JP4871403B2 - 立体物イメージスキャナ - Google Patents

Description

本発明は、立体物の正射投影画像を得るためのイメージスキャナに関する。

特許文献１には、テレセントリックレンズを備えた撮像機器を３次元物体に対して撮像方向に移動させながら、その撮像機器により３次元物体を繰り返し撮影し、それにより得られた多数枚の画像の撮像方向での濃淡レベルの推移を分析することにより、それら画像で焦点の合った位置を検出し、そして、焦点の合った位置の画素データを集めて、全画素で焦点の合った当該３次元物体の全体画像を合成したりする３次元物体認識装置が開示されている。

特開２００３−２０７３２０号公報

特許文献１に開示された３次元認識装置によれば、その全体画像が取得可能な物体のサイズは、撮像機器の視野のサイズ以下に限定される。すなわち、この３次元認識装置では、撮像機器の視野より大きい立体物の全体画像を得ることはできない。また、特許文献１には立体物を照明する方法については何の開示も無い。しかし、被写体が立体物の場合、照明によって立体物の表面上に生じる影が、その立体物の画像に悪影響を与えることがある。

従って、本発明の目的は、立体物イメージスキャナにおいて、撮像機器の視野より大きい立体物の全体の正射投影画像を得ることができるようにすることにある。

本発明の別の目的は、立体物イメージスキャナにおいて、照明により引き起こされる影による立体物の正射投影画像への悪影響を低減することにある。

本発明に従う立体物イメージスキャナは、立体的な被写体の正射投影画像を得るためのイメージスキャナにおいて、イメージセンサと、前記イメージセンサと前記イメージセンサから観察方向に離れた位置にあるターゲット平面領域との間に配置され、前記ターゲット平面領域の像を前記イメージセンサ上に結像するテレセントリック結像系と、被写体が配置される被写空間中で前記ターゲット平面領域を３次元方向に移動させる移動手段と、前記ターゲット平面領域に照明光を照射するものであって、前記照明光の前記ターゲット平面領域への入射角の分布範囲が前記ターゲット平面領域のあらゆる点で一定になるように前記照明光の方向を規制するようになった照明手段と、前記ターゲット平面領域が前記被写空間中を移動している間に前記イメージセンサから逐次に出力される画像データを入力し、入力された前記画像データの中から前記被写体にピントの合った画素データを検出し、検出された前記画素データを集めて前記被写体の正射投影画像を合成する画像処理手段とを備える。

好適な実施形態では、前記ターゲット平面領域は線状の領域である。そして、前記照明手段は、前記ターゲット平面領域と平行に配置された少なくとも一つの線状の光源を有し、前記線状光源は、前記ターゲット平面領域に対して一定の位置関係を保って前記ターゲット平面領域と一緒に移動するようになっている。また、前記線状光源の長さは、前記線状光源の両端と前記ターゲット平面領域の両端とを結ぶ２本の見通し線のなす角度が所定の角度以上になるように、前記ターゲット平面領域の長さより長く設定されている。さらに、前記線状光源は、前記２本の見通し線を含んだ平面に沿った前記照射光の射出方向を前記所定角度の範囲に制限する光方向規制手段を有する。これにより、前記ターゲット平面領域のあらゆる点にて、前記照明光の入射光量が一定で、且つ前記平面に沿った前記照明光の入射角の分布範囲が前記所定角度の範囲で一定になるようになっている。

好適な実施形態では、前記照明手段は、前記テレセントリック結像系から前記ターゲット平面領域へ向かう光軸の両側の位置に配置された少なくとも２つの光源を有する。そして、前記テレセントリック結像系から前記ターゲット平面領域を見たとき、一方の光源は前記ターゲット平面領域をほぼ正面から照射し、他方の光源は前記ターゲット平面領域を斜め方向から照射するようになっている。さらに、前記少なくとも２つの光源の出力光量がそれぞれ独立して可変設定できるようになっている。

好適な実施形態では、前記ターゲット平面領域は前記観察方向と垂直なY方向に平行な所定長さの線状の領域である。そして、前記移動手段は、前記被写空間を、前記観察方向での位置が異なる複数のレイヤに分割し、前記複数のレイヤの各々を、前記Y方向での位置が異なり且つ前記Y方向の幅が前記ターゲット平面領域の長さに等しく設定された複数のバンドに分割し、前記ターゲット平面領域を前記観察方向へ移動させることで前記ターゲット平面領域を前記観察方向における各レイヤの位置に配置し、前記各レイヤの位置にて前記ターゲット平面領域を前記Y方向へ移動させることで前記ターゲット平面領域を前記Y方向における各バンドの位置に配置し、前記各バンドの位置にて前記ターゲット平面領域を前記観察方向及び前記Y方向に垂直なX方向へ移動させることで前記イメージセンサから前記各バンドの画像データが出力されるようにする。前記画像処理手段は、前記イメージセンサから出力される前記複数のバンドの画像データを集めることで前記複数のレイヤの画像データを生成し、生成された前記複数のレイヤの画像データを前記X方向と前記Y方向の座標ごとに比較することで前記被写体にピントの合った画素データを前記複数のレイヤの画像データから抽出するようになっている。

好適な実施形態では、前記画像処理手段が、前記イメージセンサの白基準レベルを検出する白基準レベル検出手段と、検出された前記白基準レベルを用いて、前記イメージセンサから出力される前記画像データに対するシェーディング補正を行なうシェーディング補正手段とを有する。そして、明度の異なる複数の白基準標識が設けられ、前記イメージセンサの白基準レベルを検出する際に、被写体の平均的な明度などに応じて、適当な明度をもつ白基準標識ものを選択して使用することが可能になっている。これにより、照明装置の光量や光量ムラに依存せず、被写体の明度（反射率）に対して忠実な階調画像を得ることが可能となる。

本発明によれば、イメージセンサによって同時に撮影できる物体領域であるターゲット平面領域を３次方向を移動させながら被写体をスキャンするので、立体物のためのイメージスキャナにおいて、ターゲットより大きい立体物の全体の正射投影画像を得ることができる。

また、本発明によれば、照明光のターゲット平面領域への入射角の分布範囲がターゲット平面領域のあらゆる点で一定になるように照明光の方向が規制されるので、照明により引き起こされる影による立体物の正射投影画像への悪影響が低減される。

本発明の一実施形態に係る立体物イメージスキャナの全体構成を示す斜視図。 スキャニングユニット２４の内部構成を示す断面図。 スキャニングユニット２４の内部部品と光源ユニット３４A、３４Bとターゲット平面領域４８との位置関係を示す斜視図。 リニア光源ユニット３４Ａ、３４Ｂ及びターゲット平面領域４を水平面に沿って切断した断面図。 リニア光源ユニット３４及びターゲット平面領域４８を平面５３に沿って切断した断面図。 照明光の出射方向が一定の角度範囲φ内に制限された光源デバイス６０の具体的な構成例を示す断面図。 照明光の出射方向が一定の角度範囲φ内に制限された光源デバイス６０の別の具体的な構成例で使用される、リニアな導光体の構成部品を示す断面図。 図７の導光体を用いた光源デバイス６０の別の具体的な構成例を示す断面図。 図８に示した構成の光源デバイス６０を実際に作成し、その鉛直面に沿った出射角度の範囲を、その光出射面（図８のプリズム板６８の前面６８Ａ）の直前にて測定した結果を示す図。 立体的な被写体に対するスキャニングの方法を説明する斜視図である。 図１０に示した複数レイヤ８２−１、８２−２、…、８２−Ｎの画像データから被写体８０にピントの合った合焦点画素データを抽出するための処理方法を説明する図。 図１０に示したスキャニング方法の下で、図５に示した照明光の方向規制の最もよく現れる被写体形状の一典型例を示す図。 照明光の方向規制がなされていない場合の問題点を説明する図。 照明光の方向規制により図１３に示した問題点が解消されることを説明する図。 照明光の方向規制がなされていない場合といる場合で図１０の被写体を撮影して得られる画像を対比して示す図。 制御装置３８によって行なわれるスキャニング動作制御の全体的な流れを示すフローチャート。 図１６のステップ１０４の傾き補正値設定の処理の具体的な流れを示すフローチャート。 図１７の処理の意味を分かり易く説明した図。 図１６のステップ１１０の白・黒基準レベルの設定の方法を分かり易く説明した図。 上記白・黒基準レベルの設定の処理の具体的な流れを示すフローチャート。 図１６のステップ１１２〜１１８の３次元スキャニングと合焦点画像合成の具体的な流れを示すフローチャート。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る立体物イメージスキャナの全体構成を示す。

図１に示すように、床上に設置されたプラットフォーム１２上に、立体の被写体（図示せず）を載置するためのテーブル１４が設置される。テーブル１４の上方の被写体が配置される空間を、以下「被写空間」と呼ぶ。また、以下の説明では、３次元的な位置関係を説明する都合から、図１に示すようなX、Y、Z軸をもつ直交三次元座標系（左手系）が定義される。ここで、Y軸は鉛直方向（高さ方向）であり、X軸とZ軸は水平方向である。

プラットフォーム１２上のテーブル１４から正面に、柱状のX軌道１６がX軸と平行に敷設される。X軌道１６上に、柱状のY軌道１８がY軸に平行に取り付けられる。そして、Y軌道１８に、柱状のキャリッジ２０がZ軸に平行に取り付けられる。Y軌道１８は、電動自走装置（図示せず）を内蔵して、X軌道１６の長さの範囲内でX軸と平行な方向（横方向）に往復移動することができる。キャリッジ２０も電動自走装置（図示せず）を内蔵して、Y軌道１８の長さの範囲内でY軸と平行な方向（高さ方向）に往復移動することができるとともに、それ自身の長さの範囲内でZ軸と平行な方向（奥行き方向）にも往復移動することができる。結果として、キャリッジ２０は、X、Y及びZ軸に沿って三次元的に移動することができる。

キャリッジ２０には、板状の台座２２が固定され、この台座２２に、スキャニングユニット２４と照明装置３２が固定される。スキャニングユニット２４は、被写空間１５内に配置される被写体（図示せず）を三次元的にスキャンするための光学装置であり、Z軸と平行に配列されたテレセントリック結像ユニット２６と可変絞りユニット２７とイメージセンサユニット２８を有する。スキャニングユニット２４の内部構成とその機能については後に図２、３を参照して説明するが、簡単に述べると次のとおりである。

イメージセンサユニット２８は、Y軸と平行に配置されたリニアな（直線状の）リニアイメージセンサ（図２、３の参照番号４６）を内蔵する。テレセントリック結像ユニット２６は、テレセントリックレンズ系（図２、３の参照番号４０）を内蔵し、その光軸４３がZ軸と平行になるようにして、Z軸の正の方向（観察方向）を向いて配置されている。テレセントリック結像ユニット２６は、その前端２６Ａから光軸４３に沿って観察方向へ所定距離だけ離れた位置にあるY軸と平行な所定長さの直線状の（つまりリニアな）平面領域（以下、ターゲット平面領域という）４８の像を、イメージセンサユニット２８内のリニアイメージセンサ上に結像するようになっている。つまり、スキャニングユニット２４は、ターゲット平面領域４８にピントが合った状態になっている。可変絞りユニット２７は、イメージセンサユニット２８とテレセントリック結像ユニット２６との間に配置され、開度が可変な開口絞り（以下、可変絞りという）（図２、３の参照番号４４）を内蔵する。可変絞りユニット２７は、上述したリニアイメージセンサへの入力光量の調整や被写界深度の調整に使用される。

上述したスキャニングユニット２４は、キャリッジ２０の移動によってX、Y及びZ軸の方向に三次元的に移動し、それと一緒にターゲット平面領域４８も移動する。ターゲット平面領域４８の移動可能な範囲内には、被写空間１５や後述する各種標識３５、３７、３９の設置場所などが含まれる。

キャリッジ２０には、さらに、照明装置３２も固定される。この照明装置３２は、ターゲット平面領域４８を照明するためのもので、少なくとも２つの分離された光源ユニット３４A、３４Bをもつ。すなわち、キャリッジ２０上の台座２２の前端部に、支持フレーム３０がX‐Y平面と平行に固定され、この支持フレーム３０のX軸方向の両端部に（つまり、スキャニングユニット２４の光軸４３の左右両側に）、２つの光源ユニット３４A、３４Bが取り付けられる。これら２つの光源ユニット３４A、３４Ｂは、それぞれ、柱状つまりリニア（直線的）な形状をもつ。

リニアな光源ユニット３４A、３４Bは、それぞれ、Y軸と平行に配置されて、ターゲット平面領域４８に向けて照明光を出射するようになっている。一方の光源ユニット３４Aはスキャニングユニット２４の光軸４３の近傍に配置されるが、他方の光源ユニット３４Bは光軸４３からX軸方向へある程度の距離だけ離れた位置に配置される。そのため、一方の光源ユニット３４Aはターゲット平面領域４８をほぼ正面から照明するが、他方の光源ユニット３４Bはターゲット平面領域４８を水平面に沿った斜め方向から照明することになる。これらの光源ユニット３４A、３４B（照明装置３２）は、キャリッジ２０の移動によってスキャニングユニット２４と一緒に移動するので、スキャニングユニット２４に対して常に一定に位置関係を保つ。そのため、ターゲット平面領域４８が移動しても、ターゲット平面領域４８には常に一定の方向から一定量の照明光が照射されることになる。

プラットフォーム１２とは別の場所に、コンピュータや電源回路やその他の電気・電子回路を内蔵した制御装置３８が設置される。制御装置３８は、上述したY軌道１８とキャリッジ２０内の電動自走装置、スキャニングユニット２４内のリニアイメージセンサ、及び照明装置３２などに、信号ケーブル及び電力ケーブルを介して電気的に接続される。制御装置３８は、Y軌道１８とキャリッジ２０内の電動自走装置を駆動し制御することにより、キャリッジ２０の三次元的な移動と位置を制御する（ひいては、スキャニングユニット２４による被写体のスキャニングを制御する）機能をもつ。制御装置３８は、さらに、スキャニングユニット２４により被写体（図示せず）をスキャニングされている間、スキャニングユニット２４内のリニアイメージセンサから逐次に出力される画像データを入力し、それらの画像データを処理することにより、被写体の合焦点画像データを合成する機能をもつ。さらに、制御装置３８は、上述した画像処理に付随するシェーディング補正、光源ユニット３４A、３４Bの出力光量の個別的な可変制御、およびその他の各種の付随的処理を行なう機能も有する。

テーブル１４の図１中で遠方側（つまり、スキャニングユニット２４に対向する側）の端部の被写空間１５から外れた位置に、傾きチェック標識３５、ピント合わせ標識３７及び白基準標識３９などの異なる種類の標識が取り付けられる。傾きチェック標識３５は、例えばY軸と平行な直線を表示したもので、後述するように、スキャナユニット２４内のリニアイメージセンサがY軸に対して僅かに傾いている場合に、その傾きを検出してこれを補正するための補正値を設定する処理（図１６、ステップ１０４）で使用される。ピント合わせ標識３７は、例えばスキャニングユニット２４のピントがそこに合っていなければそれをイメージセンサで読み取ることができないような細かい格子模様（ラダーチャート）を表示するものであり、後述するように、スキャニングユニット２４のピントをこの標識３７に合わせてキャリッジ２０の位置制御の原点を決定するための処理（図１６、ステップ１０６）で使用される。白基準標識３９は、例えば所定の明度（光反射率）をもつ白基準色を表示するもので、シェーディング補正のための白基準レベルを設定する処理（図１６、ステップ１０８）で使用される。ここで、白基準標識３９については、異なる明度（光反射率）をもつ異なる白基準色が用意されている（異なる白基準色をそれぞれ表示する別個の複数枚の白基準標識３９が用意されていていても良いし、あるいは、異なる白基準色が同じ１枚の白基準標識３９上に表示されていてもよい）。ユーザは、白基準レベルの設定処理を行なう場合、上記複数の白基準色の中から、被写体の色合いや欲しい画像の明るさ具合などの事情に応じて、任意に一つの白基準色を選択して使用することができる。例えば、被写体が全体的に明るい色であるならば、純白又は明度の高い方の白基準色を使用し、一方、被写体が全体的に暗い色であるならば、明度の低い方の白基準色を使用することにより、被写体の明るさ具合に応じた適切な明度の画像を得ることが容易になる。

図２は、スキャニングユニット２４の内部構成を示す。図３は、スキャニングユニット２４の内部部品と光源ユニット３４A、３４Bとターゲット平面領域４８との位置関係を示す。

図２に示すように、テレセントリック結像ユニット２６内のテレセトリックレンズ系４０は、対物レンズ４１と第２レンズ４２から構成され、図３に示すように、対物レンズ４１より前方の物空間において全ての主光線が光軸４３に平行に進むようになっている。テレセトリックレンズ系４０は、図３に示すように、対物レンズ４１から前方へ所定距離５４、例えば３００ｍｍ、の位置にあるターゲット平面領域４８の像を、センサユニット２８内のリニアイメージセンサ４６上に結像する。ターゲット平面領域４８は、Y軸に平行なリニアな領域であり、その中心点にてテレセトリックレンズ系４０の光軸４３と直交する。

このようなテレセントリックレンズ系４０では一般に、対物レンズ４１には、その直径が少なくともターゲット平面領域４８のY軸方向の長さと同程度であるような大きいレンズが必要がある。例えば、ターゲット平面領域４８のY軸方向の長さが１５０ｍｍに設定される場合、対物レンズ４０には直径が１５０ｍｍ以上の大きいものが必要である。しかし、そのような大きなレンズをそのまま対物レンズ４１として使用すると、対物レンズ４１が、スキャニングユニット２４及び光源ユニット３４A、３４Bをキャリッジ２２の最適位置に取り付けるための邪魔になるおそれがある。そこで、この実施形態では、図２、３に示されるように、上記のような大きい直径をもつ円形のレンズから、「けられ」が問題にならない程度のサイズをもつ短冊形の部分だけが切り出され、その短冊形の部分がY軸と平行に配置され、対物レンズ４１として用いられる。この短冊形の対物レンズ４１は特にX軸方向でコンパクトであるから、上述したようなスキャニングユニット２４及び光源ユニット３４A、３４Bの取り付けの邪魔になるという問題がない。また、テレセントリックレンズ系４０の対物レンズ４１を短冊状とすることで、レンズ製造コストの低下、スキャニングユニット２４の軽量化を実現する。スキャニングユニット２４の軽量化は、Ｘ軌道１６、Ｙ軌道１８、キャリッジ２０の軽量化にもつながり、結果として装置全体の軽量化を実現する。

テレセトリックレンズ系４０とリニアイメージセンサ４６との間には、可変絞り４４が配置される。可変絞り４４の開度は、完全に閉じた（テレセトリックレンズ系４０からの入射光を全部遮断する）状態から完全に開いた（テレセトリックレンズ系４０からの入射光を全部通す）状態までの間で複数段階、例えば６段階、に可変設定可能である。可変絞り４４の開度設定は、ユーザが可変絞り４４を手動で直接操作して行なわれるようになっていてもよいし、或いは、図１に示した制御装置３８からの指令で自動的に行なわれるようになっていてもよい。

リニアイメージセンサ４６は、例えば８μｍピッチでY軸と平行に一直線に配列された例えば３０００画素以上の光変換素子アレイと、光線変換素子アレイから出力されるアナログの電圧信号をデジタルの画素データに変換するＡ／Ｄ変換デバイスとを有する。Ａ／Ｄ変換デバイスは、例えば１０ビット（１０２４階調）以上のＡ／Ｄ変換精度を有し、後述するシェーディング補正に対応可能である。
テレセントリックレンズ系４０の倍率は例えば０．１６である。従って、ターゲット平面領域４８上の例えば５０μｍ（２０画素／mm）の１つの区画４９が、リニアイメージセンサ４６上の例えば８μｍの１つの画素に対応する。従って、例えば３０００画素以上をもつリニアイメージセンサ４６上に、同時に、１５０ｍｍの長さ５８を有するターゲット平面領域４８の画像が結像されることになる（５０μm×３０００画素＝１５０ｍｍ）。このように同時に撮像できるターゲット平面領域４８の有効長５８が例えば１５０ｍｍであるため、図３に示すように、ピント合わせ標識３７や白基準標識３９の長さも最低でその有効長５８、例えば１５０ｍｍ、に設定される。傾きチェック標識３５の長さは、後に説明するように、ターゲット平面領域４８の有効長５８より長い、例えばその２倍の３００ｍｍ以上、に設定される。

テレセントリックレンズ系４０を結像光学系として使うことにより、被写体の正射投影画像を得ることが可能になる。テレセントリック系ではない通常のレンズ系を使った場合には、撮影される画像は、結像系に近いものは大きく、遠いものは小さくなるという中心投影画像となり、正射投影画像を得ることはできない。被写体の正射投影画像が得られることによって、被写体の寸法と形状を忠実に表した合焦点画像を合成することが可能になる。

スキャニングユニット２４の移動可能距離（ストローク）は、例えばX軸方向で５００mm、Y軸方向で１０００ｍｍ、Z軸方向で２５０ｍｍである。それにより、その全体像がスキャン可能な被写体の最大サイズは、例えば壷、花器、土器のような水平断面が概略円形の立体被写体の場合、その直径が５００ｍｍ程度で高さが１０００ｍｍ程度である。

図３に示すように、ターゲット平面領域４８に向かって、対物レンズ４１の右側（X軸の正方向）に一方のリニア光源ユニット３４Ａが配置され、左側（X軸の負方向）に他方のリニア光源ユニット３４Ｂが配置される。右側のリニア光源ユニット３４Ａは、ターゲット平面領域４８（つまり、被写体）に対して、ほぼ正面からの照明光を照射する。この照明光は、被写体表面の凹凸を目立たせない効果を産む。一方、左側のリニア光源ユニット３４Ｂは、ターゲット平面領域４８（つまり、被写体）に対して、側面の方向から照明光を照射する。この照明光は被写体の凹凸を目立たせる効果がある。被写体に応じてこの２種類の照明光を使い分けたり組み合わせたりすることで、所望の効果を得ることができる。例として、考古学の石器や土器などを撮影する場合を想定する。例えば黒曜石の石器のように、全体に黒色で、凹凸があっても画像にコントラストが着きにくい被写体の場合、側面からの照明光を用いることで、凹凸に応じたコントラストを明確化することができる。また、例えば縄文土器のように、光軸４３方向に向けて凹んだ部分がある被写体の場合、正面からの照明光を用いることで、その凹んだ部分を奥まで照らし出して明瞭に撮影することができる。また、円筒のように両側部分が中央より遠方に位置するような被写体の場合、その輪郭を確実に捉えるために右側と左側の両方のリニア光源ユニット３４Ａ、３４Ｂを組み合わせて使用する。このような被写体の場合、一方側からの照明光だけでは、反対側に照明光が届きにくくなり、全体の正確な輪郭線の画像情報が得られないからである。所望の効果が得られるように、それぞれの光源ユニット３４Ａ、３４Ｂの光量を別個に調整することができる。このように、光源ユニット３４Ａ、３４Ｂによる照明光量を変えても、後述するシェーディング補正を行うことで、リニアイメージセンサ４６の出力が飽和しない限りにおいて、被写体の反射率に忠実な階調性のある画像を何度でも、再現性良く得ることができる。

リニア光源ユニット３４Ａ、３４ＢはいずれもY軸に平行に配置される。右側のリニア光源ユニット３４ＡのY軸方向の両端とターゲット平面領域４８のY軸方向の両端とを結んだ２本の見通し線５０Ａ、５２Ａを含む平面（この平面は鉛直なので、以下、鉛直面という）５３Ａを想定したとき、リニア光源ユニット３４Ａから出射された照明光が、この鉛直面５３Ａにほぼ沿った狭い一定の角度範囲で進んでターゲット平面領域４８に入射するように、リニア光源ユニット３４Ａからの照明光の水平面（X−Z平面）に沿った出射方向が上記狭い一定の角度範囲に規制されている。加えて、リニア光源ユニット３４Ａからターゲット平面領域４８へ入射する照明光の鉛直面５３Ａに沿った入射角度の分布範囲が、ターゲット平面領域４８のあらゆる箇所において狭い一定角度範囲になるように、リニア光源ユニット３４Ａから照明光の鉛直平面５３Ａに沿った出射角度の範囲が上記狭い一定角度範囲に規制されている。

同様にして、左側のリニア光源ユニット３４ＢのY軸方向の両端とターゲット平面領域４８のY軸方向の両端とを結んだ２本の見通し線５０Ｂ、５２Ｂを含む平面５３Ｂ（以下、鉛直面という）を想定したとき、リニア光源ユニット３４Ｂから出射された照明光が、この鉛直面５３Ｂに沿った狭い一定の角度範囲で進んでターゲット平面領域４８に入射するように、リニア光源ユニット３４Ｂからの照明光の水平面（X−Z平面）に沿った出射方向が上記狭い一定の角度範囲に規制されている。加えて、リニア光源ユニット３４Ｂからターゲット平面領域４８へ入射する照明光の鉛直面５３Ｂに沿った入射角度の分布範囲が、ターゲット平面領域４８のあらゆる箇所において狭い一定角度範囲になるように、リニア光源ユニット３４Ｂから照明光の鉛直面５３Ａに沿った出射角度の範囲が上記狭い一定角度範囲に規制されている。

このようなリニア光源ユニット３４Ａ、３４Ｂからの照明光の出射方向の規制について、図４と図５を参照してより具体的に説明する。

図４は、リニア光源ユニット３４Ａ、３４Ｂ及びターゲット平面領域４８を水平面に沿って切断した断面図である。

図４に示すように、リニア光源ユニット３４Ａ、３４Ｂは、それぞれ、柱状つまりリニアな光源デバイス６０Ａ、６０Ｂと、それぞれに光源デバイス６０Ａ、６０Ｂに平行に配置された柱状つまりリニアな楕円反射鏡６２Ａ、６２Ｂを有する。楕円反射鏡６２Ａ、６２Ｂの各々の一方の焦点軸は光源デバイス６０Ａ、６０Ｂの各々の中心軸の位置に配置され、他方の焦点軸はターゲット平面領域４８の中心軸の位置に配置される。従って、光源デバイス６０Ａ、６０Ｂからターゲット平面領域４８に入射される照明光の入射角の分布範囲は、ターゲット平面領域４８のY方向のあらゆる点において、上述し鉛直面５３Ａ、５３Ｂに沿った一定の狭い角度範囲θＡ、θＢに制限される。

図５は、一方のリニア光源ユニット３４Ａ又は３４Ｂとターゲット平面領域４８を、前述した鉛直平面５３Ａ又は５３Ｂに沿って切断した断面図である（説明の都合上、参照番号中の左側、右側を区別するためのインデックスＡ、Ｂは省略する）。

図５に示すように、リニアな光源ユニット３４からの照明光の鉛直面５３に沿った出射角の分布範囲は、光源ユニット３４の光を出射する部分（有効部分）のY軸方向のあらゆる点において、水平を中心にした狭い一定の角度範囲（水平の近傍範囲）φに規制されている。出射角を規制するための手法には、後にその具体例を紹介するように、幾つかある。

また、光源ユニット３４の有効部分のY軸方向の長さ（有効長）が、次のように設定される。すなわち、この有効長をＬ１、ターゲット平面領域４８のY軸方向の長さをＬ３、ターゲット平面領域４８と光源デバイス６０との間の距離をＤとすると、光源ユニット３４の有効長Ｌ１は
Ｌ１≧Ｌ３＋Ｌ２
ここに、Ｌ２＝２・Ｄ・tan（φ／２）である、
という条件を満たすように設定されている。例えば、Ｌ３＝１５０mm、Ｄ＝３００mm、φ＝１０度とすると、Ｌ２＝約５２ｍｍであり、よってＬ１≧２０２ｍｍに設定される。これは、換言すると、光源ユニット３４の有効部分の両端とターゲット平面領域４８の両端とを結んだ２本の見通し線５０、５２のなす角度が、上記角度φ以上であるということである（もし、見通し線５０、５２のなす角度が角度φ未満であると、ターゲット平面領域４８の特に両端に近い部分で、照明光の入射角の範囲が上記角度範囲φ未満になり、その両端に近い部分の入射光量が他の部分より少なくなってしまう）。

以上のような構成の下では、リニアな光源ユニット３４からターゲット平面領域４８に入射される照明光の鉛直面５３に沿った入射角の分布範囲は、ターゲット平面領域４８のY軸方向のあらゆる点において、上記一定角度範囲φに制限されることになり、かつ、照明光の光量はターゲット平面領域４８のY軸方向のあらゆる点において一定になる。その結果として、後に図１２〜図１４を参照して具体的に説明するように、被写体のあらゆる箇所に対する照明の具合が均一となり、被写体の全体の画像を高い画質で得ることが可能になる。

因みに、光源ユニット３４からの照明光の出射角を上記のように規制しなかった場合には、照明光のターゲット平面領域４８への入射角の範囲は、図５で点線で示すように、ターゲット平面領域４８上の各点から、光源ユニット３４の有効部分の全長を見込んだ広い角度範囲となる。そのため、入射角範囲はターゲット平面領域４８上の場所によって異なり、入射光量も場所によって異なる。そして、この場合には、後に図１２〜図１４を参照して具体的に説明するように、被写体の全体の画像を得ようとしたとき、被写体の凹凸部分の影の悪影響が出て、高い画質の画像を得ることが困難になる。

図６は、上述したように照明光の出射方向が一定の角度範囲φ内に制限された光源デバイス６０の具体的な構成例を示す断面図である。

図６に示すように、柱状つまりリニアな光源デバイス６０の光を出射する面の全域の正面に、光制御デバイス６２が設けられている。光制御デバイス６２は、例えば光の透過性の高い合成樹脂製又はその他の材料製のシート状又は板であり、その内部には、光を吸収する多数の光吸収板６４（例えば黒色つや消し板）ちょうどルーバの遮光板のように、一定間隔（例えば、ミリメートルオーダの間隔）で平行に配列されている。このシート状又は板状の光制御デバイス６２は、光源デバイス６０の光出射面の前方にこれと平行に展張されるか又は光出射面に貼り付けられる。光源デバイス６０には、リニアな形状のランプ（例えば、棒形の蛍光ランプ）などが使用できる。光源デバイス６０の光出射面から射出された照明光のうち、その出射角度（光射出面の法線に対する角度）が或る程度以上に大きい照明光は、光制御デバイス６２内の反射層６４に当たって吸収される。その結果、図６に示すように、光制御デバイス６２を通過できる照明光は、その出射角度が、水平を中心にした一定の狭い角度範囲φ内に制限される。ここで、角度範囲φは、光制御デバイス６２の厚さＷと反射層６４の間隔ｄに応じて、
φ＝２・tan-1（ｄ／Ｗ）
で定まる。

図７と図８は、照明光の出射方向が一定の角度範囲φ内に制限された光源デバイス６０の別の具体的な構成例を示す断面図である。図７は、この構成例で用いられる導光体の分解斜視図である。図８は、この構成の全体構造と機能を示す。

この構成例では、図７、８に示すような柱状つまりリニアな導光体６５が使用され、この導光体６５は、光を柱状つまりリニアな領域に導くための導光ロッド６６と、導光ロッド６６から射出される光の方向を所定方向に変換するためのプリズム板６８から構成される。導光ロッド６６は、光の透過性の高い合成樹脂製又はその他の材料製（例えば、アクリル、ポリカーボネート又は光学ガラス製など）であり、図７、８に示すように、楔のようにその前面６６Ｂと後面６６Ｃのなす角度が鋭角になった四角柱形の形状をもつ。プリズム板６８は、導光ロッド６６と同様の光の透過性の高い合成樹脂製又はその他の材料製（例えば、アクリル、ポリカーボネート又は光学ガラス製など）であり、図７、８に示すように、その前面６８Ａは平らであり、後面は、多数の微細な非対称三角柱形の突起（プリズム）６８Ｂが連続的に一列に配列された鋸波又は洗濯板形状を有する。

図８Ａに示すように、導光ロッド６６とプリズム板６８は、前者の前面６６Ｂと後者の後面（柱状プリズム６８Ｂの凹凸が出ている面）が合わさるようにして組み合わされることで、リニアな導光体６５が形成される。この導光体６５の基端部（導光ロッド６６の天面６６Ａ側の端部）に、ハロゲンランプと凹面反射鏡などからなるランプユニット６４が取り付けられる。ランプユニット６４から出力された光は、導光ロッド６６の天面６６Ａを通って導光ロッド６６内に入る。この天面６６Ａは、微細な凹凸をもつように加工されており、その微細な凹凸によって、そこを通過する光を種々の方向へ拡散させる。この天面６６Ａを通って導光ロッド６６内に入った光線７０は、導光ロッド６６の前面６６Ｂと後面６６Ｃで繰り返し全反射されながら導光ロッド６６内をその長手方向へ進みつつ、前面６６Ｂと後面６６Ｃへの入射角が徐々に小さくなっていき、最終的に、前面６６Ｂへの入射角が臨界角より小さくなったときに、前面６６Ｂを通過してプリズム板６８の方へ射出される。天面６６Ａの拡散作用により、天面６６Ａから導光ロッド６６内に入る光線の方向は様々であるため、導光ロッド６６の前面から射出される光の量は、導光ロッド６６の長さ範囲の全域にわたってほぼ均一である。

図８Ｂに示すように、導光ロッド６６の前面から射出された光線７０は、プリズム６８Ｂの上面からプリズム６８Ｂ内に入り、プリズム６８Ｂの下面にて全反射されてほぼ水平方向の光線となり、プリズム板６８の前面６８Ａから外に射出される。プリズム板６８の前面６８Ａから射出される光の出射角度の分布は、水平を中心とした一定の狭い角度範囲φ内になる。
図９は、図８に示した構成の光源デバイス６０を実際に作成し、その鉛直面に沿った出射角度の範囲を、その光出射面（図８のプリズム板６８の前面６８Ａ）の直前にて測定した結果を示す。ここで、出射角度は、光出射面の法線の方向を０度としている。

図９の出射角度分布を示すグラフ７２から分るように、出射角度は非常に狭い角度範囲に制限されている。例えば、放射強度が最大値の半分になる範囲を、前述した角度範囲φとして定義したならば、φは約１０度である。

図１０は、図１に示した被写空間１５内に配置される立体的な被写体を、スキャニングユニット２４により三次元的にスキャンするための方法を説明する斜視図である。

図１０に示すように、立体的な被写体８０の存在する空間が、Z座標が異なる複数枚（Ｎ枚）のレイヤに分割される。各レイヤ８２−１、８２−２、…、８２−Ｎの厚さは、スキャニングユニット２４の被写界深度以下である。スキャニングユニット２４が上記レイヤの厚さに相当するピッチでZ軸方向に移動することで、その前方のターゲット平面領域４８が、レイヤ８２−１、８２−２、…、８２−ＮのそれぞれのZ座標に逐次に配置される。各レイヤ８２−ｉ（ｉ＝１、２、…、Ｎ）のZ座標にて、スキャニングユニット２４がX、Y軸方向に移動することで、ターゲット平面領域４８が各レイヤ８２−ｉをその全域にわたってX、Y軸方向にスキャンし、その間に、スキャニングユニット２４から逐次に出力される画像データが制御装置３８に収集され、その結果、各レイヤ８２−ｉの画像データが制御装置３８内に得られる。各レイヤ８２−ｉの画像データには、各レイヤ８２−ｉと被写体８０とが交差する位置にて被写体８０にピントの合った合焦点画素データが含まれることになる。全てのレイヤ８２−１、８２−２、…、８２−Ｎについて上記の動作が行なわれることで、全てのレイヤ８２−１、８２−２、…、８２−Ｎの画像データが制御装置３８内に得られる。制御装置３８内では、全てのレイヤ８２−１、８２−２、…、８２−Ｎの画像データから、被写体８０にピントの合った合焦点画素データが抽出され、それら合焦点画素データが集められて、被写体８０の全箇所にピントの合った被写体８０の全体像を表す合焦点画像データが合成される。

被写体８０のY軸方向の寸法（高さ）が、ターゲット平面領域４８のY軸方向の長さ（有効長）（例えば１５０ｍｍ）より大きい場合、当然、各レイヤ８２−ｉのY軸方向の寸法はターゲット平面領域４８の有効長より大きくなる。この場合、各レイヤ８２−ｉは、ターゲット平面領域４８の有効長に相当するY軸方向幅をそれぞれもつ複数のバンド８４−１、８４−２、…、８４−Ｍに分割される。ターゲット平面領域４８による各レイヤ８２−ｉのスキャニング動作は、各レイヤ８２−ｉを構成する複数のバンド８４−１、８４−２、…、８４−Ｍのスキャニング動作に分解される。すなわち、スキャニングユニット２４がターゲット平面領域４８の有効長に相当するピッチでY軸方向に移動することで、そのターゲット平面領域４８がバンド８４−１、８４−２、…、８４−ＭのそれぞれのY座標に逐次に配置される。そして、各バンド８４−ｊ（ｊ＝１、２、…、Ｍ）のY座標にて、スキャニングユニット２４がX軸方向に移動することで、ターゲット平面領域４８が各バンド８４−ｊをその全域にわたってX軸方向にスキャンし、その間に、スキャニングユニット２４から逐次に出力される画像データが制御装置３８に収集され、その結果、各バンド８４−ｊの画像データが制御装置３８内に得られる。各レイヤ８２−ｉの全てのバンド８４−１、８４−２、…、８４−Ｍについて上記の動作が行なわれることで、各レイヤ８２−ｉの全てのバンド８４−１、８４−２、…、８４−Ｍの画像データが制御装置３８内に得られる。制御装置３８内で、各レイヤレイヤ８２−ｉの全てのバンド８４−１、８４−２、…、８４−Ｍの画像データがY軸方向に接合されて各レイヤ８２−ｉの画像データが得られる。

図１１は、図１０に示した複数レイヤ８２−１、８２−２、…、８２−Ｎの画像データから被写体８０にピントの合った合焦点画素データを抽出するための処理方法を説明する図である。

図１１Ａは、Y座標ｊを通るX−Z平面（水平面）で切断された被写体８０の部分断面図である。斜線ハッチングの部分は被写体８０の内部を表し、ライン８６が被写体８０の輪郭を表す。ここで、一例として同じX座標ｉ＋４に位置しレイヤの異なる７つの画素、すなわち、
レイヤ（ｋ）の画素Ｐ（ｉ＋４,ｊ, ｋ）、
レイヤ（ｋ+１）の画素Ｐ（ｉ＋４,ｊ,ｋ＋１）、
レイヤ（ｋ+２）の画素Ｐ（ｉ＋４,ｊ,ｋ＋２）、
レイヤ（ｋ+３）の画素Ｐ（ｉ＋４,ｊ,ｋ＋３）、
レイヤ（ｋ+４）の画素Ｐ（ｉ＋４,ｊ,ｋ＋４）、
レイヤ（ｋ+５）の画素Ｐ（ｉ＋４,ｊ,ｋ+５）、
レイヤ（ｋ+６）の画素Ｐ（ｉ＋４,ｊ,ｋ+６）、
に着目する。これらの７つの画素について、所定の合焦点関数を計算した結果を図１１Ｂのグラフ８８に示す。ここで、合焦点関数とは、ピントの合っている程度に応じて値が変わる関数であり、例えば、当該レイヤの画像における着目画素Ｐ（ａ,ｂ,ｃ）でのコントラスト値を採用することができる。コントラスト値としては、例えば、
コントラスト（ａ,ｂ,ｃ）＝max３（ａ,ｂ,ｃ）− min３（ａ,ｂ,ｃ）
という関数を採用することができる。ここに、max３（ａ,ｂ,ｃ）とmin３（ａ,ｂ,ｃ）は、当該レイヤ画像における着目画素Ｐ（ａ,ｂ,ｃ）を中心とした３×３画素の領域内の９画素の階調値から、それぞれ最大値と最小値を得る関数である。図１１Ｂのグラフ８８に示すように、同じX，Y座標をもつ異なるレイヤ（Z座標）の画素の中で、合焦点関数が最大となった画素Ｐ（ｉ＋４,ｊ,ｋ＋４）が、被写体に最もピントが合った合焦点画素として抽出される。

上記のように、同じX，Y座標をもつ異なるレイヤ（Z座標）の画素の合焦点関数を計算し比較して、合焦点関数が最大となる１つの画素を合焦点画素として抽出するという処理が、レイヤ内の全てのX，Y座標について繰り返される。そして、抽出された合焦点画素が全X，Y座標分集められて１枚の画像が合成される。合成された画像は、立体構造をもつ被写体をX−Y面に正投影した正射投影画像であり、投影された被写体の全域にピントが合った合焦点画像である。

図１２〜図１５は、図１０で説明したスキャニング方法の下で、図５〜図９で説明した照明光の方向規制により得られる利点を説明している。

図１２は、照明光の方向規制の利点が最もよく現れる被写体形状の一典型例を示している。

図１２Ａに示すように、その表面にY軸及びX軸に対して斜めに延びる突条９２を有した被写体９０をここで想定する。そして、図１２Ｂに示すように、被写体９０をスキャニングする際、隣り合う２つのバンドＢ１、Ｂ２の境界が、突条９２と斜めに交差しているという場合を想定する。この場合において、被写体９０の表面上の突条９２の直上と直下に位置する４つの点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４に着目する。このうち、点Ｐ１、Ｐ２は、下側のバンドＢ１のスキャニング時に撮影され、点Ｐ３、Ｐ４は、上側のバンドＢ２のスキャニング時に撮影されるものである。

図１３は、上述した図１２の場合において、リニアな光源ユニット３４からの照明光の出射方向に何の規制に加えられていなかったとした場合の、点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４への照明光の入射角度の分布を示している。

この場合、被写体９０のあらゆる点に対して、それぞれの点から光源ユニット３４の全長を見渡した角度範囲で、照明光が入射することになる。従って、下側のバンドＢ１のスキャニング時には、図１３Ａに示すように、突条９２の直下の点Ｐ１には、光源ユニット３４の全長のうち点Ｐ１から見て突条９２の陰に入らない比較的に長い部分から、主に下側から照らし上げるようにして照明光が入射する。そのため、点Ｐ１への入射角度範囲λ１は比較的に広く、その入射光量は比較的に多い。一方、突条９２の直上の点Ｐ２には、光源ユニット３４の全長のうち点Ｐ２から見て突条９２の陰に入らない比較的に短い部分から、主に上側から照らし下げるようにして照明光が入射する。そのため、被写体９０の点Ｐ１、Ｐ２の明度が同じであっても、得られたバンドＢ１の画像では、突条９２の直上の点Ｐ２の画像が直下の点Ｐ１よりも暗くなる。

また、上側のバンドＢ２のスキャニング時には、図１３Ｂに示すように、突条９２の直下の点Ｐ３への入射角度範囲λ３は比較的に狭く、入射光量は比較的に少ないが、突条９２の直上の点Ｐ４への入射角度範囲λ４は比較的に広く、入射光量は比較的に多い。その結果、被写体９０の点Ｐ３、Ｐ４の明度が同じであっても、得られたバンドＢ２の画像では、突条９２の直下の点Ｐ３の画像が直上の点Ｐ４よりも暗くなる。そのため、バンドＢ２の画像では、突条９２の直下の点Ｐ３は暗いが、直上の点Ｐ４は明るくなる。

結果として、バンドＢ１とＢ２の画像を接合したとき、図１５Ａに示すように、バンドＢ１の領域では突城９２の上側に影９４ができ、バンドＢ２の領域では突城９２の下側に影９６ができて、バンドＢ１、Ｂ２の接合部で明度が不整合になった低品質の画像が得られることとなる。

図１４は、上述した図１２の場合において、リニアな光源ユニット３４からの照明光の出射方向が図５で説明したように規制されている場合の、点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４への照明光の入射角度の分布を示している。

図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、いずれのバンドＢ１、Ｂ２のスキャニング時においても、点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４などのいずれの点に対しても、光源ユニット３４から水平を中心にした一定の狭い入射角度範囲φで照明光が入射し、ゆえに、入射光量はどの点でも一定である。結果として、図１５Ｂに示すように、図１５Ａに示されたような影９４，９６のない、被写体９０の明度に忠実な高品質の画像が得られる。

図１６は、図１に示した制御装置３８によって行なわれるスキャニング動作制御の全体的な流れを示す。

図１６に示すように、ステップ１００で、移動機構（X軌道１６、Y軌道１８及びキャリッジ１２０）の原点検出が行なわれる。すなわち、移動機構のX、Y、Z軸の機械的な原点にスキャニングユニット２４が移動される。ステップ１０２で、これから行なうスキャニング動作が、この立体物イメージスキャナ１０が組み立てられた後の初回のスキャニング動作であるか、２回目以降のものであるかがチェックされる。このチェックの結果、２回目以降と判断された場合には、制御はステップ１０８へ進むが、初回と判断された場合には、ステップ１０８へ進む前に、ステップ１０４と１０６が行なわれる。

ステップ１０４では、ラインセンサの傾き（Y軸に対する光軸４３を中心とした回転角度）を補正するため補正値の設定が行なわれる。

図１７は、このステップ１０４の傾き補正値設定の処理の具体的な流れを示す。図１８は、この処理の意味を分かり易く説明したものである。

図１７に示すように、ステップ１２０で、図１に示した傾きチェック標識３５にターゲット領域４８が位置合わせされた上で、その傾きチェック標識３５上に表示されているラインチャート（Y軸と平行な直線）の画像が、２回のバンドスキャンで読み取られる。すなわち、図１８Ａに示すように、傾きチェック標識３５上のラインチャート１３０の下半分が下側のバンドスキャン１３２Ａで読み取られ、上半分が上半分のバンドスキャン１３２Ｂで読み取られる。このとき、もし、リニアイメージセンサ４６がY軸に対して傾いていれば、ターゲット平面領域４８も、図１８Ａに示すように、同様に傾くことになるため、２回のバンドスキャンで得られたラインチャート１３０の画像は、図１８Ｂに示すように、傾いた不連続な２本のライン１３４Ａ、１３４Ｂになる。

図１７のステップ１２２では、図１８Ｂに示されたようなラインチャート１３０の画像の特にバンド接合部分が拡大されて制御装置３８のモニタ（図示せず）に表示される。このとき、図１８Ｂに示された読み取り結果をそのまま示す画像だけでなく、図１８Ｃ、図１８Ｄに示すように、上側のライン１３４Ａと下側のライン１３４Ｂに対して、異なる補正値（剪断変形量）Ｓ１、Ｓ２で剪断変形を施した複数の補正画像も、そのバンド接合部分が拡大されて一緒に表示される。

図１７のステップ１２４で、ユーザにより、モニタに表示された複数の画像の中から、上下のライン１３４Ａ、ライン１３４Ｂが一直線に繋がった最適なラインチャート画像が選択される。例えば、図１８Ｂ、Ｃ、Ｄに示された画像の中では、図１８Ｄの画像が最適なものとして選択されることになる。

図１７のステップ１２６では、選択された最適画像に適用された補正値（ラインセンサからの画像に対する剪断変形量）（例えば、図１８Ｄに示すＳ２）が、傾き補正値の設定として制御装置３８に記憶される。

再び図１６の全体制御流れを参照する。上述したステップ１０４の傾き補正値の設定が終わったに後、ステップ１０６で、レンズピント調整が行なわれる。すなわち、移動機構のZ座標を予め設定した原点に位置させた状態で、図１に示したピント合わせ標識３７に表示されたラダーチャートが明瞭に読み取れるように、テレセントリックレンズ系４０とリニアイメージセンサ４６間の距離又はテレセントリックレンズ系４０の焦点距離が微調整されて、ターゲット領域４８がピント合わせ標識３７のZ座標に正確に位置合わせされる。或いは、上記距離の微調整に代えて、ラダーチャートが明瞭に読み取れるときの移動機構のZ座標を、Ｚ座標原点として設定する方法で焦点合わせをしてもよい。

ステップ１０８では、スキャンニング範囲、すなわち、三次元スキャニングが行なわれるX、Y、Z座標の範囲が設定される。例えば、原点からそれぞれX_set、Y_set 、Z_setまでの範囲というように設定される。ステップ１１０では、シェーディング補正のための白基準レベル及び黒基準レベルの設定が行なわれる。

図１９は、このステップ１１０の白・黒基準レベルの設定の方法を分かり易く示している。図２０はこの処理の具体的な流れを示している。

図１９に示すように、リニアイメージセンサ４６が飽和したときの出力電圧レベルをＶsat、無入力（暗黒）時の出力電圧レベルをＶbkとすると、Ｖsa／Ｖbkがリニアイメージセンサ４６から得られる最大のＳ／Ｎ比となり、これは一般的には、１００から１０００程度である。画像品質の要因の１つである階調性は、このＳ／Ｎ比が大きい程良好となる。リニアイメージセンサ４６が飽和すると、画像の階調再現性が失われるため、飽和出力レベルＶsatよりも低い動作領域が使用される。リニアイメージセンサ４６の出力電圧レベルを変化させる要因は、光源ユニット３４の光量、レンズ系４０のＦ数（可変絞り４４の開度）、リニアイメージセンサ４６の感度、リニアイメージセンサ４６の電荷蓄積時間、白基準標識の明度（反射率）である。

図２０のステップ１５８に示すように、白基準レベルを設定する際には、図１に示した白基準標識３９を読み取って、そのときのリニアイメージセンサ４６の出力電圧レベルＶwhが画素ごとに測定される。その際、リニアイメージセンサ４６の出力電圧レベルVwhが飽和出力電圧レベルVsatの近傍で且つそれを超えない値になるように（図２０、ステップ１６０）、光源ユニット３４の光量や、レンズ系４０のＦ数（可変絞り４４の開度）や、リニアイメージセンサ４６の電荷蓄積時間が手動又は自動で調整される（図２０、ステップ１５２、１５４、１５６）。例えば、飽和出力電圧レベルVsatがデジタル出力レベルで１０２４であるとした場合、白基準標識読み取り時の出力電圧レベルVwhが１０００程度になるように、上述した光量、Ｆ数（絞り開度）及び電荷蓄積時間が調整される。そのように調整が完了した段階で、リニアイメージセンサ４６の出力電圧レベルVwhが画素ごとに測定され、白基準レベルの設定として制御装置３８に記憶される（図２０、ステップ１６２）。

なお、白基準標識３９には、すでに説明されているように、異なる明度（反射率）をもった複数のものが用意されている。そして、白基準レベルの設定の際には、それら複数の白基準標識３９の中から、被写体の平均的な明度（反射率）に応じて適当な反射率を有した白基準標識が選択されて使用される（図２０、ステップ１５０）。例えば、被写体の平均的な明度（反射率）に近く且つそれを上回る反射率を有した白基準標識が選択される。例えば、被写体が全体的に黒色に近い色をもつ場合、その被写体の低い反射率に近いがそれを下回らない程度の反射率をもった比較的に暗い白基準標識を使用することで、より明るい白基準標識を使用する場合に比較して、リニアイメージセンサ４６の暗部ノイズに影響されにくい、高いＳ／Ｎ比の画像を得ることができる。
白基準レベルの設定が終わると、図２０のステップ１６４〜１６８で、黒基準レベルの設定が行なわれる。この処理では、光源ユニット３４が消灯され、可変絞り４４が完全に閉じられた（ステップ１６４）後、リニアイメージセンサ４６の暗部出力電圧レベルＶbkが画素ごとに計測され（ステップ１６６）、そして、計測された画素ごとの暗部出力電圧レベルＶbkが、黒基準レベルの設定として制御装置３８に記憶される（ステップ１６８）。

黒基準レベルの設定が終わった後、図２０のステップ１７０にて、光源ユニット３４が再び点灯され、そして、光源ユニット３４の光量及び可変絞り４４の開度が、上記白基準レベル設定で調整完了した時の値に、手動又は自動で戻される。

再び図１６の全体制御流れを参照する。上述したステップ１１０の白・黒基準レベルの設定が終わった後、被写体の３次元スキャニングが実行される（ステップ１１２〜１１６）。そして、３次元スキャニングが完了すると、３次元スキャニングで取得された画像データに基づいて、ステップ１１８で、被写体の合焦点画像の合成が行なわれる。

図２１は、上記ステップ１１２〜１１８の３次元スキャニングと合焦点画像合成の具体的な制御の流れを示す。

図２１に示すように、ステップ１８２で、テレセントリックレンズ系７０のF数（可変絞り４４の開度）に応じて、Z軸方向の移動ピッチ（Zピッチ）（つまり、図１０に示したレイヤ８２−１、８２−２、…、８２−Nの間隔）が、被写界深度以下になるように設定される。なお、先にZピッチが決定され、それより被写界深度が大きくなるようにF数（絞り開度）が設定されてもよい（この場合、白基準レベル設定の処理では、上記設定されたF数（絞り開度）の下で、適切な白基準レベルが得られるように光源光量や電荷蓄積時間などが調整されることになる）。スキャニングの目的や被写体の状態に応じて異なるZピッチ及びF数（絞り開度）を設定することができる。例えば、高速なスキャニングを目的とする場合や、植物のように形状が完全に固定しない被写体をスキャンする場合には、大きい被写界深度の下で少ない数のレイヤでスキャニングを行なように、絞り開度を狭めてF数を大きくし、かつ、Zピッチも大きく設定することができる。他方、例えば、高精細な被写体画像を得る目的の場合には、像照度を明るくし、細かいZピッチでスキャニングを行なように、絞り開度を広げてF数を小さくし、かつZピッチも小さく設定することができる。

ステップ１８４では、キャリッジ２０の移動が行なわれ、キャリッジ２０のX、Y、Z座標が所定のスキャング開始位置（例えば、原点）に配置される。ステップ１８６で、そのスキャング開始位置において、ターゲット平面領域４８が位置する１ラインの画像データがスキャニングユニット２４から出力されて制御装置３８に取得される。ステップ１９０で、取得された１ラインの画像データに対する画素ごとのシェーディング補正が制御装置３８で行なわれる。シェーディング補正は、図１６のステップ１１０で設定された白基準レベルと黒基準レベルを用いて、例えば、
d_data(m)=K・ {D_data(m) - D_bk(m)}/{D_wh(m)-D_bk(m)}
ここに、d_data(m)は画素ｍのシェーディング補正後のデータ値
Kは定数、
D_data(m)は画素ｍのシェーディング補正前の元のデータ値、
D_wh(m)は白基準レベル、
D_bk(m)は黒基準レベルである、
という方法で行なわれる。シェーディング補正を実施することで、画像データは、照明ムラや、照明光量に依存せず、常に被写体の反射率に忠実な画像データとなる。

ステップ１９２で、キャリッジ２０がX軸方向へ所定のXピッチ（典型的には、欲しい画像のX軸方向の解像度に応じた１画素寸法分）だけ移動する。そして、移動後の位置で、ステップ１８６及び１８８の動作が再び行なわれる。キャリッジ２０のX座標が、図１６のステップ１０８で設定されたスキャンニング範囲の終端のX座標X_setに到達する（ステップ１９０でYES）まで、上述したステップ１８６〜１９２が繰り返し実施される。終端のX座標X_setに到達する（ステップ１９０でYES）と、制御はステップ１９４に進み、それまでに取得された多数のラインの画像データが集められて１バンドの画像データが合成される。なお、このステップ１９４の別途の処理として行なう必要は必ずしも無く、ステップ１８６，１８８で得られたラインの画像データがその座標情報と関連づけられて制御装置３８内の記憶装置に記録されることで、自ずと、バンドの画像データが記憶装置上に生成されることになる。

その後、ステップ１９８で、キャリッジ２０がY軸方向へ所定のYピッチ（典型的には、ターゲット平面領域４８の有効長分）だけ移動する。これにより、キャリッジ２０は次のバンドに対応するY座標に配置されることになる。ステップ２００で、キャリッジ２０が当該バンドのスキャン開始位置に相当するX座標に配置される。なお、このステップ２００については、バンドのXスキャン方向が全バンドで同一方向である場合には、キャリッジ２０は最初のX座標（例えばX座標原点）に戻されことになるが、他方、隣のバンド間で逆方向である（つまり、ジグザグにスキャンする）場合には、キャリッジ２０が次のバンドのY座標に移動した時点でのキャリッジ位置がそのまま次バンドのスキャン開始位置となる。

その後、上述したステップ１８６〜１９２が繰り返され、そして、ステップ１９４にて、当該次バンドの画像データが得られることになる。

キャリッジ２０のY座標が、図１６のステップ１０８で設定されたスキャンニング範囲の終端のY座標Y_setに到達する（ステップ１９６でYES）まで、上述したステップ１８６〜２００が繰り返し実施される。終端のY座標Y_setに到達する（ステップ１９６でYES）と、制御はステップ２０２に進み、それまでに取得された複数のバンドの画像データがY軸方向に接合されて、１レイヤの画像データが合成される。その際、バンド画像に対して、図１８Dに示したような傾き補正値（剪断変形量）の設定S２を用いた剪断変形補正が施され、それにより、リニアイメージセンサ４６の傾きの影響を受けずにバンドが整合的に繋がったレイヤ画像が得られる。なお、このステップ２０２は、別途の処理として行なう必要は必ずしも無く、ステップ１９４で得られたバンドの画像データがその座標情報（剪断変形補正後の座標情報）と関連づけられて制御装置３８内の記憶装置に記録されることで、自ずと、レイヤの画像データが記憶装置上に生成されることになる。

その後、ステップ２０６で、キャリッジ２０がZ軸方向へ所定のZピッチ（ステップ１９２で設定されたもの）だけ移動する。これにより、キャリッジ２０は次のレイヤに対応するZ座標に配置されることになる。ステップ２０８で、キャリッジ２０が当該レイヤのスキャン開始位置に相当するX、Y座標に配置される。なお、ステップ２０８では、レイヤのX、Yスキャン方向が全レイヤで同一方向である場合には、キャリッジ２０は最初のX、Y座標（例えばX、Y座標原点）に戻されことになるが、他方、隣のレイヤ間で逆方向である場合には、キャリッジ２０が次のレイヤのZ座標に移動した時点でのキャリッジ２０位置がそのまま次レイヤのスキャン開始位置となる。

その後、上述したステップ１８６〜２００が繰り返され、そして、ステップ２０２にて、当該次レイヤの画像データが得られることになる。

キャリッジ２０のZ座標が、図１６のステップ１０８で設定されたスキャンニング範囲の終端のZ座標Z_setに到達する（ステップ２０４でYES）まで、上述したステップ１８６〜２０８が繰り返し実施される。終端のZ座標Z_setに到達する（ステップ２０４でYES）と、制御はステップ２１０に進み、それまでに取得された多数のレイヤの画像データから、X、Y座標ごとに、被写体に最も良くピントの合った合焦点画素データが抽出される。X、Y座標ごとの合焦点画素データの抽出方法には、既に図１１を参照して説明したように、多数のレイヤにおいて、同じX、Y座標の画素に着目し、それらの画素について所定の合焦点関数（例えば、コントラスト値）をそれぞれ計算し、それらの画素間で合焦点関数値を比較し、合焦点関数値の最も大きい画素のデータを、合焦点画素データとして抽出するという方法が採用できる。

ステップ２１２で、抽出された全てのX,Y座標の合焦点画素データが集められて、被写体の全箇所にピントが合った合焦点画像データが生成され、出力される。その際、好ましくは、合焦点画像データに対して、リニアイメージセンサ４６や画像出力機器（例えば、モニタ、プリンタ）などのガンマ特性に応じたガンマ補正が加えられ、それにより、被写体の状態により忠実な画像が出力される。なお、このステップ２１２は、別途の処理として行なう必要は必ずしも無く、ステップ２１０で抽出された合焦点画素データ（好ましくはガンマ補正されたもの）がその座標情報と関連づけられて制御装置３８内の記憶装置に記録されることで、自ずと、合焦点画像データが記憶装置上に生成されることになる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。

例えば、上述した実施形態では、スキャニングユニット２４とターゲット平面領域４８との位置関係は固定であり、スキャニングユニット２４がキャリッジ２０によって移動することにより、ターゲット平面領域４８が一緒に移動して被写体を三次元的にスキャンするようになっているが、これは一つの例示に過ぎない。変形例として、スキャニングユニット２４内の光学系の構成を変えることで、スキャニングユニット２４とターゲット平面領域４８との位置関係が変化し、スキャニングユニット２４は静止したまま又は小範囲を移動するだけで、ターゲット平面領域４８が大範囲を移動するようにすることもできる。その場合、ターゲット平面領域４８に常に一定方向から一定量の照明光を与えるために、ターゲット平面領域４８と一緒に照明装置３２も移動するように構成することもできる。

また、上述した実施形態では、三次元スキャニングは、X軸方向の移動、Y軸方向の移動、そしてZ軸方向の移動の順序で行なわれたが、必ずしもその順序でX、Y、Z軸方向の移動が行なわれる必要はなく、他の順序であってもよい。上記実施形態ではY軸が鉛直方向であるが、Z軸が鉛直方向でもよいし、或いは、鉛直や水平に対していずれかの座標軸が斜めであってもよい。X軸とY軸のみの２軸スキャナを用いても良い。

１４ テーブル
１５ 被写空間
１６ X軌道
１８ Y軌道
２０ キャリッジ
２４ スキャニングユニット
２６ テレセントリック結像ユニット
２７ 絞りユニット
２８ イメージセンサユニット
３２ 照明装置
３４ 光源ユニット
３５ 傾きチェック標識
３７ ピント合わせ標識
３８ 制御装置
３９ 白基準標識
４０ テレセントリックレンズ系
４３ 光軸
４４ 可変絞り
４６ リニアイメージセンサ
４８ ターゲット平面領域
５３ 鉛直平面
６０ 光源デバイス
６２ 楕円反射鏡
６３ 光制御デバイス
６５ 導光体
６６ 導光ロッド
６８ プリズム板
８２ レイヤ
８４ バンド
８０、９０ 被写体
９２ 突条

Claims (6)

1. 被写体の画像を得るためのイメージスキャナにおいて、
   イメージセンサと、前記イメージセンサと前記イメージセンサから観察方向に離れた位置にあるターゲット平面領域との間に配置され、前記ターゲット平面領域の像を前記イメージセンサ上に結像するテレセントリック結像系とを有するユニットであるスキャニングユニットと、
   前記スキャニングユニットを移動させることにより、前記ターゲット平面領域を移動させる移動手段と、
   前記ターゲット平面領域が移動している間に前記イメージセンサから逐次に出力される画像データを入力し、入力された前記画像データの中から画素データを検出し、検出された前記画素データを集めて前記被写体の画像を合成する画像処理手段と、
   前記ターゲット平面領域に照明光を照射する照明手段と
   を備え、
   前記ターゲット平面領域は、前記観察方向と垂直なＹ方向に平行な線状の平面領域であり、
   前記イメージセンサは、前記Ｙ方向に略平行に配置された線状のセンサであり、
   前記テレセントリック結像系が有する対物レンズは、前記ターゲット平面領域と平行に配置された短冊状の凸レンズであり、
   前記短冊状の凸レンズは、前記ターゲット平面領域の前記Ｙ方向に沿った長さ以上の直径をもつ円形の対物レンズを短冊状に切り取った形状を成し、前記短冊状の凸レンズの前記Ｙ方向に沿った長さは、前記ターゲット平面領域の前記Ｙ方向に沿った長さ以上であり、
   前記照明手段は、少なくとも２つの線状光源を有し、前記テレセントリック結像系から前記ターゲット平面領域を見たとき、前記少なくとも２つの線状光源のうちの一方の線状光源が、前記ターゲット平面領域をほぼ正面から照射し、他方の線状光源が、前記ターゲット平面領域を斜め方向から照射するように、前記少なくとも２つの線状光源が、前記テレセントリック結像系から前記ターゲット平面領域へ向かう光軸の両側の位置に配置されている、
   イメージスキャナ。
2. 請求項１記載のイメージスキャナであって、
   前記光軸は、前記観察方向に平行であり、且つ、前記短冊状の凸レンズを通過する、
   イメージスキャナ。
3. 請求項１又は２記載のイメージスキャナであって、
   前記少なくとも２つの線状光源と前記対物レンズが平行に配置されている、
   イメージスキャナ。
4. 請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載のイメージスキャナであって、
   前記移動手段は、前記スキャニングユニット及び前記照明手段の両方を一緒に移動させる、
   イメージスキャナ。
5. 請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載のイメージスキャナであって、
   前記対物レンズが、前記２つの線状光源に両側から挟まれており、
   前記一方の線状光源は、前記対物レンズの一方の側に前記対物レンズの近傍にある、
   イメージスキャナ。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載のイメージスキャナであって、
   前記線状光源の長さは、前記線状光源の両端と前記ターゲット平面領域の両端とを結ぶ２本の見通し線のなす角度が所定の角度以上になるように、前記ターゲット平面領域の長さより長く設定されており、
   さらに、前記線状光源は、前記２本の見通し線を含んだ平面に沿った前記照射光の射出方向を前記所定角度の範囲に制限する光方向規制手段を有する、
   イメージスキャナ。
   

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