ОПТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
OPTICAL MEASURING DEVICE

Настоящее изобретение относится к оптическому измерительному устройству для измерения оптического представления образца, в частности поверхности кожи человека, причем оптическое измерительное устройство содержит первое осветительное устройство для освещения поверхности первым осветительным лучом, который падает на поверхность под первым углом падения, и устройство детектирования для детектирования ответного луча, который является откликом образца на первый осветительный луч, содержащий по меньшей мере один экран для перехвата ответного луча и по меньшей мере один элемент видеодетектирования.
Изобретение также относится к способу обследования поверхности образца и измерения оптического представления образца, в частности поверхности кожи человека, согласно которому освещают поверхность образца первым осветительным лучом, падающим на поверхность под первым углом; перехватывают ответный луч, являющийся откликом образца на по меньшей мере первый осветительный луч.
Известны оптические измерительные устройства для обследования поверхности объекта, именуемого в дальнейшем "образцом". К ним относятся колориметры, измерители блеска, рефлектометры и/или фотогониометры, которые используются для исследования поверхности образца.
Оптическое измерительное устройство для измерения оптического представления поверхности образца раскрыто в патенте США 6630673 В2.
Это оптический измерительный прибор содержит, в основном, средство для освещения поверхности, называемое в дальнейшем осветительным устройством, и средство для детектирования излучаемого луча после взаимодействия осветительного луча с поверхностью образца, называемого ответным лучом. При этом осветительный луч по существу отражается, и/или рассеивается, и/или поглощается поверхностью обследуемого образца, создавая ответный луч. Осветительный луч может также вызывать образование флуоресцентного света.
Упомянутые выше различные оптические измерительные приборы чувствительны к различным оптическим представлениям поверхности образца. Колориметр чувствителен к различным цветам поверхности, рефлектометр чувствителен к излучаемому лучу, рассеянному поверхностью, и т.д.
Поверхность, имеющую оптическое представление, можно описать различными параметрами или свойствами. Это могут быть механические свойства, такие как шероховатость, текстура, твердость, сопротивление трению и т.д. Визуальное представление можно охарактеризовать такими свойствами, как блестящий, глянцевый, тусклый, а также имеющий устойчивый цвет или состоящий из цветовых комбинаций и т.д.
Свойства поверхности обуславливают различные формы взаимодействия с осветительным лучом, например различные степени отражения, коэффициенты поглощения, характер рассеяния и/или пропускания в случае прозрачной или пропускающей поверхности.
В большинстве оптических измерительных приборов измеряется одно из вышеупомянутых свойств и устанавливается корреляция между, например, шероховатостью и степенью блеска с применением стандартов для сравнения и базы данных или таблицы назначений.
В патенте США 6577397 В1 раскрыто оптическое измерительное устройство, называемое рефлектометром. Рефлектометр содержит осветительное устройство для создания осветительного луча, освещающего поверхность образца, и экран для перехвата излучения, рассеиваемого с места нахождения образца, а также чувствительную к излучению систему детектирования для захвата двумерного изображения экрана и преобразования его в электрический сигнал детектора. Экран может быть отражающим или пропускающим, и он обычно является проекционным экраном. Двумерное изображение, сформированное на экране, представляет угол и распределение излучения, рассеянного образцом, расположенным на месте нахождения образца. Этот прибор также известен как "парусиаметр" (Parousiameter), и он характеризирует текстуры, блеск и резко изменяющиеся цветовые эффекты как качество оптического представления декорированных или готовых продуктов.
Кожа человека является образцом, который представляет большой интерес для области здравоохранения, для разработки косметических продуктов и процедур, а также в области медицины. На оптическое представление кожи человека влияет как сама поверхность, так и подповерхностная область, потому что человеческая кожа является прозрачным материалом.
Зрительное восприятие человеком оптического представления человеческой кожи имеет полностью субъективно-количественный характер. Однако получение объективного численного значения этого оптического представления является достаточно сложной задачей, так как кожа - это живая поверхность, которая может изменяться во время выполнения измерений. С другой стороны, человеческая кожа у разных людей разная, и поэтому сложно найти стандарт для объективного описания человеческой кожи в целях ее классификации.
Поэтому существует потребность в объективном методе определения количественных параметров оптического представления прозрачной человеческой кожи для отраслей промышленности, производящих косметические продукты, медицинские продукты и т.п.
В патенте США №6630673 В2 раскрыты устройство и способ для неинвазивного измерения по меньшей мере одного оптического параметра образца, в частности образца ткани, который содержит множество слоев. Упомянутый по меньшей мере один параметр можно использовать для определения наличия или концентрации интересующего анализируемого вещества в образце ткани.
С помощью этого устройства и способа измеряют свет, который по существу отражается, рассеивается, поглощается или излучается поверхностным слоем образца ткани, измеряют свет, который по существу отражается, рассеивается, поглощается или излучается более глубоким слоем образца ткани, и определяют по меньшей мере один оптический параметр для каждого из этих слоев с учетом влияния поверхностного слоя на упомянутый по меньшей мере один оптический параметр более глубокого слоя.
Определение глубины образца позволяет определить оптические свойства конкретного слоя образца ткани, то есть собственно кожи, и уменьшает помехи от других слоев, то есть рогового слоя и эпидермы, при этих определениях.
Описанное устройство позволяет измерить количество света, переизлучаемого образцом, в частности рукой человека, и оценить на основании сравнений различные коэффициенты поглощения кожи.
Однако описанное выше оптическое измерительное устройство не позволяет определить полное оптическое представление кожи.
Поэтому целью настоящего изобретения является создание оптического измерительного устройства, предназначенного для оценки оптического представления поверхности образца, в частности оптического представления человеческой кожи.
Согласно настоящему изобретению эту цель решает оптическое измерительное устройство, соответствующее описанному в начале документа, которое содержит по меньшей мере второе осветительное устройство, создающее второй осветительный луч со вторым углом падения на поверхность, причем первый угол падения отличается от второго угла падения.
Благодаря использованию первого осветительного устройства и второго осветительного устройства образец можно освещать с различными параметрами освещения, такими как интенсивность осветительного луча, длина волны и/или угол падения осветительного луча, в результате чего формируется различный ответный луч. Например, глубина проникновения в поверхность образца зависит от длины волны и угла падения осветительного луча.
За счет различной глубины проникновения двух осветительных лучей освещение поверхности образца двумя различными осветительными лучами, имеющими различные углы падения, обеспечивает доступ к поверхности и к подповерхностным областям образца, причем эти подповерхностные области различные.
Ответный луч, формирующийся на поверхности и в подповерхностных областях, измеряется устройством детектирования (детектором), содержащим по меньшей мере один экран и чувствительный к излучению элемент видеодетектирования. Ответный луч перехватывается экраном, и двумерное изображение экрана захватывается чувствительным к излучению элементом видеодетектирования и преобразуется в электрический сигнал. Двумерное изображение, сформированное на экране, представляет угловое распределение ответного луча, которое является откликом образца на освещение первым осветительным лучом и/или вторым осветительным лучом. Следовательно, изображение представляет собой Фурье-подобное преобразование физических свойств образца, в котором специальные изменения и физические свойства образца преобразуются в угловое изменение энергии излучения.
В зависимости от первого осветительного луча и второго осветительного луча можно детектировать ближнее поле, и/или дальнее поле, и/или глубокое поле. Ближнее поле описывает изображение поверхности, которое видит глаз наблюдателя, полученное чувствительным к излучению элементом видеодетектирования.
Дальнее поле описывает, как поверхность отражает осветительный луч на расстоянии в угловых единицах диффузного рассеяния, отражениях блеска, эффектах угла зрения и т.п. Хотя результат эффектов дальнего поля типа блеска можно видеть, само распределение дальнего поля является невидимым. Дальнее поле захватывается экраном, формирующим двумерное изображение на экране, а двумерное изображение на экране захватывается чувствительным к излучению элементом видеодетектирования.
Глубокое поле описывает, как осветительный луч переизлучается прозрачным материалом, при этом ответный луч является откликом подповерхностной области, рассеивающей осветительный луч и переизлучающей ответный луч с поверхности на месте, удаленном от точки входа осветительного луча. Следовательно, для измерения глубокого поля необходимо осветить поверхность пятном освещения, чтобы получить глубокое поле.
В зависимости от осветительных лучей, которые характеризуются углами падения, можно детектировать ближнее поле, дальнее поле и/или глубокое поле.
При этом с помощью предложенного оптического устройства доступны по меньшей мере два различных параметра, дополнительных к оптическому представлению поверхности образца.
Ответный луч может быть сформирован отражением и/или рассеянием, включая рассеяние различными областями на самой поверхности и/или в подповерхностных областях. Это обеспечивает доступ к свойствам поверхностных слоев и подповерхностных областей на различной глубине и позволяет оценить эти свойства.
В первом предпочтительном варианте изобретения оптическое измерительное устройство содержит третье осветительное устройство, создающее третий осветительный луч с третьим углом падения на поверхность, который отличается от первого и/или второго угла падения.
Первое осветительное устройство, второе осветительное устройство и третье осветительное устройство содержат, в частности, полупроводниковые лазеры, СИД и/или галоидные источники излучения с вольфрамовой нитью, излучающие первый излучаемый луч, второй излучаемый луч и/или третий излучаемый луч, которые имеют различную длину волны или одинаковую длину волны, но в соответствии с настоящим изобретением они имеют различный угол падения на поверхность образца.
Интенсивности этих по меньшей мере трех излучаемых лучей могут быть одинаковыми или различными. При этом подповерхностную область кожи, являющуюся прозрачным материалом, можно наблюдать так же, как поверхность человеческой кожи.
Первое, и/или второе, и/или третье осветительное устройство можно разместить в различных местах в оптическом измерительном устройстве, чтобы обеспечить различные углы падения осветительных лучей на поверхность.
В следующем предпочтительном варианте изобретения элементом видеодетектирования является камера, в частности цифровая камера.
Использование камеры в качестве элемента видеодетектирования обеспечивает быстрый захват изображения, при этом изображением является полное распределение рассеянного осветительного луча на поверхности или в подповерхностной области. Эта камера может быть видеокамерой, обычной аналоговой камерой, а также цифровой камерой, в частности камерой с ПЗС или КМОП-детектором. Преимущество использования цифровой камеры может состоять в том, что выход цифровой камеры уже сам является файлом данных с полной информацией об изображении.
В следующем предпочтительном варианте экраном является полный полусферический экран, перехватывающий ответный луч, с углом 360° в азимуте и углом 180° наклона над поверхностью образца, что обеспечивает широкое поле.
Экран является простым и экономичным средством для перехвата ответного излучения. Экран, в частности, имеет покрытие, предназначенное для визуализации перехваченного отклика.
Полный полусферический экран позволяет перехватить большую часть ответного луча. Двумерное изображение описывает дальнее поле, являющееся реакцией поверхности на расстоянии в угловых единицах диффузного рассеяния, отражениях блеска, эффектах угла зрения. В результате формируется картина распределения света. При этом видны эффекты распределения дальнего поля, например центров рассеяния, центров отражения блеска и т.п. Благодаря большому углу 360° над поверхностью образца все количество света, отраженного и/или рассеянного с поверхности, перехватывается экраном, обеспечивая высокую чувствительность.
В другом предпочтительном варианте экран является по существу плоским экраном, охватывающим приблизительно четверть полусферы.
Для экрана, охватывающего приблизительно четверть полусферы, требуется совсем немного места. Предпочтительно расположить этот экран так, чтобы устройство освещало поверхность и угол для перехвата ответного луча на экране был около 90°. Пространство, выигранное за счет применения такого экрана, можно использовать для размещения осветительного устройства близко к поверхности.
Такое оптическое измерительное устройство можно использовать для обследования вогнутых криволинейных поверхностей и/или использовать его с подвижной измерительной головкой для обследования поверхностей объектов большего размера или скрытых частей с очень небольшим пространством.
В другом предпочтительном варианте оптическое измерительное устройство содержит основание с измерительным портом (окном), через который проходят осветительный луч для освещения поверхности и ответный луч к устройству детектирования.
Использование измерительного порта позволяет разделить осветительный луч и ответный луч, детектируемый устройством детектирования.
Использование измерительного порта позволяет выбрать конкретный участок всей поверхности образца и осветить выбранный участок.
В следующем предпочтительном варианте измерительный порт выполнен так, что охватывается небольшой участок поверхности образца, чтобы обеспечить высокое пространственное разрешение.
Преимущество измерительного порта в оптическом измерительном устройстве, выполненного так, что охватывается небольшой участок наблюдаемой поверхности, заключается в том, что можно освещать небольшие участки поверхности осветительным лучом, проходящим через измерительный порт.
Дополнительное преимущество использования маленького измерительного порта состоит в том, что можно использовать основание очень маленького размера. Это основание является частью оптического измерительного устройства, которое контактирует с поверхностью образца. Маленькое основание с маленьким измерительным портом позволяют реализовать небольшую площадь контакта оптического измерительного устройства. Это позволяет исследовать криволинейные поверхности, в частности отрицательно искривленные поверхности, при контакте основания с этой вогнутой поверхностью.
В другом предпочтительном варианте изобретения измерительный порт имеет форму продолговатой апертуры для детектирования ответного луча, который является реакцией образца на осветительный луч, рассеянный в подповерхностной области, причем ответный луч формируется на расстоянии от места падения осветительного луча на поверхность.
В силу того что ответный луч, который является реакцией образца на осветительный луч, рассеянный в подповерхностной области, формируется на расстоянии от места падения осветительного луча на поверхность, использование прямоугольного измерительного порта отсечет глубоко рассеянный осветительный луч ("глубоко рассеянный" обозначает осветительный луч, рассеянный в подповерхностной области). Использование продолговатой апертуры позволяет детектировать глубоко рассеянный осветительный луч.
Согласно следующему предпочтительному варианту изобретения осветительный луч, прямо отраженный поверхностью, отсекается по существу вертикальной перегородкой, расположенной в продолговатой апертуре.
Продолговатая апертура предпочтительно делится перегородкой на осветительную часть и детекторную часть.
Прямо отраженный осветительный луч на поверхности образца имеет более высокую интенсивность, чем освещение, рассеянное в подповерхностной области. Поэтому для получения разрешения с высокой интенсивностью предпочтительно, чтобы устройство детектирования детектировало только рассеянный осветительный луч.
Кроме того, это позволяет разделить осветительный луч и ответный луч, чтобы экранировать осветительный луч, который обычно является очень интенсивным излучаемым лучом.
Согласно следующему предпочтительному варианту изобретения продолговатая апертура выполнена так, что ответный луч имеет пространственное распределение, зависящее от глубины, на которой осветительный луч рассеивается в подповерхностной области.
Благодаря удлиненной форме продолговатой апертуры ответный луч может пройти через продолговатую апертуру, и он содержит пространственное распределение, зависящее от глубины, на которой рассеивается осветительный луч. Осветительный луч падает на так называемое пятно освещения, которое представляет собой точку падения на поверхности образца. Осветительный луч проникает в подповерхностную область, которая простирается на определенную глубину. Осветительный луч рассеивается на поверхности, на первой глубине подповерхностной области, на второй глубине подповерхностной области и так далее. В зависимости от глубины, на которой рассеивается осветительный луч, рассеянный осветительный луч переизлучается с поверхности в различных местах относительно пятна освещения, формируя ответный луч с пространственным распределением. При этом осветительный луч, рассеянный на меньшей глубине, переизлучается на участке, который ближе к осветительному лучу, рассеянному на большей глубине.
Это обеспечивает доступ к глубокому полю, потому что ответный излучаемый луч содержит осветительный луч, рассеянный на поверхности и на различных глубинах подповерхностных областей поверхности образца, если поверхность содержит прозрачный материал. Осветительный луч, рассеянный в подповерхностной области, переизлучается с поверхности на месте, удаленном от пятна освещения.
В другом предпочтительном варианте оптическое измерительное устройство содержит элементы для разделения ответного луча и осветительного луча.
Этими элементами являются обычно так называемые экранирующие перегородки, расположенные в оптическом измерительном устройстве в местах, выбранных в зависимости от выполняемого измерения. Они необходимы по той причине, что пятно освещения на поверхности относительно яркое и вызывает передержку устройства детектирования, в частности, если устройством детектирования является камера.
Согласно следующему предпочтительному варианту изобретения оптическое измерительное устройство содержит по меньшей мере одно зеркало для формирования изображения ответного луча, перехваченного экраном, в элементе видеодетектирования.
Использование по меньшей мере одного зеркала в оптическом измерительном устройстве позволяет размещать элемент видеодетектирования в различных местах. Если ответный луч отображается непосредственно элементом видеодетектирования, то этот элемент должен быть расположен на прямом оптическом пути ответного луча, чтобы детектировать ответный луч. В зависимости от конструкции оптического измерительного устройства может быть целесообразным расположить элемент видеодетектирования, например, под углом 30-80° к поверхности образца, с которой излучается ответный луч.
Это обусловлено тем, что, например, осветительное устройство и другие оптические элементы должны располагаться обязательно на прямом оптическом пути ответного луча, который по существу перпендикулярен поверхности образца. Зеркало также может служить экранирующей перегородкой.
В следующем предпочтительном варианте изобретения каждое из первого осветительного устройства, и/или второго, и/или третьего осветительного устройства содержит первый, и/или второй, и/или третий источник излучения, а также и/или первое, и/или второе, и/или третье оптическое волокно для направления первого, и/или второго, и/или третьего осветительного луча на поверхность образца.
При этом возможны различные конструкции оптического измерительного устройства.
Первый возможный вариант оптического измерительного устройства содержит первый источник излучения, который соединен с первым оптическим волокном, второй источник излучения, который соединен со вторым оптическим волокном, и третий источник излучения, который соединен с третьим оптическим волокном. При этом первый источник излучения может излучать излучаемый луч с первой длиной волны, второй источник излучения может излучать излучаемый луч со второй длиной волны и третий источник излучения может излучать излучаемый луч с третьей длиной волны. Излучаемый луч может падать прямо как осветительный луч на поверхность образца или же может направляться на поверхность образца с помощью оптических волокон. При этом оптическое измерительное устройство обладает большой гибкостью в смысле разнообразия осветительных лучей с различными свойствами, такими как длина волны, угол падения и другие свойства типа размера осветительного луча в точке освещения.
В другом предпочтительном варианте оптическое измерительное устройство содержит первый источник излучения и первое, второе и третье оптическое волокно, причем первое оптическое волокно обеспечивает первый угол падения, второе оптическое волокно обеспечивает второй угол падения и третье оптическое волокно обеспечивает третий угол падения соответствующего осветительного луча.
Это решение является экономичным, так как оптическое измерительное устройство содержит всего один источник излучения. При этом также экономится пространство. Целесообразно использовать в качестве источника излучения ксеноновую импульсную лампу камеры, используемой в качестве чувствительного к излучению элемента видеодетектирования.
В следующем предпочтительном варианте изобретения первое оптическое волокно, и/или второе оптическое волокно, и/или третье оптическое волокно располагаются близко к поверхности, чтобы обеспечить маленькое пятно освещения на поверхности.
Благодаря этому можно получить высокое пространственное разрешение получаемого изображения, так как можно расположить на определенном участке поверхности большее количество пятен освещения, чтобы сканировать сегменты поверхности с небольшой площадью.
Согласно следующему предпочтительному варианту устройство детектирования содержит по меньшей мере один цветной светофильтр.
Процесс рассеяния в подповерхностной области вызывает в зависимости от того, на какой глубине происходит это рассеяние, сдвиг длины волны переизлучаемого луча относительно осветительного луча.
Использование цветного светофильтра позволяет визуализировать цвет ответного луча. Различные цвета обусловлены различными длинами волн ответного луча. Набор цветов от синего до желтого охватывает диапазон длин волны приблизительно между 350-700 нм, в котором каждому цвету соответствует определенная длина волны. Например, красный цвет имеет длину волны приблизительно 633 нм.
Согласно другому предпочтительному варианту изобретения оптическое измерительное устройство содержит по меньшей мере один поляризационный светофильтр.
Использование по меньшей мере одного поляризационного светофильтра позволяет анализировать состояние поляризации ответного луча. Это важно, потому что рассеяние и/или отражение осветительного луча может вызывать изменение плоскости поляризации в ответном луче. Предпочтительно предусмотрен также второй поляризационный светофильтр.
Согласно следующему предпочтительному варианту изобретения оптическое измерительное устройство содержит вычислительное устройство для определения коэффициента корреляции на основании детектированного ответного луча.
Коэффициент корреляции, также называемый приведенной чувствительностью устройства, определяет корреляцию между измеренным значением и присвоенным свойством. При этом корреляция измеренного ответного луча отражает оптическое представление, известное пользователю оптического измерительного устройства, например блестящий, очень блестящий, тусклый, темный, светлый, сверкающий и т.п.
Коэффициент корреляции позволяет классифицировать информацию, содержащуюся в детектированном ответном луче. В частности, вычисленные из ответного луча значения сопоставляют с упомянутыми выше классификациями оптического представления. При этом посредством детектирования ответного луча можно получить такой типичный выход оптического измерительного устройства, как: поверхность очень блестящая, или поверхность тусклая, или поверхность имеет степень блеска 3 при диапазоне степеней блеска от 1 до 10.
Задачу изобретения также решает способ обследования поверхности образца и измерения оптического представления образца, в частности поверхности человеческой кожи, описанный в начале документа, в котором поверхность освещают вторым осветительным лучом, падающим на поверхность под вторым углом падения, определяют первый и/или по меньшей мере второй коэффициент корреляции на основании перехваченного ответного луча и присваивают первый и по меньшей мере второй коэффициент корреляции первому и/или второму признаку оптического представления образца.
Осветительный луч имеет по меньшей мере два различных угла падения на поверхность, позволяет получить доступ к глубине и/или другим свойствам на поверхности и/или в подповерхностной области кожи. Оценка первого и/или по меньшей мере второго коэффициента корреляции на основании перехваченного ответного луча и назначение первого и по меньшей мере второго коэффициента корреляции первому и/или второму признаку оптического представления позволяют пользователю оптического измерительного устройства получить описание и классификацию известного оптического представления.
Оценка коэффициента корреляции позволяет дополнительно сжать и упростить информацию, содержащуюся в ответном луче, для пользователя. Также можно использовать различные базы данных с различными назначениями в зависимости от целевого пользователя.
Например, если оптическое измерительное устройство используется ученым, то его выход может характеризовать поверхность в единицах количества центров рассеяния или коэффициента рассеяния. Если пользователь является медицинским работником, то выход может быть представлен в виде симптомов заболевания кожи, например количество черных центров при диагностике меланом или т.п. Если же пользователь является специалистом, использующим оптическое измерительное устройство в области косметологии, то выход устройства может быть представлен как количество морщин или их глубина до и после косметической процедуры.
В первом аспекте способа выполняют второй этап освещения поверхности по меньшей мере третьим осветительным лучом и оценивают по меньшей мере третий коэффициент корреляции для получения третьего признака оптического представления образца.
Использование по меньшей мере трех осветительных лучей, имеющих различные углы падения на поверхность, позволяет получить разнообразную информацию.
Согласно следующему аспекту способа используется база данных для присвоения соответствующего коэффициента корреляции соответствующему признаку образца.
База данных является стандартным инструментом, используемым в обработке данных. Она позволяет легко сохранять большое разнообразие различных признаков и измеряемых значений, определенных из детектированных ответных лучей. База данных обладает гибкостью, так как позволяет легко добавлять новые данные и новые признаки.
Предпочтительно выбирать положение и/или угол первого осветительного луча, и/или второго осветительного луча, и/или третьего осветительного луч так, чтобы можно было использовать имеющиеся элементы типа зеркал в оптическом измерительном приборе в качестве экранирующих средств.
Согласно следующему предпочтительно аспекту способа оптическое измерительное устройство содержит вычислительное средство для вычисления оценки коэффициента корреляции на основании детектированного ответного излучаемого луча.
С помощью коэффициента корреляции картину отражения и/или рассеяния поверхности, несущую информацию об оптическом представлении поверхности, можно преобразовать в единицы, пригодные для применения пользователем. Коэффициент корреляции позволяет сжать полную информацию и извлечь интересующую информацию из всего набора детектированных данных. Например, можно получить такие привычные для пользователя параметры, как загар, красота, наличие веснушек, блеск или количество темных пятен и т.п.
Оценка коэффициентов корреляции предпочтительно выполняется с помощью отдельных серий измерений с использованием стандартных поверхностей для конфигурирования базы данных. При этом для настоящего изобретения является важным и существенным, чтобы оптическое измерительное устройство зависело от того, каким образом свет освещает поверхность образца. Хотя отраженный и/или рассеянный свет от поверхности и/или подповерхностных областей перехватывается из всего интегрированного ответного луча, производится оценка параметров, по меньшей мере одного параметра, соответствующего наиболее интересному эффекту. Это может быть, например, степень блеска, цвет, вид или степень прозрачности и т.п.
В этом состоит преимущество изобретения по сравнению с другими принципами, согласно которым в одном измерении измеряется один параметр. В предложенном способе с использованием оптического измерительного устройства в соответствии с настоящим изобретением измеряется общий эффект и из таких общих эффектов извлекается всего одна информация. При этом не имеет значения, какие оптические процессы вызвали извлеченные эффекты.
Ввиду того что интересующие эффекты могут иметь место в трех различных специальных областях, которые относятся к совершенно различным визуальным подходам, данный оптический способ позволяет измерять три перечисленные выше специальные области: ближнее поле, дальнее поле и глубокое поле.
При этом полные измеренные аспекты оптического представления поверхности образца преобразуются в признаки оптического представления, известные пользователям данного способа. База данных может храниться на носителе информации, таком как компакт-диск, диск DVD или ином. Важно, чтобы база данных хранилась в электронной форме и чтобы определение коэффициента корреляции выполнялось с помощью интеллектуального программного обеспечения на основании ответного луча, детектированного и преобразованного в электронную форму компьютером.
Описанные выше и другие более конкретные цели и преимущества настоящего изобретения будут понятны специалистам из следующего подробного описания предпочтительных вариантов изобретения в совокупности с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 изображает схематический вид первого варианта оптического измерительного устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 изображает схематический вид оптического измерительного устройства с использованием второго осветительного устройства;
фиг.3 изображает ответный луч;
фиг.4 изображает схематический вид оптического измерительного устройства с использованием третьего осветительного устройства;
фиг.5 изображает схематический вид второго варианта настоящего изобретения;
фиг.6 изображает диаграмму с информацией, полученной из детектированного ответного луча;
фиг.7 изображает диаграмму, содержащую корреляцию между информацией измерений и оптическим представлением.
На фиг.1 показан схематический вид оптического измерительного устройства 10. Оптическое измерительное устройство 10 расположено над образцом 12, имеющим поверхность 14, подлежащую обследованию. Оптическое измерительное устройство 10 содержит первое осветительное устройство 16, второе осветительное устройство 18 и третье осветительное устройство 20, которые формируют первый, второй и/или третий луч 22, 24 и 26. Первое 16, второе 18 и/или третье 20 осветительные устройства могут представлять собой полупроводниковый лазер, СИД, ксеноновую импульсную лампу или галоидный источник излучения с вольфрамовой нитью. Оптическое измерительное устройство 10 дополнительно содержит устройство 28 детектирования, содержащее экран 27, и элемент видеодетектирования 29. Экран 27, показанный на фиг.1, имеет полусферическую форму с углом 360° в азимуте и углом 180° наклона над поверхностью 14 образца 12, что позволяет получить широкое поле. Экран 27 также может быть плоским экраном, охватывающим практически четверть полусферы.
Предусмотрено зеркало 32, а также первое поляризационное средство 34 и второе поляризационное средство 36. Первое и второе поляризационные средства предпочтительно расположены так, что они параллельны поверхности 14 обследуемого образца 12.
Далее будут кратко описаны принципы работы оптического измерительного устройства 10. Первый осветительный луч 22 направляется из первого осветительного устройства 16 на поверхность 14 образца 12. Первый осветительный луч 22, излучаемый первым осветительным устройством 16, падает с первым углом 38 падения на поверхность 14 образца 12. Первый осветительный луч 22 взаимодействует с поверхностью 14 и проникает в подповерхностную область 40 образца, если этот образец прозрачный.
Место на поверхности 14, на которое падает осветительный луч 22, называется точкой или пятном 39 освещения.
Благодаря свойству поверхности 14 и/или подповерхностной области 40 в результате взаимодействия с первым осветительным лучом 22 возникает ответный луч 42, переизлучаемый с поверхности 14 образца 12.
На фиг.1 ответный луч 42 показан стрелками, чтобы продемонстрировать, что ответный луч 42 имеет различные направления относительно поверхности 14 образца. В принципе, пространственное распределение ответного луча 42 имеет косинусоидальное распределение в любом месте, где ответный луч 42 переизлучается поверхностью 14, причем максимальная интенсивность направлена вперед, практически перпендикулярно поверхности 14 образца 12.
Если осветительный луч 22 рассеивается в подповерхностной области 40 образца 12, то ответный луч переизлучается с поверхности 14 в месте, отличном от пятна 39 освещения, показанном стрелками 43. Ответный луч 42 может быть детектирован экраном 27 или непосредственно камерой 29. В этом случае камера содержит ПЗС или КМОП-детектор.
Если ответный луч детектируется элементом 29 видеодетектирования, то осветительный луч 22 проходит через первое поляризационное средство 34, а ответный луч проходит через второе поляризационное средство 36, при этом первое поляризационное средство 34 и второе поляризационное средство 36 обеспечивают различие между первой частью 46 и второй частью 48 ответного луча 42.
Первая часть 46 - это прямо отраженный с поверхности осветительный луч 22, а вторая часть 48 - это осветительный луч 22, рассеянный на поверхности или в подповерхностной области 40. Для удобства в дальнейшем первая часть 46 называется отраженным ответным излучаемым лучом 46, а вторая часть 48 - рассеянным ответным лучом 48.
Различие можно установить благодаря тому, что отраженный ответный луч 46 имеет поляризацию, отличную от поляризации рассеянного ответного луча 48, потому что каждый процесс взаимодействия с материалом образца 12 поверхностного слоя 14 или подповерхностной области 40 вызывает изменение поляризации.
Обычно ответный луч 42, включающий в себя отраженный ответный луч 46 и рассеянный ответный луч 48, перехватывается экраном 27 детектора 28, который, в частности, является полусферическим экраном, имеющим специальное покрытие для визуализации ответного луча 42, образующего двумерное изображение. Это двумерное изображение может отображаться элементом 29 видеодетектирования, которым предпочтительно является камера 30, в частности цифровая камера и/или камера с ПЗС или КМОП-детектором.
При этом ответный луч 42, перехваченный с экрана 27, является изображением диффузного рассеяния, отражений блеска и эффектов угла зрения рассеянного осветительного луча 22.
Поскольку взаимодействие с поверхностью 14 образца 12 зависит от свойств и состава образца 12 на поверхности 14 и если поверхность 14 является прозрачным материалом подповерхностной области, двумерное изображение является откликом образца 12 на осветительный луч 22, показывающим, как "образец воздействует на свет".
Эффекты отражения и рассеяния имеют место по меньшей мере в трех специальных областях, которые относятся к совершенно различным оптическими принципам. Эти специальные области называются "ближнее поле", "дальнее поле" и "глубокое поле", если материал поверхности 14 образца 12 прозрачный.
Ближнее поле описывает действительную поверхность 14 как таковую в специальных терминах однородности, равномерности цвета, пятен или царапин. Ближнее поле захватывается элементом 29 видеодетектирования. Результатом является изображение, в частности цифровое изображение, поверхности, эквивалентное тому, "что видит глаз в первую очередь".
Изображение, полученное на экране 27 второго детектора 29, называется дальним полем и описывает, как поверхность 14 рассеивает осветительный луч 22, 24, 26 на расстоянии в угловых единицах диффузного рассеяния, вблизи пятна 39 освещения, характеризуя тем самым отражение, эффекты угла зрения и т.п.
Хотя эффекты дальнего поля можно видеть, например блеск, само распределение дальнего поля невидимо. Дальнее поле захватывается экраном 27 и отображается элементом 29 видеодетектирования, который, в частности, является камерой 30. Это может быть цифровая камера или видеокамера или ПЗС-камера.
При использовании камеры 30 ответный луч 42 сохраняется как файл данных на носителе информации и может в дальнейшем обрабатываться компьютером, не показанным на фиг.1. Использование интеллектуальной компьютерной программы позволяет получить оценку коэффициента корреляции, также называемого приведенной чувствительностью, для осуществления присвоений между информацией, полученной из ответного луча 42, и признаками, описывающими оптическое представление, например блестящий, глянцевый, тусклый и т.д.
На фиг.2 показано оптическое измерительное устройство 10, изображенное на фиг.1, в котором второе осветительное устройство 18 облучает поверхность 14 образца 12 для выполнения измерения дальнего поля.
Одинаковые детали обозначены теми же ссылочными номерами, что и на фиг.1.
Осветительное устройство 18 содержит источник 50 излучения и линзу 52, предназначенную для направления коллимированного осветительного луча 22 на поверхность 14.
Источник 50 излучения может быть полупроводниковым лазером, СИД, ксеноновой импульсной лампой или галоидной лампой накаливания с вольфрамовой нитью.
Осветительное устройство 18 имеет оптическую ось 53, образующую угол 54, обозначенный как второй угол 54 падения на поверхность 14 образца. Оптическая ось образована источником 50 излучения и линзой 52.
Осветительный луч 24 падает под вторым углом 54 падения на поверхность 14. После взаимодействия с материалом поверхности 14 ответный излучаемый луч 32 перехватывается экраном 27. Поскольку пятно 39 освещения относительно яркое, прямое пятно 39 освещения экранируется зеркалом 32 от отверстия камеры 30, расположенной перпендикулярно поверхности 14.
С другой стороны, если отражение диффузионного изображения картины на экране 27 должно отображаться камерой 30, то отражающая сторона зеркального средства 32 отображает двумерное изображение экрана 27 в отверстие камеры 30. При этом диффузионное изображение, содержащее отраженный и рассеянный ответный луч 32 на экране 37, отображается камерой 34. Это отображение показано пунктирными линиями на фиг.2.
Экран 27 можно выполнить в виде полного полусферического экрана, охватывающего полный угол 360° в азимуте, с наклоном 180° над поверхностью 14, или плоского экрана, не показанного на фиг.2. Пример диффузионного отражения в полной полусфере, показывающий неизотропное отражение блеска, можно видеть на фиг.3.
На фиг.3 показано полутоновое изображение, так называемая "парусиаграмма" (Parousiagram), полученная из изображения, где различные уровни серого демонстрируют различную интенсивность, присвоенную различным углам рассеяния.
Парусиаграмма показана в виде полутонового изображения только в целях печати. Это обусловлено тем, что выполняется процесс растрирования для получения полутонового изображения, которое очень крупное. Растрирование не является частью измерения.
На фиг.4 показано оптическое измерительное устройство 10, в котором используется третье осветительное устройство 20 для освещения исследуемой поверхности 14.
Луч 61, излучаемый из источника 60 излучения осветительного устройства 20, падает на зеркальное средство 32, при этом излучаемый луч 61 фокусируется линзой 62. Можно также использовать осветительное устройство 20 другой конструкции, например источник излучения и оптическое волокно, не показанные на чертеже, для создания пятна 39 освещения на поверхности.
Из-за длины волны и угла 66 падения на поверхность, а также прозрачности поверхности происходит рассеяние осветительного луча 26. Рассеянный луч является ответным лучом, который может быть отображен элементом 29 видеодетектирования.
На фиг.5 показан вариант осуществления изобретения, реализующий оптимизированное отображение осветительного луча 22, 24, 26, рассеянного в подповерхностной области 40.
Излучаемый луч формируется ксеноновой импульсной лампой камеры 30 и направляется посредством оптического волокна 72 как пятно 39 освещения на поверхность 14 образца 12.
Рассеянный ответный луч 66 отображается камерой 30, при этом само пятно 39 освещения экранируется зеркальным средством 32 (элемент экранирования).
Облучение осуществляется осветительным устройством 68, а экранирование вертикальной перегородкой 73. Пятно 39 освещения обусловлено прозрачностью материала образца 12 в подповерхностных областях 40, показанных пунктирным полукругом, иллюстрирующим зону взаимодействия. Осветительное устройство 68 содержит источник излучения 70, которым является ксеноновая импульсная лампа камеры 30, и оптическое волокно 72.
Осветительный луч, рассеянный прямо на поверхности, обозначен цифрой 76, а излучаемый луч, рассеянный в подповерхностной области 40, обозначен позицией 78. Можно заметить, что глубоко рассеянный осветительный луч специально экранирован от рассеянного луча 76, рассеянного подповерхностной областью малой глубины, которая показана линией 80 для сравнения с глубиной, показанной линией 82. Излучаемый луч 76 и рассеянные излучаемые лучи 78 детектируются устройством 29 детектирования, которым является камера 30, в частности цифровая камера. Положение камеры 30 выбрано так, что она охватывает область вне пятна 39 освещения.
Основание 84 оптического измерительного устройства 10, находящееся в тесном контакте с поверхностью 14, как показано на фиг.5, содержит продолговатую апертуру 86, представляющую собой отверстие в основании 84, показанном на фиг.5. Из-за того что ответный луч 32 содержит различные части, которые показаны примерно как части 76 и 78 и которые переизлучаются с поверхности 14 в различных местах из-за процесса рассеяния, формирующего ответный луч 32, продолговатая апертура 86 позволяет регистрировать ответный луч 32, содержащий другую часть 76 и, по меньшей мере 78, в камере 30.
Для оптимизации изображения отображения ответного луча 32 перед камерой 30 расположен оптический элемент 88, в частности линза 88.
Для ясности ответный луч 32 показан двумя линиями, охватывающими пространственное распределение мест, в которых рассеянные ответные лучи 76 и 78 переизлучаются с поверхности 14.
На фиг.6 показана информация, полученная из картины рассеянного изображения, содержащей рассеянные излучаемые лучи 768 и 76.
Диаграмма на фиг.6 показывает информацию, извлеченную из детектированного ответного луча, полученного камерой 30 оптического измерительного устройства. Ось х показывает расстояние, а ось у - интенсивность детектированного ответного луча.
На фиг.7 показано представление кожи, охарактеризованное светом, которым является осветительный луч. В данном случае под осветительным лучом подразумеваются осветительные лучи 22, 24 и 26, используемые в исследованиях ближнего поля, дальнего поля и глубокого поля.
Область 100 представляет ближнее поле, сфотографированное камерой, область 102 выделена для измерения дальнего поля, выполняемого парусиаметром с полусферическим экраном, а область 104 - для измерения глубокого поля. Стрелки 106 показывают информацию, полученную в ближнем, дальнем и глубоком поле и вводимую в интеллектуальную компьютерную программу, которая осуществляет обработку ближнего поля, дальнего поля и глубокого поля в соответствии с указанными пользователем чувствительностями. Конкретные выходы показаны в областях 110, 112, 114, где 110 представляет пользователя-ученого, 112 - пользователя-профессионала и 114 - пользователя-потребителя. Области 116 и 118 представляют более полное описание оптического представления, например эстетического 116 и медицинского 118. Овал 120 представляет весьма обобщенное описание человека, имеющего кожу, которая была обследована в отношении ее оптического представления. Из 120 пользователь может получить описание здоровья и состояния кожи.
После получения диаграммы, схематически иллюстрирующей предложенный способ, на основании представления кожи можно сделать заключение, содержащее информацию о коже, здоровье и состоянии данного человека. Это позволяет пользователю оптического измерительного устройства обследовать человеческую кожу, получать различную информацию в результате обработки детектированного ответного луча и оценивать коэффициент корреляции, называемый приведенной чувствительностью, для получения специфической информации, полезной для пользователя. Под "специфической" в данном контексте подразумевается вид информации, в которой заинтересован пользователь, являющийся ученым, профессионалом или простым потребителем.
Таким образом, объективная оценка оптического представления поверхности, в частности человеческой кожи, выполняется оптическим измерительным устройством 10 в соответствии с настоящим изобретением, измеряющим оптические характеристики в трех областях: ближнем поле для видимых признаков, дальнем поле для отраженных признаков и глубоком поле для света, рассеянного в более глубоком слое кожи, именуемом подповерхностной областью.
Эти измерения можно производить в различных полосах спектра и при различных поляризациях. Такие комбинации измерений можно использовать для контролирования определенных аспектов здоровья и красоты кожи с использованием специальной обработки данных, которая дает ограниченное количество коэффициентов корреляции.
Соответственно, изобретение относится к способу контролирования оптического представления поверхности образца, в частности человеческой кожи, согласно которому освещают поверхность кожи по меньшей мере тремя осветительными устройствами, при этом осветительный луч падает на поверхность 14 под различными углами. Ответный луч 32, являющийся результатом отражения, и/или рассеяния, и/или глубокого рассеяния, детектируется, и затем с помощью обработки данных определяется ограниченное количество коэффициентов корреляции. Эти коэффициенты корреляции можно присвоить таким признакам, как блеск, количество морщин, темные пятна и т.д., известным пользователю.
Предложенный способ позволяет контролировать оптическое представление человеческой кожи, а также обнаруживать факторы, важные для здоровья, например темные пятна, свидетельствующие, например, о меланоме (раке кожи).
Варианты, проиллюстрированные на чертежах, являются всего лишь примерами и они не ограничивают объем изобретения. Для каждого варианта настоящего изобретения существенно то, что детектируются ближнее поле, дальнее поле, глубокое поле, а также спектральные признаки.
Следовательно, описанные варианты служат только для пояснения множества возможных конфигураций изобретения, которые зависят от их функции.