WO2006068217A1

WO2006068217A1 - 三次元形状計測装置

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Publication number: WO2006068217A1
Application number: PCT/JP2005/023586
Authority: WO
Inventors: Mitsuo Takeda; Michal Emanuel Pawlowski; Youhei Sakano
Original assignee: The University Of Electro-Communications
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2006-06-29
Also published as: CN101087991A; US20080111996A1; JPWO2006068217A1; US7701589B2; KR20070094005A; JP4411441B2; CN100491907C; TWI278598B; KR100921719B1; TW200636209A

Abstract

　白色干渉縞を用いて被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置（白色干渉計測装置）において、演算に要する処理時間を短縮化しつつ、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を高精度で特定することができるようにする。白色干渉計測装置において、まず、参照鏡（６）からの戻り光と被計測物体（７）からの戻り光との干渉によって生ずる白色干渉縞について振幅の包絡線分布を求め、この包絡線分布を用いて白色干渉縞のコントラストが最大となるおおよその位置を求めておく。次に、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞を抽出し、白色干渉縞のコントラストが最大となるおおよその位置の近傍において互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞の位相が互いに等しい値をとる位置を求める。

Description

明細書

三次元形状計測装置

技術分野

[0001] 本発明は、白色光源から被計測物までの光路長を走査し、この光路長が白色光源から参照鏡までの光路長に等しくなる位置を検出して、被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置（白色干渉計測装置）に関する。

背景技術

[0002] 近年、微細加工技術の進歩により、いわゆるマイクロマシーンや LSIなどの高集積ィ匕が進み、複雑な段差形状を有する微細構造物の三次元形状計測の高精度化が望まれている。そして、複雑な段差形状を有する微細構造物の三次元形状計測を行う装置として、広帯域スペクトルをもつ光源（白色光源)を用いた白色干渉計測装置が提案されている。

[0003] この白色干渉計測装置においては、白色光源から被計測物に至りこの被計測物によって反射された戻り光と、白色光源力参照鏡に至りこの参照鏡によって反射された戻り光とを干渉させ、白色干渉縞を得る。そして、白色光源から被計測物までの光路長を、ピエゾ素子などを用いて走查することにより、白色干渉縞の振幅が最大となる位置、すなわち、白色光源から被計測物までの光路長が白色光源力参照鏡までの光路長に等しくなる位置を検出して、被計測物の三次元形状を計測する。

[0004] また、このような白色干渉計測装置は、微細構造物の三次元形状計測のみならず、誘電体多層膜の膜厚測定や、例えば眼底や皮膚等の連続体 (拡散体)の構造解析等にも使用される。

[0005] このような白色干渉計測装置においては、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を精密に特定することが重要となる。白色干渉縞の振幅が最大となる位置を特定する方法として、従来より提案されている方法としては、大別して以下の 2つの方法がある

[0006] 一つは、フーリエ変換法を用いて、信号領域で干渉縞の振幅の包絡線間の幅が最大となる位置を求める方法である。そして、もう一つは、スぺクトノレ領域でのフーリエ分光スペクトルの位相勾配を用いて、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を演算する方法である。一般に、通信理論では、信号の振幅情報よりも位相情報のほうが、検出器の非線形特性や量子化ノイズに強いことが知られている。これは、白色干渉縞の場合、振幅情報ではなく位相情報を用いることにより、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を特定する精度を向上させることができることを意味している。

[0007] また、特許文献 1には、複数の波長の干渉光それぞれにより得られた被計測物の干渉縞データに基づレ、て、各波長の干渉光に応じた干渉縞データ毎の位相情報を抽出し、この位相情報を用いて、干渉縞データ毎に正弦波関数を作成し、被計測物の測定領域内の所定の座標位置において、干渉縞データが最大値となるように、それぞれの干渉縞データについて正弦波関数の位相を決定することにより、 0次の縞位置を特定する方法が記載されてレ、る。

特許文献 1 :特開 2000— 266508号公報

発明の開示

[0008] ところで、前述のような、干渉縞の振幅の包絡線を用いる方法においては、包絡線の描く曲線は、振幅の頂点位置では変化がなだらかであるため、計測ノイズなどによる頂点付近における包絡線の微小変化によって、大きな計測誤差が生じてしまうという問題がある。

[0009] また、前述したように、フーリエ分光スペクトルの位相勾配を用いる方法においては、位相勾配の推定のために最小二乗法などの演算を行うため、計算量が膨大なものになってしまい、演算に長時間を要することとなってしまう。また、この方法においては、光源のスペクトル幅が狭い場合には、利用できる位相情報の量が減るため、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を特定する精度が低下するという問題がある。

[0010] また、特許文献 1に記載された技術においては、位相情報を用いて干渉縞データ毎に正弦波関数を作成するときに、採用するデータ (標本点）間の揷間を行うことなるため、このような挿間において生ずる誤差に起因して、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を特定する精度が低下するという問題がある。

[0011] そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、本発明の目的は

、白色干渉縞を用いて被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置（白色干渉計測装置）において、演算に要する処理時間を短縮化しつつ、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を高精度で特定することができるようになされた三次元形状計測方法及び三次元形状計測装置を提供することにある。

[0012] 前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明の第 1のアスペクトに係る三次元形状計測方法は、広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源（1)から被計測物（7)までの光路長、または、光源（1)から参照鏡 (6)までの光路長を変化させ、これら光路長が等しくなる位置を検出することによって当該被計測物（7)の三次元形状を計測する三次元形状計測方法において、参照鏡 (6)からの照明光の戻り光と被計測物（7)からの照明光の戻り光との干渉によって生ずる白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を求める段階と、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スぺ外ル帯域成分の干渉縞を抽出する段階と、概略位置の近傍において互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞の位相が互いに等しい値をとる位置を求めることによって光源から被計測物までの光路長が光源から参照鏡までの光路長に等しくなる位置を決定する段階とを含むことを特徴とするものである。

[0013] この三次元形状計測方法においては、従来の三次元形状計測方法のように白黒の 1種類の縞情報だけを用いるのではなぐ例えば、 R (赤色）、 G (緑色）、 B (青色）などのスペクトルに分解した干渉縞の位相情報を用いることにより、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を高精度で特定することができる。

[0014] また、三次元形状計測方法においては、最小二乗法を用いることなどに伴う計算量の増加といった問題もなぐさらに、光源の分光スぺクトノレ幅が狭く利用できる情報量が減少しても、他の成分との関係を用いるため、高い特定精度を維持することができる。

[0015] 本発明の第 2のアスペクトに係る三次元形状計測装置は、広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源（1)から被計測物（7)までの光路長を走査し、または、光源（ 1)から参照鏡 (6)までの光路長を走査し、これら光路長が互いに等しくなる位置を検出して被計測物（7)の三次元形状を計測する白色干渉を用いた三次元形状計測装置であって、参照鏡 (6)からの照明光の戻り光と被計測物（7)からの照明光の戻り光との干渉によって生ずる白色干渉縞について縞解析法を用いてこの白色干渉縞の振幅の包絡線分布を求め、この包絡線分布を用いて白色干渉縞のコントラストが最大となるおおよその位置を求めておき、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞を抽出し、白色干渉縞のコントラストが最大となるおおよその位置の近傍において互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞の位相が互いに等しい値をとる位置を求め、この位置に基づいて白色光源から被計測物までの光路長が白色光源力参照鏡までの光路長に等しくなる位置を決定することを特 ί敷とするものである。

[0016] この三次元形状計測装置においては、従来の三次元形状計測装置のように白黒の 1種類の縞情報だけを用いるのではなぐ例えば、 R (赤色）、 G (緑色）、 Β (青色）などのスペクトルに分解した干渉縞の位相情報を用いることにより、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を高精度で特定することができる。

[0017] また、本発明に係る三次元形状計測装置においては、最小二乗法を用いることなどに伴う計算量の増加といった問題もなぐさらに、光源の分光スぺ外ル幅が狭く利用できる情報量が減少しても、他の成分との関係を用いるため、高い特定精度を維持すること力 Sできる。

[0018] 本発明の第 3のアスペクトに係る三次元形状計測装置は、広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源（1)とこの光源（1)から出力された照明光が参照鏡 (6)及び被計測物（7)に到達する光路を形成する光路形成手段 (5)と光源（1)から被計測物 (7)までの光路長、または、光源（1)から参照鏡 (6)までの光路長を変化させる光路長変化手段 (8)と各光路長が互いに等しくなる位置を検出する検出手段とを含み被計測物（7)の三次元形状を計測する三次元形状計測装置において、照明光の参照鏡（6)からの反射光である第 1の戻り光及び照明光の被計測物（7)からの反射光である第 2の戻り光が入射される撮像手段（10)と、撮像手段（10)から出力される撮像信号に基づいて第 1の戻り光と第 2の戻り光との干渉によって生ずる白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定する概略位置決定手段（1 3)と、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の概略位置近傍における干渉縞の位相を算出する位相算出手段（15)と、位相算出手段（15)によって得られた互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞の位相が互いに等しい値をとる位置を求めることによって被計測物の表面の変位量を算出する変位算出手段（16)とを含むことを特徴とするものである。

[0019] 前記三次元形状計測装置の概略位置決定手段（13)は、白色干渉縞の光強度について光路長変化手段（8)による光路長の変化についての一定間隔でサンプリングを行うとともに、第 1のサンプリング値より連続した一定個数のサンプリング値についての標準偏差を算出した後、第 2のサンプリング値より連続した一定個数のサンプリング値についての標準偏差を算出し、以後、順次標準偏差の算出を行って、この標準偏差が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定するようにしても良レヽ。

[0020] また前記三次元形状計測装置の概略位置決定手段（13)は、白色干渉縞の光強度について光路長変化手段（8)による光路長の変化についての一定間隔でサンプリングを行レ、、第 1のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値にっレヽての標準偏差を算出した後、第〔m+ l〕のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差を算出し、次に、第〔2m+ l〕のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差を算出し、以後、順次標準偏差の算出を行って、この標準偏差が最大となるサンプリング値の組及び隣接するサンプリング値の組を含む範囲内において、第 1番目のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差を算出した後、第〔m/2+ l〕番目のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差を算出し、次に、第〔2m/2 + l〕番目のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差を算出し、以後、順次標準偏差の算出を行って、この標準偏差が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定するようにしても良い。

[0021] また前記三次元形状計測装置の概略位置決定手段（13)は、白色干渉縞の光強度について光路長変化手段（8)による光路長の変化についての一定間隔でサンプリングを行うとともに、第 1のサンプリング値より連続した一定個数 mの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値を算出した後、第〔m+ 1〕のサンプリング値より連続した一定個数 mの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値を算出し、次に、第〔2m+ l 〕のサンプリング値より連続した一定個数 mの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値を算出し、以後、順次差分の絶対値の算出を行って、この差分の絶対値が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定するようにしても良い。

[0022] また前記三次元形状計測装置の撮像手段（10)は、カラーカメラであって、互いに異なる分光スぺ外ル帯域成分ごとに撮像信号を出力するようにしても良い。

[0023] また前記三次元形状計測装置の撮像手段（10)は、モノクロカメラであり、モノクロ力メラから出力される撮像信号を互いに異なる分光スペクトル帯域成分に分配する分光スぺ外ル帯域成分分配手段を備えても良い。

図面の簡単な説明

[0024] [図 1]図 1は、本発明に係る三次元形状計測装置の第 1の実施の形態における全体構成を示す側面図である。

[図 2]図 2は、前記三次元形状計測装置の第 1の実施の形態において得られる各分光帯域の干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)を示すグラフである。

R G B

[図 3]図 3は、前記三次元形状計測装置の第 1の実施の形態において得られる各分光帯域の干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)の縞コントラストの高い領域の一部を拡大した

R G B

ものを重ね合わせて示すグラフである。

[図 4]図 4は、前記三次元形状計測装置の第 1の実施の形態において、白色干渉縞の振幅の包絡線及び 3つの干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)の位相を求めるための手順

R G B

を示すグラフである。

[図 5]図 5は、前記三次元形状計測装置の第 1の実施の形態において、白色干渉縞の振幅の包絡線及び 3つの干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)の位相を求めるための手順

G B

を示すフローチャートである。

[図 6]図 6は、前記三次元形状計測装置の第 1の実施の形態において、各干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)ごとに得られた位相を重ねて表示したグラフである。 [図 7]図 7は、前記三次元形状計測装置の第 1の実施の形態において求められた高さ情報 hを 3次元座標上に示したグラフである。

[図 8]図 8は、前記三次元形状計測装置の第 2の実施の形態における全体構成を示すブロック図である。

[図 9]図 9は、前記三次元形状計測装置の第 2の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するグラフである。

[図 10]図 10は、前記三次元形状計測装置の第 2の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するフローチャートである。

[図 11]図 11は、前記三次元形状計測装置の第 3の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するグラフである。

[図 12]図 12は、前記三次元形状計測装置の第 3の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するフローチャートである。

[図 13]図 13は、前記三次元形状計測装置の第 4の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するグラフである。

[図 14]図 14は、前記三次元形状計測装置の第 4の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するフローチャートである。

[図 15]図 15は、前記三次元形状計測装置の第 5の実施の形態における全体構成を示すブロック図である。発明を実施するための最良の形態

[0025] 以下、本発明に係る三次元形状計測方法及び三次元形状計測装置の最良の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

[0026] 〔第 1の実施の形態〕

本発明に係る三次元形状計測方法は、広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源力被計測物までの光路長、または、光源から参照鏡までの光路長を変化させ、これら光路長が等しくなる位置を検出することによって当該被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測方法であって、以下に述べる本発明に係る三次元形状計測装置にぉレ、て実行される方法である。

[0027] 図 1は、本発明に係る三次元形状計測装置の第 1の実施の形態における全体構成を示す側面図である。

[0028] 本発明に係る三次元形状計測装置は、白色光源等のように広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源力被計測物までの光路長を走査し、または、光源から参照鏡までの光路長を走査し、これら光路長が互いに等しくなる位置を検出して、被計測物の三次元形状を計測する白色干渉を用いた三次元形状計測装置である。

[0029] この実施の形態においては、この三次元形状計測装置を、図 1に示すように、マイケルソン干渉計を用いて構成しているが、本発明に係る三次元形状計測装置は、このような干渉計の構成に限定されず、例えば、ミロウ干渉計や、その他の構成を有する干渉計を用いて構成することができる。

[0030] この三次元形状計測装置においては、図 1に示すように、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、 SLD (スーパールミネッセンスダイオード）、または、 LED (発光ダイオード）等の白色光源 1から出射された照明光は、集光レンズ 2によって収束光束となされ、ハーフミラー 3により反射され、対物レンズ 4によって平行光束となされて、光路形成手段となるビームスプリッタ 5に入射される。このビームスプリッタ 5に入射された光束は、このビームスプリッタ 5により、二分割される。

[0031] ビームスプリッタ 5により二分割された光束の一方は、参照鏡 6に入射し、この参照鏡 6により反射される。そして、ビームスプリッタ 5により二分割された光束の他方は、被計測物体 7に入射し、この被計測物体 7により反射される。この被計測物体 7は、ピェゾ素子 8等により、光軸方向に移動操作可能となされている。これら参照鏡 6により反射された照明光の戻り光及び被計測物体 7により反射された照明光の戻り光は、それぞれが再びビームスプリッタ 5に入射し、このビームスプリッタ 5において重ね合わされる。

[0032] なお、被計測物体 7は、金属その他の反射体や、眼底や皮膚等の連続体 (拡散体）のいずれでもよぐまた、膜厚測定を行う対象として誘電体多層膜等であってもよい。

[0033] ビームスプリッタ 5において重ね合わされた光束は、対物レンズ 4を経てハーフミラ一 3を透過し、リレーレンズ 9によって平行光束となされて、カラーカメラ 10に入射される。

[0034] 以上は鏡面状の物体表面から正反射された光について述べたものである力物体の表面上の構造により回折、または、散乱された光については、図 1中に破線で示すように、対物レンズ 4とリレーレンズ 9とにより、カラーカメラ 10のイメージセンサ上に結像される。

[0035] このカラーカメラ 10は、干渉縞の測定のために、例えば、 R (赤色成分）（以下 Rという。）、 G (緑色成分）（以下 Gという。）及び B (青色成分）（以下 Bという。）の 3色分解機能を有するカメラである。すなわち、このカラーカメラ 10は、入射した白色光について、着色フィルタやダイクロイツクミラー等の分光透過特性を有する光学素子や、これらを組み合わせた色分解プリズムを介して受光することにより、 3色分解機能を備えている。このカラーカメラ 10においては、入射された光束について、 R、 G及び Bの各成分ごとに独立して、干渉縞が記録される。これら G及び Bの各成分は、ある程度の波長幅（帯域）を有している。

[0036] なお、このカラーカメラ 10は、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞を抽出することができればよぐこれら分光スベクトル帯域成分は、必ずしも R、 G及び Bに限定されるわけではない。

[0037] そして、この三次元形状計測装置においては、光源 1から被計測物体 5までの光路長及び光源 1から参照鏡 6までの光路長が互いに等しくなる位置、すなわち、光路差力 SOとなる位置を検出するため、ピエゾ素子 8を用いて、被計測物体 7 (または、参照鏡 6)を光軸方向に走査することにより、これら光路差を相対的に変化させながら、複数の干渉縞を記録してゆく。

[0038] このようにして得られた白色干渉縞の各色成分 (各分光成分）の干渉縞信号を、 R、 G及び Bの順番に I (z)、 I (z)及び I (z)で表すと、これら I (z)、 I (z)及び I (z)は、以下の

R G B R G B

式（1)乃至式（3)のように表すことができる。

[0039] I (z) = a + I S (z-h) | X cos{k (z-h) } '…（式 1)

R R R R

I (z) = a + I S (z - h) I X cos { k (z - h) } '…（式 2)

G G G G

I (z) = a + I S (z-h) I X cos { k (z-h) } '…（式 3)

B B B B

これら式（1)乃至式（3)において、 aは、白色干渉縞の直流成分であり、第二項は、振動振幅を与える包絡線を表す I s I と各色成分の中心波数 kで振動する正弦波との積になっている。また、 zは、被計測物体 7、または、参照鏡 6の走查距離、 hは、被計測物体 7の高さである。

[0040] 図 2は、各分光帯域の干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)を示すグラフである。

R G B

[0041] また、図 3は、各分光帯域の干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)の縞コントラストの高い領

R G B

域の一部を拡大したものを重ね合わせて示すグラフである。

[0042] これら 3つの干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)は、図 2に示すように、それぞれの分光帯

R G B

域の中心波長で決まる異なった波数で振動している。それぞれの干渉縞信号 I (z)、 I

R

(z)、 I (z)においては、走査距離 zと被計測物体 7の高さ hとが等しいときに光路差が 0

G B

となり、振幅が最大となり、コントラストが最大となる。すなわち、これら干渉縞信号 I (z)

R

、 I (z)、 I (z)の振幅が最大となる位置は互いに等しい。したがって、このとき、図 3に示

G B

すように、これら干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)が重畳されたものである白色光干渉縞の

R G B

コントラストも最大値をとる。

[0043] したがって、白色干渉縞のコントラストが最大となる走查距離 zを高精度に求めることができれば、高さ情報 hを得ることができる力 S、前述したように、白色干渉縞の振幅の包絡線によっては、そのような走査距離 zを高精度に求めることができない。

[0044] そこで、この三次元形状計測装置においては、白色干渉縞の振幅の包絡線を、白色干渉縞のコントラストが最大となるおよその位置を粗く推定するために用いる。そして、粗く推定された範囲内において、さらに、 3つの干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)の位

R G B

相情報を利用して、白色干渉縞が最大コントラストとなる位置を、より精密に決定する。この三次元形状計測装置においては、このような 2段階の方法を採ることにより、白色干渉縞が最大コントラストとなる位置を、高精度、かつ、高分解能に計測することができる。

[0045] 図 4は、白色干渉縞の振幅の包絡線及び 3つの干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)の位相

R G B

を求めるための手順を示すグラフである。

[0046] また、図 5は、白色干渉縞の振幅の包絡線及び 3つの干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)

R G B

の位相を求めるための手順を示すフローチャートである。

[0047] すなわち、この三次元形状計測装置においては、図 5のステップ stlに示すように、 3つの干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)が得られたならば、まず、以下の（式 4)を用いて、

R G B

図 4中の（a)に示すように、得られた干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I ωをそれぞれフーリエ変換し、 Γ(ω)とする（図 5のステップ st2)。

[0048] r(co) = F〔I(z)〕=A )+(S'(co— k)e— ^ihffi)/2+(S'*〔―（co+k)〕e— ^ω)/2

0 0

…'（式 4)

(•••Α(ω)、 S'(co)は、それぞれ、 a、 Sのフーリエ変換）

次に、図 4中の（b)に示すように、直流項を除く正の周波数スぺクトノレのみをフィノレタリングにより取り出す（図 5のステップ st3)。そして、フーリエ逆変換を行う（図 5のステツプ st4)。

[0049] そして、以下の（式 5)を用いて、図 4中の（c)に示すように、フーリエ逆変換した信号の振幅の絶対値をとることによって、各干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)の振幅の包絡

R G B

線

[数 1]

[0050] を求めることができる（図 5のステップ st5)。

[数 2]

I ~I'(z) ！ = I F- ¹ 〔 '（ω)〕 I = I S (z-h) I / 2 . . . . (式 5 )

[0051] また、図 5のステップ st4においてフーリエ逆変換した信号からは、以下の（式 6)を用いて、図 4中の（d)に示すように、各干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)の位相 Θを求める

G B

(図 5のステップ st6)。

[数 3]

Θ =lan" ¹ (Im 〔~I'(z)〕 /Re I' (z)〕） ■ · · · (式 6 )

[0052] このような手順により、 R、 G及び B各色成分ごとに、干渉縞の振幅の包絡線と位相とがそれぞれ求められる。ここで、これら干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)のひとつまたは

R G B

それらが重畳されたものである白色干渉縞の振幅の包絡線を用いて、白色干渉縞のコントラストが最大となるおよその位置を粗く推定する（図 5のステップ st7)

図 6は、各干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)ごとに得られた位相を重ねて表示したグラフ

R G B

である。 [0053] 図 6に示すように、各干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)の位相は、それぞれが異なった値

R G B

を持っている。しかし、白色干渉縞のコントラストが最大となる位置では、これら各信号の位相は、互いに等しい値となる。これは、前述の（式 1)乃至（式 3)力ももわかるように、被計測物体 7、または、参照鏡 6の走査距離 (z)が、被計測物体 7の高さ (h)に等しい（z = h)ときである。

[0054] すなわち、図 5のステップ st7において粗く推定された白色干渉縞のコントラストが最大となるおよその位置において、各干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)の位相が互いに等

R G B

しい値となる位置を検出し、被計測物体 7の高さ（h)を求める（図 5のステップ st8)。

[0055] この三次元形状計測装置においては、以上のように、あら力め包絡線を用いて白色干渉縞の振幅が最大となる位置を概略的に求めておき、この位置の近傍において

、各色の干渉縞信号の位相値が互いに等しくなる点を求めている。これにより、高さ情報 hを高精度、かつ、高分解能で求めることができる。

[0056] 図 7は、この三次元形状計測装置において求められた高さ情報 hを 3次元座標上に示したグラフである。

[0057] 以上の説明は、例えば、図 7に示すように、 X, Y方向における 200 /i m角の一マス分の処理であり、全てのマスに対して同様の処理を行って求められた高さ情報 hを 3 次元座標上に示すことにより、図 7に示すように、被計測物体 7の形状を表すことができる。なお、この一マスの処理の大きさは、任意に設定することができる。

[0058] ところで、この三次元形状計測装置において、包絡線を用いて白色干渉縞の振幅が最大となる位置としてあらかじめ概略的に求めた範囲内において、各色の干渉縞信号の位相値が互いに等しくなる点が複数存在すると、いずれの点が正しい高さ情報 hを示す点なのかが不明となる。レーザを用いた 2波長干渉計測などでよく知られているように、 2つの分光帯域の中心波長が; I とえの場合には、 2色の干渉縞信号

G R

の位相値が等しくなる点が合成波長 Λ ( '·· Λ = λ λ 八 λ - λ ) )の間隔で

RG RG R G R G

繰り返されることになる。しかし、この三次元形状計測装置においては、コヒーレンス長の短レ、広帯域光を用いてレ、るために、白色干渉縞の存在する範囲がこの周期より小さい範囲に限定されるために、白色縞のコントラストが最大となる付近において 2色の光の位相値が合致する点が複数含まれることはない。 [0059] 以上は、空気中での鏡面物体の計測のように、物体や伝播媒質の波長分散が無視できる場合を例にして原理を説明した。一方、ガラスや生体組織や薄膜などのように、波長分散をもち、反射、散乱の際における位相変化の波長依存性が無視できない場合には、例えば、 Rと Gの組み合わせにおいて位相値の合致する点と、 Rと Bとの組み合わせにおいて位相値の合致する点との間に位置ズレが生じることがある。しかし、媒質または試料が均質でその分散特性が場所に依存しない場合には、波長の組み合わせの違いによる位相値の合致点の位置ズレ量は、観測場所によらず一定になる。したがって、例えば、 Rと G、または、 Rと Bの 2波長の組み合わせを用いることによる計測結果の違いは、単に、高さ分布に位置ズレ量に相当する一定のバイアスが加わっただけのものであるので、このように、媒質、または、試料が波長分散をもつ場合であっても、三次元形状の計測への影響は生じない。

[0060] また、この三次元形状計測装置においては、各干渉縞信号 I (z)、 I (z)、 I (z)の位相

R G B

情報は、図 6に示すように、直線で示される情報なので、採用するデータ (標本点）間の揷間を行っても、このような挿間において生ずる誤差により各干渉縞信号の位相値が互いに等しくなる点を特定する精度が低下することがない。

[0061] なお、本発明において、各色の干渉縞信号の位相値が互いに等しくなる点を求めるにあたっては、前述のような手順に限定されるわけではなぐ位相シフト法や、その他の公知の位相検出方法を用いてもょレ、。

[0062] 〔第 2の実施の形態〕

図 8は、本発明に係る三次元形状計測装置の第 2の実施の形態における全体構成を示すブロック図である。

[0063] この実施の形態における三次元形状計測装置は、図 8に示すように、白色光源等のように広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源 1と、この光源 1から出力された照明光が参照鏡 6及び被計測物 7に到達する光路を形成する光路形成手段 (ビームスプリッタ 5)と、光源 1から被計測物 7までの光路長、または、光源 1から参照鏡 6までの光路長を変化させる光路長変化手段 (ピエゾ素子 8)と、各光路長が互いに等しくなる位置を検出する検出手段とを含み、被計測物 7の三次元形状を計測する三次元形状計測装置である。 [0064] 光源 1としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、 SLD (スーパールミネッセンスダイオード）、または、 LED (発光ダイオード）等のように、後述するように白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置が決定できる程度に、十分な広帯域スぺ外ルをもつ照明光を発生する光源を使用すること力 Sできる。

[0065] この三次元形状計測装置において、光源 1から出力された照明光は、集光レンズ 2 によって収束光束となされ、ハーフミラー 3により反射され、対物レンズ 4によって平行光束となされて、光路形成手段となるビームスプリッタ 5に入射される。このビームスプリツタ 5に入射された光束は、このビームスプリッタ 5により、二分割される。

[0066] ビームスプリッタ 5は、照明光が参照鏡 6及び被計測物 7に到達する光路を形成する。すなわち、ビームスプリッタ 5により二分割された光束の一方は、参照鏡 6に入射し、この参照鏡 6により反射される。そして、ビームスプリッタ 5により二分割された光束の他方は、被計測物体 7に入射し、この被計測物体 7により反射される。この被計測物体 7は、光路長変化手段となるピエゾ素子 8により、光軸方向（Z軸方向）に移動操作可能となされている。

[0067] これら参照鏡 6により反射された照明光の第 1の戻り光及び被計測物体 7により反射された照明光の第 2の戻り光は、それぞれが再びビームスプリッタ 5に入射し、このビ一ムスプリッタ 5において重ね合わされる。なお、被計測物体 7は、金属その他の反射体や、眼底や皮膚等の連続体 (拡散体)のいずれでもよぐまた、膜厚測定を行う対象として誘電体多層膜等であってもよい。

[0068] ビームスプリッタ 5において重ね合わされた第 1の戻り光及び第 2の戻り光は、対物レンズ 4を経てハーフミラー 3を透過し、リレーレンズ 9によって平行光束となされて、撮像手段となるカラーカメラ 10に入射される。この実施の形態において、撮像手段は、前述の実施の形態と同様に、カラーカメラ 10であって、干渉縞の測定のために、例えば、 R (赤色成分）、 G (緑色成分)及び B (青色成分）の 3色分解機能を有するカメラである。そして、このカラーカメラ 10は、互いに異なる分光スペクトル帯域成分ごとに撮像信号を出力する。

[0069] このカラーカメラ 10は、入射した白色光について、着色フィルタやダイクロイツクミラ一等の分光透過特性を有する光学素子や、これらを組み合わせた色分解プリズムを介して受光することにより、 3色分解機能を備えている。このカラーカメラ 10においては、入射された光束について、 R、 G及び Bの各成分ごとに独立して、干渉縞が記録される。これら G及び Bの各成分は、ある程度の波長幅（帯域）を有している。

[0070] なお、このカラーカメラ 10は、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞を抽出することができればよぐこれら分光スぺクトル帯域成分は、必ずしも R、 G及び Bに限定されるわけではなレ、。このカラー力メラ 10は、制御部 11によって制御されて動作する。制御部 11としては、例えば、パーソナルコンピュータを用いることができる。

[0071] そして、この三次元形状計測装置においては、光源 1から被計測物体 5までの光路長及び光源 1から参照鏡 6までの光路長が互いに等しくなる位置、すなわち、これらの光路差が 0となる位置を検出するため、ピエゾ素子 8を用いて、被計測物体 7 (または、参照鏡 6)を光軸方向に走査することにより、これら光路差を相対的に変化させながら、複数の干渉縞を記録してゆく。ピエゾ素子 8は、制御部 11によって制御されて動作する。

[0072] そして、この三次元形状計測装置は、光源 1から被計測物 7までの光路長及び光源 1から参照鏡 6までの光路長が互いに等しくなる位置を検出する検出手段として、信号処理部を備えている。この信号処理部を構成する各機能ブロックは、制御部 11によって制御されて動作する。

[0073] 信号処理部においては、カラーカメラ 10から出力された撮像信号は、メモリ 12により記憶され、このメモリ 12より読み出されて、概略位置決定手段 13に送られる。概略位置決定手段 13は、第 1の戻り光と第 2の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度を示す信号に基づいて、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定する。

[0074] 図 9は、本発明に係る三次元形状計測装置の第 2の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するグラフである。

[0075] この実施の形態において、概略位置決定手段 13は、図 9に示すように、第 1の戻り光と第 2の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度について、 Z軸方向について一定の区間ごとの標準偏差を算出して、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定する。

[0076] 図 10は、本発明に係る三次元形状計測装置の第 2の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するフローチャートである。

[0077] すなわち、概略位置決定手段 13は、図 10に示すように、ステップ stl lにおいて動作を開始し、ステップ stl 2に進み、第 1の戻り光と第 2の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度についての情報 (各点 (X, y)における光強度信号)を得る。すなわち、ピエゾ素子 8による光路長の変化 (Z軸方向の変ィヒ）についてについての一定間隔で、光強度のサンプリングを行ってメモリに蓄え、ステップ stl 3に進む。

[0078] ステップ stl 3では、標準偏差を算出すべき最終位置に至っているかを判別し、最終位置に至っていればステップ st 16に進み、最終位置に至っていなければステップ stl4に進む。

[0079] ステップ stl4では、第 η ( ·.· ηは自然数で、初期状態においては 1)のサンプリング値より、連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差を算出し、ステツプ stl 5に進む。この標準偏差の算出においては、平方根をとらず、データを整数として扱うことにより、処理の高速化を図ることができる。ステップ stl 5では、 nに 1をカロえ、ステップ stl 3に戻る。

[0080] ステップ stl 3において判別される最終位置とは、光強度のサンプリング値が N個であった場合において、第〔N— m+ l〕番目のサンプリング値より連続した一定個数 m のサンプリング値についての標準偏差までを算出する状態である。したがって、ステップ stl 3乃至ステップ stl 5が繰返し実行されることによって、第 1のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差が算出され、次に、第 2 のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差が算出され、以後、順次標準偏差の算出が行われ、第〔N_m+ l〕番目のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差までが算出される。

[0081] そして、ステップ stl 3で標準偏差を算出すべき最終位置に至っていることが判別されると、ステップ stl6に進む。ステップ stl 6においては、算出された各標準偏差が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定し、ステップ stl 7に進んで終了する。

[0082] そして、図 8に示すように、メモリ 12より読み出された撮像信号 (R、 G及び B)は、位相算出手段 15に送られる。この位相算出手段 15は、概略位置決定手段 13により決定された概略位置の近傍において、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分 (R及び G、 G及び B、または、 B及び R)の干渉縞の位相を算出し、変位算出手段 16に送る。すなわち、この位相算出手段 15は、前述した図 5におけるステップ st2からステップ st7までの処理を実行する。

[0083] 変位算出手段 16は、位相算出手段 15によって得られた互いに異なる分光スぺ外ル帯域成分 (R及び G、 G及び B、または、 B及び R)の干渉縞の位相に基づいて、これら位相が互いに等しい値をとる位置を求める。すなわち、この変位算出手段 16は、前述した図 5におけるステップ st8の処理を実行する。そして、これら位相が互いに等しい値となる被計測物 7の任意の表面を基準にして、ピエゾ素子 8 (光路長変化手段 )による Z軸方向の変化量に基づいて、被計測物 7の表面の変位量が求められる。

[0084] 〔第 3の実施の形態〕

図 11は、本発明に係る三次元形状計測装置の第 3の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するグラフである。

[0085] 本発明に係る三次元形状計測装置における概略位置決定手段 13は、図 11に示すように、第 1の戻り光と第 2の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度についての Z軸方向について一定の区間ごとの標準偏差の算出を、一定個数 mずつ移動して算出することにより、前述の第 2の実施の形態におけるよりも迅速に、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定することができる。

[0086] 図 12は、本発明に係る三次元形状計測装置の第 3の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するフローチャートである。

[0087] すなわち、概略位置決定手段 13は、図 12に示すように、ステップ st21において動作を開始し、ステップ st22に進み、第 1の戻り光と第 2の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度についての情報 (各点 (X, y)における光強度信号)を得る。すなわち、ピエゾ素子 8による光路長の変化 (Z軸方向の変化）についての一定間隔で、光強度のサンプリングを行ってメモリに蓄え、ステップ st23に進む。 [0088] ステップ st23では、標準偏差を算出する範囲の移動量 Kが 2以下であるかを判別し

、移動量 Κが 2以下であればステップ st29に進んで終了し、移動量 Kが 2以下でなければステップ st24に進む。

[0089] ステップ st24では、標準偏差を算出すべき最終位置に至っているかを判別し、最終位置に至っていればステップ st27に進み、最終位置に至っていなければステップ st25に進む。

[0090] ステップ st25では、第 η ( ··· ηは自然数で、初期状態においては 1)のサンプリング値より、連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差を算出し、ステツプ st26に進む。この標準偏差の算出においては、平方根をとらず、データを整数として扱うことにより、処理の高速化を図ることができる。ステップ st26では、 nに移動量 K を加え、ステップ st24に戻る。移動量 Kの初期値は、一定個数 mに等しい。

[0091] このステップ st24において判別される最終位置とは、光強度のサンプリング値が N 個であった場合において、〔N/m〕の商の整数部にあたる回数の算出が終了した状態である。したがって、ステップ st24乃至ステップ st26が繰返し実行されることによつて、第 1のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差が算出された後、第〔m+ l〕のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差が算出され、次に、第〔2m+ l〕のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差が算出され、以後、順次標準偏差の算出が行われる。

[0092] そして、ステップ st24で標準偏差を算出すべき最終位置に至っていることが判別されると、ステップ st27に進む。ステップ st27においては、算出された各標準偏差が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を決定して、ステップ st28に進む。ステップ st 28では、移動量 Kを〔K/2〕とし、ステップ st23に戻る。このステップ st23では、移動量 Kが 2以下であるかを判別し、移動量 Kが 2以下であればステップ st29に進んで終了し、移動量 Kが 2以下でなければステップ st24に進む。

[0093] すなわち、ステップ st23乃至ステップ st28が繰返し実行されることによって、標準偏差が最大となるサンプリング値の組及び隣接するサンプリング値の組を含む範囲内において、第 1番目のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差が算出された後、第〔m/2 + l〕番目のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差が算出され、次に、第〔2m/2 + 1〕番目のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差が算出され、以後、順次標準偏差の算出が行われ、この標準偏差が最大となるサンプリング値の組を含む範囲をが決定される。

[0094] さらに、この動作が移動量 Kが 2以下となるまで繰り返された後、ステップ st29に進んで終了する。ステップ st29に進む前に最後にステップ st28が実行されたときに決定された範囲が、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置となる。

[0095] 〔第 4の実施の形態〕

図 13は、本発明に係る三次元形状計測装置の第 4の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するグラフである。

[0096] 本発明に係る三次元形状計測装置における概略位置決定手段 13は、図 13に示すように、第 1の戻り光と第 2の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度について、 Z軸方向について一定の区間ごとの差分の絶対値を算出して、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定する。

[0097] 図 14は、本発明に係る三次元形状計測装置の第 4の実施の形態における概略位置決定手段の動作を説明するフローチャートである。

[0098] すなわち、概略位置決定手段 13は、図 14に示すように、ステップ st31において動作を開始し、ステップ st32に進み、第 1の戻り光と第 2の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度についての情報 (各点 (X, y)における光強度信号）を得る。すなわち、ピエゾ素子 8による光路長の変化 (Z軸方向の変化）についての一定間隔で、光強度のサンプリングを行ってメモリに蓄え、ステップ st33に進む。

[0099] ステップ st33では、算出すべき最終位置に至っているかを判別し、最終位置に至つていればステップ st36に進み、最終位置に至っていなければステップ st34に進む

[0100] ステップ st34では、第 η ( ··· ηは自然数で、初期状態においては 1)のサンプリング値より、連続した一定個数 mの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値〔 I I(z )-l(z ) I〕（V l(z )が最初のサンプリング

n + m n n

値、 I(z )が最後のサンプリング値）を算出し、ステップ st35に進む。ステップ st35で n + m

は、 nに移動量 mを加え、ステップ st33に戻る。移動量 mは、一定個数 mに等しい。このステップ st33において判別される最終位置とは、光強度のサンプリング値が N個であった場合において、〔N/m〕の商の整数部にあたる回数の算出が終了した状態である。したがって、ステップ st33乃至ステップ st35が繰返し実行されることによって、第 1のサンプリング値より連続した一定個数 mの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値が算出された後、第〔m+ 1〕のサンプリング値より連続した一定個数 mの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値が算出され、次に、第〔2m+ l〕のサンプリング値より連続した一定個数 mの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値が算出され、以後、順次差分の絶対値の算出が行われる。

[0101] そして、ステップ st33で算出すべき最終位置に至っていることが判別されると、ステップ st36に進む。ステップ st36においては、算出された差分の絶対値が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を第 2位まで決定し、ステップ st37に進む。ステップ s t37では、差分の絶対値が第 1位であった範囲と差分の絶対値が第 2位であった範囲との中心位置を求め、これを白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定し、ステップ st38に進んで終了する。

[0102] 〔第 5の実施の形態〕

図 15は、本発明に係る三次元形状計測装置の第 5の実施の形態における全体構成を示すブロック図である。

[0103] 本発明に係る三次元形状計測装置は、撮像手段として前述したようなカラーカメラ

10を有する構成に限定されず、図 15に示すように、カラーカメラ 10に代えてモノクロカメラ 10aを有する構成としてもよレ、。この三次元形状計測装置においては、モノクロカメラ 10aによって得られる白色干渉縞データをフーリエ変換して得られる分光スぺクトル分布の一部を選び、周波数フィルタを用いて所定周波数帯域のみのデータを分離させることによって、カラーカメラにおいて色分解を行ったと同様の位相情報を得ること力 Sできる。

[0104] すなわち、この三次元形状計測装置においては、このモノクロカメラ 10aから出力される撮像信号は、信号処理部において、メモリ 12により記憶され、このメモリ 12より読み出されて、概略位置決定手段 13に送られる。概略位置決定手段 13は、第 1の戻り光と第 2の戻り光との干渉によって生じた白色干渉縞の光強度を示す信号に基づいて、白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定する。

[0105] 第 1の戻り光と第 2の戻り光との干渉によって生じた撮像信号は、分光スペクトル帯域成分分配手段 17に送られる。分光スペクトル帯域成分分配手段 17は、モノクロ力メラ 10aによって得られた撮像信号を前記概略位置の近傍においてフーリエ変換して得られる分光スペクトル分布の一部を選び、周波数フィルタを用いて、所定周波数帯域（λ 及び λ )のみのデータを分離させることによって、異なる分光スペクトル帯

1 2

域成分を分離する。このようにして、分光スペクトル帯域成分分配手段 17は、モノクロカメラ 1 Oaから出力された撮像信号より、互いに異なる分光スペクトル帯域成分（ λ 成分及び λ 成分）に分配して、位相算出手段 15に送る。すなわち、この分光スぺク

2

トル帯域成分分配手段 17は、前述した図 5におけるステップ st2、ステップ st3の処理を実行する。

[0106] 位相算出手段 15は、概略位置決定手段 13により決定された概略位置の近傍において、白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分（λ 成分及び λ 成分)の干渉縞の位相を算出し、変位算出手段 16に送る。すな

1 2

わち、この位相算出手段 15は、前述した図 5におけるステップ st4からステップ st7までの処理を実行する。

[0107] 変位算出手段 16は、位相算出手段 15によって得られた互いに異なる分光スぺ外ル帯域成分（λ 成分及び λ 成分）の干渉縞の位相に基づいて、これら位相が互い

1 2

に等しい値をとる位置を求める。すなわち、この変位算出手段 16は、前述した図 5におけるステップ st8の処理を実行する。そして、これら位相が互いに等しい値となる被計測物 7の任意の表面を基準にして、ピエゾ素子 8 (光路長変化手段）による Z軸方向の変化量に基づいて、被計測物 7の表面の変位量が求められる。

産業上の利用の可能性 [0108] 本発明に係る三次元形状計測方法及び三次元形状計測装置においては、白色干渉縞の振幅情報と、例えば、 R (赤色）、 G (緑色）及び B (青色）などのスペクトルに分解した干渉縞の位相情報とを用いることにより、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を高精度、高分解能で特定することができる。

[0109] また、本発明に係る三次元形状計測方法及び三次元形状計測装置においては、例えば、従来の分光スペクトル領域の位相勾配を最小二乗法によって推定する方法に比べて、信号処理が簡単であり、演算に要する処理時間を短縮化することができる

[0110] すなわち、本発明は、白色干渉縞を用いて被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置（白色干渉計測装置）において、演算に要する処理時間を短縮化しつつ、白色干渉縞の振幅が最大となる位置を高精度で特定することができるようになされた三次元形状計測装置を提供することができるものである。

Claims

請求の範囲

[1] 広帯域スぺ外ルをもつ照明光を発生する光源から被計測物までの光路長、または

、前記光源から参照鏡までの光路長を変化させ、これら光路長が等しくなる位置を検出することによって、当該被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測方法において、

前記参照鏡からの前記照明光の戻り光と前記被計測物からの前記照明光の戻り光との干渉によって生ずる白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を求める段階と、

前記白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞を抽出する段階と、

前記概略位置の近傍において、前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞の位相が互いに等しい値をとる位置を求めることによって、前記光源から前記被計測物までの光路長が前記光源から前記参照鏡までの光路長に等しくなる位置を決定する段階と

を含むことを特徴とする三次元形状計測方法。

[2] 広帯域スぺ外ルをもつ照明光を発生する光源から被計測物までの光路長を走査し、または、前記光源から参照鏡までの光路長を走査し、これら光路長が互いに等しくなる位置を検出して、前記被計測物の三次元形状を計測する白色干渉を用いた三次元形状計測装置であって、

前記参照鏡からの前記照明光の戻り光と前記被計測物からの前記照明光の戻り光との干渉によって生ずる白色干渉縞について、縞解析法を用いて、この白色干渉縞の振幅の包絡線分布を求め、

前記包絡線分布を用いて、白色干渉縞のコントラストが最大となるおおよその位置を求めておき、

前記白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞を抽出し、

前記白色干渉縞のコントラストが最大となるおおよその位置の近傍において、前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞の位相が互いに等しい値をとる位置を求め、この位置に基づいて、前記光源から前記被計測物までの光路長が前記光源から前記参照鏡までの光路長に等しくなる位置を決定する

ことを特徴とする三次元形状計測装置。

[3] 広帯域スペクトルをもつ照明光を発生する光源と、該光源から出力された照明光が参照鏡及び被計測物に到達する光路を形成する光路形成手段と、前記光源から前記被計測物までの光路長、または、前記光源から前記参照鏡までの光路長を変化させる光路長変化手段と、前記各光路長が互いに等しくなる位置を検出する検出手段とを含み、前記被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置において、前記照明光の前記参照鏡からの反射光である第 1の戻り光及び前記照明光の被計測物からの反射光である第 2の戻り光が入射される撮像手段と、

前記撮像手段から出力される撮像信号に基づいて、前記第 1の戻り光と前記第 2の戻り光との干渉によって生ずる白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置を決定する概略位置決定手段と、

前記白色干渉縞に含まれる少なくとも二以上の互いに異なる分光スペクトル帯域成分の前記概略位置近傍における干渉縞の位相を算出する位相算出手段と、前記位相算出手段によって得られた前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分の干渉縞の位相が互いに等しい値をとる位置を求めることによって前記被計測物の表面の変位量を算出する変位算出手段と

を含むことを特徴とする三次元形状計測装置。

[4] 前記概略位置決定手段は、前記白色干渉縞の光強度について、前記光路長変化手段による光路長の変化についての一定間隔でサンプリングを行うとともに、第 1のサンプリング値より連続した一定個数のサンプリング値についての標準偏差を算出した後、第 2のサンプリング値より連続した一定個数のサンプリング値についての標準偏差を算出し、以後、順次標準偏差の算出を行って、

この標準偏差が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を、前記白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定する

ことを特徴とする請求項 3記載の三次元形状計測装置。

[5] 前記概略位置決定手段は、前記白色干渉縞の光強度について、前記光路長変化手段による光路長の変化についての一定間隔でサンプリングを行い、第 1のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差を算出した後、第〔_m+ 1〕のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差を算出し、次に、第〔2m+ l〕のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差を算出し、以後、順次標準偏差の算出を行って、

この標準偏差が最大となるサンプリング値の組及び隣接するサンプリング値の組を含む範囲内において、第 1番目のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差を算出した後、第〔mZ2+ l〕番目のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差を算出し、次に、第〔2m /2 + 1〕番目のサンプリング値より連続した一定個数 mのサンプリング値についての標準偏差を算出し、以後、順次標準偏差の算出を行って、

ことを特徴とする請求項 3記載の三次元形状計測装置。

[6] 前記概略位置決定手段は、前記白色干渉縞の光強度について、前記光路長変化手段による光路長の変化についての一定間隔でサンプリングを行うとともに、第 1のサンプリング値より連続した一定個数 mの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値を算出した後、第〔m+ l〕のサンプリング値より連続した一定個数 mの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値を算出し、次に、第〔2m+ l〕のサンプリング値より連続した一定個数 mの範囲における最初のサンプリング値と最後のサンプリング値についての差分の絶対値を算出し、以後、順次差分の絶対値の算出を行って、この差分の絶対値が最大となるサンプリング値の組を含む範囲を、前記白色干渉縞の振幅の包絡線が最大値を示す位置を含む概略位置として決定する

ことを特徴とする請求項 3記載の三次元形状計測装置。

[7] 前記撮像手段は、カラーカメラであって、前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分ごとに前記撮像信号を出力することを特徴とする請求項 3記載の三次元形状計測装置。

[8] 前記撮像手段は、モノクロカメラであり、

前記モノクロカメラから出力される撮像信号を前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分に分配する分光スペクトル帯域成分分配手段を備えたことを特徴とする請求項 3記載の三次元形状計測装置。

[9] 前記撮像手段は、カラーカメラであって、前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分ごとに前記撮像信号を出力することを特徴とする請求項 4記載の三次元形状計測装置。

[10] 前記撮像手段は、モノクロカメラであり、

前記モノクロカメラから出力される撮像信号を前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分に分配する分光スペクトル帯域成分分配手段を備えたことを特徴とする請求項 4記載の三次元形状計測装置。

[11] 前記撮像手段は、カラーカメラであって、前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分ごとに前記撮像信号を出力することを特徴とする請求項 5記載の三次元形状計測装置。

[12] 前記撮像手段は、モノクロカメラであり、

前記モノクロカメラから出力される撮像信号を前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分に分配する分光スペクトル帯域成分分配手段を備えたことを特徴とする請求項 5記載の三次元形状計測装置。

[13] 前記撮像手段は、カラーカメラであって、前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分ごとに前記撮像信号を出力することを特徴とする請求項 6記載の三次元形状計測装置。

[14] 前記撮像手段は、モノクロカメラであり、

前記モノクロカメラから出力される撮像信号を前記互いに異なる分光スペクトル帯域成分に分配する分光スペクトル帯域成分分配手段を備えたことを特徴とする請求項 6記載の三次元形状計測装置。