JP6271493B2 - 三次元計測装置 - Google Patents

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Description

本発明は、被計測物の形状を計測する三次元計測装置に関するものである。
従来より、被計測物の形状を計測する三次元計測装置として、干渉計を利用した三次元計測装置が知られている。
かかる三次元計測装置においては、計測光の波長（例えば１５００ｎｍ）の半分（例えば７５０ｎｍ）が計測可能な計測レンジ（ダイナミックレンジ）となる。
そのため、仮に被計測物上に計測光の波長の半分以上の高低差がある場合には、計測レンジが不足し、被計測物の形状を適正に計測できないおそれがある。これに対し、計測光の波長を長くした場合には、分解能が粗くなり、計測精度が悪化するおそれがある。
これに鑑み、近年では、レンジ不足を解消するため、波長の異なる２種類の光を利用して計測を行う三次元計測装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
かかる三次元計測装置においては、第１波長光と第２波長光を合成した状態で干渉光学系（偏光ビームスプリッタ等）へ入射させ、ここから出射される干渉光を所定の光学分離手段（ダイクロイックミラー等）により波長分離し、第１波長光に係る干渉光と、第２波長光に係る干渉光とを得る。そして、各波長光に係る干渉光を個別に撮像した干渉縞画像を基に被計測物の形状計測を行う。
特開２０１０−１６４３８９号公報
波長の異なる２種類の光を利用して、三次元計測に係る計測レンジをより広げるためには、２種類の光の波長差をより小さくすればよい。２種類の光の波長が近ければ近いほど、計測レンジを広げることができる。
しかしながら、２種類の光の波長が近ければ近いほど、２種類の光の波長を適切に分離することが困難となる。
換言すれば、波長差が小さい２種類の光で三次元計測を行おうとした場合、第１波長光に係る干渉光の撮像と、第２波長光に係る干渉光の撮像をそれぞれ異なるタイミングで行う必要があり、計測効率が低下するおそれがある。
例えば位相シフト法を利用した三次元計測において、位相を４段階に変化させる場合には、４通りの画像データを取得する必要があるため、２種類の光を用いる場合には、それぞれ異なるタイミングで４回ずつ、計８回分の撮像時間が必要となる。
本発明は、上記事情等に鑑みてなされたものであり、その目的は、波長の異なる２種類の光を利用して、計測レンジの拡大を図ると共に、計測効率の向上を図ることのできる三次元計測装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。
手段１．入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系（特定光学系）と、
前記所定の光学系に対し入射させる、第１波長の偏光を含む第１光を出射可能な第１照射手段と、
前記所定の光学系に対し入射させる、第２波長の偏光を含む第２光を出射可能な第２照射手段と、
前記所定の光学系から出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
前記所定の光学系から出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段と、
前記第１撮像手段及び前記第２撮像手段により撮像された干渉縞画像を基に前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備え、
前記第１光と前記第２光をそれぞれ前記所定の光学系の異なる位置に入射させ、
前記第１光に係る出力光と前記第２光に係る出力光をそれぞれ前記所定の光学系の異なる位置から出射させることを特徴とする三次元計測装置。
上記手段１によれば、第１光と第２光をそれぞれ所定の光学系の異なる位置から入射することにより、第１光と第２光は互いに干渉することなく、別々に所定の光学系の異なる位置から出射されることとなる。つまり、所定の光学系から出射される光を所定の分離手段を用いて第１光と第２光とに分離する必要がない。
尚、以下同様であるが、「所定の光学系（特定光学系）」から出力される「第１光に係る出力光」には「第１光に係る参照光及び計測光の合成光、又は、該合成光を干渉させた干渉光」が含まれ、「第２光に係る出力光」には「第２光に係る参照光及び計測光の合成光、又は、該合成光を干渉させた干渉光」が含まれる。つまり「所定の光学系」には、「参照光及び計測光を内部で干渉させた上で干渉光として出力する光学系」のみならず、「参照光及び計測光を内部で干渉させることなく、単に合成光として出力する光学系」も含まれる。但し、「所定の光学系」から出力される「出力光」が「合成光」の場合には、「干渉縞画像」を撮像するために、少なくとも「撮像手段」により撮像される前段階において、所定の干渉手段を介して「干渉光」に変換することとなる。
つまり、光の干渉を生じさせること（干渉縞画像を撮像すること）を目的として、入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な光学系を「干渉光学系」と称することができる。従って、上記手段１において（以下の各手段においても同様）、「所定の光学系（特定光学系）」を「干渉光学系」と換言してもよい。
その結果、第１光及び第２光として波長の近い２種類の光を用いることができ、三次元計測に係る計測レンジをより広げることができる。
加えて、第１光に係る出力光の撮像と、第２光に係る出力光の撮像を同時に行うことができるため、総体的な撮像時間を短縮でき、計測効率の向上を図ることができる。
尚、２つの光を用いる場合には、２つの干渉光学系（干渉計モジュール）を用いて被計測物を計測する構成も考えられるが、かかる構成では、基準となる参照面が各干渉光学系ごとに異なり、参照光と計測光とに光路差を生じさせる光路区間が２つの光で異なることとなるため、計測精度が低下するおそれがある。また、２つの干渉光学系の光路長を正確に一致させることは難しく、その調整作業も非常に困難な作業となる。
この点、本手段は、基準となる参照面を１つ備えた１つの干渉光学系（所定の光学系）に対し２つの光を用いる構成となっているため、参照光と計測光とに光路差を生じさせる光路区間が２つの光で同一となる。結果として、２つの干渉光学系を備えることに起因した種々の不具合の発生を防止することができる。
尚、以下の手段においても同様であるが、「第１照射手段」から照射される「第１光」は、少なくとも「第１波長の偏光（第１偏光）」を含んだ光であればよく、その後「所定の光学系」においてカットされる他の余分な成分を含んだ光（例えば「無偏光」や「円偏光」）であってもよい。
同様に、「第２照射手段」から照射される「第２光」は、少なくとも「第２波長の偏光（第２偏光）」を含んだ光であればよく、その後「所定の光学系」においてカットされる他の余分な成分を含んだ光（例えば「無偏光」や「円偏光」）であってもよい。
手段２．入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系（特定光学系）と、
前記所定の光学系の第１入出力部に対し入射させる、第１波長の偏光を含む第１光を出射可能な第１照射手段と、
前記所定の光学系の第２入出力部に対し入射させる、第２波長の偏光を含む第２光を出射可能な第２照射手段と、
前記第１入出力部に対し前記第１光を入射することにより前記第２入出力部から出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
前記第２入出力部に対し前記第２光を入射することにより前記第１入出力部から出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段と、
前記第１撮像手段及び前記第２撮像手段により撮像された干渉縞画像を基に前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
上記手段２によれば、第１光と第２光をそれぞれ所定の光学系の異なる位置（第１入出力部及び第２入出力部）から入射することにより、第１光と第２光がそれぞれ同一の光路を逆方向に辿り、互いに干渉することなく、別々に所定の光学系の異なる位置（第１入出力部及び第２入出力部）から出射されることとなる。つまり、所定の光学系から出射される光を所定の分離手段を用いて第１光と第２光とに分離する必要がない。結果として、上記手段１と同様の作用効果が奏される。
尚、以下の手段においても同様であるが、上記手段２に係る構成をより適正に機能させるためには、「前記被計測物を前記参照面と同一の平面とした場合において、前記第１入出力部に対し入射させる前記第１光の偏光方向と、該第１入出力部から出射される前記第２光に係る出力光の偏光方向とが同一となり、かつ、前記第２入出力部に対し入射させる前記第２光の偏光方向と、該第２入出力部から出射される前記第１光に係る出力光の偏光方向とが同一となること」がより好ましい。
同様に、「前記第１入出力部に対し前記第１光を入射する入射方向と、前記第２入出力部に対し前記第２光を入射する入射方向とを該両入射方向を含む平面上において一致させた場合において、前記第１光の偏光方向と、前記第２光の偏光方向とが９０°異なること」がより好ましい。
また、「前記所定の光学系において、（例えば被計測物や参照面に向け）同一軸線上を同一方向に向かう前記第１光（又はその計測光若しくは参照光）の偏光方向と、前記第２光（又はその計測光若しくは参照光）の偏光方向とが９０°異なること」がより好ましい。
手段３．入射する所定の光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光に分割する境界面を有し、該分割した一方の偏光を計測光として被計測物に照射しかつ他方の偏光を参照光として参照面に照射すると共に、これらを再び合成して出射可能な偏光ビームスプリッタと、
前記境界面を挟んで隣り合う前記偏光ビームスプリッタの第１面及び第２面のうち第１入出力部となる前記第１面に対し入射させる、第１波長の偏光を含む第１光を出射可能な第１照射手段と、
前記偏光ビームスプリッタの第２入出力部となる前記第２面に対し入射させる、第２波長の偏光を含む第２光を出射可能な第２照射手段と、
前記参照光が出入射される前記偏光ビームスプリッタの第３面と前記参照面との間に配置された第１の１／４波長板と、
前記計測光が出入射される前記偏光ビームスプリッタの第４面と前記被計測物との間に配置される第２の１／４波長板と、
前記偏光ビームスプリッタの前記第１面に対し前記第１光を入射することにより前記第２面から出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
前記偏光ビームスプリッタの前記第２面に対し前記第２光を入射することにより前記第１面から出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段と、
前記第１撮像手段及び前記第２撮像手段により撮像された干渉縞画像を基に前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
上記手段３によれば、マイケルソン干渉計の原理に基づいた比較的簡素な構成で、上記手段１，２に係る構成を実現することができる。
以下の手段でも同様であるが、「偏光ビームスプリッタ」は、その境界面において、第１の偏光方向を有する第１偏光（例えばＰ偏光）を透過させ、第２の偏光方向を有する第２偏光（例えばＳ偏光）を反射する機能を有する。従って、偏光ビームスプリッタの第１面から入射した第１光は、例えば第１偏光よりなる参照光と、第２偏光よりなる計測光とに分割され、偏光ビームスプリッタの第２面から入射した第２光は、例えば第２偏光よりなる参照光と、第１偏光よりなる計測光とに分割されることとなる。
つまり、第１光と第２光をそれぞれ所定の光学系の異なる位置（第１面及び第２面）から入射することにより、第１光に係る参照光及び計測光と、第２光に係る参照光及び計測光がそれぞれ異なる偏光成分（Ｐ偏光又はＳ偏光）に分割されるため、第１光と第２光は互いに干渉することなく、別々に所定の光学系から出射されることとなる。
尚、波長の異なる２種類の光を用いる場合、両光に共通して用いられる上記「１／４波長板」は、両光の波長差が大きくなればなるほど、適正に機能しなくなる。かかる点においても、波長差が小さい２種類の光を用いることがより好ましい。
手段４．第１波長の偏光を含む第１光を出射可能な第１照射手段と、
第２波長の偏光を含む第２光を出射可能な第２照射手段と、
前記第１照射手段から入射される前記第１光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光に分割し、一方の偏光を計測光として被計測物に対し照射可能としかつ他方の偏光を参照光として参照面に対し照射可能とすると共に、前記被計測物を介して入射した前記第２光に係る計測光と、前記参照面を介して入射した前記第２光に係る参照光とを合成して出射可能な第１入出力部としての第１偏光ビームスプリッタと、
前記第２照射手段から入射される前記第２光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光に分割し、一方の偏光を計測光として被計測物に対し照射可能としかつ他方の偏光を参照光として参照面に対し照射可能とすると共に、前記被計測物を介して入射した前記第１光に係る計測光と、前記参照面を介して入射した前記第１光に係る参照光とを合成して出射可能な第２入出力部としての第２偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光ビームスプリッタと前記参照面との間に配置された第１の１／４波長板と、
前記第１偏光ビームスプリッタと前記被計測物との間に配置された第２の１／４波長板と、
前記第２偏光ビームスプリッタと前記参照面との間に配置された第３の１／４波長板と、
前記第２偏光ビームスプリッタと前記被計測物との間に配置された第４の１／４波長板と、
前記第１偏光ビームスプリッタに対し前記第１光を入射することにより前記第２偏光ビームスプリッタから出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
前記第２偏光ビームスプリッタに対し前記第２光を入射することにより前記第１偏光ビームスプリッタから出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段と、
前記第１撮像手段及び前記第２撮像手段により撮像された干渉縞画像を基に前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
上記手段４によれば、マッハ・ツェンダー干渉計の原理に基づいた比較的簡素な構成で、上記手段１，２に係る構成を実現することができる。
手段５．第１の偏光方向を有する偏光である第１偏光（例えばＰ偏光）を透過させ、第２の偏光方向を有する偏光である第２偏光（例えばＳ偏光）を反射する境界面を有する偏光ビームスプリッタと、
前記境界面を挟んで隣り合う前記偏光ビームスプリッタの第１面及び第２面のうち第１入出力部となる前記第１面に対し入射させる、第１波長の前記第１偏光を含む第１光を出射可能な第１照射手段と、
前記偏光ビームスプリッタの第２入出力部となる前記第２面に対し入射させる、第２波長の前記第２偏光を含む第２光を出射可能な第２照射手段と、
前記境界面を透過した第１光及び前記境界面に反射した第２光が出射される前記偏光ビームスプリッタの第３面と相対向するように配置された１／４波長板と、
前記偏光ビームスプリッタとは反対側にて前記１／４波長板と相対向するように配置され、前記１／４波長板を介して照射された光の一部を計測光として透過して被計測物に照射しかつ残りの光を参照光として反射するハーフミラー（参照面）と、
前記偏光ビームスプリッタの前記第１面に対し前記第１光を入射することにより前記第２面から出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
前記偏光ビームスプリッタの前記第２面に対し前記第２光を入射することにより前記第１面から出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段と、
前記第１撮像手段及び前記第２撮像手段により撮像された干渉縞画像を基に前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
上記手段５によれば、フィゾー干渉計の原理に基づいた比較的簡素な構成で、上記手段１，２に係る構成を実現することができる。
手段６．前記第１照射手段から出射される第１光の少なくとも一部を前記第１入出力部に向け入射させると共に、前記第１入出力部から出射される前記第２光に係る出力光の少なくとも一部を前記第２撮像手段に向け入射させる第１導光手段と、
前記第２照射手段から出射される第２光の少なくとも一部を前記第２入出力部に向け入射させると共に、前記第２入出力部から出射される第１光に係る出力光の少なくとも一部を前記第１撮像手段に向け入射させる第２導光手段とを備えたことを特徴とする手段２乃至５のいずれかに記載の三次元計測装置。
上記手段６によれば、比較的簡素な構成で、上記手段２等に係る構成を実現することができる。
例えば「前記第１照射手段から出射される第１光の一部を透過させかつ残りを反射させ、該第１光の透過光又は反射光を前記第１入出力部に向け入射させると共に、前記第１入出力部から出射される第２光に係る出力光の一部を透過させかつ残りを反射させ、該第２光の透過光又は反射光を前記第２撮像手段に向け入射させる第１無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー等）と、
前記第２照射手段から出射される第２光の一部を透過させかつ残りを反射させ、該第２光の透過光又は反射光を前記第２入出力部に向け入射させると共に、前記第２入出力部から出射される第１光に係る出力光の一部を透過させかつ残りを反射させ、該第１光の透過光又は反射光を前記第１撮像手段に向け入射させる第２無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー等）とを備えた」構成が一例に挙げられる。
手段７．前記第１照射手段と前記第１導光手段との間に、前記第１照射手段から出射される一方向の光のみを透過しかつ逆方向の光を遮断する第１光アイソレータを備えると共に、
前記第２照射手段と前記第２導光手段との間に、前記第２照射手段から出射される一方向の光のみを透過しかつ逆方向の光を遮断する第２光アイソレータを備えたことを特徴とする手段６に記載の三次元計測装置。
上記手段６の導光手段として、例えば無偏光ビームスプリッタを備えた場合には、該無偏光ビームスプリッタが、入出力部から出射された光の一部を透過させかつ残りを反射させ、該光の透過光又は反射光の一方を撮像手段に向け入射させる際に、該撮像手段に入射しない他方の光が照射手段に向かうこととなる。仮に、かかる光が照射手段に入射した場合には、照射手段が損傷したり動作が不安定となるおそれがある。
これに対し、本手段７によれば、光アイソレータを備えることにより、照射手段の損傷や不安定化などを防止することができる。
手段８．入射する所定の光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光に分割し、一方の偏光を計測光として被計測物に照射しかつ他方の偏光を参照光として参照面に照射すると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系（干渉光学系）と、
前記所定の光学系に対し入射させる、第１波長を有する第１光を出射可能な第１照射手段と、
前記所定の光学系に対し入射させる、前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２光を出射可能な第２照射手段と、
前記所定の光学系から出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
前記所定の光学系から出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段と、
前記第１撮像手段及び前記第２撮像手段により撮像された干渉縞画像を基に前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備え、
前記第１光と前記第２光をそれぞれ前記所定の光学系の異なる位置に入射させ、
前記所定の光学系が、
前記第１光を、第１の偏光方向を有する第１偏光（例えばＰ偏光）よりなる前記参照光と、第２の偏光方向を有する第２偏光（例えばＳ偏光）よりなる前記計測光とに分割し、
前記第２光を、前記第２偏光よりなる前記参照光と、前記第１偏光よりなる前記計測光とに分割し、
これらを再び合成した前記第１光に係る出力光と前記第２光に係る出力光をそれぞれ前記所定の光学系の異なる位置から出射させることを特徴とする三次元計測装置。
上記手段８によれば、第１光と第２光をそれぞれ所定の光学系の異なる位置から入射させることにより、第１光に係る参照光及び計測光と、第２光に係る参照光及び計測光がそれぞれ異なる偏光成分（Ｐ偏光又はＳ偏光）に分割されるため、所定の光学系に入射した第１光と第２光は互いに干渉することなく、別々に所定の光学系から出射されることとなる。
従って、上記手段８によれば、マイケルソン干渉計やマッハ・ツェンダー干渉計の原理に基づいた比較的簡素な構成で、上記手段１に係る構成を実現することができる。
手段９．前記第１光に係る前記参照光と前記計測光との間に相対的な位相差を付与する第１位相シフト手段と、
前記第２光に係る前記参照光と前記計測光との間に相対的な位相差を付与する第２位相シフト手段とを備え、
前記画像処理手段は、
前記第１位相シフト手段により複数通り（例えば３又は４通り）に位相シフトされた前記第１光に係る出力光を前記第１撮像手段により撮像した複数通りの干渉縞画像を基に、位相シフト法により前記被計測物の形状計測を行い、当該計測値を第１計測値として取得可能な第１計測値取得手段と、
前記第２位相シフト手段により複数通り（例えば３又は４通り）に位相シフトされた前記第２光に係る出力光を前記第２撮像手段により撮像した複数通りの干渉縞画像を基に、位相シフト法により前記被計測物の形状計測を行い、当該計測値を第２計測値として取得可能な第２計測値取得手段と、
前記第１計測値及び前記第２計測値から特定される高さ情報を、前記被計測物の高さ情報として取得可能な高さ情報取得手段とを備えた手段１乃至８のいずれかに記載の三次元計測装置。
位相シフト法を利用した従来の三次元計測装置においては、位相を４段階又は３段階に変化させ、これらに対応する４通り又は３通りの干渉縞画像を撮像する必要があった。そのため、計測レンジ向上のため、波長差が小さい２種類の光を用いる場合には、それぞれ異なるタイミングで４回ずつ（又は３回ずつ）、計８回分（又は計６回分）の撮像時間が必要であった。
これに対し、本手段９によれば、第１光に係る出力光の撮像と、第２光に係る出力光の撮像を同時に行うことができるため、計４回分（又は計３回分）の撮像時間で、２種類の光に係る計８通り（又は６通り）の干渉縞画像を取得することができる。結果として、総体的な撮像時間を短縮でき、計測効率の向上を図ることができる。
手段１０．前記第１光に係る出力光を複数の光に分割する第１の分光手段と、
前記第１位相シフト手段として、前記第１の分光手段により分割された複数の分割光のうち、少なくとも前記位相シフト法による計測に必要な数（例えば３つ又は４つ）の分割光に対してそれぞれ異なる位相差を付与する第１のフィルタ手段と、
前記第２光に係る出力光を複数の光に分割する第２の分光手段と、
前記第２位相シフト手段として、前記第２の分光手段により分割された複数の分割光のうち、少なくとも前記位相シフト法による計測に必要な数（例えば３つ又は４つ）の分割光に対してそれぞれ異なる位相差を付与する第２のフィルタ手段とを備え、
前記第１撮像手段は、少なくとも前記第１のフィルタ手段を透過する前記複数の分割光を同時に撮像可能に構成され、
前記第２撮像手段は、少なくとも前記第２のフィルタ手段を透過する前記複数の分割光を同時に撮像可能に構成されていることを特徴とする手段９に記載の三次元計測装置。
上記位相シフト手段としては、例えば参照面を光軸に沿って移動させることにより物理的に光路長を変化させる構成が考えられる。しかしながら、かかる構成では、計測に必要なすべての干渉縞画像を取得するまでに一定時間を要するため、計測時間が長くなるばかりでなく、その空気の揺らぎや振動等の影響を受けるため、計測精度が低下するおそれがある。
この点、本手段１０によれば、計測に必要なすべての干渉縞画像を同時に取得することができる。つまり、２種類の光に係る計８通り（又は６通り）の干渉縞画像を同時に取得することができる。結果として、計測精度の向上を図ると共に、総体的な撮像時間を大幅に短縮でき、計測効率の飛躍的な向上を図ることができる。
尚、「分光手段」としては、例えば「入射される光を、それぞれ光路長が等しくかつ進行方向に直交する平面において光路がマトリクス状に並ぶ４つの光に分割する分光手段」などが挙げられる。例えば、下記の手段１１のような構成が一例に挙げられる。
手段１１．前記分光手段（第１の分光手段及び第２の分光手段）は、
第１の平面に沿った断面形状が三角形状となる三角柱形状をなし、該第１の平面と直交する方向に沿った３つの面のうちの第１面と第２面との交線を通り第３面と直交する平面に沿って第１分岐手段（第１のハーフミラー）を有する第１の光学部材（第１のケスタープリズム）と、
前記第１の平面と直交する第２の平面に沿った断面形状が三角形状となる三角柱形状をなし、該第２の平面と直交する方向に沿った３つの面のうちの第１面と第２面との交線を通り第３面と直交する平面に沿って第２分岐手段（第２のハーフミラー）を有する第２の光学部材（第２のケスタープリズム）とを備え、
前記第１の光学部材の第３面と前記第２の光学部材の第１面とを相対向するように配置することにより、
前記第１の光学部材の前記第１面に対し（垂直に）入射される光を前記第１分岐手段にて２方向に分岐させ、このうち前記第１分岐手段にて反射した分割光を前記第１面にて前記第３面側に向け反射させ、前記第１分岐手段を透過した分割光を前記第２面にて前記第３面側に向け反射させることにより、前記第３面から平行する２つの分割光として出射させ、
前記第１の光学部材の第３面から出射された２つの分割光を前記第２の光学部材の第１面に対し（垂直に）入射させ、該２つの分割光をそれぞれ前記第２分岐手段にて２方向に分岐させ、このうち前記第２分岐手段にて反射した２つの分割光をそれぞれ前記第１面にて前記第３面側に向け反射させ、前記第２分岐手段を透過した２つの分割光をそれぞれ前記第２面にて前記第３面側に向け反射させることにより、前記第３面から平行する４つの分割光として出射させることを特徴とする手段１０に記載の三次元計測装置。
上記手段１１によれば、所定の光学系（干渉光学系）から出射される光を２行２列のマトリクス状に並ぶ４つの光に分光することができる。これにより、例えば下記の手段１２のように複数の分割光を単一の撮像素子により同時撮像する構成において、撮像素子の撮像領域をマトリクス状に４等分した分割領域を、４つの分割光にそれぞれ割り当てることができるため、撮像素子の撮像領域を有効活用することができる。例えばアスペクト比が４：３の一般的な撮像素子の撮像領域を４等分した場合、各分割領域のアスペクト比は同じく４：３となるため、各分割領域内のより広範囲を利用可能となる。ひいては、さらなる計測精度の向上を図ることができる。
また、仮に回折格子を分光手段として用いた場合には分解能が低下するおそれがあるが、本手段では、１つの光を平行する２つの光に分割し、さらに該２つの光をそれぞれ平行する２つの光に分割することにより、平行する４つの光に分光する構成となっているため、分解能の低下抑制を図ることができる。
さらに、１つの光を平行する２つの光に分割する手段として、上記構成を有する光学部材（ケスタープリズム）を採用しているため、分割された２つの光の光路長が光学的に等しくなる。結果として、分割された２つの光の光路長を調整する光路調整手段を備える必要がなく、部品点数の削減を図ると共に、構成の簡素化や装置の小型化等を図ることができる。
また、第１の光学部材の第３面と第２の光学部材の第１面とが当接していれば、分光手段に対し１つの光が入射されてから、４つの光が出射されるまでの間、光が光学部材内のみを進み、空気中に出ない構成となるため、空気の揺らぎ等による影響を低減することができる。
手段１２．前記第１撮像手段は、少なくとも前記第１のフィルタ手段を透過する前記複数の分割光を同時に撮像可能な単一の撮像素子を備え、
前記第２撮像手段は、少なくとも前記第２のフィルタ手段を透過する前記複数の分割光を同時に撮像可能な単一の撮像素子を備えていることを特徴とする手段１０又は１１に記載の三次元計測装置。
尚、複数の分割光を同時に撮像する場合には、撮像手段を構成する複数のカメラ（撮像素子）により各分割光をそれぞれ撮像する構成も考えられるが、かかる構成では、各カメラ（撮像素子）の違い等により、計測誤差が生じるおそれがある。
この点、本手段によれば、複数の分割光を単一の撮像素子により同時撮像する構成となっているため、計測誤差等の発生を抑制し、計測精度の向上を図ることができる。
手段１３．前記被計測物が、プリント基板に印刷されたクリーム半田、又は、ウエハ基板に形成された半田バンプであることを特徴とする手段１乃至１２のいずれかに記載の三次元計測装置。
上記手段１３によれば、プリント基板に印刷されたクリーム半田、又は、ウエハ基板に形成された半田バンプの高さ計測等を行うことができる。ひいては、クリーム半田又は半田バンプの検査において、その計測値に基づいてクリーム半田又は半田バンプの良否判定を行うことができる。従って、かかる検査において、上記各手段の作用効果が奏されることとなり、精度よく良否判定を行うことができる。結果として、半田印刷検査装置又は半田バンプ検査装置における検査精度の向上を図ることができる。
三次元計測装置の概略構成図である。 三次元計測装置の電気的構成を示すブロック図である。 第１光の光路を示す光路図である。 第２光の光路を示す光路図である。 第２実施形態に係る分光光学系等を示す概略構成図である。 第２実施形態に係るフィルタユニットの概略構成図である。 第２実施形態に係る撮像素子の撮像領域の概略構成図である。 第３実施形態に係る三次元計測装置の概略構成図である。 第３実施形態に係る第１光の光路を示す光路図である。 第３実施形態に係る第２光の光路を示す光路図である。 第４実施形態に係る三次元計測装置の概略構成図である。 第４実施形態に係る第１光の光路を示す光路図である。 第４実施形態に係る第２光の光路を示す光路図である。 第５実施形態に係る三次元計測装置の概略構成図である。 第５実施形態に係る分光光学系を示す平面図である。 第５実施形態に係る分光光学系を示す正面図である。 第５実施形態に係る分光光学系を示す右側面図である。 第５実施形態に係る分光光学系を示す斜視図である。 第６実施形態に係る三次元計測装置の概略構成図である。 第７実施形態に係る三次元計測装置の概略構成図である。 半田バンプの高さ計測の原理を説明するための説明図である。 別の実施形態に係るフィルタユニットの概略構成図である。
〔第１実施形態〕
以下、三次元計測装置の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る三次元計測装置１の概略構成を示す模式図であり、図２は三次元計測装置１の電気的構成を示すブロック図である。以下、便宜上、図１の紙面前後方向を「Ｘ軸方向」とし、紙面上下方向を「Ｙ軸方向」とし、紙面左右方向を「Ｚ軸方向」として説明する。
三次元計測装置１は、マイケルソン干渉計の原理に基づき構成されたものであり、特定波長の光を出力可能な２つの投光系２Ａ，２Ｂ（第１投光系２Ａ，第２投光系２Ｂ）と、該投光系２Ａ，２Ｂからそれぞれ出射される光が入射される干渉光学系３と、該干渉光学系３から出射される光を撮像可能な２つの撮像系４Ａ，４Ｂ（第１撮像系４Ａ，第２撮像系４Ｂ）と、投光系２Ａ，２Ｂや干渉光学系３、撮像系４Ａ，４Ｂなどに係る各種制御や画像処理、演算処理等を行う制御装置５とを備えている。
ここで、「制御装置５」が本実施形態における「画像処理手段」を構成し、「干渉光学系３」が本実施形態における「所定の光学系（特定光学系）」を構成する。尚、本願に係る各実施形態においては、光の干渉を生じさせること（干渉縞画像を撮像すること）を目的として、入射する所定の光を２つの光（計測光及び参照光）に分割し、該２つの光に光路差を生じさせた上で、再度合成して出力する光学系を「干渉光学系」という。つまり、２つの光を内部で干渉させた上で干渉光として出力する光学系のみならず、２つの光を内部で干渉させることなく、単に合成光として出力する光学系についても「干渉光学系」と称している。従って、本実施形態にて後述するように、「干渉光学系」から、２つの光（計測光及び参照光）が干渉することなく合成光として出力される場合には、少なくとも撮像される前段階（例えば撮像系の内部など）において、所定の干渉手段を介して干渉光に変換することとなる。
まず、２つの投光系２Ａ，２Ｂ（第１投光系２Ａ，第２投光系２Ｂ）の構成について詳しく説明する。第１投光系２Ａは、第１発光部１１Ａ、第１光アイソレータ１２Ａ、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａなどを備えている。ここで「第１発光部１１Ａ」が本実施形態における「第１照射手段」を構成する。
図示は省略するが、第１発光部１１Ａは、特定波長λ1の直線偏光を出力可能なレーザ光源や、該レーザ光源から出力される直線偏光を拡大し平行光として出射するビームエキスパンダ、強度調整を行うための偏光板、偏光方向を調整するための１／２波長板などを備えている。
かかる構成の下、本実施形態では、第１発光部１１Ａから、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した方向を偏光方向とする波長λ1（例えばλ1＝１５００ｎｍ）の直線偏光がＺ軸方向左向きに出射される。ここで「波長λ1」が本実施形態における「第１波長」に相当する。以降、第１発光部１１Ａから出射される波長λ1の光を「第１光」という。
第１光アイソレータ１２Ａは、一方向（本実施形態ではＺ軸方向左向き）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態ではＺ軸方向右向き）の光を遮断する光学素子である。これにより、第１発光部１１Ａから出射された第１光のみを透過することとなり、戻り光による第１発光部１１Ａの損傷や不安定化などを防止することができる。
第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａは、直角プリズム（直角二等辺三角形を底面とする三角柱状のプリズム。以下同様。）を貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面１３Ａｈには例えば金属膜などのコーティングが施されている。「第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａ」が本実施形態における「第１導光手段」を構成する。
以下同様であるが、無偏光ビームスプリッタは、偏光状態も含め、入射光を所定の比率で透過光と反射光とに分割するものである。本実施形態では、１：１の分割比を持った所謂ハーフミラーを採用している。つまり、透過光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分、並びに、反射光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分が全て同じ比率で分割されると共に、透過光と反射光の各偏光状態は入射光の偏光状態と同じとなる。
尚、本実施形態では、図１の紙面に平行な方向（Ｙ軸方向又はＺ軸方向）を偏光方向とする直線偏光をＰ偏光（Ｐ偏光成分）といい、図１の紙面に垂直なＸ軸方向を偏光方向とする直線偏光をＳ偏光（Ｓ偏光成分）という。「Ｐ偏光」が「第１の偏光方向を有する第１偏光」に相当し、「Ｓ偏光」が「第２の偏光方向を有する第２偏光」に相当する。
また、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａは、その接合面１３Ａｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａの接合面１３ＡｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。より詳しくは、第１光アイソレータ１２Ａを介して、第１発光部１１ＡからＺ軸方向左向きに入射する第１光の一部（半分）をＺ軸方向左向きに透過させ、残り（半分）をＹ軸方向下向きに反射させるように配置されている。
第２投光系２Ｂは、上記第１投光系２Ａと同様、第２発光部１１Ｂ、第２光アイソレータ１２Ｂ、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂなどを備えている。ここで「第２発光部１１Ｂ」が本実施形態における「第２照射手段」を構成する。
第２発光部１１Ｂは、上記第１発光部１１Ａと同様、特定波長λ2の直線偏光を出力可能なレーザ光源や、該レーザ光源から出力される直線偏光を拡大し平行光として出射するビームエキスパンダ、強度調整を行うための偏光板、偏光方向を調整するための１／２波長板などを備えている。
かかる構成の下、本実施形態では、第２発光部１１Ｂから、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した方向を偏光方向とする波長λ2（例えばλ2＝１５０３ｎｍ）の直線偏光がＹ軸方向上向きに出射される。ここで「波長λ2」が本実施形態における「第２波長」に相当する。以降、第２発光部１１Ｂから出射される波長λ2の光を「第２光」という。
第２光アイソレータ１２Ｂは、第１光アイソレータ１２Ａと同様、一方向（本実施形態ではＹ軸方向上向き）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態ではＹ軸方向下向き）の光を遮断する光学素子である。これにより、第２発光部１１Ｂから出射された第２光のみを透過することとなり、戻り光による第２発光部１１Ｂの損傷や不安定化などを防止することができる。
第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂは、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａと同様、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面１３Ｂｈには例えば金属膜などのコーティングが施されている。「第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂ」が本実施形態における「第２導光手段」を構成する。
また、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂは、その接合面１３Ｂｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂの接合面１３ＢｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。より詳しくは、第２光アイソレータ１２Ｂを介して、第２発光部１１ＢからＹ軸方向上向きに入射する第２光の一部（半分）をＹ軸方向上向きに透過させ、残り（半分）をＺ軸方向右向きに反射させるように配置されている。
次に干渉光学系３の構成について詳しく説明する。干渉光学系３は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０、１／４波長板２１，２２、参照面２３、設置部２４などを備えている。
偏光ビームスプリッタ２０は、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面（境界面）２０ｈには例えば誘電体多層膜などのコーティングが施されている。
偏光ビームスプリッタ２０は、入射される直線偏光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光成分（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分）に分割するものである。本実施形態における偏光ビームスプリッタ２０は、Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する構成となっている。また、本実施形態における偏光ビームスプリッタ２０は、入射する所定の光を２つの光に分割する「分割手段」を構成すると共に、これらを再び合成する「合成手段」を構成することとなる。
偏光ビームスプリッタ２０は、その接合面２０ｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、偏光ビームスプリッタ２０の接合面２０ｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
より詳しくは、上記第１無偏光ビームスプリッタ１３ＡからＹ軸方向下向きに反射した第１光が入射する偏光ビームスプリッタ２０の第１面（Ｙ軸方向上側面）２０ａ、並びに、該第１面２０ａと相対向する第３面（Ｙ軸方向下側面）２０ｃがＹ軸方向と直交するように配置されている。「偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａ」が本実施形態における「第１入出力部」に相当する。
一方、第１面２０ａと接合面２０ｈを挟んで隣り合う面であって、上記第２無偏光ビームスプリッタ１３ＢからＺ軸方向右向きに反射した第２光が入射する偏光ビームスプリッタ２０の第２面（Ｚ軸方向左側面）２０ｂ、並びに、該第２面２０ｂと相対向する第４面（Ｚ軸方向右側面）２０ｄがＺ軸方向と直交するように配置されている。「偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂ」が本実施形態における「第２入出力部」に相当する。
また、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃとＹ軸方向に相対向するように１／４波長板２１が配置され、該１／４波長板２１とＹ軸方向に相対向するように参照面２３が配置されている。
１／４波長板２１は、本実施形態における「第１の１／４波長板」に相当するものであり、直線偏光を円偏光に変換しかつ円偏光を直線偏光に変換する機能を有する。つまり、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射される直線偏光（参照光）は１／４波長板２１を介して円偏光に変換された上で参照面２３に対し照射される。また、参照面２３で反射した参照光は、再度、１／４波長板２１を介して円偏光から直線偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃに入射する。
一方、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄとＺ軸方向に相対向するように１／４波長板２２が配置され、該１／４波長板２２とＺ軸方向に相対向するように設置部２４が配置されている。
１／４波長板２２は、本実施形態における「第２の１／４波長板」に相当するものであり、直線偏光を円偏光に変換しかつ円偏光を直線偏光に変換する機能を有する。つまり、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射される直線偏光（計測光）は１／４波長板２２を介して円偏光に変換された上で設置部２４に置かれた被計測物としてのワークＷに対し照射される。また、ワークＷにて反射した計測光は、再度、１／４波長板２２を介して円偏光から直線偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄに入射する。
次に２つの撮像系４Ａ，４Ｂ（第１撮像系４Ａ，第２撮像系４Ｂ）の構成について詳しく説明する。第１撮像系４Ａは、１／４波長板３１Ａ、第１偏光板３２Ａ、第１撮像手段を構成する第１カメラ３３Ａなどを備えている。
１／４波長板３１Ａは、第２無偏光ビームスプリッタ１３ＢをＺ軸方向左向きに透過してきた直線偏光（第１光の参照光成分及び計測光成分）をそれぞれ円偏光に変換するためのものである。
第１偏光板３２Ａは、１／４波長板３１Ａにより円偏光に変換された第１光の各成分を選択的に透過させるものである。これにより、回転方向の異なる第１光の参照光成分と計測光成分とを特定の位相について干渉させることができる。「第１偏光板３２Ａ」が本実施形態における「第１位相シフト手段」及び「干渉手段」を構成する。
本実施形態に係る第１偏光板３２Ａは、Ｚ軸方向を軸心として回転可能に構成されると共に、その透過軸方向が４５°ずつ変化するように制御される。具体的には、透過軸方向がＹ軸方向に対し「０°」、「４５°」、「９０°」、「１３５°」となるように変化する。
これにより、第１偏光板３２Ａを透過する第１光の参照光成分及び計測光成分を４通りの位相で干渉させることができる。つまり、位相が９０°ずつ異なる干渉光を生成することができる。具体的には、位相が「０°」の干渉光、位相が「９０°」の干渉光、位相が「１８０°」の干渉光、位相が「２７０°」の干渉光を生成することができる。
第１カメラ３３Ａは、レンズや撮像素子等を備えてなる公知のものである。本実施形態では、第１カメラ３３Ａの撮像素子として、ＣＣＤエリアセンサを採用している。勿論、撮像素子は、これに限定されるものではなく、例えばＣＭＯＳエリアセンサ等を採用してもよい。
第１カメラ３３Ａによって撮像された画像データは、第１カメラ３３Ａ内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置５（画像データ記憶装置５４）に入力されるようになっている。
具体的には、第１光に係る位相「０°」の干渉縞画像、位相「９０°」の干渉縞画像、位相「１８０°」の干渉縞画像、位相「２７０°」の干渉縞画像が第１カメラ３３Ａにより撮像されることとなる。
第２撮像系４Ｂは、第１撮像系４Ａと同様、１／４波長板３１Ｂ、第２偏光板３２Ｂ、第２撮像手段を構成する第２カメラ３３Ｂなどを備えている。
１／４波長板３１Ｂは、第１無偏光ビームスプリッタ１３ＡをＹ軸方向上向きに透過してきた直線偏光（第２光の参照光成分及び計測光成分）をそれぞれ円偏光に変換するためのものである。
第２偏光板３２Ｂは、第１偏光板３２Ａと同様、１／４波長板３１Ｂにより円偏光に変換された第２光の各成分を選択的に透過させるものである。これにより、回転方向の異なる第２光の参照光成分と計測光成分とを特定の位相について干渉させることができる。「第２偏光板３２Ｂ」が本実施形態における「第２位相シフト手段」及び「干渉手段」を構成する。
本実施形態に係る第２偏光板３２Ｂは、Ｙ軸方向を軸心として回転可能に構成されると共に、その透過軸方向が４５°ずつ変化するように制御される。具体的には、透過軸方向がＸ軸方向に対し「０°」、「４５°」、「９０°」、「１３５°」となるように変化する。
これにより、第２偏光板３２Ｂを透過する第２光の参照光成分及び計測光成分を４通りの位相で干渉させることができる。つまり、位相が９０°ずつ異なる干渉光を生成することができる。具体的には、位相が「０°」の干渉光、位相が「９０°」の干渉光、位相が「１８０°」の干渉光、位相が「２７０°」の干渉光を生成することができる。
第２カメラ３３Ｂは、第１カメラ３３Ａと同様、レンズや撮像素子等を備えてなる公知のものである。本実施形態では、第１カメラ３３Ａと同様、第２カメラ３３Ｂの撮像素子として、ＣＣＤエリアセンサを採用している。勿論、撮像素子は、これに限定されるものではなく、例えばＣＭＯＳエリアセンサ等を採用してもよい。
第１カメラ３３Ａと同様、第２カメラ３３Ｂによって撮像された画像データは、第２カメラ３３Ｂ内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置５（画像データ記憶装置５４）に入力されるようになっている。
具体的には、第２光に係る位相「０°」の干渉縞画像、位相「９０°」の干渉縞画像、位相「１８０°」の干渉縞画像、位相「２７０°」の干渉縞画像が第２カメラ３３Ｂにより撮像されることとなる。
ここで制御装置５の電気的構成について説明する。図２に示すように、制御装置５は、三次元計測装置１全体の制御を司るＣＰＵ及び入出力インターフェース５１、キーボードやマウス、あるいは、タッチパネルで構成される「入力手段」としての入力装置５２、液晶画面などの表示画面を有する「表示手段」としての表示装置５３、カメラ３３Ａ，３３Ｂにより撮像された画像データ等を順次記憶するための画像データ記憶装置５４、各種演算結果を記憶するための演算結果記憶装置５５、各種情報を予め記憶しておく設定データ記憶装置５６を備えている。なお、これら各装置５２〜５６は、ＣＰＵ及び入出力インターフェース５１に対し電気的に接続されている。
次に三次元計測装置１の作用について説明する。尚、後述するように、本実施形態における第１光及び第２光の照射は同時に行われるものであり、第１光の光路と第２光の光路が一部で重なることとなるが、ここでは、より分かりやすくするため、第１光及び第２光の光路ごとに異なる図面を用いて個別に説明する。
まず第１光の光路について図３を参照して説明する。図３に示すように、波長λ1の第１光（偏光方向がＸ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）が第１発光部１１ＡからＺ軸方向左向きに出射される。
第１発光部１１Ａから出射された第１光は、第１光アイソレータ１２Ａを通過し、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射する。第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射した第１光の一部はＺ軸方向左向きに透過し、残りはＹ軸方向下向きに反射する。
このうち、Ｙ軸方向下向きに反射した第１光（偏光方向がＸ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）は、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａに入射する。一方、Ｚ軸方向左向きに透過した第１光は、何らかの光学系等に入射することなく、捨て光となる。
ここで、捨て光となる光を、必要に応じて波長計測あるいは光のパワー計測に利用すれば、光源を安定化させ如いては計測精度の向上を図ることができる（以下同様）。
偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａからＹ軸方向下向きに入射した第１光は、そのＰ偏光成分がＹ軸方向下向きに透過して第３面２０ｃから参照光として出射される一方、そのＳ偏光成分がＺ軸方向右向きに反射して第４面２０ｄから計測光として出射される。
偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射した第１光に係る参照光（Ｐ偏光）は、１／４波長板２１を通過することにより右回りの円偏光に変換された後、参照面２３で反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第１光に係る参照光は、再度、１／４波長板２１を通過することで、右回りの円偏光からＳ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃに再入射する。
一方、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射した第１光に係る計測光（Ｓ偏光）は、１／４波長板２２を通過することにより左回りの円偏光に変換された後、ワークＷで反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第１光に係る計測光は、再度、１／４波長板２２を通過することで、左回りの円偏光からＰ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄに再入射する。
ここで、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから再入射した第１光に係る参照光（Ｓ偏光）が接合面２０ｈにてＺ軸方向左向きに反射する一方、第４面２０ｄから再入射した第１光に係る計測光（Ｐ偏光）は接合面２０ｈをＺ軸方向左向きに透過する。そして、第１光に係る参照光及び計測光が合成された状態の合成光が出力光として偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射される。
偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射された第１光に係る合成光（参照光及び計測光）は、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射する。第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに対しＺ軸方向左向きに入射した第１光に係る合成光は、その一部がＺ軸方向左向きに透過し、残りがＹ軸方向下向きに反射する。このうち、Ｚ軸方向左向きに透過した合成光（参照光及び計測光）は第１撮像系４Ａに入射することとなる。一方、Ｙ軸方向下向きに反射した合成光は、第２光アイソレータ１２Ｂによりその進行を遮断され、捨て光となる。
第１撮像系４Ａに入射した第１光に係る合成光（参照光及び計測光）は、まず１／４波長板３１Ａにより、その参照光成分（Ｓ偏光成分）が左回りの円偏光に変換され、その計測光成分（Ｐ偏光成分）が右回りの円偏光に変換される。ここで、左回りの円偏光と右回りの円偏光は回転方向が異なるので干渉しない。
第１光に係る合成光は、続いて第１偏光板３２Ａを通過することにより、その参照光成分と計測光成分とが第１偏光板３２Ａの角度に応じた位相で干渉する。そして、かかる第１光に係る干渉光が第１カメラ３３Ａにより撮像される。
次に第２光の光路について図４を参照して説明する。図４に示すように、波長λ2の第２光（偏光方向がＸ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）が第２発光部１１ＢからＹ軸方向上向きに出射される。
第２発光部１１Ｂから出射された第２光は、第２光アイソレータ１２Ｂを通過し、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射する。第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射した第２光の一部はＹ軸方向上向きに透過し、残りはＺ軸方向右向きに反射する。
このうち、Ｚ軸方向右向きに反射した第２光（偏光方向がＸ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）は、偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂに入射する。一方、Ｙ軸方向上向きに透過した第２光は、何らかの光学系等に入射することなく、捨て光となる。
偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂからＺ軸方向右向きに入射した第２光は、そのＳ偏光成分がＹ軸方向下向きに反射して第３面２０ｃから参照光として出射される一方、そのＰ偏光成分がＺ軸方向右向きに透過して第４面２０ｄから計測光として出射される。
偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射した第２光に係る参照光（Ｓ偏光）は、１／４波長板２１を通過することにより左回りの円偏光に変換された後、参照面２３で反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第２光に係る参照光は、再度、１／４波長板２１を通過することで、左回りの円偏光からＰ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃに再入射する。
一方、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射した第２光に係る計測光（Ｐ偏光）は、１／４波長板２２を通過することにより右回りの円偏光に変換された後、ワークＷで反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第２光に係る計測光は、再度、１／４波長板２２を通過することで、右回りの円偏光からＳ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄに再入射する。
ここで、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから再入射した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）は接合面２０ｈをＹ軸方向上向きに透過する一方、第４面２０ｄから再入射した第２光に係る計測光（Ｓ偏光）は接合面２０ｈにてＹ軸方向上向きに反射する。そして、第２光に係る参照光及び計測光が合成された状態の合成光が出力光として偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射される。
偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射された第２光に係る合成光（参照光及び計測光）は、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射する。第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに対しＹ軸方向上向きに入射した第２光に係る合成光は、その一部がＹ軸方向上向きに透過し、残りがＺ軸方向右向きに反射する。このうち、Ｙ軸方向上向きに透過した合成光（参照光及び計測光）は第２撮像系４Ｂに入射することとなる。一方、Ｚ軸方向右向きに反射した合成光は、第１光アイソレータ１２Ａによりその進行を遮断され、捨て光となる。
第２撮像系４Ｂに入射した第２光に係る合成光（参照光及び計測光）は、まず１／４波長板３１Ｂにより、その参照光成分（Ｐ偏光成分）が右回りの円偏光に変換され、その計測光成分（Ｓ偏光成分）が左回りの円偏光に変換される。ここで、左回りの円偏光と右回りの円偏光は回転方向が異なるので干渉しない。
第２光に係る合成光は、続いて第２偏光板３２Ｂを通過することにより、その参照光成分と計測光成分とが第２偏光板３２Ｂの角度に応じた位相で干渉する。そして、かかる第２光に係る干渉光が第２カメラ３３Ｂにより撮像される。
次に、制御装置５によって実行される形状計測処理の手順について詳しく説明する。まずは、設置部２４へワークＷを設置した後、第１撮像系４Ａの第１偏光板３２Ａの透過軸方向を所定の基準位置（例えば「０°」）に設定すると共に、第２撮像系４Ｂの第２偏光板３２Ｂの透過軸方向を所定の基準位置（例えば「０°」）に設定する。
続いて、第１投光系２Ａから第１光を照射すると同時に、第２投光系２Ｂから第２光を照射する。その結果、干渉光学系３の偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから第１光に係る合成光（参照光及び計測光）が出射されると同時に、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから第２光に係る合成光（参照光及び計測光）が出射される。
そして、偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射された第１光に係る合成光を第１撮像系４Ａにより撮像すると同時に、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射された第２光に係る合成光を第２撮像系４Ｂにより撮像する。
尚、ここでは第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂの透過軸方向がそれぞれ「０°」に設定されているため、第１カメラ３３Ａでは第１光に係る位相「０°」の干渉縞画像が撮像され、第２カメラ３３Ｂでは第２光に係る位相「０°」の干渉縞画像が撮像されることとなる。
そして、各カメラ３３Ａ，３３Ｂからそれぞれ撮像された画像データが制御装置５へ出力される。制御装置５は、入力した画像データを画像データ記憶装置５４に記憶する。
次に制御装置５は、第１撮像系４Ａの第１偏光板３２Ａ、及び、第２撮像系４Ｂの第２偏光板３２Ｂの切替処理を行う。具体的には、第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂをそれぞれ透過軸方向が「４５°」となる位置まで回動変位させる。
該切替処理が終了すると、制御装置５は、上記一連の１回目の撮像処理と同様の２回目の撮像処理を行う。つまり、制御装置５は、第１投光系２Ａから第１光を照射すると同時に、第２投光系２Ｂから第２光を照射し、偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射された第１光に係る合成光を第１撮像系４Ａにより撮像すると同時に、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射された第２光に係る合成光を第２撮像系４Ｂにより撮像する。これにより、第１光に係る位相「９０°」の干渉縞画像が取得されると共に、第２光に係る位相「９０°」の干渉縞画像が撮像されることとなる。
以降、上記１回目及び２回目の撮像処理と同様の撮像処理が２回繰り返し行われる。つまり、第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂの透過軸方向を「９０°」に設定した状態で３回目の撮像処理を行い、第１光に係る位相「１８０°」の干渉縞画像を取得すると共に、第２光に係る位相「１８０°」の干渉縞画像を取得する。
その後、第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂの透過軸方向を「１３５°」に設定した状態で４回目の撮像処理を行い、第１光に係る位相「２７０°」の干渉縞画像を取得すると共に、第２光に係る位相「２７０°」の干渉縞画像を取得する。
このように、４回の撮像処理を行うことにより、三次元計測を行う上で必要な全ての画像データ（第１光に係る４通りの干渉縞画像データ、及び、第２光に係る４通りの干渉縞画像データからなる計８つの干渉縞画像データ）を取得することができる。
そして、制御装置５は、画像データ記憶装置５４に記憶された第１光に係る４通りの干渉縞画像データ、及び、第２光に係る４通りの干渉縞画像データを基に、位相シフト法によりワークＷの表面形状を計測する。つまり、ワークＷの表面上の各位置における高さ情報を算出する。
まずは一般的な位相シフト法による高さ計測の原理について説明する。第１光又は第２光に係る４通りの干渉縞画像データの同一座標位置（ｘ，ｙ）における干渉縞強度、すなわち輝度Ｉ1（ｘ，ｙ）、Ｉ2（ｘ，ｙ）、Ｉ3（ｘ，ｙ）、Ｉ4（ｘ，ｙ）は、下記［数１］の関係式で表すことができる。
Figure 0006271493
ここで、Δφ(ｘ，ｙ)は、座標（ｘ，ｙ）における計測光と参照光との光路差に基づく位相差を表している。また、Ａ(ｘ，ｙ)は干渉光の振幅、Ｂ(ｘ，ｙ)はバイアスを表している。但し、参照光は均一であるため、これを基準として見ると、Δφ(ｘ，ｙ)は「計測光の位相」を表し、Ａ(ｘ，ｙ)は「計測光の振幅」を表すこととなる。
従って、計測光の位相Δφ（ｘ，ｙ）は、上記［数１］の関係式を基に、下記［数２］の関係式で求めることができる。
Figure 0006271493
また、計測光の振幅Ａ（ｘ，ｙ）は、上記［数１］の関係式を基に、下記［数３］の関係式で求めることができる。
Figure 0006271493
次に、上記位相Δφ（ｘ，ｙ）と振幅Ａ（ｘ，ｙ）から、下記［数４］の関係式を基に撮像素子面上における複素振幅Ｅｏ（ｘ，ｙ）を算出する。ここで、ｉは虚数単位を表している。
Figure 0006271493
続いて、複素振幅Ｅｏ（ｘ，ｙ）を基に、ワークＷ面上の座標（ξ，η）における複素振幅Ｅｏ（ξ，η）を算出する。
まずは、下記［数５］に示すように、上記複素振幅Ｅｏ（ｘ，ｙ）をフレネル変換する。ここで、λは波長を表す。
Figure 0006271493
これをＥｏ（ξ，η）について解くと、下記［数６］のようになる。
Figure 0006271493
さらに、得られた複素振幅Ｅｏ（ξ，η）から、下記［数７］の関係式を基に、計測光の位相φ（ξ，η）と、計測光の振幅Ａ（ξ，η）を算出する。
Figure 0006271493
計測光の位相φ（ξ，η）は、下記［数８］の関係式により求めることができる。
Figure 0006271493
計測光の振幅Ａ（ξ，η）は、下記［数９］の関係式により求めることができる。
Figure 0006271493
その後、位相−高さ変換処理を行い、ワークＷの表面の凹凸形状を３次元的に示す高さ情報ｚ（ξ，η）を算出する。
高さ情報ｚ（ξ，η）は、下記［数１０］の関係式により算出することができる。
Figure 0006271493
次に２波長位相シフト法の原理について説明する。波長の異なる２種類の光を用いることで計測レンジを広げることができる。
波長の異なる２種類の光（波長λ1，λ2）を用いて計測を行った場合には、その合成波長λ0の光で計測を行ったことと同じこととなる。そして、その計測レンジはλ0／２に拡大することとなる。合成波長λ0は、下記式（Ｍ１）で表すことができる。
λ0＝（λ1×λ2）／（λ2−λ1） ・・・（Ｍ１）
但し、λ2＞λ1とする。
ここで、例えばλ1＝１５００ｎｍ、λ2＝１５０３ｎｍとすると、上記式（Ｍ１）から、λ0＝７５１．５００μｍとなり、計測レンジはλ0／２＝３７５．７５０μｍとなる。
２波長位相シフト法を行う際には、まず波長λ1の第１光に係る４通りの干渉縞画像データの輝度Ｉ1（ｘ，ｙ）、Ｉ2（ｘ，ｙ）、Ｉ3（ｘ，ｙ）、Ｉ4（ｘ，ｙ）を基に（上記［数１］参照）、ワークＷ面上の座標（ξ，η）における第１光に係る計測光の位相φ1（ξ，η）を算出する（上記［数８］参照）。ここで求められる位相φ1（ξ，η）が本実施形態における「第１計測値」に相当し、これを算出する処理機能により「第１計測値取得手段」が構成される。
尚、第１光に係る計測の下、座標（ξ，η）における高さ情報ｚ（ξ，η）は、下記式（Ｍ２）で表すことができる。
ｚ(ξ，η)＝ｄ1(ξ，η)／２
＝[λ1×φ1(ξ，η)／４π]＋[ｍ1(ξ，η)×λ1／２] ・・・（Ｍ２）
但し、ｄ1(ξ，η)は、第１光に係る計測光と参照光との光路差を表し、ｍ1(ξ，η)は、第１光に係る縞次数を表す。
よって、位相φ1（ξ，η）は下記式（Ｍ２´）で表すことができる。
φ1(ξ，η)＝(４π／λ1)×ｚ(ξ，η)−２πｍ1(ξ，η) ・・・（Ｍ２´）
同様に、波長λ2の第２光に係る４通りの干渉縞画像データの輝度Ｉ1（ｘ，ｙ）、Ｉ2（ｘ，ｙ）、Ｉ3（ｘ，ｙ）、Ｉ4（ｘ，ｙ）を基に（上記［数１］参照）、ワークＷ面上の座標（ξ，η）における第２光に係る計測光の位相φ2（ξ，η）を算出する（上記［数８］参照）。ここで求められる位相φ2（ξ，η）が本実施形態における「第２計測値」に相当し、これを算出する処理機能により「第２計測値取得手段」が構成される。
尚、第２光に係る計測の下、座標（ξ，η）における高さ情報ｚ（ξ，η）は、下記式（Ｍ３）で表すことができる。
ｚ(ξ，η)＝ｄ2(ξ，η)／２
＝[λ2×φ2(ξ，η)／４π]＋[ｍ2(ξ，η)×λ2／２] ・・・（Ｍ３）
但し、ｄ2(ξ，η)は、第２光に係る計測光と参照光との光路差を表し、ｍ2(ξ，η)は、第２光に係る縞次数を表す。
よって、位相φ2（ξ，η）は下記式（Ｍ３´）で表すことができる。
φ2(ξ，η)＝(４π／λ2)×ｚ(ξ，η)−２πｍ2(ξ，η) ・・・（Ｍ３´）
続いて、波長λ1の第１光に係る縞次数ｍ1(ξ，η)、又は、波長λ2の第２光に係る縞次数ｍ2(ξ，η)を決定する。縞次数ｍ1，ｍ2は、２種類の光（波長λ1，λ2）の光路差Δｄ及び波長差Δλを基に求めることができる。ここで光路差Δｄ及び波長差Δλは、それぞれ下記式（Ｍ４），（Ｍ５）のように表すことができる。
Δｄ＝（λ1×φ1−λ2×φ2）／２π ・・・（Ｍ４）
Δλ＝λ2−λ1 ・・・（Ｍ５）
但し、λ2＞λ1とする。
尚、２波長の合成波長λ0の計測レンジ内において、縞次数ｍ1，ｍ2の関係は、以下の３つの場合に分けられ、各場合ごとに縞次数ｍ1(ξ，η)、ｍ2(ξ，η)を決定する計算式が異なる。ここで、例えば縞次数ｍ1(ξ，η)を決定する場合について説明する。勿論、縞次数ｍ2(ξ，η)についても、同様の手法により求めることができる。
例えば「φ1−φ2＜−π」の場合には「ｍ1−ｍ2＝−１」となり、かかる場合、ｍ1は下記式（Ｍ６）のように表すことができる。
ｍ1＝（Δｄ／Δλ）−（λ2／Δλ）
＝(λ1×φ1−λ2×φ2)／２π(λ2−λ1)−λ2／(λ2−λ1)・・・（Ｍ６）
「−π＜φ1−φ2＜π」の場合には「ｍ1−ｍ2＝０」となり、かかる場合、ｍ1は下記式（Ｍ７）のように表すことができる。
ｍ1＝Δｄ／Δλ
＝（λ1×φ1−λ2×φ2）／２π（λ2−λ1）・・・（Ｍ７）
「φ1−φ2＞π」の場合には「ｍ1−ｍ2＝＋１」となり、かかる場合、ｍ1は下記式（Ｍ８）のように表すことができる。
ｍ1＝（Δｄ／Δλ）＋（λ2／Δλ）
＝(λ1×φ1−λ2×φ2)／２π(λ2−λ1)＋λ2／(λ2−λ1)・・・（Ｍ８）
そして、このようにして得られた縞次数ｍ1(ξ，η)又はｍ2(ξ，η)を基に、上記式（Ｍ２），（Ｍ３）から高さ情報ｚ（ξ，η）を得ることができる。かかる処理機能により「高さ情報取得手段」が構成される。そして、このように求められたワークＷの計測結果（高さ情報）は、制御装置５の演算結果記憶装置５５に格納される。
以上詳述したように、本実施形態では、波長λ1の第１光を偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから入射させると共に、波長λ2の第２光を偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから入射させることにより、第１光に係る参照光及び計測光と、第２光に係る参照光及び計測光がそれぞれ異なる偏光成分（Ｐ偏光又はＳ偏光）に分割されるため、偏光ビームスプリッタ２０に入射した第１光と第２光は互いに干渉することなく、別々に偏光ビームスプリッタ２０から出射されることとなる。つまり、偏光ビームスプリッタ２０から出射される光を所定の分離手段を用いて第１光と第２光とに分離する必要がない。
その結果、第１光及び第２光として波長の近い２種類の光を用いることができ、三次元計測に係る計測レンジをより広げることができる。加えて、第１光に係る出力光の撮像と、第２光に係る出力光の撮像を同時に行うことができるため、総体的な撮像時間を短縮でき、計測効率の向上を図ることができる。
さらに、本実施形態では、基準となる参照面２３を１つ備えた１つの干渉光学系３に対し２種類の光を用いる構成となっているため、参照光と計測光とに光路差を生じさせる光路区間が２種類の光で同一となる。このため、２つの干渉光学系（干渉計モジュール）を用いる構成に比べて、計測精度が向上すると共に、２つの干渉光学系の光路長を正確に一致させる困難な作業を行う必要もない。
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。尚、第１実施形態と同一構成部分については、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。第２実施形態では、第１撮像系４Ａ及び第２撮像系４Ｂに関連する構成が第１実施形態と異なる。
本実施形態に係る第１撮像系４Ａは、１／４波長板３１Ａを透過した第１光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）を４つの光に分割する分光手段としての分光光学系１２５を備えると共に、第１偏光板３２Ａに代えて、前記分光光学系１２５から出射された４つの光の所定成分を選択的に透過させるフィルタ手段としてのフィルタユニット１２６とを備え、該フィルタユニット１２６を透過した４つの光を第１カメラ３３Ａにより同時撮像する構成となっている。
第１撮像系４Ａと同様、第２撮像系４Ｂは、１／４波長板３１Ｂを透過した第２光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）を４つの光に分割する分光手段としての分光光学系１２５を備えると共に、第２偏光板３２Ｂに代えて、前記分光光学系１２５から出射された４つの光の所定成分を選択的に透過させるフィルタ手段としてのフィルタユニット１２６とを備え、該フィルタユニット１２６を透過した４つの光を第２カメラ３３Ｂにより同時撮像する構成となっている。
尚、本実施形態における第１撮像系４Ａ及び第２撮像系４Ｂに用いられる分光光学系１２５及びフィルタユニット１２６は同一構成であるため、以下、第１撮像系４Ａを例にして図５を参照しつつ説明する。
本実施形態では、第１カメラ３３Ａの光軸方向が、第１撮像系４Ａに入射する第１光に係る合成光Ｌ０の入射方向（進行方向）と平行するように設定されている。つまり、本実施形態では、第１光に係る合成光Ｌ０の入射方向であるＺ軸方向に沿って設定されている。
分光光学系１２５は、無偏光型の４つの光学部材（プリズム）を組み合わせて一体とした１つの光学部材として構成されている。より詳しくは、分光光学系１２５は、合成光Ｌ０の進行方向（Ｚ軸方向）に沿って、干渉光学系３に近い側より順に第１のプリズム１３１、第２のプリズム１３２、第３のプリズム１３３、第４のプリズム１３４が配置された構成となっている。
尚、上記各プリズム１３１〜１３４は、それぞれ空気よりも屈折率の高い所定の屈折率を有する光学材料（例えばガラスやアクリル等）により形成されている。従って、各プリズム１３１〜１３４内を進む光の光路長は、空気中を進む光の光路長よりも光学的に長くなる。ここで、例えば４つのプリズム１３１〜１３４をすべて同じ材料により形成してもよいし、少なくとも１つを異なる材料により形成してもよい。後述する分光光学系１２５の機能を満たすものであれば、各プリズム１３１〜１３４の材質はそれぞれ任意に選択可能である。
第１のプリズム１３１は、正面視（Ｚ−Ｙ平面）平行四辺形状をなし、Ｘ軸方向に沿って延びる四角柱形状のプリズムである。以下、「第１のプリズム１３１」を「第１菱形プリズム１３１」という。
第１菱形プリズム１３１は、Ｘ軸方向に沿った長方形状の４面のうち、干渉光学系３側となるＺ軸方向右側に位置する面１３１ａ（以下、「入射面１３１ａ」という）及びＺ軸方向左側に位置する面１３１ｂ（以下、「出射面１３１ｂ」という）がそれぞれＺ軸方向と直交するように配置され、Ｙ軸方向下側に位置する面１３１ｃ及びＹ軸方向上側に位置する面１３１ｄがそれぞれＺ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
この２つの傾斜した面１３１ｃ，１３１ｄのうち、Ｙ軸方向下側に位置する面１３１ｃには無偏光のハーフミラー１４１が設けられ、Ｙ軸方向上側に位置する面１３１ｄには内側に向け全反射する無偏光の全反射ミラー１４２が設けられている。以下、ハーフミラー１４１が設けられた面１３１ｃを「分岐面１３１ｃ」といい、全反射ミラー１４２が設けられた面１３１ｄを「反射面１３１ｄ」という。
尚、図５においては、便宜上、分岐面１３１ｃ（ハーフミラー１４１）及び反射面１３１ｄ（全反射ミラー１４２）にあたる部位に散点模様を付して示している。「ハーフミラー１４１」が本実施形態における「第１分岐手段」を構成し、「全反射ミラー１４２」が「第１反射手段」を構成する。つまり、「第１菱形プリズム１３１」が本実施形態における「第１光分割手段」を構成する。
第２のプリズム１３２は、正面視（Ｚ−Ｙ平面）台形状をなし、Ｘ軸方向に沿って延びる四角柱形状のプリズムである。以下、「第２のプリズム１３２」を「第１台形プリズム１３２」という。
第１台形プリズム１３２は、Ｘ軸方向に沿った長方形状の４面のうち、Ｙ軸方向上側に位置する面１３２ａ及びＹ軸方向下側に位置する面１３２ｂがそれぞれＹ軸方向と直交するように配置され、Ｚ軸方向右側に位置する面１３２ｃがＺ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜するように配置され、Ｚ軸方向左側に位置する面１３２ｄがＺ軸方向と直交するように配置されている。
このうち、Ｚ軸方向右側に位置する面１３２ｃは、第１菱形プリズム１３１の分岐面１３１ｃ（ハーフミラー１４１）に密着している。以下、Ｚ軸方向右側に位置する面１３２ｃを「入射面１３２ｃ」といい、Ｚ軸方向左側に位置する面１３２ｄを「出射面１３２ｄ」という。「第１台形プリズム１３２」が本実施形態における「第１光路調整手段」を構成する。
第３のプリズム１３３は、平面視（Ｘ−Ｚ平面）平行四辺形状をなし、Ｙ軸方向に沿って延びる四角柱形状のプリズムである。以下、「第３のプリズム１３３」を「第２菱形プリズム１３３」という。
第２菱形プリズム１３３は、Ｙ軸方向に沿った長方形状の４面のうち、Ｚ軸方向右側に位置する面１３３ａ及びＺ軸方向左側に位置する面１３３ｂがそれぞれＺ軸方向と直交するように配置され、Ｘ軸方向手前側に位置する面１３３ｃ及びＸ軸方向奥側に位置する面１３３ｄがそれぞれＺ軸方向及びＸ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
この２つの傾斜した面１３３ｃ，１３３ｄのうち、Ｘ軸方向手前側に位置する面１３３ｃには無偏光のハーフミラー１４３が設けられ、Ｘ軸方向奥側に位置する面１３３ｄには内側に向け全反射する無偏光の全反射ミラー１４４が設けられている。以下、ハーフミラー１４３が設けられた面１３３ｃを「分岐面１３３ｃ」といい、全反射ミラー１４４が設けられた面１３３ｄを「反射面１３３ｄ」という。
尚、図５においては、便宜上、分岐面１３３ｃ（ハーフミラー１４３）及び反射面１３３ｄ（全反射ミラー１４４）にあたる部位に散点模様を付して示している。「ハーフミラー１４３」が本実施形態における「第２分岐手段」及び「第３分岐手段」を構成し、「全反射ミラー１４４」が「第２反射手段」及び「第３反射手段」を構成する。つまり、「第２菱形プリズム１３３」が本実施形態における「第２光分割手段」及び「第３光分割手段」を構成する。
第２菱形プリズム１３３のＺ軸方向右側に位置する面１３３ａのうち、Ｙ軸方向下側半分は、第１台形プリズム１３２の出射面１３２ｄに密着し、Ｙ軸方向上側半分は、第１菱形プリズム１３１の出射面１３１ｂと相対向した状態となっている。以下、Ｚ軸方向右側に位置する面１３３ａを「入射面１３３ａ」といい、Ｚ軸方向左側に位置する面１３３ｂを「出射面１３３ｂ」という。
第４のプリズム１３４は、平面視（Ｘ−Ｚ平面）台形状をなし、Ｙ軸方向に沿って延びる四角柱形状のプリズムである。以下、「第４のプリズム１３４」を「第２台形プリズム１３４」という。
第２台形プリズム１３４は、Ｙ軸方向に沿った長方形状の４面のうち、Ｘ軸方向奥側に位置する面１３４ａ及びＸ軸方向手前側に位置する面１３４ｂがそれぞれＸ軸方向と直交するように配置され、Ｚ軸方向右側に位置する面１３４ｃがＺ軸方向及びＸ軸方向に対し４５°傾斜するように配置され、Ｚ軸方向左側に位置する面１３４ｄがＺ軸方向と直交するように配置されている。
このうち、Ｚ軸方向右側に位置する面１３４ｃは、第２菱形プリズム１３３の分岐面１３３ｃ（ハーフミラー１４３）に密着している。以下、Ｚ軸方向右側に位置する面１３４ｃを「入射面１３４ｃ」といい、Ｚ軸方向左側に位置する面１３４ｄを「出射面１３４ｄ」という。「第２台形プリズム１３４」が本実施形態における「第２光路調整手段」及び「第３光路調整手段」を構成する。
第２菱形プリズム１３３の出射面１３３ｂ及び第２台形プリズム１３４の出射面１３４ｄは、それぞれフィルタユニット１２６と相対向するように配置されている。
ここで、分光光学系１２５の作用について図５を参照しつつ詳しく説明する。１／４波長板３１Ａを透過した合成光Ｌ０は、第１菱形プリズム１３１の入射面１３１ａに入射する。
入射面１３１ａから入射した合成光Ｌ０は、分岐面１３１ｃ（ハーフミラー１４１）にて２方向に分岐する。詳しくは、Ｙ軸方向上側に向け反射する分光ＬＡ１と、Ｚ軸方向に沿ってハーフミラー１４１を透過する分光ＬＡ２とに分岐する。
このうち、ハーフミラー１４１で反射した分光ＬＡ１は、第１菱形プリズム１３１内をＹ軸方向に沿って進み、反射面１３１ｄ（全反射ミラー１４２）にてＺ軸方向左側に向け反射し、出射面１３１ｂから出射する。出射面１３１ａから出射した分光ＬＡ１は、Ｚ軸方向に沿って空気中を進み、第２菱形プリズム１３３の入射面１３３ａに入射する。
一方、ハーフミラー１４１を透過した分光ＬＡ２は、第１台形プリズム１３２の入射面１３２ｃに入射し、その内部をＺ軸方向に沿って進み、出射面１３２ｄから出射する。出射面１３２ｄから出射した分光ＬＡ２は、第２菱形プリズム１３３の入射面１３３ａに入射する。
本実施形態では、第１菱形プリズム１３１の分岐面１３１ｃから、第２菱形プリズム１３３の入射面１３３ａに至るまでの両分光ＬＡ１，ＬＡ２の光路長が光学的に同一となるように、第１菱形プリズム１３１及び第１台形プリズム１３２の屈折率及び長さ（Ｚ軸方向又はＹ軸方向の長さ）が任意に設定されている。
第２菱形プリズム１３３の入射面１３３ａに入射した分光ＬＡ１，ＬＡ２は、分岐面１３３ｃ（ハーフミラー１４３）にてそれぞれ２方向に分岐する。詳しくは、一方の分光ＬＡ１は、Ｚ軸方向に沿ってハーフミラー１４３を透過する分光ＬＢ１と、Ｘ軸方向奥側に向け反射する分光ＬＢ２とに分岐する。他方の分光ＬＡ２は、Ｚ軸方向に沿ってハーフミラー１４３を透過する分光ＬＢ３と、Ｘ軸方向奥側に向け反射する分光ＬＢ４とに分岐する。
このうち、ハーフミラー１４３で反射した分光ＬＢ２，ＬＢ４は、それぞれ第２菱形プリズム１３３内をＸ軸方向に沿って進み、反射面１３３ｄ（全反射ミラー１４４）にてＺ軸方向左側に向け反射し、出射面１３３ｂから出射する。出射面１３３ａから出射した分光ＬＢ２，ＬＢ４は、それぞれＺ軸方向に沿って空気中を進み、フィルタユニット１２６に入射する。
一方、ハーフミラー１４３を透過した分光ＬＢ１，ＬＢ３は、第２台形プリズム１３４の入射面１３４ｃに入射し、その内部をＺ軸方向に沿って進み、出射面１３４ｄから出射する。出射面１３４ｄから出射した分光ＬＢ１，ＬＢ３は、それぞれフィルタユニット１２６に入射する。
本実施形態では、第２菱形プリズム１３３の分岐面１３３ｃから、フィルタユニット１２６に至るまでの４つの分光ＬＢ１〜ＬＢ４の光路長が光学的に同一となるように、第２菱形プリズム１３３及び第２台形プリズム１３４の屈折率及び長さ（Ｚ軸方向又はＸ軸方向の長さ）が任意に設定されている。
フィルタユニット１２６は、Ｘ−Ｙ平面視で同一矩形状をなす４つの偏光板１２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃ，１２６ｄがＸ−Ｙ平面に沿って２行２列のマトリクス状に配置されてなる（図６参照）。図６は、フィルタユニット１２６の概略構成を模式的に示す平面図である。
４つの偏光板１２６ａ〜１２６ｄは、Ｙ軸方向に対する透過軸方向が４５°ずつ異なる偏光板である。より詳しくは、透過軸方向が０°の第１偏光板１２６ａ、透過軸方向が４５°の第２偏光板１２６ｂ、透過軸方向が９０°の第３偏光板１２６ｃ、透過軸方向が１３５°の第４偏光板１２６ｄにより構成されている。
そして、分光光学系１２５から出射された４つの分光ＬＢ１〜ＬＢ４がそれぞれ各偏光板１２６ａ〜１２６ｄに入射するように配置されている。詳しくは、分光ＬＢ１が第１偏光板１２６ａに入射し、分光ＬＢ２が第２偏光板１２６ｂに入射し、分光ＬＢ３が第３偏光板１２６ｃに入射し、分光ＬＢ４が第４偏光板１２６ｄに入射する。
これにより、フィルタユニット１２６を透過した４つの分光ＬＢ１〜ＬＢ４は、それぞれ位相を９０°ずつ異ならせた干渉光となる。詳しくは、第１偏光板１２６ａを透過した分光ＬＢ１は位相「０°」の干渉光となり、第２偏光板１２６ｂを透過した分光ＬＢ２は位相「９０°」の干渉光となり、第３偏光板１２６ｃを透過した分光ＬＢ３は位相「１８０°」の干渉光となり、第４偏光板１２６ｄを透過した分光ＬＢ４は位相「２７０°」の干渉光となる。従って、フィルタユニット１２６は本実施形態における干渉手段を構成する。
本実施形態に係る第１カメラ３３Ａの撮像素子３３Ａｉは、その撮像領域が、フィルタユニット１２６（偏光板１２６ａ〜１２６ｄ）に対応して、４つの撮像エリアＨ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４に区分けされている。詳しくは、Ｘ−Ｙ平面視で同一矩形状をなす４つの撮像エリアＨ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４がＸ−Ｙ平面に沿って２行２列のマトリクス状に並ぶように区分けされている（図７参照）。図７は、撮像素子３３Ａｉの撮像領域の概略構成を模式的に示す平面図である。
これにより、第１偏光板１２６ａを透過した分光ＬＢ１が第１撮像エリアＨ１にて撮像され、第２偏光板１２６ｂを透過した分光ＬＢ２が第２撮像エリアＨ２にて撮像され、第３偏光板１２６ｃを透過した分光ＬＢ３が第３撮像エリアＨ３にて撮像され、第４偏光板１２６ｄを透過した分光ＬＢ４が第４撮像エリアＨ４にて撮像されることとなる。
つまり、第１撮像エリアＨ１にて位相「０°」の干渉縞画像が撮像され、第２撮像エリアＨ２にて位相「９０°」の干渉縞画像が撮像され、第３撮像エリアＨ３にて位相「１８０°」の干渉縞画像が撮像され、第４撮像エリアＨ４にて位相「２７０°」の干渉縞画像が撮像されることとなる。
さらに、本実施形態に係る画像データ記憶装置５４は、第１カメラ３３Ａの撮像素子３３Ａｉの第１撮像エリアＨ１にて撮像された干渉縞画像データを記憶する第１画像メモリと、第２撮像エリアＨ２にて撮像された干渉縞画像データを記憶する第２画像メモリと、第３撮像エリアＨ３にて撮像された干渉縞画像データを記憶する第３画像メモリと、第４撮像エリアＨ４にて撮像された干渉縞画像データを記憶する第４画像メモリとを備えている。
次に、本実施形態において実行される形状計測処理の手順について詳しく説明する。干渉光学系３から第１撮像系４Ａに対し第１光に係る出力光である合成光Ｌ０が入射されると、該合成光Ｌ０は、１／４波長板３１Ａを経て、分光光学系１２５により４つの分光ＬＢ１〜ＬＢ４に分割される。
これら４つの分光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＢ４は、それぞれ第１偏光板１２６ａ，第２偏光板１２６ｂ，第３偏光板１２６ｃ，第４偏光板１２６ｄを介して、第１カメラ３３Ａ（撮像素子３３Ａｉ）により同時撮像される。
第１カメラ３３Ａは、撮像素子３３Ａｉの撮像エリアＨ１〜Ｈ４にて同時撮像された４通りの干渉縞画像（４つの分光ＬＢ１〜ＬＢ４）を１つの画像データとして制御装置４へ出力する。
制御装置４は、入力した画像データを４通りの干渉縞画像データ（撮像素子３３Ａｉの撮像エリアＨ１〜Ｈ４に対応する範囲ごと）に分割して、画像データ記憶装置５４内の第１〜第４画像メモリにそれぞれ記憶する。
そして、制御装置５は、第１カメラ３３Ａに係る第１〜第４画像メモリに記憶された第１光に係る４通りの干渉縞画像データ、及び、第２カメラ３３Ｂに係る第１〜第４画像メモリに記憶された第２光に係る４通りの干渉縞画像データを基に、上記第１実施形態と同様に、位相シフト法によりワークＷの表面形状を計測する。つまり、ワークＷの表面上の各位置における高さ情報を算出する。
以上詳述したように、本実施形態では、上記第１実施形態の作用効果に加え、干渉光学系３から入射される合成光Ｌ０をマトリクス状に並ぶ４つの光ＬＢ１〜ＬＢ４に分光すると共に、該４つの光ＬＢ１〜ＬＢ４をフィルタユニット１２６（４つの偏光板１２６ａ〜１２６ｄ）を介して単一の撮像素子により同時に撮像する構成となっている。そして、各カメラ３３Ａ，３３Ｂによりそれぞれ撮像された４通りの干渉縞画像を基に位相シフト法によりワークＷの形状計測を行う。結果として、計測精度の向上や、計測時間の短縮、装置の大型化抑制等を図ることができる。
加えて、本実施形態によれば、撮像素子の撮像領域をマトリクス状に４等分した撮像エリアＨ１〜Ｈ４を、４つの光ＬＢ１〜ＬＢ４にそれぞれ割り当てることができるため、例えば３分光方式に比べ、撮像素子の撮像領域を有効活用することができる。ひいては、さらなる計測精度の向上を図ることができる。例えばアスペクト比が４：３の一般的な撮像素子の撮像領域を４等分した場合、各分割領域のアスペクト比は同じく４：３となるため、各分割領域内のより広範囲を利用可能となる。ひいては、さらなる計測精度の向上を図ることができる。
尚、仮に回折格子を分光手段として用いた場合には分解能が低下するおそれがあるが、本実施形態では、１つの光Ｌ０を平行する２つの光ＬＡ１，ＬＡ２に分割し、さらに該２つの光ＬＡ１，ＬＡ２をそれぞれ平行する２つの光に分割することにより、平行する４つの光ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＢ４に分光する構成の分光光学系１２５を採用しているため、分解能の低下抑制を図ることができる。
さらに、本実施形態における分光光学系１２５は、菱形プリズム１３１，１３３を直進して通り抜ける一方の光と、クランク状に折れ曲がって通り抜ける他方の光との光路長を調整する（光学的に同一とする）光路調整手段として、直進して通り抜ける一方の光の光路上に第１台形プリズム１３２，１３４を配置するといった比較的簡単な構成となっており、構成の簡素化を図ることができる。
また、本実施形態では、フィルタユニット１２６が、透過軸方向が０°の第１偏光板１２６ａ、透過軸方向が４５°の第２偏光板１２６ｂ、透過軸方向が９０°の第３偏光板１２６ｃ、透過軸方向が１３５°の第４偏光板１２６ｄにより構成されており、一つの撮像素子による一回の撮像で、位相が９０°ずつ異なる４通りの干渉縞画像を取得することができる。結果として、３通りの干渉縞画像を基に位相シフト法により形状計測を行う場合に比べて、より精度の高い計測を行うことができる。
〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態について図面を参照しつつ説明する。第３実施形態では、干渉光学系に関連する構成が第１実施形態と異なる。尚、第１実施形態と同一構成部分については、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図８は本実施形態に係る三次元計測装置２００の概略構成を示す模式図である。以下、便宜上、図８の紙面前後方向を「Ｘ軸方向」とし、紙面上下方向を「Ｙ軸方向」とし、紙面左右方向を「Ｚ軸方向」として説明する。
三次元計測装置２００は、マッハ・ツェンダー干渉計の原理に基づき構成されたものであり、特定波長の光を出力可能な２つの投光系２Ａ，２Ｂ（第１投光系２Ａ，第２投光系２Ｂ）と、該投光系２Ａ，２Ｂからそれぞれ出射される光が入射される干渉光学系２０３と、該干渉光学系２０３から出射される光を撮像可能な２つの撮像系４Ａ，４Ｂ（第１撮像系４Ａ，第２撮像系４Ｂ）と、投光系２Ａ，２Ｂや干渉光学系２０３、撮像系４Ａ，４Ｂなどに係る各種制御や画像処理、演算処理等を行う制御装置５とを備えている。「制御装置５」が本実施形態における「画像処理手段」を構成し、「干渉光学系２０３」が本実施形態における「所定の光学系」を構成する。
まず、２つの投光系２Ａ，２Ｂ（第１投光系２Ａ，第２投光系２Ｂ）の構成について詳しく説明する。第１投光系２Ａは、第１発光部１１Ａ、第１光アイソレータ１２Ａ、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａなどを備えている。ここで「第１発光部１１Ａ」が本実施形態における「第１照射手段」を構成し、「第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａ」が本実施形態における「第１導光手段」を構成する。
かかる構成の下、本実施形態では、第１発光部１１Ａから、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した方向を偏光方向とする波長λ1（例えばλ1＝１５００ｎｍ）の直線偏光がＹ軸方向上向きに出射される。ここで「波長λ1」が本実施形態における「第１波長」に相当する。以降、第１発光部１１Ａから出射される波長λ1の光を「第１光」という。
第１光アイソレータ１２Ａは、一方向（本実施形態ではＹ軸方向上向き）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態ではＹ軸方向下向き）の光を遮断する光学素子である。これにより、第１発光部１１Ａから出射された第１光のみを透過することとなり、戻り光による第１発光部１１Ａの損傷や不安定化などを防止することができる。
本実施形態では、図８の紙面に平行な方向（Ｙ軸方向又はＺ軸方向）を偏光方向とする直線偏光をＰ偏光（Ｐ偏光成分）といい、図８の紙面に垂直なＸ軸方向を偏光方向とする直線偏光をＳ偏光（Ｓ偏光成分）という。「Ｐ偏光」が「第１の偏光方向を有する第１偏光」に相当し、「Ｓ偏光」が「第２の偏光方向を有する第２偏光」に相当する。
第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａは、その接合面１３Ａｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａの接合面１３ＡｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。より詳しくは、第１光アイソレータ１２Ａを介して、第１発光部１１ＡからＹ軸方向上向きに入射する第１光の一部（半分）をＹ軸方向上向きに透過させ、残り（半分）をＺ軸方向右向きに反射させるように配置されている。
第２投光系２Ｂは、第２発光部１１Ｂ、第２光アイソレータ１２Ｂ、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂなどを備えている。ここで「第２発光部１１Ｂ」が本実施形態における「第２照射手段」を構成し、「第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂ」が本実施形態における「第２導光手段」を構成する。
かかる構成の下、本実施形態では、第２発光部１１Ｂから、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した方向を偏光方向とする波長λ2（例えばλ2＝１５０３ｎｍ）の直線偏光がＹ軸方向下向きに出射される。ここで「波長λ2」が本実施形態における「第２波長」に相当する。以降、第２発光部１１Ｂから出射される波長λ2の光を「第２光」という。
第２光アイソレータ１２Ｂは、一方向（本実施形態ではＹ軸方向下向き）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態ではＹ軸方向上向き）の光を遮断する光学素子である。これにより、第２発光部１１Ｂから出射された第２光のみを透過することとなり、戻り光による第２発光部１１Ｂの損傷や不安定化などを防止することができる。
第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂは、その接合面１３Ｂｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂの接合面１３ＢｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。より詳しくは、第２光アイソレータ１２Ｂを介して、第２発光部１１ＢからＹ軸方向下向きに入射する第２光の一部（半分）をＹ軸方向下向きに透過させ、残り（半分）をＺ軸方向左向きに反射させるように配置されている。
次に干渉光学系２０３の構成について詳しく説明する。干渉光学系２０３は、２つの偏光ビームスプリッタ２１１，２１２（第１偏光ビームスプリッタ２１１，第２偏光ビームスプリッタ２１２）、４つの１／４波長板２１５，２１６，２１７，２１８（第１の１／４波長板２１５，第２の１／４波長板２１６，第３の１／４波長板２１７，第４の１／４波長板２１８）、２つの全反射ミラー２２１，２２２（第１全反射ミラー２２１，第２全反射ミラー２２２）、設置部２２４などを備えている。
偏光ビームスプリッタ２１１，２１２は、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面（境界面）２１１ｈ，２１２ｈには例えば誘電体多層膜などのコーティングが施されている。
偏光ビームスプリッタ２１１，２１２は、入射される直線偏光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光成分（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分）に分割するものである。本実施形態における偏光ビームスプリッタ２１１，２１２は、Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する構成となっている。また、本実施形態における偏光ビームスプリッタ２１１，２１２は、入射する所定の光を２つの光に分割する「分割手段」を構成すると共に、入射する所定の２つの光を合成する「合成手段」を構成することとなる。
第１偏光ビームスプリッタ２１１は、その接合面２１１ｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第１偏光ビームスプリッタ２１１の接合面２１１ｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
より詳しくは、上記第１無偏光ビームスプリッタ１３ＡからＺ軸方向右向きに反射した第１光が入射する第１偏光ビームスプリッタ２１１の第１面（Ｚ軸方向左側面）２１１ａ、並びに、該第１面２１１ａと相対向する第３面（Ｚ軸方向右側面）２１１ｃがＺ軸方向と直交するように配置されている。「第１偏光ビームスプリッタ２１１（第１面２１１ａ）」が本実施形態における「第１入出力部」に相当する。
一方、第１面２１１ａと接合面２１１ｈを挟んで隣り合う面である第１偏光ビームスプリッタ２１１の第２面（Ｙ軸方向上側面）２１１ｂ、並びに、該第２面２１１ｂと相対向する第４面（Ｙ軸方向下側面）２１１ｄがＹ軸方向と直交するように配置されている。
第２偏光ビームスプリッタ２１２は、その接合面２１２ｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第２偏光ビームスプリッタ２１２の接合面２１２ｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
より詳しくは、上記第２無偏光ビームスプリッタ１３ＢからＺ軸方向左向きに反射した第２光が入射する第２偏光ビームスプリッタ２１２の第１面（Ｚ軸方向右側面）２１２ａ、並びに、該第１面２１２ａと相対向する第３面（Ｚ軸方向左側面）２１２ｃがＺ軸方向と直交するように配置されている。「第２偏光ビームスプリッタ２１２（第１面２１２ａ）」が本実施形態における「第２入出力部」に相当する。
一方、第１面２１２ａと接合面２１２ｈを挟んで隣り合う面である第２偏光ビームスプリッタ２１２の第２面（Ｙ軸方向下側面）２１２ｂ、並びに、該第２面２１２ｂと相対向する第４面（Ｙ軸方向上側面）２１２ｄがＹ軸方向と直交するように配置されている。
１／４波長板２１５，２１６，２１７，２１８は、直線偏光を円偏光に変換しかつ円偏光を直線偏光に変換する機能を有する光学部材である。
第１の１／４波長板２１５は、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第３面２１１ｃとＺ軸方向に相対向するように配置されている。つまり、第１の１／４波長板２１５は、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第３面２１１ｃから出射される直線偏光を円偏光に変換してＺ軸方向右向きに出射する。また、第１の１／４波長板２１５は、Ｚ軸方向左向きに入射する円偏光を直線偏光に変換した上で、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第３面２１１ｃに向けＺ軸方向左向きに出射する。
第２の１／４波長板２１６は、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第４面２１１ｄとＹ軸方向に相対向するように配置されている。つまり、第２の１／４波長板２１６は、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第４面２１１ｄから出射される直線偏光を円偏光に変換してＹ軸方向下向きに出射する。また、第２の１／４波長板２１６は、Ｙ軸方向上向きに入射する円偏光を直線偏光に変換した上で、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第４面２１１ｄに向けＹ軸方向上向きに出射する。
第３の１／４波長板２１７は、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第４面２１２ｄとＹ軸方向に相対向するように配置されている。つまり、第３の１／４波長板２１７は、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第４面２１２ｄから出射される直線偏光を円偏光に変換してＹ軸方向上向きに出射する。また、第３の１／４波長板２１７は、Ｙ軸方向下向きに入射する円偏光を直線偏光に変換した上で、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第４面２１２ｄに向けＹ軸方向下向きに出射する。
第４の１／４波長板２１８は、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第３面２１２ｃとＺ軸方向に相対向するように配置されている。つまり、第４の１／４波長板２１８は、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第３面２１２ｃから出射される直線偏光を円偏光に変換してＺ軸方向左向きに出射する。また、第４の１／４波長板２１８は、Ｚ軸方向右向きに入射する円偏光を直線偏光に変換した上で、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第３面２１２ｃに向けＺ軸方向右向きに出射する。
全反射ミラー２２１，２２２は、入射光を全反射させる光学部材である。このうち、本実施形態における参照面を構成する第１全反射ミラー２２１は、第１偏光ビームスプリッタ２１１及び第１の１／４波長板２１５を通りＺ軸方向に延びる軸線と、第２偏光ビームスプリッタ２１２及び第３の１／４波長板２１７を通りＹ軸方向に延びる軸線とが交差する位置において、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
これにより、第１全反射ミラー２２１は、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第３面２１１ｃから（第１の１／４波長板２１５を介して）Ｚ軸方向右向きに出射された光を、Ｙ軸方向下向きに反射させ、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第４面２１２ｄに（第３の１／４波長板２１７を介して）入射させることができる。また逆に、第１全反射ミラー２２１は、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第４面２１２ｄから（第３の１／４波長板２１７を介して）Ｙ軸方向上向きに出射された光を、Ｚ軸方向左向きに反射させ、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第３面２１１ｃに（第１の１／４波長板２１５を介して）入射させることができる。
一方、第２全反射ミラー２２２は、第１偏光ビームスプリッタ２１１及び第２の１／４波長板２１６を通りＹ軸方向に延びる軸線と、第２偏光ビームスプリッタ２１２及び第４の１／４波長板２１８を通りＺ軸方向に延びる軸線とが交差する位置において、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
これにより、第２全反射ミラー２２２は、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第４面２１１ｄから（第２の１／４波長板２１６を介して）Ｙ軸方向下向きに出射された光を、Ｚ軸方向右向きに反射させ、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第３面２１２ｃに（第４の１／４波長板２１８を介して）入射させることができる。また逆に、第２全反射ミラー２２２は、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第３面２１２ｃから（第４の１／４波長板２１８を介して）Ｚ軸方向左向きに出射された光を、Ｙ軸方向上向きに反射させ、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第４面２１１ｄに（第２の１／４波長板２１６を介して）入射させることができる。
設置部２２４は、被計測物としてのワークＷを設置するためのものである。本実施形態ではワークＷとして、フィルムなどの透光性を有するものを想定している。設置部２２４は、第２偏光ビームスプリッタ２１２及び第２全反射ミラー２２２を通りＺ軸方向に延びる軸線上において、第４の１／４波長板２１８と第２全反射ミラー２２２との間に配置されている。
次に２つの撮像系４Ａ，４Ｂ（第１撮像系４Ａ，第２撮像系４Ｂ）の構成について詳しく説明する。第１撮像系４Ａは、１／４波長板３１Ａ、第１偏光板３２Ａ、第１撮像手段を構成する第１カメラ３３Ａなどを備えている。
１／４波長板３１Ａは、第２無偏光ビームスプリッタ１３ＢをＺ軸方向右向きに透過してきた直線偏光（後述する第１光の参照光成分及び計測光成分）をそれぞれ円偏光に変換するためのものである。
第１偏光板３２Ａは、１／４波長板３１Ａにより円偏光に変換された第１光の各成分を選択的に透過させるものである。これにより、回転方向の異なる第１光の参照光成分と計測光成分とを特定の位相について干渉させることができる。「第１偏光板３２Ａ」が本実施形態における「第１位相シフト手段」及び「干渉手段」を構成する。
本実施形態に係る第１偏光板３２Ａは、Ｚ軸方向を軸心として回転可能に構成されると共に、その透過軸方向が４５°ずつ変化するように制御される。具体的には、透過軸方向がＹ軸方向に対し「０°」、「４５°」、「９０°」、「１３５°」となるように変化する。
これにより、第１偏光板３２Ａを透過する第１光の参照光成分及び計測光成分を４通りの位相で干渉させることができる。つまり、位相が９０°ずつ異なる干渉光を生成することができる。具体的には、位相が「０°」の干渉光、位相が「９０°」の干渉光、位相が「１８０°」の干渉光、位相が「２７０°」の干渉光を生成することができる。
結果として、第１カメラ３３Ａにより、第１光に係る位相「０°」の干渉縞画像、位相「９０°」の干渉縞画像、位相「１８０°」の干渉縞画像、位相「２７０°」の干渉縞画像が撮像されることとなる。尚、第１カメラ３３Ａによって撮像された画像データは、第１カメラ３３Ａ内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置５（画像データ記憶装置５４）に入力される。
第２撮像系４Ｂは、１／４波長板３１Ｂ、第２偏光板３２Ｂ、第２撮像手段を構成する第２カメラ３３Ｂなどを備えている。
１／４波長板３１Ｂは、第１無偏光ビームスプリッタ１３ＡをＺ軸方向左向きに透過してきた直線偏光（後述する第２光の参照光成分及び計測光成分）をそれぞれ円偏光に変換するためのものである。
第２偏光板３２Ｂは、１／４波長板３１Ｂにより円偏光に変換された第２光の各成分を選択的に透過させるものである。これにより、回転方向の異なる第２光の参照光成分と計測光成分とを特定の位相について干渉させることができる。「第２偏光板３２Ｂ」が本実施形態における「第２位相シフト手段」及び「干渉手段」を構成する。
本実施形態に係る第２偏光板３２Ｂは、Ｚ軸方向を軸心として回転可能に構成されると共に、その透過軸方向が４５°ずつ変化するように制御される。具体的には、透過軸方向がＹ軸方向に対し「０°」、「４５°」、「９０°」、「１３５°」となるように変化する。
これにより、第２偏光板３２Ｂを透過する第２光の参照光成分及び計測光成分を４通りの位相で干渉させることができる。つまり、位相が９０°ずつ異なる干渉光を生成することができる。具体的には、位相が「０°」の干渉光、位相が「９０°」の干渉光、位相が「１８０°」の干渉光、位相が「２７０°」の干渉光を生成することができる。
結果として、第２カメラ３３Ｂにより、第２光に係る位相「０°」の干渉縞画像、位相「９０°」の干渉縞画像、位相「１８０°」の干渉縞画像、位相「２７０°」の干渉縞画像が撮像されることとなる。尚、第２カメラ３３Ｂによって撮像された画像データは、第２カメラ３３Ｂ内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置５（画像データ記憶装置５４）に入力される。
次に三次元計測装置２００の作用について説明する。尚、後述するように、本実施形態における第１光及び第２光の照射は同時に行われるものであり、第１光の光路と第２光の光路が一部で重なることとなるが、ここでは、より分かりやすくするため、第１光及び第２光の光路ごとに異なる図面を用いて個別に説明する。
まず第１光の光路について図９を参照して説明する。図９に示すように、波長λ1の第１光（偏光方向がＸ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）が第１発光部１１ＡからＹ軸方向上向きに出射される。
第１発光部１１Ａから出射された第１光は、第１光アイソレータ１２Ａを通過し、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射する。第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射した第１光の一部はＹ軸方向上向きに透過し、残りはＺ軸方向右向きに反射する。
このうち、Ｚ軸方向右向きに反射した第１光（偏光方向がＸ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）は、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第１面２１１ａに入射する。一方、Ｙ軸方向上向きに透過した第１光は、何らかの光学系等に入射することなく、捨て光となる。
第１偏光ビームスプリッタ２１１の第１面２１１ａからＺ軸方向右向きに入射した第１光は、そのＰ偏光成分がＺ軸方向右向きに透過して第３面２１１ｃから参照光として出射される一方、そのＳ偏光成分がＹ軸方向下向きに反射して第４面２１１ｄから計測光として出射される。
第１偏光ビームスプリッタ２１１の第３面２１１ｃから出射した第１光に係る参照光（Ｐ偏光）は、第１の１／４波長板２１５を通過することにより右回りの円偏光に変換された後、第１全反射ミラー２２１にてＹ軸方向下向きに反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。
その後、第１光に係る参照光は、第３の１／４波長板２１７を通過することで、右回りの円偏光からＳ偏光に変換された上で第２偏光ビームスプリッタ２１２の第４面２１２ｄに入射する。
一方、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第４面２１１ｄから出射した第１光に係る計測光（Ｓ偏光）は、第２の１／４波長板２１６を通過することにより左回りの円偏光に変換された後、第２全反射ミラー２２２にてＺ軸方向右向きに反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。
その後、第１光に係る計測光は、設置部２２４に設置されたワークＷを透過した後、第４の１／４波長板２１８を通過することで、左回りの円偏光からＰ偏光に変換された上で第２偏光ビームスプリッタ２１２の第３面２１２ｃに入射する。
そして、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第４面２１２ｄから入射した第１光に係る参照光（Ｓ偏光）が接合面２１２ｈにてＺ軸方向右向きに反射する一方、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第３面２１２ｃから入射した第１光に係る計測光（Ｐ偏光）は接合面２１２ｈをＺ軸方向右向きに透過する。そして、第１光に係る参照光及び計測光が合成された状態の合成光が出力光として第２偏光ビームスプリッタ２１２の第１面２１２ａから出射される。
第２偏光ビームスプリッタ２１２の第１面２１２ａから出射された第１光に係る合成光（参照光及び計測光）は、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射する。第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに対しＺ軸方向右向きに入射した第１光に係る合成光は、その一部がＺ軸方向右向きに透過し、残りがＹ軸方向上向きに反射する。このうち、Ｚ軸方向右向きに透過した合成光（参照光及び計測光）は第１撮像系４Ａに入射することとなる。一方、Ｙ軸方向上向きに反射した合成光は、第２光アイソレータ１２Ｂによりその進行を遮断され、捨て光となる。
第１撮像系４Ａに入射した第１光に係る合成光（参照光及び計測光）は、まず１／４波長板３１Ａにより、その参照光成分（Ｓ偏光成分）が左回りの円偏光に変換され、その計測光成分（Ｐ偏光成分）が右回りの円偏光に変換される。ここで、左回りの円偏光と右回りの円偏光は回転方向が異なるので干渉しない。
第１光に係る合成光は、続いて第１偏光板３２Ａを通過することにより、その参照光成分と計測光成分とが第１偏光板３２Ａの角度に応じた位相で干渉する。そして、かかる第１光に係る干渉光が第１カメラ３３Ａにより撮像される。
次に第２光の光路について図１０を参照して説明する。図１０に示すように、波長λ2の第２光（偏光方向がＸ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）が第２発光部１１ＢからＹ軸方向下向きに出射される。
第２発光部１１Ｂから出射された第２光は、第２光アイソレータ１２Ｂを通過し、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射する。第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射した第２光の一部はＹ軸方向下向きに透過し、残りはＺ軸方向左向きに反射する。
このうち、Ｚ軸方向左向きに反射した第２光（偏光方向がＸ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）は、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第１面２１２ａに入射する。一方、Ｙ軸方向下向きに透過した第２光は、何らかの光学系等に入射することなく、捨て光となる。
第２偏光ビームスプリッタ２１２の第１面２１２ａからＺ軸方向左向きに入射した第２光は、そのＳ偏光成分がＹ軸方向上向きに反射して第４面２１２ｄから参照光として出射される一方、そのＰ偏光成分がＺ軸方向左向きに透過して第３面２１２ｃから計測光として出射される。
第２偏光ビームスプリッタ２１２の第４面２１２ｄから出射した第２光に係る参照光（Ｓ偏光）は、第３の１／４波長板２１７を通過することにより左回りの円偏光に変換された後、第１全反射ミラー２２１にてＺ軸方向左向きに反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。
その後、第２光に係る参照光は、第１の１／４波長板２１５を通過することで、左回りの円偏光からＰ偏光に変換された上で第１偏光ビームスプリッタ２１１の第３面２１１ｃに入射する。
一方、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第３面２１２ｃから出射した第２光に係る計測光（Ｐ偏光）は、第４の１／４波長板２１８を通過することにより右回りの円偏光に変換された後、設置部２２４に設置されたワークＷを透過する。その後、第２光に係る計測光は、第２全反射ミラー２２２にてＹ軸方向上向きに反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。
第２全反射ミラー２２２にて反射した第１光に係る計測光は、第２の１／４波長板２１６を通過することで、右回りの円偏光からＳ偏光に変換された上で第１偏光ビームスプリッタ２１１の第４面２１１ｄに入射する。
そして、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第３面２１１ｃから入射した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）が接合面２１１ｈをＺ軸方向左向きに透過する一方、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第４面２１１ｄから入射した第２光に係る計測光（Ｓ偏光）は接合面２１１ｈにてＺ軸方向左向きに反射する。そして、第２光に係る参照光及び計測光が合成された状態の合成光が出力光として第１偏光ビームスプリッタ２１１の第１面２１１ａから出射される。
第１偏光ビームスプリッタ２１１の第１面２１１ａから出射された第２光に係る合成光（参照光及び計測光）は、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射する。第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに対しＺ軸方向左向きに入射した第２光に係る合成光は、その一部がＺ軸方向左向きに透過し、残りがＹ軸方向下向きに反射する。このうち、Ｚ軸方向左向きに透過した合成光（参照光及び計測光）は第２撮像系４Ｂに入射することとなる。一方、Ｙ軸方向下向きに反射した合成光は、第１光アイソレータ１２Ａによりその進行を遮断され、捨て光となる。
第２撮像系４Ｂに入射した第２光に係る合成光（参照光及び計測光）は、まず１／４波長板３１Ｂにより、その参照光成分（Ｐ偏光成分）が右回りの円偏光に変換され、その計測光成分（Ｓ偏光成分）が左回りの円偏光に変換される。ここで、左回りの円偏光と右回りの円偏光は回転方向が異なるので干渉しない。
第２光に係る合成光は、続いて第２偏光板３２Ｂを通過することにより、その参照光成分と計測光成分とが第２偏光板３２Ｂの角度に応じた位相で干渉する。そして、かかる第２光に係る干渉光が第２カメラ３３Ｂにより撮像される。
次に、制御装置５によって実行される形状計測処理の手順について詳しく説明する。まずは、設置部２２４へワークＷを設置した後、第１撮像系４Ａの第１偏光板３２Ａの透過軸方向を所定の基準位置（例えば「０°」）に設定すると共に、第２撮像系４Ｂの第２偏光板３２Ｂの透過軸方向を所定の基準位置（例えば「０°」）に設定する。
続いて、第１投光系２Ａから第１光を照射すると同時に、第２投光系２Ｂから第２光を照射する。その結果、干渉光学系２０３の第２偏光ビームスプリッタ２１２の第１面２１２ａから第１光に係る合成光（参照光及び計測光）が出射されると同時に、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第１面２１１ａから第２光に係る合成光（参照光及び計測光）が出射される。
そして、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第１面２１２ａから出射された第１光に係る合成光を第１撮像系４Ａにより撮像すると同時に、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第１面２１１ａから出射された第２光に係る合成光を第２撮像系４Ｂにより撮像する。
尚、ここでは第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂの透過軸方向がそれぞれ「０°」に設定されているため、第１カメラ３３Ａでは第１光に係る位相「０°」の干渉縞画像が撮像され、第２カメラ３３Ｂでは第２光に係る位相「０°」の干渉縞画像が撮像されることとなる。
そして、各カメラ３３Ａ，３３Ｂからそれぞれ撮像された画像データが制御装置５へ出力される。制御装置５は、入力した画像データを画像データ記憶装置５４に記憶する。
次に制御装置５は、第１撮像系４Ａの第１偏光板３２Ａ、及び、第２撮像系４Ｂの第２偏光板３２Ｂの切替処理を行う。具体的には、第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂをそれぞれ透過軸方向が「４５°」となる位置まで回動変位させる。
該切替処理が終了すると、制御装置５は、上記一連の１回目の撮像処理と同様の２回目の撮像処理を行う。つまり、制御装置５は、第１投光系２Ａから第１光を照射すると同時に、第２投光系２Ｂから第２光を照射し、第２偏光ビームスプリッタ２１２の第１面２１２ａから出射された第１光に係る合成光を第１撮像系４Ａにより撮像すると同時に、第１偏光ビームスプリッタ２１１の第１面２１１ａから出射された第２光に係る合成光を第２撮像系４Ｂにより撮像する。これにより、第１光に係る位相「９０°」の干渉縞画像が取得されると共に、第２光に係る位相「９０°」の干渉縞画像が撮像されることとなる。
以降、上記１回目及び２回目の撮像処理と同様の撮像処理が２回繰り返し行われる。つまり、第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂの透過軸方向を「９０°」に設定した状態で３回目の撮像処理を行い、第１光に係る位相「１８０°」の干渉縞画像を取得すると共に、第２光に係る位相「１８０°」の干渉縞画像を取得する。
その後、第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂの透過軸方向を「１３５°」に設定した状態で４回目の撮像処理を行い、第１光に係る位相「２７０°」の干渉縞画像を取得すると共に、第２光に係る位相「２７０°」の干渉縞画像を取得する。
このように、４回の撮像処理を行うことにより、三次元計測を行う上で必要な全ての画像データ（第１光に係る４通りの干渉縞画像データ、及び、第２光に係る４通りの干渉縞画像データからなる計８つの干渉縞画像データ）を取得することができる。
そして、制御装置５は、画像データ記憶装置５４に記憶された第１光に係る４通りの干渉縞画像データ、及び、第２光に係る４通りの干渉縞画像データを基に、位相シフト法によりワークＷの表面形状を計測する。つまり、ワークＷの表面上の各位置における高さ情報を算出する。
以上詳述したように、本実施形態によれば、マッハ・ツェンダー干渉計の原理に基づいた比較的簡素な構成の下で、上記第１実施形態と同様の作用効果が奏されることとなる。
〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態について図面を参照しつつ説明する。尚、第１実施形態と同一構成部分については、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図１１は本実施形態に係る三次元計測装置３００の概略構成を示す模式図である。以下、便宜上、図１１の紙面前後方向を「Ｘ軸方向」とし、紙面上下方向を「Ｙ軸方向」とし、紙面左右方向を「Ｚ軸方向」として説明する。
三次元計測装置３００は、フィゾー干渉計の原理に基づき構成されたものであり、特定波長の光を出力可能な２つの投光系３０２Ａ，３０２Ｂ（第１投光系３０２Ａ，第２投光系３０２Ｂ）と、該投光系３０２Ａ，３０２Ｂからそれぞれ出射される光が入射される干渉光学系３０３と、該干渉光学系３０３から出射される光を撮像可能な２つの撮像系３０４Ａ，３０４Ｂ（第１撮像系３０４Ａ，第２撮像系３０４Ｂ）と、投光系３０２Ａ，３０２Ｂや干渉光学系３０３、撮像系３０４Ａ，３０４Ｂなどに係る各種制御や画像処理、演算処理等を行う制御装置５とを備えている。「制御装置５」が本実施形態における「画像処理手段」を構成し、「干渉光学系３０３」が本実施形態における「所定の光学系」を構成する。
まず、２つの投光系３０２Ａ，３０２Ｂ（第１投光系３０２Ａ，第２投光系３０２Ｂ）の構成について詳しく説明する。第１投光系３０２Ａは、第１発光部３１１Ａ、第１光アイソレータ３１２Ａ、第１無偏光ビームスプリッタ３１３Ａなどを備えている。ここで「第１発光部３１１Ａ」が本実施形態における「第１照射手段」を構成する。
図示は省略するが、第１発光部３１１Ａは、特定波長λ1の直線偏光を出力可能なレーザ光源や、該レーザ光源から出力される直線偏光を拡大し平行光として出射するビームエキスパンダ、強度調整を行うための偏光板、偏光方向を調整するための１／２波長板などを備えている。
かかる構成の下、本実施形態では、第１発光部３１１Ａから、Ｙ軸方向を偏光方向とする波長λ1（例えばλ1＝１５００ｎｍ）の直線偏光がＺ軸方向右向きに出射される。ここで「波長λ1」が本実施形態における「第１波長」に相当する。以降、第１発光部３１１Ａから出射される波長λ1の光を「第１光」という。
第１光アイソレータ３１２Ａは、一方向（本実施形態ではＺ軸方向右向き）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態ではＺ軸方向左向き）の光を遮断する光学素子である。これにより、第１発光部３１１Ａから出射された第１光のみを透過することとなり、戻り光による第１発光部３１１Ａの損傷や不安定化などを防止することができる。
第１無偏光ビームスプリッタ３１３Ａは、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面３１３Ａｈには例えば金属膜などのコーティングが施されている。「第１無偏光ビームスプリッタ３１３Ａ」が本実施形態における「第１導光手段」を構成する。
尚、本実施形態では、図１１の紙面に平行な方向（Ｙ軸方向又はＺ軸方向）を偏光方向とする直線偏光をＰ偏光（Ｐ偏光成分）といい、図１１の紙面に垂直なＸ軸方向を偏光方向とする直線偏光をＳ偏光（Ｓ偏光成分）という。「Ｐ偏光」が「第１の偏光方向を有する第１偏光」に相当し、「Ｓ偏光」が「第２の偏光方向を有する第２偏光」に相当する。
また、第１無偏光ビームスプリッタ３１３Ａは、その接合面３１３Ａｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第１無偏光ビームスプリッタ３１３Ａの接合面３１３ＡｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。より詳しくは、第１光アイソレータ３１２Ａを介して、第１発光部３１１ＡからＺ軸方向右向きに入射する第１光の一部（半分）をＺ軸方向右向きに透過させ、残り（半分）をＹ軸方向下向きに反射させるように配置されている。
第２投光系３０２Ｂは、第２発光部３１１Ｂ、第２光アイソレータ３１２Ｂ、第２無偏光ビームスプリッタ３１３Ｂなどを備えている。ここで「第２発光部３１１Ｂ」が本実施形態における「第２照射手段」を構成する。
第２発光部３１１Ｂは、上記第１発光部３１１Ａと同様、特定波長λ2の直線偏光を出力可能なレーザ光源や、該レーザ光源から出力される直線偏光を拡大し平行光として出射するビームエキスパンダ、強度調整を行うための偏光板、偏光方向を調整するための１／２波長板などを備えている。
かかる構成の下、本実施形態では、第２発光部３１１Ｂから、Ｘ軸方向を偏光方向とする波長λ2（例えばλ2＝１５０３ｎｍ）の直線偏光がＺ軸方向右向きに出射される。ここで「波長λ2」が本実施形態における「第２波長」に相当する。以降、第２発光部３１１Ｂから出射される波長λ2の光を「第２光」という。
第２光アイソレータ３１２Ｂは、一方向（本実施形態ではＺ軸方向右向き）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態ではＺ軸方向左向き）の光を遮断する光学素子である。これにより、第２発光部３１１Ｂから出射された第２光のみを透過することとなり、戻り光による第２発光部３１１Ｂの損傷や不安定化などを防止することができる。
第２無偏光ビームスプリッタ３１３Ｂは、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面３１３Ｂｈには例えば金属膜などのコーティングが施されている。「第２無偏光ビームスプリッタ３１３Ｂ」が本実施形態における「第２導光手段」を構成する。
また、第２無偏光ビームスプリッタ３１３Ｂは、その接合面３１３Ｂｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第２無偏光ビームスプリッタ３１３Ｂの接合面３１３ＢｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。より詳しくは、第２光アイソレータ３１２Ｂを介して、第２発光部３１１ＢからＺ軸方向右向きに入射する第２光の一部（半分）をＺ軸方向右向きに透過させ、残り（半分）をＹ軸方向上向きに反射させるように配置されている。
次に干渉光学系３０３の構成について詳しく説明する。干渉光学系３０３は、偏光ビームスプリッタ３２０、１／４波長板３２１、ハーフミラー３２３、設置部３２４などを備えている。
偏光ビームスプリッタ３２０は、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面（境界面）３２０ｈには例えば誘電体多層膜などのコーティングが施されている。
本実施形態における偏光ビームスプリッタ３２０は、Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する構成となっている。
偏光ビームスプリッタ３２０は、その接合面３２０ｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、偏光ビームスプリッタ３２０の接合面３２０ｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
より詳しくは、上記第１無偏光ビームスプリッタ３１３ＡからＺ軸方向右向きに透過した第１光が入射する偏光ビームスプリッタ３２０の第１面（Ｚ軸方向左側面）３２０ａ、並びに、該第１面３２０ａと相対向する第３面（Ｚ軸方向右側面）３２０ｃがＺ軸方向と直交するように配置されている。「偏光ビームスプリッタ３２０の第１面３２０ａ」が本実施形態における「第１入出力部」に相当する。
一方、第１面３２０ａと接合面３２０ｈを挟んで隣り合う面であって、上記第２無偏光ビームスプリッタ３１３ＢからＹ軸方向上向きに反射した第２光が入射する偏光ビームスプリッタ３２０の第２面（Ｙ軸方向下側面）３２０ｂ、並びに、該第２面３２０ｂと相対向する第４面（Ｙ軸方向上側面）３２０ｄがＹ軸方向と直交するように配置されている。「偏光ビームスプリッタ３２０の第２面３２０ｂ」が本実施形態における「第２入出力部」に相当する。
そして、偏光ビームスプリッタ３２０の第３面３２０ｃとＺ軸方向に相対向するように１／４波長板３２１が配置され、さらにそのＺ軸方向右側にて、該１／４波長板３２１とＺ軸方向に相対向するようにハーフミラー３２３が配置され、さらにそのＺ軸方向右側にて、該ハーフミラー３２３とＺ軸方向に相対向するように設置部３２４が配置されている。但し、ハーフミラー３２３は、周期的な干渉縞（キャリア）を生じさせるために、厳密にはＺ軸方向に対し僅かに傾いた状態で設置されている。
１／４波長板３２１は、直線偏光を円偏光に変換しかつ円偏光を直線偏光に変換する機能を有する。つまり、偏光ビームスプリッタ３２０の第３面３２０ｃから出射される直線偏光（Ｐ偏光又はＳ偏光）は１／４波長板３２１を介して円偏光に変換された上でハーフミラー３２３に対し照射される。
ハーフミラー３２３は、入射光を１：１の比率で透過光と反射光とに分割するものである。具体的には、１／４波長板３２１からＺ軸方向右向きに入射する円偏光の一部（半分）を計測光としてＺ軸方向右向きに透過させ、残り（半分）を参照光としてＺ軸方向左向きに反射させる。そして、ハーフミラー３２３を透過した円偏光（計測光）が設置部３２４に置かれた被計測物としてのワークＷに対し照射される。つまり、「ハーフミラー３２３」が本実施形態における「参照面」を構成することとなる。また、「ハーフミラー３２３」は、入射する所定の光を２つの光に分割する「分割手段」を構成すると共に、これらを再び合成する「合成手段」を構成することとなる。
次に２つの撮像系３０４Ａ，３０４Ｂ（第１撮像系３０４Ａ，第２撮像系３０４Ｂ）の構成について詳しく説明する。第１撮像系３０４Ａは、第１撮像手段を構成する第１カメラ３３３Ａを備え、第２撮像系３０４Ｂは、第２撮像手段を構成する第２カメラ３３３Ｂを備えている。
各カメラ３３３Ａ，３３３Ｂは、レンズや撮像素子等を備えてなる公知のものである。本実施形態では、カメラ３３３Ａ，３３３Ｂの撮像素子として、ＣＣＤエリアセンサを採用している。勿論、撮像素子は、これに限定されるものではなく、例えばＣＭＯＳエリアセンサ等を採用してもよい。
各カメラ３３３Ａ，３３３Ｂによって撮像された画像データは、各カメラ３３３Ａ，３３３Ｂ内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置５（画像データ記憶装置５４）に入力されるようになっている。
次に三次元計測装置３００の作用について説明する。尚、後述するように、本実施形態における第１光及び第２光の照射は同時に行われるものであり、第１光の光路と第２光の光路が一部で重なることとなるが、ここでは、より分かりやすくするため、第１光及び第２光の光路ごとに異なる図面を用いて個別に説明する。
まず第１光の光路について図１２を参照して説明する。図１２に示すように、波長λ1の第１光（Ｙ軸方向を偏光方向とするＰ偏光）が第１発光部３１１ＡからＺ軸方向右向きに出射される。
第１発光部３１１Ａから出射された第１光は、第１光アイソレータ３１２Ａを通過し、第１無偏光ビームスプリッタ３１３Ａに入射する。第１無偏光ビームスプリッタ３１３Ａに入射した第１光の一部はＺ軸方向右向きに透過し、残りはＹ軸方向下向きに反射する。
このうち、Ｚ軸方向右向きに透過した第１光は、偏光ビームスプリッタ３２０の第１面３２０ａに入射する。一方、Ｙ軸方向下向きに反射した第１光は、何らかの光学系等に入射することなく、捨て光となる。
偏光ビームスプリッタ３２０の第１面３２０ａからＺ軸方向右向きに入射した第１光（Ｐ偏光）は、接合面３２０ｈをＺ軸方向右向きに透過して第３面３２０ｃから出射される。
偏光ビームスプリッタ３２０の第３面３２０ｃから出射した第１光は、１／４波長板３２１を通過することで、Ｙ軸方向を偏光方向とするＰ偏光から右回りの円偏光に変換された上でハーフミラー３２３に照射される。
ハーフミラー３２３に照射された第１光は、その一部（半分）が計測光としてハーフミラー３２３をＺ軸方向右向きに透過し、残りが参照光としてＺ軸方向左向きに反射する。ここで、透過光（計測光）及び反射光（参照光）とも、光の進行方向に対する回転方向（右回り）は維持される。
そして、ハーフミラー３２３をＺ軸方向右向きに透過した第１光に係る計測光（右回りの円偏光）は、設置部３２４に置かれたワークＷに照射され反射する。ここでも、光の進行方向に対する回転方向（右回り）は維持される。
ワークＷにて反射した第１光に係る計測光は、再度、ハーフミラー３２３をＺ軸方向左向きに通過し、上記ハーフミラー３２３にてＺ軸方向左向きに反射した第１光に係る参照光（右回りの円偏光）と合成される。回転方向が同じ右回りの円偏光である計測光及び参照光が合成されることで、両者は干渉する。
続いて、この第１光に係る干渉光は、１／４波長板３２１を通過することで、右回りの円偏光から、Ｘ軸方向を偏光方向とするＳ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ３２０の第３面３２０ｃに再入射する。
ここで、偏光ビームスプリッタ３２０の第３面３２０ｃから再入射した第１光に係る干渉光（Ｓ偏光）は、接合面３２０ｈにてＹ軸方向下向きに反射し、出力光として偏光ビームスプリッタ３２０の第２面３２０ｂから出射される。
偏光ビームスプリッタ３２０の第２面３２０ｂから出射された第１光に係る干渉光は、第２無偏光ビームスプリッタ３１３Ｂに入射する。第２無偏光ビームスプリッタ３１３Ｂに対しＹ軸方向下向きに入射した第１光に係る干渉光は、その一部がＹ軸方向下向きに透過し、残りがＺ軸方向左向きに反射する。このうち、Ｙ軸方向下向きに透過した干渉光は第１撮像系３０４Ａ（第１カメラ３３３Ａ）に入射し撮像されることとなる。一方、Ｚ軸方向左向きに反射した干渉光は、第２光アイソレータ３１２Ｂによりその進行を遮断され、捨て光となる。
次に第２光の光路について図１３を参照して説明する。図１３に示すように、波長λ2の第２光（Ｘ軸方向を偏光方向とするＳ偏光）が第２発光部３１１ＢからＺ軸方向右向きに出射される。
第２発光部３１１Ｂから出射された第２光は、第２光アイソレータ３１２Ｂを通過し、第２無偏光ビームスプリッタ３１３Ｂに入射する。第２無偏光ビームスプリッタ３１３Ｂに入射した第２光の一部はＺ軸方向右向きに透過し、残りはＹ軸方向上向きに反射する。
このうち、Ｙ軸方向上向きに反射した第２光は、偏光ビームスプリッタ３２０の第２面３２０ｂに入射する。一方、Ｚ軸方向右向きに透過した第２光は、何らかの光学系等に入射することなく、捨て光となる。
偏光ビームスプリッタ３２０の第２面３２０ｂからＹ軸方向上向きに入射した第２光（Ｓ偏光）は、接合面３２０ｈにてＺ軸方向右向きに反射して第３面３２０ｃから出射される。
偏光ビームスプリッタ３２０の第３面３２０ｃから出射した第２光は、１／４波長板３２１を通過することで、Ｘ軸方向を偏光方向とするＳ偏光から、左回りの円偏光に変換された上でハーフミラー３２３に照射される。
ハーフミラー３２３に照射された第２光は、その一部（半分）が計測光としてハーフミラー３２３をＺ軸方向右向きに透過し、残りが参照光としてＺ軸方向左向きに反射する。ここで、透過光（計測光）及び反射光（参照光）とも、光の進行方向に対する回転方向（左回り）は維持される。
そして、ハーフミラー３２３をＺ軸方向右向きに透過した第２光に係る計測光（左回りの円偏光）は、設置部３２４に置かれたワークＷに照射され反射する。ここでも、光の進行方向に対する回転方向（左回り）は維持される。
ワークＷにて反射した第２光に係る計測光は、再度、ハーフミラー３２３をＺ軸方向左向きに通過し、上記ハーフミラー３２３にてＺ軸方向左向きに反射した第２光に係る参照光（左回りの円偏光）と合成される。回転方向が同じ左回りの円偏光である計測光及び参照光が合成されることで、両者は干渉する。
続いて、この第２光に係る干渉光は、１／４波長板３２１を通過することで、左回りの円偏光から、Ｙ軸方向を偏光方向とするＰ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ３２０の第３面３２０ｃに再入射する。
ここで、偏光ビームスプリッタ３２０の第３面３２０ｃから再入射した第２光に係る干渉光（Ｐ偏光）は、接合面３２０ｈをＺ軸方向左向きに透過して、出力光として偏光ビームスプリッタ３２０の第１面３２０ａから出射される。
偏光ビームスプリッタ３２０の第１面３２０ａから出射された第２光に係る干渉光は、第１無偏光ビームスプリッタ３１３Ａに入射する。第１無偏光ビームスプリッタ３１３Ａに対しＺ軸方向左向きに入射した第２光に係る干渉光は、その一部がＺ軸方向左向きに透過し、残りがＹ軸方向上向きに反射する。このうち、Ｙ軸方向上向きに反射した干渉光は第２撮像系３０４Ｂ（第２カメラ３３３Ｂ）に入射し撮像されることとなる。一方、Ｚ軸方向左向きに透過した干渉光は、第１光アイソレータ３１２Ａによりその進行を遮断され、捨て光となる。
次に、制御装置５によって実行される形状計測処理の手順について詳しく説明する。まずは、設置部３２４へワークＷを設置した後、第１投光系３０２Ａから第１光を照射すると同時に、第２投光系３０２Ｂから第２光を照射する。その結果、干渉光学系３０３の偏光ビームスプリッタ３２０の第２面３２０ｂから第１光に係る干渉光が出射されると同時に、偏光ビームスプリッタ３２０の第１面３２０ａから第２光に係る干渉光が出射される。
そして、偏光ビームスプリッタ３２０の第２面３２０ｂから出射された第１光に係る干渉光を第１撮像系３０４Ａにより撮像すると同時に、偏光ビームスプリッタ３２０の第１面３２０ａから出射された第２光に係る干渉光を第２撮像系３０４Ｂにより撮像する。
そして、各カメラ３３３Ａ，３３３Ｂからそれぞれ撮像された画像データが制御装置５へ出力される。制御装置５は、入力した画像データを画像データ記憶装置５４に記憶する。
そして、制御装置５は、画像データ記憶装置５４に記憶された第１光に係る干渉縞画像データ、及び、第２光に係る干渉縞画像データを基に、フーリエ変換法によりワークＷの表面形状を計測する。つまり、ワークＷの表面上の各位置における高さ情報を算出する。
ここで、一般的なフーリエ変換法による高さ計測の原理について説明する。第１光又は第２光に係る干渉縞画像データの同一座標位置（ｘ，ｙ）における干渉縞強度、すなわち輝度ｇ（ｘ，ｙ）は、下記［数１１］の関係式で表すことができる。
Figure 0006271493
但し、ａ（ｘ，ｙ）はオフセット、ｂ（ｘ，ｙ）は振幅、φ（ｘ，ｙ）は位相、ｆx0はｘ方向のキャリア周波数、ｆy0はｙ方向のキャリア周波数を表す。
そして、輝度ｇ（ｘ，ｙ）を２次元フーリエ変換し、２次元空間周波数スペクトルを得る。この左右のスペクトルのうちの一方を残し、中央へシフトした後、逆フーリエ変換する。
このシフトしたスペクトルは、下記［数１２］の関係式で表すことができるので、位相φについて解けば各座標の位相を求めることができる。
Figure 0006271493
但し、ｃ（ｘ，ｙ）はスペクトル。
そして、波長の異なる２種類の光を用いる場合には、上記第１実施形態と同様、まず波長λ1の第１光に係る干渉縞画像データの輝度ｇ1（ｘ，ｙ）を基に、ワークＷ面上の座標（ξ，η）における第１光に係る位相φ1（ξ，η）を算出する。
同様に、波長λ2の第２光に係る干渉縞画像データの輝度ｇ2（ｘ，ｙ）を基に、ワークＷ面上の座標（ξ，η）における第２光に係る位相φ2（ξ，η）を算出する。
続いて、このようにして得られた第１光に係る位相φ1（ξ，η）と、第２光に係る位相φ2（ξ，η）とから、ワークＷ面上の座標（ξ，η）における高さ情報ｚ（ξ，η）を算出する。そして、このように求められたワークＷの計測結果（高さ情報）は、制御装置５の演算結果記憶装置５５に格納される。
以上詳述したように、本実施形態によれば、フィゾー干渉計の原理に基づいた比較的簡素な構成の下で、上記第１実施形態と同様の作用効果が奏されることとなる。
〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１４は本実施形態に係る三次元計測装置の概略構成を示す模式図である。
本実施形態は、第２実施形態とは異なる分光光学系を備えたものであり、マイケルソン干渉計の光学構成を採用した第１実施形態と第１撮像系４Ａ及び第２撮像系４Ｂに関連する構成が異なる。従って、本実施形態では、第１，第２実施形態と異なる構成部分について詳しく説明し、同一構成部分については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施形態に係る第１撮像系４Ａは、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂを透過した第１光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）を４つの分光に分割する第１の分光手段としての分光光学系６００Ａと、該分光光学系６００Ａにより分割された４つの分光をそれぞれ円偏光に変換する１／４波長板６１０Ａと、該１／４波長板６１０Ａを透過した４つの分光の所定成分を選択的に透過させるフィルタユニット６１５Ａと、該フィルタユニット６１５Ａを透過した４つの分光を同時に撮像するカメラ６３３Ａとを備えている。
本実施形態に係る第２撮像系４Ｂは、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａを透過した第２光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）を４つの分光に分割する第２の分光手段としての分光光学系６００Ｂと、該分光光学系６００Ｂにより分割された４つの分光をそれぞれ円偏光に変換する１／４波長板６１０Ｂと、該１／４波長板６１０Ｂを透過した４つの分光の所定成分を選択的に透過させるフィルタユニット６１５Ｂと、該フィルタユニット６１５Ｂを透過した４つの分光を同時に撮像するカメラ６３３Ｂとを備えている。
尚、「１／４波長板６１０Ａ」及び「１／４波長板６１０Ｂ」は、上記第１実施形態の「１／４波長板３１Ａ」及び「１／４波長板３１Ｂ」と同様の構成を有するものであり、その詳細な説明は省略する。但し、４つの分光それぞれに対応して個別に１／４波長板を備える構成としてもよい。
「フィルタユニット６１５Ａ」及び「フィルタユニット６１５Ｂ」は、本実施形態におけるフィルタ手段及び干渉手段を構成する。「フィルタユニット６１５Ａ」及び「フィルタユニット６１５Ｂ」は、上記第２実施形態の「フィルタユニット１２６」と同様の構成を有するものであり、その詳細な説明は省略する。但し、４つの分光それぞれに対応して個別に透過軸方向が４５°ずつ異なる４つの偏光板（偏光板１２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃ，１２６ｄ）を備えた構成としてもよい。
「カメラ６３３Ａ」及び「カメラ６３３Ｂ」並びにこれらに関連する制御処理や画像データ記憶装置５４等に係る構成は、上記第１，第２実施形態の「第１カメラ３３Ａ（撮像素子３３Ａｉ）」及び「カメラ６３３Ｂ」等に係る構成と同様の構成を有するものであり、その詳細な説明は省略する。
次に分光光学系６００Ａ及び分光光学系６００Ｂの構成について図１５〜図１８を参照して詳しく説明する。尚、本実施形態における分光光学系６００Ａ及び分光光学系６００Ｂは同一構成である。
以下、図１５〜図１８を参照して、分光光学系６００Ａ（６００Ｂ）について説明する際には、便宜上、図１５の紙面上下方向を「Ｘ´軸方向」とし、紙面前後方向を「Ｙ´軸方向」とし、紙面左右方向を「Ｚ´軸方向」として説明する。但し、分光光学系６００Ａ（６００Ｂ）単体を説明するための座標系（Ｘ´，Ｙ´，Ｚ´）と、三次元計測装置１全体を説明するための座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は異なる座標系である。
分光光学系６００Ａ（６００Ｂ）は、無偏光の２つの光学部材（プリズム）を貼り合せて一体とした１つの無偏光の光学部材である。
より詳しくは、分光光学系６００Ａ（６００Ｂ）は、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂ（第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａ）を透過した第１光に係る合成光（第２光に係る合成光）を２つの分光に分割する第１プリズム６０１と、該第１プリズム６０１により分割された２つの分光をそれぞれ２つの分光に分割して計４つの分光を出射する第２プリズム６０２とからなる。
第１プリズム６０１及び第２プリズム６０２は、それぞれ「ケスタープリズム」と称される公知の光学部材により構成されている。但し、本実施形態において、「ケスタープリズム」とは、「内角がそれぞれ３０°、６０°、９０°となる直角三角形の断面形状を有する一対の光学部材（三角柱形状のプリズム）を貼り合せて一体とした正三角形の断面形状を有する正三角柱形状の光学部材であって、その接合面に無偏光のハーフミラーを有したもの」を指す。勿論、各プリズム６０１，６０２として用いられるケスタープリズムは、これに限定されるものではない。後述する分光光学系６００Ａ（６００Ｂ）の機能を満たすものであれば、例えば正三角柱形状でないものなど、各プリズム６０１，６０２として本実施形態とは異なる光学部材（ケスタープリズム）を採用してもよい。
具体的に、第１の光学部材（第１のケスタープリズム）としての第１プリズム６０１は、平面視（Ｘ´−Ｚ´平面）正三角形状をなすと共に、Ｙ´軸方向に沿って延びる正三角柱形状をなす（図１５参照）。「Ｘ´−Ｚ´平面」が本実施形態における「第１の平面」に相当する。
第１プリズム６０１は、Ｙ´軸方向に沿った長方形状の３つの面（第１面６０１ａ、第２面６０１ｂ、第３面６０１ｃ）のうち、第１面６０１ａと第２面６０１ｂとの交線を通り第３面６０１ｃと直交する平面に沿ってハーフミラー６０１Ｍが形成されている。「ハーフミラー６０１Ｍ」が本実施形態における「第１分岐手段」を構成する。
第１プリズム６０１は、第３面６０１ｃがＸ´−Ｙ´平面に沿ってＺ´軸方向と直交するように配置されると共に、ハーフミラー６０１ＭがＹ´−Ｚ´平面に沿ってＸ´軸方向と直交するように配置されている。従って、第１面６０１ａ及び第２面６０１ｂは、それぞれＸ´軸方向及びＺ´軸方向に対し３０°又は６０°傾斜するように配置されている。
一方、第２の光学部材（第２のケスタープリズム）としての第２プリズム６０２は、正面視（Ｙ´−Ｚ´平面）正三角形状をなすと共に、Ｘ´軸方向に沿って延びる正三角柱形状をなす（図１６参照）。「Ｙ´−Ｚ´平面」が本実施形態における「第２の平面」に相当する。
第２プリズム６０２は、Ｘ´軸方向に沿った正方形状の３つの面（第１面６０２ａ、第２面６０２ｂ、第３面６０２ｃ）のうち、第１面６０２ａと第２面６０２ｂとの交線を通り第３面６０２ｃと直交する平面に沿ってハーフミラー６０２Ｍが形成されている。「ハーフミラー６０２Ｍ」が本実施形態における「第２分岐手段」を構成する。
第２プリズム６０２は、第１面６０２ａがＸ´−Ｙ´平面に沿ってＺ´軸方向と直交するように配置されている。従って、第２面６０２ｂ、第３面６０２ｃ及びハーフミラー６０２Ｍは、それぞれＹ´軸方向及びＺ´軸方向に対し３０°又は６０°傾斜するように配置されている。
そして、第１プリズム６０１の第３面６０１ｃと第２プリズム６０２の第１面６０２ａとが接合されている。つまり、第１プリズム６０１と第２プリズム６０２は、ハーフミラー６０１Ｍを含む平面（Ｙ´−Ｚ´平面）と、ハーフミラー６０２Ｍを含む平面とが直交する向きで接合されている。
ここで、Ｘ´軸方向における第１プリズム６０１の第３面６０１ｃの長さと、Ｘ´軸方向における第２プリズム６０２の第１面６０２ａの長さは同一となっている（図１５参照）。一方、Ｙ´軸方向における第１プリズム６０１の第３面６０１ｃの長さは、Ｙ´軸方向における第２プリズム６０２の第１面６０２ａの長さの半分となっている（図１６、１７参照）。そして、第１プリズム６０１の第３面６０１ｃは、第２プリズム６０２の第１面６０２ａと第２面６０２ｂとの交線に沿って接合されている（図１８等参照）。
両プリズム６０１，６０２は、それぞれ空気よりも屈折率の高い所定の屈折率を有する光学材料（例えばガラスやアクリル等）により形成されている。ここで、両プリズム６０１，６０２を同一材料により形成してもよいし、異なる材料により形成してもよい。後述する分光光学系６００Ａ（６００Ｂ）の機能を満たすものであれば、各プリズム６０１，６０２の材質はそれぞれ任意に選択可能である。
続いて、分光光学系６００Ａ及び分光光学系６００Ｂの作用について図面を参照しつつ詳しく説明する。但し、上述したとおり、第１撮像系４Ａ及び第２撮像系４Ｂに用いられる分光光学系６００Ａ及び分光光学系６００Ｂは同一構成であるため、以下、第１撮像系４Ａに係る分光光学系６００Ａを例にして説明し、第２撮像系４Ｂに係る分光光学系６００Ｂについては省略する。
分光光学系６００Ａは、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂを透過した第１光に係る合成光Ｆ０が第１プリズム６０１の第１面６０１ａに対し垂直に入射するように配置されている（図１４，１５参照）。但し、図１４においては、簡素化のため、分光光学系６００Ａの正面が手前側を向くように第１撮像系４Ａを図示している。
第１面６０１ａから第１プリズム６０１内に入射した合成光Ｆ０は、ハーフミラー６０１Ｍにて２方向に分岐する。詳しくは、第１面６０１ａ側に向けハーフミラー６０１Ｍで反射する分光ＦＡ１と、第２面６０１ｂ側に向けハーフミラー６０１Ｍを透過する分光ＦＡ２とに分岐する。
このうち、ハーフミラー６０１Ｍで反射した分光ＦＡ１は、第１面６０１ａにて第３面６０１ｃ側に向け全反射し、第３面６０１ｃから垂直に出射する。一方、ハーフミラー６０１Ｍを透過した分光ＦＡ２は、第２面６０１ｂにて第３面６０１ｃ側に向け全反射し、第３面６０１ｃから垂直に出射する。つまり、第１プリズム６０１の第３面６０１ｃから平行する２つの分光ＦＡ１，ＦＡ２が出射される。
第１プリズム６０１の第３面６０１ｃから出射した分光ＦＡ１，ＦＡ２は、それぞれ第２プリズム６０２の第１面６０２ａに垂直に入射する（図１６参照）。
第１面６０２ａから第２プリズム６０２内に入射した分光ＦＡ１，ＦＡ２は、それぞれハーフミラー６０２Ｍにて２方向に分岐する。
詳しくは、一方の分光ＦＡ１は、第１面６０２ａ側に向けハーフミラー６０２Ｍで反射する分光ＦＢ１と、第２面６０２ｂ側に向けハーフミラー６０２Ｍを透過する分光ＦＢ２とに分岐する。
他方の分光ＦＡ２は、第１面６０２ａ側に向けハーフミラー６０２Ｍで反射する分光ＦＢ３と、第２面６０２ｂ側に向けハーフミラー６０２Ｍを透過する分光ＦＢ４とに分岐する。
このうち、ハーフミラー６０２Ｍで反射した分光ＦＢ１，ＦＢ３は、それぞれ第１面６０２ａにて第３面６０２ｃ側に向け全反射し、第３面６０２ｃから垂直に出射する。一方、ハーフミラー６０２Ｍを透過した分光ＦＢ２，ＦＢ４は、それぞれ第２面６０２ｂにて第３面６０２ｃ側に向け全反射し、第３面６０２ｃから垂直に出射する。つまり、第２プリズム６０２の第３面６０２ｃから、２行２列のマトリクス状に並ぶ４つの光ＦＢ１〜ＦＢ４が平行して出射される。
分光光学系６００Ａ（第２プリズム６０２の第３面６０２ｃ）から出射した４つの分光ＦＢ１〜ＦＢ４は、それぞれ１／４波長板６１０Ａにより円偏光に変換された後、フィルタユニット６１５Ａにマトリクス状に配置された各偏光板１２６ａ〜１２６ｄに入射する。
これにより、フィルタユニット６１５Ａを透過した４つの分光ＦＢ１〜ＦＢ４は、それぞれ位相を９０°ずつ異ならせた干渉光となる。そして、これらの４つの分光ＦＢ１〜ＦＢ４がカメラ６３３Ａの撮像素子３３Ａｉにより同時に撮像される。結果として、位相が９０°ずつ異なる４通りの干渉縞画像が得られる。
以上詳述したように、本実施形態によれば、上記第１，第２実施形態と同様の作用効果が奏される。
加えて、本実施形態では、分光光学系６００Ａ，６００Ｂにおいて、１つの光を平行する２つの光に分割する手段として、ケスタープリズムであるプリズム６０１，６０２を採用しているため、分割された２つの光の光路長が光学的に等しくなる。結果として、上記第２実施形態のように、分割された２つの光の光路長を調整する光路調整手段を備える必要がなく、部品点数の削減を図ると共に、構成の簡素化や装置の小型化等を図ることができる。
また、分光光学系６００Ａ，６００Ｂに対し１つの光Ｆ０が入射されてから、４つの光ＦＢ１〜ＦＢ４が出射されるまでの間、光が光学部材内のみを進み、空気中に出ない構成となるため、空気の揺らぎ等による影響を低減することができる。
〔第６実施形態〕
以下、第６実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１９は本実施形態に係る三次元計測装置の概略構成を示す模式図である。
本実施形態は、第２実施形態や第５実施形態とは異なる分光光学系を備えたものであり、マイケルソン干渉計の光学構成を採用した第１実施形態と第１撮像系４Ａ及び第２撮像系４Ｂに関連する構成が異なる。従って、本実施形態では、第１，第２，第５実施形態と異なる構成部分について詳しく説明し、同一構成部分については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施形態に係る第１撮像系４Ａは、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂを透過した第１光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）を４つの分光に分割する第１の分光手段としての分光光学系７００Ａを備えている。
分光光学系７００Ａは、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂを透過した第１光に係る合成光を２つの分光に分割する無偏光ビームスプリッタ７０１Ａと、該無偏光ビームスプリッタ７０１Ａにより分割された２つの分光のうちの一方の分光をさらに２つの分光に分割する第１プリズム７０２Ａと、前記無偏光ビームスプリッタ７０１Ａにより分割された２つの分光のうちの他方の分光をさらに２つの分光に分割する第２プリズム７０３Ａとを備えている。
さらに、本実施形態に係る第１撮像系４Ａは、第１プリズム７０２Ａにより分割された２つの分光をそれぞれ円偏光に変換する１／４波長板７０４Ａと、第２プリズム７０３Ａにより分割された２つの分光をそれぞれ円偏光に変換する１／４波長板７０５Ａと、前記１／４波長板７０４Ａを透過した２つの分光の所定成分を選択的に透過させるフィルタユニット７０６Ａと、前記１／４波長板７０５Ａを透過した２つの光の所定成分を選択的に透過させるフィルタユニット７０７Ａと、前記フィルタユニット７０６Ａを透過した２つの分光を同時に撮像するカメラ７０８Ａと、前記フィルタユニット７０７Ａを透過した２つの分光を同時に撮像するカメラ７０９Ａとを備えている。
一方、本実施形態に係る第２撮像系４Ｂは、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａを透過した第２光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）を４つの分光に分割する第２の分光手段としての分光光学系７００Ｂを備えている。
分光光学系７００Ｂは、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａを透過した第２光に係る合成光を２つの分光に分割する無偏光ビームスプリッタ７０１Ｂと、該無偏光ビームスプリッタ７０１Ｂにより分割された２つの分光のうちの一方の分光をさらに２つの分光に分割する第１プリズム７０２Ｂと、前記無偏光ビームスプリッタ７０１Ｂにより分割された２つの分光のうちの他方の分光をさらに２つの分光に分割する第２プリズム７０３Ｂとを備えている。
さらに、本実施形態に係る第２撮像系４Ｂは、第１プリズム７０２Ｂにより分割された２つの分光をそれぞれ円偏光に変換する１／４波長板７０４Ｂと、第２プリズム７０３Ｂにより分割された２つの分光をそれぞれ円偏光に変換する１／４波長板７０５Ｂと、１／４波長板７０４Ｂを透過した２つの分光の所定成分を選択的に透過させるフィルタユニット７０６Ｂと、１／４波長板７０５Ｂを透過した２つの光の所定成分を選択的に透過させるフィルタユニット７０７Ｂと、フィルタユニット７０６Ｂを透過した２つの分光を同時に撮像するカメラ７０８Ｂと、フィルタユニット７０７Ｂを透過した２つの分光を同時に撮像するカメラ７０９Ｂとを備えている。
「無偏光ビームスプリッタ７０１Ａ」及び「無偏光ビームスプリッタ７０１Ｂ」は、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面には無偏光のハーフミラーが設けられている。
第１撮像系４Ａに係る「第１プリズム７０２Ａ」及び「第２プリズム７０３Ａ」、並びに、第２撮像系４Ｂに係る「第１プリズム７０２Ｂ」及び「第２プリズム７０３Ｂ」は、公知のケスタープリズムであって、上記第５実施形態に係る「第１プリズム６０１」及び「第２プリズム６０２」と同様の構成を有するものであり、その詳細な説明は省略する。
第１撮像系４Ａに係る「１／４波長板７０４Ａ」及び「１／４波長板７０５Ａ」、並びに、第２撮像系４Ｂに係る「１／４波長板７０４Ｂ」及び「１／４波長板７０５Ｂ」は、上記第１実施形態の「１／４波長板３１Ａ」及び「１／４波長板３１Ｂ」と同様の構成を有するものであり、その詳細な説明は省略する。但し、本実施形態に係る「１／４波長板７０４Ａ」等は、それぞれ２つの分光に対応するものである。勿論、各分光それぞれに対応して個別に１／４波長板を備える構成としてもよい。
第１撮像系４Ａに係る「フィルタユニット７０６Ａ」及び「フィルタユニット７０７Ａ」、並びに、第２撮像系４Ｂに係る「フィルタユニット７０６Ｂ」及び「フィルタユニット７０７Ｂ」は、上記第２実施形態の「フィルタユニット１２６」と同様の構成を有するものであり、その詳細な説明は省略する。但し、本実施形態に係る「フィルタユニット７０６Ａ」等は、それぞれ２つの分光に対応するものである。例えば第１撮像系４Ａに係る「フィルタユニット７０６Ａ」が「偏光板１２６ａ，１２６ｂ」を備え、「フィルタユニット７０７Ａ」が「偏光板１２６ｃ，１２６ｄ」を備えた構成としてもよい（第２撮像系４ｂについても同様）。勿論、４つの分光それぞれに対応して個別に透過軸方向が４５°ずつ異なる４つの偏光板（偏光板１２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃ，１２６ｄ）を備えた構成としてもよい。
第１撮像系４Ａに係る「カメラ７０８Ａ」及び「カメラ７０９Ａ」、第２撮像系４Ｂに係る「カメラ７０８Ｂ」及び「カメラ７０９Ｂ」、並びに、これらに関連する制御処理や画像データ記憶装置５４等に係る構成は、上記第１，第２実施形態の「第１カメラ３３Ａ」及び「第２カメラ６３３Ｂ」等に係る構成と同様の構成を有するものであり、その詳細な説明は省略する。但し、本実施形態に係る「カメラ７０８Ａ（撮像素子）」等は、それぞれ２つの分光に対応するものである。例えば第１撮像系４Ａに係る「カメラ７０８Ａ（撮像素子）」の撮像領域が「フィルタユニット７０６Ａ（偏光板１２６ａ，１２６ｂ）」に対応して２つの撮像エリア（Ｈ１，Ｈ２）に区分けされ、「カメラ７０９Ａ（撮像素子）」の撮像領域が「フィルタユニット７０７Ａ（偏光板１２６ｃ，１２６ｄ）」に対応して２つの撮像エリア（Ｈ３，Ｈ４）に区分けされた構成としてもよい（第２撮像系４Ｂについても同様）。かかる場合、アスペクト比が２：１の撮像素子を備えることが好ましい。
続いて、分光光学系７００Ａ及び分光光学系７００Ｂの作用について説明する。但し、上述したとおり、第１撮像系４Ａ及び第２撮像系４Ｂに用いられる分光光学系７００Ａ及び分光光学系７００Ｂは同一構成であるため、以下、第１撮像系４Ａに係る分光光学系７００Ａを例にして説明し、第２撮像系４Ｂに係る分光光学系７００Ｂについては省略する。
第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂを透過した第１光に係る合成光は、まず分光光学系７００Ａの無偏光ビームスプリッタ７０１Ａに入射し、ハーフミラーにて２方向に分岐する。このうち、ハーフミラーで反射した分光は第１プリズム７０２Ａに入射する。一方、ハーフミラーを透過した分光は第２プリズム７０３Ａに入射する。
第１プリズム７０２Ａの第１面に入射した分光は、ハーフミラーにて２方向に分岐する。詳しくは、第１面側に向けハーフミラーで反射する分光と、第２面側に向けハーフミラーを透過する分光とに分岐する。
このうち、ハーフミラーで反射した分光は、第１面にて第３面側に向け全反射し、第３面から垂直に出射する。一方、ハーフミラーを透過した分光は、第２面にて第３面側に向け全反射し、第３面から垂直に出射する。つまり、第１プリズム７０２Ａの第３面から平行する２つの分光が出射される。
同様に、第２プリズム７０３Ａの第１面に入射した分光は、ハーフミラーにて２方向に分岐する。詳しくは、第１面側に向けハーフミラーで反射する分光と、第２面側に向けハーフミラーを透過する分光とに分岐する。
このうち、ハーフミラーで反射した分光は、第１面にて第３面側に向け全反射し、第３面から垂直に出射する。一方、ハーフミラーを透過した分光は、第２面にて第３面側に向け全反射し、第３面から垂直に出射する。つまり、第２プリズム７０３Ａの第３面から平行する２つの分光が出射される。
そして、第１プリズム７０２Ａから出射した２つの分光は、それぞれ１／４波長板７０４Ａにより円偏光に変換された後、フィルタユニット７０６Ａ（例えば偏光板１２６ａ，１２６ｂ）に入射する。
フィルタユニット７０６Ａを透過した２つの分光は、例えば位相「０°」の干渉光と位相「９０°」の干渉光になる。そして、これらの２つの分光がカメラ７０８Ａの２つの撮像エリアにて同時に撮像され、例えば位相「０°」の干渉縞画像と位相「９０°」の干渉縞画像とが得られる。
同様に、第２プリズム７０３Ａから出射した２つの分光は、それぞれ１／４波長板７０５Ａにより円偏光に変換された後、フィルタユニット７０７Ａ（例えば偏光板１２６ｃ，１２６ｄ）に入射する。
フィルタユニット７０７Ａを透過した２つの分光は、例えば位相「１８０°」の干渉光と位相「２７０°」の干渉光になる。そして、これらの２つの分光がカメラ７０９Ａの２つの撮像エリアにて同時に撮像され、例えば位相「１８０°」の干渉縞画像と位相「２７０°」の干渉縞画像とが得られる。
結果として、第１撮像系４Ａ（カメラ７０８Ａ及びカメラ７０９Ａ）により、位相が９０°ずつ異なる４通りの干渉縞画像が取得されることとなる。
以上詳述したように、本実施形態では、上記第５実施形態と同様の作用効果が奏される。
〔第７実施形態〕
以下、第７実施形態について説明する。本実施形態は、２つの光源から出射される波長の異なる２種類の光を重ね合わせた状態で干渉光学系へ入射させ、ここから出射される光を光学分離手段により波長分離し、上記各波長の光に係る干渉光を個別に撮像する構成を、マイケルソン干渉計の光学構成を採用した上記第１実施形態等（第５実施形態等を含む）に組み合わせ、波長の異なる４種類の光を利用した計測を可能としたものである。
以下、図面を参照しつつ詳しく説明する。図２０は本実施形態に係る三次元計測装置の概略構成を示す模式図である。本実施形態は、上記第１実施形態等と、第１投光系２Ａ及び第２投光系２Ｂ、並びに、第１撮像系４Ａ及び第２撮像系４Ｂに関連する構成が異なる。従って、本実施形態では、上記各実施形態と異なる構成部分について詳しく説明し、同一構成部分については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施形態に係る第１投光系２Ａは、２つの発光部７５１Ａ，７５２Ａ、発光部７５１Ａに対応する光アイソレータ７５３Ａ、発光部７５２Ａに対応する光アイソレータ７５４Ａ、ダイクロイックミラー７５５Ａ、無偏光ビームスプリッタ７５６Ａなどを備えている。
「発光部７５１Ａ」及び「発光部７５２Ａ」は、「第１発光部１１Ａ」と同様の構成を有するものであり、その詳細な説明は省略する。但し、発光部７５１Ａは第１の波長（例えば４９１ｎｍ）の直線偏光を出射し、発光部７５２Ａは第２の波長（例えば５４０ｎｍ）の直線偏光を出射するといったように、両発光部７５１Ａ，７５２Ａは波長の異なる光を出射する。
「光アイソレータ７５３Ａ」及び「光アイソレータ７５４Ａ」は「第１光アイソレータ１２Ａ」と同様の構成を有するものであり、その詳細な説明は省略する。
かかる構成の下、発光部７５１ＡからＹ軸方向下向きに出射された第１の波長の直線偏光（以下、「第１波長光」という）は、光アイソレータ７５３Ａを介してダイクロイックミラー７５５Ａに入射する。
同様に、発光部７５２ＡからＺ軸方向左向きに出射された第２の波長の直線偏光（以下、「第２波長光」という）は、光アイソレータ７５４Ａを介してダイクロイックミラー７５５Ａに入射する。
ダイクロイックミラー７５５Ａは、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材（ダイクロイックプリズム）であって、その接合面７５５Ａｈに誘電体多層膜が形成されている。
ダイクロイックミラー７５５Ａは、その接合面７５５Ａｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、ダイクロイックミラー７５５Ａの接合面７５５ＡｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
本実施形態におけるダイクロイックミラー７５５Ａは、少なくとも第１波長光を反射し、第２波長光を透過する特性を有する。これにより、図２０に示す本実施形態の配置構成では、ダイクロイックミラー７５５Ａに入射した第１波長光と第２波長光とが合成された上で無偏光ビームスプリッタ７５６Ａに向けＺ軸方向左向きに出射されることとなる。
以降、発光部７５１Ａから出射される第１波長光と、発光部７５２Ａから出射される第２波長光とを合成した合成光を「第１光」という。つまり、「発光部７５１Ａ，７５２Ａ」や「ダイクロイックミラー７５５Ａ」等により本実施形態における「第１照射手段」が構成されることとなる。
「無偏光ビームスプリッタ７５６Ａ」は、「第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａ」と同様の構成を有するものであり、その詳細な説明は省略する。本実施形態では、ダイクロイックミラー７５５ＡからＺ軸方向左向きに入射する第１光の一部（半分）をＺ軸方向左向きに透過させ、残り（半分）をＹ軸方向下向きに反射させる。
本実施形態に係る第２投光系２Ｂは、２つの発光部７５１Ｂ，７５２Ｂ、発光部７５１Ｂに対応する光アイソレータ７５３Ｂ、発光部７５２Ｂに対応する光アイソレータ７５４Ｂ、ダイクロイックミラー７５５Ｂ、無偏光ビームスプリッタ７５６Ｂなどを備えている。
「発光部７５１Ｂ」及び「発光部７５２Ｂ」は、「第２発光部１１Ｂ」と同様の構成を有するものであり、その詳細な説明は省略する。但し、発光部７５１Ｂは第３の波長（例えば４８８ｎｍ）の直線偏光を出射し、発光部７５２Ｂは第４の波長（例えば５３２ｎｍ）の直線偏光を出射するといったように、両発光部７５１Ｂ，７５２Ｂは波長の異なる光を出射する。
「光アイソレータ７５３Ｂ」及び「光アイソレータ７５４Ｂ」は「第２光アイソレータ１２Ｂ」と同様の構成を有するものであり、その詳細な説明は省略する。
かかる構成の下、発光部７５１ＢからＺ軸方向左向きに出射された第３の波長の直線偏光（以下、「第３波長光」という）は、光アイソレータ７５３Ｂを介してダイクロイックミラー７５５Ｂに入射する。
同様に、発光部７５２ＢからＹ軸方向上向きに出射された第４の波長の直線偏光（以下、「第４波長光」という）は、光アイソレータ７５４Ｂを介してダイクロイックミラー７５５Ｂに入射する。
ダイクロイックミラー７５５Ｂは、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材（ダイクロイックプリズム）であって、その接合面７５５Ｂｈに誘電体多層膜が形成されている。
ダイクロイックミラー７５５Ｂは、その接合面７５５Ｂｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、ダイクロイックミラー７５５Ｂの接合面７５５ＢｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
本実施形態におけるダイクロイックミラー７５５Ｂは、少なくとも第３波長光を反射し、第４波長光を透過する特性を有する。これにより、図２０に示す本実施形態の配置構成では、ダイクロイックミラー７５５Ｂに入射した第３波長光と第４波長光とが合成された上で無偏光ビームスプリッタ７５６Ｂに向けＹ軸方向上向きに出射されることとなる。
以降、発光部７５１Ｂから出射される第３波長光と、発光部７５２Ｂから出射される第４波長光とを合成した合成光を「第２光」という。つまり、「発光部７５１Ｂ，７５２Ｂ」や「ダイクロイックミラー７５５Ｂ」等により本実施形態における「第２照射手段」が構成されることとなる。
「無偏光ビームスプリッタ７５６Ｂ」は、「第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂ」と同様の構成を有するものであり、その詳細な説明は省略する。本実施形態では、ダイクロイックミラー７５５ＢからＹ軸方向上向きに入射する第２光の一部（半分）をＹ軸方向上向きに透過させ、残り（半分）をＺ軸方向右向きに反射させる。
本実施形態に係る第１撮像系４Ａは、無偏光ビームスプリッタ７５６Ｂを透過した第１光（２波長合成光）に係る参照光成分及び計測光成分の合成光を、第１波長光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）と、第２波長光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）とに分離するダイクロイックミラー８００Ａを備えている。以下、ダイクロイックミラー８００Ａについて詳しく説明する。
ダイクロイックミラー８００Ａは、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材（ダイクロイックプリズム）であって、その接合面８００Ａｈに誘電体多層膜が形成されている。
ダイクロイックミラー８００Ａは、その接合面８００Ａｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、ダイクロイックミラー８００Ａの接合面８００ＡｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
本実施形態におけるダイクロイックミラー８００Ａは、上記ダイクロイックミラー７５５Ａと同様の特性を有するものである。すなわち、ダイクロイックミラー８００Ａは、少なくとも第１波長光を反射し、第２波長光を透過する特性を有する。
これにより、図２０に示す本実施形態の配置構成では、ダイクロイックミラー８００Ａに入射した第１光に係る合成光は、Ｙ軸方向下向きに出射される第１波長光（例えば４９１ｎｍ）に係る合成光と、Ｚ軸方向左向きに出射される第２波長光（例えば５４０ｎｍ）に係る合成光とに分離されることとなる。
さらに、本実施形態に係る第１撮像系４Ａは、ダイクロイックミラー８００ＡからＹ軸方向下向きに出射される第１波長光に係る合成光を４つの分光に分割する分光光学系８０１Ａと、該分光光学系８０１Ａにより分割された４つの分光をそれぞれ円偏光に変換する１／４波長板８０３Ａと、該１／４波長板８０３Ａを透過した４つの分光の所定成分を選択的に透過させるフィルタユニット８０５Ａと、該フィルタユニット８０５Ａを透過した４つの分光を同時に撮像するカメラ８０７Ａとを備えている。
同様に、本実施形態に係る第１撮像系４Ａは、ダイクロイックミラー８００ＡからＺ軸方向左向きに出射される第２波長光に係る合成光を４つの分光に分割する分光光学系８０２Ａと、該分光光学系８０２Ａにより分割された４つの分光をそれぞれ円偏光に変換する１／４波長板８０４Ａと、該１／４波長板８０４Ａを透過した４つの分光の所定成分を選択的に透過させるフィルタユニット８０６Ａと、該フィルタユニット８０６Ａを透過した４つの分光を同時に撮像するカメラ８０８Ａとを備えている。
尚、第１波長光に係る「分光光学系８０１Ａ」、「１／４波長板８０３Ａ」、「フィルタユニット８０５Ａ」及び「カメラ８０７Ａ」に係る構成、並びに、第２波長光に係る「分光光学系８０２Ａ」、「１／４波長板８０４Ａ」、「フィルタユニット８０６Ａ」及び「カメラ８０８Ａ」に係る構成は、それぞれ上記第５実施形態に係る「分光光学系６００Ａ」、「１／４波長板６１０Ａ」、「フィルタユニット６１５Ａ」及び「カメラ６３３Ａ」に係る構成と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
本実施形態に係る第２撮像系４Ｂは、無偏光ビームスプリッタ７５６Ａを透過した第２光（２波長合成光）に係る参照光成分及び計測光成分の合成光を、第３波長光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）と、第４波長光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）とに分離するダイクロイックミラー８００Ｂを備えている。以下、ダイクロイックミラー８００Ｂについて詳しく説明する。
ダイクロイックミラー８００Ｂは、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材（ダイクロイックプリズム）であって、その接合面８００Ｂｈに誘電体多層膜が形成されている。
ダイクロイックミラー８００Ｂは、その接合面８００Ｂｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、ダイクロイックミラー８００Ｂの接合面８００ＢｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。
本実施形態におけるダイクロイックミラー８００Ｂは、上記ダイクロイックミラー７５５Ｂと同様の特性を有するものである。すなわち、ダイクロイックミラー８００Ｂは、少なくとも第３波長光を反射し、第４波長光を透過する特性を有する。
これにより、図２０に示す本実施形態の配置構成では、ダイクロイックミラー８００Ｂに入射した第３光に係る合成光は、Ｚ軸方向左向きに出射される第３波長光（例えば４８８ｎｍ）に係る合成光と、Ｙ軸方向上向きに出射される第４波長光（例えば５３２ｎｍ）に係る合成光とに分離されることとなる。
さらに、本実施形態に係る第２撮像系４Ｂは、ダイクロイックミラー８００ＢからＺ軸方向左向きに出射される第３波長光に係る合成光を４つの分光に分割する分光光学系８０１Ｂと、該分光光学系８０１Ｂにより分割された４つの分光をそれぞれ円偏光に変換する１／４波長板８０３Ｂと、該１／４波長板８０３Ｂを透過した４つの分光の所定成分を選択的に透過させるフィルタユニット８０５Ｂと、該フィルタユニット８０５Ｂを透過した４つの分光を同時に撮像するカメラ８０７Ｂとを備えている。
同様に、本実施形態に係る第２撮像系４Ｂは、ダイクロイックミラー８００ＢからＹ軸方向上向きに出射される第４波長光に係る合成光を４つの分光に分割する分光光学系８０２Ｂと、該分光光学系８０２Ｂにより分割された４つの分光をそれぞれ円偏光に変換する１／４波長板８０４Ｂと、該１／４波長板８０４Ｂを透過した４つの分光の所定成分を選択的に透過させるフィルタユニット８０６Ｂと、該フィルタユニット８０６Ｂを透過した４つの分光を同時に撮像するカメラ８０８Ｂとを備えている。
尚、第３波長光に係る「分光光学系８０１Ｂ」、「１／４波長板８０３Ｂ」、「フィルタユニット８０５Ｂ」及び「カメラ８０７Ｂ」に係る構成、並びに、第４波長光に係る「分光光学系８０２Ｂ」、「１／４波長板８０４Ｂ」、「フィルタユニット８０６Ｂ」及び「カメラ８０８Ｂ」に係る構成は、それぞれ上記第５実施形態に係る「分光光学系６００Ｂ」、「１／４波長板６１０Ｂ」、「フィルタユニット６１５Ｂ」及び「カメラ６３３Ｂ」に係る構成と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
上記構成により、位相が９０°ずつ異なる第１波長光に係る４通りの干渉縞画像、位相が９０°ずつ異なる第２波長光に係る４通りの干渉縞画像、位相が９０°ずつ異なる第３波長光に係る４通りの干渉縞画像、及び、位相が９０°ずつ異なる第４波長光に係る４通りの干渉縞画像を取得することができる。
以上詳述したように、本実施形態によれば、上記第５実施形態と同様の作用効果が奏される。さらに、本実施形態によれば、波長の異なる４種類の光を利用することにより、さらなる計測レンジの拡大を図ると共に、計測効率のさらなる向上を図ることができる。
また、第１波長光と第３波長光（例えば４９１ｎｍと４８８ｎｍの青系色の光）の２光を用いた計測と、第２波長光と第４波長光（例えば５４０ｎｍと５３２ｎｍの緑系色の光）の２光を用いた計測をワークＷの種類に応じて切替えることができる。
結果として、波長の近い２種類の光を用いて計測レンジの拡大を図りつつも、ワークＷの種類に応じて光の種類（波長）を切替えることができる。
例えば赤系光が適さないウエハ基板などのワークＷに対しては、第１波長光と第３波長光（例えば４９１ｎｍと４８８ｎｍの青系色の光）の２光を用いた計測を行う一方、青系光が適さない銅などのワークＷにたしては第２波長光と第４波長光（例えば５４０ｎｍと５３２ｎｍの緑系色の光）の２光を用いた計測を行うとよい。勿論、各光の波長は本実施形態の例に限定されるものではなく、他の波長の光を採用してもよい。
尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。
（ａ）上記各実施形態では、ワークＷの具体例について特に言及していないが、被計測物としては、例えばプリント基板に印刷されたクリーム半田や、ウエハ基板に形成された半田バンプなどが挙げられる。
ここで半田バンプ等の高さ計測の原理について説明する。図２１に示すように、電極５０１（基板５００）に対するバンプ５０３の高さＨＢは、バンプ５０３の絶対高さｈｏから、該バンプ５０３周辺の電極５０１の絶対高さｈｒを減算することにより求めることができる〔ＨＢ＝ｈｏ−ｈｒ〕。ここで、電極５０１の絶対高さｈｒとしては、例えば電極５０１上の任意の１点の絶対高さや、電極５０１上の所定範囲の絶対高さの平均値などを用いることができる。また、「バンプ５０３の絶対高さｈｏ」や、「電極５０１の絶対高さｈｒ」は、上記各実施形態において高さ情報ｚ（ξ，η）として求めることができる。
従って、予め設定された良否の判定基準に従いクリーム半田や半田バンプの良否を検査する検査手段を設けた半田印刷検査装置又は半田バンプ検査装置において、三次元計測装置１（２００，３００）を備えた構成としても良い。
尚、マイケルソン干渉計の光学構成を採用した上記第１実施形態等に係る三次元計測装置１や、フィゾー干渉計の光学構成を採用した上記第４実施形態に係る三次元計測装置３００は、反射ワークに適しており、マッハ・ツェンダー干渉計の光学構成を採用した上記第３実施形態に係る三次元計測装置２００は、透過ワークに適している。また、位相シフト法を用いることで、０次光（透過光）を排除した計測が可能となる。
但し、第３実施形態において、第２全反射ミラー２２２及び設置部２２４を省略し、第２全反射ミラー２２２の位置にワークＷを設置し、反射ワークを計測可能な構成としてもよい。
また、上記各実施形態においてワークＷを設置する設置部２４（２２４，３２４）を変位可能に構成し、ワークＷの表面を複数の計測エリアに分割し、各計測エリアを順次移動しつつ各エリアの形状計測を行っていき、複数回に分けてワークＷ全体の形状計測を行う構成としてもよい。
（ｂ）干渉光学系（所定の光学系）の構成は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば上記第１実施形態等では、干渉光学系として、マイケルソン干渉計の光学構成を採用し、第３実施形態ではマッハツェンダー干渉計の光学構成を採用し、第４実施形態ではフィゾー干渉計の光学構成を採用しているが、これに限らず、入射光を参照光と計測光に分割してワークＷの形状計測を行う構成であれば、他の光学構成を採用してもよい。
（ｃ）投光系２Ａ，２Ｂ（３０２Ａ，３０２Ｂ）の構成は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば上記各実施形態（第７実施形態を除く）では、第１投光系２Ａ（３０２Ａ）から波長λ1＝１５００ｎｍの光が照射され、第２投光系２Ｂ（３０２Ｂ）から波長λ2＝１５０３ｎｍの光が照射される構成となっているが、各光の波長はこれに限定されるものではない。但し、計測レンジを広げるためには、２つの光の波長差をより小さくすることが好ましい。
また、第１投光系２Ａ（３０２Ａ）及び第２投光系２Ｂ（３０２Ｂ）から同一波長の光が照射される構成としてもよい。
上述したように、従来より、被計測物の形状を計測する三次元計測装置として、レーザ光などを利用した三次元計測装置（干渉計）が知られている。かかる三次元計測装置においては、レーザ光源からの出力光の揺らぎ等の影響により、計測精度が低下するおそれがある。
これに対し、例えば被計測物が比較的小さく、１つの光（１つの波長）でも計測レンジが不足しないような場合には、異なる２つの光源から同一波長の光を照射して、該２つの光でそれぞれ三次元計測を行うことにより、計測精度の向上を図ることができる。
しかしながら、２つの光で三次元計測を行おうとした場合、第１光に係る出力光の撮像と、第２光に係る出力光の撮像をそれぞれ異なるタイミングで行う必要があり、計測効率が低下するおそれがある。
例えば位相シフト法を利用した三次元計測において、位相を４段階に変化させる場合には、４通りの画像データを取得する必要があるため、２つの光を用いる場合には、それぞれ異なるタイミングで４回ずつ、計８回分の撮像時間が必要となる。
同一波長の２つの光を照射する本発明は、上記事情等に鑑みてなされたものであり、その目的は、２つの光を利用して、計測効率の向上を図ることのできる三次元計測装置を提供することにある。
本発明によれば、第１光に係る出力光の撮像と、第２光に係る出力光の撮像を同時に行うことができるため、計４回分（又は計３回分）の撮像時間で、２つの光に係る計８通り（又は６通り）の干渉縞画像を取得することができる。結果として、総体的な撮像時間を短縮でき、計測効率の向上を図ることができる。
特にマッハ・ツェンダー干渉計の原理に基づき構成された上記第３実施形態に係る三次元計測装置２００においては、１つのワークＷに対し異なる方向から２つの光（計測光）を照射することができるため、例えば複雑な形状を有するワークなどの全体像をより精度よく計測することが可能となる。
また、上記各実施形態では、投光系２Ａ，２Ｂ（３０２Ａ，３０２Ｂ）において、光アイソレータ１２Ａ，１２Ｂ（３１２Ａ，３１２Ｂ）等を備えた構成となっているが、光アイソレータ１２Ａ，１２Ｂ（３１２Ａ，３１２Ｂ）等を省略した構成としてもよい。
また、上記各実施形態において、第１投光系２Ａ（３０２Ａ）と第２撮像系４Ｂ（３０４Ｂ）の両者の位置関係を第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａ（３１３Ａ）等を挟んで入れ替えた構成としてもよいし、第２投光系２Ｂ（３０２Ｂ）と第１撮像系４Ａ（３０４Ａ）の両者の位置関係を第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂ（３１３Ｂ）等を挟んで入れ替えた構成としてもよい。
また、導光手段の構成は、上記各実施形態に係る無偏光ビームスプリッタ１３Ａ，１３Ｂ（３１３Ａ，３１３Ｂ）等に限定されるものではない。第１照射手段（第２照射手段）から出射される第１光（第２光）の少なくとも一部を第１入出力部（第２入出力部）に向け入射させると共に、第１入出力部（第２入出力部）から出射される第２光に係る出力光（第１光に係る出力光）の少なくとも一部を第２撮像手段（第１撮像手段）に向け入射させる構成であれば、他の構成を採用してもよい。つまり、第１実施形態においては、第１投光系２Ａ（第２投光系２Ｂ）から照射された第１光（第２光）を偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａ（第２面２０ｂ）に入射させ、かつ、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａ（第２面２０ｂ）から出射された第２光に係る出力光（第１光に係る出力光）を第２撮像系４Ｂ（第１撮像系４Ａ）により撮像可能とする構成であれば、他の構成を採用してもよい。
また、上記各実施形態では、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａ（３１３Ａ）及び第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂ（３１３Ｂ）等として、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えばプレートタイプの所定のハーフミラーを採用してもよい。
同様に、上記各実施形態では、偏光ビームスプリッタ２０（２１１，２１２，３２０）として、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えばプレート型偏光ビームスプリッタを採用してもよい。
（ｄ）上記各実施形態（第４実施形態を除く）では、位相の異なる４通りの干渉縞画像データを基に位相シフト法を行う構成となっているが、これに限らず、例えば位相の異なる２通り又は３通りの干渉縞画像データを基に位相シフト法を行う構成としてもよい。
勿論、第１実施形態等に係る三次元計測装置１や、第３実施形態に係る三次元計測装置２００は、例えば第４実施形態のフーリエ変換法のように、位相シフト法とは異なる他の方法により三次元計測を行う構成にも適用することができる。
逆に、第４実施形態に係る三次元計測装置３００は、位相シフト法など、フーリエ変換法とは異なる他の方法により三次元計測を行う構成にも適用することができる。
（ｅ）上記第１，３実施形態では、位相シフト手段として、透過軸方向を変更可能に構成された偏光板３２Ａ，３２Ｂを採用し、上記第２実施形態等においては、透過軸方向が異なる４つの偏光板からなるフィルタユニット１２６を採用している。
位相シフト手段の構成は、これらに限定されるものではなく、例えば第１実施形態においてピエゾ素子等により参照面２３を光軸に沿って移動させることで物理的に光路長を変化させる構成を採用してもよい。
また、第３実施形態において、第２実施形態等に係る構成（フィルタユニット１２６など）を位相シフト手段として採用してもよい。また、全反射ミラー２２１（参照面）を、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した状態を維持しつつ、ピエゾ素子等により該傾斜方向と直交する方向に沿って移動させることで物理的に光路長を変化させる構成を位相シフト手段として採用してもよい。
また、第４実施形態において、位相シフト法を採用する場合には、例えばピエゾ素子等によりハーフミラー３２３（参照面）を光軸に沿って移動させることで物理的に光路長を変化させる構成を採用してもよい。
（ｆ）上記各実施形態（第４実施形態を除く）では、２波長位相シフト法を行うにあたり、高さ情報ｚ（ξ，η）を計算式により求める構成となっているが、これに限らず、例えば位相φ1，φ2、縞次数ｍ1，ｍ2、高さ情報ｚの対応関係を表した数表やテーブルデータを予め記憶しておき、これを参酌して高さ情報ｚを取得する構成としてもよい。かかる場合、必ずしも縞次数を特定する必要はない。
（ｇ）分光手段の構成は上記第２実施形態等に限定されるものではない。例えば上記第２実施形態に係る分光光学系１２５等では、干渉光学系３から入射される光を４つに分光する構成となっているが、これに限らず、例えば３つに分光する構成など、少なくとも位相シフト法による計測に必要な数の光に分割可能な構成となっていればよい。
また、上記第２実施形態等では、入射される合成光Ｌ０等を、進行方向に直交する平面において光路がマトリクス状に並ぶ４つの光ＬＢ１〜ＬＢ４等に分割する構成となっているが、複数のカメラを用いて各分光ＬＢ１〜ＬＢ４等を撮像する構成であれば、必ずしもマトリクス状に並ぶように分光される必要はない。
また、上記第２実施形態等では、分光手段として、複数の光学部材（プリズム）を組み合わせて一体とした分光光学系１２５を採用しているが、これに限らず、分光手段として回折格子を採用してもよい。
（ｈ）フィルタ手段の構成は上記第２実施形態等に限定されるものではない。例えば上記第２実施形態では、フィルタユニット１２６が、透過軸方向が０°の第１偏光板１２６ａ、透過軸方向が４５°の第２偏光板１２６ｂ、透過軸方向が９０°の第３偏光板１２６ｃ、透過軸方向が１３５°の第４偏光板１２６ｄにより構成され、透過軸方向が４５°ずつ異なるこれら４つの偏光板１２６ａ〜２６ｄを用いて、位相が９０°ずつ異なる４通りの干渉縞画像を取得し、該４通りの干渉縞画像を基に位相シフト法により形状計測を行う構成となっている。
これに代えて、位相が異なる３通りの干渉縞画像を基に位相シフト法により形状計測を行う場合には、以下のような構成としてもよい。例えば図２２に示すように、フィルタユニット１２６の第１偏光板１２６ａ、第２偏光板１２６ｂ、第３偏光板１２６ｃ、第４偏光板１２６ｄをそれぞれ、透過軸方向が０°の偏光板、透過軸方向が６０°（又は４５°）の偏光板、透過軸方向が１２０°（又は９０°）の偏光板、計測光（例えば右回りの円偏光）及び参照光（例えば左回りの円偏光）を直線偏光に変換する１／４波長板と、計測光の直線偏光を選択的に透過させる偏光板とを組み合わせたものとした構成としてもよい。ここで、「１／４波長板」及び「偏光板」の組を所謂「円偏光板」とした構成としてもよい。
かかる構成によれば、一つの撮像素子による一回の撮像で、１２０°（又は９０°）ずつ位相が異なる３通りの干渉縞画像に加えて、ワークＷの輝度画像を取得することができる。これにより、３通りの干渉縞画像を基に位相シフト法により行う形状計測に加え、輝度画像を基にした計測を組み合せて行うことが可能となる。例えば位相シフト法による形状計測により得られた三次元データに対しマッピングを行うことや、計測領域の抽出を行うこと等が可能となる。結果として、複数種類の計測を組み合せた総合的な判断を行うことができ、計測精度のさらなる向上を図ることができる。
尚、図１５に示した例では、第４偏光板１２６ｄとして、円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板と、計測光の直線偏光を選択的に透過させる偏光板とを組み合わせたものを採用しているが、これに限らず、計測光のみを選択的に透過させる構成であれば、他の構成を採用してもよい。
さらに、第４偏光板１２６ｄを省略した構成としてもよい。つまり、フィルタユニット１２６の第１偏光板１２６ａ、第２偏光板１２６ｂ、第３偏光板１２６ｃをそれぞれ透過した３つの光と、フィルタユニット１２６（偏光板）を介することなく直接入射される１つの光を同時に一つの撮像素子により撮像する構成としてもよい。
かかる構成によれば、第４偏光板１２６ｄとして、「１／４波長板」及び「偏光板」の組を配置した上記構成と同様の作用効果が奏される。つまり、一つの撮像素子による一回の撮像で、１２０°（又は９０°）ずつ位相が異なる３通りの干渉縞画像に加えて、ワークＷの輝度画像を取得することができる。
尚、計測光（例えば右回りの円偏光）と参照光（例えば左回りの円偏光）とをそのまま撮像したとしても、参照光は既知(予め計測して得ることが可能)であり均一なので撮像後の処理により、この参照光分を取り除く処理や均一光を取り除く処理を行うことにより、計測光の信号を抽出することが可能となる。
第４偏光板１２６ｄを省略した構成の利点としては、「１／４波長板」及び「偏光板」の組を配置した構成と比較して、これら「１／４波長板」及び「偏光板」を省略することができるため、光学部品が減り、構成の簡素化や部品点数の増加抑制等を図ることができる。
（ｉ）上記各実施形態においては、レンズを備えたカメラを使用しているが、必ずしもレンズは必要なく、レンズのないカメラを使用しても上記［数６］の関係式を利用するなどしてピントの合った画像を計算により求めることにより行っても良い。
１…三次元計測装置、２Ａ…第１投光系、２Ｂ…第２投光系、３…干渉光学系、４Ａ…第１撮像系、４Ｂ…第２撮像系、５…制御装置、１１Ａ…第１発光部、１１Ｂ…第２発光部、１２Ａ…第１光アイソレータ、１２Ｂ…第２光アイソレータ、１３Ａ…第１無偏光ビームスプリッタ、１３Ｂ…第２無偏光ビームスプリッタ、２０…偏光ビームスプリッタ、２０ａ…第１面、２０ｃ…第３面、２０ｂ…第２面、２０ｄ…第４面、２１，２２…１／４波長板、２３…参照面、２４…設置部、３１Ａ…１／４波長板、３１Ｂ…１／４波長板、３２Ａ…第１偏光板、３２Ｂ…第２偏光板、３３Ａ…第１カメラ、３３Ｂ…第２カメラ、Ｗ…ワーク。

Claims (11)

  1. 入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系と、
    前記所定の光学系の第１入出力部に対し入射させる、第１波長の偏光を含む第１光を出射可能な第１照射手段と、
    前記所定の光学系の第２入出力部に対し入射させる、第２波長の偏光を含む第２光を出射可能な第２照射手段と、
    前記第１入出力部に対し前記第１光を入射することにより前記第２入出力部から出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
    前記第２入出力部に対し前記第２光を入射することにより前記第１入出力部から出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段と、
    前記第１撮像手段及び前記第２撮像手段により撮像された干渉縞画像を基に前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
  2. 入射する所定の光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光に分割する境界面を有し、該分割した一方の偏光を計測光として被計測物に照射しかつ他方の偏光を参照光として参照面に照射すると共に、これらを再び合成して出射可能な偏光ビームスプリッタと、
    前記境界面を挟んで隣り合う前記偏光ビームスプリッタの第１面及び第２面のうち第１入出力部となる前記第１面に対し入射させる、第１波長の偏光を含む第１光を出射可能な第１照射手段と、
    前記偏光ビームスプリッタの第２入出力部となる前記第２面に対し入射させる、第２波長の偏光を含む第２光を出射可能な第２照射手段と、
    前記参照光が出入射される前記偏光ビームスプリッタの第３面と前記参照面との間に配置された第１の１／４波長板と、
    前記計測光が出入射される前記偏光ビームスプリッタの第４面と前記被計測物との間に配置される第２の１／４波長板と、
    前記偏光ビームスプリッタの前記第１面に対し前記第１光を入射することにより前記第２面から出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
    前記偏光ビームスプリッタの前記第２面に対し前記第２光を入射することにより前記第１面から出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段と、
    前記第１撮像手段及び前記第２撮像手段により撮像された干渉縞画像を基に前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
  3. 第１波長の偏光を含む第１光を出射可能な第１照射手段と、
    第２波長の偏光を含む第２光を出射可能な第２照射手段と、
    前記第１照射手段から入射される前記第１光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光に分割し、一方の偏光を計測光として被計測物に対し照射可能としかつ他方の偏光を参照光として参照面に対し照射可能とすると共に、前記被計測物を介して入射した前記第２光に係る計測光と、前記参照面を介して入射した前記第２光に係る参照光とを合成して出射可能な第１入出力部としての第１偏光ビームスプリッタと、
    前記第２照射手段から入射される前記第２光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光に分割し、一方の偏光を計測光として被計測物に対し照射可能としかつ他方の偏光を参照光として参照面に対し照射可能とすると共に、前記被計測物を介して入射した前記第１光に係る計測光と、前記参照面を介して入射した前記第１光に係る参照光とを合成して出射可能な第２入出力部としての第２偏光ビームスプリッタと、
    前記第１偏光ビームスプリッタと前記参照面との間に配置された第１の１／４波長板と、
    前記第１偏光ビームスプリッタと前記被計測物との間に配置された第２の１／４波長板と、
    前記第２偏光ビームスプリッタと前記参照面との間に配置された第３の１／４波長板と、
    前記第２偏光ビームスプリッタと前記被計測物との間に配置された第４の１／４波長板と、
    前記第１偏光ビームスプリッタに対し前記第１光を入射することにより前記第２偏光ビームスプリッタから出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
    前記第２偏光ビームスプリッタに対し前記第２光を入射することにより前記第１偏光ビームスプリッタから出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段と、
    前記第１撮像手段及び前記第２撮像手段により撮像された干渉縞画像を基に前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
  4. 第１の偏光方向を有する偏光である第１偏光を透過させ、第２の偏光方向を有する偏光である第２偏光を反射する境界面を有する偏光ビームスプリッタと、
    前記境界面を挟んで隣り合う前記偏光ビームスプリッタの第１面及び第２面のうち第１入出力部となる前記第１面に対し入射させる、第１波長の前記第１偏光を含む第１光を出射可能な第１照射手段と、
    前記偏光ビームスプリッタの第２入出力部となる前記第２面に対し入射させる、第２波長の前記第２偏光を含む第２光を出射可能な第２照射手段と、
    前記境界面を透過した第１光及び前記境界面に反射した第２光が出射される前記偏光ビームスプリッタの第３面と相対向するように配置された１／４波長板と、
    前記偏光ビームスプリッタとは反対側にて前記１／４波長板と相対向するように配置され、前記１／４波長板を介して照射された光の一部を計測光として透過して被計測物に照射しかつ残りの光を参照光として反射するハーフミラーと、
    前記偏光ビームスプリッタの前記第１面に対し前記第１光を入射することにより前記第２面から出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
    前記偏光ビームスプリッタの前記第２面に対し前記第２光を入射することにより前記第１面から出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段と、
    前記第１撮像手段及び前記第２撮像手段により撮像された干渉縞画像を基に前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
  5. 前記第１照射手段から出射される第１光の少なくとも一部を前記第１入出力部に向け入射させると共に、前記第１入出力部から出射される前記第２光に係る出力光の少なくとも一部を前記第２撮像手段に向け入射させる第１導光手段と、
    前記第２照射手段から出射される第２光の少なくとも一部を前記第２入出力部に向け入射させると共に、前記第２入出力部から出射される第１光に係る出力光の少なくとも一部を前記第１撮像手段に向け入射させる第２導光手段とを備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。
  6. 前記第１照射手段と前記第１導光手段との間に、前記第１照射手段から出射される一方向の光のみを透過しかつ逆方向の光を遮断する第１光アイソレータを備えると共に、
    前記第２照射手段と前記第２導光手段との間に、前記第２照射手段から出射される一方向の光のみを透過しかつ逆方向の光を遮断する第２光アイソレータを備えたことを特徴とする請求項５に記載の三次元計測装置。
  7. 前記第１光に係る前記参照光と前記計測光との間に相対的な位相差を付与する第１位相シフト手段と、
    前記第２光に係る前記参照光と前記計測光との間に相対的な位相差を付与する第２位相シフト手段とを備え、
    前記画像処理手段は、
    前記第１位相シフト手段により複数通りに位相シフトされた前記第１光に係る出力光を前記第１撮像手段により撮像した複数通りの干渉縞画像を基に、位相シフト法により前記被計測物の形状に対応した位相の計測を行い、当該位相を第１計測値として取得可能な第１計測値取得手段と、
    前記第２位相シフト手段により複数通りに位相シフトされた前記第２光に係る出力光を前記第２撮像手段により撮像した複数通りの干渉縞画像を基に、位相シフト法により前記被計測物の形状に対応した位相の計測を行い、当該位相を第２計測値として取得可能な第２計測値取得手段と、
    前記第１計測値及び前記第２計測値から特定される高さ情報を、前記被計測物の高さ情報として取得可能な高さ情報取得手段とを備えた請求項１乃至６のいずれかに記載の三次元計測装置。
  8. 前記第１光に係る出力光を複数の光に分割する第１の分光手段と、
    前記第１位相シフト手段として、前記第１の分光手段により分割された複数の分割光のうち、少なくとも前記位相シフト法による計測に必要な数の分割光に対してそれぞれ異なる位相差を付与する第１のフィルタ手段と、
    前記第２光に係る出力光を複数の光に分割する第２の分光手段と、
    前記第２位相シフト手段として、前記第２の分光手段により分割された複数の分割光のうち、少なくとも前記位相シフト法による計測に必要な数の分割光に対してそれぞれ異なる位相差を付与する第２のフィルタ手段とを備え、
    前記第１撮像手段は、少なくとも前記第１のフィルタ手段を透過する前記複数の分割光を同時に撮像可能に構成され、
    前記第２撮像手段は、少なくとも前記第２のフィルタ手段を透過する前記複数の分割光を同時に撮像可能に構成されていることを特徴とする請求項７に記載の三次元計測装置。
  9. 前記分光手段は、
    第１の平面に沿った断面形状が三角形状となる三角柱形状をなし、該第１の平面と直交する方向に沿った３つの面のうちの第１面と第２面との交線を通り第３面と直交する平面に沿って第１分岐手段を有する第１の光学部材と、
    前記第１の平面と直交する第２の平面に沿った断面形状が三角形状となる三角柱形状をなし、該第２の平面と直交する方向に沿った３つの面のうちの第１面と第２面との交線を通り第３面と直交する平面に沿って第２分岐手段を有する第２の光学部材とを備え、
    前記第１の光学部材の第３面と前記第２の光学部材の第１面とを相対向するように配置することにより、
    前記第１の光学部材の前記第１面に対し入射される光を前記第１分岐手段にて２方向に分岐させ、このうち前記第１分岐手段にて反射した分割光を前記第１面にて前記第３面側に向け反射させ、前記第１分岐手段を透過した分割光を前記第２面にて前記第３面側に向け反射させることにより、前記第３面から平行する２つの分割光として出射させ、
    前記第１の光学部材の第３面から出射された２つの分割光を前記第２の光学部材の第１面に対し入射させ、該２つの分割光をそれぞれ前記第２分岐手段にて２方向に分岐させ、このうち前記第２分岐手段にて反射した２つの分割光をそれぞれ前記第１面にて前記第３面側に向け反射させ、前記第２分岐手段を透過した２つの分割光をそれぞれ前記第２面にて前記第３面側に向け反射させることにより、前記第３面から平行する４つの分割光として出射させることを特徴とする請求項８に記載の三次元計測装置。
  10. 前記第１撮像手段は、少なくとも前記第１のフィルタ手段を透過する前記複数の分割光を同時に撮像可能な単一の撮像素子を備え、
    前記第２撮像手段は、少なくとも前記第２のフィルタ手段を透過する前記複数の分割光を同時に撮像可能な単一の撮像素子を備えていることを特徴とする請求項８又は９に記載の三次元計測装置。
  11. 前記被計測物が、プリント基板に印刷されたクリーム半田、又は、ウエハ基板に形成された半田バンプであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の三次元計測装置。
JP2015239056A 2015-05-25 2015-12-08 三次元計測装置 Active JP6271493B2 (ja)

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