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JP2013117395A - Inclination measuring device and method thereof - Google Patents

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JP2013117395A
JP2013117395A JP2011263876A JP2011263876A JP2013117395A JP 2013117395 A JP2013117395 A JP 2013117395A JP 2011263876 A JP2011263876 A JP 2011263876A JP 2011263876 A JP2011263876 A JP 2011263876A JP 2013117395 A JP2013117395 A JP 2013117395A
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JP
Japan
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angle
light
reflected light
measurement object
measurement
Prior art date
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Application number
JP2011263876A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroaki Matsukawa
裕章 松川
Harumi Yamamoto
治美 山本
Hidekazu Araki
秀和 荒木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】計測対象の傾斜角度にかかわらず、計測結果の誤差を抑制可能とする。
【解決手段】照射手段10は、光放射装置11と円筒状の偏光子12とを備え、偏光子12を通して計測対象1に円偏光を照射する。撮像手段20は、計測対象1からの正反射光を検光子22を通してカメラ21で撮像する。解析手段30は、撮像手段20の出力を用いて正反射光の偏光状態を検出し、この偏光状態から計測対象1における正反射光の反射部位が規定の基準平面に対してなす角度を算出する。解析手段30は、反射光の偏光状態から算出した角度を、角度ごとに定められた関係で補正することにより、計測対象1の表面における傾斜角度を求める。
【選択図】図1
An error of a measurement result can be suppressed regardless of an inclination angle of a measurement target.
An irradiation unit includes a light emitting device and a cylindrical polarizer, and irradiates a measurement object with circularly polarized light through the polarizer. The imaging unit 20 captures the specularly reflected light from the measurement target 1 with the camera 21 through the analyzer 22. The analysis unit 30 detects the polarization state of the specularly reflected light using the output of the imaging unit 20, and calculates the angle formed by the reflection part of the specularly reflected light in the measurement object 1 with respect to the prescribed reference plane from the polarization state. . The analysis unit 30 obtains the inclination angle on the surface of the measurement object 1 by correcting the angle calculated from the polarization state of the reflected light with the relationship determined for each angle.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、計測対象に偏光状態の光を照射し、計測対象からの正反射光の偏光状態を解析することにより計測対象の傾斜角度を計測する傾斜測定装置およびその方法に関するものである。   The present invention relates to a tilt measuring apparatus and method for measuring a tilt angle of a measurement target by irradiating the measurement target with light in a polarization state and analyzing the polarization state of specularly reflected light from the measurement target.

従来から、計測対象の傾斜角度を計測する技術として、計測対象に偏光状態の光を照射し、計測対象からの正反射光の偏光状態を解析する傾斜エリプソメトリーと称する技術が知られている(たとえば、特許文献1参照)。特許文献1には、光源装置から計測対象である物体に円偏光を照射するとともに、その反射光である楕円偏光を偏光検知器で検出することにより、物体の傾斜角度を計測する技術が記載されている。また、引用文献1に記載の技術は、物体に反射センサーが取り付けられている。反射センサーの角度は、角度調節機構を用いて調節可能であって、光源装置から物体に照射された円偏光の正反射光が偏光検知器に入射されるように調節される。   Conventionally, as a technique for measuring the tilt angle of a measurement target, a technique called tilt ellipsometry is known in which a measurement target is irradiated with light in a polarization state and the polarization state of specularly reflected light from the measurement target is analyzed ( For example, see Patent Document 1). Patent Document 1 describes a technique for measuring the tilt angle of an object by irradiating an object to be measured from a light source device with circularly polarized light and detecting elliptically polarized light that is reflected light with a polarization detector. ing. In the technique described in the cited document 1, a reflection sensor is attached to an object. The angle of the reflection sensor can be adjusted using an angle adjustment mechanism, and is adjusted so that circularly polarized regular reflection light irradiated on the object from the light source device is incident on the polarization detector.

特開2011−106920号公報JP 2011-106920 A

特許文献1に記載された技術を採用すれば、計測対象である物体において反射センサーが取り付けられた部位の傾斜角度を計測することが可能である。ただし、計測対象の表面に傾斜角度の異なる複数の部位が存在する場合、傾斜角度の異なる各部位に反射センサーを設けることは困難である。また、複数個の反射センサーが設けられていると、個々の反射センサーごとに傾斜角度を計測することになるから、傾斜角度の計測に長時間を要することになる。   If the technique described in Patent Document 1 is adopted, it is possible to measure the inclination angle of the part where the reflection sensor is attached to the object to be measured. However, when there are a plurality of parts with different inclination angles on the surface of the measurement target, it is difficult to provide a reflection sensor at each part with different inclination angles. If a plurality of reflection sensors are provided, the inclination angle is measured for each individual reflection sensor, and thus it takes a long time to measure the inclination angle.

計測対象が金属光沢を有する材料である場合、反射センサーを省略することが可能であるが、特許文献1に記載された技術では、依然として複数の部位の傾斜角度を個別に計測することになるから、計測に要する時間を短縮することは困難である。   When the measurement target is a material having a metallic luster, it is possible to omit the reflection sensor, but the technique described in Patent Document 1 still measures the inclination angles of a plurality of parts individually. It is difficult to reduce the time required for measurement.

そのため、計測対象の全体に円偏光を照射し、偏光検出器として計測対象の画像を撮像する構成を採用することが考えられる。この場合、たとえばドーム型(半球状)の照射手段を用いて計測対象の表面全体に均一に円偏光を照射することが考えられる。しかしながら、偏光子をドーム状に形成して計測対象の表面の全体に均一に円偏光を照射することは困難である。   Therefore, it is conceivable to employ a configuration in which circularly polarized light is irradiated on the entire measurement target and an image of the measurement target is captured as a polarization detector. In this case, for example, it is conceivable to uniformly irradiate circularly polarized light on the entire surface of the measurement object using a dome-shaped (hemispherical) irradiation means. However, it is difficult to uniformly irradiate circularly polarized light on the entire surface to be measured by forming the polarizer in a dome shape.

そこで、発光面が計測対象を囲むドーム形ないし半球状である光放射装置と、光放射装置と計測対象との間に、円筒状のような比較的単純な形状の偏光子を配置することが考えられている。偏光子は、表面に垂直に入射した光を円偏光として出射させることにより、計測対象に円偏光を照射する。   Therefore, a light emitting device whose light emitting surface is a dome shape or hemisphere surrounding the measurement target, and a relatively simple polarizer such as a cylindrical shape may be disposed between the light emission device and the measurement target. It is considered. The polarizer irradiates the measurement object with circularly polarized light by emitting light incident perpendicularly to the surface as circularly polarized light.

上述の構成では、偏光子が円筒状である場合、偏光子の口軸に直交する平面に沿って偏光子に入射する光は円偏光になるから、計測対象の傾斜角度が精度よく計測される。すなわち、計測対象が特定の傾斜角度である場合、円偏光の正反射光を偏光検出器に入射させることが可能である。   In the above configuration, when the polarizer is cylindrical, light incident on the polarizer along a plane perpendicular to the mouth axis of the polarizer is circularly polarized, so that the tilt angle of the measurement target is accurately measured. . That is, when the measurement target has a specific tilt angle, it is possible to make circularly polarized regular reflection light incident on the polarization detector.

しかしながら、この構成を採用したところ、計測対象が特定の傾斜角度ではない場合に、傾斜角度の計測結果に誤差が生じることがわかった。このような誤差は、計測対象が特定の傾斜角度ではない場合、偏光検出器に正反射光として入射される光が、計測対象に照射される際に円偏光ではないことに起因していると考えられる。   However, when this configuration is adopted, it has been found that when the measurement target is not a specific inclination angle, an error occurs in the measurement result of the inclination angle. Such an error is due to the fact that when the measurement object is not at a specific tilt angle, the light incident as a specularly reflected light on the polarization detector is not circularly polarized when the measurement object is irradiated. Conceivable.

本発明は、計測対象の傾斜角度にかかわらず、計測結果の誤差を抑制可能とした傾斜測定装置およびその方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an inclination measuring apparatus and method capable of suppressing errors in measurement results regardless of the inclination angle of a measurement target.

本発明に係る傾斜測定装置は、計測対象に円偏光を照射する照射手段と、検光子を通して前記計測対象からの正反射光を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の出力を用いて前記正反射光の偏光状態を検出し、この偏光状態から前記計測対象における正反射光の反射部位が規定の基準平面に対してなす角度を算出する解析手段とを備え、前記解析手段は、反射光の偏光状態から算出した前記角度を、前記角度ごとに定められた関係で補正することにより、計測対象の表面における傾斜角度を求めることを特徴とする。   An inclination measuring apparatus according to the present invention includes an irradiating unit that irradiates a measurement target with circularly polarized light, an imaging unit that images regular reflected light from the measurement target through an analyzer, and the specular reflection using an output of the imaging unit. Analyzing means for detecting a polarization state of light, and calculating an angle formed by a reflection part of the specularly reflected light in the measurement object with respect to a prescribed reference plane from the polarization state, and the analyzing means comprises polarization of reflected light An inclination angle on the surface of the measurement target is obtained by correcting the angle calculated from the state with a relationship determined for each angle.

この傾斜測定装置において、前記照射手段は、前記撮像手段の光軸を囲む全方向から前記計測対象に光を照射する光放射装置と、前記光放射装置と前記計測対象との間に配置され前記撮像手段の光軸に直交する断面が円形であって表面に垂直に入射した光を円偏光として出射させる偏光子とからなることが好ましい。   In this inclination measuring apparatus, the irradiating means is disposed between a light emitting apparatus that irradiates light to the measuring object from all directions surrounding an optical axis of the imaging means, and the light emitting apparatus and the measuring object. It is preferable that the imaging unit includes a polarizer having a circular cross section perpendicular to the optical axis and emitting light incident perpendicularly to the surface as circularly polarized light.

この傾斜測定装置において、前記偏光子は、円筒形であることがさらに好ましい。   In this tilt measuring apparatus, the polarizer is more preferably cylindrical.

この傾斜測定装置において、前記関係は、傾斜角度が既知である物体について、前記解析手段が反射光の偏光状態から算出した前記角度と前記物体の既知の傾斜角度との複数の組合せから求めた回帰式で表されていることが好ましい。   In this inclination measuring apparatus, the relationship is a regression obtained from a plurality of combinations of the angle calculated from the polarization state of the reflected light and the known inclination angle of the object with respect to an object whose inclination angle is known. It is preferably represented by the formula.

本発明に係る傾斜測定方法は、照射手段から計測対象に円偏光を照射するとともに、検光子を通して前記計測対象からの正反射光を撮像手段により撮像し、前記計測対象で反射された反射光の偏光状態から前記計測対象において反射光を反射した部位が規定の基準平面に対してなす角度を解析手段で算出するにあたり、反射光の偏光状態から算出した前記角度を、角度ごとに定められた関係で補正することにより、計測対象の表面における傾斜角度を求めることを特徴とする。   The tilt measurement method according to the present invention irradiates the measurement target with circularly polarized light from the irradiation unit, images regular reflection light from the measurement target through the analyzer with the imaging unit, and reflects the reflected light reflected by the measurement target. In calculating the angle formed by the analyzing means with respect to the prescribed reference plane by the part that reflected the reflected light in the measurement object from the polarization state, the angle calculated from the polarization state of the reflected light is a relationship determined for each angle. The inclination angle on the surface of the measurement object is obtained by correcting with the above.

本発明の構成によれば、撮像手段で受光した正反射光に基づいて算出した角度を、角度ごとに定められた関係で補正することにより、計測対象の傾斜角度を求めるから、計測対象の傾斜角度にかかわらず、誤差の発生が抑制可能になるという利点を有する。   According to the configuration of the present invention, since the angle calculated based on the specularly reflected light received by the imaging unit is corrected by the relationship determined for each angle, the inclination angle of the measurement object is obtained. Regardless of the angle, there is an advantage that the occurrence of errors can be suppressed.

実施形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows embodiment. 同上の問題点を説明する図である。It is a figure explaining a problem same as the above. 同上において計算上の角度と実際の角度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a calculated angle and an actual angle in the same as the above. 同上において補正後の角度と測定誤差との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the angle after correction | amendment, and a measurement error in the same as the above.

本実施形態の傾斜測定装置は、図1に示すように、計測対象1に円偏光を照射する照射手段10と、計測対象1からの正反射光を撮像する撮像手段20とを備える。計測対象1は、金属のように高反射率であることが好ましい。撮像手段20の出力は解析手段30に与えられる。解析手段30は、撮像手段20の出力を用いて計測対象1から正反射光の偏光状態を検出し、正反射光の反射部位について検出した偏光状態を用いて、当該反射部位が規定の基準平面に対してなす角度を算出する。さらに、解析手段30は、後述するように、算出した角度を補正することにより、計測対象1における反射部位ごとの傾斜角度を求める機能を有する。なお、以下の説明では、基準平面は、計測対象1を載せるテーブルの上面などに平行な面であって、撮像手段20の光軸に直交するように設定する場合を想定しているが、撮像手段20の光軸に対して傾斜するように設定することも可能である。   As shown in FIG. 1, the tilt measurement apparatus according to the present embodiment includes an irradiation unit 10 that irradiates the measurement target 1 with circularly polarized light, and an imaging unit 20 that captures specularly reflected light from the measurement target 1. It is preferable that the measurement object 1 has a high reflectance like a metal. The output of the imaging means 20 is given to the analysis means 30. The analysis unit 30 detects the polarization state of the specularly reflected light from the measurement target 1 using the output of the imaging unit 20, and uses the polarization state detected for the reflective part of the specularly reflected light, and the reflection site is a prescribed reference plane. An angle formed with respect to is calculated. Further, as will be described later, the analysis unit 30 has a function of obtaining an inclination angle for each reflection site in the measurement target 1 by correcting the calculated angle. In the following description, it is assumed that the reference plane is a plane parallel to the upper surface of the table on which the measurement object 1 is placed and is set to be orthogonal to the optical axis of the imaging unit 20. It is also possible to set so as to be inclined with respect to the optical axis of the means 20.

照射手段10は、計測対象1において撮像手段20の視野内に存在する部位に円偏光が照射可能となるように構成されている。本実施形態の照射手段10は、図1に示すように、撮像手段20の光軸を囲む全方向から計測対象1に光を照射する光放射装置11と、光放射装置11と計測対象1との間に配置された偏光子12とを備える。   The irradiation unit 10 is configured so that circularly polarized light can be irradiated onto a portion of the measurement target 1 that exists in the field of view of the imaging unit 20. As shown in FIG. 1, the irradiation unit 10 of the present embodiment includes a light emitting device 11 that irradiates light to the measurement target 1 from all directions surrounding the optical axis of the imaging unit 20, the light emission device 11, the measurement target 1, and the like. And a polarizer 12 disposed between the two.

光放射装置11は、計測対象1を囲む半球状ないしドーム状の発光面を有し、撮像手段20の視野範囲において計測対象1の表面にほぼ均一に光を照射する。照射手段10に用いる光源は、撮像手段20が撮像している間に光出力が変動することがないよう、直流安定化電源を用いて点灯させることが好ましい。また、照射手段10は、計測対象1に対して連続的に光を照射する構成と、規定の短時間だけ光を出力して計測対象1に閃光を照射する構成とのいずれかが用いられる。照射手段10が閃光を発生する場合、発光毎の光量が変化しないように発光量が制御される。   The light emitting device 11 has a hemispherical or dome-shaped light emitting surface surrounding the measurement target 1, and irradiates light almost uniformly on the surface of the measurement target 1 in the field of view of the imaging means 20. The light source used for the irradiating unit 10 is preferably lit using a DC stabilized power supply so that the light output does not fluctuate while the imaging unit 20 is imaging. In addition, the irradiation unit 10 may be configured to either continuously irradiate the measurement object 1 with light or to output light only for a specified short time to irradiate the measurement object 1 with flash light. When the irradiating means 10 generates a flash, the light emission amount is controlled so that the light amount for each light emission does not change.

偏光子12は、光放射装置11からの光を直線偏光に変換する偏光板と四分の一波長板とを重ね合わせた構成を有し、光放射装置11から放射された光を円偏光に変換する。この種の偏光子12は、シート状に形成された可撓性を有する円偏光フィルムが所望の形状に加工されるか、可撓性を有していない多数個の光学素子が所望の形状に配列されることにより形成される。図示例の偏光子12は、円筒状に形成され、口軸方向が撮像手段20の光軸に平行になるように配置されている。偏光子11は、基本的には、撮像手段20の光軸を対称軸として回転対称であればよいが、撮像手段20の光軸に直交する断面が円形となる形状であることが好ましい。すなわち、偏光子12は、円筒状以外では円錐台状が好ましい。なお、断面が多角形状など、断面が円形ではない偏光子12を用いることも可能である。ただし、偏光子12の断面が多角形状であると、角部分において円偏光が得られない領域が形成されるから、用途は制限される。   The polarizer 12 has a configuration in which a polarizing plate that converts light from the light emitting device 11 into linearly polarized light and a quarter-wave plate are overlapped, and the light emitted from the light emitting device 11 is circularly polarized. Convert. In this type of polarizer 12, a circularly polarizing film having flexibility formed in a sheet shape is processed into a desired shape, or a large number of non-flexible optical elements are formed into a desired shape. It is formed by arranging. The polarizer 12 in the illustrated example is formed in a cylindrical shape, and is arranged so that the direction of the mouth axis is parallel to the optical axis of the imaging means 20. The polarizer 11 may basically be rotationally symmetric with the optical axis of the imaging unit 20 as the axis of symmetry, but preferably has a circular cross section perpendicular to the optical axis of the imaging unit 20. That is, the polarizer 12 preferably has a truncated cone shape other than the cylindrical shape. In addition, it is also possible to use the polarizer 12 whose cross section is not circular, such as a polygonal cross section. However, if the cross section of the polarizer 12 is a polygonal shape, a region where circularly polarized light cannot be obtained is formed at the corner portion, so that the application is limited.

偏光子12は端面が開口しており、光放射装置11において偏光子12の口軸方向の軸線と交差する部位には、撮像手段20から計測対象1が直視できるように開口窓13が形成されている。撮像手段20は、この開口窓13を通して偏光子12に囲まれた計測対象1からの正反射光を受光する。   The end face of the polarizer 12 is open, and an opening window 13 is formed in a portion of the light emitting device 11 that intersects the axis of the polarizer 12 in the mouth axis direction so that the measuring object 1 can be directly viewed from the imaging means 20. ing. The imaging means 20 receives the specularly reflected light from the measurement object 1 surrounded by the polarizer 12 through the opening window 13.

撮像手段20は、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサのように2次元格子の格子点上に画素が配列された撮像素子(図示せず)を備えるカメラ21と、計測対象1とカメラ21との間に配置された検光子22とを備える。カメラ21は、受光光学系を備え、受光光学系を通して計測対象1からの反射光を撮像素子に入射させる。また、カメラ21は、画素値を濃淡値とする濃淡画像を出力する。なお、必要に応じてカメラ21の前方にフィルタを設け、光放射装置11から放射された光以外の環境光を低減させるようにしてもよい。この種のフィルタには干渉フィルタを用いることが好ましい。   The imaging unit 20 includes a camera 21 including an imaging element (not shown) in which pixels are arranged on lattice points of a two-dimensional lattice, such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor, and between the measurement target 1 and the camera 21. And an analyzer 22 arranged at the same position. The camera 21 includes a light receiving optical system, and causes reflected light from the measurement target 1 to enter the imaging element through the light receiving optical system. The camera 21 outputs a grayscale image with pixel values as grayscale values. If necessary, a filter may be provided in front of the camera 21 to reduce environmental light other than light emitted from the light emitting device 11. An interference filter is preferably used for this type of filter.

検光子22は、カメラ21の光軸と平行な回転中心の周りで回転可能に配置され、モータのような駆動源を備えた回転装置23により駆動される。検光子22は回転の基準位置が定められており、基準位置に対する検光子22の回転角度を計測するために角度センサ24が検光子22に付設される。角度センサ24は、検光子22の回転角度を検出するロータリエンコーダ、ポテンショメータなどが用いられる。また、角度センサ24は、検光子22から回転を直接に検出するように配置されるほか、回転装置23のおける回転部分から検光子22の回転を間接的に検出するように配置されていてもよい。   The analyzer 22 is disposed so as to be rotatable around a rotation center parallel to the optical axis of the camera 21, and is driven by a rotating device 23 having a driving source such as a motor. The analyzer 22 has a reference position for rotation, and an angle sensor 24 is attached to the analyzer 22 in order to measure the rotation angle of the analyzer 22 with respect to the reference position. As the angle sensor 24, a rotary encoder, a potentiometer, or the like that detects the rotation angle of the analyzer 22 is used. Further, the angle sensor 24 may be arranged to directly detect the rotation from the analyzer 22 or may be arranged to indirectly detect the rotation of the analyzer 22 from the rotating portion of the rotating device 23. Good.

撮像手段20は、カメラ21が撮像した濃淡画像を、角度センサ24が計測した検光子22の回転角度に対応付けて出力する。すなわち、撮像手段20の出力は、角度センサ24が検出した検光子22の回転角度が所定の角度であるときにカメラ21が撮像した画像であって、結果的に回転角度と画像との組になる。言い換えると、カメラ21の画素ごとの画素値は、計測対象1における正反射光の反射部位ごとの偏光状態を反映していることになる。   The imaging unit 20 outputs the grayscale image captured by the camera 21 in association with the rotation angle of the analyzer 22 measured by the angle sensor 24. That is, the output of the imaging means 20 is an image captured by the camera 21 when the rotation angle of the analyzer 22 detected by the angle sensor 24 is a predetermined angle, and as a result, a combination of the rotation angle and the image. Become. In other words, the pixel value for each pixel of the camera 21 reflects the polarization state for each reflection part of the regular reflection light in the measurement target 1.

撮像手段20の出力は解析手段30に与えられる。解析手段30は、以下に説明する機能を実現するためのプログラムを実行するプロセッサ(たとえば、マイコン)をハードウェア要素として備える。撮像手段20から取得した画像と、撮像時の検光子22の回転角度との組を記憶する記憶部31を備える。検光子22の回転角度は、たとえば10度間隔で0〜170度の範囲で変化される。この場合、記憶部31は、回転角度ごとに合計18枚の画像を記憶する。   The output of the imaging means 20 is given to the analysis means 30. The analysis unit 30 includes a processor (for example, a microcomputer) that executes a program for realizing the functions described below as a hardware element. A storage unit 31 is provided for storing a set of an image acquired from the imaging unit 20 and a rotation angle of the analyzer 22 at the time of imaging. For example, the rotation angle of the analyzer 22 is changed in a range of 0 to 170 degrees at intervals of 10 degrees. In this case, the storage unit 31 stores a total of 18 images for each rotation angle.

ところで、上述の構成において撮像手段20が受光する受光強度は、検光子22の回転角度に応じて周期的に変化することが知られている。撮像手段20が撮像した画像の1つの画素に着目すれば、18点の濃淡値は正弦波状に変化する。このような画素ごとの濃淡値の変化によって得られる位相、振幅(最大値と最小値との差の2分の1)、中心値(最大値と最小値との平均値)を用いると、楕円偏光の楕円率角(楕円率の逆正接)と軸の方向(方位角)とが算出可能になる。   By the way, it is known that the received light intensity received by the imaging means 20 in the above-described configuration periodically changes according to the rotation angle of the analyzer 22. If attention is paid to one pixel of the image picked up by the image pickup means 20, the gray value at 18 points changes in a sine wave shape. Using the phase, amplitude (one half of the difference between the maximum and minimum values), and the center value (average value of the maximum and minimum values) obtained by changing the gray value for each pixel, an ellipse is obtained. It becomes possible to calculate the ellipticity angle of polarization (the arctangent of ellipticity) and the direction of the axis (azimuth angle).

また、撮像手段20が受光する受光強度が変化する位相は、計測対象1において正反射光を生じた反射部位が規定の基準平面に対してなす傾斜角度に応じて変化する。これは、計測対象1に照射された円偏光が、計測対象1の表面に入射する角度に応じて正反射することにより、傾斜角度に応じた向きの軸を有する楕円偏光になるからである。楕円偏光の楕円率角は計測対象1の傾斜角度によって定まり、楕円偏光の方位角は計測対象1の方位角によって定まる。計測対象1の方位角は撮像手段20の光軸周りにおける角度を意味する。   Further, the phase at which the received light intensity received by the imaging unit 20 changes varies according to the inclination angle formed by the reflection part that generates specularly reflected light in the measurement object 1 with respect to the prescribed reference plane. This is because the circularly polarized light applied to the measurement target 1 is specularly reflected according to the angle incident on the surface of the measurement target 1 to become elliptically polarized light having an axis with a direction corresponding to the tilt angle. The ellipticity angle of the elliptically polarized light is determined by the inclination angle of the measurement object 1, and the azimuth angle of the elliptically polarized light is determined by the azimuth angle of the measurement object 1. The azimuth angle of the measuring object 1 means an angle around the optical axis of the imaging means 20.

上述したように、楕円偏光の楕円率角および方位角は、計測対象1の傾斜角度および方位角に変換できるから、検光子22の回転角度と画素ごとの画素値との関係が求められると、計測対象1において画素に対応する部位の傾斜角度および方位角が算出可能になる。すなわち、撮像手段20(カメラ21)の解像度に応じて、計測対象1の表面を微小面に分割すると、微小面ごとの傾斜角度および方位角に基づいて、微小面ごとの法線ベクトルが求められる。また、微小面ごとの法線ベクトルが求められると、微小面をつなぎ合わせることによって、計測対象1の3次元形状を求めることが可能になる。   As described above, since the ellipticity angle and the azimuth angle of the elliptically polarized light can be converted into the inclination angle and the azimuth angle of the measurement object 1, when the relationship between the rotation angle of the analyzer 22 and the pixel value for each pixel is obtained, The tilt angle and azimuth angle of the part corresponding to the pixel in the measurement object 1 can be calculated. That is, when the surface of the measuring object 1 is divided into minute surfaces according to the resolution of the imaging means 20 (camera 21), a normal vector for each minute surface is obtained based on the inclination angle and azimuth angle for each minute surface. . Further, when the normal vector for each minute surface is obtained, the three-dimensional shape of the measurement object 1 can be obtained by connecting the minute surfaces.

いま、計測対象1における反射部位の基準平面に対する傾斜角度が略45度である場合について考察する。この場合、光放射装置11から放射され計測対象1の表面で正反射された後にカメラ21に入射する光は、図2(a)に示すように、偏光子12に対して略0度で入射する光のみである。ここに、計測対象1の表面は金属光沢を有し拡散反射は生じないと仮定している。また、図中に符号PLで基準平面を示している。偏光子12に入射する光の進行方向が略0度である場合、この光は偏光子12の表面に略直角に入射することになるから、計測対象1に照射される光はほぼ完全な円偏光になる。   Now, consider a case where the angle of inclination of the reflection part of the measurement object 1 with respect to the reference plane is approximately 45 degrees. In this case, the light that is emitted from the light emitting device 11 and is specularly reflected on the surface of the measurement object 1 and then enters the camera 21 enters the polarizer 12 at approximately 0 degrees as shown in FIG. Only the light that plays. Here, it is assumed that the surface of the measurement object 1 has a metallic luster and no diffuse reflection occurs. In the drawing, a reference plane is indicated by a symbol PL. When the traveling direction of light incident on the polarizer 12 is approximately 0 degrees, this light is incident on the surface of the polarizer 12 at a substantially right angle. Become polarized.

一方、計測対象1における反射部位が基準平面PLに対する傾斜角度が略30度である場合には、図2(b)に示すように、偏光子12に対して略30度で入射する光のみが、計測対象1の表面で正反射された後にカメラ21に入射する。偏光子12に入射する光の進行方向が略30度である場合、この光は偏光子12の表面に対して傾いて入射することになる。そのため、計測対象1に照射される光は完全な円偏光にはならなず、偏光子12への入射角度に応じた楕円率を有した楕円偏光になると考えられる。なお、楕円偏光の方位角は偏光子12への入射角度には依存しないと推測される。   On the other hand, when the reflection part in the measurement object 1 has an inclination angle of about 30 degrees with respect to the reference plane PL, only light incident on the polarizer 12 at about 30 degrees is shown in FIG. After being specularly reflected on the surface of the measurement object 1, the light enters the camera 21. When the traveling direction of light incident on the polarizer 12 is approximately 30 degrees, the light is incident on the surface of the polarizer 12 with an inclination. Therefore, it is considered that the light irradiated to the measurement object 1 does not become completely circularly polarized light but becomes elliptically polarized light having an ellipticity corresponding to the incident angle to the polarizer 12. Note that it is assumed that the azimuth angle of elliptically polarized light does not depend on the incident angle to the polarizer 12.

上述した事象が生じることから、楕円偏光の楕円率角から求められる計測対象1の傾斜角度は、偏光子12への光の入射角度に応じた誤差を生じることになる。言い換えると、楕円偏光の楕円率角から算出された計測対象1の角度は、算出された角度に応じた誤差を有していることになる。そして、この誤差は、計測対象1に照射される光が円偏光ではなく楕円偏光であることに起因していると考えられる。   Since the above-described event occurs, the tilt angle of the measurement target 1 obtained from the ellipticity angle of elliptically polarized light causes an error corresponding to the incident angle of light to the polarizer 12. In other words, the angle of the measurement object 1 calculated from the ellipticity angle of elliptically polarized light has an error corresponding to the calculated angle. And this error is considered to originate in the light irradiated to the measurement object 1 being elliptically polarized light instead of circularly polarized light.

上述の事情を勘案して、解析手段30は、記憶部31に格納された撮像手段20の出力から計測対象1における反射部位ごとの角度を算出する角度算出部32と、この角度を補正して計測対象1における反射部位ごとの傾斜角度を求める角度補正部33とを備える。すなわち、カメラ21で撮像した画像と検光子22の回転角度とから角度算出部32が求めた角度は誤差を含んでいるから、角度補正部33は、この誤差を除去するように補正することにより、計測対象1に関する実際の傾斜角度を算出する。   In consideration of the above circumstances, the analysis unit 30 corrects the angle by an angle calculation unit 32 that calculates an angle for each reflection part in the measurement target 1 from the output of the imaging unit 20 stored in the storage unit 31. And an angle correction unit 33 for obtaining an inclination angle for each reflection part in the measurement object 1. That is, since the angle obtained by the angle calculation unit 32 from the image captured by the camera 21 and the rotation angle of the analyzer 22 includes an error, the angle correction unit 33 performs correction so as to remove this error. Then, an actual inclination angle related to the measurement object 1 is calculated.

角度算出部32が算出した角度と、計測対象1の傾斜角度との関係について以下に説明する。図3は、基準平面に対する傾斜角度が既知である計測対象1について、角度算出部32が算出した角度と、計測対象1の傾斜角度との関係を示している。図3において、特性(1)は角度算出部32が算出した角度を示し、特性(2)は計測対象1の真の傾斜角度を示している。照射手段10および撮像手段20は図1に示す配置とした。また、計測対象1の角度はゴニオステージを用いて調節した。図3からわかるように、角度算出部32が算出した角度の誤差は、計測対象1の傾斜角度が大きくなるほど増加するが、その関係はほぼ線形になっている。   The relationship between the angle calculated by the angle calculation unit 32 and the inclination angle of the measurement object 1 will be described below. FIG. 3 shows the relationship between the angle calculated by the angle calculation unit 32 and the tilt angle of the measurement target 1 for the measurement target 1 whose tilt angle with respect to the reference plane is known. In FIG. 3, the characteristic (1) indicates the angle calculated by the angle calculation unit 32, and the characteristic (2) indicates the true inclination angle of the measurement target 1. The irradiation means 10 and the imaging means 20 are arranged as shown in FIG. Moreover, the angle of the measuring object 1 was adjusted using the gonio stage. As can be seen from FIG. 3, the error of the angle calculated by the angle calculation unit 32 increases as the tilt angle of the measurement object 1 increases, but the relationship is almost linear.

上述した結果によれば、角度算出部32が算出した角度に応じて定まる関係を当てはめると、計測対象1の真の傾斜角度が求められる。すなわち、角度補正部33は、角度算出部32が算出した角度を、その角度ごとに定められた関係で補正する機能を有する。   According to the above-described result, when the relationship determined according to the angle calculated by the angle calculation unit 32 is applied, the true inclination angle of the measurement target 1 is obtained. That is, the angle correction unit 33 has a function of correcting the angle calculated by the angle calculation unit 32 with a relationship determined for each angle.

たとえば、計測対象1の実際の傾斜角度Θに対して、角度算出部32が算出した角度がθであるとすれば、角度θと傾斜角度Θとの関係は、θ=aΘ−bという線形の回帰式で表すことが可能である。ここに、a,bは定数である。したがって、角度算出部32が算出した角度θに対して、角度補正部33が求める傾斜角度Θを、Θ=(θ+b)/aとして求めることが可能である。たとえば、a=1.4、b=18すれば、角度θの算出結果が32度である場合、傾斜角度Θは35.7度になる。   For example, if the angle calculated by the angle calculation unit 32 is θ with respect to the actual inclination angle Θ of the measurement object 1, the relationship between the angle θ and the inclination angle Θ is linear as θ = aΘ−b. It can be expressed by a regression equation. Here, a and b are constants. Therefore, the inclination angle Θ obtained by the angle correction unit 33 with respect to the angle θ calculated by the angle calculation unit 32 can be obtained as Θ = (θ + b) / a. For example, if a = 1.4 and b = 18, when the calculation result of the angle θ is 32 degrees, the inclination angle Θ is 35.7 degrees.

回帰式は、基本的には線形関係としているが、他の関係の回帰式を用いることも可能である。また、回帰式を用いる代わりに、角度補正部33において角度と傾斜角度とを対応付けたデータテーブルを用いることも可能である。この場合、データテーブルでは、角度の値が離散値になるから、データテーブルに存在しない角度については、補間演算を行って傾斜角度を求めることになる。   The regression equation is basically a linear relationship, but a regression equation having another relationship can also be used. Further, instead of using the regression equation, a data table in which the angle and the inclination angle are associated with each other in the angle correction unit 33 can be used. In this case, since the angle value is a discrete value in the data table, for an angle that does not exist in the data table, an interpolation operation is performed to obtain an inclination angle.

いま、データテーブルが(角度,傾斜角度)の対で表され、(24,30)(31,35)(38,40)(45,45)というデータが存在してものとする。ここで、角度算出部32で得られた角度が32度であれば、{(40−35)/(38−31)}(32−31)+35=35.7度として傾斜角度が求められる。   Now, it is assumed that the data table is represented by a pair of (angle, inclination angle), and data (24, 30) (31, 35) (38, 40) (45, 45) exists. Here, if the angle obtained by the angle calculation unit 32 is 32 degrees, the inclination angle is obtained as {(40−35) / (38−31)} (32−31) + 35 = 35.7 degrees.

ここにおいて、角度補正部33で補正した傾斜角度について計測誤差を求めると、図4に示す結果が得られた。角度算出部32で求めた角度が小さい範囲では計測誤差のばらつきが増加する傾向が見られるが、傾斜角度の誤差は±2度以内になるという結果が得られた。   Here, when the measurement error was obtained for the tilt angle corrected by the angle correction unit 33, the result shown in FIG. 4 was obtained. In the range where the angle calculated by the angle calculation unit 32 is small, the variation in measurement error tends to increase, but the inclination angle error is within ± 2 degrees.

上述したように、角度算出部32が算出した角度と計測対象1の実際の傾斜角度とは線形関係であるから、角度と傾斜角度との関係は、両者の複数の組合せから回帰式として定められる。すなわち、角度補正部33は、角度算出部32で算出される角度と計測対象1の実際の傾斜角度との関係を回帰式で表していることが好ましい。   As described above, since the angle calculated by the angle calculation unit 32 and the actual inclination angle of the measurement object 1 are linearly related, the relationship between the angle and the inclination angle is determined as a regression equation from a plurality of combinations of both. . That is, it is preferable that the angle correction unit 33 represents the relationship between the angle calculated by the angle calculation unit 32 and the actual inclination angle of the measurement target 1 by a regression equation.

このような回帰式を設定するにあたり、偏光子12が円筒状である場合と他の形状である場合とについて比較する。計測対象1の傾斜角度が0〜90度の範囲において、偏光子12が円筒状である場合は45度を中心として角度の範囲が対称になるのに対して、他の形状の偏光子12を用いた場合は角度の範囲が非対称になる。図4に示したように、偏光子12に直交して入射する光に対する角度差が大きくなるほど計測誤差も大きくなる傾向があるから、円筒状の偏光子12を用いると、計測誤差が抑制されることになる。もっとも、計測対象1において傾斜角度の範囲が限定されている場合には、その範囲に合わせた形状の偏光子12を用いると、他の形状の偏光子12のほうが計測誤差が抑制される場合もある。   In setting such a regression equation, the case where the polarizer 12 has a cylindrical shape is compared with the case where it has another shape. When the inclination angle of the measuring object 1 is in the range of 0 to 90 degrees, when the polarizer 12 is cylindrical, the angle range is symmetric with respect to 45 degrees, whereas other shapes of the polarizer 12 are used. When used, the range of angles becomes asymmetric. As shown in FIG. 4, since the measurement error tends to increase as the angle difference with respect to the light incident perpendicularly to the polarizer 12 increases, the measurement error is suppressed when the cylindrical polarizer 12 is used. It will be. Of course, when the range of the tilt angle is limited in the measurement object 1, if the polarizer 12 having a shape matched to the range is used, the measurement error may be suppressed in the other shape of the polarizer 12. is there.

解析手段30は、上述した手順で、撮像手段20の出力から計測対象1について各画素に対応した部位の傾斜角度を求める。また、求められた傾斜角度は、解析手段30に設けられた出力部34を通して出力される。出力部34は、画素(つまり、計測対象1における反射部位)ごとの傾斜角度を数値で出力するほか、適宜の角度間隔(5度刻み、10度刻みなど)で区分した区間ごとに傾斜角度をコード化し、画素ごとにコードを対応付けて出力してもよい。また、出力部34は、計測対象1の表面を微小面に分割して、微小面ごとの法線ベクトルを求め、法線ベクトルに基づいて計測対象1の表面の三次元形状を出力する機能を有していてもよい。   The analysis means 30 calculates | requires the inclination angle of the site | part corresponding to each pixel about the measuring object 1 from the output of the imaging means 20 in the procedure mentioned above. Further, the obtained inclination angle is output through the output unit 34 provided in the analysis means 30. The output unit 34 outputs the inclination angle for each pixel (that is, the reflection part in the measurement object 1) as a numerical value, and sets the inclination angle for each section divided by appropriate angle intervals (5 degree increments, 10 degree increments, etc.). It is also possible to encode and output the code in association with each pixel. The output unit 34 has a function of dividing the surface of the measurement object 1 into minute surfaces, obtaining a normal vector for each minute surface, and outputting the three-dimensional shape of the surface of the measurement object 1 based on the normal vector. You may have.

1 計測対象
10 照射手段
11 光放射装置
12 偏光子
20 撮像手段
22 検光子
30 解析手段
PL 基準平面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Measurement object 10 Irradiation means 11 Optical radiation apparatus 12 Polarizer 20 Imaging means 22 Analyzer 30 Analysis means PL Reference plane

Claims (5)

計測対象に円偏光を照射する照射手段と、
検光子を通して前記計測対象からの正反射光を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段の出力を用いて前記正反射光の偏光状態を検出し、この偏光状態から前記計測対象における正反射光の反射部位が規定の基準平面に対してなす角度を算出する解析手段とを備え、
前記解析手段は、反射光の偏光状態から算出した前記角度を、前記角度ごとに定められた関係で補正することにより、計測対象の表面における傾斜角度を求める
ことを特徴とする傾斜測定装置。
An irradiation means for irradiating the measurement object with circularly polarized light;
Imaging means for imaging specularly reflected light from the measurement object through an analyzer;
Analyzing means for detecting a polarization state of the specularly reflected light using an output of the imaging means, and calculating an angle formed by a reflection part of the specularly reflected light in the measurement object with respect to a prescribed reference plane from the polarization state; Prepared,
The inclination measuring apparatus characterized in that the analysis means obtains an inclination angle on the surface of the measurement target by correcting the angle calculated from the polarization state of the reflected light with a relationship determined for each angle.
前記照射手段は、
前記撮像手段の光軸を囲む全方向から前記計測対象に光を照射する光放射装置と、
前記光放射装置と前記計測対象との間に配置され前記撮像手段の光軸に直交する断面が円形であって表面に垂直に入射した光を円偏光として出射させる偏光子とからなる
ことを特徴とする請求項1記載の傾斜測定装置。
The irradiation means includes
A light emitting device for irradiating the measurement object with light from all directions surrounding the optical axis of the imaging means;
A cross-section perpendicular to the optical axis of the imaging means arranged between the light emitting device and the measurement object is circular, and includes a polarizer that emits light perpendicularly incident on the surface as circularly polarized light. The tilt measuring apparatus according to claim 1.
前記偏光子は、円筒形である
ことを特徴とする請求項2記載の傾斜測定装置。
The inclination measuring device according to claim 2, wherein the polarizer has a cylindrical shape.
前記関係は、傾斜角度が既知である物体について、前記解析手段が反射光の偏光状態から算出した前記角度と前記物体の既知の傾斜角度との複数の組合せから求めた回帰式で表されている
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の傾斜測定装置。
The relationship is represented by a regression equation obtained from a plurality of combinations of the angle calculated by the analysis unit from the polarization state of reflected light and the known tilt angle of the object with respect to an object having a known tilt angle. The inclination measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein
照射手段から計測対象に円偏光を照射するとともに、検光子を通して前記計測対象からの正反射光を撮像手段により撮像し、
前記計測対象で反射された反射光の偏光状態から前記計測対象において反射光を反射した部位が規定の基準平面に対してなす角度を解析手段で算出するにあたり、
反射光の偏光状態から算出した前記角度を、角度ごとに定められた関係で補正することにより、計測対象の表面における傾斜角度を求める
ことを特徴とする傾斜測定方法。
While irradiating the object to be measured with circularly polarized light from the irradiating means, imaging the specularly reflected light from the object to be measured through the analyzer with the imaging means
In calculating the angle made by the analysis means with respect to a prescribed reference plane from the polarization state of the reflected light reflected by the measurement object, the part that reflected the reflected light in the measurement object,
A tilt measurement method, wherein the angle calculated from the polarization state of the reflected light is corrected by a relationship determined for each angle to determine the tilt angle on the surface of the measurement target.
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