JP2015172556A - 測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物表面の正反射方向近傍における変角反射率特性をより簡易に測定することができる測定装置及び測定方法を提供する。
【解決手段】対象物201から反射した光をレンズユニット105が集光してセンサユニット107に入力するように、測定系が配置される。そして、レンズユニット105の開き角βを変化させた複数の開き角βに対応するセンサユニット107の出力値を取得し、開き角βと出力値との対応から、対象物201の表面における正反射方向の近傍の変角反射率特性を取得する。
【選択図】図４

Description

本発明は、対象物表面の変角反射率特性を取得する測定装置および測定方法に関する。

従来、物体表面における反射率の変角特性(変角反射率特性)を取得する測定装置として、ゴニオフォトメータが知られている。また特許文献1には、物体に対する光の照射方向を切り替えて光を照射する照射手段と、テーブルに載置された物体を撮影するカメラと、該カメラの物体に対する撮影方向を切り替える撮影方向切替手段と、を備えた光学特性測定装置が開示されている。特許文献1に開示された発明によれば、物体の変角反射率特性の2次元分布を取得することが可能となる。このような測定装置においては、光の照射方向ならびに撮影方向など、幾何条件を変えることによって変角が異なるときの反射率を取得している。

特開2006-275955号公報

しかしながら、特に金属等における正反射方向の近傍におけるの反射率は、変角の微小な違いによって大きく変動してしまう。したがって従来の測定装置では、正反射近傍では例えば0.2度ステップ等の細かいステップで幾何条件を変更しながら測定を繰り返す必要があるため、測定に要する時間がかかっていた。また、高精度に幾何条件を振る必要があるため、変角ステージ等の装置にコストがかかるという課題があった。

本発明は上記課題を解決するために、対象物表面の正反射方向近傍における変角反射率特性をより簡易に測定することを目的とする。

上記目的を達成するための一手段として、本発明の測定装置は以下の構成を備える。すなわち、受光した光を光電変換するセンシング手段と、対象物から反射した光を所定の開き角で集光して前記センシング手段に集光する集光手段と、前記集光手段の開き角を変化させた複数の開き角に対応する前記センシング手段の出力値を取得する制御手段と、前記開き角と前記センシング手段の出力値との対応から、前記対象物の表面における正反射方向の近傍の変角反射率特性を取得する取得手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、対象物表面の正反射方向近傍における変角反射率特性をより簡易に測定することが可能となる。

第1実施形態における測定装置の構成を示すブロック図 変角反射率特性を説明する図 変角反射率特性を説明する図 第1実施形態における各ユニットの配置例を示す図 第1実施形態における変角特性測定処理を示すフローチャート 第1実施形態における正反射近傍の変角特性取得処理を示すフローチャート 第1実施形態における正反射近傍の反射率画像を説明する図 開き角と画素値の特性を説明する図 変角θと反射率の特性を説明する図 第2実施形態における正反射近傍の変角特性取得処理を示すフローチャート 第3実施形態における各ユニットの配置例を示す図 第3実施形態における正反射近傍の変角特性取得処理を示すフローチャート 第1実施形態におけるレンズユニット制御部の構成を示すブロック図 第1実施形態における測定処理の論理構成を示すブロック図 第2実施形態におけるレンズユニット制御部の構成を示すブロック図 第3実施形態における測定処理の論理構成を示すブロック図

以下、添付の図面を参照して、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態において示す構成は一例に過ぎず、本発明は図示された構成に限定されるものではない。

＜第1実施形態＞
●装置構成
図1は、本実施形態における測定装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の測定装置は、物体における反射率の変角特性を取得するものである。同図において101は、レンズユニット制御部104、センサユニット制御部106、光源ユニット制御部108に必要な制御信号を送り、出力部103から変角反射率特性を出力するための一連の制御を行う測定制御部である。この測定制御部101は、入力部102から測定開始の指示が入力された際に、ハードディスク(HD)114に予め格納された測定プログラムをランダムアクセスメモリ(RAM)113にロードし、中央処理演算装置(CPU)112にて実行する。この測定プログラムの処理の詳細は後述する。102は、測定開始指示等を不図示のキーボード等のユーザインタフェースを通じて本測定装置に入力するための入力部である。103は取得された変角反射率特性を不図示の記録媒体等に記録するための出力部である。

105はレンズユニットであり、測定対象物からの反射光を集光する。このレンズユニット105としては、対象物側にテレセントリック性を有する撮像用のレンズを用いることが望ましい。またレンズユニット105は、後述する絞り機構401を有しており、本実施形態ではこの絞りの量を変化させることで、被写体から反射した光を受光する開き角を制御する。レンズユニット制御部104は、測定制御部101からの命令に従って、レンズユニット105における絞り機構401の絞り羽等を動かして開口を変化させる制御装置である。図13は、レンズユニット制御部104の構成を示すブロック図である。開口径φが測定制御部101から入力されると、まず、開口制御量算出部1301が、絞り機構401の開口径がφとなるための絞り羽の位置など、機械的な制御量を算出する。次に開口変更部1302が、不図示のステッピングモータ等を用いて絞り羽が開口制御量算出部1301で算出した所定の位置となるまで、絞り羽を駆動する。なお、本発明は絞り機構401の形状や動作原理、およびその制御方法を限定するものではなく、開口径φが所定の値に変更できれば良い。

図1に戻り、センサユニット107は、レンズユニット105で集光された光をセンシングする。このセンサユニット107としては、レンズユニット105で集光された光を光電変換するCCDカメラ等の受光素子が2次元に配置されたエリアセンサである。センサユニット制御部106は、測定制御部101からの命令にしたがって、センサユニット107の撮像処理を制御し、撮像した画像データを測定制御部101に送る処理を行う制御装置である。本実施形態ではセンサユニット107として、2次元に受光素子が配置されたエリアセンサを想定している。エリアセンサの各受光素子は、受光面に照射された光の照度に対しリニアな光電変換特性を有する量子化された信号を出力値として出力することを前提としているが、これに限るものではない。このエリアセンサとして、例えば解像度が縦1024、横1024ピクセル、サイズが2／3インチ、出力値の有効ビット深度10ビットのCCDカメラ等を用いることができる。さらに本実施形態では簡単のため、センサユニット107として視感度特性と同等の分光感度特性をもつモノクロエリアセンサを想定する。しかしながらセンサユニット107はこの例に限らず、RGBのフィルターを受光面にベイヤー型に配置したRGBエリアセンサや、任意の分光感度特性をもつよう工夫された分光カメラであってもよい。

109は、LEDやキセノンランプ等の光源、およびコリメータからなる光源ユニットである。この光源ユニット109から対象物へ照射される光は、コリメータ等により平行光となっていることが望ましい。また照射エリアは、レンズユニット105を通じてセンサユニット107で撮像される撮像範囲よりも広いエリアであることが望ましい。光源ユニット制御部108は、光源ユニット109の点灯、非点灯の切り替え、発光強度、照射エリア等を、測定制御部101からの命令に従って制御する制御装置である。

111は、測定する対象物の設置位置制御を行うためのステージであり、具体的には変角を制御可能なゴニオステージである。ステージ制御部110は、測定制御部101からの命令に従って所定の変角となるようステージ111を動かすアクチュエータを含む制御装置である。

●変角反射率特性
ここで、本実施形態の測定装置によって測定される変角反射率特性について、図2および図3を用いて説明する。なお本実施形態では、例えばベクトルAをＡvectorのように表記する。まず図2(a)を用いて、ハーフベクトルＨvectorについて説明する。同図において、201は測定の対象物である。203は光源ベクトルＳvectorであり、対象物201の表面のある点(測定点)から光源を見た方向を示す単位ベクトルである。また202は視線ベクトルＶvectorであり、対象物201の表面のある点(測定点)から観察する方向を示す単位ベクトルである。204はハーフベクトルＨvectorであり、光源ベクトルＳvectorと視線ベクトルＶvectorの中間の方向を示すベクトルであって、次式にて表わされる。

Ｈvector＝(Ｓvector＋Ｖvector)／|Ｓvector＋Ｖvector| …式(1)
次に図2(b)を用いて、本実施形態における変角の角度θを説明する。同図において、205は対象物201の表面の法線ベクトルＮvectorである。本実施形態では、この法線ベクトル205と、ハーフベクトル204とのなす角度θに対する対象物201の表面の反射率を、変角反射率特性として測定する。なお、角度θは次式にて算出される。

θ＝cos^(-1)・(Ｈvector・Ｎvector)/(|Ｈvector||Ｎvector|) …式(2)
図3(a)は、本実施形態の測定装置によって測定されたデータの構造を説明する図である。同図において、R0(i,j)は、ある変角θ0において測定された反射率の2次元分布(反射率画像)であり、センサユニット107で撮影した画像データの画素数に対応した空間分解能を有する。なおi,jは、2次元分布における縦、横の座標位置を示すための変数である。同様に、R1(i,j)はある変角θ1で測定された反射率の2次元分布を示し、R2(i,j)はある変角θ2で測定された反射率の2次元分布を示す。すなわち、反射率の2次元分布が、測定した変角θの数(N＋1個)の分だけ存在する。本実施形態の測定装置では、これらのN＋1個の2次元分布データを、変角反射率特性として出力部103から出力する。この複数の変角に応じた反射率の2次元分布はすなわち、画素ごとの変角反射率特性を示している。

図3(b)は、ある1画素についての変角θと反射率の関係を示す図である。301は、図3(a)に示すN＋1個の2次元データの中から、i1,j1の位置にある画素の画素値(＝反射率)を抽出した値を縦軸にとり、対応する変角θを横軸にとることで示される特性(変角反射率特性)である。任意の変角θに対する反射率は、N+1個の変角θの特性を、既知の線形補間やスプライン補間、関数近似などの手法を用いて補間、外挿することにより取得できる。302は、変角θが小さい領域、すなわち、測定点における正反射方向の近傍にある変角領域を示している。なお、本実施形態における正反射方向の近傍とは、測定点において、その正反射方向に対して予め決められた角度内の方向を示すとする。以下、この正反射方向の近傍を、単に正反射近傍と称する。

上記従来例でも説明したように、金属など、一般に写像性が高い対象物は、正反射近傍において反射率が大きく変わるため、正反射近傍の領域302では他の領域よりも変角θを詳細に測定する必要がある。本発明では、このような正反射近傍の領域において、ステージの角度を調整するなど、ハーフベクトルと対象物の法線方向の角度を物理的に調整することなく、反射率を取得する。

●測定系
ここで、本実施形態の測定装置における各ユニットの配置について、図4を用いて説明する。図4は、レンズユニット105、センサユニット107、光源ユニット109、ステージ111の物理的な配置例を示す図である。401は、レンズユニット105内に設けられた絞り機構であり、円形等の形状を持つ開口である。この開口の大きさは、不図示の絞り羽等を動かすことで調整可能であり、レンズユニット制御部104によって調整される。なお、本発明は絞りの形、開口の大きさの物理的な調整方法を限定するものではない。本実施形態の場合、対象物側にテレセントリック性を持たせるために、レンズユニット105の焦点付近に絞り機構401が配置される。このように物体側にテレセントリック性をもたせることにより、レンズユニット105が集光する光が光軸と平行な光に限定されるため、センサユニット107で撮影される画角全域において、変角θが一定に保たれる。また、レンズユニット105が集光する光と光軸との平行度は、絞り機構401の開口の大きさによって変化する。開口が小さいほど平行な光のみが選択され、開口が大きいほど平行でない光が混入することになる。本発明はこのことを利用して、正反射近傍の反射率を取得する。なお、一般的な写真レンズでは画角全域において変角θが一定には保たれないが、開口の大きさによりレンズに入射する光の方向が制限されるため、本発明のレンズユニット105として用いることも可能である。

402は光源ユニット109から対象物201に照射される光の光軸であり、403はレンズユニット105の光軸である。光軸402と光源ベクトルＳvector203が平行となり、かつ光軸403と視線ベクトルＶvector202が平行となるように、光源ユニット109とレンズユニット105が配置される。また、対象物201はステージ111上に置かれ、上記変角θ(不図示)が所定の値となるよう、ステージ111の傾きが調整される。404は、レンズユニット105が受光する光として、平行光から何度までずれたものが含まれるかを示す開き角βである。この開き角βは、上述したように開口の大きさ(開口径φ)によって調整される。なお、開き角βは開口径φより次式で算出することができる。

β＝sin^(-1)・φ/2A …(3)
ここで、Aはレンズユニット105の主点から対象物201までの光軸403上の距離である。本実施形態では、開口径φをレンズユニット制御部104により変化させることで、開き角βを制御する。

●測定用の構成
図14は、本実施形態の測定装置における測定処理の論理構成を示すブロック図である。上述したようにこの測定処理は、測定制御部101においてCPU112が測定プログラムを実行することによって実現される。

図14において1401は、予め設定された測定順に基づいて変角θを決定する変角決定部である。1402は、変角決定部1401で決定した変角θに測定の幾何条件が一致するよう、ステージ111の傾き等をステージ制御部110から制御し、調整する変角調整部である。このステージ111の傾き制御により、例えば一定のステップでの変角が得られる。
1403は、センサユニット107にて画像データを取得する撮影部であり、撮影部1403で撮影された撮影画像は、バッファメモリである第1メモリ部1404に格納される。

1405は、第1メモリ部1404に格納された撮影画像、および基準画像保持部1406で保持されている基準画像から、変角θに対応する反射率の2次元分布を算出する第1反射率算出部である。第1反射率算出部1406で算出された反射率の2次元分布は、反射率保持部1407に格納される。

1408は、対象物201の正反射を測定する幾何条件を満たしているか否か、すなわちハーフベクトル204と法線ベクトル205のなす角である変角θが0であるか否かを判定する正反射判定部である。1409は、正反射判定部1408にて変角θが0であると判定された場合に、予め設定された測定順に基づいてレンズユニット105の開き角βを決定する開き角決定部である。1410は、開き角決定部1409で決定した開き角βとなるよう、上記式(3)の関係から開口φを算出し、該算出した開口φになるよう、レンズユニット制御部104に命令を送る開き角調整部である。このように開き角制御を行うことで微小な変角調整が可能となり、正反射近傍において、上記ステージ111の傾き制御による変角ステップよりもさらに小さいステップでの変角が得られる。開き角調整部1410にてレンズユニット105の開き角が変更されると、撮影部1403にて撮影が行われ、撮影画像は第1メモリ部1404に格納される。

1411は第2メモリ部であり、第1メモリ部1404に格納された撮影画像を必要に応じてコピーする。1412は第2反射率算出部であり、第1および第2メモリ部1404,1411に格納されている撮影画像、および基準画像保持部1406で保持されている基準画像から、開き角から算出される変角θに対する、正反射近傍の反射率の2次元分布を算出する。第2反射率算出部1412で算出された反射率の2次元分布は、反射率保持部1407に格納される。

●変角特性測定処理
図5は、本実施形態の測定装置において実行される変角特性測定プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。以下、図5を用いて、本実施形態の測定装置における変角特性測定処理の流れ、および、図14に示した各処理部の詳細な動作について説明する。

まずS501において、図3(a)に示した各2次元分布の番号を示す変数xを0で初期化する。次にS502で、変角決定部1401にて変数xに応じて予め一意に決定された変角θxを取得し、変角調整部1402にてステージ111を変角θxに応じて調整する。そしてS503で、撮影部1403がセンサユニット107を制御して撮影を行って撮影画像Ixを取得し、第1メモリ部1404に格納する。そしてS504で第1反射率算出部1405が、撮影画像Ixから反射率画像Rxを算出し、反射率保持部1407に格納する。S504で算出される反射率画像Rxは、ステージ111の傾き制御によって実現された変角θxに対応するものであり、次式にて算出される。

Rx(i,j)＝(Ix(i,j))/(Wx(i,j)) …(4)
式(4)において、i,jは撮影画像の画素位置を示しており、Ix(i,j)はその画素位置における撮影画像Ｉxの画素値である。またWx(i,j)は、同一の位置i,jにおける入射光の強さを表す予め決められた定数であり、変角θxごとに設定された値が基準画像保持部1406に保持されている。Wx(i,j)は、例えば対象物201として標準拡散板を置き、変角θxの条件でセンサユニット107にて撮影して得られた撮影画像にπを乗算することで、入射光の強さとして取得できる。また、平滑性の高い鏡面性のガラスなどを基準版として撮影し、その撮影画像の画素値をそのままWx(i,j)としてもよい。このように、Wx(i,j)を変角θxごと、画素位置ごとに決定することにより、光源の照度むらの補正(シェーディング補正)を同時に行うことが可能となる。なお、光源の照度むらが発生せず、対象物201への均一な照明が可能であると想定される場合、Wx(i,j)は場所、変角によらず一定の値であっても良い。

図5に戻り、S505では、正反射判定部1408にて変角θxが0度に設定されている否かを判定する。変角θxが0度でない場合には正反射近傍以外であるとして、S506にてxを1増加させる。そしてS508にてxが所定の数値Nより大きいか否かを判定する。xが数値Nより大きい場合は、N＋1回の測定が全て終了したと判断して処理を終了するが、xが数値N以下である場合には、次の変角条件での2次元分布を取得するために処理をS502に戻す。

一方、S505において変角θxが0度であった場合には正反射近傍であるとしてS507に進み、正反射近傍におけるより詳細な特性を取得する。この処理はすなわち、図3(b)に示した正反射近傍の領域302において、開き角制御を行ってより小さい変角ステップでの反射率特性を取得する処理である。その後はS508に進み、全ての測定が終了したか否かを判定する。

●正反射近傍の変角特性取得処理
以下、S507における正反射近傍の変角特性を取得する処理について、図6のフローチャートを用いて詳細に説明する。まずS601では、既にS503で撮影されて第1メモリ部1404に格納されている変角0度の撮影画像を、第2メモリ部1411にコピーする。このコピーされた撮影画像をBufとする。次にS602で、開き角決定部1409により、K回繰り返される変数tの値に応じて予め決められた開き角βを取得し、開き角調整部1410にて絞り機構401の開口の大きさを変更する。そしてS603で、撮影部1403で撮影を行うことで新たに取得した撮影画像を第1メモリ部1404に格納する。この新たに取得された撮影画像をPとする。次にS604で2次元分布の番号を示す変数xを1つ増分した後、S605にて、第2メモリ部1411に格納されたBuf、および第1メモリ部1404に格納されたPから、反射率画像Rxを次式により算出する。

Rx(i,j)=((sinβ0)^2/Wx(i,j))・(P(i,j)-Buf(i,j))/((sinβp)^2-(sinβbuf)^2) …(5)
式(5)において、P(i,j)はPにおける位置i,jの画素値、Buf(i,j)は同一の位置i,jにおけるBufの画素値である。また、βpはPを撮影した際の開き角、βbufはBufを撮影した際の開き角である。また、β0はWxを取得するための撮影時における開き角であり、変角0度の画像をS503にて撮影した際の開き角と同じである。式(5)では、開き角をBufからPへ変更したときの画素値の増分P(i,j)-Buf(i,j)を、立体角の変化量(sinβp)^2-(sinβbuf)^2で除算している。これにより、βpからβbufの間の単位立体角あたりの輝度値に相当する量が算出される。また、Wx(i,j)を(sinβ0)^2で除算することで、単位立体角辺りの入射光の強さに相当する量が得られるから、式(5)ではこの逆数を乗算することで、反射率に相当する量を算出している。なお、このときのRxに対する変角θxは、βpからβbufの平均として、次式により算出できる。

θx=(βP-βbuf)/2 …(6)
図6に戻り、S606では、S602〜S605の測定処理を繰返し行うために、第2メモリ部1411のBufに第1メモリ部1404のPの内容をコピーする。S602〜S605の測定処理は、予め設定されたK個の開き角に対応してK回繰り返される。なおS602では、この繰返しごとに異なる開き角を設定するよう、開口を変更する。式(5)にて反射率を算出するために、この開口を、繰返しごとに昇順または降順に変化させること、すなわち開口が徐々に大きくなるよう、または徐々に小さくなるように設定することが望ましいが、この例に限るものではない。

全ての開き角についての測定を終了したら、次のS503での撮影の際の開き角がβ0になるよう、S607で開き角調整部1410が絞り機構401の開口を初期値に戻して、処理を終了する。

ここで、S602〜S605による正反射近傍の反射率画像の測定処理について、図7を用いて視覚的に説明する。図7(a)の左側部は、K回の繰返しによりS603にて取得された撮影画像を示す2次元のバッファメモリPの内容を示している。なお、Pの添え字は繰返しの数を示しており、最上段はS503にて撮影された変角0度の撮影画像Ixを示している。この左側部に示す複数の撮影画像は、変角0度で開き角が異なった画像である。図7の右側部は、左側部に示す隣合った画像の差分から反射率特性を算出することを模式的に示している。

ここで図8は、ある画素(i1,j1)における、図7の左側部に示す全撮影画像の画素値を縦軸にとり、対応する開き角βの正弦の二乗を横軸にとることで、画素値と開き角の特性を示している。なお図8では、開き角βがS602〜S605の測定処理を繰返すごとに大きくなることを想定している。S507ではすなわち、図8に示す特性の微分をとることで、変角θxに対する単位立体角あたりの画素値を推定し、反射率特性を算出している。

本実施形態の測定装置では、以上のように測定されたN+1個の反射率画像が出力される。このように出力されたN+1個の反射率画像はすなわち、対象物201の変角反射率特性を示す。図9に、本実施形態において取得された変角θと反射率の特性である変角反射率特性の例を示す。なお、同図におけるx1は、変角が0度となるときの変角の番号xである。

以上説明したように本実施形態によれば、光の照射方向ならびに撮影方向などの幾何条件を変えることなく、レンズユニットの開き角を変化させることにより正反射近傍の反射率の変角特性を測定する。そのため、ハーフベクトルと対象物の法線方向の角度を調整可能とするような高精度、高分解能な変角ステージ等の装置を用いずとも、正反射近傍の反射率の変角特性を測定することが可能となる。そのため、変角調整の機械的な精度が比較的低い安価な装置においても、高精度に正反射近傍の反射率を取得することができる。また、物理的な角度変更に要する時間も必要ないので、より短時間で必要な変角θに対する反射率を測定することが可能となる。

なお本実施形態では、反射率を式(4)または式(5)で算出する例を示したが、本発明はこの例に限るものではなく、反射率に相当する量、または、数値計算により容易に反射率に変換しえるものであれば、他の方法を用いても良い。

また、図3(b)において正反射近傍でない、領域302以外の反射率の変角特性における変角θの測定間隔(変角決定部1401にて決定される)は、反射光の拡散成分を取得するに十分な細かさであればよい。この測定間隔は対象物201の素材によって異なるが、たとえば10度程度などの測定間隔に設定できる。また、正反射近傍である領域302内の測定間隔(開き角決定部1409にて決定される)は、正反射を前提とするため対象物201の素材によって異なるが、比較的細かい測定間隔が必要である。例えば測定間隔が0.5度以下であることが好ましい。

＜第2実施形態＞
以下、本発明にかかる第2実施形態について説明する。上述した第1実施形態では、開き角を変化させるためにレンズユニット105の開口を制御する方法を示した。第2実施形態においては、レンズユニット105の開口に加えて、レンズユニット105と対象物201の距離も変更することで開き角を変化させる例を示す。なお、第2実施形態における測定装置の構成、基本的な処理の流れは第1実施形態と同様であるため説明を省略し、以下では第1実施形態と異なる処理についてのみ説明する。

●レンズユニット制御部
図15は、第2実施形態におけるレンズユニット制御部104の構成を示すブロック図である。第1実施形態で図13に示した開口制御量算出部1301と開口変更部1302に加え、距離制御量算出部1501および距離変更部1502を有している。距離制御量算出部1501は、測定制御部101から入力された撮影距離Aに対して、撮影距離をAに変更するためにレンズユニット105が現在の位置から移動する量などの制御量を算出する。距離変更部1502は、距離制御量算出部1501にて算出された制御量の分だけ、レンズユニット105を光軸403上で移動する。

●正反射近傍の変角特性取得処理
第2実施形態における変角特性測定処理は、第1実施形態で図5に示したフローチャートに従うが、S507における正反射近傍の特性を取得する処理の詳細が異なる。以下、第2実施形態におけるS507の処理について、図10のフローチャートを用いて詳細に説明する。この処理は、第1実施形態で図6に示した処理を、さらにレンズユニット105と対象物201との距離を変えて繰り返すものである。なお、レンズユニット105の主点と、対象物201の距離Aと開き角βの関係は、既に式(3)で説明した通りである。

図10において、S1002はこの撮影距離Aを変更する処理であり、レンズユニット制御部104によりレンズユニット105を光軸403上で指定された所定量移動する。このとき、対象物201の表面で反射した光がセンサユニット107上に結像するよう、センサユニット107とレンズユニット105の位置関係も調整される。なお撮影距離Aは、W回繰り返される変数uの値に応じて、測定制御部101で予め決定される。

またS1001は、S1002で撮影距離Aが変わったことによる画角の変化を補正する処理である。具体的には、撮影距離Aが最短であるときの画角を基準画角として、撮影距離Aが異なる撮影画像データから基準画角と一致する領域を切り出し、該領域に対し撮影画像と総画素数が一致するように解像度変換を行う。

以上説明したように第2実施形態によれば、第1実施形態で示した変角反射率特性の測定方法に対し、さらに撮影距離を変動させた測定を行うことによって、より細かいステップで開き角を調整することができる。したがって、より高精度に正反射近傍の反射率を取得することが可能となる。

なお、第2実施形態では開口と撮影距離を制御して開き角を変化させる例を示したが、撮影距離のみを制御することによっても、開き角を変化させることが可能である。

＜第3実施形態＞
以下、本発明にかかる第3実施形態について説明する。第3実施形態では上述した第1実施形態に対し、さらに全画角に対してより高精度にフォーカスがあった画像を撮影することで、より高精度な反射率の2次元分布を取得可能とする例を示す。

●測定系
第3実施形態の測定装置における各ユニットの配置例を図11に示す。同図によれば、第1実施形態で図4に示した構成と比べて、センサユニット107がレンズユニット105に対し傾けて配置されていることが異なる。このようにセンサユニットを傾斜配置することにより、対象物201の表面へのフォーカスが精度良く調整可能となる。このセンサユニット107の傾け角度は、周知のシャインプルーフの原理に従う。詳細な説明は割愛するがすなわち、センサユニット107の受光面とレンズユニット105のレンズ主面、対象物201の表面について、それぞれの延長面が同一直線上で交わるような位置関係とすることで、対象物201の全面にフォーカスが合う。

●正反射近傍の変角特性取得処理
第3実施形態における変角特性測定処理も第1実施形態で図5に示したフローチャートに従うが、S507における正反射近傍の特性を取得する処理の詳細が異なる。以下、第3実施形態におけるS507の処理について、図12のフローチャートを用いて詳細に説明する。図12においては、第1実施形態で図6に示した処理に対し、測定した反射率画像を補正するS1201の処理が追加されている点が異なる。また図16は、第3実施形態の測定装置における測定処理の論理構成を示すブロック図であり、第1実施形態で図14に示した構成に対し、補正部1601が追加されている点が異なる。S1201では補正部1601が、センサユニット107を傾けることにより撮影画像の画素位置によって開き角βが変わってしまうことを補正する。

ここで、画素位置により開き角βが異なることを説明する。図11において、レンズユニット105の光軸403と対象物201の表面との交点を基準点Ｏ1101とする。基準点Ｏ1101から対象物201の表面上の任意の点に向かうベクトル1102をＰvector、基準点Ｏの視線ベクトル202をＶvectorとする。すると、Ｐvectorに応じた対象物201の表面とレンズユニット105の距離の変動dが、次式で算出できる。

d＝(Ｖvector・Ｐvector)／|Ｖvector| …(7)
よって、Ｐvectorにおける開き角βは次式によって算出できる。

β＝sin^(-1)(φ／2(A-d)) …(8)
式(8)において、φは絞り機構401の開口径、Aはレンズユニット105の主点から基準点Ｏ1101までの距離である。

式(8)から分かるように第3実施形態では各画素で開き角βが異なるため、取得される変角反射特性は、例えば図9に示す変角反射率特性において横軸の変角θが画素ごとにずれることになる。そこでS1201において補正部1601がこのずれを補正する。補正部1601は、全画素に共通とする複数の代表変角θdを予め保持しており、この代表変角θdに対する変角反射特性への補正を行う。まず反射率保持部1407に格納された複数の2次元分布の画素ごとに、例えば図9に示すような変角反射特性を取得する。そして画素ごとに、代表変角θdに対する反射率を線形補間やスプライン補間等を用いて取得し、画素ごとの変角反射率特性を代表変角θdに対応する反射率の値に置き換えて表現する。これにより全画素について、代表変角θdによる変角反射特性が得られる。

以上説明したように第3実施形態によれば、全画角に対してより高精度にフォーカスのあった撮影画像を得ることができるため、より高精度な反射率の2次元分布を取得でき、すなわち正反射近傍を含めてより高精度な変角反射率特性を取得することができる。

＜その他の実施形態＞
上述した各実施形態では、視線ベクトルと光源ベクトルのハーフベクトルを算出し、ハーフベクトルと測定対象物の法線ベクトルとの角度を変角θとして、変角θに対する反射率を取得する例を示したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、法線ベクトルと光源ベクトルに対する反射率を取得する測定装置において、正反射近傍のみに本発明を適用することも可能である。

また、各実施形態ではレンズユニットのフォーカスは測定対象物の表面上に合焦していることを前提としたが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、フォーカスが光源ユニット109の出射面に合っていてもよい。この場合、2次元分布の解像度は低下するが、第3実施形態で述べたようにフォーカスの調整を必要とせず、同様の効果が得られる。

また本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)をネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給する。そして、そのシステム或いは装置のコンピュータ(又はCPUやMPU等)がプログラムコードを読み出して実行する。この場合、そのプログラム、及び該プログラムを記憶したコンピュータ可読な記憶媒体は本発明を構成することになる。

Claims (15)

1. 受光した光を光電変換するセンシング手段と、
   対象物から反射した光を所定の開き角で集光して前記センシング手段に集光する集光手段と、
   前記集光手段の開き角を変化させた複数の開き角に対応する前記センシング手段の出力値を取得する制御手段と、
   前記開き角と前記センシング手段の出力値との対応から、前記対象物の表面における正反射方向の近傍の変角反射率特性を取得する取得手段と、
   を有することを特徴とする測定装置。
2. 前記制御手段は、前記集光手段の絞りを制御することで開き角を変化させることを特徴とする請求項1に記載の測定装置。
3. 前記制御手段は、前記集光手段と前記対象物との距離を制御することで開き角を変化させることを特徴とする請求項1または2に記載の測定装置。
4. 前記集光手段は対象物側にテレセントリック性を有し、
   前記センシング手段は、受光素子が2次元に配置されたエリアセンサであって、
   前記取得手段は、前記センシング手段の出力値から、前記対象物における反射率の2次元分布を取得することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の測定装置。
5. 前記変角反射率特性は、前記対象物から光源へ向かう光源ベクトルと前記対象物から前記集光手段へ向かう視線ベクトルとの和から算出されるハーフベクトルと、前記対象物の法線ベクトルとのなす角度を変角としたときの、前記変角と前記対象物の反射率との関係を示す特性であり、
   前記制御手段は、前記集光手段における開き角を変化させることで前記変角を所定のステップで変化させることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の測定装置。
6. さらに、前記対象物の設置位置を制御することで前記変角を変化させる位置制御手段を有し、
   前記取得手段は、前記対象物の設置位置と該対象物についての前記センシング手段の出力値との対応から、前記対象物の表面における前記正反射方向の近傍以外の変角反射率特性を取得することを特徴とする請求項5に記載の測定装置。
7. 前記位置制御手段は、前記制御手段が開き角を変化させる場合よりも大きいステップで、前記変角を変化させることを特徴とする請求項6に記載の測定装置。
8. 前記開き角制御手段は、前記位置制御手段によって得られる前記変角が0度となった場合に動作することを特徴とする請求項7に記載の測定装置。
9. 前記センシング手段は、全画角においてフォーカスが合うように、受光面が前記集光手段のレンズ主面に対して傾斜するように配置され、
   前記センシング手段の出力値を所定の変角に対応する値に補正する補正手段を有することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の測定装置。
10. 前記センシング手段は、該センシング手段における受光面の延長面と、前記集光手段におけるレンズ主面の延長面、および前記対象物の表面の延長面が、同一直線上で交わるように配置されることを特徴とする請求項9に記載の測定装置。
11. 前記対象物には、光源から平行光が照射されることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の測定装置。
12. 前記制御手段は、前記開き角を昇順または降順に変化させることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の測定装置。
13. 受光した光を光電変換するセンシング手段と、対象物から反射した光を所定の開き角で集光して前記センシング手段に集光する集光手段を有する測定装置における測定方法であって、
    前記集光手段の開き角を変化させた複数の開き角に対応する前記センシング手段の出力値を取得し、
    前記開き角と前記センシング手段の出力値との対応から、前記対象物の表面における正反射方向の近傍の変角反射率特性を取得することを特徴とする測定方法。
14. コンピュータ装置で実行されることにより、該コンピュータ装置を請求項1乃至12のいずれか1項に記載の測定装置における前記制御手段および前記取得手段として機能させるためのプログラム。
15. 請求項14に記載のプログラムを記憶したことを特徴とするコンピュータ可読な記憶媒体。

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