JP2016008816A - 形状測定装置、形状測定装置の制御方法、および形状測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構成によって高い分解能を維持したまま被写界深度を深くできる形状測定装置を提供する。【解決手段】光源５から照射される光の量を調節可能な照明系絞り３１を含み、被測定物Ｗの側においてテレセントリックな照明光学系３０と、被測定物Ｗと被測定物が投影された像を受光する受光面とを光学的に共役な関係にするとともに、照明系絞り３１と共役な関係にある結像系絞り４１を含み、被測定物の側においてテレセントリックな結像光学系４０と、照明系絞り３１および結像系絞り４１の少なくとも一方を制御することによって、照明光学系３０の開口数と結像光学系４０の開口数との比であるコヒーレンスファクタを調整する計測制御部とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物の形状を測定する形状測定装置等に関するものである。

光学的な手段を用いて被測定物の形状を測定する形状測定装置は、電子機器の外観を検査する工程において広く用いられている。上記工程は、（１）電子機器の外形寸法（数ミリ〜百数十ミリ）を測定し、（２）当該電子機器の表面に付いた傷・汚れ（数十マイクロメートル〜数ミリ）を検査するという２つのプロセスを含む。すなわち、形状測定装置は、同一の工程において寸法が大きく異なる被測定物をそれぞれ測定する。

上記被測定物を精度良く測定するために、（ａ）倍率が互いに異なる複数の結像光学系を形状測定装置に搭載し、当該複数の結像光学系を切り替える方法、または（ｂ）ズームレンズから構成される結像光学系を形状測定装置に搭載し、当該被測定物の寸法に応じてズームイン・ズームアウトする方法が、従来から採用されてきた。

例えば、上記（ａ）の方法を採用した従来技術の１つとして、特許文献１には、複数のワークについて、相対的な位置関係を把握し易く、測定結果を容易に識別することができる寸法測定装置が開示されている。

特開２０１２−３２２２４号公報

しかし、上記（ａ）および（ｂ）のいずれの方法にも、次の３つの欠点が存在する。第１に、結像光学系の倍率を変化させることにより被測定物が視野から外れるたびに、当該視野に当該被測定物が含まれるように、当該視野を合わせ直さなければならない。第２に、倍率または開口数が大きいほど被写界深度（合焦可能な被写体側の距離範囲）は浅くなるため、分解能を上げると、当該被測定物の平面内寸法を高精度で測定することが困難になる。第３に、結像光学系が倍率を変化させる機構を備えることにより、当該結像光学系の構造が複雑になり、形状測定装置を製造するコストが増大する。

本発明は、上記の問題点（上記第１〜第３の課題）に鑑みてなされたものであり、その目的は、単純な構成によって、ズーミングと同等の機能を有する形状測定装置等を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る形状測定装置は、被測定物の形状を測定する形状測定装置であって、光源から照射される光の量を調節可能な照明系絞りを含み、被測定物の側においてテレセントリックな照明光学系と、被測定物と被測定物が投影された像を受光する受光面とを光学的に共役な関係にするとともに、照明系絞りと共役な関係にある結像系絞りを含み、被測定物の側においてテレセントリックな結像光学系と、照明系絞りおよび結像系絞りの少なくとも一方を制御することによって、照明光学系の開口数と結像光学系の開口数との比であるコヒーレンスファクタを調整する計測制御部とを備えている。

また、本発明の一態様に係る形状測定装置は、光源から照射される光の強度分布を均一化する均一化部をさらに備え、均一化部の出射面と被測定物とは、光学的に共役な関係にあってよい。

また、本発明の一態様に係る形状測定装置は、照明系絞りを通過した光を反射し、被測定物に照射された光を透過するハーフミラーをさらに備え、照明光学系は、ハーフミラーによって反射された光を被測定物に落射させることによって照明してよい。

また、本発明の一態様に係る形状測定装置において、計測制御部は、コヒーレンスファクタを０.７〜０.８の範囲に含まれる値に調整してよい。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る形状測定装置の制御方法は、被測定物の形状を測定する形状測定装置の制御方法であって、光源から照射される光の量を調節可能な照明系絞りを含み、被測定物の側においてテレセントリックな照明光学系と、被測定物と被測定物が投影された像を受光する受光面とを光学的に共役な関係にするとともに、照明系絞りと共役な関係にある結像系絞りを含み、被測定物の側においてテレセントリックな結像光学系とを備えた形状測定装置において、照明系絞りおよび結像系絞りの少なくとも一方を制御することによって、照明光学系の開口数と結像光学系の開口数との比であるコヒーレンスファクタを調整する計測制御ステップを含んでいる。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る形状測定プログラムは、被測定物の形状を測定する形状測定プログラムであって、光源から照射される光の量を調節可能な照明系絞りを含み、被測定物の側においてテレセントリックな照明光学系と、被測定物と被測定物が投影された像を受光する受光面とを光学的に共役な関係にするとともに、照明系絞りと共役な関係にある結像系絞りを含み、被測定物の側においてテレセントリックな結像光学系とを備えた形状測定装置に、照明系絞りおよび結像系絞りの少なくとも一方を制御することによって、照明光学系の開口数と結像光学系の開口数との比であるコヒーレンスファクタを調整する計測制御機能を実現させる。

本発明の一態様に係る形状測定装置、形状測定装置の制御方法、および形状測定プログラムは、光源から照射される光の量を調節可能な照明系絞りと、被測定物と当該被測定物が投影された像を受光する受光面とを光学的に共役な関係にする結像系絞りとが共役な関係にあり、当該照明系絞りおよび結像系絞りの少なくとも一方を制御することによって、コヒーレンスファクタを調整できる。

したがって、上記形状測定装置等は、単純な構成によって、ズーミングと同等の機能を実現することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置の測定原理を概略的に示す概略図である。 上記形状測定装置の要部構成を示す模式図である。 被測定物にフォーカスが合っている場合（合焦時）に、コヒーレンスファクタを異ならせることによってそれぞれ得られる投影像を比較した図であり、（ａ）は、被測定物の輪郭パターンを示し、（ｂ）は、０.７〜０.８の範囲に含まれる値にσを調整した場合に得られる投影像を示し、（ｃ）は、０.７よりも小さい値または０.８よりも大きい値にσを調整した場合に得られる投影像を示す。 被測定物にフォーカスが合っていない場合（デフォーカス時）に、コヒーレンスファクタσを異ならせることによってそれぞれ得られる投影像を比較した図であり、（ａ）は、被測定物の輪郭パターンを示し、（ｂ）は、０.７〜０.８の範囲に含まれる値にσを調整した場合に得られる投影像を示し、（ｃ）は、０.７よりも小さい値または０.８よりも大きい値にσを調整した場合に得られる投影像を示す。 合焦時のコントラストの特性を示すグラフであり、（ａ）は、解像度チャートＡを測定した場合を示し、（ｂ）は、解像度チャートＢを測定した場合を示す。 デフォーカスに対するコントラストの変化を示すグラフであり、（ａ）は、解像度チャートＡを測定した場合のコントラストの変化を示し、（ｂ）は、解像度チャートＢを測定した場合のコントラストの変化を示す。 上記形状測定装置が実行する処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置の測定原理を概略的に示す概略図である。 本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置の測定原理を概略的に示す概略図である。 本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置が、厚みのある被測定物を測定する場合に実行する処理の一例を示すフローチャートである。

〔実施形態１〕
図１〜図７に基づいて、本発明の第１の実施の形態（実施形態１）を説明する。

（形状測定装置１ａの概要）
図１は、光源５から出射された光の進路を明示することにより、形状測定装置１ａの測定原理を概略的に示す概略図である。図１に示されるように、形状測定装置１ａは、被測定物の形状・寸法を測定する装置である。

照明光学系３０は、被測定物Ｗの側においてテレセントリックであるため、照明系絞り３１の中心を通過した光は、光軸Ｃと略平行に当該照明光学系３０から出射し、角度θ_Ａ（当該出射光の広がり半角）で被測定物Ｗの表面を照射する。当該被測定物Ｗの輪郭は、上記光を回折させる。回折光は、上記角度θ_Ａよりも大きい角度で広がり、光軸Ｃに対して角度θ_Ｂ（入射光の広がり半角）で結像光学系４０に入射する。ただし、結像光学系４０は、被測定物Ｗの側においてテレセントリックであるため、上記回折光は、光軸Ｃに対して略平行となる。

結像光学系４０の分解能を高め、被写界深度を深くするためには、上記回折光が結像に寄与することが必要となる。本実施の形態においては、結像に対して上記回折光が寄与する程度の高低を示す目安として、コヒーレンスファクタを用いる。ここで、コヒーレンスファクタは、照明光学系３０の開口数（角度θ_Ａの正弦値）と、結像光学系４０の開口数（角度θ_Ｂの正弦値）との比（sin θ_Ａ／sin θ_Ｂ）である（以下、当該コヒーレンスファクタを「σ」と略記する場合がある）。

形状測定装置１ａは、照明系絞り３１および結像系絞り４１の少なくとも一方を制御することによって、上記コヒーレンスファクタが所定の値（例えば、０.７〜０.８の範囲に含まれる値）となるように、当該コヒーレンスファクタを調整する。ここで、照明系絞り３１と結像系絞り４１とは共役の関係を満たすため、形状測定装置１ａは、σを最適化することによって、分解能および被写界深度を同時に改善することができる。

すなわち、形状測定装置１ａは、低倍率の結像光学系と高倍率の結像光学系とを切り替えたり、結像光学系の倍率を変化させたりする機構を備えることなく（単純な構成によって）、ズーミングと同等の機能を実現する（高い分解能を維持したまま被写界深度を深くする）ことができる。

（形状測定装置１ａの構成）
図２は、形状測定装置１ａの要部構成を示す模式図である。図２に示されるように、形状測定装置１ａは、照明部３（光源５、ロッドインテグレータ８、照明光学系３０）、受光部４（撮像素子６、結像光学系４０）、ハーフミラー９、および計測制御部７を備えている。

照明部３は、被測定物Ｗの表面を照明する。照明部３は、光源５、ロッドインテグレータ８、および照明光学系３０を含む。

光源５は、被測定物Ｗを照明する光を発する機器であり、例えば、発光ダイオード（Light Emitting Diode；ＬＥＤ）を用いて実現され得る。

ロッドインテグレータ（均一化部）８は、光源５から照射される光を多重反射させることによって、当該光の強度分布を均一化する機器である。ここで、上記ロッドインテグレータ８の出射面８１と被測定物Ｗの設置面（被測定物Ｗの表面）とは、光学的に共役な関係を満たしている。これにより、形状測定装置１ａは、より精度の高い測定結果を得ることができる。一方で、形状測定装置１ａは、ロッドインテグレータ８を必ずしも備えていなくてもよいし、光源５とロッドインテグレータ８との間に拡散板を配置してもよい。後者の場合、形状測定装置１ａは、光の強度分布をさらに均一化することができるため、さらに精度の高い測定結果を得ることができる。

照明光学系３０は、光源５から照射される光の量を調節可能な照明系絞り３１を少なくとも含み、被測定物Ｗの側においてテレセントリックな光学系である。照明光学系３０は、照明系絞り３１、第１照明レンズ群３２、および第２照明レンズ群３３を含む。

照明系絞り３１は、光源５から照射される光の量を調節するために、当該光が通過可能な開口部（aperture）の大きさを可変とする遮蔽機構である。光源５から照射される主光線と光軸とを略平行にする（照明光学系３０をテレセントリックにする）ために、照明系絞り３１は、第１照明レンズ群３２の焦点付近に配置されることが好ましい。これにより、形状測定装置１ａは、ロッドインテグレータ８の出射面の光軸方向の位置ずれによる性能劣化を抑制できる。

第１照明レンズ群（第１照明系レンズ）３２は、ロッドインテグレータ８の出射面から同一方向に出射した光を、照明系絞り３１上の1点に集める光学系である。

第２照明レンズ群（第２照明系レンズ）３３は、照明系絞り３１から出射した光を、光軸と略平行にして被測定物Ｗに照射させる光学系である。

受光部４は、設置面に配置された被測定物Ｗの表面から反射した光を受光する。受光部４は、撮像素子６、および結像光学系４０を含む。

撮像素子６は、結像光学系４０から出射された光を当該撮像素子６の表面（受光面６１）において受光することによって、当該受光面６１に形成された被測定物Ｗの投影像を、電気信号として出力する素子である。撮像素子６は、例えば、電荷結合素子（Charge Coupled Device；ＣＣＤ）イメージセンサ、相補性金属酸化膜半導体（Complementary Metal Oxide Semiconductor；ＣＭＯＳ）イメージセンサなどにより実現され得る。

結像光学系４０は、被測定物Ｗと当該被測定物Ｗが投影された像を受光する受光面６１（撮像素子６の表面）とを光学的に共役な関係にするとともに、照明系絞り３１と共役な関係にある結像系絞り４１を少なくとも含み、当該被測定物Ｗの側においてテレセントリックな光学系である。結像光学系４０は、結像系絞り４１、第１結像レンズ群４２、および第２結像レンズ群４３を含む。

結像系絞り４１は、第１結像レンズ群４２から出射される光の量を調節するために、当該光が通過可能な開口部の大きさを可変とする遮蔽機構である。結像系絞り４１は、照明系絞り３１と共役な関係を満たしている。

第１結像レンズ群（第１結像系レンズ）４２は、被測定物Ｗからに出射した光を結像系絞り４１に導く光学系である。結像系絞り４１を第１結像レンズ群４２の焦点位置に配置することによって、結像光学系４０が被測定物Ｗの側でテレセントリックとなるため、形状測定装置１ａは、被測定物Ｗの光軸方向の位置ずれによる性能劣化を抑制することができる。

第２結像レンズ群（第２結像系レンズ）４３は、結像系絞り４１から出射した光を受光面６１に照射する光学系である。結像系絞り４１を第２結像レンズ群４３の焦点位置に配置することによって、結像光学系４０が受光素子（撮像素子６）の側でテレセントリックとなるため、形状測定装置１ａは、受光素子（撮像素子６）の光軸方向の位置ずれによる性能劣化を抑制することができる。

ハーフミラー９は、照明系絞り３１を通過した光を反射し、被測定物Ｗに照射された光を透過することによって、当該光を結像系絞り４１に導くミラー（ビームスプリッタ）である。図２は、照明光学系３０が、ハーフミラー９によって反射された光を被測定物Ｗに落射させることによって照明する形態（落射照明形態）の一例を示している。

計測制御部７は、照明系絞り３１および結像系絞り４１の少なくとも一方を制御することによって、当該照明光学系３０の開口数と当該結像光学系４０の開口数との比であるコヒーレンスファクタを調整する。そして、計測制御部７は、撮像素子６から出力された電気信号から被測定物Ｗの投影像を取得し、当該被測定物Ｗの形状および／または寸法を測定する。なお、前述したように、計測制御部７は、０.７〜０.８の範囲に含まれる値（例えば、σ＝０.７５）に、上記コヒーレンスファクタを調整することが好ましい。なお、計測制御部７は、例えば、パーソナルコンピュータ、計測制御用ソフトウェア、および／または制御用ボードによって実現され得る（ソフトウェアによる実現例については後述する）。

上記のように、形状測定装置１ａは、低倍率の結像光学系と高倍率の結像光学系とを切り替えたり、結像光学系の倍率を変化させたりする機構を備えない。すなわち、形状測定装置１ａは、互いに共役の関係を満たす照明系絞り３１および結像系絞り４１の少なくとも一方を制御することによって、コヒーレンスファクタσを調整する計測制御部７を備えるという単純な構成を有するに過ぎない。

したがって、形状測定装置１ａによれば、結像光学系の倍率を変化させることによって被測定物が視野から外れるたびに、当該視野に当該被測定物が含まれるように、当該視野を合わせ直さなければならないという問題は生じ得ない（第１の課題を解決できる）。また、形状測定装置１ａは上記機構を備えないため、結像光学系４０の構成は単純で済む。したがって、形状測定装置１ａによれば、装置を製造するコストが増大するという問題も生じ得ない（第３の課題を解決できる）。

以下では、形状測定装置１ａが上記機構を備えなくとも、従来の測定装置よりも鮮明な投影像を得ることができることを、図３〜図６を参照して説明する。

（コントラストの評価）
図３は、被測定物にフォーカスが合っている場合（合焦時）に、σを異ならせることによってそれぞれ得られる投影像を比較した図である。図３の（ａ）は、被測定物の輪郭パターンを示し、（ｂ）は、０.７〜０.８の範囲に含まれる値にσを調整した場合に得られる投影像を示し、（ｃ）は、０.７よりも小さい値または０.８よりも大きい値にσを調整した場合に得られる投影像を示す。

図３の（ｃ）に示されるように、０.７よりも小さい値または０.８よりも大きい値にσを調整した場合であっても、形状測定装置１ａは、適切に被測定物の投影像を得ることができる。ただし、図３の（ｂ）に示されるように、０.７〜０.８の範囲に含まれる値にσを調整した場合の方が、そうでない場合（図３の（ｃ）の場合）よりも、形状測定装置１ａは、高いコントラストを有する投影像を得ることができる。

図４は、被測定物にフォーカスが合っていない場合（デフォーカス時）に、σを異ならせることによってそれぞれ得られる投影像を比較した図である。図４の（ａ）は、被測定物の輪郭パターンを示し（図３の（ａ）と同じ輪郭パターンである）、（ｂ）は、０.７〜０.８の範囲に含まれる値にσを調整した場合に得られる投影像を示し、（ｃ）は、０.７よりも小さい値または０.８よりも大きい値にσを調整した場合に得られる投影像を示す。

被測定物からフォーカスを外した（例えば、図２において、被測定物Ｗを第２照明レンズ群３３の側に近づけることによってデフォーカスした）場合、一般に、投影像のコントラストは低下する。しかし、図４の（ｂ）に示されるように、０.７〜０.８の範囲に含まれる値にσを調整した場合、デフォーカスによってコントラストが低下する程度は小さい（デフォーカスに対して頑健である）。

図３および図４に示されるように、計測制御部７は、０.７〜０.８の範囲に含まれる値（例えば、σ＝０.７５）に、コヒーレンスファクタσを調整することが好ましい。これにより、形状測定装置１ａは、より精度良く被測定物の形状・寸法を測定できる。

（検証実験）
形状測定装置１ａの測定原理を検証する実験を実施した。本検証実験において、光源５として緑色ＬＥＤを用い、被測定物Ｗとして（Ａ）線幅が７マイクロメートル（１４マイクロメートルのピッチ）の解像度チャートＡ、または（Ｂ）線幅が５マイクロメートル（１０マイクロメートルのピッチ）の解像度チャートＢを用いた。ここで、上記解像度チャートＡおよびＢは、透明基板上に、遮光膜を所定の方向に向かって周期的に形成したものである。

また、結像光学系４０として、被測定物の側における開口数が０.１２（撮像素子６の側における開口数は０.０５）、かつ横倍率が２.４倍の投影レンズを用い、撮像素子６として、画素寸法５マイクロメートル×５マイクロメートルのラインＣＣＤ（１２万画素）を用いた。なお、上記ラインＣＣＤにおいて画素が並ぶ方向は、上記解像度チャートＡおよびＢにおいて遮光膜が形成されている方向と一致している。

本検証実験においては、形状測定装置１ａが、コヒーレンスファクタσを０.７に調整した場合と１.０に調整した場合とにおける、コントラストの特性を検証する。なお、上記コントラストと比較するために、メタルハライドランプ（緑色）、ライン型ライトガイド、および拡散板を組み合わせて従来の照明部を構成し、当該拡散照明部を、形状測定装置１ａが備えた照明部３と置換した比較用装置を準備した。

図５は、合焦時のコントラストの特性を示すグラフである。当該グラフの横軸は、画素の位置（ラインＣＣＤ上の位置）を表し（６０００前後が視野の中央部に対応し、０および１２０００が視野の端部に対応する、単位はピクセル）、縦軸は、当該画素の位置に対するコントラスト（Modulation Transfer Function；ＭＴＦ、単位はパーセント）を表す。図５の（ａ）は、解像度チャートＡを測定した場合のコントラスト特性を示し、（ｂ）は、解像度チャートＢを測定した場合のコントラスト特性を示す。

図５に示されるように、形状測定装置１ａは、解像度チャートの線幅・ピッチによらず、比較用装置よりも高いコントラストで投影像を得ることができる。特に、コヒーレンスファクタσを０.７に調整した場合、形状測定装置１ａは、最高のコントラストを有する投影像を得ることができる。なお、視野周辺部に近づくほど、比較用装置とのコントラストの差が小さくなるのは、結像光学系４０の収差の影響と考えられる。

図６は、デフォーカスに対するコントラストの変化を示すグラフである。当該グラフの横軸は、デフォーカスの大きさを表し（ゼロが、被測定物Ｗが合焦点にあることを示し、値が大きくなるほど被測定物Ｗが結像光学系４０に近づき、小さくなるほど照明光学系３０に近づくことを示す、単位はマイクロメートル）、縦軸は、当該デフォーカスの大きさに対するコントラスト（単位はピクセル）を表す。図６の（ａ）は、解像度チャートＡを測定した場合のコントラスト特性を示し、（ｂ）は、解像度チャートＢを測定した場合のコントラスト特性を示す。

全視野にわたって投影像に３０％以上のコントラスト（図６の（ａ）および（ｂ）において「基準」と示されるラインよりも上）がなければ、実測定に堪えないことが通常である。図６の（ａ）および（ｂ）に示されるように、比較用装置によって得られる投影像が３０％以上のコントラストを有するデフォーカス範囲は、極めて限定的（図６の（ａ）の場合で５０マイクロメートル、（ｂ）の場合で２０マイクロメートル）である。すなわち、従来の測定技術は、浅い被写界深度しか有し得ず、デフォーカスに対して脆弱である。したがって、従来の測定技術は、被測定物が凹凸を含む場合などに、当該被測定物の平面内寸法を高精度で測定できない（第２の課題が生じる）。

一方、形状測定装置１ａによって得られる投影像が３０％以上のコントラストを有するデフォーカス範囲は、コヒーレンスファクタσを０.７に調整した場合（図６の（ａ）の場合で１２０マイクロメートル、（ｂ）の場合で７０マイクロメートル）も、１.０に調整した場合（図６の（ａ）の場合で９０マイクロメートル、（ｂ）の場合で５０マイクロメートル）も、比較用装置のそれより遙かに広い。すなわち、形状測定装置１ａは、深い被写界深度を有し、デフォーカスに対して頑健である。したがって、形状測定装置１ａは、例えば、（１）被測定物が凹凸を含む場合、および／または（２）外部環境から微少な振動が与えられる場合などであっても、当該被測定物の平面内寸法を高精度で測定できる（第２の課題を解決できる）。

（形状測定装置１ａが実行する処理）
図７は、形状測定装置１ａ（計測制御部７）が実行する処理の一例を示すフローチャートである。配置面に被測定物Ｗが載置されると、計測制御部７は、結像系絞り４１を解放に設定することによって分解能を最大化する（ステップ１、以下「ステップ」を単に「Ｓ」と略記する）。なお、上記設定は、受光部４に設けられた調整用機構（いずれの図にも図示していない）を作業者が操作することによって行われてもよい。

次に、計測制御部７は、配置面を動かすことによって、被測定物Ｗの表面に結像光学系４０のフォーカス位置を合わせ（Ｓ２）、照明系絞り３１を制御することによって、コヒーレンスファクタσに所定の値（例えば、０.７〜０.８の範囲に含まれる値）を設定する（Ｓ３）。そして、形状測定装置１ａは、被測定物Ｗを測定する（Ｓ４）。なお、Ｓ４においては、例えば、当該被測定物Ｗの表面に付けられた汚れ・キズなど、測定に高い分解能を必要とする物体が測定の対象となる。

次に、計測制御部７は、結像系絞り４１を制御する（絞る）ことによって開口数を小さくし（Ｓ５）、照明系絞り３１を制御することによってσに所定の値を設定する（Ｓ６）。そして、形状測定装置１ａは、被測定物Ｗを測定する（Ｓ７）。なお、Ｓ７においては、例えば、電子機器の外形寸法など、測定に低い分解能を必要とする物体が測定の対象となる。

上記のように、形状測定装置１ａは、照明系絞り３１および結像系絞り４１の少なくとも一方を制御することによって、コヒーレンスファクタを調整することができる。これにより、形状測定装置１ａは、倍率（視野）を変化させることなく、高い分解能を維持したまま被写界深度を深くすることができるため、例えば、（１）被測定物が凹凸を含む場合、および／または（２）外部環境から微少な振動が与えられる場合などであっても、当該被測定物の平面内寸法を高精度で測定できる。

（形状測定装置１ａが奏する効果）
以上のように、形状測定装置１ａは、低倍率の結像光学系と高倍率の結像光学系とを切り替えたり、結像光学系の倍率を変化させたりする機構を備えることなく（単純な構成によって）、ズーミングと同等の機能を実現することができる。

〔実施形態２〕
図８に基づいて、本発明の第２の実施の形態（実施形態２）を説明する。なお、実施形態２では、前述した実施形態１に追加される構成、および実施形態１の構成とは異なる構成のみについて説明する。すなわち、実施形態１において記載された構成は、実施形態２にもすべて含まれ得る（逆も同様である）。また、実施形態１において記載された用語の定義は、実施形態２においても同じである。

図８は、光源５から出射された光の進路を明示することによって、形状測定装置１ｂの原理を概略的に示す概略図である。実施形態２に係る形状測定装置１ｂは、照明光学系３０に含まれる第２照明レンズ群３３と、結像光学系４０に含まれる第１結像レンズ群４２とが、１つの光学系（共有レンズ５１）として共有されている点で、実施形態１に係る形状測定装置１ａと異なる。形状測定装置１ｂは、第２照明レンズ群３３および第１結像レンズ群４２に代えて、共有レンズ５１を備えることにより、（１）装置の製造コストを抑えることができる、および／または（２）装置のサイズを小さくすることができるという効果をさらに奏する。

〔実施形態３〕
図９に基づいて、本発明の第３の実施の形態（実施形態３）を説明する。なお、実施形態３では、前述した実施形態１または２に追加される構成、および実施形態１または２の構成とは異なる構成のみについて説明する。すなわち、実施形態１または２において記載された構成は、実施形態３にもすべて含まれ得る（逆も同様である）。また、実施形態１または２において記載された用語の定義は、実施形態３においても同じである。

図９は、光源５から出射された光の進路を明示することによって、形状測定装置１ｃの原理を概略的に示す概略図である。実施形態３に係る形状測定装置１ｃは、実施形態１に係る形状測定装置１ａまたは実施形態２に係る形状測定装置１ｂが備えたハーフミラー９に代えて、ミラー１０を備える。当該ミラー１０は、照明光学系３０から出射した光を反射して、結像光学系４０に入射させる。すなわち、形状測定装置１ａおよび形状測定装置１ｂが落射照明を利用していたのに対して、形状測定装置１ｃは透過照明を利用する。これにより、形状測定装置１ｃは、被測定物Ｗの輪郭を精度良く測定できるという効果をさらに奏する。

〔実施形態４〕
図１０に基づいて、本発明の第４の実施の形態（実施形態４）を説明する。なお、実施形態４では、前述した実施形態１〜３に追加される構成、および実施形態１〜３の構成とは異なる構成のみについて説明する。すなわち、実施形態１〜３において記載された構成は、実施形態４にもすべて含まれ得る（逆も同様である）。また、実施形態１〜３において記載された用語の定義は、実施形態４においても同じである。

図１０は、形状測定装置１ｄ（計測制御部７）が、厚みのある被測定物Ｗ（側面に傷を有する）を測定する場合に実行する処理の一例を示すフローチャートである。まず、計測制御部７は、照明系絞り３１および結像系絞り４１を調整し、被写界深度を深く設定する（Ｓ１１）。次に、計測制御部７は、配置面を動かすことによって、被測定物Ｗの側面（斜面）全体が深度内に入るように結像光学系４０のフォーカス位置を合わせ（Ｓ１２）、被測定物Ｗを測定する（Ｓ１３）。

そして、計測制御部７は、照明系絞り３１および結像系絞り４１を調整し、分解能を高く設定する（Ｓ１４）。最後に、計測制御部７は、被測定物Ｗの側面にある傷の近傍が深度内に入るように結像光学系４０のフォーカス位置を合わせ（Ｓ１５）、被測定物Ｗを測定する（Ｓ１６）。

上記のように、形状測定装置１ｄは、単純な構成によって、ズーミングと同等の機能を実現することができるため、例えば、厚みのある被測定物Ｗ（側面に傷を有する）を測定する場合であっても、照明系絞り３１および結像系絞り４１を調整するだけで、側面全体および傷の両方を適切に測定できるという効果を奏する。

〔ソフトウェアによる実現例〕
形状測定装置１ａ、形状測定装置１ｂ、形状測定装置１ｃ、および形状測定装置１ｄがそれぞれ備えた計測制御部７は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。後者の場合、上記計測制御部７は、計測制御機能を実現するソフトウェアである形状測定プログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記形状測定プログラムおよび各種データがコンピュータ（またはＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）または記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、上記形状測定プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。そして、コンピュータ（またはＣＰＵ）が上記形状測定プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記形状測定プログラムは、当該形状測定プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。本発明は、上記形状測定プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

具体的には、本発明の実施の形態に係る形状測定プログラムは、被測定物の形状を測定する形状測定プログラムであって、コンピュータ（形状測定装置）に、計測制御機能を実現させる。上記計測制御機能は、上述した計測制御部７によって実現され得る。詳細については上述した通りである。

〔付記事項〕
本発明は上述したそれぞれの実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施の形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成できる。

本発明は、被測定物の形状を測定する形状測定装置に広く適用することができる。

１ａ：形状測定装置、１ｂ：形状測定装置、１ｃ：形状測定装置、１ｄ：形状測定装置、３：照明部、４：受光部、５：光源、６：撮像素子、７：計測制御部、８：ロッドインテグレータ（均一化部）、９：ハーフミラー、１０：ミラー、３０：照明光学系、３１：照明系絞り、３２：第１照明レンズ群（第１照明系レンズ）、３３：第２照明レンズ群（第２照明系レンズ）、４０：結像光学系、４１：結像系絞り、４２：第１結像レンズ群（第１結像系レンズ）、４３：第２結像レンズ群（第２結像系レンズ）、

Claims (6)

1. 被測定物の形状を測定する形状測定装置であって、
   光源から照射される光の量を調節可能な照明系絞りを含み、前記被測定物の側においてテレセントリックな照明光学系と、
   前記被測定物と当該被測定物が投影された像を受光する受光面とを光学的に共役な関係にするとともに、前記照明系絞りと共役な関係にある結像系絞りを含み、当該被測定物の側においてテレセントリックな結像光学系と、
   前記照明系絞りおよび前記結像系絞りの少なくとも一方を制御することによって、前記照明光学系の開口数と前記結像光学系の開口数との比であるコヒーレンスファクタを調整する計測制御部とを備えた形状測定装置。
2. 前記光源から照射される光の強度分布を均一化する均一化部をさらに備え、
   前記均一化部の出射面と前記被測定物とは、光学的に共役な関係にあることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記照明系絞りを通過した光を反射し、前記被測定物に照射された光を透過するハーフミラーをさらに備え、
   前記照明光学系は、前記ハーフミラーによって反射された光を前記被測定物に落射させることによって照明することを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定装置。
4. 前記計測制御部は、前記コヒーレンスファクタを０.７〜０.８の範囲に含まれる値に調整することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
5. 被測定物の形状を測定する形状測定装置の制御方法であって、
   光源から照射される光の量を調節可能な照明系絞りを含み、前記被測定物の側においてテレセントリックな照明光学系と、
   前記被測定物と当該被測定物が投影された像を受光する受光面とを光学的に共役な関係にするとともに、前記照明系絞りと共役な関係にある結像系絞りを含み、当該被測定物の側においてテレセントリックな結像光学系とを備えた形状測定装置において、
   前記照明系絞りおよび前記結像系絞りの少なくとも一方を制御することによって、前記照明光学系の開口数と前記結像光学系の開口数との比であるコヒーレンスファクタを調整する計測制御ステップを含む形状測定装置の制御方法。
6. 被測定物の形状を測定する形状測定プログラムであって、
   光源から照射される光の量を調節可能な照明系絞りを含み、前記被測定物の側においてテレセントリックな照明光学系と、
   前記被測定物と当該被測定物が投影された像を受光する受光面とを光学的に共役な関係にするとともに、前記照明系絞りと共役な関係にある結像系絞りを含み、当該被測定物の側においてテレセントリックな結像光学系とを備えた形状測定装置に、
   前記照明系絞りおよび前記結像系絞りの少なくとも一方を制御することによって、前記照明光学系の開口数と前記結像光学系の開口数との比であるコヒーレンスファクタを調整する計測制御機能を実現させる形状測定プログラム。

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