KR20040089081A - 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치 및 그것을이용한 표면 형상 계측장치 - Google Patents

편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치 및 그것을이용한 표면 형상 계측장치 Download PDF

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가부시키가이샤 다카오카 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 이동물체 계측에 대응할 수 있는 고속의 표면 형상 계측을 실현하는 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치 및 그것을 이용한 표면 형상 계측 장치에 관한 것이다.
도 8에 있어서 슬릿 광의 주사와 동기하여 검출광의 편광 방위를 회전시켜 그 편광 방위를 직교 니콜 배치의 2조의 검광자(5)(6)와 축적형 화상 검출기(7)(8)에 2차원적으로 기록하는 것으로, 슬릿 광이 축적형 화상 검출기(7)(8)의 각 화소에 입사하는 타이밍을 겨우 1회의 촬상에 의해 결정할 수 있도록 했다.
[대표도]도8

Description

편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치 및 그것을 이용한 표면 형상 계측장치{POLARIZATION BEARING DETECTION TYPE TWO-DIMENSIONAL LIGHT RECEPTION TIMING DETECTING DEVICE AND SURFACE SHAPE MEASURING DEVICE USING IT}
물체의 표면 형상을 계측하는 기술은 수없이 많이 제안되어 왔다. 그것들은 크게 나누어 점 계측 타입의 것과 다수점 동시 계측 타입의 것이 있다. 점 계측 타입의 계측법은 정밀도와 신뢰성이 높지만, 물체 표면 전체를 계측하게 되면 수십분부터 수시간까지 장대한 계측 시간이 필요하다. 한편, 다수점 동시 계측 타입의 계측법은 고속으로 할 수 있다고 하는 특징이 있는 반면, 신뢰성과 정밀도의 면에서 어려움이 있다. 다수점 동시 계측 타입의 계측법의 광절단법이나 격자 패턴 투영 위상 쉬프트법, 공초점 현미경에 의한 계측법(이하 공초점법이라 칭한다)은 연구 수준에 있어 수없이 많이 제안되고 있는 다른 다수점 동시 계측 타입의 계측법과 비교하여 신뢰성이 높고 이미 실용 시스템도 수없이 많이 발표되고 있는 수법이지만, 점 계측 타입과 비교하여 고속으로 할 수 있다고 해도 FA 분야에서 인 라인 검사에 사용하는 경우에는 충분히 고속으로 할 수 있다고 말하기 어렵다.
후에 상세하게 기술하겠지만, 광절단법, 격자 패턴 투영 위상 쉬프트법 그리고 공초점법으로 하여도 검출기로서 화상 검출기가 필요하고, 시간축이 관련된 어떤 주사가 필요하다. 통상 미소 주사마다 화상 검출기에 의해 화상을 취득하여 그것을 다수 반복해 최종적으로 계측이 완료한다. 실제, 광절단법이나 공초점법으로 해도, 1회의(1화면의) 계측에 수십으로부터 수백 매의 화상을 필요로 하여 화상 검출기인 TV 카메라가 30매/초 정도의 화상 밖에 촬상할 수 없기 때문에 아무래도 계측 시간이 걸리는 것은 피할 수 없다. 격자 패턴 투영 위상 쉬프트법은 비교적 고속으로 할 수 있지만, 그런데도 적어도 3매의 다른 시간의 화상을 이용할 필요가 있어 움직임이 있는 물체에 대한 계측은 불가능하다. 이하에서는 보다 상세하게 광절단법, 격자 패턴 투영 위상 쉬프트법, 공초점법에 대해서 기술한다.
도 11은 광절단법을 기본으로 하여 제안된 계측 시스템의 예로, 비특허 문헌 1에 기재되어 있는, 수많은 실용 시스템이 있는 신뢰성 높은 시스템이다. 여기에서는 요점만을 설명하기 위해 상기 문헌에서 좌우 양측에 있는 슬릿 광 주사부의 한쪽 편만을 보여주고 있다.
레이저 슬릿 광원(111)에 의해 슬릿 광을 결상 렌즈(113)의 광축과는 다른 각도로부터 물체(10)에 조사하여 주사 기구(112)에 의해 주사하면서, 텔레비젼 카메라(114)에 의해 화상을 연속적이게 화상 처리 장치(115)에 입력한다. 한 장의 화상에는 도 11의 표시장치(116)에 나타나는 것 같은 하나의 슬릿이 물체(10)의 기복에 따라 비뚤어져 찍힌 것이 된다. 슬릿 주사가 종료할 때까지 도 11로 오른쪽에서 왼쪽까지 슬릿 광이 움직이는 동안에, 256 매 내지 512 매의 화상을 입력한다. 화상 처리 장치(115)는 입력되는 화상의 화소마다 그 화소의 값이 가장 커진다. 즉, 그 화소의 대응하는 물체(10) 상의 위치를 슬릿 광이 통과하는, 타이밍(예를 들면 도의 tp)을 검출하여 그 때의 슬릿 광의 투사각도와 각각의 화소의 위치에 의해 정해지는 결상 렌즈(113)의 주광선의 각도의 교점 P로서 물체(10) 표면의 높이를 연산한다. (문헌 : 우에스기 미츠루소 : “슬릿 광주사 방식 삼차원 계측 시스템 " , 토루 요시자와 역 광 삼차원 계측, 신기술 커뮤니케이션, 페이지 39∼52 , 1993년)
도 12 는 공초점 촬상계(121)을 이용한 계측 시스템의 예이다. 공초점 촬상계(121)로는 레이저 주사 현미경, Nipkow판 주사 현미경, 비주사형 공초점 촬상계 등이 있지만, 이 도에서는 무엇이든 좋기 때문에 간략화 하여 나타내고 있다.
공초점 촬상계(121)의 특징은 초점이 맞는 위치(122)만이 화상화 된다. 즉 검출기(123)에 도달해, 초점이 벗어난 부분의 빛은 거의 검출기(123)에는 닿지 않는 옵티컬 섹션닝(optical sectioning)으로 불리는 특성을 가지고 있는 점이다. Z 스테이지(124)에 의해 물체(10)를 광축 방향으로 이동시키면서, 검출기(123)에 의해 화상을 연속적으로 입력해 나가면 한 장의 화상에는 도 12의 표시 장치(116)에 나타나듯이 초점이 맞은 부분만이 비쳐 이 부분이 등고선을 나타내게 된다. Z 스테이지(124)에 주사가 종료할 때까지, 즉 도에서 위에서 아래까지 움직이는 사이에 수백매 정도의 화상을 입력한다. 화상 처리 장치(115)는 입력되는 화상의 화소마다, 그 화소의 값도 가장 커진다. 즉, 그 화소의 대응하는 물체(10)상의 위치 표면에 광학계의 초점이 맞는 타이밍을 검출하여 그 때의 Z 스테이지(124)의 위치 그것이 물체(10)의 표면의 상대 높이를 나타내게 된다.
다음에 격자 패턴 투영 위상 쉬프트법에 대해서 도 13을 이용해 간단하게 설명한다. 광절단법이 1개의 슬릿 광을 투영하는데 대하여 격자 패턴 투영법은 복수 라인의 슬릿을 동시에 투영한다. 후술하는 위상 쉬프트법을 이용하기 위해서, 도 14 에 나타내듯이 복수의 슬릿 상의 투과율이 정현적으로 변화하는, 이른바 정현 격자(132)가 이용된다. 조명 광원(131)에 의해 조명된 정현 격자(132)의 상은 투영 렌즈(133)에 의해 물체(10)면에 투영되어 다른 각도로부터 결상 렌즈(113) 및 텔레비젼 카메라(114)에 의해 촬상된다. 이 때, 얻을 수 있던 화상의 각 화소에 대해서, 투영된 격자 패턴의 위상을 알 수 있다면, 물체(10)의 상대적인 기복을 구할 수가 있다. 위상은 위상 쉬프트법으로 구한다. 위상 쉬프터(134)에 의해 정현 격자(132)를 적어도 2회 기지량을 쉬프트 시켜 투영된 격자의 위상이 다른 적어도 3매의 화상을 얻는다. 투영 패턴의 위상이 다른 3매 이상의 화상에 의하여 각 화소마다 3개 이상의 값을 얻을 수 있게 되지만, 이것들의 값은 정현파 패턴으로부터 샘플이 되는 값으로 고려되기 때문에, 정현파에 일치시키는 것으로 초기 위상으로서 위상을 구할 수가 있다.
본 발명은 주로 물체의 표면 형상을 계측하기 위한 광학 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 편광 방위각 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 제 1의 실시의 형태를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 편광 방위각 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 제 1의 실시의 형태의 편광자와 검광자의 축방위를 설명하기 위한 도이다.
도 3은 편광 방위각 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 제 1의 실시의 형태의 검광자 통과 후의 입사광 강도의 변화를 나타내는 도이다.
도 4는 편광 방위각 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 제 l의 실시의 형태의 검광자 통과 후의 입사광 강도비의 변화를 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 편광 방위각 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 제 2의 실시의 형태를 설명하기 위한 도이다.
도 6은 편광 방위각 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 제 2의 실시의 형태의 편광자와 검광자의 축방위를 설명하기 위한 도이다.
도 7은 편광 방위각 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 제 2의 실시의 형태의 검광자 통과 후의 입사광 강도의 변화를 나타내는 도이다.
도 8은 본 발명의 광절단 표면 형상 계측 시스템을 설명하기 위한 도이다.
도 9는 본 발명의 광절단 표면 형상 계측 시스템의 기능을 설명하기 위한 도이다.
도 10은 본 발명의 공초점 표면 형상 계측 시스템을 설명하기 위한 도이다.
도 11은 종래의 광절단 표면 형상 계측 시스템을 설명하기 위한 도이다.
도 12는 종래의 공초점 표면 형상 계측 시스템을 설명하기 위한 도이다.
도 13은 종래의 격자 패턴 투영 위상 쉬프트 표면 형상 계측 시스템을 설명하기 위한 도이다.
도 14는 종래의 격자 패턴 투영 위상 쉬프트 표면 형상 계측 시스템으로 이용하는 정현 격자를 설명하기 위한 도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 비편광화수단 2 : 편광자 3 : 회전기구
4 : 무편광 빔 스플리터 5, 6 : 검광자
7, 8 : 축적형 화상 검출기 9 : 화상 해석 장치
10 : 물체 111 : 레이저 슬릿 광원
112 : 주사 기구 113 : 결상 렌즈 114 : 텔레비젼 카메라
115 : 화상처리 장치 116 : 표시장치 121 : 공초점 촬상계
122 : 초점이 있던 위치 123 : 검출기 124 Z 스테이지
502, 503, 504 : 검광자 505, 506, 507 축적형 화상 검출기.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
이하, 도면을 참조하여 구체적으로 본 발명의 실시의 형태를 설명한다. 도 1에 본 발명의 편광방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 제 1의 실시의 형태를 나타낸다.
좌측으로부터 입사 해 온 빛은 비편광화 수단(1)에 의해 비편광화 된다. 비편광화 수단(1)은 입사광이 어느 정도의 대역폭을 가지는 빛이라면, 일방이 타방의 정수배의 두께를 가진 2개의 수정의 결정을 광학 축에 대해 서로 45도의 각도로 붙여 맞춘 소위 리요(Lyit) 편광자가 적합하다. 또는 입사광이 있는 고정 방향으로직선 편광한 빛이라면, 1/4 파장판 등에서도 좋다. 완전한 비편광이 될 필요는 없고 그 빛을 직선 편광화 한 경우에 편광의 방위에 의해 강도가 크게 바뀌지 않는 것과 같은 빛이면 좋다. 예를 들면 상기와 같이 1/4 파장판을 이용해 원 편광이라고 해도 좋다. 또한 사용하는 광원이나 대상물의 성질에 따라서는 입사광 자체가 비편광 상태인 경우에는 비편광화 수단(1)을 넣을 필요는 없다. 또, 다음에 기술하는 직선 편광 회전 수단의 종류에 따라서 반드시 필요는 없다.
비편광화 된(혹은 원편광이 된) 입사광은 편광자(2)와 그 회전 기구(3)로부터 구성되는 직선 편광 회전 수단에 입사하여 시간적으로 회전하는 직선 편광이 된다. 직선 편광 회전 수단은 직선 편광의 축방위가 시간적으로 회전(선광)하면 좋기 때문에 전기 광학 효과 혹은 자기 광학 효과를 갖는 소자 등에서 실현되어도 좋다. 예를 들면, 액정은 광학활성을 가지므로, 고정된 편광판을 통과해 직선 편광이 된 빛의 편광 방위를 전기적으로 회전시키는 것이 가능하다. 그 경우는, 앞에서 본 비편광화 수단(1)은 불필요하다.
시간적으로 그 편광 방위가 회전하는 직선 편광이 된 입사광은 무편광 빔 스플리터(4)와 서로 직교하는 축방위의 2개의 검광자(5)(6)로 된 검광수단에 입사한다. 무편광 빔 스플리터(4)에 의한 편광의 방위와 관계없이 편광 상태는 그대로 진폭이 각각 반 씩 광파로 분할되어 각각 서로 직교하는 성분이 각각의 검광자(5)(6)를 통과하여 2개의 축적형 화상 검출기(7)(8)에 의해 각각의 성분의 강도가 검출된다.
검광수단은 상기의 무편광 빔 스플리터(4)와 검광자(5)(6)의 기능을 겸비하는 편광 빔 스플리터를 이용해도 좋다. 그 쪽이 광량 손실은 적다. 편광 특성의 정밀도를 높이기 위해서 다시 편광 빔 스플리터 뿐만 아니라 검광자(5)(6)을 설치해도 좋다.
2개의 축적형 화상 검출기(7)(8)은 광학적으로 같은 위치에 배치된다. 예를 들면, 본 장치가 결상 렌즈와 함께 사용되는 경우, 결상 렌즈의 상면에 축적형 화상 검출기(7)(8)의 수광면이 오도록 배치되지만 이 때 결상 렌즈로부터의 광학적인 거리(광로장)는 축적형 화상 검출기(7)(8)와도 함께 완전히 같게 되고 게다가 축적형 화상 검출기(7)(8)의 동일 좌표(xi, yi)의 화소는 물체면 상에서는 동일 위치에 대응하고 있다.(이것은 절대적인 조건은 아니고, 무언가 보정 수단을 가지는 것으로 이 조건은 완화된다. 우선 여기에서는 상기 조건이 채워지고 있는 것으로 하고 이하 설명한다.) 또한 이것들 2개의 축적형 화상 검출기(7)(8)의 동작은 동기하고 있다. 즉, 셔터의 개방타이밍 및 셔터 개방의 시간은 항상 일치하고 있어, 얻을 수 있던 화상은 전기신호로서 동시에 화상 해석 장치(9)에 보내진다. 화상 해석 장치(9)내에서는, 축적형 화상 검출기(7)(8) 각각으로부터 동시에 얻을 수 있던 2매의 화상으로부터 각 화소마다 수광 타이밍이 연산된다.
축적형 화상 검출기(7)(8)로서 현재 가장 일반적인 것은 2차원 CCD 카메라이다. 하지만, 전 화소 동시 노광형의 2차원 검출기이면 뭐든지 좋다.
이상이 장치의 구조이다. 다음에는 이 장치의 기능에 대해서 말한다. 이 장치는 축적형 화상 검출기(7)(8)의 1회의 셔터 개방 시간 내에 각각의 화소에 빛이입사한 타이밍(시간차)을 편광의 방위에 의해 기록할 수가 있는 것이다.
도 2로부터 도 4를 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 2에 나타난 바와 같이, 직선 편광 회전 수단을 통과한 후의 편광 방위 θ는 검광자(5)와 평행한 초기 상태로서 각속도 ω로 회전한다고 하고 강도가 일정한 연속 광이 광학계에 입사된다고 하면, 2개의 검광자(5)(6) 통과 후의 입사광의 강도 변화는 도 3과 같이 된다. 여기에서 직선 편광 회전 수단을 통과한 후의 편광 방위 θ는 0∼π/2 사이만을 고려하여 2개의 검광자(5)(6) 통과 후의 입력광의 강도비(b-a)/(a+b)를 연산하면, 도 4와 같이 양끝부분을 제외하고 거의 리니어(linear)하게, 정확하게는 정현적으로 변화하는 것을 알 수 있다.
이번에는 연속광이 아니고 펄스적인 빛이 입사하는 경우를 고려한다. 직선 편광 회전 수단을 통과한 후의 편광 방위 θ가 0∼π/2의 회전을 하여 그 사이가 있는 타이밍 ti에서만 빛이 입사한다고 한다. 축적형 화상 검출기(7)(8)의 셔터는 편광 방위가 회전을 하는데 동기하여 개방된다. 즉 편광 방위 θ가 0∼π/2로 회전하는 기간 중에는 셔터가 개방된 상태에 있다고 하면, 도 3에 나타난 바와 같이 축적형 화상 검출기(7)(8)에 빛이 입사했을 때의 편광 방위 θi에 따라 각각 ai, bi의 출력을 얻을 수 있다. 그것들의 값으로부터 강도비 (b-a)/(a+b)의 연산에 의해 도 4의 대응 관계로부터 θi를 구할 수가 있어 ti= θi/ω에 의해 타이밍 ti가 구하여 진다. 또한 화소마다 다른 타이밍으로 펄스적인 빛이 입사했다고 하면, 그것이 상기 축적형 화상 검출기(7)(8)의 셔터 개방 기간 내라면, 화소마다 각각의 수광시의 편광 방위 θ를 나타내는 강도비의 화소 출력을 얻을 수 있게 되어, 화상 해석 장치(9)에 의해 화소마다 빛의 수광 타이밍을 연산할 수 있게 된다.
이상이 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 제 1의 실시의 형태이다. 다음에, 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 제 2의 실시의 형태에 대해서 도 5로부터 도 7을 이용해 설명한다.
도 5에 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 제 2의 실시의 형태를 나타낸다. 비편광화 수단(1)과 직선 편광 회전 수단에 대해서는 제 1의 실시의 형태와 완전히 같으므로 설명은 생략한다. 시간적으로 편광 방위가 회전하는 직선 편광이 된 입사광은 빔 스플리터(501)에 의해 3방향으로 진폭 분할된다. 제 1의 실시의 형태에서는 2방향에의 분할이었지만, 여기에서는 3방향으로 분할되는 점이 다르다. 이하 3방향의 분할로서 설명을 진행시켜 나가지만, 3방향으로 한정하는 것은 아니다. 3방향 이상이면 몇 개에서도 좋다.
빔 스플리터(501)는 예를 들면 도 5에 나타내는 것 같은 3 CCD 종류의 칼라 카메라에 이용되는 합성 프리즘을 이용해 접착시킬 수 있는 부분에 진폭 분할 코트를 행하는 것으로 실현될 수 있다. 입사광에 가까운 측의 코트 면의 진폭 분할비를 1:2로 하고 또 다른 코트 면을 1:1로 하면, 3분할하는 것이 가능해진다. 또, 직각 프리즘 4개가 접착될 수 있는 것도 고려할 수 있다. 접착면 모두에 진폭을 2분할하는 코트를 사용한다면 임의의 면으로부터 입사 해 온 빛은 1/4의 진폭이 되어 각면으로부터 출사된다.
3개로 분할된 입사광은 도 6에 나타난 바와 같이, 각각 편광의 방향이π/3다른 3개의 검광자(502)(503)(504)로 된 검광수단에 입사한다. 빔 스플리터(501)에 의해 편광의 방위로 관계없이 편광 상태는 그대로 진폭이 각각 1/3 내지 1/4 씩 광파에 분할되어 3매의 서로 π/3 편광 방위가 다른 검광자(502)(503)(504)를 통과한 빛의 강도가 3개의 축적형 화상 검출기(505)(506)(507)에 의해 검출된다.
3개의 축적형 화상 검출기(505)(506)(507)는 광학적으로 같은 위치에 배치된다. 예를 들면, 본 장치가 결상 렌즈와 함께 사용되는 경우 결상 렌즈의 상면에 축적형 화상 검출기(505)(506)(507)의 수광면이 오도록 배치되지만, 이 때 결상 렌즈로부터의 광학적인 거리(광로장)는 축적형 화상 검출기(505)(506)(507) 모두 완전히 같게 되어 축적형 화상 검출기(505)(506)(507)의 동일 좌표(xi, yi)의 화소는 물체면 상에서는 동일 위치에 대응하고 있다. (이것은, 절대적인 조건은 아니고 무언가의 보정 수단에 의해서 이 조건은 완화된다. 우선 여기에서는 상기 조건이 만족하고 있는 것으로 하고 이하 설명한다). 또한 이것들 3개의 축적형 화상 검출기(505)(506)(507)의 동작은 동기하고 있다. 즉, 셔터의 개방 타이밍 및 셔터 개방의 시간은 항상 일치하고 있어 얻을 수 있던 화상은 전기신호로서 동시에 화상 해석 장치(9)에 보내진다. 화상 해석 장치(9)내에서는 축적형 화상 검출기(505)(506)(507) 각각으로부터 동시에 얻을 수 있던 3매의 화상으로부터 각 화소마다 수광 타이밍이 연산된다.
이상이 장치의 구조이다. 다음에 이 장치의 기능에 대해서 말한다. 이 장치는 축적형태 화상 검출기(505)(506)(507)의 1회의 셔터 개방 시간 내에 각각의 화소에 빛이 입사한 타이밍(시간차)을 편광의 방위에 의해 기록할 수가 있다.
도 6 및 도 7을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 6에 나타난 바와 같이 직선 편광 회전 수단을 통과한 후의 편광 방위 θ는 검광자(502)와 평행한 상태를 초기 상태로 각속도 ω로 회전한다고 하여 강도 일정한 연속 광이 광학계에 입사된다고 하면, 3개의 검광자(502)(503)(504) 통과 후의 입사광의 강도 변화는 도 7과 같이 위상이 서로 2π/3(편광 방위π/3) 씩 쉬프트 한 정현 파장의 변화가 된다.
이번은 연속광은 아니고 펄스적인 빛이 입사하는 경우를 고려한다. 직선 편광 방위 회전 수단을 통과한 후의 편광 방위 θ가 연속 회전하여 어느 타이밍 ti에서만 빛이 입사한다고 한다. 축적형 화상 검출기(505)(506)(507)의 셔터는 편광 방위θ=0이고 개방되어 예를 들면θ=Nπ까지 노광된다고 하면, 도 7에 나타난 바와 같이 축적형 화상 검출기(505)(506)(507)에는 빛이 입사했을 때의 편광 방위θi에 따라 각각 ai, bi, ci의 출력을 얻을 수 있다. 이것들 3개의 값을 이용하면 θi를 구할 수가 있다.
다만, 구한 θi에는 nπ의 불확정성이 있기로 주의할 필요가 있다. 구체적으로는 예를 들면, I를 평균 광강도, I·γ을 격자 패턴 진폭으로서 ai= I [1+ γ·cos(θi- 2π/3)] , bi= I [1+γ· cos(θi)] , ci=I [1+γ·cos(θi+ 2π/3)] 에 따라 θi= arctan [√3·(ai- ci)/(2bi- ai- ci)]로서 구할 수가 있다. 게다가 ti= θi/ ω의 연산에 의하여 타이밍 ti가 요구된다(θi와 같게 nπ/ω의 불확정성이 있다). 화소마다 다른 타이밍으로 펄스적인 빛이 입사했다고 하면, 그것이 상기 축적형 화상 검출기(505)(506)(507)의 셔터 개방 기간 내라면 화소마다 각각의 수광시의 편광 방위 θ를 나타내는 강도비의 화소 출력을 얻을 수 있게 되어 화상 해석 장치(9)에 의해 화소마다 빛의 수광 타이밍을 연산할 수 있게 된다.
여기에서는, π/3 씩 편광 방위가 다른 3개의 검광자(502)(503)(504)를 고려하지만, 물론 거기에 한정되는 것은 아니다. 편광 방위의 간격은 π/4씩도 좋고 간격이 뿔뿔이 흩어져도 좋다. 편광 방위를 알 수 있으면 좋다. 또, 3개이상의 검광자이면 좋고, 4개에서도 5개에서도 상관없다. 값이 정현파에 일치할 수 있으면 좋다. 많은 편이 위상 검출 정밀도가 높다.
제 l의 실시의 형태 또는 제2의 실시의 형태로 해도, 본 장치가 신규하고 동시에 효과적인 것은 종래 CCD 카메라와 같은 축적형 화상 검출기를 이용해 각 화소에의 빛의 입사 타이밍을 검출하기 위해서는 연속적으로 많은 화상을 취득하여 화상 해석 장치(9)에 의해 화소마다 화소 출력이 커진 화상을 찾고, 그 화상의 번호(시간적인 순서)로부터 입사 타이밍을 구할 필요가 있었던 것에 비하여, 본 장치에서는 겨우 1회의 화상 입력(취득하는 화상은 수매 1조)만으로 각 화소에의 빛의 입사 타이밍을 구할 수가 있다고 하는 점이다.
다음에, 상기의 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치를 이용해 구체적으로 광절단법이나 격자 패턴 투영 위상 쉬프트법 혹은 공초점법이 고속화되는 예에 대해서 기술한다.
우선, 광절단법의 고속화에 대해서 도 8을 이용해 설명한다. 도 8은 도 8에 나타낸 광절단법을 응용한 종래 장치에, 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 제 1의 실시의 형태를 적용한 예를 나타내고 있다. 물체(10)의 기복을 계측하는 원리로서는 종래 장치와 다르지 않다. 즉, 슬릿 광을 결상 렌즈(113)의 광축과는 다른 각도로 물체(10)에 조사하여 주사 기구(112)에 의하여 결상 렌즈(113)와 축적형 화상 검출기(7)(8)에 의해 정해지는 시야 전체에 걸쳐서 주사한다. 축적형 화상 검출기(7)(8)의 각 화소에 빛이 입사하는(즉, 그 화소에 대응하는 물체(10)의 표면상을 슬릿 광이 통과한다) 타이밍을 검출하여 그 타이밍부터 슬릿 광의 각도를 구해 결상 렌즈(113)의 그 화소의 주광선과 상기의 각도가 판명된 슬릿 광의 교점으로서 물체(10)의 표면 위치를 연산하는 것이다.
이러한 슬릿 광주사형의 광절단 시스템에 있어서, 물체(10) 표면의 광택에 의한 다중 반사의 문제나, 막이나 유리와 같이 광축 방향으로 2개 이상의 반사면을 가지는 경우 등의 특수한 경우를 제외한다면, 어느 화소에 빛이 입사하는 것은 물체(10) 표면상의 대응하는 점 상을 슬릿 광이 통과하는 때뿐이어서 1회의 시야 전체의 주사 중에 1회뿐이다.
축적형 화상 검출기(7)(8)의 셔터(전자 셔터)를 개방한 상태로 슬릿 광을 시야 전체, 도 8의 우단으로부터 좌단까지 주사하는데 동기하여 직선 편광 회전 수단에 의하여 검광수단에 입사하는 직선 편광의 방위를 회전시키기로 하면(예를 들면, 슬릿 광이 우단일 때 편광 방위가 0 , 슬릿 광이 좌단일 때 편광 방위π/2가 되어, 그 사이 등각속도 ω로 회전하도록 하면), 각 화소에는 슬릿 광이 대응하는물체(10)의 표면 위치를 통과할 때만, 펄스적으로 빛이 입사하게 되어 슬릿 광의 주사가 종료하여 축적형 화상 검출기(7)(8)의 셔터가 닫혀진 시점에서는 페어의 축적형 화상 검출기(7)(8)의 각 페어의 화소에는 각 화소마다 각 화소에 빛이 입사한 타이밍에서의 편광 방위를 나타내는 강도비가 기록되게 된다.
도 9는 도 8 중의 축적형 화상 검출기(7)(8)가 있는 화소 페어 p' , p" 에 타이밍 tp로 빛이 입사(대응하는 물체(10)의 표면을 슬릿 광이 통과)하는 상황을 편광 방위를 횡축으로서 나타낸 것이다. 축적형 화상 검출기(7), (8)에는 타이밍 tp에서만 빛이 입사하기 위해 그 때의 편광 방위 θi에 대응하는 빛 강도 ai, bi에 비례하는 출력값을 얻을 수 있게 되어, 강도비 (bi- ai)/(ai+ bi)로부터 θi를 구해 식 ti= θi/ω에 의해 타이밍을 구할 수가 있다.
이상과 같이 하여 전 화소의 수광 타이밍을 구하게 되면, 사전에 타이밍과 슬릿 광의 조사 각도의 대응 및 각 화소에 입사하는 결상 렌즈(113)의 주광선 각도, 결상 렌즈(113)와 주사 기구(112)의 위치 관계는 구할 수가 있기 때문에, 나머지는 화상 해석 장치(9)에 의해 간단한 연산으로 각 화소에 대응하는 물체(10) 표면의 높이(Z 위치)로 환산할 수가 있다.
연산은 각 화소마다 모든 ai, bi의 편성에 관해서 사전에 연산하여 테이블에 기억해 두면, 축적형 화상 검출기(7)(8)의 출력값으로부터 테이블 참조만으로 직접 물체(10)의 표면 높이로 변환하는 것도 가능하다. 물론, 강도비 (bi- ai)/(ai+ bi)의 값에 의해 참조 테이블을 구성하는 것도 가능하다. 어쨌든, 매우 단순한 연산에 의해 물체(10)의 표면 형상을 연산할 수가 있으므로, 전용 하드웨어를 이용하면 물론이거니와, 소프트웨어 연산이어도, 고속의 CPU를 이용하면 충분히 비디오 속도에서 물체(10)의 표면 형상 계측을 실현하는 것이 가능하다.
하드웨어 면에서의 실현성을 간단하게 검토해 본다. 예를 들면 주사 기구(112)로서 갈바노 스캐너(Galvano scanner)를 이용한다고 하면, 시야 1회의 주사는 1ms 이하의 시간이라도 충분히 가능하고, 편광 회전 수단도 편광자(2)를 모터로 회전시키는 것을 생각하면, 1ms로 1/4 회전(0∼π/2편광 방위 회전)정도의 회전 속도(15000 rpm)는 용이하다. 즉, 통상 카메라의 비디오 속도(33ms)의 계측이 가능할 뿐 아니라, 이동 물체에 대한 3차원 프리징(freezing) 계측(통상 카메라로 말하는 고속 셔터 동작)을 실시하는 것도 가능하게 된다.
다음에 계측 분해능에 대해서 생각해 본다. 계측 분해능은 투영 슬릿의 각도 검출 분해능으로 제한되는 것은 분명하다. 주사 각도 범위 내를 몇 분 비율 할 수 있을지가 중요하지만, 도 3으로부터 분명한 것과 같이, 편광 변화가 0으로부터 π/2의 단조 증감 영역의 범위밖에 사용할 수 없기 때문에 분할 수는 한편의 검출기의 검출 값이 0으로부터 화상의 양자화수(계조수) S까지 변화하고 그 변화 수 S를 통상 넘을 것은 없다. 실제로는, 물체의 반사율의 불균일성이나 여러 가지 노이즈 요인 등에 의하여 S보다 훨씬 작은 값이 된다.
한편, 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치로서 먼저 기술한 제2의 실시의 형태를 적용했을 경우에 대해서 생각해 본다. 제 2의 실시의 형태의 경우는 도 7에 나타난 바와 같이, 단조 증감 영역에 제한되지 않고, 0부터 π까지는 적어도 사용할 수 있어 nπ의 불확정성을 허용하면 복수 주기에 걸친 영역에서 이용할 수가 있기 때문에, 각도 검출 분해능은 매우 세세하게 취하는 것도 가능하다. 예를 들면, N 주기의 영역을 이용한다고 하면, 축적형 화상 검출기(505)(506)(507)의 1회의 노광 시간 사이에 슬릿이 화상의 끝에서 끝까지 주사되어 편광자(2)가 N/2회 회전하게 된다. 이렇게 해 얻을 수 있는 화상은, N 줄의 정현 격자 패턴 화상이 되어, 3매의 각각의 화상의 격자 패턴은 서로 위상이 어긋나고 있다. 즉, 얻을 수 있는 화상만으로 고려하면, 격자 패턴 투영 위상 쉬프트법과 완전히 같은 화상을 얻을 수 있게 된다. 당연히 격자 패턴 투영 위상 쉬프트법과 동등한 처리를 실시하면 격자 패턴 투영 위상 쉬프트법과 같은 정밀도로 같은 계측을 실시하는 것이 가능하게 된다. 그러나, 모두가 같지 않고 투영하는 패턴은 제작이 어려운 정현 패턴일 필요는 없고 직사각형의 슬릿으로 충분하고, 위상 쉬프트 화상 3매는 동시에 얻을 수 있기 때문에, 동화상 계측이 가능하다는 점에서 좋은 특성을 가지고 있다. 또, 투영하는 슬릿은 1개일 필요는 없다. 예를 들면 N 슬릿이 투영되면, l/N의 주사 범위에서 해결되고 광량적으로 유리하게 된다. 이러한 복수의 슬릿 광을 투영하는 경우는, 주사의 최초와 최후로 편광의 방위가 같게 되도록 π의 배수가 되게 할 필요가 있다.
다음에, 공초점법의 고속화에 대해서 도 10을 이용해 설명한다. 이것에 관해서도 도 12에 나타낸 공초점법을 이용한 종래 장치에 제 l의 실시의 형태의 편광방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치를 통상의 검출기(123) 대신에 장착했을 뿐이다. 먼저 기술한 것과 같이, 공초점 촬상계(121)는 초점이 있던 부분만이 물체(10)의 반사광으로서 축적형 화상 검출기(7)(8)까지 닿아, 초점으로부터 벗어나 있는 부분으로부터의 빛이 축적형 화상 검출기(7)(8)에는 닿지 않는다는 특징이 있다. 그 때문에, Z 테이블(124)에 의해 물체(10)를 광축 방향으로 주사했을 경우, 축적형 화상 검출기(7)(8)의 각 화소의 공역 위치(공초점 촬상계의 물체 측에서 그 화소의 삼차원적 결상 위치)에 물체(10)의 표면이 통과할 때만 그 화소에 빛이 입사하여 다른 타이밍으로는 빛은 입사하지 않는 것이 된다. 수광한 타이밍은 그 때의 Z 테이블(124)의 위치를 나타내어 그 위치는 그대로 물체(10) 표면의 광축 방향의 상대 위치를 나타내게 된다.
수광한 타이밍을 물체(10)의 표면 높이로 환산하는 연산 방법은 완전히 다르게 하여도 주사 중에 축적형 화상 검출기(7)(8)의 각 화소에 1회만 펄스적으로 빛이 입사하여 그 입사 타이밍부터 물체(10)의 표면 위치가 구해지므로 앞의 광절단법의 예와 완전히 동일하다.
즉, 축적형 화상 검출기(7)(8)의 셔터를 개방한 상태로, Z 테이블(124)을 계측 범위 전체, 도 10의 위에서 아래까지 주사하는데 동기하여 직선 편광 회전 수단에 의하여 검광수단에 입사하는 직선 편광의 방위를 회전시키기로 하면(예를 들면, Z 테이블이 상단 때 편광 방위가 0, Z 테이블이 하단 때의 편광 방위가 π/2가 되어 그 사이 등각속도 ω로 회전하게 하면) 각 화소에는, 그 화소의 공역 위치를 물체(10)의 표면이 통과할 때만 펄스적으로 빛이 입사하게 되어 Z 테이블(124)의 주사가 종료하여 축적형 화상 검출기(7)(8)의 셔터가 닫혀진 시점에서는 페어의 축적형 화상 검출기(7)(8)의 각 페어의 화소에는 각 화소마다 각 화소에 빛이 입사한 타이밍에의 편광 방위를 나타내는 강도비가 기록되고 있게 된다. 그리고는 화상 해석 장치(9)에 의하여 물체(10)의 표면 높이로 환산하면 된다.
공초점법의 경우에도 계측 분해능을 올리기 위해서 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 제 2의 실시의 형태를 도입할 수 있다. 정밀도를 올리기 위해서는 1회의 노광·주사중에 가능한 편광자(2)를 수없이 많이 회전시켜 3매의 위상이 다른 화상으로부터 빛이 반사한 위치(즉 물체 표면 위치)를 초기 위상으로서 구하면 좋다. 다만, nπ의 불확정성이 존재하기 때문에 위상 접속 처리가 필요하다.
다음에, 같은 표면 형상 계측 수법으로서 알려진 Time of Flight 법(이하 TOF 법으로 한다)에 대하여 고려한다. TOF 법도 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치에 의해 실현 가능하다고 고려된다. TOF 법은 빛을 발사하여 물체에서 반사해 돌아올 때까지의 시간을 계측하는 것으로 물체 표면의 요철을 계측하는 수법이지만, 본 발명은 시간을 계측하는 수법이므로 적용 가능하다. 즉, 펄스적인 빛을 물체 전체에 동시에 조사하여 돌아오는 빛을 결상 렌즈를 통해 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치에 의해 수광한다. 물체의 기복에 따라 빛이 발사되고 나서 돌아올 때까지의 시간은 다르기 때문에, 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치에 의해 그 시간차이를 계측 할 수 있어 그 것에 의해 물체 표면 형상을 알 수 있다.
이상 표면 형상 계측에 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치를 적용한다
실시예에서 나타내었지만, 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치의 적용 범위를 여기에 한정하는 것은 아니다. 2차원적인 위치가 중요하여 각 위치가 펄스적으로 1번만 발광 혹은 빛을 반사·투과하는 현상에 관한 것에는 적용할 수 있다. 예를 들면, 고속 이동물체의 궤적 계측, 가시광선 통신 등에의 응용도 고려할 수 있다.
이상과 같이, 광절단법와 공초점법도 1회의 계측에 수많은 화상 입력과 화상 처리를 실시할 필요가 있어 고속의 계측은 바랄 수 없다. 또한 비교적 고속의 격자패턴 투영 위상 쉬프트법도 적어도 3매의 시간적인 차이가 있는 화상이 필요하기 때문에 이동물체의 계측은 불가능하다.
본 발명은 이동물체 계측에 대응할 수 있는 고속의 표면 형상 계측을 실현하는 것을 주된 목적으로 하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위해서 입사광을 직선 편광화하여 그 편광 방위를 회전시키는 직선 편광 회전 수단과, 직선 편광 회전 수단을 통과한 입사광을 적어도 2개의 다른 직선 편광 성분에 분할하는 검광수단과, 분할된 입사광 각각을 수광하여 광량에 따라 광전 변환하여 전기신호로서 출력하는 동기한 동작을 하는 적어도 2개의 축적형 화상 검출기와, 축적형 화상 검출기로부터 출력된 복수의 화상 신호를 해석하는 화상 해석 장치에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치를 제안한다.
그 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치는 입사광이 직선 편광 회전 수단에 입사하기 전에 입사광을 편광 방위에 의한 강도 변화가 작은 빛으로 변환하는 비편광화 수단을 가지도록 하여 신뢰성을 높이도록 할 수도 있다. 그리고 광절단법에 의한 표면 형상 계측 장치가 결상 렌즈와, 결상 렌즈의 물체면을 결상 렌즈의 광축 방향과는 다른 각도로부터 적어도 1개의 슬릿 광으로 조명하여 그 슬릿 광을 물체면내에서 주사하는 슬릿 광 주사 수단과, 결상 렌즈의 상면에 축적형 화상 검출기가 배치된 상기의 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치에 의해 구성되어 축적형 화상 검출기의 1회의 노광 시간 내에 축적형 화상 검출기의 촬상 범위가 슬릿 광주사 수단에 의해 주사되어 검광수단에 입사하는 물체 반사광의편광 방위가 직선 편광 회전 수단에 의해 슬릿 광의 주사에 동기하여 회전하도록 했다. 게다가 공초점법에 의한 표면 형상 계측 장치가, 공초점 촬상 광학계와, 물체와 공초점 촬상 광학계와의 상대 광로장을 변화시키는 Z 방향 주사 수단과, 공초점 촬상 광학계의 상면에 축적형 화상 검출기가 배치된 상기의 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치에 의하여 구성되어, 축적형 화상 검출기의 1회의 노광 시간내에 Z 방향 주사 수단에 의해 계측 범위가 주사되어 검광수단에 입사하는 물체 반사광의 편광 방위가 직선 편광 회전 수단에 의해 계측 범위의 주사에 동기하여 회전하도록 했다.
게다가 결상 렌즈와, 물체에 대해서 동시에 펄스적으로 조명하는 조명 수단과, 결상 렌즈의 상면에 축적형 화상 검출기가 배치된 상기의 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치에 의해 구성되어 축적형 화상 검출기의 1회의 노광 시간내에 조명 수단에 의해 계측 범위 전체를 동시에 적어도 1회 조명하여 그 조명광이 물체로 반사해 축적형 화상 검출기에 수광되는 타이밍을 검출하도록 했다.
이상과 같이 표면 형상 계측 장치를 구성하는 것으로, 겨우 1회의 촬상과 동시에 얻을 수 있던 시간적인 차이가 없는 수매의 화상의 처리에 의해 계측이 완료하여 움직이는 물체에도 대응이 가능한 고속의 계측이 가능하게 된다.
본 발명에 의하면 겨우 1회만의 촬상(노광)에 의하여 각 화소마다 수광 타이밍을 검출할 수 있게 되어, 광절단법, 격자 패턴 투영 위상 쉬프트법, 공초점법, TOF 법과 관계되어, 종래의 수배∼수백 배에 미치는 고속의 표면 형상 계측이 가능해져, 이동 물체에 대한 계측이 가능하게 되는 것으로부터 삼차원 고속도 현상 해석이나 로보트 혹은 자동차의 삼차원 시각, 동식물의 생체 삼차원 계측, 보안, FA 등 광범위한 분야에서 큰 효과를 올리는 것으로 기대할 수 있다.

Claims (5)

  1. 입사광을 직선 편광화하여 그 편광 방위를 회전시키는 직선 편광 회전 수단과, 직선 편광 회전 수단을 통과한 입사광을 적어도 2개 다른 직선 편광 성분에 분할하는 검광수단과, 분할된 입사광 각각을 수광하여 광량에 따라 광전 변환하여 전기신호로서 출력하는 동기한 동작을 실시하는 적어도 2개의 축적형 화상 검출기와, 축적형 화상 검출기로부터 출력된 복수의 화상 신호를 해석하는 화상 해석 장치에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 입사광이 직선 편광 회전 수단에 입사하기 전에 입사광을 편광 방위에 의한 강도변화가 작은 빛으로 변환하는 비편광화 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치.
  3. 결상 렌즈와, 결상 렌즈의 물체면을 결상 렌즈의 광축 방향과는 다른 각도로부터 적어도 1개의 슬릿 광으로 조명하여 그 슬릿 광을 물체면 내에서 주사하는 슬릿 광주사 수단과, 결상 렌즈의 상면에 축적형 화상 검출기가 배치된 청구항 1 또는 청구항 2 기재의 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치에 의해 구성되어, 축적형 화상 검출기의 1회의 노광 시간 내에 축적형 화상 검출기의 촬상 범위가 슬릿 광 주사수단에 의해 주사되어 검광수단에 입사하는 물체 반사광의 편광 방위가 직선 편광 회전 수단에 의해 슬릿 광의 주사에 동기하여 회전하도록 한 것을 특징으로 하는 표면 형상 계측 장치.
  4. 공초점 촬상 광학계와, 물체와 공초점 촬상 광학계와의 상대 광로장을 변화시킨 Z 방향 주사 수단과, 공초점 촬상 광학계의 상면에 축적형 화상 검출기가 배치된 청구항 1 또는 청구항 2 기재의 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치에 의해 구성되어, 축적형 화상 검출기의 1회의 노광 시간 내에 Z 방향 주사 수단에 의해 계측 범위가 주사되어 검광수단에 입사하는 물체 반사광의 편광 방위가 직선 편광 회전 수단에 의해 계측 범위의 주사에 동기하여 회전하도록 한 것을 특징으로 하는 표면 형상 계측장치.
  5. 결상 렌즈와, 물체에 대해서 동시에 펄스적으로 조명하는 조명 수단과, 결상 렌즈의 상면에 축적형 화상 검출기가 배치된 청구항 1 또는 청구항 2 기재의 편광 방위 검출형 2차원 수광 타이밍 검출 장치에 의해 구성되어, 축적형 화상 검출기의 1회의 노광 시간 내에 조명 수단에 의해 계측 범위 전체를 동시에 적어도 1회 조명하여 그 조명빛이 물체로 반사하여 축적형 화상 검출기에 수광되는 타이밍을 검출하도록 한 것을 특징으로 하는 표면 형상 계측 장치.
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