用于确定或分类至少部分半透明材料的表面颜色的方法和装置与流程

1.本发明涉及确定或分类至少部分半透明材料的表面颜色。


背景技术：

2.通常希望能够确定或分类半透明或部分半透明材料的颜色。一种这样的材料是人类皮肤，其中个人可能有兴趣确定他或她的肤色，以便选择和应用适当的化妆产品，例如粉底、眼影、腮红或高光盘。当然，还有许多其他半透明材料的示例，其中确定或分类颜色可能是有必要或有帮助的。
3.已知用于确定肤色的设备和系统。例如，mengmeng wang等在2015年影像科学与技术学会的出版物《measuring human skin colour》(第230
‑
234页)描述了为此目的使用konica
‑
minolta cm700d
tm
和photo research spectrascan色度计pr650
tm
。
4.诸如wang中描述的那些已知方法通常采用光源将皮肤的区域暴露于白色光，并采用邻近的光检测器来检测反射光。检测器作为光谱仪进行操作，并在感兴趣的波长范围上提供光谱功率分布。测量的光谱功率分布除以针对参考白色图块(tile)获得的光谱功率分布。然后，可以将校正的光谱功率分布映射到一组颜色坐标，例如对应于明亮度、绿到红和蓝
‑
黄的cielab颜色空间的三个坐标。
5.为了测量材料的客观颜色，已知的是收集材料散射的所有光。也就是说，包括镜面反射光和漫反射光。这些技术被称为包含镜面反射分量(specular component included，sci)技术。然而，观察者感知到的颜色也受到材料表面性质(例如光泽度)的影响。镜面反射不包含与这些表面性质相关的信息。因此，为了确定材料的感知颜色，可以从光谱功率分布中排除这些反射。这些技术被称为排除镜面反射分量(specular component excluded)或sce。
6.附加地，感知的颜色受到从半透明材料内部散射回来的光的影响。当检测这种材料的颜色时，应该考虑到这一点。


技术实现要素：

7.根据本发明的第一方面，提供了一种用于确定半透明材料的颜色的装置。该装置包括被配置为在第一表面位置处照射半透明材料的第一光源、被配置为在与所述第一表面位置间隔开的第二表面位置处照射半透明材料的第二光源、和被配置为检测所述第一表面位置处的光的光谱传感器。该装置被配置为交替操作第一和第二光源，并且使得由光谱传感器检测到的源自所述第一源的光主要是从所述第一表面位置漫反射的光，同时由检测器检测到的源自所述第二源的光主要是由半透明材料内部的散射中心散射的光。该装置还包括处理器，用于在操作第一和第二光源中的每一个的同时组合由光谱传感器在所述第一表面位置处检测到的光谱，以提供指示半透明材料的颜色的组合光谱。光谱或读数可替代地用于重建光谱或以其他方式使用的数据。
8.在实施例中，第一和第二光源可以是宽带/白色光源。
9.在实施例中，第一和第二光源可以分别是第一和第二间隔开的发光二极管。
10.在一个实施例中，该装置可以进一步包括位于一侧的所述第一光源和所述光谱传感器以及另一侧的第二光源之间的挡光屏障，挡光屏障基本上防止光从第二传感器而不是通过透射穿过半透明材料来到达光谱传感器。
11.在实施例中，该装置可以进一步包括位于一侧的至少所述第一光源和所述光谱传感器以及另一侧的半透明材料之间的挡光屏障，该挡光屏障具有设置在其中的孔，以使光透射穿过该屏障。所述孔可以基本上位于第一光源和光谱传感器之一的上方。
12.在实施例中，该装置可以进一步包括光谱传感器位于其中的外壳，该外壳具有孔，使得来自所述第一位置的光能够进入外壳，同时直接从第一和/或第二光源透射的光基本上被阻挡。
13.在实施例中，该装置可以进一步包括光束引导光学器件，用于在一侧的第一光源和光谱传感器以及另一侧的半透明材料之间引导光。
14.在实施例中，该装置可以进一步包括与第一光源和光谱检测器邻近的偏振器，用于偏振在一侧的第一光源和光谱传感器以及另一侧的半透明材料之间透射的光。
15.在实施例中，处理器还可以被配置成将组合光谱映射到不透明颜色参考。
16.在实施例中，第一和第二光源以及所述光谱传感器可以基本上位于公共平面中。
17.在实施例中，该装置可以进一步包括与所述公共平面基本共面的透明材料层，其中在使用中，所述半透明材料被保持抵靠所述层。
18.需要注意的是，由光谱传感器检测到的源自所述第一源的光可以另外包括在皮肤层之间的边界处反射的光。
19.根据本发明的又一方面，提供了一种确定半透明材料的颜色的方法。该方法包括操作第一光源以在第一表面位置处照射半透明材料，以及操作第二光源以在与所述第一表面位置间隔开的第二表面位置处照射半透明材料。第一和第二光源交替操作，同时在所述第一表面位置处检测光，使得检测到的光主要是以下两者的组合：(a)来自所述第一光源的从所述第一表面位置漫反射的光和(b)来自所述第二源的由半透明材料的内部的散射中心散射的光。该方法还包括在操作第一和第二光源中的每一个的同时，组合由光谱传感器在所述第一表面位置处检测到的光谱，以提供指示半透明材料的颜色的组合光谱。
20.在实施例中，所述第一和第二光源可以是白色光源。
21.在实施例中，所述第一和第二光源可以分别是第一和第二间隔开的发光二极管。
22.在实施例中，该方法还包括:基本上防止光从第二传感器而不是通过透射穿过半透明材料来到达光谱传感器。
23.在实施例中，该方法还包括:通过光束引导光学器件在一侧的第一光源和光谱传感器以及另一侧的半透明材料之间引导光。
24.在实施例中，该方法还包括:偏振在一侧的第一光源和光谱传感器以及另一侧的半透明材料之间透射的光。
25.在实施例中，该方法还包括:将组合光谱映射到不透明颜色参考。
附图说明
26.图1示意性地示出了用于确定或分类至少部分半透明材料的颜色的示例性装置的侧视图；
27.图2是说明用于确定或分类至少部分半透明材料的颜色的方法的一般步骤的流程图；
28.图3示出了通过图2的步骤s2获得的示例性反射光谱；
29.图4示出了缩放到白色参考后的图3的反射光谱；
30.图5示出了来自图4的未补偿反射光谱和从颜色匹配的不透明参考获得的反射光谱；
31.图6示出了从图5的光谱获得的补偿反射光谱，以及从颜色匹配的不透明参考获得的反射光谱；
32.图7示意性地示出了利用第一和第二孔的示例性装置的侧视图；
33.图8示意性地示出了示例性装置的侧视图，其中检测器和孔基本上沿着材料表面的法线对准；
34.图9示意性地示出了示例性装置的平面图，其中第一光源被布置成与第二光源和检测器不成直线；
35.图10示意性地示出了具有两个第一光源的示例性装置的平面图；
36.图11示意性地示出了示例性装置的平面图，其中第一和第二光源位于光屏障的同一侧，检测器位于相对侧；
37.图12示意性地示出了配备有光偏振器的示例性装置的侧视图；
38.图13示意性地示出了图12的装置的平面图；
39.图14示意性地示出了设置有光转向光学器件的示例性装置的侧视图；
40.图15示意性地示出了图14的装置的平面图；和
41.图16示意性地示出了图14的装置的侧视图，其中示出了照射光束。
具体实施方式
42.下面描述的实施例涉及提供一种用于确定或分类至少部分半透明材料(如皮肤)的颜色的手段。与已知技术一样，材料被照射，并且反射光在检测器处被收集，以获得来自材料的光谱功率分布(“反射光谱”)。然而，由于材料的半透明性而穿过材料表面的入射光的一部分没有被反射回检测器。对于以前的技术，这将导致反射光谱上给定波长的强度降低，并且颜色确定可能不准确。因此，这里提出了一种手段来补偿材料的半透明效果。
43.这是通过分别测量材料表面的光学性质和表面下材料的光学性质来实现的。可以通过获得其中镜面反射光的贡献被最小化的第一反射光谱来测量表面的光学性质。因此，该光谱的主要分量是从表面漫反射的光。表面下材料的光学性质通过获得主要仅包括由内部散射中心反射的光的第二反射光谱或“半透明”光谱来测量。也就是说，只有由于材料的半透明性而穿透材料的表面并且随后被散射回检测器的光。这两个光谱是使用不同的照射源获得的。
44.然后可以使用算法来缩放来自表面和来自内部的信息，并且这些被组合以获得已经补偿了材料的半透明性的材料的光学性质的测量。然后，补偿后的光谱可以用于将半透
明材料的颜色映射到参考系统(例如颜色空间)，或者映射到不透明的参考材料。
45.当获得至少部分半透明材料的表面和内部的颜色测量时，所提出的解决方案具有改进的性能。这可以包括在电磁光谱的其他区域(例如uv或ir)中的等效测量，作为光学测量的补充或与光学测量分开。此外，材料内部的其他性质可以通过考虑表面性质(如颜色或皮肤色调)或其他光谱(反射或吸收)性质来确定。
46.一旦表面颜色已经被确定和分类，系统可以用于基于所确定的表面颜色分类建议进一步的动作。类似的方法也有可能用于光谱环境光感测。
47.图1的示例性颜色测量装置包括第一光源1(第一led)、第二光源2(第二led)和光检测器3。光检测器3设置在外壳4内，外壳4限定了孔5。还提供了用于根据各种参数“选择”由检测器接收的反射光的手段。在该示例性装置中，这是通过设置有孔7的不透明屏障6来实现的。还示出了至少部分半透明的材料8，其邻近装置的盖玻片9。屏障6防止光从第二光源(而不是通过半透明材料8)传递到检测器3上方的空间。
48.可以理解的是，该装置将包括另外的组件，包括用于控制led和从检测器接收测量数据的处理器。它还可以包括用于显示测量结果的显示器。
49.确定至少部分半透明材料颜色的一般步骤如图2所示。
50.在使用之前，首先针对通道缩放来校准装置(s1a)。这可以通过使用该装置来测量标准目标(例如colourchecker颜色校准目标的白色面板或其他白色反射卡)的反射光谱来实现。白色测量用于表示所有通道(即测量范围的频带)的100％反射。所得的校准光谱然后可以存储在存储器中。该步骤可以作为生产期间设备测试的一部分来执行。
51.同样在使用之前，获得表格，该表格将颜色坐标映射到离散颜色(例如皮肤色调)的给定参考码(s1b)。这可以通过使用该装置对皮肤色调卡进行测量来获得每个皮肤色调卡的反射光谱和颜色坐标来实现。颜色坐标可以是例如cielab颜色空间的三个坐标，对应于明亮度、绿到红和蓝
‑
黄。测量结果可以由单个设备收集，并且在最终用户使用之前，可以将所得表格分发给其他设备以存储在存储器中。可替换地，数据可以是理论数据，或者通过模拟生成。
52.在正常使用期间，材料的表面呈现给装置。例如使用图1所示的装置对材料进行测量(s2)，以获得来自被材料表面漫反射的光第一反射光谱以及仅包括被内部散射中心反射的光的第二“半透明”光谱。将材料表面与盖玻片直接接触会排除外部杂散光。然而，该材料也可以放置在距离盖玻片固定的距离处。算法可以使用装置的组件与材料之间的距离进行数据处理。盖玻片的厚度可以是例如0.3和3毫米之间。从可以在其上安装所有组件的印刷电路板(pcb)到盖玻片的距离可以是例如1到15毫米，例如1.9毫米。因此，诸如这些的距离可以例如在图2的使用的预定义阶段期间输入到装置中。盖玻片和诸如移动电话盖的材料之间的任何附加间隔物的厚度也可以输入到装置中，例如由用户在使用前输入。有利的是，任何这样的附加间隔物都要薄，例如厚度为2毫米或更小。该材料可以是不透明的或部分半透明的，并且该材料的形状不受限制，尽管使用平坦材料可以获得最佳结果。
53.一旦材料就位，它被第一led 1和第二led 2交替照射，并且检测器3接收由材料反射的光的一部分。检测器外壳4防止直接照射光到达检测器3而不首先被材料反射。led照射周期可以重复多次，例如以允许结果的平均。
54.当材料被第一led 1照射时，照射光的镜面反射(即反射角等于入射角的反射)不
会被检测器收集。在图1的示例性装置中，照射光从第一led 1穿过不透明屏障6中的孔7到达材料。被材料反射的光也必须穿过孔7以便到达检测器。检测器大约沿着材料表面的法线与孔7对准，并且第一led 1从检测器移开，以便以相对于材料表面的法线的角度(例如以30
°
和80
°
之间的角度，比如60
°
)通过孔来照射材料。因此，孔7与检测器对准，远离来自第一led 1的光在以镜面方式从材料表面反射之后所采用的路径。由于照射角度和孔7，来自第一led 1、来自材料内部、被检测器3接收的光的反射也被最小化。
55.在由第二led 2照射期间，直接从第二led 2以及从第二led 2光的表面反射到检测器3的光泄漏(串扰)被屏障6最小化。因此，该装置被配置成使得只有从皮肤表面下方散射回来的光(即由于材料的半透明性)才能从第二led 2到达检测器。屏障6尽可能靠近材料表面延伸是有利的。为了到达检测器，由于材料的半透明性，照射光必须穿过材料的表面，并通过内部散射中心在屏障周围散射到检测器。
56.当有一个以上的第一led 1时，这些led可以被打开，并且所得的反射被依次接收(尽管并行操作也是可能的，例如，在材料不均匀和/或传感器不与样本直接接触的情况下，例如，如果存在从盖玻片到目标留下例如2毫米的空气间隙的电话盖)。记录读数后，可以适当调整积分时间、增益和其他设置，并重复测量。同一个区(spot)中的几个测量可以用于平均和/或排除时变信号的影响。可替换地，任何这样的时变信号都可以被主动用于数据处理。如果在很近的地方进行几次测量，可以更好地估计不均匀目标(如皮肤)的表面颜色。
57.所得光谱的示例在图3中示出，其中上部轨迹10是从来自第一led 1的由材料表面漫反射的光获得的反射光谱，下部轨迹11是仅包括来自第二led2的由内部散射中心反射的光的半透明光谱。
58.使用在设备校准步骤(s1a)期间获得的数据，来自第一led 1的反射光谱然后在步骤s3中被缩放到白色测量，该白色测量表示在整个波长范围上的100％反射。结果如图4所示(轨迹12)。
59.图5的图示出了来自图4的未补偿反射光谱12与从颜色匹配的参考获得的反射光谱14的比较。显然，皮肤测量具有较低的光谱强度，因为一部分入射光从材料内部深处散射离开检测器。半透明光谱因此用于补偿材料半透明对表面反射光谱的影响(s4)，例如通过对两个光谱进行加权和组合。例如，可以应用以下公式:signal_comp(channel)＝signal_wb(channel)*(1 x*ratio(channel))，其中，signal_comp(channel)是补偿后的信号，signal_wb(channel)是来自led 1的白色缩放(white
‑
scaled)反射光谱，x是给定值，ratio(channel)是给定波长的反射光谱和半透明光谱的原始信号的比率。
60.图6示出了将公式应用于图3和图4所示材料光谱的效果。产生补偿光谱15，其比未校正光谱12更紧密匹配相应不透明材料14的光谱。替代补偿算法可以通过进行经验分析来确定。例如，从至少部分半透明的材料获得的光谱可以与从眼睛颜色匹配的不透明参考材料获得的光谱进行比较。然后可以导出算法，当该算法被应用于材料数据时，产生与参考光谱最一致的补偿光谱。这可以在生产中执行，或者在图2的使用的预定义阶段执行。
61.在补偿之后，可以对补偿后的光谱执行颜色计算，以获得相应的颜色坐标(s5)。如果期望的颜色坐标是cielab坐标，则可以首先从补偿光谱中获得cie xyz三刺激坐标值。这可以通过校准矩阵操作来执行，例如使用3
×
8校准矩阵，该校准矩阵通过具有一组色卡(例如colourchecker)的目标校准来计算，以将1
×
8信号向量转换成颜色坐标。然后，xyz坐标
可以通过标准方法转换成cielab坐标。
62.一旦获得了颜色坐标，就将计算出的颜色坐标与预定查找表内的参考集的颜色坐标进行比较，并选择最接近的匹配(s5)。最接近的匹配可以被认为是具有颜色空间(例如cielab颜色空间)中与补偿的颜色坐标相距最短距离的对应颜色坐标的颜色码(即具有最小的δe值)。
63.除了材料表面的颜色，数据还可以用于确定材料的半透明程度或材料表面上不透明物质的存在。这些性质可以根据从第一和第二led获得的光谱之间的比率来确定。
64.所描述的方法可以用于执行皮肤的颜色测量，以及确定和分类皮肤色调。这在化妆品领域可能特别有用。在这种情况下，可以执行附加的步骤。例如，可以卸除人的化妆品，并且可以将来自第二led 2的信号与来自第一led 1的信号进行比较，以检查皮肤上残留的不透明物质。如果检测到不透明物质，可以向用户发出重复进行卸妆的指令。还可以通过测量脉搏率或呼吸率来测量其他参数，例如对象的躁动。这些参数可以通过频繁测量和监测作为时间函数的皮肤的光谱性质来获得，并且可以在确定皮肤色调时被确定或用于进一步改善分类结果。更进一步的参数可以由用户直接输入，例如，一天中的时间或疲劳。然后，使用算法来确定肤色或对皮肤类型进行分类，此时，可以使用专家数据库来建议进一步的动作，例如应用化妆品或其他治疗。此外，该方法可用于确定肤色，并在应用化妆品或其他治疗后对皮肤色调进行分类(同样通过将来自第二led 2的信号与来自第一led 1的信号进行比较)。
65.也可以确定其他半透明材料的表面颜色，例如其他生物材料，如树叶和作物。
66.此外，来自第二led 2的附加信号允许针对不透明表面和部分被不透明物质覆盖的半透明表面(例如，被不会完全模糊自然皮肤色调的化妆品覆盖的人皮肤)进行改进的表面颜色确定。
67.应当理解，可以对图1的装置进行修改。例如，图7示出了替代装置，其中提供了第二孔16，来自第二led 2的照射光穿过该第二孔。第二led 2和孔16基本上沿着材料表面的法线对准，因此第二led 2用大致平行于材料表面法线的光照射材料，例如以0
°
角照射。因此，来自led 2的光必须被内部散射中心散射，才能通过第一孔7到达检测器。在图7的情况下，光学屏障6可以被认为是第一孔7和第二孔16之间的实心部分。这里，屏障不在远离材料的方向上延伸到检测器或第二led 2的水平。因此，在这种情况下，为了减少从第二led 2到检测器的串扰，在第一和第二孔的最近边缘之间提供至少2毫米(例如4毫米或更大)的间隙可能是有利的。第一和第二孔可以由邻近盖玻片9设置的薄的、光学不透明的吸收膜17中的切口部分形成。第一孔可以具有2.8毫米的直径，第二孔可以具有1.8毫米的直径，这可以导致第一led 1比第二led 2具有更大的照射区。光学不透明组件可以是黑色的3d打印组件。
68.图8示出了替代的可能布置，其中第一led 1可以大致沿着材料表面的法线与孔对准，并且检测器可以从第一led 1移开，使得只有相对于材料表面的法线成一定角度从材料表面反射的光被检测器收集。在这种配置中，照射区和检测器之间相对于材料表面法线的高反射角最小化了从第一led 1到达检测器的光从材料内部的反射。
69.图9示出了示例性布置的平面图，其中第一光源布置成与第二光源和检测器不成直线。
70.图10示出了包括多于一个第一led 1的装置，该第一led 1被配置为在相同的照射
区照射材料。如果使用一个以上的照射光束，所有光束相对于被照射材料表面的法线应具有相同的光束角。使用一个以上的第一led 1对于分析非同质材料特别有利，尽管在某些情况下，使用单个第一led 1可以产生补偿光谱，该补偿光谱更紧密类似于从颜色匹配的不透明参考获得的反射光谱。替代提供第二光源，可以替代地使用附加的光学器件来从单个第一led 1产生多个照射光束。
71.同样如图9和10所示，不透明屏障6的布置适合于其他组件的特定布置。其他屏障配置也是可能的。
72.图11示出了替代装置，其中第一led 1与第二led 2位于光学屏障和检测器的同一侧。这种布置需要准直光学组件22。
73.图12示出了替代装置的侧视图，其中交叉或圆形偏振器18邻近第一led 1和检测器设置。图13示出了同一装置的平面图。
74.来自表面以镜面方式反射的非偏振光可能变成部分线性偏振的。因此，邻近检测器设置的偏振器18b可以被配置成阻挡已经被材料以镜面方式反射的光的一部分。偏振的程度取决于入射角和材料的性质。因此，可以优化照射角度和偏振器的方向，以最大限度地排除来自检测器的镜面反射。还可以提供另一个偏振器18a，以在照射光到达目标的途中首先对其进行线性偏振。可替代地，当圆偏振光被材料表面以镜面方式反射时，光的极性可以反转。因此，可以提供邻近第一led 1的偏振器18a来圆偏振照射光束。在这种情况下，第二偏振器18b可以被配置为排除具有与照射光束相反的旋向性(handedness)的反射光。光的旋向性的反转也取决于入射角。因此，可以优化入射角以最大化极性的反转，从而最大化地排除镜面反射。还可以在盖玻片上或附近提供漫射器，以帮助确定非均匀材料的颜色，或允许光谱环境光感测(spectral ambient light sensing，sals)。如果该装置与移动电话或类似设备一起使用，则漫射器可以在设备的内部或外部。
75.图14示出了装置的侧视图，其中光束光学器件19用于排除镜面反射。图15示出了同一装置的平面图。提供折射和/或反射光学器件19a来作用于从第一led 1发射的光。如图16的替代侧视图所示，光学设备19a在垂直于led 1和检测器所在平面的平面中将照射光束20偏转一个角度。因此，镜面反射将远离检测器传播。然而，一部分漫反射光将在检测器的方向上传播。第二光学设备19b可以邻近检测器设置，以将该漫反射光的一部分偏转到检测器中。
76.孔的大小和形状或附加的光学器件可用于控制被照射(照射区)和被测量(测量区)的材料区域的大小和形状。照射区的形状不受限制，例如可以是圆形或椭圆形，例如具有3.0毫米
×
2.8毫米的尺寸。在其他配置中，第二孔16(如图7的装置中提供的)可以是月牙形。测量区可以是圆形的，并且可以具有例如2.0毫米的半峰全宽(full width at half maximum，fwhm)的直径。
77.为了辅助颜色确定，光源可以在很宽的波长范围内(例如在所有可见波长上)发射光。这可以通过使用例如白色led的宽带光源来实现，例如osram os
‑
core led。可替代地，这可以通过使用多个窄带光源来实现。第一led 1和第二led 2两者发射相同的光谱是有利的。根据应用，led也可能需要很小，例如中心到中心距离为3.0毫米的luxeon flipchip white 05led，或边缘长度为1或0.75毫米的cree led。替代应用也可能需要荧光或窄带光源。
78.检测器不受限制，但是可以具有从紫外(ultraviolet，uv)延伸到近红外(near infrared，nir)的光谱范围。检测器可以包括，例如，市售的a77341传感器(ams)，其具有内置漫射器。该装置可以使用宽带led和窄带滤波器。可以在检测器上使用窄带led和宽带滤波器的组合。也可以使用窄带led和窄带滤波器的组合。