JP7442145B2 - 三次元計測装置 - Google Patents

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、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。近年では、計測レンジの拡大を図るべく、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）。

特許文献１に係る三次元計測装置では、波長の異なる２種類の光をそれぞれ偏光ビームスプリッタの異なる位置から入射することにより、２種類の光の波長差を極めて小さくし、計測レンジを大幅に拡大することができる。

一般に、干渉計を利用した三次元計測装置は、図１６に示すように、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１００と、該偏光ビームスプリッタ１００に対し入射させるコヒーレント光を出射する光源１０１と、偏光ビームスプリッタ１００から出射される光を撮像する撮像装置１０２とを備えている。

図１６に示す例では、所定波長の偏光（偏光方向がＸ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した偏光）が光源１０１からＺ軸方向下向きに出射され、偏光ビームスプリッタ１００の第１面１００ａに入射する。

偏光ビームスプリッタ１００の第１面１００ａから入射した光は、偏光ビームスプリッタ１００の境界面１００ｅにおいて２方向に分岐され、そのＰ偏光成分（図１６の紙面に平行な方向を偏光方向とする直線偏光）がＺ軸方向下向きに透過して第３面１００ｃから計測光として出射される一方、そのＳ偏光成分（図１６の紙面に垂直なＹ軸方向を偏光方向とする直線偏光）がＸ軸方向右向きに反射して第４面１００ｄから参照光として出射される。

偏光ビームスプリッタ１００の第３面１００ｃから出射した計測光（Ｐ偏光）は、１／４波長板１０３を透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１１０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、かかる計測光は、再度、１／４波長板１０３を透過することで、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１００の第３面１００ｃに再入射する。

一方、偏光ビームスプリッタ１００の第４面１００ｄから出射した参照光（Ｓ偏光）は、１／４波長板１０４を透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１１１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、かかる参照光は、再度、１／４波長板１０４を透過することで、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１００の第４面１００ｄに再入射する。

そして、偏光ビームスプリッタ１００の第３面１００ｃから再入射した計測光（Ｓ偏光）が境界面１００ｅにてＸ軸方向左向きに反射する一方、第４面１００ｄから再入射した参照光（Ｐ偏光）は境界面１００ｅをＸ軸方向左向きに透過する。これにより、計測光及び参照光が合成された合成光が出力光として偏光ビームスプリッタ１００の第２面１００ｂから出射される。

偏光ビームスプリッタ１００の第２面１００ｂから出射された合成光（計測光及び参照光）は、まず１／４波長板１０５により、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、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。

かかる合成光は、続いて偏光板１０６を透過することにより、その計測光成分と参照光成分とが偏光板１０６の角度に応じた位相で干渉する。そして、このような干渉光が偏光板１０６の角度を変えて、撮像装置１０２により複数通り撮像され、得られた輝度画像データを基にワーク１１０の三次元計測が行われる。

特許６２７１４９３号公報

特許文献１に係る三次元計測装置においては、偏光ビームスプリッタや１／４波長板などの光学部材を用いて、波長の異なる２種類の光をそれぞれ偏光方向の異なる偏光成分（Ｐ偏光及びＳ偏光）に分離・変換することで、同一光路上を同一方向へ進む２種類の光を分離可能としている。

例えば特許文献１では、波長１５００ｎｍの第１光に係るＳ偏光成分（又はＰ偏光成分）と、波長１５０３ｎｍの第２光に係るＰ偏光成分（又はＳ偏光成分）とが同一の１／４波長板（特許文献１の干渉光学系３内の１／４波長板２１，２２など）を同一方向へ通過する構成となっている。

しかしながら、偏光ビームスプリッタや１／４波長板など、偏光成分（Ｐ偏光及びＳ偏光）の分離・変換に必要な光学部材は、精度良く製造することが難しく、その製造誤差が偏光成分の分離・変換精度に大きく影響するおそれがある。

特に、２種類の波長に対応した１／４波長板を精度良く製造することは非常に難しい。そのため、特許文献１のように、波長の異なる２種類の光が通過する位置に１／４波長板（特許文献１の１／４波長板２１，２２など）を配置する場合、ここを通過する２種類の光の少なくとも一方には、変換誤差が生じるおそれがある。

１／４波長板は、所定波長（例えば１５００ｎｍ又は１５０３ｎｍ）の入射光に対し１／４波長分（例えば３７５ｎｍ又は３７５．７５ｎｍ）の位相差を付与して、直線偏光を円偏光に変換したり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。

つまり、波長１５００ｎｍの第１光と、波長１５０３ｎｍの第２光に対応した１／４波長板を製造する場合には、３７５ｎｍ～３７５．７５ｎｍのうちの所望の位相差（例えば３７５．６ｎｍ）を付与する１／４波長板を製造することとなる。

このため、特許文献１のように、１／４波長板を往復することによって偏光成分がＳ偏光からＰ偏光へ、又は、Ｐ偏光からＳ偏光へ変換される構成においては、偏光成分が完全に変換されず、わずかに残った変換前の偏光成分（例えばＳ偏光）が変換後の偏光成分（例えばＰ偏光）に混ざってしまうおそれがある。

かかる場合、図１６に示すように、完全に変換されなかった偏光成分が戻り光Ｋｐ，Ｋｓとして、偏光ビームスプリッタ１００の境界面１００ｅで反射又は透過するなど、本来導かれる方向とは異なる方向へ導かれてしまうこととなる。

これにより、第１光に係る計測光（Ｓ偏光）及び参照光（Ｐ偏光）の干渉光と、第２光に係る計測光（Ｐ偏光）及び参照光（Ｓ偏光）の干渉光をそれぞれ異なるカメラで撮像する特許文献１に係る構成においては、本来、第１光（又は第２光）に係る干渉光のみを撮像する第１カメラ（又は第２カメラ）に対し第２光（又は第１光）の戻り光が入射し、これを含んだ干渉光が撮像されてしまうため、計測精度が低下するおそれがある。

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、計測精度の向上等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つの光に分割可能な光学手段（例えばビームスプリッタやハーフミラーなど）を有し、該分割した一方の光の少なくとも一部を計測光として被計測物に照射しかつ他方の光の少なくとも一部を参照光として参照面に照射すると共に、前記被計測物にて反射した前記計測光の少なくとも一部と前記参照面にて反射した前記参照光の少なくとも一部とを合成して出射可能な所定の光学系（特定光学系）と、
前記光学手段の第１入力部に対し入射させる、第１波長の第１光を出射可能な第１照射手段と、
前記光学手段の第２入力部に対し入射させる、第２波長の第２光を出射可能な第２照射手段と、
前記第１入力部に対し前記第１光を入射することにより前記光学手段の第１出力部から出射される前記第１光に係る所定の出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
前記第２入力部に対し前記第２光を入射することにより前記光学手段の第２出力部から出射される前記第２光に係る所定の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撮像手段により取得された画像データ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、
前記光学手段から前記被計測物に向かう前記第１光に係る計測光と、前記光学手段から前記被計測物に向かう前記第２光に係る計測光の進行方向（ベクトル）が異なり、かつ、前記光学手段から前記参照面に向かう前記第１光に係る参照光と、前記光学手段から前記参照面に向かう前記第２光に係る参照光の進行方向（ベクトル）が異なり、
前記被計測物にて反射して前記光学手段に向かう前記第１光に係る計測光と、前記被計測物にて反射して前記光学手段に向かう前記第２光に係る計測光の進行方向（ベクトル）が異なり、かつ、前記参照面にて反射して前記光学手段に向かう前記第１光に係る参照光と、前記参照面にて反射して前記光学手段に向かう前記第２光に係る参照光の進行方向（ベクトル）が異なり、
前記光学手段は、
前記被計測物にて反射した前記第１光に係る計測光の一部と、前記参照面にて反射した前記第１光に係る参照光の一部とを合成して前記第１出力部から出射可能、かつ、前記被計測物にて反射した前記第２光に係る計測光の一部と、前記参照面にて反射した前記第２光に係る参照光の一部とを合成して前記第２出力部から出射可能に構成されてい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、照射手段から撮像手段に至る第１光及び第２光の進行方向（ベクトル）が互いに重複する区間が存在しない構成となる。つまり、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、完全に分離した状態で所定の光学系から別々に出射されることとなる。尚、ここで進行方向が逆向きに光路が重なる場合や、光路が交差する場合があっても特段の問題は生じない。

このように、本手段によれば、光学系に対する第１光及び第２光それぞれの入射位置や入射角度を適切に設定するだけで、第１光及び第２光を完全に分離して取り扱うことができるため、偏光成分（Ｐ偏光及びＳ偏光）の分離・変換に必要な偏光ビームスプリッタや１／４波長板などの光学部材を大幅に削減することができ、構成の簡素化を図ることができる。特に、波長の異なる２種類の光の偏光成分が同一光路上を同一方向に通過する１／４波長板を省略した光学系を実現することができる。

結果として、上述した戻り光の影響など、所定の光学部材から受ける製造誤差等の影響を排除し、計測精度の向上を図ることができる。

ひいては、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、計測効率の向上を図ることができる。

手段２．前記光学手段と前記参照面との間に配置され、第１偏光（例えばＰ偏光）を透過させる第１の偏光板と、
前記光学手段と前記被計測物との間に配置され、第２偏光（例えばＳ偏光）を透過させる第２の偏光板と、
前記光学手段の第１出力部と前記第１撮像手段との間に配置され、前記第１光に係る前記第１偏光及び前記第２偏光をそれぞれ円偏光へ変換する第１の１／４波長板と、
前記光学手段の第２出力部と前記第２撮像手段との間に配置され、前記第２光に係る前記第１偏光及び前記第２偏光をそれぞれ円偏光へ変換する第２の１／４波長板とを備えていることを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。

上記手段２によれば、位相シフト法を利用した三次元計測が可能となり、さらなる計測精度の向上を図ることができる。

尚、ここでは、「第１の１／４波長板」として、第１光の第１波長に合わせ製造した専用の１／４波長板を用いると共に、「第２の１／４波長板」として、第２光の第２波長に合わせ製造した専用の１／４波長板を用いることができる。これにより、２種類の波長に対応した１／４波長板を用いる場合と比較して、光の変換誤差を低減することができる。結果として、計測精度の向上を図ることができる。

手段３．前記光学手段から前記被計測物に向かう前記第１光に係る計測光の光路と、前記光学手段から前記被計測物に向かう前記第２光に係る計測光の光路とが、前記被計測物に直交する所定の軸線（例えばＺ軸）方向に見て、該軸線を中心に対称となり、
かつ、
前記光学手段から前記参照面に向かう前記第１光に係る参照光の光路と、前記光学手段から前記参照面に向かう前記第２光に係る参照光の光路とが、前記参照面に直交する所定の軸線（例えばＸ軸）方向に見て、該軸線を中心に対称となっていることを特徴とする手段１又は２に記載の三次元計測装置。

上記手段３によれば、例えば被計測物に直交する所定の軸線方向に見て、第１光に係る計測光の光路と、第２光に係る計測光の光路とが重複している場合等と比較して、光学手段から被計測物に向かう第１光に係る計測光と第２光に係る計測光が混在しにくくなる。同様に、光学手段から参照面に向かう第１光に係る参照光と第２光に係る参照光も混在しにくくなる。結果として、さらなる計測精度の向上を図ることができる。

手段４．前記被計測物に対する前記第１光に係る計測光の入射角と、前記被計測物に対する前記第２光に係る計測光の入射角とが同一角となり、
かつ、
前記参照面に対する前記第１光に係る参照光の入射角と、前記参照面に対する前記第２光に係る参照光の入射角とが同一角となっていることを特徴とする手段１乃至３のいずれかに記載の三次元計測装置。

上記手段４によれば、第１光の光路長と第２光の光路長とを同一長とすることができる。結果として、第１光に係る撮像処理、及び、第２光に係る撮像処理において、被計測物を同じ大きさ（同じ倍率）で撮像することができる。ひいては、計測精度の向上を図ることができる。

手段５．前記光学手段は、ハーフミラーであることを特徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。

上記手段５によれば、ビームスプリッタ等の肉厚の光学手段に比べ、薄板状のハーフミラーは、光の屈折等をほとんど考慮しなくともよいため、三次元計測装置をより小型化することができる。

例えば図１５（ａ）に示すように、光学手段としてハーフミラー２００を用いた場合、被計測物２０１に対する光の入射角θの下限値は、下記式（１）で定義することができる。

θ ≧ tan^－１（φ／２ＷＤ） ・・・（１）
ここで、「φ」は、光源２０３から出射され被計測物２０１にて反射して撮像素子２０４に入射するレーザ光の径（幅）であり、「ＷＤ」は、光源２０３と撮像素子２０４の配置位置が重ならないように、最低限確保しなければならない光源２０３（撮像素子２０４）と被計測物２０１との距離である。

これに対し、図１５（ｂ）に示すように、光学手段としてビームスプリッタ２１０を用いた場合には、ビームスプリッタ２１０における光の屈折等を考慮しなければならないため、上記式（１）を適用することができない。仮にハーフミラー２００を用いた場合と同様、被計測物２０１に対し入射角θで光を入射させようとした場合、光源２０３（撮像素子２０４）と被計測物２０１との距離ＷＥを、ハーフミラー２００を用いた場合の距離ＷＤよりも長く設定しなければ、光源２０３と撮像素子２０４の配置位置が重なり合ってしまうこととなる。

手段６．前記光学手段と前記参照面とを所定の位置関係とすることにより生じるキャリア縞を撮像して得た前記画像データ（干渉縞画像）を基に前記計測光の複素振幅を得るフーリエ変換法により前記被計測物の三次元計測を実行可能に構成されていることを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。

尚、「前記光学手段と前記参照面とを所定の位置関係とすること」には、例えば「前記参照面を所定の基準姿勢から傾けること」が含まれる。前記「基準姿勢」としては、例えば被計測物に直交する第１軸線（例えばＺ軸）、及び、前記第１軸線（例えばＺ軸）と直交する第２軸線（例えばＸ軸）に対し、前記「光学手段（例えばビームスプリッタやハーフミラーなど）」を４５°傾斜させて配置した場合において、前記「参照面」が前記第２軸線（例えばＸ軸）に対し直交する姿勢が含まれる。

上記手段６によれば、偏光ビームスプリッタはもとより、手段２で用いる１／４波長板や偏光板など、偏光成分（Ｐ偏光及びＳ偏光）を分離・変換するための光学部材を一切配置しなくても良い構成となる。加えて、撮像手段の撮像素子として、偏光イメージセンサを用いる必要もない。

結果として、部品点数の削減や構成の簡素化などを図ることができる。さらに、光学部材から受ける製造誤差等の影響を低減し、計測精度の向上を図ることができる。

第１実施形態に係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。 偏光イメージセンサの概略構成図である。 第２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実施形態に係る三次元計測装置の概略構成図である。 （ａ），（ｂ）は、対物レンズを配置した場合における第１光の参照面及び設置部に対する入射角を説明するための模式図である。 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。 第１光に係る計測光及び参照光と、第２光に係る計測光及び参照光の進行方向が重複する場合の一例を示す光路図である。 （ａ）は、第１光の入射光が入射する第１位置と、第１光の出射光が出射する第２位置とが、ビームスプリッタの第１面の一辺と平行する方向に並んだ状態を示す模式図であり、（ｂ）は、第１光の入射光が入射する第１位置と、第１光の出射光が出射する第２位置とが、ビームスプリッタの第１面の対角線方向に並んだ状態を示す模式図である。 （ａ）は、ハーフミラーを用いた場合の被計測物における入射光及び反射光の光路等を説明するための模式図であり、（ｂ）は、ビームスプリッタを用いた場合の被計測物における入射光及び反射光の光路等を説明するための模式図である。 従来の三次元計測装置における光の光路を示す光路図である。

〔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の紙面左右方向を「Ｘ軸方向」とし、紙面前後方向を「Ｙ軸方向」とし、紙面上下方向を「Ｚ軸方向」として説明する。

三次元計測装置１は、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（図２参照）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、本実施形態においては、光の干渉を生じさせること（干渉光を撮像すること）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、本実施形態のように「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、後述するように、少なくとも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。

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や第１光アイソレータ１２Ａ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。

本実施形態における第１発光部１１Ａの光軸（光の出射方向）ＪＡ１は、Ｚ軸方向に対し右側に角度θ１傾いている。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）の直線偏光が干渉光学系３に向け出射される。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（本実施形態では干渉光学系３側）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態では第１発光部１１Ａ側）に進む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、入射光による第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。

尚、本実施形態では、図１の紙面（Ｘ－Ｚ平面）に平行な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Ｙ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。

第２投光系２Ｂは、上記第１投光系２Ａと同様、第２発光部１１Ｂや第２光アイソレータ１２Ｂ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。

本実施形態における第２発光部１１Ｂの光軸（光の出射方向）ＪＢ１は、Ｘ軸方向に対し上側に角度θ２傾いている。尚、本実施形態では、角度θ２が上記角度θ１と同一角度に設定されている。

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Ｙ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）の直線偏光が干渉光学系３に向け出射される。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（本実施形態では干渉光学系３側）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態では第２発光部１１Ｂ側）に進む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、入射光による第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。

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、ハーフミラーＨＭ、偏光板２１，２２、参照面２３、設置部２４などを備えている。

ハーフミラーＨＭは、偏光状態も含め、入射光を所定の比率（本実施形態では１：１）で透過光と反射光とに分割する公知の薄板状の光学部材であり、本実施形態における光学手段を構成する。これにより、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。

ハーフミラーＨＭは、その表裏両面がＹ軸方向と平行、かつ、Ｘ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。以下、本実施形態では、第１投光系２Ａ（第１発光部１１Ａ）から出射される第１光が入射するハーフミラーＨＭの上側の面を「第１面ＨＭａ」といい、第２投光系２Ｂ（第２発光部１１Ｂ）から出射される第２光が入射するハーフミラーＨＭの下側の面を「第２面ＨＭｂ」という。

また、干渉光学系３においては、ハーフミラーＨＭの第１面ＨＭａとＸ軸方向に対向するように偏光板２１が配置されると共に、該偏光板２１とＸ軸方向に対向するように参照面２３が配置されている。尚、偏光板２１及び参照面２３は、Ｘ軸方向と直交するように（Ｘ軸方向が法線方向となるように）配置されている。

本実施形態における偏光板２１は、第１偏光としてのＰ偏光のみを透過させ、Ｓ偏光を遮断するように配置されている。つまり、ハーフミラーＨＭの第１面ＨＭａから出射される光のＰ偏光成分のみが偏光板２１を透過して、参照面２３に対し参照光として照射される。また、参照面２３で反射した参照光（Ｐ偏光）は、再度、偏光板２１を透過してハーフミラーＨＭの第１面ＨＭａに入射する。「偏光板２１」が本実施形態における「第１の偏光板」を構成する。

また、干渉光学系３においては、ハーフミラーＨＭの第２面ＨＭｂとＺ軸方向に対向するように偏光板２２が配置されると共に、該偏光板２２とＺ軸方向に対向するように設置部２４が配置されている。尚、偏光板２２及び設置部２４は、Ｚ軸方向と直交するように（Ｚ軸方向が法線方向となるように）配置されている。

本実施形態における偏光板２２は、第２偏光としてのＳ偏光のみを透過させ、Ｐ偏光を遮断するように配置されている。つまり、ハーフミラーＨＭの第２面ＨＭｂから出射される光のＳ偏光成分のみが偏光板２２を透過して、設置部２４に置かれた被計測物としてのワークＷに対し計測光として照射される。また、ワークＷにて反射した計測光（Ｓ偏光）は、再度、偏光板２２を透過してハーフミラーＨＭの第２面ＨＭｂに入射する。「偏光板２２」が本実施形態における「第２の偏光板」を構成する。

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や第１カメラ３３Ａなどを備えている。ここで「第１カメラ３３Ａ」が本実施形態における「第１撮像手段」を構成する。

１／４波長板３１Ａは、ハーフミラーＨＭの第１面ＨＭａから出射される第１光の参照光成分（Ｐ偏光成分）及び計測光成分（Ｓ偏光成分）をそれぞれ円偏光に変換するためのものであり、本実施形態における「第１の１／４波長板」を構成する。尚、１／４波長板３１Ａは、第１光の波長λ１（例えばλ１＝１５００ｎｍ）に合わせて専用に設計された１／４波長板である。

本実施形態に係る第１カメラ３３Ａは、撮像素子として偏光イメージセンサ７０Ａを備えた偏光カメラである。本実施形態における第１カメラ３３Ａの光軸（第１光に係る合成光の入射方向）ＪＡ２は、Ｚ軸方向に対し左側に角度θ１傾いている。

図５に示すように、偏光イメージセンサ７０Ａは、センサ本体部となる受光素子アレイ７１と、その受光面側となる前面側に設けられた偏光子アレイ７２と、その前面側に設けられたマイクロレンズアレイ７３とを備えている。

受光素子アレイ７１は、複数の受光素子（画素）７４が行列状に二次元配列されてなる一般的なＣＣＤイメージセンサなどの半導体素子構造を有する。

尚、実際の受光素子アレイ７１は、多数の画素（例えば１２８０×１０２４画素）が配列されたものであるが、図５においては、説明の簡素化を図るため、その一部である４行４列のみ図示している（偏光子アレイ７２及びマイクロレンズアレイ７３についても同様）。

偏光子アレイ７２は、複数の偏光子７５が行列状に二次元配列されたものである。各偏光子７５は、受光素子アレイ７１の各受光素子７４と１対１で対応するように設けられている。

偏光子７５は、上記のように円偏光に変換された参照光成分及び計測光成分を選択的に透過させるものである。これにより、回転方向の異なる参照光成分と計測光成分とを干渉させることができる。また、参照光成分及び計測光成分に所定の位相差が付与される。従って、各偏光子７５が本実施形態における「位相シフト手段」や「干渉手段」を構成することとしてもよい。

偏光子７５は、透過軸の設定角度が４５°ずつ異なる４種類の偏光子７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄからなる。より詳しくは、基準線（水平線）に対する透過軸の設定角度が「０°」となるように設定された第１偏光子７５ａと、透過軸の設定角度が「４５°」となるように設定された第２偏光子７５ｂと、透過軸の設定角度が「９０°」となるように設定された第３偏光子７５ｃと、透過軸の設定角度が「１３５°」となるように設定された第４偏光子７５ｄとを備えている。

これにより、偏光子アレイ７２の各偏光子７５を透過する光の参照光成分及び計測光成分を４通りの位相差で干渉させることができる。つまり、参照光及び計測光の位相差が９０°ずつ異なる４通りの干渉光を生成することができる。

具体的な設定としては、第１偏光子７５ａを透過する光の参照光成分の位相シフト量が「０°」となり、第２偏光子７５ｂを透過する光の参照光成分の位相シフト量が「９０°」となり、第３偏光子７５ｃを透過する光の参照光成分の位相シフト量が「１８０°」となり、第４偏光子７５ｄを透過する光の参照光成分の位相シフト量が「２７０°」となるように設計されている。

そして、偏光子アレイ７２においては、これら透過軸角度が異なる４種類の偏光子７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄが所定順序で２行２列の行列状に並んだ特定の偏光子配列パターン（図５の太枠部分参照）が行列状に繰り返し配置された構成となっている。

本実施形態における前記偏光子配列パターンは、偏光子アレイ７２の正面視で、右下に第１偏光子７５ａが配置され、右上に第２偏光子７５ｂが配置され、左上に第３偏光子７５ｃが配置され、左下に第４偏光子７５ｄが配置された構成となっている。

これにより、偏光子アレイ７２のどの位置で、２行２列の行列状に並んだ４つの偏光子７５を抽出した場合であっても、透過軸角度が異なる４種類の偏光子７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄが必ず１ずつ含まれることとなる。

マイクロレンズアレイ７３は、複数のマイクロレンズ７６が行列状に二次元配列されたものである。マイクロレンズ７６は、画素毎の集光効率を向上させるためのものであり、偏光子アレイ７２の各偏光子７５と１対１で対応するように設けられている。

これにより、マイクロレンズアレイ７３の各マイクロレンズ７６によって集光された光は、それぞれ対応する偏光子アレイ７２の各偏光子７５を透過することで、その参照光成分及び計測光成分にそれぞれ所定の位相差が付与されると共に、干渉光となって、それぞれ対応する受光素子アレイ７１の各受光素子７４に受光されることとなる。

第１カメラ３３Ａによって撮像され取得された輝度画像データは、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。

第２撮像系４Ｂは、第１撮像系４Ａと同様、１／４波長板３１Ｂや第２カメラ３３Ｂなどを備えている。ここで「第２カメラ３３Ｂ」が本実施形態における「第２撮像手段」を構成する。

１／４波長板３１Ｂは、ハーフミラーＨＭの第２面ＨＭｂから出射される第２光の参照光成分（Ｐ偏光成分）及び計測光成分（Ｓ偏光成分）をそれぞれ円偏光に変換するためのものであり、本実施形態における「第２の１／４波長板」を構成する。尚、１／４波長板３１Ｂは、第２光の波長λ２（例えばλ２＝１５０３ｎｍ）に合わせて専用に設計された１／４波長板である。

本実施形態に係る第２カメラ３３Ｂは、第１カメラ３３Ａと同様、撮像素子として偏光イメージセンサ７０Ｂを備えた偏光カメラである。本実施形態における第２カメラ３３Ｂの光軸（第２光に係る合成光の入射方向）ＪＢ２は、Ｘ軸方向に対し下側に角度θ２傾いている。また、偏光イメージセンサ７０Ｂは、第１カメラ３３Ａに係る上記偏光イメージセンサ７０Ａと同一構成であるため、その詳細な説明は省略する。

第１カメラ３３Ａと同様、第２カメラ３３Ｂによって撮像され取得された輝度画像データは、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。

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全体の制御を司るマイクロコンピュータ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により撮像され取得された輝度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。

尚、マイクロコンピュータ５１は、演算手段としてのＣＰＵ５１ａや、各種プログラムを記憶するＲＯＭ５１ｂ、演算データや入出力データなどの各種データを一時的に記憶するＲＡＭ５１ｃなどを備え、上記各種装置５２～５６と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、第１投光系２Ａ（第１発光部１１Ａ）から干渉光学系３に向け、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）が出射される。ここで、光の進行方向（ベクトル）は、Ｚ軸方向に対し上記角度θ１だけ傾いている。

第１投光系２Ａから出射された第１光は、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射する。従って、この「ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１」が本実施形態における「第１入力部」を構成する。

ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射した第１光は、その一部（半分）が第１面ＨＭａにて反射して偏光板２１に向け出射される一方、残り（半分）がハーフミラーＨＭを透過して第２面ＨＭｂから偏光板２２に向け出射される。

ハーフミラーＨＭの第１面ＨＭａにて反射した第１光は、偏光板２１に入射し、そのＰ偏光成分のみが偏光板２１を透過する。偏光板２１を透過した第１光のＰ偏光成分は、参照光として参照面２３に対し照射され反射する。ここで、第１光に係る参照光（Ｐ偏光）の参照面２３に対する入射角及び反射角は、上記角度θ１となる。

その後、参照面２３で反射した第１光に係る参照光（Ｐ偏光）は、再度、偏光板２１を透過して、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射する。ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射した第１光に係る参照光は、その一部（半分）が第１面ＨＭａにて反射して第１撮像系４Ａに向け出射される一方、残り（半分）がハーフミラーＨＭを透過して第２面ＨＭｂから第２投光系２Ｂに向け出射される。

一方、第１投光系２ＡからハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射し、該ハーフミラーＨＭを透過した第１光は、偏光板２２に入射し、そのＳ偏光成分のみが偏光板２２を透過する。偏光板２２を透過した第１光のＳ偏光成分は、計測光としてワークＷに対し照射され反射する。ここで、第１光に係る計測光の設置部２４（ワークＷ）に対する入射角及び反射角は、上記角度θ１となる。

その後、ワークＷで反射した第１光に係る計測光（Ｓ偏光）は、再度、偏光板２２を透過して、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射する。ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射した第１光に係る計測光は、その一部（半分）がハーフミラーＨＭを透過して第１面ＨＭａから第１撮像系４Ａに向け出射される一方、残り（半分）が第２面ＨＭｂにて反射して第２投光系２Ｂに向け出射される。

つまり、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２において、第１面ＨＭａにて反射した第１光に係る参照光（Ｐ偏光）と、第１面ＨＭａへ透過した第１光に係る計測光（Ｓ偏光）とが合成されると共に、第２面ＨＭｂへ透過した第１光に係る参照光（Ｐ偏光）と、第２面ＨＭｂにて反射した第１光に係る計測光（Ｓ偏光）とが合成されることとなる。

結果として、第１光に係る参照光（Ｐ偏光）及び計測光（Ｓ偏光）が合成された合成光が、干渉光学系３からの出力光として、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２から第１撮像系４Ａ及び第２投光系２Ｂに対しそれぞれ出射されることとなる。従って、この「ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２」が本実施形態における「第１出力部」を構成する。

このうち、第２投光系２Ｂに入射した第１光に係る合成光（参照光及び計測光）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。

一方、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、その計測光成分（Ｓ偏光成分）が左回りの円偏光に変換され、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カメラ３３Ａ（偏光イメージセンサ７０Ａ）に入射し、偏光子アレイ７２を透過することにより、その参照光成分と計測光成分とが各種偏光子７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄの透過軸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（受光素子アレイ７１）により撮像される。

具体的に、第１偏光子７５ａに対応する受光素子７４では、該第１偏光子７５ａにおいて参照光成分及び計測光成分に「０°」の位相差が付与された第１光に係る干渉光が受光される。

同様に、第２偏光子７５ｂに対応する受光素子７４では、該第２偏光子７５ｂにおいて参照光成分及び計測光成分に「９０°」の位相差が付与された第１光に係る干渉光が受光される。第３偏光子７５ｃに対応する受光素子７４では、該第３偏光子７５ｃにおいて参照光成分及び計測光成分に「１８０°」の位相差が付与された第１光に係る干渉光が受光される。第４偏光子７５ｄに対応する受光素子７４では、該第４偏光子７５ｄにおいて参照光成分及び計測光成分に「２７０°」の位相差が付与された第１光に係る干渉光が受光される。

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、第２投光系２Ｂ（第２発光部１１Ｂ）から干渉光学系３に向け、波長λ２の第２光（偏光方向がＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）が出射される。ここで、光の進行方向（ベクトル）は、Ｘ軸方向に対し角度θ２（＝θ１）だけ傾いている。

第２投光系２Ｂから出射された第２光は、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射する。従って、この「ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２」が本実施形態における「第２入力部」を構成する。

ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射した第２光は、その一部（半分）がハーフミラーＨＭを透過して偏光板２１に向け出射される一方、残り（半分）が第２面ＨＭｂにて反射して偏光板２２に向け出射される。

ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２を透過した第２光は、偏光板２１に入射し、そのＰ偏光成分のみが偏光板２１を透過する。偏光板２１を透過した第２光のＰ偏光成分は、参照光として参照面２３に対し照射され反射する。ここで、第２光に係る参照光（Ｐ偏光）の参照面２３に対する入射角及び反射角は、上記角度θ２となる。

その後、参照面２３で反射した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）は、再度、偏光板２１を透過して、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射する。ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射した第２光に係る参照光は、その一部（半分）がハーフミラーＨＭを透過して第２面ＨＭｂから第２撮像系４Ｂに向け出射される一方、残り（半分）が第１面ＨＭａにて反射して第１投光系２Ａに向け出射される。

一方、第２投光系２ＢからハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射し、第２面ＨＭｂにて反射した第２光は、偏光板２２に入射し、そのＳ偏光成分のみが偏光板２２を透過する。偏光板２２を透過した第２光のＳ偏光成分は、計測光としてワークＷに対し照射され反射する。ここで、第２光に係る計測光の設置部２４（ワークＷ）に対する入射角及び反射角は、上記角度θ２となる。

その後、ワークＷで反射した第２光に係る計測光（Ｓ偏光）は、再度、偏光板２２を透過して、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射する。ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射した第２光に係る計測光は、その一部（半分）が第２面ＨＭｂにて反射して第２撮像系４Ｂに向け出射される一方、残り（半分）がハーフミラーＨＭを透過して第１面ＨＭａから第１投光系２Ａに向け出射される。

つまり、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１において、第１面ＨＭａにて反射した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）と、第１面ＨＭａへ透過した第２光に係る計測光（Ｓ偏光）とが合成されると共に、第２面ＨＭｂへ透過した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）と、第２面ＨＭｂにて反射した第２光に係る計測光（Ｓ偏光）とが合成されることとなる。

結果として、第２光に係る参照光（Ｐ偏光）及び計測光（Ｓ偏光）が合成された合成光が、干渉光学系３からの出力光として、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１から第２撮像系４Ｂ及び第１投光系２Ａに対しそれぞれ出射されることとなる。従って、この「ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２」が本実施形態における「第２出力部」を構成する。

このうち、第１投光系２Ａに入射した第２光に係る合成光（参照光及び計測光）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。

一方、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、その計測光成分（Ｓ偏光成分）が左回りの円偏光に変換され、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カメラ３３Ｂ（偏光イメージセンサ７０Ｂ）に入射し、偏光子アレイ７２を透過することにより、その参照光成分と計測光成分とが各種偏光子７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄの透過軸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（受光素子アレイ７１）により撮像される。

具体的に、第１偏光子７５ａに対応する受光素子７４では、該第１偏光子７５ａにおいて参照光成分及び計測光成分に「０°」の位相差が付与された第２光に係る干渉光が受光される。

同様に、第２偏光子７５ｂに対応する受光素子７４では、該第２偏光子７５ｂにおいて参照光成分及び計測光成分に「９０°」の位相差が付与された第２光に係る干渉光が受光される。第３偏光子７５ｃに対応する受光素子７４では、該第３偏光子７５ｃにおいて参照光成分及び計測光成分に「１８０°」の位相差が付与された第２光に係る干渉光が受光される。第４偏光子７５ｄに対応する受光素子７４では、該第４偏光子７５ｄにおいて参照光成分及び計測光成分に「２７０°」の位相差が付与された第２光に係る干渉光が受光される。

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投光系２Ａから干渉光学系３（ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１）に対し第１光を照射すると同時に、第２投光系２Ｂから干渉光学系３（ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２）に対し第２光を照射する。

その結果、干渉光学系３（ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２）から第１撮像系４Ａに対し第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、干渉光学系３（ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１）から第２撮像系４Ｂに対し第２光に係る合成光（参照光及び計測光）が出射される。

続いて、前記第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、前記第２光に係る合成光を第２撮像系４Ｂにより撮像する。そして、各カメラ３３Ａ，３３Ｂからそれぞれ取得された輝度画像データが制御装置５へ出力される。制御装置５は、入力した輝度画像データを画像データ記憶装置５４に記憶する。

このように、それぞれ１回の撮像処理で取得された輝度画像データ（第１光に係る輝度画像データ、及び、第２光に係る輝度画像データ）には、三次元計測を行う上で必要な４通りの輝度データ（位相の異なる４通りの干渉光の強度データ）が含まれている。

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光に係る輝度画像データ、及び、第２光に係る輝度画像データを基に、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の表面上の各計測位置における高さ計測を行う。このように求められたワークＷの計測結果（高さデータ）は、制御装置５の演算結果記憶装置５５に格納される。尚、上記のように波長の異なる２種類の光を用いた位相シフト法による計測方法は、公知技術であるため（例えば特許第６２７１４９３号公報参照）、その詳細な説明は省略する。

以上詳述したように、本実施形態では、投光系２Ａ，２Ｂから撮像系４Ａ，４Ｂに至る第１光及び第２光の進行方向（ベクトル）が互いに重複する区間が存在しない構成となる。つまり、干渉光学系３に入射した第１光と第２光は互いに干渉することなく、完全に分離した状態で干渉光学系３から別々に出射されることとなる。

このように、本実施形態によれば、干渉光学系３に対する第１光及び第２光それぞれの入射位置や入射角度を適切に設定するだけで、第１光及び第２光を完全に分離して取り扱うことができるこのため、偏光成分（Ｐ偏光及びＳ偏光）の分離・変換に必要な偏光ビームスプリッタや１／４波長板などの光学部材を大幅に削減することができ、構成の簡素化を図ることができる。特に、波長の異なる２種類の光の偏光成分が同一光路上を同一方向に通過する１／４波長板を省略した光学系を実現することができる。

結果として、所定の光学部材から受ける製造誤差等の影響を排除し、計測精度の向上を図ることができる。

ひいては、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、計測効率の向上を図ることができる。

加えて、本実施形態では、カメラ３３Ａ，３３Ｂの撮像素子として、偏光イメージセンサ７０Ａ，７０Ｂを用いることにより、各カメラ３３Ａ，３３Ｂによる１回の撮像で、ワークＷに係る位相シフト法による高さ計測に必要な複数通りの輝度データを同時に取得することができる。結果として、構成の簡素化やデータ取得時間の短縮等を図ることができる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態について図６を参照して説明する。本実施形態は、主に撮像系４Ａ，４Ｂの配置構成等が第１実施形態と異なる。従って、本実施形態では、第１実施形態と異なる特徴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、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２から２方向へ出射される第１光に係る合成光のうち、第２投光系２Ｂに向けて出射される光を撮像するよう構成されている。同様に、本実施形態に係る第２撮像系４Ｂは、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１から２方向へ出射される第２光に係る合成光のうち、第１投光系２Ａに向けて出射される光を撮像するよう構成されている。以下、詳しく説明する。

本実施形態では、第２投光系２ＢとハーフミラーＨＭとの間において、第２発光部１１Ｂの光軸ＪＢ１と重なるように配置された第１ビームスプリッタ１３Ａを備えている。

尚、第１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。

以下同様であるが、ビームスプリッタは、ハーフミラーＨＭと同様、偏光状態も含め、入射光を所定の比率（本実施形態では、１：１）で透過光と反射光とに分割するものである。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。

第１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面のうちの一方が第２発光部１１Ｂの光軸ＪＢ１と直交しかつ他方が第１カメラ３３Ａの光軸ＪＡ２と直交するように配置されている。つまり、第１ビームスプリッタ１３Ａの接合面１３Ａｈが光軸ＪＢ１及び光軸ＪＡ２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ビームスプリッタ１３Ａを介して、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２の第２面ＨＭｂから出射される第１光に係る合成光の一部（半分）を第２投光系２Ｂ側に透過させ、残り（半分）を第１撮像系４Ａ側に反射させ入射させることができる。

また、本実施形態では、第１投光系２ＡとハーフミラーＨＭとの間において、第１発光部１１Ａの光軸ＪＡ１と重なるように配置された第２ビームスプリッタ１３Ｂを備えている。

第２ビームスプリッタ１３Ｂは、第１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面のうちの一方が第１発光部１１Ａの光軸ＪＡ１と直交しかつ他方が第２カメラ３３Ｂの光軸ＪＢ２と直交するように配置されている。つまり、第２ビームスプリッタ１３Ｂの接合面１３Ｂｈが光軸ＪＡ１及び光軸ＪＢ２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ビームスプリッタ１３Ｂを介して、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１の第１面ＨＭａから出射される第２光に係る合成光の一部（半分）を第１投光系２Ａ側に透過させ、残り（半分）を第２撮像系４Ｂ側に反射させ入射させることができる。

次に、本実施形態に係る第１光の光路について説明する。第１投光系２Ａから出射された第１光は、第２ビームスプリッタ１３Ｂに入射する。

第２ビームスプリッタ１３Ｂに入射した第１光の一部（半分）は、接合面１３Ｂｈを透過してハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射する。一方、第２ビームスプリッタ１３Ｂに入射した第１光の残り（半分）は、接合面１３Ｂｈにて反射し、捨て光となる。

その後、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射した第１光は、上記第１実施形態と同様の光路を辿り、第１光に係る参照光（Ｐ偏光）及び計測光（Ｓ偏光）が合成された合成光が、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２から第１ビームスプリッタ１３Ａに対し出射されることとなる。

第１ビームスプリッタ１３Ａに入射した第１光に係る合成光（参照光及び計測光）は、その一部（半分）が接合面１３Ａｈを透過して第２投光系２Ｂに入射する一方、残り（半分）が接合面１３Ａｈにて反射して第１撮像系４Ａに入射する。

このうち、第２投光系２Ｂに入射した第１光に係る合成光（参照光及び計測光）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。一方、第１撮像系４Ａに入射した第１光に係る合成光は、参照光成分及び計測光成分がそれぞれ円偏光に変換され、干渉光として撮像される。

次に、本実施形態に係る第２光の光路について説明する。第２投光系２Ｂから出射された第２光は、第１ビームスプリッタ１３Ａに入射する。

第１ビームスプリッタ１３Ａに入射した第２光の一部（半分）は、接合面１３Ａｈを透過してハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射する。一方、第１ビームスプリッタ１３Ａに入射した第２光の残り（半分）は、接合面１３Ａｈにて反射し、捨て光となる。

その後、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射した第２光は、上記第１実施形態と同様の光路を辿り、第２光に係る参照光（Ｐ偏光）及び計測光（Ｓ偏光）が合成された合成光が、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１から第２ビームスプリッタ１３Ｂに対し出射されることとなる。

第２ビームスプリッタ１３Ｂに入射した第２光に係る合成光（参照光及び計測光）は、その一部（半分）が接合面１３Ｂｈを透過して第１投光系２Ａに入射する一方、残り（半分）が接合面１３Ｂｈにて反射して第２撮像系４Ｂに入射する。

このうち、第１投光系２Ａに入射した第２光に係る合成光（参照光及び計測光）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。一方、第２撮像系４Ｂに入射した第２光に係る合成光は、参照光成分及び計測光成分がそれぞれ円偏光に変換され、干渉光として撮像される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、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。加えて、本実施形態によれば、各種機器を集約配置することができる。

但し、本実施形態では、ハーフミラーＨＭに加え、ビームスプリッタ１３Ａ，１３Ｂにより、さらに撮像系４Ａ，４Ｂへ入射する光量が半減するため、この点においては、第１実施形態の方が好ましい。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態について図７を参照して説明する。本実施形態は、主に投光系２Ａ，２Ｂや撮像系４Ａ，４Ｂの配置構成が第１実施形態と異なる。従って、本実施形態では、第１実施形態と異なる特徴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。

本実施形態では、第１投光系２Ａ（第１発光部１１Ａ）から出射される第１光、及び、第２投光系２Ｂ（第２発光部１１Ｂ）から出射される第２光が共に、ハーフミラーＨＭの第１面ＨＭａに入射するように構成されている。

詳しくは、第１発光部１１Ａの光軸（第１光の出射方向）ＪＡ１がＺ軸方向に対し右側に角度θ１傾き、第２発光部１１Ｂの光軸ＪＢ１（第２光の出射方向）がＺ軸方向に対し左側に角度θ２傾いている。但し、本実施形態では、角度θ１と角度θ２が同一角度に設定されており、Ｚ軸方向を中心に、第１投光系２Ａと第２投光系２Ｂとが対称に配置された構成となっている。

また、本実施形態では、第１撮像系４Ａが、ハーフミラーＨＭの第２面ＨＭｂから出射される第１光に係る合成光が入射するように配置され、第２撮像系４Ｂが、ハーフミラーＨＭの第２面ＨＭｂから出射される第２光に係る合成光が入射するように配置されている。

詳しくは、第１カメラ３３Ａの光軸（第１光に係る合成光の入射方向）ＪＡ２がＸ軸方向に対し上側に角度θ１傾き、第２カメラ３３Ｂの光軸（第２光に係る合成光の入射方向）ＪＢ２がＸ軸方向に対し下側に角度θ２傾いている。従って、本実施形態では、第１撮像系４Ａと第２撮像系４ＢとがＸ軸方向を中心に対称に配置された構成となっている。

次に、本実施形態に係る第１光の光路について説明する。第１投光系２Ａから出射された第１光は、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射する。その後、第１光は、上記第１実施形態と同様の光路を辿り、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２から、第１光に係る参照光（Ｐ偏光）及び計測光（Ｓ偏光）が合成された合成光が第２投光系２Ｂ及び第１撮像系４Ａに向け出射されることとなる。

このうち、第２投光系２Ｂに入射した第１光に係る合成光（参照光及び計測光）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。一方、第１撮像系４Ａに入射した第１光に係る合成光は、参照光成分及び計測光成分がそれぞれ円偏光に変換され、干渉光として撮像される。

次に、本実施形態に係る第２光の光路について説明する。第２投光系２Ｂ（第２発光部１１Ｂ）から干渉光学系３に向け、波長λ２の第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）が出射される。

第２投光系２Ｂから出射された第２光は、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射する。従って、この「ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２」が本実施形態における「第２入力部」を構成する。

ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射した第２光は、その一部（半分）が第１面ＨＭａにて反射して偏光板２１に向け出射される一方、残り（半分）がハーフミラーＨＭを透過して第２面ＨＭｂから偏光板２２に向け出射される。

ハーフミラーＨＭの第１面ＨＭａにて反射した第２光は、偏光板２１に入射し、そのＰ偏光成分のみが偏光板２１を透過する。偏光板２１を透過した第２光のＰ偏光成分は、参照光として参照面２３に対し照射され反射する。ここで、第２光に係る参照光（Ｐ偏光）の参照面２３に対する入射角及び反射角は、上記角度θ２（＝θ１）となる。

その後、参照面２３で反射した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）は、再度、偏光板２１を透過して、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射する。ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射した第２光に係る参照光は、その一部（半分）が第１面ＨＭａにて反射して第１投光系２Ａに向け出射される一方、残り（半分）がハーフミラーＨＭを透過して第２面ＨＭｂから第２撮像系４Ｂに向け出射される。

一方、第２投光系２ＢからハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射し、該ハーフミラーＨＭを透過した第２光は、偏光板２２に入射し、そのＳ偏光成分のみが偏光板２２を透過する。偏光板２２を透過した第２光のＳ偏光成分は、計測光としてワークＷに対し照射され反射する。ここで、第２光に係る計測光の設置部２４（ワークＷ）に対する入射角及び反射角は、上記角度θ２（＝θ１）となる。

その後、ワークＷで反射した第２光に係る計測光（Ｓ偏光）は、再度、偏光板２２を透過して、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射する。ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射した第２光に係る計測光は、その一部（半分）がハーフミラーＨＭを透過して第１面ＨＭａから第１投光系２Ａに向け出射される一方、残り（半分）が第２面ＨＭｂにて反射して第２撮像系４Ｂに向け出射される。

つまり、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１において、第２面ＨＭｂにて反射した第２光に係る計測光（Ｓ偏光）と、第２面ＨＭｂへ透過した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）とが合成されると共に、第１面ＨＭａへ透過した第２光に係る計測光（Ｓ偏光）と、第１面ＨＭａにて反射した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）とが合成されることとなる。

結果として、第２光に係る参照光（Ｐ偏光）及び計測光（Ｓ偏光）が合成された合成光が、干渉光学系３からの出力光として、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１から第２撮像系４Ｂ及び第１投光系２Ａに対しそれぞれ出射されることとなる。従って、この「ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１」が本実施形態における「第２出力部」を構成する。

このうち、第１投光系２Ａに入射した第２光に係る合成光（参照光及び計測光）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。

一方、第２撮像系４Ｂに入射した第２光に係る合成光は、参照光成分及び計測光成分がそれぞれ円偏光に変換され、干渉光として撮像される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、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８を参照して説明する。本実施形態は、第２実施形態と同様の特徴と有し、主に撮像系４Ａ，４Ｂの配置構成等が第３実施形態と異なる。従って、本実施形態では、第２，第３実施形態と異なる特徴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、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２から２方向へ出射される第１光に係る合成光のうち、第２投光系２Ｂに向けて出射される光を撮像するよう構成されている。同様に、本実施形態に係る第２撮像系４Ｂは、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１から２方向へ出射される第２光に係る合成光のうち、第１投光系２Ａに向けて出射される光を撮像するよう構成されている。以下、詳しく説明する。

本実施形態では、第２投光系２ＢとハーフミラーＨＭとの間において、第２発光部１１Ｂの光軸ＪＢ１と重なるように配置された第１ビームスプリッタ１３Ａを備えている。

第１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面のうちの一方が第２発光部１１Ｂの光軸ＪＢ１と直交しかつ他方が第１カメラ３３Ａの光軸ＪＡ２と直交するように配置されている。つまり、第１ビームスプリッタ１３Ａの接合面１３Ａｈが光軸ＪＢ１及び光軸ＪＡ２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ビームスプリッタ１３Ａを介して、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２の第１面ＨＭａから出射される第１光に係る合成光の一部（半分）を第２投光系２Ｂ側に透過させ、残り（半分）を第１撮像系４Ａ側に反射させ入射させることができる。

また、本実施形態では、第１投光系２ＡとハーフミラーＨＭとの間において、第１発光部１１Ａの光軸ＪＡ１と重なるように配置された第２ビームスプリッタ１３Ｂを備えている。

第２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面のうちの一方が第１発光部１１Ａの光軸ＪＡ１と直交しかつ他方が第２カメラ３３Ｂの光軸ＪＢ２と直交するように配置されている。つまり、第２ビームスプリッタ１３Ｂの接合面１３Ｂｈが光軸ＪＡ１及び光軸ＪＢ２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ビームスプリッタ１３Ｂを介して、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１の第１面ＨＭａから出射される第２光に係る合成光の一部（半分）を第１投光系２Ａ側に透過させ、残り（半分）を第２撮像系４Ｂ側に反射させ入射させることができる。

次に、本実施形態に係る第１光の光路について説明する。第１投光系２Ａから出射された第１光は、第２ビームスプリッタ１３Ｂに入射する。

第２ビームスプリッタ１３Ｂに入射した第１光の一部（半分）は、接合面１３Ｂｈを透過してハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射する。一方、第２ビームスプリッタ１３Ｂに入射した第１光の残り（半分）は、接合面１３Ｂｈにて反射し、捨て光となる。

その後、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射した第１光は、上記第１実施形態と同様の光路を辿り、第１光に係る参照光（Ｐ偏光）及び計測光（Ｓ偏光）が合成された合成光が、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２から第１ビームスプリッタ１３Ａに対し出射されることとなる。

第１ビームスプリッタ１３Ａに入射した第１光に係る合成光（参照光及び計測光）は、その一部（半分）が接合面１３Ａｈを透過して第２投光系２Ｂに入射する一方、残り（半分）が接合面１３Ａｈにて反射して第１撮像系４Ａに入射する。

このうち、第２投光系２Ｂに入射した第１光に係る合成光（参照光及び計測光）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。一方、第１撮像系４Ａに入射した第１光に係る合成光は、参照光成分及び計測光成分がそれぞれ円偏光に変換され、干渉光として撮像される。

次に、本実施形態に係る第２光の光路について説明する。第２投光系２Ｂから出射された第２光は、第１ビームスプリッタ１３Ａに入射する。

第１ビームスプリッタ１３Ａに入射した第２光の一部（半分）は、接合面１３Ａｈを透過してハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射する。一方、第１ビームスプリッタ１３Ａに入射した第２光の残り（半分）は、接合面１３Ａｈにて反射し、捨て光となる。

その後、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射した第２光は、上記第３実施形態と同様の光路を辿り、第２光に係る参照光（Ｐ偏光）及び計測光（Ｓ偏光）が合成された合成光が、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１から第２ビームスプリッタ１３Ｂに対し出射されることとなる。

第２ビームスプリッタ１３Ｂに入射した第２光に係る合成光（参照光及び計測光）は、その一部（半分）が接合面１３Ｂｈを透過して第１投光系２Ａに入射する一方、残り（半分）が接合面１３Ｂｈにて反射して第２撮像系４Ｂに入射する。

このうち、第１投光系２Ａに入射した第２光に係る合成光（参照光及び計測光）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。一方、第２撮像系４Ｂに入射した第２光に係る合成光は、参照光成分及び計測光成分がそれぞれ円偏光に変換され、干渉光として撮像される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、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。加えて、本実施形態によれば、各種機器を集約配置することができる。

但し、第２実施形態と同様、本実施形態では、ハーフミラーＨＭに加え、ビームスプリッタ１３Ａ，１３Ｂにより、さらに撮像系４Ａ，４Ｂへ入射する光量が半減するため、この点においては、第３実施形態の方が好ましい。

〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態について図９を参照して説明する。本実施形態は、各種レンズを備えている点が第１実施形態と異なる。従って、本実施形態では、第１実施形態と異なる特徴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。

本実施形態における干渉光学系３には、ハーフミラーＨＭと偏光板２１との間において、偏光板２１とＸ軸方向に対向するように対物レンズＬ１が配置され、ハーフミラーＨＭと偏光板２２との間において、偏光板２２とＺ軸方向に対向するように対物レンズＬ２が配置されている。

対物レンズＬ１は、一方側の焦点位置が参照面２３に位置合わせされ、かつ、他方側（第１撮像系４Ａ側及び第２撮像系４Ｂ側）の焦点位置が、後述する結像レンズＬ４Ａの他方側（干渉光学系３側）の焦点位置、及び、後述する結像レンズＬ４Ｂの他方側（干渉光学系３側）の焦点位置とそれぞれ重なるように配置されている。

対物レンズＬ２は、一方側の焦点位置が設置部２４に位置合わせされ、かつ、他方側（第１撮像系４Ａ側及び第２撮像系４Ｂ側）の焦点位置が、後述する結像レンズＬ４Ａの他方側（干渉光学系３側）の焦点位置、及び、後述する結像レンズＬ４Ｂの他方側（干渉光学系３側）の焦点位置とそれぞれ重なるように配置されている。

尚、対物レンズＬ１，Ｌ２は、複数のレンズからなるレンズユニットにより構成されていてもよい。勿論、１枚のレンズにより構成されていてもよい。また、上記配置構成に代えて、例えば偏光板２１と参照面２３との間に対物レンズＬ１が配置された構成としてもよい。同様に、偏光板２２と設置部２４（ワークＷ）との間に対物レンズＬ２が配置された構成としてもよい。

また、本実施形態における第１投光系２Ａは、第１光アイソレータ１２ＡとハーフミラーＨＭとの間において、第１発光部１１Ａの光軸ＪＡ１と重なるように配置された投光レンズＬ３Ａを備えている。投光レンズＬ３Ａは、第１発光部１１Ａから出射される第１光を対物レンズＬ１，Ｌ２へ向け集光させる機能を有する。

同様に、本実施形態における第２投光系２Ｂは、第２光アイソレータ１２ＢとハーフミラーＨＭとの間において、第２発光部１１Ｂの光軸ＪＢ１と重なるように配置された投光レンズＬ３Ｂを備えている。投光レンズＬ３Ｂは、第２発光部１１Ｂから出射される第２光を対物レンズＬ１，Ｌ２へ向け集光させる機能を有する。

尚、投光レンズＬ３Ａ，Ｌ３Ｂの配置構成は上記構成に限定されるものではない。例えば第１発光部１１Ａと第１光アイソレータ１２Ａの間に投光レンズＬ３Ａを配置した構成としてもよい。同様に、第２発光部１１Ｂと第２光アイソレータ１２Ｂの間に投光レンズＬ３Ｂを配置した構成としてもよい。

また、本実施形態における第１撮像系４Ａは、１／４波長板３１ＡとハーフミラーＨＭとの間において、第１カメラ３３Ａの光軸ＪＡ２と重なるように配置された結像レンズＬ４Ａを備えている。

結像レンズＬ４Ａは、一方側（第１カメラ３３Ａ側）の焦点位置が偏光イメージセンサ７０Ａに位置合わせされ、かつ、他方側（干渉光学系３側）の焦点位置が、参照光用の対物レンズＬ１の第１撮像系４Ａ側の焦点位置、及び、計測光用の対物レンズＬ２の第１撮像系４Ａ側の焦点位置とそれぞれ重なるように位置合わせされている。

つまり、結像レンズＬ４Ａは、ハーフミラーＨＭから出射される第１光に係る合成光を第１カメラ３３Ａ（偏光イメージセンサ７０Ａ）へ結像させる機能を有する。

同様に、本実施形態における第２撮像系４Ｂは、１／４波長板３１ＢとハーフミラーＨＭとの間において、第２カメラ３３Ｂの光軸ＪＢ２と重なるように配置された結像レンズＬ４Ｂを備えている。

結像レンズＬ４Ｂは、一方側（第２カメラ３３Ｂ側）の焦点位置が偏光イメージセンサ７０Ｂに位置合わせされ、かつ、他方側（干渉光学系３側）の焦点位置が、参照光用の対物レンズＬ１の第２撮像系４Ｂ側の焦点位置、及び、計測光用の対物レンズＬ２の第２撮像系４Ｂ側の焦点位置とそれぞれ重なるように位置合わせされている。

つまり、結像レンズＬ４Ｂは、ハーフミラーＨＭから出射される第２光に係る合成光を第２カメラ３３Ｂ（偏光イメージセンサ７０Ｂ）へ結像させる機能を有する。

尚、結像レンズＬ４Ａ，Ｌ４Ｂは、複数のレンズからなるレンズユニットにより構成されていてもよい。勿論、１枚のレンズにより構成されていてもよい。また、上記配置構成に代えて、例えば１／４波長板３１Ａと第１カメラ３３Ａとの間に結像レンズＬ４Ａが配置された構成としてもよい。同様に、１／４波長板３１Ｂと第２カメラ３３Ｂとの間に結像レンズＬ４Ｂが配置された構成としてもよい。

また、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、対物レンズＬ１，Ｌ２を配置した場合における第１光の参照面２３及び設置部２４に対する入射角θ１は、下記式（２）を満たすことが必要となる。勿論、第２光の入射角θ２についても同様である。

０＜ θ１ ＜ θ_ＮＡ ・・・（２）
ここで、「θ_ＮＡ」は、開口数ＮＡの対物レンズＬ１，Ｌ２を介して参照面２３及び設置部２４に入射され得る第１光の最大入射角度（対物レンズＬ１，Ｌ２の中心軸ＪＯに対する最大角度）を表す。

また、対物レンズＬ１，Ｌ２の開口数ＮＡは、下記式（３）で表すことができる。

ＮＡ＝ｎ×sinθ_ＮＡ ・・・（３）
ここで、「ｎ」は、参照面２３と対物レンズＬ１の間の媒質の屈折率を表す。但し、空気中であれば、ｎ≒１となる。

また、図１０（ａ），（ｂ）を比較して判るように、できる限り第１光の入射角θ１が小さい方が、より広い範囲に対し均一な平行光を照射することができる。結果として、より広範囲をより均一に計測することが可能となり、さらなる計測精度の向上等を図ることができる。勿論、第２光の入射角θ２についても同様である。

以上詳述したように、本実施形態によれば、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。

加えて、本実施形態では、対物レンズＬ１，Ｌ２、投光レンズＬ３Ａ，Ｌ３Ｂ、並びに、結像レンズＬ４Ａ，Ｌ４Ｂを備えている。これにより、ワークＷに焦点のあった画像データを取得可能となると共に、ワークＷを拡大して撮像することも可能となる。結果として、計測精度の向上を図ることができる。

尚、本実施形態のように、対物レンズＬ１，Ｌ２を備えた構成においては、ワークＷに対し照射される光（計測光）が１点（狭い範囲）に集まってしまうため、計測可能な計測領域が狭くなってしまうおそれがある。

これに対し、本実施形態では、投光レンズＬ３Ａ，Ｌ３Ｂを備え、発光部１１Ａ，１１Ｂから出射される光を対物レンズＬ１，Ｌ２へ向け集光させることにより、ワークＷのより広い範囲に対し均一な平行光を照射することができる。結果として、より広範囲をより均一に計測することが可能となり、さらなる計測精度の向上、及び、さらなる計測効率の向上を図ることができる。

〔第６実施形態〕
以下、第６実施形態について図１１を参照して説明する。本実施形態は、主に干渉光学系３の構成等が第１実施形態と異なる。従って、本実施形態では、第１実施形態と異なる特徴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。

本実施形態に係る干渉光学系３は、ハーフミラーＨＭに代えて、光学手段として、ビームスプリッタ（ＢＳ）２０を備えている。

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には例えば金属膜などのコーティングが施されている。

ビームスプリッタ２０は、ハーフミラーＨＭと同様、偏光状態も含め、入射光を所定の比率（本実施形態では１：１）で透過光と反射光とに分割するものである。これにより、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。

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Ｘ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、ビームスプリッタ２０の接合面２０ｈがＸ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投光系２Ａ（第１発光部１１Ａ）から出射される第１光が入射するビームスプリッタ２０の第１面（Ｚ軸方向上側面）２０ａ、並びに、該第１面２０ａと相対向する第３面（Ｚ軸方向下側面）２０ｃがＺ軸方向と直交するように配置されている。

一方、第１面２０ａと接合面２０ｈを挟んで隣り合う面であって、第２投光系２Ｂ（第２発光部１１Ｂ）から出射される第２光が入射するビームスプリッタ２０の第２面（Ｘ軸方向左側面）２０ｂ、並びに、該第２面２０ｂと相対向する第４面（Ｘ軸方向右側面）２０ｄがＸ軸方向と直交するように配置されている。

また、本実施形態に係る干渉光学系３では、ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄとＸ軸方向に相対向するように偏光板２１が配置され、該偏光板２１とＸ軸方向に相対向するように参照面２３が配置されている。

つまり、ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射される光のＰ偏光成分のみが偏光板２１を透過して、参照面２３に対し参照光として照射される。また、参照面２３で反射した参照光（Ｐ偏光）は、再度、偏光板２１を透過してビームスプリッタ２０の第４面２０ｄに入射する。

一方、ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃとＺ軸方向に相対向するように偏光板２２が配置され、該偏光板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。

つまり、ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射される光のＳ偏光成分のみが偏光板２２を透過して、設置部２４に置かれた被計測物としてのワークＷに対し計測光として照射される。また、ワークＷにて反射した計測光（Ｓ偏光）は、再度、偏光板２２を透過してビームスプリッタ２０の第３面２０ｃに入射する。

次に第１光の光路について説明する。第１投光系２Ａから干渉光学系３に向け第１光が出射される。

第１投光系２Ａから出射された第１光は、ビームスプリッタ２０の第１面２０ａの第１位置２０ａ１に入射する。従って、この「ビームスプリッタ２０の第１面２０ａの第１位置２０ａ１」が本実施形態における「第１入力部」を構成する。

本実施形態における第１発光部１１Ａの光軸（光の出射方向）ＪＡ１は、Ｚ軸方向に対し右側に角度θ１傾いている。この角度θ１が第１面２０ａへの第１光の入射角となる。

ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから入射した第１光は、所定の屈折角で屈折し、接合面２０ｈの第１位置２０ｈ１において、その一部（半分）が接合面２０ｈにて反射して第４面２０ｄの第１位置２０ｄ１から所定の屈折角で屈折して偏光板２１に向け出射される一方、残り（半分）が接合面２０ｈを透過して第３面２０ｃの第１位置２０ｃ１から所定の屈折角で屈折して偏光板２２に向け出射される。

ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄの第１位置２０ｄ１から出射した第１光は、偏光板２１に入射し、そのＰ偏光成分のみが偏光板２１を透過する。偏光板２１を透過した第１光のＰ偏光成分は、参照光として参照面２３に対し照射され反射する。ここで、第１光に係る参照光（Ｐ偏光）の参照面２３に対する入射角及び反射角は、上記角度θ１となる。

その後、参照面２３で反射した第１光に係る参照光（Ｐ偏光）は、再度、偏光板２１を透過して、ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄの第２位置２０ｄ２に入射する。

ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄの第２位置２０ｄ２から入射した第１光に係る参照光は、所定の屈折角で屈折し、接合面２０ｈの第２位置２０ｈ２において、その一部（半分）が接合面２０ｈにて反射してビームスプリッタ２０の第１面２０ａの第２位置２０ａ２から所定の屈折角で屈折して第１撮像系４Ａに向け出射される一方、残り（半分）が接合面２０ｈを透過してビームスプリッタ２０の第２面２０ｂの第１位置２０ｂ１から所定の屈折角で屈折して第２投光系２Ｂに向け出射される。

一方、ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃの第１位置２０ｃ１から出射した第１光は、偏光板２２に入射し、そのＳ偏光成分のみが偏光板２２を透過する。偏光板２２を透過した第１光のＳ偏光成分は、計測光としてワークＷに対し照射され反射する。ここで、第１光に係る計測光の設置部２４（ワークＷ）に対する入射角及び反射角は、上記角度θ１となる。

その後、ワークＷで反射した第１光に係る計測光（Ｓ偏光）は、再度、偏光板２２を透過して、ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃの第２位置２０ｃ２に入射する。

ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃの第２位置２０ｃ２から入射した第１光に係る計測光は、所定の屈折角で屈折し、接合面２０ｈの第２位置２０ｈ２において、その一部（半分）が接合面２０ｈにて反射してビームスプリッタ２０の第２面２０ｂの第１位置２０ｂ１から所定の屈折角で屈折して第２投光系２Ｂに向け出射される一方、残り（半分）が接合面２０ｈを透過してビームスプリッタ２０の第１面２０ａの第２位置２０ａ２から所定の屈折角で屈折して第１撮像系４Ａに向け出射される。

つまり、接合面２０ｈの第２位置２０ｈ２において、接合面２０ｈにて反射した第１光に係る参照光（Ｐ偏光）と、接合面２０ｈを透過した第１光に係る計測光（Ｓ偏光）とが合成されると共に、接合面２０ｈを透過した第１光に係る参照光（Ｐ偏光）と、接合面２０ｈにて反射した第１光に係る計測光（Ｓ偏光）とが合成されることとなる。

結果として、第１光に係る参照光（Ｐ偏光）及び計測光（Ｓ偏光）が合成された合成光が、干渉光学系３からの出力光として、ビームスプリッタ２０の第１面２０ａの第２位置２０ａ２から第１撮像系４Ａに向け出射されると共に、ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂの第１位置２０ｂ１から第２投光系２Ｂに向け出射される。従って、この「ビームスプリッタ２０の第１面２０ａの第２位置２０ａ２」が本実施形態における「第１出力部」を構成する。

このうち、第２投光系２Ｂに入射した第１光に係る合成光（参照光及び計測光）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。一方、第１撮像系４Ａに入射した第１光に係る合成光は、参照光成分及び計測光成分がそれぞれ円偏光に変換され、干渉光として撮像される。

次に第２光の光路について説明する。第２投光系２Ｂから干渉光学系３に向け第２光が出射される。

第２投光系２Ｂから出射された第２光は、ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂの第１位置２０ｂ１に入射する。従って、この「ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂの第１位置２０ｂ１」が本実施形態における「第２入力部」を構成する。

本実施形態における第２発光部１１Ｂの光軸（光の出射方向）ＪＢ１は、Ｘ軸方向に対し上側に角度θ２傾いている。この角度θ２が第２面２０ｂへの第２光の入射角となる。

ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから入射した第２光は、所定の屈折角で屈折し、接合面２０ｈの第２位置２０ｈ２において、その一部（半分）が接合面２０ｈにて反射して第３面２０ｃの第１位置２０ｃ２から所定の屈折角で屈折して偏光板２２に向け出射される一方、残り（半分）が接合面２０ｈを透過して、第４面２０ｄの第２位置２０ｄ２から所定の屈折角で屈折して偏光板２１に向け出射される。

ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄの第２位置２０ｄ２から出射した第２光は、偏光板２１に入射し、そのＰ偏光成分のみが偏光板２１を透過する。偏光板２１を透過した第２光のＰ偏光成分は、参照光として参照面２３に対し照射され反射する。ここで、第２光に係る参照光（Ｐ偏光）の参照面２３に対する入射角及び反射角は、上記角度θ２（＝θ１）となる。

その後、参照面２３で反射した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）は、再度、偏光板２１を透過して、ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄの第１位置２０ｄ１に入射する。

ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄの第１位置２０ｄ１から入射した第２光に係る参照光は、所定の屈折角で屈折し、接合面２０ｈの第１位置２０ｈ１において、その一部（半分）が接合面２０ｈにて反射してビームスプリッタ２０の第１面２０ａの第１位置２０ａ１から所定の屈折角で屈折して第１投光系２Ａに向け出射される一方、残り（半分）が接合面２０ｈを透過してビームスプリッタ２０の第２面２０ｂの第２位置２０ｂ２から所定の屈折角で屈折して第２撮像系４Ｂに向け出射される。

一方、ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃの第２位置２０ｃ２から出射した第２光は、偏光板２２に入射し、そのＳ偏光成分のみが偏光板２２を透過する。偏光板２２を透過した第２光のＳ偏光成分は、計測光としてワークＷに対し照射され反射する。ここで、第２光に係る計測光の設置部２４（ワークＷ）に対する入射角及び反射角は、上記角度θ２（＝θ１）となる。

その後、ワークＷで反射した第２光に係る計測光（Ｓ偏光）は、再度、偏光板２２を透過して、ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃの第１位置２０ｃ１に入射する。

ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃの第１位置２０ｃ１から入射した第２光に係る計測光は、所定の屈折角で屈折し、接合面２０ｈの第１位置２０ｈ１において、その一部（半分）が接合面２０ｈにて反射してビームスプリッタ２０の第２面２０ｂの第２位置２０ｂ２から所定の屈折角で屈折して第２撮像系４Ｂに向け出射される一方、残り（半分）が接合面２０ｈを透過してビームスプリッタ２０の第１面２０ａの第１位置２０ａ１から所定の屈折角で屈折して第１投光系２Ａに向け出射される。

つまり、接合面２０ｈの第１位置２０ｈ１において、接合面２０ｈにて反射した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）と、接合面２０ｈを透過した第２光に係る計測光（Ｓ偏光）とが合成されると共に、接合面２０ｈを透過した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）と、接合面２０ｈにて反射した第２光に係る計測光（Ｓ偏光）とが合成されることとなる。

結果として、第２光に係る参照光（Ｐ偏光）及び計測光（Ｓ偏光）が合成された合成光が、干渉光学系３からの出力光として、ビームスプリッタ２０の第１面２０ａの第１位置２０ａ１から第１投光系２Ａに向け出射されると共に、ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂの第２位置２０ｂ２から第２撮像系４Ｂに向け出射される。従って、この「ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂの第２位置２０ｂ２」が本実施形態における「第２出力部」を構成する。

このうち、第１投光系２Ａに入射した第２光に係る合成光（参照光及び計測光）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。一方、第２撮像系４Ｂに入射した第２光に係る合成光は、参照光成分及び計測光成分がそれぞれ円偏光に変換され、干渉光として撮像される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、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。

尚、本実施形態の構成に加えて、上記第５実施形態のように、対物レンズＬ１，Ｌ２、投光レンズＬ３Ａ，Ｌ３Ｂ、並びに、結像レンズＬ４Ａ，Ｌ４Ｂを備えた構成としてもよい。

但し、光が大きく屈折するビームスプリッタ２０に対し対物レンズＬ１，Ｌ２等を配置した場合には、対物レンズＬ１，Ｌ２等によって絞られた光が１点に集まらなくなるおそれがある。そのため、対物レンズＬ１，Ｌ２等を配置する場合には、光学手段として、ビームスプリッタ２０よりも、実質的に屈折を考慮しなくともよい薄板状のハーフミラーＨＭを用いることが好ましい。

〔第７実施形態〕
以下、第７実施形態について図１２を参照して説明する。本実施形態は、主に干渉光学系３の構成等と演算方法が第１実施形態と異なる。従って、本実施形態では、第１実施形態と異なる特徴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。尚、これまでの実施形態は参照面２３とハーフミラーＨＭのなす角およびビームスプリッタ２０の接合面２０ｈとのなす角は４５°であるが、本実施形態では４５°からわずかに傾ける。このため、光路が図１２とは厳密一致しないが、傾け角は僅かであるため、各記号の位置関係のずれは以下の説明に影響を与えない程度であることをあらかじめ述べておく。

本実施形態に係る干渉光学系３は、第１実施形態と異なり、偏光板２１、２２と１／４波長板３１Ａ、３１Ｂが無い。

カメラ３３Ａ、３３Ｂはイメージセンサとして一般的なＣＣＤ素子やＣＭＯＳ素子を搭載するものであり、７０Ａ及び７０Ｂは偏光イメージセンサではない。

第１カメラ３３Ａによって撮像され取得された輝度画像データは、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。

同様に第２カメラ３３Ｂによって撮像され取得された輝度画像データは、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。

次に第１光の光路について説明する。図１２に示すように、第１投光系２Ａ（第１発光部１１Ａ）から干渉光学系３に向け、波長λ１の第１光が出射される。ここで、光の進行方向（ベクトル）は、Ｚ軸方向に対し角度θ１だけ傾いている。

第１投光系２Ａから出射された第１光は、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射する。従って、この「ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１」が本実施形態における「第１入力部」を構成する。

第１光は後述のフーリエ変換法を実施可能な角度で参照ミラーを傾けても、イメージセンサ上で十分なコントラストで干渉可能なコヒーレンス長を持つ光源であればよい。

ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射した第１光は、その一部（半分）が第１面ＨＭａにて反射して参照面２３に向け出射される一方、残り（半分）がハーフミラーＨＭを透過して第２面ＨＭｂから設置部２４に向け出射される。

ハーフミラーＨＭの第１面ＨＭａにて反射した第１光は、参照光として参照面２３に対し照射され反射する。ここで、第１光に係る参照光の参照面２３に対する入射角及び反射角は、上記角度θ１となる。

その後、参照面２３で反射した第１光に係る参照光は、再度、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射する。ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射した第１光に係る参照光は、その一部（半分）が第１面ＨＭａにて反射して第１撮像系４Ａに向け出射される一方、残り（半分）がハーフミラーＨＭを透過して第２面ＨＭｂから第２投光系２Ｂに向け出射される。

一方、第１投光系２ＡからハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射し、該ハーフミラーＨＭを透過した第１光は、計測光としてワークＷに対し照射され反射する。ここで、第１光に係る計測光の設置部２４（ワークＷ）に対する入射角及び反射角は、上記角度θ１となる。

その後、ワークＷで反射した第１光に係る計測光は、再度、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射する。ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射した第１光に係る計測光は、その一部（半分）がハーフミラーＨＭを透過して第１面ＨＭａから第１撮像系４Ａに向け出射される一方、残り（半分）が第２面ＨＭｂにて反射して第２投光系２Ｂに向け出射される。

つまり、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２において、第１面ＨＭａにて反射した第１光に係る参照光と、第１面ＨＭａへ透過した第１光に係る計測光とが合成されると共に、第２面ＨＭｂへ透過した第１光に係る参照光と、第２面ＨＭｂにて反射した第１光に係る計測光とが合成されることとなる。

結果として、第１光に係る参照光及び計測光が合成された合成光が、干渉光学系３からの出力光として、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２から第１撮像系４Ａ及び第２投光系２Ｂに対しそれぞれ出射されることとなる。従って、この「ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２」が本実施形態における「第１出力部」を構成する。

このうち、第２投光系２Ｂに入射した第１光に係る合成光（参照光及び計測光）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。

一方、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、イメージセンサ７０Ａ上で干渉するため、第１カメラ３３Ａは第１光源による干渉縞画像を得る。

前述の通り参照面２３はこれまでの実施例ではハーフミラーＨＭとなす角が４５°であるが、本実施形態では４５°から僅かに傾けることで干渉縞画像にキャリア縞を発生させる。参照面（参照ミラー）２３を傾ける方向はハーフミラーＨＭとのなす角が４５°より大きくなる方向でも小さくなる方向でもどちらでも良い。尚、フーリエ変換法の性質上、イメージセンサの画素ピッチをＤ、使用波長をλ、参照面２３の４５°からの傾け角をθ３とすると、｜θ３｜≦tan^-1(λ／２Ｄ)である。また、参照面２３を傾けたことで光軸ＪＡ２と光軸ＪＢ２がカメラ３３Ａ，３３Ｂの中心を通らなくなるが、光線は十分な幅を持っているのでカメラ３３Ａ，３３Ｂに参照光は入射する。入射しない場合は入射する程度に傾け角を調整したり、光線を太くしたりする等で調整するものとする。尚、上記のように参照面２３を意図的に傾けてキャリア縞を発生させた干渉縞画像から計測光の複素振幅を得るフーリエ変換法による計測方法は、公知技術であるため（例えば特許第６２７１４９３号公報３７２～３７７段落参照）、その詳細な説明は省略する。

次に第２光の光路について説明する。図１２に示すように、第２投光系２Ｂ（第２発光部１１Ｂ）から干渉光学系３に向け、波長λ２の第２光が出射される。ここで、光の進行方向（ベクトル）は、Ｘ軸方向に対し角度θ２（＝θ１）だけ傾いている。

第２光も第１光と同じくフーリエ変換法を実施可能な角度で参照面（参照ミラー）２３を傾けても、イメージセンサ上で十分なコントラストで干渉可能なコヒーレンス長を持つ光源であればよい。

第２投光系２Ｂから出射された第２光は、ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射する。従って、この「ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２」が本実施形態における「第２入力部」を構成する。

ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射した第２光は、その一部（半分）がハーフミラーＨＭを透過して参照面２３に向け出射される一方、残り（半分）が第２面ＨＭｂにて反射して設置部２４に向け出射される。

ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２を透過した第２光は、参照光として参照面２３に対し照射され反射する。ここで、第２光に係る参照光の参照面２３に対する入射角及び反射角は、上記角度θ２となる。

その後、参照面２３で反射した第２光に係る参照光は、再度、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射する。ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射した第２光に係る参照光は、その一部（半分）がハーフミラーＨＭを透過して第２面ＨＭｂから第２撮像系４Ｂに向け出射される一方、残り（半分）が第１面ＨＭａにて反射して第１投光系２Ａに向け出射される。

一方、第２投光系２ＢからハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２に入射し、第２面ＨＭｂにて反射した第２光は、計測光としてワークＷに対し照射され反射する。ここで、第２光に係る計測光の設置部２４（ワークＷ）に対する入射角及び反射角は、上記角度θ２となる。

その後、ワークＷで反射した第２光に係る計測光は、再度、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射する。ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１に入射した第２光に係る計測光は、その一部（半分）が第２面ＨＭｂにて反射して第２撮像系４Ｂに向け出射される一方、残り（半分）がハーフミラーＨＭを透過して第１面ＨＭａから第１投光系２Ａに向け出射される。

つまり、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１において、第１面ＨＭａにて反射した第２光に係る参照光と、第１面ＨＭａへ透過した第２光に係る計測光とが合成されると共に、第２面ＨＭｂへ透過した第２光に係る参照光と、第２面ＨＭｂにて反射した第２光に係る計測光とが合成されることとなる。

結果として、第２光に係る参照光及び計測光が合成された合成光が、干渉光学系３からの出力光として、ハーフミラーＨＭの第１位置Ｐ１から第２撮像系４Ｂ及び第１投光系２Ａに対しそれぞれ出射されることとなる。従って、この「ハーフミラーＨＭの第２位置Ｐ２」が本実施形態における「第２出力部」を構成する。

このうち、第１投光系２Ａに入射した第２光に係る合成光（参照光及び計測光）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。

一方、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、イメージセンサ７０Ｂ上で干渉するため、第２カメラ３３Ｂは第２光源による干渉縞画像を得る。

尚、上記のように参照面２３を意図的に傾けてキャリア縞を発生させた干渉縞画像から計測光の複素振幅を得るフーリエ変換法による計測方法は、公知技術であるため（例えば特許第６２７１４９３号公報３７２～３７７段落参照）、その詳細な説明は省略する。

このように、それぞれ１回の撮像処理で取得された輝度画像データ（第１光に係る輝度画像データ、及び、第２光に係る輝度画像データ）には、三次元計測を行う上で必要な計測光の複素振幅情報が含まれている。

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光に係る輝度画像データ、及び、第２光に係る輝度画像データを基に、フーリエ変換法により各波長の計測光の位相を算出することができる。得られた２つの波長の位相情報によりワークＷの表面形状を計測する。つまり、ワークＷの表面上の各計測位置における高さ計測を行う。このように求められたワークＷの計測結果（高さデータ）は、制御装置５の演算結果記憶装置５５に格納される。尚、上記のように波長の異なる２種類の光を用いたフーリエ変換法による計測方法は、公知技術であるため（例えば特許第６２７１４９３号公報参照）、その詳細な説明は省略する。

以上詳述したように、本実施形態では、投光系２Ａ，２Ｂから撮像系４Ａ，４Ｂに至る第１光及び第２光の進行方向（ベクトル）が互いに重複する区間が存在しない構成となる。つまり、干渉光学系３に入射した第１光と第２光は互いに干渉することなく、完全に分離した状態で干渉光学系３から別々に出射されることとなる。

このように、本実施形態によれば、干渉光学系３に対する第１光及び第２光それぞれの入射位置や入射角度を適切に設定するだけで、第１光及び第２光を完全に分離して取り扱うことができるこのため、偏光成分（Ｐ偏光及びＳ偏光）の分離・変換に必要な偏光ビームスプリッタや１／４波長板などの光学部材を大幅に削減することができ、構成の簡素化を図ることができる。特に、波長の異なる２種類の光の偏光成分が同一光路上を同一方向に通過する１／４波長板を省略した光学系を実現することができる。

結果として、所定の光学部材から受ける製造誤差等の影響を排除し、計測精度の向上を図ることができる。

ひいては、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、計測効率の向上を図ることができる。

加えて、本実施形態では、カメラ３３Ａ，３３Ｂの撮像素子として、偏光イメージセンサを用いないことにより、一層構成の簡素化を図ることができる。

尚、本実施形態の構成に加えて、上記第５実施形態のように、対物レンズＬ１，Ｌ２、投光レンズＬ３Ａ，Ｌ３Ｂ、並びに、結像レンズＬ４Ａ，Ｌ４Ｂを備えた構成としてもよい。

尚、上記各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（形状や大きさ、材質などの種別）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。勿論、これらと異なる被計測物を計測する構成としてもよい。また、予め設定された良否判定基準に従い、被計測物の良否を検査する検査装置において、三次元計測装置１を備えた構成としても良い。

（ｂ）投光系２Ａ，２Ｂ、干渉光学系３及び撮像系４Ａ，４Ｂの配置構成は、上記各実施形態に限定されるものではない。

（ｂ－１）例えば上記各実施形態では、第１光に係る参照光の参照面２３に対する入射角θ１及び反射角θ１、並びに、第１光に係る計測光の設置部２４（ワークＷ）に対する入射角θ１及び反射角θ１と、第２光に係る参照光の参照面２３に対する入射角θ２及び反射角θ２、並びに、第２光に係る計測光の設置部２４（ワークＷ）に対する入射角θ２及び反射角θ２とが同一角に設定されている（θ１＝θ２）。

これに限らず、第１光に係る上記各種角度θ１と、第２光に係る上記各種角度θ２とが異なる角度に設定された構成としてもよい。

（ｂ－２）上記各実施形態では、２つの撮像系４Ａ，４Ｂにより１つのワークＷを異なる角度から撮像する構成となるため、ワークＷに直交する軸線（Ｚ軸）に対する上記角度θ１，θ２を小さくし、できる限り同一に近い角度からワークＷを撮像することが、計測精度の向上を図る上では好ましい。

（ｂ－３）第１光に係る上記各種角度θ１、及び、第２光に係る上記各種角度θ２は、ハーフミラーＨＭに対する第１光及び第２光の入射角が、第１光及び第２光が全反射する臨界角よりも小さくなるように設定されることが好ましい。

（ｂ－４）光学手段の「第１入力部」及び「第２入力部」の位置、光学手段の「第１出力部」及び「第２出力部」の位置、並びに、第１光に係る上記各種角度θ１及び第２光に係る上記各種角度θ２の組合せは、上記各実施形態に限定されるものではなく、少なくともワークＷに向かう第１光に係る計測光と、ワークＷに向かう第２光に係る計測光の進行方向（ベクトル）が重複しないように構成されていれば、いかなる組合せとなっていてもよい。

つまり、図１３（太破線部参照）に示すように、ワークＷや参照面２３に向かう第１光に係る計測光及び参照光と、ワークＷや参照面２３に向かう第２光に係る計測光及び参照光の進行方向（ベクトル）が重複する場合を除く、いかなる組合せであってもよい。

例えば上記各実施形態では、第１光の光路及び第２光の光路が同一ＸＺ平面に設定されているが、これに限らず、Ｚ軸方向に見た平面視で、ワークＷに向かう第１光に係る計測光の光路、及び、ワークＷに向かう第２光に係る計測光の光路の少なくとも一方がＹ軸方向に沿うように設定された構成としてもよい。

換言すれば、ワークＷに向かう第１光に係る計測光の光路、及び、ワークＷに向かう第２光に係る計測光の光路の少なくとも一方がＺ軸方向に対しＹ軸方向（前方向又は後方向）への傾きを持つように設定された構成としてもよい。

また、Ｚ軸方向に見た平面視で、ワークＷに向かう第１光に係る計測光の光路、及び、ワークＷに向かう第２光に係る計測光の光路が重複するように設定されると共に、第１光に係る計測光の入射角θ１と、第２光に係る計測光の入射角θ２とが異なるように設定された構成としてもよい。

（ｃ）干渉光学系（所定の光学系）及び光学手段に係る構成は、上記各実施形態に限定されるものではない。

（ｃ－１）例えば光学手段は、上記各実施形態のハーフミラーＨＭやビームスプリッタ２０に限定されるものではなく、入射する所定の光を２つの光に分割可能な他の光学部材を用いてもよい。

（ｃ－２）図１４（ａ）に示すように、上記第６実施形態では、ビームスプリッタ２０の第１面２０ａにおいて、第１投光系２Ａから出射された第１光の入射光Ｋ１が入射する第１位置２０ａ１と、第１光の出射光（第１光に係る参照光及び計測光の合成光）Ｋ２が出射する第２位置２０ａ２とが、正方形状の第１面２０ａの一辺と平行する方向に並ぶように設定されている。

これに代えて、図１４（ｂ）に示すように、ビームスプリッタ２０の第１面２０ａにおいて、第１光の入射光Ｋ１が入射する第１位置２０ａ１と、第１光の出射光Ｋ２が出射する第２位置２０ａ２とが、正方形状の第１面２０ａの対角線方向に並ぶように設定された構成としてもよい。

これにより、図１４（ａ），（ｂ）を比較して判るように、第１光の入射光Ｋ１及び出射光Ｋ２の径（幅）が変化しなければ、図１４（ｂ）に示す構成（第１位置２０ａ１と第２位置２０ａ２とが第１面２０ａの対角線方向に並んだ構成）の方が、第１面２０ａの一辺の長さが短い、より小さいビームスプリッタ２０を用いることができる（α１＞α２）。結果として、装置の小型化を図ることができる。

勿論、上記第６実施形態（ビームスプリッタ２０）に限らず、矩形板状のハーフミラーＨＭを用いる上記第１～第５実施形態においても同様に、第１光の入射光Ｋ１が入射する第１位置Ｐ１と、第１光の出射光Ｋ２が出射する第２位置Ｐ２とが、ハーフミラーＨＭの対角線方向に並ぶように設定された構成としてもよい。

（ｄ）照射手段に係る構成は、上記投光系２Ａ，２Ｂの構成に限定されるものではない。

（ｄ－１）例えば上記各実施形態では、第１投光系２Ａから波長λ１＝１５００ｎｍの光が照射され、第２投光系２Ｂから波長λ２＝１５０３ｎｍの光が照射される構成を例示しているが、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。

（ｄ－２）また、上記各実施形態に係る発光部１１Ａ，１１Ｂは、レーザ光源を採用し、レーザ光を出射する構成となっているが、これに限らず、他の構成を採用してもよい。少なくとも干渉を生じさせることができるコヒーレンスの高い光（コヒーレント光）を出射可能な構成となっていればよい。

例えばＬＥＤ光源などのインコヒーレント光源と、特定の波長のみを透過させるバンドパスフィルタやスペイシャルフィルタなどを組み合わせてコヒーレンスを高め、コヒーレント光を出射可能な構成としてもよい。

（ｅ）撮像手段及び撮像素子に係る構成は、上記各実施形態に限定されるものではない。

（ｅ－１）例えば上記各実施形態では、受光素子アレイ７１の一例としてＣＣＤイメージセンサを挙げているが、受光素子アレイ７１は、これに限定されるものではなく、例えばＣＭＯＳイメージセンサなどの半導体素子構造を有するものであってもよい。

（ｅ－２）上記各実施形態に係る偏光イメージセンサ７０Ａ，７０Ｂは、受光素子アレイ７１と、偏光子アレイ７２と、マイクロレンズアレイ７３とを備えた構成となっているが、これに限らず、例えばマイクロレンズアレイ７３を省略した構成としてもよい。

（ｅ－３）偏光子アレイ７２における偏光子７５の配列は、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では、透過軸の設定角度が４５°ずつ異なる４種類の偏光子７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄが所定順序で配置された構成となっているが、これとは異なる順序で配置された構成としてもよい。

また、透過軸角度が異なる３種類の偏光子が所定順序で配置された構成としてもよい。例えば透過軸の設定角度が６０°又は４５°ずつ異なる３種類の偏光子が所定順序で配置された構成としてもよい。

（ｆ）参照光と計測光の位相差を変化させる位相シフトに係る構成は、上記各実施形態に限定されるものではない。

（ｆ－１）上記各本実施形態では、カメラ３３Ａ，３３Ｂの撮像素子として、透過軸の設定角度が４５°ずつ異なる４種類の偏光子７５が所定の配列で各受光素子７４に対応して１つずつ配置された偏光イメージセンサ７０Ａ，７０Ｂを用いることにより、各カメラ３３Ａ，３３Ｂによる１回の撮像で、位相シフト法によるワークＷの高さ計測に必要な複数通りの輝度データを同時に取得する構成となっている。

これに限らず、例えば、偏光イメージセンサ７０Ａ，７０Ｂに代えて、撮像素子として、偏光子アレイ７２が省略された通常のイメージセンサを用いると共に、撮像系４Ａ，４Ｂにおいて、透過軸方向を変更可能な偏光板を備えた構成としてもよい。

かかる偏光板により、１／４波長板３１Ａ，３１Ｂにより円偏光に変換された第１光及び第２光の各成分を選択的に透過させ、回転方向の異なる第１光及び第２光の参照光成分と計測光成分を特定の位相について干渉させることができる。

より具体的には、第１撮像系４Ａが、第１光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）を円偏光に変換する１／４波長板３１Ａと、該１／４波長板３１Ａを透過した光の所定成分を選択的に透過させる（参照光及び計測光を干渉させる）回転式の第１偏光板と、該第１偏光板を透過した光を撮像する第１カメラ３３Ａとを備えると共に、第２撮像系４Ｂが、第２光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）を円偏光に変換する１／４波長板３１Ｂと、該１／４波長板３１Ｂを透過した光の所定成分を選択的に透過させる（参照光及び計測光を干渉させる）回転式の第２偏光板と、該第２偏光板を透過した光を撮像する第２カメラ３３Ｂとを備えた構成としてもよい。

また、ピエゾ素子等により参照面２３を、該参照面２３の法線方向へ移動させ、物理的に光路長を変化させることで、位相シフトを行う構成を採用してもよい。

但し、上述した偏光板の透過軸方向を変更して位相シフトを行う構成や、参照面２３を移動させて位相シフトを行う構成は、三次元計測を行う上で必要な全ての画像データを取得するために、複数のタイミングで撮像を行う必要がある。従って、撮像時間を短くする観点からすれば、上記各実施形態のように１回のタイミングで全ての画像データを撮像できる構成を採用することがより好ましい。加えて、上述した構成では、計測時間が長くなるばかりでなく、その間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もある。

（ｆ－２）上記各実施形態では、位相シフト法によりワークＷの高さ計測を行うにあたり、第１光及び第２光について、それぞれ位相が９０°ずつ異なる４通りの干渉光の輝度画像データ（第１光に係る輝度画像データ、及び、第２光に係る輝度画像データ）を基に位相シフト法を行う構成となっているが、位相シフト回数及び位相シフト量は、これらに限定されるものではない。例えば位相が１２０°（又は９０°）ずつ異なる３通りの干渉光の輝度画像データを基に位相シフト法によるワークＷの高さ計測を行う構成としてもよい。

（ｆ－３）位相シフト法やフーリエ変換方法とは異なる他の方法により三次元計測を行う構成に適用してもよい。

（ｇ）上記第７実施形態（図１２）では、参照面２３の傾け角θ３をＹ軸周りの回転角度として表しているが、この傾け角は一例であり、実際の傾け角はＺ軸周りでも、またはＹ軸周りとＺ軸周りの両方が合わさった角度に傾けても良い。

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、２１，２２…偏光板、２３…参照面、２４…設置部、３１Ａ…１／４波長板、３１Ｂ…１／４波長板、３３Ａ…第１カメラ、３３Ｂ…第２カメラ、７０Ａ…偏光イメージセンサ、７０Ｂ…偏光イメージセンサ、ＨＭ…ハーフミラー、Ｗ…ワーク。

Claims (6)

1. 入射する所定の光を２つの光に分割可能な光学手段を有し、該分割した一方の光の少なくとも一部を計測光として被計測物に照射しかつ他方の光の少なくとも一部を参照光として参照面に照射すると共に、前記被計測物にて反射した前記計測光の少なくとも一部と前記参照面にて反射した前記参照光の少なくとも一部とを合成して出射可能な所定の光学系と、
   前記光学手段の第１入力部に対し入射させる、第１波長の第１光を出射可能な第１照射手段と、
   前記光学手段の第２入力部に対し入射させる、第２波長の第２光を出射可能な第２照射手段と、
   前記第１入力部に対し前記第１光を入射することにより前記光学手段の第１出力部から出射される前記第１光に係る所定の出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
   前記第２入力部に対し前記第２光を入射することにより前記光学手段の第２出力部から出射される前記第２光に係る所定の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撮像手段により取得された画像データ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、
   前記光学手段から前記被計測物に向かう前記第１光に係る計測光と、前記光学手段から前記被計測物に向かう前記第２光に係る計測光の進行方向が異なり、かつ、前記光学手段から前記参照面に向かう前記第１光に係る参照光と、前記光学手段から前記参照面に向かう前記第２光に係る参照光の進行方向が異なり、
   前記被計測物にて反射して前記光学手段に向かう前記第１光に係る計測光と、前記被計測物にて反射して前記光学手段に向かう前記第２光に係る計測光の進行方向が異なり、かつ、前記参照面にて反射して前記光学手段に向かう前記第１光に係る参照光と、前記参照面にて反射して前記光学手段に向かう前記第２光に係る参照光の進行方向が異なり、
   前記光学手段は、
   前記被計測物にて反射した前記第１光に係る計測光の一部と、前記参照面にて反射した前記第１光に係る参照光の一部とを合成して前記第１出力部から出射可能、かつ、前記被計測物にて反射した前記第２光に係る計測光の一部と、前記参照面にて反射した前記第２光に係る参照光の一部とを合成して前記第２出力部から出射可能に構成されていることを特徴とする三次元計測装置。
2. 前記光学手段と前記参照面との間に配置され、第１偏光を透過させる第１の偏光板と、
   前記光学手段と前記被計測物との間に配置され、第２偏光を透過させる第２の偏光板と、
   前記光学手段の第１出力部と前記第１撮像手段との間に配置され、前記第１光に係る前記第１偏光及び前記第２偏光をそれぞれ円偏光へ変換する第１の１／４波長板と、
   前記光学手段の第２出力部と前記第２撮像手段との間に配置され、前記第２光に係る前記第１偏光及び前記第２偏光をそれぞれ円偏光へ変換する第２の１／４波長板とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
3. 前記光学手段から前記被計測物に向かう前記第１光に係る計測光の光路と、前記光学手段から前記被計測物に向かう前記第２光に係る計測光の光路とが、前記被計測物に直交する所定の軸線方向に見て、該軸線を中心に対称となり、
   かつ、
   前記光学手段から前記参照面に向かう前記第１光に係る参照光の光路と、前記光学手段から前記参照面に向かう前記第２光に係る参照光の光路とが、前記参照面に直交する所定の軸線方向に見て、該軸線を中心に対称となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元計測装置。
4. 前記被計測物に対する前記第１光に係る計測光の入射角と、前記被計測物に対する前記第２光に係る計測光の入射角とが同一角となり、
   かつ、
   前記参照面に対する前記第１光に係る参照光の入射角と、前記参照面に対する前記第２光に係る参照光の入射角とが同一角となっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の三次元計測装置。
5. 前記光学手段は、ハーフミラーである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. 前記光学手段と前記参照面とを所定の位置関係とすることにより生じるキャリア縞を撮像して得た前記画像データを基に前記計測光の複素振幅を得るフーリエ変換法により前記被計測物の三次元計測を実行可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。

Images