JP2015172556A - 測定装置および測定方法 - Google Patents
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Abstract
【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
●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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
よって、Pvectorにおける開き角βは次式によって算出できる。
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。
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。
Claims (15)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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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