(57)【要約】【課題】被計測物の形状を計測するに際し、撮像素子の撮像領域を有効に活用することのできる三次元計測装置を提供する。【解決手段】三次元計測装置１は、所定の光を偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光に分割し一方をワークＷに照射しかつ他方を参照面１５に照射すると共に、ワークＷで反射した一方の光と、参照面１５で反射した他方の光とを合成して出射する干渉光学系２と、ここから出射された光を、それぞれ光路長が等しくかつ進行方向に直交する平面において光路がマトリクス状に並ぶ４つの光に分割する分光光学系２５と、これにより分割された４つの光がそれぞれ入射される４つの異なる偏光板を有したフィルタユニット２６と、前記４つの偏光板をそれぞれ透過した４つの光を同時に単一の撮像素子により撮像可能なカメラ２７とを備え、撮像された複数通りの干渉縞画像を基に位相シフト法によりワークＷの形状計測を行う。【選択図】      図１
2016211922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の光源から出射された光を偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光に分割し一方を被計測物に照射しかつ他方を参照面に照射すると共に、前記被計測物で反射した一方の光と、前記参照面で反射した他方の光とを合成して出射する干渉光学系と、
前記干渉光学系から出射された光を、それぞれ光路長が等しくかつ進行方向に直交する平面において光路がマトリクス状に並ぶ４つの光に分割する分光手段と、
前記分光手段により分割された４つの光がそれぞれ入射される４つの異なる偏光板を有したフィルタ手段と、
前記４つの偏光板をそれぞれ透過した４つの光を同時に単一の撮像素子により撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された複数通りの干渉縞画像を基に位相シフト法により前記被計測物の形状計測を行う画像処理手段とを備え、
前記分光手段は、
前記干渉光学系から特定方向に沿って入射される光を該特定方向と直交する第１方向に２つに分離し、前記特定方向へ進む２つの平行する光として出射する第１光分割手段と、
前記第１光分割手段により分割された２つの光の光路長を等しくする第１光路調整手段と、
前記第１光路調整手段により光路長の等しくなった前記２つの光のうちの一方の光を入射させると共に、該光を前記特定方向及び前記第１方向と直交する第２方向に２つに分離し、前記特定方向へ進む２つの平行する光として出射する第２光分割手段と、
前記第２光分割手段により分割された２つの光の光路長を等しくする第２光路調整手段と、
前記第１光路調整手段により光路長の等しくなった前記２つの光のうちの他方の光を入射させると共に、該光を前記第２方向に２つに分離し、前記特定方向へ進む２つの平行する光として出射する第３光分割手段と、
前記第３光分割手段により分割された２つの光の光路長を等しくする第３光路調整手段とを備えていることを特徴とする三次元計測装置。
【請求項２】
前記第１光分割手段は、
前記特定方向に沿って入射される光の一部を透過させ、残りを前記第１方向一方側に向け反射させる第１分岐手段と、該反射した光を前記特定方向へ向け全反射させる第１反射手段とを備えた所定の屈折率を有する光学部材により構成され、
前記第１光路調整手段は、
前記第１分岐手段を透過した光の光路上に前記特定方向に沿って配置された所定の屈折率を有する光学部材により構成され、
前記第２光分割手段は、
前記特定方向に沿って入射される光の一部を透過させ、残りを前記第２方向一方側に向け反射させる第２分岐手段と、該反射した光を前記特定方向へ向け全反射させる第２反射手段とを備えた所定の屈折率を有する光学部材により構成され、
前記第２光路調整手段は、
前記第２分岐手段を透過した光の光路上に前記特定方向に沿って配置された所定の屈折率を有する光学部材により構成され、
前記第３光分割手段は、
前記特定方向に沿って入射される光の一部を透過させ、残りを前記第２方向一方側に向け反射させる第３分岐手段と、該反射した光を前記特定方向へ向け全反射させる第３反射手段とを備えた所定の屈折率を有する光学部材により構成され、
前記第３光路調整手段は、
前記第３分岐手段を透過した光の光路上に前記特定方向に沿って配置された所定の屈折率を有する光学部材により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
【請求項３】
前記第２光分割手段及び前記第３光分割手段を一体形成し、前記第２光路調整手段及び前記第３光路調整手段を一体形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元計測装置。
【請求項４】
前記フィルタ手段は、透過軸方向が４５°ずつ異なる４つの偏光板により構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の三次元計測装置。
【請求項５】
前記フィルタ手段は、透過軸方向が６０°又は４５°ずつ異なる３つの偏光板と、前記被計測物で反射した一方の光の成分のみを選択的に透過させる１／４波長板及び偏光板とにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の三次元計測装置。
【請求項６】
所定の光源から出射された光を偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光に分割し一方を被計測物に照射しかつ他方を参照面に照射すると共に、前記被計測物で反射した一方の光と、前記参照面で反射した他方の光とを合成して出射する干渉光学系と、
前記干渉光学系から出射された光を、それぞれ光路長が等しくかつ進行方向に直交する平面において光路がマトリクス状に並ぶ４つの光に分割する分光手段と、
前記分光手段により分割された４つの光のうち３つの光がそれぞれ入射される３つの異なる偏光板を有したフィルタ手段と、
前記前記分光手段により分割された４つの光であって、前記３つの偏光板をそれぞれ透過した３つの光と、前記偏光板を介することなく直接入射される１つの光を同時に単一の撮像素子により撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された複数通りの干渉縞画像を基に位相シフト法により前記被計測物の形状計測を行う画像処理手段とを備え、
前記分光手段は、
前記干渉光学系から特定方向に沿って入射される光を該特定方向と直交する第１方向に２つに分離し、前記特定方向へ進む２つの平行する光として出射する第１光分割手段と、
前記第１光分割手段により分割された２つの光の光路長を等しくする第１光路調整手段と、
前記第１光路調整手段により光路長の等しくなった前記２つの光のうちの一方の光を入射させると共に、該光を前記特定方向及び前記第１方向と直交する第２方向に２つに分離し、前記特定方向へ進む２つの平行する光として出射する第２光分割手段と、
前記第２光分割手段により分割された２つの光の光路長を等しくする第２光路調整手段と、
前記第１光路調整手段により光路長の等しくなった前記２つの光のうちの他方の光を入射させると共に、該光を前記第２方向に２つに分離し、前記特定方向へ進む２つの平行する光として出射する第３光分割手段と、
前記第３光分割手段により分割された２つの光の光路長を等しくする第３光路調整手段とを備えていることを特徴とする三次元計測装置。
【請求項７】
前記第１光分割手段は、
前記特定方向に沿って入射される光の一部を透過させ、残りを前記第１方向一方側に向け反射させる第１分岐手段と、該反射した光を前記特定方向へ向け全反射させる第１反射手段とを備えた所定の屈折率を有する光学部材により構成され、
前記第１光路調整手段は、
前記第１分岐手段を透過した光の光路上に前記特定方向に沿って配置された所定の屈折率を有する光学部材により構成され、
前記第２光分割手段は、
前記特定方向に沿って入射される光の一部を透過させ、残りを前記第２方向一方側に向け反射させる第２分岐手段と、該反射した光を前記特定方向へ向け全反射させる第２反射手段とを備えた所定の屈折率を有する光学部材により構成され、
前記第２光路調整手段は、
前記第２分岐手段を透過した光の光路上に前記特定方向に沿って配置された所定の屈折率を有する光学部材により構成され、
前記第３光分割手段は、
前記特定方向に沿って入射される光の一部を透過させ、残りを前記第２方向一方側に向け反射させる第３分岐手段と、該反射した光を前記特定方向へ向け全反射させる第３反射手段とを備えた所定の屈折率を有する光学部材により構成され、
前記第３光路調整手段は、
前記第３分岐手段を透過した光の光路上に前記特定方向に沿って配置された所定の屈折率を有する光学部材により構成されていることを特徴とする請求項６に記載の三次元計測装置。
【請求項８】
前記第２光分割手段及び前記第３光分割手段を一体形成し、前記第２光路調整手段及び前記第３光路調整手段を一体形成したことを特徴とする請求項６又は７に記載の三次元計測装置。
【請求項９】
前記フィルタ手段は、透過軸方向が６０°又は４５°ずつ異なる３つの偏光板により構成されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の三次元計測装置。
【請求項１０】
前記被計測物が、プリント基板に印刷されたクリーム半田、又は、ウエハ基板に形成された半田バンプであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の三次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測物の形状を計測する三次元計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被計測物の形状を計測する三次元計測装置として、干渉計を利用した三次元計測装置が知られており、近年では、位相シフト法を用いた三次元計測装置も種々提案されている。
【０００３】
その１つとして、例えば干渉計から出射される光を複数に分光した後、これらの光をそれぞれ所定の位相シフト量で位相シフトさせて撮像し、取得した位相の異なる複数の干渉縞画像を基に位相シフト法により被計測物の形状を計測するものも見受けられる。
【０００４】
中でも、近年では、計測精度の向上等を図るため、上記位相の異なる複数の干渉縞画像を１台の撮像装置（１つの撮像素子）により同時に撮像する技術も提案されている（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２００１−２２７９２７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、上記特許文献１に係る３分光方式では、撮像素子の撮像領域を十分に活用できないおそれがある。例えばアスペクト比が４：３の一般的な撮像素子の撮像領域を３等分して３つの分光にそれぞれ割り当てた場合には、各分割領域がそれぞれ縦長又は横長になってしまい、各分割領域の中心から離れた領域などが有効に活用されないおそれがある（特許文献１の図２，３参照）。構成によっては、全く使用されない領域が生じるおそれもある（特許文献１の図４参照）。
【０００７】
かかる構成の下では、例え高解像度の撮像素子を用いたとしても有効に活用されず、計測精度の向上を阻む阻害要因となり得る。
【０００８】
本発明は、上記事情等に鑑みてなされたものであり、その目的は、被計測物の形状を計測するに際し、撮像素子の撮像領域を有効に活用し、ひいては計測精度の向上を図ることのできる三次元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】
【０００９】
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。
【００１０】
手段１．所定の光源から出射された光を偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光に分割し一方を被計測物に照射しかつ他方を参照面に照射すると共に、前記被計測物で反射した一方の光（物体光）と、前記参照面で反射した他方の光（参照光）とを合成して出射する干渉光学系と、
前記干渉光学系から出射された光を、それぞれ光路長が等しくかつ進行方向に直交する平面において光路がマトリクス状に並ぶ４つの光に分割する分光手段と、
前記分光手段により分割された４つの光がそれぞれ入射される４つの異なる偏光板を有したフィルタ手段と、
前記４つの偏光板をそれぞれ透過した４つの光を同時に単一の撮像素子により撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された複数通り（３又は４通り）の干渉縞画像を基に位相シフト法により前記被計測物の形状計測を行う画像処理手段とを備え、
前記分光手段は、
前記干渉光学系から特定方向（例えば左右方向）に沿って入射される光を該特定方向と直交する第１方向（例えば上下方向）に２つに分離し、前記特定方向へ進む２つの平行する光として出射する第１光分割手段と、
前記第１光分割手段により分割された２つの光の光路長を等しくする第１光路調整手段と、
前記第１光路調整手段により光路長の等しくなった前記２つの光のうちの一方の光を入射させると共に、該光を前記特定方向及び前記第１方向と直交する第２方向（例えば前後方向）に２つに分離し、前記特定方向へ進む２つの平行する光として出射する第２光分割手段と、
前記第２光分割手段により分割された２つの光の光路長を等しくする第２光路調整手段と、
前記第１光路調整手段により光路長の等しくなった前記２つの光のうちの他方の光を入射させると共に、該光を前記第２方向に２つに分離し、前記特定方向へ進む２つの平行する光として出射する第３光分割手段と、
前記第３光分割手段により分割された２つの光の光路長を等しくする第３光路調整手段とを備えていることを特徴とする三次元計測装置。
【００１１】
上記手段１によれば、干渉光学系から出射される光をマトリクス状に並ぶ４つの光に分光すると共に、該４つの光を偏光板を介して単一の撮像素子により同時に撮像する。そして、撮像手段により撮像された複数通りの干渉縞画像を基に位相シフト法により被計測物の形状計測を行う。結果として、従来同様、計測精度の向上や、計測時間の短縮、装置の大型化抑制等を図ることができる。
【００１２】
さらに、本手段によれば、撮像素子の撮像領域をマトリクス状に４等分した分割領域を、４つの光にそれぞれ割り当てることができるため、従来の３分光方式に比べ、撮像素子の撮像領域を有効活用することができる。例えばアスペクト比が４：３の一般的な撮像素子の撮像領域を４等分した場合、各分割領域のアスペクト比は同じく４：３となるため、各分割領域内のより広範囲を利用可能となる。ひいては、さらなる計測精度の向上を図ることができる。
【００１３】
また、仮に回折格子を分光手段として用いた場合には分解能が低下するおそれがあるが、本手段では、１つの光を平行する２つの光に分割し、さらに該２つの光をそれぞれ平行する２つの光に分割することにより、平行する４つの光に分光する構成の分光手段を採用しているため、分解能の低下抑制を図ることができる。
【００１４】
尚、上記「第１方向（又は第２方向）に２つに分離」とあるのは、「第１方向（又は第２方向）」に離間した状態で特定方向へ進む２つの平行する光に分割することを意味するものであって、必ずしも「第１方向（又は第２方向）」が分割した光の光路方向を示すものではない。例えば第１光分割手段の一例として「干渉光学系から特定方向に沿って入射される光を、前記特定方向及び該特定方向と直交する第１方向を含む平面に沿ってＹ字状に２つに分岐した後、前記特定方向へ進む２つの平行する光として出射する」構成を採用してもよい。
【００１５】
手段２．前記第１光分割手段は、
前記特定方向に沿って入射される光の一部を透過させ、残りを前記第１方向一方側（例えば上下方向上側）に向け反射させる第１分岐手段（ハーフミラー）と、該反射した光を前記特定方向へ向け全反射させる第１反射手段（全反射ミラー）とを備えた所定の屈折率を有する光学部材（プリズム）により構成され、
前記第１光路調整手段は、
前記第１分岐手段を透過した光の光路上に前記特定方向に沿って配置された所定の屈折率を有する光学部材（プリズム）により構成され、
前記第２光分割手段は、
前記特定方向に沿って入射される光の一部を透過させ、残りを前記第２方向一方側（例えば前後方向奥側）に向け反射させる第２分岐手段（ハーフミラー）と、該反射した光を前記特定方向へ向け全反射させる第２反射手段（全反射ミラー）とを備えた所定の屈折率を有する光学部材（プリズム）により構成され、
前記第２光路調整手段は、
前記第２分岐手段を透過した光の光路上に前記特定方向に沿って配置された所定の屈折率を有する光学部材（プリズム）により構成され、
前記第３光分割手段は、
前記特定方向に沿って入射される光の一部を透過させ、残りを前記第２方向一方側（例えば前後方向奥側）に向け反射させる第３分岐手段（ハーフミラー）と、該反射した光を前記特定方向へ向け全反射させる第３反射手段（全反射ミラー）とを備えた所定の屈折率を有する光学部材（プリズム）により構成され、
前記第３光路調整手段は、
前記第３分岐手段を透過した光の光路上に前記特定方向に沿って配置された所定の屈折率を有する光学部材（プリズム）により構成されていることを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。
【００１６】
上記手段２によれば、光分割手段を構成する所定の光学部材を直進して通り抜ける一方の光と、クランク状に折れ曲がって通り抜ける他方の光との光路長を調整する（光学的に同一とする）光路調整手段として、直進して通り抜ける一方の光の光路上に所定の光学部材を配置するといった比較的簡単な構成で、上記手段１に係る構成を実現することができ、構成の簡素化を図ることができる。
【００１７】
手段３．前記第２光分割手段及び前記第３光分割手段を一体形成し、前記第２光路調整手段及び前記第３光路調整手段を一体形成したことを特徴とする手段１又は２に記載の三次元計測装置。
【００１８】
上記手段３によれば、部品点数の削減を図ると共に、構成の簡素化を図ることができる。
【００１９】
手段４．前記フィルタ手段は、透過軸方向が４５°ずつ異なる４つの偏光板により構成されていることを特徴とする手段１乃至３のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００２０】
上記手段４によれば、例えば透過軸方向が０°の第１偏光板と、透過軸方向が４５°の第２偏光板と、透過軸方向が９０°の第３偏光板と、透過軸方向が１３５°の第４偏光板とを備えた構成となる。これにより、一つの撮像素子による一回の撮像で、位相が９０°ずつ異なる４通りの干渉縞画像を取得することができる。結果として、３通りの干渉縞画像を基に位相シフト法により形状計測を行う場合に比べて、より精度の高い計測を行うことができる。
【００２１】
手段５．前記フィルタ手段は、透過軸方向が６０°又は４５°ずつ異なる３つの偏光板と、前記被計測物で反射した一方の光（物体光）の成分のみを選択的に透過させる１／４波長板及び偏光板とにより構成されていることを特徴とする手段１乃至３のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００２２】
上記手段５によれば、例えば透過軸方向が０°の第１偏光板と、透過軸方向が６０°（又は４５°）の第２偏光板と、透過軸方向が１２０°（又は９０°）の第３偏光板と、物体光（例えば左回りの円偏光）及び参照光（例えば右回りの円偏光）を直線偏光に変換する１／４波長板と、物体光の直線偏光を選択的に透過させる第４の偏光板とを備えた構成となる。
【００２３】
これにより、一つの撮像素子による一回の撮像で、位相が１２０°（又は９０°）ずつ異なる３通りの干渉縞画像に加えて、被計測物の輝度画像を取得することができる。これにより、３通りの干渉縞画像を基に位相シフト法により行う形状計測に加え、輝度画像を基にした計測を組み合せて行うことが可能となる。例えば位相シフト法による形状計測により得られた三次元データに対しマッピングを行うことや、計測領域の抽出を行うこと等が可能となる。結果として、複数種類の計測を組み合せた総合的な判断を行うことができ、計測精度のさらなる向上を図ることができる。
【００２４】
手段６．所定の光源から出射された光を偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光に分割し一方を被計測物に照射しかつ他方を参照面に照射すると共に、前記被計測物で反射した一方の光（物体光）と、前記参照面で反射した他方の光（参照光）とを合成して出射する干渉光学系と、
前記干渉光学系から出射された光を、それぞれ光路長が等しくかつ進行方向に直交する平面において光路がマトリクス状に並ぶ４つの光に分割する分光手段と、
前記分光手段により分割された４つの光のうち３つの光がそれぞれ入射される３つの異なる偏光板を有したフィルタ手段と、
前記前記分光手段により分割された４つの光であって、前記３つの偏光板をそれぞれ透過した３つの光と、前記偏光板を介することなく直接入射される１つの光を同時に単一の撮像素子により撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された複数通り（３通り）の干渉縞画像を基に位相シフト法により前記被計測物の形状計測を行う画像処理手段とを備え、
前記分光手段は、
前記干渉光学系から特定方向（例えば左右方向）に沿って入射される光を該特定方向と直交する第１方向（例えば上下方向）に２つに分離し、前記特定方向へ進む２つの平行する光として出射する第１光分割手段と、
前記第１光分割手段により分割された２つの光の光路長を等しくする第１光路調整手段と、
前記第１光路調整手段により光路長の等しくなった前記２つの光のうちの一方の光を入射させると共に、該光を前記特定方向及び前記第１方向と直交する第２方向（例えば前後方向）に２つに分離し、前記特定方向へ進む２つの平行する光として出射する第２光分割手段と、
前記第２光分割手段により分割された２つの光の光路長を等しくする第２光路調整手段と、
前記第１光路調整手段により光路長の等しくなった前記２つの光のうちの他方の光を入射させると共に、該光を前記第２方向に２つに分離し、前記特定方向へ進む２つの平行する光として出射する第３光分割手段と、
前記第３光分割手段により分割された２つの光の光路長を等しくする第３光路調整手段とを備えていることを特徴とする三次元計測装置。
【００２５】
上記手段６によれば、上記手段１と同様の作用効果が奏される。尚、物体光（例えば左回りの円偏光）と参照光（例えば右回りの円偏光）とをそのまま撮像したとしても、参照光は既知(予め計測して得ることが可能)であり均一なので撮像後の処理により、この参照光分を取り除く処理や均一光を取り除く処理を行うことにより、物体光の信号を抽出することが可能となる。
【００２６】
従って、本手段６によれば、上記手段５と同様、一つの撮像素子による一回の撮像で、位相が異なる３通りの干渉縞画像に加えて、被計測物の輝度画像を取得することができ、上記手段５と同様の作用効果が奏されることとなる。
【００２７】
本手段６の利点としては、上記手段５と比較して「１／４波長板」及び「偏光板」を省略することができるため、光学部品が減り、構成の簡素化や部品点数の増加抑制等を図ることができる。一方、手段５と比較して、やや劣る点としては、参照光と物体光とが合成された状態で撮像されるため、センサのダイナミックレンジが実質的に半減し、計測精度が低下することが懸念される。
【００２８】
手段７．前記第１光分割手段は、
前記特定方向に沿って入射される光の一部を透過させ、残りを前記第１方向一方側（例えば上下方向上側）に向け反射させる第１分岐手段（ハーフミラー）と、該反射した光を前記特定方向へ向け全反射させる第１反射手段（全反射ミラー）とを備えた所定の屈折率を有する光学部材（プリズム）により構成され、
前記第１光路調整手段は、
前記第１分岐手段を透過した光の光路上に前記特定方向に沿って配置された所定の屈折率を有する光学部材（プリズム）により構成され、
前記第２光分割手段は、
前記特定方向に沿って入射される光の一部を透過させ、残りを前記第２方向一方側（例えば前後方向奥側）に向け反射させる第２分岐手段（ハーフミラー）と、該反射した光を前記特定方向へ向け全反射させる第２反射手段（全反射ミラー）とを備えた所定の屈折率を有する光学部材（プリズム）により構成され、
前記第２光路調整手段は、
前記第２分岐手段を透過した光の光路上に前記特定方向に沿って配置された所定の屈折率を有する光学部材（プリズム）により構成され、
前記第３光分割手段は、
前記特定方向に沿って入射される光の一部を透過させ、残りを前記第２方向一方側（例えば前後方向奥側）に向け反射させる第３分岐手段（ハーフミラー）と、該反射した光を前記特定方向へ向け全反射させる第３反射手段（全反射ミラー）とを備えた所定の屈折率を有する光学部材（プリズム）により構成され、
前記第３光路調整手段は、
前記第３分岐手段を透過した光の光路上に前記特定方向に沿って配置された所定の屈折率を有する光学部材（プリズム）により構成されていることを特徴とする手段６に記載の三次元計測装置。
【００２９】
上記手段７によれば、上記手段２と同様の作用効果が奏される。
【００３０】
手段８．前記第２光分割手段及び前記第３光分割手段を一体形成し、前記第２光路調整手段及び前記第３光路調整手段を一体形成したことを特徴とする手段６又は７に記載の三次元計測装置。
【００３１】
上記手段８によれば、上記手段３と同様の作用効果が奏される。
【００３２】
手段９．前記フィルタ手段は、透過軸方向が６０°又は４５°ずつ異なる３つの偏光板により構成されていることを特徴とする手段６乃至８のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００３３】
上記手段９によれば、例えば透過軸方向が０°の第１偏光板と、透過軸方向が６０°（又は４５°）の第２偏光板と、透過軸方向が１２０°（又は９０°）の第３偏光板とを備えた構成となる。これにより、一つの撮像素子による一回の撮像で、位相が１２０°（又は９０°）ずつ異なる３通りの干渉縞画像と、被計測物の輝度画像を取得することができる。
【００３４】
手段１０．前記被計測物が、プリント基板に印刷されたクリーム半田、又は、ウエハ基板に形成された半田バンプであることを特徴とする手段１乃至９のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００３５】
上記手段１０によれば、プリント基板に印刷されたクリーム半田、又は、ウエハ基板に形成された半田バンプの高さ計測等を行うことができる。ひいては、クリーム半田又は半田バンプの検査において、その計測値に基づいてクリーム半田又は半田バンプの良否判定を行うことができる。従って、かかる検査において、上記各手段の作用効果が奏されることとなり、精度よく良否判定を行うことができる。結果として、半田印刷検査装置又は半田バンプ検査装置における検査精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】三次元計測装置の概略構成図である。
【図２】三次元計測装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】撮像部の概略構成図である。
【図４】フィルタユニットの概略構成図である。
【図５】撮像素子の撮像領域の概略構成図である。
【図６】別の実施形態に係るフィルタユニットの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、三次元計測装置の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る三次元計測装置１の概略構成を示す模式図であり、図２は三次元計測装置１の電気的構成を示すブロック図である。
【００３８】
三次元計測装置１は、干渉光学系（干渉計）２と、該干渉光学系２から出射される光を撮像可能な撮像部３と、干渉光学系２や撮像部３などに係る各種制御や画像処理、演算処理等を行う制御装置４とを備えている。制御装置４が本実施形態における画像処理手段を構成する。
【００３９】
本実施形態における干渉光学系２は、公知のマイケルソン干渉計の原理に基づき構成されており、発光部１０や偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３などを備えてなる。
【００４０】
図示は省略するが、発光部１０は、特定波長の直線偏光を出力可能なレーザ光源や、該レーザ光源から出力される偏光を拡大し平行光として出射するビームエキスパンダなどを備えている。尚、レーザ光源としては、例えば５３２ｎｍや４８８ｎｍの波長を有するものなどが挙げられる。勿論、これに限られるものではなく、他の波長のレーザ光源を採用してもよい。
【００４１】
発光部１０からは、図１の紙面前後方向（以下、図１，３における紙面前後方向を「Ｘ軸方向」という）を偏光方向とする直線偏光が図１の紙面上下方向（以下、図１，３における紙面上下方向を「Ｙ軸方向」という）下向きに出力される。
【００４２】
発光部１０から出射された直線偏光は、偏光板１１を介して強度調整された後、１／２波長板１２を介して、Ｘ軸方向に対し４５°傾斜した方向を偏光方向（振動方向）とする直線偏光とされた上で、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３に入射される。
【００４３】
偏光ビームスプリッタ１３へ入射された直線偏光は、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光に分割される。本実施形態では、図１の紙面左右方向（以下、図１，３における紙面左右方向を「Ｚ軸方向」という）を偏光方向としＹ軸方向下向きに出射される直線偏光（Ｐ偏光：以下「参照光」という）と、Ｘ軸方向を偏光方向としＺ軸方向右向き出射される直線偏光（Ｓ偏光；以下「物体光」という）とに分割される。尚、本実施形態において「Ｚ軸方向」が「特定方向」に相当し、「Ｙ軸方向」が「第１方向」に相当し、「Ｘ軸方向」が「第２方向」に相当する。
【００４４】
このうち、参照光は１／４波長板１４を介して直線偏光から、左回りの円偏光に変換された上で参照面１５に対し照射され反射する。一方、物体光は１／４波長板１６により直線偏光から、右回りの円偏光に変換された後、対物レンズ１７を介して、設置部１８に置かれた被計測物としてのワークＷに対し照射され反射する。
【００４５】
参照面１５で反射し右回りの円偏光に変換された参照光は、再度、１／４波長板１４を介して円偏光から、Ｘ軸方向を偏光方向とする直線偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ１３に入射する。一方、ワークＷにて反射し左回りの円偏光に変換された物体光は、再度、１／４波長板１６を介して円偏光から、Ｙ軸方向を偏光方向とする直線偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ１３に入射する。
【００４６】
そして、偏光ビームスプリッタ１３に入射した参照光及び物体光は合成され、Ｚ軸方向左向きに出射される。偏光ビームスプリッタ１３から出射された合成光は、１／４波長板１９により、参照光成分（Ｓ偏光）が右回りの円偏光に変換されると共に、物体光成分（Ｐ偏光）が左回りの円偏光に変換された上で、結像レンズ２０を介して合成光Ｌ０として撮像部３に向け出射される。尚、右回りの円偏光と左回りの円偏光は回転方向が異なるので干渉しない。
【００４７】
次に撮像部３の構成について図１，３を参照して詳しく説明する。図３は、撮像部３の概略構成を模式的に示す斜視図である。
【００４８】
撮像部３は、干渉光学系２から出射された合成光Ｌ０を４つの光に分割する分光手段としての分光光学系２５と、該分光光学系２５から出射された４つの光の所定成分を選択的に透過させるフィルタ手段としてのフィルタユニット２６と、該フィルタユニット２６を透過した４つの光を撮像する撮像手段としてのカメラ２７とを備えている。本実施形態では、カメラ２７の光軸方向が合成光Ｌ０の出射方向（進行方向）と平行するように設定されている。つまり、図１，３においてはＺ軸方向に沿って設定されている。
【００４９】
分光光学系２５は、無偏光型の４つの光学部材（プリズム）を組み合わせて一体とした１つの光学部材として構成されている。より詳しくは、分光光学系２５は、合成光Ｌ０の進行方向（Ｚ軸方向）に沿って、干渉光学系２に近い側より順に第１のプリズム３１、第２のプリズム３２、第３のプリズム３３、第４のプリズム３４が配置された構成となっている。
【００５０】
尚、上記各プリズム３１〜３４は、それぞれ空気よりも屈折率の高い所定の屈折率を有する光学材料（例えばガラスやアクリル等）により形成されている。従って、各プリズム３１〜３４内を進む光の光路長は、空気中を進む光の光路長よりも光学的に長くなる。ここで、例えば４つのプリズム３１〜３４をすべて同じ材料により形成してもよいし、少なくとも１つを異なる材料により形成してもよい。後述する分光光学系２５の機能を満たすものであれば、各プリズム３１〜３４の材質はそれぞれ任意に選択可能である。
【００５１】
第１のプリズム３１は、正面視（Ｚ−Ｙ平面）平行四辺形状をなし、Ｘ軸方向に沿って延びる四角柱形状のプリズムである。以下、「第１のプリズム３１」を「第１菱形プリズム３１」という。
【００５２】
第１菱形プリズム３１は、Ｘ軸方向に沿った長方形状の４面のうち、干渉光学系２側となるＺ軸方向右側に位置する面３１ａ（以下、「入射面３１ａ」という）及びＺ軸方向左側に位置する面３１ｂ（以下、「出射面３１ｂ」という）がそれぞれＺ軸方向と直交するように配置され、Ｙ軸方向下側に位置する面３１ｃ及びＹ軸方向上側に位置する面３１ｄがそれぞれＺ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
【００５３】
この２つの傾斜した面３１ｃ，３１ｄのうち、Ｙ軸方向下側に位置する面３１ｃには無偏光のハーフミラー４１が設けられ、Ｙ軸方向上側に位置する面３１ｄには内側に向け全反射する無偏光の全反射ミラー４２が設けられている。以下、ハーフミラー４１が設けられた面３１ｃを「分岐面３１ｃ」といい、全反射ミラー４２が設けられた面３１ｄを「反射面３１ｄ」という。
【００５４】
尚、図３においては、便宜上、分岐面３１ｃ（ハーフミラー４１）及び反射面３１ｄ（全反射ミラー４２）にあたる部位に散点模様を付して示している。「ハーフミラー４１」が本実施形態における「第１分岐手段」を構成し、「全反射ミラー４２」が「第１反射手段」を構成する。つまり、「第１菱形プリズム３１」が本実施形態における「第１光分割手段」を構成する。
【００５５】
第２のプリズム３２は、正面視（Ｚ−Ｙ平面）台形状をなし、Ｘ軸方向に沿って延びる四角柱形状のプリズムである。以下、「第２のプリズム３２」を「第１台形プリズム３２」という。
【００５６】
第１台形プリズム３２は、Ｘ軸方向に沿った長方形状の４面のうち、Ｙ軸方向上側に位置する面３２ａ及びＹ軸方向下側に位置する３２ｂがそれぞれＹ軸方向と直交するように配置され、Ｚ軸方向右側に位置する面３２ｃがＺ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜するように配置され、Ｚ軸方向左側に位置する面３２ｄがＺ軸方向と直交するように配置されている。
【００５７】
このうち、Ｚ軸方向右側に位置する面３２ｃは、第１菱形プリズム３１の分岐面３１ｃ（ハーフミラー４１）に密着している。以下、Ｚ軸方向右側に位置する面３２ｃを「入射面３２ｃ」といい、Ｚ軸方向左側に位置する面３２ｄを「出射面３２ｄ」という。「第１台形プリズム３２」が本実施形態における「第１光路調整手段」を構成する。
【００５８】
第３のプリズム３３は、平面視（Ｘ−Ｚ平面）平行四辺形状をなし、Ｙ軸方向に沿って延びる四角柱形状のプリズムである。以下、「第３のプリズム３３」を「第２菱形プリズム３３」という。
【００５９】
第２菱形プリズム３３は、Ｙ軸方向に沿った長方形状の４面のうち、Ｚ軸方向右側に位置する面３３ａ及びＺ軸方向左側に位置する面３３ｂがそれぞれＺ軸方向と直交するように配置され、Ｘ軸方向手前側に位置する面３３ｃ及びＸ軸方向奥側に位置する面３３ｄがそれぞれＺ軸方向及びＸ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
【００６０】
この２つの傾斜した面３３ｃ，３３ｄのうち、Ｘ軸方向手前側に位置する面３３ｃには無偏光のハーフミラー４３が設けられ、Ｘ軸方向奥側に位置する面３３ｄには内側に向け全反射する無偏光の全反射ミラー４４が設けられている。以下、ハーフミラー４３が設けられた面３３ｃを「分岐面３３ｃ」といい、全反射ミラー４４が設けられた面３３ｄを「反射面３３ｄ」という。
【００６１】
尚、図３においては、便宜上、分岐面３３ｃ（ハーフミラー４３）及び反射面３３ｄ（全反射ミラー４４）にあたる部位に散点模様を付して示している。「ハーフミラー４３」が本実施形態における「第２分岐手段」及び「第３分岐手段」を構成し、「全反射ミラー４４」が「第２反射手段」及び「第３反射手段」を構成する。つまり、「第２菱形プリズム３３」が本実施形態における「第２光分割手段」及び「第３光分割手段」を構成する。
【００６２】
第２菱形プリズム３３のＺ軸方向右側に位置する面３３ａのうち、Ｙ軸方向下側半分は、第１台形プリズム３２の出射面３２ｄに密着し、Ｙ軸方向上側半分は、第１菱形プリズム３１の出射面３１ｂと相対向した状態となっている。以下、Ｚ軸方向右側に位置する面３３ａを「入射面３３ａ」といい、Ｚ軸方向左側に位置する面３３ｂを「出射面３３ｂ」という。
【００６３】
第４のプリズム３４は、平面視（Ｘ−Ｚ平面）台形状をなし、Ｙ軸方向に沿って延びる四角柱形状のプリズムである。以下、「第４のプリズム３４」を「第２台形プリズム３４」という。
【００６４】
第２台形プリズム３４は、Ｙ軸方向に沿った長方形状の４面のうち、Ｘ軸方向奥側に位置する面３４ａ及びＸ軸方向手前側に位置する３４ｂがそれぞれＸ軸方向と直交するように配置され、Ｚ軸方向右側に位置する面３４ｃがＺ軸方向及びＸ軸方向に対し４５°傾斜するように配置され、Ｚ軸方向左側に位置する面３４ｄがＺ軸方向と直交するように配置されている。
【００６５】
このうち、Ｚ軸方向右側に位置する面３４ｃは、第２菱形プリズム３３の分岐面３３ｃ（ハーフミラー４３）に密着している。以下、Ｚ軸方向右側に位置する面３４ｃを「入射面３４ｃ」といい、Ｚ軸方向左側に位置する面３４ｄを「出射面３４ｄ」という。「第２台形プリズム３４」が本実施形態における「第２光路調整手段」及び「第３光路調整手段」を構成する。
【００６６】
第２菱形プリズム３３の出射面３３ｂ及び第２台形プリズム３４の出射面３４ｄは、それぞれフィルタユニット２６と相対向するように配置されている。
【００６７】
ここで、分光光学系２５の作用について図３を参照しつつ詳しく説明する。干渉光学系２から出射された合成光Ｌ０は、第１菱形プリズム３１の入射面３１ａに入射する。
【００６８】
入射面３１ａから入射した合成光Ｌ０は、分岐面３１ｃ（ハーフミラー４１）にて２方向に分岐する。詳しくは、Ｙ軸方向上側に向け反射する分光ＬＡ１と、Ｚ軸方向に沿ってハーフミラー４１を透過する分光ＬＡ２とに分岐する。
【００６９】
このうち、ハーフミラー４１で反射した分光ＬＡ１は、第１菱形プリズム３１内をＹ軸方向に沿って進み、反射面３１ｄ（全反射ミラー４２）にてＺ軸方向左側に向け反射し、出射面３１ｂから出射する。出射面３１ａから出射した分光ＬＡ１は、Ｚ軸方向に沿って空気中を進み、第２菱形プリズム３３の入射面３３ａに入射する。
【００７０】
一方、ハーフミラー４１を透過した分光ＬＡ２は、第１台形プリズム３２の入射面３２ｃに入射し、その内部をＺ軸方向に沿って進み、出射面３２ｄから出射する。出射面３２ｄから出射した分光ＬＡ２は、第２菱形プリズム３３の入射面３３ａに入射する。
【００７１】
本実施形態では、第１菱形プリズム３１の分岐面３１ｃから、第２菱形プリズム３３の入射面３３ａに至るまでの両分光ＬＡ１，ＬＡ２の光路長が光学的に同一となるように、第１菱形プリズム３１及び第１台形プリズム３２の屈折率及び長さ（Ｚ軸方向又はＹ軸方向の長さ）が任意に設定されている。
【００７２】
第２菱形プリズム３３の入射面３３ａに入射した分光ＬＡ１，ＬＡ２は、分岐面３３ｃ（ハーフミラー４３）にてそれぞれ２方向に分岐する。詳しくは、一方の分光ＬＡ１は、Ｚ軸方向に沿ってハーフミラー４３を透過する分光ＬＢ１と、Ｘ軸方向奥側に向け反射する分光ＬＢ２とに分岐する。他方の分光ＬＡ２は、Ｚ軸方向に沿ってハーフミラー４３を透過する分光ＬＢ３と、Ｘ軸方向奥側に向け反射する分光ＬＢ４とに分岐する。
【００７３】
このうち、ハーフミラー４３で反射した分光ＬＢ２，ＬＢ４は、それぞれ第２菱形プリズム３３内をＸ軸方向に沿って進み、反射面３３ｄ（全反射ミラー４４）にてＺ軸方向左側に向け反射し、出射面３３ｂから出射する。出射面３３ａから出射した分光ＬＢ２，ＬＢ４は、それぞれＺ軸方向に沿って空気中を進み、フィルタユニット２６に入射する。
【００７４】
一方、ハーフミラー４３を透過した分光ＬＢ１，ＬＢ３は、第２台形プリズム３４の入射面３４ｃに入射し、その内部をＺ軸方向に沿って進み、出射面３４ｄから出射する。出射面３４ｄから出射した分光ＬＢ１，ＬＢ３は、それぞれフィルタユニット２６に入射する。
【００７５】
本実施形態では、第２菱形プリズム３３の分岐面３３ｃから、フィルタユニット２６に至るまでの４つの分光ＬＢ１〜ＬＢ４の光路長が光学的に同一となるように、第２菱形プリズム３３及び第２台形プリズム３４の屈折率及び長さ（Ｚ軸方向又はＸ軸方向の長さ）が任意に設定されている。
【００７６】
フィルタユニット２６は、Ｘ−Ｙ平面視で同一矩形状をなす４つの偏光板２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄがＸ−Ｙ平面に沿って２行２列のマトリクス状に配置されてなる（図４参照）。図４は、フィルタユニット２６の概略構成を模式的に示す平面図である。
【００７７】
４つの偏光板２６ａ〜２６ｄは、Ｙ軸方向に対する透過軸方向が４５°ずつ異なる偏光板である。より詳しくは、透過軸方向が０°の第１偏光板２６ａ、透過軸方向が４５°の第２偏光板２６ｂ、透過軸方向が９０°の第３偏光板２６ｃ、透過軸方向が１３５°の第４偏光板２６ｄにより構成されている。
【００７８】
そして、分光光学系２５から出射された４つの分光ＬＢ１〜ＬＢ４がそれぞれ各偏光板２６ａ〜２６ｄに入射するように配置されている。詳しくは、分光ＬＢ１が第１偏光板２６ａに入射し、分光ＬＢ２が第２偏光板２６ｂに入射し、分光ＬＢ３が第３偏光板２６ｃに入射し、分光ＬＢ４が第４偏光板２６ｄに入射する。
【００７９】
これにより、フィルタユニット２６を透過した４つの分光ＬＢ１〜ＬＢ４は、それぞれ位相を９０°ずつ異ならせた干渉光となる。詳しくは、第１偏光板２６ａを透過した分光ＬＢ１は位相シフト量が０°の干渉光となり、第２偏光板２６ｂを透過した分光ＬＢ２は位相シフト量が９０°の干渉光となり、第３偏光板２６ｃを透過した分光ＬＢ３は位相シフト量が１８０°の干渉光となり、第４偏光板２６ｄを透過した分光ＬＢ４は位相シフト量が２７０°の干渉光となる。
【００８０】
カメラ２７は、レンズや撮像素子等を備えてなる公知のものである。本実施形態では、カメラ２７の撮像素子２７ａとして、ＣＣＤエリアセンサを採用している。
【００８１】
カメラ２７によって撮像された画像データは、カメラ２７内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置６（画像データ記憶装置５４）に入力されるようになっている。
【００８２】
本実施形態の撮像素子２７ａは、その撮像領域が、フィルタユニット２６（偏光板２６ａ〜２６ｄ）に対応して、４つの撮像エリアＨ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４に区分けされている。詳しくは、Ｘ−Ｙ平面視で同一矩形状をなす４つの撮像エリアＨ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４がＸ−Ｙ平面に沿って２行２列のマトリクス状に並ぶように区分けされている（図５参照）。図５は、撮像素子２７ａの撮像領域の概略構成を模式的に示す平面図である。
【００８３】
これにより、第１偏光板２６ａを透過した分光ＬＢ１が第１撮像エリアＨ１にて撮像され、第２偏光板２６ｂを透過した分光ＬＢ２が第２撮像エリアＨ２にて撮像され、第３偏光板２６ｃを透過した分光ＬＢ３が第３撮像エリアＨ３にて撮像され、第４偏光板２６ｄを透過した分光ＬＢ４が第４撮像エリアＨ４にて撮像されることとなる。
【００８４】
つまり、第１撮像エリアＨ１にて位相シフト量が０°の干渉縞画像が撮像され、第２撮像エリアＨ２にて位相シフト量が９０°の干渉縞画像が撮像され、第３撮像エリアＨ３にて位相シフト量が１８０°の干渉縞画像が撮像され、第４撮像エリアＨ４にて位相シフト量が２７０°の干渉縞画像が撮像されることとなる。
【００８５】
次に制御装置４の電気的構成について説明する。図２に示すように、制御装置４は、三次元計測装置１全体の制御を司るＣＰＵ及び入出力インターフェース５１、キーボードやマウス、あるいは、タッチパネルで構成される「入力手段」としての入力装置５２、液晶画面などの表示画面を有する「表示手段」としての表示装置５３、カメラ２７により撮像された画像データ等を順次記憶するための画像データ記憶装置５４、各種演算結果を記憶するための演算結果記憶装置５５、各種情報を予め記憶しておく設定データ記憶装置５６を備えている。なお、これら各装置５２〜５６は、ＣＰＵ及び入出力インターフェース５１に対し電気的に接続されている。
【００８６】
画像データ記憶装置５４は、カメラ２７の撮像素子２７ｂの第１撮像エリアＨ１にて撮像された干渉縞画像データを記憶する第１画像メモリと、第２撮像エリアＨ２にて撮像された干渉縞画像データを記憶する第２画像メモリと、第３撮像エリアＨ３にて撮像された干渉縞画像データを記憶する第３画像メモリと、第４撮像エリアＨ４にて撮像された干渉縞画像データを記憶する第４画像メモリとを備えている。
【００８７】
次に、制御装置４によって実行される形状計測処理の手順について詳しく説明する。まずは、設置部１８へワークＷを設置した後、発光部１０からレーザ照射を行う。これにより、干渉光学系２から物体光と参照光が合成された合成光Ｌ０が出射される。合成光Ｌ０は、撮像部３の分光光学系２５に入射し、４つの分光ＬＢ１〜ＬＢ４に分割される。
【００８８】
これら４つの分光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＢ４は、それぞれ第１偏光板２６ａ，第２偏光板２６ｂ，第３偏光板２６ｃ，第４偏光板２６ｄを介して、カメラ２７（撮像素子２７ａ）により同時撮像される。
【００８９】
カメラ２７は、撮像素子２７ａの撮像エリアＨ１〜Ｈ４にて同時撮像された４通りの干渉縞画像（４つの分光ＬＢ１〜ＬＢ４）を１つの画像データとして制御装置４へ出力する。
【００９０】
制御装置４は、入力した画像データを４通りの干渉縞画像データ（撮像素子２７ａの撮像エリアＨ１〜Ｈ４に対応する範囲ごと）に分割して、画像データ記憶装置５４内の第１〜第４画像メモリにそれぞれ記憶する。
【００９１】
そして、制御装置４は、第１〜第４画像メモリに記憶された４通りの干渉縞画像データ（光強度分布）を基に、位相シフト法によりワークＷの表面形状を計測する。つまり、ワークＷの表面上の各位置における高さ情報を算出する。以下、その算出方法について説明する。
【００９２】
制御装置４は、まず４通りの干渉縞画像データの座標位置を位置合せした上で、各干渉縞画像データの同一座標位置（ｘ，ｙ）における干渉縞強度、すなわち輝度Ｉ1（ｘ，ｙ）、Ｉ2（ｘ，ｙ）、Ｉ3（ｘ，ｙ）、Ｉ4（ｘ，ｙ）を取得する。
【００９３】
輝度Ｉ1（ｘ，ｙ）、Ｉ2（ｘ，ｙ）、Ｉ3（ｘ，ｙ）、Ｉ4（ｘ，ｙ）は、下記［数１］の関係式で表すことができる。
【００９４】
【数１】
2016211922.tif 000003
【００９５】
ここで、Δφ(ｘ，ｙ)は、座標（ｘ，ｙ）における物体光と参照光との光路差に基づく位相差を表している。また、Ａ(ｘ，ｙ)は干渉光の振幅、Ｂ(ｘ，ｙ)はバイアスを表している。但し、参照光は均一であるため、これを基準として見ると、Δφ(ｘ，ｙ)は「物体光の位相」を表し、Ａ(ｘ，ｙ)は「物体光の振幅」を表すこととなる。
【００９６】
従って、物体光の位相Δφ（ｘ，ｙ）は、上記［数１］の関係式を基に、下記［数２］の関係式で求めることができる。
【００９７】
【数２】
2016211922.tif 000004
【００９８】
また、物体光の振幅Ａ（ｘ，ｙ）は、上記［数１］の関係式を基に、下記［数３］の関係式で求めることができる。
【００９９】
【数３】
2016211922.tif 000005
【０１００】
次に、上記位相Δφ（ｘ，ｙ）と振幅Ａ（ｘ，ｙ）から、下記［数４］の関係式を基に撮像素子２７ａ面上における複素振幅Ｅｏ（ｘ，ｙ）を算出する。ここで、ｉは虚数単位を表している。
【０１０１】
【数４】
2016211922.tif 000006
【０１０２】
続いて、複素振幅Ｅｏ（ｘ，ｙ）を基に、ワークＷ面上の座標（ξ，η）における複素振幅Ｅｏ（ξ，η）を算出する。
【０１０３】
まずは、下記［数５］に示すように、上記複素振幅Ｅｏ（ｘ，ｙ）をフレネル変換する。ここで、λは波長を表す。
【０１０４】
【数５】
2016211922.tif 000007
【０１０５】
これをＥｏ（ξ，η）について解くと、下記［数６］のようになる。
【０１０６】
【数６】
2016211922.tif 000008
【０１０７】
さらに、得られた複素振幅Ｅｏ（ξ，η）から、下記［数７］の関係式を基に、物体光の位相φ（ξ，η）と、物体光の振幅Ａ（ξ，η）を算出する。
【０１０８】
【数７】
2016211922.tif 000009
【０１０９】
物体光の位相φ（ξ，η）は、下記［数８］の関係式により求めることができる。
【０１１０】
【数８】
2016211922.tif 000010
【０１１１】
物体光の振幅Ａ（ξ，η）は、下記［数９］の関係式により求めることができる。
【０１１２】
【数９】
2016211922.tif 000011
【０１１３】
その後、位相連結処理を行ったのち、位相−高さ変換処理を行い、ワークＷの表面の凹凸形状を３次元的に示す高さ情報ｚ（ξ，η）を算出する。
【０１１４】
高さ情報ｚ（ξ，η）は、下記［数１０］の関係式により算出することができる。
【０１１５】
【数１０】
2016211922.tif 000012
【０１１６】
このようにして得られたワークＷの計測結果は、制御装置４の演算結果記憶装置５５に格納される。
【０１１７】
以上詳述したように、本実施形態では、干渉光学系２から出射される合成光Ｌ０をマトリクス状に並ぶ４つの光ＬＢ１〜ＬＢ４に分光すると共に、該４つの光ＬＢ１〜ＬＢ４をフィルタユニット２６（４つの偏光板２６ａ〜２６ｄ）を介して単一の撮像素子２７ａにより同時に撮像する。そして、カメラ２７により撮像された４通りの干渉縞画像を基に位相シフト法によりワークＷの形状計測を行う。結果として、従来同様、計測精度の向上や、計測時間の短縮、装置の大型化抑制等を図ることができる。
【０１１８】
加えて、本実施形態によれば、撮像素子２７ａの撮像領域をマトリクス状に４等分した撮像エリアＨ１〜Ｈ４を、４つの光ＬＢ１〜ＬＢ４にそれぞれ割り当てることができるため、従来の３分光方式に比べ、撮像素子２７ａの撮像領域を有効活用することができる。ひいては、さらなる計測精度の向上を図ることができる。
【０１１９】
尚、仮に回折格子を分光手段として用いた場合には分解能が低下するおそれがあるが、本実施形態では、１つの光Ｌ０を平行する２つの光ＬＡ１，ＬＡ２に分割し、さらに該２つの光ＬＡ１，ＬＡ２をそれぞれ平行する２つの光に分割することにより、平行する４つの光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＢ４に分光する構成の分光光学系２５を採用しているため、分解能の低下抑制を図ることができる。
【０１２０】
さらに、本実施形態における分光光学系２５は、菱形プリズム３１，３３を直進して通り抜ける一方の光と、クランク状に折れ曲がって通り抜ける他方の光との光路長を調整する（光学的に同一とする）光路調整手段として、直進して通り抜ける一方の光の光路上に第１台形プリズム３２，３４を配置するといった比較的簡単な構成となっており、構成の簡素化を図ることができる。
【０１２１】
また、本実施形態では、フィルタユニット２６が、透過軸方向が０°の第１偏光板２６ａ、透過軸方向が４５°の第２偏光板２６ｂ、透過軸方向が９０°の第３偏光板２６ｃ、透過軸方向が１３５°の第４偏光板２６ｄにより構成されており、一つの撮像素子２７ａによる一回の撮像で、位相が９０°ずつ異なる４通りの干渉縞画像を取得することができる。結果として、３通りの干渉縞画像を基に位相シフト法により形状計測を行う場合に比べて、より精度の高い計測を行うことができる。
【０１２２】
尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。
【０１２３】
（ａ）上記実施形態では、ワークＷの具体例について特に言及していないが、被計測物としては、例えばプリント基板に印刷されたクリーム半田や、ウエハ基板に形成された半田バンプなどが挙げられる。
【０１２４】
従って、予め設定された良否の判定基準に従いクリーム半田や半田バンプの良否を検査する検査手段を設けた半田印刷検査装置又は半田バンプ検査装置において、三次元計測装置１を備えた構成としても良い。
【０１２５】
但し、マイケルソン干渉計の光学構成を採用した上記実施形態に係る三次元計測装置１は、反射ワークに適している。また、位相シフト法を用いることで、０次光（透過光）を排除した計測が可能となる。
【０１２６】
また、ワークＷを設置する設置部１８を変位可能に構成し、ワークＷの表面を複数の計測エリアに分割し、各計測エリアを順次移動しつつ各エリアの形状計測を行っていき、複数回に分けてワークＷ全体の形状計測を行う構成としてもよい。
【０１２７】
（ｂ）干渉光学系の構成は上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、干渉光学系として、マイケルソン干渉計の光学構成を採用しているが、これに限らず、例えばマッハツェンダー干渉計など、入射光を参照光と物体光に分割してワークＷの形状計測を行う構成であれば、他の光学構成を採用してもよい。
【０１２８】
（ｃ）分光手段の構成は上記実施形態に限定されるものではない。干渉光学系２から出射された光を、それぞれ光路長が等しくかつ進行方向に直交する平面において光路がマトリクス状に並ぶ４つの光に分割可能な構成であれば、他の構成を採用してもよい。
【０１２９】
例えば上記実施形態に係る分光光学系２５では、干渉光学系２から入射される光を、菱形プリズム３１，３３（ハーフミラー４１，４３）を介して、直進して通り抜ける一方の光と、クランク状に折れ曲がって通り抜ける他方の光に分離すると共に、直進して通り抜ける一方の光の光路上に第１台形プリズム３２，３４を配置することにより、該一方の光の光路長を、空気中を進む他方の光の光路長に揃える構成となっている。
【０１３０】
これに代えて、例えば前記他方の光が空気中を進む範囲に、第１台形プリズム３２，３４よりも屈折率の低い光学材料よりなるプリズムを配置し、すべての光が光学部材内を進み、空気中に出ない構成としてもよい。これにより、空気の揺らぎ等による影響を低減することができる。
【０１３１】
また、菱形プリズム３１，３３に代えて、干渉光学系２からＺ軸方向に沿って入射される光を、Ｚ軸方向及びＹ軸方向を含むＺ−Ｙ平面に沿ってＹ字状に２つに分岐した後、Ｚ軸方向に沿って進む２つの平行する光として出射する光学系を採用してもよい。
【０１３２】
（ｄ）フィルタ手段の構成は上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、フィルタユニット２６が、透過軸方向が０°の第１偏光板２６ａ、透過軸方向が４５°の第２偏光板２６ｂ、透過軸方向が９０°の第３偏光板２６ｃ、透過軸方向が１３５°の第４偏光板２６ｄにより構成され、透過軸方向が４５°ずつ異なるこれら４つの偏光板２６ａ〜２６ｄを用いて、位相が９０°ずつ異なる４通りの干渉縞画像を取得し、該４通りの干渉縞画像を基に位相シフト法により形状計測を行う構成となっている。
【０１３３】
これに代えて、位相が異なる３通りの干渉縞画像を基に位相シフト法により形状計測を行う構成としてもよい。例えば図６に示すように、フィルタユニット２６の第１偏光板２６ａ、第２偏光板２６ｂ、第３偏光板２６ｃ、第４偏光板２６ｄをそれぞれ、透過軸方向が０°の偏光板、透過軸方向が６０°（又は４５°）の偏光板、透過軸方向が１２０°（又は９０°）の偏光板、物体光（例えば左回りの円偏光）及び参照光（例えば右回りの円偏光）を直線偏光に変換する１／４波長板と、物体光の直線偏光を選択的に透過させる偏光板とを組み合わせたものとした構成としてもよい。ここで、「１／４波長板」及び「偏光板」の組を所謂「円偏光板」とした構成としてもよい。
【０１３４】
かかる構成によれば、一つの撮像素子２７ａによる一回の撮像で、１２０°（又は９０°）ずつ位相が異なる３通りの干渉縞画像に加えて、ワークＷの輝度画像を取得することができる。これにより、３通りの干渉縞画像を基に位相シフト法により行う形状計測に加え、輝度画像を基にした計測を組み合せて行うことが可能となる。例えば位相シフト法による形状計測により得られた三次元データに対しマッピングを行うことや、計測領域の抽出を行うこと等が可能となる。結果として、複数種類の計測を組み合せた総合的な判断を行うことができ、計測精度のさらなる向上を図ることができる。
【０１３５】
尚、図６に示した例では、第４偏光板２６ｄとして、円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板と、物体光の直線偏光を選択的に透過させる偏光板とを組み合わせたものを採用しているが、これに限らず、物体光のみを選択的に透過させる構成であれば、他の構成を採用してもよい。
【０１３６】
さらに、第４偏光板２６ｄを省略した構成としてもよい。つまり、フィルタユニット２６の第１偏光板２６ａ、第２偏光板２６ｂ、第３偏光板２６ｃをそれぞれ透過した３つの光と、フィルタユニット２６（偏光板）を介することなく直接入射される１つの光を同時に一つの撮像素子２７ａにより撮像する構成としてもよい。
【０１３７】
かかる構成によれば、第４偏光板２６ｄとして、「１／４波長板」及び「偏光板」の組を配置した上記構成と同様の作用効果が奏される。つまり、一つの撮像素子２７ａによる一回の撮像で、１２０°（又は９０°）ずつ位相が異なる３通りの干渉縞画像に加えて、ワークＷの輝度画像を取得することができる。
【０１３８】
尚、物体光（例えば左回りの円偏光）と参照光（例えば右回りの円偏光）とをそのまま撮像したとしても、参照光は既知(予め計測して得ることが可能)であり均一なので撮像後の処理により、この参照光分を取り除く処理や均一光を取り除く処理を行うことにより、物体光の信号を抽出することが可能となる。
【０１３９】
第４偏光板２６ｄを省略した構成の利点としては、「１／４波長板」及び「偏光板」の組を配置した構成と比較して、これら「１／４波長板」及び「偏光板」を省略することができるため、光学部品が減り、構成の簡素化や部品点数の増加抑制等を図ることができる。
【０１４０】
（ｅ）撮像手段の構成は上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、カメラ２７の撮像素子２７ａとして、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）エリアセンサを採用している。勿論、撮像素子２７ａは、これに限定されるものではなく、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）エリアセンサ等を採用してもよい。
【０１４１】
また、上記実施形態では、ＣＣＤエリアセンサの具体例について詳しく言及していないが、例えば撮像素子２７ａとして、公知のインターライン転送方式のＣＣＤエリアセンサを採用してもよい。公知であるため図示は省略するが、かかるＣＣＤエリアセンサは、行列状に２次元配置されかつ入射光をその光量に応じた電荷に変換して蓄積する光電変換素子（例えばフォトダイオード）からなる複数の受光部（画素）と、該受光部の各垂直列に対応してそれぞれ設けられ、当該垂直列の各受光部に蓄積された電荷を垂直方向に１行分（一画素分）ずつ順次転送する複数の垂直転送部（垂直ＣＣＤシフトレジスタ）と、該垂直転送部から転送される１行分の電荷を水平方向に順次転送する水平転送部（水平ＣＣＤシフトレジスタ）と、該水平転送部から転送される電荷を電圧に変換し増幅して出力する出力アンプとを備えている。そのため、ＣＣＤエリアセンサは、１画素ごとにアンプを有するＣＭＯＳエリアセンサに比べ、画素間のゲインのバラツキが少ない。
【０１４２】
但し、三次元計測装置に係る撮像装置の撮像素子の性能としては、画素間のゲインが安定していることに加え、高速かつ高解像度であることが求められる。
【０１４３】
近年では、この撮像の高速化に対応するため、カメラの光軸を中心として撮像素子の撮像領域を左右２つの領域に分割し、当該２つの領域からの出力をそれぞれ異なるチャンネルから並行して行うＣＣＤエリアセンサも知られている。
【０１４４】
上記実施形態に係る撮像素子２７ａに当てはめると、図５の左側に位置する左側撮像領域（撮像エリアＨ１，Ｈ３）に含まれる受光部から読み出された電荷は、左側の水平転送部を介して、左側の出力アンプから出力される。一方、図５の右側に位置する右側撮像領域（撮像エリアＨ２，Ｈ４）に含まれる受光部から読み出された電荷は、右側の水平転送部を介して、右側の出力アンプから出力される。
【０１４５】
かかるＣＣＤエリアセンサを用いることにより、高速連写が可能となり、計測効率の向上を図ることができる。特に水平方向及び垂直方向ともに画素数が多く高解像度のＣＣＤエリアセンサにおいて、より奏効することとなる。
【０１４６】
しかしながら、２つの出力チャンネルを有するＣＣＤエリアセンサでは、各チャンネル毎に出力アンプが設けられているため、各アンプのゲインが一致しないなど、各アンプの特性のばらつきにより、各チャンネルから出力された画像信号で構成される輝度画像は、その中央部を境に左右で輝度差が生じたものとなるおそれがある。
【０１４７】
このような不具合が発生した場合、従来の３分光方式では、１つの干渉縞画像データ内に左側撮像領域と右側撮像領域との境界部が含まれてしまうため、補正することもできず、計測精度が著しく低下するおそれがある。
【０１４８】
これに対し、本願の４分光方式によれば、１つの干渉縞画像データ内に左側撮像領域と右側撮像領域との境界部が含まれることもないため、その影響を少なく抑えることができ、計測精度の向上を図ることができる。
【０１４９】
尚、上述したインターライン転送方式のＣＣＤエリアセンサに代えて、例えばフルフレーム転送方式やフレーム転送方式、フレームインターライン転送方式などのＣＣＤエリアセンサを採用してもよい。
【０１５０】
また、撮像領域を左右２つの領域に分割した上記ＣＣＤエリアセンサに代えて、その１画面分の撮像領域がカメラの光軸を中心として水平方向及び垂直方向にそれぞれ２分割、計４分割とされ、当該４つの領域からの出力をそれぞれ異なる４つのチャンネルから並行して行うＣＣＤエリアセンサを採用してもよい。かかるＣＣＤエリアセンサは、本願の４分光方式の三次元計測装置と特に相性がよい。
【符号の説明】
【０１５１】
１…三次元計測装置、２…干渉光学系、３…撮像部、４…制御装置、１０…発光部、１３…偏光ビームスプリッタ、１２…１／２波長板、１４…１／４波長板、１５…参照面、１６…１／４波長板、１９…１／４波長板、２５…分光光学系、２６…フィルタユニット、２６ａ…第１偏光板、２６ｂ…第２偏光板、２６ｃ…第３偏光板、２６ｄ…第４偏光板、２７…カメラ、２７ａ…撮像素子、３１…第１のプリズム（第１菱形プリズム）、３２…第２のプリズム（第１台形プリズム）、３３…第３のプリズム（第２菱形プリズム３３）、３４…第４のプリズム（第２台形プリズム３４）、４１，４３…ハーフミラー、４２，４４…全反射ミラー、５４…画像データ記憶装置、Ｌ０…合成光、ＬＡ１，ＬＡ２…分光、ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＢ４…分光、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４…撮像エリア、Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3、Ｉ4…輝度、Ｗ…ワーク。
【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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