JP2009162561A - 屈折率測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面凹凸を有する被検体の屈折率を、簡便な方法で、短時間に、精度よく測定する。
【解決手段】表面に凹凸を有する被検体Ｓの屈折率を全反射法により測定する方法であって、プリズムの反射面１０ａに被検体Ｓを接触させた状態と反射面に空気のみが接触している状態とのそれぞれについて、該反射面１０ａに投光した光の入射角・反射光強度関係Ｒs 、Ｒa を求め、反射面１０ａに被検体Ｓを接触させた状態での入射角・反射光強度関係Ｒsを 、反射面１０ａに反射面に空気のみが接触している状態での入射角・反射光強度関係Ｒa で規格化し、その規格化した入射角・反射光強度関係Ｒs’ に基づいて被検体の屈折率を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、皮膚、織物、可撓性樹脂等の柔軟な材料から形成され、表面凹凸を有する素材の屈折率を全反射法で測定する方法及び装置に関する。

素肌や化粧肌が観察者にどのように見えるかという質感、特に、艶、はり、粉っぽさ、ふんわり感といった質感には、皮膚表面における光の透過特性や、正反射特性ないし散乱特性が影響し、これらの光学的特性には皮膚の屈折率が大きく影響する。

また、コンピュータ等を用いて顔の見え方を解析する際には、皮膚の屈折率が必要となる。

そのため、皮膚表面の屈折率を測定することがいくつかの方法でなされているが、皮膚表面には、しわ、毛穴等による凹凸が存在するため、その測定は、平坦面を有する試料や液体試料の屈折率の測定に比して難しく、しかも、皮膚の屈折率の測定には、非破壊で行うことが要請されるため、測定手法が制約される。

このような問題に対しては、皮膚表面が微小素面からなっていると想定し、皮膚表面への投光角及びその反射光の受光角を漸次変えて反射光強度を測定し、特定の演算処理により皮膚の屈折率を求める方法が提案されている（特許文献１）。

一方、被検体の屈折率を非破壊で測定することは、表面塗装、織物、表面凹凸を有する樹脂シート等の屈折率を測定する場合にも問題となり、被検体の表面とプリズムの間に可撓性の透明物質を介在させて全反射法で被検体の屈折率を求める方法等が提案されている（特許文献２）。

特開平８−２８５７６９号公報 特開平９−２９２３３９号公報

しかしながら、従来の方法では、表面凹凸を有する任意の被検体の屈折率を短時間に精度よく測定することは難しい。例えば、特許文献２に記載されているように、被検体の表面とプリズムとの間に透明液体を介在させて全反射法により屈折率を測定する方法を皮膚の屈折率の測定に適用し、皮膚表面に高屈折率液体を塗布してから全反射法で皮膚の屈折率を測定すると、高屈折率液体を塗布することで皮膚の性状が変わってしまい、皮膚本来の屈折率を正確に測定することができない。また、ｉｎ ｖｉｖｏの場合は、使用する高屈折率液体は人体に対する安全性が充分確かめられている必要があり、この条件を満たす高屈折率液体を用意することは極めて困難である。

そこで、本発明は、表面凹凸を有する被検体の屈折率を、簡便な方法で、短時間に、精度よく測定できるようにすることを目的とする。

本発明は、表面凹凸を有する被検体にプリズムを当接させ、光の反射挙動を観測する際に、反射面とするプリズムの面（以下、反射面と称する）へ入射角を漸次変えて投光し、その反射光を受光することにより得られる入射角と反射光の強度との関係（以下、入射角・反射光強度関係と称する）を求めると、被検体の表面凹凸により、プリズムの反射面には被検体の表面だけでなく空気が接触する部分も多くなるために、入射角・反射光強度関係において臨界角を判別することが困難となるが、プリズムの反射面に被検体を接触させることなく、測定した入射角・反射光強度関係を得、この入射角・反射光強度関係で、被検体の入射角・反射光強度関係を規格化すると、規格化後の入射角・反射光強度関係では臨界角を明瞭に判別できることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、表面に凹凸を有する被検体の屈折率を全反射法により測定する方法であって、
プリズムの反射面に被検体を接触させた状態と反射面に空気のみが接触している状態とのそれぞれについて、該面に投光した光の入射角・反射光強度関係を求め、
該反射面に被検体を接触させた状態での入射角・反射光強度関係を、該反射面に空気のみが接触している状態での入射角・反射光強度関係で規格化し、
規格化した入射角・反射光強度関係に基づいて被検体の屈折率を測定する方法を提供する。

また、この方法を実施する屈折率測定装置として、全反射法による屈折率の測定装置であって、反射面を被検体に接触させるプリズム、プリズムの反射面にプリズム内部から光を異なる入射角で投光する投光光学系、プリズムの反射面に投光した光の反射光の強度を測定する反射光測定手段、入射角・反射光強度関係に基づいて被検体の屈折率を算出する演算手段を備え、
演算手段が、プリズムの反射面に被検体を接触させた状態での入射角・反射光強度関係を、該反射面に空気のみが接触している状態での入射角・反射光強度関係で規格化する機能、及び
規格化した入射角・反射光強度関係に基づいて被検体の屈折率を算出する機能を有する屈折率測定装置を提供する。

本発明の屈折率測定方法によれば、皮膚、織物、エンボス加工された可撓性樹脂等の表面凹凸を有する素材を被検体とし、その屈折率を全反射法で測定するにあたり、プリズムの反射面に被検体を接触させた状態での入射角・反射光強度関係を、該反射面に空気のみが接触している状態での入射角・反射光強度関係で規格化するので、平坦な平面を有する被検体あるいは液状の被検体をプリズムの反射面に接触させた場合と同様に、入射角・反射光強度関係において被検体の臨界角が明瞭に現れる。したがって、臨界角から屈折率を求めることが容易となり、かつその精度も向上する。

また、本発明の屈折率測定装置によれば、この入射角・反射光強度関係の規格化を、反射光測定手段に接続した演算手段で行うので、表面凹凸を有する被検体の屈折率を、より簡便に短時間で測定することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成要素を表している。

図１は、本発明の一実施例の屈折率測定装置１の構成図である。

この屈折率測定装置１は、被検体Ｓの屈折率を、全反射法により、非破壊で測定可能とするものである。

被検体Ｓは、表面が平滑でも凹凸を有していてもよいが、表面凹凸を有する場合に本発明の効果を顕著に奏させることができるので好ましい。また、被検体Ｓとしては、プリズム１０の反射面１０ａに押しつけることにより、被検体Ｓの表面ができる限り広くプリズム１０に密着するように、柔軟性を有するものが好ましい。このような被検体Ｓとしては、例えば、皮膚、毛髪、織物、エンボス加工された可撓性樹脂、紙等をあげることができる。この場合、被検体Ｓの表面は、単一の屈折率である必要はなく、屈折率の異なる領域が混在していてもよい。例えば、部分的に皮脂に覆われた皮膚を被検体Ｓとすることができる。このとき、異なる複数の屈折率の領域に着目し、それらに対応する複数の屈折率を同時に求めてもよく、特定の屈折率の領域に着目してその領域の屈折率を求めてもよい。

この屈折率測定装置１の構成は、概略、反射面１０ａを被検体Ｓに接触させるプリズム１０、プリズムの反射面１０ａに単色光Ｌi の光束中心ＬIを漸次異なる入射角θI で投光する投光光学系２０、その投光した光Ｌi の反射光Ｌo を受光して反射光強度を測定する反射光測定手段３０、反射光測定手段３０で測定された反射光強度とそれに対応する入射角θi との入射角・反射光強度関係に基づいて被検体Ｓの屈折率を算出する演算手段を備えている。

ここで、プリズム１０としては、その屈折率が被検体Ｓの屈折率よりも高い高屈折率プリズムを使用する。例えば、皮膚を被検体Ｓとする場合には、ＳＦＬ１１（屈折率１．７８５、エドモンドオプティクス社製）等の高屈折率透明材料からなる高屈折率プリズムを使用することが好ましい。プリズムの形状については特に制限はなく、分散プリズム（正三角柱）、直角プリズム（底面が直角二等辺三角形の三角柱）、半円柱型プリズムなどを使用しうるが、規格品が容易に入手可能であることから、本実施例では直角プリズムを用いた。

投光光学系２０は、被検体Ｓに接触するプリズム１０の反射面１０ａに対する光束中心の入射角θI を漸次変えられるように、プリズムの反射面１０ａの中心部を回転中心として矢印Ａのように回動可能となっており、反射光測定手段３０も、光束中心の入射角θI で投光した光Ｌi のプリズムの反射面１０ａから反射光Ｌo を検出できるように、プリズムの反射面１０ａの中心部を回転中心として矢印Ｂのように回動可能となっている。なお、操作性を向上させるために、これらの回動角を連動させたり、パーソナルコンピュータ３２で制御させることも可能であるが、製作コストの面から、本実施例ではそれぞれを手動で動かしている。

投光光学系２０は、より具体的には、メタルハライドランプ等の白色光源２１、屈折率を求めたい波長の単色光を取り出すバンドパスフィルタ２２、絞り２３、拡散板２４、拡散板により拡散した光を平行光にするための凸レンズ２５、偏光板２６、集光用凸レンズ２７を備えている。

このうち、拡散板２４は、凸レンズ２５を通過した平行光に充分な広がりを持たせるために設けられる。拡散板２４の具体的構成としては、摺りガラス、トレーシングペーパー、ホログラフィックディフューザー、オパール光拡散ガラス等を使用することができ、特に均質な拡散光を得られることから、オパール光拡散ガラスを使用することが好ましい。

偏光板２６は被検体ＳにＰ偏光を投光して臨界角θc をより明確に検出できるようにするために、必要に応じて設けられる。即ち、図２に示すように、空気のみが接しているプリズム１０の反射面１０ａに対し、光Ｌi を、入射角θi を漸次大きくして投光し、その反射光Ｌo を検出して反射強度あるいは反射率を求めるに際し、光Ｌi としてＰ偏光を投光すると、同図に示すようにブリュースター角で一旦反射率が０になるため、無偏光の光を投光する場合に比して、反射率が１となる臨界角θc をより明確に検出することが可能となる。この関係は、プリズムの反射面を被検体に接しさせた場合も同様である。

集光用凸レンズ２７は、プリズムの反射面１０ａに投光する光Ｌｉの入射角θi に或程度の広がりを持たせ、入射角θi とそれに対応する反射光Ｌo の強度を、その入射角θi の広がり幅で一度に測定できるようにすると共に、反射面１０ａ上にできる入射光Ｌｉのスポットに適切な大きさを与えるものである。入射角θiに或程度の広がりを持たせることにより、投光光学系２０を矢印Ａ方向に回動させて光束中心の入射角θI を変化させる際の角度間隔を粗く設定することができるので、測定時間を短縮させることが可能となる。

また、反射面１０ａ上にできる入射光Ｌｉのスポットは、角度分解能を確保するためには、ある程度小さくすることが望ましいが、被検体Ｓの凹凸の繰返しの大きさよりは充分に大きい必要がある。スポットの大きさを適切に設定することで、デジタルカメラ３１で取得される画像の角度分解能を必要な程度に保った上で、被検体Ｓが反射面１０ａに接触している領域を確実に測定することができる。

反射光測定手段３０は、デジタルカメラ３１とそれに接続したパーソナルコンピュータ３２からなる。デジタルカメラ３１では、図３（ａ）に示すようにフォーカスを無限遠に調整しておく。なお、ここでは簡単のためにカメラのレンズ系全体を一つのレンズで表している。フォーカスの無限遠への調整は、デジタルカメラ３１に望遠鏡を取り付けることで実現できるが、一般的なレンズを取り付けた上で、単に該レンズのフォーカシングリングを回して無限遠に合わせることでも実現できる。これにより、同図（ｂ）に示すように、このデジタルカメラ３１の焦点面Ｆでは、被検体Ｓからの光がその進行方向ベクトルごと（例えば角度θp 、θq 、θr ）に分離される。したがって、焦点面Ｆで画像を撮ることにより、同図（ｃ）に示すように、反射光Ｌo の進行方向ベクトルの画像Ｉs を得ることができる。これにより、一度の撮影で、ある入射角θI を中心としてある程度の幅を持った入射角領域での反射光強度を測定することが可能になる。本実施例における光学系では、同図（ｃ）の視野において角度θqを中心としておよそ±４°の幅で、入射角に対応する反射光強度を測定することが可能となった。なお、同図（ｃ）は、左から右に向けて画像を見ていったときに、進行方向ベクトルθp では反射光強度が小さく、進行方向ベクトルθq で急激に反射光強度が強くなり、進行方向ベクトルθr ではその強い反射強度が維持されていることを示している。

パーソナルコンピュータ３２は、プリズムの反射面１０ａに投光する光Ｌi の入射角θi を所定の角度に設定するのに対応して、デジタルカメラ３１で撮った反射光Ｌo の進行方向ベクトルの画像Ｉs の強度から、入射角θi ごとに反射光強度を測定し、図４に示すような入射角・反射光強度関係を得る機能を有している。なお、同図は、実施例で詳述するように、プリズムの反射面１０ａに頬の皮膚を押し当てることにより皮膚を被検体Ｓとした場合の入射角・反射光強度関係（Ｒs）と、プリズムの反射面１０ａに皮膚を接触させず、空気を被検体Ｓとした場合の入射角・反射光強度関係（Ｒa）を示している。ここで、横軸のピクセルは、画像上左端を１としたときのｘ方向のピクセル位置を示す。屈折率が既知でその数値が異なる複数の被検体を測定することにより、画像上のｘ方向のピクセル位置と入射角θi 又は屈折率とを対応づけたものである。縦軸のピクセル値（Ｇチャンネル）は、反射光強度に対応する。

本発明の屈折率測定装置において、反射光測定手段としては、上述のように反射光の進行方向ベクトルの画像Ｉs を撮るデジタルカメラ３１を使用する構成に限らず、例えば、特許文献１の屈折率測定装置の受光手段のように、受光用光ファイバーを同心円上に所定の角度間隔で設置したものを使用してもよい。

本実施例の屈折率測定装置１において、パーソナルコンピュータ３２は、プリズムの反射面１０ａに被検体Ｓを接触させた状態での入射角・反射光強度関係を、該反射面１０ａに反射面に空気のみが接触している状態での入射角・反射光強度関係で入射角ごとに規格化する機能、及び規格化した入射角・反射光強度関係に基づいて被検体Ｓの屈折率を算出する機能を備えた演算手段にもなっている。

この規格化は、本発明に特徴的な構成であり、その具体的な演算内容としては、例えば、プリズムの反射面１０ａに被検体Ｓを接触させた状態での入射角・反射光強度関係をＲs 、該反射面１０ａに反射面に空気のみが接触している状態での入射角・反射光強度関係をＲa 、規格化後の入射角・反射光強度関係をＲs'とした場合に、
Ｒs'＝Ｒs／Ｒa
を算出するか、あるいは
Ｒs'＝（Ｒa −Ｒs）／Ｒa
を算出する。

なお、入射角・反射光強度関係の規格化は、プリズムの反射面１０ａに被検体Ｓを接触させた状態でデジタルカメラ３１から取得した反射光Ｌo の進行方向ベクトルの画像Ｉs と、該反射面１０ａに反射面に空気のみが接触している状態でデジタルカメラ３１から取得した反射光Ｌo の進行方向ベクトルの画像Ｉa とから、画像の対応するピクセル同士のピクセル値の比をとることなどにより算出してもよい。

また、入射角・反射光強度関係の規格化は、入射角ごとに行うことが望ましいが、空気のみが接触している状態のときの反射光強度が充分広い入射角領域でほぼ一定とみなせる場合には、特定の入射角での反射光強度を空気の代表値として用い、計算を簡略化させても良い。

本発明において、規格化は次の意味を有する。即ち、プリズムの反射面１０ａに空気のみが接触していると、入射角・反射光強度関係Ｒa は、入射角θi が空気の臨界角θca（θca<<θcs）に対応する角度で急激に反射光強度が高くなる。そのため、理論的には図２に示すように、入射角θi が臨界角より大きい範囲では反射率が１となるので、入射角・反射光強度関係Ｒa は階段状のプロファイルとなる。

一方、プリズムの反射面１０ａに被検体Ｓを接触させると、皮膚の表面凹凸のために、プリズムの反射面には、皮膚が接触している部分と空気が接触している部分とが混在することになり、皮膚を被検体とした場合の臨界角θcsが極めて判別しにくくなる。ただし、この場合でも、皮膚の屈折率に対応する臨界角θcs自体は変化することはない。臨界角θcsにおける強度変化が空気の影響で相対的に小さくなり、わかりにくくなるのである。よって、プリズムの反射面１０ａに皮膚を接触させた場合に得られる入射角・反射光強度関係Ｒs を、該反射面１０ａに反射面に空気のみが接触している状態で得られる入射角・反射光強度関係Ｒa で除する（即ち、入射角θi ごとに、プリズムの反射面１０ａに皮膚を接触させた場合の反射光強度を、該反射面１０ａに反射面に空気のみが接触している状態の反射光強度で除する）などして規格化すると、図５に示すように、入射角θi が臨界角θcsを超えて反射率が概ね１となることにより反射光強度が一定となる領域が明瞭となる。よって、この規格化後の入射角・反射光強度関係Ｒs’からは、容易に臨界角θcsを求めることが可能となる。

なお、被検体Ｓの表面に屈折率の異なる複数の領域がある場合には、入射角・反射光強度関係Ｒaに階段状のプロファイルが複数箇所で現れることになり、この場合にも、規格化により屈折率の異なる領域ごとに臨界角θcsを求めることが可能となる。

パーソナルコンピュータ３２が演算手段として有する機能のうち、規格化後の入射角・反射光強度関係Ｒs’に基づいて被検体Ｓの屈折率を算出する機能としては、図５に示すように、規格化後の入射角・反射光強度関係Ｒs’のプロファイルを２つの直線の式で近似する回帰計算を行い、その交点から臨界角θcsを求め、臨界角θcsから次式により被検体Ｓの屈折率ｎを算出する機能をあげることができる。
ｎ＝ｎ_p×sinθcs
（式中、ｎ_p はプリズム１０の屈折率を表す）
あるいは、規格化後の入射角・反射光強度関係Ｒs’のプロファイルから臨界角θcsを求めるにあたり、フィルタリングの手法により入射角・反射光強度関係Ｒs’のプロファイルを整形した後、変曲点を算出し、それを臨界角θcsとしてもよい。また、規格化後の入射角・反射光強度関係Ｒs’（即ち、ピクセル値の比）について、予め閾値（例えば、0.85）を設定しておき、その閾値よりもピクセル値の比が小さくなる角度の最大値を臨界角θcsとして算出してもよい。この閾値の数値は、ノイズに対するマージンを充分とるように定めるが、臨界角θcs付近では、反射光強度は急激に変化するので、閾値は相当に広範な値とすることができる。

さらに、臨界角θcsを求めた後に、上述の式から屈折率を算出することに代えて、予め、屈折率が既知の試料の入射角・反射光強度関係を求め、その入射角・反射光強度関係から、反射光の進行方向ベクトルの画像におけるｘ座標の数値として得られる臨界角と、屈折率との対応関係を図６のように求め、それをコンピュータ３２に記憶させておき、その対応関係に基づいて当該被検体Ｓについて臨界角θcsから直接的に屈折率が算出されるようにしてもよい。図５の横軸の屈折率は、こうして算出された数値である
。

この対応関係を求めるにあたり、屈折率が既知の試料としては、表面凹凸がなく、それをプリズムの反射面に押しつけることにより、プリズムの反射面１０ａから容易に空気が排除される柔軟なものあるいは液状のものが好ましい。

図７は、本発明の屈折率測定方法の一実施例の流れ図であって、上述した本発明の屈折率測定装置１を用いて、表面凹凸を有する被検体の屈折率を測定する場合の測定方法の流れを示している。

この屈折率測定方法では、まず、投光光学系２０からプリズムの反射面１０ａに対して投光する光Ｌi の光束中心の入射角θI と、反射光測定手段３０において反射光Ｌo を受光するデジタルカメラ３１の受光角度を設定する。この場合、被検体Ｓの屈折率がある程度予測でき、その予測範囲に対応する画像上のｘ方向の範囲が一つの画像に収まる場合には、予めその屈折率の予測範囲に対応する入射角度範囲を含むように入射角θIを設定しておく。これにより、光束中心の入射角θIを変えながら反射光強度を測定する必要がなくなり、光束中心の入射角θIと受光角の１対の撮影で屈折率を求めることができるので、測定時間を短縮することができる。

次に、プリズムの反射面１０ａに被検体Ｓを接触させず、空気のみが接触している状態で、デジタルカメラ３１により、反射光の進行方向ベクトルの画像Ｉs を撮る。また、プリズムの反射面１０ａを被検体Ｓに押し当てた状態でも同様に反射光の進行方向ベクトルの画像Ｉa を撮る。この場合、被検体Ｓとプリズムの反射面１０ａとの接触面積ができるだけ広くなるように、プリズム１０を被検体Ｓに押しつけることが好ましい。

そして、パーソナルコンピュータ３２で、対応するピクセルごとに得られた２枚の画像Ｉs 、Ｉa のピクセル値の比Ｉs/Ｉa を演算し、その演算により得られた数値群から被検体Ｓの屈折率を算出する。この屈折率の算出方法としては、前述のように、入射角・反射光強度関係Ｒs’のプロファイルを２つの直線の式で近似する回帰計算を行い、その交点から臨界角θcsを求め、得られた臨界角θcsから、
ｎ＝ｎ_p×sinθcs
（式中、ｎ_p はプリズム１０の屈折率を表す）
により被検体の屈折率を求める。

あるいは、２つの直線の式の交点から臨界角θcsを求めることに代えて、フィルタリングの手法により入射角・反射光強度関係Ｒs’のプロファイルを整形した後、変曲点を算出し、それを臨界角θcsとしてもよい。

また、入射角・反射光強度関係Ｒs’について、予め閾値を設定しておき、その閾値よりもピクセル値の比が小さくなる角度の最大値を臨界角θcsとして算出してもよい。

さらに、予め、屈折率が既知の試料の入射角・反射光強度関係を測定し、その入射角・反射光強度関係から、臨界角と屈折率との対応関係を図６のように求め、それをコンピュータ３２に記憶させておき、その対応関係に基づいて当該被検体Ｓについて臨界角θcsから直接的に屈折率が算出されるようにしてもよい。

なお、規格化以降の演算は、画像Ｉｓ、Ｉａから屈折率の算出に用いる領域（図３（ｃ）での目盛軸付近）を抜き出し、その範囲のみで行っても良く、また、ノイズ低減のためにある程度の大きさの領域を一つの単位とし、その単位領域ごとに演算を行っても良い。このとき画像Ｉｓ、Ｉａの単位領域のピクセル値としては、その領域のピクセル値の平均を使用すればよい。

また、反射光測定手段としてデジタルカメラ３１を使用した場合に、演算に用いるピクセル値を取り出すチャネルは、赤、緑、青いずれのチャネルを用いてもよく、それらの重み付平均を用いても良いが、入射光として用いている波長に対する感度が最も高いチャネルを用いるのが最も好ましい。実施例のように波長５５０ｎｍの光を用いる場合には、緑チャネルを用いるのが最も好ましい。

なお、本発明の屈折率測定方法は、図１の屈折率測定装置を使用する方法に限られない。例えば、プリズムの反射面に投光する光として平行光を使用し、あるいは反射光強度の測定を、デジタルカメラに代えてビデオカメラ等のデバイスを用いてもよく、その場合でも入射角・反射光強度関係を規格化することにより本発明の屈折率測定方法を実施することができる。

図１の屈折率測定装置１により、人の頬の皮膚の屈折率を測定した。

この場合、プリズム１０としては、直角プリズム（屈折率1.785）（ＳＦＬ１１、エドモンドオプティクス社製）を用いた。この直角プリズムは、底面が、２１．２ｍｍの斜辺を持つ直角二等辺三角形で、高さが１５ｍｍの三角柱である。このプリズム１０の斜面を反射面１０ａとして使用した。

投光する光Ｌi は、バンドパスフィルタ２２により、緑色（波長５５０ｎｍ、半値全幅１０ｎｍ）の単色光とし、デジタルカメラ３１としては、６０ｍｍレンズ（ＡＦ ＭＩＣＲＯ ＮＩＫＫＯＲ）を装着したＤ１００（Ｎｉｋｏｎ社製）を使用し、レンズのフォーカスを無限遠に合わせた。また、反射面上のスポット径はおよそ５ｍｍとした。

反射面１０ａに被検体を接触させず、空気のみが接触している場合と、被検体として、人の頬の皮膚にプリズムの反射面１０ａを押し当てた場合について、デジタルカメラ３１で反射光の進行方向ベクトルの画像Ｉa 、Ｉs を撮った。この画像から得られる入射角・反射光強度関係を図４に示す。

また、これらの画像のピクセルごとのピクセル値の比Ｉs/Ｉa をとることにより規格化した入射角・反射光強度関係を図５に示す。

図５の規格化した入射角・反射光強度関係を、画像上左端を１としたときのｘ軸方向のピクセル位置が１０００〜２５００の間で、２つの直線の式にフィッティングさせた。

この場合、２つの直線の式は、臨界角における座標を（ｘ1 ,ｙ1 ）とした場合に、
ｘ＜ｘ1 ならば（ｙ−ｙ1）＝Ｃ1（ｘ−ｘ1）
ｘ≧ｘ1 ならば（ｙ−ｙ1）＝Ｃ2（ｘ−ｘ1）
であるとおいた。

フィッティングから、ｘ1＝1665.9、ｙ1＝0.932、Ｃ1＝0.000417、Ｃ2＝−0.000024を得た。

一方、この装置で得られる進行方向ベクトルの画像のｘ座標（ピクセル位置）と屈折率との対応関係を求めるため、屈折率が既知の基準サンプルとして、シリコーンオイル（ｎ＝1.4014）、流動パラフィン（ｎ＝1.4623）、スクワラン（ｎ＝1.4496）、グリセリン（ｎ＝1.4717）、オリーブオイル（ｎ＝1.4669）を使用し、これらを被検体として入射角・反射光強度関係を求めた。この結果を図８に示す。

また、各被検体の入射角・反射光強度関係を、空気のみを被検体とした場合の入射角・反射光強度関係で除すことにより規格化した。この結果を図９に示す。

図９から、各被検体の臨界角における座標を、上述と同様にフィッティングにより求め、得られたｘ座標の値と屈折率との関係をプロットした。この結果を図６に示す。

図６から、ｙ＝7.8234×10⁻⁵ｘ＋1.2937
の関係式を得、この式と、前述の頬の皮膚の被検体について得たｘ座標の値から、頬の皮膚の屈折率として1.424を得た。

これまでに皮膚表面の屈折率に関して発表されている先行文献によると、その論文ごとに皮膚表面の屈折率は異なっているが、その取りうる屈折率の領域は１．３〜１．５の範囲であり、このことから今回求めた屈折率は皮膚の屈折率として妥当な値であるといえる。

本発明は、表面凹凸を有する被検体の屈折率を非破壊で測定する場合に有用である。

屈折率測定装置の構成図である。 入射角と反射率の関係図である。 フォーカスを無限遠に調整したデジタルカメラの機能の説明図である。 皮膚と空気をそれぞれ被検体とした入射光・反射光強度関係図である。 皮膚を被検体とした、規格化した入射光・反射光強度関係図である。 屈折率が既知の試料の入射角・反射光強度関係の測定から得た、反射光の進行方向ベクトルの画像のｘ座標の数値として得られる臨界角と屈折率との関係図である。 屈折率測定方法の流れ図である。 基準サンプルの入射光・反射光強度関係図である。 規格化した基準サンプルの入射光・反射光強度関係図である。

符号の説明

１ 屈折率測定装置
１０ プリズム
１０ａ 反射面
２０ 投光光学系
２１ 白色光源
２２ バンドパスフィルタ
２３ 絞り
２４ 拡散板
２５ 凸レンズ
２６ 偏光板
２７ 集光用の凸レンズ
３０ 反射光測定手段
３１ デジタルカメラ
３２ パーソナルコンピュータ
Ｆ 焦点面
Ｉs 反射光の進行方向ベクトルの画像
Ｌi 入射光
Ｌo 反射光
Ｓ 被検体
θＩ 光束中心の入射角
θｉ 光束の中のある光線の入射角

Claims (8)

1. 表面に凹凸を有する被検体の屈折率をプリズムを用いた全反射法により測定する方法であって、
   反射面とするプリズムの面（以下、反射面と称する）に被検体を接触させた状態と反射面に空気のみが接触している状態とのそれぞれについて、該反射面に投光した光の入射角とその反射光の強度との関係（以下、入射角・反射光強度関係と称する）を求め、
   該反射面に被検体を接触させた状態での入射角・反射光強度関係を、該反射面に空気のみが接触している状態での入射角・反射光強度関係で規格化し、
   規格化した入射角・反射光強度関係に基づいて被検体の屈折率を測定する方法。
2. 入射角・反射光強度関係を、反射光の画像を、フォーカスを無限遠に調整したカメラで撮ることにより求める請求項１記載の方法。
3. プリズムの反射面に被検体を接触させた状態での反射光の画像と、反射面に空気のみが接触している状態での反射光の画像との対応するピクセル同士のピクセル値の比を算出することにより、反射面に被検体を接触させた状態での入射角・反射光強度関係を規格化する請求項１又は２記載の方法。
4. 規格化した入射角・反射光強度関係を２つの直線で近似し、その交点から臨界角を求め、屈折率を算出する請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 規格化した入射角・反射光強度関係について、反射光強度の予め設定した閾値に基づいて臨界角を求め、屈折率を算出する請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
6. 表面に屈折率の異なる複数領域を有する被検体について、一又は複数の屈折率を測定する請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. プリズムを用いた全反射法による屈折率の測定装置であって、反射面を被検体に接触させるプリズム、プリズムの反射面に光を異なる入射角で投光する投光光学系、プリズムの反射面に投光した光の反射光の強度を測定する反射光測定手段、入射角・反射光強度関係に基づいて被検体の屈折率を算出する演算手段を備え、
   演算手段が、プリズムの反射面に被検体を接触させた状態での入射角・反射光強度関係を、該反射面に空気のみが接触している状態での入射角・反射光強度関係で規格化する機能、及び
   規格化した入射角・反射光強度関係に基づいて被検体の屈折率を算出する機能を有する屈折率測定装置。
8. 反射光測定手段が、フォーカスを無限遠に調整したカメラを備え、
   演算手段が、プリズムの反射面に被検体を接触させた状態でカメラが撮った反射光の画像を、該反射面に空気のみが接触している状態でカメラが撮った反射光の画像で規格化する機能を有する請求項７記載の屈折率測定装置。