JP2017020816A - 反射特性を測定する測定装置および測定方法、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象の反射特性を自動で測定する際に、測定対象に適した測定結果を得ること。【解決手段】測定装置は、第１の方向から測定対象を照射して拡散光を測定することで得られる第１の反射率を取得する。また、第１の方向よりも地平に近い方向である第２の方向から測定対象を照射して拡散光を測定することで得られる第２の反射率を取得する。そして、第１の反射率と前記第２の反射率とに基づいて、前記測定対象が内部散乱の影響を受ける対象であるかを判定し、判定結果に基づいて測定対象の反射特性を出力する。【選択図】図１

Description

本発明は測定対象の反射特性を測定するための技術に関する。

従来、反射特性の測定方法として、固定幾何条件で反射率を測定する測定方法、複数の幾何条件で反射率の変角特性を測定する測定方法、測定対象の内部で散乱される内部散乱光を測定する測定方法などが知られている。角度毎の反射特性を示す変角特性を測定する測定方法としては、複数の照明及び複数のセンサを用いて双方向反射率分布関数（ＢＲＤＦ）のパラメータを取得する特許文献１の技術が知られている。また、内部散乱光を測定する測定方法としては、測定対象の微小領域に光を入射し、内部で散乱された光の分布を撮像することで双方向表面下散乱反射率分布特性（ＢＳＳＲＤＦ）のパラメータを取得する非特許文献１の技術が知られている。

特表２００８−５３９４３９号公報

JENSEN他、"A practical model for subsurface light transport."、In Proceedings of ACM SIGGRAPH、2001、 511-518

従来は、測定対象の反射特性を測定する際に、上記のような様々な手法の測定方法の中から測定対象に適した測定方法をユーザが決めて測定を行なっていた。

しかしながら、ユーザが決めた測定方法が必ずしもその測定対象に適したものであるとは限らない。例えば、従来の固定幾何条件下で反射率を測定する測定方法や変角特性を測定する測定方法は、測定領域外から回り込む内部散乱光が測定値に影響を及ぼしてしまう。そのため、同一の測定対象であっても、照明の配光特性の違いで測定値が変わってしまう場合がある。

本発明は、測定対象の反射特性を自動で測定する際に、測定対象に適した測定結果を得ることを目的とする。

本発明に係る測定装置は、第１の方向から測定対象を照射して拡散光を測定することで得られる第１の反射率を取得する第１の取得手段と、前記第１の方向よりも地平に近い方向である第２の方向から前記測定対象を照射して拡散光を測定することで得られる第２の反射率を取得する第２の取得手段と、前記取得した前記第１の反射率と前記第２の反射率とに基づいて、前記測定対象が内部散乱の影響を受ける対象であるかを判定する判定手段と、前記判定手段による判定結果に基づいて前記測定対象の反射特性を出力する出力手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、測定対象の反射特性を自動で測定する際に、測定対象に適した測定結果を得ることができる。

実施例１における測定装置の構成を示すブロック図である。 実施例１における測定装置の幾何的な配置を説明する図である。 入射角とフレネル透過率の関係を示す図である。 実施例１における処理のフローチャートである。 屈折率とフレネル透過率との関係を示す図である。 実施例１における表示部で表示される画面の例を示す図である。 実施例２における測定装置の構成を示すブロック図である。 実施例２における測定装置の幾何的な配置を説明する図である。 実施例２における処理のフローチャートである。 ＢＳＳＲＤＦ算出部で用いられる、撮像された画像の例を示す図である。 実施例２における表示部で表示される画面の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は本発明を限定するものではなく、また、本実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。なお、同一の構成については、同じ符号を付して説明する。

［実施例１］
本実施例では、測定対象の反射率を測定する測定装置を説明する。図１は本実施例における測定装置の構成を示すブロック図である。本測定装置は、制御部１０１、第１照明部１０２、第２照明部１０３、受光部１０４、表示部１０５、入力部１０６を有する。

制御部１０１は、不図示のＣＰＵ（中央処理演算装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等で構成された主記憶装置、ＨＤ（ハードディスク）やフラッシュメモリ等で構成された補助記憶装置を備えたコンピュータとすることができる。また、第１照明部１０２、第２照明部１０３、受光部１０４、表示部１０５、入力部１０６は、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）等のインターフェースを介して制御部１０１と接続されている。第１照明部１０２および第２照明部１０３は、白色ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）やキセノンランプ等の光源を点灯し、測定対象を照射する照明装置である。受光部１０４は、測定対象が反射した光を受光し、光の強度に応じて光電変換する受光センサであり、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタを備えたフォトダイオード等で構成される。受光部１０４は、各Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタに対応した光電変換結果を、例えば１６ビットで量子化し、制御部１０１に送る。表示部１０５は、液晶パネル等の表示装置であり、ユーザに対する指示や測定結果を制御部１０１の命令に従って表示する。また、表示部１０５は、後述する判定部１１３の判定結果を表示し、ユーザに通知する。入力部１０６は、キーボードやボタン等の入力デバイスであり、ユーザは入力部１０６から制御部１０１に指示を与える。

図１において、ブロック１１０〜１１８は制御部１０１が処理するプログラムの機能の構成を示しており、各機能を実行する命令群である。照明ドライバ１１６は、第１照明部１０２および第２照明部１０３の点灯、消灯制御を含む照明部の制御を行なう。受光ドライバ１１７は受光部１０４を制御して量子化された光電変換結果を取得する。ＵＩドライバ１１８は、操作管理部１１５の指示に従い、表示部１０５を制御し測定結果等の情報を表示し、入力部１０６でユーザが押下したボタンなどの操作情報を操作管理部１１５に送る。測定管理部１１１は、測定アプリ１１０の要求に従い、第１照明部１０２および第２照明部１０３で測定対象物を照射し、受光部１０４が受光し量子化した値を取得する一連の測定処理を行なう。

反射率算出部１１２は、測定管理部１１１にて測定した値から反射率を算出する。判定部１１３は反射率から測定対象物が半濁体など内部散乱を考慮すべき対象か否かを判定する。内部散乱算出部１１４は判定部１１３にて測定対象が内部散乱を考慮すべき対象であると判定されたときに表示部１０５に表示する測定値を算出する。なお、反射率算出部１１２、判定部１１３、内部散乱算出部の処理の詳細は後述する。

操作管理部１１５は、入力部１０６から入力された操作情報を管理するとともに、測定アプリ１１０の要求にしたがい測定結果を表示部１０５に表示する等、ユーザインタフェースを管理する。測定アプリ１１０は、ブロック１１１〜１１５の各機能を束ね、１つの測定アプリケーションとして機能させる。

図２は、第１照明部１０２、第２照明部１０３、受光部１０４の幾何的な配置を説明する図である。図２ではさらに測定対象２０１と測定対象を固定するステージ２０２を示している。本実施例では、測定対象２０１の測定面の法線に対する入射角（仰角）がθ１となる方向に第１照明部１０２が配置され、同じく入射角がθ２となる方向に第２照明部１０３が配置され、それぞれの照明部が測定対象を別個に照射する。また、受光部１０４は、測定面の法線と一致する方向に配置され、測定対象２０１が反射した光（拡散光）を受光する。なお、受光部１０４は上記の配置に限らず、第１照明部１０２および第２照明部１０３からの入射光が測定対象表面で鏡面反射される方向を除いた位置に配置されていればよい。

一般に、光は屈折率が異なる物質の界面に入射すると一部は反射し、一部は透過する。この割合は入射の角度に依存し、光源が無偏光の場合、透過する光の量は次式で示すフレネル透過率で表される。

ただし、θは入射角、ηは屈折率である。図３に屈折率ηをパラメータとしたときの入射角とフレネル透過率の関係を示す。図３からもわかるように、各屈折率において入射角が大きい程フレネル透過率は小さくなることがわかる。つまり、一般に、測定対象に対して、より地平付近の光源から照射された光ほどフルネル透過率は小さくなる。すなわち、より地平付近の光源から照射された光ほど、測定対象の内部に入射する光の量が少なくなる。

ここで、測定対象が大理石や皮膚等の半濁体（半透明体）である場合を考える。測定対象が大理石や皮膚等の半濁体である場合、透過した光は測定対象の内部で散乱されその一部は、再び表面に戻る。このような測定対象の場合、測定領域の外に照射された光が測定領域に回り込むため、測定領域の外側に入射する光の量に応じて反射率の測定値が異なってしまう。図２に示すような構成は測定対象にいわばスポット光を照射してその拡散光を測定する構成である。一方、人が測定対象を観察する際にはスポット光ではなく測定対象に対して一様に光が照射されている環境下で観察することが多い。つまり、人が測定対象を観察する際には、測定対象の測定領域の外に照射された光が回り込んだ結果の色を目視することになる。

このように、測定対象が半濁体のような場合、図２のような測定環境で測定された反射率は、その測定する照明条件と人が観察する照明条件とが異なるため、目視と一致しない結果となる。従って、測定対象が半濁体のような場合には、測定対象の反射特性として単に反射率をユーザに通知するだけでは十分ではなく、半濁体を考慮した反射特性を通知する必要がある。つまり、自動で測定対象の反射特性を測定する場合には、まず、測定対象がどのような性質を有する対象であるかを判定し、その結果に応じた反射特性を、測定などにより取得することが求められるのである。

そこで本実施例では、図２に示すように入射角がθ１＜θ２となるよう照明を配置する。

すなわち、第１照明部１０２よりも第２照明部１０３をより地平面に近い位置に配置する。そして、フレネル透過率の違いを利用して測定対象が上記のような内部散乱が影響する対象であるか否か、すなわち、測定対象が半濁体であるか否かを判定する。図３に示したように、入射角が約６０度未満の領域（光源がより天頂に近い位置にある場合）では透過率が高く、測定対象の内部に透過する光が多くなるため内部散乱の影響を受けやすい。一方、入射角が６０度以上の領域（光源がより地平に近い位置にある場合）では透過率が低くなり、測定対象の内部に透過する光が少なくなるため内部散乱の影響を受けにくい。つまり、測定対象が半濁体であるときは、両者の照明条件の違いによって受光部１０４で測定される反射率が異なる。具体的には、入射角が小さいときの反射率、すなわち第１照明部１０２で照射した場合の反射率の方が第２照明部１０３で照射した場合の反射率よりも大きくなる。そのため、第１照明部１０２で照射し測定した第１の反射率と、第２照明部１０３で照射し測定した第２の反射率とを比較することにより、測定対象が半濁体であるか否かを判定し得る。なお、例えば測定対象が金属のように透過せずに内部散乱の影響がほとんどないような場合には、第１の反射率と第２の反射率とは近しい値になる。

本実施例においては、このように入射角の条件が異なる照明部を用いて測定対象が内部散乱の影響があるか否かを判定し、その判定結果に応じて、測定対象の反射特性を取得する内容を切り替える。詳細については後述する。

図４は、本実施例における測定アプリ１１０において行なわれる処理のフローチャートである。入力部１０６からボタンの押下等によりユーザが測定開始を指示すると、測定アプリ１１０は図４に示す一連の処理を実行する。なお、ハードウェアの観点から見ると、図４の処理は、制御部１０１の不図示のＲＯＭやＨＤＤなどに格納されたプログラムをＣＰＵがＲＡＭに一時的に読み出し、ＣＰＵがこの読み出したプログラムを実行することで実現される。以下、本明細書におけるフローチャートについても同様である。

まずステップＳ４０１において測定アプリ１１０は、第１照明部１０２に測定対象を照明させ、照明光が入射角θ１となる条件で第１の反射率を測定する。より具体的には、測定アプリ１１０は測定管理部１１１に第１照明部１０２を用いた測定を行なう命令を送り、測定管理部１１１は照明ドライバ１１６に第１照明部１０２を点灯する命令を送る。照明ドライバ１１６は第１照明部１０２を点灯し、点灯完了を通知する信号を測定管理部１１１に送る。点灯完了を通知する信号を受け取った測定管理部１１１は、受光ドライバ１１７に受光の命令を送る。受光ドライバ１１７は、受光部１０４に測定の命令を送り、受光部１０４が所定時間受光したＲＧＢの光を光電変換し、量子化したＲＧＢ各１６ビットの受光値を取得する。取得された受光値は測定管理部１１１を通じて測定アプリ１１０に送られる。また、このとき受光値を受け取った測定管理部１１１は、第１照明部１０２を消灯させる命令を照明ドライバ１１６に送る。受光値を受け取った測定アプリ１１０は、反射率算出部１１２に受光値を渡し、反射率算出部１１２は、次式により受光値から反射率を算出する。

ここでＩ_r1、Ｉ_g1、Ｉ_b1は受光部１０４が受光したＲＧＢに対する受光値である。また、Ｉ_wr1、Ｉ_wg1、Ｉ_wb1は、酸化マグネシウムや硫酸バリウム等の白色基準板を測定対象物として上記と同じ手順にて第１照明部１０２で照明し、受光部１０４で受光したＲＧＢに対する受光値である。

同様に、ステップＳ４０２において測定アプリ１１０は、第２照明部１０３に測定対象を照明させ、照明光が入射角θ２となる条件で第２の反射率を測定する。より具体的には、測定アプリ１１０は測定管理部１１１に第２照明部１０３を用いた測定を行なう命令を送り、測定管理部１１１は照明ドライバ１１６に第２照明部１０３を点灯する命令を送る。照明ドライバ１１６は第２照明部１０３を点灯し、点灯完了を通知する信号を測定管理部１１１に送る。点灯完了を通知する信号を受け取った測定管理部１１１は、受光ドライバ１１７に受光の命令を送る。受光ドライバ１１７は、受光部１０４に測定の命令を送り、受光部１０４が所定時間受光したＲＧＢの光を光電変換し、量子化したＲＧＢ各１６ビットの受光値を取得する。取得された受光値は測定管理部１１１を通じて測定アプリ１１０に送られる。また、このとき受光値を受け取った測定管理部１１１は、第２照明部１０３を消灯させる命令を照明ドライバ１１６に送る。受光値を受け取った測定アプリ１１０は、反射率算出部１１２に受光値を渡し、反射率算出部１１２は、次式により受光値から反射率を算出する。

ここでＩ_r2、Ｉ_g2、Ｉ_b2は受光部１０４が受光したＲＧＢに対する受光値である。また、Ｉ_wr2、Ｉ_wg2、Ｉ_wb2は、酸化マグネシウムや硫酸バリウム等の白色基準板を測定対象物として上記と同じ手順にて第２照明部１０３で照明し、受光部１０４で受光したＲＧＢに対する受光値である。

つぎに、ステップＳ４０３において測定アプリ１１０は、ステップＳ４０１で取得した第１の反射率と、ステップＳ４０２で取得した第２の反射率とから、測定対象が内部散乱の影響が大きいものか否かを判定する。具体的には、たとえば、次式に示す内部散乱の大きさを評価する評価値Ｖを算出し、閾値Ｔｈとの大小関係を判定する。ここではＧの反射率を用いて評価値を算出する。

ステップＳ４０３において測定アプリ１１０は、Ｖ＜Ｔｈの時、内部散乱の影響が大きいとみなし処理をステップＳ４０４に分岐し、それ以外の場合は処理をステップＳ４０５に進める。前述のように第１照明部１０２を用いて測定した第１の反射率Ｒ_g1は、測定対象が半濁体の場合、透過率が高くなる。このため、内部散乱による光の回り込み量が増えるので第２照明部１０３を用いて測定した第２の反射率Ｒ_g2よりも反射率が高くなる。従って、上記の式（３）では、内部散乱の影響が大きい場合にはＶの値が小さくなるので、このＶの値が閾値Ｔｈよりも小さい場合には測定対象は内部散乱の影響が大きいと判定することになる。なお、式（３）は、例えば第１の反射率が第２の反射率よりも所定の閾値以上大きい場合、測定対象は内部散乱の影響を受ける対象であると判定する処理とも言える。

図５は、屈折率を横軸にプロットし、縦軸にフレネル透過率の比をプロットした特性を示す図である。フレネル透過率の比は、第１照明部１０２の入射角θ１に対するフレネル透過率を図３に示した入射角とフレネル透過率の特性から求め、同様に第２照明部１０３の入射角θ２に対するフレネル透過率を求め、それらの比を求めたものである。図５に示すフルネル透過率の比は、概ね上記の式（３）で示す反射率の比と類似の特性が見られる。図５にはθ１を３０度とし、θ２を６５、７５、８０、８５度と変えた時の特性がプロットされている。これらのフレネル透過率の比から閾値Ｔｈとして適切な値を選択することにより、入射角θ１、θ２に応じた判定が可能となり、判定の精度が向上する。例えば、第１照明部の入射角θ１を３０度、第２照明部の入射角θ２を６５度とすると、図５を参照して閾値Ｔｈとして０．９を選択すればよい。また、図５に示すように測定対象物の屈折率に応じた閾値を選択してもよい。

なお、ここではＧの反射率を用いて判定することとしたが、これに限るものではなく、ＲＧＢの色ごとに判定を行うことも可能である。また、第１の反射率および第２の反射率においてＲＧＢの反射率の平均値をそれぞれ算出しておき、平均値の比を閾値Ｔｈと比較し、判定するよう構成するなどしてもよい。

ステップＳ４０３において、測定対象が内部散乱の影響が大きいものと判定した場合、ステップＳ４０４において測定アプリ１１０は、測定対象の内部散乱パラメータを算出する。測定対象が内部散乱の影響が大きい場合には、前述のように得られる反射率は測定領域外の光の回りこみが影響するので入射角に応じて異なってくる。また、測定対象をユーザが観察する環境と図２に示すような測定環境では、照明条件が異なる。従って、内部散乱の影響が大きい測定対象の場合には、反射特性として測定対象の内部散乱パラメータを算出する。測定対象に光源が一様に当たるとき、内部散乱の多重散乱による反射率は、一般に次式にて近似できる。

ステップＳ４０４で測定アプリ１１０は、上記近似式で反射率を表すためのパラメータである屈折率ηと、反射係数ＲｄとをＲＧＢごとに内部散乱算出部１１４にて算出する。具体的には、ηとＲｄとに適当な初期値を与え、入射角θ１時の多重散乱による反射率Ｒｍを算出したものと、第１の反射率との誤差を算出する。つぎに、同じく、入射角θ２時の多重散乱による反射率Ｒｍを算出したものと、第２の反射率との誤差を算出し、前記第１の反射率との誤差、および、第２の反射率との誤差の和を目的関数とする。目的関数が最小となるよう公知の最適化アルゴリズム等を用いてηとＲｄを更新し、再び目的関数を算出する。目的関数の値が所定の大きさ以下になるまでηとＲｄの更新と目的関数の算出を繰り返し、最終的なηとＲｄの値を決定する。なお、上記近似式、およびηとＲｄの値の算出方法はこれに限るものではない。上記近似式は内部散乱を表現するモデルであればどのようなものであってもよい。また、第１の反射率と第２の反射率との比をフレネル透過率比とみなし、図５の特性を参照してηを求めることも可能である。

ステップＳ４０５において測定アプリ１１０は、一連の測定結果を表示部１０５に表示するよう操作管理部１１５に命令を送り、処理を終了する。図６は、このとき表示部１０５に表示される画面６０１の例を説明する図である。表示領域６０２は測定の状態を表示する領域であり、ステップＳ４０５においては測定終了を意図するメッセージを表示する。なお、図４のステップＳ４０５の処理に入る前までは、表示領域６０２には例えば測定中であることを意図するメッセージが表示される。表示領域６０３、６０４、６０５は、第１の反射率を表示する領域であり、ステップＳ４０１で得られたＲ_r1、Ｒ_g1、Ｒ_b1をそれぞれ表示する。同様に、表示領域６０６、６０７、６０８は、第２の反射率を表示する表示部であり、ステップＳ４０２で得られたＲ_r2、Ｒ_g2、Ｒ_b2をそれぞれ表示する。

表示領域６０９は、ステップＳ４０３での判定結果を表示する領域であり、ステップＳ４０４に分岐した場合は、測定対象の測定結果が内部散乱の影響を受けている旨を通知するメッセージを表示する。ステップＳ４０４に分岐しない場合は、表示領域６０９は測定対象の測定結果が内部散乱の影響を受けていない旨を通知するメッセージを表示する。表示領域６１０〜６１５は、Ｓ４０４にて算出した内部散乱パラメータを表示する表示部であり、表示領域６１０、６１１、６１２にＲＧＢに対する反射係数Ｒ_dをそれぞれ表示し、表示領域６１３、６１４、６１５にＲＧＢに対する屈折率ηをそれぞれ表示する。なお、Ｓ４０３でＳ４０４に分岐されない場合は、表示領域６１０〜６１５には何も表示されない。

このように、測定対象が内部散乱の影響を受けているものか否かに応じて反射特性としてユーザに通知する対象を切り替える処理を行なう。すなわち、測定対象が内部散乱の影響がないような例えば金属のようなものの場合には、反射特性として反射率をユーザに通知する。一方、測定対象が内部散乱の影響を受けているものの場合、反射特性として内部散乱パラメータ（ここでは反射係数Ｒｄと屈折率η）をユーザに通知する。なお、測定対象が内部散乱の影響を受けている場合であっても、図６に示すように内部散乱パラメータと併せて反射率をユーザに通知してもよい。

このように、本実施例によれば、測定対象が内部散乱の影響を受けているものか否かを自動で判定して、測定対象に適した反射特性を自動で算出することができる。

なお、本実施例においては測定結果を図６に示すように表示部１０５に表示する例を説明した。しかしながら、測定結果を出力する形態は、表示部に表示する形態に限られることはない。たとえば、表示領域６０３〜６１５に表示される内容を関連付けて、ハードディスクやフラッシュメモリ等の補助記憶装置に記憶するよう構成してもよい。このように補助記憶装置に出力するように構成しても、表示領域６０９の判定結果を含む測定結果が補助記憶装置の記憶を参照することによりユーザに通知される。

また、このようにして自動測定されて記憶された反射特性データは、例えば測定対象を再現しようとする場合の入力データとして使用されることができる。その場合、例えば表示領域６０９の内部散乱影響判定に相当する値（フラグとして持てばよい）を参照し、内部散乱の影響があることを示す場合には、表示領域６１０〜６１５に相当する値を用いて再現処理を行えばよい。一方、内部散乱の影響がないことを示す場合には、表示領域６０３〜６０８に相当する値を用いて再現処理を行えばよい。反射特性データを用いた再現処理については本実施例の主眼ではないので説明を省略する。

以上実施例１で説明した測定装置および測定方法によれば、測定対象物が半濁体のような内部散乱の影響を受けやすいか否かを自動的に判定することができる。従って測定方法の妥当性をユーザが判断することができる。判定の結果に応じて測定する反射特性を切り替えるよう構成したため、測定対象物に応じて適切な反射特性を測定することが可能となる。また、内部散乱の影響を受けやすい測定対象の反射特性を算出する内部散乱パラメータを取得することができるため、測定の精度が向上する。また、測定対象が内部散乱の影響を受けていないものである場合には、計算負荷がかかる最適化処理を用いて内部散乱パラメータを算出せずに済むので、処理効率が高まる。

なお、本実施例では、受光部１０４にＲＧＢのカラーフィルタを備えたフォトダイオードを用いることとし、ＲＧＢの各色において反射率や内部散乱パラメータを算出することとしたが、これに限るものではない。たとえば、ＣＭＹなどのカラーフィルタを備えたフォトダイオードを用い、ＣＭＹの各色において反射率や内部散乱パラメータを算出するよう構成してもよい。また、ＲＧＢに加えＣＭＹのカラーフィルタを用いて６色ごとの反射率や内部散乱パラメータを算出するように構成してもよい。また、回折格子等により特定の波長の光を抽出し、その波長の光に対する反射率や内部散乱パラメータを算出することも可能である。さらに、本実施例では、反射率を測定することとしたがこれに限るものではなく、濃度や明度、ＣＩＥＬａｂなど、反射率から算出可能なものであれば、どのようなものであってもよい。

また、本実施例では照明部として第１照明部１０２と第２照明部１０３との二つの照明部を用いる例を説明したが、これに限られるものではない。例えば３つ以上の照明部を設けてそれぞれにおいて上述したような処理を行ってもよい。このとき、上述した閾値についても同様に、照明部の入射角に応じた値を設定すればよい。また、本実施例では２つの照明部を設ける例を説明したが、一つの照明部を用意し、照明部を前述の第１照明部１０２と第２照明部１０３との位置にそれぞれ移動させて測定する形態であってもよい。

［実施例２］
実施例１では、反射率または内部散乱の影響がある場合の反射率を算出するパラメータを測定して求める例を説明した。本実施例においては、変角ステージを用いて双方向反射率分布関数（ＢＲＤＦ）のパラメータ、または、双方向表面下散乱反射率分布関数（ＢＳＳＲＤＦ）のパラメータを測定する例について説明する。ＢＲＤＦは照明方向と観察方向を入力とし、反射率を出力とする関数であり、例えば不透明物体の反射特性を近似することに特に有効である。ＢＳＳＲＤＦは、照明方向と観察方向に加え、物体に照明光が入射する位置と物体から光が出射される位置とも入力とする関数であり、例えば半濁体の反射特性など、ＢＲＤＦでは表すことのできない反射特性を記述可能である。

実施例２における測定装置の構成を示すブロック図を図７に示す。なお、実施例１と同一のブロックは同一の符号を付して説明を省略し、実施例１と異なる点を中心に簡潔に説明する。図７において、ステージ部７０１は、測定対象を固定する変角ステージである。ステージ部７０１には、照明部７０２、受光部１０４が取り付けられ、測定対象物に対する光の入射角θｌや受光角θｖを変更することが可能である。また、ステージ部７０１は、測定対象の法線軸に測定対象を固定した台を回転させ、方位角φを変更することが可能である。なお、ステージ部７０１の構成はこれに限るものではなく、光の入射角θｌや受光角θｖを変更することができ、ＢＲＤＦを取得可能な構成であればどのようなものであってもよい。照明部７０２は、実施例１で説明した第１照明部１０２および第２照明部１０３と同じ機構を備えた照明である。

また、本実施例の測定装置は、ＢＳＳＲＤＦを取得するためのレーザ照明部７０３、および撮像部７０４を有している。レーザ照明部７０３は、例えばＲ：６５０ｎｍ、Ｇ：５３２ｎｍ，Ｂ：４７３ｎｍの３種類のレーザ光を照明ドライバ１１６の指示により切り替えて発光できる。なお、レーザ照明部７０３が発光する波長や波長の数などはこれに限るものではない。また、測定対象の表面に集光するレンズを備えることでハロゲンランプやタングステンランプなどの一般的な照明を用いることもできる。撮像部７０４は、デジタルスチルカメラ等のレンズを備えたエリアセンサであり、測定対象２０１の表面上の画像を結像し、例えばＲＧＢ各１６ビットの同時化された画像信号を取得する。なお、撮像部７０４のエリアセンサは、ＣＣＤやＣＭＯＳ、単板式や３板式等の方式を限定するものではない。また、ＲＧＢからなるカラーの画像信号を取得することとしたがこれに限らず、モノクロの画像信号を取得するよう構成することも可能である。

さらに、制御部１０１には、ステージ部７０１を制御し、入射角θｌ、受光角θｖ、方位角φを変更するステージドライバ７１４、撮像部７０４を制御し画像信号を取得する撮像ドライバ７１５が追加されている。また、ＢＲＤＦを算出するＢＲＤＦ算出部７１２、ＢＳＳＲＤＦを算出するＢＳＳＲＤＦ算出部７１３が追加されている。これらの詳細な説明は後述する。なお、測定管理部７１１は、照明部７０２、および受光部１０４でＢＲＤＦを測定する表面散乱測定手段を形成し、測定アプリの指示に従いＢＲＤＦの算出に必要な測定を行う。また、測定管理部７１１は、レーザ照明部７０３、および撮像部７０４でＢＳＳＲＤＦを測定する内部散乱測定手段を形成し、測定アプリの指示に従いＢＳＳＲＤＦの算出に必要な測定を行う。

図８は、ステージ部７０１、照明部７０２、受光部１０４、レーザ照明部７０３、撮像部７０４、測定対象２０１の幾何的な配置例を説明する図である。なお、照明部７０２、受光部１０４、レーザ照明部７０３、撮像部７０４はステージ部７０１に付属する不図示のアーム等により固定されている。また、照明部７０２、受光部１０４はステージ部７０１に備えられたステップモータ等により可動であり、測定対象物２０１に対する入射角θｌ、および受光角θｖを変更できる。図８のステージ部７０１における測定対象物２０１を固定する台（ステージ部７０１の一部）はステップモータ等により回転させることができ、方位角φを変更することができる。レーザ照明部７０３は、測定対象物２０１の鉛直方向から光を照射するよう配置され、その隣に測定対象物２０１表面に正対するよう撮像部７０４が配置されている。

図９は、本実施例における測定アプリ７１０のフローチャートである。入力部１０６からボタンの押下等によりユーザが測定開始を指示すると、測定アプリ７１０は図９に示す一連の処理を実行する。

ステップＳ９０１において測定アプリ７１０は第１の反射率を測定する。測定アプリ７１０が第１の反射率を測定する命令を測定管理部７１１に送ると、測定管理部７１１は、まず、入射角θｌが実施例１で説明した入射角θ１と等しくなるようステージドライバ７１４に命令を送る。同じく、受光角θｖが実施例１の受光角である０度となるようステージドライバ７１４に命令を送る。ステージドライバ７１４から入射角θｌと受光角θｖの調整が終了した通知を受け取ると、測定管理部７１１は、実施例１のステップＳ４０１で説明したように照明部７０２、受光部１０４を制御し、受光値を取得する。測定アプリ７１０は測定管理部７１１から受け取った受光値を、反射率算出部１１２に送り、第１の反射率を算出する。

ステップＳ９０２において測定アプリ７１０は第２の反射率を測定する。ステップＳ９０１と同様に、入射角θｌが実施例１で説明した入射角θ２と等しく、受光角θｖが０度となるよう調整し、ステップＳ４０２で説明したように第２の反射率を算出する。

ステップＳ９０３において測定アプリ７１０は判定部１１３を用いて、ステップＳ４０３と同じ方法により、第１の反射率および第２の反射率から、測定対象が内部散乱の影響が大きいものか否かを判定する。測定対象が内部散乱の影響が大きいものでないと判定されたときは、処理をステップＳ９０４に分岐し、ＢＲＤＦのパラメータを測定する。測定対象が内部散乱の影響が大きいものであると判定されたときは、処理をステップＳ９０５に分岐し、ＢＳＳＲＤＦのパラメータを測定する。

すなわち、本実施例においては、測定対象が内部散乱の影響が大きいものか否かに応じて、ＢＲＤＦのパラメータを測定するか、またはＢＳＳＲＤＦのパラメータを測定するかを切り替える。

ステップＳ９０４において測定アプリ７１０は、ＢＲＤＦのパラメータを測定するＢＲＤＦ測定工程を行なう。ＢＲＤＦを表すモデルは数多く知られるが、ここでは次式で示すＣｏｏｋ−Ｔｏｒｒａｎｃｅのモデルを用いることとする。

ただし、

ここで、光源ベクトルｌは測定対象２０１上の測定点から照明部７０２を見た単位ベクトル、視線ベクトルｖは測定対象２０１上の測定点から受光部１０４を見た単位ベクトルである。これらの単位ベクトルは、入射角θｌ、受光角θｖ、方位角φから一意に決定されることはいうまでもない。また、ハーフベクトルｈは、光源ベクトルｌと視線ベクトルｖのハーフベクトルである。ρｄ、ρｓ、η、ｍはパラメータであり、ステップＳ９０４では、これらのパラメータを算出する。なお、Ｄは法線分布項であり、測定対象表面の法線のばらつきを表す。Ｇは幾何減衰項であり、微小面の凹凸によって生じる遮蔽を表す。Ｆはフレネル項であり、前述のフレネル反射を表す。ρｄは拡散反射率を示し、ρｓは鏡面反射率を示す。ηは前述のように屈折率を示す。ｍは測定対象表面の粗さを示す。

ここで、ステップＳ９０４のＢＲＤＦ測定工程における処理を説明する。まず、測定アプリ７１０が、あらかじめ複数保持している入射角θｌ、受光角θｖ、方位角φの設定値の組み合わせから、一つの組み合わせを抽出し、測定管理部７１１に測定の命令を送る。測定管理部７１１は、測定アプリ７１０から渡された入射角θｌ、受光角θｖ、方位角φとなるようステージドライバ７１４に命令を送り、ステージ部７０１を駆動する。ステージ部７０１の駆動が終了すると、測定管理部７１１は、照明ドライバ１１６に照明部７０２を点灯させるよう命令を送る。そして、測定管理部１１１は、受光ドライバ１１７に受光の命令を送り、受光部１０４からＲＧＢ各色の受光値を取得する。取得された受光値は、測定アプリ７１０に送られ、入射角θｌ、受光角θｖ、方位角φの設定値の組み合わせと対応づけられＲＡＭ等の主記憶装置に保存される。測定アプリ７１０は、上記処理をあらかじめ複数保持された入射角θｌ、受光角θｖ、方位角φの設定値の組み合わせすべてにおいて実施する。つぎに、測定アプリ７１０は、ＢＲＤＦ算出部７１２に前記パラメータを算出するよう命令を送る。ＢＲＤＦ算出部７１２は、測定された全ての入射角θｌ、受光角θｖ、方位角φ、受光値の対応から、それらの対応を前述したモデルで近似するρｄ、ρｓ、η、ｍのパラメータをＲＧＢ各色において算出する。より具体的には、ρｄ、ρｓ、η、ｍの初期値を適当にあたえ、入射角θｌ、受光角θｖ、方位角φの全組み合わせに対する受光値を前述したモデルから算出する。つぎに、測定された受光値と、算出された受光値とのユークリット距離（次元数は設定値の組み合わせ数となる）を誤差として算出する。この誤差が小さくなるよう公知の最適化アルゴリズムを利用してρｄ、ρｓ、η、ｍを更新し、誤差が所定の値より小さくなるまで上記の受光値の算出、誤差の算出、更新を繰り返し、最終的なρｄ、ρｓ、η、ｍを決定する。なお、前述ではユークリット距離を誤差とするとしたがこれに限るものではなく、入射角θｌ、受光角θｖ、方位角φに応じて重みづけを変えるなどしてもよい。

一方、ステップＳ９０３において測定対象が内部散乱の影響が大きいものであると判定されたときは、測定アプリ７１０は処理をステップＳ９０５に分岐し、ＢＳＳＲＤＦのパラメータを測定する。ここでは、測定アプリ７１０が測定管理部７１１に測定の命令を送ると、測定管理部７１１は、まず、レーザ照明部７０３、撮像部７０４の影とならない位置に照明部７０２、受光部１０４を移動させるようステージドライバ７１４に命令を送る。つぎに、測定管理部７１１は、レーザ照明部７０３を点灯させるよう照明ドライバ１１６に命令を送る。レーザ照明部７０３が点灯した後、測定管理部７１１は、撮像するよう撮像ドライバ７１５に命令を送り、撮像部７０４が撮像した画像信号を測定アプリ７１０に渡す。画像信号を受け取った測定アプリ７１０は、ＢＳＳＲＤＦ算出部７１３に画像信号を渡し、ＢＳＳＲＤＦのパラメータを算出する。図１０（ａ）は、このとき撮像部７０４が撮像した画像信号の例を説明する図である。ここで、画面１００１は画像信号の信号値の２次元分布を表す画面を示し、位置１００２は、レーザ照明部７０３が照射したレーザ光が測定対象に照射される位置を示している。内部散乱の影響が大きい測定対象物にレーザ光があたると、レーザ光が測定対象物の内部で多重散乱され、破線１００３で示すように例えば位置１００２を中心とした同心円状に光が拡がった画像が観測される。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における線分１００４上に位置する画素の信号値をプロットしたラインプロファイルである。図１０（ｂ）に示すように、このとき画像信号は、位置１００２をピークとし、位置１００２の中心から離れるにつれ信号値が小さくなる特性となる。一般に、測定対象物の内部散乱に応じて図１０（ｂ）の傾きが変化し、内部散乱が大きいほど、傾きが小さくなる。ＢＳＳＲＤＦ算出部７１３は、画像信号からまず図１０（ｂ）に示す特性をＲＧＢごとに算出する。そして、次式の内部散乱を示すモデルでこの特性を近似した場合に、最もフィッティングするパラメータη、σｓ´、σａをＲＧＢごとに算出する。式（７）は、ある点に入射した光が別の点に到達する際の減衰を示しており、２点間の距離ｒの関数である。

ただし、

である。なお、ηは屈折率、σｓ´は減衰散乱係数、σａは吸収係数を意味するパラメータである。各パラメータの算出方法については、非特許文献１に記載の方法されているように公知の手法に従って算出することができるため、ここでの詳細説明は省略する。

最後に、測定アプリ７１０は、表示部１０５に結果を表示するよう操作管理部１１５に命令を送る。図１１は、このとき表示部１０５に表示される画面の例を説明する図である。表示領域６０１〜６０８は、実施例１で図６を用いて説明したものと同じであるので、説明を省略する。

表示領域１１０１は、ステップＳ９０４に処理が分岐した場合にはＢＲＤＦのパラメータを測定したことを、ステップＳ９０５に処理が分岐した場合にはＢＳＳＲＤＦのパラメータを測定したことをユーザに通知するための領域である。表示領域１１０２〜１１１３は、パラメータを表示する表示部であり、ステップＳ９０４で処理が行われたか、ステップＳ９０５で処理が行われたかで表示する内容が異なる。ステップＳ９０４で処理が行われた場合、表示領域１１０２〜１１０４には、ステップＳ９０４で算出したＲＧＢに対応するパラメータρｄの値が表示される。また、同様に表示領域１１０５〜１１０７にはパラメータρｓが、１１０８〜１１１０にはパラメータｍが、表示領域１１１１〜１１１３にはパラメータηの値が表示される。一方、ステップＳ９０５で処理が行われた場合、表示領域１１０２〜１１０４には、ステップＳ９０５で算出したＲＧＢに対応するパラメータσａの値が表示される。同様に、表示領域１１０５〜１１０７にはパラメータσｓ´が、表示領域１１１１〜１１１３にはパラメータηの値がそれぞれ表示される。なお、このとき表示領域１１０８〜１１１０には何も表示されない。ただし、本実施例は測定結果の表示方法を限定するものではなく、補助記憶装置に記録するよう構成してもよい。また、表示領域１１０１にステップＳ９０４とステップＳ９０５のどちらで測定がおこなわれたかを表示することとしたが、これは判定部１１３の判定結果をユーザに通知することと同等である。

また、測定対象物の表面に、ヘアラインやベルベットのような凹凸がある場合、入射角θ１で測定した第１の反射率と、入射角θ２で測定した第２の反射率が凹凸の影響で異なってしまうことがある。このような場合、判定部１１３は、測定対象物の内部散乱が小さいにもかかわらず、内部散乱が大きいと誤判定してしまうことが考えられる。そこで、前記誤判定を抑制するため、複数の方位角φにおいて同様に第１の反射率と第２の反射率を測定し、すべての方位角φにおいて前記評価値Ｖが前記閾値Ｔｈより小さければ内部散乱が大きいと判定するよう構成してもよい。もしくは、すべての方位角φにおいて算出した前記評価値の平均値を、閾値Ｔｈと比較するよう構成しても同等の効果が得られる。なお、方位角φはステージ７０１内の測定対象物を固定する台を回転させることで変更することができる。

以上実施例２で説明した測定装置、ならびに測定方法によれば、測定対象物が半濁体のように内部散乱の影響を受けやすい対象であるか否かを自動で判別し、その結果に応じて測定方法を切り替えることができる。そのため、測定対象物の判別作業をユーザが行う必要がなく、多数の測定対象物を測定する場合において作業効率が向上する。また、測定対象物に適した測定方法が選択されるため精度が向上する。

制御部１０１
第１照明部１０２
第２照明部１０３
受光部１０４
判定部１１３
表示部１０５

Claims (15)

1. 第１の方向から測定対象を照射して拡散光を測定することで得られる第１の反射率を取得する第１の取得手段と、
   前記第１の方向よりも地平に近い方向である第２の方向から前記測定対象を照射して拡散光を測定することで得られる第２の反射率を取得する第２の取得手段と、
   前記取得した前記第１の反射率と前記第２の反射率とに基づいて、前記測定対象が内部散乱の影響を受ける対象であるかを判定する判定手段と、
   前記判定手段による判定結果に基づいて前記測定対象の反射特性を出力する出力手段と
   を有することを特徴とする測定装置。
2. 前記判定手段は、前記第１の反射率が前記第２の反射率よりも所定の閾値以上大きい場合、前記測定対象は内部散乱の影響を受ける対象であると判定し、
   前記出力手段は、前記測定対象は内部散乱の影響を受ける対象であると判定された場合、前記取得した前記第１の反射率と前記第２の反射率とに基づいて、前記測定対象の内部散乱パラメータを前記反射特性として算出して出力することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記判定手段は、前記第１の反射率が前記第２の反射率よりも所定の閾値以上大きくない場合、前記測定対象は内部散乱の影響を受けない対象であると判定し、
   前記出力手段は、前記測定対象は内部散乱の影響を受けない対象であると判定された場合、前記取得手段で取得した反射率を前記反射特性として出力することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
4. 第１の方向から測定対象を照射して拡散光を測定することで得られる第１の反射率を取得する第１の取得手段と、
   前記第１の方向よりも地平に近い方向である第２の方向から前記測定対象を照射して拡散光を測定することで得られる第２の反射率を取得する第２の取得手段と、
   前記取得した前記第１の反射率と前記第２の反射率とに基づいて、前記測定対象が内部散乱の影響を受ける対象であるかを判定する判定手段と、
   前記判定手段による判定結果に基づいて前記測定対象の測定方法を切り替える制御手段と、
   前記制御手段によって切り替えられた測定方法に従って前記測定対象の反射特性を算出する算出手段と
   を有することを特徴とする測定装置。
5. 前記判定手段は、前記第１の反射率が前記第２の反射率よりも所定の閾値以上大きい場合、前記測定対象は内部散乱の影響を受ける対象であると判定し、
   前記制御手段は、前記測定対象は内部散乱の影響を受ける対象であると判定された場合、前記測定対象の内部散乱を測定する測定方法に切り替えることを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
6. 前記判定手段は、前記第１の反射率が前記第２の反射率よりも所定の閾値以上大きくない場合、前記測定対象は内部散乱の影響を受けない対象であると判定し、
   前記制御手段は、前記測定対象は内部散乱の影響を受けない対象であると判定された場合、前記測定対象の表面散乱を測定する測定方法に切り替えることを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
7. 前記所定の閾値は、前記第１の方向が示す前記測定対象に対する入射角と前記第２の方向が示す前記測定対象に対する入射角とに基づいて決定されることを特徴とする請求項２、３、５、または６のいずれか一項に記載の測定装置。
8. 前記第１の方向は、測定対象の測定面の法線に対する入射角が６０度未満であり、
   前記第２の方向は、測定対象の測定面の法線に対する入射角が６０度以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の測定装置。
9. 前記判定手段によって判定された結果を通知する通知手段をさらに有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の測定装置。
10. 前記通知手段は、前記判定された結果を、前記反射特性を示す反射特性データと共に通知することを特徴とする請求項９に記載の測定装置。
11. 前記通知手段は、表示手段に前記判定された結果を表示することでユーザに通知を行なうことを特徴とする請求項９または１０に記載の測定装置。
12. 前記通知手段は、前記反射特性を示す反射特性データに前記判定された結果を関連付けて記憶手段に記憶することでユーザに通知を行なうことを特徴とする請求項９または１０に記載の測定装置。
13. 第１の方向から測定対象を照射して拡散光を測定することで得られる第１の反射率を取得する第１の取得ステップと、
    前記第１の方向よりも地平に近い方向である第２の方向から前記測定対象を照射して拡散光を測定することで得られる第２の反射率を取得する第２の取得ステップと、
    前記取得した前記第１の反射率と前記第２の反射率とに基づいて、前記測定対象が内部散乱の影響を受ける対象であるかを判定する判定ステップと、
    前記判定ステップによる判定結果に基づいて前記測定対象の反射特性を出力する出力ステップと
    を有することを特徴とする測定方法。
14. 第１の方向から測定対象を照射して拡散光を測定することで得られる第１の反射率を取得する第１の取得ステップと、
    前記第１の方向よりも地平に近い方向である第２の方向から前記測定対象を照射して拡散光を測定することで得られる第２の反射率を取得する第２の取得ステップと、
    前記取得した前記第１の反射率と前記第２の反射率とに基づいて、前記測定対象が内部散乱の影響を受ける対象であるかを判定する判定ステップと、
    前記判定ステップによる判定結果に基づいて前記測定対象の測定方法を切り替える制御ステップと、
    前記制御ステップによって切り替えられた測定方法に従って前記測定対象の反射特性を算出する算出ステップと
    を有することを特徴とする測定方法。
15. コンピュータを、請求項１から１２のいずれか一項に記載の測定装置の各手段として機能させるためのプログラム。