JP5969867B2 - 光学顕微鏡 - Google Patents

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Description

本発明は光学顕微鏡に関する。
光学顕微鏡は特許文献１、２などに見られるように電子化に伴って進化し続けている。特に特許文献２は、暗室を必要とせず、日常業務を行うディスクの上に置いて対象物を観察できる倒立型顕微鏡を提案している。
光学顕微鏡は、周知のように、光学系の配置によって正立型と倒立型とに大別される。正立型顕微鏡は、ステージの下方に配置した光源から照明光を、上方に位置するステージ上の対象物に向けて照射し、そして、ステージの上方に配置した対物レンズ（受光部）で受光する構成が採用されている。
他方、倒立型顕微鏡は、ステージの上方に配置した光源から照明光を下方に位置するステージ上の対象物に向けて照射し、そして、ステージの下方に配置した対物レンズ(受光部)で受光する構成が採用されている。
正立型、倒立型のいずれであっても近時の光学顕微鏡は受光部に画像素子を備えたカメラを有し、カメラで撮影した画像をモニタで表示するのが定番になっている。なお、人間の目を通して対象物を観察するための接眼レンズは受光部の光学系の途中に組み込まれるが、特許文献１、２に見られるように接眼レンズ無しの光学顕微鏡も出現し、この種の光学顕微鏡はデジタルマイクロスコープとも呼ばれている。デジタルマイクロスコープは被写界深度が深いという利点を備えている。
ところで対象物の表面を三次元測定する機器が既に知られている。特許文献３は、二次元検査と三次元検査とを同時に行ってウエハのバンプのサイズ、ピッチ、欠けの有無を検査するのに好適な表面検査装置を提案している。具体的には、特許文献３に開示の表面検査装置は二次元検査用カメラと高さ検査用カメラとを備え、また、同軸落射照明と、二次元検査用カメラの光軸の周囲に配置された複数のレーザ光源とを有している。
バンプのサイズ、ピッチ、突起欠陥などの二次元検査は同軸落射照明光を用いて行われる。他方、高さの測定はレーザ光切断法によって行われる。具体的には、レーザ光源の幾つかは垂直面に配置され、他のレーザ光源は傾斜面に配置されている。これらシート状のレーザ光はバンプを備えたウエハで正反射光又は散乱光となってウエハ高さ及びバンプの形状を示す形状線として高さ検査用カメラで撮影される。高さ検査用カメラ及び二次元検査用カメラで撮影された画像は夫々画像処理されて、表面形状の良否の判定が行われる。
特許文献４は物体の二次元形状と三次元形状とを一つの装置で同時に認識できる測定装置を提案している。この測定装置は、対象物Ｓ（装着部品）をＸ軸方向に移動させる搬送装置（吸着スピンドル）に関連して設置される。測定装置は、鉛直線上に延びる光軸を備えたカメラを備え、このカメラはＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサを備えている。
特許文献４に開示の測定装置は、また、カメラの支持体に固定されたスリット光源を有し、このスリット光源はカメラの光軸に対して傾斜したスリット光を対象物Ｓに照射する。スリット光はレーザライン光で構成されているが、このレーザライン光の変形例としてＬＥＤ光、ハロゲンランプなどの光をスリットを通過させて生成したスリット光が例示されている。搬送装置をＸ軸方向に移動した各位置でカメラがスリット光基準像とスリット光反射像とを撮像してＮ列、Ｍ列の画素を含む画像を作り、搬送装置が移動する各位置での撮像画像を合成することで対象物Ｓの全画像を獲得する。そして、光切断法によって測定基準面からの高さを算出する。測定装置の一部を構成するコンピュータは、対象物ＳのＸ軸方向の全長分の複数枚の画像を取り込んで対象物Ｓの高さ寸法を求める三次元画像処理を実行する。また、二次元形状を求める二次元画像処理を行う。
特開２００８−１６４６４２号公報 特開２０１２−１８８１８号公報 特開２０００−３３７８２３号公報 特開２００３−２１４８２４号公報
光学顕微鏡では対象物を拡大して観察したり、カメラで取得した画像を保存したり、モニタに表示されている撮影画像で様々な寸法計測が行われており、例えば半導体の微細な部分の品質管理など電子部品業界、科学薬品業界などの産業界で幅広く活用されている。
本願発明者は、従来の二次元テクスチャ画像をモニタ表示する光学顕微鏡を更に進化させ、三次元テクスチャ画像をモニタ表示する光学顕微鏡を開発過程で、同一のカメラで観察用の画像と計測用の画像とを取得する場合に、その双方の画像を最適化するのに対象物の高さ位置、向き、傾斜角度の調整の自在性とユーセントリック性との両立という課題に遭遇した。すなわち、対象物の高さ位置、向き、傾斜角度を調整しても視野にズレを生じないことが重要であり、このユーセントリック性の確保によって三次元テクスチャ画像を生成するための処理が容易になる。
本発明の目的は、共通のカメラを使って観察用画像と計測用画像とを取得して三次元テクスチャ画像を生成して、これをモニタする光学顕微鏡を開発するに際して、観察用画像及び計測用画像を取得するに際してその双方の画像を最適化するための調整とユーセントリック性の両立を確保することのできる光学顕微鏡を提供することにある。
上記の技術的課題は、本発明の一つの観点によれば、
対象物を載置するステージと、
該ステージに載置された対象物に向けた観察中心軸を有する受光部と、
前記対象物に対して斜め上方から光を照射する投光部と、
該投光部を使って前記対象物を照射して前記受光部で取得した計測用画像を所定のアルゴリズムで処理して三次元形状データを生成する三次元形状データ生成手段とを有する光学顕微鏡であって、
前記投光部の投光光軸が前記受光部の焦点位置に差し向けられ、
前記ステージ上の対象物を回転させるθステージの回転軸が前記受光部の観察中心軸と同軸に設定され、
前記θステージの回転軸及び前記受光部の観察中心軸が、前記受光部の焦点位置と前記投光部の投光光軸とが交差する点を通過するように設定され、
前記ステージが、Ｚ軸方向に上下する昇降機構に支持され、
前記昇降機構により前記ステージのＺ軸方向の位置を変化させて撮像された複数の画像を合成することにより画像全体に焦点が合ったフルフォーカス画像を生成する深度合成手段を更に有し、
前記ステージが、前記受光部の焦点を通るチルト軸を中心に前記対象物を傾けるチルト手段を有し、
前記深度合成手段は、前記チルト手段により前記ステージをチルトさせた状態で、Ｚ軸方向の位置を変化させて撮像された複数の画像を合成して前記フルフォーカス画像を生成することを特徴とする光学顕微鏡を提供することにより達成される。
また、上記の技術的課題は、本発明の他の観点によれば、
対象物を載置するステージと、
該ステージに載置された対象物に向けた観察中心軸を有する受光部と、
前記対象物に対して斜め上方から光を照射する投光部と、
該投光部を使って前記対象物を照射して前記受光部で取得した計測用画像を所定のアルゴリズムで処理して三次元形状データを生成する三次元形状データ生成手段とを有する光学顕微鏡であって、
前記投光部の投光光軸が前記受光部の焦点位置に差し向けられ、
前記ステージ上の対象物を回転させるθステージの回転軸が前記受光部の観察中心軸と同軸に設定され、
前記θステージの回転軸及び前記受光部の観察中心軸が、前記受光部の焦点位置と前記投光部の投光光軸とが交差する点を通過するように設定され、
前記ステージが、Ｚ軸方向に上下する昇降機構のアームの先端部に支持され、
前記アームの移動方向であるＺ軸が前記観察中心軸と整合していることを特徴とする光学顕微鏡を提供することにより達成される。
本発明の他の目的及び作用効果は、本発明の実施例の詳細な説明から明らかになろう。
本発明の一実施の形態に係る光学顕微鏡の構成を示すブロック図である。 図１の光学顕微鏡の測定部の構成を示す模式図である。 光が照射された状態の測定対象物の模式図である。 光が照射された状態の測定対象物の模式図である。 画像を２画面表示するＧＵＩの一例を示す図である。 三角測距方式の原理を説明するための図である。 測定光の第１のパターンを説明するための図である。 測定光の第２のパターンを説明するための図である。 測定光の第３のパターンを説明するための図である。 測定対象物の特定の部分における画素データ(受光された光の強度)と画素データが得られた画像の順番(何番目か)の関係を示す図である。 測定光の第４のパターンを説明するための図である。 実施例の光学顕微鏡の操作及び動作を説明するためのフローチャートである。 三次元形状を計測可能な光学顕微鏡の筐体をコンパクトにするために投光光軸及び/又は受光光軸を屈折させる例を示すものであり、投光光軸の最終段にミラーを配し、また、投光部とその光源との間にパターン生成部（ＤＭＤ）を傾斜して配置して光軸を屈折させる例の正面図である。 投光部の最終段に配置したミラーにより光軸を屈折された光学顕微鏡の右側面図である。 投光部の最終段にミラーを配置しなかった場合の問題点を説明するための顕微鏡の正面図である。 倍率の異なる第１、第２の受光部を配置する場合に、低倍率の第１受光部の観察中心軸の途中にハーフミラーを配置して、比較的長尺の高倍率の第２受光部を横方向に延在させる例を示す概念図である。 ステージを含むステージ系と、光学系を含むヘッド光学系とを別の筐体に収容し、ヘッド光学系の筐体をステージ系の筐体から取り外し可能にした例を示す光学顕微鏡の側面図である。 ヘッド光学系筐体の中に投光部及び受光部と干渉しない且つこれらに沿って回路基板の起立した状態で配置した光学顕微鏡を示し、（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は右側面図である。 実施例の光学顕微鏡の斜視図であり、ヘッド光学系筐体（ヘッド上部）がステージ系筐体（ヘッド下部）から分離可能であることを示す図である。 ヘッド光学系筐体に収容される各種の要素を取り付けるための光学ベース部材の斜視図である。 図２０に図示の光学ベース部材に一対の投光部と低倍率と高倍率の受光部を取り付けた状態を示す斜視図である。 図２１の光学ベース部材の正面図である。 図２０に図示の光学ベース部材に対する一対の投光部（投光レンズユニット）の組み付けを説明するための図である。 図２０に図示の光学ベース部材に対する投光光軸を屈折させるためのミラー部材（光軸屈折部）の組み付けを説明するための図である。 光学ベース部材に組み付けた一対の投光部に対する光源ユニットの組み付けを説明するための図である。 投光部、受光部、光源ユニットを組み付けた光学ベース部材に対する回路基板の組み付けを説明するための図である。 ヘッド光学系筐体で覆うために光学ベース部材に筐体取付用部材６３０を設置した状態を示す図である。 光学ベース部材に対する投光部の取り付け方法の変形例を説明するための図である。 投光部(投光レンズユニット)にミラー部材（光軸屈折部）を直接的に固定する例を説明するための図である。 光学顕微鏡のステージの斜視図であり、Ｘ軸、Ｙ軸、θ回転方向を説明するための図である。 ステージの正面図である。 ステージの側面図である。 光学顕微鏡の投光部、受光部、各種ステージの相互関係を示し、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は正面図である。 ステージの下に高さ調整ステージを設けると共にステージを支持するアームの基端に回転機構を設けた例の側面図である。 （Ａ）は図３４に図示の例の正面図であり、チルトさせない状態を示し、（Ｂ）は傾斜観察のためにチルトさせた状態を示す。 ステージの中央に、例えばチルトステージを脱着可能に設置できる円形凹所を形成した例を説明するための図である。 ステージとその昇降機構を斜め前方から見た斜視図である。 ステージとその昇降機構を斜め後方から見た斜視図である。 ステージ昇降機構を斜め前方から見た斜視図である。 ステージ昇降機構を斜め後方から見た斜視図である。 ステージを昇降させる駆動機構を説明するための図である。 ステージを上昇させたときに昇降機構がステージ昇降に随伴して上昇する可撓性シートで覆われて前方から昇降機構が見えないようにした構成を示す斜視図である。 ステージを下降させたときに昇降機構がステージ下降に随伴して下降する可撓性シートで覆われて前方から昇降機構が見えないようにした構成を示す斜視図である。 ステージを片持ち支持するアーム及びこのアームを上下させる昇降駆動部を縦断面した図であり、昇降可能な可撓性シートに関連した機構及び構造を説明するための断面図である。 図４４に示す構造の側面図である。
以下に、添付の図面に基づいて本発明の好ましい実施例を説明する。
実施例の光学顕微鏡の全体構成（図１、図２など）：
図１は、実施例の光学顕微鏡５００の構成を示すブロック図である。図２は、図１の光学顕微鏡５００の測定部の構成を示す模式図である。図１、図２を参照して、光学顕微鏡５００は、測定部１００、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）２００、制御部３００および表示部（モニタ）４００を備えている（図１）。
測定部１００は、投光部１１０、受光部１２０、照明光出力部１３０、ステージ１４０および制御基板１５０を含む。投光部１１０は、測定光源１１１、パターン生成部１１２および複数のレンズ１１３、１１４、１１５を含む。受光部１２０は、カメラ１２１および複数のレンズ１２２、１２３を含む。ステージ１４０上に測定対象物Ｓが載置される。
投光部１１０は、ステージ１４０の斜め上方に配置された投光ユニットで構成されている。投光部１１０は測定対象物Ｓの表面に対して斜め上方から光を照射する。測定部１００は、複数の投光部１１０を含んでもよい。図２の例においては、測定部１００は２つの投光部１１０を含む。以下、２つの投光部１１０を区別する場合は、一方の投光部１１０を第１の投光部１１０Ａと呼び、他方の投光部１１０を第２の投光部１１０Ｂと呼ぶ。一対の第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂは受光部１２０の光軸を挟んで鏡像対称に配置される。受光部１２０の光軸に対して投光部１１０からの光が斜めに照射されるため凹凸を含む立体形状の測定対象物Ｓに影が発生する。これに対して一対の第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂを鏡像対称に配置することで、この影の発生を抑えることができる。
第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの測定光源１１１は典型的には白色光を出射するハロゲンランプで構成される。測定光源１１１として、白色光を出射する白色ＬＥＤ（発光ダイオード）等の他の光源であってもよい。測定光源１１１から出射された光（以下、測定光と呼ぶ）は、レンズ１１３により適切に集光された後、パターン生成部１１２に入射する。ここに、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂはテレセントリック光学系が採用されており、これにより高い計測精度を確保することができる。すなわち、テレセントリック光学系は、レンズと対象物Ｓとの距離に左右されることなくパターンの結像サイズが一定であるため、立体である対象物Ｓの表面高さが一定でない場合（例えば凹凸面）であってもパターン寸法が変化しないため、高い精度で計測することができる。
パターン生成部１１２は、典型的にはＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）で構成される。ここにＤＭＤは表示素子の一種であり、数μm角のマイクロミラーが画素のように数十万個配置されており、各マイクロミラーが独立して傾きを変えることができる。この特性により、マイクロミラーの向きによって光を光軸方向に反射させたり（明／ＯＮ）、光軸から外に偏向させることができる（暗／ＯＦＦ）。このマイクロミラーは最大で数kHzの高速でＯＮ/ＯＦＦを切り替えることができるため、明るさの階調はＰＷＭ制御によって調整することができる。つまり、例えばＲＧＢ各色１６bitで６０Hzのカラー表示が可能である。パターン生成部１１２によって生成される照明パターンは縞パターン（図９：マルチスリット法）だけでなく任意の二次元パターンを生成することができる。
パターン生成部１１２は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon：反射型液晶素子)またはマスクで構成してもよい。パターン生成部１１２に入射した測定光は、予め設定されたパターンおよび予め設定された強度（明るさ）に変換されて出射される。パターン生成部１１２により出射された測定光は、複数のレンズ１１４、１１５により受光部１２０の観察及び測定が可能な視野よりも大きい径を有する光に変換された後、ステージ１４０上の測定対象物Ｓを照射する。
受光部１２０は、カメラ１２１とレンズユニット１２２、１２３とで構成され、ステージ１４０の上方に配置される。測定対象物Ｓにより反射した光は、ステージ１４０の上方に進み、受光部１２０の複数のレンズ１２２、１２３により集光及び結像され、そしてこの反射光はカメラ１２１によって受光される。
カメラ１２１は撮像素子１２１ａおよびレンズを含むカメラで構成される。実施例では、精度を優先して固定倍率のテレセントリック光学系の受光レンズユニットを採用しているが、ズームレンズを採用して広範な倍率で使用できるようにしてもよい。撮像素子１２１ａは、好ましくはモノクロの例えばＣＣＤ（電荷結合素子）で構成される。撮像素子１２１ａとしてＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の他の撮像素子を採用してもよい。撮像素子１２１ａの各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ）が制御基板１５０に出力される。
カラーの撮像素子を採用した場合、各画素を赤色用、緑色用、青色用の受光に対応させる必要があるため、モノクロの撮像素子と比較すると計測分解能が低く、また各画素にカラーフィルタを設ける必要があるため感度が低下する。これに対して、モノクロの撮像素子１２１ａを採用し、後述する照明光出力部１３０からＲＧＢに夫々対応した照明を時分割で照射（シーケンシャル照射）して撮像することにより、カラー画像を取得することができる。このような構成にすることにより、計測精度を低下させずに測定物の二次元カラーテクスチャ画像を取得することができる。
勿論、撮像素子１２１ａとして、カラーの撮像素子を用いても良いことは云うまでもない。この場合、計測精度や感度は低下するが、照明光出力部１３０からＲＧＢ照明を時分割で照射する必要がなくなり、白色光を照射するだけで、カラー画像を取得できるため、照明光学系をシンプルに構成できる。
制御基板１５０には、図示しないＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）およびＦＩＦＯ（First In First Out）メモリが実装される。カメラ１２１から出力される受光信号は、制御部３００による制御に基づいて、制御基板１５０のＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、ＦＩＦＯメモリに順次蓄積される。ＦＩＦＯメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次制御用ＰＣ２００に転送される。
図１に示すように、制御用ＰＣ２００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１０、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２０、作業用メモリ２３０、記憶装置２４０および操作部２５０を含む。また、操作部２５０は、キーボードおよびポインティングデバイスを含む。ポインティングデバイスとしては、マウスまたはジョイスティック等が用いられる。
ＲＯＭ２２０にはシステムプログラムが記憶される。作業用メモリ２３０はＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）で構成され、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置２４０はハードディスク等からなる。記憶装置２４０には、画像処理プログラムおよび形状測定プログラムが記憶される。また、記憶装置２４０は、制御基板１５０から与えられる画素データ等の種々のデータを保存するために用いられる。
ＣＰＵ２１０は、制御基板１５０から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。また、ＣＰＵ２１０は、生成した画像データに作業用メモリ２３０を用いて各種処理を行うとともに、画像データに基づく画像を表示部４００に表示させる。さらに、ＣＰＵ２１０は、後述するステージ駆動部１４５に駆動パルスを与える。表示部４００は、好ましくは薄型ディスプレイ、例えばＬＣＤパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。
図２において、測定対象物Ｓが載置されるステージ１４０上の平面（以下、載置面と呼ぶ）内で互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向と定義し、それぞれ矢印Ｘ、Ｙで示す。ステージ１４０の載置面に対して直交する方向をＺ方向と定義し、矢印Ｚで示す。Ｚ方向に平行な軸を中心に回転する方向（矢印θで図示）をθ方向と定義する。
ステージ１４０は、Ｘ−Ｙステージ１４１、Ｚステージ１４２およびθステージ１４３を含む。Ｘ−Ｙステージ１４１はＸ方向移動機構およびＹ方向移動機構を有する。Ｚステージ１４２はＺ方向移動機構を有する。θステージ１４３はθ方向回転機構を有する。これらＸ−Ｙステージ１４１、Ｚステージ１４２およびθステージ１４３によって、ステージ１４０が構成される。また、ステージ１４０は、その載置面に測定対象物Ｓを固定する図示しない固定部材（クランプ）をさらに含む。ステージ１４０は、その載置面に平行な軸を中心に回転可能な機構を有するチルトステージを更に含んでもよい。
ステージ１４０のＸ方向移動機構、Ｙ方向移動機構、Ｚ方向移動機構およびθ方向回転機構は、それぞれ独立して駆動制御できる駆動源を備えているのが良く、この駆動源の典型例としてステッピングモータを挙げることができる。ステージ１４０のＸ方向移動機構、Ｙ方向移動機構、Ｚ方向移動機構およびθ方向回転機構は、図１のステージ操作部１４４またはステージ駆動部１４５により駆動される。
使用者は、ステージ操作部１４４を手動で操作することにより、ステージ１４０の載置面を受光部１２０に対して相対的にＸ方向、Ｙ方向もしくはＺ方向に移動させるか、またはθ方向に回転させることができる。ステージ駆動部１４５は、ＰＣ２００より与えられる駆動パルスに基づいて、ステージ１４０のステッピングモータに電流を供給することにより、受光部１２０に対してステージ１４０を相対的にＸ方向、Ｙ方向もしくはＺ方向に移動させるか、またはθ方向に回転させることができる。
ここに、図２に示すように、左右の投光部１１０の中心軸（光軸）と受光部１２０の中心軸（光軸）は、ステージ１４０の焦点が最も合うピント平面で互いに交差するように、受光部１２０、投光部１１０、ステージ１４０の相対的な位置関係が定められている。また、θ方向の回転軸の中心は、受光部１２０の中心軸と一致しているため、θ方向にステージ１４０が回転した際に、測定対象物が視野から外れることなく、回転軸を中心に視野内で回転するようになっている。また、Ｚ方向移動機構に対して、これらＸ、Ｙ、θ及びチルト移動機構は支持されている。
すなわち、ステージ１４０をθ方向に回転させたり、チルトさせた状態であっても、受光部１２０の観察中心軸(光軸)と、Ｚ方向の移動軸にずれが生じない構成になっている。このようなステージ機構により、測定対象物の位置や姿勢を変化させた状態であっても、Ｚ方向にステージ１４０を移動させて異なる焦点位置の画像を複数撮像して合成することが可能となる。なお、本実施の形態ではステッピングモータにより駆動させることが可能な電動ステージを例に説明したが、手動でのみ変位させることが可能な手動ステージであっても良い。
制御部３００は、制御基板３１０および照明光源３２０を含む。制御基板３１０には、図示しないＣＰＵが実装される。制御基板３１０のＣＰＵは、ＰＣ２００のＣＰＵ２１０からの指令に基づいて、投光部１１０、受光部１２０および制御基板１５０を制御する。
照明光源３２０は、例えば赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）および青色光（Ｂ）を出射する３種類のＬＥＤを含む。各ＬＥＤから出射される光の輝度を制御することにより、照明光源３２０から任意の色の光を発生することができる。照明光源３２０が発生する光（以下、照明光と呼ぶ）は、導光部材（ライトガイド）を通してリング状の照明光出力部１３０から出力される。なお、制御部３００に照明光源３２０を設けずに、測定部１００に照明光源３２０を設けてもよい。この場合、測定部１００には照明光出力部１３０が設けられない。ＲＧＢ照明光出力部１３０を使って照射してカラー画像を生成する場合には、例えば各色の光源は300Hzでシーケンシャルに切り替えられる。
図２の照明光出力部１３０は、観察中心軸を中心とする円環形状を有するリング形照明が採用されている。このリング形の照明光出力部１３０は、受光部１２０を包囲した状態でステージ１４０の上方に配置される。これにより影が発生しないように照明光出力部１３０から測定対象物Ｓに照明光が照射される。すなわち、リング形状の照明を受光部１２０の光軸の周囲に配置したことで、測定対象物Ｓをほぼ影無しで観察することができる。したがって、測定対象物Ｓに対して斜めに投光する投光部１１０だけでは観察することのできない穴の底もリング状の照明出力部１３０を使うことで観察することができる。
図３および図４は、光が照射された状態の測定対象物Ｓの模式図である。図３および図４の例においては、測定対象物Ｓは上面の略中央に孔Ｓｈを有する。また、図３（ａ）、（ｃ）および図４（ａ）においては、影Ｓｓをハッチングにより表わしている。
図３（ａ）は第１の投光部１１０Ａ(図２)からの測定光が照射された状態の測定対象物Ｓの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第１の投光部１１０Ａから測定光を測定対象物Ｓに照射した場合、孔Ｓｈの深さによっては、孔Ｓｈの底部にまで測定光が到達せず、影Ｓｓが発生する。したがって、測定対象物Ｓの一部を観察することができない。
図３（ｃ）は第２の投光部１１０Ｂ(図２)からの測定光が照射された状態の測定対象物Ｓの平面図であり、図３（ｄ）は図３（ｃ）のＢ−Ｂ線断面図である。図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、第２の投光部１１０Ｂから測定光を測定対象物Ｓに照射した場合、孔Ｓｈの深さによっては、孔Ｓｈの底部にまで測定光が到達せず、影Ｓｓが発生する。したがって、測定対象物Ｓの一部を観察することができない。
図４（ａ）は第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの両方からの測定光が照射された状態の測定対象物Ｓの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの両方から測定光を測定対象物Ｓに照射した場合、第１又は第２の投光部１１０Ａ又は１１０Ｂから測定光を測定対象物Ｓに照射した場合に比べて、孔Ｓｈの底部にまで到達しない測定光が減少するため、発生する影Ｓｓが減少する。したがって、観察することができる測定対象物Ｓの部分が増加する。
図４（ｃ）は図２の照明光出力部１３０からの照明光が照射された状態の測定対象物Ｓの平面図であり、図４（ｄ）は図４（ｃ）のＤ−Ｄ線断面図である。図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、照明光は測定対象物Ｓの略真上から照射されるので、孔Ｓｈの深さによらず、孔Ｓｈの底部にまで照明光が到達する。したがって、測定対象物Ｓの大部分を観察することができる。
第１の投光部１１０Ａから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像と、第２の投光部１１０Ｂから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像とが横並びに表示部４００に表示（２画面表示）されてもよい。
ＰＣ（パソコン）２００は受光部１２０（制御基板１５０）から送信されるカメラ画像データを受け取って処理を実行する。表示部４００は、光学顕微鏡５００を制御するためのモニタとして機能し、カメラ撮影画像や制御用プログラムのＧＵＩを表示し、使用者はマウス、キーボードなどの入力手段を使って操作することができる。
図５は、画像を２画面表示するＧＵＩ（Graphical User Interface）の一例を示す図である。図５に示すように、表示部４００には２つの画像表示領域４１０、４２０が並ぶように設けられる。画像を２画面表示する場合には、投光部１１０Ａ、１１０Ｂから測定対象物Ｓに測定光が切り替わるように交互に照射される。画像表示領域４１０には、第１の投光部１１０Ａから測定光が照射された場合における測定対象物Ｓの画像が表示される。画像表示領域４２０には、第２の投光部１１０Ｂから測定光が照射された場合における測定対象物Ｓの画像が表示される。これにより、使用者は第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々により測定光を照射された場合における測定対象物Ｓの画像を区別して認識することができる。
なお、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂからの測定光の切り替えの頻度は、使用者が夫々を少なくとも動画と感じられる程度の値（例えば数Ｈｚ以上）に設定される。したがって、使用者には、測定部１００において両方の投光部１１０Ａ、１１０Ｂから測定対象物Ｓに測定光が略同時に照射され、同時に動画が更新されるように観測される。すなわち、投光部１１０Ａ、１１０Ｂからの測定光を照射して得た夫々の画像は、そのいずれも動画（ライブ画像）のように使用者に認識される。
引き続き図５を参照して、表示部４００には２つの明るさ設定バー４３０、４４０が表示される。明るさ設定バー４３０は、水平方向に移動可能なスライダ４３０ｓを有する。明るさ設定バー４４０は、水平方向に移動可能なスライダ４４０ｓを有する。明るさ設定バー４３０上のスライダ４３０ｓの位置は、第１の投光部１１０Ａから出射される測定光の明るさまたは１１０Ａからの測定光で画像を撮影する際のカメラ露光時間に対応する。明るさ設定バー４４０上のスライダ４４０ｓの位置は、第２の投光部１１０Ｂから出射される測定光の明るさまたは１１０Ｂからの測定光で画像を撮影する際のカメラ露光時間に対応する。
使用者は、図１のＰＣ２００の操作部２５０（典型的にはマウス）を操作して明るさ設定バー４３０のスライダ４３０ｓを水平方向に移動させることにより、第１の投光部１１０Ａから出射される測定光の明るさ又はこの第１の投光部１１０Ａに対応するカメラ露光時間を変更することができ、その結果がリアルタイムに表示部４００の表示画像に反映される。同様に、使用者は、操作部２５０（典型的にはマウス）を操作して明るさ設定バー４４０のスライダ４４０ｓを水平方向に移動させることにより、第２の投光部１１０Ｂから出射される測定光の明るさまたは第２の投光部１１０Ｂに対応するカメラ露光時間を変更することができ、その結果がリアルタイムに表示部４００の表示画像に反映される。
上記のように、画像表示領域４１０、４２０には、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々により測定光を照射された場合における測定対象物Ｓの画像が並ぶように表示される。したがって、使用者は、画像表示領域４１０、４２０に表示された測定対象物Ｓの画像を見ながら、明るさ設定バー４３０、４４０のスライダ４３０ｓ、４４０ｓの位置をそれぞれ移動させることにより、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々から出射される測定光の明るさまたはそれぞれの投光部に対応したカメラ露光時間を適切に調整することができる。
また、投光部１１０Ａ、１１０Ｂから出射される測定光の適切な明るさと照明光出力部１３０から出射される照明光の適切な明るさ又は夫々の照明に対応したカメラ露光時間との間に相関がある場合がある。この場合、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々から出射される測定光の明るさまたはそれぞれの投光部に対応したカメラ露光時間は、照明光出力部１３０から出射される照明光の明るさまたは照明光に対応したカメラ露光時間に基づいて自動的に調整されてもよい。
あるいは、照明光出力部１３０から出射される照明光の明るさまたは照明光に対応したカメラ露光時間に基づいて、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々から出射される測定光の明るさ又はそれぞれの投光部に対応したカメラ露光時間を適切にするための調整ガイドが表示部４００に表示されてもよい。この場合、使用者は、調整ガイドに基づいて明るさ設定バー４３０、４４０のスライダ４３０ｓ、４４０ｓの位置をそれぞれ移動させることにより、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々から出射される測定光の明るさまたはそれぞれの投光部に対応したカメラ露光時間を適切に調整することができる。
光の照射方向が異なれば、光の反射方向も異なるため、結果として得られる画像の明るさは、同じ部位であっても光の照射方向によって異なる。すなわち、計測に適した照明の明るさ、撮像素子の露光時間は照射方向によって異なることになる。この実施例では、複数の投光部１１０Ａ、１１０Ｂから光を照射して撮像されたそれぞれの画像の明るさを個別に調整可能とすることにより、照射方向毎に適切な照明の明るさ又は露光時間を設定することができる。また、明るさ調整中の画像は、画像表示領域４１０、４２０に更新されながら表示されるため、調整後の画像を確認しながら明るさを調整できる。この際に、画像表示領域４１０、４２０に表示された画像の中で、明るすぎて白とびしている部分や、暗すぎて黒つぶれしている部分を識別可能に表示することで、ユーザにとって明るさが適切に調整できているか否かをよりわかりやすく表示することも可能である。
測定対象物の形状測定：
（１）三角測距方式による形状測定（図６）：
測定部１００においては、三角測距方式により測定対象物Ｓの立体形状が測定される。図６は、三角測距方式の原理を説明するための図である。図６に示すように、投光部１１０から出射される測定光の光軸と受光部１２０に入射する測定光の光軸（受光部１２０の光軸）との間の角度αが予め設定される。角度αは０度よりも大きく９０度よりも小さい。
ステージ１４０上に測定対象物Ｓが載置されない場合、投光部１１０から出射される測定光は、ステージ１４０の載置面の点Ｏにより反射され、受光部１２０に入射する。一方、ステージ１４０上に測定対象物Ｓが載置される場合、投光部１１０から出射される測定光は、測定対象物Ｓの表面の点Ａにより反射され、受光部１２０に入射する。
点Ｏと点Ａとの間のＸ方向における距離を「ｄ」で示すと、ステージ１４０の載置面に対する測定対象物Ｓの点Ａの高さｈは、ｈ＝ｄ÷ｔａｎ（α）により与えられる。図１のＰＣ２００のＣＰＵ２１０は、制御基板１５０により与えられる測定対象物Ｓの画素データに基づいて、Ｘ方向における点Ｏと点Ａとの間の距離ｄを測定する。また、ＣＰＵ２１０は、測定された距離ｄに基づいて、測定対象物Ｓの表面の点Ａの高さｈを算出する。測定対象物Ｓの表面の全ての点の高さを算出することにより、測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定できる。しかしながら、測定対象物Ｓの表面の全ての点を計測するには、測定対象物Ｓの視野範囲内全域に対して測定光（測定点）を例えばラスタースキャンするなどの処理が必要であり、その処理に多大な時間が必要となる。
このことから、ライン状の照射パターンを測定対象物Ｓの表面に当てて一方向にスキャンする光切断法、縞状の照射パターンを測定対象物Ｓの表面に当て一方向にスキャンする縞投影法が周知である。そして、このようにして獲得した三次元形状データに対して、均一照明を測定対象物Ｓに当てて得た対象物画像を表面テクスチャ情報としてマッピングすることで対象物Ｓの三次元形状を表示部４００にディスプレイすることができる。三次元形状データを獲得するために実施例に採用可能な照射パターンを以下に例示的に説明する。ここに、マッピングとは、その典型例を具体的に説明すれば、三次元形状測定データと二次元テクスチャ画像とを同一のカメラで取得し、二次元テクスチャ画像の各ピクセルのデータと、三次元形状測定によって得られた高さ画像の同一ピクセルのデータとを対応付けして三次元テクスチャ画像を生成することを意味する。
（２）測定光の第１の照射パターン（図７：ライン状投影法）：
図７は、測定光の第１のパターンを説明するための図である。図７（ａ）は、ステージ１４０上の測定対象物Ｓに投光部１１０から測定光を照射した状態を示す。図７（ｂ）は、測定光が照射された測定対象物Ｓの平面図を示す。図７（ａ）に示すように、第１のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有する測定光（以下、ライン状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から出射される。この場合、図７（ｂ）に示すように、ステージ１４０に照射されたライン状測定光の部分と測定対象物Ｓの表面に照射されたライン状測定光の部分とは、測定対象物Ｓの表面の高さｈに対応する距離ｄだけＸ方向に互いにずれる。したがって、距離ｄを測定することにより、測定対象物Ｓの高さｈを算出することができる。
測定対象物Ｓの表面のＹ方向に沿った複数の部分が異なる高さを有する場合には、各部分について上記の距離ｄを測定することにより、Ｙ方向に沿った複数の部分の高さｈを算出することができる。
また、図１のＣＰＵ２１０は、Ｘ方向の一の位置でＹ方向に沿った複数の部分について距離ｄを測定した後、Ｙ方向に平行なライン状測定光をＸ方向に走査することにより、Ｘ方向の他の位置でＹ方向に沿った複数の部分について距離ｄを測定する。これにより、Ｘ方向の複数の位置におけるＹ方向に沿った測定対象物Ｓの複数の部分の高さｈが算出される。受光部１２０の観察及び測定可能な視野よりも広い範囲でライン状測定光をＸ方向に走査することにより、測定対象物Ｓの表面の全ての点の高さｈを算出することができる。これにより、測定対象物Ｓの三次元形状データを獲得することができる。
（３）測定光の第２の照射パターン（図８：正弦波位相シフト法）：
図８は、測定光の第２のパターンを説明するための図である。図８に示すように、第２のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有しかつＸ方向に強度が正弦波状に変化するパターンを有する測定光（以下、正弦波状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本例においては４回）出射される。正弦波位相シフト法では、最低３回の撮影で高さｈを求めることができる。後に説明するように、９０度(π/2)ずつ位相をシフトして４回撮影すると、計算式が非常に簡単になるという利点がある。
図８（ａ）は、１回目に出射される正弦波状測定光を示す。１回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、初期位相φを有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の任意の部分ＰOにより反射された光の強度（輝度）をＩ1とする。
図８（ｂ）は、２回目に出射される正弦波状測定光を示す。２回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、位相（φ＋π／２）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の部分ＰOにより反射された光の強度（輝度）をＩ2とする。
図８（ｃ）は、３回目に出射される正弦波状測定光を示す。３回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、位相（φ＋π）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の部分ＰOにより反射された光の強度（輝度）をＩ3とする。
図８（ｄ）は、４回目に出射される正弦波状測定光を示す。４回目の正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、位相（φ＋３π／２）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の部分ＰOにより反射された光の強度（輝度）をＩ4とする。
初期位相φは、φ＝ｔａｎ−１［（Ｉ1−Ｉ3）／（Ｉ2−Ｉ4）］で与えられる。この４点法を使うことにより、元になる正弦波の振幅や輝度中心を知る必要がなく、計測したＩ1〜Ｉ4から初期位相φを求めることにより測定対象物Ｓの任意の部分の高さｈが算出される。より詳しく説明すると、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、対象物Ｓが存在していないときの初期位相φoと、対象物Ｓが存在することによってシフトした初期位相φsとの位相差（図６の距離ｄに相当）を求めることで高さｈが算出される。すなわち、この方式によれば、４回の光の強度の測定により、測定対象物Ｓの全ての部分の初期位相φを高速かつ容易に算出することができる。なお、初期位相φは、最低３回、位相の異なる測定光を照射し、受光される光の強度（輝度）を測定することにより算出することができる。そして、測定対象物Ｓの表面上の全ての部分の高さｈを算出することにより、測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定することができる。この正弦波位相シフト法によれば、撮影枚数が最低３枚であり少ない撮影回数で立体情報を入手できるため高速で三次元形状データを獲得できるという利点がある。
（４）測定光の第３の照射パターン（図９：マルチスリット法）：
図９は、測定光の第３のパターンを説明するための図である。図９に示すように、第３のパターンとして、Ｙ方向に平行でかつＸ方向に並ぶような直線状の断面を有する複数の細線状のパターン測定光（以下、縞状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本例においては１６回）出射される。すなわち、スリット幅よりも狭いピッチで照明パターンを移動させて複数回の撮影が行われる。実施例では、このマルチスリット法と後に説明する空間コード法との組み合わせが採用されている。
縞状測定光においては、Ｙ方向に平行な直線状の明部分およびＹ方向に平行な直線状の暗部分がＸ方向に周期的に配列される。ここで、パターン生成部１１２がＤＭＤである場合には、マイクロミラーの寸法を１単位とする。縞状測定光の各明部分のＸ方向の幅は、例えば３単位であり、縞状測定光の各暗部分のＸ方向の幅は、例えば１３単位である。この場合、縞状測定光のＸ方向の周期は１６単位である。なお、明部分および暗部分の単位は、図２のパターン生成部１１２の構成により異なる。例えば、パターン生成部１１２が液晶である場合には、１単位は１画素の寸法である。
１回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が、測定対象物Ｓの１番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。図９（ａ）は、１回目の縞状測定光に対応する測定対象物Ｓの１番目の撮影画像である。
２回目の縞状測定光は、１回目の縞状測定光から明部分および暗部分をＸ方向に１単位だけ移動させたパターンを有する。２回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が、受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの２番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。
３回目の縞状測定光は、２回目の縞状測定光から明部分および暗部分をＸ方向に１単位だけ移動させたパターンを有する。３回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が、測定対象物Ｓの３番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。
同様の動作が繰り返されることにより、４〜１６回目の縞状測定光に対応する光の強度が、測定対象物Ｓの４〜１６番目の撮影画像の画素データに基づいてそれぞれ測定される。Ｘ方向の周期が１６単位である縞状測定光が１６回出射されることにより、測定対象物Ｓの表面の全ての部分に縞状測定光が照射される。なお、図９（ｂ）は、７回目の縞状測定光に対応する測定対象物Ｓの７番目の撮影画像である。図９（ｃ）は、１３回目の縞状測定光に対応する測定対象物Ｓの１３番目の撮影画像である。
図１０は、測定対象物Ｓの特定の部分における、画像が撮影されたタイミング(何番目か)と受光された光の強度との関係を示す図である。図１０の横軸は撮影画像の番号を示し、縦軸は受光された光の強度を示す。上述のように、測定対象物Ｓについて、１〜１６番目の撮影画像が生成される。また、生成された１〜１６番目の撮影画像の各画素に対応する光の強度（輝度）が測定される。
図１０に示すように、撮影画像の番号に対応する画像内の各部分の光の強度（輝度）を図示することにより散布図が得られる。得られた散布図に例えばガウシアン曲線、スプライン曲線または放物線をフィッティングさせることにより、光の強度が最大になるときの撮影画像の番号(何番目か)を、１未満の精度で推定することができる。図１０の例においては、フィッティングされた点線で示す曲線により、９番目と１０番目との間である9.38番目の撮影画像(このような撮影画像は実際にはなく、あくまで計算推定上としてのみ存在する)において、光の強度が最大になることが推定される。
また、フィッティングされた曲線により、光の強度の最大値を推定することもできる。測定対象物Ｓの各部分において推定された光の強度が最大値を取る撮影画像の番号に基づいて、これにマイクロミラー１単位が対象物Ｓ上で何μmに相当するかという数値を掛け合わせることで図６の「ｄ」に相当する距離を求め、そして、この値ｄに基づいて、測定対象物Ｓの各部の高さｈを算出することができる(ｈ＝ｄ÷ｔａｎ（α）)。この方法によれば、Ｓ／Ｎ（信号／ノイズ）比が十分に大きい光の強度に基づいて測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定できるので測定対象物Ｓの形状測定の精度を向上させることができる。
なお、正弦波状測定光または縞状測定光の周期的な投影パターンを用いた測定対象物Ｓの形状測定においては、測定対象物Ｓの表面の各部分の相対的な高さ（高さの相対値）が測定される。これは、個々の周期的な縞が区別できず、縞1周期分(２π)の整数倍に相当する不確かさが存在するため、絶対位相が求まらないからである。そのため、測定対象物Ｓの一の部分の高さとその部分に隣接する部分の高さが連続的に変化しているという仮定に基づいて、測定された高さのデータに公知のアンラッピング処理が行われてもよい。
このマルチスリット法によれば、１６画素周期、３画素幅のスリット光、移動ピッチ１画素の場合、撮影枚数は１６枚となる。画素毎に最大輝度となる撮影タイミング（何枚目の画像か）を補間計算で求める際に、常に輝度の高いデータを利用するため、精度を安定的に高め易い。
（５）測定光の第４の照射パターン（図１１：空間コード法）：
図１１は、測定光の第４のパターンを説明するための図である。図１１に示すように、第４のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有しかつ明部分と暗部分とがＸ方向に並ぶ測定光（以下、コード状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本例においては４回）出射される。コード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
実施例では、測定対象物Ｓの表面がＸ方向において複数（図１１の例では１６）の領域に分割される。以下、複数に分割されたＸ方向における測定対象物Ｓの領域をそれぞれ第１〜第１６の領域と呼ぶ。
図１１（ａ）は、１回目に出射されるコード状測定光を示す。１回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１〜第８の領域に照射される明部分を有する。また、１回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第９〜第１６の領域に照射される暗部分を有する。これにより、１回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、１回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は夫々５０％である。
図１１（ｂ）は、２回目に出射されるコード状測定光を示す。２回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第５〜第１２の領域に照射される明部分を有する。また、２回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１〜第４および第１３〜第１６の領域に照射される暗部分を有する。これにより、２回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、２回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
図１１（ｃ）は、３回目に出射されるコード状測定光を示す。３回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１、第２、第７〜第１０、第１５および第１６の領域に照射される明部分を有する。また、３回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第３〜第６および第１１〜第１４の領域に照射される暗部分を有する。これにより、３回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、３回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
図１１（ｄ）は、４回目に出射されるコード状測定光を示す。４回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１、第４、第５、第８、第９、第１２、第１３および第１６の領域に照射される明部分を有する。また、４回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第２、第３、第６、第７、第１０、第１１、第１４および第１５の領域に照射される暗部分を有する。これにより、４回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、４回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
コード状測定光の明部分に論理“１”が割り当てられ、コード状測定光の暗部分が論理“０”が割り当てられる。また、測定対象物Ｓの各領域に照射される１回目〜４回目のコード状測定光の論理の並びを符号と呼ぶ。この場合、測定対象物Ｓの第１の領域には、符号“１０１１”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第１の領域は、符号“１０１１”に符号化される。
測定対象物Ｓの第２の領域には、符号“１０１０”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第２の領域は、符号“１０１０”に符号化される。測定対象物Ｓの第３の領域には、符号“１０００”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第３の領域は、符号“１０００”に符号化される。同様に、測定対象物Ｓの第１６の領域には、符号“００１１”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第１６の領域は、符号“００１１”に符号化される。
このように、測定対象物Ｓの隣り合う領域の間では、符号のいずれかの桁が“１”のみ異なるようにコード状測定光が測定対象物Ｓに複数回照射される。すなわち、コード状測定光は、明部分および暗部分がグレイコード状に変化するように、複数回測定対象物Ｓに照射される。
測定対象物Ｓの表面の各領域で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光によってコード状測定光画像が生成され（この例では４枚の画像）、これらの画像から各領域の符号を測定する。この符号と、領域毎に、測定対象物Ｓが存在しない場合の符号との差分を求めることで、図６の「ｄ」に相当する距離が求まる。この際、画像内のX軸方向には前述の符号は１回のみ出現するというコード化法の特徴から、「ｄ」の絶対的な値が求まる。ここから、測定対象物Ｓのその領域の絶対的な高さ（高さの絶対値）が算出される。測定対象物Ｓの表面上の全ての領域の高さを算出することにより、測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定することができる。
上記の説明においては、測定対象物Ｓの表面がＸ方向において１６の領域に分割され、コード状測定光が投光部１１０から４回出射されたが、これに限定されない。測定対象物Ｓの表面がＸ方向において２Ｎの領域（Ｎは自然数）に分割され、コード状測定光が投光部１１０からＮ回出射されてもよい。上記の説明においては、理解を容易にするためにＮは４に設定されている。本実施の形態における形状測定処理においては、Ｎは例えば８に設定される。したがって、測定対象物Ｓの表面はＸ方向において２５６の領域に分割される。
コード状測定光を用いた測定対象物Ｓの形状測定においては、縞をコードとして分離できる最小距離、すなわち１画素分に相当する距離が最小の分解能となる。したがって、受光部１２０のＸ方向における視野の画素数が１０２４画素である場合、高さが例えば１０mmの測定対象物Ｓを１０mm÷１０２４≒１０μmの分解能で計測することができる。実施例では、このコード状測定光を用いた形状測定(絶対値が求まるが分解能が不足する)と上述したマルチスリット法とを組み合わせたアルゴリズムを使って三次元形状データが生成される。変形例として、上述したコード法と正弦波位相シフト法とを組み合わせたアルゴリズムを使って三次元形状データを生成するようにしてもよい。相対値しか求まらないが分解能が高いマルチスリット法又は正弦波位相シフト法とコード法との組み合わせによって、測定対象物Ｓの距離ｄの絶対値をより高い分解能で算出することができる。
特に、図９の縞状測定光を用いた測定対象物Ｓの形状測定においては、分解能を１／１００画素にすることができる。なお、１／１００画素の分解能は、受光部１２０のＸ方向における視野の画素数が１０２４画素である場合、測定対象物Ｓの表面をＸ方向において約１０００００の領域に分割すること（すなわちＮ≒１７）に相当する。
このコード状測定光を用いた形状測定法によれば絶対位相を求めることができるという利点があるが、分解能は比較的低い。したがって、絶対位相を知ることのできる空間コード法と、相対位相しか求めることのできない正弦波位相シフト法やマルチスリット法とを組み合わせることで、高分解能で且つ絶対値を得ることのできる計測法となる。つまり、このコード状測定光を用いた形状測定と縞状測定光を用いた形状測定とを組み合わせることにより、測定対象物Ｓの高さの絶対値をさらに高い分解能で算出することができる。
上述したライン状の測定光を測定対象物上で走査する方法（第１照射パターン：図７）は一般に光切断法と呼ばれる。一方、正弦波状の測定光を照射する方法（第２照射パターン：図８）、縞状の測定光を照射する方法（第３照射パターン：図９）、あるいはコード状の測定光を照射する方法（第４照射パターン：図１１）は、パターン投影法に分類される。また、パターン投影法の中でも、正弦波状の測定光を照射する方法と縞状の測定光を照射する方法は位相シフト法に分類され、コード状の測定光を照射する方法は空間コード法に分類される。
正弦波位相シフト法（第２、第３の照射パターン：図８、図９）は、周期的な投影パターンである正弦波や複数のスリット光を照射した際に、測定対象物Ｓが存在しない場合の基準高さ位置から反射した受光量に基づいて計算された位相と、測定対象物が存在する場合の測定対象物Ｓの表面から反射した受光量に基づいて計算された位相の位相差から測定対象物Ｓの高さを求める。位相シフト法は、個々の周期的な縞が区別できず、縞1周期分(２π)の整数倍に相当する不確かさが存在するため、絶対位相が求まらないという欠点があるが、光切断法に比べ取得する画像の枚数が少ないため計測時間が比較的短く、また、計測分解能が高いという長所がある。一方、空間コード法（第４照射パターン：図１１）は、対象物の領域毎に、対象物Ｓが存在することによって変化した符号が得られ、この符号と対象物Ｓが存在しない場合の符号との差分を領域毎に求めることで対象物の絶対的な高さを求めることができる。空間コード法も比較的少ない画像枚数で計測が可能であり、絶対的な高さを求めることができるという長所があるが、正弦波位相シフト法に比べると計測分解能に限界がある。
これらの投影法は、各々短所、長所を有しているが、いずれも三角測量の原理を用いている点は共通である。実施例では、上述したように第３の照射パターン（図９：マルチスリット法）と空間コード法(図１１)とを組み合わせたアルゴリズムが採用されているが、マルチスリット法に代えて正弦波位相シフト法を採用して、この正弦波位相シフト法と空間コード法とを組み合わせたアルゴリズムを採用してもよい。
実施例の光学顕微鏡５００は、真下に光を照射するリング状のＲＧＢ照明光出力部１３０と、斜めに光を照射する投光部１１０とを使い分けて撮像する。対象物Ｓを観察するだけのときには、ＲＧＢ照明光出力部１３０と投光部１１０の照明を適宜選択する又は一緒に使って最適な照明状態で対象物Ｓを観察することができる。３Ｄテクスチャ画像を生成するときには、リング状のＲＧＢ照明光出力部１３０を使って撮影したカラー画像（二次元テクスチャ画像）を取得し、また、投光部１１０を使って計測した三次元立体データを取得する。そして二次元テクスチャ画像を三次元立体データにマッピングして生成した３Ｄテクスチャ画像を表示部４００に表示する。表示部４００に表示された３Ｄテクスチャ画像は、測定対象物Ｓを目視したときの立体輪郭を忠実に再現するものであり、このリアルな３Ｄテクスチャ画像データをＰＣ２００に組み込んだ任意のプログラムを使って任意の方向から観察したり、計測や解析を行うことができる。
換言すると、従来の光学顕微鏡では、測定対象物の綺麗な画像をモニタ表示できるもの二次元（２Ｄ）画像であるため立体感やリアル感に乏しい。これに対して、実施例の光学顕微鏡５００によれば、綺麗な三次元（３Ｄ）テクスチャ画像をモニタ表示するため、これを観察する使用者にリアルな感覚を提供することができる。したがって、実施例の光学顕微鏡５００は、そのリアルな３Ｄテクスチャ画像が瞬時に表示されるのを見た使用者に対して、リアルな３Ｄテクスチャ画像のモニタ表示が瞬時に行われることに対する驚きを与え且つＰＣ２００の表示部４００内に対象物Ｓがそのまま取り込まれたかのような驚きを与えることができる。
実施例では、投光部１１０及び受光部１２０にテレセントリック光学系を採用することで対象物Ｓの光学像を極めて低い歪みで結像させ、また、撮像素子１２１ａにモノクロの撮像素子を採用することで、高感度、高Ｓ／Ｎ比の高画質画像を取得することができる。そして、この画像から高精度な三次元形状データを生成できる。同様に、照明出力部１３０による照明画像（２Ｄテクスチャ画像）も共通の受光部１２０を経て高画質に取得することができる。そして、三次元形状データと２Ｄ（二次元テクスチャ画像）とを組み合わせることで高画質の３Ｄ（三次元）テクスチャ画像を生成できる。この高画質の３Ｄテクスチャ画像が前述したリアリティを備えていることは言うまでもない。
光学顕微鏡５００の動作及び操作（図１２）：
図１２を参照して光学顕微鏡５００の動作及び操作を説明するが、光学顕微鏡５００の動作は、複数の動作モードから使用者が選択したモードに従って実行される。動作モードを例示的に説明すると、光学顕微鏡１００は顕微鏡モード又は形状計測モードを使用者が選択できる。「顕微鏡モード」が選択されると、光学顕微鏡５００はデジタルマイクロスコープとして動作することになり、通常の顕微鏡（マイクロスコープ）と同様に明るさ調整、フォーカス調整、倍率切り替え、寸法計測などができる。他方、「形状計測モード」が選択されると、光学顕微鏡５００は対象物Ｓの三次元形状測定を行って三次元形状データを生成すると共に、二次元テクスチャ画像を取得し、この二次元テクスチャ画像と三次元形状データとを組み合わせて三次元テクスチャ画像を生成して、これを表示する。
光学顕微鏡１００は、また、簡単測定モードと応用測定モードとを有し、使用者は簡単測定モード又は応用測定モードを選択できる。なお、「簡単測定モード」では、２Ｄテクスチャ画像の明るさの目標値を使用者が調整できるのが好ましい。ここに、明るさの目標値とは明るさをフィードバック制御により調整する際、２Ｄテクスチャ画像の明るさをどのような明るさに収束させるかを設定するための目標値をいう。２Ｄテクスチャ画像の明るさは、多くの場合使用者の好みに左右されることから「簡単測定モード」において各種のパラメータを自動調整するにしても、明るさの目標値は使用者が調整できるようにするのが好ましい。簡単測定モードにおいて使用者がその目標値を設定した後に、表示部４００に表示されている「測定」ボタンを使用者が押すと、適切な明るさのテクスチャ画像と、適切な明るさで取得された形状測定結果が表示され、リアルな３Ｄテクスチャ画像が取得される。
簡単測定モード及び応用測定モードのいずれにあっても、その結果である三次元テクスチャ画像を表示部４００の３Ｄビューア上に表示することができる。使用者は、マウスをドラッグして対象物Ｓの立体形状を確認することができる。
図１２は光学顕微鏡５００の基本動作とこれを実行させるために必要とされる使用者の操作を説明するためのフローチャートである。図１２のフローチャートに従って光学顕微鏡５００の動作及び操作を具体的に説明すると、先ず、使用者はステージ１４０上に測定対象物Ｓを載置し、次のステップＳ２で形状測定モード又は顕微鏡モードを選択する。顕微鏡モードが選択されたときには、従来から知られている顕微鏡と同じに測定対象物Ｓを観察することができる。その際、照明光出力部１３０を使ったリング照明が用いられる。
いま、使用者が形状測定モードを選択したとすると、次のステップＳ３に進んで使用者は簡単測定モード又は応用測定モードを選択する。応用測定モードを選択したときにはステップＳ４に進む。他方、簡単測定モードを選択したときには簡単測定モードの動作が実行される。
応用測定モード：
応用測定モードの工程がステップＳ４以降に示されている。ステップＳ４において、使用者は、ステージ１４０上に載置した測定対象物Ｓを映し出す表示部（モニタ）４００を見ながらピント、視野位置、明るさ又はカメラ露光時間などを調節する。この観察に使用する照明として、投光部１１０から均一照明を使用しても良いが、一般的には照明光出力部１３０を使ったリング照明が用いられる。
次のステップＳ５において、照明をリング照明１３０から投光部１１０に切り替えて、投光部１１０の明るさ又はカメラ露光時間を調整する。投光部１１０による照明は測定対象物Ｓに対して斜めから当たるため、その表面性状の凹凸など立体形状による影が発生する。また、測定対象物Ｓの表面状態によってはステージ１４０をチルトさせたほうが良好な見え方になる場合もある。また、必要に応じて測定対象物Ｓの位置や姿勢を再調整する。
前述の投光部１１０での調整で対象物Ｓを動かした場合は、再び照明光出力部１３０を使ったリング照明での対象物Ｓの見え方の確認、リング照明の明るさ又はカメラ露光時間の再調整などを行う（ステップＳ６）。勿論、この作業が不要であれば省略できる。対象物Ｓの姿勢、位置、ピント、及び投光部１１０を使う計測用の照明条件が確定したら（ステップＳ７）、使用者は計測開始ボタンを押し下げる（ステップＳ８）ことで、この指令に基づいて、投光部１１０のパターン生成部１１２とカメラ１２１とを同調制御して複数のパターンを投影しながら対象物Ｓの画像をカメラ１２１で取得し、そして制御基板１５０で適切な処理を施した後に制御用ＰＣ２００に送信する。すなわち、光学顕微鏡５００は投光部１１０を使って複数の縞パターンでスキャンしながらカメラ１２１で複数の縞画像を取得する（ステップＳ９）。そして、制御基板１５０で適切な処理を施した後に制御用ＰＣ２００に送信する。
次のステップＳ１０では、また、カメラ１２１の光軸と同軸に配置されたリング照明１３０または投光部１１０の全白による均一照明を使って対象物の表面状態の画像(テクスチャ画像)をカメラ１２１で取得し、これを制御用ＰＣ２００に転送する。
制御用ＰＣ２００は、受け取った画像データを上述した計測アルゴリズムによって適切に画像処理及び解析して立体形状データを生成し（ステップＳ１１）、そして専用プログラムによって前述の立体形状データに二次元テクスチャ画像をマッピングして生成した３Ｄテクスチャ画像を表示部（モニタ）４００に表示する。
上記のステップＳ４について説明すると、使用者は、リング状の照明光出力部１３０から測定対象物Ｓに光を照射して表示部４００に表示される画像を見ながら、対象物Ｓの位置や姿勢、受光部１２０の焦点、照明の明るさ又はカメラ露光時間などの撮影に関する第１調整を行う。
上記のステップＳ５について説明すると、上記ステップＳ４での第１調整が完了したら、次に測定のための第２の調整を行う（ステップＳ５）。この第２の調整では、測定対象物Ｓに対して斜め上方から光を照射する投光部１１０が使用される。すなわち、第１の調整で使用したリング状の照明光出力部１３０から投光部１１０に切り替えて第２調整が行われる。この第２調整では、投光部１１０から対象物Ｓに光を照射して表示部４００に表示される画像を見ながら、使用者は、対象物Ｓの位置や姿勢、照明の明るさ又はカメラ露光時間などを調整する。
第２の調整が完了したら、念のため次のステップＳ６で、照明をリング状照明光出力部１３０に切り替えて画像の見え方に問題が発生していないかを確認し、そして、仮に問題があればステップＳ７からステップＳ４に戻って第１、第２の再調整を行う。そして、満足できる画像表示になったらステップＳ８に進んで、表示部４００のＧＵＩに用意された「計測開始ボタン」を押す。
ＰＣ２００は計測開始ボタンの操作を受けて（ステップＳ８）、投光部１１０を使った計測を開始させる（ステップＳ９）。投光部１１０から前述した第３照明パターン及び第４照明パターンの照明に同期してカメラ１２１で撮像した測定対象物Ｓの計測用の画像を取得する。この計測用画像の取込みに際し、各種のモードを用意しておき、使用者が選択したモードに従って行うようにしてもよい。具体的に説明すると、例えば凹凸の高さが比較的小さい滑らかな表面性状の対象物Ｓの場合には、第１又は第２の投光部１１０Ａ又は１１０Ｂのいずれか一方だけの照明で計測するモード、反射率の高い表面性状と低い表面性状が混在した対象物Ｓの場合にシャッター速度を変えて複数回撮影した画像を合成するハレーション除去モードなどを用意してもよい。勿論、この計測工程を反復的に行うモードを用意してもよい。
次のステップＳ１０において、照明を投光部１１０からリング状の照明光出力部１３０に切り替えて対象物Ｓの２Ｄテクスチャ画像を取得する。前述したように、リング状の照明光出力部１３０の照明に加えて投光部１１０からの照明を付加してもよい。
次のステップＳ１１は、上述したステップＳ９で取得した計測用の画像データのセットを前述した計測アルゴリズムに従って処理することで各画素毎に高さを求めて立体形状データを生成する。すなわち、ＣＰＵ２１０は、取得した縞パターン画像のセットを所定の計測アルゴリズムで処理することにより、測定対象物Ｓの三次元形状データを生成し、この三次元形状データは、作業用メモリ２３０に記憶される。
そして、次のステップＳ１２でこの三次元形状データに２Ｄ（二次元）テクスチャ画像をマッピングすることで３Ｄ（三次元）カラー画像が生成され、この３Ｄカラー画像は表示部（モニタ）４００の３Ｄビューア上に表示される（Ｓ１３）。
使用者は、計測開始ボタンを押す操作（Ｓ８）を行っただけで、表示部（モニタ）４００の表示が、ほぼ瞬時と言って良いほどの僅かな時間で、ステップＳ４〜Ｓ７で見え方を調整したカラー観察画像からリアルなカラー３Ｄテクスチャ画像に変化することに驚きを覚えるであろう。
使用者は、その後、必要に応じて、対象物Ｓの目的とする箇所のデータが正しく取得できたかを表示部４００の３Ｄテクスチャ画像によって確認してＮＯであれば、最初からやり直せばよい。使用者が目的とするデータが取得できているのであれば、ＰＣ２００に組み込んである任意のプログラム（例えば計測用ソフト）を使って、例えば測定対象物Ｓの断面、エッジの角度、表面荒さなどの各種の計測及び解析を実行することになる（Ｓ１５）。
簡単測定モード（高速計測モード）：
簡単測定モードでは、リング状の照明光出力部１３０で照明しながら、表示部４００に映し出されている画像を見ながら対象物Ｓの位置や姿勢、ピント合わせを行う。画像の明るさは、使用者が予め設定した目標値に従って自動調整される。そして、表示部４００に表示されている計測開始ボタンを使用者が押すと、これをＰＣ２００が受け付けて、左右の投光部１１０Ａ、１１０Ｂを個別的にＯＮして、表示部４００に映し出されている画像が最適な明るさとなるように、露光時間又は照明の明るさの自動調整が行われる。そして、投光部１１０を使って複数の縞パターンでスキャンし、そしてこれに同期してカメラ１２１で複数の縞画像を取得する。
また、カメラ１２１の光軸と同軸に配置されたリング照明１３０または投光部１１０の全白による均一照明を使って対象物の表面状態の画像(２Ｄテクスチャ画像)をカメラ１２１で取得する。制御用ＰＣ２００は、受け取った画像データを上述した計測アルゴリズムによって適切に画像処理及び解析して立体形状データを生成する。そして、この立体形状データに二次元テクスチャ画像をマッピングして生成した３Ｄテクスチャ画像を表示部（モニタ）４００の３Ｄビューア上に表示する。
この簡単測定モードを光学顕微鏡５００が備えることにより、使用者は、計測開始ボタンを押すだけで、その直後に表示部４００に表示される３Ｄテクスチャ画像を確認することができる。そして、この３Ｄテクスチャ画像が満足できるものであれば、ＰＣ２００に搭載してある種々のアプリケーション（例えば解析アプリケーション）を使って、対象物Ｓの解析などを行い、また、そのレポートを出力させることができる。
上述した実施例では、リング状の照明光出力部１３０を用いた例を挙げたが、出力光出力部１３０は必ずしも必須ではない。このリング状の照明光出力部１３０は撮影画像に陰を作らないための照明要素に過ぎないことから他の照明器具を採用してもよいし、前述した投光部１１０のように斜め上方から対象物Ｓを照明する器具を採用してもよい。また、受光部１２０の光軸と同軸に配置された同軸落射照明を採用してもよい。
実施例の光学顕微鏡５００によれば、従来の顕微鏡やデジタルマイクロスコープなどで必要とされる作業と同じ作業を使用者に求めるだけであり、使用者にとって特別な操作を必要無しに、ＧＵＩに表示の「計測開始ボタン」を押すだけで三次元形状データを獲得でき、また、「計測開始ボタン」を押してからほぼ瞬時に表示部４００にリアルなカラー３Ｄテクスチャ画像を表示させることができる。
このことは、三次元計測に余り馴染みのない使用者にとって、三次元形状データを取得するためのハードルが極めて低くなったことを意味する。したがって使用者は簡単な操作で三次元形状データを取得できる、その気軽さの中で、この三次元形状データを使った様々な計測、解析にエネルギを集中することができる。
以上、本発明の実施例を説明したが、表示部４００にリアルなカラー３Ｄテクスチャ画像を表示させるために必要な操作の全て又は殆どを自動化してもよい。例えば前述した簡単測定モード（高速測定モード）において明るさ調整を自動で行うように設計することで、使用者にとって非常に簡単な操作だけでカラー３Ｄテクスチャ画像を表示部４００に表示させることができる。ただし、使用者の簡易さだけを追求しても、そのことが直ちに計測時間の短縮に結びつかない場合、例えば計測のための第２の調整（図１２のステップＳ５）のように使用者に操作を委ねる方が適切な操作は使用者の操作に委ね、その結果を表示部４００にリアルタイムに表示される静止画像で確認しながら調整することで結局は測定時間を短縮できる。
光学顕微鏡５００のハード構成（図１３〜図４５）：
光学顕微鏡５００の筐体Ｃの中に投光部１１０と受光部１２０とを収容し且つ筐体をコンパクトな形状寸法に抑えるという目的の下での取り得る構成を検討すると次の通りである。
（１）投光部１１０、受光部１２０の少なくともいずれか一方の光軸を途中で屈折させる。投光部１１０に関して左右一対又は周方向に等間隔に例えば４つの投光部１１０を設けた場合、その光軸の屈折方向を整合させることで筐体をコンパクトにすることができる。特に、光軸長さが大きいテレセントリック光学系を採用したときには、光軸を屈折させることによって筐体をコンパクト化できる効果は大きい。
（２）投光部１１０と受光部１２０とを極力接近させる構成を採用するのが筐体をコンパクト化するのに有効であるだけでなく、光学顕微鏡５００の安定性を高める上で有効である。
（３）投光部１１０及び受光部１２０の光学系と、熱源となる電子部品（典型的にはＣＰＵ）を備えた制御基板１５０、３１０とを切り離して位置決めするのが光学系の安定的な性能を維持する上で望ましい。
（４）ステージ１４０周りの空間を極力大きくとるのに、投光部１１０、受光部１２０の光学系とステージ１４０との間に部品を配置しない。
（５）低倍率用の撮像素子二次元アレイとこれと組となる低倍率光学系の他に、高倍率用の撮像素子二次元アレイとこれと組となる高倍率光学系の２系統の受光部１２０を用意し、光軸が長い高倍率光学系の光軸を屈折させることで筐体のコンパクト化が実現できる。低倍率光学系と高倍率光学系の光軸の一部を共通化することで筐体の一層のコンパクト化が実現できる。
図１３〜図１５は投光部１１０の光軸を折り曲げた例を示す。図１３は光学顕微鏡５００を正面から見た図であり、図１４は光学顕微鏡５００の右側面図であり、図１５は光学顕微鏡５００を上から見た平面図である。なお、この図１３〜図１５では投光部１１０を一つだけ備えた光学顕微鏡５００を例示的に図示してあるが、左右一対の投光部１１０Ａ、１１０Ｂを備えている場合にあっても、左右の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの光軸を共に屈折させ、投光部１１０Ａ、１１０Ｂを同じ方向に且つ横方向に延在するように配置するのがよい。
投光部１１０とステージ１４０との間に第１のミラー６００を配置した例が図１３に図示されている。投光部１１０とステージ１４０との間に第１のミラー６００を配置することにより投光部１１０を横方向に延びる形態で位置決めすることができる（図１４）。したがって、特にテレセントリック光学系を採用した投光部１１０の場合には、筐体Ｃの高さ寸法を顕著に小さく設計することができる。
例えば、図１５は第１のミラーを配置しなかった場合の顕微鏡５００の正面図である。投光部１１０はステージ１４０に対して斜めに光を照射するものであるため、図１５に示すようにステージ１４０に対して所定の角度で投光部１１０が配置されることになる。したがって、投光部１１０を、第１のミラー６００で奥行き方向に折り返して配置しないと、筐体Ｃ全体の高さ方向及び横方向の両サイズに大きな影響が出る。
また、投光部１１０の測定光源１１１を、前述したレンズ１１３〜１１５からなるレンズユニット６０２から切り離し、測定光源１１１と投光レンズユニット６０２との間に配置したパターン生成部１１２を光軸に対して傾斜した状態で配置し、このＤＭＤ二次元アレイで構成されたパターン生成部１１２をミラーとして使うことで投光部１１０の長さ寸法を短縮することができる（図１４）。
図１６は、受光部１２０の光軸を鉛直線に整合させた構成を示し、図１６の（Ｂ）は受光部１２０の光軸に第２のミラー６０４（ハーフミラー）を配置して、受光光軸を横方向に屈折させた例を示す。この横方向に延びる１系統の受光部１２０が相対的に高倍率の場合には、顕微鏡５００の筐体Ｃの高さ寸法を小さく設計することができる（図１６（Ｂ））。
投光部１１０と受光部１２０とを包括してヘッド光学系６０８と呼び、ステージ１４０及びこれに関連した要素（ステージ操作部１４４、ステージ駆動部１４５）をステージ系６１０と呼ぶと、顕微鏡５００の側面図である図１７に図示するように、ヘッド光学系６０８とステージ系６１０とを構造的に分離し、ヘッド光学系６０８とステージ系６１０とを電気的なケーブルだけで接続する構造を採用するのがよい。この構成は、ステージ１４０の上方に投光部１１０を配置するだけでなく受光部１２０を配置することにより採用できる構成であり、これによりステージ１４０周りに上下方向及び左右方向に大きな作業空間６１２を形成することができる。
図１８の（Ａ）は顕微鏡５００の正面図であり、（Ｂ）は右側面図である。熱源となる制御基板１５０（図１）は投光部１１０と受光部１２０から離間し且つ側方起立した状態で配置することで筐体Ｃのコンパクト化と投光部１１０及び受光部１２０の熱的影響の抑制との両立を実現することができる。制御基板１５０を配置するための筐体Ｃ内の空間は、投光部１１０及び/又は受光部１２０の光軸を屈折させることにより生じた空間的な余裕によって確保することができる。この空間的な余裕は、投光部１１０及び/又は受光部１２０にテレセントリック光学系を採用することで顕著となる。
この図１８は、また、測定光源１１１と投光レンズユニット６０２との間に配置したパターン生成部１１２を光軸に対して傾斜した状態で配置し、このパターン生成部１１２をミラー１１９として使う、図１４と同様の構成を有する例を示すが、このパターン生成部１１２（ミラー１１９）の傾斜角度を調整することで、三次元測定で最も重要な投光部１１０の照射角度つまり受光部１２０の光軸に対する入射角度δ（図１８（Ａ））の最適値を確保することができ、この受光部１２０の入射角度つまり照射角度δの最適値を確保するための設計が容易となる。
図１８の（Ａ）を参照して、受光部１２０とステージ１４０との間の離間距離Ｄ１に対して投光部１１０とステージ１４０との間の離間距離Ｄ２の方が大きくなるように投光部１１０の光学系が設計されている（Ｄ１＜Ｄ２）。これによりステージ１４０周りの使用者の作業空間６１２を大きくすることができる。
図１７に戻って、ステージ系６１０とヘッド光学系６０８とをケーブル（図示せず）で接続する構成を採用することで、ヘッド光学系６０８を脱着可能にすることもできる。すなわち、ヘッド光学系６０８を独立した第１筐体Ｃ１で構成し、また、ステージ系６１０及び支柱部６１４を別の独立した第２筐体Ｃ２で構成し、第１筐体Ｃ１を第２筐体Ｃ２から分離可能に構成してもよい。これによれば、ヘッド光学系６０８の第１筐体Ｃ１を取り外して計測計として使用することが可能になる。
光学顕微鏡５００の具体例（図１９）：
図１９は光学顕微鏡５００の具体的な外形を示す図であり、ヘッド光学系６０８を収容した第１筐体Ｃ１（ヘッド上部）を、ステージ系６１０及び支柱部６１４を収容した第２筐体Ｃ２（ヘッド下部）から分離した状態を示す。図１７を参照して前述したように、ヘッド光学系筐体Ｃ１（ヘッド上部）を取り外すことで、他の計測のために第２筐体Ｃ２のステージ系６１０（ヘッド下部）を使うことができる。勿論、ヘッド光学系筐体Ｃ１（ヘッド上部）を第２筐体Ｃ２（ヘッド下部）に合体させることで光学顕微鏡５００になる。
ヘッド光学系６０８を収容したヘッド上部の構造（図２０〜図２７）：
ヘッド光学系６０８は図２０に示す光学ベース部材６２０を有し、光学ベース部材６２０に全ての構成要素が組み付けられる。光学ベース部材６２０は、軽量且つ熱伝導性に優れた例えばアルミニウム製の成型品で構成され、水平方向に延びる平板状の基部６２２の幅方向中央から前方に延びる受光系設置部６２４と、この受光系設置部６２４の基端から左右に延び且つ基部６２２の前端から上方に延びる左右の起立壁６２６とを有する。左右の起立壁６２６には夫々筒部６２８が形成され、この左右の一対の筒部６２８は水平方向に且つ前後方向に延び且つ互いに平行である。
図２１は、光学系部品を取り付けた光学ベース部材６２０を斜め横方向から見た斜視図であり、図２２はその正面図である。図２３〜図２６を参照して、光学ベース部材６２０への各部材の組み付けを説明するが、各部材は光学ベース部材６２０を基準に取り付けられる。したがって、複数の関連する部材間の相対的な位置は光学ベース部材６２０によって規定される。
光学ベース部材６２０の左右一対の筒部６２８には、夫々、投光レンズユニット６０２が組み付けられる。この組み付けは、投光レンズユニット６０２を筒部６２８に挿入することにより行われる。
投光レンズユニット６０２の先端には第１ミラー６００（図１４）が組み付けられ、この第１ミラー６００は、光学ベース部材６２０の受光系設置部６２４の側面６２４ａに固定される（図２４）。具体的に説明すると、第１ミラー６００は、光学ベース部６２０に直接的に取り付けられており、投光レンズユニット６０２（図２６）に対しては独立している。したがって、投光レンズユニット６０２の組み付け精度の影響受けることなく第１ミラー６００の反射方向を一定に維持することができる。
投光レンズユニット６０２の後端には投光系光源ユニットが組み付けられ、この投光系光源ユニットは、光学ベース部材６２０の起立壁６２６にネジ止めされる（図２５）。この投光系光源ユニットは、図１４を参照して説明したＤＭＤ二次元アレイで構成されたパターン生成部１１２と、ＬＥＤからなる測定光源１１１とで構成され、測定光源１１１が出射する光は、傾斜して配置されたパターン生成部１１２で反射されて、水平方向に延びる投光レンズユニット６０２に入射される（図１４）。換言すると、測定光源１１１の光軸は投光レンズユニット６０２の前段でパターン生成部１１２により屈折される。
図２１、図２２に戻って、左右一対の水平方向に且つ互いに平行に延びる投光部１１０（１１０Ａ、１１０Ｂ）に挟まれて受光部１２０が配置されている。受光部１２０は、相対的に低倍率の第１受光部１２０Ａと、相対的に高倍率の第２受光部１２０Ｂとで構成されている。低倍率の第１受光部１２０Ａの光軸は鉛直方向に延びており、この光軸の途中に光軸屈折部１２４が設けられ、この光軸屈折部１２４を介して高倍率の第２受光部１２０Ｂが接続され、この第２受光部１２０Ｂは、左右一対の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの間に且つこれら投光部１１０Ａ、１１０Ｂと同様に水平方向に延びている。第１、第２の受光部１２０Ａ、１２０Ｂには、夫々、第１、第２のカメラ１２１Ａ、１２１Ｂが取り付けられている。
光軸屈折部１２４は第２のミラー６０４（図１６）を内蔵し、この第２のミラーはハーフミラーで構成されている。相対的に高倍率の第２受光部１２０Ｂの光軸は上記第２のミラー６０４によって屈折される。
光軸屈折部１２４は、その下端が光学ベース部材６２０（受光系設置部６２４の先端部）にネジ止めされ、また、水平方向に延びる高倍率の第２受光部１２０Ｂが光学ベース部材６２０（受光系設置部６２４）にネジ止めされる。
図２１、図２６から理解できるように、光学ベース部材６２０の前部に第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂと第１、第２の受光部１２０Ａ、１２０Ｂとを束ねた状態で配置し且つ共通の光学ベース部材６２０を基準に且つ光学ベース部材６２０に直接的に取り付けたことから光学系の剛性を高めることができる。換言すれば、これら光学系を光学ベース部材６２０に固定することで光学ベース部材６２０の剛性を高めることができる。
上述したように、２つの受光部１２０Ａ、１２０Ｂに関し、第２のミラー６０４（図１６）によって分岐された後の高倍率計測用の受光部１２０Ｂの光軸は横方向に延びている。他方、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの光軸は、第１ミラー６００により鉛直方向に屈折される前は横方向に延びている。
そして、高倍率計測用の受光部１２０Ｂの横方向に延びる光軸と、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの横方向に延びる光軸が互いに並行に配置され、そして、その第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂ及び高倍率計測用の受光部１２０Ｂは光学ベース部材６２０を基準として配置されている。また、低倍率計測用の受光部１２０Ａも光学ベース部材６２０を基準として配置されている。したがって、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂと低倍率計測用の受光部１２０Ａとの相対的な位置関係、また、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂと高倍率計測用の受光部１２０Ｂとの相対的な位置関係は、成形品である光学ベース部材６２０によって確保することができ、高い測定精度を維持できる。
上述したように、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂはテレセントリック光学系が採用されている。このテレセントリック光学系を採用することにより、対象物Ｓに対して正規の角度で光を照射することが可能であり、ステージ１４０上に照射された測定用の縞パターンの歪みの発生を抑制できる。
テレセントリック光学系は複数のレンズにより構成される。このことから投光レンズユニット６０２が比較的光軸方向に長い。図２１から最も良く分かるように、２つの投光レンズユニット６０２は顕微鏡と対面する使用者から離れる方向に水平方向に延びている。２つの投光レンズユニット６０２を縦方向に配置させる場合に比べて顕微鏡５００の高さ寸法を小さく設計することができる。また、２つの投光レンズユニット６０２は互いに平行に延びている。これより顕微鏡５００の幅寸法を小さく設計することができる。つまり、顕微鏡５００は、高さ寸法及び幅寸法が小さなコンパクトな外形輪郭を有している。
更に、実施例の顕微鏡５００は、相対的に低倍率の第１受光部１２０Ａと、相対的に高倍率の第２受光部１２０Ｂとを備えているのは上述した通りである。低倍率の第１受光部１０２Ａよりも相対的にワーキングディスタンスが長い高倍率計測用の受光部１２０Ｂの光軸を横方向に屈折させると共に第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの横方向に延びる光軸と平行となるように配置したことで、低倍率、高倍率の２つの受光部１２０Ａ、１２０Ｂを備えた顕微鏡５００の高さ寸法を小さく設計できる。
また、図２２から最も良く分かるように、前述した図１８の（Ａ）を参照して説明した受光部１２０とステージ１４０との間の離間距離Ｄ１に対して投光部１１０とステージ１４０との間の離間距離Ｄ２の方が大きくなるように投光部１１０の光学系が設計されていることから、ステージ周りの作業空間６１２を拡大することができる。
図２６を参照して、図１に図示した制御基板１５０、３１０は物理的に一つの基板で構成されて光学ベース部材６２０の後端部に起立して配置される。
光学ベース部材６２０には筐体取付用部材６３０がネジ止めされ（図２７）、この筐体取付用部材６３０は、光学ベース部材６２０の基部６２２と受光系設置部６２４の後部を跨ぐ形状を有し、光学ベース部材６２０の後端と受光系設置部６２４の途中部分にネジ止めされる。そして、この筐体取付用部材６３０に第１の筐体Ｃ１が固定される。
第１の筐体Ｃ１で包囲されたヘッド上部には、熱源となる制御基板１５０、３１０が後部に配置され、光学系部品が前部に配置されていることから、熱に敏感な光学系部品を熱源から引き離すことができ、これにより制御基板１５０、３１０の熱によって光学系部品が影響を受けるのを抑えることができる。
リング状の照明光出力部（リング照明）１３０を設置する場合には、この照明光出力部１３０は、図２１、図２２から分かるように、光学ベース部材６２０の受光系設置部６２４の先端部に取り付けられ、この照明光出力部１３０とＲＧＢ照明光源３２０とは導光ケーブル１３２に接続される。この導光ケーブル１３２は数多くの光ファイバを束ね、外側シースの中に光ファイバの束を捻った状態で収容した構成を有する。このように数多くの光ファイバを捻った状態の導光ケーブル１３２でＲＧＢ光源３２０からの光をリング状照明光出力部１３０に供給することで、リング状照明光出力部１３０の照明光は均一であり、対象物Ｓの全領域を均一に且つ色割れ無く照明することができる。
ヘッド光学系６０８を収容したヘッド上部の変形例（図２８、図２９）：
図２３を参照して投光部１１０を筒部６２８に挿入する例を前述したが、図２８に示すように、光学ベース部材６２０の受光系設置部６２４の側面６２４ａに投光部１１０の側面をネジ止めするようにしてもよい。
また、図２４を参照して投光部１１０の光軸を屈折させる第１ミラー６００を光学ベース部材６２０の受光系設置部６２４の側面６２４ａにネジ止めする例を説明したが、この第１ミラー６００を投光レンズユニット６０２の先端に固定するようにしてもよい（図２９）。
ステージ系６１０を収容したヘッド下部の構造（図３０〜図４５）：
ステージ１４０上の対象物Ｓを観察する上で、ステージ１４０をＺ軸方向又はθ方向に回転させたり対象物Ｓをチルトさせたときに対象物Ｓの視野が変位しない又は対象物Ｓに影ができないようにするのが望ましい。
図３０を参照して、参照符号６４０は受光部１２０の光軸を示し、参照符号６４２は投光部１１０の光軸を示す。左右一対の投光部１１０の光軸６４２、６４２が占める垂直平面とステージ１４０の表面つまり合焦面とが交わるＸ軸６４４と、このＸ軸と直交し且つ受光光軸（観察中心軸）６４０、投光光軸６４２とが交わるＹ軸６４６とすると、このＸ軸、Ｙ軸に整合してＸーＹステージ１４１が移動可能である。Ｚステージ１４２は受光光軸（観察中心軸）６４０の延びる方向に移動可能である（図３２）。また、θステージ１４３は観察中心軸６４０を中心にして回転可能である（図３１、図３２）。
左右一対の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各光軸が交差する交点、観察中心軸６４０、θステージ１４３の揺動回転軸の関係について説明すると、図３０を参照して、左右一対の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの２つの光軸６４２が交わる点を観察中心軸６４０が通る。また、受光部１２０の合焦点（ピント合わせの点）が左右一対の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの２つの光軸６４２が交わる点と一致する。この合焦点を参照符号Ｐで示してある。θステージ１４３の回転中心軸は、この合焦点Ｐを通過するように設定されるのが好ましい。
したがって、使用者はステージ１４０の対象物Ｓを載置する載置面と上記点Ｐとを一致させれば、このステージ１４０に対象物Ｓを載置しても左右の投光部１１０Ａ、１１０Ｂからほぼ同じ視野範囲内に光を照射することができ、またθステージ１４３を回転させても、このθステージ１４３の回転軸と観察中心軸６４０が一致しているため、ステージＳに載置する対象物Ｓが比較的小さいときには、視野範囲から逃げることがなく、対象物Ｓの位置決め作業を行うことができる。
なお、合焦点Ｐ以外の位置では左右一対の投光光軸６４２、６４２が互いにクロスするようになる。この問題に対して、クロスしている幅を測定することでＺステージ１４２の位置を求めることができ、これにより補正すれば問題を解消できる。
ステージ１４０に関連した要素の配置に関して図３１〜図３３は第１の例を開示している。図３１〜図３３を参照して、ステージ１４０の第１の構成例を説明すると、Ｚステージ１４２に片持ち支持されたアーム６６０を有し、このアーム６６０の自由端部の上に、下から上に向けて順に、θステージ１４３、ＸーＹステージ１４１、チルトステージ６４８が配置されている（図３１、図３２）。θステージ１４３上にＸーＹステージ１４１が配置されているため、θステージ１４３の回転軸中心は、ＸーＹステージ１４１の移動とは無関係に観察軸中心６４０に一致する。
換言すると、使用者がＸーＹステージ１４１上のどの位置に対象物Ｓを載置し、ＸーＹステージ１４１を動かしても、θステージ１４３の回転軸と観察中心軸６４０は常に一致するため、θステージ１４３を回転させた際に対象物Ｓが視野範囲から逃げることがない。
また、Ｚステージ１４２にアーム６６０を片持ち支持させる構成を採用することで、対象物Ｓを傾斜（チルト）させた状態を維持したまま、対象物ＳをＺ軸方向つまり観察軸方向に移動させることができる。したがって、Ｚステージ１４２を動作させて対象物Ｓの高さ位置を変えて複数回の撮像を繰り返し、全体に焦点が合ったフルフォーカス画像を取得する深度合成機能や、一度に測定が可能な範囲を超えた高低差のある対象物Ｓを計測する際に、Ｚステージ１４２を動作させて対象物Ｓの高さ位置を変えて複数回の計測を行い、この複数の高さデータを連結して高低差のある表面を備えた対象物Ｓの表面高さを計測する測定連結機能を実行する際に、対象物Ｓを傾斜させた状態のまま、これらの機能を適切に実行することができる。
チルトステージ６４８はＸーＹステージ１４１に脱着可能に配設される。チルトステージ６４８の揺動中心軸α、βは上述した合焦点Ｐを通過するように設定するのが望ましい。これにより、θステージ１４３の回転時と同様に、チルトステージ６４８をチルトさせて対象物Ｓを傾けたとしても対象物Ｓは視野範囲から逃げない。このチルト方向にもユーセントリック性を維持するためには、チルトステージ６４８上に載せられた対象物Ｓの観察位置（合焦点Ｐ）が、チルトステージ６４８のステージ傾斜の支点（回転軸）に一致している必要がある。しかし、使用者は様々な高さの対象物Ｓを載置するため、どのような対象物Ｓに対してもチルト方向のユーセントリック性を厳密に維持することは不可能である。しかし、想定した複数の対象物Ｓの各々に適した複数種類のチルトステージ６４８を用意したり、チルトステージ６４８の揺動軸線α、βがステージ１４０の傾斜の支点に隣接した位置となるように設計することで、チルト時の視野ずれを起きにくくすることは可能である。また、ＸーＹステージ１４１上に簡易的なθステージ（図示せず）を設けることで、ＸーＹステージ１４１を回転させることなく簡易に対象物Ｓの観察回転角度を変更するも可能である。
チルトステージ６４８の揺動軸は、図３３に示すように、合焦点Ｐで互いに直交するα軸、β軸で構成するのが好ましい。変形例として、ＸーＹステージ１４１との接触面が球面で構成されて任意の方向に傾斜が可能なチルトステージであってもよい。実施例の顕微鏡５００は、左右一対の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの投光光軸が占める垂直面に属するα軸を中心に揺動可能なチルトステージ６４８が採用されている。
図３６を参照して、ステージ１４０の中央部分には、合焦点Ｐ（ピント位置）を中心とする平面視円形の凹所６５２が形成されている。この凹所６５２にチルトステージ６４８を配置したり、バイスステージ（図示せず）などの対象物Ｓを固定するオプションを任意に選択して配置することができる。ステージ１４０の円形凹所６５２にチルトステージ６４８などのオプションを設置したときに、このオプションの回転位置は自在に調整可能であるのがよい。
ステージ１４０の凹所にチルトステージ６４８を設置し、このチルトステージ６４８の揺動軸α（チルト軸）と視野中心とが常に一致しているため、対象物Ｓの表面の高さを多方面から計測するのが容易であり、θステージ１４３の回転軸との整合性を確保し易い。したがって、θステージ１４３を電動化し、その回転角度データを認識させることで多方面からの計測データを自動で重ね合わせるのが容易である。実施例の顕微鏡５００ではθステージ１４３は手動であるが、その回転角度に関して９０°毎にクリック又は目印を設けることで、対象物Ｓに対して９０°間隔で４方向の投光が可能である。
上述したように、θステージ１４３が９０°間隔で受光部１２０の観察中心軸を中心に回転可能である。このθステージ１４３の９０°間隔の回転停止位置とステージ１４０のＸ軸、Ｙ軸とを整合させるのが望ましい。
図３４、図３５は、ステージ１４０の第２の構成例を示す。この第２の構成例では、Ｚステージ１４２にチルトステージ６４８が配置され、このチルトステージ６４８にアーム６６０を片持ち支持させる構成が採用されている。また、アーム６６０の自由端部には、下から上に向けて順に、高さ微調整機構６５６、θステージ１４３、ＸーＹステージ１４１が配置されている。この第２の構成例にあっても、Ｚステージ１４２が他のステージのベースとなっていることから、例えば対象物Ｓを傾斜させた状態を維持したままＺ軸方向（上下方向）に移動させることが可能である。
図３４、図３５に図示した第２の例では、図３１〜図３３を参照して説明した第１の例と違って、Ｚステージ１４２にチルトステージ６４８が保持されるため、このチルトステージ６４８を揺動させたときに高さ微調整機構６５６、θステージ１４３、Ｘ−Ｙステージ１４１が一体となって傾斜（チルト）することになる（図３５（Ｂ））。この構成は、ステージ１４０の構成が幾分大型化する傾向があるが、常に合焦面６５０を中心にしてチルトステージ６４８を傾斜させることができるので、対象物Ｓの観察位置を合焦面６５０に合わせておけば、チルト方向のユーセントリック性を常に維持することができるという利点がある。
対象物Ｓが比較的大きな高低差のある部分（典型例として孔や溝）や形状を備えている場合に、焦点位置を変化させながら観察したり、複数のデータを連結する場合に観察中心軸６４０とＺ軸を整合した状態で対象物Ｓを上下移動させる必要がある。Ｚステージ１４２の昇降機構に駆動源６７２を設けて自動又は手動で高さ調整する他に、対象物Ｓの下に位置する高さ微調整機構６５６が設けられている。この高さ微調整機構６５６はカメラ１２１の微妙なピント合わせに使用される。この微妙なピント合わせは、深度の浅い低倍率の受光部１２０Ａを使った観察において有用性がある。
ステージ１４０の構成に関する上記の第１、第２の例のいずれもＺステージ１４２がステージ１４０の最も基本となる構成要素となっている。これにより、一般的に光学顕微鏡が備えるオートフォーカス機能、または上述した深度合成機能等を、対象物Ｓをチルトさせた状態で行うことができる。
実施例の顕微鏡５００がチルトステージ６４８を備えることで、通常の姿勢では計測ができない箇所が存在する対象物Ｓをチルトさせて計測することができる。
また、チルトステージ６４８にチルト角度を認識するエンコーダを付与すれば、同時に計測ができない箇所が存在する対象物Ｓに対して、ステージをチルトさせて複数回の計測を行うとともに、各計測結果とチルトステージ６４８の角度を対応付けて記憶し、複数回の計測結果を合成することも可能である。また、θステージ１４３は、投光部から測定用のパターン光を照射された対象物Ｓの影部分が発生しない適切な姿勢を算出する際に使用される。
θステージ１４３の回転角度を認識するためのエンコーダを設置することで、対象物Ｓの影部分を補間するためにθステージ１４３の回転角度を変化させて複数回の計測を行い、各計測結果と回転角度を対応付けて記憶し、計測結果を合成することも可能である。ＸーＹステージ１４１は視野合わせや、異なる視野で撮影されたテクスチャ画像又は３次元計測結果を連結する連結機能に用いられる。
図３０〜図３２を再び参照して、左右の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの投光光軸６４２、６４２の交点軸と、観察中心軸６４０との交点Ｐと、Ｚステージ１４２の合焦平面と、θステージ１４３の回転軸とを整合させる構成を採用することで対象物Ｓを視野範囲に入れた状態で、影の影響の除去、反射光の除去などの観察光（リング状照明光出力部１３０）や測定光（投光部１１０）の調整を行い、そして対象物Ｓの二次元テクスチャ画像の取得のための観察及び三次元計測を行うことができる。なお、左右の投光部１１０Ａ、１１０Ｂのいずれか一方だけで投光部１１０を構成した場合には、投光光軸６４２を光軸つまり観察中心軸６４０のピント位置に指向させるのがよい。
特に実施例の顕微鏡５００は、前述したように、共通のカメラを使って観察と三次元計測とを行うことから、照明や対象物Ｓの向きや傾きを調整することによって影の影響を極力除去した状態を作る必要がある。観察中心軸６４０とθステージ１４３の回転軸との同軸性により、θステージ１４３を回転させたとしても対象物Ｓが観察中心軸６４０から変位しない。観察中心軸６４０とθステージ１４３の回転軸との同軸性は、顕微鏡観察における傾斜観察でも重要であることは言うまでもない。
ステージ昇降機構（図３７〜図４５）：
図３７〜図４５はステージ１４０をＺ軸方向に上げ下げする機構及びこれに付随する要素を示す図である。図３７、図３８を参照して、ステージ１４０はアーム６６０によって支持され、このアーム６６０は片持ち構造でステージ１４０を支持する。すなわち、水平方向に延びるアーム６６０の先端部にステージ１４０が設置され、アーム６６０の基端は昇降機構６６２に支持されている。昇降機構６６２は、左右の縦プレート６６４を備えたフレーム６６６に取り付けられ、フレーム６６６は上下方向に延びている。
図３９を参照して、昇降機構６６２は、上下に延びるガイド部材６６８と、ガイド部材６６８に案内されて上下動するブロック６７０とを有し、このブロック６７０にアーム６６０の基端がネジ止めされている。すなわち、アーム６６０は容易に昇降機構６６２から取り外すことができる。したがって、実施例の顕微鏡５００は、アーム６６０を取り外すことによって比較的大きな対象物Ｓを観察することができる。
フレーム６６６の背面側にはステッピングモータ６７２が設置され（図４０、図４１）、このステッピングモータ６７２はプーリ６７４及びタイミングベルト６７６を介してラックアンドピニオン機構６７８に機械的に連結され、このラップアンドピニオン機構６７８によってブロック６７０（アーム６６０）が上げ下げされる。ステッピングモータ６７２はステージ駆動部１４５（図１）によって制御され、このステージ駆動部１４５は、ステッピングモータ６７２の下方に配置された回路基板６８０（図３８）で構成される。
左右の縦プレート６６４の間はシャッターシート６８２によって覆われている（図４３、図４４など）。シャッターシート６８２は、アーム６６０の基端面とブロック６７０とに挟まれることによりブロック６７０と一体化されている。シャッターシート６８２はＰＥＴフィルムで構成されて上下に延びている。
フレーム６６６には、その前面の上端と下端に回転自在なガイドローラ６８４、６８４が配設されている（図４４、図４５など）。シャッターシート６８２の上端部及び下端部は、夫々、ガイドローラ６８４に案内されて後方に延びている。フレーム６６６の上端及び下端には、シャッターシート６８２の上端部および下端部を受け入れるために上下に仕切られた空間が、上下に僅かに離間した一対の水平プレート部材６８５、６８５によって形成されている。可撓性のシャッターシート６８２の上端部及び下端部は、一対の水平プレート部材６８５、６８５で仕切られて水平方向に延びる空間に収容された状態で後方に水平方向に延びている。
ステージ１４０を上昇させるためにブロック６７０（アーム６６０）が上昇動すると、これに随伴してシャッターシート６８２が上方に移動する（図４３）。ステージ１４０を下降させるためにブロック６７０（アーム６６０）が下降動すると、これに随伴してシャッターシート６８２が下方に移動する（図４２）。そして、このシャッターシート６８２は左右の縦プレート６６４、６６４の間を目隠しする遮蔽膜を構成することから、前方から顕微鏡５００を見たときに、ステージ１４０の高さ位置に関わりなくステージ１４０の奥に位置するアーム昇降機構６６２が見えない状態を作ることができる。
１１０ 投光部
１２０ 受光部
１２０Ａ 低倍率の第１受光部
１２０Ｂ 高倍率の第２受光部
１２１ カメラ
１３０ リング状の照明光出力部
１４０ ステージ
１４１ ＸーＹステージ
１４２ Ｚステージ
１４３ θステージ
６４８ チルトステージ
６４０ 受光部の光軸（観察中心軸）
６４２ 投光部の光軸
６５２ ステージの円形凹所
６５６ 高さ微調整機構
６６０ ステージを上げ下げするアーム
６６２ アーム昇降機構
Ｓ 測定対象物

Claims (8)

  1. 対象物を載置するステージと、
    該ステージに載置された対象物に向けた観察中心軸を有する受光部と、
    前記対象物に対して斜め上方から光を照射する投光部と、
    該投光部を使って前記対象物を照射して前記受光部で取得した計測用画像を所定のアルゴリズムで処理して三次元形状データを生成する三次元形状データ生成手段とを有する光学顕微鏡であって、
    前記投光部の投光光軸が前記受光部の焦点位置に差し向けられ、
    前記ステージ上の対象物を回転させるθステージの回転軸が前記受光部の観察中心軸と同軸に設定され、
    前記θステージの回転軸及び前記受光部の観察中心軸が、前記受光部の焦点位置と前記投光部の投光光軸とが交差する点を通過するように設定され、
    前記ステージが、Ｚ軸方向に上下する昇降機構に支持され、
    前記昇降機構により前記ステージのＺ軸方向の位置を変化させて撮像された複数の画像を合成することにより画像全体に焦点が合ったフルフォーカス画像を生成する深度合成手段を更に有し、
    前記ステージが、前記受光部の焦点を通るチルト軸を中心に前記対象物を傾けるチルト手段を有し、
    前記深度合成手段は、前記チルト手段により前記ステージをチルトさせた状態で、Ｚ軸方向の位置を変化させて撮像された複数の画像を合成して前記フルフォーカス画像を生成することを特徴とする光学顕微鏡。
  2. 対象物を載置するステージと、
    該ステージに載置された対象物に向けた観察中心軸を有する受光部と、
    前記対象物に対して斜め上方から光を照射する投光部と、
    該投光部を使って前記対象物を照射して前記受光部で取得した計測用画像を所定のアルゴリズムで処理して三次元形状データを生成する三次元形状データ生成手段とを有する光学顕微鏡であって、
    前記投光部の投光光軸が前記受光部の焦点位置に差し向けられ、
    前記ステージ上の対象物を回転させるθステージの回転軸が前記受光部の観察中心軸と同軸に設定され、
    前記θステージの回転軸及び前記受光部の観察中心軸が、前記受光部の焦点位置と前記投光部の投光光軸とが交差する点を通過するように設定され、
    前記ステージが、Ｚ軸方向に上下する昇降機構のアームの先端部に支持され、
    前記アームの移動方向であるＺ軸が前記観察中心軸と整合していることを特徴とする光学顕微鏡。
  3. 前記三次元形状データ生成手段が生成した前記三次元形状データに対して、前記受光部が取得した観察用画像をマッピングすることで前記対象物の三次元テクスチャ画像を生成する３Ｄテクスチャ画像生成手段を更に有する、請求項１又は２に記載の光学顕微鏡。
  4. 前記チルト手段が、前記ステージに設置されたチルトステージで構成されている、請求項１に記載の光学顕微鏡。
  5. 前記対象物のＺ軸方向の高さ位置を微調整するための高さ微調整機構が前記ステージに設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学顕微鏡。
  6. 前記投光部が少なくとも一対有し、
    該一対の投光部が、前記受光部の観察光軸を挟んで鏡像対称に配置されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学顕微鏡。
  7. 前記受光部が、前記ステージまで真っ直ぐに延びる観察光軸を備えた低倍率の第１受光部と、
    該第１受光部の観察光軸の途中に光軸屈折部を介して接続され、横方向に延びる観察光軸を備えた高倍率の第２受光部とを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学顕微鏡。
  8. 前記受光部がモノクロ撮像素子を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学顕微鏡。
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