JP2009271046A - 光計測装置及び計測用光学系 - Google Patents
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Abstract
【課題】取込光量を好適に規定できる光計測装置を提供する。
【解決手段】光計測装置1は、測定対象である面光源101からの光を結像させる集光レンズ15と、集光レンズ15の後側の面光源101の共役点に配置された視野絞り部材17と、集光レンズ15の前側焦点の共役点に配置された開口絞り部材21と、視野絞り部材17及び開口絞り部材21を透過した光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する検出器5とを有する。
【選択図】図2
【解決手段】光計測装置1は、測定対象である面光源101からの光を結像させる集光レンズ15と、集光レンズ15の後側の面光源101の共役点に配置された視野絞り部材17と、集光レンズ15の前側焦点の共役点に配置された開口絞り部材21と、視野絞り部材17及び開口絞り部材21を透過した光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する検出器5とを有する。
【選択図】図2
Description
本発明は、光源における輝度や色度等の光に係る量を計測する光計測装置及び当該光計測装置に利用可能な計測用光学系に関する。
光源の輝度や色度等の物理量若しくは心理物理量を計測する技術が知られている。特許文献1では、紙等のウェブの光学情報を収集する収集装置として、ウェブの各部からの光を順次偏向することによりウェブを走査するガルバノミラーと、ガルバノミラーにより偏向された光を透過させる2つのスリットと、2つのスリットを透過した光を分光する分光器とを有する装置が開示されている。特許文献1の技術によれば、面光源の各部からの光の計測を一の位置(視点)から行うことができる。
特開2004−93326号公報
特許文献1では、面光源と計測装置との距離に応じて、面光源の中央部及び外周部において共に、検出器に取り込まれる光量が変化することについて言及されていない。検出器に取り込まれる光量が変化すると、例えば、輝度値の絶対値を計測することが困難である。
また、面光源と計測装置との距離に関係なく、取込光量を調整したい場合もある。例えば、被測定物の明るさが大きく変化したときに、取込光量が、ある程度の範囲内に収まるように、取込光量を調整したい場合がある。このような場合において、例えば、NDフィルタの光路への挿入及び退避、並びに/又は、NDフィルタの交換によって取込光量を調整することが考えられる。しかし、NDフィルタは、波長毎に減光率が異なることから、NDフィルタを使用した場合には、波長毎の減光率の相違を考慮した補正を行う必要性が生じる。さらに、このような補正は、NDフィルタ毎になされなければならない。
本発明の目的は、取込光量を好適に規定できる光計測装置及び当該光計測装置に利用可能な計測用光学系を提供することにある。
本発明の光計測装置は、測定対象である光源からの光を結像させる集光光学要素と、前記集光光学要素の後側の前記光源の共役点に配置された視野絞り部材と、前記集光光学要素の前側焦点又は当該前側焦点の共役点に配置された開口絞り部材と、前記視野絞り部材及び前記開口絞り部材を透過した光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する検出器と、を有する。
本発明の計測用光学系は、測定対象である光源からの光を結像させる集光光学要素と、前記集光光学要素の後側の前記光源の共役点に配置された視野絞り部材と、前記集光光学要素の前側焦点又は当該前側焦点の共役点に配置された開口絞り部材と、を有する。
本発明によれば、取込光量を好適に規定できる。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光計測装置1の概略構成を示す平面図である。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光計測装置1の概略構成を示す平面図である。
光計測装置1は、測定対象である面光源101の輝度分布や色度分布等の光に係る量の分布を計測する装置として構成されている。面光源101は、例えば、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ等の、複数の画素毎に輝度を調整して表示を行う表示装置である。
光計測装置1は、面光源101の各部の光を順次取り込むための走査光学系3(計測用光学系の一例)と、走査光学系3により取り込まれた光を受光して光に係る量を検出する検出器5と、走査光学系3を制御する制御部7と、検出器5の検出値に基づいて種々の処理を行う計測処理部9とを有している。
走査光学系3は、面光源101からの光が入射する走査レンズ11(射影光学要素の一例)と、走査レンズ11を透過した光を偏向する偏向器13と、偏向器13により偏向された光が入射する集光レンズ15(集光光学要素の一例)と、集光レンズ15を透過した光の径(断面)を規定する視野絞り部材17と、視野絞り部材17を透過した光を転送する第1リレーレンズ19と、第1リレーレンズ19を透過した光の径(断面)を規定する開口絞り部材21と、開口絞り部材21を透過した光が入射する第2リレーレンズ23とを有している。
走査レンズ11は、例えば、レンズ群により構成されている。ただし、走査レンズ11は、単レンズにより構成されてもよい。走査レンズ11は、面光源101に対して対向して配置されている。
走査レンズ11は、計測の目的に照らして、面光源101の各部(中央部や外周部)からの光を所定の射影方式で射出するレンズにより構成されている。例えば、以下のとおりである。
y=f・tanθで表される中心射影レンズにより走査レンズ11を構成すれば、面光源101の中央部と外周部との間における立体角の差を小さくできる。
y=2f・tan(θ/2)で表される立体射影レンズにより走査レンズ11を構成すれば、面光源101の中央部と外周部との間における立体角及び測定角の差を小さくできる。
y=f・θで表される等距離射影レンズにより走査レンズ11を構成すれば、面光源101の中央部と外周部との間における測定面積の差を小さくできる。
なお、yは、測定面(面光源101)における走査レンズ11の光軸LAと測定位置との距離(物高)、fは走査レンズ11の焦点距離、θは偏向器13へ入射する(走査レンズ11から射出された)光束が光軸LAと成す角(走査角)である。立体角、測定角及び測定面積については、後述する。
偏向器13は、走査レンズ11を介して面光源101の各部からの光を一定の方向(集光レンズ15への方向)へ順次偏向することにより、面光源101を走査するものである。偏向器13は、例えば、ガルバノミラーにより構成されている。すなわち、偏向器13は、走査レンズ11からの光を偏向する第1偏向ミラー25と、第1偏向ミラー25により偏向された光を偏向する第2偏向ミラー27とを有している。
第1偏向ミラー25及び第2偏向ミラー27は、例えば、いずれかが走査レンズ11の射出瞳に位置するように配置され、また、その射出瞳よりも広い面積を有している。なお、走査レンズ11は、射出瞳が走査レンズ11の射出方向外部に位置するように構成されている。偏向器13は、走査レンズ11の射出瞳に配置されることにより、走査レンズ11を透過する全ての光を偏向可能である。
第1偏向ミラー25及び第2偏向ミラー27は、互いに異なる回転軸回りに回転可能に設けられている。偏向器13は、例えば、第1偏向ミラー25の回転により面光源101を主走査方向に走査し、第2偏向ミラー27の回転により面光源101を主走査方向に直交する副走査方向に走査する。主走査方向及び副走査方向は、面光源101がディスプレイである場合に、ディスプレイの主走査方向及び副走査方向と一致していても一致していなくてもよい。第1偏向ミラー25及び第2偏向ミラー27は、例えば、第1モータ29及び第2モータ31によりそれぞれ駆動される。
集光レンズ15は、偏向器13からの光を集光することにより、面光源101からの光を結像させる。集光レンズ15は、例えば、走査レンズ11の射出瞳に前側焦点が位置するように配置されている。集光レンズ15は、単レンズにより構成されていてもよいし、レンズ群により構成されていてもよい。
視野絞り部材17は、走査レンズ11から集光レンズ15までの光学系の像面に配置されている。例えば、集光レンズ15に入射する光が平行光である場合には、像面位置は集光レンズ15の後側焦点位置である。視野絞り部材17には、集光レンズ15により集光された光を、その径(断面)を規定しつつ透過させる視野絞り17aが形成されている。視野絞り17aは、例えば、0.3〜3mmの開口である。視野絞り17aの形状は適宜な形状でよいが、例えば、円形や矩形である。なお、視野絞り部材17は、視野絞り17aの径が固定のものでも可変のものでもよい。
第1リレーレンズ19及び第2リレーレンズ23は、集光レンズ15の結像した像を転送するレンズである。なお、上述のように、集光レンズ15の像面には視野絞り部材17が配置されているから、第1リレーレンズ19及び第2リレーレンズ23は、視野絞り部材17により径が規定された像を転送する。
第1リレーレンズ19及び第2リレーレンズ23は、例えば、アフォーカル系を構成している。すなわち、第1リレーレンズ19及び第2リレーレンズ23は、第1リレーレンズ19の後側焦点に第2リレーレンズ23の前側焦点が位置するように配置されており、第1リレーレンズ19及び第2リレーレンズ23の焦点距離f2及びf3(図2参照)の比によって決定される倍率で物体を結像する。
第1リレーレンズ19及び第2リレーレンズ23は、例えば、第1リレーレンズ19の前側焦点が走査レンズ11から集光レンズ15までの光学系の像面に位置するように配置され、第2リレーレンズ23の後側焦点に像を結ぶ。なお、第1リレーレンズ19及び第2リレーレンズ23は、それぞれ、レンズ群により構成されていてもよいし、単レンズにより構成されていてもよい。
開口絞り部材21は、例えば、集光レンズ15の前側焦点位置の共役点に配置されている。開口絞り部材21には、第1リレーレンズ19を透過した光を、その径(断面)を規定しつつ透過させる開口絞り21aが形成されている。開口絞り部材21は、例えば、第1リレーレンズ19の後側焦点(第2リレーレンズ23の前側焦点)に配置されており、第1リレーレンズ19及び第2リレーレンズ23と共にテレセントリック光学系を構成している。なお、開口絞り部材21は、開口絞り21aの径が固定のものでも可変のものでもよい。
開口絞り21aの径が可変のものである場合、開口絞り部材21は、撮像装置のシャッタのように、複数の絞り羽根により構成され、複数の絞り羽根の相対移動により開口絞り21aの径を変化させるものであってもよい。また、例えば、開口絞り部材21は、回転可能に軸支され、円周方向に沿って複数の絞りが形成されており、回転移動により光路に挿入される絞りが切り換えられることにより、開口絞り21aの径を変化させるターレットであってもよい。なお、走査光学系3は、開口絞り21aの径が互いに異なる複数の開口絞り部材21が着脱可能であってもよい。
検出器5は、例えば、分光器により構成されており、受光した光を分光して光のスペクトルを求め、そのスペクトルのデータを、若しくは、そのスペクトルから算出された輝度や色度を、電気信号として出力する。検出器5は、例えば、特に図示しないが、モノクロメータ等のいわゆる狭義の分光器と、狭義の分光器により分光された光を受光して、受光した光の光量に応じた電気信号を出力するCCD等の光電変換器とを有している。
検出器5は、第1リレーレンズ19及び第2リレーレンズ23の像面における光を検出するように配置される。例えば、検出器5は、光ファイバ5a(図10参照)により光を取り込み、取り込んだ光の輝度等を算出して出力するように構成されており、光ファイバの入射面は、第1リレーレンズ19及び第2リレーレンズ23の像面(本実施形態では第2リレーレンズ23の後側焦点)に配置される。
制御部7は、例えば、特に図示しないが、CPU、ROM、RAM及び外部記憶装置を含むコンピュータにより構成されており、不図示のモータドライバを介して第1モータ29及び第2モータ31を制御する。制御部7は、例えば、第1偏向ミラー25が一定の回転速度で連続的に移動するように、若しくは、第1偏向ミラー25が一定の時間間隔で間欠的に一定の回転角度で移動するように、第1モータ29を制御するとともに、第2偏向ミラー27が一定の時間間隔で間欠的に一定の回転角度で移動するように第2モータ31を制御する。
計測処理部9は、例えば、特に図示しないが、CPU、ROM、RAM及び外部記憶装置を含むコンピュータと、ユーザの入力を受け付ける操作部と、ユーザに情報を提示する表示装置とを有して構成されている。計測処理部9は、例えば、ユーザの入力に基づいて、走査光学系3により面光源101の走査を行うように制御部7に指令を出力する。また、例えば、計測処理部9は、検出器5から出力された電気信号から得られる計測結果に対して所定の補正処理(例えば、後述するシェーディング処理)を行い、計測結果若しくは計測結果に基づく演算結果を表示装置に表示する処理を行う。
なお、制御部7及び計測処理部9は、別個のハードウェアにより構成されてもよいし、共通のハードウェアにより構成されてもよく、また、両者の役割分担は適宜に設定されてよい。また、計測結果に基づく補正処理等における計測処理部9及び検出器5の役割分担も適宜に設定されてよい。
光計測装置1は、走査レンズ11、偏向器13及び集光レンズ15を保持する第1保持部33と、視野絞り部材17、第1リレーレンズ19、開口絞り部材21、第2リレーレンズ23及び検出器5を保持する第2保持部35と、第1保持部33及び第2保持部35を集光レンズ15の光軸方向(図1の紙面左右方向)に相対移動可能に保持するベース37とを有している。
第1保持部33、第2保持部35及びベース37の材質、形状、及び、移動機構は、適宜に選択されてよい。第1保持部33及び第2保持部35の相対移動は、第1保持部33及び第2保持部35のいずれが移動することにより実現されてもよいし、双方が移動することにより実現されてもよく、また、人力で駆動されても、モータ等の駆動機器により駆動されてもよい。第1保持部33に保持される光学部材同士、及び、第2保持部35に保持される光学部材同士も、光軸方向の位置を調整可能であってよい。
次に、光計測装置1の作用の説明に先立って、測定距離、測定面積、測定角、立体角及び取込光量について説明する。
測定距離(図3(b)のLを参照)は、面光源101と走査光学系3との距離である。なお、走査光学系3における、測定距離の基準となる位置は、適宜に選択されてよいが、例えば、集光レンズ15の配置位置である。
測定面積(図3(b)のSmを参照)は、面光源101上の面積であって、走査の各時点において計測対象となる測定領域A(図1参照)の面積である。すなわち、走査光学系3が一時点において検出器5へ出力する光の、光源の面積である。
測定角(図3(b)の2αを参照)は、走査光学系3から測定領域Aを見込む角度である。すなわち、測定角は、測定領域Aの大きさを走査光学系3の光軸に対する角度で示す。なお、測定面積は、測定角及び測定距離の関数となる。
立体角(単位:ステラジアン)は、一般に、S/r2で定義される。rは、球の半径を表し、Sは、その球の表面の所定部分の面積を表す。本実施形態では、立体角は、面光源101上の各点から出射された光線により形成される錐体において定義される。なお、立体角は、図3(b)の頂角ωに相関するから、頂角ωを立体角とみなして考察してもよい。
取込光量は、測定領域Aから出射され、且つ、走査光学系3により取り込まれて検出器5へ出力される単位時間当たりの光の量である。
図2は、走査光学系3の作用を説明するための光路図である。図2では、理解を容易にするために、偏向器13を省略して同軸状に走査レンズ11や集光レンズ15等の光学部品を図示している。
上述のように、走査レンズ11から集光レンズ15までの光学系は、集光レンズ15の後側に面光源101の光を結像し、視野絞り部材17は、走査レンズ11から集光レンズ15までの光学系の像面に配置されている。すなわち、面光源101と視野絞り部材17とは共役となっている。従って、視野絞り17aの面積により、測定面積等を規定できる。なお、視野絞り部材17が、視野絞り17aの大きさを可変のものである場合には、視野絞り17aの大きさの調整により、測定面積等を調整できる。
また、上述のように、開口絞り部材21は、共役点が集光レンズ15の前側焦点に配置されており、走査レンズ11は、集光レンズ15の前側焦点に射出瞳が位置するように設けられている。従って、開口絞り部材21の像121は、走査レンズ11の射出瞳に位置することになる。その結果、開口絞り部材21は、射出瞳に配置されたのと同様の作用を奏し、走査レンズ11の有効瞳径を規定することができる。すなわち、開口絞り21aにより、立体角を規定できる。なお、開口絞り部材21が、開口絞り21aの大きさを可変のものである場合には、開口絞り21aの大きさの調整により、立体角を調整できる。立体角の調整により、取込光量も調整できる。この取込光量の調整は、NDフィルタによる調整のように、波長毎の減光率の相違を考慮した補正を行う必要がない。
本実施形態では、上述のように、走査レンズ11の射出瞳には、第1偏向ミラー25又は第2偏向ミラー27が位置しているから、開口絞り部材21は、第1偏向ミラー25又は第2偏向ミラー27に配置されたのと同様の作用も奏する。
なお、開口絞り部材21は、開口絞り21aの像121aの径が、偏向器13から出射された偏向された光束の径以下になるように設けられている。集光レンズ15の径は、開口絞り21aの像121aの光が全て入射可能な大きさに設定されている。
上述のように、集光レンズ15は、前側焦点が走査レンズ11の射出瞳(開口絞り部材21の像121)に位置するように配置されている。その結果、測定距離によらず、取込光量が一定になるという作用を奏する。具体的には、以下のとおりである。
図3(a)は、測定角2αを説明する図である。
物高h(測定領域Aの半分の高さ)と、像高h′(視野絞り17aの半分の高さ)とが常に結像関係にある場合、次の式が成り立つ。
h/h′ = x/f
h/x = h′/f
ここで、焦点距離fと視野絞り17aの半径であるh′は不変であるためh/xも常に一定となることが分かる。
h/h′ = x/f
h/x = h′/f
ここで、焦点距離fと視野絞り17aの半径であるh′は不変であるためh/xも常に一定となることが分かる。
一方、測定角2αをxとhとで作る三角形で構成すれば、
2α = 2tan−1(h/x)
となる。
2α = 2tan−1(h/x)
となる。
以上のように、測定角2αの基準は、集光レンズ15の前側焦点となる。また、測定距離L(図3(a)ではx)が変化しても、測定角2αは変化しない。測定角2αを変えるためには、視野絞り17aの径(h′)を変化させなければならない。
光路には、走査レンズ11が挿入されている。走査レンズ11を挿入した場合には、ディスプレイ(測定対象である面光源101)から集光レンズ15の焦点位置までの距離は、走査レンズ11のパワーに応じて変化する。また、光学的な測定角2αの基準位置も変化する。
しかし、上記距離や基準位置の変位と同じだけ開口絞り(開口絞り部材21の像121)の位置が変化するため、上記と同様な効果、たとえば「測定角2αの基準は集光レンズ15の前側焦点となる」という効果は、走査レンズ11を挿入するかしないかに関係なく同様に得られる。つまり、面光源101から走査レンズ11を見たときに、走査レンズ越しに見える集光レンズ15の焦点位置と開口絞りの像121の位置は変化しないため、走査レンズ11があっても上記効果が得られることに変わりがない。
しかし、上記距離や基準位置の変位と同じだけ開口絞り(開口絞り部材21の像121)の位置が変化するため、上記と同様な効果、たとえば「測定角2αの基準は集光レンズ15の前側焦点となる」という効果は、走査レンズ11を挿入するかしないかに関係なく同様に得られる。つまり、面光源101から走査レンズ11を見たときに、走査レンズ越しに見える集光レンズ15の焦点位置と開口絞りの像121の位置は変化しないため、走査レンズ11があっても上記効果が得られることに変わりがない。
図3(b)は、取込光量が一定になる作用を説明する図である。
測定面積Smは、測定角2α及び測定距離Lにより決定される。例えば、視野絞り17aの形状、換言すれば、測定領域Aの形状が円形であるとすると、その半径は、(L−f1)tanαとなるから、Sm=π((L−f1)tanα)2となる。
また、測定領域A内の点光源がもつエネルギーをPと考えると、入射瞳(図3(b)では、走査レンズ11の射出瞳の有効瞳径を規定する開口絞り21aの像121aは、集光レンズ15の入射側に位置することから、入射瞳と表現されることがある。)の位置における光束密度は、エネルギーPを、L−f1を半径とする球の表面積で割った値となるから、P/(4π(L−f1)2)となる。
このとき光源からみて入射瞳に取り込まれる光線の円錐頂角ωによって取込の立体角が規定される。入射瞳径が2Rとすると、点光源から発した光線のうち立体角によって制限された取込光量は、上述の入射瞳の位置における光束密度に入射瞳の面積πR2を乗じて、P・R2/(4(L−f1)2)となる。
取込光量は、測定面積ד点光源から発した光線のうち立体角によって制限された取込光量”の関係で決定されるので
π((L−f1)tanα)2 × P・R2/(4(L−f1)2)
=(P・πR2・tanα)/4
となり距離の関数ではなくなり、計測器としての取込光量は測定角α,瞳径Rと光源のエネルギーPによって決定される。これは測定距離の変化による測定面積の変化量を、同様に測定距離によって変化する立体角の変化によって相殺していることを意味している。
π((L−f1)tanα)2 × P・R2/(4(L−f1)2)
=(P・πR2・tanα)/4
となり距離の関数ではなくなり、計測器としての取込光量は測定角α,瞳径Rと光源のエネルギーPによって決定される。これは測定距離の変化による測定面積の変化量を、同様に測定距離によって変化する立体角の変化によって相殺していることを意味している。
図4は、本実施形態における取込光量のシミュレーション結果を示す図である。横軸は、測定距離を、縦軸は、検出器5の位置で取り込まれる光量の変化率を示している。
「Cent」は、測定領域Aが面光源101の中央に位置するときの取込光量変化を示し、「Out」は、測定領域Aが面光源101の外周部に位置するときの取込光量変化を示す。「380」、「550」、「780」は、光の波長を380nm、550nm、780nmとしたことを示している。
図4に示されるように、走査光学系3では、測定領域Aが面光源101の中央に位置するとき、及び、測定領域Aが面光源101の外周部に位置するときのそれぞれにおいて、測定距離によらず、取込光量が一定となる。
また、上記のような効果が生じる結果、測定領域Aが面光源101の中央に位置するときの光量と、測定領域Aが面光源101の外周部に位置するときの光量とは、測定距離によらず、一定の関係(一定の比)を保つことになる。
図5は、シェーディング補正を説明する図である。x軸及びy軸は、測定座標(例えば、面光源101の主走査方向及び副走査方向)を示し、縦軸は、取込光量のムラの量を示している。
通常、レンズを用いて面光源等の測定対象物の輝度分布などを測定する場合には、あらかじめ光学系が固有に持つ取り込みムラ(レンズのシェーディング)を補正する必要がある。このシェーディングは図5に示すように測定座標(x、y)の2次元関数(例えば、a0x2+a1x+a2y2+a3y+a4xy+a5)で表現することが可能であるが、従来の場合、このシェーディング関数は測定距離が変わるとその形状が変化してしまうという特性があった。従ってシェーディング関数の取得は測定距離毎に行う必要があった。
しかし、走査光学系3は、図4を参照して説明したように、シェーディング特性が距離に依存しないため、シェーディング関数の取得は基準の位置のみで行えば良く、測定距離毎に取得する必要がない。
なお、シェーディング補正は、例えば、計測処理部9において行われる。計測処理部9は、例えば、検出器5により検出された輝度等の光に係る量に対して、予め記憶されたシェーディング関数から求められる係数を乗じるなどして、検出器5の検出値を補正する。計測処理部9は、シェーディング関数の計算式を記憶することにより(具体的には、例えば、上述の式のa0〜a5の係数を記憶することにより)、又は、測定座標(x、y)と光量とを対応付けたデータを記憶することにより、シェーディング関数を記憶している。
シェーディング関数は、例えば、各部の輝度が既知の面光源(基準光源)を、任意に設定された基準の位置に配置し、その基準光源の各部の輝度を光計測装置1により測定し、既知の輝度分布と、測定された輝度分布とを比較することにより求められる。なお、上述のように、光計測装置1では、基準の位置のみでシェーディング関数を得ればよいが、計測距離の変化による取込光量の微小な変化による誤差も低減したい場合には、測定対象である面光源101の輝度を実際に計測するときの計測距離で基準光源及び光計測装置1を配置して、シェーディング関数を得てもよい。
測定距離が変化すると、走査レンズ11から集光レンズ15までの光学系の像面の位置は変化する。しかし、走査光学系3は、第1保持部33に対して第2保持部35を光軸方向へ移動可能であるから、走査レンズ11から集光レンズ15までの光学系の像面に視野絞り部材17を位置させるように調整すること(ピント合わせ)が可能である。
この際、第1リレーレンズ19、開口絞り部材21及び第2リレーレンズ23は、テレセントリック光学系を形成していることから、第1保持部33に対して第2保持部35を光軸方向へ移動させても、開口絞り21aの像121aの大きさは変化しない。
以下では、ピント合わせの方法を例示する。ピント合わせは、視野絞り部材17の位置で結像していることを確認出来ればよい。
第1保持部33に対して第2保持部35を移動させてピント合わせを行う場合には、例えば、図6〜図8に示す3つの手法がある。
図6は、検出器5が配置されるべき位置に光源103を設置し、走査光学系3の逆側から光線を投影し、測定対象物(面光源101)が配置されるべき位置でピントが合うことを確認する手法を示している。面光源101が配置されるべき位置には、例えば、スクリーン105が配置され、スクリーン105上に視野絞り17aの像が精度良く結像しているか等が肉眼で確認される。
図7は、視野絞り部材17をアパーチャミラーにより構成し、若しくは、視野絞り17aと同一形状のアパーチャを有するアパーチャミラーを視野絞り部材17に代えて配置し、集光レンズ15からの光を、測光用の光L1と、結像確認用の光L2に分離し、視野絞り部材17の位置での結像状態を観測する手法を示している。
結像確認用の光L2は、例えば、結像確認用光学系51に入射する。結像確認用光学系51は、例えば、レンズやミラーを含んで構成され、視野絞り部材17の位置に結像された像をイメージセンサ53上に転送する。そして、イメージセンサ53により撮像された画像に基づいて、コンピュータ若しくはユーザにより、面光源101の像が結像されているか否か等が確認される。なお、イメージセンサ53による撮像に代えて、接眼レンズを介してユーザが転送された像を視認してもよい。
図8は、視野絞り部材17をアパーチャ付きのイメージセンサにより構成し、若しくは、視野絞り17aと同一形状のアパーチャを有するイメージセンサを視野絞り部材17に代えて配置し、ピントを調整する手法を示している。アパーチャ付イメージセンサにより撮像された画像に基づいて、コンピュータ若しくはユーザにより、面光源101の像が結像されているか否か等が確認される。
また、集光レンズ15を光軸方向へ移動させてピント合わせを行うこともできる。なお、本発明では、集光レンズ(15)は、前側焦点位置が走査レンズ(11)の射出瞳や開口絞り部材(21)の共役点(121)に位置するように配置されるが、集光レンズが、この要件を厳密に満たす位置の近傍であって、要求される計測精度に照らして許容される許容範囲(誤差範囲)内に配置される場合も、本発明に含まれることは当然であり、本発明に含まれる範囲で、集光レンズ15を移動させてピント合わせを行うことができる。
例えば、図示は省略するが、図6〜図8において、第2保持部35ではなく、集光レンズ15を光軸方向へ移動させてピント合わせを行うことができる。また、図6〜図8以外の方法として、図9の方法によりピント合わせを行うことができる。
図9は、集光レンズ15と視野絞り部材17との間に設置したミラー61で偏向した像面にイメージセンサ53を設置する方法を示している。イメージセンサ53は、集光レンズ15からの距離が視野絞り部材17と同一になるように配置されている。この方法では、図7に示した例と同様に、イメージセンサ53により撮像された画像に基づいて、コンピュータ若しくはユーザにより、面光源101の像が結像されているか否か等が確認される。なお、イメージセンサ53による撮像に代えて、接眼レンズを介してユーザが転送された像を視認してもよい。
なお、本実施形態の光計測装置1は、上述のように、基本的には測定距離に依存した光学特性は持たないが、測定距離を何らかの補正にフィードバックするときには、ピント調整のために可動する部材に対して固定的な位置から測定距離を計算することが好ましい。例えば、第2保持部35の移動によりピント合わせを行う場合には、第2保持部35に保持される光学部品の位置又は当該光学部品に対して固定的な位置(焦点位置等)を基準として測定距離を計算することが好ましい。第2保持部35等を移動させることによる光学特性の変化も補正にフィードバックできるからである。
また、色度の測定にあたりミラー反射スペクトルやレンズ表面のARコートの透過率スペクトルが光線の角度に依存するため、偏向器13のミラー振り角ごとのスペクトル値は補正することが好ましい。
(第2の実施形態)
図10は、本発明の第2の実施形態の光計測装置201の要部を示す概略図である。また、図11は、光計測装置201における光路図である。なお、第2の実施形態において、第1の実施形態と同様の構成については、第1の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
図10は、本発明の第2の実施形態の光計測装置201の要部を示す概略図である。また、図11は、光計測装置201における光路図である。なお、第2の実施形態において、第1の実施形態と同様の構成については、第1の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
光計測装置201は、例えば、走査光学系203の構成が第1の実施形態の走査光学系3の構成と異なり、他の構成については、第1の実施形態と同様である。
走査光学系203は、走査光学系3と比較して、走査レンズ11が設けられていない点、開口絞り部材21が集光レンズ15の前側焦点の共役点ではなく前側焦点に配置されている点等が、第1の実施形態と相違する。具体的には、以下のとおりである。
走査光学系203は、面光源101側(図10及び図11の紙面左側)から、偏向器13(図10及び図11では図示省略。図1参照)と、開口絞り部材21と、集光レンズ15と、視野絞り部材17と、リレーレンズ219とを有している。
走査光学系203は、走査レンズ11を有していない。従って、面光源101からの光は、直接的に偏向器13に入射して偏向される。偏向器13により偏向された光は、開口絞り部材21に入射する。換言すれば、開口絞り部材21には、集光作用及び発散作用を受ける前の面光源101からの光が入射する。
開口絞り部材21は、第1の実施形態と同様に、測定される光の立体角を規定する。ただし、第1の実施形態では、開口絞り部材21の像121が集光レンズ15の前側焦点に位置していたのに対して、第2の実施形態では、開口絞り部材21自体が集光レンズ15の前側焦点に配置されている。そして、面光源101から出射されてから集光作用及び発散作用のいずれも受けていない光は、集光レンズ15に入射する。
集光レンズ15は、第1の実施形態と同様に、面光源101からの光を結像させる。また、視野絞り部材17は、第1の実施形態と同様に、集光レンズ15の後側の、面光源101と共役点に配置される。
ただし、面光源101及び視野絞り部材17は、第1の実施形態では、走査レンズ11及び集光レンズ15を介して共役の関係にあったのに対し、第2の実施形態では、集光レンズ15のみを介して共役の関係にある。換言すれば、面光源101と視野絞り部材17との間において、面光源101からの光に集光作用又は発散作用を及ぼす光学要素は集光レンズ15のみである。
リレーレンズ219は、第1の実施形態の第1リレーレンズ19及び第2リレーレンズ23と同様に、集光レンズ15の結像した像を転送し、面光源101及び視野絞り部材17と、検出器5の光ファイバ5aの入射面とを共役の関係とするものである。リレーレンズ219は、例えば、第1の実施形態の第1リレーレンズ19及び第2リレーレンズ23を含んでユニット化されたレンズ群である。
走査光学系203は、図10に示すように、開口絞り部材21及び集光レンズ15を保持する第1保持部233と、視野絞り部材17、リレーレンズ219、及び、検出器5を保持する第2保持部235と、第1保持部233及び第2保持部235を集光レンズ15の光軸方向(図10の紙面左右方向)に相対移動可能に保持するベース237とを有している。従って、走査光学系203は、開口絞り部材21を集光レンズ15の前側焦点に位置させたまま、集光レンズ15の像面に視野絞り部材17を位置させるようにピント合わせが可能である。
なお、第1の実施形態と同様に、第1保持部233、第2保持部235及びベース237の材質、形状、及び、移動機構は、適宜に選択されてよい。第1保持部233及び第2保持部235の相対移動は、第1保持部233及び第2保持部235のいずれが移動することにより実現されてもよいし、双方が移動することにより実現されてもよく、また、人力で駆動されても、モータ等の駆動機器により駆動されてもよい。第1保持部233に保持される光学部材同士、及び、第2保持部235に保持される光学部材同士も、光軸方向の位置を調整可能であってよい。
第2の実施形態における、各種設定事項の数値の一例を示すと、距離(L−f1)は300mm〜∞、測定角2αは2度、光ファイバ5aの入射面の直径は1mm、光ファイバ5aのNA(開口数)は0.2、集光レンズ15の焦点距離f1は80nm、リレーレンズ219の前側焦点距離f4は100mm、リレーレンズ219の後側焦点距離f5は30mm、開口絞り21aの直径は10mm、視野絞り17aの直径は2.78mm、集光レンズ15と視野絞り部材17との距離L3は76〜97mmである。なお、走査光学系203の出射側のNAは、光ファイバ5aのNAよりも小さくなるように設定されている。
以上の第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、光計測装置201は、測定対象である面光源101からの光を結像させる集光レンズ15と、集光レンズ15の後側の面光源101の共役点に配置された視野絞り部材17と、集光レンズ15の前側焦点又は前側焦点の共役点(第2の実施形態では前側焦点、第1の実施形態では前側焦点の共役点)に配置された開口絞り部材21と、視野絞り部材17及び開口絞り部材21を透過した光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する検出器5とを有することから、図3を参照して説明したように、測定距離Lの変化による測定面積Smの変化と、測定距離Lの変化による立体角(ω)の変化とを相殺させ、測定距離Lによらず、取込光量を一定にすることができる。
本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。
光計測装置及び計測用光学装置は、光源を走査するものに限定されない。例えば、点光源からの光を計測するものであってもよい。光計測装置及び計測用光学装置が、光源を走査するものである場合、光計測装置及び走査光学系は、2次元の走査を行うものに限定されず、一次元の走査を行うものであってもよい。また、計測対象となる面光源は、一次元の走査のみで光源全体の計測が行われることが可能な長尺状のものであってもよい。面光源は表示装置に限定されない。例えば、照明として使用されたり、表示装置のバックライトとして使用される面光源であってもよい。
射影光学要素及び集光光学要素は、レンズにより構成されるものに限定されない。例えば、曲面鏡により、若しくは、レンズと曲面鏡との組み合わせにより構成されてもよい。曲面鏡を用いる場合には、反射波長の角度依存を軽減できる等のメリットがある。
面光源の各部からの光を順次取り込む(面光源を走査する)動作を行う空間分割装置は、面光源の各部からの光を一定の方向へ偏向する偏向器に限定されない。例えば、空間分割装置は、集光光学要素や検出器等を面光源に沿って移動させる移動装置であったり、集光光学要素や検出器等の面光源に対する向きを変化させる回転装置であったりしてもよい。
偏向器は、ガルバノミラーに限定されない。例えば、偏向器は、ポリゴンミラーを含んで構成されてよい。検出器は、分光器に限定されない。例えば、光を分光しないものであってもよい。検出器の検出する光に係る量は、物理量でも心理物理量でもよく、また、輝度や色度以外の量であってもよい。
視野絞り部材は、集光光学要素の後側の面光源の共役点に配置されればよいから、集光光学要素を含む光学系の像面位置ではなく、像面位置の共役点に配置されてもよい。また、集光光学要素を含む光学系の像面位置に、検出器が配置され、検出器の、光を取り込むための開口を有する部材が、視野絞り部材として機能してもよい。換言すれば、視野絞り部材と検出器とは兼用されてもよい。
検出器は、光源からの光の入射面が、面光源と共役の関係になくてもよい。例えば、面光源と視野絞り部材とが共役の関係にあり、検出器の入射面が、視野絞り部材(面光源)の共役点からずれた位置にある場合、視野絞りにより測定領域を正確に規定しつつ、測定領域内部の領域がデフォーカスされた像を検出器の入射面に入力させることができる。この場合、例えばケラレの影響を低減できる。
光計測装置及び計測用光学系には、使用目的や測定対象の種類等の具体的事情に応じて、視感度補正フィルタ、色フィルタ、拡散透過板等の光学要素が適宜な位置に配置されてよい。集光光学要素の光軸はミラーにより適宜な方向へ屈曲されていてもよい。
第1の実施形態及び第2の実施形態は、適宜に組み合わされてよい。例えば、第1の実施形態において、走査レンズ11が省略されてもよい。換言すれば、走査レンズ11を省略する構成と、開口絞り部材21を集光レンズ15の前側焦点の共役点に配置する構成とを組み合わせてもよい。
また、例えば、第1の実施形態において、第2の実施形態のように、開口絞り部材21を集光レンズ15の前側焦点に配置してもよい。換言すれば、走査レンズ11を設ける構成と、開口絞り部材21を集光レンズ15の前側焦点に配置する構成とを組み合わせてもよい。
1…光計測装置、3…走査光学系、5…検出器、11…走査レンズ(射影光学要素)、13…偏向器、15…集光レンズ(集光光学要素)、17…視野絞り部材、21…開口絞り部材、101…面光源。
Claims (9)
- 測定対象である光源からの光を結像させる集光光学要素と、
前記集光光学要素の後側の前記光源の共役点に配置された視野絞り部材と、
前記集光光学要素の前側焦点又は当該前側焦点の共役点に配置された開口絞り部材と、
前記視野絞り部材及び前記開口絞り部材を透過した光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する検出器と、
を有する光計測装置。 - 前記光源としての面光源からの光を射影する射影光学要素と、
前記射影光学要素を介して前記面光源の各部からの光を前記集光光学要素の方向へ順次偏向することにより、前記面光源を走査する偏向器と、
を有し、
前記射影光学要素は、射出瞳が前記集光光学要素の前側焦点又は当該前側焦点の共役点に位置するように配置されている
請求項1に記載の光計測装置。 - 前記集光光学要素は、前記光源から出射されてから集光作用及び発散作用のいずれも受けていない光が入射する位置に配置されている
請求項1に記載の光計測装置。 - 前記開口絞り部材は、前記視野絞り部材よりも後側において、前記集光光学要素の前側焦点の共役点に配置され、
前側焦点に前記視野絞り部材が位置し、後側焦点に前記開口絞り部材が位置するように配置された第1リレーレンズと、
前側焦点に前記開口絞り部材が位置し、後側焦点に前記検出器が位置するように配置された第2リレーレンズと、
を有する請求項1に記載の光計測装置。 - 前記集光光学要素を保持する第1保持部と、
前記視野絞り部材、前記第1リレーレンズ、前記開口絞り部材、前記第2リレーレンズ及び前記検出器を保持し、前記第1保持部に対して前記集光光学要素の光軸方向へ移動可能な第2保持部と、
を有する請求項4に記載の光計測装置。 - 前記開口絞り部材は、前記集光光学要素の前側焦点に配置され、
前記開口絞り部材及び前記集光光学要素を保持する第1保持部と、
前記視野絞り部材及び前記検出器を保持し、前記第1保持部に対して前記集光光学要素の光軸方向へ移動可能な第2保持部と、
を有する請求項1に記載の光計測装置。 - 前記開口絞り部材は絞りの径が可変である
請求項1に記載の光計測装置。 - 前記検出器は、輝度の絶対値を検出可能に構成されている
請求項1〜7のいずれか1項に記載の光計測装置。 - 測定対象である光源からの光を結像させる集光光学要素と、
前記集光光学要素の後側の前記光源の共役点に配置された視野絞り部材と、
前記集光光学要素の前側焦点又は当該前側焦点の共役点に配置された開口絞り部材と、
を有する測定用光学系。
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-
2008
- 2008-06-13 JP JP2008155135A patent/JP2009271046A/ja active Pending
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