JP2020176987A - 光学測定装置および光学測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルコントラスト又はスパークルコントラストの被測定面の撮像条件の自由度を向上させることができる光学測定装置及び光学測定方法を提供。【解決手段】光学測定装置１は、スペックルコントラスト又はスパークルコントラストを測定する対象となる発光型の電子ディスプレイ乃至発光面の、被測定面７からの出射光を結像させる光学系３と、出射光が結像される２次元センサアレイ面４１を有し、出射光を撮像する２次元センサアレイ４と、２次元センサアレイ面４１上への出射光の回折限界スポットの結像に寄与する被測定面７上の発光領域の大きさが一定となる撮像条件で撮像された出射光に基づいて、スペックルコントラスト又はスパークルコントラストを算出する算出部６と、を備え、発光領域の大きさは、回折限界スポットの大きさと、光学系３の焦点距離及び被測定面７から光学系３迄の撮像距離から求まる光学系３の倍率と、に基づいて定まる。【選択図】図１

Description

本開示は、光学測定装置および光学測定方法に関する。

例えば特許文献１に開示されているように、レーザ光の干渉性によって生じるスペックルを測定することが行われている。特許文献１に記載されたスペックルコントラスト測定器は、移動拡散板で拡散されてスクリーン上に投影されたレーザ光を撮像し、撮像結果に基づいてスペックルコントラストを測定するように構成されている。

特開２０１４−３２３７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のスペックルコントラスト測定器においては、撮像条件が異なる他の測定器との間でのスペックルコントラストの互換性を確保することで撮像条件の自由度を向上させることについて何ら有効な提案がなされていない。

本開示は、以上の点を考慮してなされたものであり、スペックルコントラストまたはスパークルコントラストの被測定面の撮像条件の自由度を向上させることができる光学測定装置および光学測定方法を提供することを目的とする。

本開示による光学測定装置は、
スペックルコントラストまたはスパークルコントラストを測定する対象となる発光型の電子ディスプレイないし発光面の、被測定面からの出射光を結像させる光学系と、
前記出射光が結像される２次元センサアレイ面を有し、前記出射光を撮像するセンサと、
前記２次元センサアレイ面上への前記出射光の回折限界スポットの結像に寄与する前記被測定面上の発光領域の大きさが一定となる撮像条件で撮像された前記出射光に基づいて、前記スペックルコントラストまたは前記スパークルコントラストを算出する算出部と、を備え、
前記発光領域の大きさは、前記回折限界スポットの大きさと、前記光学系の焦点距離および前記被測定面から前記光学系までの撮像距離から求まる前記光学系の倍率と、に基づいて定まる。

本開示による光学測定装置において、
前記算出部は、第１の撮像条件に対して前記発光領域の大きさが同一となる第２の撮像条件で撮像された前記出射光に基づいて、前記第１の撮像条件で撮像される出射光に基づくスペックルコントラストまたはスパークルコントラストと同等のスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを算出してもよい。

本開示による光学測定装置において、
前記第２の撮像条件は、前記第１の撮像条件に対して前記撮像距離が異なってもよい。

本開示による光学測定装置において、
前記第２の撮像条件は、前記第１の撮像条件に対して前記光学系の焦点距離が異なってもよい。

本開示による光学測定装置において、
前記第２の撮像条件は、前記第１の撮像条件に対して前記光学系のＦナンバーが異なってもよい。

本開示による光学測定装置において、
以下の数式を満足する前記発光領域の大きさが一定となるように前記撮像距離および前記光学系の焦点距離の少なくとも一方を調整する機構を備えてもよい。
但し、
Ｓ：前記発光領域の大きさ
Ｒ：前記回折限界スポットの大きさ
ｍ：前記光学系の倍率
Ｆ＃_{ｉｍａｇｅ}：像側の前記光学系のＦナンバー
ｄ：前記撮像距離
ｆ：前記光学系の焦点距離
Ｆ＃_{ｓｕｒｆａｃｅ}：前記被測定面側の前記光学系のＦナンバー

本開示による光学測定装置において、
以下の数式を満足する前記発光領域の大きさが一定となるように前記撮像距離、前記光学系の焦点距離および前記光学系のＦナンバーの少なくとも１つを調整する機構を備えてもよい。
但し、
Ｍ：統合パラメータ
Ｓ：前記発光領域の大きさ
Ｒ：前記回折限界スポットの大きさ
ｍ：前記光学系の倍率
Ｆ＃_{ｉｍａｇｅ}：像側の前記光学系のＦナンバー
ｄ：前記撮像距離
ｆ：前記光学系の焦点距離
Ｆ＃_{ｓｕｒｆａｃｅ}：前記被測定面側の前記光学系のＦナンバー
Ａ_Ｃ：前記２次元センサアレイ面上のコヒーレント領域の大きさ
Ａ_ｍ：前記２次元センサアレイ面上の正方形の均一な検出素子の大きさ
ｅｆｒ：標準誤差関数

本開示による光学測定装置において、
前記被測定面を有する対象物を支持する支持部材を更に備えてもよい。

本開示による光学測定装置において、
前記算出部は、前記撮像距離の可動範囲を超える前記第１の撮像条件を代替した前記撮像距離の可動範囲内の前記第２の撮像条件の下で撮像された前記出射光に基づいて、前記第１の撮像条件の場合と同等のスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを算出してもよい。

本開示による光学測定装置において、
前記光学系は、前記第１の撮像条件に対応する第１レンズと、前記第２の撮像条件に対応する第２レンズとを有してもよい。

本開示による光学測定装置は、
前記第１の撮像条件および前記第２の撮像条件のそれぞれを設定するように前記光学系を移動させる機構を更に備えてもよい。

本開示による光学測定装置において、
前記出射光は、インコヒーレント光またはコヒーレント光を拡散させた光であってもよい。

本開示による光学測定方法は、
スペックルコントラストまたはスパークルコントラストを測定する対象となる発光型の電子ディスプレイないし発光面の、被測定面からの出射光を光学系で２次元センサアレイ面上に結像させて前記出射光を撮像する工程と、
前記撮像された出射光に基づいて前記スペックルコントラストまたは前記スパークルコントラストを算出する工程と、を備え、
前記スペックルコントラストまたは前記スパークルコントラストの算出は、前記２次元センサアレイ面上への前記出射光の回折限界スポットの結像に寄与する前記被測定面上の発光領域の大きさが一定となる撮像条件で撮像された前記出射光に基づいて行い、
前記発光領域の大きさは、前記回折限界スポットの大きさと、前記光学系の焦点距離および前記被測定面から前記光学系までの撮像距離から求まる前記光学系の倍率と、に基づいて定まる。

本開示による光学測定方法において、
前記出射光を撮像する工程は、
前記被測定面上の発光領域の大きさが一定となる撮像条件を決定する工程と、
前記決定された撮像条件を実現するために前記光学系を調整する工程と、を有してもよい。

本開示による光学測定方法において、
前記被測定面は、防眩層を有する表示装置における前記防眩層の出射面であってもよい。

本開示による光学測定方法において、
前記被測定面は、バックライト装置の出射面であってもよい。

本開示による光学測定方法において、
前記被測定面は、プロジェクタから出射された光を投射するスクリーンの出射面であってもよい。

本開示によれば、スペックルコントラストまたはスパークルコントラストの被測定面の撮像条件の自由度を向上させることができる。

図１は、光学測定装置の一例を示す図である。 図２は、図１の光学測定装置の撮像条件を説明するための説明図である。 図３は、図１の光学測定装置の一具体例を示す図である。 図４は、図１の光学測定装置の他の具体例を示す図である。 図５は、図１の光学測定装置のさらに他の具体例を示す図である。 図６は、図１の光学測定装置のさらに他の具体例を示す図である。 図７は、図１の光学測定装置の参考例として、コヒーレント光を用いたスペックルコントラストの測定系を示す図である。 図８は、図７の測定系によるスペックルコントラストの測定結果を示す図である。 図９は、図１の光学測定装置の実験例として、コヒーレント光の拡散光を用いたスペックルコントラストの測定系を示す図である。 図１０は、図９の測定系による測定条件として、実効Ｆナンバーおよび撮像距離を示す図である。 図１１は、図１０の測定条件の下での図９の測定系によるスペックルコントラストの測定結果を示す図である。 図１２は、図１０と異なる測定条件の下での図９の測定系によるスペックルコントラストの測定結果を示す図である。 図１３は、図１の光学測定装置の変形例を示す図である。 図１４は、光学測定方法の変形例を示す図である。 図１５は、光学測定方法の他の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

また、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「同等」、「同一」等の用語や、長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

図１は、光学測定装置１の一例を示す図である。図２は、図１の光学測定装置１の撮像条件を説明するための説明図である。図３は、図１の光学測定装置１の一具体例を示す図である。図４は、図１の光学測定装置１の他の具体例を示す図である。図５は、図１の光学測定装置１のさらに他の具体例を示す図である。図６は、図１の光学測定装置１のさらに他の具体例を示す図である。

図１に示される光学測定装置１は、発光型の電子ディスプレイないし発光面の、被測定面７上に形成される光学像に含まれるスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを測定するために用いることができる。以下、発光型の電子ディスプレイないし発光面の被測定面７のことを、単に被測定面７と略称することもある。

一般に、スペックルとは、観察者の視覚系のセンサ面上でのコヒーレント光の干渉の結果生じる不規則な空間変調イメージをいう。スペックルコントラストとは、単色スペックルの代表的評価指数であり、次式で定義される。

数式（４）において、σは、単色スペックルパターンの測定用２次元センサ面上の放射照度分布の標準偏差である。また、数式（４）において、
は、単色スペックルパターンの放射照度の平均値である。人間が観察することを前提とした分野、例えば電子ディスプレイ分野等では、放射照度ではなく輝度を数式（４）の分母分子の測定単位としてもよい。いずれにせよ、スペックルコントラストはスペックルパターン、すなわちランダムノイズ画像のＳ／Ｎ比の逆数として定義される無次元量である。

これに対して、本開示で測定対象とするスペックルは、拡散によって干渉性を低減させたコヒーレント光に基づく空間変調イメージであり、このスペックルのスペックルコントラストは、数式（４）と同様にスペックルパターンの標準偏差と平均値との比として定義できる。

また、スパークルとは、直視型ディスプレイの画素マトリクスと当該ディスプレイの表面の近くに配置された拡散層との組合せによる観察者の視覚系のセンサ面上への結像の結果生じる不規則な空間変調イメージをいう。スパークルコントラストとは、スパークルの代表的評価指数であり、数式（４）と同様にスパークルパターンの標準偏差と平均値との比として定義できる。

なお、図１に示される例において、被測定面７は、画素マトリクス８１とブラックマトリクス８２とを有する表示装置８に積層された防眩層９すなわち拡散層の表面である。したがって、図１に示される例において、光学測定装置１は、被測定面７のスパークルコントラストを測定することができる。なお、表示装置８は、典型的には画素マトリクス８１およびブラックマトリクス８２を有する液晶パネルと、液晶パネルの背面に設置された図示しないバックライト装置とを備えた液晶表示装置である。バックライト装置は、導光板の側部に配置された光源から出射された光を導光板内で内部反射させて液晶パネル側に導くエッジライト方式であってもよく、または、液晶パネルの直下に複数の光源を均等に配置した直下型方式であってもよい。エッジライト方式の光源としては、例えば、インコヒーレント光を出射する冷陰極管や発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることができる。直下型方式の光源としては、例えば、発光ダイオードを用いることができる。

ただし、表示装置は、液晶表示装置に限定されず、例えば、有機ＥＬディスプレイや量子ドット（ＱＤ）ディスプレイなどであってもよい。また、後述するスクリーン１５とプロジェクタ１６とによって表示装置を構成してもよい。

スパークルコントラストを測定するための具体的な構成として、図１に示される例において、光学測定装置１は、光学系３と、２次元センサアレイ４と、撮像条件設定部５と、算出部６とを備える。以下、これらの光学測定装置１の構成部について詳しく説明する。

（光学系３）
光学系３は、レンズ３１と、開口３２１が設けられた絞り３２とを有する。

光学系３は、スパークルコントラストの被測定面７からの出射光Ｌを屈折させて２次元センサアレイ４の２次元センサアレイ面４１上に結像させる。

光学系３のパラメータは、スパークルコントラストの大きさに影響する。

例えば、絞り３２の開口３２１が小さい、すなわち、レンズ３１のＦナンバーが大きいほど、絞り３２の開口３２１での出射光Ｌが受ける回折の影響が顕著になる。出射光Ｌの回折が顕著になることで、２次元センサアレイ面４１上に結像する出射光Ｌの回折限界スポットすなわちエアリーディスクの広がりが大きくなる。これにより、２次元センサアレイ４の１つの画素４２にとどまらず、隣接する他の画素４２に至るまで回折限界スポットが広がる。

このような回折限界スポットの広がりが２次元センサアレイ４の各画素４２上に結像する各回折限界スポットで生じることで、特定の画素４２に着目した場合、防眩層９の異なる箇所を通過した射出光Ｌ同士が特定の画素４２上で重なり合うことによるスパークルパターンの平均化が生じる。また、上記スパークルの場合と同様、回転拡散板等により時間的干渉性が低減された状態で測定されるスペックルコントラストにおいても、同様の平均化が生ずる。

このような画素４２上でのスペックルおよびスパークルパターンの平均化の度合いが大きいほど、スペックルコントラストおよびスパークルコントラストは低下する。すなわち、レンズ３１のＦナンバーが大きいほど、画素４２上での平均化効果によってスペックルコントラストおよびスパークルコントラストは低下する。

一方、Ｆナンバーが小さくなり過ぎることで、２次元センサアレイ面４１上に形成されるスペックルないしスパークルパターンを構成する平均粒径、が画素４２よりも小さくなる場合にも、スペックルコントラストおよびスパークルコントラストが低下する。これは、回折限界スポットの広がりが画素４２に対して狭すぎることによって１つの画素４２内で受光量の分布が生じ、この分布によって１つの画素４２内でのスペックルまたはスパークルパターンの平均化が生じることによるものである。すなわち、レンズ３１のＦナンバーが小さくなり過ぎると、画素４２内での平均化効果によってスペックルコントラストおよびスパークルコントラストが低下する。

以上のように、レンズ３１のＦナンバーはスペックルコントラストおよびスパークルコントラストに影響し、Ｆナンバーの増加にともなう画素４２上での異なるパターンが重なることによる平均化効果によってコントラストの低下が生じ、またＦナンバーの減少にともなう画素４２内での平均化効果によってもスペックルないしスパークルコントラストの低下が生じる。

なお、図１に示される例において、光学系３は１枚のレンズ３１を有しているが、光学系３は、複数枚のレンズを有していてもよい。この場合、複数枚のレンズは、出射光Ｌの収差を低減するのに好適な組み合わせのパワーを有していてもよい。また、光学系３は光学フィルター３３を含んでいてもよい。具体的には、Ｙフィルター、あるいはＸＹＺフィルター、ＲＧＢフィルター、直線偏光フィルター、円偏光フィルター、ＮＤフィルター等である。例えば、図１には、絞り３２とレンズ３１との間に光学フィルター３３を配置する例が示されているが、光学フィルター３３の枚数や位置は、図１の例に限定されない。

（２次元センサアレイ４）
２次元センサアレイ４は、被測定面７からの出射光Ｌが結像される２次元センサアレイ面４１を有し、出射光Ｌを撮像する。

２次元センサアレイ４は、互いに隣接する複数の画素４２を有し、画素４２の表面が２次元センサアレイ面４１を構成している。画素４２で受光された出射光Ｌは、光電変換によって電気信号へと変換され、変換された電気信号は、スペックルコントラストまたはスパークルコントラストの算出に用いられる。

２次元センサアレイ４は、固体撮像素子を有するイメージセンサであり、例えば、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)センサ、ＣＭＯＳセンサであってもよい。

（撮像条件設定部５）
撮像条件設定部５は、被測定面７の撮像条件すなわち出射光Ｌの撮像条件を光学測定装置１に設定する。撮像条件設定部５は、被測定面７の撮像条件を設定するために光学系３を移動すなわち調整する機構を有していてもよい。

例えば、図３に示すように、撮像条件設定部５は、互いに焦点距離が異なる複数のレンズ３１Ａ、３１Ｂを選択的に光軸ＯＡ上に移動させるレンズ交換機構５１と、レンズ交換機構５１の動作を制御する制御部５０とを有していてもよい。図３に示される例において、レンズは２枚であるが、レンズ交換機構５１は、３枚以上のレンズを交換してもよい。レンズ交換機構５１の具体的な態様は特に限定されず、例えば、モータ等の動力源を有するアクチュエータによってレンズ交換機構５１を構成してもよい。図３に示される例によれば、撮像条件設定部５は、撮像条件として、光学系３の倍率を設定または変更することができる。

また、例えば、図４に示すように、撮像条件設定部５は、光学系３を光軸方向Ｄ１に移動することで撮像距離ｄを調整する撮像距離調整機構５２と、撮像距離調整機構５２の動作を制御する制御部５０とを有していてもよい。撮像距離調整機構５２の具体的な態様は特に限定されず、例えば、モータ等の動力源を有するアクチュエータによって撮像距離調整機構５２を構成してもよい。図４に示される例によれば、撮像条件設定部５は、撮像条件として、被測定面７から光学系３までの撮像距離ｄを設定または変更することができる。

また、例えば、図５に示すように、撮像条件設定部５は、絞り３の開口３２１の大きさを調整する絞り調整機構５３を有していてもよい。絞り調整機構５３は、例えば、モータ等のアクチュエータによって構成することができる。図５に示される例によれば、撮像条件設定部５は、撮像条件として、光学系３のＦナンバーを設定または変更することができる。

また、図６に示すように、撮像条件設定部５は、図３〜図５に示した光学系３を移動する複数の機構５１、５２、５３の全てを有していてもよい。

また、撮像条件設定部５は、撮像条件として２次元センサアレイ４の画素４２のサイズを変更可能であってもよい。

以上の構成を備えたうえで、撮像条件設定部５は、異なる撮像条件で撮像された出射光Ｌに基づくスペックルコントラストまたはスパークルコントラストの互換性を確保するため、２次元センサアレイ面４１上への出射光Ｌの回折限界スポットの結像に寄与する被測定面７上の発光領域の大きさが一定となる撮像条件を設定する。

例えば、制御部５０は、第１の撮像条件に対して２次元センサアレイ面４１上への出射光Ｌの回折限界スポットの結像に寄与する被測定面７上の発光領域の大きさが一定すなわち同一となる第２の撮像条件を予め記憶すなわち決定しておき、記憶されている第２の撮像条件を設定するように機構５１、５２、５３の動作を制御すなわち光学系３を調整してもよい。このような制御部５０は、例えばＣＰＵやメモリなどのハードウェアで構成することができる。制御部５０の一部をソフトウェアで構成してもよい。

２次元センサアレイ面４１上への出射光Ｌの回折限界スポットの結像に寄与する被測定面７上の発光領域の大きさが一定となる撮像条件の詳細な意義については後述する。

（算出部６）
算出部６は、２次元センサアレイ面４１上への出射光Ｌの回折限界スポットの結像に寄与する被測定面７上の発光領域の大きさが一定となる撮像条件で撮像された出射光Ｌに基づいて、スペックルコントラストまたはスパークルコントラストを算出する。より詳しくは、算出部６は、第１の撮像条件に対して２次元センサアレイ面４１上への出射光Ｌの回折限界スポットの結像に寄与する被測定面７上の発光領域の大きさが一定となる第２の撮像条件で撮像された出射光Ｌに基づいて、スペックルコントラストまたはスパークルコントラストを算出する。算出部６は、算出されたスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを出力する。算出されたスペックルコントラストまたはスパークルコントラストの出力先は、算出結果を記憶するメモリであってもよく、または、算出結果を表示するディスプレイであってもよい。算出部６は、例えばＣＰＵやメモリなどのハードウェアで構成されている。算出部６の一部をソフトウェアで構成してもよい。

以下、２次元センサアレイ面４１上への出射光Ｌの回折限界スポットの結像に寄与する被測定面７上の発光領域の大きさが一定となる撮像条件の詳細な意義について説明する。

２次元センサアレイ面４１上への出射光Ｌの回折限界スポットの結像に寄与する被測定面７上の発光領域の大きさは、回折限界スポットの大きさと、光学系３の焦点距離および被測定面７から光学系３までの撮像距離ｄから求まる光学系３の倍率と、に基づいて次式のように定まる。

数式（１）において、Ｓは、２次元センサアレイ面４１上への出射光Ｌの回折限界スポットの結像に寄与する被測定面７上の発光領域の大きさである。Ｒは、２次元センサアレイ面４１上に結像される出射光Ｌの回折限界スポットの大きさ、すなわち、エアリーディスクの大きさである。ｍは、光学系３すなわちレンズ３１の倍率である。Ｆ＃_{ｉｍａｇｅ}は、像側の光学系３のＦナンバーである。ｄは、既述した撮像距離である。ｆは、光学系３の焦点距離である。Ｆ＃_{ｓｕｒｆａｃｅ}は、被測定面７側（物体側）の光学系３のＦナンバーである。これらのパラメータの意義は、後述する数式（２）においても同様である。なお、数式（１）において、Ｆ＃_{ｉｍａｇｅ}／ｍすなわちＦ＃_{ｓｕｒｆａｃｅ}・ｄ／ｆは、Ｒ／ｍに比例するため、Ｆ＃_{ｉｍａｇｅ}／ｍもしくはＦ＃_{ｓｕｒｆａｃｅ}・ｄ／ｆを一定にするということは、Ｓを一定にすることと等価である。

ここで、図２に示すように、２次元センサアレイ面４１上には、被測定面７からの出射光Ｌが、ＰＳＦ（点像強度分布関数）にしたがって複数の画素４２に跨る回折限界スポットＰＳすなわち点像として結像する。なお、図２では、ＰＳＦにしたがった回折限界スポットＰＳの広がりを説明する便宜上、２次元センサアレイ４を図１よりも拡大して図示している。

このように、１つの画素４２を中心とする回折限界スポットＰＳは、その画素４２だけでなく隣接する他の画素４２でも受光されることから、１つの画素４２への回折限界スポットＰＳの結像には、被測定面７上の複数の発光点Ｐからの出射光Ｌが寄与していると考えることができる。

そして、２次元センサアレイ面４１上への出射光Ｌの回折限界スポットＰＳの結像に寄与する被測定面７上の発光領域は、複数の発光点Ｐの集合と考えることができる。したがって、発光領域の大きさは、図２に示すように、光学系３を通して２次元センサアレイ４側の回折限界スポットＰＳを被測定面７上に投射した像の大きさＳと考えることができる。なお、図２においては、被測定面７上への回折限界スポットＰＳの投射像を、ＰＳＦの投射像として表現している。図２に示される例において、被測定面７上への回折限界スポットＰＳの投射像は、回折限界スポットＰＳよりも大きいが、これは光学系３の倍率が関与していることによるものである。

本開示においては、このような回折限界スポットＰＳの結像に寄与する被測定面７上の発光領域の大きさＳが一定であれば、異なる撮像条件で撮像された出射光Ｌに基づくスペックルコントラストまたはスパークルコントラストの互換性を確保できることを見出した。当該互換性を確保できる理由は以下のとおりである。

画素４２上に入射する被測定面７上の各発光点Ｐからの出射光Ｌが、インコヒーレントまたはコヒーレントであっても拡散によって干渉性が低減されている場合、画素４２上において、被測定面７の各発光点Ｐからの出射光Ｌは殆ど干渉せず、単純な光の波面の重ね合わせが生じる。

この結果、画素４２に対応する被測定面７上の発光点Ｐの個数に応じて、スペックルまたはスパークルが平均化された回折限界スポット群が形成される。このスペックルまたはスパークルの平均化の度合いは、画素４２に対応する被測定面７上の発光点Ｐの個数、すなわち被測定面７上の発光領域の大きさＳに依存する。

したがって、被測定面７上の発光領域の大きさＳを一定にすれば、撮像条件が異なっていても、スペックルまたはスパークルの平均化の度合いが共通する殆ど同一のスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを得ることができる。

以上の理由によってスペックルコントラストまたはスパークルコントラストの互換性を確保できるため、撮像条件設定部５は、Ｓが一定となる撮像条件を設定し、算出部６は、Ｓが一定となる撮像条件で撮像された出射光Ｌに基づいてスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを算出する。すなわち、撮像条件設定部５は、Ｓが一定となるように撮像距離ｄおよび光学系３の焦点距離ｆの少なくとも一方を調整し、算出部６は、当該調整によって設定された撮像条件で撮像された出射光Ｌに基づいてスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを算出する。

このような構成によれば、異なる撮像条件で撮像された出射光Ｌに基づいて互換性を有するスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを得ることができるため、撮像条件の自由度を向上させることができる。

より詳しくは、算出部６は、第１の撮像条件に対して発光領域の大きさＳが同一となる第２の撮像条件で撮像された出射光Ｌに基づいて、第１の撮像条件で撮像される出射光Ｌに基づくスペックルコントラストまたはスパークルコントラストと同等のスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを算出することができる。

第１の撮像条件は、光学測定装置１の撮像距離の可動範囲内の撮像条件であってもよく、または、光学測定装置１の撮像距離の可動範囲を超える撮像条件であってもよい。

第１の撮像条件が光学測定装置１の撮像距離の可動範囲を超える撮像条件である場合には、光学測定装置１の撮像距離の可動範囲内の第２の撮像条件で撮像された出射光Ｌに基づいて、第１の撮像条件を設定した場合に代替するスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを算出することができる。これにより、スペックルコントラストまたはスパークルコントラストの測定に対する光学測定装置１の構造上の制約を緩和することができる。

第１の撮像条件が光学測定装置１の撮像距離の可動範囲内の撮像条件である場合には、第１の撮像条件および第２の撮像条件の双方を選択的に設定することで、第１の撮像条件の下で測定されたスペックルコントラストまたはスパークルコントラストと、第２の撮像条件の下で測定されたスペックルコントラストまたはスパークルコントラストとを、１台の光学測定装置１のみで適切に比較することができる。

なお、第２の撮像条件は、第１の撮像条件に対して撮像距離ｄが異なってもよい。この場合、撮像条件設定部５は、図４に示したように、撮像距離調整機構５２によって光学系３を光軸ＯＡ方向に移動させて撮像距離ｄを調整することで、第２の撮像条件または第２の撮像条件と第１の撮像条件との双方を設定することができる。

また、第２の撮像条件は、第１の撮像条件に対して光学系３の焦点距離が異なってもよい。この場合、撮像条件設定部５は、図３に示したように、レンズ交換機構５１によって撮像に用いるレンズ３１Ａ、３１Ｂを交換することで、第２の撮像条件または第２の撮像条件と第１の撮像条件との双方を設定することができる。この場合、レンズ３１Ａは、第１の撮像条件に対応する第１レンズとして機能し、レンズ３１Ｂは、第２の撮像条件に対応する第２レンズとして機能してもよい。

また、第２の撮像条件は、第１の撮像条件に対して光学系３のＦナンバーが異なってもよい。この場合、撮像条件設定部５は、図５に示したように、絞り調整機構５３によって絞り５３の開口３２１の大きさを調整することで、第２の撮像条件または第２の撮像条件と第１の撮像条件との双方を設定することができる。

ただし、第１の撮像条件と第２の撮像条件との間でＦナンバーを異ならせる場合、算出部６は、次式を満足する発光領域の大きさＳが一定となる撮像条件で撮像された出射光Ｌに基づいて、スペックルコントラストまたはスパークルコントラストを算出する。すなわち、撮像条件設定部５は、次式のＳが一定となるように光学系３のＦナンバーおよび必要に応じて更に撮像距離ｄ、光学系３の焦点距離ｆを調整し、算出部６は、当該調整によって設定された撮像条件で撮像された出射光Ｌに基づいてスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを算出する。

数式（３）において、Ｍは、統合パラメータである。Ａ_Ｃは、２次元センサアレイ面４１上のコヒーレント領域の大きさである。Ａ_Ｃは、２次元センサアレイ面４１上に結像される出射光Ｌの回折限界スポットの大きさ、すなわち、数式（２）のＲと等価である。Ａ_ｍは、２次元センサアレイ面４１の正方形の均一な検出素子の大きさである。Ａ_ｍは、図１に示した１つの画素４２の大きさに相当する。ｅｆｒは、標準誤差関数である。これらのパラメータの意義は、後述する数式（６）においても同様である。

数式（２）に示されるＳが一定となる撮像条件で撮像された出射光Ｌに基づいてスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを算出すれば、撮像条件として光学系３のＦナンバーが異なる場合でも、同等のスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを取得できる。

次に、上述のように構成された光学測定装置１の効果を実証するための実験例について説明する。実験例の説明に先立ち、先ず、参考例として、拡散されない完全なコヒーレント光を用いたスペックルコントラストの測定例について説明する。

（参考例）
図７は、きわめて高い時間的・空間的干渉性を有するコヒーレント光を用いたスペックルコントラストの測定系を示す図である。

図７の測定系は、コヒーレント光として波長５４３．７ｎｍのレーザ光を出射するＨｅ−Ｎｅレーザ１１と、レンズおよびピンホールを有するスペイシャルフィルタ１２と、スクリーン８０と、撮像カメラ１０とで構成されている。

スクリーン８０としては、ラブスフェア社製の拡散反射ターゲット：ＳＲＴ−９９−０５０を用いた。図７に示すように、スクリーン８０は、レーザ光の入射角が３０°になるようにＨｅ−Ｎｅレーザ１１から１．２ｍ離れた位置に配置した。撮像カメラ１０としては、撮像カメラＣＣＤ画素サイズが６．４５μｍ、焦点距離が５０ｍｍのレンズを選定した。また、スクリーン８０から撮像カメラ１０までの撮像距離ｄは、０．４ｍに固定した。

図７の測定系において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１１から出射されたレーザ光は、スペイシャルフィルタ１２において理想に近い球面波となるよう調整されたうえでスクリーン８０に照射され、スクリーン８０で拡散反射される。拡散反射されたレーザ光は、撮像カメラ１０で受光されてスペックルコントラストが測定される。

図７の測定例においては、撮像カメラ１０の光学系の実効Ｆナンバーを３．２から４２の範囲で変化させながら実効Ｆナンバー毎にスペックルコントラストを測定し、測定によって得られたスペックルコントラストの測定値を、以下に述べるスペックルコントラストの計算値と比較した。

スペックルコントラストの計算値は、以下の理論に基づいて計算された値である。図７のように、拡散されない完全なコヒーレント光を用いる場合、スペックルコントラストは、撮像カメラ１０の実効Ｆナンバーへの依存性が低い。これは、きわめて高い時間的・空間的干渉性を有するコヒーレント光を用いる場合には、撮像カメラ１０上のコヒーレント領域が非常に大きくなることによる。一方、既述した回折限界スポットの大きさＲとほぼ等価である平均スペックルサイズＲは、次式で示されるように、撮像カメラ１０の実効Ｆナンバーに依存する。

数式（５）において、λは、コヒーレント光の波長である。

スペックルは、撮像カメラ１０のセンサの複数の有限エリアにおいて統合される。この統合されたスペックルのスペックルコントラストは、次式で定義される。

なお、数式（６）の統合パタメータＭの詳細については、数式（３）で既に説明した。

図８は、数式（６）にしたがって計算されたスペックルコントラストの計算値と、図７の測定系によるスペックルコントラストの測定値とを比較した図である。図８において、測定値および計算値は、実効Ｆナンバーが４２の値を１として正規化した値である。

図８に示すように、スペックルコントラストの測定値は、計算値に整合することが分かる。

図８によれば、スペックルコントラストの実効Ｆナンバーへの依存性が低い（スペックルパターン強度の空間的な重ね合わせが成立しない）きわめて高い時間的・空間的干渉性を有するコヒーレント光を用いる場合においても、実効Ｆナンバーの変化に対してスペックルコントラストは一定とはならず、実効Ｆナンバーが小さくなるとスペックルコントラストが低下することが確認された。すなわち、図８によれば、画素内での平均化効果によってスペックルコントラストが低下することが実証された。

（実験例）
次に、図１の光学測定装置１の実験例として、拡散されたコヒーレント光を用いたスペックルコントラストの測定例について説明する。図９は、時間的に拡散状態を変化されたコヒーレント光を用いたスペックルコントラストの測定系を示す図である。

図９の測定系は、コヒーレント光として波長５３３ｎｍのレーザ光を出射するＳＨＧレーザ１１１と、回転ディフューザ１３と、スクリーン８０と、撮像カメラ１０とで構成されている。

回転ディフューザ１３は、ＳＨＧレーザ１１１から出射されたレーザ光を拡散させて干渉性を低減させる。直径約１ｃｍのスポット光として回転ディフューザ１３で拡散されたレーザ光は、回転ディフューザ１３から１．２ｍ離れたスクリーン８０上に照射される。スクリーン８０は、回転ディフューザ１３から照射された拡散光を撮像カメラ１０に向けて拡散反射させる。拡散反射された拡散光は、撮像カメラ１０で受光されてスペックルコントラストが測定される。

このように回転ディフューザ１３を用いる場合、センサ上での、異なるスペックルパターン強度の重ね合わせによる平均化効果が生じる。この場合、スペックルコントラストは次式で定義される。

数式（７）において、Ｋは、空間多重度の係数である。ＮＡ_{ｉｍａｇｅ}、ＮＡ_{ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ}は、それぞれスクリーン８０に対する撮像カメラ１０側およびＳＨＧレーザ１１１側の開口数である。

このようなスペックルコントラストの実測値を得るため、実験例では、先ず、上述した数式（１）にしたがった撮像条件の下での第１の測定として、図１０にしたがってＳが一定となるように実効ＦナンバーＦ＃_{ｉｍａｇｅ}と撮像距離ｄとの組合せを変化させ、組合せ毎の撮像条件で撮像されたレーザ光に基づくスペックルコントラストの測定を行った。なお、第１の測定では、撮像カメラ１０のレンズの焦点距離ｆは一定とした。

図１１は、第１の測定によるスペックルコントラストの測定結果を示す図である。具体的には、図１１において四角形のプロットで示された測定値が、第１の測定による測定値である。第１の測定による測定値の他にも、図１１には、図８に示したきわめて高い時間的・空間的干渉性を有するコヒーレント光を用いる場合の測定値および計算値が示されている。

図１１によれば、Ｓが一定となる撮像条件の下で、拡散されたコヒーレント光を用いてスペックルコントラストを測定する場合に、きわめて高い時間的・空間的干渉性を有するコヒーレント光を用いる場合と同様の測定結果が得られることが確認された。このことは、画素内の平均化効果によるスペックルコントラストの低下を除いたと仮定すれば、Ｓが一定の場合にスペックルコントラストが一定となることが実証されたことに相当する。

次に、実験例では、数式（１）にしたがった撮像条件の下での第２の測定として、焦点距離が異なる２つのレンズをそれぞれ用いてスペックルコントラストを測定した。２つのレンズの焦点距離ｆは、それぞれ３５ｍｍ、５０ｍｍである。また、焦点距離ｆ＝３５ｍｍのレンズに対応する撮像距離ｄは０．４２ｍｍ、焦点距離ｆ＝５０ｍｍのレンズに対応する撮像距離ｄは０．６２ｍとした。すなわち、第２の測定では、数式（１）のｄ／ｆを一定にすることでＳを一定にする。なお、第２の測定において、撮像カメラ１０のＣＣＤ画素サイズは９μｍとした。

図１２は、第２の測定の結果を示す図である。図１２に示すように、撮像条件が異なっていても、Ｓが一定であればスペックルコントラストが殆ど一致することが確認された。

以上の実験例により、Ｓを一定にすることによって同等のスペックルコントラストを得ることができるという光学測定装置１の効果が実証された。

一実施の形態をいくつかの具体例により説明してきたが、上述した具体例が一実施の形態を限定することを意図していない。上述した一実施の形態は、その他の様々な具体例で実施されることが可能であり、その要旨を逸脱しない範囲で、種々の構成の省略、置き換え、変更、或いは、更なる構成の追加を行うことができる。

以下、図面を参照しながら、他の具体例を説明していくことで上述した実施の形態を更に説明していく。以下の説明および以下の説明で用いる図面では、上述した具体例と同様に構成され得る部分について、上述の具体例における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いるとともに、重複する説明を省略する。

（第１の変形例）
図１３は、第１の変形例として、図１の光学測定装置１の変形例を示す図である。図１３に示される例において、光学系３、２次元センサアレイ４、撮像条件設定部５、算出部６から構成される光学測定装置１の本体部分は、筐体１０１内に収容されている。光学測定装置１は、更に、筐体１０１から表示装置８側に延びる支持部材１０２を有する。支持部材１０２は、防眩層９の表面である被測定面７と光学系３との間に一定の撮像距離を確保した状態で、被測定面７を有する対象物である防眩層９および表示装置８を支持している。図１３に示される例において、支持部材１０２は、表示装置８および防眩層９の一部に嵌合することで表示装置８および防眩層９を支持しているが、支持部材１０２の態様は図１３に限定されない。

図１３に示すように、支持部材１０２で表示装置８および防眩層９を支持する場合、被測定面７と光学系３との撮像距離ｄが自ずと制約される。

しかるに、数式（１）のＳが一定となるように撮像距離ｄ以外の撮像条件を設定することで、図１３の光学測定装置１で実現できない撮像距離ｄ（例えば支持部材１０２の寸法を上回る撮像距離）で撮像した出射光Ｌに基づくスペックルコントラストまたはスパークルコントラストと同等のスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを測定することができる。

（第２の変形例）
これまでは、被測定面７が表示装置８に積層された防眩層９の表面である例について説明した。これに対して、図１４に示すように、被測定面７は、バックライト装置１４の出射面であってもよい。図１４に示される例において、バックライト装置１４は、光源１４１と、光源１４１から出射された光を導光する導光板１４２と、導光板１４２の背面に積層された反射板１４３と、導光板１４２の前面に積層された拡散板１４４とで構成されている。被測定面７は、拡散板１４４の表面である。図１４に示される例において、バックライト装置はエッジライト方式であるが、光学測定装置１は、直下型方式のバックライト装置のスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを測定してもよい。

（第３の変形例）
また、図１５に示すように、被測定面７は、スクリーン１５の出射面であってもよい。図１５に示される例において、スクリーン１５は、プロジェクタ１６から投射されたコヒーレント光を画像として透過表示する装置である。なお、このようなプロジェクション光の測定時には、スペックルは発生するがスパークルは発生しない。スパークルコントラストの測定対象は、上述したように防眩層を有する直視型のディスプレイに限られる。

なお、以上において上述した実施の形態に対して適用可能な多数の変形例を説明してきたが、当然に、複数の変形例を適宜組み合わせて適用することも可能である。

１ 光学測定装置
７ 被測定面
４ ２次元センサアレイ
４１ ２次元センサアレイ面
６ 算出部

Claims (17)

1. スペックルコントラストまたはスパークルコントラストを測定する対象となる発光型の電子ディスプレイないし発光面の、被測定面からの出射光を結像させる光学系と、
   前記出射光が結像される２次元センサアレイ面を有し、前記出射光を撮像する２次元センサアレイと、
   前記２次元センサアレイ面上への前記出射光の回折限界スポットの結像に寄与する前記被測定面上の発光領域の大きさが一定となる撮像条件で撮像された前記出射光に基づいて、前記スペックルコントラストまたは前記スパークルコントラストを算出する算出部と、を備え、
   前記発光領域の大きさは、前記回折限界スポットの大きさと、前記光学系の焦点距離および前記被測定面から前記光学系までの撮像距離から求まる前記光学系の倍率と、に基づいて定まる、光学測定装置。
2. 前記算出部は、第１の撮像条件に対して前記発光領域の大きさが同一となる第２の撮像条件で撮像された前記出射光に基づいて、前記第１の撮像条件で撮像される出射光に基づくスペックルコントラストまたはスパークルコントラストと同等のスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを算出する、請求項１に記載の光学測定装置。
3. 前記第２の撮像条件は、前記第１の撮像条件に対して前記撮像距離が異なる、請求項２に記載の光学測定装置。
4. 前記第２の撮像条件は、前記第１の撮像条件に対して前記光学系の焦点距離が異なる、請求項２または３に記載の光学測定装置。
5. 前記第２の撮像条件は、前記第１の撮像条件に対して前記光学系のＦナンバーが異なる、請求項２〜４のいずれか１項に記載の光学測定装置。
6. 以下の数式を満足する前記発光領域の大きさが一定となるように前記撮像距離および前記光学系の焦点距離の少なくとも一方を調整する機構を備える、請求項１または２に記載の光学測定装置。
   但し、
   Ｓ：前記発光領域の大きさ
   Ｒ：前記回折限界スポットの大きさ
   ｍ：前記光学系の倍率
   Ｆ＃_{ｉｍａｇｅ}：像側の前記光学系のＦナンバー
   ｄ：前記撮像距離
   ｆ：前記光学系の焦点距離
   Ｆ＃_{ｓｕｒｆａｃｅ}：前記被測定面側の前記光学系のＦナンバー
7. 以下の数式を満足する前記発光領域の大きさが一定となるように前記撮像距離、前記光学系の焦点距離および前記光学系のＦナンバーの少なくとも１つを調整する機構を備える、請求項１または２に記載の光学測定装置。
   但し、
   Ｍ：統合パラメータ
   Ｓ：前記発光領域の大きさ
   Ｒ：前記回折限界スポットの大きさ
   ｍ：前記光学系の倍率
   Ｆ＃_{ｉｍａｇｅ}：像側の前記光学系のＦナンバー
   ｄ：前記撮像距離
   ｆ：前記光学系の焦点距離
   Ｆ＃_{ｓｕｒｆａｃｅ}：前記被測定面側の前記光学系のＦナンバー
   Ａ_Ｃ：前記２次元センサアレイ面上のコヒーレント領域の大きさ
   Ａ_ｍ：前記２次元センサアレイ面上の正方形の均一な検出素子の大きさ
   ｅｆｒ：標準誤差関数
8. 前記被測定面を有する対象物を支持する支持部材を更に備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学測定装置。
9. 前記算出部は、前記撮像距離の可動範囲を超える前記第１の撮像条件を代替した前記撮像距離の可動範囲内の前記第２の撮像条件の下で撮像された前記出射光に基づいて、前記第１の撮像条件の場合と同等のスペックルコントラストまたはスパークルコントラストを算出する、請求項２に記載の光学測定装置。
10. 前記光学系は、前記第１の撮像条件に対応する第１レンズと、前記第２の撮像条件に対応する第２レンズとを有する、請求項２〜５および９のいずれか１項に記載の光学測定装置。
11. 前記第１の撮像条件および前記第２の撮像条件のそれぞれを設定するように前記光学系を移動させる機構を備える、請求項２〜５、９および１０のいずれか１項に記載の光学測定装置。
12. 前記出射光は、インコヒーレント光またはコヒーレント光を拡散させた光である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学測定装置。
13. スペックルコントラストまたはスパークルコントラストを測定する対象となる発光型の電子ディスプレイないし発光面の、被測定面からの出射光を光学系で２次元センサアレイ面上に結像させて前記出射光を撮像する工程と、
    前記撮像された出射光に基づいて前記スペックルコントラストまたは前記スパークルコントラストを算出する工程と、を備え、
    前記スペックルコントラストまたは前記スパークルコントラストの算出は、前記２次元センサアレイ面上への前記出射光の回折限界スポットの結像に寄与する前記被測定面上の発光領域の大きさが一定となる撮像条件で撮像された前記出射光に基づいて行い、
    前記発光領域の大きさは、前記回折限界スポットの大きさと、前記光学系の焦点距離および前記被測定面から前記光学系までの撮像距離から求まる前記光学系の倍率と、に基づいて定まる、光学測定方法。
14. 前記出射光を撮像する工程は、
    前記被測定面上の発光領域の大きさが一定となる撮像条件を決定する工程と、
    前記決定された撮像条件を実現するために前記光学系を調整する工程と、を有する、請求項１３に記載の光学測定方法。
15. 前記被測定面は、防眩層を有する表示装置における前記防眩層の出射面である、請求項１３または１４に記載の光学測定方法。
16. 前記被測定面は、バックライト装置の出射面である、請求項１３または１４に記載の光学測定方法。
17. 前記被測定面は、プロジェクタから出射された光を投射するスクリーンの出射面である、請求項１３または１４に記載の光学測定方法。