JP2009109315A - 光計測装置及び走査光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】面光源の各部からの光を効率的に取り込んで計測を行うことができる光計測装置を提供する。
【解決手段】面光源１０１からの光を計測する光計測装置１は、面光源１０１の各部からの光を順次取り込むための動作を行う空間分割装置３と、空間分割装置３の動作により取り込まれた面光源１０１の各部からの光を集光する光学集光装置５と、光学集光装置５により集光された光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する検出器７とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、面光源における輝度や色度等の光に係る量を計測する光計測装置及び当該光計測装置に利用可能な走査光学系に関する。

面光源の輝度分布や色度分布等を計測するために、面光源の中央部や外周部等の各部の輝度や色度等の物理量若しくは心理物理量を順次計測する技術が知られている。特許文献１では、紙等のウェブの光学情報を収集する収集装置として、ウェブの各部からの光を順次偏向することによりウェブを走査するガルバノミラーと、ガルバノミラーにより偏向された光を透過させる２つのスリットと、２つのスリットを透過した光を分光する分光器とを有する装置が開示されている。特許文献１の技術によれば、面光源からの光の計測を一の位置（視点）から行うことができる。
特開２００４−９３３２６号公報

特許文献１の技術では、十分な精度で面光源の輝度等を計測することができない。例えば、特許文献１では、２つのスリットの大きさについて言及されていないが、２つのスリットを通過した光は、その断面において、中央側の光束が多く、外周側の光束が少なくなり、輝度計測等の精度が保証されないおそれがある。また、スリットを小さくし過ぎると、遮断される光線が多くなり、光の測定が困難となる。従って、面光源の各部からの光を取り込んで計測を行うときは、光を取り込む光学系に起因して光の断面において光束の密度にムラが生じることを抑制したり、光を効率的に検出器に入射させることが重要である。

本発明の目的は、面光源の各部からの光を効率的に取り込んで計測を行うことができる光計測装置及び当該光計測装置に利用可能な走査光学系を提供することにある。

本発明の光計測装置は、面光源からの光を計測する光計測装置であって、前記面光源の各部からの光を順次取り込むための動作を行う空間分割装置と、前記空間分割装置の動作により取り込まれた前記面光源の各部からの光を集光する光学集光装置と、前記光学集光装置により集光された光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する検出器と、を有する。

好適には、前記光学集光装置は、前記面光源の各部からの光を、その断面を規定しつつ透過させる第１開口が形成された第１絞り部材と、前記第１絞り部材を透過した光を、その断面を規定しつつ透過させる、前記第１開口よりも開口面積の小さい第２開口が形成された第２絞り部材と、前記第２絞り部材を透過した光を前記検出器の受光面に集光する集光光学要素と、を有する。

好適には、前記光学集光装置は、前記面光源の各部からの光を、その断面を規定しつつ透過させる開口が形成された絞り部材と、前記絞り部材を透過した光が入射する、前記絞り部材側においてテレセントリックとなるテレセントリックレンズと、を有する。

好適には、前記テレセントリックレンズから射出された光を前記検出器の受光面に集光するリレー光学要素を有する。

好適には、前記光学集光装置は、前記面光源の各部からの光を、その断面を規定しつつ透過させる第１開口が形成された第１絞り部材と、前記第１絞り部材を透過した光を集光する対物光学要素と、前記対物光学要素の後側焦点に位置し、前記対物光学要素により集光された光を、その断面を規定しつつ透過させる第２開口が形成された第２絞り部材と、を有する。

好適には、前記第２絞り部材を透過した光を前記検出器の受光面に集光するリレー光学要素を有する。

好適には、前記光学集光装置により集光された光が投射される拡散板を有し、前記検出器は、前記拡散板における光が投射された領域が、当該検出器において光を取り込み可能な角度内に収まるように、前記拡散板から所定距離離れて配置されている。

好適には、前記空間分割装置の動作により、前記面光源の各部に順次光を投射可能な位置決め用光源と、前記位置決め用光源からの光が、前記面光源に設けられた指標に投射されたときの位置を記憶可能であり、その記憶した位置に基づいて、前記面光源の各部からの光を順次偏向するように前記空間分割装置を制御する制御装置と、を有する。

本発明の走査光学系は、面光源からの光を部分的に取り出す走査光学系であって、前記面光源の各部からの光を順次取り込むための空間分割装置と、前記空間分割装置の動作により取り込まれた前記面光源の各部からの光を集光する光学集光装置と、を有する。

本発明によれば、面光源の各部からの光を効率的に取り込んで計測を行うことができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光計測装置１の概略構成を示す模式的な外観斜視図である。図２は、光計測装置１の概略構成を示すブロック図である。

光計測装置１は、測定対象である面光源１０１の輝度分布や色度分布等の光に係る量の分布を計測する装置として構成されている。面光源１０１は、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の、複数の画素毎に輝度を調整して表示を行う表示装置である。

光計測装置１は、面光源１０１の各部からの光を順次取り込むための空間分割装置３と、空間分割装置３の動作により取り込まれた面光源１０１の各部からの光を集光する光学集光装置５と、光学集光装置５により集光された光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する分光器７とを有している。分光器７から出力された信号は、例えば、コンピュータ９に出力され、コンピュータ９は、分光器７から入力された信号に基づいて輝度や色度の算出等の種々の演算を行う。また、光計測装置１は、空間分割装置３における、後述する所定の部品の位置決めを行うための位置決め用光源１１を有している。

図３は、空間分割装置３の機能を説明する模式的な斜視図である。

空間分割装置３は、面光源１０１を分割した複数の測定エリア１０３からの光を順次光学集光装置５へ入射させるための装置である。なお、後述するように、測定エリア１０３の大きさや形状は、光学集光装置５により規定される。測定エリア１０３の大きさや形状は適宜に設定されてよいが、例えば、測定エリア１０３の形状は概ね円形である。また、測定エリア１０３は、面光源１０１がディスプレイである場合、面光源１０１を３１（水平方向）×１７（垂直方向）に分割する大きさに設定される。例えば、面光源１０１が４０インチのディスプレイの場合、測定エリア１０３の直径は３０ｍｍ程度である。また、複数の測定エリア１０３から光を取り込むときの取り込み順（走査方向）は適宜に設定されてよいが、例えば、水平方向を主走査方向、垂直方向を副走査方向として取り込み順が設定される。

図４（ａ）は、図３の機能を実現する空間分割装置３の具体的構成を示す模式的な斜視図である。

空間分割装置３は、いわゆるガルバノミラーを含んで構成されており、面光源１０１からの光を偏向する第１偏向ミラー２９と、第１偏向ミラー２９により偏向された光を偏向する第２偏向ミラー３１とを有している。

第１偏向ミラー２９及び第２偏向ミラー３１は、互いに異なる回転軸回りに回転可能に設けられている。空間分割装置３は、例えば、第１偏向ミラー２９のＸ軸回りの回転により面光源１０１を主走査方向に走査し、第２偏向ミラー３１のＹ軸回りの回転により面光源１０１を主走査方向に直交する副走査方向に走査する。なお、主走査方向及び副走査方向は、面光源１０１がディスプレイである場合に、面光源１０１の主走査方向及び副走査方向と同一でもよいし同一でなくてもよい。

第１偏向ミラー２９及び第２偏向ミラー３１は、例えば、第１モータ３３及び第２モータ３５によりそれぞれ駆動される。第１モータ３３及び第２モータ３５の動作は、例えば、コンピュータ９により制御される。コンピュータ９は、例えば、第１偏向ミラー２９が、一定の回転速度で連続的に移動するように、又は、一定の時間間隔で間欠的に一定の角度で移動するように第１モータ３３を制御するとともに、第２偏向ミラー３１が一定の時間間隔で間欠的に一定の回転角度で移動するように第２モータ３５を制御する。

図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、空間分割装置３の変形例を示している。

図４（ｂ）の空間分割装置２０３は、いわゆるポリゴンミラー２２９を含んで構成されている。空間分割装置２０３は、例えば、ポリゴンミラー２２９のＸ軸回りの回転により面光源１０１を主走査方向に走査し、ポリゴンミラー２２９のＹ軸回りの回転により面光源１０１を主走査方向に直交する副走査方向に走査する。ポリゴンミラー２２９は、例えば、各軸毎に設けられた第１モータ２３３及び第２モータ２３５により行われる。

図４（ｃ）の空間分割装置３０３は、光学集光装置５の向きを変更するように構成されている。空間分割装置３０３は、光学集光装置５をＸ軸回りに回転させて面光源１０１を主走査方向に走査するための第１モータ３３３と、光学集光装置５をＹ軸回りに回転させて面光源１０１を主走査方向に直交する副走査方向に走査するための第２モータ３３５とを有している。なお、空間分割装置３０３は、光学集光装置５を面光源１０１に沿って主走査方向及び副走査方向へ移動させるものであってもよい。

図５は、光学集光装置５の概略構成を示す模式的な斜視図である。

光学集光装置５は、測定エリア１０３からの光を、その断面を規定しつつ透過させる第１開口３７ａが形成された第１絞り部材３７と、第１絞り部材３７を透過した光を、その断面を規定しつつ透過させる第２開口３９ａが形成された第２絞り部材３９と、第２絞り部材３９を透過した光を集光する集光レンズ４１を有している。なお、光学集光装置５は、第１開口３７ａ以外からは光が入射しない。

第１開口３７ａ及び第２開口３９ａの形状は適宜に設定されてよいが、例えば、円形である。第２開口３９ａは、第１開口３７ａよりも径（開口面積）が小さく設定されている。集光レンズ４１は、例えば、第２開口３９ａから射出された光が全て入射するように設けられている。すなわち、集光レンズ４１は、第２開口３９ａの径及び第２開口３９ａからの距離に対して十分に大きな径を有している。集光レンズ４１は、入射した光を分光器７の受光面に集光する。

分光器７は、例えば、光ファイバ４３により光を取り込むように構成されており、集光レンズ４１は、光ファイバ４３の端面（分光器７の受光面）に第２開口３９ａからの光を集光する。このとき、集光された光の光ファイバ４３の端面位置における径は、光ファイバ４３の端面の径よりも小さい。なお、光ファイバ４３の端面の直径は、例えば、１ｍｍ以下である。

光ファイバ４３は、所定の入射角度の光のみを全反射により分光器７内部へ導光する。すなわち、光ファイバ４３は、入射側のＮＡ（開口数）が規定されている。そこで、集光レンズ４１の出射側のＮＡ（開口数）は、光ファイバ４３の入射側のＮＡよりも小さくなるように設定されている。これにより、集光レンズ４１により集光された光は、無駄なく光ファイバ４３に入射する。

なお、ここでの集光レンズ４１の開口数は、集光レンズ４１単体での開口数ではなく、面光源１０１から集光レンズ４１までの光学系全体、より具体的には、第１絞り部材３７、第２絞り部材３９及び集光レンズ４１の組み合わせ全体（光学集光装置５全体）での開口数である。空間分割装置３を構成するガルバノミラーは、光学集光装置５の開口数に影響を及ぼさないように十分に大きい面積を有するように構成されている。

図６は、光学集光装置５における光路を示す模式図である。なお、図６では、空間分割装置３の図示は省略されている。

実線の矢印ｙ１で示すように、面光源１０１の光は、測定径ｄ１の測定エリア１０３（図３）毎に集光レンズ４１に入射する。なお、実線の矢印ｙ１は、第１開口３７ａの縁部から、当該縁部に対して光軸を挟んで反対側となる第２開口３９ａの縁部へ進む光線を示している。

ここで、集光レンズ４１に入射する光は、点線Ｌ１で示す領域において光束の密度が高くなっている。なお、点線Ｌ１は、第１開口３７ａの縁部から、当該縁部と光軸に対して同一側となる第２開口３９ａの縁部へ進む光線を示している。

図７は、光学集光装置の比較例を示す模式図である。

この比較例では、第１絞り部材４３７の第１開口４３７ａと、第２絞り部材４３９の第２開口４３９ａとは、同一径に形成されている。この場合、実線の矢印ｙ１１と点線Ｌ１１との乖離が比較的大きい。従って、測定エリア１０３のうちの一部の光のみが多く取り込まれたり、光束の密度が一様でない光が第２絞り部材３９から投射されたりすることになり、計測の精度が保証されなくなる。特に、面光源１０１の測定径内において、部分的なムラがあると、誤差が拡大する。

一方、図６に示すように、第１絞り部材３７及び第２絞り部材３９を透過する光の透過領域が測定エリア１０３（図１）を底面とする錐体状になるほど、実線の矢印ｙ１と点線Ｌ１との乖離は小さくなる。当該乖離が最小となるのは、第２絞り部材３９の第２開口３９ａが、錐体の頂点となるようなピンホール状（例えば０．３〜０．６ｍｍ）に形成される場合であるが、この場合には、第２絞り部材３９を透過する光が少なくなり、測定が困難となる。そこで、本実施形態では、第２開口３９ａの径をある程度の大きさ（例えば、検出器７の受光面の径以上、１ｍｍ以上）にしつつ、第１開口３７ａの径を第２開口３９ａよりも大きくし、さらに、集光レンズ４１により第２開口３９ａからの光を全て光ファイバ４３に入射させることにより、計測精度の向上を図っている。効率的に光が取り込まれる第１開口３７ａ及び第２開口３９ａの径を例示すると、第１開口３７ａの直径が４ｍｍ、第２開口３９ａの直径が２ｍｍ（第２開口３９ａの直径が２ｍｍ以上、第１開口３７ａの直径が第２開口３９ａの直径の２倍以上）である。

面光源１０１の２次元の分光データを取得する場合など、光計測においては測定径ｄ１をどのような大きさにするかは、要求される測定精度等に関して重要である。そして、測定対象の用途や規格などの種々の事情に応じて、測定径ｄ１は任意の大きさに設定できることが好ましい。現在の分光放射輝度計では、測定角、つまり、測定距離によって、測定径ｄ１を決定するのが一般的である。

本実施形態の光学集光装置５では、第１開口３７ａの径、第２開口３９ａの径、及び、第１開口３７ａと第２開口３９ａとの距離（図６のアイリス距離）によって、光を取り込む立体角が決定され、面光源１０１と第１開口３７ａとの距離（図６の測定距離）が決定されれば、測定径ｄ１も決定される。従って、第１開口３７ａの径、第２開口３９ａの径、アイリス距離及び測定距離を調整することにより、測定径ｄ１を任意の値に設定することができる。なお、本実施形態では、立体角によって分光器７に取り込まれる光のエネルギーが決定され、立体角が一定であれば、面光源の輝度は測定距離によって変化しない。なお、測定距離は、適宜に設定されてよいが、例えば、面光源１０１の高さの３倍程度に設定される。具体的には、面光源１０１が４０インチのディスプレイ（高さ約５０ｃｍ）の場合には、測定距離は１．５ｍ程度に設定される。なお、上述の第１開口３７ａの直径が４ｍｍ、第２開口３９ａの直径が２ｍｍの場合において、測定距離＝１．５ｍ及び測定径ｄ１＝３０ｍｍを実現するとき、アイリス距離は３４６ｍｍである。

分光器７（図１）は、光学集光装置５からの光を受光し、その受光した光を分光して光のスペクトルを求め、そのスペクトルデータ、又は、スペクトルデータに基づいて算出された輝度や色度等を電気信号として出力する。分光器７は、上述の光ファイバ４３の他、例えば、特に図示しないが、モノクロメータ等のいわゆる狭義の分光器と、狭義の分光器により分光された光を受光して、受光した光の光量に応じた電気信号を出力するＣＣＤ等の光電変換器とを有している。

図２に示すように、コンピュータ９は、分光器７からの信号が入力され、種々の演算を行う本体部１３と、ユーザの操作を受け付け、操作に応じた信号を本体部１３に入力する操作部を構成するキーボード１５及びマウス１７と、本体部１３からの映像信号に基づいて画像を表示するディスプレイ１９とを有している。

本体部１３は、種々の演算を行うＣＰＵ２１と、ＣＰＵ２１に実行されるプログラム等を記憶するＲＯＭやＣＰＵ２１のワーキングメモリとして機能するＲＡＭにより構成されるメモリ２３と、ＣＰＵ２１に実行されるプログラムや計測結果等を記憶する外部記憶装置としてのハードディスクドライブ（ＨＤＤ）２５と、分光器７からの信号をＣＰＵ２１に出力するインターフェース（例えばＵＳＢインターフェース）２７とを有している。

位置決め用光源１１（図２）は、例えば、レーザー光線を投射するレーザーポインタにより構成されている。位置決め用光源１１は、レーザー光を空間分割装置３に投射する。レーザー光は、空間分割装置３の第２偏向ミラー３１及び第１偏向ミラー２９に順に反射されて面光源１０１に到達する。一方、面光源１０１には、予め定められた位置に不図示の指標が設けられている。従って、レーザー光が指標に投射されるように、第１モータ３３及び第２モータ３５により第１偏向ミラー２９及び第２偏向ミラー３１を駆動することにより、面光源１０１と第１偏向ミラー２９及び第２偏向ミラー３１とを位置合わせすることができる。

コンピュータ９は、面光源１０１において、指標がいずれの位置に設けられているかを予め記憶している。また、コンピュータ９は、レーザー光が面光源１０１の指標に投射されたときの第１偏向ミラー２９及び第２偏向ミラー３１（第１モータ３３及び第２モータ３５）の位置を記憶する。従って、コンピュータ９は、予め記憶されている面光源１０１における指標位置と、指標にレーザー光が照射されたときの位置から、面光源１０１に対する第１偏向ミラー２９及び第２偏向ミラー３１の位置を特定し、面光源１０１を適切に走査するように第１偏向ミラー２９及び第２偏向ミラー３１の動作を制御できる。

なお、指標は、適宜な位置に設けられてよいが、例えば、面光源１０１の４隅に設けられる。位置決め用光源１１の光軸は、光学集光装置５の光軸と一致していてもよいし、一致していなくてもよい。位置決め用光源１１の光軸が光学集光装置５の光軸と一致している場合には、位置決め用光源１１からレーザー光を指標に投射したときの第１偏向ミラー２９及び第２偏向ミラー３１の位置は、光学集光装置５により指標位置からの光を取り込むときの第１偏向ミラー２９及び第２偏向ミラー３１の位置に一致するから、記憶した位置情報をそのまま光学集光装置５により面光源１０１を走査するときの演算に使用できる。また、位置決め用光源１１の光軸と光学集光装置５の光軸とが一致していない場合には、予めオフセット量を測定しておき、そのオフセット量を用いて、記憶した位置情報を、光学集光装置５により光を取り込むときの位置情報に変換すればよい。空間分割装置が図４（ｃ）に示した、光学集光装置５が移動する構成である場合には、位置決め用光源１１は、光学集光装置５と共に移動するように構成されればよい。

また、レーザー光が指標に投射されるように第１モータ３３及び第２モータ３５を駆動する制御は、ユーザが目視によりレーザー光が指標に投射されたか否か判断しつつ、キーボード１５等の入力手段を介して行ってもよいし、レーザー光が指標に投射されたか否かを判定するための情報を検出して、その検出結果をコンピュータ９に入力するセンサを設けることにより、コンピュータ９により自動的に行われてもよい。

図８は、光計測装置１における測定手順を示すフローチャートである。

ステップＳ１では、測定距離を決定することにより、測定径ｄ１が決定される。また、測定径ｄ１の決定により、面光源１０１の分割数（測定数）が決定される。そして、実際の測定距離が決定された測定距離となるように、面光源１０１と光計測装置１とが位置合わせされるとともに、コンピュータ９に面光源１０１の大きさ、指標位置、測定径ｄ１、測定数等の面光源１０１を走査して計測するのに必要な種々の情報が入力される。なお、実際の測定距離を決定された測定距離とするための位置合わせは、ユーザの手作業によって行われてもよいし、面光源１０１及び／又は光計測装置１がモータ等により駆動されることにより自動的に行われてもよい。また、測定径ｄ１や測定数等の一部の情報は、入力された測定距離等の情報に基づいてコンピュータ９が算出してもよい。

ステップＳ２では、上述したように、レーザーポインタ等により構成された位置決め用光源１１を用いて面光源１０１と空間分割装置３との位置決めを行う。換言すれば、光計測装置１に対する面光源１０１の相対位置をコンピュータ９に記憶させ、面光源１０１を走査するときの位置座標を確定する。

ステップＳ３では、分光器７の積分時間（露光時間）を決定する。すなわち、光電変換により生成された電流をコンデンサに蓄積する時間を決定する。積分時間は、光電変換素子の応答の遅れ等を補償して精度を向上するのに十分な時間としつつも、走査時間が短縮されるように短く設定する。

ステップＳ４及びＳ５では、コンピュータ９により空間分割装置３の動作が制御され、所定の測定エリア１０３からの光が光学集光装置５を介して分光器７により取り込まれ、光の計測が行われる。計測結果のデータは、コンピュータ９に出力される。ステップＳ６では、全ての測定エリア１０３において計測が終了したか否か判断し、終了していないと判断したときは、ステップＳ４及びＳ５が繰り返される。

全ての測定エリア１０３において計測が終了すると、コンピュータ９では、計測結果のデータに基づいて種々の計算処理が行われる。例えば、輝度分布や色度分布などが算出される。算出結果は、ディスプレイ１９に表示されたり、他のコンピュータ等へ転送されたりする。そして、計測が終了する。

光計測装置１の校正作業は、例えば、既存の分光放射輝度計の校正作業とほぼ同様である。具体的には、可視光領域（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）をカバーする標準光源の分光特性、輝度値になるように、分光感度校正と輝度感度校正を行う。

以上の実施形態によれば、面光源１０１からの光を計測する光計測装置１は、面光源１０１の各部からの光を順次取り込むための空間分割装置３と、空間分割装置３の動作により取り込まれた面光源１０１の各部からの光を集光する光学集光装置５と、光学集光装置５により集光された光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する分光器７とを有することから、ピンホール等により光を遮蔽することのみにより面光源１０１の各部からの光を選択的に取り込んで計測する場合に比較して、集光により効率的に面光源１０１の各部からの光を選択的に取り込むことができるとともに、受光面に入射する光束の密度のばらつき等による誤差が抑制され、光計測の精度が向上する。

光学集光装置５は、面光源１０１の各部からの光を、その断面を規定しつつ透過させる第１開口３７ａが形成された第１絞り部材３７と、第１絞り部材３７を透過した光を、その断面を規定しつつ透過させる、第１開口３７ａよりも開口面積の小さい第２開口３９ａが形成された第２絞り部材３９と、第２絞り部材３９を透過した光を分光器７の受光面に集光する集光レンズ４１とを有することから、図６を参照して説明したように、立体角を規定できる構成において、取り込まれる光線により形成される形状を錐体に近づけて光束の密度のばらつきを抑制しつつ、測定を行うのに十分な量の光束を分光器７に入射させることができる。

光計測装置１は、空間分割装置３の動作により、面光源１０１の各部に順次光を投射可能な位置決め用光源１１と、位置決め用光源１１からの光が、面光源１０１に設けられた指標に投射されたときの位置を記憶可能であり、その記憶した位置に基づいて、面光源１０１の各部からの光を順次偏向するように空間分割装置３を制御するコンピュータ９とを有していることから、光計測装置１を面光源１０１に対して設置するときに、物理的な位置決め誤差が生じても、計測時にその誤差を補償することができる。

なお、以上の実施形態において、分光器７は本発明の検出器の一例であり、集光レンズ４１は本発明の集光光学要素の一例であり、コンピュータ９は本発明の制御装置の一例であり、空間分割装置３及び光学集光装置５の組み合わせは本発明の光計測装置の一例である。

（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る光計測装置５０１の光学集光装置５０５の概略構成を示す模式的な斜視図である。なお、光計測装置５０１は、第１の実施形態の光計測装置１に対して、光学集光装置５０５の構成のみが相違する。

光学集光装置５０５は、面光源１０１の各部からの光を、その断面を規定しつつ透過させる開口５３７ａが形成された絞り部材５３７と、絞り部材５３７を透過した光が入射する物体側テレセントリックレンズ５３９と、物体側テレセントリックレンズ５３９から射出された光を分光器７の受光面に集光するリレーレンズ５４１とを有している。

図１０は、光学集光装置５０５における光路を示す模式図である。なお、図１０では、空間分割装置３の図示は省略されている。

光学集光装置５０５は、開口５３７ａ以外からは光が入射しない。物体側テレセントリックレンズ５３９は、入射した光のうち平行光のみを射出するレンズである。従って、絞り部材５３７の開口５３７ａの径は、そのまま測定径ｄ１となる。また、分光器７に取り込まれる光のエネルギーは、開口５３７ａの径により決定される。

なお、物体側テレセントリックレンズ５３９は、絞り部材５３７の開口５３７ａの径よりも大きな径を有している。また、物体側テレセントリックレンズ５３９のフォーカス距離は、面光源１０１までの距離となることが好ましい。

リレーレンズ５４１は、物体側テレセントリックレンズ５３９から射出された光を光ファイバ４３の端面に集光する。なお、光学集光装置５０５全体のＮＡは、第１の実施形態と同様に、光ファイバ４３のＮＡよりも小さくなるように設定されている。

以上の第２の実施形態によれば、面光源１０１からの光は、平行光のみが光学集光装置５０５により分光器７へ入射されるから、図７に示した比較例のように、光学集光装置の構成に起因して、取り込まれる光の断面において光束の密度がばらつくことがなく、また、面光源１０１と光計測装置１との距離が変動しても測定径ｄ１は一定であるから、計測の精度が向上する。また、開口５３７ａの径の大きさの調整により、簡単に測定径ｄ１を任意の大きさに設定することができる。

なお、第２の実施形態において、物体側テレセントリックレンズ５３９は本発明のテレセントリックレンズの一例であり、リレーレンズ５４１は本発明のリレー光学要素の一例である。

（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る光計測装置６０１の光学集光装置６０５の概略構成を示す模式的な斜視図である。なお、光計測装置６０１は、第１の実施形態の光計測装置１に対して、光学集光装置６０５の構成のみが相違する。

光学集光装置６０５は、面光源１０１の各部からの光を、その断面を規定しつつ透過させる第１開口６３７ａが形成された第１絞り部材６３７と、第１絞り部材６３７を透過した光を集光する対物レンズ６３９と、対物レンズ６３９の後側焦点に位置し、対物レンズ６３９により集光された光を、その断面を規定しつつ透過させる第２開口６４１ａが形成された第２絞り部材６４１と、第２絞り部材６４１を透過した光を分光器７の受光面に集光するリレーレンズ６４３とを有する。

図１２は、光学集光装置６０５における光路を示す模式図である。なお、図１２では、空間分割装置３の図示は省略されている。

光学集光装置６０５は、第１開口６３７ａ以外からは光が入射しない。第２絞り部材６４１は、対物レンズ６３９の後側焦点（射出側の焦点）に配置されていることから、対物レンズ６３９及び第２絞り部材６４１は、いわゆる物体側テレセントリックとなる光学系を構成している。すなわち、対物レンズ６３９及び第２絞り６４１は、入射した光のうち概ね平行光となる光を透過させる。従って、測定径ｄ１は、第２の実施形態と同様に、概ね、第１開口６３７ａの径と同一となる。

ここで、第２開口６４１ａをピンホール（例えば０．３〜０．６ｍｍ）のように小さくするほど、透過される入射光は平行光に近づく。しかし、その一方で透過する光束の量は減ることから、本実施形態では、第２開口６４１ａをある程度の大きさ（例えば、検出器７の受光面の径以上、１ｍｍ以上）にしている。

この場合、第１開口６３７ａの径及び第２開口６４１ａの径により立体角が決定され、面光源１０１と第１開口６３７ａとの距離（測定距離）が決定されれば、測定径ｄ１が決定される。従って、第１開口６３７ａの径、第２開口６４１ａの径及び測定距離の調整により、測定径ｄ１を任意の値とすることができる。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同様に、立体角によって分光器７に取り込まれる光のエネルギーが決定され、立体角が一定であれば、面光源の輝度は距離によって変化しない。

リレーレンズ６４３は、第２絞り６４１を透過した光を光ファイバ４３の端面に集光する。なお、光学集光装置６０５全体のＮＡは、第１の実施形態と同様に、光ファイバ４３のＮＡよりも小さくなるように設定されている。

以上の第３の実施形態によれば、面光源１０１からの光は、概ね平行光のみが光学集光装置６０５により分光器７へ入射されるから、図７に示した比較例のように、光学集光装置の構成に起因して、取り込まれる光の断面において光束の密度がばらつくことが抑制され、また、面光源１０１と光計測装置１との距離が変動しても測定径ｄ１の変動は小さく、計測の精度が向上する。なお、第３の実施形態において、対物レンズ６３９は本発明の対物光学要素の一例であり、リレーレンズ６４３は本発明のリレー光学要素の一例である。

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。

光計測装置及び走査光学系は、２次元の走査を行うものに限定されず、一次元の走査を行うものであってもよい。また、計測対象となる面光源は、一次元の走査のみで光源全体の計測が行われることが可能な長尺状のものであってもよい。面光源は表示装置に限定されない。例えば、照明として使用されたり、表示装置のバックライトとして使用される面光源であってもよい。検出器の検出する光に係る量は、物理量でも心理物理量でもよく、また、輝度や色度以外の量であってもよい。

集光光学要素、対物光学要素、リレー光学要素は、レンズにより構成されるものに限定されない。例えば、曲面鏡により構成されたり、曲面鏡とレンズとの組み合わせにより構成されてもよい。また、集光光学要素、テレセントリックレンズ、対物光学要素、リレー光学要素は、単レンズ等の一の光学要素により構成されてもよいし、レンズ群等の光学要素群により構成されてもよい。テレセントリックレンズは、物体側テレセントリックレンズに限定されず、両側テレセントリックレンズであってもよい。

絞り部材（３７、３９、５３７、６３７、６４１）は、開口が固定でも可変でもよい。開口が可変の場合には、絞り部材は、例えば、互いに径の異なる複数の開口が同一円周上に形成されており、回転することにより光路内に挿入される開口を変更するものであってもよいし、撮像装置等に用いられる絞り部材のように、複数の絞り羽根を組み合わせて構成されているものであってもよい。また、開口の径が固定の場合にも、絞り部材を差し替え可能とすることにより、実質的に開口の径を可変としてもよい。

上述のように、光学集光装置全体の射出側のＮＡは、検出器の入射側のＮＡよりも小さいことが好ましい。しかし、光学集光装置全体の射出側のＮＡを、検出器の入射側のＮＡよりも小さくすることが困難な場合には、図１３に示すように、集光レンズやリレーレンズと検出器との間に、拡散板５１を配置してもよい。図１３では、第１の実施形態において、拡散板５１を配置した場合を例示している。集光レンズ４１により集光された光は拡散板５１に投射される。そして、この拡散板５１における投射領域が、光ファイバ４３の全反射により導光できる角度内に入るように、拡散板５１と光ファイバ４３とを所定距離離して配置させれば、効率的に光学集光装置により集光された光を光ファイバ４３に入射させることができる。

検出器に光ファイバは設けられていなくてもよい。例えば、光学集光装置により集光された光が分光器のスリットに直接的に入射（受光）されてもよい。光ファイバが無い場合においても、入射側のＮＡが規定されている検出器においては、光学集光装置の射出側のＮＡが、検出器の入射側のＮＡよりも小さいことが好ましく、光学集光装置の射出側のＮＡを、検出器の入射側のＮＡよりも小さくすることが困難な場合には、光学集光装置と光ファイバとの間に光拡散板が配置されることが好ましい。

光計測装置及び走査光学系には、光拡散板の他にも、使用目的や測定対象の種類等の具体的事情に応じて、種々の光学要素が適宜な位置に配置されてよい。例えば、光計測装置は、種々の明るさに対応しなければならない場合がある。このような場合、通常は、分光器等の検出器の積分時間を適切な値に設定することにより対応できる。しかし、面光源が常時点灯するものでなく、点滅するものである場合には、検出器の積分時間に制限がなされることがある。このような場合に、ＮＤ（減光）フィルタが光路に配置されてよい。なお、ＮＤフィルタの配置場所は、適宜に設定されてよいが、数種類のＮＤフィルタが切換可能に配置されることが好ましい。また、ＮＤフィルタは、当然に、バックライトなどの非常に明るい面光源の光を計測するときにも使用される。

逆に、光計測装置及び走査光学系において、リレー光学要素（５４１、６４３）等の一部の光学要素は適宜に省略されてよい。例えば、テレセントリックレンズや対物レンズにより集光された光を直接的に検出器に入射させてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る光計測装置の概略構成を示す模式的な斜視図。 図１の光計測装置の概略構成を示すブロック図。 図１の光計測装置の空間分割装置の機能を説明する模式図。 図４の機能を実現する空間分割装置の具体例を示す模式図。 図１の光計測装置の光学集光装置の構成を示す斜視図。 図５の光学集光装置における光路を説明する図。 比較例における光路を説明する図。 図１の光計測装置における測定手順を示すフローチャート。 本発明の第２の実施形態に係る光計測装置の光学集光装置の構成を示す斜視図。 図９の光学集光装置における光路を説明する図。 本発明の第３の実施形態に係る光計測装置の光学集光装置の構成を示す斜視図。 図１１の光学集光装置における光路を説明する図。 光学集光装置の変形例を示す図。

符号の説明

１…光計測装置、３…空間分割装置、５…光学集光装置、７…分光器（検出器）、１０１…面光源。

Claims (9)

1. 面光源からの光を計測する光計測装置であって、
   前記面光源の各部からの光を順次取り込むための動作を行う空間分割装置と、
   前記空間分割装置の動作により取り込まれた前記面光源の各部からの光を集光する光学集光装置と、
   前記光学集光装置により集光された光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する検出器と、
   を有する光計測装置。
2. 前記光学集光装置は、
   前記面光源の各部からの光を、その断面を規定しつつ透過させる第１開口が形成された第１絞り部材と、
   前記第１絞り部材を透過した光を、その断面を規定しつつ透過させる、前記第１開口よりも開口面積の小さい第２開口が形成された第２絞り部材と、
   前記第２絞り部材を透過した光を前記検出器の受光面に集光する集光光学要素と、
   を有する
   請求項１に記載の光計測装置。
3. 前記光学集光装置は、
   前記面光源の各部からの光を、その断面を規定しつつ透過させる開口が形成された絞り部材と、
   前記絞り部材を透過した光が入射する、前記絞り部材側においてテレセントリックとなるテレセントリックレンズと、
   を有する
   請求項１に記載の光計測装置。
4. 前記テレセントリックレンズから射出された光を前記検出器の受光面に集光するリレー光学要素を有する
   請求項３に記載の光計測装置。
5. 前記光学集光装置は、
   前記面光源の各部からの光を、その断面を規定しつつ透過させる第１開口が形成された第１絞り部材と、
   前記第１絞り部材を透過した光を集光する対物光学要素と、
   前記対物光学要素の後側焦点に位置し、前記対物光学要素により集光された光を、その断面を規定しつつ透過させる第２開口が形成された第２絞り部材と、
   を有する
   請求項１に記載の光計測装置。
6. 前記第２絞り部材を透過した光を前記検出器の受光面に集光するリレー光学要素を有する
   請求項５に記載の光計測装置。
7. 前記光学集光装置により集光された光が投射される拡散板を有し、
   前記検出器は、前記拡散板における光が投射された領域が、当該検出器において光を取り込み可能な角度内に収まるように、前記拡散板から所定距離離れて配置されている
   請求項１に記載の光計測装置。
8. 前記空間分割装置の動作により、前記面光源の各部に順次光を投射可能な位置決め用光源と、
   前記位置決め用光源からの光が、前記面光源に設けられた指標に投射されたときの位置を記憶可能であり、その記憶した位置に基づいて、前記面光源の各部からの光を順次偏向するように前記空間分割装置を制御する制御装置と、
   を有する
   請求項１に記載の光計測装置。
9. 面光源からの光を部分的に取り出す走査光学系であって、
   前記面光源の各部からの光を順次取り込むための空間分割装置と、
   前記空間分割装置の動作により取り込まれた前記面光源の各部からの光を集光する光学集光装置と、
   を有する走査光学系。

Images