JP5328812B2 - 物体を検出するための補助照明のための装置及び方法 - Google Patents

Description

関連した出願の相互参照
この出願は、米国特許法§119(e)に基づき、２００８年１月８日に出願されたU.S. Provisional Application No.61/023,974の利益を主張し、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。

連邦政府の支援による研究または開発に関するステートメント。
（適用なし）

発明の背景
１．発明の分野
サンプル容器に載せられたキャップあるいはサンプル容器それ自体などの物体を検出するための装置、システム、及び方法が開示される。より詳しくは、物体の縁部にパッシブに光を当てることによって暗色の背景に対するよりよいコントラストを得るためのパッシブで補助的な反射領域を含む装置、システム、及び方法が開示される。

２．関連技術の説明
サンプル容器に載せられたキャップあるいはサンプル容器それ自体などの物体の存在または不存在を高い信頼性をもって高速に検出できることは、実験室の自動化及びその他への適用にとって望ましいことである。物体を検出する１つの方法は、対象となる物体のイメージを獲得してそのイメージを参照イメージと比較することである。

物体が存在するか否か、例えばサンプル容器の上にキャップが載せられているか否かを決定するためのイメージ獲得を信頼性のあるものにするためには、そのイメージは許容できる鮮明度を有している必要がある。つまり、イメージ化された物体と、背景との間に十分なコントラストが存在することが必要である。

物体の照明は、アクティブ、パッシブ、あるいはそれらの組み合わせが可能である。直感的には、暗色の物体と組み合わされるパッシブ照明のための背景としては、例えば白色の光を使用することが好ましい。しかし、実際には、光の背景は陰影の影響を受ける。したがって、より暗い背景、一般的には、光の背景よりも相対的に低い反射率を有する背景が好ましい。

しかし、許容できる鮮明度を達成するために、例えば、暗い背景及び相対的に暗い物体を使用することはより困難である。なぜなら、物体と暗い背景との間のコントラストを識別できないかもしれないからである。コントラストのために、高品質で、光学的に黒色の背色を用いた場合であっても、信頼性のある結果を得ることができないかもしれない。

図１には、従来技術で用いられる一般的な物体検出システムが開示されている。システム１０は、暗色、例えば黒色の背景１２と、イメージング装置、例えばカメラ１４を備えている。
カメラ１４は、レンズ１６、及び、アクティブ照明を発生するように構成された一対の照明装置あるいは光源１１、１３を備えている。照明装置１１、１３は、（図で示されているように）カメラ１４の一部である必要はなく、しかし、そのかわりに、カメラ１４から近い位置、あるいは遠い位置に分離して配置された要素であってもよい。

照明装置１１は、光１７のビームを発生するように構成され、照明装置１３は、光１８のビームを発生するように構成される。それらは、集合的に、アクティブに、物体１５及び暗色の背景１２に光を当てる。暗色の背景１２からの反射光（もしある場合）、及び、レンズ１６の視野１９内にある物体１５からの反射光は、物体１５のイメージを生成するように構成されたイメージング装置１４によって集められる。

よく知られているように、反射された入射光には、拡散反射光及び鏡面反射光が含まれている。鏡面反射光は、ほとんど“完全”に近い反射光である。単一方向からの光は、単一方向に反射される。それゆえ、入射角（θi）は、反射角（θr）と等しくなる。一方、拡散反射光は、入射光がさまざまな方向に向かって反射あるいは散乱したものである。

拡散反射光の角度分布は、その大部分は、表面の性質に依存するが、以下の式を用いることで大まかに見積もることができる。
Ｒ・（（１−Ｃ）ｃｏｓ（θi−θd）＋Ｃ）
式中、Ｒは、物質の輝度に対応しており、例えば、Ｒ＝１−Ａであり、Ａは光吸収係数である。θｄは、例えばレンズによって光が記録される角度に対応している。Ｃは、散乱係数のことであり、吸収されなかった光が鏡面反射以外の方向にどのくらい反射したかを示している。しかし、ほとんどの物質にとって、特に、物体の垂直面に対する入射角及び反射角が減少したときには、たとえそれが暗色及び／又は艶消しの物質であっても、図２に示すように、θｒの方向により多くの光が反射される、

図１に示すように、十分に暗色ではない背景１２に入射して反射された光１７、１８が、カメラ１４のレンズ１６で記録されることによって、背景１２が物体１５と比較してより明るく見えてしまうという問題がしばしば生じる。さらに、図３に示すように、コントラストポイント、すなわち、縁部４６、４８においては、物体１５に入射した光４７の鏡面反射光４９、及び、物体１５の縁部４６、４８の近くを通るがそこに入射することのない暗色の背景１２に入射した光４３の鏡面反射光４４が、暗色の背景１２と比較したときの物体１５のイメージをより暗く見せてしまうために、物体もしくは物体の特徴（例えば、容器もしくは容器のキャップ）の認識をより困難にしてしまう。

発明の要約
この発明によれば、たとえば容器に載せられたキャップ、あるいは、容器自体などの物体を検出するための装置、システム、及び方法が開示される。システムは、物体のイメージを記録して生成するための視野を持つレンズを備えたイメージング装置と、物体にアクティブに光を当てるための照明装置と、暗色の背景部と、物体の縁部にパッシブに光を当てるための補助光の反射領域と、を含んでいる。補助光の反射領域は、暗色の背景部に隣接した位置で、かつ、レンズの視野の範囲外の位置に配置される。物体のイメージは、その後、参照物体のイメージと比較される。

物体の検出方法は、暗色の背景を物体目標位置の後方に配置する工程と、前記暗色の背景に隣接して補助光の反射領域を配置する工程と、前記補助光の反射領域によって反射された光が、もし前記物体が前記物体目標位置にあるとしたならば前記物体の縁部をパッシブに照明するように前記補助光の反射領域に光を当てる工程と、もし前記物体が前記物体目標位置にあるとしたならば、光を当てられた前記物体の縁部が前記暗色の背景から識別可能となるように、光を当てられた前記物体の縁部のイメージを得る工程と、を含んでいる。前記方法は、さらに、前記物体の存在を検出するために、得られたイメージを分析する工程を含んでいる。

図１は、従来技術のキャップ検出システムを示している。 図２は、鏡面反射を示している。 図３は、暗色の背景を備えた従来技術のキャップ検出システムを示している。 図４は、補助光の反射領域を備えた本発明のキャップ検出システムを示している。 図５は、イメージング装置に向けて屈曲した補助光の反射領域、及び、物体を備えた本発明のキャップ検出システムを示している。 図６は、イメージング装置に向けて屈曲した補助光の反射領域、物体、及び離れた位置にある照明装置を備えた本発明のキャップ検出システムを示している。

発明の詳細な説明
上述した、及び、他の発明の目的、特徴、及び利点は、以下に説明されている発明の好ましい実施例、及び、添付の図面によって明らかである。その図面において、参照符合は異なる視点を通して同一の部分を参照している。図面は、発明の原理を説明するものであり、必ずしもスケール、強調するものではない。

この出願は、U.S. Provisional Application No.61/023,974の利益を主張し、その開示内容は参照により本明細書に完全に組み込まれる。

物体を検出する装置及び方法が開示されている。イメージの鮮明度を向上させる方法も開示されている。サンプル容器の上に載せられているキャップの存在または不存在を検出するキャップ検出システムに関する発明が説明されるのであるが、その発明は限定して解釈されるものではない。実際に、当該技術分野における当業者は、いかなる用途のために物体の存在または不存在を自動的にかつ高速に検出する場合であっても、開示されたイメージングシステム及び方法を一般的に適用できることを認識するであろう。

図４に示すように、システム４０は、例えばカメラ１４などのイメージング装置と、背景を含んでいる。背景は、複数の白色の補助光反射領域２０を含んでいる。複数の補助光反射領域２０は、背景の暗色部１２の対向する両端部に配置されている。白色の補助光反射領域２０は、その領域２０がカメラ１４の視野１９の内側とならないように、つまり、その領域２０がカメラ１４の視野１９の範囲外となるように配置構成されている。

前述のように、物体１５の縁部４６、４８において、イメージは、物体１５（図示せず）に入射した光４７の鏡面反射光４９を含む。また、イメージは、物体１５の縁部４６、４８の近く（例えばＢ点）を通過するが、そこに入射することのない、暗色の背景１２（例えばＡ点）に入射した光４３の鏡面反射光４４、及び、白色の補助光反射領域２０によって反射された光４２が縁部４６、４８（例えばＣ点）で反射された鏡面反射光４５をともに含む。

さらに詳しくは、白色の、反射性のある補助光反射領域２０は、入射光４１を（例えばＢ点から）物体１５の縁部４６、４８（例えばＣ点）に向けて反射するように配置構成されている。白色の、反射性のある補助光反射領域２０からの反射光４２は、縁部４６、４８において物体１５に入射し（例えばＣ点）、鏡面反射光４５を生成し、それらはさらにレンズ１６の記録点（レジストレーションポイント）に向かって進行する。白色の、反射性のある補助光反射領域２０からの照明は、より高い鮮明度と、暗色の背景部１２と光が当てられた物体１５の縁部４６、４８との間におけるよりシャープなコントラストを生み出す。

イメージング方法及び手段は、当該技術分野においてよく知られており、この発明の範囲外である。一旦デジタルあるいはアナログ技術を用いてイメージが生成されて処理されれば、物体１５が存在するか否かを決定するために統計的な分析手法が用いられる。
この発明は、容器が存在するか否かを決定する例、実際には容器にキャップが載せられている例について説明されているが、この発明はこのようなものに限定して解釈されない。この発明のシステム及び方法の他の目的やシナリオへの適用は、明確に想定されている。

図５に示すように、白色の、反射性のある補助光反射領域２０は、物体１５の縁部４６、４８に向けてより多くのパッシブ照明を当てるために、物体１５及びイメージング装置１６に向けて曲げられてもよい。
同様に、図６に示すように、より多くのアクティブ照明を直接的に物体１５の縁部４６、４８、及び、反射性のある補助光反射領域２０に集中させるために、照明装置１１、１３をカメラ１４から離れた位置に配置することも可能である。

暗色の背景部１２の両端部に配置された、白色の、反射性のある補助光反射領域２０を用いて本発明を説明したが、両端部のうちいずれか一方にのみに配置された、単一でかつ白色の、反射性のある補助光反射領域２０を用いた場合であっても、適した鮮明度でかつ暗色の背景１２に対してより高いコントラストを持つイメージを得ることが可能である。

ここで説明された詳細部分、材料、部品及び工程の配置は、上記に含まれる教示を踏まえて、当該技術分野における当業者にとってその多くが変更可能である。したがって、以下のクレームは、ここで説明された実施例に限定して理解されるものではなく、そこで具体的に記載された以外の態様を含みうるものであり、この法律の下で許容される限度で広く解釈されるものである。

Claims (16)

1. 暗色の背景部の前の物体目標位置にある物体の少なくとも１つの縁部を検出するための検出システムであって、
   レンズ及び視野を備えた、前記物体の少なくとも１つのイメージを生成するためのイメージング装置と、
   前記イメージング装置の前記視野に配置された前記暗色の背景部と、
   前記レンズから離れて配置され、かつ、前記イメージング装置の前記視野の範囲外の位置に配置される少なくとも１つの補助光反射面と、
   前記物体、及び、前記少なくとも１つの補助光反射面にアクティブに光を当てるための少なくとも１つの照明装置と、備え、
   前記少なくとも１つの補助光反射面が、前記少なくとも１つの照明装置からの反射された光が、前記物体の少なくとも１つの縁部に光を当てるように配置される、検出システム。
2. 前記少なくとも１つの補助光反射面が、前記暗色の背景部に隣接して配置されている、請求項１に記載の検出システム。
3. 前記少なくとも１つの補助光反射面が、前記暗色の背景部の対向する両端部にそれぞれ配置された複数の補助光反射領域を含む、請求項１に記載の検出システム。
4. 前記少なくとも１つの補助光反射面が、前記物体、及び、前記イメージング装置に向かって屈曲している、請求項１に記載の検出システム。
5. 前記少なくとも１つの照明装置が、前記イメージング装置の光軸に隣接して、かつ、その光軸と同軸に配置されている、請求項１に記載の検出システム。
6. 少なくとも１つの縁部を有するとともに前記少なくとも１つの補助光反射面によってパッシブに光を当てられた前記物体のイメージを生成するためのイメージプロセッサをさらに備えている、請求項１に記載の検出システム。
7. 前記物体は容器である、請求項１に記載の検出システム。
8. 前記物体は、前記容器に結合して配置された容器キャップをさらに含む、請求項７に記載の検出システム。
9. レンズを有するイメージング装置の視野の中の物体目標位置にある物体の検出性を向上させる方法であって、
   暗色の背景部を、前記物体目標位置の後方、かつ、前記イメージング装置の前記視野の中に配置する工程と、
   少なくとも１つの補助光反射面を、前記レンズから離れた前記暗色の背景部に隣接して、かつ、前記イメージング装置の前記視野の範囲外に位置して配置する工程と、
   前記少なくとも１つの補助光反射面からの反射光が前記物体の縁部にパッシブに当たるように、前記物体及び前記少なくとも１つの補助光反射面に光を当てる工程と、
   前記イメージング装置を用いて、光を当てられた前記物体の縁部が前記暗色の背景部から識別可能となるように、光を当てられた前記物体の縁部のイメージを得る工程と、を含む方法。
10. 前記イメージ中の前記物体を検出するための統計的分析手法を用いる工程をさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つの補助光反射面を配置する工程は、複数の補助光反射領域を前記暗色の背景部の対向する両端部に配置する工程を含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記少なくとも１つの補助光反射面を配置する工程は、前記少なくとも１つの補助光反射面を、前記物体目標位置、及び、前記イメージング装置に向けて曲げる工程を含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記イメージング装置の視野は焦点軸を有しており、
    前記補助光反射領域に光を当てる工程は、少なくとも１つの照明装置を、前記イメージング装置の視野の焦点軸に隣接して同軸に配置する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記イメージング装置の視野は焦点軸を有しており、
    前記補助光反射領域に光を当てる工程は、少なくとも１つの照明装置を、前記イメージング装置から離れた位置であって、かつ、前記イメージング装置の視野の範囲外に配置する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記物体は容器である、請求項９に記載の方法。
16. 前記物体は、前記容器に結合して配置された容器キャップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。

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