JPWO2006030597A1

JPWO2006030597A1 - 積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置

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Publication number: JPWO2006030597A1
Application number: JP2006535091A
Authority: JP
Inventors: 村宏和吉
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2025-08-17
Also published as: US7535559B2; EP1793341A4; TW200614791A; JP4574621B2; EP1793341A1; TWI319956B; WO2006030597A1; US20080002385A1

Abstract

積分球波動源の波動照射面の照射分布を一様にし、照射波動の時間的安定化を図り得る、積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置を提供する。
積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置において、照度が空間的に一様で、かつ時間的に安定な積分球波動源１と、この積分球波動源１の開口の近傍に配置される透過型対象載置台３と、この透過型対象載置台３にセットされた透過型対象４を撮像し、デジタルデータに一括変換する二次元撮像装置５を備える。

Description

本発明は、可視光をはじめとする積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置に関するものである。

ＣＣＤカメラなどの二次元撮像装置（二次元撮像素子）の発展とともに二次元画像のデジタル化は、スキャナーのように一次元撮像装置を移動させてデジタル化する方法から、二次元撮像装置で直接、高速度でデジタル化する方法が主流になると予想される。

なお、積分球を用いた従来技術として、映像信号に変換する方法およびシステムが下記特許文献１に開示されている。

また、標準光源装置として下記特許文献２、３、６に開示されるものがあった。

更に、本願発明者による従来技術として、高速撮像が可能なＣＣＤカメラと積分球を組み合わせてなる高速度高精度デジタル化システム（下記特許文献４）、及び光源のみの像を撮像するために積分球光源の開放端に平面光拡散装置を配置するもの（下記特許文献５）が開示されている。
特開平０７−１５６５８号公報実開昭５０−２１５８６号公報特開平１１−１７３９１３号公報特開２００３−１１０８１３号公報特開２００３−１７７０６１号公報米国特許出願公開２００３／０１８５００４Ａ１号明細書

上記したような、二次元撮像装置で直接、高速度でデジタル化する際に問題となるのが、光源の精度である。高精度な読み取りを行うには、二次元画像を照射する光源が空間的に一様で、かつ時間的に安定なものである必要がある。

しかしながら、積分球の形状は温度や圧力、重力などの外部環境の影響を受けやすいため、現在のところ満足できる精度の高い光源は提供されていないというのが現状である。また、現行のスキャナーは、１６ビットの精度と公称しても、光源が不安定であるため、実際はその精度を時間的・空間的に安定に保つことができないといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、積分球波動源の波動照射面の照射分布を一様にするとともに、照射波動の時間的安定化を図ることができ、対象の正確なデジタルデータ化を行うことができる、積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、可視光を例にとって説明すると、
〔Ａ〕可視光を透過する波動とする場合、積分球光源を用いたデジタル化装置において、照度が空間的に一様で、かつ時間的に安定な積分球光源と、この積分球光源の開口の近傍に配置される透過型対象載置台と、この透過型対象載置台にセットされた透過型対象を撮像し、デジタルデータに一括変換する二次元撮像装置を備えることを特徴とする。

〔Ｂ〕上記〔Ａ〕記載の積分球光源を用いた対象のデジタル化装置において、前記積分球光源及び光源ランプ装置の外部環境の温度・圧力を調整する手段を具備することを特徴とする。

〔Ｃ〕上記〔Ａ〕又は〔Ｂ〕記載の積分球光源を用いた対象のデジタル化装置において、前記積分球光源が積分球をできるだけ、完全な球形に保つように、変形可能な部材からなり、この積分球光源の外側に空間をとってこの積分球光源を覆うように固定される球状のカバー体と、前記積分球光源の外部に突出し、前記球状のカバー体を貫通するその先端に設けられたアクチュエータによって作動される調整ボルトとを具備することを特徴とする。

〔Ｄ〕上記〔Ｃ〕記載の積分球光源を用いた対象のデジタル化装置において、前記空間に１個の光源ランプ装置を配置することを特徴とする。

〔Ｅ〕上記〔Ｄ〕記載の積分球光源を用いた対象のデジタル化装置において、前記空間に冷却流体を流すことを特徴とする。

〔Ｆ〕上記〔Ｅ〕記載の積分球光源を用いた対象のデジタル化装置において、前記光源ランプ装置を前記冷却流体の下流に配置することを特徴とする。

〔Ｇ〕上記〔Ａ〕記載の積分球光源を用いた対象のデジタル化装置において、前記積分球光源が２個カスケード配置される積分球光源からなることを特徴とする。

〔Ｈ〕上記〔Ａ〕〜〔Ｇ〕の何れか一項記載の積分球光源を用いた対象のデジタル化装置において、前記積分球開口部の拡散反射層の層厚を他の部分より薄くしたことを特徴とする。

〔Ｉ〕上記〔Ａ〕〜〔Ｈ〕の何れか一項記載の積分球光源を用いた対象のデジタル化装置において、前記積分球光源の開口の照度の時間変動を１／１０⁴以下に保持し、前記二次元撮像装置の１６ビット以上の量子化を行って高い階調精度を得ることを特徴とする。

なお、本発明における波動は、可視光、電磁波、音をはじめとする媒体の運動としての波動、電子をはじめとする粒子に伴う波動を含む。また、その波動源はそれらの波動を生成させる装置を意味している。

本発明の実施例を示す積分球光源を用いた対象のデジタル化装置の模式図である。本発明の実施例を示す積分球光源の重力による形状変化を最小化する装置の模式図である。本発明の実施例を示す積分球光源において、完全散乱光を得るための装置の模式図である。本発明の実施例を示す積分球光源の開口部でも拡散反射を行い散乱反射特性を向上させるための装置の模式図である。

以下、可視光の場合を例にとって説明する。

積分球光源を用いた対象のデジタル化装置において、照度が空間的に一様（均一）で、かつ時間的に安定な積分球光源と、この積分球光源の開口の近傍に配置される透過型対象載置台と、この透過型対象載置台にセットされた透過型対象を撮像し、デジタルデータに一括変換する二次元撮像装置を備える。よって、積分球光源の光照射面の照射分布を一様にし、かつ照射光の時間的安定化を図ることができ、対象の正確なデジタルデータ化を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す積分球光源を用いた対象のデジタル化装置の模式図である。ここで、透過型対象とは、照射光が透過する対象であればよく、写真乾板、写真フィルム、マイクロフィルムなどを含む。また、このような文献にとどまらず、工業材料、医学サンプル等、高精度なデジタル化によって初めて浮き彫りにできる内部構造を有するものも対象となる。このような内部構造は、低い精度のデジタル化では、ノイズに埋もれて見えない。

この図において、１は照度が空間的に一様（均一）で、かつ時間的に安定な積分球光源であり、この積分球光源１の内部には何も設置せず、球面のみでなる構造にする。また、この積分球光源１の内壁面には、例えば、光拡散処理のための多層反射膜を形成し散乱特性を高める。２は積分球光源１の開口部（取出口）、３は透過型対象載置台、４は透過型対象、５は透過型対象４を撮像し、デジタルデータに変換する二次元撮像装置、６は光源ランプ装置、７は積分球光源１の冷却・圧力調整機構であり、冷却・圧力調整装置７Ａ、冷却・圧力調整容器７Ｂ、送風装置７Ｃ、冷却・圧力調整ダクト７Ｄを備えている。この冷却・圧力調整機構７は、流通する空気の温度と圧力を制御する機能を有する。９はデジタルデータを処理するＰＣ（パーソナル・コンピュータ）、１０は制御装置であり、この制御装置１０は入力インタフェース１１、透過型対象の制御装置１５の制御部１２、積分球光源の冷却・圧力調整機構７の制御部１４を有している。

この実施例では、積分球光源１の球状性を高精度化させ、さらにその維持を行う装置を有している。つまり、積分球光源１を冷却し、かつ圧力を一定にする冷却・圧力調整機構７を備えている。その冷却・圧力調整機構７の冷却・圧力調整装置７Ａから冷却空気が、冷却・圧力調整容器７Ｂに導入され、積分球光源１及び光源ランプ装置６の回りを流れて、送風装置７Ｃにより冷却・圧力調整ダクト７Ｄに導かれ、この冷却・圧力調整ダクト７Ｄを介して、冷却・圧力調整装置７Ａへ戻される。

このように構成したので、積分球光源１の外部環境の温度・圧力は一定に保持され、積分球光源１の形状変化をきたすことがなく、積分球光源１の変形による照度のバラツキを低減することができる。

ここで、光源ランプ装置６を冷却空気の下流、つまり、積分球光源１の下流側に配置することにより、光源ランプ装置６で発生する熱の積分球への影響を低減できる。逆に、光源ランプ装置６を積分球光源１の上流側に配置すると、熱を発生させる光源ランプ装置６で温められた空気が積分球１に作用することになり、積分球１に温度分布が生じ、積分球１に熱膨張歪による形状変化が発生し、照度分布の変動が生じてしまう。

このように構成することにより、熱を発生させる光源ランプ装置６を的確に冷却することができる。

また、光源ランプ装置６は積分球光源１の外部に１個のみ配置するようにしたので、積分球光源１の内部は何も配置されず、散乱特性を高めることができるとともに、構造が極めてシンプルとなり、さらに光源ランプの取替えや制御も容易である。

次に、積分球光源の重力による形状変化を最小化する装置について説明する。

図２は本発明の実施例を示す積分球光源の重力による形状変化を最小化する装置の模式図である。

この図において、２１は変形可能な部材よりなる積分球光源であり、この積分球光源２１の内部には何も設置せず、球面のみでなる構造にする。また、積分球光源２１の内壁面には、例えば９９％以上の反射率を有する拡散反射層を形成し散乱特性を高める。このような素材は、たとえば、Ｌａｂｓｐｈｅｒｅ社のＳｐｅｃｔｒａｌｏｎで実現されている。２２はその積分球光源２１を覆う球状のカバー体、２３は積分球光源２１の外部に突設される調整ボルトであり、この調整ボルト２３は球状のカバー体２２を貫通し、その先端には微小駆動アクチュエータ（電磁アクチュエータなど）２４が配置されており、積分球光源２１の重力による歪みを矯正して内部反射面が球面精度を維持できるようにしている。２５は積分球光源２１に照射するための単一の光源ランプ装置である。また、積分球光源２１の外面と球状のカバー体２２の内面の間には空間２７が形成されるので、この空間２７に冷却用ファン２８により冷却用流体を流すことで、積分球光源２１および光源ランプ装置２５を冷却することができる。さらに、この空間２７の冷却用流体の圧力を一定に保つ圧力調整装置（図示なし）を備えることができる。なお、この図において、２９は透過型対象載置台、３０はその透過型対象載置台２９にセットされる透過型対象である。

ここでは、透過型対象載置台２９上に照度試験用のシート（図示なし）をセットして、積分球光源２１の照度のバラツキ状態を照度試験用のシートに投影し、その照度のバラツキを矯正するように、微小駆動アクチュエータ２４を動作させるようにしている。

したがって、積分球光源２１を多点支持することにより、その外形の変形を抑止するとともに、照度のバラツキが生じた場合には、微小駆動アクチュエータ２４を動作させて積分球光源２１の歪みを矯正することにより、照度のバラツキを低減することができる。

次に、積分球光源において、完全散乱光を得るための装置について説明する。

図３は本発明の実施例を示す積分球光源において、完全散乱光を得るための装置の模式図である。

この図において、３１は第１の積分球光源、３２はその第１の積分球光源３１の光源ランプ装置、３３は第１の積分球光源３１を光源とした第２の積分球光源、３４は第１の積分球光源３１と第２の積分球光源３３とが接合された開口部、３５は第２の積分球光源３３の開口部、３６は透過型対象載置台、３７は透過型対象である。

このように構成すると、第１の積分球光源３１で拡散された照射光がさらに第２の積分球光源３３で拡散されることになり、完全散乱反射光を第２の積分球光源３３の開口部３５に得ることができ、透過型対象載置台３６上の透過型対象３７に照度のバラツキが極力抑えられた良質の光源を提供することができる。

図４は本発明の実施例を示す積分球光源の開口部でも拡散反射を行い散乱反射特性を向上させるための装置の模式図である。

この図において、４１は積分球光源であり、４２は光源ランプ装置、４３は積分球光源４１の開口と光源ランプ装置４２の開口間に配置される拡散反射層部、４４は積分球光源４１の開口部、４５はその開口部４４に配置される拡散反射層部、４６は透過型対象載置台、４７はその透過型対象載置台４６上にセットされる透過型対象である。

このように構成すると、積分球光源４１内部で反射され拡散反射層部４３に入射する照射光は、その拡散反射層部４３で再拡散反射されて、積分球光源４１内で拡散され、散乱反射光となる。同様に、積分球光源４１内部で反射され拡散反射層部４５に入射する照射光は、再拡散反射されて、積分球光源４１内に向かい拡散され、開口による外乱を低減した理想積分球に近い散乱反射光となる。当然、積分球光源４１内部から拡散反射層部４５に向かう一部の反射光は、空間的に一様で時間的に安定な照射光として透過型対象載置台４６上にセットされる透過型対象４７を照らすことになる。

これにより、散乱反射が繰り返されて照度のバラツキが低減した良質の光源を提供することができる。

また、図２に示すように、積分球開口部の拡散反射層１Ａの層厚を他の部分より薄くするように構成している。すなわち、積分球内の拡散反射による一様波動の分布をできるだけ精確に保つため、球の形状をできるだけ保ち、拡散反射層の分布をできるだけ阻害しないように、前記積分球開口部にあたる積分球からの波動の取出口を積分球内の球状を変えることなく拡散反射層１Ａの層厚を他の部分より薄くすることにより実現するようにしている。積分球外部の形状は、必要な精度を満たすように、球形からはずれ変形し、素材も変えることもある。

さらに、本発明で用いられる透過型対象を撮像し、デジタルデータに変換する二次元撮像装置は、画像データの高精度量子化を行うために、従来の１０ビット量子化に代えて、１６ビット以上の量子化を採用して、階調精度の向上を図るようにする。上記実施例で示した通り、対象への照射光の照度を、空間的に一様化（均一化）で、かつ時間的に安定化することができるので、二次元撮像装置での読み取りダイナミックレンジ（Ｓ／Ｎ）の向上を図ることができる。換言すれば、照度の時間変動は、１／１０⁴以下を保持することができるため、１６ビット以上の量子化精度を得ることができる。

また、デジタルデータを取得する際に、高精細な濃度の量子化も行うことができる。

上記したように、本発明によれば、積分球の球状性を高精度化するとともに、その精度を維持することができる。具体的には、外部環境（温度、圧力）を一定化し、重力の影響を最小化する。また、積分球の形状変化を防止し、積分球内部は何も配置せず、球面のみでなる構造にして、散乱特性を向上させ、完全散乱反射に近づける。さらに、拡散反射層部を積分球の開口部に設けることで、積分球内部での散乱特性を高めるとともに、内部反射させた積分球内からの出射光を照度のバラツキなく対象に照射することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。

（Ａ）積分球波動源の波動照射面の照射分布を一様（均一）にし、照射波動の時間的安定化を図ることができ、対象の正確なデジタルデータ化を行うことができる。

（Ｂ）積分球波動源及び光源ランプ装置の外部環境の温度・圧力を調整することにより、外部環境による変動の影響を受けず照度のバラツキがない積分球波動源を得ることができる。

（Ｃ）変形可能な部材からなる積分球波動源と、この積分球波動源の外側に空間をとって前記積分球波動源を覆うように固定される球状のカバー体と、前記積分球光源の外部に突出し、前記球状のカバー体を貫通するその先端に設けられたアクチュエータによって作動される複数の調整ボルトとを設けることにより、積分球波動源を複数の点で支持して変形を防止するとともに、積分球波動源の設計値に適合する球状内面精度を保持することができる。

（Ｄ）前記空間に複数個の波動源供給装置を配置し、前記空間に冷却流体を流すことにより、加熱源となる前記波動源供給装置の冷却を行うことができる。

（Ｅ）その波動源供給装置は冷却流体の下流に配置することにより、温度分布による形状変化を抑えることができる。

（Ｆ）積分球波動源の開口部（取出口）を、完全な開放口とせず、拡散反射層の層厚を他の部分より薄くすることにより実現し、積分球波動源内で再反射される照射波動を増やし、かつ積分球内の波動の一様性を高め、開口による外乱を低減した理想積分球に近づけることができる。

（Ｇ）上記（Ａ）〜（Ｆ）記載の積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置において、前記積分球波動源の開口の照度の時間変動を１／１０⁴以下に保持し、前記二次元撮像装置の１６ビット以上の量子化を行うことにより、高い階調精度を得ることができる。

本発明の積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置は、空間的に一様で、かつ時間的に安定化された光源により、二次元撮像装置での読み取りダイナミックレンジ（Ｓ／Ｎ）の向上を図ることができ、フィルム等の高精度デジタル化ばかりでなく、工業用材料、医療、美術品等の画像情報の解析のための読み取り装置として利用可能である。

Claims

（ａ）照度が空間的に一様で、かつ時間的に安定な積分球波動源と、
（ｂ）該積分球波動源の開口の近傍に配置される透過型対象載置台と、
（ｃ）該透過型対象載置台にセットされた透過型対象を撮像し、デジタルデータに一括変換する二次元撮像装置を備えることを特徴とする積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置。
請求項１記載の積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置において、前記積分球波動源の外部環境の温度・圧力を調整する手段を具備することを特徴とする積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置。
請求項１記載の積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置において、前記波動源が、可視光、電磁波、音をはじめとする媒体の運動としての波動、電子をはじめとする粒子に伴う波動を生成させる装置であることを特徴とする積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置。
請求項１又は２記載の積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置において、前記積分球波動源の一様性を保つために、積分球をできるだけ完全な球形に近く保つための変形可能な部材からなり、該積分球波動源の外側に空間をとって該積分球波動源を覆うように固定される球状のカバー体と、前記積分球波動源の外部に突出し、前記球状のカバー体を貫通するその先端に設けられたアクチュエータによって作動される調整ボルトとを具備することを特徴とする積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置。
請求項４記載の積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置において、前記空間に複数個の波動源供給装置を配置することを特徴とする積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置。
請求項５記載の積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置において、前記空間に冷却流体を流すことを特徴とする積分球波動光源を用いた対象のデジタル化装置。
請求項６記載の積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置において、前記波動源供給装置を前記冷却流体の下流に配置することを特徴とする積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置。
請求項１記載の積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置において、前記積分球波動源が複数個カスケード配置される積分球波動源からなることを特徴とする積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置。
請求項１〜８の何れか一項記載の積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置において、前記積分球内の拡散反射による一様波動の分布をできるだけ精確に保つため、球の形状をできるだけ保ち、拡散反射層の分布をできるだけ阻害しないように、前記積分球開口部にあたる積分球からの波動の取出口を積分球内の球状を変えることなく拡散反射層の層厚を他の部分より薄くすることにより実現することを特徴とする積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置。
請求項９記載の積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置において、波動の取出口の拡散反射層の厚さの分布、形状、素材は、取り出した波動の空間一様性が必要な精度を保つことを特徴とする積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置。
請求項１〜１０の何れか一項記載の積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置において、前記積分球光源の開口照度の空間分布の時間的変動を、前記二次元撮像装置の階調解像度より小さくしたことを特徴とする積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置。
請求項１〜１１の何れか一項記載の積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置において、前記積分球波動源の開口照度の空間的変動を１／１０⁴以下に保持し、前記二次元撮像装置の１６ビット以上の量子化を行って高い階調精度を得ることを特徴とする積分球波動源を用いた対象のデジタル化装置。