(57)【要約】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。図８においてスリット光の走査と同期して、検出光の偏光方位を回転させ、その偏光方位を直交ニコル配置の２組の検光子５、６と蓄積型画像検出器７、８により２次元的に記録することで、スリット光が蓄積型画像検出器７、８の各画素に入射するタイミングを高々１回の撮像により決定できるようにした。
2003074967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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ことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
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ＦＡ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ＴＶカメラが３０枚／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１１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ッ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１１１によりスリット光を結像レンズ１１３の光軸とは異なる角度から物体１０に照射し、走査機構１１２により走査しながら、テレビカメラ１１４により画像を連続的に画像処理装置１１５に入力する。一枚の画像には図１１の表示装置１１６に示されるような一本のスリットが物体１０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１１で右から左までスリット光が動く間に、２５６枚ないしは５１２枚の画像を入力する。画像処理装置１１５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１０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ｔｐ）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１１３の主光線の角度の交点Ｐとして物体１０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、新技術コミュニケーションズ、ページ３９〜５２、１９９３年）
図１２は共焦点撮像系１２１を用いた計測システムの例である。共焦点撮像系１２１としては、レーザー走査顕微鏡、Ｎｉｐｋｏｗ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１２１の特徴は、ピントがあった位置１２２だけが画像化される、つまり検出器１２３に到達し、ピントがはずれた部分からの光はほとんど検出器１２３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１２４により物体１０を光軸方向に移動させながら、検出器１２３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１２の表示装置１１６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１２４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１１５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１０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１２４の位置そのものが物体１０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１３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１４に示すように複数のスリット上の透過率が正弦的に変化する、いわゆる正弦格子１３２が用いられる。照明光源１３１により照明された正弦格子１３２の像は投影レンズ１３３により物体１０面に投影され、異なる角度から結像レンズ１１３およびテレビカメラ１１４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１０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。位相シフタ１３４により正弦格子１３２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、正弦波にフィッティ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次元受光タ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。
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４５度の角度で貼り合わせた、いわゆるリヨのデポ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、偏光の方位によっ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、１／４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、無偏光ビームスプリッタ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タ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ッタ４と検光子５、６の機能を併せ持つ偏光ビームスプリッタを用いても、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ッタだけでなく、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（ｘｉ、ｙｉ）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ＣＣＤ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回のシャッター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θ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θ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θが０〜π／２の回転をし、その間のあるタイミングｔｉでのみ光が入射するとする。蓄積型画像検出器７、８のシャッター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θが０〜π／２で回転する期間中は、シャッ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θｉに応じてそれぞれａｉ、ｂｉ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θｉを求めることができ、さらｔｉ＝θｉ／ωによりタイミングｔｉ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、ビームスプリッタ５０１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方向への分割であったが、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。
ビームスプリッタ５０１としては、例えば図５に示すような３板式カラー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、もう一方のコート面を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π／３異なる３つの検光子５０２、５０３、５０４よりなる検光手段に入射する。ビームスプリッタ５０１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π／３偏光方位が異なる検光子５０２、５０３、５０４を通過した光の強度が、３つの蓄積型画像検出器５０５、５０６、５０７により検出される。
３つの蓄積型画像検出器５０５、５０６、５０７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５０５、５０６、５０７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５０５、５０６、５０７ともに全く同じになり、さらに、蓄積型画像検出器５０５、５０６、５０７の同一座標（ｘｉ、ｙｉ）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５０５、５０６、５０７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５０５、５０６、５０７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５０５、５０６、５０７の１回のシャッター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θは、検光子５０２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５０２、５０３、５０４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２π／３（偏光方位π／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θが連続回転し、あるタイミングｔｉでのみ光が入射するとする。蓄積型画像検出器５０５、５０６、５０７のシャッターは偏光方位θ＝０で開放され、例えばθ＝Ｎπ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５０５、５０６、５０７には光が入射したときの偏光方位θｉに応じてそれぞれａｉ、ｂｉ、ｃｉの出力が得られる。これら３つの値を用いればθｉを求めることができる。ただし、求めたθｉにはｎπ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・γを格子パターン振幅として、ａｉ＝Ｉ［１＋γ・ｃｏｓ（θｉ−２π／３）］、ｂｉ＝Ｉ［１＋γ・ｃｏｓ（θｉ）］、ｃｉ＝Ｉ［１＋γ・ｃｏｓ（θｉ＋２π／３）］よりθｉ＝ａｒｃｔａｎ［√３・（ａｉ−ｃｉ）／（２ｂｉ−ａｉ−ｃｉ）］として求めることができる。さらに、ｔｉ＝θｉ／ωの演算により、タイミングｔｉが求められる（θｉと同様にｎπ／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５０５、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。
ここでは、π／３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π／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った画像を探しだし、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ったのに対し、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次元受光タ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１０の起伏を計測する原理と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１１３の光軸とは異なる角度から物体１０に照射し、走査機構１１２により、結像レンズ１１３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１０の表面上をスリット光が通過する）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１１３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１０の表面位置を演算するというものである。
このようなスリット光走査型の光切断システムにおいては、物体１０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１０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のシャッター（電子シャッター）を開放した状態で、スリット光を視野全体、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、スリッ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π／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１０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。
図９は、図８中の蓄積型画像検出器７、８のある画素ペアＰ’、Ｐ”に、タイミングｔｐで光が入射（対応する物体１０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ｔｐでのみ光が入射するため、そのときの偏光方位θｉに対応する光強度ａｉ、ｂｉに比例する出力値が得られることになり、強度比（ｂｉ−ａｉ）／（ａｉ＋ｂｉ）からθｉを求め、式ｔｉ＝θｉ／ω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１１３の主光線角度、結像レンズ１１３と走査機構１１２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１０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ａｉ、ｂｉの組み合わせに関して事前に演算し、テーブ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１０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（ｂｉ−ａｉ）／（ａｉ＋ｂｉ）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１０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、ソフトウエア演算であっても、高速なＣＰＵを用いれば十分ビデオレートでの物体１０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１１２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１ｍｓ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、１ｍｓで１／４回転（０〜π／２偏光方位回転）程度の回転速度（１５０００ｒｐｍ）は容易である。つまり、通常カメラのビデオレート（３３ｍｓ）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ット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イズ要因などにより、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、ｎπ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、Ｎ周期の領域を用いるとすると、蓄積型画像検出器５０５、５０６、５０７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Ｎ／２回回転することになる。こうして得られる画像は、Ｎ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Ｎ本投影すれば、１／Ｎ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π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１０を用いて説明する。これに関しても、図１２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１２３の代わりに装着しただけのものである。先に述べたように、共焦点撮像系１２１は、ピントのあった部分だけが、物体１０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、Ｚテーブル１２４により物体１０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の画素の三次元的結像位置）に物体１０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Ｚテーブル１２４の位置を表し、その位置はそのまま物体１０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１０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１０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１２４を計測範囲全体、図１０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テーブ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π／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１０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、Ｚテーブル１２４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１０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、ｎπ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Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ法（以下ＴＯＦ法とする）について考える。ＴＯＦ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。ＴＯＦ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次元受光タ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、ＴＯＦ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能になることから、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、ＦＡ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。
【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１０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１１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１２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１３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１４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、１０  物体、１１１  レーザースリット光源、１１２  走査機構、１１３  結像レンズ、１１４  テレビカメラ、１１５  画像処理装置、１１６  表示装置、１２１  共焦点撮像系、１２２  ピントがあった位置、１２３  検出器、１２４  Ｚステージ、５０２，５０３，５０４  検光子、５０５，５０６，５０７  蓄積型画像検出器、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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