JP2005291751A - 格子像投影型形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定体までの距離を変えて行なわれる各測定において被測定体上の２つの観察点の間に観測される縞本数に基づき、一方の観察点を、縞深さを算定する起算位置とする所定の計算を行なうことによって、測距装置を用いることなく被測定体までの距離を求めて、縞深さを算定することができるようにする。
【解決手段】２回目の測定は、測定ヘッド１２から被測定体２までの距離を所定距離ΔＬだけ変えて行なわれる。被測定体２上の２つの観察点Ｑ，Ｒの間に観測されるモアレ縞の縞本数が各測定において検出され、この縞本数と所定距離ΔＬとに基づき、投影レンズ系４２から一方の観察点Ｑまでの距離Ｌが算定される。この算定に際しては、モアレ縞の縞深さの起算位置が一方の観察点Ｑの位置とされる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、所定の格子像を被測定体に投影して形成される変形格子像を、所定位置に結像させることにより得られた所定の縞パターンに基づき、被測定体の形状を測定する格子像投影型形状測定装置に関するものである。

従来、この種の格子像投影型形状測定装置として、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、投影用基準格子の格子像を投影光学系によって被測定体上に投影し、この格子像が被測定体の形状に応じた変形を受けることにより生じる変形格子像を観測光学系によって観測用基準格子上に結像させ、これにより得ら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（下記特許文献１参照）。

また、その他の格子像投影型形状測定装置として、変形格子像の縞パターンから直接的に被測定体の形状を解析するもの（下記特許文献２参照）や、複数枚の格子を互いの格子線の方向を傾けて重ね合わせることにより生じるモアレ縞のパターンを被測定体上に投影し、このモアレ縞パターンの変形に基づき被測定体の形状を解析するもの（下記特許文献３参照）などが知られている。

実開昭５５−９７４０８号公報 特開平１１−８３４５４号公報 特開２００２−８１９２３号公報

このような格子像投影型形状測定装置を用いて被測定体の形状解析を行なう際には、観測される縞パターン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深さ（縞感度）を算定することが重要となる。

従来この縞深さは、投影された格子像のピントが合う位置（合焦面位置）を起算位置として、観測される各縞が合焦面位置からどれだけ離れた位置に形成されたものなのかに基づき算定されている。合焦面位置は、投影倍率や結像倍率、両光学系の光軸間距離等の既知のデータに基づき算定することが可能であるが、観測される各縞の正確な形成位置を知るためには、装置本体から被測定体までの距離を求める必要がある。

従来の格子像投影型形状測定装置においては、装置本体とは別の測距装置や装置本体に組み込まれた測距用の光学系を用いて被測定体までの距離を実測し、その結果に基づき縞深さを算定しているが、被測定体までの距離や縞深さを高精度に算定することが難しい、装置構成が複雑化するなどの問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、測距装置等を用いることなく、装置本体から被測定体までの距離および縞深さを容易かつ高精度に求めることが可能な格子像投影型形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る格子像投影型形状測定装置は、投影用基準格子の格子像を被測定体に投影する投影光学系と、投影された前記格子像が前記被測定体の形状に応じた変形を受けることにより生じる変形格子像を所定位置に結像させ、前記被測定体の形状情報を担持した縞パターンを得る観測光学系とを備えた格子像投影型形状測定装置において、
前記投影光学系の光軸方向における該投影光学系と前記被測定体との相対的位置を、前記変形格子像の観測可能距離範囲内において調整する位置調整機構と、
前記相対的位置を所定距離だけ変える位置調整の前後に行なわれる各測定において、前記被測定体上に設定された２つの観察点の間に観測される前記縞パターンの縞本数を検出する縞本数検出手段と、
前記２つの観察点のうちの一方の前記光軸方向の位置を前記縞パターンの縞深さを算定する起算位置とするとともに、前記各測定において検出された前記縞本数と前記所定距離とに基づいて、前記一方の観察点と前記投影光学系との前記光軸方向の離間距離を算定する距離算定手段とを備えてなることを特徴とするものである。

本発明において、前記距離算定手段は、下式（１）で表される方程式に基づき、前記離間距離を算定するように構成することができる。

ここで、Ｎ，Ｎ´は前記各測定においてそれぞれ検出された前記縞本数、Ｐ_０は前記投影用基準格子の格子ピッチ、Ｌは前記離間距離、ΔＬは前記所定距離、ａ，ａ´は前記各測定における前記投影光学系と前記結像光学系との光軸間距離、ｍ，ｍ´は前記各測定における前記投影用基準格子の投影倍率を表す。

また本発明の格子像投影型形状測定装置は、前記所定位置に配置された観測用基準格子上に前記変形格子像を結像させることにより、前記縞パターンとして等高線モアレ縞を得る、格子投影型モアレ装置の構成を備えたものとすることができる。

本発明に係る格子像投影型形状測定装置によれば、測距装置を用いることなく、２回の測定結果に基づき、装置本体から被測定体までの距離を容易に算定することができる。また、この算定結果に基づき、観測される縞パターンの縞深さを高精度に算定することができるので、被測定体の形状測定を高精度に行なうことが可能となる。

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。

図１は本発明の一実施形態に係る格子像投影型形状測定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像投影型形状測定装置（以下、単に「測定装置」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。

上記測定ヘッド１２は、格子投影型モアレ装置の構成を備えており、この測定ヘッド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われるようになっている。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。

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、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、投影用基準格子（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。

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、照明ランプ３２の光源３４から出た光を図中左斜め上方から投影用基準格子４０に照射して、投影レンズ系４２の略入射瞳位置に光源３４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。

上記投影レンズ系４２は、投影用基準格子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について投影用基準格子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について観測用基準格子４６は仮想基準格子面Ｐｇと共役の位置関係で配置されている。

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、投影用基準格子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、投影用基準格子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）に延びる直線状の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。

また、上記投影用基準格子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６０および格子退避ステージ６４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６０は、フリンジスキャンモータ６２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用基準格子４０を図中左右方向に微動させて、これにより投影用基準格子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６４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。

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。

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」と称する）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。

観測されるモアレ縞に基づき被測定体２の形状解析を行なうためには、各モアレ縞の間隔と被測定体２の形状の高低差との対応関係を示す縞深さを算定する必要がある。従来この縞深さは、仮想基準格子面Ｐｇの形成位置を起算位置として、各モアレ縞が仮想基準格子面Ｐｇから何番目（何次）のモアレ面上に形成されているものなのかに基づき算定されている。仮想基準格子面Ｐｇの形成位置は、投影用基準格子４０から投影レンズ系４０までの距離や上記両光軸Ａｘ１，Ａｘ２間の距離等の既知のデータに基づき算定することが可能である。しかし、各モアレ縞が何次のモアレ面上に形成されたものなのかを知るためには、投影レンズ系４０から被測定体２までの距離を実測する必要があり、このために、装置本体とは別の測距装置等が用いられていた。

これに対し上記測定装置１０は、測距装置等を用いることなく投影レンズ系４０から被測定体２までの距離を算定し、観測される各モアレ縞の縞深さを高精度に求めることができるように構成されている。以下、その構成について説明する。

図１に示すように上記測定装置１０は、上記両光軸Ａｘ１，Ａｘ２方向における測定ヘッド１２と被測定体２との相対的位置を調整する位置調整機構８０を備えている。この位置調整機構８０は、スタンド２４上に固定されたステージ台８１と、上記光軸Ａｘ１の方向に互いに平行に延びるようにステージ台８１に配置された２つの移動軸８２と、この２つの移動軸８２に沿って移動する測定ヘッド１２の移動量を微調整するマイクロメータ８３とを備えている。

この位置調整機構８０のより詳細な構成を、図４および図５に示す。図４および図５は図１に示す位置調整機構８０の詳細構成を示す部分断面図で、図４はマイクロメータ８３の位置での断面を、図５は一方の移動軸８２の位置での断面をそれぞれ示している。

図５に示すように上記ステージ台８１は、底板部８１ａと、この底板部８１ａの前後方向（図中左右方向）の各端部においてそれぞれ直角に立ち上がる前壁部８１ｂおよび後壁部８１ｃとを備えており、上記２つの移動軸８２は、これら前壁部８１ｂと後壁部８１ｃとの間に設置されている（図５では一方のみ示す）。また、測定ヘッド１２の下面には、上記２つの移動軸８３とそれぞれ摺動する２つのランナ８４（図５では一方のみ示す）が設けられている。

一方、図４に示すようにマイクロメータ８３は、上記前壁部８１ｂから上記後壁部８１ｃに向けて突出する軸部８３ａと、この軸部８３ａの一端部に設けられたダイヤル部８３ｂとからなり、ダイヤル部８３ｂを回転させることにより軸部８３ａの突出長を微調整可能に構成されている。また、上記後壁部８１ｃにおいて、このマイクロメータ８３と対向する位置には、ストッパ部材８５が設けられており、測定ヘッド１２の下面において、これらマイクロメータ８３およびストッパ部材８５に挟まれる位置には、測定ヘッド１２の移動量を規制するストッパ８６が設けられている。このストッパ８６には、上記マイクロメータ８３の軸部８３ａと当接する第１ストッパ８６ａと、上記ストッパ部材８５と当接する第２ストッパ８６ｂとが設けられており、上記測定ヘッド１２は、上記第１ストッパ８６ａが上記軸部８３ａと当接する第１の停止位置と、上記第２ストッパ８６ｂが上記ストッパ部材８５と当接する第２の停止位置との間に設定された所定距離ΔＬ（マイクロメータ８３により微調整可能）だけ上記光軸Ａｘ１の方向に移動できるようになっている。

また、図２に示すように上記制御部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，格子移動制御部７２，距離算定部７４および縞本数検出部７６を備えている。

上記縞本数検出部７６は、後述する測定手順において設定される被測定体上の２つの観察点間に観測されるモアレ縞の縞本数を検出する、本発明における縞本数検出手段を構成するものであり、また上記距離算定部７４は、検出された縞本数と上記所定距離ΔＬ（図４参照）とに基づいて、測定ヘッド１２と被測定体２との離間距離および縞深さを算定する、本発明における距離算定手段を構成するものである。

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、ドライバ７８および上記フリンジスキャンモータ６２を介して上記フリンジスキャンステージ６０を駆動させるものであり、投影用基準格子４０を図中左右方向に移動させることによって、投影用基準格子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。

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と上記距離算定部７４において算定された上記離間距離および上記縞深さとに基づき、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。

以下、本実施形態における測定手順および上記離間距離の算定方法について、図６を参照しながら説明する。図６は本実施形態に係る測定手順および離間距離の算定方法を示す模式図で、同図（ａ）は１回目の測定時、同図（ｂ）は２回目の測定時における測定ヘッド１２と被測定体２との位置関係を示している。

本実施形態において測定は、以下のように２回実施される。また、この測定に先立って、被測定体２上に２つの観察点Ｑ，Ｒが設定される。この２つの観察点Ｑ，Ｒは、被測定体２上においてそれぞれの高さ位置（光軸Ａｘ１の方向の位置）が互いに異なり、また上記ＣＣＤイメージセンサ５８（図２参照）上での結像位置が互いに異なる２点が選択される。なお、選択された２つの観察点Ｑ，Ｒには、ＣＣＤイメージセンサ５８上での結像位置が確認できるような目印が付される。

１回目の測定は測定ヘッド１２が上記第１の停止位置にある状態でなされ、２回目の測定は測定ヘッド１２が上記第２の停止位置にある状態でなされる。すなわち、１回目の測定時に対して２回目の測定時には、被測定体２に対する測定ヘッド１２の位置が光軸Ａｘ１の方向に上記所定距離ΔＬだけ遠ざかる。

なお、本実施形態では、１回目の測定と２回目の測定において、投影用基準格子４０から投影レンズ系４２（の入射瞳位置または主点位置）までの距離（図中ｂで表示）と、２つの光軸Ａｘ１，Ａｘ２の間の距離（図中ａで表示）は不変とされる。このため被測定体２に対する各モアレ面（図６において上記仮想基準格子面Ｐｇを１点鎖線で表示し、この仮想基準格子面Ｐｇを挟んで形成される各モアレ面を実線で表示する）の位置は、１回目と２回目の測定時において上記所定距離ΔＬだけ光軸Ａｘ１の方向に移動する。したがって、１回目と２回目の測定時において上記２つの観察点Ｑ，Ｒの間に形成されるモアレ面も移動し、この２点間に観察されるモアレ縞の縞本数（位相）も互いに異なる（１回目と２回目の各測定において２つの観察点Ｑ，Ｒの間に観測されるモアレ縞の縞本数をＮ，Ｎ´とするとＮ≠Ｎ´）。

１回目と２回目の各測定において、投影レンズ系４２から被測定体２までの離間距離は共に未知（１回目の測定時の離間距離をＬ、２回目の測定時の離間距離をＬ＋ΔＬとする）であり、このため一般には被測定体２上に観察されるモアレ縞の縞深さを求めることができない。しかし、図６に示すように、上記２つの観察点Ｑ，Ｒの間の高さの差をＨとし、縞深さの起算位置を仮想基準格子面Ｐｇの位置にとりそこに２つの観察点の一方の観察点Ｑがあるとすれば、１回目の測定においては下式（２）で規定される関係が成立し、２回目の測定においては下式（３）で規定される関係が成立する。

ここで、ｍ，ｍ´は１回目と２回目の測定における投影用基準格子４０の投影倍率を表す。

ｍ＝Ｌ／ｂ，ｍ´＝（Ｌ＋ΔＬ）／ｂの関係があるので、これを上式（２），（３）に代入し、またａ，ｂ，ΔＬ，Ｎ，Ｎ´，Ｐ_０は既知であるとすれば、上式（２），（３）は、未知数Ｈ，Ｌに関する連立方程式となる。２つの観察点Ｑ，Ｒの間の高さの差Ｈは、２回の測定において不変であるので、上式（２），（３）からＨを消去すれば下式（４）で規定されるＬに関する２次方程式が得られる。

この方程式（４）は、課題を解決するための手段の欄に記載した方程式（１）において、ａ＝ａ´である場合に相当するものであり、これを解くことにより１回目の測定時における投影レンズ系４２から被測定体２までの離間距離Ｌを下式（５）の如く求めることができる。求められた結果に基づき、上式（２）から観測される各モアレ縞の縞深さを算定することができるので、被測定体２の形状解析を行なうことが可能となる。

なお、上式（５）において、ａ，ｂ，Ｐ_０は本実施形態の格子像投影型形状測定装置固有のものであり、２回の測定において変動要素とはならない。一方、ΔＬ，Ｎ，Ｎ´は測定時に誤差を含みうる成分である。特にＮ，Ｎ´においては、被測定体の表面状態に起因するモアレ縞のビジビリティの違いによる誤差や２つの観察点Ｑ，Ｒでの光軸Ａｘ２に対する傾きに起因する２回の測定間の同一点の同定誤差等が含まれることとなる。

これらの誤差が２つの観察点の高さの差（Ｈ）の測定にどの程度の影響を与えるかは上式（５）から求めることができる。例えば、ａ＝２００ｍｍ，ｂ＝８０ｍｍ，Ｐ_０＝０．１ｍｍの格子像投影型形状測定装置を用いて、Ｌ_０（設計値のＬ）＝１０００ｍｍの位置に高さＨ＝１００ｍｍの被測定体を置き、移動距離ΔＬ＝５０ｍｍで測定した場合は、Ｎ，Ｎ´の読み取りに誤差が含まれず真値である場合に、ΔＬを０．０１ｍｍの精度で移動できればＨを０．２ｍｍの精度で測定できると見積もれる。

なお、上述した測定手順では、仮想基準格子面Ｐｇの位置にある一方の観察点Ｑの位置を縞深さの起算位置としているが、この観察点Ｑの位置にモアレ面が形成されるとは限らない（図６参照）。この場合、２つの観察点Ｑ、Ｒの間に観測されるモアレ縞の縞本数は、仮想基準格子面Ｐｇあるいは２つの観察点Ｑ、Ｒの間に形成される所定のモアレ面を起算位置として算定される。すなわち、縞深さの起算位置と縞本数の起算位置とが異なることが起こる場合もあるが、このような場合でも観察点Ｒの縞本数と観察点Ｑの縞本数の差を縞深さとすることで算定結果に支障はない。

また、上述した測定手順では、投影レンズ系４２、結像レンズ系４４のフォーカス調整は行なわれない。このため、仮想基準格子面Ｐｇが被測定体２上に形成されるとは限らない（図６参照）。仮想基準格子面Ｐｇの形成位置が被測定体２から離れるほど、観測されるモアレ縞の像にボケが生じることになる。ただし、モアレ縞の像にボケが生じている場合でも、ある程度までであれば、主光線の位置（コントラストピーク縞）を特定することによりモアレ縞の解析を行なうことが可能となる。すなわち、上記２回の測定においては、被測定体２の設置位置を厳密に特定する必要はないが、モアレ縞の解析が可能な距離範囲（観測可能距離範囲）内に被測定体２を設置することは必要となる。この観測可能距離範囲は、使用する光学系の特性や投影用基準格子の格子ピッチ等により変化するため、それらに応じて個別的に求める必要がある。

図７に投影レンズ系の特性により観測可能距離範囲が変化する例を示す。投影レンズ系の明るさ（Ｆナンバー）がＦ＝２２（同図（ａ）），Ｆ＝１１（同図（ｂ）），Ｆ＝５．６（同図（ｃ））の３種類を用いて、格子ピッチＰ_０＝０．１ｍｍの投影格子を傾けた平板上に投影したときに、解析可能なコントラストを持つ縞本数がそれぞれ何本になるかを計数し、その本数と平板の傾き角度を基に観察可能距離範囲を求めている。Ｆ＝２２の投影レンズ系を使用した場合は解析可能なコントラストを持つ縞本数が５０本以上となり観測可能距離範囲が３００ｍｍ以上あるのに対し、Ｆ＝１１では４０本程度で観測可能距離範囲は２５０ｍｍ程度、Ｆ＝５．６では３５本程度で観測可能距離範囲は２００ｍｍ程度となってしまっているのがわかる。

この観察可能距離範囲は解析可能なコントラストをどこまで許容するかで変わってくるが、コントラストや明るさレベルが低いと、解析式の中でそれぞれのデータの位相確定精度が悪くなり、解析結果の初期位相の不確かさも大きくなるので、なるべく観察可能距離範囲限界に対して余裕を持つ範囲で測定することが望ましい。

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。

例えば、上記実施形態においては、測定ヘッドから被測定体までの距離の調整は、投影レンズ系と結像レンズ系との光軸間距離および投影用基準格子から投影レンズ系までの距離を変えずに行なわれるように構成されているが、１回目と２回目の測定において、これらを変えるようにしてもよい。その場合、縞深さの算定には、上式（１）を用いることができる。

また、上記実施形態では、被測定体上に目印を付けて２つの観察点を特定しているが、目印の付与が行なえないような被測定体である場合は、撮像面上の座標に基づき画像処理的手段により２回の測定における観察点Ｑ，Ｒの同一点を同定することも可能である。この場合、１回目と２回目の測定において撮像倍率が異なるときには、撮像倍率に応じた座標変換の処理が必要となる。

また、上記実施形態で用いられる投影用基準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であるが、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。

また、上記実施形態では、本発明を格子投影型モアレ装置に適用した例について説明しているが、本発明は上述した特許文献２や特許文献３に記載されているような他の格子像投影型形状測定装置に対しても適用することが可能である。なお、特許文献２，３に記載されたものは、投影系の光軸と観測系の光軸が平行ではないため、形状解析を行なうのに際して座標変換の処理を施している。投影系および観測系の両光軸が互いに平行となるように設定すれば、このような座標変換処理は不要となり、また縞深さの算定に際し、上式（１）〜（５）を同様な形で適用することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る格子像投影型形状測定装置の全体構成図 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 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１に示す位置調整機構のマイクロメータ位置における部分断面図 図１に示す位置調整機構の移動軸位置における部分断面図 一実施形態に係る測定手順および離間距離の算定方法を示す模式図 投影レンズ系の特性により観測可能距離範囲が変わることを示す図

符号の説明

２ 被測定体
１０ 格子像投影型形状測定装置（測定装置）
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
２４ スタンド
２６ 投影光学系
２８ 観測光学系
３２ 照明ランプ
３４ 光源
３６ コンデンサレンズ
３８ 格子照明系
４０ 投影用基準格子（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 フリンジスキャンステージ
６２ フリンジスキャンモータ
６４ 格子退避ステージ
７０ 画像処理解析部
７２ 格子移動制御部
７４ 距離算定部
７６ 縞本数検出部
７８ ドライバ
８０ 位置調整機構
８１ ステージ台
８１ａ 底板部
８１ｂ 前壁部
８１ｃ 後壁部
８２ 移動軸
８３ マイクロメータ
８３ａ 軸部
８３ｂ ダイヤル部
８４ ランナ
８５ ストッパ部材
８６ ストッパ
８６ａ 第１ストッパ
８６ｂ 第２ストッパ
Ａｘ１，Ａｘ２ 光軸
Ｐｇ 仮想基準格子面
Ｑ，Ｒ （２つの）観察点
Ｈ ２つの観察点の高さの差
Ｌ １回目の測定時における投影レンズ系から観察点Ｑまでの距離（離間距離）
ΔＬ 測定ヘッドの移動距離（所定距離）
ａ 投影レンズ系と結像レンズ系の各光軸間距離
ｂ 投影用基準格子から投影レンズ系までの距離

Claims (3)

1. 投影用基準格子の格子像を被測定体に投影する投影光学系と、投影された前記格子像が前記被測定体の形状に応じた変形を受けることにより生じる変形格子像を所定位置に結像させ、前記被測定体の形状情報を担持した縞パターンを得る観測光学系とを備えた格子像投影型形状測定装置において、
   前記投影光学系の光軸方向における該投影光学系と前記被測定体との相対的位置を、前記変形格子像の観測可能距離範囲内において調整する位置調整機構と、
   前記相対的位置を所定距離だけ変える位置調整の前後に行なわれる各測定において、前記被測定体上に設定された２つの観察点の間に観測される前記縞パターンの縞本数を検出する縞本数検出手段と、
   前記２つの観察点のうちの一方の前記光軸方向の位置を前記縞パターンの縞深さを算定する起算位置とするとともに、前記各測定において検出された前記縞本数と前記所定距離とに基づいて、前記一方の観察点と前記投影光学系との前記光軸方向の離間距離を算定する距離算定手段とを備えてなることを特徴とする格子像投影型形状測定装置。
2. 前記距離算定手段は、下式（１）で表される方程式に基づき、前記離間距離を算定するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の格子像投影型形状測定装置。
   

   

   ここで、Ｎ，Ｎ´は前記各測定においてそれぞれ検出された前記縞本数、Ｐ_０は前記投影用基準格子の格子ピッチ、Ｌは前記離間距離、ΔＬは前記所定距離、ａ，ａ´は前記各測定における前記投影光学系と前記結像光学系との光軸間距離、ｍ，ｍ´は前記各測定における前記投影用基準格子の投影倍率を表す。
3. 前記所定位置に観測用基準格子を配置し、該観測用基準格子上に前記変形格子像を結像させることにより、前記縞パターンとして等高線モアレ縞を得るように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の格子像投影型形状測定装置。
   
   

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