JP3979670B2 - 三次元カラー結像 - Google Patents

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    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical means
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical means for measuring contours or curvatures

Description

【0001】
【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。
【0002】
【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、および表面のプロフィル(物品、光景、そして/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、ロボット技術に、そして各種医療分野への応用性を有している。
【0003】
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、勢いを得て来ている。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、鑑定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存在する所より、遥か離れた場所で後で観ることができる;この様に、美術の偉大な作品、博物館オブジェクト、および類似のものの仮想ライブラリが、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見ることができる。
【0004】
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産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(Lowery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。
【0005】
PirletおよびRiouxへの特許は、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)上に反射光を結像する。
【0006】
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。この特許は、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見る特徴を有する。
【0007】
Mundy等は、カラーパターンが、表面に投射され、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。
【0008】
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間隔は、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。
【0009】
代わりに、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纏めが、Paul J. Besl著“Active Optical Range Imaging Sensors”Machine Vision and Applications(1988)1:127−152に記述されている。
【0010】
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。
【0011】
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および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重要な進歩を有し、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、および性能は、ある面に限られている。例えば、もし、結像すべきオブジェクトに、赤、青、および緑の光のただ一色のみが存在する場合、カラー検出は可能ではない。更に、ある場合には、システムの感度は十分ではないであろう。同様に、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や変動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ー信号は、ノイズにより悪影響を受けたデータの出力に終わる。
【0012】
従って、先行技術に関係するこの限界、および問題の幾つかを乗り越えることが、本発明の目的である。
【0013】
赤、青、および緑のただ一色のみが存在する場合に、カラーを検出することができる結像システムを提供することが、本発明の次の目的である。
【0014】
更に、各々分離された検出手段によって提供されるオブジェクトに関するプロフィル情報およびカラー情報の出力データを提供することが、本発明のその次の目的である。
【0015】
【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光学的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:
(a)明確に規定された少なくとも一つの波長を含む複数の波長を包含する入射光ビームでターゲット表面を走査し;
(b)ターゲット表面から反射した各カラー毎に分離されていないリターンビームを、第一リターンビームおよび第二リターンビームを含む複数の分離リターンビームに分割し、第一および第二リターンビームは実質的に同じ光波長を持ち;
(c)ターゲット表面から反射した第一リターンビームを、ターゲット表面のプロフィルを検出するために用い;
(d)第二リターンビームを、ターゲット表面に対応するカラー情報を検出するために用いるステップ。
【0016】
本発明は、下記の追加のステップを含むことにより、上記の方法に更に、ターゲット表面のカラーとプロフィルを決定し、装置の入力でのノイズを低減する方法を提供する:すなわち、
(1)ステップ(a)でターゲット表面を走査する前に、光ビームの一部を分岐し、分岐ビーム、およびターゲット表面に入射した光ビームは、赤、緑、および青光の実質的に同一の比率を包含し;
(2)ビームの分岐された部分を、ビームの分岐された部分の赤、緑、および青成分を検出し、更にビームの分岐された部分の赤、緑、および青成分を表す信号を発生する手段に、提供し;
(3)ステップ(2)で発生した、ビームの分岐された部分のカラーを表す信号、および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ステップ。
【0017】
本発明は、下記の追加のステップを含むことにより、上記の方法に更に、ターゲット表面のカラーとプロフィルを決定し、装置の入力でのノイズを低減する、より一般的な方法を提供する:すなわち、
(1)ステップ(a)でターゲット表面を走査する前に、光ビームの一部を分岐し;
(2)ビームの分岐された部分を、ビームの分岐された部分のスペクトル成分に関する情報を検出し、更にビームの分岐された部分のスペクトル成分を表す信号を発生する手段に、提供し;
(3)ステップ(2)で発生した、ビームの分岐された部分のカラーを表す信号、および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ステップ。
【0018】
本発明の他の面では、ターゲット表面のカラー、およびプロフィルを決定する光学的装置が提供されている。この装置は、以下の手段を有する:すなわち、
(a)少なくとも明確に規定された一つの波長を含み、複数の波長を包含する入射光ビームで、ターゲット表面を走査する手段;
(b)ターゲット表面から反射した各カラー毎に分離されていないリターンビームを、第一リターンビームおよび第二リターンビームを含む複数の分離リターンビームに分割する手段;
(c)ターゲット表面から反射した第一リターンビームに応じて、ターゲット表面のプロフィルを検出する手段;
(d)第二リターンビームに応じて、ターゲット表面に対応するカラー情報を検出する手段。
【0019】
好都合なことに、正規化回路が、入力に存在する望ましくないノイズを除去するために追加され得る。
【0020】
【詳細な記述】
先行技術の図1を参照すると、そこにはRiouxの米国特許No.4,627,734の教えに従って機能し、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、同期光学的三角測量走査システムが示されている。図1はまた、Riouxの名による米国特許No.5,177,556に記述された、カラープロフィル、および検出方式の例である。
【0021】
光源2、例えばRGBレーザーは、明確に規定された赤、緑、および青の光波長を包含するビーム6を作り出す。固定鏡10と共に、振動両面鏡4の一面は、x方向にビーム6を走査し、それをオブジェクト8に向けて投射する。オブジェクト8のターゲット表面上の点Pから反射した光7は、次の固定鏡10、振動両面鏡4の反対側の表面、およびレンズ24によって、例えばCCDの様な位置感応検出器18上に結像される、リターンビームの形式で戻される。ビームを三原色の分離したリターンビーム12B,12G,および12Rに分散するために、デバイス16がこのビーム12中に挿入される。
【0022】
分散デバイス16は、単純なウェッジでもよいが、二重ウェッジか、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対して共線効果を果たす、他のデバイスを用いることが好ましい。換言すれば、ビーム12Gは、ビーム12の延長上に直線である。検出器18は、信号17B、17G、および17R(ここでは図示せず)を発生するために、それぞれのビームの振幅Aと位置Dを測定する。これらの信号のどの一つの位置も、ポイントPの距離すなわち、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18は、光軸に対して傾斜している。信号17R、17G、および17Bのお互いの相対的な位置は、実質的に変化しないので、これらの信号の一個、二個、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。
【0023】
もし、オブジェクトのカラーが、この様な信号の一個が無いものであるか、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。ある場合には、二個のカラー、あるいは明確に規定された波長に関する、最低限二個の信号を、要求するこの制限は、受け入れられるであろうが、しかしながら、ただ一個の明確に規定された信号しか存在しない場合には、このシステムは、不十分であることが分かった。例えば、もし、オブジェクトが赤、あるいは緑を欠いている場合、カラー情報は、赤と緑のないことを予め知っていなければ、決定することはできない。他の場合、オブジェクトが灰色か、あるいは黒色の場合、各波長から利用し得る光のレベルが低いため、カラー情報は正確には決定できない。
【0024】
以下に記述する実施例は、赤、緑、および青の光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、他の明確に規定された波長1..Nを有し、ここでこれらの光の波長1..Nの検出用に補足的な検出器が備えられている。
【0025】
図2を参照するとそこに、三個のフォトダイオード検出器の形式でカラー情報を直接引き出す手段を持つ、本発明の実施例が示されている。各フォト検出器は、赤、緑、および青光の一つを受けるのに便利な位置に配置されている。この様に、もし、ただ青光のみが存在する場合、青波長の経路にあるフォト検出器がその強度を検出する。この実施例は、米国特許No.5,177,556のRiouxの教えに対して色々な優位性を提供する。それは、他の二色がない、単一の原色を検出できるし;光の暗い状態に対して低感度のプロフィル情報を検出するシステムを提供する。
【0026】
RGBレーザー12の形式の光源は、明確に規定された赤、緑、および青波長を包含するビーム6を作り出す。固定鏡18と共に、振動両面鏡16の一面はx方向にビーム6を走査し、それをオブジェクト8の方へ投射する。オブジェクト8のターゲット表面から反射して受けた光7は、次の固定鏡20、振動両面鏡16の反対側、およびレンズ24により、リターンビーム13の形式で戻され、その大部分は、例えば電荷結合素子(CCD)配列の様な、強度感応検出器28に結像される。
【0027】
プロフィル情報は、先行技術の米国特許No.5,177,566に教えられるのと同様の方法で計算されるが、この実施例の配置は、ある場合には、検出器28による検出に対してより多い光を提供することができ、この様にして、オブジェクトが黒色、あるいは暗い灰色である場合に、より良い結果を産み出すことができる。このビームの中で、ビームスプリッタ26が、ビーム13を二個の分離したリターンビーム13a、および13bに分割するために挿入される。ビーム13aは、検出器28へ送られ、一般的にビーム13のエネルギの数パーセントしか持たないビーム13bは、反射されて、ビーム13aのカラー内容を決定する手段30へ導かれる。
【0028】
この実施例で、手段30は、ビームを三原色の赤、青、および緑の分離リターンビーム33R、33B、および33Gに分散するプリズム32を有している。分散デバイス32は、単なるプリズムでも良いが、代わりに、格子式、あるいはホログラフ式分散素子の様な回折要素も用いることができる。三個の検出器34R、34B、および34Gは、それぞれ分離リターンビーム33R、33B、および33Gを受けるために配置されている。各検出器は、分離ビームの一個の存在を決定できるのみでなく、そこに入射したビームの強度を表すアナログ出力信号を提供する;例えば、I(r)、I(g)、およびI(b)は、記録される赤、緑、および青光の強度の値である。A/Dコンバータを用いることにより、アナログ信号は、ディジタル形式に、後の処理に対してより便利に記憶される。
【0029】
好都合なことに、そして先行技術とは対照的に、この配置は他の二色が欠けいる時に、検出するのは単一色でよい。更に、ビーム13aは、送られた信号6の信号エネルギの殆どを有する単一の光ビームであり、この高密度エネルギは、三個の分離区域に向けられる三個の分離ビームに分割されずに、CCD配列28に集束される。この様に、場所情報を決定するために使用される光は、薄められず、先行技術方式と比較してかなりのエネルギを持つ、実質的に単一ビーム中に存在する総ての光が利用される;結果として、本方式は、オブジェクトが、例えば暗灰色である様な、低明度条件にも、より大きな裕度を有する。
【0030】
この実施例は、信号6への入力に存在するノイズの望ましくない影響の幾つかを除去する、正規化回路形式の手段を有する。更に、この実施例は、光源に存在し得る変動に因る、望ましくない影響の幾つかを除去する。
【0031】
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、光源12によって発生する光の小部分を分岐する、モニタ目的の回路23の形式で提供されている。レーザー源によって発生した光の大部分は、後述する様に、振動両面鏡16に送られるが、ビームスプリッタ14は、分岐機能を行う。回路23は、更に、分岐光を三原色の赤、青、および緑の分離ビーム5R、5B、および5Gに分散化/多重分離化するプリズム22を含む。勿論、他の波長多重分離化手段も、考えられる。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を検出するために、配置されている。
【0032】
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、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。
【0033】
このノイズの除去は、正規化のプロセスを通して達成される。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に投射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、アナログ値からディジタル値に変換され、カラー正規化の目的のためにコンピュータのメモリに記憶される。
【0034】
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る。適切にプログラムされたプロセッサは、以下の計算を行なう:
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。
【0035】
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、正規化ノイズが低減された出力信号である。
【0036】
分離したカラー検出、およびノイズ低減回路を備えることにより、本発明は、先行技術が提案したものよりも、一層健全、正確、そして有用なシステムを提供する、と確信される。本発明の数多くの他の実施例や変更が、本発明の精神、および範囲から逸脱することなしに予見される。例えば、波長分割多重分離化、および検出能力を含む、Bragg光ファイバ格子や、モノリシックデバイスの様な、集積回路および構成要素を利用する、本発明の教えるところに基づいた設計が考えられる。
【図面の簡単な説明】
発明の実施例を図面と共に記述する、ここで:
【図1】三次元カラー結像に用いられる先行技術装置の略式図である。
【図2】本発明による走査デバイスの略式図である。

Claims (9)

  1. (a)明確に規定された少なくとも一つの波長を含む複数の波長を包含する連続した入射光ビームでターゲット表面を走査し;
    (b)ターゲット表面から反射した各カラー毎に分離されていないリターンビームを、少なくとも第一リターンビームおよび第二リターンビームを含む複数の分離リターンビームに分割し;
    (c)ターゲット表面から反射した第一リターンビームを、ターゲット表面の3次元プロフィルを検出するために用い;
    (d)第二リターンビームを、各カラー毎に分離して、赤、および/又は緑、および/又は青成分を個別に検出する手段に提供し、ターゲット表面のカラーを表す信号を発生させ、ターデット表面に対応するカラー情報を検出するために用いる;ステップを有し、さらに、
    (1)ステップ(a)でターゲット表面を走査する前に光ビームの一部を分岐し;
    (2)ターゲット表面を走査する前に分岐された光ビーム部分のスペクトル成分を検出し、更に前記光ビームの分岐された部分のスペクトル成分を表す信号を発生する手段に、供給し;
    (3)前記光ビームの分岐された部分の赤、緑、および青成分を表す前記信号を発生し;
    (4)ステップ(2)で発生した、光ビームの分岐された部分のカラーを表す信号と、前記ターゲット表面のカラーを表す信号を発生するステップで発生した、ターゲット表面のカラーを表す信号に基づいて、光ビームの信号に存在するノイズの影響を除去するためにターゲット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的方法。
  2. ターゲット表面を走査する前に分岐したビームおよびターゲット表面に入射した光ビームは、実質的に、赤、緑、および青光の同じ比率を包含する、
    ことを特徴とする請求項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光学的方法。
  3. ステップ(2)は、ターゲット表面を走査する前に光ビームの分岐された部分の赤、緑、並びに青成分を検出する工程、およびターゲット表面を走査する前に光ビームの分岐された部分の赤、緑、並びに青成分を表す信号を発生する工程を含む、
    ことを特徴とする請求項記載のカラーおよびプロフィル情報を決定する光学的方法。
  4. (a)明確に規定された少なくとも一つの波長を含み、複数の波長を包含する連続した入射光ビームで、ターゲット表面を走査する手段と;
    (b)ターゲット表面から反射した各カラー毎に分離されていないリターンビームを、少なくとも第一リターンビームおよび第二リターンビームを含む複数の分離リターンビームに分割する手段と;
    (c)ターゲット表面から反射した第一リターンビームに応じてターゲット表面の3次元プロフィルを検出する手段と;
    (d)第二リターンビームを各カラー毎に分離して、ターゲット表面に対応するカラー情報を各カラーごとに個別に検出する手段と;を有すると共に、
    装置の入力の光ビームの信号に存在するノイズを低減する手段を含み、
    前記ノイズを低減する手段は、
    (1)ターゲット表面を走査する前に、入射光ビームの一部を分岐し、更に分岐した光ビームを提供することができる手段と;
    (2)ターゲット表面を走査する前の分岐光ビームのスペクトル成分を検出し、更にターゲット表面を走査する前の光ビームの分岐部分のスペクトル成分を表す信号を発生する手段と;
    (3)ステップ(2)で発生したターゲット表面を走査する前の光ビームの分岐部分のカラーを表す信号およびターゲット表面のカラーを表す信号に依存して、ターゲット表面のカラーを表す正規値を決定する手段と;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的装置。
  5. 第二リターンビームに応じて、ターゲット表面に対応するカラー情報を検出する手段は、第二リターンビームを、その波長に従って複数の分離したビームに分散する手段を含む、
    ことを特徴とする請求項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光学的装置。
  6. カラー情報を検出する手段は、第二リターンビームを分離した複数のビームを受けるために、離隔して配置された複数の検出器を含む、
    ことを特徴とする請求項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光学的装置。
  7. スペクトル成分を決定する手段(2)は、ターゲット表面を走査する前の分岐ビームの赤、緑、および青成分を検出し、更にビームの分岐部分の赤、緑、および青成分を表す信号を発生するのに適合している、
    ことを特徴とする請求項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光学的装置。
  8. ターゲット表面を走査する前の分岐したビームをその波長に従って分離した、複数の分岐ビームに分散する手段と、分離した、複数の分岐ビームを受けるために離隔して配置された複数の検出器を含む、
    ことを特徴とする請求項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光学的装置。
  9. ターゲット表面を走査する前の分岐ビームの赤、緑、および青成分を検出し、更にビームの分岐部分の赤、緑、および青成分を表す信号を発生する手段は、ターゲット表面を走査する前に分岐したビームをその波長に従って分離した複数の分岐ビームに分散する手段、および分離した複数の分岐ビームを受けるために、離隔して配置された複数の離隔検出器を含む、
    ことを特徴とする請求項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光学的装置。
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