CN101809431B - 用于观察样本表面的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于观察半透明材料的样本(1)的表面(2)的外观的设备，设备包括：用于从预定方向至少照射样本(1)的表面的感兴趣区域(16)的光源(11)和用于观察对感兴趣区域(16)照射的响应的装置(14)，其中，被照射的区域(5)包括：感兴趣区域(16)和感兴趣区域(16)周围的区域。由此，所发射的散射光(32)对样本(1)的外观的观察的准确性的影响被最小化。

Description

用于观察样本表面的设备
技术领域
本发明涉及一种用于观察半透明材料样本的表面的外观的设备。
背景技术
为了观察样本表面的外观，可以从某个方向观看表面，由此，光束从另一个方向射向表面。从而，可以获得关于表面的多种信息，这依赖于入射光和出射光的方向、强度和颜色并且依赖于朝向表面的观看方向。所观察的外观可以包括表面的纹理和/或起伏(relief)或突起或突出物(比如皮肤上的毛发)，并且在表面本身或多或少是半透明的情况下，可以包括表面下面(即下表面)的纹理和/或颜色和/或形态。观察可以被记录和/或分析。
应当注意，在该描述中，表达外观(expression appearance)用于说明样本表面的各方面和/或属性的每个组合以及其观察者的感知，其包括表面的起伏、表面的颜色、表面的光反射和光吸收属性，等等。观察是一般表达，它可以包括对表面外观的检查和/或记录和/或分析。
非接触和非扰动(perturb)监控技术在用于确定表面和/或下表面形态的许多技术领域中是有用的。而且，可以使用该技术来表征材料缺陷或其他特征(其具有几何形状)的类型和密度。该技术的另一个用途是分析人类皮肤的特性和状况。
特别地，当形态的细节要被分析时，期望从不同方向观察表面的外观，由此，光源也可以从一个或多个预定方向(相对于表面的平面具有不同的角度)照射表面。
特别地，当必需观察相对较大的对象的表面(例如人体的一块皮肤)时，不可能将样本放置在设备的内部。在这种情况下，设备应当放置在样本或样本的一部分上或靠着样本或样本的一部分放置，由此，待观察的表面的位置处在设备的外部。
WO2007/072403中公开了一种用于测量样本表面的光学外观的光学测量装置。所公开的装置包括：用于利用照射光束照射表面的照射装置和用于检测样本对照射光束的响应的检测装置。
在样本属于半透明材料的情况下，来自光源的光不仅在样本的表面上反射，而且渗透到样本中。渗透光在样本内散射并且将在样本内至少部分地被吸收，这可以由所谓的消光(extinction)长度来表征，该消光长度是距离的量度，在该距离上所有渗透光将被吸收。因此，在与渗透光的消光长度相比，被照射区域的尺寸相对较小的情况下，仅仅部分渗透光将被吸收。如果不是所有渗透光都被吸收，则一部分渗透且散射的光将从样本的表面发射。于是，对反射光的观察受到从样本表面发射的散射光的干扰。因此，在与渗透光的消光长度相比，被照射区域的尺寸相对较小的情况下，对样本表面观察的准确性将会相对较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于观察半透明材料样本的表面的外观的设备，其中，所发射的散射光对样本表面的观察准确性的影响被最小化。本发明由独立权利要求限定。有利实施例由从属权利要求限定。
该目的是通过根据本发明的用于观察半透明材料样本的表面的外观的设备实现的，该设备包括：用于从预定方向至少照射样本表面的感兴趣区域的光源和用于观察对照射感兴趣区域的响应的装置，其中，被照射区域包括：感兴趣区域和感兴趣区域周围的区域。由此，与直接从样本的感兴趣区域中的表面和下表面反射的光相比，在半透明材料中被散射的和在感兴趣区域中被发射的光的量相对较小，这是因为被照射区域大于所观察的感兴趣区域。而且，通过相对于被照射区域限制感兴趣区域，从样本表面的外观的观察中排除被照射区域周围的光发射区域和被照射区域的边缘区域，在这些区域中，所发射的光的量受到干扰样本表面特性的散射光的很大影响。实际上，被照射区域周围的区域(光从中发出)的尺寸是在半透明材料中散射的光的消光长度的量度。
在根据本发明的设备的优选实施例中，样本的表面是可变形的并且半透明板被放置在可变形表面上，该透明板具有与感兴趣区域一致(coincide with)的开口。当板被放置在样本的可变形表面上时，可变形表面将会由于施加在样本表面上的压力而易于凸起(bulge)。这导致表面的变形，其降低了样本观察的准确性，例如这是因为感兴趣区域变形并且具有另一个聚焦点。而且，在人类皮肤的情况下，人类皮肤表面的纹理、颜色和/或外观在板的机械接触对人类皮肤的影响下发生改变。根据本发明的半透明板减少了在其上可变形表面可能变形的面积，因此也减少了变形的量。在另一个实施例中，半透明板包括：发光和颜色标准以及比例尺(dimension scale)，其允许色点校正和校准。
在根据本发明的设备的实施例中，被照射区域的尺寸比感兴趣区域的尺寸大于渗透到样本中的光的消光长度的至少两倍。这最优地最小化了散射光对所观察的反射光的干扰。
在根据本发明的设备的实施例中，光源的位置是可调节的，从而使得可以从不同的预定方向照射样本的表面，即入射光束以不同角度击中样本的表面。由此，相机可以记录其中表面被不同地照射的表示，从而可以获得表面的更多信息。
在根据本发明的设备的实施例中，该设备进一步包括：光学聚焦装置，用于确定观察装置是否聚焦在感兴趣区域的至少一部分。这有利地保障(safeguarding)感兴趣区域的表面与用于观察感兴趣区域的装置(比如相机)对焦(in focus with)，并且由此改进了样本外观的观察质量。
附图说明
将参照附图进一步阐明和描述本发明的这些和其他方面，在附图中：
图1示出本领域公知的、用于观察样本表面的外观的设备的横截面示意图；
图2示出根据本发明的、用于观察样本表面的外观的设备的第一实施例；
图3示出根据本发明的、用于观察样本表面的外观的设备的第二实施例；
这些附图没有按比例绘制。这些附图仅仅是示意性的和概略性的表示，仅仅示出用于阐明本发明而与所述设备相关的一部分。一般地，在附图中，相同的组件用相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1以示意性横截面视图示出了本领域公知的设备的原理。它概略性地表示了具有待观察的表面2的半透明(semitransparent ortranslucent)样本1，以便记录和分析那个表面2。样本1位于用于观察表面2的设备的基板3的下面。基板3具有中心开口5。表面2位于开口5中。借助光源11照射表面2。光源11将其光束12射向开口5。而且，存在用于观察响应于光源11的照射而从表面2反射的光的检测器(在该实例中为相机14)，以观察光束12射向其上的表面2的外观。代替相机14或除了相机14之外，颜色检测器或光谱计可以应用于观察表面2对光源11照射的响应。如图1所示，开口5限定了被光束12照射的表面2的部分和其外观被观察的表面2的部分，也被称为样本1的感兴趣的区域。光束12的一部分将从表面2反射并且将被相机14检测，并且光束12的一部分穿过表面2渗透半透明样本1以及如线箭头32所示地将在样本1内散射。渗透且散射的光32的一部分将在样本1中被吸收，但是该散射光32的一部分将散射成使得它从表面2发射，并且因此将与在表面2上直接反射的部分光混合。这个来自表面的发射依赖于(除了其他因素之外)渗透光32的消光长度。消光长度是渗透光在样本1中被全部吸收之前在样本1中传播的长度或距离的量度。如果消光长度相对于被光束12照射的表面2部分的尺寸较大，则散射光12的很大部分将从表面2发射。由此，渗透的、散射的且发射的光32干扰对表面2的外观的观察，这导致了通过相机14对表面2的外观的较低准确性和干扰的检测。
在图2中，以示意性横截面视图示出根据本发明的设备的第一实施例的原理。在根据本发明的设备中，中心开口5大于感兴趣的区域16，该感兴趣的区域是被相机14观察的、表面2的部分。光束12照射由基板3的开口5暴露的、表面2的部分。相机14观察从感兴趣的区域16中的表面2反射的光束12的部分。在样本1中渗透且散射的光32将在样本1中被部分地吸收并且部分地从样本1发射。然而，因为在这种情况下表面2的仅仅一部分被照射区域被相机14观察，所以也只有相对较小部分散射光32从感兴趣区域16发射。在这种情况下，被照射区域的尺寸(由开口5的尺寸限定)与渗透且散射的光32的消光长度相比相对较大，这导致更小部分的渗透光32将从感兴趣区域16发射，该感兴趣区域具有比开口5更小的尺寸。由此，对样本1的表面2的外观的观察更少受到所发射的散射光32的干扰，从而得到表面2的外观的更准确图片。开口5的尺寸和感兴趣区域16的尺寸可以是圆的直径或例如圆、矩形或正方形的面积的直径。
在图3中，以示意性横截面视图示出根据本发明的设备的第二实施例的原理。在这种情况下，半透明样本1是可变形的并且是例如人类皮肤。基板3接触皮肤并将导致基板3的开口5中存在的皮肤的变形。通常，皮肤将由于基板3在样本1上施加的压力而易于向内凸出(bulge)。这干扰了通过相机14对表面2的观察，因为表面2将会离焦(out of focus)，并且例如在人类皮肤的情况下，外观(例如颜色)被改变。为了最小化表面2的变形，半透明板41被放置在开口5内，其中，半透明板41具有对应于被相机14观察的感兴趣区域17的开口。光束12照射由开口5暴露的表面2部分，因为板41是半透明的。而且，仅仅由半透明板41的开口暴露的可变形样本1的表面2部分可以变形或凸起。在该实施例中，变形小于在不存在任何半透明板41的情况下表面2的变形。因此，由表面2的变形对观察的干扰被最小化。而且，通过为板41和大于感兴趣区域16的被照射区域应用光透明材料来保障第一实施例的效果，在该实施例中，对样本1的表面2的外观的观察较少受到所发射的散射光32的干扰。半透明板41可以具有对应于感兴趣区域16的圆形或矩形开口。可以将比例尺(dimension scale)添加到半透明板41上，例如靠近半透明板41的开口。除了比例尺之外或邻近比例尺，可以将发光和颜色标准添加到半透明板14，这允许色点校正和校准。
为了保障相机14聚焦在被观察的样本1的表面2的至少一部分，光学聚焦装置被添加到根据本发明的设备。光学聚焦装置确定相机14是否聚焦在感兴趣区域16的表面2的至少一部分，并且例如随后触发观察相机14，以启动包括对表面2的外观的观察的测量顺序(sequence)。
总之，本发明涉及一种用于观察半透明材料样本的表面的外观的设备，设备包括：用于至少从预定方向照射样本表面的感兴趣区域的光源和用于观察从感兴趣区域反射的光的装置，其中，被照射区域包括：感兴趣区域和感兴趣区域周围的区域。由此，所发射的散射光对样本外观的观察的准确性的影响被最小化。
应当注意，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多可替代实施例，而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应当被解释为限制权利要求。文字“包括”不排除权利要求中所列之外的其他元件或步骤的存在。元件之前的文字“一个”不排除多个这样的元件的存在。

Claims (4)

1.一种用于观察半透明材料样本(1)的可变形表面(2)的外观的设备，该设备包括：用于从预定方向照射样本(1)的可变形表面(2)的感兴趣区域(16)和感兴趣区域(16)的周围区域的光源(11)和用于观察对照射感兴趣区域(16)的响应的装置(14)，其中半透明板(41)放置在可变形表面(2)上，该板具有与感兴趣区域(16)一致的开口，其中被照射区域的尺寸比感兴趣区域(16)的尺寸大于在样本(1)中渗透的光的消光长度的至少两倍。
2.如权利要求1所述的设备，其中半透明板(41)包括：发光和颜色标准以及比例尺。
3.如前述权利要求中任一项所述的设备，进一步包括：用于调节光源(11)的位置以从不同预定方向照射样本(1)的可变形表面(2)的装置。
4.如权利要求1所述的设备，进一步包括：光学聚焦装置，用于确定观察装置(14)是否聚焦在感兴趣区域(16)的至少一部分可变形表面(2)上。
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