(57)【要約】【課題】被測定物の測定に要する時間を削減しつつ、被測定物の立体形状及び分光情報を測定することが可能な分光立体形状測定装置を提供する。【解決手段】分光立体形状測定装置１は、複数の波長を持つ光で照明された被測定物によって反射又は散乱された測定光に対して白色干渉縞を生じさせる干渉計２と、干渉計２から出力された光の強度分布を表す画像信号を生成するイメージセンサ３と、コントローラ４とを有する。コントローラ４は、干渉計２において測定光が分割され、かつ、互いに異なる曲率を持つ反射鏡２２、２３で反射された二つの光束間の光路差を変えて得た、複数の画像信号で表される白色干渉縞信号を光路差に関して周波数変換することにより、被測定物の各点の分光情報を表す相互スペクトル密度を求め、相互スペクトル密度に対してフレネル回折積分に基づいた逆伝搬計算を実行することにより、被測定物上の各点からの光の波面を決定する。【選択図】図１
2017211317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の立体形状及び分光情報を測定する分光立体形状測定装置であって、
複数の波長を持つ光により照明された被測定物によって反射または散乱された測定光に対して白色干渉縞を生じさせる干渉計と、
前記干渉計から出力された光の強度分布を表す画像信号を生成するイメージセンサと、
前記イメージセンサと接続され、前記画像信号から被測定物の立体形状及び分光情報を求めるコントローラとを有し、
前記干渉計は、
前記測定光を第１の光束と第２の光束に分割して出射させる光線分割素子と、
前記第１の光束を、第１の曲率を持つ反射面にて前記光線分割素子へ向けて反射する第１の反射鏡と、
前記第２の光束を、前記第１の曲率と異なる第２の曲率を持つ反射面にて前記光線分割素子へ向けて反射する第２の反射鏡と、
前記第２の反射鏡を、前記光線分割素子と前記第２の反射鏡を結ぶ直線に平行な第１の方向に移動させることにより、前記光線分割素子と前記第２の反射鏡の間隔を変更して、前記第１の光束と前記第２の光束との間に所定の光路差を生じさせる可動ステージとを有し、
前記コントローラは、
前記可動ステージを制御して、前記第２の反射鏡を前記第１の方向に沿って移動させつつ、前記イメージセンサにより生成された複数の前記画像信号で表される白色干渉縞信号を取得し、
前記白色干渉縞信号を、前記第１の光束と前記第２の光束間の光路差について周波数変換することにより、被測定物上の各点の分光情報を表す相互スペクトル密度を決定し、
前記相互スペクトル密度に対してフレネル回折積分に基づいた逆伝搬計算を実行することにより、被測定物上の各点で反射または散乱された光の波面を決定する、
ことを特徴とする分光立体形状測定装置。
【請求項２】
前記第１の反射鏡及び前記第２の反射鏡の何れも凹面鏡である、請求項１に記載の分光立体形状測定装置。
【請求項３】
複数の波長を持つ光により照明された被測定物によって反射または散乱された測定光に対して白色干渉縞を生じさせる干渉計と、前記干渉計から出力された光の強度分布を表す画像信号を生成するイメージセンサとを有する分光立体形状測定装置による分光立体形状測定方法であって、
前記干渉計は、
前記測定光を第１の光束と第２の光束に分割して出射させる光線分割素子と、
前記第１の光束を、第１の曲率を持つ反射面にて前記光線分割素子へ向けて反射する第１の反射鏡と、
前記第２の光束を、前記第１の曲率と異なる第２の曲率を持つ反射面にて前記光線分割素子へ向けて反射する第２の反射鏡と、
前記第２の反射鏡を、前記光線分割素子と前記第２の反射鏡を結ぶ直線に平行な第１の方向に移動させることにより、前記光線分割素子と前記第２の反射鏡の間隔を変更して、前記第１の光束と前記第２の光束との間に所定の光路差を生じさせる可動ステージとを有し、
前記分光立体形状測定方法は、
前記可動ステージを制御して、前記第２の反射鏡を前記第１の方向に沿って移動させつつ、前記イメージセンサにより生成された複数の前記画像信号で表される白色干渉縞信号を取得するステップと、
前記白色干渉縞信号を、前記第１の光束と前記第２の光束間の光路差について周波数変換することにより、被測定物上の各点の分光情報を表す相互スペクトル密度を決定するステップと、
前記相互スペクトル密度に対してフレネル回折積分に基づいた逆伝搬計算を実行することにより、被測定物上の各点で反射または散乱された光の波面を決定するステップと、
を含むことを特徴とする分光立体形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の立体形状及び分光情報を測定する分光立体形状測定装置及び分光立体形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、白色干渉を利用して、被測定物の立体形状とともに、非測定物の分光情報も測定する技術が提案されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１、２を参照）。例えば、特許文献１に開示された分光立体形状測定装置は、白色照明された被測定物によって反射または散乱された測定光に対して白色干渉縞を生じさせる干渉計と、干渉計から出力された光の強度を測定する点検出器と、点検出器と接続され、白色干渉信号から被測定物の立体形状及び分光情報を求めるコントローラを有する。コントローラは、干渉計と被測定物の位置関係及び干渉計において測定光を分割した二つの光束間の光路差を変えて得た３次元状の白色干渉縞を光路差に関して周波数変換することにより、被測定物の所定点の分光情報を表す相互スペクトル密度を求め、相互スペクトル密度を干渉計の移動量について周波数変換することにより、被測定物上の所定点からの光の波面を決定する。
【０００３】
また、非特許文献１に記載された技術は、被測定物からの光をマッハツェンダー型の干渉計に導入し、マッハツェンダー型の干渉計の一方の光路上に設けられた反射鏡をピエゾ素子により移動させながらイメージセンサにより干渉信号を取得し、その干渉信号から被測定物の立体形状情報及び分光情報を再現する。
【０００４】
さらに、非特許文献２に開示された技術では、被測定物からの光は、ビームスプリッタにより二つの光束に分割され、一方の光束は凹面鏡にて反射され、他方の光束は平面鏡にて反射された後、再度ビームスプリッタを通ることで重ね合わせられる。そしてその重ね合わせられた光束は、赤(R)、緑(G)、青(B)の３個のカラーチャネルを持つCCDカメラにより撮影される。この技術では、カラーチャネルごとに、平面鏡がビームスプリッタから離れる方向に沿って移動されながら、その重ね合わされた光束がCCDカメラにより撮影され、複数の画像が生成される。そしてカラーチャネルごとに得られた複数の画像から、カラーチャネルごとのホログラムが再生され、それらが重ね合わせられることで、被測定物についてのフルカラーのホログラムが得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２１９９１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Naik他、「Spectrally resolved incoherent holography: 3D spatial and spectral imaging using a Mach Zehnder radial-shearing interferometer」、OPTICS LETTERS、Optical Society of America、Vol. 39、No. 7、pp.1857-1860、2014年
【非特許文献２】Kim、「Full color natural light holographic camera」、OPTICS EXPRESS、Optical Society of America、Vol. 21、Issue 8、pp.9639-9642、2013年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示された技術では、測定動作中、被測定物上の各点からの波面を再現するために、被測定物に対する干渉計の位置を２次元的に移動させて、波面の異なる位置同士が干渉した干渉縞を取得する。またこの技術では、測定動作中、被測定物上の各点から反射または散乱された光の波長を調べるために、二つの光束の光路差を変えて干渉縞を取得する。すなわち、この技術では、測定動作中に、互いに直交する二つの軸ごとに、その軸に沿って干渉計を移動させるとともに、さらに一つの軸に沿って、干渉計が有する二つの反射素子のうちの一方を移動させることになる。そのため、この技術では、測定動作に時間が掛かり過ぎてしまう。特に、被測定物が、生体のように計時的に変化する物体である場合、この技術により被測定物の立体形状及び分光情報を測定しようとしても、測定動作中における被測定物の変化により、被測定物の立体形状または分光情報を正確に得られなくなるおそれがある。
【０００８】
また、非特許文献１に記載された技術では、マッファツェンダー干渉計の一方の光路上に存在するミラーを移動することによって二つの光束間の光路差を変えているため、波面収差が生じる。そのため、この技術では、その波面収差を測定するために、被測定物からの光とは別個に、レーザ光を干渉計内に入射させ、そのレーザ光もイメージセンサで観測し、その観測結果に基づいて波面収差を補正している。そのため、この技術では、白色干渉縞を測定するための光学系が複雑となる。
【０００９】
さらに、非特許文献２に開示された技術では、分光情報を得るためには、カラーチャネルごとに、一方の反射鏡を移動させる必要が有るため、被測定物の波面を再生するカラーチャネルが多くなるほど、被測定物の測定に要する時間が長くなってしまう。
【００１０】
上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、被測定物の測定に要する時間を削減しつつ、被測定物の立体形状及び分光情報を測定することが可能な分光立体形状測定装置及び分光立体形状測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一つの実施態様によれば、被測定物の立体形状及び分光情報を測定する分光立体形状測定装置が提供される。この分光立体形状測定装置は、複数の波長を持つ光により照明された被測定物によって反射または散乱された測定光に対して白色干渉縞を生じさせる干渉計と、干渉計から出力された光の強度分布を表す画像信号を生成するイメージセンサと、イメージセンサと接続され、画像信号から被測定物の立体形状及び分光情報を求めるコントローラとを有する。干渉計は、測定光を第１の光束と第２の光束に分割して出射させる光線分割素子と、第１の光束を、第１の曲率を持つ反射面にて光線分割素子へ向けて反射する第１の反射鏡と、第２の光束を、第１の曲率と異なる第２の曲率を持つ反射面にて光線分割素子へ向けて反射する第２の反射鏡と、第２の反射鏡を、光線分割素子と第２の反射鏡を結ぶ直線に平行な第１の方向に移動させることにより、光線分割素子と第２の反射鏡の間隔を変更して、第１の光束と第２の光束との間に所定の光路差を生じさせる可動ステージとを有する。そしてコントローラは、可動ステージを制御して、第２の反射鏡を第１の方向に沿って移動させつつ、イメージセンサにより生成された複数の画像信号で表される白色干渉縞信号を取得し、白色干渉縞信号を、第１の光束と第２の光束間の光路差について周波数変換することにより、被測定物上の各点の分光情報を表す相互スペクトル密度を決定し、相互スペクトル密度に対してフレネル回折積分に基づいた逆伝搬計算を実行することにより、被測定物上の各点で反射または散乱された光の波面を決定する。
【００１２】
この分光立体形状測定装置において、第１の反射鏡及び第２の反射鏡の何れも凹面鏡であることが好ましい。
【００１３】
本発明の他の実施態様によれば、複数の波長を持つ光により照明された被測定物によって反射または散乱された測定光に対して白色干渉縞を生じさせる干渉計と、干渉計から出力された光の強度分布を表す画像信号を生成するイメージセンサとを有する分光立体形状測定装置により用いられる分光立体形状測定方法が提供される。ここで干渉計は、測定光を第１の光束と第２の光束に分割して出射させる光線分割素子と、第１の光束を、第１の曲率を持つ反射面にて光線分割素子へ向けて反射する第１の反射鏡と、第２の光束を、第１の曲率と異なる第２の曲率を持つ反射面にて光線分割素子へ向けて反射する第２の反射鏡と、第２の反射鏡を、光線分割素子と第２の反射鏡を結ぶ直線に平行な第１の方向に移動させることにより、光線分割素子と第２の反射鏡の間隔を変更して、第１の光束と第２の光束との間に所定の光路差を生じさせる可動ステージとを有する。そしてこの分光立体形状測定方法は、可動ステージを制御して、第２の反射鏡を第１の方向に沿って移動させつつ、イメージセンサにより生成された複数の画像信号で表される白色干渉縞信号を取得するステップと、白色干渉縞信号を、第１の光束と第２の光束間の光路差について周波数変換することにより、被測定物上の各点の分光情報を表す相互スペクトル密度を決定するステップと、相互スペクトル密度に対してフレネル回折積分に基づいた逆伝搬計算を実行することにより、被測定物上の各点で反射または散乱された光の波面を決定するステップとを含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、被測定物の測定に要する時間を削減しつつ、被測定物の立体形状及び分光情報を測定することが可能な分光立体形状測定装置及び分光立体形状測定方法を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一つの実施形態に係る分光立体形状測定装置の概略構成図である。
【図２】コントローラの機能ブロック図である。
【図３】本発明の一つの実施形態に係る分光立体形状測定装置により得られた白色干渉縞の概略図である。
【図４】本発明の一つの実施形態に係る分光立体形状測定装置の動作フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る分光立体形状測定装置を、図を参照しつつ説明する。
本発明の一つの実施形態に係る分光立体形状測定装置は、白色光で照明された被測定物により反射または散乱された光を、干渉計の光線分割素子により二つの光束に分割する。そしてこの分光立体形状測定装置は、それら二つの光束を別個に配置された、互いに異なる曲率を持つ二つの反射鏡でそれぞれ反射することにより、二つの光束間に波面差を生じさせた後、再度一つの光束に重ね合わせる。そしてこの分光立体形状測定装置は、測定動作中、一方の反射鏡を二つの光束間の光路差が変化する方向に沿って移動させつつ、イメージセンサにより、その重ね合わせられた光束の強度分布を測定することで、被測定物の立体形状に関する情報と分光情報の両方を含む白色干渉縞を得る。このように、この分光立体形状測定装置は、一つの反射鏡のみを一方向に移動させることで白色干渉縞を得るので、測定に要する時間を削減しつつ、被測定物の立体形状及び分光情報を測定することを可能とする。
【００１７】
図１は、本発明の一つの実施形態に係る分光立体形状測定装置１の概略構成を示す図である。分光立体形状測定装置１は、干渉計２と、イメージセンサ３と、コントローラ４とを有する。さらに、干渉計２とイメージセンサ３との間に、干渉計２からイメージセンサ３へ向かう光束を集光するための集光光学系（図示せず）が配置されてもよい。あるいは、被測定物１０と干渉計２との間に、被測定物１０から干渉計２へ向かう光束を集光するための集光光学系が配置されてもよい。
【００１８】
干渉計２は、光線分割素子２１と、第１の反射鏡２２と、第２の反射鏡２３と、微動ステージ２４とを有する。光線分割素子２１は、例えば、ビームスプリッタまたはハーフミラーの何れかで構成される。そして光線分割素子２１は、白色照明された被測定物１０により反射または散乱された測定光を、第１の反射鏡２２へ向かう第１の光束Ｂ１と第２の反射鏡２３へ向かう第２の光束Ｂ２に分割する。また光線分割素子２１は、第１の反射鏡２２により反射された第１の光束Ｂ１と第２の反射鏡２３により反射された第２の光束Ｂ２とを一つの光束に重ね合わせて、イメージセンサ３へ向けて出射する。
なお、被測定物１０を照明する光源の種類及び配置については、特に制限はなく、光源として、例えば、自然光、白色LED、あるいは、波長の異なる複数の単色LEDなど、２波長以上の波長を持つ光を放射する各種の光源を利用することができる。ただし、被測定物１０の測定対象となる面は、できるだけ均一な照度で照明されることが好ましい。
【００１９】
第１の反射鏡２２は、その反射面が光線分割素子２１に対向し、かつ、光線分割素子２１と第１の反射鏡２２間の距離が一定となるように設けられる。本実施形態では、第１の反射鏡２２は、光線分割素子２１を挟んで被測定物１０と対向するように設けられる。
【００２０】
一方、第２の反射鏡２３は、被測定物１０と第１の反射鏡２２とを結ぶ線と直交する方向において、その反射面が光線分割素子２１と対向し、かつ、光線分割素子２１から離れる方向に沿って移動可能なように、微動ステージ２４上に配置される。
【００２１】
ここで、第１の反射鏡２２と第２の反射鏡２３とは、第１の反射鏡２２の曲率と、第２の反射鏡２３の曲率とが互いに異なるように構成される。例えば、第１の反射鏡２２は平面鏡として構成され、第２の反射鏡２３は凹面鏡として構成されてもよい。また、二つの反射鏡は、何れも凹面鏡であってもよい。この場合には、干渉計２とイメージセンサ３間の距離を短縮できるので、分光立体形状測定装置１を小型化できる。あるいはまた、少なくとも一方の反射鏡が凸面鏡であってもよい。このように、第１の反射鏡２２と第２の反射鏡２３とは、その反射面が互いに異なる曲率を有する。そのため、光束Ｂ１の波面と光束Ｂ２の波面とは、第１の反射鏡２２または第２の反射鏡２３で反射されることにより、互いに異なる変調を受けることになる。したがって、それら二つの波面が重ね合わされることにより、光束Ｂ１と光束Ｂ２間の波面の差、及び、光束Ｂ１と光束Ｂ２間の光路差に応じた白色干渉が生じる。さらに、第１の反射鏡２２の光軸が光線分割素子２１により直角に曲げられることで第２の反射鏡２３の光軸と一致するように、第１の反射鏡２２及び第２の反射鏡２３は配置されることが好ましい。これにより、イメージセンサ３により得られる画像信号で表された白色干渉縞から被測定物１０の立体形状情報及び分光情報を求めるための演算量が削減される。
【００２２】
微動ステージ２４は、例えば、ピエゾステージで構成される。そして微動ステージ２４上に第２の反射鏡２３が載置される。また微動ステージ２４は、コントローラ４と接続されており、コントローラ４からの制御信号に応じて、微動ステージ２４に載置された第２の反射鏡２３を、光線分割素子２１と離れる方向、すなわち、第２の反射鏡２３の光軸方向に沿って移動させる。そのため、第２の反射鏡２３と光線分割素子２１の間隔は、微動ステージ２４を動作させることにより調節可能となっている。一方、上述したように、光線分割素子２１及び第１の反射鏡２２とは、その距離が一定となるように固定的に配置されている。したがって、第２の反射鏡２３と光線分割素子２１の間隔を調整することにより、干渉計２は、光束Ｂ１と光束Ｂ２との間に所定の光路差を生じさせることができる。
【００２３】
なお、以下では、便宜上、光線分割素子２１、第１の反射鏡２２及び第２の反射鏡２３が配置された面に平行で、かつ、光束Ｂ２が第２の反射鏡２３へ向かう方向をx軸、その面に対して直角をなす方向をy軸、またその面に平行で、かつ、光束Ｂ１が第１の反射鏡２２へ向かう方向をz軸とする座標系を設定する。またこの座標系において、原点(0,0,0)は、第１の反射鏡２２の光軸上、かつ、被測定物１０が配置される近傍に設定される。
【００２４】
イメージセンサ３は、例えば、２次元アレイ状に配列された、CCDあるいはCMOSといった固体撮像素子を有する。そしてイメージセンサ３は、分光立体形状測定装置１が測定動作を実行している間、第１の反射鏡２２で反射された光束Ｂ１と第２の反射鏡２３で反射された光束Ｂ２とが重ね合わされた光束を受光し、各画素がその画素での受光強度に応じた画素値を持つ画像信号を生成する。すなわち、イメージセンサ３は、測定動作中において、光束Ｂ１と光束Ｂ２とが重ね合わせられた光束の強度分布を表す複数の画像信号を生成する。また各画像は、それぞれ、光束Ｂ１と光束Ｂ２間の光路差が互いに異なる場合に対応する。そしてイメージセンサ３は、コントローラ４と接続され、画像信号を生成する度に、その画像信号をコントローラ４へ出力する。例えば、イメージセンサ３は、１回の測定動作中に、100枚〜1000枚程度の画像を生成する。
【００２５】
コントローラ４は、いわゆるコンピュータで構成される。そしてコントローラ４は、分光立体形状測定装置１全体を制御するとともに、イメージセンサ３により得られた画像から被測定物１０上の各点から得られる波面、すなわち、被測定物１０の各点の分光情報及び被測定物１０の立体形状情報を再生する。
【００２６】
図２に、コントローラ４の機能ブロック図を示す。図２に示すように、コントローラ４は、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク及びそれらの読取装置等の少なくとも一つを有する記憶部４１と、RS232C、Universal Serial Bus、イーサネット（登録商標）などの通信規格にしたがって構成されたインターフェース回路及びデバイスドライバなどのソフトウェアからなる通信部４２と、CPUあるいは数値演算プロセッサなどの１以上のプロセッサ及びその周辺回路により構成される制御部４３とを有する。
【００２７】
制御部４３は、通信部４２を介して制御信号を送信することにより微動ステージ２４を制御して、第２の反射鏡２３をx軸方向に沿って移動させて、光束Ｂ１と光束Ｂ２との間の光路差を変更する。なお、制御部４３は、測定動作中、被測定物１０の分光情報の再生対象となる波長範囲にわたる白色干渉縞が得られるだけ、光路差を変更する。例えば、制御部４３は、その波長範囲の上限の波長の2〜3倍に相当し、かつ、光路差0を含む範囲で光路差を変化させる。
【００２８】
また制御部４３は、イメージセンサ３から受け取った複数の画像信号により表される白色干渉縞から、被測定物１０の立体形状情報及び分光情報を求める。
【００２９】
以下、分光立体形状測定装置１による被測定物１０の立体形状及び分光情報を測定するための原理について説明する。
まず、焦点距離fを持つ球面鏡によって光波が受ける位相変調を表す関数R(x,y)は、次式で表される。
【数１】
2017211317.tif 000003
ただし、kは波数であり、(x,y)は、球面鏡の反射面のx軸方向及びy軸方向の位置を表す。また、焦点距離fは、球面鏡が正のパワーを持つ場合、すなわち、凹面鏡である場合に正の値となる。
【００３０】
例えば、第１の反射鏡２２の光軸上の点と原点間の距離をd0とし、第１の反射鏡２２の光軸上の点とイメージセンサ３間の距離をd1とする。また、光束Ｂ１と光束Ｂ２間の光路差が0であるときの第２の反射鏡２３の位置から、その光路長差がZとなるように、x方向に沿って第２の反射鏡２３が光線分割素子２１から離れるように、第２の反射鏡２３を距離Z/2だけ移動させたと仮定する。この場合、被測定物１０上の点rs=(xs,ys,zs)から発した光束Ｂ１は、距離(d0-zs)伝播した後、第１の反射鏡２２により変調され、さらに距離d1伝播してイメージセンサ３にて観測される。一方、点rsから発した光束Ｂ２は、距離(d0-zs+Z/2)伝播した後、第２の反射鏡２３により変調され、さらに距離(d1+Z/2)伝播してイメージセンサ３にて観測される。したがって、イメージセンサ３上での光束Ｂ１に対応する光波及び光束Ｂ２に対応する光波は、それぞれ、３次元像の再生に寄与しない、点rsの位置に関する２次の位相因子を除いて次式で表される。
【数２】
2017211317.tif 000004
ただし、ρis=(X,Y)は、イメージセンサ３上での実空間での座標を表す。またρ=(X,Y,Z)=(ρis,Z)は、イメージセンサ３の観測面(Z=0)からx方向に沿って距離Zだけ移動した位置における位置を表す位置ベクトルである。f1、f2は、それぞれ、第１の反射鏡２２の焦点距離及び第２の反射鏡２３の焦点距離を表す。そしてωは、光波の波長λに応じた周波数を表す。すなわち、ω=ck=c/λ（ただしcは光速、kは波数である）となる。
【００３１】
また、位置rsにある単色光源から発して干渉計２を経由して伝搬する光により記録される干渉縞（体積インターフェログラム）Ip(ρ,ω)は、次式で表される。
【数３】
2017211317.tif 000005
【００３２】
したがって、位置rsにある単色光源から発して干渉計２を経由して伝搬する光により記録される干渉縞に記録される光の場の相互スペクトル密度Ws(ρ,rs,ω)は、（２）〜（４）式に基づき、次式のように定義される。
【数４】
2017211317.tif 000006
【００３３】
なお、γ(zs)は、干渉縞に記録された球面波形位相の曲率半径であり、mは光源の３次元像の横倍率である。曲率半径γ(zs)をzsについて解くと、次式が得られる。
【数５】
2017211317.tif 000007
したがって、曲率半径γ(zs)の値から、被測定物１０上の点rsについての座標系である基準座標系に換算した物体値が特定される。
【００３４】
一般に、被測定物１０上の各点からの光は、互いに対してインコヒーレントであり、その各点からの光は、自身とのみ干渉し、他の点からの光とは干渉しない。したがって、イメージセンサ３上で得られる白色干渉縞を記録したホログラムでは、被測定物１０上の各点からの光の白色干渉縞の強度が加算された結果として記録される。したがって、被測定物１０の各点からの光の分布をS(rs,ω)とすると、イメージセンサ３により生成された画像信号に記録される白色干渉縞I(ρ)は、S(rs,ω)と（４）式で表される単色点光源による干渉縞Ip(ρ,ω)との積を点rsに関して積分した結果として、次式のように表される。
【数６】
2017211317.tif 000008
【００３５】
ここで、Γ1(ρ)及びΓ2(ρ)は、光束Ｂ１及び光束Ｂ２それぞれの光波が単独で存在したときの光強度であり、空間コヒーレンス関数Γ12(ρ)は、次式のように表される。
【数７】
2017211317.tif 000009
【００３６】
ここで、W(ρis,rs,ω)は、被測定物１０の各点の分光情報が表された複素ホログラムである。したがって、空間コヒーレンス関数Γ12(ρ)を光路差Zに関してフーリエ変換することで、波長ごとの相互スペクトル密度の組W(ρis,rs,ω)が得られる。
【００３７】
したがって、ρis=(X,Y,0)であるため、W(ρis,rs,ω)に対して、フレネル回折積分に基づいた逆伝搬計算により、再生距離z'における被測定物１０の再生像O(x',y',z',ω)が、次式のように波長ごとに得られる。
【数８】
2017211317.tif 000010
【００３８】
再生距離z'が相互スペクトル密度W(ρis,rs,ω)に含まれる曲率半径γ(zs)と等しい場合、位置zsにおける倍率mだけ座標(xs,ys)が拡大された座標(x',y')となる被測定物１０のフォーカスされた像が得られる。
【００３９】
図３に、分光立体形状測定装置１により取得される白色干渉縞信号の概略図を示す。例えば、被測定物１０が、第１の反射鏡２２の光軸上の点光源である場合、図３に示されるように、白色干渉縞３００は、イメージセンサ３上の互いに直交する二つの方向X、Yと、光束Ｂ１と光束Ｂ２の光路差Zをそれぞれ互いに直交する軸とした直交座標系において、３次元状の干渉縞となる。なお、光路差Zの値ごとに、XY平面の白色干渉縞を表す画像信号がイメージセンサ３により生成されるので、白色干渉縞３００は、Zの値ごとの画像信号をスタックすることにより得られる。そして白色干渉縞３００は、XY平面内では、同心円状の干渉縞となる。一方、白色干渉縞３００は、光束Ｂ１とＢ２の光路差Zの方向には、Zの長さに依存する同心円状の干渉縞となる。
【００４０】
図４に、被測定物１０の立体形状及び色を測定する際の分光立体形状測定装置１の動作フローチャートを示す。なお、以下に説明する動作は、コントローラ４により制御される。
測定が開始されると、コントローラ４の制御部４３は、通信部４２を介して微動ステージ２４へ制御信号を送信することにより、光束Ｂ１と光束Ｂ２の光路差を変えつつ、イメージセンサ３により生成された、光強度分布を表す画像を取得する（ステップＳ１０１）。そして制御部４３は、イメージセンサ３から受信した、その光強度分布に対応する画像信号を、光束Ｂ１と光束Ｂ２の光路差と関連付けて、コントローラ４の記憶部４１に記憶する（ステップＳ１０２）。そして制御部４３は、所定の光路差の範囲全体にわたって画像信号が得られたか否か判定する（ステップＳ１０３）。光路差の範囲全体での画像信号が得られていない場合、制御部４３は、制御をステップＳ１０１へ戻し、光路差を変更するよう微動ステージ２４を制御して、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３の処理を繰り返す。
【００４１】
一方、ステップＳ１０３において、所定の光路差の範囲全体にわたって画像信号が得られている場合、制御部４３は、記憶部４１に記憶された複数の画像信号で表される白色干渉縞信号を、対応画素ごとに、上記の（６）式及び（７）式に従って光束Ｂ１とＢ２間の光路差についてフーリエ変換することにより、相互スペクトル密度W(ρis,ω)を算出する（ステップＳ１０４）。そして制御部４３は、得られた相互スペクトル密度W(ρis,ω)に対して、（７）式に従ってフレネル回折積分に基づいた逆伝搬計算を行うことにより、被測定物１０上の各点から放射される再生波面を求める（ステップＳ１０５）。そしてコントローラ４は処理を終了する。
【００４２】
以上説明してきたように、本発明の一つの実施形態に係る分光立体形状測定装置は、白色照明された被測定物で反射または散乱された光を二つの光束に分割し、それら二つの光束間の光路差を変えながら、それら二つの光束を互いに異なる曲率を持つ反射鏡で反射して再度重ね合わせて得られる波面をイメージセンサで記録することで、白色干渉縞を得る。そしてこの分光立体形状測定装置は、画素ごとに、光路差に対するフーリエ変換を行うことで被測定物の各点の分光情報を表す相互スペクトル密度を算出するとともに、相互スペクトル密度に対してフレネル回折積分に基づいた逆伝搬計算を行うことで、被測定物の立体情報を表す、被測定物の各点からの再生波面を算出する。そのため、この分光立体形状測定装置は、白色干渉縞を得る際に、一方の反射鏡を一つの軸に沿って移動させるだけでよいので、被測定物の立体形状及び分光情報を測定する際に要する時間を削減できる。
【００４３】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、干渉計２が有する二つの反射鏡の位置は、互いに入れ替えられてもよい。
また、光束Ｂ１とＢ２間の光路差を変更するために、第２の反射鏡２３を移動させる代わりに、第１の反射鏡２２を移動させて、第１の反射鏡２２と光線分割素子２１の間隔を変えてもよい。
【００４４】
また、二つの反射鏡の内の少なくとも一方は、LCOSといった、反射型の空間光変調素子で構成されてもよい。この場合には、コントローラ４は、その反射鏡の光軸を中心とする同心円状に液晶層に印加する電圧を調節することで、その反射鏡の曲率を変更できる。したがって、コントローラ４は、反射鏡を構成する空間光変調素子の液晶層に印加する電圧を調節することで、白色干渉縞のSN比が良好となるように、反射鏡の曲率を制御できる。
【００４５】
また、上記の実施形態または変形例による分光立体形状測定装置は、被測定物の分光情報及び立体形状情報を必要とする様々な装置に利用される。例えば、上記の実施形態または変形例による分光立体形状測定装置は、顕微鏡と組み合わせて利用されてもよい。この場合には、被測定物からの光は、例えば、対物レンズを含む、顕微鏡の観察光学系を経て干渉計に導入されればよい。
【００４６】
以上のように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００４７】
１    分光立体形状測定装置
１０    被測定物
２    干渉計
２１    光線分割素子
２２    第１の反射鏡
２３    第２の反射鏡
２４    微動ステージ
３    イメージセンサ
４    コントローラ
４１    記憶部
４２    通信部
４３    制御部
【図１】
2017211317.tif 000011
【図２】
2017211317.tif 000012
【図３】
2017211317.tif 000013
【図４】
2017211317.tif 000014