用于捕捉測量物體的視覺印象的手持式測量裝置制造方法
【專利摘要】一種用于外觀分析的手持式測量裝置，包括測量陣列(MA)，該測量陣列(MA)包括多個照明器具(21-27)和多個拾取器具(31-33)，照明器具(21-27)用于在至少三個照明方向上將照明光應(yīng)用到測量場，而拾取器具(31-33)用于在至少一個觀測方向上捕捉測量光。照明方向和觀測方向位于一共同的系統(tǒng)平面(SP)內(nèi)。至少一個拾取器具(32)實施為以局部積分的方式光譜式估計測量光，至少一個圖像拾取器具(33)實施為就顏色而言以局部分辨的方式估計測量光。光譜拾取器具(32)和圖像拾取器具(33)設(shè)置為在相同的觀測條件下尤其從同一觀測方向來接受被測量場所反射的測量光。
【專利說明】 用于捕捉測量物體的視覺印象的手持式測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于捕捉測量物體的視覺印象的手持式測量裝置，包括殼體，其中所述殼體容納有測量陣列和電子控制器，并且包括通過其照明測量物體表面上的測量場以及拾取被測量場反射的測量光的測量開口，其中測量陣列包括多個照明器具和多個拾取器具，所述照明器具用于沿相對于裝置法線的至少三個照明方向?qū)⒄彰鞴鈶?yīng)用于測量場，所述拾取器具用于沿相對于裝置法線的至少一個觀測方向捕捉測量光，其中至少一個光譜拾取器具實施為以局部積分的方式光譜式估計被測量場反射的測量光，以及至少一個圖像拾取器具實施為以局部分辨的方式估計測量光。
【背景技術(shù)】
[0002]在限定的照明和可視條件下環(huán)境中的某一真實的材料或物體的視覺印象在相關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】中稱為“外觀”。由于這個通用的用法，在以下僅使用這個專業(yè)術(shù)語。
[0003]外觀被認(rèn)為是一個復(fù)雜的不同因素相互作用的結(jié)果:
[0004]一定義場景、物體和照明與觀察條件的幾何因素；
[0005]一描述光和所看到的物體的材料之間的相互作用的光學(xué)性能；
[0006]一影響人類可視系統(tǒng)的知覺(反應(yīng))的生理因素。
[0007]測量“外觀”主要涉及第二點(diǎn)，也就是決定測量物體的光學(xué)性能和它們對于所反射和傳遞的光的分布的影響。外觀測量數(shù)據(jù)用于計算與視覺印象相關(guān)的外觀性能，例如色彩。這與工業(yè)應(yīng)用相關(guān)，例如產(chǎn)品規(guī)格和質(zhì)量控制。與可復(fù)制光和測量物體的材料之間的相互作用的實體模型相結(jié)合，外觀測量數(shù)據(jù)也形成了用于模擬和預(yù)測外觀的基礎(chǔ)。這使用在顏色匹配和渲染中。
[0008]題為“A Framework for the Measurement of Visual Appearance” 的國際照明學(xué)會(CIE)的第175號報告(2006年)提供了這些主題的綜述。該報告將光學(xué)性能和相關(guān)的外觀性能歸類為四個主要類別:顏色、光澤度、紋理和透光性。
[0009]在書籍“TheMeasurement of Appearance，，(John Wiley&Sons 公司，I987 年第二版，作者R.S.Hunter和R.ff.Harold)中描述了確定的測量方法和用于捕捉具體的外觀特性的標(biāo)準(zhǔn)。例如根據(jù)CIE2006，整體外觀捕捉(TAC)在測量一組完整的與外觀相關(guān)的參數(shù)時得到。
[0010]光學(xué)特性和相關(guān)的外觀特性能被分為光譜依賴的、局部依賴的和角度依賴的。
[0011]光譜依賴特性涉及顏色知覺。
[0012]紋理是所觀察物體的表面中的局部變化，其中兩個分量是有差別的:可視紋理表征表面的不一致性或顏色的不均勻性；表面紋理表征在人類眼睛能分辨的尺度上表面的三維外形。
[0013]透光性也包括局部依賴。它描述了在介質(zhì)中通過散射和多重反射的光的橫向漫射。
[0014]顏色和光澤度主要由角度依賴的反射和傳播特性決定，并代表了局部積分特性。在接近鏡面反射的角度范圍中，光澤度是占主導(dǎo)的。通過(對人眼)不可見的表面紋理(例如表面粗糙度)來影響角度依賴的光分布。顏色是重要的性能，其離開鏡面方向到“漫”反射的范圍。
[0015]通過觀察距離來影響角度依賴的和位置依賴的特性。如果結(jié)構(gòu)的橫向尺寸(規(guī)模)和反差大于人類眼睛的分辨能力，則表面紋理是可見的。隨著觀察距離的增加，紋理逐漸地消失，并集中到相應(yīng)的角度依賴的反射和傳播變量中。
[0016]對具有多個不同的外觀特性的材料進(jìn)行外觀的可視表征是困難的，其通常僅可以通過在視覺上比較具有非常相似的光學(xué)特性的樣本對來進(jìn)行。外觀特性彼此相連且彼此依賴。在合適的外觀描述模型中不得不考慮這些交互的依賴性。對于許多工業(yè)應(yīng)用來說，顏色是首要關(guān)注的最重要的外觀特性。顏色印象依賴于局部的和角度依賴的特性。通過接近的顏色和照明條件來影響可視的顏色知覺。所觀察物體的表面上的可視紋理降低了用于識別顏色差的敏感性。高水平的亮度和亮度中的重要的角度依賴型變量會影響所感知到的亮度，并會損害顏色差的識別。所感知到的光澤度是多維的角度依賴型參數(shù)，且受到紋理表面上的可視光澤度的局部分布的影響。
[0017]具有復(fù)雜外觀特性的材料的改進(jìn)表征需要新類型的組合式外觀測量裝置，其能使所有的外觀特性能夠被系統(tǒng)地、可再現(xiàn)地評估。
[0018]外觀測量應(yīng)用的一個特別重要的方面是表征特殊的效果顏料，例如用于汽車涂料的效果顏料。
[0019]這種效果顏料的主要性能之一為其在遠(yuǎn)場內(nèi)的視角閃色特性，其需要在不同的照明和觀察角度下的多個測量幾何體以便捕捉它。各種各樣的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出了合適的測量幾何體的集合。ASTM E2194-03定義了一組至少三個用于金屬效果顏料的測量幾何體。ASTME2539定義了用于表征干擾顏料的額外的測量幾何體:總共8個在效果顏料中用兩個45°和15°的照明角度以捕捉特性干擾相關(guān)的顏色變化的參考測量幾何體。
[0020]也已經(jīng)知道，效果顏料可在所觀察的物體表面上產(chǎn)生可視的紋理結(jié)構(gòu)?？梢暭y理在鏡面照明下(例如直射太陽光)和在漫射照明下(例如陰天)是不同的。鏡面照明產(chǎn)生了由在涂層的最上層上的顏料片的鏡面表面上的直接反射所引起的非常明亮的可視點(diǎn)光源的模式。這些點(diǎn)光源常常稱為亮點(diǎn)、閃光或微光。通過更深入的對比，漫射照明產(chǎn)生了亮度的局部變化，其常常稱為顆粒度、漫射顆粒度、圖像顆?；蛄６取.S.McCamy撰寫的于1996年出版的《顏色研究和應(yīng)用》中的“Observation and Measurement of the Appearance ofMetallic Materials.Part 1:Macro Appearance” 第 21 卷第 292-304 頁以及 C.S.McCamy撰寫的于1998年出版的《顏色研究和應(yīng)用》中的“Observation and Measurement of theAppearance of Metallic Materials.Part I1:Macro Appearance，，第 23 卷第 362-373 頁描述了基于圖像測量以表征帶有效果顏料的材料的可視紋理特性的方法。由E.Kirchner等人撰寫的于2007年出版在《顏色研究和應(yīng)用》中的“Observation of Visal Texture ofMetallic and Pearlescent Materials”第32卷第256-266頁提供了這些主題的更新的概述。
[0021]存在有多種手持式測量裝置以用于測量單獨(dú)的、特定的外觀性能，例如顏色和光澤度，見不同的相關(guān)公司的這類裝置的文獻(xiàn)，例如X-Rite公司、Datacolor公司、BYKGardner公司以及柯尼卡-美能達(dá)公司。[0022]例子包括這樣的顏色測量裝置，其具有來自積分器球體的漫射照明的圓形的45° /0°測量幾何體或d/8測量幾何體，或者以一到三個照明角度用于鏡面光澤度的手持式測量裝置(由BYK Gardner生產(chǎn)的裝置TR1-gloss)。
[0023]Rhopoint公司制造了 Rhopoint IQ裝置，除了在一個通道中用于鏡面光澤度的三角測量幾何體，其還包括用于表征與測角光度密度分布相關(guān)的其它光澤度特性的額外的檢測器區(qū)域。這一測量設(shè)計不適用于捕捉顏色和紋理。
[0024]實施為可對顏色和鏡面光澤兩者都測量的測量裝置已經(jīng)是熟知的。例子包括由BYK Gardner公司生產(chǎn)的裝置Spectro-Guide和由Datacolor公司生產(chǎn)的裝置45G。這些裝置均使用兩個不同的測量系統(tǒng)，一方面用于顏色(45° /0°測量幾何或漫射測量幾何中的一個)，另一方面用于鏡面光澤度(無顏色信息的60°測量幾何)。這些裝置不能產(chǎn)生使用相同測量幾何體所捕捉的一致的外觀測量數(shù)據(jù)集，即用于不同外觀特性的測量數(shù)據(jù)集。不同的測量值是不相關(guān)的。這些裝置也不能捕捉紋理。
[0025]用于表征效果顏料的多角度顏色測量裝置也已是熟知的。這些裝置使得能夠用多個測量幾何體來測量光譜反射系數(shù)，例如在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中定義的那樣。這種測量裝置的一個典型例子為由X-Rite公司生產(chǎn)的裝置MA98，其具有兩個鏡面的白色照明通道(15°和45° )和十個部分地設(shè)置在一平面內(nèi)和部分地設(shè)置在所述平面外的鏡面測量通道(拾取通道)。
[0026]由BYK Gardner公司生產(chǎn)的BYKmac裝置將光譜的多角度顏色測量與單色的紋理測量相結(jié)合。當(dāng)這兩個功能在同一測量裝置中相結(jié)合時，它們通過用于顏色和紋理的完全獨(dú)立的測量系統(tǒng)來實現(xiàn)。紋理測量部分并不包括顏色信息。顏色信息和紋理信息以不同的觀察角度下得到，且不能形成用于特定觀測幾何體的所觀察物體的一致性數(shù)據(jù)集。使用單獨(dú)的光譜光源和多重完整的測量檢測器系統(tǒng)來實施光譜測量值捕捉。使用白色照明和以0°設(shè)置的單色光相機(jī)來捕捉紋理。使用這個裝置不能捕捉同步數(shù)據(jù)。測量需要連續(xù)的顏色捕捉和紋理捕捉的過程。包括單獨(dú)的測量系統(tǒng)和連續(xù)的測量過程的設(shè)計帶來了時間上的約束，并限制了能夠?qū)崿F(xiàn)的測量幾何體。包括設(shè)置在0°下的相機(jī)的裝置也不適用于測量光澤度。
[0027]對于實驗室應(yīng)用來說已經(jīng)知道了更多的普通測量器具。它們包括在測量物體表面上的半空間內(nèi)捕捉雙向反射率分布功能(BRDF,見例子F.E.Nicodemus等人,“GeometricalConsiderations and Nomenclature for Reflectance”,美國國家標(biāo)準(zhǔn)局NIST報告，1977)的遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)。雖然這些熟知的測量儀器能使用不同的測量幾何體來捕捉顏色和光澤度的光譜反射特性，然而它們因其系統(tǒng)的原因是相對較大的，因此并不適合實現(xiàn)緊湊式的手持測量裝置，尤其是具有額外的紋理捕捉功能的手持測量裝置。這種測量儀器的例子包括由Murakami生產(chǎn)的測角譜顏色測量裝置GSMS-3B和由Radiant Zemax公司生產(chǎn)的基于相機(jī)的BRDF測量裝置Parousiameter和Eldim公司生產(chǎn)的EZContrast,或在論文“Measuringand Modeling Anisotropic Reflectance”(第19屆關(guān)于計算機(jī)圖形和交換技術(shù)年會的會議(SIGGRAPH’ 92)記錄，G.Ward撰寫)中描述的系統(tǒng)。
[0028]使用基于相機(jī)的檢測器和不同的照明幾何體來捕捉紋理的一種方法在K.Dana等人的文章“Reflectance and Texture of Real-fforld Surfaces，，(ACM Transactions onGraphics，第18卷第I期，1999年I月，第1_34頁)中有描述，其中，通過移動機(jī)械臂來改 變測量幾何體，從而實現(xiàn)相應(yīng)的捕捉系統(tǒng)。這種陣列當(dāng)然不適合手持式測量裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0029]基于這些考慮，以及為避免已知現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明旨在提供一種用于工業(yè)應(yīng)用的能同時捕捉(反射式的)測量物體的不同外觀特性的手持式測量裝置。特別地，該手持式測量裝置旨在提供能夠在不同的介質(zhì)(基質(zhì))如車輛涂料、印刷墨水、塑料和化妝品中表征現(xiàn)代的效果顏料的測量技術(shù)先決條件。該手持式測量裝置還可適合于展現(xiàn)出在顏色、光澤度和紋理方面不同的外觀特性的其他介質(zhì)。
[0030]本發(fā)明的一個更具體的目的是提供用于產(chǎn)生使得外觀行為能夠再現(xiàn)的一致性的經(jīng)校準(zhǔn)的外觀數(shù)據(jù)集的測量技術(shù)先決條件。這需要在每個指定的觀測方向上的用于光譜的、局部的和方向依賴的域的經(jīng)校準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)集。
[0031]本發(fā)明的另一個更具體的目的是提供一種用于工業(yè)應(yīng)用的輕便的手持式儀器平臺，其能同時地測量多種外觀性能。用于此的測量技術(shù)應(yīng)能使用相同的光學(xué)系統(tǒng)而將光譜的多角顏色測量、可視紋理測量和光澤度測量結(jié)合起來，并且應(yīng)能被改進(jìn)以表征透光性。
[0032]本發(fā)明還旨在提供一種緊湊的(手持)測量裝置，其特征在于具有短的測量時間、高水平的測量精度和可復(fù)制的測量結(jié)構(gòu)，以及能以足夠低的成本來制造。
[0033]由于這些需求，本發(fā)明還旨在提供一種使用最少的部件來實現(xiàn)所需的多功能測量能力的測量裝置，其中光學(xué)功能塊能可以多種方式使用。特別是希望可以進(jìn)行多元測量和同步的測量數(shù)據(jù)捕捉。以多種方式使用光學(xué)部件優(yōu)化了設(shè)計尺寸，并降低了生產(chǎn)成本。同步的測量數(shù)據(jù)捕捉優(yōu)化了測量時間，并改善了當(dāng)測量裝置作為手持式裝置使用時所實現(xiàn)的精度以及在不同的外觀屬性之間的匹配。
[0034]通過根據(jù)本發(fā)明的如下述所述的手持式測量裝置實現(xiàn)了基于本發(fā)明的這組目標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明的手持式測量裝置的優(yōu)選實施例和發(fā)展是從屬權(quán)利要求的主題。
[0035]本發(fā)明的本質(zhì)如下。用于捕捉測量物體的可視印象的手持式測量裝置包括殼體，其中所述殼體容納了測量陣列和電子控制器，并且包括測量開口，通過該測量開口可以照明測量物體的表面上的測量場，以及拾取由測量場所反射的測量光。測量陣列包括多個照明器具和多個拾取器具，其中照明器具用于沿相對于裝置法線的至少三個照明方向?qū)⒄彰鞴鈶?yīng)用于測量場，而拾取器具用于沿相對于裝置法線的至少一個觀測方向捕捉測量光。至少一個光譜拾取器具實施為以局部積分(locally integral)的方式來光譜式地估計測量場所反射的測量光，以及至少一個圖像拾取器具實施為以局部分辨的方式來估計測量光。圖像拾取器具也實施為就顏色而言來估計測量光。光譜拾取器具和圖像拾取器具設(shè)置為使得它們在相同的觀測條件下且尤其從同一觀測方向來接受被測量場反射的測量光，其中局部分辨(locally resolved)(成像)的拾取器具的視場可以等于或大于光譜拾取器具的視場。
[0036]優(yōu)選地，光譜拾取器具包括作為光線檢測器的光譜儀，以及圖像拾取器具包括作為光線檢測器的數(shù)碼彩色相機(jī)，以及測量陣列包括將拾取光束路徑(它們在一些部分中是共有的光束路徑)分開的分束器，并且一方面將它引導(dǎo)到光譜儀上而另一方面將它引導(dǎo)到彩色相機(jī)上。
[0037]所述至少三個照明方向和至少一個觀測方向有利地位于延伸過裝置法線的共同系統(tǒng)平面內(nèi)。
[0038]為了減小偏振依賴性，分光器設(shè)置為使其旋轉(zhuǎn)出系統(tǒng)平面大致45°，從而將用于彩色相機(jī)的測量光引出系統(tǒng)平面。該測量使正交于系統(tǒng)平面的S偏振分量和P偏振分量均衡。
[0039]有利地，光譜拾取器具和圖像拾取器具的觀測方向在系統(tǒng)平面中相對于裝置法線傾斜15°。
[0040]同樣有利地，測量陣列包括另一個光譜拾取器具，其從與圖像拾取器具的觀測方向不同的觀測方向來接受通過測量場反射的測量光。
[0041]優(yōu)選地，所述的另一個光譜拾取器具的觀測方向在系統(tǒng)平面內(nèi)相對于裝置法線傾斜 45。。
[0042]測量陣列有利地包括展現(xiàn)為在與拾取器具的觀測方向相反的方向上相對于裝置法線傾斜的不同照明方向的照明器具。
[0043]優(yōu)選地，測量陣列還包括展現(xiàn)為在與拾取器具的觀測方向相同的方向上相對于裝置法線傾斜的不同照明方向的照明器具。
[0044]根據(jù)一個有利的實施例，測量陣列包括額外的光澤度照明器具，其優(yōu)選地設(shè)置成使其相對于系統(tǒng)平面傾斜，并用發(fā)散的光束以相對系統(tǒng)平面大致成20°的角度來照明測量場。
[0045]根據(jù)另一個有利的實施例，測量陣列包括用于測量光澤度的光學(xué)元件，特別是帶負(fù)折射能力的透鏡，其能移動進(jìn)出于像場且產(chǎn)生虛擬的凸像場曲率。
[0046]測量陣列有利地包括設(shè)置在系統(tǒng)平面外并漫射式照明測量場的照明器具。
[0047]根據(jù)另一個優(yōu)選實施例，照明器具裝備有光學(xué)元件，其能被引入到照明器具的照明光路中，并使得被照明器具照亮的區(qū)域的尺寸減少，其中裝備有光學(xué)元件的照明器具有利地位于相對于裝置法線與拾取器具相同的一側(cè)。
[0048]有利的是，測量陣列包括能臨時地被引入照明器具和拾取器具的光路中的集成式白色參考物，其中特別優(yōu)選的是，測量陣列包括特別是設(shè)置在系統(tǒng)平面之外的參考照明器具，用于利用展示為窄帶波長范圍的光來照明白色參考物。優(yōu)選地，該白色參考物實施為使在外圍區(qū)域入射在其上的光偏轉(zhuǎn)到白色參考物的中心區(qū)域內(nèi)。
[0049]根據(jù)一個特別有利的實施例，參考通道被分配給至少一些照明器具，尤其是設(shè)置在系統(tǒng)平面中的照明器具，其中參考通道使一部分照明光從照明器具中分離，并經(jīng)由光導(dǎo)體和光混合器將它供給光譜儀。
[0050]控制陣列有利地實施為可就顏色而言來修正由圖像拾取器具產(chǎn)生的彩色圖像數(shù)據(jù)，這利用由展現(xiàn)為同圖像拾取器具一樣的觀測方向的光譜拾取器具所產(chǎn)生的光譜測量值來進(jìn)行。
[0051]優(yōu)選地，控制陣列實施為將由圖像拾取器具產(chǎn)生的彩色圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的彩色圖像數(shù)據(jù)，其展現(xiàn)為在相對于絕對白色的尺度上和在CIE XYZ或sRGB顏色平面中具有限定的分辨率。
[0052]至少一些照明器具、特別是設(shè)置在系統(tǒng)平面中的照明器具以本質(zhì)相同的方式有利地設(shè)計，并且每一個均包括至少一個初級光源和通過孔徑和/或視場光闌形成的次級光源，其中，該至少一個初級光源經(jīng)由準(zhǔn)直儀和均化儀來照明次級光源。[0053]特別有利地，至少一些照明器具包括一共有的中心光源，它的輸出光經(jīng)由多路器分布到照明器具的照明通道上，若合適的話也分布到參考拾取器具上。
[0054]有利地，照明器具或中心光源包括允許基本上無損耗地接入到一個或多個初級光源的全部光展量中的非成像型準(zhǔn)直儀。
[0055]同樣有利地，經(jīng)由一個或多個初級光源的未使用的部分光展量來將一個或多個額外的光源加入到照明器具或中心光源中。
[0056]特別有利地，在照明器具或中心光源內(nèi)將參考光從初級光源的未使用的部分光展
量中分離。
[0057]優(yōu)選地，測量陣列也包括其照明方向沿裝置法線的方向延伸的照明器具。
[0058]亦優(yōu)選地，測量陣列包括照明器具，其照明方向在與拾取器具的觀測方向相反的方向上相對于裝置法線傾斜-20°角。
[0059]優(yōu)選地，測量陣列包括照明器具，其其照明方向在與拾取器具的觀測方向相反的方向上相對于裝置法線傾斜-45°角。
[0060]優(yōu)選地，測量陣列包括照明器具，其其照明方向在與拾取器具的觀測方向相反的方向上相對于裝置法線傾斜-30°角。
[0061]亦優(yōu)選地，測量陣列包括照明器具，其其照明方向在與拾取器具的觀測方向相反的方向上相對于裝置法線傾斜-60°角。
[0062]亦優(yōu)選地，測量陣列包括照明器具，其其照明方向在與拾取器具的觀測方向相同的方向上相對于裝置法線傾斜30°角。
[0063]亦優(yōu)選地，測量陣列包括照明器具，其其照明方向在與拾取器具的觀測方向相同的方向上相對于裝置法線傾斜65°角。
[0064]用于紋理的外觀測量系統(tǒng)需要相機(jī)和數(shù)字圖像處理技術(shù)。為了實現(xiàn)與可視外觀的匹配，相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)實施為具有與人類視覺系統(tǒng)相似的光學(xué)特性。這包括類似的較小的可視錐角，在250mm的近點(diǎn)觀察距離處低于人眼分辨率限值的局部分辨率，以及完全校正的顏色數(shù)據(jù)的輸出。這些需求適合于產(chǎn)生顏色數(shù)據(jù)、光澤度數(shù)據(jù)和可視紋理數(shù)據(jù)。
[0065]根據(jù)本發(fā)明的測量裝置的光學(xué)設(shè)計在相同的指定觀察角下將用于不同外觀特性的不同的檢測器系統(tǒng)(也就是拾取器具)相結(jié)合，使得它們分享了相同的觀察角。這允許并行式捕捉測量數(shù)據(jù)，且減小了所需的空間。而且，只有這樣才能產(chǎn)生在指定的觀察角下用于描述所有外觀特性的一致性測量數(shù)據(jù)集。
[0066]根據(jù)本發(fā)明，測量裝置的光學(xué)設(shè)計使得相同的照明系統(tǒng)(也就是照明器具)能夠用于測量所有的外觀性能，例如顏色、光澤度和可視紋理。
[0067]照明系統(tǒng)(也就是照明器具)在整個光譜測量范圍上產(chǎn)生光。這對應(yīng)于測量顏色的完整的可視波長范圍，也就是大約400nm到大約700nm (“白光照明”)。可以利用紫外光和紅外光來補(bǔ)充該光譜范圍。需要紫外光照明來在測量物體中表征光學(xué)亮度。近紅外范圍內(nèi)的照明能用于區(qū)別一些顏料的光譜特性。使用LED技術(shù)可較好地實現(xiàn)展現(xiàn)為柔性光譜特性的合適光源，但是也能用其它白光源、例如齒素?zé)魜泶妗?br> [0068]由于所有的檢測器(拾取器具)以相對于裝置法線偏轉(zhuǎn)0°的角度來設(shè)置，因此它們也能同時地用于捕捉光澤度和用于多角度顏色測量。
[0069]例如顏色匹配的技術(shù)應(yīng)用比例如通過傳統(tǒng)的RGB相機(jī)或類似的圖像傳感器所產(chǎn)生的三色信息要求得更多。為了選擇恰當(dāng)?shù)念伭辖M合并考慮到條件等色效應(yīng)和不同的照明源，顏色匹配通常需要完整的光譜信息。用于這種應(yīng)用的理想檢測器技術(shù)將是多光譜相機(jī)，其對每個像素都能提供絕對校準(zhǔn)的光譜反射系數(shù)值。雖然這種相機(jī)是可得的，然而它們相對復(fù)雜和昂貴，以致它們不適用于為廣泛應(yīng)用而設(shè)計的手持式測量裝置。
[0070]根據(jù)本發(fā)明的一個重要方面，可使用不同的原始數(shù)據(jù)源的組合來產(chǎn)生多光譜圖像數(shù)據(jù)集。更具體地，彩色相機(jī)的RGB圖像數(shù)據(jù)與可在同一測量場上產(chǎn)生積分光譜反射測量值的額外光譜檢測器(光譜儀)的測量值相結(jié)合，其中，兩個檢測器系統(tǒng)(彩色相機(jī)和光譜儀)的觀察光路依靠分光器同時地指到兩個檢測器系統(tǒng)上。使用熟知的顏色管理技術(shù)(例如見 J.Hardeberg撰寫的“Acquisition and Reproduction of Color Images:Colorimetricand Multispectral Approaches”, 1999年博士論文)將相機(jī)的RGB圖像數(shù)據(jù)校準(zhǔn)為絕對彩色數(shù)據(jù)。光譜反射數(shù)據(jù)作為精確的積分顏色信息提供用于技術(shù)應(yīng)用。所測量的光譜信息用于修正圖像數(shù)據(jù)的顏色校準(zhǔn)，并且增加顏色的精確度。這使得條件等色效應(yīng)能夠針對不同的照明光譜而減小。它也使得能夠產(chǎn)生包括一致性顏色信息的一致性外觀數(shù)據(jù)集，以用于無可視紋理效果地從近點(diǎn)到遠(yuǎn)場地來改變觀察距離。在這一組合中，進(jìn)一步加工圖像數(shù)據(jù)的相對顏色測量值，其中“相對”意味著使用來自光譜測量的精確顏色值來修正它們。修正至少包括平均值修正，使得圖像數(shù)據(jù)的平均值等于來自光譜測量的計算顏色值。RGB相機(jī)的相對測量精確度比絕對精確度好得多。這種方法適合大部分紋理應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0071]下面將基于附圖對本發(fā)明做更詳盡的解釋。在其中:
[0072]圖1是根據(jù)本發(fā)明的手持式測量裝置的示例性實施例的斜視圖；
[0073]圖2是該手持式測量裝置的測量陣列的斜視圖；
[0074]圖3是圖2中的測量陣列的部分剖視圖；
[0075]圖4是沿著圖2中的IV -1V線的通過測量陣列的縱斷面；
[0076]圖5到6顯示了測量陣列的照明器具的兩個示意性實施例；
[0077]圖7到8是測量陣列的漫射照明器具和可動白色參考物在測量陣列的兩個不同位置中的兩個詳細(xì)圖示；
[0078]圖9是測量陣列的簡化側(cè)視圖，其中利用光路來闡明當(dāng)嵌入白色參考物時的情況；
[0079]圖10是白色參考物的詳細(xì)表示；
[0080]圖11到13是測量陣列的照明器具的不同實現(xiàn)方式的圖示；
[0081]圖14是與圖4相似的通過測量陣列的縱斷面，其利用光路來闡明當(dāng)測量光澤度時的情況；
[0082]圖15是與圖14相似的圖示，帶有用于測量光澤度的附加元件；
[0083]圖16是與圖2相似的測量陣列的簡化的側(cè)視圖，其帶有用于測量光澤度的附加照明器具；
[0084]圖17是與圖4相似的測量陣列的簡化截面，其帶有用于捕捉透明度的附加光學(xué)元件；
[0085]圖18是帶有附加參考照明器具的測量陣列的更加簡化的側(cè)視圖；[0086]圖19是沿著圖18中的XIX-XIX線的通過測量陣列的縱截面；
[0087]圖20是通過增設(shè)了參考通道的手持式測量裝置的一個實施例的測量陣列的相對于圖2中IV-1V線旋轉(zhuǎn)90°的縱截面；
[0088]圖21是圖20中的測量陣列的簡化的斜視圖；
[0089]圖22是照明器具的另一個實現(xiàn)方式的示意圖；
[0090]圖23到24是白色參考物的備選實現(xiàn)方式的兩個示意圖；
[0091]圖25是手持式測量裝置的光學(xué)部件和電子部件的框圖；以及
[0092]圖26是手持式測量裝置如何提供測量值的框圖。
【具體實施方式】
[0093]如下的規(guī)定適合下文對附圖的描述:如單個附圖標(biāo)記沒有在圖中指明，那么可參照其它的圖和說明書的相應(yīng)部分?？s寫術(shù)語“測量裝置”和“裝置”應(yīng)總是理解為手持式測量裝置，其實施為可捕捉有利于如本文開頭所定義的“外觀”的測量物體的性能。術(shù)語“測量陣列”應(yīng)理解為手持式測量裝置的部件總和，這些部件用于照射測量物體的表面上的測量點(diǎn)、用于捕捉通過這個測量點(diǎn)所反射的光，以及用于把光轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號。術(shù)語“裝置法線”應(yīng)理解為相對裝置固定且當(dāng)測量裝置安放在測量物體平面時基本上延伸通過測量裝置的測量開口的中心點(diǎn)且垂直于測量對象的虛構(gòu)直線。測量開口的平面通常與測量物體的表面平行，因此裝置法線也垂直于測量開口。術(shù)語“垂向”應(yīng)理解為裝置法線的方向。因此，縱斷面理解為通過裝置法線或平行于裝置法線的平截面。所指定的所有的方向和/或角度均涉及相對于測量裝置為空間固定的裝置法線。
[0094]在圖1中顯示的手持式測量裝置通過附圖標(biāo)記HMD表示為一個整體。其包括容納了測量陣列MA (圖2)和可控制測量陣列MA的電子控制陣列C (圖25)的殼體H。兩個夾持部分I和2構(gòu)造在殼體H的側(cè)部。腕帶3設(shè)置在殼體H的上側(cè)面上。在殼體H的前側(cè)面上提供了顯示陣列4。如圖25所示，操作機(jī)構(gòu)8也設(shè)置在殼體H的上側(cè)面上。
[0095]殼體H的下側(cè)面包括由利用設(shè)有測量開口 6的底盤7來加固的殼座5。在測量開口 6的區(qū)域中，殼座5包括孔徑(未通過附圖標(biāo)記示出)，因此光能通過孔徑和測量開口 6離開殼體的內(nèi)部，并且與之相反，來自外部的光能通過測量開口 6和孔徑進(jìn)入殼體的內(nèi)部。三個定位件7a、7b和7c圍繞測量開口 6設(shè)置于底盤7上，有助于使測量裝置能準(zhǔn)確地安放在甚至彎曲的測量表面上，使得在測量點(diǎn)的中心點(diǎn)處，裝置法線完全地或至少基本上與測量表面上的的法線一致(圖9和14)。測量開口 6當(dāng)然也能實施為矩形，如圖2到4中的例子所示。
[0096]已經(jīng)提及的裝置法線在圖1中標(biāo)示，且通過附圖標(biāo)記DN表示。裝置法線垂直于底盤7和/或垂直于位于底盤7內(nèi)的測量開口 6，并(實質(zhì)上)穿過測量開口 6的中心點(diǎn)。
[0097]對這種情況，所描述的測量裝置的一般設(shè)計(除了支撐件)符合這種類型的傳統(tǒng)測量裝置的原理，以致在這方面本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要任何進(jìn)一步的解釋。
[0098]從圖2到4能看到測量陣列MA的基礎(chǔ)實施例。它包括空間固定地連接在殼體H中的弧狀體10，在其中設(shè)置了測量陣列MA的所有光的和/或光電的部件，即基本上連續(xù)的徑向延伸的室11到19 (圖4)。如該示例性實施例中所示，這些部件包括七個照明器具21到27和三個拾取器具31到33。此外，在測量開口 6的直接臨近處也提供了漫散式照明的照明器具28。
[0099]七個照明器具21到27照明測量物體MO的表面上的測量點(diǎn)或測量場MF (圖9和14)，它們關(guān)于裝置法線DN指向不同的照明角度，名義上為-60°、-45°、-30°、-20°、0°、+30°、和+65° (從裝置法線DN開始以逆時針方向進(jìn)行正計數(shù))，其中“名義上地”意指各個照明光束的主光線和/或光軸。光線束的光線傳播角度對于接近鏡面反射(角度差<25° )的測量幾何體在±2°的范圍內(nèi)，對于關(guān)于鏡面光澤度角具有更大角度差的測量幾何體可達(dá)到大約±5°到±10°。所有七個照明器具21到27設(shè)置為能使通過他們產(chǎn)生的照明光束的光軸和/或主光線位于延伸過裝置法線DN的平面內(nèi)，此平面在圖4中示出，為方便起見以下稱為系統(tǒng)平面SP。
[0100]三個拾取器具31到33中的兩個實施為局部積分光譜測量通道；第三個拾取器具實施為局部分辨顏色測量通道。它們以+15°和+45°的照明角度接收在測量物體的被照亮的測量點(diǎn)區(qū)域內(nèi)所反射的測量光。兩個光譜測量通道31和32包括兩個光譜儀31a和32a，分別地通過供給透鏡31b和32b以及光導(dǎo)體31c和32c來為光譜儀31a和32a供給測量光(圖4)。局部分辨測量通道33包括三原色(RGB)相機(jī)33a，其能經(jīng)由分束器33b和透鏡33c (圖3)來施加測量光。分束器33b位于第二光譜測量通道32的拾取光路中，并將一部分測量光從弧狀體10中側(cè)向地直接引導(dǎo)到相機(jī)33a上。同樣地，三個測量通道31到33的光軸位于系統(tǒng)平面SP內(nèi)，其中由于它的彎曲的光路，這對局部分辨測量通道33而言僅應(yīng)用在測量物體MO和分束器33b之間的部分上。因此，第二個光譜測量通道32和局部分辨測量通道33共享測量光，并以準(zhǔn)確相同的視角接收它。
[0101 ] 所描述的測量幾何體恰為ASTM標(biāo)準(zhǔn)E2194和E2539的相反物，在這些標(biāo)準(zhǔn)中，針對金屬的和珠母的效果涂料上的測量確定了兩個以15°和45°的鏡面照明通道和六個以0°、30°、65°、-20°、-30° 和-60° 的鏡面光譜通道。
[0102]提供了附加的照明器具22 (-45° )用于與第一光譜測量通道31相結(jié)合地來測量光澤度。
[0103]照明器具21包括初級光源21a (例如以發(fā)光二極管的形式，或者可行的話為多個發(fā)光二極管)、準(zhǔn)直儀21b、混合光學(xué)器件(均化器)21c、帶孔徑21d的視場光闌和透鏡21e。帶孔徑21d的視場光闌形成了次級光源，其光經(jīng)由透鏡21e引導(dǎo)到測量物體上。其它六個照明器具22到27以同照明器具21 —樣的方式構(gòu)造。在圖中為了避免過度擁擠，在圖4中照明器具21到27的各個部件僅針對照明器具21提供了附圖標(biāo)記。
[0104]圖5顯示了照明器具21的放大圖。圖6顯示了照明器具21(且相應(yīng)地，其它照明器具22到27)的變體，其中，準(zhǔn)直儀和混合光學(xué)器件(均化器)相結(jié)合而形成了單個光線部件21b’。將它們相結(jié)合以形成一個部件闡明了通過單一的集成部件如何也能實現(xiàn)準(zhǔn)直和混合的光學(xué)作用。準(zhǔn)直和均化的光學(xué)作用也不能嚴(yán)格地分開。準(zhǔn)直儀例如構(gòu)造為使其也已可有助于均化遠(yuǎn)場。
[0105]照明器具21到27作為一個整體在下文中也稱為照明系統(tǒng)。
[0106]兩個光譜儀31a和32a分別以45°和15°的照明角度來光譜式分辨提供給它們的測量光，每次測量分別地產(chǎn)生一組s個光譜測量值，并且在測量物體的整體捕捉的測量點(diǎn)上進(jìn)行積分，其中s為可分辨的波長范圍的數(shù)量。該光譜儀優(yōu)選地通過能在整個光譜上實現(xiàn)迅速的、同時的測量的二極管陣列光譜儀來實現(xiàn)。[0107]RGB相機(jī)33a以15°的照明角度來分辨供給它的測量光，局部地以及根據(jù)三原色RGB，并且相應(yīng)地每次測量產(chǎn)生3*n個測量值的原始數(shù)據(jù)集，其中η為所分辨像素的數(shù)量。
[0108]包括在它們中的三個拾取器具和/或測量通道和光轉(zhuǎn)化器(光譜儀和彩色相機(jī))在下文也被簡稱為檢測器系統(tǒng)和/或檢測器。
[0109]需要基于局部分辨相機(jī)的檢測器來分析可視紋理，以便獲得紋理分析所需的局部圖像信息，其中，相機(jī)透鏡系統(tǒng)必須完成光譜需求、局部的(分辨率)需求以及角度與幾何形狀的需求。其目的是捕捉與可視紋理相關(guān)聯(lián)的圖像數(shù)據(jù)。
[0110]如下介紹對局部分辨拾取器具33的一般要求。
[0111]所測圖像數(shù)據(jù)的光學(xué)分辨率在近點(diǎn)觀察距離處低于視覺分辨率極限。通過假設(shè)通常近點(diǎn)觀察距離以250mm來測量和角度分辨能力以最好每度60線對來測量，可以計算可察覺的極限。相機(jī)的光學(xué)設(shè)計必須展現(xiàn)出更好的光線分辨率，也就是，局部限定頻率不得不在測量平面內(nèi)高于每毫米14線對。
[0112]為了避免信息損失，相機(jī)的傳感器域不得不在圖像平面內(nèi)進(jìn)行充足的數(shù)字過度采樣。優(yōu)選使用至少超過兩倍的過度采樣。在物體平面(測量場)中大約20 μ m的像素尺寸是足夠的。
[0113]在物體平面內(nèi)的拾取光路的錐形或孔徑角必須相對小的，優(yōu)選小于1°。拾取光路內(nèi)的孔徑角通過視場光闌的孔徑和透鏡系統(tǒng)的焦點(diǎn)長度來決定。
[0114]檢測器系統(tǒng)(拾取器具)以從0°偏離裝置法線一定角度來捕捉測量光。如果成像平面內(nèi)的焦深不夠，則為了在測量場上實現(xiàn)聚焦成像條件，需要應(yīng)用所謂的Scheimpflug條件。
[0115]有利的是在物體平面中實施近似遠(yuǎn)心光路，以便得到在整個測量場上就角度而言是恒定的測量條件，并且將中斷和放大差別保持為盡可能的低。
[0116]提供照明器具28以使測量裝置也可用漫射照明條件來支持測量模式。照明器具28構(gòu)造為可從大的空間角度直接照明測量物體的LED背景照明。
[0117]在圖7和圖8中詳細(xì)顯示了照明器具28。它包括兩排設(shè)置在測量開口 6兩側(cè)上的白色發(fā)光二極管28a和28b，以及用于均化照明的兩個傾斜的擴(kuò)散膜片28c和28d，每排一個。兩排LED28a和28b能通過控制陣列C (圖25)分別進(jìn)行控制。
[0118]作為備選或附加，也可提供環(huán)形的照明器具，例如如同在CIE15.3彩色測量標(biāo)準(zhǔn)中定義的用于45° /0°測量幾何體的那種。環(huán)形照明具有提供了獨(dú)立于位置的測量值的優(yōu)勢，也就是說，在測量物體上的測量裝置的旋轉(zhuǎn)位置不影響測量結(jié)果。
[0119]在所示的該示例性實施例中，根據(jù)本發(fā)明的測量裝置還裝備有形式為白色拼片的集成式白色參考物，其可被引入到照明器具21到27和拾取器具31到33的光路中以用于校準(zhǔn)的目的。在該特定的示例性實施例中，白色拼片包括板35，它在它的上側(cè)是平面的，并且設(shè)置為能垂直于系統(tǒng)平面SP正好移動(電力驅(qū)動)到測量開口 6之上。當(dāng)測量裝置正常地應(yīng)用于測量時，白色拼片35位于圖8中所示的位置，并且暴露出測量開口 6。在校準(zhǔn)過程期間，白色拼片35位于照明器具21到27的光路中的圖7所示的位置，其中拾取器具31到33接收通過白色拼片所反射的光。通過控制陣列C (圖25)來調(diào)整白色拼片35。
[0120]白色拼片35相對于測量物體MO (測量平面)的表面而言是凸起的。如同從圖9清楚的看到，基于例如標(biāo)示用于照明器具21和27的光路21s和27s，因此通過單獨(dú)的照明器具21到27所照明的白色拼片35上的區(qū)域僅部分地重疊，且拾取器具31到33也僅能直接地捕捉來自部分照亮區(qū)域的光(見例如標(biāo)示用于拾取器具31的光路31s)。
[0121]根據(jù)本發(fā)明的另一個重要方面，白色拼片的一個特別實施例確保了來自白色拼片35的側(cè)面的、更外圍的照明區(qū)域的照明光被運(yùn)送到它的中心區(qū)域，在此通過拾取器具31到33能拾取它。
[0122]從圖10中的截面圖示(平行于圖2中標(biāo)示的系統(tǒng)平面SP的縱截面)能看到該特別實施例。白色拼片35由中間的平行六面體部分35a和兩個橫向的棱柱部分35b和35c組成。中間部分35a由50%漫射和50%透明的玻璃體(或塑料體)組成；兩個橫向的和/或外面的棱柱部分35b和35c由透明的玻璃(或塑料體)組成。所有三個部分35a、35b和35c在它們的底側(cè)上是反射的。兩個棱柱部分35b和35c的棱柱角測量為大約5°。
[0123]中間部分35a的尺寸設(shè)置成使得它盡可能完全地位于拾取器具31到33的捕捉范圍內(nèi)。因此，可通過拾取器具31到33直接捕捉照在中間部分35a內(nèi)的照明光。照在兩個側(cè)面部分35b和35c中的光通過多次反射引導(dǎo)到中間部分35a，然后同樣地通過拾取器具31到33捕捉。
[0124]白色拼片35也可用作測量裝置的機(jī)械式遮板，以便避免裝置的內(nèi)部、特別是光學(xué)部件受到污染。
[0125]圖11a、lib、12a、12b、13a和13b示意性地顯示了照明器具的各種其它的變體，至少一些、優(yōu)選所有的照明器具可根據(jù)它們來實施。
[0126]在圖1la中顯示的照明器具本質(zhì)上對應(yīng)于根據(jù)圖5的照明器具，包括作為初級光源的LED121a、準(zhǔn)直儀121b、均化儀(例如光混合棒)121c和帶有孔徑121d的光闌，其中后者形成了次級光源。非成像部件即準(zhǔn)直儀121b和均化儀121c使初級光源121a與第二光源121d分離，其中“分離”意味著次級光源的光譜輻射的均勻性很大程度上獨(dú)立于初級光源的位置和特性。光展量和/或輻射被完全地使用和/或獲得(除了反射損失、非理想的準(zhǔn)直和所應(yīng)用的機(jī)械公差)。
[0127]圖1lb的照明器具具有同根據(jù)圖1la的照明器具相似的設(shè)計，但是包括兩個(或更多的)初級光源221a'和221a"以及兩個(或相應(yīng)地更多的)準(zhǔn)直儀221b'和221b"。也再次提供了均化儀221c和帶孔徑221d的光闌。準(zhǔn)直儀221b'和221b"以及均化儀221c再次配置成使得次級光源與初級光源相分離。使用兩個或更多LED作為初級光源能夠使得用于次級光源的光譜需求變得更好和/或更可靠地盡可能地實現(xiàn)(通過增加不同的光譜)。
[0128]圖12a的照明器具具有同根據(jù)圖1la的照明器具相似的設(shè)計，且包括作為初級光源的LED321a、準(zhǔn)直儀321b、均化儀(例如光混合棒)321c和帶孔徑321d的光闌，其中后者形成了次級光源。在這個變體中，初級光源的光展量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于次級光源的光展量。通過有利地選擇所使用的光展量的部分，也能提高次級光源的輻射。
[0129]圖12b的照明器具具有同根據(jù)圖12a的照明器具相似的設(shè)計，但是包括兩個(或更多的)初級光源421a'和421a"以及兩個(或相應(yīng)地更多的)準(zhǔn)直儀421b'和421b"。也再次提供了均化儀421c和帶孔徑421d的光闌。同圖12a相似的方式，初級光源的光展量大于次級光源的光展量，具有相對于圖12a解釋的相同優(yōu)點(diǎn)。
[0130]圖13a的照明器具具有同根據(jù)圖12a的照明器具相似的設(shè)計，且包括作為初級光源的LED521a'、作為第二或附加的初級光源的LED521a"、準(zhǔn)直儀521b、均化儀(例如光混合棒)521c和帶孔徑521d的視場光闌。然后，初級光源521a'的未使用的部分光展量用于將額外的LED521a"集成到系統(tǒng)中。鏡子521e設(shè)置在光展量的未使用的部分(在這種情況下是準(zhǔn)直儀521b)的前面。鏡子521e反射初級光源521a'的光的至少光譜部分。鏡子521e為二色性的，且僅透過額外的初級光源521a"的光。初級光源521a'和521a"、準(zhǔn)直儀521b、均化儀521c和鏡子521e形成了腔，以致額外的光供給到次級光源(光回收)的孔徑521d中。至少第一初始光源521a'是來自初始光源521a'和521a"的反射光的至少一部分。
[0131]圖13b顯示了如圖13a所示的照明器具的變體，其中，經(jīng)由偏轉(zhuǎn)棱鏡521f來將額外的初級光源521a"的光集成到光展量的未使用的部分(在這種情況下是均化儀521c)中。
[0132]無論是否使用或不使用額外的初級光源，未使用的初級光源的部分光展量能用于使光分離以用于參考光測量。在下文中將更詳細(xì)地進(jìn)一步討論這點(diǎn)。合適地構(gòu)造均化儀521c可確保所分離的光與次級光源的孔徑521d中的光譜輻射相關(guān)。
[0133]也可以提及的是，在圖12a、12b、13a和13b的二維圖示中，“未使用的部分光展量”顯示為作為未被使用的光學(xué)器件(準(zhǔn)直儀、均化儀)的(輸出)區(qū)域的一部分，但是大體上也能解釋為未被使用的空間角度范圍。
[0134]呈上如下，照明器具具有模塊化的且本質(zhì)上一致的設(shè)計。鏡面的照明器具照明了通過拾取器具捕捉的測量場范圍。用于測量金屬或珠母的效果涂料的ASTM標(biāo)準(zhǔn)需要高標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)于照明角度的精準(zhǔn)度。然而與此同時，希望可以靈活地選擇光源而不影響鏡面照明的角度特性。這包括主光束的入射角、在測量場上的發(fā)散角和孔徑角。這通過如上所描述地那樣構(gòu)造照明器具(帶有初級光源和與初級光源分離的第二級光源)得以實現(xiàn)。通過精確的、機(jī)械式快門來實現(xiàn)第二光源，該機(jī)械快門固定成精確地指向準(zhǔn)直儀透鏡。結(jié)合準(zhǔn)直儀透鏡的焦距，次級光源的尺寸和位置可定義照明器具的角度性能。對于各個照明器具來說，次級光源的尺寸和位置可以不同。
[0135]包括次級光源的設(shè)計需要均化近場和遠(yuǎn)場內(nèi)的光源。近場的均勻化延伸到場光闌的孔徑區(qū)域上；遠(yuǎn)場的均勻化延伸到照明器具中的準(zhǔn)直儀光學(xué)器件和/或透鏡的孔徑角區(qū)域上，其中可在光譜的和空間的均勻化之間進(jìn)行區(qū)別。光譜的均勻化意味著次級光源的輻射展現(xiàn)了對每個角度和具體位置而言盡可能相同的光譜分布?？臻g的均勻化意味著輻射展現(xiàn)了對次級光源的每個位置而言盡可能相同的振幅，作為角度的函數(shù)。與照明器具中的準(zhǔn)直儀的光學(xué)器件和/或透鏡相結(jié)合，優(yōu)選的是作為角度的函數(shù)的輻射的特定曲線，以便在測量場MF中獲得輻射的優(yōu)選的空間分布。
[0136]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，這一目的通過適當(dāng)?shù)亟M合成像和/或非成像的功能模塊即準(zhǔn)直儀、均化儀和(可選擇的)擴(kuò)散器來實現(xiàn)。典型的均化儀例如為由玻璃或塑料制成的具有方形截面的光導(dǎo)體。使用光導(dǎo)體的空間均化儀通?？稍谶h(yuǎn)場中產(chǎn)生不均勻性，這可通過額外的具有經(jīng)調(diào)整的散射角的擴(kuò)散器元件來消除。
[0137]由于在拾取器具31和32中進(jìn)行光譜分析，因此照明器具的光源在整個感興趣的光譜范圍內(nèi)必須為足夠強(qiáng)大的。光譜范圍在400nm到700nm的可見波長范圍內(nèi)延伸。對于具體的應(yīng)用來說，用紫外光和近紅外光補(bǔ)充光譜范圍也是必需的。使用LED技術(shù)能夠使光源和/或照明器具的光譜特性相對靈活地實現(xiàn)，其中白光LED能用于產(chǎn)生在整個可見光譜上連續(xù)的光。向外發(fā)射為典型的白色LED的光譜范圍的額外LED能補(bǔ)充照明器具的光譜范圍。這包括上面的所有在紫光、紫外線和近紅外的范圍內(nèi)發(fā)光的LED。
[0138]實際上，并不是所有的照明器具都必須構(gòu)造用于完整的光譜范圍。至少一個照明器具實施為400nm到700nm的完整光譜范圍；其他照明器具可以構(gòu)造為用于減小的光譜范圍。在這種情況下，當(dāng)使用這些照明器具時所丟失的光譜信息從構(gòu)造用于完整光譜范圍的照明器具的光譜信息中進(jìn)行插補(bǔ)。
[0139]根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置在-20°的照明器具24用于使用測量裝置來測量光澤度；使用設(shè)置在15°的拾取器具32和33來捕捉所反射的測量光。照明光束路徑和拾取光束路徑的測量場尺寸和發(fā)散角選擇成使得用于照明光束和拾取光束的鏡面反射條件在測量場中的至少一個點(diǎn)處是占主導(dǎo)。通過在此點(diǎn)處的相機(jī)來檢測直接光澤度。所反射的光束和所拾取的光束之間的角度條件在測量場上變化。通過相機(jī)記錄的圖像數(shù)據(jù)使得靠近鏡面角度的反射特性能夠被檢測用于測量場內(nèi)的其它點(diǎn)。圖像數(shù)據(jù)能分成預(yù)校準(zhǔn)的局部區(qū)域，其對應(yīng)于相對于各自的局部鏡面方向具有相似的角度差的預(yù)定義區(qū)域。
[0140]類似地也能提出設(shè)置在-45°的照明器具22用于測量光澤度，其中設(shè)置在45°的拾取器具31滿足鏡面反射條件。
[0141]圖14顯示了當(dāng)通過這種方式測量光澤度時的照明和拾取條件。使用相對于裝置法線DN定向為-20°的照明裝置，通過相對于裝置法線DN均定向為+15°的光譜拾取器具32和局部分辨拾取器具33來測量反射光。通過附圖標(biāo)記24s、32s和33s表示出照明器具24以及兩個拾取器具32和33的三個光路。如從圖中所見，在(圖中)右側(cè)的光路的外圍區(qū)域相對于裝置法線DN是對稱的。雖然-20° /+15°的測量幾何體不完全符合標(biāo)準(zhǔn)，但是它足以提供對測量物體的鏡面特性的可靠指示。
[0142]根據(jù)在圖15中顯示的測量裝置的實施例，可以捕捉鏡面光澤度的光澤度(典型的是20°或45° )，以及捕捉鏡面光澤度周圍的光澤度分布(典型地在±20°的角度范圍)，即使當(dāng)光學(xué)元件39 (在最簡單的情況下其為帶負(fù)折射能力的透鏡)設(shè)置在像場內(nèi)時也是如此。實際上(如從測量裝置觀察的那樣)，透鏡39產(chǎn)生凸像場曲率，其通過附圖標(biāo)記39a標(biāo)明?？梢允褂眯D(zhuǎn)對稱的透鏡，或優(yōu)選的其曲率處在裝置軸線中的柱面透鏡。光學(xué)元件和/或透鏡39能以與白色拼片35類似的方式經(jīng)由控制陣列C (圖25)引入到由附圖標(biāo)記24s、32s和33s標(biāo)出的光路中和/或從中移出。當(dāng)然也可構(gòu)思使用展現(xiàn)出更多優(yōu)化的形狀的元件。
[0143]使用光學(xué)元件39，可以在測量裝置的有限像場內(nèi)看到直接光澤度的區(qū)域內(nèi)的非鏡面角，且能應(yīng)用相機(jī)進(jìn)行定量的測量。能捕捉的量為此材料表面的鏡面光澤度以及反射周圍的散射錐的寬度，前者典型地由材料或面漆(如果測量物體有許多層漆)的菲涅耳反射給出，后者典型地由表面的粗糙度決定。分析圖像紋理也允許效果顏料的光澤屬性中的變化，效果顏料的密度和表觀顏色中的變化，以及因此還有作為待捕捉的觀察角度變化的效果的典型使用壽命的變化。這些數(shù)據(jù)對于捕捉材料的外觀、一方面用于可視化而另一方面用于分類材料和用于從材料庫或目錄中尋找材料來說非常有用。通過所謂的反向光線追蹤可以獲得用于照片級計算機(jī)模擬的參數(shù)，以便根據(jù)需要在計算機(jī)上將經(jīng)檢查的材料即其外觀(典型地為車漆的外觀)應(yīng)用到整個車輛上。對于許多不同的材料如塑料、涂料、紙、印刷品、紡織品以及更多的材料來說，這種設(shè)計也是受專注的。[0144]國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于測量光澤度而非多角度顏色測量的不同的測量幾何體。標(biāo)準(zhǔn)ASTM E430描述了通過光度測量法來測量高光澤表面的光澤度的方法。該標(biāo)準(zhǔn)指定了在20°和30°下測量鏡面光澤度。
[0145]在本測量裝置中，以15°設(shè)置的拾取器具32和33也能用于以備選的方式來測量20°鏡面角的光澤度。為此目的，拾取器具33和/或相機(jī)33a的所捕捉的局部測量范圍選擇成在垂直于系統(tǒng)平面的方向上足夠大。觀察和/或捕捉的角度構(gòu)造為大于±5°。這在位于系統(tǒng)平面外的測量場內(nèi)的具體點(diǎn)處產(chǎn)生了 20°的拾取角。根據(jù)本發(fā)明的另一概念，提供了額外的光源，其以20°的入射角照明測量場內(nèi)的這些具體點(diǎn)。該額外的光源設(shè)置在系統(tǒng)平面之外。這一光源的光學(xué)系統(tǒng)有利地構(gòu)造為使其在相機(jī)的局部捕捉范圍上產(chǎn)生更大的發(fā)散角。這樣使得能夠捕捉圖像上的光澤度變化的更大的角度范圍。光源優(yōu)選地實施為點(diǎn)光源，例如作為產(chǎn)生發(fā)散光束的光導(dǎo)體的出口區(qū)域。光源也能展現(xiàn)為一維伸長的形式，以便照明其中滿足鏡面反射條件的更大區(qū)域。例如通過線性地設(shè)置光導(dǎo)體來實現(xiàn)伸長的光源。
[0146]優(yōu)選地在系統(tǒng)平面的相反側(cè)對稱地提供同一類型的次級光源。通過兩個光源方式產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)使得可以表征不同方向上的光澤度分布的各向異性。
[0147]圖16顯示了這種備選的光澤度測量幾何體，其中提供了點(diǎn)照明器具29，其設(shè)置為相對于系統(tǒng)平面?zhèn)认虻貎A斜20°，并且因此稍微從側(cè)面照明測量物體。點(diǎn)光源29的光路通過附圖標(biāo)記29s示出。反射光又通過光譜拾取器具32和局部分辨拾取器具33來捕捉，其中通過附圖標(biāo)記32s和33s表明各自的光路。
[0148]圖17顯示了根據(jù)本發(fā)明的測量裝置的補(bǔ)充實施例，其中提供了額外的元件38用于測量透光性。額外的元件38包括安裝在透鏡架38b上的透鏡38a。經(jīng)由控制陣列C (圖25)能以與白色拼片35相似的方式垂直于系統(tǒng)平面SP (圖2)地移動透鏡架38b，使得透鏡38a能引入到由附圖標(biāo)記27s示出的65°照明器具27的光路中和/或從中移出。當(dāng)透鏡38a嵌入到光路27s中時，照明光集中，以致測量物體上的被照明的測量點(diǎn)比未嵌入透鏡38a時小很多。為了確定透光性可實施兩次測量，一次沒有嵌入透鏡38a，另一次將透鏡38a嵌入到照明器具27的光路27s中?；趶膬纱螠y量中獲得的測量值，可得出所觀察的測量物體的透光性行為(在下文中描述的空間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù):M.Goesele等人,DISCO—Acquisition ofTranslucent Objects,Proceedings of the31st International Conference on ComputerGraphics and Interactive Techniques (ACM SIGGRAPH2004))。作為透鏡 38a 的替代也能使用光闌。優(yōu)選使用相對于兩個拾取器具(特別是照明器具27)具有較大的角距離的照明器具來捕捉紋理。
[0149]使用有或沒有透鏡嵌入所確定的光譜測量值來確定光譜透光率修正。來源自兩次測量的光譜測量數(shù)值差的光譜修正因子應(yīng)用于所有其它的測量幾何體(也就是使用照明器具21到26的測量)。
[0150]圖18和19顯示了根據(jù)本發(fā)明的測量裝置的另一實施例，其中提供了額外的參考照明器具30，其充當(dāng)波長參考以用于再校正兩個拾取器具31和32和/或它們的光譜儀31a和32a的光譜定標(biāo)。參考照明器具30設(shè)置為相對于系統(tǒng)平面傾斜約20°，并且當(dāng)白色拼片35嵌入到兩個拾取器具31和32的光路中時照明白色拼片35。參考照明器具30包括白色光源30a (例如形式為一種LED)、高精度并穩(wěn)定的絕緣干擾光譜濾光器30b (其包括多個窄帶傳輸區(qū)域且優(yōu)選地帶有明顯突出的側(cè)面)，以及透鏡30c。參考照明器具30的光路通過附圖標(biāo)記30s標(biāo)出。
[0151]測量裝置的固件包括參考照明器具的組合式光源和濾光器的校準(zhǔn)過的光譜透射曲線。參考照明器具用于每個白色拼片校準(zhǔn)中，并經(jīng)由白色拼片將光反射到拾取器具中。
[0152]如果可用的空間允許的話，參考照明器具30能像照明器具21到27 —樣設(shè)置在系統(tǒng)平面SP中。
[0153]圖20和21顯示了根據(jù)本發(fā)明的測量裝置的另一個實施例，其中七個照明器具21到27中的每一個均裝配有參考通道，參考通道分離一部分光，并引導(dǎo)它到作為一個整體由附圖標(biāo)記34標(biāo)出的參考拾取器具。為此目的，分束器設(shè)置在照明器具21到27中，在圖20中僅通過附圖標(biāo)記顯示和指明了照明器具25的分束器25m。每個分束器將所分離的光導(dǎo)入到七個光導(dǎo)體41到47中的一個內(nèi)。參考拾取器具34包括:光譜儀34a，其優(yōu)選地也實施為二極管陣列光譜儀；光混合器34b ;供給透鏡34c ;和另一個光導(dǎo)體34d。光導(dǎo)體41到47為光混合器34b供給分離的光，光從光混合器34b經(jīng)由供給透鏡34c和另一光導(dǎo)體34d供給到光譜儀34a。通過參考拾取器具34能校準(zhǔn)照明器具21到27。
[0154]也能通過偏轉(zhuǎn)棱鏡(或功能相等的光學(xué)部件)來分離來自照明器具21到27的光，該偏轉(zhuǎn)棱鏡設(shè)置在未使用的部分光展量之前，且經(jīng)由光導(dǎo)體41到47引導(dǎo)分離的光進(jìn)入到參考拾取器具34中，而不是通過分束器。在圖13b中通過圖示的方式僅顯示了一個這樣的偏轉(zhuǎn)棱鏡521g和相應(yīng)的光導(dǎo)體41。通過這種方式分離光避免了次級光源的輻射的減少。
[0155]作為包括光導(dǎo)體和參考拾取器具34的參考通道的代替，備選地可由更簡單的和更緊湊的參考器具、例如RGB傳感器來表征LED光源。這樣的傳感器是很緊湊的，且能相應(yīng)地直接安裝在LED混合器中，例如在未使用的準(zhǔn)直儀的輸出區(qū)域上，如上所述。雖然以這種方式簡化的參考通道不允許精確的光譜修正，但是相比于熒光粉峰，可以非常好地修正LED級別和某一光譜變化，例如藍(lán)色LED峰的相對強(qiáng)度，因此也能校準(zhǔn)LED照明的最大漂移誤差。
[0156]圖22顯示了照明器具21到27的一種備選實現(xiàn)方式，其中使用了同圖lla、llb、12a、12b、13a或13中顯示的光源相似的方式來構(gòu)造的中心光源50。它的光經(jīng)由多路器59和光導(dǎo)體51到57供給照明器具21到27的各個照明通道。參考光經(jīng)由另一個光導(dǎo)體58引導(dǎo)到參考拾取器具34的光譜儀34a。通過這種方式也能實現(xiàn)上面提及的光照明器具29。
[0157]照明器具21到27的實現(xiàn)意味著一旦光源50的均化儀的輸出光通過多路器59進(jìn)行分布，在照明器具21到27的照明通道中的光和參考模塊34a中的光盡可能地相關(guān)聯(lián)。
[0158]在圖23和24中顯示了白色參考物的另一種實現(xiàn)，其中平面鏡61和展現(xiàn)為相對于平面鏡61具有固定的空間分配的漫反射鏡60設(shè)置在弧狀體10中，由此它們能一起運(yùn)動(例如旋轉(zhuǎn))，以致鏡61能臨時地引入到照明器具21到27和拾取器具31到33的光路中，并且從中再次移出。圖23顯示了處于光束之外的鏡61和反射鏡60 ;圖24顯示了已經(jīng)被引入到光路內(nèi)的鏡61和反射鏡60。在圖23和24中以圖示的方式僅顯示了拾取器具32 (未示出)的光路32s以及照明器具21和27 (未示出)的光路21s和27s。實線顯示了當(dāng)反射鏡和鏡子轉(zhuǎn)入到其中時各自的中心光束，虛線顯示了當(dāng)反射鏡和鏡取出(此時外部的白色拼片處在測量場MF中的點(diǎn)上)時的光束。
[0159]鏡61將測量場MF反射到虛擬測量場，其中漫反射鏡60位于虛擬測量場的位置。漫反射鏡60形成了實際的白色參考物和/或白色拼片，并經(jīng)由鏡通過照明器具21到27被照明。經(jīng)由鏡61通過拾取器具31到33來測量漫反射鏡的背散射，確切地好似它來自實際的測量場。虛擬測量場和/或反射鏡60的照明與測量場相一致，也就是，在白色參考物的該實施例中的角度/位置關(guān)系與在(實際)測量場中使用白色拼片的校正相同。鏡61和漫反射鏡60 (實際的白色拼片)也能相結(jié)合，以形成包括玻璃或塑料體的獨(dú)立部件。
[0160]備選地，下面的變化也可以使設(shè)計更緊湊，其中漫反射鏡60 (實際上的白色拼片)不再設(shè)計為完全不透明的反射鏡，而是設(shè)計為半透光薄膜或包括透明的和不透明的局部區(qū)域的基板。因此，反射鏡和/或虛擬測量場不再必須全部位于照明器具21到27以及拾取器具31到33的光路之外，這使得組合式鏡子/反射鏡的尺寸顯著減小。
[0161]測量場的尺寸和光學(xué)部件的尺寸與鏡面測量幾何體線性相關(guān)。必須根據(jù)測量物體的表面上的尺寸的局部側(cè)面變化來選擇測量場的尺寸，以便包括測量物體的局部變化表面性能的統(tǒng)計式表示。根據(jù)所測量的材料的性能來選擇光學(xué)系統(tǒng)的尺寸。通過使用相同的照明系統(tǒng)，可以實現(xiàn)具有更小測量場的測量工具，其中，通過改變透鏡系統(tǒng)的聚焦性能和在測量場的平面中使用額外的機(jī)械光圈，僅可實現(xiàn)具有更小的視場的拾取器具。
[0162]用于表征光譜顏色、可視紋理和光澤度的測量裝置的不同測量功能在照明側(cè)上具有相似的要求，但是在檢測器側(cè)上具有不同的要求，例如測量場上的(局部)積分測量和局部分辨測量。
[0163]根據(jù)本發(fā)明的基礎(chǔ)概念，照明部件在測量裝置中共享，即用于不同的功能，而在展示為具有相同可視角的拾取器具中分布不同的測量要求。由于同時的測量數(shù)據(jù)捕捉，這一設(shè)計允許具有較短的整體測量時間的緊湊且成本劃算的機(jī)械解決方案。這種設(shè)計也可在同一可視角度下針對不同的材料特性產(chǎn)生一致的測量數(shù)據(jù)。該測量數(shù)據(jù)集用于在不同的觀察距離或在不同的測量條件下(例如照明中的變化)計算外觀數(shù)據(jù)。
[0164]圖25是框圖，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的測量裝置的單獨(dú)部件之間的電連接。通過基于計算機(jī)的控制陣列C來控制照明器具21到27、28、29和30的光源?？刂脐嚵蠧也控制拾取器具31到33的兩個光譜儀和相機(jī)以及參考拾取器件34的光譜儀，并處理它們的測量信號?？刂脐嚵蠧也控制白色拼片35和額外元件38的透鏡支架的運(yùn)動，以用于測量透光度?？刂脐嚵蠧顯示了顯示陣列4上的測量結(jié)果或用戶指示，并從控制機(jī)構(gòu)8中接收操作指令。還提供了通信干擾9，控制陣列C能經(jīng)由其而與外部計算機(jī)相連，并向它傳送數(shù)據(jù)以及如果合適的話也接受控制指令。優(yōu)選地(但不是必要地)，在裝置本身內(nèi)通過控制陣列C來準(zhǔn)備原始數(shù)據(jù)；在外部計算機(jī)中也能評估(所準(zhǔn)備的)測量數(shù)據(jù)。
[0165]測量外觀性能需要用于多角度測量裝置的所有測量幾何狀態(tài)的校準(zhǔn)的光譜反射系數(shù)測量值。理論上這能通過光譜式分辨相機(jī)來實施。例如在1999年由J.Hardeberg寫的博士論文 “Acquisition and Reproduction of Color Images:Colorimetric andMultispectral Approaches”中描述了光譜式和多光譜式相機(jī)技術(shù)。多光譜式圖像掃描(成像)產(chǎn)生用于多于三種顏色的圖像數(shù)據(jù)。使用除了普通的三種顏色(在大多數(shù)情況下為RGB)的顏色信息，以便實現(xiàn)將圖像數(shù)據(jù)更精確地轉(zhuǎn)化為絕對色彩空間(例如CIE XYZ或sRGB)。使用與所測量的反射率數(shù)據(jù)線性連接的色彩空間是有利的。
[0166]圖像數(shù)據(jù)必須針對相機(jī)的拾取光束中的反射光的輻射而被完全校準(zhǔn)。這經(jīng)由使用集成的白色拼片并通過針對每個測量幾何體(組合的照明器具和拾取器具)的絕對光譜反射校準(zhǔn)來實現(xiàn)。[0167]效果材料能在圖像數(shù)據(jù)中產(chǎn)生亮度的較大波動，使得單個的測量超過了相機(jī)的動態(tài)范圍?？墒褂酶邉討B(tài)范圍(HDR)檢測方法來解決這個問題，例如在MGoesele等人的“Color Calibrated High Dynamic Range Imaging with ICC Profiles，，, Proceedings ofthe9th Society for Imaging Science and Technology(IS&T)Colour Imaging Conference, Scottsdale, Arizona, USA, 2001, 286-290中所述，其中使用不同的曝光時間(積分時間)來測量多組圖像數(shù)據(jù)。每一個圖像數(shù)據(jù)集相對于各自的積分時間歸一化，并且與白色校準(zhǔn)物一起轉(zhuǎn)移到相同的物理反射單元。這種方法使圖像數(shù)據(jù)集可加權(quán)式融合到具有增長的動態(tài)范圍的單個圖像數(shù)據(jù)集中。
[0168]根據(jù)本發(fā)明的一個基礎(chǔ)概念，為了較小的復(fù)雜度和低的生產(chǎn)成本，在局部分辨拾取器具33中未使用光譜式相機(jī)，而是具有位于相機(jī)的實際傳感器場上的拜耳濾波器的(相對簡單且成本合算的)RGB相機(jī)。根據(jù)本發(fā)明，通過參見以相同的觀測角度設(shè)置的光譜式拾取器具32來實現(xiàn)所需的光譜準(zhǔn)確度。通過分束器33b分開兩個拾取器具32和33的光束。分束器會引起偏振反應(yīng)，其例如因為效果顏料能部分地反射偏振光而是不希望有的。為了減小偏振依賴性，分束器的表面旋轉(zhuǎn)出系統(tǒng)平面45°，其中用于相機(jī)的測量光被引導(dǎo)出系統(tǒng)平面。這一測量使得與系統(tǒng)平面正交的s偏振分量和P偏振分量均衡。
[0169]為了需要精確顏色信息的測量應(yīng)用，在每個測量幾何體(組合的照明器具和拾取器具)中使用光譜式測量數(shù)據(jù)。為了增加顏色圖像數(shù)據(jù)的顏色精確度，也可引證光譜式測量數(shù)據(jù)?？墒褂脧念伾芾碇械弥姆椒?、例如使用ICC相機(jī)配置文件來對RGB相機(jī)進(jìn)行顏色校準(zhǔn)，然而其中能實現(xiàn)的顏色精確度受到同色異譜效應(yīng)(檢測器同色異譜和照明同色異譜)的限制，且因此受損。根據(jù)本發(fā)明的一個重要方面，通過基于從光譜式測量數(shù)據(jù)中獲得的顏色信息的修正而提高了顏色圖像數(shù)據(jù)的色度精確性。為此目的，對每一個像素的顏色值進(jìn)行修正，使得通過對測量場進(jìn)行平均而從中計算出的顏色值與跟隨光譜測量的積分顏色值相匹配。這使得圖像中的平均顏色信息能夠適應(yīng)于不同的照明譜?；趫D像中的相對顏色變化來分析可視紋理，對于多數(shù)紋理分析應(yīng)用來說，上述相對顏色變化典型地比絕對顏色信息更精確且更充分(例如見Robert Μ.Haralick等的“Textural Features for ImageClassification，，，IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics,第 SMC-3 卷第6 期，1973 年 11 月，610-621 頁)。
[0170]對于每個測量幾何體(組合的照明器具和拾取器具)來說，檢測器系統(tǒng)產(chǎn)生了一套顏色校準(zhǔn)的HDR圖像數(shù)據(jù)和(局部積分的)光譜反射數(shù)據(jù)。為了在圖像數(shù)據(jù)上產(chǎn)生一致的(局部)平均值顏色信息，使用光譜數(shù)據(jù)來修正顏色圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)包括作為局部信息的測量物體的顏色或光澤度特性，其在測量場上發(fā)生變化。
[0171]經(jīng)顏色校準(zhǔn)的HDR圖像數(shù)據(jù)以高于人類眼睛的分辨率限值的分辨率來提供。使用這些圖像數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，可以計算可在特定的可見距離下與可見圖像印象相匹配的適當(dāng)?shù)耐庥^圖像。為此目的，需要使用顏色外觀模型并將其調(diào)節(jié)為不同的局部分辨率。
[0172]局部分辨拾取器具33的視場(能被捕捉的區(qū)域)構(gòu)造為與光譜拾取器具31和32的視場相等或更大。對于顏色校準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)而言，僅考慮與視場的重疊區(qū)域相一致的局部圖像內(nèi)容。
[0173]圖26為框圖，顯示了如上文所述的準(zhǔn)備測量值的各個步驟，其中從相機(jī)32a的原始圖像數(shù)據(jù)中產(chǎn)生顏色校準(zhǔn)的、修正的和標(biāo)準(zhǔn)化的顏色圖像數(shù)據(jù)集。在控制陣列C中準(zhǔn)備這些數(shù)據(jù)，在控制陣列C上為此目的而運(yùn)行適當(dāng)?shù)能浖W (圖25)。當(dāng)然也能在外部計算機(jī)上準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。
[0174]從多個經(jīng)黑色校準(zhǔn)過的單獨(dú)曝光(具有不同積分時間的測量，如上所述)產(chǎn)生的相機(jī)的HDR顏色圖像數(shù)據(jù)形成開始點(diǎn)(框601)。顏色圖像數(shù)據(jù)顯示了顏色過濾模式。信號與入射光成比例。光分辨率和空間分辨率基于相機(jī)。
[0175]在第一步驟中(框602)執(zhí)行分辨率調(diào)整，其中調(diào)整空間的和光的分辨率，使得它與限定的輸出分辨率(目標(biāo)分辨率)相一致。為了穩(wěn)定性和精確性的原因，輸出分辨率在大多數(shù)情況下比輸入分辨率更小。這使得圖像尺寸更小。
[0176]在接下來的步驟中(框603)，執(zhí)行所謂的去馬賽克，其中使用顏色通道將局部分離的顏色像素轉(zhuǎn)換為一種顏色像素。在同一步驟中，也采取措施來降低顏色噪聲。
[0177]輸出圖像應(yīng)該是對于白色而言的。如用光譜測量，它應(yīng)該是相對于絕對反射式的擴(kuò)散器而言的。為此目的，通過包括將其校正為絕對白色(框605，606，607)的白色測量來分離在去馬賽克(框604)之后出現(xiàn)的圖像。通過框608來代表相對于白色的圖像。
[0178]在最后一個步驟中，執(zhí)行顏色空間調(diào)整(框609)。使用相同測量幾何體的光譜測量的可用性(框610)使得顏色空間可從裝置的顏色空間更精確地轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)顏色空間，例如CIE XYZ 或 sRGB。
[0179]所得的圖像是所需的標(biāo)準(zhǔn)化的輸出圖像(框611)，其展現(xiàn)為在相對于絕對白色的尺度上在CIE XYZ或sRGB顏色空間中具有限定的空間分辨率和光學(xué)分辨率(在大多數(shù)情況下其與空間分辨率相同)。然后，這種獨(dú)立于裝置的標(biāo)準(zhǔn)化圖像用作基于合適的算法來計算相應(yīng)的紋理變量的基礎(chǔ)。
[0180]如上解釋的根據(jù)本發(fā)明的測量裝置尤其可構(gòu)造和優(yōu)化為用于在包括效果顏料的測量物體上測量。使用其它測量幾何體以及其它照明角和觀測角，當(dāng)然也能將根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計調(diào)整為適應(yīng)其它功能。
[0181]上面描述的手持式測量裝置裝備有七個照明器具和三個拾取器具，以用于實際的測量目的?？梢允褂谜彰髌骶吆褪叭∑骶叩钠渌M合。照明器具的數(shù)量可以減少，其中在不同的照明角度下需要最少三個鏡面照明器具，例如第一角度接近滿足鏡面反射條件的角度，第二個角度成45°，第三個角度遠(yuǎn)離滿足鏡面反射條件的角度。照明器具也不必設(shè)置在一個平面內(nèi)。拾取器具可根據(jù)它們的功能(積分式光譜測量或局部分辨測量)或按照它們的數(shù)量而改變(一個或兩個系統(tǒng))。
[0182]為了捕捉外觀性能的總和(材料的外觀)，在材料中捕捉宏觀的高度變化也是至關(guān)重要的。所關(guān)注的性能有局部表面法線的角分布標(biāo)準(zhǔn)(法線圖)及其積分，以及高度分布(高度圖)。依靠照明條件和光分布(環(huán)境圖)，峰和坑可以例如變得可見。由于根據(jù)本發(fā)明的測量裝置包括相機(jī)和來自不同方向的照明，可以使用已知為“立體光學(xué)法”的方法而從一個或多個照明器具的所發(fā)生的亮度分布來確定法線圖(以及從中可通過積分得到的高度圖)。假設(shè)提供了至少三個不位于一條線上的照明，那么通過假定材料具有近似的朗伯散射特性，可以從區(qū)域法線的變化中區(qū)分出并單獨(dú)地確定顏色和亮度的變化(反照率圖)。這可在設(shè)置于裝置法線(裝置軸線)之外的兩側(cè)并能單獨(dú)地被控制的擴(kuò)散照明的幫助下實現(xiàn)。用于捕捉各向異性的測量裝置可以合適地繞其自身的軸線旋轉(zhuǎn)，典型地轉(zhuǎn)90度，以便捕捉另一個視圖。[0183]對于外觀特性，典型地不能實現(xiàn)樣品的均勻性和各向同性。因此，記錄不同點(diǎn)處的測量是有利的，并且在一個樣品位置處繞其軸線旋轉(zhuǎn)測量裝置也是有利的。
[0184]所有上面測量的目的是，在任何測量條件和可視條件下、甚至在以任何方式成形的3D物體上使得材料實際上是可見的，并且可以分離和確定相應(yīng)的外觀特性，比如光澤度、透光性和形貌。
[0185]上面描述的手持式測量裝置實施為自主式測量裝置，并包括用于測量操作所有操作機(jī)構(gòu)和顯示機(jī)構(gòu)及其自身的電源。此外，它也裝備有用于與外部計算機(jī)進(jìn)行通信的界面，其中，側(cè)量數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)都能與計算機(jī)交換。但是，手持式測量裝置也當(dāng)然能實施為外圍測量裝置，用于與可評估測量數(shù)據(jù)的控制計算機(jī)相連。在這種情況下，測量裝置不需要包括操作機(jī)構(gòu)和它自己的顯示機(jī)構(gòu)，并通過像任何其它外圍計算機(jī)裝置一樣的上級計算機(jī)來控制。如合適的話，也可通過外部計算機(jī)來提供能量。
【權(quán)利要求】
1.一種用于捕捉測量物體的視覺印象的手持式測量裝置，包括殼體(H)，其中所述殼體(H)容納有測量陣列(MA)和電子控制器(C)，并且包括測量開口(6)，通過所述測量開口(6)能照明測量物體(MO)的表面上的測量場(MF)并拾取由測量場(MF)所反射的測量光，其中所述測量陣列(MA)包括多個照明器具(21-27)和多個拾取器具(31-33)，所述照明器具用于沿著相對于裝置法線(DN)的至少三個照明方向?qū)⒄彰鞴鈶?yīng)用于測量場(MF)，所述拾取器具用于沿相對于裝置法線(DN)的至少一個觀測方向捕捉所述測量光，其中至少一個光譜拾取器具(32)實施為以局部積分的方式光譜式估計由所述測量場反射的測量光，并且至少一個圖像拾取器具(33)實施為以局部分辨的方式估計所述測量光， 其特征在于，所述圖像拾取器具(33)還實施為就顏色而言估計所述測量光，并且所述光譜拾取器具(32)和所述圖像拾取器具(33)設(shè)置為在相同的觀測條件下尤其從同一觀測方向來接受被所述測量場(MF)反射的測量光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述光譜拾取器具(32)包括作為光線檢測器的光譜儀(32a)，所述圖像拾取器具(33)包括作為光線檢測器的數(shù)碼彩色相機(jī)(33a)，以及所述測量陣列(MA)包括將拾取光路(32s，33s)分開的分光器(33c)，并且一方面將它引導(dǎo)到所述光譜儀(32a)上而另一方面將它引導(dǎo)到所述彩色相機(jī)(33a)上，其中所述拾取光路在一些部分中是共有的光路。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述至少三個照明方向和所述至少一個觀測方向位于延伸穿過所述裝置法線(DN)的共同的系統(tǒng)平面(SP)內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述分光器(33c)設(shè)置為成使其旋轉(zhuǎn)出所述系 統(tǒng)平面(SP)大致45°，使得用于所述彩色相機(jī)(33a)的測量光被引出所述系統(tǒng)平面(SP)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述光譜拾取器具(32)和所述圖像拾取器具(33)的觀測方向相對于所述裝置法線(DN)傾斜15°。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述測量陣列(MA)包括另一個光譜拾取器具(31)，所述另一個光譜拾取器具(31)從與所述圖像拾取器具(33)的觀測方向不同的觀測方向接受被所述測量場(MF)所反射的測量光。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述另一個光譜拾取器具(31)的觀測方向相對于所述裝置法線(DN)傾斜45°。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述測量陣列(MA)包括展示出不同照明方向的照明器具(21-24)，所述照明方向在與所述拾取器具(31-33)的觀測方向相反的方向上相對于所述裝置法線(DN)傾斜。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述測量陣列(MA)包括展示出不同照明方向的照明器具(26，27)，所述照明方向在與所述拾取器具(31-33)的觀測方向相同的方向上相對于所述裝置法線(DN)傾斜。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述測量陣列(MA)包括額外的光澤照明器具(29)，其用發(fā)散的光束以大致20°的角度照明所述測量場(MF)。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述測量陣列(MA)包括光學(xué)元件(39)，尤其是具有負(fù)折射能力的透鏡，所述透鏡能移動到像場中和從中移出，并且產(chǎn)生虛擬的凸像場曲率(39a)。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述測量陣列(MA)包括漫射式照明所述測量場(MF)的照明器具(28)。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，照明器具(27)裝備有光學(xué)元件(38)，所述光學(xué)元件(38)能被引入到照明器具(27)的照明光路(27s)中，并導(dǎo)致由所述照明器具(29)照明的區(qū)域的尺寸減小。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的手持式測量裝置，其特征在于，裝備有所述光學(xué)元件(38)的所述照明器具(27)相對于所述裝置法線(DN)位于與所述拾取裝置(31-33)相同的一側(cè)。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述測量陣列(MA)包括能臨時地引入到所述照明器具(21-27)和所述拾取器具(31-33)的光路內(nèi)的集成式白色參照物(35)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述白色參照物(35)實施為能將入射在其外圍區(qū)域(35b，35c)中的光偏轉(zhuǎn)到所述白色參照物(35)的中心區(qū)域(35a)內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述測量陣列(MA)包括參考照明器具(30)，用于以展現(xiàn)為窄帶波長范圍的光來照明所述白色參照物(35)。
18.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，為至少一些照明器具(21-27)分配了參考通道，所述參考通道將一部分照明光從所述照明器具(21-27)中分離，并將其經(jīng)由光導(dǎo)體(41-47)和光混合器(34b)供給光譜儀(34a)。
19.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述控制陣列(C)實施為能通過由展現(xiàn)為與所述圖像拾取器具(33)相同的觀測方向的光譜拾取器具(32)所產(chǎn)生的光譜測量值來就顏色而言修正由所述圖像拾取器具(33)產(chǎn)生的彩色圖像數(shù)據(jù)。
20.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述控制陣列(C)實施為能將由所述圖像拾取器具(33)產(chǎn)生的彩色圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的彩色圖像數(shù)據(jù)，所述標(biāo)準(zhǔn)化的彩色圖像數(shù)據(jù)展現(xiàn)為在相對于絕對白色的尺度上和在CIE XYZ或sRGB顏色平面中具有限定的分辨率。
21.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，以本質(zhì)相同的方式設(shè)計至少一些所述照明器具(21-27)，其中的每一個包括至少一個初級光源(21a)和通過孔徑和/或視場光闌形成的次級光源(21d)，其中，至少一個初級光源(21a)經(jīng)由準(zhǔn)直儀(21b)和均化儀(21c)來照明所述次級光源(21d)。
22.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，至少一些所述照明器具(21-27)包括共有的中心光源(50)，所述中心光源(50)的輸出光經(jīng)由多路器(59)分布到所述照明器具(21-27)的照明通道上和所述參考拾取器具(34)上。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的手持式測量裝置，其特征在于，所述照明器具(21-27)或所述中心光源(50)包括允許基本上無損耗地接入一個或多個初級光源的整體光展量的非成像式準(zhǔn)直儀。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的手持式測量裝置，其特征在于，經(jīng)由一個或多個初級光源的未使用的光展量部分來將一個或多個額外的光源加入到所述照明器具(21-27)或所述中心光源(50)內(nèi)。
25.根據(jù)權(quán)利要求22到24中的任一項所述的手持式測量裝置，其特征在于，在所述照明器具(21-27)或所述中心光源(50)中將參考光從所述初級光源的未使用的光展量部分中分離 。
【文檔編號】G01N21/25GK103808666SQ201310546189
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月6日
【發(fā)明者】皮特·埃比茨, 貝亞特·弗里克, 馬克·韋格穆勒, 約爾格·漢克邁耶, 吉多·尼德雷爾 申請人:愛色麗歐洲有限公司