JP2012042525A - ３次元形状測定装置およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】より迅速かつ適切に撮影ピッチを設定する。
【解決手段】撮影制御部５１は、撮影ピッチ設定部５２により設定された撮影ピッチに基づいて、被検物に対して撮影ユニットの焦点が合う位置である焦点位置を複数の位置に設定する。合焦測度算出部５３は、複数の焦点位置で撮影された複数の画像の各画素における合焦測度を算出する。合焦位置算出部５４は、画素毎に、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置である最大焦点位置および最大焦点位置における合焦測度、並びに、最大焦点位置の近傍の焦点位置および近傍の焦点位置における合焦測度に基づいて、合焦位置を算出する。撮影ピッチ設定部５２は、最大焦点位置および近傍の焦点位置が、撮影ユニットの焦点深度の範囲内に収まるように撮影ピッチを設定する。本発明は、例えば、３次元形状測定装置に適用できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、３次元形状測定装置およびプログラムに関し、特に、焦点位置が異なる複数の画像を用いて被検物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置およびプログラムに関する。

顕微鏡などの拡大観察装置にCCD（Charge Coupled Device）カメラなどの撮影装置を設けて被検物を撮影する場合、撮影倍率を高くするほど、撮影装置（撮影光学系）のＮＡが高くなり、焦点深度が浅くなる。このため、高さ方向の変化が大きい被検物（例えば、段差構造の被検物など）を撮影する場合、被検物の一部にしか焦点が合わず、他の部分がぼやけた画像になる。

そこで、従来、撮影装置を被検物の高さ方向（ｚ軸方向）に移動し、被検物に対して撮影装置の焦点が合う位置（焦点位置）を移動させながら被検物を撮影し、焦点位置が異なる複数の画像から焦点が合っている領域を抽出して１枚の画像に合成することにより、疑似的に焦点深度が深い撮影装置で撮影した画像（全焦点画像）を作成する拡大観察装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような拡大観察装置では、焦点が合っている領域を抽出するために、例えば、焦点位置が異なる複数の画像の各画素において、焦点が合っている度合いを表す合焦測度が測定される。

図１６は、撮影装置の焦点位置と合焦測度との関係の例を示すグラフである。なお、図１６の横軸は、ｚ軸方向における撮影装置の焦点位置を示し、縦軸は合焦測度を示している。また、グラフ３０１は、焦点位置と合焦測度の関係の一例を示し、グラフ３０１上の点は、合焦測度の測定点を示している。

例えば、画素毎に各焦点位置における合焦測度を測定し、各画素に対する画像を、合焦測度が最大となる焦点位置の画像から抽出して合成することにより、全焦点画像を作成することができる。

また、合焦測度の測定結果に基づいて、画素毎に合焦測度がピークとなる焦点位置（合焦位置）を算出し、各画素の合焦位置に基づいて、被検物の３次元形状を表す３次元形状データを作成することができる。

特開２０００−３９５６６号公報

ところで、合焦測度の測定結果は離散データであり、図１６に示されるように、測定した合焦測度の最大値が、実際の合焦測度のピークと一致するとは限らない。そこで、通常、合焦測度の測定値を用いた補間処理を行うことにより、合焦測度のピークを求め、求めたピークに対応する焦点位置を合焦位置として検出する処理が行われる。

従って、図１７に示されるように、被検物を撮影するときに焦点位置を設定する間隔（以下、撮影ピッチと称する）が大きく、合焦測度を測定する焦点位置の間隔が長い場合、図内の点線で示されるように、合焦測度のピーク位置が誤検出される恐れがある。

一方、図１８に示されるように、撮影ピッチを細かくして、合焦測度を測定する焦点位置の間隔を短くすることにより、合焦測度のピーク位置の検出精度が向上し、その結果、被検物の３次元形状の測定精度が向上する。しかしながら、撮影ピッチを細かくするほど、撮影枚数が多くなり、所要時間が長くなってしまう。

そのため、従来、所要時間を抑えつつ、所望の精度で３次元形状のデータを得ることができるように、ユーザが撮影ピッチを試行錯誤しながら決定する必要があった。また、例えば、撮影装置のズーム光学系の倍率を変更したり、使用する対物レンズを変更したりして、光学条件が変化する度に、ユーザは、適切な撮影ピッチを試行錯誤しながら決定する必要があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より迅速に適切な撮影ピッチを設定できるようにするものである。

本発明の一側面の３次元形状測定装置は、被検物に対して撮影手段の焦点が合う位置である焦点位置が異なる複数の画像に基づいて、被検物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置であって、焦点位置を設定する間隔である撮影ピッチを設定する撮影ピッチ設定手段と、設定された撮影ピッチに基づいて、焦点位置を複数の位置に設定する焦点位置設定手段と、複数の焦点位置で撮影された複数の画像の各画素における合焦測度を算出する合焦測度算出手段と、画素毎に、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置である最大焦点位置および最大焦点位置における合焦測度、並びに、最大焦点位置の近傍の焦点位置および近傍の焦点位置における合焦測度に基づいて、合焦位置を算出する合焦位置算出手段とを含み、撮影ピッチ設定手段は、最大焦点位置および近傍の焦点位置が、撮影手段の焦点深度の範囲内に収まるように撮影ピッチを設定する。

本発明の一側面のプログラムは、被検物に対して撮影手段の焦点が合う位置である焦点位置が異なる複数の画像に基づいて、被検物の３次元形状を測定する処理であって、焦点位置を設定する間隔である撮影ピッチを設定する撮影ピッチ設定ステップと、設定された撮影ピッチに基づいて、焦点位置を複数の位置に設定する焦点位置設定ステップと、複数の焦点位置で撮影された複数の画像の各画素における合焦測度を算出する合焦測度算出ステップと、画素毎に、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置である最大焦点位置および最大焦点位置における合焦測度、並びに、最大焦点位置の近傍の焦点位置および近傍の焦点位置における合焦測度に基づいて、合焦位置を算出する合焦位置算出ステップとを含み、撮影ピッチ設定ステップの処理により、最大焦点位置および近傍の焦点位置が、撮影手段の焦点深度の範囲内に収まるように撮影ピッチを設定する処理をコンピュータに実行させる。

本発明の一側面においては、被検物に対して撮影手段の焦点が合う位置である焦点位置を設定する間隔である撮影ピッチが設定され、設定された撮影ピッチに基づいて、焦点位置が複数の位置に設定され、複数の焦点位置で撮影された複数の画像の各画素における合焦測度が算出され、画素毎に、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置である最大焦点位置および最大焦点位置における合焦測度、並びに、最大焦点位置の近傍の焦点位置および近傍の焦点位置における合焦測度に基づいて、合焦位置が算出されるとともに、最大焦点位置および近傍の焦点位置が、撮影手段の焦点深度の範囲内に収まるように撮影ピッチが設定される。

本発明の一側面によれば、被検物の３次元形状を測定することができる。また、本発明の一側面によれば、被検物の３次元形状の測定に用いる画像を撮影する際の焦点位置を設定する間隔である撮影ピッチを、より迅速かつ適切に設定することができる。

本発明を適用した観察装置の一実施の形態の構成例を示す図である。 制御コンピュータにより実現される機能の構成例を示すブロック図である。 観察装置により実行される３次元データ作成処理を説明するためのフローチャートである。 被検物を撮影する際の焦点位置の例を示す図である。 撮影ピッチを撮影ユニットの焦点深度と同じ値に設定した場合について説明するための図である。 撮影ピッチを撮影ユニットの焦点深度と同じ値に設定した場合について説明するための図である。 撮影ピッチを撮影ユニットの焦点深度の１／２に設定した場合について説明するための図である。 撮影ピッチを撮影ユニットの焦点深度の１／２に設定した場合について説明するための図である。 撮影ピッチを撮影ユニットの焦点深度の１／３に設定した場合について説明するための図である。 撮影ピッチを撮影ユニットの焦点深度の１／３に設定した場合について説明するための図である。 撮影ピッチを撮影ユニットの焦点深度の１／４に設定した場合について説明するための図である。 撮影ピッチを撮影ユニットの焦点深度の１／４に設定した場合について説明するための図である。 撮影ピッチを撮影ユニットの焦点深度の１／５に設定した場合について説明するための図である。 撮影ピッチを撮影ユニットの焦点深度の１／５に設定した場合について説明するための図である。 制御コンピュータのハードウエアの構成例を示すブロック図である。 撮影装置の焦点位置と合焦測度の関係の例を示すグラフである。 撮影ピッチを設定する際の問題点について説明する図である。 撮影ピッチを設定する際の問題点について説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態
２．変形例

＜１．実施の形態＞
［観察装置の構成例］
図１は、本発明を適用した観察装置の一実施の形態の構成例を示す図である。観察装置１は、被検物２の拡大像を立体的に観察するための装置である。

観察装置１は、撮影ユニット１１、スタンド１２、ステージ１３、入力装置１４、制御コンピュータ１５、および、表示装置１６により構成される。なお、以下、スタンド１２の左右方向（紙面に垂直な方向）をｘ軸方向とし、スタンド１２の前後方向（図内の左右方向）をｙ軸方向とし、スタンド１２の上下方向（図内の上下方向）をｚ軸方向とする。

撮影ユニット１１は、スタンド１２の支持部１２Ｂに支持されている。支持部１２Ｂは、制御コンピュータ１５の制御の基に、支柱１２Ａに沿ってｚ軸方向に移動する。これにより、支持部１２Ｂに支持されている撮影ユニット１１がｚ軸方向に移動し、被検物２と撮影ユニット１１との間の相対距離が変化する。

また、スタンド１２の台１２Ｃの上には、被検物２を載置するためのステージ１３が設置されている。ステージ１３は、手動でｘ軸方向およびｙ軸方向に移動させることができ、撮影ユニット１１に対する被検物２の位置決めを行うことが可能である。

撮影ユニット１１には、照明ユニット２１、ハーフミラー２２、ズーム光学系２３、および、撮像素子２４が内蔵されている。

照明ユニット２１は、制御コンピュータ１５の制御の基に、所定の波長の照明光を発する。照明ユニット２１から発せられた照明光は、ハーフミラー２２により反射され、ズーム光学系２３を通り、被検物２に照射される。照明光が照射された被検物２からの反射光は、ズーム光学系２３、ハーフミラー２２を通り、撮像素子２４上で結像する。撮像素子２４は、制御コンピュータ１５の制御の基に、被検物２の像を撮影し、その結果得られた画像を制御コンピュータ１５に供給する。

なお、ズーム光学系２３の内部には、モータ等により撮影倍率を変える機構が設けられており、制御コンピュータ１５からの指令により、ズーム光学系２３の倍率を変えることができる。これにより、設定した倍率で拡大された被検物２の像が撮像素子２４により撮影される。

入力装置１４は、例えば、キーボード、マウス、ボタン、スイッチ等により構成され、制御コンピュータ１５に各種の指令やパラメータ等を入力するために用いられる。

表示装置１６は、例えば、LCD（Liquid Crystal Display）等により構成され、制御コンピュータ１５の制御の基に、被検物２の画像や操作メニュー等を表示する。

［制御コンピュータ１５により実現される機能の構成例］
図２は、制御コンピュータ１５が所定の制御プログラムを実行することにより実現される機能の構成例を示している。制御コンピュータ１５が所定の制御プログラムを実行することにより、撮影制御部５１、撮影ピッチ設定部５２、合焦測度算出部５３、合焦位置算出部５４、および、３次元データ作成部５５を含む機能が実現される。

撮影制御部５１は、照明ユニット２１、ズーム光学系２３、および、撮像素子２４の動作を制御する。また、撮影制御部５１は、照明ユニット２１の照明光の波長、および、ズーム光学系２３のＮＡを含む撮影ユニット１１の撮影条件を取得し、取得した撮影条件を撮影ピッチ設定部５２に供給する。また、撮影制御部５１は、スタンド１２を制御して、撮影ユニット１１をｚ軸方向に移動させ、被検物２と撮影ユニット１１との間の相対距離を制御することにより、被検物２に対する撮影ユニット１１の焦点位置を設定する。

撮影ピッチ設定部５２は、撮影ユニット１１の撮影条件、または、入力装置１４から供給されるユーザの指令に基づいて、撮影ユニット１１の焦点位置を設定する間隔である撮影ピッチを設定し、設定した撮影ピッチを撮影制御部５１および表示装置１６に供給する。

合焦測度算出部５３は、撮像素子２４により撮影された焦点位置が異なる複数の画像の各画素の合焦測度を算出し、合焦測度の算出結果を合焦位置算出部５４に供給する。

合焦位置算出部５４は、合焦測度の算出結果に基づいて、各画素において焦点が合っている位置（合焦位置）を算出する。合焦位置算出部５４は、合焦位置の算出結果を３次元データ作成部５５に供給する。

３次元データ作成部５５は、被検物２の３次元データを作成する。例えば、３次元データ作成部５５は、各画素の合焦位置の算出結果に基づいて、被検物２の３次元形状を表す３次元形状データを作成する。また、例えば、３次元データ作成部５５は、合焦測度算出部５３から焦点位置が異なる複数の画像、および、合焦測度の算出結果を取得し、被検物２の全焦点画像を作成する。さらに、例えば、３次元データ作成部５５は、作成した全焦点画像に、３次元形状データの各画素の高さ情報を付加することにより、被検物２を立体的に表す３次元画像データを作成する。３次元データ作成部５５は、作成した３次元形状データ、全焦点画像、および、３次元画像データを表示装置１６に供給する。

［３次元データ作成処理］
次に、図３のフローチャートを参照して、観察装置１により実行される３次元データ作成処理について説明する。

ステップＳ１において、撮影制御部５１は、撮影条件を取得する。具体的には、撮影制御部５１は、現在設定されているズーム光学系２３のＮＡ、および、現在設定されている照明ユニット２１の照明光の波長λを含む撮影ユニット１１の撮影条件を取得する。撮影制御部５１は、取得した撮影条件を撮影ピッチ設定部５２に供給する。

ステップＳ２において、撮影ピッチ設定部５２は、焦点深度を算出する。具体的には、撮影ピッチ設定部５２は、ズーム光学系２３のＮＡおよび照明光の波長λを用いて、以下の式（１）に基づいて、撮影ユニット１１（ズーム光学系２３）の焦点深度を算出する。

焦点深度＝λ／ＮＡ^２ ・・・（１）

なお、照明光が単波長（単色）でなく、波長λが幅を持つ場合、例えば、照明光の中心波長、または、最大強度となる波長を、式（１）に適用するようにすればよい。

ステップＳ３において、撮影ピッチ設定部５２は、撮影ピッチを設定する。なお、撮影ピッチの設定方法の詳細については、図５乃至図１４を参照して後述する。そして、撮影ピッチ設定部５２は、設定した撮影ピッチを撮影制御部５１および表示装置１６に供給する。表示装置１６は、撮影ピッチ設定部５２により設定された撮影ピッチの値を表示する。

ステップＳ４において、撮影ピッチ設定部５２は、ユーザ入力に応じて、撮影ピッチを微調整する。具体的には、ユーザは、表示装置１６に表示された撮影ピッチの値を見て、微調整の必要がある場合、入力装置１４を操作して、撮影ピッチを微調整するための指令を入力する。入力装置１４は、ユーザからの指令を撮影ピッチ設定部５２に供給し、撮影ピッチ設定部５２は、その指令に従って、撮影ピッチの値を変更する。撮影ピッチ設定部５２は、変更した撮影ピッチを撮影制御部５１および表示装置１６に供給する。表示装置１６は、変更された撮影ピッチの値を表示する。

なお、ステップＳ４の処理は、必ずしも実行する必要はなく、省略することも可能である。

ステップＳ５において、撮影ユニット１１は、設定された撮影ピッチで被検物２を撮影する。なお、以下の処理は、図４に示される例を用いて説明する。

図４は、撮影ユニット１１の焦点位置を位置Ｚ１乃至Ｚｎまで移動させながら、被検物２を撮影する例を示している。なお、この例では、被検物２は、円錐の頂上部を底面に平行な平面で切り取った形状を有している。

まず、撮影制御部５１は、スタンド１２を制御して、ｚ軸方向に撮影ユニット１１を移動させ、撮影ユニット１１の焦点位置を位置Ｚ１に設定する。撮像素子２４は、撮影制御部５１の制御の基に、被検物２を撮影し、その結果得られた画像Ｉ１を合焦測度算出部５３に供給する。

次に、撮影制御部５１は、スタンド１２を制御して、撮影ユニット１１のｚ軸方向の位置を、設定されている撮影ピッチだけ上方向に移動させる。これにより、撮影ユニット１１の焦点位置が、位置Ｚ１から位置Ｚ２に移動する。従って、位置Ｚ１と位置Ｚ２との間隔は、撮影ピッチと等しくなる。撮像素子２４は、撮影制御部５１の制御の基に、被検物２を撮影し、その結果得られた画像Ｉ２を合焦測度算出部５３に供給する。

次に、撮影制御部５１は、スタンド１２を制御して、撮影ユニット１１のｚ軸方向の位置を、設定されている撮影ピッチだけ上方向に移動させる。これにより、撮影ユニット１１の焦点位置が、位置Ｚ２から位置Ｚ３に移動する。従って、位置Ｚ２と位置Ｚ３との間隔は、撮影ピッチと等しくなる。撮像素子２４は、撮影制御部５１の制御の基に、被検物２を撮影し、その結果得られた画像Ｉ３を合焦測度算出部５３に供給する。

以下、焦点位置Ｚｎにおいて被検物２が撮影されるまで、撮影ユニット１１の焦点位置を、撮影ピッチ単位で移動させながら、被検物２を撮影する処理が繰り返される。その結果、撮影ユニット１１により焦点位置Ｚ１乃至Ｚｎにおいて被検物２が撮影され、その結果、焦点位置が異なるｎ個の画像Ｉ１乃至Ｉｎが得られる。

ステップＳ６において、合焦測度算出部５３は、合焦測度を算出する。具体的には、合焦測度算出部５３は、画像Ｉ１乃至Ｉｎの各画素について、例えば、周辺画素との差分値（微分値）や、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）等を用いて、合焦測度を算出する。合焦測度算出部５３は、合焦測度の算出結果を合焦位置算出部５４に供給する。

なお、合焦測度を算出する手法は、特定の手法に限定されるものではなく、任意の手法を採用することが可能である。

ステップＳ７において、合焦位置算出部５４は、合焦位置を算出する。具体的には、まず、合焦位置算出部５４は、注目画素を１つ決め、画像Ｉ１乃至Ｉｎの中から、注目画素の合焦測度が最大となる画像を検出する。次に、合焦位置算出部５４は、検出した画像を撮影した焦点位置（合焦測度の算出値が最大となる焦点位置）、および、検出した画像の注目画素の合焦測度、並びに、検出した画像を撮影した焦点位置の両隣の焦点位置、および、その両隣の焦点位置で撮影した画像の注目画素の合焦測度に基づいて、注目画素における焦点位置と合焦測度の関係式を、補間処理により近似する。そして、合焦位置算出部５４は、求めた近似式に基づいて、注目画素において合焦測度がピークとなる焦点位置、すなわち、注目画素の合焦位置を算出する。

合焦位置算出部５４は、以上の処理を全ての画素について実行し、各画素の合焦位置を算出する。そして、合焦位置算出部５４は、各画素の合焦位置の算出結果を３次元データ作成部５５に供給する。

ステップＳ８において、３次元データ作成部５５は、３次元データを作成する。例えば、３次元データ作成部５５は、各画素における高さ方向の位置により被検物２の３次元形状を表す３次元形状データを作成する。なお、このとき、各画素における高さ方向の位置は、例えば、各画素の合焦位置、または、ｚ軸方向の所定の基準位置から合焦位置までの距離により表される。

また、例えば、３次元データ作成部５５は、合焦測度算出部５３から画像Ｉ１乃至Ｉｎ、および、画像Ｉ１乃至Ｉｎの各画素の合焦測度の算出結果を取得する。そして、３次元データ作成部５５は、各画素に対応する画像を、合焦測度が最大となる画像から抽出して合成することにより、全焦点画像を作成する。

さらに、例えば、３次元データ作成部５５は、作成した全焦点画像に、３次元形状データの各画素の高さ情報を付加することにより、被検物２を立体的に表す３次元画像データを作成する。

３次元データ作成部５５は、作成した被検物２の３次元データ（例えば、３次元形状データ、全焦点画像、３次元画像データ）を表示装置１６に供給する。

なお、３次元データ作成部５５が作成する３次元データの種類および作成方法は、特定のものに限定されるものではなく、任意の種類および作成方法を採用することができる。

ステップＳ９において、表示装置１６は、３次元データを表示する。例えば、表示装置１６は、３次元形状データに基づいて、被検物２の３次元のポリゴン表示を行ったり、被検物３の全焦点画像を表示したり、３次元画像データに基づいて、被検物２の３次元画像を表示したりする。

その後、３次元データ作成処理は終了する。

［撮影ピッチの設定方法］
次に、図５乃至図１４を参照して、撮影ピッチの設定方法について説明する。

図５乃至図１４は、ある画素における、撮影ユニット１１の焦点位置と合焦測度の関係の例を示すグラフである。なお、図５乃至図１４の横軸は焦点位置を示し、縦軸は合焦測度を示している。また、図５乃至図１４のグラフ１０１は、焦点位置と合焦測度の関係の一例を示し、グラフ１０１上の各点は、合焦測度の測定点（算出点）を示している。

グラフ１０１は、焦点位置が撮影ユニット１１の焦点深度のほぼ中央の合焦位置でピークとなり、焦点位置が焦点深度の範囲内で、ほぼ左右対称に釣り鐘状に変化する。すなわち、合焦測度は、合焦位置でピークとなり、焦点位置が焦点深度の範囲内で、合焦位置を中心にしてほぼ左右対称に単調減少する。また、合焦測度は、焦点位置が焦点深度の範囲外で、小さくなるとともに、不規則に振動する。

なお、合焦測度の信頼度（測定精度）は、画像のボケが小さい、焦点位置が焦点深度の範囲内において高く、画像のボケが大きい、焦点位置が焦点深度の範囲外において低くなる。また、焦点位置が焦点深度の範囲内においても、焦点深度の境界付近の合焦測度の信頼度は、焦点深度の中央付近の合焦測度と比較して低くなる。さらに、ある画素における被検物の高さ、すなわち合焦位置を補間で求める場合、合焦位置付近の３点以上のデータが必要である。

従って、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置付近、および、その両隣の焦点位置が全て焦点深度の範囲内となる場合、信頼度の高い合焦測度に基づいて合焦位置を算出することができ、合焦位置の検出精度が高くなる。一方、合焦位置の算出に用いる焦点位置のうち少なくとも１つが焦点深度の範囲外となる場合、合焦位置の算出に信頼度の低い合焦測度を用いることになり、合焦位置の検出精度は低下する。従って、合焦位置の検出精度を高くするには、合焦位置の算出に用いる焦点位置が常に焦点深度の範囲内に含まれるように、撮影ピッチを設定すればよい。

まず、図５および図６を参照して、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度と同じ値に設定した場合について考える。なお、図５は、焦点位置Ｚ_ｋにおける合焦測度の算出値が合焦測度のピークと一致する場合、すなわち、合焦位置の検出条件が最も良い場合を示している。また、図６は、焦点位置Ｚ_ｋと焦点位置Ｚ_ｋ＋１のほぼ中央で合焦測度がピークになる場合、すなわち、合焦位置の検出条件が最も厳しくなる場合を示している。

図５の場合、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置Ｚ_ｋ、および、焦点位置Ｚ_ｋに隣接する焦点位置Ｚ_ｋ−１，Ｚ_ｋ＋１（ただし、焦点位置Ｚ_ｋ＋１は図示せず）における合焦測度を用いた補間処理により、合焦位置が求められる。この場合、焦点位置Ｚ_ｋ−１，Ｚ_ｋ＋１が焦点深度の範囲外であるため、合焦位置の検出精度は低くなる。

図６の場合、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置Ｚ_ｋ＋１、および、焦点位置Ｚ_ｋ＋１に隣接する焦点位置Ｚ_ｋ，Ｚ_ｋ＋２（ただし、焦点位置Ｚ_ｋ＋２は図示せず）における合焦測度を用いた補間処理により、合焦位置が求められる。この場合、焦点位置Ｚ_ｋ＋１，Ｚ_ｋ＋２が焦点深度の範囲外であるため、合焦位置の検出精度は低くなる。

従って、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度と同じ値に設定した場合、合焦位置の検出精度は低くなり、正しい被検物の高さは得られない。

次に、図７および図８を参照して、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／２に設定した場合について考える。なお、図７は、焦点位置Ｚ_ｋにおける合焦測度の算出値が合焦測度のピークと一致する場合、すなわち、合焦位置の検出条件が最も良い場合を示している。また、図８は、焦点位置Ｚ_ｋと焦点位置Ｚ_ｋ＋１のほぼ中央で合焦測度がピークになる場合、すなわち、合焦位置の検出条件が最も厳しくなる場合を示している。

図７の場合、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置Ｚ_ｋ、および、焦点位置Ｚ_ｋに隣接する焦点位置Ｚ_ｋ−１，Ｚ_ｋ＋１における合焦測度を用いた補間処理により、合焦位置が求められる。この場合、焦点位置Ｚ_ｋ−１乃至Ｚ_ｋ＋１が全て焦点深度の範囲内となる。ただし、焦点位置Ｚ_ｋ−１，Ｚ_ｋ＋１が焦点深度の境界上にあるため、合焦位置の検出精度は、一定のレベル以上となるが、必ずしも良好であるとは言えない。

図８の場合、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置Ｚ_ｋ、および、焦点位置Ｚ_ｋに隣接する焦点位置Ｚ_ｋ＋１，Ｚ_ｋ＋２における合焦測度を用いた補間処理により、合焦位置が求められる。グラフ１０２は、その補間処理上の線であり、これにより得られる合焦位置はＺ_ｏ’となり、正しい合焦位置であるＺ_ｏとはズレた値になっている。これは、焦点位置Ｚ_ｋ−１が焦点深度の範囲外であることにより、合焦位置の検出精度が低くなるためである。

従って、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／２に設定した場合も、合焦位置の検出精度は低くなる。

次に、図９および図１０を参照して、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／３に設定した場合について考える。なお、図９は、焦点位置Ｚ_ｋにおける合焦測度の算出値が合焦測度のピークと一致する場合、すなわち、合焦位置の検出条件が最も良い場合を示している。また、図１０は、焦点位置Ｚ_ｋと焦点位置Ｚ_ｋ＋１のほぼ中央で合焦測度がピークになる場合、すなわち、合焦位置の検出条件が最も厳しくなる場合を示している。

図９の場合、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置Ｚ_ｋ、および、焦点位置Ｚ_ｋに隣接する焦点位置Ｚ_ｋ−１，Ｚ_ｋ＋１における合焦測度を用いた補間処理により、合焦位置が求められる。この場合、焦点位置Ｚ_ｋ−１乃至Ｚ_ｋ＋１が全て焦点深度の範囲内となり、合焦位置の検出精度は高くなる。

図１０の場合、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置Ｚ_ｋ、および、焦点位置Ｚ_ｋに隣接する焦点位置Ｚ_ｋ−１，Ｚ_ｋ＋１における合焦測度を用いた補間処理により、合焦位置が求められる。この場合、焦点位置Ｚ_ｋ−１乃至Ｚ_ｋ＋１が全て焦点深度の範囲内となり、合焦位置の検出精度は高くなる。ただし、焦点位置Ｚ_ｋ−１が焦点深度の境界上にあるため、図９の場合と比較して、合焦位置の検出精度は若干低くなる。

なお、合焦位置の算出に用いる焦点位置が焦点深度の境界上となるのは、図１０に示される合焦位置の検出条件が最も厳しくなる場合のみである。従って、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／３に設定した場合、総じて合焦位置の検出精度は高くなる。

次に、図１１および図１２を参照して、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／４に設定した場合について考える。なお、図１１は、焦点位置Ｚ_ｋにおける合焦測度の算出値が合焦測度のピークと一致する場合、すなわち、合焦位置の検出条件が最も良い場合を示している。また、図１２は、焦点位置Ｚ_ｋと焦点位置Ｚ_ｋ＋１のほぼ中央で合焦測度がピークになる場合、すなわち、合焦位置の検出条件が最も厳しくなる場合を示している。

図１１の場合、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置Ｚ_ｋ、および、焦点位置Ｚ_ｋに隣接する焦点位置Ｚ_ｋ−１，Ｚ_ｋ＋１における合焦測度を用いた補間処理により、合焦位置が求められる。この場合、焦点位置Ｚ_ｋ−１乃至Ｚ_ｋ＋１が全て焦点深度の範囲内となり、合焦位置の検出精度は高くなる。

図１２の場合、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置Ｚ_ｋ、および、焦点位置Ｚ_ｋに隣接する焦点位置Ｚ_ｋ−１，Ｚ_ｋ＋１における合焦測度を用いた補間処理により、合焦位置が求められる。この場合、焦点位置Ｚ_ｋ−１は、焦点深度ぎりぎりの信頼性の低いところであるが、残りの２点は信頼性の高い値であり、合焦位置の検出精度はやや高くなる。

従って、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／４に設定した場合、合焦位置の算出に用いる焦点位置が常に撮影ユニット１１の焦点深度の範囲内となり、合焦位置の検出精度は高くなる。

次に、図１３および図１４を参照して、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／５に設定した場合について考える。なお、図１３は、焦点位置Ｚ_ｋにおける合焦測度の算出値が合焦測度のピークと一致する場合、すなわち、合焦位置の検出条件が最も良い場合を示している。また、図１４は、焦点位置Ｚ_ｋと焦点位置Ｚ_ｋ＋１のほぼ中央で合焦測度がピークになる場合、すなわち、合焦位置の検出条件が最も厳しくなる場合を示している。

図１３の場合、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置Ｚ_ｋ、および、焦点位置Ｚ_ｋに隣接する焦点位置Ｚ_ｋ−１，Ｚ_ｋ＋１における合焦測度を用いた補間処理により、合焦位置が求められる。この場合、焦点位置Ｚ_ｋ−１乃至Ｚ_ｋ＋１が全て焦点深度の範囲内となり、合焦位置の検出精度は高くなる。

図１４の場合、合焦測度の算出値が最大となる焦点位置Ｚ_ｋ、および、焦点位置Ｚ_ｋに隣接する焦点位置Ｚ_ｋ−１，Ｚ_ｋ＋１における合焦測度を用いた補間処理により、合焦位置が求められる。この場合、焦点位置Ｚ_ｋ−１乃至Ｚ_ｋ＋１が全て焦点深度の範囲内となり、合焦位置の検出精度は高くなる。

従って、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／５に設定した場合、合焦位置の算出に用いる焦点位置が常に撮影ユニット１１の焦点深度の範囲内となり、合焦位置の検出精度は高くなる。また、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／４に設定した場合と比較して、より合焦位置に近い焦点位置の合焦測度を用いて、合焦位置が求められるため、最悪の条件でも高い精度の合焦位置が求められる。

なお、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／５よりさらに小さくすることにより、合焦位置の検出精度の向上が若干期待できるが、その効果はそれほど大きくなく、一方で、撮影する画像の枚数が増え、撮影時間が長くなる。

従って、図３のステップＳ３において、合焦位置の検出精度を高くし、被検物２の３次元形状の測定精度を高くするには、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／３以下に設定するようにすればよい。さらに撮影時間を考慮すると、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／５〜１／３の範囲内に設定することが望ましい。そして、例えば、処理速度を優先する場合には、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／３に設定し、３次元形状の測定精度を優先する場合には、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／５に設定し、処理速度と測定精度のバランスを考慮する場合には、撮影ピッチを撮影ユニット１１の焦点深度の１／４に設定するようにすればよい。

以上のようにして、より迅速に適切な撮影ピッチを設定することができる。また、その結果、より正確かつ高速に被検物２の３次元形状を測定し、被検物２の３次元データを作成することができる。

＜２．変形例＞
以上の説明では、合焦測度の算出値が最大になる焦点位置、および、その焦点位置の両隣の焦点位置の合計３つの焦点位置における合焦測度に基づいて、合焦位置を算出する例を示したが、４つ以上の焦点位置における合焦測度に基づいて、合焦位置を算出するようにすることも可能である。この場合、合焦位置の算出に用いる焦点位置が全て撮影ユニット１１の焦点深度の範囲内に収まるように撮影ピッチを設定するようにすればよい。

また、以上の説明では、撮影ユニット１１をｚ軸方向に移動させて、被検物２に対する撮影ユニット１１の焦点位置を移動させる例を示したが、例えば、ステージ１３をｚ軸方向に移動させたり、または、撮影ユニット１１とステージ１３の両方をｚ軸方向に移動させたり、または、ズーム光学系２３内のレンズをｚ軸方向に移動させたりすることにより、被検物２に対する撮影ユニット１１の焦点位置を移動させるようにしてもよい。

さらに、本発明の実施の形態では、撮影光学系のＮＡおよび照明光の波長が変化する度に、撮影ピッチを自動的に再設定するようにすることが望ましい。例えば、ズーム光学系２３の倍率が変更された場合、または、ズーム光学系２３内またはズーム光学系２３とステージ１３の間に対物レンズを切替え可能なレボルバが設けられており、使用する対物レンズが変更された場合、または、照明ユニット２１の照明光の波長が変更された場合などに、撮影ピッチを自動的に再設定するようにすることが望ましい。

また、撮影ピッチは、必ずしも１つの値に設定されるとは限らず、２つ以上の値に設定される場合がある。例えば、適切な撮影ピッチが１.５ｃｍと算出されたが、スタンド１２の支持部１２Ｂを移動できる間隔が１．０ｃｍである場合、撮影ピッチを１．０ｃｍと２．０ｃｍに交互に切替えながら、焦点位置を設定することが考えられる。

さらに、以上の説明では、撮影ピッチを計算式により求める例を示したが、例えば、照明ユニット２１の照明光の波長、ズーム光学系２３の倍率、対物レンズの種類などの撮影条件毎に予め算出した撮影ピッチをテーブルに保持しておき、そのテーブルに基づいて、撮影ピッチを設定するようにしてもよい。

また、本発明の実施の形態では、必ずしもズーム光学系は必須ではなく、本発明は、倍率が固定の撮影光学系を用いる場合にも適用することができる。

なお、本発明は、例えば、焦点位置が異なる複数の画像に基づいて、被検物の３次元形状を測定する処理を含む処理を行う装置や、その処理をコンピュータに実行させるためのプログラム等に適用できる。

［制御コンピュータ１５のハードウエア構成例］
上述した一連の処理は、ハードウエアにより実行することもできるし、ソフトウエアにより実行することもできる。一連の処理をソフトウエアにより実行する場合には、そのソフトウエアを構成するプログラムが、制御コンピュータ１５にインストールされる。ここで、制御コンピュータ１５には、専用のハードウエアに組み込まれているコンピュータや、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータなどが含まれる。

図１５は、上述した一連の処理をプログラムにより実行する制御コンピュータ１５のハードウエアの構成例を示すブロック図である。

制御コンピュータ１５において、CPU（Central Processing Unit）２０１，ROM（Read Only Memory）２０２，RAM（Random Access Memory）２０３は、バス２０４により相互に接続されている。

バス２０４には、さらに、入出力インタフェース２０５が接続されている。入出力インタフェース２０５には、入力部２０６、出力部２０７、記憶部２０８、通信部２０９、及びドライブ２１０が接続されている。

入力部２０６は、キーボード、マウス、マイクロフォンなどよりなる。出力部２０７は、ディスプレイ、スピーカなどよりなる。記憶部２０８は、ハードディスクや不揮発性のメモリなどよりなる。通信部２０９は、ネットワークインタフェースなどよりなる。ドライブ２１０は、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリなどのリムーバブルメディア２１１を駆動する。

以上のように構成される制御コンピュータ１５では、CPU２０１が、例えば、記憶部２０８に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース２０５及びバス２０４を介して、RAM２０３にロードして実行することにより、上述した一連の処理が行われる。

CPU２０１が実行するプログラムは、例えば、パッケージメディア等としてのリムーバブルメディア２１１に記録して提供することができる。また、プログラムは、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供することができる。

制御コンピュータ１５では、プログラムは、リムーバブルメディア２１１をドライブ２１０に装着することにより、入出力インタフェース２０５を介して、記憶部２０８にインストールすることができる。また、プログラムは、有線または無線の伝送媒体を介して、通信部２０９で受信し、記憶部２０８にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM２０２や記憶部２０８に、あらかじめインストールしておくことができる。

なお、制御コンピュータ１５が実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。

また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明
の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１ 観察装置， ２ 被検物， １１ 撮影ユニット， １２ スタンド， １３ ステージ， １４ 入力装置， １５ 制御コンピュータ， １６ 表示装置， ２１ 照明ユニット， ２３ ズーム光学系， ２４ 撮像素子， ５１ 撮影制御部， ５２ 撮影ピッチ設定部， ５３ 合焦測度算出部， ５４ 合焦位置算出部， ５５ ３次元データ作成部

Claims (10)

1. 被検物に対して撮影手段の焦点が合う位置である焦点位置が異なる複数の画像に基づいて、前記被検物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置において、
   前記焦点位置を設定する間隔である撮影ピッチを設定する撮影ピッチ設定手段と、
   設定された前記撮影ピッチに基づいて、前記焦点位置を複数の位置に設定する焦点位置設定手段と、
   複数の前記焦点位置で撮影された複数の画像の各画素における合焦測度を算出する合焦測度算出手段と、
   画素毎に、前記合焦測度の算出値が最大となる前記焦点位置である最大焦点位置および前記最大焦点位置における前記合焦測度、並びに、前記最大焦点位置の近傍の前記焦点位置および前記近傍の焦点位置における前記合焦測度に基づいて、合焦位置を算出する合焦位置算出手段と
   を含み、
   前記撮影ピッチ設定手段は、前記最大焦点位置および前記近傍の焦点位置が、前記撮影手段の焦点深度の範囲内に収まるように前記撮影ピッチを設定する
   ３次元形状測定装置。
2. 前記合焦位置算出手段は、前記最大焦点位置および前記最大焦点位置における前記合焦測度、並びに、前記最大焦点位置の両隣の前記焦点位置および前記両隣の焦点位置における前記合焦測度に基づいて、前記合焦位置を算出し、
   前記撮影ピッチ設定手段は、前記撮影ピッチを前記焦点深度の１／３以下に設定する
   請求項１に記載の３次元形状測定装置。
3. 前記撮影ピッチ設定手段は、さらに前記撮影ピッチを前記焦点深度の１／５以上に設定する
   請求項２に記載の３次元形状測定装置。
4. 前記撮影ピッチ設定手段は、前記被検物に照射する照明光の中心波長、または、前記照明光の強度が最大となる波長に基づいて、前記焦点深度を算出する
   請求項２または３に記載の３次元形状測定装置。
5. 前記焦点位置設定手段は、前記被検物と前記撮影手段との間の相対距離を制御することにより前記焦点位置を設定する
   請求項１に記載の３次元形状測定装置。
6. 前記撮影手段は、ズーム光学系、または、複数の対物レンズを切替え可能な切替え手段のうちの少なくとも一方を含み、
   前記撮影ピッチ設定手段は、前記ズーム光学系の倍率が変更された場合、または、前記対物レンズが変更された場合、前記撮影ピッチを再設定する
   請求項１に記載の３次元形状測定装置。
7. 前記撮影ピッチ設定手段は、設定した前記撮影ピッチをさらに手動で調整することが可能である
   請求項１に記載の３次元形状測定装置。
8. 各画素の前記合焦位置に基づいて、前記被検物の３次元データを作成する３次元データ作成手段を
   さらに含む請求項１に記載の３次元形状測定装置。
9. 前記撮影手段を
   さらに含む請求項１に記載の３次元形状測定装置。
10. 被検物に対して撮影手段の焦点が合う位置である焦点位置が異なる複数の画像に基づいて、前記被検物の３次元形状を測定する処理であって、
    前記焦点位置を設定する間隔である撮影ピッチを設定する撮影ピッチ設定ステップと、
    設定された前記撮影ピッチに基づいて、前記焦点位置を複数の位置に設定する焦点位置設定ステップと、
    複数の前記焦点位置で撮影された複数の画像の各画素における合焦測度を算出する合焦測度算出ステップと、
    画素毎に、前記合焦測度の算出値が最大となる前記焦点位置である最大焦点位置および前記最大焦点位置における前記合焦測度、並びに、前記最大焦点位置の近傍の前記焦点位置および前記近傍の焦点位置における前記合焦測度に基づいて、合焦位置を算出する合焦位置算出ステップと
    を含み、
    前記撮影ピッチ設定ステップの処理により、前記最大焦点位置および前記近傍の焦点位置が、前記撮影手段の焦点深度の範囲内に収まるように前記撮影ピッチを設定する
    処理をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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