WO2003074967A1 - Detecteur a synchronisation de photo-reception bidimensionnelle du type a detection d'angle de polarisation, et dispositif de mesure de forme superficielle l'utilisant - Google Patents

Detecteur a synchronisation de photo-reception bidimensionnelle du type a detection d'angle de polarisation, et dispositif de mesure de forme superficielle l'utilisant Download PDF

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WO2003074967A1
WO2003074967A1 PCT/JP2003/002434 JP0302434W WO03074967A1 WO 2003074967 A1 WO2003074967 A1 WO 2003074967A1 JP 0302434 W JP0302434 W JP 0302434W WO 03074967 A1 WO03074967 A1 WO 03074967A1
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light
type image
polarization
polarization direction
incident
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PCT/JP2003/002434
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Inventor
Mitsuhiro Ishihara
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Takaoka Electric Mfg.Co., Ltd.
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J4/00—Measuring polarisation of light
    • G01J4/04—Polarimeters using electric detection means

Definitions

  • the present invention relates to an optical device mainly for measuring a surface shape of an object.
  • the point measurement type measurement method has high accuracy and reliability, but when measuring the entire surface of an object, a long measurement time of tens of minutes to several hours is required.
  • the multi-point simultaneous measurement type has the advantage of high speed, but has difficulties in reliability and accuracy.
  • the multi-point simultaneous measurement type measurement methods such as the light section method, the grating pattern projection phase shift method, and the measurement method using a confocal microscope (hereinafter referred to as the confocal method), have been proposed at the research level.
  • an image detector is required as a detector regardless of the optical sectioning method, the grating pattern projection phase shift method, or the confocal method, and some kind of scanning involving the time axis is required. . Normally, an image is acquired by the image detector for each minute scan, and the measurement is repeated many times to finally complete the measurement.
  • Fig. 11 shows an example of a measurement system proposed based on the light section method, which is a highly reliable system with many practical systems described in Non-Patent Document 1.
  • the above-mentioned document shows only one side of the slit light scanning unit on the left and right sides.
  • the slit light is illuminated by the laser slit light source 1 1 1 onto the object 10 from a different angle from the optical axis of the imaging lens 1 13, and the image is scanned by the TV camera 1 14 while being scanned by the scanning mechanism 1 12.
  • one slit as shown in the display device 116 of FIG. 11 is distorted according to the undulation of the object 10.
  • 256 or 512 images are input.
  • the image processing device 115 sets the maximum value of the pixel for each pixel of the input image, that is, the timing at which the slit light passes the position of the pixel on the object 10 corresponding to the timing (for example, (Tp in the figure) is detected, and the height of the surface of the object 10 is calculated as the intersection P of the angle of the principal ray of the imaging lens 1 13 determined by the projection angle of the slit light at that time and the position of each pixel.
  • a measurement system using a confocal imaging system 1 2 1 is an example of a measurement system using a confocal imaging system 1 2 1.
  • the confocal imaging system 1221 there are a laser scanning microscope, a Nipkow plate scanning microscope, a non-scanning confocal imaging system, and the like.
  • the feature of the confocal imaging system 1 2 1 is that only the focused position 1 2 2 is imaged, that is, it reaches the detector 1 2 3, and most of the light from the out-of-focus part is It has a characteristic called optical sectioning that does not reach 1 2 3. While moving the object 10 in the optical axis direction by the Z stage 12 4 and continuously inputting images by the detector 12 3, one image is displayed on the display device 11 1 in FIG. As shown in Fig.
  • Z stage 1 2 Input hundreds of images until the scanning in step 4 is completed, that is, while moving from top to bottom in the figure.
  • the image processing device 115 sets a timing at which the value of the pixel becomes the largest for each pixel of the input image, that is, the timing at which the optical system focuses on the position surface of the corresponding object 10 on the pixel.
  • the position of the Z stage 124 at the time of detection is represented by the relative height of the surface of the object 10.
  • a so-called sinusoidal lattice 132 whose transmittance on a plurality of slits changes sinusoidally as shown in FIG. 14 is used.
  • the image of the sinusoidal grating 1332 illuminated by the illumination light source 1311 is projected onto the object 10 surface by the projection lens 1333, and imaged by the imaging lens 1113 and the TV camera 1114 from different angles. It is.
  • the phase of the projected grid pattern is known for each pixel of the obtained image, the relative undulation of the object 10 can be obtained.
  • the phase is determined by the phase shift method.
  • the sine grating 1332 is shifted by a known amount at least twice by the phase shifter 134 to obtain at least three images having different projected grating phases.
  • Three or more images with different phases of the projection pattern will yield three or more values for each pixel, but since these values are considered to be values sampled from a sine wave pattern,
  • the phase can be obtained as the initial phase by fitting to.
  • DISCLOSURE OF THE INVENTION As described above, both the light section method and the confocal method require a large number of image inputs and image processing for one measurement, and high-speed measurement cannot be expected. In addition, even a relatively high-speed grating pattern phase shift method requires at least three temporally displaced images, making it impossible to measure moving objects.
  • the main object of the present invention is to realize a high-speed surface shape measurement that can support a moving object measurement.
  • the incident light is linearly polarized and its polarization direction is rotated.
  • Linear polarization rotation means for causing the light to pass through; linearly polarized light rotation means; and light analyzing means for dividing the incident light into at least two different linearly polarized light components; receiving each of the divided incident light, and performing photoelectric conversion according to the light amount; It is characterized by comprising at least two storage-type image detectors that operate in synchronism to output as electric signals, and an image analysis device that analyzes a plurality of image signals output from the storage-type image detector.
  • the polarization azimuth detection type two-dimensional light reception timing detection device includes a non-polarization unit that converts incident light into light having a small intensity change due to the polarization azimuth before the incident light is incident on the linear polarization rotation unit.
  • the surface shape measuring device using the light section method illuminates the imaging lens and the object plane of the imaging lens with at least one slit light from an angle different from the optical axis direction of the imaging lens.
  • Slit light scanning means for scanning the slit light in the object plane, and the above-described polarization direction detection type two-dimensional light reception timing detection device in which the accumulation type image detector is arranged on the image plane of the imaging lens.
  • an imaging range of the accumulation type image detector is scanned by the slit light scanning unit, and an object incident on the analysis unit is a polarization direction of reflected light.
  • an object incident on the analysis unit is a polarization direction of reflected light.
  • a surface shape measuring apparatus based on the confocal method includes a confocal imaging optical system, a Z-direction scanning unit for changing a relative optical path length between an object and the confocal imaging optical system, and an image of the confocal imaging optical system.
  • a polarization azimuth detection type two-dimensional light reception timing detection device in which the accumulation type image detector is disposed on a surface, and the Z direction scanning means within one exposure time of the accumulation type image detector. The measurement range is scanned, and the polarization direction of the object reflected light incident on the light analysis means is rotated by the linear polarization rotation means in synchronization with the scanning of the measurement range.
  • an imaging lens an illuminating means for illuminating the object simultaneously and in a pulsed manner, and the above-mentioned polarization direction detection type two-dimensional light receiving timing detection wherein the accumulation type image detector is arranged on the image plane of the imaging lens.
  • the illumination device illuminates the entire measurement range at least once at the same time within one exposure time of the accumulation type image detector. The timing at which bright light is reflected by an object and received by the accumulation type image detector is detected.
  • FIG. 1 is a view for explaining a first embodiment of a polarization azimuth angle detection type two-dimensional light reception timing detection device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the axial directions of the polarizer and the analyzer in the first embodiment of the polarization azimuth angle detection type two-dimensional light reception timing detection device.
  • FIG. 3 is a diagram showing a change in incident light intensity after passing through the analyzer in the first embodiment of the polarization azimuth angle detection type two-dimensional light reception timing detection device.
  • FIG. 4 is a diagram showing a change in the incident light intensity ratio after passing through the analyzer in the first embodiment of the polarization azimuth angle detection type two-dimensional light reception timing detection device.
  • FIG. 5 is a view for explaining a second embodiment of the polarization azimuth angle detection type two-dimensional light reception timing detection device according to the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the axial directions of the polarizer and the analyzer in the second embodiment of the polarization azimuth angle detection type two-dimensional light reception timing detection device.
  • FIG. 7 is a diagram showing a change in incident light intensity after passing through an analyzer in the second embodiment of the polarization azimuth angle detection type two-dimensional light reception timing detection device.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the light-cut surface shape measurement system of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the function of the light-section surface shape measuring system of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the confocal surface shape measurement system of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a conventional light-section surface shape measurement system.
  • FIG. 12 is a view for explaining a conventional confocal surface shape measurement system.
  • FIG. 13 is a view for explaining a conventional grating pattern projection phase shift surface shape measurement system.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining a sine scale used in a conventional grating pattern projection phase shift surface shape measurement system.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a polarization direction detection type two-dimensional light reception timing detection device according to the present invention.
  • Light incident from the left side is depolarized by the depolarizing means 1.
  • Depolarizing means 1 Means that if the incident light is light with a certain bandwidth, one of them is an integral multiple of the other, and two quartz crystals are attached to each other at an angle of 45 degrees to the optical axis The so-called Ryo's deborizer is suitable. Alternatively, if the incident light is linearly polarized light in a fixed direction, a quarter-wave plate or the like may be used.
  • the light can be converted into light whose intensity does not change significantly depending on the direction of polarization when the light is linearly polarized.
  • circular polarization may be performed using a 1Z4 wavelength plate.
  • the incident light itself may already be in a non-polarized state, in which case it is not necessary to include the depolarizing means 1. Also, it is not always necessary depending on the type of the linear polarization rotating means described below.
  • the unpolarized (or circularly polarized) incident light is incident on linear polarization rotating means composed of the polarizer 2 and its rotation mechanism 3, and becomes linearly polarized light that rotates with time.
  • the linearly polarized light rotating means only needs to rotate (rotate) the axis direction of the linearly polarized light with time, and may be realized by an element having an electro-optical effect or a magneto-optical effect.
  • liquid crystals have optical rotatory power, it is possible to electrically rotate the polarization direction of light that has passed through a fixed polarizing plate and has become linearly polarized light. In that case, the depolarizing means 1 is unnecessary.
  • the linearly polarized incident light whose polarization direction is rotated in time is incident on an unpolarized beam splitter 4 and an analyzing means comprising two analyzers 5 and 6 having axial directions orthogonal to each other.
  • the unpolarized light beam splitter 4 splits the light into half-wave lightwaves with the same polarization state regardless of the direction of polarization, regardless of the direction of polarization, and the components orthogonal to each other pass through the respective analyzers 5 and 6,
  • the two storage-type image detectors 7 and 8 detect the intensity of each component.
  • a polarizing beam splitter having both functions of the non-polarizing beam splitter 4 and the analyzers 5 and 6 may be used. That is, the light amount loss is smaller.
  • analyzers 5 and 6 may be provided in addition to the polarization beam splitter.
  • the two storage-type image detectors 7, 8 are optically arranged at the same position.
  • the light receiving surfaces of the accumulation type image detectors 7 and 8 are arranged so as to be on the image plane of the imaging lens.
  • Distance optical path length
  • the accumulation type image detectors 7 and 8 are exactly the same, and the pixels at the same coordinates (Xi, yi) of the accumulation type image detectors 7 and 8 correspond to the same position on the object plane. (This is not an absolute condition, but it can be alleviated by having some means of correction. It is assumed here that the above condition is satisfied.)
  • the operations of these two storage-type image detectors 7 and 8 are synchronized.
  • the opening time of the shirt and the opening time of the shirt always coincide with each other, and the obtained image is simultaneously sent to the image analyzer 9 as an electric signal.
  • the image analyzer 9 the light receiving timing is calculated for each pixel from two images obtained simultaneously from the accumulation type image detectors 7 and 8, respectively.
  • the most common storage image detectors 7 and 8 at present are two-dimensional CCD cameras, but any two-dimensional detector that simultaneously exposes all pixels may be used.
  • the above is the structure of the device. Next, the function of this device will be described. This device can record the evening (time difference) when light enters each pixel within one shutter open time of the accumulation type image detectors 7 and 8 by the direction of polarization. This will be specifically described with reference to FIGS. As shown in Fig.
  • the above is the first embodiment of the polarization direction detection type two-dimensional light reception timing detection device.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the polarization direction detection type two-dimensional light reception timing detection device.
  • the depolarizing means 1 and the linearly polarized light rotating means are exactly the same as in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
  • the incident light that has become a linearly polarized light whose polarization direction rotates with time is amplitude-divided in three directions by a beam splitter 501.
  • division is performed in two directions.
  • the division is performed in three directions.
  • the description will be made as a division in three directions, but is not limited to three directions.
  • the beam splitter 501 can be realized by, for example, using a synthetic prism used in a three-plate color camera as shown in FIG. 5 and applying an amplitude division coating to the bonded portion. If the amplitude division ratio of the coat surface on the side close to the incident light is 1: 2, and the other coat surface is 1: 1, it becomes possible to divide into three. It is also conceivable to attach four right-angle prisms. If a coating that divides the amplitude by two is applied to all the bonding surfaces, light that has entered from any surface will have an amplitude of 14 and be emitted from each surface.
  • the incident light divided into three is incident on an analyzer composed of three analyzers 502, 503, and 504 each having three different polarization directions.
  • the beam splitter 501 splits the amplitude into 1 to 3 or 1/4 lightwaves, respectively, without changing the polarization state, regardless of the polarization direction.
  • the intensity of light passing through 2, 503, 504 is detected by the three accumulation type image detectors 505, 506, 507.
  • the three accumulation type image detectors 505, 506, and 507 are optically arranged at the same position. For example, when the present apparatus is used together with an imaging lens, it is arranged such that the light receiving surfaces of the accumulation type image detectors 505, 506, 507 come to the image plane of the imaging lens.
  • the optical distance (optical path length) from the imaging lens is exactly the same for all of the accumulation type image detectors 505, 506 and 507, and furthermore, the accumulation type image detectors 505 and 5 Pixels at the same coordinates (xi, yi) of 06 and 507 correspond to the same position on the object plane. (This is not an absolute condition, but by having some means of correction, this condition is relaxed. For now, let's assume that the above condition is satisfied.)
  • the operations of these three accumulation type image detectors 505, 506 and 507 are synchronized. That is, the shutter opening timing and the shutter opening time are always the same, and the obtained image is simultaneously sent to the image analyzer 9 as an electric signal.
  • the image analysis device 9 light reception timing is calculated for each pixel from three images simultaneously obtained from the accumulation type image detectors 505, 506 and 507.
  • This device records the timing (time difference) of the light incident on each pixel within one open time of one shirt of the storage type image detectors 505, 506, 507 by the direction of polarization. be able to. This will be specifically described with reference to FIGS.
  • the polarization direction 0 after passing through the linear polarization rotation means rotates at an angular velocity ⁇ with the state parallel to the analyzer 502 as the initial state, and continuous light with a constant intensity is transmitted to the optical system.
  • the change in the intensity of the incident light after passing through the three analyzers 502, 503, and 504 is such that the phase shifts by 2 3 (polarization direction ⁇ 3) to each other as shown in Fig. 7.
  • the polarization direction 0 after passing through the linear polarization direction rotation means is continuously rotated, and light is incident only at a certain timing ti.
  • Outputs of ai, bi, and ci are obtained from the detectors 505, 506, and 507 in accordance with the polarization direction 0i when the light is incident. By using these three values, 0 i can be obtained. However, it should be noted that the obtained 0 i has an uncertainty of ⁇ .
  • each pixel has its own As a result, a pixel output having an intensity ratio indicating the polarization direction 0 is obtained, and the light receiving timing of light can be calculated for each pixel by the image analyzer 9.
  • three analyzers 502, 503, and 504 having different polarization directions by ⁇ 3 have been considered, but are not limited thereto.
  • the interval between the polarization directions may be ⁇ 4, or the interval may vary. What is necessary is just to know the polarization direction. Also, three or more analyzers may be used, and four or five analyzers may be used.
  • this device is new and effective because it conventionally uses a storage type image detector such as a CCD camera to control each pixel.
  • a storage type image detector such as a CCD camera
  • the image analysis device 9 searches for an image having a large pixel output for each pixel, and the image number (temporal) Order), it is necessary to determine the incident timing of light to each pixel with at most one image input (a set of images to be acquired) at most once. The point is that it is possible.
  • FIG. Fig. 8 shows the first implementation of the polarization direction detection type two-dimensional light reception / imaging detection device in the conventional device to which the light-section method shown in Fig. 8 is applied.
  • the example which applied the embodiment is shown.
  • the principle of measuring the undulation of the object 10 is the same as the conventional device.
  • the object 10 is irradiated with slit light from an angle different from the optical axis of the imaging lens 113, and the scanning mechanism 112 causes the imaging lens 113 and the storage-type image detectors 7 and 8 to pass through.
  • Scan over the entire field of view determined by Light is incident on each pixel of the accumulation type image detectors 7 and 8 (that is, slit light passes on the surface of the object 10 corresponding to the pixel). Then, the surface position of the object 10 is calculated as the intersection of the chief ray of the imaging lens 1 13 to the pixel and the slit light whose angle has been found.
  • the polarization direction is 0 when the slit light is at the right end
  • the polarization direction is ⁇ 2 when the slit light is at the left end
  • the scanning of the slit light will be terminated and accumulated.
  • the pixels of each pair of the pair of storage type image detectors 7 and 8 have the timing at which light is incident on each pixel for each pixel.
  • Fig. 9 shows the situation where light enters the pixel pair ⁇ ', ⁇ "of the storage type image detectors 7, 8 in Fig. 8 at timing tp (slit light passes through the surface of the corresponding object 10). Since the polarization direction is shown on the horizontal axis, the light enters the storage type image detectors 7 and 8 only at the timing tp, and is proportional to the light intensity ai and bi corresponding to the polarization direction 0 i at that time.
  • the output value is obtained, and 0 i is obtained from the intensity ratio (bi_ai) / no (ai + bi), and the equation t
  • the calculation is performed in advance for all combinations of ai and bi for each pixel, and if stored in a table, the object 10 can be directly obtained from the output values of the accumulation type image detectors 7 and 8 only by referring to the table. It is also possible to convert to the surface height. Of course, it is also possible to construct a look-up table based on the values of the intensity ratio (bi-ai) Z (ai + bi). In any case, the surface shape of the object 10 can be calculated by a very simple calculation, so if a dedicated hardware is used, or even a software calculation, a high-speed CPU will be sufficient for the video. It is possible to measure the surface shape of the object 10 at a rate. Let's briefly consider the feasibility of hardware.
  • the polarization rotating means is to rotate the polarizer 2 with a motor.
  • the rotation speed (1500 rpm) of about 14 rotations (0 to ⁇ 2 polarization azimuth rotations) in 1 ms is easy.
  • the measurement resolution is limited by the angle detection resolution of the projection slit.
  • the region is not limited to the monotonic increase / decrease region, but can be used at least from 0 to ⁇ , and extends over a plurality of periods if the uncertainty of ⁇ ⁇ is allowed. Can be used, so the angle detection resolution can be very fine. For example, assuming that a region of ⁇ period is used, the slit is scanned from one end of the image to the other during one exposure time of the storage type image detectors 505, 506, 507, and the polarizer 2 Will rotate twice.
  • the images obtained in this manner are ⁇ sinusoidal lattice pattern images, and the lattice patterns of the three images are out of phase with each other. In other words, considering only the obtained image, the same image as that obtained by the grid pattern projection phase shift method is obtained.
  • the lattice pattern projection phase shift method it becomes possible to perform the same measurement with the same accuracy as the lattice pattern projection phase shift method.
  • the pattern to be projected does not need to be a sine pattern, which is difficult to manufacture.
  • a rectangular slit is sufficient, and three phase-shifted images can be obtained at the same time. It has better properties such as possible.
  • the polarization orientation detection type two-dimensional light reception timing detection device of the first embodiment is attached to the conventional device using the confocal method shown in FIG. 12 instead of the ordinary detector 123.
  • the confocal imaging system 121 only the focused part reaches the storage-type image detectors 7 and 8 as reflected light of the object 10 and focuses on the part that is out of focus.
  • the feature is that light hardly reaches the storage type image detectors 7 and 8.
  • the conjugate position of each pixel of the storage type image detectors 7 and 8 (the three-dimensional position of the soma pixels on the object side of the confocal imaging system) Only when the surface of the object 10 passes through the (image forming position), light enters the pixel, and light does not enter at other timings.
  • the timing of receiving the light indicates the position of the table 2 at that time. Indicates the relative position of the surface of the object 10 in the optical axis direction as it is.
  • the calculation method for converting the timing of receiving light into the surface height of the object 10 is completely different, light is incident only once on each pixel of the storage type image detectors 7 and 8 during scanning, Since the surface position of the object 10 is obtained from the incident timing, this is exactly the same as the above-mentioned example of the light section method.
  • the Z-table 124 is scanned by the linear polarization rotation means in synchronization with scanning the entire measurement range from top to bottom in Fig. 10.
  • the polarization direction is 0 when the Z table is at the upper end, the polarization direction is TCZ 2 when the Z table is at the lower end, and the equiangular velocity ⁇ )
  • Each pixel emits light in a pulsed manner only when the surface of the object 10 passes through the conjugate position of the pixel.
  • the shutters of the accumulation type image detectors 7 and 8 are closed, light is incident on each pixel of each pixel of the pair of accumulation type image detectors 7 and 8 for each pixel. This means that the intensity ratio indicating the polarization orientation at the timing is recorded. You. After that, the image analysis device 9 may convert the height into the surface height of the object 10.
  • the second embodiment of the polarization azimuth detection type two-dimensional light reception timing detection device can be introduced to increase the measurement resolution.
  • one polarizer 2 is rotated as much as possible during one exposure and scanning, and the position where the light is reflected from three images with different phases (that is, the object surface position) is obtained as the initial phase. Good.
  • phase connection processing is required because of the uncertainty of ⁇ .
  • T ⁇ F method TimeofFight method
  • the TOF method is also considered feasible with the polarization direction detection type two-dimensional light reception timing detector.
  • the TOF method is a method of measuring irregularities on the surface of an object by measuring the time from when light is emitted, reflected by an object, and returned.
  • the present invention is a method for measuring time, so it is not applicable. It is possible. That is, the entire object is irradiated with pulsed light at the same time, and the returning light is received by the polarization azimuth detecting type two-dimensional light receiving / imaging detecting device through the imaging lens. As the object undulates, the light is emitted and then returns Since the time until the detection is different, the time difference can be measured by the polarization direction detection type two-dimensional light reception timing detector, and the shape of the object surface can be known.
  • Two-dimensional position is important, and it can be applied to the phenomenon that each position emits light only once or reflects or transmits light. For example, application to high-speed moving object trajectory measurement, visible light communication, etc. is also conceivable.
  • INDUSTRIAL APPLICABILITY it is possible to detect the light receiving timing for each pixel by imaging (exposure) only once at most, and the light cutting method, the grating pattern projection phase shift method, With the focus method and TOF method, high-speed surface shape measurement several to hundreds of times faster than conventional methods is possible, and even measurement of moving objects becomes possible. It can be expected to have a great effect in a wide range of fields such as 3D vision of vehicles and cars, 3D measurement of living organisms of animals and plants, security, and FA.

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Description

明細書 偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置およびそれを用いた表面形状計測装置
技術分野 本発明は、 主に物体の表面形状を計測するための光学装置に関する。
背景技術 物体の表面形状を計測する技術は数多く提案されている。 それらは大きく分けて点計 測タイプのものと多数点同時計測タイプのものがある。 点計測タイプの計測法は精度、 信頼性が高いが、 物体表面全体を計測するとなると、 数十分から数時間というような長 大な計測時間が必要となる。 一方、 多数点同時計測タイプのものは、 高速であるという 特長がある反面、 信頼性、 精度の面で難がある。 多数点同時計測タイプの計測法である 光切断法や格子パターン投影位相シフト法、 共焦点顕微鏡による計測法 （以下共焦点法 とする） は、 研究レベルで数多く提案されている他の多数点同時計測タイプの計測法と 比べ信頼性が高く既に実用システムも数多く発表されている手法であるが、 点計測タイ プと比べれば高速であるとしても、 例えば F A分野でインライン検査に使用する場合に は十分高速であるとは言い難い。 後に詳細に述べるが、 光切断法や格子パターン投影位相シフト法にしても共焦点法に しても、 検出器として画像検出器が必要であり、 かつ時間軸がからむ何かしらの走査が 必要である。 通常微小走査毎に画像検出器により画像を取得し、 それを多数繰り返して 最終的に計測が完了する。 実際、 光切断法にしても共焦点法にしても、 一回の （一画面 の） 計測に数十から数百枚の画像を必要とし、 また、 画像検出器である T Vカメラが 3 0枚ノ秒程度の画像しか撮像できないことから、 どうしても計測時間がかかることは避 けられない。 格子パターン投影位相シフト法は比較的高速ではあるが、 それでも少なく とも 3枚の時間的にズレのある画像を用いる必要があり、 動きのある物体に対する計測 は不可能である。 以下では、 より詳細に光切断法、 格子パターン投影位相シフト法、 共 焦点法について述べる。 図 1 1は、 光切断法を基本にして提案された計測システムの例で、 非特許文献 1に記 載されている数多くの実用システムのある信頼性の高いシステムである。 ここでは要点 のみを説明するために、 上記文献では左右両側にあるスリツト光走査部の片側のみを示 している。 レーザースリット光源 1 1 1によりスリット光を結像レンズ 1 1 3の光軸とは異な る角度から物体 1 0に照射し、 走査機構 1 1 2により走査しながら、 テレビカメラ 1 1 4により画像を連続的に画像処理装置 1 1 5に入力する。 一枚の画像には図 1 1の表示 装置 1 1 6に示されるような一本のスリットが物体 1 0の起伏に応じて歪んで写るこ とになる。 スリット走査が終了するまで、 つまり図 1 1で右から左までスリット光が動 く間に、 2 5 6枚ないしは 5 1 2枚の画像を入力する。 画像処理装置 1 1 5は、 入力さ れる画像の画素毎に、 その画素の値が最も大きくなる、 つまり、 その画素の対応する物 体 1 0上の位置をスリット光が通過する、 タイミング （例えば図の t p ) を検出し、 そ のときのスリット光の投射角度と、 それぞれの画素の位置によって決まる結像レンズ 1 1 3の主光線の角度の交点 Pとして物体 1 0表面の高さを演算する。 （文献：上杉満 昭： "スリット光走査方式三次元計測システム" 、 吉澤徹編 光三次元計測、 新技術コ ミュニケ一シヨンズ、 ページ 3 9 ~ 5 2、 1 9 9 3年 ） 図 1 2は共焦点撮像系 1 2 1を用いた計測システムの例である。 共焦点撮像系 1 2 1 としては、 レーザー走査顕微鏡、 N i p k o w板走査顕微鏡、 非走査型共焦点撮像系な どがあるが、 この図ではどれでも良いので簡略化して示している。 共焦点撮像系 1 2 1の特徴は、 ピントがあった位置 1 2 2だけが画像化される、 つま り検出器 1 2 3に到達し、 ピン卜がはずれた部分からの光はほとんど検出器 1 2 3には 届かないオプティカルセクショニングと呼ばれる特性を持っている点である。 Zステー ジ 1 2 4により物体 1 0を光軸方向に移動させながら、 検出器 1 2 3により画像を連続 的に入力していくと、 一枚の画像には図 1 2の表示装置 1 1 6に示されるようにピント の合った部分のみが写り、 この部分が等高線を表していることになる。 Zステージ 1 2 4の走査が終了するまで、 つまり図で上から下まで動く間に、 数百枚程度の画像を入力 する。 画像処理装置 1 1 5は、 入力される画像の画素毎に、 その画素の値が最も大きく なる、 つまり、 その画素の対応する物体 1 0上の位置表面に光学系のピントが合うタイ ミングを検出し、 そのときの Zステージ 1 2 4の位置そのものが物体 1 0の表面の相対 高さを表すことになる。 次に格子パターン投影位相シフト法について図 1 3を用いて簡単に説明する。 光切断 法が 1本のスリット光を投影するのに対し、 格子パターン投影法は複数本のスリットを 同時に投影する。 後述する位相シフト法を用いるために、 図 1 4に示すように複数のス リツト上の透過率が正弦的に変化する、 いわゆる正弦格子 1 3 2が用いられる。 照明光 源 1 3 1により照明された正弦格子 1 3 2の像は投影レンズ 1 3 3により物体 1 0面 に投影され、 異なる角度から結像レンズ 1 1 3およびテレビカメラ 1 1 4により撮像さ れる。 このとき、 得られた画像の各画素について、 投影された格子パターンの位相が分 かるならば、 物体 1 0の相対的な起伏を求めることができる。 位相は位相シフト法によ り求める。 位相シフ夕 1 3 4により正弦格子 1 3 2を少なくとも 2回既知量シフトさせ、 投影された格子の位相が異なる少なくとも 3枚の画像を得る。 投影パターンの位相が異 なる 3枚以上の画像により、 各画素毎に 3つ以上の値が得られることになるが、 これら の値は正弦波パターンからサンプリングされた値と考えられるから、 正弦波にフィッテ イングすることで初期位相として位相を求めることができる。 発明の開示 以上のように、 光切断法も共焦点法も、 一回の計測に数多くの画像入力と画像処理を 行う必要があり、 高速な計測は望めない。 また、 比較的高速な格子パターン投影位相シ フト法であっても、 少なくとも 3枚の時間的なズレのある画像が必要であるために、 動 物体の計測は不可能である。 本発明は、 動物体計測に対応できるような高速な表面形状計測を実現することを主な 目的とするものである。 上記の技術的課題を解決するために、 入射光を直線偏光化し、 その偏光方位を回転 させる直線偏光回転手段と、 前記直線偏光回転手段を通過した入射光を少なくとも 2 つの異なる直線偏光成分に分割する検光手段と、 分割された入射光それぞれを受光し、 光量に応じて光電変換し、 電気信号として出力する同期した動作をする少なくとも 2つ の蓄積型画像検出器と、 前記蓄積型画像検出器から出力された複数の画像信号を解析 する画像解析装置とにより構成されることを特徴とする偏光方位検出型 2次元受光夕 イミング検出装置を提案する。 その偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置は、 入射光が、 前記直線偏光回転 手段に入射する前に入射光を偏光方位による強度変化が小さい光に変換する非偏光化 手段を有するようにして、 信頼性を高めるようにすることもできる。 そして、 光切断 法による表面形状計測装置を、 結像レンズと、 前記結像レンズの物体面を、 前記結像 レンズの光軸方向とは異なる角度から少なくとも 1本のスリット光で照明し、 そのスリ ット光を物体面内で走査するスリット光走査手段と、 前記結像レンズの像面に前記蓄 積型画像検出器が配置された上記の偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置と により構成され、 前記蓄積型画像検出器の一回の露光時間内に、 前記蓄積型画像検出 器の撮像範囲が前記スリット光走査手段により走査され、 前記検光手段に入射する物体 反射光の偏光方位が前記直線偏光回転手段により前記スリット光の走査に同期して回 転するようにした。 さらに、 共焦点法による表面形状計測装置を、 共焦点撮像光学系 と、 物体と前記共焦点撮像光学系との相対光路長を変化させる Z方向走査手段と、 前 記共焦点撮像光学系の像面に前記蓄積型画像検出器が配置された上記の偏光方位検出 型 2次元受光タイミング検出装置とにより構成され、 前記蓄積型画像検出器の一回の 露光時間内に、 前記 Z方向走査手段により計測範囲が走査され、 前記検光手段に入射す る物体反射光の偏光方位が前記直線偏光回転手段により前記計測範囲の走査に同期し て回転するようにした。 さらに、 結像レンズと、 物体 対して同時にかつパルス的に照明する照明手段と、 前記結像レンズの像面に前記蓄積型画像検出器が配置された上記の偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置とにより構成され、 前記蓄積型画像検出器の一回の露 光時間内に、 前記照明手段により計測範囲全体を同時に少なくとも一回照明し、 その照 明光が物体で反射し前記蓄積型画像検出器に受光されるタイミングを検出するように した。 以上のように表面形状計測装置を構成することで、 高々 1回の撮像と、 同時に得られた 時間的なズレのない数枚の画像の処理により計測が完了し、 動物体にも対応可能な高速 な計測が可能になる。
図面の簡単な説明 図 1は本発明にかかる偏光方位角検出型 2次元受光タイミング検出装置の第 1の 実施の形態を説明するための図である。 図 2は偏光方位角検出型 2次元受光タイミング検出装置の第 1の実施の形態の、 偏 光子と検光子の軸方位を説明するための図である。 図 3は偏光方位角検出型 2次元受光タイミング検出装置の第 1の実施の形態の、 検 光子通過後の入射光強度の変化を示す図である。 図 4は偏光方位角検出型 2次元受光タイミング検出装置の第 1の実施の形態の、 検 光子通過後の入射光強度比の変化を示す図である。 図 5は本発明にかかる偏光方位角検出型 2次元受光タイミング検出装置の第 2の 実施の形態を説明するための図である。 図 6は偏光方位角検出型 2次元受光タイミング検出装置の第 2の実施の形態の、 偏 光子と検光子の軸方位を説明するための図である。 図 7は偏光方位角検出型 2次元受光タイミング検出装置の第 2の実施の形態の、 検 光子通過後の入射光強度の変化を示す図である。 図 8は本発明の光切断表面形状計測システムを説明するための図である。 図 9は本発明の光切断表面形状計測システムの機能を説明するための図である。 図 1 0は本発明の共焦点表面形状計測システムを説明するための図である。 図 1 1は従来の光切断表面形状計測システムを説明するための図である。 図 1 2は従来の共焦点表面形状計測システムを説明するための図である。 図 1 3は従来の格子パターン投影位相シフト表面形状計測システムを説明するた めの図である。 図 1 4従来の格子パターン投影位相シフト表面形状計測システムで用いる正弦格 子を説明するための図である。
符号の説明
1 非偏光化手段 、 2 偏光子、 3 回転機構、 4 無偏光ビームスプリッタ.
5， 6 検光子 、 7 , 8 蓄積型画像検出器 、 9 画像解析装置、 1 0 物体、
1 1 1 レーザースリット光源、 1 1 2 走査機構、 1 1 3 結像レンズ、
1 1 4 テレビカメラ、 1 1 5 画像処理装置、 1 1 6 表示装置、
1 2 1 共焦点撮像系、 1 2 2 ピン卜があった位置、 1 2 3 検出器 、
1 2 4 Zステージ 、 5 0 2， 5 0 3 , 5 0 4 検光子、
5 0 5 , 5 0 6 , 5 0 7 蓄積型画像検出器、
発明を実施するための最良の形態 以下、 図面を参照して具体的に本発明の実施の形態を説明する。 図 1に本発明の偏光 方位検出型 2次元受光タイミング検出装置の第 1の実施の形態を示す。 左側から入射してきた光は、 非偏光化手段 1により非偏光化される。 非偏光化手段 1 は、 入射光がある程度の帯域幅を有する光であるなら、 一方が他方の整数倍の厚さをも つ 2枚の水晶の結晶を光学軸に対して互いに 4 5度の角度で貼り合わせた、 いわゆるリ ョのデボラライザが適している。 あるいは、 入射光がある固定方向に直線偏光した光で あるなら、 1 / 4波長板等でも良い。 完全な非偏光となる必要はなく、 その光を直線偏 光化する場合に、 偏光の方位によつて強度が大きく変わらないような光にできるもので あればよい。 例えば上記のように、 1 Z 4波長板を用いて円偏光としても良い。 また、 使用する光源や対象物の性質によっては、 入射光自体すでに非偏光状態である場合があ り、 その場合は非偏光化手段 1を入れる必要は無い。 また、 次に述べる直線偏光回転手 段の種類によっては、 必ずしも必要はない。 非偏光化された （あるいは円偏光となった） 入射光は、 偏光子 2とその回転機構 3か ら構成される直線偏光回転手段に入射し、 時間的に回転する直線偏光となる。 直線偏光 回転手段は、 直線偏光の軸方位が時間的に回転 （旋光） すればよいのであり、 電気光学 効果あるいは磁気光学効果をもつ素子などで実現しても良い。 例えば、 液晶は旋光性を もつので、 固定した偏光板を通過し直線偏光になった光の偏光方位を電気的に回転させ ることが可能である。 その場合は、 前記の非偏光化手段 1は不要である。 時間的にその偏光方位が回転する直線偏光となった入射光は、 無偏光ビ一ムスプリッ 夕 4と互いに直交する軸方位の 2つの検光子 5、 6よりなる検光手段に入射する。 無偏 光ビームスプリッ夕 4により偏光の方位に関係なく、 偏光状態はそのままで振幅がそれ ぞれ半分ずつの光波に分割され、 それぞれ互いに直交する成分がそれぞれの検光子 5、 6を通過し、 2つの蓄積型画像検出器 7、 8によりそれぞれの成分の強度が検出される。 検光手段は、 上記の無偏光ビームスプリツ夕 4と検光子 5、 6の機能を併せ持つ偏光 ビームスプリッ夕を用いても、 もちろん良い。 その方が光量損失は少ない。 偏光特性の 精度を高めるために、 さらに偏光ビームスプリツ夕だけでなく、 検光子 5、 6を設けて も良い。
2つの蓄積型画像検出器 7、 8は、 光学的に同じ位置に配置される。 例えば、 本装置 が結像レンズと共に使用される場合、 結像レンズの像面に蓄積型画像検出器 7、 8の受 光面がくるように配置されるが、 このとき結像レンズからの光学的な距離 （光路長） は 蓄積型画像検出器 7、 8ともに全く同じになり、 さらに、 蓄積型画像検出器 7、 8の同 一座標 （X i、 y i ) の画素は、 物体面上では同一位置に対応している。 （これは、 絶 対的な条件ではなく、 何かしらの補正手段を持つことによりこの条件は緩和される。 と りあえずここでは、 上記条件が満たされているものとして以下説明する） 。 また、 これ ら 2つの蓄積型画像検出器 7、 8の動作は同期している。 つまり、 シャツ夕一の開放夕 イミングおよびシャッター開放の時間は常に一致しており、 得られた画像は電気信号と して同時に画像解析装置 9に送られる。 画像解析装置 9内では、 蓄積型画像検出器 7、 8それぞれから同時に得られた 2枚の画像から各画素毎に受光タイミングが演算され る。 蓄積型画像検出器 7、 8として、 現在最も一般的なものは 2次元 C C Dカメラである が、 全画素同時露光型の 2次元検出器であれば何でも良い。 以上が装置の構造である。 次に、 この装置の機能について述べる。 この装置は、 蓄積 型画像検出器 7、 8の 1回のシャッタ一開放時間内にそれぞれの画素に光が入射した夕 イミング （時間差） を偏光の方位により記録することができる。 図 2から図 4を参照して具体的に説明する。 図 2に示すように、 直線偏光回転手段を 通過した後の偏光方位 0は、 検光子 5と平行な状態を初期状態として角速度 ωで回転す るとし、 強度一定の連続光が光学系に入射されるとすると、 2つの検光子 5、 6通過後 の入射光の強度変化は図 3のようになる。 ここで、 直線偏光回転手段を通過した後の偏 光方位 0が 0〜π / 2間のみを考えて、 2つの検光子 5、 6通過後の入力光の強度比（b - a ) / ( a + b ) を演算すると、 図 4のように端部を除きほぼリニアに、 正確には正 弦的に、 変化することがわかる。 今度は、 連続光ではなく、 パルス的な光が入射する場合を考える。 直線偏光回転手段 を通過した後の偏光方位 0が 0〜πΖ 2の回転をし、 その間のあるタイミング t iでの み光が入射するとする。 蓄積型画像検出器 7、 8のシャツ夕一は偏光方位が回転をする のに同期して開放される、 つまり偏光方位 0が 0〜π / 2で回転する期間中は、 シャツ ターが開放された状態にあるとすると、 図 3に示すように蓄積型画像検出器 7、 8には 光が入射したときの偏光方位 Θ iに応じてそれぞれ a i 、 b iの出力が得られる。 それ らの値から強度比 （b _ a ) / ( a + b ) の演算により図 4の対応関係から Θ iを求め ることができ、 さら t i = 0 i / ωによりタイミング t iが求められる。 また、 画素毎 に異なるタイミングで、 パルス的な光が入射したとすると、 それが上記蓄積型画像検出 器 7、 8のシャッター開放期間内であるならば、 画素毎にそれぞれの受光時の偏光方位 Θを示す強度比の画素出力が得られることになり、 画像解析装置 9により画素毎に光の 受光タイミングが演算できることになる。 以上が、 偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置の第 1の実施の形態である。 次に、 偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置の第 2の実施の形態について、 図 5から図 7を用いて説明する。 図 5に偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置の第 2の実施の形態を示す。 非 偏光化手段 1と直線偏光回転手段については、 第 1の実施の形態と全く同じであるので、 説明は省略する。 時間的に偏光方位が回転する直線偏光となった入射光は、 ビームスプ' リツ夕 5 0 1により 3方向に振幅分割される。 第 1の実施の形態では 2方向への分割で あつたが、 ここでは 3方向に分割される点が異なる。 以下 3方向の分割として説明を進 めていくが、 3方向に限るわけではない。 3方向以上であればいくつでも良い。 ビームスプリッ夕 5 0 1としては、 例えば図 5に示すような 3板式カラ一カメラに用 いられる合成プリズムを用い、 張り合わせの部分に振幅分割コートを施すことで実現で きる。入射光に近い側のコート面の振幅分割比を 1： 2とし、もう一方のコ一ト面を 1 ： 1とすれば、 3分割することが可能となる。 また、 直角プリズム 4個の張り合わせも考 えられる。 張り合わせ面全てに振幅を 2分割するコートを施せば、 任意の面から入射し てきた光は 1 4ずつの振幅となって各面から射出される。
3つに分割された入射光は、 図 6に示すように、 それぞれ偏光の方向が 3異なる 3つの検光子 5 0 2、 5 0 3、 5 0 4よりなる検光手段に入射する。 ビームスプリツ夕 5 0 1により偏光の方位に関係なく、 偏光状態はそのままで振幅がそれぞれ 1 3ない しは 1 / 4ずつの光波に分割され、 3枚の互いに CZ 3偏光方位が異なる検光子 5 0 2、 5 0 3、 5 0 4を通過した光の強度が、 3つの蓄積型画像検出器 5 0 5、 5 0 6、 5 0 7により検出される。 3つの蓄積型画像検出器 5 0 5、 5 0 6、 5 0 7は、 光学的に同じ位置に配置される。 例えば、 本装置が結像レンズと共に使用される場合、 結像レンズの像面に蓄積型画像検 出器 5 0 5、 5 0 6、 5 0 7の受光面がくるように配置されるが、 このとき結像レンズ からの光学的な距離 （光路長） は蓄積型画像検出器 5 0 5、 5 0 6、 5 0 7ともに全く 同じになり、 さらに、 蓄積型画像検出器 5 0 5、 5 0 6、 5 0 7の同一座標 （x i 、 y i ) の画素は、 物体面上では同一位置に対応している。 （これは、 絶対的な条件ではな く、 何かしらの補正手段を持つことにより、 この条件は緩和される。 とりあえずここで は、 上記条件が満たされているものとして以下説明する） 。 また、 これら 3つの蓄積型 画像検出器 5 0 5、 5 0 6、 5 0 7の動作は同期している。 つまり、 シャッターの開放 タイミングおよびシャッター開放の時間は常に一致しており、 得られた画像は電気信号 として同時に画像解析装置 9に送られる。 画像解析装置 9内では、 蓄積型画像検出器 5 0 5、 5 0 6、 5 0 7それぞれから同時に得られた 3枚の画像から各画素毎に受光タイ ミングが演算される。 以上が装置の構造である。 次に、 この装置の機能について述べる。 この装置は、 蓄積 型画像検出器 5 0 5、 5 0 6、 5 0 7の 1回のシャツ夕一開放時間内にそれぞれの画素 に光が入射したタイミング （時間差） を偏光の方位により記録することができる。 図 6および図 7を参照して具体的に説明する。 図 6に示すように、 直線偏光回転手段 を通過した後の偏光方位 0は、 検光子 5 0 2と平行な状態を初期状態として角速度 ωで 回転するとし、 強度一定の連続光が光学系に入射されるとすると、 3つの検光子 5 0 2、 5 0 3、 5 0 4通過後の入射光の強度変化は、 図 7のように位相が互いに 2 3 (偏 光方位 πΖ 3 ) ずつシフトした正弦波状の変化となる。 今度は、 連続光ではなく、 パルス的な光が入射する場合を考える。 直線偏光方位回転 手段を通過した後の偏光方位 0が連続回転し、 あるタイミング t iでのみ光が入射する とする。 蓄積型画像検出器 5 0 5、 5 0 6、 5 0 7のシャッターは偏光方位 0 = 0で開 放され、 例えば 3 = Ν πまで露光されるとすると、 図 7に示すように蓄積型画像検出器 5 0 5、 5 0 6、 5 0 7には光が入射したときの偏光方位 0 iに応じてそれぞれ a i 、 b i 、 c iの出力が得られる。 これら 3つの値を用いれば 0 iを求めることができる。 ただし、 求めた 0 iには ηπの不確定性があることに注意する必要がある。 具体的には 例えば、 Iを平均光強度、 I · ァを格子パターン振幅として、 a i = I [1 + r · c o s (θ ί-2 π/3) ] 、 b i = I [ 1 +r - c o s (0 i) ] 、 c i = I [ 1 + r · c o s (0 ί +2 ττ/3) ] より 0 i =a r c t an [ 3 · (a i - c i ) / (2 b i -a i - c i ) ] として求めることができる。 さらに、 t i = 0 iノ ωの演算により、 タイミング t iが求められる iと同様に η ττ/ωの不確定性がある） 。 画素毎に異 なるタイミングで、 パルス的な光が入射したとすると、 それが上記蓄積型画像検出器 5 05、 506、 507のシャッター開放期間内であるならば、 画素毎にそれぞれの受光 時の偏光方位 0を示す強度比の画素出力が得られることになり、 画像解析装置 9により 画素毎に光の受光タイミングが演算できることになる。 ここでは、 πΖ3ずつ偏光方位が異なる 3つの検光子 502、 503、 504を考え たが、 もちろんそれに限定されるものではない。 偏光方位の間隔は ττΖ 4ずつでも良い し、 間隔がバラバラであっても良い。 偏光方位が分かっていればよい。 また、 3つ以上 の検光子であれば良く、 4つでも 5つでもかまわない。 値が正弦波にフィッティングで きればよい。 多い方が位相検出精度が高い。 第 1の実施の形態にしても第 2の実施の形態にしても、 本装置が新規でかつ効果的で あるのは、 従来、 CCDカメラのような蓄積型画像検出器を用いて各画素への光の入射 タイミングを検出するためには、 連続的に多くの画像を取得し、 画像解析装置 9により 画素毎に、 画素出力が大きくなつた画像を探しだし、 その画像の番号 （時間的な順序） から、 入射タイミングを求める必要があつたのに対し、 本装置では、 高々 1回の画像入 力 （取得する画像は数枚 1組） だけで各画素への光の入射タイミングを求めることがで きるという点である。 次に、 上記の偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置を用いて具体的に光切断 法や格子パターン投影位相シフト法あるいは共焦点法が高速化される例について述べ る。 まず、 光切断法の高速化について図 8を用いて説明する。 図 8は、 図 8に示した光切 断法を応用した従来装置に、 偏光方位検出型 2次元受光夕イミング検出装置の第 1の実 施の形態を適用した例を示している。 物体 1 0の起伏を計測する原理どしては従来装置 と変わらない。 すなわち、 スリット光を結像レンズ 1 1 3の光軸とは異なる角度から物 体 1 0に照射し、 走査機構 1 1 2により、 結像レンズ 1 1 3と蓄積型画像検出器 7、 8 とによって決まる視野全体にわたって走査する。 蓄積型画像検出器 7、 8の各画素に光 が入射する、 （つまり、 その画素に対応する物体 1 0の表面上をスリツト光が通過する） タイミングを検出し、 そのタイミングからスリット光の角度を求め、 結像レンズ 1 1 3 のその画素への主光線と、 上記の角度の判明したスリット光の交点として物体 1 0の表 面位置を演算するというものである。 このようなスリツト光走査型の光切断システムにおいては、 物体 1 0表面の光沢によ る多重反射の問題や、 膜やガラスのように光軸方向に 2つ以上の反射面を持つ場合など の特殊な場合を考えなければ、 ある画素に光が入射するのは、 物体 1 0表面上の対応す る点上をスリット光が通過する時だけであり、 1回の視野全体の走査中に 1回限りであ る。 蓄積型画像検出器 7、 8のシャツ夕一 （電子シャッター） を開放した状態で、 スリツ ト光を視野全体、 図 8の右端から左端まで走査するのに同期して、 直線偏光回転手段に より、 検光手段に入射する直線偏光の方位を回転させることにすれば （例えば、 スリツ ト光が右端のとき偏光方位が 0、 スリット光が左端の時偏光方位 πΖ 2となり、 その間 等角速度 ωで回転するようにすれば） 、 各画素には、 スリット光が対応する物体 1 0の 表面位置を通過するときのみ、 パルス的に光が入射することになり、 スリット光の走査 が終了し、 蓄積型画像検出器 7、 8のシャツ夕一が閉じられた時点では、 ペアの蓄積型 画像検出器 7、 8の各ペアの画素には、 各画素毎に各画素に光が入射したタイミングで の偏光方位を示す強度比が記録されていることになる。 図 9は、 図 8中の蓄積型画像検出器 7、 8のある画素ペア Ρ ' 、 Ρ " に、 タイミング t pで光が入射 （対応する物体 1 0の表面をスリット光が通過） する状況を偏光方位を 横軸として示したものである。 蓄積型画像検出器 7、 8にはタイミング t pでのみ光が 入射するため、 そのときの偏光方位 0 iに対応する光強度 a i 、 b iに比例する出力値 が得られることになり、 強度比 （b i _ a i ) ノ （a i + b i ) から 0 iを求め、 式 t i = 0 i Zc によりタイミングを求めることができる。 以上のようにして全画素の受光タイミングが求められると、 事前にタイミングとスリ ット光の照射角度の対応および、 各画素に入射する結像レンズ 1 1 3の主光線角度、 結 像レンズ 1 1 3と走査機構 1 1 2の位置関係は求めておくことができるから、 あとは、 画像解析装置 9により簡単な演算で各画素に対応する物体 1 0表面の高さ （Z位置） に 換算することができる。 演算は、 各画素毎にすべての a i、 b iの組み合わせに関して事前に演算し、 テープ ルに記憶しておけば、 蓄積型画像検出器 7、 8の出力値からテーブル参照だけで直接物 体 1 0の表面高さに変換することも可能である。 もちろん、強度比（b i — a i ) Z ( a i + b i ) の値により参照テーブルを構成することも可能である。 いずれにしても、 非 常に単純な演算により物体 1 0の表面形状を演算することができるので、 専用ハードウ エアを用いればもちろんのこと、 ソフトウェア演算であっても、 高速な C P Uを用いれ ば十分ビデオレー卜での物体 1 0の表面形状計測を実現することが可能である。 ハード的な面での実現性を簡単に検討してみる。 例えば走査機構 1 1 2としてガルバ ノスキャナを用いるとすると、 視野 1回の走査は 1 m s以下の時間でも十分可能であり、 また、 偏光回転手段も偏光子 2をモータで回転させることを考えれば、 1 m sで 1 4 回転 （0〜π Ζ 2偏光方位回転） 程度の回転速度 （1 5 0 0 0 r p m) は容易である。 つまり、 通常カメラのビデオレート （3 3 m s ) の計測が可能というのみならず、 移動 物体に対する 3次元フリーズ計測 （通常カメラで言う高速シャッター動作） を行うこと さえもが可能になる。 次に計測分解能について考えてみる。 計測分解能は投影スリツ卜の角度検出分解能で 制限されることは明らかである。 走査角度範囲内を何分割できるかが重要であるが、 図 3から明らかなように、 偏光変化が 0から π/ 2の単調増減領域の範囲でしか使用でき ないから、 分割数は一方の検出器の検出値が 0から画像の量子化数 （階調数） Sまで変 化するその変化数 Sを通常超えることはない。 実際には、 物体の反射率の不均一性や 諸々のノィズ要因などにより、 Sより遙かに小さい値となろう。 一方偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置として先に述べた第 2の実施の 形態を適用した場合について考えてみる。 第 2の実施の形態の場合は図 7に示されるよ うに、 単調増減領域に制限されず、 0から πまでは少なくとも使用でき、 η πの不確定 性を許容すれば複数周期にわたった領域を用いることができるから、 角度検出分解能は 非常に細かく取ることも可能である。 例えば、 Ν周期の領域を用いるとすると、 蓄積型 画像検出器 5 0 5、 5 0 6、 5 0 7の 1回の露光時間の間にスリットが画像の端から端 まで走査され、 偏光子 2が ΝΖ 2回回転することになる。 こうして得られる画像は、 Ν 本の正弦格子パターン画像となり、 3枚のそれぞれの画像の格子パターンは互いに位相 がズレている。 つまり、 得られる画像だけから考えると、 格子パターン投影位相シフト 法と全く同じ画像が得られることになる。 当然、 格子パターン投影位相シフト法と同等 の処理を行うことで格子パターン投影位相シフト法と同じ精度で同様の計測を行うこ とが可能になる。 しかし、 全てが同じなのではなく、 投影するパターンは製作が難しい 正弦パターンである必要はなく、 矩形的なスリットで十分であり、 位相シフト画像 3枚 は同時に得ることができるから、 動画像計測が可能であるなどより良い特性を有してい る。 また、 投影するスリットは 1本である必要はない。 例えば Ν本投影すれば、 1 ZN の走査範囲で済み、 光量的にも有利になる。 このような複数スリット光を投影する場合 は、 走査の最初と最後で偏光の方位が同じになるように、 つまり Τの倍数になるように する必要がある。 次に、 共焦点法の高速化について図 1 0を用いて説明する。 これに関しても、 図 1 2 に示した共焦点法を用いた従来装置に、 第 1の実施の形態の偏光方位検出型 2次元受光 タイミング検出装置を、 通常の検出器 1 2 3の代わりに装着しただけのもの ある。 先 に述べたように、 共焦点撮像系 1 2 1は、 ピントのあった部分だけが、 物体 1 0の反射 光として蓄積型画像検出器 7、 8まで届き、 ピントからはずれている部分からの光はほ とんど蓄積型画像検出器 7、 8には届かないという特徴がある。 そのため、 Ζテーブル 1 2 4により物体 1 0を光軸方向に走査した場合、 蓄積型画像検出器 7、 8の各画素の 共役位置 （共焦点撮像系の物体側でのそめ画素の三次元的結像位置） に物体 1 0の表面 が通過するときのみ、 その画素に光が入射し、 他のタイミングでは光は入射しないこと になる。 受光したタイミングは、 そのときの Ζテーブル 1 2 4の位置を表し、 その位置 はそのまま物体 1 0表面の光軸方向の相対位置を示すことになる。 受光したタイミングを物体 1 0の表面高さに換算する演算方法は全く異なるにして も、 走査中に蓄積型画像検出器 7、 8の各画素に 1回だけパルス的に光が入射し、 その 入射タイミングから物体 1 0の表面位置が求められるので、 先の光切断法の例と全く同 じである。 つまり、 蓄積型画像検出器 7、 8のシャッターを開放した状態で、 Zテーブル 1 2 4 を計測範囲全体、 図 1 0の上から下まで走査するのに同期して、 直線偏光回転手段によ り、 検光手段に入射する直線偏光の方位を回転させることにすれば （例えば、 Zテープ ルが上端のとき偏光方位が 0、 Zテーブルが下端の時偏光方位 TCZ 2となり、 その間等 角速度 ωで回転するようにすれば） 、 各画素には、 その画素の共役位置を物体 1 0の表 面が通過するときのみ、 パルス的に光が入射することになり、 Ζテーブル 1 2 4の走査 が終了し、 蓄積型画像検出器 7、 8のシャッターが閉じられた時点では、 ペアの蓄積型 画像検出器 7、 8の各ペアの画素には、 各画素毎に各画素に光が入射したタイミングで の偏光方位を示す強度比が記録されていることになる。 あとは、 画像解析装置 9により、 物体 1 0の表面高さに換算すればよい。 共焦点法の場合も、 計測分解能を上げるために偏光方位検出型 2次元受光タイミング 検出装置の第 2の実施の形態を導入することができる。 精度を上げるためには一回の露 光 ·走査中にできるだけ偏光子 2を数多く回転させて、 3枚の位相の異なる画像から光 が反射した位置 （すなわち物体表面位置） を初期位相として求めればよい。 ただし、 η πの不確定性が存在するから位相接続処理が必要となる。 次に、 同じく表面形状計測手法として知られる T i m e o f F 1 i g h t法 （以 下 T〇F法とする） について考える。 T O F法も偏光方位検出型 2次元受光タイミング 検出装置により実現可能と考えられる。 T O F法は光を発射して物体で反射し戻ってく るまでの時間を計測することで物体表面の凸凹を計測する手法であるが、 本発明はまさ しく時間を計測する手法であるので、 適用可能である。 すなわち、 パルス的な光を物体 全体に同時に照射し、 戻ってくる光を結像レンズを通して偏光方位検出型 2次元受光夕 イミング検出装置により受光する。 物体の起伏に応じて、 光が発せられてから戻ってく るまでの時間は異なるから、 偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置によりその 時間差が計測でき、 それにより物体表面形状が分かる。 以上表面形状形状計測へ偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置を適用する 例を示したが、 これは偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置の適用範囲をこれ だけに限るものではない。 2次元的な位置が重要で、 各位置がパルス的に 1度だけ発光 あるいは光を反射 ·透過する現象に関するものには適用できる。 例えば、 高速動物体の 軌跡計測、 可視光通信などへの応用も考えられる。
産業上の利用可能性 本発明により、 高々 1回だけの撮像 （露光） により、 各画素毎に受光タイミングを検 出することができるようになり、 光切断法、 格子パターン投影位相シフト法、 共焦点法、 T O F法に関し、 従来の数倍〜数百倍におよぶ高速な表面形状計測が可能となり、 さら に移動物体に対する計測さえもが可熊になることから、 三次元高速度現象解析やロボッ トあるいは自動車の三次元視覚、 動植物の生体三次元計測、 セキュリティ、 F Aなど広 範な分野で大きな効果を上げることが期待できる。

Claims

請求の範囲
1 . 入射光を直線偏光化し、 その偏光方位を回転させる直線偏光回転手段と、 前記直線偏光回転手段を通過した入射光を少なくとも 2つの異なる直線偏光成分に 分割する検光手段と、 分割された入射光それぞれを受光し、 光量に応じて光電変換し、 電気信号として出力 する、 同期した動作を行う少なくとも 2つの蓄積型画像検出器と、 前記蓄積型画像検出器から出力された複数の画像信号を解析する画像解析装置と、 により構成されることを特徴とする偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置。
2 . 入射光が、 前記直線偏光回転手段に入射する前に入射光を偏光方位による強度 変化が小さい光に変換する非偏光化手段を有することを特徴とする請求項 1記載の偏 光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置。
3 . 結像レンズと、 前記結像レンズの物体面を、 前記結像レンズの光軸方向とは 異なる角度から少なくとも 1本のスリット光で照明し、 そのスリット光を物体面内で走 査するスリット光走査手段と、 前記結像レンズの像面に前記蓄積型画像検出器が配置された請求項 1又は請求項 2 記載の偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置とにより構成され、 前記蓄積型画像検出器の一回の露光時間内に、 前記蓄積型画像検出器の撮像範囲が前 記スリツト光走査手段により走査され、 前記検光手段に入射する物体反射光の偏光方位 が前記直線偏光回転手段により前記スリッ卜光の走査に同期して回転するようにした ことを特徴とする表面形状計測装置。
4. 共焦点撮像光学系と、 物体と前記共焦点撮像光学系との相対光路長を変化させ る Z方向走査手段と、 前記共焦点撮像光学系の像面に前記蓄積型画像検出器が配置された請求項 1又は請 求項 2記載の偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置とにより構成され、 前記蓄積型画像検出器の一回の露光時間内に、 前記 Z方向走査手段により計測範囲が 走査され、 前記検光手段に入射する物体反射光の偏光方位が前記直線偏光回転手段によ り前記計測範囲の走査に同期して回転するようにしたことを特徴とする表面形状計測 装置。
5 . 結像レンズと、 物体に対して同時にかつパルス的に照明する照明手段と、 前記結像レンズの像面に前記蓄積型画像検出器が配置された請求項 1又は請求項 2 記載の偏光方位検出型 2次元受光タイミング検出装置とにより構成され、 前記蓄積型画像検出器の一回の露光時間内に、 前記照明手段により計測範囲全体を同 時に少なくとも一回照明し、 その照明光が物体で反射し前記蓄積型画像検出器に受光さ れるタイミングを検出するようにしたことを特徴とする表面形状計測装置。
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