TWI619927B - Three-dimensional measuring device - Google Patents

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TWI619927B
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Abstract

本發明提供一種三維測量裝置，該三維測量裝置係利用波長相異之2種光，可擴大測量範圍，且提高測量效率。
三維測量裝置1具備：偏光分光器(polarization beam splitter)20，係將射入之既定光分割成偏光方向彼此正交的2道偏光，將一道作為測量光，照射於工件W，且將另一道作為參照光，照射於參照面23，且可將這2道光再合成射出；第1投光系統2A，係使具有第1波長之第1光射入該偏光分光器20的第1面20a；第2投光系統2B，係使具有第2波長之第2光射入偏光分光器20的第2面20b；第1攝像系統4A，係可拍攝從偏光分光器20之第2面20b所射出的該第1光；以及第2攝像系統4B，係可拍攝從偏光分光器20之第1面20a所射出的該第2光。

Description

三維測量裝置
本發明係有關於一種測量被測量物之形狀的三維測量裝置。
以往，作為測量被測量物之形狀的三維測量裝置，已知利用干涉儀的三維測量裝置。
在該三維測量裝置，測量光之波長(例如1500nm)之一半(例如750nm)為可測量的測量範圍(dynamic range)。
因此，假設在被測量物上有測量光之波長的一半以上之高低差的情況，測量範圍不足，可能無法適當地測量被測量物的形狀。相對地，在使測量光之波長變長的情況，解析度變粗，測量精度可能變差。
鑑於此，近年來，為了解決範圍不足，亦提議利用波長相異之2種光來進行測量的三維測量裝置(例如，參照專利文獻1)。
在該三維測量裝置中，在將第1波長光與第2波長光合成之狀態使其向干涉光學系統(偏光分光器等)射入，並藉既定光學分離手段(二向分光鏡等)對從干涉光學系統所射出之干涉光進行波長分離，而得到第1波長光之干涉光與第2波長光之干涉光。然後，根據個別 地拍攝各波長光之干涉光的干涉條紋影像，進行被測量物的形狀測量。
先行專利文獻 專利文獻
專利文獻1 日本特開2010-164389號公報
利用波長相異之2種光，為了更擴大三維測量之測量範圍，只要使2種光之波長差變成更小即可。2種光之波長愈接近，可愈擴大測量範圍。
可是，2種光之波長愈接近，愈難適當地分離2種光之波長。
換言之，在欲藉波長差小之2種光進行三維測量的情況，需要分別在相異之時序進行第1波長光之干涉光的攝像、與第2波長光之干涉光的攝像，而測量效率可能降低。
在利用例如相移法之三維測量，在分成4階段改變相位的情況，因為需要取得4種影像資料，所以在使用2種光的情況，需要分別在相異的時序各4次，總共8次份量的攝像時間。
本發明係鑑於上述的事項等所開發者，其目的在於提供一種三維測量裝置，該三維測量裝置係利用波長相異之2種光，可擴大測量範圍，且提高測量效率。
以下，分段說明適合解決上述之課題的各手段。此外，因應所需，對對應之手段附記特有之作用效果。
手段1.一種三維測量裝置，其特徵為：具備：既定光學系統(特定光學系統)，係將射入之既定光分割成2道光，將一道光作為測量光，可照射於被測量物，且將另一道光作為參照光，可照射於參照面，且可將這2道光再合成射出；第1照射手段，係可射出第1光，該第1光射入該既定光學系統，且含有第1波長之偏光；第2照射手段，係可射出第2光，該第2光射入該既定光學系統，且含有第2波長之偏光；第1攝像手段，係可拍攝從該既定光學系統所射出之該第1光的輸出光；第2攝像手段，係可拍攝從該既定光學系統所射出之該第2光的輸出光；以及影像處理手段，係根據藉該第1攝像手段及該第2攝像手段所拍攝之干涉條紋影像，可執行該被測量物之三維測量；使該第1光與該第2光分別射入該既定光學系統之相異的位置；使該第1光之輸出光與該第2光之輸出光分別從該既定光學系統之相異的位置射出。
若依據該手段1，藉由使第1光與第2光分別從既定光學系統之相異的位置射入，第1光與第2光係不會彼此產生干涉，並分開地從既定光學系統之相異的位置射出。即，不必使用既定分離手段將從既定光學系統所射出之光分離成第1光與第2光。
此外，以下係一樣，在從「既定光學系統(特定光學系統)」所輸出之「第1光的輸出光」，含有「第1光之參照光及測量光的合成光、或使該合成光產生干涉的干涉光」，在「第2光的輸出光」，含有「第2光之參照光及測量光的合成光、或使該合成光產生干涉的干涉光」。即，在「既定光學系統」，不僅含有「在內部使參照光及測量光產生干涉後作為干涉光輸出的光學系統」，亦含有「在內部不會使參照光及測量光產生干涉，而只作為合成光輸出的光學系統」。但，在從「既定光學系統」所輸出之「輸出光」為「合成光」的情況，為了拍攝「干涉條紋影像」，至少在藉「攝像手段」拍攝的前階段，經由既定干涉手段變換成「干涉光」。
即，將產生光之干涉(拍攝干涉條紋影像)作為目的，可將射入之既定光分割成2道光，將一道光作為測量光，可照射於被測量物，且將另一道光作為參照光，可照射於參照面，且可將這2道光再合成射出的光學系統稱為「干涉光學系統」。因此，在該手段1(在以下之各手段亦一樣)，亦可將「既定光學系統(特定光學系統)」稱為「干涉光學系統」。
結果，作為第1光及第2光，可使用波長接近的2種光，而可更擴大三維測量之測量範圍。
此外，因為可同時進行第1光之輸出光的攝像與第2光之輸出光的攝像，所以可縮短整體之攝像時間，而可提高測量效率。
此外，在使用2道光的情況，亦想到使用2個干涉光學系統(干涉儀模組)來測量被測量物的構成，但是在該構成，成為基準之參照面在各干涉光學系統相異，因為參照光與測量光產生光路差之光路區間在2道光相異，所以測量精度可能降低。又，難使2個干涉光學系統之光路長正確地一致，而其調整作業亦為很困難的作業。
在這一點，本手段係因為成為對具備一個成為基準之參照面的一個干涉光學系統(既定光學系統)使用2道光的構成，所以在參照光與測量光產生光路差之光路區間在2道光成為相同。結果，可防止由具備2個干涉光學系統所引起之各種不良的發生。
此外，在以下之手段亦一樣，從「第1照射手段」所照射之「第1光」係至少含有「第1波長之偏光(第1偏光)」之光即可，以後亦可是在「既定光學系統」含有被除掉之其他的多餘之成分的光(例如「無偏光」或「圓偏光」)。
一樣地，從「第2照射手段」所照射之「第2光」係至少含有「第2波長之偏光(第2偏光)」之光即可，以後亦可是在「既定光學系統」含有被除掉之其他的多餘之成分的光(例如「無偏光」或「圓偏光」)。
手段2.一種三維測量裝置，其特徵為具備：既定光學系統(特定光學系統)，係將射入之既定光分割成2道光，將一道光作為測量光，可照射於被測量物，將另一道光作為參照光，可照射於參照面，且可將這2道光再合成射出；第1照射手段，係可射出第1光，該第1光射入該既定光學系統之第1輸出入部，且含有第1波長之偏光；第2照射手段，係可射出第2光，該第2光射入該既定光學系統之第2輸出入部，且含有第2波長之偏光；第1攝像手段，係藉由將該第1光射入該第1輸出入部，可拍攝從該第2輸出入部所射出之該第1光的輸出光；第2攝像手段，係藉由將該第2光射入該第2輸出入部，可拍攝從該第1輸出入部所射出之該第2光的輸出光；以及影像處理手段，係根據藉該第1攝像手段及該第2攝像手段所拍攝之干涉條紋影像，可執行該被測量物之三維測量。
若依據該手段2，藉由使第1光與第2光分別從既定光學系統之相異的位置(第1輸出入部及第2輸出入部)射入，第1光與第2光分別在同一光路逆向地沿路前進，彼此不會產生干涉，分別從既定光學系統之相異的位置(第1輸出入部及第2輸出入部)射出。即，不必使用既定分離手段將從既定光學系統所射出之光分離成第1光與第2光。結果，具有與該手段1相同之作用效果。
此外，在以下之手段亦一樣，為了使該手段2的構成更適當地發揮功能，「在將該被測量物作為與該參照面同一平面的情況，對該第1輸出入部射入之該第1光的偏光方向、與從該第1輸出入部所射出之該第2光之輸出光的偏光方向成為相同，且對該第2輸出入部射入之該第2光的偏光方向、與從該第2輸出入部所射出之該第1光之輸出光的偏光方向成為相同」更佳。
一樣地，「在使對該第1輸出入部射入該第1光的入射方向、與對該第2輸出入部射入該第2光的入射方向在包含該兩入射方向的平面上一致的情況，該第1光的偏光方向與該第2光的偏光方向相差90°」為更佳。
又，「在該既定光學系統，在(例如朝向被測量物或參照光)同一軸線上朝向同一方向之該第1光(或者其測量光或參照光)的偏光方向與該第2光(或者其測量光或參照光)的偏光方向相差90°」更佳。
手段3.一種三維測量裝置，其特徵為具備：偏光分光器，係具有將射入之既定光分割成偏光方向彼此正交之2道偏光的邊界面，將該分割之一道偏光作為測量光，照射於被測量物，將另一道偏光作為參照光，照射於參照面，且可將這2道偏光再合成射出；第1照射手段，係可射出第1光，該第1光射入隔著該邊界面相鄰之該偏光分光器的第1面及第2面中成為第1輸出入部的該第1面，且含有第1波長之偏光； 第2照射手段，係可射出第2光，該第2光射入該偏光分光器之成為第2輸出入部的該第2面，且含有第2波長之偏光；第一1/4波長板，係被配置於該參照光所射出入之該偏光分光器的第3面與該參照面之間；第二1/4波長板，係被配置於該測量光所射出入之該偏光分光器的第4面與該被測量物之間；第1攝像手段，係藉由將該第1光射入該偏光分光器之該第1面，可拍攝從該第2面所射出之該第1光的輸出光；第2攝像手段，係藉由將該第2光射入該偏光分光器之該第2面，可拍攝從該第1面所射出之該第2光的輸出光；以及影像處理手段，係根據藉該第1攝像手段及該第2攝像手段所拍攝之干涉條紋影像，可執行該被測量物之三維測量。
若依據該手段3，藉根據邁克生(Michelson)干涉儀的原理之比較簡單的構成，可實現該手段1、2的構成。
在以下之手段亦一樣，「偏光分光器」具有在其邊界面，使具有第1偏光方向之第1偏光(例如P偏光)穿透，並使具有第2偏光方向之第2偏光(例如S偏光)反射的功能。因此，從偏光分光器之第1面所射入的第1光係被分割成例如由第1偏光所構成之參照光、與由第2偏光所構成之測量光，而從偏光分光器之第2面 所射入的第2光係被分割成例如由第2偏光所構成之參照光、與由第1偏光所構成之測量光。
即，藉由使第1光與第2光分別從既定光學系統之相異的位置(第1面及第2面)射入，因為第1光之參照光及測量光、與第2光之參照光及測量光分別被分割成相異的偏光成分(P偏光或S偏光)，所以第1光與第2光係不會彼此產生干涉，並分別從既定光學系統射出。
此外，在使用波長相異之2種光的情況，兩光共同使用之該「1/4波長板」係兩光之波長差愈大，愈無法適當地發揮功能。在這一點，更佳為亦使用波長差小之2種光。
手段4.一種三維測量裝置，其特徵為具備：第1照射手段，係可射出含有第1波長之偏光的第1光；第2照射手段，係可射出含有第2波長之偏光的第2光；作為第1輸出入部之第1偏光分光器，係將從該第1照射手段所射入之該第1光分割成偏光方向彼此正交之2道偏光，將一道偏光作為測量光，可照射於被測量物，將另一道偏光作為參照光，可照射於參照面，且可將經由該被測量物所射入之該第2光的測量光、與經由該參照面所射入之該第2光的參照光合成射出；作為第2輸出入部之第2偏光分光器，係將從該第2照射手段所射入之該第2光分割成偏光方向彼此正交 之2道偏光，將一道偏光作為測量光，可照射於被測量物，將另一道偏光作為參照光，可照射於參照面，且可將經由該被測量物所射入之該第1光的測量光、與經由該參照面所射入之該第1光的參照光合成並射出；第一1/4波長板，係被配置於該第1偏光分光器與該參照面之間；第二1/4波長板，係被配置於該第1偏光分光器與該被測量物之間；第三1/4波長板，係被配置於該第2偏光分光器與該參照面之間；第四1/4波長板，係被配置於該第2偏光分光器與該被測量物之間；第1攝像手段，係藉由將該第1光射入該第1偏光分光器，可拍攝從該第2偏光分光器所射出之該第1光的輸出光；第2攝像手段，係藉由將該第2光射入該第2偏光分光器，可拍攝從該第1偏光分光器所射出之該第2光的輸出光；以及影像處理手段，係根據藉該第1攝像手段及該第2攝像手段所拍攝之干涉條紋影像，可執行該被測量物之三維測量。
若依據該手段4，藉根據馬赫陳德(Mach-Zehnder)干涉儀的原理之比較簡單的構成，可實現該手段1、2的構成。
手段5.一種三維測量裝置，其特徵為具備：偏光分光器，係具有邊界面，該邊界面使具有第1偏光方向之偏光的第1偏光(例如P偏光)穿透，並反射具有第2偏光方向之偏光的第2偏光(例如S偏光)；第1照射手段，係可射出第1光，該第1光射入隔著該邊界面相鄰之該偏光分光器的第1面及第2面中成為第1輸出入部的該第1面，且含有第1波長之該第1偏光；第2照射手段，係可射出第2光，該第2光射入該偏光分光器之成為第2輸出入部的該第2面，且含有第2波長之第2偏光；1/4波長板，係被配置成與射出穿透該邊界面之第1光及在該邊界面所反射之第2光之該偏光分光器的第3面相對向；半鏡(half mirror)(參照面)，係在與該偏光分光器相反側，被配置成與該1/4波長板相對向，並使經由該1/4波長板所照射之光的一部分穿透，作為測量光，照射於被測量物，且將剩下的光反射，作為參照光；第1攝像手段，係藉由將該第1光射入該偏光分光器之該第1面，可拍攝從該第2面所射出之該第1光的輸出光；第2攝像手段，係藉由將該第2光射入該偏光分光器之該第2面，可拍攝從該第1面所射出之該第2光的輸出光；以及 影像處理手段，係根據藉該第1攝像手段及該第2攝像手段所拍攝之干涉條紋影像，可執行該被測量物之三維測量。
若依據該手段5，藉根據菲左(Fizeau)干涉儀的原理之比較簡單的構成，可實現該手段1、2的構成。
手段6.如手段2至5中任一項之三維測量裝置，其中具備：第1導光手段，係朝向該第1輸出入部射入從該第1照射手段所射出之第1光的至少一部分，且朝向該第2攝像手段射入從該第1輸出入部所射出之第2光之輸出光的至少一部分；及第2導光手段，係朝向該第2輸出入部射入從該第2照射手段所射出之第2光的至少一部分，且朝向該第1攝像手段射入從該第2輸出入部所射出之第1光之輸出光的至少一部分。
若依據該手段6，藉比較簡單的構成，可實現該手段2等的構成。
列舉例如「具備：第1無偏光分光器(半鏡等)，係使從該第1照射手段所射出之第1光的一部分穿透，且使剩餘部分反射，使該第1光之穿透光或反射光朝向該第1輸出入部射入，且使從該第1輸出入部所射出之第2光的一部分穿透且使剩餘部分反射，使該第2光之穿透光或反射光朝向該第2攝像手段射入；及第2無偏光分光器(半鏡等)，係使從該第2照射手段所射出之第2光的一部分穿透，且使剩餘部分反射， 使該第2光之穿透光或反射光朝向該第2輸出入部射入，且使從該第2輸出入部所射出之第1光的一部分穿透且使剩餘部分反射，使該第1光之穿透光或反射光朝向該第1攝像手段射入」的構成。
手段7.如手段6之三維測量裝置，其中：在該第1照射手段與該第1導光手段之間，具備僅使從該第1照射手段所射出之一方向的光穿透且遮斷逆向之光的第1光隔離器；在該第2照射手段與該第2導光手段之間，具備僅使從該第2照射手段所射出之一方向的光穿透且遮斷逆向之光的第2光隔離器。
作為該手段6之導光手段，例如在具備無偏光分光器的情況，在該無偏光分光器使從輸出入部所射出之光的一部分穿透且使剩餘部分反射，使該光之穿透光或反射光朝向攝像手段射入時，不射入該攝像手段之另一方的光就往照射手段。假設在該光射入照射手段的情況，照射手段可能損壞或動作變成不穩定。
相對地，若依據該手段7，藉由具備光隔離器，可防止照射手段之損壞或不穩定化等。
手段8.一種三維測量裝置，其特徵為：具備：既定光學系統(干涉光學系統)，係將射入之既定光分割成偏光方向彼此正交之2道偏光，將一道偏光作為測量光，照射於被測量物，將另一道偏光作為參照光，照射於參照面，且可將這2道偏光再合成射出； 第1照射手段，係可射出第1光，該第1光射入該既定光學系統且具有第1波長；第2照射手段，係可射出第2光，該第2光射入該既定光學系統且具有與該第1波長相異之第2波長；第1攝像手段，係可拍攝從該既定光學系統所射出之該第1光的輸出光；第2攝像手段，係可拍攝從該既定光學系統所射出之該第2光的輸出光；以及影像處理手段，係根據藉該第1攝像手段及該第2攝像手段所拍攝之干涉條紋影像，可執行該被測量物之三維測量；使該第1光與該第2光分別射入該既定光學系統之相異的位置；該既定光學系統，係將該第1光分割成由具有第1偏光方向之第1偏光(例如，P偏光)所構成的該參照光、與由具有第2偏光方向之第2偏光所構成的該測量光，將該第2光分割成由該第2偏光(例如，S偏光)所構成之該參照光、與由該第1偏光所構成之該測量光，使將這些光再合成之該第1光的輸出光與該第2光的輸出光分別從該既定光學系統之相異的位置射出。
若依據該手段8，藉由使第1光與第2光分別從既定光學系統之相異的位置射入，因為第1光之參照光及測量光、與第2光之參照光及測量光分別被分割成相異的偏光成分(P偏光或S偏光)，所以射入既定光學 系統之第1光與第2光係不會彼此干涉，並分別從既定光學系統射出。
因此，若依據該手段8，藉根據邁克生干涉儀或馬赫陳德干涉儀的原理之比較簡單的構成，可實現該手段1的構成。
手段9.如手段1至8中任一項之三維測量裝置，其中具備：第1相移手段，係對該第1光的該參照光與該測量光之間賦予相對的相位差；及第2相移手段，係對該第2光的該參照光與該測量光之間賦予相對的相位差；該影像處理手段係具備：第1測量值取得手段，係根據藉該第1攝像手段拍攝了藉該第1相移手段相移成複數種(例如3或4種)之該第1光的輸出光之複數種的干涉條紋影像，利用相移法進行該被測量物之形狀測量，可取得該測量值，作為第1測量值；第2測量值取得手段，係根據藉該第2攝像手段拍攝了藉該第2相移手段相移成複數種(例如3或4種)之該第2光的輸出光之複數種的干涉條紋影像，利用相移法進行該被測量物之形狀測量，可取得該測量值，作為第2測量值；以及高度資訊取得手段，係可取得從該第1測量值及該第2測量值所特定之高度資訊，作為該被測量物的高度資訊。
在使用相移法之以往的三維測量裝置，需要分成4階段或3階段改變相位，並拍攝與這些階段對應之4種或3種的干涉條紋影像。因此，在為了提高測量範圍，而使用波長差小之2種光的情況，需要分別在相異的時序各4次(或各3次)，總共8次份量(或6次份量)的攝像時間。
相對地，若依據本手段9，因為可同時進行第1光之輸出光的攝像與第2光之輸出光的攝像，所以可在共4次份量(或共3次份量)之攝像時間取得2種光之共8種(或6種)的干涉條紋影像。結果，可縮短整體之攝像時間，而可提高測量效率。
手段10.如手段9之三維測量裝置，其中具備：第1分光手段，係將該第1光之輸出光分割成複數道光；第1濾光手段，係作為該第1相移手段，對藉該第1分光手段所分割之複數道分割光中至少根據該相移法之測量所需之道數(例如3道或4道)的分割光分別賦予相異的相位差；第2分光手段，係將該第2光之輸出光分割成複數道光；以及第2濾光手段，係作為該第2相移手段，對藉該第2分光手段所分割之複數道分割光中至少根據該相移法之測量所需之道數(例如3道或4道)的分割光分別賦予相異的相位差； 該第1攝像手段係構成為可同時拍攝至少穿透該第1濾光手段之該複數道分割光；該第2攝像手段係構成為可同時拍攝至少穿透該第2濾光手段之該複數道分割光。
作為該相移手段，想到例如藉由使參照面沿著光軸移動而在物理上改變光路長的構成。可是，在該構成，因為至取得測量所需之全部的干涉條紋影像需要一定的時間，所以不僅測量時間變長，且因為受到該空氣之擺動或振動等的影響，測量精度可能降低。
在這一點，若依據該手段10，可同時取得測量所需之全部的干涉條紋影像。即，可同時取得2種光之共8種(或6種)的干涉條紋影像。結果，可提高測量精度，且可大幅度地縮短整體的攝像時間，而可飛躍似地提高測量效率。
此外，作為「分光手段」，列舉例如「對光路長各個相等且與行進方向正交之平面中光路將入射光分割成排列成陣列狀之4道光的分光手段」。例如，列舉如下之手段11所示的構成。
手段11.如手段10之三維測量裝置，其中該分光手段(第1分光手段及第2分光手段)係具備：第1光學構件(第1凱斯特稜鏡)，係形成沿著第1平面之截面形狀成為三角形的三角柱形狀，且沿著通過沿著與該第1平面正交之方向的3個面中之第1面與第2面的交線並與第3面正交之平面具有第1分歧手段(第1半鏡)；及 第2光學構件(第2凱斯特稜鏡)，係形成沿著與該第1平面正交之第2平面的截面形狀成為三角形的三角柱形狀，且沿著通過沿著與該第2平面正交之方向的3個面中之第1面與第2面的交線並與第3面正交之平面具有第2分歧手段(第2半鏡)；藉由將該第1光學構件之第3面與該第2光學構件之第1面配置成相對向， 藉該第1分歧手段在2方向使(垂直地)射入該第1光學構件之該第1面的光分歧，使其中藉該第1分歧手段所反射之分割光在該第1面朝向該第3面側反射，並使穿透該第1分歧手段之分割光在該第2面朝向該第3面側反射，藉此，作為平行之2道分割光從該第3面射出， 使從該第1光學構件之第3面所射出的2道分割光(垂直地)射入該第2光學構件的第1面，分別藉該第2分歧手段在2方向使該2道分割光分歧，使其中藉該第2分歧手段所反射之2道分割光分別在該第1面朝向該第3面側反射，並使穿透該第2分歧手段之2道分割光在該第2面朝向該第3面側反射，藉此，作為平行之4道分割光從該第3面射出。
若依據該手段11，可將從既定光學系統(干涉光學系統)所射出之光分光成排列成2列2行之陣列形的4道光。藉此，在例如如下之手段12所示藉單一攝像元件同時拍攝複數道分割光的構成，因為可將對攝像元件之攝像區域4等分成陣列形的分割區域分別指定給4 道分割光，所以可有效應用攝像元件的攝像區域。例如在將長寬比為4：3之一般之攝像元件的攝像區域4等分的情況，因為各分割區域之長寬比一樣成為4：3，所以可利用比各分割區域內之更寬的範圍。進而，可更提高測量精度。
又，在若將繞射格子用作分光手段的情況，解析度可能降低，在本手段，將一道光分割成平行的2道光，進而將該2道光分別分割成平行的2道光，藉此，因為成為分割成平行之4道光的構成，所以可抑制解析度的降低。
進而，作為將一道光分割成平行之2道光的手段，因為採用具有該構成之光學元件(凱斯特稜鏡)，所以所分割之2道光的光路長在光學上變成相等。結果，不必具備調整所分割之2道光的光路長之第1光路調整手段，可減少零件個數，且可簡化構成或使裝置小形化等。
又，若第1光學構件之第3面與第2光學構件之第1面抵接，因為一道光射入分光手段後，至射出4道光之間，光僅在光學元件內前進，成為不會出現在空氣中的構成，所以可減少空氣之擺動等的影響。
手段12.如手段10或11之三維測量裝置，其中該第1攝像手段係具備可同時拍攝至少穿透該第1濾光手段之該複數道分割光的單一攝像元件； 該第2攝像手段係具備可同時拍攝至少穿透該第2濾光手段之該複數道分割光的單一攝像元件。
此外，在同時拍攝複數道分割光的情況，亦想到藉構成攝像手段之複數台相機分別拍攝各分割光的構成，但是在該構成，可能因各相機(攝像元件)之差異等，而有發生量測誤差之虞。
在這一點，若依據本手段，因為成為藉單一攝像元件同時拍攝複數道分割光的構成，所以抑制量測誤差等之發生，而可提高測量精度。
手段13.如手段1至12中任一項的三維測量裝置，其中該被測量物係被印刷於印刷基板之焊料膏、或形成於晶圓基板之焊料凸塊。
若依據該手段13，因為可進行被印刷於印刷基板之焊料膏、或形成於晶圓基板之焊料凸塊的高度測量等。進而，在焊料膏或焊料凸塊之檢查，可根據其測量值進行焊料膏或焊料凸塊的好壞判定。因此，在該檢查，具有上述各手段之作用效果，而可高精度地判定好壞。結果，可提高在焊料印刷檢查裝置或焊料凸塊檢查裝置的檢查精度。
1‧‧‧三維測量裝置
2A‧‧‧第1投光系統
2B‧‧‧第2投光系統
3‧‧‧干涉光學系統
4A‧‧‧第1攝像系統
4B‧‧‧第2攝像系統
5‧‧‧控制裝置
11A‧‧‧第1發光部
11B‧‧‧第2發光部
12A‧‧‧第1光隔離器
12B‧‧‧第2光隔離器
13A‧‧‧第1無偏光分光器
13B‧‧‧第2無偏光分光器
20‧‧‧偏光分光器
20a‧‧‧第1面
20b‧‧‧第2面
20c‧‧‧第3面
20d‧‧‧第4面
21‧‧‧1/4波長板
22‧‧‧1/4波長板
23‧‧‧參照面
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相機
33B‧‧‧第2相機
W‧‧‧工件
第1圖係三維測量裝置的示意構成圖。
第2圖係表示三維測量裝置之電性構成的方塊圖。
第3圖係表示第1光之光路的光路圖。
第4圖係表示第2光之光路的光路圖。
第5圖係表示第2實施形態之分光光學系統等的示意構成圖。
第6圖係表示第2實施形態之濾光單元的示意構成圖。
第7圖係表示第2實施形態之攝像元件之攝像區域的示意構成圖。
第8圖係表示第3實施形態之三維測量裝置的示意構成圖。
第9圖係表示第3實施形態之第1光之光路的光路圖。
第10圖係表示第3實施形態之第2光之光路的光路圖。
第11圖係表示第4實施形態之三維測量裝置的示意構成圖。
第12圖係表示第4實施形態之第1光之光路的光路圖。
第13圖係表示第4實施形態之第2光之光路的光路圖。
第14圖係表示第5實施形態之三維測量裝置的示意構成圖。
第15圖係表示第5實施形態之分光光學系統的平面圖。
第16圖係表示第5實施形態之分光光學系統的正視圖。
第17圖係表示第5實施形態之分光光學系統的右側視圖。
第18圖係表示第5實施形態之分光光學系統的斜視圖。
第19圖係表示第6實施形態之三維測量裝置的示意構成圖。
第20圖係表示第7實施形態之三維測量裝置的概略構成圖。
第21圖係用以說明焊料凸塊之高度測量之原理的說明圖。
第22圖係表示其他的實施形態之濾光單元的示意構成圖。
[第1實施形態]
以下，一面參照圖面，一面說明三維測量裝置之一實施形態。第1圖係表示本實施形態之三維測量裝置1之示意構成圖的模式圖。第2圖係表示三維測量裝置1之電性構成的方塊圖。以下，權宜上，在說明中，將第1圖之紙面前後方向作為「X軸方向」，將紙面上下方向作為「Y軸方向」，將紙面左右方向作為「Z軸方向」。
三維測量裝置1係根據邁克生干涉儀之原理所構成，並具備：2個投光系統2A,2B(第1投光系統2A、第2投光系統2B)，係可輸出特定波長的光；干涉光學系統3，係被射入分別從該投光系統2A,2B所射出之光； 2個攝像系統4A,4B(第1攝像系統4A、第2攝像系統4B)，係可拍攝從該干涉光學系統3所射出之光；以及控制裝置5，係進行投光系統2A,2B或干涉光學系統3、攝像系統4A,4B等之各種控制或影像處理、運算處理等。
此處，「控制裝置5」構成本實施形態之「影像處理手段」，「干涉光學系統3」構成本實施形態之「既定光學系統(特定光學系統)」。此外，在本發明之各實施形態，目的在於產生光之干涉(拍攝干涉條紋影像)，將射入之既定光分割成2道光(測量光及參照光)，在使該2道光產生光路差後，再度合成並輸出的光學系統稱為「干涉光學系統」。也就是說，不僅使2道光在內部產生干涉後作為干涉光輸出的光學系統稱為「干涉光學系統」，2道光在內部無產生干涉而單純作為合成光輸出的光學系統亦稱作「干涉光學系統」。因此，在本實施形態，如後述所示，在從「干涉光學系統」將2道光(測量光及參照光)不會產生干涉地作為合成光輸出的情況，至少在被拍攝的前階段(例如攝像系統的內部等)，經由既定干涉手段變換成干涉光。
首先，詳細說明2個投光系統2A,2B(第1投光系統2A、第2投光系統2B)。第1投光系統2A具備第1發光部11A、第1光隔離器12A以及第1無偏光分光器13A等。此處，「第1發光部11A」構成本實施形態之「第1照射手段」。
雖省略圖示，第1發光部11A具備可輸出特定波長λ1之直線偏光的雷射光源、或將從該雷射光源所 輸出之直線偏光放大並作為平行光射出的擴束器(beam expander)、用以進行強度調整的偏光板、用以調整偏光方向的1/2波長板等。
在該構成之下，在本實施形態，從第1發光部11A在Z軸方向朝左射出將對X軸方向及Y軸方向傾斜45°的方向作為偏光方向之波長λ1(例如λ1=1500nm)的直線偏光。此處，「波長λ1」相當於本實施形態之「第1波長」。以後，將從第1發光部11A所射出之波長λ1的光稱為「第1光」。
第1光隔離器12A係僅使在一方向(在本實施形態係Z軸方向朝左)前進的光穿透並遮斷逆向(在本實施形態係Z軸方向朝右)之光的光學元件。藉此，僅使從第1發光部11A所射出之第1光穿透，而可防止回光所造成之第1發光部11A的損傷或不穩定化等。
第1無偏光分光器13A係將直角稜鏡(將直角等腰三角形作為底面之三角柱狀的稜鏡。以下相同。)相黏貼而作成一體之立方體式之周知的光學元件，在其接合面13Ah被施以例如金屬膜等的塗膜(coating)。「第1無偏光分光器13A」構成本實施形態之「第1導光手段」。
以下係相同，無偏光分光器係亦包含偏光狀態，以既定百分比將入射光分割成穿透光與反射光。在本實施形態，採用具有1：1之分割比之所謂的半鏡。即，全部以相同之百分比分割穿透光之P偏光成分及S偏光成分、以及反射光之P偏光成分及S偏光成分，且穿透光與反射光之各偏光狀態成為與入射光之偏光狀態相同。
此外，在本實施形態，將第1圖之與紙面平行的方向(Y軸方向或Z軸方向)作為偏光方向的直線偏光稱為P偏光(P偏光成分)。將第1圖之與紙面垂直的X軸方向作為偏光方向的直線偏光稱為S偏光(S偏光成分)。「P偏光」相當於「具有第1偏光方向的第1偏光」，「S偏光」相當於「具有第2偏光方向的第2偏光」。
又，第1無偏光分光器13A被配置成隔著該接合面13Ah相鄰的2個面中之一方與Y軸方向正交且另一方與Z軸方向正交。即，被配置成第1無偏光分光器13A的接合面13Ah對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。更詳細說明之，被配置成經由第1光隔離器12A，使從第1發光部11A在Z軸方向向左所射入之第1光的一部分(一半)在Z軸方向向左穿透，使剩餘部分(一半)在Y軸方向向下反射。
第2投光系統2B係與該第1投光系統2A一樣，具備第2發光部11B、第2光隔離器12B以及第2無偏光分光器13B等。此處，「第2發光部11B」構成本實施形態之「第2照射手段」。
第2發光部11B係與該第1發光部11A一樣，具備可輸出特定波長λ2之直線偏光的雷射光源、或將從該雷射光源所輸出之直線偏光放大並作為平行光射出的擴束器、用以進行強度調整的偏光板、用以調整偏光方向的1/2波長板等。
在該構成之下，在本實施形態，從第2發光部11B在Y軸方向朝上射出將對X軸方向及Z軸方向傾 斜45°的方向作為偏光方向之波長λ2(例如λ2=1503nm)的直線偏光。此處，「波長λ2」相當於本實施形態之「第2波長」。以後，將從第2發光部11B所射出之波長λ2的光稱為「第2光」。
第2光隔離器12B係與第1光隔離器12A一樣，僅使在一方向(在本實施形態係Y軸方向朝上)前進的光穿透並遮斷逆向(在本實施形態係Y軸方向朝下)之光的光學元件。藉此，僅使從第2發光部11B所射出之第2光穿透，而可防止回光所造成之第2發光部11B的損傷或不穩定化等。
第2無偏光分光器13B係與第1無偏光分光器13A一樣，將直角稜鏡相黏貼而作成一體之立方體式之周知的光學元件，在其接合面13Bh被施以例如金屬膜等的塗膜。「第2無偏光分光器13B」構成本實施形態之「第2導光手段」。
又，第2無偏光分光器13B被配置成隔著該接合面13Bh相鄰的2個面中之一方與Y軸方向正交且另一方與Z軸方向正交。即，被配置成第2無偏光分光器13B的接合面13Bh對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。更詳細說明之，被配置成經由第2光隔離器12B，使從第2發光部11B在Y軸方向向上所射入之第2光的一部分(一半)在Y軸方向向上穿透，使剩餘部分(一半)在Z軸方向向右反射。
其次，詳細說明干涉光學系統3的構成。干涉光學系統3具備偏光分光器(PBS；polarization beam splitter)20、1/4波長板21,22、參照面23以及設置部24等。
偏光分光器20係將直角稜鏡相黏貼而作成一體之立方體式之周知的光學元件，在其接合面(邊界面)20h被施以例如電介質多層膜等的塗膜。
偏光分光器20係將射入之直線偏光分割成偏光方向彼此正交之2個偏光成分(P偏光成分與S偏光成分)。本實施形態之偏光分光器20成為使P偏光成分穿透，並將S偏光成分反射的構成。又，本實施形態之偏光分光器20係構成將射入之既定光分割成2道光的「分割手段」，且構成將這2道光再合成的「合成手段」。
偏光分光器20被配置成隔著該接合面20h相鄰之2個面中的一方與Y軸方向正交且另一方與Z軸方向正交。即，被配置成偏光分光器20的接合面20h對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。
更詳細說明之，被配置成從該第1無偏光分光器13A在Y軸方向向下所反射之第1光射入之偏光分光器20的第1面(Y軸方向上側面)20a、及與該第1面20a相對向之第3面(Y軸方向下側面)20c與Y軸方向正交。「偏光分光器20的第1面20a」相當於本實施形態之「第1輸出入部」。
另一方面，係隔著接合面20h與第1面20a相鄰的面，並從該第2無偏光分光器13B在Z軸方向朝右所反射的第2光射入之偏光分光器20的第2面(Z軸方向左側面)20b及與該第2面20b相對向之第4面(Z軸 方向右側面)20d被配置成與Z軸方向正交。「偏光分光器20的第2面20b」相當於本實施形態之「第2輸出入部」。
又，1/4波長板21被配置成與偏光分光器20之第3面20c在Y軸方向相對向，參照面23被配置成與1/4波長板21在Y軸方向相對向。
1/4波長板21係相當於本實施形態之「第一1/4波長板」，具有將直線偏光變換成圓偏光且將圓偏光變換成直線偏光的功能。即，從偏光分光器20之第3面20c所射出之直線偏光(參照光)係經由1/4波長板21被變換成圓偏光後，照射於參照面23。又，在參照面23所反射之參照光係再經由1/4波長板21從圓偏光被變換成直線偏光後，射入偏光分光器20的第3面20c。
另一方面，1/4波長板22被配置成與偏光分光器20之第4面20d在Z軸方向相對向，設置部24被配置成與1/4波長板22在Z軸方向相對向。
1/4波長板22係相當於本實施形態之「第二1/4波長板」，具有將直線偏光變換成圓偏光且將圓偏光變換成直線偏光的功能。即，從偏光分光器20之第4面20d所射出之直線偏光(測量光)係經由1/4波長板22被變換成圓偏光後，照射於被放置於設置部24之作為被測量物的工件W。又，在工件W所反射之測量光係再經由1/4波長板22從圓偏光被變換成直線偏光後，射入偏光分光器20的第4面20d。
其次，詳細說明2個攝像系統4A,4B(第1攝像系統4A、第2攝像系統4B)的構成。第1攝像系統4A具備1/4波長板31A、第1偏光板32A、以及構成第1攝像手段的第1相機33A等。
1/4波長板31A係用以將在Z軸方向朝左穿透第2無偏光分光器13B之直線偏光(第1光之參照光成分及測量光成分)分別變換成圓偏光者。
第1偏光板32A係使藉1/4波長板31A變換成圓偏光之第1光的各成分選擇性穿透者。藉此，可使轉動方向相異之第1光的參照光成分與測量光成分對特定的相位產生干涉。「第1偏光板32A」構成本實施形態之「第1相移手段」及「干涉手段」。
本實施形態之第1偏光板32A構成為以Z軸方向為軸心可轉動，且被控制成其穿透軸方向每次變化45°。具體而言，穿透軸方向以對Y軸方向成為「0°」、「45°」、「90°」、「135°」之方式變化。
藉此，可使穿透第1偏光板32A之第1光的參照光成分及測量光成分在4種相位產生干涉。即，可產生相位各相差90°的干涉光。具體而言，可產生相位為「0°」之干涉光、相位為「90°」之干涉光、相位為「180°」之干涉光以及相位為「270°」之干涉光。
第1相機33A係具備透鏡或攝像元件等而成之周知者。在本實施形態，作為第1相機33A之攝像元件，採用CCD區域感測器。當然，攝像元件係不限定為此，例如亦可採用CMOS區域感測器等。
藉第1相機33A所拍攝之影像資料係在第1相機33A內部被變換成數位信號後，以數位信號之形式輸入控制裝置5(影像資料記憶裝置54)。
具體而言，藉第1相機33A拍攝第2光之相位「0°」的干涉條紋影像、相位「90°」的干涉條紋影像、相位「180°」的干涉條紋影像以及相位「270°」的干涉條紋影像。
第2攝像系統4B係與第1攝像系統4A一樣，具備1/4波長板31B、第2偏光板32B、以及構成第2攝像手段的第2相機33B等。
1/4波長板31B係用以將在Y軸方向朝上穿透第1無偏光分光器13A之直線偏光(第2光之參照光成分及測量光成分)分別變換成圓偏光者。
第2偏光板32B係與第1偏光板32A一樣，使藉1/4波長板31B變換成圓偏光之第2光的各成分選擇性穿透者。藉此，可使轉動方向相異之第2光的參照光成分與測量光成分對特定的相位產生干涉。「第2偏光板32B」構成本實施形態之「第2相移手段」及「干涉手段」。
本實施形態之第2偏光板32B構成為以Y軸方向為軸心可轉動，且被控制成其穿透軸方向每次變化45°。具體而言，穿透軸方向以對X軸方向成為「0°」、「45°」、「90°」、「135°」之方式變化。
藉此，可使穿透第2偏光板32B之第2光的參照光成分及測量光成分在4種相位產生干涉。即，可 產生相位各相差90°的干涉光。具體而言，可產生相位為「0°」之干涉光、相位為「90°」之干涉光、相位為「180°」之干涉光以及相位為「270°」之干涉光。
第2相機33B係與第1相機33A一樣，具備透鏡或攝像元件等而成之周知者。在本實施形態，與第1相機33A一樣，作為第2相機33B之攝像元件，採用CCD區域感測器。當然，攝像元件係不限定為此，例如亦可採用CMOS區域感測器等。
與第1相機33A一樣，藉第2相機33B所拍攝之影像資料係在第2相機33B內部被變換成數位信號後，以數位信號之形式輸入控制裝置5(影像資料記憶裝置54)。
具體而言，藉第2相機33B拍攝第2光之相位「0°」的干涉條紋影像、相位「90°」的干涉條紋影像、相位「180°」的干涉條紋影像以及相位「270°」的干涉條紋影像。
此處，說明控制裝置5的電性構成。如第2圖所示，控制裝置5具備掌管三維測量裝置1整體之控制的CPU及輸出入介面51、由鍵盤或滑鼠、或者觸控面板所構成之作為「輸入手段」的輸入裝置52、具有液晶畫面等之顯示畫面之作為「顯示手段」的顯示裝置53、用以依序記憶藉相機33A,33B所拍攝之影像資料等的影像資料記憶裝置54、用以記憶各種運算結果的運算結果記憶裝置55以及預先記憶各種資訊之設定資料記憶裝置56。此外，這些各裝置52~56對CPU及輸出入介面51電性連接。
其次，說明三維測量裝置1的作用。此外，如後述所示，本實施形態之第1光及第2光的照射係同時進行，第1光之光路與第2光之光路在一部分重疊，但是此處，為了更易於了解，對第1光與第2光之各光路使用相異的圖面，個別地說明。
首先，參照第3圖，說明第1光之光路。如第3圖所示，從第1發光部11A在Z軸方向朝左射出波長λ1之第1光(偏光方向對X軸方向及Y軸方向傾斜45°的直線偏光)。
從第1發光部11A所射出之第1光係通過第1光隔離器12A，並射入第1無偏光分光器13A。射入第1無偏光分光器13A之第1光的一部分係在Z軸方向朝左穿透，剩餘部分係在Y軸方向朝下反射。
其中，在Y軸方向朝下所反射之第1光(偏光方向對X軸方向及Z軸方向傾斜45°的直線偏光)射入偏光分光器20的第1面20a。另一方面，在Z軸方向朝左所穿透之第1光係不會射入任何光學系統等，而成為捨棄光。
此處，若因應於需要將成為捨棄光之光利用於波長測量或光之功率測量，可使光源穩定進而能提高測量精度(以下一樣)。
從偏光分光器20之第1面20a在Y軸方向朝下所射入的第1光係其P偏光成分在Y軸方向朝下穿透，並從第3面20c作為參照光射出，另一方面，其S偏光成分在Z軸方向朝右反射並從第4面20d作為測量光射出。
從偏光分光器20之第3面20c所射出之第1光的參照光(P偏光)係藉由通過1/4波長板21，被變換成右轉之圓偏光後，在參照面23反射。此處，維持對光之行進方向的轉動方向。然後，第1光之參照光係再藉由通過1/4波長板21，從右轉之圓偏光被變換成S偏光後，再射入偏光分光器20的第3面20c。
另一方面，從偏光分光器20之第4面20d所射出之第1光的測量光(S偏光)係藉由通過1/4波長板22，被變換成左轉之圓偏光後，在工件W反射。此處，維持對光之行進方向的轉動方向。然後，第1光之測量光係再藉由通過1/4波長板22，從左轉之圓偏光被變換成P偏光後，再射入偏光分光器20的第4面20d。
此處，從偏光分光器20之第3面20c再射入之第1光的參照光(S偏光)於接合面20h在Z軸方向朝左反射，另一方面，從第4面20d再射入之第1光的測量光(P偏光)於接合面20h在Z軸方向朝左穿透。然後，第1光之參照光及測量光被合成之狀態的合成光作為輸出光，從偏光分光器20的第2面20b射出。
從偏光分光器20之第2面20b所射出的第1光之合成光(參照光及測量光)射入第2無偏光分光器13B。對第2無偏光分光器13B在Z軸方向朝左所射入之第1光的合成光係其一部分在Z軸方向朝左穿透，剩餘部分在Y軸方向朝下反射。其中，在Z軸方向朝左所穿透之合成光(參照光及測量光)射入第1攝像系統4A。另一方面，在Y軸方向朝下所反射之合成光係藉第2光隔離器12B遮斷其前進，成為捨棄光。
射入第1攝像系統4A之第1光的合成光(參照光及測量光)係首先，藉1/4波長板31A將該參照光成分(S偏光成分)變換成左轉的圓偏光，並將該測量光成分(P偏光成分)變換成右轉的圓偏光。此處，左轉的圓偏光與右轉的圓偏光係因為轉向相異，所以不會產生干涉。
第1光的合成光係接著藉由通過第1偏光板32A，該參照光成分與測量光成分在因應於第1偏光板32A之角度的相位產生干涉。然後，藉第1相機33A拍攝該第1光之干涉光。
接著，參照第4圖，說明第2光之光路。如第4圖所示，從第2發光部11B在Y軸方向朝上射出波長λ2之第2光(偏光方向對X軸方向及Z軸方向傾斜45°的直線偏光)。
從第2發光部11B所射出之第2光係通過第2光隔離器12B，並射入第2無偏光分光器13B。射入第2無偏光分光器13B之第2光的一部分係在Y軸方向朝上穿透，剩餘部分係在Z軸方向朝右反射。
其中，在Z軸方向朝右所反射之第2光(偏光方向對X軸方向及Y軸方向傾斜45°的直線偏光)射入偏光分光器20的第2面20b。另一方面，在Y軸方向朝上所穿透之第2光係不會射入任何光學系統等，而成為捨棄光。
從偏光分光器20之第2面20b在Z軸方向朝右所射入的第2光係其S偏光成分在Y軸方向朝下反射，並從第3面20c作為參照光射出，另一方面，其P 偏光成分在Z軸方向朝右穿透並從第4面20d作為測量光射出。
從偏光分光器20之第3面20c所射出之第2光的參照光(S偏光)係藉由通過1/4波長板21，被變換成左轉之圓偏光後，在參照面23反射。此處，維持對光之行進方向的轉動方向。然後，第2光之參照光係再藉由通過1/4波長板21，從左轉之圓偏光被變換成P偏光後，再射入偏光分光器20的第3面20c。
另一方面，從偏光分光器20之第4面20d所射出之第2光的測量光(P偏光)係藉由通過1/4波長板22，被變換成右轉之圓偏光後，在工件W反射。此處，維持對光之行進方向的轉動方向。然後，第2光之測量光係再藉由通過1/4波長板22，從右轉之圓偏光被變換成S偏光後，再射入偏光分光器20的第4面20d。
此處，從偏光分光器20之第3面20c再射入之第2光的參照光(P偏光)在接合面20h在Y軸方向朝上穿透，另一方面，從第4面20d再射入之第2光的測量光(S偏光)在接合面20h在Y軸方向朝上反射。然後，第2光之參照光及測量光被合成之狀態的合成光作為輸出光，從偏光分光器20的第1面20a射出。
從偏光分光器20之第1面20a所射出的第2光之合成光(參照光及測量光)射入第1無偏光分光器13A。對第1無偏光分光器13A在Y軸方向朝上所射入之第2光的合成光係其一部分在Y軸方向朝上穿透，剩餘部分在Z軸方向朝下反射。其中，在Y軸方向朝上所 穿透之合成光(參照光及測量光)射入第2攝像系統4B。另一方面，在Z軸方向朝右所反射之合成光係藉第1光隔離器12A遮斷其前進，成為捨棄光。
射入第2攝像系統4B之第2光的合成光(參照光及測量光)係首先，藉1/4波長板31B將該參照光成分(P偏光成分)變換成右轉的圓偏光，並將該測量光成分(S偏光成分)變換成左轉的圓偏光。此處，左轉的圓偏光與右轉的圓偏光係因為轉向相異，所以不會產生干涉。
第2光的合成光係接著藉由通過第2偏光板32B，該參照光成分與測量光成分在因應於第2偏光板32B之角度的相位產生干涉。然後，藉第2相機33B拍攝該第2光之干涉光。
其次，詳細說明藉控制裝置5所執行之形狀測量處理的步驟。首先，在對設置部24設置工件W後，將第1攝像系統4A之第1偏光板32A的穿透軸方向設定於既定基準位置(例如「0°」)，且將第2攝像系統4B之第2偏光板32B的穿透軸方向設定於既定基準位置(例如「0°」)。
接著，從第1投光系統2A照射第1光，同時從第2投光系統2B照射第2光。結果，從干涉光學系統3之偏光分光器20的第2面20b射出第1光的合成光(參照光及測量光)，同時從偏光分光器20的第1面20a射出第2光的合成光(參照光及測量光)。
然後，藉第1攝像系統4A拍攝從偏光分光器20的第2面20b所射出之第1光的合成光，同時藉第 2攝像系統4B拍攝從偏光分光器20的第1面20a所射出之第2光的合成光。
此外，因為此處第1偏光板32A及第2偏光板32B之穿透軸方向分別被設定成「0°」，所以在第1相機33A拍攝第1光之相位「0°」的干涉條紋影像，在第2相機33B拍攝第2光之相位「0°」的干涉條紋影像。
然後，向控制裝置5輸出從各相機33A,33B分別拍攝之影像資料。控制裝置5係將所輸入之影像資料記憶於影像資料記憶裝置54。
接著，控制裝置5進行第1攝像系統4A之第1偏光板32A及第2攝像系統4B之第2偏光板32B的切換處理。具體而言，使第1偏光板32A及第2偏光板32B分別轉動位移至穿透軸方向成為「45°」的位置。
該切換處理結束時，控制裝置5進行與上述一連串之第1次的攝像處理相同之第2次的攝像處理。即，控制裝置5係從第1投光系統2A照射第1光，同時從第2投光系統2B照射第2光，並藉第1攝像系統4A拍攝從偏光分光器20的第2面20b所射出之第1光的合成光，同時藉第2攝像系統4B拍攝從偏光分光器20的第1面20a所射出之第2光的合成光。藉此，取得第1光之相位「90°」的干涉條紋影像，同時拍攝第2光之相位「90°」的干涉條紋影像。
之後，重複與上述之第1次及第2次之攝像處理相同的攝像處理2次。即，在將第1偏光板32A及第2偏光板32B之穿透軸方向設定成「90°」的狀態進行 第3次之攝像處理，取得第1光之相位「180°」的干涉條紋影像，同時取得第2光之相位「180°」的干涉條紋影像。
然後，在將第1偏光板32A及第2偏光板32B之穿透軸方向設定成「135°」的狀態進行第4次之攝像處理，取得第1光之相位「270°」的干涉條紋影像，同時取得第2光之相位「270°」的干涉條紋影像。
依此方式，藉由進行4次之攝像處理，可取得在進行三維測量上所需之全部的影像資料(由第1光之4種干涉條紋影像資料及第2光之4種干涉條紋影像資料所構成之共8種干涉條紋影像資料)。
然後，控制裝置5係根據影像資料記憶裝置54所記憶之第1光之4種干涉條紋影像資料及第2光之4種干涉條紋影像資料，利用相移法，測量工件W的表面形狀。即，算出在工件W的表面上之各位置的高度資訊。
首先，說明根據一般之相移法之高度測量的原理。第1光或第2光的4種干涉條紋影像資料之在同一座標位置(x,y)的干涉條紋強度，即，亮度I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)、I4(x,y)係能以如下之[數學式1]的關係式表達。
此處，△φ(x,y)表示在座標(x,y)之測量光與參照光的光相差。又，A(x,y)表示干涉光之振幅，B(x,y)表示偏壓。但，因為參照光係均勻，所以以此為基準觀察時，△φ(x,y)表示「測量光之相位」，A(x,y)表示「測量光之振幅」。
因此，測量光之相位△φ(x,y)係根據該[數學式1]的關係式，可藉如下之[數學式2]的關係式求得。
又，測量光之振幅A(x,y)係根據該[數學式1]的關係式，可藉如下之[數學式3]的關係式求得。
接著，從該相位△φ(x,y)與振幅A(x,y)，根據如下之[數學式4]的關係式，算出在攝像元件面上的複素振幅Eo(x,y)。此處，i表示虛數單位。
接著，根據複素振幅Eo(x,y)，算出在工件W面上之座標(ξ,η)的複素振幅Eo(x,y)。
首先，如以下之[數學式5]所示，對該複素振幅Eo(x,y)進行菲涅耳變換。此處，λ表示波長。
對Eo(ξ,η)解數學式5時，成為如下之[數學式6]。
進而，從所得之複素振幅Eo(ξ,η)，根據如下之[數學式7]的關係式，算出測量光之相位φ(ξ,η)與測量光之振幅A(ξ,η)。
測量光之相位φ(ξ,η)係可根據如下之[數學式8]的關係式求得。
測量光之振幅A(ξ,η)係可根據如下之[數學式9]的關係式求得。
然後，進行相位-高度變換處理，算出以三維表示工件W之表面的凹凸形狀的高度資訊z(ξ,η)。
高度資訊z(ξ,η)係可根據如下之[數學式10]的關係式求得。
其次，說明2波長相移法之原理。藉由使用波長相異之2種光，可擴大測量範圍。
在使用波長相異之2種光(波長λ1,λ2)來測量的情況，成為以其合成波長λ0的光測量相同。且，其測量範圍擴大至λ0/2。合成波長λ0係可藉如下之數學式(M1)表示。
λ0=(λ1×λ2)/(λ2-λ1)...(M1)
其中，λ2>λ1。
此處，例如λ1=1500nm、λ2=1503nm，從該數學式(M1)，λ1=751.500μm，測量範圍係λ0/2=375.750μm。
在進行2波長相移法時，首先，根據波長λ1之第1光之4種干涉條紋影像資料的亮度I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)、I4(x,y)(參照該[數學式1])，算出在工件W面上之座標(ξ,η)的第1光之測量光之相位φ1(ξ,η)(參照該[數學式8])。此處所求得之相位φ1(ξ,η)係相當於本實施形態之「第1測量值」，藉算出第1測量值之處理功能，構成「第1測量值取得手段」。
此外，在第1光的測量之下，在座標(ξ,η)之高度資訊z(ξ,η)係可藉如下之數學式(M2)表示。
z(ξ,η)=d1(ξ,η)/2=[λ1×φ1(ξ,η)/4π]+[m1(ξ,η)×λ1/2]...(M2)
其中，d1(ξ,η)表示第1光之測量光與參照光的光路差，m1(ξ,η)表示第1光之條紋次數。
因此，相位φ1(ξ,η)係可藉如下之數學式(M2’)表示。
φ1(ξ，η)=(4π/λ1)×z(ξ，η)-2πm1(ξ，η)...(M2’)
一樣地，根據波長λ2之第2光之4種干涉條紋影像資料的亮度I1(x,y)、I2(x,y)、I3(x,y)、I4(x,y)(參照該[數學式1])，算出在工件W面上之座標(ξ,η)的第2光之測量光之相位φ2(ξ,η)(參照該[數學式8])。此處所求得之相 位φ2(ξ,η)係相當於本實施形態之「第2測量值」，藉算出第2測量值之處理功能，構成「第2測量值取得手段」。
此外，在第2光的測量之下，在座標(ξ,η)之高度資訊z(ξ,η)係可藉如下之數學式(M3)表示。
z(ξ,η)=d2(ξ,η)/2=[λ2×φ2(ξ,η)/4π]+[m2(ξ,η)×λ2/2]...(M3)
其中，d2(ξ,η)表示第2光之測量光與參照光的光路差，m2(ξ,η)表示第2光之條紋次數。
因此，相位φ2(ξ,η)係可藉如下之數學式(M3’)表示。
φ2(ξ，η)=(4π/λ2)×z(ξ,η)-2πm2(ξ,η)...(M3’)
接著，決定波長λ1之第1光的條紋次數m1(ξ,η)、或波長λ2之第2光的條紋次數m2(ξ,η)。條紋次數m1、m2係可根據2種光(波長λ1,λ2)的光路差△d及波長差△λ求得。此處，光路差△d及波長差△λ係可分別表示成如下之數學式(M4)、(M5)。
△d=(λ1×φ1-λ2×φ2)/2π...(M4)
△λ=λ2-λ1...(M5)
其中，λ2>λ1。
此外，在2波長之合成波長λ0的測量範圍內，條紋次數m1,m2的關係係可分成以下的3種情況。在各情況決定條紋次數m1(ξ,η)、m2(ξ,η)的計算式相異。 此處，說明決定例如條紋次數m1(ξ,η)的情況。當然，關於條紋次數m2(ξ,η)，亦可根據相同的手法求得。
在例如「φ1-φ2<-π」的情況，成為「m1-m2=-1」，在該情況，m1係可如以下之數學式(M6)所示表示。
m1=(△d/△λ)-(λ2/△λ)=(λ1×φ1-λ2×φ2)/2π(λ2-λ1)-λ2/(λ2-λ1)...(M6)
在「-π<φ1-φ2<π」的情況，成為「m1-m2=0」，在該情況，m1係可如以下之數學式(M7)所示表示。
m1=△d/△λ=(λ1×φ1-λ2×φ2)/2π(λ2-λ1)...(M7)
在「φ1-φ2>π」的情況，成為「m1-m2=+1」，在該情況，m1係可如以下之數學式(M8)所示表示。
m1=(△d/△λ)+(λ2/△λ)=(λ1×φ1-λ2×φ2)/2π(λ2-λ1)+λ2/(λ2-λ1)...(M8)
然後，根據依此方式所得之條紋次數m1(ξ,η)、m2(ξ,η)，從該數學式(M2)、(M3)可得到高度資訊z(ξ,η)。藉該處理功能，構成「高度資訊取得手段」。然後，依此方式所求得之工件W的測量結果(高度資訊)被儲存於控制裝置5的運算結果記憶裝置55。
如以上之詳述所示，在本實施形態，使波長λ1之第1光從偏光分光器20的第1面20a射入，且使波 長λ2之第2光從偏光分光器20的第2面20b射入，藉此，因為將第1光之參照光及測量光、與第2光之參照光及測量光分別分割成相異的偏光成分(P偏光或S偏光)，所以射入偏光分光器20之第1光與第2光彼此不會產生干涉，並分別從偏光分光器20射出。即，不必使用既定分離手段將從偏光分光器20所射出之光分離成第1光與第2光。
結果，作為第1光及第2光，可使用波長接近的2種光，而可更擴大三維測量之測量範圍。此外，因為可同時拍攝第1光之輸出光與第2光之輸出光，所以可縮短總拍攝時間，而可提高測量效率。
進而，在本實施形態，因為成為對具備一個成為基準之參照面23的一個干涉光學系統3使用2種光的構成，所以使參照光與測量光產生光路差的光路區間在2種光相同。因此，與使用2個干涉光學系統(干涉儀模組)的構成相比，測量精度提高，且亦不需要進行使2個干涉光學系統之光路長度正確地一致之困難的作業。
[第2實施形態]
以下，一面參照圖面，一面說明第2實施形態。此外，對與第1實施形態相同的構成部分，附加相同的符號，並省略詳細之說明。在第2實施形態，與第1攝像系統4A及第2攝像系統4B相關聯的構成與第1實施形態相異。
本實施形態之第1攝像系統4A具備作為將已穿透1/4波長板31A之第1光的合成光(參照光成分及 測量光成分)分割成4道光之分光手段的分光光學系統125，且替代第1偏光板32A，具備作為使從該分光光學系統125所射出之4道光的既定成分選擇性地穿透之濾光手段的濾光單元126，並成為藉第1相機33A同時拍攝已穿透該濾光單元126之4道光的構成。
與第1攝像系統4A一樣，第2攝像系統4B具備作為將已穿透1/4波長板31B之第2光的合成光(參照光成分及測量光成分)分割成4道光之分光手段的分光光學系統125，且替代第2偏光板32B，具備作為使從該分光光學系統125所射出之4道光的既定成分選擇性地穿透之濾光手段的濾光單元126，並成為藉第2相機33B同時拍攝已穿透該濾光單元126之4道光的構成。
此外，因為在本實施形態之第1攝像系統4A及第2攝像系統4B所使用之分光光學系統125及濾光單元126係同一構成，所以以下以第1攝像系統4A為例，一面參照第5圖一面說明。
在本實施形態，第1相機33A之光軸方向被設定成與射入第1攝像系統4A之第1光之合成光L0的射入方向(行進方向)平行。即，在本實施形態，被設定成沿著是第1光之合成光L0之射入方向的Z軸方向。
分光光學系統125構成為由無偏光之4個光學元件(稜鏡)所組合並作成一體的一個光學元件。更詳細說明之，分光光學系統125成為沿著合成光L0之行進方向(Z軸方向)，自接近干涉光學系統3側依序被配置第1稜鏡131、第2稜鏡132、第3稜鏡133以及第4稜鏡134的構成。
此外，該各稜鏡131~134係分別由具有折射率比空氣更高之既定折射率的光學材料(例如玻璃或壓克力等)所形成。因此，在各稜鏡131~134內前進之光的光路長係在光學上比在空氣中前進之光的光路長更長。此處，例如，亦可4個稜鏡131~134全部由相同的材料所形成，亦可至少一個由相異的材料所形成。只要是滿足後述之分光光學系統125的功能，各稜鏡131~134的材質係各自可任意地選擇。
第1稜鏡131係形成在正面圖(Z-Y平面)平行四邊形，且沿著X軸方向所延伸之四角柱形的稜鏡。以下，將「第1稜鏡131」稱為「第1菱形稜鏡131」。
第1菱形稜鏡131係沿著X軸方向之長方形的4個面中位於成為干涉光學系統3側之Z軸方向右側的面131a(以下以「入射面131a」稱之)及位於Z軸方向左側的面131b(以下以「射出面131b」稱之)分別被配置成與Z軸方向正交，位於Y軸方向下側之面131c及位於Y軸方向下側之面131d分別被配置成對Z軸方向及Y軸方向傾斜45°。
在此2個傾斜的面131c,131d中，在位於Y軸方向下側之面131c設置無偏光的半鏡141，在位於Y軸方向下側之面131d設置朝向內側進行全反射的全反射鏡142。以下，將設置半鏡141的面131c稱為「分歧面131c」，將設置全反射鏡142的面131d稱為「反射面131d」。
此外，在第5圖，權宜上，以對相當於分歧面131c(半鏡141)及反射面131d(全反射鏡142)之部位附加散點圖案之方式表示。「半鏡141」構成本實施形態之「第1分歧手段」，「全反射鏡142」構成「第1反射手段」。即，「第1菱形稜鏡131」構成本實施形態之「第1光分割手段」。
第2稜鏡132係形成在正面圖(Z-Y平面)梯形，且沿著X軸方向所延伸之四角柱形的稜鏡。以下，將「第2稜鏡132」稱為「第1梯形稜鏡132」。
第1梯形稜鏡132係沿著X軸方向之長方形的4個面中位於Y軸方向上側的面132a及位於Y軸方向下側的面132b分別被配置成與Y軸方向正交，位於Z軸方向右側之面132c被配置成對Y軸方向傾斜45°，位於Z軸方向左側之面132d被配置成與Z軸方向正交。
其中，位於Z軸方向右側之面132c係與第1稜鏡131的分歧面131c(半鏡141)密接。以下，將位於Z軸方向右側之面132c稱為「入射面132c」，將位於Z軸方向左側之面132d稱為「射出面132d」。「第1梯形稜鏡132」構成本實施形態之「第1光路調整手段」。
第3稜鏡133係形成在平面圖(X-Z平面)平行四邊形，且沿著Y軸方向所延伸之四角柱形的稜鏡。以下，將「第3稜鏡133」稱為「第2菱形稜鏡133」。
第2菱形稜鏡133係沿著Y軸方向之長方形的4個面中位於Z軸方向右側的面133a及位於Z軸方向左側的面133b分別被配置成與Z軸方向正交，位於X 軸方向前側之面133c及位於X軸方向進深側之面133d分別被配置成對Z軸方向及X軸方向傾斜45°。
在此2個傾斜的面133c,133d中，在位於X軸方向前側之面133c設置無偏光的半鏡143，在位於X軸方向進深側之面133d設置朝向內側進行全反射的全反射鏡144。以下，將設置半鏡143的面133c稱為「分歧面133c」，將設置全反射鏡144的面133d稱為「反射面133d」。
此外，在第5圖，權宜上，以對相當於分歧面133c(半鏡143)及反射面133d(全反射鏡144)之部位附加散點圖案之方式表示。「半鏡143」構成本實施形態之「第2分歧手段」及「第3分歧手段」，「全反射鏡144」構成「第2反射手段」及「第3反射手段」。即，「第2菱形稜鏡133」構成本實施形態之「第2光分割手段」及「第3光分割手段」。
第2菱形稜鏡133之位於Z軸方向右側的面133a中Y軸方向下側一半係與第1梯形稜鏡132之射出面132d密接，Y軸方向上側一半係成為與第1稜鏡131之射出面131b相對向的狀態。以下，將位於Z軸方向右側的面133a稱為「入射面133a」，將位於Z軸方向左側的面133b稱為「射出面133b」。
第4稜鏡134係形成在平面圖(X-Z平面)梯形，且沿著Y軸方向所延伸之四角柱形的稜鏡。以下，將「第4稜鏡134」稱為「第2梯形稜鏡134」。
第2梯形稜鏡134係沿著Y軸方向之長方形的4個面中位於X軸方向進深側的面134a及位於X軸方向前側的面134b分別被配置成與X軸方向正交，位於Z軸方向右側之面134c被配置成對Z軸方向及X軸方向傾斜45°，位於Z軸方向左側之面134d被配置成與Z軸方向正交。
其中，位於Z軸方向右側之面134c係與第2菱形稜鏡133的分歧面133c(半鏡143)密接。以下，將位於Z軸方向右側之面134c稱為「入射面134c」，將位於Z軸方向左側之面134d稱為「射出面134d」。「第2梯形稜鏡134」構成本實施形態之「第2光路調整手段」及「第3光路調整手段」。
第2菱形稜鏡133之射出面133b及第2梯形稜鏡134之射出面134d係分別被配置成與濾光單元126相對向。
此處，一面參照第5圖，一面詳細說明分光光學系統125之作用。已穿透1/4波長板31A之合成光L0係射入第1菱形稜鏡131的入射面131a。
從入射面131a所射入之合成光L0係在分歧面131c在2方向分歧。詳細說明之，分歧成朝向Y軸方向上側反射的分光LA1、與沿著Z軸方向穿透半鏡141的分光LA2。
其中，在半鏡141所反射之分光LA1係在第1菱形稜鏡131內沿著Y軸方向前進，並在反射面131d(全反射鏡142)朝向Z軸方向左側反射，再從射出面 131b射出。從入射面131a所射出之分光LA1係沿著Z軸方向在空氣中前進，並射入第2菱形稜鏡133的入射面133a。
另一方面，已穿透半鏡141的分光LA2係射入第1梯形稜鏡132的入射面132c，在其內部沿著Z軸方向前進，再從射出面132d射出。從射出面132d所射出之分光LA2射入第2菱形稜鏡133的入射面133a。
在本實施形態，以從第1菱形稜鏡131的分歧面131c至第2菱形稜鏡133的入射面133a之兩分光LA1,LA2的光路長成為在光學上相等的方式任意地設定第1菱形稜鏡131及第1梯形稜鏡132的折射率及長度(Z軸方向的長度或Y軸方向的長度)。
射入第2菱形稜鏡133之入射面133a的分光LA1,LA2係在分歧面133c(半鏡143)分別在2方向分歧。詳細說明之，一方向之分光LA1分歧成沿著Z軸方向穿透半鏡143的分光LB1、與朝向X軸方向進測側反射的分光LB2。另一方之分光LA2分歧成沿著Z軸方向穿透半鏡143的分光LB3、與朝向X軸方向進測側反射的分光LB4。
其中，在半鏡143所反射之分光LB2,LB4係分別在第2菱形稜鏡133內沿著X軸方向前進，並在反射面133d(全反射鏡144)朝向Z軸方向左側反射，再從射出面133b射出。從射出面133a所射出之分光LB2,LB4係分別沿著Z軸方向在空氣中前進，並射入濾光單元126。
另一方面，已穿透半鏡143之分光LB1,LB3係射入第2梯形稜鏡134的入射面134c，在其內部沿著Z軸方向前進，再從射出面134d射出。從射出面134d所射出之分光LB1,LB3係分別射入濾光單元126。
在本實施形態，以從第2菱形稜鏡133的分歧面133c至濾光單元126之4道分光LB1~LB4的光路長成為在光學上相等的方式任意地設定第2菱形稜鏡133及第2梯形稜鏡134的折射率及長度(Z軸方向的長度或X軸方向的長度)。
濾光單元126係將在X-Y平面圖形成同一矩形的4片偏光板126a,126b,126c,126d沿著X-Y平面配置成2列2行的陣列狀(參照第6圖)。第6圖係表示在模式上表示濾光單元126之示意構成的平面圖。
4片偏光板126a~126d係對Y軸方向之穿透軸方向各相差45°的偏光板。更詳細說明之，由穿透軸方向0°之第1偏光板126a、穿透軸方向45°之第2偏光板126b、穿透軸方向90°之第3偏光板126c以及穿透軸方向135°之第4偏光板126d所構成。
而，被配置成從分光光學系統125所射出之4道分光LB1~LB4分別射入各偏光板126a~126d。詳細說明之，分光LB1射入第1偏光板126a，分光LB2射入第2偏光板126b，分光LB3射入第3偏光板126c，分光LB4射入第4偏光板126d。
藉此，已穿透濾光單元126之4道分光LB1~LB4分別成為使相位各相差90°的干涉光。詳細說明 之，已穿透第1偏光板126a之分光LB1成為相位「0°」的干涉光，已穿透第2偏光板126b之分光LB2成為相位「90°」的干涉光，已穿透第3偏光板126c之分光LB3成為相位「180°」的干涉光，已穿透第4偏光板126d之分光LB4成為相位「270°」的干涉光。因此，濾光單元126構成本實施形態之干涉手段。
本實施形態之第1相機33A的攝像元件33Ai係其攝像區域以對應於濾光單元126(偏光板126a~126d)之方式被劃分成4個攝像區域H1、H2、H3、H4。詳細說明之，在X-Y平面圖形成同一矩形的4個攝像區域H1、H2、H3、H4沿著X-Y平面被劃分成2列2行的陣列形(參照第7圖)。第7圖係在模式上表示攝像元件33Ai之攝像區域之示意構成的平面圖。
藉此，在第1攝像區域H1拍攝已穿透第1偏光板126a之分光LB1，在第2攝像區域H2拍攝已穿透第2偏光板126b之分光LB2，在第3攝像區域H3拍攝已穿透第3偏光板126c之分光LB3，在第4攝像區域H4拍攝已穿透第4偏光板126d之分光LB4。
即，在第1攝像區域H1拍攝相位「0°」的干涉條紋影像，在第2攝像區域H2拍攝相位「90°」的干涉條紋影像，在第3攝像區域H3拍攝相位「180°」的干涉條紋影像，在第4攝像區域H4拍攝相位「270°」的干涉條紋影像。
進而，本實施形態之影像資料記憶裝置54具備記憶在第1攝像區域H1所拍攝之干涉條紋影像資料 的第1影像記憶體、記憶在第2攝像區域H2所拍攝之干涉條紋影像資料的第2影像記憶體、記憶在第3攝像區域H3所拍攝之干涉條紋影像資料的第3影像記憶體、以及記憶在第4攝像區域H4所拍攝之干涉條紋影像資料的第4影像記憶體。
其次，詳細說明在本實施形態所執行之形狀測量處理的步驟。從干涉光學系統3對第1攝像系統4A射入是第1光之輸出光的合成光L0時，該合成光L0係經由1/4波長板31A，藉分光光學系統125分割成4道分光LB1~LB4。
這4道分光LB1~LB4係分別經由第1偏光板126a、第2偏光板126b、第3偏光板126c以及第4偏光板126d，藉第1相機33A(攝像元件33Ai)同時拍攝。
第1相機33A係將在攝像元件33Ai之攝像區域H1~H4所同時拍攝的4種干涉條紋影像(4道分光LB1~LB4)作為一個影像資料，向控制裝置5輸出。
控制裝置5係將所輸入之影像資料分割成4種干涉條紋影像資料(對應於攝像元件33Ai之攝像區域H1~H4的各範圍)，並分別記憶於影像資料記憶裝置54內的第1~第4影像記憶體。
然後，控制裝置5係根據第1相機33A之第1~第4影像記憶體所記憶之第1光的4種干涉條紋影像資料、以及第2相機33B之第1~第4影像記憶體所記憶之第2光的4種干涉條紋影像資料，與該第1實施形態同樣利用相移法測量工件W的表面形狀。即，算出在工件W的表面上之各位置的高度資訊。
如以上之詳述所示，在本實施形態，除了該第1實施形態之作用效果以外，還成為將從干涉光學系統3所射入之合成光L0分光成排列成陣列形的4道分光LB1~LB4，且經由濾光單元126(偏光板126a~126d)藉單一之攝像元件同時拍攝該4道分光LB1~LB4的構成。然後，根據藉各相機33A,33B分別拍攝之4種干涉條紋影像，利用相移法進行工件W之形狀測量。結果，可提高測量精度、或縮短測量時間、抑制裝置之大型化等。
此外，若依據本實施形態，因為可將對攝像元件之攝像區域4等分成陣列形的攝像區域H1~H4分別指定給4道光LB1~LB4，所以例如與3分光方式相比，可有效地應用攝像元件之攝像區域。進而，可更提高測量精度。例如，在將長寬比4：3之一般的攝像元件之攝像區域4等分的情況，因為各分割區域的長寬比一樣地成為4：3，所以可利用各分割區域內之更寬的範圍。進而，可更提高測量精度。
此外，在將繞射格子用作分光手段的情況，解析度可能降低，但是在本實施形態，因為藉由將一道光L0分割成平行的2道LA1,LA2，進而將該2道LA1,LA2分別分割成平行的2道光，採用分光成平行之4道光LB1,LB2,LB3,LB4之構成的分光光學系統125，所以可抑制解析度的降低。
進而，本實施形態之分光光學系統125係作為調整(使得在光學上相同)在菱形稜鏡131,133直線前 進並通過之一方的光、與彎曲成曲柄狀並通過之另一方的光之光路長的光路調整手段，成為將第1梯形稜鏡132,134配置於直線前進並通過之一方之光的光路上之比較簡單的構成，而可簡化構成。
又，在本實施形態，濾光單元126由穿透軸方向0°之第1偏光板126a、穿透軸方向45°之第2偏光板126b、穿透軸方向90°之第3偏光板126c以及穿透軸方向135°之第4偏光板126d所構成，在一個攝像元件之一次的攝像，可取得相位各相差90°的4種干涉條紋影像。結果，與根據3種干涉條紋影像，並利用相移法進行形狀測量的情況相比，可進行更高精度的測量。
[第3實施形態]
以下，一面參照圖面，一面說明第3實施形態。在第3實施形態，與干涉光學系統相關聯的構成與第1實施形態相異。此外，對與第1實施形態相同的構成部分，附加相同的符號，並省略詳細之說明。
第8圖係表示本實施形態之三維測量裝置200之示意構成的模式圖。以下，權宜上，在說明中，將第8圖之紙面前後方向作為「X軸方向」，將紙面上下方向作為「Y軸方向」，將紙面左右方向作為「Z軸方向」。
三維測量裝置200係根據馬赫陳德干涉儀之原理所構成，並具備：2個投光系統2A,2B(第1投光系統2A、第2投光系統2B)，係可輸出特定波長的光；干涉光學系統203，係被射入分別從該投光系統2A,2B所射出之光；2個攝像系統4A,4B(第1攝像系統4A、第2 攝像系統4B)，係可拍攝從該干涉光學系統203所射出之光；以及控制裝置5，係進行投光系統2A,2B或干涉光學系統203、攝像系統4A,4B等之各種控制或影像處理、運算處理等。「控制裝置5」構成本實施形態之「影像處理手段」，「干涉光學系統203」構成本實施形態之「既定光學系統」。
首先，詳細說明2個投光系統2A,2B(第1投光系統2A、第2投光系統2B)。第1投光系統2A具備第1發光部11A、第1光隔離器12A以及第1無偏光分光器13A等。此處，「第1發光部11A」構成本實施形態之「第1照射手段」，「第1無偏光分光器13A」構成本實施形態之「第1導光手段」。
在該構成之下，在本實施形態，從第1發光部11A在Y軸方向向上射出將對X軸方向及Z軸方向傾斜45°之方向作為偏光方向之波長λ1(例如λ1=1500nm)的直線偏光。此處，「波長λ1」相當於本實施形態之「第1波長」。以後，將從第1發光部11A所射出之波長λ1的光稱為「第1光」。
第1光隔離器12A係僅使在一方向(在本實施形態係Y軸方向向上)前進的光穿透並遮斷逆向(在本實施形態係Y軸方向向下)之光的光學元件。藉此，僅使從第1發光部11A所射出之第1光穿透，而可防止回光所造成之第1發光部11A的損傷或不穩定化等。
在本實施形態，將第8圖之與紙面平行的方向(Y軸方向或Z軸方向)作為偏光方向的直線偏光稱為P 偏光(P偏光成分)。將第8圖之與紙面垂直的X軸方向作為偏光方向的直線偏光稱為S偏光(S偏光成分)。「P偏光」相當於「具有第1偏光方向的第1偏光」，「S偏光」相當於「具有第2偏光方向的第2偏光」。
第1無偏光分光器13A被配置成隔著該接合面13Ah相鄰的2個面中之一方與Y軸方向正交且另一方與Z軸方向正交。即，被配置成第1無偏光分光器13A的接合面13Ah對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。更詳細說明之，被配置成經由第1光隔離器12A，使從第1發光部11A在Y軸方向向上所射入之第1光的一部分(一半)在Y軸方向向上穿透，使剩餘部分(一半)在Z軸方向向右反射。
第2投光系統2B具備第2發光部11B、第2光隔離器12B以及第2無偏光分光器13B等。此處，「第2發光部11B」構成本實施形態之「第2照射手段」。「第2無偏光分光器13B」構成本實施形態之「第2導光手段」。
在該構成之下，在本實施形態，從第2發光部11B在Y軸方向朝下射出將對X軸方向及Z軸方向傾斜45°的方向作為偏光方向之波長λ2(例如λ2=1503nm)的直線偏光。此處，「波長λ2」相當於本實施形態之「第2波長」。以後，將從第2發光部11B所射出之波長λ2的光稱為「第2光」。
第2光隔離器12B係僅使在一方向(在本實施形態係Y軸方向朝下)前進的光穿透並遮斷逆向(在本實施形態係Y軸方向朝上)之光的光學元件。藉此，僅使從 第2發光部11B所射出之第2光穿透，而可防止回光所造成之第2發光部11B的損傷或不穩定化等。
第2無偏光分光器13B被配置成隔著該接合面13Bh相鄰的2個面中之一方與Y軸方向正交且另一方與Z軸方向正交。即，被配置成第2無偏光分光器13B的接合面13Bh對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。更詳細說明之，被配置成經由第2光隔離器12B，使從第2發光部11B在Y軸方向向下所射入之第2光的一部分(一半)在Y軸方向向下過，使剩餘部分(一半)在Z軸方向向左反射。
其次，詳細說明干涉光學系統203的構成。干涉光學系統203具備2個偏光分光器211,212(第1偏光分光器211、第2偏光分光器212)、4個1/4波長板215,216,217,218(第一1/4波長板215、第二1/4波長板216、第三1/4波長板217、第四1/4波長板218)、2個全反射鏡221,222(第1全反射鏡221、第2全反射鏡222)以及設置部224等。
偏光分光器211,212係將直角稜鏡相黏貼而作成一體之立方體式之周知的光學元件，在其接合面(邊界面)211h,212h被施以例如電介質多層膜等的塗膜。
偏光分光器211,212係將射入之直線偏光分割成偏光方向彼此正交之2個偏光成分(P偏光成分與S偏光成分)。本實施形態之偏光分光器211,212成為使P偏光成分穿透，並將S偏光成分反射的構成。又，本實施形態之偏光分光器211,212係構成將射入之既定光分 割成2道光的「分割手段」，且構成將這2道光再合成的「合成手段」。
第1偏光分光器211被配置成隔著該接合面211h相鄰之2個面中的一方與Y軸方向正交且另一方與Z軸方向正交。即，被配置成第1偏光分光器211的接合面211h對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。
更詳細說明之，從該第1無偏光分光器13A在Z軸方向向右所反射之第1光射入之第1偏光分光器211的第1面(Z軸方向左側面)211a、及與該第1面211a相對向之第3面(Z軸方向右側面)211c被配置成與Z軸方向正交。「第1偏光分光器211(第1面211a)」相當於本實施形態之「第1輸出入部」。
另一方面，係隔著接合面211h與第1面211a相鄰的面之第1偏光分光器211的第2面(Y軸方向上側面)211b、及與該第2面211b相對向的第4面(Y軸方向下側面)211d被配置成與Y軸方向正交。
第2偏光分光器212被配置成隔著該接合面212h相鄰之2個面中的一方與Y軸方向正交且另一方與Z軸方向正交。即，被配置成第2偏光分光器212的接合面212h對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。
更詳細說明之，從該第2無偏光分光器13B在Z軸方向向左所反射之第2光射入之第2偏光分光器212的第1面(Z軸方向右側面)212a、及與該第1面212a相對向之第3面(Z軸方向左側面)212c被配置成與Z軸方向正交。「第2偏光分光器212(第1面212a)」相當於本實施形態之「第2輸出入部」。
另一方面，係隔著接合面212h與第1面212a相鄰的面之第2偏光分光器212的第2面(Y軸方向下側面)212b、及與該第2面212b相對向的第4面(Y軸方向上側面)212d被配置成與Y軸方向正交。
1/4波長板215,216,217,218係具有將直線偏光變換成圓偏光且將圓偏光變換成直線偏光之功能的光學元件。
第一1/4波長板215被配置成與第1偏光分光器211之第3面211c在Z軸方向相對向。即，第一1/4波長板215係將從第1偏光分光器211之第3面211c所射出之直線偏光變換成圓偏光並在Z軸方向向右射出。又，第一1/4波長板215係在Z軸方向向左所射入之圓偏光變換成直線偏光後，朝向第1偏光分光器211之第3面211c在Z軸方向向左射出。
第二1/4波長板216被配置成與第1偏光分光器211之第4面211d在Y軸方向相對向。即，第二1/4波長板216係將從第1偏光分光器211之第4面211d所射出之直線偏光變換成圓偏光並在Y軸方向向下射出。又，第二1/4波長板216係在Y軸方向向上所射入之圓偏光變換成直線偏光後，朝向第1偏光分光器211之第4面211d在Y軸方向向上射出。
第三1/4波長板217被配置成與第2偏光分光器212之第4面212d在Y軸方向相對向。即，第三1/4波長板217係將從第2偏光分光器212之第4面212d所射出之直線偏光變換成圓偏光並在Y軸方向向上射 出。又，第三1/4波長板217係在Y軸方向向下所射入之圓偏光變換成直線偏光後，朝向第2偏光分光器212之第4面212d在Y軸方向向下射出。
第四1/4波長板218被配置成與第2偏光分光器212之第3面212c在Z軸方向相對向。即，第四1/4波長板218係將從第2偏光分光器212之第3面212c所射出之直線偏光變換成圓偏光並在Z軸方向向左射出。又，第四1/4波長板218係在Z軸方向向右所射入之圓偏光變換成直線偏光後，朝向第2偏光分光器212之第3面212c在Z軸方向向右射出。
全反射鏡221,222係對入射光進行全反射的光學元件。其中，在本實施形態之構成參照面的第1全反射鏡221係在通過第1偏光分光器211及第一1/4波長板215並在Z軸方向所延伸之軸線、與通過第2偏光分光器212及第三1/4波長板217並在Y軸方向所延伸之軸線所交叉的位置，被配置成對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。
藉此，第1全反射鏡221可使從第1偏光分光器211的第3面211c(經由第一1/4波長板215)在Z軸方向向右所射出的光在Y軸方向向下反射，再射入第2偏光分光器212的第4面212d(經由第三1/4波長板217)。又，反之，第1全反射鏡221係從第2偏光分光器212的第4面212d(經由第三1/4波長板217)在Y軸方向向上所射出的光在Z軸方向向左反射，再射入第1偏光分光器211的第3面211c(經由第一1/4波長板215)。
另一方面，第2全反射鏡222係在通過第1偏光分光器211及第二1/4波長板216並在Y軸方向所延伸之軸線、與通過第2偏光分光器212及第四1/4波長板218並在Z軸方向所延伸之軸線所交叉的位置，被配置成對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。
藉此，第2全反射鏡222可使從第1偏光分光器211的第4面211d(經由第二1/4波長板216)在Y軸方向向下所射出的光在Z軸方向向右反射，再射入第2偏光分光器212的第3面212c(經由第四1/4波長板218)。又，反之，第2全反射鏡222係從第2偏光分光器212的第3面212c(經由第四1/4波長板218)在Z軸方向向左所射出的光在Y軸方向向上反射，再射入第1偏光分光器211的第4面211d(經由第二1/4波長板216)。
設置部224係用以設置作為被測量物的工件W。在本實施形態，作為工件W，設想薄膜等之具有透光性者。設置部224係在通過第2偏光分光器212及第2全反射鏡222並在Z軸方向所延伸之軸線上，被配置於第四1/4波長板218與第2全反射鏡222之間。
其次，詳細說明2個攝像系統4A,4B(第1攝像系統4A、第2攝像系統4B)的構成。第1攝像系統4A具備1/4波長板31A、第1偏光板32A、以及構成第1攝像手段的第1相機33A等。
1/4波長板31A係用以將在Z軸方向朝右穿透第2無偏光分光器13B之直線偏光(後述之第1光之參照光成分及測量光成分)分別變換成圓偏光者。
第1偏光板32A係使藉1/4波長板31A變換成圓偏光之第1光的各成分選擇性穿透者。藉此，可使轉動方向相異之第1光的參照光成分與測量光成分對特定的相位產生干涉。「第1偏光板32A」構成本實施形態之「第1相移手段」及「干涉手段」。
本實施形態之第1偏光板32A構成為以Z軸方向為軸心可轉動，且被控制成其穿透軸方向每次變化45°。具體而言，穿透軸方向以對Y軸方向成為「0°」、「45°」、「90°」、「135°」之方式變化。
藉此，可使穿透第1偏光板32A之第1光的參照光成分及測量光成分在4種相位產生干涉。即，可產生相位各相差90°的干涉光。具體而言，可產生相位為「0°」之干涉光、相位為「90°」之干涉光、相位為「180°」之干涉光以及相位為「270°」之干涉光。
結果，藉第1相機33A拍攝第1光之相位「0°」的干涉條紋影像、相位「90°」的干涉條紋影像、相位「180°」的干涉條紋影像以及相位「270°」的干涉條紋影像。此外，藉第1相機33A所拍攝之影像資料係在第1相機33A內部被變換成數位信號後，以數位信號之形式輸入控制裝置5(影像資料記憶裝置54)。
第2攝像系統4B具備1/4波長板31B、第2偏光板32B、以及構成第2攝像手段的第2相機33B等。
1/4波長板31B係用以將在Z軸方向朝左穿透第1無偏光分光器13A之直線偏光(後述之第2光之參照光成分及測量光成分)分別變換成圓偏光者。
第2偏光板32B係使藉1/4波長板31B變換成圓偏光之第2光的各成分選擇性穿透者。藉此，可使轉動方向相異之第2光的參照光成分與測量光成分對特定的相位產生干涉。「第2偏光板32B」構成本實施形態之「第2相移手段」及「干涉手段」。
本實施形態之第2偏光板32B構成為以Z軸方向為軸心可轉動，且被控制成其穿透軸方向每次變化45°。具體而言，穿透軸方向以對Y軸方向成為「0°」、「45°」、「90°」、「135°」之方式變化。
藉此，可使穿透第2偏光板32B之第2光的參照光成分及測量光成分在4種相位產生干涉。即，可產生相位各相差90°的干涉光。具體而言，可產生相位為「0°」之干涉光、相位為「90°」之干涉光、相位為「180°」之干涉光以及相位為「270°」之干涉光。
結果，藉第2相機33B拍攝第2光之相位「0°」的干涉條紋影像、相位「90°」的干涉條紋影像、相位「180°」的干涉條紋影像以及相位「270°」的干涉條紋影像。此外，藉第2相機33B所拍攝之影像資料係在第2相機33B內部被變換成數位信號後，以數位信號之形式輸入控制裝置5(影像資料記憶裝置54)。
其次，說明三維測量裝置200的作用。此外，如後述所示，本實施形態之第1光及第2光的照射係同時進行，第1光之光路與第2光之光路在一部分重疊，但是此處，為了更易於了解，對第1光與第2光之各光路使用相異的圖面，個別地說明。
首先，參照第9圖，說明第1光之光路。如第9圖所示，從第1發光部11A在Y軸方向朝上射出波長λ1之第1光(偏光方向對X軸方向及Z軸方向傾斜45°的直線偏光)。
從第1發光部11A所射出之第1光係通過第1光隔離器12A，並射入第1無偏光分光器13A。射入第1無偏光分光器13A之第1光的一部分係在Y軸方向朝上穿透，剩餘部分係在Z軸方向朝右反射。
其中，在Z軸方向朝右所反射之第1光(偏光方向對X軸方向及Y軸方向傾斜45°的直線偏光)射入第1偏光分光器211的第1面211a。另一方面，在Y軸方向朝上所穿透之第1光係不會射入任何光學系統等，而成為捨棄光。
從第1偏光分光器211之第1面211a在Z軸方向朝右所射入的第1光係其P偏光成分在Z軸方向朝右穿透，並從第3面211c作為參照光射出，另一方面，其S偏光成分在Y軸方向朝下反射並從第4面211d作為測量光射出。
從第1偏光分光器211之第3面211c所射出之第1光的參照光(P偏光)係藉由通過第一1/4波長板215，被變換成右轉之圓偏光後，在第1全反射鏡221在Y軸方向朝下反射。此處，維持對光之行進方向的轉動方向。
然後，第1光之參照光係藉由通過第三1/4波長板217，從右轉之圓偏光被變換成S偏光後，再射入第2偏光分光器212的第4面212d。
另一方面，從第1偏光分光器211之第4面211d所射出之第1光的測量光(S偏光)係藉由通過第二1/4波長板216，被變換成左轉之圓偏光後，在第2全反射鏡222在Z軸方向朝右反射。此處，維持對光之行進方向的轉動方向。
然後，第1光之測量光係穿透被設置於設置部224之工件W後，藉由通過第四1/4波長板218，從左轉之圓偏光被變換成P偏光後，再射入第2偏光分光器212的第3面212c。
接著，從第2偏光分光器212之第4面212d所射入之第1光的參照光(S偏光)在接合面212h在Z軸方向朝右反射，另一方面，從第2偏光分光器212之第3面212c所射入之第1光的測量光(P偏光)在接合面212h在Z軸方向朝右穿透。然後，第1光之參照光及測量光被合成之狀態的合成光作為輸出光，從第2偏光分光器212的第1面212a射出。
從第2偏光分光器212的第1面212a所射出的第1光之合成光(參照光及測量光)射入第2無偏光分光器13B。對第2無偏光分光器13B在Z軸方向朝右所射入之第1光的合成光係其一部分在Z軸方向朝右穿透，剩餘部分在Y軸方向朝上反射。其中，在Z軸方向朝右所穿透之合成光(參照光及測量光)射入第1攝像系統4A。另一方面，在Y軸方向朝上所反射之合成光係藉第2光隔離器12B遮斷其前進，成為捨棄光。
射入第1攝像系統4A之第1光的合成光(參照光及測量光)係首先，藉1/4波長板31A將該參照光成分(S偏光成分)變換成左轉的圓偏光，並將該測量光成分(P偏光成分)變換成右轉的圓偏光。此處，左轉的圓偏光與右轉的圓偏光係因為轉向相異，所以不會產生干涉。
第1光的合成光係接著藉由通過第1偏光板32A，其參照光成分與測量光成分在因應於第1偏光板32A之角度的相位產生干涉。然後，藉第1相機33A拍攝該第1光之干涉光。
其次，參照第10圖，說明第2光之光路。如第10圖所示，從第2發光部11B在Y軸方向朝下射出波長λ2之第2光(偏光方向對X軸方向及Z軸方向傾斜45°的直線偏光)。
從第2發光部11B所射出之第2光係通過第2光隔離器12B，並射入第2無偏光分光器13B。射入第2無偏光分光器13B之第2光的一部分係在Y軸方向朝下穿透，剩餘部分係在Z軸方向朝左反射。
其中，在Z軸方向朝左所反射之第2光(偏光方向對X軸方向及Y軸方向傾斜45°的直線偏光)射入第2偏光分光器212的第1面212a。另一方面，在Y軸方向朝下所穿透之第2光係不會射入任何光學系統等，而成為捨棄光。
從第2偏光分光器212之第1面212a在Z軸方向朝左所射入的第2光係其S偏光成分在Y軸方向朝上反射，並從第4面212d作為參照光射出，另一方面， 其P偏光成分在Z軸方向朝左穿透並從第3面212c作為測量光射出。
從第2偏光分光器212之第4面212d所射出之第2光的參照光(S偏光)係藉由通過第三1/4波長板217，被變換成左轉之圓偏光後，在第1全反射鏡221在Z軸方向朝左反射。此處，維持對光之行進方向的轉動方向。
然後，第2光之參照光係再藉由通過第一1/4波長板215，從左轉之圓偏光被變換成P偏光後，再射入第1偏光分光器211的第3面211c。
另一方面，從第2偏光分光器212之第3面212c所射出之第2光的測量光(P偏光)係藉由通過第四1/4波長板218，被變換成右轉之圓偏光後，穿透設置於設置部224之工件W。然後，第2光之測量光係在第2全反射鏡222在Y軸方向朝上反射。此處，維持對光之行進方向的轉動方向。
在第2全反射鏡222所反射之第1光之測量光係藉由通過第二1/4波長板216，從右轉之圓偏光被變換成S偏光後，再射入第1偏光分光器211的第4面211d。
然後，從第1偏光分光器211之第3面211c所射入之第2光的參照光(P偏光)在接合面211h在Z軸方向朝左穿透，另一方面，從第1偏光分光器211之第4面211d所射入之第2光的測量光(S偏光)在接合面211h在Z軸方向朝左反射。然後，第2光之參照光及測量光被合成之狀態的合成光作為輸出光，從第1偏光分光器211的第1面211a射出。
從第1偏光分光器211之第1面211a所射出的第2光之合成光(參照光及測量光)射入第1無偏光分光器13A。對第1無偏光分光器13A在Z軸方向朝左所射入之第2光的合成光係其一部分在Z軸方向朝左穿透，剩餘部分在Y軸方向朝下反射。其中，在Z軸方向朝左所穿透之合成光(參照光及測量光)射入第2攝像系統4B。另一方面，在Y軸方向朝下所反射之合成光係藉第1光隔離器12A遮斷其前進，成為捨棄光。
射入第2攝像系統4B之第2光的合成光(參照光及測量光)係首先，藉1/4波長板31B將該參照光成分(P偏光成分)變換成右轉的圓偏光，並將該測量光成分(S偏光成分)變換成左轉的圓偏光。此處，左轉的圓偏光與右轉的圓偏光係因為轉向相異，所以不會產生干涉。
第2光的合成光係接著藉由通過第2偏光板32B，該參照光成分與測量光成分在因應於第2偏光板32B之角度的相位產生干涉。然後，藉第2相機33B拍攝該第2光之干涉光。
其次，詳細說明藉控制裝置5所執行之形狀測量處理的步驟。首先，在對設置部224設置工件W後，將第1攝像系統4A之第1偏光板32A的穿透軸方向設定於既定基準位置(例如「0°」)，且將第2攝像系統4B之第2偏光板32B的穿透軸方向設定於既定基準位置(例如「0°」)。
接著，從第1投光系統2A照射第1光，同時從第2投光系統2B照射第2光。結果，從干涉光學系 統203之第2偏光分光器212的第1面212a射出第1光的合成光(參照光及測量光)，同時從第1偏光分光器211的第1面211a射出第2光的合成光(參照光及測量光)。
然後，藉第1攝像系統4A拍攝從第2偏光分光器212的第1面212a所射出之第1光的合成光，同時藉第2攝像系統4B拍攝從第1偏光分光器211的第1面211a所射出之第2光的合成光。
此外，因為此處第1偏光板32A及第2偏光板32B之穿透軸方向分別被設定成「0°」，所以在第1相機33A拍攝第1光之相位「0°」的干涉條紋影像，在第2相機33B拍攝第2光之相位「0°」的干涉條紋影像。
然後，向控制裝置5輸出從各相機33A,33B分別拍攝之影像資料。控制裝置5係將所輸入之影像資料記憶於影像資料記憶裝置54。
接著，控制裝置5進行第1攝像系統4A之第1偏光板32A及第2攝像系統4B之第2偏光板32B的切換處理。具體而言，使第1偏光板32A及第2偏光板32B分別轉動位移至穿透軸方向成為「45°」的位置。
該切換處理結束時，控制裝置5進行與上述一連串之第1次的攝像處理相同之第2次的攝像處理。即，控制裝置5係從第1投光系統2A照射第1光，同時從第2投光系統2B照射第2光，並藉第1攝像系統4A拍攝從第2偏光分光器212的第1面212a所射出之第1光的合成光，同時藉第2攝像系統4B拍攝從第1偏光分光器211的第1面211a所射出之第2光的合成光。藉此， 取得第1光之相位「90°」的干涉條紋影像，同時拍攝第2光之相位「90°」的干涉條紋影像。
以後，重複與上述之第1次及第2次之攝像處理相同的攝像處理2次。即，在將第1偏光板32A及第2偏光板32B之穿透軸方向設定成「90°」的狀態進行第3次之攝像處理，取得第1光之相位「180°」的干涉條紋影像，同時取得第2光之相位「180°」的干涉條紋影像。
然後，在將第1偏光板32A及第2偏光板32B之穿透軸方向設定成「135°」的狀態進行第4次之攝像處理，取得第1光之相位「270°」的干涉條紋影像，同時取得第2光之相位「270°」的干涉條紋影像。
依此方式，藉由進行4次之攝像處理，可取得在進行三維測量上所需之全部的影像資料(由第1光之4種干涉條紋影像資料及第2光之4種干涉條紋影像資料所構成之共8種干涉條紋影像資料)。
然後，控制裝置5係根據影像資料記憶裝置54所記憶之第1光之4種干涉條紋影像資料及第2光之4種干涉條紋影像資料，利用相移法，測量工件W的表面形狀。即，算出在工件W的表面上之各位置的高度資訊。
如以上之詳述所示，若依據本實施形態，在根據馬赫陳德干涉儀之原理之比較簡單的構成下，具有與該第1實施形態一樣之作用效果。
[第4實施形態]
以下，一面參照圖面，一面說明第4實施形態。此外，對與第1實施形態相同的構成部分，附加相同的符號，並省略詳細之說明。
第11圖係表示本實施形態之三維測量裝置300之示意構成的模式圖。以下，權宜上，在說明中，將第11圖之紙面前後方向作為「X軸方向」，將紙面上下方向作為「Y軸方向」，將紙面左右方向作為「Z軸方向」。
三維測量裝置300係根據菲左干涉儀之原理所構成，並具備：2個投光系統302A,302B(第1投光系統302A、第2投光系統302B)，係可輸出特定波長的光；干涉光學系統303，係被射入分別從該投光系統302A,302B所射出之光；2個攝像系統304A,304B(第1攝像系統304A、第2攝像系統304B)，係可拍攝從該干涉光學系統303所射出之光；以及控制裝置5，係進行投光系統302A,302B或干涉光學系統303、攝像系統304A,304B等之各種控制或影像處理、運算處理等。「控制裝置5」構成本實施形態之「影像處理手段」，「干涉光學系統303」構成本實施形態之「既定光學系統」。
首先，詳細說明2個投光系統302A,302B(第1投光系統302A、第2投光系統302B)。第1投光系統302A具備第1發光部311A、第1光隔離器312A以及第1無偏光分光器313A等。此處，「第1發光部311A」構成本實施形態之「第1照射手段」。
雖省略圖示，第1發光部311A具備可輸出特定波長λ1之直線偏光的雷射光源、或將從該雷射光源所輸出之直線偏光放大並作為平行光射出的擴束器、用以進行強度調整的偏光板、用以調整偏光方向的1/2波長板等。
在該構成之下，在本實施形態，從第1發光部311A在Z軸方向朝右射出將Y軸方向作為偏光方向之波長λ1(例如λ1=1500nm)的直線偏光。此處，「波長λ1」相當於本實施形態之「第1波長」。以後，將從第1發光部311A所射出之波長λ1的光稱為「第1光」。
第1光隔離器312A係僅使在一方向(在本實施形態係Z軸方向朝右)前進的光穿透並遮斷逆向(在本實施形態係Z軸方向朝左)之光的光學元件。藉此，僅使從第1發光部311A所射出之第1光穿透，而可防止回光所造成之第1發光部311A的損傷或不穩定化等。
第1無偏光分光器313A係將直角稜鏡相黏貼而作成一體之立方體式之周知的光學元件，在其接合面313Ah被施以例如金屬膜等的塗膜。「第1無偏光分光器313A」構成本實施形態之「第1導光手段」。
此外，在本實施形態，將第11圖之與紙面平行的方向(Y軸方向或Z軸方向)作為偏光方向的直線偏光稱為P偏光(P偏光成分)。將第11圖之與紙面垂直的X軸方向作為偏光方向的直線偏光稱為S偏光(S偏光成分)。「P偏光」相當於「具有第1偏光方向的第1偏光」，「S偏光」相當於「具有第2偏光方向的第2偏光」。
又，第1無偏光分光器313A被配置成隔著該接合面313Ah相鄰的2個面中之一方與Y軸方向正交且另一方與Z軸方向正交。即，被配置成第1無偏光分光器313A的接合面313Ah對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。更詳細說明之，被配置成經由第1光隔離器312A，使從第1發光部311A在Z軸方向向右所射入之第1光的一部分(一半)在Z軸方向向右穿透，使剩餘部分(一半)在Y軸方向向下反射。
第2投光系統302B具備第2發光部311B、第2光隔離器312B以及第2無偏光分光器313B等。此處，「第2發光部311B」構成本實施形態之「第2照射手段」。
第2發光部311B係與該第1發光部311A一樣，具備可輸出特定波長λ2之直線偏光的雷射光源、或將從該雷射光源所輸出之直線偏光放大並作為平行光射出的擴束器、用以進行強度調整的偏光板、用以調整偏光方向的1/2波長板等。
在該構成之下，在本實施形態，從第2發光部311B在Z軸方向朝右射出將X軸方向作為偏光方向之波長λ2(例如λ2=1503nm)的直線偏光。此處，「波長λ2」相當於本實施形態之「第2波長」。以後，將從第2發光部311B所射出之波長λ2的光稱為「第2光」。
第2光隔離器312B係僅使在一方向(在本實施形態係Z軸方向朝右)前進的光穿透並遮斷逆向(在本實施形態係Z軸方向朝左)之光的光學元件。藉此，僅使 從第2發光部311B所射出之第2光穿透，而可防止回光所造成之第2發光部311B的損傷或不穩定化等。
第2無偏光分光器313B係將直角稜鏡相黏貼而作成一體之立方體式之周知的光學元件，在其接合面313Bh被施以例如金屬膜等的塗膜。「第2無偏光分光器313B」構成本實施形態之「第2導光手段」。
又，第2無偏光分光器313B被配置成隔著該接合面313Bh相鄰的2個面中之一方與Y軸方向正交且另一方與Z軸方向正交。即，被配置成第2無偏光分光器313B的接合面313Bh對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。更詳細說明之，被配置成經由第2光隔離器312B，使從第2發光部311B在Z軸方向向所射入之第2光的一部分(一半)在Z軸方向向右穿透，使剩餘部分(一半)在Y軸方向向上反射。
其次，詳細說明干涉光學系統303的構成。干涉光學系統303具備偏光分光器320、1/4波長板321、半鏡323以及設置部324等。
偏光分光器320係將直角稜鏡相黏貼而作成一體之立方體式之周知的光學元件，在其接合面(邊界面)320h被施以例如電介質多層膜等的塗膜。
本實施形態之偏光分光器320成為使P偏光成分穿透，並將S偏光成分反射的構成。
偏光分光器320被配置成隔著該接合面320h相鄰之2個面中的一方與Y軸方向正交且另一方與Z軸方向正交。即，被配置成偏光分光器320的接合面320h對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。
更詳細說明之，被配置成從該第1無偏光分光器313A在Z軸方向向右所穿透之第1光射入之偏光分光器320的第1面(Z軸方向左側面)320a、及與該第1面320a相對向之第3面(Z軸方向右側面)320c與Z軸方向正交。「偏光分光器320的第1面320a」相當於本實施形態之「第1輸出入部」。
另一方面，係隔著接合面320h與第1面320a相鄰的面，並從該第2無偏光分光器313B在Y軸方向朝上所反射的第2光射入之偏光分光器320的第2面(Y軸方向下側面)320b及與該第2面320b相對向之第4面(Y軸方向上側面)320d被配置成與Y軸方向正交。「偏光分光器320的第2面320b」相當於本實施形態之「第2輸出入部」。
而，1/4波長板321被配置成與偏光分光器320之第3面320c在Z軸方向相對向，進而，在該Z軸方向右側，將半鏡323配置成與該1/4波長板321在Z軸方向相對向，更在該Z軸方向右側，將設置部324配置於與該半鏡323在Z軸方向相對向。但，半鏡323係為了產生週期性干涉條紋(載波；carrier)，嚴格上在對Z軸方向稍微傾斜之狀態被設置。
1/4波長板321具有將直線偏光變換成圓偏光且將圓偏光變換成直線偏光的功能。即，從偏光分光器320之第3面320c所射出之直線偏光(P偏光或S偏光)係經由1/4波長板321被變換成圓偏光後，照射於半鏡323。
半鏡323係將入射光以1：1之比例分割成穿透光與反射光者。具體而言，使從1/4波長板321在Z軸方向朝右所射入之圓偏光的一部分(一半)作為測量光，在Z軸方向朝右穿透，使剩餘部分(一半)作為參照光，在Z軸方向朝左反射。然後，已穿透半鏡323之圓偏光(測量光)被照射於被324放置相當於之作為被測量物的工件W。即，「半鏡323」構成本實施形態之「參照面」。又，「半鏡323」係構成將射入之既定光分割成2道光的「「分割手段」，且構成將這些光再合成的「合成手段」。
其次，詳細說明2個攝像系統304A,304B(第1攝像系統304A、第2攝像系統304B)的構成。第1攝像系統304A具備構成第1攝像手段的第1相機333A，第2攝像系統304B具備構成第2攝像手段的第2相機333B。
各相機333A,333B係具備透鏡或攝像元件等而成之周知者。在本實施形態，作為相機333A,333B之攝像元件，採用CCD區域感測器。當然，攝像元件係不限定為此，例如亦可採用CMOS區域感測器等。
藉各相機333A,333B所拍攝之影像資料係在各相機333A,333B內部被變換成數位信號後，以數位信號之形式輸入控制裝置5(影像資料記憶裝置54)。
其次，說明三維測量裝置300的作用。此外，如後述所示，第1光及第2光的照射係同時進行，第1光之光路與第2光之光路在一部分重疊，但是此處，為 了更易於了解，對第1光與第2光之各光路使用相異的圖面，個別地說明。
首先，參照第12圖，說明第1光之光路。如第12圖所示，從第1發光部311A在Z軸方向朝右射出波長λ1之第1光(將Y軸方向作為偏光方向之P偏光)。
從第1發光部311A所射出之第1光係通過第1光隔離器312A，並射入第1無偏光分光器313A。射入第1無偏光分光器313A之第1光的一部分係在Z軸方向朝右穿透，剩餘部分係在Y軸方向朝下反射。
其中，在Z軸方向朝右所穿透之第1光射入偏光分光器320的第1面320a。另一方面，在Y軸方向朝下所反射之第1光係不會射入任何光學系統等，而成為捨棄光。
從偏光分光器320之第1面320a在Z軸方向朝右所射入的第1光(P偏光)係在Z軸方向朝右穿透接合面320h，並從第3面320c射出。
從偏光分光器320之第3面320c所射出之第1光係藉由通過1/4波長板321，從將Y軸方向作為偏光方向之P偏光被變換成右轉之圓偏光後，照射於半鏡323。
照射於半鏡323之第1光係其一部分(一半)作為測量光，在Z軸方向朝右穿透半鏡323，剩餘部分作為參照光，在Z軸方向朝左反射。此處，維持穿透光(測量光)及反射光(參照光)都對光之行進方向的轉動方向(右轉)。
然後，在Z軸方向朝右穿透半鏡323之第1光的測量光(右轉之圓偏光)係照射於被放置於設置部324的工件W。此處，亦維持對光之行進方向的轉動方向(右轉)。
在工件W所反射之第1光的測量光係再在Z軸方向朝左穿透半鏡323後，與在該半鏡323在Z軸方向朝左所反射之第1光的參照光(右轉之圓偏光)合成。藉由將是轉動方向一樣右轉之圓偏光的測量光及參照光合成，兩者產生干涉。
接著，此第1光之干涉光係藉由通過1/4波長板321，從右轉之圓偏光被變換成將X軸方向作為偏光方向之S偏光後，再射入偏光分光器320的第3面320c。
此處，從偏光分光器320的第3面320c再射入之第1光的干涉光(S偏光)係在接合面320h在Y軸方向朝下反射，並作為輸出光從偏光分光器320之第2面320b射出。
從偏光分光器320之第2面320b所射出之第1光的干涉光射入第2無偏光分光器313B。對第2無偏光分光器313B在Y軸方向朝下所射入之第1光的干涉光係其一部分在Y軸方向朝下穿透，剩餘部分在Z軸方向朝左反射。其中，在Y軸方向朝下所穿透之干涉光射入第1攝像系統304A(第1相機333A)而被拍攝。另一方面，在Z軸方向朝左所反射之干涉光係藉第2光隔離器312B遮斷其前進，成為捨棄光。
接著，參照第13圖，說明第2光之光路。如第13圖所示，從第2發光部311B在Z軸方向朝右射出波長λ2之第2光(將X軸方向作為偏光方向之S偏光)。
從第2發光部311B所射出之第2光係通過第2光隔離器312B，並射入第2無偏光分光器313B。射入第2無偏光分光器313B之第2光的一部分係在Z軸方向朝右穿透，剩餘部分係在Y軸方向朝上反射。
其中，在Y軸方向朝上所反射之第2光射入偏光分光器320的第2面320b。另一方面，在Z軸方向朝右所穿透之第2光係不會射入任何光學系統等，而成為捨棄光。
從偏光分光器320之第2面320b在Y軸方向朝上所射入的第2光(S偏光)係在接合面320h在Z軸方向朝右反射，並從第3面320c射出。
從偏光分光器320之第3面320c所射出之第2光係藉由通過1/4波長板321，從將X軸方向作為偏光方向之S偏光被變換成左轉之圓偏光後，照射於半鏡323。
照射於半鏡323之第2光係其一部分(一半)作為測量光，在Z軸方向朝右穿透半鏡323，剩餘部分作為參照光，在Z軸方向朝左反射。此處，維持穿透光(測量光)及反射光(參照光)都對光之行進方向的轉動方向(左轉)。
然後，在Z軸方向朝右穿透半鏡323之第2光的測量光(左轉之圓偏光)係照射於被放置於設置部 324的工件W。此處，亦維持對光之行進方向的轉動方向(左轉)。
在工件W所反射之第2光的測量光係再在Z軸方向朝左通過半鏡323後，與在該半鏡323在Z軸方向朝左所反射之第2光的參照光(左轉之圓偏光)合成。藉由將是轉動方向一樣左轉之圓偏光的測量光及參照光合成，兩者產生干涉。
接著，此第2光之干涉光係藉由通過1/4波長板321，從左轉之圓偏光被變換成將Y軸方向作為偏光方向之P偏光後，再射入偏光分光器320的第3面320c。
此處，從偏光分光器320的第3面320c再射入之第2光的干涉光(P偏光)係在接合面320h在Z軸方向朝左穿透，並作為輸出光從偏光分光器320之第1面320a射出。
從偏光分光器320之第1面320a所射出之第2光的干涉光射入第1無偏光分光器313A。對第1無偏光分光器313A在Z軸方向朝左所射入之第2光的干涉光係其一部分在Z軸方向朝左穿透，剩餘部分在Y軸方向朝上反射。其中，在Y軸方向朝上所反射之干涉光射入第2攝像系統304B(第2相機333B)而被拍攝。另一方面，在Z軸方向朝左所穿透之干涉光係藉第1光隔離器312A遮斷其前進，成為捨棄光。
其次，詳細說明藉控制裝置5所執行之形狀測量處理的步驟。首先，在對設置部324設置工件W後， 從第1投光系統302A照射第1光，同時從第2投光系統302B照射第2光。結果，從干涉光學系統303之偏光分光器320的第2面320b射出第1光的干涉光，同時從偏光分光器320的第1面320a射出第2光的干涉光。
然後，藉第1攝像系統304A拍攝從偏光分光器320的第2面320b所射出之第1光的干涉光，同時藉第2攝像系統304B拍攝從偏光分光器320的第1面320a所射出之第2光的干涉光。
接著，向控制裝置5輸出從各相機333A,333B分別拍攝之影像資料。控制裝置5係將所輸入之影像資料記憶於影像資料記憶裝置54。
然後，控制裝置5係根據影像資料記憶裝置54所記憶之第1光之干涉條紋影像資料及第2光之干涉條紋影像資料，根據傅立葉轉換法，測量工件W的表面形狀。即，算出在工件W的表面上之各位置的高度資訊。
此處，說明根據一般之傅立葉轉換法之高度測量的原理。第1光或第2光之干涉條紋影像資料之在同一座標位置(x,y)的干涉條紋強度，即亮度g(x,y)係可藉如下之[數學式11]的關係式表示。
其中，a(x,y)表示偏置，b(x,y)表示振幅，φ(x,y)表示相位，fx0表示x方向之載波頻率，fy0表示y方向之載波頻率。
然後，對亮度g(x,y)進行二維傅立葉轉換，而得到二維空間頻譜。使此左右之頻譜中的一方留下，並向中央位移後，進行逆傅立葉轉換。
因為此位移後之頻譜係係可藉如下之[數學式12]的關係式表示，所以若對相位φ求解，可求得各座標的相位。
其中，c(x,y)表示頻譜。
然後，在使用波長相異之2種光的情況，與該第1實施形態一樣，首先，根據波長λ1之第1光之干涉條紋影像資料的亮度g1(x,y)，算出在工件W面上之座標(ξ,η)之第1光的相位φ1(ξ,η)。
一樣地，根據波長λ2之第2光之干涉條紋影像資料的亮度g2(x,y)，算出在工件W面上之座標(ξ,η)之第2光的相位φ2(ξ,η)。
接著，從依此方式所得之第1光的相位φ1(ξ,η)、與第2光的相位φ2(ξ,η)，算出在工件W面上之座標(ξ,η)的高度資訊z(ξ,η)。然後，將依此方式所求得之工件W的測量結果(高度資訊)儲存於控制裝置5的運算結果記憶裝置55。
如以上之詳述所示，若依據本實施形態，在根據菲左干涉儀之原理之比較簡單的構成下，具有與該第1實施形態一樣之作用效果。
[第5實施形態]
以下，一面參照圖面，一面說明第5實施形態。第14圖係表示本實施形態之三維測量裝置之示意構成的模式圖。
本實施形態係具備與第2實施形態相異之分光光學系統，和第1攝像系統4A及第2攝像系統4B相關聯的構成與採用邁克生干涉儀之光學構成的第1實施形態相異，因此，詳細說明與第1、第2實施形態相異的構成部分，對相同的構成部分附加相同的符號，並省略詳細之說明。
本實施形態之第1攝像系統4A具備將已穿透第2無偏光分光器13B之第1光的合成光(參照光成分及測量光成分)分割成4道分光之作為第1分光手段的分光光學系統600A、將藉該分光光學系統600A所分割之4道分光分別變換成圓偏光的1/4波長板610A、使已穿透該1/4波長板610A之4道分光的既定成分選擇性地穿透的濾光單元615A、以及同時拍攝已穿透該濾光單元615A之4道分光的相機633A。
本實施形態之第2攝像系統4B具備將已穿透第1無偏光分光器13A之第2光的合成光(參照光成分及測量光成分)分割成4道分光之作為第2分光手段的分光光學系統600B、將藉該分光光學系統600B所分割之4道分光分別變換成圓偏光的1/4波長板610B、使已穿透該1/4波長板610B之4道分光的既定成分選擇性地穿透的濾光單元615B、以及同時拍攝已穿透該濾光單元615B之4道分光的相機633B。
此外，因為「1/4波長板610A」及「1/4波長板610B」係具有與該第1實施形態之「1/4波長板31A」及「1/4波長板31B」相同的構成，其詳細說明係省略。但，亦可採用對應於4道分光之各個個別地具備1/4波長板的構成。
「濾光單元615A」及「濾光單元615B」構成本實施形態之濾光手段及干涉手段。「濾光單元615A」及「濾光單元615B」係具有與該第2實施形態之「濾光單元126」相同的構成，其詳細說明係省略。但，亦可採用對應於4道分光之各個個別地具備穿透軸方向各相差45°之4片偏光板(偏光板126a、126b、126c以及126d)的構成。
「相機633A」及「相機633B」以及與這些相機相關聯之控制處理或影像資料記憶裝置54等的構成係具有與第2實施形態之「第1相機33A(攝像元件33Ai)」及「相機633B」等的構成相同的構成，其詳細說明係省略。
其次，參照第15圖~第18圖，詳細說明分光光學系統600A及分光光學系統600B的構成。此外，本實施形態之光光學系統600A及分光光學系統600B係相同的構成。
以下，參照第15圖~第18圖，說明分光光學系統600A(600B)時，權宜上，在說明中，將第15圖之紙面上下方向作為「X’軸方向」，將紙面前後方向作為「Y’軸方向」，將紙面左右方向作為「Z’軸方向」。 但，用以說明分光光學系統600A(600B)單體之座標系統(X’,Y’,Z’)、與用以說明三維測量裝置1整體之座標系統(X,Y,Z)係相異的座標系統。
分光光學系統600A(600B)係將2個無偏光之光學元件(稜鏡)相黏貼而作成一體之一個無偏光的光學元件。
更詳細說明之，分光光學系統600A(600B)係由已穿透第2無偏光分光器13B(第1無偏光分光器13A)之第1光的合成光(第2光的合成光)分割成2道分光的第1稜鏡601、與將藉該第1稜鏡601所分割之2道分光分別分割成2道分光並射出共4道分光的第2稜鏡602所構成。
第1稜鏡601及第2稜鏡602係分別由被稱為「凱斯特(Kester)稜鏡」之周知的光學元件所構成。但，在本實施形態，「凱斯特稜鏡」意指「係將具有內角分別成為30°、60°、90°之直角三角形的截面形狀之一對光學元件(三角柱形狀之稜鏡)相黏貼而作成一體之具有正三角形的截面形狀之正三角柱形的光學元件，並在其接合面具有無偏光之半鏡者」。當然，用作各稜鏡601,602的凱斯特稜鏡係不限定為此。只要是滿足後述之分光光學系統600A(600B)的功能者，亦可採用例如不是正三角柱形者等與本實施形態相異的光學元件(凱斯特稜鏡)作為各稜鏡601,602。
具體而言，作為第1光學元件(第1凱斯特稜鏡)之第1稜鏡601係形成在平面圖(X’-Z’平面)正三角 形，且形成沿著Y’軸方向所延伸之正三角柱形(參照第15圖)。(X’-Z’平面)相當於本實施形態之「第1平面」。
第1稜鏡601係通過沿著Y’軸方向之長方形的3個面(第1面601a、第2面601b、第3面601c)中第1面601a與第2面601b的交線且沿著與第3面601c正交的平面形成半鏡601M。「半鏡601M」相當於本實施形態之「第1分歧手段」。
第1稜鏡601係被配置成第3面601c沿著X’-Y’平面與Z’軸方向正交，且半鏡601M被配置成沿著Y’-Z’平面與X’軸方向正交。因此，第1面601a及第2面601b係被配置成分別對X’軸方向及Z’軸方向傾斜30°或60°。
另一方面，作為第2光學元件(第2凱斯特稜鏡)之第2稜鏡602係形成在正面圖(Y’-Z’平面)正三角形，且形成沿著X’軸方向所延伸之正三角柱形(參照第16圖)。(Y’-Z’平面)相當於本實施形態之「第2平面」。
第2稜鏡602係通過沿著X’軸方向之長方形的3個面(第1面602a、第2面602b、第3面602c)中第1面602a與第2面602b的交線且沿著與第3面602c正交的平面形成半鏡602M。「半鏡602M」相當於本實施形態之「第2分歧手段」。
第2稜鏡602係被配置成第1面602a沿著X’-Y’平面與Z’軸方向正交。因此，第2面602b、第3面602c以及半鏡602M係被配置成分別對Y’軸方向及Z’軸方向傾斜30°或60°。
而且，將第1稜鏡601之第3面601c與第2稜鏡602之第3面602c接合。即，第1稜鏡601與第2稜鏡602係在含有半鏡601M之平面(Y’-Z’平面)、與含有半鏡602M之平面所正交的方向被接合。
此處，在X’軸方向之第1稜鏡601之第3面601c的長度、與在X’軸方向之第2稜鏡602之第1面602a的長度係相同(參照第15圖)。另一方面，在Y’軸方向之第1稜鏡601之第3面601c的長度係成為在Y’軸方向之第2稜鏡602的第1面602a之長度的一半(參照第16圖、第17圖)。且，第1稜鏡601之第3面601c係沿著第2稜鏡602之第1面602a與第2面602b的交線被接合(參照第18圖等)。
兩稜鏡601,602係分別由具有折射率比空氣更高之既定折射率的光學材料(例如玻璃或壓克力等)所形成。此處，兩稜鏡601,602係亦可由相同之材料所形成，亦可由相異之材料所形成。只要是滿足後述之分光光學系統600A(600B)的功能者，各稜鏡601,602的材質係各自可任意地選擇。
接著，一面參照圖面，一面詳細說明分光光學系統600A及分光光學系統600B之作用。但，如上述所示，因為在第1攝像系統4A及第2攝像系統4B所使用之分光光學系統600A及分光光學系統600B係相同的構成，所以在以下舉例說明第1攝像系統4A之分光光學系統600A，對第2攝像系統4B之分光光學系統600B係省略說明。
分光光學系統600A係被配置成已穿透第2無偏光分光器13B之第1光的合成光F0垂直地射入第1稜鏡601的第1面601a(參照第14圖、第15圖)。但，在第14圖，為了簡化，成以分光光學系統600A之正面朝向前側的方式圖示出第1攝像系統4A。
從第1面601a射入第1稜鏡601內之合成光F0係在半鏡601M在2方向分歧。詳細說明之，分歧成朝向第1面601a側在半鏡601M所反射之分光FA1、與朝向第2面601b側穿透半鏡601M的分光FA2。
其中，在半鏡601M所反射之分光FA1係在第1面601a朝向第3面601c側進行全反射，並從第3面601c垂直地射出。另一方面，已穿透半鏡601M的分光FA2係在第2面601b朝向第3面601c側進行全反射，並從第3面601c垂直地射出。即，從第1稜鏡601的第3面601c射出平行的2道分光FA1,FA2。
從第1稜鏡601之第3面601c所射出的分光FA1,FA2係分別垂直地射入第2稜鏡602的第1面602a(參照第16圖)。
從第1面602a射入第2稜鏡602內的分光FA1,FA2係分別在半鏡602M在2方向分歧。
詳細說明之，一方之分光FA1係分歧成朝向第1面602a側在半鏡602M所反射之分光FB1、與朝向第2面602b側穿透半鏡602M的分光FB2。
另一方之分光FA2係分歧成朝向第1面602a側在半鏡602M所反射之分光FB3、與朝向第2面602b側穿透半鏡602M的分光FB4。
其中，在半鏡602M所反射之分光FB1,FB3係分別在第1面602a朝向第3面602c側進行全反射，並從第3面602c垂直地射出。另一方面，已穿透半鏡602M的分光FB2,FB4係分別在第2面602b朝向第3面602c側進行全反射，並從第3面602c垂直地射出。即，從第2稜鏡602的第3面602c平行地射出排列成2列2行之陣列形的光FB1~FB4。
從分光光學系統600A(第2稜鏡602之第3面602c)所射出之4道分光FB1~FB4係分別藉第1稜鏡601變換成圓偏光後，射入陣列狀地配置於濾光單元615A的各偏光板126a~126d。
藉此，已穿透濾光單元615A的4道分光FB1~FB4係分別成為相位各相差90°的干涉光。接著，藉相機633A之攝像元件33Ai同時拍攝這4道分光FB1~FB4。結果，得到相位各相差90°之4種干涉條紋影像。
如以上之詳述所示，若依據本實施形態，具有與第2實施形態相同之作用效果。
此外，在本實施形態，在分光光學系統600A,600B，因為作為將一道光分割成平行之2道光的手段，採用係凱斯特稜鏡的兩稜鏡601,602，所以所分割之2道光的光路長成為在光學上相等。結果，如該第2實施形態所示，不必具備調整所分割之2道光的光路長的光路調整手段，可減少元件個數，且實現構成的簡化或裝置的小型化等。
又，因為成為從一道光F0射入分光光學系統600A,600B開始，至射出4道光FB1~FB4之間，光僅在光學元件內前進，不會出現於空氣中的構成，所以可減少空氣之擺動等的影響。
[第6實施形態]
以下，一面參照圖面，一面說明第6實施形態。第19圖係表示本實施形態之三維測量裝置之示意構成的模式圖。
本實施形態係具備與第2實施形態或第5實施形態相異之分光光學系統，和第1攝像系統4A及第2攝像系統4B相關聯的構成與採用邁克生干涉儀之光學構成的第1實施形態相異，因此，詳細說明與第1、第2、第5實施形態相異的構成部分，對相同的構成部分附加相同的符號，並省略詳細之說明。
本實施形態之第1攝像系統4A具備將已穿透第2無偏光分光器13B之第1光的合成光(參照光成分及測量光成分)分割成4道分光之作為第1分光手段的分光光學系統700A。
分光光學系統700A具備：無偏光分光器701A，係將已穿透第2無偏光分光器13B之第1光的合成光分割成2道分光；第1稜鏡702A，係將藉該無偏光分光器701A所分割之2道分光中之一方的分光再分割成2道分光；以及第2稜鏡703A，係將藉該無偏光分光器701A所分割之2道分光中之另一方的分光再分割成2道分光。
進而，本實施形態之第1攝像系統4A具備：1/4波長板704A，係將藉該第1稜鏡702A所分割之2道分光分別變換成圓偏光；1/4波長板705A，係將藉該第2稜鏡703A所分割之2道分光分別變換成圓偏光；濾光單元706A，係使已穿透該1/4波長板704A之2道分光的既定成分選擇性地穿透；濾光單元707A，係使已穿透該1/4波長板705A之2道分光的既定成分選擇性地穿透；相機708A，係同時拍攝已穿透該濾光單元706A之2道分光；以及相機709A，係同時拍攝已穿透該濾光單元707A之2道分光。
另一方面，本實施形態之第2攝像系統4B具備將已穿透第1無偏光分光器13A之第2光的合成光(參照光成分及測量光成分)分割成4道分光之作為第2分光手段的分光光學系統700B。
分光光學系統700B具備：無偏光分光器701B，係將已穿透第1無偏光分光器13A之第2光的合成光分割成2道分光；第1稜鏡702B，係將藉該無偏光分光器701B所分割之2道分光中之一方的分光再分割成2道分光；以及第2稜鏡703B，係將藉該無偏光分光器701B所分割之2道分光中之另一方的分光再分割成2道分光。
進而，本實施形態之第2攝像系統4B具備：1/4波長板704B，係將藉該第1稜鏡702B所分割之2道分光分別變換成圓偏光；1/4波長板705B，係將藉該第2稜鏡703B所分割之2道分光分別變換成圓偏光；濾 光單元706B，係使已穿透該1/4波長板704B之2道分光的既定成分選擇性地穿透；濾光單元707B，係使已穿透該1/4波長板705B之2道分光的既定成分選擇性地穿透；相機708B，係同時拍攝已穿透該濾光單元706B之2道分光；以及相機709B，係同時拍攝已穿透該濾光單元707B之2道分光。
「無偏光分光器701A」及「無偏光分光器701B」係將直角稜鏡相黏貼而作成一體之立方體式之周知的光學元件，無偏光之半鏡設置於其接合面。
第1攝像系統4A之「第1稜鏡702A」與「第2稜鏡703A」、及第2攝像系統4B之「第1稜鏡702B」與「第2稜鏡703B」係周知之凱斯特稜鏡，並具有與該第5實施形態之「第1稜鏡601」與「第2稜鏡602」相同的構成，其詳細說明係省略。
第1攝像系統4A之「1/4波長板704A」與「1/4波長板705A」、及第2攝像系統4B之「1/4波長板704B」與「1/4波長板705B」係具有與該第1實施形態之「1/4波長板31A」與「1/4波長板31B」相同的構成，其詳細說明係省略。但，本實施形態之「1/4波長板704A」等係分別對應於2道分光。當然，亦可採用以分別對應於各分光之方式個別地具備1/4波長板的構成。
第1攝像系統4A之「濾光單元706A」與「濾光單元707A」、及第2攝像系統4B之「濾光單元706B」與「濾光單元707B」係具有與該第2實施形態之「濾光單元126」相同的構成，其詳細說明係省略。但，本實 施形態之「濾光單元706A」等係分別對應於2道分光。例如，亦可採用第1攝像系統4A之「濾光單元706A」具備「偏光板126a,126b」，「濾光單元707A」具備「偏光板126c,126d」的構成(第2攝像系統4b亦一樣)。當然，亦可採用以分別對應於4道分光之方式個別地具備穿透軸方向各相差45°之4片偏光板(偏光板126a,126b,126c,126d)的構成。
第1攝像系統4A之「相機708A」與「相機709A」、及第2攝像系統4B之「相機708B」與「相機709B」、以及與這些相關聯之控制處理或影像資料記憶裝置54等的構成係具有與該第1、第2實施形態之「第1相機33A」與「第2相機633B」等的構成相同的構成，其詳細說明係省略。但，本實施形態之「相機708A(攝像元件)」等係分別對應於2道分光。例如，亦可採用第1攝像系統4A之「相機708A(攝像元件)」的攝像區域以對應於「濾光單元706A(偏光板126a,126b)」之方式被劃分成2個攝像區域(H1,H2)，「相機709A(攝像元件)」的攝像區域以對應於「濾光單元707A(偏光板126c,126d)」之方式被劃分成2個攝像區域(H3,H4)的構成(第2攝像系統4B亦一樣)。在此情況，具備長寬比2：1之攝像元件較佳。
接著，說明分光光學系統700A及分光光學系統700B的作用。但，如上述所示，因為在第1攝像系統4A及第2攝像系統4B所使用之分光光學系統700A及分光光學系統700B係相同的構成，所以在以下舉例說 明第1攝像系統4A之分光光學系統700A，對第2攝像系統4B之分光光學系統700B係省略說明。
已穿透第2無偏光分光器13B之第1光的合成光首先射入分光光學系統700A之無偏光分光器701A，在半鏡在2方向分歧。其中，在半鏡所反射之分光射入第1稜鏡702A。另一方面，已穿透半鏡之分光射入第2稜鏡703A。
射入第1稜鏡702A之第1面的分光係在半鏡在2方向分歧。詳細說明之，分歧成朝向第1面側在半鏡所反射之分光、與朝向第2面側穿透半鏡的分光。
其中，在半鏡所反射之分光係在第1面朝向第3面側進行全反射，並從第3面垂直地射出。另一方面，已穿透半鏡的分光係在第2面朝向第3面側進行全反射，並從第3面垂直地射出。即，從第1稜鏡702A的第3面射出平行的2道分光。
一樣地，射入第2稜鏡703A之第1面的分光係在半鏡在2方向分歧。詳細說明之，分歧成朝向第1面側在半鏡所反射之分光、與朝向第2面側穿透半鏡的分光。
其中，在半鏡所反射之分光係在第1面朝向第3面側進行全反射，並從第3面垂直地射出。另一方面，已穿透半鏡的分光係在第2面朝向第3面側進行全反射，並從第3面垂直地射出。即，從第2稜鏡703A的第3面射出平行的2道分光。
然後，從第1稜鏡702A所射出的2道分光係分別藉1/4波長板704A變換成圓偏光後，射入濾光單元706A(例如偏光板126a,126b)。
已穿透濾光單元706A之2道分光係成為例如相位「0°」的干涉光與相位「90°」的干涉光。接著，在相機708A之2個攝像區域同時拍攝這2道分光，而得到例如相位「0°」的干涉條紋影像與相位「90°」的干涉條紋影像。
一樣地，從第2稜鏡703A所射出之2道分光係分別藉1/4波長板705A變換成圓偏光後，射入濾光單元707A(例如偏光板126c,126d)。
已穿透濾光單元707A之2道分光成為例如相位「180°」的干涉光與相位「270°」的干涉光。然後，在相機709A的2個攝像區域同時拍攝這2道分光，而得到例如相位「180°」的干涉條紋影像與相位「270°」的干涉條紋影像。
結果，藉第1攝像系統4A(相機708A及相機709A)取得相位各相差90°之4種干涉條紋影像。
如以上之詳述所示，在本實施形態，具有與該第5實施形態相同之作用效果。
[第7實施形態]
以下，說明第7實施形態。本實施形態係將使從2個光源所射出之波長相異的2種光在重疊之狀態向干涉光學系統射入，並藉光學分離手段將從干涉光學系統所射出之光進行波長分離，再個別地拍攝該各波長 之光的干涉光的構成，與採用邁克生干涉儀之光學構成的該第1實施形態等(包含第5實施形態等)組合，而作成可實現利用波長相異之4種光的測量。
以下，一面參照圖面，一面詳細說明。第20圖係表示本實施形態之三維測量裝置之示意構成的模式圖。本實施形態係與第1投光系統2A及第2投光系統2B、以及第1攝像系統4A及第2攝像系統4B相關聯的構成和該第1實施形態等相異。因此，在本實施形態，詳細說明與上述各實施形態相異的構成部分，對相同之構成部分附加相同的符號，並省略其詳細的說明。
本實施形態之第1投光系統2A具備2個發光部751A,752A、對應於發光部751A之光隔離器753A、對應於發光部752A之光隔離器754A、二向分光鏡755A以及無偏光分光器756A等。
「發光部751A」及「發光部752A」係具有與「第1發光部11A」相同的構成，其詳細說明係省略。但，如發光部751A射出第1波長(例如491nm)之直線偏光、發光部752A射出第2波長(例如540nm)之直線偏光所示，兩發光部751A,752A射出波長相異之光。
「光隔離器753A」及「光隔離器754A」係具有與「第1光隔離器12A」相同的構成，其詳細說明係省略。
在該構成之下，從發光部751A在Y軸方向朝下所射出之第1波長的直線偏光(以下以「第1波長光」稱之)係經由光隔離器753A，射入二向分光鏡755A。
一樣地，從發光部752A在Z軸方向朝左所射出之第2波長的直線偏光(以下以「第2波長光」稱之)係經由光隔離器754A，射入二向分光鏡755A。
二向分光鏡755A係將直角稜鏡相黏貼而作成一體之立方體式之周知的光學元件(二向分光稜鏡)，電介質多層膜形成於其接合面755Ah。
二向分光鏡755A被配置成隔著該接合面755Ah相鄰的2個面中之一方與Y軸方向正交且另一方與Z軸方向正交。即，被配置成二向分光鏡755A之接合面755Ah對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。
本實施形態之二向分光鏡755A具有至少反射第1波長光，並使第2波長光穿透光的特性。藉此，在第20圖所示之本實施形態的配置構成，射入二向分光鏡755A之第1波長光與第2波長光被合成後，朝向無偏光分光器756A在Z軸方向朝左被射出。
以後，將從發光部751A所射出之第1波長光、與從發光部752A所射出之第2波長光合成的合成光稱為「第1光」。即，藉「發光部751A,752A」或「二向分光鏡755A」等構成本實施形態之「第1照射手段」。
「無偏光分光器756A」係具有與「第1無偏光分光器13A」相同的構成，其詳細說明係省略。在本實施形態，使從二向分光鏡755A在Z軸方向朝左所射入之第1光的一部分(一半)在Z軸方向朝左穿透，並使剩餘部分(一半)在Y軸方向朝下反射。
本實施形態之第2投光系統2B具備2個發光部751B,752B、對應於發光部751B之光隔離器753B、對應於發光部752B之光隔離器754B、二向分光鏡755B以及無偏光分光器756B等。
「發光部751B」及「發光部752B」係具有與「第2發光部11B」相同的構成，其詳細說明係省略。但，如發光部751B射出第3波長(例如488nm)之直線偏光、發光部752B射出第4波長(例如532nm)之直線偏光所示，兩發光部751B,752B射出波長相異之光。
「光隔離器753B」及「光隔離器754B」係具有與「第2光隔離器12B」相同的構成，其詳細說明係省略。
在該構成之下，從發光部751B在Z軸方向朝左所射出之第3波長的直線偏光(以下以「第3波長光」稱之)係經由光隔離器753B，射入二向分光鏡755B。
一樣地，從發光部752B在Y軸方向朝上所射出之第4波長的直線偏光(以下以「第4波長光」稱之)係經由光隔離器754B，射入二向分光鏡755B。
二向分光鏡755B係將直角稜鏡相黏貼而作成一體之立方體式之周知的光學元件(二向分光稜鏡)，電介質多層膜形成於其接合面755Bh。
二向分光鏡755B被配置成隔著該接合面755Bh相鄰的2個面中之一方與Y軸方向正交且另一方與Z軸方向正交。即，被配置成二向分光鏡755B之接合面755Bh對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。
本實施形態之二向分光鏡755B具有至少反射第3波長光，並使第4波長光穿透光的特性。藉此，在第20圖所示之本實施形態的配置構成，射入二向分光鏡755B之第3波長光與第4波長光被合成後，朝向無偏光分光器756B在Y軸方向朝上被射出。
以後，將從發光部751B所射出之第3波長光、與從發光部752B所射出之第4波長光合成的合成光稱為「第2光」。即，藉「發光部751B,752B」或「二向分光鏡755B」等構成本實施形態之「第2照射手段」。
「無偏光分光器756B」係具有與「第2無偏光分光器13B」相同的構成，其詳細說明係省略。在本實施形態，使從二向分光鏡755B在Y軸方向朝上所射入之第2光的一部分(一半)在Y軸方向朝上穿透，並使剩餘部分(一半)在Z軸方向朝右反射。
本實施形態之第1攝像系統4A具備二向分光鏡800A，該二向分光鏡800A係將已穿透無偏光分光器756B之第1光(2波長合成光)之參照光成分及測量光成分的合成光分離成第1波長光之合成光(參照光成分及測量光成分)與第2波長光之合成光(參照光成分及測量光成分)。以下，詳細說明二向分光鏡800A。
二向分光鏡800A係將直角稜鏡相黏貼而作成一體之立方體式之周知的光學元件(二向分光稜鏡)，電介質多層膜形成於其接合面800Ah。
二向分光鏡800A被配置成隔著該接合面800Ah相鄰的2個面中之一方與Y軸方向正交且另一方 與Z軸方向正交。即，被配置成二向分光鏡800A之接合面800Ah對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。
本實施形態之二向分光鏡800A係具有與該二向分光鏡755A相同之特性者。即，二向分光鏡800A具有至少反射第1波長光，並使第2波長光穿透光的特性。
藉此，在第20圖所示之本實施形態的配置構成，射入二向分光鏡800A之第1光的合成光被分離成在Y軸方向朝下所射出之第1波長光(例如491nm)的合成光、與在Z軸方向朝左所射出之第2波長光(例如540nm)的合成光。
進而，本實施形態之第1攝像系統4A具備：分光光學系統801A，係將從二向分光鏡800A在Y軸方向朝下所射出之第1波長光的合成光分割成4道分光；1/4波長板803A，係將藉該分光光學系統801A所分割之4道分光分別變換成圓偏光；濾光單元805A，係使已穿透該1/4波長板803A之4道分光的既定成分選擇性地穿透；以及相機807A，係同時拍攝已穿透該濾光單元805A之4道分光。
一樣地，本實施形態之第1攝像系統4A具備：分光光學系統802A，係將從二向分光鏡800A在Z軸方向朝左所射出之第2波長光的合成光分割成4道分光；1/4波長板804A，係將藉該分光光學系統802A所分割之4道分光分別變換成圓偏光；濾光單元806A，係使已穿透該1/4波長板804A之4道分光的既定成分選擇性 地穿透；以及相機808A，係同時拍攝已穿透該濾光單元806A之4道分光。
此外，因為第1波長光之「分光光學系統801A」、「1/4波長板803A」、「濾光單元805A」及「相機807A」的構成、以及第2波長光之「分光光學系統802A」、「1/4波長板804A」、「濾光單元806A」及「相機808A」的構成係分別與該第5實施形態之「分光光學系統600A」、-1/4波長板610A」、「濾光單元615A」及「相機633A」的構成相同，所以其詳細說明係省略。
本實施形態之第2攝像系統4B具備二向分光鏡800B，該二向分光鏡800B係將已穿透無偏光分光器756A之第2光(2波長合成光)之參照光成分及測量光成分的合成光分離成第3波長光之合成光(參照光成分及測量光成分)與第4波長光之合成光(參照光成分及測量光成分)。以下，詳細說明二向分光鏡800B。
二向分光鏡800B係將直角稜鏡相黏貼而作成一體之立方體式之周知的光學元件(二向分光稜鏡)，電介質多層膜形成於其接合面800Bh。
二向分光鏡800B被配置成隔著該接合面800Bh相鄰的2個面中之一方與Y軸方向正交且另一方與Z軸方向正交。即，被配置成二向分光鏡800B之接合面800Bh對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°。
本實施形態之二向分光鏡800B係具有與該二向分光鏡755B相同之特性者。即，二向分光鏡800B具有至少反射第3波長光，並使第4波長光穿透光的特性。
藉此，在第20圖所示之本實施形態的配置構成，射入二向分光鏡800B之第1光的合成光被分離成在Z軸方向朝左所射出之第3波長光(例如488nm)的合成光、與在Y軸方向朝上所射出之第4波長光(例如532nm)的合成光。
進而，本實施形態之第2攝像系統4B具備：分光光學系統801B，係將從二向分光鏡800B在Z軸方向朝左所射出之第3波長光的合成光分割成4道分光；1/4波長板803B，係將藉該分光光學系統801B所分割之4道分光分別變換成圓偏光；濾光單元805B，係使已穿透該1/4波長板803B之4道分光的既定成分選擇性地穿透；以及相機807B，係同時拍攝已穿透該濾光單元805B之4道分光。
一樣地，本實施形態之第2攝像系統4B具備：分光光學系統802B，係將從二向分光鏡800B在Y軸方向朝上所射出之第4波長光的合成光分割成4道分光；1/4波長板804B，係將藉該分光光學系統802B所分割之4道分光分別變換成圓偏光；濾光單元806B，係使已穿透該1/4波長板804B之4道分光的既定成分選擇性地穿透；以及相機808B，係同時拍攝已穿透該濾光單元806B之4道分光。
此外，因為第3波長光之「分光光學系統801B」、「1/4波長板803B」、「濾光單元805B」及「相機807B」的構成、以及第4波長光之「分光光學系統802B」、「1/4波長板804B」、「濾光單元806B」及「相 機808B」的構成係分別與該第5實施形態之「分光光學系統600B」、「1/4波長板610B」、「濾光單元615B」及「相機633B」的構成相同，所以其詳細說明係省略。
根據該構成，可取得相位各相差90°之第1波長光的4種干涉條紋影像、相位各相差90°之第2波長光的4種干涉條紋影像、相位各相差90°之第3波長光的4種干涉條紋影像、以及相位各相差90°之第4波長光的4種干涉條紋影像。
如以上之詳述所示，若依據本實施形態，具有與該第5實施形態相同之作用效果。進而，若依據本實施形態，藉由利用波長相異之4種光，可更擴大測量範圍，且更提高測量效率。
又，可因應於工件W之種類，切換使用第1波長光與第3波長光(例如491nm與488nm之藍色系的光)之2種光的測量、與使用第2波長光與第4波長光(例如540nm與532nm之綠色系的光)之2種光的測量。
結果，可一面使用波長接近之2種光來擴大測量範圍，亦一面因應於工件W之種類來切換光之種類(波長)。
例如對不適合紅系光之晶圓基板等的工件W，進行使用第1波長光與第3波長光(例如491nm與488nm之藍系色的光)之兩種光的測量，另一方面，對不適合藍系光之銅等的工件W，進行使用第2波長光與第4波長光(例如540nm與532nm之綠系色的光)之兩種光的測量即可。當然，各光之波長係不限定為本實施形態之例子，亦可採用其他的波長的光。
此外，不限定為上述之實施形態的記載內容，例如亦可如以下所示實施。當然，在以下未舉例表示之其他的應用例、變更例亦當然可能。
(a)在上述之實施形態，未特別言及工件W的具體例，作為被測量物，列舉例如被印刷於印刷基板之焊料膏、或形成於晶圓基板之焊料凸塊等。
此處，說明焊料凸塊等之高度測量的原理。如第21圖所示，對電極501(基板500)之凸塊503的高度HB係可從凸塊503之絕對高度ho減去該凸塊503周邊之電極501的絕對高度hr而求得(HB=ho-hr)。此處，作為電極501的絕對高度hr，可使用例如電極501上之任意一點的絕對高度、或電極501上之既定範圍之絕對高度的平均值等。又，「凸塊503之絕對高度ho」或「電極501的絕對高度hr」係可在上述之各實施形態作為高度資訊z(ξ,η)求得。
因此，在設置根據所預設之好壞的判定基準來檢查焊料膏或焊料凸塊之好壞的檢查手段之焊料印刷檢查裝置或焊料凸塊檢查裝置，亦可採用具備三維測量裝置1(200,300)的構成。
此外，採用邁克生干涉儀的光學構成之該第1實施形態等的三維測量裝置1、或採用菲左干涉儀的光學構成之該第4實施形態的三維測量裝置300係適合反射工件，採用馬赫陳德干涉儀的光學構成之該第3實施形態等的三維測量裝置200係適合穿透工件。又，藉由使用相移法，可實現排除0次光(穿透光)的測量。
但，亦可在第3實施形態，採用省略第2全反射鏡222及設置部224，並將工件W設置於第2全反射鏡222的位置，而可測量反射工件的構成。
又，亦可在上述之各實施形態採用構成為可使設置工件W之設置部24(224,324)位移，將工件W的表面分割成複數個測量區域，並一面依序移動測量區域一面逐漸進行各區域的形狀測量，並分成複數次來進行工件W整體的形狀測量。
(b)干涉光學系統(既定光學系統)的構成係不限定為上述之各實施形態。例如在該第1實施形態等，作為干涉光學系統，採用邁克生干涉儀的光學構成，在第3實施形態，採用馬赫陳德干涉儀的光學構成，在第4實施形態，採用菲左干涉儀的光學構成，但是不限定為此，只要是將入射光分割成參照光與測量光並進行工件W之形狀測量的構成，亦可採用其他的光學構成。
(c)投光系統2A,2B(302A,302B)的構成係不限定為上述之各實施形態。例如在上述之各實施形態(第7實施形態除外)，成為從第1投光系統2A(302A)照射波長λ1=1500nm之光，並從第2投光系統2B(302B)照射波長λ2=1503nm之光，但是各光的波長係不限定為此。但，為了擴大測量範圍，使2道光之波長差變成更小較佳。
又，亦可採用從第1投光系統2A(302A)與第2投光系統2B(302B)照射同一波長之光的構成。
如上述所示，自以往，作為測量被測量物之形狀的三維測量裝置，已知利用雷射光等的三維測量裝置(干涉儀)。在該三維測量裝置，由於來自雷射光源之輸出光的擺動等的影響，測量精度可能降低。
相對地，例如在被測量物比較小，即使使用一道光(一種波長)亦測量範圍不會不足的情況，從相異之2個光源照射同一波長的光，藉該2道光分別進行三維測量，藉此，可提高測量精度。
可是，在欲以2道光分別進行三維測量的情況，需要分別在相異的時序進行第1光之輸出光的攝像與第2光之輸出光的攝像，而測量效率可能降低。
例如，在利用相移法之三維測量，在分4階段改變相位的情況，因為需要取得4種影像資料，所以在使用2道光的情況，需要分別在相異的時序各4次之共8次份量的攝像時間。
照射同一波長之2道光的本發明係鑑於上述的事項等所開發者，其目的在於提供一種三維測量裝置，該三維測量裝置係可利用2道光，提高測量效率。
若依據本發明，因為可同時進行第1光之輸出光的攝像與第2光之輸出光的攝像，所以可在共4次份量(或共3次份量)之攝像時間取得2道光之共8種(或6種)的干涉條紋影像。結果，可縮短整體之攝像時間，而可提高測量效率。
尤其在根據馬赫陳德干涉儀的原理所構成之該第3實施形態的三維測量裝置200，因為可從相異之 方向將2道光(測量光)照一個工件W，所以可更高精度地測量例如具有複雜的形狀之工件等的整體像。
又，在上述之各實施形態，在投光系統2A,2B(302A,302B)，成為具備光隔離器12A,12B(312A,312B)等的構成，但是亦可採用省略了光隔離器12A,12B(312A,312B)等的構成。
又，在上述之各實施形態，亦可採用隔著第1無偏光分光器13A(313A)等將第1投光系統2A(302A)與第2攝像系統4B(304B)之兩者的位置關係互換的構成，亦可採用隔著第2無偏光分光器13B(313B)等將第2投光系統2B(302B)與第1攝像系統4A(304A)之兩者的位置關係互換的構成。
又，導光手段的構成係不限定為上述之各實施形態之無偏光分光器13A,13B(313A,313B)等。只要是使從第1照射手段(第2照射手段)所射出之第1光(第2光)的至少一部分朝向第1輸出入部(第2輸出入部)射入，且使從第1輸出入部(第2輸出入部)所射出之第2光之輸出光(第1光之輸出光)的至少一部分朝向第2攝像手段(第1攝像手段)射入的構成，亦可採用其他的構成。即，在第1實施形態，只要是使從第1投光系統2A(第2投光系統2B)所照射之第1光(第2光)射入偏光分光器20的第1面20a(第2面20b)，且可藉第2攝像系統4B(第1攝像系統4A)拍攝從偏光分光器20之第1面20a(第2面20b)所射出的第2光之輸出光(第1光之輸出光)的構成，亦可採用其他的構成。
又，在上述之各實施形態，作為第1無偏光分光器13A(313A)及第2無偏光分光器13B(313B)等，採用將直角稜鏡相黏貼而作成一體之立方體式，但是不限定為此，亦可採用例如板式之既定半鏡。
一樣地，在上述之各實施形態，作為偏光分光器20(211,212,320)，採用將直角稜鏡相黏貼而作成一體之立方體式，但是不限定為此，亦可採用例如板式偏光分光器。
(d)在上述之各實施形態(第4實施形態除外)，成為根據相位相異之4種干涉條紋影像資料來進行相移法的構成，但是不限定為此，亦可採用例如根據相位相異之2種或3種干涉條紋影像資料來進行相移法的構成。
當然，第1實施形態等之三維測量裝置1、或第3實施形態之三維測量裝置200係例如如第4實施形態之傅立葉變換法所示，亦可應用於根據與相移法相異之其他的方法來進行三維測量的構成。
反之，第4實施形態之三維測量裝置300係亦可應用於根據相移法等與傅立葉變換法相異之其他的方法來進行三維測量的構成。
(e)在上述之第1、第3實施形態，作為相移手段，採用構成為可變更穿透軸方向的偏光板32A,32B，在該第2實施形態，採用由穿透軸方向相異之4片偏光板所構成之濾光單元126。
相移手段的構成係不限定為這些，亦可採用例如在第1實施形態藉壓電元件等使參照面23沿著光軸移動，藉此在物理上改變光路長的構成。
又，在第3實施形態，作為相移手段，亦可採用第2實施形態等的構成(濾光單元126等)。又，作為相移手段，亦可採用對全反射鏡221(參照面)，一面維持對Y軸方向及Z軸方向傾斜45°之狀態，一面藉壓電元件等沿著與該傾斜方向正交之方向移動，藉此在物理上改變光路長的構成。
又，在第4實施形態，在採用相移法的情況，亦可採用藉壓電元件等使半鏡323(參照面)沿著光軸移動，藉此在物理上改變光路長的構成。
(f)在上述之各實施形態(第4實施形態除外)，成為在進行2波長相移法時，根據計算數學式求得高度資訊z(ξ,η)的構成，但是不限定為此，亦可採用例如預先記憶表示相位φ1,φ2、條紋次數m1,m2、高度資訊z之對應關係的數表或表資料，並參考這些資料，取得高度資訊z的構成。在此情況，未必需要特定條紋次數。
(g)分光手段的構成係不限定為該第2實施形態。例如在該第2實施形態之分光光學系統125等，成為將從干涉光學系統3所射入之光分光成4道的構成，但是不限定為此，例如分光成3道的構成等只要成為可分割成至少利用相移法之測量所需的道數之光的構成即可。
又，在該第2實施形態等，成為將所射入之合成光L0等分割成在與行進方向正交之平面光路排列成陣列狀的4道光LB1~LB4等的構成，但是只要是使用複數台相機來拍攝各分光LB1~LB4等的構成，未必需要分光成排列成陣列狀。
又，在該第2實施形態等，作為分光手段，採用將複數個光學元件(稜鏡)組合而作成一體之分光光學系統125，但是不限定為此，作為分光手段，亦可採用繞射格子。
(h)濾光手段的構成係不限定為該第2實施形態等，例如在該第2實施形態，濾光單元126由穿透軸方向0°之第1偏光板126a、穿透軸方向45°之第2偏光板126b、穿透軸方向90°之第3偏光板126c以及穿透軸方向135°之第4偏光板126d所構成，並成為使用穿透軸方向各相差45°之4片偏光板126a~26d之這4片偏光板126a~126d，取得相位各相差90°之4種干涉條紋影像，再根據該4種干涉條紋影像，利用相移法，進行三維測量的構成。
替代之，在根據相位相異之3種干涉條紋影像，利用相移法，進行三維測量的情況，亦可採用如以下所示的構成。例如如第22圖所示，對濾光單元126之第1偏光板126a、第2偏光板126b、第3偏光板126c以及第4偏光板126d，亦可分別採用將穿透軸方向0°之偏光板、穿透軸方向60°(或45°)之偏光板、穿透軸方向120°(或90°)之偏光板、將測量光(例如右轉之圓偏光) 及參照光(例如左轉之圓偏光)變換成直線偏光的1/4波長板、以及使測量光之直線偏光選擇性地穿透之偏光板組合的構成。此處，亦可將「1/4波長板」及「偏光板」之組作為所謂的「圓偏光板」的構成。
若依據該構成，在藉一個攝像元件之一次的攝像，可取得不僅相位各相差120°(或90°)的3種干涉條紋影像，且工件W的亮度影像。藉此，可不僅根據3種干涉條紋影像，利用相移法，進行三維測量，且與根據亮度影像的測量組合，進行測量。例如可對藉相移法之形狀測量所得的三維資料進行映射，或抽出測量區域等。結果，可進行組合複數種測量之綜合性判斷，而可更提高測量精度。
此外，在第15圖所示之例子，作為第4偏光板126d，採用由將圓偏光變換成直線偏光的1/4波長板、與使測量光之直線偏光選擇性地穿透之偏光板所組合者，但是不限定為此，只要是僅使測量光選擇性地穿透的構成，亦可採用其他的構成。
進而，亦可採用省略第4偏光板126d的構成。即，亦可採用藉一個攝像元件同時拍攝分別穿透濾光單元126之第1偏光板126a、第2偏光板126b、第3偏光板126c的3道光、與不經由濾光單元126(偏光板)而直接射入之一道光。
若依據該構成，作為第4偏光板126d，具有與配置「1/4波長板」及「偏光板」之組的該構成相同的作用效果。即，在藉一個攝像元件之一次的攝像，可取 得不僅相位各相差120°(或90°)的3種干涉條紋影像，且取得工件W的亮度影像。
此外，即使直接拍攝測量光(例如右轉之圓偏光)與參照光(例如左轉之圓偏光)，亦因為參照光係已知(可預先測量而得到)且均勻，所以藉攝像後的處理，進行除去此參照光成分的處理或除去均勻光之處理，藉此，可抽出測量光的信號。
就省略第4偏光板126d之構成的優點而言，與配置「1/4波長板」及「偏光板」之組的構成相比，因為可省略這些「1/4波長板」及「偏光板」，所以光學元件減少，而可簡化構成或抑制元件數的增加等。
(i)在上述之各實施形態，使用具備透鏡之相機，但是未必需要透鏡，亦可使用無透鏡之相機，利用該[數學式6]的關係式等，藉計算求得對焦的影像，藉此進行。

Claims (24)

  1. 一種三維測量裝置，其特徵為具備：既定光學系統，係將射入之既定光分割成2道光，將一道光作為測量光，可照射於被測量物，將另一道光作為參照光，可照射於參照面，且可將這2道光再合成射出；第1照射手段，係可射出第1光，該第1光射入該既定光學系統之第1輸出入部，且含有第1波長之偏光；第2照射手段，係可射出第2光，該第2光射入該既定光學系統之第2輸出入部，且含有第2波長之偏光；第1攝像手段，係藉由將該第1光射入該第1輸出入部，可拍攝從該第2輸出入部所射出之該第1光的輸出光；第2攝像手段，係藉由將該第2光射入該第2輸出入部，可拍攝從該第1輸出入部所射出之該第2光的輸出光；以及影像處理手段，係根據藉該第1攝像手段及該第2攝像手段所拍攝之干涉條紋影像，可執行該被測量物之三維測量。
  2. 如請求項1之三維測量裝置，其中具備：第1導光手段，係朝向該第1輸出入部射入從該第1照射手段所射出之第1光的至少一部分，且朝向該第2攝像手段射入從該第1輸出入部所射出之第2 光之輸出光的至少一部分；及第2導光手段，係朝向該第2輸出入部射入從該第2照射手段所射出之第2光的至少一部分，且朝向該第1攝像手段射入從該第2輸出入部所射出之第1光之輸出光的至少一部分。
  3. 如請求項2之三維測量裝置，其中：在該第1照射手段與該第1導光手段之間，具備僅使從該第1照射手段所射出之一方向的光穿透且遮斷逆向之光的第1光隔離器；在該第2照射手段與該第2導光手段之間，具備僅使從該第2照射手段所射出之一方向的光穿透且遮斷逆向之光的第2光隔離器。
  4. 一種三維測量裝置，其特徵為具備：偏光分光器，係具有將射入之既定光分割成偏光方向彼此正交之2道偏光的邊界面，將該分割之一道偏光作為測量光，照射於被測量物，將另一道偏光作為參照光，照射於參照面，且可將這2道偏光再合成射出；第1照射手段，係可射出第1光，該第1光射入隔著該邊界面相鄰之該偏光分光器的第1面及第2面中成為第1輸出入部的該第1面，且含有第1波長之偏光；第2照射手段，係可射出第2光，該第2光射入該偏光分光器之成為第2輸出入部的該第2面，且含有第2波長之偏光； 第一1/4波長板，係被配置於供該參照光射出射入之該偏光分光器的第3面與該參照面之間；第二1/4波長板，係被配置於供該測量光射出射入之該偏光分光器的第4面與該被測量物之間；第1攝像手段，係藉由將該第1光射入該偏光分光器之該第1面，可拍攝從該第2面所射出之該第1光的輸出光；第2攝像手段，係藉由將該第2光射入該偏光分光器之該第2面，可拍攝從該第1面所射出之該第2光的輸出光；以及影像處理手段，係根據藉該第1攝像手段及該第2攝像手段所拍攝之干涉條紋影像，可執行該被測量物之三維測量。
  5. 如請求項4之三維測量裝置，其中具備：第1導光手段，係朝向該第1輸出入部射入從該第1照射手段所射出之第1光的至少一部分，且朝向該第2攝像手段射入從該第1輸出入部所射出之第2光之輸出光的至少一部分；及第2導光手段，係朝向該第2輸出入部射入從該第2照射手段所射出之第2光的至少一部分，且朝向該第1攝像手段射入從該第2輸出入部所射出之第1光之輸出光的至少一部分。
  6. 如請求項5之三維測量裝置，其中：在該第1照射手段與該第1導光手段之間，具備僅使從該第1照射手段所射出之一方向的光穿透且遮 斷逆向之光的第1光隔離器；在該第2照射手段與該第2導光手段之間，具備僅使從該第2照射手段所射出之一方向的光穿透且遮斷逆向之光的第2光隔離器。
  7. 一種三維測量裝置，其特徵為具備：第1照射手段，係可射出含有第1波長之偏光的第1光；第2照射手段，係可射出含有第2波長之偏光的第2光；作為第1輸出入部之第1偏光分光器，係將從該第1照射手段所射入之該第1光分割成偏光方向彼此正交之2道偏光，將一道偏光作為測量光，可照射於被測量物，將另一道偏光作為參照光，可照射於參照面，且可將經由該被測量物所射入之該第2光的測量光、與經由該參照面所射入之該第2光的參照光合成射出；作為第2輸出入部之第2偏光分光器，係將從該第2照射手段所射入之該第2光分割成偏光方向彼此正交之2道偏光，將一道偏光作為測量光，可照射於被測量物，將另一道偏光作為參照光，可照射於參照面，且可將經由該被測量物所射入之該第1光的測量光、與經由該參照面所射入之該第1光的參照光合成並射出；第一1/4波長板，係被配置於該第1偏光分光器與該參照面之間； 第二1/4波長板，係被配置於該第1偏光分光器與該被測量物之間；第三1/4波長板，係被配置於該第2偏光分光器與該參照面之間；第四1/4波長板，係被配置於該第2偏光分光器與該被測量物之間；第1攝像手段，係藉由將該第1光射入該第1偏光分光器，可拍攝從該第2偏光分光器所射出之該第1光的輸出光；第2攝像手段，係藉由將該第2光射入該第2偏光分光器，可拍攝從該第1偏光分光器所射出之該第2光的輸出光；以及影像處理手段，係根據藉該第1攝像手段及該第2攝像手段所拍攝之干涉條紋影像，可執行該被測量物之三維測量。
  8. 如請求項7之三維測量裝置，其中具備：第1導光手段，係朝向該第1輸出入部射入從該第1照射手段所射出之第1光的至少一部分，且朝向該第2攝像手段射入從該第1輸出入部所射出之第2光之輸出光的至少一部分；及第2導光手段，係朝向該第2輸出入部射入從該第2照射手段所射出之第2光的至少一部分，且朝向該第1攝像手段射入從該第2輸出入部所射出之第1光之輸出光的至少一部分。
  9. 如請求項8之三維測量裝置，其中： 在該第1照射手段與該第1導光手段之間，具備僅使從該第1照射手段所射出之一方向的光穿透且遮斷逆向之光的第1光隔離器；在該第2照射手段與該第2導光手段之間，具備僅使從該第2照射手段所射出之一方向的光穿透且遮斷逆向之光的第2光隔離器。
  10. 一種三維測量裝置，其特徵為具備：偏光分光器，係具有邊界面，該邊界面使具有第1偏光方向之偏光的第1偏光穿透，並反射具有第2偏光方向之偏光的第2偏光；第1照射手段，係可射出第1光，該第1光射入隔著該邊界面相鄰之該偏光分光器的第1面及第2面中成為第1輸出入部的該第1面，且含有第1波長之該第1偏光；第2照射手段，係可射出第2光，該第2光射入該偏光分光器之成為第2輸出入部的該第2面，且含有第2波長之第2偏光；1/4波長板，係被配置成與射出穿透該邊界面之第1光及在該邊界面所反射之第2光之該偏光分光器的第3面相對向；半鏡(half mirror)，係在與該偏光分光器相反側，被配置成與該1/4波長板相對向，並使經由該1/4波長板所照射之光的一部分穿透，作為測量光，照射於被測量物，且將剩下的光反射，作為參照光；第1攝像手段，係藉由將該第1光射入該偏光分 光器之該第1面，可拍攝從該第2面所射出之該第1光的輸出光；第2攝像手段，係藉由將該第2光射入該偏光分光器之該第2面，可拍攝從該第1面所射出之該第2光的輸出光；以及影像處理手段，係根據藉該第1攝像手段及該第2攝像手段所拍攝之干涉條紋影像，可執行該被測量物之三維測量。
  11. 如請求項10之三維測量裝置，其中具備：第1導光手段，係朝向該第1輸出入部射入從該第1照射手段所射出之第1光的至少一部分，且朝向該第2攝像手段射入從該第1輸出入部所射出之第2光之輸出光的至少一部分；及第2導光手段，係朝向該第2輸出入部射入從該第2照射手段所射出之第2光的至少一部分，且朝向該第1攝像手段射入從該第2輸出入部所射出之第1光之輸出光的至少一部分。
  12. 如請求項11之三維測量裝置，其中：在該第1照射手段與該第1導光手段之間，具備僅使從該第1照射手段所射出之一方向的光穿透且遮斷逆向之光的第1光隔離器；在該第2照射手段與該第2導光手段之間，具備僅使從該第2照射手段所射出之一方向的光穿透且遮斷逆向之光的第2光隔離器。
  13. 一種三維測量裝置，其特徵為： 具備：既定光學系統，係將射入之既定光分割成偏光方向彼此正交之2道偏光，將一道偏光作為測量光，照射於被測量物，將另一道偏光作為參照光，照射於參照面，且可將這2道偏光再合成並射出；第1照射手段，係可射出第1光，該第1光射入該既定光學系統且具有第1波長；第2照射手段，係可射出第2光，該第2光射入該既定光學系統且具有與該第1波長相異之第2波長；第1攝像手段，係可拍攝從該既定光學系統所射出之該第1光的輸出光；第2攝像手段，係可拍攝從該既定光學系統所射出之該第2光的輸出光；以及影像處理手段，係根據藉該第1攝像手段及該第2攝像手段所拍攝之干涉條紋影像，可執行該被測量物之三維測量；使該第1光與該第2光分別射入該既定光學系統之相異的位置；該既定光學系統係將該第1光分割成由具有第1偏光方向之第1偏光所構成的該參照光、與由具有第2偏光方向之第2偏光所構成的該測量光，將該第2光分割成由該第2偏光所構成之該參照光、與由該第1偏光所構成之該測量光，使將這些光再合成之該第1光的輸出光與該第2 光的輸出光分別從該既定光學系統之相異的位置射出。
  14. 如請求項1至13中任一項之三維測量裝置，其中具備：第1相移手段，係對該第1光的該參照光與該測量光之間賦予相對的相位差；及第2相移手段，係對該第2光的該參照光與該測量光之間賦予相對的相位差；該影像處理手段係具備：第1測量值取得手段，係根據藉該第1攝像手段拍攝了藉該第1相移手段相移成複數種之該第1光的輸出光之複數種的干涉條紋影像，利用相移法進行對應於該被測量物之形狀的相位之測量，可取得該相位，作為第1測量值；第2測量值取得手段，係根據藉該第2攝像手段拍攝了藉該第2相移手段相移成複數種之該第2光的輸出光之複數種的干涉條紋影像，利用相移法進行對應於該被測量物之形狀的相位之測量，可取得該相位，作為第2測量值；以及高度資訊取得手段，係可取得從該第1測量值及該第2測量值所特定之高度資訊，作為該被測量物的高度資訊。
  15. 如請求項14之三維測量裝置，其中具備：第1分光手段，係將該第1光之輸出光分割成複 數道光；第1濾光手段，係作為該第1相移手段，對藉該第1分光手段所分割之複數道分割光中至少根據該相移法之測量所需之道數的分割光分別賦予相異的相位差；第2分光手段，係將該第2光之輸出光分割成複數道光；以及第2濾光手段，係作為該第2相移手段，對藉該第2分光手段所分割之複數道分割光中至少根據該相移法之測量所需之道數的分割光分別賦予相異的相位差；該第1攝像手段係構成為可同時拍攝至少穿透該第1濾光手段之該複數道分割光；該第2攝像手段係構成為可同時拍攝至少穿透該第2濾光手段之該複數道分割光。
  16. 如請求項15之三維測量裝置，其中該分光手段係具備：第1光學構件，係形成沿著第1平面之截面形狀成為三角形的三角柱形狀，且沿著通過沿著與該第1平面正交之方向的3個面中之第1面與第2面的交線並與第3面正交之平面具有第1分歧手段；及第2光學構件，係形成沿著與該第1平面正交之第2平面的截面形狀成為三角形的三角柱形狀，且沿著通過沿著與該第2平面正交之方向的3個面中之第1面與第2面的交線並與第3面正交之平面具有第2分 歧手段；藉由將該第1光學構件之第3面與該第2光學構件之第1面配置成相對向，藉該第1分歧手段在2方向使射入該第1光學構件之該第1面的光分歧，使其中藉該第1分歧手段所反射之分割光在該第1面朝向該第3面側反射，並使穿透該第1分歧手段之分割光在該第2面朝向該第3面側反射，藉此，作為平行之2道分割光從該第3面射出，使從該第1光學構件之第3面所射出的2道分割光射入該第2光學構件的第1面，分別藉該第2分歧手段在2方向使該2道分割光分歧，使其中藉該第2分歧手段所反射之2道分割光分別在該第1面朝向該第3面側反射，並使穿透該第2分歧手段之2道分割光分別在該第2面朝向該第3面側反射，藉此，作為平行之4道分割光從該第3面射出。
  17. 如請求項15之三維測量裝置，其中該第1攝像手段係具備可同時拍攝至少穿透該第1濾光手段之該複數道分割光的單一攝像元件；該第2攝像手段係具備可同時拍攝至少穿透該第2濾光手段之該複數道分割光的單一攝像元件。
  18. 如請求項16之三維測量裝置，其中該第1攝像手段係具備可同時拍攝至少穿透該第1濾光手段之該複數道分割光的單一攝像元件；該第2攝像手段係具備可同時拍攝至少穿透該第2 濾光手段之該複數道分割光的單一攝像元件。
  19. 如請求項1至13中任一項的三維測量裝置，其中該被測量物係被印刷於印刷基板之焊料膏、或形成於晶圓基板之焊料凸塊。
  20. 如請求項14項之三維測量裝置，其中該被測量物係被印刷於印刷基板之焊料膏、或形成於晶圓基板之焊料凸塊。
  21. 如請求項15項之三維測量裝置，其中該被測量物係被印刷於印刷基板之焊料膏、或形成於晶圓基板之焊料凸塊。
  22. 如請求項16項之三維測量裝置，其中該被測量物係被印刷於印刷基板之焊料膏、或形成於晶圓基板之焊料凸塊。
  23. 如請求項17項之三維測量裝置，其中該被測量物係被印刷於印刷基板之焊料膏、或形成於晶圓基板之焊料凸塊。
  24. 如請求項18項之三維測量裝置，其中該被測量物係被印刷於印刷基板之焊料膏、或形成於晶圓基板之焊料凸塊。
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