JP2015169553A - 屈折率測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の構成が複雑にならず、且つ、薄膜以外の固体試料でも屈折率を測定することができる屈折率測定装置を提供する。【解決手段】屈折率測定装置１は、固体試料Ｓに対して垂直方向に光Ｌ１を照射する照射部１０と、固体試料Ｓから垂直方向のみに反射した反射光Ｌ２を利用して固体試料Ｓを撮像して反射画像を取得する撮像部２０とを備えている。撮像部２０のカメラ２１は、反射画像から固体試料Ｓの表面反射率分布を取得する表面反射率分布取得手段と、表面反射率分布から固体試料Ｓの表面反射率を抽出して固体試料Ｓの屈折率を算出する屈折率算出手段とを構成している。【選択図】図１

Description

本発明は、インクやトナー等の固体試料の屈折率を測定する屈折率測定装置に関する。

従来から物質の屈折率を測定するために、屈折率計が用いられている。特に薄膜や液体を対象とした屈折率計は数多く市販されている。屈折率は物質の光沢特性に影響するため、例えば印刷業界では、印刷物の光沢を解析するために、色材（固体試料）であるインクやトナーの屈折率を測定している。

色材の屈折率を測定するには、色材を構成する樹脂等の各種の物質を溶媒に溶かして、市販の屈折率計等で測定する。しかし、色材を構成する各種の物質の屈折率は異なり、さらに用紙上に定着された色材は用紙の影響を受けるため、屈折率を求めることは難しい。

また、固体試料の屈折率は、屈折率計のひとつであるエリプソメータを使用すれば測定することができる。しかし、エリプソメータは、表面が平滑で高光沢な固体試料に対して屈折率の測定が可能であり、普通紙上に定着されたインクやトナーのような低光沢な固体試料は表面反射光が小さいために屈折率の測定が難しい。また、エリプソメータは斜角度で屈折率の測定を行うため、装置が大型化してしまう問題がある。

そこで、固体試料の屈折率を小型な装置で測定するために、例えば特許文献１に開示されているような屈折率の測定方法が提案されている。

特許文献１の屈折率の測定方法では、光源からの光を光軸が対象物に垂直で且つ対象物近傍で焦点を結ぶように入射させる。さらに、対象物で反射して光源からの光と等しい光路を逆進する反射光を入射光と分離し、焦点を結ぶように集光して焦点近傍の受光量が最大となる位置での反射光の強度を測定する。そして、この反射光の強度から屈折率を算出する。

しかしながら、特許文献１の屈折率の測定方法には、以下の２つの問題がある。

１つ目の問題として、特許文献１の屈折率の測定方法は、干渉を利用して屈折率を求めるために固体試料が薄膜でなくてはならない。しかし、トナーは薄膜ではないため、特許文献１の屈折率の測定方法ではトナーの屈折率を測定することができない。

２つ目の問題として、特許文献１の屈折率の測定方法では、反射光の強度が最大となるように受光位置を固体試料毎に調整しなくてはならない。つまり、固体試料毎に測定位置の調整が必要になるため、装置構成が複雑となる。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、装置の構成が複雑にならず、且つ、薄膜以外の固体試料でも屈折率を測定することができる屈折率測定装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、鋭意研究の結果、前記課題を解決するために以下のような屈折率測定装置を採用した。

本発明の屈折率測定装置は、固体試料に対して垂直方向に光を照射する照射部と、前記固体試料から垂直方向のみに反射した反射光を利用して前記固体試料を撮像して反射画像を取得する撮像部とを備え、
前記撮像部は、前記反射画像から前記固体試料の表面反射率分布を取得する表面反射率分布取得手段と、前記表面反射率分布から前記固体試料の表面反射率Ｒを抽出して下記の式（１）を用いて前記固体試料の屈折率ｎを算出する屈折率算出手段とを備えることを特徴とする。
ｎは屈折率、Ｒは表面反射率、αは係数

本発明の屈折率測定装置は、干渉を利用して屈折率を測定するのではなく、固体試料に照射した光の反射光を利用して屈折率を測定するようにしたので、固体試料は薄膜である必要がない。よって、本発明の屈折率測定装置は、薄膜以外の固体試料でも屈折率を測定することができる。また、本発明の屈折率測定装置は、固体試料から垂直方向のみの反射光を用いて屈折率を測定するようにしたので、固体試料毎に測定位置の調整が不要である。よって、本発明の屈折率測定装置は、装置の構成が複雑にならない。

本発明の一実施の形態を示す屈折率測定装置の構成を示す模式図である。 同実施の形態において用紙上に定着されたトナーの画像を取得するときの説明図である。 本発明の実施例で使用した屈折率測定装置の構成を示す模式図である。 同実施例においてハイパースペクトルカメラを用いて算出した黒色トナーの屈折率を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図にしたがって説明する。

図１は、本発明の一実施の形態を示す屈折率測定装置１の構成を示す模式図である。この屈折率測定装置１は、固体試料Ｓに対して垂直方向に光Ｌ１を照射する照射部１０と、固体試料Ｓから垂直方向のみに反射した反射光Ｌ２を利用して固体試料Ｓを撮像して反射画像を取得する撮像部２０とを備えている。固体試料Ｓは用紙３０上に定着されてステージ４０の上に置かれている。このステージ４０は、パルスモータ（図示せず）により移動するように構成されている。

照射部１０は、光源１１と、ライトコントロールフィルム１２と、偏光素子１３と、ハーフミラー１４とを備えている。

ハーフミラー１４は、固体試料Ｓの垂直上方に斜めに配置されている。さらにハーフミラー１４は、反射面１４ａを固体試料Ｓへ向けて配置されている。

光源１１は、ハーフミラー１４の反射面１４ａと水平に対向するように配置されている。光源１１には、ハロゲン光源、キセノン光源、ＬＥＤ光源などが用いられる。

ライトコントロールフィルム１２は、光源１１とハーフミラー１４との間で光源１１の前方に配置されている。このライトコントロールフィルム１２は、水平方向の光（平行光）のみを通すものである。

偏光素子１３は、光源１１とハーフミラー１４との間でライトコントロールフィルム１２の前方に配置されている。この偏光素子１３は回転させて特定の方向に偏光する光だけを通すように構成されている。

撮像部２０は、カメラ２１と、ライトコントロールフィルム２２と、偏光素子２３とを備えている。

偏光素子２３は、固体試料Ｓの垂直上方に配置されている。この偏光素子２３は回転させて特定の方向に偏光する光だけを通すように構成されている。

ライトコントロールフィルム２２は、固体試料Ｓの垂直上方に配置されている。このライトコントロールフィルム２２は、垂直方向の光（平行光）のみを通すものである。

カメラ２１は、ライトコントロールフィルム２２の垂直上方に配置されている。このカメラ２１には、モノクロまたはカラーのＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラなどが用いられる。また、このカメラ２１は、エリア方式のカメラまたはライン方式のカメラのどちらでも良い。

以上のように構成されている屈折率測定装置１は、光源１１から光Ｌａを発すると、ライトコントロールフィルム１２で水平方向の光Ｌｂのみが偏光素子１３側に通され、さらに偏光素子１３で偏光される。偏光素子１３で偏光された光Ｌｃはハーフミラー１４により垂直下方に反射した光Ｌ１となり、この光Ｌ１が固体試料Ｓに照射される。

固体試料Ｓに光Ｌ１が照射されると、固体試料Ｓから光Ｌｄが反射する。この反射光Ｌｄは偏光素子２３で偏光される。偏光素子２３で偏光された反射光Ｌｅはライトコントロールフィルム２２で垂直方向の反射光Ｌ２のみが撮像側（カメラ２１側）に通される。カメラ２１は、この反射光Ｌ２を利用して固体試料Ｓを撮像して反射画像を取得する。

なお、カメラ２１がライン方式のカメラであれば、ステージ４０を移動させることで二次元の反射画像を取得する。カメラ２１がエリア方式のカメラであれば、ステージ４０を移動させなくても二次元の反射画像が得られるが、反射画像の範囲が狭い場合はステージ４０を移動させて順次反射画像を取得して後から画像連結等を行うことにより、広範囲の反射画像を取得しても良い。

また、カメラ２１は、反射画像から固体試料Ｓの表面反射率分布を取得する表面反射率分布取得手段と、表面反射率分布から固体試料Ｓの表面反射率を抽出して固体試料Ｓの屈折率を算出する屈折率算出手段とを構成している。最初に、表面反射率分布の取得方法について以下に説明する。

最初に基準サンプルを用いて反射画像を取得する。この反射画像を基準反射画像W(x,y)とし、固体試料Ｓの反射画像を取得した際は常にこの基準反射画像W(x,y)で規格化する。こうすることで、入射光の輝度ムラなどのシェーディングが補正される。基準サンプルには、測色計に使用される白色板や反射鏡などを使用する。

基準反射画像W(x,y)の具体的な取得方法について説明する。最初に、照射部１０側の偏光素子１３をＰ偏光、撮像部２０側の偏光素子２３もＰ偏光になるように偏光素子１３，２３を回転させる。この状態で基準サンプルに光を照射して反射画像Wpp(x,y)を取得する。

次に、撮像部２０側の偏光素子２３をＳ偏光になるように回転させる。この状態で基準サンプルに光を照射して反射画像Wps(x,ｙ)を取得する。

次に、照射部１０側の偏光素子１３をＳ偏光、撮像部２０側の偏光素子２３もＳ偏光になるように偏光素子１３，２３を回転させる。この状態で基準サンプルに光を照射して反射画像Wss(x,ｙ)を取得する。

次に、撮像部２０側の偏光素子２３をＰ偏光になるように回転させる。この状態で基準サンプルに光を照射して反射画像Wsp(x,ｙ)を取得する。

最後に、上記の４枚の反射画像を下記の式（２）に示すように加算することにより、基準反射画像W(x,y)を取得する。

本実施の形態では、以上の方法で取得した反射画像を基準反射画像W(x,y)としたが、例えば、照射部１０と撮像部２０の偏光素子１３、２３を取り除いた状態で取得した反射画像を基準反射光画像としても良い。

次に、カメラ２１は、基準反射画像W(x,y)を用いて固体試料Ｓの表面反射率分布を取得する。一般的にカメラは、表面反射成分と内部反射成分が合成された反射画像しか取得できないため、偏向素子をＰ偏光、Ｓ偏光に切り替えて反射画像を取得することで、表面反射成分と内部反射成分を分離し、表面反射成分のみを抽出する。表面反射成分のみを抽出する方法は「ディジタルカラー画像の解析・評価 著者：三宅洋一（ISBN 4-13-061116-X）」のpp.45-46で公開されている。本実施の形態は、同一の方法を用いて表面反射成分を抽出する。

まず、照射部１０の偏光素子１３をＰ偏光になるように回転させ、撮像部２０の偏光素子２３もＰ偏光になるように回転させる。この状態で固体試料Ｓに光を照射してカメラ２１で反射画像を取得する。カメラ２１は、取得した反射画像を基準反射画像W(x,y)で規格化する。規格化した反射画像をIpp(x,y)とする。なお、反射画像の規格化は取得した反射画像に対して常に行うため、以下の説明では省略する。

次に、撮像部２０の偏光素子２３をＳ偏光になるように回転させる。この状態で固体試料Ｓに光を照射して反射画像Ips(x,y)を取得する。

次に、照射部１０の偏光素子１３をＳ偏光、撮像部２０の偏光素子２３をＳ偏光になるように回転させる。この状態で固体試料Ｓに光を照射して反射画像Iss(x,y)を取得する。

次に、撮像部２０の偏光素子２３をＰ偏光になるように回転させる。この状態で固体試料Ｓに光を照射して反射画像Isp(x,y)を取得する。

以上のように、カメラ２１は、同一の固体試料Ｓに対して４つの反射画像を取得する。続いてカメラ２１は、４つの反射画像から下記の式（３）を用いて表面反射率分布S(x,y)を算出する。

次に、カメラ２１は、下記の式（４）を用いて固体試料Ｓの屈折率ｎを算出する。
ｎは屈折率、Ｒは表面反射率

ここで、式（４）の算出方法について説明する。下記の式（５）に示すフレネル式において空気の屈折率を１とすると、０度照射、０度受光における表面反射率Ｒの算出式は下記の式（６）となる。この式（６）から上記の式（４）を得る。
θは反射角度、nは屈折率
ｎは屈折率、Ｒは表面反射率

式（４）において、例えば、表面反射率Ｒ＝４％の場合には、屈折率ｎ＝１．５となる。このように本実施の形態では、式（５）のフレネル式に基づいて屈折率ｎを求める。

このように本実施の形態の屈折率測定装置１は、干渉を利用して屈折率を求めるのではなく、固体試料Ｓに照射した光の反射光Ｌ２を利用して屈折率を測定するようにしたので、固体試料Ｓは薄膜である必要がない。つまり、用紙上に定着されたインクやトナーのような薄膜以外の固体試料でも屈折率を測定することができる。よって、本実施の形態の屈折率測定装置１は、薄膜以外の固体試料Ｓでも屈折率を測定することができる。また、本実施の形態の屈折率測定装置１は、固体試料Ｓから垂直方向のみに反射した反射光Ｌ２を用いて屈折率を測定するようにしたので、固体試料Ｓ毎に測定位置の調整が不要である。よって、本実施の形態の屈折率測定装置１は、装置の構成が複雑にならない。また、本実施の形態の屈折率測定装置１は、フレネル式に基づいて屈折率を算出するため、低光沢の固体試料Ｓでも屈折率を測定することができる。

なお、式（４）は、下記の式（７）のように係数による補正を行っても構わない。照射部１０や撮像部２０の精度によっては、表面反射成分のみを上手く抽出できない場合がある。特に、ライトコントロールフィルムや偏光素子の精度によっては、平行光のみを通したり偏光したりすることが上手くできず、表面反射成分のみを上手く抽出できない場合がある。その場合は、光沢度計などで用いられる屈折率ｎが既知の黒ガラス板を用いて表面反射率Ｒを測定しておき、屈折率ｎと表面反射率Ｒとから係数αを算出し、屈折率ｎの算出式に用いても良い。これにより精度の高い屈折率ｎの測定が可能となる。
ｎは屈折率、Ｒは表面反射率、αは係数

ここで、固体試料Ｓが仮に完全に平滑であれば、表面反射率分布S(x,y)の値を、上記の式（４）のＲに代入することで屈折率ｎが求まる。しかし、固体試料Ｓの表面は必ずしも平滑では無いため、表面反射率分布S(x,y)の値をそのまま代入しても、正確な屈折率ｎとはならない。その理由を、図２を用いて説明する。

図２は、用紙３０上に定着された固体試料Ｓ（トナー）の画像を取得するときの説明図である。上記のフレネル式は鏡面反射条件下で成り立つ式であるため、固体試料Ｓから０度で反射した反射光のみ（垂直方向のみに反射した光のみ）、つまり図２の反射光Ｌ２でなくては式（４）が成り立たない。

例えば、図２の反射光Ｌ３は固体試料Ｓの凹凸により拡散してしまうため、屈折率の測定に用いることができない。また、反射光Ｌ４のようにカメラ２１の撮像範囲には収まるが０度反射では無いので屈折率の測定に用いることができない。そこで、本実施の形態では、反射光Ｌ４のような反射光をカットするためにカメラ２１の前方にライトコントロールフィルム２２を配置している。これによりカメラ２１は、０度で反射した反射光Ｌ２のみを利用して反射画像を取得することができる。

ただし、０度方向の表面反射が存在しない画素領域では、表面反射率分布S(x,y)がほぼ０となってしまう。そこで、本実施の形態では、取得した表面反射率分布S(x,y)において最大値となる画素の反射率を表面反射率Ｒとして抽出する。したがって、本実施の形態の屈折率測定装置１では、固体試料Ｓ、ステージ４０、照射部１０、撮像部２０を移動させること無く、入射角度／反射角度が０°／０°における表面反射率Ｒを得ることが可能となる。

本実施の形態では、表面反射率分布S(x,y)において最大値となる画素の反射率を表面反射率Ｒとして抽出した。その他に、例えば、表面反射率分布S(x,y)に対して、ある表面反射率以上の画素を抽出して、それらの画素の表面反射率の平均値を表面反射率Ｒとしても良い。このようにして抽出した表面反射率Ｒを式（４）に代入することで、精度の高い屈折率ｎを求めることができる。

次に、上記の実施の形態で説明した方法を用いて実際に屈折率測定装置を構築して実験を行った実施例を説明する。なお、この実施例で説明する内容は、単に例示であって本発明を限定するものではない。なお、本実施例において実施例の形態と同様な部分には同じ符号を付し、異なる部分を中心にして説明する。

図３は、実施例で使用した屈折率測定装置１０１の構成を示す模式図である。この屈折率測定装置１０１は、照射部１０と、撮像部２０とを備えている。

照射部１０は、光源１１と、ライトコントロールフィルム１２と、偏光素子１３（偏光フィルタ）と、ハーフミラー１４と、拡散板１５とを備えている。光源１１には、ＬＥＤを用いた照明装置（LFV-50A-SW：CCS社）を使用した。拡散板１５は、光源１１とライトコントロールフィルム１２との間に配置されており、光源１１から発せられた光を拡散するものである。

撮像部２０は、カメラ２１と、ライトコントロールフィルム２２と、偏光素子２３（偏光フィルタ）とを備えている。

カメラ２１には、３層ＣＭＯＳカラーカメラ（CSF5M7C3L18NR：東芝テリー社）を使用した。カメラ２１のレンズ２１ａには、マクロレンズ（CF25HA-1：FUJINON社）を使用した。

カメラ２１の撮像範囲は1400×1000pixel(35.6×25.4mm)、解像度は1038dpiである。この撮像範囲は、屈折率の測定に十分な範囲であったため、ステージ４０を移動させていない。また、本実施例で用いたカメラ２１はＲＧＢ画像を取得できるが、表面反射率はＲＧＢの３ｃｈのうちＧｃｈのみを使用した。より高精度の測定が必要な場合は、使用するカメラの感度特性を予め取得しておき、ＲＧＢの３ｃｈのデータから、例えば３刺激値のY（反射率）へ変換し、Yのデータを用いて屈折率の算出を行っても良い。

基準サンプルとして市販の白色拡散板を使用した。実施の形態で説明したように基準サンプルに対して４枚の反射画像Wpp(x,ｙ)、Wps(x,ｙ)、Wss(x,ｙ)、Wsp(x,ｙ)を取得し、上記の式（２）を用いて基準反射画像W(x,y)を取得した。

固体試料Ｓには用紙３０（再生紙）上に定着された40×40mmの黒色トナーを使用した。この固体試料Ｓの６０度光沢度は約１０％であり低光沢である。実施の形態で説明したように固体試料Ｓに対して４枚の反射画像Ipp(x,y)、Ips(x,y)、Iss(x,y)、Isp(x,y)を取得し、上記の式（３）を用いて表面反射率分布S(x,y)を取得した。

次に、表面反射率分布S(x,y)から最大値となる画素の反射率を表面反射率Ｒとして抽出した。今回使用した固体試料Ｓ（黒色トナー）の表面反射率Ｒは0.0435であった。この表面反射率Ｒを上記の式（４）に代入して固体試料Ｓの屈折率ｎ＝1.527を得た。

上記の実施例では、カラーＣＭＯＳカメラを使用したが、例えば、マルチバンドカメラやハイパースペクトルカメラを用いても構わない。

実施例では測定に際してＧｃｈしか用いていないため、主に中波長域の屈折率を求めていることになる。しかし、固体試料Ｓによっては屈折率の波長依存性があるため、各波長における屈折率を求めるために、撮像部２０は反射光の波長情報を取得することが可能なものを使用しても良い。例えば、カメラ２１にバンド数の多いカメラあるいは分光スペクトルを測定できるカメラを使用することで、各波長に対する固体試料Ｓの屈折率を求めることができる。屈折率の測定方法は実施例と同じであり、波長毎に上記の式（４）式を用いて屈折率を求める。具体的には上記の式（４）を下記の式（８）のように変えて屈折率ｎを求める。図４にハイパースペクトルカメラを用いて測定した黒色トナーの屈折率の例を示す。
ｎは屈折率、Ｒは表面反射率、λは波長

以上、本発明に係る実施の形態を例示したが、この実施の形態は本発明の内容を限定するものではない。また、本発明の請求項の範囲を逸脱しない範囲であれば、各種の変更等は可能である。

１、１０１ 屈折率測定装置
１０ 照射部
２０ 撮像部
２１ カメラ（表面反射率分布取得手段、屈折率算出手段）
２２ ライトコントロールフィルム
Ｌ１ 光
Ｌ２ 垂直方向の反射光
Ｓ 固体試料

特開平０４−１１０７５４号公報

Claims (5)

1. 固体試料に対して垂直方向に光を照射する照射部と、
   前記固体試料から垂直方向のみに反射した反射光を利用して前記固体試料を撮像して反射画像を取得する撮像部とを備え、
   前記撮像部は、前記反射画像から前記固体試料の表面反射率分布を取得する表面反射率分布取得手段と、前記表面反射率分布から前記固体試料の表面反射率Ｒを抽出して下記の式（１）を用いて前記固体試料の屈折率ｎを算出する屈折率算出手段とを備えることを特徴とする屈折率測定装置。
   ｎは屈折率、Ｒは表面反射率、αは係数
2. 前記撮像部は、前記表面反射率分布取得手段と前記屈折率算出手段とを構成し、前記表面反射率分布の最大値となる画素の反射率を前記表面反射率Ｒとして抽出することを特徴とする請求項１に記載の屈折率測定装置。
3. 前記係数αは、前記屈折率ｎが既知である固体試料の表面反射率Ｒと当該屈折率ｎとから求めたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の屈折率測定装置。
4. 前記撮像部は、前記固体試料から反射した反射光から垂直方向のみの反射光を撮像側に通すライトコントロールフィルムを備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の屈折率測定装置。
5. 前記撮像部は、前記反射光の波長情報を取得することが可能なものであり、前記屈折率算出手段は、波長毎に前記式（１）を用いて前記屈折率ｎを算出することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の屈折率測定装置。