JP2008249521A - 光学特性測定装置、光学特性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正反射角の高い検出精度を有する光学特性測定装置及び光学特性測定方法を提供する。
【解決手段】分光部２２と受光部２０とを一体化し、これらをジオメトリー平面に直交し、且つ、開口中心Ａを通る軸を回転軸として回転可能に構成した。また、反射特性値の測定動作を行う前に、正反射光の反射方向に相当する位置を基準とする所定領域内で詳細にスキャンする（複数の位置で受光動作を行う）ようにした。そして、その正反射光の位置に基づいて反射特性値を算出するための測定位置を決定し、その測定位置で測定動作を行うようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、照明方向や観察方向によって異なる色彩を有するメタリック塗装やパール塗装などの特殊効果塗膜の光学特性の測定に用いられる光学特性測定装置及び光学特性測定方法に関する。

例えば自動車のボディの塗装などに用いられるメタリック塗料やパールカラー塗料には、薄片状のアルミニウムやマイカなどからなる光輝材が含まれており、この光輝材の向きに起因する反射光のばらつきにより、光輝材からの反射光強度が見る方向によって異なり、これによってメタリック効果やパール効果が得られる。このような性質を有するメタリック塗装やパールカラー塗装などの素材の光学特性を測定する場合は、１つの角度から見た反射光のみで測定を行っても光輝材のばらつきによる光学特性の違いを評価することはできないことから、通常、複数の角度の反射光を測定することで前記光学特性の違いを評価する。ここで、複数の角度の反射光を測定できる装置としてマルチアングル測色計が用いられる。

この種のマルチアングル測色計においては、一般的に、以下のようなジオメトリー誤差を有する。
（１）初期角度誤差；この誤差は、製造上の様々な誤差によって、照明方向及び受光方向の測定面法線（測定対象物の被測定面の法線）からの角度（対法線角）が、本来の設計値からずれることにより生ずる誤差である。
（２）姿勢誤差；この誤差は、測定面法線とマルチアングル測色計の基準軸とが一致しないために生じる誤差。測定面が平面でない場合に生じ易い誤差である。

このようなジオメトリー誤差は、とりわけ反射特性の方向依存性が大きい正反射に近い方向での角度誤差に起因する測定安定性に影響を与える。例えば、測定面法線に対し４５°傾斜した方向から照明光を照射し、当該照明光の正反射方向から１５°、２５°、４５°、７５°及び１１０°だけそれぞれ傾いた各方向（位置）で受光する一方向照明多方向受光方式のマルチアングル測色計では、正反射方向から１５°、２５°方向の測定値に対するジオメトリー誤差の影響が特に大きくなる。

このようなジオメトリー誤差の影響を解消すべく、例えば下記特許文献１には前記姿勢誤差の補正技術が示されている。特許文献１の方法は、補正の基礎となる姿勢誤差量を４５°方向の照明に対する反射特性の方向依存性を関数近似して姿勢誤差を推定し、この推定値に基づいて誤差補正を行うものである。

しかしながら特許文献１の方法では、一般的なマルチアングル測色計の４５°方向の照明系を、姿勢誤差検出用の照明系として用いている関係上、精度良く姿勢誤差の補正を行うことができなかった。すなわち、測定面法線から大きく離間した４５°方向の照明系を用いた場合、前記反射特性の方向依存性を求めるに際してベースとなる反射特性が、正反射方向の両側での媒質の光学特性の非対称性や他の要因の影響を受けて対称な反射特性とならないことから、関数近似の精度が十分でなく、姿勢誤差量の精度も十分でないという問題があった。

そこで、このような問題を解決するべく、下記特許文献２には、照明光学系とは別系統の測定系で構成された姿勢誤差検出用照明系を備え、姿勢誤差検出用照明系により、測定面に向けて、測定面と直交する面内の略法線角方向から照明光を照明し、その反射光強度に基づいて姿勢誤差を検出する構成が開示されている。
特開２００１−５０８１７号公報 特開２００６−１０５０８号公報

しかしながら、前記特許文献２は、実際の正反射光を検出するものではなく、正反射光から離れた位置で、姿勢誤差検出用照明系における反射光の強度に基づいて姿勢誤差を検出するため、依然として十分な正反射角（姿勢誤差）の推定精度が得られなかった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、正反射角の高い検出精度を有する光学特性測定装置及び光学特性測定方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、被測定物を照明する照明部と、前記照明部による照明状態下で前記被測定物により反射される反射光を複数の受光角で受光可能な受光部と、前記各受光角で前記受光部から得られた出力信号に基づき、前記正反射光の位置を検出する検出部と、前記検出部により検出された正反射光の位置を基準に、予め設定される所定の位置で前記照明部の照明動作により被測定物から反射される反射光を前記受光部に受光させる受光制御部と、前記受光制御部の指示により前記受光部から得られた出力信号に基づいて、前記被測定物の光学特性値を算出する算出部とを有する光学特性測定装置である。

請求項６に記載の発明は、被測定物を照明する照明部と、前記照明部による照明状態下で前記被測定物により反射される反射光を複数の受光角で受光可能な受光部とを備えた光学特性測定装置の光学特性測定方法であって、検出部が、前記各受光角で前記受光部から得られた出力信号に基づき、前記正反射光の位置を検出するステップと、受光制御部が、前記検出部により検出された正反射光の位置を基準に、予め設定される所定の位置で前記照明部の照明動作により被測定物から反射される反射光を前記受光部に受光させるステップと、算出部が、前記受光制御部の指示により前記受光部から得られた出力信号に基づいて、前記被測定物の光学特性値を算出するステップとを有する光学特性測定方法である。

これらの発明によれば、前記受光部に複数の受光角で反射光を受光させ、前記各受光角で前記受光部から得られた出力信号に基づき、前記正反射光の位置を検出するようにしたので、正反射光の位置（出射方向）を正確に検出することが可能となる。

そして、そのようにして検出した正反射光の位置を基準に、予め設定される所定の位置で前記照明部の照明動作により被測定物から反射される反射光を前記受光部に受光させて、その受光動作で得られた出力信号に基づいて、前記被測定物の光学特性値を算出するようにしたので、被測定物の光学特性値を正確に算出することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学特性測定装置において、前記受光部は、前記被測定物に入射する入射光の光軸と前記被測定物による反射光の光軸とを含むジオメトリー平面に直交し、且つ、前記入射光の光軸と前記反射光の光軸との交点を通る軸を回転軸として回転可能に構成されているものである。

この発明によれば、前記受光部を、前記被測定物に入射する入射光の光軸と前記被測定物による反射光の光軸とを含むジオメトリー平面に直交し、且つ、前記入射光の光軸と前記反射光の光軸との交点を通る軸を回転軸として回転可能に構成したので、前記被測定物により反射される反射光を前記受光部が複数の受光角で受光可能な構成を、比較的簡単な構成で実現することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光学特性測定装置において、前記受光部は、前記被測定物の測定面に接する中心軸に対して回転対称な反射面を有するトロイダル鏡と、前記中心軸と一致する回転軸を中心として回転可能に構成され、前記トロイダル鏡の反射面で反射された反射光のうち、回転角度に対応する反射光を反射する回転光学系と、前記回転光学系により導かれた光を受光する受光センサとを備え、前記トロイダル鏡は、前記照明部による照明状態下で前記被測定物から反射される反射光のうち、前記中心軸に垂直な測定平面に平行な反射光を反射するとともに、当該トロイダル鏡の焦点円周上の前記中心軸回りの各方向に応じた位置に収束するものであり、前記被測定物から反射される反射光の反射方向に応じた位置に収束された光が、それぞれ前記回転光学系の回転軸周りの回転角度に応じて前記受光部に選択的に導かれるように構成されているものである。

この発明によれば、前記被測定物により反射される反射光を前記受光部が複数の受光角で受光可能な構成を、コンパクトな構成で実現することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の光学特性測定装置において、前記検出部は、前記各受光角で前記受光部から得られた出力信号のうち最大の出力値を有する出力信号を抽出し、この抽出した出力信号が得られた受光角に相当する位置を前記正反射光の位置として検出するものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の光学特性測定装置において、前記検出部は、前記各受光角で前記受光部から得られた出力信号の分布に対して重心を算出し、該重心に相当する位置を前記正反射光の位置として検出するものである。

請求項４，５に記載の発明によれば、正反射光の位置を複雑な演算を要することなく比較的簡単に且つ短時間で精度良く検出することができる。特に請求項４に記載の発明によれば、前記各受光角で前記受光部から得られた出力信号のうち最大の出力値を有する出力信号を抽出するだけであるから、重心の演算を要する請求項５に記載の発明に比して、短時間で正反射光の位置を検出することができる。一方、請求項５に記載の発明によれば、重心を算出するため、単に最大の出力値を有する出力信号を抽出する請求項４に記載の発明に比して、正反射光の位置をより高精度に検出することができる。

本発明によれば、被測定物の光学特性値を正確に算出することができるため、被測定物本来の光学特性、好ましくは光学的表面特性、さらに好ましくは反射特性を評価することができるとともに、被測定物の光学特性値の測定毎に、正反射光の位置を正確に検出するため、測定再現性を向上することができる。

本発明に係るマルチアングル測色計の実施形態について説明する。図１は、本発明に係るマルチアングル測色計の外観例を示す図である。図１に示すように、マルチアングル測色計１は、作業者により保持される保持部１ａと、該保持部１ａの一端側に設けられた操作表示部１ｂと、前記保持部１ａの他端側に設けられた当接部１ｃとを備えて構成されており、持ち運び可能なポータブル構造を有している。

保持部１ａには、被測定物に対する測定動作の開始を指示する入力を行うための測定トリガボタン１ａ−１が備えられている。測定トリガボタン１ａ−１は、前記測定動作の開始指示入力の操作性を考慮して、例えば保持部１ａを測定者が把持した際に親指が当接する位置に設置されている。操作表示部１ｂは、測定結果を表示する表示部１ｂ−１と、電源のオンオフを切り替えるための電源ボタン、表示部１ｂ−１による表示動作のオンオフを切り替えるための表示切替ボタン等からなる操作部１ｂ−２とを備える。当接部１ｃは、被測定物の測定面に接触させる底面１ｃ−１を備えた部位であり、該底面１ｃ−１には測定開口３が穿設されている。

図２は、測定開口３近傍の構成を示す断面図である。図２に示すように、当接部１ｃの底面１ｃ−１は平面をなし、測定開口３は、この平面内で例えば楕円形状を有して形成されている。以下、この平面を開口平面Ｘといい、また、測定開口３の中心を開口中心Ａ、前記開口平面Ｘに直交し、開口中心Ａを通る直線を法線Ｇというものとする。なお、図２では、開口平面Ｘを示すため、当接部１ｃの底面１ｃ−１と被測定物Ｓの測定面とを離間して図示しているが、被測定物Ｓの測定面が均一な平面の場合には、当接部１ｃの底面１ｃ−１と被測定物Ｓの測定面とは密着する。

図３は、本発明に係るマルチアングル測色計１の内部構成の一例（第１の実施形態）を示す図である。図４は、マルチアングル測色計１の制御系を示すブロック図である。

図３に示すように、マルチアングル測色計１は、照明部１０と、受光部２０と、制御部３０とを備えている。照明部１０は、ハロゲンランプやキセノンフラッシュランプ等からなる光源１１と、光源１１を駆動する発光回路１２と、光源１１から出力される光束を規制する光束規制板１３と、コリメートレンズ１４とを備えて構成されている。光源は、法線Ｇに対して所定角度（例えば４５°）を有する位置に設置されている。光束規制板１３は、その開口１３ａがコリメートレンズ１４の焦点位置に一致するように配置されており、光束規制板１３の開口１３ａを通過した光源１１からの光束は、コリメートレンズ１４によってコリメート（集光）されて平行光束となって被測定物Ｓの測定面に導かれる。

受光部２０は、被測定物Ｓから反射された平行光束を集束する受光光学系２１と、この受光光学系２１の結像位置に配設され、受光光学系２１を透過した光を制限する後述の入射スリット２２ａ及び入射光束を波長ごとに分離する後述の回折格子２２ａ（図５参照）を備えた分光部２２と、光強度に応じた分光データを出力する受光センサ２３とを備えて構成されており、受光光学系２１を透過して入射スリット２２ａに入射した光束の分光強度を測定するものである。図５は、分光部２２の一例を示す構成図である。

図５に示すように、分光部２２は、前記入射スリット２２ａが適所に形成されたケース２２ｄ内に、レンズ２２ｂと回折格子２２ｃとを備えて構成されている。レンズ２２ｂは、入射スリット２２ａを通過した被測定光を平行光にして回折格子２２ｃへ導くと共に、回折格子２２ｃによって分散された入射スリット２２ａの分散像を受光センサ２３の受光面に結像させる。回折格子２２ｃは、入射した測定光を波長に応じて反射・分散させる機能を有し、受光センサ２３上に前記入射スリット２２ａの分散像を結像させるものである。

受光センサ２３は、所定の間隔で配列された複数の受光チャンネル（画素）を備えてなり、例えばシリコンフォトダイオードが一方向に１列に配列されたシリコンフォトダイオードアレイにより構成される。受光センサ２３の各受光チャンネルに入射した分散光（入射スリット分散像）は、各々のフォトダイオードの光電変換作用により電流に変換される。

図３、図４に戻り、受光センサ２３の各受光チャンネルから出力されるアナログ受光信号は、図略の増幅回路により増幅処理とＡ／Ｄ変換部２４によりＡ／Ｄ変換処理とが行われた後、制御部３０により取り込まれ、制御部３０において、被測定光の分光強度及び該分光強度に基づく反射特性値が算出される。

分光部２２は、モータ２５からの駆動力を受ける駆動力伝達部材の一例としてのアーム２６が接続されている。また、分光部２２と受光センサ２３とは一体化されている。そして、アーム２６がモータ２５から駆動力を受けると、分光部２２及び受光センサ２３は、前記被測定物Ｓに入射される入射光の光軸Ｌ１と前記被測定物Ｓによる反射光の光軸Ｌ２とを含む平面Ｒ（図１の紙面：以下、ジオメトリー平面という）に直交し、且つ、前記入射光の光軸と前記反射光の光軸との交点（開口中心Ａ）を通る軸を回転軸として、図１に示す矢印Ｑの方向に回転する。この構成により、受光部２０は反射光の受光位置を変えることができ、複数の受光位置で反射光を受光することができる。なお、前記受光位置は、受光角で規定されるものであり、該受光角とは、本実施形態では、法線Ｇと受光部２０（受光光学系２１）の光軸とのなす角をいう。

制御部３０は、図略のＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理部）と、そのＣＰＵの動作を規定するプログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）や一時的にデータを保管するＲＡＭ等の記憶部などを有して構成されており、マルチアングル測色計１の全体の動作を制御するものである。制御部３０は、機能的に、光源１１の発光動作を制御する照明制御部３１と、受光センサ２３の受光動作を制御する受光制御部３２と、受光センサ２３からの出力信号に基づいて被測定物Ｓの反射特性値等を求める演算処理部３３と、モータ２５の駆動を制御する駆動制御部３４とを有する。受光制御部３２は、前記受光制御部を含み、演算処理部３２は、前記検出部及び算出部を含む。

ここで、本実施形態では、制御部３０における前記各部３１〜３３が次のような処理を行う点に特徴を有している。図６は、制御部３０による一連の処理を示すフローチャートである。

図６に示すように、まず、制御部３０は、ダーク測光を行う（ステップ♯１）。このダーク測光とは、受光センサ２３や受光部２０に備えられる各種回路のオフセット（受光センサ２３に光が略完全に入射されない状態で得られる出力値）をキャンセルするため、光源１１を消灯させた状態で受光センサ２３の受光動作を行わせて出力値を得る動作である。前記出力値は、制御部３０内の図略の記憶部に格納される。

次に、制御部３０は、光源１１を点灯させ（ステップ♯２）、受光部２０を正反射光の近傍位置へ移動させる（ステップ♯３）。正反射光の近傍位置とは、光源１１と法線Ｇに対して略対称な位置であり、正反射光を受光できると想定される位置である。そして、制御部３０は、その位置で受光部２０に測光動作を行わせるとともに、受光部２０による測光回数をカウントする図略のカウンタを動作させてそのカウント値ＮをＮ＝０に設定した後（ステップ♯４）、受光部２０を予め定められた比較的微小な角度ピッチ（例えば１°）だけ図１に示す矢印Ｑで示す方向に回転させ、その位置で受光部２０に測光動作を行わせる（ステップ♯５）。制御部３０は、前記正反射光の近傍位置を中心に複数の位置で受光部２０に測光動作を行わせたか否か、すなわち、受光部２０による測光回数Ｎが予め定められた回数Ｎｔに達したか否かを判断し（ステップ♯８）、達していない場合には（ステップ♯８でＮＯ）、ステップ♯５〜♯７を繰り返し実行する。例えば、前記正反射光の近傍位置から矢印Ｑが示す２つの方向に正負を設定すると、ステップ♯５〜♯７においては、制御部３０は、前記近傍位置から例えば±５°の移動角度で表される測定範囲を例えば１°ピッチで受光部２０に測光動作を行わせる。

そして、制御部３０は、受光部２０による測光回数Ｎが予め定められた回数Ｎｔに達すると（ステップ♯８でＹＥＳ）、前記各位置で得られた出力値からステップ♯１のダーク測光で得られたオフセットを差し引いた値に基づいて正反射光の位置を検出する（ステップ♯９）。ここで、正反射光の位置検出は、反射特性値の算出処理を行う必要はなく、前記受光センサ２３が受光動作を行った前記各位置と受光センサ２３の出力値との関係から正反射角を導出することで、演算時間の短縮化を図ることができる。すなわち、前記各位置と受光センサ２３の出力値との関係から正反射角を導出する方法として、例えば、前記各位置で得られた受光センサ２３の出力値のうち、最大の出力値（ピーク値）が得られた位置をそのまま正反射光の位置として設定する方法がある。また、これとは別に、前記各位置において受光センサ２３から得られた出力値の分布について重心位置を算出し、この重心位置を正反射光の位置として設定する方法もある。すなわち、前記各位置をＫ（１），Ｋ（２），…，Ｋ（Ｎ−１），Ｋ（Ｎ）、これらの位置で受光センサ２３から得られた出力値をＤ（１），Ｄ（２），…，Ｄ（Ｎ−１），Ｄ（Ｎ）とすると、制御部３０は、次式により重心位置Ｋｇを算出する。

Ｋｇ＝｛Ｄ（１）×Ｋ（１）＋Ｄ（２）×Ｋ（２）＋…＋Ｄ（Ｎ−１）×Ｋ（Ｎ−１）＋Ｄ（Ｎ）×Ｋ（Ｎ）｝／｛Ｋ（１）＋Ｋ（２）＋…＋Ｋ（Ｎ−１）＋Ｋ（Ｎ）｝
前記各位置で得られた受光センサ２３の出力値のうち、最大の出力値（ピーク値）が得られた位置をそのまま正反射光の位置として設定する方法を採用した場合には、重心位置を算出する方法を採用する場合に比して、短時間で正反射光の位置を検出することができる一方、重心位置を算出し該重心位置を正反射光の位置として設定する方法を採用した場合には、最大の出力値（ピーク値）が得られた位置をそのまま正反射光の位置として設定する場合に比して、正反射光の位置をより高精度に検出することができる。

次に、制御部３０は、ステップ♯９で検出された正反射光の位置を基準に複数の測定位置を決定する。例えばＤＩＮ（ドイツ工業標準規格）の規格では、メタリック塗装の測色を行う場合、正反射光の位置から＋１５°、＋２５°、＋４５°、＋７５°、＋１１０°の各角度（以下、アスペキュラー角という）だけ移動した位置が測定位置として設定されている。制御部３０は、決定した複数の測定位置のうち第１番目の測定位置に受光部２０を移動させ（ステップ♯１０）、その測定位置で測光動作を行う（ステップ♯１１）。

そして、制御部３０は、全ての測定位置での測定動作が完了したか否かを判断し（ステップ♯１２）、全ての測定位置での測定動作が完了していない場合には（ステップ♯１２でＮＯ）、ステップ♯１０に戻り、受光部２０を他の測定位置に移動して測光動作を行う。一方、全ての測定位置での測定動作が完了すると（ステップ♯１２でＹＥＳ）、制御部３０は、光源１１を消灯させ（ステップ♯１３）、受光部２０を初期位置に移動させ（ステップ♯１４）、ステップ♯１１の測光動作で受光センサ２３から得られた各出力値に基づいて、各測定位置での反射特性値を算出する（ステップ♯１５）。

以上のように、本実施形態では、反射特性値の測定動作を行う前に、正反射光の反射方向に相当する位置を含む所定領域内（前述の例では、前記近傍位置から例えば±５°の移動角度で表される測定範囲）で詳細にスキャンする（複数の位置で受光動作を行う）ようにしたので、正反射光の位置を正確に検出することができる。そして、その正反射光の位置を基準に反射特性値を算出するための測定位置を決定し、その測定位置で測定動作を行うようにしたので、被測定物Ｓの反射特性値を正確に検出することができる。

図７は、光源１１により被測定物Ｓの測定面を照明したときに該測定面で反射される反射光の強度分布を開口中心Ａからの距離の大小で示した図である。図７（ａ）〜（ｃ）に示す強度分布Ｍ〜Ｍ”において、突出した部分は正反射光を示し、他の部分は拡散光を示す。図７（ａ）に示すように、マルチアングル測色計１における測定開口３の開口平面Ｘと被測定物Ｓの測定面Ｓａとが略一致している場合、正反射光の想定位置と実際の正反射光の位置とは一致する。したがって、図７（ａ）の強度分布Ｍに示すように、正反射光の想定位置（図７（ａ）の「Ａ」で示す位置）にピーク値が存在し、その想定位置からアスペキュラー角だけ移動した位置（図７（ａ）の「Ｂ」で示す位置）を測定位置として設定することができる。

ところが、測定開口３の開口平面Ｘと被測定物Ｓの測定面Ｓａとが略一致していない場合、正反射光の想定位置と実際の正反射光の位置とは一致せず、例えば、ピーク値が得られる位置が、図７（ｂ）に示すように、「Ａ」で示す位置から「Ａ’」で示す位置に移動する。ここで、被測定物Ｓからの反射光を、「Ａ」で示す位置を基準とした「Ｂ」で示す位置で受光すると、正反射光の位置が図７（ａ）に示す場合とずれているため、受光センサ２３による出力値に誤差が生じる（ここでは図７（ａ）に示す場合より大きな出力値となる）。

本実施形態では、このような場合でも、正反射光の想定位置を含む所定領域内で詳細にスキャンすることで、実際の正反射光の位置、ここでは図７（ｂ）の「Ａ’」で示す位置を正確に検出することができるので、その位置からアスペキュラー角だけ移動した位置（図７（ｂ）の「Ｂ’」で示す位置）も正確に検出することができる。したがって、図７（ａ）の「Ａ」で示す位置を正反射光の位置として測定位置を算出し該測定位置で測定動作を行う場合に比して、誤差の少ない出力値を得ることができる。

また、被測定物Ｓに光輝材（アルミフレークＳｆ）が含まれており、その光輝材が被測定面に対して傾いた状態で含有されている場合にも、正反射光の位置と実際の正反射光の位置とは一致しない場合がある。この場合、ピーク値が得られる位置が、図７（ｃ）に示すように、「Ａ」で示す位置から「Ａ”」で示す位置に移動する。ここで、被測定物からの反射光を、「Ａ」で示す位置を基準とした「Ｂ」で示す位置で受光すると、正反射光の位置が図７（ａ）に示す場合とずれているため、受光センサ２３による出力値に誤差が生じる（ここでは図７（ａ）に示す場合より大きな検出値となる）。

本実施形態では、このような場合でも、正反射光の想定位置を含む所定領域内で詳細にスキャンすることで、実際の正反射光の位置、ここでは図７（ｃ）の「Ａ”」で示す位置を正確に検出することができるので、その位置からアスペキュラー角だけ移動した位置（図７（ｃ）の「Ｂ”」で示す位置）も正確に検出することができる。したがって、図７（ａ）の「Ａ」で示す位置を正反射光の位置として測定位置を算出して該測定位置で測定動作を行う場合に比して、誤差の少ない出力値を得ることができる。

本件は、前記各実施形態に代えて、或いは前記各実施形態に加えて次の変形形態も採用可能である。

［１］被測定物Ｓから反射される反射光を受光する受光角を変える構成は、前記実施形態のように一体化された分光部２２及び受光センサ２３をモータ２５により図１に示す矢印Ｑの方向に駆動する構成に限らず、次のような構成も採用可能である。図８は、マルチアングル測色計の内部構成の他の例を示す断面図、図９は、図８の法線Ｇにおける側断面図、図１０は、図８に示す光源の位置における側断面図、図１１は、マルチアングル測色計の内部構成を立体的に示した斜視図である。

図８〜図１１に示すように、本実施形態のマルチアングル測色計１００は、測定面Ｓａに接する中心軸Ｚ（図９〜図１１参照）に対して回転対称の反射面を有するトロイダル鏡１１０と、前記測定面Ｓａに対して照明光を照射する照明部１２０と、前記測定面Ｓａからの反射光を受光する受光部１３０と、制御部３０とを備えている。なお、制御部３０は、前記第１の実施形態における制御部３０と略同様である。

トロイダル鏡１１０は、互いに直交する面内で異なる断面をもつ凹面鏡である。本実施形態で例示しているトロイダル鏡１１０は、中心軸Ｚをもち、この中心軸Ｚに直交する面内の断面は、図８に示すように比較的大きな円弧１１１とされ、中心軸Ｚを含む面内の断面は、図９に示すように比較的小さい円弧１１２とされた半円環状の光学部材である。

すなわち、測定面Ｓａの中心Ｐにおける法線Ｇを含む面を測定平面Ｒ（図８参照）とすると、トロイダル鏡１１０は、前記測定平面Ｒに直交し且つ前記測定面Ｓａに接する中心軸Ｚを有する。また、トロイダル鏡１１０は、前記中心軸Ｚに直交する面内では、中心軸Ｚを中心とする大きな円弧状の断面（円弧１１１）を有し、前記中心軸Ｚを含む面内では、放物線状の断面（円弧１１２）を有している。但し、前記円弧１１２（放物線）は、前記測定平面Ｒに平行で所定距離だけ離れた面内の中心軸Ｚを中心とし、前記円弧１１１のおよそ１／２の半径を有する焦点円周１１１ｆ上に焦点Ｆを有し、前記焦点Ｆから中心軸Ｚに降ろした垂線ｈを対称軸とする放物線である。

このようなトロイダル鏡１１０を具備させることで、測定面Ｓａからの反射光のうち、前記中心軸Ｚに垂直な測定平面Ｒに平行で、且つ前記中心軸Ｚ上で反射された反射光がトロイダル鏡１１０により反射される。そして、当該トロイダル鏡１１０の焦点円周１１１ｆ上の、前記測定面Ｓａで反射される前記反射光の反射方向に応じた位置に光束が収束されるようになる。

照明部１２０は、トロイダル鏡１１０の焦点円周１１１ｆ上であって、法線Ｇに対して４５°傾いた位置に配置された光源１２１を有している。光源１２１から出力される照明光束は、直接測定面Ｓａへ照射されるのではなく、図８、図１０に示すように、一旦トロイダル鏡１１０で反射されることで平行光束に変換された上で測定面Ｓａに照射される。このような構成とすることで、測定面Ｓａの周囲に光源１２１と前記第１の実施形態のようなコリメートレンズ１４（図３参照）とを設置する構成に比べて、照明部１２０を大幅に小型化できるようになる。

受光部１３０は、回転光学系として機能する平面鏡１３１と、リレー光学系としてのリレーレンズ１３２とを有する受光光学系と、前記実施形態と略同様の分光部２２及び受光センサ２３とを備える。なお、リレーレンズ１３２は、回転しない固定光学系である。分光部２２及び受光センサ２３は、前記実施形態と略同様であるからその説明を省略し、前記実施形態と同一の番号を付している。

平面鏡１３１は、楕円形（図１１参照）を有する高反射率の反射面を有する光学部品であって、前記トロイダル鏡１１０の中心軸Ｚと一致する回転軸１３１ｘ（図９参照）を有している。具体的に、平面鏡１３１は、回転軸１３１ｘに対して所定角度だけ傾斜して設置されており、制御部３０により、回転軸１３１ｘ周り（図８、図１１に示す矢印ｃの方向）に回転駆動されるようになっている。平面鏡１３１の回転範囲は、トロイダル鏡１１０における前記円弧１１１の全範囲に対向できるよう、回転軸１３１ｘ周りに１８０°程度回転するように設定されている。

すなわち、平面鏡１３１は、トロイダル鏡１１０で反射され焦点円周１１１ｆ上に収束した全ての光束が入射可能な位置に、且つ、中心軸Ｚ（回転軸１３１ｘ）の方向に前記光束を反射させることが可能な所定の傾斜角度で回転自在に配置される。そして、平面鏡１３１の回転角度により、前記焦点円周１１１ｆ上における光束の収束位置が選択され、特定方向の光束のみが分光部２２の入射スリット２２ａ（入射開口）へ導かれる。このように、平面鏡１３１の回転により、前記被測定物Ｓから反射される反射光のうち、受光する反射光を変えることができ、ひいては複数の受光角で反射光を受光することができる。なお、本実施形態における受光角とは、測定面Ｓａで反射されトロイダル鏡１１０に入射される光束（後述する反射光束１２１ｃ）の光軸と法線Ｇとのなす角をいう。

図１２は、平面鏡１３１の機能を説明するための図であって、図１１に示した平面鏡１３１の反射面と中心軸Ｚとの交点Ｔを通り、中心軸Ｚに直交する面における断面を模式的に示す図である。

図１２の実線で示すように、平面鏡１３１の断面の稜線が測定面Ｓａに平行な場合、測定面Ｓａからの反射光のうち、前記法線Ｇに一致する半径ＲＰ１に平行な成分が、トロイダル鏡１１０における前記測定面Ｓａと正対する反射面部分Ａ１で反射され、焦点円周１１１ｆ上の点Ｆ１に収束された後、入射スリット２２ａへ選択的に再収束される。

一方、図１２の点線で示すように、平面鏡１３１の断面の稜線が測定面Ｓａに平行な状態から所定角度θだけ回転した場合、前記法線Ｇから角度θだけ回転した半径ＲＰ２に平行な成分が、トロイダル鏡１１０における前記測定面Ｓａと正対する反射面部分Ａ２で反射され、焦点円周１１１ｆ上の点Ｆ２に収束された後、入射スリット２２ａへ選択的に再収束される。

このように平面鏡１３１は、その回転角度に応じて反射光の方向を選択し、入射スリット２２ａへ入射させることができる。すなわち、平面鏡１３１は、照明方向に対する受光方向の角度が、平面鏡１３１の回転角度に応じて可変とされるものである。

リレーレンズ１３２は、正の光学的パワーを有する光学レンズからなり、平面鏡１３１で反射された中心軸Ｚ（回転軸１３１ｘ）方向の反射光を、入射スリット２２ａに収束させるものである。これにより、平面鏡１３１の回転角度に応じて選択された焦点円周１１１ｆ上の所定位置に収束した光束が入射スリット２２ａに入射することとなる。

以上のように構成されたマルチアングル測色計１００の動作（光路）を、図８、図９、図１１を参照しつつ説明する。

法線Ｇに対して４５度傾いた位置に配置された光源１２１から、トロイダル鏡１１０に向けて出力された光束１２１ａは、トロイダル鏡１１０により反射され、測定平面Ｒに平行であって対法線角４５度の方向の平行光束１２１ｂとなって測定面Ｓａに照射される。前記平行光束１２１ｂは、この測定面Ｓａにより当該測定面Ｓａの反射特性に応じて反射される。

この反射光のうち、前記測定平面Ｒに平行な成分である反射光の光束１２１ｃ（図８，図９では、法線Ｇ方向の光束のみを示している）が、トロイダル鏡１１０にて反射される。そして、この反射光束１２１ｄは、トロイダル鏡１１０の円弧１１２が前記垂線ｈを対象軸とする放物線とされていることから、焦点円周１１１ｆ上の、前記測定面Ｓａで反射される前記反射光の反射方向に応じた位置（トロイダル鏡１１０での反射方向に依存する点）に収束される。

焦点円周１１１ｆ上の各点は、前記平面鏡１３１とリレーレンズ１３２とによって、分光部２２の入射スリット２２ａと結像関係を有する。また、平面鏡１３１の回転によって、前記焦点円周１１１ｆ上の各点に収束した光束が選択される。従って、平面鏡１３１の回転角に応じて、トロイダル鏡１１０から入射スリット２２ａへ至る光路が形成される。すなわち、平面鏡１３１で選択された焦点Ｆからの拡散光束１２１ｅは、平面鏡１３１にて中心軸Ｚ（回転軸１３１ｘ）方向へ反射され、リレーレンズ１３２へ入射する。そして、該リレーレンズ１３２により収束された光束１２１ｆとされて入射スリット２２ａへ入射する。

このとき、受光センサ２３により計測される分光強度は、平面鏡１３１の回転角度で決定する方向の反射光の分光強度となる。図８の例では、平面鏡１３１の回転角度が、法線Ｇ方向の反射光が選択される回転角度とされているので、前記照明光に対する対法線角０度方向の反射光の分光強度が測定されることとなる。

以上のような構成において、正反射光が入射スリット２２ａに導かれると想定される平面鏡１３１の回転角度を予め導出しておき、該平面鏡１３１をその回転角度から所定回転角度ピッチずつ回転させつつ受光センサ２３により受光動作を行うことで、正反射光の位置（本実施形態では正反射光が導かれている方向に相当）を正確に検出することができる。そして、その検出した正反射光の位置を基準に平面鏡１３１の回転角度、ひいては受光角を決定し、その受光角で測定動作を行うことで、被測定物Ｓの反射特性値を正確に検出することができる。

［２］前記変形形態［１］を実用化するに際しては、次の（１）〜（３）の点を解決することが望ましい。

（１）平面鏡１３１の回転軸１３１ｘ、リレーレンズ１３２の光軸及び分光部２２の入射スリット２２ａが、測定面Ｓａに接するトロイダル鏡１１０の中心軸Ｚに一致する構成であることから、平面鏡１３１、リレーレンズ１３２及び分光部２２の一部が、測定面Ｓａよりも下側に配置され（図９参照）、測定面Ｓａとマルチアングル測色計１００の一部とが干渉することから大きな被測定物を測定対象とすることができない。

（２）トロイダル鏡１１０で反射された光束は、焦点円周１１１ｆ上の各点に収束した後、再び拡散して平面鏡１３１、リレーレンズ１３２に入射するため、大きな有効径を有する平面鏡１３１やリレーレンズ１３２を必要とし、マルチアングル測色計１００が大型化する懸念がある。

（３）光源１１の変動をモニタする参照光学系を組み込む必要がある。

図１３は、上記（１）〜（３）の点を考慮したマルチアングル測色計２００の構成を示す正面図であり、図１４は、図１３の側断面図である。このマルチアングル測色計２００が、先に説明した変形形態［１］のマルチアングル測色計１００と相違する点は、トロイダル鏡１１０と被測定物Ｓとの間に、トロイダル鏡１１０の実際の中心軸Ｚと所定の角度をなして前述の測定平面Ｒ（図８，図９参照）を折り曲げる反射鏡２０１を備えている点である。これにより、上記（１）の問題を解消することができ、自動車ボティのような大きなサイズの測定面Ｓａの光学特性の測定を行うことができる。また、リレー光学系として平面鏡１３１と焦点円周１１１ｆとの間に第２リレーレンズ２０２を配置した点、及び参照光学系２５０を具備させた点においてもマルチアングル測色計１００と相違する。これにより、上記（２）、（３）の問題を解消している。以下、これら相違点を中心に説明する。なお、前記変形形態［１］と同様の機能を有する部材については、その説明を省略し、前記変形形態［１］と同一の番号を付するものとする。

反射鏡２０１は、細長い矩形状を有する平面ミラーからなり、トロイダル鏡１１０の中心軸Ｚとトロイダル鏡１１０の反射面との間に、測定平面Ｒを９０°折り曲げる傾斜角度で固定して配置されている（図１４参照）。なお、測定面Ｓａの位置は、反射鏡２０１で光路が折り曲げられるものの、実質的にはトロイダル鏡１１０の中心軸Ｚに接する位置と等価な位置である。このように、トロイダル鏡１１０と測定面Ｓａとの関係については、先のマルチアングル測色計１００のようにトロイダル鏡１１０の中心軸Ｚに実際に接するように測定面Ｓａを配置しても、このマルチアングル測色計２００のように反射鏡２０１を介在させることで、実際には中心軸Ｚに接していないが接している態様と等価な態様で測定面Ｓａを配置することができる。

リレー光学系は、平面鏡１３１と入射スリット２２ａとの間に配置された第１リレーレンズ１３２に加えて、平面鏡１３１と焦点円周１１１ｆとの間に配置された第２リレーレンズ２０２とを備えて構成されている。第２リレーレンズ２０２は、図示を簡略化しているが、平面鏡１３１が回転駆動されると、該平面鏡１３１と一体的に回転する。第２リレーレンズ２０２を加えることで、焦点円周１１１ｆ上の各点に収束した光束の拡散を抑えることができ、これにより平面鏡１３１及び第１リレーレンズ１３２に入射する光束が絞られることから、平面鏡１３１並びに第１リレーレンズ１３２の有効径を抑えることが可能となる。従って、マルチアングル測色計１００のコンパクト化が図れる。

参照光学系２５０は、拡散板２５１と参照用ファイバ２５２とを具備してなり、トロイダル鏡１１０の中心軸Ｚ方向に延設された延長部１１０ｘで反射された参照光束２６０ｒ（光源１１から出力される光束の一部）が入射する位置に設置されている。拡散板２５１は、参照光学系２５０の入射面を構成するものであって、入射光を拡散透過させる性質を有する光学部材からなり、トロイダル鏡１１０の中心軸Ｚ上に配置される。なお、拡散板２５１は、図１４に示すように、反射鏡２０１と干渉しない位置に設置されている。また、参照用ファイバ２５２は、前記拡散板２５１の裏面側にその入射端２５２ａが配置され、拡散板２５１に入射しこの拡散板２５１を拡散透過した参照光束２６０ｒの一部の光束２５１ｒが参照用ファイバ２５２の入射端２５２ａに参照光として入射する。

なお、前記拡散板２５１を設置せず、参照用ファイバ２５２の入射端２５２ａを、トロイダル鏡１１０の中心軸Ｚ上に直接配置して参照光を取り入れるようにしても良い。しかし、この実施形態のように、拡散板２５１を介して参照用ファイバ２５２の入射端２５２ａに参照光を取り入れる構成としておけば、拡散板２５１によって拡散された参照光束２６０ｒの一部が入射端２５２ａに入射することから、例えば焦点円周１１１ｆ上に複数の光源を配置したような場合でも、各方向の光源についての参照光を参照用ファイバ２５２の入射端２５２ａに取り入れることができるという利点がある。

本実施形態の分光部１３３には、リレー光学系を経由する反射光が入射する前述の入射スリット２２ａと、参照光を入射させるための参照光スリット２２ｅとの２つの入射スリットを備えるデュアルチャンネル型の構成を有する。入射スリット２２ａは、中心軸Ｚの延長線上に配置され、また、参照光スリット２２ｅには、前記参照用ファイバ２５２の出射端２５２ｂが接続される。

平面鏡１３１を回転駆動させる機構として、本実施形態では、パルスモータ及びパルスモータ駆動回路を備えるモータ部２５３を用いる例を示している（図１４参照）。前記パルスモータの出力軸は、平面鏡１３１の回転軸２５３ａに直結されており、パルスモータ駆動回路から所定の駆動パルスがパルスモータに与えられることで、平面鏡１３１が回転軸２５３ａ周りに回転駆動されるように構成されている。モータ駆動回路の動作は、制御部３０により制御される。

以上のように構成されたマルチアングル測色計２００の動作（光路）を、図１３，図１４を参照しつつ説明する。法線Ｇに対して４５度傾いた位置に配置された光源１１から出力された光束１２１ａは、トロイダル鏡１１０にて反射され、対法線角４５度の方向の平行光束１２１ｂとなって反射鏡２０１に入射され、該反射鏡２０１で反射された平行光束１２１ｃが測定面Ｓａに照射される。この測定面Ｓａにて、当該測定面Ｓａの反射特性に応じて前記平行光束１２１ｃが反射され、その反射光束１２１ｄが再び反射鏡２０１に入射し、反射される。

この反射光のうち、中心軸Ｚに垂直な測定平面Ｒに平行な成分である反射光の光束１２１ｅがトロイダル鏡１１０にて反射される。そして、この反射光束１２１ｆは、トロイダル鏡１１０の円弧１１２が前記垂線ｈを対象軸とする放物線とされていることから、焦点円周１１１ｆ上の、前記測定面Ｓａで反射される前記反射光の反射方向に応じた位置１２１ｇに収束される。この収束位置１２１ｇは、前述の通り平面鏡１３１の回転角に応じて選択される。その後、平面鏡１３１で選択された収束位置１２１ｇからの拡散光束１２１ｈは、第２リレーレンズ２０２により絞られた上で、この透過光束１２１ｉが平面鏡１３１にて中心軸Ｚ方向へ反射され、リレーレンズ１３２へ入射する。そして、該リレーレンズ１３２により収束され、その光束１２１ｊが入射スリット２２ａへ入射する。

一方、参照光については、光源１２１から出力される光束の一部であってトロイダル鏡１１０の延長部１１０ｘで反射された参照光束２６０ｒが拡散板２５１に照射され、拡散板２５１を拡散透過した光の一部が参照光として参照用ファイバ２５２の入射端２５２ａに入射する。そして、参照用ファイバ２５２により前記参照光が伝送されて、参照光スリット２２ｅへ入射する。

［３］前記変形形態［１］，［２］では、光源１２１を、焦点円周１１１ｆ上に配置する例について例示したが、この形態に代えて、図１５に示すような構成を有する照明部１２０’を設置しても良い。なお、図１５は、前記変形形態［２］の構成に、本実施形態の構成を適用した図を示している。

図１５に示すように、照明部１２０’は、光源１２１、光源反射鏡１２２及び集光レンズ１２３を備えて構成されている。光源反射鏡１２２は、トロイダル鏡１１０の焦点円周１１１ｆ上において所定の角度で配置され、光源１２１から出力された、集光レンズ１２３で収束された光束１２４ａを反射し、トロイダル鏡１１０の反射面に拡散光束１２４ｂとして射出する。この拡散光束１２４ｂは、トロイダル鏡１１０で反射されることで平行光束１２４ｃとされ、測定面Ｓａに（前記変形形態［１］の場合は直接測定面Ｓａに、また、前記変形形態［２］の場合は反射鏡２０１を介して測定面Ｓａに）照射される。なお、トロイダル鏡１１０の延長部１１０ｘで反射された光束１２４ａは、参照光束２６０ｒとして拡散板２５１（図１４参照）上に照射される。

［４］変形形態［１］〜［３］のようなトロイダル鏡１１０を製造する場合に、トロイダル鏡１１０全体を一体成型で製造する方法を採用すると、均一で高い反射率を曲面の内面全域で確保することが難しい。そこで、トロイダル鏡１１０を複数の部品から構成されるようにし、各部品を結合してトロイダル鏡１１０を構成するようにするとよい。

ただし、この場合、製造上の誤差により図１６の矢印Ｗで示すような各部品の繋ぎ目部分の表面には凹部や凸部が発生し、トロイダル鏡１１０の反射面の曲面連続性が損なわれる。このような繋ぎ目部分では、図１７に示すように、光の反射が乱れて光の反射率にロスが生じる。そして、この繋ぎ目部分が、被測定物Ｓの測定面Ｓａから受光センサ２３により受光されるまでの光路上に位置するときには、受光センサ２３によりスキャンを行ったときに平面鏡１３１の回転角度に応じて損失量が変化し、その損失量の変化が誤差となって現れる。

そこで、前記繋ぎ目部分が、光源１２１から被測定物Ｓの測定面Ｓａまでの光路上に位置するように各部品の設計を行えば、平面鏡１３１の回転角度が変化しても損失量は略一定となるから、前述のような誤差はほとんど発生しない。

本発明に係るマルチアングル測色計の外観例を示す図である。 測定開口近傍の構成を示す断面図である。 本発明に係るマルチアングル測色計の内部構成の一例を示す図である。 マルチアングル測色計の制御系を示すブロック図である。 分光部の一例を示す構成図である。 制御部による一連の処理を示すフローチャートである。 光源により被測定物の測定面を照明したときに該測定面で反射される反射光の強度分布を開口中心Ａからの距離で示した図である。 マルチアングル測色計の内部構成の他の例を示す断面図である。 図８の法線Ｇにおける側断面図である。 図８に示す光源の位置における側断面図である。 マルチアングル測色計の内部構成を立体的に示した斜視図である。 平面鏡の機能を説明するための図である。 マルチアングル測色計の他の構成を示す正面図である。 図１３の側断面図である。 照明部の変形形態を示す図である。 トロイダル鏡を複数の部品で構成した場合を示す図である。 図１６に示すトロイダル鏡の問題点を示す図である。

符号の説明

１，１００，２００ マルチアングル測色計
３ 測定開口
１０，１２０ 照明部
１１，１２１ 光源
２０，１３０ 受光部
２３ 受光センサ
２５ モータ
２６ アーム
３０ 制御部
３１ 照明制御部
３２ 受光制御部
３３ 演算処理部
３４ 駆動制御部
１１０ トロイダル鏡
１３１ 平面鏡
１３１ｘ 回転軸
２０１ 反射鏡
２５３ モータ部
２５３ａ 回転軸
Ａ 開口中心
Ｆ 焦点
Ｇ 法線
Ｒ 測定平面、ジオメトリ平面
Ｓａ 測定面
Ｘ 開口平面
Ｚ 中心軸
Ｓ 被測定物
Ｓｆ 光輝材

Claims (6)

1. 被測定物を照明する照明部と、
   前記照明部による照明状態下で前記被測定物により反射される反射光を複数の受光角で受光可能な受光部と、
   前記各受光角で前記受光部から得られた出力信号に基づき、前記正反射光の位置を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された正反射光の位置を基準に、予め設定される所定の位置で前記照明部の照明動作により被測定物から反射される反射光を前記受光部に受光させる受光制御部と、
   前記受光制御部の指示により前記受光部から得られた出力信号に基づいて、前記被測定物の光学特性値を算出する算出部と
   を有する光学特性測定装置。
2. 前記受光部は、前記被測定物に入射する入射光の光軸と前記被測定物による反射光の光軸とを含むジオメトリー平面に直交し、且つ、前記入射光の光軸と前記反射光の光軸との交点を通る軸を回転軸として回転可能に構成されている請求項１に記載の光学特性測定装置。
3. 前記受光部は、
   前記被測定物の測定面に接する中心軸に対して回転対称な反射面を有するトロイダル鏡と、
   前記中心軸と一致する回転軸を中心として回転可能に構成され、前記トロイダル鏡の反射面で反射された反射光のうち、回転角度に対応する反射光を反射する回転光学系と、
   前記回転光学系により導かれた光を受光する受光センサとを備え、
   前記トロイダル鏡は、前記照明部による照明状態下で前記被測定物から反射される反射光のうち、前記中心軸に垂直な測定平面に平行な反射光を反射するとともに、当該トロイダル鏡の焦点円周上の前記中心軸回りの各方向に応じた位置に収束するものであり、
   前記被測定物から反射される反射光の反射方向に応じた位置に収束された光が、それぞれ前記回転光学系の回転軸周りの回転角度に応じて前記受光部に選択的に導かれるように構成されている請求項１に記載の光学特性測定装置。
4. 前記検出部は、前記各受光角で前記受光部から得られた出力信号のうち最大の出力値を有する出力信号を抽出し、この抽出した出力信号が得られた受光角に相当する位置を前記正反射光の位置として検出する請求項１ないし３のいずれかに記載の光学特性測定装置。
5. 前記検出部は、前記各受光角で前記受光部から得られた出力信号の分布に対して重心を算出し、該重心に相当する位置を前記正反射光の位置として検出する請求項１ないし３のいずれかに記載の光学特性測定装置。
6. 被測定物を照明する照明部と、前記照明部による照明状態下で前記被測定物により反射される反射光を複数の受光角で受光可能な受光部とを備えた光学特性測定装置の光学特性測定方法であって、
   検出部が、前記各受光角で前記受光部から得られた出力信号に基づき、前記正反射光の位置を検出するステップと、
   受光制御部が、前記検出部により検出された正反射光の位置を基準に、予め設定される所定の位置で前記照明部の照明動作により被測定物から反射される反射光を前記受光部に受光させるステップと、
   算出部が、前記受光制御部の指示により前記受光部から得られた出力信号に基づいて、前記被測定物の光学特性値を算出するステップと
   を有する光学特性測定方法。

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