JP3805791B2 - 三次元カラー結像システム中のノイズの望ましくない効果を低減する方法と装置 - Google Patents

Description

発明の技術的分野
本発明は、ターゲット表面のプロフィルの三次元（３−Ｄ）カラー結像に関する。
発明の背景
オブジェクトの単色３−Ｄ結像は良く知られている。それは、一般的にはオブジェクトの形状、および表面プロフィル（物品、光景、及び／あるいは、人間）に関する詳細なデータの累積、オブジェクトの自動検査や組み立て、ロボット技術、及び各種医療分野への応用性を有している。
最近まで、３−Ｄカラー結像が宣伝されてきた。そして、この分野における関心と進歩が勢いを得ている。例えば、オブジェクトの高解像度のカラー、およびプロフィルデータを得ることは、美術のカタログ作成や、認証作業をする人に関心がある。更に、このカラー、およびプロフィルデータは、記憶され、電気的に遠隔地へ伝達され、結像オブジェクトがある所より、遥か離れたその場所で後で観ることができる。この様に、美術、博物館オブジェクト、および類似のものの偉大な作品の実質上のライブラリが、遠方から訪問し得、記憶された結像オブジェクトは、電話線の様な通信リンクを備えたいかなる場所からでも観ることができる。
多年に亙って、光学的三角測量は、ターゲット表面の距離およびプロフィルの正確な知識を生み出すことができる、ということが知られている。三角測量の原理の実施を記述している代表的な先行米国特許は、米国特許Ｎｏ．３，９８６，７７４（Ｌｏ−ｗｅｒｙ等）１９７９年１０月２３日発行、米国特許Ｎｏ．４，１７１，９１７（Ｐｉｒｌｅｔ）１９８２年９月１４日発行、米国特許Ｎｏ．４，３４９，２７７（Ｍｕｎｄｙ等）１９８２年９月１４日発行、米国特許Ｎｏ．４，６２７，７３４（Ｒｉｏｕｘ）１９８６年１２月９日発行、および米国特許Ｎｏ．４，７０１，０４９（Ｂｅｃｋｍａｎ等）１９８７年１０月２０日発行である。
ＰｉｒｌｅｔおよびＲｉｏｕｘの特許は、表面が光ビームによって走査される三角測量の構成を述べている。同期走査受信器が、表面の点の参照面からの距離偏差を示す電気的信号を発生するために、位置感応検出器、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）上に反射光で結像する。
Ｂｅｃｋｍａｎ等は、三角測量原理を採用した測定システムを開示している。本特許は、測定ビームの断面を変化することにより解像度を改良する技術を指向し、真の反射を誤反射から区別するために、二つの異なる角度でターゲット表面上の光点を観る特徴を有する。
Ｍｕｎｄｙ等は、カラーパターンが、表面に投影され、波長帯域のズレは分離した検出器配列で検出され、これらのズレは表面のプロフィルに対応している、という光学的視差三角測量原理を採用している。
１９８７年２月２４日にＲｉｏｕｘに与えられた米国特許Ｎｏ．４，６４５，３４７は、別のプロフィル測定方法を教えている。それは、二つの開口があるマスクを持つ集光レンズを使用している。検出器上の結像間の距離は、ターゲット表面上の点の、参照面、例えば集光レンズの焦点面、からの距離偏差を表す。
代りに、距離データは、三角測量法以外の、フライト時間（レーダー）測定による様な方法で検出することもできる。光学的測距の各種方法を網羅したまとめが、Ｐａｕｌ Ｊ．Ｂｅｓｌ著“Ａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒａｎｇｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒｓ”Ｍａｃｈｉｎｅ Ｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ（１９８８）１：１２７−１５２．にある。
しかしながら、これらの既知のシステムのどれも、ターゲット表面のデータ、およびカラーを収集しない。
一方、１９９３年１月５日にＲｉｎｏｕｘの名で与えられた米国特許Ｎｏ．５，１７７，５５６は、ターゲット表面のカラーおよびプロフィルを決定する三次元カラー結像方法と装置を開示している。Ｒｉｎｏｕｘシステムは、当時の先行技術に対して非常な進歩を持ち、かつ、彼のシステムは、その意図する機能を果たすように見えるが、その機能と性能は、ある面に限られている。例えば、特許Ｎｏ．５，１７７，５５６に開示されているシステムは、光源に存在するノイズにより悪影響を受ける。この様に、ノイズのある入力レーザ信号は、ノイズにより悪影響を受けた出力データに終わる。
Ｓｈｕｍａｎｎ等の名で１９７６年８月２５日に出願されたフランス特許公報Ｎｏ．７６ ２６３０８は、オブジェクトへ、およびオブジェクトから検出器へ入力光を伝えるために光ファイバが用いられている、オブジェクトのカラー決定用のシステムを開示している。この入力光の一部分は、また、ホイールを通して、ブジェクトからの光か、入力信号からの直接の光かのいずれかを検出する、“ｏｒ”ゲートのタイプとして働く、同じ検出器に提供される。次いで、検出器によって連続的に捕らえられるこの情報を用いて、正規化が行われる。不適切にも、正規化に用いられる参照信号は、走査するオブジェクトに関する光が捕らえられる前か、後に、検出器によって捕らえられるので、多くの場合、参照信号は十分に流れておらず、正規化は、二つの異なる時間での二つの異なる信号に関する情報で生じる。この制限を凌駕するのが本発明の目的である。
発明の概要
本発明によれば、ターゲット表面のカラーとプロフィルを決定する方法が示されている。この方法は下記のステップを有する。
ターゲット表面のカラーとプロフィルを決定する方法で、下記のステップを含む。
（ａ）少なくとも一つの波長が明快に定められている、複数の波長を含む光ビームを提供し、
（ｂ）光ビームを第一、および第二ビームに分離し、
（ｃ）第一光ビームでターゲット表面を走査し、
（ｄ）ターゲット表面から反射される第一ビームの少なくとも一部を、第一ビームのスペクトル成分に関する情報を検出する手段に、提供し、
（ｅ）表面からの散乱光のスペクトル成分を表す信号を発生し、
（ｆ）第一ビームの少なくとも一部から、表面のプロフィル検出する。
前記方法は下記のステップで特徴づけられる。すなわち、
（ｇ）ステップ（ｄ）を実施しながら、同時に、ビームのスペクトル成分に関連する情報を検出し、第二ビームのスペクトル成分に関連する情報を表す信号を発生する手段に、直接、第二ビームの少なくとも一部を提供し、
（ｈ）第二ビームのスペクトル成分を表す、ステップ（ｇ）において発生した信号、および、ステップ（ｅ）において発生した、表面からの散乱光のスペクトル成分を表す信号に基づいて、表面のカラーを表す正規値を決定する。
本発明の別の面によれば、ターゲット表面のカラーを決定する方法が提供され、下記のステップを含む。
（ａ）少なくとも明快に定められた一つの波長を含む複数の波長を内蔵する光ビームを提供し、
（ｂ）光ビームを、第一、および第二ビームに分離し、
（ｃ）少なくとも第二ビームの一部を、ビームの赤、緑、および青の成分を検出し、第二ビームのカラーを表す信号を発生する手段に、提供し、
（ｄ）第一光ビームでターゲット表面を走査し、
（ｅ）第一ビームが、ターゲット表面から反射された後、第一ビームの少なくとも一部を、第一ビームのカラー検出手段に、提供し、
（ｆ）表面からの散乱光のスペクトル成分を表す信号を発生し、
（ｇ）第二ビームのカラーを表す、ステップ（ｃ）において発生した信号、および、ステップ（ｆ）において発生した、表面のカラーを表す信号に基づいて、表面のカラーを表す正規値を決定する。
本発明の他の面によれば、ターゲット表面のカラーを決定する光学装置が提供され、下記の構成を有する。
（ａ）少なくとも明快に定められた一つの波長を含む複数の波長を内蔵する光ビームを提供する手段、
（ｂ）光ビームを第一、および第二ビームに分離する手段、
（ｃ）第一光ビームでターゲット表面を走査する手段、
（ｄ）第一ビームのスペクトル成分に関連する情報を、第一ビームがターゲット表面で反射した後に検出し、表面からの散乱光のスペクトル成分を表す信号を発生させる手段、
（ｅ）第一ビームの少なくとも一部から表面のプロフィルを検出する手段。
装置は下記により特徴付けられる。
（ｆ）第一ビームの少なくとも一部から表面のプロフィルを検出する手段とは別に、この手段が、第一ビームの少なくとも一部から表面のプロフィルを検出しながら、第二ビームのスペクトル成分に直接関連する情報を同時に検出し、第二ビームのスペクトル成分に関連する情報を表す信号を発生する手段、
（ｇ）ステップ（ｆ）で発生し、第二ビームのスペクトル成分を表す信号と、ステップ（ｄ）で発生し、表面から散乱する光のスベクトル成分を表す信号に依存して、表面のカラーを表す正規値を決定する手段。
図面の簡単な記述
発明の実施例を図面と共に記述する、ここで、
図１は、先行技術の三次元カラー結像システムの略式図であり、
図２は、本発明に実施例の略式図であり、
図３は、図２の実施例で発生した信号を示す。
詳細な記述
図１は、Ｒｉｏｕｘの米国特許Ｎｏ．４，６２７，７３４の教えに従って作用する同期光学三角測量走査システムを、図式に示し、この特許の図１２に図示する実施例と、構造上実質的に似通っている。図１に示されたシステムもまた、Ｒｉｏｕｘの米国特許Ｎｏ．５，１７７，５５６に記述されたカラープロフィルと、検出計画に基づいている。
図２は、入力に存在するノイズにあまり反応しない、本発明に基づく走査システムを表している。
以下に記述する実施例は、光の赤、緑、および青波長を作り出すレーザーを持つシステムに限定している。勿論、より一般的な実施例では、光源は、他の明快に定められた波長_１…Ｎを有し、ここでこれらの光の波長_１…Ｎの検出用に相補的検出器が備えられている。
図２を参照して、光源１２はＲＧＢレーザーの形式で、赤、緑、および青光に対応する明快に定められた光の波長を内蔵するビーム６を作り出す。走査システムの入力に存在するノイズの望ましくない影響を低減する手段が、モニタする目的で、光源１２によって発生する赤、緑、および青光の小部分を分岐する回路２３の形式で提供されている。発生した光の大部分は、後で述べるように、振動両面鏡１６に送られるけれども、ビームスプリッタ１４は、分岐機能を行う。回路２３は、また、ビームを三原色、赤、青、および緑の分離ビーム５Ｒ、５Ｂ、および５Ｇに分散するウェッジ２２を含む。フォトダイオード２５Ｒ、２５Ｂ、および２５Ｇの形式の三個の分離したモニタ検出器は、三個の分離したビームの強度に対応した振幅情報を検出するために配置されている。
操作において、回路２３は、レーザー１２によって発生した入力光信号の小部分をモニタするために設けられている。そうすることにより、入力信号についての情報を内蔵するモニタされた光の小部分は、入力に存在するノイズの函数である出力に存在するノイズを除去するために用いることができる。
ノイズの除去は、正規化のプロセスを通して達成され、詳細は後述する。三個のモニタ用フォトダイオード２５Ｒ、２５Ｇ、および２５Ｂは、それぞれ光景、あるいはオブジェクト８に投影された各カラーの強度を表す値Ｉ（Ｒ），Ｉ（Ｇ），およびＩ（Ｂ）を与える。これらの値は、カラー正規化を計算する目的のためにコンピュータのメモリに記憶される。
固定鏡１８と共に、振動両面鏡１６の一表面は、ビーム６をＸ方向に走査し、それをオブジェクト８に向かって投影する。振動鏡が、走査の好ましい方法である一方、同じ結果は、オブジェクト８と全３−Ｄカメラ１０の相対的移動によっても果たすことが可能である。
オブジェクト８のターゲット表面のポイントＰから反射して受けた光７は、次の固定鏡２０、振動両面鏡１６、およびレンズ２４によって、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）配列の形式での、位置感応検出器２８に描かれたリターンビーム１３の形式で、戻される。このビーム１３の中で、デバイス３６が、ビーム１３を三原色の分離したリターンビーム１３Ｂ，１３Ｇ，および１３Ｒに分散するために、挿入される。分散デバイス３６は、単純なウェッジでもよいが、少なくともビームの一つに対して、好ましくは緑ビームに共線効果を果たす二重ウェッジか、他のデバイスを用いることが好ましい。言い換えれば、ビーム１３Ｇは、ビーム１３を通して直線であること。この共線性は、しかしながら、本質的なものではない。
検出器２８は、図３に示した、信号Ｉ（ｒ）、Ｉ（ｇ）、およびＩ（ｂ）を発生するためにそれぞれのビーム１３Ｂ、１３Ｇ、および１３Ｒの振幅Ａと位置Ｄを測定する。これらのどの信号の位置も、ポイントＰの距離、すなわち、ビーム１３の光軸に垂直である様な、参照平面Ｚ＝０からのＺ方向へのポイントＰの偏移を示す。焦点面はこの距離と共に変化するので、検出器２８は、光軸に対して傾斜している。Ｉ（ｒ）、Ｉ（ｇ）、およびＩ（ｂ）信号のお互いの相対的な位置は実質的に変化しないので、これらの信号の一つ、二つ、あるいは全部がＺ偏移の測定に用いられる。通常、この目的のために、最大振幅を持つ信号が選択される。もし、オブジェクトのカラーが、この様な信号の一つが無いもの、あるいは非常に小さくて測定できないものである時、残りの二個の信号のカラーが、互いからの間隔によって特定される。先行、技術にあるように、マイクロプロセッサは、記憶すべき３−Ｄカラーデータを作り出すためにディジタル化された信号Ｉ（ｒ）、Ｉ（ｇ）、およびＩ（ｂ）を受信しながら、鏡１６の走査を制御する。同時に、入力中に存在するノイズの影響を低減するために、正規化プロセスが始まる。
正規化は、本質的に検出入力光の定数倍と検出出力光の比であり、そのプロセスは以下の計算より成り立つ。
Ｒ（Ｎ）＝ＫＲ［Ｉ（ｒ）／Ｉ（Ｒ）］
Ｇ（Ｎ）＝ＫＧ［Ｉ（ｇ）／Ｉ（Ｇ）］
Ｂ（Ｎ）＝ＫＢ［Ｉ（ｂ）／Ｉ（Ｂ）］
ここで、Ｒ（Ｎ）、Ｇ（Ｎ）、およびＢ（Ｎ）は正規値であり、ＫＲ、ＫＧ、およびＫＢは実験的に得られた較正定数である。
この様に、入力に存在するノイズの影響はこの正規化プロセスにより出力では実質的に低減され、値Ｒ（Ｎ）、Ｇ（Ｎ）、およびＢ（Ｎ）は、走査されたオブジェクト８のカラーに対応する正規化ノイズ低減出力信号である。
勿論、他の多くの実施例が本発明の思想と範囲から逸脱することなしに予見される。

Claims (9)

1. （ａ）少なくとも一つの波長が明快に定められている、複数の波長を内蔵する光ビームを供給し、
   （ｂ）光ビームを第一ビーム、および第二ビームに分離し、
   （ｃ）ターゲット表面［８］を第一光ビームで走査し、
   （ｄ）ターゲット表面［８］から反射する第一ビームの少なくとも一部を、第一ビームのスペクトル成分［３６，２８］に関連する情報を検出する手段に、提供し、
   （ｅ）表面［８］からの散乱光のスペクトル成分を表す信号を発生させ、
   （ｆ）第一ビームの少なくとも一部から、表面のプロフィルを検出する、ステップを有し、
   前記（ａ）〜（ｆ）のステップを有する方法は、
   （ｇ）ステップ（ｄ）を実行しながら、同時に、ビームのスペクトル成分に関連する情報を検出し、第二ビームのスペクトル成分に関連する情報を表す信号を発生する手段［２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ］に、第二ビームの少なくとも一部を直接提供し、
   （ｈ）第二ビームのスペクトル成分を表す、ステップ（ｇ）で発生する信号、および、ステップ（ｅ）において発生した、表面からの散乱光のスペクトル成分を表す信号に基づいて、表面のカラーを表す正規値を決定するステップによって特徴づけられる、
   ことを特徴とする、ターゲット表面のカラー、およびプロフィルを決定する方法。
2. ステップ（ｂ）において、第一、および第二ビームは、実質的に赤、緑、および青光の同一の比率を持ち、ビームのスペクトル成分に関連する情報を検出する手段［２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ］は、ビームの赤、緑、および青成分を検出し、第二ビームの赤、緑、および青成分を表す第二信号を発生するものであり、
   （ｈ）第二ビームのカラーを表す、ステップ（ｆ）で発生した第一信号、およびステップ（ｇ）で発生し、表面のカラーを表す第二信号とに基づいて、表面のカラーを表す正規値を決定する、
   ことを特徴とする請求項１．に記載のターゲット表面のカラー、およびプロフィルを決定する方法
3. （ａ）少なくとも一個の明快に定められた波長を含む、複数の波長を内蔵する光ビームを発生する手段［１２］、
   （ｂ）光ビームを第一ビーム、および第二ビームに分離する手段［１４］、
   （ｃ）第一光ビームでターゲット表面を走査する走査手段、
   （ｄ）ターゲット表面のプロフィルを検出し、第一ビームの赤、緑、および青成分を検出し、そして表面のカラーを表す信号を発生する手段［２８］、を有する装置であり、
   この装置は、
   （ｅ）ターゲット表面のプロフィルを検出し、第一ビームの赤、緑、および青成分を検出し、そして表面のカラーを表す信号を発生する前記手段［２８］とは別に、第二ビームの赤、緑、および青成分を直接検出し、第二ビームの赤、緑、および青成分を表す信号を発生する手段［２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ］、
   （ｆ）第二ビームのカラーを表す、ステップ（ｄ）で発生した信号、およびステップ（ｅ）で発生した、表面のカラーを表す信号に基づいて、表面のカラーを表す正規値を決定する手段を有することにより特徴づけられている、
   ことを特徴とするターゲット表面のカラー、およびプロフィルを決定する光学装置。
4. 光ビームを第一、および第二ビームに分離する手段は、ビームの一部をそこを通して通過させ、第一、および第二ビームのスペクトル成分は実質的に同等である様な方法でビームの一部を反射する、ビームスプリッタである、
   ことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
5. ビームの赤、青、および緑成分を検出する手段は、赤、青、および緑成分に対応する三個の異なる一次波長の三個のビームにビームを分割する手段［２２；３６］、および三個のビームの各々の強度を直接検出する手段を有する、
   ことを特徴とする請求項４記載の光学装置。
6. 強度を検出する手段は、三個のフォトディテクタ［２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ］を有する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
7. フォトディテクタ［２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ］は実質的に同等である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
8. ステップ（ｆ）で定められる手段は、適切にプログラムされたプロセッサを有する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
9. （ａ）少なくとも一つの波長が明快に定められている、複数の波長を内蔵する光ビームを備える手段［１２］、
   （ｂ）光ビームを第一ビーム、および第二ビームに分離する手段［１４］、
   （ｃ）ターゲット表面を第一光ビームで走査する手段［１８］、
   （ｄ）第一ビームのスペクトル成分に関連する情報を、第一ビームがターゲット表面から反射された後、検出し、表面からの散乱光のスペクトル成分を表す信号を発生させる手段［３６，２８］、
   （ｅ）第一ビームの少なくとも一部から、表面のプロフィルを検出する手段［２８］、
   （ｆ）第一ビームの少なくとも一部から表面のプロフィルを検出する手段［２８］とは別に、手段［２８］が第一ビームの少なくとも一部から表面のプロフィルを検出している間に、第二ビームのスペクトル成分に直接関連する情報を同時に検出し、第二ビームのスペクトル成分に関連する情報を表す信号を発生する手段［２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ］、
   （ｇ）第二ビームのスペクトル成分を表す、ステップ（ｆ）で発生する信号、および、ステップ（ｄ）において発生した、表面からの散乱光のスペクトル成分を表す信号に基づいて、表面のカラーを表す正規値を決定する手段を有する、
   ことを特徴とするターゲット表面のカラー、およびプロフィルを決定する光学装置。

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