CN105473999B - 光学特性测量装置及光学特性测量方法 - Google Patents

光学特性测量装置及光学特性测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够减轻材料光学特性的测量负荷并在短时间内进行简便且高精度的测量的光学特性测量装置及光学特性测量方法。光学特性测量装置例如BRDF测量装置(11)具备对试料(16)照射光的光照射单元例如光源部(40)及点光源(42)及接收来自试料(16)的光的受光单元。受光单元具有包含多个受光体的受光传感器例如传感器阵列(26)及将来自试料(16)的光引导至受光传感器的导光部例如拍摄透镜(25)。导光部将来自试料(16)的光根据该光在试料(16)上的位置及行进方向引导至多个受光体中的不同的受光体。

Description

光学特性测量装置及光学特性测量方法
技术领域
本发明涉及一种材料光学特性的测量技术，尤其涉及一种用于测量反射、透射及折射等光学特性的光学特性测量装置及光学特性测量方法。
背景技术
通常，计算机绘图或印刷等技术领域中，对材料的光学特性进行模型化，并根据该模型化的光学特性如实地体现材料的质感。作为这种模型化的材料光学特性，例如已知有双向反射率分布函数(BRDF：Bidirectional Reflectanc e Distribution Function)、双向透射率分布函数(BTDF：Bidireetional Transmittance Distribution Function)及双向散射分布函数(BSDF：Bidirectional Scattering Distribution Function)等光学函数。
从进行准确且质感丰富的渲染或详细的原材料研究的观点考虑，精确地测量所期望材料的光学特性，并将其结果如实地反映在BRDF等光学函数中是非常重要的。
例如专利文献1中公开了一种用于测量物体的光强度的装置。该装置具备集光器系统，该集光器系统的折射型中央部分及反射折射型周边部分从被物体拡散的光线生成互不交叉的两束光，由此能够实现角度分辨率的提高、装置的简化及串扰的避免等。
并且专利文献2中公开有用于在任意的视点及光源下真实再现自由地变形及操作的对象物体的图像数据测量装置。该图像数据测量装置具备转台、多台照相机、半弧状的多个悬臂及多个光源等，且构成为在与视点及光源相关的多个条件下可自动拍摄对象物。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2007-508532号公报
专利文献2：日本特开2003-090715号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
如上所述，对实际材料(试料)照射光而准确测量来自该材料的光(反射光、透射光及折射光等)在算出BRDF等光学函数方面非常有效。
然而，准确地测量来自实际材料的光(光学特性)，非常繁琐费时，其作业需要较长时间，并且测量装置本身易成为大型且复杂的结构。
例如，当为了获取材料的质感信息而测量试料的反射光时，需要从各方向对试料照射光，并且来自试料的反射光向各方向行进，因此需要以各种角度来测量向不同方向行进的反射光。即为了测量试料的表面特性(反射特性)，需要将对试料的光的照射位置(照射光方位)改变为二维、将来自试料的反射光的测量位置(观察方位)改变为二维，并且将试料上的测量位置(被摄物观察区域)改变为二维。因此，当测量材料的光学特性时，需要考虑“照射光方位：二维”ד观察方位：二维”ד被摄物观察区域：二维”(共六维)，而改变“光的照射位置”、“反射光的测量位置”及“试料上的测量位置”的同时进行测量。这不仅在测量试料的反射特性的情况，测量试料透射特性及折射特性等的情况下也相同。
如此，材料光学特性的测量，由于测量负荷大，因此优选采用能够减轻负荷(负担)而进行简便且高精度测量的方法。
然而，在以往的测量技术中，找不到这种所谓“负荷轻而简便且高精度测量”的可满足要求的有效方法。尤其专利文献1或专利文献2等中公开的以往的测量装置中，需要用于将测量装置的各部或测量对象(试料)移动(扫描)至所需测量位置的驱动结构(机械结构)，但难以在短时间内进行对伴随物理位置变动的光学特性的测量。并且伴随测量装置的各部或试料的物理移动的测量方法中，这种物理移动不仅花费时间，而且每进行这种物理移动还需要进行相应精度的配置，但为了实现高精度的配置，要求精密且精确的移动控制，从而装置本身也将成为大型且复杂的结构。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够减轻材料光学特性的测量负荷并在短时间内进行简便且高精度的测量的光学特性测量装置及光学特性测量方法。
用于解决技术课题的手段
本发明的一方式涉及一种光学特性测量装置，所述光学特性测量装置具备对试料照射光的光照射单元及接收来自试料的光的受光单元，受光单元具有包含多个受光体的受光传感器及将来自试料的光引导至受光传感器的导光部，导光部将来自试料的光根据光在试料上的位置及行进方向引导至多个受光体中的不同的受光体。
根据本方式，通过导光部来引导来自试料的光，并通过与“试料上的位置”及“行进方向”对应的受光体来接收。通过使用该受光单元，能够同时测量从试料上的照射位置向各方向行进的光的强度(特性)，因此能够减轻试料(材料)光学特性的测量负荷并在短时间内进行简便且高精度的测量。并且用光照射单元对试料的测量对象部位的整个区域进行一次光照射时，能够同时测量“试料上的位置”及“行进方向”不同的光的强度(特性)。
这里所指“受光单元”，例如可使用称为光场传感器的类型的传感器。该光场传感器由将来自试料的光根据“试料上的光的照射位置”来引导的第1光学器件(例如拍摄透镜及主透镜)、根据“试料上的光的照射位置”设置的第2光学器件(例如微透镜)且将来自第1光学器件的光根据“来自试料的光的行进方向”来引导的第2光学器件、根据“来自试料的光的行进方向”设置的受光器(例如像素传感器)且将来自第2光学器件的光根据“试料上的光的照射位置”及“来自试料的光的行进方向”来接收的受光器构成。在这种情况下，由第1光学器件及第2光学器件构成本方式的“导光部”，由受光器构成本方式的“受光体”及“受光传感器”。
并且，对于“光学特性测量装置”测量的试料光学特性不作特别限定，例如，为了获得双向反射率分布函数(BRDF)、双向透射率分布函数(BTDF)或双向散射分布函数(BSDF)，可将测量试料的反射特性(表面特性)或透射特性(折射特性)的装置用作在此所说的“光学特性测量装置”。
双向反射率分布函数(BRDF)是对双向散射面反射分布函数进行特殊化的函数，当从某方向对某位置入射光时，表示在各方向上反射何种程度的光成分的反射位置上固有的函数。并且，双向透射率分布函数(BTDF)是从某方向对某位置入射光时，表示在各方向上透射及行进何种程度的光成分的透射位置上固有的函数。并且，双向散射分布函数(BSDF)是组合双向反射率分布函数(BRDF)及双向透射率分布函数(BTDF)而表示反射特性及透射特性两者的函数。
因此，在测量BRDF、BTDF或BSDF的光学特性测量装置中，通过使用上述的光场传感器(定向传感器)，在不降低测量精度的条件下，能够简化(紧凑化)装置结构而简化测量步骤，并迅速且以低成本来测量试料的所期望光学特性(反射特性及透射、折射特性等)。
优选，来自试料的光包含来自试料的第1位置的光及来自试料的第2位置的光，来自试料的第1位置的光包含向第1方向行进的光与向第2方向行进的光，来自试料的第2位置的光包含向第3方向行进的光与向第4方向行进的光，多个受光体包含来自试料的第1位置的光且与向第1方向行进的光相对应的第1受光体、来自试料的第1位置的光且与向第2方向行进的光相对应的第2受光体、来自试料的第2位置的光且与向第3方向行进的光相对应的第3受光体及来自试料的第2位置的光且与向第4方向行进的光相对应的第4受光体，导光部将来自试料的第1位置的光且向第1方向行进的光引导至第1受光体、将来自试料的第1位置的光且向第2方向行进的光引导至第2受光体、将来自试料的第2位置的光且向第3方向行进的光引导至第3受光体、将来自试料的第2位置的光且向第4方向行进的光引导至第4受光体。
根据本方式，通过第1受光体～第4受光体，可根据“试料上的位置(照射位置)”及“来自试料的光的行进方向”接收光并各自获得各光成分的强度(光学特性)。
试料的光照射位置并不限定于第1位置及第2位置，可以是多个位置，并且来自试料的光的行进方向也并不限定于第1方向～第4方向，可以是多方向。并且“第1方向及第2方向”与“第3方向及第4方向”可以相同或也可以不同。
优选，光照射单元包含发光部，发光部配置在试料与导光部之间。
根据本方式，通过配置在试料与导光部之间的发光部，对试料照射光。另外，从发光部发射的光可直接照射于试料，也可以间接照射于试料。
优选，光照射单元具有发光部和配置在试料与导光部之间且将来自发光部的光引导至试料并透射来自试料的光的光引导部。
根据本方式，经由光引导部从发光部对试料照射光，并且经由光引导部从试料对受光单元入射光。通过采用该光引导部，能够灵活地配置发光部，并且可使光学特性测量装置的结构紧凑、测量简便。另外，本方式中的“光引导部”，例如可由半透明反射镜等构成。
优选，光照射单元对试料照射平行光。
根据本方式，平行光照射于试料，因此能够简化“经由受光单元获得的光强度(光学特性)的数据”与“相对于试料的光的入射角”之间相对应的处理。
优选，光照射单元具有发光部、将来自发光部的光变成平行光的准直部及配置在试料与导光部之间且将平行光引导至试料并透射来自试料的光的光引导部。
根据本方式，通过准直部能够将发光部的光变成平行光，并能够对试料照射平行光。
优选，发光部包含多个光源。
根据本方式，能够从多个光源分别对试料照射光。因此，当需要改变光相对于试料的照射角度时，在对应于其可变照射角度的各个位置配置光源，并依次改变发光对象的光源而进行测量，由此无需进行一切机械移动就能够进行测量。
优选，导光部具有第1导光体与包含多个导光透镜的第2导光体，第1导光体将来自试料的光根据光在试料上的位置引导至多个导光透镜中的不同的导光透镜，多个导光透镜分别将经由第1导光体引导的光根据光在试料上的位置及行进方向引导至多个受光体中的不同的受光体。
根据本方式，来自试料的光通过第1导光体引导至“与光在试料上的位置对应的导光透镜”，并且通过多个导光透镜(第2导光体)分别被引导至“与光在试料上的位置及行进方向对应的受光体”。因此，来自试料的光由与“试料上的位置”及“行进方向”对应的受光体来适当接收。
优选，受光单元接收由试料反射的光。
根据本方式，能够测量试料的表面特性(反射特性)。
优选，受光单元接收透射试料的光。
根据本方式，能够测量试料的透射特性(折射特性)。
优选，受光单元包含反射光用受光单元与透射光用受光单元，反射光用受光单元具有包含多个反射光用受光体的反射光用受光传感器及将由试料反射的光引导至反射光用受光传感器的反射光用导光部，透射光用受光单元具有包含多个透射光用受光体的透射光用受光传感器及将透射试料的光引导至透射光用受光传感器的透射光用导光部，反射光用导光部将从试料反射的光根据光在试料上的位置及行进方向引导至多个反射光用受光体中的不同的反射光用受光体，透射光用导光部将透射试料的光根据光在试料上的位置及行进方向引导至多个透射光用受光体中的不同的透射光用受光体。
根据本方式，能够测量来自试料的反射光及透射光的强度(光学特性)，且便利性非常高。尤其，在反射光用受光单元与透射光用受光单元之间共用光照射单元，由此能够同时测量试料的反射特性及透射特性，而且测量负荷的减轻、测量步骤的简化及缩短化等效果非常好。
优选，反射光用受光单元与透射光用受光单元配置在夹入试料的位置。
根据本方式，装置结构简单，能够同时进行基于反射光用受光单元及透射光用受光单元各自的测量。
优选，光学特性测量装置还具备对从多个受光体各自输出的受光信号进行信号处理的图像处理部。例如，图像处理部优选进行从多个受光体各自输出的受光信号的排序。
根据本方式，通过图像处理部进行对来自各受光体的受光信号的信号处理，能够获取所期望的数据。对于图像处理部中的信号处理不作特别限定，图像处理部，能够例如对受光信号(受光数据)进行排序而将受光信号按所期望的形式进行排序及分类，并且也能够根据受光信号算出其他数据。
本发明的另一方式涉及一种光学特性测量方法，所述光学特性测量方法具备通过光照射单元对试料照射光的步骤及通过受光单元接收来自试料的光的步骤，受光单元具有包含多个受光体的受光传感器及将来自试料的光引导至受光传感器的导光部，导光部将来自试料的光根据光在试料上的位置及行进方向引导至多个受光体中的不同的受光体。
发明效果
根据本发明，来自试料的光通过导光部而被引导并由与“试料上的位置”及”行进方向”对应的受光体接收，因此能够同时测量从试料上的照射位置向各方向行进的光的强度(特性)。由此，能够减轻试料(材料)光学特性的测量负荷并在短时间内进行简便且高精度的测量。
附图说明
图1是表示光学特性测量装置的基本结构的一例的框图。
图2是表示光照射单元的基本结构的一例的框图。
图3是表示受光单元的基本结构的一例的框图。
图4是表示受光单元(光场传感器)的一例的侧面剖视图。
图5是表示传感器阵列的局部例的侧面剖视图。
图6是表示像素传感器的局部例的俯视图。
图7是表示试料～拍摄透镜～传感器阵列上的光的种类的示意图。
图8A是用于说明基于微透镜导光的传感器阵列的局部侧面剖视图且表示来自试料的第1位置的光的导光状态。
图8B是用于说明基于微透镜导光的传感器阵列的局部侧面剖视图且表示来自试料的第2位置的光的导光状态。
图8C是用于说明基于微透镜导光的传感器阵列的局部侧面剖视图且表示来自试料第3位置的光的导光状态。
图9是表示第1实施方式所涉及的BRDF测量装置的结构且用于说明对试料照射光的图。
图10是表示第1实施方式所涉及的BRDF测量装置的结构且用于说明接收来自试料的光(反射光)的图。
图11是表示传感器阵列的局部例的侧面剖视图且用于说明光的反射方向(相对于微透镜的光的入射方向)与受光像素传感器的对应关系的图。
图12是表示第2实施方式所涉及的BRDF测量装置的结构的图。
图13是表示第3实施方式所涉及的BRDF测量装置的结构的图。
图14是表示第3实施方式中的光源部(点光源)的一例的立体图。
图15是表示第3实施方式所涉及的BRDF测量装置的结构且用于说明对试料照射光的图。
图16是表示第3实施方式所涉及的BRDF测量装置的结构且用于说明接收来自试料的光(反射光)的图。
图17是表示第4实施方式所涉及的BTDF测量装置的结构的图。
图18是表示第5实施方式所涉及的BSDF测量装置的结构的图。
具体实施方式
参考附图对本发明的实施方式进行说明。以下，主要对在测量“材料(试料)的反射特性(BRDF)”的装置中使用本发明的例子进行说明。但本发明并不限定于此，可广泛应用于测量来自试料的光而测量材料的光学特性(BTDF及BSDF等)的光学特性测量装置及其相关技术。
图1是表示光学特性测量装置10的基本结构的一例的框图。光学特性测量装置10具备对试料16进行光(照射光)照射的光照射单元12、接收来自试料16的光(反射光或透射光等)的受光单元14、控制光照射单元12及受光单元14的控制器13。控制器13控制“从光照射单元12对试料16的光照射”或“由受光单元14接收光”，并且综合控制后述的“由点光源发射”或“受光用的像素传感器的像素值的读出及保存”等。
图2是表示光照射单元12的基本结构的一例的框图。光照射单元12具有发射光(照射光)的发光部18及将来自发光部18的光引导至试料16的光引导部20。对于发光部18的发光方式不作特别限定，可设置多个光源，也可使用白色LED(Light Emitting Diode)等任意种类的光源。并且，作为光引导部20可优选使用镜子(半透明反射镜)等，但也可以省略光引导部20或从发光部18直接对试料16照射光(参考后述的第3实施方式～第5实施方式)。
<光场传感器>
图3是表示受光单元14的基本结构的一例的框图。受光单元14具有包含多个受光体(参考图5及图6的“像素传感器30”)的受光传感器24及将来自试料16的光(反射光或透射光等)引导至受光传感器24的导光部22(参考图4的“拍摄透镜25”及图5的“微透镜28”)。
本发明的各实施方式所涉及的受光单元14(导光部22及受光传感器24)中，可使用能够检测光的二维强度及二维方位的传感器(例如光场传感器)。即构成受光传感器24的多个受光体分别与试料16的位置及光(反射光或透射光等)的行进方向相对应。并且，导光部22将来自试料16的光(反射光或透射光等)根据该光在“试料16上的位置(照射位置)”及“从试料16的行进方向”引导至多个受光体中的不同的受光体并由对应的受光体接收。
至今为止对光场传感器用途的认识局限于3D拍摄(三维立体拍摄)或重调焦距拍摄的程度。另一方面，以往的光学特性测量装置(BRDF测量装置等)为具有非常大的机械扫描机构的装置。这种以往的光场传感器及光学特性测量装置的结构(大小)及操作(作用)完全不同，因此至今为止完全没有结合光场传感器及光学特性测量装置两者的构思。然而，本件发明人进行深入研究的结果得到如下见解，即通过在光学特性测量装置中应用光场传感器，能够以紧凑的装置结构来减轻光学特性的测量负荷并在短时间内进行简便且高精度的测量。
图4是表示受光单元14(光场传感器)的一例的侧面剖视图(Y-Z俯视图)。本例的受光单元14具有拍摄透镜25及传感器阵列26，来自试料16的光(反射光或透射光等)由拍摄透镜25引导并在传感器阵列26中成像。
图5是表示传感器阵列26的局部例的侧面剖视图(Y-Z俯视图)。本例的传感器阵列26具有多个微透镜28、多个像素传感器30及信号传输部32。从试料16经由拍摄透镜25到达传感器阵列26的光依次入射于微透镜28及像素传感器30，来自像素传感器30的信号(电荷)经由信号传输部32传送至控制器13(参考图1)。
本例的控制器13接收从多个像素传感器30(受光体)各自输出的受光信号，并作为对接收的受光信号进行信号处理的图像处理部来工作。即控制器13进行所需的信号处理，而从受光信号(受光数据)中获取所期望形式的数据(图像数据)。对于控制器13中的信号处理不作特别限定，例如可对受光信号进行排序，也可从受光信号算出其他数据。尤其在本例中，如后面所述，从像素传感器30各自输出的受光信号与“试料16上的照射光的照射位置(被摄物观察区域)”、“对于试料16的照射光的入射角(照射光方位)”及“从试料16的反射角(观察方位)”相关联。因此，控制器13将来自像素传感器30的受光信号暂时保存在存储器(省略图示)中，并将保存在存储器中的受光信号根据“照射光方位、观察方位及被摄物观察区域”中的任意条件进行排序，从而能够将试料16的反射特性转换为易于理解的形式。
图6是表示像素传感器30的局部例的俯视图(X-Y俯视图)。微透镜28与像素传感器30相互对应，本例中，一个微透镜28与多个像素传感器30(图5及图6所示例中为25个像素传感器30)相对应。即，由一个微透镜28及与该微透镜28相对应的多个像素传感器30构成位置对应单元34，入射于各位置对应单元34的微透镜28的光，由与微透镜28相对应的多个像素传感器30中的任一个接收。
本例中，微透镜28与像素传感器30的对应个数的关系为“微透镜28∶像素传感器30＝1∶25”，但并不限定于此。例如，可以是一个微透镜28与其他个数(例如“X方向上7个”及“Y方向上7个”共49个等)的像素传感器30相对应。
在具有上述结构的受光单元14中，本例的导光部22(参考图3)具有由拍摄透镜25构成的第1导光体及包含多个微透镜28(导光透镜)的第2导光体，受光传感器24(参考图3)具有像素传感器30。多个微透镜28(位置对应单元34)分别与试料16上的位置相对应，拍摄透镜25将来自试料16的光根据该光在试料16上的位置引导至多个微透镜28中的不同的微透镜28，并向对应的微透镜28行进。
图7是表示试料16～拍摄透镜25～传感器阵列26中的光的种类的示意图。来自试料16的光(反射光或透射光等)入射于拍摄透镜25，拍摄透镜25将来自试料16的光引导至与该光在试料16上的位置对应的微透镜28(导光透镜)。例如来自试料16上的“第1位置”的光(反射光或透射光等)可包含向各方向行进的成分，但通过拍摄透镜25其行进方向被调整，最终由与该“第1位置”相对应的位置对应单元34(微透镜28及像素传感器30)接收。同样，来自试料16上的“第2位置”及“第3位置”的光(反射光或透射光等)也通过拍摄透镜25其行进方向被调整，并分别由与“第2位置”相对应的位置对应单元34及与“第3位置”相对应的位置对应单元34接收。
而且，各微透镜28将经由拍摄透镜25引导的光根据该光在试料16上的位置及行进方向引导至多个像素传感器30(受光体)中的不同的像素传感器30，并由对应的像素传感器30(受光体)接收。
图8A～图8C是用于说明基于微透镜28导光的传感器阵列26的局部侧面剖视图，图8A表示来自试料16的第1位置的光的导光状态，图8B表示来自试料16的第2位置的光的导光状态，图8C表示来自试料16的第3位置的光的导光状态。
如上所述，来自试料16的第1位置的光通过拍摄透镜25入射于与第1位置对应的微透镜28，但该微透镜28根据对微透镜28的入射角将光引导至对应的像素传感器30。例如，如图8A～图8C所示，微透镜28引导光，使得入射角L1的光由像素传感器30-1接收、入射角L2的光由像素传感器30-2接收、入射角L3的光由像素传感器30-3接收、入射角L4的光由像素传感器30-4接收、入射角L5的光由像素传感器30-5接收。对微透镜28的光的入射角根据对拍摄透镜25的入射角而定，因此通过来自试料16的光的行进方向(反射方向、透射方向及折射方向等)来决定接收光的像素传感器30。
通过使用具有上述结构的受光单元14(拍摄透镜25及传感器阵列26)，能够将来自试料16的光简便且准确的由受光传感器24(像素传感器30)来接收。即，来自试料16的光包含来自各种位置的光，来自试料16各位置的光包含向各方向行进的光。例如，来自试料16的第1位置的光包含向第1方向行进的光与向第2方向行进的光，来自试料16的第2位置的光包含向第3方向行进的光与向第4方向行进的光。另一方面，传感器阵列26的多个像素传感器(受光体)30分别与“试料16上的位置”及”来自试料16的光的行进方向”相对应，例如，包含与来自试料16的第1位置的光且向第1方向行进的光相对应的“第1像素传感器(第1受光体)30”、与来自试料16的第1位置的光且向第2方向行进的光相对应的“第2像素传感器(第2受光体)30”、与来自试料16的第2位置的光且向第3方向行进的光相对应的“第3像素传感器(第3受光体)30”及与来自试料16的第2位置的光且向第4方向行进的光相对应的“第4像素传感器(第4受光体)30”。而且，导光部22(拍摄透镜25及微透镜28)根据“试料16上的位置”及”来自试料16的光的行进方向”将来自试料16的光引导至对应的像素传感器30，例如，将来自试料16的第1位置的光且向第1方向行进的光引导至第1像素传感器30，将来自试料16的第1位置的光且向第2方向行进的光引导至第2像素传感器30，将来自试料16的第2位置的光且向第3方向行进的光引导至第3像素传感器30，将来自试料16的第2位置的光且向第4方向行进的光引导至第4像素传感器30。
如此，来自试料16的光根据“试料16上的位置”及“来自试料16的光的行进方向”由对应的像素传感器30接收。因此，根据本例的光学特性测量装置10，能够在一次测量中获得“与试料16上的测量位置(被摄物观察区域)相关的二维信息”及“与来自试料16的光的测量位置(观察方位)相关的二维信息”。即，通过使用受光单元14(光场传感器)，无需依次改变被摄物观察区域及观察方位，而通过对试料16照射一次光能够立即获得对该照射光的与被摄物观察区域及观察方位相关的测量信息。
因此，根据本例的光学特性测量装置10，可以省去以往必需的“对试料16的光照射位置、反射光的测量位置及试料上的测量位置的二维变更”中的“反射光的测量位置及试料上的测量位置的二维变更”，从而能够非常简便地进行材料光学特性的测量。并且，对于基于光照射单元12的对试料16的光照射，不依赖于机械设备或试料16的物理移动而是以可对试料16照射所期望光的结构来实施进一步简化及高速化的测量。
以下，对于使用上述受光单元14(光场传感器)的各种实施方式进行说明。另外，受光单元14可接收由试料16反射的光(参考第1实施方式～第3实施方式)，也可接收透射试料16的光(参考第4实施方式)，或可接收来自试料16的反射光及透射光(折射光)两者(参考第5实施方式)。
<第1实施方式>
图9及图10表示本发明的第1实施方式所涉及的BRDF测量装置11的结构，图9是用于说明对试料16的光照射的图，图10是用于说明接收来自试料16的光(反射光)的图。另外，图9及图10中，为了便于理解，主要示出了光照射单元12、试料16及受光单元14，而省略了控制器13(参考图1)的图示。
本实施方式的BRDF测量装置11(参考图1的“光学特性测量装置10”)具备具有上述的拍摄透镜25及传感器阵列26的受光单元14及具有光源部(发光部)40及半透明反射镜(光引导部)44的光照射单元12(参考图1)。
光源部40包含多个点光源42，并由控制器13(参考图1)进行控制且能够控制各点光源42的亮及灭(发光与否及发光时间等)。光源部40的位置，只要是来自各点光源42的光能够适当入射于半透明反射镜44及试料16的位置则没有特别限定，但本实施方式中优选来自点光源42的光不直接入射于传感器阵列26的配置。
半透明反射镜44配置在试料16与拍摄透镜(导光部)25之间，且将来自光源部40(点光源42)的光反射而引导至试料16并透射来自试料16的光(反射光)。透射半透明反射镜44的来自试料16的光，经由拍摄透镜25由传感器阵列26(像素传感器30)接收。
另外，对于光源部40(点光源42)、试料16、半透明反射镜44、拍摄透镜25及传感器阵列26的配置(位置，角度)等，预先进行调整使其成为相互关联的所期望的配置。因此光源部40及半透明反射镜44配置成通过各点光源42的发光在试料16上所期望位置且所期望角度进行光照射。并且半透明反射镜44、拍摄透镜25及传感器阵列26(微透镜28及像素传感器30)配置成将来自试料16的光根据“试料16上的反射位置”及”反射角度”适当由像素传感器30接收。为了实现该配置，例如以拍摄透镜25的光轴0A为基准，可以调整光源部40(点光源42)、试料16、半透明反射镜44、拍摄透镜25及传感器阵列26的配置。
具有上述结构的BRDF测量装置11中，通过光源部40及半透明反射镜44(光照射单元12)对试料16照射光(光照射步骤)，通过拍摄透镜25及传感器阵列26(受光单元14)接收来自试料16的光(受光步骤)。
光照射步骤中，通过控制器13(参考图1)使光源部40中的一个点光源42发光，将来自其点光源42的光通过半透明反射镜44来反射而照射试料16。从点光源42发射的光包含向各方向行进的光成分(参考图9的“ωi1”、“ωi2”及“ωi3”)，各光成分被半透明反射镜44反射而照射在与其行进方向对应的试料16上的位置。
照射试料16各位置的光成分，根据其照射位置的表面特性(反射特性)向各方向反射而分散。图10中，作为一例示出了从点光源42向某一行进方向发光的光成分ωi2照射于试料16的某一位置(xn、yn)时的光的反射成分ωo1、ωo2、ωo3。
在试料16的各位置中反射的光成分透过半透明反射镜44并经由拍摄透镜25由传感器阵列26接收(受光步骤)，各光成分入射于与试料16上的反射位置(照射位置)对应的微透镜28(位置对应单元34)(参考图7)。而且入射于微透镜28的各光成分由与“来自试料16的反射角”对应的像素传感器30接收(参考图8A～图8C)，例如，如图11所示，来自试料16的光的反射成分ωo1由像素传感器30a接收，反射成分ωo2由像素传感器30b接收，反射成分ωo3由像素传感器30c接收。
如上所述，构成传感器阵列26的各像素传感器30起初就与“试料16上的反射位置”及“来自试料16的反射角”相关联。因此，测量时不需要改变“试料上的测量位置(被摄物观察区域)”及“来自试料的反射光的测量位置(观察方位)”的步骤，而能够同时测量“被摄物观察区域及观察方位不同的反射光信息(光学信息)”。
依次切换点亮光源部40的点光源42而二维改变对试料的光的照射位置并重复这种光照射步骤及受光步骤，由此能够精确地测量基于“被摄物观察区域、照射光方位及观察方位(参考图10的(xn，yn，ωi2，ωo1～ωo3))”的光成分的强度信息(光学特性)。
另外，像素传感器30由控制器13进行控制，通过各像素传感器30测量的光成分的强度信息(传感器检测值)，每进行测量(每切换点光源42)时与“被摄物观察区域、照射光方位及观察方位”的信息一起保存在存储器(省略图示)中。
如以上说明，根据本实施方式，构成BRDF(反射特性)的测量基础的“照射光方位、观察方位及被摄物观察区域”中“观察方位”的二维变位信息，可通过固定配置的传感器阵列26(光场传感器)来同时获得。并且“被摄物观察区域”的二维变位信息，可通过固定配置的拍摄透镜25及传感器阵列26来同时获得。而且“照射光方位”的二维变位信息，可通过依次切换固定配置的光源部40中用作发光对象的点光源42并适当进行光源闪烁扫描来获得。
因此，根据本实施方式的BRDF测量装置11，无需进行一切机械移动驱动就能够适当获得“照射光方位、观察方位及被摄物观察区域”不同的光反射信息(光学特性)。在实际测量中，虽然依赖于BRDF测量装置11的能力，但“每个点光源42的发光”、“由传感器阵列26(像素传感器30)的接收”及“存储器保存传感器检测值”的一系列工序是瞬间完成的。因此基于本实施方式的BRDF测量装置11对试料16的反射特性(光学特性)的测量所需时间，实际上只是光源部40中点光源42的扫描闪烁的时间。因此，关于各“照射光方位、观察方位及被摄物观察区域”，与需要机械移动驱动的以往方法相比，本实施方式的BRDF测量装置11能够以压倒性的高速来进行测量。
<第2实施方式>
图12表示本发明的第2实施方式所涉及的BRDF测量装置11的结构，尤其是用于说明对试料16照射光的图。
在本实施方式中，对于与上述第1实施方式相同或类似的结构，标注相同的符号，并省略其详细说明。
本实施方式的光照射单元12(参考图1)还具有将来自光源部40(点光源42)的光变成平行光的准直透镜(准直部)50，并对试料16照射平行光。
即从各点光源42发光的光向各方向行进，但将向其各方向行进的光通过准直透镜50进行准直化(平行化)，由此能够将入射于半透明反射镜44及试料16的光变成平行光(参考图12的“ωi1”、“ωi2”及”ωi3”)。
通过将对试料16的照射光变成平行光，在一次测量(基于一个点光源42发光的测量)中，能够共同化对试料16的光的照射角度(入射角度)。在一次测量(一个点光源42发光)中对光的照射角度进行共同化而使其相同，由此能够简化后续图像处理部(参考图1的控制器13)中的数据处理。例如能够有效减轻相对于测量数据(反射光强度)使“照射光方位、观察方位及被摄物观察区域”的信息相对应的处理或与“照射光方位”相关的数据的排序处理等各种处理(控制器13中的各种处理)的处理负荷。
<第3实施方式>
图13表示本发明的第3实施方式所涉及的BRDF测量装置11的结构。
在本实施方式中，对于与上述第1实施方式相同或类似的结构，标注相同的符号，并省略其详细说明。
本实施方式的光照射单元12(参考图1)不具有半透明反射镜(光引导部)44，光源部40(点光源42)配置在试料16与拍摄透镜25(导光部)之间。即从各点光源42直接对试料16照射光，来自试料16的光(反射光)通过点光源42(光源阵列)的间隙而到达传感器阵列26。因此，本实施方式中的光以点光源42、试料16、拍摄透镜25及传感器阵列26(微透镜28及像素传感器30)的顺序传播。
本例的光源部40的位置，只要是在拍摄透镜25与试料16之间，则没有特别限定，但优选来自各点光源42的光在试料16的测量面的整个区域中能够以均匀的强度来照射的位置，例如可在拍摄透镜25的最近处(以与拍摄透镜25的透镜面接合的方式)配置光源部40。
图14是表示第3实施方式所涉及的光源部40(点光源42)的一例的立体图。图14的光源部40中，通过支撑部43保持二维状配置的点光源42，该支撑部43中，在从各点光源42向传感器阵列26传播光的部分设置遮光部件，而该遮光部件以外的部分由光透射部件(例如透明部件)构成。各点光源42的配线优选由光透射部件来构成，例如可优选使用透明导电材料。
光源部40优选来自各点光源42的光具有向试料16行进的光发射方向性且使来自点光源42的光不直接入射于传感器阵列26(微透镜28及像素传感器30)。例如通过在各点光源42与拍摄透镜25之间配置遮光部件，能够防止从各点光源42向传感器阵列26(像素传感器30)的光的行进。并且，例如可将具有多个开口部的网状光圈部件设在光源部40与拍摄透镜25之间，通过该光圈部件阻挡从各点光源42向传感器阵列26行进的光，并使来自试料16的光(反射光)通过光圈部件的开口部入射于传感器阵列26(像素传感器30)。通过使用该光圈部件，能够简便地确保“从点光源42向传感器阵列26的光的阻挡”及“从试料16向传感器阵列26的光的传播路径”。
本实施方式的BRDF测量装置11中，如图15所示，从光源部40的各点光源42直接对试料16照射光(光照射步骤)。来自试料16的光(反射光)，如图16所示，通过光源部40的点光源42之间而入射于拍摄透镜25后引导至传感器阵列26。反射光通过拍摄透镜25引导至与“试料16上的照射位置(反射位置)”对应的位置对应单元34(微透镜28)的情形及通过微透镜28引导至与“来自试料16的行进方向(反射方向)”对应的像素传感器30的情形，与上述的第1实施方式相同。
如以上说明，在本实施方式的BRDF测量装置11中，无需进行一切机械移动驱动就能够获得“照射光方位、观察方位及被摄物观察区域”不同的光反射信息(光学特性)。尤其根据本实施方式，无需设置用于将来自光源部40(点光源42)的光引导至试料16的半透明反射镜44(第1实施方式，参考图10)等光引导部，因此能够对BRDF测量装置11进行紧凑化并简便且以低成本来进行光学特性的测量。
另外，上述光源部40(点光源42)配置在拍摄透镜25与试料16之间接近拍摄透镜25的位置(参考图13～图16)，但只要能够直接对试料16照射光，则对于光源部40(点光源42)的配置方式不作特别限定。例如光源部40可设置成圆顶状(半球状)，也可在拍摄透镜25与试料16之间以包围试料16的方式配置点光源42。
<第4实施方式>
上述各实施方式中，示出了在BRDF(双向反射率分布函数)测量装置11中适用本发明的例，但本实施方式中，示出在BTDF(双向透射率分布函数)测量装置54中适用本发明的例。即，上述的第1实施方式～第3实施方式的受光单元14(拍摄透镜25及传感器阵列26)接收来自试料16的反射光，但本实施方式的受光单元14(拍摄透镜25及传感器阵列26)接收试料16的透射光(折射光)。
图17是表示本发明的第4实施方式所涉及的BTDF测量装置54的结构。
在本实施方式中，对于与上述第3实施方式相同或类似的结构，标注相同的符号，并省略其详细说明。
本实施方式的BTDF测量装置54(参考图1的“光学特性测量装置10”)，与上述第3实施方式同样具备光源部40(点光源42)、拍摄透镜25及传感器阵列26(光场传感器)。其中，“光源部40(点光源42)”与“拍摄透镜25及传感器阵列26(光场传感器)”配置在夹入试料16的位置。
本实施方式的BTDF测量装置54中，从光源部40的各点光源42直接对试料16照射光(光照射步骤)，试料16的透射光经由拍摄透镜25由传感器阵列26接收(受光步骤)。照射试料16各位置的光成分，根据其照射位置的透射特性(折射特性)向各方向分散(参考图17的“ωo1”、“ωo2”及“ωo3”)。图17中，作为一例示出了从点光源42向某一行进方向发光的光成分照射于试料16的某一位置(xn、yn)时的光的透射成分ωo1、ωo2、ωo3。
透射试料16的光成分由拍摄透镜25及传感器阵列26(微透镜28)引导，并根据“试料16上的照射位置”及“透射试料16后的行进方向”由传感器阵列26的对应像素传感器30接收。即透射试料16的光成分，通过拍摄透镜25引导至与“试料16上的照射位置”相对应的传感器阵列26的微透镜28(位置对应单元34)。并且，到达微透镜28的光成分，通过微透镜28引导至与“透射试料16后的行进方向”相对应的像素传感器30。
根据本实施方式，通过固定配置的传感器阵列26(光场传感器)能够同时获得“观察方位”的二维变位信息，通过固定配置的拍摄透镜25能够同时获得“被摄物观察区域”的二维变位信息。并且，通过依次切换用作固定配置的光源部40上的发光对象的点光源42而适当进行光源闪烁扫描能够获得“照射光方位”的二维变位信息。如此，在本实施方式的BTDF测量装置54中，无需进行一切机械移动驱动就能够获得“照射光方位、观察方位及被摄物观察区域”不同的光透射信息(光折射信息)，从而与以往方法相比，能够减轻测量负荷并在短时间内进行简便且高精度的测量。
另外，上述例中记述了从光源部40(点光源42)直接对试料16照射光的情况(参考图17)，但对于光源部40(点光源42)的配置方式不作特别限定。因此，与上述的第1实施方式及第2实施方式同样可配置光源部40(点光源42)，也可通过半透明反射镜(光引导部)44引导来自各点光源42的光(参考图9等)，或可通过准直透镜(准直部)50将来自各点光源42的光变成平行光(参考图12)。
<第5实施方式>
上述的各实施方式中，示出了在BRDF(双向反射率分布函数)测量装置11及BTDF(双向透射率分布函数)测量装置54中适用本发明的例，但可以组合两者而在BSDF(双向散射分布函数)测量装置56中适用本发明。
图18是表示本发明的第5实施方式所涉及的BSDF测量装置56的结构。
在本实施方式中，对于与上述的第3实施方式及第4实施方式相同或类似的结构，标注了相同的符号，并省略其详细说明。
本实施方式的BSDF测量装置56(参考图1的“光学特性测量装置10”)是由上述的第3实施方式的BRDF测量装置11与第4实施方式的BTDF测量装置54组合而成。即BSDF测量装置56包含BRDF测量部60及BTDF测量部62。BRDF测量部60及BTDF测量部62分别具备光照射单元(参考图1的符号“12”)及受光单元(参考图1的符号“14”)，但在BRDF测量部60及BTDF测量部62中共有构成光照射单元的光源部40(点光源42)。
即本实施方式的BSDF测量装置56的受光单元包含BRDF测量部60的反射光用受光单元(参考图18的符号“25a”及“26a”)与BTDF测量部62的透射光用受光单元(参考图18的符号“25h”及“26b”)。这些反射光用受光单元与透射光用受光单元配置在夹入试料16的位置，反射光用受光单元由拍摄透镜25a及传感器阵列26a构成，透射光用受光单元由拍摄透镜25h及传感器阵列26h构成。因此，反射光用受光单元具有包含多个反射光用受光体的像素传感器30a(反射光用受光传感器)、将由试料16反射的光引导至像素传感器30a的拍摄透镜25a及微透镜28a(反射光用导光部)。同样，透射光用受光单元具有包含多个透射光用受光体的像素传感器30b(透射光用受光传感器)、将透射试料16的光引导至像素传感器30b的拍摄透镜25h及微透镜28b(透射光用导光部)。
每个反射光用受光体(像素传感器30a)与试料16的位置及反射光的行进方向相对应。反射光用导光部(拍摄透镜25a及微透镜28a)将从试料16反射的光根据该光在“试料16上的位置(照射位置)”及“行进方向”引导至多个反射光用受光体(像素传感器30a)中的不同的反射光用受光体，并由对应的反射光用受光体接收。同样，每个透射光用受光体(像素传感器30b)与试料16的位置及透射光的行进方向相对应，透射光用导光部(拍摄透镜25h及微透镜28h)将透射试料16的光根据该光在“试料16上的位置”及“行进方向”引导至多个透射光用受光体(像素传感器30b)中的不同的透射光用受光体，并由对应的透射光用受光体接收。
本实施方式的BSDF测量装置56，通过单一的装置能够测量试料16的反射特性及透射特性等多种光学特性，且便利性非常高。尤其在BRDF测量部60及BTDF测量部62中共用光照射单元(光源部40(点光源42))，由此点亮一次各点光源42而能够同时获得反射特性及透射特性两者，从而能够实现两特性的简便且高精度的测量并减轻测量负荷而有效缩短测量时间。
另外，上述的例中，示出了从光源部40(点光源42)直接对试料16照射光的情况(参考图18)，但对于光源部40(点光源42)的配置方式不作特别限定。因此，与上述的第1实施方式及第2实施方式同样可配置光源部40(点光源42)，也可通过半透明反射镜(光引导部)44引导来自各点光源42的光(参考图9等)，或可通过准直透镜(准直部)50将来自各点光源42的光变成平行光(参考图12)。
另外，可适当组合上述的各实施方式，也可在上述的实施方式所示的装置及方法以外适当适用本发明。
例如，上述实施方式中示出了从光照射单元12(光源部40及点光源42)直接对试料16的整个面照射光的例，例如可从光照射单元12对试料16的局部(一个点)照射光而将其照射部位的光由受光单元14来接收，由此各自获得其照射部位上的光学特性。
并且在由上述处理步骤(处理顺序)构成的光学特性测量方法(反射光测量方法及透射光测量方法等)、使计算机执行上述处理步骤(处理顺序)的程序、记录该程序的计算机可读取的记录介质(非暂时性记录介质)或可安装该程序的计算机中也可适用本发明。
本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的技术思想的范围内，能够进行各种变形是显而易见的。
符号说明
10-光学特性测量装置，11-BRDF测量装置，12-光照射单元，13-控制器，14-受光单元，16-试料，18-发光部，20-光引导部，22-导光部，24-受光传感器，25-拍摄透镜，26-传感器阵列，28-微透镜，30-像素传感器，32-信号传输部，34-位置对应单元，40-光源部，42-点光源，43-支撑部，44-半透明反射镜，50-准直透镜，54-BTDF测量装置，56-BSDF测量装置，60-BRDF测量部，62-BTDF测量部。

Claims (14)

1.一种光学特性测量装置，其具备对试料照射光的光照射单元及接收来自所述试料的光的受光单元，其中，
所述受光单元具有包含多个受光体的受光传感器及将来自所述试料的光引导至受光传感器的导光部，
所述导光部将来自所述试料的光根据该光在所述试料上的位置及行进方向引导至所述多个受光体中的不同的受光体，
所述导光部具有第1导光体及包含多个导光透镜的第2导光体，
所述第1导光体将来自所述试料的光根据该光在所述试料上的位置引导至所述多个导光透镜中的不同的导光透镜，
所述多个导光透镜分别将经由所述第1导光体引导的光根据该光在所述试料上的位置及行进方向引导至所述多个受光体中的不同的受光体。
2.根据权利要求1所述的光学特性测量装置，其中，
来自所述试料的光包含来自所述试料的第1位置的光与来自所述试料的第2位置的光，
来自所述试料的第1位置的光包含向第1方向行进的光与向第2方向行进的光，
来自所述试料的第2位置的光包含向第3方向行进的光与向第4方向行进的光，
所述多个受光体包含第1受光体、第2受光体、第3受光体及第4受光体，
所述导光部，将来自所述试料的所述第1位置的光且向所述第1方向行进的光引导至所述第1受光体、将来自所述试料的所述第1位置的光且向所述第2方向行进的光引导至所述第2受光体、将来自所述试料的所述第2位置的光且向所述第3方向行进的光引导至所述第3受光体、将来自所述试料的所述第2位置的光且向所述第4方向行进的光引导至所述第4受光体。
3.根据权利要求1所述的光学特性测量装置，其中，
所述光照射单元包含发光部，
所述发光部配置在所述试料与所述导光部之间。
4.根据权利要求1所述的光学特性测量装置，其中，
所述光照射单元具有：
发光部；以及
光引导部，其配置在所述试料与所述导光部之间，且将来自所述发光部的光引导至所述试料并透射来自所述试料的光。
5.根据权利要求1所述的光学特性测量装置，其中，
所述光照射单元对所述试料照射平行光。
6.根据权利要求5所述的光学特性测量装置，其中，
所述光照射单元具有：
发光部；
准直部，其将来自所述发光部的光变成平行光；以及
光引导部，其配置在所述试料与所述导光部之间，且将所述平行光引导至所述试料并透射来自所述试料的光。
7.根据权利要求3所述的光学特性测量装置，其中，
所述发光部包含多个光源。
8.根据权利要求1所述的光学特性测量装置，其中，
所述受光单元接收由所述试料反射的光。
9.根据权利要求1所述的光学特性测量装置，其中，
所述受光单元接收透射所述试料的光。
10.根据权利要求1所述的光学特性测量装置，其中，
所述受光单元包含反射光用受光单元及透射光用受光单元，
所述反射光用受光单元具有包含多个反射光用受光体的反射光用受光传感器及将由所述试料反射的光引导至所述反射光用受光传感器的反射光用导光部，
所述透射光用受光单元具有包含多个透射光用受光体的透射光用受光传感器及将透射所述试料的光引导至所述透射光用受光传感器的透射光用导光部，
所述反射光用导光部将从所述试料反射的光根据该光在所述试料上的位置及行进方向引导至所述多个反射光用受光体中的不同的反射光用受光体，
所述透射光用导光部将透射所述试料的光根据该光在所述试料上的位置及行进方向引导至所述多个透射光用受光体中的不同的透射光用受光体。
11.根据权利要求10所述的光学特性测量装置，其中，
所述反射光用受光单元与所述透射光用受光单元配置在夹入所述试料的位置。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的光学特性测量装置，其中，
所述光学特性测量装置还具备对所述多个受光体各自输出的受光信号进行信号处理的图像处理部。
13.根据权利要求12所述的光学特性测量装置，其中，
所述图像处理部对所述多个受光体各自输出的所述受光信号进行排序。
14.一种光学特性测量方法，其包括通过光照射单元对试料照射光的步骤及通过受光单元接收来自所述试料的光的步骤，其中，
所述受光单元具有包含多个受光体的受光传感器及将来自所述试料的光引导至受光传感器的导光部，
所述导光部将来自所述试料的光根据该光在所述试料上的位置及行进方向引导至所述多个受光体中的不同的受光体，
所述导光部具有第1导光体及包含多个导光透镜的第2导光体，
所述第1导光体将来自所述试料的光根据该光在所述试料上的位置引导至所述多个导光透镜中的不同的导光透镜，
所述多个导光透镜分别将经由所述第1导光体引导的光根据该光在所述试料上的位置及行进方向引导至所述多个受光体中的不同的受光体。
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