CN104471361A

CN104471361A - 变角分光成像测定方法及其装置

Info

Publication number: CN104471361A
Application number: CN201380020978.8A
Authority: CN
Inventors: 大住雅之
Original assignee: COLOR SCIENCE Co Ltd OFF
Current assignee: COLOR SCIENCE Co Ltd OFF
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: EP2840368A1; EP2840368B1; JP5475057B2; US20150131090A1; US9823130B2; EP2840368A4; CN104471361B; WO2013157641A1; US20170010158A1; JP2013238576A

Abstract

具备向测定采样面(2)从2个以上的角度方向照射照明光的照明装置(10)、成像用的光学透镜(8)、黑白二维图像传感器(4)。由此，提供一种方法和装置，其针对每个测定波长摄像测定采样面(2)的二维图像，在该二维图像的全部像素中，针对每个像素短时间、准确地测量变角、分光信息，具体地说，实现更准确并且实用性高的变角分光成像测定方法及其装置。

Description

变角分光成像测定方法及其装置

技术领域

本发明与测量物体表面的色彩的涂料、涂装、纤维、印刷、塑料等全部领域相关联，涉及一种用于测量评价、以及基于测量评价的制造的变角分光成像测定方法及其装置。

背景技术

近年来的工业产品，外观性是极其重要的附加价值之一。因此，具有多样的质感、表面构造的产品很多。例如，汽车的外饰涂料中包含多种多样的光亮材料，因此其表面具有极其微小的光亮性的反射、粒状的质地。进而，根据光亮材料、颜料、其他材料的组合、涂装的层构造、照明和观察方向的几何条件的变化，色彩有很大变化。特别地近年来，由于干涉性光亮材料的出现，色彩、质地进一步显示出多样的变化。另外，不限于汽车外饰涂装，在内饰材料、家具、建筑物、家电产品、电子设备、化妆品、包装等其他产品中，与是否含有光亮材料无关地，表面构造也变得复杂。另外，与汽车外饰涂装同样地，根据质地和光学几何条件，其色彩或质地也多样地变化。进而，不只是涂装产品，木材产品、纤维产品也同样地具备因光学几何条件造成的色彩变化、质地。另外，不只是工业产品，对于皮肤、整体物，也具备因光学几何条件造成的色彩变化、质地。

另外，在设计、材料的商品开发、制造/质量管理、广告等市场拓展中，有经验者的高度的视觉判断不可或缺，因此需要很多的时间和人力资源，需要花费很大的能源、劳力等。因此，正在要求准确地测量/评价这些表面颜色的方法的确立、准确地表现CG等图像的手段。

为此，希望确立一种通过变角以简单的操作方法短时间并且准确/稳定地测量图像色彩信息的物理手段、评价方法。此外，对于色彩测量，从准确性和能够测量广范围的色彩这一点出发，特别对于包含干涉性光亮材料的物体颜色，分光测量是重要的。

在专利文献1中公开了以下的技术，其在得到分光信息时，通过使用棱镜、衍射光栅的分光光，来得到因图像的部位而不同的分光信息。

另外，在专利文献2中公开了与具有旋转式照明光源和多光谱照相机的变角分光成像装置有关的技术。

进而，在专利文献3中公开了以下的技术，其为了修正照明光源的时间变动，在样本面的整个周缘部设置白色参照面。

在专利文献4中公开了以下的技术，其在进行变角分光测定时，使用能够发出并排为一列的不同颜色的光的具备多个单色LED的照明装置向样本面进行照射而进行摄像。

在专利文献5中，公开了与具有测定紫外线照明光下的被摄体的第一光谱和可视光照明光下的被摄体的第二光谱的分光仪的分光测定系统有关的技术。

在专利文献6中，公开了与测定样本的分光特性来进行计算的色彩测定装置有关的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3933581号公报

专利文献2：日本特开2005-181038号公报

专利文献3：日本特公昭60-041731号公报

专利文献4：日本特开2004-226262号公报

专利文献5：日本特开2003-337067号公报

专利文献6：日本特开2007-333726号公报

发明内容

发明要解决的问题

专利文献1所公开的技术表示出得到根据图像的部位而不同的分光信息的方法，分光信息只不过对每个像素不同，无法取得在全部像素中使波长等对每个像素不同的分光信息。另外，并不构筑测定中的光量变动、曝光时间的变动等的修正单元，在涂料制造、基于涂装的产品制造中难以进行满足实用性的高精度的测量。进而，照明装置是从比40度大的角度位置的1个地方的照明，因此必须将记录装置的视场角取得广，产生在记录装置中通常使用的成像透镜的周边部的畸变。

专利文献2所公开的技术是具有照明光源和多光谱照相机的变角分光成像装置，但表示出照明光源是来自1个位置的照明或使一个照明旋转驱动的结构、样本旋转的结构，难以进行准确的测定，或者需要用于旋转驱动的机构，存在机构复杂的问题点。

专利文献3所公开的技术在测定物体的反射光和背景光中照射来自光源的光，只是在受光器中进行了受光后进行两者的相对比较，并不是摄像照射后的光来取得分光信息。

专利文献4所公开的技术通过固定的2个照明装置进行照明来进行测定，但照明装置将发出不同颜色的光的单色LED排列为一列，分别独立地切换点亮、熄灭，因此存在以下的问题点，即根据发光的LED而相对于测定物的角度不同，通过摄像元件得到的信息也不同。

专利文献5所公开的技术具备具有多个不同的分光能量分布的发光部，但分别具备各个发光部，因此存在以下的问题点，即根据发光的发光部而相对于测定物的角度不同，通过分光仪得到的信息也不同。

专利文献6所公开的技术只不过是根据通过光度仪得到的信息进行图像计算的程度。

为了得到包含复杂的构造显色的光亮材料的特征、评价信息，能够进行在广色域中基于照明和观察方向的光学几何条件可变的变角测量的图像测量是必要且有效的。另外，对于测量出的分光成像信息，需要用于对其特征进行数值化的图像分析计算。

但是，这样的装置并没有实用化，在现有的方法中，信息量极少、或数据的测量非常需要时间，并且需要与装置符合的有效的图像分析计算的手段。另外，近年来的汽车涂料中大多使用特殊的干涉性光亮材料，其特征是包含非常细微、高亮度、并且颜色的表现域广的光亮性的反射颜色。为了针对这些涂色，有效地利用变角信息，另外进行用于评价特征的准确的图像分析计算，必须对图像整体以高解析度/高精度，进行高动态范围、广色域的测量。

因此，本发明的目的在于：鉴于在上述背景技术中说明的现有技术的问题点，提供一种短时间、高效地测量物体表面的每个像素的变角、分光等信息的方法和装置，更具体地说实现更准确、实用性高的变角分光成像测定方法及其装置。

另外，实现针对三维形状的样本面修正光学几何条件的变化的变角分光成像测定方法及其装置。

用于解决问题的手段方案

为了得到包含复杂的构造显色的光亮材料的特征、评价信息，能够进行在广色域中基于照明和观察方向的光学几何条件可变的变角测量的图像测量是必要且有效的。

因此，在本发明中，作为其解决方法，配置能够在与样本面垂直的方向上进行摄像的二维图像传感器，组合从与样本面垂直的方向具有某角度的照明装置，通过来自2个以上的角度方向的照明光的照射，利用图像内X轴、Y轴方向的每个像素的几何光学条件的变化，测量变角分光成像信息。

在分光测量中，使用白色光照明/分光受光方法，其在二维图像传感器和样本面之间的位置具备对每个固定波长具有透过波长带的带通滤波器、能够改变透过波长带的液晶可调滤波器、音响光学元件等。或者，使用分光照明方法，其具备能够向照明光输出每个测定波长的单色光的分光光源装置。或者，通过使用组合分光受光和分光照明的方法，还对应荧光色的测定。

测定出的每个像素的分光数据，例如在变换为CIE的三刺激值、CIELAB值、RGB值、孟赛尔表色值等色彩数值后，被用于基于光学几何条件的LAB空间上的分布的三维构造、空间频率分析、使用信息熵等的数值对物体表面的特征进行比较/评价的数值计算单元。

另外，通过将三维形状测定单元装入到变角分光成像装置中，使用样本面的三维形状信息求出样本面的法线方向，修正因光学几何条件的变化和位移、倾斜的不同造成的每单位面积的光的照明能量。

发明效果

根据本发明，提供一种短时间、高效地测量物体表面的每个像素的变角、分光等信息的方法和装置，更具体地说，能够实现更准确、实用性高的变角分光成像测定方法及其装置。另外，通过使用来自2个以上的角度方向的照明光的照射，能够减小成像用的透镜的视场角范围，因此能够减轻透镜周边部的畸变，能够基于分光测量而进行准确并且广范围的颜色信息的测量。另外，通过一次地测量多样并且连续的光学几何条件，能够短时间地实现高空间分辨率。进而，在图像中得到分光信息，因此能够捕捉细微的光亮性反射。另外，能够部分地对图像进行平均化，或对每个光学几何条件进行平均化，或者与变角信息一起灵活地运用颜色空间上的分布信息、数据处理。进而，通过装入三维形状测定单元，能够测定样本面的三维形状信息，修正因样本面的光学几何条件的变化和位移、倾斜的不同造成的每单位面积的光的照射能量。另外，通过测量皮肤、生物体，还有可能能够有助于医疗方向、化妆品等的研究开发。

附图说明

图1是说明本发明的概要结构的图。

图2是说明本发明的光学几何条件的图。

图3是说明使用线状的照明装置的实施方式的图。

图4是说明使用点状的照明装置的实施方式的图。

图5是说明本发明的校正步骤的流程图。

图6是说明本发明的测定步骤的流程图。

图7是表示将照明装置设定为20度的角度时的L*的分布的图表。

图8是表示将照明装置设定为45度的角度时的L*的分布的图表。

图9是表示在本发明中使波长和镜面反射夹角变化时的分光反射率系数的变化的图。

图10是表示采样A的CIELAB颜色空间中的各像素的分布的图。

图11是表示采样A的CIELAB颜色空间中的各像素的分布的图，是表示将照明装置设定为20度和45度时的L*-a*关系、以及将L*的值设为50时的a*-b*关系的图。

图12是表示采样A的相对于镜面反射夹角将图像分割为8个区域后的CIELAB颜色空间中的各像素的分布的图，是表示将照明装置设定为20度和45度时的各区域中的L*-a*关系、以及将L*的值设为50时的a*-b*关系的图。

图13是表示采样B的CIELAB颜色空间中的各像素的分布的图。

图14是表示采样B的CIELAB颜色空间中的各像素的分布的图，是表示将照明装置设定为20度和45度时的L*-a*关系、以及将L*的值设为50时的a*-b*关系的图。

图15是表示采样B的相对于镜面反射夹角将图像分割为8个区域后的CIELAB颜色空间中的各像素的分布的图，是表示将照明装置设定为20度和45度时的各区域中的L*-a*关系、以及将L*的值设为50时的a*-b*关系的图。

图16是说明在本发明中装入了三维形状测定单元的其他实施例的图。

图17是说明光源是点光源的情况下得到分光信息的单元的图。

图18是说明光源是线光源的情况下得到分光信息的单元的图。

图19是表示与因光亮材料的定向造成的几何条件的变化相伴随的测量值的变化的图。

图20是表示干涉性光亮材料的测量例的图。

图21是表示L*＝15时的L*-a*和a*-b*面上的分布的图。

图22是表示黑白的二维图像传感器的图。

图23是表示Bayer排列的二维图像传感器的图。

图24是表示Foveon二维图像传感器的图。

图25是表示三板式的二维图像传感器的图。

图26是表示在照明侧使用分光单元的例子的图。

图27是表示在照明侧和受光侧使用分光单元的例子的图。

图28是表示配置了多个照明装置的状态的图。

图29是表示同时点亮从样本面的中心相对于垂直方向的轴位于对称位置的光源的状态的图。

图30是表示测量装置的结构例子的图。

图31是表示测量挡泥板、门等大型样本的例子的图。

图32是表示测量液体样本等的例子的图。

图33是表示用于说明校正系数的每个水平的出现频度的图。

图34是表示使用线状的光源时的看作测定值相同的位置的图。

图35是表示使用点光源时的看作测定值相同的位置的图。

图36是用于说明三维曲面测量的图。

图37是用于说明校正系数的修正的图。

具体实施方式

以下，与附图一起说明本发明的实施方式。

(关于测定机构)

图1是说明本发明的概要结构的图。本发明的变角分光成像装置的实施方式具备设置在平面状的测定采样面2的垂直方向上的取得黑白灰度等级的图像的黑白二维图像传感器4、将图像成像在黑白二维图像传感器上的光学透镜8、设置在测定采样面2和光学透镜8之间的预定位置的液晶可调滤波器等能够改变透过波长频带的分光单元6、在测量波长区域中具有测定所需的能量的照明装置10。在本发明的一个实施方式中，由在测定采样面2的周缘部设置了与测定采样面平行地设置的白色参照面12的结构构成。白色参照面在摄像时同时被摄像，由此用于吸收测量时间中的照明的光量变动、摄像元件的曝光时间的变动、误差的修正。

(关于光学几何条件)

以下，说明图像、照明和受光/观察的光学几何条件。图2是说明本发明的光学几何条件的图。从照明装置10照射的光照射到测定采样面2和白色参照面12。黑白二维图像传感器4和光学透镜8被配置得将测定采样面2和白色参照面12同时容纳在图像中。此外，在本附图中省略了分光单元6的记载。

从照明装置10照射的光照射测定采样面2和白色参照面12，但照射方向依存于照射形状，相对于测定采样面2、白色参照面12的垂直方向，对测定采样面2、白色参照面12的每个位置不同。正反射方向具有与照射方向相反的镜面方向的关系。摄像测定采样面2和白色参照面12的黑白二维图像传感器4的各像素所受光的方向对每个像素不同，将其单位向量18设为P_ij。i、j是图像的X轴、Y轴方向的像素。即，(i，j)表示二维图像上的各像素的坐标。

将图像上的照明方向的单位向量20设为I_ij，将与其对应的镜面反射方向的单位向量16设为S_ij。一般将与照明的镜面反射方向对应的受光方向的单位向量18的角度称为a-specula角14(以下称为“镜面反射夹角”)，用于汽车的外饰涂色的金属色、珍珠色依存于该角度而色彩(亮度、彩度、色彩)变化。如果将图像上的各像素的镜面反射夹角设为δ_ij，则用(数学式1)表示。此外，在图2中，为了容易理解，说明作为与黑白二维图像传感器4的各像素(i，j)19对应的测定采样面2或白色参照面12的各位置。

[数学式1]

δij＝cos^-1(P_ij·S_ij)

在此，P_ij·S_ij表示P_ij和S_ij的内积。

如根据图2可知的那样，黑白二维图像传感器4的像素中的镜面反射夹角δ_ij对每个i、j不同，具有变角的信息。

根据图2，说明详细的镜面反射夹角的计算方法。作为与点P对应的几何条件，将θ_il设为照明的天顶角，将φ_il设为以X轴为基准的逆时针方向的照明的方位角，将θ_rsv设为受光的天顶角，将φ_rsv设为以X轴为基准的逆时针方向的受光的方位角。假设通过后述的计算求出几何条件(θ_il，φ_il，θ_rsv，φ_rsv)，如果将与照明方向对应的正反射方向的单位向量设为(n_xa，n_ya，n_za)，将受光方向的单位向量设为(n_xr，n_yr，n_zr)，则正反射的角度为

[数学式2]

θ_as＝θ_il

φ_as＝φ_il+π

因此，

[数学式3]

n_xa＝sin(θ_as)·cos(φ_as)

n_ya＝sin(θ_as)·sin(φ_as)

n_za＝cos(θ_as)

另一方面，在受光角的情况下，

[数学式4]

n_xr＝sin(θ_rsv)·cos(φ_rsv)

n_yr＝sin(θ_rsv)·sin(φ_rsv)

n_zr＝cos(θ_rsv)

如果根据内积对角度进行逆计算，则

[数学式5]

δ_ij＝cos^-1(n_xa·n_xr+n_ya·n_yr+n_za·n_zr)

该δ_ij在取得光亮材料的光学特征方面为代表性的角度条件。在δ_ij相同的区域中，计算颜色空间分布、或根据图像计算统计上的参数是有用的。

照明装置10的形状如图3所示应用线状(线状的光源)、或如图4所示应用点状(点光源)等。光学透镜8和分光单元6只要能够起到各自的功能，也可以替换配置的顺序。在线状的照明形状的情况下，根据设置的方向，针对图像的X轴或Y轴的任意一个方向具有变角的信息。另外，在点状的照明形状的情况下，照明和受光的角度相对于图像的X轴方向、Y轴方向的双方变化，针对双方的方向具有变角的信息。

在此，测定采样面2具有二维的拓展，在测定采样面2和白色参照面12的每个位置，镜面反射夹角不同。图7表示将照明装置设定为20度时的从测量图像得到的L*的分布，图8表示将照明装置设定为45度时的从测量图像得到的L*的分布。

接着，更详细地说明针对通过点状或线状的照明光源装置相对于样本面反射的反射光，利用因样本面上的位置产生的光学几何条件的变化得到分光信息的单元。

图17表示光源是点光源的情况。将样本面的位置设为P_XY(x_p，y_p)，将照明的位置设为I(θ_i，φ_i，D_i)，将受光的位置(焦点位置)设为R(0，0，D_r)。在此，x、y是样本面上的X轴方向、Y轴方向的位置，θ是天顶角，φ是相对于X轴的逆时针方向的方位角，D_i是从样本面的坐标原点到光源为止的距离，D_r是从样本面的坐标原点到摄像装置为止的距离，摄像装置具有能够捕捉样本面的摄影范围的视场角。能够用照明的天顶角、方位角、受光的天顶角、方位角来表现位置P处的照明和受光的几何条件。这时，照明位置为

[数学式6]

x_i＝D_i·sin(θ_i)·cos(φ_i)

y_i＝D_i·sin(θ_i)·sin(φ_i)

z_i＝D_i·cos(θ_i)

另外，与点P对应的xy平面上的照明的相对坐标位置为

[数学式7]

x_i’＝x_i-x_p

y_i’＝y_i-y_p

与点P对应的xy平面上的受光的相对坐标位置为

[数学式8]

x_r’＝-x_p

y_r’＝-y_p

这时，几何条件(θ_il，φ_il，θ_rsv，φ_rsv)为

[数学式9]

θ_il＝π/2－tan^-1(z_i/sqrt((x_i’)²+(y_i’)²))(sqrt表示平方根。以下同样)

φ_il＝tan^-1(y_i’/x_i’)

θ_rsv＝π/2－tan^-1(zr'/sqrt((x_r’)²+(y_r’)²))

φ_rsv＝tan^-1(y_r’/x_r’)

图18表示光源为线状的情况。如果将光源设置为与Y轴方向平行，则对于Y轴为平均的照明，该情况下的光学几何条件将样本面的位置设为P(x_p)，将照明的位置设为I(θi，D_i)，将受光的位置(焦点位置)设为R(0，D_r)。在此，x是样本面上的X轴方向、Y轴方向的位置，θ是天顶角，D_i是从坐标原点到照明为止的距离，D_r是从坐标原点到摄像装置为止的距离，摄像装置具有能够捕捉样本面的摄影范围的视场角。能够用照明的天顶角、方位角、受光的天顶角、方位角来表现位置P处的照明和受光的几何条件。这时，照明位置为

[数学式10]

x_i＝D_i·sin(θ_i)

z_i＝D_i·cos(θ_i)

另外，与点P对应的xy平面上的照明的相对坐标位置为

[数学式11]

x_i’＝x_i－x_p

z_i’＝z_i

与点P对应的xy平面上的受光的相对坐标位置为

[数学式12]

x_r’＝－x_p

z_r’＝－D_R

这时，几何条件(θ_il，θ_rsv)为

[数学式13]

θ_il＝π/2－tan^-1(z_i’/|x_i’|)

θ_rsv＝π/2－tan^-1(z_r’/|x_r’|)

在图19中，表示出因光亮材料的定向造成的几何条件的变化所伴随的测量值的变化。光亮材料在表面具有包含正反射的光亮性的反射特性，表示出在正反射方向上强烈反射的指向反射特性。其在正反射方向上极其强烈地反射，因此随着观察位置从正反射方向离开，其反射光量急剧降低。光亮材料的大小通常是数μm～数十μm，但也有时超过100μm。这是因为在通过喷涂形成的涂膜层中具有波动地产生光分布。

作为分光测量单元，在光学几何条件对每个波长稍微变动的情况下，在该正反射附近，也会产生大的反射光量的变动，有时无法进行准确的光亮性反射的测量，有时颜色空间上的分布也有很大不同。如果列举例子，则在通过铝的薄片形成的光亮材料中，与本来银色对每个波长大致为固定的反射率系数无关地，如果光学几何条件对每个波长不同，则每个波长的分光反射率系数不同，由此会产生伪色。在干涉性光亮材料的情况下，如果光学几何条件不同，则干涉条件也变化，对分光反射率系数、色彩值也产生很大的影响。

用于测量的分光单元针对测定对象必须具有适当的波长分辨率。近年来，对于光亮材料使用干涉性光亮材料的情况很多，具有反射率的形状尖锐、接近作为单波长的颜色的纯色的反射特性。因此，如果测量光亮性反射，则在颜色空间中分布为广范围，因此在色域有限的RGB方式等的测量方法中，范围窄，无法进行准确的测量。图20表示干涉光亮材料的测量例子。在该测量例子中，表示出德国Merck公司的商品名Xirallic Crystal Silver的结果。如果显示四角围住的小区域中的光亮性的反射，则针对波长测量尖锐、宽度窄的形状的分光反射率系数。另外，对表示物体颜色的边界区域的最亮颜色的区域和分布进行了比较。在图21中，根据测量出的分光反射率系数，通过人工照明D65在观察视野10°的条件下计算CIELAB颜色空间的值，与最亮颜色的区域一起表示出L*＝15时的L*-a*和a*-b*面上的分布。测量结果表示出分布到最亮颜色附近为止，必须以对测量广区域来说充足的波长分辨率进行测量。

(关于摄像用的二维图像传感器)

以下，说明摄像用的二维图像传感器。

对于近年来的汽车涂料，大多使用特殊的干涉性光亮材料，包含非常细微、高亮度、并且颜色的表现域广的光亮性的反射颜色。针对这些涂色，为了有效地利用变角信息，进行评价特征的准确的图像分析计算，必须对图像整体高解析度、高精度地进行高动态范围、广色域的测量。为此，在本发明的实施方式中，通过对图像传感器使用黑白的二维图像传感器4来抑制波纹图像的产生，并且通过在摄像的前阶段具备分光单元，实现了针对全部像素得到广色域的分光信息的机构。

二维图像传感器4为了高精度地捕捉良好的光亮性的反射颜色，优选具备抗模糊机构，并且在CCD摄像传感器的情况下，具备通过珀尔帖元件、水冷、空气致冷、或同时使用它们的冷却机构，即使长时间的曝光也能够抑制噪声的产生的单元。使用具备动态范围也为8比特以上、优选16比特以上的输出分辨率的传感器。进而，对于元件，优选具备抗模糊的机构。

二维图像传感器4为了在微小区域中的测量中抑制伪色、波纹的产生，优选没有彩色RGB元件的并列排列的方法。在黑白传感器的情况下，没有这种担心。另外，能够测量RGB，但也存在不依存于并列排列的元件，这也不产生伪色而对本发明特别作为对象的光亮材料的微小反射的测量是有效的。在不依存于并列排列的RGB摄像元件中有三板式的元件、Foveon传感器。

图22～25表示二维图像传感器的种类。在此，图22表示黑白，图23表示Bayer(拜耳)排列彩色，图24表示Foveon彩色，图25表示三板式。图24的Foveon方式对一个像素具有G、R、B的灵敏度。在使用了图22的黑白的二维图像传感器的情况下，能够最高效率、高灵敏度地进行测量。图24的Foveon彩色、图25的三板式的图像传感器都是像素不并列的方法，能够谋求测量的高速化。另一方面，图23的Bayer排列彩色方式是并列方式，在这样的方法中，有可能产生几何条件的变化、伪色的产生等影响。

(关于光学透镜)

配置在黑白二维图像传感器4前面的成像用的光学透镜8也使用高解析度的、周边部的杂乱、消光少的透镜，关于视场角，为了抑制周边部的图像的杂乱，优选使用比40°少的视场角。另外，关于照明，具备能够针对至少2个以上的角度可变的机构，由此能够针对多个角度的镜面反射夹角进行测量(参照图1、图3、图4)。

(关于分光成像)

以下，说明针对全部摄像像素得到分光信息的分光成像。

作为在光学透镜8紧前面具备的分光单元6，如图1所示，具备透过波长频带根据测定波长而不同的多个带通滤波器，能够应用通过逐次更换它来进行摄像来得到分光信息的方法。在该情况下，在每10nm地测量作为可视光区域的400nm～700nm之间的情况下，准备31枚带通滤波器，在更换它的同时重复进行相同位置的摄像，由此针对全部像素取得31个分光信息。

在此，分光单元6对入射到二维图像传感器2的光进行分光即可，也可以在光学透镜8之前、中间部、二维图像传感器2紧前面的任意一处具备。

作为其他手段，如图26所示，作为在照明侧使用分光单元的方法，有向样本面照明单色光的方法。作为生成单色光的手段，有在针对得到分光信息的目标波长范围具有充分的放射能量的白色光照明中，更换使用了反射型衍射元件、透过型衍射元件、棱镜等的分光光源装置40、对入射到分光装置的光更换多个干涉滤波器的方法、组合液晶可调滤波器、AOTF等带通滤波器的方法、切换单波长的照明光源的方法等，并且在通过分光而使波长改变时，单独地使用或组合透镜、反射镜、光纤等，由此具备照明位置、光分布模式不变化的机构。对于受光组合二维黑白摄像元件、二维彩色摄像元件。

进而，如图27所示，也有在照明侧和受光侧的双方使用了分光单元的手段。由此，能够应用于进行荧光发光的对象，作为2分光方式的变角分光成像装置使用。在该情况下，也是分光单元6对入射到二维图像传感器2的光进行分光即可，也可以在光学透镜8之前、中间部、二维图像传感器2紧前面的任意一处具备。

(关于照明装置)

关于照明装置10，应用在钨丝电灯泡、卤素灯、氙气灯、白色LED等光源灯中具备光纤、导光板的机构的照明装置、在光源灯中具备反射镜、投影透镜等的照明装置等能够照明测定采样面2和白色参照面12的照明装置。在此，在照明装置10由于温度变化而光分布模式、分光分布不同的情况下，优选具备珀尔帖元件、水冷、空气致冷等、或同时使用这些手段的可靠的冷却机构。

接着，说明照明装置的具体结构。图28是表示配置了多个照明的状态的图。如图28所示，多个照明装置10配置在天顶角度方向和方位角方向或Y轴方向上，能够没有可动部件地实现来自多个角度的点状或线状的照明模式。

进而，通过组合地同时点亮照明，能够实现多样的光学几何条件，能够产生改变了光源的空间分布的状态。另外，如图29所示，同时点亮从样本面的中心相对于垂直方向的轴(Z轴)位于对称位置的光源，由此能够无影地产生扩散照明的条件。

这样，通过针对同一样本多次测量改变了点亮模式的状态，能够通过模拟计算求出多彩的信息，能够谋求缩短测量时间、测量次数。

另外，通过同时点亮多个光源，能够确保充分的光量，即使是低反射率的测定对象，也能够高精度、并且短时间、高速地进行测量。

(关于装置的结构)

作为测量装置的结构例子，如图30所示，具备容纳在长方体的框体50中，在其一面上具备设置测定样本的测定窗52，使样本2从外侧接触而固定的方法。在此，通过改变框体50的方向，能够将测定窗设为上方，测定大型的样本，或者将测定窗设为下方，非接触地测量液面、粘性样本、化妆品等。

如图31所示，在将测定窗52设定在上方的情况下，还能够容易地对挡泥板、门等大型样本54进行测量。另外，也能够将粉体、液体放入到玻璃槽中进行测量。

相反，如图32所示，在将测定窗设定在下方的情况下，能够非接触地对液体、粘性样本、粉体、化妆品等样本56进行测量。另外，非接触地测量人体、皮肤也是有效的。由此，不受到因压接造成的血流的变化的影响，能够对半透明的人体进行没有边缘丢失错误的测量。

(关于设备的校正方法)

以下，根据图5和图6说明在进行实际的测定之前进行的、设备的校正方法、以及其后的测定方法、图像分析计算。最初，根据图5说明设备的校正方法。

为了进行稳定的测量，确立校正手段是重要的。校正与气温、湿度这样的测定环境的变化、电源的不稳定性、光源装置、光学设备的经时变化对应，在电源刚接通后、校正后数小时～数日的时间范围内实施，进行修正使得测量值始终收敛到某误差范围内。

首先，准备成为基准的标准白色板(S102)。表面构造是没有光泽的扩散面，在测定范围内是均匀的。优选分光反射率系数在测定波长区域中也为大致80％以上。代表性的有喷射硫酸钡的粉末而固定的白色板等。标准白色板预先通过另外的已经校正的分光光度仪测量波长λ的分光反射率系数，将值保存在存储装置中。将其值设为R_c(λ)。代替测定采样，而设置该标准白色板，通过照明p对每个测定波长进行摄像，将其结果记录在存储装置内。将其值设为C_ij(p，λ)。(i，j)是摄像标准白色板的像素的位置。

这时，还同时摄像在周缘部具备的白色参照面并记录。将其值设为W_kl(p，λ)。(k，l)是摄像白色参照面的像素的位置。白色参照面的表面构造尽量不依存于受光、照明的角度，优选由没有光泽的扩散面构成，另外优选分光反射率系数在测定波长区域中也为大致80％以上。在测量校正信息时，在分光单元6、照明装置10的分光分布的特性中在测定波长范围内存在波动，因此以修正它为目的，也可以对每个测量波长优化曝光时间(S103、S104)。如果对多个照明在不同的波长完成了这些操作，则校正结束(S105、S106)。这时，将曝光时间与校正信息一起都保存在存储装置中，在测定采样时，以与在此保存的相同的曝光时间进行测量。通过使用白色参照面的摄像结果的值，能够修正因电源的不稳定性、光源装置的光学设备的经时变化造成的因测定面的位置产生的波动，通过控制曝光时间，能够使对每个测定波长而不同的光源的分光分布、分光单元的分光特性、摄像元件的分光灵敏度固定化来确保动态范围。

根据图2更详细地说明校正方法。

在样本面2的周边部设置白色参照面12。由此，构成双射束光学系统。作为结构例子之一，设置在测定窗的内侧。在校正过程中同时测量白色参照面12和放置在样本部位上的白色校正板3，求出该时刻的校正系数。使用了二维摄像元件，因此同时在不同的部位摄像白色参照面12和样本面2。对于白色参照面12的摄像结果，将值记录在存储装置中。

在校正时使用附加了值的标准白色扩散面、或能够参照它的代替的白色面。将其称为白色校正板3。在校正过程中，同时测量该白色校正板3和白色参照面12，求出校正系数C_I(x，y，λ)。下标I是照明的种类(位置)。针对白色校正板2，根据考虑到在测量中设想的分光反射率系数的范围的水平设定，而求出校正系数。

水平设定是指使二维摄像元件的输出计数值与白色校正板3的分光反射率系数对应的设定。例如，在针对能够进行16比特输出的摄像元件，白色校正板的分光反射率系数是90％的情况下，在使其与输出计数值30000对应的情况下，能够测量的分光反射率系数的最大值是90×65535/30000＝196.6％。

根据图33说明校正系数的计算。

(1)预先将准备的标准白色扩散面、或能够参照它的代替的白色面的分光反射率系数设为R_W。该白色校正板3具有均匀的表面，不根据光学几何条件或部位而变化。

(2)同样将白色参照面12的分光反射率系数设为R_R。该参照面也具有均匀的表面，不根据光学几何条件或部位而变化。

(3)将从摄像元件输出的值的最大值设为L_max，将对白色校正板3的照明I中的水平设定的值设为L_I(0<L_I<L_max)。

(4)调整曝光时间、光量，使得来自摄像元件的照明I、波长λ的输出值V_I(x，y，λ)的出现分布为L_I的位置在大致顶点(后述)。

(5)同时测量白色校正板3和白色参照面12。将这时的白色校正板测量值设为V_I，W(x_W，y_W，λ)，将白色参照面测量值设为V_I，R(x_R，y_R，λ)。在此，(x_W，y_W)≠(x_R，y_R)。将白色参照面测量值V_I，R(x_R，y_R，λ)保存在存储装置中。在测定中为了修正而利用它。

(6)计算对样本的测定部位的照明I、波长λ下的分光反射率的校正系数为

C_I(x_W，y_W，λ)＝R_W/V_I，W(x_W，y_W，λ)。

在校正中，使二维摄像装置的曝光时间对每个测定波长可变，修正与波长对应的、光源的光量的不同、分光单元的效率的不同(透过率等的不同)、摄像装置的分光灵敏度的不同，由此确保动态范围。

进而，通过短时间曝光、长时间曝光这样将时间多重化，扩大动态范围。在该情况下，对水平设定进行多重化，或者准备低反射率(灰色、黑色等)的白色校正板，进行曝光时间的多重化设定。

根据校正中的测量计数值的分布状况，自动地在计算机的控制下对校正中的曝光时间的调整进行最优化。也可以手动地设定。

作为曝光时间的多重化以外的动态范围的扩大策略，还有对照明的光量进行多重化的方法。在该情况下，有向照明供给的电力量的多重化、照明的个数的多重化等。其中有改变上述校正板的方法、改变水平设定的方法。

进而，还有组合曝光时间的多重化和对照明的光量进行多重化的方法的方法。

在测量中，在对每个波长最优化了的曝光时间中，同时测量样本面2和白色参照面12，对在校正中记录的白色参照面的测量计数值进行比较并进行修正。这存在照明的光量变动、分光单元的变动(例如因滤波器的透过率的变动等造成的分光效率的变动)、二维摄像元件的灵敏度的变动、曝光时间的误差(特别是短时间曝光时)等。将校正时刻的照明I、波长λ下的白色参照面测量值V_I，R(x_R，y_R，λ)保存在存储装置中。以下表示计算方法的例子，但对样本面的时间修正系数的内插计算方法并不限于此，也可以采取二维样条函数内插等各种手段。

说明对样本面2的时间修正系数的内插计算方法。将测定中的白色参照面的测量值设为V_I，RM(x_R，y_R，λ)。以校正时刻为基准的情况下的时间修正系数为

[数学式14]

F_I(x_R，y_R，λ)＝V_I,RM(x_R，y_R，λ)/V_I,R(x_R，y_R，λ)

另外，将x_R的范围设为x_b≦x_R≦x_e，将y_R的范围设为y_b≦y_R≦y_e。

考虑点P(x_p，y_p)处的内插。首先，在Y轴方向上进行线性内插。在该情况下，

[数学式15]

F₀＝F_I(x_p，y_b，λ)·[(y_e－y_p)/(y_e－y_b)]+F_I(x_p，y_e，λ)·[(y_p－y_b)/(y_e－y_b)]

接着，针对x_b和x_e计算相对于对Y轴的线性内插的位移。

[数学式16]

ΔF_xb＝F_I(x_b，y_p，λ)

－F_I(x_b，y_b，λ)·[(y_e－y_p)/(y_e－y_b)]－F_I(x_b，y_e，λ)·[(y_p－y_b)/(y_e－y_b)]

ΔF_xe＝F_I(x_e，y_p，λ)

－F_I(x_e，y_b，λ)·[(y_e－y_p)/(y_e－y_b)]－F_I(x_e，y_e，λ)·[(y_p－y_b)/(y_e－y_b)]

对每个照明条件求出它。

将每个照明条件的时间修正系数设为F_ij(I，λ)。在此，下标_ij是与上述数学式的x_R、y_R对应的白色参照面(与样本面相同)的位置。

(关于实际的测定采样面的测定)

接着，根据图6说明实际的测定方法。设置测定采样(S111)，对每个测定波长进行摄像(S112)，将其结果记录在存储装置内(S113)。将其值设为V_Mij(I，λ)。另外，根据这时同时摄像的白色参照面的测定值求出上述F_ij(I，λ)。在该情况下，根据(数学式17)求出校正后的测定采样的分光反射率系数R_ij(I，λ)。在此，与照明I对应的校正系数是C_ij(I，λ)。如果在多个照明条件、不同波长下完成了这些操作，则测定结束(S114)。

[数学式17]

R_ij(I，λ)＝V_Mij(I，λ)·C_ij(I，λ)/F_ij(I，λ)

在该情况下，针对要修正的测定采样面的像素位置(i，j)，例如将与从测定的位置起平行于X轴和Y轴所引出的直线相交的部分的白色参照面的位置作为对X轴Y轴的外推位置来参照有效地作用的位置，或者实施部分的内插、平均化，来求出白色参照面的像素位置。白色参照面在摄像时被同时测量，由此用于吸收测量时间中的照明的光量变动、摄像元件的曝光时间的变动、误差的修正。因此，能够更高精度地进行高稳定性的测定。此外，也可以在测定校正数据时使用光阱、标准黑色板，施加分光反射率系数为0附近的修正。

根据图像的测定位置，也存在看作相同的光学几何条件的部位。例如，是图34所示那样的、使用线状的光源的情况下的在X轴方向上具有dx的宽度的Y轴方向的区域(网格部分)、能够无视光学几何条件的变动的小区域。在该情况下，能够得到大致相同的光学几何条件下的图像信息，能够成为用于求出颜色空间中的分布、图像的特征量的信息。

另外，根据图像的测定位置和照明之间的关系，也存在看作方位角对称的光学几何条件的部位。例如是图35所示那样的点光源的情况下的从照明中心向Y轴的+方向、-方向、相对于Y轴向+方向位移的照明和向-方向位移的照明之间的关系。在该情况下，能够测量光亮材料的定向。

(关于通过图像分析计算特征量的方法)

以下，说明使用测定出的分光成像信息，通过图像分析计算特征量的方法。这些计算方法只不过是一个例子。在本发明中，对全部像素高解析度、高精度地进行测定，因此能够应用很多种类的图像分析计算，另外，由此产生的结果是能够保持高的可靠性。

说明求出与测定出的每个照明的全部像素的分光反射率系数R_mij(p，λ)的变角信息对应的平均值的方法(S115)。根据像素位置(i，j)，镜面反射夹角不同。用数学式18表示分光反射率的平均值R_m(p，λ)。

[数学式18]

R_m(p，λ)＝ΣΣR_m ij(p,λ)/N

在此，Σ的计算是针对X轴方向计算从第i到第i+I个区域，针对Y轴方向计算从第j到j+J个区域。N是包含在计算区域中的像素的个数，N＝(I+1)·(J+1)。

另外，用数学式19表示与该计算区域对应的平均的镜面反射夹角θ(p)。

[数学式19]

θ(p)＝ΣΣθ_ij(p)/N

根据i、j、I、J的取法，能够得到与希望求出的空间分辨率对应的任意镜面反射夹角θ(p)下的平均分光反射率系数R_mij(p，λ)。如果减小I、J，则镜面反射夹角θ(p)在平均计算区域中的变动小，能够在高空间分辨率下进行平均计算。另一方面，如果增大I、J，则空间分辨率降低，但会增大N，所以平均化、平滑化的效果提高。

能够计算显示作为所得到的变角分光图像信息的、每个变角的亮度分布、颜色空间分布、每个图像位置的空间分布、出现颜色数、信息熵、图像滤波器、分形维度等等的参数。

进而，根据上述信息，能够与计算机图形上的再现信息相联系。

(关于求出色彩值的方法)

说明根据测定出的全部像素的分光反射率系数R_mij(p、λ)求出色彩值的方法(S116)。作为计算色彩值的步骤，首先计算三刺激值XYZ。对于其代表性的方法，利用由国际照明委员会(CIE：Commission Internationale del’Eclairage)确定的方法。

能够用数学式20表示各像素的三刺激值X_ij(p)、Y_ij(p)、Z_ij(p)。

[数学式20]

X_ij(p)＝k∫P(λ)x(λ)R_m ij(p,λ)dλ

Y_ij(p)＝k∫P(λ)y(λ)R_m ij(p,λ)dλ

Z_ij(p)＝k∫P(λ)z(λ)R_m ij(p,λ)dλ

k＝100/∫P(λ)y(λ)dλ

在此，P(λ)表示观察物体时设想的照明光的分光分布，进行积分的波长λ的范围是在测定中使用的可视光区域。在计算机显示器、打印机上显示三刺激值X_ij(p)、Y_ij(p)、Z_ij(p)时，变换为R_ij(p)、G_ij(p)、B_ij(p)值。对于该变换，根据标准已知向sRGB、AdobeRGB等的变换方法。

与上述的分光反射率系数的平均计算相同地，关于三刺激值，也能够根据数学式21得到平均值。

[数学式21]

X(p)＝ΣΣX_ij(p)/N

Y(p)＝ΣΣY_ij(p)/N

Z(p)＝ΣΣZ_ij(p)/N

说明根据测定出的全部像素的三刺激值X_ij(p)、Y_ij(p)、Z_ij(p)求出色彩值的方法。对于代表性的方法，有使用数学式22求出由CIE确定的CIELAB颜色空间的值即L*a*b*的方法。

[数学式22]

L*_ij(p)＝116f(Y_ij(p)/Y_n)-16

a*_ij(p)＝500{f(X_ij(p)/X_n)-f(Y_ij(p)/Y_n)}

b*_ij(p)＝200{f(Y_ij(p)/Y_n)-f(Z_ij(p)/Z_n)}

在此，

在X_ij(p)/X_n>0.008856时f(X_ij(p)/X_n)＝(X_ij(p)/X_n)^1/3

在X_ij(p)/X_n<0.008856时f(X_ij(p)/X_n)＝7.787(X_ij(p)/X_n)+16/116

在Y_ij(p)/Y_n>0.008856时f(Y_ij(p)/Y_n)＝(Y_ij(p)/Y_n)^1/3

在Y_ij(p)/Y_n<0.008856时f(Y_ij(p)/Y_n)＝7.787(X_ij(p)/X_n)+16/116

在Z_ij(p)/Z_n>0.008856时f(Z_ij(p)/Z_n)＝(Z_ij(p)/Z_n)^1/3

在Z_ij(p)/Z_n<0.008856时f(Z_ij(p)/Z_n)＝7.787(Z_ij(p)/Z_n)+16/116

X_n、Y_n、Z_n是测量分光反射率系数为100％的物体时的三刺激值。与上述的分光反射率系数的平均计算同样地，关于CIELAB值，也能够根据数学式23得到平均值。

[数学式23]

L*(p)＝ΣΣL*_ij(p)/N

a*(p)＝ΣΣa*_ij(p)/N

b*(p)＝ΣΣb*_ij(p)/N

另外，作为根据图像分析求出测定采样2的特征的重要方法，有求出CIELAB颜色空间中的测量值的分布的方法。这时，也针对图像的X轴方向计算从第i到i+I个的区域，针对Y轴方向计算从第j到j+J个区域。

另外，对于将CIELAB颜色空间中的测量值的分布表示为数量参数的方法，可以应用计算出现颜色数、信息熵的方法。在将信息熵设为H的情况下，根据数学式24进行计算。

[数学式24]

H(p)＝―ΣP(p,c)log₂{P(p,c)}

按照通过照明p摄像所得的图像中的颜色c的出现频度，针对X轴方向在从第i到i+I个的像素的范围内，针对Y轴方向在从第j到j+J个的像素的范围内，用一定大小的立方体划分ΔL*、Δa*、Δb*各边，来计算P(p，c)。

除此以外，也能够应用针对图像位置、即作为照明和受光的几何条件的镜面反射夹角θ(p)进行图像滤波、微分值、傅立叶变换、小波变换等频率分析的方法、对CIELAB颜色空间的分布状况更详细地进行参数化的方法等各种方法，通过对测定对象的特征量进行数值化，能够对2个不同的测定对象的差进行定量化。进而，能够期待产品制造时的质量管理、制造方法的判断等多方面的合理化和效果。

(关于三维曲面测量)

在此前的说明中，使用平面状的测定对象，利用每个像素的光学几何条件的变化，取得样本面的分光信息，但在测定对象面是曲面的情况下，可以将三维形状测定装置装入到变角分光成像装置中，根据曲面的像素的法线修正光学几何条件而实现准确的测量。

以下详细进行说明。根据三维形状测量样本面的Z轴方向的位移、以及法线方向，对上述光学几何条件(θ_il，φ_il，θ_rsv，φ_rsv)实施修正。在点光源的情况下，将样本面的位置设为P(x_p，y_p)，将照明装置的位置设为I(θ_i，φ_i，D_i)，将受光装置的位置(焦点位置)设为R(0，0，D_r)。在此，x、y是样本面上的X轴方向、Y轴方向的位置，θ是天顶角，φ是从X轴开始逆时针方向的方位角，D_i是从样本面到光源为止的距离，D_r是从样本面到摄像装置为止的距离，摄像装置具有能够捕捉样本面的摄影范围的视场角。可以用照明的天顶角、方位角、受光的天顶角、方位角来表现位置P处的照明和受光的几何条件。

这时，照明位置为

[数学式25]

x_i＝D_i·sin(θ_i)·cos(φ_i)

y_i＝D_i·sin(θ_i)·sin(φ_i)

z_i＝D_i·cos(θ_i)

另外，与点P对应的照明的相对坐标位置为

[数学式26]

x_i’＝x_i－x_p

y_i’＝y_i－y_p

z_i’＝z_i

与点P对应的受光的相对坐标位置为

[数学式27]

x_r’＝－x_p

y_r’＝－y_p

z_r’＝z_r

这时，测量三维形状的结果是，假定在点P存在D_H的位移，并且其法线向量在φ_n方向上以天顶角倾斜θ_n。产生D_H的位移的相对坐标位置为

[数学式28]

x_i”＝x_i’

y_i”＝y_i’

z_i”＝z_i’－D_H

x_r”＝x_r’

y_r”＝y_r’

z_r”＝z_r’－D_H

在法线向量在φ_n方向上以天顶角倾斜θ_n的情况下，在这些照明I``和受光R``的位置进行与在直角地通过相对坐标X``Y``平面的直线的周围旋转-θ_n相同的操作。成为该旋转轴的单位向量是(-sin(φ_n)，cos(φ_n)，0)。围绕任意的单位向量(n_x，n_y，n_z)旋转θ的情况下的一般式是

[数学式29]

(\begin{matrix} x^{,} \\ y^{,} \\ z^{,} \end{matrix}) = (\begin{matrix} {n_{x}}^{2} (1 - \cos θ) + \cos θ & n_{x} n_{y} (1 - \cos θ) - n_{z} \sin θ & n_{z} n_{x} (1 - \cos θ) + n_{y} \sin θ \\ n_{x} n_{y} (1 - \cos θ) + n_{z} \sin θ & {n_{y}}^{2} (1 - \cos θ) + \cos θ & n_{y} n_{z} (1 - \cos θ) - n_{x} \sin θ \\ n_{z} n_{x} (1 - \cos θ) - n_{y} \sin θ & n_{y} n_{z} (1 - \cos θ) + n_{x} \sin θ & {n_{z}}^{2} (1 - \cos θ) + \cos θ \end{matrix}) (\begin{matrix} x \\ y \\ z \end{matrix})

因此，

[数学式30]

x_i”’＝[sin(φ_n)²·{1-cos(-θ_n)}+cos(-θ_n)]·x_i”

-sin(φ_n)·cos(φ_n)·{1-cos(-θ_n)}·y_i”

+cos(φ_n)·sin(-θ_n)·z_i”

y_i”’＝-sin(φ_n)·cos(φ_n)·{1-cos(-θ_n)}·x_i”

+[cos(φ_n)²·{1-cos(-θ_n)}+cos(-θ_n)]·y_i”

+sin(φ_n)·sin(-θ_n)·z_i”

z_i”’＝-cos(φ_n)·sin(-θ_n)·x_i”

-sin(φ_n)·sin(-θ_n)·y_i”

+cos(-θ_n)·z_i”

x_r”＝[sin(φ_n)²·{1-cos(-θ_n)}+cos(-θ_n)]·x_r’

-sin(φ_n)·cos(φ_n)·{1-cos(-θ_n)}·y_r’

+cos(φ_n)·sin(-θ_n)·z_r’

y_r”＝-sin(φ_n)·cos(φ_n)·{1-cos(-θ_n)}·x_r’

+[cos(φ_n)²·{1-cos(-θ_n)}+cos(-θ_n)]·y_r’

+sin(φ_n)·sin(-θ_n)·z_r’

z_r”＝-cos(φ_n)·sin(-θ_n)·x_r’

-sin(φ_n)·sin(-θ_n)·y_r’

+cos(-θ_n)·z_r’

因此，几何条件(θ_il，φ_il，θ_rsv，φ_rsv)为

[数学式31]

θ_il＝π/2－tan^-1(z_i”’/sqrt((x_i”’)²+(y_i”’)²))

φ_il＝tan^-1(y_i”’/x_i”’)

θ_rsv＝π/2－tan^-1(z_r”’/sqrt((x_p”’)²+(y_p”’)²))

φ_rsv＝tan^-1(y_r”’/x_r”’)

另外，在三维曲面测量的情况下，位置和角度变化，由此还必须修正校正系数。即，根据垂直方向的位移D_H和相对于照明位置的倾斜再计算校正系数。这是因为每单位面积的照射能量根据位移和倾斜而变化。

图37是用于说明校正系数的修正的图。将照明的XYZ垂直坐标上的位置设为I(x_i，y_i，z_i)，将样本面上的观察位置设为P(x_p，y_p，0)。从观察位置到照明位置为止的距离D_I为

[数学式32]

D_I＝[(x_i－x_p)²+(y_i－y_p)²+z_p ²]^0.5

对此，在存在D_H的距离的位移的情况下，根据下式修正校正系数C。

[数学式33]

C’＝C·(D_I+D_H)/D_I

将点P处的照明方向的单位向量设为(n_Ix，n_Iy，n_Iz)，将与点P的三维曲面对应的单位向量设为(n_Hx，n_Hy，n_Hz)。点P的垂直方向的单位向量是(0，0，1)，因此其与照明方向的单位向量的内积为n_Iz。因此，照明方向的天顶角为

[数学式34]

cos(θ_I)＝n_Iz

θ_I＝cos^-1(n_Iz)

在该情况下，每单位面积的光的投影面积为

[数学式35]

S_I＝1/cos(θ_I)

另一方面，照明方向和法线方向的内积A为

[数学式36]

A＝n_Ix·n_Hx+n_Iy·n_Hy+n_Iz·n_Hz

θ_IH＝cos^-1(A)

因此，该情况下的投影面积为

[数学式37]

S_IH＝1/cos(θ_IH)

该情况下的修正系数为

[数学式38]

C”＝C’·(S_I/S_IH)＝C·[(D_I+D_H)/D_I]·[cos(θ_IH)/cos(θ_I)]

另外，修正系数的求取方法并不限于此，能够采取各种手段。

接着，说明本发明的实施方式的具体实施例。

在实施例中，在黑白二维图像传感器4中具备珀尔帖冷却机构、抗模糊机构，在X轴方向上使用772像素，在Y轴方向上使用580像素。对于成像透镜，是焦距25mm的单焦点C支架透镜，视场角在长边方向上是22度。作为分光单元，在透镜紧前面具备液晶可调滤波器，能够在可视光范围内以10nm间隔进行分光测量。对于测定采样面，在图像中央部的X轴方向上使用720像素，在Y轴方向上使用520像素，将除此以外的周缘部作为白色参照面。照明准备具备投影透镜的将10个白色LED芯片配置为直线状所得的2组照明，配置得从相对于测量采样面的中央垂直方向的20度和45度的2个方向进行照明。

在本实施例中，在接通电源后，在测定之前，将作为标准校正板的标准白色板设置在测定部位，测量与20度和45度照明对应的各波长的校正信息。这时，为了修正液晶可调滤波器、照明装置的分光分布的特性，对每个测量波长对曝光时间进行最优化，还将曝光时间与校正信息一起保存在存储装置中。然后，将测定采样设置在测定部位，针对20度和45度照明，针对各波长以与校正时相同的曝光时间进行测定。

针对采样A(包含铝光亮材料(东洋铝制，Alpate7670NS)的涂板)和采样B(包含干涉性光亮材料(Merck制，Xirallic Crystal Silver XT60-10)的涂板)进行测定采样。两者都是在测定后，根据校正信息求出20度和45度照明下的与全部像素对应的分光反射率系数。根据分光反射率系数求出三刺激值XYZ、用于显示图像的RGB、CIELAB颜色空间的值。在图9中表示出针对20度和45度照明下的X轴方向分割为8个区域，在合计16个区域中对各个区域内的像素的测量值进行平均化，从400nm到700nm每10nm地对波长进行切换，将测定分光反射率系数所得的结果设为1张图。

进而，根据CIELAB值计算20度和45度照明下的与全部像素对应的CIELAB颜色空间中的分布状况、出现颜色数、信息熵。

可以将CIELAB颜色空间中的图像中的出现颜色数作为表示涂板特征的指标来利用。在对着色材料只使用颜料的涂板中一般称为固体色的涂色的情况下，测量的结果在图像内为大致相同的值，因此出现颜色数极少，但在金属色的情况下，根据所包含的铝光亮材料的种类、配合量、所组合的着色颜料，根据光学几何条件，主要是亮度和彩度变化，出现颜色数增加。进而，在包含干涉性的光亮材料的珍珠色中，与光学几何条件对应地，除了亮度和彩度以外，还在色调方向上变化，同时包含细致的光亮材料的干涉性的反射光，因此在各个像素中出现各种颜色，因此出现颜色数增加。这意味着对于CIELAB颜色空间，颜色分布在更广的范围内。另外，信息熵是表示图像中的信息量的数值，与出现颜色数同样地能够作为表示涂板特征的指标而利用。

使用基于数学式7的JIS Z8729：2004的计算方法，照明光使用JIS Z8781：1999所示的CIE测色用标准光源D65，等色函数在10度视野的条件下，计算每个像素的L*a*b*值。以小数点2位的精度进行计算。接着，对于CIELAB空间，假定为在L*、a*、b*各轴的方向上一边为1.00大小的立方体，针对图像中的720×520＝374400个像素进行计算，将L*a*b*的值应用于立方体，将包含出现的像素的颜色的立方体的个数设为出现颜色数。将其设为N。针对分割为8个的图像也进行该计算方法。

另外，根据数学式39计算信息熵E。

[数学式39]

E＝―ΣP(i)log₂{P(i)}

在此，P(i)是图像中的颜色i的出现频度，表示在上述的L*、a*、b*各轴的方向上一边为1.00大小的立方体中相对于全部像素包含几个像素。

在图10中表示采样A的CIELAB颜色空间的分布，在图11中表示20度和45度照明下的L*-a*关系、将L*的值设为50时的a*-b*关系。另外，在图13中表示采样B的CIELAB颜色空间的分布，在图14中表示20度和45度照明下的L*-a*关系、将L*的值设为50时的a*-b*关系。

另外，针对X轴方向将20度和45度照明各自的图像分割为8个区域，针对各个区域表示出CIELAB颜色空间中的分布状况。在图12中表示采样A的20度和45度照明下的8个区域的、L*-a*关系、将L*的值设定为50时的a*-b*关系，在图15中表示采样B的20度和45度照明下的8个区域的、L*-a*关系、将L*的值设定为50时的a*-b*关系。采样A的干涉性光亮材料与采样B的铝光亮材料相比，包含干涉颜色的光亮性反射，因此CIELAB颜色空间中的分布状况为广范围。特征性地表示出两者的不同。

在本实施方式中，以在测定采样面2的周边设置了白色参照面12的情况进行了说明，但也可以没有白色参照面12，而只通过测定采样面2进行测量。另外，在本实施方式中，使用了白色光源作为照明装置10，但也可以在照明装置内具备分光功能，使用能够照射单波长的光的光源。

另外，在本实施方式中，使用平面状的测定对象，利用每个像素的光学几何条件的变化，取得样本面的分光信息，但在测定对象面是曲面的情况下，可以将三维形状测定装置装入到变角分光成像装置中，根据曲面的像素的法线，准确地修正光学几何条件。

因此，根据图16说明装入了三维形状测定装置的其他实施例。对于与上述实施例相同的结构省略说明。

在本实施例中，具备照明装置10，其准备了直线状地配置的黑白二维图像传感器4、作为分光单元6的液晶可调滤波器、10个白色LED芯片共2组，这与实施例1相同，但除此以外，作为用于测定采样的三维形状修正的形状测定单元，使用激光投影仪9(美国Microvision公司制，SHOWWX)向测定面投影栅格像11，通过黑白二维图像传感器4取得栅格像11，根据栅格像11的位移得到形状。

在本实施例中，在电源接通后的测定之前，将作为标准校正板的具有充分的平面性的标准白色板设置在测定部位，在测量对应于20度和45度照明的各波长下的校正信息后，通过三维形状测定用的激光投影仪9投影栅格像，通过黑白二维图像传感器4进行摄像，作为基准平面的数据而对栅格像11的位置进行数值化并保存。

在测定时，通过激光投影仪9向测定采样照射栅格像11，通过黑白二维图像传感器4取得栅格像，使用预先测量并保存的基准平面上的栅格像11的位置信息，根据三角法计算三维形状数据。

然后，根据求出的三维形状数据计算样本面的各位置的法线向量，在修正了来自照明装置的照明的正反射方向的基础上，再计算镜面反射夹角，由此修正三维形状的表面的光学几何条件。

在本实施方式中，针对曲面的测定对象面，向变角分光成像装置装入三维形状测定装置，因此能够准确地修正光学几何条件。特别在针对镜面反射夹角取得数据的情况下，根据三维形状计算法线向量，在修正了照明的正反射方向的基础上重新计算镜面反射夹角，由此能够不对测定对象面的形状产生影响地进行测量。

在本实施方式中，作为测定的对象而测定固体表面，但除了固体以外，也能够非接触地测量液面、液体、粉体等。

符号说明

2：样本面(测定采样面)；3：白色校正板；4：二维图像传感器；6：分光单元；8：光学透镜；9：激光投影仪；10：照明装置；11：栅格像；12：白色参照面；14：镜面反射夹角；16：镜面反射方向的单位向量；18：受光方向的单位向量；19：像素(i，j)；20：照明方向的单位向量；32：照明方向；34：正反射方向；36：观察方向；38：光亮材料的法线方向；40：分光光源装置；50：框体；52：测定窗；54：挡泥板、门等大型样本；56：液体样本。

Claims

1.一种变角分光成像测定装置，具备：

线状或点状的照明装置，其能够相对于包含光亮材料的样本面的垂直方向，分别从固定的2个以上的角度方向向该样本面照射作为白色光的照明光；

分光单元，其对来自上述样本面的反射光进行分光，配置在该样本面的上方；

成像用的透镜，其对通过上述分光单元分光后的反射光进行成像；

二维图像传感器，其被固定，能够经由上述成像用的透镜对上述反射光进行受光，摄像该样本面；以及

白色参照面，其设置在上述样本面的整个周缘部，其中

利用通过上述二维图像传感器摄像所得的二维图像内的每个像素的照明方向和摄像方向的光学几何条件的变化，取得上述样本面的分光信息，该变角分光成像装置的特征在于，

在测定前的校正时，同时摄像成为基准的标准白色板和上述白色参照面，测量每个像素和每个波长的校正系数，并且决定每个上述波长的曝光时间，

通过变更上述分光单元的透过波长，不变更上述照明装置、上述二维图像传感器、上述样本面以及上述白色参照面的相对位置地，针对每个测定波长摄像上述样本面、以及设置在上述样本面的整个周缘部的上述白色参照面的二维图像，取得该二维图像的全部像素的每个测定波长的分光信息，

通过针对每个上述测定波长改变校正和测定时的摄像曝光时间，来修正照明装置的分光特性、上述分光单元的分光特性、上述二维图像传感器的分光特性在上述测定波长范围内的增益的差。

2.一种变角分光成像测定装置，具备：

线状或点状的照明装置，其能够相对于样本面的垂直方向，分别从固定的2个以上的角度方向向该样本面照射作为白色光的照明光；

成像用的透镜，其对来自上述样本面的反射光进行成像，配置在该样本面的上方；

分光单元，其对通过上述成像用的透镜成像的光进行分光；

二维图像传感器，其被固定，能够对来自上述分光单元的光进行受光，摄像该样本面；

白色参照面，其设置在上述样本面的整个周缘部，其中，

通过变更上述分光单元的透过波长，不变更上述照明装置、上述二维图像传感器、上述样本面以及上述白色参照面的相对位置地，针对每个测定波长摄像上述样本面以及设置在上述样本面的整个周缘部的上述白色参照面的二维图像，取得该二维图像的全部像素的每个测定波长的分光信息，

3.一种变角分光成像测定装置，具备：

线状或点状的照明装置，其能够相对于样本面的垂直方向，分别从固定的2个以上的角度方向向该样本面照射波长可变的每个测定波长的单色照明光；

白色参照面，其设置在上述样本面的整个周缘部，其中，

利用通过上述二维图像传感器摄像所得的二维图像内的2轴方向的每个像素的照明方向和摄像方向的光学几何条件的变化，取得上述样本面的分光信息，该变角分光成像装置的特征在于，

4.一种变角分光成像测定装置，具备：

二维图像传感器，其被固定，能够经由上述成像用的透镜对上述反射光进行受光，摄像该样本面；

白色参照面，其设置在上述样本面的整个周缘部，其中，

变更上述照明装置的照射波长，

通过变更上述分光单元的透过波长，不变更上述照明装置、上述二维图像传感器、上述样本面以及上述白色参照面的相对位置地，针对每个上述照射波长和每个透过波长摄像上述样本面、以及设置在上述样本面的整个周缘部的上述白色参照面的二维图像，

取得上述二维图像的全部像素的每个照射波长和每个透过波长的分光信息，

5.一种变角分光成像测定装置，具备：

分光单元，其对通过上述成像用的透镜成像的光进行分光；

白色参照面，其设置在上述样本面的整个周缘部，其中，

变更上述照明装置的照射波长，

能够取得上述二维图像的全部像素的每个照射波长和每个透过波长的分光信息，

6.根据权利要求1～5的任意一项所述的变角分光成像测定装置，其特征在于，

使上述照明装置的光量可变、或使摄像时的曝光时间可变、或者组合两者，由此扩大测量的动态范围。

7.根据权利要求1～6的任意一项所述的变角分光成像装置，其特征在于，

在数值的平均化、色彩数值的颜色空间分布、空间频率分析、信息熵等的图像计算中使用每个上述像素的每个测定波长的上述分光信息。

8.一种变角分光成像装置，其向权利要求1～7的任意一项所述的变角分光成像装置中装入了三维形状测定单元，其特征在于，

通过该三维形状测定单元测定上述样本面的三维形状信息，使用该样本面的三维形状信息求出该样本面的各位置的法线方向，修正上述光学几何条件的变化。

9.一种变角分光成像测量方法，其取得二维图像的全部像素的每个测定波长的分光信息，其特征在于，

通过线状或点状的照明装置，在测定前的校正时，同时摄像成为基准的标准白色板和上述白色参照面，测量每个像素和每个波长的校正系数，并且决定每个上述波长的曝光时间，然后相对于样本面以及设置在该样本面的整个周缘部的白色参照面的垂直方向，分别从固定的2个以上的角度方向向该样本面和该白色参照面照射照明光，通过分光单元对照射的照明光从该样本面和该白色参照面的反射光进行分光，通过成像用的透镜对分光后的该反射光进行成像，经由上述成像用的透镜对上述反射光进行受光，通过固定的二维图像传感器，不变更上述照明装置、上述二维图像传感器、上述样本面以及上述白色参照面的相对位置地进行摄像，参照该白色参照面上的反射光，修正测定中的照明光量的变化、曝光时间的变动，利用该摄像所得的二维图像内的每个像素的照明方向和摄像方向的光学几何条件的变化，取得该样本面的分光信息，

10.一种变角分光成像测量方法，其取得二维图像的全部像素的每个测定波长的分光信息，其特征在于，

通过线状或点状的照明装置，在测定前的校正时，同时摄像成为基准的标准白色板和上述白色参照面，测量每个像素和每个波长的校正系数，并且决定每个上述波长的曝光时间，相对于样本面以及设置在该样本面的整个周缘部的白色参照面的垂直方向，分别从固定的2个以上的角度方向向该样本面和该白色参照面照射照明光，通过成像用的透镜对照射的照明光从该样本面和该白色参照面的反射光进行成像，通过分光单元对通过上述成像用的透镜成像的光进行分光，通过对来自上述分光单元的光进行受光，并且固定的二维图像传感器，不变更上述照明装置、上述二维图像传感器、上述样本面以及上述白色参照面的相对位置地进行摄像，参照该白色参照面上的反射光，修正测定中的照明光量的变化、曝光时间的变动，利用该摄像所得的二维图像内的每个像素的照明方向和摄像方向的光学几何条件的变化，取得该样本面的分光信息，

11.根据权利要求9或10所述的变角分光成像测量方法，其特征在于，

通过三维形状测定单元测定上述样本面的三维形状信息，使用该样本面的三维形状信息求出该样本面的各位置的法线方向，修正上述光学几何条件的变化。

12.一种方法，其特征在于，

根据通过权利要求1～8的任意一项所述的变角分光成像装置得到的每个像素的分光信息，使用每个像素的分光反射率系数或根据分光反射率系数计算出的颜色空间上的色彩数值，进行伴随着变角信息的每个测量波长的分光反射率系数、空间频率分析、分形分析的图像分布、根据每个像素的色彩值求出的颜色空间上的分布状况、出现颜色数、信息熵的计算。