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特開2024-25365形状測定装置

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024025365

(43)【公開日】2024-02-26

(54)【発明の名称】形状測定装置

(51)【国際特許分類】

G01B 11/24 20060101AFI20240216BHJP

【ＦＩ】

G01B11/24 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022128745

(22)【出願日】2022-08-12

(71)【出願人】

【識別番号】000001960

【氏名又は名称】シチズン時計株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋真二

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山知広

(74)【代理人】

【識別番号】100180806

【弁理士】

【氏名又は名称】三浦剛

(74)【代理人】

【識別番号】100207778

【弁理士】

【氏名又は名称】阿形直起

(72)【発明者】

【氏名】田辺綾乃

【テーマコード（参考）】

2F065

【Ｆターム（参考）】

2F065AA51

2F065DD02

2F065DD06

2F065FF49

2F065JJ26

2F065LL04

2F065LL31

2F065LL36

(57)【要約】

【課題】簡易な構成により、高速な非接触形状測定を可能とする形状測定装置を提供する。
【解決手段】形状測定装置は、所定の方向に沿った直線偏光を出射する光源部と、所定の方向に対して４５度の角をなす遅相軸を有し、直線偏光が透過した位置に応じて異なる大きさのリタデーションを直線偏光に付与する透過型複屈折素子と、透過型複屈折素子から出射した光を、付与されたリタデーションの大きさに応じて異なる方向の直線偏光に変換する１／４波長板と、透過軸の方向が異なる複数の画素偏光子を有し、各画素の値が、画素偏光子の透過軸の方向と、前記透過型複屈折素子によって付与されたリタデーションの大きさとの関係に応じた値となる画像を生成する偏光イメージセンサと、画像に基づいて対象物の形状を算出する算出部と、を有する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の方向に沿った直線偏光を出射する光源部と、
前記所定の方向に対して４５度の角をなす遅相軸を有し、前記光源部から出射した前記直線偏光を透過させるとともに、前記直線偏光が透過した位置に応じて異なる大きさのリタデーションを前記直線偏光に付与する透過型複屈折素子と、
前記所定の方向と平行なまたは直交する遅相軸を有し、前記透過型複屈折素子から出射した光を、前記付与されたリタデーションの大きさに応じて異なる複数の方向の直線偏光を含む直線偏光パターンを有する光に変換する１／４波長板と、
複数の画素と、各画素に対応して配置され、透過軸の方向が異なる画素偏光子とを有し、前記１／４波長板から出射して対象物で反射された光を受光して、各画素の値が、前記画素偏光子を透過した光に応じた値となる画像を生成する偏光イメージセンサと、
前記画像に含まれる同じ方向の透過軸を有する前記画素偏光子が設けられた画素の値に基づいて、前記対象物で反射された光の強度分布を示す所定数のパターン画像を生成し、前記所定数のパターン画像に基づいて前記対象物の形状を算出する算出部と、
を有することを特徴とする形状測定装置。

【請求項2】

前記所定数のパターン画像は、前記直線偏光パターンに含まれる直線偏光のうち、前記画素偏光子の透過軸の方向と対応した直線偏光の強度分布に対応する、
請求項１に記載の形状測定装置。

【請求項3】

前記偏光イメージセンサの前記画素偏光子は、相互に隣接する所定数の画素を含む画素グループごとに、当該画素グループに含まれる各画素に対応する透過軸の方向が等角度間隔となるように配置される、
請求項１に記載の形状測定装置。

【請求項4】

前記透過型複屈折素子は、前記光源部から出射した直線偏光が透過した位置に対して線形に変化する大きさのリタデーションを付与する、
請求項１に記載の形状測定装置。

【請求項5】

前記１／４波長板から出射した光を前記対象物に導き、かつ前記対象物で反射された光を前記偏光イメージセンサに導く無偏光ビームスプリッタをさらに有する、
請求項１に記載の形状測定装置。

【請求項6】

前記対象物に対向する対物レンズと、
前記１／４波長板と前記対物レンズとの間に配置され、前記透過型複屈折素子の複屈折層の像を所定の結像面に結像する結像レンズと、をさらに有し、
前記透過型複屈折素子は、前記結像面が前記対物レンズの焦点面とは異なる面となるように配置される、
請求項１に記載の形状測定装置。

【請求項7】

前記透過型複屈折素子および前記１／４波長板を含み、前記光源部から出射した光を前記偏光イメージセンサに導く光学系と同軸であり、前記対象物を加工するための加工光を前記対象物に導く加工光学系をさらに有する、
請求項１に記載の形状測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、形状測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

対象物の三次元形状を測定する技術が知られている。特に、製品検査の分野においては、製品の品質に影響を及ぼさない非接触形状測定技術が用いられる。非接触形状測定技術は、製品にレーザ加工が施される場合に、加工と並行して形状を測定することができるという点において有用である。対象物の高さ方向の測定範囲に優れた非接触形状測定技術として、濃淡のパターンが異なる複数の光を投影した場合の対象物の画像をそれぞれ生成し、生成した画像に基づいて対象物の形状を算出するパターン投影法が知られている。

【0003】

非特許文献１には、反射型の空間光変調器と偏光イメージセンサとを用いて、濃淡のパターンが異なる四種類の光を投影した場合の対象物の画像を一度に生成する手法が記載されている。非特許文献１の手法によれば、投影する光を切り替えることなく複数の画像が生成されるため、測定が高速化される。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Yuuki Maeda, et al. (2020) Single shot 3D profilometry by polarization pattern projection. Applied Optics, vol. 59, No. 6, 1654-1659.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

非特許文献１の手法は反射型の空間光変調器を用いるため、光学系が大きくなり、既存の加工設備に対する導入が容易でないという問題点があった。

【0006】

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成により、高速な非接触形状測定を可能とする形状測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の実施形態に係る形状測定装置は、所定の方向に沿った直線偏光を出射する光源部と、所定の方向に対して４５度の角をなす遅相軸を有し、光源部から出射した直線偏光を透過させるとともに、直線偏光が透過した位置に応じて異なる大きさのリタデーションを直線偏光に付与する透過型複屈折素子と、所定の方向と平行なまたは直交する遅相軸を有し、透過型複屈折素子から出射した光を、付与されたリタデーションの大きさに応じて異なる複数の方向の直線偏光を含む直線偏光パターンを有する光に変換する１／４波長板と、複数の画素と、各画素に対応して配置され、透過軸の方向が異なる画素偏光子とを有し、１／４波長板から出射して対象物で反射された光を受光して、各画素の値が、画素偏光子を透過した光に応じた値となる画像を生成する偏光イメージセンサと、画像に含まれる同じ方向の透過軸を有する画素偏光子が設けられた画素の値に基づいて、対象物で反射された光の強度分布を示す所定数のパターン画像を生成し、所定数のパターン画像に基づいて前記対象物の形状を算出する算出部と、を有することを特徴とする。

【0008】

また、所定数のパターン画像は、直線偏光パターンに含まれる直線偏光のうち、画素偏光子の透過軸の方向と対応した直線偏光の強度分布に対応することが好ましい。

【0009】

また、偏光イメージセンサの画素偏光子は、相互に隣接する所定数の画素を含む画素グループごとに、その画素グループに含まれる各画素に対応する透過軸の方向が等角度間隔となるように配置されることが好ましい。

【0010】

また、透過型複屈折素子は、光源部から出射した直線偏光が透過した位置に対して線形に変化する大きさのリタデーションを付与することが好ましい。

【0011】

また、形状測定装置は、１／４波長板から出射した光を対象物に導き、かつ対象物で反射された光を偏光イメージセンサに導く無偏光ビームスプリッタをさらに有することが好ましい。

【0012】

また、形状測定装置は、対象物に対向する対物レンズと、１／４波長板と対物レンズとの間に配置され、透過型複屈折素子の複屈折層の像を所定の結像面に結像する結像レンズと、をさらに有し、透過型複屈折素子は、結像面が対物レンズの焦点面とは異なる面となるように配置されることが好ましい。

【0013】

また、形状測定装置は、透過型複屈折素子および１／４波長板を含み、光源部から出射した光を偏光イメージセンサに導く光学系と同軸であり、対象物を加工するための加工光を対象物に導く加工光学系をさらに有することが好ましい。

【発明の効果】

【0014】

本発明に係る形状測定装置は、簡易な構成により、高速な非接触形状測定を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】形状測定装置１の構成を説明するための模式図である。

【図2】透過型複屈折素子３３の模式的な分解斜視図である。

【図3】透過型複屈折素子３３および１／４波長板３４を透過した光の偏光状態を説明するための模式図である。

【図4】１／４波長板３４を透過した光の偏光状態を説明するための模式図である。

【図5】偏光イメージセンサ４の構成を説明するための模式図である。

【図6】（Ａ）は透過型複屈折素子３３と対象物Ｔとが結像関係にある場合の形状測定装置１の模式図であり、（Ｂ）は透過型複屈折素子３３と対象物Ｔとが結像関係にない場合の形状測定装置１の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しつつ、本発明の様々な実施形態について説明する。本発明の技術的範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明及びその均等物に及ぶ点に留意されたい。

【0017】

図１は、本発明の実施形態に係る形状測定装置１の構成を説明するための模式図である。形状測定装置１は、対象物Ｔにレーザ加工を施すとともに、レーザ加工と並行して対象物Ｔの形状を測定する。形状測定装置１は、測定用光源２、測定光学系３、偏光イメージセンサ４、算出装置５、加工用光源６および加工光学系７を有する。なお、算出装置５は、算出部の一例である。

【0018】

測定用光源２は、例えばＩｎＧａＮ系のＬＥＤ（Light Emitting Diode）またはＮｄ－ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ等の発光素子である。測定用光源２は、対象物Ｔの形状を測定するための測定光を照射する。

【0019】

測定光学系３は、測定用光源２から出射した光を対象物Ｔに導くとともに、対象物Ｔで反射された光を偏光イメージセンサ４に導く。測定光学系３は、コリメートレンズ３１、偏光子３２、透過型複屈折素子３３、１／４波長板３４、無偏光ビームスプリッタ３５、凸レンズ３６、ダイクロイックミラー３７および対物レンズ３８を有する。なお、以下の説明では、対象物Ｔの測定面がｘ方向およびｙ方向を含む平面に平行となりかつｚ方向と直交するようにｘ方向、ｙ方向およびｚ方向を定める。

【0020】

コリメートレンズ３１は、測定用光源２から出射した光を略平行光として偏光子３２へ向けて出射する。

【0021】

偏光子３２は、所定の方向に沿った透過軸を有し、測定用光源２から出射してコリメートレンズ３１を透過した光のうち、透過軸の方向に沿った偏光面をもつ偏光成分のみを透過させる。すなわち、偏光子３２は、測定用光源２から出射した光を、所定の方向に沿った直線偏光に変換して出射する。以下では、所定の方向は、ｙ方向およびｚ方向を含む平面内において、ｙ方向およびｚ方向に対してそれぞれ４５度の角をなす方向（すなわち、ｙ方向とｚ方向との中間の方向）であるものとする。なお、測定用光源２、コリメートレンズ３１および偏光子３２は、所定の方向に沿った直線偏光を出射する光源部の一例である。

【0022】

透過型複屈折素子３３および１／４波長板３４は、偏光子３２から出射した光を透過させるとともに、透過した光を、その透過位置に応じて異なる方向の直線偏光に変換する空間光変調器として機能する。透過型複屈折素子３３および１／４波長板３４の構成および機能は、図２－図４を用いて後述する。

【0023】

１／４波長板３４から出射した光は、無偏光ビームスプリッタ３５で反射されて、対象物Ｔの方向であるｚ方向に進行する。

【0024】

無偏光ビームスプリッタ３５から出射した光は、凸レンズ３６、ダイクロイックミラー３７および対物レンズ３８を透過して、対象物Ｔの測定面で反射される。対象物Ｔの測定面で反射された光は、再び対物レンズ３８、ダイクロイックミラー３７、凸レンズ３６を透過して、無偏光ビームスプリッタ３５に入射する。無偏光ビームスプリッタ３５を透過した光は、偏光イメージセンサ４に入射する。

【0025】

偏光イメージセンサ４は、各画素の値が入射した光に応じた値となる画像を生成する。算出装置５は、偏光イメージセンサ４に通信可能に接続されたＰＣ（Personal Computer）等の情報処理装置である。算出装置５は、半導体メモリ等の記憶部およびＣＰＵ（Central Processing Unit）等の処理回路を備え、処理回路が記憶部に記憶されたプログラムを実行する。算出装置５の処理回路は、偏光イメージセンサ４が生成した画像に応じて所定数のパターン画像を生成し、生成したパターン画像に基づいて対象物Ｔの形状を算出する。偏光イメージセンサ４が生成する画像、算出装置５が生成するパターン画像および対象物Ｔの形状の関係は、図５を用いて後述する。

【0026】

加工用光源６は、例えばフェムト秒レーザ、ＣＷファイバレーザまたはＣＯ２レーザ等の、レーザ加工用の加工光を照射する発光素子である。加工光は、測定用光源２から出射される測定光とは異なる波長帯の光である。

【0027】

加工光学系７は、コリメートレンズ７１並びに測定光学系３と共通のダイクロイックミラー３７および対物レンズ３８を有する。

【0028】

コリメートレンズ７１は、加工用光源６から出射した加工光を略平行光としてダイクロイックミラー３７へ向けて出射する。コリメートレンズ７１から出射した加工光は、ダイクロイックミラー３７で、対象物Ｔの方向であるｚ方向に反射される。すなわち、ダイクロイックミラー３７は、測定光を透過し、かつ加工光を反射する。ダイクロイックミラー３７で反射された加工光は、対物レンズ３８を透過して対象物Ｔに到達する。

【0029】

加工用光源６およびコリメートレンズ７１は、加工光学系７の光軸が、ダイクロイックミラー３７の後において測定光学系３の光軸と一致するように配置される。すなわち、加工光学系７は、測定光学系３と同軸である。これにより、形状測定装置１は、加工が施された位置の形状をリアルタイムに測定することを可能とする。

【0030】

対象物Ｔは、その測定面が対物レンズ３８の焦点面と同一面となり、かつ測定面上の点の像が偏光イメージセンサ４の撮像面に結像するように配置される。すなわち、対象物Ｔの測定面と偏光イメージセンサ４の撮像面とは、結像関係にある。また、透過型複屈折素子３３は、その複屈折層上の点の像が対象物Ｔの測定面（すなわち、対物レンズ３８の焦点面）に結像するように配置される。すなわち、透過型複屈折素子３３の複屈折層と対象物Ｔの測定面とは、結像関係にある。

【0031】

図２は透過型複屈折素子３３の分解斜視図である。透過型複屈折素子３３は、第１透明基板３３１、第２透明基板３３２、第１電極３３３、第２電極３３４、第１配向膜３３５、第２配向膜３３６、封止部材３３７および液晶層３３８を有する。なお、液晶層３３８は複屈折層の一例である。

【0032】

第１透明基板３３１および第２透明基板３３２は、透光性を有する平板であり、例えばガラス板である。第１透明基板３３１および第２透明基板３３２は、相互に対向して配置される。

【0033】

第１電極３３３および第２電極３３４は、透光性の導電膜であり、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜である。第１電極３３３は、第１透明基板３３１の、第２透明基板３３２に対向する面に配置されたベタ電極である。第１電極３３３は、その電位がＶとなるように、不図示の電源に不図示の透明性の配線を介して接続される。

【0034】

第２電極３３４は、第２透明基板３３２の、第１透明基板３３１に対向する面に配置される。第２電極３３４は、同一の短冊形状を有する複数（Ｎ個）の部分電極３３４－１～３３４－Ｎを有する。図２に示す例では、第２電極３３４は１８個の部分電極を有しているが、部分電極の数は１８個に限られない。また、図２に示す例では、部分電極３３４－１～３３４－Ｎの延伸方向はｚ方向である。部分電極３３４－１～３３４－Ｎは、相互に離間して、第２透明基板３３２の、第１透明基板３３１に対向する面にこの順に等間隔に配置される。隣接する部分電極同士は、同一の抵抗値を有する、不図示の電気抵抗を介して接続される。部分電極３３４－１および部分電極３３４－Ｎは、その電位がそれぞれＶ１およびＶ２となるように、不図示の電源に不図示の透明配線を介して接続される。これにより、液晶層３３８には、電圧｜Ｖ－Ｖ１｜から電圧｜Ｖ－Ｖ２｜の範囲の、ｙ方向に線形に変化する大きさの電圧が印加される。

【0035】

第１配向膜３３５および第２配向膜３３６は、透光性の薄膜であり、例えばポリイミドにより形成される。第１配向膜３３５および第２配向膜３３６は、第１電極３３３および第２電極３３４をそれぞれ覆うように配置される。第１配向膜３３５の第２配向膜３３６に対向する面、および第２配向膜３３６の第１配向膜３３５に対向する面には、多数の溝がそれぞれ形成される。溝の延伸方向は、所定の方向に対して４５度の角をなす方向である。図２に示す例では、溝の延伸方向は、部分電極３３４－１～３３４－Ｎの延伸方向と直交するｙ方向である。

【0036】

封止部材３３７は、第１配向膜３３５および第２配向膜３３６の間に液晶層３３８を封止するように、第１透明基板３３１および第２透明基板３３２を接続する。封止部材３３７は、例えば樹脂または金属の接着剤である。

【0037】

液晶層３３８を構成する液晶は、ホモジニアス配向されたネマティック液晶であり、例えばシアノビフェニル系の液晶である。液晶層３３８に含まれる液晶分子は、第１配向膜３３５および第２配向膜３３６に形成された溝によって、分子長軸が溝の延伸方向となるように配向される。これにより、透過型複屈折素子３３は、所定の方向に対して４５度の角をなす遅相軸を有することとなる。図２に示す例では、透過型複屈折素子３３はｙ方向の遅相軸を有する。液晶層３３８の厚さは、透過光に与えるリタデーションの大きさに応じて設定される。後述するように、液晶層３３８の厚さは、例えば、液晶分子がｙ方向に配向された状態で液晶層３３８を透過する光に付与されるリタデーションが７２０度以上となるように設定され、例えば１０μｍに設定される。

【0038】

図３は、透過型複屈折素子３３および１／４波長板３４を出射した光の偏光状態を説明するための模式図である。なお、図３はｚ方向から見た偏光子３２、透過型複屈折素子３３および１／４波長板３４を模式的に示しているが、図３の偏光状態を示す矢印は、光の進行方向であるｘ方向から見た偏光状態を示す点に留意されたい。また、図３では、透過型複屈折素子３３の第１配向膜３３５、第２配向膜３３６および封止部材３３７は省略されている。

【0039】

透過型複屈折素子３３の部分電極３３４－１～３３４－Ｎは、上述したように、所定の範囲のｙ方向に線形に変化するそれぞれ異なる電位を有しており、液晶層３３８に、ｙ方向に線形に変化する大きさの電圧を印加する。

【0040】

液晶層３３８に電圧が印加されると、液晶分子に分極が生じ、液晶分子は電界の方向であるｘ方向に配向する。電界が大きいほど分極による配向が生じやすくなるため、液晶分子の長軸方向は、小さい電圧が印加される部分電極３３４－１の位置で最もｙ方向に近く、大きい電圧が印加される部分電極３３４－Ｎで最もｘ方向に近くなる。

【0041】

液晶分子がｙ方向に配向されている場合、複屈折により、液晶層３３８を透過する光のｙ方向の偏光成分とｚ方向の偏光成分との間に位相差が生じる。すなわち、液晶層３３８を透過する光にリタデーションが付与される。他方で、液晶分子がｘ方向に配向されている場合、液晶層３３８を透過する光にリタデーションは付与されない。液晶層３３８を透過する光に付与されるリタデーションの大きさは、液晶分子の長軸方向がｙ方向からｘ方向に近くなるにつれて小さくなる。液晶分子の長軸方向は、液晶層３３８に印加されている電圧の大きさに応じて変化するから、液晶層３３８は、液晶層３３８を透過する光に、光が透過した位置に対して線形に変化する大きさのリタデーションを付与する。

【0042】

液晶層３３８を透過する光に付与されるリタデーションの大きさは、液晶分子の長軸方向がｘ方向に対してなす角の大きさによって変化する。例えば、部分電極３３４－Ｎの位置において液晶層３３８に印加される電圧は、その位置を透過する光のリタデーションが０度となるように設定される。また、部分電極３３４－１の位置において液晶層３３８に印加される電圧は、その位置を透過する光のリタデーションが７２０度（すなわち、２波長）となるように設定される。

【0043】

偏光子３２から出射した直線偏光Ｐ１は、透過型複屈折素子３３を透過する。直線偏光Ｐ１は、透過型複屈折素子３３を透過した位置に応じて異なる、０度から７２０度までの大きさのリタデーションを付与されることにより、付与されたリタデーションの大きさに応じた楕円率を有する楕円偏光Ｐ２に変換される。なお、ここでいう楕円偏光には、円偏光および直線偏光が含まれる。透過型複屈折素子３３の遅相軸は、直線偏光Ｐ１の偏光方向に対して４５度の角をなすから、透過型複屈折素子３３から出射した楕円偏光Ｐ２の楕円長軸の方向は、直線偏光Ｐ１の偏光方向に対して平行または垂直である。

【0044】

上述した説明では、透過型複屈折素子３３は、光が透過した位置に応じて０度から７２０度のリタデーションを付与するものとしたが、このような例に限られない。透過型複屈折素子３３は、少なくとも３６０度の幅を有する任意の範囲のリタデーションを付与してもよい。例えば、透過型複屈折素子３３は、光が透過した位置に応じて１８０度から５４０度のリタデーションを付与してもよい。

【0045】

１／４波長板３４は、所定の方向と平行なまたは直交する遅相軸を有する。１／４波長板３４の遅相軸は、透過型複屈折素子３３から出射した楕円偏光Ｐ２の楕円長軸に対して平行または垂直であるから、楕円偏光Ｐ２はその楕円率に応じて異なる方向の直線偏光Ｐ３に変換される。すなわち、１／４波長板３４は、透過型複屈折素子３３から出射した楕円偏光Ｐ２を、透過型複屈折素子３３によって付与されたリタデーションの大きさに応じて異なる方向の直線偏光に変換する。図３に示す例では、透過型複屈折素子３３によって付与されたリタデーションは０度から７２０度までの範囲にわたる。したがって、１／４波長板３４から出射する直線偏光Ｐ３には、所定の方向に対して０度から３６０度までの任意の角をなす方向の直線偏光が含まれる。

【0046】

図４は、１／４波長板３４を透過した光の偏光状態を説明するための模式図である。図４は、図３の直線偏光Ｐ３をｘ方向から見た模式図である。図４に示すように、直線偏光Ｐ３の方向、すなわち直線偏光Ｐ３が所定の方向に対してなす角の大きさは、ｙ方向の位置に対して線形に変化する。また、直線偏光Ｐ３の方向、すなわち直線偏光Ｐ３が所定の方向に対してなす角の大きさは、ｚ方向の位置に対しては変化しない。

【0047】

図５は、偏光イメージセンサ４の構成を説明するための模式図である。偏光イメージセンサ４は、対象物Ｔの測定面と結像関係にある撮像面に配置された複数の撮像素子４１と、各画素の前面にそれぞれ配置される画素偏光子４２と、撮像素子４１からの出力に基づいて画像を生成する画像生成回路４３とを有する。複数の撮像素子４１は、複数の画素にそれぞれ対応する。撮像素子４１は、対応して配置された画素偏光子４２を透過した光の強度に応じた値を各画素の値として出力する。画素偏光子４２は、相互に隣接する所定数の画素を含む画素グループごとに、その画素グループに含まれる各画素に対応する透過軸の方向が等角度間隔となるように配置される。

【0048】

図５に示す例では、画素グループＧは、相互に隣接する四つ（２×２）の画素を含む。また、一つの画素グループＧに含まれる四つの画素にそれぞれ対応するように、画素偏光子４２１、４２２、４２３、４２４が配置される。画素偏光子４２１～４２４の透過軸の方向は、ｙ方向からｘ方向に向かう角を正の角として、ｙ方向に対してそれぞれ０度、４５度、９０度、１３５度の角をなす方向である。すなわち、画素偏光子４２１～４２４は、透過軸の方向が４５度間隔となるように配置される。

【0049】

撮像素子４１によって出力される各画素の値は、画素偏光子４２１～４２４の透過軸の方向と、画素偏光子４２１～４２４に入射する直線偏光の方向との関係に応じた値となる。また、図４に示したように、１／４波長板３４を透過した光は、透過型複屈折素子３３によって付与されたリタデーションの大きさに応じて異なる方向の直線偏光を含む。対象物Ｔの測定面で反射されて偏光イメージセンサ４に入射する光も同様に、ｙ方向の位置に対して線形に変化する直線偏光を含む直線偏光パターンを有する。したがって、偏光イメージセンサ４の各画素の値は、その直線偏光パターンに含まれる各直線偏光のうち、画素偏光子４２１～４２４の透過軸の方向を透過可能な方向の偏光成分量に応じた値となる。

【0050】

画像生成回路４３は、撮像素子４１によって出力された画素の値をそれぞれ取得して、画像データを生成する。

【0051】

算出装置５は、偏光イメージセンサ４が生成した画像を取得する。算出装置５は、同じ方向の透過軸を有する画素偏光子４２に対応する画素の値を取り出して、対象物Ｔで反射された光の強度分布を示す所定数のパターン画像を生成する。算出装置５は、生成したパターン画像に基づいて対象物Ｔの形状を算出する。

【0052】

例えば、算出装置５は、非特許文献１に記載される公知の位相シフト法を用いて対象物Ｔの形状を算出する。すなわち、４つのパターン画像にそれぞれ対応する、画素偏光子４２１、４２２、４２３、４２４を透過した光の強度分布Ｉ０（ｘ，ｙ）、Ｉ４５（ｘ，ｙ）、Ｉ９０（ｘ，ｙ）、Ｉ１３５（ｘ，ｙ）は、それぞれ次の式で表される。

【数1】

ここで、γ（ｘ，ｙ）およびφ（ｘ，ｙ）はそれぞれ正弦波像のコントラスト分布および透過型複屈折素子３３によって付与されたリタデーションの分布である。Ｉ０（ｘ，ｙ）、Ｉ４５（ｘ，ｙ）、Ｉ９０（ｘ，ｙ）、Ｉ１３５（ｘ，ｙ）は生成されたパターン画像から算出され、φ（ｘ，ｙ）はｙ方向における位置に対して線形に変化するものとして既知であるから、コントラスト分布γ（ｘ，ｙ）は次の式に基づいて算出される。

【数2】

【0053】

また、理想的な平面における正弦波像のコントラストは、対象物Ｔの測定面の高さ（すなわち、ｚ方向における位置）ｚを用いて第一種ベッセル関数で表される。第一種ベッセル関数はガウス関数で近似されるから、正弦波像のコントラストＨは次の式で表される。

【数3】

ここで、ｚ０はｚ方向においてコントラストＨが最大となる位置である。コントラストＨが最大となる位置は、透過型複屈折素子３３の複屈折層上の点の像の結像位置である。上述したように、透過型複屈折素子３３の複屈折層と、対象物Ｔの測定面と、偏光イメージセンサ４の撮像面とは結像関係にあるから、ｚ０はｚ方向における対物レンズ３８の焦点面の位置である。ＮおよびＦはそれぞれ対象物Ｔの測定面における１ｍｍあたりの正弦波の数および対物レンズ３８のＦ値である。また、Ａ、σおよびｐは、第一種ベッセル関数をガウス関数で近似したときのパラメータである。Ａ、σおよびｐは、あらかじめ測定面のｚ方向における位置を異ならせてコントラストを算出し、最小二乗法等を用いたフィッティングを行うことにより算出される。以上より、位置（ｘ，ｙ）における対象物Ｔの測定面の高さｚ（ｘ，ｙ）、すなわち対象物Ｔの形状は、次の式で表される。

【数4】

【0054】

算出装置５は、算出された対象物Ｔの形状を他の装置に送信することにより出力する。

【0055】

なお、上述したように正弦波像のコントラストＨは第一種ベッセル関数で表されるから、上述の式により算出可能なｚの範囲、すなわち測定範囲は第一種ベッセル関数の最初の零点Ｍによって規制され、次の式で表される。

【数5】

例えば、Ｆが１．２５、Ｎが６である場合、測定範囲はｚ０の前後０．２５ｍｍである。

【0056】

以上説明したように、形状測定装置１は、測定用光源２、コリメートレンズ３１、偏光子３２、透過型複屈折素子３３、１／４波長板３４、偏光イメージセンサ４および算出装置５を有する。測定用光源２、コリメートレンズ３１および偏光子３２は、所定の方向に沿った直線偏光を出射する。透過型複屈折素子３３は、所定の方向に対して４５度の角をなす遅相軸を有し、偏光子３２から出射した直線偏光を透過させるとともに、直線偏光が透過した位置に応じて異なる大きさのリタデーションを直線偏光に付与する。１／４波長板３４は、所定の方向と平行なまたは直交する遅相軸を有し、透過型複屈折素子３３から出射した光を付与されたリタデーションの大きさに応じて異なる方向の直線偏光に変換する。偏光イメージセンサ４は、対象物Ｔで反射された光を受光して、各画素の値が画素偏光子４２の透過軸の方向と、透過型複屈折素子３３によって付与されたリタデーションの大きさとの関係に応じた値となる画像を生成する。算出装置５は、対象物Ｔで反射された光の強度分布を示す所定数のパターン画像を生成し、生成したパターン画像に基づいて対象物の形状を算出する。これにより、形状測定装置１は、簡易な構成により、高速な非接触形状測定を可能とする。

【0057】

すなわち、形状測定装置１は、位置に応じて異なる大きさのリタデーションを付与する透過型複屈折素子３３および偏光イメージセンサ４を用いる。したがって、従来のパターン投影法のように濃淡のパターンが異なる光を順次投影する必要がなくなり、高速な非接触形状測定が可能となる。また、非特許文献１のように反射型の空間光変調器を用いた場合には、測定光を空間光変調器に導くためのビームスプリッタが必要となる。これに対して、形状測定装置１では透過型複屈折素子３３を用いるため、追加のビームスプリッタを光学系に組み込む必要がなくなり、構成が簡易になる。

【0058】

また、形状測定装置１は、測定光学系３と同軸であり、対象物Ｔを加工するための加工光を対象物に導く加工光学系７を有する。これにより、形状測定装置１は、対象物Ｔの加工と並行して対象物Ｔの形状を測定することができる。

【0059】

上述した説明では、形状測定装置１は加工用光源６および加工光学系７を有するものとしたが、このような例に限られず、形状測定装置１は加工用光源６および加工光学系７を有しなくてもよい。この場合は、形状測定装置１は、対象物Ｔの加工と並行して対象物Ｔの形状を測定することはできないものの、高速な非接触形状測定を可能とする。

【0060】

上述した説明では、透過型複屈折素子３３の複屈折層と、対象物Ｔの測定面と、偏光イメージセンサ４の撮像面とが結像関係にあるものとしたが、このような例に限られない。透過型複屈折素子３３の複屈折層と対象物Ｔの測定面とは結像関係になくてもよい。すなわち、透過型複屈折素子３３は、その複屈折層の像が対象物Ｔの測定面または対物レンズ３８の焦点面とは異なる面に結像するように配置されてもよい。

【0061】

図６（Ａ）は透過型複屈折素子３３の複屈折層と対象物Ｔの測定面とが結像関係にある場合の形状測定装置１の模式図であり、図６（Ｂ）は透過型複屈折素子３３の複屈折層と対象物Ｔの測定面とが結像関係にない場合の形状測定装置１の模式図である。なお、図６（Ａ）および（Ｂ）のいずれにおいても、対象物Ｔの測定面と偏光イメージセンサ４の撮像面との結像関係は維持されている。すなわち、対象物Ｔの測定面は対物レンズ３８の焦点面に配置されている。

【0062】

図６（Ａ）において、破線は透過型複屈折素子３３の複屈折層上の点が結像するまでの光路および対象物Ｔの測定面上の点が結像するまでの光路を示す。図６（Ａ）においては、透過型複屈折素子３３の複屈折層の結像面と対物レンズ３８の焦点面とは一致するため、両光路は一致する。この場合、偏光イメージセンサ４で測定されるコントラストＨは、対象物Ｔの測定面が、対物レンズ３８の焦点面にあるときに最大となる。

【0063】

対象物Ｔの測定面の位置においてコントラストＨが最大となることにより、ｚ方向の測定範囲を最も広くすることができる。一方、コントラストＨが最大の位置では、対象物Ｔの測定面のｚ方向の変化に対するコントラストの変化量が小さいため、測定面の微小な凹凸に対する測定精度が低下する場合がある。また、対象物Ｔの測定面のｚ方向の変化が焦点面に対して正負の何れの変化であるのかがコントラストの値のみからは判定できない場合がある。

【0064】

図６（Ｂ）において、実線は透過型複屈折素子３３の複屈折層上の点が結像するまでの光路を示し、破線は対物レンズ３８の焦点面上の点が結像するまでの光路を示す。図６（Ｂ）においては、透過型複屈折素子３３の複屈折層と対象物Ｔの測定面とが結像関係にある場合と比較して、透過型複屈折素子３３が距離Ｌ１だけ測定用光源２から遠い位置に配置されている。したがって、透過型複屈折素子３３の複屈折層上の点は、対物レンズ３８の焦点面（即ち、対象物Ｔの測定面）よりも測定用光源２から遠い面に結像する。この場合、偏光イメージセンサ４は、透過型複屈折素子３３の複屈折層上の点が結像する面ではないため、偏光イメージセンサ４で測定されるコントラストＨは、対象物Ｔの測定面が対物レンズ３８の焦点面にあるときに、最大にはならない。

【0065】

対象物Ｔの測定面の位置とコントラストＨが最大となる位置ｚ０とが異なることにより、対象物Ｔの測定面のｚ方向の変化に対するコントラストＨの変化量が大きくなり、測定面の微小な凹凸に対する測定精度が向上する。好ましくは、対象物の測定面の位置は、対象物Ｔの測定面のｚ方向の変化に対するコントラストＨの変化量が最大となる位置に配置される。これにより、測定面の微小な凹凸に対する測定精度がより向上する。上述したようにコントラストＨはガウス関数で近似されるから、コントラストＨの変化量が最大となる面のｚ方向における位置ｚ１は、概ね次の式で表される。

【数6】

ここで、ｚｆは対物レンズ３８の焦点面のｚ方向における位置である。

【0066】

この場合、ｚ１を含む所定の範囲において、対象物Ｔの測定面のｚ方向の変化に対するコントラストＨの変化量が概ね線形となる。測定面のｚ方向の変化に対するコントラストＨの変化量が概ね線形となることにより、対象物Ｔの形状の測定精度がより向上する。コントラストＨの変化量が概ね線形となるｚの範囲は、例えば次の式で表される。

【数7】