JP2005227197A - 反射光測定装置及び反射光測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定試料が曲面試料であっても、可及的に測定誤差を抑制できる反射光測定装置、反射光測定方法を提供すること。
【解決手段】 照明手段は光源部１ａ、集光レンズ１２、及びテレセントリック光学系を構築するためのレンズ７からなり、測定試料２の法線に対して所定角度傾斜した角度で、測定試料２に測定光の照射を行う。また受光手段は、レンズ７、受光レンズ３、及び受光センサ４からなる光学系であって、前記測定光の照射による反射光のうち、測定表面２Ｓの法線に対して０°の角度方向の反射光を受光する。このように照明手段及び受光手段とも、レンズ７をその光路中に配置することで、テレセントリックな光学系とされ、これにより測定光の曲面試料への照射角度及び曲面試料からの反射光の受光角度を、前記曲面試料面内において同一にできる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、測定対象物に測定光を照射し、その反射光を受光して各種のセンシングを行う反射光測定装置及び反射光測定方法に関するものである。

従来、測定対象物に測定光を照射し、その反射光を受光してこれを分析し、例えば測色や表面状態検知等のセンシングを行う種々の反射光測定装置が知られている（例えば特許文献１、特許文献２）。図１３は、このような反射光測定装置の基本的な構成を示す構成図である。この装置は、ハロゲンランプ、キセノンランプ、或いはＬＥＤ等の点光源（点状光源）１０が発する測定光を測定試料２０に照射し、その反射光を、受光レンズ３０を介してフォトダイオードやＣＣＤ等の受光センサ４０へ導く構成を備えている。なお、点光源１０からの光束は、光束規制板１０１を通過して光学レンズ１０２により平行光束とされた上で、測定試料２０の表面に照射されるよう構成されている。

また図１４は、例えばマルチアングル型測色計等に適用されている多方向照明一方向受光の方式を採用した反射光測定装置の構成を簡易的に示した構成図である。この反射光測定装置も基本構成は図１３に示すものと同様なのであるが、測定試料２０に対して複数の角度から測定光を照射する点で相違する。図１４では、２つの照明手段を用いた例を示しており、測定試料２０の試料面法線に対する角度（図中θ１で表示）が比較的小さいハイライト照明手段５０と、試料面法線に対する角度（図中θ２で表示）が比較的大きいシェード照明手段６０とが用いられている。これらハイライト照明手段５０及びシェード照明手段６０は、それぞれ点光源５００、６００、光束規制板５０１、６０１、及びレンズ５０２、６０２を備え、各々測定光としての平行光束をθ１、θ２の角度で、測定試料２０の表面に照射可能なように構成されている。このような多方向照明一方向受光方式の反射光測定装置は、反射光強度が看視方向により異なるような試料のセンシング用途、例えば自動車の塗装などに用いられるメタリック塗装やパールカラー塗装の色彩を測定する測色計等に用いられている。
特開昭５８−１７９３０３号公報 特開２００１−５０８１７号公報

図１３に示す従来例のように、測定試料２０に対して点光源１０が発する測定光を平行光束として照射した場合、測定試料２０の測定域面が水平面であるときは、図１５に示すような反射特性となる。すなわち図１５中、点Ａ、Ｂ、Ｃは測定試料２０の測定表面（水平な測定域面）２０Ｓ上の任意の点であり、これら点Ａ、Ｂ、Ｃにそれぞれ平行光束である測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３が照射され、点Ａ，Ｂ，Ｃで反射されたときの各々の反射特性（例えば特定波長の光の光強度分布）Ｑ１０、Ｑ２０、Ｑ３０を表している。なおｈ１０、ｈ２０、ｈ３０は、測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３の正反射光（測定表面２０Ｓの法線に対して対象な反射光）を示している。この場合、測定試料２０の測定表面２０Ｓが水平面であるため、各々の反射特性Ｑ１０、Ｑ２０、Ｑ３０は同一（つまり測定域面内で反射特性が同一）であり、測定域面内で特段測定誤差を生じることなく、安定した測定を行うことが可能である。

しかしながら、測定試料２０の測定域面が曲面であるときは、測定光を平行光束として照射しても、その反射光の角度（正反射光の反射角度）は測定域面内で相違することとなるため、測定誤差が発生するようになる。図１６は、測定試料２０の測定表面２０Ｓが半径ｒの曲面である場合の反射特性を示している。図示する通り、測定表面２０Ｓ上の任意の点Ａ、Ｂ、Ｃに平行光束である測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３が照射されたときの各点からの正反射光は、図中実線で示すｈ１１、ｈ２１、ｈ３１となり、この正反射光ｈ１１、ｈ２１、ｈ３１を基準とした反射特性Ｑ１１、Ｑ２１、Ｑ３１が現れることになる。しかし、点Ｂを法線の基準点として考えた場合、測定表面２０Ｓが曲面であることから、点Ａ及び点Ｃにおける反射特性Ｑ１１、Ｑ３１は、測定表面２０Ｓが水平面である場合の反射特性Ｑ１０、Ｑ３０（図中点線で表示）に比べてズレが生じ、このズレが測定誤差となって表出するものである。

ところで、一般に反射特性は、角度依存性のない拡散反射光によるものと、正反射光によるものとが複合されたものとなる。前記反射特性Ｑ１０〜Ｑ３１において、裾野の緩やかな部分が前記拡散反射光によるもので、中央の鋭利に尖った部分が正反射光によるものである。従って、センシングすべき反射光の受光方向が正反射光に近いほど、僅かな角度変化で大きな反射特性差が惹起されることになる。図１７はこの点を説明するための図であり、いま測定表面２０Ｓ上の任意の点Ａ、Ｂ、Ｃに平行光束である測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３を照射し、各点における反射特性のセンシング用に受光する測定用反射光を図中のｈ１ｓ、ｈ２ｓ、ｈ３ｓのように定めたとする。このとき、点Ａ、Ｂ、Ｃに対する測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３の照射による正反射光はｈ１１、ｈ２１、ｈ３１となるが、これは前記測定用反射光ｈ１ｓ、ｈ２ｓ、ｈ３ｓと比較的方向が近似している。

この場合、点Ａにおける反射特性Ｑ１１は、測定表面２０Ｓが水平面である場合の反射特性Ｑ１０に比べて鉛直方向にやや立ち上がった特性を示し、一方点Ｃにおける反射特性Ｑ３１は、水平面反射特性Ｑ３０に比べて水平方向にやや傾いた特性を示すことになる。そして、正反射光ｈ１１、ｈ２１、ｈ３１と測定用反射光ｈ１ｓ、ｈ２ｓ、ｈ３ｓとの方向が近似していることに起因して、点Ａの測定用反射光ｈ１ｓは大きな反射特性値（その反射特性Ｑ１１の鋭利に尖った部分の中腹部との交点ｄ１の値）となる一方で、点Ｃの測定用反射光ｈ３ｓは小さな反射特性値（その反射特性Ｑ３１の鋭利に尖った部分の立ち上がり部分との交点ｄ２の値）となる。従って、点Ａと点Ｃとでは、僅かな角度差であるにもかかわらず、交点ｄ１と交点ｄ２の反射特性値の差Δｄに相当する大きな反射特性差が発生し、測定域面内での測定誤差がより大きくなるという不都合が生じるものである。

また別の問題として、図１４に示したような反射光測定装置において、測定試料２０の試料面法線に対する角度θ１が比較的小さいハイライト照明手段５０にあっては、測定域面内全体に平行な光束を照射することが困難であるという問題がある。すなわち、試料面法線に対する角度θ１が比較的小さい状態では、測定域面内全体を満たすために必要な光束の量（光束照射面積）は多くなり、光束量が多い分だけ全測定域を平行光で照射することが困難になる。この点、試料面法線に対する角度θ２が比較的大きいシェード照明手段６０にあっては、測定域面に対して測定光は大きく斜入射するので測定域面内全体を満たすために必要な光束は比較的少なくて済み、光束の平行性を担保し易いが、ハイライト照明手段５０では上述の理由で光束の平行性担保が容易でなく、平行性確保のためには大型の光学系が必要になるという問題がある。図１５〜図１７の反射特性図においては、測定表面２０Ｓへ照射する測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３は平行光であることを前提としているが、もし平行性が担保されない場合は、正反射光の角度にズレが生じ、新たな誤差要因となってしまうことになる。

従って本発明は、測定試料の測定域面が曲面であり、測定域面内において反射特性に差異が不可避的に生じる場合でも、可及的に測定誤差を抑制することができ、また試料面法線に対する角度が比較的小さい方向から測定光を照射する場合にあっても、測定装置の大型化を招来することなく安定した測定が行い得る反射光測定装置及び反射光測定方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の反射光測定装置は、測定対象物の測定域に測定光を照射する照明手段と、該照明手段により照射された測定光の前記測定域からの反射光を受光する受光手段とを具備する反射光測定装置において、前記照明手段は、測定対象物の測定域面内における各点に対して所定の角度幅をもって照射可能とされていると共に、前記照明手段及び受光手段は、テレセントリック光学系を介して、前記測定域への測定光の照射及び前記測定域からの反射光の受光がなされるよう構成されていることを特徴とする。

また請求項２記載の反射光測定装置は、請求項１において、測定光の前記測定域への照射角度及び測定域からの反射光の受光角度を、該測定域面内において同一にするレンズを、前記照明手段及び受光手段のそれぞれの光路中に配置することで、前記テレセントリック光学系が構成されていることを特徴とする。

上記構成には、大別して下記の２つの要点が含まれている。すなわち、
（１）照明手段は、測定対象物の測定域面内における各点に対して所定の角度幅をもって照射可能とされていること、及び
（２）照明手段は、テレセントリック光学系を介して前記測定域へ測定光を照射し、また受光手段も、テレセントリック光学系を介して測定域からの反射光を受光すること、
を要点とする。

まず上記要点（１）について、図１〜図３を参照しつつ説明する。先に説明したように、図１（ａ）の如く照明手段として点光源１０を用いた場合、焦点距離ｆをおいて配置された光学レンズ１０２により、点光源１０から発せられた測定光としての光束は平行光束とされ、その状態で測定試料２０に照射されることとなる。このような測定光の照射を行うと、測定試料２０の表面が曲面等である場合に、測定誤差が大きくなってしまうことは前述した通りである。これに対し、図１（ｂ）に示すように、照明手段として例えば面光源１を用い、その前方に配置した集光レンズ１２によりその面光源の像を測定試料２０の表面に投影させるようにすることで、つまり測定試料２０の測定域面内における各点Ａ、Ｂ、Ｃに対して、所定の角度幅ａをもって測定光を照射することで、次のような作用が生じる。

図２は、所定の角度幅ａを持つ測定光ｐ１が測定試料２０の測定表面２０Ｓ上の点Ａに照射されたときの反射特性Ｑ１を示す図である。図１５において先に説明したように、測定光が平行光で照射される場合（例えば図２のｐ１０のみが照射される場合）、反射特性Ｑ１０はその正反射光ｈ１０を中心とする鋭利に尖った特性を示すのに対して、角度幅ａを持った測定光ｐ１であると正反射光が分散される結果、つまり測定光ｐ１０、ｐ１１、ｐ１２に対してそれぞれ正反射光ｈ１０、ｈ１１、ｈ１２が生ずる結果、反射特性Ｑ１は鋭利に尖った部分が緩和されたダルマ状の特性となる。これにより、角度変化による反射特性の変移度合いも鈍化されることになり、かように鈍化した分だけ、受光すべき反射光に角度ズレが生じても、測定値に与える影響が少なくなる。

すなわち図３に示すように、測定試料２０の測定表面２０Ｓが半径ｒの曲面である場合に、その測定域面内での測定誤差を少なくすることができる。図３は、前述した図１７に対応する反射特性図であり、測定表面２０Ｓ上の任意の点Ａ、Ｂ、Ｃに所定の角度幅を持つ測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３を照射し、同様に各点における反射特性のセンシング用に受光する測定用反射光を図中のｈ１ｓ、ｈ２ｓ、ｈ３ｓのように定めている。この場合、点Ａ、Ｂ、Ｃにおける反射特性Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は上記の通り正反射光近傍部分の鋭利性が緩和された特性となる。また測定表面２０Ｓが曲面であることから、点Ｂを基準とした場合に、点Ａにおける反射特性Ｑ１は、測定表面２０Ｓが水平面である場合の反射特性に比べて鉛直方向にやや立ち上がった特性を示し、一方点Ｃにおける反射特性Ｑ３は、水平面反射特性に比べて水平方向にやや傾いた特性を示すことになる。

そして、点Ａと点Ｃの測定誤差は、点Ａの測定用反射光ｈ１ｓ（その反射特性Ｑ１とｈ１ｓとの交点ｄ１０の値）と点Ｃの測定用反射光ｈ３ｓ（その反射特性Ｑ３とｈ３ｓとの交点ｄ２０の値）との反射特性値の差Δｄｘとなるのであるが、その差は測定光が平行光束である場合の反射特性値の差Δｄに比べて小さいものとなる。すなわち、点Ｃにおける反射特性に着目するに、点Ｃの測定用反射光ｈ３ｓの反射特性値は、所定角度を持つ測定光を照射した場合の反射特性Ｑ３の場合（交点ｄ２０の値）と、平行光束の測定光を照射した場合の反射特性Ｑ３１の場合（交点ｄ２の値）とでは、前者の方が正反射光近傍部分の鋭利性が緩和されているので大きくなる。従って、測定表面２０Ｓが曲面であっても、その測定域面内での測定誤差を少なくすることができるものである。

次に上記要点（２）について、図４〜図６を参照しつつ説明する。図４は、図１（ｂ）に示した照明系を用いた反射光測定装置の構成を示す図である。上述した通り、測定試料２０の試料面法線に対する角度が比較的小さい状態で測定光を照射する場合、測定域面内全体を満たすために必要な光束の量（光束照射面積）は多くなり、照明光学系を相当大型化しない限り全測定域を平行光で照射することが困難である。このため、小型な照明光学系では、面光源１から発せられ、集光レンズ１２を介して測定試料２０の各点Ａ、Ｂ、Ｃへ照射される測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３の角度幅ａ１、ａ２、ａ３は同一とはならない。つまり、測定試料２０の測定域面内に照射する測定光の照射角度が均一にならず、新たな誤差要因が生成されることになってしまう。

さらに、反射光の受光に際しても、同様な現象が生じる。すなわち、測定試料２０の測定域面から反射される反射光が、受光レンズ３０を介してＣＣＤなどの面状センサである受光センサ４０へ結像される場合であっても、上記と同様に光学系を相当大型化しない限り、受光センサ４０へ入射される反射光の入射角度を、測定試料２０の測定域面から反射されるすべての反射光について均一にすることはできない。

このような問題に鑑み、本発明においてはテレセントリック光学系を介して、測定試料２０の測定域面への測定光の照射及び測定域面からの反射光の受光を行うようにしている。図５は像側テレセントリック光学系を示しており、この光学系では像側の主光線が無限遠まで光軸と交わらない（光軸と主光線とが平行）という特性がある。つまり、物体側の点ロの主光線は、レンズを介して像側で結像されるとき、光軸（図５では点イの主光線）と平行な状態とすることができる。

このようなテレセントリック光学系の特質を活用すべく、本発明では図６に示すように、テレセントリック光学系を実現するための光学手段としてのレンズ７を、集光レンズ１２と測定試料２０との間に介在させるものとする。そして、該レンズ７を通過して測定光が測定試料２０へ照射されると共に、その反射光がレンズ７を再び通過して受光センサ４０へ入射されるように構成する。

かかる構成により、測定試料２０の各点Ａ、Ｂ、Ｃへ照射される測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３は、レンズ７を通過することでテレセントリックな作用により各種光線が平行な状態とされることから、各測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３の角度幅ａ１、ａ２、ａ３は同一になる。これにより、測定試料２０の測定域面内に照射する測定光の照射角度を均一にすることが可能となる。また、各測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３の反射光も、レンズ７を通過することからテレセントリック光学系を経由して受光センサ４０に至ることとなり、点Ａ、Ｂ、Ｃから反射されるそれぞれ角度幅の等しい分の反射光が、受光センサ４０の点Ａ、Ｂ、Ｃ相当部位に入射されることになる。これにより、測定試料２０の測定域面内から反射された反射角度の等しい反射光を受光センサ４０で計測できるようになり、測定誤差が大幅に抑制されることになる。

以上が本発明の要点であるが、このような構成において、前記照明手段を、光源と、該光源の出射光を散乱させる光拡散部材とからなる光源部を備えるように構成することができる（請求項３）。

さらに照明手段を、光源と、該光源の出射光が入射される光ファイバとからなる光源部を備えるように構成することができる（請求項４）。この場合、前記光ファイバを、バンドルファイバにて構成することが好ましい（請求項５）。また、照明手段を、ケーラー照明光学系を備えて構成しても良い（請求項６）。或いは照明手段を、複数の点光源からなる光源部を備えるように構成しても良い（請求項７）。

本発明の請求項８記載の反射光測定装置は、測定対象物の測定域に測定光を照射する照明手段と、該照明手段により照射された測定光の前記測定域からの反射光を受光する受光手段とを具備する反射光測定装置において、前記照明手段は、測定対象物の測定域面法線との角度差が比較的小さい方向から測定光を照射するハイライト照明手段と、測定対象物の測定域面法線との角度差が比較的大きい方向から測定光を照射するシェード照明手段とを備えており、前記ハイライト照明手段は、測定対象物の測定域面内における各点に対して所定の角度幅をもって照射可能とされていると共に、前記ハイライト照明手段及び受光手段は、テレセントリック光学系を介して、前記測定域への測定光の照射及び前記測定域からの反射光の受光がなされるよう構成されていることを特徴とする。

この構成では、多方向照明一方向受光の方式を採用した反射光測定装置において、本来的に光束の平行性が担保されているシェード照明手段についてはさておき、測定対象物の測定域面法線との角度差が比較的小さい方向から測定光を照射するハイライト照明手段については、上述した本発明の要点（１）、（２）の構成を採用して誤差を抑制する措置を採るものである。

また本発明の請求項９にかかる反射光測定方法は、曲面試料に対して測定光を照射し、その反射光を受光して反射特性を測定する反射光測定方法において、測定光を、曲面試料面内における各点に対して所定の角度幅をもって照射すると共に、測定光の曲面試料への照射角度及び曲面試料からの反射光の受光角度を、テレセントリック光学系を用いて、前記曲面試料面内において同一にして測定を行うことを特徴とする。ここで、前記曲面試料が、メタリック塗装又はパールカラー塗装が塗布された曲面試料である場合、特に好適な用途である（請求項１０）。

請求項１にかかる反射光測定装置によれば、照明手段からの測定光を、測定対象物の測定域面内における各点に対して所定の角度幅をもって照射するので、その反射特性は正反射光近傍部分における特性の鋭利性が緩和されて角度変化に伴う誤差が抑制され、これにより測定域面が曲面であっても、誤差が小さい反射光測定を行うことができる。さらに、テレセントリック光学系を介して、測定域面への測定光の照射及び測定域面からの反射光の受光を行うようにしているので、照射する測定光の照射角度、受光すべき反射光の受光角度を均一にでき、この点においても測定誤差を抑制できるようになる。従って、測定域面が曲面等であって不可避的に反射特性に差が生じてしまう測定環境でも、発生誤差を極力抑制し、しかも装置の大型化を招来することのない反射光測定装置を提供することができるようになる。

請求項２にかかる反射光測定装置によれば、測定光の照射角度と反射光の受光角度を、測定域面内において同一にするレンズを、前記照明手段及び受光手段のそれぞれの光路中に配置することでテレセントリック光学系を構成しており、光学系をさほど複雑化することなく本発明にかかる反射光測定装置を構成することができる。従って、装置構成が大型化したり、部品点数が徒らに増加することはないという利点がある。

請求項３にかかる反射光測定装置によれば、本発明の要点の一つである、測定対象物の測定域面内における各点に対して所定の角度幅をもって照射可能とする照明手段を、光源と光拡散部材との組み合わせという簡易な構成で輝度均一性のある面光源を達成できるという利点がある。さらに、この場合は光源と光拡散部材との光軸合せも簡易に行え、もって装置構成の簡易化を図ることができるようになる。

請求項４にかかる反射光測定装置によれば、光源と、該光源の出射光が入射される光ファイバとからなる光源部を具備させて照明手段を構成するので、輝度均一性のある面状の光源を形成することが容易になる。特に請求項５にかかる反射光測定装置のように、光ファイバを、複数本の光ファイバを集合させたバンドルファイバにて構成すれば、より面積の広い面状の光源の形成が容易になる。

請求項６にかかる反射光測定装置によれば、ケーラー照明光学系を具備させて照明手段を構成するので、特に光拡散部材等を用いずとも、面状の光源が簡易に構成できるという利点がある。

請求項７にかかる反射光測定装置によれば、複数の光源からなる光源部を具備させて照明手段を構成するので、面状の光源が簡易に構成できるという利点がある。

請求項８にかかる反射光測定装置によれば、多方向照明一方向受光の方式を採用した反射光測定装置において、測定対象物の測定域面法線との角度差が比較的小さい方向から測定光を照射するハイライト照明手段について、同様に測定光を測定対象物の測定域面内における各点に対して所定の角度幅をもって照射すると共に、テレセントリック光学系を介して、測定域面への測定光の照射及び測定域面からの反射光の受光を行うようにしている。従って、測定域面が曲面等であって不可避的に反射特性に差が生じてしまう測定環境でも、発生誤差を極力抑制し、しかも装置の大型化を招来することのない反射光測定装置を提供することができる。

請求項９にかかる反射光測定方法によっても、上記と同様な効果を奏するものである。とりわけ、請求項１０にかかる反射光測定方法のように、曲面試料が、メタリック塗装又はパールカラー塗装が塗布された曲面試料である場合、これら塗装面は角度変化により反射光強度が大きく異なる特質があることから、本発明の反射光測定方法を適用した場合に特に利便性をもたらすことができる。

以下、図７〜図１２に基づいて、本発明の具体的実施形態につき説明する。
（第１実施形態）
図７は本発明にかかる反射光測定装置の一例を示す構成図である。この構成では、照明手段は光源部１ａ、集光レンズ１２、及びレンズ７からなる光学系であって、測定試料２（測定表面２Ｓ）の法線に対して１５°傾斜した角度で、測定試料２に測定光の照射を行うよう構成されている。また受光手段は、レンズ７、受光レンズ３、及び受光センサ４からなる光学系であって、前記測定光の照射による反射光のうち、測定表面２Ｓの法線に対して０°の角度方向の反射光を受光するように構成されている。前記レンズ７は、後述するように測定光の照射角度及び反射光の受光角度を、該測定域面内において同一にするもので、前記照明手段及び受光手段のそれぞれの光路中に該レンズ７を配置する（１つのレンズ７を照明手段及び受光手段で共用することになる）ことで、テレセントリックな光学系とされている。

上記光源部１ａは、光源（点光源であっても良い）１００と、該光源１００の出射光を散乱させるための光拡散部材１１とから構成されている。光源１００としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、或いはＬＥＤランプ等を用いることができる。また光拡散部材１１は、光源１００から発せられた光が入射され、その入射光を部材内で拡散させてあらゆる方向へ均一に光を射出する平均的に広範囲な光に置換するためのもので、例えばすりガラス等の、表面に入射光を散乱させて拡散反射を生じさせるような微小凹凸が形成された拡散部材や、回折パターンを形成し得る回折光学素子（ＤＯＥ）等の光学部品を用いることができる。

ここで回折光学素子のように、ランダム拡散光ではなく角度依存性のある拡散光を生成可能な光学部品を用いると、光源１００から発せられる光が光拡散部材１１を通過する際の光量損失を抑制できるので好ましい。このような光拡散部材１１を含んだ光源部１ａとすることで、測定試料２の測定域面内における各点に対して、所定の角度幅をもって測定光を照射することが可能な面状光源とされている。

前記集光レンズ１２は、光源部１ａから発せられた測定光（つまりの光拡散部材１１を通過した光）を集光し、これをレンズ７へ導く役目を果たす。すなわち、集光レンズ１２は光拡散部材１１に対して焦点位置に配置され、光拡散部材１１の出射面の各点から発せられる光を集光し、図中ｐ１、ｐ２、ｐ３で示すように、所定の角度幅を具備する測定光をレンズ７へ導くものである。

レンズ７は、集光レンズ１２により集光された測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３を、測定試料２の測定表面２Ｓに対して、任意角度の相互に平行な光線として照射できるようにするためのものである。つまり、集光レンズ１２から出射された段階ではテレセントリックではない測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３の光線群を、テレセントリック光にして測定表面２Ｓに照射させるものである。かかるレンズ７の介在により、テレセントリック光の測定表面２Ｓへの照射が可能となる。

なお、本実施形態では光拡散部材１１とレンズ７との間に集光レンズ１２を介在させる構成を示しているが、光学系の簡素化のために集光レンズ１２を省略し、レンズ７の焦点位置に光拡散部材１１の光出射面を配置して、該光出射面の像が測定試料２の測定表面２Ｓに結像されるよう構成することもできる。

測定試料２としては特に限定はないが、その測定表面２Ｓが曲面である場合で、しかもメタリック塗装又はパールカラー塗装が塗布された曲面試料である場合（典型的には自動車ボディ等）、の本発明にかかる反射光測定装置による効果がより享受できるので好ましい。すなわち、メタリック塗装やパールカラー塗装では、薄片状のアルミニウムやマイカ等の光輝材を塗膜内に含有させているが、この塗膜内における光輝材の向きにばらつきがあるため、このような塗装面は見る方向によって反射光強度の変化が大きくなる。つまり塗装面に光を照射した場合、正反射光付近の光の強度変化が大きい（図２他の反射特性図で示している正反射光近傍部分の鋭利性がより鋭い）ので、曲面試料の場合は図１６、図１７に基づいて説明したように反射特性変化の影響を受け易くなることから、メタリック塗装又はパールカラー塗装が塗布された曲面試料である場合が、本発明の特に好適な用途であると言うことができる。

前記レンズ７は、受光手段の光学系をテレセントリック光学系とする役目も果たす。すなわち、測定表面２Ｓで反射される前記測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３の反射光のうち、所定の角度幅を備え且つ反射角度の等しい光を、測定用反射光ｈ１ｓ、ｈ２ｓ、ｈ３ｓとして受光レンズ３へ導く。つまり測定表面２Ｓの測定域面内から反射される（発せられる）反射光のうち、レンズ７によるテレセントリックな作用により所定の角度幅を備える平行光を専ら受光レンズへ導くようにするものである。

受光レンズ３は、測定表面２Ｓの測定域面内から反射された測定用反射光ｈ１ｓ、ｈ２ｓ、ｈ３ｓを、受光センサ４へ導く役目を果たす。この受光レンズ３としては種々の光学手段を用いることができ、例えば集光レンズ、カメラレンズ、有限結像の光学系、或いは受光した光を拡散させる光学系などを用いることができる。

受光センサ４は、受光レンズ３から導かれた測定用反射光ｈ１ｓ、ｈ２ｓ、ｈ３ｓを光−電気変換し、その光強度、若しくはその波長や位相等を分析して反射特性を検知するためのセンシング要素としての機能を果たす。該受光センサ４は、受光レンズ３の焦点位置に配置される。この受光センサ４としては、フォトダイオード等の１次元受光センサ、ＣＣＤなどの２次元受光センサ等を用いることができる。

なお、上記レンズ７としては、テレセントリック光学系を達成し得るレンズであれば特に制限はなく、例えば図５に基づいて先に説明したように、像側の主光線が無限遠まで光軸と交わらない（光軸と主光線とが平行）という特性を有する像側テレセントリック光学系を達成する凸レンズ等を用いることができる。

以上の通り構成された反射光測定装置を用いた場合の、本発明にかかる反射光測定方法につき説明する。先ず、図示省略の発光回路により光源部１ａの光源１００が点灯され、光源１００から発せられた光は光拡散部材１１へ入射される。光拡散部材１１により、前記入射光は散乱され、光拡散部材１１の出射面側から散乱光（光拡散部材１１として回折光学部材を用いた場合は回折光）として放射される。これにより、光源部１ａから発せられる光（測定光）は、不均一発光面ではなく光拡散部材１１の出射面全体を均一発光面とする面発光となる。従って測定光を、測定試料２の測定域面内における各点に対して所定の角度幅をもった測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３として照射することが可能となる。

光源部１ａから発せられた測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３は、集光レンズ１２へ入射され、該集光レンズ１２で集光されてレンズ７へ導かれる。このとき、照明手段が前述の通り測定表面２Ｓの法線に対して１５°しか傾斜しておらず、つまり試料面法線に対する測定光の照射角度が比較的小さいことから、測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３の光線は相互に平行性が担保されていない状態である。

このような測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３がレンズ７へ入射され、通過することで、テレセントリックな作用により、測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３の光線が相互に平行な状態に変換されて測定試料２の測定表面２Ｓの各点Ａ、Ｂ、Ｃに照射されるようになる。すなわち、反射光測定を行うべき測定域面内において同一の照射角度で、測定光を照射できるようになる。

次に、測定表面２Ｓの各点Ａ、Ｂ、Ｃから反射された反射光は、再びレンズ７を通過することになる。そして該レンズ７と受光レンズ３、及び受光センサはテレセントリック光学系であることから、各点Ａ、Ｂ、Ｃからの反射光のうち、測定表面２Ｓの法線方向（受光手段の設置角度は前述の通り法線に対して０°であるので法線方向と一致する）であって、測定表面２Ｓとレンズ７との間において相互に平行な光線のみが測定用反射光ｈ１ｓ、ｈ２ｓ、ｈ３ｓとして、レンズ７から受光レンズ３へ導かれる。最後に、測定用反射光ｈ１ｓ、ｈ２ｓ、ｈ３ｓは受光レンズ３により受光センサ４の受光面に結像され、センシングが行われるものである。

このように、測定試料２の測定域面内における各点に対して所定の角度幅をもって、且つ測定域面内において同一の照射角度で測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３を照射し（テレセントリック光学系を介して照射し）、さらにテレセントリック光学系を介してその反射光を受光するので、測定試料２が曲面試料であっても（測定表面２Ｓが曲面であっても）、誤差発生要因が可及的に抑制された態様での反射光測定が行えるようになる。

（第２実施形態）
図８は、例えばマルチアングル型測色計などに適用されている多方向照明一方向受光の方式の反射光測定装置に、本発明を適用した場合の一例を示す構成図である。この反射光測定装置も基本構成は第１実施形態と同様なのであるが、測定試料２に対して複数の角度から測定光を照射する点で相違する。

図８では、２つの照明手段を用いた例を示しており、測定光の照射角度が測定試料２の試料面法線に対する角度（図中θ１で表示）に対して比較的小さい（例えばθ１＝１５°）ハイライト照明手段５と、測定光の照射角度が試料面法線に対する角度（図中θ２で表示）に対して比較的大きい（例えばθ２＝７５°）シェード照明手段６とが用いられている。ハイライト照明手段５は、光源５ａ、光拡散部材５１、及びレンズ５２を備えている。一方シェード照明手段６は、光源６ａ、光束規制板６１、及び集光レンズ６２を備えている。なお、光源５ａ、６ａは点光源であっても良い。

光源５ａ、６ａの発光動作は発光回路５３、６３により行われ、該発光回路５３、６３は、制御部８により動作制御される。制御部８はＣＰＵなどからなり、測定制御手段８１、演算処理部８２、及びメモリ部８３を備えている。測定制御手段８１は、反射光測定のための光源５ａ、６ａの発光動作を制御するもので、発光制御信号を生成して発光回路５３、６３へ送信する。演算処理部８２は、測定試料２からの反射光を受光した受光センサ４の受光データ（反射光量データ等）に基づいて、所要の反射特性値を求めるものである。またメモリ部８３はＲＡＭまたはＥＥＰＲＯＭ等からなり、反射特性の測定値を記憶させたり、測定プログラム等を記憶したりする。

このような構成において、ハイライト照明手段５は前述の第１実施形態における光源部１ａを備えた照明手段と同等な構成とされている。すなわち、光源５ａの前方に光拡散部材５１を配置すると共に、集光レンズ５２と測定試料２との間にレンズ７が介在されており、第１実施形態と同様なテレセントリック光学系とされている。これにより、所定の角度幅を具備する測定光を、平行性の高い状態で測定試料に照射可能とされている。

これに対し、シェード照明手段６はテレセントリック光学系によらず、測定試料２に対して測定光を照射するよう構成されている（図１（ａ）に示した照明系と同様な照明系である）。具体的には、光源６ａから発せられた光を、光拡散部材等を通過させることなく光学レンズ６２に導き、テレセントリック光学系の構成要素としてのレンズ７と測定試料２との間から、測定試料２に対して照射するよう構成している。これは、シェード照明手段６は測定光の照射角度θ２が試料面法線に対する角度に対して比較的大きいことから、前述の通りテレセントリック光学系を構築せずとも、測定光の平行性が担保し易く、測定試料２０が曲面試料であってもさほどの誤差要因とならないからである。

さらにシェード照明手段６による測定光は、測定光が測定試料２に対して斜入射することから、その正反射光は測定光の照射角度θ２にほぼ等しい反射角度を備えることとなる。従って、測定試料２の法線と等しい方向の反射光を受光するようにしている本実施形態にあっては、シェード照明手段６による測定光の反射光として検出されるのは、正反射光近傍の鋭利性の高い反射特性部分ではなく、角度依存性のない拡散反射光にかかる特性部分である。この点からも、シェード照明手段６をテレセントリック光学系として構築する必要性は少ないのである。

このような反射光測定装置による反射光測定方法を説明する。先ず、ハイライト照明手段５からの測定光の照射は、制御部８の測定制御手段８１で制御信号により発光回路５３が動作され、光源５ａから適宜測定光が発せられることを起点とする。以下第１実施形態と同様に、光拡散部材５１により面発光に変換され、該面発光化された測定光は集光レンズ５２で集光されてレンズ７へ導かれる。そしてレンズ７で平行な光線にされた後、測定試料２へ照射される。またシェード照明手段６からの測定光の照射は、同様にして制御部により発光回路６３が動作され、光源６ａから適宜測定光が発せられることを起点とする。そして該測定光は、光束規制板６１、焦点位置に配置された光学レンズ６２を通過し、テレセントリック光学系としてのレンズ７を通過することなく、レンズ７と測定試料２との間隙から（つまり測定試料の法線からθ２傾斜した斜方向から）に測定試料２へ照射される。

これらハイライト照明手段５及びシェード照明手段６からそれぞれ照射された測定光による反射光は、テレセントリック光学系としてのレンズ７を通過し、受光レンズ３を介して受光センサ４により受光される。この際、ハイライト照明手段５からの測定光による反射光は、第１実施形態で説明した作用と同様なテレセントリック光学系による作用によって、測定試料２とレンズ７との間において相互に平行な光線のみが受光センサ４に導かれるようになる。一方、シェード照明手段６からの測定光による反射光は、特段テレセントリック光学系による矯正は不要なのであるが、受光光路上にレンズ７が配置されている関係上、同様にレンズ７を通過して受光センサ４に導かれるようになる。

そして受光センサ４で検出された受光データは制御部８の演算処理部８２へ送信され、その反射特性測定値が例えばマルチアングル側色値として出力されるものである。なお、本実施形態においては２つの角度から測定光を照射する場合について例示したが、さらに複数の角度から測定光を照射するようにしても良い。この場合、測定光の照射角度が測定試料２の試料面法線に対する角度（図中θ１で表示）に対して比較的小さいもの（例えば４０°以下程度）については、上記のハイライト照明手段５のようにテレセントリック光学系とすることが望ましい。また、ハイライト照明手段５に関し、集光レンズ５２を省略し、レンズ７の焦点位置に光拡散部材５１を配置するようにしても良い。

（第３実施形態）
図９〜図１１は、第１実施形態における光源部１ａの部分を他の光源部１ｂに変形した反射光測定装置を示す構成図である。この実施形態は、光源部１ｂの部分以外は第１実施形態と同様であるので、重複する部分については説明を省略する。

この実施形態にかかる光源部１ｂは、光源１００と、該光源１００の出射光が入射される光ファイバ１３とから構成されている。光ファイバ１３としては石英ガラス系光ファイバ、プラスチック系光ファイバを用いることができ、適宜な耐熱被覆層やバッファ層等を具備するものを用いることが望ましい。

また光ファイバ１３は、一本の光ファイバであっても、複数本の光ファイバを集合させたものであっても良い。一本の光ファイバとする場合は、大口径で高ＮＡ（開口数）のものを用いることが、面発光領域を広くできるので好ましい。また複数本の光ファイバを集合させて構成する場合、複数本の光ファイバを並列に並べて一体被覆層を施したテープ型光ファイバの形態や、複数本の光ファイバを断面円形状に集合させたバンドルファイバの形態とすることができる。特にバンドルファイバの場合、光源１００から効率的に面状光源化でき、しかも集光レンズ１２への投光も容易であり、光学系の形成を簡易に行えるので好ましい。

このような光ファイバ１３を備える光源部１ｂによれば、光源１００から発せられた光は、所定の開口面積（コア断面積）を備える光ファイバ１３の一端面へ入射され、光ファイバ１３内を伝播されて他端側へ至り、その端面側から出射される。この際、光ファイバ１３端面のコア断面積に応じた面発光が行われることになる。つまり点状の光源から面光源への変換が行われることとなり、前方の集光レンズ１２に対して面発光として入射されることとなる。そしてこの光は、集光レンズ１２により測定光ｐ１、ｐ２、ｐ３としてテレセントリック光学系を構築するレンズ７へ導かれ、以下前述の第１実施形態と同様な動作が為されるものである。

図１０に示す反射光測定装置は、上記第３実施形態の変形例にかかり、光源１００と、該光源１００の出射光が入射される光ファイバ１３とから構成される光源部１ｂを、同一の測定試料２の照明用として複数（２組を対象に）配置した例を示している。２組の光源部１ｂ、１ｂはそれぞれ測定試料２の法線に対して同じ照明角度になるよう傾斜して配置されており、いずれの光源部１ｂ、１ｂから発せられた測定光も、集光レンズ１２、１２を通して、共通のレンズ７へ導かれるよう構成されている。このように複数の光源部１ｂ、１ｂを、照明角度が同じになる面上に配置することで、測定試料２の測定域面内の照明輝度ムラが可及的に生じない照明（測定光の照射）が行えるようになるという利点がある。

図１１は、上記第３実施形態のさらなる変形例にかかり、光源１００と、該光源１００の出射光が入射される光ファイバ１３とから構成される光源部１ｂを、測定試料２の法線の一つを中心軸として、リング状に多数配置した例を示している。この実施形態においても、多数の光源部１ｂ、１ｂ…はそれぞれ測定試料２の法線に対して同じ照明角度になるよう傾斜して配置されており、いずれの光源部１ｂ、１ｂ…から発せられた測定光も、それぞれが備える集光レンズを通して、共通のレンズ（図１１では図示を省略している）へ導かれるよう構成されている。このように多数の光源部１ｂ、１ｂ…をリング状に配置することで、より一層測定試料２の測定域面内の照明輝度ムラが可及的に生じない測定光の照射が行えるようになる。

このような第３実施形態において、これをマルチアングル型測色計等に適用する場合は、上記光源部１ｂを前述のハイライト照明手段とし、これに加えて別途レンズ７と測定試料との間からシェード照明手段としての測定光を照射し得るよう構成すれば良い。この場合、同一の照明角度とした複数のシェード照明手段を設けるようにすることが望ましい。

また図１０、図１１に示す実施形態において、それぞれの光源部１ｂに個別に光源１００を具備させるようにしても勿論良いが、装置構成の簡略化、消費電力の削減等の観点から、光源１００を１個とし、該光源１００から発せられる光を複数の光ファイバ１３へ入射させる構成とすることが望ましい。具体的には、光ファイバ１３の光源１００と対向する端部側をバンドルファイバとし、各々の集光レンズに対向する側の端部へ向けて１本乃至は複数本の光ファイバを分散配置する構成を取ることができる。

（第４実施形態）
図１２は、第１実施形態における光源部１ａ（照明手段）の部分をケーラー照明系の態様に変形した反射光測定装置を示す構成図である。この実施形態も、ケーラー照明系の部分以外は第１実施形態と同様であり、また図１２では受光手段の部分を省略して描いている。

この実施形態における照明手段は、光源１００と集光レンズ１６、これらの間に必要に応じて介在される絞り機構１５、及びテレセントリック光学系を構築するためのレンズ７から構成されている。この構成でも、光源１００から発せられた光が、集光レンズ１０２を通過し、レンズ７を通して平行光とされて測定試料２へ照射されるのであるが、光源像が測定試料２に直接結像されないようなレンズ配置構成とされている。

すなわち、集光レンズ１６はレンズ７に対し、該レンズ７の焦点距離だけ離れた位置に配置されており、またレンズ７は光源１００の結像位置に配置されている（つまり、ケーラー照明系の配置とされている）。なお、絞り機構１５は余分な照明光を遮断し照明範囲を制限する視野絞りの役目を果たすもので、このような絞り機構１５を集光レンズ１６の手前に配置することで、測定光の入射角の冗長性を与えることができるようになる。

このような構成の照明手段によれば、集光レンズ１６の出射側面があたかも面発光源としての機能を果たすこととなり、そして測定試料２の測定域面内における各点に対して所定の角度幅をもって測定光の照射を行うことができる。この構成によれば、第１実施形態において用いたような光拡散部材１１等を用いることなく、集光レンズ１６とレンズ７との配置関係を調整するだけで同等な効果を得ることができるので、照明手段の光学系を簡素化できるという利点がある。

以上、本発明にかかる実施形態について説明したが、これら実施形態に限定されるものではない。例えば面光源を構築するために光源１００と光拡散部材１１、或いは光ファイバ１３との組み合わせた構成を示したが、これらに変えて複数の点状光源を集合させたもので面光源を構成しても良い。例えばＬＥＤ等の発光素子をアレイ状、格子状に複数基板上にマウントしたものを用いることができる。このような構成とすれば、面光源を簡易に構成でき、照明手段の光学系を簡素化できるという利点がある。

照明手段の相違による測定試料への測定光の照射状況の相違を説明するための説明図であり、（ａ）は従来の照明手段の場合を、（ｂ）本発明にかかる場合をそれぞれ示している。 所定の角度幅を持つ測定光が測定表面上の点Ａに照射されたときの反射特性Ｑ１を示す反射特性図である。 測定表面が曲面である場合の測定誤差発生状況を説明するための反射特性図である。 本発明にかかる照明手段による測定光の照射状況を説明するための構成図である。 テレセントリック光学系の構成を示す構成図である。 本発明にかかるテレセントリック光学系を採用した反射光測定装置の構成を示す構成図である。 本発明の第１実施形態にかかる反射光測定装置の構成を示す構成図である。 本発明の第２実施形態にかかる反射光測定装置の構成を示す構成図である。 本発明の第３実施形態にかかる反射光測定装置の構成を示す構成図である。 本発明の第３実施形態にかかる反射光測定装置の変形例について示す構成図である。 本発明の第３実施形態にかかる反射光測定装置のさらなる変形例について示す構成図である。 本発明の第４実施形態にかかる反射光測定装置の構成の要部を示す構成図である。 従来の反射光測定装置の基本的な構成を示す構成図である。 従来の多方向照明一方向受光方式の反射光測定装置の構成を示す構成図である。 従来の反射光測定装置における測定試料の反射特性を示す特性図である。 測定試料の測定表面が曲面である場合の反射特性を示す特性図である。 測定試料の測定表面が曲面である場合の、誤差発生要因を説明するための特性図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ 光源部
１０ 点光源
１００ 光源
１１ 光拡散部材
１２ 集光レンズ
１３ 光ファイバ
２、２０ 測定試料
２Ｓ、２０Ｓ 測定表面
３ 受光レンズ
４ 受光センサ
５ ハイライト照明手段
６ シェード照明手段
７ レンズ（テレセントリック光学系）
８ 制御部
ｐ１、ｐ２、ｐ３ 測定光
ｈ１ｓ、ｈ２ｓ、ｈ３ｓ 測定用反射光

Claims (10)

1. 測定対象物の測定域に測定光を照射する照明手段と、該照明手段により照射された測定光の前記測定域からの反射光を受光する受光手段とを具備する反射光測定装置において、
   前記照明手段は、測定対象物の測定域面内における各点に対して所定の角度幅をもって照射可能とされていると共に、
   前記照明手段及び受光手段は、テレセントリック光学系を介して、前記測定域への測定光の照射及び前記測定域からの反射光の受光がなされるよう構成されていることを特徴とする反射光測定装置。
2. 測定光の前記測定域への照射角度及び測定域からの反射光の受光角度を、該測定域面内において同一にするレンズを、前記照明手段及び受光手段のそれぞれの光路中に配置することで、前記テレセントリック光学系が構成されていることを特徴とする請求項１記載の反射光測定装置。
3. 照明手段が、光源と、該光源の出射光を散乱させる光拡散部材とからなる光源部を備えていることを特徴とする請求項１記載の反射光測定装置。
4. 照明手段が、光源と、該光源の出射光が入射される光ファイバとからなる光源部を備えていることを特徴とする請求項１記載の反射光測定装置。
5. 前記光ファイバが、バンドルファイバからなることを特徴とする請求項４記載の反射光測定装置。
6. 照明手段が、ケーラー照明光学系を備えていることを特徴とする請求項１記載の反射光測定装置。
7. 照明手段が、複数の光源からなる光源部を備えていることを特徴とする請求項１記載の反射光測定装置。
8. 測定対象物の測定域に測定光を照射する照明手段と、該照明手段により照射された測定光の前記測定域からの反射光を受光する受光手段とを具備する反射光測定装置において、
   前記照明手段は、測定対象物の測定域面法線との角度差が比較的小さい方向から測定光を照射するハイライト照明手段と、測定対象物の測定域面法線との角度差が比較的大きい方向から測定光を照射するシェード照明手段とを備えており、
   前記ハイライト照明手段は、測定対象物の測定域面内における各点に対して所定の角度幅をもって照射可能とされていると共に、
   前記ハイライト照明手段及び受光手段は、テレセントリック光学系を介して、前記測定域への測定光の照射及び前記測定域からの反射光の受光がなされるよう構成されていることを特徴とする反射光測定装置。
9. 曲面試料に対して測定光を照射し、その反射光を受光して反射特性を測定する反射光測定方法において、
   測定光を、曲面試料面内における各点に対して所定の角度幅をもって照射すると共に、
   測定光の曲面試料への照射角度及び曲面試料からの反射光の受光角度を、テレセントリック光学系を用いて、前記曲面試料面内において同一にして測定を行うことを特徴とする反射光測定方法。
10. 曲面試料が、メタリック塗装又はパールカラー塗装が塗布された曲面試料であることを特徴とする請求項９記載の反射光測定方法。

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