JP5332192B2 - 3D shape measuring device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional shape measuring apparatus capable of measuring a three-dimensional shape without mechanical movement of the device. <P>SOLUTION: A shape measuring apparatus 1 includes: a light source 2 capable of emitting light at a wavelength that varies within a predetermined band of wavelengths; a two-dimensional chart 3 having a recurring pattern; an objective optical system 7, having a predetermined amount of chromatic aberration, which projects, on a subject S, an image of the two-dimensional chart 3 illuminated by the light emitted from the light source 2; imaging devices 10 to 12 for picking up the projected image of the two-dimensional chart 3 with the projected image scattered by the subject S; and a control unit 13 for calculating a three-dimensional shape of the subject S in accordance with stored chart data and the amount of chromatic aberration of the objective optical system 7. The imaging devices 10 to 12 also store the projected image of the two-dimensional chart 3 as chart data in a storage area in correspondence with the wavelength of the light emitted from the light source 2 when the projected image of the two-dimensional chart 3 was obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、3次元形状測定装置に関するものである。   The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus.

物体表面の3次元形状を非接触で光学的に精密測定する装置として、光学系の軸上色収差を利用する装置が知られている(例えば、特許文献1及び2参照)。この種の装置では、意図的に軸上色収差を持たせた投影光学系と複数波長の光を出力可能な光源とを用いることで非接触で3次元形状を測定することを可能としている。
特許第2812371号明細書 特開平7−229720号公報
As an apparatus for optically measuring the three-dimensional shape of an object surface in a non-contact manner, an apparatus using axial chromatic aberration of an optical system is known (for example, see Patent Documents 1 and 2). In this type of apparatus, it is possible to measure a three-dimensional shape in a non-contact manner by using a projection optical system that intentionally has axial chromatic aberration and a light source that can output light of a plurality of wavelengths.
Japanese Patent No. 2812371 JP 7-229720 A

3次元形状を測定する際、被測定体と当該被測定体に投光する光との間の相対的な位置関係を機械的に変化させると、測定時間が長くなる上、走査機構が必要となるため、装置の複雑化をも招く。   When measuring the three-dimensional shape, mechanically changing the relative positional relationship between the object to be measured and the light projected onto the object to be measured increases the measurement time and requires a scanning mechanism. Therefore, the apparatus is also complicated.

本発明は、装置の機械的な動きを伴うことなく3次元の形状を測定することが可能な3次元形状測定装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a three-dimensional shape measuring apparatus that can measure a three-dimensional shape without mechanical movement of the apparatus.

本発明を例示する態様に従えば、被測定体の3次元形状を測定する装置であって、所定の波長帯域の中で波長を変えて光を出力することができる光源と、光を透過する領域を有するパターンが所定の方向に沿って繰り返される2次元チャートと、所定の量の色収差を有し、光源から出力された光によって照明された2次元チャートの像を被測定体に投影する投影光学系と、被測定体で散乱された2次元チャートの投影像を撮像して、当該2次元チャートの投影像を得た際の光源からの出力光の波長に対応させて撮像された2次元チャートの投影像をチャートデータとして保存領域に保存する撮像部と、保存領域に保存されたチャートデータ及び投影光学系の色収差量に基づいて被測定体の3次元形状を算出する撮像データ処理部と、を備える3次元形状測定装置が提供される。   According to an embodiment illustrating the present invention, an apparatus for measuring a three-dimensional shape of a measurement object, a light source capable of changing the wavelength in a predetermined wavelength band and outputting light, and transmitting light A projection for projecting an image of a two-dimensional chart in which a pattern having a region is repeated along a predetermined direction and an image of the two-dimensional chart having a predetermined amount of chromatic aberration and illuminated by light output from a light source onto a measurement object A two-dimensional image picked up corresponding to the wavelength of the output light from the light source when the projection image of the two-dimensional chart scattered by the optical system and the object to be measured is obtained. An imaging unit that saves a projected image of the chart as chart data in a storage area; an imaging data processing unit that calculates a three-dimensional shape of the measurement object based on the chart data stored in the storage area and the amount of chromatic aberration of the projection optical system; With Dimension shape measuring apparatus is provided.

本発明によれば、装置の機械的な動きを伴うことなく3次元の形状を測定することが可能な3次元形状測定装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the three-dimensional shape measuring apparatus which can measure a three-dimensional shape without accompanying the mechanical motion of an apparatus can be provided.

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
(第1実施形態)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, the same reference numerals are used for the same elements or elements having the same function, and redundant description is omitted.
(First embodiment)

図1を参照して、第1実施形態に係る形状測定装置1の構成について説明する。図1は、第1実施形態に係る形状測定装置の構成図である。   With reference to FIG. 1, the structure of the shape measuring apparatus 1 which concerns on 1st Embodiment is demonstrated. FIG. 1 is a configuration diagram of a shape measuring apparatus according to the first embodiment.

図1に示す形状測定装置1は、スペクトラム光源2と、2次元チャート3と、コリメータ4と、偏光ビームスプリッタ5と、1/4波長板6と、対物光学系(投影光学系)7と、結像光学系8と、波長帯分岐プリズム(分岐部)9と、第1の撮像装置10と、第2の撮像装置11と、第3の撮像装置12と、制御ユニット13とを備えている。形状測定装置1は、スペクトラム光源2から出力された光Lで照明された2次元チャート3の像を対物光学系7によって被測定体S上に投影し、被測定体S上の2次元チャート3の投影像の散乱光を撮像したデータと対物光学系7が有する軸上色収差とを比較することによって、被測定体Sの3次元形状を測定する装置である。   A shape measuring apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a spectrum light source 2, a two-dimensional chart 3, a collimator 4, a polarizing beam splitter 5, a quarter wavelength plate 6, an objective optical system (projection optical system) 7, An imaging optical system 8, a wavelength band branching prism (branching unit) 9, a first imaging device 10, a second imaging device 11, a third imaging device 12, and a control unit 13 are provided. . The shape measuring apparatus 1 projects an image of the two-dimensional chart 3 illuminated with the light L output from the spectrum light source 2 onto the measured object S by the objective optical system 7, and the two-dimensional chart 3 on the measured object S. This is a device that measures the three-dimensional shape of the measurement object S by comparing the data obtained by capturing the scattered light of the projected image of this and the axial chromatic aberration of the objective optical system 7.

スペクトラム光源2は、複数(本実施形態では3つ)の波長帯域である第1の波長帯域WB1、第2の波長帯域WB2、及び第3の波長帯域WB3それぞれの中で波長を変えて、複数の部分波長帯(スペクトラム)の光を同時に出力することができる。複数の部分波長帯は何れも、第1〜第3の波長帯域WB1、WB2、WB3の何れかの一部の波長帯域である。スペクトラム光源2は、各波長帯域WB1、WB2、WB3の中で波長帯(スペクトラム)を変えて光Lを出力する。スペクトラム光源2は、光源装置21と、光源コリメータ22と、拡散素子23と、照明光学系24とを備える。   The spectrum light source 2 has a plurality of (three in the present embodiment) wavelength bands, the first wavelength band WB1, the second wavelength band WB2, and the third wavelength band WB3, each having a different wavelength. The light of the partial wavelength band (spectrum) can be output simultaneously. Each of the plurality of partial wavelength bands is a partial wavelength band of any one of the first to third wavelength bands WB1, WB2, and WB3. The spectrum light source 2 outputs light L by changing the wavelength band (spectrum) among the wavelength bands WB1, WB2, and WB3. The spectrum light source 2 includes a light source device 21, a light source collimator 22, a diffusion element 23, and an illumination optical system 24.

光源装置21は、所望の波長帯を有する光Lを出力する。光源コリメータ22は、光源装置21から出力された光Lをコリメートし、平行光束とする。拡散素子23は、光束コリメータ22で平行光束とされた光Lを拡散する。拡散素子23として、例えば拡散板、又はフライアイレンズ等を用いることができる。   The light source device 21 outputs light L having a desired wavelength band. The light source collimator 22 collimates the light L output from the light source device 21 into a parallel light beam. The diffusing element 23 diffuses the light L that has been converted into a parallel light beam by the light beam collimator 22. As the diffusing element 23, for example, a diffusing plate or a fly-eye lens can be used.

ここで、図2を参照して、光源装置21の構成について説明する。図2は、光源装置21の構成図である。図2に示すように、幾何光学的にはほぼ点光源とみなせ、しかも連続スペクトラム光源という特徴を持つスーパーコンティニュアム光源からの平行光束B1を出力する光源部101から出力される連続スペクトラム平行光束B1は、偏光分岐素子102に入射する。なお、図2において、光線に付された両方向矢印と黒丸は、それぞれ、互いに直角な偏光の振動方向を示している。これらの2つが同時に記載されている光線は、両方の偏光成分を併せ持つ光線を示す。   Here, the configuration of the light source device 21 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a configuration diagram of the light source device 21. As shown in FIG. 2, a continuous spectrum parallel light beam output from a light source unit 101 that outputs a parallel light beam B1 from a supercontinuum light source, which can be regarded as a point light source in terms of geometric optics, and has a feature of a continuous spectrum light source. B 1 is incident on the polarization splitting element 102. In FIG. 2, double-directional arrows and black circles attached to the light beams indicate vibration directions of polarized light that are perpendicular to each other. A light beam in which these two are described simultaneously indicates a light beam having both polarization components.

偏光分岐素子102は、入射光を、互いに直交する2つの直線偏光成分を有する出力光として分岐出力するもので、例えばカルサイトなどの複屈折結晶からなるウォラストンプリズムにすれば高い消光比(100000:1程度)が得られる。ウォラストンプリズムの代わりに、ノマルスキープリズム等を用いてもよい。なお、偏光分岐素子102は表面反射光束が光源部101の中の光源点に戻らないよう、わずかに傾けて設置する。   The polarization splitting element 102 splits and outputs incident light as output light having two linearly polarized light components orthogonal to each other. For example, if a Wollaston prism made of a birefringent crystal such as calcite is used, a high extinction ratio (100,000) is obtained. : About 1). A Nomarski prism or the like may be used instead of the Wollaston prism. The polarization splitting element 102 is installed with a slight inclination so that the surface reflected light flux does not return to the light source point in the light source unit 101.

図2では平行光束B1を偏向させるために平面ミラー110を設置してあるが、これは配置上の必要性に応じて設置してもしなくてもよい。   In FIG. 2, the plane mirror 110 is installed to deflect the parallel light beam B1, but this may or may not be installed according to the necessity in arrangement.

平行光束B1は、偏光分岐素子102によって互いに直交する偏光成分別に光束B2とB3に分解され、所定の角度をなして別方向に進行する。次に、正のパワーを有する第一フォーカシング光学系103によって、これらの光束B2、B3はそれぞれほぼ点像に集光される。ここで、偏光分岐素子102内にできている光束B2とB3の分岐点と、第一フォーカシング光学系103の焦平面とをなるべく一致させることが望ましい。そうすることで、第一フォーカシング光学系103通過後の光束B2とB3の2本の主光線は平行となる。   The parallel light beam B1 is decomposed into light beams B2 and B3 according to polarization components orthogonal to each other by the polarization splitter 102, and travels in a different direction at a predetermined angle. Next, the first focusing optical system 103 having a positive power condenses these light beams B2 and B3 into point images. Here, it is desirable to make the branch point of the light beams B2 and B3 formed in the polarization branching element 102 coincide with the focal plane of the first focusing optical system 103 as much as possible. By doing so, the two principal rays of the light beams B2 and B3 after passing through the first focusing optical system 103 become parallel.

この点像位置に分光器104の入出力スリット141を設置する。スーパーコンティニュアム光源やレーザ光源ならば、ほぼ点状に集光できるので、入出力スリット141は必要というわけではないが、余計な光が分光器104の内部に混入するのを防げるのであった方がよい。分光器104は波長分散型とする。図2に示した例ではグレーティングを波長分散素子143とし、コリメータ142とカメラ光学系144とが設けられている。なお、グレーティングの代わりにプリズム等の波長分散素子を適宜使用することができる。   An input / output slit 141 of the spectroscope 104 is installed at this point image position. A super continuum light source or a laser light source can collect light in a substantially point-like manner, so that the input / output slit 141 is not necessary, but extra light can be prevented from entering the spectroscope 104. Better. The spectrometer 104 is a wavelength dispersion type. In the example shown in FIG. 2, the grating is a wavelength dispersion element 143, and a collimator 142 and a camera optical system 144 are provided. A wavelength dispersion element such as a prism can be used as appropriate instead of the grating.

分光器104は、入出力スリット141開口面上の2つの点像を波長分解して、発光源のスペクトラム像を2つ形成する。2つのスペクトラム像は2本のほぼ平行に並んだ線形状になる。それぞれの線状スペクトラム像位置に対して1つの反射型液晶素子アレイが対応するよう2列アレイ構成とした反射型液晶素子アレイデバイス106が設置される。その内部に備えられている反射型液晶素子内ミラーのミラー面上にスペクトラム像が所定の波長範囲においてあまさず形成され、かつ反射されるように位置が決められている。従って、光束B2とB3は反射されて分光器104内部に戻る。   The spectrometer 104 wavelength-resolves two point images on the opening surface of the input / output slit 141 to form two spectrum images of the light source. The two spectrum images have two linear lines arranged in parallel. A reflective liquid crystal element array device 106 having a two-row array configuration is installed so that one reflective liquid crystal element array corresponds to each linear spectrum image position. The position is determined so that the spectrum image is completely formed and reflected in a predetermined wavelength range on the mirror surface of the mirror in the reflective liquid crystal element provided therein. Therefore, the light beams B2 and B3 are reflected and returned to the inside of the spectrometer 104.

分光器104の光学系は、各反射型液晶素子に入射する該当波長要素光束の主光線がなるべく平行に配列するよう設計されてあることが望ましい。これは、波長分散素子143状の各波長の主光線の分岐点を、カメラ光学系144の焦平面上、あるいはその近傍に配置することで実現できる。そうすることにより、平面上に配列している反射型液晶素子アレイ161及び162への入射角度条件をそろえることができ、入射角度のばらつきによるリターデーション特性のばらつきを発生させなくすることができる。また、迷光の方向を揃えることができ、迷光の処理を容易にすることができる。   The optical system of the spectroscope 104 is preferably designed so that the principal rays of the corresponding wavelength component light beams incident on the respective reflective liquid crystal elements are arranged in parallel as much as possible. This can be realized by arranging the branch point of the principal ray of each wavelength of the wavelength dispersion element 143 on the focal plane of the camera optical system 144 or in the vicinity thereof. By doing so, the incident angle conditions to the reflective liquid crystal element arrays 161 and 162 arranged on the plane can be made uniform, and variations in retardation characteristics due to variations in incident angles can be prevented. Moreover, the direction of stray light can be aligned, and the processing of stray light can be facilitated.

反射型液晶素子アレイデバイス106の光入出力面には必要に応じてリターデーション補償板105を接着しておく。リターデーション補償板105は液晶素子にわずかに残してある初期リターデーション、および偏光分岐素子102と反射型液晶素子アレイデバイス106との間の光学系を原因として発生する可能性のあるリターデーションとを相殺するために用いられる。このとき接着面での反射光は迷光になる恐れがあるので、所定の値以下になるように注意する。必要があれば接着面にも反射防止膜を施す。   A retardation compensation plate 105 is bonded to the light input / output surface of the reflective liquid crystal element array device 106 as necessary. The retardation compensator 105 has an initial retardation slightly left in the liquid crystal element, and a retardation that may be generated due to the optical system between the polarization splitting element 102 and the reflective liquid crystal element array device 106. Used to offset. At this time, the reflected light on the adhesive surface may become stray light, so care should be taken to keep it below a predetermined value. If necessary, an antireflection film is also applied to the adhesive surface.

通常は2つの反射型液晶素子アレイ161,162に対して1つのリターデーション補償板105を用意すれば足りるが、必要なら2分岐された直線偏光光束経路個々に対して最適化した2枚のリターデーション補償板を用意し、それぞれを該当する反射型液晶素子アレイ上に貼り付けてもよい。   Normally, it is sufficient to prepare one retardation compensator 105 for the two reflective liquid crystal element arrays 161 and 162, but if necessary, two retarders optimized for each of the two linearly polarized light beam paths. It is also possible to prepare a foundation compensator and paste each on a corresponding reflective liquid crystal element array.

反射型液晶素子アレイデバイス106を分光光束が反射する際、個々の液晶素子に独立的に印加された電圧にしたがってリターデーションが発生する。したがって反射型液晶素子アレイデバイス106反射後の偏光状態は一般的には楕円偏光である。反射型液晶素子アレイデバイス106によって、波長要素ごとに独立的に所定のリターデーションを発生させ楕円偏光化することで偏光分岐素子102を再通過する際に、分光アッテネーション作用を発生させ、出力光に対して所望のスペクトラム特性を持たせる。   When the spectroscopic light beam is reflected from the reflective liquid crystal element array device 106, retardation is generated according to the voltage applied independently to each liquid crystal element. Therefore, the polarization state after reflection of the reflective liquid crystal element array device 106 is generally elliptically polarized light. The reflective liquid crystal element array device 106 generates a predetermined retardation independently for each wavelength element and elliptically polarizes it to generate a spectral attenuation effect when re-passing through the polarization splitting element 102, thereby generating output light. On the other hand, a desired spectrum characteristic is given.

なお、光束B2、B3の偏光状態差は、波長分散素子143に入射する際、および反射型液晶素子アレイデバイス106で反射された後波長分散素子143に再入射する際、ともに大きく異なっている。波長分散素子143の分光透過特性(または分光反射特性)には通常偏光依存性があるが、とりわけグレーティングの場合には顕著に現れる。この波長分散素子143の分光特性偏光依存性をなくしたいときには、波長分散素子143の分光特性偏光依存性が相殺されるよう、光束B4とB5とが偏光分岐素子102を再通過する時の偏光分岐素子102による分光アッテネーション量に差異を持たせればよい。これは、光束B4とB5に反射型液晶素子アレイ161、162間で波長の関数としての所定の量だけ異なるリターデーション量を付加させれば実現する。   Note that the polarization state difference between the light beams B2 and B3 is greatly different both when entering the wavelength dispersion element 143 and when entering the wavelength dispersion element 143 after being reflected by the reflective liquid crystal element array device 106. The spectral transmission characteristic (or spectral reflection characteristic) of the wavelength dispersive element 143 usually has polarization dependence, but it appears particularly in the case of a grating. When it is desired to eliminate the spectral characteristic polarization dependency of the wavelength dispersion element 143, the polarization branching when the light beams B4 and B5 re-pass the polarization branching element 102 so that the spectral characteristic polarization dependency of the wavelength dispersion element 143 is canceled. What is necessary is just to give a difference in the amount of spectral attenuation by the element 102. This is realized by adding retardation amounts different by a predetermined amount as a function of wavelength between the reflective liquid crystal element arrays 161 and 162 to the light beams B4 and B5.

図2に示すように、反射型液晶素子アレイデバイス106には後述の制御ユニット13が接続されている。制御ユニット13は、各液晶素子への印加電圧を制御する。制御ユニット13への制御信号は、図示はしていないが、外部のパソコン等の制御装置から与えられる。   As shown in FIG. 2, a control unit 13 described later is connected to the reflective liquid crystal element array device 106. The control unit 13 controls the voltage applied to each liquid crystal element. Although not shown, the control signal to the control unit 13 is given from a control device such as an external personal computer.

反射型液晶素子アレイデバイス106を反射した光束は分光器104を逆進する中、波長合波作用を受け、2本の白色光束B4とB5に戻る。そして入出力スリット141上で、入力時と同じ位置に集光する。   The light beam reflected by the reflective liquid crystal element array device 106 is subjected to wavelength multiplexing while returning to the spectroscope 104, and returns to the two white light beams B4 and B5. Then, the light is condensed on the input / output slit 141 at the same position as that at the time of input.

入出力スリット141の開口上にできる2つのスポットの中心を結ぶ直線を含む平面のうち、この2つのスポットに集光する光束(集光光束)の2本の主光線を含む平面に対して直交する平面を入出力スリット面と名づける。光束B2、B3の主光線が、入出力スリット141のそれぞれのスポットに入射するとき、それぞれの主光線が入出力スリット面の法線に対して、集光光束の集光NAよりも大きな角度をなして入射するように、光束B2、B3の主光線の入射角度を傾けておく。そうすることで、入出力スリット141から反射型液晶素子アレイデバイス106までの光束B2、B3と、反射型液晶素子アレイデバイス106で反射後入出力スリット141まで戻る出力光束B4、B5とが、入出力スリット141近傍および反射型液晶素子アレイデバイス106の反射点近傍以外では分離するようになる。これは、入出力スリット141と、反射型液晶素子デバイス106の反射面とが共役にされていることから明らかである。   Of the plane including the straight line connecting the centers of the two spots formed on the opening of the input / output slit 141, the plane is orthogonal to the plane including the two principal rays of the light beam (condensed light beam) condensed on the two spots. This plane is called the input / output slit surface. When the chief rays of the light beams B2 and B3 are incident on the respective spots of the input / output slit 141, the chief rays have an angle greater than the condensing NA of the condensed light flux with respect to the normal of the input / output slit surface. The incident angles of the principal rays of the light beams B2 and B3 are tilted so that the light is incident. By doing so, the light beams B2 and B3 from the input / output slit 141 to the reflective liquid crystal element array device 106 and the output light beams B4 and B5 returning to the input / output slit 141 after being reflected by the reflective liquid crystal element array device 106 are input. They are separated except in the vicinity of the output slit 141 and in the vicinity of the reflection point of the reflective liquid crystal element array device 106. This is apparent from the fact that the input / output slit 141 and the reflective surface of the reflective liquid crystal element device 106 are conjugated.

なお、液晶素子内を通過する光線には本来角度分布などない方が望ましく、この場合も入射光束と反射光束とが角度をなさない方がよいが、光束NAを十分小さく設定し、光束入射傾角もなるべく小さく抑えることで、光線角度分布の弊害を低減させることができる。   In addition, it is desirable that the light beam passing through the liquid crystal element does not have an angular distribution. In this case, it is preferable that the incident light beam and the reflected light beam do not form an angle. In addition, by suppressing as much as possible, the adverse effect of the light angle distribution can be reduced.

分光器104の入出力スリット141から出力された光束は、第一フォーカシング光学系103でコリメートされた後、偏光分岐素子102に戻る。   The light beam output from the input / output slit 141 of the spectroscope 104 is collimated by the first focusing optical system 103 and then returns to the polarization splitting element 102.

前述の通り第一フォーカシング光学系103の焦平面を偏光分岐素子102の偏光分岐点に合わせることで、分光器104の入出力スリット141に入射する2本の光束B2、B3の主光線は互いに平行となり、入出力スリット141から射出する2本の光束B4、B5の主光線も互いに平行となる。また第一フォーカシング光学系103によってコリメート作用を受けるのと同時に、2本の光束B4、B5は偏光分岐素子102内において交わる。このとき、前述のように、光束B2、B3と光束B4、B5とが分離されているので、偏光分岐素子102に光束B4、B5が入射する位置は、光束B2、B3が入射する位置とは異なる位置となる。   As described above, by adjusting the focal plane of the first focusing optical system 103 to the polarization branching point of the polarization branching element 102, the principal rays of the two light beams B2 and B3 incident on the input / output slit 141 of the spectroscope 104 are parallel to each other. Thus, the principal rays of the two light beams B4 and B5 emitted from the input / output slit 141 are also parallel to each other. At the same time that the collimating action is received by the first focusing optical system 103, the two light beams B4 and B5 intersect in the polarization splitting element 102. At this time, as described above, since the light beams B2 and B3 and the light beams B4 and B5 are separated, the positions where the light beams B4 and B5 are incident on the polarization branching element 102 are the positions where the light beams B2 and B3 are incident. It will be in a different position.

偏光分岐素子102に戻った2本の白色光束B4、B5は、偏光成分によって、光源部101から発した光束B1が最初に偏光分岐素子102に入射する方向と平行な方向に偏向される第一偏向成分と、それ以外の方向に偏向される第二偏向成分および第三偏向成分とに分かれる。   The two white light beams B4 and B5 that have returned to the polarization branching element 102 are first deflected in a direction parallel to the direction in which the light beam B1 emitted from the light source unit 101 first enters the polarization branching element 102 by the polarization component. It is divided into a deflection component and a second deflection component and a third deflection component deflected in other directions.

第一偏向成分は、戻って来た2本の白色光束それぞれの成分がほぼ重なり、おおよそ1本の光束となって偏光分岐素子102から出て行く。これを出力光束B8と呼ぶ。第二偏向成分および第三偏向偏光成分光は偏光分岐素子通過後、異なる2方向に進行する。これらを廃棄光束B6、B7と呼ぶ。   As the first deflection component, the components of the two white light beams that have returned are almost overlapped, and the light comes out of the polarization splitting element 102 as approximately one light beam. This is called an output light beam B8. The second deflection component light and the third deflection polarization component light travel in two different directions after passing through the polarization splitting element. These are referred to as discarded light beams B6 and B7.

このとき、前述のように、偏光分岐素子102に光束B4、B5が入射する位置は、光束B2、B3が入射する位置とは異なる位置となるので、偏光分岐素子102を通過した出力光束B8が光源部101に直接戻ることが避けられ、光源部101の動作が不安定化することがない。   At this time, as described above, the positions at which the light beams B4 and B5 are incident on the polarization branching element 102 are different from the positions at which the light beams B2 and B3 are incident. Therefore, the output light beam B8 that has passed through the polarization branching element 102 is Direct return to the light source unit 101 is avoided, and the operation of the light source unit 101 does not become unstable.

光路に沿って偏光分岐素子102の次に、正のパワーを有する第二フォーカシング光学系108を設置し、特に出力光束B8を集光させる。廃棄光束B6、B7は第二フォーカシング光学系108に入射させてもさせなくてもどちらでもかまわない。出力光束B8の集光点にピンホール109を設置し、出力光束B8だけを通過させることで、所望のスペクトラムを有した光束を得る。   A second focusing optical system 108 having a positive power is installed next to the polarization splitting element 102 along the optical path, and in particular, the output light beam B8 is condensed. The discarded light beams B6 and B7 may or may not be incident on the second focusing optical system 108. A pinhole 109 is installed at the condensing point of the output light beam B8, and only the output light beam B8 is allowed to pass therethrough to obtain a light beam having a desired spectrum.

なお、第二フォーカシング光学系108とピンホール109を設ける代わりに、単に出力光束B8のみを通過させる開口を設けるようにしてもよい。この場合には、第二フォーカシング光学系108とピンホール109を設けた場合に比して、取り出される光束に多少の迷光が混じることが避けられないが、これが問題にならなければ、このような構成でも、所望のスペクトラムを有した光束を得ることができる。   Instead of providing the second focusing optical system 108 and the pinhole 109, an opening that allows only the output light beam B8 to pass therethrough may be provided. In this case, as compared with the case where the second focusing optical system 108 and the pinhole 109 are provided, it is inevitable that some stray light is mixed in the extracted light beam. Even in the configuration, a light beam having a desired spectrum can be obtained.

再び、図1を参照して形状測定装置1の説明を続ける。照明光学系24は、正のパワーを有する。また、照明光学系24は、その焦点位置が拡散素子23に一致するよう配置される。   Again, description of the shape measuring apparatus 1 is continued with reference to FIG. The illumination optical system 24 has a positive power. Further, the illumination optical system 24 is arranged so that its focal position coincides with the diffusing element 23.

2次元チャート3は、スペクトラム光源2によって照明される。また、2次元チャート3は、拡散素子23が配置された側とは反対側の照明光学系24の焦点位置であって、且つ後述のコリメータ4の焦点位置に配置される。図3を参照して、2次元チャート3が有するパターンについて説明する。図3は、2次元チャート3を形状測定装置1の光軸Axに沿って見たときの平面図を表す。   The two-dimensional chart 3 is illuminated by the spectrum light source 2. The two-dimensional chart 3 is arranged at the focal position of the illumination optical system 24 opposite to the side where the diffusing element 23 is arranged and at the focal position of the collimator 4 described later. With reference to FIG. 3, the pattern which the two-dimensional chart 3 has is demonstrated. FIG. 3 shows a plan view when the two-dimensional chart 3 is viewed along the optical axis Ax of the shape measuring apparatus 1.

2次元チャート3には、図3に示されるように、ピンホール3Aが2次元的に配列されている。そして、2次元チャート3では、ピンホール3Aによる2次元パターンが、光軸Axと直交し且つ互いに直交する2つの方向に沿って繰り返される。ピンホール3Aは、光を透過する透過領域として機能する。   In the two-dimensional chart 3, as shown in FIG. 3, pinholes 3A are two-dimensionally arranged. In the two-dimensional chart 3, the two-dimensional pattern by the pinhole 3A is repeated along two directions orthogonal to the optical axis Ax and orthogonal to each other. The pinhole 3A functions as a transmission region that transmits light.

再び、図1を参照して形状測定装置1の説明を続ける。コリメータ4は、2次元チャート3の透過領域を通過した照明光Lをコリメートして、平行光束とする。図1に示されるように、コリメータ4は正のパワーを有する。コリメータ4は、軸上色収差及び倍率色収差(焦点距離の色収差)の両方ともを十分除去するように設計されている。   Again, description of the shape measuring apparatus 1 is continued with reference to FIG. The collimator 4 collimates the illumination light L that has passed through the transmission region of the two-dimensional chart 3 to produce a parallel light beam. As shown in FIG. 1, the collimator 4 has a positive power. The collimator 4 is designed to sufficiently remove both axial chromatic aberration and lateral chromatic aberration (focal length chromatic aberration).

偏光ビームスプリッタ5は、照明光LのP偏光成分(又はS偏光成分)を透過し、S偏光成分(P偏光成分)を反射する。これにより、偏光ビームスプリッタ5で反射された照明光Lは直線偏光化される。偏光ビームスプリッタ5は、反射により照明光Lの光路を略90°偏向する。また、偏光ビームスプリッタ5は、後述の被測定体Sでの散乱された後、後述の1/4波長板6を通過した光Lのうち、所定の直線偏光成分を有する光を透過する。   The polarization beam splitter 5 transmits the P-polarized component (or S-polarized component) of the illumination light L and reflects the S-polarized component (P-polarized component). Thereby, the illumination light L reflected by the polarization beam splitter 5 is linearly polarized. The polarization beam splitter 5 deflects the optical path of the illumination light L by approximately 90 ° by reflection. The polarization beam splitter 5 transmits light having a predetermined linearly polarized light component among the light L that has been scattered by the measurement object S described later and then passed through the quarter wavelength plate 6 described later.

1/4波長板6は、偏光ビームスプリッタ5で光路が偏向された照明光Lを円偏光に変換する。1/4波長板6は、後述の被測定体Sでの散乱光Lの中の所定の偏光成分光を直線偏光に変換する。このとき、この成分光の偏光面は、偏光ビームスプリッタ5で反射された照明光Lの偏光面に対し光軸Axを中心として90°回転しているので、偏光ビームスプリッタ5を透過する。   The quarter wavelength plate 6 converts the illumination light L whose optical path is deflected by the polarization beam splitter 5 into circularly polarized light. The quarter wavelength plate 6 converts predetermined polarization component light in the scattered light L from the measurement object S to be described later into linearly polarized light. At this time, the polarization plane of the component light is rotated by 90 ° about the optical axis Ax with respect to the polarization plane of the illumination light L reflected by the polarization beam splitter 5, and thus passes through the polarization beam splitter 5.

対物光学系7は、被測定体S上に投影した2次元チャート3の像が被測定体Sで散乱(反射も含む)された光の一部をコリメートして1/4波長板6に入射させる。すなわち、対物光学系7は、スペクトラム光源2から出力された光Lによって照明された2次元チャート3の像を被測定体Sに投影する。対物光学系7は、照明光Lの波長により、被測定体S上において対物光学系7の光軸Ax方向で異なる位置に2次元チャート3の像を投影する。具体的には、3つの波長λ、λ、λの光(λ<λ<λ)を考えたとき、波長λの光Lは対物光学系7の光軸Ax方向における位置Fで合焦し、波長λの光Lは対物光学系7の光軸Ax方向における位置Fで合焦し、波長λの光Lは対物光学系7の光軸Ax方向における位置Fで合焦する。ここで、位置F、F、Fは、この順でスペクトラム光源2に近い。 The objective optical system 7 collimates a part of the light of the image of the two-dimensional chart 3 projected on the measurement object S and is scattered (including reflection) by the measurement object S and enters the quarter-wave plate 6. Let That is, the objective optical system 7 projects the image of the two-dimensional chart 3 illuminated by the light L output from the spectrum light source 2 onto the measurement object S. The objective optical system 7 projects the image of the two-dimensional chart 3 on the measurement object S at different positions in the optical axis Ax direction of the objective optical system 7 according to the wavelength of the illumination light L. Specifically, three wavelengths lambda 1, lambda 0, when considering lambda 2 light (λ 1 <λ 0 <λ 2), the optical axis Ax direction of the light L 1 is the objective optical system 7 of the wavelength lambda 1 position in focus at F 1, wavelength lambda light L 0 0 focused at the position F 0 in the direction of the optical axis Ax of the objective optical system 7, the optical axis of the light L 2 having a wavelength lambda 2 is the objective optical system 7 in It focused at the position F 2 in Ax direction. Here, the positions F 1 , F 0 and F 2 are close to the spectrum light source 2 in this order.

対物光学系7は、無限遠共役設計の正のパワーを有する光学系であって、軸上色収差は所定量だけ有しているが、倍率色収差については十分除去されている光学系である。対物光学系7は、第1の対物光学系31と開口絞り32と第2の対物光学系33とを備える。第1の対物光学系31は、所定の量の軸上色収差を発生する軸上色収差発生素子として機能する。第1の対物光学系31は、第2の対物光学系33の焦点面上に設置される。第1の対物光学系31は、基準波長におけるパワー値が0であるとともに、所定の波長帯域内において基準波長から外れるほど徐々にパワー絶対値が増大し且つ波長に対してパワー値変動が単調であるような素子である。基準波長としては、例えば測定に使用する第1〜第3の波長帯域WB1〜WB3それぞれの内の中心付近の波長を選べばよい。   The objective optical system 7 is an optical system having a positive power of an infinite conjugate design, and has a predetermined amount of axial chromatic aberration, but is an optical system in which lateral chromatic aberration is sufficiently removed. The objective optical system 7 includes a first objective optical system 31, an aperture stop 32, and a second objective optical system 33. The first objective optical system 31 functions as an axial chromatic aberration generating element that generates a predetermined amount of axial chromatic aberration. The first objective optical system 31 is installed on the focal plane of the second objective optical system 33. In the first objective optical system 31, the power value at the reference wavelength is 0, the power absolute value gradually increases as it deviates from the reference wavelength within a predetermined wavelength band, and the power value fluctuation is monotonous with respect to the wavelength. It is a certain element. As the reference wavelength, for example, a wavelength near the center in each of the first to third wavelength bands WB1 to WB3 used for measurement may be selected.

開口絞り32は、第1及び第2の対物光学系31、33の間に配置される。正のパワーを有する第2の対物光学系33は、スペクトラム光源2から出力される所定の波長帯域内の光に対して軸上色収差及び倍率色収差の双方が十分に補正された色収差補正済対物光学系として機能する。第2の対物光学系33としては、例えば普通の無限遠共役設計の顕微鏡対物レンズを用いる。ただし、この場合、無限遠物点側焦点が光学系の外に出ていて、第1の対物光学系31を物理的に設置できることが必要である。   The aperture stop 32 is disposed between the first and second objective optical systems 31 and 33. The second objective optical system 33 having a positive power is a chromatic aberration corrected objective optical in which both longitudinal chromatic aberration and lateral chromatic aberration are sufficiently corrected for light within a predetermined wavelength band output from the spectrum light source 2. Functions as a system. As the second objective optical system 33, for example, an ordinary infinitely conjugate microscope objective lens is used. However, in this case, it is necessary that the focal point on the object point side at infinity is outside the optical system and the first objective optical system 31 can be physically installed.

図4に第1の対物光学系31の一例についてその構成を示す。第1の対物光学系31は、平凹レンズ31Aと平凸レンズ31Bとを備える。対物光学系31の表裏は問わない。平凹レンズ31Aの凹面の曲率半径と平凸レンズ31Bの凸面の曲率半径とは同一である。第1の対物光学系31は、平凹レンズ31Aの凹面と平凸レンズ31Bの凸面とを接合した接合レンズである。   FIG. 4 shows the configuration of an example of the first objective optical system 31. The first objective optical system 31 includes a plano-concave lens 31A and a plano-convex lens 31B. The front and back of the objective optical system 31 do not matter. The radius of curvature of the concave surface of the plano-concave lens 31A and the radius of curvature of the convex surface of the plano-convex lens 31B are the same. The first objective optical system 31 is a cemented lens in which the concave surface of the plano-concave lens 31A and the convex surface of the plano-convex lens 31B are cemented.

平凹レンズ31A及び平凸レンズ31は、基準波長における屈折率が略等しいが、分散値が異なる媒質によって形成されている。したがって、平凹レンズ31A及び平凸レンズ31Bの接合レンズである第1の対物光学系31は、基準波長に対しては単なる平行平面板として機能する一方、基準波長以外の波長に対してはわずかだがパワーを有する光学系として機能する。そのため、第1の対物光学系31を通過した光は、波長によって異なる角度で第1の対物光学系31を出射し、その結果第1の対物光学系31は軸上色収差を発生する。 Plano-concave lens 31A and the plano-convex lens 31 B is the refractive index at the reference wavelength is substantially equal, dispersion values are formed by the different media. Therefore, the first objective optical system 31, which is a cemented lens of the plano-concave lens 31A and the plano-convex lens 31B, functions as a simple plane-parallel plate with respect to the reference wavelength, but is slightly power for wavelengths other than the reference wavelength. It functions as an optical system having Therefore, the light that has passed through the first objective optical system 31 exits the first objective optical system 31 at different angles depending on the wavelength, and as a result, the first objective optical system 31 generates axial chromatic aberration.

再び、図1を参照して形状測定装置1の説明を続ける。結像光学系8には、偏光ビームスプリッタ5を通過した散乱光が入射する。結像光学系8によって被測定体Sの像が形成される。結像光学系8は、軸上色収差及び倍率色収差(焦点距離の色収差)の両方ともを十分除去するように設計されている。   Again, description of the shape measuring apparatus 1 is continued with reference to FIG. Scattered light that has passed through the polarization beam splitter 5 enters the imaging optical system 8. An image of the measurement object S is formed by the imaging optical system 8. The imaging optical system 8 is designed to sufficiently remove both axial chromatic aberration and lateral chromatic aberration (focal length chromatic aberration).

波長帯分岐プリズム9は、被測定体Sで散乱され結像光学系8を通過した2次元チャート3の投影像をスペクトラム光源2が出力する複数の波長帯域WB1、WB2、WB3の数だけ波長に基づいて分岐する。本実施形態に係る波長帯分岐プリズム9は、結像光学系8を通過した2次元チャート3の投影像を3つに分岐する3分岐型である。波長帯分岐プリズム9として、例えば3板式カメラに用いられるRGB3色分解プリズムを用いることができる。   The wavelength band splitting prism 9 has the same number of wavelength bands WB1, WB2, WB3 output from the spectrum light source 2 as the projected image of the two-dimensional chart 3 scattered by the measurement object S and passed through the imaging optical system 8. Branch based on. The wavelength band branching prism 9 according to the present embodiment is a three-branch type that branches the projection image of the two-dimensional chart 3 that has passed through the imaging optical system 8 into three. As the wavelength band branching prism 9, for example, an RGB three-color separation prism used in a three-plate camera can be used.

波長帯分岐プリズム9は、第1の波長帯域WB1に対応する波長の光を第1の撮像装置10に、第2の波長帯域WB2に対応する波長の光を第2の撮像装置11に、第3の波長帯域WB3に対応する波長の光を第3の撮像装置12にそれぞれ入射させる。   The wavelength band branching prism 9 transmits light having a wavelength corresponding to the first wavelength band WB1 to the first imaging device 10, and light having a wavelength corresponding to the second wavelength band WB2 to the second imaging device 11. The light of the wavelength corresponding to the third wavelength band WB3 is incident on the third imaging device 12, respectively.

第1〜第3の撮像装置10〜12はいずれも、波長帯分岐プリズム9によって分岐された2次元チャート3の投影像を撮像する。第1〜第3の撮像装置10〜12はいずれも、2次元チャート3の投影像を得たときのスペクトラム光源2からの出力光の波長に対応させて、撮像された2次元チャート3の投影像をチャートデータとして後述の制御ユニット13の保存領域に保存する。第1〜第3の撮像装置10〜12として、例えばCCDカメラ、CMOSカメラ等を用いることができる。   Each of the first to third imaging devices 10 to 12 captures a projected image of the two-dimensional chart 3 branched by the wavelength band branching prism 9. Each of the first to third imaging devices 10 to 12 projects the imaged two-dimensional chart 3 corresponding to the wavelength of the output light from the spectrum light source 2 when the projection image of the two-dimensional chart 3 is obtained. The image is stored as chart data in a storage area of the control unit 13 described later. As the 1st-3rd imaging devices 10-12, a CCD camera, a CMOS camera, etc. can be used, for example.

制御ユニット13は、制御部13A及び解析部13Bを備える。制御部13Aは、光源装置21に印加する電圧を制御し、スペクトラム光源2から出力される光の波長を制御する。   The control unit 13 includes a control unit 13A and an analysis unit 13B. The controller 13A controls the voltage applied to the light source device 21 and controls the wavelength of light output from the spectrum light source 2.

解析部13Bは、第1〜第3の撮像装置10〜12に保存されたチャートデータ及び既知の対物光学系7の軸上色収差量に基づいて被測定体Sの3次元形状を算出する。   The analysis unit 13B calculates the three-dimensional shape of the measurement object S based on the chart data stored in the first to third imaging devices 10 to 12 and the amount of axial chromatic aberration of the known objective optical system 7.

次に、形状測定装置1によって被測定体Sの3次元形状を測定する方法を説明する。スペクトラム光源2から第1の波長帯域WB1内の一部である部分波長帯(スペクトラム)を有する光、第2の波長帯域WB2内の一部である部分波長帯(スペクトラム)を有する光、及び第3の波長帯域WB3内の一部である部分波長帯(スペクトラム)を有する光が同時に照明光Lとして出力される。照明光Lは、2次元チャート3のピンホール3Aが繰り返し配置された面を照明する。2次元チャート3を通過した照明光Lは、コリメータ4で平行光束にされる。平行光束となった照明光Lのうち一部の光(P偏光成分又はS偏光成分)は偏光ビームスプリッタ5で反射され、残り(S偏光成分又はP偏光成分)は偏光ビームスプリッタ5を透過する。偏光ビームスプリッタ5で反射された光Lは、1/4波長板6を通過する。光Lは、1/4波長板6を通過する前は直線偏光の光であるが、通過後円偏光に変換されている。1/4波長板6を通過した光Lは、第1の対物光学系31、開口絞り32、及び第2の対物光学系33を通過して、被測定体Sの表面及びその近傍に合焦する。   Next, a method for measuring the three-dimensional shape of the measurement object S using the shape measuring apparatus 1 will be described. Light having a partial wavelength band (spectrum) that is part of the first wavelength band WB1 from the spectrum light source 2, light having a partial wavelength band (spectrum) that is part of the second wavelength band WB2, and Light having a partial wavelength band (spectrum) that is a part of the third wavelength band WB3 is simultaneously output as illumination light L. The illumination light L illuminates the surface on which the pinholes 3A of the two-dimensional chart 3 are repeatedly arranged. The illumination light L that has passed through the two-dimensional chart 3 is converted into a parallel light beam by the collimator 4. A part of the illumination light L that has become a parallel light beam (P-polarized component or S-polarized component) is reflected by the polarizing beam splitter 5, and the remaining light (S-polarized component or P-polarized component) is transmitted through the polarized beam splitter 5. . The light L reflected by the polarization beam splitter 5 passes through the quarter wavelength plate 6. The light L is linearly polarized light before passing through the quarter-wave plate 6, but is converted into circularly polarized light after passing. The light L that has passed through the quarter-wave plate 6 passes through the first objective optical system 31, the aperture stop 32, and the second objective optical system 33, and is focused on the surface of the measurement object S and its vicinity. To do.

対物光学系7を通過した光Lは、倍率色収差は十分に除去されている一方、軸上色収差を所定の量だけ発生する。図5を参照して、対物光学系7の軸上色収差及び倍率色収差について説明する。図5は、対物光学系7の軸上色収差及び倍率色収差について模式的に説明するための図である。図5では、光学系の構造を薄肉レンズ系で表現している。図5は、スペクトラム光源2側、すなわち第1の対物光学系31側から平行光束が入射する場合を示す。   The light L that has passed through the objective optical system 7 is sufficiently removed from the lateral chromatic aberration, while generating a predetermined amount of axial chromatic aberration. With reference to FIG. 5, the axial chromatic aberration and the lateral chromatic aberration of the objective optical system 7 will be described. FIG. 5 is a diagram for schematically explaining the longitudinal chromatic aberration and the lateral chromatic aberration of the objective optical system 7. In FIG. 5, the structure of the optical system is expressed by a thin lens system. FIG. 5 shows a case where a parallel light beam enters from the spectrum light source 2 side, that is, the first objective optical system 31 side.

図5において、基準波長光線Lは実線で示されている。第1の対物光学系31は基準波長ではパワーが0なので光線はそのまま屈折することなく通過し、第2の対物光学系33を通過後その焦点である位置Fに集光する。一方、基準波長前後の波長光線L、Lは破線で示してある。基準波長以外の波長の光線L、Lに対して、第1の対物光学系31はわずかだが正又は負のパワーを有する。そのため、これらの波長光線L、Lは第1の対物光学系31によって集光又は発散される。そして、第2の対物光学系33に入射後、基準波長光線Lの場合とは光軸Ax上の異なる位置F、Fに集光する。すなわち、軸上色収差を示す。 5, the reference wavelength light L 0 is shown in solid lines. Since the first objective optical system 31 has no power at the reference wavelength, the light beam passes through without being refracted and passes through the second objective optical system 33 and is condensed at the focal position F 0 . On the other hand, the wavelength rays L 1 and L 2 around the reference wavelength are indicated by broken lines. The first objective optical system 31 has a slight but positive or negative power with respect to the light beams L 1 and L 2 having wavelengths other than the reference wavelength. Therefore, these wavelength rays L 1 and L 2 are condensed or diverged by the first objective optical system 31. Then, after entering the second objective optical system 33, the light is condensed at different positions F 1 and F 2 on the optical axis Ax as compared with the case of the reference wavelength light beam L 0 . That is, it shows axial chromatic aberration.

ここで、第1の対物光学系31が第2の対物光学系33の焦点面(焦点距離f)に位置しているため、第1の対物光学系31の射出面上の1点から分かれて射出される3つの異なる波長の光線L、L、Lは、第2の対物光学系32通過後互いに平行を保って進行する。したがって、光線L、L、Lの光軸Ax上での集光点である位置F、F、Fは異なるが、光軸Axとなす角度は3つの光線L、L、Lとも同じ角度θである。 Here, since the first objective optical system 31 is located on the focal plane (focal length f) of the second objective optical system 33, the first objective optical system 31 is separated from one point on the exit plane of the first objective optical system 31. The emitted light beams L 0 , L 1 and L 2 having different wavelengths travel in parallel with each other after passing through the second objective optical system 32. Therefore, light rays L 0, L 1, the position is a focal point on L 2 of the optical axis Ax F 0, F 1, F 2 are different, the angle formed between the optical axis Ax of the three light beams L 0, L 1 and L 2 have the same angle θ.

第1の対物光学系31に入射するまで3つの光線L、L、Lは、光軸Axに平行な同一光線である。したがって、焦点距離の定義から、対物光学系7の焦点距離は3つの波長の光線L、L、Lいずれについても同一である。よって、第2の対物光学系32に残存する微小色収差を無視すれば、対物光学系7の倍率色収差は存在しないと考えることができる。 The three light beams L 0 , L 1 , and L 2 are the same light rays parallel to the optical axis Ax until they enter the first objective optical system 31. Therefore, from the definition of the focal length, the focal length of the objective optical system 7 is the same for all the light beams L 0 , L 1 and L 2 of the three wavelengths. Therefore, if the minute chromatic aberration remaining in the second objective optical system 32 is ignored, it can be considered that the lateral chromatic aberration of the objective optical system 7 does not exist.

こうして、対物光学系7を通過した光Lは上述のように軸上色収差を示すため、光軸Axに沿って異なる位置(例えば、位置F、F、F等)に合焦する。そして、対物光学系7を通過した光Lは、2次元チャート3の像を被測定体S上に投影する。被測定体S上に投影される2次元チャート3の像も、像を投影する光の波長によってピントの合い方が異なる。すなわち、被測定体S表面の任意の位置に投影された2次元チャート3の像を考えたとき、当該位置における光軸Ax方向での高さ(凹凸量)に応じて2次元チャート3の像が被測定体S表面で合焦する際の波長は異なる。 Thus, since the light L that has passed through the objective optical system 7 exhibits axial chromatic aberration as described above, the light L is focused on different positions (for example, positions F 0 , F 1 , F 2, etc.) along the optical axis Ax. The light L that has passed through the objective optical system 7 projects an image of the two-dimensional chart 3 onto the measurement object S. The image of the two-dimensional chart 3 projected on the measurement object S also varies in focus depending on the wavelength of the light that projects the image. That is, when an image of the two-dimensional chart 3 projected on an arbitrary position on the surface of the measurement object S is considered, the image of the two-dimensional chart 3 according to the height (unevenness amount) in the optical axis Ax direction at the position. However, the wavelength when focusing on the surface of the measurement object S is different.

さらに、図6を参照して、被測定体S上に投影される2次元チャート3の像の合焦位置が波長によって変化することを示す。図6に示されるように、被測定体S上の位置Sには、波長λの光が合焦する。被測定体S上の位置Sには、波長λの光が合焦する。被測定体S上の位置Sには、波長λの光が合焦する。 Furthermore, with reference to FIG. 6, it shows that the focus position of the image of the two-dimensional chart 3 projected on the to-be-measured body S changes with wavelengths. As shown in FIG. 6, the light having the wavelength λ 1 is focused on the position S 1 on the measurement object S. Light having a wavelength λ 0 is focused on a position S 2 on the measurement object S. The light having the wavelength λ 2 is focused on the position S 3 on the measurement object S.

ここで、被測定体Sに2次元チャート3の像を投影する光Lは、投影像の部位にかかわらず主光線が対物光学系7の光軸Axに平行であること、すなわちテレセントリックな像投影を行うことが望ましい。これは、被測定体Sへテレセントリックに2次元チャート3の像を投影することにより、例えば被測定体Sの高さ(凹凸量)が変化しても、被測定体S上に投影される2次元チャート3の像の横ずれは抑制されることによる。なお、テレセントリックな投影を実現するためには、開口絞り32を対物光学系7の光源側焦点面上又はその近傍に設置する必要がある。一方で、前述のように、倍率色収差の発生を抑制するためには、薄肉レンズ表現において第1の対物光学系31の位置と第2の対物光学系32の光源側焦点面とを一致させることが望ましい。   Here, the light L for projecting the image of the two-dimensional chart 3 onto the measurement object S is that the principal ray is parallel to the optical axis Ax of the objective optical system 7 regardless of the portion of the projection image, that is, telecentric image projection. It is desirable to do. This is because, by projecting the image of the two-dimensional chart 3 telecentricly onto the measurement object S, for example, even if the height (unevenness) of the measurement object S changes, 2 is projected onto the measurement object S 2. This is because the lateral shift of the image of the dimension chart 3 is suppressed. In order to realize telecentric projection, it is necessary to install the aperture stop 32 on the light source side focal plane of the objective optical system 7 or in the vicinity thereof. On the other hand, as described above, in order to suppress the occurrence of lateral chromatic aberration, the position of the first objective optical system 31 and the light source side focal plane of the second objective optical system 32 are matched in the thin lens representation. Is desirable.

被測定体S上に投影された2次元チャート3の像は、被測定体Sで散乱される。被測定体Sで散乱された光Lは、再度対物光学系7及び1/4波長板6を通過する。1/4波長板6を通過するときに、偏光ビームスプリッタ5を通過した後の直線偏光と同じ方向の直線偏光成分については、偏光面が光軸Axを中心に90度回転する。したがって、この場合、偏光ビームスプリッタ5によって光Lが反射されることなく透過していく。すなわち、被測定体Sからの散乱光Lが散乱前の偏光状態を保っているほど高い効率で偏光ビームスプリッタ5を透過することになる。偏光ビームスプリッタ5を透過した散乱光Lは結像光学系8に入射し、結像光学系8によって被測定体Sの像が形成される。   The image of the two-dimensional chart 3 projected on the measurement object S is scattered by the measurement object S. The light L scattered by the measurement object S passes through the objective optical system 7 and the quarter wavelength plate 6 again. When passing through the quarter-wave plate 6, the polarization plane of the linearly polarized light component in the same direction as the linearly polarized light after passing through the polarizing beam splitter 5 is rotated 90 degrees around the optical axis Ax. Therefore, in this case, the light L is transmitted by the polarization beam splitter 5 without being reflected. That is, the scattered light L from the measurement object S is transmitted through the polarization beam splitter 5 with higher efficiency as the polarization state before the scattering is maintained. The scattered light L that has passed through the polarizing beam splitter 5 enters the imaging optical system 8, and an image of the measurement object S is formed by the imaging optical system 8.

結像光学系8によって形成された被測定体Sの像は、第1〜3の撮像装置10〜12の何れかで撮像される。そして、この投影像を得たときのスペクトラム光源2からの出力光の波長に対応させて、撮像された2次元チャート3の投影像を制御ユニット13の保存領域にチャートデータとして保存する。   The image of the measurement object S formed by the imaging optical system 8 is picked up by any of the first to third image pickup devices 10-12. Then, the captured projection image of the two-dimensional chart 3 is stored as chart data in the storage area of the control unit 13 in correspondence with the wavelength of the output light from the spectrum light source 2 when this projection image is obtained.

保存されたチャートデータは、対物光学系7の色収差量に基づいて、制御ユニット13の解析部13Bによって処理される。そして、制御ユニット13の解析部13Bは、被測定体Sの3次元形状を算出する。   The stored chart data is processed by the analysis unit 13B of the control unit 13 based on the chromatic aberration amount of the objective optical system 7. Then, the analysis unit 13B of the control unit 13 calculates the three-dimensional shape of the measurement object S.

本実施形態に係る形状測定装置1の解析部13Bが被測定体Sの3次元形状を算出する原理を以下に説明する。例えば、スペクトラム光源2から出力する第1〜第3の波長帯域WB1、WB2、WB3の照明光Lの部分波長帯(スペクトラム)の幅を一定幅に制限し、幅を一定に保ったまま第1〜第3の波長帯域WB1、WB2、WB3内で部分波長帯を移動、すなわち波長を大きく又は小さくする。そして、スペクトラム光源2から出力される照明光Lの波長を変化させつつ、被測定体Sの像を第1〜第3の撮像装置10〜12で撮像する。被測定体S表面の高さ(凹凸量)とその高さで合焦する照明光Lの波長とは一対一に対応しているので、被測定体Sの高さに応じて被測定体S表面に合焦する波長が一意に決定される。こうした原理に基づき、制御ユニット13の解析部13Bは、取得したチャートデータを画像解析する。   The principle that the analysis unit 13B of the shape measuring apparatus 1 according to this embodiment calculates the three-dimensional shape of the measurement object S will be described below. For example, the width of the partial wavelength band (spectrum) of the illumination light L of the first to third wavelength bands WB1, WB2, and WB3 output from the spectrum light source 2 is limited to a certain width, and the first is maintained while keeping the width constant. Move the partial wavelength band within the third wavelength band WB1, WB2, WB3, that is, increase or decrease the wavelength. And the image of the to-be-measured body S is imaged with the 1st-3rd imaging devices 10-12, changing the wavelength of the illumination light L output from the spectrum light source 2. FIG. Since the height (unevenness amount) of the surface of the measurement object S and the wavelength of the illumination light L focused at that height correspond one-to-one, the measurement object S according to the height of the measurement object S. The wavelength that focuses on the surface is uniquely determined. Based on these principles, the analysis unit 13B of the control unit 13 performs image analysis on the acquired chart data.

図7及び図8を参照して、撮像装置で撮像された2次元チャート3の像(ピンホール像)の強度(ピンホール像強度)とスペクトラム光源2から出力された光の波長との関係を説明する。図7は、ピンホール像強度を波長の関数として表した図である。図8は、被測定体S上に投影された2次元チャート3の像の散乱光を撮像したときのバックグラウンドとピーク値とのコントラスト、すなわちピンホール像強度のバックグラウンドとピーク値とのコントラストを波長の関数として示した図である。   With reference to FIGS. 7 and 8, the relationship between the intensity (pinhole image intensity) of the image (pinhole image intensity) of the two-dimensional chart 3 imaged by the imaging device and the wavelength of the light output from the spectrum light source 2 is shown. explain. FIG. 7 shows the pinhole image intensity as a function of wavelength. FIG. 8 shows the contrast between the background and the peak value when the scattered light of the image of the two-dimensional chart 3 projected on the measurement object S, that is, the contrast between the background and the peak value of the pinhole image intensity. Is shown as a function of wavelength.

図7は、所定の幅を有する部分波長帯での2次元チャート3の像を、適当な波長間隔で複数サンプリングした場合を示す。図7から理解されるように、サンプリングした5つの部分波長帯dλ1〜dλ5において、ピンホール像の中心部でピンホール像強度のピーク値Ipを有する。さらに、サンプリングした5つの部分波長帯dλ1〜dλ5において、ピンホール像強度のバックグラウンド値Ivを有する。   FIG. 7 shows a case where a plurality of images of the two-dimensional chart 3 in a partial wavelength band having a predetermined width are sampled at appropriate wavelength intervals. As can be seen from FIG. 7, in the sampled five partial wavelength bands dλ1 to dλ5, the pinhole image intensity has a peak value Ip at the center of the pinhole image. Further, the sampled five partial wavelength bands dλ1 to dλ5 have a background value Iv of the pinhole image intensity.

図8では、サンプリングされた5つの部分波長帯dλ1〜dλ5におけるピンホール像強度について、ピーク値Ipとバックグラウンド値Ivとのコントラストを波長の関数として示す。図8のコントラストがピークを示す波長λp、すなわちピーク値Ipとバックグラウンド値Ivとの差が最大の波長λpを合焦波長とみなす。そして、合焦波長λpと対物光学系7の軸上色収差との対応から、被測定体Sの該当部位の光軸Ax方向での高さ(凹凸量)を算出する。   FIG. 8 shows the contrast between the peak value Ip and the background value Iv as a function of wavelength for the pinhole image intensities in the five sampled partial wavelength bands dλ1 to dλ5. The wavelength λp at which the contrast in FIG. 8 shows a peak, that is, the wavelength λp having the maximum difference between the peak value Ip and the background value Iv is regarded as the focus wavelength. Then, from the correspondence between the focusing wavelength λp and the axial chromatic aberration of the objective optical system 7, the height (unevenness amount) of the corresponding part of the measurement object S in the optical axis Ax direction is calculated.

制御ユニット13の解析部13Bは、画像解析の結果、例えば図7及び図8のグラフを保持し、上述の原理により被測定体S表面の3次元形状を算出することができる。解析部13Bは、被測定体S上において2次元的に部位ごとの高さを一通り算出し、その算出されたデータを被測定体Sの表面形状として2次元マップに出力してもよい。   The analysis unit 13B of the control unit 13 holds, for example, the graphs of FIGS. 7 and 8 as a result of the image analysis, and can calculate the three-dimensional shape of the surface of the measurement object S based on the above-described principle. The analysis unit 13B may calculate the height of each part in a two-dimensional manner on the measured object S and output the calculated data to the two-dimensional map as the surface shape of the measured object S.

このように、制御ユニット13の解析部13Bは、保存されたチャートデータ及び対物光学系7の色収差量に基づいて被測定体Sの3次元形状を算出する撮像データ処理部として機能することができる。すなわち、制御ユニット13の解析部13Bは、スペクトラム光源2から出力された照明光Lの波長と2次元チャート3の投影像の強度との関係に基づいて、被測定体S上の任意の位置での合焦波長を求め、当該合焦波長についての対物光学系7の色収差量から被測定体S上の任意の位置における対物光学系7の光軸Ax方向での高さ(凹凸量)を算出して被測定体Sの3次元形状を測定するものである。   Thus, the analysis unit 13B of the control unit 13 can function as an imaging data processing unit that calculates the three-dimensional shape of the measurement object S based on the stored chart data and the chromatic aberration amount of the objective optical system 7. . In other words, the analysis unit 13B of the control unit 13 is at an arbitrary position on the measured object S based on the relationship between the wavelength of the illumination light L output from the spectrum light source 2 and the intensity of the projected image of the two-dimensional chart 3. And the height (unevenness) of the objective optical system 7 in the optical axis Ax direction at an arbitrary position on the measured object S is calculated from the amount of chromatic aberration of the objective optical system 7 for the focused wavelength. Thus, the three-dimensional shape of the measurement object S is measured.

ここで、図9を参照して、波長帯分岐プリズム9による波長帯分岐と照明光の第1〜第3の波長帯域との関係を説明する。図9(a)〜図9(c)それぞれに示されているグラフの横軸は波長を表し、縦軸は透過率を表す。図9(a)〜図9(c)の第1〜第3の波長帯域WB1、WB2、WB3内の曲線がそれぞれ、3分岐された後の波長帯域を表し、それらが第1の撮像装置10、第2の撮像装置11、及び第3の撮像装置12で撮像される。スペクトラム光源2からは、図9(a)に示すように、各波長帯域WB1〜WB3の一部として含まれる部分波長帯域の光が出力される。部分波長帯域は、対応する波長帯域WB1〜WB3内を出ない範囲で波長帯域を変化させる。2次元チャート3の像の撮像は、所定の波長変化ごとに行う。   Here, with reference to FIG. 9, the relationship between the wavelength band branching by the wavelength band branching prism 9 and the first to third wavelength bands of the illumination light will be described. In each of the graphs shown in FIGS. 9A to 9C, the horizontal axis represents the wavelength, and the vertical axis represents the transmittance. The curves in the first to third wavelength bands WB1, WB2, and WB3 in FIGS. 9A to 9C represent the wavelength bands after being branched into three, respectively, and these are the first imaging device 10. Images are taken by the second imaging device 11 and the third imaging device 12. As shown in FIG. 9A, the spectrum light source 2 outputs light in a partial wavelength band included as a part of each of the wavelength bands WB1 to WB3. A partial wavelength band changes a wavelength band in the range which does not leave the inside of corresponding wavelength band WB1-WB3. Imaging of the image of the two-dimensional chart 3 is performed every predetermined wavelength change.

また、図9(b)に示すように、隣接する波長帯域間のクロスオーバー領域(重複波長領域)、すなわち第1及び第2の波長帯域WB1、WB2のクロスオーバー領域CB1並びに第2及び第3の波長帯域WB2、WB3のクロスオーバー領域CB2内の波長の光を出力するときは、実際に出力する波長帯数をスペクトラム光源2が出力できる波長帯数より1つ少ない数(本実施形態では2つ)に減らす。これにより、図9(c)に示すような1つの波長帯域内に2つの出力部分波長帯域が存在してしまう事態を抑制する。   Further, as shown in FIG. 9B, the crossover region (overlapping wavelength region) between adjacent wavelength bands, that is, the crossover region CB1 of the first and second wavelength bands WB1 and WB2, and the second and third When outputting light having a wavelength within the crossover region CB2 of the wavelength bands WB2 and WB3, the number of wavelength bands to be actually output is one less than the number of wavelength bands that can be output by the spectrum light source 2 (2 in this embodiment). Reduced to 2). As a result, the situation where two output partial wavelength bands exist in one wavelength band as shown in FIG. 9C is suppressed.

形状測定装置1は、第1〜第3の波長帯域WB1〜WB3内の複数の波長の光を出力できるスペクトラム光源2を備える。また、対物光学系7は所定の軸上色収差を発生させることができる。そのため、形状測定装置1では、軸上色収差を利用して被測定体Sの任意の位置での光軸Ax方向の高さ(凹凸量)を非接触で測定することが可能である。   The shape measuring apparatus 1 includes a spectrum light source 2 that can output light of a plurality of wavelengths in the first to third wavelength bands WB1 to WB3. The objective optical system 7 can generate predetermined axial chromatic aberration. Therefore, in the shape measuring apparatus 1, it is possible to measure the height (unevenness amount) in the optical axis Ax direction at an arbitrary position of the measurement object S in a non-contact manner using the longitudinal chromatic aberration.

一般に、干渉法、モアレトポグラフィー、及びパターン投影法等を用いて被測定体の3次元形状を測定する方法が知られている。これらの方法では、被測定体Sの表面に現れた縞模様の変形から位相変化を読み取り、これを表面の凹凸に換算して表面形状を算出している。これらの方法では、被測定体の凹凸が計測パターンの位相の1周期を超える深さのときは、計測された位相が2π単位で折りたたまれるラッピング現象を発生する。そのため、位相の折りたたみであるラッピングを伸ばして、正しい凹凸量に戻すアンラッピング処理を施す必要が生じてしまう。これに対し、形状測定装置1では軸上色収差を用いて被測定体Sの形状を測定しているため、アンラッピング処理は不要となる。   In general, a method for measuring the three-dimensional shape of an object to be measured using an interference method, moire topography, a pattern projection method, or the like is known. In these methods, the phase change is read from the deformation of the striped pattern that appears on the surface of the measurement object S, and the surface shape is calculated by converting the phase change into surface irregularities. In these methods, when the unevenness of the measurement object has a depth exceeding one phase of the phase of the measurement pattern, a wrapping phenomenon occurs in which the measured phase is folded by 2π units. For this reason, it is necessary to perform an unwrapping process for extending the wrapping, which is the folding of the phase, and returning it to the correct unevenness amount. On the other hand, since the shape measuring apparatus 1 measures the shape of the measurement object S using axial chromatic aberration, the unwrapping process is not necessary.

また、形状測定装置1では、2次元にパターンが配置された2次元チャート3の像を撮像装置10〜12により撮像することで、被測定体Sの表面の所定範囲の情報を一度に測定することができる。すなわち、装置において機械的な動きを伴うことなく被測定体Sの3次元形状を測定することが可能である。このように、二次元的に作用するチャート3及び撮像装置10〜12を用いて測定を行うため、2次元データ取得のための画像走査機構が不要となり装置を簡素化することが可能となる。   Further, in the shape measuring apparatus 1, information of a predetermined range on the surface of the measurement object S is measured at a time by capturing an image of the two-dimensional chart 3 in which a pattern is arranged two-dimensionally by the imaging apparatuses 10 to 12. be able to. That is, the three-dimensional shape of the measurement object S can be measured without mechanical movement in the apparatus. In this way, since the measurement is performed using the chart 3 and the imaging devices 10 to 12 that act two-dimensionally, an image scanning mechanism for acquiring two-dimensional data becomes unnecessary, and the device can be simplified.

さらに、形状測定装置1では装置の簡素化に伴い、装置が振動することの抑制、コストの抑制、及び装置の動作の安定等も可能となる。   Furthermore, with the simplification of the apparatus, the shape measuring apparatus 1 can suppress the vibration of the apparatus, reduce the cost, stabilize the operation of the apparatus, and the like.

また、形状測定装置1では、スペクトラム光源2が第1〜第3の波長帯域WB1、WB2、WB3の3つの波長帯域において出力する部分波長帯域を変化させつつ、同時に3つの部分波長帯域を出力している。また、形状測定装置1は、波長帯分岐プリズム9を用いて測定する波長の範囲を3つに分割し、分割された波長帯域ごとに並行して第1〜第3の撮像装置10〜12によって撮像される。すなわち、第1〜第3の波長帯域WB1、WB2、WB3において、出力する部分波長帯域の変化と2次元チャート3の像の撮像とを並列的に行う。これにより、第1〜第3の波長帯域WB1、WB2、WB3の全域を波長帯分岐せずに撮像する場合に比べて、短時間で必要なデータを取得することが可能となる。   Further, in the shape measuring apparatus 1, the spectrum light source 2 outputs three partial wavelength bands at the same time while changing the partial wavelength bands output in the three wavelength bands of the first to third wavelength bands WB1, WB2, and WB3. ing. Moreover, the shape measuring apparatus 1 divides the wavelength range to be measured using the wavelength band branching prism 9 into three, and the first to third imaging apparatuses 10 to 12 in parallel for each divided wavelength band. Imaged. That is, in the first to third wavelength bands WB1, WB2, and WB3, the change of the partial wavelength band to be output and the imaging of the image of the two-dimensional chart 3 are performed in parallel. Thereby, it becomes possible to acquire necessary data in a short time compared to a case where the entire first to third wavelength bands WB1, WB2, and WB3 are imaged without branching the wavelength bands.

さらに、対物光学系7の軸上色収差量及び光源から出力された光の波長範囲の選択によって、被測定体Sの光軸Ax方向の高さ(凹凸量)の範囲を自由に設定することもできる。したがって、幅広い測定対象に対して形状の測定が可能である。
(第2実施形態)
Furthermore, the range of the height (unevenness amount) of the measured object S in the optical axis Ax direction can be freely set by selecting the axial chromatic aberration amount of the objective optical system 7 and the wavelength range of the light output from the light source. it can. Therefore, the shape can be measured for a wide range of measurement objects.
(Second Embodiment)

図10を参照して、第2実施形態に係る形状測定装置41の構成について説明する。第2実施形態に係る形状測定装置41は、2次元チャートに対して斜めに照明光を入射する点で第1実施形態に係る形状測定装置1とは異なる。図10は、第2実施形態に係る形状測定装置の構成図である。   With reference to FIG. 10, the structure of the shape measuring apparatus 41 which concerns on 2nd Embodiment is demonstrated. The shape measuring device 41 according to the second embodiment is different from the shape measuring device 1 according to the first embodiment in that the illumination light is incident obliquely with respect to the two-dimensional chart. FIG. 10 is a configuration diagram of a shape measuring apparatus according to the second embodiment.

図10に示す形状測定装置41は、スペクトラム光源2と、2次元チャート42と、コリメータ4と、平面ミラー43と、対物光学系(投影光学系)44と、結像光学系8と、波長帯分岐プリズム(分岐部)9と、第1の撮像装置10と、第2の撮像装置11と、第3の撮像装置12と、制御ユニット13とを備えている。   10 includes a spectrum light source 2, a two-dimensional chart 42, a collimator 4, a plane mirror 43, an objective optical system (projection optical system) 44, an imaging optical system 8, and a wavelength band. A branching prism (branching unit) 9, a first imaging device 10, a second imaging device 11, a third imaging device 12, and a control unit 13 are provided.

2次元チャート42は、スペクトラム光源2によって照明される。図11は、2次元チャート42を形状測定装置41の光軸Axに沿って見たときの平面図を表す。2次元チャート42には、図11に示されるように、ストライプ状のスリット42Aが所定の方向に沿って配置された縞模様パターンが形成されている。スリット42Aは、光を透過する透過領域として機能する。   The two-dimensional chart 42 is illuminated by the spectrum light source 2. FIG. 11 is a plan view when the two-dimensional chart 42 is viewed along the optical axis Ax of the shape measuring device 41. As shown in FIG. 11, the two-dimensional chart 42 is formed with a striped pattern in which striped slits 42 </ b> A are arranged along a predetermined direction. The slit 42A functions as a transmission region that transmits light.

2次元チャート42は、図10において被測定体S上に形成されるスリット42Aの像の長手方向が図10の紙面に直交する方向となるように、配置される。   The two-dimensional chart 42 is arranged so that the longitudinal direction of the image of the slit 42A formed on the measurement object S in FIG. 10 is a direction orthogonal to the paper surface of FIG.

形状測定装置41では、図10に示すように、2次元チャート42を斜めに照明し、測定装置41の光軸Axに対して非回転対称な光強度分布を持たせる。平面ミラー12は、2次元チャート42を通過しチャート42の像を投影する光を対物光学系44に到達させる。   In the shape measuring device 41, as shown in FIG. 10, the two-dimensional chart 42 is illuminated obliquely so as to have a non-rotationally symmetric light intensity distribution with respect to the optical axis Ax of the measuring device 41. The plane mirror 12 causes the light that passes through the two-dimensional chart 42 and projects the image of the chart 42 to reach the objective optical system 44.

対物光学系44は、第1の対物光学系51、投影光用部分開口絞り52、撮像光用部分開口絞り53、及び第2の対物光学系54を備える。第1の対物光学系51は、所定の量の軸上色収差を発生する軸上色収差発生素子として機能する。投影光用の部分開口絞り52は、対物光学系44の光軸Axを含み、かつ図10の紙面に垂直な平面で開口絞り面を二分したとき、その片方の領域において2次元チャート42からの投影光を効率的に通過させる位置に設置される。その結果、被測定体Sは斜め照明される。   The objective optical system 44 includes a first objective optical system 51, a projection light partial aperture stop 52, an imaging light partial aperture stop 53, and a second objective optical system 54. The first objective optical system 51 functions as an axial chromatic aberration generating element that generates a predetermined amount of axial chromatic aberration. The partial aperture stop 52 for projection light includes the optical axis Ax of the objective optical system 44, and when the aperture stop surface is divided into two parts by a plane perpendicular to the paper surface of FIG. It is installed at a position that allows the projection light to pass efficiently. As a result, the measurement object S is illuminated obliquely.

第2の対物光学系54は、スペクトラム光源2から出力される所定の波長帯域内の光に対して軸上色収差及び倍率色収差の双方が十分に補正された色収差補正済対物光学系として機能する。撮像光用部分開口絞り53は、投影光用部分開口絞り52と同一平面上であって且つ隣接して設置されている。撮像光用部分開口絞り53は、対物光学系44に戻った被測定体Sからの反射光及び散乱光の一部を通過させる。そして、撮像光用部分開口絞り53を通過した成分の光のみが、結像光学系8に入射する。なお、投影光用部分開口絞り52及び撮像光用部分開口絞り53は、必ずしも、図示位置にある必要はなく、同等効果の得られる場所に設置しても構わない。   The second objective optical system 54 functions as a chromatic aberration-corrected objective optical system in which both axial chromatic aberration and lateral chromatic aberration are sufficiently corrected with respect to light within a predetermined wavelength band output from the spectrum light source 2. The imaging light partial aperture stop 53 is disposed on the same plane as and adjacent to the projection light partial aperture stop 52. The imaging light partial aperture stop 53 allows part of the reflected light and scattered light from the measurement object S returned to the objective optical system 44 to pass therethrough. Then, only the component light that has passed through the imaging light partial aperture stop 53 enters the imaging optical system 8. The projection light partial aperture stop 52 and the imaging light partial aperture stop 53 are not necessarily located at the illustrated positions, and may be installed at a place where an equivalent effect can be obtained.

形状測定装置41では、対物光学系44は、隣接して配置された投影光用部分開口絞り52及び撮像光用部分開口絞り53を有し、被測定体Sに入射する前の投影光Lは投影光用部分開口絞り52のみを通過する。すなわち、対物光学系44は、その領域を二分割したときにどちらかの領域(投影光用部分開口絞り52に相当する領域)内からのみスペクトラム光源2からの出力光が射出されるような射出瞳形状を有する。   In the shape measuring device 41, the objective optical system 44 has a projection light partial aperture stop 52 and an imaging light partial aperture stop 53 arranged adjacent to each other, and the projection light L before entering the measurement object S is It passes only through the projection light partial aperture stop 52. That is, the objective optical system 44 emits the output light from the spectrum light source 2 only from one of the regions (region corresponding to the projection light partial aperture stop 52) when the region is divided into two. Has a pupil shape.

また、制御ユニット13の解析部13Bは、撮像装置10〜12において得られたチャートデータの所定の複数領域における重心位置の変化を検出し、対物光学系44の軸上色収差特性と比較することで複数領域それぞれに対応する被測定体Sの位置の対物光学系44の光軸Ax方向での凹凸量を算出する。   In addition, the analysis unit 13B of the control unit 13 detects a change in the center of gravity position in a predetermined plurality of regions of the chart data obtained in the imaging devices 10 to 12, and compares it with the longitudinal chromatic aberration characteristic of the objective optical system 44. The amount of unevenness in the optical axis Ax direction of the objective optical system 44 at the position of the measurement object S corresponding to each of the plurality of regions is calculated.

形状測定装置41では、スリットパターンの繰り返しを有する2次元チャート42を用い、さらに2次元チャートに対して斜めに照明光を入射するため、波長ごとの2次元チャート42のスリット42Aの像の歪み量とボケ量とを算出し、これを対物光学系44の軸上色収差と比較することで、被測定物Sの光軸Ax方向での高さ(凹凸量)を求める。   In the shape measuring device 41, since the illumination light is incident obliquely with respect to the two-dimensional chart using the two-dimensional chart 42 having the repetition of the slit pattern, the distortion amount of the image of the slit 42A of the two-dimensional chart 42 for each wavelength. And the amount of blur are calculated and compared with the longitudinal chromatic aberration of the objective optical system 44, thereby obtaining the height (unevenness amount) of the measured object S in the optical axis Ax direction.

図12に示すように、被測定体S上に形成された2次元チャート42のパターンの像(スリット像)において、任意の位置X0での光強度分布断面が照明光Lの波長に応じて変化する。図12(a)〜図12(e)において、照明光Lの波長の大きさが異なる場合の任意の位置X0における被測定体Sの断面形状に対し、2次元チャート42の像を形成する照明光Lの結像位置を示す。図12(a)〜図12(e)は、この順に波長が大きく又は小さくなっている場合に対応する。図12(c)は、任意の位置X0において2次元チャート42の像を形成する照明光が合焦した状態を示す。図12(a)〜図12(e)のグラフの横軸は被測定体S上での位置を、縦軸は高さ(凹凸量)を示す。   As shown in FIG. 12, in the pattern image (slit image) of the two-dimensional chart 42 formed on the measurement object S, the light intensity distribution cross section at an arbitrary position X0 changes according to the wavelength of the illumination light L. To do. 12A to 12E, the illumination that forms an image of the two-dimensional chart 42 with respect to the cross-sectional shape of the measurement object S at an arbitrary position X0 when the wavelength of the illumination light L is different. The imaging position of the light L is shown. FIG. 12A to FIG. 12E correspond to the case where the wavelength increases or decreases in this order. FIG. 12C shows a state in which the illumination light forming the image of the two-dimensional chart 42 is focused at an arbitrary position X0. 12A to 12E, the horizontal axis indicates the position on the measurement object S, and the vertical axis indicates the height (unevenness).

図13は、撮像装置で撮像したスリット像の光強度分布を示す。図13(a)〜図13(e)はそれぞれ、図12(a)〜図12(e)に対応している。すなわち、図13(a)〜図13(e)は、図12(a)〜図12(e)に対応する波長の大きさの照明光Lで2次元チャート42が照明された場合の集光状態を表す。図13(a)〜図13(e)のグラフの横軸は被測定体S上での位置を、縦軸はスリット像光強度分布を示す。   FIG. 13 shows the light intensity distribution of the slit image imaged by the imaging device. 13 (a) to 13 (e) correspond to FIGS. 12 (a) to 12 (e), respectively. That is, FIG. 13A to FIG. 13E show the light condensing when the two-dimensional chart 42 is illuminated with the illumination light L having the wavelength corresponding to FIG. 12A to FIG. Represents a state. 13A to 13E, the horizontal axis indicates the position on the measurement object S, and the vertical axis indicates the slit image light intensity distribution.

図13から理解されるように、照明光Lの波長変化に応じてスリット像光強度分布のピーク位置がX軸方向に移動する。位置X0に強度分布のピークが一致したとき、すなわち図13(c)が合焦状態である。制御ユニット13の解析部13Bによって、強度分布のピークのX座標値と照明光Lの波長との関係から、被測定体Sの任意の位置X0において合焦する照明光の波長を算出し、対物光学系44の軸上色収差に照らし合せて被測定体Sの着目部位X0の高さ(凹凸量)を求める。そして、制御ユニット13の解析部13Bにより、2次元的に被測定体S上の部位ごとの高さが一通り算出されたならば、そのデータを被測定体Sの表面形状として2次元マップを出力する。   As understood from FIG. 13, the peak position of the slit image light intensity distribution moves in the X-axis direction in accordance with the wavelength change of the illumination light L. When the peak of the intensity distribution coincides with the position X0, that is, FIG. 13C is in a focused state. The analysis unit 13B of the control unit 13 calculates the wavelength of the illumination light focused at an arbitrary position X0 of the measurement object S from the relationship between the X coordinate value of the peak of the intensity distribution and the wavelength of the illumination light L, and the objective In light of the axial chromatic aberration of the optical system 44, the height (unevenness amount) of the target portion X0 of the measurement object S is obtained. Then, once the height of each part on the measurement object S is two-dimensionally calculated by the analysis unit 13B of the control unit 13, the data is used as the surface shape of the measurement object S and a two-dimensional map is obtained. Output.

図14を参照して、被測定体S上に投影される2次元チャート42の像の合焦位置が波長によって変化することを示す。図14に示されるように、被測定体S上の位置Sには、波長λの光が合焦する。被測定体S上の位置Sには、波長λの光が合焦する。被測定体S上の位置Sには、波長λの光が合焦する。 Referring to FIG. 14, it is shown that the in-focus position of the image of the two-dimensional chart 42 projected on the measurement object S changes depending on the wavelength. As shown in FIG. 14, the light having the wavelength λ 1 is focused on the position S 1 on the measurement object S. Light having a wavelength λ 0 is focused on a position S 2 on the measurement object S. The light having the wavelength λ 2 is focused on the position S 3 on the measurement object S.

形状測定装置41では、投影光用部分開口絞り52が対物光学系44の光軸Axを含まない偏芯した位置に配置されている。そのため、第1実施形態に係る形状測定装置1と同じように対物光学系44の全開口に光が入射していると仮定した場合に、第1実施形態の場合と同様被測定体Sにテレセントリックな投影光が入射するように設定しておくことで、図14に示すように、被測定体Sに対して斜めから2次元チャート42の像を投影したとしても、被測定体Sの高さの変化による投影像の横ずれは発生しにくい。   In the shape measuring device 41, the projection light partial aperture stop 52 is arranged at an eccentric position not including the optical axis Ax of the objective optical system 44. Therefore, when it is assumed that light is incident on all the apertures of the objective optical system 44 as in the shape measuring apparatus 1 according to the first embodiment, the object to be measured S is telecentric as in the first embodiment. As shown in FIG. 14, even if the image of the two-dimensional chart 42 is projected obliquely onto the measurement object S, the height of the measurement object S is set by setting so that the appropriate projection light is incident. The lateral shift of the projected image due to the change of is difficult to occur.

形状測定装置41は、第1〜第3の波長帯域WB1〜WB3内の複数の波長の光を出力できるスペクトラム光源2を備える。また、対物光学系44は所定の軸上色収差を発生させることができる。そのため、形状測定装置41では、軸上色収差を利用して被測定体Sの任意の位置での光軸Ax方向の高さ(凹凸量)を非接触で測定することが可能である。   The shape measuring device 41 includes a spectrum light source 2 that can output light of a plurality of wavelengths in the first to third wavelength bands WB1 to WB3. The objective optical system 44 can generate a predetermined axial chromatic aberration. Therefore, the shape measuring apparatus 41 can measure the height (unevenness amount) in the optical axis Ax direction at an arbitrary position of the measurement object S in a non-contact manner using axial chromatic aberration.

また、形状測定装置41では軸上色収差を用いて被測定体Sの形状を測定しているため、アンラッピング処理は不要となる。   In addition, since the shape measuring device 41 measures the shape of the measurement object S using longitudinal chromatic aberration, unwrapping processing is not necessary.

また、形状測定装置41では、2次元にパターンが配置された2次元チャート42の像を撮像装置10〜12により撮像することで、被測定体Sの表面の所定範囲の情報を一度に測定している。すなわち、装置において機械的な動きを伴うことなく被測定体Sの3次元形状を測定することが可能である。そのため、形状測定装置41は、2次元データ取得のための画像走査機構が不要となり装置を簡素化することが可能となる。さらに、形状測定装置41では装置の簡素化に伴い、装置が振動することの抑制、コストの抑制、及び装置の動作の安定等も可能となる。   Further, the shape measuring device 41 measures information of a predetermined range on the surface of the measurement object S at a time by taking an image of the two-dimensional chart 42 in which the pattern is arranged two-dimensionally with the imaging devices 10 to 12. ing. That is, the three-dimensional shape of the measurement object S can be measured without mechanical movement in the apparatus. Therefore, the shape measuring device 41 does not require an image scanning mechanism for obtaining two-dimensional data, and can simplify the device. Furthermore, with the simplification of the apparatus, the shape measuring apparatus 41 can suppress the vibration of the apparatus, reduce the cost, stabilize the operation of the apparatus, and the like.

また、形状測定装置41は、第1〜第3の波長帯域WB1、WB2、WB3において、出力する部分波長帯域の変化と2次元チャート3の像の撮像とを並列的に行う。これにより、第1〜第3の波長帯域WB1、WB2、WB3の全域を波長帯分岐せずに撮像する場合に比べて、短時間で必要なデータを取得することが可能となる。   In addition, the shape measuring apparatus 41 performs in parallel the change of the partial wavelength band to be output and the imaging of the two-dimensional chart 3 in the first to third wavelength bands WB1, WB2, and WB3. Thereby, it becomes possible to acquire necessary data in a short time compared to a case where the entire first to third wavelength bands WB1, WB2, and WB3 are imaged without branching the wavelength bands.

さらに、形状測定装置41では、対物光学系7の軸上色収差量及び光源から出力された光の波長範囲の選択によって、被測定体Sの光軸Ax方向の高さ(凹凸量)の範囲を自由に設定することもできる。したがって、幅広い測定対象に対して形状の測定が可能である。   Further, in the shape measuring apparatus 41, the range of the height (unevenness amount) of the measured object S in the optical axis Ax direction is selected by selecting the axial chromatic aberration amount of the objective optical system 7 and the wavelength range of the light output from the light source. It can also be set freely. Therefore, the shape can be measured for a wide range of measurement objects.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、軸上色収差発生素子として機能する第1の対物光学系31、51は、図1、図4、及び図10に記載された構成に限定されない。したがって、例えば、第1の対物光学系31を図15に示すように構成してもよい。図15では、平凹レンズ31Aと平凸レンズ31Bとの接合レンズである第1の対物光学系31を1個ではなく、2個用意して適当な間隔で配置している。2つの第1の対物光学系31は、同一媒質のレンズ同士、すなわち平凸レンズ31B同士が向かい合わせになるように並べて、開口絞り32を2つの第1の対物光学系31の中間に配置している。     As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, the first objective optical systems 31 and 51 that function as axial chromatic aberration generating elements are not limited to the configurations described in FIGS. 1, 4, and 10. Therefore, for example, the first objective optical system 31 may be configured as shown in FIG. In FIG. 15, two first objective optical systems 31, which are cemented lenses of the plano-concave lens 31 </ b> A and the plano-convex lens 31 </ b> B, are prepared and arranged at an appropriate interval. The two first objective optical systems 31 are arranged so that the lenses of the same medium, that is, the plano-convex lenses 31B face each other, and the aperture stop 32 is disposed between the two first objective optical systems 31. Yes.

また、第1の対物光学系51を図16に示すように構成してもよい。図16では、平凹レンズ51Aと平凸レンズ51Bとの接合レンズである第1の対物光学系51を1個ではなく、2個用意して適当な間隔で配置している。2つの第1の対物光学系51は、同一媒質のレンズ同士、すなわち平凸レンズ51B同士が向かい合わせになるように並べて、投影光用部分開口絞り52及び撮像光用部分開口絞り53を、2つの第1の対物光学系31の中間に配置している。   Further, the first objective optical system 51 may be configured as shown in FIG. In FIG. 16, two first objective optical systems 51, which are cemented lenses of the plano-concave lens 51A and the plano-convex lens 51B, are prepared instead of one and arranged at an appropriate interval. The two first objective optical systems 51 are arranged so that the lenses of the same medium, that is, the plano-convex lenses 51B face each other, and the projection light partial aperture stop 52 and the imaging light partial aperture stop 53 are arranged in two. It is arranged in the middle of the first objective optical system 31.

図15に示すように、2つの第1の対物光学系31とその中央に配置された開口絞り32とを用いる場合、開口絞り32が第2の対物光学系32の光源側焦点面と共役になるように設置することで、実用上十分な近似で倍率色収差の発生を十分に抑制することができる。さらに、この場合、テレセントリック条件をも満たすことが可能である。これは、第1の対物光学系31のパワーの絶対値がごく小さいことによる。   As shown in FIG. 15, when two first objective optical systems 31 and an aperture stop 32 arranged at the center thereof are used, the aperture stop 32 is conjugate with the light source side focal plane of the second objective optical system 32. By being installed in such a manner, it is possible to sufficiently suppress the occurrence of lateral chromatic aberration with a practically sufficient approximation. Further, in this case, it is possible to satisfy the telecentric condition. This is because the absolute value of the power of the first objective optical system 31 is very small.

また、2次元チャートとして、第1実施形態で示したチャート3及び第2実施形態で示したチャート42以外のパターンを有するチャートを用いてもよい。   As the two-dimensional chart, a chart having a pattern other than the chart 3 shown in the first embodiment and the chart 42 shown in the second embodiment may be used.

また、チャートデータを保存する保存領域は、制御ユニット13内に限らず、例えば撮像装置内に存在していてもよい。   Further, the storage area for storing the chart data is not limited to the control unit 13 and may exist in the imaging apparatus, for example.

第1実施形態に係る形状測定装置の構成図である。It is a block diagram of the shape measuring apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る形状測定装置が備える光源装置の構成図である。It is a block diagram of the light source device with which the shape measuring apparatus which concerns on 1st Embodiment is provided. 2次元チャートを形状測定装置の光軸に沿って見たときの平面図である。It is a top view when seeing a two-dimensional chart along the optical axis of a shape measuring device. 第1実施形態に係る形状測定装置が備える第1の対物光学系の構成図である。It is a block diagram of the 1st objective optical system with which the shape measuring apparatus which concerns on 1st Embodiment is provided. 対物光学系の軸上色収差及び倍率色収差について模式的に説明するための図である。It is a figure for demonstrating typically about the axial chromatic aberration and magnification chromatic aberration of an objective optical system. 被測定体上に投影される2次元チャートの像の合焦位置が波長によって変化することを説明するための図である。It is a figure for demonstrating that the focus position of the image of the two-dimensional chart projected on a to-be-measured body changes with wavelengths. 所定の幅を有する部分波長帯での2次元チャートの像強度を示す図である。It is a figure which shows the image intensity of the two-dimensional chart in the partial wavelength band which has a predetermined width | variety. サンプリングされた部分波長帯でのピンホール像強度のピーク値とバックグラウンド値とのコントラストを波長の関数として示す図である。It is a figure which shows the contrast of the peak value of pinhole image intensity in the sampled partial wavelength band, and a background value as a function of a wavelength. 波長帯分岐プリズムによる波長帯分岐と照明光の第1〜第3の波長帯域との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the wavelength band branch by a wavelength band branch prism, and the 1st-3rd wavelength band of illumination light. 第2実施形態に係る形状測定装置の構成図である。It is a block diagram of the shape measuring apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 2次元チャートを形状測定装置の光軸に沿って見たときの平面図である。It is a top view when seeing a two-dimensional chart along the optical axis of a shape measuring device. 被測定体上の任意の位置に形成された2次元チャートの像の波長による結像状態を表す図である。It is a figure showing the image formation state by the wavelength of the image of the two-dimensional chart formed in the arbitrary positions on a to-be-measured body. 撮像装置で撮像したスリット像の光強度分布を示す図である。It is a figure which shows the light intensity distribution of the slit image imaged with the imaging device. 被測定体上に投影された2次元チャートの像の合焦位置が波長によって変化することを説明するための図である。It is a figure for demonstrating that the focus position of the image of the two-dimensional chart projected on the to-be-measured body changes with wavelengths. 第1実施形態に係る形状測定装置の第1の対物光学系の変形例の構成図である。It is a block diagram of the modification of the 1st objective optical system of the shape measuring apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係る形状測定装置の第1の対物光学系の変形例の構成図である。It is a block diagram of the modification of the 1st objective optical system of the shape measuring apparatus which concerns on 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1、41…形状測定装置、2…スペクトラム光源、3、42…2次元チャート、4…コリメータ、5…偏光ビームスプリッタ、6…1/4波長板、7、44…対物光学系、8…結像光学系、9…波長帯分岐プリズム、10…第1の撮像装置、11…第2の撮像装置、12…第3の撮像装置、13…制御ユニット、43…平面ミラー。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,41 ... Shape measuring apparatus, 2 ... Spectrum light source, 3, 42 ... Two-dimensional chart, 4 ... Collimator, 5 ... Polarizing beam splitter, 6 ... 1/4 wavelength plate, 7, 44 ... Objective optical system, 8 ... Connection Image optical system, 9 ... wavelength branching prism, 10 ... first imaging device, 11 ... second imaging device, 12 ... third imaging device, 13 ... control unit, 43 ... planar mirror.

Claims (5)

被測定体の3次元形状を測定する装置であって、
複数の所定の波長帯域それぞれの中で波長を変えて光を出力することができる光源と、
光を透過する領域を有するパターンが所定の方向に沿って繰り返される2次元チャートと、
所定の量の色収差を有し、前記光源から出力された光によって照明された前記2次元チャートの像を前記被測定体に投影する投影光学系と、
前記被測定体で散乱された前記2次元チャートの投影像を撮像して、当該2次元チャートの投影像を得た際の前記光源からの出力光の波長に対応させて撮像された前記2次元チャートの投影像をチャートデータとして保存領域に保存する撮像部と、
前記保存領域に保存された前記チャートデータ及び前記投影光学系の色収差量に基づいて前記被測定体の3次元形状を算出する撮像データ処理部と、を備え、
前記光源は、前記所定の波長帯域内の一部である部分波長帯域の光を、前記複数の所定の波長帯域それぞれで同時に出力するとともに、出力する光の前記部分波長帯域をそれぞれ対応する所定の波長帯域内で変えて光を出力し、
前記撮像部を、前記複数の所定の波長帯域それぞれに対応するように、当該複数の所定の波長帯域の数だけ備え、
前記被測定体で散乱された前記チャートの投影像を前記複数の所定の波長帯域の数だけ波長に基づいて分岐する分岐部をさらに備え、
前記分岐部によって分岐された前記チャートの投影像を、対応する前記撮像部で撮像する3次元形状測定装置。
An apparatus for measuring a three-dimensional shape of a measured object,
A light source capable of outputting light by changing the wavelength in each of a plurality of predetermined wavelength bands;
A two-dimensional chart in which a pattern having a region that transmits light is repeated along a predetermined direction;
A projection optical system having a predetermined amount of chromatic aberration and projecting an image of the two-dimensional chart illuminated by the light output from the light source onto the object to be measured;
The two-dimensional image captured in correspondence with the wavelength of the output light from the light source when the projection image of the two-dimensional chart scattered by the measurement object is captured and the projection image of the two-dimensional chart is obtained An imaging unit for storing a projected image of the chart in a storage area as chart data;
An imaging data processing unit that calculates a three-dimensional shape of the object to be measured based on the chart data stored in the storage region and the amount of chromatic aberration of the projection optical system;
The light source simultaneously outputs light in a partial wavelength band that is a part of the predetermined wavelength band in each of the plurality of predetermined wavelength bands, and each of the predetermined wavelength bands corresponding to the partial wavelength bands of the output light . Output light by changing within the wavelength band,
The imaging unit is provided in the number of the plurality of predetermined wavelength bands so as to correspond to each of the plurality of predetermined wavelength bands,
A branching part for branching the projected image of the chart scattered by the measured object based on the wavelength by the number of the plurality of predetermined wavelength bands;
A three-dimensional shape measuring apparatus that captures a projected image of the chart branched by the branching unit with the corresponding imaging unit .
前記撮像データ処理部は、前記光源から出力された光の波長と前記2次元チャートの投影像の強度との関係に基づいて前記被測定体上の任意の位置での合焦波長を求め、前記合焦波長についての前記投影光学系の色収差量から前記被測定体上の前記任意の位置における前記投影光学系の光軸方向での凹凸量を算出して前記被測定体の3次元形状を測定する請求項1に記載の3次元形状測定装置。   The imaging data processing unit obtains a focusing wavelength at an arbitrary position on the measured object based on a relationship between a wavelength of light output from the light source and an intensity of a projected image of the two-dimensional chart, The amount of unevenness in the optical axis direction of the projection optical system at the arbitrary position on the measured object is calculated from the amount of chromatic aberration of the projection optical system with respect to the focusing wavelength, and the three-dimensional shape of the measured object is measured. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1. 前記撮像データ処理部は、前記部分波長帯域内においてピークを示す前記チャートの投影像の強度と前記部分波長帯域内におけるバックグラウンド強度との差が最も大きいときの波長を前記合焦波長として特定する請求項2記載の3次元形状測定装置。   The imaging data processing unit specifies, as the focused wavelength, a wavelength when the difference between the intensity of the projected image of the chart showing a peak in the partial wavelength band and the background intensity in the partial wavelength band is the largest. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 2. 被測定体の3次元形状を測定する装置であって、
所定の波長帯域の中で波長を変えて光を出力することができる光源と、
光を透過する領域を有するパターンが所定の方向に沿って繰り返される2次元チャートと、
所定の量の色収差を有し、前記光源から出力された光によって照明された前記2次元チャートの像を前記被測定体に投影する投影光学系と、
前記被測定体で散乱された前記2次元チャートの投影像を撮像して、当該2次元チャートの投影像を得た際の前記光源からの出力光の波長に対応させて撮像された前記2次元チャートの投影像をチャートデータとして保存領域に保存する撮像部と、
前記保存領域に保存された前記チャートデータ及び前記投影光学系の色収差量に基づいて前記被測定体の3次元形状を算出する撮像データ処理部と、を備え、
前記投影光学系は、その領域を二分割したときにどちらかの領域内からのみ前記光源からの出力光が射出されるような射出瞳を有し、
前記撮像データ処理部は、前記撮像部において得られた前記チャートデータの所定の複数領域における重心位置の変化を検出し、当該重心位置の変化を前記投影光学系の色収差と比較することで前記複数領域それぞれに対応する前記被測定体の位置での前記投影光学系の光軸方向での凹凸量を算出して前記被測定体の3次元形状を測定する三次元形状測定装置。
An apparatus for measuring a three-dimensional shape of a measured object,
A light source capable of outputting light by changing the wavelength within a predetermined wavelength band;
A two-dimensional chart in which a pattern having a region that transmits light is repeated along a predetermined direction;
A projection optical system having a predetermined amount of chromatic aberration and projecting an image of the two-dimensional chart illuminated by the light output from the light source onto the object to be measured;
The two-dimensional image captured in correspondence with the wavelength of the output light from the light source when the projection image of the two-dimensional chart scattered by the measurement object is captured and the projection image of the two-dimensional chart is obtained An imaging unit for storing a projected image of the chart in a storage area as chart data;
An imaging data processing unit that calculates a three-dimensional shape of the object to be measured based on the chart data stored in the storage region and the amount of chromatic aberration of the projection optical system;
The projection optical system has an exit pupil that emits output light from the light source only from one of the regions when the region is divided into two,
The imaging data processing unit detects a change in the centroid position in a predetermined plurality of regions of the chart data obtained in the imaging unit, and compares the change in the centroid position with chromatic aberration of the projection optical system. A three-dimensional shape measuring apparatus that measures the three-dimensional shape of the measurement object by calculating the unevenness in the optical axis direction of the projection optical system at the position of the measurement object corresponding to each region.
前記投影光学系が有する前記色収差は軸上色収差である請求項1〜4の何れか一項に記載の3次元形状測定装置。   The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the chromatic aberration of the projection optical system is axial chromatic aberration.
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