JP2010112865A - 白色干渉計測装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】白色干渉計測装置において、比較的短時間でカラー画像を取得し、かつ同時に複数の波長を使用して高さ情報を求める。
【解決手段】白色干渉計測装置（１）は、対象物（６００）に対して、相互に異なる波長を夫々有する第１光、第２光及び第３光を相互に独立に照射可能な照明手段（１１０）と、照明手段から照射された第１光、第２光及び第３光の各々の光路に配置された干渉対物レンズ（１３０）と、対象物を撮像可能な撮像手段（１２０）と、対象物及び干渉対物レンズ間の距離を変更可能な距離変更手段（１４０）と、距離を連続的に変更するように距離変更手段を制御しつつ、第１光、第２光及び第３光の各々を、所定の時間間隔で順次照射するように照明手段を制御すると共に、干渉対物レンズを介し、第１光、第２光及び第３光の各々の照射と同期して対象物のモノクローム干渉画像を複数撮像するように撮像手段を制御する制御手段（２５０）とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば白色干渉顕微鏡等の白色干渉法を用いて対象物を計測する白色干渉計測装置及び方法の技術分野に関する。

この種の装置は、例えば白色光源、光の分割手段、光の重ね合わせ手段及び検出手段を含んで構成されている。装置の動作時に、白色光源から出射された光を、２つ以上の光に分割し、夫々別々の光路を経由させた後に再び重ね合わせ、光路差に起因して発生する干渉を解析して、対象物の表面形状や透過波面形状等を取得している。これにより、対象物の３次元構造を非接触で計測することができる。

ここで、光の分割手段及び光の重ね合わせ手段の一例としての干渉対物レンズでは、２つに分割された光の一方が対象物に照射され、他方が参照ミラーに照射される。そして、対象物及び参照ミラーの各々で反射された光が再び合成され、検出手段に入射する。反射された光が合成される際に、２つに分割された光各々の光路差に起因して、２つの光が干渉する。

具体的には、光路差がない場合、光の波の位相が一致しているため、互いに強めあう。他方、光路差が半波長だけずれていた場合、光の波の山と谷とが重なることとなり互いに弱めあう。光路差が一定でない場合には、検出手段によって明暗の干渉縞が検出される。このため、対象物にピントが合う位置（即ち、合焦位置）と共役な位置に参照ミラーを配置することで、干渉縞が最も明るくなる位置をピントが合った位置と判定することが可能となる。

このような、白色光源を用いた干渉計測方法として、例えば垂直走査型干渉方式（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ：ＶＳＩ）が知られている。

例えば干渉対物レンズを介して撮像された干渉画像から対象物の高さ情報を求める方法として、例えば、位相を用いる方法（非特許文献１参照）、コントラスト最大の位置を求める方法（非特許文献２参照）、位相及びコントラスト最大の位置を用いる方法（非特許文献３参照）、周波数空間において位相を求める方法（特許文献１参照）等が提案されている。更に、複数の波長の光を用いて、位相飛びに起因する高さの誤認を防止する方法（特許文献２参照）も提案されている。

また、この種の装置では、撮像された画像の視認性を向上させるために、画像のカラー化が図られる。例えば、特許文献３には、干渉対物レンズの高さを維持したまま（即ち、干渉対物レンズ及び対象物間の距離を変えずに）、照明光を青色光、緑色光、赤色光の順に切り替えて、モノクロームＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラで青色画像、緑色画像及び赤色画像を夫々撮像した後に、干渉対物レンズの高さを所定幅移動させる（即ち、干渉対物レンズ及び対象物間の距離を変える）という動作を繰り返すことによって、カラー画像を取得する技術が記載されている。或いは、特許文献４には、白色光の干渉縞を取得した後に、単位画素毎に干渉縞強度のパターンを抜き出しフーリエ変換を実行することにより、周波数空間に変換して相対強度情報を取得し、該取得された相対強度情報に基づいて赤色成分、緑色成分及び青色成分各々に関する色情報を演算し、該演算された色情報から単位画素の色を再現してカラー画像を構築する技術が記載されている。

尚、対象物の色と無関係に、出力画像の表現方法として、干渉画像に基づいて取得された高さ情報の別等で色付けをする等のカラー画像を構築する技術もある。

特許２６７９８７６号公報 特開２００６−２５０８５３号公報 特開２００７−３３２１７号公報 特開２００７−３３２１６号公報 P. Hariharan, B. F. Oreb, and T. Eiju, "Digital Phase-shifting interferometry: A Simple Error-Compensating Phase Calculation Algorithm," Appl. Opt. 26, 2504-2506 (1987) Kieran G. Larkin, "Efficient nonlinear algorithm for envelope detection in white light interferometry," J. Opt. Soc. Am. A, vol.13, No4, 832-843 (1996) Akiko Harasaki, Joanna Schmit, James C. Wyant, "Improved vertical-scanning interferometry," Applied Optics, vol.39, No13, 2107-2115 (2000)

しかしながら、特許文献３に記載の技術では、干渉対物レンズの高さを維持したまま３枚の画像（即ち、青色画像、緑色画像及び赤色画像）を撮像している。このため、撮像時間が比較的長くなる可能性があるという技術的問題点がある。

また、特許文献４に記載の技術では、対象物の高さ方向にスキャンして干渉縞に係る画像情報を複数取得する必要がある。このため、カラー画像の取得に時間を要すると共に、干渉縞の無い位置ではカラー画像を取得することができないという技術的問題点がある。特許文献４に記載の技術では、更に、色情報の演算等の処理時間も比較的長くなる可能性があるという技術的問題点がある。

尚、特許文献２に記載の技術では波長毎に１回のスキャンが必要であり、撮像時間が比較的長くなるという技術的問題点がある。

本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、比較的短時間でカラー画像が取得可能であり、かつ同時に複数の波長を使用して高さ情報を求めることが可能な白色干渉計測装置及び方法を提供することを課題とする。

本発明の白色干渉計測装置は、上記課題を解決するために、対象物に対して、相互に異なる波長を夫々有する第１光、第２光及び第３光を相互に独立に照射可能な照明手段と、前記照明手段から照射された、前記第1光、前記第２光及び前記第３光の各々の光路に配置された干渉対物レンズと、前記対象物を撮像可能な撮像手段と、前記対象物及び前記干渉対物レンズ間の距離を変更可能な距離変更手段と、前記距離を連続的に変更するように前記距離変更手段を制御しつつ、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々を、所定の時間間隔で順次照射するように前記照明手段を制御すると共に、前記干渉対物レンズを介し、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々の照射と同期して前記対象物のモノクローム干渉画像を複数撮像するように前記撮像手段を制御する制御手段とを備える。

本発明の白色干渉計測装置によれば、照明手段は、対象物に対して、相互に異なる波長を夫々有する第１光、第２光及び第３光を相互に独立に照射可能である。ここに「独立に」とは、時間的に相前後して別々にという意味であり、言い換えれば「時間的に独立に」という意味である。このような照明手段は、例えば、第１光を照射可能な光源、第２光を照射可能な光源及び第３光を照射可能な光源を備えて構成すればよい。或いは、一つの白色光源と、第１光に対応する波長を選択的に透過させるフィルタ、第２光に対応する波長を選択的に透過させるフィルタ及び第３光を選択的に透過させるフィルタを有し、該３つのフィルタを相互に切り替え可能な機構とを備えて構成すればよい。

ここで特に、本発明に係る第１光、第２光及び第３光は、例えばレーザーのような、ほぼ単一波長とみなせる急峻な波長分布を有する光ではなく、例えば半値幅が４０ｎｍ（ナノメートル）程度の幅を持った光である。これにより、各光単独でも、例えば白色光を用いたＶＳＩ方式のように、対象物の高さ分布が比較的広い場合であっても、正確な高さ情報の演算が可能である。

干渉対物レンズは、既存の各種構成のものを採用可能であるが、照射手段から照射された第１光、第２光及び第３光の各々に光路差に起因する干渉を生じさせる光学系を有する。言い換えれば、同一光路或いは殆ど同一光路に存在する同一波長帯の光に、相互に光路長が異なる光成分に起因する干渉を生じさせる光学系を有する。光学系は、例えばビームスプリッタ及びミラーを含んで構成されている。

この場合、光学系は、ビームスプリッタにより、照射手段から照射された光を少なくとも２つの光に分割し、一方を対象物に導き、他方をミラーに導く。ここで、対象物から反射した光（以下、適宜“反射光”と称する）と、ミラーから反射した光（以下、適宜“参照光”と称する）を再度同一光路に導くことによって、対象物表面の高さ分布に応じた光路差が生じ、各光の干渉に起因して干渉縞が発生する。

例えばＣＣＤ等の撮像素子、メモリ等を備えて構成される撮像手段は、対象物の、典型的には、モノクローム画像を撮像可能である。尚、本発明に係る撮像手段は、典型的には、撮像素子を一つのみ備えて構成されている。

ここで、本発明に係る「モノクローム画像」とは、撮像領域を平面内で複数に分割した単位画素（以下、適宜“ピクセル”と称する）毎の光強度（即ち、輝度）情報からなる画像を意味する。対象物表面に高さ分布が存在する場合は、該高さ分布に起因してピクセル毎の輝度が変化するため、撮像されたモノクローム画像に干渉縞が現れることとなる。

距離変更手段は、対象物及び干渉対物レンズ間の距離である距離を変更可能である。具体的には例えば、距離変更手段は、例えばピエゾ素子等により、干渉対物レンズを駆動することによって、或いは、対象物を支持する、例えばステージ等を駆動することによって、対象物及び干渉対物レンズ間の距離を変更する。

例えばメモリ、プロセッサ等を備えて構成される制御手段は、距離を連続的に変更するように距離変更手段を制御しつつ、第１光、第２光及び第３光の各々を、所定の時間間隔で順次照射するように照明手段を制御すると共に、干渉対物レンズを介し、第１光、第２光及び第３光の各々の照射と同期して対象物のモノクローム干渉画像を複数撮像するように撮像手段を制御する。

「距離を連続的に変更」とは、距離が留まることなく変わるように、距離を変更することを意味する。具体的には例えば、横軸に時間をとり、縦軸に距離をとった場合に、距離及び時間の関係が階段状にならないように、距離を変更することを意味する。言い換えれば、干渉対物レンズ又はステージが留まることなく移動するように、干渉対物レンズ又はステージを駆動することを意味する。

但し、距離が、次に説明する相前後して行われる二つの撮像動作間の時間間隔と比べて、十分に短時間だけ一定に留まることは、ここでの「連続的に変更」に含まれる。言い換えれば、撮像時間及び撮像動作間の時間間隔との関係で「連続的に変更」であると見做せれば足りる趣旨である。

「所定の時間間隔」とは、例えば１／６０秒等であり、典型的には、予め設定されている画質を満たす光量を取得可能な時間（即ち、シャッタースピード）を確保可能な時間間隔を意味する。つまり、「所定の時間間隔」が短くなると、高速な測定が可能となるため、所定の時間間隔は短いほど好ましい。しかしながら、所定の時間間隔は、主に撮像手段の性能により決定され、通常１／６０秒以下が好ましい。また、距離の変更のスピードは所定の時間間隔に応じて設定されており、第１光に対応する波長、第２光に対応する波長及び第３光に対応する波長の３つの波長のうち波長の長さが真ん中の波長の１／２４もしくは１／８になるように、画像の取得間隔が設定されるのが好ましい。

「第１光、第２光及び第３光の各々の照射と同期して対象物のモノクローム干渉画像を複数撮像」とは、第１光が対象物に照射されている際に、第１光が照射された対象物を撮像し、第２光が対象物に照射されている際に、第２光が照射された対象物を撮像し、第３光が対象物に照射されている際に、第３光が照射された対象物を撮像することを意味する。

本願発明者の研究によれば、白色干渉計測装置では、対象物に係る干渉縞を高精度且つ短時間に測定するために、モノクロームカメラが用いられることが多い。他方で、対象物の観察用画像もモノクローム画像となってしまうため、画像をカラー化することによって、観察用画像の視認性の向上が図られる。

カラー化の方法として、例えば、対象物からの戻り光を、例えば赤色光、緑色光及び青色光に分離し、各色に夫々対応する３つのＣＣＤで赤色画像、緑色画像及び青色画像を夫々撮像した後に、該撮像された３つの画像を合成する方法（所謂、３板式カメラ）が提案されている。或いは、ＣＣＤの画素毎に、例えばベイヤ（Ｂａｙｅｒ）配置で、カラーフィルタを設ける方法（所謂、カラーＣＣＤカメラ）が提案されている。或いは、モノクロームＣＣＤカメラ及びカラーＣＣＤカメラを備え、対象物を両方のカメラで夫々撮像した後に、例えばパターンマッチング等により画像を合成する方法が提案されている。

しかしながら、３板式カメラでは、その製造工程において３つのＣＣＤを所定位置に正確に配置するための手間及びコストが比較的多くなったり、３つのＣＣＤ各々で撮像された３枚の画像をピクセル単位で合成することが困難になったりする可能性がある。カラーＣＣＤカメラでは、画素間で色情報の補間が必要となり、画像の分解能が低下してしまう。加えて、画像の分解能が低下するため、対象物に係る干渉縞の測定精度が低下する可能性がある。

モノクロームＣＣＤカメラ及びカラーＣＣＤカメラを備える方法では、両方のカメラに光を導くために、ビームスプリッタ等により光を分割することによって光量が低下してしまい、例えば低反射材料の測定が困難になる可能性がある。また、モノクロームＣＣＤカメラで撮像する際には干渉対物レンズを用い、カラーＣＣＤカメラで撮像する際には、典型的には、明視野レンズを用いるため、レンズを切り替える手間に加えてカメラの光路を切り替える手間が生じてしまう。更に、部品点数が増加することによって、製造コストが増加してしまうことが判明している。

尚、対象物の色と無関係に、出力画像の表現方法として、撮像された干渉画像に基づいて取得された高さ情報に応じて色付けをしてカラー画像を構築する技術が提案されているが、対象物の実際の色を観察することはできない。

しかるに本発明では、制御手段によって、距離を連続的に変更するように距離変更手段が制御されつつ、第１光、第２光及び第３光の各々を、所定の時間間隔で順次照射するように照明手段が制御されると共に、干渉対物レンズを介し、第１光、第２光及び第３光の各々の照射と同期して対象物のモノクローム干渉画像を複数撮像するように撮像手段が制御される。

即ち、本発明では、干渉対物レンズ、又は対象物を支持する、例えばステージが連続的に移動しながら、所定の時間間隔で、対象物に照射される光が切り替わると共に対象物のモノクローム干渉画像が複数撮像される。このため、撮像された複数のモノクローム干渉画像の、対象物に照射される光の光軸方向に沿う軸上の座標（例えば、高さ軸上の座標）は、相互に異なることとなる。

従って、光軸方向に沿う軸上には、互いに所定間隔（即ち、単位時間当りの距離の変更量及び所定の時間間隔により定まる間隔）を隔てて、複数の撮像されたモノクローム干渉画像が並ぶこととなる。より具体的には、光軸方向に沿う軸上に、例えば、第１光の照射と同期して撮像されたモノクローム干渉画像、第２光の照射と同期して撮像されたモノクローム干渉画像、第３光の照射と同期して撮像されたモノクローム干渉画像、第１光の照射と同期して撮像されたモノクローム干渉画像、・・・と互いに所定間隔を隔てて並ぶこととなる。

撮像された複数のモノクローム干渉画像から対象物の高さ情報（即ち、対象物表面の任意の点の光軸方向における座標）を求める際には、例えば、先ず、撮像された複数のモノクローム干渉画像を、第１光の照射と同期して撮像された干渉画像群、第２光の照射と同期して撮像された干渉画像群、及び第３光の照射と同期して撮像された干渉画像群に分類する。次に、該分類された３つの干渉画像群のうち少なくとも一つの干渉画像群に基づいて、対象物の高さ情報を求めればよい。

ここで、高さ情報を求める手法として、例えば、位相を用いる手法、コントラストを用いる手法、位相及びコントラストを用いる手法等の各種手法を適用してよい。尚、分類された３つの干渉画像群を用いれば、例えば位相飛び等の不具合を回避することができる。

他方、撮像された複数のモノクローム干渉画像からカラー画像を生成する際には、例えば、分類された３つの干渉画像群各々の干渉の影響を除去して、該分類された３つの干渉画像群に夫々対応する干渉の影響が除去された３つの無干渉画像を生成する。ここで、第１光、第２光及び第３光を、夫々、赤色光、緑色光及び青色光とすれば、３つの無干渉画像の各々は、赤色光、緑色光及び青色光各々の波長に対応する光強度の情報を有することとなる。このため、３つの無干渉画像の各々を示す信号を、例えばＲＧＢカラーモニタ等に出力して、カラー画像を生成すればよい。

尚、本発明に係る「干渉の影響」とは、撮像されたモノクローム干渉画像の一のピクセルの光強度が、反射光と参照光との干渉に起因して、撮像位置によって大きくなったり小さくなったりする現象を意味する。従って、「干渉の影響を除去」とは、反射光と参照光との干渉に起因して生じる光強度の変動を無くす又は補正することを意味する。

本発明では特に、上述の如く、距離を連続的に変更しながら、対象物のモノクローム干渉画像が複数撮像される。このため、例えば距離をある距離に維持したまま、第１光、第２光及び第３光の各々の照射と同期して対象物のモノクローム干渉画像を複数撮像する場合に比べて、撮像時間を大幅に（例えば１／３に）短縮することができる。従って、本発明の白色干渉計測装置によれば、比較的短時間でカラー画像を取得することができる。

加えて、典型的には、対象物のモノクローム干渉画像を一つの撮像素子によって撮像しているので、第１光、第２光及び第３光の各々に同期して撮像されたモノクローム干渉画像を合成する際に、例えばパターンマッチング等の処理を省略することができ、処理時間を短縮することができる。また、別途、カラーＣＣＤを設けたり、複数の撮像素子を設けたりする必要がないので、部品点数を抑制して、製造コストを抑制することができ、実用上非常に有利である。

更に、第１光、第２光及び第３光を用いているが、撮像される干渉画像は、モノクロームであるので、対象物に係る干渉縞を精度良く測定することができる。このため、比較的容易にして、対象物の高さ情報を取得することができる。加えて、モノクローム干渉画像を撮像する際に、複数の光を用いているので、例えば位相飛び等の不具合を回避することができる。この結果、対象物の表面形状や透過波面形状等を高精度に取得することができる。

本発明の白色干渉計測装置の一態様では、前記撮像手段は、モノクロームＣＣＤを含む。

この態様によれば、比較的安価に、当該白色干渉計測装置を製造することができ、実用上非常に有利である。尚、本発明に係る「モノクロームＣＣＤ」とは、カラーフィルタ等の波長により光を分ける機構を有しないＣＣＤを意味する。

本発明の白色干渉計測装置の他の態様では、前記撮像された複数のモノクローム干渉画像のうち、前記第１光、前記第２光及び前記第３光のうちいずれか一光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像に基づいて、前記対象物の高さ情報である第１高さ情報を演算する高さ演算手段を更に備える。

この態様によれば、例えばメモリ、プロセッサを備えて構成される高さ演算手段は、撮像された複数のモノクローム干渉画像のうち、第１光、第２光及び第３光のうちいずれか一光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像に基づいて、対象物の高さ情報である第１高さ情報を演算する。

例えば、高さ演算手段は、先ず、撮像された複数のモノクローム干渉画像を、第１光の照射と同期して撮像された干渉画像群、第２光の照射と同期して撮像された干渉画像群、及び第３光の照射と同期して撮像された干渉画像群に分類する。次に、高さ演算手段は、分類された三つの干渉画像群のうちいずれか一つの干渉画像群を用いて第１高さ情報を演算する。これは、互いに波長の異なる光で撮像された複数のモノクローム干渉画像からは、高さ情報の正確な演算はできないためである。

より具体的には、先ず、分類された三つの干渉画像群のうち一の干渉画像群に含まれる複数の干渉画像各々のピクセル毎の光強度と撮像位置との関係を求める。言い換えれば、撮像素子の一ピクセルに入射する光の強度と干渉対物レンズ及び対象物間の距離との関係を、ピクセル毎に求める。

次に、求められた関係のエンベロープ（例えば、光強度の変動を示す包絡線）を求める。ここで、エンベロープは、例えば、上述の非特許文献２に記載されている方法を用いて求めてもよいし、ヒルベルト変換等を用いて求めてもよい。次に、求められたエンベロープの最大値の撮像位置を第１高さ情報として求める。尚、本発明に係る「高さ情報」とは、対象物表面の任意の点の光軸方向における座標を意味する。この高さ情報は、算出方法により異なる値をとる可能性のある算出データである。

高さ演算手段は、上記エンベロープに加えて、位相を用いて第１高さ情報を演算してもよい。具体的には例えば、エンベロープが最大値をとる撮像位置を含む前後連続した４枚以上のモノクローム干渉画像を用いて、エンベロープが最大値となる撮像位置の位相を求める。尚、前後連続した５枚以上のモノクローム干渉画像を用いる場合は、例えば非特許文献１に記載の方法を適用することができる。そして、高さ演算手段は、求められた位相及び光の波長と、撮像位置とから第１高さ情報を演算する。

高さ演算手段を備える態様では、前記高さ演算手段は、前記撮像された複数のモノクローム干渉画像のうち、前記第１光、前記第２光及び前記第３光のうち前記一光を除く他の二つの光の各々の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像に基づいて、高さ補正情報を演算し、前記演算された第１高さ情報を、前記演算された高さ補正情報により補正することによって、第２高さ情報を演算する高さ情報補正手段を含んでよい。

このように構成すれば、第１光、第２光及び第３光のうち一光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像に基づいて演算される第１高さ情報に比べ、より高い精度で合焦位置に対応すると考えられる第２高さ情報を算出することができ、実用上非常に有利である。

高さ演算手段は、例えばメモリ、プロセッサ等を備えて構成される高さ情報補正手段を含んでいる。高さ情報補正手段は、撮像された複数のモノクローム干渉画像のうち、第１光、第２光及び第３光のうち、第１高さ情報の演算に用いられた一光を除く、他の二つの光の各々の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像に基づいて、第１高さ情報を補正するために用いられる高さ補正情報を演算する。

ここで、「高さ補正情報」とは、第１高さ情報を演算するために用いられる一光以外の二つの光の各々の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像から導き出される光強度に関するデータである。詳細については後述するが、具体的には例えば、第１高さ情報の座標近傍における、前記二つの光の各々の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像の光強度データ、若しくはそれらから算出される位相データ等である。また、「他の二つの光の各々の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像」とは、他の二つの光の一方の光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像と、他の二つの光の他方の光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像とを意味する。

高さ情報補正手段は、演算された高さ補正情報に基づいて、第１高さ情報を補正し、より精度の高い第２高さ情報を演算する。

本願発明者の研究によれば、上述の如く、エンベロープが最大値となる撮像位置の位相を求めた場合、該求められた位相は２πの不定性を有する。このため、演算される第１高さ情報は、光の波長の整数倍の不定性を有することとなる。この結果、光の波長の整数倍だけ高さ情報が誤認される（所謂、位相飛びが生じる）可能性があることが判明している。

しかるに本発明では、高さ情報補正手段により、演算された高さ補正情報に基づいて、第１高さ情報が補正される。具体的には、正しい合焦位置では、求められる位相が全ての光の波長でゼロとなるので、高さ情報補正手段は、求められる位相が全ての光の波長でゼロとなるように、第１高さ情報を補正し、より合焦位置に近い第２高さ情報を演算する。本発明では以下、第２高さ情報に相当する位置を合焦位置とみなして記載する。

ここで、相互に異なる波長を夫々有する第１光、第２光及び第３光を用いて第２高さ情報を演算する理由は以下の通りである。

本願発明者の研究によれば、波長が相互に異なる二つの光を用いて高さ情報を求める場合、二つの光に夫々対応する二つの波長は相互に近接している方が高さ情報を補正できる範囲が広がる。しかし、波長が相互に異なる三つの光を使うことにより、三つの光に夫々対応する三つの波長が相互に近接していなくても、高さ情報を補正できる範囲を広げることができる。この結果、後述するカラー画像を生成するために波長の間隔を広げることが可能であることが判明している。

このため、第１光、第２光及び第３光の各々の波長の中心波長を、赤色光に対応する６８０±７０ｎｍ、緑色光に対応する５３０±３０ｎｍ、及び青色光に対応する４７０±３０ｎｍとすれば、第２高さ情報の精度をより向上させることができると共に、カラー情報を比較的容易にして取得することができる。

本発明の白色干渉計測装置の他の態様では、前記撮像された複数のモノクローム干渉画像は、前記第１光の照射と同期して撮像された第１干渉画像群、前記第２光の照射と同期して撮像された第２干渉画像群、及び前記第３光の照射と同期して撮像された第３干渉画像群を含み、当該白色干渉計測装置は、前記第１干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第１無干渉画像、前記第２干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第２無干渉画像、及び前記第３干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第３無干渉画像を生成する無干渉画像生成手段と、前記生成された第１無干渉画像、前記生成された第２無干渉画像及び前記生成された第３無干渉画像から、第１カラー画像を生成する第１カラー画像生成手段とを更に備える。

この態様によれば、例えばメモリ、プロセッサ等を備えて構成される無干渉画像生成手段は、第１干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第１無干渉画像、第２干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第２無干渉画像、及び第３干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第３無干渉画像を生成する。

ここで、干渉対物レンズを介して撮像された第１干渉画像群、第２干渉画像群及び第３干渉画像群の各々に含まれる複数の干渉画像は、反射光と参照光との干渉に起因する干渉縞の影響により、対象物の実際の表面状態を正確には示していない。無干渉画像生成手段は、撮像された第１干渉画像群、第２干渉画像群及び第３干渉画像群の各々に基づいて、干渉の影響を除去して、対象物の実際の表面状態を正確に示す第１無干渉画像、第２無干渉画像及び第３無干渉画像を生成する。

例えばメモリ、プロセッサ等を備えて構成される第１カラー画像生成手段は、生成された第１無干渉画像、生成された第２無干渉画像及び生成された第３無干渉画像から、第１カラー画像を生成する。

これにより、例えば明視野レンズ等を、別途備えることなくカラー画像を生成することができ、実用上非常に有利である。更に、明視野レンズを備える場合は、干渉対物レンズ及び明視野レンズを切り替える必要があるが、この態様では、レンズの切り替えが不要であるため、撮像時間を短縮することができる。

加えて、同一のモノクローム画像を用いて、高さ情報の取得及びカラー画像の生成を行っているので、比較的容易にして、高さ情報と色情報とを対応付けることができる。この結果、比較的容易にして、対象物の３次元カラー画像を生成することができ、実用上非常に有利である。

干渉縞除去画像生成手段を備える態様では、前記無干渉画像生成手段は、前記第１干渉画像群、前記第２干渉画像群及び前記第３干渉画像群の各々におけるピクセル毎の光強度の変動データに基づいて、前記光強度の平均曲線を演算することにより、前記第１無干渉画像、前記第２無干渉画像及び前記第３無干渉画像を生成してよい。

このように構成すれば、比較的容易にして、第１干渉画像群、第２干渉画像群及び第３干渉画像群の各々に基づいて、干渉の影響が除去された第１無干渉画像、第２無干渉画像及び第３無干渉画像を生成することができる。

具体的には例えば、無干渉画像生成手段は、先ず、第１干渉画像群に含まれる複数のモノクローム干渉画像から、ピクセル毎に、光強度と撮像位置との関係（即ち、光強度の変動データ）を求める。次に、該求められた関係の光強度の平均曲線を演算する。そして、該演算された光強度の平均曲線の合焦位置（即ち、高さ情報演算手段に基づいて演算された第２高さ情報）における光強度を求める。上記の処理を全てのピクセルに対して実施して、全てのピクセルに夫々対応する光強度の平均曲線の合焦位置における光強度を求めることにより、干渉の影響が除去された第１無干渉画像が生成される。第２無干渉画像及び第３無干渉画像についても同様である。

尚、光強度の平均曲線は、光強度の実データを、例えば一次式や低次（例えば４次等）の多項式等を用いてフィッティングして求めればよい。また、第１無干渉画像、第２無干渉画像及び第３無干渉画像から生成された第１カラー画像に対して、例えば色調補正が必要な場合、光強度の平均曲線を補正すれば、該補正された光強度の平均曲線に対応する無干渉画像における光強度が自動的に補正されることとなり、実用上非常に有利である。

尚、何らかの理由（例えば、対象物のスキャン範囲の設定等）により、合焦位置における光強度の実データが得られない場合であっても、測定された範囲における光強度の平均曲線に基づいてカラー画像を生成することができ、実用上非常に有利である。

或いは、干渉縞除去画像生成手段を備える態様では、前記無干渉画像生成手段は、前記第１干渉画像群、前記第２干渉画像群及び前記第３干渉画像群の各々におけるピクセル毎の光強度の変動データに基づいて、前記光強度の振幅を演算することにより、前記第１無干渉画像、前記第２無干渉画像及び前記第３無干渉画像を生成してよい。

このように構成すれば、対象物の表面の色を示すカラー画像（具体的には例えば、対象物が光透過性の材料で構成されている場合に、例えばステージ等の対象物の背景となる色の影響を受けないカラー画像）を生成することができる。

具体的には、無干渉画像生成手段は、先ず、第１干渉画像群に含まれる複数のモノクローム干渉画像から、ピクセル毎に、光強度と撮像位置との関係を求める。次に、該求められた関係のエンベロープを演算する。続いて、演算されたエンベロープの合焦位置における光強度を求める。尚、本発明に係る「光強度の振幅」とは、エンベロープの合焦位置における光強度を意味する。

上記の処理を全てのピクセルに対して実施して、全てのピクセルに夫々対応する光強度の振幅を求めることにより、干渉の影響が除去された第１無干渉画像が生成される。第２無干渉画像及び第３無干渉画像についても同様である。

本発明の白色干渉計測装置の他の態様では、前記照明手段は、前記第１光を照射可能な第１光源と、前記第２光を照射可能な第２光源と、前記第３光を照射可能な第３光源とを含む。

この態様によれば、照明手段は、第１光を照射可能な例えば赤色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）である第１光源と、第２光を照射可能な例えば緑色ＬＥＤである第２光源と、第３光を照射可能な例えば青色ＬＥＤなどである第３光源とを含んで構成されている。このため、例えば照明手段を、一つの白色光源と、第１光に対応する波長を選択的に透過させるフィルタ、第２光に対応する波長を選択的に透過させるフィルタ及び第３光を選択的に透過させるフィルタを有し、該３つのフィルタを相互に切り替え可能な機構とを備えて構成する場合に比べ、計測時間を短くすることができ、実用上非常に有利である。加えて、例えばフィルタを切り替えるための駆動部等の駆動機構が無いため、照明手段が故障する可能性を低減することができ、実用上非常に有利である。

本発明の白色干渉計測装置の他の態様では、明視野レンズと、前記干渉対物レンズ及び前記明視野レンズを相互に切り替え可能なレンズ切替手段とを更に備え、前記制御手段は、前記干渉対物レンズから前記明視野レンズに切り替えるように前記レンズ切替手段を制御した後に、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々を、所定の時間間隔で順次照射するように前記照明手段を制御すると共に、前記明視野レンズを介し、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々の照射と同期して前記対象物のモノクローム画像を複数撮像するように前記撮像手段を制御し、前記撮像された複数のモノクローム画像は、前記第１光の照射と同期して撮像された第１モノクローム画像、前記第２光の照射と同期して撮像された第２モノクローム画像、及び前記第３光の照射と同期して撮像された第３モノクローム画像を含み、当該白色干渉計測装置は、前記第１モノクローム画像、前記第２モノクローム画像及び前記第３モノクローム画像から、第２カラー画像を生成する第２カラー画像生成手段を更に備える。

この態様によれば、当該白色干渉計測装置は、明視野レンズ、レンズ切替手段及び第２カラー画像生成手段を更に備える。ここで、本発明に係る「明視野レンズ」とは、干渉対物レンズのような干渉を発生させるための光学系を有しておらず、通常の目視での観察に用いられるレンズである。レンズ切替手段は、干渉対物レンズ及び明視野レンズを相互に切替可能である。

制御手段は、干渉対物レンズから明視野レンズに切り替えるようにレンズ切替手段を制御する。その後、制御手段は、第１光、第２光及び第３光の各々を、所定の時間間隔で順次照射するように照明手段を制御すると共に、明視野レンズを介し、第１光、第２光及び第３光の各々の照射と同期して対象物のモノクローム画像を複数撮像するように撮像手段を制御する。

例えばメモリ、プロセッサ等を備えて構成される第２カラー画像生成手段は、第１光の照射と同期して撮像された第１モノクローム画像、第２光の照射と同期して撮像された第２モノクローム画像、及び第３光の照射と同期して撮像された第３モノクローム画像から、第２カラー画像を生成する。

この態様によれば、撮像された複数のモノクローム画像は、対象物の実際の表面状態を示しているため、干渉対物レンズを用いる場合に比べて、短時間でカラー画像を生成することができる。このため、例えば、対象物の色情報のみ取得したい場合や計測位置の当たりを付ける場合等に、比較的速やかに、色情報を取得したり、計測位置の当たりを付けたりでき、実用上非常に有利である。

本発明の第１の白色干渉計測方法では、上記課題を解決するために、対象物に対して、相互に異なる波長を夫々有する第１光、第２光及び第３光を相互に独立に照射可能な照明手段と、前記照明手段から照射された、前記第1光、前記第２光及び前記第３光の各々の光路に配置された干渉対物レンズと、前記対象物を撮像可能な撮像手段と、前記対象物及び前記干渉対物レンズ間の距離を変更可能な距離変更手段とを備える白色干渉計測装置における白色干渉計測方法であって、前記距離を連続的に変更するように前記距離変更手段を制御しつつ、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々を、所定の時間間隔で順次照射するように前記照明手段を制御すると共に、前記干渉対物レンズを介し、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々の照射と同期して前記対象物のモノクローム干渉画像を複数撮像するように前記撮像手段を制御する制御工程を備える。

本発明の第１の白色干渉計測方法によれば、上述した本発明の白色干渉計測装置と同様に、比較的短時間でカラー画像を取得することができる。

尚、本発明の第１の白色干渉計測方法においても、上述した本発明の白色干渉計測装置における各種態様を採ることが可能である。

本発明の第２の白色干渉計測方法では、上記課題を解決するために、対象物に対して、相互に異なる波長を有する第１光、第２光及び第３光を相互に独立に照射可能な照明手段と、前記照明手段から照射された、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々の光路に配置された干渉対物レンズと、前記対象物を撮像可能な撮像手段とを備える白色干渉計測装置における白色干渉計測方法であって、前記第１光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像を含む第１干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第１無干渉画像、前記第２光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像を含む第２干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第２無干渉画像、及び前記第３光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像を含む第３干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第３無干渉画像を生成する無干渉画像生成工程と、前記生成された第１無干渉画像、前記生成された第２無干渉画像及び前記生成された第３無干渉画像から、第１カラー画像を生成する第１カラー画像生成工程とを備える。

本発明の第２の白色干渉計測方法によれば、当該第２の白色干渉計測方法は、対象物に対して、相互に異なる波長を夫々有する第１光、第２光及び第３光を相互に独立に照射可能な照明手段と、照明手段から照射された第１光、第２光及び第３光の各々の光路に配置された干渉対物レンズと、対象物を撮像可能な撮像手段とを備える白色干渉計測装置における白色干渉計測方法である。

無干渉画像生成工程において、第１光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像を含む第１干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第１無干渉画像、第２光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像を含む第２干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第２無干渉画像、及び第３光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像を含む第３干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第３無干渉画像が生成される。

尚、第１干渉画像群に含まれる一のモノクローム干渉画像、第２干渉画像群に含まれる一のモノクローム干渉画像及び第３干渉画像群に含まれる一のモノクローム干渉画像の各々は、干渉対物レンズ及び対象物間の距離が連続的に変更されながら撮像されてもよいし、干渉対物レンズ及び対象物間の距離が、ある距離に維持されたまま撮像されてもよい。

次に、第１カラー画像生成工程において、生成された第１無干渉画像、生成された第２無干渉画像及び生成された第３無干渉画像から、第１カラー画像が生成される。

本発明の第２の白色干渉計測方法によれば、典型的には、対象物の画像を一つの撮像素子によって撮像しているので、比較的短時間にして、カラー画像を生成することができ、実用上非常に有利である。

本発明の作用及びその他の利得は次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされよう。

以下、本発明の白色干渉計測装置に係る実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態＞
本発明の白色干渉計測装置に係る第１実施形態を、図１乃至図８を参照して説明する。

（白色干渉計測装置の構成）
先ず、本実施形態に係る白色干渉計測装置の全体構成について、図１を参照して説明する。ここに、図１は、本実施形態に係る白色干渉計測装置の構成を示すブロック図である。尚、図１における一点鎖線は、後述する光源１１０から出射された光Ｌの光路を示している。

図１において、白色干渉計測装置１は、干渉計測装置本体１００、コントローラ部２００、入力デバイス３１０及びカラーモニタ３２０を備えて構成されている。入力デバイス３１０は、コントローラ部２００を介して、干渉計測装置本体１００の操作や設定を可能とする部材であり、例えば、キーボード、マウス、コンソール、各種スイッチ等である。

干渉計測装置本体１００は、光源１１０、モノクロームＣＣＤカメラ１２０、干渉対物レンズ１３０、レンズ駆動機構１４０、コレクタレンズ１５０、ビームスプリッタ１６０及び結像レンズ１７０を備えて構成されている。ここに、本実施形態に係る「光源１１０」、「モノクロームＣＣＤカメラ１２０」及び「レンズ駆動機構１４０」は、夫々、本発明に係る「照明手段」、「撮像手段」及び「距離変更手段」の一例である。

光源１１０は、赤色光源１１１、緑色光源１１２及び青色光源１１３を備えて構成されている。干渉対物レンズ１３０は、レンズ１３１、ビームスプリッタ１３２及び参照面１３３を備えて構成されている。ここに、本実施形態に係る「赤色光源１１１」、「緑色光源１１２」及び「青色光源１１３」は、夫々、本発明に係る「第１光源」、「第２光源」及び「第３光源」の一例である。尚、干渉対物レンズ１３０は、マイケルソン型に限らず、例えばミラウ型等であってよい。

光源１１０から出射された光Ｌは、コレクタレンズ１５０及びビームスプリッタ１６０を介して、干渉対物レンズ１３０に入射する。該干渉対物レンズ１３０に入射した光は、レンズ１３１を透過した後に、ビームスプリッタ１３２により２つの光に分割される。分割された光のうち一方は対象物６００に到達して反射され、分割された光のうち他方は、例えばミラーである参照面１３３に到達して反射される。

対象物６００からの反射光及び参照面１３３からの参照光は、ビームスプリッタ１３２によって合成され、レンズ１３１、ビームスプリッタ１６０及び結像レンズ１７０を介して、モノクロームＣＣＤカメラ１２０に入射する。この際、ビームスプリッタ１３２及び対象物６００間の距離とビームスプリッタ１３２及び参照面１３３間の距離との差（即ち、光路差）に起因して干渉が生じる。

コントローラ部２００は、画像キャプチャブロック２１０、光源制御部２２０、駆動機構用ドライバ２３０、データ処理ブロック２４０、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２５０及び表示データ生成ブロック２６０を備えて構成されている。ここに、本実施形態に係る「データ処理ブロック２４０」及び「ＣＰＵ２５０」は、夫々、本発明に係る「高さ演算手段」、「高さ情報補正手段」及び「制御手段」の一例である。また、本実施形態に係る「表示データ生成ブロック２６０」は、本発明に係る「無干渉画像生成手段」、「第１カラー画像生成手段」及び「第２カラー画像生成手段」の一例である。

画像キャプチャブロック２１０は、モノクロームＣＣＤカメラ１２０によって撮像された画像を取り込む。光源制御部２２０は、対象物６００の撮像時に、赤色光、緑色光及び青色光の各々が、赤色光源１１１、緑色光源１１２及び青色光源１１３から所定の時間間隔で順次出射されるように、照明装置１１０を制御可能である。駆動機構用ドライバ２３０は、干渉対物レンズ１３０及び対象物６００間の距離を光軸に沿う軸（以下、適宜“Ｚ軸”と称する）に沿って変更するように、即ち、干渉対物レンズ１３０のＺ軸上の位置を変更するように、レンズ駆動機構１４０を制御可能である。

尚、本実施形態に係る「赤色光」、「緑色光」及び「青色光」は、夫々、本発明に係る「第１光」、「第２光」及び「第３光」の一例である。

データ処理ブロック２４０は、干渉対物レンズ１３０を介して撮像され、画像キャプチャブロック２１０に取り込まれた複数のモノクローム干渉画像に基づいて第２高さ情報を演算する。表示データ生成ブロック２６０は、画像キャプチャブロック２１０に取り込まれた複数のモノクローム干渉画像に基づいて干渉の影響が除去された無干渉画像を生成すると共に、該生成された無干渉画像からカラー画像を生成する。表示データ生成ブロック２６０は、更に、該生成されたカラー画像、及びデータ処理ブロック２４０により演算された高さ情報に基づいて、例えば３次元カラー画像を生成する。

ＣＰＵ２５０は、画像キャプチャブロック２１０、光源制御部２２０、駆動機構用ドライバ２３０、データ処理ブロック２４０及び表示データ生成ブロック２６０を統括する。

次に、以上のように構成された白色干渉計測装置１において実行される画像のカラー化処理について、図２、４及び６のフローチャートを参照して説明する。

（画像取り込み）
図２において、先ず、入力デバイス３１０を介して、ユーザによってＺスキャン範囲（即ち、干渉対物レンズ１３０を移動させる範囲）を示す情報が入力されると、ＣＰＵ２５０は、該入力された情報に基づいてＺスキャン範囲を決定する（ステップＳ１０１）。

具体的には例えば、ユーザは、対象物６００に対する焦点調節によりピント合わせを行った後に、ピントを合わせた位置を基準としたＺスキャン範囲を、入力デバイス３１０を介して入力する。尚、ピント合わせは、手動により行われてもよいし、自動により行われてもよい（即ち、当該白色干渉計測装置１がオートフォーカス機能を備えていてもよい）。

ＣＰＵ２５０は、入力されたＺスキャン範囲をそのままＺスキャン範囲として決定する。或いは、ＣＰＵ２５０は、入力されたＺスキャン範囲を含みつつ、干渉縞が生じない位置から始まり、干渉縞が生じない位置で終わるような範囲を、Ｚスキャン範囲として決定する。後者のように、Ｚスキャン範囲を決定することにより、高さ情報が欠落することを防止することができ、実用上非常に有利である。

次に、ＣＰＵ２５０は、上記ステップＳ１０１の処理において決定されたＺスキャン範囲の開始位置に干渉対物レンズ１３０を移動するように、駆動機構用ドライバ２３０を介してレンズ駆動機構１４０を制御する（ステップＳ１０２）。次に、ＣＰＵ２５０は、干渉対物レンズ１３０を等速で移動するように、駆動機構用ドライバ２３０を介してレンズ駆動機構１４０を制御する（ステップＳ１０３）。

続いて、ＣＰＵ２５０は、赤色光、緑色光及び青色光の各々を、例えば１／６０秒等の所定の時間間隔で順次照射するように、光源制御部２２０を介して照明装置１１０を制御すると共に、干渉対物レンズ１３０を介し、赤色光、緑色光及び青色光の各々の照射と同期してモノクローム干渉画像を複数撮像するように、画像キャプチャブロック２１０を介してモノクロームＣＣＤカメラ１２０を制御する。

即ち、ＣＰＵ２５０は、赤色光を照射するように、光源制御部２２０を介して照明装置１１０を制御する（ステップＳ１０４）。続いて、ＣＰＵ２５０は、赤色光が照射されている期間内に（即ち、赤色光の照射と同期して）モノクローム干渉画像を撮像するように、画像キャプチャブロック２１０を介してモノクロームＣＣＤカメラ１２０を制御する（ステップＳ１０５）。

次に、ＣＰＵ２５０は、緑色光を照射するように、光源制御部２２０を介して照明装置１１０を制御する（ステップＳ１０６）。続いて、ＣＰＵ２５０は、緑色光が照射されている期間内に（即ち、緑色光の照射と同期して）モノクローム干渉画像を撮像するように、画像キャプチャブロック２１０を介してモノクロームＣＣＤカメラ１２０を制御する（ステップＳ１０７）。

次に、ＣＰＵ２５０は、青色光を照射するように、光源制御部２２０を介して照明装置１１０を制御する（ステップＳ１０８）。続いて、ＣＰＵ２５０は、青色光が照射されている期間内に（即ち、青色光の照射と同期して）モノクローム干渉画像を撮像するように、画像キャプチャブロック２１０を介してモノクロームＣＣＤカメラ１２０を制御する（ステップＳ１０９）。

次に、ＣＰＵ２５０は、干渉対物レンズ１３０が、決定されたＺスキャン範囲の終了位置に到達したか否かを判定する（ステップＳ１１０）。到達していないと判定された場合（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、ＣＰＵ２５０は、ステップＳ１０４以下の処理を繰り返す。到達したと判定された場合（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ２５０は、図４におけるステップＳ１１１及びＳ１１２の処理を実行する。

尚、決定されたＺスキャン範囲の終了位置に到達したか否かは、例えば、干渉対物レンズ１３０の移動速度及びスキャン開始からの経過時間に基づいて判定すればよい。或いは、干渉対物レンズ１３０の移動時間及び撮像されたモノクローム干渉画像の枚数に基づいて判定すればよい。

ここで、上記ステップＳ１０４からステップＳ１０９までの処理が繰り返し実行されることによって撮像されたモノクローム干渉画像と、撮像位置との関係について、図３を参照して説明する。ここに、図３は、撮像されたモノクローム干渉画像と撮像位置との関係を示す概念図である。

本実施形態では、干渉対物レンズ１３０を等速で移動させながら、所定の時間間隔で、対象物６００に照射される光が切り替わると共に対象物６００の画像が撮像される。このため、撮像された画像は、図３に示すように、Ｚ軸上（即ち、高さ方向に沿う軸上）に、赤色光が照射されている期間内に撮像されたモノクローム干渉画像（以下、適宜“Ｒ干渉画像”と称する）、緑色光が照射されている期間内に撮像されたモノクローム干渉画像（以下、適宜“Ｇ干渉画像”と称する）、青色光が照射されている期間内に撮像されたモノクローム干渉画像（以下、適宜“Ｂ干渉画像”と称する）、Ｒ干渉画像、・・・と互いに所定間隔を隔てて並ぶこととなる。

尚、上述の如く、干渉対物レンズ１３０が連続的に移動しながら、対象物６００の画像が撮像されるので、撮像された画像の撮像位置（即ち、Ｚ軸上の座標）から撮像時刻を知ることができる。即ち、図３における「Ｚ軸」を、本発明に係る「時間軸」の一例とみなすことができる。

尚、本実施形態においては、干渉対物レンズと対象物の距離を連続的に変更しているため、１つのモノクローム干渉画像を撮像している間にもＺ軸上の座標が変化することになるが、距離の変化幅の中心値を当該モノクローム画像の撮像位置とみなすこととする。

（高さ情報演算）
次に、図４において、ＣＰＵ２５０は、撮像されたモノクローム干渉画像のうち一色の光の照射と同期して撮像された干渉画像群（即ち、Ｒ干渉画像群、Ｇ干渉画像群及びＢ干渉画像群のうちいずれか一つ）に基づいて、対象物６００の第１高さ情報を演算するように、データ処理ブロック２４０を制御する（ステップＳ１１１）。

具体的には、ＣＰＵ２５０は、先ず、Ｚ軸上に所定間隔を隔てて並ぶ複数のモノクローム干渉画像（図３参照）を、図５に示すように、Ｒ干渉画像群、Ｇ干渉画像群及びＢ干渉画像群に夫々分別するように、画像キャプチャブロック２１０を制御する。ここに、図５は、色毎に分別された干渉画像群を示す概念図である。尚、本実施形態に係る「Ｒ干渉画像群」、「Ｇ干渉画像群」及び「Ｂ干渉画像群」は、夫々、本発明に係る「第１干渉画像群」、「第２干渉画像群」及び「第３干渉画像群」の一例である。

続いて、ＣＰＵ２５０は、分別された干渉画像群のうちいずれか一つの干渉画像群（典型的には、Ｇ干渉画像群）に基づいて、対象物６００の第１高さ情報を演算するように、データ処理ブロック２４０を制御する。

ここで、第１高さ情報の演算について、図６を参照して詳細に説明する。ここに、図６は、撮像位置と光強度との関係の一例を示す概念図である。尚、図６右側の実線で示した波形は、Ｇ干渉画像上の点Ｐにおける光強度（ここでは、輝度）のＺ軸に対する変動を示したものである。

ＣＰＵ２５０は、先ず、Ｇ干渉画像群に基づいて、各ピクセルに夫々対応する撮像位置と光強度との関係を複数求めるように（即ち、図６右側の波形を全てのピクセルについて求めるように）、データ処理ブロック２４０を制御する。

次に、ＣＰＵ２５０は、求められた複数の関係の各々について、例えばヒルベルト変換等を用いて、エンベロープ（図６右側の点線）を演算するように、データ処理ブロック２４０を制御する。

次に、ＣＰＵ２５０は、演算されたエンベロープが最大値となる撮像位置（例えば、図６における矢印ａの位置）を特定するように、データ処理ブロック２４０を制御する。続いて、ＣＰＵ２５０は、特定された撮像位置を、１次高さ情報として、ここでは図示しないメモリに格納する。

次に、ＣＰＵ２５０は、格納された１次高さ情報に対応する撮像位置を含む前後連続した４枚以上のモノクローム干渉画像を用いて、格納された１次高さ情報により示される撮像位置の位相を演算するように、データ処理ブロック２４０を制御する。

続いて、ＣＰＵ２５０は、演算された位相がゼロとなるＺ軸上の位置を特定するように、データ処理ブロック２４０を制御する。続いて、ＣＰＵ２５０は、該特定されたＺ軸上の位置を、２次高さ情報として、ここでは図示しないメモリに格納する。

尚、ＣＰＵ２５０は、１次高さ情報及び２次高さ情報のうちいずれを第１高さ情報としてもよいが、本実施形態では、説明の便宜上、２次高さ情報を第１高さ情報とする。

格納された２次高さ情報により示される第１高さ情報を対象物６００の高さ情報とみなすこともできるが、位相飛びの発生を防止し、より精度の高い高さ情報を算出するために、ＣＰＵ２５０は、更に、第１高さ情報を補正するための以下の処理を実施するようにデータ処理ブロック２４０を制御してもよい（ステップＳ１１２）。

図７において、Ｇ干渉画像群に基づいて特定された１次高さ情報により示される撮像位置（図７における位置Ｚ１（図６において矢印ａにより示された位置に対応））の位相ｇ１が演算された後に、ＣＰＵ２５０は、位置Ｚ１に対応するＧ干渉画像と相隣接するＲ干渉画像及びＢ干渉画像各々の撮像位置における該Ｒ干渉画像及びＢ干渉画像各々の位相ｒ１及びｂ１を夫々演算するように、データ処理ブロック２４０を制御する。

ここに、図７は、本実施形態に係る第１高さ情報の補正方法の概念を示す概念図である。図７における実線は、図６のＧ干渉画像上の点Ｐの光強度のＺ軸に対する変動を示しており、一点鎖線及び点線の各々は、該点Ｐに夫々対応するＲ干渉画像上の点及びＢ干渉画像上の点各々の光強度のＺ軸に対する変動を示している。

尚、本実施形態に係る「位置Ｚ１に対応するＧ干渉画像と相隣接するＲ干渉画像に対応する撮像位置における位相ｒ１」及び「位置Ｚ１に対応するＧ干渉画像と相隣接するＢ干渉画像に対応する撮像位置における位相ｂ１」は、本発明に係る「高さ補正情報」の一例である。

次に、ＣＰＵ２５０は、演算された位相ｒ１及びｂ１から、位置Ｚ１におけるＲ干渉画像データの位相ｒ２及びＢ干渉画像データの位相ｂ２を夫々演算するように、データ処理ブロック２４０を制御する。続いて、ＣＰＵ２５０は、例えば、式（φ_Ｒ＋２πｍ_Ｒ）λ_Ｒ／２π＝（φ_Ｇ＋２πｍ_Ｇ）λ_Ｇ／２π-＝（φ_Ｂ＋２πｍ_Ｂ）λ_Ｂ／２πを解くように、データ処理ブロック２４０を制御する。ここで、φ_Ｒ、φ_Ｇ及びφ_Ｂは、夫々、位相ｒ２、ｇ１及びｂ２を示しており、ｍ_Ｒ、ｍ_Ｇ及びｍ_Ｂは、夫々、赤色光、緑色光及び青色光各々の縞次数を示しており、λ_Ｒ、λ_Ｇ及びλ_Ｂは、夫々、赤色光、緑色光及び青色光各々の干渉波の波長（即ち、赤色光、緑色光及び青色光各々の波長の半分の波長）を示している。

次に、ＣＰＵ２５０は、上記式を解いて求められた縞次数ｍ_Ｒ、ｍ_Ｇ及びｍ_Ｂから第２高さ情報、即ち合焦位置（図７における位置Ｚ０）を演算するように、データ処理ブロック２４０を制御する。続いて、ＣＰＵ２５０は、該演算された合焦位置を、ここでは図示しないメモリに格納する。

（カラー画像生成）
次に、図８において、ＣＰＵ２５０は、Ｒ干渉画像群に基づいて、干渉の影響が除去されたＲ無干渉画像を生成するように、表示データ生成ブロック２６０を制御する（ステップＳ１１３）。続いて、ＣＰＵ２５０は、Ｇ干渉画像群に基づいて、干渉の影響が除去されたＧ無干渉画像を生成するように、表示データ生成ブロック２６０を制御する（ステップＳ１１４）。続いて、ＣＰＵ２５０は、Ｂ干渉画像群に基づいて、干渉の影響が除去されたＢ無干渉画像を生成するように、表示データ生成ブロック２６０を制御する（ステップＳ１１５）。

尚、本実施形態に係る「Ｒ無干渉画像」、「Ｇ無干渉画像」及び「Ｂ無干渉画像」は、夫々、本発明に係る「第１無干渉画像」、「第２無干渉画像」及び「第３無干渉画像」の一例である。

ここで、干渉の影響を除去する方法について、具体的に説明する。ＣＰＵ２５０は、先ず、例えばＧ干渉画像群に基づいて、各ピクセルに夫々対応する撮像位置と光強度との関係を複数求めるように（即ち、図６右側の波形を全てのピクセルについて求めるように）、表示データブロック２６０を制御する。尚、撮像位置と光強度との関係は、上述の高さ情報演算処理において求められたものを、例えばメモリ等に格納し、該格納された撮像位置と光強度との関係を用いてもよい。

次に、ＣＰＵ２５０は、求められた撮像位置と光強度との関係の平均曲線（図６右側における一点鎖線）を演算するように、表示データブロック２６０を制御する。尚、平均曲線は、例えば、撮像位置と光強度との関係を構成する実データを、一次式や低次（例えば４次等）の多項式等を用いてフィッティングすることによって求められる。

次に、ＣＰＵ２５０は、演算された平均曲線における、上述の高さ情報演算処理において特定された合焦位置に対応する光強度を求めるように、表示データブロック２６０を制御する。尚、特定された合焦位置は撮像位置と必ずしも一致しないので、本実施形態のように、平均曲線を用いることによって、モノクローム干渉画像が撮像されていない位置における光強度を求めることができ、実用上非常に有利である。

ＣＰＵ２５０が、上記処理を、Ｇ干渉画像の全てのピクセルについて実施することによって、干渉の影響が除去されたＧ無干渉画像が生成される。ＣＰＵ２５０は、同様の処理を、Ｒ干渉画像群及びＢ干渉画像群について実施することによって、Ｒ無干渉画像及びＢ無干渉画像が生成される。

続いて、ＣＰＵ２５０は、Ｒ無干渉画像、Ｇ無干渉画像及びＢ無干渉画像から、本発明に係る「第１カラー画像」の一例としてのカラー画像を生成するように、表示データブロック２６０を制御する（ステップＳ１１６）。尚、生成されたカラー画像は、各ピクセルで焦点が合っているので、「全焦点画像」とも呼ばれる。

次に、ＣＰＵ２５０は、必要に応じて、生成されたカラー画像を補正するように、表示データブロック２６０を制御する（ステップＳ１１７）。生成されたカラー画像を補正するか否かは、例えばユーザが、モニタ３２０に表示された画像を見て判断される。尚、生成されたカラー画像を補正する際は、ＲＧＢ画像のまま各色を補正してもよいし、例えばＨＳＬ（色相（Ｈｕｅ）、彩度（Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）、明度（Ｌｉｇｈｔｎｅｓｓ））等の他の色空間に変換してから補正してもよい。

次に、ＣＰＵ２５０は、データ処理ブロック２４０により演算された高さ情報と、表示データブロック２６０により生成されたカラー画像とを合成するように、表示データブロック２６０を制御する（ステップＳ１１８）。

尚、高さの別に応じて着色する（例えば濃淡、彩度、色彩等を変更する）などの既存の画像処理技術を本実施形態に組み合わせて、このカラーの観察用画像上で更なる着色を施すことも可能である。

＜変形例＞
次に、本実施形態に係る白色干渉計測装置の変形例について説明する。変形例では、上述のステップＳ１１３乃至ステップＳ１１５の処理において、ＣＰＵ２５０は、平均曲線に代えて、図６に点線で示したエンベロープに基づいて、干渉の影響が除去されたＲ無干渉画像、Ｇ無干渉画像及びＢ無干渉画像を生成するように、表示データブロック２６０を制御する。

具体的には、ＣＰＵ２５０は、求められた撮像位置と光強度との関係のエンベロープを演算するように、表示データブロック２６０を制御する。尚、エンベロープは、上述の高さ情報演算処理において演算されたものを、例えばメモリ等に格納し、該格納されたエンベロープを用いてもよい。

続いて、ＣＰＵ２５０は、演算されたエンベロープの合焦位置の光強度を求めるように、表示データブロック２６０を制御する。ＣＰＵ２５０が、同様の処理を、全ての干渉画像群について実施することによって、Ｒ無干渉画像、Ｇ無干渉画像及びＢ無干渉画像が生成される。

エンベロープは、対象物６００の表面からの反射光の光強度を示している。このため、背景の色の影響を受けることなく、対象物６００の表面の色を観察することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の白色干渉計測装置に係る第２実施形態を、図９及び図１０を参照して説明する。第２実施形態では、明視野レンズ、並びに該明視野レンズ及び干渉対物レンズを相互に切り換え可能なレボルバを備える以外は、第１実施形態と同様である。よって、第２実施形態について、第１実施形態と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図９及び図１０を参照して説明する。ここに、図９は、本実施形態に係る白色干渉計測装置のブロック図であり、図１０は、本実施形態に係るカラー画像生成処理を示す概念図である。

図９において、白色干渉計測装置２は、明視野レンズ４００、及び本発明に係る「レンズ切替手段」の一例であるレボルバ５００を備えて構成されている。

対象物６００に対する焦点調節によりピント合わせを行う場合、先ず、コントローラ部２００により明視野レンズ４００に切り替えるようにレボルバ５００が制御されることによって、或いは、ユーザが手動でレボルバ５００を回転させることによって、干渉対物レンズ１３０から明視野レンズ４００に切り替えられる。

次に、ＣＰＵ２５０は、赤色光、緑色光及び青色光の各々を所定の時間間隔で順次照射するように、光源制御部２２０を介して照明装置１１０を制御すると共に、明視野レンズ４００を介し、赤色光、緑色光及び青色光の各々の照射と同期して画像を撮像するように、画像キャプチャブロック２１０を介してモノクロームＣＣＤカメラ１２０を制御する。

続いて、ＣＰＵ２５０は、赤色光と同期して撮像されたモノクローム画像（以下、適宜“Ｒ画像”と称する）、緑色光と同期して撮像されたモノクローム画像（以下、適宜“Ｇ画像”と称する）、及び青色光と同期して撮像されたモノクローム画像（以下、適宜“Ｂ画像”と称する）から、本発明に係る「第２カラー画像」の一例としてのカラー画像を生成するように、表示データブロック２６０を制御する。

尚、本実施形態に係る「Ｒ画像」、「Ｇ画像」及び「Ｂ画像」は、夫々、本発明に係る「第１モノクローム画像」、「第２モノクローム画像」及び「第３モノクローム画像」の一例である。

明視野レンズ４００を介して対象物を撮像する場合、典型的には、対象物６００と明視野レンズ４００との間の距離は変更されない。このため、撮像された画像の位置合わせ（即ち、高さ合わせ）を行う必要がないので、ＣＰＵ２５０は、図１０に示すように、Ｒ画像、Ｇ画像及びＢ画像の３枚の画像が撮像された時点で、該撮像された３枚の画像に基づいてカラー画像を生成するように、表示データブロック２６０を制御する。この結果、リアルタイムでカラー画像を、モニタ３２０に表示することが可能となる。

尚、Ｒ画像、Ｇ画像及びＢ画像から生成されたカラー画像も、必要に応じて補正されてよい。この場合も、第１実施形態と同様に、ＲＧＢ画像のまま各色を補正してもよいし、例えばＨＳＬ等の他の色空間に変換してから補正してもよい。

尚、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う白色干渉計測装置及び方法もまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

第１実施形態に係る白色干渉計測装置の構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る画像のカラー化処理を示すフローチャートである。 撮像されたモノクローム干渉画像と撮像位置との関係を示す概念図である。 第１実施形態に係る画像のカラー化処理を示すフローチャートである。 色毎に分別された干渉画像群を示す概念図である。 撮像位置と光強度との関係の一例を示す概念図である。 第１実施形態に係る第２高さ情報の算出方法の概念を示す概念図である。 第１実施形態に係る画像のカラー化処理を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る白色干渉計測装置のブロック図である。 第２実施形態に係るカラー画像生成処理を示す概念図である。

符号の説明

１、２…白色干渉計測装置、１００…干渉計測装置本体、１１０…照明装置、１１１…赤色光源、１１２…緑色光源、１１３…青色光源、１２０…モノクロームＣＣＤカメラ、１３０…干渉対物レンズ、１４０…レンズ駆動機構、２００…コントローラ部、２１０…画像キャプチャブロック、２２０…光源制御部、２３０…駆動機構用ドライバ、２４０…データ処理ブロック、２５０…ＣＰＵ、２６０…表示データ生成ブロック、３１０…入力デバイス、３２０…カラーモニタ

Claims (11)

1. 対象物に対して、相互に異なる波長を夫々有する第１光、第２光及び第３光を相互に独立に照射可能な照明手段と、
   前記照明手段から照射された、前記第1光、前記第２光及び前記第３光の各々の光路に配置された干渉対物レンズと、
   前記対象物を撮像可能な撮像手段と、
   前記対象物及び前記干渉対物レンズ間の距離を変更可能な距離変更手段と、
   前記距離を連続的に変更するように前記距離変更手段を制御しつつ、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々を、所定の時間間隔で順次照射するように前記照明手段を制御すると共に、前記干渉対物レンズを介し、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々の照射と同期して前記対象物のモノクローム干渉画像を複数撮像するように前記撮像手段を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする白色干渉計測装置。
2. 前記撮像手段は、モノクロームＣＣＤを含むことを特徴とする請求項１に記載の白色干渉計測装置。
3. 前記撮像された複数のモノクローム干渉画像のうち、前記第１光、前記第２光及び前記第３光のうちいずれか一光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像に基づいて、前記対象物の高さ情報である第１高さ情報を演算する高さ演算手段を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の白色干渉計測装置。
4. 前記高さ演算手段は、前記撮像された複数のモノクローム干渉画像のうち、前記第１光、前記第２光及び前記第３光のうち前記一光を除く他の二つの光の各々の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像に基づいて、高さ補正情報を演算し、前記演算された第１高さ情報を、前記演算された高さ補正情報により補正することによって、第２高さ情報を演算する高さ情報補正手段を含むことを特徴とする請求項３に記載の白色干渉計測装置。
5. 前記撮像された複数のモノクローム干渉画像は、前記第１光の照射と同期して撮像された第１干渉画像群、前記第２光の照射と同期して撮像された第２干渉画像群、及び前記第３光の照射と同期して撮像された第３干渉画像群を含み、
   当該白色干渉計測装置は、
   前記第１干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第１無干渉画像、前記第２干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第２無干渉画像、及び前記第３干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第３無干渉画像を生成する無干渉画像生成手段と、
   前記生成された第１無干渉画像、前記生成された第２無干渉画像及び前記生成された第３無干渉画像から、第１カラー画像を生成する第１カラー画像生成手段と
   を更に備える
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の白色干渉計測装置。
6. 前記無干渉画像生成手段は、前記第１干渉画像群、前記第２干渉画像群及び前記第３干渉画像群の各々におけるピクセル毎の光強度の変動データに基づいて、前記光強度の平均曲線を演算することにより、前記第１無干渉画像、前記第２無干渉画像及び前記第３無干渉画像を生成することを特徴とする請求項５に記載の白色干渉計測装置。
7. 前記無干渉画像生成手段は、前記第１干渉画像群、前記第２干渉画像群及び前記第３干渉画像群の各々におけるピクセル毎の光強度の変動データに基づいて、前記光強度の振幅を演算することにより、前記第１無干渉画像、前記第２無干渉画像及び前記第３無干渉画像を生成することを特徴とする請求項５に記載の白色干渉計測装置。
8. 前記照明手段は、
   前記第１光を照射可能な第１光源と、
   前記第２光を照射可能な第２光源と、
   前記第３光を照射可能な第３光源と
   を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の白色干渉計測装置。
9. 明視野レンズと、
   前記干渉対物レンズ及び前記明視野レンズを相互に切り替え可能なレンズ切替手段と
   を更に備え、
   前記制御手段は、前記干渉対物レンズから前記明視野レンズに切り替えるように前記レンズ切替手段を制御した後に、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々を、所定の時間間隔で順次照射するように前記照明手段を制御すると共に、前記明視野レンズを介し、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々の照射と同期して前記対象物のモノクローム画像を複数撮像するように前記撮像手段を制御し、
   前記撮像された複数のモノクローム画像は、前記第１光の照射と同期して撮像された第１モノクローム画像、前記第２光の照射と同期して撮像された第２モノクローム画像、及び前記第３光の照射と同期して撮像された第３モノクローム画像を含み、
   当該白色干渉計測装置は、前記第１モノクローム画像、前記第２モノクローム画像及び前記第３モノクローム画像から、第２カラー画像を生成する第２カラー画像生成手段を更に備える
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の白色干渉計測装置。
10. 対象物に対して、相互に異なる波長を夫々有する第１光、第２光及び第３光を相互に独立に照射可能な照明手段と、前記照明手段から照射された、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々の光路に配置された干渉対物レンズと、前記対象物を撮像可能な撮像手段と、前記対象物及び前記干渉対物レンズ間の距離を変更可能な距離変更手段と距離を備える白色干渉計測装置における白色干渉計測方法であって、
    前記距離を連続的に変更するように前記距離変更手段を制御しつつ、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々を、所定の時間間隔で順次照射するように前記照明手段を制御すると共に、前記干渉対物レンズを介し、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々の照射と同期して前記対象物のモノクローム干渉画像を複数撮像するように前記撮像手段を制御する距離制御工程を備えることを特徴とする白色干渉計測方法。
11. 対象物に対して、相互に異なる波長を有する第１光、第２光及び第３光を相互に独立に照射可能な照明手段と、前記照明手段から照射された、前記第１光、前記第２光及び前記第３光の各々の光路に配置された干渉対物レンズと、前記対象物を撮像可能な撮像手段とを備える白色干渉計測装置における白色干渉計測方法であって、
    前記第１光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像を含む第１干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第１無干渉画像、前記第２光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像を含む第２干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第２無干渉画像、及び前記第３光の照射と同期して撮像された複数のモノクローム干渉画像を含む第３干渉画像群に基づいて干渉の影響が除去された第３無干渉画像を生成する無干渉画像生成工程と、
    前記生成された第１無干渉画像、前記生成された第２無干渉画像及び前記生成された第３無干渉画像から、第１カラー画像を生成する第１カラー画像生成工程と
    を備えることを特徴とする白色干渉計測方法。

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