JP2014126408A - 反射特性の測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 例えば、被検面の複数種類の反射特性を1つの測定装置で測定可能とする。
【解決手段】 被検面の反射特性を測定する測定装置は、面光源を含み該面光源からの光で前記被検面を照明する照明部と、前記照明部により照明された前記被検面からの反射光により受光面に形成された光強度分布を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記光強度分布の第1データから前記反射特性を求める処理部と、を含む。前記処理部は、前記面光源の面内の各位置に点光源が配置された場合に、前記被検面からの鏡面反射光により前記受光面に形成される光強度分布の第2データおよび前記被検面からの拡散反射光により前記受光面に形成される光強度分布の第3データを前記第1データに基づいて推定し、前記面光源の替りに該面光源とは形状および大きさの少なくとも一方が異なる光源が配置された場合に前記被検面からの反射光により前記受光面に形成される光強度分布を前記第2データおよび前記第3データに基づいて推定する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、被検面の反射特性を測定する測定装置に関する。
従来から印刷物の評価、塗装面の評価、製品の外装を評価することは重要な命題であり、JISやISOでは光沢等、物体表面(被検面)の反射特性を測定するための規格が設けられている。例えば、鏡面光沢度を測定するための規格として、JIS Z 8741等が定められている。像の不鮮明性(試料表面の曇り)の度合い表すヘイズ値を測定するための規格として、ISO13803、ASTM E 430等が定められている。光沢に係るDOI(Distinctness of Image)を測定するための規格として、ASTM E 430、ASTM D 5767等が定められている。写像性(像鮮明度)を測定するための規格として、JIS K 7374、JIS H 8686等が定められている。
それぞれの規格には測定に適した表面と適さない表面とが存在するので、ユーザーは状況に応じて上記の中から最適な規格を選択し、反射特性を測定する必要がある。図6は、JIS Z 8741に規定されている鏡面光沢度の測定法を示す。光源1からの光束は、レンズ2によりおおよそ集光され、規格で規定された開き角に設定された矩形の光源スリット31上に集光され、光源スリット31により規定の開き角を有する2次光源が形成される。光源スリット31からの光束は、レンズ41により略平行光束とされ、被検面10に照射される。被検面10で反射された光は、被検面10の状態により特有の反射パターンとなり、レンズ42により再び集光され、光源スリット31の像が受光スリット32上に形成される。受光スリット32を通過した光は、受光素子100に入射し、受光素子100から光電信号として出力される。図6の鏡面光沢度を測定する装置は、被検面10で反射した光量と、予め測定された基準面での反射光量との相対強度を用いて被検面10の光沢を算出する。図6の鏡面光沢度を測定する装置は、光源の写り込みの明るさを定義する事は可能であるが、光源の写り込みのボケ具合を示すものではなく、被検面10の状態を完全には表現することはできないという欠点を有している。
図7は、ASTM E 430に規定されるヘイズ(値)を測定する装置の構成を示している。光源1からの光束はレンズ2によりおおよそ集光され、規格で規定された開き角に設定された光源スリット31上に集光され、スリット31により規定の開き角の2次光源が構成される。光源スリット31からの光束はレンズ41により略平行光束とされ、被検面10に照射される。被検面10で反射された光は、被検面10の状態により特有の反射パターンとなり、レンズ42により再び集光され、光源スリット31の像が受光スリット32上に形成される。受光スリット33を通過した光は、それぞれに対応した受光素子に入射し光電信号として出力される。
受光スリット33は、3つのスリット33a、33b、33cで構成され、スリット33a〜33cは、夫々被検面10の垂線に対して18.1°、20°、21.9°で設置されている。スリット33bは、鏡面光沢度の測定に使用し、スリット33a、33cはヘイズ値の測定に使用される。ヘイズ値は、像の不鮮明性の度合いを示す指標である。しかし、スリット33a、33cの鏡面反射光からの角度差が少ないため、ヘイズ値の測定に適した被検面10の状態は限られたものである。写り込み像が原形を留めないような不鮮明さを呈するようになると、図7の測定装置による測定結果からヘイズ値を求めることは難しくなる。
DOIは、図7の装置と同様の構成の装置を用いて測定されるが、各スリットのディメンジョンと値の計算式が異なる。具体的には、スリット33a、33b、33cの被検面10の垂線に対する角度が19.7°、20°、20.3°であり、また、各スリットの大きさが異なる。ヘイズ値等の測定と同様に、写り込み像が原形を留めないような不鮮明さを呈する被検面10ではDOI(値)を求めることが難しい。
図8は、JIS K 7374で規定される写像性の試験方法で用いられる装置の構成を示している。光源1からの光束はスリット31を通過しレンズ41に入射し、平行光とされ、被検面10に照射される。被検面10での反射光は被検面10の状態により特有の反射パターンとなり、レンズ42により再び集光され、光源スリット31の像が櫛歯スリット50上に形成される。櫛歯スリット50は、ピッチの異なる5種類のスリットから構成され、櫛歯スリット50をスリット配列方向に移動させたときの最大透過光量と最小透過光量を演算し、コントラスト値を取得することにより、被検面10の状態を5つのコントラスト値で表現する。写像性の測定方法は、写り込み像の鮮明性をコントラストで評価するため、写り込み像の明るさを議論することはできない。
特許文献1には、被検面の鏡面光沢度を測定する装置及び方法が記載され、特許文献2には、被検面の写像性を測定する装置及び方法が記載されている。
特開2008−256454号公報 特開2007−24655号公報
以上のように、各規格で定義された測定装置は夫々特徴を持っていて、測定対象とする被検面の反射特性が異なる。また、特許文献1、2には、被検面の反射特性を測定する装置及び方法が開示されているが、これらの装置及び方法は、被検面の限られた反射特性しか測定できない。したがって、被検面の様々な反射特性を必要とするユーザーは、複数の方式の測定器を用意し状況に応じて使い分ける必要があった。そのため、ユーザーは複数の装置を購入する為のコスト、複数の装置を保管する場所等を要し、ユーザーの負担になっていた。
本発明は、例えば、被検面の複数種類の反射特性を1つの測定装置で測定可能とするための技術を提供することを目的とする。
本発明は、被検面の反射特性を測定する測定装置であって、面光源を含み該面光源からの光で前記被検面を照明する照明部と、前記照明部により照明された前記被検面からの反射光により受光面に形成された光強度分布を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記光強度分布の第1データから前記反射特性を求める処理部と、を含み、前記処理部は、前記面光源の面内の各位置に点光源が配置された場合に、前記被検面からの鏡面反射光により前記受光面に形成される光強度分布の第2データおよび前記被検面からの拡散反射光により前記受光面に形成される光強度分布の第3データを前記第1データに基づいて推定し、前記面光源の替りに該面光源とは形状および大きさの少なくとも一方が異なる光源が配置された場合に前記被検面からの反射光により前記受光面に形成される光強度分布を前記第2データおよび前記第3データに基づいて推定する、ことを特徴とする。
本発明によれば、例えば、被検面の複数種類の反射特性を1つの測定装置で測定可能とするための技術を提供することができる。
第1実施形態の測定装置の概略構成図である。 鏡面反射光と拡散反射光とが合成された強度分布を示す図である。 円形の開口の場合の鏡面反射光の強度分布の遷移と点光源の場合の鏡面反射光の強度分布の遷移を示す図である。 第2実施形態の測定装置の概略構成図である。 第3実施形態の測定装置の概略構成図である。 JIS Z 8741で指定される鏡面光沢度の測定装置の構成図である。 ASTM E 430で指定されるヘイズ値の測定装置の構成図である。 JIS K7374で指定される写像性の測定装置の構成図である。
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
〔第1実施形態〕
図1は、第1実施形態の被検面の反射特性を測定する測定装置の概略構成を示す。光源1からレンズ41までの照明部とレンズ42から2次元受光素子(検出部)100までの受光部とは、被検面10の垂線に対して夫々θ、θ’の角度で配置されている。入射角θ、反射角θ’は被検面10の反射特性を規定する各規格に沿うように規格毎に設定されている。反射特性が鏡面光沢度の場合の入射角θ及び受光角θ’は、20°、45°、60°、85°の何れかに設定される。反射特性がヘイズである場合の入射角θ及び反射角θ’は、20°に設定される。反射特性が写像性の場合の入射角θ及び反射角θ’は、45°、60°の何れかに設定される。反射特性がDOIである場合の入射角θ及び反射角θ’は、20°に設定される。
光源1から射出された光束はレンズ2によりφ1mmの円形の開口を有する絞り31上に集光される。絞り31上では光源1の像が一旦結像されてφ1mmの円形の2次光源(面光源)となる。絞り31から射出された光束は、再び発散光束となり、レンズ41により平行光とされ被検面10を照明する。被検面10からの反射光は、被検面10の反射特性による特有の反射パターンとなり、2次元受光素子100の受光面により受光される。2次元受光素子100は、被検面10からの反射光によって受光面に形成される光の強度分布を検出し、処理部110に第1データを出力する。第1データは、具体的には角度に応じて強度が変化するBRDF1の様な反射パターンとなる。なお、BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function:双方向反射率分布関数)は、被検面10の反射率の分布を表す関数であり、入射光照度に対する反射光輝度の比率を表す。より厳密には、物体表面上のある点でのBRDFは、入射・反射の双方向に依存し、照明方向からの入射光の強さに対する観察方向への反射光の強さの比として定義される。2次元受光素子100で受光した信号は2次元受光素子100上のAA断面で出力を切り取ることで、被検面10特有の反射特性の表現が可能である。
2次元受光素子100が受光した反射光の強度分布をAA断面で切り取る事で、反射特性を定義する各規格の計算への対応が可能である。反射光の強度分布をAA断面で切り取ることに加えて、その他の断面でも切り取ることで、被検面10の反射特性の異方性を測定する事も可能である。2次元受光素子100で受光される反射パターンBRDF1は、図2に示すように、鏡面反射光によるBRDF1Aと拡散反射光によるBRDF1Bとが合成したものとなる。鏡面反射光は、表面反射光ともいい、拡散反射光は散乱光ともいう。拡散反射光によるBRDF1Bは、被検面10のいわゆる地の色、明るさに対応し、視線角度によらず同じ明るさに見えることから、明るさは視線角度θに対して、COSθに比例するモデルとされ、ランバート散乱と呼ばれる。鏡面反射光によるBRDF1Aは、光源1の写り込みの状態に対応し、通常ガウシアン分布でモデル化され、分布の広がり具合と強度がパラメータとされる。
ここで、円形の開口を有する絞り31を用いて2次元受光素子100により得られた鏡面反射光によるBRDF1Aに着目する。円形の開口を用いる場合の鏡面反射光による光強度分布BRDF1Aは、被検面10が鏡面から散乱面に遷移する過程で図3のようにBRDF1AaからBRDF1Adへと変化していく。被検面10が鏡面の場合には、絞り31の円形の開口がそのまま2次元受光素子100に投影される為、エッジが立った矩形のBRDF1Aaが出力される。被検面10が拡散面に近くなっていく過程で、矩形形状が崩れ最終的にはBRDF1Adのような略ガウシアン分布となる。
円形の開口の絞り31を用いて照射したときに鏡面反射光によるBRDF1Aa〜1Adの反射パターンを示す4つの被検面10をそれぞれ被検面10a〜10dとする。絞り31の面内の複数の位置の1つに点光源(例えばφ10μmの光源)が配置されて被検面10a〜10dが照明された場合に2次元受光素子100により得られる鏡面反射光によるBRDF2をそれぞれBRDF2a〜2dとする。BRDF2a〜2dは、被検面10a〜10dの鏡面から散乱面に遷移する過程で広がり具合と強度のみが変化する単純なガウシアン分布のパターンである。BRDF2a〜2dは、絞り31の円形の開口が点光源の集合体と仮定した加算計算から推定することができる。あるいは、絞り31の面内の複数の位置の各位置に点光源を配置して実測することで求めることが可能である。第1実施形態では、BRDF1Aa〜1AdとBRDF2a〜2dとの関係を示す情報は、計算又は実測により予め取得されて計測装置のメモリ120に保存されている。
BRDF2a〜2dを計算で求める場合には、例えば、まず、点光源の大きさφを数μm〜数10μmとし、2次元受光素子100上でのボケパターンをガウシアン分布に近似してモデル化する。絞り31の円形の開口が該点光源の集合体であると仮定すると、2次元受光素子100上での円形の開口のボケ像は、点光源のボケ像の集合体であるとする事が可能である。2次元受光素子100上の平面座標上で、夫々の点光源から得られる光の強度を点光源の数だけ足し合わせたものと円形の開口を用いて得られたBRDF1Aa〜1Adとは等しい。以上の原理のもとで、BRDF1Aa〜1Adの実測値からBRDF2a〜2dを計算で求める(逆算する)ことができる。
円形の開口の絞り31を用いた場合の鏡面反射光によるBRDF1Aと、点光源の反射パターンBRDF2とは、例えば反射パターンの半値幅とピーク比で関係付ける事が可能である。また、BRDF1Aは、像がぼけていく過程で、鏡面反射付近で反射パターンの半値幅が単純増加をしない為、半値以外の幅例えばピークの1/3値幅でBRDF2と関係付けてもかまわない。BRDF2との関係付けに使用するピークの幅は、1/3値の他に1/4値等他の値でもよい。しかし、BRDF2との関係付けに使用するピークの幅が1/5値を下回るような場合には、鏡面反射光と拡散反射光(散乱光)との境目が曖昧となり、ガウシアン分布の波形も傾きが緩くなり誤差を生みやすい為、好ましくない。また、BRDF2a〜2dおよびBRDF1Aa〜1Adのプロファイルの傾き値の最大値(微分波形のピーク)の相関や、プロファイルの傾きの最大値間の距離で相関を取っても良いし、それらを組み合わせて相関をとっても良い。以上の様な方法で、処理部110は、BRDF1Aから点光源の反射パターンBRDF2を求めることができる。
例えば絞り31の円形の開口の位置に実際にφ10μmのピンホールを点光源として配置したとする。そうすると、光量は、円形の開口の絞り31を用いる場合の1/10000程度しか得られない。そのため、反射プロファイルを正確に測定する事が難しくなる、又は、2次元受光素子100の蓄積時間を長くする必要からスループットの低下を招く。したがって、φ1mm以上の円形の開口の絞り31を配置し、計算により点光源の反射パターンBRDF2を求める事は信号品位の点で非常に有効である。第1実施形態では、処理部110は、BRDF1を鏡面反射光によるBRDF1Aと拡散反射光によるBRDF1Bとに分割し、その後、BRDF1Aと点光源の鏡面反射光による反射パターンBRDF2との相関を取った。
しかし、処理部110は、絞り31の円形の開口の複数の位置の1つに点光源を配置したときに反射光によって受光面に形成される光強度分布のデータをBRDF1に基づいてまず推定してもよい。処理部110は、該推定されたデータを分割して鏡面反射光によるBRDF2(第2データ)と拡散反射光によるBRDF3(第3データ)とを求めることができる。この場合、処理部110は、拡散反射光によるBRDF1Bと点光源の大きさと絞り31の円形の開口との比とに基づいてBRDF3を求めることができる。
次に拡散反射光によるBRDF1Bについて述べる。拡散反射光はランバート散乱に近似してモデル化可能な事が知られている。ランバート散乱とは、完全拡散面は視線によらず物体の明るさが一定である事実から、角度θへの反射光量比がCOSθになると定義している。本測定装置で予め既知の拡散反射率(拡散反射光/入射光)を有する基準面で発生する反射光によるBRDFを測定しておけば、拡散反射率のパラメータを与えるだけで拡散反射光によるBRDF1Bに基づくBRDF3を推定する事が可能である。光源1の面積によって、鏡面反射光と混入する拡散反射光のレベルが決まる為、拡散反射率と光源1の面積をメモリ120に格納しておけば後述の計算に使用する事が出来る。
次に、上記の工程で導き出した点光源の反射パターンBRDF2から任意の測定条件で定義される様々な反射特性の規格値の計算を行う工程を説明する。設定可能な反射特性の測定条件は、任意の光源の形状および大きさと受光面上の任意の評価領域と、平行光の入射角等を含む。
例えば鏡面光沢度のJIS Z 8741に記載される光沢計を構成したと仮定する。処理部110は、前記工程でφ10μmの場合の鏡面反射光によるBRDF2を求めた。鏡面光沢度を入射角20°で測定する場合には、光源側の開口は、開き角で規定された幅0.75°、長さ2.5°の矩形である。レンズ41の焦点距離Fと開き角βによって光源側の開口の大きさはF×COSβと計算できる。したがって、仮に焦点距離を50mmとすると、光源側の開口として幅0.65mm、長さ2.18mmの矩形スリットが必要と計算できる。
この矩形スリットを使用した場合の2次元受光素子100上での鏡面反射光による反射パターンは、処理部110が、幅0.65mm、長さ2.18mmの矩形スリットをφ10μmの点光源の集合体として2次元空間上で光量を加算する事で算出できる。この矩形スリットを使用した場合の拡散反射光による光強度分布は、上記で分割したBRDF1Bに対して、円形の開口に対する矩形スリットの面積比0.65×2.18÷(π×0.5)=1.8倍することで計算できる。以上で鏡面光沢度の測定方法の装置構成をとった場合の2次元受光素子100上での計算上の反射光パターンが第1実施形態の測定装置により得られた事になる。JIS Z 8741の規格値を出力する為には、開き角で規定された幅1.8°、長さ3.6°の受光側の領域に入る光量を計算する必要がある。しかし、その光量は、2次元受光素子100上での計算上の反射光パターンから簡単に算出する事が可能である。
以上鏡面光沢度の測定に関して述べたが、ヘイズ、DOIの測定についても同様の計算が可能である。写像性の測定に関しては2次元受光素子100上で想定される受光エリアとしてJIS K 7374規格で規定された櫛歯スリットを想定する。写像性は、想定した受光エリアを1スリットピッチ分移動させる過程の中での最大透過光量、最小透過光量から求める事が可能である。従来から製造されている鏡面光沢度の測定装置のように、測定装置における光の照射方向を20°、45°、60°、85°と変更可能にすれば、鏡面光沢度、ヘイズ、写像性、DOIについて各種規格で定められている評価値を1つの測定装置で取得可能である。
以上説明したように、第1実施形態の測定装置で被検面10の様々な反射特性を取得する事が可能となるので、ユーザーは反射特性の種類によって複数の装置を使い分けする必要がない。また、第1実施形態の測定装置は、光源1として点光源ではなくある程度の大きさを持った光源を使用するので、S/Nの点でも大いに有効で短時間での測定を可能にする。
〔第2実施形態〕
図4は、第2実施形態の測定装置の概略構成を示す。第1実施形態との違いは、絞り31が円形の開口では無く、矩形のスリットになっている点が異なる。絞り31の矩形のスリットは、鏡面光沢度を測定するための規格で規定された幅方向に0.75°の開き角、長さ方向に2.5°の開き角としている。そのため、2次元受光素子100上における規格で指定された受光開き角の素子の出力を加算する事で、簡単に鏡面光沢度測定方法の規格に合致した鏡面光沢度を取得することができる。また、ヘイズの測定に関しても、規格で指定された光源側開き角の規格は同一である為、同様にヘイズ値を簡単に取得することができる。
一方、第1実施形態の図3で説明した工程と同様に、2次元受光素子100のAA断面で切り取った場合の鏡面反射光によるBRDF1Aから、点光源の反射パターンBRDF2を計算あるいは事前の測定で関連付ける事は可能である。したがって、第2実施形態の測定装置を使用しても、写像性を測定することができる。第2実施形態の測定装置は、第1実施形態の測定装置に比較し、計算量が少なく、また、鏡面光沢度、ヘイズを測定する場合に装置構成が規格に完全に合致している点でさらに効果的である。また、第2の測定装置は、1方向のみの測定に対応可能である。そこで、2次元受光素子100の代わりに1次元受光素子をAAの方向に配置してもよく、この場合、データ量が大幅に減る為に信号処理の負担が減る効果もある。
〔第3実施形態〕
図5は、第3実施形態の測定装置の概略構成を示す。第1実施形態、第2実施形態との違いは、絞り31が円形の開口、矩形のスリットではなく6角形の開口になっている点が異なる。この場合は6角形の3組の辺に垂直な3方向の反射パターンの測定が可能になる。第1、第2実施形態と同様にして、鏡面光沢度、ヘイズ、写像性を測定することができる。第3実施形態の測定装置は、AA断面とは別の2つの方向の反射パターンの測定も可能である為、規格に合致した測定のほかに、反射パターンに異方性が有る場合の判定も可能である。第3実施形態では絞り31の開口が6角形であるが、6角形以外のn角形(または多角形)でもかまわない。n角形は対称性の観点から偶数角形(特に正偶数角形)であることが望ましい。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

Claims (13)

  1. 被検面の反射特性を測定する測定装置であって、
    面光源を含み該面光源からの光で前記被検面を照明する照明部と、前記照明部により照明された前記被検面からの反射光により受光面に形成された光強度分布を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記光強度分布の第1データから前記反射特性を求める処理部と、を含み、
    前記処理部は、
    前記面光源の面内の各位置に点光源が配置された場合に、前記被検面からの鏡面反射光により前記受光面に形成される光強度分布の第2データおよび前記被検面からの拡散反射光により前記受光面に形成される光強度分布の第3データを前記第1データに基づいて推定し、
    前記面光源の替りに該面光源とは形状および大きさの少なくとも一方が異なる光源が配置された場合に前記被検面からの反射光により前記受光面に形成される光強度分布を前記第2データおよび前記第3データに基づいて推定する、
    ことを特徴とする測定装置。
  2. 前記処理部は、前記第2データおよび前記第3データに基づいて、前記受光面上に設定された評価領域に形成される光強度分布を求める、ことを特徴とする請求項1に記載の測定装置。
  3. 設定可能な測定条件として、前記形状、前記大きさおよび前記評価領域の少なくとも1つを含む、ことを特徴とする請求項2に記載の測定装置。
  4. 前記面光源は円形の光源であり、前記検出部は2次元受光素子を含む、ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の測定装置。
  5. 前記面光源は矩形の光源であり、前記検出部は2次元受光素子または1次元受光素子を含む、ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の測定装置。
  6. 前記面光源はn角形の光源であり、前記検出部は2次元受光素子を含む、ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の測定装置。
  7. 前記反射特性は、鏡面光沢度、ヘイズ、DOIおよび写像性のうちの少なくとも1つを含む、ことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の測定装置。
  8. 前記処理部は、ガウシアン分布に基づいて前記第2データを推定し、ランバート散乱に基づいて前記第3データを推定する、ことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の測定装置。
  9. 前記処理部は、既知の拡散反射率を有する基準面を被検面として前記受光面に形成された光強度分布のデータと、被検面の拡散反射率のデータとに基づいて、前記第3データを推定する、ことを特徴とする請求項8に記載の測定装置。
  10. 前記処理部は、前記面光源の面内の各位置に点光源を配置した場合に前記被検面からの反射光によって前記受光面に形成される光強度分布のデータを前記第1データに基づいて推定し、該推定されたデータを分割して前記第2データと前記第3データとを求める、ことを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の測定装置。
  11. 前記処理部は、前記第1データを、鏡面反射光の強度分布のデータと拡散反射光の強度分布のデータとに分割し、該分割により得られた2つのデータにそれぞれ基づいて前記第2データおよび前記第3データを推定する、ことを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の測定装置。
  12. 前記処理部は、前記拡散反射光の強度分布のデータと前記点光源の大きさと前記面光源の大きさとの比とに基づいて前記第3データを推定する、ことを特徴とする請求項11に記載の測定装置。
  13. 前記処理部は、前記鏡面反射光の強度分布と前記第2データとの関係を示す情報と前記鏡面反射光の強度分布のデータとに基づいて、前記第2データを推定する、ことを特徴とする請求項11または12に記載の測定装置。
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