CN102124299A - 形状、倾斜度检测和/或计测光学装置和方法及其关联装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够利用简单的结构对外界干扰较强的包含人体的物体表面的倾斜角进行精密计测的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置；光学形状、倾斜度检测和/或计测法；以及圆偏振光照明装置。利用物体表面的反射光学特性对观察物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或计测的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置具有：照明装置，其以包围该物体的周边的方式使实质上已知的完全偏振状态的光同样入射；以及偏振光图像检测装置，其对被该物体的表面正反射而以特定方位角射出的光线群的完全偏振光分量的偏振光椭圆进行检测，针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面，通过根据偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位的步骤1、以及根据偏振光椭圆的椭圆率理论值得知入射角度的步骤2，测定反射面相对于射出光线的倾斜角，同样操作来构成光学形状、倾斜度检测和/或计测法。

Description

形状、倾斜度检测和/或计测光学装置和方法及其关联装置

技术领域

本发明涉及形状、倾斜度检测和/或计测光学装置以及物体信息的提取法。特别地，本发明涉及适用于形状计测显微镜、生物显微镜、形状计测望远镜、医疗诊断装置、乳房X线照相装置、倾斜传感器等的观察样本的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置以及物体信息的提取法。并且，本发明涉及圆偏振光照明装置和方法，特别地，涉及适用于形状计测照相机、生物显微镜、形状计测望远镜、圆筒等的内表面形状计测装置、非球面形状计测装置、乳房X线照相装置、倾斜传感器等的观察样本的圆偏振光照明装置。

背景技术

在通过显微观测对活体样本等样本的形态进行计测的情况下，利用适当的照明光对三维形状的样本进行照明，通过显微光学系统对像进行放大投影。该情况下，投影面是CCD检测器等的二维面，一般地，与样本的厚度方向的形状有关的信息丢失。特别地，作为通过设法能够强调该二维性而得到多张厚度方向剖面的二维图像来再构建三维图像的显微镜，共焦点显微镜(confocal microscope)已经实用化[高田邦昭编、“初めてでもできゐ共焦点顕微鏡活用プロトコ一ル”、羊土社、2003年12月発行、ISBN：9784897064130(非专利文献1)、国際公開第WO2004/036284号パンフレット(专利文献1)]。但是，在该方法中，以时间序列逐次对多个样本深度下的二维像进行摄像是必不可少的，以样本在观测时间内没有变形为前提。

并且，设法利用特殊结构、通过高速扫描二维像的强度分布、或利用阵列检测器进行同步检测的方法实现了高速化，但是，不仅使装置大型化，还使摄像条件和环境复杂化，所以，为了得到稳定的动作，需要较大成本。

另一方面，作为能够对物体表面的形状及其变化进行精密计测的方法，各种干涉计测法已经实用化。但是，在这些方法中，一般地，对光路进行分割而形成观测光和参照光，对其光路差进行控制，生成干涉条纹，从而对光路长度进行计测。因此，计测值由于各个光路中的外界干扰而受到影响，所以，除振对策或温度变动去除等需要准备特殊的环境，在通常的环境下无法应用。并且，根据光路方向的距离来计算形状，所以，以由等高线表示的地形图的样式来表现形状。因此，无法直接对表面形状、特别是表面倾斜进行计测。进而，在人体表面的形状中，莫尔地形测量学等的条纹投影法已经实用化，但是，计测精度低到1mm左右。在利用了全息照相的干涉法中，感光度高，但是手续复杂。

进而，在机器人学应用中开发了如下的计测法：利用非偏振光对物体形状进行照明，利用在透明物体表面的偏振角反射中产生偏斜、即反射光的s偏振光分量比p偏振光分量多的性质，识别物体的形状[Recovery of Surface Orientation From DiffusePolarization，G.Atkinson and E.R.Hancock，IEEE Transaction of Image Processing，Vol.15，No.6，June 2006(非专利文献2)]。在机器人学应用中，意识到实用，以自然光(非偏振光)的照明为前提，形状识别的偏振光计测属于对部分偏振光进行计测的偏振测定法(Polarimetry)计测。另外，在初期的越川的开发中，采用了圆偏振光照明[A Polarimetric Approach to Shape Understanding of Glossy Objects，K.Koshikawa，Proc.Int.Joint Conf.Art.Intell.，pp.493-495(1979)(非专利文献3)、特公昭61-17281号公報“光沢面方向検知方法”(专利文献2)]。但是，计测法是对部分偏振光进行处理的偏振测定法计测，在原理上，在透明体中得到计测感光度，但是在金属面中无法得到感光度，所以，此后的开发缩小为在非偏振光照明下对偏振度进行计测的简便计测。

这些方法在透明体中实现了形状再现，但是，计测角度的精度为几度左右。并且，在金属样本中，由于偏振角，p偏振光分量的反射不为零而仅取极小值，所以，反射强度之差小，在原理上无法应用。

偏振光(polarization)是电场和磁场在特定方向具有偏斜而振动的光。以偏斜的时间变化的形状进行区分时，偏振光一般为椭圆偏振光，但是，也存在线偏振光、圆偏振光。然而，光是电磁波，电磁场是与行进方向垂直振动的横波，在线偏振光中，电场(和磁场)的振动方向恒定，线偏振光的振动面指向电场的方向。在圆偏振光中，电场(和磁场)的振动伴随传播而描绘圆，根据旋转方向而存在右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。椭圆偏振光是由线偏振光和圆偏振光的一次耦合来表现的最一般的偏振状态，电场(和磁场)的振动与时间相关地描绘椭圆。椭圆偏振光也存在右椭圆偏振光和左椭圆偏振光。将电场分量与入射面垂直的光(电磁波)称为s波[与入射面垂直(senkrecht)，σ光]，而且，将电场分量与入射面平行的光(电磁波)称为p波[与入射面平行(parallel)，π光]，将朝向前进方向顺时针旋转的光称为左旋圆偏振光(从接受光的一侧观察为左旋)，而且，将朝向前进方向逆时针旋转的光称为右旋圆偏振光(从接受光的一侧观察为右旋)。特别地，将偏斜的时间变化的形状仅决定为一个形状的偏振光称为完全偏振光。并且，将不具有偏斜的非偏振光和完全偏振光之和称为部分偏振光。

与偏振测定法相对比，作为得到高计测精度的偏振光计测方法，存在椭圆偏振法(ellipsometry)。在偏振测定法中，对包含伴随光的散射等的非偏振光分量的部分偏振光进行计测。另一方面，在椭圆偏振法中，为了对不产生散射的程度的平滑表面的反射进行处理，将表示完全偏振光的偏振状态的偏振光椭圆的形状作为计测对象，所以计测精度高。关于偏振光的测定和分析法，能够参照山本正樹、“偏光測定と偏光分析法”、小瀬輝次他编、“光工学ハンドブック”、朝倉書店、1986、pp.411-427(非专利文献4)；以及小澤祐市、佐藤俊一、“軸对称偏光ビ一ム”、光学、35卷12号(2006)、pp.9-18(非专利文献5)。

作为以光学方式对物体的三维形状进行计测的方法，各种干涉计测法、莫尔地形测量学等的条纹投影法、或共焦点显微镜观察法已经广泛实用化。在这些光计测法中，基本上通过距离计测，以由等高线表示的地形图的样式来构建形状。作为与距离计测无关的计测法，在机器人学领域中，在非偏振光照明下利用物体表面的散射光的“偏斜”的三维形状的识别研究正在进展形状再构建成功[非专利文献6]。并且，还能够参照专利说明书[专利文献3：日本特开平11-211433号公报]。这些形状识别应用的计测原理是偏振测定法，例如，是利用了表示雪面的散射的“偏斜”的偏振度的倾斜角依赖性在水的偏振角下接近最大值1的性质的倾斜计测法。偏振度的计测精度停留在几％，所以，在现状下应用被限定为形状识别，但是，通过利用偏振光，从而直接读出“倾斜度”，表示能够以实际时间再构建物体形状。

该机器人学应用中的具有光泽的透明散射体的形状识别的研究在1979年由越川提出[非专利文献3、专利文献2：日本特公昭61-17281号公报]，在原理验证的实验中使用圆偏振光照明，但是，是基于散射样本的部分偏振光计测。因此，此后，在专门使用非偏振光照明对形状进行精密计测的方向没有发展。但是，在该机器人学应用中实际时间计测所需要的偏振光图像的检测中，偏振光照相机[非专利文献7]的开发有所进展，各种物体形状的提出的应用也有所进展。

另一方面，作为利用了偏振光的精密计测法，公知有椭圆偏振法。在椭圆偏振法中，将线偏振光作为探测器倾斜入射到平面样本，根据反射的偏振状态的变化对样本的光学性质和薄膜的厚度进行精密计测。在该椭圆偏振法领域中，公知有在精密计测中利用偏振光反射特性的入射角依赖性的主入射角法[非专利文献4]，但是，是对样本的光学特性进行计测的标准目的的方法，计测对象被限定为平面样本。

发明人通过基于主入射角法的偏振光分析法的发明[专利文献4：日本特公昭52-46825号公报、专利文献5：日本特公昭60-41732号公报、专利文献6：日本特公平2-16458号公报]与应用，熟知与反射的偏振状态的入射角依赖性有关的光学特性。

专利文献

专利文献1：国际公开第2004/036284号手册(WO2004/036284，A)

专利文献2：日本特公昭61-17281号公报

专利文献3：日本特开平11-211433号公报

专利文献4：日本特公昭52-46825号公报

专利文献5：日本特公昭60-41732号公报

专利文献6：日本特公平2-16458号公报

专利文献7：日本特愿2008-211895号

非专利文献

非专利文献1：高田邦昭编、“初めてでもできゐ共焦点顕微鏡活用プロトコ一ル”、羊土社、2003年12月発行、ISBN：9784897064130

非专利文献2：G.Atkinson and E.R.Hancock，″Recovery of Surface OrientationFrom Diffuse Polarization″，IEEE Transaction of Image Processing，Vol.15，No.6，pp.1653-1664，June 2006

非专利文献3：K.Koshikawa，″A Polarimetric Approach to Shape Understanding ofGlossy Objects″，Proc.Int.Joint Conf.Art.Intell.，pp.493-495(1979)

非专利文献4：山本正樹、“偏光測定と偏光分析法”、小瀬輝次他编、“光工学ハンドブック”、朝倉書店、1986、pp.411-427

非专利文献5：小澤祐市、佐藤俊一、“軸对称偏光ビ一ム”、光学、35卷12号(2006)、pp.9-18

非专利文献6：川上彰二郎、“積

型フォトニック结晶の產業的諸虑用”虑用物理、77，508-514(2008)

非专利文献7：“正反射によゐ物体表面の倾斜ェリプソメトリ--精密実時間形状計測ヘの基本概念-”、光学、Vol.38，No.4(2009)pp.204-212

非专利文献8：K.Kinoshita and M.Yamamoto，″Principal Angle-of-IncidenceEllipsometry″，Surf.Sci.56，64-75(1976)

用于测定物体的三维形状的现有的干涉法等的方法是对光路长度的变化、即距离的变化进行精密计测的几何学的三角测量法。例如，在计算倾斜度时，进行观测物体上的离开规定距离L的位置处的观测值的运算，所以，L的决定误差也成为倾斜度的误差。并且，观测到的光路长度在光的传播中容易受到外界干扰。

发明内容

本发明的目的在于，提供能够利用简单的结构对外界干扰较强的包含人体的物体表面的倾斜角进行精密的检测和/或计测的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置以及光学形状、倾斜度检测和/或计测法。并且，提供在该对物体形状进行计测的倾斜度、形状计测法中使用的能够确保计测精度的圆偏振光照明装置以及圆偏振光照明方法。

本发明人进行潜心研究的结果，成功发现了：在已知的具有偏振光椭圆的形状的完全偏振光被物质表面反射时，在光的电矢量的p分量和s分量中，振幅和相位的变化不同，所以，在反射光的完全偏振光分量的偏振光椭圆的形状变化这样的椭圆偏振法的原理中，如果利用(1)“偏振光椭圆的方位角变化的基准为入射面方位”，(2)“偏振光椭圆的椭圆率的变化相对于入射角为单调函数”的性质，则能够对反射光的偏振光椭圆进行计测，通过根据偏振光椭圆的方位角计测值得知入射面方位的步骤1、以及根据偏振光椭圆的椭圆率计测值在理论上计算入射角的步骤2，能够在理论上决定作为样本的物质表面中对入射光进行反射的微斜面、即切平面的倾斜度，可以设该观测物质的表面在观测视场内连续，所以，平滑地连接所决定的微斜面的倾斜度，从而能够再现三维形状，由此，完成了本发明。

本发明提供如下的方式。

[1]一种形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其利用物体的表面的反射光学特性对观察物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或计测，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置的特征在于，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置具有：照明装置，其以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态的偏振状态的光同样入射；以及偏振光图像检测装置，其对被该物体的表面正反射而以特定方位角射出的光线群的包含完全偏振光分量的偏振光分量的偏振光椭圆进行检测，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面，通过步骤1和步骤2测定反射面相对于射出光线的倾斜角，其中，在该步骤1中，根据偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位，在该步骤2中，根据包含偏振光椭圆的椭圆率理论值的偏振光椭圆的椭圆率值得知入射角。

[2]根据上述[1]所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态的偏振状态的光同样入射的照明装置照射包含完全圆偏振光的圆偏振光。

[3]根据上述[1]或[2]所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，在根据偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位的步骤1中，(1)根据包含偏振光椭圆的观测方位角理论值的偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位；或者(2)在以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态的偏振状态的光同样入射的照明装置中，切换入射右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，从而利用与物体的表面的反射光学特性无关而相对于入射面对称地切换包含反射偏振光椭圆的观测方位角理论值的反射偏振光椭圆的观测方位角值的性质，确定入射面方位。

[4]根据上述[1]～[3]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态的偏振状态的光同样入射的照明装置包含在空间上确定的入射光线作为计测基准原点，能够根据由偏振光图像检测装置确定的反射点中的偏振光椭圆的观测值，确定该反射面的光学性质。

[5]根据上述[1]～[4]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下机构：能够提取具有实质上相同的偏振光椭圆的光线群的方位角范围。

[6]根据上述[1]～[5]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下结构：将反射光在空间上分割为至少3个以上的多个，分配能够检测彼此不同的特定的偏振光椭圆的多个检偏镜，并行地同时检测偏振光椭圆。

[7]根据上述[1]～[6]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置具有垂直线偏振光像检测单元，该垂直线偏振光像检测单元利用偏振光分束器将反射光分割为直行的p偏振光分量和反射的s偏振光分量，通过成像透镜使其分别在二维检测器上成像，取出物体像作为垂直偏振光像输出。

[8]根据上述[1]～[7]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下机构：得到物体的缩小投影像，从而确定物体的表面的光线位置。

[9]根据上述[1]～[7]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下机构：得到物体的放大投影像，从而确定物体的表面的光线位置。

[10]根据上述[1]～[7]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下机构：具有准直仪，从而确定物体的表面的光线位置。

[11]根据上述[1]～[7]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下机构：将该装置实质上配置在无限远处，从而确定物体的表面的光线位置。

[12]根据上述[1]～[7]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下机构：具有针孔(pinhole)，从而确定物体的表面的光线位置。

[13]根据上述[1]～[12]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置是如下的包含乳房摄影设备的医疗诊断装置：将人体或包含乳房的人体的一部分作为检测和/或计测物体，对由于包含恶性肿瘤在内的各种病变而引起的表面倾斜角的异常变化进行检测确定。

[14]根据上述[1]～[13]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，通过患者包括在内的观察物体的包含姿势变化的力学处理，赋予基于规定应力的变形，对变形前后的倾斜角的变化进行检测和/或计测，从而提取力学特性。

[15]根据上述[1]～[14]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，设照明光为白色光，设为考虑了从包含皮肤的观察物体表面起的侵入深度与波长一起变化的实质的反射面，对该反射面的光学特性的变化进行检测和/或计测。

[16]一种光学形状、倾斜度检测和/或计测法，利用物体的表面的反射光学特性对观察物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或计测，该光学形状、倾斜度检测和/或计测法的特征在于，通过照明装置，以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态的偏振状态的光同样入射，利用偏振光图像检测装置，对被该物体的表面正反射而以特定方位角射出的光线群的包含完全偏振光分量的偏振光分量的偏振光椭圆进行检测，将该检测装置的光学系统的NA设为最大值还是针对偏振状态的计测精度的函数值，针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面，根据偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位、且根据包含偏振光椭圆的椭圆率理论值的偏振光椭圆的椭圆率值得知入射角，由此，测定反射面相对于射出光线的倾斜角，利用所测定的倾斜角在该物体的表面平滑变化的性质，提取物体信息。

[17]根据上述[16]所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，将人体或包含乳房在内的人体的一部分作为检测和/或计测物体，对由于包含恶性肿瘤在内的各种病变而引起的表面倾斜角的异常变化进行检测确定。

[18]根据上述[16]或[17]所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，通过包含将患者包括在内的观察物体的姿势变化的处理，赋予规定的变形，对变形前后的倾斜角的变化进行检测和/或计测。

[19]根据上述[16]～[18]中的任一项所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，设照明光为白色光，设为考虑了从包含皮肤的观察物体表面起的侵入深度与波长一起变化的实质的反射面，对该反射面的光学特性的变化进行检测和/或计测。

[20]一种形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，在利用物体的表面的反射光学特性对观察物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或计测的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置中具有：照明装置，其以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态的偏振状态的光同样入射；以及偏振光图像检测装置，其对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的包含完全偏振光分量的偏振光分量的偏振光椭圆进行检测，针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面即微斜面，根据偏振光椭圆的方位角得知入射面的方位角、即切平面的法线的方位角，而且，根据该偏振光椭圆的椭圆率得知反射角即入射角，由此，测定反射面相对于射出光线的倾斜角，进行平滑地连接构成切平面的微斜面的积分操作。

[21]根据上述[20]所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，利用一次反射所引起的偏振光椭圆的变化的入射角依赖性，关于观测物体表面的反射点处的切平面的法线，直接对与作为观测方向的轴构成的反射角以及对与该作为观测方向的轴垂直的平面的投影分量的偏角进行计测。

[22]根据上述[20]或[21]所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，决定作为观测方向的轴分量的坐标下的偏微分系数，作为观测物体表面的反射点的切平面的倾斜度。

[23]根据上述[20]～[22]中的任一项所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，对观测物体表面的反射点的切平面的法线的斜率进行计测，求出物体的反射点处的形状、倾斜度的偏微分系数，对该偏微分系数的时间变化和/或空间变化进行计测，直接利用所得到的计测值，提取形状的特征和/或倾斜度的特征。

[24]根据上述[20]～[23]中的任一项所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，利用椭圆偏振法，使用利用表示观测对象样本的光学性质的光学模型计算出的复振幅反射率比、以及由反射的偏振光椭圆的椭圆率角和主轴的方位角求出的值Ψ、Δ，对切平面的倾斜度以及观测物体的形状进行计测。

在基于上述的设样本的光学特性已知、样本表面的几何学方位未知的新发明、即使圆偏振光入射到构成物体表面的倾斜面、使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏振特性对该倾斜面的三维倾斜角和构成该倾斜面的该物体的形状、倾斜度进行计测的倾斜度、形状计测法的发明的计测法开发研究的过程中，对计测误差及其起因进行分析的结果发现了：通过采用新的结构来限定圆偏振光照明装置的方法，能够确保计测精度。即，通过本发明的圆偏振光装置，在发明人提出的基于3D倾斜椭圆偏振法的精密形状计测中，能够实现椭圆偏振法的计测精度＜1％。该精度大大改善了现有技术的偏振度计测的超高的几％。

进而，发明人发现了：基于3D倾斜椭圆偏振法的精密形状计测能够应用于无法应用现有的光学形状计测的、包含内表面的物体表面的形状、倾斜计测。特别地，发现了：针对圆筒状的物体内表面、甚至是封住一端后的圆筒状的物体内表面等的无法应用光学方法的对象，能够应用精密光学计测。

在发明人提出的基于3D倾斜椭圆偏振法的精密形状、倾斜计测中，排除了作为计测误差要因的圆偏振光照明光的不完全性，实现了所期待的椭圆偏振法的计测精度1％～0.1％。并且，能够进行包含内表面的物体表面的倾斜、形状的光学精密计测。

这样，本发明还提供如下的方式。

[25]一种圆偏振光照明装置，其用于对物体的形状或倾斜度进行计测的倾斜度、形状计测法，该圆偏振光照明装置的特征在于，该圆偏振光照明装置用于使圆偏振光入射到构成包含内表面的物体表面的倾斜面，使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏振特性，进行该倾斜面的三维倾斜角和构成该倾斜面的该物体的形状、倾斜度的计测，并且，该圆偏振光照明装置具有光源装置，该光源装置具有与该物体正对的由平面或曲面构成的圆形或矩形或者其组合的多面体形状的照明区段，该区段由包围物体的外表面的凹面或指向物体的内表面的凸面构成，能够通过该区段向该物体照射包含实质的完全圆偏振光的圆偏振光，并且，使入射到该物体的表面的圆偏振光光线群包含能够根据反射定律向观测方位正反射的所有入射光线分量。

[26]根据上述[25]所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，具有所述照明区段的光源装置按顺序包含光源、将光引导到该区段的光学元件以及圆起偏镜，该光源装置具有如下功能：能够从该区段射出包含规定偏振度的完全圆偏振光的圆偏振光，作为规定角度范围的入射角光线束。

[27]根据上述[25]或[26]所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，具有所述照明区段的光源装置能够对该物体照射实质上偏振度为99％以上的圆偏振光光束群。

[28]根据上述[25]～[27]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，所述光源装置的照明区段成为由与圆内切的正多边形中的任一个或者其组合构成的多面体区段。

[29]根据上述[25]～[28]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，所述光源装置以规定角度配置光纤元件，以垂直入射到照明区段。

[30]根据上述[25]～[29]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，具有所述照明区段的光源装置按顺序至少包含：排列有点发光源的实质的面光源和/或面发光光源以及圆起偏镜。

[31]根据上述[25]～[30]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，所述光源装置至少包含用于生成从一点发散的光束的光源机构和旋转椭圆体反射镜，以与该旋转椭圆体反射镜的焦点一致的方式配置该发散点和物体的位置，通过反射使照明光线收敛于物体，从而垂直入射到照明区段。

[32]根据上述[25]～[30]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，所述光源装置至少包含生成平行的照明光束的光源机构和旋转抛物面镜，以与该旋转抛物面镜的焦点一致的方式配置物体的位置，通过反射使照明光线收敛于物体，从而垂直入射到照明区段。

[33]根据上述[25]～[32]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，在所述光源装置的照明区段内具有照明角度原点基准。

[34]根据上述[25]～[33]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，该圆偏振光照明装置具有如下功能：以右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的形式在时间上或空间上选择照明光束的圆偏振状态。

[35]一种圆偏振光照明方法，用于如下的倾斜度、形状计测法：使圆偏振光入射到构成包含内表面的物体表面的倾斜面，使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏振特性，对该倾斜面的三维倾斜角和构成该倾斜面的该物体的形状或倾斜度进行计测，该圆偏振光照明方法的特征在于，使用具有照明区段的光源装置，通过该区段向该物体照射包含实质的完全圆偏振光的圆偏振光，使入射到该物体的表面的圆偏振光光线群包含能够根据反射定律向观测方位正反射的所有入射光线分量，其中，该照明区段与测定对象物体正对，且为由平面或曲面构成的圆形或矩形或者其组合的多面体形状，并且该照明区段由包围物体外表面的凹面或指向物体内表面的凸面构成。

根据本发明，能够对由显微镜、望远镜、投影装置等成像装置记录的物体的二维偏振光像进行分析，以0.01°～0.001°的精度对构成物体的表面的倾斜角(0°～90°)进行检测和/或计测。得到如下的三维形状、倾斜度检测和/或计测装置：利用物体表面平滑相连的性质时，能够使用所计测的倾斜角再构建物体的三维形状。并且，该装置不需要复杂的机构，是简便的三维形状、倾斜度检测和/或计测装置。

在本发明中，通过偏振光的反射直接观测反射面的倾斜角。基于反射的偏振状态的变化是在计测部中仅产生一次的现象。除了该反射现象以外，在光的传播中不产生偏振状态的变化。入射偏振光和反射后的射出偏振光均通过空气或液体等的各向同性且均一的介质，所以，在传播中光的偏振状态不产生变化。因此，不选择观测环境、也不受观测距离影响是最大的特征。

在本发明中，能够直接读出物体的倾斜度。能够精密且以非接触的方式观测倾斜的局部变化，所以，能够通过简单的图像处理进行各种应用。特别地，不选择环境，所以，能够提供显微镜下的毫微尺寸的样本的动力学计测、提取基于恶性肿瘤的乳房表面的局部凹陷等的人体等的医疗诊断、以及基于卫星图像的计测应用等、各种环境下的新颖的检测和/或计测装置，进而，能够广泛地应用该装置。

进而，根据本发明，得到能够良好地在三维形状、倾斜计测装置中使用的圆偏振光照明装置，该三维形状、倾斜计测装置能够对由偏振光照相机等记录的样本的二维偏振光像进行分析，对包含样本内表面的表面的三维倾斜和形状进行精密计测。特别地，得到实现了所期待的椭圆偏振法的计测精度1％～0.1％的结构。

通过以下记载，本领域技术人员能够明白本发明的其他目的、特征、优秀性及其所具有的观点。但是，包含以下记载和具体实施例等的记载在内的本案件说明书的记载示出本发明的优选方式，希望理解为仅是为了进行说明而示出的记载。根据以下记载和本说明书其他部分的知识，本领域技术人员能够容易地明白能够在本说明书所公开的本发明的意图和范围内进行各种变化和/或改变(或修饰)。在本说明书中引用的所有专利文献和参考文献是以说明为目的而引用的，应该理解它们作为本说明书的一部分，其内容包含在本说明书中。

附图说明

图1示出入射到球状样本的光线(粗线)在各反射点反射而向观测方位反射的状况。观测方位为z轴方向，在x-y平面进行反射的情况下，根据反射定律，描绘反射光线与z轴平行的状况。设样本是透明的。

图2示意地示出球状样本的观测面(为圆)以及该观测面即圆内部的观测点的光的偏振状态。偏振光的状态在图中用椭圆示出，但是，椭圆的主轴方位与入射面垂直。切平面的法线在与观测方向即z轴所成的角、即折射率n＝1.5的介质的偏振角

附近经由椭圆率ε＝0的线偏振光，所以，附加圆形阴影来示出该线偏振光的内侧区域(入射角小于某个特定介质的偏振角的区域)。在附加阴影的区域中为左旋的偏振光，阴影外侧的样本观测面周边部为右旋的偏振光。设样本是透明的。相当于样本为透明细胞等的情况。

图3示意地示出样本存在吸收时的与图2对应的球状样本的观测面以及该观测面即圆内部的观测点的光的偏振状态。偏振光的状态在图中用椭圆示出，但是，可知椭圆的方位角旋转规定量。相当于样本为铝等的吸收体等的情况。

图4示出对作为样本的折射率n＝1.5的玻璃存在于空气中时的入射角与偏振状态tanΨcosΔ和tanΨsinΔ的关系进行计算后的结果。相当于样本为透明细胞等的情况。

图5示出对作为样本的折射率n＝1.5的玻璃存在于空气中时的入射角与p-s偏振光分量的强度反射率的关系进行计算后的结果。相当于样本为透明细胞等的情况。

图6示出对样本为吸收体时的入射角与复振幅反射率比Rp/Rs的关系进行计算后的结果。假设将氧化后的铝表面作为样本，利用波长405nm(蓝色发光二极管波长)的复平面显示来示出。另外，由于存在吸收，所以复折射率为0.6-5.04i。相当于样本为金属等的情况。

图7示出对样本为吸收体时的入射角与复振幅反射率比Rp/Rs的Ψ和Δ的关系进行计算后的结果。假设将氧化后的铝表面作为样本，是波长405nm(蓝色发光二极管波长)的值。另外，由于存在吸收，所以复折射率为0.6-5.04i。相当于样本为金属等的情况。

图8示出对作为样本的铝(具有氧化后的铝表面)存在于空气中时的入射角与p-s偏振光分量的强度反射率的关系进行计算后的结果。另外，由于存在吸收，所以复折射率为0.6-5.04i。相当于样本为金属等的情况。是波长405nm(蓝色发光二极管波长)的值。

图9示出作为本发明的形状计测光学装置之一的形状计测望远镜的结构。利用最简单的基本结构示出装置。

图10示出作为本发明的形状计测光学装置之一的形状计测显微镜的结构。利用最简单的一个基本结构示出装置。

图11示出本发明的形状计测光学装置的一个结构。利用最简单的一个基本结构示出装置。

图12示出本发明的形状计测光学装置的一个结构例。

图13示出本发明的形状计测光学装置的另一个结构例。

图14示出作为本发明的形状计测光学装置之一的乳房摄影设备的结构例。

图15示出作为本发明的形状计测光学装置之一的乳房摄影设备的其他结构例。

图16示出在本发明中利用的垂直单元的一个结构。

图17示意地示出本发明的形状计测光学装置的一个结构例。

图18示意地示出本发明的形状计测光学装置的另一个结构例。

图19是说明将在二维面内规定的椭圆偏振法的概念扩展到包含三维物体的内表面的表面的正反射的情况的图。利用圆偏振光同样对物体表面进行照明，从z方向观测正反射光时，在从z方向观察到的表面内的任意反射点，存在满足反射定律的“明亮”正反射0次光分量光线。入射面被定义为包含入射光线和反射面的法线的面，与反射面垂直的法线矢量必定包含在入射面内，反射角(＝入射角)等于法线矢量与z轴所成的角，关于任意的在z方向前进的光线，如果能够决定入射面的方位角和入射角，则能够决定法线矢量。

图20示出在圆偏振光照明下从z方向观测的反射偏振光的椭圆。(a)示出基于电介质样本的反射的情况，(b)示出基于金属样本的反射的情况。

图21示出右旋圆偏振光入射的观测椭圆率角和入射角余弦的转换表。

图22示出在倾斜度、形状计测法的实验中使用的装置，该装置使圆偏振光入射到构成物体表面的倾斜面，使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏振特性，对该倾斜面的三维倾斜角和构成该倾斜面的该物体的形状进行计测。

图23在左侧和右侧并列示出使用图19的装置对角锥台和半球进行观测的结果。从上侧起，a)为椭圆率角观测值，b)为方位角观测值，c)为样本照片。

图24利用实线示出将起偏镜和检偏镜配置在一条直线上、将起偏镜的透射轴固定为方位角0°并设检偏镜的透射轴的方位为θ时的透射光的强度变化。利用虚线表示根据右侧纵轴的刻度以对数示出该强度变化后的值。

图25利用观测强度I的消光位置附近的方位角变化来示出基于各种消光率的起偏镜的马吕斯定律。

图26说明如下状况：利用复折射的相矢量的相位角在原理上示出入射角依赖性，但是，这种情况下，允许角度范围依赖于必要的精度而被限定。

图27示出针对平均折射率1.5、1.4、1.0计算相矢量的相位角与入射角的关系的例子。

图28示出在以规定精度生成完全圆偏振光时，需要使光线相对于偏振光元件的入射角或出射角收敛于规定的允许角度范围内，而且，设在表示允许角度的圆内内切的正多边形作为要素时，能够满足该条件。

图29示出在面发光光源中贴合圆起偏镜从而紧凑地构成的照明区段的一例。

图30示出在光源装置的照明区段内具有照明角度原点基准时的一例。

图31示出在光源装置中使与测定对象物体正对的正多边形成为照明区段的照明区域的结构例。

图32示出在光源装置中使与测定对象物体正对的正八面体成为照明区段的照明区域的结构中组合光纤光源的形态的结构的一例。

图33示出本发明的圆偏振光照明装置的一个具体例。

图34示出本发明的圆偏振光照明装置的另一个具体例。

图35示出基于本发明的内表面形状观察时的一个具体例。

图36示出基于本发明的内表面形状观察时的另一个具体例。

图37示出封住一端后的内表面形状观察时的基于本发明的一个具体例。

图38示出封住一端后的内表面形状观察时的基于本发明的另一个具体例。

图39以构成旋转抛物面的样本的内表面形状为例、示出内表面形状观察时的基于本发明的另一个具体例。

图40以构成旋转椭圆面的样本的内表面形状为例、示出内表面形状观察时的基于本发明的另一个具体例。

具体实施方式

本发明涉及形状、倾斜度检测和/或形状、倾斜度计测，特别地，涉及能够进行三维形状计测的光学装置以及包含三维信息的物体信息的提取法。特别地，本发明涉及适用于形状计测显微镜、生物显微镜、形状计测望远镜、医疗诊断装置、乳房X线照相装置、倾斜传感器等的观察样本的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置以及物体信息的提取法。

在本发明中，提供如下的对形状进行检测和/或计测的技术：在电场和磁场仅在特定方向进行振动的光即偏振光被物质表面反射时，在光的电矢量的p分量(电矢量与入射面平行的方向上的分量)和s分量(电矢量与入射面垂直的方向上的分量)中，振幅和相位的变化不同，由此，在反射光中，偏振状态变化，而且，如果利用(1)该“偏振状态变化的基准为入射面方位”，该偏振状态的变化(2)“相对于入射角为单调函数”的性质，则能够对反射光的偏振状态进行计测，能够根据计测值来计算入射面的方位和入射角，能够决定作为样本的物质表面中对入射光进行反射的微斜面、即切平面的倾斜度，然后，利用该观测物质的表面在观测视场内连续的性质，平滑地连接所决定的微斜面的倾斜度，从而再现三维形状。

在本发明中，提供如下技术：从周边对具有平滑表面(边界面)的样本物质(例如透明的球形细胞)同样照射具有被控制的已知偏斜(例如右旋圆偏振光)的偏振光，然后，通过从在空间上固定的观测方位观测该样本作为偏振光像，能够进行样本的形状、倾斜度检测和/或形状、倾斜度计测。

在本发明的一个方式中，向观测方位反射的光线分别由在形成样本表面(边界面)的微斜面(切平面)进行镜面反射的微斜面分量构成，该微斜面分量是作为在微斜面中进行满足反射定律的反射的结果而产生的，在圆偏振光入射中，在透明体表面反射的光为椭圆偏振光，椭圆的长轴始终与微斜面(切平面)平行，并且，椭圆偏振光中的椭圆的椭圆率角与入射角处于单纯的线性关系，所以，通过对偏振状态(椭圆的长轴方位和椭圆率)进行计测，从而能够根据长轴方位来决定入射面(切平面的法线)的方位角，能够根据椭圆率来决定反射角(根据反射定律，与入射角相等)，其结果，能够对反射微斜面相对于观测方向的倾斜角进行计测。并且，使用该数据，由于球形细胞的表面在观测视场内连续，所以，平滑地连接所决定的微斜面的倾斜度，从而能够再现三维形状。

这样，本发明是如下的技术：利用偏振光的反射特性，能够包含光轴方向的坐标在内地决定样本的三维形状。

本发明提供如下技术：由偏振光在观测物体表面的反射而产生的偏振状态的变化依赖于入射角，关于观测物体表面的反射点处的切平面的法线，对与观测方向即轴成的角度以及对与观测方向即轴垂直的平面的投影分量的偏角进行计测，根据该计测的法线的斜率，求出物体的反射点处的偏微分系数，利用该偏微分系数的时间变化或空间变化的计测值，提取形状的特征和/或倾斜度的特征。并且，本发明给出如下技术：在观测表面整体的区域中，对所计测的偏微分系数进行积分，从而进行三维形状的构建。进而，在本发明中，着眼于几何学形状不依赖于观测波长，还提供提取反射面的物理光学特性来进行检测和/或计测的技术。

在本发明中，提供如下的简便且通用的形状、倾斜度检测和/或形状、倾斜度计测以及分析方法：所有物质对于光的共同性质是如下的两个性质：即，(a)在入射角

弧度＝0°时复振幅反射率比ρ为-1，在入射角

弧度＝90°时复振幅反射率比ρ为1；以及(b)当入射角

从0变化到π/2时，在复平面上，复量ρ从-1到1单调变化，在中途ρ的实数部必定通过0的虚轴(Δ＝±π/2)，在这两个性质中组合特定结构、即利用圆偏振光从样本周边同样照射、并从空间上固定的方向对镜面反射光的偏振状态进行观测的结构，由此，根据在样本剖面坐标上的规定反射点观测到的反射椭圆偏振光的形状，对该反射点的入射面的斜率和入射角(＝反射角)进行计测，进而，在样本剖面内的计测点之间依次平滑地连接所计测的反射点的反射面，从而对样本的形状进行再构建。

本发明提供实现上述技术的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置以及物体信息的提取法。

(本发明的原理)

在本发明中利用的偏振光计测与现有技术的精密偏振光分析法即椭圆偏振法相关联。作为利用在物体表面反射的光(一般为电磁波)的基本特性即“偏斜”的性质对薄膜样本的折射率和膜厚进行精密计测的方法、或者对样本表面的光学性质进行精密计测的方法等的对样本的光学性质进行计测的方法，以往公知有椭圆偏振法。

另一方面，本发明的物体表面倾斜角的计测原理将椭圆偏振法应用于以往完全没有使用的几何学形状的精密计测，提供称为“倾斜椭圆偏振法”的新概念。

如图1所示，以样本的形状计测为目的，从周边对具有平滑表面或边界面的样本物体(例如透明的球形细胞)同样照射特定偏振状态(例如右旋圆偏振光)的完全偏振光。从在空间上固定的观测方位观测该样本作为偏振光像。设观测方位为z方向时，向z方向反射的光线分别由在形成样本表面(边界面)的微斜面(切平面)进行镜面反射的微斜面分量构成。该“微斜面分量”是作为“在微斜面中进行满足反射定律的反射的结果”而产生的。这里，在实际的物质表面的反射中，在包含相对于光的波长而无法忽视的大小的表面粗糙度的情况下，反射光一般为部分偏振光。但是，所有部分偏振光由完全偏振光分量和非偏振光分量之和来记述，在椭圆偏振法中，入射已知的完全偏振光，将反射的完全偏振光分量的偏振状态作为计测对象。根据需要，将非偏振光分量作为偏振度来计测。

这里，首先考虑利用标准的椭圆偏振法进行处理的完全偏振光的情况。

由于观测方向被固定，所以，能够利用切平面的法线的斜率来定义微斜面的反射。

例如，能够利用与观测方向即z轴所成的角

和将z轴作为旋转轴的从x轴起的旋转角θ₁来记述。θ₁等于切平面的法线对x-y平面的投影分量的偏角。

在图1所例示的球状样本中，以偏角0°的x-y平面内的反射为例时，在入射光线如粗线所示那样入射到各个反射点的情况下，满足反射定律，反射光线与z轴平行。根据图1可知，切平面的法线的斜率

和θ₁分别与光线的入射角和入射面的偏角相等。

在物质表面的光的反射中，一般地，光的振幅和相位变化，所以，能够利用复振幅反射率来记述反射特性。考虑光的偏斜时，复振幅反射率在入射面(由包含入射光线和反射面的法线的面来定义)内的偏斜的分量即p分量和与入射面垂直(与表面平行)的s分量中取不同的值。将入射光的p分量的复振幅反射率书写为r_p、将s分量的复振幅反射率书写为r_s时，具有偏斜的光即偏振光在物质表面反射时，在光的电矢量的p分量和s分量中，振幅和相位的变化不同，所以，在反射光中，偏振状态变化，一般为椭圆偏振光。

椭圆偏振光能够利用2个实变量来记述。如果取椭圆的主轴方位角和椭圆率，则“主轴方位角变化的基准为p-方向，与包含切平面的法线的入射面方位一致”。并且，椭圆率的变化“相对于入射角为单调函数”。在本发明的倾斜椭圆偏振法中，利用这两个性质对反射完全偏振光分量的偏振光椭圆进行计测，通过根据椭圆的主轴方位角计测值决定入射面方位的步骤1、以及根据椭圆的椭圆率计测值并利用入射角依赖性的理论值进行计算的步骤2，决定光的反射点处的微斜面的倾斜。

即，在本发明中，以样本的形状、倾斜度检测和/或形状、倾斜度计测为目的，从周边对具有平滑表面(边界面)的样本物质(例如透明的球形细胞)同样照射具有被控制的已知偏斜(例如右旋圆偏振光)的完全偏振光。从在空间上固定的观测方位观测该样本作为偏振光像。

在该结构中，如图1所例示的那样，向观测方位反射的光线分别由在形成样本表面(边界面)的微斜面(切平面)进行镜面反射的微斜面分量构成。该微斜面分量是作为在微斜面中进行满足反射定律的反射的结果而产生的。

试着具体考察圆偏振光照明的情况。在以下的记述中，只要没有特别说明，则偏振光是偏振光椭圆的形状仅决定为一个形状的完全偏振光。具体而言，在入射圆偏振光的条件下，对在透明体表面反射的光的偏振光椭圆进行计算时，成为图2所示的椭圆偏振光群。图2中央的“左”表示左旋圆偏振光，周边的“右”表示右旋圆偏振光被反射。在

的垂直入射中，由于反射而使光的行进方向逆转，所以，偏振光的旋转方向逆转，入射的右旋圆偏振光作为左旋圆偏振光被反射。并且，在紧逼

的入射中，由于物理现象的连续性，入射光的偏振状态不变化，依然以该偏振状态被反射。这些对应于与入射角有关的边界条件，是由于空间几何学的性质而引起的，所以，在透明体和吸收体中均成立，与样本物质无关。

由于物理现象的连续性，所以在入射了右旋圆偏振光或左旋圆偏振光的情况下，通过改变入射角，反射偏振状态在所有物质中从左(右)圆偏振光到右(左)圆偏振光连续变化，中间必定经由直线偏振状态。因此，如果利用椭圆的椭圆率角来表示，则从-45°到+45°单调增加。即，在圆偏振光入射中，入射角变化的变域与偏振状态的变域一致，保证了最大的感光度。另外，负的椭圆率角表示左旋偏振光，正的椭圆率角表示右旋偏振光。

图2的偏振光椭圆组示意地示出，在透明体中，后述的振幅反射系数为实数，所以，椭圆的长轴始终与微斜面(切平面)平行，椭圆率角由于入射角而变化。因此，对偏振状态(椭圆的长轴方位和椭圆率)进行计测，从而能够根据长轴方位来决定入射面(切平面的法线)的方位角，能够根据椭圆率来决定反射角(根据反射定律，与入射角相等)。这样，能够对反射微斜面相对于观测方向的倾斜角进行精密计测。

另外，在以下的本说明书的记载中，关于基于反射的偏振状态的变化，适当地示出透明的球形细胞和存在吸收的金属光泽球的情况下的计算例。在样本存在吸收的情况下，图1的反射定律也成立。但是，在样本存在吸收的情况下，偏振状态的入射角依赖性从图2发生变化，例如，在Al覆盖表面的球中，如图3所示，椭圆的方位角旋转45°。该旋转在所有反射中系统地产生规定量。因此，在计算微斜面的倾斜角时，绕z轴产生一定偏角的偏置。为了得知由于反射面的素材而使偏振状态变化的状况，能够应用椭圆偏振法的分析理论。并且，使用该数据，不限于球形样本，一般形状的样本表面在观测视场内连续，所以，平滑地连接所决定的微斜面的倾斜度，从而能够再现三维形状。

在本发明中说明的面倾斜的计测原理在所有波长的电磁波中均成立。并且，所使用的光包含从紫外光、可见光、红外光到微波区域等，可以是白色光，也可以是激光器等的单色光。进而，虽然考虑物体表面平滑到产生镜面反射的程度的情况，但是，只要是能够利用检测器来检测反射光的程度的反射率即可，在人体等中，可以是从红外到微波区域的光。即，使用比物体表面的粗糙度长的波长，在不产生来自表面的散射分量的条件下进行计测，从而将反射光作为完全偏振光，能够提高形状计测精度。

将物体置于右手系坐标(x、y、z)的原点，设反射光的观测方向为z。在与物体大小相比充分远的地方进行观测，所以，实质上认为观测点为z＝∞。设在位于充分远的地方的x-y平面上进行观测，并维持规定倍率(例如已知倍率)的成像关系。反射光线与z轴平行，根据反射光线在x-y平面内的坐标，反射点针对x-y平面的投影分量(x₁、y₁)已知。

在对物体的平滑表面进行计测时，只要决定反射点处的物体的深度方向的z轴分量的坐标z₁即可。在通常的显微镜观察中，无法决定坐标z₁。在本发明的倾斜椭圆偏振法中，利用偏振光的反射特性，作为反射点(x₁、y₁、z₁)的切平面的倾斜，能够决定z₁处的偏微分系数。

一般地，在显微观测等的成像系统中，通过选择倍率和观测方向，从而能够在物质表面充分平滑的状态下进行观测，所以，通过平滑地连接构成切平面的微斜面的积分操作，能够依次决定z₁。

本发明的倾斜椭圆偏振法的计测数据能够作为倾斜度及其时间变化的精密数据而进行各种利用。进而，在希望根据倾斜数据再构建样本的三维形状的情况下，在该再构建算法中，能够应用机器人学领域中的透明体形状的三维计测的算法。能够利用使用了非偏振光照明下的透明物体的反射的偏振度计测的研究开发(D.Miyazaki，M.Saito，Y.Sato，K.Ikeuchi，″ Determining surface orientations of transparent objectsbased on polarization degrees in visible and

另外，开始连接的坐标是任意的，例如，可以从观测画面中心出发向周边扩展连接。即，如果能够决定画面中的z坐标的相对值，则能够决定形状。

球状样本的观测面为圆，圆内部的观测点的光的偏振状态如图2示意地示出的那样，椭圆的主轴方位与入射面垂直。并且，椭圆率ε作为入射角的函数，从紧逼

的反射的ε＝1的右旋圆偏振光(与入射偏振光相同)到在

的垂直入射下进行反射的ε＝-1的左旋圆偏振光连续变化。

在

附近的折射率n＝1.5的介质的偏振角(Brewster角

)中，经由ε＝0的线偏振光。在图2的中心部，在入射角小于的区域(线偏振光的内侧)中(在图2的样本轮廓线的圆内侧对圆形阴影而示出)，观察到左旋偏振光群，在图2所示的阴影外侧的样本周边部中，观察到右旋偏振光群，能够根据椭圆率ε₁来计测入射角

能够根据椭圆的方位角来计测入射面的偏角θ₁。

图2例示了样本为球的情况。在样本为其他一般形状的情况下，能够容易地类推，图2所示的观测椭圆的二维分布变化。但是，该情况下，观测到的椭圆的形状与该反射点的微斜面的倾斜度存在1∶1的对应，样本表面平滑，所以，观测到的椭圆偏振光的变化也连续，不会丢失一般性。

在样本存在吸收的情况下，图1的反射定律也成立。

但是，在样本存在吸收的情况下，偏振状态的入射角依赖性从图2变化，例如，在Al覆盖表面的球中，如图3所示，椭圆的方位角旋转45°。该旋转在所有反射中系统地产生规定量。因此，在计算微斜面的倾斜角时，绕z轴产生一定偏角的偏置。为了得知由于反射面的素材而使偏振状态变化的状况，能够应用椭圆偏振法的分析理论。由此，能够利用相同方法再构建表面形状。

通过物质的复折射率，基于反射的偏振状态的变化能够如下成为定式。

观测到的反射偏振状态能够利用样本的反射点处的复振幅反射率的p-s分量之比

来记述[参照山本正樹、“偏光測定と偏光分析法”、小瀬輝次他编、“光工学ハンドブック”、朝倉書店、1986、pp.411-427(非专利文献2)]。

复变量ρ是椭圆偏振法的参数[参照山本正樹、“偏光測定と偏光分析法”、小瀬輝次他编、“光工学ハンドブック”、朝倉書店、1986、pp.411-427(非专利文献2)，特别是其(2.5.38)式，在非专利文献2中，记载为复振幅反射率比ρ]，实际计测的实变量Ψ、Δ相当于复变量ρ的极坐标显示。

利用将光的电矢量的水平分量Ex和垂直分量Ey作为分量的琼斯矢量

$\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]$

来表现光的偏振状态，使用琼斯计算时，偏振状态的变化能够如下所述记述。

右旋圆偏振光

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}-1\\ 1\end{array}\right]$

入射到法线的斜率和θ₁的切平面，在样本表面进行镜面反射。在样本的反射中，将入射角

时的p分量的复振幅反射率书写为

将入射角时的s分量的复振幅反射率书写为

时，在忽略强度的基准化系数

$\frac{1}{\sqrt{2}}$

时，反射光

由

表现。这里，

$T_{\mathrm{\θ}}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

是伴随坐标系旋转的角度θ的旋光镜矩阵，

是表示入射面为水平的铅直样本表面的入射角

下的偏振光的反射的琼斯矩阵。这里，椭圆偏振法的参数[参照上述非专利文献2的(2.5.38)式]书写为

圆偏振光不根据T_-θ而变化，所以，成为

在样本透明的情况下，ρ₁为

ρ₁＝±tanψ₁

是实数，椭圆的斜率与θ₁一致，所以，步骤1成为简单的直接读出。并且，在步骤2中，椭圆率与ρ₁一致，根据使用样本折射率的后述的菲涅耳振幅反射系数之比的理论计算值，能够决定入射角。

在样本为金属的情况下等，ρ₁一般为复数。这里，注意到理论计算的基准为入射面方向即p-方向，使用椭圆偏振法的方法[参照山本正樹、“偏光測定と偏光分析法”、小瀬輝次他编、“光工学ハンドブック”、朝倉書店、1986、pp.420(非专利文献2)，特别参照这里公开的(2.5.36)式]，关于将反射椭圆偏振光的p-方向作为基准的琼斯矢量分量之比

使用样本的复折射率，根据后述的菲涅耳振幅反射系数之比的理论式来计算Ψ₁、Δ₁，进而，计算应该观测到的偏振光椭圆的主轴的方位角和椭圆率的理论值。这些相对于入射角均为单调函数。

另外，椭圆的椭圆率角和主轴的方位角利用简单关系与Ψ₁、Δ₁联系起来，所以，相互的变换很容易。

这样，在样本存在吸收的情况下，首先，通过步骤2，能够唯一地决定赋予与实测椭圆率一致的理论椭圆率的入射角。此后，根据该入射角的偏振光椭圆的主轴的方位角的理论值，决定步骤1的入射面的方位角。关于计测的精度，在将完全偏振光的偏振状态作为计测对象的通常的椭圆偏振法技术中，在Ψ、Δ中从0.01°到0.001°。所计测的Ψ₁、Δ₁均为针对样本的入射角的函数，入射角的计测精度也如下所示，能够实现同等的从0.01°到0.001°。

实际上，在椭圆偏振法中，与直接计测样本的Ψ、Δ的方法同样，公知有对通过Δ＝±π/2定义的主入射角Φ_P和主入射角下作为ψ定义的主方位角ψ_P进行计测的主入射角法(K.Kinosita and M.Yamamoto，Principal Angle of Incidence Ellipsometry，SurfaceSci.，56，64-75(1976)：山本正樹、シリコン表面の光学定数の偏光分析法によゐ測定にっぃて、虑用物理、50，777-781(1981))，能够以从0.01°到0.001°的精度来决定主入射角(M.Yamamoto and O.S.Heavens，A Vacuum Automatic Ellipsometer forPrincipal Angle of Incidence Measurement，Surface Sci.，96，202-216(1980))。将这些入射角计测感光度换算为样本表面的倾斜角时，分别从1/6000成为1/60000，相当于如下情况：由于宽度6mm的两端的高度差，在1μm和0.1μm的凹凸倾斜变化中存在感光度。

接着，对复振幅反射率比的计算进行说明。

利用表示样本的光学性质的适当的光学模型来计算复振幅反射率比ρ，从而能够得知反射偏振光的入射角依赖性。在大部分样本中，能够利用简单的菲涅耳振幅反射系数之比来记述，利用在透明体和吸收体中共同的式子书写为

$\tan {\mathrm{\ψ}}_1\·\exp \left(i{\mathrm{\Δ}}_1\right)=-\frac{\cos ({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_1^{\′})}{\cos ({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_1^{\′})}$

其中，

是复折射角，利用斯涅耳定律

$n_a\sin \mathrm{\φ}=\tilde{n}\sin {\mathrm{\φ}}^{\′}$

联系起来，是大部分物质的复折射率

$\tilde{n}=n-\mathrm{ik}$

的函数。并且，n_a是介质的折射率，在可见光区域中，在空气中等于1，在水中为1.33左右。

一般地，介质透明，折射率为实数，入射角也为实数，所以，斯涅耳定律的左边为实数。因此，需要使右边也为实数，在存在吸收的物质中，折射角也为复数。

$\tan {\mathrm{\ψ}}_1\·\exp \left(i{\mathrm{\Δ}}_1\right)=-\frac{\cos ({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_1^{\′})}{\cos ({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_1^{\′})}$

的函数如以下的计算例所示，相对于入射角为简单的函数，能够针对物质容易地进行标准化。

在图4中，为了说明针对透明样本的变化，示出折射率n＝1.5的玻璃存在于空气中时的计算例。在透明物质中，消光系数k＝0，所以，ρ的虚数部始终为0。当入射角从0°增加到90°时，如图所示，实数部从-1到1单调变化。

利用右旋圆偏振光进行照明时，偏振状态从左旋圆偏振光到右旋圆偏振光进行变化。在中途的偏振角中，通过线偏振光。因此，如果利用椭圆的椭圆率角来表示，则从-45°到+45°单调增加。另外，负的椭圆率角表示左旋偏振光，正的椭圆率角表示右旋偏振光。

图5示出图4所示的样本的p-s偏振光分量的强度反射率的入射角依赖性。

在图6中，作为吸收体样本的入射角依赖性的例子，利用复平面显示来示出波长405nm的Al样本的ρ的入射角依赖性。由于存在吸收，所以，复折射率

$\tilde{n}=n-\mathrm{ik}$

为0.6-5.04i。

当入射角

从0°增加到90°时，如图所示，从-1到1单调变化，这点与透明体相同。但是，由于Al的吸收，虚数部不为零，中途变化大大不同。在Al的情况下，在沿着半径1的圆的变化中，如图7所示，Ψ、Δ进行特征性的动作。并且，根据图8所示的强度反射率的变化来假设，p-偏振光和s-偏振光的反射率均较高，Ψ大致在40°～45°之间恒定。根据s-偏振光反射率高于p-偏振光反射率这样的物质的共同性质，可以认为Ψ的最大值为45°。

因此，在吸收较大的金属体等中，如图7所示，在Δ中产生从180°(在图6的复平面上相当于-1)到0°(在图6的复平面上相当于+1)的较大的变化。利用右旋圆偏振光进行照明时，偏振状态如图7中的框内所示从左旋圆偏振光到右旋圆偏振光进行变化、在中途的Δ＝±90°(图6的实轴上)的主入射角中通过线偏振光，这两点与透明体的情况完全相同。其中，观测到的所有偏振光从入射面倾斜与Ψ相等的方位角。在图7的例子中，Ψ始终大致倾斜45°，中途的椭圆、线偏振光均如图3所示，同样倾斜45°(圆即使倾斜也是圆)。

$\tan {\mathrm{\ψ}}_1\·\exp \left(i{\mathrm{\Δ}}_1\right)=-\frac{\cos ({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_1^{\′})}{\cos ({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_1^{\′})}$

$n_a\sin \mathrm{\φ}=\tilde{n}\sin {\mathrm{\φ}}^{\′}$

是能够将样本物质的表面看作大部分时的记述。

在样本表面与大部分不同的情况、例如表面被氧化膜或细胞膜等覆盖的情况下，本发明的方法也是有效的。该情况下，以光学的方式对反射面进行模型化，计算复变量ρ，与观测到的偏振状态的变化进行对应即可。在该分析计算部分，能够直接使用在现有技术的椭圆偏振法中进行的方法论。即，只要光进行反射而能够观测到完全偏振光分量的偏振状态的变化，则关于如何利用观测值、提取什么信息，导入椭圆偏振法技术的方法即可。

关于椭圆偏振法技术，例如能够参照H.G.Tompkins and W.A.McGahan，Spectroscopic EIlipsometry and Reflectometry：A User′s Guide，John Wiley&Sons，New York，1999；H.G.Tompkins，A User′s Guide to Elllipsometry，Academic Press，San Diego，1993；R.M.A.Azzam and N.M.Bashara，EIlipsometry and Polarized Light，North Holland Press，Amsterdam，1977，Second Edition，1987；R.M.A.Azzam，SelectedPapers on EIIipsometry，SPIE Milestone Series MS27，1991；Spectroscopic Eilipsometry，A.C.Boccara，C.Pickering，J.Rivory，eds，Elsevier Publishing，Amsterdam，1993；藤原裕之著、分光ェリプソメトリ一、丸善株式会社、2003(ISBN 978-4-621-07253-0)等，与在此引用的文献一起，将其内容公开包含在本说明书中。

这样，根据仅在一次反射中产生的偏振状态的变化的入射角依赖性，关于观测物体表面的反射点(x₁、y₁、z₁)处的切平面的法线，能够直接对与观测方向即z轴所成的角

以及对x-y平面的投影分量的偏角θ₁进行精密计测。所计测的法线的斜率给出物体的反射点(x₁、y₁、z₁)处的偏微分系数。根据本发明的倾斜椭圆偏振法，能够直接利用该偏微分系数的时间变化或空间变化的计测值，提取形状的特征和/或倾斜度的特征。并且，容易地知道，在观测表面整体区域中，对所计测的偏微分系数进行积分，从而能够进行三维形状的构建。进而，着眼于几何学形状不依赖于观测波长的性质，能够提取反射面的物理光学特性并计测。还能够应用在机器人学应用中实施的该领域中公知的设想(例如D.Miyazaki，M.Saito，Y.Sato，K.Ikeuchi，″Determiningsurface orientations of transparent objects based on polarization degrees in visible andinfrared wavelengths，″J.Opt.Soc.Am.A，19(4)，pp.687-694，2002)。

如上所述，作为根据在物体表面反射并以特定方位角射出的光线群的完全偏振光分量的偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面方位的步骤1，对能够根据偏振光椭圆的观测方位角理论值得知入射面方位的情况进行了说明，但是，例如如下述说明的那样，作为照明装置，也可以使用能够分别切换入射右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的照明装置等，即，在以包围物体周边的方式使实质上已知的完全偏振状态的光同样入射的照明装置中，切换入射右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，从而利用与物体表面的反射光学特性无关而相对于入射面对称地切换反射偏振光椭圆的观测方位角理论值的性质，确定入射面方位。

在将本发明应用于表面被氧化膜或细胞膜等覆盖的样本的情况下，例如能够容易地检测膜厚的变化和附着于表面的污垢等。因此，考虑针对生产线上的不良品形状、污垢监视装置等的应用。

在本发明中，提供使用物体表面的反射光学特性对观察物体的表面形状、倾斜度进行检测和/或计测的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，但是，在该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置中具有：照明装置，其以包围该物体的周边的方式使实质上已知的偏振状态的光(例如完全偏振状态的光)同样入射；以及偏振光图像检测装置，其对被该物体的表面正反射而以特定方位角射出的光线群的偏振状态(例如光线群的完全偏振光分量的偏振光椭圆)进行检测，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面，通过根据偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位的步骤1(例如根据偏振光椭圆的观测方位角理论值得知入射面的方位的步骤1)、和根据偏振光椭圆的椭圆率理论值得知入射角度的步骤2，测定反射面相对于射出光线的倾斜角，更具体而言，针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面，根据偏振光椭圆的方位角得知入射面的方位，根据偏振光椭圆的椭圆率得知入射角度，由此，测定反射面相对于射出光线的倾斜角。代替上述根据偏振光椭圆的观测方位角理论值得知入射面的方位的步骤1，也可以在以包围物体周边的方式使实质上已知的完全偏振状态的光同样入射的照明装置中，切换入射右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，从而利用与物体表面的反射光学特性无关而相对于入射面对称地切换反射偏振光椭圆的观测方位角理论值的性质，确定入射面方位。本发明的装置包含望远镜或照相机等，可以构成为缩小光学系统的装置，也可以构成为显微计测等的放大光学系统的装置。

在本发明的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置中，对被该物体表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振状态进行检测的偏振光图像检测装置例如能够具有如下机构：得到物体的缩小投影像或物体的放大投影像，从而确定物体表面的光线位置，进而，还能够具有如下机构：具有准直仪和/或针孔，从而确定物体表面的光线位置。并且，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振状态进行检测的偏振光图像检测装置可以具有如下机构：将该装置实质上配置在无限远处，从而确定物体表面的光线位置。

光源包含左旋圆偏振光面板或右旋圆偏振光面板、左右旋圆偏振光切换面板、具有偏振膜的发光二极管利用面板等，进而，能够从该领域中作为光学显微镜、共焦点显微镜、荧光显微镜、偏振光显微镜等用的光源而公知的光源中，适当选择合适的光源并使用，只要能够实现期望的目的，则没有特别限制，但是，例如可以列举白色光源、发出相干光的激光器光源等。作为代表性的光源，可以列举卤灯、氙灯、氘灯、格洛巴灯、氦氖(He-Ne)激光器、YAG激光器、发光二极管(LED)、半导体激光器、高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯等的HID灯(high intensity discharge lamps)等。光源可以是使用408nm紫激光二极管等短波长激光器光源和白色光源的2way光源方式等、具有入射光线已知且包含入射面方位角和入射角的基准原点的多个光源的光源，或者，也可以是具有单独光源的光源。作为光源，可以包含构成为使来自上述发光源的光透射过1/4波长板和直线起偏板的光源；或者能够通过在直线起偏膜中贴合1/4波长膜的部件、例如包围观察物体的部件来照射来自上述发光源的光的光源。

从光源发出的光能够适当利用光纤导入到入射光光学系统。在该入射光光学系统中，能够适当具有光强度稳定器、光浓度滤波器等。作为实质上已知的偏振状态的光，可以是使从光源发出的光通过配置于入射光光学系统的起偏镜而得到的光。并且，也可以使用波长板，将线偏振光转换为圆偏振光、和/或将圆偏振光转换为线偏振光，或者使线偏振光的偏振轴旋转等。对样本的入射光线即照明从样本周边同样照射。构成入射光学系统的照明装置能够以包围样本即物体的周边的方式实质上同样入射偏振光。该入射光学系统能够被与计算机连动的控制系统控制，以包围样本即物体的周边的方式实质上同样入射光。例如，在激光器光源、即入射光线已知且构成入射面方位角和入射角的基准原点的点光源的情况下，作为X-Y扫描光学系统，可以包含能够被与计算机连动的控制系统控制、例如能够将观察视场内分割为适当数量的像素来进行扫描的光学系统。

在物体表面反射的光线能够利用偏振光图像检测装置、例如偏振光图像照相机等检测为偏振光图像，但是，例如，也可以被导入具有检偏镜的检测光学系统，来检测偏振状态。在具有检偏镜的检测光学系统中接受的反射光在通过包含与光源的光学频带同步的单色仪的分光器后，被供给到光检测器，利用受光元件进行检测。分光器能够对接收到的光进行光谱分析。即，能够一边改变检测波长，一边进行接收光的检测。并且，在将光导入规定设备时，能够利用光纤。通过利用光纤，从而得到如下优点：能够构成为使装置的可动部件和/或可动装置彼此独立且自由地动作。

能够利用具有受光元件等的光传感器将该光转换为电信号。作为光传感器，例如可以包含光电二极管、二极管阵列、电荷耦合元件(charge coupled device，CCD)型摄像元件(image sensor)、CMOS型摄像元件等，进而，也可以与光电倍增管(photomultiplier，PMT)等进行组合。

在上述照明装置中的入射光光学系统和偏振光图像检测装置中的检测光学系统中，能够适当具有波长板、补偿器(compensator)、光弹性调制器等的调制器(modulator)、用于导入光线的反射镜、狭缝、滤波器、以及透镜(例如聚光透镜等)、透明板、多色仪等。检偏镜能够使用起偏镜来构成。还能够在该入射光光学系统中配置单色仪。入射光光学系统的起偏镜和/或检测光学系统的检偏镜可以通过驱动部而可动。通过下述计算机系统控制下的驱动装置，检偏镜在控制下进行旋转，能够对偏振状态进行分析。所述波长板也可以通过驱动部而可动。进而，能够在观测样本的载置台上设置包含旋转机构的驱动部，能够通过驱动部使入射光光学系统整体和/或检测光学系统整体可动。本发明能够良好地采用不进行扫描的方式。

在图像信号为模拟信号的情况下，根据需要，能够适当地通过转换器转换为数字信号。信号被发送到计算机系统，交给运算单元来计算入射面方位和入射角，决定样本即物质表面中对入射光进行反射的观察对象物体的微斜面、即切平面的倾斜度，再现包含三维形状的物体的形状。使用构成计算机系统的显示装置和/或输出装置，使再现后的形状可视和/或能够识别。该计算机系统具有数据存储装置和运算装置，例如具有硬盘、CPU，也可以还具有CD、MO、DVD等的写入和/或读取装置。

观察样本的载置台的驱动部在该计算机系统的载物台控制器的电子控制下，能够沿x-y-z轴彼此独立且自由地移动。能够良好地使用自动载物台。在使用旋转起偏镜的情况下，能够在该计算机系统的电子控制下进行起偏镜的连续旋转的设定，另一方面，在使用旋转检偏镜的情况下，能够在该计算机系统的电子控制下进行检偏镜的旋转的设定。具有波长板，在使其移动的情况下，也能够在该计算机系统的电子控制下使其移动，是优选的。上述驱动部对步进电动机进行电子控制，由此进行移动，与其位置信息等一起将动作数据收集在该计算机系统中。同样，计算机系统的控制装置对单色仪进行作用，确定其同步波长，对光源进行作用，控制光束等，对各个位置信息、波长、包含椭圆偏振光的形状信息的偏振光的状态信息、测定位置的信息等的收集数据的记录进行控制，适当地供给到计算机系统的运算装置(例如CPU)。

本计算机系统具有规定的数据处理程序，根据任意的适当的程序，使用收集数据，再构成所计测的图像。作为该处理程序，可以列举：具有对偏振状态的入射光下的测定数据和非偏振状态的入射光下的测定数据进行比较并校正的功能的程序；发挥在对数据附加特征并在进行数据收集直到蓄积充分的数据为止的功能、根据累积数据来构建包含三维形状的形状的功能、对显示装置和/或输出装置进行显示和/或输出的功能、利用基于光学理论的光学模型进行分析的功能等的程序。在上述利用基于光学理论的光学模型进行分析的情况下，包含如下情况：对由光学模型得到的数据和实测数据进行比较，利用回归分析算法进行分析等。

在此前的说明中，作为入射光的偏振状态，对使用圆偏振光的情况进行了说明，但是，在原理上，照明光的偏振状态已知即可，例如，也能够构成为使用椭圆偏振光或线偏振光作为照明光。一般地，无论在哪个波长区域中，都能够制作直线起偏镜。并且，也能够使用最近公开的轴对称偏振光束(軸对称偏光ビ一ム、小澤祐市、佐藤俊一、光学、35卷12号(2006)、pp.9-18：非专利文献3)作为照明光。该轴对称偏振光束能够使用光子晶体光学元件容易地得到。例如，将激光发生器的输出反射镜作为同心圆型光子晶体起偏镜，能够得到同心圆状或放射状的偏振光束。在使用光子晶体的情况下，能够容易地调整反射率，所以，能够成为适于激光器振荡的反射率，构成材料为无机材料，所以，能够得到较高的耐久性能。轴对称光子晶体除了包含使同心圆状或放射状的偏振光束振荡的激光谐振器用半透半反镜以外，还包含以同心圆状或放射状具有透射轴的起偏镜、将线偏振光转换为同心圆/放射状偏振光的1/2波长板集成元件等。

在本发明的技术中，还可以包含在利用椭圆偏振法决定光学性质的同时进行的方法和装置。例如，本发明的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置中的照明装置包含在空间上确定的入射光线作为计测基准原点，能够根据由偏振光图像检测装置确定的反射点中的偏振光椭圆的观测值，来确定该反射面的光学性质。这样构成时，通过在照明中改变颜色，或者开孔，能够在偏振光图像中的一点进行椭圆偏振法计测。

本发明的倾斜椭圆偏振法包含机器人学应用中的非偏振光照明下的计测应用。能够使用斯托克斯参数和缪勒矩阵，以包含部分偏振状态的形式，对本发明的倾斜椭圆偏振法的原理进行说明。在样本表面的反射包含散射过程的情况下，反射光为部分偏振光。基于反射的偏振状态的变化更加一般化，使用能够记述非偏振光和部分偏振光的斯托克斯参数和缪勒矩阵。

关于相当于

的式子，在缪勒计算中，使用将强度标准化为1的基准化斯托克斯参数，在右旋圆偏振光入射的情况下，成为

这里，伴随坐标系的旋转的角度θ的旋光镜矩阵是

$T_{\mathrm{\θ}}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos 2\mathrm{\θ}& -\sin 2\mathrm{\θ}& 0\\ 0& \sin 2\mathrm{\θ}& \cos 2\mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

表示入射面为水平的铅直样本表面的入射角

下的偏振光的反射的缪勒矩阵为

$R_{{\mathrm{\θ}}_1}=\left[\begin{array}{cccc}1& -\cos 2{\mathrm{\ψ}}_1& 0& 0\\ -\cos 2{\mathrm{\ψ}}_1& 1& 0& 0\\ 0& 0& \sin 2{\mathrm{\ψ}}_1\cos {\mathrm{\Δ}}_1& \sin 2{\mathrm{\ψ}}_1\sin {\mathrm{\Δ}}_1\\ 0& 0& -\sin 2{\mathrm{\ψ}}_1\sin {\mathrm{\Δ}}_1& \sin 2{\mathrm{\ψ}}_1\cos {\mathrm{\Δ}}_1\end{array}\right]$

将这些代入

成为

$\left[\begin{array}{c}{S}_0\\ S_1\\ S_2\\ S_3\end{array}\right]=T_{{\mathrm{\θ}}_1}\left[\begin{array}{c}1\\ -\cos 2{\mathrm{\ψ}}_1\\ \sin 2{\mathrm{\ψ}}_1\sin {\mathrm{\Δ}}_1\\ \sin 2{\mathrm{\ψ}}_1\cos {\mathrm{\Δ}}_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1\\ -\cos 2{\mathrm{\θ}}_1\cos 2{\mathrm{\ψ}}_1-\sin 2{\mathrm{\θ}}_1\sin 2{\mathrm{\ψ}}_1\sin {\mathrm{\Δ}}_1\\ -\sin 2{\mathrm{\θ}}_1\cos 2{\mathrm{\ψ}}_1+\cos 2{\mathrm{\θ}}_1\sin 2{\mathrm{\ψ}}_1\sin {\mathrm{\Δ}}_1\\ \sin 2{\mathrm{\ψ}}_1\cos {\mathrm{\Δ}}_1\end{array}\right]$

即，关于基于入射面的斜率θ₁的变化，在庞加莱球上，将S₃作为旋转轴，仅使S₁、S₂坐标旋转θ₁，不产生椭圆率角的变化。

在入射了非偏振光的情况下，将入射斯托克斯参数置换为非偏振光，成为

在非偏振光入射中，反射的相位角的信息丢失，但是，表示p-s分量的强度反射率的变化的Ψ₁能够计测。因此，在透明体样本中，根据Ψ₁的入射角依赖性，能够决定入射角

在机器人学领域的形状计测中，利用偏振度的入射角依赖性。部分偏振光的偏振度V作为完全偏振光分量相对于部分偏振光的比例，能够利用

$V=\frac{\sqrt{{S_1}^2+{S_2}^2+{S_3}^2}}{S_0}=\left|\cos 2{\mathrm{\ψ}}_1\right|$

定义并计算。偏振度为实数，当然，与在计测中利用本发明的偏振光椭圆的2个变量的信息的方法相比，成为限定了应用的计测法。

非偏振光照明下的形状计测的应用范围被限定为透明物体的理由为，利用该Ψ₁的绝对值的入射角依赖性这样的受到限定的计测条件。并且，由于是具有极小值的偶函数，所以，赋予同一偏振度的入射角存在2个，需要在判别真值的算法方面下工夫(D.Miyazaki，M.Saito，Y.Sato，K.Ikeuchi，″Determining surface orientations oftransparent obj ects based on polarization degrees in visible and infrared wavelengths，″J.Opt.Soc.Am.A，19(4)，pp.687-694，2002)。在本发明中，能够通过标注符号来决定Ψ₁，所以，不需要这些算法。

在吸收大的情况下，如图6和图7所示，一般地，Ψ₁的入射角依赖性小。因此，在这种样本物体中，无法进行基于机器人学应用的非偏振光照明的形状计测。无法应用本发明的方法，在希望应用非偏振光照明的特殊应用的情况下，使用物体透明的波长的光。物体透明的波长的光是指，在复折射率n-ik的虚数部的消光系数k小的情况下，例如在对象物体为Si等时，在红外区域中为透明。关于非偏振光照明下的计测，例如，在通过太阳光等无法进行偏振的光源进行计测的情况下，根据本发明所公开的理论体系可知，通过将要检测的波长设定为物体透明的波长，从而能够提高计测感光度。如上所述，在非偏振光照明中，Δ的信息丢失，所以，仅通过Ψ的信息来计测入射角依赖性。如果是直线检偏镜，则能够计测，但是，一般地，在确认照明光为非偏振光时，需要相矢量。

但是，在软X线区域中，所有物质为透明的。在软X线区域中，也开发了起偏镜和相矢量，利用放射光光源或激光生成等离子体软X线光源等，能够实施本发明的检测和/或计测。在这种情况下，物质的反射率极小，所以，优选主要使用接近紧逼入射的区域。

在其他方式中，在本发明中，提供物体信息的提取方法、即使用物体表面的反射光学特性对观察物体的表面形状、倾斜度进行检测和/或计测的光学形状、倾斜度检测和/或计测法。该方法使用物体表面的反射光学特性对观察物体的表面形状、倾斜度进行检测和/或计测，该光学形状、倾斜度检测和/或计测法的特征在于，通过照明装置，以包围该物体周边的方式使包含实质上已知的偏振状态的光同样入射，利用偏振光图像检测装置，对被该物体表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振状态进行检测，针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面，根据偏振光椭圆的方位角和椭圆率得知入射面的方位和入射角度(例如包含如下情况：根据偏振光椭圆的方位角得知入射面的方位、根据偏振光椭圆的椭圆率得知入射角度)，由此，测定反射面相对于射出光线的倾斜角，利用所测定的倾斜角在该物体表面平滑变化的性质，提取物体信息。各个具体方法如上述说明的那样。该方法还可以将人体或乳房等的人体的一部分作为检测和/或计测物体，对由于恶性肿瘤等的各种病变而引起的表面倾斜角的异常变化进行检测确定。并且，该方法还可以通过患者等的观察物体的姿势变化等，赋予规定的变形，对变形前后的倾斜角的变化进行检测和/或计测。在该方法中，设照明光为白色光，作为考虑了从包含皮肤的观察物体表面起的侵入深度与波长一起变化的实质的反射面，对该反射面的光学特性的变化进行检测和/或计测。

(应用范围)

<表面倾斜角数据的直接应用：基准化后的形状数据>

本发明的应用不限于以上说明的应用。能够利用倾斜椭圆偏振法计测的表现倾斜角数据不限于形状计测，认为还能够应用于物体形状的采样和基于统计处理等的数据库构建等。在本发明的方法、例如倾斜椭圆偏振法中，针对改变倍率的计测，记录表面的倾斜度，所以，仅提取与形状有关的信息。

因此，即使由于个体差而使大小变化，也能够对形状进行基准化。

<其他波长应用：不限定波长：能够利用白色圆偏振光>

进而，本发明的倾斜椭圆偏振法的方法能够应用于所有电磁波。特别地，与其他利用干涉的方法不同，能够直接利用白色光。因此，如果利用紫外光等的吸收系数大、光的侵入深度小的波长来计测形状，则能够利用其他波长的计测结果，来评价侵入深度的范围内的表面区域特性。例如，复折射率的波长分散能够利用3个变量左右的分散式来记述，所以，能够更加详细地得知表面的光学特性。

<倾斜角计测不受外界干扰的影响：不选择计测环境>

进而，本发明的倾斜椭圆偏振法的倾斜角计测对入射角很敏感，针对由于基于外界干扰的振动等引起的横移或纵移分量没有感光度。因此，适于通常环境下的精密测定。

<适于通常环境下的精密倾斜计测：能够利用倾斜变化的一次微分量来提取局部变形>

例如，通过应用于人体或乳房等部分的观测，从而能够直接读出倾斜。恶性肿瘤等与皮下正常细胞的组织和力学特性不同，恶性肿瘤等不均匀。因此，虽然通过医师的触诊能够进行诊断，但是，通过应用本发明的倾斜椭圆偏振法，能够将微小的凹陷或隆起等的局部变形作为数据的微分量而容易地检测。特别地，对基于患者的姿势变化等的乳房的变形进行观测，由此，能够期待能够清楚地与变形形态一样的正常细胞部分进行区别。针对规定的变形，能够利用气体流等对皮肤施加一定压力，或者根据需要对乳房表面进行扫描。并且，作为在与体温一致的液体中包围乳房的结构，利用液体流赋予更大的压力变化来进行观测，由此，能够期待发现更深部位的变形异常。通过选择观测波长，从而能够检测到达肿瘤周边的血管组织的特征。在人体等的活体组织的光学观测中，积极地取入散射现象和照明光的相干性的光散射计测法正在发展。在该研究展开中，通过取入在本说明书中公开的“反射部分偏振光的完全偏振光分量的光学特性具有特征性的入射角依赖性”，从而成为新的研究进展。

<能够容易地记录时间变化：适于变迁过程观测>

在本发明的倾斜椭圆偏振法中，在取得图像的同时直接读出倾斜，所以，记录时间变化，由此，能够检测图像中的局部的细微变形。例如在对细胞分裂或凋亡等的变迁过程进行研究后，该功能能够发展到捕捉前驱现象等的应用中。

<利用太阳光或电波的观测：基于平行照明的正反射光的观测：图1的光路的逆转>

同样的应用例如考虑到针对基于卫星图像的地表变形的检测或海洋表面变形的检测等的应用。该情况下，照明光是来自无限远处的太阳光，成为使图1的光线方向逆转后的观测，但是，反射的原理相同。进而，还能够应用于基于电波的计测。

<固体、液体、气体以及它们的组合的边界面观测>

除此之外，在难以应用其他方法的对液体和液滴表面的形状或变迁过程进行观测的应用中也是有用的。在溶液中成长的晶体的刻面或台阶的观测等相当于此。该计测对象能够一般化到气体中的液体或液体中的气体的边界面。同样，在固体和液体的边界面、以及密度不同的液体中的液体、气体中的气体、固体中的固体等、能够引起反射的所有物质边界面中广泛应用。这些是在现有的干涉计测法等中无法计测或难以计测的对象。

<极端环境下的观测>

本发明的倾斜椭圆偏振法还是遥测法，所以，认为在高温下、高压下等难以应用通常方法的环境下的定型、不定形的物体的形状计测和变迁过程计测中也是有用的。

作为属于本发明的第1实施方式的实施例，列举图9所示的形状计测望远镜。关于该形状计测望远镜，作为第1实施例，是设照明光为右旋圆偏振光或左旋圆偏振光的情况。而且，作为第2实施例，是对左右旋圆偏振光进行切换的情况。

作为属于本发明的第2实施方式的实施例，列举图10所示的形状计测望显微镜。关于该形状计测显微镜，作为第1实施例，是设照明光为右旋圆偏振光或左旋圆偏振光的情况。而且，作为第2实施例，是对左右旋圆偏振光进行切换的情况。

如以上说明的那样，在本发明的倾斜椭圆偏振法中，着眼于所有物质共同的性质、即

I.在入射角

时，复振幅反射率比ρ为-1，在

时，复振幅反射率比ρ为1

II.入射角

从0°到90°变化时，在复平面上，ρ从-1到1单调变化，中途必定通过ρ的实数部为0的虚轴(Δ＝±90°)

这两个反射偏振特性，对特定结构进行组合。即，利用圆偏振光从样本周边同样进行照明，从在空间上固定的方向对镜面反射光的偏振状态进行观测，关于样本剖面坐标上的任意反射点，根据所观测到的反射椭圆偏振光的形状来计测该反射点的入射面的斜率和入射角(＝反射镜)。除了能够直接活用倾斜处的观测数据以外，还能够利用于如下的三维形状计测应用等：在样本剖面内的计测点之间依次平滑地连接所计测的反射点的反射面，由此再构建样本的形状，在该三维形状计测应用中，利用完全偏振光照明，改善了在非偏振光照明下限定为透明体并发展的机器人学应用的已知方法的精度，提供简便且通用的形状、倾斜度检测和/或形状计测和分析方法。

下面，示出属于本发明实施方式的具体例并对本发明的方式进行说明，但是，这仅是为了说明本发明并参考其具体方式而提供的。这些例示用于对本发明的特定的具体方式进行说明，不表示对本申请所公开的发明的范围进行限定或限制。在本发明中，应该理解到能够根据本说明书的思想来构成各种实施方式。所有实施例是使用标准技术实施的或者能够使用标准技术实施的，对本领域技术人员来说，这是公知惯用的。

实施例1

[缩小光学系统装置]

作为属于本发明的第1实施方式的实施例，列举缩小光学系统装置即形状计测望远镜。图9涉及该形状计测望远镜，利用最简单的结构来示出装置。本结构能够应用于缩小光学系统装置，当然也能够应用于照相机等。

本发明的形状、倾斜度计测光学装置中的照明装置在图9中作为圆偏振光照明装置示出。该圆偏振光照明装置能够通过利用圆偏振光面板包围样本周边来实现。作为圆偏振光面板的技术要素，可以利用与液晶面板类似的要素来构成，例如，包含发光二极管等的光源、扩散板、直线偏振膜、相矢量膜，构成亮度一样的圆偏振光面板。在实用方面，也可以在作为线偏振光照明的液晶面板表面以规定方位粘贴相矢量膜，来构成圆偏振光面板。利用扩散板构成亮度在面内一样的照明面板时，利用测光原理，与观测方向无关地决定明亮度，形式无法判别。因此，照明装置例如也可以是利用面板构成的箱型。实质上，也可以在各面利用液晶面板而成为箱型，在中间放入样本。

在图9中，在右侧示出本发明的形状、倾斜度计测光学装置中的偏振光图像检测装置。在图9中，偏振光图像检测优选能够使用具有2D偏振光检测器的偏振光图像照相机[株式会社フォトニックラティス(宮城県仙台市青葉区)]。这样，在偏振光图像检测中，优选能够使用利用了光子晶体元件的部件，也可以是使用了光子晶体元件和电荷耦合元件(charge coupled device，CCD)的部件。在该照相机中，能够经由USB线缆向个人计算机(计算机)发送图像信号，利用适当的软件进行处理。作为光子晶体元件，例如可以列举起偏镜阵列(图形化起偏镜)、λ/4波长板阵列(图形化波长板)等。偏振光图像照相机可以构成为使用从由准直仪、棱镜、波长板阵列、起偏镜阵列、CCD构成的组中选择出的部件。优选列举能够在空间上并列取入图像信息的部件。在代表性的方式的部件中，列举能够对每个像素的图像进行处理、并机械识别图像数据的部件。

作为该起偏镜阵列，例如可以是铺满大约100万个或规定数量的与像素相同尺寸的起偏镜而构成的芯片。例如，该起偏镜阵列可以列举如下的起偏镜阵列：铺满透射轴方位稍微不同的大致正方形的起偏镜，对该起偏镜阵列的相近的4个像素的亮度进行运算，由此，能够瞬时得到偏振光的主轴方向、平均亮度、偏振光分量的强度。并且，起偏镜阵列也可以构成为在横向排列透射轴方位稍微不同的纵向较长的起偏镜，相反，波长板阵列也可以构成为在纵向排列横向较长的波长板。

光子晶体是周期地排列折射率不同的材料的构造体，并且是二维或三维的多维的周期构造体。构造的周期通常设计为要使用的光的波长的一半左右，例如在可见光区域中加以利用的情况下，该光子晶体被设计并制作为其周期为300nm左右。光子晶体的周期构造被称为“晶体”，但是，该光子晶体的周期的构造为数100nm左右，采用对使光透射的波长频带的“光子带”和遮断光的透射的波长频带的“光子带隙”进行排列和/或层叠的构造、即将高折射率和低折射率的两种电介质以保持一定凹凸的的方式自身成形地多层层叠的多维构造。典型的光子晶体可以列举：利用在图形化的凹凸基板上组合溅射层叠和锥度蚀刻来形成稳定的三维凹凸图形等的多维层叠/图形的技术、例如自身凸面加工法制造的光子晶体等。作为其制膜材料，能够使用各种材料，例如公知有Si、SiO₂、TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、稀土类氧化物等。光子晶体元件具有对光的透射/反射/折射特性进行控制的功能。

从该照相机的2D偏振光检测器经由数据处理单元输出斯托克斯参数的二维分布数据，配设此后的数据处理系统、显示装置、数据蓄积装置等，能够进行必要的处理。

在图9中，在右侧的照相机部分，利用光线示意地记入从物体上侧部发出的光线在照相机上的下侧部分成像的状况(强调了从光轴偏移的角度)。在望远镜等的缩小光学系统中，一般采用这种结构，从成像用的物体上的一点发散的光束的开角充分小，所以，观察到偏振状态相同。

实施例2

[放大光学系统装置]

作为属于本发明的第2实施方式的实施例，列举放大光学系统装置即形状计测显微镜。图10涉及该形状计测显微镜，利用最简单的结构来示出装置。本结构能够应用于放大光学系统装置，只要能够实现目的，则没有特别地限定，能够应用于各种装置。

在显微计测等的放大光学系统中，提高光学系统的NA(Numerical Aperture；数值孔径)时，从样本上的一点发散的光束中取入成像系统的开角增大，所以，光束内的偏振状态的变化成为意图的大小，所以，一般采用图10所示的结构。

在利用放大光学系统在偏振光检测装置中生成像的情况下，为了提高像的清晰度，而增大光学系统的NA。但是，提高NA时，在样本的一点反射的分量的取入角度变宽，所以，入射角也变宽，入射角的函数即针对偏振状态的清晰度降低。在希望提高偏振光的清晰度的情况下，插入使用偏振光分辨针孔。这样，如图10所示，能够取出粗实线所示的光线分量。实际上，在卸下偏振光分辨针孔而得到的高空间分辨率的像中重叠插入针孔而得到的偏振光分辨后的像，由此进行测定。

本针孔的功能是使用将各向异性轴垂直的2个1/4波长板一体化的光子晶体波长板阵列来实现的。例如，可以使用各向异性轴不同的两种波长板以接合边界非实质形式接合后的部件、即偏振光纵狭缝[株式会社フォトニックラティス(宮城県仙台市青葉区)]。

在成像的空间清晰度不重要的应用中，能够省略成像光学系统。该情况下，可以成为更简单的结构。在扩大和缩小中，能够利用针孔与检测器的位置关系而自由选择。参照图11。

在本发明中，能够利用上述结构取得多个偏振光图像，优选能够提高精度。

这里，照明装置、偏振光图像检测装置、数据处理系统等能够与实施例1同样构成。

实施例3

[其他形状计测光学装置]

本发明的形状、倾斜度计测光学装置例如可以是图12或13所示的结构图所示的装置。必须理解到均能够利用公知技术的组合来构成，能够进行多种改变和变形。这些光学系统和准直仪的光学系统可以利用透镜来构成，但是，在利用白色光或多波长光的光学系统中，也可以利用镜来构成光学系统。在图12所示的结构的情况下，如果需要，则预先计测并校正镜面的相位和振幅的变化。折回反射镜也可以在中央具有开口。在代表性的结构中，作为偏振光照明装置与偏振光图像检测装置之间的光学系统，可以包含反射型成像系统、扩束器等。

接着，为了不切换针孔而同时观测高空间分辨强度图像和高分辨偏振光图像，例如采用图13所示的结构。在代表性的结构中，作为偏振光照明装置与偏振光图像检测装置之间的光学系统，可以包含成像光学系统、开孔平面镜等，还可以包含强度图像检测装置等。

实施例4

[乳房X线照相装置]

本发明的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置例如可以是图14或15所示的结构图所示的装置。本发明的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置能够构成为包含乳房摄影设备的医疗诊断装置。该医疗诊断装置例如能够将人体或包含乳房的人体的一部分作为检测和/或计测物体，对由于包含恶性肿瘤的各种病变而引起的表面倾斜角的异常变化进行检测确定。

本发明的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置也可以通过包含包括患者的观察物体的姿势变化的处理，赋予规定的变形，对变形前后的倾斜角的变化进行检测和/或计测。规定的变形可以是使用基于气体流或液体流等对皮肤的压力变化的变形。进而，本发明的形状、倾斜度计测光学装置包含如下特征：设照明光为白色光，作为考虑了从包含皮肤的观察物体表面起的侵入深度与波长一起变化的实质的反射面，对该反射面的光学特性的变化进行检测和/或计测。

在乳房X线照相应用等中，列举图14所示的结构，考虑如下方式：将照明装置加工为具有2个开口的床状，患者在床的规定位置采取俯卧的姿势。该情况下，利用与体温一致的液体浸满检测部，成为在液体中包围乳房的结构，利用液体流赋予更大的压力变化来进行观测，由此，能够期待发现更深部位的变形异常。并且，在集团检测诊断用等希望以立位进行检查的情况下，列举图15所示的结构，能够利用将胸部按压到筒状的检查单元的方式来构成。该情况下，利用气体流等对皮肤施加一定压力，或者，根据需要，能够对乳房表面进行扫描。

这里，照明装置、偏振光图像检测装置、数据处理系统等能够与实施例1同样构成。在本乳房X线照相应用等中，能够作为使医师容易检测微小凹陷等的肉眼观测用的辅助设备进行应用。在该检测中，如果具有将患部的凹凸转换为明暗的对比度的功能，则不一定需要定量计测。

例如，在最简单的结构中，利用右旋圆偏振光对患部进行照明，医师像佩戴眼镜那样佩戴利用方位分别能够旋转的1/4波长板和直线起偏镜的组合而构成的椭圆起偏镜，能够将患部的细微凹凸作为强度变化来进行肉眼观察，由此，能够利用本发明。该眼镜可以直接利用在眼科进行视力检查时使用的能够更换2个透镜来佩戴的类型的眼镜，也可以代替2个透镜，而佩戴1/4波长圆板和直线起偏镜圆板。医师例如能够利用左旋圆起偏镜的方位角结构对患部进行观察，根据需要旋转1/4波长板和直线起偏镜的方位角，改变椭圆起偏镜的椭圆形状，利用接近消光状态、形状变化的对比度高的状态等，进行详细观察。并且，还包含如下结构：使1/4波长板和直线起偏镜的方位角的旋转自动化，利用视频照相机进行摄像。在这种装置中，能够在画面上进行放大观察及其他图像处理。关于圆偏振光照明，例如可以将图15的圆筒作为在直线起偏镜膜上贴合1/4波长膜而制作的透明的圆起偏镜圆筒，从外部利用通常的照明对患部进行照明，也可以利用圆起偏镜面板来构成检查室的壁，能够应用不对患者造成精神负担的各种设想。

实施例5

[椭圆偏振法型形状计测光学装置]

本发明的形状计测光学装置例如可以是图16～18所示的结构图所示的装置。在本发明中，在偏振状态的检测中能够利用现有技术的椭圆偏振法的原理。

在不需要判别应该检测的偏振状态中的椭圆率角的符号、即右旋偏振光和左旋偏振光的情况下、以及需要进行包含椭圆率角的符号的计测的情况下，对偏振光计测的结构进行大致区分时，存在如下2个结构：

(A)基于对偏振光椭圆的椭圆率角的绝对值和方位角θ进行检测的“旋转检偏镜法”的结构；

(B)基于对包含符号(右旋为+、左旋为-)的椭圆率角和方位角进行检测的“旋转相矢量法”的结构。

在(A)的“旋转检偏镜法”的情况下，在检测中，在庞加莱球上，对与椭圆率角恒定的S₃轴垂直的面上的S₁、S₂的值或S₁、S₂之比进行检测。不需要S₃的信息或椭圆的旋转方向的信息，所以，不需要1/4波长板等的相位元件。

在(B)中，在检测光学系统中包含用于对包含S₃在内的椭圆的旋转方向进行判别的1/4波长板等的相位元件，使用属于能够检测斯托克斯参数的“旋转相矢量法”的检测技术。

在这些计测中应用已经叙述的椭圆偏振法的现有技术即可。

另一方面，在需要进行高速读取的应用中，在(A)的旋转元件型的检测的情况下，也优选采用排除机械的驱动部的结构。因此，能够采取如下结构：使用利用了法拉第效应、克尔效应、普克尔斯效应等各种偏振光调制效应的偏振光调制元件，对偏振状态进行调制，利用同步检波方式决定并检测cosθ信号的相位角。但是，根据高速化的观点，更加优选如下方式：将反射光在空间上分割为多个，分配多个能够检测特定偏振状态的检偏镜，并列同时检测偏振状态。

例如，对具有多个信道的检测器的各信道分配方位角θ的不同的直线检偏镜，同时检测旋转相矢量信号，通过信号处理，输出cosθ信号的相位角(椭圆的主轴的方位角)，作为必要有效数字位数的多重比特信号。信道数量最低设置3个。也可以增加信道数量，来提高计测精度。并且，各信道负责的检测方位角在庞加莱球的S₂、S₃面上彼此尽可能地分开，并且，将彼此等间隔的配置作为基准。

在二维偏振光检测器的1个信道中使用图16的垂直线偏振光像检测单元(垂直单元)。利用偏振光分束器将从物体发出的偏振光束分割为直行的p-分量和反射的s偏振光分量，分别通过成像透镜在二维检测器上成像物体像，作为垂直偏振光像输出来取出。下面，将由虚线包围的单元称为“垂直单元”。从该垂直单元输出的2个偏振光图像分别在庞加莱球上位于对称点。因此，例如在水平线偏振光的方位角0°配置偏振光检测信道的情况下，所检测到的偏振状态由基于水平线偏振光的图像(表面信道)和垂直线偏振光图像(背面信道)构成。

例如在利用3个信道来构成(A)的旋转检偏镜方式的情况下，检测方位角在庞加莱球上以60°的等配为基准，例如成为0°(背面180°)、60°(背面240°)、120°(背面300°)。实际空间的方位角为1/2，成为0°(背面90°)、30°(背面120°)、60°(背面150°)。在实际空间中，180°的方位角旋转作为偏振状态是完全等价的，无法区别。因此，在实际的实际空间配置中，为0°、120°、240°的120°等配即可。直线检偏镜也能够采取在这些方位角中使用的结构，但是，使用1/4波长板等的相矢量，在各信道中配置规定的椭圆检偏镜，由此，能够使优化每个信道的信号对比度。另外，信道数量由必要的计测精度来决定，但是，例如设为15时，得到30个图像信息，得到1/1000°的计测精度。

在(B)的斯托克斯参数检测方式中，在原理上，使用1/4波长板等的相矢量，得到改变了偏振状态的相位后的信号。该情况下，为了进行高速读取，优选采用排除了旋转相矢量型的检测的机械的驱动部的结构。检测系统的结构在原理上与(A)的结构相同，在多个信道中配置特定的检偏镜。该情况下的检偏镜包含直线检偏镜和圆检偏镜，成为与特定的椭圆偏振状态垂直的椭圆偏振光检偏镜。配置的最佳结构为，针对应该检测的偏振状态在庞加莱球上的分布，为了得到最大的感光度，在分布区域内下工夫。该情况下，根据三角测量的原理，庞加莱球上的检测信道数量最低为3个。各信道在庞加莱球上位于特定的检测坐标，认为信道输出与到检测坐标的距离成正比。例如，在信道中选择右旋圆起偏镜(S3轴＝北极)时，在背面信道输出中得到在庞加莱球上垂直的左旋圆偏振光(-S3轴＝南极)。对于椭圆偏振光检偏镜也同样，在针对南半球的左旋椭圆的椭圆检偏镜中，在背面信道中以北半球的同一椭圆率输出方位角在实际空间中垂直的椭圆检偏镜像。

在偏振状态遍及庞加莱球面上的全部的情况下，可以取庞加莱球上垂直的S1、S2、S3、轴上的点，但是，在(A)所述的实际空间中的等配3轴0°、120°、240°的直线起偏镜的基础上追加-S3的左旋圆起偏镜的4信道的结构是一个最佳解。

可以使用如下方法：将反射光在空间上分割为多个，为了导入各信道，使用没有偏振特性的部分反射镜沿着反射光的光轴进行分割，但是，也可以利用将反射光的光束在其剖面内分割为多个的方法。该情况下，例如可以利用偏振光保持光纤束，但是，也可以利用全反射棱镜来设计作为相矢量的功能。以下示出这些结构的例子。

图17示出对二维像的斯托克斯参数进行计测的基本结构。虚线所包围的部分是圆偏振光检测的垂直单元，由1/4波长板和垂直单元构成。在将白色光作为光源的结构中，代替通常的1/4波长板，也可以使用利用了波长依赖性少的全反射的相位飞跃的1/4波长棱镜。为了减少偏振特性，插入光轴中的部分反射镜在尽可能接近垂直入射的反射角或倾斜入射中使用。从光源侧起，反射率为1/3、1/2，在3个垂直单元中分别以1/3等间隔配置光，分别对(水平线偏振光分量S₁、垂直线偏振光分量-S₁)、(+45°线偏振光分量S₂、-45°线偏振光分量-S₂)以及(右旋圆偏振光分量S₃、左旋圆偏振光分量-S₃)的垂直偏振光分量进行检测。

一般地，为了提高斯托克斯参数的计测精度，增加信道数量。该情况下，可以沿着光轴利用部分反射镜进行分割，但是，在更精密的分割中，应用棱镜方式。在图18的9信道中，得到合计18个偏振光图像输出。进而，如果组合部分反射镜而在光轴上进行分割，则能够得到非常实用的36个旋转相矢量方式的图像输出。

本发明的技术是需要满足如下必要性的技术：在具有与从反射点扩展的反射光束中向观测方向反射的光线的偏振状态实质上相同的偏振状态的光线群的范围内，确保偏振光计测的精度。例如，如果偏振光照相机位于充分远处，则不需要特别的工夫，但是，像的空间分辨率降低。另一方面，如果偏振光照相机较近，则能够使像的空间分辨率充分大，但是，偏振状态的计测精度降低。为了同时满足两者，例如，设置图10、图11所示的偏振光分辨针孔或图13所示的开孔平面镜的装置是有用的。同样，如果进一步减小检测系统的NA，则能够提高入射角计测值的分辨率。因此，采用这种结构的发明也包含在本发明的技术中。

在本发明中，以样本的形状、倾斜度计测为目的，提供如下的圆偏振光照明装置：对具有平滑表面(边界面)的物体的表面同样照射右或左旋圆偏振光，包含根据反射定律能够向观测方位正反射的所有入射光线分量。计测对象的物体表面还可以包含物体内表面。在本发明的结构中，圆偏振光照明装置具有：光源装置，其对构成包围被计测物体外表面的凹面或朝向内表面的凸面的照明区段供给照明光；以及照明区段，其使在该光源装置中生成的朝向物体的光束成为圆偏振光并通过。

本发明提供的圆偏振光照明装置的特征在于，用于如下的倾斜度、形状计测法：使圆偏振光入射到构成包含内表面的物体表面的倾斜面，使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏振特性，对该倾斜面的三维倾斜角和构成该倾斜面的该物体的形状、倾斜度进行计测。本圆偏振光照明装置的特征在于，具有光源装置，该光源装置具有与该物体正对的由平面或曲面构成的圆形或矩形或者其组合的多面体形状的照明区段，以使入射到该物体表面的圆偏振光光线群包含能够根据反射定律向观测方位正反射的所有入射光线分量，该区段由包围物体外表面的凹面或朝向物体内表面的凸面构成，能够通过该区段向该物体照射实质的完全圆偏振光。

关于与本发明有关的技术领域即基于偏振光的物体表面的倾斜计测的原理，发明人新进行考察，属于作为“3D倾斜椭圆偏振法”提出的精密光计测技术。技术要件能够参照作为优先权主张的基础申请的日本特愿2008-211895号的说明书[专利文献7]和“正反射によゐ物体表面の倾斜ェリプソメトリ--精密実時間形状計測ヘの基本概念-”、光学、Vol.38，No.4(2009)[非专利文献7]的记载。

一般地，椭圆偏振法作为如下方法而众所周知：将偏振光倾斜入射到平面(薄膜)样本，对根据反射定律而进行镜面反射的“正反射光”的偏振状态进行精密计测，由此，能够对存在于表面的薄膜的折射率和厚度进行精密计测。在该现有技术的椭圆偏振法技术中，应用被限定为平面样本。即，样本表面的法线位于规定的入射面内，同时对样本表面在入射面内的斜率进行调整，以使得针对椭圆偏振法的入射光线光轴和反射光线光轴，成为满足反射定律的入射角。通过该样本表面的斜率调整，计测时的光的入射角和入射面方位角成为已知的变量，在计测中被固定。

另一方面，在“3D倾斜椭圆偏振法”中，将基于现有技术的平面样本的在入射面(二维面)内规定的椭圆偏振法的概念扩展到包含三维物体的内表面的表面的正反射。利用圆偏振光同样对物体表面进行照明，从z方向观测正反射光。该情况下，如图19所示，在从z方向观察到的表面内的任意反射点，存在满足反射定律的“明亮”正反射0次光分量光线。以进行正反射并在观测方向z前进的该光线为基准，通过以z轴为旋转轴的方位角-θ的旋转，能够使构成任意方位的立体表面的一部分的任意的微小反射面在图19的纸面内与入射面一致。入射面被定义为包含入射光线和反射面的法线的面，与反射面垂直的法线矢量必定包含在入射面内。根据图19可知，反射角(＝入射角)等于法线矢量与z轴所成的角，关于任意的在z方向前进的光线，如果能够决定入射面的方位角θ和入射角，则能够决定法线矢量。如果能够决定法线，则能够利用积分操作再构建形状。这里，入射面的方位角θ和入射角

能够根据通过“3D倾斜椭圆偏振法”观测到的偏振光椭圆的方位角和椭圆率角来决定。

如图20那样，能够图示在圆偏振光照明下从z方向观测的反射偏振光的椭圆。在基于电介质样本的反射的情况下，椭圆的长轴从入射面的p方向倾斜90°，所以，椭圆的短轴始终与入射面的p方向一致(图20的上侧的图)。因此，能够直接读出包含法线矢量的入射面方位角(以z轴为旋转轴的方位角)。在金属的情况下，如图20的下侧的图那样，椭圆的长轴始终倾斜大约45°。该椭圆长轴的偏置角是能够由反射面的光学特性决定的常数，能够通过椭圆偏振法计算而得到。因此，在所有物质中，能够根据椭圆长轴方位角来决定法线矢量方位角。

进而，观测到的椭圆的椭圆率角是光线的入射角的单调函数。图21示出右旋圆偏振光入射的观测椭圆率角和入射角余弦的转换表。入射角余弦与反射面的单位法线矢量的方向余弦的z分量一致。如该计算例所示，大部分物质的转换曲线存在于实线(金属)和虚线(电介质)之间。图20所例示的椭圆示出图21的入射角

小于60°的情况，在电介质中为右旋椭圆，在金属中为左旋椭圆。这样，能够根据椭圆率角直接读出入射角余弦。

另外，根据椭圆的旋转方向来决定椭圆率角的符号，右旋为正，左旋为负。转换表的入射角范围(0°～90°)与椭圆率角范围(-45°～+45°)一致。因此，能够根据正反射光的椭圆偏振光的方位角和椭圆率角，以同等的角度精度，精密决定反射面的法线矢量。

图22示出在根据作为优先权主张的基础申请的日本特愿2008-211895号的公开而实施的计测实验中使用的实验装置。在该装置中，圆偏振光照明是将圆偏振膜(circular polarization film)卷绕成圆筒状并插入市售的圆顶型照明中而制作的。并且，组合人造偏振片制的起偏镜(检偏镜：analyzer)、波长633nm用的干涉滤波器(interference filter)以及CCD检测器，使用旋转检偏镜法来观测正反射光的偏振光椭圆。在图23的左侧和右侧并列示出角锥台(prismoid)和半球(hemisphere)的观测结果。从上侧起，a)为椭圆率角观测值，b)为方位角观测值，c)为样本照片。

如灰色标度所示，能够利用简单的观察装置在6mm左右的小样本中证实充分分辨率的倾斜观测。各样本的观测结果的左侧中央部的偏振状态的紊乱是由于基于圆偏振膜的接缝的入射圆偏振光的不均一性而引起的。并且，关于图23a)的椭圆率观测值的灰色标度，在左图中示出5°～35°的范围，在右图中示出10°～35°的范围。在右旋圆偏振光照明中，观测到的椭圆为左旋，椭圆率角位于负的区域，但是，由于是基于无法判别右旋和左旋的旋转起偏镜法的计测数据，因此示出为正。并且，在右侧的半球样本中，关于接近垂直入射的区域和样本周边部的陡峭的倾斜入射区域，由于欠缺在空间中能够正反射的照明光，所以没有观测到。

根据该实验可知，在3D倾斜椭圆偏振法中优选的圆偏振光照明装置的结构中，为了准确地将物体表面的倾斜信息转印到反射偏振光椭圆中，需要包含尽可能完全的圆偏振光作为入射光线分量，该入射光线分量能够作为可观测的正反射分量而进行反射。并且，计测感光度在本质上由椭圆偏振法计测的计测感光度决定。

关于椭圆偏振法的高精度，作为探测用而入射到样本表面的偏振光是偏振状态唯一确定的完全偏振光，所以，能够利用所记述的马吕斯定律来说明基于一组起偏镜的消光[非专利文献8：Principal Angle-of-Incidence Ellipsometry，K.Kinoshita and M.Yamamoto，Surf.Sci.56，64-75(1976)]。

将起偏镜和检偏镜配置在一条直线上，将起偏镜的透射轴固定为方位角0°，设检偏镜的透射轴的方位为θ时，透射强度书写为

I(θ)＝I₉₀+(I₀-I₉₀)cos°θ

其中，将垂直偏光镜θ＝90°的非偏振光分量的透射强度书写为I₉₀，将平行偏光镜θ＝0°的透射强度书写为I₀。该强度变化依据图24的实线所示的基于众所周知的马吕斯定律的余弦平方法则。根据右侧纵轴的刻度以对数示出时，如虚线所示，该强度变化涉及数位。实际上，方位角90°的消光位置附近的强度变化急剧，在基于消光率优良的偏振光棱镜的消光中，即使是激光，也衰减到能够利用肉眼观测的程度。

在椭圆偏振法中，对反射面的p分量和s分量的振幅反射率之比

$\frac{R_P}{R_S}\&equiv;\mathrm{\&rho;}=\tan \mathrm{\&psi;exp}\left(\mathrm{i\&Delta;}\right)$

进行计测。

以高精度闻名的消光法中的P(起偏镜)-S(样本)-C(1/4波长板)-A(检偏镜)配置为例进行说明。在该PSCA配置中，C固定为方位角45°。交替调节P和A的方位角，能够完成消光。此时，能够根据起偏镜的方位角来决定Ψ，能够根据检偏镜的方位角来决定Δ。即，使起偏镜方位角从p方向倾斜Ψ时，在样本表面反射后的p偏振光和s偏振光的分量的强度相等，与Δ的值无关，反射椭圆偏振光的主轴为方位角45°。因此，通过固定为方位角45°的1/4波长板，将任意椭圆率角的椭圆转换为从1/4波长板的中性轴倾斜椭圆率角的线偏振光。此时，椭圆率角等于Δ/2，能够根据对线偏振光进行消光的A的方位角来决定Δ。

结果，在消光法中利用如下性质：在根据要计测的2个变量而正确调整了起偏镜和检偏镜的方位角的条件下，实现了基于线偏振光的消光，得到极小强度。因此，如利用对数刻度来示出图24的消光位置θ＝90°附近的强度变化那样，利用强度I的下降锐度来决定消光方位角的决定精度。该消光位置的透射强度的最低值由起偏镜的消光性能决定。

起偏镜的性能通过由最小透射强度相对于最大透射强度之比定义的消光率

Ex＝I₉₀/I_o

来表现(消光率有时也由其倒数定义)。图25利用观测强度I的消光位置附近的方位角变化来示出基于各种消光率的起偏镜的马吕斯定律。强度I在消光位置对称地急剧变化。检测感光度由可检测的强度变化率来决定，如图25所示，设能够通过消光强度I₉₀来检测10％的变化时，成为箭头所示的角度宽度。该宽度作为起偏镜的消光率Ex的函数，与

$0.1\sqrt{\mathrm{Ex}}$

相等。

消光率Ex在人造偏振片起偏镜中能够实现10^-4～10^-5，在格兰汤姆森起偏镜等的棱镜型起偏镜中能够实现10^-5～10^-6，在棱镜型中，如果特意选择场所和朝向，则能够实现10^-7～10^-8。

决定该消光状态下的消光率Ex的最小透射强度I₉₀的光由非偏振光分量构成，是由起偏镜生成的线偏振光微小且包含非偏振光分量的部分线偏振光，而且，即使是理想的线偏振光，也由于检偏镜而进行微小的散射，一定的非偏振光分量通过检偏镜。关于椭圆偏振法的消光时的感光度特性，在完全偏振光分量的形状包含圆偏振光的任意椭圆偏振光的情况下，使相矢量作用而成为线偏振光，所以，同等成立。即，在椭圆偏振法的计测系统中，计测误差能够由偏振光的偏振度V来记述。

一般地，通过构成任意的部分偏振光的非偏振光分量的强度I_M和完全偏振光分量I_p，将偏振度V书写为

V＝I_p/(I_p+I_M)

这里，消光时的最小透射强度I₉₀与I_M相等，最大透射强度I₀与I_p+I_M相等，所以，消光率成为

Ex＝I₉₀/I_p＝I_M/(I_p+I_M)＝I-V

计测感光度与

$0.1\sqrt{1-V}$

成比例。

圆起偏镜的偏振能由要使用的起偏镜的偏振能决定。并且，由于以下列举的要因，在偏振状态中产生照射角依赖性，在垂直入射以外，偏振状态从圆偏振光变化。这是在成像位置使所成像的光的偏振度劣化的要因。

1.起偏镜的允许角度范围有限，在Glan-Thompson棱镜型中，最大为±15°左右(参照：http://www.b-halle.de/EN/Catalog/Polarizers/Glan-Thompson_PolarizingPrisms.php)并且，

2.相矢量的相位角在原理上存在角度依赖性。

特别地，利用复折射的相矢量的相位角在原理上示出入射角依赖性，所以，如图26所示，允许角度范围依赖于必要的精度而被限定。图27对如下情况进行说明：根据本发明而构成的具有照明区段的光源装置按顺序包含光源、将光引导到该区段的光学元件以及圆起偏镜，由此，具有能够从该区段射出规定偏振度的完全圆偏振光作为规定角度范围的入射角光线束的功能。图27示出平均折射率1.5、1.4、1.0的计算例。以起偏镜的消光率10^-6为基准时，相位角变化要求10^-3弧度～10^-4弧度。即，在相位角变化中为0.1％～0.01％。从图27读取时，这些分别意味着在±12°和±4°的范围内对相矢量与光轴的接触角进行限制。图27所示的数据说明：根据本发明而构成的具有照明区段的光源装置能够对该物体照明实质上偏振度为99％以上的圆偏振光光束群。

根据这些要素，在以规定精度生成完全圆偏振光时，需要使这些光线相对于偏振光元件的入射角或出射角收敛于规定的允许角度范围内。满足该要件的照明区段如图28所例示的那样，只要将在表示允许角度的圆内内切的正多边形作为要素来构成照明区域即可。这样，只要使光源装置的照明区段成为由与圆内切的任一个正多边形或者其组合构成的多面体区段即可。具体而言，需要根据要求精度，在规定的角度范围内对照明区域进行分割。另外，照明区段如图29所例示的那样，通过在面发光光源中贴合圆起偏镜从而能够简便且紧凑地构成。在对构成计测物体的内表面的表面进行计测的情况下该结构特别有用，作为基于本发明的具有照明区段的光源装置，至少按顺序包含排列有点发光源的实质的面光源和/或面发光光源、圆起偏镜。

以上研讨的结果，在3D倾斜椭圆偏振法中优选的圆偏振光照明装置需要满足以下要件。

(1)能够供给用于生成在能够从观测方向观察的物体表面正反射且在观测方向上前进的反射光线的所有入射光线。

(2)为了使上述(1)中生成的物体表面的照明光为完全圆偏振光，利用多个照明区段来构成照明区域。

(3)该照明区段具有在规定角度范围内从该区段朝向物体发出规定精度的完全圆偏振光的功能，在该区段的圆起偏镜以后的入射光线的光路中，传播光的圆偏振状态不会紊乱。

(4)由于在物体正反射的结果而产生的椭圆偏振光的偏振状态在反射光路中不会紊乱。

进而，由于利用形式，存在应该附加的如下要件。

在3D倾斜椭圆偏振法中，一般设物体的光学性质已知。但是，附加通过现有技术的椭圆偏振法分析而使物体表面的光学特性已知的机构，由此，附加了决定物体的光学性质的功能，能够扩大应用范围。

该情况下，附加如下要件：

(5)具有赋予已知的基准光线的入射角和方位角的照明角度原点基准。

图30示出该结构例。图30说明构成在基于本发明的光源装置的照明区段内具有照明角度原点基准的结构即可。图中的虚线部为照明角度原点基准，通过改变其他区域和透射强度或透射波长的特性，在偏振光图像检测时具有在图像内确定坐标的功能。

进而，着眼于利用与入射面方位对称地切换吸收体的椭圆方位的偏置角的性质，在简化分析算法并提高计测精度的利用方式中，具有利用右旋圆偏振光和左旋圆偏振光在时间上或空间上选择照明光束的圆偏振状态的功能，如下要件是有用的：

(6)具有利用右旋圆偏振光和左旋圆偏振光在时间上或空间上选择圆偏振光照明的功能。

这样，根据本发明可知，圆偏振光照明装置用于倾斜度、形状计测法，在该倾斜度、形状计测法中，使圆偏振光入射到构成包含内表面的物体表面的倾斜面，使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏振特性，对该倾斜面的三维倾斜角和构成该倾斜面的该物体的形状、倾斜度进行计测，该圆偏振光照明装置具有与该物体正对的由平面或曲面构成的圆形或矩形或者其组合的多面体形状的照明区段，以使入射到该物体表面的圆偏振光光线群包含根据反射定律能够向观测方位正反射的所有入射光线分量，进而，该区段由包围物体外表面的凹面或朝向物体内表面的凸面构成，能够通过该区段向该物体照射实质的完全圆偏振光。在本发明中能够理解到，提供一种圆偏振光照明装置，该圆偏振光照明装置的特征在于，具有这样构成的光源装置。

下面示出满足这些要件的最佳的实施方式例。

与测定对象物体正对的由平面或曲面构成的圆形或矩形或者其组合的多面体形状能够提供各种结构例。图31示出使正多边形成为照明区段的照明区域的结构例。在图31中，依次示出m＝4、6、8、12、20时的正m面体。在图31中，还示出圆偏振膜的圆筒形、以及组合了正五边形和正六边形的足球形状的多面体。在图31中，在对样本外表面进行观察时，中心部的球表示样本，在对样本内表面进行观察时，中心部的球表示光源。在正四面体和正六面体的情况下，利用箭头例示了球为样本时的光线的前进方向。在球为光源的情况下，朝向球的光线方向逆转，全部成为通过多面体区段而朝向外侧的光线。本发明的光源装置可以构成为，以规定角度配置光纤元件，垂直入射到照明区段。作为在多面体结构中组合光纤光源的结构例，图32示出正八面体的情况。在图32中，中心部的球表示外表面观测用的样本。

在本发明的圆偏振光照明装置中，该光源装置能够构成为，至少包含用于生成从一点发散的光束的光源机构和旋转椭圆体反射镜，进而，以与该旋转椭圆体反射镜的焦点一致的方式配置该发散点和物体的位置，通过反射使照明光线收束于物体，从而能够垂直入射到照明区段。图33示出这样构成的优选实施例。在图33的具体例中，从左侧起，示出偏振光照相机、在内部放置样本的多面体照明区段、以及由旋转椭圆体镜和点光源构成的圆偏振光照明装置。在其他的本发明的圆偏振光照明装置中，该光源装置能够构成为，至少包含用于生成平行的照明光束的光源机构和旋转抛物面镜，进而，以与该旋转抛物面镜的焦点一致的方式配置物体的位置，通过反射使照明光线收束于物体，从而能够垂直入射到照明区段。图34示出这样构成的优选实施例。在图34的具体例中，从左侧起，示出偏振光照相机、在内部放置样本的多面体照明区段、以及由旋转抛物面镜和生成平行光束的光源机构(省略)构成的圆偏振光照明装置。

图35示出内表面形状观察的实施例。在本实施例中，能够使用固定圆偏振光面板光源和光圈，利用偏振光照相机统一进行摄像。该固定圆偏振光面板光源至少按顺序包含：排列有点发光源的实质的面光源和/或面发光光源、圆起偏镜。

图36示出内表面形状观察的其他实施例。在本实施例中，使用圆偏振光光源和光圈，使光源或光圈的任一方在样本旋转对称轴上进行直线驱动扫描，从而进行重叠摄像。该圆偏振光光源可以是如下光源：按顺序包含光源、将光引导到该区段的光学元件以及圆起偏镜，具有能够从该区段射出规定偏振度的完全圆偏振光作为规定角度范围的入射角光线束的功能的光源；能够对该物体照明实质上偏振度为99％以上的圆偏振光光束群的光源；光源装置的照明区段成为由与圆内切的任一个正多边形或者其组合构成的多面体区段的光源；以规定角度配置光纤元件，垂直入射到照明区段的光源；以及至少按顺序包含：排列有点发光源的实质的面光源和/或面发光光源、圆起偏镜的光源等。

图37示出封住一端后的内表面形状观察的实施例。能够使用圆偏振光面板、射束光阑和光圈，利用偏振光照相机统一进行摄像。

图38示出封住一端后的内表面形状观察的其他实施例。使用圆偏振光光源和光圈，使光源或光圈的任一方进行规定的直线驱动扫描，从而进行重叠摄像。

图39以构成旋转抛物面的样本的内表面形状为例、示出内表面形状观察的其他实施例。能够使用照射圆偏振光平行光束的光源和光圈，利用偏振光照相机统一进行摄像。

图40以构成旋转椭圆面的样本的内表面形状为例、示出内表面形状观察的其他实施例。能够使用圆偏振光光源和光圈，利用偏振光照相机统一进行摄像。如上所述，本发明的技术能够应用于倾斜传感器。作为基于本发明的新技术，利用反射面来构成倾斜传感器，实时地将2个轴配置在希望计测倾斜的物体的表面、边界面，由此，能够期待新的应用领域的发展。该情况下，传感器能够由具有圆偏振光照明的1次反射的镜面构成，能够直接读出2个轴的倾斜。并且，如果设反射次数为2次的直角棱镜型或3次的直角棱镜型，则成为往复光路型的单轴的倾斜传感器，能够展开利用圆偏振光激光器进行照明并在反射偏振状态下计测倾斜的遥测应用。作为望远镜利用的新颖应用，例如存在如下应用：在以往使用三角测量的大型建筑物的计测中，在必要的部位安装由圆偏振光照明和反射面构成的二轴倾斜传感器、或基于直角棱镜型的反射传感器的单轴倾斜传感器，同时对多个部位进行实时计测。期待能够对大厦或桥梁等大型建筑物整体的扭曲变形等的动态特性进行计测。

产业上的可利用性

在本发明的技术中，利用偏振光从样本周边同样照明，从空间上固定的方向对反射光的偏振状态进行观测，由此，根据在样本剖面坐标上的规定反射点观测到的反射偏振光的状态，对该反射点的入射面的斜率和入射角(＝反射角)进行计测，然后，在样本剖面内的计测点之间依次平滑地连接所计测的反射点的反射面，从而对样本的形状进行再构建等，能够进行简便且通用的形状、倾斜度检测和/或形状、倾斜度计测以及分析，由此，能够开发并提供物体表面倾斜度计测装置、医疗诊断装置、乳房X线照相装置、形状计测显微镜、形状计测望远镜、生产线上的不良品形状、污垢监视装置、基于物体形状的微分值(倾斜)数据的形状的标准化数据库的构建(与物体大小无关而利用形状进行统计处理的数据库)。

利用本发明的圆偏振光照明装置和圆偏振光照明方法，能够开发形状计测照相机、形状计测望远镜、形状计测装置、倾斜传感器、生产线上的不良品形状、污垢监视装置等。

显而易见，本发明在所述说明和实施例的特别记载以外也能够执行。鉴于上述指教，能够进行本发明的多个改变和变形，因此，这些也包含在本案件附加的权利要求书的范围内。

Claims (35)

1.一种形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其利用物体的表面的反射光学特性对观察物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或计测，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置的特征在于，

该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置具有：

照明装置，其以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态在内的偏振状态的光同样入射；以及

偏振光图像检测装置，其对被该物体的表面正反射而以特定方位角射出的光线群的包含完全偏振光分量在内的偏振光分量的偏振光椭圆进行检测，

该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面，通过步骤1和步骤2测定反射面相对于射出光线的倾斜角，其中，在该步骤1中，根据偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位，在该步骤2中，根据包含偏振光椭圆的椭圆率理论值在内的偏振光椭圆的椭圆率值得知入射角。

2.根据权利要求1所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态在内的偏振状态的光同样入射的照明装置照射包含完全圆偏振光在内的圆偏振光。

3.根据权利要求1或2所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

在根据偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位的步骤1中，(1)根据包含偏振光椭圆的观测方位角理论值在内的偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位；或者(2)在以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态在内的偏振状态的光同样入射的照明装置中，切换入射右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，从而利用与物体的表面的反射光学特性无关地相对于入射面对称地切换包含反射偏振光椭圆的观测方位角理论值在内的反射偏振光椭圆的观测方位角值的性质，确定入射面方位。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态在内的偏振状态的光同样入射的照明装置包含在空间上确定的入射光线作为计测基准原点，能够根据由偏振光图像检测装置确定的反射点中的偏振光椭圆的观测值，确定该反射面的光学性质。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下机构：能够提取具有实质上相同的偏振光椭圆的光线群的方位角范围。

6.根据权利要求1～5中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下结构：将反射光在空间上分割为至少3个以上的多个，分配能够检测彼此不同的特定的偏振光椭圆的多个检偏镜，并行地同时检测偏振光椭圆。

7.根据权利要求1～6中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置具有垂直线偏振光像检测单元，该垂直线偏振光像检测单元利用偏振光分束器将反射光分割为直行的p偏振光分量和反射的s偏振光分量，通过成像透镜使其分别在二维检测器上成像，取出物体像作为垂直偏振光像输出。

8.根据权利要求1～7中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下机构：得到物体的缩小投影像，从而确定物体的表面的光线位置。

9.根据权利要求1～7中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下机构：得到物体的放大投影像，从而确定物体的表面的光线位置。

10.根据权利要求1～7中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下机构：具有准直仪，从而确定物体的表面的光线位置。

11.根据权利要求1～7中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下机构：将该装置实质上配置在无限远处，从而确定物体的表面的光线位置。

12.根据权利要求1～7中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振光图像检测装置具有如下机构：具有针孔，从而确定物体的表面的光线位置。

13.根据权利要求1～12中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置是如下的包含乳房摄影设备的医疗诊断装置：将人体或包含乳房在内的人体的一部分作为检测和/或计测物体，对由于包含恶性肿瘤在内的各种病变而引起的表面倾斜角的异常变化进行检测确定。

14.根据权利要求1～13中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

通过患者包括在内的观察物体的包含姿势变化的力学处理，赋予基于规定应力的变形，对变形前后的倾斜角的变化进行检测和/或计测，从而提取力学特性。

15.根据权利要求1～14中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，

设照明光为白色光，设为考虑了从包含皮肤在内的观察物体表面起的侵入深度与波长一起变化的实质的反射面，对该反射面的光学特性的变化进行检测和/或计测。

16.一种光学形状、倾斜度检测和/或计测法，利用物体的表面的反射光学特性对观察物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或计测，该光学形状、倾斜度检测和/或计测法的特征在于，

通过照明装置，以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态在内的偏振状态的光同样入射，利用偏振光图像检测装置，对被该物体的表面正反射而以特定方位角射出的光线群的包含完全偏振光分量在内的偏振光分量的偏振光椭圆进行检测，针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面，根据偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位、且根据包含偏振光椭圆的椭圆率理论值在内的偏振光椭圆的椭圆率值得知入射角，由此，测定反射面相对于射出光线的倾斜角，利用所测定的倾斜角在该物体的表面平滑变化的性质，提取物体信息。

17.根据权利要求16所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，

将人体或包含乳房在内的人体的一部分作为检测和/或计测物体，对由于包含恶性肿瘤在内的各种病变而引起的表面倾斜角的异常变化进行检测确定。

18.根据权利要求16或17所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，

通过包含将患者包括在内的观察物体的姿势变化的处理，赋予规定的变形，对变形前后的倾斜角的变化进行检测和/或计测。

19.根据权利要求16～18中的任一项所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，

设照明光为白色光，设为考虑了从包含皮肤在内的观察物体表面起的侵入深度与波长一起变化的实质的反射面，对该反射面的光学特性的变化进行检测和/或计测。

20.一种形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，

在利用物体的表面的反射光学特性对观察物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或计测的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置中具有：照明装置，其以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态在内的偏振状态的光同样入射；以及偏振光图像检测装置，其对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的包含完全偏振光分量在内的偏振光分量的偏振光椭圆进行检测，针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面即微斜面，根据偏振光椭圆的方位角得知入射面的方位角、即切平面的法线的方位角，而且，根据该偏振光椭圆的椭圆率得知反射角即入射角，由此，测定反射面相对于射出光线的倾斜角，进行平滑连接构成切平面的微斜面的积分操作。

21.根据权利要求20所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，

利用一次反射所引起的偏振光椭圆的变化的入射角依赖性，关于观测物体表面的反射点处的切平面的法线，直接对与作为观测方向的轴所成的反射角以及投影到与该作为观测方向的轴垂直的平面上的投影分量的偏角进行计测。

22.根据权利要求20或21所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，

决定作为观测方向的轴的分量的坐标下的偏微分系数，作为观测物体表面的反射点的切平面的倾斜度。

23.根据权利要求20～22中的任一项所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，

对观测物体表面的反射点的切平面的法线的斜率进行计测，求出物体的反射点处的形状、倾斜度的偏微分系数，对该偏微分系数的时间变化和/或空间变化进行计测，直接利用所得到的计测值，提取形状的特征和/或倾斜度的特征。

24.根据权利要求20～23中的任一项所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，

利用椭圆偏振法，使用利用表示观测对象样本的光学性质的光学模型计算出的复振幅反射率比、以及由被反射的偏振光椭圆的椭圆率角和主轴的方位角求出的值Ψ、Δ，对切平面的倾斜度以及观测物体的形状进行计测。

25.一种圆偏振光照明装置，其用于对物体的形状或倾斜度进行计测的倾斜度、形状计测法，该圆偏振光照明装置的特征在于，

该圆偏振光照明装置用于使圆偏振光入射到构成包含内表面在内的物体表面的倾斜面，使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏振特性，进行该倾斜面的三维倾斜角和构成该倾斜面的该物体的形状、倾斜度的计测，并且，该圆偏振光照明装置具有光源装置，该光源装置具有与该物体正对的由平面或曲面构成的圆形或矩形或者其组合的多面体形状的照明区段，该区段由包围物体的外表面的凹面或指向物体的内表面的凸面构成，能够通过该区段向该物体照射包含实质的完全圆偏振光在内的圆偏振光，并且，使入射到该物体的表面的圆偏振光光线群包含能够根据反射定律向观测方位正反射的所有入射光线分量。

26.根据权利要求25所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，

具有所述照明区段的光源装置按顺序包含光源、将光引导到该区段的光学元件以及圆起偏镜，该光源装置具有如下功能：能够从该区段射出包含规定偏振度的完全圆偏振光在内的圆偏振光，作为规定角度范围的入射角光线束。

27.根据权利要求25或26所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，

具有所述照明区段的光源装置能够对该物体照射实质上偏振度为99％以上的圆偏振光光束群。

28.根据权利要求25～27中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，

所述光源装置的照明区段成为由与圆内切的正多边形中的任一个或者其组合构成的多面体区段。

29.根据权利要求25～28中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，

所述光源装置以规定角度配置光纤元件，以垂直入射到照明区段。

30.根据权利要求25～29中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，

具有所述照明区段的光源装置按顺序至少包含：排列有点发光源的实质的面光源和/或面发光光源以及圆起偏镜。

31.根据权利要求25～30中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，

所述光源装置至少包含生成从一点发散的光束的光源机构和旋转椭圆体反射镜，以与该旋转椭圆体反射镜的焦点一致的方式配置该发散点和物体的位置，通过反射使照明光线收敛于物体，从而垂直入射到照明区段。

32.根据权利要求25～30中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，

所述光源装置至少包含生成平行的照明光束的光源机构和旋转抛物面镜，以与该旋转抛物面镜的焦点一致的方式配置物体的位置，通过反射使照明光线收敛于物体，从而垂直入射到照明区段。

33.根据权利要求25～32中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，

在所述光源装置的照明区段内具有照明角度原点基准。

34.根据权利要求25～33中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，

该圆偏振光照明装置具有如下功能：以右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的形式在时间上或空间上选择照明光束的圆偏振状态。

35.一种圆偏振光照明方法，用于如下的倾斜度、形状计测法：使圆偏振光入射到构成包含内表面在内的物体的表面的倾斜面，使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏振特性，对该倾斜面的三维倾斜角和构成该倾斜面的该物体的形状或倾斜度进行计测，该圆偏振光照明方法的特征在于，

使用具有照明区段的光源装置，通过该区段向该物体照射包含实质的完全圆偏振光在内的圆偏振光，使入射到该物体的表面的圆偏振光光线群包含能够根据反射定律向观测方位正反射的所有入射光线分量，其中，该照明区段与测定对象物体正对，且为由平面或曲面构成的圆形或矩形或者其组合的多面体形状，并且该照明区段由包围物体的外表面的凹面或指向物体的内表面的凸面构成。

Images