JP2007010576A - 測色装置と測色方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２つの偏光フィルタを用いることなく、表面反射光を除外し、拡散反射光の波長毎の強度を計測することができる技術を提供する。
【解決手段】 測色装置は、入射軸に沿った照明光で試料を照明する照明手段と、試料によって反射された反射光を受光する受光手段と、試料と受光手段との間に介在している偏光フィルタとを備えている。偏光フィルタは、反射光が透過するときに、照明光の入射軸と試料表面の法線とを含む入射面に対して垂直に振動している成分を吸収することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体の色彩を測定する技術に関する。

物体を照明光で照明するとともに物体によって反射された反射光を受光し、反射光の波長毎の強度を計測することによって、物体の色彩を定量的に測定する技術が開発されている。
物体によって反射された反射光には、照明光が物体表面において表面反射された表面反射光と、照明光が物体内部において拡散反射された拡散反射光とが含まれている。そのうちの表面反射光は、照明光が鏡面的に反射されたものであり、その波長毎の強度には照明光の波長毎の強度が強く反映される。物体の色彩を正確に測定するためには、表面反射光を除外し、拡散反射光の波長毎の強度を計測する必要がある。
特許文献１には、偏光を利用して、人の肌の色を測定する技術が開示されている。この技術では、照明手段と肌との間に第１の偏光フィルタを用意し、照明光を直線偏光に変換した上で、肌に入射させている。特許文献１によると、肌に直線偏光を入射した場合、表面反射では照明光の偏光状態が維持されることから、表面反射光は直線偏光になるという。一方、拡散反射では振動方向が様々に変化することから、拡散反射光はあらゆる方向に振動する非偏光になるという。そのことから、特許文献１の技術では、肌と受光手段との間に、第１の偏光フィルタと偏光方向が直交する第２の偏光フィルタを用意することによって、表面反射光を吸収するようにしている。
特開２００２−２０００５０号公報

特許文献１の技術では、照明手段と測定対象との間に位置する第１の偏光フィルタと、測定対象と受光手段との間に位置する第２の偏光フィルタを用意する必要がある。第１の偏光フィルタでは、照明光の光強度の略半分が吸収されてしまう。第２の偏光フィルタでは、拡散反射光の光強度の略半分が吸収されてしまう。そのことから、受光手段において拡散反射光を十分な強度で受光するためには、比較的に出力の大きい照明手段を用意することが必要となる。
本発明は、２つの偏光フィルタを用いることなく、表面反射光を除外し、拡散反射光の波長毎の強度を計測することができる技術を提供する。

本発明の技術は、物体等の色彩を測定するための測色装置に具現化することができる。この測色装置は、入射軸に沿った照明光で試料を照明する照明手段と、試料によって反射された反射光を受光する受光手段と、試料と受光手段との間に介在している偏光フィルタとを備えている。そして、偏光フィルタは、反射光が透過するときに、入射面に対して垂直に振動している成分を吸収することを特徴とする。ここでいう入射面とは、照明光の入射軸と試料表面の法線とを含む平面を示す。

試料に入射した照明光は、その一部が試料表面において表面反射されるとともに、その一部が試料内部において拡散反射される。
試料表面における表面反射では、照明光のなかで入射面に対して垂直に振動する成分と、照明光のなかで入射面に対して平行に振動する成分が、互いに異なる反射率によって反射される。各振動方向の成分に対する反射率は、照明光が試料表面へ入射するときの入射角に応じて変化する。このとき、入射面に対して平行に振動する成分については、その反射率がゼロとなる入射角が存在する。この入射角は、一般にブリュースタ角と呼ばれている。照明光の入射角がブリュースタ角に等しい場合、照明光が非偏光であっても、表面反射光は入射面に対して垂直に振動する成分のみを持つ直線偏光となる。一方、試料内部において拡散反射された拡散反射光は、常に非偏光となる。従って、照明光の入射角をブリュースタ角に調整するとともに、反射光のなかで入射面に対して平行に振動している成分のみを抽出できれば、表面反射光を除外した上で拡散反射光の波長毎の強度を計測することが可能となる。
本発明によって具現化される測色装置では、試料と受光手段との間に、入射面に対して垂直に振動する成分を吸収する偏光フィルタが用意されている。それにより、反射光のなかで入射面に対して平行に振動している成分のみを受光することができる。照明光の入射角をブリュースタ角に調整することによって、表面反射光が偏光フィルタによって除外されることとなり、拡散反射光の波長毎の強度を正しく計測することができる。
この測色装置によると、２つの偏光フィルタを用いることなく、表面反射光を除外し、拡散反射光の波長毎の強度を計測することができる。

試料表面に対するブリュースタ角は、試料の光屈折率に応じて変化する。そのことから、上記の測色装置では、試料の光屈折率を入力する入力手段と、入力手段によって入力された光屈折率に基づいて、照明手段による照明光の入射軸と試料表面の法線とがなす入射角を調整する調整手段が付加されていることが好ましい。

試料表面に対するブリュースタ角は、試料の光屈折率に基づいて計算することができる。そのことから、上記の測色装置では、入力手段によって入力された光屈折率に基づいて、試料表面に対するブリュースタ角を計算する計算手段が付加されていることが好ましい。この場合、調整手段は、入射角を、計算手段によって計算されたブリュースタ角に調整することが好ましい。

本発明の技術は、物体等の色彩を測定するための測色方法に具現化することもできる。この方法は、入射軸に沿った照明光で試料を照明する工程と、試料によって反射された反射光を、偏光フィルタを透過させた後に受光する工程を備えている。この方法で用いる偏光フィルタは、反射光が透過するときに、照明光の入射軸と試料表面の法線とを含む入射面に対して垂直に振動している成分を吸収することを特徴とする。
この測色方法によると、２つの偏光フィルタを用いることなく、表面反射光を除外し、拡散反射光の波長毎の強度を計測することができる。

本発明によって、物体等の色彩を正確に測定することが可能となる。１つの偏光フィルタで足りることから、２つの偏光フィルタによって弱められた反射光から測色するという困難な作業が必要とされない。

最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１） 測色装置は、回動可能な試料台を備えている。
（形態２） 測色装置は、試料によって反射された反射光を受光し、反射光の波長毎の光強度を測定する光度計を備えている。
（形態３） 測色装置は、照明光の正反射方向と光度計の受光軸とがなす変角を調整する手段を備えている。

本発明を実施した測色装置について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施例の測色装置１０の構成を模式的に示している。測色装置１０は、物体等の色彩を定量的に測定する装置である。
測色装置１０は、色彩の測定対象である試料１００を載置するための試料台１４を備えている。試料台１４は、基準軸Ｃの回りに回動可能に設けられている。試料台１４には、試料表面１００ａ内に基準軸Ｃが位置するように、試料１００が固定される。この場合、試料表面１００ａの法線方向Ｄｂは、ｘｙ平面内に位置している。試料台１４が基準軸Ｃの回りに回動すると、試料表面１００ａの法線方向Ｄｂは、ｘｙ平面内において基準軸Ｃの回りに回動する。
測色装置１０は、試料台１４上の試料１００を照明するための光源器１２を備えている。光源器１２は、例えばハロゲンランプを用いて構成することができる。光源器１２の光軸Ｄａは、ｘｙ平面内において基準軸Ｃに向けて伸びており、基準軸Ｃと垂直に交わっている。光源器１２が発した照明光２は、基準軸Ｃの近傍において試料１００の試料表面１００ａに入射する。照明光２が試料表面１００ａに入射するときの入射角は、光源器１２の光軸Ｄａと試料表面１００ａの法線方法Ｄｂとがなす角θとなる。測色装置１０では、試料台１４を基準軸Ｃの回りに回動させることによって、試料表面１００ａを照明するときの照明光２の入射角を調整できるようになっている。

測色装置１０は、回転台１６と、光度計１８と、偏光フィルタ２０を備えている。回転台１６は、基準軸Ｃの回りに回動可能となっている。光度計１８と偏光フィルタ２０は、回転台１６上に配置されている。光度計１８の受光軸Ｄｄは、ｘｙ平面内において基準軸Ｃに向けて伸びており、基準軸Ｃと垂直に交わっている。偏光フィルタ２０は、基準軸Ｃと光度計１８の間に配置されている。試料１００によって反射された反射光４は、偏光フィルタ２０を透過した後に、光度計１８によって受光される。
光度計１８は、いわゆる分光光度計であり、反射光４の波長毎の強度を測定することができる。光度計１８は、分光器（例えばプリズム）や受光素子（例えばフォトダイオードアレイ等）を用いて構成されている。
偏光フィルタ２０は、その吸収軸がｚ軸方向に伸びている直線偏光子を備えている。偏光フィルタ２０は、試料１００によって反射された反射光４が透過するときに、ｘｙ平面に対して垂直に振動する成分は吸収し、ｘｙ平面に対して平行に振動する成分のみを透過させる。光度計１８には、反射光４のなかのｘｙ平面に対して平行に振動する成分のみが入射する。
回転台１６が回動すると、光度計１８の受光軸Ｄｄが、ｘｙ平面内において基準軸Ｃの回りに回動する。このとき、受光軸Ｄｄと正反射方向Ｄｃとがなす角αが変化する。受光軸Ｄｄと正反射方向Ｄｃとがなす角αは、一般に変角と呼ばれている。測色装置１０では、回転台１６を基準軸Ｃの回りに回動させることによって、変角αを調整することができる。

図１に示すように、測色装置１０は、試料台１４を回動させる第１モータ２２と、回転台１６を回動させる第２モータ２４と、第１モータ２２と第２モータ２４の動作を制御するモータコントローラ２６と、計算装置３０を備えている。計算装置３０は、ブリュースタ角計算部３２と、色彩指標計算部３４と、表示装置４０と、入力装置４２等を備えている。計算装置３０には、光度計１８やモータコントローラ２６が接続されている。計算装置３０は、汎用のコンピュータ装置を用いて構成されている。

計算装置３０のブリュースタ角計算部３２は、試料１００の光屈折率に基づいて、試料表面１００ａに対するブリュースタ角を計算する。試料１００の光屈折率は、オペレータ等が入力装置４２を用いて入力することができる。ブリュースタ角計算部３２が計算したブリュースタ角は、モータコントローラ２６に教示される。モータコントローラ２６は、第１モータ２２の動作を制御して、光源器１２の光軸Ｄａと試料表面１００ａの法線方向Ｄｂとがなす角θをブリュースタ角に調整する。

図２を参照して、ブリュースタ角計算部３２が計算するブリュースタ角について説明する。図２は、試料表面１００ａに照明光２が入射角θで入射している状態を示している。このとき、照明光２の一部は試料表面１００ａで正反射し、表面反射光４ａとなって正反射方向Ｄｃへと進む。また、照明光２の一部は試料表面１００ａで屈折し、透過光６となって透過方向Ｄｅへと進む。照明光の入射軸（光源器１２の光軸Ｄａ）と、試料表面１００ａの法線方向Ｄｂと、正反射方向Ｄｃと、透過方向Ｄｅは、ｘｙ平面内に位置している。一般に、照明光の入射軸（光源器１２の光軸Ｄａ）と試料表面１００ａの法線方向Ｄｂとを含む平面は、入射面とよばれる。本実施例では、ｘｙ平面が入射面に相当する。また、試料表面１００ａの法線方向Ｄａと透過方向Ｄｅとがなす角φは、透過角とよばれる。
試料表面１００ａにおける表面反射では、照明光２のなかでｘｙ平面（入射面）に対して平行に振動している成分と、照明光２のなかでｘｙ平面（入射面）に対して垂直に振動している成分が、異なる反射率によって反射される。照明光２のｘｙ平面に対して平行に振動している成分の強度をＨｐ、照明光２のｘｙ平面に対して垂直に振動している成分の強度をＨｓ、表面反射光４ａのｘｙ平面に対して平行に振動している成分の強度をＪｐ、表面反射光４ａのｘｙ平面に対して垂直に振動している成分の強度をＪｓとすると、フレネルの法則から以下の関係が成立する。
Ｒｐ＝Ｊｐ／Ｈｐ＝ｔａｎ^２（θ−φ）／ｔａｎ^２（θ＋φ） ・・（１）
Ｒｓ＝Ｊｓ／Ｈｓ＝ｓｉｎ^２（θ−φ）／ｓｉｎ^２（θ＋φ） ・・（２）
上式のＲｐ、Ｒｓは、一般にフレネル係数と呼ばれている。フレネル係数Ｒｐは、入射面に対して平行に振動している成分に対する反射率を示す。フレネル係数Ｒｓは、入射面に対して垂直に振動している成分に対する反射率を示す。上記の（１）式から、θ＋φ＝π／２となるときに、フレネル係数Ｒｐがゼロとなることがわかる。このときの入射角θを、ブリュースタ角θｂという。照明光２が試料表面１００ａにブリュースタ角θｂの入射角で入射した場合、表面反射光４ａはｘｙ平面に対して垂直に振動する成分Ｊｓのみを持つ直線偏光となる。

ブリュースタ角θｂは、試料１００の光屈折率を用いて計算することができる。空気の光屈折率をｎ１、試料１００の光屈折率をｎ２とすると、スネルの法則から、入射角θと透過角φとの間には次式の関係が成立する。
ｎ１・ｓｉｎθ＝ｎ２・ｓｉｎφ ・・（３）
上記の（３）式とθｂ＋φ＝π／２の関係から、ブリュースタ角θｂは次式によって求めることができる。
ｔａｎθｂ＝ｎ２／ｎ１ ・・（４）
測定環境が大気中であれば、空気の屈折率ｎ１は１に近似することができるので、上記の（４）式は次式に近似することができる。
ｔａｎθｂ＝ｎ２ ・・（５）
ブリュースタ角計算部３２は、上記の（５）式を用いて、ブリュースタ角θｂを計算する。

計算装置３０の色彩指標計算部３４は、光度計１８によって計測された波長毎の強度に基づいて、試料１００の色彩を示す指標を計算する。本実施例では、ＣＩＥ１９７６（Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊）表色系を採用しており、色彩指標計算部３４はＬ^＊値とａ^＊値とｂ^＊値を計算する。Ｌ^＊値は色彩の明度を記述する指標である。Ｌ^＊値が大きいほど色彩が明るいことを示す。ａ^＊は色彩の赤と緑の色相に対する強度を記述する指標である。ａ^＊値が正の値で大きいほど赤の色相を示し、ａ^＊値が負の値で小さいほど緑の色相を示す。ｂ^＊値は黄と青の色相に対する強度を記述する指標である。ｂ^＊値が正の値で大きいほど黄の色相を示し、ｂ^＊値が負の値で小さいほど青の色相を示す。
色彩指標計算部３４が計算したＬ^＊値とａ^＊値とｂ^＊値は、表示画面４０に表示することができる。また、色彩指標計算部３４が計算したＬ^＊値とａ^＊値とｂ^＊値は、コンピュータグラフィクス（ＣＧ）装置による自動車等の再現表示等に利用される。

図３は、測色装置１０を用いて試料１００を測色する手順を示すフローチャートである。図３に示すフローに沿って、測色装置１０を用いて試料１００を測色する手順について説明する。
ステップＳ２では、測色する試料１００を試料台１４に載置する。測色装置１０は、様々な試料１００を測色することができる。ここでは、自動車ボディ用の塗装面が形成されている試料１００を用いるものとする。図４に示すように、自動車ボディ用の塗装面では、基材１０６に、着色顔料や光輝材を含む塗料層１０４や、無色透明のクリア層１０２等が形成されている。
ステップＳ４では、入力装置４２等を用いて、測色装置１０に試料１００の屈折率を入力する。ここでは、試料表面１００ａを形成しているクリア層１０２の屈折率を入力する。クリア層１０２の屈折率は、予め測定しておくことができる。一般に、自動車ボディ用の塗装面のクリア層の屈折率は、１．４８〜１．６０の範囲にあることが多い。

ステップＳ６では、計算装置３０のブリュースタ角計算部３２が、入力された試料１００（ここではクリア層１０２）の屈折率に基づいて、ブリュースタ角θｂを計算する。例えばクリア層１０２の屈折率が１．５３の場合、ブリュースタ角θｂは略５７度となる。
ステップＳ８では、モータコントローラ２６が、第１モータ２２を動作させて、光源器１２の光軸Ｄａと試料表面１００ａの法線方向Ｄｂとがなす角θを、ブリュースタ角θｂに調整する。それにより、照明光２の入射角がブリュースタ角θｂに調整される。
このステップＳ８において、照明光２の入射角をブリュースタ角θｂに厳密に調節する必要は必ずしもない。例えばクリア層１０２の屈折率が１．５３であって、略１％の測定誤差が許容される場合であれば、入射角を５５度から５９度の間に調整すればよい。逆に、入射角を５７度に調整した場合、クリア層１０２の屈折率が１．４８〜１．６０であれば、測定誤差を１％以内に抑えることができる。即ち、入射角を５７度に設定しておけば、自動車用の塗装面の多くを１％以内の測定誤差によって測色することができる。
ステップＳ１０では、光源器１２をオンさせて、試料１００の照明を開始する。図４は、光源器１２が試料１００の試料表面１００ａを照明する様子を示している。図４に示すように、光源器１２からの照明光２は、試料表面１００ａにブリュースタ角θｂの入射角で入射する。試料表面１００ａに入射した照明光２は、一部が試料表面１００ａにおいて表面反射され、一部が塗料層１０４において拡散反射される。表面反射光４ａは、主に正反射方向Ｄｃに向けて進む。表面反射光４ａは、ｘｙ平面に対して垂直に振動する成分のみを持つ直線偏光となっている。一方、拡散反射光４ｂ（図中の破線矢印群）は様々な方位に向けて進む。拡散反射光４ｂは、特定の振動方向を持たない非偏光となっている。なお、図中の符号ｐが付された記号はｘｙ平面に対して平行に振動している成分を示しており、図中の符号ｓが付された記号はｘｙ平面に対して垂直に振動している成分を示している。

図３のステップＳ１２では、モータコントローラ２６が第２モータ２４を動作させることによって、正反射方向Ｄｃと光度計１８の受光軸Ｄｄとがなす角α（図１参照）を調整する。それにより、試料１００を測色する際の変角αが調整される。
ステップＳ１４では、光度計１８が、試料１００によって反射された反射光４の波長毎の強度を計測する。図５は、光度計１８によって反射光４が受光される様子を示している。図５に示すように、試料１００によって反射された反射光４には、試料表面１００ａにおいて表面反射された表面反射光４ａと、塗料層１０４において拡散反射された拡散反射光４ｂが含まれている。表面反射光４ａはｘｙ平面に対して垂直に振動する成分のみを持つ直線偏光となっているので、表面反射光４ａは偏光フィルタ２０によって吸収される。一方、拡散反射光４ｂはあらゆる方向に振動している非偏光となっているので、拡散反射光４ｂのなかでｘｙ平面に対して平行に振動している成分は、偏光フィルタ２０を透過していく。光度計１８には、拡散反射光４ｂのみが入射する。光度計１８は、拡散反射光４ｂの波長毎の強度を正確に計測することができる。測色装置１０は、例えば変角αがゼロに近い範囲（正反射方向Ｄｃの近傍範囲）においても、試料表面１００ａにおける表面反射の影響を受けることなく、試料１００の塗料層１０４を測色することができる。
光度計１８が計測した拡散反射光４ｂの波長毎の強度は、色彩指標計算部３４に入力される。色彩指標計算部３４は、入力した波長毎の強度に基づいて、Ｌ^＊値やａ^＊値やｂ^＊値を計算する。計算されたＬ^＊値やａ^＊値やｂ^＊値は、例えば表示装置４０等にグラフ表示することができる。
以下、ステップＳ１２、Ｓ１４の工程が繰り返すことによって、変角αを変更しながら、試料１００の塗料層１０４の測色を順次実施することができる。

図６、図７、図８に、測色装置１０を用いて試料１００を測色した結果を例示する。図６はＬ^＊値を示しており、図７はａ^＊値を示しており、図８はｂ^＊値を示している。各図中のグラフＡは本実施例の測色装置１０による測定結果を示しており、各図中のグラフＢは従来の測色装置による測定結果を示している。ここでいう従来の測色装置とは、照明光の入射角が６０度に設定されており、偏光フィルタ２０を備えていない測色装置である。図６、図７、図８に示すように、本実施例の測色装置１０と従来の測色装置では、変角αが略１５度以下の範囲において、測定結果に顕著な差異が現れる。本実施例の測色装置１０では、試料表面１００ａにおける表面反射の影響を受けることなく、塗料層１０４を測色できていることを確認することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

実施例の測色装置の構成を示す模式図。 表面反射の偏光状態を説明する図。 測色装置を用いて測色する手順を示すフローチャート。 試料によって光が反射される様子を示す図。 反射光が偏光フィルタを介して受光される様子を示す図。 Ｌ^＊値の測定結果の一例を示す図。 ａ^＊値の測定結果の一例を示す図。 ｂ^＊値の測定結果の一例を示す図。

符号の説明

１０：測色装置
１２：光源器
１４：試料台
１６：回転台
１８：光度計
２０：偏光フィルタ
２２：第１モータ
２４：第２モータ
２６：モータコントローラ
３０：計算装置
３２：ブリュースタ角計算部
３４：色彩指標計算部
４０：表示装置
４２：入力装置

Claims (4)

1. 入射軸に沿った照明光で試料を照明する照明手段と、
   試料によって反射された反射光を受光する受光手段と、
   試料と受光手段との間に介在している偏光フィルタとを備え、
   前記偏光フィルタは、反射光が透過するときに、照明光の入射軸と試料表面の法線とを含む入射面に対して垂直に振動している成分を吸収することを特徴とする測色装置。
2. 試料の光屈折率を入力する入力手段と、
   入力手段によって入力された光屈折率に基づいて、前記照明手段による照明光の入射軸と試料表面の法線とがなす入射角を調整する調整手段と、
   が付加されていることを特徴とする請求項１の測色装置。
3. 入力手段によって入力された光屈折率に基づいて、試料表面に対するブリュースタ角を計算する計算手段が付加されており、
   前記調整手段は、前記入射角を、計算手段によって計算されたブリュースタ角に調整することを特徴とする請求項２の測色装置。
4. 入射軸に沿った照明光で試料を照明する工程と、
   試料によって反射された反射光を、偏光フィルタを透過させた後に受光する工程を備えており、
   前記偏光フィルタは、反射光が透過するときに、照明光の入射軸と試料表面の法線とを含む入射面に対して垂直に振動している成分を吸収することを特徴とする測色方法。

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