JP4017363B2 - 表面検査装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面の特性、特に例えば皮膚又は一般に全ての角質性表面のブライトネス（明るさ）を評価できるよう設計された装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
この装置は、検査されるべき表面に差し向けられる光源と、表面で反射された光に敏感な光検出器手段と、表面からの正反射及び拡散反射を測定する手段と、正反射及び拡散反射の測定結果からブライトネスを求める手段とを有する形式のものである。この技術に関し、フランス国特許出願公開第２，６５０，８９０号明細書を挙げることができる。行った検査の示すところによれば、かかる装置は、満足の行く結果をもたらすか、感度及び弁別力が比較的低い。
【０００３】
欧州特許第４７５，８０３号明細書も又、表面を検査するよう設計された装置を示しており、この装置は、検査されるべき表面に入射するビームを放出することができる光源と、偏光子から成る手段と、少なくとも１つの検光子とを有し、かかる検光子は、偏光子の方向と検光子の方向を互いに平行又は直角にした状態で反射を測定することができ、偏光子は、光源と表面との間に配置され、検光子は、反射ビームの経路中に配置され、更に、表面で反射された光に敏感な光検出器手段が設けられている。光源は指向性があり、偏光された入射ビームは、検査されるべき表面に、０°〜９０°（０°と９０°は含まない）の入射角度で当たり、入射ビームの偏光方向は、入射平面に垂直である。この装置は、少なくとも２つの互いに異なる反射方向に沿って反射を測定するよう構成されており、反射方向の一つは、表面の法線に関して入射方向と実質的に対称の関係をなしている。この装置は、各反射方向について、平行偏光及び解析方向の反射と、垂直偏光及び解析方向の反射とを区別できる手段を有し、このようにして得られた差は、いわゆる正反射ブライトネスの尺度及びいわゆる拡散反射ブライトネスの尺度となる。
【０００４】
かかる装置は正常に機能するが、単位表面又は或る特定の時点における一箇所の検査を可能にするに過ぎない。
本発明の目的は、或る特定の時点において表面の全ての箇所に関するブライトネスのデータを提供することにある。
本発明の目的は、改良型表面検査装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一特徴によれば、表面を検査するよう設計された装置が、この表面で反射された光ビームの経路中に配置された偏光解析素子又は検光子と、上記表面によって検光子の下流側に反射されたビームの経路中に配置されたディジタル画像撮像手段と、上記表面の少なくとも２つの画像の画素から表面の複数の箇所のブライトネス及び強度を計算できる処理ユニットと有する。
検査を、皮膚から或る距離を置いたところで実施できる。かくして、測定が望まれる特性の変更の恐れが無くなる。
上述した２つの画像は、種々の偏光状態について撮像されることになる。
【０００６】
好ましくは、本装置は、検査されるべき表面に入射するビームを放出できる偏光源を有する。
好ましくは、偏光源から出た光は、実質的に等方性である。
本発明の一実施形態では、偏光源から出た光は、実質的に白色である。
本発明の一実施形態では、偏光源から出た光のスペクトルは、太陽スペクトルと実質的に同一である。
本発明の一実施形態では、検光子は、直交偏光を伝送する手段及び平行偏光を伝送する手段を有し、これら伝送手段は、交互に活性状態になる。
本発明の一実施形態では、検光子は、回転式のものである。
本発明の別の実施形態では、検光子は、電気的切替え手段を有している。
ディジタル画像を撮像する手段は、色に敏感であるのがよい。
有利には、処理ユニットは、マイクロプロセッサと、記憶手段と、記憶手段内に記憶されたソフトウエアとを有する。
【０００７】
本発明は又、表面の遠隔検査方法であって、この表面で反射された光ビームの偏光を解析し、前記反射ビームの特定の偏光のディジタル画像を撮像し、上記表面の複数の箇所のブライトネス及び強度を上記表面の少なくとも２つの画像の画素から計算することを特徴とする方法に関する。
本発明の一実施形態では、上記表面は、平らではない。
本発明の一実施形態では、単色のディジタル画像を撮像する。
本発明の一実施形態では、多色のディジタル画像を撮像する。
本発明は又、コンピュータ上での実行時、上記装置の配備段階を実行するプログラムコード手段を有する。
【０００８】
本発明は又、記憶されていて、コンピュータ上での実行時、上記装置の配備段階を実行することができるプログラムコード手段の読取り装置によって読み取り可能な記憶媒体を提供する。
本明細書において「点」又は「箇所」とは、画像を撮像する手段によって得られた画像の１画素に相当する寸法の検査対象表面の単位部分を指している。
換言すると、人の爪又は爪の一部、顔面又は顔面の一部であるのがよい検査されるべき表面を照明する。照明は、できるだけ等方性になるように光源又は複数の光源によって行われる。照明手段から出た光は、例えば固定偏光子によって偏光される。検査されるべき表面で反射された光の偏光を解析して、偏光が保存されている光の部分と偏光が変化した光の部分を分離し、検査されるべき表面全体ついてこのようにする。
【０００９】
ディジタル画像を、例えばマトリックスカメラによって検光子の下流側で撮像する。その目的は、各画像の画素の偏光の度合いを計算することにある。これから、画像のブライトネスに関する情報をディジタル処理によって推論する。この目的のため、特に回転中の検光子及び平坦ではない表面について少なくとも２つ、好ましくは３つの画像を撮像する。検査は非接触で行わないで行われる。その目的は、一表面が検査される人の快適さを増すこと、接触に起因する表面の凹又は凸形状の交互配置に関連した不正確さ又は誤差の発生の恐れを無くすこと、特に、接触により表面分布状態が変更する場合のあるメーキャップ、染色又はケアタイプのトリートメント製品があらかじめ塗布されている表面について、ブライトネスを変える恐れを無くし、したがって測定誤差の発生の恐れを無くすことにある。
本発明の内容及び他の利点は、添付の図面に非限定例として示された幾つかの実施形態に関する詳細な説明を読むと明らかになろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、光によって照明される表面２を備えた物体１を示しており、光の２つの入射光線３，４が示されている。光線３は、表面２を通り、経路５に沿って物体１に入り、次に、拡散反射光線６の形となって出る。この拡散又は「色」反射は、物体に入り、この内側で反射され、再び外方へ放出される光に相当している。反射光線６の特性は、物体１で決まる。入射光線４は、反射光線７の形態で表面２上で反射される。この種の反射は正反射と呼ばれ、ブライトネス（明るさ）とも呼ばれる。ブライトレスに起因する光は、入射光の正反射特性を有している。反射光線７の輝度線図の形態は、表面２の粗さで決まる。
【００１１】
図２で分かるように、人の顔面８、特に、顔面８の表面９を検査することが望ましい。この目的のため、光源１１、固定偏光子１２、マトリックスカメラ１３、検光子１４及び処理ユニット１５を有する検査装置１０が提供される。
光源１１は、表面９を照明するように配置されている。放出された光は、できるだけ等方性である。というのは、測定は、表面９に当たった光線の入射角度の影響を受ける場合のあることが判明しているからである。いずれの場合においても、光源１１は、太陽スペクトルをできるだけ厳密に再現すること、すなわち白色光を放出することが必要となろう。
【００１２】
具体的に説明すると、光源１１は、キセノン又は蛍光管タイプの拡張スペクトルを備えたフラッシュランプ又は連続ランプ、或いは多色発光ダイオードから成る。光源１１は、光を表面９にマッチした所定の角度で差し向けるために、レフレクタ又は反射鏡、ミラー、対物レンズ、光コンデンサ及び光ファイバータイプの光学系１１ａを更に有している。
固定偏光子１２は、光源１１によって放出された入射光ビーム１６の経路中に、換言すると、光源１１と表面９との間に配置される。光は、入射光ビーム１６の伝搬方向に固定偏光子１２の下流側へ偏光される。
マトリックスカメラ１３は、ＣＣＤタイプのものであるのがよく、光源１１が働いているときに表面９から出た反射光ビーム１７を受け取るよう構成されている。マトリックスカメラ１３は、調節可能な対物レンズ１８を備えるのがよい。
【００１３】
検光子１４は、反射ビーム１７の経路中に、換言すると、表面９とマトリックスカメラ１３との間に配置される。検光子１４は、例えば９０°の角度だけずれた少なくとも２つの位置の間で反射ビーム１７の軸線に平行な軸線に関して配向させることができる。このようにすると、正反射で出射した光ビーム１７の部分と、拡散反射で出射した部分を分離することができ、これら２つの位置のうち一方では、検光子１４は、固定偏光子１２と同一の偏光結果をもたらすものである。もしそうでない場合、後で行うディジタル処理により一定の出力が得られる。検光子１４は、配向可能な偏光子であってもよく、これは有利には、これを回転させることができるモータ１９を備えている。モータ１９は、正確な偏光もたらすために、もし可能ならば解像度の高いステッピングモータタイプのものであるのがよい。
【００１４】
光源１１、カメラ１３及び配向可能な偏光子１４のモータ１９は、処理ユニット１５に接続されており、この処理ユニット１５は、少なくとも１つの記憶装置、少なくとも１つのマイクロプロセッサ及び記憶装置内に記憶されていて、１又は複数のマイクロプロセッサで実行可能な少なくとも１つの制御プログラムを有する形式のものである。処理ユニット１５は、光源１１のオンオフ、カメラ１３による画像の撮像及び所望ならば対物レンズ１８及び検光子１４の適当な向きの調節を行うことができる。
処理ユニット１５を、検査装置１０の外部に設けられた装置、例えば表面９又は行った検査の結果、すなわち処理ユニット１５によって処理されたデータを表すことができる画像の表示が可能なスクリーン２１を備えたモニタ２０にも接続するのがよい。また、処理ユニット１５を、オペレータが情報又はコマンドを入力できるようにするキーボード２２に接続するのがよい。
【００１５】
配向可能な偏光子は、電気光学的配向方式、例えばディスプレイテック（Displaytech ）社の「偏光回転子」又は例えばモータ及びモータによって駆動される車輪に取り付けられた複数のフィルタを備えた機械的配向方式を備えた型式のものであるのがよい。変形例として、偏光スプリッターキューブ、例えばオリエル（Oriel ）社の「ビームスプリッター」を提供することもできるが、これは、２つの測定カメラを用いる必要がある。好ましくは、検光子１４は、リアルタイムで切り替わり、制御ユニット１５に接続された外部チャンネルによって同期可能な電気光学システムである。検光子が、マトリックスカメラ１３の前に配置されている場合、検光子１４により、表面９で正反射された光の成分であるブライトネスと、表面９によって後方散乱された光の成分である色とを互いに分離することができる。検光子１４が、入射光ビーム１６と同一の偏光方向にある場合、カメラ１３は、無偏光成分の半分と共に表面９によって反射された光をピックアップする。検光子１４が、入射光ビーム１６に直角な偏光方向にある場合、カメラ１３は、無偏光成分の半分だけをピックアップする。処理ユニット１５は、ブライトネスに関連付けられた光成分を得るために代数的減算操作及び色に関連付けられた光成分を得るために代数的乗算操作を行う。
【００１６】
好ましくは、そして良好な精度を得るため、検光子１４の任意の位置につき十分な数の画像が収集される。処理ユニット１５によって実行される測定信号のフーリエ解析により、反射光ビーム１７の偏光の度合いを計算すると共にこれから表面９の色成分と一緒にブライトネス成分を抽出することができる。
【００１７】
カメラ１３の対物レンズ１８により、反射光ビームを、或る立体角度で感光性素子、例えばＣＣＤセルのマトリックス上に合焦させることができる。検光子１４の各位置につき、処理ユニット１５又はカメラ１３と関連した画像収集ボード、例えばイメージング・テクノロジー（Imaging Technology）社の「ＩＣ−ＰＣＩ」ボードを介して画像が収集される。画像は、検光子が回転後に固定位置にあるときに収集される。平行偏光及び直交偏光の２つの画像の収集は、数百ミリ秒で行われる。
ＣＣＤセルのマトリックスは、放射計の機能を実行する。反射光ビーム１７の分光分布、例えば、正反射成分についてブライトネスの分光濃度及び後方散乱成分についての色の分光濃度が関心の対象である場合、分光計を用いるのがよい。放射計の機能と分光計の機能を、同一の装置、例えば分光放射計内に合わせ持たせることができる。
【００１８】
図３は、Ｘ軸にとった検光子の角度の関数としてＹ軸にとった画素強度の曲線を示している。このように、検査されるべき表面が、偏光状態の光ビームで照明されると、色に相当する放射線の偏光が解消されている間、ブライトネスに相当する放射線は、偏光状態のままである。検光子の回転により、画像の各点のところにおけるブライトネスの貢献度及び色の貢献度を求めることができる。検光子を回転させると、所与の箇所のところの画素の強度は、実質的に正弦波の状態で変化する。検査対象の表面から反射すると、ブライトネスに相当する光ビームの反射部分の偏光の向きは、入射ビームとこの箇所で検査される表面の法線とのなす角度に関連した量だけ回転する。
【００１９】
検査されるべき表面が平らであれば、偏光回転角度は、各点について同一である。この場合、画像の各点のところおける色に起因する部分及びブライトネスの部分を求めるためには、検光子の２つの互いに異なる角度で２つの画像を得るだけで足り、一方の画像は図３の曲線の最大値、他方の画像はその最小値に相当するものである。検光子の角度位置を自動的に容易に求めることができる。というのは、これらは、画像のだいたいの最小値及び最大値に相当しているからである。
検査されるべき表面が平坦でなければ、位相シフトが画像の各点で現れ、検光子の少なくとも３つの互いに異なる位置を用いることが必要である。各点のところの強度は次式のように表すことができる。
【００２０】
Ｉ＝Ｉ_a ＋Ｉ_b ｃｏｓ（２θ）
ここでθは、検光子と垂直線との間の角度、Ｉ_a は、信号Ｉの平均値、Ｉ_b は、信号Ｉの最大値と最小値との差の半分である。
もし例えば４５°だけ一定の角度間隔を置いた３つの位置を用いる場合、画像の各点のところでは以下のことが得られる。
表面９を検査する方法の種々の段階が、図４に示されている。
【００２１】

従って、

しかしながら、Ｉ_brightness＝２Ｉ_b及びＩ_colour＝２（Ｉ_a−Ｉ_b）
従って、
Ｉ_brightness＝〔（Ｉ₉₀−Ｉ₀）²＋（Ｉ₄₅−Ｉ₀−Ｉ₉₀）²〕^1/2
Ｉ_colour＝Ｉ₀＋Ｉ₉₀−〔（Ｉ₉₀−Ｉ₀）²＋（Ｉ₄₅−Ｉ₀−Ｉ₉₀）²〕^1/2
【００２２】
段階３０では、オペレータ又はユーザは、例えばキーボード２２を用いて検査の開始を制御する。
段階３１では、開始コマンドを受け取った処理ユニット１５は、起動順序を光源１１に送り、光源１１は、入射光ビーム１６の放出を開始する。
段階３２では、カメラ１３は、検光子１４の角度が０°の場合に画像を撮像する。
段階３３では、カメラ１３は、検光子１４の角度が４５°の場合に画像を撮像し、段階３４では、カメラ１３は、検光子１４の角度が９０°の場合に画像を撮像する。
オペレータは、検査されるべき表面９が平らであると考えた場合、特に、これが非常に小さな表面である場合、段階３３を省いてもよい。
段階３５では、処理ユニット１５は、反射光ビーム１７中のブライトネス成分と色成分を分離し、換言するとブライトネス画像及び色画像を得ることができる数値計算を行う。
段階３６では、処理の結果は、最も適当な形で現れる形態、例えば曲線、グラフ、線図等の形態でスクリーン２１上に表示される。
段階３５，３６の実施中、検光子１４は、別の表面の検査をいつでも開始できるようにするために、０°の角度に戻るよう設計されている。
【００２３】
本発明の別の実施形態では、検光子は、連続回転を行い、この連続回転中、数個の画像をカメラ１３で撮像する。検査されるべき所与の表面の場合、多くの画像を撮像すればするほどそれだけ一層ブライトネスの評価精度が高くなる。
処理ユニット１５による処理段階３５の実施中、人間の目が、ブライトネスだけよりもブライトネスと色のコントラストに敏感であるということを考慮に入れる。一例を挙げると、所与のレベルのブライトネスの黒色は、ブライトネスのレベルが同一の場合の白色よりも明るいように思われる。したがって、処理ユニット１５は、一方において、ブライトネスをマップできる計算を行うとともに他方において、色と比較したブライトネスの計算を行う。好ましくは、人間の目によって知覚された印象に関して最も妥当な色と比較したブライトネスに関する情報が表示されることになろう。
【００２４】
かくして、表面検査装置により、あらゆるタイプの表面、特に、角質性表面、例えば毛、唇、爪、皮膚等のブライトネス及び相対ブライトネスを測定することができる。
これら種々の表面は、あらかじめ種々のタイプのトリートメント製品、例えば毛や製品、染色、メーキャップ製品等が塗布されたものであってもよい。メーキャップの場合、表面検査装置により、メーキャップが施された表面、特に皮膚の無光沢度を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの光線の反射状態の略図である。
【図２】本発明の一実施形態としての装置の略図である。
【図３】検光子の角度の関数としての画素の強度の変化を示すグラフ図である。
【図４】検査方法の種々の段階の流れ図である。
【符号の説明】
８ 顔面
９ 表面
１０ 検査装置
１１ 光源
１２ 固定偏光子
１３ マトリックスカメラ
１４ 検光子
１５ 処理ユニット
１８ 対物レンズ
１９ モータ

Claims (13)

1. 表面を検査するための装置であって、前記表面で反射された光ビームの経路中に配置された、配向可能な偏光解析素子を有し、該偏光解析素子は、直交偏光を伝送する手段及び平行偏光を伝送する手段を有し、前記伝送手段は、交互に働く状態になり、更に、前記表面によって偏光解析素子の下流側に反射されたビームの経路中に配置されたディジタル画像の撮像手段と、前記反射ビームの前記直交偏光及び平行偏光の、前記表面の２つのディジタル画像の画素から前記表面の複数の箇所のブライトネス及び色を計算できる処理ユニットとを有し、前記装置は前記表面に接触しない、ことを特徴とする装置。
2. 検査されるべき前記表面に入射するビームを放出できる偏光源を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記偏光源から出た光は、実質的に等方性であることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記偏光源から出た光は、実質的に白色であることを特徴とする請求項２又は３記載の装置。
5. 前記偏光源から出た光のスペクトルは、太陽スペクトルと実質的に同一であることを特徴とする請求項２又は３記載の装置。
6. 偏光解析素子は、回転式のものであることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 偏光解析素子は、電気的切替え手段を有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 表面の遠隔検査方法であって、前記表面で反射された光ビームの直交偏光及び平行偏光を解析し、前記反射ビームの前記直交偏光及び平行偏光の偏光のディジタル画像を撮像し、前記表面の複数の箇所のブライトネス及び色を前記表面の２つの画像の画素から計算することを特徴とする方法。
9. 前記表面は、平らではないことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 単色のディジタル画像を撮像することを特徴とする請求項８又は９記載の方法。
11. 多色のディジタル画像を撮像することを特徴とする請求項８又は９記載の方法。
12. 処理ユニット及びカメラを有する表面の遠隔検査のために設計された装置のためのコンピュータプログラムであって、表面によって反射された光ビームの直交偏光及び平行偏光を交互に伝送し、前記カメラによって、前記反射ビームの前記直交偏光及び前記平行偏光のディジタル画像を撮像し、前記処理ユニットによって、前記表面の複数の箇所のブライトネス及び色を前記表面の２つの画像の画素から計算する、ことを特徴とするコンピュータプログラム。
13. 請求項１２に記載のコンピュータプログラムが格納されている記憶媒体。

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