CN1279763A - 光学角度特性测定装置 - Google Patents
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Abstract
一种用来作为散射角的函数测量来自试样的散射光的强度的装置,包括:一个用来反射来自试样(23)的散射光并使之聚焦的椭圆面反射镜(24),一个位于来自椭圆面反射镜(24)的反射光的焦点并把出现在椭圆面反射镜(24)的表面上的像成像的成像透镜(25),以及一个用来记录由成像透镜(25)所形成的像的摄像机(26),借此在很短的时间段内检测广角范围内的散射光。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够作为角度的函数测定来自试样的出射光的强度的光学角度特性测定装置。
背景技术
用光照射到试样，通过测定出射光的角度依存性或时间变化可以得到有关颗粒的大小、形状、分子量、热运动等的信息。
此一测定出射光的角度依存性的装置，可以称为光学角度特性测定装置，其中，测定散射光的角度依存性的装置还可以称为光散射强度测定装置。此一光散射强度测定装置，把用光从一个方向照射试样，检测散射光的检测器设置在试样的周围旋转的测角器之上，使测角器旋转而进行各种角度下的检测。
可是，在前述的光散射强度测定装置中，存在着如果打算测定广角度范围的散射光，则测定要花费几十分钟以上，其时间效率很差，同时无法测定在测定时间内产生缔合或粘合等历时变化的试样这样的缺点。
如果要缩短测定时间，则有必要减少测定的角度点，因此不得不牺牲数据的精度。
进而，为了在使测角器旋转之际观测点不错位，不得不进行精度非常高的机械设计，因此还存在着装置制作很费功夫这样的问题。
因此，还开发了把多个检测器环形地固定在试样的周围，来进行散射光检测的装置。但是，在此一装置中，所测定的角度的数量受限制。
本发明的目的在于，在可以作为出射角的函数来测定来自试样的出射光的强度的光学角度特性测定装置中，实现可以在极短的时间内以360°为上限的广角度范围内对出射光进行检测的光学角度特性测定装置。
发明的公开
(1)本发明的光学角度特性测定装置，备有：反射来自试样的出射光并使之聚光用的反射镜；配置在来自反射镜的反射光的聚光点，把出现在反射镜的表面上的像在摄像面上成像的成像机构；记录由成像机构成像的像的摄像机构。
采用上述构成，则由于可以把出现在反射镜的镜面上的像在摄像面上成像，所以摄像机构可以记录出射光的强度图案。
这样一来，在备有成像机构和摄像机构这一点上，与只不过是作为积分球的一种来利用反射镜的日本专利公开特开平2-223845号公报、特开昭64-29737号公报中所述的发明不同。
采用本发明的光学角度特性测定装置，则由于可以在非常广角度范围内，而且不用移动构成光学系统的元件而一次性测定出射光的角度依存性，所以可以使测定的时间效率格外地提高。因而，历来难以测定的产生历时变化的试样的测定成为可能。例如，也可以测定动态散射特性。
此外，由于光学系统的构成元件中没有可动部分，所以测定的稳定性·可靠性提高，装置的寿命也延长。由于光学系统构成零件少，所以在成本方面或制作方面是有利的。
(2)本发明的光学角度特性测定装置，反射镜是由旋转椭圆体面的一部分构成的椭圆面反射镜，最好是试样配置在第1焦点附近，成像机构配置在第2焦点位置附近。
采用此一构成，则可以把出现在椭圆面反射镜的镜面上的像无像差地在摄像面上成像。
参照作为示出本发明的具体的构成的图的图1来说明此一光学角度特性测定装置的动作。从设置在椭圆面反射镜24的第1焦点附近的位置上的试样23出射的光，被椭圆面反射镜24反射聚光，经由配置在椭圆面反射镜24的第2焦点位置的成像透镜25，入射到作为摄像机构的摄像机26。
在摄像机26的记录面上成像的像，反映出现在椭圆面反射镜24的镜面上的像，对应着从试样出射的光的出射角。此一像，在椭圆面反射镜的性质上，是无像差的像，这是最大的特征。
图2是说明出射角用的坐标图。如图所示，设想平面的试样23，把该试样23上的作为测定对象的位置取为原点。如图所示取直角坐标系x，y，z，沿光线离开y轴的方向取角度θ，将投影到xz面的光线与x轴的夹角取为角度φ。把这些角度θ、φ称为“视野角”。根据视野角θ、φ可以确定椭圆面反射镜24的镜面上的位置。
图3是反映在椭圆面反射镜24的镜面上的角度θ、角度φ的投影图。此一投影图的实像，通过成像透镜25的作用，在摄像机26的记录面上成像。
因而，可以测定与视野角相对应的试样的偏振光特性、散射角特性、反射率、透射率、辉度、色度等光学特性。而且视野角的范围，是无像差的，并且像图3中举例示出的那样，跨越很宽的范围，为θ=0°到θ=90°，φ=-20°(340°)到φ=200°。
再者，充分考虑了椭圆面反射镜24的曲率偏离理想者的情况。在此一场合，由于图3中所示的投影图与计算上的分布错位，所以有必要使用预先已知视野角的标准试样(例如透射型光栅)对分布进行修正。
(3)前述反射镜也可以是由球面的一部分构成的球面反射镜或者由三角锥面的一部分构成的三角锥面反射镜。在此一场合也是，由于投影图与计算上的分布错位，所以有必要使用预先已知视野角的标准试样(例如透射型光栅)对分布进行修正。此一场合的最大优点是，与椭圆面反射镜相比，反射镜的制作变得容易。
附图的简要说明
图1是用来说明本发明的光学角度特性测定装置的作用的图。
图2是用来说明视野角的坐标图。
图3是反映在椭圆面反射镜的镜面上的投影图。
图4是光散射强度测定装置的概略图。
图5是光散射强度测定装置的透视图。
图6是表示环切旋转椭圆体的表面把内表面作为镜面的椭圆面反射镜的图。
图7是表示光散射强度测定装置的具体结构的图。
图8是表示在CCD摄像机的摄像面上产生的散射光的强度图案的图。
图9是作为散射角φ的函数来表示散射光的强度图案的曲线图。
图10是表示环切三角锥体的一部分制成的反射镜6b，或环切球面的一部分制成的反射镜6c的图。
图11是表示光学角度特性测定装置的总体构成的方框图。
图12是表示测定自发光型的试样的角度特性的光学系统的第1具体例的详细构成图。
图13是表示测定反射型的试样的角度特性的光学系统的第2具体例的详细构成图。
图14是表示测定透射型的试样的角度特性的光学系统的第3具体例的详细构成图。
图15是表示测定反射型或透射型的试样的偏振光角度特性的光学系统的第3具体例的详细构成图。
实施发明的最佳形态
下面，参照附图详细说明用来实施本发明的认为是最佳的形态。
第1实施例
图4是根据本发明的光散射强度测定装置的概略图。
光散射强度测定装置，备有：收容试样的玻璃制的试样管1，经由反射镜2a、2b、聚光透镜3a、3b、光圈3c、玻璃窗8、针孔4把激光束投射到此一试样管1的激光装置5。进而，配置着把来自试样的散射光聚光到成像透镜12用的椭圆面反射镜6，使来自椭圆面反射镜6的反射光通过的光圈11，成像透镜12，以及CCD摄像机13。成像透镜12，把出现在椭圆面反射镜6的镜面上的像在CCD摄像机13的摄像面上成像。7是吸收笔直地透射试样管1的激光束的吸收板，防止透射的激光束照射玻璃窗8等而被反射·散射。针孔4或光圈3c、光圈11，阻挡激光束周围的多余的杂散光，起着产生清晰的激光束轮廓的作用。
再者，虽然在图4中，激光装置5的位置按平面作图的程度为试样管1之上，但是，如果可以使光入射到试样管1，则不限于此一位置，也可以置于例如与试样管1相同的高度(此一场合反光镜的配置当然要改变)。
图5是表示把激光装置5置于与试样管1相同的高度的场合的总体构成的透视图。如果把此一图5与图4进行比较，则除了以下(a)、(b)以外，成为与图4相同的配置。
(a)追加了偏振器41和检偏振器42。
(b)光对试样1的入射方向相差90°。
由于借助于前述(a)，照射试样管1的光和从试样散射的光的偏振光成分分出来，所以通过评价此一偏振光成分，可以进行试样的各向异性和刚直性的评价。前述(b)是细小的事项。
图6是椭圆面反射镜的功能说明图。椭圆面反射镜6如图6(a)中所示是把旋转椭圆体的表面环切以内面作镜面者。根据旋转椭圆体的性质，从一方的焦点61发出的光，照射椭圆面反射镜6，在另一方的焦点62处聚焦。再者，椭圆面反射镜6没有必要一定成为一周的环形，如图6(b)中所示，也可以缺一部分。关键是，反射镜跨越打算测定的散射角范围存在就可以了。
光散射强度测定装置，利用前述旋转椭圆体的性质，把一方的焦点置于试样管1，另一方的焦点置于成像透镜12。因而，用从试样管1发出的散射光照射椭圆面反射镜6，由椭球圆面反射镜6反射并聚光于成像透镜12，入射到CCD摄像机13。
图7是示出图4的光散射强度测定装置的具体结构的图。在图7中，省略了把激光束投射到试样管1用的激光装置、反射镜、聚光透镜的图示。
试样管1设置在盛满高折射率的液体的恒温浸液池43中，从试样管1发出的散射光，穿过玻璃窗8，照射到椭圆面反射镜6并被反射。在试样管1的正下方配置着使由椭圆面反射镜6所反射的光改变方向的平面反射镜10。此一平面反射镜10，通过使反射光改变方向而带来抑制装置总体高度的效果。
由平面反射镜10改变方向的光，经过光圈11、成像透镜12入射到CCD摄像机13。CCD摄像机13使用位置分辨率(例如512×512像素)非常高的受光元件，借此，可以得到测定角度分辨率为散射角1°以下这样的高分辨率的数据。
图8示出在CCD摄像机13的摄像面上产生的散射光的强度图案。此一散射光的图案，是图6(b)中所示的大约缺一半的环形的椭圆面反射镜6的镜面的成像图案，覆盖散射角φ从5°到175°的角度范围。以散射角φ为横轴把此一图案绘制成曲线图为图9。
这样一来，不用移动构成光学系统的元件，就可以一次性获得广角度中的任何角度下的散射光强度数据。
再者，本发明不限于前述的发明的实施例。例如，为了把来自试样的散射光聚光于成像透镜12，除了椭圆面反射镜之外，也可以使用图10(a)中所示的环切三角锥的一部分而成的反射镜6b，或图10(b)中所示的环切球面的一部分而成的反射镜6c。使用这些反射镜6b、6c时，虽然不像椭圆面反射镜6那样从一个焦点发出并照射椭圆面反射镜6的光无像差地聚焦于另一个焦点，但是，通过减小环的宽度W从一个焦点发出并照射反射镜6b、6c的光几乎聚光于一点是可能的。因而，即使使用这些反射镜6b、6c，也可以以不比使用椭圆面反射镜6者逊色的精度得到散射光的数据。
第2实施例
图11是表示光学角度特性测定装置的总体构成的方框图。
光学角度特性测定装置，具有光学系统21，该光学系统21备有：旋转椭球面反射镜24，成像透镜25，摄像用摄像机26，以及移动各种可动构件用的各种马达27。
进而，光学角度特性测定装置，备有：产生照射作为试样之一例的液晶显示元件23用的单色光的照明光源32，把照明光源32的光导入光学系统21的光纤维35(也可以用反射镜系统代替此一光纤维35)，接收来自摄像机26的图像数据同时控制曝光时间等参数的摄像机控制部31，产生驱动液晶显示元件23的信号的液晶驱动部33，马达控制器34，控制总体的计算机14，显示装置15，以及键盘16。再者，应该指出，试样不限于液晶显示元件，也可以用发光二极管，光纤维的出射端，胶片，彩色胶片等东西。
假设前述照明光源32是白色照明光源32a和单色片32b的组合。单色片32b波长的选择，通过计算机14等的控制来进行。但是，不限于单色片，也可以是激光照明光源，代替产生单色光，也可以是产生多色光的照明光源或者卤素灯、Xe灯、金属卤化物灯等产生白色光的照明光源。关键是使用哪一种照明光源要根据试样23的测定条件来决定。此外，如果试样本身是发光的，则也可以不使用此一照明光源32。在激光照明光源的场合，如果出射光为直线偏振光，则也可以用1／4波长板而使用圆偏振光以便偏振光特性不影响测定。
前述摄像机26，只要是储存摄像的图像者什么都行，例如可以是CCD摄像机等把图像变换成电气信号者，也可以是像光学摄像机那样用化学方法把图像记录在胶片上者。在图11中假设CCD摄像机。
马达27和马达控制器34，是进行试样23的姿势控制，光对试样23的照射轴、偏振器、检偏振器、相位反差板等各种光学元件的旋转、移动等的。
图12是表示光学系统21的第1具体例的详细构成图。在此一第1具体例中，假设液晶显示元件23为自发光型的情况。由于不使用照射液晶显示元件23用的照明光源，所以未画出。
光学系统21，备有：放置试样23、并保持任意姿势用的载物台28，把从配置在第1焦点附近的试样23出射的光聚光于第2焦点位置的旋转椭圆面反射镜24，使来自旋转椭圆面反射镜24的反射光穿过的光圈29，配置在旋转椭圆面反射镜24的第2焦点、并把出现在旋转椭圆面反射镜的表面上的像成像的成像透镜25，以及记录由成像透镜25所成像的像的摄像机26。再者，也可以在摄像机26的前面配置光学滤光片。例如，可以是去除测定所不需要的波长的波长截断滤光片，使摄像机的灵敏度近似于人眼的灵敏度的Y视觉灵敏度滤光片，或者把来自试样的光衰减的光衰减滤光片等。此外，也可以有选择地配置测定色度和辉度用的三色刺激值滤光片。
旋转椭圆面反射镜24的焦距，使用第1焦距f1为55mm，第2焦距f2为600mm者。试样23与旋转椭圆面反射镜24的下端面的距离可以确保8mm，对试样23的设置不需要特别的注意。
图13是表示光学系统21的第2具体例的详细构成图。在此一第2具体例中，为了测定反射率而使用着照射液晶显示元件23的照明光源32。
此一照明光源32，备有：光源32h，能够在光轴上移动的的透镜32c，配置在此一透镜32c的出射侧的彩帘光栏32d，以及把来自光源32h的光投影到椭圆面反射镜24的第1焦点用的反射镜32e。再者，反射镜32e的位置，虽然如图所示把来自光源32h的光投影到椭圆面反射镜24的第1焦点的正上方(θ=0)的点上，但是不限于此，通过改变反射镜32e的位置、角度，可以在θ=0°到几十度的范围内投影到椭圆面反射镜24上。
透镜32c是把照明光源的光斑成像在试样23上、或者成像于无限远用的调整构件。光斑直径，在这样确定透镜32c的位置，以便光源的虚像可以位于椭圆面反射镜的第2焦点的位置时为最小。照明光的开度角由彩帘光栏32d来调节。
此外，在正反射的位置上配置着光衰减滤光片32f(在图13中因为照明光对试样的入射角θ为0°，故光衰减滤光片32f隐藏在反射镜32e的影子中)。此一光衰减滤光片32f，是把来自试样23的正反射光进行光衰减用的光衰减滤光片(ND滤光片)。通过此一光衰减，可以抑制正反射成分而确保扩散成分测定的动态范围。
图14是表示光学系统21的第3具体例的详细构成图。在此一第3具体例中，为了从下边对液晶显示元件23进行透射照明而配置照明光源32。
为了从下边对液晶显示元件23进行透射照明，在载物台28的下半部也配置着椭圆面反射镜24a。由于此一椭圆面反射镜24a是与聚光用的椭圆面反射镜24一起从一个椭圆面反射镜切出的，所以焦距f1、f2的值也相同而不用担心焦点位置错开。照明光源32是把图6中使用者转到对峙侧使用。这样一来，用一台照明光源32可以测定透射率、反射率，可以实现小型而廉价的光学角度特性测定装置。
在透射率测定中也是，在直接透射光很强时，为了取成扩散成分测定的动态范围，使用光衰减滤光片32f。
图15是表示光学系统21的第4具体例的详细构成图。此一第4具体例，成为测定液晶显示元件23的偏振光特性的构成。当照明光源32位于实线的位置时，可以进行反射率偏振光特性的测定，当照明光源32位于虚线的位置时，可以进行透射率偏振光特性的测定。
在照明光源32中设置偏振器20g，在椭圆面反射镜24和成像透镜25之间，设置着相位反差板30a和检偏振器30b。偏振器20g、相位反差板30a、检偏振器30b，任何一个都成为偏振面能够旋转的结构，通过把这些旋转角与规定的角相组合，可以作为视野角的函数求出试样产生的偏振光的椭圆率(tanφ)或相位反差(cos△)偏振面的旋转方向等物理量。
再者，制成偏振器20g、相位反差板30a、检偏振器30b，在不测定偏振光特性时，可以自动地从光轴退避。
Claims (9)
1．一种光学角度特性测定装置，能够测定从试样出射的光强度的角度分布，其特征在于，备有：反射来自试样的出射光并使之聚光用的反射镜；配置在来自反射镜的反射光的聚光点、把出现在反射镜的表面上的像在摄像面上成像的成像机构；记录由成像机构成像的像的摄像机构。
2．如权利要求1所述的光学角度特性测定装置，其特征在于：具有把光照射到试样上的照射光源。
3．如权利要求2所述的光学角度特性测定装置，其特征在于：前述照明光源是可以改变照射到试样上的光的波长的单色片。
4．如权利要求2所述的光学角度特性测定装置，其特征在于：前述照明光源是反射照明光源。
5．如权利要求2所述的光学角度特性测定装置，其特征在于：前述照明光源是透射照明光源。
6．如权利要求2所述的光学角度特性测定装置，其特征在于：还备有能够使从前述照明光源照明的光的偏振面变化的偏振器，以及检测来自试样的出射光的偏振光的检偏振器。
7．如权利要求1所述的光学角度特性测定装置，其特征在于：反射镜是由旋转椭圆体面的一部分构成的椭圆面反射镜，试样配置在第1焦点附近，成像机构配置在第2焦点位置附近。
8．如权利要求7所述的光学角度特性测定装置，其特征在于：还备有利用前述椭圆面反射镜的反射，来照明试样的照明光源(32)。
9．如权利要求1所述的光学角度特性测定装置，其特征在于：反射镜是由球面的一部分构成的球面反射镜或者由三角锥面的一部分构成的三角锥面反射镜。
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