JP2022174355A - 分光測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】適正な形状の分光応答度を有する分光測定器を提供する。【解決手段】被測定光を回折させる回折手段５０４と、回折手段で回折された被測定光を受光する二次元受光センサ５０６と、二次元受光センサの積算画素範囲を波長毎に異なる範囲に設定して、被測定光の受光量を積算演算することにより分光データを取得する分光データ取得手段７００を備えている。【選択図】図７

Description

この発明は、光源の輝度や色度、物体の分光反射率や色彩値等の測定に用いられる分光測定器に関する。

例えば液晶モニター等のディスプレイ装置は解像度が大きくなっており、このようなディスプレイ装置の輝度や色度等を精度良く測定するために、分光測定器の特性として分光応答度が重要になっている。

分光応答度は、横軸を波長としたときのラインセンサの各画素の受光強度を示すものである。このような分光応答度の形状は、左右対称で滑らかであることが望ましい。図２０（Ａ）に例示したような非対称である場合や、同図（Ｂ）に示すようにいびつな形状である場合等、分光応答度の形状が適切でない場合は、輝度・色度の測定データに誤差が生じる恐れがある。分光応答度の形状は、光学系の性能、例えばレンズ性能（収差）や回折格子の性能（収差）に依存し、図２０（Ａ）の波形の原因は主にレンズ収差に起因しており、同図（Ｂ）の波形の原因は主にピンボケの影響に起因している。

また、分光応答度の形状は、波長に依らず同じ形状であることが望ましい。図１４に例示するように波長によって形状が異なると、やはり輝度・色度の測定データに誤差が生じる恐れがある。なお、図１４は３８０ｎｍ、４８０ｎｍ、５８０ｎｍ、６８０ｎｍ、７８０ｎｍの各値を横軸の０にとって、各波長の分光応答度を重ねた状態を示している。

なお、特許文献１には、二次元センサと、２組の回折格子とトロイダル鏡を備え、２種類の分光条件（波長範囲の異なる条件や、半値幅の異なる条件）での受光を特徴とする分光器が開示されている。具体的には、１個の入射スリット（長方形）からの出射光を、２つの光路に分割し受光し、回折格子を異なる角度で配置することで、異なる波長範囲の受光を行い（半値幅は同じである）、溝本数の異なる回折格子で、波長分解能・半値幅の異なる受光を行う（波長範囲も異なる）というものである。

特開平９－１４５４７７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の分光器では、分光応答度の形状を改善する技術ではなく、適正な形状の分光応答度を有する分光測定器を実現しうるものではない。

この発明はこのような技術的背景に鑑みてなされたものであって、適正な形状の分光応答度を有する分光測定器を提供することを目的とする。

上記目的は以下の手段によって達成される。
（１）被測定光を回折させる回折手段と、前記回折手段で回折された被測定光を受光する二次元受光センサと、前記二次元受光センサの積算画素範囲を波長毎に異なる範囲に設定して、被測定光の受光量を積算演算することにより分光データを取得する分光データ取得手段と、を備えたことを特徴とする分光測定器。
（２）前記積算画素範囲は、前記二次元受光センサまでの光路に配置された少なくとも一個の光学系部品の光学特性に応じて設定される前項１に記載の分光測定器。
（３）前記積算画素範囲は１つの範囲からなり、当該範囲に属する前記二次元受光センサの画素数を変更することによって調整される前項１または２に記載の分光測定器。
（４）前記積算画素範囲は複数の範囲で構成される前項１または２に記載の分光測定器。
（５）光バンドルファイバーを備え、前記回折手段は、前記光バンドルファイバーで導光され、入射スリットを兼ねる前記光バンドルファイバーの出力端から放射された被測定光を回折させる前項１～４のいずれかに記載の分光測定器。
（６）単線光ファイバーと、該単線光ファイバーの出口近傍に配置された入射スリットを備え、前記回折手段は、前記単線光ファイバーで導光され、単線光ファイバーの出力端から放射された前記入射スリットを通過した被測定光を回折させる前項１～４のいずれかに記載の分光測定器。

前項（１）に記載の発明によれば、二次元受光センサの積算画素範囲を波長毎に異なる範囲に設定して、被測定光の受光量を積算演算することにより分光データを取得するから、波長毎に最適な積算画素範囲、換言すれば各波長の分光応答度が左右対称でかつ形状も同じになるように、積算画素範囲を設定することができる。このため、輝度・色度の測定データに誤差が生じるのを防止することができ、精度の高い分光測定を行うことができる。

前項（２）に記載の発明によれば、積算画素範囲は、前記二次元受光センサまでの光路に配置された少なくとも一個の光学系部品の光学特性に応じて設定されるから、光学系部品の影響を受けることなく、適正な分光応答度の形状を実現することができる。

前項（３）に記載の発明によれば、１つの積算画素範囲に属する二次元受光センサの画素数を調整することにより、波長毎に最適な積算画素範囲を設定でき、適正な分光応答度の形状を実現することができる。

前項（４）に記載の発明によれば、積算画素範囲を複数の範囲で構成することによって波長毎に最適な積算画素範囲を設定でき、適正な分光応答度の形状を実現することができる。

前項（５）に記載の発明によれば、光バンドルファイバーで導光され、入射スリットを兼ねる光バンドルファイバーの出力端から放射された被測定光を回折手段で回折させる分光測定装置において、適正な分光応答度の形状を実現することができる。

前項（６）に記載の発明によれば、単線光ファイバーで導光され、単線光ファイバーの出力端から放射された前記入射スリットを通過した被測定光を回折手段で回折させる分光測定装置において、適正な分光応答度の形状を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る分光測定器の基本構成の一例を示す図である。 バンドルファイバーの斜視図である。 二次元受光センサ面上での輝線（特定の波長の光）の受光データの分布イメージを示す図である。 二次元受光センサ面上での各波長の受光データの分布イメージを示す図である。 （Ａ）～（Ｅ）は積算領域の一例を示す図である。 （Ａ）～（Ｃ）は、中央波長（５８０ｎｍ）についての積算領域と得られる分光応答度の関係を示す図である。 （Ａ）～（Ｃ）は、波長３８０ｎｍについての積算領域と分光応答度の関係を示す図である。 単線ファイバーと入射スリットを組み合わせた分光輝度計の基本構成を示す図である。 分光部の光学性能（収差性能）が波長により異なることを説明するための図である。 単線ファイバーの出口端に対する入射スリットの形状の一例を示す図である。 図１０の形状の入射スリットを用いた場合の、二次元受光センサに対して設定される積算領域の一例を示す図である。 （Ａ）～（Ｃ）は、図１１に示した積算領域Ａを設定した場合の各波長についての分光応答度を示すグラフである。 （Ａ）（Ｂ）は、図１１に示した積算領域Ａを設定した場合の他の波長についての分光応答度を示すグラフである。 図１２及び図１３に示した各波長についての分光応答度をまとめたグラフである。 （Ａ）～（Ｃ）は、波長５８０ｎｍについて積算領域の設定例を示す図である。 図１５の各積算領域で得られた分光応答度を示すグラフである。 （Ａ）～（Ｃ）は、各波長について最適な積算領域を設定したときの分光応答度を示すグラフである。 （Ａ）（Ｂ）は、他の波長について最適な積算領域を設定したときの分光応答度を示すグラフである。 図１７及び図１８に示した各波長について最適な積算領域を設定したときの分光応答度をまとめたグラフである。 従来の課題を説明するための図である。

以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る分光測定器である分光輝度計の基本構成を示す図である。図１に示すように、分光測定器１は、受光光学系１００と、観察光学系２００と、測定光学系３００と、信号処理回路６００と、演算処理部７００を備えており、測定光学系３００はさらに導光部４００と分光部５００を備えている。

受光光学系１００は、光源からなる被測定物２からの光束３を受光して、測定光学系３００の導光部４００及び観察光学系２００へと導くものであり、被測定物２からの光束３を集光する対物レンズ１０１と、対物レンズ１０１の後方（光束３の進行方向の前方）に配置された測定光量規制用の開口絞り１０２と、さらに開口絞り１０２の後方に配置されたアパーチャーミラー１０３を備えている。

アパーチャーミラー１０３は、光束３の導光部４００への入射光路中に配置され、対物レンズ１０１で集光された光束３を通過させる開口を備えるミラーである。対物レンズ１０１からの光束のうち、被測定物２の測光エリアからの光束はアパーチャーミラー１０３の前記開口を通過して後段の導光部４００へ直進されるが、測光エリア外の光束についてはアパーチャーミラー１０３によって反射され、観察光学系２００内の反射ミラー２０１及び観察リレーレンズ２０２を含むレンズ群を経て、使用者の瞳へ導かれる。使用者は、観察光学系２００から、被測定物２と指標円（アパーチャーミラーで反射されない領域であり、使用者は黒色と見える）を視認し、測定位置合わせとピント合わせを行う。ピント合わせは対物レンズ１０１の全群または一部のレンズ群を移動させることで、アパーチャーミラー位置に焦点を合わせる。開口絞り１０２はピント合わせを行っても測定光の開口角（Ｆナンバー）は変化しない。なお、アパーチャーミラー１０３の穴サイズは手動又は自動で変更可能に構成されても良い。穴サイズを変更することで測定角（測定サイズ）の変更ができる。

測定光学系３００における導光部４００は、アパーチャーミラー１０３の開口部を通過した光束を集光する集光レンズ４０１と、集光レンズ４０１を通過した光束を分光部５００へと導光する光バンドルファイバー（単にバンドルファイバーともいう）４０２を備えており、この実施形態ではバンドルファイバー４０２の出力端（出口端面であり、入力部に相当する）が入射スリット５０１を兼ねている。なお、バンドルファイバー４０２の出側にバンドルファイバー４０２とは別の入射スリット５０１を配置しても良い。

測定光学系３００における分光部５００は、バンドルファイバー４０２の出力端から入射された光束を概ね平行光にするコリメータレンズ５０２と、コリメータレンズ５０２の後方に順に配置された赤外光カットフィルター５１０、減光部材５２０、矩形の開口部を有する絞り（図示せず）と、絞りの開口部を通過した平行光を回折させる回折格子５０４と、結像レンズ５０５と、回折格子５０４による回折光を結像レンズ５０５を介して受光する二次元受光センサ５０６と、二次元受光センサ５０６の一部前方に配置された２次光カットフィルター５０７等を備えている。減光部材５２０は、受光光量の調節用であり、駆動部５２１により光路に対して挿入退出可能に駆動されるようになっている。

絞りは、コリメータレンズ５０２からの平行光の光量を回折格子５０４の大きさに合わせて規制するものであり、結像レンズ５０５は回折格子５０４で波長分散された光線を二次元受光センサ５０６に結像させるものである。

図２に示すように、バンドルファイバー４０２の入力端４０２ａの形状は円形であり、出力端４０２ｂの形状が長方形であり、入力端４０２ａと出力端４０２ｂの面積は同じである。

二次元受光センサ５０６は図３に示すように、波長の分散方向（以下の説明では縦方向ということもある）及び波長の分散方向と直交する方向（以下の説明では横方向ということもある）に二次元配列された多数の画素５０６ａを有するもので、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサやＣＭＯＳ（Complementary MOS）センサ等により構成されている。二次元受光センサ５０６の画素５０６ａ毎の受光データは、信号処理回路６００に送信されて信号処理され、さらに演算処理部（分光データ取得手段に相当）７００へ転送されて、被測定物２の分光データが得られる。この実施形態では、例えば、有効画素＝波長の分散方向（縦方向）に５１２画素×波長の分散方向と直交する方向（横方向）に１２２画素のセンサ５０６が用いられている。ただし、実際の演算範囲は縦方向５００画素×横方向１００画素に設定されている。図４以降に示す二次元受光センサ５０６についても同様である。

図３に、二次元受光センサ５０６面上での輝線（特定の波長の光）の受光データの分布イメージ図を示す。バンドルファイバー４０２の出力端４０２ｂの形状に対応した受光エリア５０７となっている。

また、各波長の受光データの分布イメージを図４に示す。光学系の性能が良い場合、図４（Ａ）に示すように、各波長の受光エリア５０８ａ～５０８ｅはいずれも長方形状になっている。一方、光学系の性能が悪い場合、図４（Ｂ）に示すように、中央の波長（５８０ｎｍ）については、光学系の中心（軸上）を通過するので光学性能（収差性能）が良く、受光エリア５０８ｃは長方形状になっているが、周辺波長（短波長（例えば４８０ｎｍ、３８０ｎｍ）、長波長（例えば６８０ｎｍ、７８０ｎｍ））は、光学系の周辺（軸外）を通過するので性能が低下し、非点収差・湾曲収差・歪曲収差などが発生するため、受光エリア５０８ａ、５０８ｂ、５０８ｄ、５０８ｅは“弓なり”形状となる。

そこで、この実施形態では、横方向に配列された画素５０６ａの積算領域、つまり横方向の積算画素範囲を、積算される画素５０６ａの数や位置を変えることにより波長毎に設定している。図５に積算領域の一例を示す。図５（Ａ）～（Ｅ）では、積算領域を細線で示している。

図５（Ａ）の積算領域Ａは、横方向の全画素（１００画素）についての１つの積算領域であり、図５（Ｂ）の積算領域Ｂは左右両側の端部領域の画素についての２つの積算領域であり、図５（Ｃ）の積算領域Ｃは左右両側のそれぞれ中央部領域の画素についての２つの積算領域である。図５（Ｄ）の積算領域Ｄは左右両側の端部を除く領域の画素についての１つの積算領域であり、図５（Ｅ）の積算領域Ｅは左側領域における一部の画素についての１つの積算領域である。各積算領域における各画素での受光量を演算処理部７００で積算演算する。

各波長の積算領域について説明すると、中央波長（５８０ｎｍ）については、図６（Ａ）左図に示すように、横方向の全画素について１つの積算領域Ａ１を設定した場合であっても、図６（Ｂ）左図に示すように、横方向中央部の画素について１つの積算領域Ａ２を設定した場合であっても、図６（Ｃ）左図に示すように、左右両側のそれぞれ一部に２つの積算領域Ａ３を設定した場合であっても、各右図に分光応答度を示すように、５８０ｎｍを中心として比較的対称な形状の分光応答度が得られる。つまり、中央波長（５８０ｎｍ）に対応する画素については、演算領域を問わず、比較的対称な形状の分光応答度が得られる。

これに対し、短波長、長波長については、前述したように受光エリアは“弓なり”形状となっているため、積算領域の設定の仕方によって分光応答度の形状が異なるものとなる。波長３８０ｎｍについて積算領域と分光応答度の関係を図７に示す。

図７（Ａ）左図に示すように、横方向の全画素について１つの積算領域Ａ１を設定した場合、重心位置がずれているため分光応答度は同右図に示すように非対称な形状となる。図７（Ｂ）左図に示すように、横方向の中央部の画素について１つの積算領域Ａ２を設定した場合、分光応答度は同右図に示すように比較的対称な形状となる。図７（Ｃ）左図に示すように、左右両側のそれぞれ一部に２つの積算領域Ａ３を設定した場合は、分光応答度は同右図に示すように若干非対称な形状となる。従って、波長３８０ｎｍについては、図７（Ｂ）左図に示すように、横方向の中央部の画素について積算領域Ａ２を設定することで、左右対称形状となり、しかも波長５８０ｎｍの場合の分光応答度と形状を揃えた分光応答度を得ることができる。

このようにして、光学系の性能に応じて波長毎に最適な積算領域を予め設定しておくことで、形状が対称で各波長と形状が同じ分光応答度を得ることができる。従って、この設定された積算領域で受光データを測定することにより、波長にかかわらず同じ条件（分光応答度）での分光データが得られ、輝度・色度の測定データに誤差が生じるのを防止することができ、精度の良い分光測定を行うことができる。

上記の実施形態では、バンドルファイバー４０２の出力端４０２ｂが入射スリットの役目を果たし、出力端４０２ｂの形状を長方形状に設定した場合を示した。しかし、バンドルファイバー４０２に代えて単線ファイバーと入射スリットの組み合わせにおいて、入射スリットの形状を設定しても良い。

図８は、このような単線ファイバーと入射スリットを組み合わせた分光輝度計の基本構成を示す図である。

図８に示す分光輝度計は、導光部４００に単線ファイバー４１０を備えるとともに、単線ファイバー４１０の出力端（出口端面）がスリット部材５３１により形成された入射スリット（入力部に相当）５３０の近傍に配置されている。

分光部５００は、入射スリット５３０から入射された光束を受光する赤外光カットフィルター５１０と、減光部材５２０と、照射レンズを兼ねる結像レンズ５０５と、結像レンズの後方に配置された回折格子５０４と、回折格子５０４による回折光を結像レンズ５０５を介して受光する二次元受光センサ５０６と、二次元受光センサ５０６の一部前方に配置された２次光カットフィルター５０７等を備えている。減光部材５２０は、受光光量の調節用であり、駆動部５２１により光路に対して挿入退出可能に駆動されるようになっている。この実施形態では、照射レンズと結像レンズ５０５を１個のレンズで構成しているため、安価でコンパクトな構成となっている。なお、図８の分光輝度計の他の構成は図１に示した分光輝度計の構成と同じであるため説明は省略する。

分光部５００は、入射スリット５３０からの光束を、概ね平行光で回折格子５０４へ照射し、回折格子５０４で波長分散された光線を、二次元受光センサ５０６で受光する。二次元受光センサ５０６は例えば３８０～７８０ｎｍの波長範囲で受光される。

分光部５００の光学性能（収差性能）は、波長により異なる。例えば図９に示すように、短波長（３８０ｎｍ）で、二次元受光センサ５０６にピントが合うように設計された光学系では、波長間の性能差（色収差）により、中波長（５８０ｎｍ）では大きくピンボケし、長波長（７８０ｎｍ）では少しピンボケするような光学構成があげられる。

単線ファイバー４１０は、この実施形態では直径φ１．０ｍｍのものが使用されている。単線ファイバー４１０を使用する目的は、測定光の偏光特性、測定エリアの位置特性（位置ムラ）、配光特性（指向性ムラ）をミキシングするためであり、単線ファイバー４１０の出口で特性の偏りをなくすことで、出口径よりも小さな入射スリット５３０を配置しても正確な測定ができ、また、入射スリット面内の位置によらず正確な測定ができる。

単線ファイバー４１０は長ければ長いほどミキシング効果が高く、出口での特性ムラが少ない。この実施形態では、直径φ１．０ｍｍ、長さ５００ｍｍの樹脂製ファイバーを使用し、巻いた状態で配置されている。

この実施形態では、単線ファイバー４１０の出口近傍に機械的に動作する絞り（メカ絞り）を配置することにより、入射スリット５３０の形状を所定の形状とする。メカ絞りであるため複雑な形状であっても安価で済む。

図１０に示すように、単線ファイバー４１０の出口端４１０ａに対して、メカ絞りにより入射スリット５３０の形状を長方形状に設定した。

図１０に示した単線ファイバー４１０と入射スリット５３０を組み合わせた場合において、図１１に示すように、横方向中央部における受光エリア５０７の全画素を積算領域Ａに設定した場合の各波長の分光応答度を、図１２及び図１３に示す。図１２（Ａ）～（Ｃ）はそれぞれ波長が３８０ｎｍ、４８０ｎｍ、５８０ｎｍについての分光応答度を示し、図１３（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ波長が６８０ｎｍ、７８０ｎｍについての分光応答度を示している。これらに示した分光応答度には形状が非対称のものもある。また各波長の分光応答度を１つのグラフにまとめた図１４に示すように、波長によって分光応答度の形状が異なっている。

そこで、この実施形態では、波長３８０ｎｍで最も性能が良くなる光学系を構成しているものとし、波長３８０ｎｍについての分光応答度に近似した分光応答度の波形となるように、他の波長についての積算領域を設定するものとする。波長５８０ｎｍについての積算領域の設定について説明すると、図１５（Ａ）に示すように、横方向の中央部の受光エリア５０７の全域の画素について１つの積算領域Ａ４を設定した場合と、図１５（Ｂ）に示すように、横方向の中央部を挟んで受光エリア５０７の両端部の画素について２つの積算領域Ａ５を設定した場合と、図１５（Ｃ）に示すように、横方向の中央部を除く受光エリア５０７の一部の画素について１つの積算領域Ａ６を設定した場合とで、それぞれ得られた分光応答度を図１６に示す。

図１６に示した分光応答度から理解されるように、同じ波長であっても異なる積算領域を設定することで、分光応答度の波形は異なり、図１５（Ｂ）に示した積算領域Ａ５の場合に、分光応答度の形状が波長３８０ｎｍについての分光応答度に近似した形状となる。このため、波長５８０ｎｍについては積算領域Ａ５を設定する。

同様にして、各波長について最適な積算領域を設定したときの分光応答度を、図１７及び図１８に示す。図１７（Ａ）は波長３８０ｎｍについての分光応答度であり、この実施形態では前述したようにこの波形を基準とし、積算領域は図１５（Ａ）に示した積算領域Ａ４である。図１７（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ波長が４８０ｎｍ、５８０ｎｍについての分光応答度を示し、図１８（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ波長が６８０ｎｍ、７８０ｎｍについての分光応答度を示している。３８０ｎｍ以外の波長については、図１５（Ａ）に示した積算領域Ａ４とは異なる最適な積算領域を新たに設定することで、波長３８０ｎｍについての分光応答度と概ね同じ形状の分光応答度を得ている。各図において、破線で示した分光応答度が、新たに設定された積算領域で演算することにより得られた分光応答度である。新たに得られた各分光応答度を重ね合わせると、図１９に示すようにほぼ同じ形状となる。

このように、単線ファイバー４１０と入射スリット５３０を組み合わせた場合においても、光学系の性能に応じて波長毎に最適な積算領域を予め設定しておくことで、各波長について形状が対称で形状が同じ分光応答度を得ることができる。従って、この設定された積算領域で受光データを測定することにより、波長にかかわらず同じ条件（分光応答度）での分光データが得られ、輝度・色度の測定データに誤差が生じるのを防止することができ、精度の良い分光測定を行うことができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることはない。例えば、分光部５００において二次元受光センサ５０６までの光路に配置された少なくとも一個の光学系部品の光学特性に変化が生じた場合、分光応答度も変化するから、積算領域も新たに設定しても良い。例えば、光路中における減光部材５２０の有無により分光応答度も変化するから、減光部材５２０が有るときと無いときで、それぞれ別の積算領域を設定しておき、減光部材５２０が有るときと無いときに応じて、積算領域を切り替えても良い。

１ 分光測定器
２ 測定対象物
３ 被測定光
１００ 受光光学系
２００ 観察光学系
３００ 測定光学系
４００ 導光部
４０２ バンドルファイバー
４０２ａ 出力端
５００ 分光部
５０４ 回折格子
５０６ 二次元受光センサ
５０６ａ 画素
５０７、５０８ａ～５０８ｅ 受光エリア
５３０ 入射スリット
７００ 演算処理部（データ取得手段）

Claims (6)

1. 被測定光を回折させる回折手段と、
   前記回折手段で回折された被測定光を受光する二次元受光センサと、
   前記二次元受光センサの積算画素範囲を波長毎に異なる範囲に設定して、被測定光の受光量を積算演算することにより分光データを取得する分光データ取得手段と、
   を備えたことを特徴とする分光測定器。
2. 前記積算画素範囲は、前記二次元受光センサまでの光路に配置された少なくとも一個の光学系部品の光学特性に応じて設定される請求項１に記載の分光測定器。
3. 前記積算画素範囲は１つの範囲からなり、当該範囲に属する前記二次元受光センサの画素数を変更することによって調整される請求項１または２に記載の分光測定器。
4. 前記積算画素範囲は複数の範囲で構成される請求項１または２に記載の分光測定器。
5. 光バンドルファイバーを備え、
   前記回折手段は、前記光バンドルファイバーで導光され、入射スリットを兼ねる前記光バンドルファイバーの出力端から放射された被測定光を回折させる請求項１～４のいずれかに記載の分光測定器。
6. 単線光ファイバーと、該単線光ファイバーの出口近傍に配置された入射スリットを備え、
   前記回折手段は、前記単線光ファイバーで導光され、単線光ファイバーの出力端から放射された前記入射スリットを通過した被測定光を回折させる請求項１～４のいずれかに記載の分光測定器。
   
   

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