三次元画像取得装置および三次元画像取得方法
【課題】光軸に垂直な面内方向の分解能を容易に変更することができる三次元画像取得装置および三次元画像取得方法を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る三次元画像取得装置１０は、対物レンズ１３の被計測体側共役点の位置と被計測体１５の位置とのＸＹ方向の相対的な位置関係を変更するよう載置台１６をＸＹ方向に変位させる載置台変位部２２を有する。また、三次元画像取得装置１０は、載置台変位部２２および現在の載置台１６の位置における被計測体１５の高さを決定する高さ決定部５４を制御することにより、載置台１６の初期位置と、載置台１６を初期位置からＸＹ方向に被計測体側共役点の互いの離間距離より小さい距離移動させた１または複数の補間位置と、のそれぞれの位置での被計測体側共役点における被計測体１５の高さの情報からなる被計測体１５の三次元形状情報を取得する形状情報取得部５５を有する。補間位置は、複数の補間位置パターンのうちの１つが選択されて決定される。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る三次元画像取得装置１０は、対物レンズ１３の被計測体側共役点の位置と被計測体１５の位置とのＸＹ方向の相対的な位置関係を変更するよう載置台１６をＸＹ方向に変位させる載置台変位部２２を有する。また、三次元画像取得装置１０は、載置台変位部２２および現在の載置台１６の位置における被計測体１５の高さを決定する高さ決定部５４を制御することにより、載置台１６の初期位置と、載置台１６を初期位置からＸＹ方向に被計測体側共役点の互いの離間距離より小さい距離移動させた１または複数の補間位置と、のそれぞれの位置での被計測体側共役点における被計測体１５の高さの情報からなる被計測体１５の三次元形状情報を取得する形状情報取得部５５を有する。補間位置は、複数の補間位置パターンのうちの１つが選択されて決定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、共焦点光学系を用いて物体の三次元画像を取得する三次元画像取得装置および三次元画像取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の表面形状などの三次元形状を計測する（三次元画像を取得する）方法の１つに、共焦点光学系を用いて物体表面上の各点の高さの情報を取得することにより物体の表面形状を計測する方法がある。共焦点光学系を用いる場合、抽出される計測点は点光源に対応する「点」であるため、面領域を計測することは難しい。そこで、従来、共焦点光学系を用いて物体の表面などの面領域を計測するための種々の技術が提案されている。
【０００３】
たとえば、特開２００３−２４７８１７号公報（特許文献１）に開示されたリニアスキャン型共焦点表面形状計測装置は、周期性を持って配列された複数の開口（ピンホール）を有する共焦点開口アレイと、この共焦点開口アレイを光軸と垂直な方向にリニアに移動させる移動機構と、対物レンズの焦点位置を計測物体に対して光軸方向に相対的に移動させる焦点位置変化手段と、を少なくとも備え、共焦点開口アレイを等速走査して得た物体表面状の各点からの反射光強度にもとづいて物体の表面形状を計測するようになっている。この技術によれば、点光源として機能するピンホールを複数用いることにより、複数の計測点を同時に計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２４７８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、物体の表面形状などの三次元形状を計測するにあたり、光軸に垂直な面内方向の分解能は大変重要なパラメータの１つである。光軸に垂直な面内方向の分解能を必要に応じて変更することができれば、ユーザにとって大変利便性が向上する。
【０００６】
しかし、従来の技術では、２次元配列型の開口アレイを有する共焦点光学系を用いて被計測体の形状を計測する場合、光軸に垂直な面内方向の分解能を変更することが難しい。たとえば、特許文献１には、開口（ピンホール）を複数有した共焦点開口アレイを光軸と垂直な方向にリニアに移動させることについて記載されているものの、光軸に垂直な面内方向の分解能を必要に応じて変更することについては考慮されていない。
【０００７】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、光軸に垂直な面内方向の分解能を容易に変更することができる三次元画像取得装置および三次元画像取得方法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】
【０００８】
本発明の一実施形態に係る三次元画像取得装置は、上述した課題を解決するために、光源と、被計測体を載置する載置台と、前記光源の光を通過する複数の開口部が互いに離間して２次元に配置されて設けられた開口板と、前記複数の開口部を通過したそれぞれの光を前記被計測体側の共役点に集光するとともに、前記被計測体側共役点における反射光をそれぞれ対応する検出側共役点に集光する対物レンズと、前記検出側共役点に集光された光の強度変化を検出可能な位置に配設された光検出器を複数有し、前記複数の光検出器のそれぞれは前記検出側共役点における光の強度に応じた信号を出力する光検出器群と、前記被計測体の位置を光軸方向に変更するＺ位置関係変更部と、前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置を、初期位置と前記初期位置から光軸方向に垂直な方向に複数の前記被計測体側共役点の互いの離間距離より小さい距離移動させた１または複数の補間位置とで位置決めするとともに、前記補間位置は、複数の補間位置パターンのうちの１つが選択されて決定されるＸＹ位置関係変更部と、前記Ｚ位置関係変更部および前記光検出器群を制御することにより、前記被計測体の位置を光軸方向に離散的に変更しつつ前記光検出器の信号を取得し、前記被計測体側共役点ごとに前記光検出器の信号の強度が最大となる前記被計測体の光軸方向の位置を求めてこの位置を前記被計測体の光軸方向の位置として決定する高さ決定部と、前記ＸＹ位置関係変更部および前記高さ決定部を制御することにより、前記初期位置および前記補間位置のそれぞれにおいて前記高さ決定部に前記被計測体側共役点ごとの前記被計測体の光軸方向の位置を決定させ、前記初期位置および前記補間位置の各位置での複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置の情報からなる前記被計測体の三次元形状情報を取得する形状情報取得部と、前記三次元形状情報を用いて前記被計測体の形状画像を生成する画像生成部と、を備え、前記画像生成部により生成される前記被計測体の前記形状画像は、前記補間位置パターンに応じて光軸方向に垂直な方向について異なる分解能を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る三次元画像取得装置および三次元画像取得方法によれば、光軸に垂直な面内方向の分解能を容易に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図。
【図２】開口板の一構成例を示す平面図。
【図３】Ｚ方向焦点位置変更部の動作原理を示す説明図。
【図４】Ｚ方向焦点位置変更部の一構成例を示す斜視図。
【図５】第１実施形態に係る三次元画像取得装置によりＸＹ方向の分解能を容易に変更可能とするとともにこの分解能を容易に向上させる際の手順を示すフローチャート。
【図６】載置台を変位させることによりＸＹ位置関係を変更する場合の載置台の変位方法の一例を示す説明図。
【図７】載置台を変位させることによりＸＹ位置関係を変更する場合の載置台の変位方法の他の例を示す説明図。
【図８】開口部の直径ｄ＝２μｍ、中心間距離Ｄｘ＝Ｄｙ＝１２μｍである場合における分解能設定の一例を示す説明図。
【図９】図５のステップＳ３で高さ決定部により実行される高さ決定処理の手順を示すサブルーチンフローチャート。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図。
【図１３】ＸＹ方向焦点位置変更部の動作原理を示す説明図。
【図１４】ＸＹ方向焦点位置変更部の一構成例を示す斜視図。
【図１５】部材の光軸と垂直な面に対する傾きＸθ１、Ｙθ１と被計測体側共役点のＸＹ方向移動量（補間移動量）Ｘｔ、Ｙｔとの関係を示す説明図。
【図１６】部材支持部の一構成例を示す概略的な三面図。
【図１７】部材支持部の変形例を示す概略的な三面図。
【図１８】回転体の一構成例を示す概略的な平面図
【図１９】図１８に示す回転体の載置位置番号１−１６に対する部材支持部の載置例を示す説明図。
【図２０】ＸＹ方向焦点位置変更部を用いて被計測体側共役点をＸ軸方向に移動させるとともに載置台変位部を用いて載置台をＹ軸方向に移動させることによりＸＹ位置関係を変更する場合の一例を示す説明図。
【図２１】本発明の第５実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図。
【図２２】第２のＸＹ方向焦点位置変更部の一構成例を示す側面図。
【図２３】第２のＸＹ方向焦点位置変更部の変形例を示す側面図。
【図２４】（ａ）は第５実施形態に係る三次元画像取得装置において光軸方向に垂直な面に対する部材の傾き角度が被計測体側共役点をＹ軸方向に移動させる向きに変更される様子の一例を示す説明図、（ｂ）は光軸方向に垂直な面に対する部材の傾き角度が被計測体側共役点をＹ軸方向に移動させる向きに変更される様子の他の例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る三次元画像取得装置および三次元画像取得方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１２】
本発明の一実施形態に係る三次元画像取得装置は、２次元配列型の開口アレイを有する共焦点光学系を用いて被計測体の形状を計測して形状画像を生成しこの形状画像を表示装置に表示させるものである。計測対象物としては、たとえばプリント配線板上のバンプや多層プリント配線板のレーザビアなどの貫通孔のほか、光源としてシリコンの透過率が高い近赤外光を用いる場合には、シリコンウエハの積層接合部近辺やシリコンの内部をも含む。
【００１３】
２次元配列型の開口アレイの開口部同士は、ビーム間のクロストークを小さくするために所定の離間距離をあけて設けられる必要がある。このため、２次元配列型の開口アレイを有する共焦点光学系では、この離間距離のために光軸に垂直な面内方向の分解能が制約されてしまうとともに、分解能を変更することが難しい。
【００１４】
本発明は、２次元配列型の開口アレイを有する共焦点光学系を用いた形状計測において、開口部同士をしっかりと所定の離間距離をあけて設けることでビーム間のクロストークを削減しコントラストを確保しつつ、光軸に垂直な面内方向の分解能を容易に変更可能とするとともに、この分解能を容易に向上させる技術を提供するものである。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図である。なお、以下の説明では、光軸方向をＺ軸、光軸方向に垂直な方向をＸ軸およびＹ軸とする場合の例について示す。
【００１６】
三次元画像取得装置１０は、図１に示すように、光源１１、主面が光軸方向に垂直となるよう配置された開口板１２、対物レンズ１３、Ｚ位置関係変更部としてのＺ方向焦点位置変更部１４、被計測体１５を載置するための載置台１６、被計測体１５からの反射光を入射される光検出器を複数有する光検出器群１７、載置台１６をＸＹＺ各方向に移動させるための載置台駆動部１８、載置台１６および載置台駆動部１８を支持する支持基台１９、および情報処理装置２０を有する。載置台駆動部１８は、Ｚ位置関係変更部としてのＺ軸変位部２１およびＸＹ位置関係変更部としての載置台変位部２２を有する。
【００１７】
光源１１としては、たとえばハロゲンランプなどを用いることができる。光源１１から出射された光は、コリメータレンズ２３を介して面状の平行光となる。この光は、偏光ビームスプリッタ２４を介して開口板１２を照明する。
【００１８】
図２は、開口板１２の一構成例を示す平面図である。開口板１２は、直径ｄの複数の開口部２５がＸ方向にｍ個、Ｙ方向にｎ個ずつ２次元に配置して設けられる。各開口部２５は、互いにＸ軸方向に開口部２５のＸ軸方向の中心間距離Ｄｘから直径ｄを減じた距離離間するとともにＹ軸方向に開口部２５のＹ軸方向の中心間距離Ｄｙから直径ｄを減じた距離離間するよう設けられる。図２には、開口板１２に対して開口部２５がＸ方向に５個（ｍ＝５）、Ｙ方向に５個（ｎ＝５）ずつ計２５個、２次元に配置して設けられた場合の例について示した。
【００１９】
開口板１２の開口部２５は、それぞれ点光源として機能する。各開口部２５を通過した光は、対物レンズ１３により、Ｚ方向焦点位置変更部１４を介して被計測体１５に投光されつつ点光源と共役な点（以下、被計測体側共役点という）に集光される。対物レンズ１３は、各開口部２５にそれぞれ対応する被計測体側共役点を、Ｚ軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面（以下、被計測体側共役面という）上に集光する。なお、対物レンズ１３は、たとえば複数のレンズ２６および絞り２７により構成されて両側テレセントリック光学系を構成することが好ましい。
【００２０】
対物レンズ１３の倍率等の構成に応じて、各開口部２５の配設方向（たとえば図２に示す例ではＸ軸方向およびＹ軸方向）および中心間距離（ＤｘおよびＤｙ）と、これらに対応する被計測体側共役点面上の各共役点間の方向および距離と、の関係は変更可能である。以下の説明では、各開口部２５の配設方向および中心間距離と、これらに対応する被計測体側共役点面上の各共役点間の方向および距離とが同一である場合の例について説明する。
【００２１】
Ｚ位置関係変更部としてのＺ軸変位部２１は、ピエゾモータやサーボモータなどの一般的な駆動装置により構成され、載置台１６を光軸方向に変位させる。この変位の量、方向およびタイミングは、情報処理装置２０によりＺ軸ドライバ２８を介して制御される。Ｚ軸変位部２１は、載置台１６を光軸方向に変位させることにより、被計測体側共役点（被計測体側共役面）の位置と被計測体１５の位置とのＺ軸方向（光軸方向）の相対的な位置関係（以下、Ｚ位置関係という）を変更する。
【００２２】
なお、被計測体側共役点（被計測体側共役面）の位置と被計測体１５の位置との光軸方向の相対的な位置関係を変更するためのＺ位置関係変更部としては、Ｚ方向焦点位置変更部１４およびＺ軸変位部２１の少なくとも一方を用いればよく、必ずしも両方を用いる必要はない。たとえば、Ｚ軸変位部２１のみを用いる場合には、三次元画像取得装置１０はＺ方向焦点位置変更部１４を備えずともよい。
【００２３】
図３は、Ｚ方向焦点位置変更部１４の動作原理を示す説明図である。また、図４は、Ｚ方向焦点位置変更部１４の一構成例を示す斜視図である。
【００２４】
図３に示すように、対物レンズ１３の光路中に平行平板形の部材３１を配置すると、対物レンズ１３の被計測体側共役点の位置がＺ方向に移動する。移動幅δは、部材３１の屈折率および厚さによって制御することができる。
【００２５】
このため、図４に示すように、回転体３２に対して回転方向に沿って等間隔に互いに移動幅δが異なる部材３１を配設する。この回転体３２をモータなどの駆動部３３により所定の速度で連続回転させることにより、部材３１のそれぞれが対物レンズ１３の光軸と交わるごとに離散的に対物レンズ１３の被計測体側共役点の位置をＺ方向に移動させることができる。したがって、図４に示す構成を有するＺ方向焦点位置変更部１４によっても、Ｚ位置関係（被計測体側共役点の位置と被計測体１５の位置とのＺ軸方向（光軸方向）の相対的な位置関係）を変更することができる。
【００２６】
回転体３２の回転状態はタイミングセンサ３４により検知される。タイミングセンサ３４の出力は情報処理装置２０に与えられる。情報処理装置２０は、あらかじめ各部材３１と被計測体側共役点のＺ軸座標とを関連付けた情報を保持している。なお、駆動部３３は、情報処理装置２０により制御可能に構成されてもよい。この場合、情報処理装置２０は回転体３２の回転速度を制御することができる。
【００２７】
被計測体１５による反射光のうち特に被計測体側共役点における反射光は、対物レンズ１３により、被計測体側共役点と光学的共役関係にある共役点（以下、検出側共役点という）に集光される。点光源としての開口部２５と被計測体側共役点とは、互いに１対１に対応する。被計測体側共役点と検出側共役点とも、互いに１対１に対応する。
【００２８】
本実施形態では、検出側共役点が点光源としての開口部２５に一致する場合の例について説明する。この場合、開口部２５を通過した光は被計測体側共役点に集光されるとともに、この被計測体側共役点で反射されて開口部２５に再度入射することになる。
【００２９】
開口部２５に再度入射した光は、所定の光学素子としての偏光ビームスプリッタ２４および結像光学系３６を介して光検出器群１７を構成する光検出器を照射する。開口部２５（検出側共役点）とこの開口部２５に対応する位置に配設された光検出器とは、所定の光学素子としての偏光ビームスプリッタ２４および結像光学系３６により互いに共役関係となる。
【００３０】
光検出器群１７を構成する光検出器は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサにより構成され、照射された光の強度に応じた信号を情報処理装置２０に出力する。また、光検出器群１７は、情報処理装置２０により光検出のタイミングを制御される。
【００３１】
光検出器は、検出側共役点に集光された光の強度変化を検出可能な位置に配設される。この位置としては、たとえば検出側共役点そのものや、検出側共役点の光が光ファイバなどのイメージガイドにより導かれた位置や、検出側共役点と光学的に共役な位置などが挙げられる。本実施形態では、光検出器は、対応する開口部２５（検出側共役点）と光学的に共役な位置に配設される。このため、光検出器が受ける光の強度は、この光検出器に対応する開口部２５に再度入射した光の強度変化に応じて変化し、一方が最大強度の際には他方も最大強度となる。なお、１つの開口部２５（検出側共役点）に対応する光検出器は１個であってもよいし複数個であってもよい。
【００３２】
載置台駆動部１８の載置台変位部２２は、載置台１６を光軸方向に垂直な方向に変位させるＸＹ位置関係変更部として機能する。この載置台変位部２２は、載置台１６のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置決めをそれぞれ粗く行うＸ軸粗変位機構４１およびＹ軸粗変位機構４２と、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位置決めをそれぞれ高精細に行うＸ軸精変位機構４３およびＹ軸精変位機構４４と、を有する。
【００３３】
Ｘ軸粗変位機構４１およびＹ軸粗変位機構４２は、たとえばサーボモータにより構成され、変位の量、方向およびタイミングは、情報処理装置２０によりＸＹ軸粗ドライバ４５を介して制御される。また、Ｘ軸精変位機構４３およびＹ軸精変位機構４４は、たとえばピエゾモータにより構成され、変位の量、方向およびタイミングは、情報処理装置２０によりＸＹ軸精ドライバ４６を介して制御される。
【００３４】
載置台１６が光軸方向に垂直な方向に変位することにより、被計測体側共役点の位置と被計測体１５の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係（以下、ＸＹ位置関係という）が変更されることになる。
【００３５】
情報処理装置２０は、たとえばデスクトップ型やノートブック型のパーソナルコンピュータなどにより構成することができる。情報処理装置２０は、入力部５１、表示部５２、記憶部５３および主制御部を有する。
【００３６】
入力部５１は、たとえばキーボード、タッチパネル、テンキーなどの一般的な入力装置により構成され、ユーザの操作に対応した操作入力信号を主制御部に出力する。
【００３７】
表示部５２は、たとえば液晶ディスプレイやＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）ディスプレイなどの一般的な表示出力装置により構成され、主制御部の制御に従って各種情報を表示する。
【００３８】
記憶部５３は、ＣＰＵにより読み書き可能な記憶媒体であり、あらかじめＸＹ位置関係と被計測体側共役点のＸＹ座標とを関連付けて記憶しておく。また、記憶部５３は、あらかじめ平行平板形の各部材３１と被計測体側共役点のＺ軸座標とを関連付けた情報を保持している。
【００３９】
主制御部は、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭをはじめとする記憶媒体などにより構成される。主制御部のＣＰＵは、ＲＯＭをはじめとする記憶媒体に記憶された分解能可変プログラムおよびこのプログラムの実行のために必要なデータをＲＡＭへロードし、このプログラムに従って、ＸＹ方向の分解能を容易に変更可能とするとともに、この分解能を容易に向上させる処理を実行する。
【００４０】
主制御部のＲＡＭは、ＣＰＵが実行するプログラムおよびデータを一時的に格納するワークエリアを提供する。主制御部のＲＯＭをはじめとする記憶媒体は、情報処理装置２０の起動プログラム、分解能可変プログラムや、これらのプログラムを実行するために必要な各種データを記憶する。
【００４１】
なお、ＲＯＭをはじめとする記憶媒体および記憶部５３は、磁気的もしくは光学的記録媒体または半導体メモリなどの、ＣＰＵにより読み取り可能な記録媒体を含んだ構成を有し、これら記憶媒体内のプログラムおよびデータの一部または全部は電子ネットワークを介してダウンロードされるように構成してもよい。ここで電子ネットワークとは、電気通信技術を利用した情報通信網全般を意味し、無線／有線ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネット網のほか、電話通信回線網、光ファイバ通信ネットワーク、ケーブル通信ネットワークおよび衛星通信ネットワークなどを含む。
【００４２】
主制御部のＣＰＵは、分解能可変プログラムによって、少なくとも高さ決定部５４、形状情報取得部５５および画像生成部５６として機能する。この各部５４〜５６は、ＲＡＭの所要のワークエリアをデータの一時的な格納場所として利用する。なお、これらの機能実現部５４〜５６は、ＣＰＵを用いることなく回路などのハードウエアロジックによって構成してもよい。
【００４３】
高さ決定部５４は、Ｚ軸変位部２１およびＺ方向焦点位置変更部１４の少なくとも一方ならびに光検出器群１７を制御することにより、Ｚ位置関係（被計測体側共役点の位置と被計測体１５の位置との光軸方向の相対的な位置関係）を変更しつつ光検出器の信号を離散的に複数取得する。そして、高さ決定部５４は、被計測体側共役点ごとに、離散的に取得した複数の信号の強度にもとづいて信号の強度が最大となる被計測体１５のＺ軸座標（光軸方向の位置）を算出する。高さ決定部５４は、この算出したＺ軸座標を、複数の開口部２５に対応する複数の被計測体側共役点における被計測体１５のＺ軸座標と決定する。なお、以下の説明では、高さ決定部５４はＺ位置関係を変更するためにＺ軸変位部２１を用いる場合の例について示す。
【００４４】
なお、高さ決定部５４は、Ｚ位置関係を連続的に変更させつつ光検出器の信号を取得しても良いし、Ｚ位置関係を所定の位置関係で停止した後に光検出器の信号を取得することを繰り返しても良い。後者の場合、前者の場合に比べモアレ現象が生じる可能性を低減することができる。
【００４５】
なお、共焦点光学系を用いた形状計測技術において光検出器の出力から離散的に取得した複数の信号の強度にもとづいて信号の強度が最大となる被計測体１５のＺ軸座標を算出する方法は、従来各種の方法が知られており、これらのうち任意のものを使用することが可能である（たとえば本願と同一の出願人による特許文献である特開平９−１２６７３９号公報の段落［００１４］−［００１７］など参照）。
【００４６】
形状情報取得部５５は、載置台変位部２２および高さ決定部５４を制御することにより、載置台１６の初期位置と、載置台１６を初期位置からＸＹ方向に被計測体側共役点の互いの離間距離Ｄｘ−ｄおよびＤｙ−ｄより小さい距離移動させた１または複数の補間位置と、のそれぞれにおいて高さ決定部５４に複数の開口部２５に対応する複数の被計測体側共役点のそれぞれにおける被計測体１５のＺ軸座標を決定させる。
【００４７】
ここで、補間位置同士は互いにＸ方向およびＹ方向に移動距離単位Δｘ＜Ｄｘ−ｄおよびΔｙ＜Ｄｘ−ｄだけそれぞれ離間した位置とする。この移動距離単位ΔｘおよびΔｙは、Ｘ方向およびＹ方向の離間距離をそれぞれ所定の正の整数で除した距離とするとよい。この結果、形状情報取得部５５は、初期位置および補間位置の各位置での複数の被計測体側共役点における被計測体１５のＺ軸座標の情報からなる被計測体１５の三次元形状情報を取得することができる。
【００４８】
また、形状情報取得部５５は、載置台変位部２２による載置台１６の移動距離単位ΔｘおよびΔｙについて、入力部５１を介したユーザによる指示に応じて変更可能に構成される。
【００４９】
画像生成部５６は、三次元形状情報を用いて被計測体１５の形状画像を生成し、この形状画像を表示部５２に表示させる。
【００５０】
すなわち、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０は、移動距離単位ΔｘおよびΔｙの値に対応する補間位置パターンをあらかじめ複数設定することができ、これらのうち１つの補間位置パターンが選択されて載置台１６の移動距離単位ΔｘおよびΔｙが決定されることにより、載置台１６の補間位置が決定される。このため、画像生成部５６により生成される被計測体１５の形状画像は、補間位置パターンに応じてＸＹ方向について異なる分解能とすることができる。
【００５１】
次に、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０の動作の一例について説明する。
【００５２】
２次元配列型の開口部２５同士は、所定の離間距離をあけて設けられる必要がある。これは、ビーム間のクロストークを小さくしコントラストを高めるためである。開口部２５の中心間距離は、開口部２５の直径ｄに対して５倍以上の距離をとることが好ましい。この場合、たとえば直径ｄが２μｍの場合、開口部２５の中心間距離は１０μｍ必要となる。開口部２５が直径２μｍの円形状であり開口部２５の中心間距離が１０μｍである場合、開口面積３．１４μｍ平方に対してピッチが占める面積は１００μｍ平方となり、１：３１．８の面積比が確保される。しかし、開口面積を維持して中心間距離を縮めると短縮した距離の２乗に比例してコントラストが低下してしまう。しかし、この場合、開口部２５が設けられた面内方向（ＸＹ面内方向）の分解能は１０μｍとなってしまう。これは、開口部２５の間の遮光された領域の情報が全く取得することができないためである。
【００５３】
そこで、本実施形態に係る三次元画像取得装置は、ＸＹ位置関係（被計測体側共役点の位置と被計測体１５の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係）を変更することにより、ＸＹ面内方向の分解能を変更し向上させる。
【００５４】
図５は、第１実施形態に係る三次元画像取得装置１０によりＸＹ方向の分解能を容易に変更可能とするとともにこの分解能を容易に向上させる際の手順を示すフローチャートである。図５において、Ｓに数字を付した符号は、フローチャートの各ステップを示す。
【００５５】
この手順は、被計測体１５が載置台１６に載置された時点でスタートとなる。なお、図５に示す手順は、開口部２５の直径ｄが２μｍ、開口部２５の中心間距離がそれぞれＤｘ＝Ｄｙ＝１０μｍであり、設定可能な分解能として、ＸＹ位置関係を補間位置へ移動しない「１０μｍ」の場合およびＸ方向およびＹ方向の移動距離単位ΔｘおよびΔｙがともに２μｍである「２μｍ」の場合の２つから１つを選択可能である場合の例について説明する。
【００５６】
また、記憶部５３はあらかじめ、少なくともＸＹ位置関係と被計測体側共役点のＸＹ座標とを関連付けて記憶しておく。すなわち、記憶部５３はあらかじめ載置台１６の初期位置および初期位置からの変位位置と、被計測体側共役点のＸＹ座標とを関連付けておく。ここで、被計測体側共役点は本実施形態においては被計測体の表面観測点である。
【００５７】
まず、ステップＳ１において、形状情報取得部５５は、あらかじめ記憶部５３に記憶された設定値を読み込んで、または表示部５２にユーザに対して設定値を入力するよう促したうえでユーザによる入力部５１を介した設定値の入力指示を受け付けて、分解能の設定値を取得する。以下、この設定値が「２μｍ」である場合の例について説明する。
【００５８】
次に、ステップＳ２において、形状情報取得部５５は、取得した分解能の設定値によりＸ方向およびＹ方向の移動距離単位ΔｘおよびΔｙをそれぞれ２μｍに決定する。
【００５９】
次に、ステップＳ３において、高さ決定部５４は、現在のＸＹ位置関係における各被計測体側共役点（観測点）のＺ軸座標を決定する処理を実行する。このＺ軸座標の情報は、記憶部５３に記憶された各開口部２５の現在の位置に応じた各被計測体側共役点のＸＹ座標の情報と関連付けられて、たとえば高さ決定部５４によりＲＡＭの所要のワークエリアやフレームバッファなどに格納される。
【００６０】
次に、ステップＳ４において、形状情報取得部５５は、全ての補間位置で高さ決定処理を実行したか否かを判定する。高さ決定処理が未実行の補間位置がある場合は、ステップＳ５に進む。一方、全ての補間位置で高さ決定処理を実行した場合は、ステップＳ６に進む。
【００６１】
次に、ステップＳ５において、形状情報取得部５５は、所定の順序でＸＹ位置関係を変更し、ステップＳ３に戻る。
【００６２】
他方、ステップＳ６において、画像生成部５６は、ステップＳ３〜Ｓ５を繰り返すことにより高さ決定部５４によりＲＡＭの所要のワークエリアやフレームバッファなどに蓄積されたデータ（三次元形状情報）にもとづいて被計測体１５の形状画像を生成する。
【００６３】
そして、ステップＳ７において、画像生成部５７は、この形状画像を表示部５２に表示させる。
【００６４】
以上の手順により、ＸＹ方向の分解能を容易に変更可能とするとともにこの分解能を容易に向上させることができる。
【００６５】
ここで、ＸＹ位置関係の変更順序の一例について簡単に説明する。
【００６６】
図６は、載置台１６を変位させることによりＸＹ位置関係を変更する場合の載置台１６の変位方法の一例を示す説明図である。図６には、開口部２５の直径ｄ＝２μｍ、中心間距離Ｄｘ＝Ｄｙ＝１０μｍ、移動距離単位Δｘ＝Δｙ＝２μｍである場合の例について示した。図６において、実線および点線の小さな円のそれぞれは、開口部２５のそれぞれの観測対象領域を模式的に同一平面状に投影して示したものである。
【００６７】
なお、光検出器は、図６の右下に示す全ての観測対象領域に対応する位置のそれぞれに１または複数あらかじめ設けられる。
【００６８】
まず、初期位置において高さ決定処理が行われる（ステップＳ３）。この高さ決定処理では、各開口部２５に対応する被計測体側共役点（観測点）における被計測体１５のＺ軸座標がそれぞれ決定される。このＺ軸座標の情報は、記憶部５３に記憶された現在の載置台１６の位置に応じた各被計測体側共役点のＸＹ座標の情報と関連付けられて、たとえば高さ決定部５４によりＲＡＭの所要のワークエリアやフレームバッファなどに格納される。
【００６９】
次に、図６に示す順序では、Ｘ軸方向に移動距離単位Δｘ（２μｍ）移動し、再度高さ決定処理が行われる。これを繰り返して載置台１６のＸ方向の離間距離以上移動すると、次にＹ軸方向に移動距離単位Δｙ（２μｍ）移動し、高さ決定処理が行われる。次に、Ｘ軸方向に移動距離単位マイナスΔｘ（−２μｍ）移動し、再度高さ決定処理が行われる。
【００７０】
以上の動作を繰り返すことにより、最終的にＸ軸方向に対してＤｘにｍ（開口部２５のＸ方向の配置個数）を乗じた距離Ｌｘ、Ｙ軸方向に対してＤｙにｎ（開口部２５のＹ方向の配置個数）を乗じた距離Ｌｙの範囲の情報を分解能２μｍで取得することができる。図６に示した一連の順序を実行した場合、ＬｘとＬｙで囲まれた領域の情報を取得することになる。
【００７１】
図６に示す順序によって広範囲を計測する場合は、ひとまずＬｘとＬｙで囲まれた領域の計測を行い、その後この領域に隣接する同一面積の領域を計測するとよい。
【００７２】
ところで、一連の手順で計測される領域はＬｘとＬｙで囲まれた領域に限られない。
【００７３】
図７は、載置台１６を変位させることによりＸＹ位置関係を変更する場合の載置台１６の変位方法の他の例を示す説明図である。図７には、開口部２５の直径ｄ＝２μｍ、中心間距離Ｄｘ＝Ｄｙ＝１０μｍ、移動距離単位Δｘ＝Δｙ＝２μｍである場合の例について示した。
【００７４】
まず、図６に示した順序と同様に初期位置において高さ決定処理が行われた後、Ｘ軸方向にＬｘ（５０μｍ）移動し、高さ決定処理が行われる。これをもう一度繰り返した後、Ｘ軸方向に移動距離単位Δｘ（２μｍ）移動し、高さ決定処理が行われる。次に、Ｘ軸方向にマイナスＬｘ（−５０μｍ）移動して高さ決定処理が行われる。この手順を繰り返せば、一連の手順により３ＬｘとＬｙに囲まれた領域の情報を取得することができる。
【００７５】
なお、図７に示す順序では、Ｘ軸方向への移動回数にくらべＹ軸方向への移動回数が極端に少ない。このような場合、Ｘ軸方向へはＸ軸精変位機構４３を用いる一方、Ｙ軸方向へはＹ軸粗変位機構４２を用いてもよい。Ｘ軸粗変位機構４１およびＹ軸粗変位機構４２は、従来の共焦点顕微鏡における載置台１６のＸＹ変位機構として広く用いられているものであり、この場合従来の資産を有効に活用することができる。
【００７６】
図８は、開口部２５の直径ｄ＝２μｍ、中心間距離Ｄｘ＝Ｄｙ＝１２μｍである場合における分解能設定の一例を示す説明図である。
【００７７】
中心間距離Ｄｘ、Ｄｙを開口部２５の直径ｄで除した値が約数を多く持つ値である場合には、光検出器を最高分解能時の全ての観測対象領域（図８の右下参照）に対応する位置のそれぞれに１または複数あらかじめ設けておくことにより、容易に多数の分解能を実現することができる。たとえば、図８に示すように開口部２５の直径ｄ＝２μｍ、中心間距離Ｄｘ＝Ｄｙ＝１２μｍである場合には、分解能は「１２μｍ」、「６μｍ」、「４μｍ」、「２μｍ」の４つであれば容易に設定可能である。
【００７８】
続いて、現在のＸＹ位置関係における各被計測体側共役点（観測点）のＺ軸座標を決定する処理の手順について説明する。
【００７９】
図９は、図５のステップＳ３で高さ決定部５４により実行される高さ決定処理の手順を示すサブルーチンフローチャートである。図９において、Ｓに数字を付した符号は、フローチャートの各ステップを示す。
【００８０】
まず、ステップＳ３１において、高さ決定部５４は、現在のＸＹ位置関係の情報を用いて記憶部５３を検索し、現在のＸＹ位置関係に関連付けられた各被計測体側共役点（観測点）のＸＹ座標の情報を取得する。
【００８１】
次に、ステップＳ３２において、高さ決定部５４は、Ｚ軸変位部２１およびＺ方向焦点位置変更部１４の少なくとも一方を制御してＺ位置関係を変更しつつ、光検出器群１７を制御して複数の光検出器出力を取得する。高さ決定部５４は、取得する複数の光検出器出力が、互いに離散的なＺ位置関係同士における出力となるよう、Ｚ軸変位部２１およびＺ方向焦点位置変更部１４の少なくとも一方ならびに光検出器群１７を制御する。
【００８２】
なお、Ｚ方向焦点位置変更部１４を用いてＺ位置関係を変更する場合は、高さ決定部５４は、あらかじめ記憶部５３に記憶された平行平板形の各部材３１と被計測体側共役点のＺ軸座標とを用いて各光検出器の出力取得時のＺ軸座標の情報を取得する。また、Ｚ軸変位機構４６を用いてＺ位置関係を変更する場合は、高さ決定部５４は、固定値である被計測体側共役点のＺ軸座標と、Ｚ軸変位機構４６により変位する載置台１６の上面の現在のＺ軸座標とから、各観測点におけるＺ軸座標の情報を取得する。
【００８３】
次に、ステップＳ３３において、高さ決定部５４は、Ｚ位置関係と光検出器出力との関係から被計測体側共役点（観測点）ごとに光検出器の最大値を与えるＺ軸座標Ｚｍａｘを算出する。
【００８４】
そして、ステップＳ３４において、高さ決定部５４は、このＺ軸座標Ｚｍａｘの情報を、ステップＳ３１で取得した各開口部２５の現在の位置に応じた各被計測体側共役点のＸＹ座標の情報と関連付けて、ＲＡＭの所要のワークエリアやフレームバッファなどに格納して、図５のステップＳ４に戻る。
【００８５】
以上の手順により、現在のＸＹ位置関係における各被計測体側共役点（観測点）のＺ軸座標を決定することができる。
【００８６】
従来、開口部２５が２次元に配列された開口板１２を有し、共焦点光学系を用いた形状計測を行う際には、ビーム間のクロストークを小さくしコントラストを高めるために、開口部２５同士は、所定の離間距離をあけて設けられる必要があった。このため、開口部２５が設けられた面内方向（ＸＹ面内方向）の分解能はこの所定の離間距離の制約を受けてしまっていた。
【００８７】
本実施形態に係る三次元画像取得装置１０は、開口部２５が２次元に配列された開口板１２および載置台１６の少なくとも一方について、開口板２５同士の離間距離より小さい距離で移動可能に構成される。このため、三次元画像取得装置１０によれば、ＸＹ位置関係を容易に変更することやＸＹ面内方向の分解能を容易に向上させることができる。
【００８８】
なお、高さ決定処理は、離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得した後に、最後に行われてもよい。具体的には、三次元画像取得装置１０は、Ｚ位置を固定しておいて載置台１６をＸＹ方向に走査し、次にＺ位置を移動して再び載置台１６をＸＹ方向に走査することを繰り返すことにより離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得してから、高さ決定処理を実行することによっても、被計測体１５の形状画像を生成することができる。
【００８９】
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る三次元画像取得装置および三次元画像取得方法の第２実施形態について説明する。
【００９０】
図１０は、第２実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ａの一例を示す概略的な全体構成図である。
【００９１】
この第２実施形態に示す三次元画像取得装置１０Ａは、ＸＹ位置関係を変更するためにＸ軸精変位機構４３およびＹ軸精変位機構４４に代えてＸＹ位置関係変更部としての開口板変位部４７を有する点で第１実施形態に示す三次元画像取得装置１０と異なる。他の構成および作用については図１に示す三次元画像取得装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００９２】
開口板１２は、ＸＹ位置関係変更部としての開口板変位部４７により光軸方向に垂直な方向に変位する。開口板１２は、この変位の量、方向およびタイミングを、情報処理装置２０により開口板ドライバ４８を介して制御される。点光源としての開口部２５と被計測体側共役点とは１対１に対応する。このため、開口板１２が変位することにより、ＸＹ位置関係が変更されることになる。
【００９３】
開口板変位部４７により開口板１２が変位する場合、開口部２５（検出側共役点）もまた当然に変位する。一方、光検出器は、検出側共役点と共役な位置にあらかじめ配設されることが望ましい。このため、開口板変位部４７により開口板１２が変位する場合、あらかじめ開口板１２の変位後の位置での検出側共役点と共役な位置にも、あらかじめ検出器を配設しておく。なお、第１実施形態に示したように載置台１６のみによりＸＹ位置関係を変更し開口板１２を変位させず初期位置にとどめておく場合には、光検出器は、開口板１２の初期位置での検出側共役点と共役な位置にあらかじめ配設しておけばよい。
【００９４】
ＸＹ位置関係変更部としての開口板変位部４７は、ピエゾモータやサーボモータなどの一般的な駆動装置により構成される。開口板変位部４７をピエゾモータで構成した場合、サーボモータで構成する場合に比べより高速かつ精細な開口板１２の変位制御が可能となる。
【００９５】
本実施形態においては、形状情報取得部５５は、開口板変位部４７および高さ決定部５４を制御することにより、開口板１２の初期位置と、開口板１２を初期位置からＸＹ方向に複数の開口部２５の互いの離間距離Ｄｘ−ｄおよびＤｙ−ｄより小さい距離移動させた１または複数の補間位置と、のそれぞれにおいて高さ決定部５４に複数の開口部２５に対応する複数の被計測体側共役点のそれぞれにおける被計測体１５のＺ軸座標を決定させる。また、形状情報取得部５５は、開口板変位部４７による開口板１２の移動距離単位ΔｘおよびΔｙについて、入力部５１を介したユーザによる指示に応じて変更可能に構成される。
【００９６】
記憶部５３はあらかじめ、少なくともＸＹ位置関係と被計測体側共役点のＸＹ座標とを関連付けて記憶しておく。すなわち、記憶部５３はあらかじめ開口板１２の初期位置および初期位置からの変位位置と、被計測体側共役点のＸＹ座標とを関連付けておく。
【００９７】
開口板１２を変位させることによっても、図６および図７に示す順序などによりＸＹ位置関係を変更させることが可能である。
【００９８】
すなわち、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ａは、移動距離単位ΔｘおよびΔｙの値に対応する補間位置パターンをあらかじめ複数設定することができ、これらのうち１つの補間位置パターンが選択されて開口板１２の移動距離単位ΔｘおよびΔｙが決定されることにより、開口板１２の補間位置が決定される。このため、画像生成部５６により生成される被計測体１５の形状画像は、補間位置パターンに応じてＸＹ方向について異なる分解能とすることができる。
【００９９】
本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ａによっても、第１実施形態に示した三次元画像取得装置１０と同様の作用効果を奏する。また、開口板１２は被計測体１５および載置台１６にくらべ軽量であるため、より高速な位置制御を行うことができる。
【０１００】
なお、高さ決定処理は、離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得した後に、最後に行われてもよい。すなわち、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ａもまた、第１実施形態に係る三次元画像取得装置１０と同様に、Ｚ位置を固定しておいて開口板１２をＸＹ方向に走査し、次にＺ位置を移動して再び開口板１２をＸＹ方向に走査することを繰り返すことにより離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得してから、高さ決定処理を実行することによっても、被計測体１５の形状画像を生成することができる。
【０１０１】
（第３の実施形態）
図１１は、第３実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｂの一例を示す概略的な全体構成図である。
【０１０２】
この第３実施形態に示す三次元画像取得装置１０Ｂは、被計測体側共役点に対応する検出側共役点が各光検出器の検出面上または各光検出器の近傍に位置するよう構成される点で第１実施形態に示す三次元画像取得装置１０と異なる。他の構成および作用については図１に示す三次元画像取得装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【０１０３】
第１実施形態で述べたとおり、光検出器は、検出側共役点に集光された光の強度変化を検出可能な位置に配設される。図１１には、光検出器群１７の近傍に検出器用開口板（ピンホールアレイ）１２ａが設けられる場合の例について示した。この場合、被計測体１５の反射光は、対物レンズ１３により集光されつつ偏光ビームスプリッタ２４により光路を変更されて、開口板１２の各開口部２５と一対一に光学的に同一位置に正確に位置合わせされた開口部２５ａが設けられた検出器用開口板１２ａ上に到達する。この反射光の各開口部２５ａを通過した光量は、検出器用開口板１２ａの各開口部２５ａに対して各光検出器が一対一で結びついた光検出器群１７により検出される。
【０１０４】
なお、光検出器群１７の光検出器として開口率をあえて低くした（上述したコントラストが高まるように画素ピッチに対し光電変換部を小さくした）イメージセンサ（たとえばＣＭＯＳセンサなど）を用いる場合、被計測体側共役点に対応する検出側共役点が各光検出器の検出面上となるように光検出器群１７を配置してもよく、この場合検出器用開口板１２ａは用いずとも良い。
【０１０５】
本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｂによっても、第１実施形態に示した三次元画像取得装置１０と同様の作用効果を奏するほか、結像光学系３６が不要となる。
【０１０６】
（第４の実施形態）
次に、本発明に係る三次元画像取得装置および三次元画像取得方法の第４実施形態について説明する。
【０１０７】
図１２は、本発明の第４実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｃの一例を示す概略的な全体構成図である。
【０１０８】
この第４実施形態に示す三次元画像取得装置１０Ｃは、ＸＹ位置関係を変更するためにＸ軸精変位機構４３およびＹ軸精変位機構４４に代えてＸＹ位置関係変更部としてのＸＹ方向焦点位置変更部６０を有する点で第１実施形態に示す三次元画像取得装置１０と異なる。他の構成および作用については図１に示す三次元画像取得装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。なお、本実施形態においても、上記実施形態１−３と同様に、Ｚ位置関係変更部としてはＺ方向焦点位置変更部１４およびＺ軸変位部２１の少なくとも一方を用いればよく、たとえばＺ軸変位部２１のみを用いる場合には、三次元画像取得装置１０ＣはＺ方向焦点位置変更部１４を備えずともよい。
【０１０９】
図１３は、ＸＹ方向焦点位置変更部６０の動作原理を示す説明図である。
【０１１０】
図１３に示すように、対物レンズ１３の光路中に、光軸と垂直な面に対して傾きθ１を有するように平行平板形の部材６１を配置すると、対物レンズ１３の被計測体側共役点の位置がＸＹ方向に移動する。移動量ｔは、部材６１の屈折率ｎ２および厚さＴによって制御することができ、ｔ＝T (tanθ1-tanθ2)・cosθ1の関係を満たす。
【０１１１】
図１４は、ＸＹ方向焦点位置変更部６０の一構成例を示す斜視図である。
【０１１２】
図１４に示すように、部材６１は、回転体６３に対して部材支持部６２に載置して回転方向に沿うように配設する。以下の説明では、部材６１は全て同一の厚さＴを有し、部材６１を載置する部材支持部６２によって各部材６１のＸＹ面に対する傾きθ１が変更される場合の例について説明する。この回転体６３をモータなどの駆動部６４により所定の速度で連続回転させることにより、部材６１のそれぞれが対物レンズ１３の光軸と交わるごとに、各部材６１のＸＹ面に対する傾きθ１に応じて対物レンズ１３の被計測体側共役点の位置をＸＹ方向に移動させることができる。したがって、図１４に示す構成を有するＸＹ方向焦点位置変更部６０によれば、ＸＹ位置関係を変更することができる。以下の説明では、部材６１は同一の平行平板形状を有するものとし、この部材を載置する部材支持部６２によって各部材６１が光軸と垂直な面に対して傾きを有するように支持される場合の例について示す。
【０１１３】
回転体６３の回転状態はタイミングセンサ６５により検知される。タイミングセンサ６５の出力は情報処理装置２０に与えられる。情報処理装置２０は、あらかじめ各部材支持部６２と被計測体側共役点のＸＹ軸座標とを関連付けた情報を保持している。なお、駆動部６５は、情報処理装置２０により制御可能に構成されてもよい。この場合、情報処理装置２０は回転体６３の回転速度を制御することができる。
【０１１４】
図１５は、部材６１の光軸と垂直な面に対する傾きＸθ１、Ｙθ１と被計測体側共役点のＸＹ方向移動量（補間移動量）Ｘｔ、Ｙｔとの関係を示す説明図である。なお、Ｘθ１はＸＺ面内における部材６１の光軸と垂直な面に対する傾きを、Ｙθ１はＹＺ面内における部材６１の光軸と垂直な面に対する傾きを、それぞれ示すものとする。図１５には、部材６１の外部媒体を空気（屈折率ｎ１＝１．０００２９２）とし、部材６１をガラス（屈折率ｎ２＝１．５１）とし、部材６１の厚さＴを０．５ｍｍとする場合の例について示した。
【０１１５】
図１３から明らかなように、入射角Ｘθ１、Ｙθ１は部材６１の光軸と垂直な面に対する傾きに等しい。図１５に示すように、たとえば入射角Ｘθ１が０．４２５度であると、Ｘ方向の補間移動量Ｘｔは１．２５μｍとなる（図１５の補間Ｎｏ．２参照）。また、入射角Ｘθ１が０．８５度ではＸ方向の補間移動量Ｘｔは２．５０μｍとなる（図１５の補間Ｎｏ．３参照）。入射角Ｘθ１が１．２７４度ではＸ方向の補間移動量Ｘｔは３．７５μｍとなる（図１５の補間Ｎｏ．４参照）。
【０１１６】
なお、補間番号１のＸＹ位置関係は、ＸＹ面に対する傾きを有さない部材支持部６２を回転体６３に載置し、その上に部材６１を載置して実現することができる（図１５の補間Ｎｏ．１参照）。傾きを有さない部材支持部６２と部材６１とを用いて補間番号１のＸＹ位置関係を実現することにより、全てのＸＹ位置関係において被計測体１５に対する照射光量をほぼ同一にすることができる。
【０１１７】
図１６は、部材支持部６２の一構成例を示す概略的な三面図であり、図１７は部材支持部６２の変形例を示す概略的な三面図である。図１６および図１７において、寸法を示す数字の単位はｍｍである。図１６および図１７には、図１５の補間番号２に対応する部材支持部６２の構成例を示した。また、図１８は、回転体６３の一構成例を示す概略的な平面図である。図１８には、部材支持部６２の載置部に対して１−１６までの載置位置番号を付した。
【０１１８】
図１６に示すように、部材支持部６２は、回転体６３と接する下面に段差６２ａを有する。回転体６３の載置部にこの部材支持部６２が載置されると、この段差６２ａにより、部材支持部６２の上面が光軸に垂直な面に対してθ１傾く。この部材支持部６２の上面に平行平板形の部材６１を載置することにより、部材６１に対する光軸の入射角はθ１となる。
【０１１９】
また、図１７に示すように、部材支持部６２は、回転体６３と接する下面が傾斜するよう削り加工して構成してもよい。図１７に示すような構成によっても、回転体６３の載置部にこの部材支持部６２が載置されると、部材支持部６２の上面が光軸に垂直な面に対してθ１傾くことになる。
【０１２０】
図１８に示すように、回転体６３の載置部のうち、回転方向に沿う円周上の一部に複数の部材６１を載置するとともに、この円周上の他部をＺ位置関係を変更するためのスペースとしてもよい。この場合、載置位置番号１−１６に載置された部材支持部６２および部材６１によりＸＹ位置関係が変更されたあと、光軸と円周上の他部が交差する間にＺ位置関係を変更することができる。
【０１２１】
また、たとえば回転方向に沿って設けられた載置位置の数に対し１つのＺ位置関係におけるデータ収集に必要なＸＹ位置関係の数が半分未満である場合、回転体６３が１周する間に２箇所以上のＺ位置関係のデータ収集および２度以上のＺ位置関係の変更を行ってもよい。たとえば載置位置が載置位置番号１−２４の２４箇所であり、１つのＺ位置関係におけるデータ収集に必要なＸＹ位置関係の数が８つである場合、載置位置番号１−８および１３−２０に部材支持部６２を載置してデータ収集用とし、載置位置番号９−１２および２１−２４をＺ位置変更用としてもよい。
【０１２２】
図１９は、図１８に示す回転体６３の載置位置番号１−１６に対する部材支持部６２の載置例を示す説明図である。図１９には、載置位置番号と図１５に示した補間番号とが一致する場合の例について示した。
【０１２３】
図１５に示す補間番号１−４に対応する部材支持部６２の部材番号を１−４とする。また、光軸を中心に部材番号１−４の部材支持部６２を９０度回転させて回転体６３に載置した部材支持部６２の部材番号を１ｒ−４ｒとする。たとえば、部材番号２と部材番号２ｒの部材支持部６２は、同一構成を有し、回転体６３への載置向きのみが異なる。
【０１２４】
このとき、補間番号５−８に対応する傾きは、部材番号２ｒの部材支持部６２を回転体６３に載置し、さらにその上に部材番号１−４の部材支持部６２を載置することにより容易に得ることができる。このため、あらかじめ部材番号１−４の部材支持部６２を作成しておき、これらを図１９に示すように組み合わせることで、容易に補間番号１−１６に対応する傾きを得ることができる。
【０１２５】
図１５および図１９から明らかなように、ＸＹ方向焦点位置変更部６０によれば、開口部２５の中心間距離がそれぞれＤｘ＝Ｄｙ＝５μｍであるとき、載置位置番号１−１６に補間番号１−１６に対応する部材支持部６２を載置することにより、Ｘ方向およびＹ方向の分解能を１．２５μｍとすることができる。このとき、載置位置番号と補間番号とが一致する必要はなく異なっていてもよい。また、偶数の補間番号に対応する部材支持部６２のみを載置する場合、分解能は２．５μｍとなる。すなわち、平行平板形の部材６１の傾きの組み合わせにより、補間位置パターンを決定することができる。
【０１２６】
また、他の分解能に対応する部材支持部６２の組が載置された回転体６３を用意しておき、所望の分解能に応じて回転体６３を交換してもよい。また、載置位置番号１−１６に配置される部材支持部６２の部材番号の組み合わせは非常に自由度が高く、図１９に示す例に限られない。たとえば、主制御部のＲＡＭのメモリアドレスとの関連付けが行いやすいように部材支持部６２を配置すれば、主制御部のＣＰＵによる処理を容易に行うことができる。
【０１２７】
本実施形態において、高さ決定処理は、離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得した後に、最後に行われてもよい。すなわち、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｃもまた、第１実施形態に係る三次元画像取得装置１０と同様に、Ｚ位置を固定しておいて回転体６３を回転することによりＸＹ方向に走査し、次にＺ位置を移動して再び回転体６３を回転することによりＸＹ方向に走査することを繰り返すことにより離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得してから、高さ決定処理を実行することによっても、被計測体１５の形状画像を生成することができる。このとき、回転体６３は離散的な複数のＺ位置の個数分だけ回転することになる。
【０１２８】
また、回転体６３の載置部ごとに高さ決定処理を行ってもよい。このとき、回転体６３が１回転すると被計測体１５の形状画像が生成されることになる。
【０１２９】
本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｃによっても、第１実施形態に示した三次元画像取得装置１０と同様の作用効果を奏する。
【０１３０】
また、載置台１６や開口板１２を光軸に垂直に移動させる場合、光軸に垂直な面内方向の分解能を制御するためには、共焦点開口アレイを駆動するためのモータ（たとえばピエゾモータなど）の応答時間や駆動誤差の影響を考慮しなくてはならず煩雑である。一方、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｃは、回転体６３を回転させることによりＸＹ位置関係を容易に高速かつ的確に変更することができる。
【０１３１】
また、被計測体１５の形状画像を作成する際には、ＸＹ位置関係を非常に多くの回数変更する必要がある。このため、ＸＹ位置関係変更部の寿命が問題となる場合がある。本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｃは、ＸＹ位置関係変更部として回転体６３を有するＸＹ方向焦点位置変更部６０を用いる。このため、ＸＹ位置関係変更部がピエゾモータやサーボモータを用いる構成を有する第１〜第３実施形態に係る三次元画像取得装置１０、１０Ａおよび１０Ｂにくらべ、ＸＹ位置関係変更部の寿命を大幅に伸ばすことが可能である。さらに、ＸＹ位置関係を変更する際のピエゾモータやサーボモータによる振動の影響を排除することができる。
【０１３２】
また、第１実施形態に係る三次元画像取得装置１０は、載置台１６を小刻みに動かすことでＸＹ位置関係を変更するため、被計測体１５は載置台１６にしっかりと固定しておく必要がある。この点、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｃは、被計測体１５を載置台１６に簡単に固定しておくだけでよい。このため、被計測体１５の載置台１６上での位置調整が容易であるとともに、被計測体１５の交換や設置が容易である。
【０１３３】
なお、第１実施形態に示した三次元画像取得装置１０の載置台変位部２２と本実施形態に係るＸＹ方向焦点位置変更部６０とを組み合わせて用いてもよい。
【０１３４】
図２０は、ＸＹ方向焦点位置変更部６０を用いて被計測体側共役点をＸ軸方向に移動させるとともに載置台変位部２２を用いて載置台１６をＹ軸方向に移動させることによりＸＹ位置関係を変更する場合の一例を示す説明図である。なお、説明の便宜上、図２０においてＸＹ方向焦点位置変更部６０の駆動部６４およびタイミングセンサ６５の記載を省略した。
【０１３５】
たとえば、図７に示す順序では、Ｘ軸方向への移動回数にくらべＹ軸方向への移動回数が極端に少ない。この場合、図２０に示すように、Ｘ軸方向へは高速かつ滑らかな動作が可能なＸＹ方向焦点位置変更部６０を用いて部材６１の屈折作用により被計測体側共役点の位置を移動させる一方、Ｙ軸方向へはＹ軸粗変位機構４２またはＹ軸精変位機構４４を用いて載置台１６を移動させることにより、ＸＹ位置関係を変更してもよい。このとき、ＸＹ方向焦点位置変更部６０の回転体６３に配設される部材６１は、図１９に示す例では、部材番号１−４の部材６１のみを用いればよい。また、この場合、図１５に示す補間位置パターンでは、Ｙ軸粗変位機構４２またはＹ軸精変位機構４４は、あらかじめ設定された位置群としての複数の補間移動量（０μｍ、１．２５μｍ、２．５０μｍ、３．７５μｍ）のいずれかで載置台１６をＹ軸方向に移動させる。
【０１３６】
この場合、ＸＹ方向焦点位置変更部６０の載置位置には、部材６１が２枚重ねられる位置（図１９の載置位置番号６−８、１０−１２および１４−１６参照）が無くてすむ。したがって、部材６１が２枚重ねられる位置が存在する場合に比べ、部材６１を透過する光の光学的な歪みを低減することができる。
【０１３７】
また、ＸＹ方向焦点位置変更部６０をＸ軸方向の位置関係変更にのみ用いる場合、ＸＹ軸の両方向の位置関係変更に用いる場合に比べ、同一のＸＹ方向の分解能において必要な回転体６３上の載置位置の数が減少する。このため、ＸＹ方向焦点位置変更部６０のサイズを小さくすることができ、より高速な回転を安定して持続することができる。また、ＸＹ方向の分解能を高める場合にも、ＸＹ方向焦点位置変更部６０のサイズを小さく保つことができる。
【０１３８】
また、ＸＹ方向焦点位置変更部６０をＸ軸方向の位置関係変更にのみ用いる場合であって、回転体６３を等速連続回転させる場合は、高さ決定部５４は、複数の載置位置のうち互いに隣接する所定の数の載置位置と対物レンズ１３の被計測体１５側の光軸とが交差している間に、被計測体１５の位置を光軸方向に変更するようＺ軸変位部２１およびＺ方向焦点位置変更部１４の少なくとも一方を制御してもよい。
【０１３９】
たとえば、開口部２５の直径ｄが１μｍであり、開口部２５の中心間距離ＤｘおよびＤｙが８μｍであり、Ｘ方向およびＹ方向の補間移動量が１μｍである補間位置パターンを考える。この補間位置パターンでは、たとえば回転体６３には円周上に等間隔に８つの載置位置を設けるとよい。このとき、被計測体１５の位置を光軸方向に変更するたびに回転体６３の回転の停止と再始動を行うと、回転体６３が安定した回転速度となるまでに時間を要してしまう。このため、回転体６３の回転を止めずにＺ位置関係を変更することが好ましい。
【０１４０】
そこで、形状情報取得部５５は、まず、複数の平行平板形の部材６１（この例では８つ）により被計測体側共役点の位置を光軸方向に垂直な面内でＸ軸方向に変更させるとともに、載置台１６をＹ軸方向に変化させて、８×８＝６４通りのＸＹ位置で撮影を行い、各ＸＹ位置における光検出器出力を取得する。次に、形状情報取得部５５は、高さ決定部５４を制御し、回転体６３の回転を維持させたまま、複数の平行平板形の部材６１のうち互いに隣接する所定の数（たとえば４つなど）の部材６１と対物レンズ１３の被計測体１５側の光軸とが交差している間に被計測体１５の位置を光軸方向に変更するようＺ軸変位部２１およびＺ方向焦点位置変更部１４の少なくとも一方を制御させる。
【０１４１】
そして、再び８×８＝６４通りのＸＹ位置で撮影を行う。以上の手順を繰り返すことにより、回転体６３の回転を止めずにＺ位置関係を変更することが可能である。なお、この場合、高さ決定処理は、離散的な複数のＺ位置のそれぞれで全ての補間位置における光検出器出力を取得（上記例では６４通りのＸＹ位置で撮影）した後に、最後に行うことになる。
【０１４２】
（第５の実施形態）
次に、本発明に係る三次元画像取得装置および三次元画像取得方法の第５実施形態について説明する。
【０１４３】
図２１は、本発明の第５実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄの一例を示す概略的な全体構成図である。
【０１４４】
この第５実施形態に示す三次元画像取得装置１０Ｄは、ＸＹ位置関係を変更するためにＸ軸精変位機構４３およびＹ軸精変位機構４４に代えてＸＹ位置関係変更部としての第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０を有する点で第１実施形態に示す三次元画像取得装置１０と異なる。他の構成および作用については図１に示す三次元画像取得装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【０１４５】
なお、本実施形態においても、上記実施形態１−４と同様に、Ｚ位置関係変更部としてはＺ方向焦点位置変更部１４およびＺ軸変位部２１の少なくとも一方を用いればよく、たとえばＺ軸変位部２１のみを用いる場合には、三次元画像取得装置１０ＤはＺ方向焦点位置変更部１４を備えずともよい。図２１には、三次元画像取得装置１０ＤがＺ方向焦点位置変更部１４を備えない場合の例について示した。
【０１４６】
第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０は、被計測体側共役点をＸ方向に移動させるためのＸ軸用変位機構７０ｘと、被計測体側共役点をＹ方向に移動させるためのＹ軸用変位機構７０ｙと、を有する。
【０１４７】
図２２は、第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０の一構成例を示す側面図である。
【０１４８】
Ｘ軸用変位機構７０ｘは、ガラス等で構成された１枚の平行平板形の部材７１ｘと、Ｘ軸用駆動部７２ｘと、Ｘ軸用駆動部７２ｘと接続された一端および部材７１ｘと接続された他端を有するＸ軸用回動伝達軸部材７３ｘと、を有する。
【０１４９】
１枚の平行平板形の部材７１ｘは、対物レンズ１３の被計測体側の光軸と交差するよう配設される。
【０１５０】
Ｘ軸用駆動部７２ｘは、たとえばガルバノモータにより構成され、Ｘ軸用回転伝達軸部材７３ｘを介して、光軸方向に垂直な面に対する部材７１ｘの傾き角度を被計測体側共役点がＸ軸方向に移動する向きに変更する。
【０１５１】
Ｙ軸用変位機構７０ｙは、Ｘ軸用変位機構７０ｘと同様の構成を有し、１枚の平行平板形の部材７１ｙと、Ｙ軸用駆動部７２ｙと、Ｙ軸用駆動部７２ｙと接続された一端および部材７１ｙと接続された他端を有するＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙと、を有する。
【０１５２】
Ｙ軸用駆動部７２ｙもまた、たとえばガルバノモータにより構成され、Ｙ軸用回転伝達軸部材７３ｙを介して、光軸方向に垂直な面に対する部材７１ｙの傾き角度を被計測体側共役点がＹ軸方向に移動する向きに変更する。
【０１５３】
図１５に示した例では、Ｘ軸用変位機構７０ｘの部材７１ｘにより入射角Ｘθ１が変更されることによりＸ方向の補間移動量Ｘｔが変更され、Ｙ軸用変位機構７０ｙの部材７１ｙにより入射角Ｙθ１が変更されることによりＹ方向の補間移動量Ｙｔが変更される。補間移動量ＸｔおよびＹｔと、入射角Ｘθ１およびＹθ１と、Ｘ軸用駆動部７２ｘおよびＹ軸用駆動部７２ｙの回動角とは、それぞれ補間位置パターンごとにあらかじめ関連付けて設定される。
【０１５４】
たとえば、図１５に示す補間位置パターンでは、補間移動量（０μｍ、１．２５μｍ、２．５０μｍ、３．７５μｍ）と、角度群としての複数の入射角（０度、０．４２５度、０．８５度、１．２７４度）とが、あらかじめ関連付けられて設定されているとともに、それぞれに対応するＸ軸用駆動部７２ｘおよびＹ軸用駆動部７２ｙの回動角が関連付けられて設定されている。形状情報取得部５５は、補間位置パターンに応じてＸ軸用変位機構７０ｘおよびＹ軸用変位機構７０ｙを制御することにより、補間位置パターンごとにＸＹ方向について異なる分解能で被計測体１５の三次元形状情報を取得することができる。
【０１５５】
ところで、対物レンズ１３と被計測体１５との距離は、たとえば５〜１０ｍｍ程度などの短い距離とされる場合がある。この場合、被計測体１５や載置台１６のＸＹ方向の大きさによっては、被計測体１５や載置台１６に妨げられてＸ軸用駆動部７２ｘおよびＹ軸用駆動部７２ｙが配設できない場合がある。
【０１５６】
この場合、Ｘ軸用駆動部７２ｘおよびＹ軸用駆動部７２ｙの下端が被計測体１５や載置台１６に触れないよう、Ｘ軸用回動伝達軸部材７３ｘとＸ軸用駆動部７２ｘとの接続位置をＸ軸用回動伝達軸部材７３ｘと部材７１ｘとの接続位置よりも対物レンズ１３側に位置とするとともに、Ｙ軸用回動伝達軸部材７３ｙとＹ軸用駆動部７２ｙとの接続位置をＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙと部材７１ｙとの接続位置よりも対物レンズ１３側に位置とするとよい。図２２には、Ｘ軸用回動伝達軸部材７３ｘおよびＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙがクランク状に形成される場合の例について示した。
【０１５７】
図２３は、第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０の変形例を示す側面図である。
【０１５８】
図２３に示すように、Ｘ軸用回動伝達軸部材７３ｘおよびＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙを直線状に形成してもよい。この場合、Ｘ軸用駆動部７２ｘおよびＹ軸用駆動部７２ｙが被計測体１５や載置台１６に妨げられることがない位置に配設可能なようにＸ軸用回動伝達軸部材７３ｘおよびＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙの長さを調整する。たとえば、対物レンズ１３と被計測体１５との距離が広い場合や、被計測体１５および載置台１６のＸＹ方向の大きさが十分に小さい場合には、Ｘ軸用回動伝達軸部材７３ｘおよびＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙは、あえてクランク状に形成とせずとも、適切な長さに調整された直線状に形成すればよい。
【０１５９】
図２４（ａ）は第５実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄにおいて光軸方向に垂直な面に対する部材７１ｙの傾き角度が被計測体側共役点をＹ軸方向に移動させる向きに変更される様子の一例を示す説明図であり、（ｂ）は光軸方向に垂直な面に対する部材７１ｙの傾き角度が被計測体側共役点をＹ軸方向に移動させる向きに変更される様子の他の例を示す説明図である。
【０１６０】
なお、部材７１ｘの傾き角度が変更される様子については部材７１ｙと同様であるため説明を省略する。また、部材７１ｘおよび７１ｙのＸＹ平面に対する傾き角度は、図１５の入射角Ｘθ１およびＹθ１に示すように正方向のみで設定されてもよいし、正負両方向に設定されてもよい。図２４（ａ）および（ｂ）には、正負両方向に設定される場合の例について示した。
【０１６１】
図２４（ａ）に示すように、部材７１ｙは、Ｘ軸に平行な所定の回動軸を中心に光軸方向に垂直な面に対する傾き角度を変更することにより入射角Ｙθ１を変更することができる。なお、図２２に示した第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０で部材７１ｙをＸ軸に平行な所定の回動軸を中心に光軸方向に垂直な面に対する傾き角度を変更する場合は、クランク状に形成されたＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙの折れ曲がり部にギアおよびベルトを設けるなどして、クランクの各辺が自身の長軸を中心に回動するよう構成するとよい。
【０１６２】
また、被計測体側共役点間の間隔はたとえば１０μｍ程度の小さな間隔であるため、入射角Ｘθ１はこの間隔を補間する範囲で変更可能であればよい。このため、入射角Ｘθ１の傾き角度の範囲は非常に小さい（たとえば５度以内）。したがって、図２４（ｂ）に示すように、部材７１ｙは、ゆりかごのようにスイング動作をすることで光軸方向に垂直な面に対する傾き角度を変更することにより入射角Ｙθ１を変更してもよい。入射角Ｙθ１の傾き角度の範囲が非常に小さいため、スイング動作により部材７１ｙが移動する範囲も非常に小さく、対物レンズ１３や被計測体１５と接触する可能性が低いためである。このスイング動作を行う場合、図２２に示すようにＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙをクランク状とするとともに剛体で形成するとよい。
【０１６３】
なお、部材７１ｘおよび７１ｙをスイング動作させる場合（図２４（ｂ）参照）、Ｘ軸用変位機構７０ｘおよびＹ軸用変位機構７０ｙの偏心を防ぐために、Ｘ軸用回動伝達軸部材７３ｘおよびＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙのそれぞれに偏心調整部７４ｘおよび７４ｙを設けるとよい（図２２参照）。偏心を防ぎバランスをとることにより、部材７１ｘおよび部材７１ｙは滑らかにスイング動作をすることができる。
【０１６４】
本実施形態においても、高さ決定処理は、離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得した後に、最後に行われてもよい。すなわち、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄもまた、第１実施形態に係る三次元画像取得装置１０と同様に、Ｚ位置を固定しておいて部材７１ｘおよび７１ｙの傾き角度を変更することによりＸＹ方向に走査し、次にＺ位置を移動して再び部材７１ｘおよび７１ｙの傾き角度を変更することによりＸＹ方向に走査することを繰り返すことにより、離散的な複数のＺ位置のそれぞれで全ての補間位置における光検出器出力を取得してから、高さ決定処理を実行することによっても、被計測体１５の形状画像を生成することができる。
【０１６５】
なお、補間位置の走査は、図６に示すような往復動作でもよいし、一行ごとに先頭列に戻り次の行を走査する動作でもよい。
【０１６６】
本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄによっても、第１実施形態に示した三次元画像取得装置１０と同様の作用効果を奏する。
【０１６７】
また、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄは、ガルバノモータにより構成されたＸ軸用駆動部７２ｘおよびＹ軸用駆動部７２ｙを用いて部材７１ｘおよび７１ｙの光軸方向に垂直な面に対する傾き角度を変更することができる。ガルバノモータは、一般に、０．００１ｒａｄオーダーの回動角制御が可能であるとともに、一秒間に数百回（数百Ｈｚ）の角度決めが可能である。このため、図２１に示す三次元画像取得装置１０Ｄによれば、詳細かつ高速な補間を行うことができる。
【０１６８】
たとえば、開口部２５の直径ｄが１μｍであり、開口部２５の中心間距離ＤｘおよびＤｙが１０μｍであり、Ｘ方向およびＹ方向の補間移動量が１μｍである補間位置パターンを考える。この補間位置パターンでは、Ｚ位置ごとに１０×１０＝１００通りのＸＹ位置で撮影を行う必要がある。
【０１６９】
この場合、図１２に示す三次元画像取得装置１０Ｃでは、回転体６３上に１００個の載置位置が必要となってしまい、回転体６３の全体の大きさが大きくなりすぎてしまう。一方、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄによれば、ガルバノモータの回動角を制御することで極めて容易かつ滑らかに部材７１ｘおよび７１ｙの光軸方向に垂直な面に対する傾き角度を変更することができる。また、たとえば４００Ｈｚで角度決め可能なガルバノモータを用いる場合、１００通りのＸＹ位置の撮影を１／４秒で行うことが可能である。
【０１７０】
また、図１２に示す三次元画像取得装置１０Ｃでは、補間移動量ＸｔおよびＹｔごとに異なる載置位置に部材６１を配設する必要がある。一方、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄによれば、ガルバノモータの回動角を制御することで極めて容易に部材７１ｘおよび７１ｙの光軸方向に垂直な面に対する傾き角度を変更することができる。したがって、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄによれば、補間位置パターンが変更されて部材７１ｘおよび７１ｙがとるべき角度群が変更された場合にも、構成を変更する必要がなく、ガルバノモータの回動角を制御することにより速やかに補間位置パターンの変更に対応することができる。
【０１７１】
なお、第１実施形態に示した三次元画像取得装置１０の載置台変位部２２と本実施形態に係る第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０とを組み合わせて用いてもよい。
【０１７２】
たとえば、図７に示す順序では、Ｘ軸方向への移動回数にくらべＹ軸方向への移動回数が極端に少ない。この場合、Ｘ軸方向へは高速かつ滑らかな動作が可能なＸ軸用変位機構７０ｘを用いる一方、Ｙ軸方向へはＹ軸粗変位機構４２またはＹ軸精変位機構４４を用いてもよい。このとき、図１５に示す補間位置パターンでは、Ｙ軸粗変位機構４２またはＹ軸精変位機構４４は、あらかじめ設定された位置群としての複数の補間移動量（０μｍ、１．２５μｍ、２．５０μｍ、３．７５μｍ）のいずれかで載置台１６をＹ軸方向に移動させる。
【０１７３】
この場合、第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０は、Ｘ軸用変位機構７０ｘのみを備え、Ｙ軸用変位機構７０ｙは備えられない。このため、対物レンズ１３から被計測体１５に達する間、光は１枚の平行平板形の部材７１ｘのみを透過する。したがって、部材７１ｘおよび部材７１ｙの両方を透過する場合に比べ、第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０を透過する光の光学的な歪みを低減することができる。
【０１７４】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【０１７５】
また、三次元画像処理装置は、ＸＹ位置関係を変更するためにＸ軸精変位機構４３、Ｙ軸精変位機構４４、開口板変位部４７、ＸＹ方向焦点位置変更部６０、第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０を全て備える構成としてもよく、必要に応じて各部４３、４４、４７、６０および７０を使い分けても構わない。すなわち、異なる実施形態１−５にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【０１７６】
また、画像生成部５６は、三次元形状情報を用いて被計測体１５の形状画像を生成する際に、必要に応じてコントラスト調整を行ってもよい。
【０１７７】
また、ＸＹ方向の分解能を開口部２５の直径ｄと同一にする場合、移動距離単位ΔｘおよびΔｙを直径ｄの半分（半径）としてもよく、この場合、画像生成部５６は、重複部分の情報を用いることによりコントラストの向上を図ることができる。
【０１７８】
また、複数の補間位置パターンの各設定は、あらかじめ記憶部５３に記憶されていてもよいし、入力部５１を介してユーザにより指定されてもよい。
【０１７９】
また、本発明の実施形態では、フローチャートの各ステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理の例を示したが、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別実行される処理をも含むものである。
【符号の説明】
【０１８０】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 三次元画像取得装置
１１ 光源
１２ 開口板
１３ 対物レンズ
１４ Ｚ方向焦点位置変更部（Ｚ位置関係変更部）
１５ 被計測体
１６ 載置台
１７ 光検出器群
２０ 情報処理装置
２１ Ｚ軸変位部（Ｚ位置関係変更部）
２２ 載置台変位部（ＸＹ位置関係変更部）
２４ 偏光ビームスプリッタ
２５ 開口部
３６ 結像光学系
４１ Ｘ軸粗変位機構
４２ Ｙ軸粗変位機構
４３ Ｘ軸精変位機構
４４ Ｙ軸精変位機構
４７ 開口板変位部（ＸＹ位置関係変更部）
５４ 高さ決定部
５５ 形状情報取得部
５６ 画像生成部
６０ ＸＹ方向焦点位置変更部（ＸＹ位置関係変更部）
６１ 平行平板形の部材
６３ 回転体
６４ 駆動部
７０ 第２のＸＹ方向焦点位置変更部（ＸＹ位置関係変更部）
７０ｘ Ｘ軸用変位機構
７０ｙ Ｙ軸用変位機構
７１ｘ、７１ｙ 平行平板形の部材
７２ｘ Ｘ軸用駆動部
７２ｙ Ｙ軸用駆動部
７３ｘ Ｘ軸用回動伝達軸部材
７３ｙ Ｙ軸用回動伝達軸部材
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、共焦点光学系を用いて物体の三次元画像を取得する三次元画像取得装置および三次元画像取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の表面形状などの三次元形状を計測する（三次元画像を取得する）方法の１つに、共焦点光学系を用いて物体表面上の各点の高さの情報を取得することにより物体の表面形状を計測する方法がある。共焦点光学系を用いる場合、抽出される計測点は点光源に対応する「点」であるため、面領域を計測することは難しい。そこで、従来、共焦点光学系を用いて物体の表面などの面領域を計測するための種々の技術が提案されている。
【０００３】
たとえば、特開２００３−２４７８１７号公報（特許文献１）に開示されたリニアスキャン型共焦点表面形状計測装置は、周期性を持って配列された複数の開口（ピンホール）を有する共焦点開口アレイと、この共焦点開口アレイを光軸と垂直な方向にリニアに移動させる移動機構と、対物レンズの焦点位置を計測物体に対して光軸方向に相対的に移動させる焦点位置変化手段と、を少なくとも備え、共焦点開口アレイを等速走査して得た物体表面状の各点からの反射光強度にもとづいて物体の表面形状を計測するようになっている。この技術によれば、点光源として機能するピンホールを複数用いることにより、複数の計測点を同時に計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２４７８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、物体の表面形状などの三次元形状を計測するにあたり、光軸に垂直な面内方向の分解能は大変重要なパラメータの１つである。光軸に垂直な面内方向の分解能を必要に応じて変更することができれば、ユーザにとって大変利便性が向上する。
【０００６】
しかし、従来の技術では、２次元配列型の開口アレイを有する共焦点光学系を用いて被計測体の形状を計測する場合、光軸に垂直な面内方向の分解能を変更することが難しい。たとえば、特許文献１には、開口（ピンホール）を複数有した共焦点開口アレイを光軸と垂直な方向にリニアに移動させることについて記載されているものの、光軸に垂直な面内方向の分解能を必要に応じて変更することについては考慮されていない。
【０００７】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、光軸に垂直な面内方向の分解能を容易に変更することができる三次元画像取得装置および三次元画像取得方法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】
【０００８】
本発明の一実施形態に係る三次元画像取得装置は、上述した課題を解決するために、光源と、被計測体を載置する載置台と、前記光源の光を通過する複数の開口部が互いに離間して２次元に配置されて設けられた開口板と、前記複数の開口部を通過したそれぞれの光を前記被計測体側の共役点に集光するとともに、前記被計測体側共役点における反射光をそれぞれ対応する検出側共役点に集光する対物レンズと、前記検出側共役点に集光された光の強度変化を検出可能な位置に配設された光検出器を複数有し、前記複数の光検出器のそれぞれは前記検出側共役点における光の強度に応じた信号を出力する光検出器群と、前記被計測体の位置を光軸方向に変更するＺ位置関係変更部と、前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置を、初期位置と前記初期位置から光軸方向に垂直な方向に複数の前記被計測体側共役点の互いの離間距離より小さい距離移動させた１または複数の補間位置とで位置決めするとともに、前記補間位置は、複数の補間位置パターンのうちの１つが選択されて決定されるＸＹ位置関係変更部と、前記Ｚ位置関係変更部および前記光検出器群を制御することにより、前記被計測体の位置を光軸方向に離散的に変更しつつ前記光検出器の信号を取得し、前記被計測体側共役点ごとに前記光検出器の信号の強度が最大となる前記被計測体の光軸方向の位置を求めてこの位置を前記被計測体の光軸方向の位置として決定する高さ決定部と、前記ＸＹ位置関係変更部および前記高さ決定部を制御することにより、前記初期位置および前記補間位置のそれぞれにおいて前記高さ決定部に前記被計測体側共役点ごとの前記被計測体の光軸方向の位置を決定させ、前記初期位置および前記補間位置の各位置での複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置の情報からなる前記被計測体の三次元形状情報を取得する形状情報取得部と、前記三次元形状情報を用いて前記被計測体の形状画像を生成する画像生成部と、を備え、前記画像生成部により生成される前記被計測体の前記形状画像は、前記補間位置パターンに応じて光軸方向に垂直な方向について異なる分解能を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る三次元画像取得装置および三次元画像取得方法によれば、光軸に垂直な面内方向の分解能を容易に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図。
【図２】開口板の一構成例を示す平面図。
【図３】Ｚ方向焦点位置変更部の動作原理を示す説明図。
【図４】Ｚ方向焦点位置変更部の一構成例を示す斜視図。
【図５】第１実施形態に係る三次元画像取得装置によりＸＹ方向の分解能を容易に変更可能とするとともにこの分解能を容易に向上させる際の手順を示すフローチャート。
【図６】載置台を変位させることによりＸＹ位置関係を変更する場合の載置台の変位方法の一例を示す説明図。
【図７】載置台を変位させることによりＸＹ位置関係を変更する場合の載置台の変位方法の他の例を示す説明図。
【図８】開口部の直径ｄ＝２μｍ、中心間距離Ｄｘ＝Ｄｙ＝１２μｍである場合における分解能設定の一例を示す説明図。
【図９】図５のステップＳ３で高さ決定部により実行される高さ決定処理の手順を示すサブルーチンフローチャート。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図。
【図１３】ＸＹ方向焦点位置変更部の動作原理を示す説明図。
【図１４】ＸＹ方向焦点位置変更部の一構成例を示す斜視図。
【図１５】部材の光軸と垂直な面に対する傾きＸθ１、Ｙθ１と被計測体側共役点のＸＹ方向移動量（補間移動量）Ｘｔ、Ｙｔとの関係を示す説明図。
【図１６】部材支持部の一構成例を示す概略的な三面図。
【図１７】部材支持部の変形例を示す概略的な三面図。
【図１８】回転体の一構成例を示す概略的な平面図
【図１９】図１８に示す回転体の載置位置番号１−１６に対する部材支持部の載置例を示す説明図。
【図２０】ＸＹ方向焦点位置変更部を用いて被計測体側共役点をＸ軸方向に移動させるとともに載置台変位部を用いて載置台をＹ軸方向に移動させることによりＸＹ位置関係を変更する場合の一例を示す説明図。
【図２１】本発明の第５実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図。
【図２２】第２のＸＹ方向焦点位置変更部の一構成例を示す側面図。
【図２３】第２のＸＹ方向焦点位置変更部の変形例を示す側面図。
【図２４】（ａ）は第５実施形態に係る三次元画像取得装置において光軸方向に垂直な面に対する部材の傾き角度が被計測体側共役点をＹ軸方向に移動させる向きに変更される様子の一例を示す説明図、（ｂ）は光軸方向に垂直な面に対する部材の傾き角度が被計測体側共役点をＹ軸方向に移動させる向きに変更される様子の他の例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る三次元画像取得装置および三次元画像取得方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１２】
本発明の一実施形態に係る三次元画像取得装置は、２次元配列型の開口アレイを有する共焦点光学系を用いて被計測体の形状を計測して形状画像を生成しこの形状画像を表示装置に表示させるものである。計測対象物としては、たとえばプリント配線板上のバンプや多層プリント配線板のレーザビアなどの貫通孔のほか、光源としてシリコンの透過率が高い近赤外光を用いる場合には、シリコンウエハの積層接合部近辺やシリコンの内部をも含む。
【００１３】
２次元配列型の開口アレイの開口部同士は、ビーム間のクロストークを小さくするために所定の離間距離をあけて設けられる必要がある。このため、２次元配列型の開口アレイを有する共焦点光学系では、この離間距離のために光軸に垂直な面内方向の分解能が制約されてしまうとともに、分解能を変更することが難しい。
【００１４】
本発明は、２次元配列型の開口アレイを有する共焦点光学系を用いた形状計測において、開口部同士をしっかりと所定の離間距離をあけて設けることでビーム間のクロストークを削減しコントラストを確保しつつ、光軸に垂直な面内方向の分解能を容易に変更可能とするとともに、この分解能を容易に向上させる技術を提供するものである。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る三次元画像取得装置の一例を示す概略的な全体構成図である。なお、以下の説明では、光軸方向をＺ軸、光軸方向に垂直な方向をＸ軸およびＹ軸とする場合の例について示す。
【００１６】
三次元画像取得装置１０は、図１に示すように、光源１１、主面が光軸方向に垂直となるよう配置された開口板１２、対物レンズ１３、Ｚ位置関係変更部としてのＺ方向焦点位置変更部１４、被計測体１５を載置するための載置台１６、被計測体１５からの反射光を入射される光検出器を複数有する光検出器群１７、載置台１６をＸＹＺ各方向に移動させるための載置台駆動部１８、載置台１６および載置台駆動部１８を支持する支持基台１９、および情報処理装置２０を有する。載置台駆動部１８は、Ｚ位置関係変更部としてのＺ軸変位部２１およびＸＹ位置関係変更部としての載置台変位部２２を有する。
【００１７】
光源１１としては、たとえばハロゲンランプなどを用いることができる。光源１１から出射された光は、コリメータレンズ２３を介して面状の平行光となる。この光は、偏光ビームスプリッタ２４を介して開口板１２を照明する。
【００１８】
図２は、開口板１２の一構成例を示す平面図である。開口板１２は、直径ｄの複数の開口部２５がＸ方向にｍ個、Ｙ方向にｎ個ずつ２次元に配置して設けられる。各開口部２５は、互いにＸ軸方向に開口部２５のＸ軸方向の中心間距離Ｄｘから直径ｄを減じた距離離間するとともにＹ軸方向に開口部２５のＹ軸方向の中心間距離Ｄｙから直径ｄを減じた距離離間するよう設けられる。図２には、開口板１２に対して開口部２５がＸ方向に５個（ｍ＝５）、Ｙ方向に５個（ｎ＝５）ずつ計２５個、２次元に配置して設けられた場合の例について示した。
【００１９】
開口板１２の開口部２５は、それぞれ点光源として機能する。各開口部２５を通過した光は、対物レンズ１３により、Ｚ方向焦点位置変更部１４を介して被計測体１５に投光されつつ点光源と共役な点（以下、被計測体側共役点という）に集光される。対物レンズ１３は、各開口部２５にそれぞれ対応する被計測体側共役点を、Ｚ軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面（以下、被計測体側共役面という）上に集光する。なお、対物レンズ１３は、たとえば複数のレンズ２６および絞り２７により構成されて両側テレセントリック光学系を構成することが好ましい。
【００２０】
対物レンズ１３の倍率等の構成に応じて、各開口部２５の配設方向（たとえば図２に示す例ではＸ軸方向およびＹ軸方向）および中心間距離（ＤｘおよびＤｙ）と、これらに対応する被計測体側共役点面上の各共役点間の方向および距離と、の関係は変更可能である。以下の説明では、各開口部２５の配設方向および中心間距離と、これらに対応する被計測体側共役点面上の各共役点間の方向および距離とが同一である場合の例について説明する。
【００２１】
Ｚ位置関係変更部としてのＺ軸変位部２１は、ピエゾモータやサーボモータなどの一般的な駆動装置により構成され、載置台１６を光軸方向に変位させる。この変位の量、方向およびタイミングは、情報処理装置２０によりＺ軸ドライバ２８を介して制御される。Ｚ軸変位部２１は、載置台１６を光軸方向に変位させることにより、被計測体側共役点（被計測体側共役面）の位置と被計測体１５の位置とのＺ軸方向（光軸方向）の相対的な位置関係（以下、Ｚ位置関係という）を変更する。
【００２２】
なお、被計測体側共役点（被計測体側共役面）の位置と被計測体１５の位置との光軸方向の相対的な位置関係を変更するためのＺ位置関係変更部としては、Ｚ方向焦点位置変更部１４およびＺ軸変位部２１の少なくとも一方を用いればよく、必ずしも両方を用いる必要はない。たとえば、Ｚ軸変位部２１のみを用いる場合には、三次元画像取得装置１０はＺ方向焦点位置変更部１４を備えずともよい。
【００２３】
図３は、Ｚ方向焦点位置変更部１４の動作原理を示す説明図である。また、図４は、Ｚ方向焦点位置変更部１４の一構成例を示す斜視図である。
【００２４】
図３に示すように、対物レンズ１３の光路中に平行平板形の部材３１を配置すると、対物レンズ１３の被計測体側共役点の位置がＺ方向に移動する。移動幅δは、部材３１の屈折率および厚さによって制御することができる。
【００２５】
このため、図４に示すように、回転体３２に対して回転方向に沿って等間隔に互いに移動幅δが異なる部材３１を配設する。この回転体３２をモータなどの駆動部３３により所定の速度で連続回転させることにより、部材３１のそれぞれが対物レンズ１３の光軸と交わるごとに離散的に対物レンズ１３の被計測体側共役点の位置をＺ方向に移動させることができる。したがって、図４に示す構成を有するＺ方向焦点位置変更部１４によっても、Ｚ位置関係（被計測体側共役点の位置と被計測体１５の位置とのＺ軸方向（光軸方向）の相対的な位置関係）を変更することができる。
【００２６】
回転体３２の回転状態はタイミングセンサ３４により検知される。タイミングセンサ３４の出力は情報処理装置２０に与えられる。情報処理装置２０は、あらかじめ各部材３１と被計測体側共役点のＺ軸座標とを関連付けた情報を保持している。なお、駆動部３３は、情報処理装置２０により制御可能に構成されてもよい。この場合、情報処理装置２０は回転体３２の回転速度を制御することができる。
【００２７】
被計測体１５による反射光のうち特に被計測体側共役点における反射光は、対物レンズ１３により、被計測体側共役点と光学的共役関係にある共役点（以下、検出側共役点という）に集光される。点光源としての開口部２５と被計測体側共役点とは、互いに１対１に対応する。被計測体側共役点と検出側共役点とも、互いに１対１に対応する。
【００２８】
本実施形態では、検出側共役点が点光源としての開口部２５に一致する場合の例について説明する。この場合、開口部２５を通過した光は被計測体側共役点に集光されるとともに、この被計測体側共役点で反射されて開口部２５に再度入射することになる。
【００２９】
開口部２５に再度入射した光は、所定の光学素子としての偏光ビームスプリッタ２４および結像光学系３６を介して光検出器群１７を構成する光検出器を照射する。開口部２５（検出側共役点）とこの開口部２５に対応する位置に配設された光検出器とは、所定の光学素子としての偏光ビームスプリッタ２４および結像光学系３６により互いに共役関係となる。
【００３０】
光検出器群１７を構成する光検出器は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサにより構成され、照射された光の強度に応じた信号を情報処理装置２０に出力する。また、光検出器群１７は、情報処理装置２０により光検出のタイミングを制御される。
【００３１】
光検出器は、検出側共役点に集光された光の強度変化を検出可能な位置に配設される。この位置としては、たとえば検出側共役点そのものや、検出側共役点の光が光ファイバなどのイメージガイドにより導かれた位置や、検出側共役点と光学的に共役な位置などが挙げられる。本実施形態では、光検出器は、対応する開口部２５（検出側共役点）と光学的に共役な位置に配設される。このため、光検出器が受ける光の強度は、この光検出器に対応する開口部２５に再度入射した光の強度変化に応じて変化し、一方が最大強度の際には他方も最大強度となる。なお、１つの開口部２５（検出側共役点）に対応する光検出器は１個であってもよいし複数個であってもよい。
【００３２】
載置台駆動部１８の載置台変位部２２は、載置台１６を光軸方向に垂直な方向に変位させるＸＹ位置関係変更部として機能する。この載置台変位部２２は、載置台１６のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置決めをそれぞれ粗く行うＸ軸粗変位機構４１およびＹ軸粗変位機構４２と、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位置決めをそれぞれ高精細に行うＸ軸精変位機構４３およびＹ軸精変位機構４４と、を有する。
【００３３】
Ｘ軸粗変位機構４１およびＹ軸粗変位機構４２は、たとえばサーボモータにより構成され、変位の量、方向およびタイミングは、情報処理装置２０によりＸＹ軸粗ドライバ４５を介して制御される。また、Ｘ軸精変位機構４３およびＹ軸精変位機構４４は、たとえばピエゾモータにより構成され、変位の量、方向およびタイミングは、情報処理装置２０によりＸＹ軸精ドライバ４６を介して制御される。
【００３４】
載置台１６が光軸方向に垂直な方向に変位することにより、被計測体側共役点の位置と被計測体１５の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係（以下、ＸＹ位置関係という）が変更されることになる。
【００３５】
情報処理装置２０は、たとえばデスクトップ型やノートブック型のパーソナルコンピュータなどにより構成することができる。情報処理装置２０は、入力部５１、表示部５２、記憶部５３および主制御部を有する。
【００３６】
入力部５１は、たとえばキーボード、タッチパネル、テンキーなどの一般的な入力装置により構成され、ユーザの操作に対応した操作入力信号を主制御部に出力する。
【００３７】
表示部５２は、たとえば液晶ディスプレイやＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）ディスプレイなどの一般的な表示出力装置により構成され、主制御部の制御に従って各種情報を表示する。
【００３８】
記憶部５３は、ＣＰＵにより読み書き可能な記憶媒体であり、あらかじめＸＹ位置関係と被計測体側共役点のＸＹ座標とを関連付けて記憶しておく。また、記憶部５３は、あらかじめ平行平板形の各部材３１と被計測体側共役点のＺ軸座標とを関連付けた情報を保持している。
【００３９】
主制御部は、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭをはじめとする記憶媒体などにより構成される。主制御部のＣＰＵは、ＲＯＭをはじめとする記憶媒体に記憶された分解能可変プログラムおよびこのプログラムの実行のために必要なデータをＲＡＭへロードし、このプログラムに従って、ＸＹ方向の分解能を容易に変更可能とするとともに、この分解能を容易に向上させる処理を実行する。
【００４０】
主制御部のＲＡＭは、ＣＰＵが実行するプログラムおよびデータを一時的に格納するワークエリアを提供する。主制御部のＲＯＭをはじめとする記憶媒体は、情報処理装置２０の起動プログラム、分解能可変プログラムや、これらのプログラムを実行するために必要な各種データを記憶する。
【００４１】
なお、ＲＯＭをはじめとする記憶媒体および記憶部５３は、磁気的もしくは光学的記録媒体または半導体メモリなどの、ＣＰＵにより読み取り可能な記録媒体を含んだ構成を有し、これら記憶媒体内のプログラムおよびデータの一部または全部は電子ネットワークを介してダウンロードされるように構成してもよい。ここで電子ネットワークとは、電気通信技術を利用した情報通信網全般を意味し、無線／有線ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネット網のほか、電話通信回線網、光ファイバ通信ネットワーク、ケーブル通信ネットワークおよび衛星通信ネットワークなどを含む。
【００４２】
主制御部のＣＰＵは、分解能可変プログラムによって、少なくとも高さ決定部５４、形状情報取得部５５および画像生成部５６として機能する。この各部５４〜５６は、ＲＡＭの所要のワークエリアをデータの一時的な格納場所として利用する。なお、これらの機能実現部５４〜５６は、ＣＰＵを用いることなく回路などのハードウエアロジックによって構成してもよい。
【００４３】
高さ決定部５４は、Ｚ軸変位部２１およびＺ方向焦点位置変更部１４の少なくとも一方ならびに光検出器群１７を制御することにより、Ｚ位置関係（被計測体側共役点の位置と被計測体１５の位置との光軸方向の相対的な位置関係）を変更しつつ光検出器の信号を離散的に複数取得する。そして、高さ決定部５４は、被計測体側共役点ごとに、離散的に取得した複数の信号の強度にもとづいて信号の強度が最大となる被計測体１５のＺ軸座標（光軸方向の位置）を算出する。高さ決定部５４は、この算出したＺ軸座標を、複数の開口部２５に対応する複数の被計測体側共役点における被計測体１５のＺ軸座標と決定する。なお、以下の説明では、高さ決定部５４はＺ位置関係を変更するためにＺ軸変位部２１を用いる場合の例について示す。
【００４４】
なお、高さ決定部５４は、Ｚ位置関係を連続的に変更させつつ光検出器の信号を取得しても良いし、Ｚ位置関係を所定の位置関係で停止した後に光検出器の信号を取得することを繰り返しても良い。後者の場合、前者の場合に比べモアレ現象が生じる可能性を低減することができる。
【００４５】
なお、共焦点光学系を用いた形状計測技術において光検出器の出力から離散的に取得した複数の信号の強度にもとづいて信号の強度が最大となる被計測体１５のＺ軸座標を算出する方法は、従来各種の方法が知られており、これらのうち任意のものを使用することが可能である（たとえば本願と同一の出願人による特許文献である特開平９−１２６７３９号公報の段落［００１４］−［００１７］など参照）。
【００４６】
形状情報取得部５５は、載置台変位部２２および高さ決定部５４を制御することにより、載置台１６の初期位置と、載置台１６を初期位置からＸＹ方向に被計測体側共役点の互いの離間距離Ｄｘ−ｄおよびＤｙ−ｄより小さい距離移動させた１または複数の補間位置と、のそれぞれにおいて高さ決定部５４に複数の開口部２５に対応する複数の被計測体側共役点のそれぞれにおける被計測体１５のＺ軸座標を決定させる。
【００４７】
ここで、補間位置同士は互いにＸ方向およびＹ方向に移動距離単位Δｘ＜Ｄｘ−ｄおよびΔｙ＜Ｄｘ−ｄだけそれぞれ離間した位置とする。この移動距離単位ΔｘおよびΔｙは、Ｘ方向およびＹ方向の離間距離をそれぞれ所定の正の整数で除した距離とするとよい。この結果、形状情報取得部５５は、初期位置および補間位置の各位置での複数の被計測体側共役点における被計測体１５のＺ軸座標の情報からなる被計測体１５の三次元形状情報を取得することができる。
【００４８】
また、形状情報取得部５５は、載置台変位部２２による載置台１６の移動距離単位ΔｘおよびΔｙについて、入力部５１を介したユーザによる指示に応じて変更可能に構成される。
【００４９】
画像生成部５６は、三次元形状情報を用いて被計測体１５の形状画像を生成し、この形状画像を表示部５２に表示させる。
【００５０】
すなわち、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０は、移動距離単位ΔｘおよびΔｙの値に対応する補間位置パターンをあらかじめ複数設定することができ、これらのうち１つの補間位置パターンが選択されて載置台１６の移動距離単位ΔｘおよびΔｙが決定されることにより、載置台１６の補間位置が決定される。このため、画像生成部５６により生成される被計測体１５の形状画像は、補間位置パターンに応じてＸＹ方向について異なる分解能とすることができる。
【００５１】
次に、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０の動作の一例について説明する。
【００５２】
２次元配列型の開口部２５同士は、所定の離間距離をあけて設けられる必要がある。これは、ビーム間のクロストークを小さくしコントラストを高めるためである。開口部２５の中心間距離は、開口部２５の直径ｄに対して５倍以上の距離をとることが好ましい。この場合、たとえば直径ｄが２μｍの場合、開口部２５の中心間距離は１０μｍ必要となる。開口部２５が直径２μｍの円形状であり開口部２５の中心間距離が１０μｍである場合、開口面積３．１４μｍ平方に対してピッチが占める面積は１００μｍ平方となり、１：３１．８の面積比が確保される。しかし、開口面積を維持して中心間距離を縮めると短縮した距離の２乗に比例してコントラストが低下してしまう。しかし、この場合、開口部２５が設けられた面内方向（ＸＹ面内方向）の分解能は１０μｍとなってしまう。これは、開口部２５の間の遮光された領域の情報が全く取得することができないためである。
【００５３】
そこで、本実施形態に係る三次元画像取得装置は、ＸＹ位置関係（被計測体側共役点の位置と被計測体１５の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係）を変更することにより、ＸＹ面内方向の分解能を変更し向上させる。
【００５４】
図５は、第１実施形態に係る三次元画像取得装置１０によりＸＹ方向の分解能を容易に変更可能とするとともにこの分解能を容易に向上させる際の手順を示すフローチャートである。図５において、Ｓに数字を付した符号は、フローチャートの各ステップを示す。
【００５５】
この手順は、被計測体１５が載置台１６に載置された時点でスタートとなる。なお、図５に示す手順は、開口部２５の直径ｄが２μｍ、開口部２５の中心間距離がそれぞれＤｘ＝Ｄｙ＝１０μｍであり、設定可能な分解能として、ＸＹ位置関係を補間位置へ移動しない「１０μｍ」の場合およびＸ方向およびＹ方向の移動距離単位ΔｘおよびΔｙがともに２μｍである「２μｍ」の場合の２つから１つを選択可能である場合の例について説明する。
【００５６】
また、記憶部５３はあらかじめ、少なくともＸＹ位置関係と被計測体側共役点のＸＹ座標とを関連付けて記憶しておく。すなわち、記憶部５３はあらかじめ載置台１６の初期位置および初期位置からの変位位置と、被計測体側共役点のＸＹ座標とを関連付けておく。ここで、被計測体側共役点は本実施形態においては被計測体の表面観測点である。
【００５７】
まず、ステップＳ１において、形状情報取得部５５は、あらかじめ記憶部５３に記憶された設定値を読み込んで、または表示部５２にユーザに対して設定値を入力するよう促したうえでユーザによる入力部５１を介した設定値の入力指示を受け付けて、分解能の設定値を取得する。以下、この設定値が「２μｍ」である場合の例について説明する。
【００５８】
次に、ステップＳ２において、形状情報取得部５５は、取得した分解能の設定値によりＸ方向およびＹ方向の移動距離単位ΔｘおよびΔｙをそれぞれ２μｍに決定する。
【００５９】
次に、ステップＳ３において、高さ決定部５４は、現在のＸＹ位置関係における各被計測体側共役点（観測点）のＺ軸座標を決定する処理を実行する。このＺ軸座標の情報は、記憶部５３に記憶された各開口部２５の現在の位置に応じた各被計測体側共役点のＸＹ座標の情報と関連付けられて、たとえば高さ決定部５４によりＲＡＭの所要のワークエリアやフレームバッファなどに格納される。
【００６０】
次に、ステップＳ４において、形状情報取得部５５は、全ての補間位置で高さ決定処理を実行したか否かを判定する。高さ決定処理が未実行の補間位置がある場合は、ステップＳ５に進む。一方、全ての補間位置で高さ決定処理を実行した場合は、ステップＳ６に進む。
【００６１】
次に、ステップＳ５において、形状情報取得部５５は、所定の順序でＸＹ位置関係を変更し、ステップＳ３に戻る。
【００６２】
他方、ステップＳ６において、画像生成部５６は、ステップＳ３〜Ｓ５を繰り返すことにより高さ決定部５４によりＲＡＭの所要のワークエリアやフレームバッファなどに蓄積されたデータ（三次元形状情報）にもとづいて被計測体１５の形状画像を生成する。
【００６３】
そして、ステップＳ７において、画像生成部５７は、この形状画像を表示部５２に表示させる。
【００６４】
以上の手順により、ＸＹ方向の分解能を容易に変更可能とするとともにこの分解能を容易に向上させることができる。
【００６５】
ここで、ＸＹ位置関係の変更順序の一例について簡単に説明する。
【００６６】
図６は、載置台１６を変位させることによりＸＹ位置関係を変更する場合の載置台１６の変位方法の一例を示す説明図である。図６には、開口部２５の直径ｄ＝２μｍ、中心間距離Ｄｘ＝Ｄｙ＝１０μｍ、移動距離単位Δｘ＝Δｙ＝２μｍである場合の例について示した。図６において、実線および点線の小さな円のそれぞれは、開口部２５のそれぞれの観測対象領域を模式的に同一平面状に投影して示したものである。
【００６７】
なお、光検出器は、図６の右下に示す全ての観測対象領域に対応する位置のそれぞれに１または複数あらかじめ設けられる。
【００６８】
まず、初期位置において高さ決定処理が行われる（ステップＳ３）。この高さ決定処理では、各開口部２５に対応する被計測体側共役点（観測点）における被計測体１５のＺ軸座標がそれぞれ決定される。このＺ軸座標の情報は、記憶部５３に記憶された現在の載置台１６の位置に応じた各被計測体側共役点のＸＹ座標の情報と関連付けられて、たとえば高さ決定部５４によりＲＡＭの所要のワークエリアやフレームバッファなどに格納される。
【００６９】
次に、図６に示す順序では、Ｘ軸方向に移動距離単位Δｘ（２μｍ）移動し、再度高さ決定処理が行われる。これを繰り返して載置台１６のＸ方向の離間距離以上移動すると、次にＹ軸方向に移動距離単位Δｙ（２μｍ）移動し、高さ決定処理が行われる。次に、Ｘ軸方向に移動距離単位マイナスΔｘ（−２μｍ）移動し、再度高さ決定処理が行われる。
【００７０】
以上の動作を繰り返すことにより、最終的にＸ軸方向に対してＤｘにｍ（開口部２５のＸ方向の配置個数）を乗じた距離Ｌｘ、Ｙ軸方向に対してＤｙにｎ（開口部２５のＹ方向の配置個数）を乗じた距離Ｌｙの範囲の情報を分解能２μｍで取得することができる。図６に示した一連の順序を実行した場合、ＬｘとＬｙで囲まれた領域の情報を取得することになる。
【００７１】
図６に示す順序によって広範囲を計測する場合は、ひとまずＬｘとＬｙで囲まれた領域の計測を行い、その後この領域に隣接する同一面積の領域を計測するとよい。
【００７２】
ところで、一連の手順で計測される領域はＬｘとＬｙで囲まれた領域に限られない。
【００７３】
図７は、載置台１６を変位させることによりＸＹ位置関係を変更する場合の載置台１６の変位方法の他の例を示す説明図である。図７には、開口部２５の直径ｄ＝２μｍ、中心間距離Ｄｘ＝Ｄｙ＝１０μｍ、移動距離単位Δｘ＝Δｙ＝２μｍである場合の例について示した。
【００７４】
まず、図６に示した順序と同様に初期位置において高さ決定処理が行われた後、Ｘ軸方向にＬｘ（５０μｍ）移動し、高さ決定処理が行われる。これをもう一度繰り返した後、Ｘ軸方向に移動距離単位Δｘ（２μｍ）移動し、高さ決定処理が行われる。次に、Ｘ軸方向にマイナスＬｘ（−５０μｍ）移動して高さ決定処理が行われる。この手順を繰り返せば、一連の手順により３ＬｘとＬｙに囲まれた領域の情報を取得することができる。
【００７５】
なお、図７に示す順序では、Ｘ軸方向への移動回数にくらべＹ軸方向への移動回数が極端に少ない。このような場合、Ｘ軸方向へはＸ軸精変位機構４３を用いる一方、Ｙ軸方向へはＹ軸粗変位機構４２を用いてもよい。Ｘ軸粗変位機構４１およびＹ軸粗変位機構４２は、従来の共焦点顕微鏡における載置台１６のＸＹ変位機構として広く用いられているものであり、この場合従来の資産を有効に活用することができる。
【００７６】
図８は、開口部２５の直径ｄ＝２μｍ、中心間距離Ｄｘ＝Ｄｙ＝１２μｍである場合における分解能設定の一例を示す説明図である。
【００７７】
中心間距離Ｄｘ、Ｄｙを開口部２５の直径ｄで除した値が約数を多く持つ値である場合には、光検出器を最高分解能時の全ての観測対象領域（図８の右下参照）に対応する位置のそれぞれに１または複数あらかじめ設けておくことにより、容易に多数の分解能を実現することができる。たとえば、図８に示すように開口部２５の直径ｄ＝２μｍ、中心間距離Ｄｘ＝Ｄｙ＝１２μｍである場合には、分解能は「１２μｍ」、「６μｍ」、「４μｍ」、「２μｍ」の４つであれば容易に設定可能である。
【００７８】
続いて、現在のＸＹ位置関係における各被計測体側共役点（観測点）のＺ軸座標を決定する処理の手順について説明する。
【００７９】
図９は、図５のステップＳ３で高さ決定部５４により実行される高さ決定処理の手順を示すサブルーチンフローチャートである。図９において、Ｓに数字を付した符号は、フローチャートの各ステップを示す。
【００８０】
まず、ステップＳ３１において、高さ決定部５４は、現在のＸＹ位置関係の情報を用いて記憶部５３を検索し、現在のＸＹ位置関係に関連付けられた各被計測体側共役点（観測点）のＸＹ座標の情報を取得する。
【００８１】
次に、ステップＳ３２において、高さ決定部５４は、Ｚ軸変位部２１およびＺ方向焦点位置変更部１４の少なくとも一方を制御してＺ位置関係を変更しつつ、光検出器群１７を制御して複数の光検出器出力を取得する。高さ決定部５４は、取得する複数の光検出器出力が、互いに離散的なＺ位置関係同士における出力となるよう、Ｚ軸変位部２１およびＺ方向焦点位置変更部１４の少なくとも一方ならびに光検出器群１７を制御する。
【００８２】
なお、Ｚ方向焦点位置変更部１４を用いてＺ位置関係を変更する場合は、高さ決定部５４は、あらかじめ記憶部５３に記憶された平行平板形の各部材３１と被計測体側共役点のＺ軸座標とを用いて各光検出器の出力取得時のＺ軸座標の情報を取得する。また、Ｚ軸変位機構４６を用いてＺ位置関係を変更する場合は、高さ決定部５４は、固定値である被計測体側共役点のＺ軸座標と、Ｚ軸変位機構４６により変位する載置台１６の上面の現在のＺ軸座標とから、各観測点におけるＺ軸座標の情報を取得する。
【００８３】
次に、ステップＳ３３において、高さ決定部５４は、Ｚ位置関係と光検出器出力との関係から被計測体側共役点（観測点）ごとに光検出器の最大値を与えるＺ軸座標Ｚｍａｘを算出する。
【００８４】
そして、ステップＳ３４において、高さ決定部５４は、このＺ軸座標Ｚｍａｘの情報を、ステップＳ３１で取得した各開口部２５の現在の位置に応じた各被計測体側共役点のＸＹ座標の情報と関連付けて、ＲＡＭの所要のワークエリアやフレームバッファなどに格納して、図５のステップＳ４に戻る。
【００８５】
以上の手順により、現在のＸＹ位置関係における各被計測体側共役点（観測点）のＺ軸座標を決定することができる。
【００８６】
従来、開口部２５が２次元に配列された開口板１２を有し、共焦点光学系を用いた形状計測を行う際には、ビーム間のクロストークを小さくしコントラストを高めるために、開口部２５同士は、所定の離間距離をあけて設けられる必要があった。このため、開口部２５が設けられた面内方向（ＸＹ面内方向）の分解能はこの所定の離間距離の制約を受けてしまっていた。
【００８７】
本実施形態に係る三次元画像取得装置１０は、開口部２５が２次元に配列された開口板１２および載置台１６の少なくとも一方について、開口板２５同士の離間距離より小さい距離で移動可能に構成される。このため、三次元画像取得装置１０によれば、ＸＹ位置関係を容易に変更することやＸＹ面内方向の分解能を容易に向上させることができる。
【００８８】
なお、高さ決定処理は、離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得した後に、最後に行われてもよい。具体的には、三次元画像取得装置１０は、Ｚ位置を固定しておいて載置台１６をＸＹ方向に走査し、次にＺ位置を移動して再び載置台１６をＸＹ方向に走査することを繰り返すことにより離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得してから、高さ決定処理を実行することによっても、被計測体１５の形状画像を生成することができる。
【００８９】
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る三次元画像取得装置および三次元画像取得方法の第２実施形態について説明する。
【００９０】
図１０は、第２実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ａの一例を示す概略的な全体構成図である。
【００９１】
この第２実施形態に示す三次元画像取得装置１０Ａは、ＸＹ位置関係を変更するためにＸ軸精変位機構４３およびＹ軸精変位機構４４に代えてＸＹ位置関係変更部としての開口板変位部４７を有する点で第１実施形態に示す三次元画像取得装置１０と異なる。他の構成および作用については図１に示す三次元画像取得装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００９２】
開口板１２は、ＸＹ位置関係変更部としての開口板変位部４７により光軸方向に垂直な方向に変位する。開口板１２は、この変位の量、方向およびタイミングを、情報処理装置２０により開口板ドライバ４８を介して制御される。点光源としての開口部２５と被計測体側共役点とは１対１に対応する。このため、開口板１２が変位することにより、ＸＹ位置関係が変更されることになる。
【００９３】
開口板変位部４７により開口板１２が変位する場合、開口部２５（検出側共役点）もまた当然に変位する。一方、光検出器は、検出側共役点と共役な位置にあらかじめ配設されることが望ましい。このため、開口板変位部４７により開口板１２が変位する場合、あらかじめ開口板１２の変位後の位置での検出側共役点と共役な位置にも、あらかじめ検出器を配設しておく。なお、第１実施形態に示したように載置台１６のみによりＸＹ位置関係を変更し開口板１２を変位させず初期位置にとどめておく場合には、光検出器は、開口板１２の初期位置での検出側共役点と共役な位置にあらかじめ配設しておけばよい。
【００９４】
ＸＹ位置関係変更部としての開口板変位部４７は、ピエゾモータやサーボモータなどの一般的な駆動装置により構成される。開口板変位部４７をピエゾモータで構成した場合、サーボモータで構成する場合に比べより高速かつ精細な開口板１２の変位制御が可能となる。
【００９５】
本実施形態においては、形状情報取得部５５は、開口板変位部４７および高さ決定部５４を制御することにより、開口板１２の初期位置と、開口板１２を初期位置からＸＹ方向に複数の開口部２５の互いの離間距離Ｄｘ−ｄおよびＤｙ−ｄより小さい距離移動させた１または複数の補間位置と、のそれぞれにおいて高さ決定部５４に複数の開口部２５に対応する複数の被計測体側共役点のそれぞれにおける被計測体１５のＺ軸座標を決定させる。また、形状情報取得部５５は、開口板変位部４７による開口板１２の移動距離単位ΔｘおよびΔｙについて、入力部５１を介したユーザによる指示に応じて変更可能に構成される。
【００９６】
記憶部５３はあらかじめ、少なくともＸＹ位置関係と被計測体側共役点のＸＹ座標とを関連付けて記憶しておく。すなわち、記憶部５３はあらかじめ開口板１２の初期位置および初期位置からの変位位置と、被計測体側共役点のＸＹ座標とを関連付けておく。
【００９７】
開口板１２を変位させることによっても、図６および図７に示す順序などによりＸＹ位置関係を変更させることが可能である。
【００９８】
すなわち、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ａは、移動距離単位ΔｘおよびΔｙの値に対応する補間位置パターンをあらかじめ複数設定することができ、これらのうち１つの補間位置パターンが選択されて開口板１２の移動距離単位ΔｘおよびΔｙが決定されることにより、開口板１２の補間位置が決定される。このため、画像生成部５６により生成される被計測体１５の形状画像は、補間位置パターンに応じてＸＹ方向について異なる分解能とすることができる。
【００９９】
本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ａによっても、第１実施形態に示した三次元画像取得装置１０と同様の作用効果を奏する。また、開口板１２は被計測体１５および載置台１６にくらべ軽量であるため、より高速な位置制御を行うことができる。
【０１００】
なお、高さ決定処理は、離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得した後に、最後に行われてもよい。すなわち、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ａもまた、第１実施形態に係る三次元画像取得装置１０と同様に、Ｚ位置を固定しておいて開口板１２をＸＹ方向に走査し、次にＺ位置を移動して再び開口板１２をＸＹ方向に走査することを繰り返すことにより離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得してから、高さ決定処理を実行することによっても、被計測体１５の形状画像を生成することができる。
【０１０１】
（第３の実施形態）
図１１は、第３実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｂの一例を示す概略的な全体構成図である。
【０１０２】
この第３実施形態に示す三次元画像取得装置１０Ｂは、被計測体側共役点に対応する検出側共役点が各光検出器の検出面上または各光検出器の近傍に位置するよう構成される点で第１実施形態に示す三次元画像取得装置１０と異なる。他の構成および作用については図１に示す三次元画像取得装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【０１０３】
第１実施形態で述べたとおり、光検出器は、検出側共役点に集光された光の強度変化を検出可能な位置に配設される。図１１には、光検出器群１７の近傍に検出器用開口板（ピンホールアレイ）１２ａが設けられる場合の例について示した。この場合、被計測体１５の反射光は、対物レンズ１３により集光されつつ偏光ビームスプリッタ２４により光路を変更されて、開口板１２の各開口部２５と一対一に光学的に同一位置に正確に位置合わせされた開口部２５ａが設けられた検出器用開口板１２ａ上に到達する。この反射光の各開口部２５ａを通過した光量は、検出器用開口板１２ａの各開口部２５ａに対して各光検出器が一対一で結びついた光検出器群１７により検出される。
【０１０４】
なお、光検出器群１７の光検出器として開口率をあえて低くした（上述したコントラストが高まるように画素ピッチに対し光電変換部を小さくした）イメージセンサ（たとえばＣＭＯＳセンサなど）を用いる場合、被計測体側共役点に対応する検出側共役点が各光検出器の検出面上となるように光検出器群１７を配置してもよく、この場合検出器用開口板１２ａは用いずとも良い。
【０１０５】
本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｂによっても、第１実施形態に示した三次元画像取得装置１０と同様の作用効果を奏するほか、結像光学系３６が不要となる。
【０１０６】
（第４の実施形態）
次に、本発明に係る三次元画像取得装置および三次元画像取得方法の第４実施形態について説明する。
【０１０７】
図１２は、本発明の第４実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｃの一例を示す概略的な全体構成図である。
【０１０８】
この第４実施形態に示す三次元画像取得装置１０Ｃは、ＸＹ位置関係を変更するためにＸ軸精変位機構４３およびＹ軸精変位機構４４に代えてＸＹ位置関係変更部としてのＸＹ方向焦点位置変更部６０を有する点で第１実施形態に示す三次元画像取得装置１０と異なる。他の構成および作用については図１に示す三次元画像取得装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。なお、本実施形態においても、上記実施形態１−３と同様に、Ｚ位置関係変更部としてはＺ方向焦点位置変更部１４およびＺ軸変位部２１の少なくとも一方を用いればよく、たとえばＺ軸変位部２１のみを用いる場合には、三次元画像取得装置１０ＣはＺ方向焦点位置変更部１４を備えずともよい。
【０１０９】
図１３は、ＸＹ方向焦点位置変更部６０の動作原理を示す説明図である。
【０１１０】
図１３に示すように、対物レンズ１３の光路中に、光軸と垂直な面に対して傾きθ１を有するように平行平板形の部材６１を配置すると、対物レンズ１３の被計測体側共役点の位置がＸＹ方向に移動する。移動量ｔは、部材６１の屈折率ｎ２および厚さＴによって制御することができ、ｔ＝T (tanθ1-tanθ2)・cosθ1の関係を満たす。
【０１１１】
図１４は、ＸＹ方向焦点位置変更部６０の一構成例を示す斜視図である。
【０１１２】
図１４に示すように、部材６１は、回転体６３に対して部材支持部６２に載置して回転方向に沿うように配設する。以下の説明では、部材６１は全て同一の厚さＴを有し、部材６１を載置する部材支持部６２によって各部材６１のＸＹ面に対する傾きθ１が変更される場合の例について説明する。この回転体６３をモータなどの駆動部６４により所定の速度で連続回転させることにより、部材６１のそれぞれが対物レンズ１３の光軸と交わるごとに、各部材６１のＸＹ面に対する傾きθ１に応じて対物レンズ１３の被計測体側共役点の位置をＸＹ方向に移動させることができる。したがって、図１４に示す構成を有するＸＹ方向焦点位置変更部６０によれば、ＸＹ位置関係を変更することができる。以下の説明では、部材６１は同一の平行平板形状を有するものとし、この部材を載置する部材支持部６２によって各部材６１が光軸と垂直な面に対して傾きを有するように支持される場合の例について示す。
【０１１３】
回転体６３の回転状態はタイミングセンサ６５により検知される。タイミングセンサ６５の出力は情報処理装置２０に与えられる。情報処理装置２０は、あらかじめ各部材支持部６２と被計測体側共役点のＸＹ軸座標とを関連付けた情報を保持している。なお、駆動部６５は、情報処理装置２０により制御可能に構成されてもよい。この場合、情報処理装置２０は回転体６３の回転速度を制御することができる。
【０１１４】
図１５は、部材６１の光軸と垂直な面に対する傾きＸθ１、Ｙθ１と被計測体側共役点のＸＹ方向移動量（補間移動量）Ｘｔ、Ｙｔとの関係を示す説明図である。なお、Ｘθ１はＸＺ面内における部材６１の光軸と垂直な面に対する傾きを、Ｙθ１はＹＺ面内における部材６１の光軸と垂直な面に対する傾きを、それぞれ示すものとする。図１５には、部材６１の外部媒体を空気（屈折率ｎ１＝１．０００２９２）とし、部材６１をガラス（屈折率ｎ２＝１．５１）とし、部材６１の厚さＴを０．５ｍｍとする場合の例について示した。
【０１１５】
図１３から明らかなように、入射角Ｘθ１、Ｙθ１は部材６１の光軸と垂直な面に対する傾きに等しい。図１５に示すように、たとえば入射角Ｘθ１が０．４２５度であると、Ｘ方向の補間移動量Ｘｔは１．２５μｍとなる（図１５の補間Ｎｏ．２参照）。また、入射角Ｘθ１が０．８５度ではＸ方向の補間移動量Ｘｔは２．５０μｍとなる（図１５の補間Ｎｏ．３参照）。入射角Ｘθ１が１．２７４度ではＸ方向の補間移動量Ｘｔは３．７５μｍとなる（図１５の補間Ｎｏ．４参照）。
【０１１６】
なお、補間番号１のＸＹ位置関係は、ＸＹ面に対する傾きを有さない部材支持部６２を回転体６３に載置し、その上に部材６１を載置して実現することができる（図１５の補間Ｎｏ．１参照）。傾きを有さない部材支持部６２と部材６１とを用いて補間番号１のＸＹ位置関係を実現することにより、全てのＸＹ位置関係において被計測体１５に対する照射光量をほぼ同一にすることができる。
【０１１７】
図１６は、部材支持部６２の一構成例を示す概略的な三面図であり、図１７は部材支持部６２の変形例を示す概略的な三面図である。図１６および図１７において、寸法を示す数字の単位はｍｍである。図１６および図１７には、図１５の補間番号２に対応する部材支持部６２の構成例を示した。また、図１８は、回転体６３の一構成例を示す概略的な平面図である。図１８には、部材支持部６２の載置部に対して１−１６までの載置位置番号を付した。
【０１１８】
図１６に示すように、部材支持部６２は、回転体６３と接する下面に段差６２ａを有する。回転体６３の載置部にこの部材支持部６２が載置されると、この段差６２ａにより、部材支持部６２の上面が光軸に垂直な面に対してθ１傾く。この部材支持部６２の上面に平行平板形の部材６１を載置することにより、部材６１に対する光軸の入射角はθ１となる。
【０１１９】
また、図１７に示すように、部材支持部６２は、回転体６３と接する下面が傾斜するよう削り加工して構成してもよい。図１７に示すような構成によっても、回転体６３の載置部にこの部材支持部６２が載置されると、部材支持部６２の上面が光軸に垂直な面に対してθ１傾くことになる。
【０１２０】
図１８に示すように、回転体６３の載置部のうち、回転方向に沿う円周上の一部に複数の部材６１を載置するとともに、この円周上の他部をＺ位置関係を変更するためのスペースとしてもよい。この場合、載置位置番号１−１６に載置された部材支持部６２および部材６１によりＸＹ位置関係が変更されたあと、光軸と円周上の他部が交差する間にＺ位置関係を変更することができる。
【０１２１】
また、たとえば回転方向に沿って設けられた載置位置の数に対し１つのＺ位置関係におけるデータ収集に必要なＸＹ位置関係の数が半分未満である場合、回転体６３が１周する間に２箇所以上のＺ位置関係のデータ収集および２度以上のＺ位置関係の変更を行ってもよい。たとえば載置位置が載置位置番号１−２４の２４箇所であり、１つのＺ位置関係におけるデータ収集に必要なＸＹ位置関係の数が８つである場合、載置位置番号１−８および１３−２０に部材支持部６２を載置してデータ収集用とし、載置位置番号９−１２および２１−２４をＺ位置変更用としてもよい。
【０１２２】
図１９は、図１８に示す回転体６３の載置位置番号１−１６に対する部材支持部６２の載置例を示す説明図である。図１９には、載置位置番号と図１５に示した補間番号とが一致する場合の例について示した。
【０１２３】
図１５に示す補間番号１−４に対応する部材支持部６２の部材番号を１−４とする。また、光軸を中心に部材番号１−４の部材支持部６２を９０度回転させて回転体６３に載置した部材支持部６２の部材番号を１ｒ−４ｒとする。たとえば、部材番号２と部材番号２ｒの部材支持部６２は、同一構成を有し、回転体６３への載置向きのみが異なる。
【０１２４】
このとき、補間番号５−８に対応する傾きは、部材番号２ｒの部材支持部６２を回転体６３に載置し、さらにその上に部材番号１−４の部材支持部６２を載置することにより容易に得ることができる。このため、あらかじめ部材番号１−４の部材支持部６２を作成しておき、これらを図１９に示すように組み合わせることで、容易に補間番号１−１６に対応する傾きを得ることができる。
【０１２５】
図１５および図１９から明らかなように、ＸＹ方向焦点位置変更部６０によれば、開口部２５の中心間距離がそれぞれＤｘ＝Ｄｙ＝５μｍであるとき、載置位置番号１−１６に補間番号１−１６に対応する部材支持部６２を載置することにより、Ｘ方向およびＹ方向の分解能を１．２５μｍとすることができる。このとき、載置位置番号と補間番号とが一致する必要はなく異なっていてもよい。また、偶数の補間番号に対応する部材支持部６２のみを載置する場合、分解能は２．５μｍとなる。すなわち、平行平板形の部材６１の傾きの組み合わせにより、補間位置パターンを決定することができる。
【０１２６】
また、他の分解能に対応する部材支持部６２の組が載置された回転体６３を用意しておき、所望の分解能に応じて回転体６３を交換してもよい。また、載置位置番号１−１６に配置される部材支持部６２の部材番号の組み合わせは非常に自由度が高く、図１９に示す例に限られない。たとえば、主制御部のＲＡＭのメモリアドレスとの関連付けが行いやすいように部材支持部６２を配置すれば、主制御部のＣＰＵによる処理を容易に行うことができる。
【０１２７】
本実施形態において、高さ決定処理は、離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得した後に、最後に行われてもよい。すなわち、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｃもまた、第１実施形態に係る三次元画像取得装置１０と同様に、Ｚ位置を固定しておいて回転体６３を回転することによりＸＹ方向に走査し、次にＺ位置を移動して再び回転体６３を回転することによりＸＹ方向に走査することを繰り返すことにより離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得してから、高さ決定処理を実行することによっても、被計測体１５の形状画像を生成することができる。このとき、回転体６３は離散的な複数のＺ位置の個数分だけ回転することになる。
【０１２８】
また、回転体６３の載置部ごとに高さ決定処理を行ってもよい。このとき、回転体６３が１回転すると被計測体１５の形状画像が生成されることになる。
【０１２９】
本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｃによっても、第１実施形態に示した三次元画像取得装置１０と同様の作用効果を奏する。
【０１３０】
また、載置台１６や開口板１２を光軸に垂直に移動させる場合、光軸に垂直な面内方向の分解能を制御するためには、共焦点開口アレイを駆動するためのモータ（たとえばピエゾモータなど）の応答時間や駆動誤差の影響を考慮しなくてはならず煩雑である。一方、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｃは、回転体６３を回転させることによりＸＹ位置関係を容易に高速かつ的確に変更することができる。
【０１３１】
また、被計測体１５の形状画像を作成する際には、ＸＹ位置関係を非常に多くの回数変更する必要がある。このため、ＸＹ位置関係変更部の寿命が問題となる場合がある。本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｃは、ＸＹ位置関係変更部として回転体６３を有するＸＹ方向焦点位置変更部６０を用いる。このため、ＸＹ位置関係変更部がピエゾモータやサーボモータを用いる構成を有する第１〜第３実施形態に係る三次元画像取得装置１０、１０Ａおよび１０Ｂにくらべ、ＸＹ位置関係変更部の寿命を大幅に伸ばすことが可能である。さらに、ＸＹ位置関係を変更する際のピエゾモータやサーボモータによる振動の影響を排除することができる。
【０１３２】
また、第１実施形態に係る三次元画像取得装置１０は、載置台１６を小刻みに動かすことでＸＹ位置関係を変更するため、被計測体１５は載置台１６にしっかりと固定しておく必要がある。この点、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｃは、被計測体１５を載置台１６に簡単に固定しておくだけでよい。このため、被計測体１５の載置台１６上での位置調整が容易であるとともに、被計測体１５の交換や設置が容易である。
【０１３３】
なお、第１実施形態に示した三次元画像取得装置１０の載置台変位部２２と本実施形態に係るＸＹ方向焦点位置変更部６０とを組み合わせて用いてもよい。
【０１３４】
図２０は、ＸＹ方向焦点位置変更部６０を用いて被計測体側共役点をＸ軸方向に移動させるとともに載置台変位部２２を用いて載置台１６をＹ軸方向に移動させることによりＸＹ位置関係を変更する場合の一例を示す説明図である。なお、説明の便宜上、図２０においてＸＹ方向焦点位置変更部６０の駆動部６４およびタイミングセンサ６５の記載を省略した。
【０１３５】
たとえば、図７に示す順序では、Ｘ軸方向への移動回数にくらべＹ軸方向への移動回数が極端に少ない。この場合、図２０に示すように、Ｘ軸方向へは高速かつ滑らかな動作が可能なＸＹ方向焦点位置変更部６０を用いて部材６１の屈折作用により被計測体側共役点の位置を移動させる一方、Ｙ軸方向へはＹ軸粗変位機構４２またはＹ軸精変位機構４４を用いて載置台１６を移動させることにより、ＸＹ位置関係を変更してもよい。このとき、ＸＹ方向焦点位置変更部６０の回転体６３に配設される部材６１は、図１９に示す例では、部材番号１−４の部材６１のみを用いればよい。また、この場合、図１５に示す補間位置パターンでは、Ｙ軸粗変位機構４２またはＹ軸精変位機構４４は、あらかじめ設定された位置群としての複数の補間移動量（０μｍ、１．２５μｍ、２．５０μｍ、３．７５μｍ）のいずれかで載置台１６をＹ軸方向に移動させる。
【０１３６】
この場合、ＸＹ方向焦点位置変更部６０の載置位置には、部材６１が２枚重ねられる位置（図１９の載置位置番号６−８、１０−１２および１４−１６参照）が無くてすむ。したがって、部材６１が２枚重ねられる位置が存在する場合に比べ、部材６１を透過する光の光学的な歪みを低減することができる。
【０１３７】
また、ＸＹ方向焦点位置変更部６０をＸ軸方向の位置関係変更にのみ用いる場合、ＸＹ軸の両方向の位置関係変更に用いる場合に比べ、同一のＸＹ方向の分解能において必要な回転体６３上の載置位置の数が減少する。このため、ＸＹ方向焦点位置変更部６０のサイズを小さくすることができ、より高速な回転を安定して持続することができる。また、ＸＹ方向の分解能を高める場合にも、ＸＹ方向焦点位置変更部６０のサイズを小さく保つことができる。
【０１３８】
また、ＸＹ方向焦点位置変更部６０をＸ軸方向の位置関係変更にのみ用いる場合であって、回転体６３を等速連続回転させる場合は、高さ決定部５４は、複数の載置位置のうち互いに隣接する所定の数の載置位置と対物レンズ１３の被計測体１５側の光軸とが交差している間に、被計測体１５の位置を光軸方向に変更するようＺ軸変位部２１およびＺ方向焦点位置変更部１４の少なくとも一方を制御してもよい。
【０１３９】
たとえば、開口部２５の直径ｄが１μｍであり、開口部２５の中心間距離ＤｘおよびＤｙが８μｍであり、Ｘ方向およびＹ方向の補間移動量が１μｍである補間位置パターンを考える。この補間位置パターンでは、たとえば回転体６３には円周上に等間隔に８つの載置位置を設けるとよい。このとき、被計測体１５の位置を光軸方向に変更するたびに回転体６３の回転の停止と再始動を行うと、回転体６３が安定した回転速度となるまでに時間を要してしまう。このため、回転体６３の回転を止めずにＺ位置関係を変更することが好ましい。
【０１４０】
そこで、形状情報取得部５５は、まず、複数の平行平板形の部材６１（この例では８つ）により被計測体側共役点の位置を光軸方向に垂直な面内でＸ軸方向に変更させるとともに、載置台１６をＹ軸方向に変化させて、８×８＝６４通りのＸＹ位置で撮影を行い、各ＸＹ位置における光検出器出力を取得する。次に、形状情報取得部５５は、高さ決定部５４を制御し、回転体６３の回転を維持させたまま、複数の平行平板形の部材６１のうち互いに隣接する所定の数（たとえば４つなど）の部材６１と対物レンズ１３の被計測体１５側の光軸とが交差している間に被計測体１５の位置を光軸方向に変更するようＺ軸変位部２１およびＺ方向焦点位置変更部１４の少なくとも一方を制御させる。
【０１４１】
そして、再び８×８＝６４通りのＸＹ位置で撮影を行う。以上の手順を繰り返すことにより、回転体６３の回転を止めずにＺ位置関係を変更することが可能である。なお、この場合、高さ決定処理は、離散的な複数のＺ位置のそれぞれで全ての補間位置における光検出器出力を取得（上記例では６４通りのＸＹ位置で撮影）した後に、最後に行うことになる。
【０１４２】
（第５の実施形態）
次に、本発明に係る三次元画像取得装置および三次元画像取得方法の第５実施形態について説明する。
【０１４３】
図２１は、本発明の第５実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄの一例を示す概略的な全体構成図である。
【０１４４】
この第５実施形態に示す三次元画像取得装置１０Ｄは、ＸＹ位置関係を変更するためにＸ軸精変位機構４３およびＹ軸精変位機構４４に代えてＸＹ位置関係変更部としての第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０を有する点で第１実施形態に示す三次元画像取得装置１０と異なる。他の構成および作用については図１に示す三次元画像取得装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【０１４５】
なお、本実施形態においても、上記実施形態１−４と同様に、Ｚ位置関係変更部としてはＺ方向焦点位置変更部１４およびＺ軸変位部２１の少なくとも一方を用いればよく、たとえばＺ軸変位部２１のみを用いる場合には、三次元画像取得装置１０ＤはＺ方向焦点位置変更部１４を備えずともよい。図２１には、三次元画像取得装置１０ＤがＺ方向焦点位置変更部１４を備えない場合の例について示した。
【０１４６】
第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０は、被計測体側共役点をＸ方向に移動させるためのＸ軸用変位機構７０ｘと、被計測体側共役点をＹ方向に移動させるためのＹ軸用変位機構７０ｙと、を有する。
【０１４７】
図２２は、第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０の一構成例を示す側面図である。
【０１４８】
Ｘ軸用変位機構７０ｘは、ガラス等で構成された１枚の平行平板形の部材７１ｘと、Ｘ軸用駆動部７２ｘと、Ｘ軸用駆動部７２ｘと接続された一端および部材７１ｘと接続された他端を有するＸ軸用回動伝達軸部材７３ｘと、を有する。
【０１４９】
１枚の平行平板形の部材７１ｘは、対物レンズ１３の被計測体側の光軸と交差するよう配設される。
【０１５０】
Ｘ軸用駆動部７２ｘは、たとえばガルバノモータにより構成され、Ｘ軸用回転伝達軸部材７３ｘを介して、光軸方向に垂直な面に対する部材７１ｘの傾き角度を被計測体側共役点がＸ軸方向に移動する向きに変更する。
【０１５１】
Ｙ軸用変位機構７０ｙは、Ｘ軸用変位機構７０ｘと同様の構成を有し、１枚の平行平板形の部材７１ｙと、Ｙ軸用駆動部７２ｙと、Ｙ軸用駆動部７２ｙと接続された一端および部材７１ｙと接続された他端を有するＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙと、を有する。
【０１５２】
Ｙ軸用駆動部７２ｙもまた、たとえばガルバノモータにより構成され、Ｙ軸用回転伝達軸部材７３ｙを介して、光軸方向に垂直な面に対する部材７１ｙの傾き角度を被計測体側共役点がＹ軸方向に移動する向きに変更する。
【０１５３】
図１５に示した例では、Ｘ軸用変位機構７０ｘの部材７１ｘにより入射角Ｘθ１が変更されることによりＸ方向の補間移動量Ｘｔが変更され、Ｙ軸用変位機構７０ｙの部材７１ｙにより入射角Ｙθ１が変更されることによりＹ方向の補間移動量Ｙｔが変更される。補間移動量ＸｔおよびＹｔと、入射角Ｘθ１およびＹθ１と、Ｘ軸用駆動部７２ｘおよびＹ軸用駆動部７２ｙの回動角とは、それぞれ補間位置パターンごとにあらかじめ関連付けて設定される。
【０１５４】
たとえば、図１５に示す補間位置パターンでは、補間移動量（０μｍ、１．２５μｍ、２．５０μｍ、３．７５μｍ）と、角度群としての複数の入射角（０度、０．４２５度、０．８５度、１．２７４度）とが、あらかじめ関連付けられて設定されているとともに、それぞれに対応するＸ軸用駆動部７２ｘおよびＹ軸用駆動部７２ｙの回動角が関連付けられて設定されている。形状情報取得部５５は、補間位置パターンに応じてＸ軸用変位機構７０ｘおよびＹ軸用変位機構７０ｙを制御することにより、補間位置パターンごとにＸＹ方向について異なる分解能で被計測体１５の三次元形状情報を取得することができる。
【０１５５】
ところで、対物レンズ１３と被計測体１５との距離は、たとえば５〜１０ｍｍ程度などの短い距離とされる場合がある。この場合、被計測体１５や載置台１６のＸＹ方向の大きさによっては、被計測体１５や載置台１６に妨げられてＸ軸用駆動部７２ｘおよびＹ軸用駆動部７２ｙが配設できない場合がある。
【０１５６】
この場合、Ｘ軸用駆動部７２ｘおよびＹ軸用駆動部７２ｙの下端が被計測体１５や載置台１６に触れないよう、Ｘ軸用回動伝達軸部材７３ｘとＸ軸用駆動部７２ｘとの接続位置をＸ軸用回動伝達軸部材７３ｘと部材７１ｘとの接続位置よりも対物レンズ１３側に位置とするとともに、Ｙ軸用回動伝達軸部材７３ｙとＹ軸用駆動部７２ｙとの接続位置をＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙと部材７１ｙとの接続位置よりも対物レンズ１３側に位置とするとよい。図２２には、Ｘ軸用回動伝達軸部材７３ｘおよびＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙがクランク状に形成される場合の例について示した。
【０１５７】
図２３は、第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０の変形例を示す側面図である。
【０１５８】
図２３に示すように、Ｘ軸用回動伝達軸部材７３ｘおよびＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙを直線状に形成してもよい。この場合、Ｘ軸用駆動部７２ｘおよびＹ軸用駆動部７２ｙが被計測体１５や載置台１６に妨げられることがない位置に配設可能なようにＸ軸用回動伝達軸部材７３ｘおよびＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙの長さを調整する。たとえば、対物レンズ１３と被計測体１５との距離が広い場合や、被計測体１５および載置台１６のＸＹ方向の大きさが十分に小さい場合には、Ｘ軸用回動伝達軸部材７３ｘおよびＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙは、あえてクランク状に形成とせずとも、適切な長さに調整された直線状に形成すればよい。
【０１５９】
図２４（ａ）は第５実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄにおいて光軸方向に垂直な面に対する部材７１ｙの傾き角度が被計測体側共役点をＹ軸方向に移動させる向きに変更される様子の一例を示す説明図であり、（ｂ）は光軸方向に垂直な面に対する部材７１ｙの傾き角度が被計測体側共役点をＹ軸方向に移動させる向きに変更される様子の他の例を示す説明図である。
【０１６０】
なお、部材７１ｘの傾き角度が変更される様子については部材７１ｙと同様であるため説明を省略する。また、部材７１ｘおよび７１ｙのＸＹ平面に対する傾き角度は、図１５の入射角Ｘθ１およびＹθ１に示すように正方向のみで設定されてもよいし、正負両方向に設定されてもよい。図２４（ａ）および（ｂ）には、正負両方向に設定される場合の例について示した。
【０１６１】
図２４（ａ）に示すように、部材７１ｙは、Ｘ軸に平行な所定の回動軸を中心に光軸方向に垂直な面に対する傾き角度を変更することにより入射角Ｙθ１を変更することができる。なお、図２２に示した第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０で部材７１ｙをＸ軸に平行な所定の回動軸を中心に光軸方向に垂直な面に対する傾き角度を変更する場合は、クランク状に形成されたＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙの折れ曲がり部にギアおよびベルトを設けるなどして、クランクの各辺が自身の長軸を中心に回動するよう構成するとよい。
【０１６２】
また、被計測体側共役点間の間隔はたとえば１０μｍ程度の小さな間隔であるため、入射角Ｘθ１はこの間隔を補間する範囲で変更可能であればよい。このため、入射角Ｘθ１の傾き角度の範囲は非常に小さい（たとえば５度以内）。したがって、図２４（ｂ）に示すように、部材７１ｙは、ゆりかごのようにスイング動作をすることで光軸方向に垂直な面に対する傾き角度を変更することにより入射角Ｙθ１を変更してもよい。入射角Ｙθ１の傾き角度の範囲が非常に小さいため、スイング動作により部材７１ｙが移動する範囲も非常に小さく、対物レンズ１３や被計測体１５と接触する可能性が低いためである。このスイング動作を行う場合、図２２に示すようにＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙをクランク状とするとともに剛体で形成するとよい。
【０１６３】
なお、部材７１ｘおよび７１ｙをスイング動作させる場合（図２４（ｂ）参照）、Ｘ軸用変位機構７０ｘおよびＹ軸用変位機構７０ｙの偏心を防ぐために、Ｘ軸用回動伝達軸部材７３ｘおよびＹ軸用回動伝達軸部材７３ｙのそれぞれに偏心調整部７４ｘおよび７４ｙを設けるとよい（図２２参照）。偏心を防ぎバランスをとることにより、部材７１ｘおよび部材７１ｙは滑らかにスイング動作をすることができる。
【０１６４】
本実施形態においても、高さ決定処理は、離散的な複数のＺ位置で全ての補間位置における光検出器出力を取得した後に、最後に行われてもよい。すなわち、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄもまた、第１実施形態に係る三次元画像取得装置１０と同様に、Ｚ位置を固定しておいて部材７１ｘおよび７１ｙの傾き角度を変更することによりＸＹ方向に走査し、次にＺ位置を移動して再び部材７１ｘおよび７１ｙの傾き角度を変更することによりＸＹ方向に走査することを繰り返すことにより、離散的な複数のＺ位置のそれぞれで全ての補間位置における光検出器出力を取得してから、高さ決定処理を実行することによっても、被計測体１５の形状画像を生成することができる。
【０１６５】
なお、補間位置の走査は、図６に示すような往復動作でもよいし、一行ごとに先頭列に戻り次の行を走査する動作でもよい。
【０１６６】
本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄによっても、第１実施形態に示した三次元画像取得装置１０と同様の作用効果を奏する。
【０１６７】
また、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄは、ガルバノモータにより構成されたＸ軸用駆動部７２ｘおよびＹ軸用駆動部７２ｙを用いて部材７１ｘおよび７１ｙの光軸方向に垂直な面に対する傾き角度を変更することができる。ガルバノモータは、一般に、０．００１ｒａｄオーダーの回動角制御が可能であるとともに、一秒間に数百回（数百Ｈｚ）の角度決めが可能である。このため、図２１に示す三次元画像取得装置１０Ｄによれば、詳細かつ高速な補間を行うことができる。
【０１６８】
たとえば、開口部２５の直径ｄが１μｍであり、開口部２５の中心間距離ＤｘおよびＤｙが１０μｍであり、Ｘ方向およびＹ方向の補間移動量が１μｍである補間位置パターンを考える。この補間位置パターンでは、Ｚ位置ごとに１０×１０＝１００通りのＸＹ位置で撮影を行う必要がある。
【０１６９】
この場合、図１２に示す三次元画像取得装置１０Ｃでは、回転体６３上に１００個の載置位置が必要となってしまい、回転体６３の全体の大きさが大きくなりすぎてしまう。一方、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄによれば、ガルバノモータの回動角を制御することで極めて容易かつ滑らかに部材７１ｘおよび７１ｙの光軸方向に垂直な面に対する傾き角度を変更することができる。また、たとえば４００Ｈｚで角度決め可能なガルバノモータを用いる場合、１００通りのＸＹ位置の撮影を１／４秒で行うことが可能である。
【０１７０】
また、図１２に示す三次元画像取得装置１０Ｃでは、補間移動量ＸｔおよびＹｔごとに異なる載置位置に部材６１を配設する必要がある。一方、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄによれば、ガルバノモータの回動角を制御することで極めて容易に部材７１ｘおよび７１ｙの光軸方向に垂直な面に対する傾き角度を変更することができる。したがって、本実施形態に係る三次元画像取得装置１０Ｄによれば、補間位置パターンが変更されて部材７１ｘおよび７１ｙがとるべき角度群が変更された場合にも、構成を変更する必要がなく、ガルバノモータの回動角を制御することにより速やかに補間位置パターンの変更に対応することができる。
【０１７１】
なお、第１実施形態に示した三次元画像取得装置１０の載置台変位部２２と本実施形態に係る第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０とを組み合わせて用いてもよい。
【０１７２】
たとえば、図７に示す順序では、Ｘ軸方向への移動回数にくらべＹ軸方向への移動回数が極端に少ない。この場合、Ｘ軸方向へは高速かつ滑らかな動作が可能なＸ軸用変位機構７０ｘを用いる一方、Ｙ軸方向へはＹ軸粗変位機構４２またはＹ軸精変位機構４４を用いてもよい。このとき、図１５に示す補間位置パターンでは、Ｙ軸粗変位機構４２またはＹ軸精変位機構４４は、あらかじめ設定された位置群としての複数の補間移動量（０μｍ、１．２５μｍ、２．５０μｍ、３．７５μｍ）のいずれかで載置台１６をＹ軸方向に移動させる。
【０１７３】
この場合、第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０は、Ｘ軸用変位機構７０ｘのみを備え、Ｙ軸用変位機構７０ｙは備えられない。このため、対物レンズ１３から被計測体１５に達する間、光は１枚の平行平板形の部材７１ｘのみを透過する。したがって、部材７１ｘおよび部材７１ｙの両方を透過する場合に比べ、第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０を透過する光の光学的な歪みを低減することができる。
【０１７４】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【０１７５】
また、三次元画像処理装置は、ＸＹ位置関係を変更するためにＸ軸精変位機構４３、Ｙ軸精変位機構４４、開口板変位部４７、ＸＹ方向焦点位置変更部６０、第２のＸＹ方向焦点位置変更部７０を全て備える構成としてもよく、必要に応じて各部４３、４４、４７、６０および７０を使い分けても構わない。すなわち、異なる実施形態１−５にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【０１７６】
また、画像生成部５６は、三次元形状情報を用いて被計測体１５の形状画像を生成する際に、必要に応じてコントラスト調整を行ってもよい。
【０１７７】
また、ＸＹ方向の分解能を開口部２５の直径ｄと同一にする場合、移動距離単位ΔｘおよびΔｙを直径ｄの半分（半径）としてもよく、この場合、画像生成部５６は、重複部分の情報を用いることによりコントラストの向上を図ることができる。
【０１７８】
また、複数の補間位置パターンの各設定は、あらかじめ記憶部５３に記憶されていてもよいし、入力部５１を介してユーザにより指定されてもよい。
【０１７９】
また、本発明の実施形態では、フローチャートの各ステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理の例を示したが、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別実行される処理をも含むものである。
【符号の説明】
【０１８０】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 三次元画像取得装置
１１ 光源
１２ 開口板
１３ 対物レンズ
１４ Ｚ方向焦点位置変更部（Ｚ位置関係変更部）
１５ 被計測体
１６ 載置台
１７ 光検出器群
２０ 情報処理装置
２１ Ｚ軸変位部（Ｚ位置関係変更部）
２２ 載置台変位部（ＸＹ位置関係変更部）
２４ 偏光ビームスプリッタ
２５ 開口部
３６ 結像光学系
４１ Ｘ軸粗変位機構
４２ Ｙ軸粗変位機構
４３ Ｘ軸精変位機構
４４ Ｙ軸精変位機構
４７ 開口板変位部（ＸＹ位置関係変更部）
５４ 高さ決定部
５５ 形状情報取得部
５６ 画像生成部
６０ ＸＹ方向焦点位置変更部（ＸＹ位置関係変更部）
６１ 平行平板形の部材
６３ 回転体
６４ 駆動部
７０ 第２のＸＹ方向焦点位置変更部（ＸＹ位置関係変更部）
７０ｘ Ｘ軸用変位機構
７０ｙ Ｙ軸用変位機構
７１ｘ、７１ｙ 平行平板形の部材
７２ｘ Ｘ軸用駆動部
７２ｙ Ｙ軸用駆動部
７３ｘ Ｘ軸用回動伝達軸部材
７３ｙ Ｙ軸用回動伝達軸部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
被計測体を載置する載置台と、
前記光源の光を通過する複数の開口部が互いに離間して２次元に配置されて設けられた開口板と、
前記複数の開口部を通過したそれぞれの光を前記被計測体側の共役点に集光するとともに、前記被計測体側共役点における反射光をそれぞれ対応する検出側共役点に集光する対物レンズと、
前記検出側共役点に集光された光の強度変化を検出可能な位置に配設された光検出器を複数有し、前記複数の光検出器のそれぞれは前記検出側共役点における光の強度に応じた信号を出力する光検出器群と、
前記被計測体の位置を光軸方向に変更するＺ位置関係変更部と、
前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置を、初期位置と前記初期位置から光軸方向に垂直な方向に複数の前記被計測体側共役点の互いの離間距離より小さい距離移動させた１または複数の補間位置とで位置決めするとともに、前記補間位置は、複数の補間位置パターンのうちの１つが選択されて決定されるＸＹ位置関係変更部と、
前記Ｚ位置関係変更部および前記光検出器群を制御することにより、前記被計測体の位置を光軸方向に離散的に変更しつつ前記光検出器の信号を取得し、前記被計測体側共役点ごとに前記光検出器の信号の強度が最大となる前記被計測体の光軸方向の位置を求めてこの位置を前記被計測体の光軸方向の位置として決定する高さ決定部と、
前記ＸＹ位置関係変更部および前記高さ決定部を制御することにより、前記初期位置および前記補間位置のそれぞれにおいて前記高さ決定部に前記被計測体側共役点ごとの前記被計測体の光軸方向の位置を決定させ、前記初期位置および前記補間位置の各位置での複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置の情報からなる前記被計測体の三次元形状情報を取得する形状情報取得部と、
前記三次元形状情報を用いて前記被計測体の形状画像を生成する画像生成部と、
を備え、
前記画像生成部により生成される前記被計測体の前記形状画像は、前記補間位置パターンに応じて光軸方向に垂直な方向について異なる分解能を有することを特徴とする三次元画像取得装置。
【請求項２】
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更するよう前記載置台を光軸方向に垂直な方向に変位させ、
前記形状情報取得部は、
前記ＸＹ位置関係変更部を前記複数の補間位置パターンから選択された１つの補間位置パターンで制御することにより、前記載置台の初期位置と、前記選択された補間位置パターンにより決定される前記載置台の補間位置と、のそれぞれにおいて前記高さ決定部に前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を決定させて、前記載置台の初期位置および前記載置台の補間位置の各位置での複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置の情報からなる前記被計測体の三次元形状情報を取得する、
請求項１記載の三次元画像取得装置。
【請求項３】
前記複数の被計測体側共役点のそれぞれは、
光軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面上に、前記対物レンズにより第１の方向に第１の所定の距離で互いに離間して集光されるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向に第２の所定の距離で互いに離間して集光され、
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更するよう前記載置台を前記第１の方向および前記第２の方向に変位させ、
前記形状情報取得部は、
前記ＸＹ位置関係変更部および前記高さ決定部を制御することにより、前記載置台の初期位置と、前記載置台を前記載置台の初期位置から前記第１の方向へ前記第１の所定の距離を第１の正の整数で除した距離ごとに移動した前記第１の方向の補間位置と、前記載置台の初期位置および前記第１の方向の補間位置から前記第２の方向へ前記第２の所定の距離を第２の正の整数で除した距離ごとに移動した前記第２の方向の補間位置と、の各位置で前記高さ決定部に複数の前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を決定させて前記三次元形状情報を取得するとともに、前記第１の正の整数および前記第２の正の整数を変更することにより前記補間位置パターンを変更する、
請求項２記載の三次元画像取得装置。
【請求項４】
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記載置台を前記第１の方向に変化させる第１軸変位機構と、前記第２の方向に変化させる第２軸変位機構とを有し、
前記第１軸変位機構は、前記第２軸変位機構に比べより精細に変位調整可能に構成された、
請求項３記載の三次元画像取得装置。
【請求項５】
前記形状情報取得部は、
複数の前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を取得する際に、前記高さ決定部を制御して前記載置台の初期位置において前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置を決定させた後、前記載置台を変位させて前記載置台の補間位置の１つまで移動させて前記載置台を停止させ、その後前記高さ決定部を制御して前記載置台の補間位置の１つでの複数の前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を決定させることを前記載置台の補間位置ごとに繰り返すことにより、前記載置台の初期位置および全ての前記載置台の補間位置の各位置で複数の前記被計測体側共役点の前記被計測体の光軸方向の位置を取得する、
請求項２ないし４のいずれか１項に記載の三次元画像取得装置。
【請求項６】
前記対物レンズは、
前記被計測体側共役点における反射光をそれぞれ対応する前記検出側共役点としての前記開口部に集光し、
前記光検出器群は、
前記対物レンズを介して前記載置台の初期位置および前記載置台の補間位置における前記開口板の前記複数の開口部に再度入射した光のそれぞれが所定の光学素子を介して再度集光されて入射されるよう、前記検出側共役点としての前記開口部と光学的に共役な位置に前記複数の光検出器がそれぞれ配設された、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の三次元画像取得装置。
【請求項７】
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更するよう前記開口板を光軸方向に垂直な方向に変位させ、
前記形状情報取得部は、
前記ＸＹ位置関係変更部を前記複数の補間位置パターンから選択された１つの補間位置パターンで制御することにより、前記開口板の初期位置と、前記選択された補間位置パターンにより決定される前記開口板の補間位置と、のそれぞれにおいて前記高さ決定部に前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を決定させて、前記開口板の初期位置および前記開口板の補間位置の各位置での複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置の情報からなる前記被計測体の三次元形状情報を取得する、
請求項１記載の三次元画像取得装置。
【請求項８】
前記開口板は、
前記複数の開口部が、光軸方向に垂直な面内の第１の方向に第１の所定の距離で離間して設けられるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向に第２の所定の距離で離間して設けられることにより２次元に配置され、
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更するよう前記開口板を前記第１の方向および前記第２の方向に変位させ、
前記形状情報取得部は、
前記ＸＹ位置関係変更部および前記高さ決定部を制御することにより、前記開口板の初期位置と、前記開口板を前記開口板の初期位置から前記第１の方向へ前記第１の所定の距離を第１の正の整数で除した距離ごとに移動した前記第１の方向の補間位置と、前記開口板の初期位置および前記第１の方向の補間位置から前記第２の方向へ前記第２の所定の距離を第２の正の整数で除した距離ごとに移動した前記第２の方向の補間位置と、の各位置で前記高さ決定部に複数の前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を決定させて前記三次元形状情報を取得するとともに、前記第１の正の整数および前記第２の正の整数を変更することにより前記補間位置パターンを変更する、
請求項７記載の三次元画像取得装置。
【請求項９】
前記形状情報取得部は、
複数の前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を取得する際に、前記高さ決定部を制御して前記開口板の初期位置において前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置を決定させた後、前記開口板を変位させて前記開口板の補間位置の１つまで移動させて前記開口板を停止させ、その後前記高さ決定部を制御して前記開口板の補間位置の１つでの複数の前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を決定させることを前記開口板の補間位置ごとに繰り返すことにより、前記開口板の初期位置および全ての前記開口板の補間位置の各位置で複数の前記被計測体側共役点の前記被計測体の光軸方向の位置を取得する、
請求項７または８に記載の三次元画像取得装置。
【請求項１０】
前記対物レンズは、
前記被計測体側共役点における反射光をそれぞれ対応する前記検出側共役点としての前記開口部に集光し、
前記光検出器群は、
前記対物レンズを介して前記開口板の初期位置および前記開口板の補間位置における前記開口板の前記複数の開口部に再度入射した光のそれぞれが所定の光学素子を介して再度集光されて入射されるよう、前記検出側共役点としての前記開口部と光学的に共役な位置に前記複数の光検出器がそれぞれ配設された、
請求項７ないし９のいずれか１項に記載の三次元画像取得装置。
【請求項１１】
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう複数の平行平板形の部材が回転方向に沿って配設されるとともに前記複数の平行平板形の部材のそれぞれを光軸と垂直な面に対して傾きを有するよう保持する回転体と、前記回転体を回転駆動する駆動部と、を有し、光軸と交わった前記平行平板形の部材の前記傾きに応じて前記被計測体側共役点の位置を光軸方向に垂直な面内で変更し、
前記補間位置パターンは、
前記回転体に配設される前記複数の平行平板形の部材のそれぞれの前記傾きの組み合わせにより決定される、
請求項１記載の三次元画像取得装置。
【請求項１２】
前記回転体は、回転方向に沿う円周上の一部に前記複数の平行平板形の部材が配設されるとともに等速連続回転し、
前記高さ決定部は、
前記回転体の前記円周上の他部が前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差している間に前記被計測体の位置を光軸方向に変更するよう前記Ｚ位置関係変更部を制御する、
請求項１１記載の三次元画像取得装置。
【請求項１３】
前記複数の被計測体側共役点のそれぞれは、
光軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面上に、前記対物レンズにより第１の方向に第１の所定の距離で互いに離間して集光されるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向に第２の所定の距離で互いに離間して集光され、
前記回転体に配設される前記複数の平行平板形の部材は、
前記被計測体側共役点を前記第１の方向に移動させる向きに傾きを有するよう前記回転体に配設された部材と、光軸を中心に前記第１の部材を９０度回転させることにより前記被計測体側共役点を前記第２の方向に移動させる向きに傾きを有するよう前記回転体に配設された部材と、を少なくとも有する、
請求項１１または１２記載の三次元画像取得装置。
【請求項１４】
前記複数の被計測体側共役点のそれぞれは、
光軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面上に、前記対物レンズにより第１の方向に第１の所定の距離で互いに離間して集光されるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向に第２の所定の距離で互いに離間して集光され、
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう複数の平行平板形の部材が回転方向に沿って配設されるとともに前記複数の平行平板形の部材のそれぞれを光軸と垂直な面に対して前記被計測体側共役点が前記第１の方向に移動する向きに傾きを有するよう保持する回転体と、前記回転体を回転駆動する駆動部と、を有する第１軸変位機構と、
前記載置台を前記第２の方向に変化させる第２軸変位機構と、
を有し、前記形状情報取得部により前記複数の補間位置パターンから選択された１つの補間位置パターンに応じて制御されて、光軸と交わった前記平行平板形の部材の前記傾きに応じて前記被計測体側共役点の位置を光軸方向の前記所定の位置の光軸方向に垂直な面内で前記第１の方向に変更するとともに前記補間位置パターンごとにあらかじめ設定された位置群にもとづいて前記載置台を前記第２の方向に変化させる、
請求項１記載の三次元画像取得装置。
【請求項１５】
前記回転体は、等速連続回転し、
前記高さ決定部は、
前記複数の平行平板形の部材のうち互いに隣接する所定の数の部材と前記対物レンズの前記被計測体側の光軸とが交差している間に前記被計測体の位置を光軸方向に変更するよう前記Ｚ位置関係変更部を制御し、
前記形状情報取得部は、
前記高さ決定部に前記被計測体の位置を光軸方向に変更させた後、前記所定の数の部材により前記被計測体側共役点の位置を光軸方向の前記所定の位置の光軸方向に垂直な面内で前記第１の方向に変更させるとともに、前記載置台を前記第２の方向に変化させて、前記初期位置および前記補間位置のそれぞれにおいて前記高さ決定部に前記被計測体側共役点ごとの前記被計測体の光軸方向の位置を決定させた後、再び前記高さ決定部に前記被計測体の位置を光軸方向に変更させることを繰り返すことにより、前記初期位置および前記補間位置の各位置での複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置の情報からなる前記被計測体の三次元形状情報を取得する、
請求項１４記載の三次元画像取得装置。
【請求項１６】
前記複数の被計測体側共役点のそれぞれは、
光軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面上に、前記対物レンズにより第１の方向に第１の所定の距離で互いに離間して集光されるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向に第２の所定の距離で互いに離間して集光され、
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう配設された第１の平行平板形の部材と、光軸方向に垂直な面に対する前記第１の平行平板形の部材の傾き角度を前記被計測体側共役点が前記第１の方向に移動する向きに変更する第１の駆動部と、を有する第１軸変位機構と、
前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう配設された第２の平行平板形の部材と、光軸方向に垂直な面に対する前記第２の平行平板形の部材の傾き角度を前記被計測体側共役点が前記第２の方向に移動する向きに変更する第２の駆動部と、を有する第２軸変位機構と、
を有し、前記形状情報取得部により前記複数の補間位置パターンから選択された１つの補間位置パターンに応じて制御されて、前記第１の平行平板形の部材の前記傾き角度および前記第２の平行平板形の部材の前記傾き角度のそれぞれを前記補間位置パターンごとにあらかじめ設定された角度群にもとづいて変更することにより、前記被計測体側共役点の位置を光軸方向の前記所定の位置の光軸方向に垂直な面内で変更する、
請求項１記載の三次元画像取得装置。
【請求項１７】
前記第１の駆動部と接続された一端と前記第１の平行平板形の部材と接続された他端とを有し、前記第１の駆動部の回動を前記第１の平行平板形の部材に伝達する前記第１の回動伝達軸部材と、
前記第２の駆動部と接続された一端と前記第２の平行平板形の部材と接続された他端とを有し、前記第２の駆動部の回動を前記第２の平行平板形の部材に伝達する前記第２の回動伝達軸部材と、
をさらに備え、
前記第１の駆動部および前記第２の駆動部は、
それぞれガルバノモータにより構成され、前記第１の平行平板形の部材の前記傾き角度および前記第２の平行平板形の部材の前記傾き角度がそれぞれ前記補間位置パターンごとにあらかじめ設定された前記角度群にもとづいて変更されるように、前記複数の補間位置パターンから選択された１つの補間位置パターンに応じて前記形状情報取得部により回動を制御される、
請求項１６記載の三次元画像取得装置。
【請求項１８】
前記第１の回動伝達軸部材の前記一端は、
前記第１の回動伝達軸部材の前記他端よりも前記対物レンズ側に位置し、
前記第２の回動伝達軸部材の前記一端は、
前記第２の回動伝達軸部材の前記他端よりも前記対物レンズ側に位置した、
請求項１７記載の三次元画像取得装置。
【請求項１９】
前記複数の被計測体側共役点のそれぞれは、
光軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面上に、前記対物レンズにより第１の方向に第１の所定の距離で互いに離間して集光されるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向に第２の所定の距離で互いに離間して集光され、
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう配設された第１の平行平板形の部材と、光軸方向に垂直な面に対する前記第１の平行平板形の部材の傾き角度を前記被計測体側共役点が前記第１の方向に移動する向きに変更する第１の駆動部と、を有する第１軸変位機構と、
前記載置台を前記第２の方向に変化させる第２軸変位機構と、
を有し、前記形状情報取得部により前記複数の補間位置パターンから選択された１つの補間位置パターンに応じて制御されて、前記第１の平行平板形の部材の前記傾き角度を前記補間位置パターンごとにあらかじめ設定された角度群にもとづいて変更することにより前記被計測体側共役点の位置を光軸方向の前記所定の位置の光軸方向に垂直な面内で前記第１の方向に変更するとともに前記補間位置パターンごとにあらかじめ設定された位置群にもとづいて前記載置台を前記第２の方向に変化させる、
請求項１記載の三次元画像取得装置。
【請求項２０】
前記Ｚ位置関係変更部は、
前記載置台を光軸方向に変位させることにより前記被計測体の位置を光軸方向に変更するＺ軸変位部と、前記被計測体側共役点の位置を光軸方向に変更する焦点位置変更部と、の少なくとも一方を有し、
前記焦点位置変更部は、
屈折率および厚さの少なくとも一方が互いに異なる複数の平行平板形の部材が前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう回転方向に沿って等間隔に配設された回転体と、前記回転体を所定の速度で連続回転させる駆動部と、を有し、前記平行平板形の部材が光軸と交わるごとに前記被計測体側共役点の位置を光軸方向に変更し、
前記高さ決定部は、
前記Ｚ位置関係変更部および前記光検出器群を制御することにより、前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向の相対的な位置を光軸方向に離散的に変更しつつ前記光検出器の信号を取得し、前記被計測体側共役点ごとに前記光検出器の信号の強度が最大となる前記被計測体の光軸方向の位置を求めてこの位置を前記被計測体の光軸方向の位置として決定する、
請求項１ないし１９のいずれか1項に記載の三次元画像取得装置。
【請求項２１】
前記高さ決定部、前記形状情報取得部および前記画像生成部として機能するパーソナルコンピュータ、
をさらに備えた請求項１ないし２０のいずれか１項に記載の三次元画像取得装置。
【請求項２２】
共焦点光学系を用いて被測定試料の三次元画像を取得する三次元画像取得方法であって、
互いに離間して２次元に配置されて開口板に設けられた複数の開口部のそれぞれを光源の光が通過するステップと、
前記複数の開口部を通過したそれぞれの光を前記被計測体側の共役点に集光するステップと、
前記被計測体側共役点における反射光をそれぞれ対応する検出側共役点に集光するステップと、
前記検出側共役点に集光された光の強度変化を検出可能な位置に配設された複数の光検出器のそれぞれが、前記検出側共役点における光の強度に応じた信号を出力するステップと、
前記光検出器が出力した信号強度にもとづいて前記被計測体の光軸方向の位置を求めてこの位置を前記複数の開口部に対応する複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置と決定するステップと、
前記被計測体の光軸方向の位置にもとづいて前記被計測体の形状画像を生成するステップと、
を有し、
前記被計測体の光軸方向の位置を決定するステップは、
前記光検出器の出力信号を取得するステップと、
前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向の相対的な位置関係を変更するＺ軸変更ステップと、
前記光検出器の信号を取得するステップおよび前記Ｚ軸変更ステップを繰り返すことにより、複数の前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向の相対的な位置関係のそれぞれにおける複数の前記信号を取得するステップと、
前記光検出器ごとに取得された前記複数の前記信号の強度にもとづいて前記信号の強度が最大となる前記被計測体の光軸方向の位置を求めてこの位置を前記複数の開口部に対応する複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置と決定する高さ決定ステップと、
を有し、
前記被計測体の形状画像を生成するステップは、
複数の補間位置パターンのうちの１つを選択するステップと、
前記選択された補間位置パターンに応じて、前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を初期位置と前記初期位置から光軸方向に垂直な方向に複数の前記被計測体側共役点の互いの離間距離より小さい距離移動させた１または複数の補間位置とのいずれかの位置で位置決めするＸＹ軸変位ステップと、
前記被計測体の光軸方向の位置を決定するステップおよび前記ＸＹ軸変位ステップを繰り返すことにより、複数の前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置の前記初期位置および前記補間位置のそれぞれにおける前記複数の開口部に対応する複数の前記被計測体側共役点での前記被計測体の光軸方向の位置を決定して、光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係のそれぞれでの複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置の情報からなる前記被計測体の三次元形状情報を取得するステップと、
前記三次元形状情報を用いて前記被計測体の形状画像を生成するステップと、
を有し、
前記被計測体の形状画像を生成するステップにより生成される前記被計測体の前記形状画像は、前記補間位置パターンに応じて光軸方向に垂直な方向について異なる分解能を有することを特徴とする三次元画像取得方法。
【請求項１】
光源と、
被計測体を載置する載置台と、
前記光源の光を通過する複数の開口部が互いに離間して２次元に配置されて設けられた開口板と、
前記複数の開口部を通過したそれぞれの光を前記被計測体側の共役点に集光するとともに、前記被計測体側共役点における反射光をそれぞれ対応する検出側共役点に集光する対物レンズと、
前記検出側共役点に集光された光の強度変化を検出可能な位置に配設された光検出器を複数有し、前記複数の光検出器のそれぞれは前記検出側共役点における光の強度に応じた信号を出力する光検出器群と、
前記被計測体の位置を光軸方向に変更するＺ位置関係変更部と、
前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置を、初期位置と前記初期位置から光軸方向に垂直な方向に複数の前記被計測体側共役点の互いの離間距離より小さい距離移動させた１または複数の補間位置とで位置決めするとともに、前記補間位置は、複数の補間位置パターンのうちの１つが選択されて決定されるＸＹ位置関係変更部と、
前記Ｚ位置関係変更部および前記光検出器群を制御することにより、前記被計測体の位置を光軸方向に離散的に変更しつつ前記光検出器の信号を取得し、前記被計測体側共役点ごとに前記光検出器の信号の強度が最大となる前記被計測体の光軸方向の位置を求めてこの位置を前記被計測体の光軸方向の位置として決定する高さ決定部と、
前記ＸＹ位置関係変更部および前記高さ決定部を制御することにより、前記初期位置および前記補間位置のそれぞれにおいて前記高さ決定部に前記被計測体側共役点ごとの前記被計測体の光軸方向の位置を決定させ、前記初期位置および前記補間位置の各位置での複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置の情報からなる前記被計測体の三次元形状情報を取得する形状情報取得部と、
前記三次元形状情報を用いて前記被計測体の形状画像を生成する画像生成部と、
を備え、
前記画像生成部により生成される前記被計測体の前記形状画像は、前記補間位置パターンに応じて光軸方向に垂直な方向について異なる分解能を有することを特徴とする三次元画像取得装置。
【請求項２】
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更するよう前記載置台を光軸方向に垂直な方向に変位させ、
前記形状情報取得部は、
前記ＸＹ位置関係変更部を前記複数の補間位置パターンから選択された１つの補間位置パターンで制御することにより、前記載置台の初期位置と、前記選択された補間位置パターンにより決定される前記載置台の補間位置と、のそれぞれにおいて前記高さ決定部に前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を決定させて、前記載置台の初期位置および前記載置台の補間位置の各位置での複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置の情報からなる前記被計測体の三次元形状情報を取得する、
請求項１記載の三次元画像取得装置。
【請求項３】
前記複数の被計測体側共役点のそれぞれは、
光軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面上に、前記対物レンズにより第１の方向に第１の所定の距離で互いに離間して集光されるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向に第２の所定の距離で互いに離間して集光され、
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更するよう前記載置台を前記第１の方向および前記第２の方向に変位させ、
前記形状情報取得部は、
前記ＸＹ位置関係変更部および前記高さ決定部を制御することにより、前記載置台の初期位置と、前記載置台を前記載置台の初期位置から前記第１の方向へ前記第１の所定の距離を第１の正の整数で除した距離ごとに移動した前記第１の方向の補間位置と、前記載置台の初期位置および前記第１の方向の補間位置から前記第２の方向へ前記第２の所定の距離を第２の正の整数で除した距離ごとに移動した前記第２の方向の補間位置と、の各位置で前記高さ決定部に複数の前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を決定させて前記三次元形状情報を取得するとともに、前記第１の正の整数および前記第２の正の整数を変更することにより前記補間位置パターンを変更する、
請求項２記載の三次元画像取得装置。
【請求項４】
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記載置台を前記第１の方向に変化させる第１軸変位機構と、前記第２の方向に変化させる第２軸変位機構とを有し、
前記第１軸変位機構は、前記第２軸変位機構に比べより精細に変位調整可能に構成された、
請求項３記載の三次元画像取得装置。
【請求項５】
前記形状情報取得部は、
複数の前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を取得する際に、前記高さ決定部を制御して前記載置台の初期位置において前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置を決定させた後、前記載置台を変位させて前記載置台の補間位置の１つまで移動させて前記載置台を停止させ、その後前記高さ決定部を制御して前記載置台の補間位置の１つでの複数の前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を決定させることを前記載置台の補間位置ごとに繰り返すことにより、前記載置台の初期位置および全ての前記載置台の補間位置の各位置で複数の前記被計測体側共役点の前記被計測体の光軸方向の位置を取得する、
請求項２ないし４のいずれか１項に記載の三次元画像取得装置。
【請求項６】
前記対物レンズは、
前記被計測体側共役点における反射光をそれぞれ対応する前記検出側共役点としての前記開口部に集光し、
前記光検出器群は、
前記対物レンズを介して前記載置台の初期位置および前記載置台の補間位置における前記開口板の前記複数の開口部に再度入射した光のそれぞれが所定の光学素子を介して再度集光されて入射されるよう、前記検出側共役点としての前記開口部と光学的に共役な位置に前記複数の光検出器がそれぞれ配設された、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の三次元画像取得装置。
【請求項７】
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更するよう前記開口板を光軸方向に垂直な方向に変位させ、
前記形状情報取得部は、
前記ＸＹ位置関係変更部を前記複数の補間位置パターンから選択された１つの補間位置パターンで制御することにより、前記開口板の初期位置と、前記選択された補間位置パターンにより決定される前記開口板の補間位置と、のそれぞれにおいて前記高さ決定部に前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を決定させて、前記開口板の初期位置および前記開口板の補間位置の各位置での複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置の情報からなる前記被計測体の三次元形状情報を取得する、
請求項１記載の三次元画像取得装置。
【請求項８】
前記開口板は、
前記複数の開口部が、光軸方向に垂直な面内の第１の方向に第１の所定の距離で離間して設けられるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向に第２の所定の距離で離間して設けられることにより２次元に配置され、
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を変更するよう前記開口板を前記第１の方向および前記第２の方向に変位させ、
前記形状情報取得部は、
前記ＸＹ位置関係変更部および前記高さ決定部を制御することにより、前記開口板の初期位置と、前記開口板を前記開口板の初期位置から前記第１の方向へ前記第１の所定の距離を第１の正の整数で除した距離ごとに移動した前記第１の方向の補間位置と、前記開口板の初期位置および前記第１の方向の補間位置から前記第２の方向へ前記第２の所定の距離を第２の正の整数で除した距離ごとに移動した前記第２の方向の補間位置と、の各位置で前記高さ決定部に複数の前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を決定させて前記三次元形状情報を取得するとともに、前記第１の正の整数および前記第２の正の整数を変更することにより前記補間位置パターンを変更する、
請求項７記載の三次元画像取得装置。
【請求項９】
前記形状情報取得部は、
複数の前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を取得する際に、前記高さ決定部を制御して前記開口板の初期位置において前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置を決定させた後、前記開口板を変位させて前記開口板の補間位置の１つまで移動させて前記開口板を停止させ、その後前記高さ決定部を制御して前記開口板の補間位置の１つでの複数の前記被計測体側共役点のそれぞれにおける前記被計測体の光軸方向の位置を決定させることを前記開口板の補間位置ごとに繰り返すことにより、前記開口板の初期位置および全ての前記開口板の補間位置の各位置で複数の前記被計測体側共役点の前記被計測体の光軸方向の位置を取得する、
請求項７または８に記載の三次元画像取得装置。
【請求項１０】
前記対物レンズは、
前記被計測体側共役点における反射光をそれぞれ対応する前記検出側共役点としての前記開口部に集光し、
前記光検出器群は、
前記対物レンズを介して前記開口板の初期位置および前記開口板の補間位置における前記開口板の前記複数の開口部に再度入射した光のそれぞれが所定の光学素子を介して再度集光されて入射されるよう、前記検出側共役点としての前記開口部と光学的に共役な位置に前記複数の光検出器がそれぞれ配設された、
請求項７ないし９のいずれか１項に記載の三次元画像取得装置。
【請求項１１】
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう複数の平行平板形の部材が回転方向に沿って配設されるとともに前記複数の平行平板形の部材のそれぞれを光軸と垂直な面に対して傾きを有するよう保持する回転体と、前記回転体を回転駆動する駆動部と、を有し、光軸と交わった前記平行平板形の部材の前記傾きに応じて前記被計測体側共役点の位置を光軸方向に垂直な面内で変更し、
前記補間位置パターンは、
前記回転体に配設される前記複数の平行平板形の部材のそれぞれの前記傾きの組み合わせにより決定される、
請求項１記載の三次元画像取得装置。
【請求項１２】
前記回転体は、回転方向に沿う円周上の一部に前記複数の平行平板形の部材が配設されるとともに等速連続回転し、
前記高さ決定部は、
前記回転体の前記円周上の他部が前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差している間に前記被計測体の位置を光軸方向に変更するよう前記Ｚ位置関係変更部を制御する、
請求項１１記載の三次元画像取得装置。
【請求項１３】
前記複数の被計測体側共役点のそれぞれは、
光軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面上に、前記対物レンズにより第１の方向に第１の所定の距離で互いに離間して集光されるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向に第２の所定の距離で互いに離間して集光され、
前記回転体に配設される前記複数の平行平板形の部材は、
前記被計測体側共役点を前記第１の方向に移動させる向きに傾きを有するよう前記回転体に配設された部材と、光軸を中心に前記第１の部材を９０度回転させることにより前記被計測体側共役点を前記第２の方向に移動させる向きに傾きを有するよう前記回転体に配設された部材と、を少なくとも有する、
請求項１１または１２記載の三次元画像取得装置。
【請求項１４】
前記複数の被計測体側共役点のそれぞれは、
光軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面上に、前記対物レンズにより第１の方向に第１の所定の距離で互いに離間して集光されるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向に第２の所定の距離で互いに離間して集光され、
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう複数の平行平板形の部材が回転方向に沿って配設されるとともに前記複数の平行平板形の部材のそれぞれを光軸と垂直な面に対して前記被計測体側共役点が前記第１の方向に移動する向きに傾きを有するよう保持する回転体と、前記回転体を回転駆動する駆動部と、を有する第１軸変位機構と、
前記載置台を前記第２の方向に変化させる第２軸変位機構と、
を有し、前記形状情報取得部により前記複数の補間位置パターンから選択された１つの補間位置パターンに応じて制御されて、光軸と交わった前記平行平板形の部材の前記傾きに応じて前記被計測体側共役点の位置を光軸方向の前記所定の位置の光軸方向に垂直な面内で前記第１の方向に変更するとともに前記補間位置パターンごとにあらかじめ設定された位置群にもとづいて前記載置台を前記第２の方向に変化させる、
請求項１記載の三次元画像取得装置。
【請求項１５】
前記回転体は、等速連続回転し、
前記高さ決定部は、
前記複数の平行平板形の部材のうち互いに隣接する所定の数の部材と前記対物レンズの前記被計測体側の光軸とが交差している間に前記被計測体の位置を光軸方向に変更するよう前記Ｚ位置関係変更部を制御し、
前記形状情報取得部は、
前記高さ決定部に前記被計測体の位置を光軸方向に変更させた後、前記所定の数の部材により前記被計測体側共役点の位置を光軸方向の前記所定の位置の光軸方向に垂直な面内で前記第１の方向に変更させるとともに、前記載置台を前記第２の方向に変化させて、前記初期位置および前記補間位置のそれぞれにおいて前記高さ決定部に前記被計測体側共役点ごとの前記被計測体の光軸方向の位置を決定させた後、再び前記高さ決定部に前記被計測体の位置を光軸方向に変更させることを繰り返すことにより、前記初期位置および前記補間位置の各位置での複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置の情報からなる前記被計測体の三次元形状情報を取得する、
請求項１４記載の三次元画像取得装置。
【請求項１６】
前記複数の被計測体側共役点のそれぞれは、
光軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面上に、前記対物レンズにより第１の方向に第１の所定の距離で互いに離間して集光されるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向に第２の所定の距離で互いに離間して集光され、
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう配設された第１の平行平板形の部材と、光軸方向に垂直な面に対する前記第１の平行平板形の部材の傾き角度を前記被計測体側共役点が前記第１の方向に移動する向きに変更する第１の駆動部と、を有する第１軸変位機構と、
前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう配設された第２の平行平板形の部材と、光軸方向に垂直な面に対する前記第２の平行平板形の部材の傾き角度を前記被計測体側共役点が前記第２の方向に移動する向きに変更する第２の駆動部と、を有する第２軸変位機構と、
を有し、前記形状情報取得部により前記複数の補間位置パターンから選択された１つの補間位置パターンに応じて制御されて、前記第１の平行平板形の部材の前記傾き角度および前記第２の平行平板形の部材の前記傾き角度のそれぞれを前記補間位置パターンごとにあらかじめ設定された角度群にもとづいて変更することにより、前記被計測体側共役点の位置を光軸方向の前記所定の位置の光軸方向に垂直な面内で変更する、
請求項１記載の三次元画像取得装置。
【請求項１７】
前記第１の駆動部と接続された一端と前記第１の平行平板形の部材と接続された他端とを有し、前記第１の駆動部の回動を前記第１の平行平板形の部材に伝達する前記第１の回動伝達軸部材と、
前記第２の駆動部と接続された一端と前記第２の平行平板形の部材と接続された他端とを有し、前記第２の駆動部の回動を前記第２の平行平板形の部材に伝達する前記第２の回動伝達軸部材と、
をさらに備え、
前記第１の駆動部および前記第２の駆動部は、
それぞれガルバノモータにより構成され、前記第１の平行平板形の部材の前記傾き角度および前記第２の平行平板形の部材の前記傾き角度がそれぞれ前記補間位置パターンごとにあらかじめ設定された前記角度群にもとづいて変更されるように、前記複数の補間位置パターンから選択された１つの補間位置パターンに応じて前記形状情報取得部により回動を制御される、
請求項１６記載の三次元画像取得装置。
【請求項１８】
前記第１の回動伝達軸部材の前記一端は、
前記第１の回動伝達軸部材の前記他端よりも前記対物レンズ側に位置し、
前記第２の回動伝達軸部材の前記一端は、
前記第２の回動伝達軸部材の前記他端よりも前記対物レンズ側に位置した、
請求項１７記載の三次元画像取得装置。
【請求項１９】
前記複数の被計測体側共役点のそれぞれは、
光軸方向の所定の位置の光軸方向に垂直な面上に、前記対物レンズにより第１の方向に第１の所定の距離で互いに離間して集光されるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向に第２の所定の距離で互いに離間して集光され、
前記ＸＹ位置関係変更部は、
前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう配設された第１の平行平板形の部材と、光軸方向に垂直な面に対する前記第１の平行平板形の部材の傾き角度を前記被計測体側共役点が前記第１の方向に移動する向きに変更する第１の駆動部と、を有する第１軸変位機構と、
前記載置台を前記第２の方向に変化させる第２軸変位機構と、
を有し、前記形状情報取得部により前記複数の補間位置パターンから選択された１つの補間位置パターンに応じて制御されて、前記第１の平行平板形の部材の前記傾き角度を前記補間位置パターンごとにあらかじめ設定された角度群にもとづいて変更することにより前記被計測体側共役点の位置を光軸方向の前記所定の位置の光軸方向に垂直な面内で前記第１の方向に変更するとともに前記補間位置パターンごとにあらかじめ設定された位置群にもとづいて前記載置台を前記第２の方向に変化させる、
請求項１記載の三次元画像取得装置。
【請求項２０】
前記Ｚ位置関係変更部は、
前記載置台を光軸方向に変位させることにより前記被計測体の位置を光軸方向に変更するＺ軸変位部と、前記被計測体側共役点の位置を光軸方向に変更する焦点位置変更部と、の少なくとも一方を有し、
前記焦点位置変更部は、
屈折率および厚さの少なくとも一方が互いに異なる複数の平行平板形の部材が前記対物レンズの前記被計測体側の光軸と交差するよう回転方向に沿って等間隔に配設された回転体と、前記回転体を所定の速度で連続回転させる駆動部と、を有し、前記平行平板形の部材が光軸と交わるごとに前記被計測体側共役点の位置を光軸方向に変更し、
前記高さ決定部は、
前記Ｚ位置関係変更部および前記光検出器群を制御することにより、前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向の相対的な位置を光軸方向に離散的に変更しつつ前記光検出器の信号を取得し、前記被計測体側共役点ごとに前記光検出器の信号の強度が最大となる前記被計測体の光軸方向の位置を求めてこの位置を前記被計測体の光軸方向の位置として決定する、
請求項１ないし１９のいずれか1項に記載の三次元画像取得装置。
【請求項２１】
前記高さ決定部、前記形状情報取得部および前記画像生成部として機能するパーソナルコンピュータ、
をさらに備えた請求項１ないし２０のいずれか１項に記載の三次元画像取得装置。
【請求項２２】
共焦点光学系を用いて被測定試料の三次元画像を取得する三次元画像取得方法であって、
互いに離間して２次元に配置されて開口板に設けられた複数の開口部のそれぞれを光源の光が通過するステップと、
前記複数の開口部を通過したそれぞれの光を前記被計測体側の共役点に集光するステップと、
前記被計測体側共役点における反射光をそれぞれ対応する検出側共役点に集光するステップと、
前記検出側共役点に集光された光の強度変化を検出可能な位置に配設された複数の光検出器のそれぞれが、前記検出側共役点における光の強度に応じた信号を出力するステップと、
前記光検出器が出力した信号強度にもとづいて前記被計測体の光軸方向の位置を求めてこの位置を前記複数の開口部に対応する複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置と決定するステップと、
前記被計測体の光軸方向の位置にもとづいて前記被計測体の形状画像を生成するステップと、
を有し、
前記被計測体の光軸方向の位置を決定するステップは、
前記光検出器の出力信号を取得するステップと、
前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向の相対的な位置関係を変更するＺ軸変更ステップと、
前記光検出器の信号を取得するステップおよび前記Ｚ軸変更ステップを繰り返すことにより、複数の前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向の相対的な位置関係のそれぞれにおける複数の前記信号を取得するステップと、
前記光検出器ごとに取得された前記複数の前記信号の強度にもとづいて前記信号の強度が最大となる前記被計測体の光軸方向の位置を求めてこの位置を前記複数の開口部に対応する複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置と決定する高さ決定ステップと、
を有し、
前記被計測体の形状画像を生成するステップは、
複数の補間位置パターンのうちの１つを選択するステップと、
前記選択された補間位置パターンに応じて、前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係を初期位置と前記初期位置から光軸方向に垂直な方向に複数の前記被計測体側共役点の互いの離間距離より小さい距離移動させた１または複数の補間位置とのいずれかの位置で位置決めするＸＹ軸変位ステップと、
前記被計測体の光軸方向の位置を決定するステップおよび前記ＸＹ軸変位ステップを繰り返すことにより、複数の前記被計測体側共役点の位置と前記被計測体の位置との光軸方向に垂直な方向の相対的な位置の前記初期位置および前記補間位置のそれぞれにおける前記複数の開口部に対応する複数の前記被計測体側共役点での前記被計測体の光軸方向の位置を決定して、光軸方向に垂直な方向の相対的な位置関係のそれぞれでの複数の前記被計測体側共役点における前記被計測体の光軸方向の位置の情報からなる前記被計測体の三次元形状情報を取得するステップと、
前記三次元形状情報を用いて前記被計測体の形状画像を生成するステップと、
を有し、
前記被計測体の形状画像を生成するステップにより生成される前記被計測体の前記形状画像は、前記補間位置パターンに応じて光軸方向に垂直な方向について異なる分解能を有することを特徴とする三次元画像取得方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１２−１３７４６９（Ｐ２０１２−１３７４６９Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３９９１３（Ｐ２０１１−３９９１３）
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００２８４２）株式会社高岳製作所 (72)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００２８４２）株式会社高岳製作所 (72)
【Ｆターム（参考）】
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