JP6604514B2 - 表面形状測定装置及び表面形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は表面形状測定装置及び表面形状測定方法に係り、特に白色光を光源とする走査型白色干渉計を用いて測定対象物の被測定面の３次元形状を非接触により測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関する。

表面形状測定装置は、測定対象物の被測定面の３次元形状を測定する装置であり、走査型白色干渉計を用いたものが知られている。

走査型白色干渉計は、特許文献１に記載されているように、波長幅が広い白色光（可干渉性の少ない低コヒーレンス光）を光源として用い、マイケルソン型やミロー型などの干渉計を用いて測定対象物の被測定面の３次元形状を非接触により測定する。

特許文献１に記載のように、マイケルソン型の走査型白色干渉計は、測定対象物（試料）の被測定面に対向して配置されるマイケルソン型干渉計と、被測定面を照明する白色光を出射する白色光源と、マイケルソン型干渉計により生成された干渉光を撮影するＣＣＤカメラ等を備える。

マイケルソン型干渉計は、光学顕微鏡の構成要素としての対物レンズと、対物レンズと被測定面との間に配置されるビームスプリッタと、参照ミラーとを有する。白色光源からマイケルソン干渉計に入射した白色光は、対物レンズを透過してビームスプリッタにより物体光と参照光とに分割され、物体光は被測定面に照射され、参照光は参照ミラーに照射される。そして、被測定面から戻る物体光と参照ミラーから戻る参照光とが重ね合わされて干渉光が生成され、その干渉光が対物レンズを通過してマイケルソン干渉計からＣＣＤカメラへと出射される。

これにより、ＣＣＤカメラの撮像面には、干渉像が結像され、その干渉像が干渉画像としてＣＣＤカメラの撮像素子により取得される。そして、マイケルソン型干渉計を被測定面に対して高さ方向に変位させながら干渉画像を順次取得し、取得した干渉画像から被測定面の各点（画素）ごとのインターフェログラム（干渉縞曲線）を求め、各点ごとのインターフェログラムに基づいて被測定面の各点の相対的な高さが測定される。

特開２０１３−１９７６７号公報

ところで、上述のような走査型白色干渉計において、測定対象物の被測定面が、例えば平面部と斜面部を有するような複雑な形状を有する場合等のように反射率が一定でない場合、反射率の大きい箇所で適正となるように白色光の発光量を調整すると、反射率の小さな箇所のインターフェログラムの波形振幅が小さく、測定が正しく行えない場合がある。逆に反射率の小さい箇所で適正となるように白色光の発光量を調整すると、反射率の大きい箇所のインターフェログラムが飽和してしまい（即ち、予め設定された測定レンジを超えてしまい）、測定が正しく行えない場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、測定対象物の被測定面が複雑な形状を有する場合等のように反射率が一定でない場合でも、被測定面の表面形状（３次元形状）を高感度かつ高精度に測定することができる表面形状測定装置及び表面形状測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１態様に係る表面形状測定装置は、パルス状の白色光を出射するパルス光源を有する光源部と、光源部からの白色光を物体光と参照光とに分割して物体光を測定対象物の被測定面に照射し、被測定面から戻る物体光と参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部と、測定対象物に対して干渉部を物体光の光軸方向に相対的に移動する走査手段と、干渉部からの干渉光を撮像し、干渉光による干渉画像を生成する撮像部と、走査手段により測定対象物に対して干渉部を光軸方向に相対的に移動させながら撮像部から干渉画像を順次取得し、取得した干渉画像に基づいて被測定面の各点ごとのインターフェログラムを求め、各点ごとのインターフェログラムに基づいて被測定面の各点の光軸方向の位置を検出する処理部と、光源部及び撮像部の動作を制御する制御手段と、を備え、処理部は、制御手段によりパルス光源の発光と撮像部の画像取得とが一定の相関関係を保ちながらそれぞれ周期的に行われるように制御することによって撮像部から少なくとも相対的に光量が大きい第１の干渉画像と相対的に光量が小さい第２の干渉画像とをそれぞれ取得し、第１の干渉画像及び第２の干渉画像のそれぞれに基づき各点ごとに複数のインターフェログラムを求め、複数のインターフェログラムの中から予め設定された測定レンジ内のインターフェログラムを各点ごとに選択し、選択した各点ごとのインターフェログラムに基づいて被測定面の各点の光軸方向の位置を検出する。

本発明の第２態様に係る表面形状測定装置は、第１態様において、処理部は、測定レンジ内のインターフェログラムが複数ある場合には、測定レンジ内のインターフェログラムの中から波形振幅の最大値が最も大きいインターフェログラムを選択する。

本発明の第３態様に係る表面形状測定装置は、第１態様又は第２態様において、パルス光源の発光周期は撮像部の画像取得周期よりも長く、かつパルス光源の１周期あたりの発光時間は撮像部の１周期あたりの画像取得時間よりも長い。

本発明の第４態様に係る表面形状測定装置は、第３態様において、パルス光源の発光周期は撮像部の画像取得周期の２倍である。

本発明の第５態様に係る表面形状測定方法は、パルス状の白色光を出射するパルス光源を有する光源部と、光源部からの白色光を物体光と参照光とに分割して物体光を測定対象物の被測定面に照射し、被測定面から戻る物体光と参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部と、測定対象物に対して干渉部を物体光の光軸方向に相対的に移動する走査手段と、干渉部からの干渉光を撮像し、干渉光による干渉画像を生成する撮像部と、走査手段により測定対象物に対して干渉部を光軸方向に相対的に移動させながら撮像部から干渉画像を順次取得し、取得した干渉画像に基づいて被測定面の各点ごとのインターフェログラムを求め、各点ごとのインターフェログラムに基づいて被測定面の各点の光軸方向の位置を検出する処理部と、光源部及び撮像部の動作を制御する制御手段と、を備える表面形状測定装置における表面形状測定方法であって、制御手段によりパルス光源の発光と撮像部の画像取得とが一定の相関関係を保ちながらそれぞれ周期的に行われるように制御することによって撮像部から少なくとも相対的に光量が大きい第１の干渉画像と相対的に光量が小さい第２の干渉画像とをそれぞれ取得し、第１の干渉画像及び第２の干渉画像のそれぞれに基づき各点ごとに複数のインターフェログラムを求める取得ステップと、複数のインターフェログラムの中から予め設定された測定レンジ内のインターフェログラムを各点ごとに選択する選択ステップと、選択ステップにより選択した各点ごとのインターフェログラムに基づいて被測定面の各点の光軸方向の位置を検出する検出ステップと、を備える。

本発明の第６態様に係る表面形状測定装置は、第５態様において、選択ステップは、測定レンジ内のインターフェログラムが複数ある場合には、測定レンジ内のインターフェログラムの中から波形振幅の最大値が最も大きいインターフェログラムを選択する。

本発明の第７態様に係る表面形状測定装置は、第５態様又は第６態様において、パルス光源の発光周期は撮像部の画像取得周期よりも長く、かつパルス光源の１周期あたりの発光時間は撮像部の１周期あたりの画像取得時間よりも長い。

本発明の第８態様に係る表面形状測定装置は、第７態様において、パルス光源の発光周期は撮像部の画像取得周期の２倍である。

本発明によれば、測定対象物の被測定面が複雑な形状を有する場合等のように反射率が一定でない場合でも、被測定面の表面形状（３次元形状）を高感度かつ高精度に測定することができる。

第１の実施の形態に係る表面形状測定装置の全体構成を示した構成図 ｘｙ座標上に干渉画像（撮像素子の撮像面）の画素配列を示した図 干渉縞曲線を例示した図 被測定面の異なる点の異なるｚ座標値と干渉縞曲線との関係を例示した図 第１の実施の形態に係る表面形状測定装置を用いた表面形状測定方法の一例を示したフローチャート 被測定面の任意の点に対応する複数の干渉縞曲線の一例を示した図 被測定面の任意の点に対応する複数の干渉縞曲線の一例を示した図 干渉画像の各画素（被測定面の各点に相当）に対して選択された干渉縞曲線の分布の一例を示した図 本発明の他の実施の形態に係る表面形状測定装置の全体構成を示した構成図 第２の実施の形態に係る表面形状測定装置の全体構成を示した構成図 光源の発光タイミングと撮像素子の画像取得タイミングとの関係を示したタイミングチャート図 第２の実施の形態に係る表面形状測定装置による表面形状測定方法の一例を示したフローチャート 第２の実施の形態の変形例を示した図 第２の実施の形態の他の変形例を示した図

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。

図１は、第１の実施の形態に係る表面形状測定装置の全体構成を示した構成図である。

図１に示すように、第１の実施形態に係る表面形状測定装置１は、ミロー型の干渉計を用いて測定対象物の表面形状等を非接触により３次元測定する所謂、ミロー型の走査型白色干渉計（顕微鏡）であり、測定対象物Ｐの干渉画像を取得する光学部２と、測定対象物Ｐが載置されるステージ１０と、光学部２の各種制御や光学部２により取得された干渉画像に基づいて各種演算処理を行うパーソナルコンピュータ等の演算処理装置からなる処理部１８等を備える。

なお、測定対象物Ｐが配置される測定空間において、互いに直交する水平方向の２つの座標軸をｘ軸（紙面に平行する軸）とｙ軸（紙面に直交する軸）とし、ｘ軸及びｙ軸に直交する鉛直方向の座標軸をｚ軸とする。

ステージ１０は、ｘ軸及びｙ軸に略平行する平坦な上面であって測定対象物Ｐを載置するステージ面１０ａを有する。

ステージ面１０ａに対向する位置、即ち、ステージ１０の上側には、不図示の筐体により一体的に収容保持された光学部２が配置される。

光学部２は、ｘ軸に平行な光軸Ｌ１を有する光源部１２と、ｚ軸に平行な光軸Ｌ０を有する干渉部１４及び撮像部１６とを有する。光源部１２の光軸Ｌ１は、干渉部１４及び撮像部１６の光軸Ｌ０に対して直交し、干渉部１４と撮像部１６との間において光軸Ｌ０と交差する。なお、光軸Ｌ１は、必ずしもｘ軸と平行でなくてもよい。

光源部１２は、測定対象物Ｐを照明する照明光として波長幅が広い白色光（可干渉性の少ない低コヒーレンス光）を出射する光源４０と、光源４０から拡散して出射された照明光を略平行な光束に変換するコレクタレンズ４２とを有する。光源４０及びコレクタレンズ４２の各々の中心とする軸は光源部１２の光軸Ｌ１として同軸上に配置される。

また、光源４０としては、発光ダイオード、半導体レーザ、ハロゲンランプ、高輝度放電ランプなど、任意の種類の発光体を用いることができる。

この光源部１２から出射された照明光は、干渉部１４と撮像部１６との間に配置され、光軸Ｌ１と光軸Ｌ０とが交差する位置に配置されたハーフミラー等のビームスプリッタ４４に入射する。そして、ビームスプリッタ４４（ビームスプリッタ４４の平坦な光分割面（反射面））で反射した照明光が光軸Ｌ０に沿って進行して干渉部１４に入射する。

干渉部１４は、周知のミロー型干渉計により構成され、光源部１２から入射した照明光を物体光と参照光とに分割し、物体光をｚ軸方向（第１方向）を光軸として測定対象物Ｐに照射して測定対象物Ｐから戻る物体光を参照光により干渉させた干渉光を生成する。

干渉部１４は、集光作用を有する対物レンズ５０と、光を反射する平坦な反射面を有する参照ミラー５２と、光を分割する平坦な光分割面を有するビームスプリッタ５４を有する。対物レンズ５０、参照ミラー５２、及びビームスプリッタ５４の各々の中心とする軸は干渉部１４の光軸Ｌ０として同軸上に配置される。参照ミラー５２は例えば対物レンズ５０の中心表面部分に設置される。

光源部１２からこの干渉部１４に入射した照明光は、対物レンズ５０により集光作用を受けた後、ビームスプリッタ５４に入射する。

ビームスプリッタ５４は、例えばハーフミラーであり、ビームスプリッタ５４に入射した照明光は、ビームスプリッタ５４を透過する物体光と、ビームスプリッタ５４の光分割面で反射する参照光とに分割される。

ビームスプリッタ５４を透過した物体光は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓに照射された後、被測定面Ｓから干渉部１４へと戻り、再度、ビームスプリッタ５４に入射する。そして、ビームスプリッタ５４を透過した物体光が対物レンズ５０に入射する。

一方、ビームスプリッタ５４で反射した参照光は、参照ミラー５２の光反射面で反射した後、再度、ビームスプリッタ５４に入射する。そして、ビームスプリッタ５４で反射した参照光が対物レンズ５０に入射する。

これによって、干渉部１４から被測定面Ｓに照射されて干渉部１４に戻る物体光と、参照ミラー５２で反射した参照光とが重ね合わされた干渉光が生成され、その干渉光が対物レンズ５０により集光作用を受けた後、干渉部１４から撮像部１６に向けて出射される。

また、ビームスプリッタ５４（光分割面）は、対物レンズ５０の焦点面（対物レンズ５０の焦点を通り、光軸Ｌ０に垂直な平面）に対して距離ｈだけ対物レンズ５０側に近くなる位置、即ち、対物レンズ５０の焦点面に対して距離ｈだけ高い位置に配置される。

参照ミラー５２（反射面）は、ビームスプリッタ５４（光分割面）に対して距離ｈだけ対物レンズ５０側に近くなる位置、即ち、ビームスプリッタ５４に対して距離ｈだけ高い位置に配置される。

したがって、ビームスプリッタ５４と参照ミラー５２とは、対物レンズ５０の焦点面の位置で反射した物体光の光路長と参照光の光路長とが等しくなるように配置される。

なお、対物レンズ５０の焦点距離をＨｓとすると、距離ｈを２倍した値２ｈ、即ち、対物レンズ５０の焦点面から参照ミラー５２までの距離２ｈは、対物レンズ５０の焦点距離Ｈｓよりも小さい。

また、照明光が物体光と参照光とに分割された後、物体光と参照光とが重ね合わされるまでの物体光と参照光の各々が通過した光路の光学的距離を、物体光の光路長及び参照光の光路長といい、それらの差を物体光と参照光の光路長差というものとする。

また、干渉部１４は、光学部２においてｚ軸方向に直線移動可能に設けられる。そして、干渉部アクチュエータ５６の駆動により干渉部１４がｚ軸方向に移動する。これにより、対物レンズ５０の焦点面の位置（高さ）がｚ軸方向に移動すると共に、被測定面Ｓとビームスプリッタ５４との距離が変化することで物体光の光路長が変化し、物体光と参照光との光路長差が変化する。なお、干渉部アクチュエータ５６は、走査手段の一例である。

撮像部１６は、干渉部１４からの干渉光を受光して干渉光による干渉画像を生成する撮像部であり、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラに相当し、ＣＣＤ型の撮像素子６０と、結像レンズ６２とを有する。撮像素子６０と結像レンズ６２の各々の中心とする軸は撮像部１６の光軸Ｌ０と同軸上に配置される。なお、撮像素子６０は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の撮像素子等、任意の撮像手段を用いる
ことができる。

干渉部１４から出射された干渉光は、上述のビームスプリッタ４４に入射し、ビームスプリッタ４４を透過した干渉光が撮像部１６に入射する。

撮像部１６に入射した干渉光は、結像レンズ６２により撮像素子６０の撮像面６０ａに干渉像を結像する。ここで、結像レンズ６２は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの光軸Ｌ０周辺の領域に対する干渉像を高倍率に拡大して撮像素子６０の撮像面６０ａに結像する。

また、結像レンズ６２は、干渉部１４の対物レンズ５０の焦点面上における点を、撮像素子６０の撮像面上の像点として結像する。即ち、撮像部１６は、対物レンズ５０の焦点面の位置にピントが合うように（合焦するように）設計されている。なお、以下において、測定対象物Ｐの焦点面のｚ軸方向の位置を単に「ピント位置」、又は、「撮像部１６のピント位置」というものとする。

撮像素子６０の撮像面６０ａに結像された干渉像は、撮像素子６０により電気信号に変換されて干渉画像として取得される。そして、その干渉画像は、処理部１８に与えられる。

以上のように光源部１２、干渉部１４、及び撮像部１６等により構成される光学部２は、全体が一体的としてｚ軸方向に直進移動可能に設けられる。例えば、光学部２は、ｚ軸方向に沿って立設された不図示のｚ軸ガイド部に直進移動可能に支持される。そして、ｚアクチュエータ７０の駆動により光学部２全体がｚ軸方向に直進移動する。これにより、干渉部１４をｚ軸方向に移動させる場合よりも、撮像部１６のピント位置をｚ軸方向に大きく移動させることができ、例えば、測定対象物Ｐの厚さ等に応じて撮像部１６のピント位置を適切な位置に調整することができる。

処理部１８は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの表面形状を測定する際に、干渉部アクチュエータ５６を制御して光学部２の干渉部１４をｚ軸方向（第１方向）に移動させながら撮像部１６の撮像素子６０から干渉画像を順次取得する。そして、取得した干渉画像に基づいて被測定面Ｓの各点ごとのインターフェログラム（以下、「干渉縞曲線」ともいう。）を求め、各点ごとのインターフェログラムに基づいて被測定面の各点のｚ軸方向に関する位置を求め、被測定面Ｓの表面形状を示す３次元形状データを取得する。

被測定面Ｓの３次元形状データを取得する処理について説明すると、撮像部１６の撮像素子６０は、ｘ軸及びｙ軸からなるｘｙ平面（水平面）に沿って２次元的に配列された多数の受光素子（画素）からなり、各画素において受光される干渉像の輝度値、即ち、撮像素子６０により取得される干渉画像の各画素の輝度値は、各画素に対応する被測定面Ｓの各点で反射した物体光と参照光との光路長差に応じた干渉光の強度（輝度情報）を示す。

ここで、図２に示すように、干渉画像（撮像素子６０の撮像面）のｍ列目、ｎ行目の画素を（ｍ，ｎ）と表すものとする。そして、画素（ｍ，ｎ）のｘ軸方向に関する位置（以下、ｘ軸方向に関する位置を「ｘ位置」という）を示すｘ座標値をｘ（ｍ，ｎ）と表し、ｙ軸方向に関する位置（以下、ｙ軸方向に関する位置「ｙ位置」という）を示すｙ座標値をｙ（ｍ，ｎ）と表すものとする。

また、画素（ｍ，ｎ）に対応する測定対象物Ｐの被測定面Ｓ上の点のｘ位置を示すｘ座標値をＸ（ｍ，ｎ）と表し、ｙ位置を示すｙ座標値をＹ（ｍ，ｎ）と表すものとし、また、その点をｘｙ座標値により（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））と表すものとする。なお、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点とは、ピントが合っている状態において画素（ｍ，ｎ）の位置に像点が結像される被測定面Ｓ上の点を意味する。

このとき、撮像素子６０により取得される干渉画像の画素（ｍ，ｎ）の輝度値は、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された物体光と参照光との光路長差に応じた大きさを示す。そして、その光路長差が０となる場合に最も大きな値を示す。

即ち、図１の干渉部アクチュエータ５６により干渉部１４をｚ軸方向に移動させて光学部２（撮像部１６）に対する干渉部１４の相対的なｚ軸方向の位置（以下、「ｚ位置」という）を変位させると、撮像部１６のピント位置（対物レンズ５０の焦点面）もｚ軸方向に移動し、ピント位置も干渉部１４と同じ変位量で変位する。また、ピント位置が変位すると、被測定面Ｓの各点に照射される物体光の光路長も変化する。

そして、干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置を変位させながら、即ち、物体光の光路長を変化させながら、撮像素子６０から干渉画像を順次取得して干渉画像の任意の画素（ｍ，ｎ）の輝度値を検出すると、ピント位置のｚ座標値に対して図３のような干渉縞曲線（インターフェログラム）Ｑに沿った輝度値が得られる。

ここで、処理部１８は、干渉部１４の所定の基準位置からの変位量（干渉部１４のｚ位置）を、ポテンショメータやエンコーダなどの不図示の位置検出手段からの検出信号により検出することができ、または、位置検出手段を使用することなく干渉部１４のｚ位置を制御する場合、例えば、干渉部アクチュエータ５６に与える駆動信号により一定変位量ずつ干渉部１４を移動させる場合には、その総変位量により検出することができる。そして、干渉部１４が基準位置のときのピント位置のｚ位置を測定空間におけるｚ座標の基準位置（原点位置）として、かつ、干渉部１４の基準位置からの変位量をピント位置のｚ座標値として取得することができる。なお、ｚ座標値は、原点位置よりも高い位置（撮像部１６に近づく位置）を正側、低い位置（ステージ面１０ａに近づく位置）を負側とする。また、干渉部１４の基準位置、即ち、ｚ座標の原点位置は任意のｚ位置に設定、変更することができる。

任意の画素（ｍ，ｎ）における干渉縞曲線Ｑは、その画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された物体光と参照光との光路長差が所定値より大きい場合には略一定の輝度値を示し、光路長差がその所定値より小さいときには、光路長差が減少するにつれて輝度値が振動すると共にその振幅が大きくなる。

したがって、干渉縞曲線Ｑは、物体光と参照光との光路長が一致したときに（光路長差が０のときに）、最大値を示すと共に、その干渉縞曲線Ｑの包絡線における最大値を示す。

また、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された物体光と参照光との光路長は、撮像部１６のピント位置が被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ位置に一致したときに一致する。

したがって、干渉縞曲線Ｑが最大値を示すとき（又は干渉縞曲線Ｑの包絡線が最大値を示すとき）のピント位置は、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ位置に一致しており、そのときのピント位置のｚ座標値は、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値を示す。

以上のことから、処理部１８は、干渉部アクチュエータ５６により干渉部１４をｚ軸方向（第１方向）に移動させてピント位置をｚ軸方向に移動させながら（物体光の光路長を変化させながら）、撮像素子６０から干渉画像を順次取得し、各画素（ｍ，ｎ）の輝度値をピント位置のｚ座標値に対応付けて取得する。即ち、ピント位置をｚ軸方向に走査しながら干渉画像の各画素（ｍ，ｎ）の輝度値を取得する。そして、各画素（ｍ，ｎ）について、図３のような干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を、各画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）として検出する。

なお、Ｚ（ｍ，ｎ）は、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値を示す。

また、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出する方法は周知であり、どのような方法を採用してもよい。例えば、ピント位置の微小間隔ごとのｚ座標値において干渉画像を取得することで、各画素（ｍ，ｎ）について、図３のような干渉縞曲線Ｑを実際に描画することができる程度に輝度値を取得することができ、取得した輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することができる。または、ピント位置の各ｚ座標値において取得した輝度値に基づいて最小二乗法等により干渉縞曲線Ｑを推測し、又は、干渉縞曲線Ｑの包絡線を推測し、その推測した干渉縞曲線Ｑ又は包絡線に基づいて輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することができる。

以上のようにして、処理部１８は、干渉画像（撮像素子６０の撮像面６０ａ）の各画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の各点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を検出することで、被測定面Ｓ上の各点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））の相対的な高さを検出することができる。そして、被測定面Ｓ上の各点のｘ座標値Ｘ（ｍ，ｎ）、ｙ座標値Ｙ（ｍ，ｎ）、及びｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を被測定面Ｓの３次元形状データ（表面形状を示すデータ）として取得することができる。例えば、図４に示すようにｘ軸方向に並ぶ３つの画素に対応する被測定面Ｓ上の３点におけるｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３が相違する場合に、ピント位置をｚ軸方向に走査しながら干渉画像のそれらの画素の輝度値を取得すると、それらの画素の各々に関してピント位置がｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３のときに輝度値が最大値を示す干渉縞曲線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が取得される。したがって、それらの干渉縞曲線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、それらの画素に対応する被測定面Ｓ上の３点におけるｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３を検出することができる。

ところで、測定対象物Ｐの被測定面Ｓが、例えば平面部と斜面部を有するような複雑な形状を有する場合、反射率の大きい箇所で適正となるように白色光の発光量を調整すると、反射率の小さな箇所の干渉縞曲線の波形振幅が小さく、測定が正しく行えない場合がある。逆に反射率の小さい箇所で適正となるように白色光の発光量を調整すると、反射率の大きい箇所の干渉縞曲線が飽和してしまい（即ち、予め設定された測定レンジを超えてしまい）、測定が正しく行えない場合がある。

これに対し、第１の実施の形態の表面形状測定装置１では、上記課題を解決するために、白色光の発光量が互いに異なる測定条件で２回の測定を行い、各々の測定によって第１干渉縞曲線及び第２干渉縞曲線を各点ごとに求め、第１干渉縞曲線及び第２干渉縞曲線の中から各点ごとに適した干渉縞曲線を選択し、選択した各点ごとの干渉縞曲線に基づいて被測定面の各点の相対的な高さ（ｚ座標値）を検出する処理を行う。

このような処理を実現するため、第１の実施の形態の表面形状測定装置１は、図１に示すように、制御手段の一例として光源制御部７２を備えている。光源制御部７２は、光源４０から出射される白色光の発光量（光源光量）を制御する。具体的には、光源制御部７２は、処理部１８により測定対象物に対する測定条件を互いに異ならせて２回の測定が行われる際、１回目の測定における発光量（第１発光量）と、２回目の測定における発光量（第２発光量）とを決定し、それぞれの測定において決定した発光量となるように光源４０の発光量を制御する。第１発光量と第２発光量は互いに異なる発光量である。例えば、第１発光量は被測定面Ｓの反射率が低い場合に適正な大光量であり、第２発光量は被測定面Ｓの反射率が高い場合に適正な小光量である。

図５は、第１の実施の形態に係る表面形状測定装置による表面形状測定方法の一例を示したフローチャートである。

ステージ１０のステージ面１０ａに測定対象物Ｐが載置され、例えば、図１の入力部２２により測定開始が指示されると、まず、図５のステップＳ１０の工程（第１測定条件設定工程）として、光源制御部７２は、光源４０から出射される白色光の発光量が第１発光量（大光量）となるように制御を行う。

次に、ステップＳ１２の工程（第１インターフェログラム取得工程）として、処理部１８は、干渉部アクチュエータ５６を制御して光学部２の干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置をｚ軸方向に移動させながら撮像素子６０から干渉画像を順次取得し、取得した干渉画像に基づいて被測定面Ｓの各点（即ち、干渉画像の各画素）ごとに第１干渉縞曲線（第１インターフェログラム）を取得する。

次に、ステップＳ１４の工程（第２測定条件設定工程）として、光源制御部７２は、光源４０から出射される白色光の発光量が第２発光量（小光量）となるように制御を行う。

次に、ステップＳ１６の工程（第２インターフェログラム取得工程）として、ステップＳ１２（第１インターフェログラム取得工程）の工程と同様に、処理部１８は、干渉部アクチュエータ５６を制御して光学部２の干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置をｚ軸方向に移動させながら撮像素子６０から干渉画像を順次取得し、取得した干渉画像に基づいて被測定面Ｓの各点（即ち、干渉画像の各画素）ごとに第２干渉縞曲線（第２インターフェログラム）を取得する。

次に、ステップＳ１８の工程（第１選択工程）として、処理部１８は、第１干渉縞曲線（第１インターフェログラム）及び第２干渉縞曲線（第２インターフェログラム）の中から予め設定された測定レンジ内にある干渉縞曲線を選択し、この処理を全ての点（画素）に対して行う。

図６は、被測定面Ｓの任意の点（干渉画像における任意の画素）に対する第１干渉縞曲線Ｑａと第２干渉縞曲線Ｑｂの一例を示した図である。本例において、第１干渉縞曲線Ｑａは白色光の発光量が第１発光量（大光量）であるときに取得されたものである。そのため、被測定面Ｓの任意の点における反射率が高い箇所である場合には、図６の（ａ）に示すように第１干渉縞曲線Ｑａは予め設定された測定レンジを超えてしまい、第１干渉縞曲線Ｑａの輝度値が最大値（波形振幅の最大値）を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することが困難となる場合がある。一方、第２干渉縞曲線Ｑｂは、第１干渉縞曲線Ｑａを取得するときの測定条件とは異なる測定条件、即ち、第１干渉縞曲線Ｑａを取得するときの白色光の第１発光量（大光量）よりも少ない第２発光量（小光量）で取得されたものであるため、図６の（ｂ）に示すように第２干渉縞曲線Ｑｂは予め設定された測定レンジ内におさまり、第２干渉縞曲線Ｑｂの輝度値が最大値（波形振幅の最大値）を示すときのピント位置のｚ座標値を安定かつ正確に検出することが可能となる。

そこで、第１の実施の形態においては、被測定面Ｓの任意の点（干渉画像における任意の画素）に対して得られた第１干渉縞曲線及び第２干渉縞曲線の中から測定レンジ内にある干渉縞曲線を選択し、選択した干渉縞曲線（図６に示した例の場合、第２干渉縞曲線Ｑｂ）の輝度値が最大値（波形振幅の最大値）を示すときのピント位置のｚ座標値を被測定面の点におけるｚ座標値Ｚとして検出する。

次に、ステップＳ２０の工程（第２選択工程）として、処理部１８は、上述したステップＳ１８（第１選択工程）において被測定面Ｓの任意の点に対して複数の干渉縞曲線が選択された場合（即ち、第１干渉縞曲線と第２干渉縞曲線がいずれも測定レンジ内である場合）には、これらの干渉縞曲線の中から波形振幅の最大値が最も大きい干渉縞曲線を選択し、この処理を全ての点（画素）に対して行う。

図７は、被測定面Ｓの任意の点（画素）に対する第１干渉縞曲線Ｑａと第２干渉縞曲線Ｑｂがいずれも予め設定された測定レンジ内にある場合を示した図である。図７に示した例の場合、ステップＳ１８の工程（第１選択工程）では、第１干渉縞曲線Ｑａと第２干渉縞曲線Ｑｂがいずれも予め設定された測定レンジ内にあるので、第１干渉縞曲線Ｑａと第２干渉縞曲線Ｑｂとの両方が選択される。このような場合、干渉縞曲線が測定レンジ内であってもその波形振幅が小さすぎると、輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を正確に検出できない場合がある。そこで、第１の実施の形態では、図７に示した例の場合には、ステップＳ２０の工程（第２選択工程）として、測定レンジ内にある第１干渉縞曲線Ｑａと第２干渉縞曲線Ｑｂの中から波形振幅の最大値が最も大きい干渉縞曲線Ｑａを選択する。

図８は、干渉画像の各画素（被測定面の各点に相当）に対して選択された干渉縞曲線の分布の一例を示した図である。図８に示した例において、干渉画像の中央部に対応する被測定面Ｓの部分は反射率の低い箇所であり、この部分に対応する各点（画素）は白色光の発光量が第１発光量（大光量）であるときに取得された第１干渉縞曲線（第１インターフェログラム）Ｑａが選択される。また、干渉画像の周辺部に対応する被測定面Ｓの部分は反射率の高い箇所であり、この部分に対応する各点（画素）は白色光の発光量が第１発光量よりも小さい第２発光量（小光量）であるときに取得された第２干渉縞曲線（第２インターフェログラム）Ｑｂが選択される。

次に、ステップＳ２２の工程（検出工程）として、処理部１８は、被測定面Ｓの各点ごとに選択した干渉縞曲線に基づき、被測定面Ｓの表面形状を示す３次元形状データを取得する。即ち、被測定面Ｓ上の各点のｘ座標値Ｘ（ｍ，ｎ）、ｙ座標値Ｙ（ｍ，ｎ）、及びｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を被測定面Ｓの３次元形状データとして取得する。被測定面Ｓの３次元形状データを取得する処理については上述のとおりである。

以上の処理が終了すると、測定対象物Ｐの表面形状の測定が終了となる。

なお、図５に示したステップＳ１０（第１測定条件設定工程）、ステップＳ１２（第１インターフェログラム取得工程）、ステップＳ１４（第２測定条件設定工程）、及びステップＳ１６（第２インターフェログラム取得工程）が本発明の「取得ステップ」に相当する。また、ステップＳ１８（第１選択工程）及びステップＳ２０（第２選択工程）が本発明の「選択ステップ」に相当する。また、ステップＳ２２（検出工程）が本発明の「検出ステップ」に相当する。

このように第１の実施の形態においては、被測定面Ｓの各点（画素）ごとに、第１干渉縞曲線と第２干渉縞曲線の中から予め設定された測定レンジ内であり、かつ波形振幅の最大値が最も大きい干渉縞曲線が選択される。即ち、被測定面Ｓの形状、材質などによる反射率の違いに応じて適正な干渉縞曲線が被測定面の各点ごとに選択されるので、被測定面Ｓが複雑な形状を有する場合等のように反射率が一定でない場合でも、被測定面Ｓの表面形状（３次元形状）を高感度かつ高精度に測定することが可能となる。

なお、第１の実施の形態では、制御手段の一例として光源制御部７２を備える態様を示したが、これに限らず、例えば、図９に示すように、撮像制御部７４を備えていてもよい。撮像制御部７４は、撮像部１６における撮像素子６０のゲイン、露光時間、図示しない絞り手段の絞り値などを制御する。この態様においても、第１の実施の形態における態様と同様に、互いに異なる測定条件（即ち、撮像部１６のゲイン、露光時間、絞り値など）で取得された第１干渉縞曲線と第２干渉縞曲線の中から被測定面Ｓの形状、材質などによる反射率の違いに応じて適正な干渉縞曲線を被測定面Ｓの各点ごとに選択することにより、被測定面Ｓが複雑な形状を有する場合でも、被測定面Ｓの表面形状（３次元形状）を高感度かつ高精度に測定することが可能となる。

また、図示は省略するが、制御手段の一例として図１の光源制御部７２と図９の撮像制御部７４の両方を備える態様であってもよい。この場合、測定対象物Ｐに対する測定条件として、光源４０から出射される白色光の発光量、撮像部１６におけるゲイン、露光時間、絞り値などを組み合わせて測定条件を設定することにより、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの形状、材質などによる反射率の違いに応じて最適化を図ることが可能となる。

また、第１の実施の形態では、測定対象物Ｐに対する測定条件を変更して２回の測定を行い、測定条件が互いに異なる第１干渉縞曲線と第２干渉縞曲線を各点ごとに取得しているが、測定対象物Ｐに対する測定回数は３回以上であってもよい。この場合、測定条件が高いに異なる複数（即ち、３つ以上）の干渉縞曲線が取得されるが、複数の干渉縞曲線の中から測定レンジ内であり、かつ波形振幅の最大値が最も大きい干渉縞曲線を選択すればよい。これにより、被測定面Ｓがより複雑な形状を有する場合でも、被測定面Ｓの表面形状（３次元形状）を安定かつ確実に測定することが可能となる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、測定対象物Ｐの被測定面Ｓが複雑な形状を有する場合等のように反射率が一定でない場合でも、被測定面Ｓの表面形状（３次元形状）を高感度かつ高精度に測定できるようにしたものであるが、測定対象物Ｐに対する測定条件（例えば、白色光の発光量）が互いに異なる測定条件で複数回（少なくとも２回）測定する必要があるため、測定時間がかかるという新たな問題が生ずる。また、複数回測定を行うためには、干渉部１４をｚ軸方向に移動させる走査処理を繰り返し行わなければならず、この走査処理の繰り返しによる誤差が大きくなると測定精度に悪影響を及ぼす可能性がある。

第２の実施形態は、第１の実施の形態における課題を解決すべく、測定対象物Ｐに対して複数回測定を行わなくても一度の測定だけで、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができ、さらに、第１の実施の形態に比べて測定時間の短縮化を図ることができるとともに、走査処理の繰り返しによる誤差の影響をなくして測定精度を向上させたものである。以下、第２の実施形態について詳細を説明する。なお、第１の実施の形態と共通する部分については説明を省略し、第２の実施の形態の特徴的部分を中心に説明する。

図１０は、第２の実施の形態に係る表面形状測定装置の全体構成を示した構成図である。図１０中、図１又は図９と共通又は類似する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１０に示すように、第２の実施の形態に係る表面形状測定装置１Ａの光源部１２には、パルス状の白色光（パルス光）を周期的に出射するパルス光源からなる光源４０を備えている。

また、この表面形状測定装置１Ａは、光源制御部７２及び撮像制御部７４を有するとともに、処理部１８には、同期信号生成部８０と、発光タイミング信号生成部８２と、画像取得タイミング信号生成部８４とが設けられている。なお、図１０では、同期信号生成部８０、発光タイミング信号生成部８２、及び画像取得タイミング信号生成部８４が処理部１８の構成要素の一部である場合を一例として示したが、これに限らず、これらの一部又は全部が処理部１８とは別に構成されていてもよい。

同期信号生成部８０は、図示しないクロック信号生成部から出力されたクロック信号に基づいて同期信号ＴＧ０を生成する。同期信号生成部８０で生成された同期信号ＴＧ０は、発光タイミング信号生成部８２、及び画像取得タイミング信号生成部８４に対して出力される。

発光タイミング信号生成部８２は、同期信号生成部８０から出力された同期信号ＴＧ０に同期して所定時間の間（走査処理が行われている間）一定の周期で光源４０への発光タイミング信号ＴＧ１を出力する。

画像取得タイミング信号生成部８４は、同期信号生成部８０から出力された同期信号に同期して所定時間の間（走査処理が行われている間）一定の周期で撮像素子６０への画像取得タイミング信号ＴＧ２を出力する。

光源制御部７２は、発光タイミング信号生成部８２から出力された発光タイミング信号ＴＧ１に基づいて光源４０の駆動を制御する。すなわち、光源制御部７２は、発光タイミング信号ＴＧ１がオンのときに光源４０を発光させ、発光タイミング信号ＴＧ１がオフのときに光源４０の発光を停止させる。これにより、光源４０は、同期信号ＴＧ０に同期した所定周期（後述する発光周期Ｔ１）でパルス光を発光する。

撮像制御部７４は、画像取得タイミング信号生成部８４から出力された画像取得タイミング信号ＴＧ２に基づいて撮像素子６０の駆動を制御する。すなわち、撮像制御部７４は、画像取得タイミング信号ＴＧ２がオンのときに撮像素子６０による画像取得（画像読み出し）を実行し、画像取得タイミング信号ＴＧ２がオフのときに撮像素子６０による画像読み出しを停止する。これにより、撮像素子６０は、同期信号ＴＧ０に同期した所定周期（後述する画像取得周期Ｔ２）で画像取得を行う。

ここで、光源４０の発光タイミングと撮像素子６０の画像取得タイミングとの関係について図１１を参照して説明する。図１１は、光源４０の発光タイミングと撮像素子６０の画像取得タイミングとの関係を示したタイミングチャート図である。図１１において、（ａ）は発光タイミング信号ＴＧ１、（ｂ）は画像取得タイミング信号ＴＧ２、（ｃ）は１周期あたりの画像取得で得られた干渉画像（１フレームあたりの画像）の露光量をそれぞれ示したものである。なお、図１１の（ｂ）においてドットハッチングで示した発光対応領域は光源４０が発光しているときに画像取得が行われる領域（時間帯）を表したものである。

第２の実施の形態においては、図１１の（ａ）、（ｂ）に示すように、光源４０の発光周期（発光間隔）Ｔ１が撮像素子６０の画像取得周期（画像読み出し間隔）Ｔ２に対して２倍となるように設定されている。また、光源４０の１周期あたりの発光時間Ｔａが撮像素子６０の１周期あたりの画像取得時間Ｔｂよりも長くなるように設定されている。この関係により、図１１の（ｃ）に示すように、相対的に露光量が大きい干渉画像（大光量画像、第１の干渉画像の一例）と、相対的に露光量が小さい干渉画像（小光量画像、第２の干渉画像の一例）とが交互に得られる。すなわち、フレーム番号が０，２，４，６，・・・である偶数フレーム画像は大光量画像となり、フレーム番号が１，３，５，７，・・・である奇数フレーム画像は小光量画像となる。

このように第２の実施の形態では、撮像素子６０における画像取得タイミングとの間に一定の相関関係を保って、一定間隔で光源４０が発光するようになっている。すなわち、光源４０の発光と撮像素子６０の画像取得とが一定の相関関係を保ちながらそれぞれ周期的に行われるように制御される。これによって、干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置を変位させながら、撮像素子６０から干渉画像を順次取得する際、相対的に露光量が大きい（すなわち、画像取得時間に対して光照射時間が相対的に大きい）干渉画像（大光量画像）と、相対的に露光量が小さい（すなわち、画像取得時間に対して光照射時間が相対的に小さい）干渉画像（低光量画像）を交互に取得することが可能となる。したがって、１回の測定で、光量が互いに異なる干渉画像（大光量画像及び小光量画像）を順次取得することができ、各干渉画像から第１干渉縞曲線（第１インターフェログラム）及び第２干渉縞曲線（第２インターフェログラム）を取得することが可能となる。その結果、第１の実施の形態と同様に、測定対象物Ｐの被測定面Ｓが複雑な形状を有する場合等のように反射率が一定でない場合でも、被測定面Ｓの表面形状（３次元形状）を高感度かつ高精度に測定できる。

次に、第２の実施の形態に係る表面形状測定装置１Ａによる表面形状測定方法について図１２を参照して説明する。図１２は、第２の実施の形態に係る表面形状測定装置による表面形状測定方法の一例を示したフローチャートである。なお、図１２において、図５に示した処理と共通する処理には同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略する。

第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様にして測定開始が指示されると、まず、図１２のステップＳ３０の工程（制御工程）として、光源４０の発光と撮像素子６０の画像取得とが同期するように制御を行う。具体的には、光源制御部７２は、発光タイミング信号生成部８２から出力された発光タイミング信号ＴＧ１に基づいて光源４０の駆動を制御する。これにより、光源４０は同期信号ＴＧ０に同期した発光周期Ｔ１でパルス光を発光する。また、撮像制御部７４は、画像取得タイミング信号生成部８４から出力された画像取得タイミング信号ＴＧ２に基づいて撮像素子６０の駆動を制御する。これにより、撮像素子６０は同期信号ＴＧ０に同期した画像取得周期Ｔ２で画像取得を行う。なお、発光周期Ｔ１は画像取得周期Ｔ２の２倍となるように設定されている。

次に、ステップＳ３２の工程（画像取得工程）として、処理部１８は、干渉部アクチュエータ５６を制御して光学部２の干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置をｚ軸方向に移動させながら撮像素子６０から干渉画像を順次取得する。これにより、相対的に露光量が大きい（すなわち、画像取得時間に対して光照射時間が相対的に大きい）干渉画像（大光量画像）と、相対的に露光量が小さい（すなわち、画像取得時間に対して光照射時間が相対的に小さい）干渉画像（低光量画像）とが交互に取得される。なお、取得した干渉画像は、大光量画像（偶数フレーム画像）と小光量画像（奇数フレーム画像）とに分けて画像メモリ（不図示）に保存される。

次に、ステップＳ３４の工程（第１インターフェログラム取得工程）として、処理部１８は、メモリに保存された複数の大光量画像（偶数フレーム画像）に基づいて被測定面Ｓの各点（即ち、干渉画像の各画素）ごとに第１干渉縞曲線（第１インターフェログラム）を取得する。

次に、ステップＳ３６の工程（第２インターフェログラム取得工程）として、処理部１８は、メモリに保存された複数の小光量画像（奇数フレーム画像）に基づいて被測定面Ｓの各点（即ち、干渉画像の各画素）ごとに第２干渉縞曲線（第２インターフェログラム）を取得する。その後の処理は第１の実施の形態と同様である。

このように第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態において複数回測定が必要だった測定対象物Ｐに対して、１回の測定（走査処理）で大光量画像と小光量画像が交互に取得されるので、これらの画像から被測定面Ｓの各点（画素）ごとに第１干渉縞曲線と第２干渉縞曲線を取得することができ、第１の実施の形態と同様な効果を得ることが可能となり、さらに第１の実施の形態よりも測定時間の短縮化を図ることができるとともに、複数回の測定による走査処理の繰り返しによる誤差も生じないので測定精度を向上させることができる。

なお、第２の実施の形態では、好ましい態様の一例として、光源４０の発光周期Ｔ１が撮像素子６０の画像取得周期Ｔ２よりも長く、かつ光源４０の１周期あたりの発光時間Ｔａが撮像素子６０の画像取得時間Ｔｂよりも長く設定された構成を示したが、本発明の実施に際しては、１回の測定（走査処理）で光量が互いに異なる複数種類の干渉画像が交互に繰り返し取得できるように、光源４０の発光と撮像素子６０の画像取得とが一定の相関関係を保ちながらそれぞれ周期的に行われるものであればよい。

図１３は、第２の実施の形態の変形例を示した図であり、光源４０の発光タイミングと撮像素子６０の画像取得タイミングとの関係を示したタイミングチャート図である。

図１３に示した変形例では、光源４０の発光周期Ｔ１が撮像素子６０の画像取得周期Ｔ２の３倍となるように設定されている。また、光源４０の１周期あたりの発光時間Ｔａが撮像素子６０の１周期あたりの画像取得時間Ｔｂよりも長くなるように設定されている。この関係により、図１３の（ｃ）に示すように、相対的に露光量が大きい干渉画像（大光量画像）と、相対的に露光量が小さい干渉画像（小光量画像）とが交互に得られる。すなわち、フレーム番号が０，１，３，４，６，７・・・であるフレーム画像は大光量画像となり、フレーム番号が２，５，・・・であるフレーム画像は小光量画像となる。

したがって、干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置を変位させながら、撮像素子６０から干渉画像を順次取得する際、大光量画像、大光量画像、小光量画像の順で、各画像が周期的に取得される。すなわち、１回の測定で、光量が互いに異なる干渉画像（大光量画像及び小光量画像）を取得することができ、各干渉画像から第１干渉縞曲線（第１インターフェログラム）及び第２干渉縞曲線（第２インターフェログラム）を取得することが可能となり、これらの干渉縞曲線の中から予め設定された測定レンジ内であり、かつ波形振幅の最大値が最も大きい干渉縞曲線を選択することにより、上述した第２の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

また、第２の実施の形態では、発光タイミング信号ＴＧ１と画像取得タイミング信号ＴＧ２との位相が一致している場合を示したが、本発明はこれに限らない。すなわち、本発明においては、１回の測定で少なくとも大光量画像と小光量画像が周期的に取得できように、撮像素子６０における画像取得タイミングとの間に一定の相関関係を保って、一定間隔で光源４０が発光するようになっていればよく、例えば、図示しない位相調整回路により、発光タイミング信号ＴＧ１と画像取得タイミング信号ＴＧ２との位相がずれるように調整されていてもよい。

図１４は、第２の実施の形態の他の変形例を示した図であり、光源４０の発光タイミングと撮像素子６０の画像取得タイミングとの関係を示したタイミングチャート図である。

図１４に示した変形例では、光源４０の発光周期Ｔ１が撮像素子６０の画像取得周期Ｔ２の１．５倍となるように設定されている。また、光源４０の１周期あたりの発光時間Ｔａが撮像素子６０の１周期あたりの画像取得時間Ｔｂよりも長くなるように設定されている。さらに、発光タイミング信号ＴＧ１に対して画像取得タイミング信号ＴＧ２が遅延時間Ｔｃだけ位相がすれるように設定されている。この関係により、図１４の（ｃ）に示すように、相対的に露光量が大きい干渉画像（大光量画像）と、相対的に露光量が小さい干渉画像（小光量画像）と、相対的に露光量が中くらいの干渉画像（中光量画像）とが交互に得られる。すなわち、フレーム番号が０，３，・・・であるフレーム画像は大光量画像となり、フレーム番号が２，５，・・・であるフレーム画像は中光量画像となり、フレーム番号が１，４，・・・であるフレーム画像は小光量画像となる。

したがって、干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置を変位させながら、撮像素子６０から干渉画像を順次取得する際、大光量画像、小光量画像、中光量画像の順で、各画像が周期的に取得される。すなわち、１回の測定で、光量が互いに異なる干渉画像（大光量画像、中光量画像、及び小光量画像）を取得することができ、各干渉画像から第１干渉縞曲線（第１インターフェログラム）、第２干渉縞曲線（第２インターフェログラム）、及び第３干渉縞曲線（第３インターフェログラム）を取得することが可能となり、これらの干渉縞曲線の中から予め設定された測定レンジ内であり、かつ波形振幅の最大値が最も大きい干渉縞曲線を選択することにより、上述した第２の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

（その他）
上記各実施の形態では、ミロー型の干渉計を用いて測定対象物の被測定面の３次元形状を非接触による構成を一例として示したが、本発明はこれに限らず、例えば、マイケルソン型の干渉計などを採用することも可能である。

また、上記各実施の形態では、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの反射率が一定でない場合の一例として被測定面Ｓが複雑な形状を有する場合を示したが、これに限らず、例えば、測定対象物Ｐからの反射率の変化が激しい光沢部や傾斜部を有する場合、異種材料で構成される場合、あるいはこれらの組み合わせからなる場合に対しても本発明は効果的に用いることができる。

Ｐ…測定対象物、Ｏ…中心軸、Ｑ，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑａ，Ｑｂ…干渉縞曲線、Ｓ…被測定面、Ｌ０，Ｌ１…光軸、１…表面形状測定装置、２…光学部、１０…ステージ、１０ａ…ステージ面、１２…光源部、１４…干渉部、１６…撮像部、１８…処理部、２０…表示部、２２…入力部、４０…光源、４２…コレクタレンズ、４４，５４…ビームスプリッタ、５０…対物レンズ、５２…参照ミラー、５６…干渉部アクチュエータ、６０…撮像素子、６０ａ…撮像面、６２…結像レンズ、７０…ｚアクチュエータ、７２…光源制御部、７４…撮像制御部、８０…同期信号生成部、８２…発光タイミング信号生成部、８４…画像取得タイミング信号生成部

Claims (8)

1. パルス状の白色光を出射するパルス光源を有する光源部と、
   前記光源部からの白色光を物体光と参照光とに分割して前記物体光を測定対象物の被測定面に照射し、前記被測定面から戻る前記物体光と前記参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部と、
   前記測定対象物に対して前記干渉部を前記物体光の光軸方向に相対的に移動する走査手段と、
   前記干渉部からの前記干渉光を撮像し、前記干渉光による干渉画像を生成する撮像部と、
   前記走査手段により前記測定対象物に対して前記干渉部を前記光軸方向に相対的に移動させながら前記撮像部から前記干渉画像を順次取得し、取得した前記干渉画像に基づいて前記被測定面の各点ごとのインターフェログラムを求め、前記各点ごとの前記インターフェログラムに基づいて前記被測定面の各点の前記光軸方向の位置を検出する処理部と、
   前記光源部及び前記撮像部の動作を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記処理部は、前記制御手段により前記パルス光源の発光と前記撮像部の画像取得とが一定の相関関係を保ちながらそれぞれ周期的に行われるように制御することによって前記撮像部から少なくとも相対的に光量が大きい第１の干渉画像と相対的に光量が小さい第２の干渉画像とをそれぞれ取得し、前記第１の干渉画像及び前記第２の干渉画像のそれぞれに基づき前記各点ごとに複数のインターフェログラムを求め、前記複数のインターフェログラムの中から予め設定された測定レンジ内のインターフェログラムを前記各点ごとに選択し、選択した前記各点ごとのインターフェログラムに基づいて前記被測定面の各点の前記光軸方向の位置を検出する表面形状測定装置。
2. 前記処理部は、前記測定レンジ内のインターフェログラムが複数ある場合には、前記測定レンジ内のインターフェログラムの中から波形振幅の最大値が最も大きいインターフェログラムを選択する、
   請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. 前記パルス光源の発光周期は前記撮像部の画像取得周期よりも長く、かつ前記パルス光源の１周期あたりの発光時間は前記撮像部の１周期あたりの画像取得時間よりも長い、
   請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
4. 前記パルス光源の発光周期は前記撮像部の画像取得周期の２倍である、
   請求項３に記載の表面形状測定装置。
5. パルス状の白色光を出射するパルス光源を有する光源部と、
   前記光源部からの白色光を物体光と参照光とに分割して前記物体光を測定対象物の被測定面に照射し、前記被測定面から戻る前記物体光と前記参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部と、
   前記測定対象物に対して前記干渉部を前記物体光の光軸方向に相対的に移動する走査手段と、
   前記干渉部からの前記干渉光を撮像し、前記干渉光による干渉画像を生成する撮像部と、
   前記走査手段により前記測定対象物に対して前記干渉部を前記光軸方向に相対的に移動させながら前記撮像部から前記干渉画像を順次取得し、取得した前記干渉画像に基づいて前記被測定面の各点ごとのインターフェログラムを求め、前記各点ごとの前記インターフェログラムに基づいて前記被測定面の各点の前記光軸方向の位置を検出する処理部と、
   前記光源部及び前記撮像部の動作を制御する制御手段と、
   を備える表面形状測定装置における表面形状測定方法であって、
   前記制御手段により前記パルス光源の発光と前記撮像部の画像取得とが一定の相関関係を保ちながらそれぞれ周期的に行われるように制御することによって前記撮像部から少なくとも相対的に光量が大きい第１の干渉画像と相対的に光量が小さい第２の干渉画像とをそれぞれ取得し、前記第１の干渉画像及び前記第２の干渉画像のそれぞれに基づき前記各点ごとに複数のインターフェログラムを求める取得ステップと、
   前記複数のインターフェログラムの中から予め設定された測定レンジ内のインターフェログラムを前記各点ごとに選択する選択ステップと、
   前記選択ステップにより選択した前記各点ごとのインターフェログラムに基づいて前記被測定面の各点の前記光軸方向の位置を検出する検出ステップと、
   を備える表面形状測定方法。
6. 前記選択ステップは、前記測定レンジ内のインターフェログラムが複数ある場合には、前記測定レンジ内のインターフェログラムの中から波形振幅の最大値が最も大きいインターフェログラムを選択する、
   請求項５に記載の表面形状測定方法。
7. 前記パルス光源の発光周期は前記撮像部の画像取得周期よりも長く、かつ前記パルス光源の１周期あたりの発光時間は前記撮像部の１周期あたりの画像取得時間よりも長い、
   請求項５又は６に記載の表面形状測定方法。
8. 前記パルス光源の発光周期は前記撮像部の画像取得周期の２倍である、
   請求項７に記載の表面形状測定方法。

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