JPH0682235A - 非平面物体の高分解能画像を形成する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は三次元物体の高分解能画像を形成す
ることを目的とする。 【構成】 三次元物体の高分解能画像の形成装置及び方
法を設ける。物体の表面は直線検出器によりステップ状
に走査されるので、物体の全高さはカバーされる。構成
は各水平「スライス」が「スライス」の特定高さにつき
焦点のあったものであり、情報はビデオ画像を評価する
画像選択器に供給され「焦点のあった」情報を選択しこ
れを画像の構成に使用する。システムは物体の面を走査
するのに使用される複数の直線ＣＣＤ検出器アレー、画
像選択手段及び所望画像構成手段を基礎としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は三次元物体の高分解能画
像を形成する装置及び方法に関する。物体を走査してそ
の全体積をカバーし、走査は光感知要素の直線配列アレ
ー手段により行われ、狭い長方形セグメントをカバー
し、連続長方形の画像を評価して要求高分解能画像を提
供する。装置の基本的要素は３次元物体の画像を形成す
るための光学的手段と、走査及び検出手段と、画像選択
器と、ビデオ出力装置とである。

【０００２】

【従来の技術】高分解能結果を得るように三次元物体の
画像形成することはむしろ困難である。従来の工学的手
段を用いるならば、任意の瞬間に得る画像はこの光学的
手段の焦点面に又はこの近くにだけ焦点があう。光学的
器具に関係して、何回も物体の高さを走査し複数の画像
を得るに至ることが知られており、各画像の一部だけ焦
点が合い、そしてこの個々の画像においてこの部分は物
体の又は物体の高さ外形の異なるレベルを描く。

【０００３】別の方法は同焦点のＵリンクの使用であ
り、そこでは画像を取る同一高さに照明の焦点も合わ
せ、そしてかくして多くの焦点の合わない情報を除去す
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】全体の物体の画像を得
るために、全体高さを走査しなければならなく、これは
使用され得る照明の種類に厳格な制限を課す。なお別の
方法は走査電子マイクロスコープ（ＳＥＭ）の使用を伴
い、これは多くの物体のかさばって持ちにくい設備を要
求しさらに高価な装置を要求する。

【０００５】レーザ輪郭測定を用いると、構造、色等の
ような全ての非次元の情報を失う。本発明は画像形成の
既存装置及び方法の大きく拡張した欠点に打ち勝つこと
である。新規なシステムは非平面物体の画像の再構成す
るのに適しており、上記の方法に制限されないであろ
う。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は三次元の物体の
高分解能の画像を形成する装置及び方法に関する。規定
された断面画像を得るために物体を走査し、光感知要素
の直線アレーの手段により物体の全面をカバーし、連続
画像の評価を若干異なるレベルで行い、画像間の時間遅
れを考慮に入れて全物体の画像を再構成する。

【０００７】より詳細には本発明は光学的システムによ
り物体の画像を形成することからなる非平面物体の高分
解能画像を形成する方法に関し、画像の全高さをカバー
するため直線検出器マトリックスによりステップ状に物
体を走査し、各画像「スライス」は画像の形成された高
さにつき焦点が合っており、画像選択器に焦点の合った
情報を供給し、この画像選択器は連続「スライス」間の
時間遅れを考慮に入れビデオ画像を評価し焦点の合った
情報を選択し、そして走査により形成された全情報を総
和することにより、所望の画像を形成する。

【０００８】本発明はさらに非平面物体の高分解能画像
を形成するシステムに関し、このシステムは画像の形成
される全物体の画像を形成する光学的手段と、複数ライ
ンのＣＣＤ検出器を有する検出器マトリックスと、ステ
ップ状に物体の全体積を走査する手段であってステップ
の総和が物体の全表面をカバーするために各ステップが
ある高さを規定するスライスをカバーするものと、隣接
スライスを比較することにより焦点が合った情報の最大
を有する画像を選択する画像選択器と、かくして所望三
次元画像を形成する手段とを具備する。

【０００９】

【作用】原理の特徴を以下に説明する。本発明は比較的
小さな物体を用いてその拡大画像を得るシステムを参照
して説明される。この拡大を要求するか否かは、もちろ
ん選択事であり、物体の寸法にも依存する。物体（又は
物体の一部）を囲む体積を規定しょう。これは「観測体
積」である。この体積は光学的装置により画像が形成さ
れて画像体積（物体の画像を囲む）が形成される。直線
検出器の各列が異なるレベルのそれぞれで全画像体積を
掃引するように検出器マトリックスを移動する。これは
実際にマトリックスを移動することによるか、又は検出
器にまたがって画像体積を移動する光学的装置の変化に
よるかのいずれかでなされ得る。

【００１０】マトリックスがＮ検出器ラインにあるな
ら、画像体積のＮ画像はこれらのＮラインにより生成さ
れる。画像のある体積に各画像の焦点を合わせて、各画
像はこの体積の「高さスライス」に物体の焦点の合った
情報を有する。（Ｎ高さスライスが全画像体積を有する
ように検出器マトリックスを構成する）。また各画像は
他の「スライス」のまわりに焦点のずれた情報を有す
る。ビデオ情報を生成すると、これは処理され合成画像
を形成し、これはＮ画像に含まれる焦点の合った情報の
一部からなる。

【００１１】本発明はある規定された体積であって画像
の形成されるべき三次元物体を制限するものを参照して
説明される。光学的手段（レンズ又はレンズシステム）
により形成される物体の画像を掃引するマトリックス検
出器が設けられる。これはマトリックス対画像の相対的
移動、又は光学系のパラメータの変化により、又は物体
の移動により成される。もし各走査が、その一定レベル
で、物体の面の狭い長方形水平断面の画像を形成するた
めに水平直線アレーのセンサー（光感知要素のような）
を使用して物体を走査するならば、さらにもし走査を繰
り返して連続的に全面をカバーするならば、画像選択器
のような、適当な手段により、さらに焦点の合った各画
像の一部だけを保持することにより高分解能画像を得る
ことが可能になる。アレー又は複数のアレーは水平平面
に関し一定の角度に向く。一つのそのようなアレーを使
用でき、さらに複数の水平な直線アレーを使用しそのよ
うな走査を実現できる。我々は以下にそれぞれこのよう
な狭い長方形を「走査ライン」と呼ぶ。もし全マトリッ
クスがＮ検出器ラインからなるならば、Ｎ画像は画像体
積から生成される。画像体積のあるレベル（高さ）に各
画像の焦点を合わせ、各画像は体積のその「レベルスラ
イス」に位置する物体のその部分につき焦点の合った情
報を有する。また各画像は他の「スライス」につき焦点
のずれた情報を有し、また焦点のずれた一定レベルでの
「スライス」の任意の部分につき焦点のずれた情報を有
する。連続的「スライス」の画像は比較され、繰り返し
走査に単一の直線アレーを使用すると、連続画像の時間
遅れを補正し、この画像を評価、処理し全物体の合成画
像を形成する。

【００１２】

【実施例】本発明は添付概略図であって、尺度に依存し
ないもの参照して、説明される。図１に示すように、観
測体積１２で非平面物体１１を制限する。物体１１上に
光学的画像形成システム、この場合拡大器１３が配設さ
れ、このシステムは、図５に示すように、拡大器１３上
に物体の画像を形成し、該拡大器１３は一ライン一ライ
ン走査器１４の手段により走査され、走査器１４は、図
５に示すように、１５として複数の直線アレーの光検出
器、一般的にはＣＣＤｓを具備し、その出力を画像選択
器１８に供給しそしてそれからビデオ出力１９となる。

【００１３】走査処理の詳細を図５で説明し、そこでは
体積２２に制限される物体２１は複数の光感知要素２４
の直線アレー２３によって走査され、そこでは走査はレ
ベルＬ１〜Ｌ５がアレー２３（１）〜２３（５）によっ
て走査されるものである。光学的要素（レンズ）２５に
関し物体を位置決めして物体の画像を、その画像を走査
し、複数回形成し、各走査は、図２に示すように、異な
るレベルＬ１〜Ｌ５で、狭い長方形の要素をカバーす
る。実際には著しい多数のサブ−画像を形成する。各直
線アレーは多くの光感知要素２９を具備して一定レベル
のサブ要素の正確な画像であって焦点が合ったものを形
成する。この「スライス」の画像は画像選択器１８によ
って比較され、一つのアレーを使用して全体の表面を掃
引するとき隣接レベル間にある時間遅れが存在すること
を考慮する。ある角度に要素２４を配設して表面をより
良くカバーし、見る方向は図２に矢２６により示される
ようにしてある。走査は物体２１の全ての小面をカバー
するようになされる。高分解能は物体の所望の大きさを
形成できる光学的要素により達成され、そして物体２１
の寸法及び要求分解により光学的要素の数値口径を選択
する。

【００１４】レンズシステム上のこの画像は電子感知要
素のアレーによって走査される。有利には、このアレー
は多数のＣＣＤ検出器を具備し、いずれか一つのこの直
線アレーを使用し、一つのレベルから次ものに物体に関
し移動し、又は多数のこのアレーを同時また連続的に使
用する。ビデオ情報は狭い長方形のスライス（「ライ
ン」）の各走査により生成され、そして各ラインで画像
を合わせ順次シフトする。異なる走査から生じる画像は
次の点で相互に異なる。すなわち各ラインは画像の一部
だけを具備し（物体の形状により連続又はそうではな
い）、焦点が合っている点であり、一定のレベルで焦点
が合っているので、全面の走査を実現したとき多数のビ
デオ画像が得られ、それぞれが部分的に焦点が合ってお
り、一方他の画像では同一の領域は焦点から外れてい
る。

【００１５】画像選択器１８であって、これをビデオ情
報として受けると画像ラインを比較するように作用する
ものに、各マトリックスライン（隣接ラインの走査間に
時間遅れを考慮して）から、得られた画像を供給し、そ
して画像選択器１８はいずれか一方に焦点の合っている
画像の部分を選択し、同一の物体ライン最高ビデオ周波
数に対してビデオ画像の他の部分を受け入れず、そして
極度に、ブラック又はホワイトのいずれかにの強度に最
近接した画像も選択する。情報は適当に重み付けられ
て、各マトリックスラインの部分を示し、このラインは
一定の物体（レベル）ラインに対し焦点が合っている。

【００１６】マトリックス構成 マトリックス構成は以下の点を考慮して決定される： −Ｘ、Ｙ平面の物体の提案寸法、 −観測領域でのＺ軸に沿った物体寸法の変形、 −これらの強制は「観測体積」を規定し、これは拡大器
及び走査器により事実上の観測体積に変えられ、その寸
法を元の観測体積につき数倍に拡大する。この事実上の
体積は検出器マトリックスにより掃引される。

【００１７】要求角度分解能は拡大器の数値口径（及び
波長も）を決定する。今度は、要求分解能に対して焦点
深さＺＺｄを決定する。 Ｎ＝Ｚ0 ／Ｚd 個々にＺ0 は観測体積の垂直寸法であり、そしてＺd は
フィールド深さである。検出器ラインの長さは観測され
るべき瞬時の幅と走査率により決定される。ライン間の
水平間隔はできるだけ小さくあるべきであり、検出器ラ
インの物理的寸法により決定される。この距離は二つの
隣接ラインにより物体上の同一点の走査間での遅延を決
定する。

【００１８】これらの二つのどちらにより焦点が合って
いるかの決定はそのとき以前にはなされず、そして各ラ
イン（最終ラインを除く）によって生成されたビデオ
は、次のラインの出力が試験されそして決定がされるま
で、格納されなければならない。選択器 選択器はハードウエア、ソフトウエア又は双方の組み合
わせにより実現でき、そしてかくして我々はそのアルゴ
リズムだけを説明する。

【００１９】図３は選択器のブロック図を説明する。デ
ータ（ディジタル又はビデオ形態での）が検出器ライン
から到着すると、このデータの各部分は、物体の同一点
を走査するとき、前のラインによって生成されたデータ
と比較される。前のラインからのデータは「遅延１＋遅
延２」の量だけ遅れ、これは二つのライン間での全遅延
に等しい。

【００２０】決定ユニットはこれらの二つのラインの各
部分を比較し、そして選択スイッチに焦点がより合った
ラインの出力を選択せよと命ずる。選択スイッチに到着
したデータの流れは遅延１の量だけ遅れ、これは決定ユ
ニットの遅延に等しい。選択スイッチの出力は次の決定
ユニット及び選択スイッチに送出される前に遅延２の量
だけ遅れる。リスト（Ｎ−１）選択スイッチの出力は選
択器の出力である。

【００２１】図４は決定ユニットの動作を説明する。二
つの信号は入力ラインＡ及びＢ上の決定ユニットに入っ
てくる。各ラインは下記方法（高周波成分と強度を測定
する）で処理される： −値−Ｃ１の定数が加えられ、そして信号の絶対値（Ａ
ＢＳ）が取られる（定数−Ｃ１はビデオ信号のＤ．Ｃ．
成分を取り除く）。 −信号は高域通過フィルタを通過しそして絶対値が取ら
れる。 −これらの値に定数Ｃ２及びＣ３をそれぞれ掛ける。 −乗算の結果を加算する。 −二つの処理信号の結果を比較し、そして高い値を選択
する。

【００２２】双方のラインが同一の結果を与えるなら
ば、スイッチは従来の位置のままである。これは幾つか
の理由のために生じうる： −物体の領域は均一である。 −双方のラインが焦点外れである。 双方の場合にラインのどちらを選択するかは重要ではな
い。選択スイッチのための位置変化率は相対重みＣ１及
びＣ２とＨＰＦのバンド幅により決定される。

【００２３】同様なアルゴリズムを実現でき、このアル
ゴリズムではライン選択は、決定ユニットのネットワー
クにより測定されるラインに沿って、一次元焦点特性だ
けに基づくのではなく、代わりに二次元焦点特性に基づ
く。またこのアルゴリズムでは以前の位置に基づく各ラ
インの対応ピクセルは同様なネットワークによっても重
み付けされ、さらにこの隣接に対して最も高い結果のラ
インを選択する。

【００２４】具体例 （Ｘ0 、Ｙ0 、Ｚ0 ）−０．５×０．５×０．５ｍｍの
観測体積をとり、我々はこの体積内に囲まれた物体を４
μｍの分解で観測したい。 Ａ．Ｎ−ライン数の決定 この分解能は少なくとも０．２の数値口径（Ｎ．Ａ．）
を押しつける。これらの条件でのフィルド深さ（Ｚｄ）
は約１０μｍである。これは観測体積の全垂直寸法（Ｚ
0 ）をカバーするために、我々は以下を利用しなければ
ならないことを意味する： Ｎ＝Ｚ0 ／Ｚｄ＝５００／１０＝５０ Ｎ＝５０ライン Ｂ．拡大の決定 有効なＣＣＤアレーの単一画素（ピクセル）の典型的な
寸法は約１０×１０μｍである。

【００２５】これは所望分解能に対して我々は物体をＭ
の比率に拡大しなければならないことを意味する。 Ｍ−１．５×１０／４＝４ （分解能要素は１．５ピクセルである）。 Ｃ．マトリックス構成 画像体積の寸法は Ｘ0 ＝４² ×０．５＝８ｍｍ Ｙ0 ＝４ ×０．５＝２ｍｍ Ｚ0 ＝４ ×０．５＝２ｍｍ である。

【００２６】二つの隣接ライン間の垂直間隔は ４² ×１０＝１６０μｍ である。各ラインの長さは、前述したように、２ｍｍで
あり、そしてピクセル寸法により分割され、我々はｎ、
各ラインのピクセル数 ｎ＝２０００／１０＝２００ を得る。

【００２７】Ｎ＝５０ラインの検出器マトリックスであ
って（それぞれが２００ピクセルからなる）３２０μｍ
の間隔にあるものを構成しよう。このマトリックスは３
０°（Ｘ、Ｙ平面に関し）傾けられそして１６０μｍ垂
直間隔が達成される。 Ｄ．走査率 ＣＣＤのクロック率が２０ＭＨｚならば我々は各ライン
の全２００ピクセルのタイムをｔ0 ＝１０μｓｅｃ内で ｔ0 ＝１／２０（ＭＨｚ）×２００＝１０μｓｅｃ 計ったであろう。

【００２８】これは各１０μｓｅｃで我々は画像に沿っ
て一ピクセル当たり検出器マトリックスを移動できるこ
とを意味する。マトリックスの全走査画像は画像体積の
長さＸ0 とＸＹ平面の検出器マトリックスの投影とによ
って決定される。われわれの場合には、これは ２＋（３２０×５０×ｃｏｓ３０°）＝１５．９ｍｍ となる。

【００２９】ステップ数は 走査範囲／ピクセル寸法＝１５９００／１０＝１５９０ である。そして走査期間は １５９０×１００＝１５９００μｓｅｃ（約６３Ｈｚの
走査率）である。 Ｅ．処理 各ラインの出力は０−１ボルトの範囲での連続ビデオ信
号である。この信号のスペクトルは（物体の空間的構造
及び形状により決定されかつＣＣＤの分解能によって制
限され）ＣＣＤのクロック率によって制限される。

【００３０】２０ＭＨｚのカット周波数とこの周波数以
下でのオクターブ当たり６ｄＢの損失を有する決定ユニ
ットの高域通過フィルタを使用しよう。決定ユニットの
遅延は０．４μｓｅｃであろう。「遅延１」及び「遅延
２」は以下のようになる： 「遅延１」＝「選択器遅延」＝０．４μｓｅｃ そして 「遅延１」＋「遅延２」＝「ライン時間」＝１０μｓｅ
ｃ かくして 「遅延２」＝９．６μｓｅｃ Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝０．５としよう。 Ｆ．ポイントターゲット画像形成 白い背景に観測体積の中心において吊るされた最小寸法
の黒いポイント（例えば、４μｍ直径の黒い球）である
ターゲットを考えよう。

【００３１】図７において我々はライン２４及び２５か
ら出てくる信号でありかつ図３及び４（パラメータがこ
の例で規定される）で記載される選択器によって処理選
択される信号の多種段階を見ることができる。 Ｇ．ビデオライン 走査開始後７９５０で始まる時間に対しＣＣＤライン２
４及び２５の出力を示す。（我々は観測体積の中心の単
一のポイントに興味があるので、我々は中心にありその
ちょうど上にある二つのラインと走査時間の中間とを見
る）。我々はライン２３が７９３５にターゲットを「見
る」がそのターゲットがぼやけておりかつ弱いことが分
かる。ライン２５は７９６５μｓｅｃに強いかつ十分に
形成されたターゲットを見る。 Ｈ．決定ユニットへの入力 決定ユニット２４／２５の入力での信号は：入力Ａで−
ライン２５の信号 入力信号Ｂで−ライン２４の信号であるが１０μｓｅｃ
遅延したものである。 Ｉ．比較器入力の信号 決定ユニットに入る双方の信号を同様に処理する。−Ｃ
１の付加、絶対値を取ることかつこれにＣ２を掛けるこ
と、これは０．２５Ｖの値の信号にＤ．Ｃ．成分をちょ
うど加算する。（７９６５時間での画像のインパクトは
小さい）。

【００３２】高域通過フィルタは、絶対値を取りかつこ
れにＣ３を掛けて、入力３（ライン２４からの）に入る
信号を抑圧し、かつ影響されていないライン２５からく
る強い信号を出力する。この入力の双方の信号は若干遅
れている。 Ｊ．決定ユニットの出力 比較器入力での信号が著しく異なっているときに（我々
の場合には７９６５μｓｅｃ直後）比較器はその状態を
変化させ、そしてライン２５が選択される。 Ｋ．選択スイッチへの入力 選択スイッチ２４／２５へ到着したビデオ信号は決定ユ
ニット２４／２５へ行く同一の信号であり、遅延１だけ
遅れており、この遅れは決定ユニット遅延に等しい。

【００３３】ポイントターゲット信号がこれらの入力に
到達するときまでに、比較器は状態をすでに変化せてお
り、かつライン２５からの信号は選択され次の決定ユニ
ットに進められる。 Ｌ．次の決定ユニット ライン２５及び２６の間で同一の処理が繰り返され、ラ
イン２６だけがポイントターゲット下を通過し、信号は
再びぼやけかつ弱くなり、よって選択器スイッチ２５／
２６の信号はライン２５の信号（再び、１０μｓｅｃだ
け遅延され）となるであろう。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、画
像を走査して規定された断面の画像を得てこれは物体の
全面をカバーするので三次元物体の高分解能の画像を形
成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシステムのブロック図でる。

【図２】本発明のシステムの動作原理をそれぞれ説明す
る側面図及び正面図である。

【図３】本発明の選択器ユニットを説明するブロック図
である。

【図４】本発明の決定ユニットのブロック図である。

【図５】本発明のシステムの主特徴を説明する斜視図で
ある。

【図６】本発明の実施例の説明あり、規定された物体に
関する動作モードと画像形成システムを説明する。

【図７】信号対時間の図である。

【符号の説明】

１１…非平面物体 １２…観測体積 １３…拡大器 １４…走査器 １８…画像選択器 １９…ビデオ出力 ２１…制限物体 ２３…直線アレー２３ ２４…光感知要素２４ ２５…光学的要素

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学的システムにより物体の画像を形成
   すること、画像の全体高さををカバーするため直線検出
   器マトリックスによりステップ状に物体を走査するこ
   と、各画像スライスが画像の形成された高さについて焦
   点の合っていること、連続スライス間の時間遅れを考慮
   してビデオ画像を評価する画像選択器に焦点の合った情
   報を供給すること、焦点の合った情報を選択すること、
   走査により形成された全体情報を総和することにより所
   望の画像を形成することからなる非平面物体の高分解能
   画像を形成する方法。
2. 【請求項２】 選択器の決定ユニットが二つの隣接ライ
   ンからの情報を比較し、よりよい焦点の合ったラインを
   選択する請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 決定ユニットは二つのラインＡ、Ｂを得
   て、高域通過フィルタを通過するビデオ信号のＤＣ成分
   を除去し、絶対値を決定し、高い値を選択する出力を処
   理する請求項１又は２に記載の方法。
4. 【請求項４】 画像の形成されるべき全物体の画像を形
   成する光学的手段と、複数ラインのＣＣＤ検出器を有す
   る検出器マトリックスと、ステップ状にであってステッ
   プの総計が物体の全面をカバーするために各ステップが
   ある高さを規定するスライスをカバーするように物体の
   全体積を走査する手段と、隣接スライスを比較して焦点
   の合った情報の最大を有する画像を選択する画像選択器
   と、所望三次元画像を形成するための手段とを具備する
   非平面物体の高分解能画像を形成するシステム。
5. 【請求項５】 二つの信号に対して入力ラインの設けら
   れた決定ユニットと、ある定数を加算するための手段で
   各ライン（信号）を処理する手段と、この総和の絶対値
   を決定する手段と、これに定数（重みＣ２）を掛ける手
   段と、各信号を高域通過フィルタに通す手段と、フィル
   タ出力の絶対値を決定しかつこの値に別の定数、重みＣ
   ３、を掛ける手段と、その乗算の結果の総和をとる手段
   と、処理信号を比較する手段と、より高い値を持つもの
   を選択する手段とを具備する請求項４の任意の一つに記
   載のシステム。