CN117136295A - 光测量装置 - Google Patents

Abstract

光测量装置由偏光照射部10以及偏光拍摄部20所构成；偏光照射部10对被摄体照Ob照射偏光受到控制的照射光；偏光拍摄部20拍摄因被摄体Ob使得照射光散射、反射、吸收等而产生的测量光的偏光状态，并计算测量光的斯托克斯参数的全部或一部分，并测量因被摄体Ob而产生于照射光与测量光之间的偏光分量的变化。由于对被摄体照射偏光状态受到控制的照射光，因此能取得将自然光也就是非偏光的照射光照射至被摄体时难以测量的被摄体信息，且也能够抑制当将偏光状态不稳定的照射光照射至被摄体以测量偏光时所产生的噪声、对比度降低。

Description

光测量装置

技术领域

本申请涉及一种光测量装置，所述光测量装置照射经过偏光的照射光，并测量来自被摄体的测量光的偏光，以测量偏光分量的变化。

背景技术

过往，光学测量作为能以非接触且非破坏方式来测量被摄体所具有的信息以及特性的技术而被应用于广泛的领域，但大多数都是测量光的强度以及波长的技术。另一方面，近年来，物质的各向异性(anisotropy)以及生物体细胞的特性等源自内部结构的特性受到瞩目，作为取得这些特性的方法，已经提出了测量因被摄体而受到散射、反射、吸收等的光的偏光状态。

作为测量偏光状态的典型测量方法，已知有一种旋转偏光器法，利用旋转的偏光器(polarizer)以及波长板。然而，为了要一边旋转偏光器一边分为多次取得计算斯托克斯参数(stokes parameter)所需的信息，要测量动态的被摄体或是偏光状态随时间变化的被摄体是困难的。

因此，作为用于以快照(snap shot)来测量动态的或是偏光状态随时间变化的被摄体的偏光空间分布的方法，设计了使用偏光器阵列相机或偏光衍射光栅的测量方法等。

专利文献1公开了一种具有成像透镜、滤色器、各向异性衍射光栅元件、受光元件阵列的偏光拍摄装置。因被摄体而受到散射、反射、吸收等的射入光通过穿透各向异性衍射光栅元件，而取决于偏光状态来衍射。通过用受光元件阵列来接收射入光于空间上分离出的各个衍射光，能于空间上分离并取得射入光的偏光信息以作为强度信息。

根据所分离出的各衍射级次光的强度信息，来计算斯托克斯参数S0、S1、S2、S3，斯托克斯参数为描述偏光状态的斯托克斯矢量(stokes vector)S(S0，S1，S2，S3)的要件。斯托克斯矢量S的各要件定义如下，S0：全光强度；S1：0度线性偏光分量与90度线性偏光分量的光强度的差；S2：45度线性偏光分量与135度线性偏光分量的光强度的差；S3：右旋圆偏光分量与左旋圆偏光分量的光强度的差；对于偏光器阵列相机难以测量的S3的测量也有对应。

现有技术文献

专利文献1:国际公开第2019/039486号公报

发明内容

发明所要解决的问题

上述偏光测量法以及偏光拍摄装置中，在太阳光或室内环境光(萤光灯或白炽灯)等自然光，也就是非偏光的环境光下，测量因被摄体所致的散射、反射、吸收而产生的测量光的偏光状态，并计算斯托克斯参数S0、S1、S2、S3。然而，由于非偏光的环境光的斯托克斯矢量为S(S0，S1，S2，S3)＝(1，0，0，0)，并不包含线性偏光分量或圆偏光分量，因此只能测量被摄体表面中因菲涅耳反射(fresnel reflection)或散射所引起的偏光状态的变化，存在难以测量由被摄体内部中的双折射(birefringence)、圆二色性、线性二色性、散射、多重干涉等所引起的偏光状态的变化的问题。

另外，即便环境光不是非偏光，若未控制偏光状态，仍有着产生相干光(coherentlight)之类对于相位波动的散斑噪声(speckle noise)；或是于存在降雪、降雨、雾等环境下也就是散射因素的环境下难以测量偏光状态的问题。

本申请的目的在于解决上述课题，提供一种光测量装置，对被摄体照射偏光状态受到控制的照射光，并测量因被摄体的散射、反射、吸收等而产生的测量光的偏光状态的变化，借此取得被摄体信息。

解决问题的技术手段

为了达成上述目的的本申请的光测量装置具备：偏光照射部，对被摄体照射偏光受到控制的照射光；以及偏光拍摄部，拍摄因将所述照射光照射至所述被摄体而产生的测量光的偏光状态，并测量产生于所述照射光与所述测量光之间的偏光分量的变化。

发明的有益效果

根据本申请的光测量装置，通过偏光照射部来控制偏光，并通过测量产生于对被摄体照明的照射光与由偏光拍摄部所摄影的被摄体所致的散射、反射、吸收、穿透而产生的测量光之间的偏光分量的变化，从而能取得被摄体所特有的被摄体信息。

附图说明

图1是光测量装置的实施例1的构成图。

图2A是使用了偏光衍射光栅的偏光照射部的构成图。

图2B是使用了MEMS(Microelectromechanical Systems；微机电系统)镜的偏光照射部的构成图。

图2C是使用了放大照射光学系统的偏光照射部的构成图。

图3A是使用了偏光衍射光栅以及液晶延迟器的偏光拍摄部的构成图。

图3B是使用了移相器以及检偏器的偏光拍摄部的构成图。

图3C是使用了偏光衍射光栅以及偏光器阵列相机的偏光拍摄部的构成图。

图4A是偏光衍射光栅的光学各异向异性的光学特性的说明图。

图4B是偏光衍射光栅的衍射特性的光学特性的说明图。

图4C是偏光衍射光栅的衍射效率的光学特性的说明图。

图5是光测量装置的测量状态的说明图。

图6是测量了光学涡旋延迟器(optical vortex retarder)的偏光图像的说明图。

图7是测量了CD(Compact Disc；光盘)盒的偏光图像的说明图。

图8是测量了光学涡旋延迟器的偏光图像的详细说明图。

图9是测量了CD盒的偏光图像的详细说明图。

图10是改变照射光的照射角度而测量的偏光图像的说明图。

图11是用近红外光测量了光学涡旋延迟器的偏光图像的说明图。

图12是用近红外光测量了CD盒的偏光图像的说明图。

具体实施方式

基于图示的实施例来详细说明本申请。

实施例1

图1是光测量装置的实施例1的构成图，光测量装置具备：偏光照射部10，相对于配置于yz平面的被摄体Ob，可动地设置于极坐标系统所示的位置ri＝(ri·sinθi·cosφi,ri·sinθi·sinφi,ri·cosθi)；以及偏光拍摄部20，可动地设置于极坐标系统所示的位置rm＝(rm·sinθm·cosφm,rm·sinθm·sinφm,rm·cosθm)。仅，r为被摄体Ob的中心位置，也就是相距极坐标系统的原点的距离；θ为相距z轴的偏角；φ为相距x轴的偏角。偏光照射部10的可动范围设为0≦ri、0≦θi<180°、0≦φi<360°；偏光拍摄部20的可动范围设为0≦rm、0≦θm<180°、0≦φm<360°。

偏光照射部10具有二维扫描或是扩展偏光受到控制的照射光LS并对被摄体Ob照射的功能。偏光拍摄部20具有如下功能：拍摄因被摄体Ob使得照射光LS受到散射、反射、吸收等而产生的测量光LR的偏光状态，并计算测量光LR的斯托克斯参数S0至S3的全部或一部分，从而测量因被摄体Ob而产生于照射光LS与测量光LR之间的偏光分量的变化。另外，此偏光分量的变化为依每个被摄体Ob所特有的变化。

于图1中为如下配置：用偏光拍摄部20拍摄由偏光照射部10所照射的照射光LS中经被摄体Ob所反射的测量光LR。然而，能任意地变更偏光照射部10以及偏光拍摄部20的配置，来对应要使用偏光拍摄部20拍摄将照射光LS照射至被摄体Ob的结果所产生的散射、反射、穿透等测量光LR中的哪一个光。例如，当偏光照射部10以及偏光拍摄部20的x坐标的符号相同时，成为拍摄将照射光LS照射至被摄体Ob而产生的反射光的配置；当x坐标的符号不同时，成为拍摄将照射光LS照射至被摄体Ob而产生的透射光的配置。当拍摄将照射光LS照射至被摄体Ob而产生的散射光时，成为将偏光照射部10以及偏光拍摄部20配置于与散射现象对应的适当位置。

图2A至图2C是偏光照射部10的构成图。图2A是使用了偏光衍射光栅的第一偏光照射部10的构成，图2B是使用了MEMS镜的第二偏光照射部10’的构成，图2C是使用了放大照射光学系统的第三偏光照射部10”的构成。

于第一偏光照射部10，光源11、偏光控制元件12以及具有旋转机构的四片偏光衍射光栅13a至13d依序配置于同一光轴上。光源11不特别限制为激光或LED(light-emittingdiode；发光二极管)等，期望光源11使用：所射出的照射光LS的频率宽度为1PHz以下，优选为1THz以下，更优选为1GHz以下，再更优选为1MHz以下。

此外，光源11的照射光LS优选为窜入至被摄体Ob的内部，且具有根据被摄体的内部信息而改变偏光状态的频带，更优选为具有可见光至红外光的频带。偏光控制元件12只要具有能够任意改变由光源11所射出的照射光LS的偏光状态的功能即可，形态或构成并无特别限制，例如可为组合偏光板与1/4波长板的构成，亦能够使用电光调制器等。

四片偏光衍射光栅13a至13d具有相同的结构，详细的光学特性将于后面叙述，仅具有如下功能：当控制为圆偏光的照射光LS射入时，以100％的衍射效率使照射光LS衍射至仅特定的级次的方向。此时，射入至一片偏光衍射光栅并衍射的照射光LS将成为与射入时相反方向的圆偏光，该圆偏光的椭圆率ε理论上为100％。此外，四片偏光衍射光栅13a至13d分别具有能够以第一偏光照射部10的光轴为中心轴而个别地旋转的旋转机构，并且通过使各个旋转机构适当地旋转，而能于与光轴正交的平面内二维扫描所射入的照射光LS，例如能沿着利萨如(Lissajous)图形或栅格(raster)图形扫描。

于如上所述构成的第一偏光照射部10中，当从光源11所射出的照射光LS经由偏光控制元件12而成为圆偏光并射入至偏光衍射光栅13a至13d时，成为精度极高的圆偏光，例如完全偏光或偏光度为50％至100％的部分偏光，并通过偏光衍射光栅13a至13d的旋转而二维扫描从而能够照明被摄体Ob。当二维扫描而照明被摄体Ob的圆偏光的照射光LS为完全偏光时，期望椭圆率为50％至100％；当为部分偏光时，就椭圆率ε以及偏光度p来说期望ε>50％，p>50％；优选为ε>80％，p>80％；更优选为ε>90％，p>90％；又更优选期望为ε>98％，p>98％。

另外，于图2A示出了使用了四片偏光衍射光栅13a至13d的实施例，仅照射光LS的二维扫描只要使用两片以上的偏光衍射光栅即可。此外，也能于偏光衍射光栅13a至13d的后方配置追加的偏光控制元件，以调整被偏光衍射光栅13a至13d所衍射的照射光LS的偏光状态。

也能使用图2B所示的第二偏光照射部10’来取代第一偏光照射部10。第二偏光照射部10’为将偏光衍射光栅13a至13d替换为MEMS镜14的构成，光源11、偏光控制元件12则与第一偏光照射部10相同。MEMS镜14配置为可动，使得能反射并二维扫描照射光LS’。也能将偏光控制元件12配置于MEMS镜14的后方。此外，也能于MEMS镜14的前方配置聚光透镜，以将对被摄体Ob扫描照明的照射光LS’的光束径缩小。

虽然光源11、偏光控制元件12、MEMS镜14是配置于同一光轴上，但由于是反射光学系统，因此仅就光学系统来看，容易比第一偏光照射部10还大型化，然而由于不需要如第一偏光照射部10般的多片的偏光衍射光栅13a至13d以及使这些偏光衍射光栅个别旋转的旋转机构，因此具有简化用以扫描照射光的机构的优点。照射光LS’的偏光状态虽然有可能因MEMS镜14的反射而改变，仅也能于MEMS镜14的后方配置偏光控制元件12或是配置追加的偏光控制元件，以调整偏光状态。

因此，研判应根据使用环境以及测量对象来选择合适的偏光照射部10，例如，如果以光学系统的小型化为优先，则选择第一偏光照射部10；如果以减少光学构件的数量、简化旋转机构为优先，则选择第二偏光照射部10’。

也能使用如图2C所示的第三偏光照射部10”来取代第一偏光照射部10。第三偏光照射部10”为将偏光衍射光栅13a至13d替换为透镜对(lens pair)15的构成，光源11、偏光控制元件12则与第一偏光照射部10相同。透镜对15由第一透镜以及第二透镜所构成，第一透镜将照射光LS”二维扩展；第二透镜将照射光LS”形成为平行光或是扩散光。于第三偏光照照射部10”中并不二维扫描照射光LS”，而是将照射光LS”扩展，并作为平行光或是扩散光而照明被摄体Ob。由于不使用偏光衍射光栅13a至13d、MEMS镜14之类的可动构件，因此有利于装置的小型化。由于是不二维扫描照射光LS”的光学系统，因此当使用相干(coherent)光源作为光源11时，有可能产生相位波动等时间上的不稳定的散斑噪声；当使用非相干光源时，有可能失去指向性，使得能够照射到被摄体Ob的距离产生限制。

因此，以用稳定的照射光来照明被摄体的观点来看，第一偏光照射部10优于第三偏光照射部10”。

另外，偏光照射部10并不限于图2A至图2C所示的构成，只要具备光源11、由光源11所射出的照射光的偏光控制机构以及二维扫描或扩展照射光的机构即可。例如，也能使用将偏光衍射光栅与可变延迟器多级堆叠以进行光束控制(beam steering)的方式，来取代于第一偏光照射部10中的具有旋转机构的两片以上的偏光衍射光栅；于此方式中，必须注意照射光的曝光密度变得比第一偏光照射部10还低。

图3A至图3C为偏光拍摄部20的构成图；图3A为使用了偏光衍射光栅以及液晶延迟器的第一偏光拍摄部20的构成图；图3B为使用了移相器以及检偏器的第二偏光拍摄部20’的构成图；图3C为使用了偏光衍射光栅以及偏光器阵列相机的第三偏光拍摄部20”的构成图。

第一偏光拍摄部20从被摄体Ob侧起依序于同一光轴上配置成像用透镜21、带通滤光器(bandpass filter)22、第一液晶延迟器23、第二液晶延迟器24、偏光衍射光栅25以及影像元件26(imaging unit)。成像用透镜21是用于使来自被摄体Ob的测量光LR在影像元件26上成像的光学系统，也能配置于偏光衍射光栅25的后方。带通滤光器22是用于将测量光LR单色化的滤光器，也能配置于液晶延迟器23、24的后方。此外，当测量光LR为激光之类的经单色化的光时，也能使用边缘通滤光器(edge pass filter)22’来取代带通滤光器22。例如，若测量光LR为波长1μm左右的近红外光，则也能通过使用用以阻断波长900nm以下的光的边缘通滤光器22’，来将已排除了外部环境光所致的噪声的测量光LR成像于影像元件26上。

若将影像元件26的横向设为0度方向，则将第一液晶延迟器23的进相轴设定为朝向45度并将第二液晶延迟器24的进相轴设定为朝向0度，两者的相位差皆为相对于测量光LR的波长可于0至2π以上的范围内变化。此外，第一液晶延迟器23、第二液晶延迟器24操作为使得于时间上切换各自赋予测量光LR的相位差，并将偏光转换为以下所列的三种状态。

(1)将0度以及90度的线性偏光分量转换为左右圆偏光

(2)将45度以及135度的线性偏光分量转换为左右圆偏光

(3)不转换偏光

偏光衍射光栅25的具体的光学特性于后面叙述，仅具有下述功能：当测量光LR射入时，使测量光LR的左右圆偏光分量以100％的衍射效率分别沿仅特定的级次的个别方向衍射，从而于空间上分离为左圆偏光分量以及右圆偏光分量。影像元件26使由偏光衍射光栅25所分离出的测量光LR的两个像成像而检测出。此外，影像元件26优选为期望能够从检测到来自被摄体Ob的内部的测量光LR；更优选为期望能够检测到可见光至红外光的频带范围内。

在如上构成的第一偏光拍摄部20中，来自被摄体Ob的测量光LR穿透成像用透镜21而成像于影像元件26上，且由带通滤光器22单色化之后，依序射入至第一液晶延迟器23以及第二液晶延迟器24。第一液晶延迟器23以及第二液晶延迟器24于时间上切换而以三个状态操作，将测量光LR依序进行以下三种转换：(1)将0度以及90度的线性偏光分量转换为左右圆偏光；(2)将45度以及135的线性偏光分量转换为左右圆偏光；(3)不转换偏光；因此由偏光衍射光栅25将测量光LR的左右圆偏光分量于空间上分离为二，然后于影像元件26成像为两个像。

影像元件26拍摄测量光LR的分离的两个像，并将此两个像于时间上依序切换为：(1)转换为左右圆偏光的0度线性偏光分量以及90度线性偏光分量；(2)转换为左右圆偏光的45度线性偏光分量以及135度线性偏光分量；(3)右旋圆偏光分量以及左旋圆偏光分量。若计算依序从(1)至(3)切换的两个像的差，则依序能由(1)计算斯托克斯参数S1，由(2)计算斯托克斯参数S2，由(3)计算斯托克斯参数S3；若以(1)至(3)其中任一者来计算两个像的和，则能计算斯托克斯参数S0。

也能使用图3B所示的第二偏光拍摄部20’来取代第一偏光拍摄部20。将第二偏光拍摄部20’设为将第一液晶延迟器23、第二液晶延迟器24、偏光衍射光栅25替换为移相器27以及检偏器28的构成，成像用透镜21、带通滤光器22与第一偏光拍摄部20相同。移相器27配置为能够以光轴为中心轴旋转，以便从测量光LR’获得与偏光状态相对应的光。

于第二偏光拍摄部20’中，要一边使移位器27以及检偏器28旋转，一边分为多次进行计算斯托克斯参数所需的拍摄，从而计算斯托克斯参数的所有要件，最少需要四张拍摄图像。此外，由于需要机械可动部以使移相器27以及检偏器28旋转，因此装置尺寸容易变大。

因此，从为了计算斯托克斯参数的所有要件所需的时间以及装置尺寸的观点来看，第一偏光拍摄部20优于第二偏光拍摄部20’。另外，能将与已知的旋转移相器法、旋转偏光器法有关的所有技术使用于第二偏光拍摄部20’，也能够提升测量精度。

也能使用图3C所示的第三偏光拍摄部20”来取代第一偏光拍摄部20。将第三偏光拍摄部20”设为不使用第一偏光拍摄部20中的第一液晶延迟器23、第二液晶延迟器24，并使用偏光器阵列相机以作为影像元件26’的构成。成像用透镜21、带通滤光器22以及偏光衍射光栅25与第一偏光拍摄部20相同。

于第三偏光拍摄部20”中，将根据偏光衍射光栅25使测量光LR”的圆偏光衍射而于空间上分离的功能以及作为影像元件26’的偏光器阵列相机的线性偏光分量的拍摄功能组合，从而计算斯托克斯参数的所有要件。例如，当偏光衍射光栅25使测量光LR”的左右圆偏光衍射±一次光时，能由穿透了偏光衍射光栅25的测量光LR”的0次光来计算斯托克斯参数S0、S1、S2，并能由±一次光的差来计算S3。也就是说，若使用第三偏光拍摄部20”，能由一张拍摄图像来计算所有的斯托克斯参数。

然而，由于偏光器阵列相机的像素尺寸是用作第一偏光拍摄部20的影像元件26使用的一般相机的两倍，因此拍摄图像的分辨率变低。此外，由于使用于偏光器阵列相机的偏光器阵列的消光比在红外波长带中较小，因此从测量精度的观点来看，难以在红外波长带中作偏光拍摄。再者，使用偏光器阵列相机来作为影像元件26’是昂贵的。因此，从分辨率、制造成本以及与红外波长带的对应性的观点来看，第一偏光拍摄部20优于第三偏光拍摄部20”。

另外，作为偏光拍摄部20，并不限于图3A至图3C所示的构成，只要是能够拍摄来自被摄体Ob的测量光LR的偏光状态的空间分布的构成即可，能够采用现有的所有技术。

图4A至图4C为偏光照射部10中的偏光衍射光栅13a至13d以及偏光拍摄部20中的偏光衍射光栅25的光学特性的说明图，图4A示出了光学各向异性，图4B示出了衍射特性，图4C示出了衍射效率。若排除偏光衍射光栅13a至13d具有旋转机构这点，则偏光衍射光栅13a至13d与偏光衍射光栅25具有相同的光学特性。

偏光衍射光栅13a至13d、25如图4A所示般为光学轴在元件平面内周期性地分布的衍射光学元件。如图4B所示，当对所射入的光的波长产生π的相位差的条件下时，具有下述功能：使左圆偏光射入至偏光衍射光栅13a至13d、25时，以100％的衍射效率使右圆偏光衍射至+一级光方向；使右圆偏光射入时，以100％的衍射效率使左圆偏光衍射至-一级光方向，并使线性偏光分别以50％的衍射效率分离为左右圆偏光。也就是说，偏光衍射光栅13a至13d、25的±一级光的衍射效率对射入光的椭圆率具有如图4C所示的特性，并能够于空间上使左右圆偏光分离而衍射。

另外，根据偏光衍射光栅13a至13d、25的光学轴的分布，也能够呈现以下功能：使右圆偏光射入时，使左圆偏光衍射至+一级光方向；使左圆偏光射入时，使右圆偏光衍射至-一级光方向。此外，使左右圆偏光于空间上分离而衍射的方向，只要是特定级次即可，不必一定是±一级。

具有上述光学特性的偏光衍射光栅13a至13d、25包含具有偏光敏感度的记录材料，并通过记录偏光全息图(polarized hologram)而制作。此时，将与照射光的偏光方位以及偏光椭圆率相对应的光学各向异性的方位，也就是光学轴的方向以及双折射的大小记录于记录材料。

偏光衍射光栅13a至13d、25所含的记录材料为光反应性高分子膜所制成，优选期望为液晶性高分子膜。此外，期望偏光衍射光栅13a至13d、25设为将液晶性高分子膜形成于例如玻璃制等的盒(cell)中并密封而成的液晶盒(liquid crystal cell)型的偏光衍射光栅。

在如上所述构成的实施例1的光测量装置中，从偏光照射部10所射出的照射光LS成为高椭圆率且高偏光度的圆偏光，并二维扫描或二维扩展，并从众多的方向照明被摄体Ob的所到之处。当照射光LS因被摄体Ob而受到散射、反射、吸收、穿透等而产生测量光LR，且偏光拍摄部20通过与偏光状态对应地对此测量光LR作于空间上分离的拍摄、或是与偏光状态对应的多次的拍摄，以从众多的方向测量，从而计算斯托克斯参数的所有要件。此时的照射光LS的斯托克斯矢量S与测量光LR的斯托克斯矢量S’之间的关系根据米勒矩阵M(Mueller matrix M)而由下式(1)表示。

[数1]

由于偏光照射部10能够利用高椭圆率且高偏光度的圆偏光即照射光LS来照明被摄体Ob，从而偏光拍摄部20能够计算所有的斯托克斯参数，因此能获得式(1)中的米勒矩阵M的第一列(column)以及第四列总共八个要件的信息的斯托克斯矢量S’。该斯托克斯矢量S’包含旋光性、双折射等，能更详细地取得与被摄体Ob的光学各向异性相关的信息。

此外，由于圆偏光与线性偏光相比不具有偏光方位，因此与线性偏光相比，能各向同性(isotropic)地取得被摄体Ob的物理特性信息。也就是说，圆偏光只要光学轴不指向传播方向就具有敏感度，并转换为于与光学轴的方位对应的方向上具有偏光方位的椭圆偏光，因此能根据所测量到的偏光空间分布直接地将被摄体Ob的各向异性的空间分布可视化。

另一方面，当偏光方位与各向异性的光学轴平行或正交时，线性偏光会失去敏感度，因此在当将各向异性的空间分布可视化时，在信息量方面存在缺点。另外，传统的非偏光照明中，斯托克斯参数S1，S2，S3＝0，由于不具对各向异性的敏感度，因此难以将被摄体的双折射、旋光性等信息可视化。

图5为根据实施例1的光测量装置所作的测量的说明图，为了测量配置于坐标的圆点的被摄体Ob，将偏光照射部10于极坐标系统中配置于ri＝418mm，θi＝0度，φi＝16度的位置；将偏光拍摄部20于极坐标系统中配置于rm＝400mm，θm＝0度，φm＝0度的位置。使用中心波长532nm的LED作为偏光照射部10的光源11，并用偏光拍摄部20的带通滤光器22将带宽限制为532nm±3nm。作为照射光LS，从偏光照射部10对被摄体Ob照明0度线性偏光0LP、左圆偏光LCP。此外，为了比较，也进行在不使用光源11之下照明作为自然光的萤光灯，也就是非偏光。作为被摄体Ob，使用光学涡旋延迟器、树脂制的CD盒。由偏光拍摄部20根据测量光LR的偏光状态来进行拍摄，并根据成像影像Im来计算斯托克斯参数。

图6是测量了光学涡旋延迟器的偏光图像的说明图，图7是由CD盒的斯托克斯参数所输出的偏光图像的说明图。图6、图7中分别示出相对于(1)0度线性偏光0LP、(2)左圆偏光LCP、(3)自然光的亮度分布、偏光度、线性偏光度、圆偏光度、椭圆率角、方位角。另外，定义圆偏光度＝斯托克斯参数S3/S0来进行计算。

如图6以及图7所示，不管是哪个被摄体Ob，都形成了与用一般的拍摄光学系统所获得的单纯亮度分布不同的图像，且于偏光度的图像中强调了被摄体Ob的轮廓部分，可知对于轮廓提取有效。

图8是测量了光学涡旋延迟器的偏光图像的详细说明图。如图8中的(1)所示，由于当照明线性偏光时，方位角、椭圆率角根据被摄体的各向异性变化，因此能局部地将各向异性的空间分布的信息可视化。仅，当如特征点P1般在偏光度上产生错误检测，无法区别各向异性的快轴、慢轴，而照明的线性偏光的方位与光学轴平行或正交时，如特征点P2般敏感度消失。

另一方面，如图8中的(2)所示，当照明圆偏光时，能根据偏光方位角以及椭圆率角一并地将被摄体的各向异性的方向、大小予以可视化。由于偏光方位角与各向异性的光学轴方位具有比例关系，此外对全光学轴方位具有敏感度，因此能够如特征点P1般正确地恢复各向异性的空间分布的方位。另外，如图8中的(3)所示，当照明自然光时，不具对各向异性的敏感度。

图9是测量了CD盒的偏光图像的详细说明图。如图9中的(1)所示，当照明线性偏光时，对微细各向异性结构的敏感度存在轴选择性，并存在无法检测到的损伤。

另一方面，如图9中的(2)所示，当照明圆偏光时，轴选择性小，损伤的检测敏感度高。此外，如特征点P3般，线性偏光度因各向异性造成产生消偏光(depolarization)；相对于此，完全偏光度则能排除因各向异性所造成的消偏光的影响，从而能测量正确的消偏光。另外，如图9中的(3)所示，当照明自然光时，对于因各向异性所造成的损伤不具检测敏感度。

图10是改变偏光照射部10的照射光LS的照射角度并测量CD盒的偏光图像的说明图，示出了照射角度φi＝45度以及15度时的测量结果。如图10中的(1)所示，于照射角φi＝45度的测量中，如亮度分布的特征点P4、P5般，或是如偏光度的特征点P4’、P5’般未明显检测到高低差、损伤。另一方面，如图10中的(2)所示，于照射角θi＝15度的测量中，即使观察亮度分布的特征点P6、P7，仍未明显检测出高低差、损伤，但是若观察偏光度的特征点P6’、P7’，则可看出于特征点P6’有高低差，于特征点P7’有损伤。

于实施例1的光测量装置中，偏光照射部10只要具备光源11、由光源11所射出的照射光LS的偏光控制机构以及二维扫描或扩展照射光LS的机构即可；偏光拍摄部20只要是能拍摄来自被摄体Ob的测量光LR的偏光状态的空间分布的构成即可，能够采用现有的所有技术，例如能组合图2A至图2C所示的第一偏光照射部至第三偏光照射部10、10’、10”中的任一者与图3A至图3C所示的第一偏光拍摄部至第三偏光拍摄部20、20’、20”中的任一者来构成实施例1的光测量装置，以进行上述测量。而且，考虑到使用环境以及测量对象，从第一偏光照射部至第三偏光照射部10、10’、10”以及第一偏光拍摄部至第三偏光拍摄部20、20’、20”中，选择适当组合的偏光照射部10以及偏光拍摄部20而构成本申请的光测量装置，借此也能够进行更良好的测量。

实施例2

实施例2的光测量装置设为与实施例1的光测量装置同样的如图1所示的整体构成，设为分别使用第二偏光照射部10’作为偏光照射部10，使用第一偏光拍摄部20作为偏光拍摄部20的构成。

于根据实施例2的光测量装置所作的测量中，与图5所示的根据实施例1所作的测量时同样地，配置第二偏光照射部10’以及第一偏光照射部20，以便测量配置于坐标的原点的被摄体Ob。使用中心波长为976nm的半导体激光作为第二偏光照射部10’的光源11，将聚光透镜配置于MEMS镜14的前方，用偏光板以及1/4波长板来构成偏光控制元件12并配置于MEMS镜14的后方。此外，将第一偏光拍摄部20的成像用透镜21配置于偏光衍射光栅25的后方，并将用以阻断波长900nm以下的光的边缘通滤光器22’配置于液晶延迟器23、24的后方，以取代带通滤光器22。再者，使用设计为于近红外波段操作的液晶延迟器23、24，并使用聚合性液晶制且相位差调整为用于976nm的偏光衍射光栅25。

通过聚光透镜，将由第二偏光照射部10’的光源11所射出的波长976nm的激光即照射光LS’的光束径缩小，并用MEMS镜14反射以作二维扫描，经由偏光控制元件12将偏光状态控制于线性偏光与圆偏光之间，矩形地扫描照明被摄体Ob。由于使用半导体激光为光源，并通过聚光透镜将半导体激光的光束径缩小，因此能以高光束密度将照射光LS’照明至被摄体Ob的狭窄区域。此外，由于将光源设为近红外光，因此比可见光更不易受到外部环境光所致的噪声的影响，且窜入至被摄体Ob的内部的长度也变得更长，因此能测量被摄体Ob更内部的信息。

为了比较根据此第二偏光照射部10’的偏光照明所作的测量以及根据非偏光照明所作的测量，还进行了以下测量：使用依序配置红外LED、带通滤光器(波长980nm、半峰半宽10nm)、矩形开口而成的非偏光照射部以取代第二偏光照射部10’，将非偏光的照射光矩形地照明至被摄体Ob。

以此方式，基于因对将照射光照射至被摄体Ob而由被摄体Ob所产生的测量光LR，通过第一偏光拍摄部20的成像用透镜21、液晶延迟器23、24、偏光衍射光栅25，于时间上切换进一步于空间上分离为二并取得偏光分量，从而于影像元件26成像为两个像，由此计算斯托克斯参数的过程如上所述，因此省略说明。于此过程中，从由液晶延迟器23、24于时间上切换所获得的成为偏光分量的测量光LR中，由边缘通滤光器22’去除波长900nm以下的来自外部环境的可视光噪声，以寻求所取得的偏光分量的质量提升。作为被摄体Ob，使用光学涡旋延迟器、树脂制的CD盒，并由第一偏光拍摄部20根据测量光LR的偏光状态来进行拍摄，并根据成像影像Im来计算斯托克斯参数。

图11为偏光图像的说明图，该偏光图像为使用实施例2的光测量装置，将由第二偏光照射部10’根据半导体激光所作的矩形扫描的近红外光对光学涡旋延迟器作偏光照明，并通过第一偏光拍摄部20来测量由光学涡旋延迟器所产生的测量光而得，分别表示对以下三种光的亮度分布、完全偏光度、线性偏光度、圆偏光度、椭圆率角、方位角：(1)0度线性偏光0LP；(2)左圆偏光LCP；(3)自然光。(3)自然光的偏光图像为使用上述的非偏光照射部，并对光学涡旋延迟器作了矩形的非偏光照明时所测量到的偏光图像。

由第二偏光照射部10’作了偏光照明的(1)0度线性偏光0LP、(2)左圆偏光LCP的偏光图像表现出与被摄体Ob即光学涡旋延迟器的各向异性的空间分布对应的偏光度、椭圆率角以及方位角的空间分布，可知能够测量被摄体Ob所具有的各向异性。另一方面，也可知由非偏光照射部作了非偏光照明的(3)自然光的偏光图像完全无法测量与光学涡旋延迟器的各向异性的空间分布对应的偏光度、椭圆率角以及方位角。根据以上的测量结果，根据具备了MEMS镜14以及偏光控制元件12的第二偏光照射部10’以及具备了偏光衍射光栅25与液晶延迟器23、24的第一偏光拍摄部20的组合所作的偏光影像生成对测量被摄体Ob的各向异性有效，且成功实证了能够通过近红外光的偏光照明来作偏光影像生成。

图12为同样使用实施例2的光测量装置，对CD盒偏光照明近红外光，并测量由CD盒所产生的测量光而得的偏光图像的说明图，分别表示对以下四种光的亮度分布、完全偏光度、线性偏光度、圆偏光度、椭圆率角以及方位角：(1)0度线性偏光0LP；(2)45度线性偏光45LP；(3)左圆偏光LCP；(4)自然光。另外，(4)自然光的偏光图像同样使用上述的非偏光照射部，并对CD盒作了非偏光照明时所测量到的偏光图像。

可知，在由第二偏光照射部10’作了偏光照明的(1)0度线性偏光0LP；(2)45度线性偏光45LP；(3)左圆偏光LCP的偏光图像中，被摄体Ob即CD盒所具有的各向异性的空间分布反映于偏光度、椭圆率角、方位角的空间分布。另一方面，也可知由非偏光照射部作了非偏光照明的(4)自然光的偏光图像中，无法测量到反映出CD盒所具有的各向异性的空间分布的偏光度、椭圆率角以及方位角。

此外，可知于(1)0度线性偏光0LP以及(3)左圆偏光LCP的偏光图像中，如特征点P8、8’、10、10’般，将因细微应变所造成的消偏光可视化；相对于此，于(2)45度线性偏光45LP以及(4)自然光的偏光图像中，如特征点P9、9’、11、11’般，并未可视化。于45度线性偏光并未产生偏光变化研判是因为细微应变的主要光学轴朝向45度方向的缘故；而自然光(非偏光照明)原本就不具有对细微应变的敏感度，因此也就不会于偏光图像反映出细微应变的影响。

根据以上的测量结果，根据具备了MEMS镜14与偏光控制元件12的第二偏光照射部10’以及具备了偏光衍射光栅25以及液晶延迟器23、24的第一偏光拍摄部20的组合所作的偏光影像生成也对细微的应力应变的可视化有效，成功实证了能够通过近红外光的偏光照明来将细微的应力应变可视化。尤其是通过聚光透镜将近红外光的激光光束径缩小后，用MEMS镜14反射以作二维扫描，因此能以高光束密度对被摄体Ob的狭窄区域偏光照明，并能够测量细微的应力应变等细微区域中的内部信息。

如上所述，根据本申请的光测量装置，从偏光照射部10将偏光受到控制的照射光LS照明至被摄体Ob，并且将由不仅是该被摄体Ob的表面且于内部中的散射、反射、吸收、穿透所产生的测量光LR的偏光状态，通过偏光拍摄部20根据偏光而于空间上分离并拍摄，或是于时间上拍摄多张，以计算所有的斯托克斯参数。

通过测量所计算出的这些斯托克斯参数所得的产生于照射光LS与测量光LR之间的偏光分量的变化，能够取得于被摄体Ob所特有的被摄体信息。作为该被摄体信息，可列举例如被摄体Ob的表面结构，尤其是损伤、高低差等表面细微结构、内部光学各向异性以及内部双折射等被摄体Ob的内部结构等。

此外，由于本申请的光测量装置是将偏光状态受到控制的照射光照射至被摄体，因此能取得在传统上将自然光也就是非偏光的照射光照射至被摄体时难以测量的上述被摄体信息，且也能够抑制当将偏光状态不稳定的照射光照射至被摄体以测量偏光时所产生的噪声、对比度降低。

再者，若使用圆偏光作为偏光受到控制的照射光，则能够抑制由相干光之类的相位变动引起产生散斑噪声等，并且还能够提升存在雨、雾的环境下也就是散射因子中的测量性能。

图中：

10、10’、10”:偏光照射部

13a至13d:偏光衍射光栅

14:MEMS镜

15:透镜对

20、20’、20”:偏光拍摄部

23、24:液晶延迟器

25:偏光衍射光栅

LS、LS’、LS”:照射光

LR:测量光

Ob:被摄体

Claims (9)

1.一种光测量装置，其特征在于，具备：偏光照射部，对被摄体照射偏光受到控制的照射光；以及偏光拍摄部，拍摄因将所述照射光照射至所述被摄体而产生的测量光的偏光状态，并测量产生于所述照射光与所述测量光之间的偏光分量的变化。

2.根据权利要求1所述的光测量装置，其特征在于，根据所述被摄体所特有的所述偏光分量的变化，来取得所述被摄体的被摄体信息。

3.根据权利要求2所述的光测量装置，其特征在于，所述被摄体信息是所述被摄体的表面结构或内部结构。

4.根据权利要求3所述的光测量装置，其特征在于，所述照射光为完全偏光或偏光度为50％至100％的部分偏光，所述偏光拍摄部具备偏光拍摄机构，所述偏光拍摄机构能够计算所述被摄体的斯托克斯参数的所有要件。

5.根据权利要求4所述的光测量装置，其特征在于，所述偏光照射部具备两片以上的偏光衍射光栅，所述偏光衍射光栅用以于空间上二维扫描偏光受到控制的所述照射光，所述偏光拍摄部的所述偏光拍摄机构包含偏光衍射光栅以及两片以上的液晶延迟器。

6.根据权利要求4所述的光测量装置，其特征在于，所述偏光照射部具备微机电系统镜，所述微机电系统镜用以于空间上二维扫描偏光受到控制的所述照射光，所述偏光拍摄部的所述偏光拍摄机构包含偏光衍射光栅以及两片以上的液晶延迟器。

7.根据权利要求5或6所述的光测量装置，其特征在于，所述偏光照射部的所述偏光衍射光栅以及所述偏光拍摄部的所述偏光衍射光栅为液晶性高分子膜或液晶盒型的偏光衍射光栅。

8.根据权利要求7所述的光测量装置，其特征在于，所述照射光的所述完全偏光的分量是椭圆率为50％至100％的椭圆偏光。

9.根据权利要求8所述的光测量装置，其特征在于，所述照射光包含在可见光至红外光的频段内，所述偏光拍摄部的所述偏光拍摄部能够于可见光至红外光的频段的范围内偏光拍摄所述测量光。