KR102065793B1 - 측정 오브젝트의 시각적 인상을 캡처하기 위한 핸드헬드 측정 장치 - Google Patents

측정 오브젝트의 시각적 인상을 캡처하기 위한 핸드헬드 측정 장치 Download PDF

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Abstract

외관 분석을 위한 핸드헬드 측정 장치는, 적어도 세 개의 조명 방향으로 측정 필드에 조명 광을 가하기 위한 다수의 조명 수단(21 내지 27) 및 적어도 하나의 관찰 방향으로 측정 광을 캡처하기 위한 다수의 픽업 수단(31 내지 33)을 포함하는 측정 어레이(MA)를 포함한다. 조명 방향과 관찰 방향은 공통 시스템 면(SP)에 있다. 적어도 하나의 픽업 수단(332)은 측정 광을 국부적으로 집적된 방식으로 스펙트럼 측정하도록 구체화되고, 적어도 하나의 촬상 픽업 수단(33)은 측정 광을 국부적으로 분해된 방식으로 측정하도록 구체화되고, 스펙트럼 픽업 수단(32)과 국부적으로 분해하는 픽업 수단(33)은, 스펙트럼 픽업 수단과 픽업 수단이 동일한 관찰 조건 하에서 그리고 특히 동일한 관찰 방향으로부터 측정 필드에 의해 반사되는 측정 광을 수광하도록, 배치된다.

Description

측정 오브젝트의 시각적 인상을 캡처하기 위한 핸드헬드 측정 장치{HAND-HELD MEASUREMENT DEVICE FOR CAPTURING THE VISUAL IMPRESSION OF A MEASUREMENT OBJECT}
본 발명은 측정 오브젝트의 시각적 인상을 캡처하기 위한 핸드헬드 측정 장치에 관한 것으로서, 본 장치는 하우징을 포함하고, 상기 하우징은 측정 어레이와 전자 제어기를 수용한다. 또한 하우징은 측정 오브젝트 표면 상의 측정 필드가 조명되고 측정 필드에 의해 반사되는 측정 광이 픽업되는 측정 개구를 포함하며, 상기 측정 어레이는, 장치 법선에 관하여 적어도 세 개의 조명 방향으로 측정 필드에 조명 광을 가하기 위한 다수의 조명 수단 및 장치 법선에 관하여 적어도 하나의 관찰 방향으로 측정 광을 캡처하기 위한 다수의 픽업 수단을 포함하고, 적어도 하나의 스펙트럼 픽업 수단은 측정 필드에 의해 반사되는 측정 광을 국부적으로 집적된 방식으로 스펙트럼 측정하도록 구체화되고, 적어도 하나의 촬상 픽업 수단은 측정 광을 국부적으로 분해된 방식으로 측정하도록 구체화된다.
규정된 조명과 관찰 조건이 있는 환경에서의 실제 물질 즉 오브젝트의 시각적 인상을 당업계에서는 "외관"(appearance)이라 칭한다. 이러한 일반적인 사용에 기인하여, 당업자 용어가 이하에서 사용된다.
외관은 다음에 따르는 서로 다른 인자들의 복잡한 상호 작용의 결과로 알려져 있다.
- 장면, 오브젝트, 조명, 및 관찰 조건을 규정하는 기하학적 인자
- 관찰한 오브젝트의 물질과 광 사이의 상호 작용을 설명하는 광학적 성질
- 인간 시각 시스템의 지각(응답)에 영향을 끼치는 생리적 인자.
"외관"을 측정하는 것은 주로 상기 두번째 관점에 관한 것으로서, 즉, 측정 오브젝트의 광학적 성질 및 반사광과 투과 광의 분포에 끼치는 광학적 성질의 영향을 결정하는 것에 관한 것이다. 외관 측정 데이터는 예를 들어 색 등의 시각적 인상과 상관되는 외관 성질을 계산하는 데 사용된다. 이는 예를 들어 제품 명세 및 품질 제어 등의 산업적 응용에 관련된다. 또한, 외관 측정 데이터는, 측정 오브젝트의 물질과 광 사이의 상호 작용을 복제하는 물리적 모델과 결합하여 외관을 시뮬레이션하고 예측하기 위한 기본을 형성한다. 이는 색 일치와 렌더링에 사용된다.
"Commission Internationale de l'Eclairage" (CIE)에 의한 보고서 No. 175인 "A Framework for the Measurement of Visual Appearance"라는 명칭의 2006년 보고서는 이러한 주제들의 개요를 제공한다. 보고서는 광학적 성질들 및 연관된 외관 성질들을 4개의 주요 카테고리인, 색(colour), 광택(gloss), 텍스처(texture), 반투명(translucency)으로 그룹화한다.
2nd edition, 1987, John Wiley & Sons의 R. S. Hunter와 R. W. Harold에 의한 저서 "The Measurement of Appearance"에서는, 특정한 외관 성질을 캡처하도록 확립된 측정 방법 및 표준을 설명하고 있다. 예를 들어, CIE 2006에 따르면, 총 외관 캡처(total appearance capture; TAC)는 외관 관련 파라미터들의 완전한 세트가 측정될 때이다.
광학적 성질 및 연관된 외관 성질은 스펙트럼 의존형, 국부적 의존형, 및 각도 의존형으로 구별될 수 있다.
스펙트럼 의존형 성질들은 색 지각에 관한 것이다.
텍스처는 관찰된 오브젝트 표면의 국부적 변동이며, 두 가지 성분이 구별된다. 즉, 시각적 텍스처는 그 표면의 불일치 또는 색 이질성을 특징으로 하고, 표면 텍스처는 인간의 눈이 분해할 수 있는 등급을 갖는 그 표면의 3차원 토포그래피를 특징으로 한다.
반투명은 또한 국부적 의존형을 포함한다. 이것은 매질에서의 다수의 반사와 산란에 의한 광의 측방 확산을 설명한다.
색과 광택은, 각도 의존형 반사 성질과 투과 성질에 의해 주로 결정되며, 국부적으로 집적된 성질을 나타낸다. 광택은 경면 반사에 가까운 각도 범위에 있어서 지배적이다. 각도 의존형 광 분포는 (인간의 눈에) 보이지 않는 표면 구조(예를 들어, 표면 거칠기)에 의해 영향을 받는다. 색은 경면 방향으로부터 더욱 멀어져 "확산" 반사 범위 내로 향하는 중요한 성질이다.
각도 의존형 성질과 위치 의존형 성질은 관찰 거리에 의해 영향을 받는다. 구조의 콘트라스트와 측방 크기(스케일)가 인간의 눈의 해상도 용량보다 크다면 표면 텍스처를 볼 수 있다. 관찰 거리가 증가할수록, 텍스처는 점진적으로 사라져 대응하는 각도 의존형 반사 변수 및 투과 변수로 수렴한다.
다수의 서로 다른 외관 성질들을 갖는 물질에 대한 외관의 시각적 특징화는, 어려우며, 통상적으로는, 광학적 성질이 매우 유사한 샘플 쌍들을 시각적으로 비교해야만 가능하다. 외관 성질들은 서로 링크되며 서로 의존한다. 이러한 상호간 의존성은 적절한 외관 설명 모델에 있어서 고려되어야 한다. 많은 산업 응용에 있어서, 색은 가장 중요하며 주요 관심사인 외관 성질이다. 색 인상은 국부적 성질과 각도 의존형 성질에 의존한다. 시각적 색 지각은 인접하는 색들과 조명 조건들에 의해 영향을 받는다. 관찰한 오브젝트 표면 상의 시각적 텍스처는 색 차이를 인식하기 위한 감도를 저감한다. 휘도(brightness)의 상당한 각도 의존형 변동 및 휘도의 고 레벨은 지각(perceived)된 휘도에 영향을 끼치고, 색 차이의 인식에 손상을 가한다. 지각된 광택은 다차원 각도 의존형 파라미터이며, 텍스처 표면에 걸친 시각적 광택의 국부적 분포에 의해 영향을 받는다.
외관 성질이 복잡한 물질들의 특징화를 개선하려면, 모든 외관 성질들이 체계적으로 그리고 재생 가능하게 평가될 수 있도록 결합된 외관 측정 장치들의 새로운 유형이 필요하다.
외관 측정을 위한 응용의 한 가지 매우 중요한 영역은 예를 들어 자동차 페인트에서 사용되는 특수 효과 안료의 특징화이다.
이러한 특수 효과 안료의 주요 성질들 중 하나는 원계(distant field)에서의 고니오크로매틱 성질(goniochromatic behavior)이며, 이는 그 성질을 캡처하도록 조명과 관찰 각도가 서로 다른 다수의 측정 기하학을 필요로 한다. 다양한 산업 표준들의 각각은 측정 기하학들의 적절한 세트를 제안한다. ASTM E2194-03은 금속 효과 안료에 대하여 적어도 3개의 측정 기하학 세트를 규정한다. ASTM E2539는 간섭 안료를 특징화하기 위한 추가 측정 기하학들을 규정하며, 예를 들어, 특수 효과 안료에 있어서 특징적 간섭-관련 색 변화를 캡처하도록 2개의 조명 각도인 45˚와 15˚를 갖는 총 8개의 기준 측정 기하학들을 규정한다.
효과 안료(effect pigment)는 또한 관찰한 오브젝트 표면 상에 시각적 텍스처를 생성하는 것으로 알려져 있다. 시각적 텍스처는 직접적인 태양광 등과 같은 경면조명(specular illumination)이거나 흐린 하늘과 같은 확산조명(diffuse illumination)하에서 서로 다르다. 경면조명은, 페인트의 최상위층 상의 안료 플레이크의 경면 상에서의 직접 반사에 의해 야기되는 매우 밝은 가시적 점 광원들의 패턴을 생성한다. 이러한 점 광원들은 일반적으로 스파클, 글리터, 또는 미소 휘도(micro-brilliance)라 칭한다. 확산 조명은 더욱 강한 콘트라스트를 갖는 휘도의 국부적 변동을 생성하고, 이는 일반적으로 입자성, 확산 입자성, 화상 입자 또는 입상도라 칭한다. Color Research and Application, Volume 21, 292-304, 1996의 C. S. McCamy에 의한 "Observation and Measurement of the Appearance of Metallic Materials. Part I: Macro Appearance" 및 Color Research and Application, Volume 23, 362-373, 1998의 C. S. McCamy에 의한 "Observation and Measurement of the Appearance of Metallic Materials. Part II: Micro Appearance" 문헌들은, 효과 안료로 물질들의 시각적 텍스처 성질들을 특징화하도록 화상 측정에 기초하는 방법을 설명한다. Color Research and Application, Volume 32, 256-266, 2007의 E. Kirchner 등에 의한 "Observation of Visual Texture of Metallic and Pearlescent Materials" 문헌은 이러한 주제들의 더욱 최신 개요를 제공한다.
핸드헬드 측정 장치의 범위는 색과 광택 등의 개별적인 특정한 외관 성질들을 측정하도록 존재하며, 예를 들어, X-Rite, Datacolor, BYK Gardner, Konika and Minolta 등의 다양한 관련 회사들의 장치 포트폴리오를 참조한다.
예를 들어, 원형 45˚/0˚ 측정 기하학 또는 적분구로부터의 확산 조명을 갖는 d/8 측정 기하학을 갖는 색 측정 장치들, 또는 1개 내지 3개의 조명 각도에서의 경면 광택을 위한 핸드헬드 측정 장치들(BYK Gardner에 의한 TRI-gloss 장치)이 있다.
Rhopoint 회사는 Rhopoint IQ 장치를 제조하며, 이 장치는, 하나의 채널에서의 경면 광택을 위한 3개-각도 측정 기하학에 더하여, 측광각(goniophotometric) 강도 분포에 관련된 다른 광택 성질들을 특징화하도록 기능을 하는 추가 검출기 필드를 포함한다. 이러한 측정 설계는 색과 텍스처를 캡처하는 데에는 적합하지 않다.
색과 경면 광택 모두를 측정하도록 구체화된 측정 장치들은 이미 알려져 있다. 예를 들어, BYK Gardner의 Spectro-Guide 장치 및 Datacolor의 45G 장치가 있다. 이러한 장치들의 각각은, 한편으로는 색을 위한 것(45˚/0˚ 측정 기하학 또는 확산 측정 기하학)이고 다른 한편으로는 광택을 위한 것(색 정보가 없는 60˚ 측정 기하학)인 2개의 서로 다른 측정 시스템을 사용한다. 이러한 장치들은 동일한 측정 기하학을 이용하여 캡처되는 일관된 외관 측정 데이터세트, 즉, 서로 다른 외관 성질들에 대한 측정 데이터세트를 생성할 수 없다. 서로 다른 측정값들은 서로 상관되지 않으며, 또한 이러한 장치들은 텍스처를 캡처할 수 없다.
효과 안료를 특징화하기 위한 다각도 색 측정 장치들도 이미 알려져 있다. 이러한 장치들은 예를 들어 ASTM 표준에 규정되어 있는 다수의 측정 기하학을 이용하여 스펙트럼 반사 인자가 측정될 수 있게 한다. 이러한 측정 장치들 중 대표적인 일례는, 평면에 부분적으로 배치되고 그 평면 밖에 부분적으로 배치된 10개의 경면 측정 채널(픽업 채널) 및 2개의 경면 백색 조명 채널(15˚ 및 45˚)을 갖는 X-Rite에 의한 MA98 장치이다.
BYK Gardner에 의한 BYKmac 장치는 스펙트럼 다각도 색 측정을 단색 텍스처 측정과 결합한다. 동일한 측정 장치에서 두 가지 기능이 결합되지만, 이러한 기능들은 색과 텍스처에 대한 별도의 측정 시스템들에 의해 완벽하게 실현된다. 텍스처 측정부(measiring part)는 색 정보를 포함하지 않는다. 색 정보와 텍스처 정보는 다른 관찰 각도에서 얻어지며, 특정한 관찰 기하학에 대하여 관찰한 오브젝트의 일관된 데이터세트를 형성하지 않는다. 스펙트럼 측정값 캡처는 개별적인 스펙트럼 광원 및 다수의 집적되는 측정 검출기 시스템을 사용하여 구현된다. 텍스처는, 0˚에 배치된 백색 조명과 단색 카메라를 사용하여 캡처된다. 동시 데이터 캡처는 상기 장치를 사용하는 경우 불가능하다. 측정에는, 색 캡처와 텍스처 캡처의 순차적 프로세스(sequential process)가 필요하다. 별도의 측정 시스템과 순차적 측정 프로세스를 포함하는 설계에는, 시간 제약이 발생하고, 실현될 수 있는 측정 기하학의 개수를 제한한다. 0˚로 배치된 카메라를 포함하는 장치도 광택 측정에 적합하지 않다.
연구소 응용에 있어서, 더욱 일반적인 측정 기구들은 이미 알려져 있다. 이러한 기구들은, 측정 오브젝트 표면 위의 양방향 반사 분포 기능(BRDF; 예를 들어, F. E. Nicodemus에 의한 "Geometrical Considerations and Nomenclature for Reflectance", National Bureau of Standards NIST report, 1977 참조)을 캡처하는 원계 측정 시스템을 포함한다. 이렇게 알려져 있는 측정 기구들은 다른 측정 기하학들을 사용하여 색과 광택에 대한 스펙트럼 반사 성질들을 캡처할 수는 있지만, 자신의 시스템으로 인해 상대적으로 크기 때문에 컴팩트한 핸드헬드 측정 장치, 특히, 추가 텍스처 캡처 기능을 갖는 장치를 실현하는 데 적합하지 않다. 이러한 측정 기구의 예로는, Murakami에 의한 고니오스펙트럼 색 측정 장치 GSMS-3B, 및 RadiantZemax에 의한 카메라 기반 BRDF 측정 장치 Parousiameter 및 Eldim에 의한 EZContrast, 또는 G. Ward에 의한 "Measuring and Modeling Anisotropic Reflectance", Proceedings of the 19th annual conference on computer graphics and interactive techniques (SIGGRAPH '92) 논문에서 개시한 시스템이 있다.
카메라 기반 검출기 및 다른 조명 기하학들을 사용하여 텍스처를 캡처하는 한 가지 방식은, K. Dana에 의한 문헌 "Reflectance and Texture of Real-World Surfaces" in ACM Transactions on Graphics, Volume 18, No. 1, January 1999, 1-34에 개시되어 있으며, 여기서, 대응하는 캡처 시스템들은 측정 기하학을 가변하기 위한 이동형 로봇 아암에 의해 실현된다. 물론, 이러한 어레이는 핸드헬드 측정 장치에 적합하지 않다.
이러한 점들을 고려하여, 그리고 알려져 있는 종래 기술의 단점들을 극복할 수 있도록, 본 발명은 (반사형) 측정 오브젝트들의 다른 외관 성질들을 동시에 캡처할 수 있는 산업 응용을 위한 핸드헬드 측정 장치를 제공하고자 한다. 핸드헬드 측정 장치는, 구체적으로, 예를 들어, 자동차 페인트, 인쇄 잉크, 플라스틱, 및 화장품 등의 다른 매체(기판)의 최근의 효과 안료들을 특징화할 수 있도록 측정 기술적 전제 조건을 제공하는 것이다. 또한, 핸드헬드 측정 장치는, 색, 광택, 텍스처에 관하여 다른 외관 거동을 나타내는 다른 매체에 적합하다.
본 발명의 더욱 구체적인 목적은, 외관 거동이 재생될 수 있게 하는, 일관되고 미세 조정된 외관 데이터세트들을 생성하기 위한 측정 기술적 전제 조건을 제공하는 것이다. 이는 각각의 특정한 관찰 방향으로 스펙트럼, 국부 및 방향 의존형 도메인들에 대하여 미세 조정된 측정 데이터세트를 필요로 한다.
본 발명의 다른 더욱 구체적인 목적은 다수의 외관 성질들을 동시에 측정할 수 있는 산업 응용을 위한 휴대용 핸드헬드 기구 플랫폼을 제공하는 것이다. 이를 위해 사용되는 측정 기술은, 동일한 광학 시스템을 사용하여 스펙트럼 다각도 색 측정, 시각적 텍스처 측정 및 광택 측정을 결합할 수 있어야 하고, 반투명을 특징화하도록 보충될 수 있어야 한다.
또한, 본 발명은, 측정 정확도의 고 레벨과 짧은 측정 시간을 특징으로 하고 재생가능한 측정 결과를 특징으로 하며 충분히 작은 비용으로 제조될 수 있는 컴팩트한 (핸드헬드) 측정 장치를 제공하려는 것이다.
이러한 요건들의 결과로, 본 발명은 또한 최소한의 부품으로 요구되는 다기능 측정 기능을 실현하는 측정 장치를 제공하려는 것이며, 광학적 기능 블록들은 다수의 방식으로 사용될 수 있다. 특히, 멀티플렉스 측정 및 동시 측정 데이터 캡처를 가능하게 하려는 것이다. 다수의 방식으로 광학 부품들을 사용함으로써, 설계 크기를 최적화하고 제조 비용을 줄인다. 동시 측정 데이터 캡처는 측정 시간을 최적화하고, 측정 장치가 핸드헬드 장치로서 사용될 때 달성될 수 있는 정확도 및 다른 외관 속성들 간의 일치 모두를 개선한다.
본 발명이 기반으로 하는 이러한 오브젝트들의 세트는 독립항 제1항에 의해 특징화되는 본 발명에 따른 핸드헬드 측정 장치에 의해 해결된다. 본 발명에 따른 핸드헬드 측정 장치의 바람직한 실시예와 개량은 종속항의 청구 대상이다.
본 발명의 요지는 다음과 같다. 측정 오브젝트의 시각적 인상을 캡처하기 위한 핸드헬드 측정 장치는 하우징을 포함하고, 상기 하우징은 측정 어레이와 전자 제어기를 수용하고, 또한 상기 하우징은 측정 오브젝트 표면 상의 측정 필드가 조명되고 측정 필드에 의해 반사되는 측정 광이 픽업되는 측정 개구를 포함한다. 상기 측정 어레이는, 장치 법선에 관하여 적어도 세 개의 조명 방향으로 측정 필드에 조명 광을 가하기 위한 다수의 조명 수단 및 장치 법선에 관하여 적어도 하나의 관찰 방향으로 측정 광을 캡처하기 위한 다수의 픽업 수단을 포함한다. 적어도 하나의 스펙트럼 픽업 수단은 측정 필드에 의해 반사되는 측정 광을 국부적으로 집적된 방식으로 스펙트럼 측정하도록 구체화되고, 적어도 하나의 촬상 픽업 수단은 측정 광을 국부적으로 분해된 방식으로 측정하도록 구체화된다. 촬상 픽업 수단은, 또한, 색 관점에서 측정 광을 측정하도록 구체화된다. 스펙트럼 픽업 수단과 촬상 픽업 수단은, 동일한 관찰 조건 하에서 특히 동일한 관찰 방향으로부터 측정 필드에 의해 반사되는 측정 광을 수광하도록 배치되고, 국부적으로 분해하는 (촬상) 픽업 수단의 관찰 필드는 스펙트럼 픽업 수단의 관찰 필드와 동일하거나 스펙트럼 픽업 수단의 관찰 필드보다 클 수 있다.
바람직하게, 스펙트럼 픽업 수단은 스펙트로미터를 광 검출기로서 포함하며, 촬상 픽업 수단은 디지털 색 카메라를 광 검출기로서 포함하고, 측정 어레이는, 부분들에 있어서 공통 빔 경로인 픽업 빔 경로를 분할하여 한편으로는 스펙트로미터 상으로 향하게 하고 다른 한편으로는 색 카메라 상으로 향하게 하는 빔 스플리터를 포함한다.
적어도 3개의 조명 방향과 적어도 1개의 관찰 방향은 편리하게 장치 법선을 통해 연장되는 공통 시스템 평면에 있다.
편광 의존성을 최소화하도록, 빔 스플리터는, 시스템 평면으로부터 본질적으로 45˚만큼 회전하고 색 카메라를 위한 측정 광이 시스템 평면으로부터 유도되도록 배치된다. 이러한 측정은 시스템 평면에 직교하는 s 편광 성분과 p 편광 성분을 동일하게 한다.
바람직하게, 스펙트럼 픽업 수단과 촬상 픽업 수단의 관찰 방향은 장치 법선에 대하여 15˚만큼 시스템 평면에서 경사진다.
또한, 측정 어레이가 다른 관찰 방향으로부터 촬상 픽업 수단의 관찰 방향으로 측정 필드에 의해 반사되는 측정 광을 수용하는 다른 스펙트럼 픽업 수단을 포함하면 유리하다.
바람직하게, 상기 다른 스펙트럼 픽업 수단의 관찰 방향은 장치 법선에 대하여 45˚만큼 시스템 평면에서 경사진다.
측정 어레이는, 편리하게, 픽업 수단의 관찰 방향과는 반대 방향으로 장치 법선에 대하여 경사진 다른 조명 방향들을 나타내는 조명 수단을 포함한다.
바람직하게, 측정 어레이는, 또한, 픽업 수단의 관찰 방향과 동일한 방향으로 장치 법선에 대하여 경사진 다른 조명 방향들을 나타내는 조명 수단을 포함한다.
유리한 일 실시예에 따르면, 측정 어레이는, 시스템 평면에 대하여 경사지도록 바람직하게 배치되고 시스템 평면에 대하여 본질적으로 20˚의 각도에서 빔들의 발산 번들(bundle)로 측정 필드를 조명하는 추가 광택 조명 수단을 포함한다.
유리한 다른 일 실시예에 따르면, 측정 어레이는, 가상의 볼록 화상 필드 곡률을 생성하며 화상 필드 내외로 이동될 수 있는, 광택을 측정하기 위한 광학 소자, 구체적으로, 음의 굴절률을 갖는 렌즈를 포함한다.
측정 어레이는, 유리하게, 시스템 평면 외부에 배치되어 측정 필드를 확산식으로 조명하는 조명 수단을 포함한다.
유리한 또 다른 일 실시예에 따르면, 조명 수단에는, 조명 수단의 조명 빔 경로 내에 도입될 수 있고 조명 수단에 의해 조명되는 영역의 크기를 줄일 수 있는 광학 소자가 설치되며, 광학 소자가 설치된 조명 수단은, 유리하게, 장치 법선에 대하여 픽업 수단과 동일한 측에 위치한다.
또한, 측정 어레이가 픽업 수단과 조명 수단의 빔 경로들 내에 일시적으로 도입될 수 있는 집적된 백색 기준부를 포함하면 유리하며, 여기서, 협대역 파장 범위를 나타내는 광으로 백색 기준부를 조명하도록 특히 시스템 평면 외부에 배치된 기준 조명 수단을 측정 어레이가 포함하면 특히 편리하다. 바람직하게, 백색 기준부는, 주변 영역에 도달하는 광을 백색 기준부의 중심 영역 내로 편향시키도록 구체화된다.
특히 유리한 실시예에 따르면, 기준 채널들은 적어도 일부 조명 수단에 할당되며, 특히, 시스템 평면에 배치된 조명 수단에 할당되고, 기준 채널들은 조명 수단으로부터 조명 광의 일부를 디커플링하여 광 전도체와 광 혼합기를 통해 스펙트로미터에 공급한다.
제어 어레이는, 유리하게, 촬상 픽업 수단과 동일한 관찰 방향을 나타내는 스펙트럼 픽업 수단에 의해 생성되는 스펙트럼 측정값들에 의해, 색 관점에서 촬상 픽업 수단에 의해 생성되는 색 화상 데이터를 보정하도록 구체화된다.
제어 어레이는, 바람직하게, 촬상 픽업 수단에 의해 생성되는 색 화상 데이터를 CIE XYZ 또는 sRGB 색 공간에서 절대 백색에 대한 크기의 규정된 해상도를 나타내는 표준화된 색 화상 데이터로 변환하도록 구체화된다.
적어도 일부 조명 수단, 특히, 시스템 평면에 배치된 조명 수단들은, 편리하게, 본질적으로 동일한 방식으로 설계되며, 각 조명 수단은 적어도 1개의 일차 광원 및 애퍼처 및/또는 필드 다이어프램에 의해 형성되는 이차 광원을 포함하고, 여기서, 적어도 1개의 일차 광원은 콜리메이터와 호모게나이저(homogeniser)를 통해 이차 광원을 조명한다.
조명 수단 중 적어도 일부가 공통 중심 광원을 포함하면 특히 편리하며, 그 출력 광은 멀티플렉서를 통해 조명 수단의 조명 채널들 상으로 분산되며 적용가능하다면 기준 픽업 수단 상으로도 분산된다.
또한, 조명 수단 또는 중심 광원이 하나 이상의 일차 광원(들)의 전체 에텐듀(etendue)에 대한 대략 손실 없는 액세스를 가능하게 하는 비촬상 콜리메이터를 포함하면 유리하다.
또한, 사용되고 있지 않은 하나 이상의 일차 광원(들)의 에텐듀의 일부를 통해 조명 수단 또는 중심 광원에 하나 이상의 추가 광원이 추가되면 유리하다.
조명 수단 또는 중심 광원에서 기준 광이 사용되고 있지 않은 일차 광원(들)의 에텐듀의 일부로부터 디커플링되면 특히 편리하다.
바람직하게, 또한, 측정 어레이는 조명 방향이 장치 법선의 방향으로 연장되는 조명 수단을 포함한다.
또한, 픽업 수단의 관찰 방향과는 반대 방향으로 장치 법선에 대하여 조명 방향이 -20˚ 각도만큼 경사진 조명 수단을 측정 어레이가 포함하면 유리하다.
픽업 수단의 관찰 방향과는 반대 방향으로 장치 법선에 대하여 조명 방향이 -45˚ 각도만큼 경사진 조명 수단을 측정 어레이가 포함하면 특히 유리하다.
측정 어레이는, 유리하게, 픽업 수단의 관찰 방향과는 반대 방향으로 장치 법선에 대하여 조명 방향이 -30˚ 각도만큼 경사진 조명 수단을 포함한다.
또한, 픽업 수단의 관찰 방향과는 반대 방향으로 장치 법선에 대하여 조명 방향이 -60˚ 각도만큼 경사진 조명 수단을 측정 어레이가 포함하면 유리하다.
또한, 픽업 수단의 관찰 방향과 동일한 방향으로 장치 법선에 대하여 조명 방향이 30˚ 각도만큼 경사진 조명 수단을 측정 어레이가 포함하면 유리하다.
또한, 픽업 수단의 관찰 방향과 동일한 방향으로 장치 법선에 대하여 조명 방향이 65˚ 각도만큼 경사진 조명 수단을 측정 어레이가 포함하면 유리하다.
텍스처를 위한 외관 측정 시스템은 카메라 및 디지털 화상 처리 기술을 필요로 한다. 시각적 외관과의 일치를 얻도록, 카메라의 광학 시스템은 인간의 시각 시스템과 유사한 광학 성질을 갖고서 구체화된다. 이는, 마찬가지로 작은 관찰 원뿔 각도, 250mm인 근점 관찰 거리에서의 인간 눈의 해상도 한계 미만의 국부적 해상도, 및 절대 미세 조정된 색 데이터의 출력을 포함한다. 이러한 요건들은 색 데이터, 광택 데이터, 및 시각적 텍스처 데이터를 생성하는 데 적합하다.
본 발명에 따른 측정 장치의 광학적 설계는, 동일한 관찰 각도를 공유하도록, 동일한 특정 관찰 각도에서 다른 외관 성질들에 대하여 다른 검출기 시스템들(즉, 픽업 수단)을 결합한다. 이는 측정 데이터가 병행 캡처될 수 있게 하고 필요한 공간을 줄인다. 또한, 특정한 관찰 각도에서 모든 외관 성질들을 설명하기 위한 일관된 측정 데이터세트들을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 측정 장치의 광학적 설계는, 모든 외관 성질들, 예를 들어, 색, 광택, 시각적 텍스처를 측정하는 데 동일한 조명 시스템(즉, 조명 수단)이 사용될 수 있게 한다.
조명 시스템(즉, 조명 수단)은 전체 스펙트럼 측정 범위에 걸쳐 광을 생성한다. 이는 색을 측정하기 위한 완벽한 시각적 파장 범위, 즉, 약 400nm 내지 약 700nm("백색 광 조명")에 대응한다. 자외선과 적외선으로 스펙트럼 범위를 보충할 수 있다. 자외선 조명은 측정 오브젝트의 광학적 발광체를 특징화하는 데 필요하다. 근적외선 범위의 조명을 이용하여 일부 안료들의 스펙트럼 성질들을 구별할 수 있다. 유연한 스펙트럼 성질들을 나타내는 적합한 광원들은, 유리하게, LED 기술을 이용하여 실현되지만, 예를 들어, 할로겐 램프 등의 다른 백색 광원으로 대체될 수도 있다.
모든 검출기들(픽업 수단)이 장치 법선에 대하여 0˚로부터 이탈되는 각도로 배치되므로, 모든 검출기들을 동시에 사용하여 광택을 캡처하고 다각도 색 측정을 행할 수도 있다.
예를 들어, 색 일치 등의 기술적 응용은, 종래의 RGB 카메라 또는 아날로그 화상 센서에 의해 생성되는 것 등의 삼자극 색 정보보다 많은 것을 필요로 한다. 색 일치는, 일반적으로 정확한 안료 조합을 선택하고 조건등색(metamerism) 효과 및 다른 조명 소스를 고려하도록 완벽한 스펙트럼 정보를 필요로 한다. 이러한 응용을 위한 이상적인 검출기 기술은, 각 화소마다 절대 미세 조정된 스펙트럼 반사 인자 값들을 제공할 수 있는 멀티 스펙트럼 카메라이다. 이러한 카메라를 이용할 수 있지만, 이러한 카메라는 비교적 고가이며 정교하여, 응용의 넓은 범위를 위해 설계된 핸드헬드 측정 장치에 적합하지 않다.
본 발명의 중요한 양태에 따르면, 멀티 스펙트럼 화상 데이터세트들은 다른 원시 데이터 소스들의 조합을 이용하여 생성된다. 더욱 구체적으로, 색 카메라의 RGB 화상 데이터는, 동일한 측정 필드에 걸쳐 집적된 스펙트럼 반사 측정값들을 생성하는 추가 스펙트럼 검출기(스펙트로미터)의 측정값들과 결합되고, 여기서, 2개의 검출기 시스템(색 카메라와 스펙트로미터)의 관찰 빔 경로는 빔 스플리터에 의해 2개의 검출기 시스템 상으로 동시에 향한다. 카메라의 RGB 화상 데이터는, 알려져 있는 색 관리 기술들(예를 들어, J. Hardeberg에 의한 "Acquisition and Reproduction of Color Images: Colorimetric and Multispectral Approaches", a 1999 PhD thesis 참조)을 이용하여 절대 색 데이터로 미세 조정된다. 스펙트럼 반사율 데이터는 기술적 응용을 위한 정확하고 집적된 색 정보로서 제공된다. 측정된 스펙트럼 정보를 이용하여 화상 데이터의 색 미세 조정을 보정하고 색 정확도를 증가시킨다. 이는 다른 조명 스펙트럼들에 대하여 조건등색 효과가 줄어들 수 있게 한다. 이는, 또한, 시각적 텍스트 효과 없이 근점부터 원계까지 가변되는 관찰 거리에 대하여 일관된 색 정보를 포함하는 일관된 외관 데이터세트들이 생성될 수 있게 한다. 이 조합에 있어서, 화상 데이터의 상대적 색 측정값들은 추가로 처리되며, 여기서, "상대적"이라는 것은, 스펙트럼 측정으로부터 정확한 색 값을 사용하여 그 색 측정값들이 보정됨을 의미한다. 보정은, 화상 데이터의 평균값이 스펙트럼 측정으로부터 계산된 색 값과 동일하도록 적어도 평균값 보정을 포함한다. RGB 카메라의 상대적 측정 정확도는 절대적 정확도보다 훨씬 양호하다. 이러한 방안은 대부분의 텍스처 응용에 적합하다.
이하에서는, 도면에 기초하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 핸드헬드 측정 장치의 일 실시예의 경사도.
도 2는 핸드헬드 측정 장치의 측정 어레이의 경사도.
도 3은 도 2의 측정 어레이의 부분 단면도.
도 4는 도 2의 라인 IV-IV를 따른 측정 어레이를 통한 수직 단면도.
도 5와 도 6은 측정 어레이 수단을 예시하는 두 개의 개략적인 실시예들.
도 7과 도 8은 백색 기준부의 2개의 서로 다른 위치에서의 측정 어레이의 이동하는 백색 기준부와 확산 조명 수단의 두 개의 상세한 도면.
도 9는 백색 기준부가 삽입되는 경우의 조건들을 예시하는 빔 경로들을 갖는 측정 어레이의 간략화된 측면도.
도 10은 백색 기준부의 상세한 도면.
도 11 내지 도 13은 측정 어레이의 조명 수단의 다른 실현예들의 개략적인 도면.
도 14는, 도 4와 유사한, 광택 측정시의 조건을 예시하는 빔 경로들과 함께 측정 어레이를 통한 수직 단면도.
도 15는, 도 14와 유사한, 광택을 측정하기 위한 추가 소자를 예시하는 도면.
도 16은, 도 2와 유사한, 광택을 측정하기 위한 추가 조명 수단을 예시하는 측정 어레이의 간략화된 측면도.
도 17은, 도 4와 유사한, 반투명을 캡처하기 위한 추가 광학 소자와 함께 측정 어레이를 통한 간략화된 단면도.
도 18은 추가 기준 조명 수단을 갖는 측정 어레이의 더욱 간략화된 측면도.
도 19는 도 18의 XIX-XIX 라인을 따른 측정 어레이를 통한 수직 단면도.
도 20은, 기준 채널들에 의해 보충되는 핸드헬드 측정 장치의 일 실시예의 측정 어레이를 통한, 도 2의 IV-IV 라인에 대하여 90˚ 회전한 수직 단면도.
도 21은 도 20의 측정 어레이의 간략화된 경사도.
도 22는 조명 수단의 다른 실현예의 개략도.
도 23과 도 24는 백색 기준부의 대체 실현예의 2개의 개략도.
도 25는 핸드헬드 측정 장치의 광학 부품과 전자 부품의 블록도.
도 26은 핸드헬드 측정 장치가 측정값들을 어떻게 준비하는지에 대한 블록도.
아래 설명은 개별적인 참조 부호들이 도면에 표시되어 있지 않은 하기 도면 설명에 적용되며, 이러한 점에서 다른 도면들 및 대응하는 설명 부분을 참조한다. 약어들인 '측정 장치'와 '장치'는 도입부에서 '외관'이 규정되어 있는 측정 오브젝트의 성질을 캡처하도록 구체화된 핸드헬드 측정 장치를 의미하는 것으로 이해한다. '측정 어레이'라는 용어는, 측정 오브젝트 표면 상의 측정 스폿을 조명하고 상기 측정 스폿에 의해 반사되는 광을 캡처하여 대응하는 전기 신호로 변환하도록 기능을 하는 핸드헬드 측정 장치 부품들의 합을 의미하는 것으로 이해한다. '장치 법선'(device normal)이라는 용어는, 측정 장치가 평면 측정 오브젝트 상에 위치하는 경우에 장치에 대하여 고정되고 본질적으로 측정 장치의 측정 개구의 중심점을 통해 연장되고 측정 오브젝트에 수직하는 가상의 직선을 의미하는 것으로 이해한다. 측정 개구의 평면은, 일반적으로, 장치 법선이 측정 개구에도 수직이도록 측정 오브젝트의 표면에 평행하다. '수직'이라는 용어는 장치 법선의 방향을 의미하는 것으로 이해한다. 이에 따라, 수직 부분들은 장치 법선을 통하거나 장치 법선에 평행한 평면 부분들을 의미하는 것으로 이해한다. 모든 방향 및/또는 각도는 측정 장치에 대하여 공간적으로 고정된 장치 법선에 관한 것이다.
도 1에 도시한 핸드헬드 측정 장치는 전체적으로 참조 부호 HMD로 표시되어 있다. 이것은, 측정 어레이(MA)(도 2) 및 측정 어레이(MA)를 제어하는 전자 제어 어레이(C)(도 25)를 수용하는 하우징(H)을 포함한다. 두 개의 파지부(1, 2)가 하우징(H)의 측방에 구체화되어 있다. 손목 스트랩(3)은 하우징(H)의 상측에 배치된다. 표시 어레이(4)는 하우징(H)의 정면측에 제공된다. 도 25에 개략적으로 도시한 작동 부재(8)도 하우징(H)의 상측에 배치된다.
하우징(H)의 하측은, 측정 개구(6)가 있는 베이스 판(7)에 의해 강화되는 하우징 베이스(5)를 포함한다. 하우징 베이스(5)는, 광이 애퍼처와 측정 개구(6)를 통해 하우징의 내측으로부터 출사할 수 있도록 그리고 역으로 외부로부터의 광이 측정 개구(6)와 애퍼처를 통해 하우징의 내부로 입사할 수 있도록 측정 개구(6)의 영역에 애퍼처(참조 번호로 표시하지 않음)를 포함한다. 3개의 지지 부재(7a, 7b, 7c)는, 장치 법선이 측정 스폿(도 9와 도 14)의 중심점에서 측정 표면 상으로의 법선과 완벽하게 또는 적어도 상당히 일치하도록, 베이스 판(7) 상의 측정 개구(6) 주위에 배치되고 휘어진 측정 표면 상에서도 측정 장치가 정확하게 배치되는 데 일조한다. 물론, 측정 개구(6)도, 예를 들어, 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이 직사각형으로 구체화될 수 있다.
미리 언급한 장치 법선은 도 1에 참조 부호 DN으로 표시되어 있다. 이 법선은 베이스 판(7) 및/또는 베이스 판(7) 내에 위치하는 측정 개구(6)에 수직하고, 측정 개구(6)의 중심점을 통해 (본질적으로) 연장된다.
그러한 취지로, (지지 부재를 제외하고) 전술한 측정 장치의 일반적인 설계는, 당업자가 이러한 점에서 임의의 설명을 추가로 필요로 하지 않도록, 원칙적으로 이러한 유형의 종래의 측정 장치에 대응한다.
측정 어레이(MA)의 기본적인 실시예는 도 2 내지 도 4에서 볼 수 있다. 이 측정 어레이는, 하우징(H)에 부착되고 공간적으로 고정되며 측정 어레이(MA)의 모든 광학 부품 및/또는 광전 부품이 본질적으로 연속적이며 방사상으로 연장되는 챔버들(11 내지 19)(도 4)에 배치되는 아크 본체(10)를 포함한다. 도시한 실시예에서, 이러한 부품들은 7개의 조명 수단(21 내지 27) 및 3개의 픽업 수단(31 내지 33)으로 이루어진다. 또한, 확산 조명을 위한 조명 수단(28)도 측정 개구(6) 바로 근처에 제공된다.
7개의 조명 수단(21 내지 27)은, 장치 법선(DN)에 대하여 다른 조명 각도로, 공칭상, -60˚, -45˚, -30˚, -20˚, 0˚, +30˚, +65˚(+ 카운트는 장치 법선(DN)으로부터 반시계 방향으로 진행)로 측정 오브젝트(MO) 표면 상의 측정 스폿 또는 측정 필드(MF)(도 9와 도 14)를 조명하고, 여기서 '공칭상'이라는 것은 각각의 경우에 있어서 조명 빔 번들(bundle)의 광축(optical axis) 및/또는 메인 빔을 의미한다. 빔 번들의 빔 확산 각도 범위는, 경면 반사(각도 차가 ≤25˚)에 가까운 측정 지형(measurement geometry)에 대해 ±2˚이고, 경면 광택 각도에 대해 더 큰 각도 차를 갖는 측정 지형에 있어서 최대 약 ±5˚ 내지 ±10˚이다. 모든 7개의 조명 수단(21 내지 27)은, 이러한 조명 수단에 의해 생성되는 조명 빔 번들의 메인 빔 및/또는 광축이 장치 법선(DN)을 통해 연장되는 평면 내에 있도록 배치되며, 이러한 평면을 이하에서는 간략하게 시스템 평면(SP)이라 칭하고 도 4에 도시하였다.
3개의 픽업 수단(31 내지 33) 중 2개는 국부적으로 집적된 스펙트럼 측정 채널들로서 구체화되고, 3개의 픽업 수단은 국부적으로 분해하는 색 측정 채널로서 구체화된다. 이러한 픽업 수단들은 조명 각도 +15˚와 +45˚에서 측정 오브젝트의 조명된 측정 스폿 영역에서 반사되는 측정 광을 수광한다. 2개의 스펙트럼 측정 채널(31, 32)은, 공급 렌즈(31b, 32b)와 광 전도체(31c, 32c)에 의해 측정 광이 공급되는 2개의 스펙트로미터(31a, 32a)를 각각 포함한다(도 4). 국부적으로 분해하는 측정 채널(33)은 빔 스플리터(33b)와 렌즈(33c)를 통해 측정 광이 가해질 수 있는 색 활성화(RGB) 카메라(33a)를 포함한다(도 3). 빔 스플리터(33b)는, 제2 스펙트럼 측정 채널(32)의 픽업 빔 경로에 위치하고, 측정 광의 일부가 아크 본체(10)를 측방으로 벗어나 카메라(33a)로 향하게 한다. 3개의 측정 채널(31 내지 33)의 광축도 마찬가지로 시스템 평면(SP) 내에 있고, 이는 휘어진 빔 경로로 인해 국부적으로 분해하는 측정 채널(33)의 경우에 측정 오브젝트(MO)와 빔 스플리터(33b) 사이의 부분에만 적용된다. 따라서, 제2 스펙트럼 측정 채널(32)과 국부적으로 분해하는 측정 채널(33)은 측정 광을 공유하고 정차하게 동일한 관찰 각도에서 그 측정 광을 수광한다.
전술한 측정 지형은 금속 및 진주광택 효과 안료 상에서의 측정을 위해 규정되는 ASTM 표준 E2194와 E2539와 정확하게 역으로 형성된다. 즉, 15˚와 45˚ 에서의 2개의 경면 조명 및 0˚, 30˚, 65˚, -20˚, -30˚, -60˚에서의 6개의 경면 스펙트럼 채널로 구성된다.
광택을 측정하도록 제1 스펙트럼 측정 채널(31)과 함께 추가 조명 수단(22)(-45˚)이 제공된다.
조명 수단(21)은, 예를 들어, 발광 다이오드(또는, 적용가능하다면 다수의 발광 다이오드)의 형태로 된 일차 광원(21a), 콜리메이터(21b), 혼합 광학체(호모게나이저; 21c), 애퍼처를 갖는 필드 다이어프램(21d), 렌즈(21e)를 포함한다. 애퍼처를 갖는 필드 다이어프램(21d)은, 렌즈(21e)를 통해 측정 오브젝트 상으로 광이 향하는 이차 광원을 형성한다. 나머지 6개의 조명 수단(22 내지 27)은 조명 수단(21)과 동일한 방식으로 구체화된다. 도면에서 혼동을 피하도록, 도 4의 조명 수단(21 내지 27)의 개별 부품들에는 조명 수단(21)에 대한 참조 부호만 제공된다.
도 5는 조명 수단(21)을 더욱 크게 도시한다. 도 6은 조명 수단(21)(및 이에 따라 나머지 조명 수단(22 내지 27))의 변형을 도시하고, 콜리메이터와 혼합 광학체(homogeniser)는 결합되어 단일 광학 부품(21b')을 형성한다. 이들을 결합하여 하나의 부품을 형성하는 것은, 콜리메이션과 균질화(homogenisation)의 광학 기능들도 하나의 집적 부품에 의해 실현될 수 있음을 예시한다. 또한, 콜리메이션과 균질화의 광학 기능들은 엄격하게 분리되지 않는다. 콜리메이터는, 예를 들어, 원계를 균질화하는 데 이미 일조하고 있도록 구성될 수 있다. 전체적으로 조명 수단(21 내지 27)은 이하에서 조명 시스템이라고도 칭한다.
2개의 스펙트로미터(31a, 32a)는, 각각 조명 각도 45˚와 15˚에서 자신에 공급되는 측정 광을 스펙트럼 분해하고, 측정 오브젝트의 캡처한 전체 측정 스폿에 걸쳐 집적식으로, 측정할 때마다 s개의 스펙트럼 측정값들의 세트를 각각 생성하며, 여기서 s는 분해된 파장 범위들의 개수이다. 바람직하게, 스펙트로미터는, 완전한 스펙트럼에 걸쳐 빠르고 동시 측정을 가능하게 하는 다이오드 어레이 스펙트로미터에 의해 실현된다.
RGB 카메라(33a)는, 3개의 색 RGB에 따라 그리고 국부적으로 조명 각도 15˚에서 자신에 공급되는 측정 광을 분해하고, 이에 따라, 측정할 때마다 3*n개의 측정값들의 원시 데이터세트를 생성하며, 여기서 n은 분해된 화소들의 개수이다.
3개의 픽업 수단 및/또는 측정 채널 및 이들에 포함되어 있는 광 변환기(스펙트로미터와 색 카메라)도 이하에서 간략하게 검출기 시스템 및/또는 검출기라 칭한다.
국부적으로 분해하는 카메라에 기초하는 검출기는, 텍스트 분석에 필요한 국부적 촬상 정보를 얻도록 시각적 텍스처를 분석하는 데 필요하고, 카메라 렌즈 시스템은 스펙트럼 요건, 국부적(분해) 요건, 및 각도 및 기하학적 요건을 충족해야 한다. 목적은 시각적 텍스처와 상관되는 화상 데이터를 캡처하는 것이다.
국부적으로 분해하는 픽업 수단(33)을 위한 일반적인 요건들은 다음과 같다.
측정된 화상 데이터의 광학 해상도는 근접 관찰 거리에서 시각적 해상도 한계 미만이다. 감지가능한 한계값은, 일반적인 근접 관찰 거리가 250mm로 측정되고 각도 해상 용량이 도당 최대 60개의 라인 쌍으로 측정된다고 가정함으로써 계산될 수 있다. 카메라의 광학 설계는 더욱 양호한 광학 해상도를 나타내야 하며, 즉, 국부적 한계 주파수가 측정 평면에 있어서 mm당 14개의 라인 쌍을 초과해야 한다.
정보 손실을 피하기 위해, 카메라의 센서 필드는 화상 평면에서 충분한 디지털 오버 샘플링을 가능하게 해야 한다. 바람직하게, 적어도 2개의 인자에 의한 오버샘플링을 사용한다. 오브젝트 평면(측정 영역)에서의 약 20μm인 화소 크기는 충분하다.
오브젝트 평면에서의 픽업 빔 경로의 원뿔 또는 애퍼처 각도는 비교적 작아야 하며, 바람직하게는, 1˚ 미만이어야 한다. 픽업 빔 경로의 애퍼처 각도는 필드 다이어프램의 애퍼처의 직경 및 렌즈 시스템의 초점 거리에 의해 결정된다.
검출기 시스템(픽업 수단)은 0˚에서 벗어나는 장치 법선에 대한 각도에서 측정 광을 캡처한다. 이는, 화상 평면에서의 초점 심도가 충분하지 않다면 측정 필드에 걸쳐 포커싱된 촬상 조건을 달성하도록 소위 샤임플러그(Scheimpflug) 조건의 적용을 필요로 한다.
또한, 전체 측정 필드에 걸쳐 각도 면에서 일정한 측정 조건을 얻고 오작동과 배율 차를 가능한 작게 유지하도록 오브젝트 평면에 대략 텔레센트릭(telecentric)한 빔 경로를 구현하는 것이 유리하다.
조명 수단(28)은, 측정 장치도 확산 조명 조건을 갖는 측정 모드를 지원하도록 제공된다. 조명 수단(28)은 큰 공간 각도로부터 직접 측정 오브젝트를 조명하는 LED 백그라운드 조명으로서 구성된다.
조명 수단(28)은 도 7과 도 8에 상세히 도시되어 있다. 이것은 측정 개구(6)의 양측에 배치된 백색 발광 다이오드들(28a, 28b)의 2 열 및 2개의 경사진 확산기 필름(28c, 28d)을 포함하고, 조명을 균질화하도록 각 필름이 1개 열에 할당된다. LED(28a, 28b)의 2개 열은 제어 어레이(C)(도 25)에 의해 별도로 제어될 수 있다.
대안으로 또는 더하여, 예를 들어, 45˚/0˚ 측정 기하학에 대한 CIE15.3 색 측정 표준에서 규정한 바와 같이 환형 조명 수단을 제공할 수도 있다. 환형 조명은 위치 독립적 측정값들을 제공한다는 장점을 갖고, 즉, 측정 오브젝트 상의 측정 장치의 회전 위치가 측정 결과에 영향을 끼치지 않는다.
도시한 실시예에서, 본 발명에 따른 측정 장치는 또한 미세 조정을 위해 조명 수단(21 내지 27)과 픽업 수단(31 내지 33)의 빔 경로 내에 도입될 수 있는 백색 타일의 형태로 된 집적된 백색 기준부를 구비한다. 이러한 특정 실시예에서, 백색 타일은, 시스템 평면(SP)에 수직하는 측정 개구(6) 바로 위로 시프트(전기적으로 구동)될 수 있도록 배치되고 상측이 평면인 판(35)으로 이루어진다. 측정 장치가 측정을 위해 법선 방향으로 사용되고 있으면, 백색 타일(35)이 도 8에 도시한 위치에 위치하고 측정 개구(6)를 노광한다. 미세 조정 프로세스 동안, 백색 타일(35)은 조명 수단(21 내지 27)의 빔 경로에 있어서 도 7에 도시한 위치에 위치하고, 픽업 수단(31 내지 33)은 백색 타일에 의해 반사되는 광을 수광한다. 백색 타일(35)은 제어 어레이(C)에 의해 조절된다(도 25).
백색 타일(35)은 측정 오브젝트(MO)의 표면(측정 평면)에 대하여 상승된다. 도 9에서 명백하듯이, 예를 들어, 조명 수단(21, 27)을 위해 마킹된 빔 경로(21s, 27s)에 기초하여, 개별적인 조명 수단(21 내지 27)에 의해 조명되는 백색 타일(35) 상의 영역들이 부분적으로만 중첩되고, 픽업 수단(31 내지 33)은 조명된 영역들 중 일부로부터 조명된 영역들만을 직접 캡처할 수도 있다(예를 들어, 픽업 수단(31)을 위해 마킹된 빔 경로(31s) 참조).
본 발명의 다른 중요한 양태에 따르면, 백색 타일의 특정한 실시예는, 백색 타일(35)의 더욱 조명된 측방 주변 영역(zone)들의 조명 광이 픽업 수단(31 내지 33)에 의해 캡처될 수 있는 중심 영역(zone)으로 전달되는 것을 보장한다.
이러한 특정 실시예는 도 10의 단면도(도 2에 마킹한 시스템 평면(SP)에 평행한 수직 단면도)로부터 알 수 있다. 백색 타일(35)은 중간 평행육면체 부분(35a)과 2개의 측면 각기둥 부분(35b, 35c)으로 이루어진다. 중간 부분(35a)은 50% 확산되고 50% 반투명한 유리 본체(또는 플라스틱 본체)로 이루어지고, 2개의 측면 및/또는 외측 각기둥 부분(35b, 35c)은 투명 유리(또는 플라스틱)로 이루어진다. 이러한 모든 3개의 부분(35a, 35b, 35c)은 하측에서 반사성을 갖는다. 2개의 각기둥 부분(35b, 35c)의 각기둥 각도는 약 5˚로 측정된다.
중간 부분(35a)은, 픽업 수단(31 내지 33)의 캡처 범위 내에 가능한 전부 위치할 수 있는 치수를 갖는다. 따라서, 중간 부분(35a) 내에 도달하는 조명 광은 픽업 수단(31 내지 33)에 의해 직접 캡처된다. 2개의 외측 부분(35b, 35c) 내에 도달하는 광은 다수의 반사에 의해 중간 부분(35a)에 의해 유도된 후 마찬가지로 픽업 수단(31 내지 33)에 의해 캡처된다.
백색 타일(35)은 또한 그 내부를 보호하도록, 구체적으로는, 광학 부품들이 오염되지 않도록 측정 장치의 기계적 셔터로서 기능을 수행한다.
도 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b는 조명 수단 중 적어도 일부 바람직하게는 모두가 구체화될 수 있는 조명 수단의 다양한 다른 변형 예들을 개략적으로 도시한 것이다.
도 11a에 도시한 조명 수단은 본질적으로 도 5에 따른 조명 수단에 대응하고, 일차 광원인 LED(121a), 콜리메이터(121b), 호모게나이저(예를 들어, 광 혼합 막대; 121c), 및 애퍼처를 갖는 다이어프램(121d)을 포함하고, 여기서 후자는 이차 광원을 형성한다. 비촬상 부품들, 즉, 콜리메이터(131b)와 호모게나이저(121c)는 이차 광원(121d)을 일차 광원(121a)으로부터 디커플링한다. 여기서 "디커플링"이라 함은 이차 광원의 스펙트럼 방사의 균질성이 일차 광원의 위치와 성질과는 대략 독립적임을 의미한다. 에텐듀 및/또는 방사는 (반사 손실, 비이상적 콜리메이션 및 가해지는 기계적 허용오차를 제외하고) 완전하게 사용되고 및/또는 획득된다.
도 11b의 조명 수단은 도 11a에 따른 조명 수단과 마찬가지의 설계로 이루어지지만, 2개(이상)의 일차 광원(221a', 221a") 및 2개(또는 대응하여 2개 이상)의 콜리메이터(221b', 221b")를 포함한다. 호모게나이저(221c)와 애퍼처를 갖는 다이어프램(221d)도 역시 제공된다. 콜리메이터(221b', 221b")와 호모게나이저(221c)는 다시 이차 광원이 일차 광원으로부터 디커플링되도록 구성된다. 2개 이상의 LED를 일차 광원으로 사용함으로써, 이차 광원에 대한 스펙트럼 요건이 더욱 양호해질 수 있고 및/또는 (서로 다른 스펙트럼들을 추가함으로써) 적용가능한 것으로서 더욱 신뢰성 있게 충족될 수 있다.
도 12a의 조명 수단은 도 113에 따른 조명 수단과 마찬가지의 설계를 갖고, 일차 광원인 LED(321a), 콜리메이터(321b), 호모게나이저(때를 들어, 광 혼합 막대; 321c), 및 애퍼처를 갖는 다이어프램(321d)을 포함하고, 여기서 후자는 이차 광원을 형성한다. 이러한 변형예에서, 일차 광원의 에텐듀는 이차 광원의 에텐듀보다 상당히 크다. 이차 광원의 방사는 사용되는 에텐듀 부분을 유리하게 선택함으로써 증가될 수 있다.
도 12b의 조명 수단은 도 12a에 따른 조명 수단과 마찬가지의 설계로 이루어지지만, 2개(이상)의 일차 광원(421a', 421a") 및 2개(또는 대응하여 2개 이상)의 콜리메이터(421b', 421b")를 포함한다. 호모게나이저(421c) 및 애퍼처를 갖는 다이어프램(421d)도 제공된다. 도 12d와 마찬가지로, 일차 광원의 에텐듀는 이차 광원의 에텐듀보다 크고, 도 12a에 관하여 설명한 장점과 동일한 장점을 제공하게 된다.
도 13a의 조명 수단은, 도 12a에 따른 조명 수단과 마찬가지의 설계로 이루어지고, 일차 광원인 LED(521a'), 이차 광원 또는 추가 일차 광원인 LED(521a"), 콜리메이터(521b), 호모게나이저(예를 들어, 광 혼합 막대; 521c), 및 애퍼처를 갖는 필드 다이어그램(521d)을 포함한다. 이어서, 사용되고 있지 않는 일차 광원(521a)의 에텐듀의 일부를 사용하여 추가 LED(521a")를 시스템 내에 집적한다. 미러(521e)는 에텐듀의 일부분 앞에 배치되며, 이 경우에, 사용되고 있지 않은 콜리메이터(521b) 앞에 배치된다. 미러(521e)는 일차 광원(521a)의 광의 적어도 스펙트럼 부분을 반사한다. 미러(521e)는 이색성이며, 추가 일차 광원(521a")의 광에만 투명하다. 일차 광원들(521a', 521a"), 콜리메이터(521b), 호모게나이저(521c), 및 미러(521e)는 캐비티를 형성하고, 추가 광이 이차 광원의 애퍼처(521d) 내에 공급된다(광 리사이클링).
적어도 제1 일차 광원(521a')은 일차 광원들(521a', 521a")로부터 적어도 부분적으로 반사된 광원이다.
도 13b는 도 13a에 도시된 조명 수단의 변형예를 도시하며, 여기서, 추가 일차 광원(521a")의 광은, 편향 프리즘(521f)을 거쳐, 에텐듀의 일부 내에-이 경우, 사용되고 있지 않은 호모게나이저(521c) 내에-집적된다.
추가 일차 광원들이 사용되는지 여부와 상관없이, 사용되고 있지 않은 일차 광원의 에텐듀 일부를 사용하여 기준 광 측정을 위한 광원을 디커플링할 수 있다. 이에 대해서는 더욱 상세히 후술토록 한다. 호모게나이저(521c)를 적절하게 구체화함으로써, 디커플링된 광이 이차 광원의 애퍼처(521d)의 스펙트럼 방사와 상관되는 것을 보장한다.
또한, "사용되고 있지 않은 에텐듀의 일부"는 도 12a, 12b, 13a, 13b에서 사용되고 있지 않은 광학체(콜리메이터, 호모게나이저)의 (출력) 영역들의 일부들로서 2차원으로 예시되어 있다고 할 수 있지만, 일반적으로 활용되고 있지 않은 공간 각도 범위로서 해석될 수 있다.
전술한 바에 이어서, 조명 수단은 모듈형이며 본질적으로 동일한 설계를 갖는다. 경면 조명 수단은 픽업 수단에 의해 캡처되는 측정 필드 영역을 조명한다. 금속 또는 진주광택 효과 안료 상의 측정을 위한 ASTM 표준은 조명 각도에 관한 고 레벨의 정확도를 필요로 한다. 그러나, 동시에, 경면 조명의 각도 성질에 영향을 끼치지 않고서 광원들을 유연성 있게 선택하는 것이 바람직하다. 이는 메인 빔의 입사 각도, 측정 필드에 걸친 발산 각도, 및 애퍼처 각도를 포함한다. 이는, 일차 광원과 일차 광원으로부터 디커플링된 이차 광원을 갖는 전술한 바와 같은 조명 수단을 구체화함으로써 달성된다. 이차 광원은, 콜리메이터 렌즈를 향하여 정확하게 배향되도록 장착되는 정확하고 기계적인 애퍼처에 의해 구현된다. 콜리메이터 렌즈의 초점 거리와 함께 이차 광원의 크기와 위치는, 조명 수단의 각도 성질을 규정한다. 이차 광원의 크기와 위치는 개별적인 조명 수단마다 다를 수 있다.
이차 광원을 포함하는 설계에는 근계와 원계에 있는 광원들이 균질화될 필요가 있다. 근계의 균질화는 필드 다이어그램의 애퍼처 영역으로 연장되고, 원계의 균질화는 조명 수단의 콜리메이터 광학체 및/또는 렌즈의 애퍼처 각도 영역으로 연장되고, 여기서, 스펙트럼 균질화와 공간 균질화를 구별할 수 있다. 스펙트럼 균질화는, 이차 광원의 방사가 각 각도와 위치마다 가능한 동일한 스펙트럼 분포를 나타냄을 의미한다. 공간 균질화는, 방사가 이차 광원의 각 위치마다 가능한 동일한 진폭을 각도의 함수로서 나타냄을 의미한다. 측정 필드(MF)에서 방사의 바람직한 공간 분포를 얻도록, 조명 수단의 콜리메이터 광학체 및/또는 렌즈와 함께, 각도의 함수인 방사의 특정한 프로파일이 또한 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 이러한 목적은. 촬상 및/또는 비촬상 기능 블록들, 즉, 콜리메이터, 호모게나이저, 및 (선택 사항인) 확산기를 적절히 결합함으로써 달성된다. 통상적인 호모게나이저는, 예를 들어, 유리 또는 플라스틱으로 형성되어 정사각형 단면을 나타내는 광 전도체이다. 광 전도체를 사용하는 공간 균질화는, 일반적으로 원계에서 이질성을 나타내며, 이는 조절된 산란 각도를 나타내는 추가 확산기 소자에 의해 제거될 수 있다.
픽업 수단(31, 32)에서 스펙트럼 분석을 수행하므로, 조명 수단의 광원들은 관심 대상인 전체 스펙트럼 범위에 걸쳐 충분히 강력해야 한다. 스펙트럼 범위는 400nm 내지 700nm의 가시광 파장 범위에 걸쳐 연장된다. 특정한 응용에 대해서는 자외선과 근적외선을 갖는 스펙트럼 범위를 보충할 필요가 있을 수도 있다. LED 기술을 이용함으로써, 광원 및/또는 조명 수단의 스펙트럼 성질이 비교적 유연하게 실현될 수 있고, 여기서, 백색 LED들을 사용하여 전체 가시광 스펙트럼에 걸쳐 연속적인 광을 생성할 수 있다. 백색 LED들에서 통상적인 스펙트럼 범위를 벗어나 발광하는 추가 LED들은 조명 수단의 스펙트럼 범위를 보충할 수 있다. 이것은 보라색, 자외선, 및 근적외선 범위를 방출하는 모든 LED들을 포함한다.
실제로, 조명 수단은 모두가 완전한 스펙트럼 범위를 위해 구성될 필요가 없다. 조명 수단들 중 적어도 하나는 400nm 내지 700nm인 완전한 스펙트럼 범위를 위해 구체화되고, 나머지 조명 수단은 감소된 스펙트럼 범위를 위해 구성될 수 있다. 이 경우, 이러한 조명 수단들을 사용하는 경우에 누락되는 스펙트럼 정보는 완전한 스펙트럼 범위를 위해 구성된 조명 수단의 스펙트럼 정보로부터 보간된다.
-20˚에 배치된 조명 수단(24)은 본 발명에 따른 측정 장치를 사용하여 광택을 측정하는 데 사용되고, 반사된 측정 광은 15˚에 배치된 픽업 수단(32, 33)을 사용하여 캡처된다. 조명 빔 경로와 픽업 빔 경로의 측정 필드 크기와 발산 각도는, 조명 빔과 픽업 빔을 위한 경면 반사 조건이 측정 필드의 적어도 하나의 점에서 지배적으로 되도록 선택된다. 직접적 광택(direct gloss)은 상기 점에서 카메라에 의해 검출된다. 반사된 광 빔과 픽업 빔 사이의 각도 조건은 측정 필드에 따라 가변된다. 카메라에 의해 기록된 화상 데이터는, 측정 필드의 나머지 점들에 대하여 경면 각도에 가까운 반사 특징이 검출될 수 있게 한다. 화상 데이터는, 각각의 국부적 경면 방향에 대하여 마찬가지의 각도 차를 나타내는 미리 정의된 영역들에 대응하는 미리 미세 조정된 국부 영역들로 분할될 수 있다.
-45˚에 배치된 조명 수단(22)은 마찬가지로 광택을 측정하는 데 제시될 수 있고, 여기서 경면 반사 조건은 45˚에 배치된 픽업 수단(31)을 위해 충족된다.
도 14는 이러한 방식으로 광택을 측정하는 경우의 조명 조건과 픽업 조건을 도시한다. 장치 법선(DN)에 대하여 -20˚로 배향된 조명 수단(24)을 사용하고, 반사 광은 스펙트럼 픽업 수단(32)과 국부적으로 분해하는 픽업 수단(33)에 의해 측정되며, 이러한 두 개의 수단은 장치 법선(DN)에 대하여 +15˚로 배향된다. 조명 수단(24)과 2개의 픽업 수단(32, 33)의 3개의 빔 경로는 참조 부호(24s, 32s, 33s)로 표시된다. 도면에서 확인되는 바와 같이, (도면의) 우측의 빔 경로의 주변 영역은 장치 법선(DN)에 대하여 대칭된다. -20˚/+15˚ 측정 기하학은 표준에 정확하게 일치하지 않지만, 측정 오브젝트의 광택 거동의 신뢰성 있는 표시를 제공하는 데에는 충분하다.
도 15에 도시된 측정 장치의 실시예에 따르면, 통상적으로 20˚ 또는 45˚에서 경면 광택인 광택을 캡처할 수 있고, 광학 소자(39)(가장 간단한 경우로, 음의 굴절률을 갖는 렌즈)가 화상 필드에 배치되더라도 통상적으로 ±20˚ 각도 범위에서 경면 광택 주위의 광택 분포를 캡처할 수 있다. 렌즈(39)는 참조 부호(39a)로 표시되는 (측정 장치의 관점에서)사실상 볼록 화상 필드 곡률을 생성한다. 회전 대칭 렌즈를 사용할 수 있고, 또는, 바람직하게, 장치 축에 있어서 곡률을 나타내는 원통형 렌즈를 사용할 수 있다. 광학 소자 및/또는 렌즈(39)는, 백색 타일(35)과 마찬가지 방식으로, 제어 어레이(C)(도 25)를 통해 참조 부호(24s, 32s, 33s)로 표시된 빔 경로 내에 도입될 수 있고 및/또는 이러한 빔 경로로부터 제거될 수 있다. 더욱 최적화된 형상을 나타내는 소자들도 물론 고려할 수 있다.
광학 소자(39)를 사용함으로써, 측정 장치의 제한된 화상 필드에서 직접 광택 영역의 경면 각도를 관찰할 수 있고, 카메라를 사용하여 정량 측정할 수 있다. 캡처될 수 있는 양은 물질 표면의 경면 광택이며, 이는 통상적으로 그 물질의 프레넬 반사(Fresnel reflex) 또는 (측정 오브젝트가 다수의 페인트 층을 갖는다면) 톱코트(topcoat), 및 통상적으로 표면의 거칠기에 의해 결정되는 반사 주위의 산란 원뿔의 폭에 의해 주어진다. 또한, 화상 텍스처를 분석함으로써, 효과 안료의 광택 성질의 변동, 효과 안료의 밀도와 분명한 색의 변동, 및 이에 따라 관찰 각도 변화에 따른 효과의 통상적인 서비스 수명을 캡처할 수 있다. 이러한 데이터는 한편으로는 가시화를 위해 물질의 외관을 캡처하거나 또는 물질을 분류하고 물질들의 라이브러리나 카탈로그에서 물질을 검색하는 사안에 특히 중요하다. 사진과 동일한 컴퓨터 시뮬레이션을 위한 파라미터들은, 검사한 물질, 즉, 그 외관, 통상적으로는, 요구시 자동차 페인트의 외관을 컴퓨터 상의 전체 차량에 적용하도록, 소위 역 레이 트레이싱(inverse ray tracing)에 의해 얻을 수 있다. 이러한 설계는, 또한, 플라스틱, 코팅, 종이, 인쇄 제품, 텍스타일 등의 서로 다른 많은 물질들에 대하여 중요하다.
국제 표준은, 다 각도 색 측정보다는 광택을 측정하기 위한 서로 다른 측정 기하학(measurement geometry)들을 규정한다. ASTM E430 표준은 측광각(goniophotometry)에 의해 고 광택 표면의 광택을 측정하는 방법을 규정한다. 이 표준은 20˚ 또는 30˚에서의 경면 광택을 측정하는 것을 특정한다.
본 측정 장치에서, 15˚로 배치된 픽업 수단(32, 33)은 20˚ 경면 각도에서 광택을 측정하는 것의 대체 방식으로 또한 사용될 수 있다. 이를 위해, 픽업 수단(33) 및/또는 카메라(33a)의 캡처된 국부 측정 범위는 시스템 평면을 가로지르는 방향으로 충분히 넓게 선택된다. 관찰 및/또는 캡처 각도는 ±5˚보다 크도록 구성된다. 이는 시스템 평면을 벗어나 있는 측정 필드의 특정한 점들에서 20˚인 픽업 각도를 생성한다. 본 발명의 다른 개념에 따르면, 20˚인 입사각에서 조명 필드의 이러한 특정한 점들을 조명하는 추가 광원을 제공한다. 추가 광원은 시스템 평면 외부에 배치된다. 상기 광원의 광학 시스템은, 카메라의 국부 캡처 범위에 걸쳐 더욱 큰 발산 각도를 생성하도록 유리하게 구성된다. 이는 화상에 걸친 광택 변동의 더욱 큰 각도 범위를 캡처할 수 있게 한다. 광원은, 바람직하게, 점 광원으로서 구체화되며, 예를 들어, 발산 빔 번들(divergent beam bundle)을 생성하는 광학 광 전도체의 출사 영역으로서 구체화된다. 또한, 광원은 경면 반사 조건이 충족되는 더욱 넓은 영역을 조명하도록 1차원의 긴 형태를 나타낼 수도 있다. 긴 광원은 예를 들어 광 전도체들을 선형 배치함으로써 실현될 수 있다.
바람직하게, 동일한 유형의 제2 광원도 시스템 평면의 반대측에 대칭적으로 제공할 수 있다. 2개의 광원에 의해 생성되는 화상 데이터는 서로 다른 방향으로 광택 분포의 이방성 거동을 특징화할 수 있게 한다.
도 16은 이러한 대체 광택 측정 기하학을 도시하며, 여기서, 점 조명 수단(29)은, 시스템 평면으로부터 20˚만큼 측방으로 경사지도록 배치되고, 이에 따라 측정 오브젝트를 약간 측면으로부터 조명한다. 점 광원(29)의 빔 경로는 참조 부호(29s)로 표시된다. 이어서, 반사 광은 스펙트럼 픽업 수단(32)과 국부적으로 분해하는 픽업 수단(33)에 의해 캡처되고, 여기서, 각 빔 경로는 참조 부호(32s, 33s)로 표시된다.
도 17은 본 발명에 따른 측정 장치의 보조 실시예를 도시하고, 여기서, 추가 소자(38)는 반투명을 측정하도록 제공된다. 추가 소자(38)는 렌즈 홀더(38b)에 장착되는 렌즈(38a)를 포함한다. 렌즈 홀더(38b)는, 백색 타일(35)과 마찬가지 방식으로, 제어 어레이(C)(도 25)를 통해 시스템 평면 SP(도 2)에 수직으로 시프트될 수 있고, 렌즈(38a)는 참조 부호(27s)로 표시한 65˚조명 수단(27)의 빔 경로 내에 도입될 수 있고 및/또는 이러한 빔 경로로부터 제거될 수 있다. 렌즈(38a)가 빔 경로(27s) 내에 삽입되면, 조명 광은, 측정 오브젝트 상의 조명 측정 스폿이 렌즈(38a)가 삽입되지 않은 경우보다 훨씬 작아지도록 포커싱된다. 반투명을 확인하도록 두 번 측정을 수행하는데, 한번은 렌즈(38a)를 조명 수단(27)의 빔 경로(27s) 내에 삽입하지 않고 수행하고 나머지 한번은 렌즈(38a)를 삽입하여 수행한다. 두 번 측정으로부터 얻는 측정값들에 기초하여, 관찰한 측정 오브젝트의 반투명 거동에 관한 결론을 내릴 수 있다(M. Goesele 등에 의한 "DISCO - Acquisition of Translucent Objects", Proceedings of the 31st International Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques (ACM SIGGRAPH 2004) 공보에 개시된 공간 점 확산 기능). 렌즈(38a) 대신에, 다이어프램을 사용할 수도 있다. 2개의 픽업 수단으로부터의 큰 각도 거리를 갖는 조명 수단, 즉, 구체적으로는, 조명 수단(27)이 텍스처를 캡처하는 데 사용되는 것이 바람직하다.
렌즈 삽입 또는 렌즈 삽입 없이 확인한 스펙트럼 측정값들을 사용하여 스펙트럼 반투명 보정을 결정한다. 두 번 측정의 스펙트럼 측정값 차로부터 도출되는 스펙트럼 보정 인자는 나머지 모든 측정 기하학들(즉, 조명 수단(21 내지 26)을 이용한 측정)에 적용된다.
도 18과 도 19는 본 발명에 따른 측정 장치의 다른 일 실시예를 도시하고, 여기서, 2개의 픽업 수단(31, 32) 및/또는 이들의 스펙트로미터(31a, 32a)의 스펙트럼 미세 조정을 다시 미세 조정하기 위한 파장 기준부로서 기능을 하는 추가 기준 조명 수단(30)을 제공한다. 기준 조명 수단(30)은, 시스템 평면으로부터 약 20˚만큼 기울어지도록 배치되며, 백색 타일이 2개의 픽업 수단(31, 32)의 빔 경로에 삽입되면 백색 타일(35)을 조명한다. 기준 조명 수단(30)은, 예를 들어, LED의 형태로 된 백색 광원(30a), 바람직하게 현저한 플랭크(flank)를 갖는 다수의 협대역 투과 영역을 포함하는 정확도가 높고 안정적인 유전 간섭 스펙트럼 필터(30b), 및 렌즈(30c)를 포함한다. 기준 조명 수단(30)의 빔 경로는 참조 부호(30s)로 표시된다.
측정 장치의 펌웨어는 결합된 광원과 기준 조명 수단의 필터의 미세 조정된 스펙트럼 투과 곡선을 포함한다. 기준 조명 수단은 각 백색 타일 미세 조정에서 사용되며, 광을 백색 타일을 통해 픽업 수단으로 반사한다.
이용가능한 공간이 허락하는 한, 기준 조명 수단(30)은 조명 수단(21 내지 27)처럼 시스템 평면(SP) 내에 배치될 수 있다.
도 20과 도 21은 본 발명에 따른 측정 장치의 다른 일 실시예를 도시하고, 여기서, 7개의 조명 수단(21 내지 27)의 각각에는, 광의 일부를 디커플링하여 기준 픽업 수단으로 유도하며 전체적으로 참조 부호(34)로 표시된 기준 채널이 설치된다. 이를 위해, 빔 스플리터들은 조명 수단(21 내지 27)에 배치되며, 이들 중 조명 수단(25)의 빔 스플리터(25m)만이 도 20에 참조 부호로 도시되어 있다. 각 빔 스플리터는 디커플링된 광을 7개의 광 전도체(41 내지 47) 중 하나로 향하게 한다. 기준 픽업 수단(34)은, 바람직하게 다이오드 어레이 스펙트로미터와 마찬가지로 구체화된 스펙트로미터(34a), 광 혼합기(34b), 피드 렌즈(34c), 및 다른 광 전도체(34d)를 포함한다. 광 전도체들(41 내지 47)은 디커플링된 광을 광 혼합기(34b)에 공급하고, 여기에서 광은 피드 렌즈(34c)와 다른 광 전도체(34d)를 통해 스펙트로미터(34a)에 공급된다. 조명 수단(21 내지 27)은 기준 픽업 수단(34)에 의해 미세 조정될 수 있다.
조명 수단(21 내지 27)으로부터의 광도는, 빔 스플리터 대신에, 사용되고 있지 않은 에텐듀의 일부 앞에 배치되고 디커플링된 광을 광 전도체들(41 내지 47)을 통해 기준 픽업 수단(34)으로 유도하는 편향 프리즘(또는 기능적으로 등가의 광학 부품)에 의해 디커플링될 수 있다. 이러한 하나의 편향 프리즘(521g) 및 대응하는 광 전도체(41)만이 도 13b에 대표적으로 예시되어 있다. 이러한 식으로 광을 디커플링함으로써, 이차 광원의 방사 감소를 피하게 된다.
광 전도체와 기준 픽업 수단(34)을 포함하는 기준 채널 대신에, 대안으로, 예를 들어, RGB 센서 등의 더욱 간단하고 더욱 컴팩트한 기준 수단에 의해 LED 광원을 특징화할 수 있다. 이러한 센서는 매우 컴팩트하며, 이에 따라, LED 혼합기에 직접 장착될 수 있으며, 예를 들어, 전술한 바와 같이, 사용되고 있지 않은 콜리메이터의 출력 영역 상에 장착될 수 있다. 이러한 식으로 간략화된 기준 채널은 정확한 스펙트럼 보정을 허용하지 않지만, 인광 피크(phosphor peak)에 비해 LED 레벨 및 예를 들어 청색 LED 피크의 상대적 강도 등의 소정의 스펙트럼 변동은, LED 조명의 가장 큰 드리프트 에러가 마찬가지로 미세 조정될 수 있도록 보정될 수 있다.
도 22는 조명 수단(21 내지 27)의 대체 실현예를 도시하며, 여기서는, 도 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 또는 13b에 도시된 광원들과 마찬가지로 구성된 중심 광원(50)을 사용한다. 그 광원의 광은 멀티플렉서(59)와 광 전도체들(51 내지 57)을 통해 조명 수단(21 내지 27)의 개별적인 조명 채널들에 공급된다. 기준 광은 다른 광 전도체(58)를 통해 기준 픽업 수단(34)의 스펙트로미터(34a)로 유도된다. 전술한 광택 조명 수단(29)을 이러한 식으로 구현할 수도 있다.
조명 수단(21 내지 27)을 이와 같이 구현하는 것은, 일단 광원(50)의 호모게나이저(homogeniser)의 출력 광이 멀티플렉서(59)에 의해 분포되었다면 조명 수단(21 내지 27)의 조명 채널에서의 광과 기준 스펙트럼 모듈(34a)에서의 광이 가능한 상관된다는 것을 의미한다.
백색 기준부의 다른 구현예는 도 23과 도 24에 도시되어 있으며, 여기서, 평면 미러(61)에 대한 고정된 공간 할당을 나타내는 평면 미러(61)와 확산 반사기(60)는, 함께 이동(예를 들어, 피봇팅)할 수 있도록 아크 본체(10)에 배치되며, 미러(61)는 조명 수단(21 내지 27)과 픽업 수단(31 내지 33)의 빔 경로들 내에 일시적으로 도입될 수 있고 다시 이들로부터 제거될 수 있다. 도 23은 미러(61)와 반사기(60)가 빔 경로 외부에 있을 때를 도시한 것이고, 도 24는 빔 경로 내에 도입되었을 때의 미러(61)와 반사기(60)를 도시한 것이다. 조명 수단(21, 27)(도시하지 않음)의 빔 경로들(21s, 27s) 및 픽업 수단(32)(도시하지 않음)의 빔 경로(32s)만이 도 23과 도 24에 대표적으로 예시되어 있다. 연속 라인들은 반사기와 미러가 피봇팅될 때 각각의 중심 빔을 나타내고, 파선들은 반사기와 미러가 제거될 때의 빔 경로를 나타낸다(여기서 외부 백색 타일은 측정 필드(MF)의 점 상에 위치한다).
미러(61)는 측정 필드(MF)를 가상 측정 필드로 반사하고, 여기서, 확산 반사기(60)는 가상 측정 필드의 위치에 위치한다. 확산 반사기(60)는 실제 백색 기준부 및/또는 백색 타일을 형성하고, 미러를 통해 조명 수단(21 내지 27)에 의해 조명된다. 확산 반사기의 후방 산란은, 미러(61)를 통해, 정확하게는, 그 후방 산란이 실제 측정 필드로부터 온 것처럼 픽업 수단(31 내지 33)에 의해 측정된다. 가상 측정 필드 및/또는 반사기(60)의 조명은 측정 필드와 동일하며, 즉, 백색 기준부의 본 실시예에서 각도/위치 관계는 (실제) 측정 필드에서 백색 타일을 사용한 미세 조정과 동일하다. 미러(61)와 확산 반사기(60)(실제 백색 타일)가 결합되어 유리 또는 플라스틱 본체를 포함하는 개별 부품을 형성할 수도 있다.
대안으로, 더욱 컴팩트한 설계를 가능하게 하는 다음에 따르는 변형예도 가능하며, 여기서, 확산 반사기(60)(실제 백색 타일)는 더 이상 완전 불투명 반사기로서 설계되지 않으며, 오히려 반투명 필름 또는 투명하고 불투명한 부분 영역들로 이루어지는 매트릭스로서 설계된다. 따라서, 반사기 및/또는 가상 측정 필드는 더 이상 조명 수단(21 내지 27)과 픽업 수단(31 내지 33)의 빔 경로 내에 완전히 있을 필요가 없으며, 이는 결합된 미러/반사기의 크기를 상당히 줄일 수 있게 한다.
측정 필드의 크기와 광학 부품들의 크기는 경면 측정 기하학에 있어서 선형으로 관련된다. 측정 필드의 크기는, 측정 오브젝트의 국부적으로 변동하는 표면 성질들의 통계적 제시를 포함하도록 측정 오브젝트의 표면 상의 크기의 국부 측 변동에 따라 선택되어야 한다. 광학 시스템의 크기는 측정할 물질의 성질에 따라 선택된다. 동일한 조명 시스템을 사용함으로써, 더욱 작은 측정 필드를 갖는 측정 기구를 실현할 수 있고, 이 경우, 렌즈 시스템의 초점 성질을 가변시키고 측정 필드의 평면에 있어서 추가 기계적 애퍼처를 사용함으로써 픽업 수단만이 더욱 작은 관찰 필드로 구현된다.
스펙트럼 색, 시각적 텍스처, 및 광택을 특징화하기 위한 측정 장치의 다른 측정 기능은 조명측에 대해선 마찬가지의 요건을 구비하지만, 검출기측에서는 다른 요건을 갖도록, 예를 들어, 측정 필드에 걸친 집적 측정 및 국부적 분해 측정이라는 다른 요건을 갖는다.
본 발명의 기본 사상에 따르면, 조명 부품들은, 측정 장치에서 공유되며, 즉, 서로 다른 기능에 사용되며, 다른 측정 요건들은 동일한 관찰 각도를 나타내는 픽업 수단들 간에 분산된다. 이러한 설계는, 동시 측정 데이터 캡처에 의해 전체적인 측정 시간이 짧으면서 컴팩트하고 비용 효율적인 기계적 해결책을 가능하게 한다. 또한, 이러한 설계는 동일한 관찰 각도에서 다른 물질 성질들에 대하여 일관된 측정 데이터를 생성한다. 예를 들어 다른 관찰 거리에서 또는 조명의 변동 등의 다른 측정 조건 하에서 측정 데이터 세트들을 사용하여 외관 데이터를 계산한다.
도 25는 본 발명에 따른 측정 장치의 개별 부품들 간의 전기적 접속을 나타내는 블록도이다. 조명 수단(21 내지 27, 28, 29, 30)의 광원들은 컴퓨터 기반 제어 어레이(C)에 의해 제어된다. 또한, 컴퓨터 기반 제어 어레이는 2개의 스펙트로미터 및 픽업 수단(31 내지 33)의 카메라 및 기준 픽업 수단(34)의 스펙트로미터를 제어하고, 이들의 측정 신호들을 처리한다. 또한, 제어 어레이(C)는 반투명을 측정하도록 추가 소자(38)의 렌즈 홀더와 백색 타일(35)의 움직임을 제어한다. 제어 어레이(C)는 표시 어레이(4) 상에 측정 결과 또는 사용자 지시를 표시하고, 작동 부재(8)로부터 작동 커맨드를 수신한다. 제어 어레이(C)가 외부 컴퓨터에 접속되어 데이터를 그 외부 컴퓨터에 전송하고 적용가능한 경우에 제어 커맨드도 수신하게 하는 통신 인터페이스(9)도 제공한다. 원시 측정 데이터는 바람직하게 장치 자체의 제어 어레이(C)에 의해 준비되며(그러나 반드시 그러할 필요는 없으며), (준비된) 측정 데이터를 외부 컴퓨터에서 평가할 수도 있다.
외관 성질을 측정하려면, 다각도 측정 장치의 모든 측정 기하학에 대하여 미세 조정된 스펙트럼 반사 인자 측정값들이 필요하다. 이는 이론적으로는 스펙트럼 분해 카메라에 의해 구현될 수 있다. 스펙트럼 및 멀티스펙트럼 카메라 기술들은, 예를 들어, J. Hardeberg에 의한 문헌 "Acquisition and Reproduction of Color Images: Colorimetric and Multispectral Approaches" 1999 PhD thesis에 개시되어 있다. 멀티스펙트럼 화상-스캐닝(촬상)은 3개의 색보다 많은 색에 대한 화상 데이터를 생성한다. 정상적인 3개의 색(대부분의 경우 RGB)에 더해지는 색 정보는, 화상 데이터를 절대 색 공간(예를 들어, CIE XYZ 또는 sRGB)으로 더욱 정확하게 변환하도록 사용된다. 측정된 반사 값들에 선형 링크된 색 공간을 사용하는 것이 편리하다.
화상 데이터는 카메라의 픽업 빔 번들의 반사 광의 방사를 위해 절대적으로 미세 조정되어야 한다. 이는, 각 측정 기하학마다 절대 스펙트럼 반사 미세 조정(결합된 조명 수단과 픽업 수단)에 의해 집적된 백색 타일을 사용하여 달성된다.
효과 물질들은, 개별적인 측정이 카메라의 동적 범위를 초과하도록 화상 데이터에 있어서 큰 휘도 변동을 생성할 수 있다. 이러한 문제점은, 예를 들어, M. Goesele에 의한 문헌 "Color Calibrated High Dynamic Range Imaging with ICC Profiles", Proceedings of the 9th Society for Imaging Science and Technology (IS&T) Colour Imaging Conference, Scottsdale, Arizona, USA, 2001, 286-290에 개시되어 있는 바와 같은 고 동적 범위(HDR) 검출 방법을 사용하여 처리되며, 여기서, 화상 데이터의 다수 세트는 다른 노광 시간(적분 시간)을 사용하여 측정된다. 각 화상 데이터세트는 각각의 적분 시간으로 정규화되고 백색 미세 조정과 함께 동일한 물리적 반사 유닛들에 전달된다. 이러한 방안은, 화상 데이터세트들을 증가된 동적 범위를 나타내는 단일 화상 데이터세트로 가중 융합할 수 있게 한다.
본 발명의 기본 사상에 따르면, 스펙트럼 카메라는 국부적으로 분해하는 픽업 수단(33)에서 사용되지 않고 오히려 복잡함이 덜하고 생산 비용이 낮다는 점에서 (상대적으로 간단하고 비용 효율적인) 카메라의 실제 센서 필드 상에 베이어 필터 어레이를 갖는 RGB 카메라에서 사용된다. 요구되는 스펙트럼 정확도는 동일한 관찰 각도에 배치된 스펙트럼 픽업 수단(32)을 참조함으로써 본 발명에 따라 달성된다. 2개의 픽업 수단(32, 33)의 빔 경로들은 빔 스플리터(33b)에 의해 분리된다. 빔 스플리터는, 예를 들어, 효과 안료가 부분 편광 광을 반사할 수 있기 때문에, 바람직하지 못한 편광 효과를 야기할 수 있다. 편광 의존성을 최소화하도록, 빔 스플리터의 표면은 시스템 평면으로부터 45˚만큼 회전되고, 여기서, 카메라를 위한 측정 광이 시스템 평면으로부터 유도된다. 이 측정은 시스템 평면에 직교하는 s 편광 성분과 p 편광 성분을 균일하게 한다.
정확한 색 정보를 필요로 하는 측정 응용에 있어서, 스펙트럼 측정 데이터는 각 측정 기하학(결합된 조명 수단과 픽업 수단)에서 사용된다. 스펙트럼 측정 데이터는, 또한, 색 화상 데이터의 색 정확도를 증가시키도록 제시된다. RGB 카메라들은, 색 관리로부터 알려져 있는 방법을 사용하여, 예를 들어, ICC 카메라 프로파일을 사용함으로써 색-미세 조정될 수 있고, 그러나, 달성될 수 있는 색 정확도는 제한되며, 조건등색(검출기 조건등색과 조명 조건등색)에 의해 손상된다. 본 발명의 중요한 양태에 따르면, 색 화상 데이터의 비색적 정확도는 스펙트럼 측정 데이터로부터 얻는 색 정보에 기초하는 보정에 의해 증가된다. 이를 위해, 각 화소의 색 값은, 측정 필드에 걸친 평균화에 의해 화소로부터 계산되는 색 값이 스펙트럼 측정으로부터 나오는 집적 색 값과 일치하도록 상관된다. 이는 화상의 평균화된 색 정보가 다른 조명 스펙트럼으로 조절될 수 있게 한다. 시각적 텍스처는 화상의 색의 상대적 변동에 기초하여 분석되며, 이는 통상적으로 절대 색 정보보다 정확하며, 대부분의 텍스처 분석 응용에 있어서 충분하다(예를 들어, Robert M. Haralick에 의한 문헌 "Textural Features for Image Classification", IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Volume SMC-3, No. 6, November 1973, 610-621 참조).
검출기 시스템은 각 측정 기하학(결합된 조명 수단과 픽업 수단)에 대하여 (국부적으로 집적된) 스펙트럼 반사 데이터와 색-미세 조정된 HDR 화상 데이터의 세트를 생성한다. 색 화상 데이터는, 화상 데이터에 관한 일관된 (국부적) 평균 값 색 정보를 생성하도록 스펙트럼 데이터를 사용하여 보정될 수 있다. 화상 데이터는 측정 필드에 걸쳐 가변되는 측정 오브젝트의 색 또는 광택 성질을 국부 정보로서 포함한다.
색-미세 조정된 HDR 화상 데이터는 인간의 눈의 해상도 한계를 넘는 해상도로 제공된다. 이러한 화상 데이터를 입력 데이터로서 사용함으로써, 특정한 관찰 거리에서의 시각적 화상 인상과 일치하는 적절한 외관 화상을 계산한다. 이를 위해, 색 외관 모델을 사용하여 다른 국부적 해상도로 조절할 필요가 있다.
국부적으로 분해하는 픽업 수단(33)의 관찰 필드(캡처될 수 있는 영역)는, 스펙트럼 픽업 수단(31, 32)의 관찰 필드와 같도록 또는 그보다 크도록 구성된다. 화상 데이터를 색-보정하는 데 있어서, 관찰 필드들의 중첩 영역에 대응하는 부분 화상 콘텐츠만을 고려한다.
도 26은 개략적으로 전술한 바와 같이 측정값들을 준비하는 개별적인 단계들을 나타내는 블록도이며, 색-미세 조정, 보정 및 표준화된 색 화상 데이터세트(출력 화상)는 카메라(32a)의 원시 화상 데이터로부터 생성된다. 이러한 데이터는 제어 어레이(C)에서 준비되며, 여기서 적절한 소프트웨어(SW)(도 25)가 이를 위해 실행된다. 물론, 데이터는 외부 컴퓨터에서 준비될 수도 있다.
다수의 암-미세(dark-calibrated) 조정 개별 노광(상술한 바와 같이, 적분 시간이 서로 다른 측정)으로부터 생성되는 카메라의 HDR 색 화상 데이터는 시작점을 형성한다(블록 601). 색 화상 데이터는 색 필터 패턴을 나타낸다. 신호는 입사광에 비례한다. 광학적 및 공간적 해상도는 카메라에 의존한다.
제1 단계(블록 602)에서는, 해상도 조절을 수행하고, 공간적 및 광학적 해상도는 규정된 출력 해상도(타겟 해상도)에 대응하도록 조절된다. 안정성과 정확성 때문에, 출력 해상도는, 대부분의 경우에, 입력 해상도보다 거칠다. 이는 화상 크기를 더욱 작게 한다.
다음 단계(블록 603)에서는, 소위 디모자익(demosaicing)을 수행하고, 국부적으로 분리된 색 화소들은 색 채널들을 사용하여 하나의 색 화소로 변환된다. 동일한 단계에서, 색 노이즈를 감소시키도록 조치한다.
출력 화상은 백색 상대적(white-relative)일 수 있다. 스펙트럼 측정에 있어서, 출력 화상은 완벽하게 반사성 확산기(reflective diffuser)이어야 한다. 이를 위해, 디모자익 후에 존재하는 화상(블록 604)은, 절대 백색으로의 보정을 포함하는 백색 측정(블록 605, 606, 607)에 의해 분리된다. 백색 상대적 화상은 블록(608)에 의해 심볼화된다.
최종 단계에서, 색 공간 조절을 수행한다(블록 609). 동일한 측정 기하학을 사용하는 스펙트럼 측정(블록 610)의 가용성에 의해, 색 공간이 장치의 색 공간으로부터 예를 들어 CIE XYZ 또는 sRGB 등의 표준 색 공간으로 더욱 정확하게 변환될 수 있다.
그 결과, 화상은, CIE XYZ 또는 sRGB 색 공간에서 절대 백색의 크기로 공간적 해상도와 (대부분의 경우에, 공간적 해상도와 동일한) 광학적 해상도의 규정된 성질을 나타내는 소망하는 표준화된 출력 화상이다(블록 611). 이러한 장치 독립형 표준화된 화상은, 적절한 알고리즘에 기초하여 대응하는 텍스처 변수를 계산하기 위한 기본으로서 사용된다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 측정 장치는, 효과 안료를 포함하는 측정 오브젝트에 대한 측정을 위해 구체적으로 구성되고 최적화된다. 물론, 본 발명에 따른 설계를, 다른 측정 기하학과 다른 조명 각도와 관찰 각도를 사용하는 다른 기능으로 조절할 수도 있다.
전술한 핸드헬드 측정 장치에는, 실제 측정을 위해 7개의 조명 수단과 3개의 픽업 수단이 설치된다. 조명 수단과 픽업 수단의 다른 조합을 사용할 수 있다. 조명 수단의 개수를 줄일 수 있고, 이때, 다른 조명 각도에서 최소한 3개의 스펙트럼 조명 수단이 필요하며, 예를 들어, 경면 반사 조건을 충족하는 각도에 가까운 제1 각도, 제2 각도인 45˚, 및 경면 반사 조건을 충족하는 각도로부터 멀리 떨어진 제3 각도에서 그러하다. 또한, 조명 수단은 반드시 평면에 배치될 필요는 없다. 픽업 수단은 자신의 기능(집적 스펙트럼 측정 또는 국부적 분해 측정)에 따라 가변될 수 있고(1개 또는 2개의 시스템) 또는 자신의 개수 면에서 가변될 수 있다.
외관 성질들(물질의 외관)의 합을 캡처하기 위해서는, 물질의 육안으로 보이는 높이 변동을 캡처하는 것이 필수적이다. 관심 대상인 성질들은 국부적 표면 법선과 해당 적분의 각도 분포(법선 맵), 및 높이 분포(높이 ?)이다. 조명 조건과 광 분포(주변 맵)에 따라, 예를 들어, 피크와 크레이터가 가시화될 수 있다. 본 발명에 따른 측정 장치는 다양한 방향으로부터 카메라와 조명을 포함하므로, "측광 스테레오"(photometric stereo)라는 용어로 알려진 방법을 이용하여, 하나 이상의 조명 수단의 현재 발생하고 있는 분포로부터 법선 맵(및 이로부터 적분을 통해 높이 맵)을 결정할 수 있다. 하나의 라인에 놓이지 않은 적어도 3개의 조명이 제공된다면, 물질에 대하여 적절한 램버트 산란 특징을 취함으로써, 색과 휘도의 변동(알베도 맵)을 법선 영역에서의 변동과 구분할 수 있고 별도로 결정할 수 있다. 이는, 장치 법선(장치 축)의 외부에서 양측에 배치되며 개별적으로 제어되는 확산 조명의 도움으로 달성될 수 있다. 이방성을 캡처하기 위한 측정 장치도, 다른 관찰을 캡처하도록 적용가능하다면, 자신의 고유 축을 중심으로 통상적으로 90˚만큼 회전시킬 수 있다.
외관 성질의 경우에, 샘플의 균질성과 등방성은 통상적으로 충족되지 않는다. 따라서, 다른 점들에서 측정을 기록하고 동일한 위치에서 측정 장치를 측정 장치의 축을 중심으로 회전시키는 것이 편리하다.
이러한 모든 측정의 목적은, 어떠한 조명 조건과 관찰 조건 하에서도 심지어 임의의 방식으로 성형된 3D 오브젝트 상에서도 물질이 사실상 가시화될 수 있게 하는 것이며 광택, 반투명, 토포그래피 등의 대응하는 외관 성질이 분리되고 결정될 수 있게 하는 것이다.
전술한 핸드헬드 측정 장치는, 자율적 측정 장치로서 구체화되고, 측정 동작에 필요한 모든 작동 부재와 표시 부재 및 고유한 전원을 포함한다. 또한, 측정 장치에는 외부 컴퓨터와 통신하기 위한 인터페이스가 설치되고, 측정 데이터와 제어 데이터 모두는 외부 컴퓨터에 대하여 교환될 수 있다. 그러나, 핸드헬드 측정 장치는, 측정 데이터를 평가하는 제어 컴퓨터와 함께 사용하기 위한 주변 측정 장치로서 구체화될 수도 있다. 이 경우, 측정 장치는 자신의 고유한 작동 부재와 표시 부재를 포함할 필요가 없으며, 다른 임의의 주변 컴퓨터 장치와 같은 상위 컴퓨터에 의해 제어된다. 적용가능하다면 전력도 외부 컴퓨터를 통해 공급될 수도 있다.

Claims (25)

  1. 측정 오브젝트의 시각적 인상을 캡처하기 위한 핸드헬드 측정 장치로서,
    하우징(H)을 포함하고,
    상기 하우징(H)은 측정 어레이(MA)와 제어 어레이(C)를 수용하고, 상기 하우징은, 측정 오브젝트(MO)의 표면 상의 측정 필드(MF)가 조명되고 상기 측정 필드(MF)에 의해 반사되는 측정 광이 픽업되는 측정 개구(6)를 포함하고,
    상기 측정 어레이(MA)는, 장치 법선(DN)에 관하여 적어도 세 개의 조명 방향으로 상기 측정 필드(MF)에 조명 광을 가하기 위한 다수의 조명 수단(21 내지 27), 및 상기 장치 법선(DN)에 관하여 적어도 하나의 관찰 방향으로 상기 측정 광을 캡처하기 위한 다수의 픽업 수단(31 내지 33)을 포함하고,
    적어도 하나의 스펙트럼 픽업 수단(32)은 상기 측정 필드에 의해 반사되는 측정 광을 국부적으로 집적된 방식으로 스펙트럼 측정하도록 구체화되고,
    적어도 하나의 촬상 픽업 수단(33)은 상기 측정 광을 국부적으로 분해된 방식으로 측정하도록 구체화되고,
    상기 핸드헬드 측정 장치는,
    상기 촬상 픽업 수단(33)이 상기 측정 광을 컬러 관점에서 측정하도록 또한 구체화된 것을 특징으로 하고, 상기 스펙트럼 픽업 수단과 상기 촬상 픽업 수단이 동일한 관찰 조건 하에서 동일한 관찰 방향으로부터 상기 측정 필드(MF)에 의해 반사되는 측정 광을 수광하도록 상기 스펙트럼 픽업 수단(32)과 상기 촬상 픽업 수단(33)이 배치되고,
    상기 스펙트럼 픽업 수단(32)은 스펙트로미터(32a)를 광 검출기로서 포함하고, 상기 촬상 픽업 수단(33)은 디지털 컬러 카메라(33a)를 광 검출기로서 포함하고, 상기 측정 어레이(MA)는 섹션들에 있어서 공통 빔 경로인 픽업 빔 경로(32s, 33s)를 분할하여 한편으로는 상기 스펙트로미터(32a) 상으로 향하게 하고 다른 한편으로는 상기 컬러 카메라(33a) 상으로 향하게 하는 빔 스플리터(33c)를 포함하고,
    상기 적어도 세 개의 조명 방향과 상기 적어도 하나의 관찰 방향은 상기 장치 법선(DN)을 통해 연장되는 공통 시스템 면(SP)에 있으며,
    상기 빔 스플리터(33c)는, 상기 빔 스플리터가 상기 시스템 면(SP)으로부터 벗어나 본질적으로 45˚만큼 회전되어 상기 컬러 카메라(33a)를 위한 측정 광이 상기 시스템 면(SP)을 벗어나 유도되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 스펙트럼 픽업 수단(32)과 상기 촬상 픽업 수단(33)의 관찰 방향은 상기 장치 법선(DN)에 대하여 15˚만큼 경사진 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 측정 어레이(MA)는, 다른 관찰 방향으로부터 상기 촬상 픽업 수단(33)의 관찰 방향으로 상기 측정 필드(MF)로부터 반사되는 측정 광을 수광하는 다른 스펙트럼 픽업 수단(31)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 다른 스펙트럼 픽업 수단(31)의 관찰 방향은 상기 장치 법선(DN)에 대하여 45˚만큼 경사진 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 측정 어레이(MA)는, 상기 픽업 수단(31 내지 33)의 관찰 방향의 반대 방향으로 상기 장치 법선(DN)에 대하여 경사진 다른 조명 방향을 나타내는 조명 수단(21 내지 24)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 측정 어레이(MA)는, 상기 픽업 수단(31 내지 33)의 관찰 방향과 동일한 방향으로 상기 장치 법선(DN)에 대하여 경사진 다른 조명 방향을 나타내는 조명 수단(26, 27)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 측정 어레이(MA)는 본질적으로 20˚ 각도에서 빔들의 발산 번들(divergent bundle of beams)로 상기 측정 필드(MF)를 조명하는 추가 광택 조명 수단(29)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 측정 어레이(MA)는, 광학 소자(39)를 포함하고, 화상 필드 내외로 이동될 수 있으며 가상 볼록 화상 필드 곡률(39a)을 생성하는 음의 굴절력을 갖는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 측정 어레이(MA)는 상기 측정 필드(MF)를 확산식으로 조명하는 조명 수단(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  13. 제1항에 있어서, 조명 수단(27)에는, 조명 빔 경로(27s) 내에 도입될 수 있으며 상기 조명 수단(27)에 의해 조명되는 영역의 크기가 감소되게 하는 광학 소자(38)가 설치된 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 광학 소자(38)가 설치된 조명 수단(27)은 상기 장치 법선(DN)에 대하여 상기 픽업 수단(31 내지 33)과 동일한 측에 있는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 측정 어레이(MA)는 상기 조명 수단(21 내지 27)과 상기 픽업 수단(31 내지 33)의 빔 경로들 내에 일시적으로 도입될 수 있는 집적형 백색 기준부(integrated white reference; 35)를 포함하는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 백색 기준부(35)는 주변 영역들(35b, 35c)에 도달하는 광을 상기 백색 기준부(35)의 중심 영역(35a) 내로 편향하도록 구체화된 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 측정 어레이(MA)는 상기 백색 기준부(35)를 협대역 파장 범위를 나타내는 광으로 조명하기 위한 기준 조명 수단(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  18. 제1항에 있어서, 기준 채널들은, 적어도 일부 조명 수단(21 내지 27)에 할당되고, 상기 조명 수단(21 내지 27)으로부터의 조명 광 중 일부를 디커플링하여 광 전도체(41 내지 47)와 광 혼합기(34b)를 통해 스펙트로미터(34a)에 공급하는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 제어 어레이(C)는, 상기 촬상 픽업 수단(33)과 동일한 관찰 방향을 나타내는 상기 스펙트럼 픽업 수단(32)에 의해 생성되는 스펙트럼 측정값들을 이용하여, 상기 촬상 픽업 수단(33)에 의해 생성되는 컬러 화상 데이터를 컬러 관점에서 보정하도록 구체화된 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 제어 어레이(C)는, 상기 촬상 픽업 수단(33)에 의해 생성되는 색 화상 데이터(601)를 CIE XYZ 또는 sRGB 색 공간에서 절대 백색에 대한 크기의 규정된 해상도를 나타내는 표준화된 색 화상 데이터(611)로 변환하도록 구체화된 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  21. 제1항에 있어서, 상기 조명 수단(21 내지 27) 중 적어도 일부는 본질적으로 동일한 방식으로 설계되고, 각각은 적어도 하나의 일차 광원(21a) 및 애퍼처 또는 필드 다이어프램에 의해 형성되는 이차 광원(21d)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 일차 광원(21a)은 콜리메이터(21b)와 호모게나이저(21c)를 통해 상기 이차 광원(21d)을 조명하는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 조명 수단(21 내지 27) 중 적어도 일부는 공통 중심 광원(50)을 포함하고, 상기 중심 광원의 출력 광은 멀티플렉서(59)를 통해 상기 조명 수단(21 내지 27)의 조명 채널들 상으로 그리고 기준 픽업 수단(34) 상으로 분산되는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 조명 수단(21 내지 27) 또는 상기 중심 광원(50)은 하나 이상의 일차 광원(들)의 전체 에텐듀에 대한 무손실 액세스를 허용하는 비촬상 콜리메이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  24. 제23항에 있어서, 사용되고 있지 않은 하나 이상의 일차 광원(들)의 에텐듀의 일부를 통해 상기 조명 수단(21 내지 27) 또는 상기 중심 광원(50)에 하나 이상의 추가 광원이 추가되는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
  25. 제22항에 있어서, 상기 사용되고 있지 않은 하나 이상의 일차 광원(들)의 에텐듀의 상기 일부로부터 상기 조명 수단(21 내지 27) 또는 상기 중심 광원(50)에서 기준 광이 디커플링되는 것을 특징으로 하는 핸드헬드 측정 장치.
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