专利名称：一种用于观测样品表面的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于观测半透明材料的样品表面的光学外观、尤其是人的皮肤表 面的光学外观的装置和方法。
背景技术：
为了观测样品表面的光学外观，可从某个方向观察表面，由此将光束从另一方向 引导到该表面。因此，根据入射光和出射光的方向、强度以及颜色并且根据朝着表面的观察 方向，可获得与该表面有关的各种信息。所观测到的外观可包括纹理和/或浮凸或者诸如 皮肤上的头发这样的突出物或凸起，并且在表面本身的材料或多或少是半透明的情况下， 包括在该表面下面(即次表面)的纹理和/或颜色和/或形态。可对该观测进行记录和/ 或分析。应该注意的是，在该描述中的表述外观用于样品表面的方面和/或特性的每个组 合以及该表面的观测者的感知，其包括表面的形式和浮凸、表面的颜色、表面的光反射和光 吸收特性等等。观测是一般的表述，它包括检查和/或记录和/或分析表面的外观。非接触和非扰动式监测技术在许多技术领域中对于确定表面和/或次表面形态 是很有用的。此外，可利用该技术来表征材料缺陷的类型和密度或者具有几何形状或光学 扰动的其它特征。该技术的另一用途是对人的皮肤的特征和状况进行分析。尤其是当对形态的细节进行分析时，希望从不同方向来观测表面的外观，由此光 源也可从一个或多个预定方向(相对于表面的平面而言的不同角度)来照明表面。尤其是当必须要观测相对大对象的表面时，例如观测人体的一块皮肤时，不可能 将样品放置在装置之内。在这种情况下，应将装置放置在样品或样品的一部分上或者靠着 样品或样品的一部分放置装置，由此要观测的表面的位置在该装置的外侧。在W02007/072403中公开了一种用于对样品表面的光学外观尤其是人的皮肤表 面的光学外观进行测量的光学测量设备。所公开的设备包括用于利用照明光束来照明表面 的照明设备以及用于对样品对照明光束的响应进行检测的检测设备。在已知的光学测量设备中，将基板置于样品的一部分上，例如人皮肤的一部分上， 从而接触并将压力施加到人皮肤上。与施加压力的区域相邻接的可变形皮肤的一部分将趋 于鼓起。这造成了皮肤表面的虚假反射并且造成了皮肤表面在检测设备的焦点深度之外， 这降低了对样品表面的光学外观的观测质量。这扰乱了对皮肤表面的外观的观测，因为用 于对人的皮肤对照明光束的响应进行分析的相机将产生模糊的且散焦的图像。此外，施加 在皮肤上的压力会改变皮肤的外观。至少部分地阻塞了血管，由此导致血液局部地从皮肤 流出并且积聚在其它地方，这会导致皮肤的红色或者白色变色。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于对半透明材料的样品表面的光学外观尤其是人的 皮肤表面的光学外观进行观测的装置和方法，其中可使该装置与样品表面的机械接触对光学外观的观测质量的影响最小化。本发明由独立权利要求来定义。有利实施例由从属权利要求来定义。该目的通过根据本发明的、用于对半透明材料的样品表面的光学外观尤其是人的 皮肤表面的光学外观进行观测的装置来实现，该装置包括光源，用于从预定方向对样品表 面的至少感兴趣区域进行照明；相机，用于观测对感兴趣区域的照明的响应；以及光学聚 焦设备，用于确定相机是否与该感兴趣区域的表面的至少一部分对焦。按照这种方式，可确 保用于对样品表面的光学外观进行观测的相机与样品表面的至少一部分对焦。光学聚焦设 备提供了即使在由于装置的一部分与样品表面机械接触而使诸如人的皮肤之类的可变形 表面变形这样的情况下，也可使样品表面相对于相机最佳地聚焦。因此，可使样品表面的变 形对样品的光学外观的观测质量的影响最小化，这是因为光学聚焦设备可确保样品表面的 至少一部分与相机对焦。因此本发明可使下述观测的出现最小化，在所述观测中，样品表面 没有与相机对焦而引起低质量的观测以及散焦的相机设置。在根据发明的装置的实施例中，光学聚焦设备包括用于将聚集图像投射到感兴趣 区域的表面上的聚焦光束。聚焦光束有利地在样品表面上提供了用于确定相机是否与样品 表面对焦的图像。例如，将聚焦光束作为光点(point spot)投射到样品表面上。在另一示 例中，诸如组合有用于将网格图案投射到样品表面上的全息光栅的激光这样的准直光束产 生被投射到感兴趣区域的表面上的网格图案。最好是聚焦光束包括蓝光。这具有下列好处， 即观测相机中的信噪比很高，因为蓝光相对于肤色具有高对比度。这使聚焦光束对图像的 影响最小化，因为蓝光未穿透样品太深而不会使相机所捕获的图像模糊。在根据本发明的装置的优选实施例中，光学聚集设备提供了具有相对于表面的第 一和第二入射角的第一和第二聚焦光束，其中第一入射角不同于第二入射角，并且其中第 一和第二聚焦光束提供了第一和第二掩模图案的第一和第二图像在感兴趣区域的表面上 的叠加，并且其中通过第一和第二掩模图案图像的对齐来确定该对焦。第一和第二掩模图 案图像的叠加提供了对聚焦状况的容易评估，即样品表面相对于相机而言是聚焦还是散 焦。按照下述方式使掩模图案成像在样品表面上，所述方式即就是当掩模图案图像相对于 彼此对齐时，样品表面与相机对焦。掩模图案可具有例如长方形或圆形这样的任何形状，或 者它们具有特定的对齐特征。此外，如果样品表面与观察方向不垂直，则这是通过叠加图像 的失真来表示的。如果相机具有与叠加图像不垂直的观测方向，则观测到叠加图像的移位。在根据本发明的装置的优选实施例中，提供了用于对叠加的第一和第二掩模图案 图像的对齐进行测量的部件。这有利地提供了对聚焦状况的自动确定而不是操作者对该对 齐的目测检查。例如，可以对叠加的掩模图案图像的高频内容进行分析。在根据本发明的装置的实施例中，光学聚集设备触发对感兴趣的区域进行照明并 且当相机与感兴趣区域的表面对焦时观测对感兴趣区域的照明的响应。这自动确保只有当 相机与样品表面对焦时才开始对样品的光学外观的测量或者观测。在根据本发明的装置的实施例中，该装置进一步包括可变形接触环，该可变形接 触环用于以与感兴趣区域相距特定距离来接触样品表面并且保护样品表面免于受到环境 光。诸如波纹管(bellows)或软化泡沫部件这样的可变形接触环提供了施加到样品表面 上的压力降低，这是因为它是可变形且可弯曲的并且因此将施加比固体接触表面更小的压 力。按照这种方式，可降低可变形表面的变形，并且在人的皮肤的情况下，还可降低由施加压力所引起的变色。可变形接触环可进一步隔绝来自环境的任何不希望的光，这有利地促 进了对样品表面的观测质量。在根据本发明的装置的实施例中，可变形接触环包括用于表明已使用可变形接触 环的部件。这有利地防止了不止一次地使用与诸如例如人皮肤这样的样品表面相接触的可 变形接触环，从而降低了不同样品之间交叉污染的风险。在另一实施例中，用于表明已使用 了可变形接触环的部件包括用于污染物的视觉指示器。该视觉指示器有利地提供了对受污 染的可变形接触环的警告。当可变形接触环受到污染时(如根据本发明的视觉指示器所指 示的那样)，通过替换它，可防止不同样品之间的任何交叉污染。该目的还通过根据本发明的、用于对半透明材料的样品表面的光学外观尤其是人 的皮肤的表面的光学外观进行观测的方法来实现，其中该方法包括步骤利用光学聚集设备通过改变相机、光学聚集设备以及表面之间的距离来确定位于 相对于光学聚集设备的固定相对位置上的相机是否与感兴趣区域的表面对焦；当相机与感兴趣区域的表面对焦时，利用光源从预定方向对样品表面的至少感兴 趣区域进行照明；以及利用相机来观测对感兴趣区域的照明的响应。按照这种方式，可确保在开始观测样品之前用于对样品表面的光学外观进行观测 的相机与样品表面对焦。在根据本发明的方法的优选实施例中，该方法进一步包括步骤在确定对焦的步 骤之前，利用可变形接触环来以与感兴趣的区域相距特定距离来接触样品表面，从而保护 样品表面免于受到环境光。诸如波纹管或软化泡沫部件这样的可变形接触环提供了施加到 样品表面上的压力降低，这是因为它是可变形且可弯曲的并且因此将施加比固体接触表面 更少的压力。按照这种方式，可降低可变形表面的变形，并且在人的皮肤的情况下，还可降 低由施加压力所引起的变色。可变形接触环可进一步隔绝来自环境的任何不希望的光，这 有利地促进了对样品表面的观测质量。
参考附图对本发明的这些及其他方面进行进一步阐明和描述，在附图中图1示出了根据本发明的、用于利用光学聚集设备来观测样品表面的外观的装置 的第一实施例的截面示意图；图2示出了根据本发明的、用于利用光学聚集设备来观测样品表面的外观的装置 的第二实施例的截面示意图；图3a和3b说明了根据本发明的、用于利用光学聚集设备来观测样品表面的外观 的方法；图4示出了根据本发明的装置的实施例的、具有视觉污染指示器的波纹管的截面 示意图；以及图5是根据本发明实施例的、具有视觉污染指示器的波纹管的截面示意图。附图不是按比例绘制的。附图仅仅是示意性和图解性表示，其仅示出了与阐明本发明相关的装置的一部分。通常，在附图中的相同部分由相同参考数字来表示。
具体实施例方式图1示出了用于观测样品1(在这个示例中为人的皮肤)的光学外观的装置100的示意性截面视图，其中样品1具有要被观测的感兴趣区域的表面2。存在相机14以对样 品1的表面2的感兴趣区域的外观进行观测。为了保证样品1的表面2的感兴趣区域与相 机14对焦，第一光学聚集设备21和第二光学聚集设备31是可用的。第一和第二聚焦设备 21，31包括用于将光分别提供到第一和第二聚焦物镜23，33上的第一和第二聚集光源22， 32。第一和第二聚集物镜23，33将光分别投射到第一和第二掩模24，34上，并且离开第一 和第二掩模24，34的光分别被投射到第一和第二掩膜成像透镜25，35上。第一和第二掩模 成像透镜25，35分别提供了第一和第二聚集光束26，36，该第一和第二聚焦光束26，36将第 一和第二掩模24，34的第一和第二图像分别投射到样品1的表面2的感兴趣区域上并且使 其叠加，从而在表面2上提供了叠加的掩模图像3。如图1中所说明的，第一聚焦光束26的 入射角不同于第二聚焦光束36的入射角。如果相机14与表面2之间的距离变化了，那么 叠加的掩模图像3将变化，这是因为由于第一与第二聚焦光束26，36之间的入射角不同，因 此相对于掩模34的投射图像而言掩模24的投射图像将沿着表面2移动。按照这种方式， 叠加图像3用于量化相机14是否与表面2对焦。第一和第二掩模24，34可包括矩形或圆 形的图案并且可包括如该领域所熟知的对齐特征，以致当相机14与表面2对焦时，可识别 的叠加图像3结果是诸如例如矩形或圆形。此外，如果表面2的感兴趣区域与相机14的观 察方向不垂直，那么叠加图像3将变形并且例如将不具有圆形而是椭圆形。可对叠加图像 3进行手动分析，即由操作该装置的操作者手动分析。或者，例如通过对图像的高频内容进 行分析而可由相机14对叠加图像3进行分析，从而提供相机14相对于表面2的感兴趣区 域的聚焦状况的自动登记。最好是第一和第二聚焦光源22，32包括蓝光。蓝光优于白光是 因为蓝光不能像白光一样深地穿透诸如人的皮肤这样的半透明样品1，并且因此可降低对 表面2的观测部分的模糊。此外，在蓝光的情况下，用于观测投射到人的皮肤上的图像的相 机14的信噪比很高，这是因为相对于肤色而言蓝光具有高对比度。在图2中以示意性截面视图示出了根据本发明的装置200的第二实施例的原理。 在该实施例中，说明了对样品1的表面2的感兴趣区域的照明。在该实施例中，通过近场 光源11，12、远场光源13以及略射光源(grazing light sources) 16，17提供对样品1的 照明。利用这些不同照明光源是有利的，这是因为能够以像照明光束的强度、照明光束的波 长、准直、和/或入射角这样的不同照明参数来对样品1进行照明，这会导致相机14所捕获 的不同响应光束。例如，穿透到样品1的表面2中的深度取决于照明光束的波长和入射角。 由于照明光束的不同穿透深度，因此利用具有不同入射角的不同照明光束对样品1的表面 2的照明可到达样品1的表面和次表面区域，其中次表面区域是不同的。利用包括有至少一 个屏幕和对辐射敏感的图像检测部件的相机14对在利用远场光源13时在表面2处以及在 次表面区域中所产生的响应光束进行测量。在这里，屏幕拦截响应光束并且由辐射敏感的 检测部件捕获该屏幕的二维图像并且将其转换成电检测器信号。形成于该屏幕之上的二维 图像代表了作为样品2对利用不同照明光束的照明的响应光束的角分布。因此该图像是对 样品2的物理特性的类傅里叶变换，其中将样品的特定变化和物理特性变换成辐射能的角 变化。取决于入射角所表征的照明光束，可对近场、远场、和/或深场进行检测。近场描述了观察眼睛可看得见的、辐射敏感的图像检测部件所获取的表面图像。近场照明可用于 在开始包括有对焦确定的测量序列之前对感兴趣的区域定位。远场以漫散射、光滑反射、视 角影响等等的角度术语描述了表面如何反射远处的照明光束。虽然远场效果的结果是可见 的(例如光泽)，但是远场分布本身是不可见的。利用在屏幕上形成二维图像的屏幕来捕获 远场，其中通过辐射敏感的图像检测部件来捕获屏幕上的二维图像。深场描述了从半透明 材料如何重新发射出照明光束，其中响应光束是来自次表面区域的响应，其中该次表面区 域对照明光束进行散射并且从远离照明光束的进入点的位置处的表面重新发射出响应光 束。因此，为了对深场进行测量，必需利用照明光斑照明表面以获得深场。 图2进一步示出了安装在装置200上的、与样品1的表面2相接触的波纹管40。 波纹管40在基本上与表面2相垂直的方向上是有弹性且可弯曲的并且在与表面2相平行 的方向上是刚性的。按照这种方式，与当施加刚性部件以与表面2相接触时相比，装置200 施加到表面2上的压力降低了。在样品1包括可变形的人皮肤的情况下(其会由于会使皮 肤变形的施加压力而鼓起和/或变色并且趋于至少部分地阻塞血管，这使人的皮肤具有不 同颜色)。波纹管40有利地使施加到皮肤上的压力最小化，并且因此还可降低施加到皮肤 上的压力的负面后果。波纹管40的另一优点是它会隔绝任何环境的和不希望的光(这些 会负面地影响对样品1的光学观测)。波纹管40会防止环境光对样品1的额外、不希望的、 以及不受控制的照明。图3a和3b说明了根据本发明实施例的用于观测样品1的光学外观的方法。图3a 示出了装置300提供了用于在样品1上产生叠加的掩模图像(未示出)的第一和第二聚焦 光束26，36。如图3b中所说明的，装置300朝着样品1的方向移动，直至波纹管40接触样 品1并且样品1的表面2与装置300之内的相机14对焦为止。波纹管40会变形，而样品1 几乎不变形，从而使装置300施加到样品1上的压力对样品1的光学观测质量的影响最小 化。现在样品1的表面2与相机14对焦，生成触发开始下述观测序列的信号，在所述观测 序列中，不同照明光束对样品1的表面进行照明并且相机14观测响应光束。图4说明了根据本发明的示出了波纹管40与样品1相接触的装置的实施例的一 部分，其中通过包括例如塑料的透明帽60将波纹管40安装在该装置上。在该实施例中，波 纹管40包括三层。图5示出了展开的波纹管40的示意性截面视图。波纹管40包括中间 层42，该中间层42由诸如例如黑色纸这样的用于隔绝外部光的材料制成。波纹管40进一 步包括具有粘性表面的顶部或内层41，该粘性表面用于捕获尘粒以防止这些粒子粘到透明 帽60上。粘性表面的另一优点是可确保对于每个样品1仅使用一次波纹管40，因为在使用 之后顶部或内层41的粘性表面将具有彼此相粘的部分，以致有弹性的波纹管40不会自动 回到其初始形状。波纹管40进一步还包括底部或外层43，该底部或外层43与样品1的表 面2相接触并且具有非常亮的颜色并且是多孔的以便它吸收诸如油性物质这样的污染物。 在底部或外层43中吸收污染物会导致在污染物的位置上层43中的变色43b。这在波纹管 40上提供了对污染物的视觉指示。按照这种方式，可确保对于每个样品1仅使用一次波纹 管40并且在对另一样品1进行测量之前替换受污染的波纹管40，从而防止不同样品之间 的交叉感染。如果中间层42涂有混合有吸湿剂的可溶着色剂的附加薄层(该吸湿剂溶于 任何皮肤液体或者在持久的时段期间蒸发并且使接触层43很强地着色)，那么可获得层43 的更强变色43b。该着色剂的剂量必须小心制备，以便它无法达到皮肤并且无法在那里留下任何痕迹。总之，本发明涉及一种用于对半透明材料的样品表面的光学外观尤其是人的皮肤表面的光学外观进行观测的装置，该装置包括用于从预定方向对样品表面的至少感兴趣的 区域进行照明的光源、用于观测对感兴趣区域的照明的响应的相机、以及用于确定相机是 否与感兴趣区域的表面对焦的光学聚集设备。通过提供光学聚集设备，确定相机相对于样 品表面的对焦，这可降低装置与样品表面机械接触对光学外观的观测质量的负面影响。应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明做出限制，并且本领 域普通技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出许多替换实施例。在权利 要求中，不应认为置于括号内的任何参考符号是对权利要求做出限制。词"包括"不排除 存在除权利要求中所列出的那些之外的其它单元或步骤。位于单元之前的词"一"或"一 个"不排除存在多个这种单元。
权利要求
一种用于对半透明材料的样品(1)的表面(2)的光学外观尤其是人的皮肤表面(2)的光学外观进行观测的装置，该装置包括光源(11，12，13，16，17)，用于从预定方向对样品(1)表面(2)的至少感兴趣区域进行照明；相机(14)，用于观测对感兴趣区域的照明的响应；以及光学聚焦设备(21，31)，用于确定相机(14)是否与感兴趣区域的表面(2)的至少一部分对焦。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述光学聚焦设备(21，31)包括用于将聚集图像投 射到感兴趣区域的表面(2)上的聚焦光束(26，36)。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述聚焦光束(26，36)包括蓝光。
4.如权利要求1或2所述的装置，其中所述光学聚集设备(21，31)提供了具有相对于 表面(2)的第一和第二入射角的第一和第二聚焦光束(26，36)，其中第一入射角不同于第 二入射角，并且其中第一和第二聚焦光束(26，36)提供了第一和第二掩模图案(24，34)的 第一和第二图像在所述感兴趣区域的表面(2)上叠加并且其中通过所述第一和第二掩模 图案图像的对齐来确定该聚焦。
5.如权利要求4所述的装置，其中提供了用于对叠加的第一和第二掩模图案图像的对 齐进行测量的部件。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述光学聚集设备(21，31)触发对所述感兴趣区域 进行照明并且当相机(14)与所述感兴趣区域的表面(2)对焦时观测对所述感兴趣区域的 照明的响应。
7.如权利要求1所述的装置，其中该装置进一步包括可变形接触环(40)，该可变形接 触环用于在与感兴趣区域相距特定距离处接触样品(1)的表面(2)并且保护样品(1)的表 面(2)免于受到环境光。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述可变形接触环(40)包括用于表明已使用所述可 变形接触环(40)的部件。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述用于表明已使用可变形接触环的部件包括用于 污染物的视觉指示器(43)。
10.一种用于对半透明材料的样品(1)的表面(2)的光学外观、尤其是人的皮肤表面 (2)的光学外观进行观测的方法，其中该方法包括步骤利用光学聚集设备(21，31)通过改变相机(14)、光学聚集设备(21，31)以及表面(2) 之间的距离来确定位于相对于光学聚集设备(21，31)的相对固定位置的相机(14)是否与 所述感兴趣区域的表面(2)对焦；当相机(14)与感兴趣区域的表面(2)的至少一部分对焦时，利用光源(11，12，13，16， 17)从预定方向对样品(1)表面(2)的至少所述感兴趣区域进行照明；以及利用相机(14)来观测对所述感兴趣区域的照明的响应。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括步骤在确定对焦的步骤之前，利用可变形 接触环(40)来在与所述感兴趣区域相距特定距离处接触样品(1)的表面(2)，从而保护样 品⑴的表面⑵免于受到环境光。
全文摘要
一种用于对半透明材料的样品(1)表面(2)的光学外观尤其是人的皮肤表面(2)的光学外观进行观测的装置，该装置包括光源(11，12，13，16，17)，用于从预定方向对样品(1)表面(2)的至少感兴趣区域进行照明；相机(14)，用于观测对感兴趣区域的照明的响应；以及光学聚焦设备(21，31)，用于确定相机(14)是否与感兴趣区域的表面(2)的至少一部分对焦。本发明还涉及一种用于对半透明材料的样品(1)表面(2)的光学外观尤其是人的皮肤表面(2)的光学外观进行观测的方法。
文档编号A61B5/103GK101809432SQ200880108427
公开日2010年8月18日 申请日期2008年9月22日 优先权日2007年9月24日
发明者S·瓦德曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司