(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体の表面形状に関するデータを取得する方法であって、
１つの照射光源と、各々が１つの視野を持つ複数のセンサ・エレメントからなるアレイのセンサとを備えた構造体を準備するステップと、
前記照射光源から発せられる照射を、該照射が前記センサに対して固定的な経路を規定し該経路が前記媒体の表面に対して１６度未満の角度となるように、該媒体の表面に向けるステップであって、それによって、前記媒体の浮き出た表面形状に対応する比較的高輝度の第１の領域および比較的低輝度の第２の領域からなる照射パターンを前記表面の少なくとも一部に関して形成する、ステップと、
前記構造体を前記媒体に対して移動させるステップと、
前記構造体の前記移動の間に、前記センサによって、前記比較的高輝度の第１の領域および比較的低輝度の第２の領域を検出するステップと、
位置符号化情報および画像情報の少なくとも１つを決定するため、前記構造体の前記移動の間に前記比較的高輝度の第１の領域および比較的低輝度の第２の領域の位置を追跡することを含め、前記媒体の前記表面の画像を形成するステップと、
を含む媒体表面形状データ取得方法。
【請求項２】
照射を前記媒体の表面に向ける前記ステップが、非干渉性照射光源からの視準照射を含む、請求項１に記載の媒体表面形状データ取得方法。
【請求項３】
前記構造体を準備する前記ステップが２次元アレイのセンサ・エレメントを準備することを含み、
前記第１および第２の領域を検出する前記ステップが、前記媒体の前記表面の接合画像面に平行でかつ接近した位置に前記アレイを配置することを含む、請求項１または２に記載の媒体表面形状データ取得方法。
【請求項４】
前記第１および第２の領域を検出する前記ステップが、各センサ・エレメントの前記視野の少なくとも２倍の寸法を持つ第１および第２領域のみの連続画像を形成するステップであり、
画像を形成する前記ステップが、前記連続画像において前記第１および第２の画像の追跡を使用することによって位置符号化情報を決定することを含むステップである、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の媒体表面形状データ取得方法。
【請求項５】
画像を形成する前記ステップが、前記センサ・エレメントとは別のセンサを用いて、前記表面上の印刷情報を検出することを含む、請求項４に記載の媒体表面形状データ取得方法。
【請求項６】
照射を前記媒体の表面に向ける前記ステップが、前記照射光源から前記媒体への第１経路内および前記媒体から前記センサ・エレメントのアレイへの第２の経路内にプリズムを設置することを含む、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の媒体表面形状データ取得方法。
【請求項７】
前記プリズムへ複数の光線を放射し、前記表面から１６度未満の角度で前記表面に接近するように前記プリズムによって各光線の方向を変えるステップをさらに含む、請求項６に記載の媒体表面形状データ取得方法。
【請求項８】
媒体の表面形状に関するデータを取得する装置であって、
前記媒体の表面と本質的に平行な関係で位置決めを行うためにおおむね平坦な面を有する手操作可能格納体と、
前記平坦面において前記格納体に接続された１つの照射光源と、
前記平坦面に沿って配置された検出エレメント・アレイと、
前記格納体に接続され、前記表面に対し１６度未満の角度で前記表面に到達するように前記照射光源からの光の方向を定め、前記表面から拡散した光の方向を変えて前記検出エレメントに入射させる光学部品と、
を備える媒体表面形状データ取得装置。
【請求項９】
前記光学部品が、前記格納体の末端部に位置し前記平坦面に対して本質的に平行なプリズム面を有するプリズムを含む、請求項８に記載の媒体表面形状データ取得装置。
【請求項１０】
前記照射光源が光エネルギーを前記プリズムに投射するように方向を定められた複数の光源を含み、
前記媒体の前記表面に対し１６度未満の角度で前記光源の各々からの光エネルギーを放射するように前記プリズムが構成された、請求項９に記載の媒体表面形状データ取得装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には媒体の表面形状に関連したデータを取得する装置および方法に関するものであり、特に、位置符号化および画像複写データの高速取得のための照射光源および光学部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
装置および特定表面の間の相対的動きの正確な決定は、種々のアプリケーションにおいて重要である。例えば、写真複写機を通過する１枚のペーパーの連続的動きは、ペーパー経路に沿ったシートの位置の明確な特定を可能にするため監視される。Ertel氏等へ付与の米国特許第5,149,980号は、写真複写機、印刷装置またはスキャナを通過する１枚のペーパーが所与の方向に移動した距離を決定するため相互相関関数を使用する方法および装置を開示している。
【０００３】
上記引用の発明の好ましい実施形態において、光センサの線形アレイを使用してペーパー・シートから反射される光が検出され、受け取られる。実際のアプリケーションに関して、法線入射角光に関して効果が得られるように光源の方向を定めることとグレーズ光(すなわ入射角の小さい"かすめ光")に関して効果が得られるように光源の方向を定めることの間で妥協を図ることが必要であることを上記発明は注記している。法線入射角度光線の近くでは、光反射は最強であるが、ペーパーの表面テクスチャを「洗い落とす」傾向があり、従って、表面テクスチャを使用してペーパー・シート移動距離を決定することができない。逆の極端な場合には、グレーズ入射に向けられた光は、表面テクスチャの誇張された陰影を生成するが、ペーパー面に対して直角に反射する光の強度は最小であり、すなわち光センサに到達する光量は最小である。従って、上記のような妥協が実際のアプリケーションに関して必要であり、また、角度を選択する際には、ペーパーおよびその他のペーパー通路配置部材へのレンズ軸の近接を考慮に入れることが必要とされる。
【０００４】
所与の方向における１枚のペーパーの移動距離を決定する上記特許の方法の使用において、ペーパー繊維が考察されている。センサ・アレイが１次元アレイである場合、同特許は、各々が正方形構成を持つ２５６のフォト位置のＣＣＤアレイとしての画像形成装置を記述している。１つのフォト位置は、１３ｐｍ×１３ｐｍであり、アレイの全長は３.３２８ｍｍである。ＣＣＤが長さ１３.３１２ｍｍのペーパー部分を感知することができるように、光エレルギー１／４縮小光学部品が使用される。個々のフォト位置の観察フィールドは５２ｐｍ×５２ｐｍである。典型的ペーパー繊維の断面は約２５ｐｍである。次に大幅な画像ボケを使用して、より高い空間周波数が信号のエリアジングを引き起こすのを防止する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術はその設計目的のアプリケーションに関してはよく動作するが、より高速または携帯可能なアプリケーションは、エネルギー効率、Ｓ／Ｎ比、位置検知精度並びに正確度、およびコンパクトさの点で大幅な進歩を必要とする。１例は、オリジナル画像の忠実な表示を取得し記憶することができる手持式携帯ドキュメント・スキャナである。典型的には、スキャナによって提供される捕捉画像は、メモリにディジタル形式で記憶されるピクセル・データ・アレイである。ひずみのない画像は、ピクセル・データ・アレイへの画像の忠実な対応付けを必要とする。スキャナは、忠実な対応付けの可能性を最大にするため、画像捕捉プロセスの間に機械的制約を付加する少なくとも１つの手段を含むことが多い。しかしながら、走査装置がそのような機械的制約なしで使用されるべきものであれば、忠実な複写はより困難であり、２次元位置および回転の感知を必要とする。効率、ＳＮ比および正確度の問題は、また、印刷アプリケーションにおいても同様の関心事である。
【０００６】
従って、対象媒体に対して比較的迅速な移動を許容するため低コストで正確なナビゲーション情報(すなわち移動追跡・制御情報)および印刷画像情報を得るコンパクトでエネルギー効率の高い方法および装置が必要とされている。また、走査動作の間曲線的動きを可能にするために十分なナビゲーション情報を取得する装置および方法が必要とされている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像形成方法および装置において、少くとも１つの照射光源が、対象表面に対して１６度未満のグレーズ角度で照射光を向け、高輝度表面領域および低輝度表面領域を形成する。対象表面に対して１６度未満のグレーズ角度で照射光を向けることによって、浮き出た表面不規則物が、表面上の対象範囲内で高コントラスト照射パターンを形成する影を投影する。本発明の１つの局面において、グレーズ照射は、表面に対して複数の方向から対象範囲を照射する。高速走査が必要な場合、複数の方向からの同時のグレーズ角度照射が、信号レベルを上げ、照射パターンの検出性を向上させる。照射光源に対して位置が固定されているセンサ・エレメント・アレイと対象表面の間で相対的移動が開始されると、対象表面の画像を形成するため位置符号化情報あるいは画像情報のいずれかまたは両方を提供するため、高強度形状および低強度形状が追跡される。このように、表面の画像形状が、表面形状のユニークなパターンを定義し、そのパターンは検出されている表面の特定の領域に関連づけられる。更に、パターンは、個々の繊維より大きい断面を持つ表面形状により一層依存する。
【０００８】
変位または移動が含まれる照射形状を検出する場合、本発明は、対象形状の大きさに対する照射視野サイズの断面比率が２：１という要件を満たす。ナイキスト(Nyquist)基準は、表面不規則物によって投影される陰影の寸法が個々のセンサ・エレメントの視野の少なくとも２倍であることを要求している。１枚のペーパーの表面画像を複写する場合における本発明の方法および装置の使用に関しては、高強度および低強度形状は、紙製造工程におけるふるいによって形成された表面の粗さの結果であるかもしれない。典型的には表面の粗さは人間の目に見えないが、ペーパーに対して１６度未満で光を投射することによって、表面の粗さが陰影を投影し、それにより、上記断面要件を満たす形状を追跡するため強度変調の十分な深度を持つ照射パターンが提供される。グレーズ光を投射される表面形状のサイズは一般的に紙繊維より大きいので、高速な走査が可能となる。
【０００９】
１６度未満の角度で表面形状を照射することには大きな利点がある。この場合、照明または視準の指向性は平面法線に平行な照射平面においてのみ必要とされるので、そのような照射平面に直角な平面における視準に関する要件は大幅に緩和される。結果として、複数の照射光源を利用することが可能となるし、あるいは１つの光源を表面に対して平行に拡張することができるため、光のコントラストを保つために照射平面内で要求される視準角度を満たしながら、広い照射領域を活用することができる。別の利点は、より大きいコントラスト形状を作成することによって、エレメントの数が固定しているセンサ・アレイが、ナイキスト基準を破ることなく一層大きい視野を持つことができ、従ってより多くの信号を捕捉することが可能となる点である。これはまたより長いサンプル統合による信号強度の増加を可能にする。
【００１０】
対象表面の画像を形成する場合、表面不規則物は、１枚のペーパーのような媒体の表面上の印刷であるかもしれない。センサ・アレイおよび照射光源は、手持スキャナのような手操作可能な格納体に収納される場合がある。格納体が媒体表面に対して移動するにつれて、センサ・アレイからの信号は、アレイに対する表面不規則物の変位を追跡する。例えば、媒体表面上の照射パターンの連続画像間の相関が計算され、格納体が媒体に沿って移動する経路に関するナビゲーション情報が作成される。照射光源からの照射を本明細書においては「光」と呼ぶが、照射は可視スペクトルの外側の電磁放射であってもよい。照射光源は可干渉光の光源であってもよいが、非干渉性光が使用される方が好ましい。
【００１１】
本発明は、グレーズ照度のための種々の構造上の形態および種々の応用を含む。すなわち、照射光源に関して、グレーズ照射は、(1)光源が単一のもの、(2)対応する大幅なコントラスト損失なしに明確な表面輝度を増加させるため、各々が表面に直角な別々の入射面にあるにもかかわらずすべて単一の表面範囲に向けられる１つまたは複数の光源から発せられるもの、または、(3)相関が主要因子である応用分野の範囲内において対称性を向上させる交差構造のグレーズ照射を提供するため、複数の光源から表面区域の別々の部分上に発せられるもの、のいずれかである。また、光学素子の構成に関しては、(1)媒体接触窓を持つプリズム、または(2)総内部反射ミラーを介して法線入射角照射光を１６度未満のグレーズ光に偏光させる機能を持ちくぼんだ媒体窓を含む１体成形光学部品、のいずれかによって、光エネルギーを所望の角度で表面に向け、次に反射光を収集する。本発明の可能な応用分野には、医療画像形成、オリジナル画像の複写および表面ナビゲーション情報の取得が含まれる。
【００１２】
本発明の１つの局面において、視準された光がプリズムによって媒体に向けられる。照射光源から媒体へまた媒体からセンサ・アレイへの経路を規定するためプリズムを使用することには多くの利点がある。１つの利点は、媒体表面の照射のため最終的にプリズムから出る１６度未満のグレーズ角度より、プリズム内の表面に向かう照射角度が大きい点である。これは、表面の所望の目標区域を照射するように小さい断面光線を精密に変換することを容易にする。第２の利点は、プリズムのより高い屈折率がプリズムを通過する際の拡散による光の損失を少なくすることを意味する点である。プリズムを使用する２つの欠点は、プリズムへの光が十分に視準されなければならないこと、およびプリズムへの入射角度が厳格に制御されなければならないことである。
【００１３】
プリズムという手段によって光を方向付け、視準することは、グレーズ角度照射の実際的な実施を提供する。プリズムは、多数のカラーを識別しコントラストを増加させる場合に必要となるかもしれない複数の照射光源の使用を可能にする。
【００１４】
本発明の１つの側面において、１６度未満の角度でのグレーズ照射に、法線入射角照射が追加される。あるいは、１６度未満の角度でのグレーズ照射は法線入射角照射によって置き換えられる。ユーザは、浮き上がった表面不規則物の周波数による正確なナビゲーション追跡の可能性に応じて、適切な形態を選択することができる。
【００１５】
全内部反射を最大にする臨界角度近傍に入射角を合わせるため、薄膜誘電性反射防止膜をプリズムの末端部の表面に塗布することもできる。それにより、プリズム内における反射による光線力の損失を減少し、走査される媒体の表面への光線伝達が増加する。
【００１６】
センサ・アレイのナイキスト基準への合致を図るため、本発明は、拡散体の使用を含む。拡散体は、焦点深度または信号強度を犠牲にすることなく、ぼかされるべき表面形状画像内の一層高い空間周波数を可能にする。この拡散体には、１つのセンサ・エレメントに向けられた入射光を最も近い隣接エレメントに部分的に屈折する機能を持つ、画像生成アレイの直前に配置されたコンピュータ生成の屈折エレメントが含まれる。
【００１７】
また、本発明の別の１つの側面において、プリズムではなく、一体成形光学部品を使用して、全内部反射(ＴＩＲ)ミラーを介して、法線入射角照射を低角度照射に偏向させることを可能にする。更に、該光学部品は、くぼんだ、焦点外の、防塵媒体窓を含む。そのような窓は、目標領域にある媒体に実際に接触しない接触光学部品を提供する。これによって、本発明の装置および方法が、ほこり、汚れおよび引っ掻き傷の像を形成する可能性を減少し、１６度未満グレーズ照射を窓の下に導入しても、目標表面に平行なガラス空気間インターフェースを低角度照射に通過させることに伴う複雑性を避けることができる。
【００１８】
視準およびプリズムの使用は本発明にとって必須のものではない。実際、コントラストの相応の損失なしに明確な表面輝度の増加を達成するため、単一の表面区域の低空間周波数表面形状を、１６度未満の角度で複数の方向からプリズムなしで照射することは可能である。照射される表面区域の領域が、方向に関係なくグレーズ光によって照射されないほど周囲領域に比較して十分低ければ、低目に横たわる領域における陰影の大幅な損失なしに、高目に位置する領域における表面輝度を増加させるため、複数の方向から照射を追加することが必要となる。
【００１９】
本発明の更に別の側面において、目標区域が照射方向の観点から分割される。例えば、第１のグレーズ角度照射がセンサ・アレイにおけるセンサ・エレメントの行方向に向けられ、一方、第２のグレーズ角度照射がセンサ・アレイにおけるセンサ・エレメントの列方向に一般的に向けられる。各照射区域が３２×３２ピクセルであるとすれば、２つの照射光線の意図的または意図しない若干のオーバーラップはあるかもしれないが、センサ・アレイは３２×６４エレメントである。目標区域をこのように分割することによって、媒体画像における画像コントラストの優先志向は、媒体の非等方性が原因であろうが照射方向性が原因であろうが、少なくも部分的にオフセットされる。
【００２０】
本発明の方法および装置の１つの利点は、目標表面に対して１６度未満の角度での目標表面への光投射がコントラスの豊かな表面照射パターンを提供することである。センサ・エレメントの視野との断面上の関係に関するナイキスト基準を充足する照射パターン形状だけを追跡することによって、またプリズムあるいは同等の光学部品を使用して光を先ず照射し次に収集することによって、グレーズ角度照射および検出を実際に実施することができる。すなわち、上記引用の特許によって教示されたグレーズ角度とほぼ垂直の照射の間の妥協を確立する必要性が克服される。
【００２１】
目標表面に沿って移動するセンサ・アレイの方向に対する光の投射方向は、信頼性の高い位置符号化情報または画像複写情報を提供する上で十分に高いＳ／Ｎ比を達成する１つの主要な因子である。第２の主要な因子は、センサ・アレイ視野全体にわたる照射における不可避的不規則性に起因する低空間周波数変分を除去することである。従って、本発明の処理回路に、照射パターンのオリジナル画像を局所的差分画像に変換するＤＣ除去回路が含まれる場合もあり、それによって、低空間周波数は除去されるが、その除去は、局所的に差分を計算されることができる方向に対して、すなわち行あるいは列に対して、または主要対角線に対して優先的に行わうことができる。第３の因子は、センサ・エレメントの行の数および列の数に関連する。１つの方向においてエレメントの数が多い程、その方向における累積データにおけるコントラストは大きくなる。このように、特定方向における移動に関するエレメントの数とＳ／Ｎ比の間には相関関係が存在する。上記３つの主要因子の各々を考察することによって、その１つの長所を活用して他の１つの弱点を補うようにそれらを使用して、表面に対するいかなる方向における移動に関しても適切な相関信号を生成することが可能となる。
【００２２】
発明の課題を解決する手段として、本発明は、媒体の表面形状に関するデータを取得するため、１つの照射光源および各々が１つの視野を持つ複数センサ・エレメントからなるセンサ・アレイを備えた構造体を準備するステップ、上記照射光源から発せられる照射を、該照射が上記センサ・アレイに対して固定的な経路を規定し、該経路が上記表面に対して１６度未満の角度となるように、上記媒体の表面に向け、それによって、上記媒体の浮き出た表面形状に対応する比較的高輝度の第１の領域および比較的低輝度の第２の領域からなる照射パターンを上記表面の少なくとも一部に関して形成するステップ、上記構造体を上記媒体に対して移動させるステップ、上記構造体の上記移動の間に、上記センサ・アレイのセンサ手段によって、上記比較的高輝度の第１の領域および比較的低輝度の第２の領域を検出するステップ、および、位置符号化情報および画像情報の少なくとも１つを決定するため、上記構造体の上記移動の間に上記比較的高輝度の第１の領域および比較的低輝度の第２の領域の位置を追跡することを含め上記媒体の上記表面の画像を形成するステップからなる媒体表面形状データ取得方法を含む。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明は、医療およびコンピュータに関連したアプリケーションを含む種々のアプリケーションにおいて利用することができる。本発明の理解のため、以下コンピュータ・スキャナを参照して本発明の方法を記述する。
【００２４】
図１には、オリジナル１４に沿って曲りくねった経路１２をたどる携帯型手持走査装置１０が示されている。オリジナルは、１枚のペーパーかオーバーヘッド透明フィルムかまたはその他の表面に画像を持つ素材であり、その表面上に照射される１６度未満の角度の照射光によって、曲がりくねった経路に沿ったナビゲーションの間の位置情報を提供するために必要なコントラストが生成される。典型的には、照射の結果派生する照射パターンの低強度および高強度形状が追跡され、その位置情報を使用して画像データが調整されるが、以下にはその他の実施形態も記述される。走査装置は、好ましくは、独立型であり、その電源はバッテリである。しかし、外部電源への接続端子またはコンピュータあるいはネットワークのデータ・ポートヘの接続端子を備えることもできる。
【００２５】
図１の走査装置１０は、画像表示装置１６を含むこともある。表示装置によって、捕捉した画像をほとんど即時に見ることができる。しかし、表示装置は走査装置の使用にとって不可欠のものではない。
【００２６】
走査装置１０は、２つの位置変化、１つの回転変化という３つの自由度を許容する。第１の角度は、オリジナル１４に沿って側面から側面への移動(すなわちＸ軸移動)である。第２の角度は、オリジナル１４に沿って上下方向への移動(すなわちＹ軸移動)である。第３の自由度は、オリジナル１４の稜線に対する画像センサ・エレメントの回転方向の位置の誤りを補正するため装置を操作する角度(θ軸移動)である。すなわち、画像作成エレメントの線形アレイは、装置移動の方向に対し垂直でない迎え角を持つことがある。
【００２７】
図１ないし図３を参照して述べれば、走査装置１０の前面１８には、オリジナル１４と画像形成センサ２２の間での適当な接触を維持するのに役立つ旋回軸部材２０が含まれる。ナビゲーション・センサ２４、２６は、画像形成センサの両端に位置する。ナビゲーション・センサが旋回軸部材上に装着されるので、ナビゲーション・センサの画像形成センサに対する位置は固定される。物理的なコンパクトさを求めるため、画像形成センサ・アレイ２２は好ましくは密着画像装置であるが、コンパクトさがさほど重要でないかより小さい画像が求められるようなアプリケーションの場合、縮小投射を行う光学部品を用いるセンサを使用することもある。そのようなアプリケーションでは、画像形成センサ２２のエレメントはより小さくより密接にパックされなければならない。密着画像作成装置は典型的には日本板硝子社の米国における登録商標であるＳＥＬＦＯＣの名称で販売されているレンズを使用する。従来技術ではあまり多くはないが、密着画像作成は、画像作成レンズを使用せず、光源と近接センサのインタリーブされたアレイ・エレメントを使用して実施することもできる。走査アプリケーションの場合は、従来技術の画像形成センサを使用することもできる。画像形成センサは、照射光源、照射光学部品および画像伝送光学部品を含む装置の一部であることもある。
【００２８】
画像形成センサ２２は、線形アレイを形成する離散的光感知エレメントとして示されている。エレメントの間隔は、スキャナ１０の空間解像度を決定する役割を果たす。例えば、長さ１０１.６ｍｍを持つ線形アレイは、３００ｄｐｉの解像度を達成するには１２００個のセンサ・エレメントを必要とする。センサは、電荷結合素子(すなわちＣＣＤ)、アモルファス・シリコン・フォトダイオードのアレイ、またはその他のタイプの既知の線形アレイ・センサのいずれでもよい。
【００２９】
画像形成センサ装置の設計上の重要な考慮点は速度である。画像形成センサ２２は、毎秒約１０Ｋのサンプル数で各ピクセルの像を作成できることが望ましい。線形画像作成アレイは一般的に直列データストリームを作成し、ピクセル値(すなわち荷電値)がシフト・レジスタに置かれ、そこでシフト・アウトされる。所望の速度を達成するためには、ピクセル値が少ないセルを通してシフトされるように、画像アレイ全体からの高速直列伝送レートまたは複数のタップのいずれかを必要とする。これは、デジタル処理の利点である並列処理を導入する。
【００３０】
速度に関する要求によって求められるもう１つの結果は、オリジナルの表面におけるピクセル領域の対象物および各アレイ・エレメントへ発せられるそれらの光の立体角が、１００マイクロ秒のオーダーの積分時間で検出可能な信号を生成するために十分な大きさでなければならないという点である。各検出エレメントがそれに応答するセンサ・ピッチの効果的な断片を増加させる光学素子をセンサに加える強化オプションが存在する。アレイ・マトリックスの中に典型的に未使用の領域があるので、そのような光収集光学部品は感度を増加させる。
【００３１】
図１には、オリジナル１４の端から端へ４つの帯と１つの小断片を含むくねった経路１２が示されている。最もよくあるアプリケーションに役立つ画像形成センサ２２は、２５.４ｍｍから１０１.６ｍｍまでの範囲内の長さを持つ。センサ２２が６３.５ｍｍの長さを持てば、Ａ４のペーパーは４本または５本の帯で走査することができる。合わせ目処理を使用してオリジナル画像の忠実な複写を生成することができるようにするためには帯はオーバーラップした区域を含まなければならない。
【００３２】
走査装置１０は、典型的には、少くとも１つのナビゲーション・センサ２４または２６を含む。好ましい実施形態において、走査装置は、画像形成センサ２２の両端に位置する一対のナビゲーション・センサを含む。１次元アレイの光電子エレメントを使用することもできるが、本発明の好ましい実施形態において、各ナビゲーション・センサは２次元アレイの光電子エレメントである。ナビゲーション・センサ２４および２６を使用して、オリジナル１４に対する走査装置１０の動きが追跡される。
【００３３】
図２のナビゲーション・センサ２４および２６はオリジナル１４の移動する像を効果的に観察し、連続観察時点間の２次元変位を標示するデータを生成する。詳細は後述するが、ナビゲーション・センサからのピクセル値は、画像形成センサ２２からの画像データの適切な対応付けを決定する処理エレメントによって処理される。処理エレメントは特定のピクセルとその最も近接したピクセルを処理して、各ピクセル位置における相関値アレイを生成する。相関値は、固有の構造的表面形状の既知の位置を表し位置基準の役割をする記憶された画像と表面構造の現在画像の比較に基づく。しかし、相関プロセス以外の処理を使用して、出力画像を形成するように入力画像データを処理することも可能である。
【００３４】
図４には、照射光学部品と連係して動作するナビゲーション・センサ２４が示されている。オリジナル１４が、その表面不規則形状がナビゲーション・センサ２４によって検出されるべき紙製品であるとすれば、光をグレーズ角度で照射することによってその表面不規則形状は陰影を形成し、それによって、明るく照射された表面形状と明るく照射された部分の谷間となる暗い領域の間で明確なコントロラストを形成する照射パターンが作成される。必須ではないが、照射光源として１つまたは複数の発光ダイオード(ＬＥＤ)２８および３０を使用することができる。投射角度の補角であるグレーズ角度は、オリジナル１４の形状に応じて、０度と１５度の範囲内にある。光学部品は、適切に視準され一般的に均一な目標表面照射を達成するレンズまたはフィルタの単一または組み合わせエレメントか、ホログラフィまたは回折エレメントを含むものでよい。ソース２８および３０によって発される光の波長は、ナビゲーションに対して有効な空間周波数情報を強調するように選択されなければならない。照射フィールドにおける固定的パターン・ノイズは最小化されなければならない。走査装置が、インクまたは他の印刷材を吸収または反射しながら、印刷された材質上を進むにつれ、オリジナルの反射の広域ダイナミック・レンジに順応するように、光源２８の出力は調整される必要がある。
【００３５】
ナビゲーション画像形成光学部品の拡大または縮小倍率は、表面の像を表す光を検出する２次元センサ・アレイ２４の視野にわたって一定でなければならない。多くのアプリケーションでは、ナビゲーション光学部品の変調伝送機能すなわち光学的周波数応答の振幅測定は、ナビゲーション・センサのセンサ・エレメントのピッチおよび光学エレメントの拡大倍率によって決定されるナイキスト周波数の前に減衰を与えるようなものでなければならない。光学エレメントは、また、背景照射と迷光によってノイズが生成されることを防止するように設計されなければならない。波面分割式光線分割器(wavefront splitting beam-splitter)を使用することもできる。
【００３６】
１６度未満の角度でのオリジナル１４の目標区域照射は、オリジナルの表面が高度に不均等である応用分野についてうまく動作する。例えば、オリジナルが文房具、ボール紙、繊維あるいは人間の皮膚である場合、光源２８からのグレーズ角度での光照射は、表面特性に対して高いＳ／Ｎ比データを与える。グレーズ角度照射は、オリジナル表面に対する１６度以上の角度の照射に比較して、一層長い影と明確なコントラストを生成する。すなわち、オリジナルの表面が平坦でなく、スムーズでなく、光沢がないならば、グレーズ角度照射によってＡＣ信号レベルは非常に強調される。一方、照射角度が法線角度に接近するにつれＤＣ信号レベルは増加する。
【００３７】
図４は、プリズム３１手段によってグレーズ角度照射を実現する実施形態を示している。プリズムは、ｎ＝１.５１８５であるモデル番号ＢＫ−７ガラスとしてSchott社によって販売されているタイプのような一般的光学クラウン・ガラスで作られているものでよい。２つの照射光源２８および３０が投射する光は、プリズム３１に入る前にレンズ３２および３３によってそれぞれ集束され視準される。光はプリズムを出る際に方向を変えられ、オリジナル表面に対して１６度未満のグレーズ角度でオリジナル表面を照らす。表面の目標区域から拡散した光は、プリズムの上方レンズ表面３４によって集束され、ナビゲーション・センサ２４に向けられる。ナビゲーション・センサは、電子的計時機構を備え、表面における照射パターンの連続的フレームを作成することができる。連続的フレームは後述のような形態で相関付けできるが、相関は本発明にとって必須のものではない。
【００３８】
本発明の１つの実施形態において、プリズム３１は、オリジナル表面の法線から約４０.７度傾斜した法線を持つ面３５および３６を備える。そのような傾斜によって、照射光源２８および３０から発せられた光がプリズム面に対して直角に入射し、そのため、中心光線がプリズムに入る際大きく屈折する可能性がなくなる。このようにして、中心光線が、ＢＫ−７ガラスに関する全反射角度より若干小さい４０.７度の角度でプリズムの末端面３７にあたることができる。末端面３７から出る光は、オリジナルの表面に対してグレーズ角度となる。ＢＫ−７ガラスで４０.７度の場合、オリジナルの目標区域を照射する光の入射角度は表面法線に対して約８２度、すなわち表面平面に対して８度のグレーズ角度となる。実際には、照射ビームは、表面の目標区域の中心にあてられなければならない。目標区域は、プリズム３１に対して動かないが、スキャナの位置が変わるにつれ表面に対して移動する。
【００３９】
図４の実施形態では、プリズム３１のレンズ表面３４は、ナビゲーション・アレイ２４の中心とオリジナル１４の表面の目標区域の中心を結ぶ光軸に対して回転するように対称形をなしている。図示されてないが、光学エネルギーを発するレンズ表面３４はプレーナ・セグメントと取り替えることができるし、プリズムから離れたレンズまたはレンズ・システムを使用してナビゲーション・センサ２４上へ目標区域の像を形成することもできる。更に別の代替実施形態において、視準レンズ３２および３３の光学機能は、プリズム面３５および３６を適切な形状にすることによって達成することもできる。ナビゲーションの決定は画像相関を通して得られるべきものであるが、決定の正確性および精度は、オリジナル１４の表面の画像形成目標区域に対する照射の均一性によって強化される。例えば、光源２８および３０の各々の照射経路に適切な形状の複数の光学表面を配置することによる光線の再配置技術を使うことによって、照射の均一性を向上させることができる。照準レンズ３２および３３の表面ならびにびプリズム面３５および３６の形状を変更することがその１例である。照射光源それ自体の構造に屈折表面が存在するとすれば、これらの表面もまた上述の光線再配置に使用することが可能である。光線を各部分に均一にするそのような再配置技術は既知のものであるが、光エネルギー再配置光学部品の一部をプリズム設計に組み込む柔軟性は新機軸のものである。
【００４０】
オプションとして、本発明は拡散機能をプリズム３１のレンズ表面３４へ取り入れる。また、独立または代替拡散エレメントをプリズムとナビゲーション・センサ２４の間に使用することもできる。拡散の目的は、信号電力を(センサ・エレメントのピッチに関連する)ナイキスト基準空間周波数と等しいかそれ以下の空間周波数に変換することである。すなわち、拡散体は、さもなければ相関演算中のエリアジングを引き起こす可能性のある空間周波数のロールオフを行い、同時により低い空間周波数の信号エネルギーを押し上げる。
【００４１】
オリジナルの目標区域に沿って高いコントラスト照射パターンを達成するためのグレーズ角度照射の使用は、ナビゲーション・データを得る目的に限定されない。ページグレーズ角度の投射は、ページ上に浮き出た印刷部分に影を投じるため、本発明を使用してページ上の印刷画像を形成することもできる。
【００４２】
光源２８および３０からグレーズ角度照射を行うためにプリズム３１を使用することには多数の利点がある。第１に、図４に示されるように、さほどのコントラストの損失なしに複数の照射光源を同時に使用することができる。また、プリズムは、照射ビームの照射方向およびプリズム面に非常に接近している表面の高い部分における表面輝度によって、損失率を低下させる。プリズムなしの場合、損失率は８度グレーズ投射においてcos(90°- 8°)＝0.139である。しかし、1.5185という屈折率を持つプリズムを使用すると、対応する損失率は、cos(90°-   40.7°)＝0.652であり、プリズムのない場合に比較する損失率の向上は、0.652/0.139 = 4.69である。
【００４３】
プリズム使用のもう１つの利点は、プリズム内の入射光線の拡散が減少することである。更に、表面法線に対して平行する入射面に対して直角なすべての平面における視準に関する強い必要性が不要となる。このように、多数の照射光源を法線視界軸の周囲に配置して、光源の数と同じ倍数またはその結果である全光源領域の増加分に相当する量の放射照度の向上を実現することができる。光学的検出経路においてプリズム３１を使用する更にもう１つの利点は、パッケージ全体を大幅に拡大せずに、プリズムの表面を使用してナビゲーション光学部品を装填する可能性を与える点である。目標に向かう光線の断面がプリズムのない場合より大きいため、プリズムは、また、オリジナル１４の目標区域における照射を適切に位置づけるために必要な許容範囲の大幅な減少を与えることができる。プリズムを使用することによる許容範囲の減少は、プリズムを出る前後の入射角のコサイン比率の逆数である。しかしながら、プリズム使用の利点に反して、所望のグレーズ角度でオリジナル１４の対象区域を照射するように到来する照射光線の狙いを定めるため光線角度を制御することが、プリズムの使用に関して一層必要となる。入力面の法線に沿ってプリズムへの照射が行われるような前述の実施形態でのプリズムの使用の別の欠点は、入力光線が入射面内で一層完全に視準されねばならず、同時に角度的に一層正確に方向づけされなければならない点である。これらの２つの欠点は、プリズム媒体内に光源を実装することによって減少させることができるし、あるいはまた、図５に示されるように第１のプリズム表面の傾斜を増加させ投射角度を増加させることによって減少または排除することができる。
【００４４】
図５には、光源４１からの入射角照射がオリジナル１４の表面の法線に対して初期的に平行となるように傾斜したプリズム面３９および４０を持つプリズム３８が示されている。再びプリズム材料の屈折率が１.５１８５であると仮定して、プリズム面３９および４０の角度は約８１.４３度である。この角度は、また、プリズムから発された後に表面にあたる光の投射角度でもある。図５の実施形態は、プリズム３８の末端部分面における投射角度が図４に関して記述されたものと同じ４０.７度であることを可能にする。従って、プリズムは、図４を参照して記述したものと同等のレンズ表面４２を持つことができる。すなわち、レンズ表面４２はオリジナル１４の目標区域からの光を収束して、ナビゲーション・センサ２４上の目標区域へ像を形成する。ナビゲーション・センサと照射光源４１の両者は、走査装置の接触面４３に装着されているように示されている。
【００４５】
オリジナル１４の表面に最も近くそれに平行するプリズム末端部分面は、目標区域に関する焦点をアレイ２４に合うようにし、プリズムから出る光が目標区域を十分照射するように、オリジナルに近接して保持されなければならない。光源４１からの照射光線の幅を十分広く設計することによって、プリズムとオリジナルが若干離れたとしても、目標区域は十分明るく照射されることができる。
【００４６】
プリズム３８の使用について起きる関心は、反射減衰量に関するものである。反射減衰量は、特に入射面に対し直角な偏光に関して顕著である。図５におけるプリズム３８は、透過率を改善し反射減衰量を減らすため反射防止膜４５を含む。図示されてはいないが、プリズムの種々の面に反射防止膜を含むことが好ましい。図５において、潜在的な反射減衰量の一部が破線によって示されている。比較すれば、図４の末端部分面３７からの反射は、プリズム面３５および３６からの反射によって部分的に方向を変えられ末端部分面３７に向けられているオリジナルの光線と合体するので、パターン・ノイズの発生源とはならない。
【００４７】
反射防止膜４５は、既知の薄膜多層誘電膜技術を使用して作成することができる。例えば、屈折材料および厚さを適切に選択した２層Ｖコートを採用することも可能である。末端部分面における反射防止膜なしでは、屈折率１.５１８５に関する４０.７度の投射角度での平行および垂直偏光成分の反射は、それぞれ約３６％および６５％である。屈折材料および厚さを適切に選択した２層Ｖコートは、上記の反射のいずれか一方を１％以下に減少させ、他方を数％以下に減少させる。  照射光源４１は非干渉性光の発生源であるかもしれないが、これは重大な問題ではない。白熱電球、発光ダイオード、レーザ・ダイオードおよびレーザ・ダイオード・アレイを利用することもできる。手持スキャナに関しては、信頼性とコンパクトさを提供するので、発光ダイオードの使用が好ましい。可干渉性光源でもよいが、小斑点を生成する問題を引き起こす可能性がある。プリズム３８に発光鋳型部材を直接組み込むことも可能である。この場合照射光源は目標区域の非常に近い位置に配置され、反射カップや回折「レンズ」が所望の視準を得るように構成される。プリズム３８は、種々の材料で作成できる。鋳型成形ガラス、ピント・ガラス、磨かれたガラス、または鋳型プラスチックは適切な材料である。
【００４８】
図４およびと５を比較すれば、図５に示されるように単一照射光源４１を使用してオリジナルのグレーズ照度を提供することもできるし、図４に示されるように多数の光源２８および３０を使用することも可能である。いくつかのアプリケーションでは、図４のような複数方向からの「投光照明」が対応するコントラスト損失なしに表面輝度を効果的に増加させる。例えば、オリジナル１４のテクスチャが網状パターンを定義している場合、照射された区域の低目に横たわる領域が非常に低いため、グレーズ照射の投射方向に関係なくそこに光線が到達しない可能性がある。そのような場合、図４のような複数光源の実施形態が好ましい。複数光源の照射を備えることによって、照射された区域の高目の領域はより大きい光強度を拡散させるが、低目の領域は影の範囲内にとどまる。更に、照射角度が１６度未満にとどまれば、目標区域の画像の十分なコントラストを得るために光線を視準する必要はない。
【００４９】
図６および図７に示されるように、光源５５からの法線入射角度を、線５７によって表される目標に対して１６度未満の照射に偏光させる一体成形光学部品５３が提供される。光学部品は、全反射(ＴＩＲ)ミラーとして機能する表面５９において照射を偏光させる。表面５９は、光源５５からの照射に対してほぼ４５度である。光源は、単一レンズまたはいくつかの正方形鋳型を備えたＬＥＤか、１つの長方形鋳型を備えたＬＥＤでよい。ＬＥＤレンズの機能は屈折でも拡散でもよい。光源５５からの光は、ＴＩＲミラー５９の区域６１で反射される。反射光エネルギーは、対象表面の目標区域５７に到達する前に、光学部品／空気インターフェース表面６３を通過する。従って、光学部品５３の接触面６５は、照射されている目標区域から離れている。目標区域からの反射光線は、くぼんだ表面６７から光学部品５３に入る。反射光エネルギーは、光学部品を通過し、軸外れ楕円ミラーまたは反射屈折レンズ６９に到達する。光エネルギーは、ミラーまたは屈折レンズ６９から平面ミラー７１に向かい、そこで２次元アレイのセンサ・エレメント７３に向きを変えられる。従って、反射光は、目標区域５７からセンサ・アレイ７３まで折り曲がった経路をたどる。
【００５０】
対象表面に接触していないくぼんだ表面６７には多数の利点がある。光学部品５３は、くぼんだ所に位置し、気づきにくい、防塵機能を持つ媒体窓を備えていることとなる。この窓は装置の内部に進入するほこり、ごみ等から装置を守るはたらきをする。更に、窓は対象表面から離れているので、センサ・アレイによって表面を損傷させたり汚す可能性を減少させる。奥まった所に置かれた窓は、また、１６度未満の光線が表面６７の下に照射されることを可能にし、それによって、グレーズ光を対象表面に接近するガラス／空気インターフェースを通過させる複雑性を回避することができる。その代わり、照射は、くぼんだ窓の稜線を形成する側壁窓６３を通過する。
【００５１】
図８には、図５のグレーズ角度照射に代替するもののとして選択可能な法線投射照射が示されている。照射光源４９は、ナビゲーション・センサ２４からオリジナル１４の目標区域への光軸の中心に配置された反射エレメント４７へ光を向ける。光学的エレメント４７によって反射された光は、表面に対して法線投射角度で目標区域の照射を行う。４５度の反射エレメント４７における照射ビームの周辺光線は、レンズ表面４２自体ほどには目標区域からの角度の大きさを限定しない。これは、周辺光線の外側５度以上に拡散する光線のみが４５度反射エレメントの外側を通過しナビゲーション・センサに到着することを可能にする。法線角度での非干渉性光の使用は、写真、光沢のある雑誌のページおよびオーバーヘッド・プロジェクタ用透明フィルムのようなオリジナルから位置または画像データを取得するようなアプリケーションにおいて好ましい場合がある。陰影のついた表面形状を追跡する手段によってオリジナルに沿ったナビゲーションを信頼性高く決定することできるように十分な表面の粗さをオリジナルが備えていない場合があるが、反射方向から５度またはわずかにそれ以上の角度で照射される場合、オリジナル１４の異質な屈折率または表面被膜あるいフィルムの欠陥による光の拡散がナビゲーションを決定するために必要とされる基礎を提供するので、オリジナル・テクスチャは明瞭に見える。また、小斑点に基づくナビゲーションを可能にするため法線角度での可干渉性照射を行うことができる。
【００５２】
走査装置とオリジナルの間の相対的動きは、１つまたは複数のナビゲーション・センサ２４に対する小斑点の動きを監視することによって追跡できる。可干渉性照射が、画像形成光学部品を使用することなく使用される場合、小さい領域の照射を選択し、またオリジナルの表面とナビゲーション・センサの間に比較的大きい間隔をあけることによって、可干渉性照射による小斑点セル・サイズをナイキスト標本抽出基準を充足できる大きさにすることができる。小さい反射器４７の代わりにより大きい開口光線分割器または同様に大きい環状反射器を使用して、入射光および検出される拡散光の両者がオリジナル表面に対して法線となるようにすることができる。このような機器の配置は、特に写真媒体におけるすぐれた輝度およびコントラストを提供するが、典型的センサ・エレメントより目標形状が大きくなるようにするため画像が拡大されなければならない。これは、拡散媒体ではうまくはたらかない。
【００５３】
図８におけるグレーズ角度照射は、図５のプリズムおよび光源と同等のプリズム３８および光源４１を使用して達成される。光源４１からの光は、最初のプリズム面で向きを変えられ、表面にある末端部分面からのグレーズ角度照射でオリジナル１４に投射される。オリジナルの目標区域の画像はナビゲーション・センサ２４に形成される。
【００５４】
本発明が指定された傾斜を持つ表面を含むプリズムを備えるものとして上述され例示されたが、他の構成のプリズムを利用して所望のグレーズ角度照射を実現することは可能である。実際、ミラーのようなその他の既知の光学エレメントを使用してグレーズ角度を実現することができるので、プリズムは本発明にとって必須のものではない。迷光のトラップまたは撹乱のような目的のため、あるいは(1)ビーム断面の光力を向上し、(2)ビーム開口部を規定し、(3)鏡面反射された光および迷光を遮断し、そして(4)表面のナビゲーション画像の強いコントラストを維持するために必要な場合平面における視準を向上させるため、付加的光学エレメントを使用することもできる。
【００５５】
図９には、その表面に印刷されたブロック４６を持つオリジナルを横切って移動するスキャナ１０が示されている。スキャナ１０はオリジナルの平面におけるいかなる運動制約をも受けないので、ユーザの手および前腕が肘の周りで回転に応じて、オリジナルに沿った曲線的経路をたどる傾向がある。図９において、走査装置は、ブロック４６を横切って曲がった経路４８を追うように示されている。走査装置の下方稜線が、回転軸を規定する肘に一層近い稜線であるとすれば、その下方稜線は他より短い半径を持つ。従って、画像形成センサのエレメントは、ブロック４６上を通過するために必要な時間および距離とともに変化する。装置が第２の位置５２へ移動するにつれ、ゆがめられたブロック画像５０が捕捉される。適切な処理を行わない限り、捕捉される画像はゆがんだ画像である。しかし、画像形成センサがブロック４６の関連データを捕捉するので、ナビゲーションのための情報を得ることができる。好ましい実施形態において、１つまたは複数のナビゲーション・センサは、オリジナルの表面の不規則形状に関するデータを捕捉する。ブロック４６に対する画像形成センサの変位を決定するため、走査装置１０に対する表面不規則形状の動きが追跡され、信頼性の高い捕捉画像５４が形成される。本明細書において、画像５４は「調整された」画像として定義される。
【００５６】
図１０には、ナビゲーション処理の１つの実施形態が示されている。ナビゲーション処理は、強く反射する表面部分とその間にある陰の表面部分によって形成される照射パターンを表すデータのような連続したフレームのナビゲーション情報を相関させることによって実行される。相関は、連続フレームにおける表面形状の複数の位置を比較して、特定の時間におけるナビゲーション・センサの位置に関連した情報を提供する。次に、ナビゲーション情報は画像データを調整するために使用される。図１０の処理は、各ナビゲーション・センサに関して典型的に実行されるものである。
【００５７】
最初のステップ５６において、基準フレームが取得される。基準フレームは実際には開始位置である。その後の一定時間後におけるナビゲーション・センサからの位置データのサンプル・フレームを入手する(ステップ５８)ことによって、一定時間後のナビゲーション・センサの位置が決定される。次に、基準フレームと後刻入手したサンプル・フレームの間の相関を計算する(ステップ６０)。
【００５８】
画像形成処理は初期基準フレームの取得によって起動されることができる。そのような取得は、例えば、走査装置を単にオリジナルに接触する位置に置くことによって行うことができる。別の方法としては、走査装置に、画像処理およびナビゲーション処理を開始する開始ボタンを含むこともできる。また、各ナビゲーション・センサの照射系の周期的パルス発生によって装置を始動させることもできる。所定の反射しきい値を越えた反射信号または移動を示す相関信号が存在すれば、基準フレームが取得される。
【００５９】
ナビゲーション処理は、コンピュータを用いて実行されるが、その実施形態の概念は図１０および図１１に示されている。照射パターンの基準フレームがＴ形形状６４の画像を持つものとして示されている。基準フレームのサイズは、走査装置の最大走査速度、構造的形状の画像形成における支配的空間周波数およびセンサの画像解像度のような因子に依存する。３２(Ｎ)×６４(Ｍ)ピクセルであるナビゲーション・センサに関する基準フレームの実用的サイズは、２４×５６ピクセルである。
【００６０】
一定時間後(ｄｔ)に、Ｔ形をなおも含み基本的に同じ形状を示すフレーム６２を置き換える照射パターンのサンプル・フレーム６６をナビゲーション・センサが入手する。経過時間ｄｔは、Ｔ形形状６４の相対的変位が走査装置の変換速度でナビゲーション・センサの１ピクセル未満であるように設定されることが好ましい。６００ｄｐｉで毎秒０.４５メートルの速度の場合、許容可能時間は５０ミリ秒である。
【００６１】
基準フレーム６２取得(図の符号６２)とサンプル・フレーム６６取得(図の符号６６)の間で走査装置が移動していれば、Ｔ形形状の第１および第２の画像はその形状がシフトしたものである。本発明の好ましい実施形態では、ｄｔが１単位全体のピクセル移動を許容する時間未満のものではあるが、図１１における例示は、表示を簡明にするため、形状６４が上方および右方に１ピクセル分移動したように表されている。
【００６２】
図１１のエレメント７０は、フレーム６６のピクセル値の８つの隣接ピクセルへの逐次シフトを表す。すなわち、ステップ"０"はシフトを含まず、ステップ"１"は左上方変の斜めのシフトであり、ステップ"２"は上方へのシフトである。このように、ピクセルがシフトされたフレームがサンプル・フレーム６６に結合され、位置フレームのアレイ７２が作成される。相関結果に基づいて、サンプル・フレーム６６のＴ形形状６４の位置が、基準フレーム６２の同じ形状の位置に対して斜め上方へのシフトであることが決定されるとすれば、これは走査装置が時間ｄｔの間に左方向および下方向に移動したことを意味する。
【００６３】
他の相関アプローチを使用することが可能であるが、許容可能なアプローチは、「差分平方和」相関である。図１１の実施形態に関して、９つの相関係数(Ｃk＝Ｃ0,Ｃ1,...Ｃ8)がある。これら相関係数はエレメント７０の９つのオフセットから形成され、次式によって決定される。
【００６４】
【数１】
0003897852.tif 000002
【００６５】
但し、上式において、ｋがエレメント７０におけるシフトを示す識別子としてｋ方向へシフトされる場合において、Ｓijはサンプル・フレーム６６の位置ｉｊにおけるナビゲーション・センサ測定値を示し、Ｒijはフレームム６２におけるナビゲーション・センサ測定値を示す。図１１において、ｋ＝３の場合に相関係数は最も小さい値を与える。
【００６６】
フレームからフレームへの形状の変位を決定するため、相関係数を使用して、連続フレームにおける同一形状の位置を特定する。適切な光学部品の設計によって導入されるこれらの変位の総和およびスケール因子の補正によって、走査プロシージャの進行に伴う画像形成センサの変位が決定される。図１０において、ステップ５８で入手したサンプル・フレームに関する相関が実行された後(ステップ６０)、基準フレームをそのまま使用するかまたは置き換えるか決定が行われる(ステップ７４)。同じ基準フレームが次の相関計算にも使用されるべきものであれば、プロセスはステップ５８へ戻り、新しいサンプル・フレームが取得される。一方、基準フレームを置き換えるべき応用分野では、ステップ５８へ戻って新たなサンプル・フレームを取得する前に、既に取得したサンプル・フレームを新しい基準フレームとして使用する(ステップ７６)。処理は高度な相関合致を提供するが、発生する誤差がサンプル・フレーム６６の連続シフト毎に累積する可能性がある。このような誤差の増大に制約を課すため、サンプル・フレームは独立のバッファ・メモリに記憶される。このように別個に記憶されたサンプル・フレームは、後続の相関計算のための新しい基準フレームになる。例えば、一定回数の相関計算の後、新しい基準フレームを導入する。
【００６７】
サンプリング周期ｄｔは一定である必要はない。サンプリング周期を前の測定値の関数として決定することもできる。特定の境界内の連続的基準フレーム間で相対的変位を保つことによって変位計算の正確性を向上させるため、変数ｄｔを使う方法がある。例えば、上限は１ピクセル変位とし、下限は、ナビゲーション・データの処理における数値の切り捨て切り上げを考慮して決定される。
【００６８】
図１１では、Ｔ形形状６４は、照射光源からの光をオリジナルの表面に対して１６度未満の角度で方向づけることによって投影される影として示されている。一方、表面形状が、表面上に浮き出て明るく反射した領域を表す場合もある。すなわち、表面形状は低強度形状または高強度形状いずれでも可能である。
【００６９】
１つの実施形態において、基準フレーム６２のピクセルは、４０ｐｍの視野を表す。ナビゲーション・アレイの各センサ・エレメントの実際の断面は６０ｐｍである。この実施形態の光学エレメントは、１５０％の拡大倍率を提供する。図１１において、検出される形状６４は少くとも２つの視野の断面を持つ点に注意すべきである。形状対視野の２対１という比率はナイキスト基準によって要求されている。オリジナルの表面の画像を複写する際の本発明の方法および装置の使用に関する限り、高強度および低強度形状は、ペーパーの製造工程におけるスクリーンによって形成される表面の粗さの結果である可能性がある。典型的紙繊維の断面は、２５μｍから４０μｍの範囲にある。従って、紙繊維を追跡することは一般に望ましくない。
【００７０】
オリジナルの表面に１６度未満の角度で光を投射することによって、典型的には人間の目にみえない表面形状に影を投影せせ、十分な大きさの強度を持つ照射パターンを形成し、上述の断面要件を充足する形状追跡を可能にする。更に、印刷物が位置するペーパーに対して１６度未満の角度で投射されれる光によって照らされると浮き出た印刷が影を投ずるので、印刷物の像を形成することが可能となる。
【００７１】
画像複写または位置符号化情報を捕捉するために使用されるセンサ・アレイの移動方向に対して光が投射される方向は、その情報の処理に関するＳ／Ｎ比の１つの主要因子である。もう１つの重要な因子は、センサ・エレメントの数である。移動に対して垂直な方向にあるセンサ・エレメントの数が多いほど、各フレームで捕捉される高強度および低強度形状の数は多くなる。形状の捕捉がセンサ・アレイ経路の追跡の情報を提供するので、一層多くのセンサ・エレメントが、信号部分の比率を増加させる。このように、照射方向に対して直角なアレイの動にい関する照射方向の弱点は、その垂直方向におけるセンサ・エレメントの数の増加によってオフセットされる。Ｓ／Ｎ比の決定における第３の因子は、ＤＣ除去である。ＤＣ除去は、センサ・エレメントの隣接区域内に共通の照射形状を削除する。ＤＣ除去回路は、オリジナルのフレーム６２を局所的差分画像に変換する。局所的差分アプローチによって、低空間周波数が除去される画像が作成され、それによって相関を実現する。ＤＣ除去は、ピクセル値の行に沿ったフレームのピクセル値の伝送の間、行に沿ってのみとられる局所的差分を用いて、行から行へという形態で最も容易に実行される。ＤＣコンポーネントの除去を行毎に実施する場合、Ｓ／Ｎ比を決定する際の他の重要な因子の弱点のオフセットに応じて、列から列への形態または行と列両者の選択が行われるであろう。
【００７２】
このように、センサ・アレイと対象表面間の相対的移動方向の関数として持ち込まれる相関関数非対称性を相殺する方法が多数ある。図１２は、非対称性の導入におけるこの因子の効果を減少させる実施形態を示している。図１２の実施形態は、交差構造のグレーズ照射を示す。好ましい実施形態において、第１の照射光源１００は、センサ・アレイのセンサ・エレメントの行の方向に一般的に向けられる。第２の照射光源１０２は、センサ・アレイのセンサ・エレメントの列の方向に一般的に向けられる。光源の各々が造影すべき全領域の一部だけを照射するように配置されているので、媒体の目標区域は２つの区域１０４および１０６に分割されている。オプションとして２つの区域をオーバーラップさせることもできる。仮に照射された区域１０４および１０６の大きさが等しく、それぞれ例えば３２×３２ピクセルであるとすれば、全センサ・アレイは、３２×６４センサ・エレメントである。しかし、典型的には、２つの光源の一方の照射が他方の区域に「こぼれる」ので、若干のオーバーラップがある。オーバーラップが画像コントラストを大きく減らすことはない。
【００７３】
光源１００と１０２は、表面法線に対して平行な照射平面において測定される狭い投光角度を持つ光線１０８および１１０を生成するＬＥＤであるかもしれない。各光線は、媒体の関連区域１０４および１０６に対して１６度未満の入射角１１２および１１４を持つ。各区域は、単純化のため、光線１０８および１１０に一般的に直角な方向に延びる３つの影を持つように示されている。図１２の交差構造照射は、相関関数非対称性を大幅に減少させる。
【００７４】
本発明には、例として次のような実施様態が含まれる。
（１）媒体の表面形状に関するデータを取得する方法であって、１つの照射光源、および各々が１つの視野を持つ複数センサ・エレメントからなるセンサ・アレイを備えた構造体を準備するステップと、上記照射光源から発せられる照射を、該照射が上記センサに対して固定的な経路を規定し、該経路が上記表面に対して１６度未満の角度となるように、上記媒体の表面に向け、それによって、上記媒体の浮き出た表面形状に対応する比較的高輝度の第１の領域および比較的低輝度の第２の領域からなる照射パターンを上記表面の少なくとも一部に関して形成するステップと、上記構造体を上記媒体に対して移動させるステップと、上記構造体の上記移動の間に、上記センサ手段によって、上記比較的高輝度の第１の領域および比較的低輝度の第２の領域を検出するステップと、位置符号化情報および画像情報の少なくとも１つを決定するため、上記構造体の上記移動の間に上記比較的高輝度の第１の領域および比較的低輝度の第２の領域の位置を追跡することを含め、上記媒体の上記表面の画像を形成するステップと、を含む媒体表面形状データ取得方法。
（２）照射の方向を定める上記ステップが、非干渉性照射光源からの視準照射を含む、上記（１）に記載の媒体表面形状データ取得方法。
（３）上記構造体を準備する上記ステップが、２次元アレイのセンサ・エレメントを準備することを含み、上記第１および第２の領域を検出するステップが、上記媒体の上記表面の接合画像面に平行でかつ接近した位置に上記アレイを配置することを含む、上記（１）および（２）に記載の媒体表面形状データ取得方法。
（４）上記第１および第２の領域を検出するステップが、各センサ・エレメントの上記視野の少なくとも２倍の寸法を持つ第１および第２領域のみの連続画像を形成するステップであり、画像を形成する上記ステップが、上記連続画像において上記第１および第２の画像の追跡を使用することによって、位置符号化情報を決定することを含むステップである、上記（１）、（２）および（３）に記載の媒体表面形状データ取得方法。
（５）画像を形成する上記ステップが、上記センサ・エレメントの使用と無関係な形態で、上記表面上の印刷情報を検出することを含む、上記（４）に記載の媒体表面形状データ取得方法。
（６）照射を検出する上記ステップが、上記照射光源から上記媒体への第１経路内および上記媒体から上記センサ・アレイへの第２の経路内にプリズムを設置することを含む、上記（１）、（２）、（３）、（４）および（５）に記載の媒体表面形状データ取得方法。
（７）上記プリズムへ複数の光線を放射し、上記表面から１６度未満の角度で上記表面に接近するように上記プリズムによって各光線の方向を変えるステップを更に含む、上記（６）に記載の媒体表面形状データ取得方法。
【００７５】
（８）媒体の表面形状に関するデータを取得する装置であって、上記媒体の表面と本質的に平行な関係で位置決めを行うためにおおむね平坦な面を有する手操作可能格納体と、上記平坦面において上記格納体に接続された１つの照射光源と、上記平坦面に沿って配置された検出エレメント・アレイと、上記格納体に接続され、上記表面に対し１６度未満の角度で上記表面に到達するように上記照射光源からの光の方向を定め、上記表面から拡散した光の方向を変えて上記検出エレメントに入射させる光学部品と、を備える媒体表面形状データ取得装置。
（９）上記光学部品が、上記格納体の末端部に位置し、上記平坦面に対して本質的に平行なプリズム面を有するプリズムを含む、上記（８）に記載の媒体表面形状データ取得装置。
（１０）上記照射光源が、光エネルギーを上記プリズムに投射するように方向を定められた複数の光源を含み、上記媒体の上記表面に対し１６度未満の角度で上記光源の各々からの光エネルギーを放射するように上記プリズムが構成された、上記（９）に記載の媒体表面形状データ取得装置。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によって、対象媒体に対して比較的迅速な移動を可能にする低コストで正確なナビゲーションおよび印刷画像情報を得るコンパクトでエネルギー効率の高い方法および装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った、オリジナル・ペーパー上のくねった経路をたどる手持式走査装置の透視図である。
【図２】図１の走査装置の画像形成／ナビゲーション・センサの俯瞰図である。
【図３】画像形成／ナビゲーション・センサが見える位置で示されている図１の走査装置の透視図である。
【図４】複数の光源から光を処理するプリズムおよびグレーズ角度照射のブロック図である。
【図５】反射防止材を塗布したプリズムを用い、ナビゲーション・センサに隣接して取り付けられた光源を使用したグレーズ角度照射機構を示すブロック図である。
【図６】グレーズ角度照射を実施するため一体成形光学エレメントを利用する１つの実施形態の側面図である。
【図７】図６の実施形態の正面図である。
【図８】グレーズ角度照射および法線入射角照射という切り替え可能な組み合わせを使用した１つの実施形態のブロック図である。
【図９】図１の走査装置の画像捕捉動作の概念図である。
【図１０】図１の走査装置のナビゲーション処理の１つの実施形態の動作の流れ図である。
【図１１】図９の動作の選択されたステップを示す流れ図である。
【図１２】本発明の交差配置グレーズ角度照射の１つの実施形態のブロック図である。
【符号の説明】
１０    走査装置
１２    くねった経路
１４    オリジナル
１６    画像表示装置
１８    前方側面
２０    旋回軸部材
２２    画像形成センサ
２４、２６    ナビゲーション・センサ
２８、３０、４１、４９、５５、１００、１０２    照射光源
３１、３８    プリズム
３２、３３、６９    レンズ
３４、４２    上方レンズ表面
３５、３６、３９、４０    プリズム面
３７    末端部分面
４３    接触面
４４    オリジナル
４５    反射防止膜
４６    ブロック
４７    反射楕円
４８    曲線経路
５０    ゆがんだ捕捉画像
５２    第２の位置
５３    一体成形光学部品
５４    捕捉画像
５７    目標
５９    ミラー表面
６１    ミラー区域
６２    基準フレーム
６３    インターフェース・ウィンドウ
６４    Ｔ形形状
６５    接触面
６６    サンプル・フレーム
６７    くぼんだ表面
７０    シフト方向
７１    平坦ミラー
７２    位置フレームのアレイ
７３    センサ・エレメント
１０４、１０６  区域
１０８、１１０  光線
１１２、１１４  入射角
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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