JP2023114983A - 三次元形状測定装置及びその測定モード切替方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対物レンズの交換を行うことなく、ＷＬＩ方式による被測定面の三次元形状測定とＦＶ方式による被測定面の三次元形状測定とを切替可能な三次元形状測定装置及びその測定モード切替方法を提供する。【解決手段】被測定面から戻る測定光と参照面から戻る参照光との合波光を生成する干渉部と、干渉部及び参照面を収納するホルダであって、温度変化に応じて可逆的に熱変形する材料で形成されており、温度変化に応じて干渉部と参照面との間の参照光の光路長である参照光路長を変化させるホルダと、ホルダの温度を調整する温度調整部と、温度調整部を制御して、参照光路長を測定光路長に一致させることで合波光に干渉縞を発生させる第１測定モードと、参照光路長を測定光路長とは異ならせることで合波光における干渉縞の発生を抑える第２測定モードと、に選択的に切替可能な温度制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、被測定面の三次元形状を測定する三次元形状測定装置及びその測定モード切替方法に関する。

非特許文献１及び特許文献１に記載の白色干渉方式（White Light Interferometry：ＷＬＩ）又は非特許文献２に記載のフォーカスバリエーション（Focus Variation：ＦＶ）方式などの三次元形状測定装置を用いて、測定対象物の被測定面の全焦点画像、表面形状、及び表面粗さ形状などの三次元形状を光学的に測定する方法が知られている。

ＷＬＩ方式の三次元形状測定装置は、光源及び干渉部を備える顕微鏡と、駆動機構と、カメラと、制御装置と、を備える。光源は、干渉部に向けて白色光を出射する。干渉部は、光源から出射された白色光からその一部を参照光として分割し、残りの白色光を被測定面に出射すると共に参照光を参照面に出射する。また、干渉部は、被測定面で反射した白色光と参照面で反射した参照光との干渉光をカメラに向けて出射する。駆動機構は、干渉部又は顕微鏡を走査方向（上下方向）に沿って走査する。カメラは、走査機構により干渉部等が走査されている間、干渉部から出射される干渉光を連続的に撮像して、干渉縞を含む複数の画像を取得する。制御装置は、各画像の同一座標の画素ごとの輝度値を比較して、画素ごとに被測定面の高さ情報を演算することで、被測定面の三次元形状を測定する。

ＦＶ方式の三次元形状測定装置は、駆動機構と、カメラと、制御装置と、を備える。駆動機構は、カメラを走査方向に沿って走査する。カメラは、駆動機構により走査されている間、被測定面を連続的に撮影して複数の画像を取得する。制御装置は、各画像の同一座標の画素ごとの合焦度を演算して、画素ごとの合焦度の変化を検出することで、被測定面の三次元形状を測定する。

特開２０１８－１７３３３８号公報

ISO 25178-604：2013"Geometrical product specifications (GPS) - Surface texture: Areal-Part 604: Nominal characteristics of non-contact (coherence scanning interferometry) instruments" ISO25178-606：2019"Geometrical product specifications (GPS) - Surface texture: Areal - Part 600: Metrological characteristics for areal topography measuring methods"

ＷＬＩ方式には、被測定面の垂直分解能が高くなるという長所と、測定時間が長くなる共に傾斜面の三次元形状測定に不向きであるという短所と、が存在する。このため、ＷＬＩ方式は、被測定面の表面粗さ形状の測定に適している。一方、ＦＶ方式は、測定時間が短くなると共に白色干方式よりも傾斜面の三次元形状測定に適しているという長所と、被測定面の垂直分解能が低くなるという短所と、が存在する。このため、ＦＶ方式は、被測定面の形状測定に適している。

このようにＷＬＩ方式とＦＶ方式との間には、互いに相反する長所及び短所が存在するため、相補的な関係が成り立つ。このため、被測定面の種類及び測定内容などに応じて、１台の三次元形状測定装置でＷＬＩ方式及びＦＶ方式の使い分けを可能にすることが要望されている。

この際に、ＷＬＩ方式による被測定面の三次元形状測定には、干渉部として、例えば、対物レンズ、ビームスプリッタ、及び参照面（参照ミラー）などにより構成される干渉対物レンズが必要になる。しかしながら、この干渉対物レンズを通してカメラにより撮像された被測定面の画像には干渉縞が含まれてしまう。この干渉縞は、ＦＶ方式での被測定面の三次元形状の演算に悪影響を及ぼす。このため、ＷＬＩ方式とＦＶ方式とで共通の対物レンズを使用した場合には、ＦＶ方式で測定された被測定面の三次元形状の測定精度が低下してしまう。その結果、従来の三次元形状測定装置では、ＷＬＩ方式の測定を行う場合には対物レンズを干渉対物レンズに切り替え、ＦＶ方式の測定を行う場合には対物レンズを通常の対物レンズに切り替えていた。

従って、従来の三次元形状測定装置では、複数種類の対物レンズを用意する必要があり、さらに対物レンズの切替機構も必要になるので、コストが増加してしまう。また、対物レンズの着脱によって、例えば被測定面の三次元形状の演算に必要な補正値が変わるなどの原因により、被測定面の三次元形状の測定精度が低下するおそれもある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、対物レンズの交換を行うことなく、ＷＬＩ方式による被測定面の三次元形状測定とＦＶ方式による被測定面の三次元形状測定とを切替可能な三次元形状測定装置及びその測定モード切替方法を提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するための三次元形状測定装置は、白色光である測定光を出射する光源部と、光源部より出射された測定光から測定光の一部を参照光として分割し、測定光を被測定面に出射し且つ参照光を参照面に出射して、被測定面から戻る測定光と参照面から戻る参照光との合波光を生成する干渉部と、干渉部が生成した合波光を撮像するカメラと、干渉部と被測定面との間の測定光の光路長を測定光路長とした場合に、被測定面に対して干渉部及びカメラを、測定光路長が変化する走査方向に相対的に走査する走査部と、走査部による走査の間、カメラに合波光を繰り返し撮像させる測定制御部と、干渉部及び参照面を収納するホルダであって、温度変化に応じて可逆的に熱変形する材料で形成されており、温度変化に応じて干渉部と参照面との間の参照光の光路長である参照光路長を変化させるホルダと、ホルダの温度を調整する温度調整部と、温度調整部を制御して、参照光路長を測定光路長に一致させることで合波光に干渉縞を発生させる第１測定モードと、参照光路長を測定光路長とは異ならせることで合波光における干渉縞の発生を抑える第２測定モードと、に選択的に切替可能な温度制御部と、を備える。

この三次元形状測定装置によれば、ホルダの温度制御を行うことで、第１測定モードと第２測定モードとを選択的に切り替えることができる。

本発明の他の態様に係る三次元形状測定装置において、温度制御部が第１測定モードへの切り替えを行った場合に、カメラが、走査部による走査の間、合波光を繰り返し撮像して干渉縞を含む複数の第１画像を出力し、カメラから出力された複数の第１画像の同一座標の画素ごとの輝度値に基づき、画素ごとに被測定面の高さ情報を演算して被測定面の三次元形状を求める第１形状演算部を備える。これにより、光干渉方式での被測定面の三次元形状を測定することができる。

本発明の他の態様に係る三次元形状測定装置において、温度制御部が第２測定モードへの切り替えを行った場合に、カメラが、走査部による走査の間、合波光を繰り返し撮像して干渉縞の発生が抑えられている複数の第２画像を出力し、カメラから出力された複数の第２画像の同一座標の画素ごとに、走査方向における合焦度の変化を演算した結果に基づき、被測定面の三次元形状を求める第２形状演算部を備える。これにより、ＦＶ方式での被測定面の三次元形状を測定することができる。

本発明の他の態様に係る三次元形状測定装置において、ホルダの温度を測定する温度測定部を備え、温度制御部が、第１測定モードに対応する温度である第１温度と、第２測定モードに対応する温度である第２温度と、を含む目標温度を予め取得しており、温度制御部が、温度測定部の測定結果と目標温度とに基づき、温度調整部を制御して、第１測定モードと第２測定モードとの切り替えを行う。これにより、ホルダの温度制御によって第１測定モードと第２測定モードとを選択的に切り替えることができる。

本発明の他の態様に係る三次元形状測定装置において、温度調整部が、ホルダの中で参照面を収納している参照面収納部の温度を変化させ、温度測定部が、参照面収納部の温度を測定する。これにより、ホルダの温度制御によって第１測定モードと第２測定モードとを選択的に切り替えることができる。

本発明の他の態様に係る三次元形状測定装置において、少なくとも、参照面収納部、温度測定部、及び温度調整部を覆う断熱材を備える。これにより、参照面収納部及びその近傍の温度を安定させることができる。

本発明の他の態様に係る三次元形状測定装置において、走査部が、少なくともホルダ及びカメラを走査方向に移動させる。これにより、被測定面に対して干渉部及びカメラを走査方向に相対的に走査することができる。

本発明の他の態様に係る三次元形状測定装置において、測定光を被測定面に集光する対物レンズを備え、干渉部が、対物レンズと被測定面との間に配置され、参照面が、対物レンズと干渉部との間に配置されている。これにより、参照光の光路中にシャッタを挿入することができないミラウ型の光干渉計においても、ホルダの温度制御のみによって第１測定モードと第２測定モードとを選択的に切り替えることができる。

本発明の目的を達成するための三次元形状測定装置の測定モードの切替方法は、白色光である測定光を出射する光源部と、光源部より出射された測定光から測定光の一部を参照光として分割し、測定光を被測定面に出射し且つ参照光を参照面に出射して、被測定面から戻る測定光と参照面から戻る参照光との合波光を生成する干渉部と、干渉部が生成した合波光を撮像するカメラと、干渉部と被測定面との間の測定光の光路長を測定光路長とした場合に、被測定面に対して干渉部及びカメラを、測定光路長が変化する走査方向に相対的に走査する走査部と、干渉部及び参照面を収納するホルダであって、温度変化に応じて可逆的に熱変形する材料で形成されており、温度変化に応じて干渉部と参照面との間の参照光の光路長である参照光路長を変化させるホルダと、を備える三次元形状測定装置の測定モードの切替方法において、ホルダの温度を調整して、参照光路長を測定光路長に一致させることで合波光に干渉縞を発生させる第１測定モードと、参照光路長を測定光路長とは異ならせることで合波光における干渉縞の発生を抑える第２測定モードと、に選択的に切り替える。

本発明は、対物レンズの交換を行うことなく、ＷＬＩ方式による被測定面の三次元形状測定とＦＶ方式による被測定面の三次元形状測定とが切替可能になる。

被測定面の三次元形状を測定する三次元形状測定装置の概略図である。 制御装置の機能ブロック図である。 参照面収納部を温度Ｔ_ＷＬＩに調整した場合の参照面のＸ方向位置と、参照面収納部を温度Ｔ_ＦＶに調整した場合の参照面のＸ方向位置と、を比較した図である。 温度制御部による測定モードに応じた参照面収納部の温度制御を説明するための説明図である。 第１形状演算部による被測定面の三次元形状の演算を説明するための説明図である。 第２形状演算部による被測定面の三次元形状の演算を説明するための説明図である。 第１実施形態の三次元形状測定装置よる被測定面の三次元形状の測定処理の流れを示したフローチャートである。 第２実施形態の三次元形状測定装置の白色干渉顕微鏡の干渉対物レンズ及び断熱材の拡大図である。 第３実施形態の三次元形状測定装置の白色干渉顕微鏡の干渉対物レンズの拡大図である。

［第１実施形態］
図１は、被測定面Ｗの三次元形状を測定する三次元形状測定装置９の概略図である。なお、図中の互いに直交するＸＹＺ方向のうちでＸＹ方向は水平方向に平行な方向であり、Ｚ方向は上下方向に平行な方向である。

図１に示すように、三次元形状測定装置９は、ＷＬＩ方式での被測定面Ｗの三次元形状測定と、ＦＶ方式での被測定面Ｗの三次元形状測定と、を切替可能である。この三次元形状測定装置９は、大別して、白色干渉顕微鏡１０と、駆動機構１２と、スケール１４と、制御装置１６と、操作部１７と、を備える。

白色干渉顕微鏡１０は、マイケルソン型の走査型白色干渉顕微鏡であり、ＷＬＩ方式での被測定面Ｗの三次元形状測定に対応したＷＬＩモード（本発明の第１測定モードに相当）と、ＦＶ方式での被測定面Ｗの三次元形状測定に対応したＦＶモード（本発明の第２測定モードに相当）と、を含む２種類の測定モードを有する。

白色干渉顕微鏡１０は、光源部２０と、ビームスプリッタ２２と、干渉対物レンズ２４と、温度調整部２６と、温度センサ２８と、断熱材３０と、結像レンズ３２と、カメラ３４と、を備える。被測定面ＷからＺ方向上方側に沿って、干渉対物レンズ２４と、ビームスプリッタ２２と、結像レンズ３２と、カメラ３４と、の順で配置されている。また、ビームスプリッタ２２に対してＸ方向（Ｙ方向でも可）に対向する位置に光源部２０が配置されている。

光源部２０は、制御装置１６の制御の下、ビームスプリッタ２２に向けて平行光束の白色光（可干渉性の少ない低コヒーレンス光）を、測定光Ｌ１として出射する。この光源部２０は、図示は省略するが、発光ダイオード、半導体レーザ、ハロゲンランプ、及び高輝度放電ランプなどの測定光Ｌ１を出射可能な光源と、この光源から出射された測定光Ｌ１を平行光束に変換するコレクタレンズと、を備える。

ビームスプリッタ２２は、例えばハーフミラーが用いられる。ビームスプリッタ２２は、光源部２０から入射した測定光Ｌ１の一部をＺ方向下方側の干渉対物レンズ２４に向けて反射する。また、ビームスプリッタ２２は、干渉対物レンズ２４から入射する後述の合波光Ｌ３の一部をＺ方向上方側に透過して、この合波光Ｌ３を結像レンズ３２に向けて出射する。

干渉対物レンズ２４は、マイケルソン型であり、対物レンズ２４ａとビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとホルダ２４ｄとを備える。被測定面ＷからＺ方向上方側に沿ってビームスプリッタ２４ｂ及び対物レンズ２４ａが順に配置され、また、ビームスプリッタ２４ｂに対してＸ方向（Ｙ方向でも可）に対向する位置に参照面２４ｃが配置されている。

対物レンズ２４ａは、集光作用を有しており、ビームスプリッタ２２から入射した測定光Ｌ１を、ビームスプリッタ２４ｂを通して被測定面Ｗに集光させる。

ビームスプリッタ２４ｂは、本発明の干渉部に相当するものであり、例えばハーフミラーが用いられる。ビームスプリッタ２４ｂは、対物レンズ２４ａから入射する測定光Ｌ１の一部を参照光Ｌ２として分割し、残りの測定光Ｌ１を透過して被測定面Ｗに出射し且つ参照光Ｌ２を参照面２４ｃに向けて反射する。なお、図中の符号Ｄ１は、ビームスプリッタ２４ｂと被測定面Ｗとの間の測定光Ｌ１の光路長である測定光路長を示す。ビームスプリッタ２４ｂを透過した測定光Ｌ１は、被測定面Ｗに照射された後、被測定面Ｗにより反射されてビームスプリッタ２４ｂに戻る。

参照面２４ｃは、例えば反射ミラーが用いられ、ビームスプリッタ２４ｂから入射した参照光Ｌ２をビームスプリッタ２４ｂに向けて反射する。この参照面２４ｃは、不図示の位置調整機構によってＸ方向の位置を手動調整可能である。これにより、ビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとの間の参照光Ｌ２の光路長である参照光路長Ｄ２を調整することができる。この参照光路長Ｄ２は、ＷＬＩモード時において測定光路長Ｄ１と一致（略一致を含む）するように調整される。

ビームスプリッタ２４ｂは、被測定面Ｗから戻る測定光Ｌ１と参照面２４ｃから戻る参照光Ｌ２との合波光Ｌ３を生成し、この合波光Ｌ３をＺ方向上方側の対物レンズ２４ａに向けて出射する。この合波光Ｌ３は、対物レンズ２４ａ及びビームスプリッタ２２を透過して結像レンズ３２に入射する。合波光Ｌ３は、詳しくは後述するが、ＷＬＩモード時には干渉縞を含む干渉光であり、ＦＶモード時には干渉縞の発生が抑えられた光となる。

ホルダ２４ｄは、例えば真鍮のような金属材料、すなわち可逆的に熱変形する材料で形成されている。このホルダ２４ｄは、レンズ鏡胴２４ｄ１と参照面収納部２４ｄ２とを備える。レンズ鏡胴２４ｄ１は、Ｚ方向に延びた筒形状に形成されており、対物レンズ２４ａ及びビームスプリッタ２４ｂを収納（保持）する。参照面収納部２４ｄ２は、レンズ鏡胴２４ｄ１におけるビームスプリッタ２４ｂの保持位置からＸ方向に延びた筒形状に形成されており、参照面２４ｃを収納する。なお、既述の通り、参照面２４ｃは、不図示の位置調整機構により手動でＸ方向の位置調整が可能である。

温度調整部２６は、参照面収納部２４ｄ２の近傍に設けられており、後述の制御装置１６の制御の下、少なくともビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとの間の温度、すなわち参照面収納部２４ｄ２の温度を調整する。この温度調整部２６としては、例えば、ヒータ及びペルチェ素子などが用いられる。

参照面収納部２４ｄ２は、既述の通り真鍮で形成されているので、温度変化に応じて可逆的に熱変形（膨張、収縮）する。これにより、温度調整部２６により参照面収納部２４ｄ２の温度を変化させることで、参照面収納部２４ｄ２を熱変形させてこの熱変形に応じて参照面２４ｃのＸ方向位置を調整可能である。その結果、既述の位置調整機構によらず、参照光Ｌ２の参照光路長Ｄ２を調整することができる。従って、温度調整部２６は、詳しくは後述するが、ＷＬＩモードとＦＶモードとの切り替えに用いられる。

温度センサ２８は、本発明の温度測定部に相当する。温度センサ２８は、参照面収納部２４ｄ２の近傍に設けられており、ホルダ２４ｄの中で少なくとも参照面収納部２４ｄ２（ビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとの間）の温度を測定し、その温度測定結果を制御装置１６へ出力する。この温度センサ２８の測定結果は、制御装置１６による温度調整部２６の制御、すなわちＷＬＩモードとＦＶモードとの切り替えに利用される。

断熱材３０は、干渉対物レンズ２４の全体、温度調整部２６、及び温度センサ２８を覆うように設けられている。これにより、断熱材３０の内部の温度、特に参照面収納部２４ｄ２及びその近傍の温度が外部の影響を受けて変化することが防止される。

結像レンズ３２は、ビームスプリッタ２２から入射した合波光Ｌ３をカメラ３４の撮像面（図示は省略）に結像させる。具体的には結像レンズ３２は、対物レンズ２４ａの焦点面上における点を、カメラ３４の撮像面上の像点として結像する。

カメラ３４は、図示は省略するがＣＣＤ（Charge Coupled Device）型又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の撮像素子を備える。カメラ３４は、結像レンズ３２により撮像素子の撮像面に結像された合波光Ｌ３を撮像し、この撮像により得られた合波光Ｌ３の撮像信号を信号処理して撮像画像３６を出力する。撮像画像３６は、詳しくは後述するが、ＷＬＩモード時には干渉縞を含む画像であり、ＦＶモード時には干渉縞を含まない画像である。

駆動機構１２は、本発明の走査部に相当する。駆動機構１２は、公知のリニアモータ或いはモータ駆動機構などの各種アクチュエータにより構成されており、白色干渉顕微鏡１０を走査方向であるＺ方向に移動自在に保持している。この駆動機構１２は、制御装置１６の制御の下、ＷＬＩモード時及びＦＶモード時の双方において白色干渉顕微鏡１０をＺ方向に沿って走査する。これにより、ＷＬＩ方式の測定で必要な測定光路長Ｄ１の変更と、ＦＶ方式の測定で必要なカメラ３４の焦点の移動と、を同時に行うことができる。

なお、駆動機構１２は、被測定面Ｗに対して白色干渉顕微鏡１０をＺ方向に相対的に走査可能であればよく、例えば被測定面Ｗ（被測定面Ｗを支持する支持部）をＺ方向に走査してもよい。

スケール１４は、白色干渉顕微鏡１０のＺ方向位置を検出する位置検出センサであり、例えばリニアスケールが用いられる。このスケール１４は、白色干渉顕微鏡１０のＺ方向位置を繰り返し検出し、その位置検出結果を制御装置１６に対して繰り返し出力する。

制御装置１６は、操作部１７に対する入力操作に応じて、白色干渉顕微鏡１０（三次元形状測定装置９）の測定モード（ＷＬＩモード、ＦＶモード）の切り替え、測定モードごとの白色干渉顕微鏡１０による被測定面Ｗの三次元形状の測定動作、及び測定モードごとの被測定面Ｗの三次元形状の演算などを統括的に制御する。この制御装置１６は、各種のプロセッサ（Processor）及びメモリ等から構成された演算回路を備える。各種のプロセッサには、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、及びプログラマブル論理デバイス［例えばＳＰＬＤ（Simple Programmable Logic Devices）、ＣＰＬＤ（Complex Programmable Logic Device）、及びＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Arrays）］等が含まれる。なお、制御装置１６の各種機能は、１つのプロセッサにより実現されてもよいし、同種または異種の複数のプロセッサで実現されてもよい。

図２は、制御装置１６の機能ブロック図である。図２に示すように、制御装置１６には、白色干渉顕微鏡１０の各部（光源部２０、温度調整部２６、温度センサ２８、及びカメラ３４）、駆動機構１２、及びスケール１４、及び操作部１７が接続されている。

制御装置１６は、不図示の記憶部から読み出した不図示の制御プログラムを実行することで、温度制御部１００、測定制御部１０２、第１形状演算部１０４、及び第２形状演算部１０６として機能する。

温度制御部１００は、操作部１７に対する白色干渉顕微鏡１０の測定モード（ＷＬＩモード、ＦＶモード）の選択操作に応じて、白色干渉顕微鏡１０の測定モードの切り替えを行う。具体的には温度制御部１００は、温度調整部２６を制御して、参照面収納部２４ｄ２の温度を、ＷＬＩモードに対応した所定の温度Ｔ_ＷＬＩ（℃）とＦＶモードに対応した所定の温度Ｔ_ＦＶ（℃）とに選択的に切り替える。これにより、温度Ｔ_ＷＬＩ及び温度Ｔ_ＦＶにそれぞれ応じて参照面収納部２４ｄ２が熱変形することで、参照面２４ｃのＸ方向位置が変わる。その結果、参照光路長Ｄ２が、ＷＬＩモードに対応した長さと、ＦＶモードに対応した長さと、に選択的に切り替えられる。なお、温度Ｔ_ＷＬＩは本発明の第１温度に相当し、温度Ｔ_ＦＶは本発明の第２温度に相当する。

図３は、参照面収納部２４ｄ２を温度Ｔ_ＷＬＩに調整した場合の参照面２４ｃのＸ方向位置と、参照面収納部２４ｄ２を温度Ｔ_ＦＶに調整した場合の参照面２４ｃのＸ方向位置と、を比較した図である。

図３の符号３Ａに示すように、参照面２４ｃのＸ方向位置は、参照面収納部２４ｄ２が温度Ｔ_ＷＬＩに調整されている場合には基準位置Ａに一致するように、既述の位置調整機構（不図示）により手動調整されている。基準位置Ａとは、干渉対物レンズ２４の焦点が被測定面Ｗに合っている状態において、参照光路長Ｄ２が測定光路長Ｄ１に一致するように定められた参照面２４ｃの位置である。

既述の通り、参照面収納部２４ｄ２（ホルダ２４ｄ）は可逆的に熱変形する材料で形成されている。このため、参照面収納部２４ｄ２を温度Ｔ_ＷＬＩに調整することにより、参照面２４ｃのＸ方向位置が自動的に基準位置Ａに調整される。その結果、干渉対物レンズ２４の焦点が被測定面Ｗに合っている状態において測定光路長Ｄ１と参照光路長Ｄ２とが一致する。これにより、干渉対物レンズ２４の焦点が被測定面Ｗに合っている場合には、ビームスプリッタ２４ｂにおいて被測定面Ｗから戻った測定光Ｌ１と参照面２４ｃから戻った参照光Ｌ２とが強く干渉することで、ビームスプリッタ２４ｂで生成される合波光Ｌ３は干渉縞を含む干渉光になる。従って、この合波光Ｌ３を撮像したカメラ３４から出力される撮像画像３６（本発明の第１画像に相当）にも干渉縞が含まれるため、ＷＬＩ方式の測定が可能になる。

図３の符号３Ｂに示すように、温度Ｔ_ＦＶは、参照面収納部２４ｄ２内の参照面２４ｃのＸ方向位置がシフト位置Ｂに一致するように設定されている。シフト位置Ｂとは、干渉対物レンズ２４の焦点が被測定面Ｗに合っている状態において、参照光路長Ｄ２が測定光路長Ｄ１とは異なるように定められた参照面２４ｃの位置であって且つ合波光Ｌ３中の干渉縞の発生が抑えられる位置である。以下、温度Ｔ_ＦＶの決定方法の一例について説明する。

対物レンズ２４ａの焦点深度を「ＤＯＦ（ｍｍ）」とし、参照面収納部２４ｄ２の線熱膨張係数を「α（／℃）」とし、温度Ｔ_ＦＶと温度Ｔ_ＷＬＩとの差分を「ΔＴ」とし、温度Ｔ_ＷＬＩでの参照光路長Ｄ２を「ｄ（ｍｍ）」とする。そして。参照面収納部２４ｄ２の温度が温度Ｔ_ＷＬＩからΔＴだけ変化した場合の参照光路長Ｄ２の変化量ΔＤ２は、下記［数１］式で表される。

［数１］
ΔＤ２＝｜Ｂ－Ａ｜×２＝ΔＴ×α×ｄ

ＦＶ方式の測定に影響を与えないように干渉縞の発生を抑えるためには、下記［数２］式に示すように、変化量ΔＤ２を、焦点深度（ＤＯＦ）のＮ倍（Ｎは任意の自然数）の値よりも大きくする必要がある。すなわち、本願発明の参照光路長Ｄ２を測定光路長Ｄ１とは異ならせるとは、参照光路長Ｄ２を測定光路長Ｄ１に一致する状態から変化量ΔＤ２だけ変化させることに相当する。

［数２］
ΔＤ２＝ΔＴ×α×ｄ＞｜Ｎ×ＤＯＦ｜

上記［数２］式において、例えばＮを２以上に設定することで、ＦＶ方式の測定に影響を与えないように干渉縞の発生を抑えることができる。よって、上記［数２］式を変形することで、ΔＴは以下の［数３］式のように表される。

［数３］
ΔＴ＝｜Ｔ_ＦＶ－Ｔ_ＷＬＩ｜＞｜Ｎ×ＤＯＦ／（α×ｄ）｜

上記［数３］式において「ＤＯＦ」、「α」、及び「ｄ」は既知の値であり、「Ｎ」は任意に設定可能である。例えば、白色干渉顕微鏡１０で使用されるＮＡ（Numerical Aperture）が０．７の対物レンズ２４ａの焦点深度を「ＤＯＦ＝０．５６μｍ」とし、参照面収納部２４ｄ２の線熱膨張係数を「α＝２０×１０^－６」とし、温度Ｔ_ＷＬＩでの参照光路長Ｄ２を「ｄ＝５ｍｍ」とし、Ｎを２と仮定した場合には、上記［数３］式は下記の［数４式］で表される。

［数４］
ΔＴ＞２×（０．５６×１０^－３）×／［（２０×１０^－６）×５］＝１１．２（℃）

温度Ｔ_ＷＬＩに対して上記［数４］式を満たす温度Ｔ_ＦＶを設定することで、合波光Ｌ３の干渉縞の発生が抑えられる。

既述の通り、参照面収納部２４ｄ２は可逆的に熱変形する材料で形成されているので、参照面収納部２４ｄ２を温度Ｔ_ＦＶに調整することにより、参照面２４ｃのＸ方向位置が自動的にシフト位置Ｂに調整される。これにより、合波光Ｌ３中の干渉縞の発生が抑えられるので、この合波光Ｌ３を撮像したカメラ３４から出力される撮像画像３６（本発明の第２画像に相当）内の干渉縞の発生も抑えられる。その結果、ＦＶ方式の測定が可能になる。

図４は、温度制御部１００による測定モードに応じた参照面収納部２４ｄ２の温度制御を説明するための説明図である。図４に示すように、温度制御部１００は、操作部１７で選択された測定モードに応じて参照面収納部２４ｄ２の温度を温度Ｔ_ＷＬＩと温度Ｔ_ＦＶとに選択的に切り替える。

具体的には温度制御部１００は、温度センサ２８の測定結果に基づき、参照面収納部２４ｄ２が温度Ｔ_ＷＬＩ（ＷＬＩモード時）又は温度Ｔ_ＦＶ（ＦＶモード時）に調整されるように、温度調整部２６を制御するフィードバック制御を行う。このフィードバック制御としては、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御が例として挙げられる。

温度制御部１００は、温度取得部１００ａと、目標温度記憶部１００ｂと、計算処理部１００ｃと、出力制御部１００ｄと、を備える。

温度取得部１００ａは、例えば温度センサ２８に接続されたインタフェースであり、温度センサ２８から温度測定結果が繰り返し出力されるごとに、温度センサ２８からの温度測定結果の取得と計算処理部１００ｃへの温度測定結果の出力とを繰り返し行う。目標温度記憶部１００ｂは、温度Ｔ_ＷＬＩ及び温度Ｔ_ＦＶを目標温度として予め記憶している。なお、目標温度記憶部１００ｂがインターネット上のサーバに設けられていてもよい。

計算処理部１００ｃは、操作部１７で選択されている測定モード（ＷＬＩモード、ＦＶモード）に対応した目標温度（温度Ｔ_ＷＬＩ、温度Ｔ_ＦＶ）を目標温度記憶部１００ｂから取得する。そして、計算処理部１００ｃは、温度センサ２８から新たな温度測定結果が入力されるごとに、この温度測定結果と目標温度との差分を計算して、この差分計算結果を出力制御部１００ｄへ出力する。

出力制御部１００ｄは、温度調整部２６の温度制御を行う。この出力制御部１００ｄには、例えば、計算処理部１００ｃによる差分計算結果と、参照面収納部２４ｄ２の温度を目標温度に調整するために必要な温度調整部２６の温度調整量との関係を定めたデータテーブル或いは演算式が記憶されている。これにより、出力制御部１００ｄは、計算処理部１００ｃから入力される差分計算結果に基づき、上述のデータテーブル等を参照して温度調整部２６を制御することで、参照面収納部２４ｄ２の温度を目標温度に調整する。

このように温度制御部１００は、操作部１７で選択された測定モードに応じて参照面収納部２４ｄ２の温度を温度Ｔ_ＷＬＩと温度Ｔ_ＦＶとに選択的に切り替えることで、参照面２４ｃのＸ方向位置を基準位置Ａとシフト位置Ｂとに選択的に切替可能である。その結果、温度制御部１００は、白色干渉顕微鏡１０の測定モードをＷＬＩモードとＦＶモードとに選択的に切り替えることができる。

図２に戻って、測定制御部１０２は、駆動機構１２、光源部２０、及びカメラ３４を制御して、操作部１７で選択した測定モード（ＷＬＩモード、ＦＶモード）に応じて、被測定面Ｗの三次元形状測定を行う。

具体的には測定制御部１０２は、光源部２０からの測定光Ｌ１の出射を開始させた後、駆動機構１２を制御して白色干渉顕微鏡１０をＺ方向に走査させる。また、測定制御部１０２は、駆動機構１２が白色干渉顕微鏡１０をＺ方向に走査する間、スケール１４による白色干渉顕微鏡１０のＺ方向位置の検出結果に基づき、白色干渉顕微鏡１０がＺ方向に一定のピッチだけ移動するごとに、カメラ３４による合波光Ｌ３の撮像及び制御装置１６への撮像画像３６の出力を繰り返し実行させる。なお、ＦＶモード時の上述のピッチは、ＷＬＩモード時のピッチと同じであってもよいし、或いはＷＬＩモード時のピッチよりも広く設定されていてもよい。

なお、カメラ３４で合波光Ｌ３を撮像する際のカメラ３４のＺ方向位置はスケール１４により検出可能であるので、白色干渉顕微鏡１０をＺ方向に走査する際のピッチは一定ピッチに限定されるものでなく不等ピッチであってもよい（以下同じ）。

上述のピッチごとの撮像画像３６は、ＷＬＩモード時には第１形状演算部１０４に入力され、ＦＶモード時には第２形状演算部１０６に入力される。

図５は、第１形状演算部１０４による被測定面Ｗの三次元形状の演算を説明するための説明図である。第１形状演算部１０４は、ＷＬＩモード時に被測定面Ｗの三次元形状を演算する。第１形状演算部１０４は、白色干渉顕微鏡１０が一定のピッチだけ移動するごとに、不図示の画像取得部（インタフェース）を介して、カメラ３４から入力される撮像画像３６を取得する。

次いで、第１形状演算部１０４は、図５に示すように、干渉縞が発生している各撮像画像３６の画素ごとの輝度値を検出する。そして、第１形状演算部１０４は、各撮像画像３６（カメラ３４の撮像素子）の同一座標の画素ごとの輝度値（符号Ｐ１参照）を比較する。ここで、図５は任意の１つの画素における輝度値とＺ方向位置との関係を示している。第１形状演算部１０４は、各撮像画像３６の同一座標の画素ごとに輝度値が最大になるＺ方向位置を決定することで、同一座標の画素ごとに被測定面Ｗの高さ情報を演算する。これにより、被測定面Ｗの三次元形状が求められる。なお、ＷＬＩモードでの被測定面Ｗの三次元形状の演算については公知技術（上記特許文献１参照）であるので、ここでは詳細な説明は省略する。

図６は、第２形状演算部１０６による被測定面Ｗの三次元形状の演算を説明するための説明図である。第２形状演算部１０６は、ＦＶモード時に被測定面Ｗの三次元形状を演算する。第２形状演算部１０６は、白色干渉顕微鏡１０が一定のピッチだけ移動するごとに、不図示の画像取得部を介して、カメラ３４から入力される撮像画像３６を取得する。

次いで、第２形状演算部１０６は、干渉縞の発生が抑えられている各撮像画像３６（カメラ３４の撮像素子）の画素ごとに合焦度（コントラスト値）を演算する。そして、第２形状演算部１０６は、図６に示すように、各撮像画像３６の同一座標の画素ごとに合焦度（符号Ｐ２参照）を比較する。ここで、図６は任意の１つの画素における合焦度とＺ方向位置との関係を示している。第２形状演算部１０６は、同一座標の画素ごとに合焦度が最大になるＺ方向位置を決定することで、同一座標の画素ごとに被測定面Ｗに対するカメラ３４の焦点位置を決定する。これにより、被測定面Ｗの三次元形状が求められる。なお、ＦＶモードでの被測定面Ｗの三次元形状の演算についても公知技術（上記特許文献１参照）であるので、ここでは詳細な説明は省略する。

［第１実施形態の作用］
図７は、上記構成の第１実施形態の三次元形状測定装置９よる被測定面Ｗの三次元形状の測定処理の流れを示したフローチャートである（本発明の測定モードの切替方法に相当）。なお、測定制御部１０２が光源部２０からの測定光Ｌ１の出射を開始させていると共に、温度センサ２８が参照面収納部２４ｄ２の温度測定を開始して、その温度測定結果を温度制御部１００の温度取得部１００ａへ繰り返し出力しているものとする。

図７に示すように、オペレータは、被測定面Ｗの種類（平面、斜面）、及び測定内容（表面粗さ形状測定、形状測定）に応じて、白色干渉顕微鏡１０の測定モードをＷＬＩモード及びＦＶモードのいずれか一方に決定し、操作部１７を操作して測定モードの選択操作を行う（ステップＳ１）。例えばオペレータは、被測定面Ｗの表面粗さ形状を測定する場合には操作部１７によりＷＬＩモードの選択操作を行い、被測定面Ｗが斜面である場合或いは被測定面Ｗの形状測定を行う場合には操作部１７によりＦＶモードの選択操作を行う。

ＷＬＩモードの選択操作が行われると、温度制御部１００の計算処理部１００ｃが目標温度記憶部１００ｂから目標温度である温度Ｔ_ＷＬＩの情報を取得する。次いで、計算処理部１００ｃは、温度センサ２８から新たな温度測定結果が入力されるごとに、この温度測定結果と温度Ｔ_ＷＬＩとの差分を計算して、この差分計算結果を出力制御部１００ｄへ出力する。そして、出力制御部１００ｄが、差分計算結果に基づき温度調整部２６を制御することで、参照面収納部２４ｄ２を温度Ｔ_ＷＬＩに調整する（ステップＳ２Ａ）。

この際に本実施形態では、干渉対物レンズ２４、温度調整部２６、及び温度センサ２８を断熱材３０で覆っているので、断熱材３０の内部の温度、特に参照面収納部２４ｄ２及びその近傍を温度Ｔ_ＷＬＩで安定させることができる。

参照面収納部２４ｄ２が温度Ｔ_ＷＬＩに調整されると、既述の図３の符号３Ａに示したように、参照面２４ｃのＸ方向位置が基準位置Ａに一致するように参照面収納部２４ｄ２が熱変形する。この際に、断熱材３０により参照面収納部２４ｄ２を温度Ｔ_ＷＬＩで安定させているので、参照面２４ｃのＸ方向位置を基準位置Ａに精度よく調整することができる。

このように可逆的に熱変形可能な参照面収納部２４ｄ２を温度制御することにより、不図示の位置調整機構により参照面２４ｃのＸ方向位置を手動調整する場合と比較して、再現性良く参照面２４ｃのＸ方向位置を基準位置Ａに合わせることができる。また、数十ｎｍの分解能を有する高精度な自動位置調整機構を設ける場合よりも低コストに参照面２４ｃのＸ方向位置を調整可能である。

参照面２４ｃのＸ方向位置を基準位置Ａに一致させることで、干渉対物レンズ２４の焦点が被測定面Ｗに合っている状態において、参照光路長Ｄ２が測定光路長Ｄ１に一致する。このためビームスプリッタ２４ｂで生成される合波光Ｌ３に干渉縞が含まれる。これにより、白色干渉顕微鏡１０がＷＬＩモードに切り替えられる（ステップＳ３Ａ）。

一方、ＦＶモードの選択操作が行われると、温度制御部１００の計算処理部１００ｃが目標温度記憶部１００ｂから目標温度である温度Ｔ_ＦＶの情報を取得する。以下、ＷＬＩモードが選択された場合と同様に、計算処理部１００ｃによる差分計算と、出力制御部１００ｄによる温度調整部２６の制御と、が実行されることで、参照面収納部２４ｄ２の温度が温度Ｔ_ＦＶに調整される（ステップＳ２Ｂ）。また、既述の通り、干渉対物レンズ２４等が断熱材３０で覆われているため、参照面収納部２４ｄ２及びその近傍を温度Ｔ_ＦＶで安定させることができる。

参照面収納部２４ｄ２が温度Ｔ_ＦＶに調整されると、既述の図３の符号３Ｂに示したように、参照面２４ｃのＸ方向位置がシフト位置Ｂに一致するように参照面収納部２４ｄ２が熱変形する。この際に、断熱材３０により参照面収納部２４ｄ２を温度Ｔ_ＦＶで安定させているので、参照面２４ｃのＸ方向位置をシフト位置Ｂに精度よく調整することができる。これにより、参照面２４ｃのＸ方向位置を手動調整する場合と比較して再現性良く参照面２４ｃのＸ方向位置をシフト位置Ｂに合わせることができ、さらに、高精度な自動位置調整機構を用いる場合よりも低コスト化が実現可能である。

参照面２４ｃのＸ方向位置をシフト位置Ｂに一致させることで、干渉対物レンズ２４の焦点が被測定面Ｗに合っている状態において、参照光路長Ｄ２が測定光路長Ｄ１とは異なる長さになる。このため、ビームスプリッタ２４ｂで生成される合波光Ｌ３における干渉縞の発生が抑えられる。その結果、白色干渉顕微鏡１０がＦＶモードに切り替えられる（ステップＳ３Ｂ）。

測定制御部１０２は、白色干渉顕微鏡１０の測定モードの切り替えが完了すると、駆動機構１２を制御して白色干渉顕微鏡１０のＺ方向の走査を開始させる（ステップＳ４）。そして、測定制御部１０２は、スケール１４による白色干渉顕微鏡１０のＺ方向位置の検出結果に基づき、白色干渉顕微鏡１０がＺ方向に一定のピッチだけ移動するごとに、カメラ３４による合波光Ｌ３の撮像を繰り返し実行させる（ステップＳ５、ステップＳ６でＮＯ、ステップＳ７）。測定モードがＷＬＩモードである場合には、カメラ３４から第１形状演算部１０４に対して、干渉縞が発生している撮像画像３６が逐次入力される。一方、測定モードがＦＶモードである場合には、カメラ３４から第２形状演算部１０６に対して、干渉縞の発生が抑えられた撮像画像３６が逐次入力される。

なお、ＦＶモードでは、ＷＬＩモードよりも上述のピッチを広げられるため、測定時間を短くするができる。また逆にＷＬＩモードでは、ＦＶモードよりも上述のピッチが狭くなるため、被測定面Ｗの三次元形状測定の垂直分解能が高くなる。

白色干渉顕微鏡１０の走査が終了すると（ステップＳ６でＹＥＳ）、測定モードに応じて第１形状演算部１０４又は第２形状演算部１０６が作動する（ステップＳ８）。

測定モードがＷＬＩモードである場合、第１形状演算部１０４が、干渉縞が発生している各撮像画像３６の画素ごとに輝度値を検出し、各撮像画像３６の同一座標の画素ごとに輝度値が最大になるＺ方向位置を決定することで、同一座標の画素ごとに被測定面Ｗの高さ情報を演算する。これにより、第１形状演算部１０４によって被測定面Ｗの三次元形状が演算される（ステップＳ９Ａ）。

一方、測定モードがＦＶモードである場合、第２形状演算部１０６が、干渉縞の発生が抑えられている各撮像画像３６の画素ごとに合焦度を演算し、各撮像画像３６の同一座標の画素ごとに合焦度が最大になるＺ方向位置を決定することで、同一座標の画素ごとに被測定面Ｗに対するカメラ３４の焦点位置を決定する。これにより、第２形状演算部１０６によって被測定面Ｗの三次元形状が演算される（ステップＳ９Ｂ）。

以上のように本実施形態では、可逆的に熱変形可能な参照面収納部２４ｄ２の温度制御により、参照面２４ｃのＸ方向位置を基準位置Ａとシフト位置Ｂとに再現性良く移動させることができる。これにより、干渉対物レンズ２４の交換を行ったり或いは参照面２４ｃのＸ方向位置を手動調整したりすることなく、白色干渉顕微鏡１０の測定モードの切り替えが可能になる。その結果、測定モードの種類に応じた複数種類の干渉対物レンズ２４を用意したり、干渉対物レンズ２４の切替機構を用意したり、高精度な参照面２４ｃの位置調整機構を設けたりする必要がなくなるので、低コスト化が実現可能である。また、干渉対物レンズ２４の着脱によって被測定面Ｗの三次元形状の測定精度が低下するという問題の発生も防止される。

［第２実施形態］
図８は、第２実施形態の三次元形状測定装置９の白色干渉顕微鏡１０の干渉対物レンズ２４及び断熱材３０Ａの拡大図である。

上記第１実施形態では、断熱材３０により干渉対物レンズ２４の全体、温度調整部２６、及び温度センサ２８を覆っているが、図８に示すように、第２実施形態では、断熱材３０Ａにより参照面収納部２４ｄ２、温度調整部２６、及び温度センサ２８のみを覆う。なお、第２実施形態は、上記第１実施形態の断熱材３０とは異なる断熱材３０Ａを備える点を除けば、第１実施形態と基本的に同じ構成であるので、上記第１実施形態と機能又は構成上同一のものについては同一符号を付してその説明は省略する。

このように、断熱材３０Ａにより参照面収納部２４ｄ２、温度調整部２６、及び温度センサ２８を覆うことで、上記第１実施形態と同様に参照面収納部２４ｄ２及びその近傍を目標温度（温度Ｔ_ＷＬＩ、温度Ｔ_ＦＶ）で安定させることができる。さらに、温度調整部２６で発生する熱による対物レンズ２４ａの収差発生を最小に抑えることができるので、温度変化に強い被測定面Ｗの三次元形状測定を行うことができる。その結果、さらなる高精度及び高信頼度の被測定面Ｗの三次元形状測定が可能になる。

［第３実施形態］
図９は、第３実施形態の三次元形状測定装置９の白色干渉顕微鏡１０の干渉対物レンズ２００の拡大図である。

上記各実施形態では白色干渉顕微鏡１０にマイケルソン型の干渉対物レンズ２４を設けているが、図９に示すように、第３実施形態では、白色干渉顕微鏡１０にミラウ型の干渉対物レンズ２００を設けている。なお、第３実施形態は、上記各実施形態の干渉対物レンズ２４とは異なる干渉対物レンズ２００を備える点を除けば、上記各実施形態と基本的に同じ構成であるので、上記各実施形態と機能又は構成上同一のものについては同一符号を付してその説明は省略する。

ミラウ型の干渉対物レンズ２００は、対物レンズ２００ａと、ビームスプリッタ２００ｂと、参照面２００ｃと、ホルダ２００ｄと、を備える。被測定面ＷからＺ方向上方側に沿って、ビームスプリッタ２００ｂと、参照面２００ｃと、対物レンズ２００ａと、が順に配置されている。すなわち、対物レンズ２００ａとビームスプリッタ２００ｂとの間に参照面２００ｃが配置されている。

対物レンズ２００ａは、集光作用を有しており、ビームスプリッタ２２（図１参照）から入射した測定光Ｌ１を、ビームスプリッタ２００ｂを通して被測定面Ｗに集光させる。

ビームスプリッタ２００ｂは、本発明の干渉部に相当するものであり、対物レンズ２００ａから入射する測定光Ｌ１の一部を参照光Ｌ２として分割し、残りの測定光Ｌ１をＺ方向下方側に透過して被測定面Ｗに出射し且つ参照光Ｌ２をＺ方向上方側の参照面２４ｃに向けて反射する。

参照面２００ｃは、例えば反射ミラーが用いられ、Ｚ方向下方側のビームスプリッタ２００ｂから入射した参照光Ｌ２をビームスプリッタ２００ｂに向けて反射する。この参照面２００ｃは、不図示の位置調整機構によってＺ方向の位置を手動調整可能である。これにより、ビームスプリッタ２００ｂと参照面２００ｃとの間の参照光路長Ｄ２を調整することができる。この参照光路長Ｄ２は、ＷＬＩモード時において、ビームスプリッタ２００ｂと被測定面Ｗとの間の測定光路長Ｄ１と一致するように調整される。

ビームスプリッタ２００ｂは、被測定面Ｗから戻る測定光Ｌ１と参照面２００ｃから戻る参照光Ｌ２との合波光Ｌ３を生成し、この合波光Ｌ３をＺ方向上方側の対物レンズ２００ａに向けて出射する。この合波光Ｌ３は、対物レンズ２００ａからビームスプリッタ２２に入射した後、上記各実施形態と同様に、結像レンズ３２を経てカメラ３４により撮像される。

ホルダ２００ｄは、上記各実施形態のホルダ２４ｄと同様に真鍮等の可逆的に熱変形可能な材料によってＺ方向に延びた筒形状に形成されており、対物レンズ２００ａ、ビームスプリッタ２００ｂ、及び参照面２００ｃを収納（保持）する。このホルダ２００ｄの中でビームスプリッタ２００ｂ及び参照面２００ｃを収納している部分（領域）が、参照面収納部２００ｄ１となる。

第３実施形態の温度調整部２６は、参照面収納部２００ｄ１の近傍に設けられており、既述の温度制御部１００の制御の下、少なくともビームスプリッタ２００ｂと参照面２００ｃとの間の温度、すなわち参照面収納部２００ｄ１の温度を調整する。これにより、参照面収納部２００ｄ１の温度を変化させることで、参照面収納部２００ｄ１を熱変形させて、この熱変形に応じて参照面２００ｃのＺ方向位置を調整可能である。その結果、参照面２００ｃのＺ方向位置を、参照光路長Ｄ２が測定光路長Ｄ１に一致する基準位置Ａ（図示は省略）と、参照光路長Ｄ２が測定光路長Ｄ１に一致しないシフト位置Ｂ（図示は省略）と、に調整することができる。このため、上記各実施形態と同様に参照光路長Ｄ２が調整可能になるので、白色干渉顕微鏡１０の測定モードを、ＷＬＩモードとＦＶモードとに選択的に切替可能になる。

温度センサ２８は、参照面収納部２００ｄ１の近傍に設けられており、ホルダ２００ｄの中で少なくとも参照面収納部２００ｄ１の温度を測定し、その温度測定結果を温度制御部１００へ出力する（図４参照）。これにより、上記各実施形態と同様に、温度制御部１００は、温度センサ２８の測定結果に基づき、参照面収納部２４ｄ２が目標温度（温度Ｔ_ＷＬＩ、温度Ｔ_ＦＶ）に調整されるように温度調整部２６を制御するフィードバック制御を行うことができる。

第３実施形態の断熱材３０は、干渉対物レンズ２００、温度調整部２６、及び温度センサ２８を覆うように設けられている。これにより、参照面収納部２００ｄ１及びその近傍を目標温度（温度Ｔ_ＷＬＩ、温度Ｔ_ＦＶ）で安定させることができる。なお、既述の図８に示した第２実施形態と同様に、断熱材３０Ａにより参照面収納部２００ｄ１、温度調整部２６、及び温度センサ２８のみを覆うようにしてもよい。

以上のように第３実施形態においても、ミラウ型の干渉対物レンズ２００の参照面収納部２００ｄ１（ホルダ２００ｄ）の温度制御により、参照面２００ｃのＺ方向位置を基準位置Ａとシフト位置Ｂとに再現性良く移動させられるので、上記各実施形態と同様に白色干渉顕微鏡１０の測定モードの切り替えが可能になる。その結果、上記各実施形態と同様の効果が得られる。

なお、白色干渉顕微鏡１０の測定モードを切り替える方法として、例えばマイケルソン型の干渉対物レンズ２４であれば、参照光Ｌ２の光路中にシャッタを挿脱することで測定モードをＦＶモードとＷＬＩモードとに切替可能である。しかしながら、ミラウ型の干渉対物レンズ２００の場合には、参照光Ｌ２の光路中にシャッタを挿入すると、測定光Ｌ１までシャッタにより遮られてしまうため、ＦＶモードでの測定を行うことができない。従って、第３実施形態の白色干渉顕微鏡１０のようにミラウ型の干渉対物レンズ２００を備えている場合には、参照面収納部２００ｄ１（ホルダ２００ｄ）の温度制御により測定モードの切り替えを行うことが有効である。

［その他］
上記各実施形態では、白色干渉顕微鏡１０にマイケルソン型の干渉対物レンズ２４又はミラウ型の干渉対物レンズ２００が設けられている場合を例に挙げて説明したが、例えばリニック型などの公知の各種干渉対物レンズを設けてもよい。また、干渉対物レンズ２４の各部（対物レンズ２４ａ，２００ａ、ビームスプリッタ２４ｂ，２００ｂ、参照面２４ｃ，２００ｃ）が別体に設けられていてもよい。

上記各実施形態では、駆動機構１２により白色干渉顕微鏡１０をＺ方向に走査しているが、少なくとも干渉対物レンズ２４、２００及びカメラ３４をＺ方向に走査可能であれば、走査対象は特に限定はされない。

［付記］
上記に詳述した実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書では以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。

［付記項１］
白色光である測定光を出射する光源部と、
前記光源部より出射された前記測定光から前記測定光の一部を参照光として分割し、前記測定光を被測定面に出射し且つ前記参照光を参照面に出射して、前記被測定面から戻る前記測定光と前記参照面から戻る前記参照光との合波光を生成する干渉部と、
前記干渉部が生成した前記合波光を撮像するカメラと、
前記干渉部と前記被測定面との間の前記測定光の光路長を測定光路長とした場合に、前記被測定面に対して前記干渉部及び前記カメラを、前記測定光路長が変化する走査方向に相対的に走査する走査部と、
前記走査部による走査の間、前記カメラに前記合波光を繰り返し撮像させる測定制御部と、
前記干渉部及び前記参照面を収納するホルダであって、温度変化に応じて可逆的に熱変形する材料で形成されており、前記温度変化に応じて前記干渉部と前記参照面との間の前記参照光の光路長である参照光路長を変化させるホルダと、
前記ホルダの温度を調整する温度調整部と、
前記温度調整部を制御して、前記参照光路長を前記測定光路長に一致させることで前記合波光に干渉縞を発生させる第１測定モードと、前記参照光路長を前記測定光路長とは異ならせることで前記合波光における前記干渉縞の発生を抑える第２測定モードと、に選択的に切替可能な温度制御部と、
を備える三次元形状測定装置。

［付記項２］
前記温度制御部が前記第１測定モードへの切り替えを行った場合に、前記カメラが、前記走査部による走査の間、前記合波光を繰り返し撮像して前記干渉縞を含む複数の第１画像を出力し、
前記カメラから出力された複数の前記第１画像の同一座標の画素ごとの輝度値に基づき、前記画素ごとに前記被測定面の高さ情報を演算して前記被測定面の三次元形状を求める第１形状演算部を備える付記項１に記載の三次元形状測定装置。

［付記項３］
前記温度制御部が前記第２測定モードへの切り替えを行った場合に、前記カメラが、前記走査部による走査の間、前記合波光を繰り返し撮像して干渉縞の発生が抑えられている複数の第２画像を出力し、
前記カメラから出力された複数の前記第２画像の同一座標の画素ごとに、前記走査方向における合焦度の変化を演算した結果に基づき、前記被測定面の三次元形状を求める第２形状演算部を備える付記項１又は２に記載の三次元形状測定装置。

［付記項４］
前記ホルダの温度を測定する温度測定部を備え、
前記温度制御部が、前記第１測定モードに対応する前記温度である第１温度と、前記第２測定モードに対応する前記温度である第２温度と、を含む目標温度を予め取得しており、
前記温度制御部が、前記温度測定部の測定結果と前記目標温度とに基づき、前記温度調整部を制御して、前記第１測定モードと前記第２測定モードとの切り替えを行う付記項１から３のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。

［付記項５］
前記温度調整部が、前記ホルダの中で前記参照面を収納している参照面収納部の温度を変化させ、
前記温度測定部が、前記参照面収納部の温度を測定する付記項４に記載の三次元形状測定装置。

［付記項６］
少なくとも、前記参照面収納部、前記温度測定部、及び前記温度調整部を覆う断熱材を備える付記項５に記載の三次元形状測定装置。

［付記項７］
前記走査部が、少なくとも前記ホルダ及び前記カメラを前記走査方向に移動させる付記項１から６のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。

［付記項８］
前記測定光を前記被測定面に集光する対物レンズを備え、
前記干渉部が、前記対物レンズと前記被測定面との間に配置され、
前記参照面が、前記対物レンズと前記干渉部との間に配置されている付記項１から７のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。

［付記項９］
白色光である測定光を出射する光源部と、
前記光源部より出射された前記測定光から前記測定光の一部を参照光として分割し、前記測定光を被測定面に出射し且つ前記参照光を参照面に出射して、前記被測定面から戻る前記測定光と前記参照面から戻る前記参照光との合波光を生成する干渉部と、
前記干渉部が生成した前記合波光を撮像するカメラと、
前記干渉部と前記被測定面との間の前記測定光の光路長を測定光路長とした場合に、前記被測定面に対して前記干渉部及び前記カメラを、前記測定光路長が変化する走査方向に相対的に走査する走査部と、
前記干渉部及び前記参照面を収納するホルダであって、温度変化に応じて可逆的に熱変形する材料で形成されており、前記温度変化に応じて前記干渉部と前記参照面との間の前記参照光の光路長である参照光路長を変化させるホルダと、
を備える三次元形状測定装置の測定モードの切替方法において、
前記ホルダの温度を調整して、前記参照光路長を前記測定光路長に一致させることで前記合波光に干渉縞を発生させる第１測定モードと、前記参照光路長を前記測定光路長とは異ならせることで前記合波光における前記干渉縞の発生を抑える第２測定モードと、に選択的に切り替える三次元形状測定装置の測定モードの切替方法。

９ 三次元形状測定装置
１０ 白色干渉顕微鏡
１２ 駆動機構
１４ スケール
１６ 制御装置
１７ 操作部
２０ 光源部
２２ ビームスプリッタ
２４ 干渉対物レンズ
２４ａ 対物レンズ
２４ｂ ビームスプリッタ
２４ｃ 参照面
２４ｄ ホルダ
２４ｄ１ レンズ鏡胴
２４ｄ２ 参照面収納部
２６ 温度調整部
２８ 温度センサ
３０ 断熱材
３０Ａ 断熱材
３２ 結像レンズ
３４ カメラ
３６ 撮像画像
１００ 温度制御部
１００ａ 温度取得部
１００ｂ 目標温度記憶部
１００ｃ 計算処理部
１００ｄ 出力制御部
１０２ 測定制御部
１０４ 第１形状演算部
１０６ 第２形状演算部
２００ 干渉対物レンズ
２００ａ 対物レンズ
２００ｂ ビームスプリッタ
２００ｃ 参照面
２００ｄ ホルダ
２００ｄ１ 参照面収納部
Ａ 基準位置
Ｂ シフト位置
Ｄ１ 測定光路長
Ｄ２ 参照光路長
Ｌ１ 測定光
Ｌ２ 参照光
Ｌ３ 合波光
Ｔ_ＦＶ 温度
Ｔ_ＷＬＩ 温度
Ｗ 被測定面
ΔＤ２ 変化量

Claims (9)

1. 白色光である測定光を出射する光源部と、
   前記光源部より出射された前記測定光から前記測定光の一部を参照光として分割し、前記測定光を被測定面に出射し且つ前記参照光を参照面に出射して、前記被測定面から戻る前記測定光と前記参照面から戻る前記参照光との合波光を生成する干渉部と、
   前記干渉部が生成した前記合波光を撮像するカメラと、
   前記干渉部と前記被測定面との間の前記測定光の光路長を測定光路長とした場合に、前記被測定面に対して前記干渉部及び前記カメラを、前記測定光路長が変化する走査方向に相対的に走査する走査部と、
   前記走査部による走査の間、前記カメラに前記合波光を繰り返し撮像させる測定制御部と、
   前記干渉部及び前記参照面を収納するホルダであって、温度変化に応じて可逆的に熱変形する材料で形成されており、前記温度変化に応じて前記干渉部と前記参照面との間の前記参照光の光路長である参照光路長を変化させるホルダと、
   前記ホルダの温度を調整する温度調整部と、
   前記温度調整部を制御して、前記参照光路長を前記測定光路長に一致させることで前記合波光に干渉縞を発生させる第１測定モードと、前記参照光路長を前記測定光路長とは異ならせることで前記合波光における前記干渉縞の発生を抑える第２測定モードと、に選択的に切替可能な温度制御部と、
   を備える三次元形状測定装置。
2. 前記温度制御部が前記第１測定モードへの切り替えを行った場合に、前記カメラが、前記走査部による走査の間、前記合波光を繰り返し撮像して前記干渉縞を含む複数の第１画像を出力し、
   前記カメラから出力された複数の前記第１画像の同一座標の画素ごとの輝度値に基づき、前記画素ごとに前記被測定面の高さ情報を演算して前記被測定面の三次元形状を求める第１形状演算部を備える請求項１に記載の三次元形状測定装置。
3. 前記温度制御部が前記第２測定モードへの切り替えを行った場合に、前記カメラが、前記走査部による走査の間、前記合波光を繰り返し撮像して干渉縞の発生が抑えられている複数の第２画像を出力し、
   前記カメラから出力された複数の前記第２画像の同一座標の画素ごとに、前記走査方向における合焦度の変化を演算した結果に基づき、前記被測定面の三次元形状を求める第２形状演算部を備える請求項１又は２に記載の三次元形状測定装置。
4. 前記ホルダの温度を測定する温度測定部を備え、
   前記温度制御部が、前記第１測定モードに対応する前記温度である第１温度と、前記第２測定モードに対応する前記温度である第２温度と、を含む目標温度を予め取得しており、
   前記温度制御部が、前記温度測定部の測定結果と前記目標温度とに基づき、前記温度調整部を制御して、前記第１測定モードと前記第２測定モードとの切り替えを行う請求項１又は２に記載の三次元形状測定装置。
5. 前記温度調整部が、前記ホルダの中で前記参照面を収納している参照面収納部の温度を変化させ、
   前記温度測定部が、前記参照面収納部の温度を測定する請求項４に記載の三次元形状測定装置。
6. 少なくとも、前記参照面収納部、前記温度測定部、及び前記温度調整部を覆う断熱材を備える請求項５に記載の三次元形状測定装置。
7. 前記走査部が、少なくとも前記ホルダ及び前記カメラを前記走査方向に移動させる請求項１又は２に記載の三次元形状測定装置。
8. 前記測定光を前記被測定面に集光する対物レンズを備え、
   前記干渉部が、前記対物レンズと前記被測定面との間に配置され、
   前記参照面が、前記対物レンズと前記干渉部との間に配置されている請求項１又は２に記載の三次元形状測定装置。
9. 白色光である測定光を出射する光源部と、
   前記光源部より出射された前記測定光から前記測定光の一部を参照光として分割し、前記測定光を被測定面に出射し且つ前記参照光を参照面に出射して、前記被測定面から戻る前記測定光と前記参照面から戻る前記参照光との合波光を生成する干渉部と、
   前記干渉部が生成した前記合波光を撮像するカメラと、
   前記干渉部と前記被測定面との間の前記測定光の光路長を測定光路長とした場合に、前記被測定面に対して前記干渉部及び前記カメラを、前記測定光路長が変化する走査方向に相対的に走査する走査部と、
   前記干渉部及び前記参照面を収納するホルダであって、温度変化に応じて可逆的に熱変形する材料で形成されており、前記温度変化に応じて前記干渉部と前記参照面との間の前記参照光の光路長である参照光路長を変化させるホルダと、
   を備える三次元形状測定装置の測定モードの切替方法において、
   前記ホルダの温度を調整して、前記参照光路長を前記測定光路長に一致させることで前記合波光に干渉縞を発生させる第１測定モードと、前記参照光路長を前記測定光路長とは異ならせることで前記合波光における前記干渉縞の発生を抑える第２測定モードと、に選択的に切り替える三次元形状測定装置の測定モードの切替方法。

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