JPH05332735A - ３次元形状測定装置及びそれを用いた３次元形状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被測定物の３次元形状を高精度に測定するこ
とができる３次元形状測定装置及びそれを用いた３次元
形状測定方法を得ること。 【構成】 ケーシング内の投光手段からの光束を測定物
に投射し、該測定物からの反射光束を利用して該光プロ
ーブの所定面から該測定物までの距離を検出する合焦状
態判別光学系と概測定物からの反射光束を利用して該測
定物への光束の入射面の傾きを検出する傾斜角測定光学
系とを有し、双方の光学系で得られる信号を利用して該
測定物の３次元形状を求める際、該合焦状態判別光学系
は該傾斜角測定光学系で得られる信号に基づいて合焦情
報を補正する補正手段を有していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は３次元形状測定装置及び
それを用いた３次元形状測定方法に関し、特に非接触に
て高速に又高精度に被測定物の３次元形状測定を行ない
得るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より被測定物体の形状、例えば３次
元形状を非接触にて測定する方法は種々と提案されてい
る。例えばコヒーレント光を利用した干渉計測法やスリ
ット光による光切断法等がある。

【０００３】しかしながら干渉計測法は被測定物の表面
全体を同時に高精度に測定することができるという利点
を有する反面、被測定物表面の凹凸が光の波長に対して
かなり大きい場合には測定が困難になるという欠点があ
った。又光切断法は光の波長程度の凹凸の測定は困難で
あるという欠点があった。

【０００４】これに対して特開昭６１−１７９０７号公
報では内部光源を有する合焦状態判別光学系を移動台上
に載置し、この光学系を被測定物表面上に合焦させるよ
うに移動台を動かし、その移動量から３次元形状を測定
し、又それと同時に被測定物表面の微細なうねり（凹
凸）をより正確に表現するために傾斜角をも測定する方
式を利用した３次元形状測定装置を提案している。

【０００５】図１９は同公報で提案されている３次元形
状測定装置の要部概略図である。

【０００６】図中３６１は合焦状態判別光学系であり、
３６２は傾斜角測定光学系である。これらの各光学系３
６１及び３６２はケーシング３２１に組み込まれてい
る。合焦状態判別光学系３６１は光源３０１、コリメー
ターレンズ３０２、偏光ビームスプリッター３０３、ハ
ーフミラー３０４、１／４波長板３０５、対物レンズ３
０６、センサーレンズ３０７、そして光学的バンドパス
フィルター３０９を有している。

【０００７】傾斜角測定光学系３６２は光源３１１、レ
ンズ３１２、偏光ビームスプリッター３１３、センサー
３１４、そして光学的バンドパスフィルター３１５を有
している。ハーフミラー３０４、１／４波長板３０５、
そして対物レンズ３０６は合焦状態判別光学系３６１と
傾斜角測定光学系３６２で共有している。

【０００８】ケーシング３２１は外部に固設されたアク
チュエーター３４１に接続されている。これを駆動させ
ることにより、ケーシング３２１は対物レンズ３０６の
光軸Ｘに沿って移動している。

【０００９】ケーシング３２１には又その移動量を測定
するための測長手段３５０が付設されている。測長手段
３５０としては例えば格子干渉測長方式によるものが用
いられ、この場合、図１９における３５１はケーシング
３２１に固定された基準格子であり、３５２は外部に固
設された格子ピッチ読み取り装置である。３３１は形状
を測定されるべき被測定物である。

【００１０】次に３次元形状測定装置における合焦状態
判別光学系３６１の被測定物に対する合焦状態判別法に
つき説明する。

【００１１】光源３０１から発せられた光束はコリメー
ターレンズ３０２により平行光束３７１とされる。そし
て偏光ビームスプリッター３０３を透過した直線偏光の
光束はハーフミラー３０４により反射されて、１／４波
長板３０５を透過し、円偏光となり対物レンズ３０６に
入射する。このように対物レンズ３０６により収束され
た光は被測定物３３１の表面上にスポット像を結ぶ。

【００１２】このスポット像から反射された光は再び対
物レンズ３０６を透過し、１／４波長板３０５を経て直
線偏光とし、ハーフミラー３０４により反射され、今度
は偏光ビームスプリッター３０３により反射され、バン
ドパスフィルター３０９及びセンサーレンズ３０７を透
過した後に、センサー３０８に到達する。

【００１３】このとき被測定物３３１の表面と対物レン
ズ３０６との距離によりセンサー３０８に到達する光の
集光状態に差が生ずる。

【００１４】即ち、図２０（Ａ）に示されるように被測
定物３３１の表面がちょうど対物レンズ３０６の焦点位
置（図中のイの位置）に存在する場合には、被測定物３
３１の表面におけるスポット像はちょうど光軸Ｘ上にそ
の中心が位置するため、図２０（Ｂ）に示すように反射
光はセンサー３０８において光軸Ｙ上に中心をもって入
射する。

【００１５】又、図２０（Ａ）に示すように被測定物３
３１の表面が対物レンズ３０６の焦点位置よりも遠くに
位置する場合（図中のロの位置）にはスポット像は光軸
ＸからずれてＡゾーン内に中心をもって位置するため、
その反射光は図２０（Ｂ）に示すようにセンサー３０８
において光軸ＹからずれたＡ’ゾーンに中心をもって入
射する。

【００１６】一方、図２０（Ａ）に示すように被測定物
３３１の表面が対物レンズ３０６の焦点位置よりも近く
に位置する場合（図中のハの位置）には、上記とは逆の
理由で図２０（Ｂ）に示すようにセンサー３０８におい
てＢ’ゾーンに中心をもって入射する。

【００１７】センサー３０８としてはＣＣＤ（Charge C
oupled Device ）等のアレイセンサーが用いられる。セ
ンサー３０８においてＡ’ゾーンにおける全センサーセ
グメントの出力の和をＩＡ’とし、Ｂゾーンにおける全
センサーセグメントの出力の和をＩＢ’とすると、光学
系３６１の被測定物３３１に対する合焦状態に応じて 差信号ΔＩ ΔＩ＝ＩＡ’−ＩＢ’ が変化する。

【００１８】その関係を図３に示す。この図からわかる
ように完全に合焦状態である場合（上記イの状態）の近
傍において差信号ΔＩはほぼリニアに変化する。この特
性を利用することにより、光学系３６１が前ピント外れ
状態であるか、完全合焦状態であるか、後ピント外れ状
態であるかが判別できる。このフォーカシング（合焦状
態）エラー判別法はいわゆるビーム偏心法と呼ばれてい
るものである。

【００１９】従って、この差信号ΔＩを０にするように
アクチュエーター３４１をサーボ駆動させることによ
り、自動フォーカシング（ＡＦ）が実現できる。この際
のケーシング３２１の移動量を測長手段３５０で測定す
ることにより被測定物３３１の表面の光軸Ｘと交わる部
分の位置が測定される。この位置測定を被測定物３３１
の表面全体について行なうことによりその３次元形状が
測定できる。

【００２０】次に傾斜角測定光学系３６２による被測定
物の面の傾きを測定する傾斜角測定法について説明す
る。

【００２１】光源３１１から発せられた光はレンズ３１
２を透過した後、平行光束となって偏光ビームスプリッ
ター３１３に入射して反射される。そして反射された直
線偏光の光束をハーフミラー３０４及び１／４波長板３
０５を透過して、円偏光として対物レンズ３０６により
収束する。尚、この光学系３６２においては対物レンズ
３０６に入射する光束が光軸Ｘ上に中心を有し、かつ光
軸Ｘに平行に入射するようになっている。

【００２２】このようにして対物レンズ３０６により収
束された光は被測定物３３１の表面上においてＸ軸上に
中心を有するスポット像を結ぶ。被測定物３３１から反
射された光束は再び対物レンズ３０６を透過し、１／４
波長板３０５、ハーフミラー３０４、偏光ビームスプリ
ッター３１３及び光学的バンドパスフィルター３１５を
透過した後、センサー３１４に到達する。

【００２３】このとき被測定物３３１の光の入射表面の
傾斜角によりセンサー３１４に到達する光の位置に差が
生ずる。即ち、図５に示されるように被測定物３３１の
光束の入射表面が光軸Ｘ上の位置において光軸Ｘと垂直
の面に対し角度αだけ傾いているとすると、スポット像
からの反射光束は光軸Ｘに対し角度２αをなす方向に中
心を有して対物レンズ３０６に入射する。

【００２４】このようにして対物レンズ３０６に入射し
た光束は光軸Ｘと平行に進行し、その光束中心は光軸Ｘ
からずれ量をｈとしたとき ｈ＝ｆ sin２α （ｆ：対物レンズ３０６の焦点距
離） だけ隔てられている。

【００２５】センサー３１４としては光束の重心位置検
知センサー、いわゆるポジショニングセンサー等が用い
られ、上記の光軸Ｘからのずれ量ｈを測定することによ
って角度αを求めている。

【００２６】以上の説明からわかるように傾斜角測定に
おいては被測定物３３１の表面が対物レンズ３０６の焦
点位置にあることが必要であるが、上記光学系３６１と
アクチュエーター３４１との作用により常に合焦状態に
なっているのでこの条件は常に満たされている。

【００２７】又、合焦状態判別光学系３６１と傾斜角測
定光学系３６２とは構成上一部共通部分を有するので、
各光学系において用いる光源の波長帯域を異ならせた
り、偏光状態を異ならせたりしてクロストークが生じな
いようにしている。このため、バンドパスフィルター３
０９及び３１５、更には偏光ビームスプリッター３０３
及び３１３及び１／４波長板３０５が用いられている。

【００２８】図１９にはこのときの３次元形状測定装置
の信号（ＤＡＴＡ）の流れを示している。上記のとお
り、この３次元形状測定装置は位置検出機構で被測定物
の形状を３次元で測定すると同時に傾斜角検出機構で被
測定物の表面の傾斜角をも測定できることが大きな特徴
となっている。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】合焦状態判別光学系３
６１において、被測定物３３１の表面への自動合焦状態
を維持し続けるためには、被測定物３３１からの反射光
３７２及び３７３がセンサーレンズ３０７を透過した
後、センサー３０８のＹ軸上にスポット像を結ぶように
アクチュエーター３４１を作動させる必要がある。この
ときの反射光３７２および３７３はＹ軸に平行であるこ
とが必要である。これは言い換えれば反射光３７２およ
び３７３が対物レンズ３０６を透過した後、Ｘ軸に平行
になるようにアクチュエーター３４１を作動させる必要
がある。

【００３０】被測定物３３１の表面の傾斜角が変化する
と図１９に示す反射光３７２及び３７３が対物レンズ３
０６に入射する位置が異なってくる。このとき対物レン
ズ３０６に球面収差が残っている場合、図２１（Ａ）に
示すように反射光３７２及び３７３が対物レンズ３０６
を透過した後、Ｘ軸に平行にならない。

【００３１】このとき図２１（Ｂ）に示すようにセンサ
ー３０８のＹ軸上にスポット像を結ぶように、つまり通
常の合焦動作では対物レンズ３０６を透過した後の反射
光３７２及び３７３の各々がＸ軸上に平行になるように
アクチュエーター３４１を作動させる。この為対物レン
ズ３０６と被測定物３３１の距離が一定に保たれなくな
り、これが３次元形状を測定する上で誤差となってく
る。

【００３２】即ち、対物レンズの球面収差に近い値の計
測精度となり、通常のレンズ製作上の精度から傾斜角の
大きい被測定物に対しては例えば０．１μｍ程度以下の
精度で３次元形状の測定をすることが難しくなってく
る。

【００３３】本発明は傾斜角測定光学系により被測定物
からの反射光が対物レンズに入射する光軸からの位置の
情報を得て、その位置での対物レンズの収差による誤差
情報で合焦状態判別光学系によって得られた合焦情報を
補正することにより３次元形状を高精度に測定すること
ができる３次元形状測定装置の提供を目的とする。

【００３４】この他、本発明は光プローブ内の傾斜角測
定光学系により光プローブ内の対物レンズと被測定物と
の相対角度を検出し、該検出信号に基づいて光プローブ
を回転させ前記相対角度を０にしてから対物レンズの球
面収差の影響を受けない状態で被測定物の３次元形状を
測定することにより３次元形状を高精度に測定すること
ができる３次元形状測定方法の提供を目的とする。

【００３５】

【課題を解決するための手段】本発明の３次元形状測定
装置は、光プローブ内の投光手段からの光束を被測定物
に投射し、該被測定物からの反射光束を第１受光手段で
受光し、該第１受光手段からの信号を利用して該光プロ
ーブの所定面から該被測定物までの距離を検出する合焦
状態判別系と該被測定物からの反射光束を第２受光手段
で受光し、該第２受光手段からの信号を利用して該投光
手段からの光束の該被測定物への入射面の傾きを検出す
る傾斜角測定系とを有し、該合焦状態判別系と傾斜角測
定系で得られる信号を利用して該被測定物の３次元形状
を求める際、該合焦状態判別系は該傾斜角測定系で得ら
れる信号に基づいて合焦情報を補正する補正手段を有し
ていることを特徴としている。

【００３６】特に前記合焦状態判別系の少なくとも一つ
の要素は前記投光手段の光軸方向に移動可能となってい
ることや、前記投光手段は前記被測定物に光束を投射す
ると共に該被測定物からの反射光束を集光する対物レン
ズを有しており、前記傾斜角測定系は該被測定物からの
反射光束の該対物レンズへの入射情報を求めており、前
記補正手段は該傾斜角測定系で得られた該対物レンズへ
の入射情報に基づいて合焦情報を補正していることが望
ましい。

【００３７】本発明の３次元形状測定方法は、光プロー
ブ内の投光手段からの光束を被測定物に投射し、該被測
定物からの反射光束を第２受光手段で受光し、該第２受
光手段からの信号を利用して該被測定物への光束の入射
面の傾きを検出し、該傾き検出に基づいて入射面と光プ
ローブとの相対的な傾斜角を一定に調整させ、次いで該
被測定物からの反射光束を第１受光手段で受光し、該第
１受光手段からの信号を利用して該光プローブの所定面
から該被測定物までの距離情報を検出し、該被測定物の
３次元形状を求めたことを特徴としている。

【００３８】特に前記光プローブの一部にエンコーダを
設け、該エンコーダにより該光プローブの回転角を検出
し、該回転角における理論上の光プローブの位置と実際
の光プローブの位置とのずれ量を予め求めておいたテー
ブルを参照して求め、該ずれ量に基づいて前記距離情報
を補正していることが望ましい。

【００３９】

【実施例】図１は本発明の３次元形状測定装置の実施例
１の要部概略図である。

【００４０】３次元形状測定装置は被測定物の位置座標
を求める合焦状態判別光学系と被測定物の各面の傾きを
求める傾斜角測定光学系とを主要構成要件としている。

【００４１】図中３６１は合焦状態判別光学系であり、
１６２は傾斜角測定光学系である。これらの各光学系３
６１及び１６２はケーシング（光プローブ）３２１に組
み込まれている。

【００４２】合焦状態判別光学系３６１は光源３０１、
コリメーターレンズ３０２、偏光ビームスプリッター３
０３、ハーフミラー３０４、１／４波長板３０５、対物
レンズ３０６、センサーレンズ３０７、そしてセンサー
（第１受光手段）３０８を有している。光源３０１とコ
リメーターレンズ３０２は投光手段の一要素を構成して
いる。

【００４３】傾斜角測定光学系１６２は光源３０１、コ
リメーターレンズ３０２、偏光ビームスプリッター３０
３、ハーフミラー３０４、１／４波長板３０５、対物レ
ンズ３０６、そしてセンサー（第２受光手段）１１１を
有している。これら２つの光学系は各々一部の要素を共
有するようにして構成している。

【００４４】ケーシング３２１は外部に固設されたアク
チュエーター３４１に接続されている。これを駆動させ
ることにより、ケーシング３２１は対物レンズ３０６の
光軸Ｘに沿って、移動している。

【００４５】ケーシング３２１には又その移動量を測定
するための測長手段３５０が付設されている。測長手段
３５０としては例えば格子干渉測長方式によるものが用
いられ、この場合、図１における３５１はケーシング３
２１に固定された基準格子であり、３５２は外部に固設
された格子ピッチ読み取り装置である。３３１は３次元
形状を測定されるべき被測定物である。

【００４６】次に本実施例の３次元形状測定装置におけ
る被測定物３３１の各位置の位置座標を求める合焦状態
判別光学系３６１の合焦状態判別法について説明する。

【００４７】光源３０１から発せられた光束はコリメー
タレンズ３０２により平行光束１７１とされる。そして
偏光ビームスプリッター３０３を透過した直線偏光の光
束はハーフミラー３０４を通過し、１／４波長板３０５
を透過して円偏光となり対物レンズ３０６に入射する。
このように対物レンズ３０６により収束された光は被測
定物３３１の表面３３１ａ上にスポット像を結ぶ。この
スポット像から反射された光は再び対物レンズ３０６を
透過し、１／４波長板３０５を経て直線偏光とし、ハー
フミラー３０４を通過し、今度は偏光ビームスプリッタ
ー３０３により反射され、センサーレンズ３０７を透過
した後、センサー（第１受光手段）３０８に到達する。

【００４８】このとき前述したように被測定物３３１の
表面３３１ａと対物レンズ３０６との距離によりセンサ
ー３０８に到達する光の集光状態に差が生ずる。

【００４９】即ち、図２（Ａ）に示されるように被測定
物３３１の表面がちょうど対物レンズ３０６の焦点位置
（図中のイの位置）に存在する場合には被測定物３３１
の表面におけるスポット像はちょうど光軸Ｘ上にその中
心が位置するため、図２（Ｂ）に示すように反射光はセ
ンサー３０８において光軸Ｙ上に中心を持って入射す
る。

【００５０】又、図２（Ａ）に示すように被測定物３３
１の表面が対物レンズ３０６の焦点位置よりも遠くに位
置する場合（図中のロの位置）にはスポット像は光軸Ｘ
からずれてＡゾーン内に中心を持って位置するため、そ
の反射光は図２（Ｂ）に示すようにセンサー３０８にお
いて光軸ＹからずれたＡ’ゾーンに中心をもって入射す
る。

【００５１】一方、図２（Ａ）に示すように被測定物３
３１の表面が対物レンズ３０６の焦点位置よりも近くに
位置する場合（図中のハの位置）には、光束は上記とは
逆の理由で、図２（Ｂ）に示すようにセンサー３０８に
おいてＢ’ゾーンに中心をもって入射する。

【００５２】センサー３０８としてはＣＣＤ(Charge Co
upled Device）等のアレイセンサーが用いられる。

【００５３】センサー３０８においてＡ’ゾーンにおけ
る全センサーセグメントの出力の和をＩＡ’とし、Ｂ’
ゾーンにおける全センサーセグメントの出力の和をＩ
Ｂ’とすると、前述した如く光学系３６１の被測定物３
３１に対する合焦状態に応じて 差信号ΔＩ ΔＩ＝ＩＡ’−ＩＢ’ が変化する。

【００５４】その関係は前述の図３と同じである。同図
からわかるように、完全に合焦状態である場合（上記の
イの状態）の近傍において差信号ΔＩはほぼリニアに変
化する。この特性を利用することにより、光学系３６１
が前ピント外れ状態であるか、完全合焦状態であるか、
後ピント外れ状態であるかが判別している。このフォー
カシング（合焦状態）エラー判別法はいわゆるビーム偏
心法と呼ばれているものである。

【００５５】従って、この差信号ΔＩを０にするように
アクチュエーター３４１をサーボ駆動させることによ
り、自動フォーカシング（ＡＦ）を実現している。

【００５６】この際のケーシング３２１の移動量を測長
手段３５０で測定することにより被測定物３３１の表面
３３１ａの光軸Ｘと交わる部分の位置を測定している。
この位置測定を被測定物３３１の表面全体について行な
い、かつ後述する補正を行なうことによりその３次元形
状を測定している。

【００５７】次に傾斜角測定光学系１６２による被測定
物の面の傾きを測定する傾斜角測定法について説明す
る。

【００５８】光源３０１から発せられた光はレンズ３０
２を透過した後、平行光束１７１となって偏光ビームス
プリッター３０３に入射し透過する。そして透過した直
線偏光の光束はハーフミラー３０４及び１／４波長板３
０５を透過して、円偏光として対物レンズ３０６により
収束する。尚、この光学系１６２においては対物レンズ
３０６に入射する光束が光軸Ｘ上に中心を有し、かつ光
軸Ｘに平行に入射するようになっている。

【００５９】このようにして対物レンズ３０６により収
束された光は被測定物３３１の表面上においてＸ軸上に
中心を有するスポット像を結ぶ。被測定物３３１から反
射された光束は再び対物レンズ３０６を透過し、１／４
波長板３０５を通過し、ハーフミラー３０４で反射した
後、センサー（第２受光手段）１１１に到達する。

【００６０】このとき被測定物３３１の光の入射表面３
３１ａの傾斜角によりセンサー１１１に到達する光の位
置に差が生ずる。

【００６１】図４はこのときの被測定物３３１の光入射
面３３１ａの傾きによる反射光（１７２，１７３）の光
路を示した説明図である。

【００６２】図４のセンサー１１１上において被測定物
３３１の表面３３１ａに傾斜角がない場合のスポット像
を結ぶ位置を点Ｃで示す。更に被測定物３３１の表面３
３１ａに傾斜角がある場合の反射光１７２及び１７３
が、ハーフミラー３０４で反射されてセンサー１１１上
にスポット像を結ぶ位置を点Ｄ’及び点Ｅ’で示す。こ
のように点Ｄ’、点Ｅ’が測定されるとＣＤまたはＣＥ
の距離（光軸Ｘからのずれ量）がわかり、これより被測
定物３３１の表面３３１ａの傾斜を求めている。

【００６３】例えば図５に示されるように被測定物３３
１の光束の入射表面３３１ａが光軸Ｘ上の位置において
光軸Ｘと垂直の面に対し角度αだけ傾いているとする
と、スポット像からの反射光束は光軸Ｘに対し角度２α
をなす方向に中心を有して対物レンズ３０６に入射す
る。

【００６４】今、対物レンズ３０６が理想的なものであ
るとすると対物レンズ３０６に入射した光束は光軸Ｘと
平行に進行し、その光束中心は光軸Ｘからずれ量をｈと
したとき ｈ＝ｆ sin２α （ｆ：対物レンズ３０６の焦点距
離） だけ隔てられている。

【００６５】センサー１１１としては光束の重心位置検
知センサー、いわゆるポジショニングセンサー等が用い
られ、上記の光軸Ｘからのずれ量ｈを測定することによ
って角度αを求めている。しかしながら実際には対物レ
ンズ３０６には収差（主に球面収差）が残存している。

【００６６】本実施例では合焦状態判別光学系で得られ
る合焦情報が対物レンズ３０６の収差により影響を受け
るので、まず傾斜角測定光学系１６２で光束が対物レン
ズ３０６に入射する位置（入射高）を求め、この位置に
相当する収差量で合焦情報を補正し、被測定物３３１の
位置座標を高精度に求めていることを特徴としている。

【００６７】即ち、図４においてセンサー１１１上のス
ポット像の結像位置Ｄ’又はＥ’から、反射光１７２又
は１７３が対物レンズ３０６を透過した位置Ｄ又はＥが
求めている。

【００６８】対物レンズ３０６が完全な理想レンズ（無
収差レンズ）であれば、対物レンズ３０６と被測定物３
３１表面までの距離Ｌを合焦状態判別光学系３６１にて
一定に保つことができる。しかしながら実際の対物レン
ズ３０６においては収差が存在し、更に被測定物３３１
からの反射光が入射する位置によって収差が異なるた
め、対物レンズ３０６から被測定物３３１の表面３３１
ａまでの距離Ｌに合焦ずれがＸ軸方向に存在し、更にそ
の量は反射光が対物レンズ３０６に入射する位置によっ
て異なる。

【００６９】そこで本実施例ではあらかじめ対物レンズ
３０６において点Ｄ又は点Ｅのようなある位置の収差及
びそれに伴う合焦ずれ量を求めている。そして図１に示
すようにコンピュータによりそのずれ量で合焦状態判別
光学系３６１によって得られた合焦情報を補正すること
により、高精度に３次元形状を測定している。このとき
の補正は例えば真球原器を被測定物として用い、このと
きの傾斜角と合焦信号をテーブルにとり、このテーブル
を用いること等で対応している。

【００７０】具体的には以下の様にする。まず補正を行
なわない状態で合焦状態判別光学系３６１によって得ら
れた合焦情報により大まかにＡＦを行なう。これにより
傾斜角測定光学系１６２の測定が可能な状態になる。そ
こで傾斜角測定光学系１６２の検出データを用いて対物
レンズ３０６への光束入射位置を求め、収差データ及び
それに伴う合焦ずれ量データから合焦情報を補正し、正
確な３次元形状測定を行なう。

【００７１】図６は本発明の３次元形状測定装置の実施
例２の要部概略図である。図中、図１で示した要素と同
一要素には同符番を付している。

【００７２】図６において１１６１は合焦状態判別光学
系であり、１１６２は傾斜角測定光学系である。これら
の各光学系１１６１及び１１６２はケーシング３２１に
組み込まれている。

【００７３】本実施例における合焦状態判別光学系１１
６１において使用されているフォーカシング（合焦状
態）エラー検知方法は非点収差法と呼ばれているもので
あり、この点が図１の実施例１と異なっており、その他
の構成は基本的には同じである。

【００７４】尚、図６では被測定物３３１に入射する光
束が合焦状態にあるときを示している。図中１１０７は
シリンドリカルレンズ、１１０８，１１１１はセンサー
である。光学系１１６２における光源３０１、コリメー
ターレンズ３０２、偏光ビームスプリッター３０３、ハ
ーフミラー３０４、１／４波長板３０５及び対物レンズ
３０６は光学系１１６１と共用されている。

【００７５】次に本実施例の３次元形状測定装置におけ
る合焦状態判別光学系１１６１の合焦状態判別法につき
説明する。

【００７６】図６における合焦状態判別光学系１１６１
が図１の実施例１における合焦状態判別光学系３６１と
異なるのは図６における被測定物３３１からの反射光１
１７２が偏光ビームスプリッター３０３で反射した後の
部分だけである。

【００７７】従って、以下この部分の説明をし、図６に
おいて入射光１１７１が光源３０１から出て被測定物３
３１で反射され、偏光ビームスプリッター３０３に入射
するまでのところは省略する。

【００７８】図６において反射光１１７２は偏光ビーム
スプリッター３０３で反射された後、シリンドリカルレ
ンズ１１０７に入射する。シリンドリカルレンズは図６
に示すとおりある一方向にのみ曲率を持つレンズである
ので、入射された光束は紙面直交方向にのみ収束され、
紙面内方向は収束されずそのまま透過する。

【００７９】入射光束はシリンドリカルレンズ１１０７
を透過した後センサー１１０８に到達する。センサー１
１０８は被測定物が傾斜角を有する際にも対応できる２
次元エリアセンサーを用いている。その際、図６に示す
ようにスポット像の横の長さＷ１と縦の長さＷ２が等し
くなるようにセンサー１１０８の位置を設定している。
言い換えればスポット像が円形になるようにしておく。

【００８０】信号処理法としては例えばセンサー１１０
８面に対して水平、垂直各方向に輝度信号積算し、おお
むねガウシアンビーム形状の波形からｅ^-2の径を算出
し、それをスポット像の径とする方法が用いられる。以
上より完全に合焦状態である場合は合焦状態判別光学系
１１６１から得られる信号を（Ｗ１−Ｗ２）とすると、
その値は０になる。

【００８１】次に、完全に合焦状態でない場合の光路図
を図７，図８に示す。

【００８２】図７が後ピント外れ状態、図８が前ピント
外れ状態である。これは両方ともに対物レンズ３０６と
被測定物３３１との距離が一定でなく、反射光１１７２
が再び対物レンズ３０６を透過した後、光束がＸ軸に対
して平行にならないために生ずる。そのため、図７，図
８に示すようにセンサー１１０８上のスポット像は円形
にならない。つまりこのような場合はセンサー１１０８
から得られる信号（Ｗ１−Ｗ２）の値は０にならず、図
７の後ピント外れ状態のときはプラス、図８の前ピント
外れ状態のときはマイナスの値として出力される。

【００８３】従ってこのときの出力信号（Ｗ１−Ｗ２）
に基づき、信号（Ｗ１−Ｗ２）を０にするようにアクチ
ュエーター３４１をサーボ駆動させることにより、自動
フォーカシング（ＡＦ）を実現している。この際のケー
シング３２１の移動量を測長手段３５０で測定すること
により、被測定物３３１の表面３３１ａの光軸Ｘと交わ
る部分の位置を測定している。この位置測定を表面全体
について行なうことにより３次元形状を測定している。

【００８４】傾斜角測定光学系１１６２の傾斜角測定法
と３次元形状測定装置の信号（ＤＡＴＡ）の流れについ
ては図１の実施例１で述べたのと同様であるので省略す
る。

【００８５】図９（Ａ），（Ｂ）は本発明の３次元形状
測定装置の実施例３の要部概略図である。図中、図１で
示した要素と同一要素には同符番を付している。

【００８６】図９（Ａ）において１４６１は合焦状態判
別光学系であり、１４６２は傾斜角測定光学系である。
これらの各光学系１４６１及び１４６２はケーシング３
２１に組み込まれている。

【００８７】本実施例における合焦状態判別光学系１４
６１において使用されているフォーカシング（合焦状
態）エラー検知方法は同心円法と呼ばれているものであ
り、この点が図１の実施例１と異なり、その他の構成は
基本的に同じである。尚、図９（Ａ）では被測定物３３
１に入射する光束が合焦状態にあるときを示している。

【００８８】図中１４０８，１４１１はセンサーであ
る。光学系１４６２における光源３０１、コリメーター
レンズ３０２、偏光ビームスプリッター３０３、ハーフ
ミラー３０４、１／４波長板３０５及び対物レンズ３０
６は光学系１４６１と共用されている。

【００８９】次に本実施例の３次元形状測定装置におけ
る合焦状態判別光学系１４６１の合焦状態判別法につき
説明する。

【００９０】図９（Ａ）における合焦状態判別光学系１
４６１が図１の実施例１における合焦状態判別光学系３
６１と異なるのは図９（Ａ）における被測定物３３１か
らの反射光１４７２がセンサーレンズ３０７を透過した
後の部分だけである。従って以下はこの部分の説明を
し、図９（Ａ）において入射光１４７１が光源３０１か
ら出て被測定物３３１で反射され、偏光ビームスプリッ
ター３０３で反射されるところまでは省略する。

【００９１】図９（Ａ）において、センサーレンズ３０
７を透過した光束はセンサー１４０８に向かって収束し
ていきセンサー１４０８面上にスポット像を結ぶ。セン
サー１４０８面は被測定物３３１に対して完全合焦状態
であるか、又は後ピント外れ状態、前ピント外れ状態で
あるかを正しく認識させるために、Ｙ軸とセンサーレン
ズ３０７を出た収束光との交点からＹ軸方向の前後にや
や離れた位置に設置している。

【００９２】図９（Ａ）にはセンサー１４０８面が交点
からややセンサーレンズ３０７側へ離れた位置にある場
合を示す。

【００９３】今、図９（Ｂ）に示すようにセンサー１４
０８面上に結像した光束のスポットをＨ、そのスポット
Ｈから算出された光束の重心をＧとする。被測定物３３
１の表面３３１ａの傾斜角が変化すると重心Ｇも移動す
る。その信号処理法としては例えばセンサー１４０８に
２次元エリアセンサーを使用してセンサー１４０８面に
対して水平、垂直各方向に輝度信号を積算し、おおむね
ガウシアンビーム形状の波形からｅ^-2の径を算出して、
それをスポットＨとし、そのスポットＨの強度分布から
重心Ｇを求める方法を用いている。

【００９４】更にセンサー１４０８面上において実際に
信号を取るエリアとして重心Ｇから半径ＲＩ内のＩ、重
心Ｇから半径ＲＪ１から半径ＲＪ２までのＪというエリ
アを考える。ここでは、ＲＩ＜ＲＪ１として示したがこ
れは任意で良い。

【００９５】次にスポットＨと２つのエリアが重なって
いる部分、つまりスポットＨによって信号を取るエリア
をＩ×Ｈ、Ｊ×Ｈとし、センサー１４０８から出力され
る信号を（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）とする。

【００９６】図９（Ａ）は前述のとおり被測定物３３１
へ合焦が完全になされている場合であるが、その際、出
力信号（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）の値を０にしておく。つま
り、合焦が完全になされている場合は合焦状態判別光学
系１４６１から得られる出力信号（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）の
値は０となる。

【００９７】次に完全に合焦状態でない場合の光路図を
図１０，図１１に示す。

【００９８】図１０が後ピント外れ状態、図１１が前ピ
ント外れ状態である。これも（実施例２）と同様、両方
ともに対物レンズ３０６と被測定物３３１との距離が一
定でなく、反射光１４７２が再び対物レンズ３０６を透
過した後、光束がＸ軸に対して平行にならないために生
ずる。そのため、図１０，図１１に示すようにスポット
Ｈの大きさは完全合焦時と比較して小さくなったり、大
きくなったりする。

【００９９】本実施例においてはセンサー１４０８から
の出力信号（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）は図１０（後ピント外れ
状態）の場合プラス、図１１（前ピント外れ状態）の場
合マイナスの値として出力される。

【０１００】従ってこの出力に基づき、これを０にする
ようにアクチュエータ３４１をサーボ駆動させることに
より、自動フォーカシング（ＡＦ）が実現している。こ
の際のケーシング３２１の移動量を測長手段３５０で測
定することにより、被測定物３３１の表面３３１ａの光
軸Ｘと交わる部分の位置を測定している。この位置測定
を表面全体について行なうことにより３次元形状を測定
している。

【０１０１】傾斜角測定光学系１４６２の傾斜角測定法
と３次元形状測定装置の信号（ＤＡＴＡ）の流れについ
ては実施例１で述べたのと同様であるので省略する。

【０１０２】図１２は本発明の３次元形状測定装置の実
施例４の要部概略図である。図中、図１で示した要素と
同一要素には同符番を付している。

【０１０３】図１２において１７６１は合焦状態判別光
学系であり、１７６２は傾斜角測定光学系であるが本実
施例では両方ともに全く同じ光学系を使用している点が
図１の実施例１と異なり、その他の構成は基本的には同
じである。

【０１０４】即ち、本実施例における合焦状態判別光学
系１７６１は図１の実施例１の合焦状態判別光学系３６
１に比べて被測定物３３１からの反射光１７２（１７
３）を分岐させる為のハーフミラー３０４とセンサー１
１１を用いていないだけである。

【０１０５】図１２において光学系１７６１及び１７６
２はケーシング３２１に組み込まれている。合焦状態判
別光学系１７６１において使用されているフォーカシン
グ（合焦状態）エラー検知方法はウォブリング法と呼ば
れている方法を用いている。

【０１０６】又、被測定物３３１の傾斜角の測定はセン
サー３０８をＹ軸方向に微小振動させて行なっている。
この為、合焦状態を判別する際、センサー３０８の表面
の位置がセンサーレンズ３０７を透過した収束光がＹ軸
と交わる点にあるときに信号を得るようにしている。

【０１０７】次に、傾斜角測定光学系１７６２の傾斜角
測定法について説明する。

【０１０８】図１２において光源３０１から射出した光
束は偏光ビームスプリッター３０１、１／４波長板３０
５を通過した後、対物レンズ３０６で集光され被測定物
３３１に入射している。被測定物３３１で反射し、対物
レンズ３０６で集光された光束は１／４波長板３０５を
通過し偏光ビームスプリッター３０３で反射し、センサ
ーレンズ３０７で集光されてセンサー３０８に入射す
る。

【０１０９】本実施例ではこのとき被測定物３３１から
の反射光１７７２，１７７３がセンサーレンズ３０７を
透過した後、センサー３０８に向かって収束していく
が、その際、センサー面３０８ａを収束光とＹ軸との交
点を中心にしてＹ軸方向に微小振動（ウォブリング）さ
せている。これより図１３の矢視図に示すようにスポッ
ト像が時間的に変化する。

【０１１０】図１３においてＸ’軸とＺ’軸との交点が
収束光とＹ軸との交点を示しているがこの位置には最も
小さいスポット像を結び、センサー端にいくに従ってス
ポット像はだんだん大きくなる。

【０１１１】時間変化によるスポット像重心の軌跡は
Ｘ’軸とＺ’軸との交点を通る直線となり、この直線と
Ｚ’軸とのなす角γ１、γ２を算出することにより被測
定物表面の傾斜角を算出している。

【０１１２】次に３次元形状測定装置の信号（ＤＡＴ
Ａ）の流れについては実施例１では合焦状態判別光学系
と傾斜角測定光学系の２つの光学系を持ち、それぞれの
光学系にあるセンサー２つから信号を得ていた。

【０１１３】これに対して本実施例では図１２における
光学系が合焦状態判別光学系１７６１と傾斜角測定光学
系１７６２両方を兼ねて１つのセンサー３０８から両方
の信号を得ているところが異なっているが、その後の信
号処理の方法は実施例１と同じである。

【０１１４】図１４，図１５は本発明の３次元形状測定
装置の実施例５の要部概略図と要部外観図である。図
中、図１で示した要素と同一要素には同符番を付してい
る。

【０１１５】本実施例ではケーシング３２１内の傾斜角
測定光学系１６２により被測定物３３１との相対角度を
検出し、該検出信号に基づいてケーシング３２１を回転
させ前記相対角度を０にしてから対物レンズ３０６の球
面収差の影響を受けない状態で被測定物３３１の３次元
形状を測定することを特徴としている。

【０１１６】図中、３６１は合焦状態判別光学系であ
り、１６２は傾斜角測定光学系である。これらの各光学
系３６１及び１６２はケーシング（光プローブ）３２１
に組み込まれている。

【０１１７】合焦状態判別光学系３６１は光源３０１、
コリメータレンズ３０２、偏光ビームスプリッター３０
３、ハーフミラー３０４、１／４波長板３０５、対物レ
ンズ３０６、センサーレンズ３０７そしてセンサー３０
８を有している。

【０１１８】傾斜角測定光学系１６２は光源３０１、コ
リメーターレンズ３０２、偏光ビームスプリッター３０
３、ハーフミラー３０４、１／４波長板３０５、対物レ
ンズ３０６、そしてセンサー１１１を有している。これ
ら２つの光学系は各々一部の要素を共有するようにして
構成している。

【０１１９】ケーシング３２１は外部に固定されたアク
チュエータ３４１に接続されている。アクチュエーター
３４１を駆動させることによりケーシング３２１は光プ
ローブから被測定物３３１の表面への集光点を中心にし
てＸ軸回りの回転θｘ方向とＹ軸回りの回転θｙ方向に
回転している。

【０１２０】ケーシング３２１には、又前記回転角を測
定するための測角手段１９０が付設されている。測角手
段１９０としては例えば格子干渉方式によるものが用い
られ、この場合、図１４における１９１はケーシング３
２１に固定された基準格子であり、１９２は外部に固定
された格子ピッチ読み取り装置である。

【０１２１】又、３３１は被測定物、１８１は該被測定
物を固定するステージを示す。ステージ１８１は外部に
固設されたアクチュエーター１８２に接続されている。
該アクチュエーター１８２を駆動させることによりステ
ージ１８１はＺ方向に移動することができる。

【０１２２】ステージ１８１には、又その移動量を測定
し被測定物３３１のＸ，Ｙ座標を得るための測長手段１
５０が付設されている。測長手段１５０としては例えば
格子干渉方式によるものが用いられ、この場合図１４に
おける１５１はステージ１８１に固定された基準格子で
あり、１５２は外部に固設されたピッチ読み取り装置で
ある。

【０１２３】次に本実施例の３次元形状測定装置の傾斜
角測定光学系１６２における光プローブと被測定物３３
１との相対角度θｘ，θｙの検出方法及び該相対角度θ
ｘ，θｙを０にする方法について説明する。

【０１２４】まず合焦状態判別光学系３６１によってお
おまかにＡＦを行う。粗くＡＦが完了した状態で以下の
様な処理を行う。

【０１２５】光源３０１から発せられた光はコリメータ
レンズ３０２を透過した後、平行光束となって偏光ビー
ムスプリッター３０３、ハーフミラー３０４、１／４波
長板３０５を透過し、対物レンズ３０６により収束され
被測定物３３１の表面に集光する。被測定物３３１の表
面３３１ａで反射された光は再び対物レンズ３０６、１
／４波長板３０５を透過し、ハーフミラー３０４で反射
されてセンサー１１１に到達する。

【０１２６】この際、光プローブと被測定物３３１との
なす角θｘ，θｙが０であればセンサー１１１上には図
１４におけるＸ２軸とセンサー１１１面との交点を中心
とした円形にスポット像を結ぶ。前記θｘ，θｙが０で
ない場合にはスポット像はセンサー１１１上の別の場所
に像を結ぶので、スポット像の位置を検出しこのスポッ
ト像の中心座標がＸ２軸とセンサー１１１面との交点に
なるようにアクチュエーター３４１にフィードバックを
かけ光プローブをθｘ方向、θｙ方向に回転させてい
る。又この光プローブの回転角は測角手段１９０で測定
している。

【０１２７】次に前記３次元形状測定装置における合焦
状態判別光学系３６１の合焦状態判別法につき、以下説
明する。

【０１２８】図１４において被測定物３３１で反射した
光は再び対物レンズ３０６、１／４波長板３０５を透過
する。このときすでに光プローブと被測定物３３１との
相対角度が０となるように設定しているので反射光は対
物レンズ３０６の同じ場所を透過することになる。この
ために対物レンズ３０６の球面収差の影響を受けない。

【０１２９】さて反射光はハーフミラー３０４で反射さ
れてセンサー１１１に到達するほか、ハーフミラー３０
４を透過してビームスプリッター３０３で反射され、セ
ンサーレンズ３０７を透過した後、センサー３０８上に
スポット像を結ぶ。

【０１３０】センサー３０８面は被測定物３３１に対し
て完全合焦状態であるか、又は後ピント外れ状態、前ピ
ント外れ状態であるかを正しく認識させるためにＸ１軸
とセンサーレンズ３０７を出た収束光との交点からＸ１
軸方向の前後にやや離れた位置に設置するのが望まし
い。図１４にはセンサー３０８面が交点からややセンサ
ーレンズ３０７側へ離れた位置にある場合を示す。

【０１３１】今、図１６（Ａ）に示すようにセンサー３
０８面上に結像したスポットをＨとする。信号処理法の
一つとしては例えばセンサー３０８に２次元エリアセン
サーを使用してセンサー３０８面に対して水平、垂直各
方向に輝度信号を積算し、おおむねガウシアンビーム形
状の波形からｅ^-2の径を算出して、所定値との差を信号
とする方法がある。

【０１３２】又、別の方法としてセンサー３０８面上に
おいて実際に信号を取るエリアとしてＸ１軸とセンサー
３０８面との交点から半径ＲＩ内のＩ、重心Ｇから半径
ＲＪ１からＲＪ２までのＪというエリアを考える。ここ
では、ＲＩ＜ＲＪ１として示したがこれは任意で良い。

【０１３３】次にスポットＨと２つのエリアが重なって
いる部分、つまりスポットＨによって信号を取るエリア
をＩ×Ｈ，Ｊ×Ｈとし、センサー３０８から出力される
信号を（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）としても良い。

【０１３４】より詳しく説明すると図１４は前述のとお
り被測定物３３１へ合焦が完全になされている場合であ
るが、その際、出力信号（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）の値を０に
しておく。つまり、合焦が完全になされている場合は合
焦状態判別光学系３６１から得られる出力信号（Ｉ×Ｈ
−Ｊ×Ｈ）の値は０となる。

【０１３５】次に完全に合焦状態でない場合の光路図を
図１７，図１８に示す。図１７が後ピント外れ状態、図
１８が前ピント外れ状態である。これは両方ともに対物
レンズ３０６と被測定物３３１との距離が一定でなく、
反射光１７２が再び対物レンズ３０６を透過した後、光
束がＺ軸に対して平行にならないために生ずる。そのた
め、図１７，図１８に示すようにスポットＨの大きさは
完全合焦時と比較して小さくなったり、大きくなったり
する。

【０１３６】本実施例においてはセンサー３０８からの
出力信号（Ｉ×Ｈ−Ｊ×Ｈ）は図１７（後ピント外れ状
態）の場合プラス、図１８（前ピント外れ状態）の場合
マイナスの値として出力される。

【０１３７】従ってこの出力に基づき、これを０にする
ようにアクチュエーター１８２をサーボ駆動させること
により、自動フォーカシング（ＡＦ）が実現している。
この際のステージ１８１の移動量を測長手段１５０で測
定することにより、被測定物３３１の表面の光軸Ｚと交
わる位置を測定している。

【０１３８】本実施例ではステージ１８１をＺ方向に駆
動させる場合について説明をしたが、光プローブをＺ方
向に駆動させ、その移動量を測長し、被測定物３３１表
面の光軸Ｚと交わる位置を測定しても良い。この位置測
定を繰り返すことにより３次元形状を測定している。

【０１３９】更に３次元形状をより精度良く測定する方
法について説明する。

【０１４０】前述のとおり光プローブと被測定物３３１
とのなす相対角度θｘ，θｙが傾斜角測定光学系１６２
から検出され、０になるようにアクチュエーター３４１
にフィードバックされ光プローブが被測定物３３１への
集光点を中心にして回転する。このとき図１６（Ｂ）に
示すように回転の軌跡１９６は理論上の軌跡１９５と異
なり、完全な球面になっていないと考えられる。

【０１４１】そこで予め光プローブの実際の軌跡を例え
ば触針式プローブを用いた方法などで求めておき、又光
プローブの回転角を測角手段１９０で求め、回転角θ
ｘ，θｙと理論上と実際の軌跡のずれ量δＬを表にして
おき、後に３次元形状のデータを補正することによっ
て、より精度の良い３次元形状を得ている。

【０１４２】

【発明の効果】本発明によれば以上のように傾斜角測定
光学系によって得られた情報からレンズの収差による誤
差情報を求め、その誤差情報で合焦状態判別光学系によ
って得られた距離情報を補正することにより、又は傾斜
角測定光学系によって光プローブと被測定物との相対的
角度を検出し、この相対角度を調整するように光プロー
ブを回転させ、その後に合焦状態判別光学系によって合
焦状態を判別することにより、又は光プローブの回転角
度と光プローブの実際の回転の軌跡と理論上の軌跡との
ずれ量を予め表にしておき、この表を参照し得られた３
次元形状を補正することにより従来の光プローブを使用
した３次元形状測定装置では対物レンズに残存する収差
の影響で、傾斜角の大きい被測定物に対しては計測精度
が劣化するという欠点を改良し、高精度に３次元形状を
測定することができる３次元形状測定装置及びそれを用
いた３次元形状測定方法を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の３次元形状測定装置の実施例１の要
部概略図

【図２】 図１の一部分の説明図

【図３】 図１の信号処理の出力波形の説明図

【図４】 図１の一部分の説明図

【図５】 図１の一部分の説明図

【図６】 本発明の３次元形状測定装置の実施例２の要
部概略図

【図７】 図６における非合焦のときの説明図

【図８】 図６における非合焦のときの説明図

【図９】 本発明の３次元形状測定装置の実施例３の要
部概略図

【図１０】 図９における非合焦のときの説明図

【図１１】 図９における非合焦のときの説明図

【図１２】 本発明の３次元形状測定装置の実施例４の
要部概略図

【図１３】 図１２の一部分の説明図

【図１４】 本発明の３次元形状測定装置の実施例５の
要部概略図

【図１５】 本発明の３次元形状測定装置の実施例５の
要部外観図

【図１６】 図１４の一部分の説明図

【図１７】 図１４の一部分の説明図

【図１８】 図１４の一部分の説明図

【図１９】 従来の３次元形状測定装置の要部概略図

【図２０】 図１９の一部分の説明図

【図２１】 図１９の一部分の説明図

【符号の説明】 ３６１ 合焦状態判別光学系 １６２ 傾斜角測定光学系 ３０１ 光源 ３０２ コリメーターレンズ ３０３ 偏光ビームスプリッター ３０４ ハーフミラー ３０５ １／４波長板 ３０６ 対物レンズ ３０８ 第１受光手段 １１１ 第２受光手段 ３２１ ケーシング ３４１ アクチュエーター ３５０ 測長手段 ３３１ 被測定物

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光プローブ内の投光手段からの光束を被
   測定物に投射し、該被測定物からの反射光束を第１受光
   手段で受光し、該第１受光手段からの信号を利用して該
   光プローブの所定面から該被測定物までの距離を検出す
   る合焦状態判別系と、該被測定物からの反射光束を第２
   受光手段で受光し、該第２受光手段からの信号を利用し
   て該投光手段からの光束の該被測定物への入射面の傾き
   を検出する傾斜角測定系とを有し、該合焦状態判別系と
   傾斜角測定系で得られる信号を利用して該被測定物の３
   次元形状を求める際、該合焦状態判別系は該傾斜角測定
   系で得られる信号に基づいて合焦情報を補正する補正手
   段を有していることを特徴とする３次元形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記合焦状態判別系の少なくとも一つの
   要素は前記投光手段の光軸方向に移動可能となっている
   ことを特徴とする請求項１の３次元形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記投光手段は前記被測定物に光束を投
   射すると共に該被測定物からの反射光束を集光する対物
   レンズを有しており、前記傾斜角測定系は該被測定物か
   らの反射光束の該対物レンズへの入射情報を求めてお
   り、前記補正手段は該傾斜角測定系で得られた該対物レ
   ンズへの入射情報に基づいて合焦情報を補正しているこ
   とを特徴とする請求項１の３次元形状測定装置。
4. 【請求項４】 光プローブ内の投光手段からの光束を被
   測定物に投射し、該被測定物からの反射光束を第２受光
   手段で受光し、該第２受光手段からの信号を利用して該
   被測定物への光束の入射面の傾きを検出し、該傾き検出
   に基づいて入射面と光プローブとの相対的な傾斜角を一
   定に調整させ、次いで該被測定物からの反射光束を第１
   受光手段で受光し、該第１受光手段からの信号を利用し
   て該光プローブの所定面から該被測定物までの距離情報
   を検出し、該被測定物の３次元形状を求めたことを特徴
   とする３次元形状測定方法。
5. 【請求項５】 前記光プローブの一部にエンコーダを設
   け、該エンコーダにより該光プローブの回転角を検出
   し、該回転角における理論上の光プローブの位置と実際
   の光プローブの位置とのずれ量を予め求めておいたテー
   ブルを参照して求め、該ずれ量に基づいて前記距離情報
   を補正していることを特徴とする請求項４の３次元形状
   測定方法。