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OPTICAL DEVICE AND METHOD FOR SHAPE AND GRADIENT DETECTION AND/OR MEASUREMENT AND ASSOCIATED DEVICE

Foreign code F110002977
File No. S2008-0863-C0
Posted date May 10, 2011
Country WIPO
International application number 2009JP003995
International publication number WO 2010/021148
Date of international filing Aug 20, 2009
Date of international publication Feb 25, 2010
Priority data
  • P2008-211895 (Aug 20, 2008) JP
Title OPTICAL DEVICE AND METHOD FOR SHAPE AND GRADIENT DETECTION AND/OR MEASUREMENT AND ASSOCIATED DEVICE
Abstract Provided are: an optical device for shape and gradient detection and/or measurement which has a simple structure, is robust to external disturbance, and enables accurate measurement of the gradient angle of an object surface, including a human body; a method for optical shape and gradient detection and/or measurement; and a circularly polarized light illumination device. The optical device for shape and gradient detection and/or measurement uses the optical reflection characteristics of the surface of an object to detect and/or measure the surface shape or gradient of an observed object, and is provided with an illumination device and a polarized light image detection device. The illumination device makes the incident light, which surrounds the periphery of the object and is essentially a known perfect polarized light, fall uniformly. The polarized light image detection device detects a polarized light ellipse of the perfectly polarized light component of a light beam group, which is specularly reflected by the object surface and radiated at a particular azimuth angle. The optical device measures the gradient angle with respect to the radiated light beam of the reflection surface in a step 1 in which the orientation of the incident plane is detected from the observed azimuth angle value of the polarized light ellipse for the reflecting surface of the object which forms an incident point for each reflected and radiated light beam, and a step 2 in which the incident angle is detected from the ellipticity logic value of the polarized light ellipse. The method for optical shape and gradient detection and/or measurement is carried out using the same operation.
Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】物体の表面の反射光学特性を用いて観察物体の表面形状や傾斜を検知及び/又は計測する形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置において、該物体の周辺を囲んで実質的に既知の完全偏光状態を包含する偏光状態の光を一様に入射させる照明装置と、該物体表面で正反射し特定の方位角に射出された光線群の完全偏光成分を包含する偏光成分の偏光楕円を検知する偏光画像検出装置を備え、反射射出された光線ごとに、その入射点を成す該物体の反射面について、偏光楕円の観測方位角値から入射面の方位を知るステップ1と、偏光楕円の楕円率理論値を包含する偏光楕円の楕円率値から入射角度を知るステップ2によって反射面の射出光線に対する傾斜角を測定することを特徴とする形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項2】該物体の周辺を囲んで実質的に既知の完全偏光状態を包含する偏光状態の光を一様に入射させる照明装置が、完全円偏光を包含する円偏光を照明するものであることを特徴とする請求項1に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項3】偏光楕円の観測方位角値から入射面の方位を知るステップ1が、(1)偏光楕円の観測方位角理論値を包含する偏光楕円の観測方位角値から入射面の方位を知るものであること、又は、(2)該物体の周辺を囲んで実質的に既知の完全偏光状態を包含する偏光状態の光を一様に入射させる照明装置において、右円偏光と左円偏光を切り替えて入射せしめることで、反射偏光楕円の観測方位角理論値を包含する反射偏光楕円の観測方位角値が物体の表面の反射光学特性に無関係に入射面に対称に切り替わることを利用して入射面方位を特定するものであることを特徴とする請求項1または2に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項4】該物体の周辺を囲んで実質的に既知の完全偏光状態を包含する偏光状態の光を一様に入射させる照明装置が、空間的に特定された入射光線を計測基準原点として含み、偏光画像検出装置によって特定した反射点における偏光楕円の観測値から、該反射面の光学的性質を特定できるものであることを特徴とする請求項1~3のいずれか一に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項5】該物体表面で反射し特定の方位角に射出された光線群の偏光楕円を検知する偏光画像検出装置が、実質的に同一な偏光楕円を有する光線群の方位角範囲を抽出できる機構を備えることを特徴とする請求項1~4のいずれか一に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項6】該物体表面で反射し特定の方位角に射出された光線群の偏光楕円を検知する偏光画像検出装置が、反射光を空間的に少なくとも3以上の複数に分割し、互いに異なった特定の偏光楕円を検出できる検光子を複数割り当てて、偏光楕円を並列に同時検知する構造を有していることを特徴とする請求項1~5のいずれか一に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項7】反射光を偏光ビームスプリッターで直進するp成分と反射されるs偏光成分とに分割せしめ、それぞれを、結像レンズにより、2次元検出器上に結像せしめて、直交偏光像出力として物体像が取り出される直交直線偏光像検知ユニットを備えていることを特徴とする請求項1~6のいずれか一に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項8】該物体表面で反射し特定の方位角に射出された光線群の偏光楕円を検知する偏光画像検出装置が、物体の縮小投影像を得ることで物体表面の光線位置を特定する機構を有するものであることを特徴とする請求項1~7のいずれか一に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項9】該物体表面で反射し特定の方位角に射出された光線群の偏光楕円を検知する偏光画像検出装置が、物体の拡大投影像を得ることで物体表面の光線位置を特定する機構を有するものであることを特徴とする請求項1~7のいずれか一に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項10】該物体表面で反射し特定の方位角に射出された光線群の偏光楕円を検知する偏光画像検出装置が、コリメーターを備えることで物体表面の光線位置を特定する機構を有するものであることを特徴とする請求項1~7のいずれか一に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項11】該物体表面で反射し特定の方位角に射出された光線群の偏光楕円を検知する偏光画像検出装置が、該装置を実質的に無限遠方に配置することで物体表面の光線位置を特定する機構を有するものであることを特徴とする請求項1~7のいずれか一に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項12】該物体表面で反射し特定の方位角に射出された光線群の偏光楕円を検知する偏光画像検出装置が、ピンホールを備えることで物体表面の光線位置を特定する機構を有するものであることを特徴とする請求項1~7のいずれか一に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項13】人体または乳房を包含する人体の一部分を検知及び/又は計測物体とし、悪性腫瘍を包含する各種の病変によって引き起こされる表面傾斜角の特異的変化を検知特定するものであるマンモグラフィーを包含する医療診断装置であることを特徴とする請求項1~12のいずれか一に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項14】患者を包含する観察物体の姿勢変化を包含する力学的処理によって、所定の応力による変形を与え、変形前後での傾斜角の変化を検知及び/又は計測することで力学的な特性を抽出することを特徴とする請求項1~13のいずれか一に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項15】照明光を白色光として、皮膚を包含する観察物体表面からの侵入深さが波長とともに変化することを考慮した実質的な反射面として、該反射面の光学特性の変化を検知及び/又は計測することを特徴とする請求項1~14のいずれか一に記載の形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置。

【請求項16】物体の表面の反射光学特性を用いて観察物体の表面形状や傾斜を検知及び/又は計測する光学的形状・傾斜検知及び/又は計測法であって、照明装置により、該物体の周辺を囲んで実質的に既知の完全偏光状態を包含する偏光状態の光を一様に入射せしめ、該物体表面で正反射し特定の方位角に射出された光線群の完全偏光成分を包含する偏光成分の偏光楕円を偏光画像検出装置で検知し、反射射出された光線ごとに、その入射点を成す該物体の反射面について、偏光楕円の観測方位角値から入射面の方位を知り且つ偏光楕円の楕円率理論値を包含する偏光楕円の楕円率値から入射角度を知ることによって反射面の射出光線に対する傾斜角を測定し、測定された傾斜角が該物体表面で滑らかに変化することを利用し、物体情報を抽出することを特徴とする光学的形状・傾斜検知及び/又は計測法。

【請求項17】人体または乳房を包含する人体の一部分を検知及び/又は計測物体とし、悪性腫瘍を包含する各種の病変によって引き起こされる表面傾斜角の特異的変化を検知特定するものであることを特徴とする請求項16に記載の光学的形状・傾斜検知及び/又は計測法。

【請求項18】患者を包含する観察物体の姿勢変化を包含する処理によって、所定の変形を与え、変形前後での傾斜角の変化を検知及び/又は計測することを特徴とする請求項16又は17に記載の光学的形状・傾斜検知及び/又は計測法。

【請求項19】照明光を白色光として、皮膚を包含する観察物体表面からの侵入深さが波長とともに変化することを考慮した実質的な反射面として、該反射面の光学特性の変化を検知及び/又は計測することを特徴とする請求項16~18のいずれか一に記載の光学的形状・傾斜検知及び/又は計測法。

【請求項20】物体の表面の反射光学特性を用いて観察物体の表面形状や傾斜を検知及び/又は計測する形状・傾斜検知及び/又は計測光学装置において、該物体の周辺を囲んで実質的に既知の完全偏光状態を包含する偏光状態の光を一様に入射させる照明装置と、該物体表面で反射し特定の方位角に射出された光線群の完全偏光成分を包含する偏光成分の偏光楕円を検知する偏光画像検出装置を備え、反射射出された光線ごとに、その入射点を成す該物体の反射面、すなわち、微斜面について、偏光楕円の方位角から入射面の方位角、すなわち、接平面の法線の方位角を、そして、該偏光楕円の楕円率から反射角度、すなわち、入射角度を、それぞれ知ることによって反射面の射出光線に対する傾斜角を測定し、接平面を成す微斜面を滑らかに接続する積分操作をなすことを特徴とする形状・傾斜検知及び/又は計測法。

【請求項21】一度の反射で起こる偏光楕円の変化の入射角依存性を利用し、観測物体表面の反射点での接平面の法線について、観測方向である軸と成す反射角と該観測方向である軸と垂直な平面への射影成分の偏角を直接に計測することを特徴とする請求項20に記載の光学的形状・傾斜検知及び/又は計測法。

【請求項22】観測物体表面の反射点の接平面の傾斜として、観測方向である軸成分の座標での偏微分係数を決定することを特徴とする請求項20又は21に記載の光学的形状・傾斜検知及び/又は計測法。

【請求項23】観測物体表面の反射点の接平面の法線の傾きを計測し、物体の反射点での形状・傾斜の偏微分係数を求め、該偏微分係数の時間変化及び/又は空間変化を計測し、得られた計測値を直接利用して形状の特徴及び/又は傾斜の特徴を抽出することを特徴とする請求項20~22のいずれか一に記載の光学的形状・傾斜検知及び/又は計測法。

【請求項24】エリプソメトリーで、観測対象試料の光学的な性質を表す光学モデルを使用して計算された複素振幅反射率比と、反射された偏光楕円の楕円率角と主軸の方位角とから求められる値ψ,δとを使用して、接平面の傾斜並びに観測物体の形状を計測することを特徴とする請求項20~23のいずれか一に記載の光学的形状・傾斜検知及び/又は計測法。

【請求項25】物体の形状や傾斜を計測する傾斜・形状計測法に用いる円偏光照明装置であって、内面を含む、物体表面を構成する傾斜面に円偏光を入射し、規定された観察方位に正反射される反射光線の偏光特性を用いて該傾斜面の三次元傾斜角および該傾斜面を成す該物体の形状・傾斜の計測用のもので、且つ、当該円偏光照明装置は光源装置を備えるもので、該光源装置は、該物体に正対する平面または曲面から成る円形または矩形、あるいは、その組み合わせの、多面体形状の照明区画を有し、該区画が、物体の外面を囲む凹面、または、物体の内面に向けた凸面で構成され、該区画を通して該物体に向けて実質的完全円偏光を包含する円偏光を照射でき且つ該物体表面に入射させる円偏光光線群が、反射の法則に従って観測方位に正反射できる全ての入射光線成分を含むようにせしめる光源装置であることを特徴とする円偏光照明装置。

【請求項26】前記照明区画を有する光源装置が、光源、光を該区画に導く光学素子、および、円偏光子をこの順に含み、所定の偏光度の完全円偏光を包含する円偏光を該区画から所定の角度範囲の入射角光線束として射出できる機能を具備せしめるものであることを特徴とする請求項25に記載の円偏光照明装置。

【請求項27】前記照明区画を有する光源装置が、実質的に偏光度99%以上の円偏光光束群を該物体に照明できることを特徴とする請求項25または26に記載の円偏光照明装置。

【請求項28】前記光源装置の照明区画が円に内接する正多角形のいずれか、または、その組み合わせから成る多面体区画を成すものであることを特徴とする請求項25~27のいずれか一に記載の円偏光照明装置。

【請求項29】前記光源装置が、光ファイバー素子を所定の角度に配置して照明区画に垂直に入射させるものであることを特徴とする請求項25~28のいずれか一に記載の円偏光照明装置。

【請求項30】前記照明区画を有する光源装置が、少なくとも、点発光源を配列した実質的面光源、及び/又は、面発光光源と、円偏光子とを、この順に含むことを特徴とする請求項25~29のいずれか一に記載の円偏光照明装置。

【請求項31】前記光源装置が少なくとも一点から発散する光束を生成する光源機構と回転楕円体反射鏡を含み、該発散点と物体の位置を該回転楕円体反射鏡の焦点に一致させて配置して、反射によって照明光線を物体に収束せしめることで照明区画に垂直に入射させることを特徴とする請求項25~30のいずれか一に記載の円偏光照明装置。

【請求項32】前記光源装置が少なくとも平行な照明光束を生成する光源機構と回転放物面鏡を含み、物体の位置を該回転放物面鏡の焦点に一致させて配置して、反射によって照明光線を物体に収束せしめることで照明区画に垂直に入射させることを特徴とする請求項25~30のいずれか一に記載の円偏光照明装置。

【請求項33】前記光源装置の照明区画内に照明角度原点基準を有することを特徴とする請求項25~32のいずれか一に記載の円偏光照明装置。

【請求項34】照明光束の円偏光状態を右円偏光と左円偏光で時間的または空間的に選択する機能を有することを特徴とする請求項25~33のいずれか一に記載の円偏光照明装置。

【請求項35】内面を含む、物体表面を構成する傾斜面に円偏光を入射し、規定された観察方位に正反射される反射光線の偏光特性を用いて該傾斜面の三次元傾斜角および該傾斜面を成す該物体の形状や傾斜を計測する傾斜・形状計測法に用いる円偏光照明手法であって、測定対象物体に正対する平面または曲面から成る円形または矩形、あるいは、その組み合わせの、多面体形状の照明区画を有しており且つ該区画が物体の外面を囲む凹面または物体の内面に向けた凸面で構成されている光源装置を使用し、該区画を通して該物体に向けて実質的完全円偏光を包含する円偏光を照射して、該物体表面に入射させる円偏光光線群が、反射の法則に従って観測方位に正反射できる全ての入射光線成分を含むようにすることを特徴とする円偏光照明手法。
                                                                                
  • Applicant
  • ※All designated countries except for US in the data before July 2012
  • TOHOKU UNIVERSITY
  • Inventor
  • YAMAMOTO, Masaki
  • TSURU, Toshihide
IPC(International Patent Classification)
Specified countries AE(UTILITY MODEL),AG,AL(UTILITY MODEL),AM(PROVISIONAL PATENT)(UTILITY MODEL),AO(UTILITY MODEL),AT(UTILITY MODEL),AU,AZ(UTILITY MODEL),BA,BB,BG(UTILITY MODEL),BH(UTILITY MODEL),BR(UTILITY MODEL),BW(UTILITY MODEL),BY(UTILITY MODEL),BZ(UTILITY MODEL),CA,CH,CL(UTILITY MODEL),CN(UTILITY MODEL),CO(UTILITY MODEL),CR(UTILITY MODEL),CU(INVENTOR'S CERTIFICATE),CZ(UTILITY MODEL),DE(UTILITY MODEL),DK(UTILITY MODEL),DM,DO(UTILITY MODEL),DZ,EC(UTILITY MODEL),EE(UTILITY MODEL),EG(UTILITY MODEL),ES(UTILITY MODEL),FI(UTILITY MODEL),GB,GD,GE(UTILITY MODEL),GH(UTILITY CERTIFICATE),GM,GT(UTILITY MODEL),HN,HR(CONSENSUAL PATENT),HU(UTILITY MODEL),ID,IL,IN,IS,JP(UTILITY MODEL),KE(UTILITY MODEL),KG(UTILITY MODEL),KM,KN,KP(INVENTOR'S CERTIFICATE)(UTILITY MODEL),KR(UTILITY MODEL),KZ(PROVISIONAL PATENT)(UTILITY MODEL),LA,LC,LK,LR,LS(UTILITY MODEL),LT,LU,LY,MA,MD(UTILITY MODEL),ME,MG,MK,MN,MW,MX(UTILITY MODEL),MY(UTILITY-INNOVATION),MZ(UTILITY MODEL),NA,NG,NI(UTILITY MODEL),NO,NZ,OM(UTILITY MODEL),PE(UTILITY MODEL),PG,PH(UTILITY MODEL),PL(UTILITY MODEL),PT(UTILITY MODEL),RO,RS(PETTY PATENT),RU(UTILITY MODEL),SC,SD,SE,SG,SK(UTILITY MODEL),SL(UTILITY MODEL),SM,ST,SV(UTILITY MODEL),SY,TJ(UTILITY MODEL),TM(PROVISIONAL PATENT),TN,TR(UTILITY MODEL),TT(UTILITY CERTIFICATE),TZ,UA(UTILITY MODEL),UG(UTILITY CERTIFICATE),US,UZ(UTILITY MODEL),VC(UTILITY CERTIFICATE),VN(PATENT FOR UTILITY SOLUTION),ZA,ZM,ZW,EP(AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF(UTILITY MODEL),BJ(UTILITY MODEL),CF(UTILITY MODEL),CG(UTILITY MODEL),CI(UTILITY MODEL),CM(UTILITY MODEL),GA(UTILITY MODEL),GN(UTILITY MODEL),GQ(UTILITY MODEL),GW(UTILITY MODEL),ML(UTILITY MODEL),MR(UTILITY MODEL),NE(UTILITY MODEL),SN(UTILITY MODEL),TD(UTILITY MODEL),TG(UTILITY MODEL)),AP(BW(UTILITY MODEL),GH(UTILITY MODEL),GM(UTILITY MODEL),KE(UTILITY MODEL),LS(UTILITY MODEL),MW(UTILITY MODEL),MZ(UTILITY MODEL),NA(UTILITY MODEL),SD(UTILITY MODEL),SL(UTILITY MODEL),SZ(UTILITY MODEL),TZ(UTILITY MODEL),UG(UTILITY MODEL),ZM(UTILITY MODEL),ZW(UTILITY MODEL)),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM)
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