CN1271387C - 偏振方向测定型两维光接收时标测定装置及使用它的表面形状测量装置 - Google Patents

Abstract

一种偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，和使用它的表面形状测量装置，该测定装置用于实现能适合动物身体测量的快速表面形状测量。图8中，测定光的偏振方向与狭缝光的扫描同步地转动，并用两组按交叉Nicols排列的偏振器(5、6)和存储器类型像测定器(7、8)，在两维上记录偏振方向，从而能够只用一次成像，确定狭缝光入射存储器类型像测定器(7、8)相应像素的时标。

Description

偏振方向测定型两维光接收时标测定装置 及使用它的表面形状测量装置

技术领域

本发明涉及一种主要用于测量物体表面形状的光学装置。

背景技术

已经提出许多物体表面形状测量的技术。它们粗略可分为两种类型：一种类型是一次测量一点，另一种类型是同时测量许多点。虽然单点测量型精度高且可靠，但要测量整个物体表面时，必需用大量的测量时间，从数十分钟到数小时。相反，虽然多点同时测量型有高速的特点，但它在可靠性和精确度方面则难以处理。光截面法、线栅投影相移法、和用共焦显微镜(本文此后称为“共焦法”)的测量方法，所有这些方法都属多点同时测量型，但与其他已经在实验室水平提出，并已经实际投入使用的多点同时测量方法相比，有高的可靠性。虽然这些方法比单点测量型方法速度高，但不能说速度已充分高，足以在FA领域用于在线检查(in-line inspection in the FA field)。

下面还要更详细解释，光截面法、线栅投影相移法、及共焦法，必需用成像装置作为测定器，且某些扫描类型要消耗时间。通常，像是用成像装置对每一次局部扫描取得的。在多次重复这种过程后，测量完成。实际上，不论是用光截面法还是用共焦法，(一个视场的)一次测量包含数十到数百个像。因为作为成像装置的TV摄像机，一个成像周期，约为每秒30幅像，所以长的测量时间是难免的。线栅投影相移法虽然速度相对地高，但在不同时间至少必需捕获三幅像，因此对运动物体的测量仍旧是不可能的。下面将详细说明光截面法、线栅投影相移法、及共焦法。

图11是基于光截面法提出的测量系统例子。该系统，例如非专利参考文献1指出，在许多实际应用中是高度可靠的。这里的图只画出在一侧的一个狭缝光扫描部分，以便只解释上述参考文献的主要观点，尽管在该参考文献中，狭缝光扫描部分是在左右两侧。

通过电视摄像机114，把像连续地输入像处理装置115，同时，来自激光狭缝光源111的光，通过扫描机构112的扫描，从不同于成像透镜113光轴的角度，照射物体10。在如图11显示装置116上所示的像中，一条狭缝呈现的畸变，是与物体10表面上任何不规则性一致的。同时在图11，狭缝光从右侧移动到左侧，直至狭缝扫描完成，输入了256幅到512幅像为止。对输入的像的每一像素，像处理装置115测定像素值成为最大时的时标(例如图中的tp)，也就是狭缝光扫过物体10上与该像素对应的位置的时刻，并作为狭缝光在该时刻的投射角和由每一像素位置确定的成像透镜113主光束角度之间的交点P，计算物体10表面的三维位置。(Uesugi Mitsuaki，1993，The OpticalThree-dimensional Measurement edited by Toru Yoshizawa，Shin-Gijyutu Communication，page 39-52)

图12是使用共焦成像系统121的测量系统例子。作为共焦成像系统121，任何一种激光扫描显微镜、Nipkow板(Nipkow board)扫描显微镜、非共焦成像系统等等，都可以使用，图12是简化的，因为任何一种都是合适的。

共焦成像系统121的主要特征在于，只有焦点上的位置122被成像，即，不在焦点的任何部分的光，将难以到达测定器123。该特征称为光学取截面(optical sectioning)。当用测定器123连续输入像的同时，通过Z载物台124沿光轴方向移动物体10，只有视场中焦点上的部分成像，如图12显示装置116所示，且该部分表现为等高线。物体在图中自上而下移动，直至Z载物台124完成扫描，此时输入约数百个像。对每一像素，像处理装置115测定像素值成为最大时的时标。就是说，光学系统聚焦在物体10上该像素对应的位置，以及Z载物台124在该时刻的位置，两者自身表明物体10表面的相对高度。

下面，用图13简要解释线栅投影相移法。线栅投影法把多条狭缝光线同时投射在物体上，而光截面法则投射一条狭缝光线。下面将说明，一种相移法的所谓正弦线栅132，被用于产生如图14所示正弦曲线的透射率变化。光源131发出的正弦线栅像132，通过投影透镜133，投射在物体10的表面，并用成像透镜113和电视摄像机114从不同的角度成像。如果对获得的像的每一像素，已知投射的线栅图案相位，则能够获得物体10表面的相对凹凸。相位能够用相移法确定。通过用相移器134移动正弦线栅132至少是已知值的两倍，至少拍摄三幅有不同相位的投射的线栅像。对每一像素，从至少三幅或更多幅有不同相位的像获得多于三个值，因为这些值被认为是从正弦曲线抽样的值，通过对该正弦曲线的拟合，能够获得作为初始相位的相位。

发明内容

如上所述，光截面法和共焦法两者，对一次测量都需要进行许多像的输入和许多像的处理，因此不能期望高速的测量。此外，即便用较高速度的线栅投影相移法，因为至少要求三幅像的时间间隙，对移动物体的测量也是不可能的。

本发明的一个目的，是实现能够处理移动物体的高速的表面形状测量。

为了解决上述的技术问题，本发明提出一种偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，包括：线偏振旋转装置，用于使入射光线偏振化和旋转偏振方向；检偏装置，用于把通过线偏振旋转装置的入射光，分解为至少两个不同线偏振的分量；至少两个同步的电荷型成像装置，接收每一被分解的入射光线并把其光强转换为电信号，再输出该电信号；以及像分析装置，它分析从电荷型成像装置输出的多个像信号。

该偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，通过装备消偏振装置，能够有更高的可靠性，该消偏振装置在入射光进入线偏振光旋转装置之前，能把入射光转换为相对于偏振化方向几乎没有强度变化的光。利用光截面法的表面形状测量装置，包括：成像透镜；狭缝光扫描装置，用至少一条狭缝光，从不同于成像透镜光轴方向的角度，照射成像透镜透镜的物平面，并把该狭缝光在该物平面上扫描；以及偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，其中的电荷型成像装置被安排在成像透镜的像平面上；其中，电荷型成像装置的视场，在该电荷型成像装置的一次曝光时间内，被狭缝光扫描装置扫描，且入射于检偏装置的光的偏振方向，借助线偏振旋转装置，与狭缝光线的扫描同步地旋转。此外，共焦法的表面形状测量装置，包括：共焦成像光学系统；Z方向扫描装置，用于改变物体与共焦成像光学系统之间相对光通道长度；和偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，其中的电荷型成像装置被安排在共焦成像光学系统的像平面上；其中，在该电荷型成像装置的一次曝光时间内，由Z方向扫描装置扫描测量的范围，且从物反射的入射于检偏装置上的光的偏振方向，借助线偏振旋转装置，与测量范围上的扫描同步地旋转。

还有，该表面形状测量装置包括：成像透镜；照射装置，以脉冲形式同时照射物体；和偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，其中的电荷型成像装置被安排在成像透镜的像平面上；其中，在该电荷型成像装置的一次曝光时间内，整个测量范围至少被照射装置同时照射一次，并测定电荷型成像装置接收物体反射光的时刻。

如上所述构成的表面形状测量装置，只需用一次曝光时间完成测量，且处理的若干个像是同时拍摄的，无需时间间隙，因此能够应用于移动物体的高速测量。

附图说明

图1是解释用图，说明本发明的偏振方向测定型两维光接收时标测定装置的第一实施例。

图2是解释用图，说明偏振方向测定型两维光接收时标测定装置的第一实施例中，偏振器和检偏器的偏振轴方向。

图3画出偏振方向测定型两维光接收时标测定装置第一实施例中，入射光强度在通过检偏器之后的变化。

图4画出偏振方向测定型两维光接收时标测定装置第一实施例中，光的强度比在通过检偏器之后的变化。

图5是解释用图，说明本发明的偏振方向测定型两维光接收时标测定装置的第二实施例。

图6是解释用图，说明偏振方向测定型两维光接收时标测定装置第二实施例中，偏振器和检偏器的偏振轴方向。

图7画出偏振方向测定型两维光接收时标测定装置第二实施例中，入射光强度在通过检偏器之后的变化。

图8是解释用图，说明本发明的光截面表面形状测量系统。

图9是解释用图，说明本发明的光截面表面形状测量系统的功能。

图10是解释用图，说明本发明的共焦表面形状测量系统。

图11是解释用图，说明常规的光截面表面形状测量系统。

图12是解释用图，说明常规的共焦表面形状测量系统。

图13是解释用图，说明常规的线栅投影相移表面形状测量系统。

图14是解释用图，说明常规线栅投影相移表面形状测量系统中使用正弦线栅。

符号的解释

1消偏振装置

2偏振器

3旋转机构

4非偏振光束分束器

5和6检偏器

7和8电荷型成像装置

9像分析装置

10物体

111激光狭缝光源

112扫描机构

113成像透镜

114电视摄像机

115像处理装置

116显示装置

121共焦成像系统

122焦点位置

123测定器

124Z载物台

502、503、和504检偏器

505、506、和507电荷型成像装置

具体实施方式

后面，参照附图，详细解释本发明实施例的结构。本发明的偏振方向测定型两维光接收时标测定装置的第一实施例，示于图1。

从左侧开始传播的光被消偏振装置1消偏振。如果入射光是具有某一带宽的光，被称为“Lyot”的消偏振器，适合用作消偏振装置1，该“Lyot”消偏振器由两个晶体制成，其中之一比另一个厚若干倍，使两者的光轴互成45度角粘结在一起。或者，如果入射光是对某一角度线偏振的，则可以使用1/4波片之类的波片。提供的光仅要求不因使光成为线偏振时的偏振方向而在强度上有大的变化。但是，不必使之完全消偏振。例如，当光是圆偏振时，如上所述，用1/4波片已经足够。此外，在某些情形中，不必使用消偏振装置1，因为使用的光源和物体的特性，入射光本身已经是消偏振状态。此外，也与下面解释的线偏振旋转装置的类型有关，不一定必需使光消偏振。

消偏振的光(或圆偏振光)入射在线偏振旋转装置上，转变为线偏振光，其偏振方向随时间旋转，该线偏振旋转装置包括偏振器2及其旋转机构3。该线偏振旋转装置可以用具有电光效应、磁光效应、等等的单元实现，以便使线偏振光的轴方向随时间旋转(光学旋转)。例如，因为液晶具有光学旋转能力，它能使通过固定偏振器后的线偏振光的偏振方向，用电的方法旋转。在此情形下，没有必要用消偏振装置1了。

入射光变成具有旋转的偏振方向的线偏振光，到达检偏装置，检偏装置由非偏振光束分束器4和两个光轴相互成直角地交叉的检偏器5及6构成。不管使用非偏振光束分束器4的偏振方向如何，光波都被分解为保持如前偏振状态而能量分别成为一半的两个光波。该两个相互垂直的分量，通过各自的检偏器5和6，而每一分量的强度被两个电荷型成像装置7和8测定。

作为检偏装置，具有非偏振光束分束器4和检偏器5及6双重功能的偏振光束分束器，由于其较低的光损耗，当然可以使用。但为了提高偏振特性的精度，不仅使用偏振光束分束器，还可以使用检偏器5和6。

电荷型成像装置7和8，在光学上放在同一位置。例如，当该两个装置与成像透镜一起使用时，可以如下安排它们：使电荷型成像装置7和8的光接收表面与成像透镜的像平面重合，并使从成像透镜到两个电荷型成像装置7和8的光学距离(光通道长度)成为一样。此外，电荷型成像装置7和8同一坐标(xi，yi)的像素，与物体表面同一位置对应。(这不是绝对条件。该条件可以通过补偿装置简化。但就目前而言，假定上述条件被满足。)此外，这两个电荷型成像装置7和8是同步操作的。就是说，每一快门的释放时标和释放的持续时间总是一致的，且获得的像也作为电信号，同时发送至像分析装置9。在像分析装置9内部，对从电荷型成像装置7和8同时获得的两幅像，分别计算每一像素的光接收的时标。

作为电荷型成像装置，目前最常用的装置是两维CCD摄像机，但所有像素同时曝光型的任何一种两维测定装置，都是合适的。

以上是偏振方向测定型两维光接收时标测定装置的第一实施例的结构。下面说明该装置的功能。该装置能在电荷型成像装置7和8的一次曝光持续时间内，依据偏振方向，记录光到达每一像素的时标(时间差)。

现在参考图2-4，图上对功能作详细解释。如在图2中所示，通过线偏振旋转装置之后，偏振方向θ按角速度ω以初始状态平行于偏振器5旋转。假定恒定强度的连续光入射该装置上，则入射光强度在通过两个检偏器5和6之后，成为如图3所示。这里，当通过线偏振旋转装置之后，考虑偏振方向θ仅在0-π/2之间的情形，那么在通过两个检偏器5和6之后，入射光强度比(b-a)/(a+b)的计算如图4所示，除去两端外，它变成几乎是线性的，而更准确地说，是按正弦形式变化的。

考虑进入的是脉冲光，而不是连续光的情形。假定通过线偏振旋转装置之后，偏振方向θ旋转0-π/2，且光只在时刻ti到达。电荷型成像装置7和8的快门与偏振方向的旋转同步地释放。就是说，假定偏振方向从0到π/2旋转时，快门保持释放，则当光到达电荷型成像装置7和8时，将根据偏振方向θ，分别获得ai和bi如图3所示的输出。从这些值，通过计算强度比(b-a)/(a+b)，并通过与图4对应，可以获得θi。此外，通过ti＝θi/ω而导出时刻ti。如果脉冲光以不同的时标到达每一像素，又如果该时标是在电荷型成像装置7和8曝光持续时间之内，则每一像素的强度比表明每一时标的偏振方向，从而能够借助像分析装置9，对每一像素计算光的光接收的时标。

上面是偏振方向测定型两维光接收时标测定装置的第一实施例。下面，用图5-7解释偏振方向测定型两维光接收时标测定装置的第二

实施例。

本发明的偏振方向测定型两维光接收时标测定装置的第二实施例，如图5所示。因为消偏振装置1和线偏振旋转装置，与第一实施例完全相同，所以省略对它们的解释。已通过旋转偏振方向成为线偏振光的入射光，被光束分束器501分解为三个方向。在第一实施例中，分解数是二，而分解为三个方向的事实，不同于第一实施例。虽然下面给出的解释，是针对分解为三的情形的，但方向数不一定限制在三。多于三个方向也可以使用。

如图5中所示的光束分束器501，作为例子，可以在组合棱镜的粘结部分用分振幅膜层实现，该种组合棱镜常常用于3CCD型彩色摄像机。如果靠近入射光一侧的膜层的通量分解比设为1∶2，而另一侧的膜层设为1∶1，那么分解为三是可能的。可以用四个直角棱镜把它们粘结在一起。如果所有粘结平面都用半通量分解膜层，则来自任何方向的光沿各自方向以1/4通量投射。

如图6所示，分解为三的入射光到达由三个检偏器502、503、和504组成的检偏装置，这些检偏器使偏振方向相互差别π/3。不论偏振方向如何，偏振态保持原样，但它的通量被光束分束器501分解为1/3到1/4，同时，通过三片检偏器502、503、和504，以偏振方向π/3之差的光的强度，被三个电荷型成像装置505、506、和507测定。

三个电荷型成像装置505、506、和507在光学上安排在同一位置。例如，在这些装置与成像透镜一起使用的情形下，可以如下安排它们：使电荷型成像装置505、506、和507的光接收表面与成像透镜的像平面重合，并使从电荷型成像装置505、506、和507到成像透镜的光学距离(光通道长度)成为完全一样，且电荷型成像装置505、506、和507同一坐标(xi，yi)的像素，与物体表面同一位置对应。(该条件不是绝对的，并可以通过某些补偿装置简化。但就目前而言，解释是在上述条件被满足的假定下给出的。)此外，这三个电荷型成像装置505、506、和507是同步操作的。就是说，每一快门的释放时标和释放的持续时间总是一致的，且获得的像也作为电信号，同时发送至像分析装置9。在像分析装置9内部，对从电荷型成像装置505、506、和507同时获得的三幅像，分别计算每一像素的光接收的时标。

以上是偏振方向测定型两维光接收时标测定装置的第二实施例的结构。下面说明该装置的功能。该装置能对电荷型成像装置505、506、和507的一次曝光持续时间内，依据偏振方向，记录光到达每一像素的时标(时间差)。

现在参考图6和7，图上对功能作更具体的解释。如图6所示，当偏振方向θ经过线偏振旋转装置以角速度ω旋转之后，假定初始状态平行于检偏器502，且恒定强度的连续光入射于装置上，入射光强度在通过三个检偏器502、503、和505之后的变化，是相互具有2π/3相移(偏振方向π/3)的正弦波形状，如图7所示。

下面，考虑进入的是脉冲光而不是连续光的情形。假定通过线偏振旋转装置之后，偏振方向θ连续旋转，且光只在时刻ti入射。假定如图7所示，电荷型成像装置505、506、和507的快门在偏振方向θ＝0时释放并曝光，直至例如θ＝Nπ，分别获得电荷型成像装置505、506、和507的输出(ai、bi和ci)，该输出(ai、bi和ci)与光进入的时标的偏振方向θi对应。因此θi能够从这些值计算。但是，必须注意，计算的θi包含nπ的不确定性。具体说，如果I是平均光强和I·γ是线栅图形振幅，那么ai＝I[1+γ·cos(θi-2π/3)]、bi＝I[1+γ·cos(θi)]、和ci＝I[1+γ·cos(θi+2π/3)]，因此，θi＝arctan[√3·(ai-ci)/(2bi-ai-ci)]。此外，时标ti能够由ti＝θ/ω的运算导出(nπ/ω不确定)。假定脉冲光以不同的时标入射每一像素上。如果该时标是在电荷型成像装置505、506、和507的曝光持续时间内，则可以获得强度比的像素输出，该强度比表明每一像素在光接收的时标上的偏振方向θ，从而借助像分析装置9，能够对每一像素计算光接收的时标。

这里，虽然考虑三个具有偏振方向差π/3的检偏器502、503、和504，这一点当然不是对本发明的限制。偏振方向的每一间隔，可以是π/4，也可以是随机的。唯一要求的是，偏振器的偏振方向为已知。可以多于三个检偏器，四个、五个也是适合的。唯一的要求，是能把值与正弦波拟合。用更多的值将导致更高的相位测定精度。

在第一实施例或在第二实施例中，为什么本发明是新颖和有效的理由，在于入射光落在每一像素的时标，只用一次曝光(虽然要获取一组像)就能导出。常规的方法是，当使用诸如CCD摄像机的电荷型成像装置时，为了测定入射光在每一像素上的时标，必须连续拍摄许多像，并选择给出最大像素输出的像，又从这许多像中(按时间顺序)导出光入射的时标。

下面讨论如何使用偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，加快光截面法、线栅投影相移法、和共焦法的更具体的例子。

利用图8，首先讨论如何加快光截面法。图8画出把本发明偏振方向测定型两维光接收时标测定装置的第一实施例，用于常规的光截面法系统。物体10上凹凸的测量原理，与常规系统相同。就是说，狭缝光从不同于成像透镜113光轴的角度，投射在物体10上，并通过扫描装置112，在成像透镜113及电荷型成像装置7和8确定的整个视场上扫描。通过测定电荷型成像装置7和8每一像素上(或者是扫过与像素对应的物体10的表面点)的光入射的时标，从该时标导出狭缝光的角度。计算作为两条线交点的物体10表面的位置；一条线是成像透镜113入射像素的主光线，而另一条线是具有上面所述确定角度的狭缝光。

在类似于这种狭缝光扫描型光截面法的例子中，如果撇开特殊的情形，诸如由于物体10表面粗糙产生的多次反射，或沿光轴方向有两个或多个类似于薄膜或玻璃板的反射表面，那么，光入射某一像素的唯一时刻，是当狭缝光扫过物体表面对应点的时刻，且是在视场上扫描的唯一的一次。

如果，在电荷型成像装置7和8的快门(电子快门)保持释放，入射检偏器的线偏振光的方向，能够在整个视场上与从图8的左端到右端扫描的狭缝光同步旋转(例如，当狭缝光在右端时，偏振方向是0，又当狭缝光在左端时，偏振方向是π/2，而在它们中间，偏振方向以恒定角速度ω旋转)的同时，类似脉冲的光仅当狭缝光扫过物体10对应的表面位置时入射在每一像素上，又当狭缝光的扫描完成时关闭电荷型成像装置7和8的快门，那么，表明入射光落在像素上时的偏振方向的强度比，将被电荷型成像装置7和8的每一对像素记录。

图9画出一种状态，其中在时标tp，(当狭缝光扫过物体表面对应点时)光落在图8的电荷型成像装置7和8一对像素P′和P″上，图上水平轴表示偏振方向。因为光只在时标tp时刻入射在电荷型成像装置7和8上，所以能够获得与光强ai和bi成正比的输出值，该值与在该时刻的偏振方向θi对应。θi是从强度比(bi-ai)/(ai+bi)导出的，而该时标能够由公式ti＝θi/ω计算。

如果如上所述，获得了所有像素的光接收时标，便能通过像分析装置9的简易处理，计算与每一像素对应的物体10表面的高度(Z位置)，因为能够事先获得如下信息：时标与狭缝光投射角的关系；成像透镜113主光线落在每一像素时的主光线角；和成像透镜113与扫描机构112之间的几何配置。

如果事先对每一像素，都计算了所有ai和bi的组合并存储在一个表中，那么，仅仅使用该表，也能从电荷型成像装置7和8的输出值直接变换为物体10表面的高度。当然，同样可以用强度比(bi-ai)/(ai+bi)的值，构造一参照表。因为物体表面形状的计算，即使用软件处理也十分简单，所以物体10表面形状的测量，通过高速CPU，可以用足够高的视频速率中任何速率实现。

现在简要考察系统硬件部分的可实施性。假定用Galvano扫描器作为扫描机构112，在一个视场上的扫描小于1ms是可能的，又如果使用电机作偏振旋转装置，在1ms内转四分一圈(0-π/2)是容易实现的(15000rpm)。就是说，不仅可以作视频速率的测量(33ms)，还可以作移动物体的三维凝固测量(相当于摄象机的高速快门操作)。

下面考虑测量的分辨能力。测量的分辨能力显然受限于投射的狭缝角度测定的分辨能力。扫描角度范围的分割数是重要的，但从图3可以清楚看到，因为该装置只能用于单调递增或递减的范围，分割数通常不能超过像的分层数(灰度级数)S，该数是测定器从0变化到S的测定值的数目。事实上，由于物体的反射率的不均匀性，或由于各种原因的噪声因素，它将比S小得多。

后面考虑把第二实施例作为偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，用于该系统的情形。在如图7所示的第二实施例的情形中，范围不限于单调递增或单调递减区域，至少从0到π的范围上能够使用，且如果允许nπ的不确定性，则可以用于超过两个周期的范围上，因而可以提供非常精细的角度测定分辨率。例如，假定使用N个周期范围，则狭缝将在电荷型成像装置505、506、和507的一次曝光时间内，从像的一端到另一端扫描，同时，偏振器2将旋转N/2圈。如此，可以获得具有N条条纹的正弦线栅图的像，并且每三个像的线栅相位相互移动。就是说，如果只考虑获得的像，则获得的像与从线栅投影相移法获得的完全相同。如果所用的处理等价于线栅投影相移法，自然能够完成与线栅投影相移法相同精度的测量。不完全相同是必须的。投射的图形可以不是难于制作的正弦图形，用矩形狭缝是合适的。由于能够同时获得三幅相移的像，提供的优良特征在于，能够测量移动的物体。再有，狭缝数不一定是一条。例如，如果提供N条狭缝，则扫描范围变成1/N，光强在量上有利。当投射两条或多条狭缝光时，必须使扫描开始与扫描结束的偏振方向成为相同的，就是说，方向是π的倍数。

下面，用图10解释共焦法中速度的改进。在使用图12共焦法的常规装置中，用偏振方向测定型两维光接收时标测定装置第一实施例，取代通常的测定器123。如上所述，共焦成像系统121的特性是，只有焦点部分的光，能作为物体10的反射光，到达电荷型成像装置7和8，而不在焦点部分的任何光，将难以到达电荷型成像装置7和8。因此，随着用Z载物台124沿光轴方向扫描物体10，只有当物体10的表面扫过电荷型成像装置7和8每一像素的共轭位置(在物镜的物方中，像素的三维成像位置)时，光才能到达像素，而在其他的时标，光将不到达该像素。光接收的时标，表达了Z载物台124在该时刻的位置，该位置表明物体10的表面沿光轴方向的相对位置。

不过，把光接收的时标转换为物体10表面高度的计算方法是完全不同的，光在一个脉冲中仅落在电荷型成像装置7和8每一像素一次。因此，表面位置是从时标导出的，与上述光截面法的例子完全相同。

在电荷型成像装置7和8的快门，与Z载物台124在整个测量范围的扫描(图10中自上而下)同步地释放的同时，如果入射检偏装置的线偏振方向，被线偏振旋转装置旋转(例如，Z载物台124在顶部时，偏振方向是零，在底部时是π/2，在中间以恒定角速度ω旋转)，则光作为脉冲，仅当物体10的表面扫过共轭位置时进入每一像素上，又当Z载物台124完成扫描和电荷型成像装置7和8快门关闭时，表明光落在电荷型成像装置7和8一对像素上的时刻才被记录。所有这一切都是必须的，以便在像分析装置9上转换回物体10的表面高度。

同样，在共焦法中，为了提高测量的分辨能力，可以引进偏振方向测定型两维光接收时标测定装置的第二实施例。所有这一切都是必须的，以便在一次曝光/扫描过程中，旋转偏振器2尽可能多圈，并导出光被反射的位置，作为三幅有不同相位的像的初始相位。但是，因为存在nπ的不确定性，相位连接处理是必需的。

下面，考虑与熟知的表面形状测量技术类似的飞行时间法(本文此后称“TOF法”)。TOF法也可以用偏振方向测定型两维光接收时标测定装置实现。TOF法是一种测量物体表面凹凸的技术，它测量从光发射到被物体反射并返回的时间间隔。因为本发明是测量时间的技术，所以也可以用本发明。就是说，使脉冲光同时向整个物体发射，并用偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，通过成像透镜接收返回光。因为从光发射到返回的时间，随物体表面的凹凸而不同，能够用偏振方向测定型两维光接收时标测定装置测量该时间差，从而能够确定物体表面的形状。

虽然已经举出偏振方向测定型两维光接收时标测定装置用于表面形状测量的例子，但偏振方向测定型两维光接收时标测定装置的范围，不仅限于举出的各种情形。本发明能用于两维位置是关键的、且在每一位置只作为脉冲的光被发射或反射/穿透的现象。例如，可以考虑应用于高速移动物体的轨迹测量、可见光通信等等。

工业可应用性

通过本发明，仅借助一次成像(一次曝光)，可以对每一像素测定光接收的时标，与涉及光截面法、线栅投影相移法、共焦法和TOF法等常规方法相比，能够使表面形状的测量加快数倍到数百倍。因为使移动物体的测量成为可能，可以预期在广大领域中有大的效果，如三维高速现象的分析、对机器人或汽车的三维观测、动物或植物活体的三维测量、安全、和FA。

Claims (5)

1.一种偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，包括：

线偏振旋转装置，使入射光线偏振化，并旋转偏振方向；

检偏装置，使通过线偏振旋转装置的入射光，分解为至少两个不同线偏振的分量；

至少两个同步的电荷型成像装置，用于接收每一被分解的入射光线，并把光强转换为电信号，再输出该电信号；和

像分析装置，它分析电荷型成像装置输出的多个像信号。

2.按照权利要求1的偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，包括消偏振装置，它在光进入线偏振旋转装置之前，把入射光转换为强度对偏振方向的变化小的光。

3.一种表面形状测量装置，包括：

成像透镜；

狭缝光扫描装置，它至少以一条狭缝光，从不同于成像透镜光轴的方向，照射成像透镜的物平面，并使该狭缝光在物平面上扫描；和

按照权利要求1或2的偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，其中的电荷型成像装置，安排在成像透镜的像平面上；

其中，在电荷型成像装置的一次曝光时间内，该电荷型成像装置的测量范围被狭缝光扫描装置扫描；并且其中，借助线偏振旋转装置，使入射到检偏装置的光的偏振方向，与狭缝光的扫描同步地旋转。

4.一种表面形状测量装置，包括：

共焦成像光学系统；

Z方向扫描装置，它改变物体与共焦成像光学系统之间的相对光学通道长度；和

按照权利要求1或2的偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，其中的电荷型成像装置，安排在共焦成像光学系统的像平面上；

其中，在电荷型成像装置的一次曝光时间内，测量范围被Z方向扫描装置扫描，且借助线偏振旋转装置，使从物体反射而入射检偏装置的光的偏振方向，与测量范围上的扫描同步地旋转。

5.一种表面形状测量装置，包括：

成像透镜；

照射装置，以脉冲同时照射物体；和

按照权利要求1或2的偏振方向测定型两维光接收时标测定装置，其中的电荷型成像装置，安排在成像透镜的像平面上；

其中，在电荷型成像装置的一次曝光时间内，整个测量范围被照射装置同时照射至少一次，并测定电荷型成像装置接收物体反射光的时刻。

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