JP2010133833A - 測光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象光源（被試験光）の入射角度が変化しても高精度に被試験光の色度、照度などを高精度に測定することが可能な測光装置を提供する。
【解決手段】拡散光学系としての積分球２を備え、測定対象光源１００の特性を測定する測光装置１において、積分球２は、測定対象光源１００からの光が入射する入射部開口２２と、積分球２の内壁面２１で拡散された拡散光が光検出部３へと出射する検出部開口２３とを有し、光検出部３は、検出部開口２３に近接して、積分球２からの拡散光を分光する入射角依存性を有した分光手段３１と、分光手段３１に隣接して、分光手段３１により分光された光が入射する光電変換素子列３２とを備え、入射部開口２２には、拡散透過板４を設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源としての、蛍光灯、電球、ＬＥＤ照明、ＬＥＤ素子、ＬＤ、ＬＣＤ（液晶ディスプレー）などの色度、照度、演色性、波長、パワーなどを測定する測光装置に関するものである。

従来、例えば、蛍光灯、電球、ＬＥＤ素子などの測定対象光源からの光の特性を測定する測光装置として、種々の装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、入射光を拡散する拡散板と、複合光学フィルタとフォトダイオードから成る光電センサとを備えた色彩測定器が開示されている。この色彩測定器では、入射光は、拡散板により拡散され、複数の光電センサに照射される。各光電センサは、それぞれ異なった分光感度特性を有している。各分光感度特性に適当な係数を掛けて足し合わせることにより、国際照明委員会（略称ＣＩＥ）が規定する等色関数（ｘ、ｙ、ｚ）に近似した出力特性を持つセンサを実現させている。

従って、特許文献１の色彩測定器では、得られた近似等色関数（ｘ、ｙ、ｚ）の出力値を基に入射光の色度、照度などを測定することができる。

また、特許文献２には、積分球から出射された測定光を測定する測定部を備えた測光装置を開示している。この測光装置の光測定部では、測定光をスリットで制限し、レンズ系で平行光にして透過型回折格子を通過させ、複数の光電変換素子を備えた光電変換手段に照射される。

以後の処理は、上記特許文献１と同様にして得られた近似等色関数（ｘ、ｙ、ｚ）の出力値を基に測定光の特性を測定することができる。

更に、特許文献３には、積分球に光ファイバ等から入射された入射光を積分球内部で拡散し、ダイクロイックミラーアレイ分光素子で分光する分光装置を開示している。又、特許文献３には、従来技術として、分光手段としてリニアバルブフィルタ、バンドパスフィルタ、分光フィルタアレイ等を使用する分光装置について記載している。
特開平９−４９７６５号公報 特開２００２−１３９８１号公報 特開平１０−６２２４７号公報

しかしながら、上記特許文献１の装置によれば、拡散光学系が拡散板のみであるため、入射光の入射角が変化すると、光電センサに入射する光の角度毎の分布が変化する。

複合光学フィルタとして干渉フィルタを利用した場合には、入射角分布が変化するため、フォトダイオードに入射する光の分光スペクトルが変化する。

また、拡散光学系が拡散板のみであるため、入射光の入射位置が変化すると光電センサの位置により、入射光が照射される割合が変化する。従って、等色関数への近似精度が劣化し、色度、照度の測定誤差が大きくなる。

従って、特許文献１の装置では、等色関数への近似精度を向上させるには、複合光学フィルタとフォトダイオード（光電変換素子）の数を増やす必要がある。そのため、コストアップに繋がり、また、作業性も悪化する。

具体的には、仮に光電センサを４０個用意する場合、干渉フィルタを４０種類作製する必要がある。

干渉フィルタは、一度に多くの部品を製造することでコスト低下を図っている。従って、一度に多くの干渉フィルタセットを作製する必要がある。

また、光電変換素子も５個程度なら単素子を５個利用して作製しても大きなコストアップ及び専有面積の増加には繋がらない。しかし、４０個と多い場合は、光電変換素子アレイなどを採用せざるを得ない。この場合、フィルタを光電変換素子アレイと同じピッチで貼り合わせ、且つ、光電変換素子アレイとの位置合わせを正確に行う必要があり、コストアップを余儀なくする。

特許文献２の装置では、積分球を使用しているが、積分球は、測定試料に均一に光を照射するためのものであり、測定系（検出部）には使用されていない。

特許文献３の分光装置は、積分球への入射光は、光ファイバから入射されるものとされているが、特に、測定対象光源からの入射光が、積分球に形成した入射開口部を介して直接入射される構成の場合に顕著に起こり得るように、入射角度が極端に変化した場合には、積分球２を使用した場合であっても、光分布に偏りが生じ、測定精度の低下を来す。

そこで、本発明の目的は、測定対象光源（被試験光）の入射角度が変化しても高精度に被試験光の色度、照度などを高精度に測定することが可能な測光装置を提供することである。

本発明の他の目的は、特に、中心波長の変化率が変わるリニアバリアブルフィルタを利用することによって、フィルタと光電変換素子からなる光電センサの数を最小にすることができ、しかも、少ない光電センサにて等色関数への近似精度を向上させることが可能な測光装置を提供することである。

上記目的は本発明に係る測光装置にて達成される。要約すれば、本発明は、拡散光学系としての積分球を備え、測定対象光源の特性を測定する測光装置において、
前記積分球は、前記測定対象光源からの光が入射する入射部開口と、前記積分球の内壁面で拡散された拡散光が光検出部へと出射する検出部開口とを有し、
前記光検出部は、前記検出部開口に近接して、前記積分球からの拡散光を分光する入射角依存性を有した分光手段と、前記分光手段に隣接して、前記分光手段により分光された光が入射する光電変換素子列とを備え、
前記入射部開口には、拡散透過板を設置したことを特徴とする測光装置である。

本発明の一実施態様によると、前記入射角依存性を有した分光手段は、リニアバリアブルフィルタ、バンドパスフィルターアレー、回折格子、又は、ダイクロイックミラーアレイである。

本発明の他の実施態様によると、前記リニアバリアブルフィルタは、中心波長の変化率が変わるものを使用することができる。

本発明の他の実施態様によると、前記光電変換素子列は、複数の光電変換素子を等間隔にて配置して構成される。

本発明によれば、
（１）被試験光の入射角度が変化しても高精度に被試験光の色度、照度などを高精度に測定することが可能である。
（２）中心波長の変化率が変わるリニアバリアブルフィルタを利用することによって、フィルタと光電変換素子からなる光電センサの数を最小にすることができ、しかも、少ない光電センサにて等色関数への近似精度を向上させることが可能である。

以下、本発明に係る測光装置を図面に則して更に詳しく説明する。

実施例１
図１に、本発明に係る測光装置１の一実施例の概略構成を示す。

本実施例によると、測光装置１は、拡散光学系としての積分球２を備えている。積分球２は、内部が球面状の中空２０とされ、中空２０の球面（内面）２１は拡散反射コーティングを施し、拡散反射フィルム又は拡散反射層を有している。フィルム或いは反射層は、硫酸バリウムなどとされるコーティング剤を充填するか、又は、スプレーして形成される。

更には、積分球２は、例えば、ポリテトラフッ化エチレン、ポリクロロトリフッ化エチレン、ポリクロロフッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニルなどとされる、適宜に焼結したフッ素樹脂の固体ブロックで形成することもできる。

本実施例では、積分球２は、その左側位置に測定対象光源１００からの光が入射する入射部開口２２と、積分球２の下側位置に積分球２の内壁面２１で拡散された拡散光が光検出部３へと出射する検出部開口２３とを有する。

本実施例における積分球２の具体的寸法、形状、材質の一例を挙げれば次の通りである。

本実施例にて、積分球２は、フッ素樹脂、特に、ＰＴＦＥ（ポリテトラフッ化エチレン）の固体ブロックで作製し、中空球面２１の直径（Ｄ）は６０ｍｍであった。入射部開口２２は、直径（ｄ１）が２０ｍｍであり、検出部開口２３は、直径（ｄ２）が１３ｍｍとした。

本発明にて、積分球２は、上記寸法、形状、材質、に限定されるものではない。ただし、一般的な推奨条件によれば、積分球２は、次の条件を満足することにより良好な性能を発揮し得ることが分かった。

つまり、本実施例にて、積分球２における、直径Ｄとされる球面（内壁面）２１の全表面積をＡ、入射部開口部２２の開口面積をＡ１、検出部開口部２３の開口面積をＡ２としたとき、
Ａ１＋Ａ２≦Ａ×５％
を満足するのがよい。

本実施例の測光装置１は、積分球２の外側で且つ検出部開口２３に近接して光検出部３が配置される。光検出部３は、積分球２からの拡散光を分光する分光手段３１と、分光手段３１に隣接して配置され、分光手段３１により分光された光が入射する複数の光電変換素子（フォトダイオード）Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓｎから成る光電変換素子列３２とを備えている。分光手段３１と光電変換素子列３２とは、光電センサ（即ち、光検出器）３Ａを構成している。

上記構成の本実施例の測光装置１によれば、拡散光学系は積分球２とされ、そのため、後述するように、積分球２に入射する測定対象光源１００からの入射角（θ）（図６参照）が変化しても、極端に変化しない限りにおいては、分光手段３１や光電変換素子列３２への入射角分布や光量が変化することは少ない。

本実施例によると、分光手段３１は、リニアバリアブルフィルタ（以後、「ＬＶＦ」という。）とされる。

ＬＶＦは、バンドパスフィルタの中心波長が位置により連続的に変化する部材であり、従って、フィルタは１種類製作すればよく、従来の干渉フィルタアレイのような、光電変換素子列への貼り付け作業も必要とはしない。また、バンドパスの中心波長が連続的に変化しているため、位置ズレの影響は干渉フィルタに比べると小さい。

ＬＶＦは、透過スペクトルの半値幅は中心波長に比例する。例えば、中心波長の１〜２％である。４００〜８００ｎｍまでの特性で考えると、４００ｎｍ付近では半値幅が４０ｎｍ（中心波長の１％）、８００ｎｍ付近では半値幅が８０ｎｍとなる。つまり、従来例で説明したように、４００〜５００ｎｍ付近では半値幅が狭く、５００ｎｍ以降では半値幅を広くすることが可能であり、光電変換素子列３２は均等間隔でよい。

上述のように、本実施例によれば、従来例で説明したように、従来使用しているスリットや光ファイバなどを使用してはいない。従って、本実施例の測光装置１によれば、検出部開口２３から分光手段３１に入射する光束は、制限されず、光検出部３の感度を高くすることができる。

本実施例にて、分光手段３１としてのＬＶＦは、波長範囲３８０ｎｍ〜７２０ｎｍとされる、米国ＪＤＳＵ社製のリニアバリアブルフィルタを使用した。また、検出部開口２３からＬＶＦ３１までの距離（Ｌ）は、１０ｍｍとされ、このＬＶＦ３１に１ｍｍ以下にて密着して光電変換素子列３２を配置した。

光電変換素子列３２は、本実施例では、１６個の光電変換素子（フォトダイオード）Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６からなるフォトダイオードアレーを使用した。つまり、本実施例では、１６個の光電変換素子（フォトダイオード）Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６を備えたフォトダイオードアレー３２により、図２に示すように、３８０ｎｍ〜７２０ｎｍまで２０ｎｍピッチでピークを持つ１６個の受光信号Ｓ１（λ）、Ｓ２（λ）、・・・Ｓ１６（λ）が測定値として得られる。なお、光電変換素子Ｓの数は、１６個に限定されるものではなく、所望により、これ以外の個数とすることもできる。

図３は、本実施例における測光装置１の電気的構成の一実施例を示すブロック図である。

本実施例によると、１６個のフォトダイオード（光電変換素子）Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６から成る光電変換素子列３２からの受光信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器１０１と、Ａ／Ｄ変換器１０１にて変換された受光信号を受信する制御手段（ＣＰＵ）１０２とを備えている。

本実施例によると、制御手段１０２は、Ａ／Ｄ変換器１０１から送信される受光信号をＲＡＭ１０３に保存し、ＲＡＭ１０３に保存されている受光信号、及び、ＲＯＭ１０４に保存されている重み付け係数を用いて、等色関数ｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）に近似した等色関数ｘ’（λ）、ｙ’（λ）、ｚ’（λ）を求め、この近似等色関数に基づく三刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚを算出する。

図４に等色関数ｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）を示し、図５に、等色関数ｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）と、等色関数に近似した近似等色関数ｘ’（λ）、ｙ’（λ）、ｚ’（λ）を示す。

制御手段１０２は、上述にて得られた三刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚに基づいて、測定対象光源１００の色度、照度など光源の特性を判断するための測定値を算出する。

上記近似等色関数を求める工程、及び、近似等色関数から三刺激値を求める工程は、例えば、上述の特許文献２などに記載されており、当業者には周知である。また、本発明の特徴部を構成するものでもないので、これ以上の説明は省略する。

上述のように、本実施例の測光装置１によれば、スリット又は光ファイバを使用することはない。従って、分光手段３１に入射する光束は制限されることがなく、測定装置１の感度を高くすることができる。このことは、積分球を使用する測光装置においては特に重要である。

つまり、一般に、積分球を使用する測光装置は、直接光を検出する場合と比較して光量減衰が大きく、測定装置の感度を高くすることは、測定精度を向上させる上から、極めて重要である。

本発明の特徴ある構成は、入射部開口２２に拡散透過板４が設置された点にある。以下に、本実施例の特徴部である拡散透過板４を有する構成について説明する。

測光装置１において、拡散光学系として積分球２を使用した場合には、測定対象光源１００からの直接光を検出する場合と異なり、被試験光の偏光、ビーム強度分布、入射角度などが平均化（均一化）されて、光電変換素子列３２を備えた光検出器３Ａを照射する。

その結果、光検出器３Ａの測定誤差要因となる入射位置依存性、入射角依存性、偏光依存性などが軽減され、より高精度の測定が可能となる。

しかし、積分球２を使用しても、図６に示すように、積分球２に入射する被試験光の入射角度（θ）が極端に変化した場合には、例えば、入射角度（θ）が１０°以上に変化した場合には、光分布に偏りが生じる。

そのために、従来、分光手段３１として使用されている、所謂、入射角依存性を有した分光手段であるリニアバリアブルフィルタ、バンドパスフィルターアレー、回折格子、又は、ダイクロイックミラーアレイを使用した光検出器３Ａは、本実施例のように、受光素子３２を透過波長が異なる複数の光電変換素子Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓｎで構成した場合には、被試験光の入射角度（θ）によって複数の光電変換素子Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓｎ上の光量が変化して測定値が変化する。

そこで、本実施例では、図１及び図６に示すように、入射開口２２の領域を全面的に覆
って、拡散透過板４が固定部材４１により積分球２に固定される。拡散透過板４としては、シグマ光機株式会社製のオパール型拡散板が好適に使用される。

尚、拡散透過板４は、図１に一点鎖線にて示すように、直径ｄ１とされる入射開口２２内のいずれかの位置に設置することも可能である。この場合は、拡散透過板４の設置位置は、積分球２の内壁面２１に隣接した位置の方が好ましい。

図７に拡散透過板４を使用しない場合の、被試験光の入射角度（θ）と、光電変換素子列３２を構成する１６個の各光電変換素子Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６上の強度分布との関係を示す図である。図８は、本実施例に従って拡散透過板４を使用した場合の、被試験光の入射角度（θ）と、光電変換素子列３２を構成する各光電変換素子Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６上の強度分布との関係を示す図である。

図７から、積分球２の光入射開口部２２に拡散透過板４がない場合には、積分球２に入射する光束の角度（θ）が変化すると、透過波長が異なる各光電変換素子Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６に照射する光量が入射角度によって変化することが分かる。

これに対して、図８から分かるように、本実施例に従って構成される測光装置１では、拡散透過板４を積分球２の光入射開口部２２に固定することで、積分球２に入射する被試験光が拡散されて入射し、被試験光の入射角度（θ）が変化しても、透過波長が異なる各光電変換素子に照射する光束分布は偏りが生じず、均一である。

従って、本実施例の測光装置によれば、被試験光の入射角度が変化しても高精度に被試験光のパワーや色度を高精度に測定することが可能である。

実施例２
次に、本発明の測光装置１の第二の実施例について説明する。本実施例にて、測光装置１の全体構成は、実施例１の測光装置と同じ構成とされ、ただ、分光手段３１と光電変換素子列３２で構成される光検出器３Ａの構成において異なる。従って、測光装置の全体構成については、実施例１の説明を援用し、ここでの再度の説明は省略する。以下に、本実施例の特徴部であるＬＶＦについて説明する。

実施例１で説明したように、ＬＶＦを利用することで、４００〜５００ｎｍ付近では半値幅が狭く、５００ｎｍ以降では半値幅を広くすることが可能であり、光電変化素子列３２における各光電変換素子Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓｎは、均等間隔で良い。

そこで、本実施例では、分光手段３１として、中心波長の変化率が変わるＬＶＦを利用することによって、フィルタ（ＬＶＦ）３１と光電変換素子列３２からなる光検出器３Ａによる検出を、中心波長ピッチが４００〜５００ｎｍ付近では狭く、５００ｎｍ以降では広く設計することで、フィルタと光電変換素子からなる光センサの数を最小にすることができ、しかも、少ない光センサにて等色関数への近似精度を向上させることが可能である。

実施例３
図９に、本発明の測光装置１の第三の実施例を示す。本実施例にて、測光装置１の全体構成及び積分球２は、実施例１の測光装置１及び積分球２と同じ構成とされ、ただ、光検出部３の構成が異なるのみである。従って、積分球２及び測光装置１の全体構成については、同じ構成及び機能をなす部材には同じ参照番号を付し、実施例１の説明を援用し、ここでの再度の説明は省略する。

本実施例の光検出部３は、積分球２からの拡散光が、スリット３３及びレンズ３４を介して平行光とされた後、光検出器３Ａへと照射される。光検出器３Ａは、例えば、回折格子などとされる分光手段３１と、分光手段３１に隣接して、分光手段３１により分光された光が入射する光電変換素子列３２とを備えている。

このような測光装置１においても、本発明に係る積分球２は、極めて有効であり、実施例１と同様の作用効果を達成し得る。

更に、本発明は、光検出部３は、分光手段３１として、入射角依存性を有した分光手段であるバンドパスフィルターアレー又はダイクロイックミラーアレイを使用することも可能である。この場合も、本発明に係る積分球２は、極めて有効であり、実施例１と同様の作用効果を達成し得る。

本発明に係る測光装置の一実施例の概略構成図である。 光電変換素子列による相対分光感度を示す図である。 本発明に係る測光装置の電気的構成を示すブロック図である。 等色関数を示す図である。 等色関数と近似等色関数を示す図である。 図１に示す本発明に係る測光装置の概略構成図である。 従来装置における被試験光の入射角度と各光電変換素子上の強度分布を示す図である。 本発明に係る測光装置における被試験光の入射角度と各光電変換素子上の強度分布を示す図である。 本発明に係る測光装置の他の実施例の概略構成図である。

符号の説明

１ 測光装置
２ 積分球
２０ 中空
２１ 中空球面（内面）
２２ 入射部開口
２３ 検出部開口
３ 光検出部
３Ａ 光電センサ（光検出器）
３１ リニアバリアブルフィルタ、回折格子（分光手段）
３２ 光電変換素子列
３３ スリット
３４ レンズ系
４ 拡散透過板
１００ 測定対象光源

Claims (4)

1. 拡散光学系としての積分球を備え、測定対象光源の特性を測定する測光装置において、
   前記積分球は、前記測定対象光源からの光が入射する入射部開口と、前記積分球の内壁面で拡散された拡散光が光検出部へと出射する検出部開口とを有し、
   前記光検出部は、前記検出部開口に近接して、前記積分球からの拡散光を分光する入射角依存性を有した分光手段と、前記分光手段に隣接して、前記分光手段により分光された光が入射する光電変換素子列とを備え、
   前記入射部開口には、拡散透過板を設置したことを特徴とする測光装置。
2. 前記入射角依存性を有した分光手段は、リニアバリアブルフィルタ、バンドパスフィルターアレー、回折格子、又は、ダイクロイックミラーアレイであることを特徴とする請求項１に記載の測光装置。
3. 前記リニアバリアブルフィルタは、中心波長の変化率が変わることを特徴とする請求項２に記載の測光装置。
4. 前記光電変換素子列は、複数の光電変換素子を等間隔にて配置して構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の測光装置。

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