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专利名称：形状、倾斜度检测和/或计测光学装置和方法及其关联装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及形状、倾斜度检测和/或计测光学装置以及物体信息的提取法。特别 地，本发明涉及适用于形状计测显微镜、生物显微镜、形状计测望远镜、医疗诊断装置、乳房 X线照相装置、倾斜传感器等的观察样本的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置以及物体 信息的提取法。并且，本发明涉及圆偏振光照明装置和方法，特别地，涉及适用于形状计测 照相机、生物显微镜、形状计测望远镜、圆筒等的内表面形状计测装置、非球面形状计测装 置、乳房χ线照相装置、倾斜传感器等的观察样本的圆偏振光照明装置。
背景技术：
在通过显微观测对活体样本等样本的形态进行计测的情况下，利用适当的照明光 对三维形状的样本进行照明，通过显微光学系统对像进行放大投影。该情况下，投影面是 CCD检测器等的二维面，一般地，与样本的厚度方向的形状有关的信息丢失。特别地，作为通 过设法能够强调该二维性而得到多张厚度方向剖面的二维图像来再构建三维图像的显微 镜，共焦点显微镜(confocal microscope)已经实用化[高田邦昭编、“初的^-C i -C t h 共焦点顕微鏡活用口卜-一>”、羊土社、2003年12月発行、ISBN :9784897064130 (非专 利文献1)、国際公開第W02004/036284号〃 >、、)卜(专利文献1)]。但是，在该方法中， 以时间序列逐次对多个样本深度下的二维像进行摄像是必不可少的，以样本在观测时间内 没有变形为前提。并且，设法利用特殊结构、通过高速扫描二维像的强度分布、或利用阵列检测器进 行同步检测的方法实现了高速化，但是，不仅使装置大型化，还使摄像条件和环境复杂化， 所以，为了得到稳定的动作，需要较大成本。另一方面，作为能够对物体表面的形状及其变化进行精密计测的方法，各种干涉 计测法已经实用化。但是，在这些方法中，一般地，对光路进行分割而形成观测光和参照光， 对其光路差进行控制，生成干涉条纹，从而对光路长度进行计测。因此，计测值由于各个光 路中的外界干扰而受到影响，所以，除振对策或温度变动去除等需要准备特殊的环境，在通 常的环境下无法应用。并且，根据光路方向的距离来计算形状，所以，以由等高线表示的地 形图的样式来表现形状。因此，无法直接对表面形状、特别是表面倾斜进行计测。进而，在 人体表面的形状中，莫尔地形测量学等的条纹投影法已经实用化，但是，计测精度低到Imm 左右。在利用了全息照相的干涉法中，感光度高，但是手续复杂。进而，在机器人学应用中开发了如下的计测法利用非偏振光对物体形状进 行照明，利用在透明物体表面的偏振角反射中产生偏斜、即反射光的s偏振光分量比 P偏振光分量多的性质，识别物体的形状[Recovery of Surface Orientation From DiffusePolarization, G. Atkinson and E.R.Hancock, IEEE Transaction of Image Processing, Vol. 15, No. 6, June 2006 (非专利文献2)]。在机器人学应用中，意识到实用， 以自然光(非偏振光)的照明为前提，形状识别的偏振光计测属于对部分偏振光进行计测的偏振测定法(Polarimetry)计测。另外，在初期的越川的开发中，采用了圆偏振光照明 [A Polarimetric Approach to Shape Understanding of Glossy Objects,K. Koshikawa, Proc. Int. Joint Conf. Art. Intell.，pp. 493-495 (1979)(非专利文献 3)、特公昭 61-17281 号公報“光沢面方向検知方法”(专利文献2)]。但是，计测法是对部分偏振光进行处理的偏 振测定法计测，在原理上，在透明体中得到计测感光度，但是在金属面中无法得到感光度， 所以，此后的开发缩小为在非偏振光照明下对偏振度进行计测的简便计测。这些方法在透明体中实现了形状再现，但是，计测角度的精度为几度左右。并且， 在金属样本中，由于偏振角，P偏振光分量的反射不为零而仅取极小值，所以，反射强度之差 �。�在原理上无法应用。偏振光(polarization)是电场和磁场在特定方向具有偏斜而振动的光。以偏斜 的时间变化的形状进行区分时，偏振光一般为椭圆偏振光，但是，也存在线偏振光、圆偏振 光。然而，光是电磁波，电磁场是与行进方向垂直振动的横波，在线偏振光中，电场(和磁 场)的振动方向恒定，线偏振光的振动面指向电场的方向。在圆偏振光中，电场(和磁场) 的振动伴随传播而描绘圆，根据旋转方向而存在右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。椭圆偏振 光是由线偏振光和圆偏振光的一次耦合来表现的最一般的偏振状态，电场(和磁场)的振 动与时间相关地描绘椭圆。椭圆偏振光也存在右椭圆偏振光和左椭圆偏振光。将电场分量 与入射面垂直的光(电磁波)称为s波[与入射面垂直(senkrecht)，σ光]，而且，将电 场分量与入射面平行的光(电磁波)称为P波[与入射面平行(parallel)，π光]，将朝 向前进方向顺时针旋转的光称为左旋圆偏振光(从接受光的一侧观察为左旋)，而且，将朝 向前进方向逆时针旋转的光称为右旋圆偏振光(从接受光的一侧观察为右旋)。特别地，将 偏斜的时间变化的形状仅决定为一个形状的偏振光称为完全偏振光。并且，将不具有偏斜 的非偏振光和完全偏振光之和称为部分偏振光。与偏振测定法相对比，作为得到高计测精度的偏振光计测方法，存在椭圆偏振法 (ellipsometry)。在偏振测定法中，对包含伴随光的散射等的非偏振光分量的部分偏振光 进行计测。另一方面，在椭圆偏振法中，为了对不产生散射的程度的平滑表面的反射进行处 理，将表示完全偏振光的偏振状态的偏振光椭圆的形状作为计测对象，所以计测精度高。关 于偏振光的测定和分析法，能够参照山本正樹、“偏光測定i偏光分析法”、小瀬輝次他编、 “光工学/、> F 7" 夕”、朝倉書店、1986、pp.411-427(非专利文献4)；以及小澤祐市、佐藤 俊一、“軸对称偏光e — A ”、光学、35卷12号(2006)、pp. 9-18 (非专利文献5)。作为以光学方式对物体的三维形状进行计测的方法，各种干涉计测法、莫尔地形 测量学等的条纹投影法、或共焦点显微镜观察法已经广泛实用化。在这些光计测法中，基本 上通过距离计测，以由等高线表示的地形图的样式来构建形状。作为与距离计测无关的计 测法，在机器人学领域中，在非偏振光照明下利用物体表面的散射光的“偏斜”的三维形状 的识别研究正在进展形状再构建成功[非专利文献6]。并且，还能够参照专利说明书[专 利文献3 日本特开平11-211433号公报]。这些形状识别应用的计测原理是偏振测定法， 例如，是利用了表示雪面的散射的“偏斜”的偏振度的倾斜角依赖性在水的偏振角下接近最 大值1的性质的倾斜计测法。偏振度的计测精度停留在几％，所以，在现状下应用被限定为 形状识别，但是，通过利用偏振光，从而直接读出“倾斜度”，表示能够以实际时间再构建物 体形状。
该机器人学应用中的具有光泽的透明散射体的形状识别的研究在1979年由越川 提出[非专利文献3、专利文献2 日本特公昭61-17281号公报]，在原理验证的实验中使 用圆偏振光照明，但是，是基于散射样本的部分偏振光计测。因此，此后，在专门使用非偏振 光照明对形状进行精密计测的方向没有发展。但是，在该机器人学应用中实际时间计测所 需要的偏振光图像的检测中，偏振光照相机[非专利文献7]的开发有所进展，各种物体形 状的提出的应用也有所进展。另一方面，作为利用了偏振光的精密计测法，公知有椭圆偏振法。在椭圆偏振法 中，将线偏振光作为探测器倾斜入射到平面样本，根据反射的偏振状态的变化对样本的光 学性质和薄膜的厚度进行精密计测。在该椭圆偏振法领域中，公知有在精密计测中利用偏 振光反射特性的入射角依赖性的主入射角法[非专利文献4]，但是，是对样本的光学特性 进行计测的标准目的的方法，计测对象被限定为平面样本。发明人通过基于主入射角法的偏振光分析法的发明[专利文献4:日本特公 昭52-46825号公报、专利文献5 日本特公昭60-41732号公报、专利文献6 日本特公平 2-16458号公报]与应用，熟知与反射的偏振状态的入射角依赖性有关的光学特性。专利文献专利文献1专利文献2专利文献3专利文献4专利文献5专利文献6专利文献7非专利文献非专利文献1 高田邦昭编、“初办m t t h共焦点顕微鏡活用口卜-一 >”、羊土社、2003 年 12 月発行、ISBN 9784897064130非专利文献 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)非专利文献4 山本正樹、“偏光測定i偏光分析法”、小瀬輝次他编、“光工学〃 > K ,夕，，、朝倉書店、1986、pp. 411-427非专利文献5 小澤祐市、佐藤俊一、“軸对称偏光e — A ”、光学、35卷12号 (2006)、pp.9-18非专利文献6:川上彰二郎、“積層型7才卜二 〃々结晶O產業的諸虑用”虑用物 理、77，508-514 (2008)非专利文献7 “正反射α办物体表面O倾斜二 U y j卜U --精密実時間形 状計測 ο 基本概念-”、光学、Vol. 38，No. 4 (2009) pp. 204-212国际公开第 2004/036284 号手册(W02004/036284，A) 日本特公昭61-17281号公报 日本特开平11-211433号公报 日本特公昭52-46825号公报 日本特公昭60-41732号公报 日本特公平2-16458号公报 日本特愿2008-211895号
非专禾Ij 文献 8 :K. Kinoshita and Μ. Yamamoto, “ Principal Angle-of-IncidenceEllipsometry“ , Surf. Sci. 56,64-75(1976)用于测定物体的三维形状的现有的干涉法等的方法是对光路长度的变化、即距离 的变化进行精密计测的几何学的三角测量法。例如，在计算倾斜度时，进行观测物体上的离 开规定距离L的位置处的观测值的运算，所以，L的决定误差也成为倾斜度的误差。并且， 观测到的光路长度在光的传播中容易受到外界干扰。

发明内容
本发明的目的在于，提供能够利用简单的结构对外界干扰较强的包含人体的物体 表面的倾斜角进行精密的检测和/或计测的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置以及光 学形状、倾斜度检测和/或计测法。并且，提供在该对物体形状进行计测的倾斜度、形状计 测法中使用的能够确保计测精度的圆偏振光照明装置以及圆偏振光照明方法。本发明人进行潜心研究的结果，成功发现了 在已知的具有偏振光椭圆的形状的 完全偏振光被物质表面反射时，在光的电矢量的P分量和s分量中，振幅和相位的变化不 同，所以，在反射光的完全偏振光分量的偏振光椭圆的形状变化这样的椭圆偏振法的原理 中，如果利用(1) “偏振光椭圆的方位角变化的基准为入射面方位”，(2) “偏振光椭圆的椭 圆率的变化相对于入射角为单调函数”的性质，则能够对反射光的偏振光椭圆进行计测，通 过根据偏振光椭圆的方位角计测值得知入射面方位的步骤1、以及根据偏振光椭圆的椭圆 率计测值在理论上计算入射角的步骤2，能够在理论上决定作为样本的物质表面中对入射 光进行反射的微斜面、即切平面的倾斜度，可以设该观测物质的表面在观测视场内连续，所 以，平滑地连接所决定的微斜面的倾斜度，从而能够再现三维形状，由此，完成了本发明。本发明提供如下的方式。[1] 一种形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其利用物体的表面的反射光学特 性对观察物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或计测，该形状、倾斜度检测和/或计测光 学装置的特征在于，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置具有照明装置，其以包围该 物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态的偏振状态的光同样入射；以及偏振 光图像检测装置，其对被该物体的表面正反射而以特定方位角射出的光线群的包含完全偏 振光分量的偏振光分量的偏振光椭圆进行检测，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置 针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面，通过步骤1和步骤2测定 反射面相对于射出光线的倾斜角，其中，在该步骤1中，根据偏振光椭圆的观测方位角值得 知入射面的方位，在该步骤2中，根据包含偏振光椭圆的椭圆率理论值的偏振光椭圆的椭 圆率值得知入射角。[2]根据上述[1]所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，以包 围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态的偏振状态的光同样入射的照 明装置照射包含完全圆偏振光的圆偏振光。[3]根据上述[1]或[2]所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在 于，在根据偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位的步骤1中，(1)根据包含偏振光 椭圆的观测方位角理论值的偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位；或者(2)在以 包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态的偏振状态的光同样入射的照明装置中，切换入射右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，从而利用与物体的表面的反射光学 特性无关而相对于入射面对称地切换包含反射偏振光椭圆的观测方位角理论值的反射偏 振光椭圆的观测方位角值的性质，确定入射面方位。[4]根据上述[1] [3]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装 置，其特征在于，以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态的偏振状 态的光同样入射的照明装置包含在空间上确定的入射光线作为计测基准原点，能够根据由 偏振光图像检测装置确定的反射点中的偏振光椭圆的观测值，确定该反射面的光学性质。[5]根据上述[1] [4]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装 置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行 检测的偏振光图像检测装置具有如下机构能够提取具有实质上相同的偏振光椭圆的光线 群的方位角范围。[6]根据上述[1] [5]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装 置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行 检测的偏振光图像检测装置具有如下结构将反射光在空间上分割为至少3个以上的多 个，分配能够检测彼此不同的特定的偏振光椭圆的多个检偏镜，并行地同时检测偏振光椭圆。[7]根据上述[1] [6]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装 置，其特征在于，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置具有垂直线偏振光像检测单元， 该垂直线偏振光像检测单元利用偏振光分束器将反射光分割为直行的P偏振光分量和反 射的S偏振光分量，通过成像透镜使其分别在二维检测器上成像，取出物体像作为垂直偏 振光像输出。[8]根据上述[1] [7]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装 置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行 检测的偏振光图像检测装置具有如下机构得到物体的缩小投影像，从而确定物体的表面 的光线位置。[9]根据上述[1] [7]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装 置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行 检测的偏振光图像检测装置具有如下机构得到物体的放大投影像，从而确定物体的表面 的光线位置。[10]根据上述[1] [7]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装 置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行 检测的偏振光图像检测装置具有如下机构具有准直仪，从而确定物体的表面的光线位置。[11]根据上述[1] [7]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装 置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行 检测的偏振光图像检测装置具有如下机构将该装置实质上配置在无限远处，从而确定物 体的表面的光线位置。[12]根据上述[1] [7]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装 置，其特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行 检测的偏振光图像检测装置具有如下机构具有针孔(Pinhole)，从而确定物体的表面的光线位置。[13]根据上述[1] [12]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装 置，其特征在于，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置是如下的包含乳房摄影设备的医 疗诊断装置将人体或包含乳房的人体的一部分作为检测和/或计测物体，对由于包含恶 性肿瘤在内的各种病变而引起的表面倾斜角的异常变化进行检测确定。[14]根据上述[1] [13]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装 置，其特征在于，通过患者包括在内的观察物体的包含姿势变化的力学处理，赋予基于规定 应力的变形，对变形前后的倾斜角的变化进行检测和/或计测，从而提取力学特性。[15]根据上述[1] [14]中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装 置，其特征在于，设照明光为白色光，设为考虑了从包含皮肤的观察物体表面起的侵入深度 与波长一起变化的实质的反射面，对该反射面的光学特性的变化进行检测和/或计测。[16] 一种光学形状、倾斜度检测和/或计测法，利用物体的表面的反射光学特性 对观察物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或计测，该光学形状、倾斜度检测和/或计测 法的特征在于，通过照明装置，以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振 状态的偏振状态的光同样入射，利用偏振光图像检测装置，对被该物体的表面正反射而以 特定方位角射出的光线群的包含完全偏振光分量的偏振光分量的偏振光椭圆进行检测，将 该检测装置的光学系统的NA设为最大值还是针对偏振状态的计测精度的函数值，针对反 射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面，根据偏振光椭圆的观测方位角 值得知入射面的方位、且根据包含偏振光椭圆的椭圆率理论值的偏振光椭圆的椭圆率值得 知入射角，由此，测定反射面相对于射出光线的倾斜角，利用所测定的倾斜角在该物体的表 面平滑变化的性质，提取物体信息。[17]根据上述[16]所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，将人 体或包含乳房在内的人体的一部分作为检测和/或计测物体，对由于包含恶性肿瘤在内的 各种病变而引起的表面倾斜角的异常变化进行检测确定。[18]根据上述[16]或[17]所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在 于，通过包含将患者包括在内的观察物体的姿势变化的处理，赋予规定的变形，对变形前后 的倾斜角的变化进行检测和/或计测。[19]根据上述[16] [18]中的任一项所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测 法，其特征在于，设照明光为白色光，设为考虑了从包含皮肤的观察物体表面起的侵入深度 与波长一起变化的实质的反射面，对该反射面的光学特性的变化进行检测和/或计测。[20] 一种形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，在利用物体的表面的反射 光学特性对观察物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或计测的形状、倾斜度检测和/或 计测光学装置中具有照明装置，其以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全 偏振状态的偏振状态的光同样入射；以及偏振光图像检测装置，其对被该物体的表面反射 而以特定方位角射出的光线群的包含完全偏振光分量的偏振光分量的偏振光椭圆进行检 测，针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面即微斜面，根据偏振光 椭圆的方位角得知入射面的方位角、即切平面的法线的方位角，而且，根据该偏振光椭圆的 椭圆率得知反射角即入射角，由此，测定反射面相对于射出光线的倾斜角，进行平滑地连接 构成切平面的微斜面的积分操作。
[21]根据上述[20]所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，利用 一次反射所引起的偏振光椭圆的变化的入射角依赖性，关于观测物体表面的反射点处的切 平面的法线，直接对与作为观测方向的轴构成的反射角以及对与该作为观测方向的轴垂直 的平面的投影分量的偏角进行计测。[22]根据上述[20]或[21]所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在 于，决定作为观测方向的轴分量的坐标下的偏微分系数，作为观测物体表面的反射点的切 平面的倾斜度。[23]根据上述[20] [22]中的任一项所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测 法，其特征在于，对观测物体表面的反射点的切平面的法线的斜率进行计测，求出物体的反 射点处的形状、倾斜度的偏微分系数，对该偏微分系数的时间变化和/或空间变化进行计 测，直接利用所得到的计测值，提取形状的特征和/或倾斜度的特征。[24]根据上述[20] [23]中的任一项所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测 法，其特征在于，利用椭圆偏振法，使用利用表示观测对象样本的光学性质的光学模型计算 出的复振幅反射率比、以及由反射的偏振光椭圆的椭圆率角和主轴的方位角求出的值Ψ、 Δ，对切平面的倾斜度以及观测物体的形状进行计测。在基于上述的设样本的光学特性已知、样本表面的几何学方位未知的新发明、即 使圆偏振光入射到构成物体表面的倾斜面、使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏 振特性对该倾斜面的三维倾斜角和构成该倾斜面的该物体的形状、倾斜度进行计测的倾斜 度、形状计测法的发明的计测法开发研究的过程中，对计测误差及其起因进行分析的结果 发现了 通过采用新的结构来限定圆偏振光照明装置的方法，能够确保计测精度。即，通过 本发明的圆偏振光装置，在发明人提出的基于3D倾斜椭圆偏振法的精密形状计测中，能够 实现椭圆偏振法的计测精度< 1%。该精度大大改善了现有技术的偏振度计测的超高的 几％。进而，发明人发现了 基于3D倾斜椭圆偏振法的精密形状计测能够应用于无法应 用现有的光学形状计测的、包含内表面的物体表面的形状、倾斜计测。特别地，发现了 针对 圆筒状的物体内表面、甚至是封住一端后的圆筒状的物体内表面等的无法应用光学方法的 对象，能够应用精密光学计测。在发明人提出的基于3D倾斜椭圆偏振法的精密形状、倾斜计测中，排除了作为计 测误差要因的圆偏振光照明光的不完全性，实现了所期待的椭圆偏振法的计测精度 0. 1%。并且，能够进行包含内表面的物体表面的倾斜、形状的光学精密计测。这样，本发明还提供如下的方式。[25] 一种圆偏振光照明装置，其用于对物体的形状或倾斜度进行计测的倾斜度、 形状计测法，该圆偏振光照明装置的特征在于，该圆偏振光照明装置用于使圆偏振光入射 到构成包含内表面的物体表面的倾斜面，使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏振 特性，进行该倾斜面的三维倾斜角和构成该倾斜面的该物体的形状、倾斜度的计测，并且， 该圆偏振光照明装置具有光源装置，该光源装置具有与该物体正对的由平面或曲面构成的 圆形或矩形或者其组合的多面体形状的照明区段，该区段由包围物体的外表面的凹面或指 向物体的内表面的凸面构成，能够通过该区段向该物体照射包含实质的完全圆偏振光的圆 偏振光，并且，使入射到该物体的表面的圆偏振光光线群包含能够根据反射定律向观测方位正反射的所有入射光线分量。[26]根据上述[25]所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，具有所述照明区段的 光源装置按顺序包含光源、将光引导到该区段的光学元件以及圆起偏镜，该光源装置具有 如下功能能够从该区段射出包含规定偏振度的完全圆偏振光的圆偏振光，作为规定角度 范围的入射角光线束。[27]根据上述[25]或[26]所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，具有所述照明 区段的光源装置能够对该物体照射实质上偏振度为99%以上的圆偏振光光束群。[28]根据上述[25] [27]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，所 述光源装置的照明区段成为由与圆内切的正多边形中的任一个或者其组合构成的多面体 区段。[29]根据上述[25] [28]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，所 述光源装置以规定角度配置光纤元件，以垂直入射到照明区段。[30]根据上述[25] [29]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，具 有所述照明区段的光源装置按顺序至少包含排列有点发光源的实质的面光源和/或面发 光光源以及圆起偏镜。[31]根据上述[25] [30]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，所 述光源装置至少包含用于生成从一点发散的光束的光源机构和旋转椭圆体反射镜，以与该 旋转椭圆体反射镜的焦点一致的方式配置该发散点和物体的位置，通过反射使照明光线收 敛于物体，从而垂直入射到照明区段。[32]根据上述[25] [30]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，所 述光源装置至少包含生成平行的照明光束的光源机构和旋转抛物面镜，以与该旋转抛物面 镜的焦点一致的方式配置物体的位置，通过反射使照明光线收敛于物体，从而垂直入射到 照明区段。[33]根据上述[25] [32]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，在 所述光源装置的照明区段内具有照明角度原点基准。[34]根据上述[25] [33]中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，该 圆偏振光照明装置具有如下功能以右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的形式在时间上或空间 上选择照明光束的圆偏振状态。[35] 一种圆偏振光照明方法，用于如下的倾斜度、形状计测法使圆偏振光入射 到构成包含内表面的物体表面的倾斜面，使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏振 特性，对该倾斜面的三维倾斜角和构成该倾斜面的该物体的形状或倾斜度进行计测，该圆 偏振光照明方法的特征在于，使用具有照明区段的光源装置，通过该区段向该物体照射包 含实质的完全圆偏振光的圆偏振光，使入射到该物体的表面的圆偏振光光线群包含能够根 据反射定律向观测方位正反射的所有入射光线分量，其中，该照明区段与测定对象物体正 对，且为由平面或曲面构成的圆形或矩形或者其组合的多面体形状，并且该照明区段由包 围物体外表面的凹面或指向物体内表面的凸面构成。根据本发明，能够对由显微镜、望远镜、投影装置等成像装置记录的物体的二维偏 振光像进行分析，以0.01° 0.001°的精度对构成物体的表面的倾斜角(0° 90° )进 行检测和/或计测。得到如下的三维形状、倾斜度检测和/或计测装置利用物体表面平滑
14相连的性质时，能够使用所计测的倾斜角再构建物体的三维形状。并且，该装置不需要复杂 的机构，是简便的三维形状、倾斜度检测和/或计测装置。在本发明中，通过偏振光的反射直接观测反射面的倾斜角。基于反射的偏振状态 的变化是在计测部中仅产生一次的现象。除了该反射现象以外，在光的传播中不产生偏振 状态的变化。入射偏振光和反射后的射出偏振光均通过空气或液体等的各向同性且均一的 介质，所以，在传播中光的偏振状态不产生变化。因此，不选择观测环境、也不受观测距离影 响是最大的特征。在本发明中，能够直接读出物体的倾斜度。能够精密且以非接触的方式观测倾斜 的局部变化，所以，能够通过简单的图像处理进行各种应用。特别地，不选择环境，所以，能 够提供显微镜下的毫微尺寸的样本的动力学计测、提取基于恶性肿瘤的乳房表面的局部凹 陷等的人体等的医疗诊断、以及基于卫星图像的计测应用等、各种环境下的新颖的检测和/ 或计测装置，进而，能够广泛地应用该装置。进而，根据本发明，得到能够良好地在三维形状、倾斜计测装置中使用的圆偏振光 照明装置，该三维形状、倾斜计测装置能够对由偏振光照相机等记录的样本的二维偏振光 像进行分析，对包含样本内表面的表面的三维倾斜和形状进行精密计测。特别地，得到实现 了所期待的椭圆偏振法的计测精度 0. 的结构。通过以下记载，本领域技术人员能够明白本发明的其他目的、特征、优秀性及其所 具有的观点。但是，包含以下记载和具体实施例等的记载在内的本案件说明书的记载示出 本发明的优选方式，希望理解为仅是为了进行说明而示出的记载。根据以下记载和本说明 书其他部分的知识，本领域技术人员能够容易地明白能够在本说明书所公开的本发明的意 图和范围内进行各种变化和/或改变(或修饰)。在本说明书中引用的所有专利文献和参 考文献是以说明为目的而引用的，应该理解它们作为本说明书的一部分，其内容包含在本 说明书中。


图1示出入射到球状样本的光线(粗线)在各反射点反射而向观测方位反射的状 况。观测方位为Z轴方向，在x-y平面进行反射的情况下，根据反射定律，描绘反射光线与 Z轴平行的状况。设样本是透明的。图2示意地示出球状样本的观测面(为圆)以及该观测面即圆内部的观测点的光 的偏振状态。偏振光的状态在图中用椭圆示出，但是，椭圆的主轴方位与入射面垂直。切平 面的法线在与观测方向即ζ轴所成的角、即折射率η = 1. 5的介质的偏振角φ=56°附近经由 椭圆率￡ =0的线偏振光，所以，附加圆形阴影来示出该线偏振光的内侧区域(入射角小 于某个特定介质的偏振角的区域)。在附加阴影的区域中为左旋的偏振光，阴影外侧的样本 观测面周边部为右旋的偏振光。设样本是透明的。相当于样本为透明细胞等的情况。图3示意地示出样本存在吸收时的与图2对应的球状样本的观测面以及该观测面 即圆内部的观测点的光的偏振状态。偏振光的状态在图中用椭圆示出，但是，可知椭圆的方 位角旋转规定量。相当于样本为铝等的吸收体等的情况。图4示出对作为样本的折射率η = 1. 5的玻璃存在于空气中时的入射角与偏振状 态tanWcosA和tanWsinA的关系进行计算后的结果。相当于样本为透明细胞等的情况。
图5示出对作为样本的折射率η = 1. 5的玻璃存在于空气中时的入射角与p_s偏 振光分量的强度反射率的关系进行计算后的结果。相当于样本为透明细胞等的情况。图6示出对样本为吸收体时的入射角与复振幅反射率比Rp/Rs的关系进行计算后 的结果。假设将氧化后的铝表面作为样本，利用波长405nm(蓝色发光二极管波长)的复平 面显示来示出。另外，由于存在吸收，所以复折射率为0.6-5. 04i。相当于样本为金属等的 情况。图7示出对样本为吸收体时的入射角与复振幅反射率比Rp/Rs的Ψ和Δ的关系 进行计算后的结果。假设将氧化后的铝表面作为样本，是波长405nm(蓝色发光二极管波 长)的值。另外，由于存在吸收，所以复折射率为0.6-5. 04i。相当于样本为金属等的情况。图8示出对作为样本的铝(具有氧化后的铝表面)存在于空气中时的入射角与 P-S偏振光分量的强度反射率的关系进行计算后的结果。另外，由于存在吸收，所以复折射 率为0.6-5. 04i。相当于样本为金属等的情况。是波长405nm(蓝色发光二极管波长)的 值。图9示出作为本发明的形状计测光学装置之一的形状计测望远镜的结构。利用最 简单的基本结构示出装置。图10示出作为本发明的形状计测光学装置之一的形状计测显微镜的结构。利用 最简单的一个基本结构示出装置。图11示出本发明的形状计测光学装置的一个结构。利用最简单的一个基本结构 示出装置。图12示出本发明的形状计测光学装置的一个结构例。图13示出本发明的形状计测光学装置的另一个结构例。图14示出作为本发明的形状计测光学装置之一的乳房摄影设备的结构例。图15示出作为本发明的形状计测光学装置之一的乳房摄影设备的其他结构例。图16示出在本发明中利用的垂直单元的一个结构。图17示意地示出本发明的形状计测光学装置的一个结构例。图18示意地示出本发明的形状计测光学装置的另一个结构例。图19是说明将在二维面内规定的椭圆偏振法的概念扩展到包含三维物体的内表 面的表面的正反射的情况的图。利用圆偏振光同样对物体表面进行照明，从ζ方向观测正 反射光时，在从ζ方向观察到的表面内的任意反射点，存在满足反射定律的“明亮”正反射0 次光分量光线。入射面被定义为包含入射光线和反射面的法线的面，与反射面垂直的法线 矢量必定包含在入射面内，反射角(=入射角)等于法线矢量与ζ轴所成的角，关于任意的 在ζ方向前进的光线，如果能够决定入射面的方位角和入射角，则能够决定法线矢量。图20示出在圆偏振光照明下从ζ方向观测的反射偏振光的椭圆。(a)示出基于电 介质样本的反射的情况，(b)示出基于金属样本的反射的情况。图21示出右旋圆偏振光入射的观测椭圆率角和入射角余弦的转换表。图22示出在倾斜度、形状计测法的实验中使用的装置，该装置使圆偏振光入射到 构成物体表面的倾斜面，使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏振特性，对该倾斜 面的三维倾斜角和构成该倾斜面的该物体的形状进行计测。图23在左侧和右侧并列示出使用图19的装置对角锥台和半球进行观测的结果。从上侧起，a)为椭圆率角观测值，b)为方位角观测值，C)为样本照片。图24利用实线示出将起偏镜和检偏镜配置在一条直线上、将起偏镜的透射轴固 定为方位角0°并设检偏镜的透射轴的方位为θ时的透射光的强度变化。利用虚线表示根 据右侧纵轴的刻度以对数示出该强度变化后的值。图25利用观测强度I的消光位置附近的方位角变化来示出基于各种消光率的起 偏镜的马吕斯定律。图26说明如下状况利用复折射的相矢量的相位角在原理上示出入射角依赖性， 但是，这种情况下，允许角度范围依赖于必要的精度而被限定。图27示出针对平均折射率1. 5,1. 4,1. 0计算相矢量的相位角与入射角的关系的例子。图28示出在以规定精度生成完全圆偏振光时，需要使光线相对于偏振光元件的 入射角或出射角收敛于规定的允许角度范围内，而且，设在表示允许角度的圆内内切的正 多边形作为要素时，能够满足该条件。图29示出在面发光光源中贴合圆起偏镜从而紧凑地构成的照明区段的一例。图30示出在光源装置的照明区段内具有照明角度原点基准时的一例。图31示出在光源装置中使与测定对象物体正对的正多边形成为照明区段的照明 区域的结构例。图32示出在光源装置中使与测定对象物体正对的正八面体成为照明区段的照明 区域的结构中组合光纤光源的形态的结构的一例。图33示出本发明的圆偏振光照明装置的一个具体例。图34示出本发明的圆偏振光照明装置的另一个具体例。图35示出基于本发明的内表面形状观察时的一个具体例。图36示出基于本发明的内表面形状观察时的另一个具体例。图37示出封住一端后的内表面形状观察时的基于本发明的一个具体例。图38示出封住一端后的内表面形状观察时的基于本发明的另一个具体例。图39以构成旋转抛物面的样本的内表面形状为例、示出内表面形状观察时的基 于本发明的另一个具体例。图40以构成旋转椭圆面的样本的内表面形状为例、示出内表面形状观察时的基 于本发明的另一个具体例。
具体实施例方式本发明涉及形状、倾斜度检测和/或形状、倾斜度计测，特别地，涉及能够进行三 维形状计测的光学装置以及包含三维信息的物体信息的提取法。特别地，本发明涉及适用 于形状计测显微镜、生物显微镜、形状计测望远镜、医疗诊断装置、乳房X线照相装置、倾斜 传感器等的观察样本的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置以及物体信息的提取法。在本发明中，提供如下的对形状进行检测和/或计测的技术在电场和磁场仅在 特定方向进行振动的光即偏振光被物质表面反射时，在光的电矢量的P分量(电矢量与入 射面平行的方向上的分量)和s分量(电矢量与入射面垂直的方向上的分量)中，振幅和 相位的变化不同，由此，在反射光中，偏振状态变化，而且，如果利用(1)该“偏振状态变化的基准为入射面方位”，该偏振状态的变化(2) “相对于入射角为单调函数”的性质，则能够 对反射光的偏振状态进行计测，能够根据计测值来计算入射面的方位和入射角，能够决定 作为样本的物质表面中对入射光进行反射的微斜面、即切平面的倾斜度，然后，利用该观测 物质的表面在观测视场内连续的性质，平滑地连接所决定的微斜面的倾斜度，从而再现三 维形状。在本发明中，提供如下技术从周边对具有平滑表面(边界面)的样本物质(例 如透明的球形细胞)同样照射具有被控制的已知偏斜(例如右旋圆偏振光)的偏振光，然 后，通过从在空间上固定的观测方位观测该样本作为偏振光像，能够进行样本的形状、倾斜 度检测和/或形状、倾斜度计测。在本发明的一个方式中，向观测方位反射的光线分别由在形成样本表面(边界 面)的微斜面(切平面)进行镜面反射的微斜面分量构成，该微斜面分量是作为在微斜面 中进行满足反射定律的反射的结果而产生的，在圆偏振光入射中，在透明体表面反射的光 为椭圆偏振光，椭圆的长轴始终与微斜面(切平面)平行，并且，椭圆偏振光中的椭圆的椭 圆率角与入射角处于单纯的线性关系，所以，通过对偏振状态(椭圆的长轴方位和椭圆率) 进行计测，从而能够根据长轴方位来决定入射面(切平面的法线)的方位角，能够根据椭圆 率来决定反射角(根据反射定律，与入射角相等)，其结果，能够对反射微斜面相对于观测 方向的倾斜角进行计测。并且，使用该数据，由于球形细胞的表面在观测视场内连续，所以， 平滑地连接所决定的微斜面的倾斜度，从而能够再现三维形状。这样，本发明是如下的技术利用偏振光的反射特性，能够包含光轴方向的坐标在 内地决定样本的三维形状。本发明提供如下技术由偏振光在观测物体表面的反射而产生的偏振状态的变化 依赖于入射角，关于观测物体表面的反射点处的切平面的法线，对与观测方向即轴成的角 度以及对与观测方向即轴垂直的平面的投影分量的偏角进行计测，根据该计测的法线的斜 率，求出物体的反射点处的偏微分系数，利用该偏微分系数的时间变化或空间变化的计测 值，提取形状的特征和/或倾斜度的特征。并且，本发明给出如下技术在观测表面整体的 区域中，对所计测的偏微分系数进行积分，从而进行三维形状的构建。进而，在本发明中，着 眼于几何学形状不依赖于观测波长，还提供提取反射面的物理光学特性来进行检测和/或 计测的技术。在本发明中，提供如下的简便且通用的形状、倾斜度检测和/或形状、倾斜度计测 以及分析方法所有物质对于光的共同性质是如下的两个性质即，(a)在入射角φ=0弧度 =0°时复振幅反射率比P为-1，在入射角φ=π/2弧度=90°时复振幅反射率比P为1; 以及(b)当入射角φ从0变化到π/2时，在复平面上，复量P从-1到1单调变化，在中途 P的实数部必定通过0的虚轴(Δ = 士 π/2)，在这两个性质中组合特定结构、即利用圆偏 振光从样本周边同样照射、并从空间上固定的方向对镜面反射光的偏振状态进行观测的结 构，由此，根据在样本剖面坐标上的规定反射点观测到的反射椭圆偏振光的形状，对该反射 点的入射面的斜率和入射角(=反射角)进行计测，进而，在样本剖面内的计测点之间依次 平滑地连接所计测的反射点的反射面，从而对样本的形状进行再构建。本发明提供实现上述技术的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置以及物体信息 的提取法。
(本发明的原理)在本发明中利用的偏振光计测与现有技术的精密偏振光分析法即椭圆偏振法相 关联。作为利用在物体表面反射的光(一般为电磁波)的基本特性即“偏斜”的性质对薄 膜样本的折射率和膜厚进行精密计测的方法、或者对样本表面的光学性质进行精密计测的 方法等的对样本的光学性质进行计测的方法，以往公知有椭圆偏振法。另一方面，本发明的物体表面倾斜角的计测原理将椭圆偏振法应用于以往完全没 有使用的几何学形状的精密计测，提供称为“倾斜椭圆偏振法”的新概念。如图1所示，以样本的形状计测为目的，从周边对具有平滑表面或边界面的样本 物体(例如透明的球形细胞)同样照射特定偏振状态(例如右旋圆偏振光)的完全偏振光。 从在空间上固定的观测方位观测该样本作为偏振光像。设观测方位为ζ方向时，向ζ方向 反射的光线分别由在形成样本表面(边界面)的微斜面(切平面)进行镜面反射的微斜面 分量构成。该“微斜面分量”是作为“在微斜面中进行满足反射定律的反射的结果”而产生 的。这里，在实际的物质表面的反射中，在包含相对于光的波长而无法忽视的大小的表面粗 糙度的情况下，反射光一般为部分偏振光。但是，所有部分偏振光由完全偏振光分量和非偏 振光分量之和来记述，在椭圆偏振法中，入射已知的完全偏振光，将反射的完全偏振光分量 的偏振状态作为计测对象。根据需要，将非偏振光分量作为偏振度来计测。这里，首先考虑利用标准的椭圆偏振法进行处理的完全偏振光的情况。由于观测方向被固定，所以，能够利用切平面的法线的斜率来定义微斜面的反射。例如，能够利用与观测方向即ζ轴所成的角Cp1、和将ζ轴作为旋转轴的从X轴起的 旋转角91来记述。Q1等于切平面的法线对χ-y平面的投影分量的偏角。在图1所例示的球状样本中，以偏角0°的x_y平面内的反射为例时，在入射光线 如粗线所示那样入射到各个反射点的情况下，满足反射定律，反射光线与ζ轴平行。根据图 1可知，切平面的法线的斜率φι和θ工分别与光线的入射角和入射面的偏角相等。在物质表面的光的反射中，一般地，光的振幅和相位变化，所以，能够利用复振幅 反射率来记述反射特性。考虑光的偏斜时，复振幅反射率在入射面(由包含入射光线和反 射面的法线的面来定义)内的偏斜的分量即P分量和与入射面垂直(与表面平行)的S分 量中取不同的值。将入射光的P分量的复振幅反射率书写为rp、将s分量的复振幅反射率 书写为rs时，具有偏斜的光即偏振光在物质表面反射时，在光的电矢量的ρ分量和s分量 中，振幅和相位的变化不同，所以，在反射光中，偏振状态变化，一般为椭圆偏振光。椭圆偏振光能够利用2个实变量来记述。如果取椭圆的主轴方位角和椭圆率，则 “主轴方位角变化的基准为P-方向，与包含切平面的法线的入射面方位一致”。并且，椭圆 率的变化“相对于入射角为单调函数”。在本发明的倾斜椭圆偏振法中，利用这两个性质对 反射完全偏振光分量的偏振光椭圆进行计测，通过根据椭圆的主轴方位角计测值决定入射 面方位的步骤1、以及根据椭圆的椭圆率计测值并利用入射角依赖性的理论值进行计算的 步骤2，决定光的反射点处的微斜面的倾斜。S卩，在本发明中，以样本的形状、倾斜度检测和/或形状、倾斜度计测为目的，从周 边对具有平滑表面(边界面)的样本物质(例如透明的球形细胞)同样照射具有被控制的 已知偏斜(例如右旋圆偏振光)的完全偏振光。从在空间上固定的观测方位观测该样本作 为偏振光像。
在该结构中，如图1所例示的那样，向观测方位反射的光线分别由在形成样本表 面(边界面)的微斜面(切平面)进行镜面反射的微斜面分量构成。该微斜面分量是作为 在微斜面中进行满足反射定律的反射的结果而产生的。试着具体考察圆偏振光照明的情况。在以下的记述中，只要没有特别说明，则偏振 光是偏振光椭圆的形状仅决定为一个形状的完全偏振光。具体而言，在入射圆偏振光的条 件下，对在透明体表面反射的光的偏振光椭圆进行计算时，成为图2所示的椭圆偏振光群。 图2中央的“左”表示左旋圆偏振光，周边的“右”表示右旋圆偏振光被反射。在φ=0°的垂直 入射中，由于反射而使光的行进方向逆转，所以，偏振光的旋转方向逆转，入射的右旋圆偏 振光作为左旋圆偏振光被反射。并且，在紧逼φ=90°的入射中，由于物理现象的连续性，入射 光的偏振状态不变化，依然以该偏振状态被反射。这些对应于与入射角φ有关的边界条件， 是由于空间几何学的性质而引起的，所以，在透明体和吸收体中均成立，与样本物质无关。由于物理现象的连续性，所以在入射了右旋圆偏振光或左旋圆偏振光的情况下， 通过改变入射角，反射偏振状态在所有物质中从左(右)圆偏振光到右(左)圆偏振光连 续变化，中间必定经由直线偏振状态。因此，如果利用椭圆的椭圆率角来表示，则从-45°到 +45°单调增加。即，在圆偏振光入射中，入射角变化的变域与偏振状态的变域一致，保证了 最大的感光度。另外，负的椭圆率角表示左旋偏振光，正的椭圆率角表示右旋偏振光。图2的偏振光椭圆组示意地示出，在透明体中，后述的振幅反射系数为实数，所 以，椭圆的长轴始终与微斜面(切平面)平行，椭圆率角由于入射角而变化。因此，对偏振 状态(椭圆的长轴方位和椭圆率)进行计测，从而能够根据长轴方位来决定入射面(切平 面的法线)的方位角，能够根据椭圆率来决定反射角(根据反射定律，与入射角相等)。这 样，能够对反射微斜面相对于观测方向的倾斜角进行精密计测。另外，在以下的本说明书的记载中，关于基于反射的偏振状态的变化，适当地示出 透明的球形细胞和存在吸收的金属光泽球的情况下的计算例。在样本存在吸收的情况下， 图1的反射定律也成立。但是，在样本存在吸收的情况下，偏振状态的入射角依赖性从图2 发生变化，例如，在Al覆盖表面的球中，如图3所示，椭圆的方位角旋转45°。该旋转在所 有反射中系统地产生规定量。因此，在计算微斜面的倾斜角时，绕ζ轴产生一定偏角的偏 置。为了得知由于反射面的素材而使偏振状态变化的状况，能够应用椭圆偏振法的分析理 论。并且，使用该数据，不限于球形样本，一般形状的样本表面在观测视场内连续，所以，平 滑地连接所决定的微斜面的倾斜度，从而能够再现三维形状。在本发明中说明的面倾斜的计测原理在所有波长的电磁波中均成立。并且，所使 用的光包含从紫外光、可见光、红外光到微波区域等，可以是白色光，也可以是激光器等的 单色光。进而，虽然考虑物体表面平滑到产生镜面反射的程度的情况，但是，只要是能够利 用检测器来检测反射光的程度的反射率即可，在人体等中，可以是从红外到微波区域的光。 即，使用比物体表面的粗糙度长的波长，在不产生来自表面的散射分量的条件下进行计测， 从而将反射光作为完全偏振光，能够提高形状计测精度。将物体置于右手系坐标(χ、y、ζ)的原点，设反射光的观测方向为ζ。在与物体大 小相比充分远的地方进行观测，所以，实质上认为观测点为ζ =⑴。设在位于充分远的地方 的χ-y平面上进行观测，并维持规定倍率(例如已知倍率)的成像关系。反射光线与ζ轴 平行，根据反射光线在χ-y平面内的坐标，反射点针对χ-y平面的投影分量(Xl、yi)已知。
在对物体的平滑表面进行计测时，只要决定反射点处的物体的深度方向的ζ轴分 量的坐标Z1即可。在通常的显微镜观察中，无法决定坐标Zl。在本发明的倾斜椭圆偏振法 中，利用偏振光的反射特性，作为反射点(Xl、yi、Zl)的切平面的倾斜，能够决定Z1处的偏微 分系数。一般地，在显微观测等的成像系统中，通过选择倍率和观测方向，从而能够在物质 表面充分平滑的状态下进行观测，所以，通过平滑地连接构成切平面的微斜面的积分操作， 能够依次决定Z1。本发明的倾斜椭圆偏振法的计测数据能够作为倾斜度及其时间变化的精密数据 而进行各种利用。进而，在希望根据倾斜数据再构建样本的三维形状的情况下，在该再构建 算法中，能够应用机器人学领域中的透明体形状的三维计测的算法。能够利用使用了非偏 振光照明下的透明物体的反射的偏振度计测的研究开发(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 ；宫崎大輔、池内克史、“偏光 ^ ^ 卜 ^一* 乂 夕·'法 (二 J &透明物体O表面形状O推定手法”、電子情報通信学会論文誌D-II，Vol. J88-D-II, No. 8，pp. 1432-1439,2005. 08)，特别是与用于根据透明物体的表面的法线再构建物体形状 的算法有关的研究。另外，开始连接的坐标是任意的，例如，可以从观测画面中心出发向周边扩展连 接。即，如果能够决定画面中的ζ坐标的相对值，则能够决定形状。球状样本的观测面为圆，圆内部的观测点的光的偏振状态如图2示意地示出的那 样，椭圆的主轴方位与入射面垂直。并且，椭圆率ε作为入射角的函数，从紧逼φ=90°的反 射的ε = 1的右旋圆偏振光(与入射偏振光相同)到在φ=0°的垂直入射下进行反射的ε ="I的左旋圆偏振光连续变化。在φ=56°附近的折射率η = 1. 5的介质的偏振角(Brewster角(pftan—1!!)中，经由 ε =0的线偏振光。在图2的中心部，在入射角小于φΒ的区域(线偏振光的内侧)中(在 图2的样本轮廓线的圆内侧对圆形阴影而示出)，观察到左旋偏振光群，在图2所示的阴影 外侧的样本周边部中，观察到右旋偏振光群，能够根据椭圆率ε工来计测入射角φι，能够根据 椭圆的方位角来计测入射面的偏角θ1()图2例示了样本为球的情况。在样本为其他一般形状的情况下，能够容易地类推， 图2所示的观测椭圆的二维分布变化。但是，该情况下，观测到的椭圆的形状与该反射点的 微斜面的倾斜度存在1 1的对应，样本表面平滑，所以，观测到的椭圆偏振光的变化也连 续，不会丢失一般性。在样本存在吸收的情况下，图1的反射定律也成立。但是，在样本存在吸收的情况下，偏振状态的入射角依赖性从图2变化，例如，在Al覆盖表面的球中，如图3所示，椭圆的方位角旋转45°。该旋转在所有反射中系统地产 生规定量。因此，在计算微斜面的倾斜角时，绕ζ轴产生一定偏角的偏置。为了得知由于反 射面的素材而使偏振状态变化的状况，能够应用椭圆偏振法的分析理论。由此，能够利用相 同方法再构建表面形状。通过物质的复折射率，基于反射的偏振状态的变化能够如下成为定式。观测到的反射偏振状态能够利用样本的反射点处的复振幅反射率的p-s分量之 比
权利要求
1.一种形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其利用物体的表面的反射光学特性对 观察物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或计测，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装 置的特征在于，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置具有照明装置，其以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态在内的偏 振状态的光同样入射；以及偏振光图像检测装置，其对被该物体的表面正反射而以特定方位角射出的光线群的包 含完全偏振光分量在内的偏振光分量的偏振光椭圆进行检测，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置针对反射射出的每条光线，关于构成其入射 点的该物体的反射面，通过步骤1和步骤2测定反射面相对于射出光线的倾斜角，其中，在 该步骤1中，根据偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位，在该步骤2中，根据包含 偏振光椭圆的椭圆率理论值在内的偏振光椭圆的椭圆率值得知入射角。
2.根据权利要求1所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态在内的偏振状态的光同样入射的照明装置照射包含完全圆偏振光在内的圆偏振光。
3.根据权利要求1或2所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特征在于，在根据偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位的步骤1中，(1)根据包含偏振光椭圆的观测方位角理论值在内的偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位；或者 (2)在以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态在内的偏振状态的光 同样入射的照明装置中，切换入射右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，从而利用与物体的表面 的反射光学特性无关地相对于入射面对称地切换包含反射偏振光椭圆的观测方位角理论 值在内的反射偏振光椭圆的观测方位角值的性质，确定入射面方位。
4.根据权利要求1 3中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特 征在于，以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态在内的偏振状态的光 同样入射的照明装置包含在空间上确定的入射光线作为计测基准原点，能够根据由偏振光 图像检测装置确定的反射点中的偏振光椭圆的观测值，确定该反射面的光学性质。
5.根据权利要求1 4中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特 征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振 光图像检测装置具有如下机构能够提取具有实质上相同的偏振光椭圆的光线群的方位角 范围。
6.根据权利要求1 5中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特 征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振 光图像检测装置具有如下结构将反射光在空间上分割为至少3个以上的多个，分配能够 检测彼此不同的特定的偏振光椭圆的多个检偏镜，并行地同时检测偏振光椭圆。
7.根据权利要求1 6中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特 征在于，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置具有垂直线偏振光像检测单元，该垂直线偏 振光像检测单元利用偏振光分束器将反射光分割为直行的P偏振光分量和反射的S偏振光 分量，通过成像透镜使其分别在二维检测器上成像，取出物体像作为垂直偏振光像输出。
8.根据权利要求1 7中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特 征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振 光图像检测装置具有如下机构得到物体的缩小投影像，从而确定物体的表面的光线位置。
9.根据权利要求1 7中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其特 征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振 光图像检测装置具有如下机构得到物体的放大投影像，从而确定物体的表面的光线位置。
10.根据权利要求1 7中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其 特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振 光图像检测装置具有如下机构具有准直仪，从而确定物体的表面的光线位置。
11.根据权利要求1 7中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其 特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振 光图像检测装置具有如下机构将该装置实质上配置在无限远处，从而确定物体的表面的 光线位置。
12.根据权利要求1 7中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其 特征在于，对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的偏振光椭圆进行检测的偏振 光图像检测装置具有如下机构具有针孔，从而确定物体的表面的光线位置。
13.根据权利要求1 12中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其 特征在于，该形状、倾斜度检测和/或计测光学装置是如下的包含乳房摄影设备的医疗诊断装 置将人体或包含乳房在内的人体的一部分作为检测和/或计测物体，对由于包含恶性肿 瘤在内的各种病变而引起的表面倾斜角的异常变化进行检测确定。
14.根据权利要求1 13中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其 特征在于，通过患者包括在内的观察物体的包含姿势变化的力学处理，赋予基于规定应力的变 形，对变形前后的倾斜角的变化进行检测和/或计测，从而提取力学特性。
15.根据权利要求1 14中的任一项所述的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置，其 特征在于，设照明光为白色光，设为考虑了从包含皮肤在内的观察物体表面起的侵入深度与波长 一起变化的实质的反射面，对该反射面的光学特性的变化进行检测和/或计测。
16.一种光学形状、倾斜度检测和/或计测法，利用物体的表面的反射光学特性对观察 物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或计测，该光学形状、倾斜度检测和/或计测法的特征在于，通过照明装置，以包围该物体的周边的方式使包含实质上已知的完全偏振状态在内的 偏振状态的光同样入射，利用偏振光图像检测装置，对被该物体的表面正反射而以特定方 位角射出的光线群的包含完全偏振光分量在内的偏振光分量的偏振光椭圆进行检测，针对 反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面，根据偏振光椭圆的观测方位 角值得知入射面的方位、且根据包含偏振光椭圆的椭圆率理论值在内的偏振光椭圆的椭圆 率值得知入射角，由此，测定反射面相对于射出光线的倾斜角，利用所测定的倾斜角在该物 体的表面平滑变化的性质，提取物体信息。
17.根据权利要求16所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，将人体或包含乳房在内的人体的一部分作为检测和/或计测物体，对由于包含恶性肿 瘤在内的各种病变而引起的表面倾斜角的异常变化进行检测确定。
18.根据权利要求16或17所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，通过包含将患者包括在内的观察物体的姿势变化的处理，赋予规定的变形，对变形前后的倾斜角的变化进行检测和/或计测。
19.根据权利要求16 18中的任一项所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其 特征在于，设照明光为白色光，设为考虑了从包含皮肤在内的观察物体表面起的侵入深度与波长 一起变化的实质的反射面，对该反射面的光学特性的变化进行检测和/或计测。
20.一种形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，在利用物体的表面的反射光学特性对观察物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或 计测的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置中具有照明装置，其以包围该物体的周边的 方式使包含实质上已知的完全偏振状态在内的偏振状态的光同样入射；以及偏振光图像检 测装置，其对被该物体的表面反射而以特定方位角射出的光线群的包含完全偏振光分量在 内的偏振光分量的偏振光椭圆进行检测，针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的 该物体的反射面即微斜面，根据偏振光椭圆的方位角得知入射面的方位角、即切平面的法 线的方位角，而且，根据该偏振光椭圆的椭圆率得知反射角即入射角，由此，测定反射面相 对于射出光线的倾斜角，进行平滑连接构成切平面的微斜面的积分操作。
21.根据权利要求20所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，利用一次反射所引起的偏振光椭圆的变化的入射角依赖性，关于观测物体表面的反射 点处的切平面的法线，直接对与作为观测方向的轴所成的反射角以及投影到与该作为观测 方向的轴垂直的平面上的投影分量的偏角进行计测。
22.根据权利要求20或21所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其特征在于，决定作为观测方向的轴的分量的坐标下的偏微分系数，作为观测物体表面的反射点的切平面的倾斜度。
23.根据权利要求20 22中的任一项所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其 特征在于，对观测物体表面的反射点的切平面的法线的斜率进行计测，求出物体的反射点处的形 状、倾斜度的偏微分系数，对该偏微分系数的时间变化和/或空间变化进行计测，直接利用 所得到的计测值，提取形状的特征和/或倾斜度的特征。
24.根据权利要求20 23中的任一项所述的光学形状、倾斜度检测和/或计测法，其 特征在于，利用椭圆偏振法，使用利用表示观测对象样本的光学性质的光学模型计算出的复振幅 反射率比、以及由被反射的偏振光椭圆的椭圆率角和主轴的方位角求出的值Ψ、△，对切平 面的倾斜度以及观测物体的形状进行计测。
25.一种圆偏振光照明装置，其用于对物体的形状或倾斜度进行计测的倾斜度、形状计 测法，该圆偏振光照明装置的特征在于，该圆偏振光照明装置用于使圆偏振光入射到构成包含内表面在内的物体表面的倾斜 面，使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏振特性，进行该倾斜面的三维倾斜角和 构成该倾斜面的该物体的形状、倾斜度的计测，并且，该圆偏振光照明装置具有光源装置， 该光源装置具有与该物体正对的由平面或曲面构成的圆形或矩形或者其组合的多面体形 状的照明区段，该区段由包围物体的外表面的凹面或指向物体的内表面的凸面构成，能够 通过该区段向该物体照射包含实质的完全圆偏振光在内的圆偏振光，并且，使入射到该物 体的表面的圆偏振光光线群包含能够根据反射定律向观测方位正反射的所有入射光线分 量。
26.根据权利要求25所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，具有所述照明区段的光源装置按顺序包含光源、将光引导到该区段的光学元件以及圆 起偏镜，该光源装置具有如下功能能够从该区段射出包含规定偏振度的完全圆偏振光在 内的圆偏振光，作为规定角度范围的入射角光线束。
27.根据权利要求25或沈所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，具有所述照明区段的光源装置能够对该物体照射实质上偏振度为99%以上的圆偏振 光光束群。
28.根据权利要求25 27中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，所述光源装置的照明区段成为由与圆内切的正多边形中的任一个或者其组合构成的多面体区段。
29.根据权利要求25 观中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，所述光源装置以规定角度配置光纤元件，以垂直入射到照明区段。
30.根据权利要求25 四中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，具有所述照明区段的光源装置按顺序至少包含排列有点发光源的实质的面光源和/ 或面发光光源以及圆起偏镜。
31.根据权利要求25 30中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，所述光源装置至少包含生成从一点发散的光束的光源机构和旋转椭圆体反射镜，以与 该旋转椭圆体反射镜的焦点一致的方式配置该发散点和物体的位置，通过反射使照明光线 收敛于物体，从而垂直入射到照明区段。
32.根据权利要求25 30中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，所述光源装置至少包含生成平行的照明光束的光源机构和旋转抛物面镜，以与该旋转 抛物面镜的焦点一致的方式配置物体的位置，通过反射使照明光线收敛于物体，从而垂直 入射到照明区段。
33.根据权利要求25 32中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于，在所述光源装置的照明区段内具有照明角度原点基准。
34.根据权利要求25 33中的任一项所述的圆偏振光照明装置，其特征在于， 该圆偏振光照明装置具有如下功能以右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的形式在时间上或空间上选择照明光束的圆偏振状态。
35.一种圆偏振光照明方法，用于如下的倾斜度、形状计测法使圆偏振光入射到构成 包含内表面在内的物体的表面的倾斜面，使用向规定的观察方位正反射的反射光线的偏振 特性，对该倾斜面的三维倾斜角和构成该倾斜面的该物体的形状或倾斜度进行计测，该圆 偏振光照明方法的特征在于，使用具有照明区段的光源装置，通过该区段向该物体照射包含实质的完全圆偏振光在 内的圆偏振光，使入射到该物体的表面的圆偏振光光线群包含能够根据反射定律向观测方 位正反射的所有入射光线分量，其中，该照明区段与测定对象物体正对，且为由平面或曲面 构成的圆形或矩形或者其组合的多面体形状，并且该照明区段由包围物体的外表面的凹面 或指向物体的内表面的凸面构成。
全文摘要
本发明提供能够利用简单的结构对外界干扰较强的包含人体的物体表面的倾斜角进行精密计测的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置；光学形状、倾斜度检测和/或计测法；以及圆偏振光照明装置。利用物体表面的反射光学特性对观察物体的表面形状或倾斜度进行检测和/或计测的形状、倾斜度检测和/或计测光学装置具有照明装置，其以包围该物体的周边的方式使实质上已知的完全偏振状态的光同样入射；以及偏振光图像检测装置，其对被该物体的表面正反射而以特定方位角射出的光线群的完全偏振光分量的偏振光椭圆进行检测，针对反射射出的每条光线，关于构成其入射点的该物体的反射面，通过根据偏振光椭圆的观测方位角值得知入射面的方位的步骤1、以及根据偏振光椭圆的椭圆率理论值得知入射角度的步骤2，测定反射面相对于射出光线的倾斜角，同样操作来构成光学形状、倾斜度检测和/或计测法。
文档编号G01B11/24GK102124299SQ20098013225
公开日2011年7月13日 申请日期2009年8月20日 优先权日2008年8月20日
发明者山本正树, 津留俊英 申请人:国立大学法人东北大学