JP2003329425A - 表面形状測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、被測定物自体の模様や汚れに左右
されずに段差等の急激な形状変化が存在する被測定物の
表面形状を測定できる表面形状測定方法及びその装置を
提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明の表面形状測定方法は、モアレ縞
の位相を走査し、その走査時に生じるモアレ縞強度変化
の周期を測定し、測定したモアレ縞強度変化の周期に基
づいて被測定物の表面形状を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は表面形状測定方法及
びその装置に関し、特にレンズ等の部品表面の欠陥検査
やロボットビジョンに用いられる三次元的な表面形状測
定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】三次元測定法の一つの手法としてモアレ
法が挙げられる。このモアレ法には、格子投影型と実体
格子型があり、様々な分野において広く利用されてい
る。格子投影型のモアレ法とは、図１７に示すように、
投影用と観察用とに、それぞれ小さな格子Ｇ１，Ｇ２を
配置し、投影用の格子Ｇ１をレンズＬ１により物体に投
影し、物体形状に応じて変形した格子線をレンズＬ２を
通じてもう一つの観察用の格子Ｇ２上に結像させ、縞等
高線を基準面から所定距離のところに生じさせるように
したものである。次に、実体格子型のモアレ法とは、図
１８に示すように、基準面に一つの格子Ｇを設置し、レ
ンズＬ１の位置に点光源Ｓを、レンズＬ２の位置に観察
眼ｅを置いて、格子Ｇの点光源Ｓによる影を物体上に落
し、物体形状に応じて変形した格子Ｇの影を形成させて
これを格子Ｇを通して観察眼ｅから観察することによ
り、この格子Ｇと変形した格子の影とによって生じるモ
アレ縞を観測する方法をいう。

【０００３】例えば特開平６−１６００４６号公報（以
下従来例１と称す）では格子投影型のモアレ法により、
長尺材の歪みを検出している。また、得られたモアレ縞
から物体の３次元形状を計測することも可能である。図
１９において、光源Ｓ_１及び観察点Ｓ_２と格子面までの
距離をｌ、格子のピッチをＳ、光源と観察点との距離を
ｄとする。同一平面内にある格子Ｇ_１とＧ_２はいずれも
ピッチＳをもつが、格子は面内で互いにεだけずれてい
る（格子ピッチの位相でいえば２πε／Ｓ）ものとする
と、強度がゆっくり変化するモアレ縞の項は、

【０００４】

【数１】

【０００５】と表せられる。形成されるモアレ縞（等高
線）は、格子面を基準（０次）として、格子面から離れ
るに従い、順に１次、２次とカウントされる次数を持
つ。そこで縞次数Ｎのモアレ縞をｃｏＳ２πＮと置くこ
とによって得られる。その結果、第Ｎ次のモアレ等高線
は基準面からｈ_Ｎだけ離れた次の位置、

【０００６】

【数２】

【０００７】に形成されることになる。これは位置の座
標ｘを含んでおらず、Ｎによって（ｘにかかわりなく）
定める固有の値となっている。すなわち、等高線が形成
されていることを示す。

【０００８】図２０のような構成をとった場合、Ｓ_１を
点光源として、Ｓ_２の位置に観察点をおき、また１枚の
連続した（したがってε＝０となる）格子を配したもの
に相当する（実体格子型）。ε＝０であるので（２）式
から、

【０００９】

【数３】

【００１０】が成り立つ。ただし、等高線といいながら
厳密には、その間隔Δｈ_Ｎ＝ｈ_Ｎ＋１−ｈ_Ｎは一定では
なく、次数Ｎによって異なってしまうが、一般的にはｄ
≫ＮＳとみなして、Δｈ＝Ｓｌ／ｄと近似できることが
多い。このような原理に基づいて物体の３次元形状を計
算できる。

【００１１】更に、高精度な計算方法として、位相シフ
ト法を応用した例が報告されている。まず、位相シフト
法の原理について説明する。図２１に示すように、位相
変調された縞画像Ｉは、 Ｉ＝Ｉ（θ）＝ａ(ｘ、ｙ)＋ｂ(ｘ、ｙ)ｃｏＳ(Φ(ｘ、
ｙ)＋θ)) （ただし、ａ：バイアス、ｂ：振幅、θ：操作可能な位
相、Φ：高さに相当する位相値である。）と表せる。こ
こで求めたいのは各点（ｘ、ｙ）における位相Φ（ｘ、
ｙ）である。バイアスや振幅は、表面の反射率や汚れな
どで変化する未知数成分なので、位相θを０、π／２、
πと変化させた３つの縞画像Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３は、 Ｉ_１＝ Ｉ（０）＝ａ（ｘ、ｙ）＋ｂ（ｘ、ｙ）ｃｏ
Ｓ（Φ（ｘ、ｙ）＋θ）） Ｉ_２＝Ｉ（π／２）＝ａ（ｘ、ｙ）−ｂ（ｘ、ｙ）Ｓｉ
ｎ（Φ（ｘ、ｙ）＋θ）） Ｉ_３＝ Ｉ（π）＝ａ（ｘ、ｙ）−ｂ（ｘ、ｙ）ｃｏ
Ｓ（Φ（ｘ、ｙ）＋θ）） を生成する。その結果、

【００１２】

【数４】

【００１３】となる。この（４）式により位相を算出す
れば反射率や汚れ成分を除去して、各点の位相Φ（ｘ、
ｙ）を求めることができる。

【００１４】また、特許第２，８８７，５１７号明細書
（以下従来例２と称す）では、格子面の垂直移動と光源
又は観察点の水平移動を、同時に行うことにより、各次
数の縞の位相がほぼ揃った状態で測定対象に対する縞位
相をシフトさせ、複数枚の縞画像を位相シフト法の原理
に基いて処理することにより高い計測精度を実現させて
いる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来例１
の方法では対象物を直観的に把握することはできるが、
凹凸の判定がし難い、急激な形状変化があった場合、モ
アレ縞が密になり区別できなくなる等の問題が生じる。
あるいは被測定物自体に模様や色の違いがあった場合、
色情報とモアレ縞による強度情報を分離できなくなると
いった問題も生じる。

【００１６】また、従来例２によれば、これらの形状演
算において求められる位相はπの間に折りたたまれて計
算される。もし物体形状に段差のような急激な形状変化
が存在した場合、モアレ縞の位相π以上変化しまい、そ
の飛びがπの何倍なのか特定できないため正確な形状を
計算することができない。

【００１７】本発明はこれらの問題点を解決するための
ものであり、被測定物自体の模様や汚れに左右されずに
段差等の急激な形状変化が存在する被測定物の表面形状
を測定できる表面形状測定方法及びその装置を提供する
ことを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記問題点を解決するた
めに、平面格子の影を光源から出た光によって、被測定
物表面上に投影し、影を格子又は当該格子と別の格子を
通して観察点で得て、平面格子の影によって生じるモア
レ縞を利用して被測定物の表面形状を測定する、本発明
の表面形状測定方法によれば、モアレ縞の位相を走査
し、その走査時に生じるモアレ縞強度変化の周期を測定
し、測定したモアレ縞強度変化の周期に基づいて被測定
物の表面形状を測定する。よって、モアレ縞強度変化の
周期から高さを測定するので、模様や汚れ等があっても
影響なく被測定物の表面形状を測定できる。

【００１９】また、別の発明としての表面形状測定装置
は、モアレ縞を発生させるための光源と、格子パターン
と、モアレ縞の強度を測定する光電変換素子と、モアレ
縞の位相を走査させるモアレ縞位相走査手段と、モアレ
縞位相走査による被測定物上のモアレ縞強度変化の周期
を演算するモアレ縞強度変化周期演算手段と、モアレ縞
強度変化の周期の違いに基づいて被測定物の形状データ
を算出する形状演算手段と有することに特徴がある。

【００２０】更に、任意の測定物に対して測定したモア
レ縞強度が１周期変化するモアレ縞走査量と測定物の高
さとの関係を示す対応表を用いて被測定物の表面形状を
測定することにより、形状データの算出を高速化でき
る。

【００２１】また、別の発明としての表面形状測定装置
は、モアレ縞を発生させるための光源と、格子パターン
と、モアレ縞の強度を測定する光電変換素子と、モアレ
縞の位相を走査させるモアレ縞位相走査手段と、モアレ
縞位相走査による縞強度変化が１周期分変化するのに要
したモアレ縞走査量を演算するモアレ縞強度変化周期演
算手段と、予め作成しておいた、任意の測定物に対して
測定したモアレ縞強度が１周期変化するモアレ縞走査量
と測定物の高さとの関係を示す対応表を記憶する対応表
記憶手段と、該対応表に対応させて被測定物の形状デー
タを算出する形状演算手段とを有することに特徴があ
る。よって、形状データの算出を高速化できる。

【００２２】更に、任意の測定物に対して測定したモア
レ縞強度が１周期変化するのに要したモアレ縞走査量と
モアレ縞次数との関係を示す対応表を用いて被測定物の
モアレ縞次数を決定し、決定したモアレ縞次数を基に被
測定物体上のモアレ縞の位相を算出し、被測定物の表面
形状を測定することにより、測定精度を向上させること
ができる。

【００２３】また、別の発明としての表面形状測定装置
は、モアレ縞を発生させるための光源と、格子パターン
と、モアレ縞の強度を測定する光電変換素子と、モアレ
縞の位相を走査させるモアレ縞位相走査手段と、モアレ
縞位相走査によるモアレ縞強度が１周期するのに要した
モアレ縞走査量を演算するモアレ縞強度変化周期演算手
段と、予め作成しておいた、任意の測定物に対して測定
したモアレ縞強度が１周期変化するのに要したモアレ縞
走査量とモアレ縞次数との関係を示す対応表を記憶する
対応表記憶手段と、該対応表に対応させて被測定物のモ
アレ縞次数を決定する縞次数決定手段と、決定したモア
レ縞次数を用いて被測定物体上のモアレ縞位相を演算す
る位相演算手段と、モアレ縞位相に基づいて被測定物の
形状データを算出する形状演算手段とを有すること特徴
がある。よって、測定精度を向上させることができる。

【００２４】更に、任意の測定物に対して測定したモア
レ縞強度が１周期変化するのに要したモアレ縞走査量を
測定し、さらにモアレ縞強度が少なくとも２周期以上変
化するのに要したモアレ縞走査量を測定した後、それら
の測定量から被測定物体上のモアレ縞次数と位相を算出
し、被測定物の表面形状を測定することにより、予め対
応表を作成しておかなくてもモアレ縞次数と位相を算出
することができる。

【００２５】また、別の発明としての表面形状測定装置
は、モアレ縞を発生させるための光源と、格子パターン
と、モアレ縞の強度を測定する光電変換素子と、モアレ
縞強度の位相を走査させるためのモアレ縞位相走査手段
と、モアレ縞位相走査によりモアレ縞強度変化が１周期
及び少なくとも２周期以上変化に要したモアレ縞走査量
を算出する縞強度変化周期演算手段と、演算結果から被
測定物体上のモアレ縞次数及び位相を演算する縞次数−
位相演算手段と、モアレ縞次数及び位相に基づいて被測
定物の形状データを算出する形状演算手段とを有するこ
とに特徴がある。よって、予め対応表を作成しておかな
くてもモアレ縞次数と位相を算出することができる。

【００２６】更に、モアレ縞位相走査手段が、光源、格
子パターン及び光電変換素子を含む光学系全体を格子パ
ターンと垂直方向に移動させるための光学系移動手段を
有することにより、モアレ縞の位相を走査させることが
でき、モアレ縞強度変化の周期から三次元形状測定が可
能となる。

【００２７】また、モアレ縞位相走査手段が、被測定物
体を格子パターンと垂直方向に移動させるための被測定
物移動手段を有していることにより、モアレ縞の位相を
走査させることができ、モアレ縞強度変化の周期から三
次元形状測定が可能となる。

【００２８】更に、モアレ縞位相走査手段が、格子パタ
ーンを移動させるための格子パターン移動手段を有して
いることにより、モアレ縞の位相を走査させることがで
き、モアレ縞強度変化の周期から三次元形状測定が可能
となる。

【００２９】また、モアレ縞位相走査手段が、格子パタ
ーンのピッチを変化させるための格子パターンピッチ変
更手段を有していることにより、モアレ縞の位相を走査
させることができ、モアレ縞強度変化の周期から三次元
形状測定が可能となる。

【００３０】更に、モアレ縞位相走査手段が、光源と光
電変換素子間の距離を変化させるための光源−光電素子
間距離変更手段を有していることにより、モアレ縞の位
相を走査させることができ、モアレ縞強度変化の周期か
ら三次元形状測定が可能となる。

【００３１】

【発明の実施の形態】本発明の表面形状測定方法は、モ
アレ縞の位相を走査し、その走査時に生じるモアレ縞強
度変化の周期を測定し、測定したモアレ縞強度変化の周
期に基づいて被測定物の表面形状を測定する。

【００３２】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例に係る表面形状
測定方法の原理を示す概略図である。同図において、上
記（３）式や図２０で示したように、モアレ光学系では
縞次数Ｎにより縞間隔Δｈ_ｎが異なる。例えばＳ＝８
３．３μｍ(１２本／ｍｍ)、Ｌ＝２００ｍｍ、ｄ＝７０
ｍｍとした場合、図１の（ａ）のような位置にモアレ縞
等高線が形成される。ここで、モアレ次数ｎ＝２、３、
４の位置に段差ＡＢＣがある被測定物を考える。図１の
（ａ）の状態では、ＡＢＣ面上には明るいモアレ縞が形
成されていることになる。次に、光源、観察点、格子パ
ターンの相対位置関係は維持したまま、モアレ光学系全
体を図１の（ｂ）に示すように、図中下方向にΔｈ
_２（＝２３９．４２３μｍ）だけ移動させるとする。そ
の結果、図１の（ｂ）に示すような位置にモアレ縞等高
線がシフトする。光学系移動中のＡＢＣ各段差面上での
モアレ縞強度変化を模式的に図２に示す。図２ではΔｈ
_２（＝２３９．４２３μｍ）を５０分割して移動させ、
各移動時におけるモアレ縞強度を測定した場合を想定し
て表している。Ｂ面上ではモアレ縞強度がちょうど１周
期する。一方Ａ面上では、光学系をΔｈ_２（＝２３９．
４２３μｍ）移動させた場合、モアレ縞強度は１周期以
上変化している。逆にＣ面上では、まだ１周期分の強度
変化を示していない。これは縞次数Ｎにより縞間隔Δｈ
_ｎが異なるためである。このように、モアレ縞の位置、
言いかえればモアレ縞の位相を意図的に変化させた場
合、その時生じるモアレ縞強度変化の周期と物体の高さ
を１：１に対応させることが可能である。光学系を移動
させる代わりに、被測定物を移動させても同様である。
つまり、モアレ縞の位相を変化させるには、モアレ光学
系と被測定物との相対距離を変化させればよい。あるい
は、モアレ光学系のパラメータ（ｄ，Ｓ，ｌ）のいずれ
かを変化させてもモアレ縞の位相を変化させることが可
能である。よって、モアレ光学系のパラメータ（ｄ，
Ｓ，ｌ）いずれかを変化させて、測定したい個所でモア
レ縞の強度を測定した場合、そのモアレ縞強度が１周期
するのに要するモアレ光学系パラメータの変化量と物体
の高さを１：１に対応させることが可能である。

【００３３】図３は第１の実施例の表面形状測定方法を
実現する表面形状測定装置の構成を示すブロック図であ
る。表面形状測定装置１００は、光源１１、格子パター
ン１２及びモアレ縞の強度を観測するための光電変換素
子１３を有するモアレ光学系１４と、例えばモアレ光学
系１４と被測定物２０を相対的に図中上下に移動させて
モアレ光学系１４と被測定物２０の相対距離を変化させ
てモアレ縞の位相を走査するモアレ縞位相走査手段１５
と、モアレ縞における変化する周期を演算するモアレ縞
強度変化周期演算手段１６と、演算された周期に基づい
て被測定物の形状を演算する形状演算手段１７とを含ん
で構成されている。ここでは、格子パターン１２を１枚
だけ用いる実体格子型モアレ光学系を例に取ったが、格
子投影型のモアレ光学系でもよい。そして、このような
構成を有する表面形状測定装置１００によれば、モアレ
縞位相走査手段１５によりモアレ光学系１４と被測定物
２０の相対距離を変化させてモアレ縞強度の位相を走査
させながら、一定の間隔で被測定物２０上のモアレ縞強
度を光電変換素子１３で測定する。その結果、図２のよ
うな信号が得られるので、モアレ縞強度変化周期演算手
段１６でモアレ縞強度変化が１周期変化する相対距離の
変化量を演算する。更に、その変化量の違いから形状測
定手段１７を用いて被測定物２０の形状データに変換す
る。あるいは、モアレ縞位相走査手段１５によりモアレ
光学系１４内のパラメータ（ｄ，Ｓ，ｌ）のいずれかを
変化させてモアレ縞の位相を変化させた場合は、縞変化
周期演算手段１６でモアレ縞強度変化が１周期変化する
パラメータの変化量を演算する。更に、その変化量の違
いから形状測定手段１７を用いて被測定物の形状データ
に変換する。図４は本発明の第２の実施例に係る表面形
状測定方法の原理を示す概略図である。ここでは、凸状
の被測定物のＤ面の高さを測定する方法について説明す
る。同図において、Ｄ面は初期設定において縞次数ｎと
ｎ＋１の間に存在し、次数ｎからの位相をφとすると、
Ｄ面の初期位置は、

【００３４】

【数５】

【００３５】と表される。もともと初期設定において次
数ｎ−１とｎの間の位相φ位置にあった縞がモアレ光学
系の移動により、Ｄ面に移動したときにＤ面上の縞が１
周期する。ここでモアレ光学系の移動により縞強度が１
周期したときの、求めたい高さ方向におけるモアレ縞の
移動量を図４のようにＦ_１（ｎ，φ）とすると下記の
（６）式が成り立つ。この場合、モアレ光学系の移動量
とモアレ縞の移動量は同じである。

【００３６】

【数６】

【００３７】そして、ｎ＝１，２，…、φを必要な分解
能で設定して、被測定物体上のあらゆる高さについてＦ
_１（ｎ，φ）を算出して、（縞強度が１周期変化するモ
アレ光学系の移動量）−（高さ）の関係を示す対応表を
作成しておく。ｈ_ｎやΔｈ_ｎはモアレ光学系のパラメー
タ（ｄ，Ｓ，ｌ）と次数ｎから決定できる。測定の際
は、縞強度が１周期変化するモアレ光学系の移動量（測
定値）を、対応表と比較し最も近い高さを、その測定個
所の形状データとする。被測定物を移動させてモアレ縞
位相を走査した場合も同じ対応表が使える。つまり、モ
アレ光学系と被測定物の相対距離を変化させることによ
りモアレ縞を走査した場合は同じ対応表が使える。ある
いは、モアレ光学系パラメータを変化させた場合は、そ
の変化量が求めたい高さ方向におけるモアレ縞の移動量
Ｆ_１(ｎ，φ)と同じとはならない。そのためＦ_１(ｎ，
φ)を測定値から直接得られないが、ある変換式を用い
て関連付けることが可能である。その場合は、縞強度が
１周期変化するモアレ光学系パラメータの変化量を、変
換式を用いて、求めたい高さ方向におけるモアレ縞移動
量Ｆ_１(ｎ，φ)に変換して、先の対応表から縞次数を決
定する。あるいはその変換式を用いて、予め（縞強度が
１周期変化するモアレ光学系パラメータの変化量）−
（高さ）の関係を示す対応表を予め作成しておいてもよ
い。

【００３８】図５は第２の実施例の表面形状測定方法を
実現する表面形状測定装置の構成を示すブロック図であ
る。同図において、図３と同じ参照符号は同じ構成要素
を示す。異なる構成要素として、（縞強度が１周期変化
する相対距離の変化量）−（高さ）の関係を示す対応表
を格納している対応表記憶手段１８を有している。ここ
でも格子パターン１２を１枚だけ用いる実体格子型モア
レ光学系を例に取ったが、格子投影型のモアレ光学系で
もよい。モアレ縞位相走査手段１５はモアレ光学系１４
と被測定物２０の相対距離を変化させることにより、モ
アレ縞強度の位相を走査させる。そして、モアレ縞強度
の位相を走査させながら、一定の間隔で被測定物体２０
上のモアレ縞強度を光電変換素子１３で測定する。その
結果、図２のような信号が得られる。そこで、モアレ縞
強度変化周期演算手段１６でモアレ縞強度変化が１周期
分変化する相対距離の変化量を演算する。そして、対応
表記憶手段１８に記憶しておいた（縞強度が１周期変化
する相対距離の変化量）−（高さ）の関係を示す対応表
から被測定物２０上の形状データを形状演算手段１７で
形状データを求める。あるいはモアレ縞位相走査手段１
５によりモアレ光学系１４のパラメータ（ｄ，Ｓ，ｌ）
を変化させてモアレ縞位相を走査させた場合は、モアレ
縞強度変化周期演算手段１６でモアレ縞強度変化が１周
期分変化するモアレ光学系１４のパラメータ（d，Ｓ，
ｌ）の変化量を演算する。そして、（縞強度が１周期変
化するモアレ光学系のパラメータ（ｄ，Ｓ，ｌ）の変化
量）−（高さ）の関係を示す対応表から被測定物２０上
の形状データを形状演算手段１７で形状データを求め
る。

【００３９】次に、本発明の第３の実施例に係る表面形
状測定方法について説明すると、モアレ光学系を移動さ
せて、モアレ縞の位相を走査させた場合、（６）式をΔ
ｈ_ｎ＝ｈ_ｎ+１−ｈ_ｎを用いて整理すると、

【００４０】

【数７】

【００４１】となる。ここでＦ_１(ｎ，φ)は求めたい高
さ方向におけるモアレ縞１周期分の移動量（図４参照）
であり、この場合、モアレ縞強度が１周期するのに要す
るモアレ光学系の移動量と同じであり測定値として得ら
れる。また、ｈ_ｎは（３）式を用いてモアレ光学系のパ
ラメータ（ｄ，Ｓ，ｌ）から算出できるので、縞次数ｎ
がわかれば位相φが分りＤ面の高さに換算できる。縞次
数ｎの特定は予め対応表を作成しておけば容易に特定で
きる。測定面が縞次数ｎとｎ＋１の間にあった場合、Ｆ
_１(ｎ，φ)はΔｈ_ｎ−１以上Δｈ_ｎ以下になる。Δｈ_ｎ
はモアレ光学系のパラメータ（d，Ｓ，ｌ）から予めわ
かるので、（縞強度が１周期変化するモアレ光学系の移
動量）−（縞次数）の関係を示す対応表を作っておけ
ば、測定値であるＦ_１(ｎ，φ)からその面がどの次数の
間にあったか特定できる。縞次数ｎが特定できれば
（７）式及び測定値Ｆ_１(ｎ，φ)から位相φを算出し、
高さに変換すれば良い。光学系の代わりに被測定物を移
動させた場合も同じである。あるいは、モアレ光学系パ
ラメータを変化させた場合、その変化量が求めたい高さ
方向におけるモアレ縞の移動量Ｆ_１(ｎ，φ)と同じとは
ならない。そのためＦ_１(ｎ，φ)を測定値から直接得ら
れないが、ある変換式を用いて関連付けることが可能で
ある。その場合は、縞強度が１周期変化するモアレ光学
系パラメータの変化量を、変換式を用いて、求めたい高
さ方向におけるモアレ縞移動量Ｆ_１(ｎ，φ)に変換し
て、先の対応表から縞次数を決定する。あるいはその変
換式を用いて、予め（縞強度が１周期変化するモアレ光
学系パラメータの変化量）−（縞次数）の関係を示す対
応表を予め作成しておいてもよい。

【００４２】図６は第３の実施例の表面形状測定方法を
実現する表面形状測定装置の構成を示すブロック図であ
る。同図において、図５と同じ参照符号は同じ構成要素
を示す。異なる構成要素として、予め作成しておいた
（縞強度が１周期変化する相対距離の変化量）−（縞次
数）の関係を示す対応表を記憶する対応表記憶手段１９
と、当該対応表から被測定物上のモアレ縞次数を決定す
る縞次数決定手段２１と、位相演算手段２２とを有す
る。モアレ縞を発生させるための光源１１及び格子パタ
ーン１２、モアレ縞の強度を観測するための光電変換素
子１３によりモアレ光学系１４が形成される。ここでも
格子パターン１２を１枚だけ用いる実体格子型モアレ光
学系を例に取ったが、格子投影型のモアレ光学系でもよ
い。モアレ縞位相走査手段１５は、モアレ光学系１４と
被測定物２０の相対距離を変化させることにより、モア
レ縞強度の位相を走査させる。そして、モアレ縞強度の
位相を走査させながら、一定の間隔で被測定物体２０上
のモアレ縞強度を光電変換素子１３で測定する。その結
果、図２のような信号が得られる。そこで、モアレ縞強
度変化周期演算手段１６でモアレ縞強度変化が１周期分
変化する相対距離の変化量、つまり縞強度が１周期変化
する縞の移動量をＦ_１(ｎ，φ)を演算する。更に、その
結果を受け予め作成しておいた（縞強度が１周期変化す
る相対距離の変化量）−（縞次数）の関係を示す対応表
から被測定物２０上のモアレ縞次数を縞次数決定手段２
１で決定し、その決定した縞次数を用いて被測定物２０
上のモアレ縞位相を位相演算手段２２で演算し、形状演
算手段１７で形状データに変換する。あるいはモアレ縞
位相走査手段１５によりモアレ光学系１４のパラメータ
（ｄ，Ｓ，ｌ）を変化させてモアレ縞位相を走査させた
場合は、モアレ縞強度変化周期演算手段１６でモアレ縞
強度変化が１周期分変化するモアレ光学系１４のパラメ
ータ（d，Ｓ，ｌ）の変化量を演算する。そして、予め
作成して対応表記憶手段２１に記憶しておいた（縞強度
が１周期変化するモアレ光学系のパラメータ（ｄ，Ｓ，
ｌ）の変化量）−（縞次数）の関係を示す対応表から被
測定物２０上の形状データを形状演算手段１７で形状デ
ータを求める。

【００４３】次に、本発明の第４の実施例に係る表面形
状測定方法について説明する。第１の実施例で示した縞
が１周期変化する縞の移動量Ｆ_１(ｎ，φ)に続き、図７
に示すように、縞が２周期変化する縞の移動量Ｆ
_２(ｎ，φ)を求める。モアレ光学系を移動させてモアレ
縞の位相を走査させた場合、Ｆ_１(ｎ，φ)、Ｆ_２(ｎ，
φ)はモアレ縞強度が１周期あるいは２周期変化するの
に要するモアレ光学系の移動量と同じであり測定値とし
て得られる。この場合、

【００４４】

【数８】

【００４５】と表せる。Δｈ_ｎ＝ｈ_ｎ+１−ｈ_ｎを用い
て整理すると、

【００４６】

【数９】

【００４７】Ｆ_１(ｎ，φ)を表す（７）式とこの（９）
式において、未知数は縞次数ｎと位相φであるので、２
つの方程式を解けば解が得られる。次数ｎと位相φが求
められれば、被測定物の高さに換算できる。ここでは２
周期分の移動量から方程式を解いたが更に多くの周期を
表す移動量から縞次数ｎと位相φを解くことにより精度
を向上させることも可能である。あるいは、モアレ光学
系パラメータを変化させた場合、その変化量が求めたい
高さ方向におけるモアレ縞の移動量Ｆ_１(ｎ，φ)、Ｆ_２
(ｎ，φ)と同じとはならない。そのためＦ_１(ｎ，φ)、
Ｆ_２(ｎ，φ)を測定値から直接得られないが、ある変換
式を用いて関連付けることが可能である。

【００４８】図８は第４の実施例の表面形状測定方法を
実現する表面形状測定装置の構成を示すブロック図であ
る。同図において、図６と同じ参照符号は同じ構成要素
を示す。異なる構成要素として、縞強度が１周期変化す
る縞の移動量Ｆ_１(ｎ，φ)及び縞強度が２周期変化する
縞の移動量Ｆ_２(ｎ，φ)を演算するモアレ縞強度変化周
期演算手段２３と、該モアレ縞強度変化周期演算手段２
３による演算結果から上記（７）式及び（９）式を演算
する縞次数−位相演算手段２４とを有している。ここで
も格子パターン１２を１枚だけ用いる実体格子型モアレ
光学系を例に取ったが、格子投影型のモアレ光学系でも
よい。モアレ縞位相走査手段１５はモアレ光学系１４と
被測定物２０の相対距離を変化させることにより、モア
レ縞強度の位相を走査させる。そして、モアレ縞強度の
位相を走査させながら、一定の間隔で被測定物２０上の
モアレ縞強度を光電変換素子１３で測定する。その結
果、図２のような信号が得られる。そこで、モアレ縞強
度変化周期演算手段２３でモアレ縞強度変化が１周期分
変化する相対距離の変化量、つまり縞強度が１周期変化
する縞の移動量Ｆ_１(ｎ，φ)及びモアレ縞強度変化が２
周期分変化する相対距離の変化量、つまり縞強度が２周
期変化する縞の移動量Ｆ_２(ｎ，φ)を演算する。更に、
その結果から縞次数−位相演算手段２４で（７），
（９）式の方程式を解くことにより被測定物２０上のモ
アレ縞次数と位相を算出し、さらに形状演算手段１７で
形状データに変換する。あるいはモアレ縞位相走査手段
１５によりモアレ光学系のパラメータ（ｄ，Ｓ，ｌ）を
変化させてモアレ縞位相を走査させた場合は、モアレ縞
強度変化周期演算手段２３でモアレ縞強度変化が１周期
分変化するモアレ光学系１４のパラメータ（d，Ｓ，
ｌ）の変化量をモアレ縞の移動量Ｆ_１(ｎ，φ)に換算
し、続いてモアレ縞強度変化が２周期分変化するモアレ
光学系１４のパラメータ（d，Ｓ，ｌ）の変化量をモア
レ縞の移動量Ｆ_２(ｎ，φ)に換算する。更に、その結果
から縞次数−位相演算手段２４で（７），（９）式の方
程式を解くことにより被測定物２０上のモアレ縞次数と
位相を算出し、さらに形状演算手段１７で形状データに
変換する。

【００４９】ここで、モアレ縞の位相を走査するために
モアレ光学系全体を移動させる実施例について説明す
る。本実施例の構成を示す図９に示すように、光学系移
動手段２５を用いて光学系全体を移動させることにより
モアレ縞強度の位相を走査させ、一定の間隔で被測定物
２０上のモアレ縞強度を光電変換素子１３で測定する。
その結果、図２のような信号が得られるので、モアレ縞
強度変化周期演算手段１６でモアレ縞強度変化の周期を
演算する。さらにその周期の違いから形状測定手段１７
を用いて被測定物２０の形状データに変換する。

【００５０】また、モアレ縞の位相を走査するために被
測定物を移動させる実施例について説明する。本実施例
の構成を示す図１０に示すように、被測定物移動手段２
６を用いて被測定物２０を移動させることによりモアレ
縞強度の位相を走査させ、一定の間隔で被測定物２０上
のモアレ縞強度を光電変換素子１３で測定する。その結
果、図２のような信号が得られる。この場合、図２の横
軸は被測定物２０の移動量である。この信号から、モア
レ縞強度変化周期演算手段１６でモアレ縞強度変化の周
期を演算する。さらにその周期の違いから形状測定手段
１７を用いて被測定物２０の形状データに変換する。

【００５１】次に、モアレ縞の位相を変化させるために
格子パターンの位置を光軸方向にΔｌだけ変化させる実
施例を図１１に示す。移動前のｎ＋１次のモアレ縞等高
線は上記（３）式から

【００５２】

【数１０】

【００５３】となる。ただし、図１１において、光源と
観察点は格子から同距離にあり、光源と観察点の間の距
離をｄ、格子と観察点、光源の間の距離をｌ、格子のピ
ッチをＳ、格子の移動量をΔｌとする。

【００５４】次に、格子パターンを移動させてモアレ縞
をシフトさせることを考えると、シフト後の第ｎ次の縞
までの距離ｈ_ｎ'は、

【００５５】

【数１１】

【００５６】となる。従って、図１１に示すように格子
移動前の第ｎ次と第ｎ＋１次のモアレ縞間の位相Φ_ｎの
位置に、格子移動後の第ｎ次のモアレ縞があると仮定す
ると、

【００５７】

【数１２】

【００５８】が成立する。この（１２）式に（１０），
（１１）式を代入し整理すると、

【００５９】

【数１３】

【００６０】を得る。この（１３）式により格子移動量
Δｌと位相シフト量Φ_ｎの関係が明らかになった。ここ
で、Ｓ＝８３．３μｍ、ｌ＝２００ｍｍ、ｄ＝７０ｍ
ｍ、格子移動前の縞次数ｎ＝３の縞を正確に２πシフト
させることを考える。つまり、ｎ＝３、Φ_３＝２πとす
る。以上のパラメータを（１３）式に代入すると、Δｌ
_{ｎ ＝３}＝２３９．１３８μｍとなる。このΔｌによる格
子移動前後のモアレ縞等高線の位置を図１２の（ｂ）に
示す。また、格子移動前の縞次数ｎ＝４の縞を正確に２
πシフトさせるとするとｎ＝４、Φ_４＝２πとし（１
３）式に代入すると、Δｌ_ｎ＝４＝２３９．４２５μｍ
となる。このように物体の高さにより縞強度が１周期す
る格子パターン移動量Δｌが異なる。

【００６１】次に、モアレ次数ｎ＝３、４、５の位置に
段差ＡＢＣがある物体を考える。左側の状態では、ＡＢ
Ｃ面上には明るいモアレ縞が形成されていることにな
る。次に、格子パターンをΔｌ_ｎ＝３（＝２３９．１３
８μｍ）だけ移動させるとする。その結果、図１２の
（ａ）のような位置にモアレ縞等高線がシフトする。格
子移動中のＡＢＣ各段差面上でのモアレ縞強度変化を模
式的に図１３に示す。ここではΔｌ_ｎ＝３を５０分割し
て移動させ、各移動時におけるモアレ縞強度を測定した
場合を想定して表している。Ｂ面上ではモアレ縞強度が
ちょうど１周期する。一方Ａ面上では、格子パターンを
Δｌ_ｎ＝３移動させた場合、モアレ縞強度はまだ１周期
していない。逆にＣ面上では、１周期分以上の強度変化
を示す。このように、格子パターンの位置を変化させ、
モアレ縞の位相を意図的に変化させる場合、その時生じ
るモアレ縞強度変化の周期と物体の高さを１：１に対応
させることが可能である。ｎ＝１，２，…、φを必要な
分解能で設定して、縞１周期の変化を示す格子移動量Δ
ｌ_１（ｎ，φ）と物体高さの関係を示す対応表を作成し
ておけば、容易に形状データが得られる。第２の実施例
ではΔｌ_１（ｎ，φ）を、求めたい高さ方向のモアレ縞
の移動量Ｆ_１(ｎ，φ)に換算してから対応表を使用する
場合を説明したが、（縞１周期の変化を示す格子の移動
量Δｌ_１（ｎ，φ））−（高さ）の関係を示す対応表を
直接作成する方法に関して図１４を用いて補足する。所
定の位置から格子パターンをΔｌ_１（ｎ，φ）だけ移動
させたととき、Ｄ面上の縞強度が１周期したとする。Ｄ
面が格子移動前にｎ次とｎ＋１次の間の位相φの縞上に
存在したとする。このとき図１４より、

【００６２】

【数１４】

【００６３】と表せる。ｈ_ｎ、Δｈ_ｎ、ｈ'_ｎ-１、Δ
ｈ'_ｎ-１はモアレ光学系のパラメータ（Ｓ，ｌ，d）及
び測定値Δｌ_１（ｎ，φ）を用いて表せる。よって任意
の縞次数ｎとその間の位相φに対して、縞強度が１周期
する格子パターン移動量Δｌ_１（ｎ，φ）を計算で求め
ることができる。ｎ＝１，２，…、φを必要な分解能で
設定して、被測定物上のあらゆる高さについてΔｌ_１を
算出しておく。測定の際は、測定値であるΔ_１ｌ（ｎ，
φ）を、対応表と比較し最も近い高さを、その測定個所
の形状データとする。また、先にも説明したように縞次
数によりΔｌ_１（ｎ，φ）は異なるので、第２の実施例
で示したように先ず被測定物体が存在する縞次数をまず
特定し、そのあとにその縞次数と測定したΔｌ_１（ｎ，
φ）を（１４）式の等式に代入して位相φを求めること
も可能である。更に、第３の実施例のように、縞強度が
１周期変化するΔｌ_１（ｎ，φ）及び縞強度が２周期変
化するΔｌ_２（ｎ，φ）を求めておき、連立方程式から
縞次数ｎと位相φを算出しても良い。装置構成としては
図５、図６、図８のモアレ縞位相走査手段１５に、格子
パターンを移動可能な機構を用いることになる。

【００６４】次に、図１５に示すように、位相をシフト
させるために格子パターンのピッチをΔＳだけ変化させ
ることも可能である。変化前のｎ＋１次のモアレ縞等高
線は上記（３）式から

【００６５】

【数１５】

【００６６】となる。ただし、図１５において、光源と
観察点は格子から同距離にあり、光源と観察点の間の距
離をｄ、格子と観察点、光源の間の距離をｌ、格子のピ
ッチをＳ、格子パターンのピッチ変化量をΔＳとする。

【００６７】次に、格子パターンピッチを変化させてモ
アレ縞をシフトさせる実施例について説明すると、シフ
ト後の第ｎ次の縞までの距離ｈ_ｎ'は、

【００６８】

【数１６】

【００６９】となる。従って、図１４に示すように格子
パターンピッチ変化前の第ｎ次と第ｎ＋１次のモアレ縞
間の位相Φ_ｎの位置に、格子パターンピッチ変化後の第
ｎ次のモアレ縞があると仮定すると、

【００７０】

【数１７】

【００７１】が成立する。この（１７）式に（１５），
（１６）式を代入し整理すると、

【００７２】

【数１８】

【００７３】を得る。この（１８）式により格子パター
ンのピッチ変化量ΔＳと位相シフト量Φ_ｎの関係が明ら
かになった。ここで、Ｓ＝８３．３μｍ（１２本／ｍ
ｍ）、ｌ＝２００ｍｍ、ｄ＝７０ｍｍ、格子移動前の縞
次数ｎ＝３の縞を正確に２πシフトさせることを考え
る。つまり、ｎ＝３、Φ_３＝２πとする。以上のパラメ
ータを（１７）式に代入すると、ΔＳ＝２７．８μｍと
なる。このΔＳによる格子移動前後のモアレ縞等高線の
位置を図１６に示す。このようにモアレ縞の位相を走査
させることが可能である。格子に液晶などを用いてピッ
チＳを変化させながら測定を行うといった構成が考えら
れる。

【００７４】また、上記式（３）からわかるように、光
源と観察点との距離ｄを変化させることによってもモア
レ縞の位相を走査させることが可能である。そこで、図
５、図６、図８のモアレ縞位相走査手段に、距離ｄを変
化させられる機構を用いる。あるいは距離ｄが異なる光
源を多数設けて切り替えながら測定することも可能であ
る。距離ｄを変えることによりモアレ縞強度の位相を走
査させ、一定の間隔で被測定物上のモアレ縞強度を光電
変換素子で測定する。その結果、図２のような信号が得
られるので、第１〜第４の実施例の表面形状測定方法で
高さを測定できる。

【００７５】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変
形や置換可能であることは言うまでもない。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように、平面格子の影を光
源から出た光によって、被測定物表面上に投影し、影を
格子又は当該格子と別の格子を通して観察点で得て、平
面格子の影によって生じるモアレ縞を利用して被測定物
の表面形状を測定する、本発明の表面形状測定方法によ
れば、モアレ縞の位相を走査し、その走査時に生じるモ
アレ縞強度変化の周期を測定し、測定したモアレ縞強度
変化の周期に基づいて被測定物の表面形状を測定する。
よって、モアレ縞強度変化の周期から高さを測定するの
で、模様や汚れ等があっても影響なく被測定物の表面形
状を測定できる。

【００７７】また、別の発明としての表面形状測定装置
は、モアレ縞を発生させるための光源と、格子パターン
と、モアレ縞の強度を測定する光電変換素子と、モアレ
縞の位相を走査させるモアレ縞位相走査手段と、モアレ
縞位相走査による被測定物上のモアレ縞強度変化の周期
を演算するモアレ縞強度変化周期演算手段と、モアレ縞
強度変化の周期の違いに基づいて被測定物の形状データ
を算出する形状演算手段と有することに特徴がある。

【００７８】更に、任意の測定物に対して測定したモア
レ縞強度が１周期変化するモアレ縞走査量と測定物の高
さとの関係を示す対応表を用いて被測定物の表面形状を
測定することにより、形状データの算出を高速化でき
る。

【００７９】また、別の発明としての表面形状測定装置
は、モアレ縞を発生させるための光源と、格子パターン
と、モアレ縞の強度を測定する光電変換素子と、モアレ
縞の位相を走査させるモアレ縞位相走査手段と、モアレ
縞位相走査による縞強度変化が１周期分変化するのに要
したモアレ縞走査量を演算するモアレ縞強度変化周期演
算手段と、予め作成しておいた、任意の測定物に対して
測定したモアレ縞強度が１周期変化するモアレ縞走査量
と測定物の高さとの関係を示す対応表を記憶する対応表
記憶手段と、該対応表に対応させて被測定物の形状デー
タを算出する形状演算手段とを有することに特徴があ
る。よって、形状データの算出を高速化できる。

【００８０】更に、任意の測定物に対して測定したモア
レ縞強度が１周期変化するのに要したモアレ縞走査量と
モアレ縞次数との関係を示す対応表を用いて被測定物の
モアレ縞次数を決定し、決定したモアレ縞次数を基に被
測定物体上のモアレ縞の位相を算出し、被測定物の表面
形状を測定することにより、測定精度を向上させること
ができる。

【００８１】また、別の発明としての表面形状測定装置
は、モアレ縞を発生させるための光源と、格子パターン
と、モアレ縞の強度を測定する光電変換素子と、モアレ
縞の位相を走査させるモアレ縞位相走査手段と、モアレ
縞位相走査によるモアレ縞強度が１周期するのに要した
モアレ縞走査量を演算するモアレ縞強度変化周期演算手
段と、予め作成しておいた、任意の測定物に対して測定
したモアレ縞強度が１周期変化するのに要したモアレ縞
走査量とモアレ縞次数との関係を示す対応表を記憶する
対応表記憶手段と、該対応表に対応させて被測定物のモ
アレ縞次数を決定する縞次数決定手段と、決定したモア
レ縞次数を用いて被測定物体上のモアレ縞位相を演算す
る位相演算手段と、モアレ縞位相に基づいて被測定物の
形状データを算出する形状演算手段とを有すること特徴
がある。よって、測定精度を向上させることができる。

【００８２】更に、任意の測定物に対して測定したモア
レ縞強度が１周期変化するのに要したモアレ縞走査量を
測定し、さらにモアレ縞強度が少なくとも２周期以上変
化するのに要したモアレ縞走査量を測定した後、それら
の測定量から被測定物体上のモアレ縞次数と位相を算出
し、被測定物の表面形状を測定することにより、予め対
応表を作成しておかなくてもモアレ縞次数と位相を算出
することができる。

【００８３】また、別の発明としての表面形状測定装置
は、モアレ縞を発生させるための光源と、格子パターン
と、モアレ縞の強度を測定する光電変換素子と、モアレ
縞強度の位相を走査させるためのモアレ縞位相走査手段
と、モアレ縞位相走査によりモアレ縞強度変化が１周期
及び少なくとも２周期以上変化に要したモアレ縞走査量
を算出する縞強度変化周期演算手段と、演算結果から被
測定物体上のモアレ縞次数及び位相を演算する縞次数−
位相演算手段と、モアレ縞次数及び位相に基づいて被測
定物の形状データを算出する形状演算手段とを有するこ
とに特徴がある。よって、予め対応表を作成しておかな
くてもモアレ縞次数と位相を算出することができる。

【００８４】更に、モアレ縞位相走査手段が、光源、格
子パターン及び光電変換素子を含む光学系全体を格子パ
ターンと垂直方向に移動させるための光学系移動手段を
有することにより、モアレ縞の位相を走査させることが
でき、モアレ縞強度変化の周期から三次元形状測定が可
能となる。

【００８５】また、モアレ縞位相走査手段が、被測定物
体を格子パターンと垂直方向に移動させるための被測定
物移動手段を有していることにより、モアレ縞の位相を
走査させることができ、モアレ縞強度変化の周期から三
次元形状測定が可能となる。

【００８６】更に、モアレ縞位相走査手段が、格子パタ
ーンを移動させるための格子パターン移動手段を有して
いることにより、モアレ縞の位相を走査させることがで
き、モアレ縞強度変化の周期から三次元形状測定が可能
となる。

【００８７】また、モアレ縞位相走査手段が、格子パタ
ーンのピッチを変化させるための格子パターンピッチ変
更手段を有していることにより、モアレ縞の位相を走査
させることができ、モアレ縞強度変化の周期から三次元
形状測定が可能となる。

【００８８】更に、モアレ縞位相走査手段が、光源と光
電変換素子間の距離を変化させるための光源−光電素子
間距離変更手段を有していることにより、モアレ縞の位
相を走査させることができ、モアレ縞強度変化の周期か
ら三次元形状測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る表面形状測定方法
の原理を示す概略図である。

【図２】光学系移動中のＡＢＣ各段差面上でのモアレ縞
強度変化を示す図である。

【図３】第１の実施例の表面形状測定方法を実現する表
面形状測定装置の構成を示すブロック図である。

【図４】本発明の第２の実施例に係る表面形状測定方法
の原理を示す概略図である。

【図５】第２の実施例の表面形状測定方法を実現する表
面形状測定装置の構成を示すブロック図である。

【図６】本発明の第３の実施例の表面形状測定方法を実
現する表面形状測定装置の構成を示すブロック図であ
る。

【図７】本発明の第４の実施例に係る表面形状測定方法
の原理を示す概略図である。

【図８】第４の実施例の表面形状測定方法を実現する表
面形状測定装置の構成を示すブロック図である。

【図９】モアレ光学系全体を移動させる実施例の構成を
示すブロック図である。

【図１０】被測定物を移動させる実施例の構成を示すブ
ロック図である。

【図１１】格子パターンの位置を光軸方向に変化させる
実施例の構成を示す図である。

【図１２】格子移動前後のモアレ縞等高線の位置を示す
図である。

【図１３】格子移動中のＡＢＣ各段差面上でのモアレ縞
強度変化を示す図である。

【図１４】対応表を直接作成する様子を示す図である。

【図１５】格子パターンのピッチを変化させた様子を示
す図である。

【図１６】格子移動前後のモアレ縞等高線の位置を示す
図である。

【図１７】格子投影型のモアレ法を説明する図である。

【図１８】実体格子型のモアレ法を説明する図である。

【図１９】格子投影型のモアレ法により長尺材の歪みを
検出する様子を示す図である。

【図２０】格子投影型のモアレ法により長尺材の歪みを
検出する別の様子を示す図である。

【図２１】位相変調されたモアレ縞画像を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１；光源、１２；格子パターン、１３；光電変換素
子、１４；モアレ光学系、１５；モアレ縞位相走査手
段、１６，２３；モアレ縞強度変化周期演算手段、１
７；形状演算手段、１８，１９；対応表記憶手段、２
０；被測定物、２１；縞次数決定手段、２２；位相演算
手段、２４；縞次数−位相演算手段、２５；光学系移動
手段、２６；被測定物移動手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 攻 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 Ｆターム(参考） 2F065 AA53 BB05 BB22 CC22 FF08 LL41 MM14 MM24 MM28 UU05

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平面格子の影を光源から出た光によっ
   て、被測定物表面上に投影し、前記影を格子又は当該格
   子と別の格子を通して観察点で得て、平面格子の影によ
   って生じるモアレ縞を利用して被測定物の表面形状を測
   定する表面形状測定方法において、 モアレ縞の位相を走査し、その走査時に生じるモアレ縞
   強度変化の周期を測定し、測定したモアレ縞強度変化の
   周期に基づいて被測定物の表面形状を測定することを特
   徴とする表面形状測定方法。
2. 【請求項２】 モアレ縞を発生させるための光源と、格
   子パターンと、モアレ縞の強度を測定する光電変換素子
   と、モアレ縞の位相を走査させるモアレ縞位相走査手段
   と、モアレ縞位相走査による被測定物上のモアレ縞強度
   変化の周期を演算するモアレ縞強度変化周期演算手段
   と、モアレ縞強度変化の周期の違いに基づいて被測定物
   の形状データを算出する形状演算手段と有することを特
   徴とする表面形状測定装置。
3. 【請求項３】 任意の測定物に対して測定したモアレ縞
   強度が１周期変化するモアレ縞走査量と測定物の高さと
   の関係を示す対応表を用いて被測定物の表面形状を測定
   する請求項１記載の表面形状測定方法。
4. 【請求項４】 モアレ縞を発生させるための光源と、格
   子パターンと、モアレ縞の強度を測定する光電変換素子
   と、モアレ縞の位相を走査させるモアレ縞位相走査手段
   と、モアレ縞位相走査によるモアレ縞強度変化が１周期
   分変化するのに要したモアレ縞走査量を演算するモアレ
   縞強度変化周期演算手段と、予め作成しておいた、任意
   の測定物に対して測定したモアレ縞強度が１周期変化す
   るモアレ縞走査量と測定物の高さとの関係を示す対応表
   を記憶する対応表記憶手段と、該対応表に対応させて被
   測定物の形状データを算出する形状演算手段とを有する
   ことを特徴とする表面形状測定装置。
5. 【請求項５】 任意の測定物に対して測定したモアレ縞
   強度が１周期変化するのに要したモアレ縞走査量とモア
   レ縞次数との関係を示す対応表を用いて被測定物のモア
   レ縞次数を決定し、決定したモアレ縞次数を基に被測定
   物体上のモアレ縞の位相を算出し、被測定物の表面形状
   を測定する請求項１記載の表面形状測定方法。
6. 【請求項６】 モアレ縞を発生させるための光源と、格
   子パターンと、モアレ縞の強度を測定する光電変換素子
   と、モアレ縞の位相を走査させるモアレ縞位相走査手段
   と、モアレ縞位相走査によるモアレ縞強度が１周期する
   のに要したモアレ縞走査量を演算するモアレ縞強度変化
   周期演算手段と、予め作成しておいた、任意の測定物に
   対して測定したモアレ縞強度が１周期変化するのに要し
   たモアレ縞走査量とモアレ縞次数との関係を示す対応表
   を記憶する対応表記憶手段と、該対応表に対応させて被
   測定物のモアレ縞次数を決定する縞次数決定手段と、決
   定したモアレ縞次数を用いて被測定物体上のモアレ縞位
   相を演算する位相演算手段と、モアレ縞位相に基づいて
   被測定物の形状データを算出する形状演算手段とを有す
   ることを特徴とする表面形状測定装置。
7. 【請求項７】 任意の測定物に対して測定したモアレ縞
   強度が１周期変化するのに要したモアレ縞走査量を測定
   し、さらにモアレ縞強度が少なくとも２周期以上変化す
   るのに要したモアレ縞走査量を測定した後、それらの測
   定量から被測定物体上のモアレ縞次数と位相を算出し、
   被測定物の表面形状を測定する請求項１記載の表面形状
   測定方法。
8. 【請求項８】 モアレ縞を発生させるための光源と、格
   子パターンと、モアレ縞の強度を測定する光電変換素子
   と、モアレ縞強度の位相を走査させるためのモアレ縞位
   相走査手段と、モアレ縞位相走査によりモアレ縞強度変
   化が１周期及び少なくとも２周期以上変化に要したモア
   レ縞走査量を算出する縞強度変化周期演算手段と、演算
   結果から被測定物体上のモアレ縞次数及び位相を演算す
   る縞次数−位相演算手段と、モアレ縞次数及び位相に基
   づいて被測定物の形状データを算出する形状演算手段と
   を有することを特徴とする表面形状測定装置。
9. 【請求項９】 前記モアレ縞位相走査手段が、前記光
   源、前記格子パターン及び前記光電変換素子を含む光学
   系全体を前記格子パターンと垂直方向に移動させるため
   の光学系移動手段を有する請求項２，４，６，８のいず
   れかに記載の表面形状測定装置。
10. 【請求項１０】 前記モアレ縞位相走査手段が、前記被
    測定物体を前記格子パターンと垂直方向に移動させるた
    めの被測定物移動手段を有している請求項２，４，６，
    ８のいずれかに記載の表面形状測定装置。
11. 【請求項１１】 前記モアレ縞位相走査手段が、前記格
    子パターンを移動させるための格子パターン移動手段を
    有している請求項２，４，６，８のいずれかに記載の表
    面形状測定装置。
12. 【請求項１２】 前記モアレ縞位相走査手段が、前記格
    子パターンのピッチを変化させるための格子パターンピ
    ッチ変更手段を有している請求項２，４，６，８のいず
    れかに記載の表面形状測定装置。
13. 【請求項１３】 前記モアレ縞位相走査手段が、前記光
    源と前記光電変換素子間の距離を変化させるための光源
    −光電素子間距離変更手段を有している請求項２，４，
    ６，８のいずれかに記載の表面形状測定装置。