(57)【要約】    【課題】  本発明の目的は、表面のよごれ等によって肉眼では観察できないような墨絵や墨書を、被計測物を加熱することなく計測でき、又、歪みのない画像として見ることができる赤外線レーザー計測・画像表示方法及びその装置を提供することにある。    【解決手段】  本発明の赤外線レーザー計測・画像表示装置は、一定波長の赤外線パルスレーザーを発振する半導体レーザー１と、赤外線パルスレーザーを被計測物１１０に照射する投光ミラー２と、投光ミラー２を一定のピッチでスキャニングさせるモーター駆動式ミラースキャニング機構３及びモーター駆動式ヘッドスキャニング機構４と、被計測物１１０からの反射光を受光する受光レンズ５と、受光レンズ５からの光を電気信号に変換するCCDラインセンサー６と、CCDラインセンサー６の信号を変換するA/Dコンバーター７と、レーザー光が反射した点の三次元座標と反射光の強度を計算する信号処理電子回路部８と、信号処理電子回路部８からの信号を三次元画像表示する画像表示装置９とを有する。【選択図】図２
2006023083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物にスポット状赤外線レーザーを一定のピッチでパルス照射するステップと、該照射部の各位置での反射光の強度を検出するステップと、前記強度の低い部分について複数個所を選定してその中の最大値を求めるステップと、該最大値より大きい前記強度を計測した全点について最大強度に置きかえるステップと、該最大強度とそれ以外の強度とに基づいて画像として表示するステップとを有することを特徴とする赤外線レーザー計測・画像表示方法。
【請求項２】
被計測物にスポット状赤外線レーザーを照射する半導体レーザーと、該半導体レーザーのスキャニング装置と、前記照射後の反射光の強度を検出する受光装置と、前記強度の低い部分について複数個所を選定してその強度の最大値より大きい強度の全点について最大強度に置きかえる信号処理装置と、前記最大強度とそれ以外の強度とに基づいて画面表示する画像表示装置とを有することを特徴とする赤外線レーザー計測・画像表示装置。
【請求項３】
請求項２において、前記スキャニング装置が前記レーザーを被計測物に照射する投光ミラーと、該投光ミラーを左右にスキャニングさせるミラースキャニング機構及び上下にスキャニングさせるモーター駆動式ヘッドスキャニング機構とを備え、前記受光装置が前記被計測物からの反射光を受光する受光レンズと該受光レンズからの光を電気信号に変換するCCDラインセンサーと該センサーからのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/Dコンバーターとを備え、前記信号処理装置が三角測量原理に基づいて計測された三次元座標に対応させて前記反射光の強度を出力計算する回路部を備え、三次元座標による画像として表示する前記画像表示装置を備えたことを特徴とする赤外線レーザー計測・画像表示装置。
【請求項４】
請求項２又は３において、前記半導体レーザーは、波長が1.0〜2.0μｍの範囲から選択された一定波長の赤外線パルスレーザーであることを特徴とする赤外線レーザー計測・画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面のよごれにより肉眼では見ることのできない墨書又は墨絵を三次元画像として観察する新規な赤外線レーザー計測・画像表示方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面がよごれて見えにくい墨書や墨絵の観察には、赤外線カメラを使用するのが一般的である。波長の長い赤外線は可視光に比べると透過力が大きいために、よごれの表面層を突き抜けて内部まで到達する。また、墨は下地の木材や紙と比べると光の反射率が小さく、墨と他の部分とでは反射光の強度に違いがでる。この原理により、赤外線カメラを用いれば、表面のよごれによって肉眼では観察できないような絵や文字を見ることができる。
【０００３】
しかし、赤外線カメラを用いる場合は、投光器を用いて大量の赤外線を照射するため、資料が加熱のために劣化する懸念がある。また、通常、一回で撮影できる大きさは最大でも300ｍｍ×300ｍｍ程度で、より大きなサイズの場合には何枚もの画像を撮る必要があり、レンズ歪みに起因する画像の歪みと投光条件の不均一さに起因する画像むらが問題となる。
【０００４】
前述の問題に対して、非特許文献１に開示される「赤外線イメージスキャナー」は、フラットベッド型のイメージスキャナーを利用し、観察時に資料に対して必要最小限の赤外線を照射し、被計測物からの反射光をCCDリニアイメージセンサーで受光するシステムが示されている。
【０００５】
又、大きなサイズや平板でないものの形状を歪みなく計測するシステムとしては、三次元レーザースキャナーがある。これはレーザーをスキャンして、被計測物の三次元形状を計測するもので、非特許文献2に開示されるように、銅鐸など不定形なものの計測に活用されている。機種により計測距離が異なり10ｃｍ程度から数100ｍまでさまざまなものがある。このシステムに用いられるレーザーは可視光から近赤外線まであり、波長としては0.5〜0.9μｍの範囲である。
【０００６】
【非特許文献１】宮原健吾、他、日本文化財科学会、第17回大会研究発表要旨集、ｐ.204（2000年）
【非特許文献２】塚本敏夫、他、日本文化財科学会、第17回大会研究発表要旨集、ｐ.208（2000年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
表面のよごれ等によって肉眼では観察できないような墨書や墨絵を見ることができれば、文化財の調査、保存の分野で極めて有益と考えられるが、従来技術には次に示すような問題がある。
（１）不定形の土器や大きな天井に描かれたものを観察する場合、得られる画像に歪みが生じると共に、投光条件の不均一さに起因する画像むらを生じ、鮮明な画像が得にくい。
（２）波長に幅を持つ投光器による赤外線照射においては長時間の照射が必要となるため、長時間の照射による資料劣化の懸念がある。
【０００８】
又、従来技術の問題は、投光器を用いて資料に照射する赤外線波長が幅を持っていることである。その幅は概ね0.8〜2.0μｍである。一方、反射光を検出する赤外線カメラも、赤外線フィルムであれば0.8〜1μｍ、赤外線ビジコンカメラであれば0.8〜2μｍの幅を持つ。一般に、波長が長いほど透過できる表面層は厚くなる。したがって、表面層が厚い場合には、長波長の赤外線のみが下地を検出し、短波長の赤外線は無用となる。この結果として、得られる画像に不要な情報が重畳され鮮明さを欠くことになる。また、下地情報をより多く得るためには、不要な波長を含めて多量の赤外線を照射せざる得なくなり、資料に一層の熱を与える結果となる。
【０００９】
更に、非特許文献１のシステムは、大量の赤外線照射を避け、歪みの少ない画像を得ることができるが、平らな板や紙状のものしか取り扱うことができず、土器など湾曲しているものの表面を観察することが難しい。また、天井や壁など固定された物の上に描かれたものは計測することができない。
【００１０】
又、非特許文献２のシステムにおいても、形状を歪みなく記録できるが、波長が短いために、表面層の厚さが0.1ｍｍ以上の場合には光が下地まで透過せず、下地の墨書や墨絵を観察することが難しい。
【００１１】
本発明の目的は、表面のよごれ等によって肉眼では観察できないような墨絵や墨書を、被計測物を加熱することなく計測でき、又、歪みのない画像として見ることができる赤外線レーザー計測・画像表示方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、被計測物にスポット状赤外線レーザーを一定のピッチでパルス照射するステップと、該照射部の各位置での反射光の強度を検出するステップと、前記強度の低い部分について複数個所を選定してその中の最大値を求めるステップと、該最大値より大きい前記強度を計測した全点について最大強度に置きかえるステップと、該最大強度とそれ以外の強度とに基づいて画像として表示するステップとを有することを特徴とする赤外線レーザー計測・画像表示方法にある。
【００１３】
前記最大強度とそれ以外の強度とを別の色の画像として表示すること、前記検出される強度を前記被計測物の三次元座標に対応させて出力すること、又、前記強度の低い部分が前記被計測物の墨部分であることが好ましい。
【００１４】
即ち、本発明の赤外線レーザー計測・画像表示方法は、被計測物に一定波長のスポット状赤外線レーザーを一定のピッチでパルス照射し、その反射光を受光することにより、レーザーが当たった各位置の三次元座標と反射光の強度を検出し、強度の大小を色に変換したのち、各座標位置に配置した強度画像として出力することにある。
【００１５】
赤外線レーザーの波長は、1.0〜2.0μｍの範囲から選択された一定波長の赤外線パルスレーザーを発振する半導体レーザーが好ましく、波長が短いことに起因して透過できる表面層の厚さが急激に薄くなる下限界である1.0μｍ以上、また、光のエネルギーの低下により透過できる表面層の厚さが薄くなる上限界である2.0μｍ以下が好ましい。なお、透過能力が高い1.5〜2.0μｍの範囲が特に好ましい。
【００１６】
更に、歪みとむらのない画像を得るためには、下記の要件を満たすことが好ましい。
（１）赤外線投光器を使用しない。
（２）絶対寸法（三次元座標）を計測できる。
この二つの要件を満たす方法が赤外線半導体レーザーを用いた三次元レーザースキャナーである。一定波長のパルスレーザーを走査することにより、資料の加熱は回避され、赤外線照射条件も一定に保てる。これにより、（１）の要件を満たし、また、三次元レーザースキャナーの計測原理を用いれば絶対座標を計測でき、（２）の要件を満たすことができる。なお、三次元座標の計測原理には飛行時間法と三角測量法があるが、被計測物の大きさが概ね2ｍ×2ｍ以下であることを考えると、三角測量法によることで測定精度を高められる。また、検出能力と精度を高めるため、レーザーの出力は10〜50ｍW、スポット径は2ｍｍ以下、計測ピッチは2ｍｍ以下であることが望ましい。
【００１７】
赤外線はよごれなどの表面層を透過して下地に達するが、反射率は墨の部分で小さい。したがって、反射光の強度は墨の部分で他よりも小さくなる。しかし、この現象をさらに詳しくみると、光の反射は墨と表面層の厚さに依存する。通常、表面層の厚さは均一ではないため、場所により強度差が出る。墨部分を画像で認識する上で、この強度差をそのまま色に変換して表示すると、画像むらの原因になる。そこで、計測で得られた点群（三次元座標と強度を有する点の集合体）を基に、強度の大小を色に変換した後、その色別に各座標位置に対応させて強度画像として出力する。次いで、被計測物と強度画像を比較して墨部分の点を複数個選定し、その強度を読み取る。次に、読み取った強度の最大値を求め、この値より大きい強度を計測した全点の最大強度に置きかえる。この処理により、墨部分を明示することができる。なお、墨部分は墨の厚さにより強度が異なるが、これは厚さを認識する上で重要であるので、そのまま残しておく。この処理を施した点群をあらためて画像表示することにより、墨絵や墨書を観察することができる。
【００１８】
又、本発明は、被計測物にスポット状赤外線レーザーを照射する半導体レーザーと、該半導体レーザーのスキャニング装置と、前記照射後の反射光の強度を検出する受光装置と、前記強度の低い部分について複数個所を選定してその強度の最大値より大きい強度の全点について最大強度に置きかえる信号処理装置と、前記最大強度とそれ以外の強度とに基づいて画面表示する画像表示装置とを有することを特徴とする赤外線レーザー計測・画像表示装置にある。
【００１９】
前記スキャニング装置が前記レーザーを被計測物に照射する投光ミラーと、該投光ミラーを左右にスキャニングさせるミラースキャニング機構及び上下にスキャニングさせるモーター駆動式ヘッドスキャニング機構とを備え、前記受光装置が前記被計測物からの反射光を受光する受光レンズと該受光レンズからの光を電気信号に変換するCCDラインセンサーと該センサーからのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/Dコンバーターとを備え、前記信号処理装置が三角測量原理に基づいて計測された三次元座標に対応させて前記反射光の強度を出力計算する回路部を備え、三次元座標による画像として表示する前記画像表示装置を備えたこと、又、電源部、接続ケーブルを有するものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、表面のよごれ等によって肉眼では観察できないような墨絵や墨書を、被計測物を加熱することなく計測でき、又、歪みのない画像として見ることができる赤外線レーザー計測・画像表示方法及びその装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は本発明の赤外線レーザー計測・画像表示装置の全体構成図及び図２はその詳細な構成図である。図１に示すように、本実施例の赤外線レーザー計測・画像表示装置は、赤外線パルスレーザー光を被計測物１１０に照射する赤外線パルスレーザー光照射部２２とその反射光を検出する受光部２１を有する赤外線レーザーヘッド１０１、コントローラー１０２、画像表示装置９から構成され、被計測物１１０として表面のよごれ等によって後述する肉眼では観察できないような墨絵や墨書を、加熱することなく計測でき、又、歪みのない画像として見ることができるものである。
【００２２】
又、図２に示すように、本発明の赤外線レーザー計測・画像表示装置は、波長が1.0〜2.0μｍの範囲から選択された一定波長の赤外線パルスレーザーを発振する半導体レーザー１と、半導体レーザー１から発振された赤外線パルスレーザーを被計測物１１０に照射する投光ミラー２と、投光ミラー２を一定のピッチでスキャニングさせるモーター駆動式ミラースキャニング機構３及びモーター駆動式ヘッドスキャニング機構４と、被計測物１１０からの反射光を受光する受光レンズ５と、受光レンズ５からの光を電気信号に変換する電荷結合素子(Charged Coupled Device) であるCCDラインセンサー６と、CCDラインセンサー６からのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/Dコンバーター７と、三角測量原理に基づきレーザー光が反射した点の三次元座標と反射光の強度を計算する信号処理電子回路部８と、信号処理電子回路部８からの信号を三次元画像表示する画像表示装置９と、図示されていないが、電源部と、接続ケーブルとを有する。
【００２３】
先ず、赤外線レーザーヘッド１０１は、CPU１７からの信号に従ってAPC(Automatic Power Control)回路（光出力安定化回路）１４を介して赤外線半導体レーザー１から赤外線パルスレーザー１８が発振される。発振された赤外線パルスレーザー１８は投光ミラー２を介して被計測物１１０に照射される。赤外線パルスレーザー１８は、投光ミラー用モータードライブ１５とモーター１２により回転する投光ミラー２と、ヘッド用モータードライブ１６とモーター１３により駆動する赤外線レーザーヘッド１０１により、一定のピッチで被計測物１１０に左右と上下にスキャニングされ、全体に照射される。なお、投光ミラー用モータードライブ１５とヘッド用モータードライブ１６はCPU１７により制御される。被計測物１１０からの反射光は受光部２１に設けられた受光レンズ５で受光され、その光信号はCCDラインセンサー６、A/Dコンバーター７を介して信号処理電子回路部８に入る。信号処理電子回路部８では、反射光の強度と共に、被計測物１１０を構成する点の三次元座標を、投光角度と受光角度と投光ミラー２と受光レンズ５間の距離を基に三角測量原理に基づいて計算し、さらに、計測で得られた点群を基に画像処理を行ない、処理した画像信号を画像表示装置９に送る。なお、投光ミラー２と受光レンズ５の距離は100〜150ｍｍで、計測有効範囲は3ｍ以下である。視野角は垂直方向が±45°以上、水平方向が±45°以上である。
【００２４】
図３は被計測物の中の表面のよごれ等によって肉眼では観察できないような墨絵や墨書を信号処理電子回路部によって画像処理を行う手順を示すフロー図である。まず、ステップS１００では、計測で得られた点群（三次元座標と強度を有する点の集合体）を基に、強度の大小を色に変換する。ステップS１０１で、各三次元座標で配置した強度画像を画像表示装置９に出力する。ステップS１０２で、被計測物１１０と強度画像とを比較して墨部分の強度の低い部分を複数個選定し、その強度を読み取る。ステップS１０３で、読み取った強度の最大値を求める。ステップS１０４で、この値より大きい強度を計測した全点について最大強度に置きかえる。最後に、ステップS１０５で強度画像を画像表示装置９に出力する。
【００２５】
以上の処理により、墨部分を明示することができる。なお、墨部分は墨の厚さにより強度が異なるが、これは厚さを認識するうえで重要であるので、そのまま残しておく。この処理を施した点群をあらためて画像表示することにより、墨絵や墨書を観察することができる。なお、強度は256階調のグレースケールに変換して画像として表示することが望ましい。
【００２６】
図４は、被計測物の中の表面がよごれて下地が見えにくい墨絵や墨書を示す図であり、図５は本発明の赤外線レーザー計測・画像表示システムを用いて画像表示した図である。図４において、被計測物１１０の墨絵や墨書１９とそれより強度の高い部分２０を示している。図５に示すように、ステップS１０４で前述の墨絵や墨書の部分の最大強度値より大きい強度を計測した全点について最大強度に置きかえ、ステップS１０５で墨絵や墨書の部分の最大強度とそれ以外の強度とに基づいて画像として画像表示装置９に表示したものである。又、図５の画像は三次元座標に基づいて表示されているので、歪みは全くない。なお、波長が1.0〜2.0μｍの範囲と長くかつ一定波長の赤外線を用いることにより、表面のよごれ層の厚さによらず、鮮明な画像が得られる。また、レーザ出力を調整することにより、墨とその他の部分との違いを明瞭に表示することができる。
【００２７】
以上、本実施例によれば、表面のよごれ等によって肉眼では観察できないような墨絵や墨書を、資料を加熱することなく計測でき、又、歪みのない画像として見ることができる。特に、資料が大きく、かつ平面状でない場合も原形に忠実に三次元画像として画面表示することができる。
【００２８】
更に、本実施例によれば、文化財保護として、特に、神社、仏閣などの天井や壁などの墨絵、文字の調査、土器や木簡の文字解読、絵画の下描きの鑑定に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の赤外線レーザー計測・画像表示装置の全体構成図である。
【図２】本発明の赤外線レーザー計測・画像表示装置の詳細を示す全体構成図である。
【図３】本発明の赤外線レーザー計測・画像表示装置の信号処理回路部における処理方法を示すフローチャートである。
【図４】被計測物の表面がよごれて下地が見えにくい墨絵や墨書を示す図である。
【図５】本発明の赤外線レーザー計測・画像表示装置によって墨絵や墨書を計測・画像処理した結果を示す画像である。
【符号の説明】
【００３０】
１…半導体レーザー、２…投光ミラー、３…モーター駆動式ミラースキャニング機構、４…モーター駆動式ヘッドスキャニング機構、５…受光レンズ、６…CCDラインセンサー、７…A/Dコンバーター、８…信号処理電子回路部、９…画像表示装置、１０…電源部、１１…接続ケーブル、１２、１３…モーター、１４…APC回路、１５…投光ミラー用モータードライブ、１６…ヘッド用モータードライブ、１７…CPU、１８…赤外線パルスレーザー、１９…墨絵や墨書、２０…墨絵や墨書より強度の高い部分、２１…受光部、２２…赤外線パルスレーザー光照射部、１００…赤外線レーザー計測・画像表示システム、１０１…赤外線レーザーヘッド、１０２…コントローラー、１１０…被計測物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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