JP2009156789A - Optical characteristic measuring device and method - Google Patents

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Koji Morimoto
浩司 森本
Mikio Uematsu
幹夫 上松
Yosuke Takebe
洋佑 竹部
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical characteristic measuring device and an optical characteristic measuring method capable of measuring accurately an optical characteristic value only by correcting an error caused by deviation of a reflection angle and by output fluctuation of reflected light generated by an influence of a Fresnel reflection characteristic. <P>SOLUTION: This optical characteristic measuring device 1 is equipped with a light irradiation part 11 for irradiating light to a measuring sample SM, a light receiving part 21 having a plurality of light receiving elements for receiving reflected light acquired by reflecting the light irradiated from the light irradiation part 11 by the measuring sample, and an optical characteristic operation part for deriving an optical characteristic based on an output from the light receiving part 21. The optical characteristic operation part determines a corrected output acquired by correcting the output from the light receiving part 21 based on the Fresnel reflection characteristic, and derives the optical characteristic based on the corrected output. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、測定試料の光学特性、好ましくは光学的表面特性、さらに好ましくは光沢度を測定する光学特性測定装置および光学特性測定方法に関する。   The present invention relates to an optical characteristic measuring apparatus and an optical characteristic measuring method for measuring optical characteristics, preferably optical surface characteristics, more preferably glossiness of a measurement sample.

従来、測定試料の光学特性、例えば試料表面の光沢度などの光学的表面特性を測定する光学特性測定装置が知られている。   2. Description of the Related Art Conventionally, there are known optical characteristic measuring apparatuses that measure optical characteristics of a measurement sample, for example, optical surface characteristics such as glossiness of a sample surface.

図9は、背景技術における光学特性測定装置の光学的な構成を示す図である。図10は、背景技術における光学特性測定装置の補正方法を説明する図であって、図10(A)は正規姿勢での受光部に形成された像を示す図であり、図10(B)は正規姿勢でなく傾いた状態での受光部に形成された像を示す図であり、図10(C)は切取りエリアが像を追従している状態を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing an optical configuration of an optical characteristic measuring apparatus in the background art. FIG. 10 is a diagram for explaining a correction method of the optical characteristic measuring apparatus in the background art, and FIG. 10 (A) is a diagram showing an image formed on the light receiving unit in a normal posture, and FIG. FIG. 10 is a diagram showing an image formed on the light receiving unit in a tilted state instead of a normal posture, and FIG. 10C is a diagram showing a state in which the cut-out area follows the image.

図9において、背景技術における光学特性測定装置100は、照明側光学系110と受光側光学系120とを備えて構成される。照明側光学系110は、その光軸113aが測定試料SMの試料表面SMaにおける或る点を通る試料表面SMaの法線Gに対して角度θ3をなし、受光側光学系120は、その光軸122aが法線Gに対して角度θ4をなす。具体的には、角度θ3は入射角であり、角度θ4は反射角である。一般的には、角度θ3および角度θ4は同一の値であり、ASTMD523やJISZ8741に基づいて規格が決まっており、例えば共に所定の角度である60度となるように、光学特性測定装置100の各部品が配置されている。このように、試料表面SMaに対して、照射された光が入射角(角度θ3)および反射角(角度θ4)がともに所定の角度である場合は理想的な測定が可能である。測定試料SMが光学特性装置100に対して、このような配置であることを正規姿勢という。   In FIG. 9, the optical characteristic measuring apparatus 100 in the background art includes an illumination side optical system 110 and a light receiving side optical system 120. The illumination side optical system 110 has an angle θ3 with respect to the normal G of the sample surface SMa whose optical axis 113a passes through a certain point on the sample surface SMa of the measurement sample SM, and the light reception side optical system 120 has its optical axis. 122a forms an angle θ4 with respect to the normal G. Specifically, the angle θ3 is an incident angle and the angle θ4 is a reflection angle. In general, the angle θ3 and the angle θ4 are the same value, and the standard is determined based on ASTM D523 and JISZ8741. For example, each of the optical characteristic measuring apparatuses 100 has a predetermined angle of 60 degrees. Parts are placed. Thus, ideal measurement is possible when the incident light (angle θ3) and reflection angle (angle θ4) of the irradiated light with respect to the sample surface SMa are both predetermined angles. Such an arrangement of the measurement sample SM with respect to the optical characteristic device 100 is referred to as a normal posture.

照明側光学系110は、光源部111と、照明側開口板112と、照明レンズ113とを備えて構成される。照明側開口板112には、照明側開口112aが照明側開口板112を貫通するように穿設されている。   The illumination side optical system 110 includes a light source unit 111, an illumination side aperture plate 112, and an illumination lens 113. In the illumination side opening plate 112, an illumination side opening 112a is formed so as to penetrate the illumination side opening plate 112.

受光側光学系120は、受光部121と、受光レンズ122とを備えて構成される。受光部121は、複数の受光素子(画素)を備えている。これらは、例えばCCD(Charge-Coupled Devices)などの撮像素子である。   The light receiving side optical system 120 includes a light receiving unit 121 and a light receiving lens 122. The light receiving unit 121 includes a plurality of light receiving elements (pixels). These are imaging devices such as CCD (Charge-Coupled Devices).

光源部111から射出された光は、照明側開口板112の照明側開口112aによって所定の開き角に規制され、照明レンズ113によって光軸113aに略平行な平行光束111aとされ、試料表面SMaに照射される。そして、試料表面SMaによって反射された反射光における略正反射方向の成分121aの光は、受光レンズ122によって収束され、受光部121で受光される。そして、受光部121の出力に基づいて例えば試料表面SMaの光沢度などの光学特性値が求められる。   The light emitted from the light source unit 111 is regulated to a predetermined opening angle by the illumination side opening 112a of the illumination side aperture plate 112, and is converted into a parallel light beam 111a substantially parallel to the optical axis 113a by the illumination lens 113, and is incident on the sample surface SMa. Irradiated. Then, the light of the component 121 a in the substantially regular reflection direction in the reflected light reflected by the sample surface SMa is converged by the light receiving lens 122 and received by the light receiving unit 121. Then, based on the output of the light receiving unit 121, for example, an optical characteristic value such as the glossiness of the sample surface SMa is obtained.

しかし、測定試料SMの測定箇所が平坦でなかった場合などに、試料表面SMaが光学特性測定装置100に対して傾く可能性がある。すなわち、正規姿勢でなくなる可能性がある。そうすると、角度θ3が所定の角度から変化することになり、同様に角度θ4も変化する。その結果、受光部121に形成される像の位置が、正規姿勢の場合の受光部121に形成される像の位置とは異なってしまう。このため、正しい光学特性値の測定ができなくなる。   However, when the measurement location of the measurement sample SM is not flat, the sample surface SMa may be inclined with respect to the optical property measuring apparatus 100. That is, there is a possibility that the normal posture is lost. If it does so, angle (theta) 3 will change from a predetermined angle, and angle (theta) 4 will also change similarly. As a result, the position of the image formed on the light receiving unit 121 is different from the position of the image formed on the light receiving unit 121 in the normal posture. For this reason, it becomes impossible to measure a correct optical characteristic value.

具体的には、図10(A)に示すように、受光部121では、一定の範囲である切取りエリア130の枠が設定されており、この範囲内での受光出力を読み取っている。したがって、反射光による受光部121に形成された像121bの位置は、切取りエリア130内になければならない。かりに、正規姿勢でなく、試料表面SMaが光学特性測定装置100に対して傾くと、角度θ3が所定の角度から変化し、合わせて角度θ4も変化する。それにより、図10(B)に示すように、受光部121における像121bの位置が変化し、切取りエリア130の外部に像121bの一部または全部が形成される可能性がある。この場合は、切取りエリア130内で読み取った受光出力は、像121b全体の出力に比べて低下してしまう。そのため、切取りエリア130内で読み取った受光出力を用いるだけでは、測定試料SMの正しい光学特性値を得ることはできない。   Specifically, as shown in FIG. 10A, in the light receiving unit 121, a frame of the cut area 130 that is a certain range is set, and the light reception output within this range is read. Therefore, the position of the image 121b formed on the light receiving unit 121 by reflected light must be within the cut-out area 130. However, when the sample surface SMa is tilted with respect to the optical property measuring apparatus 100 instead of the normal posture, the angle θ3 changes from a predetermined angle, and the angle θ4 also changes. Accordingly, as illustrated in FIG. 10B, the position of the image 121 b in the light receiving unit 121 may change, and part or all of the image 121 b may be formed outside the cutout area 130. In this case, the light reception output read in the cutout area 130 is lower than the output of the entire image 121b. Therefore, the correct optical characteristic value of the measurement sample SM cannot be obtained only by using the light reception output read in the cut area 130.

そこで、例えば、特許文献1に記載の光学特性測定装置では、切取りエリア130が像121bを追従して移動する。具体的には、図10(C)に示すように、正規姿勢から傾いている場合の像121bをすべて含むように、切取りエリア130が配置されている。像121bの位置が変動した場合であっても、切取りエリア130が像121bを追従して移動する。例えば、受光部121内の受光出力の最大強度に追従して、切取りエリア130の位置が決定されることとされている。このようにすることで、像121bは切取りエリア130の範囲内にすべて形成されることになり、像121b全体の出力に基づいて光学特性値を得ることができる。
特開2006−208361号公報
Therefore, for example, in the optical characteristic measuring apparatus described in Patent Document 1, the cut area 130 moves following the image 121b. Specifically, as shown in FIG. 10C, the cut-out area 130 is arranged so as to include all the images 121b when tilted from the normal posture. Even when the position of the image 121b changes, the cut area 130 moves following the image 121b. For example, the position of the cut area 130 is determined following the maximum intensity of the light reception output in the light receiving unit 121. By doing so, the image 121b is entirely formed within the cut-out area 130, and an optical characteristic value can be obtained based on the output of the entire image 121b.
JP 2006-208361 A

しかし、特許文献1に記載の光学特性測定装置には、以下に示す2つの問題がある。具体的には、フレネル反射特性に起因する問題である。ここで、フレネル反射特性とは、光が或る物質に照射されて反射する場合に、その反射角に応じて反射率が変化する特性をいう。   However, the optical characteristic measuring device described in Patent Document 1 has the following two problems. Specifically, this is a problem caused by Fresnel reflection characteristics. Here, the Fresnel reflection characteristic refers to a characteristic in which, when light is applied to a substance and reflected, the reflectance changes according to the reflection angle.

まず、第1の問題について説明する。光が或る物質に照射されて反射したときに、理論的には入射角と反射角は等しい。光が反射する物質すなわち測定試料SMが比較的高光沢の場合には、反射光が反射角θ4に集中して分布するのでフレネル反射特性の影響を受けにくく、強度分布のピークはほぼθ4に等しくなる。しかし、測定試料SMが比較的低光沢の場合は、反射光の分布はθ4を中心に分散するので、結果としてフレネル反射特性の影響を受けて、強度分布のピークがθ4からずれることになる。例えば、測定試料SMとして光沢値が5.7GUの塗板や、光沢値が8.6GUのガラスの場合は、角度θ3が60度で光が照射されても、強度分布のピークは62〜65度付近となる。   First, the first problem will be described. Theoretically, the incident angle and the reflection angle are equal when light is irradiated to a certain substance and reflected. When the material that reflects light, that is, the measurement sample SM has a relatively high gloss, the reflected light is concentrated and distributed at the reflection angle θ4, so that it is not easily affected by the Fresnel reflection characteristics, and the peak of the intensity distribution is substantially equal to θ4. Become. However, when the measurement sample SM has a relatively low gloss, the distribution of the reflected light is dispersed around θ4. As a result, the peak of the intensity distribution is shifted from θ4 due to the influence of the Fresnel reflection characteristics. For example, when the measurement sample SM is a coated plate having a gloss value of 5.7 GU or glass having a gloss value of 8.6 GU, the intensity distribution peak is 62 to 65 degrees even when light is irradiated at an angle θ3 of 60 degrees. Nearby.

これは、低光沢材料の表面が粗いため、光の正反射成分がさまざまな方向に散乱しやすくなること及び屈折率が1.5のガラスにおいて反射角が60度付近の場合、フレネル反射特性により、反射角が大きくなるほど反射率が高くなることに起因する。このため、正規姿勢で光学特性測定がなされているにもかかわらず、試料表面SMaが光学特性測定装置100に対して傾いている場合と同様に、受光部121内の受光出力の最大強度の位置が移動する。この場合、特許文献1に記載の光学特性測定装置では、切取りエリア130が受光出力の最大強度の位置に追従して移動する。しかし、実際には正規姿勢であるのだから切取りエリア130の位置を移動する必要はなく、移動したために上述の規格に基づいた測定ではなくなり、正確な測定ができないという問題があった。   This is because the surface of the low-gloss material is rough, so that the regular reflection component of light is likely to be scattered in various directions, and when the reflection angle is around 60 degrees in a glass with a refractive index of 1.5, This is because the reflectance increases as the reflection angle increases. Therefore, the position of the maximum intensity of the received light output in the light receiving unit 121 is the same as in the case where the sample surface SMa is tilted with respect to the optical property measuring apparatus 100 even though the optical property measurement is performed in the normal posture. Move. In this case, in the optical characteristic measuring apparatus described in Patent Document 1, the cut area 130 moves following the position of the maximum intensity of the light reception output. However, since the posture is actually a normal posture, there is no need to move the position of the cut-out area 130, and since the movement is made, there is a problem that the measurement is not based on the above-mentioned standard and accurate measurement cannot be performed.

次に、第2の問題について説明する。上述したように、反射角が60度付近においては、フレネル反射特性により、反射角が大きくなるほど、反射率が高くなる。そうすると、例えば、測定試料SMの測定箇所が平坦でないなどの理由によって、試料表面SMaが光学特性測定装置100に対して傾き、正規姿勢でなくなった場合には、反射率が変化するために受光部121での受光出力も変動する。したがって、正規姿勢でなくなった場合には、切取りエリア130が像121bを追従したとしても、出力が変動しているため、正確な出力の測定はできないという問題があった。   Next, the second problem will be described. As described above, when the reflection angle is around 60 degrees, the reflectance increases as the reflection angle increases due to the Fresnel reflection characteristics. Then, for example, when the measurement surface of the measurement sample SM is not flat, the sample surface SMa is tilted with respect to the optical property measurement apparatus 100, and the reflectance changes, so that the light receiving unit The light reception output at 121 also varies. Therefore, when the normal posture is lost, there is a problem that even if the cutout area 130 follows the image 121b, the output fluctuates, so that accurate output measurement cannot be performed.

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、フレネル反射特性の影響により生じる誤差を補正することで、光学特性値を正確に測定できる光学特性測定装置および光学特性測定方法を提供することである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to correct an error caused by the influence of Fresnel reflection characteristics, thereby accurately measuring an optical characteristic value and an optical characteristic. It is to provide a measurement method.

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様に係る光学特性測定装置は、測定試料に光を照射する光照射部と、前記光照射部から照射された光が前記測定試料で反射された反射光を受光する複数の受光素子を有する受光部と、前記受光部の出力に基づいて光学特性を導出する光学特性演算部とを備える光学特性測定装置であって、前記光学特性演算部は、前記受光部の出力をフレネル反射特性に基づいて補正した補正出力を求め、前記補正出力に基づいて前記光学特性を導出する。   As a result of various studies, the present inventor has found that the above object is achieved by the present invention described below. That is, an optical property measurement apparatus according to an aspect of the present invention includes a light irradiation unit that irradiates light to a measurement sample, and a plurality of light beams that receive reflected light that is reflected from the measurement sample. An optical characteristic measuring device comprising: a light receiving unit having a light receiving element; and an optical characteristic calculating unit that derives an optical characteristic based on an output of the light receiving unit, wherein the optical characteristic calculating unit outputs an output of the light receiving unit. A corrected output corrected based on the Fresnel reflection characteristic is obtained, and the optical characteristic is derived based on the corrected output.

これにより、フレネル反射特性の影響により生じる誤差を補正することで、光学特性値を正確に測定できる。なお、フレネル反射特性の影響により生じる誤差とは、具体的には、反射角のずれ及び反射光の出力の変動などである。   Thereby, the optical characteristic value can be accurately measured by correcting the error caused by the influence of the Fresnel reflection characteristic. Note that the error caused by the influence of the Fresnel reflection characteristic specifically includes a shift in reflection angle and a change in output of reflected light.

また、上述の光学特性測定装置において、前記光学特性演算部は、前記補正出力を求める際に、前記各受光素子が受光した前記反射光と前記測定試料表面の法線とのなす角度によるフレネル反射率の逆数を、当該各受光素子の出力に乗じることが好ましい。   Further, in the above-described optical characteristic measurement apparatus, the optical characteristic calculation unit, when obtaining the correction output, Fresnel reflection by an angle formed by the reflected light received by each light receiving element and the normal line of the measurement sample surface It is preferable to multiply the output of each light receiving element by the reciprocal of the rate.

これにより、フレネル反射特性に基づいた補正を容易に実現でき、光学特性値を正確に測定できる。   Thereby, the correction based on the Fresnel reflection characteristic can be easily realized, and the optical characteristic value can be accurately measured.

また、上述の光学特性測定装置において、前記光学特性演算部は、前記測定試料表面の法線と前記反射光とのなす角度が正規角度である場合のフレネル反射率を、前記各受光素子が受光した前記反射光と前記測定試料表面の法線とのなす角度によるフレネル反射率で除した値に、当該各受光素子の出力を乗じることで、前記補正出力を求めることが好ましい。   Further, in the above-described optical characteristic measuring apparatus, the optical characteristic calculation unit receives the Fresnel reflectance when the angle formed between the normal line of the measurement sample surface and the reflected light is a normal angle, and each of the light receiving elements receives light. Preferably, the correction output is obtained by multiplying the value obtained by dividing the reflected light by the Fresnel reflectivity by the angle formed by the normal line of the measurement sample surface and the output of each light receiving element.

これにより、フレネル反射特性に基づいた補正を容易に実現でき、光学特性値を正確に測定できる。   Thereby, the correction based on the Fresnel reflection characteristic can be easily realized, and the optical characteristic value can be accurately measured.

また、上述の光学特性測定装置において、前記光学特性演算部は、フレネル反射特性を表す成分を含む分布関数により、前記受光部の出力の分布を近似した結果を用いて、前記補正出力を求めることが好ましい。   In the above-described optical characteristic measuring apparatus, the optical characteristic calculation unit obtains the correction output using a result obtained by approximating the distribution of the output of the light receiving unit by a distribution function including a component representing the Fresnel reflection characteristic. Is preferred.

これにより、フレネル反射特性に基づいた補正を容易に実現でき、光学特性値を正確に測定できる。   Thereby, the correction based on the Fresnel reflection characteristic can be easily realized, and the optical characteristic value can be accurately measured.

また、上述の光学特性測定装置において、前記分布関数は、前記測定試料表面と測定基準面との角度ずれ量を、パラメータとして含むことが好ましい。   In the above-described optical property measuring apparatus, it is preferable that the distribution function includes an amount of angular deviation between the measurement sample surface and the measurement reference surface as a parameter.

これにより、角度ずれ量を正確に求めることができ、光学特性値をより正確に測定できる。   As a result, the amount of angular deviation can be obtained accurately, and the optical characteristic value can be measured more accurately.

また、上述の光学特性測定装置において、前記光学特性演算部は、前記各受光素子の出力と、前記分布関数を当該各受光素子に対応する積分区間において積分した積分値との差が最小となるように、前記分布関数を決定し、前記決定した分布関数における前記角度ずれ量を0として、前記補正出力を示す補正分布関数を求め、前記補正分布関数を、所定の積分区間において積分することで、前記光学特性を導出することとが好ましい。   Further, in the above-described optical characteristic measuring apparatus, the optical characteristic calculation unit minimizes a difference between an output of each light receiving element and an integrated value obtained by integrating the distribution function in an integration interval corresponding to each light receiving element. As described above, the distribution function is determined, the amount of angular deviation in the determined distribution function is set to 0, a correction distribution function indicating the correction output is obtained, and the correction distribution function is integrated in a predetermined integration interval. It is preferable to derive the optical characteristics.

これにより、反射光の出力の変動を補正することができ、光学特性値をより正確に測定できる。   Thereby, the fluctuation | variation of the output of reflected light can be correct | amended and an optical characteristic value can be measured more correctly.

また、上述の光学特性測定装置において、前記フレネル反射特性は、前記測定試料に対応する屈折率を用いて算出されることが好ましい。   In the above-described optical property measurement apparatus, the Fresnel reflection property is preferably calculated using a refractive index corresponding to the measurement sample.

これにより、より正確なフレネル反射特性を得ることができ、正確な光学特性測定が可能である。   Thereby, a more accurate Fresnel reflection characteristic can be obtained and an accurate optical characteristic measurement is possible.

また、上述の光学特性測定装置において、前記光学特性演算部は、前記受光部の出力に基づいて前記屈折率を推定することが好ましい。   Moreover, in the above-described optical property measurement apparatus, it is preferable that the optical property calculation unit estimates the refractive index based on an output of the light receiving unit.

これにより、測定試料の屈折率が不明の場合であっても、フレネル反射特性を用いた補正ができ、正確な光学特性測定が可能である。   Thus, even when the refractive index of the measurement sample is unknown, correction using the Fresnel reflection characteristic can be performed, and accurate optical characteristic measurement is possible.

また、上述の光学特性測定装置において、さらに、屈折率入力部を備え、前記屈折率は、前記屈折率入力部により入力された屈折率であることが好ましい。   In the above-described optical characteristic measuring apparatus, it is preferable that a refractive index input unit is further provided, and the refractive index is a refractive index input by the refractive index input unit.

これにより、測定試料の正確な屈折率がわかるため、より正確にフレネル反射特性を用いた補正ができ、正確な光学特性測定が可能である。   Accordingly, since the accurate refractive index of the measurement sample can be known, correction using the Fresnel reflection characteristic can be performed more accurately, and accurate optical characteristic measurement can be performed.

また、上述の光学特性測定装置において、前記分布関数は、前記測定試料の屈折率をパラメータとして含み、前記光学特性演算部は、前記受光部の出力の分布を前記分布関数により近似する際に、前記測定試料の屈折率を最適化することが好ましい。   Further, in the above-described optical property measurement apparatus, the distribution function includes a refractive index of the measurement sample as a parameter, and the optical property calculation unit approximates the output distribution of the light receiving unit by the distribution function. It is preferable to optimize the refractive index of the measurement sample.

これにより、分布関数による近似をする際に屈折率を求めることができ、容易に補正を行うことができる。   As a result, the refractive index can be obtained when approximation by the distribution function, and correction can be easily performed.

また、上述の光学特性測定装置において、前記光学特性演算部は、前記補正出力のうち所定の切取り範囲における補正出力に基づいて、前記光学特性を導出することが好ましい。   Moreover, in the above-described optical characteristic measuring apparatus, it is preferable that the optical characteristic calculation unit derives the optical characteristic based on a correction output in a predetermined clipping range among the correction outputs.

これにより、最適な補正値を得ることができる。   Thereby, an optimal correction value can be obtained.

また、上述の光学特性測定装置において、前記切取り範囲は、前記受光部の出力のうち最大強度となる箇所の近傍とすることが好ましい。   Moreover, in the above-described optical characteristic measuring apparatus, it is preferable that the cut-out range is in the vicinity of a portion having the maximum intensity in the output of the light receiving unit.

これにより、最適な補正値を得ることができる。   Thereby, an optimal correction value can be obtained.

また、本発明の他の一態様に係る光学特性測定方法は、測定試料に光を照射して、照射された光が前記測定試料で反射された反射光の出力に基づいて光学特性を導出する光学特性測定方法であって、前記反射光の出力をフレネル反射特性に基づいて補正した補正出力を求め、前記補正出力に基づいて光学特性を導出する。   An optical property measurement method according to another embodiment of the present invention irradiates a measurement sample with light, and derives the optical property based on the output of reflected light reflected by the measurement sample. In the optical characteristic measuring method, a correction output obtained by correcting the output of the reflected light based on the Fresnel reflection characteristic is obtained, and the optical characteristic is derived based on the correction output.

これにより、フレネル反射特性の影響により生じる誤差を補正することができ、光学特性値を正確に測定できる。なお、フレネル反射特性の影響により生じる誤差とは、具体的には、強度分布のピーク位置ずれ及び反射光の出力の変動などである。   Thereby, an error caused by the influence of the Fresnel reflection characteristic can be corrected, and the optical characteristic value can be measured accurately. Note that the error caused by the influence of the Fresnel reflection characteristic is specifically the peak position shift of the intensity distribution and the fluctuation of the output of the reflected light.

本発明に係る光学特性測定装置および光学特性測定方法によれば、フレネル反射特性の影響により生じる誤差を補正することで、光学特性値を正確に測定することが可能である。   According to the optical characteristic measuring apparatus and the optical characteristic measuring method according to the present invention, it is possible to accurately measure the optical characteristic value by correcting the error caused by the influence of the Fresnel reflection characteristic.

以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted.

まず、本発明で用いるフレネル反射率について説明する。光が界面で反射される場合に、界面での振幅反射率を与える式をフレネル係数という。フレネル係数は、斜め入射の場合にはp波およびs波において異なる値となる。なお、光の成分のうちベクトルが入射面内で振動するものをp波といい、光の成分のうちベクトルが入射面に垂直に振動するものをs波という。屈折率がnの物質から屈折率がnの物質に光が入射するときのp波およびs波に対するフレネル係数rpおよびrsは、それぞれ以下に示される式(1−1)および式(1−2)で表される。ただし、入射角はαであり、屈折角はβである。ここで、入射角とは界面の法線と入射光とがなす角をいい、屈折角とは界面の法線と屈折光とがなす角をいう。 First, the Fresnel reflectance used in the present invention will be described. An equation that gives amplitude reflectivity at the interface when light is reflected at the interface is called the Fresnel coefficient. In the case of oblique incidence, the Fresnel coefficient has different values for the p wave and the s wave. A light component whose vector vibrates in the incident plane is called a p-wave, and a light component whose vector vibrates perpendicular to the incident plane is called an s-wave. The Fresnel coefficients rp and rs for the p-wave and s-wave when light is incident on the material having a refractive index of n 1 from the material having a refractive index of n 2 are expressed by the following equations (1-1) and (1 -2). However, the incident angle is α and the refraction angle is β. Here, the incident angle refers to the angle formed between the normal line of the interface and the incident light, and the refraction angle refers to the angle formed between the normal line of the interface and the refracted light.

Figure 2009156789
Figure 2009156789

さらに、光強度についてのp波の反射率Rpおよびs波の反射率Rsは、それぞれ以下に示される式(2−1)および式(2−2)で表される。   Further, the p-wave reflectivity Rp and the s-wave reflectivity Rs with respect to the light intensity are expressed by the following equations (2-1) and (2-2), respectively.

Figure 2009156789
Figure 2009156789

本明細書においては、p波とs波はそれぞれ半分ずつであると考えて、フレネル反射率Rは、以下に示す式(3)を用いる。   In this specification, the p-wave and the s-wave are considered to be half each, and the Fresnel reflectivity R uses the following formula (3).

Figure 2009156789
Figure 2009156789

図1は、実施形態の光学特性測定装置における光学系の構成を示す図である。図2は、実施形態の光学特性測定装置における開口板の構成を示す図である。図3は、実施形態の光学特性測定装置における受光部の構成を示す図である。図4は、実施形態の光学特性測定装置における電気的な構成を示す図である。   FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an optical system in the optical characteristic measuring apparatus according to the embodiment. FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the aperture plate in the optical property measuring apparatus according to the embodiment. FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a light receiving unit in the optical characteristic measuring apparatus according to the embodiment. FIG. 4 is a diagram illustrating an electrical configuration of the optical characteristic measuring apparatus according to the embodiment.

まず、本発明に係る実施の一形態における光学特性測定装置1の光学的な構成について説明する。図1ないし図3において、光学特性測定装置1は、測定試料SMの試料表面SMaにおける所定領域に光を照射する照明側光学系(光照射部)10と、前記所定領域からの反射光を受光する受光側光学系20とを備えて構成される。   First, the optical configuration of the optical property measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention will be described. 1 to 3, the optical characteristic measuring apparatus 1 receives an illumination-side optical system (light irradiating unit) 10 that irradiates a predetermined region on the sample surface SMa of the measurement sample SM and the reflected light from the predetermined region. And a light receiving side optical system 20.

照明側光学系10および受光側光学系20は、測定試料SMの試料表面SMaにおける或る点を通る試料表面SMaの法線Gに対して互いに反対側の領域に配設される。照明側光学系10は、その光軸13aが測定試料SMの試料表面SMaにおける或る点を通る試料表面SMaの法線Gに対して角度θ1をなし、受光側光学系20は、その光軸22aが法線Gに対して角度θ2をなす。具体的には、角度θ1は入射角であり、角度θ2は反射角である。一般的には、角度θ1および角度θ2は同一の値である。   The illumination side optical system 10 and the light receiving side optical system 20 are arranged in regions opposite to each other with respect to the normal line G of the sample surface SMa passing through a certain point on the sample surface SMa of the measurement sample SM. The illumination side optical system 10 has an angle θ1 with respect to the normal G of the sample surface SMa whose optical axis 13a passes through a certain point on the sample surface SMa of the measurement sample SM, and the light reception side optical system 20 has its optical axis. 22a forms an angle θ2 with respect to the normal G. Specifically, the angle θ1 is an incident angle and the angle θ2 is a reflection angle. In general, the angle θ1 and the angle θ2 are the same value.

角度θ1および角度θ2は任意の角度でよいが、測定試料SMが光学特性測定装置1に対して正規姿勢である場合において、角度θ1および角度θ2は、例えばISOやJISなどによって規格化されており、20度、60度または85度とされる。本実施形態では、光学特性の一例である60度光沢を測定するために、正規姿勢における角度θ1および角度θ2は、ASTMD523の規定に基づいて所定の角度である60度とされている。したがって、照明側光学系10と受光側光学系20とは、これらの光軸13aおよび光軸22aが試料表面SMaの法線Gを対称軸とする線対称となるように、それぞれ配設されている。なお、正規姿勢の場合の角度θ1および角度θ2を正規角度という。本実施形態においては、正規角度は60度である。   The angle θ1 and the angle θ2 may be arbitrary angles. However, when the measurement sample SM is in a normal posture with respect to the optical property measuring apparatus 1, the angle θ1 and the angle θ2 are standardized by, for example, ISO or JIS. , 20 degrees, 60 degrees, or 85 degrees. In this embodiment, in order to measure 60 degree gloss, which is an example of optical characteristics, the angle θ1 and the angle θ2 in the normal posture are set to 60 degrees, which is a predetermined angle based on the definition of ASTM D523. Therefore, the illumination-side optical system 10 and the light-receiving side optical system 20 are respectively arranged so that the optical axis 13a and the optical axis 22a are line-symmetric with respect to the normal line G of the sample surface SMa. Yes. Note that the angle θ1 and the angle θ2 in the normal posture are referred to as normal angles. In the present embodiment, the normal angle is 60 degrees.

照明側光学系10は、光源部11と、照明側開口板12と、照明レンズ13とを備え、試料表面SMaから遠い順に光源部11、照明側開口板12および照明レンズ13が各光軸を光軸13aに揃えて配置されている。   The illumination-side optical system 10 includes a light source unit 11, an illumination-side aperture plate 12, and an illumination lens 13. The light source unit 11, the illumination-side aperture plate 12 and the illumination lens 13 have their optical axes in order from the sample surface SMa. It arrange | positions along with the optical axis 13a.

光源部11は、例えばLEDなどの発光素子を備えて構成され、試料表面SMaに向けて光を放射する装置である。照明側開口板12は、光源部11から試料表面SMaに向けて放射された光を所定の開き角に規制する部材である。照明側開口板12は、例えば、本実施形態では、光源部11から放射され試料表面SMaに照射すべき光の波長を遮光する材料で形成された板状部材であり、図2に示すように、照明側開口12aが照明側開口板12を貫通するように穿設されている。この照明側開口12aは、画角にして、幅(図1では紙面内略上下方向)wが0.75度であって、高さ(図1では紙面垂直方向)hが2.5度の矩形形状とされている。照明レンズ13は、照明側開口板12の照明側開口12aを通過した光を光軸13aに略平行な平行光束11aとして試料表面SMaに導く光学素子である。   The light source unit 11 is configured to include a light emitting element such as an LED, and is a device that emits light toward the sample surface SMa. The illumination side aperture plate 12 is a member that regulates the light emitted from the light source unit 11 toward the sample surface SMa to a predetermined opening angle. In this embodiment, for example, the illumination-side aperture plate 12 is a plate-like member formed of a material that blocks the wavelength of light emitted from the light source unit 11 and irradiating the sample surface SMa, as shown in FIG. The illumination side opening 12 a is drilled so as to penetrate the illumination side opening plate 12. This illumination side opening 12a has an angle of view, a width (substantially up and down direction in FIG. 1 in the drawing) w is 0.75 degree, and a height (vertical direction in FIG. 1) h is 2.5 degree. It is a rectangular shape. The illumination lens 13 is an optical element that guides the light that has passed through the illumination side aperture 12a of the illumination side aperture plate 12 to the sample surface SMa as a parallel light beam 11a substantially parallel to the optical axis 13a.

受光側光学系20は、受光部21と、受光レンズ22とを備え、試料表面SMaから遠い順に受光部21および受光レンズ22が各光軸を光軸22aに揃えて配置されている。受光レンズ22は、測定試料SMの試料表面SMaからの反射光を集光して受光部21の受光面に導く光学素子である。   The light receiving side optical system 20 includes a light receiving unit 21 and a light receiving lens 22, and the light receiving unit 21 and the light receiving lens 22 are arranged in order of distance from the sample surface SMa with their optical axes aligned with the optical axis 22a. The light receiving lens 22 is an optical element that collects reflected light from the sample surface SMa of the measurement sample SM and guides it to the light receiving surface of the light receiving unit 21.

受光部21は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子からなる複数の受光素子を備え、本実施形態では、各受光素子から直接的に各出力が引き出されるように構成されている。受光部21は、光学特性を求める対象の領域よりも大きな受光面を持っている。受光部21の各受光素子は、照明側光学系10によって試料表面SMaに照射され当該試料表面SMaによって反射された反射光における光を受光することによって、受光量に応じた電気信号をそれぞれ出力する。   The light receiving unit 21 includes a plurality of light receiving elements including photoelectric conversion elements that convert light energy into electric energy, and in the present embodiment, each output is directly extracted from each light receiving element. The light receiving unit 21 has a light receiving surface larger than a target region for which optical characteristics are to be obtained. Each light receiving element of the light receiving unit 21 receives the light in the reflected light that is irradiated onto the sample surface SMa by the illumination side optical system 10 and reflected by the sample surface SMa, thereby outputting an electrical signal corresponding to the amount of light received. .

照明側光学系10および受光側光学系20において、照明側開口板12における照明側開口12aの位置と、受光部21における受光面の位置とは、光学的に共役な位置関係になるように受光部21が配設される。なお、測定試料SMの姿勢の変化が予め設定された所定の角度までならば、略正反射光方向の成分が受光部21の受光面に入射されるように受光面の大きさと受光レンズ22の焦点距離fとが設定される。   In the illumination-side optical system 10 and the light-receiving side optical system 20, light is received so that the position of the illumination-side opening 12a in the illumination-side aperture plate 12 and the position of the light-receiving surface in the light-receiving unit 21 are optically conjugate. A portion 21 is provided. If the change in the posture of the measurement sample SM is up to a predetermined angle set in advance, the size of the light receiving surface and the light receiving lens 22 are adjusted so that the component in the substantially regular reflected light direction is incident on the light receiving surface of the light receiving unit 21. The focal length f is set.

本実施形態では、受光部21は、例えば図3に示すように、一方向に配列された7個の受光素子p0〜p6を備え、各受光素子p0〜p6から直接的に各出力が引き出されるように構成されたシリコンフォトダイオードアレイを備えて構成されている。ここで、光が照射され、照明側開口板12の照明側開口12aの像が受光部21の受光面に結像した場合に、照明側開口12aの幅w方向と各受光素子p0〜p6の配列方向とが一致するように、受光部21は、受光レンズ22の焦点位置fに配設される。また、正規姿勢の場合には、前述のように角度θ2は60度である。このとき、略正反射方向の成分21aの光の強度のピークは、7個の受光素子p0〜p6のうちp2に照射されるように各受光素子p0〜p6は配置されている。また、反射光の角度が変化した場合に、角度θ2が、56度、58度、62度、64度、66度および68度になった場合には、それぞれ受光素子p0、p1、p3、p4、p5、およびp6に略正反射方向の成分21aの光の強度のピーク位置が来るように各受光素子p0〜p6は配置されている。   In the present embodiment, for example, as shown in FIG. 3, the light receiving unit 21 includes seven light receiving elements p0 to p6 arranged in one direction, and outputs are directly extracted from the light receiving elements p0 to p6. A silicon photodiode array configured as described above is provided. Here, when light is irradiated and an image of the illumination side opening 12a of the illumination side opening plate 12 is formed on the light receiving surface of the light receiving unit 21, the width w direction of the illumination side opening 12a and each of the light receiving elements p0 to p6. The light receiving unit 21 is disposed at the focal position f of the light receiving lens 22 so that the arrangement direction matches. In the case of the normal posture, the angle θ2 is 60 degrees as described above. At this time, the light receiving elements p0 to p6 are arranged so that the peak of the light intensity of the component 21a in the substantially regular reflection direction is irradiated to p2 among the seven light receiving elements p0 to p6. When the angle of the reflected light changes and the angle θ2 becomes 56 degrees, 58 degrees, 62 degrees, 64 degrees, 66 degrees, and 68 degrees, the light receiving elements p0, p1, p3, p4, respectively. , P5, and p6, the light receiving elements p0 to p6 are arranged such that the peak position of the light intensity of the component 21a in the substantially regular reflection direction comes.

次に、光学特性測定装置1の電気的な構成について説明する。図4において、光学特性測定装置1は、光源部11と、受光部21と、制御部31と、発光駆動部32と、アナログディジタル変換部(以下、「A/D変換部」と略記する。)33と、記憶部34と、表示部35と、入力操作部36とを備えて構成される。   Next, the electrical configuration of the optical property measuring apparatus 1 will be described. In FIG. 4, the optical characteristic measuring apparatus 1 is abbreviated as a light source unit 11, a light receiving unit 21, a control unit 31, a light emission driving unit 32, and an analog / digital conversion unit (hereinafter referred to as “A / D conversion unit”). ) 33, a storage unit 34, a display unit 35, and an input operation unit 36.

光源部11および受光部21は、図1に示す光源部11および受光部21に対応する。発光駆動部32は、制御部31の制御に従って光源部11に発光動作を行わせる回路である。A/D変換部33は、受光部21のアナログ出力を、複数のビット(例えば8ビットや10ビットなど)からなるディジタル信号に変換する回路である。A/D変換部33には、受光部21における各受光素子からの各出力がパラレルにあるいはシリアルにそれぞれ入力される。記憶部34は、A/D変換部33から出力されたディジタル信号を一時的に記憶する回路であり、このディジタル信号に対して制御部31によって各種処理を行うための作業領域として用いられる。   The light source unit 11 and the light receiving unit 21 correspond to the light source unit 11 and the light receiving unit 21 illustrated in FIG. The light emission drive unit 32 is a circuit that causes the light source unit 11 to perform a light emission operation according to the control of the control unit 31. The A / D conversion unit 33 is a circuit that converts the analog output of the light receiving unit 21 into a digital signal composed of a plurality of bits (for example, 8 bits or 10 bits). Each output from each light receiving element in the light receiving unit 21 is input to the A / D conversion unit 33 in parallel or serially. The storage unit 34 is a circuit that temporarily stores the digital signal output from the A / D conversion unit 33, and is used as a work area for performing various processes by the control unit 31 on the digital signal.

表示部35は、入力操作部36の操作結果や、制御部31により導出された測定試料SMの例えば光沢度などの光学特性値や測定試料SMの屈折率などを表示する回路であり、例えば、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどの表示回路を備えて構成される。入力操作部36は、光学特性測定装置1の主電源のオンオフを切り替えるための電源ボタン回路や、光学特性の測定開始を指示する測定開始指示を入力するためのスイッチ回路などを含むものである。また、入力操作部36は、測定試料SMの屈折率を入力するための屈折率入力部としても機能することとしてもよい。すなわち、所定の屈折率を指示するためのボタン回路などを含むこととすればよい。入力操作部(屈折率入力部)36より、測定試料SMの屈折率を入力することで、正しいフレネル反射率を算出することができ、より正確な補正を行うことができる。なお、入力操作部36とは別に屈折率入力部を設けてもかまわない。   The display unit 35 is a circuit that displays an operation result of the input operation unit 36, an optical characteristic value such as glossiness of the measurement sample SM derived by the control unit 31, a refractive index of the measurement sample SM, and the like. A display circuit such as a liquid crystal display or an organic EL display is provided. The input operation unit 36 includes a power button circuit for switching on / off of the main power supply of the optical characteristic measuring apparatus 1, a switch circuit for inputting a measurement start instruction for instructing measurement start of the optical characteristic, and the like. Further, the input operation unit 36 may function as a refractive index input unit for inputting the refractive index of the measurement sample SM. That is, a button circuit for instructing a predetermined refractive index may be included. By inputting the refractive index of the measurement sample SM from the input operation unit (refractive index input unit) 36, the correct Fresnel reflectance can be calculated and more accurate correction can be performed. In addition to the input operation unit 36, a refractive index input unit may be provided.

制御部31は、測定試料SMの光学特性を測定すべく、上記各部を当該機能に応じてそれぞれ制御する回路である。例えば、制御部31は、例えば制御プログラムなどを記憶する記憶素子、制御プログラムに従って動作するマイクロプロセッサおよびその周辺回路を備えたマイクロコンピュータによって構成される。記憶素子は、例えば、不揮発性のROM(Read Only Memory)、書き換え可能な不揮発性のEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)および揮発性のRAM(Random Access Memory)
などを備えて構成される。制御部31は、機能的に、発光制御部31aと、受光制御部31bと、光学特性演算部31cと、表示制御部31dとを備えている。
The control unit 31 is a circuit that controls each unit according to the function in order to measure the optical characteristics of the measurement sample SM. For example, the control unit 31 includes a microcomputer that includes a storage element that stores, for example, a control program, a microprocessor that operates according to the control program, and its peripheral circuits. Examples of the storage element include a nonvolatile ROM (Read Only Memory), a rewritable nonvolatile EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), and a volatile RAM (Random Access Memory).
And so on. The control unit 31 functionally includes a light emission control unit 31a, a light reception control unit 31b, an optical characteristic calculation unit 31c, and a display control unit 31d.

発光制御部31aは、発光駆動部32の動作を制御するものであり、入力操作部36による測定試料SMの光学特性測定開始の指示が入力されると、光源部11に所定時間の発光動作を行わせる。受光制御部31bは、A/D変換部33の動作を制御するものであり、入力操作部36による測定試料SMの光学特性測定開始の指示が入力されると、光源部11の発光タイミングに応じて受光部21のアナログ出力をディジタル信号に変換する動作をA/D変換部33に行わせる。光学特性演算部31cは、A/D変換部33からのディジタル信号に基づいて測定試料SMの光学特性を導出する。   The light emission control unit 31a controls the operation of the light emission drive unit 32. When an instruction to start optical characteristic measurement of the measurement sample SM is input by the input operation unit 36, the light emission unit 31a performs a light emission operation for a predetermined time. Let it be done. The light reception control unit 31b controls the operation of the A / D conversion unit 33. When an instruction to start measuring the optical characteristics of the measurement sample SM is input by the input operation unit 36, the light reception control unit 31b corresponds to the light emission timing of the light source unit 11. Thus, the A / D converter 33 is caused to convert the analog output of the light receiving unit 21 into a digital signal. The optical characteristic calculation unit 31 c derives the optical characteristic of the measurement sample SM based on the digital signal from the A / D conversion unit 33.

本実施形態では、光学特性演算部31cは、受光部21の出力とフレネル反射特性に基づき測定試料SMの光学特性を導出する。表示制御部31dは、光学特性演算部31cによって算出された光学特性値を表示部35に表示させる。また、表示制御部31dは、光学特性値だけでなく、角度ずれ量や、試料表面SMaが測定基準面に対して傾いている方向などを表示部35に表示させることとしてもよい。ここで、角度ずれ量は、試料表面SMaが曲面などであった場合に、生じる試料表面SMaと測定基準面とのずれ量をいい、言い換えると、正規角度(60度)と変化後の角度θ1との差をいう。したがって、正規姿勢であれば、角度ずれ量は0である。   In the present embodiment, the optical characteristic calculation unit 31c derives the optical characteristic of the measurement sample SM based on the output of the light receiving unit 21 and the Fresnel reflection characteristic. The display control unit 31d causes the display unit 35 to display the optical characteristic value calculated by the optical characteristic calculation unit 31c. In addition, the display control unit 31d may display not only the optical characteristic value but also the amount of angular deviation, the direction in which the sample surface SMa is inclined with respect to the measurement reference plane, and the like on the display unit 35. Here, the amount of angular deviation refers to the amount of deviation between the sample surface SMa and the measurement reference plane that occurs when the sample surface SMa is a curved surface, in other words, the normal angle (60 degrees) and the angle θ1 after the change. And the difference. Therefore, if the posture is normal, the amount of angular deviation is zero.

上記表示内容からユーザが測定の信頼度を判断することができる。なお、上記角度などの表示は、文字あるいはグラフなどで行うこととすれば、ユーザが理解しやすく好ましい。さらに、角度ずれ量が一定の範囲を超えた場合は、警告メッセージを表示して、ユーザに知らせることとすれば、補正の信頼度が低いことをユーザが見落としにくくなり、好ましい。なお、光学特性測定装置1は、警告メッセージと同時に警告音を鳴らすよう、警告ブザーなどを備えることとしてもよい。   The user can judge the reliability of measurement from the display content. The display of the angle and the like is preferably performed by a character or a graph so that the user can easily understand. Furthermore, when the amount of angular deviation exceeds a certain range, it is preferable that a warning message is displayed to notify the user that the correction reliability is low and it is difficult for the user to overlook. In addition, the optical characteristic measuring apparatus 1 is good also as providing a warning buzzer etc. so that a warning sound may be sounded simultaneously with a warning message.

なお、制御部31、表示部35および入力操作部36は、パーソナルコンピュータ、表示装置およびキーボードなどの外部機器により構成してもよい。   The control unit 31, the display unit 35, and the input operation unit 36 may be configured by external devices such as a personal computer, a display device, and a keyboard.

次に、光学特性測定装置1の動作について説明する。図5は実施形態における光学特性の演算手順を説明するための図である。図5(A)は受光部における各受光素子の出力値を示す図である。また、図5(B)は補正した後の各受光素子の出力値を示す図である。図5(A)および図5(B)において、その横軸は受光素子pn(n=0〜6)を表し、その縦軸は受光素子pnの出力値Pnおよび補正後の出力値Rnを示す。図5(C)は補正前および補正後の受光部の出力を基に導出された強度分布(光沢プロファイル)を示す図であり、図5(D)は強度分布で表された出力の切り出し位置を説明する図である。図5(C)および図5(D)の横軸はx軸であり、その縦軸は出力を表す。x軸は、図1および図3に示すように各受光素子p0〜p6の配列方向に設定される。   Next, the operation of the optical property measuring apparatus 1 will be described. FIG. 5 is a diagram for explaining an optical characteristic calculation procedure in the embodiment. FIG. 5A is a diagram illustrating output values of the respective light receiving elements in the light receiving unit. FIG. 5B shows the output value of each light receiving element after correction. 5A and 5B, the horizontal axis represents the light receiving element pn (n = 0 to 6), and the vertical axis represents the output value Pn of the light receiving element pn and the corrected output value Rn. . FIG. 5C is a diagram showing an intensity distribution (gloss profile) derived based on the output of the light receiving unit before and after correction, and FIG. 5D is an output clipping position represented by the intensity distribution. FIG. 5 (C) and 5 (D), the horizontal axis is the x-axis, and the vertical axis represents the output. The x-axis is set in the arrangement direction of the light receiving elements p0 to p6 as shown in FIGS.

ユーザによって測定試料SMが光学特性測定装置1に配置され、入力操作部36から測定試料SMの屈折率が入力され、光学特性測定開始の指示が入力されると、制御部31の発光制御部31aは、光源部11に発光動作を行わせる。   When the user places the measurement sample SM in the optical property measurement apparatus 1, receives the refractive index of the measurement sample SM from the input operation unit 36, and inputs an instruction to start optical property measurement, the light emission control unit 31 a of the control unit 31. Causes the light source unit 11 to perform a light emission operation.

光源部11から射出された光は、照明側開口板12の照明側開口12aによって所定の開き角に規制され、照明レンズ13によって光軸13aに略平行な平行光束11aとされ、測定試料SMの試料表面SMaに照射される。そして、試料表面SMaによって反射された反射光における略正反射方向の成分21aの光は、受光レンズ22によって収束され、受光部21で受光される。   The light emitted from the light source unit 11 is regulated to a predetermined opening angle by the illumination side opening 12a of the illumination side opening plate 12, and is made into a parallel light beam 11a substantially parallel to the optical axis 13a by the illumination lens 13, and the measurement sample SM The sample surface SMa is irradiated. Then, the light of the component 21 a in the substantially regular reflection direction in the reflected light reflected by the sample surface SMa is converged by the light receiving lens 22 and received by the light receiving unit 21.

制御部31の受光制御部31bは、光源部11の発光タイミングに応じて受光部21のアナログ出力をディジタル信号に変換する動作をA/D変換部33に行わせる。本実施形態では、受光部21は、上述したように、7個の受光素子p0〜p6を備えて構成されており、各受光素子p0〜p6のアナログ出力がA/D変換部33によってディジタル信号に変換される。例えば、図5(A)に示すように、受光素子p0では受光出力値P0が出力され、受光素子p1では受光出力値P1が出力され、受光素子p2では受光出力値P2が出力され、受光素子p3では受光出力値P3が出力され、受光素子p4では受光出力値P4が出力され、受光素子p5では受光出力値P5が出力され、そして、受光素子p6では受光出力値P6が出力される。   The light reception control unit 31 b of the control unit 31 causes the A / D conversion unit 33 to perform an operation of converting the analog output of the light reception unit 21 into a digital signal according to the light emission timing of the light source unit 11. In the present embodiment, the light receiving unit 21 includes seven light receiving elements p0 to p6 as described above, and the analog output of each of the light receiving elements p0 to p6 is converted into a digital signal by the A / D conversion unit 33. Is converted to For example, as shown in FIG. 5A, the light receiving element p0 outputs a light receiving output value P0, the light receiving element p1 outputs a light receiving output value P1, the light receiving element p2 outputs a light receiving output value P2, and the light receiving element At p3, the light receiving output value P3 is output, the light receiving element p4 outputs the light receiving output value P4, the light receiving element p5 outputs the light receiving output value P5, and the light receiving element p6 outputs the light receiving output value P6.

制御部31の光学特性演算部31cは、フレネル反射特性を用いて各受光出力値P0〜P6を補正する。まず、本補正で用いるフレネル反射特性の逆数について、図6を用いて説明する。図6はフレネル反射特性の逆数を説明するための図である。図6(A)はフレネル反射特性およびフレネル反射特性の逆数を示す図であり、図6(B)は、フレネル反射特性の逆数のカウント値を示す図である。図6(A)において横軸はx軸であり、縦軸は反射率を表す。ただし、フレネル反射特性の逆数は、規格化された無単位の値であるので、縦軸の反射率はフレネル反射特性を示すものである。なお、x軸は、図1および図3に示すように各受光素子p0〜p6の配列方向に設定される。また、図6(B)において横軸は受光素子pn(n=0〜6)を表し、その縦軸はフレネル反射特性の逆数の値を表す。   The optical characteristic calculation unit 31c of the control unit 31 corrects each light reception output value P0 to P6 using the Fresnel reflection characteristic. First, the reciprocal of the Fresnel reflection characteristic used in this correction will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram for explaining the reciprocal of the Fresnel reflection characteristic. 6A is a diagram showing the Fresnel reflection characteristics and the reciprocal of the Fresnel reflection characteristics, and FIG. 6B is a diagram showing the count value of the reciprocal of the Fresnel reflection characteristics. In FIG. 6A, the horizontal axis is the x-axis, and the vertical axis represents the reflectance. However, since the reciprocal of the Fresnel reflection characteristic is a normalized unitless value, the reflectance on the vertical axis indicates the Fresnel reflection characteristic. The x-axis is set in the arrangement direction of the light receiving elements p0 to p6 as shown in FIGS. In FIG. 6B, the horizontal axis represents the light receiving element pn (n = 0 to 6), and the vertical axis represents the reciprocal value of the Fresnel reflection characteristic.

図6(A)に示す、フレネル反射特性は具体的には反射率とxとの関係を示すものである。また、フレネル反射特性の逆数とは、具体的には、各受光素子p0〜p6に対して、各受光素子p0〜p6が受光した反射光と試料表面SMaの法線Gとのなす角度θ2によるフレネル反射率の逆数に、角度θ2が正規角度(60度)である場合のフレネル反射率を乗じたものである。なお、角度θ2が正規角度(60度)である場合のフレネル反射率を乗じるのは、正規角度における受光素子p2における出力値を基準として、補正の前後でこの値は変化させないためである。   Specifically, the Fresnel reflection characteristic shown in FIG. 6A shows the relationship between the reflectance and x. The reciprocal of the Fresnel reflection characteristic specifically depends on the angle θ2 between the reflected light received by each of the light receiving elements p0 to p6 and the normal line G of the sample surface SMa with respect to each of the light receiving elements p0 to p6. The inverse of the Fresnel reflectivity is multiplied by the Fresnel reflectivity when the angle θ2 is a normal angle (60 degrees). The reason why the Fresnel reflectance is multiplied when the angle θ2 is a normal angle (60 degrees) is that this value is not changed before and after the correction with reference to the output value at the light receiving element p2 at the normal angle.

なお、フレネル反射特性の逆数を言い換えると、角度θ2が正規角度(60度)である場合のフレネル反射率を、各受光素子p0〜p6が受光した反射光と試料表面SMaの法線Gとのなす角度θ2によるフレネル反射率で除した値である。したがって、x座標が、正規角度に対応する受光素子p2の位置の場合は、フレネル反射特性の逆数は1となる。なお、フレネル反射特性は破線で、フレネル反射特性の逆数は実線で表されている。   In other words, in other words, the inverse of the Fresnel reflection characteristics, the Fresnel reflectivity when the angle θ2 is a normal angle (60 degrees) is the reflected light received by each of the light receiving elements p0 to p6 and the normal line G of the sample surface SMa. It is a value divided by the Fresnel reflectivity according to the formed angle θ2. Therefore, when the x coordinate is the position of the light receiving element p2 corresponding to the normal angle, the reciprocal of the Fresnel reflection characteristic is 1. The Fresnel reflection characteristic is represented by a broken line, and the reciprocal of the Fresnel reflection characteristic is represented by a solid line.

フレネル反射特性はxの値が大きくなるにしたがって、反射率が大きくなっていっている。しかし、フレネル反射特性の逆数はxの値が大きくなるにしたがって、小さくなっていく。図6(B)は図6(A)に示したフレネル反射特性の逆数を、対応する受光素子p0〜p6ごとにカウント値で表したものである。具体的には、Q0は角度θ2が60度のときのフレネル反射率を角度θ2が56度のときのフレネル反射率で除した値であり、Q1は角度θ2が60度のときのフレネル反射率を角度θ2が58度のときのフレネル反射率で除した値であり、Q2は角度θ2が60度のときのフレネル反射率を角度θ2が60度のときのフレネル反射率で除した値であり、Q3は角度θ2が60度のときのフレネル反射率を角度θ2が62度のときのフレネル反射率で除した値であり、Q4は角度θ2が60度のときのフレネル反射率を角度θ2が64度のときのフレネル反射率で除した値であり、Q5は角度θ2が60度のときのフレネル反射率を角度θ2が66度のときのフレネル反射率で除した値であり、Q6は角度θ2が60度のときのフレネル反射率を角度θ2が68度のときのフレネル反射率で除した値である。   In the Fresnel reflection characteristic, the reflectance increases as the value of x increases. However, the inverse of the Fresnel reflection characteristic decreases as the value of x increases. FIG. 6B shows the reciprocal of the Fresnel reflection characteristic shown in FIG. 6A as a count value for each of the corresponding light receiving elements p0 to p6. Specifically, Q0 is a value obtained by dividing the Fresnel reflectance when the angle θ2 is 60 degrees by the Fresnel reflectance when the angle θ2 is 56 degrees, and Q1 is the Fresnel reflectance when the angle θ2 is 60 degrees. Is divided by the Fresnel reflectivity when the angle θ2 is 58 degrees, and Q2 is the value obtained by dividing the Fresnel reflectivity when the angle θ2 is 60 degrees by the Fresnel reflectivity when the angle θ2 is 60 degrees. Q3 is a value obtained by dividing the Fresnel reflectivity when the angle θ2 is 60 degrees by the Fresnel reflectivity when the angle θ2 is 62 degrees, and Q4 is the Fresnel reflectivity when the angle θ2 is 60 degrees. Q5 is a value divided by the Fresnel reflectivity when the angle θ2 is 60 degrees, and Q5 is a value obtained by dividing the Fresnel reflectivity when the angle θ2 is 60 degrees and Q6 is the angle divided by the Fresnel reflectivity when the angle θ2 is 66 degrees. The Fresnel reflectivity when θ2 is 60 degrees is expressed as the angle θ 2 is a value divided by Fresnel reflectivity when 68 degrees.

光学特性演算部31cは、図6(B)に示されたフレネル反射特性の逆数のカウント値Q0〜Q6を予め、例えば、測定試料SMの屈折率に応じて記憶しておくか、あるいは補間演算などにより求める。なお、測定試料SMの屈折率はユーザが屈折率入力部より入力した値を用いればよい。そして、フレネル反射特性の逆数のカウント値Q0〜Q6をそれぞれ、各受光素子p0〜p6に対応する各受光出力値P1〜P6に乗じる。これによって、各受光出力値P1〜P6は補正され、それぞれ補正された各受光出力値R1〜R6が導出される。補正された各受光出力値R1〜R6は、具体的には図5(B)に示されている。   The optical characteristic calculation unit 31c stores in advance the count values Q0 to Q6 of the reciprocal number of the Fresnel reflection characteristic shown in FIG. 6B, for example, according to the refractive index of the measurement sample SM, or an interpolation calculation. Ask for it. The refractive index of the measurement sample SM may be a value input by the user from the refractive index input unit. Then, the count values Q0 to Q6, which are the reciprocal of the Fresnel reflection characteristics, are multiplied by the respective received light output values P1 to P6 corresponding to the respective light receiving elements p0 to p6. As a result, the received light output values P1 to P6 are corrected, and the corrected received light output values R1 to R6 are derived. The corrected light reception output values R1 to R6 are specifically shown in FIG.

図5(A)と図5(B)とを比較するとわかるように、補正前は受光素子p4の受光出力値P4が最大出力値であったが、補正後は受光素子p3の補正された受光出力値R3が最大出力値となっている。補正後には、受光素子p3の位置が最大出力になっているので、反射角は62度である。補正後のピーク位置と正規角度(60度)との差は、2度であることから、試料表面SMaと測定基準面との角度ずれ量は2度である。なお、正規角度(60度)に対応する受光素子p2の受光出力値P2と補正された受光出力値R2は等しい。   As can be seen by comparing FIG. 5A and FIG. 5B, the light reception output value P4 of the light receiving element p4 was the maximum output value before correction, but after correction, the light reception output corrected by the light receiving element p3 was corrected. The output value R3 is the maximum output value. After correction, since the position of the light receiving element p3 is at the maximum output, the reflection angle is 62 degrees. Since the difference between the corrected peak position and the normal angle (60 degrees) is 2 degrees, the amount of angular deviation between the sample surface SMa and the measurement reference plane is 2 degrees. The light reception output value P2 of the light receiving element p2 corresponding to the normal angle (60 degrees) is equal to the corrected light reception output value R2.

また、制御部31の光学特性演算部31cは、補正された受光出力値R1〜R6に基づいて、受光部21の受光面上に設定された一方向に延びる直線、例えば図1および図3に示す上記x軸に沿った反射光の受光量の分布を表す強度分布(光沢プロファイル)を求める。具体的には、光沢プロファイルは図5(C)に示されている。なお、図5(C)においては、比較のため、補正前の受光出力値P1〜P6をもとに求めた、光沢プロファイルも記載してある。具体的には、補正前の光沢プロファイルは破線で、補正後の光沢プロファイルは実線で表されている。上述したが、図5(C)に示すように、補正後と補正前では、最大出力の位置が異なっていることがわかる。さらに、最大出力の値も異なっており、補正後の方が、最大出力値が減少している。このように、上記補正により、角度ずれ量および出力値の両方が補正されている。   Further, the optical characteristic calculation unit 31c of the control unit 31 is based on the corrected light reception output values R1 to R6, and is a straight line extending in one direction set on the light receiving surface of the light receiving unit 21, for example, FIG. 1 and FIG. An intensity distribution (gloss profile) representing the distribution of the amount of reflected light received along the x-axis is obtained. Specifically, the gloss profile is shown in FIG. FIG. 5C also shows a gloss profile obtained based on the light reception output values P1 to P6 before correction for comparison. Specifically, the gloss profile before correction is represented by a broken line, and the gloss profile after correction is represented by a solid line. As described above, as shown in FIG. 5C, it can be seen that the position of the maximum output is different between after correction and before correction. Further, the maximum output value is also different, and the maximum output value is reduced after the correction. Thus, both the amount of angular deviation and the output value are corrected by the above correction.

次に、光学特性演算部31cは、図5(D)に示すように、この求めた光沢プロファイルのうちから、光沢計算に用いる領域である切取りエリア(切取り範囲)を決定する。切取りエリアは、具体的には、光沢プロファイルのピーク位置を中心にして、x軸に沿ってプラス側およびマイナス側にW/2ずつ割り振った範囲Wとする。本実施形態では、切取りエリアの範囲Wは4.4度としている。上述したように、本実施形態では正規角度である所定の角度θ1、角度θ2を光沢値測定の場合の規格に合わせて60度としており、この場合はWが4.4度であることが規格化されているからである。なお、切取りエリアの決定は、この方法に限らず、例えば、光沢プロファイルの重心位置を中心として、x軸に沿ってプラス側およびマイナス側にW/2ずつ割り振った範囲Wとしてもよい。また、一定の範囲において、光沢プロファイルを範囲Wについて積分していき、もっとも積分値が大きくなった箇所としてもよい。   Next, as shown in FIG. 5D, the optical property calculator 31c determines a cut area (cut range) that is an area used for gloss calculation from the obtained gloss profile. Specifically, the cut-out area is a range W allocated by W / 2 to the plus side and the minus side along the x axis with the peak position of the gloss profile as the center. In the present embodiment, the cut-out area range W is 4.4 degrees. As described above, in the present embodiment, the predetermined angles θ1 and θ2 that are normal angles are set to 60 degrees in accordance with the standard for the gloss value measurement. In this case, W is 4.4 degrees. It is because it has become. The determination of the cut-out area is not limited to this method. For example, the cut-out area may be set to a range W that is assigned W / 2 on the plus side and the minus side along the x-axis with the center of gravity of the gloss profile as the center. Further, the gloss profile may be integrated with respect to the range W in a certain range, and the integrated value may be the largest.

切取りエリアが決定されると、光沢プロファイルのうち決定された切取りエリアの範囲内における受光強度Ruを求める。受光強度Ruを求めるためには、例えば、切取りエリアの範囲内における光沢プロファイルのカウント値の総和を求めればよい。なお、切取りエリアの端部にかかる部分のカウント値においては、切取りエリアの範囲に応じてカウント値を按分してもよいし、その他の補間手法を用いてもかまわない。受光強度Ruが求まると、それを用いて光沢値を求める。例えば、値付けされた校正板を測定したときの受光強度をCsとし、校正板に値付けされた光沢値をGcとすると、光沢値Guは、以下に示す式(4)で表される。   When the cut area is determined, the received light intensity Ru within the range of the determined cut area in the gloss profile is obtained. In order to obtain the received light intensity Ru, for example, the sum total of the count values of the gloss profile within the cut-out area may be obtained. In addition, in the count value of the part concerning the edge part of a cutting area, a count value may be apportioned according to the range of a cutting area, and another interpolation method may be used. When the received light intensity Ru is obtained, the gloss value is obtained using it. For example, when the received light intensity when measuring the calibrated calibration plate is Cs and the gloss value valued on the calibration plate is Gc, the gloss value Gu is expressed by the following equation (4).

Figure 2009156789
Figure 2009156789

このように、本実施形態の光学特性測定装置によれば、フレネル反射特性の影響を除去するよう補正をするので、より正確な光学特性の測定ができる。   As described above, according to the optical characteristic measuring apparatus of the present embodiment, correction is performed so as to remove the influence of the Fresnel reflection characteristic, so that more accurate optical characteristic measurement can be performed.

なお、フレネル反射特性は正反射光に対して該当する原理であり、拡散光には該当しないことから、上記光沢値などの光学特性値を導出する場合には、拡散成分を除去した正反射成分のみの光沢プロファイルを用いることが望ましい。拡散成分を分離するためには、公知の方法を用いればよい。例えば、対比光沢度を求めるための公知の方法、すなわち正反射の受光光学系と同様の光学系を、試料表面SMaに対して垂直方向などの拡散方向にも配置し、正反射光と拡散反射光の比を求める方法を用いればよい。   The Fresnel reflection characteristic is a principle applicable to specular reflection light, and does not correspond to diffuse light. Therefore, when deriving optical characteristic values such as the gloss value, the specular reflection component with the diffusion component removed is used. It is desirable to use only gloss profiles. In order to separate the diffusion component, a known method may be used. For example, a known method for obtaining the contrast glossiness, that is, an optical system similar to a regular reflection light receiving optical system is also arranged in a diffusion direction such as a direction perpendicular to the sample surface SMa so that regular reflection light and diffuse reflection are obtained. A method for obtaining the light ratio may be used.

また、ユーザが測定試料SMの屈折率を入力しない場合であっても、光学特性測定装置1は補正をせずに導出した光沢値に基づいて測定試料SMの屈折率を推定して、その推定した屈折率を用いて算出したフレネル反射率を用いて補正を行うこととしてもよい。   Further, even when the user does not input the refractive index of the measurement sample SM, the optical characteristic measurement apparatus 1 estimates the refractive index of the measurement sample SM based on the gloss value derived without correction. Correction may be performed using the Fresnel reflectance calculated using the refractive index.

図7は銀とガラスとのフレネル反射特性を示す図である。横軸は反射角度であり、縦軸は反射率である。なお、銀は金属であり、屈折率は∞(無限大)である。また、図7で示したガラスは屈折率を1.567とした。図7からもわかるように、ガラスと銀ではフレネル反射特性が大きく異なる。図7に示しているように、銀の反射率は反射角度にあまり依存せず、ほぼ一定値である。しかし、ガラスの反射率は、反射角度が60度程度まではほぼ一定であるが、それ以上は反射角度が大きくなると反射率が急激に高くなる。また、ガラスと銀は光沢値においても異なる。具体的には、光沢値が100GU以上の物質の屈折率は金属の屈折率に近く、光沢値が100GU未満の物質の屈折率はガラスの屈折率に近い傾向にある。このことを利用して、測定試料SMを屈折率が金属に近い物質またはガラスに近い物質に分類し、その分類によって測定試料SMの屈折率を推定することができる。例えば、100GUを境界として、100GU以上であれば金属とし、100GU未満であればガラスと推定することとすればよい。   FIG. 7 is a diagram showing Fresnel reflection characteristics of silver and glass. The horizontal axis is the reflection angle, and the vertical axis is the reflectance. Silver is a metal and the refractive index is ∞ (infinite). The glass shown in FIG. 7 has a refractive index of 1.567. As can be seen from FIG. 7, the Fresnel reflection characteristics differ greatly between glass and silver. As shown in FIG. 7, the reflectance of silver does not depend much on the reflection angle, and is a substantially constant value. However, the reflectance of glass is substantially constant until the reflection angle is about 60 degrees, but the reflectance increases rapidly as the reflection angle increases beyond that. Glass and silver also differ in gloss value. Specifically, the refractive index of a substance having a gloss value of 100 GU or more tends to be close to the refractive index of a metal, and the refractive index of a substance having a gloss value of less than 100 GU tends to be close to the refractive index of glass. By utilizing this fact, the measurement sample SM is classified into a substance having a refractive index close to that of a metal or a substance close to glass, and the refractive index of the measurement sample SM can be estimated based on the classification. For example, with 100 GU as a boundary, if 100 GU or more, the metal may be used, and if less than 100 GU, the glass may be estimated.

具体的には、まず光学特性測定装置1において、補正をせずに測定試料SMの光沢値を求める。光学特性演算部31cはその光沢値が100GU以上であれば屈折率を無限大としてフレネル反射率を算出し、その値が100GU未満であれば屈折率を1.567としてフレネル反射率を算出する。そして、光学特性演算部31cは、算出したフレネル反射率を用いて、上述の補正を行うことでおおよそではあるが十分な補正を行うことができる。なお、上述の説明では、光沢値が100GUを基準として2つの屈折率を推定することとしたが、これ以外の光沢値を基準としてもよいし、基準の数をさらに増やして推定する屈折率の数を増やしてもかまわない。   Specifically, first, in the optical characteristic measuring apparatus 1, the gloss value of the measurement sample SM is obtained without correction. If the gloss value is 100 GU or more, the optical property calculation unit 31c calculates the Fresnel reflectivity with an infinite refractive index, and if the value is less than 100 GU, the Fresnel reflectivity is calculated with a refractive index of 1.567. And the optical characteristic calculating part 31c can perform sufficient correction, though roughly, by performing the above-described correction using the calculated Fresnel reflectance. In the above description, the two refractive indexes are estimated based on the gloss value of 100 GU. However, other gloss values may be used as a reference, and the refractive index estimated by further increasing the number of references. You can increase the number.

なお、本発明の実施形態に係る光学特性測定装置1の受光部21はx軸方向に受光素子p0〜p6が並んでいる構成であり、いわゆる一次元の配置としている。しかし、本発明の光学特性測定装置は、この配置に限定されるわけではなく、例えば受光素子を二次元の配置としてもよい。その場合も、一次元の配置の場合と同様に、各受光素子が光のピークとなった場合の試料表面SMaの法線Gと反射光とのなす角度を求めることができるよう、各受光素子を配置すればよい。それにより各受光素子の出力をもとにフレネル反射率を算出し、補正を行うことができる。   The light receiving unit 21 of the optical characteristic measuring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention has a configuration in which the light receiving elements p0 to p6 are arranged in the x-axis direction, and is a so-called one-dimensional arrangement. However, the optical characteristic measuring apparatus of the present invention is not limited to this arrangement, and for example, the light receiving elements may be arranged in a two-dimensional manner. Also in this case, as in the case of the one-dimensional arrangement, each light receiving element can be obtained so that the angle formed between the normal G of the sample surface SMa and the reflected light when each light receiving element has a light peak can be obtained. May be arranged. Accordingly, the Fresnel reflectance can be calculated based on the output of each light receiving element, and correction can be performed.

次に、本実施形態に係る光学特性測定装置の他の一態様であって、光学特性演算部31cによる補正の方法が、上述の方法とは異なる、光学特性測定装置1について説明する。なお、この補正においても、上述の実施形態に係る光学特性測定装置1と同様に、光学特性演算部31cにおいてフレネル反射特性を用いて、フレネル反射特性に起因する誤差を補正する。具体的には、フレネル反射特性を加味した分布関数に受光部21で得た出力の分布を近似した結果を用いて、補正を行う。以下、他の一態様である光学特性測定装置の光学特性演算部31cの演算方法について説明する。   Next, a description will be given of an optical characteristic measuring apparatus 1 that is another aspect of the optical characteristic measuring apparatus according to the present embodiment and that is different from the above-described method in the correction method by the optical characteristic calculating unit 31c. Also in this correction, similarly to the optical characteristic measuring apparatus 1 according to the above-described embodiment, the optical characteristic calculation unit 31c uses the Fresnel reflection characteristic to correct an error caused by the Fresnel reflection characteristic. Specifically, correction is performed using a result obtained by approximating the distribution of the output obtained by the light receiving unit 21 to a distribution function taking into account the Fresnel reflection characteristics. Hereinafter, a calculation method of the optical characteristic calculation unit 31c of the optical characteristic measurement apparatus which is another aspect will be described.

本実施形態に係る光学特性測定装置の他の一態様における、光学特性演算部31cの演算手順について図8を用いて説明する。図8は、他の補正方法における光学特性の演算手順を説明するための図である。図8(A)は、受光部における各受光素子の出力値を示す図であり、その横軸は、受光素子pn(n=0〜6)を表し、その縦軸は、受光素子pnの出力値Pnを示す。図8(B)は、受光部21の出力を近似した分布関数P(x)を示す図であり、図8(C)は、光学特性値を求めるための分布関数P´(x)の積分範囲を説明するための図である。図8(B)、(C)の横軸は、x軸であり、その縦軸は、分布関数の関数値P(x)を表す。x軸は、図1および図3に示すように各受光素子p0〜p6の配列方向に設定される。   The calculation procedure of the optical characteristic calculation unit 31c in another aspect of the optical characteristic measurement apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram for explaining an optical characteristic calculation procedure in another correction method. FIG. 8A is a diagram showing the output value of each light receiving element in the light receiving unit, the horizontal axis represents the light receiving element pn (n = 0 to 6), and the vertical axis represents the output of the light receiving element pn. The value Pn is indicated. FIG. 8B is a diagram showing a distribution function P (x) approximating the output of the light receiving unit 21, and FIG. 8C is an integration of the distribution function P ′ (x) for obtaining an optical characteristic value. It is a figure for demonstrating a range. The horizontal axis of FIGS. 8B and 8C is the x-axis, and the vertical axis represents the function value P (x) of the distribution function. The x-axis is set in the arrangement direction of the light receiving elements p0 to p6 as shown in FIGS.

制御部31の光学特性演算部31cは、まず、受光部21の受光面上に設定された一方向に延びる直線、例えば図1および図3に示す上記x軸に沿った反射光の受光量の分布を表す分布関数P(x)を受光部21の出力に基づいて求める。より具体的には、制御部31の光学特性演算部31cは、受光部21の出力を一次元の分布関数P(x)で近似する。   The optical characteristic calculator 31c of the controller 31 first determines the amount of reflected light received along a straight line set in one direction set on the light receiving surface of the light receiver 21, for example, the x-axis shown in FIGS. A distribution function P (x) representing the distribution is obtained based on the output of the light receiving unit 21. More specifically, the optical characteristic calculation unit 31c of the control unit 31 approximates the output of the light receiving unit 21 with a one-dimensional distribution function P (x).

用いる分布関数P(x)は、具体的には式(5)に表す。P(x)には、フレネル反射特性が加味されている。   Specifically, the distribution function P (x) to be used is expressed by Equation (5). P (x) includes a Fresnel reflection characteristic.

Figure 2009156789
Figure 2009156789

ここで、xはx軸上の任意の位置を表し、aは光源部11からの光の光束の任意の位置における微小に分解された1本の光が試料表面SMaに入射し、反射した場合における、受光部21における光沢プロファイルの中心位置を表している。fは受光レンズ22の焦点距離であり、nは光源部11からの光が測定試料SMに入射する前に伝搬していた媒体、すなわち空気の屈折率であって1である。nは測定試料SMの屈折率であって、例えば測定試料SMがガラスであれば屈折率は1.567などであり、金属であれば屈折率は無限大である。pは試料表面SMaが鏡面である場合の受光部21におけるx軸に沿った像の幅である。また、θiは正規姿勢の場合の角度θ1および角度θ2の値とすればよい。本実施形態では、上述したように60度を用いているため、θiは60とすればよい。 Here, x represents an arbitrary position on the x-axis, and a represents a case where one minutely decomposed light at an arbitrary position of the light beam from the light source unit 11 is incident on the sample surface SMa and reflected. The center position of the gloss profile in the light receiving part 21 is shown. f is a focal length of the light receiving lens 22, and n 1 is a refractive index of a medium that is propagated before the light from the light source unit 11 enters the measurement sample SM, that is, air. n 2 is the refractive index of the measurement sample SM. For example, if the measurement sample SM is glass, the refractive index is 1.567, and if it is a metal, the refractive index is infinite. p is the width of the image along the x-axis in the light receiving unit 21 when the sample surface SMa is a mirror surface. Further, θi may be a value of the angle θ1 and the angle θ2 in the normal posture. In this embodiment, since 60 degrees is used as described above, θi may be set to 60.

x0は受光部21における受光量の分布の中心座標であり、角度ずれ量を示す。Nは反射光の正反射成分の幅であり、Lは反射光の拡散成分の発光強度であり、Sは反射光の正反射成分の発光強度である。P(x)は、これらx0、N、L、Sが決定すると確定する。   x0 is the center coordinate of the distribution of the received light amount in the light receiving unit 21, and indicates the amount of angular deviation. N is the width of the regular reflection component of the reflected light, L is the emission intensity of the diffuse component of the reflected light, and S is the emission intensity of the regular reflection component of the reflected light. P (x) is determined when these x0, N, L, and S are determined.

したがって、光学特性演算部31cは、受光部21における各受光素子p0〜p6の受光出力値P0〜P6を用いて、式(5)の受光量の分布の中心座標x0、反射光の正反射成分の幅N、反射光の拡散成分の発光強度Lおよび反射光の正反射成分の発光強度Sを求め、受光部21の出力を表す分布関数P(x)を求め、受光部21の出力を近似する。より具体的には、図8(A)および図8(B)に示すように、各受光素子p0〜p6の受光出力値P0〜P6と、各受光素子p0〜p6の受光領域に対応する範囲で、式(5)の分布関数P(x)を積分した各積分値T0〜T6とが最も一致するように、分布関数P(x)を求め、受光部21の出力を近似する。なお、T0〜T6は、それぞれ、以下に示す式(6)により求められる。ここで、xsn(n=0〜6)は各受光素子p0〜p6の中心位置であり、swaは各受光素子p0〜p6のx軸方向に沿った幅である。   Therefore, the optical characteristic calculation unit 31c uses the light reception output values P0 to P6 of the light receiving elements p0 to p6 in the light receiving unit 21, and the center coordinates x0 of the distribution of the received light amount of Expression (5), the regular reflection component of the reflected light , The emission intensity L of the diffuse component of the reflected light, and the emission intensity S of the regular reflection component of the reflected light, the distribution function P (x) representing the output of the light receiving unit 21 is obtained, and the output of the light receiving unit 21 is approximated To do. More specifically, as shown in FIGS. 8A and 8B, the light receiving output values P0 to P6 of the light receiving elements p0 to p6 and the ranges corresponding to the light receiving regions of the light receiving elements p0 to p6. Thus, the distribution function P (x) is obtained so that the integrated values T0 to T6 obtained by integrating the distribution function P (x) of the equation (5) are the best, and the output of the light receiving unit 21 is approximated. Note that T0 to T6 are respectively obtained by the following equation (6). Here, xsn (n = 0 to 6) is the center position of each of the light receiving elements p0 to p6, and swa is the width along the x-axis direction of each of the light receiving elements p0 to p6.

Figure 2009156789
Figure 2009156789

さらに具体的には、各受光素子p0〜p6の受光出力値P0〜P6と、各受光素子p0〜p6の受光領域に対応する範囲で、式(6)で表されたT0〜T6との差の二乗和Dが最小となるように、未知数x0、N、L、Sの値を決定する。なお、二乗和Dは、以下に示す式(7)で表される。決定された未知数x0、N、L、Sより、分布関数P(x)を確定し、受光部21の出力を近似する。   More specifically, the difference between the light receiving output values P0 to P6 of the light receiving elements p0 to p6 and the T0 to T6 expressed by the expression (6) in the range corresponding to the light receiving regions of the light receiving elements p0 to p6. The values of the unknowns x0, N, L, and S are determined so that the sum of squares D is minimized. The square sum D is expressed by the following equation (7). The distribution function P (x) is determined from the determined unknowns x0, N, L, and S, and the output of the light receiving unit 21 is approximated.

Figure 2009156789
Figure 2009156789

測定試料SMが低光沢材料である場合に、フレネル反射特性の影響により反射角度が増加する現象が生じるが、分布関数P(x)にはフレネル反射特性が加味されていることから補正され、このときの角度ずれ量x0を正しく求めることができる。   When the measurement sample SM is a low-gloss material, a phenomenon occurs in which the reflection angle increases due to the influence of the Fresnel reflection characteristics. However, the distribution function P (x) is corrected because the Fresnel reflection characteristics are taken into account. Angle deviation amount x0 can be obtained correctly.

さらに、光学特性演算部31cは確定した分布関数P(x)において、角度ずれ量x0には0を代入して図8(C)に示す分布関数P´(x)を求める。分布関数P´(x)は、角度ずれが生じず、正規姿勢であって、理想的な測定状態で光学特性を測定した場合の光沢プロファイルを表している。また、分布関数P´(x)においては、フレネル反射特性の影響により、出力値が増減する現象についても、補正されている。   Furthermore, in the determined distribution function P (x), the optical characteristic calculator 31c substitutes 0 for the angle deviation amount x0 to obtain the distribution function P ′ (x) shown in FIG. The distribution function P ′ (x) represents a gloss profile when the optical characteristics are measured in an ideal measurement state with no angular deviation and in a normal posture. In the distribution function P ′ (x), a phenomenon in which the output value increases or decreases due to the influence of Fresnel reflection characteristics is also corrected.

次に、光学特性演算部31cは、図8(C)に示すように、この求めた分布関数P´(x)をそのx=0を中心に、幅W=4.4度に相当する範囲(−W/2〜W/2、積分区間)について積分し、積分値Sを求める。すなわち、光学特性演算部31cは、式3によって分布関数P´(x)の積分値Sを求める。なお、具体的には、積分値Sは以下に示す式(8)により表される。   Next, as shown in FIG. 8C, the optical characteristic calculation unit 31c sets the obtained distribution function P ′ (x) in a range corresponding to a width W = 4.4 degrees centering on x = 0. Integrate with respect to (−W / 2 to W / 2, integration interval) to obtain an integral value S. In other words, the optical characteristic calculation unit 31c obtains the integral value S of the distribution function P ′ (x) using Equation 3. Specifically, the integral value S is represented by the following equation (8).

Figure 2009156789
Figure 2009156789

さらに、求めた積分値Sから切取りエリアの範囲Wにおける光沢値を求める。
以上のように、実施の形態2に係る光学特性測定装置1における光学特性演算部31cは、分布関数を用いた近似により、フレネル反射特性の影響による誤差を補正して、より正確な光学特性値を測定することができる。
Further, the gloss value in the range W of the cut area is obtained from the obtained integrated value S.
As described above, the optical property calculation unit 31c in the optical property measurement apparatus 1 according to the second embodiment corrects an error due to the influence of the Fresnel reflection property by approximation using a distribution function, and thereby provides a more accurate optical property value. Can be measured.

なお、フレネル反射特性を求めるために必要な測定試料SMの屈折率の設定方法については、上述の方法を用いてもよいし、式(5)において、測定試料SMの屈折率nも未知数としておき、上記他の未知数x0、N、L、Sを求める際に屈折率nも決定するようにしてもよい。 As a method for setting the refractive index of the measurement sample SM necessary for obtaining the Fresnel reflection characteristics, the above-described method may be used, and the refractive index n 2 of the measurement sample SM is also set as an unknown in the equation (5). Alternatively, the refractive index n 2 may also be determined when obtaining the other unknowns x0, N, L, and S.

以上説明してきたように、本発明の実施の形態に係る光学特性測定装置1は、フレネル反射特性の影響により生じた誤差を補正して、正確な光学特性測定ができるという効果を奏する。なお、上述において、本発明の光学特性測定装置により光沢値を測定する場合を説明したが、光沢値だけでなく、ヘーズ値や表色系の値など、その他の光学特性を測定することもできる。また、同様にして、光学特性測定方法も実現でき、それにより、正確な光学特性測定ができる。   As described above, the optical characteristic measuring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention has an effect of correcting an error caused by the influence of the Fresnel reflection characteristic and performing an accurate optical characteristic measurement. In the above description, the case where the gloss value is measured by the optical property measuring apparatus of the present invention has been described. However, not only the gloss value but also other optical properties such as a haze value and a color system value can be measured. . Similarly, an optical property measurement method can also be realized, whereby accurate optical property measurement can be performed.

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および/または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。   In order to express the present invention, the present invention has been properly and fully described through the embodiments with reference to the drawings. However, those skilled in the art can easily change and / or improve the above-described embodiments. It should be recognized that this is possible. Accordingly, unless the modifications or improvements implemented by those skilled in the art are at a level that departs from the scope of the claims recited in the claims, the modifications or improvements are not covered by the claims. It is interpreted that it is included in

実施形態の光学特性測定装置における光学系の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical system in the optical characteristic measuring apparatus of embodiment. 実施形態の光学特性測定装置における開口板の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the aperture plate in the optical characteristic measuring apparatus of embodiment. 実施形態の光学特性測定装置における受光部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the light-receiving part in the optical characteristic measuring apparatus of embodiment. 実施形態の光学特性測定装置における電気的な構成を示す図である。It is a figure which shows the electrical structure in the optical characteristic measuring apparatus of embodiment. 実施形態における光学特性の演算手順を説明するための図であって、図5(A)は受光部における各受光素子の出力値を示す図であり、図5(B)は補正した後の各受光素子の出力値を示す図であり、図5(C)は補正前および補正後の受光部の出力を基に導出された強度分布(光沢プロファイル)を示す図であり、図5(D)は強度分布で表された出力の切り出し位置を説明する図である。It is a figure for demonstrating the calculation procedure of the optical characteristic in embodiment, Comprising: FIG. 5 (A) is a figure which shows the output value of each light receiving element in a light-receiving part, FIG.5 (B) is each after correction | amendment. FIG. 5C is a diagram showing the intensity distribution (gloss profile) derived based on the output of the light receiving unit before and after correction, and FIG. 5D shows the output value of the light receiving element. FIG. 4 is a diagram for explaining an output cut-out position represented by an intensity distribution. フレネル反射率の逆数を説明するための図であって、図6(A)はフレネル反射特性およびフレネル反射特性の逆数を示す図であり、図6(B)は、フレネル反射特性の逆数のカウント値を示す図である。FIGS. 6A and 6B are diagrams for explaining the reciprocal of the Fresnel reflectivity, FIG. 6A is a diagram illustrating the Fresnel reflection characteristic and the reciprocal of the Fresnel reflection characteristic, and FIG. 6B is a count of the reciprocal of the Fresnel reflection characteristic. It is a figure which shows a value. 銀とガラスとのフレネル反射特性を示す図である。It is a figure which shows the Fresnel reflection characteristic of silver and glass. 実施形態における光学特性の演算手順を説明するための図であって、図8(A)は受光部における各受光素子の出力値を示す図であり、図8(B)は受光部21の出力を近似した分布関数P(x)を示す図であり、図8(C)は光学特性値を求めるための分布関数P´(x)の積分範囲を説明するための図である。FIGS. 8A and 8B are diagrams for explaining a calculation procedure of optical characteristics in the embodiment, in which FIG. 8A is a diagram illustrating output values of light receiving elements in the light receiving unit, and FIG. Is a diagram illustrating a distribution function P (x) that approximates, and FIG. 8C is a diagram for explaining an integration range of the distribution function P ′ (x) for obtaining an optical characteristic value. 背景技術における光学特性測定装置の光学的な構成を示す図である。It is a figure which shows the optical structure of the optical characteristic measuring apparatus in background art. 背景技術における光学特性測定装置の補正方法を説明する図であって、図10(A)は正規姿勢での受光部に形成された像を示す図であり、図10(B)は正規姿勢でなく傾いた状態での受光部に形成された像を示す図であり、図10(C)は切取りエリアが像を追従している状態を示す図である。10A and 10B are diagrams for explaining a correction method of the optical characteristic measuring apparatus in the background art, in which FIG. 10A is a diagram showing an image formed on the light receiving unit in a normal posture, and FIG. 10B is a normal posture. FIG. 10C is a diagram illustrating an image formed on the light receiving unit in a state of being inclined and FIG. 10C is a diagram illustrating a state in which the cut-out area follows the image.

符号の説明Explanation of symbols

1、100 光学特性測定装置、
10、110 照明側光学系
11、111 光源部
11a、111a 平行光束
12、112 照明側開口板
12a、112a 照明側開口
13、113 照明レンズ
13a、113a 光軸
20、120 受光側光学系
21、121 受光部
21a、121a 略正反射方向の成分
22a、122a 光軸
22、122 受光レンズ
31 制御部
31a 発光制御部
31b 受光制御部
31c 光学特性演算部
31d 表示制御部
32 発光駆動部
33 A/D変換部
34 記憶部
35 表示部
36 入力操作部
121b 像
130 切取りエリア
1, 100 optical property measuring device,
10, 110 Illumination side optical system 11, 111 Light source 11a, 111a Parallel light beam 12, 112 Illumination side aperture plate 12a, 112a Illumination side aperture 13, 113 Illumination lens 13a, 113a Optical axis 20, 120 Light reception side optical system 21, 121 Light receiving unit 21a, 121a Components 22a, 122a in substantially regular reflection direction Optical axis 22, 122 Light receiving lens 31 Control unit 31a Light emission control unit 31b Light reception control unit 31c Optical characteristic calculation unit 31d Display control unit 32 Light emission drive unit 33 A / D conversion Unit 34 storage unit 35 display unit 36 input operation unit 121b image 130 clipping area

Claims (13)

測定試料に光を照射する光照射部と、前記光照射部から照射された光が前記測定試料で反射された反射光を受光する複数の受光素子を有する受光部と、前記受光部の出力に基づいて光学特性を導出する光学特性演算部とを備える光学特性測定装置であって、
前記光学特性演算部は、前記受光部の出力をフレネル反射特性に基づいて補正した補正出力を求め、前記補正出力に基づいて前記光学特性を導出することを特徴とする光学特性測定装置。
A light irradiating unit for irradiating light to the measurement sample, a light receiving unit having a plurality of light receiving elements for receiving reflected light reflected by the measurement sample, and an output of the light receiving unit. An optical property measurement device comprising an optical property calculation unit that derives optical properties based on
The optical characteristic measurement device is characterized in that the optical characteristic calculation unit obtains a correction output obtained by correcting the output of the light receiving unit based on a Fresnel reflection characteristic, and derives the optical characteristic based on the correction output.
前記光学特性演算部は、前記補正出力を求める際に、前記各受光素子が受光した前記反射光と前記測定試料表面の法線とのなす角度によるフレネル反射率の逆数を、当該各受光素子の出力に乗じる請求項1に記載の光学特性測定装置。   The optical characteristic calculator calculates the reciprocal of the Fresnel reflectivity according to the angle formed by the reflected light received by each light receiving element and the normal of the measurement sample surface when obtaining the correction output. The optical characteristic measuring device according to claim 1, wherein the optical property is multiplied by an output. 前記光学特性演算部は、前記測定試料表面の法線と前記反射光とのなす角度が正規角度である場合のフレネル反射率を、前記各受光素子が受光した前記反射光と前記測定試料表面の法線とのなす角度によるフレネル反射率で除した値に、当該各受光素子の出力を乗じることで、前記補正出力を求める請求項1に記載の光学特性測定装置。   The optical characteristic calculation unit calculates the Fresnel reflectivity when the angle formed between the normal line of the measurement sample surface and the reflected light is a normal angle, and the reflected light received by each of the light receiving elements and the measurement sample surface. The optical characteristic measurement apparatus according to claim 1, wherein the correction output is obtained by multiplying a value obtained by dividing the Fresnel reflectance by an angle formed with a normal with the output of each light receiving element. 前記光学特性演算部は、フレネル反射特性を表す成分を含む分布関数により、前記受光部の出力の分布を近似した結果を用いて、前記補正出力を求める請求項1に記載の光学特性測定装置。   The optical characteristic measurement apparatus according to claim 1, wherein the optical characteristic calculation unit obtains the correction output using a result obtained by approximating a distribution of the output of the light receiving unit by a distribution function including a component representing a Fresnel reflection characteristic. 前記分布関数は、前記測定試料表面と測定基準面との角度ずれ量を、パラメータとして含む請求項4に記載の光学特性測定装置。   The optical characteristic measurement apparatus according to claim 4, wherein the distribution function includes an amount of angular deviation between the measurement sample surface and a measurement reference surface as a parameter. 前記光学特性演算部は、前記各受光素子の出力と、前記分布関数を当該各受光素子に対応する積分区間において積分した積分値との差が最小となるように、前記分布関数を決定し、
前記決定した分布関数における前記角度ずれ量を0として、前記補正出力を示す補正分布関数を求め、
前記補正分布関数を、所定の積分区間において積分することで、前記光学特性を導出する請求項5に記載の光学特性測定装置。
The optical characteristic calculator determines the distribution function so that a difference between an output of each light receiving element and an integrated value obtained by integrating the distribution function in an integration section corresponding to each light receiving element is minimized,
The amount of angular deviation in the determined distribution function is set to 0, and a correction distribution function indicating the correction output is obtained,
The optical characteristic measuring apparatus according to claim 5, wherein the optical characteristic is derived by integrating the correction distribution function in a predetermined integration interval.
前記フレネル反射特性は、前記測定試料に対応する屈折率を用いて算出される請求項1に記載の光学特性測定装置。   The optical property measurement apparatus according to claim 1, wherein the Fresnel reflection property is calculated using a refractive index corresponding to the measurement sample. 前記光学特性演算部は、前記受光部の出力に基づいて前記屈折率を推定する請求項7に記載の光学特性測定装置。   The optical property measurement device according to claim 7, wherein the optical property calculation unit estimates the refractive index based on an output of the light receiving unit. さらに、屈折率入力部を備え、前記屈折率は、前記屈折率入力部により入力された屈折率である請求項7に記載の光学特性測定装置。   The optical characteristic measuring apparatus according to claim 7, further comprising a refractive index input unit, wherein the refractive index is a refractive index input by the refractive index input unit. 前記分布関数は、前記測定試料の屈折率をパラメータとして含み、
前記光学特性演算部は、前記受光部の出力の分布を前記分布関数により近似する際に、前記測定試料の屈折率を最適化する請求項4に記載の光学特性測定装置。
The distribution function includes a refractive index of the measurement sample as a parameter,
The optical characteristic measurement device according to claim 4, wherein the optical characteristic calculation unit optimizes the refractive index of the measurement sample when approximating the distribution of the output of the light receiving unit by the distribution function.
前記光学特性演算部は、前記補正出力のうち所定の切取り範囲における補正出力に基づいて、前記光学特性を導出する請求項1に記載の光学特性測定装置。   The optical characteristic measurement device according to claim 1, wherein the optical characteristic calculation unit derives the optical characteristic based on a correction output in a predetermined clipping range among the correction outputs. 前記切取り範囲は、前記受光部の出力のうち最大強度となる箇所の近傍とする請求項11に記載の光学特性測定装置。   The optical characteristic measuring apparatus according to claim 11, wherein the cut-out range is in the vicinity of a portion having the maximum intensity in the output of the light receiving unit. 測定試料に光を照射して、照射された光が前記測定試料で反射された反射光の出力に基づいて光学特性を導出する光学特性測定方法であって、
前記反射光の出力をフレネル反射特性に基づいて補正した補正出力を求め、前記補正出力に基づいて光学特性を導出することを特徴とする光学特性測定方法。
An optical property measurement method for irradiating a measurement sample with light and deriving an optical property based on an output of reflected light reflected by the measurement sample.
A method for measuring an optical characteristic, comprising: obtaining a corrected output obtained by correcting the output of the reflected light based on a Fresnel reflection characteristic, and deriving the optical characteristic based on the corrected output.
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