JP6077287B2 - 光学顕微鏡及びパターン投影計測方法 - Google Patents

Description

本発明は光学顕微鏡に関し、より詳しくは広い観察倍率レンジに対応可能なパターン投影計測機能を備えた光学顕微鏡に関する。

光学顕微鏡は特許文献１、２などに見られるように電子化に伴って進化し続けている。特に特許文献２は、暗室を必要とせず、日常業務を行うデスクの上に置いて対象物を観察できる倒立型顕微鏡を提案している。

光学顕微鏡は、周知のように、光学系の配置によって正立型と倒立型とに大別される。正立型顕微鏡は、ステージの下方に配置した光源から照明光を、上方に位置するステージ上の対象物に向けて照射し、そして、ステージの上方に配置した対物レンズ（受光部）で受光する構成が採用されている。

他方、倒立型顕微鏡は、ステージの上方に配置した光源から照明光を下方に位置するステージ上の対象物に向けて照射し、そして、ステージの下方に配置した対物レンズ(受光部)で受光する構成が採用されている。

正立型、倒立型のいずれであっても近時の光学顕微鏡は受光部に画像素子を備えたカメラを有し、カメラで撮影した画像をモニタで表示するのが定番になっている。なお、人間の目を通して対象物を観察するための接眼レンズは受光部の光学系の途中に組み込まれるが、特許文献１、２に見られるように接眼レンズ無しの光学顕微鏡も出現し、この種の光学顕微鏡はデジタルマイクロスコープとも呼ばれている。デジタルマイクロスコープは被写界深度が深いという利点を備えている。

ところで、特許文献３に見られるように、パターン投影を使った計測装置が知られている。このパターン投影計測は、原理的には、対象物に対して斜めにパターン光（この特許文献３ではスリット光）を投光し、その反射光をカメラで受光して、三角測距の原理を使って対象物の三次元形状を計測するものである。

従来のパターン投影計測装置は一般的に単一倍率を前提に設計されている。具体的に説明すると、メーカーは、投光及び受光の光学倍率を整合させたセットとしてラインアップする体制をとっており、このことから、ユーザはメーカーがラインアップしている倍率のセットの中から所望のセットを選択しているのが実情である。

一般的に、計測精度を高めるには観察倍率と投光倍率とを光学的に例えば１：１というように一定の対をなす関係で設計するのが望ましいと認識されており、この設計指針に基づいてメーカーは投光及び受光の光学倍率を整合させたセットを設計している。

特開２００８−１６４６４２号公報 特開２０１２−１８８１８号公報 特開２００３−２１４８２４号公報

光学顕微鏡は受光素子（撮像素子）の進化に伴って高度な解像度を実現しており、観察から計測、解析、記録、管理、出力の一連のコンピュータ処理が可能なため産業界において例えば電子部品の検査、分析に用いられている。光学顕微鏡は光学ズーム機能、例えばレボルバー対物レンズのような交換式対物レンズを備え、目的に対応した観察倍率を自在に選択できるのが一つの特徴である。

この光学顕微鏡に三次元形状を計測する機能を付加する試みが行われている。光学顕微鏡が三次元形状を計測する機能を備えることにより、３Ｄ（三次元）画像を作成してこれをディスプレイ表示する、任意のラインの高さプロファイルデータを測定する、測定ライン上の高さ、幅、凹凸などをグラフ表示することができるだけでなく、高さ、幅、面積、表面粗さなどの計測が可能となる。

三次元形状を計測できる光学顕微鏡、特にパターン投影計測機能を備えた光学顕微鏡を開発するに当たって、日常業務を行うデスクの上に置いて使用可能な顕微鏡にターゲットを絞り込んだときに、必要最小限の大型化に留める努力が求められる。

パターン投影計測は、前述したように三角測距の原理を使うことから、対象物に対して斜めにパターン光を投光する投光レンズが必要となるが、従来のパターン投影計測装置の基本的な考え方を導入したときには、受光部の倍率変更に伴って投光レンズの倍率を変更する必要があるため、自在な観察倍率の変更という光学顕微鏡本来の利便性が損なわれる。

本発明の目的は、光学顕微鏡の持つ自在な観察倍率の変更という利便性を維持しつつパターン投影計測が可能な光学顕微鏡及びパターン投影計測方法を提供することにある。

本発明の更なる目的は、光学顕微鏡の持つ自在な観察倍率の変更という利便性を維持しつつ高さ計測の精度を確保できる光学顕微鏡及びパターン投影計測方法を提供することにある。

本発明は、観察倍率と投光倍率とを光学的に対をなす関係で設計するという従来の考え方そのものに対して検討を加えた結果案出するに至ったものである。すなわち、観察倍率と投光倍率とを光学的に対をなす関係で設計するという従来の設計指針に従う限り、観察倍率の変更に伴って投光倍率を変更できる機構を付加する必要があり、光学顕微鏡の大型化及び機構の複雑化を回避するのが難しい。

本発明は、光学系の設計において観察倍率（受光倍率）と投光倍率とを切り離したことを第１の特徴とする。すなわち、本発明は投光レンズを定倍率で固定し、観察倍率（受光倍率）の変更の有無を問わず対象物に対して常に定倍率の投影パターンを当てることを第１の特徴とする。換言すると、本発明は、観察倍率の切り替えが可能な光学顕微鏡において、複数の観察倍率に対して、可変光学系を有さない投影パターン照明光学系を備えていることを第１の特徴とする。

本発明の第２の特徴は、パターン光を生成するのに二次元アレイを使用し、投光部の光源つまり計測光源からの光を二次元アレイを透過させる又は二次元アレイで反射させることにより生成したパターンを定倍率の投光レンズを通じて対象物に当てることにある。本発明の好ましい態様として、投光レンズとして両側テレセントリックレンズが採用される。両側テレセントリックレンズを採用することにより対象物に対して斜めに光を照射してもパターン投影領域を矩形にすることができる。ここに受光基本画像とは対象物が存在していない時に受光した画像を意味している。

投光倍率として例えば１倍というように定倍率にした場合、観察倍率（受光倍率）として例えばズーム倍率が高くなると、受光するパターンの最小パターン幅が拡大して高さ寸法の計測精度が低下する傾向になる。これに対処するために、本発明では第３の特徴として、ステージ上に投影するパターンを微小量でシフトする微小変位駆動機構を投光部又はパターン生成部に設置したことを特徴とする。

すなわち、パターン生成部の画素ピッチよりも小さなピッチで投影パターンを微小変位駆動機構によってシフトさせることにより、高い受光倍率を設定したときの最小パターン幅の拡大を抑えることが可能となる。パターン投影計測において、位相を変化させて投影した複数のパターンを撮像して取得された画像の各画素の位相演算を行うことにより三次元計測を行う場合、投影パターンの位相変化の細かさは、パターン生成部の画素ピッチにより制限される。受光側に可変倍率光学系を用い、投光側に定倍率光学系を用いた場合、受光側の倍率が高倍率になるほど、パターン生成部が投影する投影パターンを変化させると実際に撮像される投影パターンが大きく変化することになる。つまり、高倍率になればなるほど、撮像される投影パターンの位相を細かく変化させることが困難になるため、隣り合う画素間での位相ピークの区別が困難になり、誤差が発生しやすくなる。投影パターンの位相を細かく変化させることにより、隣り合う画素間の輝度の違いが強調され、高倍率であっても位相演算の精度を高めることができる。パターン生成部により生成される投影パターンを微小変位駆動機構によりシフトさせることにより、パターン生成部の画素ピッチよりも小さなピッチで投影パターンをシフトさせることが可能になり、高倍率の場合であっても、高い測定精度を維持することが可能になる。これは、従来は測定が不可能であった高倍率の測定が可能になることも意味する。

本発明によれば、受光部の受光倍率として高倍率が設定されたときに微小送り手段を動作させることになるが、微小送り手段を動作させる倍率として、例えば２倍とか３倍というように所定の倍率を予め設定し、これを越えた受光高倍率のときには、受光倍率を検知して微小変位駆動機構を駆動させる制御手段を設けるのが好ましい。

勿論、最小パターン内に２画素以上の複数画素が含まれる場合、推定位相ピークが近い隣接画素の数が多くなり、その結果、画像順番ごとの輝度変化が小さくなる。その結果、比較的近い位相ピークが推定されてしまう可能性が大きくなる。このことは高さ結果に縦筋の系統誤差が発生し易くなることを意味する。これを回避するために、画像処理において、受光倍率によって系統誤差除去フィルタ（例えば水平ガウシアンフィルタ）のパラメータを受光倍率に応じて変更する処理を加えるのがよい。すなわち、隣り合う受光画素における画像順番ごとの輝度変化が大きくなるため、うねり幅が結果的に変化する。これを除去するためにフィルタの水平方向のかかり方、例えばガウシアンの幅と標準偏差を受光倍率が高くなるに従って大きく変更するのがよい。したがって、受光倍率（観察倍率）の高い低いに関係なく、どの倍率であったとしても上述した微小駆動機構を動作させることによって高さ測定結果の高精細化および精度を向上できるという利点がある。

ただし、受光倍率（観察倍率）の高い低いに関係なく微小変位駆動機構を動作させると、画像取得時間つまり測定時間が２倍、３倍・・と増大することから、実用上問題が発生しない範囲で受光倍率(観察倍率)の高い低いに応じて微小変位駆動機構のON/OFFを切り替えることで測定時間を短縮できる。

微小変位駆動機構による微小送り量は、パターン生成部の１画素の寸法よりも小さいピッチである。この微小送り量は所定値であってもよいし、受光倍率の高さに対応して微小送り量を可変にしてもよい。具体的には、受光倍率が高くなるに従って小さな値となる微小送り量を設定すればよい。そして、この微小送り量は、受光倍率が高くなるに従って段階的に小さな値の微小送り量を設定してもよいし、受光倍率が高くなるに従ってリニアに小さな値となる微小送り量を設定してもよい。そして、この微小送り量を可変にすると共に移動回数も増減させるのがよい。例えばパターン生成部の１画素寸法の1/2ピッチの場合、送りは１回で画像取得が２セット（送りなし、1/2送り）に設定するのがよい。観察倍率(受光倍率)が増加して微小送り量のピッチが画素寸法の1/3ピッチとなった場合は、送りは２回で画像取得が３セット（送りなし、1/3送り、2/3送り）に設定するのがよい。

本発明の他の目的及び作用効果は、本発明の実施例の詳細な説明から明らかになろう。

本発明の一実施の形態に係る光学顕微鏡の構成を示すブロック図である。 図１の光学顕微鏡の測定部の構成を示す模式図である。 光が照射された状態の測定対象物の模式図である。 光が照射された状態の測定対象物の模式図である。 画像を２画面表示するＧＵＩの一例を示す図である。 三角測距方式の原理を説明するための図である。 測定光の第１のパターンを説明するための図である。 測定光の第２のパターンを説明するための図である。 測定光の第３のパターンを説明するための図である。 測定対象物の特定の部分における画素データ(受光された光の強度)と画素データが得られた画像の順番(何番目か)の関係を示す図である。 測定光の第４のパターンを説明するための図である。 高倍率の受光倍率（観察倍率）が選択されたときに、ステージ上の投影パターンを微小量シフトさせて撮影する微小変位制御の具体的な一例を説明するためのフローチャートである。 第２実施例の光学顕微鏡の概念構成図である。 投光部にテレセントリックレンズを採用した場合の作用効果を説明するための図である。 第２実施例の光学顕微鏡において低倍率の第１受光部と高倍率の第２受光部との組み合わせと処理によって広い倍率レンジを実現可能であることを説明するための図である。 相対的に低倍率の観察領域（観察視野）と、相対的に高倍率の観察領域（観察視野）を示し、高倍率の観察画像上での最小パターン幅が相対的に太くなることを説明するための図である。 微小変位機構の構成の一例を説明するための図である。 第３実施例の光学顕微鏡の概念構成図であり、（Ｉ）は正面図、（ＩＩ）は側面図である。 第４実施例の光学顕微鏡の概念構成図である。 第５実施例の光学顕微鏡の概念構成図である。 第６実施例の光学顕微鏡の概念構成図である。 第７実施例の光学顕微鏡の概念構成図である。 第８実施例の光学顕微鏡の概念構成図である。

第１実施例（図１〜図１２）：
本発明を適用した第１実施例の光学顕微鏡を説明する。図１は、第１実施例の光学顕微鏡５００の構成を示すブロック図である。図２は、図１の光学顕微鏡５００の測定部の構成を示す模式図である。図１、図２を参照して、光学顕微鏡５００は、測定部１００、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）２００、制御部３００および表示部（モニタ）４００を備えている（図１）。

測定部１００は、投光部１１０、受光部１２０、照明光出力部１３０、ステージ１４０および制御基板１５０を含む。投光部１１０は、測定光源１１１、パターン生成部１１２および複数のレンズ１１３、１１４、１１５を含む。受光部１２０は、カメラ１２１および複数のレンズ１２２、１２３を含む。ステージ１４０上に測定対象物Ｓが載置される。

投光部１１０は、ステージ１４０の斜め上方に配置された投光ユニットで構成されている。投光部１１０は測定対象物Ｓの表面に対して斜めに光を照射する。測定部１００は、複数の投光部１１０を含んでもよい。図２の例においては、測定部１００は２つの投光部１１０を含む。以下、２つの投光部１１０を区別する場合は、一方の投光部１１０を第１の投光部１１０Ａと呼び、他方の投光部１１０を第２の投光部１１０Ｂと呼ぶ。一対の第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂは受光部１２０の光軸を挟んで鏡像対称に配置される。受光部１２０の光軸に対して投光部１１０からの光が斜めに照射されるため凹凸を含む立体形状の測定対象物Ｓに影が発生する。これに対して一対の第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂを鏡像対称に配置することで、この影の発生を抑えることができる。

第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの測定光源１１１は典型的には白色光を出射するハロゲンランプで構成される。測定光源１１１として、白色光を出射する白色ＬＥＤ（発光ダイオード）等の他の光源であってもよい。測定光源１１１から出射された光（以下、測定光と呼ぶ）は集光レンズ１１３により適切に集光された後、パターン生成部１１２に入射する。ここに、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂは定倍率の光学系で構成され、その典型例として両側テレセントリックレンズ１１４、１１５を挙げることができる。両側テレセントリックレンズ１１４、１１５で投光部１１０を構成することにより高い計測精度を確保することができる。すなわち、テレセントリック光学系１１４、１１５は、レンズと対象物Ｓとの距離に左右されることなくパターンの結像サイズが一定であるため、立体である対象物Ｓの表面高さが一定でない場合（例えば凹凸面）であってもパターン寸法が変化しないため、高い精度で計測することができる。

パターン生成部１１２は、二次元アレイを構成するための好ましくはＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）が採用される。ここにＤＭＤは表示素子の一種であり、数μm角のマイクロミラーが画素のように数十万個配置されており、各マイクロミラーが独立して傾きを変えることができる。この特性により、マイクロミラーの向きによって光を光軸方向に反射させたり（明／ＯＮ）、光軸から外に偏向させることができる（暗／ＯＦＦ）。このマイクロミラーは最大で数kHzの高速でＯＮ/ＯＦＦを切り替えることができるため、明るさの階調はＰＷＭ制御によって調整することができる。パターン生成部１１２によって生成される照明パターンは縞パターン（図９：マルチスリット法）だけでなく任意の二次元パターンを生成することができる。二次元パターンを例示的に列挙すると、バイナリパターン、スリットパターン、正弦波パターン、ドットパターン、チェッカーパターン、二次元コードパターンを挙げることができる。

パターン生成部１１２は、図２に図示の実施例では透過によって二次元パターンを生成する構成を採用したが、変形例として、反射によって二次元パターンを生成してもよい。

パターン生成部１１２は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon：反射型液晶素子)またはマスクで構成してもよい。パターン生成部１１２に入射した測定光は、予め設定されたパターンおよび予め設定された強度（明るさ）に変換されて対象物Ｓに向けて投光される。パターン生成部１１２により出射された測定光は、上述したように定倍率の投光レンズとして採用した両側テレセントリック光学系を構成する複数のレンズ１１４、１１５により受光部１２０の観察及び測定が可能な視野よりも大きい径を有する光に変換された後、ステージ１４０上の測定対象物Ｓに投光される。

受光部１２０は、カメラ１２１と受光レンズ１２２、１２３とで構成され、ステージ１４０の上方に配置される。測定対象物Ｓにより反射した光は、ステージ１４０の上方に進み、受光部１２０の複数のレンズ１２２、１２３により集光及び結像され、そしてこの反射光はカメラ１２１によって受光される。

カメラ１２１は撮像素子（受光素子）１２１ａおよびレンズを含むカメラで構成される。実施例ではズームレンズを採用して広範な倍率で使用できるようにしてあるが、精度を優先して倍率の異なるテレセントリック光学系の受光レンズを複数組用意して使い分けるようにしてもよい。撮像素子１２１ａは、好ましくはモノクロの例えばＣＣＤ（電荷結合素子）で構成される。撮像素子１２１ａとしてＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の他の撮像素子を採用してもよい。撮像素子１２１ａの各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ）が制御基板１５０に出力される。

ステージ１４０上の対象物Ｓでの投光パターンを受け取る時に、最小の観察倍率（受光倍率）のときの観察画像上での最小パターン幅に少なくとも１画素、好ましくは複数の画素が含まれる解像度を撮像素子つまり受光素子１２１ａが有している。カメラ１２１がズーム機構を備えているときにはその最小倍率でパターンを受け取る時に最小パターン幅に、少なくとも一つの画素、好ましくは複数の画素が含まれる解像度のカメラ１２１が採用されている。

換言すれば、最小倍率のときの最小パターン幅に少なくとも一つの受光画素、好ましくは複数の受光画素が収まるような最小倍率を受光レンズで設定すればよく、又は受光レンズの最小倍率において最小パターン幅に少なくとも一つの受光画素、好ましくは複数の受光画素が収まるように投光レンズの倍率を設定すればよい。

カラーの撮像素子を採用した場合、各画素を赤色用、緑色用、青色用の受光に対応させる必要があるため、モノクロの撮像素子と比較すると計測分解能が低く、また各画素にカラーフィルタを設ける必要があるため感度が低下する。これに対して、モノクロの撮像素子１２１ａを採用し、後述する照明光出力部１３０からＲＧＢの各ＬＥＤ光源に夫々対応した照明を時分割で照射（シーケンシャル照射）して撮像することにより、カラー画像を取得することができる。このような構成にすることにより、計測精度を低下させずに測定物の二次元カラーテクスチャ画像を取得することができる。

勿論、撮像素子１２１ａとして、上述したようにカラーの撮像素子を用いても良いことは云うまでもない。この場合、計測精度や感度は低下するが、照明光出力部１３０からＲＧＢ照明を時分割で照射する必要がなくなり、白色光を照射するだけで、カラー画像を取得できるため、照明光学系をシンプルに構成できる。

制御基板１５０には、図示しないＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）およびＦＩＦＯ（First In First Out）メモリが実装される。カメラ１２１から出力される受光信号は、制御部３００による制御に基づいて、制御基板１５０のＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、ＦＩＦＯメモリに順次蓄積される。ＦＩＦＯメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次制御用ＰＣ２００に転送される。

図１に示すように、制御用ＰＣ２００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１０、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２０、作業用メモリ２３０、記憶装置２４０および操作部２５０を含む。また、操作部２５０は、キーボードおよびポインティングデバイスを含む。ポインティングデバイスとしては、マウスまたはジョイスティック等が用いられる。

ＲＯＭ２２０にはシステムプログラムが記憶される。作業用メモリ２３０はＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）で構成され、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置２４０はハードディスク等からなる。記憶装置２４０には、画像処理プログラムおよび形状測定プログラムが記憶される。また、記憶装置２４０は、制御基板１５０から与えられる画素データ等の種々のデータを保存するために用いられる。

ＣＰＵ２１０は、制御基板１５０から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。また、ＣＰＵ２１０は、生成した画像データに作業用メモリ２３０を用いて各種処理を行うとともに、画像データに基づく画像を表示部４００に表示させる。さらに、ＣＰＵ２１０は、後述するステージ駆動部１４５に駆動パルスを与える。表示部４００は、好ましくは薄型ディスプレイ、例えばＬＣＤパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。

図２において、測定対象物Ｓが載置されるステージ１４０上の平面（以下、載置面と呼ぶ）内で互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向と定義し、それぞれ矢印Ｘ、Ｙで示す。ステージ１４０の載置面に対して直交する方向をＺ方向と定義し、矢印Ｚで示す。Ｚ方向に平行な軸を中心に回転する方向（矢印θで図示）をθ方向と定義する。

ステージ１４０は、Ｘ−Ｙステージ１４１、Ｚステージ１４２およびθステージ１４３を含む。Ｘ−Ｙステージ１４１はＸ方向移動機構およびＹ方向移動機構を有する。Ｚステージ１４２はＺ方向移動機構を有する。θステージ１４３はθ方向回転機構を有する。これらＸ−Ｙステージ１４１、Ｚステージ１４２およびθステージ１４３によって、ステージ１４０が構成される。また、ステージ１４０は、その載置面に測定対象物Ｓを固定する図示しない固定部材（クランプ）をさらに含む。ステージ１４０は、その載置面に平行な軸を中心に回転可能な機構を有するチルトステージを更に含んでもよい。

ステージ１４０のＸ方向移動機構、Ｙ方向移動機構、Ｚ方向移動機構およびθ方向回転機構は、それぞれ独立して駆動制御できる駆動源を備えているのが良く、この駆動源の典型例としてステッピングモータを挙げることができる。ステージ１４０のＸ方向移動機構、Ｙ方向移動機構、Ｚ方向移動機構およびθ方向回転機構は、図１のステージ操作部１４４またはステージ駆動部１４５により駆動される。

使用者は、ステージ操作部１４４を手動で操作することにより、ステージ１４０の載置面を受光部１２０に対して相対的にＸ方向、Ｙ方向もしくはＺ方向に移動させるか、またはθ方向に回転させることができる。ステージ駆動部１４５は、ＰＣ２００より与えられる駆動パルスに基づいて、ステージ１４０のステッピングモータに電流を供給することにより、受光部１２０に対してステージ１４０を相対的にＸ方向、Ｙ方向もしくはＺ方向に移動させるか、またはθ方向に回転させることができる。

ここに、図２に示すように、左右の投光部１１０の中心軸（光軸）と受光部１２０の中心軸（光軸）は、ステージ１４０の焦点が最も合うピント平面で互いに交差するように、受光部１２０、投光部１１０、ステージ１４０の相対的な位置関係が定められている。また、θ方向の回転軸の中心は、受光部１２０の中心軸と一致しているため、θ方向にステージ１４０が回転した際に、測定対象物が視野から外れることなく、回転軸を中心に視野内で回転するようになっている。また、Ｚ方向移動機構に対して、これらＸ、Ｙ、θ及びチルト移動機構は支持されている。

すなわち、ステージ１４０をθ方向に回転させたり、チルトさせた状態であっても、受光部１２０の観察中心軸(光軸)と、Ｚ方向の移動軸にずれが生じない構成になっている。このようなステージ機構により、測定対象物の位置や姿勢を変化させた状態であっても、Ｚ方向にステージ１４０を移動させて異なる焦点位置の画像を複数撮像して合成することが可能となる。なお、本実施の形態ではステッピングモータにより駆動させることが可能な電動ステージを例に説明したが、手動でのみ変位させることが可能な手動ステージであっても良い。

制御部３００は、制御基板３１０および照明光源３２０を含む。制御基板３１０には、図示しないＣＰＵが実装される。制御基板３１０のＣＰＵは、ＰＣ２００のＣＰＵ２１０からの指令に基づいて、投光部１１０、受光部１２０および制御基板１５０を制御する。

照明光源３２０は、例えば赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）および青色光（Ｂ）を出射する３種類のＬＥＤを含む。各ＬＥＤから出射される光の輝度を制御することにより、照明光源３２０から任意の色の光を発生することができる。照明光源３２０が発生する光（以下、照明光と呼ぶ）は、導光部材（ライトガイド）を通してリング状の照明光出力部１３０から出力される。なお、制御部３００に照明光源３２０を設けずに、測定部１００に照明光源３２０を設けてもよい。この場合、測定部１００には照明光出力部１３０が設けられない。ＲＧＢ照明光出力部１３０を使って対象物Ｓを照射してカラー画像を生成する場合には、例えば各色の光源は３００Hzでシーケンシャルに切り替えられる。

図２の照明光出力部１３０は、観察中心軸を中心とする円環形状を有するリング形照明が採用されている。リング状の照明光出力部１３０は導光ケーブル１３２を介してＲＧＢ光源３２０（図２）に連結される。図２では図示を省略してあるが、ＲＧＢ光源３２０の各色のＬＥＤに隣接してコリメータレンズが配置され、また、両側テレセントリックレンズ系が配設されている。

ＲＧＢ光源３２０に隣接して配置したコリメータレンズによって絞り込む瞳での配光特性は光源３２０の発光面での照度分布と等しくなり、例えば発光面の照度分布が一様であれば瞳での配光特性は一様となる。すなわち、ＲＧＢ光源３２０の照度分布がコリメータレンズの瞳の配光分布となり、他方、ＲＧＢ光源３２０の配光分布がコリメータレンズの瞳の照度分布となる。なお、面発光する光源は一般的に発光面の全域でほぼ一様な照度分布を有している。コリメータレンズに続いて配置された両側テレセントリックレンズ系は、コリメータレンズの瞳を導光ケーブル１３２の入光部に結像させる機能を有している。つまりケーラー効果を生成するために両側テレセントリックレンズ系が配置されている。コリメータレンズによって配光特性が一様化した光の束は両側テレセントリックレンズ系を通過する過程で配光特性の一様性が保持され、そして集光した光が導光ケーブル１３２を通じて照明光出力部１３０に供給される。

導光ケーブルを構成する複数の光ファイバの各々は、光ファイバの軸に対する光の角度を保存する特性を有しているため各光ファイバ内の光伝搬においても配光特性の一様性が保持される。この複数の光ファイバを例えば互いに編み込むなどによってランダム性を与えることが好ましく、これによりＲＧＢ光源３２０の僅かな照度ムラを解消した状態で対象物Ｓを照明することができる。

リング形の照明光出力部１３０は、受光部１２０を包囲した状態でステージ１４０の上方に配置される。これにより影が発生しないように照明光出力部１３０から測定対象物Ｓに照明光が照射されてテクスチャ画像が取得される。すなわち、リング形状の照明を受光部１２０の光軸の周囲に配置したことで、測定対象物Ｓをほぼ影無しで観察することができる。したがって、測定対象物Ｓに対して斜めに投光する投光部１１０だけでは観察することのできない穴の底もリング状の照明光出力部１３０を使うことで観察することができる。

図３および図４は、光が照射された状態の測定対象物Ｓの模式図である。図３および図４の例においては、測定対象物Ｓは上面の略中央に孔Ｓｈを有する。また、図３（ａ）、（ｃ）および図４（ａ）においては、影Ｓｓをハッチングにより表わしている。

図３（ａ）は第１の投光部１１０Ａ(図２)からの測定光が照射された状態の測定対象物Ｓの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第１の投光部１１０Ａから測定光を測定対象物Ｓに照射した場合、孔Ｓｈの深さによっては、孔Ｓｈの底部にまで測定光が到達せず、影Ｓｓが発生する。したがって、測定対象物Ｓの一部を観察することができない。

図３（ｃ）は第２の投光部１１０Ｂ(図２)からの測定光が照射された状態の測定対象物Ｓの平面図であり、図３（ｄ）は図３（ｃ）のＢ−Ｂ線断面図である。図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、第２の投光部１１０Ｂから測定光を測定対象物Ｓに照射した場合、孔Ｓｈの深さによっては、孔Ｓｈの底部にまで測定光が到達せず、影Ｓｓが発生する。したがって、測定対象物Ｓの一部を観察することができない。

図４（ａ）は第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの両方からの測定光が照射された状態の測定対象物Ｓの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの両方から測定光を測定対象物Ｓに照射した場合、第１又は第２の投光部１１０Ａ又は１１０Ｂから測定光を測定対象物Ｓに照射した場合に比べて、孔Ｓｈの底部にまで到達しない測定光が減少するため、発生する影Ｓｓが減少する。したがって、観察することができる測定対象物Ｓの部分が増加する。

図４（ｃ）は図２の照明光出力部１３０からの照明光が照射された状態の測定対象物Ｓの平面図であり、図４（ｄ）は図４（ｃ）のＤ−Ｄ線断面図である。図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、照明光は測定対象物Ｓの略真上から照射されるので、孔Ｓｈの深さによらず、孔Ｓｈの底部にまで照明光が到達する。したがって、測定対象物Ｓの大部分を観察することができる。

第１の投光部１１０Ａから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像と、第２の投光部１１０Ｂから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像とが横並びに表示部４００に表示（２画面表示）されてもよい。

ＰＣ（パソコン）２００は受光部１２０（制御基板１５０）から送信されるカメラ画像データを受け取って処理を実行する。表示部４００は、光学顕微鏡５００を制御するためのモニタとして機能し、カメラ撮影画像や制御用プログラムのＧＵＩを表示し、使用者はマウス、キーボードなどの入力手段を使って操作することができる。

図５は、画像を２画面表示するＧＵＩ（Graphical User Interface）の一例を示す図である。図５に示すように、表示部４００には２つの画像表示領域４１０、４２０が並ぶように設けられる。画像を２画面表示する場合には、投光部１１０Ａ、１１０Ｂから測定対象物Ｓに測定光が切り替わるように交互に照射される。画像表示領域４１０には、第１の投光部１１０Ａから測定光が照射された場合における測定対象物Ｓの画像が表示される。画像表示領域４２０には、第２の投光部１１０Ｂから測定光が照射された場合における測定対象物Ｓの画像が表示される。これにより、使用者は第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々により測定光を照射された場合における測定対象物Ｓの画像を区別して認識することができる。

なお、第１、第２の投光部１１０Ａ、１１０Ｂからの測定光の切り替えの頻度は、使用者が夫々を少なくとも動画と感じられる程度の値（例えば数Ｈｚ以上）に設定される。したがって、使用者には、測定部１００において両方の投光部１１０Ａ、１１０Ｂから測定対象物Ｓに測定光が略同時に照射され、同時に動画が更新されるように観測される。すなわち、投光部１１０Ａ、１１０Ｂからの測定光を照射して得た夫々の画像は、そのいずれも動画（ライブ画像）のように使用者に認識される。

引き続き図５を参照して、表示部４００には２つの明るさ設定バー４３０、４４０が表示される。明るさ設定バー４３０は、水平方向に移動可能なスライダ４３０ｓを有する。明るさ設定バー４４０は、水平方向に移動可能なスライダ４４０ｓを有する。明るさ設定バー４３０上のスライダ４３０ｓの位置は、第１の投光部１１０Ａから出射される測定光の明るさまたは１１０Ａからの測定光で画像を撮影する際のカメラ露光時間に対応する。明るさ設定バー４４０上のスライダ４４０ｓの位置は、第２の投光部１１０Ｂから出射される測定光の明るさまたは１１０Ｂからの測定光で画像を撮影する際のカメラ露光時間に対応する。

使用者は、図１のＰＣ２００の操作部２５０（典型的にはマウス）を操作して明るさ設定バー４３０のスライダ４３０ｓを水平方向に移動させることにより、第１の投光部１１０Ａから出射される測定光の明るさ又はこの第１の投光部１１０Ａに対応するカメラ露光時間を変更することができ、その結果がリアルタイムに表示部４００の表示画像に反映される。同様に、使用者は、操作部２５０（典型的にはマウス）を操作して明るさ設定バー４４０のスライダ４４０ｓを水平方向に移動させることにより、第２の投光部１１０Ｂから出射される測定光の明るさまたは第２の投光部１１０Ｂに対応するカメラ露光時間を変更することができ、その結果がリアルタイムに表示部４００の表示画像に反映される。

上記のように、画像表示領域４１０、４２０には、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々により測定光を照射された場合における測定対象物Ｓの画像が並ぶように表示される。したがって、使用者は、画像表示領域４１０、４２０に表示された測定対象物Ｓの画像を見ながら、明るさ設定バー４３０、４４０のスライダ４３０ｓ、４４０ｓの位置をそれぞれ移動させることにより、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々から出射される測定光の明るさまたはそれぞれの投光部に対応したカメラ露光時間を適切に調整することができる。

また、投光部１１０Ａ、１１０Ｂから出射される測定光の適切な明るさと照明光出力部１３０から出射される照明光の適切な明るさ又は夫々の照明に対応したカメラ露光時間との間に相関がある場合がある。この場合、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々から出射される測定光の明るさまたはそれぞれの投光部に対応したカメラ露光時間は、照明光出力部１３０から出射される照明光の明るさまたは照明光に対応したカメラ露光時間に基づいて自動的に調整されてもよい。

あるいは、照明光出力部１３０から出射される照明光の明るさまたは照明光に対応したカメラ露光時間に基づいて、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々から出射される測定光の明るさ又はそれぞれの投光部に対応したカメラ露光時間を適切にするための調整ガイドが表示部４００に表示されてもよい。この場合、使用者は、調整ガイドに基づいて明るさ設定バー４３０、４４０のスライダ４３０ｓ、４４０ｓの位置をそれぞれ移動させることにより、投光部１１０Ａ、１１０Ｂの各々から出射される測定光の明るさまたはそれぞれの投光部に対応したカメラ露光時間を適切に調整することができる。

光の照射方向が異なれば、光の反射方向も異なるため、結果として得られる画像の明るさは、同じ部位であっても光の照射方向によって異なる。すなわち、計測に適した照明の明るさ、撮像素子の露光時間は照射方向によって異なることになる。この実施例では、複数の投光部１１０Ａ、１１０Ｂから光を照射して撮像されたそれぞれの画像の明るさを個別に調整可能とすることにより、照射方向毎に適切な照明の明るさ又は露光時間を設定することができる。また、明るさ調整中の画像は、画像表示領域４１０、４２０に更新されながら表示されるため、調整後の画像を確認しながら明るさを調整できる。この際に、画像表示領域４１０、４２０に表示された画像の中で、明るすぎて白とびしている部分や、暗すぎて黒つぶれしている部分を識別可能に表示することで、ユーザにとって明るさが適切に調整できているか否かをよりわかりやすく表示することも可能である。

測定対象物の形状測定：
（１）三角測距方式による形状測定（図６）：
測定部１００においては、三角測距方式により測定対象物Ｓの立体形状が測定される。図６は、三角測距方式の原理を説明するための図である。図６に示すように、投光部１１０から出射される測定光の光軸と受光部１２０に入射する測定光の光軸（受光部１２０の光軸）との間の角度αが予め設定される。角度αは０度よりも大きく９０度よりも小さい。

ステージ１４０上に測定対象物Ｓが載置されない場合、投光部１１０から出射される測定光は、ステージ１４０の載置面の点Ｏにより反射され、受光部１２０に入射する。一方、ステージ１４０上に測定対象物Ｓが載置される場合、投光部１１０から出射される測定光は、測定対象物Ｓの表面の点Ａにより反射され、受光部１２０に入射する。

点Ｏと点Ａとの間のＸ方向における距離を「ｄ」で示すと、ステージ１４０の載置面に対する測定対象物Ｓの点Ａの高さｈは、ｈ＝ｄ÷ｔａｎ（α）により与えられる。図１のＰＣ２００のＣＰＵ２１０は、制御基板１５０により与えられる測定対象物Ｓの画素データに基づいて、Ｘ方向における点Ｏと点Ａとの間の距離ｄを測定する。また、ＣＰＵ２１０は、測定された距離ｄに基づいて、測定対象物Ｓの表面の点Ａの高さｈを算出する。測定対象物Ｓの表面の全ての点の高さを算出することにより、測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定できる。しかしながら、測定対象物Ｓの表面の全ての点を計測するには、測定対象物Ｓの視野範囲内全域に対して測定光（測定点）を例えばラスタースキャンするなどの処理が必要であり、その処理に多大な時間が必要となる。

このことから、ライン状の照射パターンを測定対象物Ｓの表面に当てて一方向にスキャンする光切断法、縞状の照射パターンを測定対象物Ｓの表面に当て一方向にスキャンする縞投影法が周知である。そして、このようにして獲得した三次元形状データに対して、均一照明を測定対象物Ｓに当てて得た対象物画像を表面テクスチャ情報としてマッピングすることで対象物Ｓの三次元形状を表示部４００にディスプレイすることができる。三次元形状データを獲得するために実施例に採用可能な照射パターンを以下に例示的に説明する。ここに、マッピングとは、その典型例を具体的に説明すれば、三次元形状測定データと二次元テクスチャ画像とを同一のカメラで取得し、二次元テクスチャ画像の各ピクセルのデータと、三次元形状測定によって得られた高さ画像の同一ピクセルのデータとを対応付けして三次元テクスチャ画像を生成することを意味する。

（２）測定光の第１の照射パターン（図７：ライン状投影法）：
図７は、測定光の第１のパターンを説明するための図である。図７（ａ）は、ステージ１４０上の測定対象物Ｓに投光部１１０から測定光を照射した状態を示す。図７（ｂ）は、測定光が照射された測定対象物Ｓの平面図を示す。図７（ａ）に示すように、第１のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有する測定光（以下、ライン状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から出射される。この場合、図７（ｂ）に示すように、ステージ１４０に照射されたライン状測定光の部分と測定対象物Ｓの表面に照射されたライン状測定光の部分とは、測定対象物Ｓの表面の高さｈに対応する距離ｄだけＸ方向に互いにずれる。したがって、距離ｄを測定することにより、測定対象物Ｓの高さｈを算出することができる。

測定対象物Ｓの表面のＹ方向に沿った複数の部分が異なる高さを有する場合には、各部分について上記の距離ｄを測定することにより、Ｙ方向に沿った複数の部分の高さｈを算出することができる。

また、図１のＣＰＵ２１０は、Ｘ方向の一の位置でＹ方向に沿った複数の部分について距離ｄを測定した後、Ｙ方向に平行なライン状測定光をＸ方向に走査することにより、Ｘ方向の他の位置でＹ方向に沿った複数の部分について距離ｄを測定する。これにより、Ｘ方向の複数の位置におけるＹ方向に沿った測定対象物Ｓの複数の部分の高さｈが算出される。受光部１２０の観察及び測定可能な視野よりも広い範囲でライン状測定光をＸ方向に走査することにより、測定対象物Ｓの表面の全ての点の高さｈを算出することができる。これにより、測定対象物Ｓの三次元形状データを獲得することができる。

（３）測定光の第２の照射パターン（図８：正弦波位相シフト法）：
図８は、測定光の第２のパターンを説明するための図である。図８に示すように、第２のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有しかつＸ方向に強度が正弦波状に変化するパターンを有する測定光（以下、正弦波状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本例においては４回）出射される。正弦波位相シフト法では、最低３回の撮影で高さｈを求めることができる。後に説明するように、９０度(π/2)ずつ位相をシフトして４回撮影すると、計算式が非常に簡単になるという利点がある。

図８（ａ）は、１回目に出射される正弦波状測定光を示す。１回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、初期位相φを有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の任意の部分ＰOにより反射された光の強度（輝度）をＩ1とする。

図８（ｂ）は、２回目に出射される正弦波状測定光を示す。２回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、位相（φ＋π／２）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の部分ＰOにより反射された光の強度（輝度）をＩ2とする。

図８（ｃ）は、３回目に出射される正弦波状測定光を示す。３回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、位相（φ＋π）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の部分ＰOにより反射された光の強度（輝度）をＩ3とする。

図８（ｄ）は、４回目に出射される正弦波状測定光を示す。４回目の正弦波状測定光の強度は、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、位相（φ＋３π／２）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の部分Ｐ_Oにより反射された光の強度（輝度）をＩ4とする。

初期位相φは、φ＝ｔａｎ^−１［（Ｉ1−Ｉ3）／（Ｉ2−Ｉ4）］で与えられる。この４点法を使うことにより、元になる正弦波の振幅や輝度中心を知る必要がなく、計測したＩ1〜Ｉ4から初期位相φを求めることにより測定対象物Ｓの任意の部分の高さｈが算出される。より詳しく説明すると、測定対象物Sの表面上の任意の位置ＰOにおいて、対象物Ｓが存在していないときの初期位相φoと、対象物Ｓが存在することによってシフトした初期位相φsとの位相差（図６の距離ｄに相当）を求めることで高さｈが算出される。すなわち、この方式によれば、４回の光の強度の測定により、測定対象物Ｓの全ての部分の初期位相φを高速かつ容易に算出することができる。なお、初期位相φは、最低３回、位相の異なる測定光を照射し、受光される光の強度（輝度）を測定することにより算出することができる。そして、測定対象物Ｓの表面上の全ての部分の高さｈを算出することにより、測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定することができる。この正弦波位相シフト法によれば、撮影枚数が最低３枚であり少ない撮影回数で立体情報を入手できるため高速で三次元形状データを獲得できるという利点がある。

（４）測定光の第３の照射パターン（図９：マルチスリット法）：
図９は、測定光の第３のパターンを説明するための図である。図９に示すように、第３のパターンとして、Ｙ方向に平行でかつＸ方向に並ぶような直線状の断面を有する複数の細線状のパターン測定光（以下、縞状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本例においては１６回）出射される。すなわち、スリット幅よりも狭いピッチで照明パターンを移動させて複数回の撮影が行われる。実施例では、このマルチスリット法と後に説明する空間コード法との組み合わせが採用されている。

縞状測定光においては、Ｙ方向に平行な直線状の明部分およびＹ方向に平行な直線状の暗部分がＸ方向に周期的に配列される。ここで、パターン生成部１１２がＤＭＤである場合にはマイクロミラーの寸法を１単位とする。

縞状測定光の各明部分のＸ方向の幅は、例えば３単位であり、縞状測定光の各暗部分のＸ方向の幅は、例えば１３単位である。この場合、縞状測定光のＸ方向の周期は１６単位である。なお、明部分および暗部分の単位は、図２のパターン生成部１１２の構成により異なる。例えば、パターン生成部１１２が液晶である場合には１単位は１画素の寸法である。

１回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が、測定対象物Ｓの１番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。図９（ａ）は、１回目の縞状測定光に対応する測定対象物Ｓの１番目の撮影画像である。

２回目の縞状測定光は、１回目の縞状測定光から明部分および暗部分をＸ方向に１単位だけ移動させたパターンを有する。２回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が、受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの２番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。

３回目の縞状測定光は、２回目の縞状測定光から明部分および暗部分をＸ方向に１単位だけ移動させたパターンを有する。３回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が、測定対象物Ｓの３番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。

同様の動作が繰り返されることにより、４〜１６回目の縞状測定光に対応する光の強度が、測定対象物Ｓの４〜１６番目の撮影画像の画素データに基づいてそれぞれ測定される。Ｘ方向の周期が１６単位である縞状測定光が１６回出射されることにより、測定対象物Ｓの表面の全ての部分に縞状測定光が照射される。なお、図９（ｂ）は、７回目の縞状測定光に対応する測定対象物Ｓの７番目の撮影画像である。図９（ｃ）は、１３回目の縞状測定光に対応する測定対象物Ｓの１３番目の撮影画像である。

図１０は、測定対象物Ｓの特定の部分における、画像が撮影されたタイミング(何番目か)と受光された光の強度との関係を示す図である。図１０の横軸は撮影画像の番号を示し、縦軸は受光された光の強度を示す。上述のように、測定対象物Ｓについて、１〜１６番目の撮影画像が生成される。また、生成された１〜１６番目の撮影画像の各画素に対応する光の強度（輝度）が測定される。

図１０に示すように、撮影画像の番号に対応する画像内の各部分の光の強度（輝度）を図示することにより散布図が得られる。得られた散布図に例えばガウシアン曲線、スプライン曲線または放物線をフィッティングさせることにより、光の強度が最大になるときの撮影画像の番号(何番目か)を、１未満の精度で推定することができる。図１０の例においては、フィッティングされた点線で示す曲線により、９番目と１０番目との間である9.38番目の撮影画像(このような撮影画像は実際にはなく、あくまで計算推定上としてのみ存在する)において、光の強度が最大になることが推定される。

また、フィッティングされた曲線により、光の強度の最大値を推定することもできる。測定対象物Ｓの各部分において推定された光の強度が最大値を取る撮影画像の番号に基づいて、これにマイクロミラー１単位が対象物Ｓ上で何μmに相当するかという数値を掛け合わせることで図６の「ｄ」に相当する距離を求め、そして、この値ｄに基づいて、測定対象物Ｓの各部の高さｈを算出することができる(ｈ＝ｄ÷ｔａｎ（α）)。この方法によれば、Ｓ／Ｎ（信号／ノイズ）比が十分に大きい光の強度に基づいて測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定できるので測定対象物Ｓの形状測定の精度を向上させることができる。

なお、正弦波状測定光または縞状測定光の周期的な投影パターンを用いた測定対象物Ｓの形状測定においては、測定対象物Ｓの表面の各部分の相対的な高さ（高さの相対値）が測定される。これは、個々の周期的な縞が区別できず、縞１周期分(２π)の整数倍に相当する不確かさが存在するため、絶対位相が求まらないからである。そのため、測定対象物Ｓの一の部分の高さとその部分に隣接する部分の高さが連続的に変化しているという仮定に基づいて、測定された高さのデータに公知のアンラッピング処理が行われてもよい。

このマルチスリット法によれば、１６画素周期、３画素幅のスリット光、移動ピッチ１画素の場合、撮影枚数は１６枚となる。画素毎に最大輝度となる撮影タイミング（何枚目の画像か）を補間計算で求める際に、常に輝度の高いデータを利用するため、精度を安定的に高め易い。

（５）測定光の第４の照射パターン（図１１：空間コード法）：
図１１は、測定光の第４のパターンを説明するための図である。図１１に示すように、第４のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有しかつ明部分と暗部分とがＸ方向に並ぶ測定光（以下、コード状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本例においては４回）出射される。コード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。

実施例では、測定対象物Ｓの表面がＸ方向において複数（図１１の例では１６）の領域に分割される。以下、複数に分割されたＸ方向における測定対象物Ｓの領域をそれぞれ第１〜第１６の領域と呼ぶ。

図１１（ａ）は、１回目に出射されるコード状測定光を示す。１回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１〜第８の領域に照射される明部分を有する。また、１回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第９〜第１６の領域に照射される暗部分を有する。これにより、１回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、１回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は夫々５０％である。

図１１（ｂ）は、２回目に出射されるコード状測定光を示す。２回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第５〜第１２の領域に照射される明部分を有する。また、２回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１〜第４および第１３〜第１６の領域に照射される暗部分を有する。これにより、２回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、２回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。

図１１（ｃ）は、３回目に出射されるコード状測定光を示す。３回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１、第２、第７〜第１０、第１５および第１６の領域に照射される明部分を有する。また、３回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第３〜第６および第１１〜第１４の領域に照射される暗部分を有する。これにより、３回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、３回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。

図１１（ｄ）は、４回目に出射されるコード状測定光を示す。４回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１、第４、第５、第８、第９、第１２、第１３および第１６の領域に照射される明部分を有する。また、４回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第２、第３、第６、第７、第１０、第１１、第１４および第１５の領域に照射される暗部分を有する。これにより、４回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、４回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。

コード状測定光の明部分に論理“１”が割り当てられ、コード状測定光の暗部分が論理“０”が割り当てられる。また、測定対象物Ｓの各領域に照射される１回目〜４回目のコード状測定光の論理の並びを符号と呼ぶ。この場合、測定対象物Ｓの第１の領域には、符号“１０１１”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第１の領域は、符号“１０１１”に符号化される。

測定対象物Ｓの第２の領域には、符号“１０１０”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第２の領域は、符号“１０１０”に符号化される。測定対象物Ｓの第３の領域には、符号“１０００”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第３の領域は、符号“１０００”に符号化される。同様に、測定対象物Ｓの第１６の領域には、符号“００１１”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第１６の領域は、符号“００１１”に符号化される。

このように、測定対象物Ｓの隣り合う領域の間では、符号のいずれかの桁が“１”のみ異なるようにコード状測定光が測定対象物Ｓに複数回照射される。すなわち、コード状測定光は、明部分および暗部分がグレイコード状に変化するように、複数回測定対象物Ｓに照射される。

測定対象物Ｓの表面の各領域で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光によってコード状測定光画像が生成され（この例では４枚の画像）、これらの画像から各領域の符号を測定する。この符号と、領域毎に、測定対象物Ｓが存在しない場合の符号との差分を求めることで、図６の「ｄ」に相当する距離が求まる。この際、画像内のＸ軸方向には前述の符号は１回のみ出現するというコード化法の特徴から、「ｄ」の絶対的な値が求まる。ここから、測定対象物Ｓのその領域の絶対的な高さ（高さの絶対値）が算出される。測定対象物Ｓの表面上の全ての領域の高さを算出することにより、測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定することができる。

上記の説明においては、測定対象物Ｓの表面がＸ方向において１６の領域に分割され、コード状測定光が投光部１１０から４回出射されたが、これに限定されない。測定対象物Ｓの表面がＸ方向において２^Ｎの領域（Ｎは自然数）に分割され、コード状測定光が投光部１１０からＮ回出射されてもよい。上記の説明においては、理解を容易にするためにＮは４に設定されている。本実施の形態における形状測定処理においては、Ｎは例えば８に設定される。したがって、測定対象物Ｓの表面はＸ方向において２５６の領域に分割される。

コード状測定光を用いた測定対象物Ｓの形状測定においては、縞をコードとして分離できる最小距離、すなわち受光１画素分に相当する距離が最小の分解能となる。したがって、受光部１２０のＸ方向における視野の画素数が１０２４画素である場合、高さが例えば１０mmの測定対象物Ｓを１０mm÷１０２４≒１０μmの分解能で計測することができる。実施例では、このコード状測定光を用いた形状測定(絶対値が求まるが分解能が不足する)と上述したマルチスリット法とを組み合わせたアルゴリズムを使って三次元形状データが生成される。変形例として、上述したコード法と正弦波位相シフト法とを組み合わせたアルゴリズムを使って三次元形状データを生成するようにしてもよい。相対値しか求まらないが分解能が高いマルチスリット法又は正弦波位相シフト法とコード法との組み合わせによって、測定対象物Ｓの距離ｄの絶対値をより高い分解能で算出することができる。

特に、図９の縞状測定光を用いた測定対象物Ｓの形状測定においては、分解能を１／１００画素にすることができる。なお、１／１００画素の分解能は、受光部１２０のＸ方向における視野の画素数が１０２４画素である場合、測定対象物Ｓの表面をＸ方向において約１０００００の領域に分割すること（すなわちＮ≒１７）に相当する。

このコード状測定光を用いた形状測定法によれば絶対位相を求めることができるという利点があるが、分解能は比較的低い。したがって、絶対位相を知ることのできる空間コード法と、相対位相しか求めることのできない正弦波位相シフト法やマルチスリット法とを組み合わせることで、高分解能で且つ絶対値を得ることのできる計測法となる。つまり、このコード状測定光を用いた形状測定と縞状測定光を用いた形状測定とを組み合わせることにより、測定対象物Ｓの高さの絶対値をさらに高い分解能で算出することができる。

上述したライン状の測定光を測定対象物上で走査する方法（第１照射パターン：図７）は一般に光切断法と呼ばれる。一方、正弦波状の測定光を照射する方法（第２照射パターン：図８）、縞状の測定光を照射する方法（第３照射パターン：図９）、あるいはコード状の測定光を照射する方法（第４照射パターン：図１１）は、パターン投影法に分類される。また、パターン投影法の中でも、正弦波状の測定光を照射する方法と縞状の測定光を照射する方法は位相シフト法に分類され、コード状の測定光を照射する方法は空間コード法に分類される。

正弦波位相シフト法（第２、第３の照射パターン：図８、図９）は、周期的な投影パターンである正弦波や複数のスリット光を照射した際に、測定対象物Ｓが存在しない場合の基準高さ位置から反射した受光量に基づいて計算された位相と、測定対象物が存在する場合の測定対象物Ｓの表面から反射した受光量に基づいて計算された位相の位相差から測定対象物Ｓの高さを求める。位相シフト法は、個々の周期的な縞が区別できず、縞１周期分(２π)の整数倍に相当する不確かさが存在するため、絶対位相が求まらないという欠点があるが、光切断法に比べ取得する画像の枚数が少ないため計測時間が比較的短く、また、計測分解能が高いという長所がある。一方、空間コード法（第４照射パターン：図１１）は、対象物の領域毎に、対象物Ｓが存在することによって変化した符号が得られ、この符号と対象物Ｓが存在しない場合の符号との差分を領域毎に求めることで対象物の絶対的な高さを求めることができる。空間コード法も比較的少ない画像枚数で計測が可能であり、絶対的な高さを求めることができるという長所があるが、正弦波位相シフト法に比べると計測分解能に限界がある。

これらの投影法は、各々短所、長所を有しているが、いずれも三角測量の原理を用いている点は共通である。実施例では、上述したように第３の照射パターン（図９：マルチスリット法）と空間コード法(図１１)とを組み合わせたアルゴリズムが採用されているが、マルチスリット法に代えて正弦波位相シフト法を採用して、この正弦波位相シフト法と空間コード法とを組み合わせたアルゴリズムを採用してもよい。

第１実施例の光学顕微鏡５００は、真下に光を照射するリング状のＲＧＢ照明光出力部１３０と、斜めに光を照射する投光部１１０とを使い分けて撮像する。対象物Ｓを観察するだけのときには、ＲＧＢ照明光出力部１３０と投光部１１０の照明を適宜選択する又は一緒に使って最適な照明状態で対象物Ｓを観察することができる。３Ｄテクスチャ画像を生成するときには、リング状のＲＧＢ照明光出力部１３０を使って撮影したカラー画像（二次元テクスチャ画像）を取得し、また、投光部１１０を使って計測した三次元立体データを取得する。そして二次元テクスチャ画像を三次元立体データにマッピングして生成した３Ｄテクスチャ画像を表示部４００に表示する。表示部４００に表示された３Ｄテクスチャ画像は、測定対象物Ｓを目視したときの立体輪郭を忠実に再現するものであり、このリアルな３Ｄテクスチャ画像データをＰＣ２００に組み込んだ任意のプログラムを使って任意の方向から観察したり、計測や解析を行うことができる。

換言すると、従来の光学顕微鏡では、測定対象物の綺麗な画像をモニタ表示できるものは二次元（２Ｄ）画像であるため立体感やリアル感に乏しい。これに対して、実施例の光学顕微鏡５００によれば、綺麗な三次元（３Ｄ）テクスチャ画像をモニタ表示するため、これを観察する使用者にリアルな感覚を提供することができる。したがって、実施例の光学顕微鏡５００は、そのリアルな３Ｄテクスチャ画像が瞬時に表示されるのを見た使用者に対して、リアルな３Ｄテクスチャ画像のモニタ表示が瞬時に行われることに対する驚きを与え且つＰＣ２００の表示部４００内に対象物Ｓがそのまま取り込まれたかのような驚きを与えることができる。

実施例では、投光部１１０及び受光部１２０にテレセントリック光学系を採用することで対象物Ｓの光学像を極めて低い歪みで結像させ、また、撮像素子１２１ａにモノクロの撮像素子を採用することで、高感度、高Ｓ／Ｎ比の高画質画像を取得することができる。そして、この画像から高精度な三次元形状データを生成できる。同様に、照明光出力部１３０による照明画像（２Ｄテクスチャ画像）も共通の受光部１２０を経て高画質に取得することができる。そして、三次元形状データと２Ｄ（二次元テクスチャ画像）とを組み合わせることで高画質の３Ｄ（三次元）テクスチャ画像を生成できる。この高画質の３Ｄテクスチャ画像が前述したリアリティを備えていることは言うまでもない。

図１２は、投光部１１０に両側テレセントリックレンズ１１４、１１５を採用した場合の作用効果を説明するための図である。ステージ１４０には、投光部１１０からの光の束が図１２の下方に図示するように矩形の投影像を生成し、２次元アレイ（パターン生成部１１２）の画素の水平ラインと受光画素の水平ラインとの平行性が維持される。したがって、受光画素で投影パターンを見たときに、この画面上での最小パターン幅の一定性を維持することができる。これによりステージ１４０上の投影パターンと観察画像との対応付けが容易となる。

これに対して投光部１１０にテレセントリックレンズではない光学レンズを配置した場合には、投光部１１０がステージ１４０に対して斜めに配置されていることに伴って台形の投影像となり、２次元アレイ（パターン生成部１１２）の画素の水平ラインを投影したステージ１４０上のラインと、観察画像上の水平ラインつまり受光画素の水平ラインは平行でなくなる。そして、投光部１１０に近い側では相対的に倍率が低くなり、投光部１１０から遠い側では相対的に倍率が高くなる、という台形歪みが発生し、これにより投光部１１０から照射する光の方向に沿って倍率が変化してしまう結果、観察画像上のパターン幅の一定性を維持できない。

また、ステージ１４０の投影パターンの面積は観察倍率が低倍率のときの観察領域よりも大きい。つまり投影パターンは低倍率のときの観察領域に対してマージンを有する。これにより低倍率のときにいずれの倍率においてもステージ１４０上に設置された、測定深度に対応した高さの被測定物上においての投影パターンを必ず取得することができる。

図１６を参照して、一定の投光倍率で受光倍率を拡大していく場合、推定位相ピークが近い隣接画素の数が多くなり、その結果、画像順番ごとの輝度変化が小さくなる。その結果、比較的近い位相ピークが推定されてしまう可能性が大きくなる。このことは高さ結果に縦筋の系統誤差が発生し易くなることを意味する。これを回避するために、画像処理において、受光倍率によって画素うねり除去フィルタ（水平ガウシアンフィルタ）のパラメータを受光倍率に応じて変更する処理を加えるのがよい。すなわち、受光倍率によって最小パターンに含まれる受光画素の数が変化するため、うねり幅が結果的に変化する。これを除去するためにフィルタの水平方向のかかり方つまりガウシアンの幅と標準偏差を受光倍率が高くなるに従って大きく変更するのがよい。

光学顕微鏡５００は、投光部１１０を定倍率のレンズで構成したことから、受光倍率の変動に応じて投光倍率を変動させる機構や制御が不要であり、従来から知られている光学顕微鏡の特徴である観察倍率の自在性をそのまま維持したなかで対象物の三次元計測が可能となる。

また、受光（観察）側の解像度に対して観察画像上の投影パターンの幅が太いため、実現可能な被写界深度が深くなる。受光側よりも投光側の深度が深いことによって、系全体で規定される測定深度において受光深度（観察深度）で計測深度が決定されることになり深度の最大化を図ることができる。

観察倍率（受光倍率）が変化しても、観察画像上での最小パターン幅に含まれる受光画素の数が変化するだけであり、観察倍率に応じて計測方法を変更する必要がない。

図２を参照して、光学顕微鏡５００は、パターン生成部１１２に微小変位駆動機構１１７が設けられ、また、受光部１２０には倍率を検知する倍率センサ１１９が設けられており、この倍率センサ１１９によって受光部１２０の受光倍率が検出される。

微小変位駆動機構１１７は、パターン生成部１１２の例えばＤＭＤの一画素（マイクロミラー１つ）よりも小さいピッチでパターン生成部１１２をシフトさせる。この微小変位駆動機構１１７は、投光倍率、受光（観察）倍率、およびパターン生成部画素サイズ、受光画素サイズの関係から、たとえば受光画素がパターン生成部画素に２つ含まれる関係の場合、送りは画素の1/2が設定される。この場合、送りは1回となり、各微小送り位置において１６枚の撮影を実施して合計３２枚の画像で演算することになる。

図１２は、微小変位制御に関する制御の一例を示すフローチャートである。この図１２のフローチャートを参照して、ステップＳ１において倍率センサ１１９が検知した受光部１２０の倍率が所定倍率を超えた倍率であるときにはステップＳ２に進んで、検知した受光倍率に対応した微小送り量が設定される。この微小送り量は、所定倍率を超えた受光倍率のときに一律に同じ微小送り量であってもよいし、受光倍率が高くなるほどつまり高倍率になるほど微小送り量（シフト量）を段階的に又はリニアに小さな値に設定するようにしてもよい。

次のステップＳ３では、例えば１６回撮影するときには、各撮影毎に上記微小送り量に基づいて投影パターンをシフトさせた後に撮影が１６回、行われる。

対象物Ｓの三次元計測を行う場合に、高倍率の受光では最小パターン幅が大きくなる。これに対して、高倍率の受光の際に微小変位駆動機構１１７を動作させることで投影パターンをシフトさせて複数回の受光画像（観察画像）を取得することで、観察倍率（受光倍率）が高倍率のときの高さの測定に関する分解能及び精度を、低倍率での受光のときよりも高いレベルにすることができる。すなわち、観察倍率（受光倍率）が高いときに低倍率以上の分解能、精度を実現することができる。換言すると、観察倍率(受光倍率)が高い倍率であれば原理的に高い分解能と精度を達成できることになるが、現実的には、画素うねりやパターン幅が太くなることによって分解能や精度が損なわれる。これを改善するのが微小変位駆動機構１１７であり、この微小変位によって受光倍率を高めたときに、これにより本来的に達成できる高い分解能及び高い精度を実現できる。

次に本発明の他の実施例を説明するが、上記の第１実施例と同じ要素には同じ参照符号を付すことにより、その説明を省略し、以下に特徴部分を中心に説明する。

第２実施例（図１３〜図１６）：
図１３を参照して、第２実施例の光学顕微鏡５２０は、次の２つの点で第１実施例の光学顕微鏡５００と異なっている。第１に、投光部１１０に関して、測定光源１１１から出射された光がパターン生成部（二次元アレイ）１１２で反射することで二次元パターンが生成される。二次元パターンを生成するのに反射を使うことで顕微鏡５２０の幅寸法を小さくできるという利点があり、このことは三次元測定が可能な光学顕微鏡５２０の小型化を可能とする。

第２に、受光部１２０は、相対的に低倍率の第１の受光部１２０Ａと、相対的に高倍率の第２の受光部１２０Ｂとで構成され、これら第１、第２の受光部１２０Ａ、１２０Ｂは共に好ましくはテレセントリックレンズで構成される。

低倍率の第１の受光部１２０Ａの受光素子１２１ａは観察光軸１２５と直交して配置されている。高倍率の第２の受光部１２０Ｂの受光素子１２１ａは、観察光軸１２５上に配置された分岐ミラー１２７によって観察光軸１２５から分岐して横方向に延びる分岐観察軸１２８と直交して配置されている。観察光軸１２５上に分岐ミラー１２７を複数配置することにより複数の分岐観察軸１２８を作ることにより倍率の異なる３以上の受光部１２０を作ってもよい。

図１４は、投光部１１０に両側テレセントリックレンズ１１４、１１５を採用した場合の作用効果を説明するための図である。ステージ１４０には、投光部１１０からの光の束が図１４の下方に図示するように矩形の投影像を生成し、２次元アレイ（パターン生成部１１２）の画素の水平ラインと受光画素の水平ラインとの平行性が維持される。したがって、受光画素で投影パターンを見たときに、この画面上での最小パターン幅の一定性を維持することができる。これによりステージ１４０上の投影パターンと観察画像との対応付けが容易となる。

これに対して投光部１１０にテレセントリックレンズではない光学レンズを配置した場合には、投光部１１０がステージ１４０に対して斜めに配置されていることに伴って台形の投影像となり、２次元アレイ（パターン生成部１１２）の画素の水平ラインと、これを映し出す投影像のライン（つまり受光画素の水平ライン）とが平行で無くなる。したがって、受光画素で投影パターンを見たときに、この画面上での最小パターン幅の一定性を維持できない。

また、ステージ１４０の投影パターンの面積は観察倍率が低倍率のときの観察領域よりも大きい。つまり投影パターンは低倍率のときの観察領域に対してマージンを有する。これにより低倍率のときにステージ１４０上の投影パターンを必ず取得することができる。

複数の倍率の異なる受光部１２０をテレセントリックレンズで構成した、この第２実施例では、各倍率の受光部１２０において高いテレセントリック性を実現することができるため、各倍率での高さ測定において高い精度を確保することができる。

また、高倍率の第２の受光部１２０Ｂの受光素子１２１ａとして高解像度（高密度）の受光素子を採用することで、低倍率の第１の受光部１２０Ａと高倍率の第２の受光部１２０Ｂとの組み合わせによって広い倍率レンジを提供できる。

この点について図１５を参照して具体例で説明すると、観察画像の解像度を例えば水平１０００画素の場合に受光素子１２１として例えば水平２０００画素の素子を採用すれば、図１５の一番上に図示するように受光素子１２１ａの画像を間引き処理することで0.5倍の観察画像を得ることができる。図１５の上から２番目に図示するように受光素子１２１ａの中央の１０００画素分の画像を切り出して観察画像を生成することで１倍の観察画像を得ることができる。図１５の一番下に図示するように受光素子１２１ａの中央の６６７画素分の画像を切り出し、ピクセル補間して観察画像を生成することで1.5倍の観察画像を得ることができる。そして、第１の受光部１２０Ａの観察倍率を0.5倍から1.5倍に３倍拡大し、光学倍率が２倍の第２の受光部１２０Ｂの観察倍率を0.5倍から1.5倍に３倍拡大することで、第１、第２の受光部１２０Ａ、１２０Ｂを使い分けることで９倍の倍率の実現ができる。

第２実施例の光学顕微鏡５２０は、第１、第２の受光部１２０Ａ、１２０Ｂを使い分けることにより上述したようにトータルとして0.5倍から4.5倍まで９倍拡大できる観察倍率のレンジを備えることができる。そして、この広いレンジの観察倍率を備えた光学顕微鏡５２０は、前述したように定倍率の投光部１１０を備えているため観察倍率を変更したとしても、観察画像での最小パターン幅に含まれる受光画素の数が変化するだけであり、観察倍率の大小に左右されない統一した計測方式で高さ測定を行うことができる。

なお、間引き処理を行う場合に、図１５の左上の受光素子上の画像（２０００pix）に基づいて高さ測定を行ってもよいし、その右隣に図示した観察画像つまり間引き処理した後の画像に基づいて高さ測定を行ってもよい。

ステージ１４０上の領域及びパターン投影領域は、上述したように受光部１２０で取得する受光（観察）領域（観察視野）よりも大きくしてマージンを設定するのが好ましい。図１６は、低倍率の第１受光部１２０Ａでの観察領域（観察視野）を示し、また、その下に、高倍率の第２受光部１２０Ｂでの観察領域（観察視野）を示す。高倍率の第２受光部１２０Ｂでの観察視野は、低倍率の第１受光部１２０Ａでの観察視野よりも小さい。換言すると、観察倍率が上がるに従って観察画像上での最小パターン幅が太くなる。

パターンを生成するパターン生成部（二次元アレイ）１１２の最小パターン幅を例えば複数の画素で担っている場合に、観察倍率が高くなるに従って観察画像上での最小パターン幅を担う画素の数を少なくする制御を加えることで、観察倍率のレンジが広い場合でも、最小パターン幅に含まれる受光画素の数を一定値以下に抑えることができる。この制御に関して上述した微小変位駆動機構１１７を使用するのが効果的である。

図１７は、微小変位駆動機構１１７を組み込んだパターン生成部１１２の具体的な構成例を示す図である。パターン生成部１１２の二次元アレイ１１８を担持した支持基板５７２と制御基板５７３とがフレキシブルケーブル５１４で接続され、そして、制御基板５７３と支持基板５７２との間に微小変位駆動機構１１７とヒートシンク５７４とが配置されている。制御基板５７３は光学顕微鏡５７０のフレームに固定される。

第３実施例（図１８）：
図１８に図示の第３実施例の光学顕微鏡５３０は、図２を参照して説明した第１実施例の光学顕微鏡５００の変形例でもある。図１８の（Ｉ）は第３実施例の光学顕微鏡５３０の正面図であり、（ＩＩ）は側面図である。

第３実施例の光学顕微鏡５３０では、左右の投光部１１０Ａ、１１０Ｂに関して、測定光源１１１から出射された光がパターン生成部（二次元アレイ）１１２で反射することで二次元パターンが生成される。また、受光部１２０は、相対的に低倍率の第１の受光部１２０Ａと、相対的に高倍率の第２の受光部１２０Ｂとで構成され、これら第１、第２の受光部１２０Ａ、１２０Ｂは共に好ましくはテレセントリックレンズで構成される。そして、低倍率の第１の受光部１２０Ａの受光素子１２１ａは観察光軸１２５と直交して配置されている。他方、高倍率の第２の受光部１２０Ｂの受光素子１２１ａは、観察光軸１２５上に配置された分岐ミラー１２７によって観察光軸１２５から分岐して横方向に延びる分岐観察軸１２８と直交して配置されている。

第４実施例（図１９）：
第４実施例の光学顕微鏡５４０は、その受光部１２０に含まれる受光光学系の対物レンズが交換式とされ、この実施例ではレボルバー式の対物レンズを採用することにより多段階の観察倍率で観察することができる。勿論、複数の対物レンズを脱着して交換することにより多段階の観察倍率での観察を実現するようにしてもよい。そして、交換した対物レンズの倍率を検知して、所定の倍率よりも高い倍率のときには上述した微小変位制御(図１２)が実行される。

第５実施例（図２０）：
第５実施例の光学顕微鏡５５０の概要を図２０に示す。この図２０を参照してパターン生成部１１２の二次元アレイ１１８と測定光源１１１とがユニット化され、このユニット５５２に対して微小変位駆動機構１１７が組み付けられている。微小変位駆動機構１１７が動作することによりユニット５５２が変位することで、ステージ１４０上の投影パターンを二次元アレイの画素数よりも細かいピッチで変化させることができる。図中、×を円で囲んだ符号及び黒丸を円で囲んだ符号は紙面垂直方向の微小変位方向を示す。

第６実施例（図２１）：
図２１に図示の第６実施例の光学顕微鏡５６０は、上述した第５実施例の変形例でもある。第６実施例の光学顕微鏡５６０は、パターン生成部１１２の二次元アレイ１１８と、測定光源１１１と、投光レンズ１１４、１１５などの導光光学系とがユニット化され、このユニット５６２に対して微小変位駆動機構１１７が組み付けられている。微小変位駆動機構１１７が動作することによりユニット５６２が変位することで、ステージ１４０上の投影パターンを二次元アレイの画素数よりも細かいピッチで変化させることができる。

第７実施例（図２２）：
図２２に図示の第７実施例の光学顕微鏡５７０は、投光レンズ１１４、１１５などの導光光学系を構成するレンズを微小移動させる微小変位駆動機構５７２を有し、このレンズを微小の往復動作又は微小のチルト動作をさせることにより、ステージ１４０上の投影パターンを二次元アレイの画素数よりも細かいピッチで変化させるようになっている。

第８実施例（図２３）：
図２３に図示の第８実施例の光学顕微鏡５８０は、投光レンズ１１４、１１５などの導光光学系の出力側に光を透過するプレート５８２と、この光透過プレート５８２を微小変位させる微小変位駆動機構５８４を配置し、この光透過プレート５８２を微小往復動作又は微小のチルト動作をさせることにより、ステージ１４０上の投影パターンを二次元アレイの画素数よりも細かいピッチで変化させるようになっている。この図２３の光透過プレート５８２に代えて、光を折り曲げるミラーを配置し、この折り曲げミラーを微小往復動作又は微小チルトによる変位動作させてもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、受光倍率（観察倍率）の高い低いに関係なく微小変位駆動機構１１７などを動作させると、画像取得時間つまり測定時間が２倍、３倍・・と増大することから、実用上問題が発生しない範囲で受光倍率(観察倍率)の高い低いに応じて微小変位駆動機構のON/OFFを切り替えることで測定時間を短縮させるようにしてもよい。

また、微小変位駆動機構１１７などによる微小送り量は所定値であってもよい。この場合、受光倍率が高くなるに従って前記微小変位駆動機構による微小変位の回数を増加するのがよい。

また、受光倍率の高い低いに対応して微小送り量を可変にしてもよい。例えば受光倍率が高くなるに従って小さな値となる微小送り量を設定すればよい。そして、この微小送り量は、受光倍率が高くなるに従って段階的に小さな値の微小送り量を設定してもよいし、受光倍率が高くなるに従ってリニアに小さな値となる微小送り量を設定してもよい。また、微小送り量を可変にすると共に移動回数も増減させるのがよい。すなわち、微小送り量を小さな値に設定したときには移動回数も増加させるのがよい。具体的に説明すると、パターン生成部の１画素寸法の1/2ピッチの場合、送りは１回で画像取得が２セット（送りなし、1/2送り）に設定すればよい。観察倍率(受光倍率)が増加して微小送り量のピッチが画素寸法の1/3ピッチとなった場合は、送りは２回で画像取得が３セット（送りなし、1/3送り、2/3送り）に設定すればよい。

５００ 第１実施例の光学顕微鏡
１１０ 投光部
１１１ 測定光源（ハロゲンランプ）
１１２ パターン生成部（ＤＭＤ）
１１４、１１５ 投光レンズ（好ましくは両側テレセントリックレンズ）
１１７ パターン生成部に関連して設けられた微小変位駆動機構
１２０ 受光部
１２１ａ 撮像素子（好ましくはモノクロＣＣＤ）
１２０Ａ 低倍率の受光部
１２０Ｂ 高倍率の受光部
１４０ ステージ
５７２ 投光レンズに関連して設けられた微小変位駆動機構
５８２ 光透過プレート
５８４ 光透過プレートを微小変位させる駆動機構
６４０ 受光部の光軸（観察中心軸）

Claims (11)

1. 対象物を載置するステージと、
   前記ステージに載置された対象物に向けた観察中心軸を有し且つ相対的に低倍率から相対的に高倍率の可変の受光倍率を有する受光部と、
   測定光を出射する測定光源と、互いに独立して制御される複数の素子が二次元アレイ状に配置され、前記測定光から周期的な明暗を有する投影パターンを生成するパターン生成部とを有する投光部と、
   前記パターン生成部の各素子を制御することにより前記投影パターンの位相を順次変化させながら前記対象物に対して照射し、前記受光部により受光した前記対象物からの反射光に基づいて前記対象物の高さを計測する測定部とを有する光学顕微鏡であって、
   前記投光部に設けられ、ステージ上に投影される投影パターンを微小変位させる微小変位機構と、
   前記微小変位機構を動作させ、前記パターン生成部の各素子を制御することで変化する前記位相の変化幅よりも細かなピッチで前記投影パターンをシフトさせる制御部とを有することを特徴とする光学顕微鏡。
2. 前記微小変位機構は、前記パターン生成部を微小変位させる機構であることを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡。
3. 前記制御部は、前記パターン生成部の一素子の寸法よりも小さく前記パターン生成部を微小変位させることを特徴とする請求項２に記載の光学顕微鏡。
4. 前記制御部は、前記微小変位機構によって前記パターン生成部の一素子の寸法の二分の一又は三分の一ピッチで前記パターン生成部を微小変位させることにより、前記位相の変化幅の二分の一又は三分の一で前記投影パターンをシフトさせて照射することを特徴とする請求項３に記載の光学顕微鏡。
5. 前記投光部は、前記パターン生成部により生成された前記投影パターンを前記受光部の視野の大きさよりも大きい径に変換する投光レンズを更に有し、
   前記微小変位機構は、前記投光レンズを微小変位させる機構であることを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡。
6. 前記投光部は、前記パターン生成部により生成された前記投影パターンを前記受光部の視野の大きさよりも大きい径に変換する投光レンズと、前記投光レンズから出射された前記投影パターンを透過させる光透過プレートを更に有し、
   前記微小変位機構は、前記光透過プレートを微小変位させる機構であることを特徴とする請求項１に記載の光学顕微鏡。
7. 前記制御部は、前記投影パターンの位相を順次変化させながら前記対象物に対して前記投影パターンを照射した後に、前記微小変位機構により前記位相の変化幅よりも細かなピッチで前記位相をシフトさせた前記投影パターンを照射することを特徴とする請求項１〜６に記載の光学顕微鏡。
8. 前記制御部は、選択された受光倍率が高くなるに従って前記微小変位機構による微小変位量を小さな値に設定すると共に微小変位の回数を増加させることを特徴とする請求項１〜７に記載の光学顕微鏡。
9. 前記制御部は、前記微小変位機構による微小変位量を所定の値とすると共に選択された受光倍率が高くなるに従って前記微小変位機構による微小変位の回数を増加させることを特徴とする請求項１〜８に記載の光学顕微鏡。
10. 前記制御部は、前記受光部の受光倍率として前記相対的に高倍率のときに前記微小変位機構を動作させ、前記受光部の受光倍率が前記相対的に低倍率のときに前記微小変位機構の動作を停止させる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学顕微鏡。
11. ステージに載置された対象物に投影パターンを投光し、前記対象物からの反射光を受光して三角測距の原理を使って前記対象物の三次元形状を計測するパターン投影計測方法において、
    前記投影パターンの位相を順次変化させながら前記対象物に対して前記投影パターンを投光すると共に、該投影パターンの位相の変化幅よりも細かなピッチでシフトさせた前記投影パターンを前記対象物に投光することを特徴とするパターン投影計測方法。

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