JP2009115630A - 光計測装置及び走査光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】面光源からの光の計測を一の位置から高精度に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からの光を等立体角で射出する走査レンズ３と、走査レンズ３を介して面光源１０１の各部からの光を一定の方向へ順次偏向することにより、面光源１０１を走査する偏向器５と、走査レンズ３の射出瞳に共役点が位置するように配置され、偏向器５により偏向された光を、その断面を規定しつつ透過させる開口７ａが形成された絞り部材７と、絞り部材７を透過した光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する分光器９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、一の位置から面光源の各部の輝度等を計測する場合、面光源の外周部と中央部とでは、測定装置に対する位置や角度が異なるから、測定装置の構成によっては、立体角や測定径が面光源の外周部と中央部とで変わってしまう。しかし、特許文献１では、このような問題に言及されていない。また、例えば、特許文献１の技術では、ガルバノミラーと分光器との間に２つのスリットが配置されることから、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。特に、検出器の受光面の応答度に部分的にムラがあると、誤差が拡大する。

本発明の目的は、面光源からの光の計測を一の位置から高精度に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、前記面光源からの光を射影する射影光学要素と、前記射影光学要素を介して前記面光源の各部からの光を一定の方向へ順次偏向することにより、前記面光源を走査する偏向器と、前記射影光学要素の射出瞳に共役点が位置するように配置され、前記偏向器により偏向された光を、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、前記射影光学要素は、当該射影光学要素の前記偏向器により傾斜された射出瞳の有効瞳径に基づく立体角が、前記面光源の各点において等しくなるように前記面光源からの光を射出する。

好適には、前記面光源の共役点に配置され、前記偏向器からの光の断面を規定しつつ透過させる開口が形成された開口部材を有する。

好適には、前記偏向器は、前記射影光学要素の射出瞳の位置に配置され、前記面光源に対する角度が変化することにより、前記射影光学要素を介して前記面光源の各部からの光を一定の方向へ順次偏向する偏向ミラーを有する。

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、前記面光源からの光を射影する射影光学要素と、前記射影光学要素を介して前記面光源の各部からの光を一定の方向へ順次偏向することにより、前記面光源を走査する偏向器と、前記射影光学要素の射出瞳に共役点が位置するように配置され、前記偏向器により偏向された光を、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、を有する。

本発明によれば、面光源からの光の計測を一の位置から高精度に行うことができる。

図１は、本発明の実施形態に係る光計測装置１の概略構成を示す斜視図である。図２は、光計測装置１の概略構成を示す模式図である。

光計測装置１は、測定対象である面光源１０１（図２）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からの光が入射する走査レンズ３と、走査レンズ３を透過した光を偏向する偏向器５と、偏向器５により偏向された光の径（断面）を規定する絞り部材７と、絞り部材７を透過した光を集光する集光レンズ９と、集光レンズ９により集光された光の径（断面）を規定するピンホール部材１１と、ピンホール部材１１を透過した光を転送するリレーレンズ１３と、リレーレンズ１３により転送された光を受光する分光器１５（図２）とを有している。

走査レンズ３は、例えば、図１に示すように、レンズ群により構成されている。なお、図２は、模式図であることから、走査レンズ３を単レンズにより表している。ただし、走査レンズ３は、実際に単レンズにより構成されてもよい。

走査レンズ３は、面光源１０１の各部からの光を、走査レンズ３の有効瞳径に基づいて決定される立体角が面光源１０１のどの位置でも等しくなるように射出する。すなわち、走査レンズ３は、面光源１０１からの光を等立体角となるように投影する。一般的に知られる等立体角射影レンズは、走査角（走査レンズ３からの射出角）をθ_Ｓ（図２）、焦点距離をｆとしたときに、物体面（面光源１０１）における物高ｙ（θ_Ｓ）（図２）が、２×ｆ×ｓｉｎ（θ_Ｓ／２）となるレンズである。このようなレンズでは、一定の断面積で光が取り出されれば、換言すれば、射出瞳の有効瞳径が一定であれば、走査角θ_Ｓによらず、立体角は一定である。また、面光源１０１上の面積×ｃｏｓθ_Ｓもほぼ均一になる。なお、走査レンズ３は、一般的な等立体角射影レンズでもよいが、一般的な等立体角射影レンズに対して、偏向器５の影響を考慮した若干の修正が加えられたレンズであることが好ましい。この点については、偏向器５を説明した後に説明する。また、走査レンズ３は、射出瞳に絞りが配置されても画角特性（立体射影など）が維持されるように構成されている。

なお、一般に、立体角（単位：ステラジアン）は、Ｓ／ｒ^２で定義される。ｒは、球の半径であり、Ｓは、その球の表面の所定部分の面積である。本実施形態では、立体角は、面光源１０１上の各点から出射された光線により形成される錐体において定義される。すなわち、立体角は、面光源１０１上の各点を球の中心と仮定し、その中心から計測光学系までの距離を半径ｒと仮定し、面光源１０１からの光が計測光学系に取り込まれるときの光の断面積（概ね球の表面の面積である）を面積Ｓと仮定して定義される。なお、本実施形態では、距離ｒは、面光源１０１の光の計測中において、基本的には一定である。一方、図２に示す、面光源１０１上の各点から出射された光線により形成される錐体の頂角の角度θ_Ｖは、面積Ｓと相関関係にある。従って、頂角の角度θ_Ｖが決定されれば、立体角は決定される。従って、以下では、立体角と、頂角の角度θ_Ｖとを区別せずに、立体角θ_Ｖということがある。

偏向器５は、走査レンズ３を介して面光源１０１の各部からの光を一定の方向（絞り部材７への方向）へ順次偏向することにより、面光源１０１を走査するものである。偏向器５は、例えば、ガルバノミラーにより構成されている。すなわち、偏向器５は、走査レンズ３からの光を偏向する第１偏向ミラー１７と、第１偏向ミラー１７により偏向された光を偏向する第２偏向ミラー１９とを有している。

第１偏向ミラー１７及び第２偏向ミラー１９は、例えば、いずれかが走査レンズ３の射出瞳に位置するように配置され、また、その射出瞳よりも広い面積を有している。なお、走査レンズ３は、射出瞳が走査レンズ３の射出方向外部に位置するように構成されている。第１偏向ミラー１７及び第２偏向ミラー１９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。偏向器５は、例えば、第１偏向ミラー１７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１９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。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、ディスプレイの主走査方向及び副走査方向と一致していても一致していなくてもよい。

第１偏向ミラー１７及び第２偏向ミラー１９は、例えば、第１モータ２１及び第２モータ２３によりそれぞれ駆動される。第１モータ２１及び第２モータ２３の動作は、制御装置２５により制御される。制御装置２５は、例えば、第１偏向ミラー１７が一定の回転速度で連続的に移動するように、若しくは、第１偏向ミラー１７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１モータ２１を制御するとともに、第２偏向ミラー１９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２３を制御する。

上述のように、走査レンズ３は、面光源１０１からの光を等立体角で射影する。しかし、走査レンズ３の射出瞳は、偏向器５によって傾けられる。そして、その傾きは、第１偏向ミラー１７及び第２偏向ミラー１９の傾斜角の変化によって変化する。換言すれば、面光源１０１のいずれの位置の光を取り込むかによって、射出瞳の傾きが異なる。射出瞳の傾きが異なると、有効瞳径も変化することになり、ひいては、有効瞳径に基づいて決定される立体角も変化することになる。そこで、走査レンズ３は、走査レンズ３単体の射出瞳に基づく立体角ではなく、偏向器５により傾斜された射出瞳の有効瞳径に基づく立体角が、面光源１０１上の各点において等しくなるようなディストーション特性を有することが好ましい。なお、本願において、面光源からの光を等立体角で射出する射影光学要素には、一般的な等立体角射影レンズも、上述のような偏向ミラーの影響を考慮したレンズも含まれるものとする。

走査レンズ３は、第１偏向ミラー１７及び第２偏向ミラー１９のいずれが走査レンズ３の射出瞳に位置しても、走査レンズ３の画角特性（例えば、立体射影）が維持されるように設計されていることが好ましい。このようにすれば、第１偏向ミラー１７及び第２偏向ミラー１９のいずれが回転しても、レンズの特性が崩れない。

走査レンズ３及び偏向器５により構成される光学系は、平行光を絞り部材７へ投射するように構成されている。なお、平行光への変換は、走査レンズ３のみにおいて行われていてもよいし、偏向器５のみにおいて行われていてもよいし、走査レンズ３及び偏向器５の組み合わせにより行われていてもよい。

絞り部材７には、偏向器５により偏向された光を、その径（断面）を規定しつつ透過させる開口７ａが形成されている。すなわち、本実施形態では、開口７ａの径は、偏向器５から出射された偏向された平行光の径以下に設定されている。絞り部材７は、共役点が走査レンズ３の射出瞳に位置するように配置されている。従って、絞り部材７は、射出瞳に配置されたのと同様の作用を奏し、走査レンズ３の有効瞳径を規定することができる。なお、本実施形態では、上述のように、走査レンズ３の射出瞳には、第１偏向ミラー１７又は第２偏向ミラー１９が位置しているから、絞り部材７は、第１偏向ミラー１７又は第２偏向ミラー１９に配置されたのと同様の作用を奏する。

なお、絞り部材７は、開口７ａの径が固定のものでも可変のものでもよい。開口７ａが可変の場合には、絞り部材７は、例えば、互いに径の異なる複数の開口７ａ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７ａ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７ａの径が固定の場合にも、絞り部材７を差し替え可能とすることにより、実質的に開口７ａの径を可変としてもよい。

集光レンズ９は、絞り部材７を透過した平行光を集光して像面に結像させるものである。集光レンズ９は、単レンズであってもよいし、レンズ群により構成されていてもよい。集光レンズ９の径は、絞り部材７を透過した平行光が全て入射可能な大きさに設定されている。換言すれば、集光レンズ９の瞳径は、絞り部材７の径以上に設定されている。なお、絞り部材７が開口７ａの径を変更可能なものである場合には、絞り部材７は、集光レンズ９の瞳径以下の範囲で開口７ａの径を変更可能に構成されている。

集光レンズ９は、光軸方向に移動可能に保持されていることが好ましい。この場合、集光レンズ９の光軸方向への移動により、走査レンズ３から集光レンズ９までの光学系における焦点距離を変更することができる。従って、面光源１０１と光計測装置１との距離を変化させても面光源１０１にピントを合わせることができ、計測の目的に応じて計測距離を変化させることができる。なお、集光レンズ９を光軸方向へ移動可能に保持する保持部には、撮像装置に利用されるレンズ鏡筒のように種々の公知の技術が用いられてよい。

ピンホール部材１１は、集光レンズ９の像面位置に配置されている。なお、本実施形態においては集光レンズ９に入射する光は平行光であるから、像面位置は集光レンズ９の焦点位置である。ピンホール部材１１には、集光レンズ９により集光された光を、その径（断面）を規定しつつ透過させるピンホール１１ａが形成されている。ピンホール１１ａは、例えば、０．３〜３ｍｍの開口である。ピンホール１１ａの形状は適宜な形状でよいが、例えば、円形や矩形である。なお、ピンホール部材１１は、ピンホール１１ａの径が固定のものでも可変のものでもよい。ピンホール１１ａが可変の場合には、ピンホール部材１１は、上述の絞り部材７と同様に、複数のピンホール１１ａが形成された回転可能な部材であってもよいし、複数の羽根を組み合わせて構成されたものでもよいし、差し替え可能なものであってもよい。

リレーレンズ１３は、ピンホール部材１１を透過した光を転送するものであり、例えば、第１リレー用レンズ２７と、第２リレー用レンズ２９とを有するレンズ群により構成されている。なお、リレーレンズ１３は、単レンズにより構成されていてもよい。第１リレー用レンズ２７は、例えば、前側焦点が集光レンズ９の後側焦点に一致する凸レンズにより構成されており、ピンホール１１ａを通過した光を平行光に変換する。第２リレー用レンズ２９は、第１リレー用レンズ２７を透過した平行光を集光する凸レンズにより構成されている。

分光器１５は、リレーレンズ１３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、そのスペクトルのデータを、若しくは、そのスペクトルから算出された輝度や色度を、電気信号として出力する。分光器１５は、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。分光器１５は、例えば、不図示の光ファイバによりリレーレンズ１３からの光を受光する。

図３（ａ）は、光計測装置１の動作を説明する図である。また、図３（ｂ）は、比較例の光計測装置２０１の動作を説明する図である。

光計測装置１は、偏向器５を動作させることにより、矢印ｙ１で示すように、面光源１０１をＸ方向（主走査方向）及びＹ方向（副走査方向）に２次元走査を行い、面光源１０１の各部の輝度や色度を測定対象領域ＡＲ毎に測定する。すなわち、光計測装置１は、面光源１０１に対して一の位置から面光源１０１の輝度や色度を計測する。

なお、比較例の光計測装置２０１では、光計測装置２０１自体がＸ方向及びＹ方向へ移動することにより、面光源１０１の走査を行っている。この場合、光計測装置２０１を駆動する比較的大きな駆動装置が必要であり、装置全体として大型化する。この系と同一の計測を一般的な輝度計で例えるならば、測定面積が同一となるように測定距離を一定に保ちながら輝度計のヘッドを傾けるのと同義である。

図４は、光計測装置１の作用を説明する図である。

光計測装置１は、面光源１０１に対して一の位置から面光源１０１からの光を計測している。従って、走査レンズ３が通常のレンズ（ｙ（θ_ｓ）＝ｆｔａｎθ_Ｓとなるレンズ）である場合、面光源１０１の中央側の測定対象領域ＡＲ１からの光を測定するときと、面光源１０１の外周側の測定対象領域ＡＲ３からの光を測定するときとでは、立体角θ_Ｖ及び測定面積Ｓｄが異なる。

しかし、走査レンズ３は、立体角が一定となるようなディストーション特性をもって設計された等立体角射影レンズであることから、絞り部材７により走査レンズ３から射出された光の径が一定に規定されることにより、立体角θ_Ｖは、走査角θ_Ｓによらず一定（測定対象領域ＡＲ１と測定対象領域ＡＲ５とで同一）となる。

また、面光源１０１の共役点にピンホール部材１１が配置されていることから、ピンホール部材１１により、走査レンズ３から射出された光の径が一定に規定されることにより、測定対象領域ＡＲ１と測定対象領域ＡＲ５とは測定面積Ｓｄが概ね同一となる。

ここで、ピンホール１１ａは、像面に位置しており、測定対象領域ＡＲ（ＡＲ１、ＡＲ５）は、物体面に位置しているから、ピンホール１１ａの径は、測定対象領域ＡＲの径に、物体面と像面との間の光学系（走査レンズ３から集光レンズ９までの光学系）の倍率を乗じて決定される。

なお、面光源１０１と光計測装置１との距離や測定対象領域ＡＲの大きさは適宜に設定されてよい。一例を示すと、面光源１０１と光計測装置１との距離は、面光源１０１の高さの３倍に設定される。例えば、面光源１０１が４０インチの表示画面を有する表示装置（高さ約５０ｃｍ）である場合、面光源１０１と光計測装置１との距離は、１．５ｍ程度に設定される。また、このときの測定対象領域ＡＲの大きさは、例えば、直径３０ｍｍ程度に設定される。

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からの光を等立体角で射出する走査レンズ３と、走査レンズ３を介して面光源１０１の各部からの光を一定の方向へ順次偏向することにより、面光源１０１を走査する偏向器５と、共役点が走査レンズ３の射出瞳に位置するように配置され、偏向器５により偏向された光を、その断面を規定しつつ透過させる開口７ａが形成された絞り部材７と、絞り部材７を透過した光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する分光器１５とを有することから、面光源１０１からの光の計測を一定の立体角θ_Ｖで一の位置から行うことができる。ここで、人間が表示装置等の面光源を視認する場合、一の視点から見ることが多い。従って、本実施形態のように一の位置から光を計測する光計測装置１は、人間工学的に表示装置等の面光源を評価するシステムに好適に応用できる。

光計測装置１は、絞り部材７と分光器１５との間に、絞り部材７を透過した平行光を像面に結像させる集光レンズ９と、像面の位置にて、集光レンズ９からの光を、その断面を規定しつつ透過させるピンホール１１ａが形成されたピンホール部材１１とを有していることから、ピンホール部材１１の径により測定面積Ｓｄを規定することができるとともに、ピンホール部材１１を透過した光は、その断面において、中央側から外周側に亘って一様の光束となり、輝度計測等の精度を向上させることができる。

偏向器５は、走査レンズ３の射出瞳の位置に配置され、面光源１０１に対する角度が変化することにより、走査レンズ３を介して面光源１０１の各部からの光を一定の方向へ順次偏向する第１偏向ミラー１７を有することから、走査レンズ３を透過する全ての光は、第１偏向ミラー１７の配置位置を通過することになる。従って、簡便な構成で効率的に走査レンズ３からの光を偏向することができる。

なお、以上の実施形態において、走査レンズ３は本発明の射影光学要素の一例であり、分光器１５は本発明の検出器の一例であり、集光レンズ９は本発明の集光光学要素の一例であり、ピンホール部材１１は本発明の開口部材の一例であり、ピンホール１１ａは本発明の開口部材の開口の一例であり、走査レンズ３からリレーレンズ１３までの光学系は本発明の走査光学系の一例である。

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。

射影光学要素及び集光要素は、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、若しくは、レンズと曲面鏡との組み合わせにより構成されてもよい。曲面鏡を用いる場合には、反射波長の角度依存を軽減できる等のメリットがある。

偏向器は、ガルバノミラーに限定されない。例えば、偏向器は、ポリゴンミラーを含んで構成されてよい。検出器は、分光器に限定されない。例えば、光を分光しないものであってもよい。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。

実施形態における、集光レンズ９、開口部材（ピンホール部材１１）及びリレーレンズ１３は省略されてもよい。例えば、絞り部材７を通過した光を直接検出器に受光させてもよいし、集光レンズ９により集光された光を直接検出器に受光させてもよいし、ピンホール１１ａを透過した光を直接検出器に受光させてもよい。射影光学要素及び偏向器は、平行光を絞り部材へ投射しなくてもよい。この場合であっても、絞り部材により立体角等を規定できることに変わりはない。また、逆に、光計測装置及び走査光学系には、使用目的や測定対象の種類等の具体的事情に応じて、視感度補正フィルタ、色フィルタ、拡散透過板等の光学要素が適宜な位置に配置されてよい。開口部材の開口は、ピンホールとは言えないほどに、比較的大きな径のものであってもよい。

絞り部材の配置位置は、共役点が射影光学要素の射出瞳に位置すれば、適宜な位置に設定されてよく、偏向器の直後に限定されない。

図５は、本発明の変形例に係る光計測装置の概略構成を示す模式図である。この光計測装置は、実施形態の光計測装置１に比較して、絞り部材７の位置が異なる。具体的には、絞り部材７は、第１リレー用レンズ２７と、第２リレー用レンズ２９との間に配置されるとともに、共役点が走査レンズ３の射出瞳（第１偏向ミラー１７）に位置するように配置されている。この場合であっても、絞り部材７の共役点は、走査レンズ３の射出瞳に位置しているから、絞り部材７により、走査レンズ３の有効径が規定され、ひいては、立体角が一定に規定される。

本発明の実施形態に係る光計測装置の概要を示す斜視図。 図１の光計測装置の概要を示す模式図。 図１の光計測装置の動作を説明する図。 図１の光計測装置の作用を説明する図。 本発明の変形例の光計測装置の概要を示す模式図。

符号の説明

１…光計測装置、１０１…面光源、３…走査レンズ（射影光学要素）、５…偏向器、７…絞り部材、１５…分光器（検出器）。

Claims (5)

1. 面光源からの光を計測する光計測装置であって、
   前記面光源からの光を等立体角で射出する射影光学要素と、
   前記射影光学要素を介して前記面光源の各部からの光を一定の方向へ順次偏向することにより、前記面光源を走査する偏向器と、
   前記射影光学要素の射出瞳に共役点が位置するように配置され、前記偏向器により偏向された光を、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. 前記射影光学要素は、当該射影光学要素の前記偏向器により傾斜された射出瞳の有効瞳径に基づく立体角が、前記面光源の各点において等しくなるように前記面光源からの光を射出する
   請求項１に記載の光計測装置。
3. 前記面光源の共役点に配置され、前記偏向器からの光の断面を規定しつつ透過させる開口が形成された開口部材を有する
   請求項１に記載の光計測装置。
4. 前記偏向器は、前記射影光学要素の射出瞳の位置に配置され、前記面光源に対する角度が変化することにより、前記射影光学要素を介して前記面光源の各部からの光を一定の方向へ順次偏向する偏向ミラーを有する
   請求項１に記載の光計測装置。
5. 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、
   前記面光源からの光を等立体角で射出する射影光学要素と、
   前記射影光学要素を介して前記面光源の各部からの光を一定の方向へ順次偏向することにより、前記面光源を走査する偏向器と、
   前記射影光学要素の射出瞳に共役点が位置するように配置され、前記偏向器により偏向された光を、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、
   を有する走査光学系。

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