JP2000329531A - 三次元形状計測装置および同方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学系の光学収差に影響されずに測定精度の
向上を可能にする。 【解決手段】 照明手段２０は、レーザ光源２１、レー
ザ光を平行光束２２にするコリメータレンズ２３、２つ
の平行光束２２ａ，２２ｂに分岐するハーフミラー２４
ａ、平行光束２２ａ，２２ｂを帯状光束２５ａ，２５ｂ
に変換するガリレオ光学系２６ａ，２６ｂ、帯状光束２
５ａ，２５ｂをそれぞれ反射して照射方向を変化させる
ガルバノミラー２７ａ，２７ｂとからなる。対物光学系
３０は、測定対象６からの測定光を集光する対物レンズ
群３１と、対物レンズ群３１を通過した光を反射する反
射鏡３２とからなる。対物レンズ群３１は、その焦点が
移動可能に構成されている。受光手段４０は、光電変換
素子が複数個二次元的に並べて配置されて構成されてい
る。この受光手段４０は、その光電変換素子の１列が対
物光学系３０の焦点と共役な位置に一致するように配置
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械部品その他の
物体の三次元形状を非接触で計測する三次元形状計測装
置および同方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体の三次元形状を非接触で計測
する方法として、光学的に計測する方法が知られている
が、この光学的な計測方法は、以下のように大きく４つ
に分類される。

【０００３】第１の方法は、三角測量法を基本原理と
し、発光部から測定対象までの方向と距離を検出するこ
とにより、その三次元形状を計測する光切断法と称され
るものである。この方法は、発光部及び受光部からなる
簡素な構成で比較的高精度の計測が可能である反面、測
定対象の形状によっては計測上の死角が発生しやすく、
さらに測定対象の表面状態の影響を受けやすいという欠
点を有している。

【０００４】第２の方法は、所定の規則的な光学パター
ンを測定対象に投影し、その光学パターンの変化度合い
を検出することによって、その三次元形状を計測するも
のである。この方法も、比較的簡素な構成で高精度の計
測が可能である反面、やはり計測上の死角が大きいとい
う欠点を有している。

【０００５】第３の方法は、レーダーのごとく光を測定
対象に投射し、その反射光が受光部に到達するまでの時
間を計測することで距離を計算し、投射位置との関係か
ら三次元形状を計測するものである。この方法は、遠距
離を計測するのに適しているが、一般的な小型の機械部
品の形状を高精度で計測するのには適していない。

【０００６】第４の方法は、測定対象に光を投射し、光
学系の焦点における反射光の特異な振る舞いを検出する
ことにより距離を計測し、光の投射位置との関係から三
次元形状を計測するもので、ナイフエッジ法、非点収差
法や、共焦点検出法などがある。

【０００７】ナイフエッジ法は、例えばナイフエッジの
影が検出器において焦点を境に反転することを利用する
もので、非点収差法は、非点収差を持つ光学系を用いて
スポット光の形状が焦点を境に縦長形状から横長形状に
変化することを利用するものである。

【０００８】また、共焦点検出法は、図１５に示すよう
に、測定対象１００を共焦点光学系１０１の焦点を含む
所定範囲を移動させるとともに、この焦点と共役な位置
に第１のピンホール１０２および第２のピンホール１０
３を配置し、第１のピンホール１０２から出射された光
源１０４からの照明光を共焦点光学系１０１により絞り
込んで測定対象１００に投射して反射、散乱させ、測定
対象１００からの光を再び共焦点光学系１０１を通過さ
せて第２のピンホール１０３の直後に設けられた受光部
１０５で検出するものである。

【０００９】この第４の方法は、焦点位置を境に生じる
変化に基づいているので、第１〜第３の方法に比べて高
分解能で計測が行える。また、共焦点検出法は、測定対
象１００の表面が共焦点光学系１０１の焦点に一致する
ときに受光部１０５において光が最も強く観測されるの
で、非常に高分解能で計測することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記第１〜第３の方法
では、投射した光の測定対象からの測定光を受光したと
きに形状情報が得られるのに対して、上記第４の方法で
は、測定対象全体にわたって走査し、測定光の強度が最
大になる位置が検出されるまで形状情報が得られないた
め、第１〜第３の方法に比べて計測に時間を要するとい
う欠点がある。さらに、第４の方法は、光学系が複雑な
構成になり、その収差を小さく抑えるには高度な光学設
計が必要になるという欠点がある。

【００１１】また、上記図１５に示す従来の共焦点検出
法では、光源１０４から出た光が共焦点光学系１０１を
経て測定対象１００の表面で反射、散乱し、その光が再
び共焦点光学系１０１を経て受光部１０５に取り込まれ
る構成になっているので、光学収差が二重に影響するこ
とになる。

【００１２】図１６は点光源１０４からの光がある波面
収差を持つ光学系１０１を１回通過したときの光強度分
布（点像分布）を示し、図１７はその光が測定対象１０
０で正反射して再び同一の光学系１０１を通過、すなわ
ち光学系１０１を２回通過したときの光強度分布（点像
分布）を示している。図１６に比べて図１７の点像分布
のピークが大きく低下しており、光が収差を持つ光学系
を２回通過すると像が極端に劣化することが分かる。

【００１３】このように、光学系１０１を２回通過する
場合には、光源１０４からの光の領域全体に亘って高い
光学性能を有する光学系を実現することは非常に困難で
あった。例えば特開平５−３３２７３３号公報には、共
焦点光学系を備えた共焦点検出法について開示されてい
るが、測定対象からの光が光学系を２回通過しており、
やはり上述の欠点を有している。

【００１４】さらに、共焦点光学系がズーム機能を有す
る場合においては、その光学収差を全ズーム領域に亘っ
て小さく抑えるためには、非常に高度な光学設計と複雑
で高精度な光学系とが要求される。

【００１５】また、上記図１５に示す従来の共焦点検出
法に用いられる共焦点光学系１０１では、測定対象１０
０の表面からの正反射光や散乱光などの様々な強度の測
定光が受光部１０５に入射するように構成されているた
めに、受光部１０５に入射する光強度のレベルの変化幅
が非常に大きいものとなり、受光部１０５のダイナミッ
クレンジを超える場合が生じていた。

【００１６】本発明は、上記問題を解決するもので、光
学系の光学収差に影響されずに測定精度の向上を可能に
する三次元形状計測装置を提供することを目的とする。

【００１７】また、本発明は、測定精度を低下させずに
計測時間を短縮することを可能にする三次元形状計測装
置および同方法を提供することを目的とする。

【００１８】また、本発明は、測定対象の表面性状に起
因する反射特性の相違による受光部への入射光の光強度
の変化幅を狭くすることにより、測定対象の表面性状に
制約されない三次元形状計測装置を提供することを目的
とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、互い
に異なる方向から照射され、所定の位置で交差する２つ
の光束により測定対象を照明する照明手段と、上記照明
手段により照明された上記測定対象からの測定光を取り
込む対物光学系と、複数の光電変換素子が配置されてな
る受光手段と、を備え、上記複数の光電変換素子は、そ
れぞれ、上記対物光学系により取り込まれた上記測定光
を受光して受光強度に応じた電気信号を出力するもので
あることを特徴としている。

【００２０】この構成によれば、照明手段によって、互
いに異なる方向から照射され、所定の位置で交差する２
つの光束により測定対象が照明され、照明された測定対
象からの測定光が対物光学系によって取り込まれ、取り
込まれた測定光が複数の光電変換素子によって受光され
て、受光強度に応じた電気信号が出力されることによ
り、照明手段と対物光学系とが分離し、２つの光束は対
物光学系を１回だけ通過するので、対物光学系の収差に
よる影響が低減される。

【００２１】また、互いに異なる方向から照射される２
つの光束により照明されることにより、測定対象の表面
には、いずれかの光束が到達することとなり、種々の形
状の測定対象に対して計測上の死角になることが低減さ
れる。

【００２２】また、請求項２の発明は、請求項１記載の
三次元形状計測装置において、上記２つの光束は、それ
ぞれ、コリメートされた光束であることを特徴としてい
る。

【００２３】この構成によれば、測定対象を照明する２
つの光束は、それぞれ、コリメートされた光束であるこ
とにより、受光手段により受光される測定光の受光強度
が安定したものとなり、計測精度が向上する。

【００２４】また、請求項３の発明は、請求項１記載の
三次元形状計測装置において、上記２つの光束は、それ
ぞれ、互いに交差する上記所定の位置の近傍で集束する
光束であることを特徴としている。

【００２５】この構成によれば、測定対象を照明する２
つの光束は、それぞれ、互いに交差する上記所定の位置
の近傍で集束する光束であることにより、所定の位置の
近傍で測定対象を照射すると、受光手段により受光され
る測定光の受光強度が高いものとなり、計測精度が向上
する。

【００２６】また、請求項４の発明は、請求項１記載の
三次元形状計測装置において、上記受光手段は、複数の
光電変換素子が二次元的に並んで配置されてなるもので
あることを特徴としている。

【００２７】この構成によれば、対物光学系によって取
り込まれた測定光が、二次元的に並んで配置された複数
の光電変換素子によって受光されることにより、測定対
象を照明する２つの光束が広がりを持つ場合には、複数
の光電変換素子が受光することとなり、測定対象の形状
計測に要する時間が短縮される。

【００２８】また、請求項５の発明は、請求項４記載の
三次元形状計測装置において、上記２つの光束のうちの
少なくとも一方の光束により上記測定対象を照射したと
きの当該光束の上記対物光学系の光軸に対する照射角度
と、上記受光手段のうちの上記測定光を受光した光電変
換素子の位置とに基づいて、上記光軸方向における上記
測定対象の表面の位置を判定する位置判定手段を備えた
ことを特徴としている。

【００２９】この構成によれば、２つの光束のうちの少
なくとも一方の光束により測定対象を照射したときの当
該光束の対物光学系の光軸に対する照射角度と、受光手
段のうちの測定光を受光した光電変換素子の位置とに基
づいて、対物光学系の光軸方向における測定対象の表面
の位置が判定されることにより、三角測量法にしたがっ
て測定対象の形状が容易に計測されることとなる。

【００３０】また、請求項６の発明は、請求項５記載の
三次元形状計測装置において、上記２つの光束が交差す
る交差部の位置を所定方向に移動させる交差部移動手段
を備えたことを特徴としている。

【００３１】この構成によれば、２つの光束が交差する
交差部の位置が所定方向、例えば対物光学系の光軸方向
に移動する。これは、例えば光源から出力される光束を
測定対象に向けて反射する反射鏡を備えている場合に
は、その反射鏡の角度を変更することによって行われ
る。これによって、測定対象の重量が大きいなどによっ
て測定対象の高速移動が困難な場合であっても、２つの
光束による測定対象の表面のカバーが素速く行われるこ
ととなり、測定対象の形状計測が好適に行われる。

【００３２】また、請求項７の発明は、請求項５記載の
三次元形状計測装置において、上記測定対象を所定方向
に移動させる試料移動手段を備えたことを特徴としてい
る。

【００３３】この構成によれば、測定対象が所定方向、
例えば対物光学系の光軸方向に移動することにより、２
つの光束による測定対象の表面のカバーが容易に行われ
ることとなり、測定対象の形状計測が好適に行われる。

【００３４】また、請求項８の発明は、請求項１記載の
三次元形状計測装置において、上記２つの光束は、それ
ぞれ、互いに線状に交差する帯状の光束であることを特
徴としている。

【００３５】この構成によれば、測定対象を照明する２
つの光束は、それぞれ、互いに線状に交差する帯状の光
束であることにより、測定対象からの帯状の測定光が複
数の光電変換素子が配置されてなる受光手段により受光
されることによって、測定対象の形状計測に要する時間
の短縮を図ることが可能になる。特に、受光手段として
複数の光電変換素子が二次元的に並んで配置されてなる
ものを採用すると、測定対象からの帯状の測定光が複数
の光電変換素子により同時に受光されることによって、
測定対象の形状計測に要する時間が短縮される。

【００３６】また、請求項９の発明は、請求項１記載の
三次元形状計測装置において、上記２つの光束の交差部
の位置と上記対物光学系の焦点とが一致するように構成
されていることを特徴としている。

【００３７】この構成によれば、２つの光束の交差部の
位置と対物光学系の焦点とが一致するように構成されて
いることにより、この一致した位置にさらに測定対象の
表面が一致すると、対物光学系に取り込まれる測定光の
レベルが最大になり、測定対象の表面位置の判別が容易
に行われることとなる。

【００３８】また、請求項１０の発明は、請求項９記載
の三次元形状計測装置において、上記対物光学系の開口
角は、上記対物光学系の光軸に対する上記２つの光束の
照射角度より小さくなるように構成されていることを特
徴としている。

【００３９】この構成によれば、対物光学系の開口角
は、対物光学系の光軸に対する２つの光束の照射角度よ
り小さくなるように構成されていることにより、対物光
学系には、測定対象からの正反射光が殆ど入射せず、散
乱光のみが入射することとなり、これによって反射特性
が異なる様々な測定対象に対して、対物光学系に取り込
まれる測定光のレベルの変化幅が狭くなり、受光手段か
ら受光強度に応じた電気信号が好適に出力される。

【００４０】また、請求項１１の発明は、請求項１０記
載の三次元形状計測装置において、上記受光手段は、上
記対物光学系に関して上記対物光学系の焦点と共役な位
置に配置された一列の光電変換素子を含んでいることを
特徴としている。

【００４１】この構成によれば、受光手段は、上記対物
光学系に関して上記対物光学系の焦点と共役な位置に配
置された一列の光電変換素子を含んでいるので、この共
役な位置に配置された一列の光電変換素子から出力され
る電気信号のレベルを用いると、２つの光束の交差部の
位置と対物光学系の焦点とが一致した位置に、さらに測
定対象の表面が一致したときには、光電変換素子から出
力される電気信号のレベルが最大になり、測定対象の表
面位置の判別が高精度で容易に行われることとなる。

【００４２】また、請求項１２の発明は、請求項１１記
載の三次元形状計測装置において、上記対物光学系の焦
点を上記光軸方向に移動させる焦点移動手段と、上記複
数の光電変換素子から出力される電気信号が最大のとき
の上記焦点の位置を上記測定対象の表面位置と判定する
位置判定手段と、を備えたことを特徴としている。

【００４３】この構成によれば、焦点移動手段により対
物光学系の焦点が光軸方向に移動するときに、２つの光
束の交差部の位置と対物光学系の焦点とが一致するよう
に構成されているので、対物光学系の焦点と測定対象の
表面が一致すると、対物光学系に取り込まれる測定光の
レベルが最大になる。従って、複数の光電変換素子から
出力される電気信号が最大のときの焦点の位置を測定対
象の表面位置と判定することにより、測定対象の三次元
形状の測定が容易に、かつ高精度で行われる。

【００４４】また、請求項１３の発明は、請求項１１記
載の三次元形状計測装置において、上記測定対象を上記
光軸方向に移動させる試料移動手段と、上記複数の光電
変換素子から出力される電気信号が最大のときの上記測
定対象の移動量に基づき上記測定対象の表面位置を判定
する位置判定手段と、を備えたことを特徴としている。

【００４５】この構成によれば、試料移動手段により測
定対象が光軸方向に移動するときに、２つの光束の交差
部の位置と対物光学系の焦点とが一致するように構成さ
れているので、対物光学系の焦点と測定対象の表面が一
致すると、対物光学系に取り込まれる測定光のレベルが
最大になる。従って、複数の光電変換素子から出力され
る電気信号が最大のときの測定対象の移動量に基づき測
定対象の表面位置が判定されることにより、測定対象の
三次元形状の測定が容易に、かつ高精度で行われる。

【００４６】また、請求項１４の発明は、請求項９記載
の三次元形状計測装置において、上記２つの光束はそれ
ぞれ帯状の光束で、互いに、上記対物光学系の光軸に直
交する方向に線状に交差するものであることを特徴とし
ている。

【００４７】この構成によれば、共焦点検出法を用いた
場合に、測定対象を照明する２つの光束はそれぞれ帯状
の光束で、互いに、対物光学系の光軸に直交する方向に
線状に交差するものであることにより、２つの光束の交
差部の位置と対物光学系の焦点とが一致した位置に、さ
らに測定対象の表面が一致すると、測定対象からの帯状
の測定光が受光手段により線状に受光されることによっ
て、複数点の計測が同時になされるので、測定対象の形
状計測に要する時間が短縮される。

【００４８】また、請求項１５の発明は、請求項１４記
載の三次元形状計測装置において、上記２つの帯状の光
束の交差部が形成する交差線及び上記対物光学系の光軸
の双方に直交する方向に、上記測定対象を移動させる試
料移動手段を備えたことを特徴としている。

【００４９】この構成によれば、２つの帯状の光束の交
差部が形成する交差線及び対物光学系の光軸の双方に直
交する方向に測定対象が移動することにより、測定対象
の広い表面の位置の判別が効率良く行われ、測定対象の
三次元形状が好適に計測されることとなる。

【００５０】また、請求項１６の発明は、請求項１記載
の三次元形状計測装置において、上記２つの光束のうち
の少なくとも一方の光束により上記測定対象を照射した
ときの当該光束の上記対物光学系の光軸に対する照射角
度と、上記受光手段のうちの上記測定光を受光した光電
変換素子の位置とに基づいて、上記光軸方向における上
記測定対象の表面の位置を判定する位置判定手段と、上
記対物光学系の焦点を上記測定対象に対して上記対物光
学系の光軸方向に相対的に移動させる相対移動手段と、
上記位置判定手段による判定結果に基づいて上記相対移
動手段による上記対物光学系の焦点の相対移動範囲を設
定する範囲設定手段と、を備え、上記相対移動手段は、
設定された上記相対移動範囲のみ上記対物光学系の焦点
を上記測定対象に対して相対的に移動させるものである
ことを特徴としている。

【００５１】この構成によれば、２つの光束のうちの少
なくとも一方の光束により測定対象を照射したときの当
該光束の対物光学系の光軸に対する照射角度と、受光手
段のうちの測定光を受光した光電変換素子の位置とに基
づいて、位置判定手段により対物光学系の光軸方向にお
ける測定対象の表面の位置が判定されることにより、三
角測量法にしたがって測定対象の形状が容易に計測され
る。そして、位置判定手段による判定結果に基づいて、
相対移動手段による対物光学系の焦点の測定対象に対す
る相対移動範囲が設定され、この設定された相対移動範
囲のみ上記焦点が測定対象に対して相対的に移動するこ
とにより、相対移動範囲のみ高精度な形状計測が行われ
ることとなり、高精度な形状計測を行いながら、計測に
要する時間が短縮される。

【００５２】また、請求項１７の発明は、測定対象の表
面位置に関する第１位置データを測定する第１測定手段
と、上記測定対象の表面位置に関する第２位置データを
測定する第２測定手段と、上記第１測定手段で得られた
上記第１位置データに基づき測定領域を決定する測定領
域決定手段と、上記第１測定手段を用いて上記第１位置
データを求めた後、上記測定領域決定手段により決定さ
れた測定領域内で上記第２測定手段を用いて上記第２位
置データを求める測定制御手段と、を備えたことを特徴
としている。

【００５３】この構成によれば、第１測定手段により測
定対象の表面位置に関する第１位置データが求められ、
求められた第１位置データに基づき測定領域決定手段に
より測定領域が決定され、決定された測定領域内で第２
測定手段により第２位置データが求められる。まず、第
１測定手段で求めた位置データに基づき測定領域が粗く
決定され、次に、その測定領域内で第２測定手段で求め
た位置データに基づき正確な測定対象の表面位置が算出
されるので、高精度の測定でありながら測定時間の増大
を抑制し、測定対象の三次元形状が効率良く求められる
こととなる。

【００５４】また、請求項１８の発明は、請求項１７記
載の三次元形状計測装置において、上記第１測定手段に
より測定される第１位置データの測定精度は、上記第２
測定手段により測定される第２位置データの測定精度よ
り低いことを特徴としている。

【００５５】この構成によれば、第１位置データは、測
定領域を粗く決定するためのものであるから、その測定
精度を第２位置データの測定精度より低くすることで、
迅速に測定領域を決定でき、計測時間の増大をより抑制
することができる。

【００５６】また、請求項１９の発明は、請求項１７記
載の三次元形状計測装置において、上記第１測定手段お
よび第２測定手段は、それぞれ、対物レンズの焦点と測
定対象とを当該対物レンズの光軸方向に相対的に移動さ
せることにより測定対象の表面位置を測定するもので、
上記対物レンズは、上記第１測定手段と第２測定手段と
で共用されていることを特徴としている。

【００５７】この構成によれば、対物レンズを第１測定
手段と第２測定手段とで共用しているので、部品点数の
削減および装置の小型化が可能になる。

【００５８】また、請求項２０の発明は、請求項１７記
載の三次元形状計測装置において、上記第１測定手段
は、三角測量法により測定対象の表面位置を測定するも
ので、上記第２測定手段は、対物レンズの焦点を測定対
象に対して当該対物レンズの光軸方向に相対的に移動さ
せることにより測定対象の表面位置を測定するものであ
ることを特徴としている。

【００５９】この構成によれば、第１測定手段を用い
て、三角測量法により測定対象の表面位置が測定される
ことから、第１位置データが粗く求められる。一方、第
２測定手段により、対物レンズの焦点を測定対象に対し
て当該対物レンズの光軸方向に相対的に移動させて測定
対象の表面位置が測定されることから、第２位置データ
が高精度で求められる。この第２位置データは、第１位
置データに基づき決定された測定領域内で測定される。
すなわち、対物レンズの焦点の測定対象に対する相対移
動は、決定された測定領域内で行われる。従って、第２
位置データの測定時間の増大が抑制される。

【００６０】また、請求項２１の発明は、請求項１７記
載の三次元形状計測装置において、座標変換手段をさら
に備え、上記第１測定手段および第２測定手段は、それ
ぞれ互いに異なる座標系に基づいて上記測定対象の表面
位置を測定するもので、上記座標変換手段は、上記第１
測定手段により測定された第１位置データを上記第２測
定手段の座標系に基づくデータに変換するもので、上記
測定領域決定手段は、上記第２測定手段の座標系に基づ
くデータに変換された第１位置データに基づき測定領域
を決定するものであることを特徴としている。

【００６１】この構成によれば、第１測定手段および第
２測定手段は、例えば測定対象に対して互いに異なる位
置に配置されており、第１、第２測定手段により、それ
ぞれ互いに異なる座標系に基づいて測定対象の表面位置
が測定される。そして、第１測定手段により測定された
第１位置データが、第２測定手段の座標系に基づくデー
タに変換され、この第２測定手段の座標系に基づくデー
タに変換された第１位置データに基づき測定領域が決定
されて、その測定領域内で第２測定手段により第２位置
データが測定される。従って、第１、第２測定手段の測
定対象に対する配置位置の設定が自由になり、計測装置
の設計の自由度が増すこととなる。

【００６２】また、請求項２２の発明は、測定対象の表
面位置に関する位置データを第１の精度で測定し、測定
された位置データに基づき測定領域を決定し、この決定
された測定領域内において上記位置データを上記第１の
精度より高い第２の精度で測定し、この第２の精度で測
定された位置データを用いて上記測定対象の三次元形状
を求めることを特徴としている。

【００６３】この方法によれば、測定対象の表面位置に
関する位置データが第１の精度で測定され、この測定さ
れた位置データに基づき測定領域が決定され、この決定
された測定領域内において測定対象の表面位置に関する
位置データが第１の精度より高い第２の精度で測定され
る。すなわち、測定対象の表面位置に関する位置データ
が、まず粗く測定され、この位置データに基づき測定領
域が決定され、この測定領域内において、測定対象の表
面位置に関する位置データが高精度で測定されることと
なる。従って、第１の精度より高い第２の精度での測定
は、測定領域内においてのみ行われることになるので、
高精度の計測を行いながら、計測に要する時間が短縮さ
れる。

【００６４】

【発明の実施の形態】図１１は本発明に係る三次元形状
計測装置の一実施形態の外観を示す斜視図である。

【００６５】この三次元形状計測装置１は、計測開始の
指示や設定データなどを入力するためのキーボード２
と、計測結果などを表示するための表示部３と、装置の
全体制御を行うための制御部４と、計測部５とから構成
されている。制御部４の機能についてはさらに後述す
る。

【００６６】計測部５は、測定対象６を載置するための
試料台１１と、カメラ部１２をＹ軸方向に移動可能に支
持するＹ軸駆動コラム１３とが、基台１４上に配設され
て構成されている。試料台１１は、図中、矢印で示すよ
うに、基台１４に対してＸ軸方向及びＺ軸方向に移動可
能に構成されるとともに、中心の回り（θ方向）に回転
可能に構成されている。なお、３次元座標系（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）は、図１１に示すように設定している。

【００６７】図１はカメラ部１２の内部構成を示す図、
図２は三次元形状計測装置の電気的構成を示すブロック
図である。

【００６８】カメラ部１２は、図１に示すように、照明
手段２０、対物光学系３０および受光手段４０を備えて
いる。

【００６９】照明手段２０は、レーザ光を発光するレー
ザ光源２１と、このレーザ光を平行光束２２にコリメー
トするコリメータレンズ２３と、この平行光束２２を２
つの平行光束２２ａ，２２ｂに分岐するハーフミラー２
４ａと、この平行光束２２ａを反射して平行光束２２ｂ
に平行にする反射鏡２４ｂと、平行光束２２ａ，２２ｂ
をそれぞれ微小な厚さ（本実施形態では、例えば10μ
ｍ）の帯状のコリメートされた光束（以下、単に「帯状
光束」という。）２５ａ，２５ｂに変換するガリレオ光
学系２６ａ，２６ｂと、この帯状光束２５ａ，２５ｂを
それぞれ反射して照射方向を変化させるガルバノミラー
２７ａ，２７ｂとから構成される。

【００７０】このガルバノミラー２７ａ，２７ｂは、互
いに連動して、または単独で個別に角度がマイクロラデ
ィアンオーダーで高精度に変更可能に構成されており、
連動して角度変更することにより、帯状光束２５ａ，２
５ｂの交差部２８の位置が対物光学系３０の光軸Ｌ１上
で図１中、左右に移動可能になっている。なお、この実
施形態では、帯状光束２５ａ，２５ｂの交差部２８の位
置は、通常、対物レンズ群３１の焦点に一致するように
構成されている。

【００７１】対物光学系３０は、照明手段２０の帯状光
束２５ａ，２５ｂによって照明された測定対象６からの
測定光を集光する対物レンズ群３１と、対物レンズ群３
１を通過した光を反射する反射鏡３２とからなり、テレ
セントリックな光学系が構成されている。対物レンズ群
３１は、ズーム機能を有しており、その焦点が移動可能
に構成されている。

【００７２】また、カメラ部１２は、図１に示すよう
に、対物光学系３０（対物レンズ群３１）の開口角を
θ、帯状光束２５ａの光軸Ｌ１に対する照射角度をα、
帯状光束２５ｂの光軸Ｌ１に対する照射角度をβとする
と、θ＜α，θ＜βが成立するように構成されている。
すなわち、対物光学系３０の開口角θは、帯状光束２５
ａ，２５ｂの照射角度α，βより、小さくなるように構
成されている。

【００７３】受光手段４０は、ＣＣＤ又はフォトダイオ
ードなどの光電変換素子４１（図２参照）が複数個二次
元的に並べて配置されて構成されている。光電変換素子
４１（図２）の１列は、対物光学系３０の焦点と共役な
位置に配置されている。

【００７４】図２において、発光回路５１はレーザ光源
２１を駆動するもので、カメラ本体駆動部５２はＹ軸駆
動コラム１３を駆動するもので、試料台駆動部５３は試
料台１１を駆動するものである。

【００７５】ミラー駆動部５４はガルバノミラー２７
ａ，２７ｂを互いに連動して、または単独で個別に駆動
してその角度を変更するもので、ズーム駆動部５５は対
物レンズ群３１を駆動してその焦点をＺ軸方向に移動さ
せるものである。

【００７６】制御部４は、ＲＡＭ６１と、ＲＯＭ６２
と、ＣＰＵ６３とを備え、ＲＡＭ６１はデータを一時的
に保管するもので、ＲＯＭ６２は予め設定されたデータ
などを含むＣＰＵ６３の制御プログラムを記憶するもの
である。

【００７７】ＣＰＵ６３は、この装置全体の制御を行う
もので、後述するように、まず、帯状光束２５ａまたは
帯状光束２５ｂを用いて三角測量法により測定対象６の
概略形状を計測するプリスキャンを行い、次いで、対物
光学系３０の焦点を移動させて測定対象６の形状を精密
に計測する焦点スキャンを行うようにしており、以下の
機能を有する。

【００７８】(1) 発光回路５１を介してレーザ光源２１
の発光を制御する発光制御手段７１としての機能。

【００７９】(2) カメラ本体駆動部５２を介してカメラ
部１２のＹ軸方向における位置を制御する光学系位置制
御手段７２としての機能。

【００８０】(3) 試料台駆動部５３を介して測定対象６
のＸ軸方向およびＺ軸方向の位置と、回転角度φとを制
御する試料位置制御手段７３としての機能。

【００８１】(4) ミラー駆動部５４を介してガルバノミ
ラー２７ａ，２７ｂの角度を個別に制御するミラー制御
手段７４としての機能。

【００８２】(5) ズーム駆動部５５を介して対物レンズ
群３１の焦点をＺ軸方向に移動させるズーム制御手段７
５としての機能。

【００８３】(6) ズーム駆動部５５に連動してミラー駆
動部５４によりガルバノミラー２７ａ，２７ｂの角度を
変更して帯状光束２５ａ，２５ｂの交差部２８の位置を
対物レンズ群３１の焦点に一致するように制御する交差
位置制御手段７６としての機能。

【００８４】(7) 帯状光束２５ａ，２５ｂにより測定対
象６を照射したときの測定対象６からの測定光を受光し
た受光手段４０の光電変換素子４１から出力される電気
信号のレベルを検出する信号レベル検出手段７７として
の機能。

【００８５】(8) 帯状光束２５ａまたは帯状光束２５ｂ
により測定対象６を照射したときの当該光束の対物光学
系３０の光軸Ｌ１に対する角度と測定対象６からの測定
光を受光した光電変換素子４１の位置とに基づいて、光
軸Ｌ１方向における測定対象６の表面の位置を三角測量
法により判定する位置判定手段７８としての機能。この
機能による動作については後述する。

【００８６】(9) 帯状光束２５ａ，２５ｂの交差部２８
の位置および対物レンズ群３１の焦点を光軸Ｌ１方向に
移動させたときに、測定対象６からの測定光を受光した
受光手段４０の光電変換素子４１から出力される電気信
号のレベルが最大になるときの交差部２８の位置を判定
する焦点判定手段７９としての機能。この機能による動
作については後述する。

【００８７】(10)位置判定手段７８による判定結果に基
づいて、焦点判定手段７９による判定を行う際の帯状光
束２５ａ，２５ｂの交差部２８の位置の光軸Ｌ１方向に
おける移動範囲を設定する範囲設定手段８０としての機
能。この機能による動作については後述する。

【００８８】なお、図２に一点鎖線で示すように、ズー
ム駆動部５５が駆動されるときのみズーム駆動部５５と
ミラー駆動部５４とを連結するギア機構５６を備え、対
物レンズ群３１の焦点が移動するときはミラー駆動部５
４が連動して２つの帯状光束２５ａ，２５ｂの交差部２
８の位置もその焦点に一致して移動するように構成して
もよい。この場合には、ＣＰＵ６３は、交差位置制御手
段７６としての機能が不要になる。

【００８９】以上の構成において、試料台駆動部５３お
よび試料台１１は、相対移動手段を構成している。ま
た、試料台駆動部５３および試料台１１は、試料移動手
段を構成している。ミラー駆動部５４およびガルバノミ
ラー２７ａ，２７ｂは、相対移動手段を構成している。
また、ミラー駆動部５４およびガルバノミラー２７ａ，
２７ｂは、交差位置移動手段を構成している。ズーム駆
動部５５は、ズーム手段（焦点移動手段）を構成してい
る。

【００９０】なお、焦点スキャンにおいて対物光学系３
０の焦点を移動させるときは、２つの帯状光束２５ａ，
２５ｂの交差部２８の位置もその焦点に一致して移動す
るようにしているので、以下において、「対物光学系３
０の焦点の走査」というときは、「２つの帯状光束２５
ａ，２５ｂの交差部２８の走査」と同一の作用を意味し
ている。

【００９１】次に、図１、図２に示す構成の光学系にお
ける作用について説明する。

【００９２】レーザ光源２１から出射されたレーザ光は
平行光束２２にコリメートされ、ハーフミラー２４ａに
より２方向に分岐され、それぞれガリレオ光学系２６
ａ，２６ｂにより帯状光束２５ａ，２５ｂに変換され、
ガルバノミラー２７ａ，２７ｂに導かれる。ガルバノミ
ラー２７ａ，２７ｂの角度が個別に変更されると、対物
光学系３０の光軸Ｌ１に対する帯状光束２５ａ，２５ｂ
の各角度が変更され、ガルバノミラー２７ａ，２７ｂの
角度が連動して変更されると、２つの帯状光束２５ａ，
２５ｂの交差部２８の位置が光軸Ｌ１上で移動される。
そして、帯状光束２５ａ，２５ｂによって照明された測
定対象６からの測定光が対物光学系３０を介して受光手
段４０に入射する。

【００９３】ここで、対物光学系３０の開口角θは、光
軸Ｌ１に対する帯状光束２５ａ，２５ｂの照射角度α，
βより小さくなるように構成されているので、対物光学
系３０には、測定対象６からの正反射光（０次光）が殆
ど入射せず、散乱光のみが入射する。

【００９４】これは、光学的ハイパスフィルタを用いる
のと同一の効果を奏し、測定対象６の表面からの反射光
における低周波成分が遮断され、高周波成分の光強度の
みが受光手段４０に取り込まれることとなる。これによ
って、測定対象６の表面性状の反射特性の相違に起因す
る受光手段４０への入射光の光強度の変化幅が狭くなる
ので、光電変換素子４１のダイナミックレンジを超える
ことがなくなり、種々の表面性状を有する測定対象６の
形状計測を行うことができる。

【００９５】次に、図３、図４を用いて、プリスキャン
における形状計測動作について説明する。図３はプリス
キャンを説明するための２つの帯状光束２５ａ，２５ｂ
および測定対象６を示す斜視図、図４は受光手段４０に
おける２次元受光画像を示す図である。

【００９６】図３に示すように、２つの帯状光束２５
ａ，２５ｂが、それぞれ光軸面ＬＳに対して角度α，β
を持って２方向から測定対象６に向けて投光され、２つ
の帯状光束２５ａ，２５ｂによって測定対象６が照射さ
れると、図４に示すように、受光手段４０によって散乱
光４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅが観測され
る。ここで、図４に示すように、２つの帯状光束２５
ａ，２５ｂの交差部２８に対応する受光手段４０の２次
元受光画像における位置を基準線４３とすると、この基
準線４３の位置（例えば図４の寸法Ｄ）が既知になって
いる。

【００９７】例えば、図３に示す測定対象６上における
帯状光束２５ｂの照射位置Ａの座標(ｘ，ｙ，ｚ)は、以
下のように求められる。すなわち、図４に示すように、
受光手段４０により観測される２次元受光画像によっ
て、散乱光Ａ’の座標(ｘ₁，ｙ ₁)を求めるとともに、基
準線４３と散乱光Ａ’の距離ｅを求める。そして、帯状
光束２５ａ，２５ｂの交差部２８のｚ座標をＨとし、図
３に示すように帯状光束２５ｂの照射角度をβとする
と、下記式(１)により照射位置Ａの座標(ｘ，ｙ，ｚ)が
求められる。

【００９８】 (ｘ，ｙ，ｚ) ＝(ｘ₁，ｙ₁，ｅ・cotβ＋Ｈ) …(１) そして、試料台１１を駆動して測定対象６を交差部２８
が形成する交差線と直交する方向、すなわちＸ軸方向に
移動させながら、逐次、観測される散乱光の座標を取り
込むことにより、測定対象６の形状が計測され、この計
測結果から焦点スキャンにおける焦点の走査範囲（本実
施形態では、例えば測定対象６の表面からＺ軸方向に±
50μｍ）が設定される。

【００９９】このプリスキャンにおいて、２つの帯状光
束２５ａ，２５ｂを測定対象６に同時に照射すると、図
４に示すように、散乱光４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２
ｄ，４２ｅが同時に観測されるので、測定対象６からの
散乱光がいずれの帯状光束から生じたかを判別する必要
が生じる。このときは、ガルバノミラー２７ａ，２７ｂ
の一方を帯状光束が受光手段４０の２次元受光画像から
振り切れるまで変化させ、２次元受光画像に他方の帯状
光束による散乱光のみが映るようにすれば、いずれの帯
状光束による散乱光であるかを判別することができる。

【０１００】このプリスキャンにおける計測精度は、２
つの帯状光束２５ａ，２５ｂの照射角度、受光手段４０
の倍率、光電変換素子４１（図２）の画素の大きさに依
存するが、本実施形態では、例えば数十〜百μｍの計測
精度が得られるように構成されている。

【０１０１】プリスキャンによる計測精度、すなわち測
定データを得る各測定点の間隔は、焦点スキャンによる
走査距離より粗くならない程度であればよい。これは、
プリスキャンが焦点スキャンによる走査範囲を決めるた
めの測定であり、詳細な形状データを得るための測定で
はないからである。これにより、焦点スキャンによる詳
細測定に比較して、プリスキャンによる粗測定は短時間
で行われる。

【０１０２】プリスキャンによれば、受光手段４０の２
次元受光画像内で測定対象６の走査が可能になるように
ガルバノミラー２７ａ，２７ｂの角度を変化させること
により、測定対象６の表面の位置を求めることができ、
測定対象６の表面を必ず含む焦点の走査範囲を設定する
ことができる。

【０１０３】また、測定対象６に向けて２つの帯状光束
２５ａ，２５ｂを２方向から投光しているので、測定対
象６の形状による「けられ」を低減することができる。
すなわち、帯状光束２５ａ，２５ｂの一方に「けられ」
が生じても、他方の帯状光束に「けられ」が生じなけれ
ば測定対象６の形状計測が可能になるので、形状計測の
死角を低減することができる。

【０１０４】また、一般に、測定対象６は様々な側面形
状を持っているため、一方向からの走査では全体の形状
を計測することは困難であるが、本実施形態では、試料
台１１がθ方向に回転可能にしているので、測定対象６
の側面形状を様々な角度から計測することを可能にして
おり、計測の死角を低減している。

【０１０５】また、帯状光束２５ａ，２５ｂの照射角度
α，βが大きいほど精度良く計測することができ、受光
手段４０の光電変換素子４１の画素が小さいほど精度良
く計測することができる。これによって走査範囲を小さ
くすることができるので、焦点スキャンにおける計測の
時間短縮を図ることができる。

【０１０６】また、測定対象６がカメラ部１２の視野範
囲を超える位置にある場合には、試料台１１を順次Ｘ軸
方向およびＺ軸方向に移動させることによって、測定対
象６の形状を計測することができる。

【０１０７】次に、図１、図５〜図８を用いて、焦点ス
キャンにおける計測動作について説明する。

【０１０８】図１において、焦点スキャンでは、プリス
キャンで設定された走査範囲内で２つの帯状光束２５
ａ，２５ｂの交差部２８の位置および対物光学系３０の
焦点を測定対象６の断面方向、すなわち光軸Ｌ１方向
（Ｚ軸方向）に予め設定された微小距離ずつ順次移動さ
せ、各位置における測定対象６の表面からの散乱光を受
光手段４０により受光する。

【０１０９】図５（ａ）はμｍオーダーの厚さにコリメ
ートされた２つの帯状光束２５ａ，２５ｂがガルバノミ
ラー２７ａ，２７ｂ（図１）により２方向から投射され
て、交差部２８において交差した状態を示している。図
６は交差部２８の近傍における光強度分布を示す図で、
２つの帯状光束２５ａ，２５ｂの交差部２８において光
強度が最大になっていることが分かる。

【０１１０】この交差部２８の位置は、ガルバノミラー
２７ａ，２７ｂの角度をマイクロラディアンオーダーの
精密さで制御することにより、三次元空間内で任意に移
動させることができる。この場合、交差部２８の位置を
変化させても収差に変化がないため、光強度分布が変化
することはない。

【０１１１】したがって、図５（ｂ）に示すように結像
により光強度が最大の位置を形成する従来の共焦点光学
系において、ズームレンズを用いる場合には、焦点の位
置が変化すると収差特性が変化し、集光したときの光強
度分布が変化してしまう。

【０１１２】これに対して、本実施形態では、常に同一
の光強度分布を持つ２つの帯状光束２５ａ，２５ｂが測
定対象６に照射されるとともに、測定対象６からの測定
光が１回だけ対物光学系３０を通過することになるの
で、総合的な収差を従来に比べて低減することができ、
これによって計測精度を向上することができる。

【０１１３】このように、本実施形態では、測定対象６
に光束を照射する照明手段２０と、測定対象６からの測
定光を受光する対物光学系３０とが分離されているが、
従来の共焦点光学系と同様の機能を果たす疑似共焦点光
学系が構成されている。

【０１１４】図１に戻って、焦点スキャンでは、受光手
段４０の光電変換素子４１（図２）のうちで、２つの帯
状光束２５ａ，２５ｂの交差部２８が形成する交差線に
平行で、かつ対物光学系３０の焦点と共役な位置に配置
された１列（例えば図４に示す基準線４３に一致する
列）の光電変換素子４１から出力される電気信号のみが
測定データとして計測に用いられる。これによって、受
光手段の直前にスリットが配置され、焦点と測定対象の
表面とが一致したときに最大強度の散乱光が受光手段に
入射する共焦点効果と同一の効果を得ることができる。

【０１１５】そして、受光手段４０から出力される１列
の光電変換素子４１の電気信号は順次Ａ／Ｄ変換されて
ＲＡＭ６１に格納される。設定された走査範囲の計測が
終了すると、ＲＡＭ６１に格納されたデータから焦点と
光強度の関係を表わす曲線を求め、その最大値の位置か
ら合焦点の位置を知ることができ、その位置が測定対象
６の表面の位置を示すことになる。一断面の計測が終了
すると、測定対象６がＸ軸方向に予め設定された微小距
離だけ移動され、次の一断面の計測が同様に行われる。

【０１１６】図７は交差部２８の位置を測定対象６の表
面から光軸Ｌ１方向（Ｚ軸方向）に−90μｍから90μｍ
に亘って走査させたときに観測される光束の幅方向に対
する光強度分布の変化をシミュレーションした結果を示
す図で、対物光学系３０の開口数を0.1とし、帯状光束
２５ａ，２５ｂの厚さを10μｍとし、光強度を１に正規
化している。図８は図７と同一条件で、光電変換素子４
１として10μｍ幅のＣＣＤ画素を用いたときに観測され
る測定対象６の表面からのデフォーカス量に対する光強
度信号の変化をシミュレーションした結果を示す図であ
る。

【０１１７】図７、図８に示すように、コリメートされ
た帯状光束２５ａ，２５ｂを交差させると、交差部２８
が疑似的に焦点として作用し、従来の共焦点光学系と同
様に焦点移動による光強度信号変化を得ることができ、
高精度な形状計測が可能であることが分かる。

【０１１８】このように、焦点スキャンでは、プリスキ
ャンによる計測結果に基づいて設定された走査範囲のみ
計測を行うようにしているので、計測時間を短縮するこ
とができるとともに、光電変換素子４１からの測定デー
タを格納するのに必要なＲＡＭ６１の容量を低減するこ
とができる。

【０１１９】この焦点スキャンにおける測定精度は、本
実施形態では、例えば0.5〜10μｍ程度の測定精度が得
られるように構成される。

【０１２０】次に、図１を参照しながら、図９、図１０
のフローチャートにしたがって、本装置による計測動作
の手順について説明する。

【０１２１】図９、図１０のフローチャートにおいて、
＃１００〜＃２１０はプリスキャンの手順を表わし、＃
２２０〜＃３２０は焦点スキャンの手順を表わす。

【０１２２】まず、２つの帯状光束２５ａ，２５ｂが照
射され（＃１００）、測定対象６からの測定光による光
強度データが受光手段４０を介して取り込まれてＲＡＭ
６１に格納され（＃１１０）、この光強度データから２
次元受光画像における帯状光束２５ａ，２５ｂの当接位
置が抽出され（＃１２０）、この当接位置から三角測量
法の演算により測定対象６の表面位置が特定される（＃
１３０）。

【０１２３】次いで、Ｘ軸方向の計測が終了したか否か
が判別され（＃１４０）、未だ終了していなければ（＃
１４０でＮＯ）、ガルバノミラー２７ａ，２７ｂの角度
が所定角度だけ変更されて（＃１５０）、＃１００に戻
る。

【０１２４】一方、Ｘ軸方向の計測が終了すれば（＃１
４０でＹＥＳ）、Ｙ軸方向の計測が終了したか否かが判
別される（＃１６０）。測定対象６が帯状光束２５ａ，
２５ｂの幅寸法よりＹ軸方向に大きくて、Ｙ軸方向の計
測が未だ終了していなければ（＃１６０でＮＯ）、カメ
ラ部１２がＹ軸方向に未計測領域まで移動されて（＃１
７０）、＃１００に戻る。

【０１２５】一方、Ｙ軸方向の計測が終了すれば（＃１
６０でＹＥＳ）、測定対象６の側面の計測が終了したか
否かが判別され（＃１８０）、未だ終了していなければ
（＃１８０でＮＯ）、測定対象６が所定角度だけ回転移
動されて（＃１９０）、＃１００に戻る。

【０１２６】一方、測定対象６の側面の計測が終了して
いれば（＃１８０でＹＥＳ）、次いで、座標変換などを
行うことによって測定対象６の３次元形状が作成され
て、測定対象６の概略形状が計測されることとなる（＃
２００）。次いで、この計測結果を用いて焦点スキャン
における焦点の走査範囲が設定される（＃２１０）。

【０１２７】以上のようにプリスキャンの動作において
は、三角測量法により、比較的粗い測定精度で、高速な
測定が行われる。

【０１２８】以上のプリスキャンに続いて焦点スキャン
が実行される。まず、設定された走査範囲だけ焦点がＺ
軸方向に走査されて各位置の光強度データが取り込まれ
てＲＡＭ６１に格納され（＃２２０）、次いで、光強度
データの最大値が抽出されて測定対象６の表面位置が特
定される（＃２３０）。

【０１２９】次いで、Ｘ軸方向の計測が終了したか否か
が判別され（＃２４０）、未だ終了していなければ（＃
２４０でＮＯ）、測定対象６が所定距離だけＸ軸方向に
移動され（＃２５０）、このＸ座標において設定された
走査範囲が、対物レンズ群３１の焦点移動範囲内にある
か否かが判別され（＃２６０）、焦点移動範囲内であれ
ば（＃２６０でＹＥＳ）、＃２２０に戻る。一方、走査
範囲が焦点移動範囲内になければ（＃２６０でＮＯ）、
焦点移動範囲内になるまで測定対象６がＺ軸方向に移動
されて（＃２７０）、＃２２０に戻る。

【０１３０】一方、Ｘ軸方向の計測が終了していれば
（＃２４０でＹＥＳ）、Ｙ軸方向の計測が終了したか否
かが判別され（＃２８０）、未だ終了していなければ
（＃２８０でＮＯ）、カメラ部１２がＹ軸方向に未計測
領域まで移動されて（＃２９０）、＃２２０に戻る。

【０１３１】一方、Ｙ軸方向の計測が終了していれば
（＃２８０でＹＥＳ）、測定対象６の側面の計測が終了
したか否かが判別され（＃３００）、未だ終了していな
ければ（＃３００でＮＯ）、測定対象６が所定角度だけ
回転移動されて（＃３１０）、＃２２０に戻る。

【０１３２】一方、測定対象６の側面の計測が終了した
か否かが判別され（＃３００）、座標変換などによって
計測データがつなぎあわされて、３次元形状が作成され
る（＃３１０）。

【０１３３】以上のように焦点スキャンの動作において
は、プリスキャンによって得られた測定範囲を、プリス
キャン時とは異なる焦点スキャンによる測定を行う。従
って、より精密な測定データが得られるとともに、必要
な領域のみを精密測定するため、測定時間が短縮でき
る。

【０１３４】なお、本発明は、上記実施形態に限られ
ず、以下の変形形態を採用することができる。

【０１３５】（１）上記実施形態では、図１に示すよう
に、ハーフミラー２４ａを用いてレーザ光源２１からの
レーザ光を２つに分離しているが、これに限られず、ハ
ーフミラー２４ａに代えて、２つのレーザ光源を用いる
ようにしてもよい。この場合には、２つのレーザ光源を
交互に点滅させ、その点滅に同期して受光手段４０から
の光強度データを取り込むことによって、２次元受光画
像における光強度データが２つの帯状光束２５ａ，２５
ｂのうちのいずれの帯状光束によるものであるかを判別
することができる。

【０１３６】（２）上記実施形態では、プリスキャン及
び焦点スキャンのときにガルバノミラー２７ａ，２７ｂ
の角度を変化させているが、これに限られず、ガルバノ
ミラー２７ａ，２７ｂを固定し、測定対象６をＺ軸方向
に走査するようにしても、同様に計測を行うことができ
る。

【０１３７】（３）図１２はカメラ部１２の変形形態を
示す図である。図１２において、図１と同一物には同一
符号を付している。

【０１３８】上記実施形態では、図１に示すように、プ
リスキャンと焦点スキャンとにおいて同一の受光手段４
０で受光しているが、この変形形態では、それぞれ別の
受光手段で受光するようにしている。

【０１３９】すなわち、図１２に示すように、受光手段
４０と反射鏡３２との間に、ハーフミラー３３を配設す
るとともに、このハーフミラー３３で反射された光を受
光する受光手段４２を備えている。そして、プリスキャ
ン時は受光手段４０からの受光信号を用いて計測を行
い、焦点スキャン時は受光手段４２からの受光信号を用
いて計測を行う。

【０１４０】受光手段４０は、焦点スキャンの測定領域
を決めるためのプリスキャンに用いられるので、受光手
段４０として、比較的低解像度のエリアセンサを採用す
ればよい。例えば市販のビデオカメラに採用されている
ものを用いることにより、低コストで受光手段４０を構
成することができる。

【０１４１】一方、受光手段４２は、本スキャンである
焦点スキャンに用いられるので、受光手段４２として、
高解像度のラインセンサを採用している。そして、この
ラインセンサを対物光学系３０の焦点と共役な位置に配
置する。

【０１４２】上記実施形態では、プリスキャンと焦点ス
キャンとにおいて同一の受光手段４０で受光しているの
で、焦点スキャンで高精度のデータを得るためには、高
解像度のエリアセンサを用いる必要があり、装置構成の
ためのコストが増大する虞がある。これに対して、この
変形形態によれば、受光手段４０，４２として、それぞ
れ測定精度に応じた構成のものを採用することができる
ので、上記実施形態に比べて低コストで装置を構成する
ことができる。

【０１４３】（４）図１３はカメラ部１２の別の変形形
態を示す図である。図１３において、図１と同一物には
同一符号を付している。

【０１４４】この形態では、図１のガリレオ光学系２６
ａ，２６ｂに代えて、それぞれ非常に小さい開口数を有
する光学系２６ｃ，２６ｄを備えている。

【０１４５】光学系２６ｃ，２６ｄは、コリメートされ
た光束２２ａ，２２ｂを、それぞれ微小な厚さ（本変形
形態では、例えば十数μｍ）に集束された帯状光束２５
ｃ，２５ｄに変換してガルバノミラー２７ａ，２７ｂに
導くものである。この光学系２６ｃ，２６ｄは、帯状光
束２５ｃ，２５ｄの最も集束された位置が交差部２８の
近傍になるように設定されている。

【０１４６】この変形形態によれば、コリメートされた
帯状光束を生成するのが困難な場合でも、ガルバノミラ
ー２７ａ，２７ｂから測定対象６までの距離が、交差部
２８の走査範囲に比べて十分長くなるように構成するこ
とにより、コリメートされた帯状光束を用いた場合と同
等の精度で計測することができる。

【０１４７】（５）図１４はカメラ部１２の別の変形形
態を示す図である。図１４において、図１３と同一物に
は同一符号を付している。

【０１４８】図１や図１３の形態では、プリスキャンを
行う光学系と焦点スキャンを行う光学系とを共通の光学
系で構成しているが、図１４の形態では、両者をそれぞ
れ別の光学系で構成している。すなわち、図１４に示す
カメラ部１２は、対物光学系３０の外部に配設された三
角測量測定装置９０を備え、この三角測量測定装置９０
は、照明手段９１および受光手段９２を備えている。

【０１４９】照明手段９１は、帯状のスリット光を出力
するもので、このスリット光により測定対象６を照明す
る。受光手段９２は、照明手段９１により照明された測
定対象６からの反射光を受光するもので、受光強度に応
じた電気信号を出力する。この受光手段９２は、光電変
換素子が２次元的に配置されてなるエリアセンサで構成
されている。

【０１５０】また、この形態では、受光手段４０に代え
て、受光手段４３を備えている。この受光手段４３は、
光電変換素子が一列に配置されてなるラインセンサで構
成され、このラインセンサは対物光学系３０の焦点と共
役な位置に配置されている。

【０１５１】受光手段４３のラインセンサの画素密度
は、受光手段９２のエリアセンサの画素密度に比べて高
いものが採用されている。これは、受光手段９２による
測定が、焦点スキャンによる走査範囲を決めるための粗
い測定であり、受光手段４３による測定が、焦点スキャ
ンにより測定対象６の形状を求めるための精密な測定で
あるからである。

【０１５２】図１４の形態でも、測定手順としては、上
記図９、図１０の手順と同様に行うことができる。但
し、この形態では、焦点スキャンの測定系と三角測量測
定装置９０とは、測定対象６に対して異なる位置に配置
されているので、両者は異なる座標系を基準として測定
を行う。すなわち、図１４に示すように、焦点スキャン
の測定系は座標系(Ｘ，Ｙ，Ｚ)を基準として測定を行う
のに対して、三角測量測定装置９０は座標系(Ｘｐ，Ｙ
ｐ，Ｚｐ)を基準として測定を行う。従って、図９のス
テップ＃２１０の動作を行う前に、座標変換を行う必要
がある。この座標変換は、ＣＰＵ６３（図２）によって
行われる。

【０１５３】座標系(Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ)で表わされる点
Ｖｐが座標系(Ｘ，Ｙ，Ｚ)で点Ｖと表わされるとき、点
Ｖｐと点Ｖとの間には、 Ｖ＝Ｔ・Ｖｐ …(Ａ) の座標変換の関係が成立する。

【０１５４】ここで、Ｖｐ，Ｖは、それぞれ、

【０１５５】

【数１】

【０１５６】

【数２】

【０１５７】と、４×１のベクトルで表わされる。

【０１５８】そして、座標変換行列Ｔは、各座標系間の
傾斜を表わす回転行列Ｒと、原点の変位量を表わす並進
行列Ｈとを用いて、

【０１５９】

【数３】

【０１６０】と表わされる。ここで、Ｒは３×３行列、
Ｈは４×１ベクトルであり、Ｔは４×４行列になる。

【０１６１】なお、上記数１、数２において、点Ｖｐ，
Ｖの実際の座標を表わすのは最初の３要素であり、１は
並進値を加算するために必要な要素である。

【０１６２】図９のステップ＃２００までの動作によ
り、三角測量測定装置９０により測定が行われた後、測
定された各点の座標は、座標変換行列Ｔを用いて上記式
(Ａ)に従って焦点スキャンの座標系に変換される。そし
て、図９のステップ＃２１０において、座標変換された
各点のＺ座標に対して正負方向に焦点スキャンの走査範
囲が設定される。例えば、走査幅が1mmで座標変換され
たＺ座標が100mmのときは、走査範囲は99.5〜100.5mmと
なる。そして、以下は上記実施形態と同様に、図１０の
手順に従って測定が行われる。

【０１６３】（６）上記実施形態では、２つの帯状光束
２５ａ，２５ｂとしているが、これに限られず、互いに
交差する２本の細い光束を用いて、その交差する点を例
えば図１のＹ軸方向に振らせるようにしてもよい。ま
た、この場合には、３本以上の細い光束を用いるように
してもよい。

【０１６４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、照明手段によって、互いに異なる方向から照射
され、所定の位置で交差する２つの光束により測定対象
を照明ぢ、照明された測定対象からの測定光を対物光学
系によって取り込み、取り込まれた測定光を、複数の光
電変換素子によって受光して、受光強度に応じた電気信
号を出力するようにしたので、照明手段と対物光学系と
が分離し、２つの光束は対物光学系を１回だけ通過する
ので、対物光学系の収差による影響を低減することがで
きる。

【０１６５】また、請求項２の発明によれば、測定対象
を照明する２つの光束は、それぞれ、コリメートされた
光束であることにより、受光手段により受光される測定
光の受光強度が安定したものとなり、計測精度を向上す
ることができる。

【０１６６】また、請求項３の発明によれば、測定対象
を照明する２つの光束は、それぞれ、互いに交差する上
記所定の位置の近傍で集束する光束であることにより、
所定の位置の近傍で測定対象を照射すると、受光手段に
より受光される測定光の受光強度が高いものとなり、計
測精度を向上することができる。

【０１６７】また、請求項４の発明によれば、受光手段
は、複数の光電変換素子が二次元的に並んで配置されて
なるものであるので、測定対象を照明する２つの光束が
広がりを持つ場合には、複数の光電変換素子が受光する
こととなり、測定対象の形状計測に要する時間を短縮す
ることができる。

【０１６８】また、請求項５の発明によれば、２つの光
束のうちの少なくとも一方の光束により測定対象を照射
したときの当該光束の対物光学系の光軸に対する照射角
度と、受光手段のうちの測定光を受光した光電変換素子
の位置とに基づいて、対物光学系の光軸方向における測
定対象の表面の位置を判定することにより、三角測量法
にしたがって測定対象の形状を容易に計測することがで
きる。

【０１６９】また、請求項６の発明によれば、２つの光
束が交差する交差部の位置を所定方向に移動させるよう
にしているので、測定対象の重量が大きいなどによって
測定対象の高速移動が困難な場合であっても、２つの光
束による測定対象の表面のカバーが素速く行われること
となり、測定対象の形状計測を好適に行うことができ
る。

【０１７０】また、請求項７の発明によれば、測定対象
を所定方向に移動させるようにしているので、２つの光
束による測定対象の表面のカバーが容易に行われること
となり、測定対象の形状計測を好適に行うことができ
る。

【０１７１】また、請求項８の発明によれば、測定対象
を照明する２つの光束は、それぞれ、互いに線状に交差
する帯状の光束であることにより、測定対象からの帯状
の測定光を受光手段により二次元的に受光することによ
って、測定対象の形状計測に要する時間を短縮すること
ができる。

【０１７２】また、請求項９の発明によれば、２つの光
束の交差部の位置と対物光学系の焦点とが一致するよう
に構成されていることにより、この一致した位置にさら
に測定対象の表面が一致すると、対物光学系に取り込ま
れる測定光のレベルが最大になり、測定対象の表面位置
の判別を容易に行うことができる。

【０１７３】また、請求項１０の発明によれば、対物光
学系の開口角を、対物光学系の光軸に対する２つの光束
の照射角度より小さくなるように構成することにより、
対物光学系には、測定対象からの正反射光が殆ど入射せ
ず、散乱光のみが入射することとなり、これによって受
光手段への入射光の光強度の変化幅を狭くすることがで
き、受光手段から受光強度に応じた電気信号を好適に出
力することができる。

【０１７４】また、請求項１１の発明によれば、受光手
段は、対物光学系に関して対物光学系の焦点と共役な位
置に配置された一列の光電変換素子を含んでいるので、
この共役な位置に配置された一列の光電変換素子から出
力される電気信号のレベルを用いると、２つの光束の交
差部の位置と対物光学系の焦点とが一致した位置に、さ
らに測定対象の表面が一致したときには、光電変換素子
から出力される電気信号のレベルが最大になり、測定対
象の表面位置の判別を高精度で容易に行うことができ
る。

【０１７５】また、請求項１２の発明によれば、対物光
学系の焦点を光軸方向に移動させ、複数の光電変換素子
から出力される電気信号が最大のときの焦点の位置を測
定対象の表面位置と判定するようにしているので、２つ
の光束の交差部の位置と対物光学系の焦点とが一致する
ように構成されていることから、対物光学系の焦点と測
定対象の表面が一致すると、対物光学系に取り込まれる
測定光のレベルが最大になり、これによって、測定対象
の三次元形状の測定を容易に、かつ高精度で行うことが
できる。

【０１７６】また、請求項１３の発明によれば、測定対
象を光軸方向に移動させ、複数の光電変換素子から出力
される電気信号が最大のときの測定対象の移動量に基づ
き測定対象の表面位置を判定するようにしているので、
２つの光束の交差部の位置と対物光学系の焦点とが一致
するように構成されていることから、対物光学系の焦点
と測定対象の表面が一致すると、対物光学系に取り込ま
れる測定光のレベルが最大になり、これによって、測定
対象の三次元形状の測定を容易に、かつ高精度で行うこ
とができる。

【０１７７】また、請求項１４の発明によれば、測定対
象を照明する２つの光束はそれぞれ帯状の光束で、互い
に、対物光学系の光軸に直交する方向に線状に交差する
ものであることにより、２つの光束の交差部の位置と対
物光学系の焦点とが一致した位置に、さらに測定対象の
表面が一致すると、測定対象からの帯状の測定光が受光
手段により線状に受光されることによって、複数点の計
測が同時になされるので、測定対象の形状計測に要する
時間を短縮することができる。

【０１７８】また、請求項１５の発明によれば、２つの
帯状の光束の交差部が形成する交差線及び対物光学系の
光軸の双方に直交する方向に測定対象を移動させること
により、測定対象の広い表面の位置の判別を効率良く行
うことができ、測定対象の三次元形状を好適に計測する
ことができる。

【０１７９】また、請求項１６の発明によれば、２つの
光束のうちの少なくとも一方の光束により測定対象を照
射したときの当該光束の対物光学系の光軸に対する照射
角度と、受光手段のうちの測定光を受光した光電変換素
子の位置とに基づいて、位置判定手段により対物光学系
の光軸方向における測定対象の表面の位置を判定し、そ
の判定結果に基づいて、相対移動手段による対物光学系
の焦点の相対移動範囲を設定し、この設定された相対移
動範囲のみ上記焦点が測定対象に対して相対的に移動す
るようにしたので、相対移動範囲のみ高精度な形状計測
を行うことができ、高精度な形状計測を行いながら、計
測時間を短縮することができる。

【０１８０】また、請求項１７の発明によれば、第１測
定手段により測定対象の表面位置に関する第１位置デー
タを求め、求められた第１位置データに基づき測定領域
決定手段により測定領域を決定し、決定された測定領域
内で第２測定手段により第２位置データを求めるように
しているので、測定対象の三次元形状の効率良い測定を
図ることができる。

【０１８１】また、請求項１８の発明によれば、第１測
定手段により測定される第１位置データの測定精度は、
第２測定手段により測定される第２位置データの測定精
度より低いので、第１位置データにより測定領域が粗く
決定され、その測定領域内で第２位置データが精度良く
求められることから、高精度の計測を行いながら、計測
に要する時間を短縮することができる。

【０１８２】また、請求項１９の発明によれば、第１測
定手段と第２測定手段とで対物レンズを共用しているの
で、部品点数の削減および装置の小型化を図ることがで
きる。

【０１８３】また、請求項２０の発明によれば、第１測
定手段は、三角測量法により測定対象の表面位置を測定
するもので、第２測定手段は、対物レンズの焦点を測定
対象に対して当該対物レンズの光軸方向に相対的に移動
させることにより測定対象の表面位置を測定するもので
あるので、三角測量法により第１位置データを粗く求
め、第１位置データに基づき決定された測定領域内で対
物レンズの焦点の相対移動を行って第２位置データを高
精度で求めることから、第２位置データの測定時間の増
大を抑制することができる。

【０１８４】また、請求項２１の発明によれば、第１測
定手段および第２測定手段は、それぞれ互いに異なる座
標系に基づいて測定対象の表面位置を測定するもので、
第１測定手段により測定された第１位置データを上記第
２測定手段の座標系に基づくデータに変換し、第２測定
手段の座標系に基づくデータに変換された第１位置デー
タに基づき測定領域を決定するようにしているので、第
１、第２測定手段の測定対象に対する配置位置の設定が
自由になり、計測装置の設計の自由度を増すことができ
る。

【０１８５】また、請求項２２の発明によれば、測定対
象の表面位置に関する位置データを第１の精度で測定
し、測定された位置データに基づき測定領域を決定し、
この決定された測定領域内において上記位置データを上
記第１の精度より高い第２の精度で測定し、この第２の
精度で測定された位置データを用いて上記測定対象の三
次元形状を求めるようにしているので、第１の精度より
高い第２の精度での測定は、測定領域内においてのみ行
われることになり、高精度の計測を行いながら、計測に
要する時間の短縮を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る三次元形状計測装置の一実施形態
のカメラ部の内部構成を示す図である。

【図２】三次元形状計測装置の電気的構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】プリスキャンを説明するための２つの帯状光束
および測定対象を示す斜視図である。

【図４】受光手段における２次元受光画像を示す図であ
る。

【図５】（ａ）はμｍオーダーの厚さにコリメートされ
た２つの帯状光束がガルバノミラーにより２方向から投
射されて交差部において交差した状態を示し、（ｂ）は
結像により光強度が最大の位置を形成する光束を示す図
である。

【図６】交差部の近傍における光強度分布のシミュレー
ション結果を示す図である。

【図７】交差部の位置を測定対象の表面から光軸Ｌ１方
向（Ｚ軸方向）に−90μｍから90μｍに亘って走査させ
たときに観測される光束の幅方向に対する光強度分布の
変化をシミュレーションした結果を示す図である。

【図８】図７と同一条件で、光電変換素子として10μｍ
幅のＣＣＤ画素を用いたときに観測される測定対象の表
面からのデフォーカス量に対する光強度信号の変化をシ
ミュレーションした結果を示す図である。

【図９】計測動作の手順を示すフローチャートである。

【図１０】計測動作の手順を示すフローチャートであ
る。

【図１１】本発明に係る三次元形状計測装置の一実施形
態の外観を示す斜視図である。

【図１２】カメラ部の変形形態を示す図である。

【図１３】カメラ部の別の変形形態を示す図である。

【図１４】カメラ部の別の変形形態を示す図である。

【図１５】従来の共焦点光学系を示す構成図である。

【図１６】点光源からの光がある波面収差を持つ光学系
を通過したときの光強度分布を示す図である。

【図１７】点光源からの光がある波面収差を持つ光学系
を通過し、その正反射光が同光学系を再度通過したとき
の光強度分布を示す図である。

【符号の説明】

１１ 試料台 ２０ 照明手段 ２７ａ，２７ｂ ガルバノミラー ３０ 対物光学系 ３１ 対物レンズ群 ４０ 受光手段 ４１ 光電変換素子 ４２ 受光手段 ４３ 受光手段（第２測定手段） ５３ 試料台駆動部 ５４ ミラー駆動部 ５５ ズーム駆動部 ６３ ＣＰＵ（第１測定制御手段、第２測定制御手段、
座標変換手段） ７７ 信号レベル検出手段 ７８ 位置判定手段 ７９ 焦点判定手段 ８０ 範囲設定手段（測定領域決定手段） ９０ 三角測量測定装置（第１測定手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA53 BB05 DD06 DD11 DD15 EE08 FF41 FF67 GG04 HH05 HH12 HH14 HH18 JJ02 JJ03 JJ05 JJ19 JJ25 JJ26 LL00 LL06 LL13 LL59 LL62 MM16 MM21 NN02 PP12 QQ00 QQ03 QQ29

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに異なる方向から照射され、所定の
   位置で交差する２つの光束により測定対象を照明する照
   明手段と、 上記照明手段により照明された上記測定対象からの測定
   光を取り込む対物光学系と、 複数の光電変換素子が配置されてなる受光手段と、を備
   え、 上記複数の光電変換素子は、それぞれ、上記対物光学系
   により取り込まれた上記測定光を受光して受光強度に応
   じた電気信号を出力するものであることを特徴とする三
   次元形状計測装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の三次元形状計測装置にお
   いて、上記２つの光束は、それぞれ、コリメートされた
   光束であることを特徴とする三次元形状計測装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の三次元形状計測装置にお
   いて、上記２つの光束は、それぞれ、互いに交差する上
   記所定の位置の近傍で集束する光束であることを特徴と
   する三次元形状計測装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の三次元形状計測装置にお
   いて、上記受光手段は、複数の光電変換素子が二次元的
   に並んで配置されてなるものであることを特徴とする三
   次元形状計測装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の三次元形状計測装置にお
   いて、上記２つの光束のうちの少なくとも一方の光束に
   より上記測定対象を照射したときの当該光束の上記対物
   光学系の光軸に対する照射角度と、上記受光手段のうち
   の上記測定光を受光した光電変換素子の位置とに基づい
   て、上記光軸方向における上記測定対象の表面の位置を
   判定する位置判定手段を備えたことを特徴とする三次元
   形状計測装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の三次元形状計測装置にお
   いて、上記２つの光束が交差する交差部の位置を所定方
   向に移動させる交差部移動手段を備えたことを特徴とす
   る三次元形状計測装置。
7. 【請求項７】 請求項５記載の三次元形状計測装置にお
   いて、上記測定対象を所定方向に移動させる試料移動手
   段を備えたことを特徴とする三次元形状計測装置。
8. 【請求項８】 請求項１記載の三次元形状計測装置にお
   いて、上記２つの光束は、それぞれ、互いに線状に交差
   する帯状の光束であることを特徴とする三次元形状計測
   装置。
9. 【請求項９】 請求項１記載の三次元形状計測装置にお
   いて、上記２つの光束の交差部の位置と上記対物光学系
   の焦点とが一致するように構成されていることを特徴と
   する三次元形状計測装置。
10. 【請求項１０】 請求項９記載の三次元形状計測装置に
    おいて、上記対物光学系の開口角は、上記対物光学系の
    光軸に対する上記２つの光束の照射角度より小さくなる
    ように構成されていることを特徴とする三次元形状計測
    装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０記載の三次元形状計測装置
    において、上記受光手段は、上記対物光学系に関して上
    記対物光学系の焦点と共役な位置に配置された一列の光
    電変換素子を含んでいることを特徴とする三次元形状計
    測装置。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載の三次元形状計測装置
    において、上記対物光学系の焦点を上記光軸方向に移動
    させる焦点移動手段と、 上記複数の光電変換素子から出力される電気信号が最大
    のときの上記焦点の位置を上記測定対象の表面位置と判
    定する位置判定手段と、を備えたことを特徴とする三次
    元形状計測装置。
13. 【請求項１３】 請求項１１記載の三次元形状計測装置
    において、 上記測定対象を上記光軸方向に移動させる試料移動手段
    と、 上記複数の光電変換素子から出力される電気信号が最大
    のときの上記測定対象の移動量に基づき上記測定対象の
    表面位置を判定する位置判定手段と、を備えたことを特
    徴とする三次元形状計測装置。
14. 【請求項１４】 請求項９記載の三次元形状計測装置に
    おいて、上記２つの光束はそれぞれ帯状の光束で、互い
    に、上記対物光学系の光軸に直交する方向に線状に交差
    するものであることを特徴とする三次元形状計測装置。
15. 【請求項１５】 請求項１４記載の三次元形状計測装置
    において、上記２つの帯状の光束の交差部が形成する交
    差線及び上記対物光学系の光軸の双方に直交する方向
    に、上記測定対象を移動させる試料移動手段を備えたこ
    とを特徴とする三次元形状計測装置。
16. 【請求項１６】 請求項１記載の三次元形状計測装置に
    おいて、 上記２つの光束のうちの少なくとも一方の光束により上
    記測定対象を照射したときの当該光束の上記対物光学系
    の光軸に対する照射角度と、上記受光手段のうちの上記
    測定光を受光した光電変換素子の位置とに基づいて、上
    記光軸方向における上記測定対象の表面の位置を判定す
    る位置判定手段と、 上記対物光学系の焦点を上記測定対象に対して上記対物
    光学系の光軸方向に相対的に移動させる相対移動手段
    と、 上記位置判定手段による判定結果に基づいて上記相対移
    動手段による上記対物光学系の焦点の相対移動範囲を設
    定する範囲設定手段と、を備え、 上記相対移動手段は、設定された上記相対移動範囲のみ
    上記対物光学系の焦点を上記測定対象に対して相対的に
    移動させるものであることを特徴とする三次元形状計測
    装置。
17. 【請求項１７】 測定対象の表面位置に関する第１位置
    データを測定する第１測定手段と、 上記測定対象の表面位置に関する第２位置データを測定
    する第２測定手段と、 上記第１測定手段で得られた上記第１位置データに基づ
    き測定領域を決定する測定領域決定手段と、 上記第１測定手段を用いて上記第１位置データを求めた
    後、上記測定領域決定手段により決定された測定領域内
    で上記第２測定手段を用いて上記第２位置データを求め
    る測定制御手段と、を備えたことを特徴とする三次元形
    状計測装置。
18. 【請求項１８】 請求項１７記載の三次元形状計測装置
    において、上記第１測定手段により測定される第１位置
    データの測定精度は、上記第２測定手段により測定され
    る第２位置データの測定精度より低いことを特徴とする
    三次元形状計測装置。
19. 【請求項１９】 請求項１７記載の三次元形状計測装置
    において、上記第１測定手段および第２測定手段は、そ
    れぞれ、対物レンズの焦点と測定対象とを当該対物レン
    ズの光軸方向に相対的に移動させることにより測定対象
    の表面位置を測定するもので、上記対物レンズは、上記
    第１測定手段と第２測定手段とで共用されていることを
    特徴とする三次元形状計測装置。
20. 【請求項２０】 請求項１７記載の三次元形状計測装置
    において、上記第１測定手段は、三角測量法により測定
    対象の表面位置を測定するもので、上記第２測定手段
    は、対物レンズの焦点を測定対象に対して当該対物レン
    ズの光軸方向に相対的に移動させることにより測定対象
    の表面位置を測定するものであることを特徴とする三次
    元形状計測装置。
21. 【請求項２１】 請求項１７記載の三次元形状計測装置
    において、座標変換手段をさらに備え、 上記第１測定手段および第２測定手段は、それぞれ互い
    に異なる座標系に基づいて上記測定対象の表面位置を測
    定するもので、 上記座標変換手段は、上記第１測定手段により測定され
    た第１位置データを上記第２測定手段の座標系に変換す
    るもので、 上記測定領域決定手段は、上記第２測定手段の座標系に
    変換された第１位置データに基づき測定領域を決定する
    ものであることを特徴とする三次元形状計測装置。
22. 【請求項２２】 測定対象の表面位置に関する位置デー
    タを第１の精度で測定し、測定された位置データに基づ
    き測定領域を決定し、この決定された測定領域内におい
    て上記位置データを上記第１の精度より高い第２の精度
    で測定し、この第２の精度で測定された位置データを用
    いて上記測定対象の三次元形状を求めることを特徴とす
    る三次元形状計測方法。