻り光の輝度を示す輝度データになる。）を取り込み、記憶する。例えば、光路長が時間的に直線的に連続して可変されるのであれば、タイミング信号の時間間隔をアドレスとして撮像データを記憶する。これらのタイミング進行方向（つまりアドレス方向）が、Ｚ軸方向を表すことになる。そのとき、その撮像データを測定位置（Ｘｍ、Ｙｐ）と合わせて記憶する。測定位置（Ｘｍ、Ｙｐ）の情報は、カメラ１０の撮像素子の位置に対応したＸＹ方向の画素の位置である。このようにメモリ１３に記憶されているので、例えば、後記するようにそのメモリ１３から、このアドレス順に撮像データを取り出して再現すれば、図２（Ａ）のような干渉縞のデータが得られる。
【００３５】
信号処理手段２０は、光路長検出手段１４と変位演算手段１５とを備えている。
光路長検出手段１４は、図１のように、分波手段１４ａ、レーザー光路長参照手段１４ｂ及び白色光干渉縞光路検出手段１４ｃを備えている。分波手段１４ａは、メモリ１３からの撮像データ、例えば、測定位置（Ｘｍ、Ｙｐ）のデータを受けて、レーザー光による干渉縞を分離して取り出す。白色光による干渉縞は分波して取り出しても良いし、この場合は、コヒーレント光による干渉縞と重なったままでも良い（理由は後記する。）。分波手段１４ｃは、メモリ１３からの所定時間間隔に対する撮像データを、フーリエ変換等により時間領域データを周波数（波長）領域のデータに変換して、周波数（波長）フィルタにより分離して取り出し、取り出したレーザー光のデータを再び時間領域のデータに再変換し、コヒーレント光路長参照手段１４ｂへ入力される。その再変換された波形を図２（Ｂ）に示す。一方、白色光の干渉縞とレーザー光の干渉縞が分離されないで、又は分離されて白色光による白色光干渉縞光路長検出手段１４ｃに送られる（分離された各色光による干渉縞が図２（Ａ）である。）。
【００３６】
図２（Ａ）は、横軸が光路長が変化する時間で縦軸が輝度（振幅）を示す座標上に展開した白色光による干渉縞の波形である。この白色光による干渉縞のほぼ中央のピーク位置が、参照光路の光路長と測定光路の光路長が同一になった場合である。また、白色光による干渉縞の波長は、ほぼ白色光（広帯域光）の要素となる各波長の合成で作られ、それらの帯域のほぼ中央の波長λの１／２になる。また、図２（Ａ）の白色光による干渉縞の光路長方向への広がりは、白色光のコヒーレンシーの程度による。コヒーレンシーが低いほど広がり幅は、狭くなる。
【００３７】
なお「ピーク位置」（或いは、「ピークの位置」）とは、白色光による干渉縞の輝度（振幅）が最大（以下、「ピーク」と言う。）となる横軸上の位置であって、横軸は、測定光路の光路長方向（Ｚ軸方向：図１の紙面の上下方向）であり、また光路長可変するときの時間軸方向（カメラ１０により所定時間間隔で撮像されるときの時間軸方向）である。
【００３８】
図２（Ｂ）は、レーザー光による干渉縞の変化を、輝度（振幅）と位相とで、白色光の干渉縞と同じ時間軸上に表した図である。図２（Ｂ）の横軸は時間でもあるが、基準位置（光路長を可変する前の位置、例えば、これをゼロとする。）からの測定光路の光路長の変化量でもある。レーザー光による干渉縞の変化の繰り返しは、レーザー光の波長の１／２と同じ繰り返しになる。位相の変化（量）は、基準位置における位相に対する変化（量）である（相対的な変化量である。）。したがって、レーザー光による干渉縞の変化をレーザー光の波長で刻まれたスケールとして使用することができる。
【００３９】
ここで、分波手段１４ａによる白色光による干渉縞とのレーザー光による干渉縞の分離について説明する。白色光干渉縞光路長検出手段１４ｃは、白色光の干渉縞の位置を特定するためのピーク（特徴点）を求める。一方、図３（Ａ）に白色光による干渉縞の波形、図３（Ｂ）にレーザー光による干渉縞の波形、及び図３（Ｃ）に白色光及びレーザー光による干渉縞の波形を示すが、図３（Ｃ）のように、レーザー光の干渉縞の大きさが適切な大きさであれば、分離されなくて重なっていても、白色光の干渉縞のピーク位置を抽出できる。レーザー光の干渉縞の大きさは、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１１からのレーザー光の強さを調整する事により適切にすることできる。大凡では、レーザー光の干渉縞の大きさは、白色光の干渉縞の大きさ以下が望ましい。
【００４０】
また、メモリ１３に記憶される撮像データは、上記時間間隔で記憶される（図２（Ａ）は、それらを結んで連続的に表現したものである。）ので、撮像データとしては離散的になる。この時間間隔（タイミング）が、図２（Ａ）の干渉縞の周期（縞の振幅間の間隔）に対して無視できる程度の細かさであれば、白色光干渉縞光路長検出手段１４ｃは、それら撮像データ（輝度データ）の極大点のうち最大値を示す点をピーク位置として求めて求めても良いし、極大点を結んで得られる包絡線のピーク位置を演算で求めても良い。離散的なため、極大点と包絡線のピーク位置が一致しないため、包絡線を結べないことがあるが、滑らかな特性であるから前後の極大点から補間演算により求めても良い。また、撮像データの時間間隔と干渉縞の周期に関わらず、信号処理手段２０は、特開平９−３１８３２９号公報に記載のように、離散的処理で求めてもよい。
【００４１】
さらに、離散的な撮像データから干渉縞のピークを求める方法としては、光路長を段階的に変化させ、その変化した所定の光路長毎に撮像したされた離散的な撮像データを基に次ぎの処理を行う技術がある。撮像データから得られる干渉縞のデーからデジタル・ハイパスフィルタにより直流成分を除外する。交流成分となったデータを二乗して整流する。整流された繰り返し成分に比べ低い繰り返し成分を通過させるデジタル・ローパスフィルタを通して積分し、干渉縞の包絡線データを算出する。このとき、ピーク位置の細かさの要求に応じて、整流された繰り返し成分の間を例えば二乗特性で補間し、補間された繰り返し成分を積分して包絡線データを求める。この包絡線データのピークとなる位置を求める。これらは撮像データが時間間隔で取得されているので、時間軸上でピーク位置が計算されるが、最終的には、光路長にスケーリングされる。上記算出は、白色光干渉縞光路長検出手段１４ｃで行われ、コヒーレント路長参照手段１４ｂでスケーリングすることができる。
【００４２】
［１．４  スケーリング及び形状測定］
光路長検出手段１４は、上記のように、メモリ１３から、例えば測定位置（Ｘｍ、Ｙｐ）における撮像データをアドレス順に読み出して、図２（Ｂ）のレーザー光による干渉縞と図２（Ａ）に示すような白色光の干渉縞を得る。白色光干渉縞光路検出手段１４ｃがその白色光の干渉縞のピーク位置を検出する。そして、レーザー光路長参照手段１４ｂが白色光の干渉縞の時間軸と同じ時間軸に展開されたレーザー光による干渉縞の変化をそのレーザー光の波長で刻んだスケールとして、そのピークが現れる位置を位置Ｚ１ｓとして特定する。同様に、基準測定位置（Ｘｓ、Ｙｓ）の撮像データからも白色光の干渉縞のピークの位置Ｚｓｓ（光路長の変化量）を特定する。つまり、光路長（その変化量）に値付け、スケーリングをする。スケーリングされた光路長を基に画像としてユーザインターフェース１８に表示させても良い。各数値と測定位置を対応付けて表示させても良い。
【００４３】
そして、変位演算手段１５が、それらの差Ｚｓｓ−Ｚ１ｓを求めることにより、測定位置（Ｘｍ、ＹＰ）の基準測定位置（Ｘｓ、Ｙｓ）に対する変位、つまり高さとなる。同様に、各測定位置について処理を行えば、被測定物７の全面について高さ（Ｚ軸方向の距離）が測定できる。このように測定位置間での特定光路長間の差をとることによって、相対的な高さ方向の変位を得るので、カメラ１０の応答遅れがあってもうち消すことができる。
【００４４】
また、上記のように、光路長制御手段１６による測定光路の光路長の変化及びカメラ１０による撮影データの取得は、時間に対応しているが、上記スケーリングは、時間に関係ないのが特徴である。したがって、光路長制御手段１６による測定光路の光路長の変化の速度が変化し一定でなくなったとしても、それに起因した白色光による干渉縞の歪みとスケール（つまり、レーザー光による干渉縞）の歪みとは同じになり、かつスケールの刻み（レーザー光による干渉縞の間隔）はレーザー光の波長で決定されるので、対応関係が明確であり、速度の変化の影響を防止して測定できる。
【００４５】
「１．５  光路長可変手段８の変形例」
図４は、ピエゾ８に代わる光路長可変手段である。ピエゾ８の代わりに測定光路中に一定の厚みを有し、光を透過する回転素子を入れて、回転素子への入射角を可変することにより、回転素子と被測定物間の往復の光路長を可変するものである。
【００４６】
「１．６  Ｈｅ―Ｎｅレーザー１１の変形例」
図１では、コヒーレント光源としてＨｅ―Ｎｅレーザー１１を用いてきたが、白色光源、或いは複数の波長成分を有する光源から狭帯域な光フィルタによりほぼ単一な波長成分を選択してそれを、ビームスプリッター１２へ入射させる構成にしても良い。
【００４７】
[２．第２の実施形態]
図５を基に説明する。図５は、図１がＨｅ−Ｎｅレーザー光源１１を持っているのに対して、これが無い点で相違する。図５では、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光源１１からのレーザー光の光路は形成されないが、他は、全く図１と同じであり、動作も同じである。この場合、分波手段１４ａは、メモリ１３の撮像データから白色光の帯域のうちＨｅ−Ｎｅレーザー光源１１からのレーザー光と同じ波長の狭帯域のレーザー光の干渉縞を抽出する。コヒーレント光路長参照手段１４ｂは、このレーザー光による干渉縞をスケールとして使う。Ｈｅ−Ｎｅレーザー光源１１のレーザー光による干渉縞に比べ，Ｓ／Ｎが悪化する恐れがあるが、要求される精度によって使用できる。また、Ｓ／Ｎ改善策を施す手法もある。
【００４８】
[３．第３の実施形態]
図６を基に説明する。第３の実施形態は、図５の構成の信号処理手段２０を図６（Ａ）の信号処理手段２０ａに置き代え、さらに図５のカメラ１０をカラーカメラにしたものである。したがって、この場合のメモリ１３は、カラー領域のデータを含み構成される。その他の構成動作は、図５と同じである。
【００４９】
図６（Ａ）で分波手段１４ｄは、メモリ１３の撮像データから、例えば、Ｂ成分（ブルー色の帯域成分）、Ｇ成分（グリーン色の帯域成分）及びＲ成分（レッド色の帯域成分）に分波して、それぞれ白色光干渉縞光路長検出手段１４ｆへ送る。Ｂ位相算出部１４ｆ１、Ｇ位相算出部１４ｆ２、及びＲ位相算出部１４ｆ３は、それぞれ、Ｂ成分による干渉縞、Ｇ成分による干渉縞、及びＲ成分によるによる干渉縞の位相の変化を算出する。それらの位相の変化は、光路長制御手段１６の制御にしたがってピエゾ８が変化させる測定光路の光路長の変化に対応するものであって、いずれも例えば、光路長を変化させる前の位相を基準として、それに対する位相変化である。
【００５０】
光路長決定手段１４ｆ４は、それらの位相変化を基に、位相の一致点（干渉縞の特徴点）を白色光による干渉縞のピーク位置とする。なお、上記のように３つの位相算出部（１４ｆ１、１４ｆ２、１４ｆ３）を備える代わりに、互いの位相差ゼロを検出し、光路長決定手段１４ｆ４は、この位相差がゼロの点をピーク位置とする構成であっても良い。
【００５１】
一方、コヒーレント光路長参照手段１４ｅは、Ｂ成分、Ｇ成分又はＲ成分のいずれか一つ、例えば、Ｒ成分の干渉縞を生成して、それをスケールとして用いて、光路長決定手段１４ｆが決定したピーク位置における測定光路の光路長（光路長の変化量）を特定する。その他、変位測定は、第１の実施形態と同様に行うことができる。
【００５２】
なお、Ｂ成分、Ｇ成分又はＲ成分として説明したが、必ずしも、これに限る必要はなく、波長の識別可能な３つの波長帯の成分を使ってもよい。また、３つの波長帯に限らず、少なくとも２つの波長帯であれば、十分である。
【００５３】
上記説明は、図６を図５に適用して説明したが、図１に適用しても良い。この場合、図６のコヒーレント光路長算出手段１４ｅは、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光源１１からのレーザー光による干渉縞を基にスケーリングすることになる。
【００５４】
上記構成のうち、信号処理手段２０，２０ａ及び光路長制御手段１６は，ＣＰＵ及びメモリで構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第１の実施形態の機能構成を示す図である。
【図２】図１の光路長検出手段１４を説明するための図である。
【図３】図１の分波手段１４ａを説明するための図である。
【図４】ピエゾ８に代わる光路長可変手段の例である。
【図５】第２の実施形態の機能構成を示す図である。
【図６】第３の実施形態の機能構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  光源
２  コリメータレンズ
３  ビームスプリッター
４  対物レンズ
５  ビームスプリッター
６  参照鏡
７  被測定物
８  ピエゾ
９  結像レンズ
１０  カメラ
１１  Ｈｅ−Ｎｅレーザー
１２  ビームスプリッター
１３  メモリ
１４  光路長検出手段
１４ａ、１４ｄ  分波手段
１４ｂ、１４ｅ  コヒーレント光路長参照手段
１４ｃ、１４ｆ  白色光干渉縞光路長検出手段
１５  変位演算手段
１６  光路長制御手段
１８  ユーザインタフェース
２０、２０ａ  信号処理手段
【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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