JP2013250197A - 角度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測する角度の分解能を簡単な構成で向上させ、しかも計測対象において着目する全表面に円偏光を照射することにより角度の計測精度を高める。
【解決手段】照射装置１０は、計測対象１の着目する表面の全面に照射する光を出力する光放射装置１１と、光放射装置１１から放射された光を円偏光に変換する光学素子１２とを備え、計測対象１の表面に円偏光を照射する。撮像装置２０は、計測対象１の表面に照射された円偏光の正反射による楕円偏光を画像として撮像する。解析装置３０は、撮像装置２０が撮像した画像を用いて計測対象１の表面の偏光状態を検出し、画像の画素を単位として計測対象１の表面が基準平面に対してなす角度を画素ごとに算出する。光学素子１２は、半球状に形成された基材の内側面に、入射光を円偏光に変換する変換部材が重ね合わされ、光学素子１２の中心に計測対象１が配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、計測対象に円偏光を照射し、計測対象からの正反射光の偏光状態を解析する技術を利用して計測対象における着目部位の傾斜角を計測する角度計測装置に関するものである。

従来から、計測対象の着目部位の傾斜角を計測する技術として、計測対象に円偏光を照射し、計測対象からの正反射光の偏光状態を解析する傾斜エリプソメトリーと称する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１には、計測対象（記録媒体の記録部）に円偏光を照射するとともに、その反射光である楕円偏光を検光子および検出器で検出することにより、物体の傾斜角を計測する技術が記載されている。つまり、計測対象の着目部位に円偏光が照射され、着目部位で反射された正反射光に含まれる楕円偏光の楕円率角や楕円偏光の軸の向きが検出されることにより、計測対象の表面の向きが計測される。

特許文献１に記載された装置は、計測対象において方位角（傾斜の方向）が異なる傾斜面を計測するために、計測対象における着目部位の周囲に複数個の検出器が配置されている。また、計測対象における着目部位に円偏光を照射するために、１個の円偏光生成手段が着目部位の正面に配置された構成と、複数個の円偏光生成手段が着目部位の周囲に配置された構成とが開示されている。

特開２００９−９９１９２号公報

特許文献１に記載された構成は、計測対象における着目部位の周囲に複数個の検出器が配置されているから、着目部位の方位角に関する分解能は、検出器の個数に依存することになる。たとえば、検出器が４個であれば方位角については９０度刻みで計測されることになる。検出器の個数を増やせば分解能を向上させることは可能であるが、個別部品である検出器の配置密度には部品サイズによる制約が生じるから、方位角の分解能を向上させることには限界がある。

また、検出器は円偏光生成手段から計測対象の着目部位に照射された円偏光の正反射光を受光するから、着目部位の傾斜角が未知である場合、特許文献１のように、一方向にのみ円偏光を放射する円偏光生成手段は適正な位置に配置できない。

一方、複数個の検出器に代えてＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサを用いたカメラを用い、カメラで撮像した画像を用いることによって、計測対象の表面の向きを計測する技術も提案されている。この技術を採用して計測対象における表面の傾斜角を計測する場合、計測対象に照射される偏光が円偏光ではなく楕円偏光になると計測精度が低下することが知られている。つまり、計測精度を高めるには、計測対象に照射する円偏光の楕円率角を４５度に近づける必要がある。しかしながら、計測対象において着目する全表面に円偏光を照射する構成は実現されていない。

本発明は、計測する角度の分解能を簡単な構成で向上させ、しかも計測対象において着目する全表面に円偏光を照射することにより角度の計測精度を高めた角度計測装置を提供することにある。

本発明に係る角度計測装置は、計測対象の表面に円偏光を照射する照射装置と、前記計測対象の表面に照射された円偏光の正反射による楕円偏光を画像として撮像する撮像装置と、前記撮像装置が撮像した画像を用いて前記計測対象の表面の偏光状態を検出し、前記画像の画素を単位として前記計測対象の表面が基準平面に対してなす角度を前記画素ごとに算出する解析装置とを備え、前記照射装置は、前記計測対象の着目する表面の全面に照射する光を出力する光放射装置と、前記光放射装置から放射された光を円偏光に変換する光学素子とを備え、前記光学素子は、半球状に形成され、かつ中心に前記計測対象が配置されることを特徴とする。

この角度計測装置において、前記光学素子は、透明材料からなり少なくとも内側面が半球状である基材と、前記基材の内側面に重ね合わされ入射光を円偏光に変換する変換部材とを備えることが好ましい。

この角度計測装置において、前記光学素子は、前記基材の底面と頂点とを結ぶ直線を含む複数の分割面により等分割された形状の複数個の分割体を組み合わせて形成され、前記分割体ごとに、前記基材および前記変換部材を形成する部材を備えることが好ましい。

この角度計測装置において、前記光学素子は、前記基材を２個備え、前記基材の底面が互いに結合された球状に形成されていることが好ましい。

この角度計測装置において、前記光学素子は前記基材の頂点を囲む開口窓を有し、前記撮像装置は前記開口窓を通して前記計測対象を撮像することが好ましい。

本発明の構成によれば、撮像装置で撮像した画像を用いて計測対象の角度を算出するから、個別の検出器を複数用いる構成と比較すると、角度の分解能が簡単な構成で向上するという利点がある。また、半球状に形成された光学素子を用い、光学素子の中心に計測対象を配置しているから、計測対象の表面に入射する光は位置や向きにかかわらず円偏光になり、角度の計測精度が高められるという利点がある。

実施形態を示す概略構成図である。 同上に用いる光学素子の断面図である。 同上に用いる光学素子を示す分解斜視図である。 同上に用いる光学素子の分割方法を説明する図である。 同上に用いる分割体の分割数の決め方の例を説明する図である。

本実施形態の角度計測装置は、図１に示すように、計測対象１に円偏光を照射する照射装置１０と、照射装置１０による円偏光が照射されている状態で計測対象１からの正反射光を撮像する撮像装置２０とを備える。計測対象１は、金属のように高反射率であることが好ましい。

撮像装置２０の出力は解析装置３０に与えられる。解析装置３０は、撮像装置２０の出力を用いて計測対象１から正反射光の偏光状態を検出し、正反射光の反射部位について検出した偏光状態を用いて、当該反射部位が規定の基準平面に対してなす角度を算出する。さらに、解析装置３０は、算出した角度を用いて計測対象１の三次元形状のモデリングを行う機能を有していることが望ましい。照射装置１０、撮像装置２０、解析装置３０の動作タイミングは制御装置４０が制御する。基準平面は、計測対象１を載せるステージ（図示せず）の上面などに平行な面であって、撮像装置２０の光軸に直交するように設定される。

以下、角度計測装置について、具体的に説明する。照射装置１０は、計測対象１において撮像装置２０の視野内に存在する部位の全体に円偏光を照射可能に構成される。図示例において、照射装置１０は、半球状の発光面を備え計測対象１の着目する全表面に照射する光を出力する光放射装置１１と、半球状に形成され光放射装置１１から放射された光を円偏光に変換する光学素子１２とを備える。光放射装置１１および光学素子１２は、中心が一致するように配置され、この中心付近に計測対象１が配置される。すなわち、照射装置１０は、撮像装置２０の光軸を囲む全方向から計測対象１に円偏光を照射するように構成されている。光放射装置１１は、発光面の全体から一様な輝度で光を放射する。

なお、図示例は光放射装置１１の発光面の形状を半球状に形成しているが、この形状は必須ではなく、光学素子１２の外側から光を入射する構成であれば、発光面の形状にとくに制限はない。

上述のように光学素子１２を半球状に形成しているのは以下の理由による。すなわち、計測対象１を中心とした仮想球の表面において円偏光に変換すれば、計測対象１に入射する光は仮想球の表面に対して垂直に入射した光になり、結果的に計測対象１の表面に円偏光が照射されるからである。さらに言えば、計測対象１の表面の全面に亘って円偏光を照射するには、計測対象１を点と仮定した場合に、その点から等距離である球面上において円偏光に変換する光学系が必要になる。

要するに、球の中心を通る直線は球の接平面と直交することを利用し、仮想球の表面に垂直に入射した円偏光のみを計測対象１に照射している。そのため、計測対象１に半球状の光学素子１２を用いるのである。仮想球の表面で後述する部材を用いて円偏光に変換する場合、仮想球への光の入射角によっては、出射光は必ずしも円偏光に変換されるとは限らないが、上述した配置により計測対象１の着目する全表面に円偏光が照射される。

照射装置１０に用いられる光放射装置１１は、撮像装置２０が撮像している間に光出力が変動することがないよう、直流安定化電源を用いて点灯させることが好ましい。また、光放射装置１１は、計測対象１に連続的に光を照射する構成と、規定の短時間だけ光を出力して計測対象１に閃光を照射する構成とのいずれかが用いられる。光放射装置１１が閃光を発生する場合、発光毎の光量が変化しないように発光量が制御される。

光学素子１２は、光放射装置１１から放射された光を円偏光に変換するために、光を直線偏光に変換する偏光板と四分の一波長板（以下、「λ／４板」という）とを、光の透過する経路上に順に重ね合わせた変換部材を備える。偏光板およびλ／４板を備えた変換部材はシート状ないしフィルム状に形成されている。光学素子１２は、光放射装置１１から放射された光を円偏光に変換するための変換部材として、「円偏光フィルム」として市場に提供されている部材を用いてもよい。光学素子１２の構造は後述する。

なお、シート状とフィルム状との用語は厚み寸法の相違を表現するために用いている。シート状は厚み寸法の大きい側を表し、フィルム状は厚み寸法の小さい側を表している。ただし、いずれも薄厚で可撓である状態を表している。以下では、シート状を含めてフィルム状という。

光放射装置１１および光学素子１２は、撮像装置２０から計測対象１が直視できるように、図１における上部にそれぞれ開口窓１１１，１２１を備えている。すなわち、撮像装置２０は開口窓１１１，１２１を通して光学素子１２に囲まれた計測対象１からの正反射光を受光する。

撮像装置２０は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサのように２次元格子の格子点上に画素が配列された撮像素子（図示せず）を備えるカメラ２１と、計測対象１とカメラ２１との間に配置された検光子２２とを備える。撮像装置２０は計測対象１の直上であって、光軸がステージの上面に直交するように配置される。

カメラ２１は、受光光学系を備え、受光光学系を通して計測対象１からの反射光を撮像素子に入射させる。また、カメラ２１は、画素値を濃淡値とする濃淡画像を出力する。なお、必要に応じてカメラ２１の前方にフィルタを設け、光放射装置１１から放射された光以外の環境光を低減させるようにしてもよい。この種のフィルタには干渉フィルタを用いることが好ましい。

検光子２２は、カメラ２１の光軸と平行な回転中心の周りで回転可能に配置され、モータのような駆動源を備えた回転装置２３により駆動される。検光子２２は回転の基準位置が定められており、基準位置に対する検光子２２の回転角度を計測するために角度センサ２４が検光子２２に付設される。

角度センサ２４は、検光子２２の回転角度を検出するロータリエンコーダ、ポテンショメータなどが用いられる。また、角度センサ２４は、検光子２２から回転を直接に検出するように配置されるほか、回転装置２３の回転部から検光子２２の回転を間接的に検出するように配置されていてもよい。

撮像装置２０は、カメラ２１が撮像した濃淡画像を出力する。カメラ２１は、角度センサ２４が計測した検光子２２が所定の角度であるときに撮像した濃淡画像を解析装置３０に出力する。解析装置３０は、撮像装置２０から取得した濃淡画像と、角度センサ２４が計測した検光子２２の回転角度とを対応付けて記憶する。言い換えると、撮像装置２０が撮像した濃淡画像の画素値は、計測対象１における正反射光の反射部位ごとの偏光状態を反映していることになる。

計測対象１の傾斜角を計測する際に、制御装置４０は、撮像装置２０で計測対象１を計測する間に照射装置１０から光を放射させる。また、制御装置４０は、回転装置２３を駆動して検光子２２を所定の角度間隔で回転させ、検光子２２の回転位置ごとに解析装置３０にカメラ２１から画像を取得させる。解析装置３０は、カメラ２１から取得した画像に基づいて偏光解析を行い、計測対象１の部位ごとの傾斜角を算出する。

解析装置３０は、角度センサ２４により検出される検光子２２の回転位置を校正する機能を備える。校正の際の検光子２２の回転位置は、計測対象１の材質によって一意に決定されるから、計測対象１の材質に変更がなければ、校正作業は最初に１回行えばよい。

解析装置３０は、撮像装置２０の出力を用いて傾斜角を求めるために以下の機能を有している。また、解析装置３０は、以下の機能を実現するためのプログラムを実行するプロセッサ（たとえば、マイコン）をハードウェア要素として備える。

具体的には、解析装置３０は、撮像装置２０から取得した画像と、撮像時の検光子２２の回転角度との組を記憶する記憶部３１を備える。検光子２２の回転角度は、たとえば１０度間隔で０〜１７０度の範囲で１８段階に変化するように制御される。記憶部３１は、撮像装置２０から検光子２２の回転角度ごとに取得した画像を記憶し、合計１８枚の画像を記憶する。すなわち、検光子２２の回転位置が、０度、１０度、…、１７０度の画像が記憶部３１に記憶される。

上述の構成において撮像装置２０が受光する受光強度は、検光子２２の回転角度に応じて周期的に変化することが知られている。撮像装置２０が撮像した画像の１つの画素に着目すれば、１８点の濃淡値は正弦波状に変化する。したがって、画素ごとの濃淡値について、位相、振幅（最大値と最小値との差の２分の１）、中心値（最大値と最小値との平均値）の情報が得られる。これらの情報を用いると、楕円偏光の楕円率角（楕円率の逆正接）および軸の方向（つまり、傾斜角）が算出可能になる。楕円率角と方位角とは対になる情報であって、観測している楕円偏光の状態を一意に規定するパラメータになる。

すなわち、計測対象１に照射された円偏光は、計測対象１の表面に入射する角度に応じて正反射することにより、傾斜角に応じた楕円率角を持つ楕円偏光になる。そのため、計測対象１において正反射光を生じた反射部位が規定の基準平面に対してなす傾斜角は、楕円偏光の楕円率角から求められる。また、楕円偏光の楕円率角は、撮像装置２０が受光する受光強度が変化する振幅に反映される。

解析装置３０は、計測対象１において正反射を生じた部位の傾斜角を算出する角度算出部３２を備える。すなわち、角度算出部３２は、記憶部３１が記憶している撮像装置２０の１８枚の画像を用いて、画素ごとの楕円偏光の楕円率角を求め、楕円率角から傾斜角を算出する。ここで、計測対象１の物性である反射率も楕円偏光の諸量に影響するが、反射率の影響は既知であって補正可能であるものとして扱う。したがって、楕円偏光の楕円率角が求められると計測対象１における正反射を生じた部位の傾斜角が算出される。

角度算出部３２は、画素ごとの楕円偏光の軸の方向も求める機能を有する。楕円偏光の軸の方向は計測対象１の方位角によって定まるから、楕円偏光の軸の方向を求めることにより計測対象１における正反射を生じた部位の方位角が算出される。なお、本実施形態の構成では、方位角の差が１８０度であるときには、楕円偏光の軸の方向が同じになる。したがって、計測可能な方位角は０〜１８０度の範囲になる。方位角を０〜３６０度の範囲で計測するためには、他の構成を付加する必要があるが、本実施形態の趣旨ではないからここでは説明しない。

解析装置３０は、角度算出部３２が求めた傾斜角および方位角を出力する出力部３３を備える。出力部３３は、傾斜角および方位角を、適宜の角度間隔（５度刻み、１０度刻みなど）で区分した区間ごとにコード化し、画素ごとにコードを対応付けるとともに、コードを出力するようにしてもよい。

また、出力部３３は、撮像装置２０から得られる画像の解像度に応じて計測対象１の表面を微小面に分割し、微小面ごとの傾斜角および方位角に基づいて、微小面ごとの法線ベクトルを求める機能を有する。微小面ごとの法線ベクトルは、角度算出部３２が求めた計測対象１の傾斜角および方位角を用いることによって求められる。出力部３３は、計測対象１の微小面ごとの法線ベクトルを求めた後、微小面をつなぎ合わせることによって、計測対象１の三次元形状を求めるモデリングを行う。

光学素子１２は、上述したように、フィルム状に形成された変換部材（偏光板とλ／４板、あるいは円偏光フィルム）を備える。２部材を重ね合わせた変換部材が用いられる場合、偏光板に形状を保つ役割が付与され、偏光板にλ／４板が重ね合わされる。また、円偏光フィルムが変換部材として用いられる場合、形状を保つための半球状の基材が別に必要になり、基材に円偏光フィルムが重ね合わされる。

図２に示すように、基材１２２は、少なくとも内側面が半球状に形成される。また、基材１２２は、光放射装置１１から放射された光の波長に対して透明である透明材料により形成される。基材１２２の厚み寸法は均一であることが望ましく、この形状では、基材１２２の内側面と外側面とは、中心を共通にする半球状になる。

変換部材１２３である円偏光フィルムは、基材１２２の内側面に重ね合わされる。この変換部材１２３は、基材１２２の内側面の全面に亘って貼り付けられることが望ましい。なお、変換部材として円偏光フィルムを用いる場合と同様に、偏光板とλ／４板とを変換部材１２２として用いる場合であっても、形状を保つために基材１２２に変換部材１２３が重ね合わされる構造を採用してもよい。

ところで、入射光を円偏光に変換する変換部材１２３が基材１２２の外側面に重ね合わされている場合、変換部材１２３から出射された円偏光が基材１２２を透過する際に偏光状態が変化して円偏光ではなくなる可能性がある。これに対して、上述の構成では、変換部材１２３が基材１２２の内側面に重ね合わされるから、変換部材１２３から出射された円偏光が、計測対象１に直接照射される。つまり、変換部材１２３から出射された円偏光の偏光状態が基材１２２を透過することなく計測対象１に直接照射される。

さらに、光学素子１２に歪みがあると所要の光学的特性が得られないから、光放射装置１１から放射された光を円偏光に変換する変換部材１２３は、シワなく基材１２２に重ね合わせなければならない。しかしながら、１枚のフィルム状の変換部材１２３を半球状である基材１２２の内側面に重ね合わせようとすると、２方向に湾曲させなければならないから、シワの発生を回避することには困難が伴う。

本実施形態は、光学素子１２におけるシワの発生を回避するために、図３のように、複数個の分割体１２０を結合することにより最終形状の光学素子１２を形成している。それぞれの分割体１２０は必ずしも同形状でなくてもよいが、同形状の分割体１２０のみで光学素子１２を形成すると、異形状の分割体が混在する場合より分割体１２０の製造および管理が容易になる。また、それぞれの分割体１２０が同形状であれば、分割体１２０を結合する際に、結合箇所に応じて分割体１２０を選択する手間がかからない。

以下では、光学素子１２が半球状の光学素子１２を形成する分割体１２０について説明する。分割体１２０を説明するために、図４に示すように、光学素子１２の全体形状である半球の底面ＢＰの最遠点を頂点ＳＭと呼び、半球の底面ＢＰの中心と頂点とを結ぶ直線が含まれる平面を分割面ＤＰと呼ぶ。半球の底面ＢＰの形状は円形であり、分割面ＤＰによる半球の断面は半円形になる。

同形状の分割体１２０で半球状の光学素子１２を形成する場合、半球の底面ＢＰと頂点ＳＭとを結ぶ直線の周りに等角度間隔で配置した複数の分割面ＤＰによって半球を複数個に分割し、分割された１個の部材を１個の分割体１２０とする。たとえば、４枚の分割面ＤＰで分割することにより８個の分割体１２０が形成される。ただし、１枚の分割面ＤＰで分割することにより１個の分割体１２０が形成されるようにしてもよい。

分割面ＤＰの枚数についてとくに制限はないが、図５に示すように、半球の底面ＢＰ内において、１個の分割体１２０の両端間に張る弦ＨＹから弧ＡＲまでの距離ΔＬが、たとえば、半径ｒの１％以下（ΔＬ／ｒ≦０．０１）程度になるように分割数が設定される。この数値例の場合、分割数は２３分割以上であれば条件を満たす。半径ｒが３５ｍｍの半球状の光学素子１２を形成するために、３２分割した分割体１２０を結合したところ、実質的に歪みのない光学素子１２が得られた。

なお、偏光板およびλ／４板のような部材は、可撓性の小さい硬質な材料で形成されている場合があり、材料が硬質であると分割数が増加し、分割する形状も変更が必要になることがある。つまり、分割数は、材料の可撓性に応じて調節される。そのため、任意形状に加工しやすい可撓性を有した円偏光フィルムを用いるほうが光学要素１２の設計は容易になる。

１個の分割体１２０は、半球の頂点と底面との間で半球の表面に沿って台形を湾曲させた形状に形成されている。また、隣接する分割体１２０の間は接着により結合される。分割体１２０が接着されている領域では、光学素子１２の光学特性が他の領域とは異なる可能性があるが、分割体１２０が接着されている領域を避けて計測に用いるようにすれば、計測精度に影響は生じない。

このように分割体１２０を結合することにより形成された光学素子１２を用い、光学素子１２の中心付近に計測対象１を配置すれば、光放射装置１１から光学素子１２に垂直に入射した光が計測対象１に照射される。その結果、計測対象１の表面の全面に亘って円偏光が照射されることになり、傾斜角が精度よく計測されることになる。

ここに、光学素子１２の半径は、計測対象１の寸法に対して十分に大きい寸法に設定される。言い換えると、光学素子１２の半径は計測対象１の寸法の増加に伴って単調に増加するように設定される。

上述した構成例は、１個の光学素子１２を用いた角度計測装置を示しており、計測対象１に対する１回の計測で、理想的には０〜４５度の傾斜角を計測することが可能である。すなわち、基準平面に対する角度が傾斜角と定義され、かつ計測対象１の表面からの正反射光が撮像装置２０に入射するから、撮像装置２０の光軸に直交する方向から計測対象１に照射され、傾斜角が４５度である面で正反射した光が撮像装置２０に入射する。一方、傾斜角が４５度より小さい面で正反射して撮像装置２０に入射する光は、撮像装置２０に入射する向きを０度とすると、撮像装置２０の光軸に対する角度が９０度よりも小さい角度で計測対象１に照射された光になる。また、開口窓１１１，１２１を通して計測対象１に照射される光は計測対象外になるから、計測可能範囲は実際には１０度程度が下限値になる。

上述の構成では半球状の光学素子１２を１個だけ用いているが、上述した半球状の２個の光学素子１２を用いて２個の光学素子１２の底面同士を結合し、２個の光学素子１２のほぼ全周から光が入射するように光放射装置１１を構成してもよい。つまり、２個の光学素子１２を結合して球状の光学素子を形成してもよい。この構成の場合、撮像装置２０の反対側に配置された光学素子１２の開口窓１２１を通して計測対象１を支持する部材を配置すればよい。この構成を採用すると、理想的には０〜９０度の傾斜角が計測可能である角度計測装置を構成することが可能である。たとえば、撮像装置２０の光軸に対して１５０度で計測対象１に照射された光は、傾斜角が７５度の面で正反射して撮像装置２０に入射する。

上述した構成例は、計測対象１とカメラ２１との間に配置した検光子２２を回転させる「回転検光子法」を採用している。一方、入射光が右回り円偏光の場合、計測対象１での反射光は、計測対象１の材質により一意に決まるブリュースター角よりも傾斜角が大きい場合は右回り楕円偏光になり、ブリュースター角よりも傾斜角が小さい場合は左回り楕円偏光になる。回転検光子法を採用した場合、楕円偏光が右回りか左回りかを区別することができない。したがって、回転検光子法を採用している上記構成は、ブリュースター角よりも小さい傾斜角とブリュースター角よりも大きい傾斜角とを同時に計測することはできない。

ところで、「回転検光子法」の検光子２２に加えて補償子としてのλ／４板を配置し、検光子２２を回転させずに固定した状態で補償子を回転させて偏光解析を行う「回転補償子法」という技術が知られている。補償子は、検光子２２と計測対象１との間に配置される。回転補償子法を採用すれば、計測対象１で反射した楕円偏光が右回りか左回りかの区別が可能になるから、ブリュースター角よりも大きい傾斜角および小さい傾斜角を同時に計測することが可能になる。すなわち、角度計測装置は、回転検光子法に代えて、回転補償子法を採用するように構成してもよい。

１ 計測対象
１０ 照射装置
１１ 光放射装置
１２ 光学素子
２０ 撮像装置
３０ 解析装置
１１１ 開口窓
１２０ 分割体
１２１ 開口窓
１２２ 基材
１２３ 変換部材

Claims (5)

1. 計測対象の表面に円偏光を照射する照射装置と、
   前記計測対象の表面に照射された円偏光の正反射による楕円偏光を画像として撮像する撮像装置と、
   前記撮像装置が撮像した画像を用いて前記計測対象の表面の偏光状態を検出し、前記画像の画素を単位として前記計測対象の表面が基準平面に対してなす角度を前記画素ごとに算出する解析装置とを備え、
   前記照射装置は、
   前記計測対象の着目する表面の全面に照射する光を出力する光放射装置と、
   前記光放射装置から放射された光を円偏光に変換する光学素子とを備え、
   前記光学素子は、半球状に形成され、かつ中心に前記計測対象が配置される
   ことを特徴とする角度計測装置。
2. 前記光学素子は、
   透明材料からなり少なくとも内側面が半球状である基材と、
   前記基材の内側面に重ね合わされ入射光を円偏光に変換する変換部材とを備える
   ことを特徴とする請求項１記載の角度計測装置。
3. 前記光学素子は、前記基材の底面と頂点とを結ぶ直線を含む複数の分割面により等分割された形状の複数個の分割体を組み合わせて形成され、
   前記分割体ごとに、前記基材および前記変換部材を形成する部材を備える
   ことを特徴とする請求項２記載の角度計測装置。
4. 前記光学素子は、前記基材を２個備え、前記基材の底面が互いに結合された球状に形成されている
   ことを特徴とする請求項２又は３記載の角度計測装置。
5. 前記光学素子は前記基材の頂点を囲む開口窓を有し、
   前記撮像装置は前記開口窓を通して前記計測対象を撮像する
   ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の角度計測装置。

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