專利名稱：偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置及使用它的表面形狀測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種主要用于測量物體表面形狀的光學裝置。
背景技術：
已經(jīng)提出許多物體表面形狀測量的技術。它們粗略可分為兩種類型一種類型是一次測量一點，另一種類型是同時測量許多點。雖然單點測量型精度高且可靠，但要測量整個物體表面時，必需用大量的測量時間，從數(shù)十分鐘到數(shù)小時。相反，雖然多點同時測量型有高速的特點，但它在可靠性和精確度方面則難以處理。光截面法、線柵投影相移法、和用共焦顯微鏡(本文此后稱為“共焦法”)的測量方法，所有這些方法都屬多點同時測量型，但與其他已經(jīng)在實驗室水平提出，并已經(jīng)實際投入使用的多點同時測量方法相比，有高的可靠性。雖然這些方法比單點測量型方法速度高，但不能說速度已充分高，足以在FA領域用于在線檢查(in-line inspection in the FA field)。
下面還要更詳細解釋，光截面法、線柵投影相移法、及共焦法，必需用成像裝置作為測定器，且某些掃描類型要消耗時間。通常，像是用成像裝置對每一次局部掃描取得的。在多次重復這種過程后，測量完成。實際上，不論是用光截面法還是用共焦法，(一個視場的)一次測量包含數(shù)十到數(shù)百個像。因為作為成像裝置的TV攝像機，一個成像周期，約為每秒30幅像，所以長的測量時間是難免的。線柵投影相移法雖然速度相對地高，但在不同時間至少必需捕獲三幅像，因此對運動物體的測量仍舊是不可能的。下面將詳細說明光截面法、線柵投影相移法、及共焦法。
圖11是基于光截面法提出的測量系統(tǒng)例子。該系統(tǒng)，例如非專利參考文獻1指出，在許多實際應用中是高度可靠的。這里的圖只畫出在一側(cè)的一個狹縫光掃描部分，以便只解釋上述參考文獻的主要觀點，盡管在該參考文獻中，狹縫光掃描部分是在左右兩側(cè)。
通過電視攝像機114，把像連續(xù)地輸入像處理裝置115，同時，來自激光狹縫光源111的光，通過掃描機構(gòu)112的掃描，從不同于成像透鏡113光軸的角度，照射物體10。在如圖11顯示裝置116上所示的像中，一條狹縫呈現(xiàn)的畸變，是與物體10表面上任何不規(guī)則性一致的。同時在圖11，狹縫光從右側(cè)移動到左側(cè)，直至狹縫掃描完成，輸入了256幅到512幅像為止。對輸入的像的每一像素，像處理裝置115測定像素值成為最大時的時標(例如圖中的tp)，也就是狹縫光掃過物體10上與該像素對應的位置的時刻，并作為狹縫光在該時刻的投射角和由每一像素位置確定的成像透鏡113主光束角度之間的交點P，計算物體10表面的三維位置。(Uesugi Mitsuaki，1993，The OpticalThree-dimensional Measurement edited by Toru Yoshizawa，Shin-Gijyutu Communication，page 39-52)圖12是使用共焦成像系統(tǒng)121的測量系統(tǒng)例子。作為共焦成像系統(tǒng)121，任何一種激光掃描顯微鏡、Nipkow板(Nipkow board)掃描顯微鏡、非共焦成像系統(tǒng)等等，都可以使用，圖12是簡化的，因為任何一種都是合適的。
共焦成像系統(tǒng)121的主要特征在于，只有焦點上的位置122被成像，即，不在焦點的任何部分的光，將難以到達測定器123。該特征稱為光學取截面(optical sectioning)。當用測定器123連續(xù)輸入像的同時，通過Z載物臺124沿光軸方向移動物體10，只有視場中焦點上的部分成像，如圖12顯示裝置116所示，且該部分表現(xiàn)為等高線。物體在圖中自上而下移動，直至Z載物臺124完成掃描，此時輸入約數(shù)百個像。對每一像素，像處理裝置115測定像素值成為最大時的時標。就是說，光學系統(tǒng)聚焦在物體10上該像素對應的位置，以及Z載物臺124在該時刻的位置，兩者自身表明物體10表面的相對高度。
下面，用圖13簡要解釋線柵投影相移法。線柵投影法把多條狹縫光線同時投射在物體上，而光截面法則投射一條狹縫光線。下面將說明，一種相移法的所謂正弦線柵132，被用于產(chǎn)生如圖14所示正弦曲線的透射率變化。光源131發(fā)出的正弦線柵像132，通過投影透鏡133，投射在物體10的表面，并用成像透鏡113和電視攝像機114從不同的角度成像。如果對獲得的像的每一像素，已知投射的線柵圖案相位，則能夠獲得物體10表面的相對凹凸。相位能夠用相移法確定。通過用相移器134移動正弦線柵132至少是已知值的兩倍，至少拍攝三幅有不同相位的投射的線柵像。對每一像素，從至少三幅或更多幅有不同相位的像獲得多于三個值，因為這些值被認為是從正弦曲線抽樣的值，通過對該正弦曲線的擬合，能夠獲得作為初始相位的相位。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，光截面法和共焦法兩者，對一次測量都需要進行許多像的輸入和許多像的處理，因此不能期望高速的測量。此外，即便用較高速度的線柵投影相移法，因為至少要求三幅像的時間間隙，對移動物體的測量也是不可能的。
本發(fā)明的一個目的，是實現(xiàn)能夠處理移動物體的高速的表面形狀測量。
為了解決上述的技術問題，本發(fā)明提出一種偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，包括線偏振旋轉(zhuǎn)裝置，用于使入射光線偏振化和旋轉(zhuǎn)偏振方向；檢偏裝置，用于把通過線偏振旋轉(zhuǎn)裝置的入射光，分解為至少兩個不同線偏振的分量；至少兩個同步的電荷型成像裝置，接收每一被分解的入射光線并把其光強轉(zhuǎn)換為電信號，再輸出該電信號；以及像分析裝置，它分析從電荷型成像裝置輸出的多個像信號。
該偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，通過裝備消偏振裝置，能夠有更高的可靠性，該消偏振裝置在入射光進入線偏振光旋轉(zhuǎn)裝置之前，能把入射光轉(zhuǎn)換為相對于偏振化方向幾乎沒有強度變化的光。利用光截面法的表面形狀測量裝置，包括成像透鏡；狹縫光掃描裝置，用至少一條狹縫光，從不同于成像透鏡光軸方向的角度，照射成像透鏡透鏡的物平面，并把該狹縫光在該物平面上掃描；以及偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，其中的電荷型成像裝置被安排在成像透鏡的像平面上；其中，電荷型成像裝置的視場，在該電荷型成像裝置的一次曝光時間內(nèi)，被狹縫光掃描裝置掃描，且入射于檢偏裝置的光的偏振方向，借助線偏振旋轉(zhuǎn)裝置，與狹縫光線的掃描同步地旋轉(zhuǎn)。此外，共焦法的表面形狀測量裝置，包括共焦成像光學系統(tǒng)；Z方向掃描裝置，用于改變物體與共焦成像光學系統(tǒng)之間相對光通道長度；和偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，其中的電荷型成像裝置被安排在共焦成像光學系統(tǒng)的像平面上；其中，在該電荷型成像裝置的一次曝光時間內(nèi)，由Z方向掃描裝置掃描測量的范圍，且從物反射的入射于檢偏裝置上的光的偏振方向，借助線偏振旋轉(zhuǎn)裝置，與測量范圍上的掃描同步地旋轉(zhuǎn)。
還有，該表面形狀測量裝置包括成像透鏡；照射裝置，以脈沖形式同時照射物體；和偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，其中的電荷型成像裝置被安排在成像透鏡的像平面上；其中，在該電荷型成像裝置的一次曝光時間內(nèi)，整個測量范圍至少被照射裝置同時照射一次，并測定電荷型成像裝置接收物體反射光的時刻。
如上所述構(gòu)成的表面形狀測量裝置，只需用一次曝光時間完成測量，且處理的若干個像是同時拍攝的，無需時間間隙，因此能夠應用于移動物體的高速測量。


圖1是解釋用圖，說明本發(fā)明的偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置的第一實施例。
圖2是解釋用圖，說明偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置的第一實施例中，偏振器和檢偏器的偏振軸方向。
圖3畫出偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置第一實施例中，入射光強度在通過檢偏器之后的變化。
圖4畫出偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置第一實施例中，光的強度比在通過檢偏器之后的變化。
圖5是解釋用圖，說明本發(fā)明的偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置的第二實施例。
圖6是解釋用圖，說明偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置第二實施例中，偏振器和檢偏器的偏振軸方向。
圖7畫出偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置第二實施例中，入射光強度在通過檢偏器之后的變化。
圖8是解釋用圖，說明本發(fā)明的光截面表面形狀測量系統(tǒng)。
圖9是解釋用圖，說明本發(fā)明的光截面表面形狀測量系統(tǒng)的功能。
圖10是解釋用圖，說明本發(fā)明的共焦表面形狀測量系統(tǒng)。
圖11是解釋用圖，說明常規(guī)的光截面表面形狀測量系統(tǒng)。
圖12是解釋用圖，說明常規(guī)的共焦表面形狀測量系統(tǒng)。
圖13是解釋用圖，說明常規(guī)的線柵投影相移表面形狀測量系統(tǒng)。
圖14是解釋用圖，說明常規(guī)線柵投影相移表面形狀測量系統(tǒng)中使用正弦線柵。
符號的解釋1消偏振裝置2偏振器3旋轉(zhuǎn)機構(gòu)4非偏振光束分束器5和6檢偏器7和8電荷型成像裝置9像分析裝置10物體111激光狹縫光源112掃描機構(gòu)113成像透鏡114電視攝像機115像處理裝置116顯示裝置121共焦成像系統(tǒng)122焦點位置
123測定器124Z載物臺502、503、和504檢偏器505、506、和507電荷型成像裝置具體實施方式
后面，參照附圖，詳細解釋本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置的第一實施例，示于圖1。
從左側(cè)開始傳播的光被消偏振裝置1消偏振。如果入射光是具有某一帶寬的光，被稱為“Lyot”的消偏振器，適合用作消偏振裝置1，該“Lyot”消偏振器由兩個晶體制成，其中之一比另一個厚若干倍，使兩者的光軸互成45度角粘結(jié)在一起?；蛘?，如果入射光是對某一角度線偏振的，則可以使用1/4波片之類的波片。提供的光僅要求不因使光成為線偏振時的偏振方向而在強度上有大的變化。但是，不必使之完全消偏振。例如，當光是圓偏振時，如上所述，用1/4波片已經(jīng)足夠。此外，在某些情形中，不必使用消偏振裝置1，因為使用的光源和物體的特性，入射光本身已經(jīng)是消偏振狀態(tài)。此外，也與下面解釋的線偏振旋轉(zhuǎn)裝置的類型有關，不一定必需使光消偏振。
消偏振的光(或圓偏振光)入射在線偏振旋轉(zhuǎn)裝置上，轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，其偏振方向隨時間旋轉(zhuǎn)，該線偏振旋轉(zhuǎn)裝置包括偏振器2及其旋轉(zhuǎn)機構(gòu)3。該線偏振旋轉(zhuǎn)裝置可以用具有電光效應、磁光效應、等等的單元實現(xiàn)，以便使線偏振光的軸方向隨時間旋轉(zhuǎn)(光學旋轉(zhuǎn))。例如，因為液晶具有光學旋轉(zhuǎn)能力，它能使通過固定偏振器后的線偏振光的偏振方向，用電的方法旋轉(zhuǎn)。在此情形下，沒有必要用消偏振裝置1了。
入射光變成具有旋轉(zhuǎn)的偏振方向的線偏振光，到達檢偏裝置，檢偏裝置由非偏振光束分束器4和兩個光軸相互成直角地交叉的檢偏器5及6構(gòu)成。不管使用非偏振光束分束器4的偏振方向如何，光波都被分解為保持如前偏振狀態(tài)而能量分別成為一半的兩個光波。該兩個相互垂直的分量，通過各自的檢偏器5和6，而每一分量的強度被兩個電荷型成像裝置7和8測定。
作為檢偏裝置，具有非偏振光束分束器4和檢偏器5及6雙重功能的偏振光束分束器，由于其較低的光損耗，當然可以使用。但為了提高偏振特性的精度，不僅使用偏振光束分束器，還可以使用檢偏器5和6。
電荷型成像裝置7和8，在光學上放在同一位置。例如，當該兩個裝置與成像透鏡一起使用時，可以如下安排它們使電荷型成像裝置7和8的光接收表面與成像透鏡的像平面重合，并使從成像透鏡到兩個電荷型成像裝置7和8的光學距離(光通道長度)成為一樣。此外，電荷型成像裝置7和8同一坐標(xi，yi)的像素，與物體表面同一位置對應。(這不是絕對條件。該條件可以通過補償裝置簡化。但就目前而言，假定上述條件被滿足。)此外，這兩個電荷型成像裝置7和8是同步操作的。就是說，每一快門的釋放時標和釋放的持續(xù)時間總是一致的，且獲得的像也作為電信號，同時發(fā)送至像分析裝置9。在像分析裝置9內(nèi)部，對從電荷型成像裝置7和8同時獲得的兩幅像，分別計算每一像素的光接收的時標。
作為電荷型成像裝置，目前最常用的裝置是兩維CCD攝像機，但所有像素同時曝光型的任何一種兩維測定裝置，都是合適的。
以上是偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置的第一實施例的結(jié)構(gòu)。下面說明該裝置的功能。該裝置能在電荷型成像裝置7和8的一次曝光持續(xù)時間內(nèi)，依據(jù)偏振方向，記錄光到達每一像素的時標(時間差)。
現(xiàn)在參考圖2-4，圖上對功能作詳細解釋。如在圖2中所示，通過線偏振旋轉(zhuǎn)裝置之后，偏振方向θ按角速度ω以初始狀態(tài)平行于偏振器5旋轉(zhuǎn)。假定恒定強度的連續(xù)光入射該裝置上，則入射光強度在通過兩個檢偏器5和6之后，成為如圖3所示。這里，當通過線偏振旋轉(zhuǎn)裝置之后，考慮偏振方向θ僅在0-π/2之間的情形，那么在通過兩個檢偏器5和6之后，入射光強度比(b-a)/(a+b)的計算如圖4所示，除去兩端外，它變成幾乎是線性的，而更準確地說，是按正弦形式變化的。
考慮進入的是脈沖光，而不是連續(xù)光的情形。假定通過線偏振旋轉(zhuǎn)裝置之后，偏振方向θ旋轉(zhuǎn)0-π/2，且光只在時刻ti到達。電荷型成像裝置7和8的快門與偏振方向的旋轉(zhuǎn)同步地釋放。就是說，假定偏振方向從0到π/2旋轉(zhuǎn)時，快門保持釋放，則當光到達電荷型成像裝置7和8時，將根據(jù)偏振方向θ，分別獲得ai和bi如圖3所示的輸出。從這些值，通過計算強度比(b-a)/(a+b)，并通過與圖4對應，可以獲得θi。此外，通過ti＝θi/ω而導出時刻ti。如果脈沖光以不同的時標到達每一像素，又如果該時標是在電荷型成像裝置7和8曝光持續(xù)時間之內(nèi)，則每一像素的強度比表明每一時標的偏振方向，從而能夠借助像分析裝置9，對每一像素計算光的光接收的時標。
上面是偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置的第一實施例。下面，用圖5-7解釋偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置的第二本發(fā)明的偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置的第二實施例，如圖5所示。因為消偏振裝置1和線偏振旋轉(zhuǎn)裝置，與第一實施例完全相同，所以省略對它們的解釋。已通過旋轉(zhuǎn)偏振方向成為線偏振光的入射光，被光束分束器501分解為三個方向。在第一實施例中，分解數(shù)是二，而分解為三個方向的事實，不同于第一實施例。雖然下面給出的解釋，是針對分解為三的情形的，但方向數(shù)不一定限制在三。多于三個方向也可以使用。
如圖5中所示的光束分束器501，作為例子，可以在組合棱鏡的粘結(jié)部分用分振幅膜層實現(xiàn)，該種組合棱鏡常常用于3CCD型彩色攝像機。如果靠近入射光一側(cè)的膜層的通量分解比設為1∶2，而另一側(cè)的膜層設為1∶1，那么分解為三是可能的?？梢杂盟膫€直角棱鏡把它們粘結(jié)在一起。如果所有粘結(jié)平面都用半通量分解膜層，則來自任何方向的光沿各自方向以1/4通量投射。
如圖6所示，分解為三的入射光到達由三個檢偏器502、503、和504組成的檢偏裝置，這些檢偏器使偏振方向相互差別π/3。不論偏振方向如何，偏振態(tài)保持原樣，但它的通量被光束分束器501分解為1/3到1/4，同時，通過三片檢偏器502、503、和504，以偏振方向π/3之差的光的強度，被三個電荷型成像裝置505、506、和507測定。
三個電荷型成像裝置505、506、和507在光學上安排在同一位置。例如，在這些裝置與成像透鏡一起使用的情形下，可以如下安排它們使電荷型成像裝置505、506、和507的光接收表面與成像透鏡的像平面重合，并使從電荷型成像裝置505、506、和507到成像透鏡的光學距離(光通道長度)成為完全一樣，且電荷型成像裝置505、506、和507同一坐標(xi，yi)的像素，與物體表面同一位置對應。(該條件不是絕對的，并可以通過某些補償裝置簡化。但就目前而言，解釋是在上述條件被滿足的假定下給出的。)此外，這三個電荷型成像裝置505、506、和507是同步操作的。就是說，每一快門的釋放時標和釋放的持續(xù)時間總是一致的，且獲得的像也作為電信號，同時發(fā)送至像分析裝置9。在像分析裝置9內(nèi)部，對從電荷型成像裝置505、506、和507同時獲得的三幅像，分別計算每一像素的光接收的時標。
以上是偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置的第二實施例的結(jié)構(gòu)。下面說明該裝置的功能。該裝置能對電荷型成像裝置505、506、和507的一次曝光持續(xù)時間內(nèi)，依據(jù)偏振方向，記錄光到達每一像素的時標(時間差)。
現(xiàn)在參考圖6和7，圖上對功能作更具體的解釋。如圖6所示，當偏振方向θ經(jīng)過線偏振旋轉(zhuǎn)裝置以角速度ω旋轉(zhuǎn)之后，假定初始狀態(tài)平行于檢偏器502，且恒定強度的連續(xù)光入射于裝置上，入射光強度在通過三個檢偏器502、503、和505之后的變化，是相互具有2π/3相移(偏振方向π/3)的正弦波形狀，如圖7所示。
下面，考慮進入的是脈沖光而不是連續(xù)光的情形。假定通過線偏振旋轉(zhuǎn)裝置之后，偏振方向θ連續(xù)旋轉(zhuǎn)，且光只在時刻ti入射。假定如圖7所示，電荷型成像裝置505、506、和507的快門在偏振方向θ＝0時釋放并曝光，直至例如θ＝Nπ，分別獲得電荷型成像裝置505、506、和507的輸出(ai、bi和ci)，該輸出(ai、bi和ci)與光進入的時標的偏振方向θi對應。因此θi能夠從這些值計算。但是，必須注意，計算的θi包含nπ的不確定性。具體說，如果I是平均光強和I·γ是線柵圖形振幅，那么ai＝I[1+γ·cos(θi-2π/3)]、bi＝I[1+γ·cos(θi)]、和ci＝I[1+γ·cos(θi+2π/3)]，因此，θi＝arctan[√3·(ai-ci)/(2bi-ai-ci)]。此外，時標ti能夠由ti＝θ/ω的運算導出(nπ/ω不確定)。假定脈沖光以不同的時標入射每一像素上。如果該時標是在電荷型成像裝置505、506、和507的曝光持續(xù)時間內(nèi)，則可以獲得強度比的像素輸出，該強度比表明每一像素在光接收的時標上的偏振方向θ，從而借助像分析裝置9，能夠?qū)γ恳幌袼赜嬎愎饨邮盏臅r標。
這里，雖然考慮三個具有偏振方向差π/3的檢偏器502、503、和504，這一點當然不是對本發(fā)明的限制。偏振方向的每一間隔，可以是π/4，也可以是隨機的。唯一要求的是，偏振器的偏振方向為已知?？梢远嘤谌齻€檢偏器，四個、五個也是適合的。唯一的要求，是能把值與正弦波擬合。用更多的值將導致更高的相位測定精度。
在第一實施例或在第二實施例中，為什么本發(fā)明是新穎和有效的理由，在于入射光落在每一像素的時標，只用一次曝光(雖然要獲取一組像)就能導出。常規(guī)的方法是，當使用諸如CCD攝像機的電荷型成像裝置時，為了測定入射光在每一像素上的時標，必須連續(xù)拍攝許多像，并選擇給出最大像素輸出的像，又從這許多像中(按時間順序)導出光入射的時標。
下面討論如何使用偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，加快光截面法、線柵投影相移法、和共焦法的更具體的例子。
利用圖8，首先討論如何加快光截面法。圖8畫出把本發(fā)明偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置的第一實施例，用于常規(guī)的光截面法系統(tǒng)。物體10上凹凸的測量原理，與常規(guī)系統(tǒng)相同。就是說，狹縫光從不同于成像透鏡113光軸的角度，投射在物體10上，并通過掃描裝置112，在成像透鏡113及電荷型成像裝置7和8確定的整個視場上掃描。通過測定電荷型成像裝置7和8每一像素上(或者是掃過與像素對應的物體10的表面點)的光入射的時標，從該時標導出狹縫光的角度。計算作為兩條線交點的物體10表面的位置；一條線是成像透鏡113入射像素的主光線，而另一條線是具有上面所述確定角度的狹縫光。
在類似于這種狹縫光掃描型光截面法的例子中，如果撇開特殊的情形，諸如由于物體10表面粗糙產(chǎn)生的多次反射，或沿光軸方向有兩個或多個類似于薄膜或玻璃板的反射表面，那么，光入射某一像素的唯一時刻，是當狹縫光掃過物體表面對應點的時刻，且是在視場上掃描的唯一的一次。
如果，在電荷型成像裝置7和8的快門(電子快門)保持釋放，入射檢偏器的線偏振光的方向，能夠在整個視場上與從圖8的左端到右端掃描的狹縫光同步旋轉(zhuǎn)(例如，當狹縫光在右端時，偏振方向是0，又當狹縫光在左端時，偏振方向是π/2，而在它們中間，偏振方向以恒定角速度ω旋轉(zhuǎn))的同時，類似脈沖的光僅當狹縫光掃過物體10對應的表面位置時入射在每一像素上，又當狹縫光的掃描完成時關閉電荷型成像裝置7和8的快門，那么，表明入射光落在像素上時的偏振方向的強度比，將被電荷型成像裝置7和8的每一對像素記錄。
圖9畫出一種狀態(tài)，其中在時標tp，(當狹縫光掃過物體表面對應點時)光落在圖8的電荷型成像裝置7和8一對像素P′和P″上，圖上水平軸表示偏振方向。因為光只在時標tp時刻入射在電荷型成像裝置7和8上，所以能夠獲得與光強ai和bi成正比的輸出值，該值與在該時刻的偏振方向θi對應。θi是從強度比(bi-ai)/(ai+bi)導出的，而該時標能夠由公式ti＝θi/ω計算。
如果如上所述，獲得了所有像素的光接收時標，便能通過像分析裝置9的簡易處理，計算與每一像素對應的物體10表面的高度(Z位置)，因為能夠事先獲得如下信息時標與狹縫光投射角的關系；成像透鏡113主光線落在每一像素時的主光線角；和成像透鏡113與掃描機構(gòu)112之間的幾何配置。
如果事先對每一像素，都計算了所有ai和bi的組合并存儲在一個表中，那么，僅僅使用該表，也能從電荷型成像裝置7和8的輸出值直接變換為物體10表面的高度。當然，同樣可以用強度比(bi-ai)/(ai+bi)的值，構(gòu)造一參照表。因為物體表面形狀的計算，即使用軟件處理也十分簡單，所以物體10表面形狀的測量，通過高速CPU，可以用足夠高的視頻速率中任何速率實現(xiàn)。
現(xiàn)在簡要考察系統(tǒng)硬件部分的可實施性。假定用Galvano掃描器作為掃描機構(gòu)112，在一個視場上的掃描小于1ms是可能的，又如果使用電機作偏振旋轉(zhuǎn)裝置，在1ms內(nèi)轉(zhuǎn)四分一圈(0-π/2)是容易實現(xiàn)的(15000rpm)。就是說，不僅可以作視頻速率的測量(33ms)，還可以作移動物體的三維凝固測量(相當于攝象機的高速快門操作)。
下面考慮測量的分辨能力。測量的分辨能力顯然受限于投射的狹縫角度測定的分辨能力。掃描角度范圍的分割數(shù)是重要的，但從圖3可以清楚看到，因為該裝置只能用于單調(diào)遞增或遞減的范圍，分割數(shù)通常不能超過像的分層數(shù)(灰度級數(shù))S，該數(shù)是測定器從0變化到S的測定值的數(shù)目。事實上，由于物體的反射率的不均勻性，或由于各種原因的噪聲因素，它將比S小得多。
后面考慮把第二實施例作為偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，用于該系統(tǒng)的情形。在如圖7所示的第二實施例的情形中，范圍不限于單調(diào)遞增或單調(diào)遞減區(qū)域，至少從0到π的范圍上能夠使用，且如果允許nπ的不確定性，則可以用于超過兩個周期的范圍上，因而可以提供非常精細的角度測定分辨率。例如，假定使用N個周期范圍，則狹縫將在電荷型成像裝置505、506、和507的一次曝光時間內(nèi)，從像的一端到另一端掃描，同時，偏振器2將旋轉(zhuǎn)N/2圈。如此，可以獲得具有N條條紋的正弦線柵圖的像，并且每三個像的線柵相位相互移動。就是說，如果只考慮獲得的像，則獲得的像與從線柵投影相移法獲得的完全相同。如果所用的處理等價于線柵投影相移法，自然能夠完成與線柵投影相移法相同精度的測量。不完全相同是必須的。投射的圖形可以不是難于制作的正弦圖形，用矩形狹縫是合適的。由于能夠同時獲得三幅相移的像，提供的優(yōu)良特征在于，能夠測量移動的物體。再有，狹縫數(shù)不一定是一條。例如，如果提供N條狹縫，則掃描范圍變成1/N，光強在量上有利。當投射兩條或多條狹縫光時，必須使掃描開始與掃描結(jié)束的偏振方向成為相同的，就是說，方向是π的倍數(shù)。
下面，用圖10解釋共焦法中速度的改進。在使用圖12共焦法的常規(guī)裝置中，用偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置第一實施例，取代通常的測定器123。如上所述，共焦成像系統(tǒng)121的特性是，只有焦點部分的光，能作為物體10的反射光，到達電荷型成像裝置7和8，而不在焦點部分的任何光，將難以到達電荷型成像裝置7和8。因此，隨著用Z載物臺124沿光軸方向掃描物體10，只有當物體10的表面掃過電荷型成像裝置7和8每一像素的共軛位置(在物鏡的物方中，像素的三維成像位置)時，光才能到達像素，而在其他的時標，光將不到達該像素。光接收的時標，表達了Z載物臺124在該時刻的位置，該位置表明物體10的表面沿光軸方向的相對位置。
不過，把光接收的時標轉(zhuǎn)換為物體10表面高度的計算方法是完全不同的，光在一個脈沖中僅落在電荷型成像裝置7和8每一像素一次。因此，表面位置是從時標導出的，與上述光截面法的例子完全相同。
在電荷型成像裝置7和8的快門，與Z載物臺124在整個測量范圍的掃描(圖10中自上而下)同步地釋放的同時，如果入射檢偏裝置的線偏振方向，被線偏振旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)(例如，Z載物臺124在頂部時，偏振方向是零，在底部時是π/2，在中間以恒定角速度ω旋轉(zhuǎn))，則光作為脈沖，僅當物體10的表面掃過共軛位置時進入每一像素上，又當Z載物臺124完成掃描和電荷型成像裝置7和8快門關閉時，表明光落在電荷型成像裝置7和8一對像素上的時刻才被記錄。所有這一切都是必須的，以便在像分析裝置9上轉(zhuǎn)換回物體10的表面高度。
同樣，在共焦法中，為了提高測量的分辨能力，可以引進偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置的第二實施例。所有這一切都是必須的，以便在一次曝光/掃描過程中，旋轉(zhuǎn)偏振器2盡可能多圈，并導出光被反射的位置，作為三幅有不同相位的像的初始相位。但是，因為存在nπ的不確定性，相位連接處理是必需的。
下面，考慮與熟知的表面形狀測量技術類似的飛行時間法(本文此后稱“TOF法”)。TOF法也可以用偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置實現(xiàn)。TOF法是一種測量物體表面凹凸的技術，它測量從光發(fā)射到被物體反射并返回的時間間隔。因為本發(fā)明是測量時間的技術，所以也可以用本發(fā)明。就是說，使脈沖光同時向整個物體發(fā)射，并用偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，通過成像透鏡接收返回光。因為從光發(fā)射到返回的時間，隨物體表面的凹凸而不同，能夠用偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置測量該時間差，從而能夠確定物體表面的形狀。
雖然已經(jīng)舉出偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置用于表面形狀測量的例子，但偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置的范圍，不僅限于舉出的各種情形。本發(fā)明能用于兩維位置是關鍵的、且在每一位置只作為脈沖的光被發(fā)射或反射/穿透的現(xiàn)象。例如，可以考慮應用于高速移動物體的軌跡測量、可見光通信等等。
工業(yè)可應用性通過本發(fā)明，僅借助一次成像(一次曝光)，可以對每一像素測定光接收的時標，與涉及光截面法、線柵投影相移法、共焦法和TOF法等常規(guī)方法相比，能夠使表面形狀的測量加快數(shù)倍到數(shù)百倍。因為使移動物體的測量成為可能，可以預期在廣大領域中有大的效果，如三維高速現(xiàn)象的分析、對機器人或汽車的三維觀測、動物或植物活體的三維測量、安全、和FA。
權(quán)利要求
1.一種偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，包括線偏振旋轉(zhuǎn)裝置，使入射光線偏振化，并旋轉(zhuǎn)偏振方向；檢偏裝置，使通過線偏振旋轉(zhuǎn)裝置的入射光，分解為至少兩個不同線偏振的分量；至少兩個同步的電荷型成像裝置，用于接收每一被分解的入射光線，并把光強轉(zhuǎn)換為電信號，再輸出該電信號；和像分析裝置，它分析電荷型成像裝置輸出的多個像信號。
2.按照權(quán)利要求1的偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，包括消偏振裝置，它在光進入線偏振旋轉(zhuǎn)裝置之前，把入射光轉(zhuǎn)換為強度對偏振方向的變化小的光。
3.一種表面形狀測量裝置，包括成像透鏡；狹縫光掃描裝置，它至少以一條狹縫光，從不同于成像透鏡光軸的方向，照射成像透鏡的物平面，并使該狹縫光在物平面上掃描；和按照權(quán)利要求1或2的偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，其中的電荷型成像裝置，安排在成像透鏡的像平面；其中，電荷型成像裝置的測量范圍，在電荷型成像裝置的一次曝光時間內(nèi)，被狹縫光掃描裝置掃描，且借助線偏振旋轉(zhuǎn)裝置，使入射檢偏裝置的光的偏振方向，與狹縫光的掃描同步地旋轉(zhuǎn)。
4.一種表面形狀測量裝置，包括共焦成像光學系統(tǒng)；Z方向掃描裝置，它改變物體與共焦成像光學系統(tǒng)之間的相對光學通道長度；和按照權(quán)利要求1或2的偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，其中的電荷型成像裝置，安排在共焦成像光學系統(tǒng)的像平面；其中，在電荷型成像裝置的一次曝光時間內(nèi)，測量范圍被Z方向掃描裝置掃描，且借助線偏振旋轉(zhuǎn)裝置，使從物體反射而入射檢偏裝置的光的偏振方向，與測量范圍上的掃描同步地旋轉(zhuǎn)。
5.一種表面形狀測量裝置，包括成像透鏡；照射裝置，以脈沖同時照射物體；和按照權(quán)利要求1或2的偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，其中的電荷型成像裝置，安排在成像透鏡的像平面；其中，在電荷型成像裝置的一次曝光時間內(nèi)，整個測量范圍被照射裝置同時照射至少一次，并測定電荷型成像裝置接收物體反射光的時刻。
全文摘要
一種偏振方向測定型兩維光接收時標測定裝置，和使用它的表面形狀測量裝置，該測定裝置用于實現(xiàn)能適合動物身體測量的快速表面形狀測量。圖8中，測定光的偏振方向與狹縫光的掃描同步地轉(zhuǎn)動，并用兩組按交叉Nicols排列的偏振器(5、6)和存儲器類型像測定器(7、8)，在兩維上記錄偏振方向，從而能夠只用一次成像，確定狹縫光入射存儲器類型像測定器(7、8)相應像素的時標。
文檔編號G01B11/24GK1610817SQ0380179
公開日2005年4月27日 申請日期2003年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月7日
發(fā)明者石原滿宏 申請人:株式會社高岳制作所