專利名稱：形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置和方法及其關聯(lián)裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置以及物體信息的提取法。特別 地，本發(fā)明涉及適用于形狀計測顯微鏡、生物顯微鏡、形狀計測望遠鏡、醫(yī)療診斷裝置、乳房 X線照相裝置、傾斜傳感器等的觀察樣本的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置以及物體 信息的提取法。并且，本發(fā)明涉及圓偏振光照明裝置和方法，特別地，涉及適用于形狀計測 照相機、生物顯微鏡、形狀計測望遠鏡、圓筒等的內(nèi)表面形狀計測裝置、非球面形狀計測裝 置、乳房χ線照相裝置、傾斜傳感器等的觀察樣本的圓偏振光照明裝置。
背景技術：
在通過顯微觀測對活體樣本等樣本的形態(tài)進行計測的情況下，利用適當?shù)恼彰鞴?對三維形狀的樣本進行照明，通過顯微光學系統(tǒng)對像進行放大投影。該情況下，投影面是 CCD檢測器等的二維面，一般地，與樣本的厚度方向的形狀有關的信息丟失。特別地，作為通 過設法能夠強調(diào)該二維性而得到多張厚度方向剖面的二維圖像來再構建三維圖像的顯微 鏡，共焦點顯微鏡(confocal microscope)已經(jīng)實用化[高田邦昭編、“初的^-C i -C t h 共焦點顕微鏡活用口卜-一>”、羊土社、2003年12月発行、ISBN :9784897064130 (非專 利文獻1)、國際公開第W02004/036284號〃 >、、)卜(專利文獻1)]。但是，在該方法中， 以時間序列逐次對多個樣本深度下的二維像進行攝像是必不可少的，以樣本在觀測時間內(nèi) 沒有變形為前提。并且，設法利用特殊結(jié)構、通過高速掃描二維像的強度分布、或利用陣列檢測器進 行同步檢測的方法實現(xiàn)了高速化，但是，不僅使裝置大型化，還使攝像條件和環(huán)境復雜化， 所以，為了得到穩(wěn)定的動作，需要較大成本。另一方面，作為能夠?qū)ξ矬w表面的形狀及其變化進行精密計測的方法，各種干涉 計測法已經(jīng)實用化。但是，在這些方法中，一般地，對光路進行分割而形成觀測光和參照光， 對其光路差進行控制，生成干涉條紋，從而對光路長度進行計測。因此，計測值由于各個光 路中的外界干擾而受到影響，所以，除振對策或溫度變動去除等需要準備特殊的環(huán)境，在通 常的環(huán)境下無法應用。并且，根據(jù)光路方向的距離來計算形狀，所以，以由等高線表示的地 形圖的樣式來表現(xiàn)形狀。因此，無法直接對表面形狀、特別是表面傾斜進行計測。進而，在 人體表面的形狀中，莫爾地形測量學等的條紋投影法已經(jīng)實用化，但是，計測精度低到Imm 左右。在利用了全息照相的干涉法中，感光度高，但是手續(xù)復雜。進而，在機器人學應用中開發(fā)了如下的計測法利用非偏振光對物體形狀進 行照明，利用在透明物體表面的偏振角反射中產(chǎn)生偏斜、即反射光的s偏振光分量比 P偏振光分量多的性質(zhì)，識別物體的形狀[Recovery of Surface Orientation From DiffusePolarization, G. Atkinson and E.R.Hancock, IEEE Transaction of Image Processing, Vol. 15, No. 6, June 2006 (非專利文獻2)]。在機器人學應用中，意識到實用， 以自然光(非偏振光)的照明為前提，形狀識別的偏振光計測屬于對部分偏振光進行計測的偏振測定法(Polarimetry)計測。另外，在初期的越川的開發(fā)中，采用了圓偏振光照明 [A Polarimetric Approach to Shape Understanding of Glossy Objects,K. Koshikawa, Proc. Int. Joint Conf. Art. Intell.，pp. 493-495 (1979)(非專利文獻 3)、特公昭 61-17281 號公報“光沢面方向検知方法”(專利文獻2)]。但是，計測法是對部分偏振光進行處理的偏 振測定法計測，在原理上，在透明體中得到計測感光度，但是在金屬面中無法得到感光度， 所以，此后的開發(fā)縮小為在非偏振光照明下對偏振度進行計測的簡便計測。這些方法在透明體中實現(xiàn)了形狀再現(xiàn)，但是，計測角度的精度為幾度左右。并且， 在金屬樣本中，由于偏振角，P偏振光分量的反射不為零而僅取極小值，所以，反射強度之差 小，在原理上無法應用。偏振光(polarization)是電場和磁場在特定方向具有偏斜而振動的光。以偏斜 的時間變化的形狀進行區(qū)分時，偏振光一般為橢圓偏振光，但是，也存在線偏振光、圓偏振 光。然而，光是電磁波，電磁場是與行進方向垂直振動的橫波，在線偏振光中，電場(和磁 場)的振動方向恒定，線偏振光的振動面指向電場的方向。在圓偏振光中，電場(和磁場) 的振動伴隨傳播而描繪圓，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向而存在右旋圓偏振光和左旋圓偏振光。橢圓偏振 光是由線偏振光和圓偏振光的一次耦合來表現(xiàn)的最一般的偏振狀態(tài)，電場(和磁場)的振 動與時間相關地描繪橢圓。橢圓偏振光也存在右橢圓偏振光和左橢圓偏振光。將電場分量 與入射面垂直的光(電磁波)稱為s波[與入射面垂直(senkrecht)，σ光]，而且，將電 場分量與入射面平行的光(電磁波)稱為P波[與入射面平行(parallel)，π光]，將朝 向前進方向順時針旋轉(zhuǎn)的光稱為左旋圓偏振光(從接受光的一側(cè)觀察為左旋)，而且，將朝 向前進方向逆時針旋轉(zhuǎn)的光稱為右旋圓偏振光(從接受光的一側(cè)觀察為右旋)。特別地，將 偏斜的時間變化的形狀僅決定為一個形狀的偏振光稱為完全偏振光。并且，將不具有偏斜 的非偏振光和完全偏振光之和稱為部分偏振光。與偏振測定法相對比，作為得到高計測精度的偏振光計測方法，存在橢圓偏振法 (ellipsometry)。在偏振測定法中，對包含伴隨光的散射等的非偏振光分量的部分偏振光 進行計測。另一方面，在橢圓偏振法中，為了對不產(chǎn)生散射的程度的平滑表面的反射進行處 理，將表示完全偏振光的偏振狀態(tài)的偏振光橢圓的形狀作為計測對象，所以計測精度高。關 于偏振光的測定和分析法，能夠參照山本正樹、“偏光測定i偏光分析法”、小瀬輝次他編、 “光工學/、> F 7" 夕”、朝倉書店、1986、pp.411-427(非專利文獻4)；以及小澤祐市、佐藤 俊一、“軸對稱偏光e — A ”、光學、35卷12號(2006)、pp. 9-18 (非專利文獻5)。作為以光學方式對物體的三維形狀進行計測的方法，各種干涉計測法、莫爾地形 測量學等的條紋投影法、或共焦點顯微鏡觀察法已經(jīng)廣泛實用化。在這些光計測法中，基本 上通過距離計測，以由等高線表示的地形圖的樣式來構建形狀。作為與距離計測無關的計 測法，在機器人學領域中，在非偏振光照明下利用物體表面的散射光的“偏斜”的三維形狀 的識別研究正在進展形狀再構建成功[非專利文獻6]。并且，還能夠參照專利說明書[專 利文獻3 日本特開平11-211433號公報]。這些形狀識別應用的計測原理是偏振測定法， 例如，是利用了表示雪面的散射的“偏斜”的偏振度的傾斜角依賴性在水的偏振角下接近最 大值1的性質(zhì)的傾斜計測法。偏振度的計測精度停留在幾％，所以，在現(xiàn)狀下應用被限定為 形狀識別，但是，通過利用偏振光，從而直接讀出“傾斜度”，表示能夠以實際時間再構建物 體形狀。
該機器人學應用中的具有光澤的透明散射體的形狀識別的研究在1979年由越川 提出[非專利文獻3、專利文獻2 日本特公昭61-17281號公報]，在原理驗證的實驗中使 用圓偏振光照明，但是，是基于散射樣本的部分偏振光計測。因此，此后，在專門使用非偏振 光照明對形狀進行精密計測的方向沒有發(fā)展。但是，在該機器人學應用中實際時間計測所 需要的偏振光圖像的檢測中，偏振光照相機[非專利文獻7]的開發(fā)有所進展，各種物體形 狀的提出的應用也有所進展。另一方面，作為利用了偏振光的精密計測法，公知有橢圓偏振法。在橢圓偏振法 中，將線偏振光作為探測器傾斜入射到平面樣本，根據(jù)反射的偏振狀態(tài)的變化對樣本的光 學性質(zhì)和薄膜的厚度進行精密計測。在該橢圓偏振法領域中，公知有在精密計測中利用偏 振光反射特性的入射角依賴性的主入射角法[非專利文獻4]，但是，是對樣本的光學特性 進行計測的標準目的的方法，計測對象被限定為平面樣本。發(fā)明人通過基于主入射角法的偏振光分析法的發(fā)明[專利文獻4:日本特公 昭52-46825號公報、專利文獻5 日本特公昭60-41732號公報、專利文獻6 日本特公平 2-16458號公報]與應用，熟知與反射的偏振狀態(tài)的入射角依賴性有關的光學特性。專利文獻專利文獻1專利文獻2專利文獻3專利文獻4專利文獻5專利文獻6專利文獻7非專利文獻非專利文獻1 高田邦昭編、“初辦m t t h共焦點顕微鏡活用口卜-一 >”、羊土社、2003 年 12 月発行、ISBN 9784897064130非專利文獻 2 :G. Atkinson and Ε. R. Hancock, “ Recovery of Surface OrientationFrom Diffuse Polarization" , IEEE Transaction of Image Processing, Vol. 15，No. 6，pp.1653-1664，June 2006# # ^lJ i K 3 :K. Koshikawa, " A Polarimetric Approach to Shape Understanding ofGlossy Objects " , Proc. Int.Joint Conf.Art. Intel 1., pp.493-495(1979)非專利文獻4 山本正樹、“偏光測定i偏光分析法”、小瀬輝次他編、“光工學〃 > K ,夕，，、朝倉書店、1986、pp. 411-427非專利文獻5 小澤祐市、佐藤俊一、“軸對稱偏光e — A ”、光學、35卷12號 (2006)、pp.9-18非專利文獻6:川上彰二郎、“積層型7才卜二 〃々結(jié)晶O產(chǎn)業(yè)的諸慮用”慮用物 理、77，508-514 (2008)非專利文獻7 “正反射α辦物體表面O傾斜二 U y j卜U --精密実時間形 狀計測 ο 基本概念-”、光學、Vol. 38，No. 4 (2009) pp. 204-212國際公開第 2004/036284 號手冊(W02004/036284，A) 日本特公昭61-17281號公報 日本特開平11-211433號公報 日本特公昭52-46825號公報 日本特公昭60-41732號公報 日本特公平2-16458號公報 日本特愿2008-211895號
非專禾Ij 文獻 8 :K. Kinoshita and Μ. Yamamoto, “ Principal Angle-of-IncidenceEllipsometry“ , Surf. Sci. 56,64-75(1976)用于測定物體的三維形狀的現(xiàn)有的干涉法等的方法是對光路長度的變化、即距離 的變化進行精密計測的幾何學的三角測量法。例如，在計算傾斜度時，進行觀測物體上的離 開規(guī)定距離L的位置處的觀測值的運算，所以，L的決定誤差也成為傾斜度的誤差。并且， 觀測到的光路長度在光的傳播中容易受到外界干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供能夠利用簡單的結(jié)構對外界干擾較強的包含人體的物體 表面的傾斜角進行精密的檢測和/或計測的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置以及光 學形狀、傾斜度檢測和/或計測法。并且，提供在該對物體形狀進行計測的傾斜度、形狀計 測法中使用的能夠確保計測精度的圓偏振光照明裝置以及圓偏振光照明方法。本發(fā)明人進行潛心研究的結(jié)果，成功發(fā)現(xiàn)了 在已知的具有偏振光橢圓的形狀的 完全偏振光被物質(zhì)表面反射時，在光的電矢量的P分量和s分量中，振幅和相位的變化不 同，所以，在反射光的完全偏振光分量的偏振光橢圓的形狀變化這樣的橢圓偏振法的原理 中，如果利用(1) “偏振光橢圓的方位角變化的基準為入射面方位”，(2) “偏振光橢圓的橢 圓率的變化相對于入射角為單調(diào)函數(shù)”的性質(zhì)，則能夠?qū)Ψ瓷涔獾钠窆鈾E圓進行計測，通 過根據(jù)偏振光橢圓的方位角計測值得知入射面方位的步驟1、以及根據(jù)偏振光橢圓的橢圓 率計測值在理論上計算入射角的步驟2，能夠在理論上決定作為樣本的物質(zhì)表面中對入射 光進行反射的微斜面、即切平面的傾斜度，可以設該觀測物質(zhì)的表面在觀測視場內(nèi)連續(xù)，所 以，平滑地連接所決定的微斜面的傾斜度，從而能夠再現(xiàn)三維形狀，由此，完成了本發(fā)明。本發(fā)明提供如下的方式。[1] 一種形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其利用物體的表面的反射光學特 性對觀察物體的表面形狀或傾斜度進行檢測和/或計測，該形狀、傾斜度檢測和/或計測光 學裝置的特征在于，該形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置具有照明裝置，其以包圍該 物體的周邊的方式使包含實質(zhì)上已知的完全偏振狀態(tài)的偏振狀態(tài)的光同樣入射；以及偏振 光圖像檢測裝置，其對被該物體的表面正反射而以特定方位角射出的光線群的包含完全偏 振光分量的偏振光分量的偏振光橢圓進行檢測，該形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置 針對反射射出的每條光線，關于構成其入射點的該物體的反射面，通過步驟1和步驟2測定 反射面相對于射出光線的傾斜角，其中，在該步驟1中，根據(jù)偏振光橢圓的觀測方位角值得 知入射面的方位，在該步驟2中，根據(jù)包含偏振光橢圓的橢圓率理論值的偏振光橢圓的橢 圓率值得知入射角。[2]根據(jù)上述[1]所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其特征在于，以包 圍該物體的周邊的方式使包含實質(zhì)上已知的完全偏振狀態(tài)的偏振狀態(tài)的光同樣入射的照 明裝置照射包含完全圓偏振光的圓偏振光。[3]根據(jù)上述[1]或[2]所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其特征在 于，在根據(jù)偏振光橢圓的觀測方位角值得知入射面的方位的步驟1中，(1)根據(jù)包含偏振光 橢圓的觀測方位角理論值的偏振光橢圓的觀測方位角值得知入射面的方位；或者(2)在以 包圍該物體的周邊的方式使包含實質(zhì)上已知的完全偏振狀態(tài)的偏振狀態(tài)的光同樣入射的照明裝置中，切換入射右旋圓偏振光和左旋圓偏振光，從而利用與物體的表面的反射光學 特性無關而相對于入射面對稱地切換包含反射偏振光橢圓的觀測方位角理論值的反射偏 振光橢圓的觀測方位角值的性質(zhì)，確定入射面方位。[4]根據(jù)上述[1] [3]中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝 置，其特征在于，以包圍該物體的周邊的方式使包含實質(zhì)上已知的完全偏振狀態(tài)的偏振狀 態(tài)的光同樣入射的照明裝置包含在空間上確定的入射光線作為計測基準原點，能夠根據(jù)由 偏振光圖像檢測裝置確定的反射點中的偏振光橢圓的觀測值，確定該反射面的光學性質(zhì)。[5]根據(jù)上述[1] [4]中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝 置，其特征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行 檢測的偏振光圖像檢測裝置具有如下機構能夠提取具有實質(zhì)上相同的偏振光橢圓的光線 群的方位角范圍。[6]根據(jù)上述[1] [5]中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝 置，其特征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行 檢測的偏振光圖像檢測裝置具有如下結(jié)構將反射光在空間上分割為至少3個以上的多 個，分配能夠檢測彼此不同的特定的偏振光橢圓的多個檢偏鏡，并行地同時檢測偏振光橢圓。[7]根據(jù)上述[1] [6]中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝 置，其特征在于，該形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置具有垂直線偏振光像檢測單元， 該垂直線偏振光像檢測單元利用偏振光分束器將反射光分割為直行的P偏振光分量和反 射的S偏振光分量，通過成像透鏡使其分別在二維檢測器上成像，取出物體像作為垂直偏 振光像輸出。[8]根據(jù)上述[1] [7]中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝 置，其特征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行 檢測的偏振光圖像檢測裝置具有如下機構得到物體的縮小投影像，從而確定物體的表面 的光線位置。[9]根據(jù)上述[1] [7]中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝 置，其特征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行 檢測的偏振光圖像檢測裝置具有如下機構得到物體的放大投影像，從而確定物體的表面 的光線位置。[10]根據(jù)上述[1] [7]中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝 置，其特征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行 檢測的偏振光圖像檢測裝置具有如下機構具有準直儀，從而確定物體的表面的光線位置。[11]根據(jù)上述[1] [7]中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝 置，其特征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行 檢測的偏振光圖像檢測裝置具有如下機構將該裝置實質(zhì)上配置在無限遠處，從而確定物 體的表面的光線位置。[12]根據(jù)上述[1] [7]中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝 置，其特征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行 檢測的偏振光圖像檢測裝置具有如下機構具有針孔(Pinhole)，從而確定物體的表面的光線位置。[13]根據(jù)上述[1] [12]中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝 置，其特征在于，該形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置是如下的包含乳房攝影設備的醫(yī) 療診斷裝置將人體或包含乳房的人體的一部分作為檢測和/或計測物體，對由于包含惡 性腫瘤在內(nèi)的各種病變而引起的表面傾斜角的異常變化進行檢測確定。[14]根據(jù)上述[1] [13]中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝 置，其特征在于，通過患者包括在內(nèi)的觀察物體的包含姿勢變化的力學處理，賦予基于規(guī)定 應力的變形，對變形前后的傾斜角的變化進行檢測和/或計測，從而提取力學特性。[15]根據(jù)上述[1] [14]中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝 置，其特征在于，設照明光為白色光，設為考慮了從包含皮膚的觀察物體表面起的侵入深度 與波長一起變化的實質(zhì)的反射面，對該反射面的光學特性的變化進行檢測和/或計測。[16] 一種光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法，利用物體的表面的反射光學特性 對觀察物體的表面形狀或傾斜度進行檢測和/或計測，該光學形狀、傾斜度檢測和/或計測 法的特征在于，通過照明裝置，以包圍該物體的周邊的方式使包含實質(zhì)上已知的完全偏振 狀態(tài)的偏振狀態(tài)的光同樣入射，利用偏振光圖像檢測裝置，對被該物體的表面正反射而以 特定方位角射出的光線群的包含完全偏振光分量的偏振光分量的偏振光橢圓進行檢測，將 該檢測裝置的光學系統(tǒng)的NA設為最大值還是針對偏振狀態(tài)的計測精度的函數(shù)值，針對反 射射出的每條光線，關于構成其入射點的該物體的反射面，根據(jù)偏振光橢圓的觀測方位角 值得知入射面的方位、且根據(jù)包含偏振光橢圓的橢圓率理論值的偏振光橢圓的橢圓率值得 知入射角，由此，測定反射面相對于射出光線的傾斜角，利用所測定的傾斜角在該物體的表 面平滑變化的性質(zhì)，提取物體信息。[17]根據(jù)上述[16]所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法，其特征在于，將人 體或包含乳房在內(nèi)的人體的一部分作為檢測和/或計測物體，對由于包含惡性腫瘤在內(nèi)的 各種病變而引起的表面傾斜角的異常變化進行檢測確定。[18]根據(jù)上述[16]或[17]所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法，其特征在 于，通過包含將患者包括在內(nèi)的觀察物體的姿勢變化的處理，賦予規(guī)定的變形，對變形前后 的傾斜角的變化進行檢測和/或計測。[19]根據(jù)上述[16] [18]中的任一項所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測 法，其特征在于，設照明光為白色光，設為考慮了從包含皮膚的觀察物體表面起的侵入深度 與波長一起變化的實質(zhì)的反射面，對該反射面的光學特性的變化進行檢測和/或計測。[20] 一種形狀、傾斜度檢測和/或計測法，其特征在于，在利用物體的表面的反射 光學特性對觀察物體的表面形狀或傾斜度進行檢測和/或計測的形狀、傾斜度檢測和/或 計測光學裝置中具有照明裝置，其以包圍該物體的周邊的方式使包含實質(zhì)上已知的完全 偏振狀態(tài)的偏振狀態(tài)的光同樣入射；以及偏振光圖像檢測裝置，其對被該物體的表面反射 而以特定方位角射出的光線群的包含完全偏振光分量的偏振光分量的偏振光橢圓進行檢 測，針對反射射出的每條光線，關于構成其入射點的該物體的反射面即微斜面，根據(jù)偏振光 橢圓的方位角得知入射面的方位角、即切平面的法線的方位角，而且，根據(jù)該偏振光橢圓的 橢圓率得知反射角即入射角，由此，測定反射面相對于射出光線的傾斜角，進行平滑地連接 構成切平面的微斜面的積分操作。
[21]根據(jù)上述[20]所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法，其特征在于，利用 一次反射所引起的偏振光橢圓的變化的入射角依賴性，關于觀測物體表面的反射點處的切 平面的法線，直接對與作為觀測方向的軸構成的反射角以及對與該作為觀測方向的軸垂直 的平面的投影分量的偏角進行計測。[22]根據(jù)上述[20]或[21]所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法，其特征在 于，決定作為觀測方向的軸分量的坐標下的偏微分系數(shù)，作為觀測物體表面的反射點的切 平面的傾斜度。[23]根據(jù)上述[20] [22]中的任一項所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測 法，其特征在于，對觀測物體表面的反射點的切平面的法線的斜率進行計測，求出物體的反 射點處的形狀、傾斜度的偏微分系數(shù)，對該偏微分系數(shù)的時間變化和/或空間變化進行計 測，直接利用所得到的計測值，提取形狀的特征和/或傾斜度的特征。[24]根據(jù)上述[20] [23]中的任一項所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測 法，其特征在于，利用橢圓偏振法，使用利用表示觀測對象樣本的光學性質(zhì)的光學模型計算 出的復振幅反射率比、以及由反射的偏振光橢圓的橢圓率角和主軸的方位角求出的值Ψ、 Δ，對切平面的傾斜度以及觀測物體的形狀進行計測。在基于上述的設樣本的光學特性已知、樣本表面的幾何學方位未知的新發(fā)明、即 使圓偏振光入射到構成物體表面的傾斜面、使用向規(guī)定的觀察方位正反射的反射光線的偏 振特性對該傾斜面的三維傾斜角和構成該傾斜面的該物體的形狀、傾斜度進行計測的傾斜 度、形狀計測法的發(fā)明的計測法開發(fā)研究的過程中，對計測誤差及其起因進行分析的結(jié)果 發(fā)現(xiàn)了 通過采用新的結(jié)構來限定圓偏振光照明裝置的方法，能夠確保計測精度。即，通過 本發(fā)明的圓偏振光裝置，在發(fā)明人提出的基于3D傾斜橢圓偏振法的精密形狀計測中，能夠 實現(xiàn)橢圓偏振法的計測精度< 1%。該精度大大改善了現(xiàn)有技術的偏振度計測的超高的 幾％。進而，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了 基于3D傾斜橢圓偏振法的精密形狀計測能夠應用于無法應 用現(xiàn)有的光學形狀計測的、包含內(nèi)表面的物體表面的形狀、傾斜計測。特別地，發(fā)現(xiàn)了 針對 圓筒狀的物體內(nèi)表面、甚至是封住一端后的圓筒狀的物體內(nèi)表面等的無法應用光學方法的 對象，能夠應用精密光學計測。在發(fā)明人提出的基于3D傾斜橢圓偏振法的精密形狀、傾斜計測中，排除了作為計 測誤差要因的圓偏振光照明光的不完全性，實現(xiàn)了所期待的橢圓偏振法的計測精度 0. 1%。并且，能夠進行包含內(nèi)表面的物體表面的傾斜、形狀的光學精密計測。這樣，本發(fā)明還提供如下的方式。[25] 一種圓偏振光照明裝置，其用于對物體的形狀或傾斜度進行計測的傾斜度、 形狀計測法，該圓偏振光照明裝置的特征在于，該圓偏振光照明裝置用于使圓偏振光入射 到構成包含內(nèi)表面的物體表面的傾斜面，使用向規(guī)定的觀察方位正反射的反射光線的偏振 特性，進行該傾斜面的三維傾斜角和構成該傾斜面的該物體的形狀、傾斜度的計測，并且， 該圓偏振光照明裝置具有光源裝置，該光源裝置具有與該物體正對的由平面或曲面構成的 圓形或矩形或者其組合的多面體形狀的照明區(qū)段，該區(qū)段由包圍物體的外表面的凹面或指 向物體的內(nèi)表面的凸面構成，能夠通過該區(qū)段向該物體照射包含實質(zhì)的完全圓偏振光的圓 偏振光，并且，使入射到該物體的表面的圓偏振光光線群包含能夠根據(jù)反射定律向觀測方位正反射的所有入射光線分量。[26]根據(jù)上述[25]所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，具有所述照明區(qū)段的 光源裝置按順序包含光源、將光引導到該區(qū)段的光學元件以及圓起偏鏡，該光源裝置具有 如下功能能夠從該區(qū)段射出包含規(guī)定偏振度的完全圓偏振光的圓偏振光，作為規(guī)定角度 范圍的入射角光線束。[27]根據(jù)上述[25]或[26]所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，具有所述照明 區(qū)段的光源裝置能夠?qū)υ撐矬w照射實質(zhì)上偏振度為99%以上的圓偏振光光束群。[28]根據(jù)上述[25] [27]中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，所 述光源裝置的照明區(qū)段成為由與圓內(nèi)切的正多邊形中的任一個或者其組合構成的多面體 區(qū)段。[29]根據(jù)上述[25] [28]中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，所 述光源裝置以規(guī)定角度配置光纖元件，以垂直入射到照明區(qū)段。[30]根據(jù)上述[25] [29]中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，具 有所述照明區(qū)段的光源裝置按順序至少包含排列有點發(fā)光源的實質(zhì)的面光源和/或面發(fā) 光光源以及圓起偏鏡。[31]根據(jù)上述[25] [30]中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，所 述光源裝置至少包含用于生成從一點發(fā)散的光束的光源機構和旋轉(zhuǎn)橢圓體反射鏡，以與該 旋轉(zhuǎn)橢圓體反射鏡的焦點一致的方式配置該發(fā)散點和物體的位置，通過反射使照明光線收 斂于物體，從而垂直入射到照明區(qū)段。[32]根據(jù)上述[25] [30]中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，所 述光源裝置至少包含生成平行的照明光束的光源機構和旋轉(zhuǎn)拋物面鏡，以與該旋轉(zhuǎn)拋物面 鏡的焦點一致的方式配置物體的位置，通過反射使照明光線收斂于物體，從而垂直入射到 照明區(qū)段。[33]根據(jù)上述[25] [32]中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，在 所述光源裝置的照明區(qū)段內(nèi)具有照明角度原點基準。[34]根據(jù)上述[25] [33]中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，該 圓偏振光照明裝置具有如下功能以右旋圓偏振光和左旋圓偏振光的形式在時間上或空間 上選擇照明光束的圓偏振狀態(tài)。[35] 一種圓偏振光照明方法，用于如下的傾斜度、形狀計測法使圓偏振光入射 到構成包含內(nèi)表面的物體表面的傾斜面，使用向規(guī)定的觀察方位正反射的反射光線的偏振 特性，對該傾斜面的三維傾斜角和構成該傾斜面的該物體的形狀或傾斜度進行計測，該圓 偏振光照明方法的特征在于，使用具有照明區(qū)段的光源裝置，通過該區(qū)段向該物體照射包 含實質(zhì)的完全圓偏振光的圓偏振光，使入射到該物體的表面的圓偏振光光線群包含能夠根 據(jù)反射定律向觀測方位正反射的所有入射光線分量，其中，該照明區(qū)段與測定對象物體正 對，且為由平面或曲面構成的圓形或矩形或者其組合的多面體形狀，并且該照明區(qū)段由包 圍物體外表面的凹面或指向物體內(nèi)表面的凸面構成。根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)τ娠@微鏡、望遠鏡、投影裝置等成像裝置記錄的物體的二維偏 振光像進行分析，以0.01° 0.001°的精度對構成物體的表面的傾斜角(0° 90° )進 行檢測和/或計測。得到如下的三維形狀、傾斜度檢測和/或計測裝置利用物體表面平滑
14相連的性質(zhì)時，能夠使用所計測的傾斜角再構建物體的三維形狀。并且，該裝置不需要復雜 的機構，是簡便的三維形狀、傾斜度檢測和/或計測裝置。在本發(fā)明中，通過偏振光的反射直接觀測反射面的傾斜角?；诜瓷涞钠駹顟B(tài) 的變化是在計測部中僅產(chǎn)生一次的現(xiàn)象。除了該反射現(xiàn)象以外，在光的傳播中不產(chǎn)生偏振 狀態(tài)的變化。入射偏振光和反射后的射出偏振光均通過空氣或液體等的各向同性且均一的 介質(zhì)，所以，在傳播中光的偏振狀態(tài)不產(chǎn)生變化。因此，不選擇觀測環(huán)境、也不受觀測距離影 響是最大的特征。在本發(fā)明中，能夠直接讀出物體的傾斜度。能夠精密且以非接觸的方式觀測傾斜 的局部變化，所以，能夠通過簡單的圖像處理進行各種應用。特別地，不選擇環(huán)境，所以，能 夠提供顯微鏡下的毫微尺寸的樣本的動力學計測、提取基于惡性腫瘤的乳房表面的局部凹 陷等的人體等的醫(yī)療診斷、以及基于衛(wèi)星圖像的計測應用等、各種環(huán)境下的新穎的檢測和/ 或計測裝置，進而，能夠廣泛地應用該裝置。進而，根據(jù)本發(fā)明，得到能夠良好地在三維形狀、傾斜計測裝置中使用的圓偏振光 照明裝置，該三維形狀、傾斜計測裝置能夠?qū)τ善窆庹障鄼C等記錄的樣本的二維偏振光 像進行分析，對包含樣本內(nèi)表面的表面的三維傾斜和形狀進行精密計測。特別地，得到實現(xiàn) 了所期待的橢圓偏振法的計測精度 0. 的結(jié)構。通過以下記載，本領域技術人員能夠明白本發(fā)明的其他目的、特征、優(yōu)秀性及其所 具有的觀點。但是，包含以下記載和具體實施例等的記載在內(nèi)的本案件說明書的記載示出 本發(fā)明的優(yōu)選方式，希望理解為僅是為了進行說明而示出的記載。根據(jù)以下記載和本說明 書其他部分的知識，本領域技術人員能夠容易地明白能夠在本說明書所公開的本發(fā)明的意 圖和范圍內(nèi)進行各種變化和/或改變(或修飾)。在本說明書中引用的所有專利文獻和參 考文獻是以說明為目的而引用的，應該理解它們作為本說明書的一部分，其內(nèi)容包含在本 說明書中。


圖1示出入射到球狀樣本的光線(粗線)在各反射點反射而向觀測方位反射的狀 況。觀測方位為Z軸方向，在x-y平面進行反射的情況下，根據(jù)反射定律，描繪反射光線與 Z軸平行的狀況。設樣本是透明的。圖2示意地示出球狀樣本的觀測面(為圓)以及該觀測面即圓內(nèi)部的觀測點的光 的偏振狀態(tài)。偏振光的狀態(tài)在圖中用橢圓示出，但是，橢圓的主軸方位與入射面垂直。切平 面的法線在與觀測方向即ζ軸所成的角、即折射率η = 1. 5的介質(zhì)的偏振角φ=56°附近經(jīng)由 橢圓率￡ =0的線偏振光，所以，附加圓形陰影來示出該線偏振光的內(nèi)側(cè)區(qū)域(入射角小 于某個特定介質(zhì)的偏振角的區(qū)域)。在附加陰影的區(qū)域中為左旋的偏振光，陰影外側(cè)的樣本 觀測面周邊部為右旋的偏振光。設樣本是透明的。相當于樣本為透明細胞等的情況。圖3示意地示出樣本存在吸收時的與圖2對應的球狀樣本的觀測面以及該觀測面 即圓內(nèi)部的觀測點的光的偏振狀態(tài)。偏振光的狀態(tài)在圖中用橢圓示出，但是，可知橢圓的方 位角旋轉(zhuǎn)規(guī)定量。相當于樣本為鋁等的吸收體等的情況。圖4示出對作為樣本的折射率η = 1. 5的玻璃存在于空氣中時的入射角與偏振狀 態(tài)tanWcosA和tanWsinA的關系進行計算后的結(jié)果。相當于樣本為透明細胞等的情況。
圖5示出對作為樣本的折射率η = 1. 5的玻璃存在于空氣中時的入射角與p_s偏 振光分量的強度反射率的關系進行計算后的結(jié)果。相當于樣本為透明細胞等的情況。圖6示出對樣本為吸收體時的入射角與復振幅反射率比Rp/Rs的關系進行計算后 的結(jié)果。假設將氧化后的鋁表面作為樣本，利用波長405nm(藍色發(fā)光二極管波長)的復平 面顯示來示出。另外，由于存在吸收，所以復折射率為0.6-5. 04i。相當于樣本為金屬等的 情況。圖7示出對樣本為吸收體時的入射角與復振幅反射率比Rp/Rs的Ψ和Δ的關系 進行計算后的結(jié)果。假設將氧化后的鋁表面作為樣本，是波長405nm(藍色發(fā)光二極管波 長)的值。另外，由于存在吸收，所以復折射率為0.6-5. 04i。相當于樣本為金屬等的情況。圖8示出對作為樣本的鋁(具有氧化后的鋁表面)存在于空氣中時的入射角與 P-S偏振光分量的強度反射率的關系進行計算后的結(jié)果。另外，由于存在吸收，所以復折射 率為0.6-5. 04i。相當于樣本為金屬等的情況。是波長405nm(藍色發(fā)光二極管波長)的 值。圖9示出作為本發(fā)明的形狀計測光學裝置之一的形狀計測望遠鏡的結(jié)構。利用最 簡單的基本結(jié)構示出裝置。圖10示出作為本發(fā)明的形狀計測光學裝置之一的形狀計測顯微鏡的結(jié)構。利用 最簡單的一個基本結(jié)構示出裝置。圖11示出本發(fā)明的形狀計測光學裝置的一個結(jié)構。利用最簡單的一個基本結(jié)構 示出裝置。圖12示出本發(fā)明的形狀計測光學裝置的一個結(jié)構例。圖13示出本發(fā)明的形狀計測光學裝置的另一個結(jié)構例。圖14示出作為本發(fā)明的形狀計測光學裝置之一的乳房攝影設備的結(jié)構例。圖15示出作為本發(fā)明的形狀計測光學裝置之一的乳房攝影設備的其他結(jié)構例。圖16示出在本發(fā)明中利用的垂直單元的一個結(jié)構。圖17示意地示出本發(fā)明的形狀計測光學裝置的一個結(jié)構例。圖18示意地示出本發(fā)明的形狀計測光學裝置的另一個結(jié)構例。圖19是說明將在二維面內(nèi)規(guī)定的橢圓偏振法的概念擴展到包含三維物體的內(nèi)表 面的表面的正反射的情況的圖。利用圓偏振光同樣對物體表面進行照明，從ζ方向觀測正 反射光時，在從ζ方向觀察到的表面內(nèi)的任意反射點，存在滿足反射定律的“明亮”正反射0 次光分量光線。入射面被定義為包含入射光線和反射面的法線的面，與反射面垂直的法線 矢量必定包含在入射面內(nèi)，反射角(=入射角)等于法線矢量與ζ軸所成的角，關于任意的 在ζ方向前進的光線，如果能夠決定入射面的方位角和入射角，則能夠決定法線矢量。圖20示出在圓偏振光照明下從ζ方向觀測的反射偏振光的橢圓。(a)示出基于電 介質(zhì)樣本的反射的情況，(b)示出基于金屬樣本的反射的情況。圖21示出右旋圓偏振光入射的觀測橢圓率角和入射角余弦的轉(zhuǎn)換表。圖22示出在傾斜度、形狀計測法的實驗中使用的裝置，該裝置使圓偏振光入射到 構成物體表面的傾斜面，使用向規(guī)定的觀察方位正反射的反射光線的偏振特性，對該傾斜 面的三維傾斜角和構成該傾斜面的該物體的形狀進行計測。圖23在左側(cè)和右側(cè)并列示出使用圖19的裝置對角錐臺和半球進行觀測的結(jié)果。從上側(cè)起，a)為橢圓率角觀測值，b)為方位角觀測值，C)為樣本照片。圖24利用實線示出將起偏鏡和檢偏鏡配置在一條直線上、將起偏鏡的透射軸固 定為方位角0°并設檢偏鏡的透射軸的方位為θ時的透射光的強度變化。利用虛線表示根 據(jù)右側(cè)縱軸的刻度以對數(shù)示出該強度變化后的值。圖25利用觀測強度I的消光位置附近的方位角變化來示出基于各種消光率的起 偏鏡的馬呂斯定律。圖26說明如下狀況利用復折射的相矢量的相位角在原理上示出入射角依賴性， 但是，這種情況下，允許角度范圍依賴于必要的精度而被限定。圖27示出針對平均折射率1. 5,1. 4,1. 0計算相矢量的相位角與入射角的關系的例子。圖28示出在以規(guī)定精度生成完全圓偏振光時，需要使光線相對于偏振光元件的 入射角或出射角收斂于規(guī)定的允許角度范圍內(nèi)，而且，設在表示允許角度的圓內(nèi)內(nèi)切的正 多邊形作為要素時，能夠滿足該條件。圖29示出在面發(fā)光光源中貼合圓起偏鏡從而緊湊地構成的照明區(qū)段的一例。圖30示出在光源裝置的照明區(qū)段內(nèi)具有照明角度原點基準時的一例。圖31示出在光源裝置中使與測定對象物體正對的正多邊形成為照明區(qū)段的照明 區(qū)域的結(jié)構例。圖32示出在光源裝置中使與測定對象物體正對的正八面體成為照明區(qū)段的照明 區(qū)域的結(jié)構中組合光纖光源的形態(tài)的結(jié)構的一例。圖33示出本發(fā)明的圓偏振光照明裝置的一個具體例。圖34示出本發(fā)明的圓偏振光照明裝置的另一個具體例。圖35示出基于本發(fā)明的內(nèi)表面形狀觀察時的一個具體例。圖36示出基于本發(fā)明的內(nèi)表面形狀觀察時的另一個具體例。圖37示出封住一端后的內(nèi)表面形狀觀察時的基于本發(fā)明的一個具體例。圖38示出封住一端后的內(nèi)表面形狀觀察時的基于本發(fā)明的另一個具體例。圖39以構成旋轉(zhuǎn)拋物面的樣本的內(nèi)表面形狀為例、示出內(nèi)表面形狀觀察時的基 于本發(fā)明的另一個具體例。圖40以構成旋轉(zhuǎn)橢圓面的樣本的內(nèi)表面形狀為例、示出內(nèi)表面形狀觀察時的基 于本發(fā)明的另一個具體例。
具體實施例方式本發(fā)明涉及形狀、傾斜度檢測和/或形狀、傾斜度計測，特別地，涉及能夠進行三 維形狀計測的光學裝置以及包含三維信息的物體信息的提取法。特別地，本發(fā)明涉及適用 于形狀計測顯微鏡、生物顯微鏡、形狀計測望遠鏡、醫(yī)療診斷裝置、乳房X線照相裝置、傾斜 傳感器等的觀察樣本的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置以及物體信息的提取法。在本發(fā)明中，提供如下的對形狀進行檢測和/或計測的技術在電場和磁場僅在 特定方向進行振動的光即偏振光被物質(zhì)表面反射時，在光的電矢量的P分量(電矢量與入 射面平行的方向上的分量)和s分量(電矢量與入射面垂直的方向上的分量)中，振幅和 相位的變化不同，由此，在反射光中，偏振狀態(tài)變化，而且，如果利用(1)該“偏振狀態(tài)變化的基準為入射面方位”，該偏振狀態(tài)的變化(2) “相對于入射角為單調(diào)函數(shù)”的性質(zhì)，則能夠 對反射光的偏振狀態(tài)進行計測，能夠根據(jù)計測值來計算入射面的方位和入射角，能夠決定 作為樣本的物質(zhì)表面中對入射光進行反射的微斜面、即切平面的傾斜度，然后，利用該觀測 物質(zhì)的表面在觀測視場內(nèi)連續(xù)的性質(zhì)，平滑地連接所決定的微斜面的傾斜度，從而再現(xiàn)三 維形狀。在本發(fā)明中，提供如下技術從周邊對具有平滑表面(邊界面)的樣本物質(zhì)(例 如透明的球形細胞)同樣照射具有被控制的已知偏斜(例如右旋圓偏振光)的偏振光，然 后，通過從在空間上固定的觀測方位觀測該樣本作為偏振光像，能夠進行樣本的形狀、傾斜 度檢測和/或形狀、傾斜度計測。在本發(fā)明的一個方式中，向觀測方位反射的光線分別由在形成樣本表面(邊界 面)的微斜面(切平面)進行鏡面反射的微斜面分量構成，該微斜面分量是作為在微斜面 中進行滿足反射定律的反射的結(jié)果而產(chǎn)生的，在圓偏振光入射中，在透明體表面反射的光 為橢圓偏振光，橢圓的長軸始終與微斜面(切平面)平行，并且，橢圓偏振光中的橢圓的橢 圓率角與入射角處于單純的線性關系，所以，通過對偏振狀態(tài)(橢圓的長軸方位和橢圓率) 進行計測，從而能夠根據(jù)長軸方位來決定入射面(切平面的法線)的方位角，能夠根據(jù)橢圓 率來決定反射角(根據(jù)反射定律，與入射角相等)，其結(jié)果，能夠?qū)Ψ瓷湮⑿泵嫦鄬τ谟^測 方向的傾斜角進行計測。并且，使用該數(shù)據(jù)，由于球形細胞的表面在觀測視場內(nèi)連續(xù)，所以， 平滑地連接所決定的微斜面的傾斜度，從而能夠再現(xiàn)三維形狀。這樣，本發(fā)明是如下的技術利用偏振光的反射特性，能夠包含光軸方向的坐標在 內(nèi)地決定樣本的三維形狀。本發(fā)明提供如下技術由偏振光在觀測物體表面的反射而產(chǎn)生的偏振狀態(tài)的變化 依賴于入射角，關于觀測物體表面的反射點處的切平面的法線，對與觀測方向即軸成的角 度以及對與觀測方向即軸垂直的平面的投影分量的偏角進行計測，根據(jù)該計測的法線的斜 率，求出物體的反射點處的偏微分系數(shù)，利用該偏微分系數(shù)的時間變化或空間變化的計測 值，提取形狀的特征和/或傾斜度的特征。并且，本發(fā)明給出如下技術在觀測表面整體的 區(qū)域中，對所計測的偏微分系數(shù)進行積分，從而進行三維形狀的構建。進而，在本發(fā)明中，著 眼于幾何學形狀不依賴于觀測波長，還提供提取反射面的物理光學特性來進行檢測和/或 計測的技術。在本發(fā)明中，提供如下的簡便且通用的形狀、傾斜度檢測和/或形狀、傾斜度計測 以及分析方法所有物質(zhì)對于光的共同性質(zhì)是如下的兩個性質(zhì)即，(a)在入射角φ=0弧度 =0°時復振幅反射率比P為-1，在入射角φ=π/2弧度=90°時復振幅反射率比P為1; 以及(b)當入射角φ從0變化到π/2時，在復平面上，復量P從-1到1單調(diào)變化，在中途 P的實數(shù)部必定通過0的虛軸(Δ = 士 π/2)，在這兩個性質(zhì)中組合特定結(jié)構、即利用圓偏 振光從樣本周邊同樣照射、并從空間上固定的方向?qū)︾R面反射光的偏振狀態(tài)進行觀測的結(jié) 構，由此，根據(jù)在樣本剖面坐標上的規(guī)定反射點觀測到的反射橢圓偏振光的形狀，對該反射 點的入射面的斜率和入射角(=反射角)進行計測，進而，在樣本剖面內(nèi)的計測點之間依次 平滑地連接所計測的反射點的反射面，從而對樣本的形狀進行再構建。本發(fā)明提供實現(xiàn)上述技術的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置以及物體信息 的提取法。
(本發(fā)明的原理)在本發(fā)明中利用的偏振光計測與現(xiàn)有技術的精密偏振光分析法即橢圓偏振法相 關聯(lián)。作為利用在物體表面反射的光(一般為電磁波)的基本特性即“偏斜”的性質(zhì)對薄 膜樣本的折射率和膜厚進行精密計測的方法、或者對樣本表面的光學性質(zhì)進行精密計測的 方法等的對樣本的光學性質(zhì)進行計測的方法，以往公知有橢圓偏振法。另一方面，本發(fā)明的物體表面傾斜角的計測原理將橢圓偏振法應用于以往完全沒 有使用的幾何學形狀的精密計測，提供稱為“傾斜橢圓偏振法”的新概念。如圖1所示，以樣本的形狀計測為目的，從周邊對具有平滑表面或邊界面的樣本 物體(例如透明的球形細胞)同樣照射特定偏振狀態(tài)(例如右旋圓偏振光)的完全偏振光。 從在空間上固定的觀測方位觀測該樣本作為偏振光像。設觀測方位為ζ方向時，向ζ方向 反射的光線分別由在形成樣本表面(邊界面)的微斜面(切平面)進行鏡面反射的微斜面 分量構成。該“微斜面分量”是作為“在微斜面中進行滿足反射定律的反射的結(jié)果”而產(chǎn)生 的。這里，在實際的物質(zhì)表面的反射中，在包含相對于光的波長而無法忽視的大小的表面粗 糙度的情況下，反射光一般為部分偏振光。但是，所有部分偏振光由完全偏振光分量和非偏 振光分量之和來記述，在橢圓偏振法中，入射已知的完全偏振光，將反射的完全偏振光分量 的偏振狀態(tài)作為計測對象。根據(jù)需要，將非偏振光分量作為偏振度來計測。這里，首先考慮利用標準的橢圓偏振法進行處理的完全偏振光的情況。由于觀測方向被固定，所以，能夠利用切平面的法線的斜率來定義微斜面的反射。例如，能夠利用與觀測方向即ζ軸所成的角Cp1、和將ζ軸作為旋轉(zhuǎn)軸的從X軸起的 旋轉(zhuǎn)角91來記述。Q1等于切平面的法線對χ-y平面的投影分量的偏角。在圖1所例示的球狀樣本中，以偏角0°的x_y平面內(nèi)的反射為例時，在入射光線 如粗線所示那樣入射到各個反射點的情況下，滿足反射定律，反射光線與ζ軸平行。根據(jù)圖 1可知，切平面的法線的斜率φι和θ工分別與光線的入射角和入射面的偏角相等。在物質(zhì)表面的光的反射中，一般地，光的振幅和相位變化，所以，能夠利用復振幅 反射率來記述反射特性。考慮光的偏斜時，復振幅反射率在入射面(由包含入射光線和反 射面的法線的面來定義)內(nèi)的偏斜的分量即P分量和與入射面垂直(與表面平行)的S分 量中取不同的值。將入射光的P分量的復振幅反射率書寫為rp、將s分量的復振幅反射率 書寫為rs時，具有偏斜的光即偏振光在物質(zhì)表面反射時，在光的電矢量的ρ分量和s分量 中，振幅和相位的變化不同，所以，在反射光中，偏振狀態(tài)變化，一般為橢圓偏振光。橢圓偏振光能夠利用2個實變量來記述。如果取橢圓的主軸方位角和橢圓率，則 “主軸方位角變化的基準為P-方向，與包含切平面的法線的入射面方位一致”。并且，橢圓 率的變化“相對于入射角為單調(diào)函數(shù)”。在本發(fā)明的傾斜橢圓偏振法中，利用這兩個性質(zhì)對 反射完全偏振光分量的偏振光橢圓進行計測，通過根據(jù)橢圓的主軸方位角計測值決定入射 面方位的步驟1、以及根據(jù)橢圓的橢圓率計測值并利用入射角依賴性的理論值進行計算的 步驟2，決定光的反射點處的微斜面的傾斜。S卩，在本發(fā)明中，以樣本的形狀、傾斜度檢測和/或形狀、傾斜度計測為目的，從周 邊對具有平滑表面(邊界面)的樣本物質(zhì)(例如透明的球形細胞)同樣照射具有被控制的 已知偏斜(例如右旋圓偏振光)的完全偏振光。從在空間上固定的觀測方位觀測該樣本作 為偏振光像。
在該結(jié)構中，如圖1所例示的那樣，向觀測方位反射的光線分別由在形成樣本表 面(邊界面)的微斜面(切平面)進行鏡面反射的微斜面分量構成。該微斜面分量是作為 在微斜面中進行滿足反射定律的反射的結(jié)果而產(chǎn)生的。試著具體考察圓偏振光照明的情況。在以下的記述中，只要沒有特別說明，則偏振 光是偏振光橢圓的形狀僅決定為一個形狀的完全偏振光。具體而言，在入射圓偏振光的條 件下，對在透明體表面反射的光的偏振光橢圓進行計算時，成為圖2所示的橢圓偏振光群。 圖2中央的“左”表示左旋圓偏振光，周邊的“右”表示右旋圓偏振光被反射。在φ=0°的垂直 入射中，由于反射而使光的行進方向逆轉(zhuǎn)，所以，偏振光的旋轉(zhuǎn)方向逆轉(zhuǎn)，入射的右旋圓偏 振光作為左旋圓偏振光被反射。并且，在緊逼φ=90°的入射中，由于物理現(xiàn)象的連續(xù)性，入射 光的偏振狀態(tài)不變化，依然以該偏振狀態(tài)被反射。這些對應于與入射角φ有關的邊界條件， 是由于空間幾何學的性質(zhì)而引起的，所以，在透明體和吸收體中均成立，與樣本物質(zhì)無關。由于物理現(xiàn)象的連續(xù)性，所以在入射了右旋圓偏振光或左旋圓偏振光的情況下， 通過改變?nèi)肷浣?，反射偏振狀態(tài)在所有物質(zhì)中從左(右)圓偏振光到右(左)圓偏振光連 續(xù)變化，中間必定經(jīng)由直線偏振狀態(tài)。因此，如果利用橢圓的橢圓率角來表示，則從-45°到 +45°單調(diào)增加。即，在圓偏振光入射中，入射角變化的變域與偏振狀態(tài)的變域一致，保證了 最大的感光度。另外，負的橢圓率角表示左旋偏振光，正的橢圓率角表示右旋偏振光。圖2的偏振光橢圓組示意地示出，在透明體中，后述的振幅反射系數(shù)為實數(shù)，所 以，橢圓的長軸始終與微斜面(切平面)平行，橢圓率角由于入射角而變化。因此，對偏振 狀態(tài)(橢圓的長軸方位和橢圓率)進行計測，從而能夠根據(jù)長軸方位來決定入射面(切平 面的法線)的方位角，能夠根據(jù)橢圓率來決定反射角(根據(jù)反射定律，與入射角相等)。這 樣，能夠?qū)Ψ瓷湮⑿泵嫦鄬τ谟^測方向的傾斜角進行精密計測。另外，在以下的本說明書的記載中，關于基于反射的偏振狀態(tài)的變化，適當?shù)厥境?透明的球形細胞和存在吸收的金屬光澤球的情況下的計算例。在樣本存在吸收的情況下， 圖1的反射定律也成立。但是，在樣本存在吸收的情況下，偏振狀態(tài)的入射角依賴性從圖2 發(fā)生變化，例如，在Al覆蓋表面的球中，如圖3所示，橢圓的方位角旋轉(zhuǎn)45°。該旋轉(zhuǎn)在所 有反射中系統(tǒng)地產(chǎn)生規(guī)定量。因此，在計算微斜面的傾斜角時，繞ζ軸產(chǎn)生一定偏角的偏 置。為了得知由于反射面的素材而使偏振狀態(tài)變化的狀況，能夠應用橢圓偏振法的分析理 論。并且，使用該數(shù)據(jù)，不限于球形樣本，一般形狀的樣本表面在觀測視場內(nèi)連續(xù)，所以，平 滑地連接所決定的微斜面的傾斜度，從而能夠再現(xiàn)三維形狀。在本發(fā)明中說明的面傾斜的計測原理在所有波長的電磁波中均成立。并且，所使 用的光包含從紫外光、可見光、紅外光到微波區(qū)域等，可以是白色光，也可以是激光器等的 單色光。進而，雖然考慮物體表面平滑到產(chǎn)生鏡面反射的程度的情況，但是，只要是能夠利 用檢測器來檢測反射光的程度的反射率即可，在人體等中，可以是從紅外到微波區(qū)域的光。 即，使用比物體表面的粗糙度長的波長，在不產(chǎn)生來自表面的散射分量的條件下進行計測， 從而將反射光作為完全偏振光，能夠提高形狀計測精度。將物體置于右手系坐標(χ、y、ζ)的原點，設反射光的觀測方向為ζ。在與物體大 小相比充分遠的地方進行觀測，所以，實質(zhì)上認為觀測點為ζ =⑴。設在位于充分遠的地方 的χ-y平面上進行觀測，并維持規(guī)定倍率(例如已知倍率)的成像關系。反射光線與ζ軸 平行，根據(jù)反射光線在χ-y平面內(nèi)的坐標，反射點針對χ-y平面的投影分量(Xl、yi)已知。
在對物體的平滑表面進行計測時，只要決定反射點處的物體的深度方向的ζ軸分 量的坐標Z1即可。在通常的顯微鏡觀察中，無法決定坐標Zl。在本發(fā)明的傾斜橢圓偏振法 中，利用偏振光的反射特性，作為反射點(Xl、yi、Zl)的切平面的傾斜，能夠決定Z1處的偏微 分系數(shù)。一般地，在顯微觀測等的成像系統(tǒng)中，通過選擇倍率和觀測方向，從而能夠在物質(zhì) 表面充分平滑的狀態(tài)下進行觀測，所以，通過平滑地連接構成切平面的微斜面的積分操作， 能夠依次決定Z1。本發(fā)明的傾斜橢圓偏振法的計測數(shù)據(jù)能夠作為傾斜度及其時間變化的精密數(shù)據(jù) 而進行各種利用。進而，在希望根據(jù)傾斜數(shù)據(jù)再構建樣本的三維形狀的情況下，在該再構建 算法中，能夠應用機器人學領域中的透明體形狀的三維計測的算法。能夠利用使用了非偏 振光照明下的透明物體的反射的偏振度計測的研究開發(fā)(D.Miyazaki，Μ. Saito, Y. Sato, K.Ikeuchi, " Determining surface orientations of transparent objectsbased on polarization degrees in visible and infrared wavelengths, " J. Opt. Soc. Am. A,19(4)，pp. 687-694, 2002 ；D. Miyazaki，R. Τ. Tan, K. Hara,K.Ikeuchi， “ Polarizati onbasedlnverse Rendering from a Single View, " Proc. IEEE Intl.Conf. Computer Vision,2003. pp. 982-987, 2003 ；Daisuke Miyazaki, Katsushi Ikeuchi, " Inverse PolarizationRaytracing-Estimating Surface Shape of Transparent Obj ects, " in Proceedings ofInternational Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, San Diego，CAUSA，2005. 06 ；宮崎大輔、池內(nèi)克史、“偏光 ^ ^ 卜 ^一* 乂 夕·'法 (二 J &透明物體O表面形狀O推定手法”、電子情報通信學會論文誌D-II，Vol. J88-D-II, No. 8，pp. 1432-1439,2005. 08)，特別是與用于根據(jù)透明物體的表面的法線再構建物體形狀 的算法有關的研究。另外，開始連接的坐標是任意的，例如，可以從觀測畫面中心出發(fā)向周邊擴展連 接。即，如果能夠決定畫面中的ζ坐標的相對值，則能夠決定形狀。球狀樣本的觀測面為圓，圓內(nèi)部的觀測點的光的偏振狀態(tài)如圖2示意地示出的那 樣，橢圓的主軸方位與入射面垂直。并且，橢圓率ε作為入射角的函數(shù)，從緊逼φ=90°的反 射的ε = 1的右旋圓偏振光(與入射偏振光相同)到在φ=0°的垂直入射下進行反射的ε ="I的左旋圓偏振光連續(xù)變化。在φ=56°附近的折射率η = 1. 5的介質(zhì)的偏振角(Brewster角(pftan—1!!)中，經(jīng)由 ε =0的線偏振光。在圖2的中心部，在入射角小于φΒ的區(qū)域(線偏振光的內(nèi)側(cè))中(在 圖2的樣本輪廓線的圓內(nèi)側(cè)對圓形陰影而示出)，觀察到左旋偏振光群，在圖2所示的陰影 外側(cè)的樣本周邊部中，觀察到右旋偏振光群，能夠根據(jù)橢圓率ε工來計測入射角φι，能夠根據(jù) 橢圓的方位角來計測入射面的偏角θ1()圖2例示了樣本為球的情況。在樣本為其他一般形狀的情況下，能夠容易地類推， 圖2所示的觀測橢圓的二維分布變化。但是，該情況下，觀測到的橢圓的形狀與該反射點的 微斜面的傾斜度存在1 1的對應，樣本表面平滑，所以，觀測到的橢圓偏振光的變化也連 續(xù)，不會丟失一般性。在樣本存在吸收的情況下，圖1的反射定律也成立。但是，在樣本存在吸收的情況下，偏振狀態(tài)的入射角依賴性從圖2變化，例如，在Al覆蓋表面的球中，如圖3所示，橢圓的方位角旋轉(zhuǎn)45°。該旋轉(zhuǎn)在所有反射中系統(tǒng)地產(chǎn) 生規(guī)定量。因此，在計算微斜面的傾斜角時，繞ζ軸產(chǎn)生一定偏角的偏置。為了得知由于反 射面的素材而使偏振狀態(tài)變化的狀況，能夠應用橢圓偏振法的分析理論。由此，能夠利用相 同方法再構建表面形狀。通過物質(zhì)的復折射率，基于反射的偏振狀態(tài)的變化能夠如下成為定式。觀測到的反射偏振狀態(tài)能夠利用樣本的反射點處的復振幅反射率的p-s分量之 比
權利要求
1.一種形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其利用物體的表面的反射光學特性對 觀察物體的表面形狀或傾斜度進行檢測和/或計測，該形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝 置的特征在于，該形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置具有照明裝置，其以包圍該物體的周邊的方式使包含實質(zhì)上已知的完全偏振狀態(tài)在內(nèi)的偏 振狀態(tài)的光同樣入射；以及偏振光圖像檢測裝置，其對被該物體的表面正反射而以特定方位角射出的光線群的包 含完全偏振光分量在內(nèi)的偏振光分量的偏振光橢圓進行檢測，該形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置針對反射射出的每條光線，關于構成其入射 點的該物體的反射面，通過步驟1和步驟2測定反射面相對于射出光線的傾斜角，其中，在 該步驟1中，根據(jù)偏振光橢圓的觀測方位角值得知入射面的方位，在該步驟2中，根據(jù)包含 偏振光橢圓的橢圓率理論值在內(nèi)的偏振光橢圓的橢圓率值得知入射角。
2.根據(jù)權利要求1所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其特征在于，以包圍該物體的周邊的方式使包含實質(zhì)上已知的完全偏振狀態(tài)在內(nèi)的偏振狀態(tài)的光同樣入射的照明裝置照射包含完全圓偏振光在內(nèi)的圓偏振光。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其特征在于，在根據(jù)偏振光橢圓的觀測方位角值得知入射面的方位的步驟1中，(1)根據(jù)包含偏振光橢圓的觀測方位角理論值在內(nèi)的偏振光橢圓的觀測方位角值得知入射面的方位；或者 (2)在以包圍該物體的周邊的方式使包含實質(zhì)上已知的完全偏振狀態(tài)在內(nèi)的偏振狀態(tài)的光 同樣入射的照明裝置中，切換入射右旋圓偏振光和左旋圓偏振光，從而利用與物體的表面 的反射光學特性無關地相對于入射面對稱地切換包含反射偏振光橢圓的觀測方位角理論 值在內(nèi)的反射偏振光橢圓的觀測方位角值的性質(zhì)，確定入射面方位。
4.根據(jù)權利要求1 3中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其特 征在于，以包圍該物體的周邊的方式使包含實質(zhì)上已知的完全偏振狀態(tài)在內(nèi)的偏振狀態(tài)的光 同樣入射的照明裝置包含在空間上確定的入射光線作為計測基準原點，能夠根據(jù)由偏振光 圖像檢測裝置確定的反射點中的偏振光橢圓的觀測值，確定該反射面的光學性質(zhì)。
5.根據(jù)權利要求1 4中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其特 征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行檢測的偏振 光圖像檢測裝置具有如下機構能夠提取具有實質(zhì)上相同的偏振光橢圓的光線群的方位角 范圍。
6.根據(jù)權利要求1 5中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其特 征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行檢測的偏振 光圖像檢測裝置具有如下結(jié)構將反射光在空間上分割為至少3個以上的多個，分配能夠 檢測彼此不同的特定的偏振光橢圓的多個檢偏鏡，并行地同時檢測偏振光橢圓。
7.根據(jù)權利要求1 6中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其特 征在于，該形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置具有垂直線偏振光像檢測單元，該垂直線偏 振光像檢測單元利用偏振光分束器將反射光分割為直行的P偏振光分量和反射的S偏振光 分量，通過成像透鏡使其分別在二維檢測器上成像，取出物體像作為垂直偏振光像輸出。
8.根據(jù)權利要求1 7中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其特 征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行檢測的偏振 光圖像檢測裝置具有如下機構得到物體的縮小投影像，從而確定物體的表面的光線位置。
9.根據(jù)權利要求1 7中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其特 征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行檢測的偏振 光圖像檢測裝置具有如下機構得到物體的放大投影像，從而確定物體的表面的光線位置。
10.根據(jù)權利要求1 7中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其 特征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行檢測的偏振 光圖像檢測裝置具有如下機構具有準直儀，從而確定物體的表面的光線位置。
11.根據(jù)權利要求1 7中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其 特征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行檢測的偏振 光圖像檢測裝置具有如下機構將該裝置實質(zhì)上配置在無限遠處，從而確定物體的表面的 光線位置。
12.根據(jù)權利要求1 7中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其 特征在于，對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的偏振光橢圓進行檢測的偏振 光圖像檢測裝置具有如下機構具有針孔，從而確定物體的表面的光線位置。
13.根據(jù)權利要求1 12中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其 特征在于，該形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置是如下的包含乳房攝影設備的醫(yī)療診斷裝 置將人體或包含乳房在內(nèi)的人體的一部分作為檢測和/或計測物體，對由于包含惡性腫 瘤在內(nèi)的各種病變而引起的表面傾斜角的異常變化進行檢測確定。
14.根據(jù)權利要求1 13中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其 特征在于，通過患者包括在內(nèi)的觀察物體的包含姿勢變化的力學處理，賦予基于規(guī)定應力的變 形，對變形前后的傾斜角的變化進行檢測和/或計測，從而提取力學特性。
15.根據(jù)權利要求1 14中的任一項所述的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置，其 特征在于，設照明光為白色光，設為考慮了從包含皮膚在內(nèi)的觀察物體表面起的侵入深度與波長 一起變化的實質(zhì)的反射面，對該反射面的光學特性的變化進行檢測和/或計測。
16.一種光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法，利用物體的表面的反射光學特性對觀察 物體的表面形狀或傾斜度進行檢測和/或計測，該光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法的特征在于，通過照明裝置，以包圍該物體的周邊的方式使包含實質(zhì)上已知的完全偏振狀態(tài)在內(nèi)的 偏振狀態(tài)的光同樣入射，利用偏振光圖像檢測裝置，對被該物體的表面正反射而以特定方 位角射出的光線群的包含完全偏振光分量在內(nèi)的偏振光分量的偏振光橢圓進行檢測，針對 反射射出的每條光線，關于構成其入射點的該物體的反射面，根據(jù)偏振光橢圓的觀測方位 角值得知入射面的方位、且根據(jù)包含偏振光橢圓的橢圓率理論值在內(nèi)的偏振光橢圓的橢圓 率值得知入射角，由此，測定反射面相對于射出光線的傾斜角，利用所測定的傾斜角在該物 體的表面平滑變化的性質(zhì)，提取物體信息。
17.根據(jù)權利要求16所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法，其特征在于，將人體或包含乳房在內(nèi)的人體的一部分作為檢測和/或計測物體，對由于包含惡性腫 瘤在內(nèi)的各種病變而引起的表面傾斜角的異常變化進行檢測確定。
18.根據(jù)權利要求16或17所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法，其特征在于，通過包含將患者包括在內(nèi)的觀察物體的姿勢變化的處理，賦予規(guī)定的變形，對變形前后的傾斜角的變化進行檢測和/或計測。
19.根據(jù)權利要求16 18中的任一項所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法，其 特征在于，設照明光為白色光，設為考慮了從包含皮膚在內(nèi)的觀察物體表面起的侵入深度與波長 一起變化的實質(zhì)的反射面，對該反射面的光學特性的變化進行檢測和/或計測。
20.一種形狀、傾斜度檢測和/或計測法，其特征在于，在利用物體的表面的反射光學特性對觀察物體的表面形狀或傾斜度進行檢測和/或 計測的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置中具有照明裝置，其以包圍該物體的周邊的 方式使包含實質(zhì)上已知的完全偏振狀態(tài)在內(nèi)的偏振狀態(tài)的光同樣入射；以及偏振光圖像檢 測裝置，其對被該物體的表面反射而以特定方位角射出的光線群的包含完全偏振光分量在 內(nèi)的偏振光分量的偏振光橢圓進行檢測，針對反射射出的每條光線，關于構成其入射點的 該物體的反射面即微斜面，根據(jù)偏振光橢圓的方位角得知入射面的方位角、即切平面的法 線的方位角，而且，根據(jù)該偏振光橢圓的橢圓率得知反射角即入射角，由此，測定反射面相 對于射出光線的傾斜角，進行平滑連接構成切平面的微斜面的積分操作。
21.根據(jù)權利要求20所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法，其特征在于，利用一次反射所引起的偏振光橢圓的變化的入射角依賴性，關于觀測物體表面的反射 點處的切平面的法線，直接對與作為觀測方向的軸所成的反射角以及投影到與該作為觀測 方向的軸垂直的平面上的投影分量的偏角進行計測。
22.根據(jù)權利要求20或21所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法，其特征在于，決定作為觀測方向的軸的分量的坐標下的偏微分系數(shù)，作為觀測物體表面的反射點的切平面的傾斜度。
23.根據(jù)權利要求20 22中的任一項所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法，其 特征在于，對觀測物體表面的反射點的切平面的法線的斜率進行計測，求出物體的反射點處的形 狀、傾斜度的偏微分系數(shù)，對該偏微分系數(shù)的時間變化和/或空間變化進行計測，直接利用 所得到的計測值，提取形狀的特征和/或傾斜度的特征。
24.根據(jù)權利要求20 23中的任一項所述的光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法，其 特征在于，利用橢圓偏振法，使用利用表示觀測對象樣本的光學性質(zhì)的光學模型計算出的復振幅 反射率比、以及由被反射的偏振光橢圓的橢圓率角和主軸的方位角求出的值Ψ、△，對切平 面的傾斜度以及觀測物體的形狀進行計測。
25.一種圓偏振光照明裝置，其用于對物體的形狀或傾斜度進行計測的傾斜度、形狀計 測法，該圓偏振光照明裝置的特征在于，該圓偏振光照明裝置用于使圓偏振光入射到構成包含內(nèi)表面在內(nèi)的物體表面的傾斜 面，使用向規(guī)定的觀察方位正反射的反射光線的偏振特性，進行該傾斜面的三維傾斜角和 構成該傾斜面的該物體的形狀、傾斜度的計測，并且，該圓偏振光照明裝置具有光源裝置， 該光源裝置具有與該物體正對的由平面或曲面構成的圓形或矩形或者其組合的多面體形 狀的照明區(qū)段，該區(qū)段由包圍物體的外表面的凹面或指向物體的內(nèi)表面的凸面構成，能夠 通過該區(qū)段向該物體照射包含實質(zhì)的完全圓偏振光在內(nèi)的圓偏振光，并且，使入射到該物 體的表面的圓偏振光光線群包含能夠根據(jù)反射定律向觀測方位正反射的所有入射光線分 量。
26.根據(jù)權利要求25所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，具有所述照明區(qū)段的光源裝置按順序包含光源、將光引導到該區(qū)段的光學元件以及圓 起偏鏡，該光源裝置具有如下功能能夠從該區(qū)段射出包含規(guī)定偏振度的完全圓偏振光在 內(nèi)的圓偏振光，作為規(guī)定角度范圍的入射角光線束。
27.根據(jù)權利要求25或沈所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，具有所述照明區(qū)段的光源裝置能夠?qū)υ撐矬w照射實質(zhì)上偏振度為99%以上的圓偏振 光光束群。
28.根據(jù)權利要求25 27中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，所述光源裝置的照明區(qū)段成為由與圓內(nèi)切的正多邊形中的任一個或者其組合構成的多面體區(qū)段。
29.根據(jù)權利要求25 觀中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，所述光源裝置以規(guī)定角度配置光纖元件，以垂直入射到照明區(qū)段。
30.根據(jù)權利要求25 四中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，具有所述照明區(qū)段的光源裝置按順序至少包含排列有點發(fā)光源的實質(zhì)的面光源和/ 或面發(fā)光光源以及圓起偏鏡。
31.根據(jù)權利要求25 30中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，所述光源裝置至少包含生成從一點發(fā)散的光束的光源機構和旋轉(zhuǎn)橢圓體反射鏡，以與 該旋轉(zhuǎn)橢圓體反射鏡的焦點一致的方式配置該發(fā)散點和物體的位置，通過反射使照明光線 收斂于物體，從而垂直入射到照明區(qū)段。
32.根據(jù)權利要求25 30中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，所述光源裝置至少包含生成平行的照明光束的光源機構和旋轉(zhuǎn)拋物面鏡，以與該旋轉(zhuǎn) 拋物面鏡的焦點一致的方式配置物體的位置，通過反射使照明光線收斂于物體，從而垂直 入射到照明區(qū)段。
33.根據(jù)權利要求25 32中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于，在所述光源裝置的照明區(qū)段內(nèi)具有照明角度原點基準。
34.根據(jù)權利要求25 33中的任一項所述的圓偏振光照明裝置，其特征在于， 該圓偏振光照明裝置具有如下功能以右旋圓偏振光和左旋圓偏振光的形式在時間上或空間上選擇照明光束的圓偏振狀態(tài)。
35.一種圓偏振光照明方法，用于如下的傾斜度、形狀計測法使圓偏振光入射到構成 包含內(nèi)表面在內(nèi)的物體的表面的傾斜面，使用向規(guī)定的觀察方位正反射的反射光線的偏振 特性，對該傾斜面的三維傾斜角和構成該傾斜面的該物體的形狀或傾斜度進行計測，該圓 偏振光照明方法的特征在于，使用具有照明區(qū)段的光源裝置，通過該區(qū)段向該物體照射包含實質(zhì)的完全圓偏振光在 內(nèi)的圓偏振光，使入射到該物體的表面的圓偏振光光線群包含能夠根據(jù)反射定律向觀測方 位正反射的所有入射光線分量，其中，該照明區(qū)段與測定對象物體正對，且為由平面或曲面 構成的圓形或矩形或者其組合的多面體形狀，并且該照明區(qū)段由包圍物體的外表面的凹面 或指向物體的內(nèi)表面的凸面構成。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠利用簡單的結(jié)構對外界干擾較強的包含人體的物體表面的傾斜角進行精密計測的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置；光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法；以及圓偏振光照明裝置。利用物體表面的反射光學特性對觀察物體的表面形狀或傾斜度進行檢測和/或計測的形狀、傾斜度檢測和/或計測光學裝置具有照明裝置，其以包圍該物體的周邊的方式使實質(zhì)上已知的完全偏振狀態(tài)的光同樣入射；以及偏振光圖像檢測裝置，其對被該物體的表面正反射而以特定方位角射出的光線群的完全偏振光分量的偏振光橢圓進行檢測，針對反射射出的每條光線，關于構成其入射點的該物體的反射面，通過根據(jù)偏振光橢圓的觀測方位角值得知入射面的方位的步驟1、以及根據(jù)偏振光橢圓的橢圓率理論值得知入射角度的步驟2，測定反射面相對于射出光線的傾斜角，同樣操作來構成光學形狀、傾斜度檢測和/或計測法。
文檔編號G01B11/24GK102124299SQ20098013225
公開日2011年7月13日 申請日期2009年8月20日 優(yōu)先權日2008年8月20日
發(fā)明者山本正樹, 津留俊英 申請人:國立大學法人東北大學