JP2022509387A - 材料の光学特性を測定するための光学装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、試料（２０）の周囲の空間のすべての球面方向からの入射光に対する試料（２０）からの反射光（ＢＲＤＦ）および透過光（ＢＴＤＦ）の少なくとも一方を測定する光学装置に関しており、光学装置は、光源（３０）と、球面座標における入射光の方向（θ_in，φ_in）および球面座標における反射光の方向（θ_out，φ_out）の少なくとも１つを測定するように構成されたゴニオフォトメータとを備え、光学装置は、分散型スクリーン（４０）とマルチセンサーイメージングデバイスとを更に備えており、ゴニオフォトメータは、光源（３０）を支持するように構成された第１関節アーム（１１０）と、試料（２０）または試料ホルダー（１０）を支持するように構成された第２関節アーム（１２０）とを有している。

Description

本発明は、材料の光学特性、詳細には光と物質との相互作用を測定するための光学分野に関し、特に、表面の反射または透過を特徴付ける必要がある合成画像を生成するためのレンダリング問題に関する。

レンダリング（テクスチャリングとも呼ばれる）は、３Ｄモデリングソフトウェアで作成された、オブジェクトと光源とを含むシーンを特定の視点から見たときの２Ｄ画像を計算するコンピュータプロセスである。

今回提案する装置による材料の光学特性の測定によって、材質の反射または透過から見え方の予測を行った合成画像を作ることが可能となり、特に自動車、建築、宝石、家具、装飾、太陽光発電パネル、眼鏡用ソーラーグラス、熱建築などの分野で有用となる。この明細書中では、入射光のスペクトルは本質的に可視であり、「可視」とは２５０ｎｍ（紫外）から２５００ｎｍ（近赤外）の間のスペクトルウィンドウを意味する。以下の説明では、簡潔にするために「可視」という用語は省略される。

物体に光源を当てると、物体は、光を反射したり、透過したり、吸収したりする。光と物体との相互作用は、物体を構成する材料の光学的特性によって決まる複雑なものである。このような光学特性を調べるために、カメラを使ったソリューションが存在するが、カメラは赤、緑、青の３色（英語ではＲＧＢ）で動作するため、この３つの波長範囲以外のスペクトル分析は行えない。材料の光学特性は、双方向反射率（ＢＲＤＦ：Bidirectional Reflectance Distribution Function）と双方向透過率（ＢＴＤＦ：Bidirectional Transmittance Distribution Function）という形式で表される。

ＢＲＤＦを測定するために、円弧状のアームに光源が取り付けられる。アームは回転および並進が可能であり、光源がペイントの平面上の点を中心とする半球の外周上の任意の点をカバーすることができる点がUS2016161330から知られている。しかし、この文献には、本発明の意味での分光測定は開示されていない。さらに、光源とカメラとの相対的な位置関係は、円弧状のアームの形状によって制約されている。また、文献DE102008046988、FR2818377、FR2858412も知られているが、いずれも本発明による多関節アームの６自由度を提案していない。

本明細書では、材料の試料（以下、簡略化のために「試料」または「材料」と呼ぶ）のＢＲＤＦおよびＢＴＤＦの少なくとも一方を測定することによって、光学的に特性評価する光学測定装置を提案する。

ＢＲＤＦとＢＴＤＦとは、以下の８つのパラメータに依存する数学的な関数である。
・球面座標系における入射光の方向であるθ_in（天頂角）とφ_in（方位角）との２つの値で特徴付けられる材料の照明角度
・反射光の方向を球面座標系で表したθ_out（天頂角）とφ_out（方位角）との２つの値で特徴付けられる材料の視野角
・入射波長λ
・材料境界線上の点の（ｘ，ｙ）位置
・ミューラー行列で形式化することができる光のｐ偏光

ＢＲＤＦおよびＢＴＤＦは、物体を観察する角度と、光を当てる角度とによって、その物体の見え方を予測する。ＢＲＤＦは、物質による光の吸収を考慮して、正規化しない（エネルギーを節約しない）確率的な分布関数である。上記の８つのパラメータのうち、少なくともφ_in，φ_out，θ_in，θ_out，λの５つのパラメータを細かくサンプリングするため、光源または材料の光学特性の測定には、通常、時間がかかる。このサンプリングは、古典的には、分光ゴニオフォトメータを用いて行われ、試料からの反射光を空間内のすべての方向からポイントごとに測定する。測定時間は数日単位かかる。そのため、産業界での利用は難しいとされている。

一方、今回提案する光学測定装置は、所定の方法で空間的に配置された複数のセンサーを用いて、試料からの反射光または透過光を、試料の周囲にある複数の点（各点はそれぞれのセンサーに対応する）から同時に測定することができる。この場合に、反射光の放射、輝度、スペクトルの測定が可能なハイパースペクトルカメラのセンサーを使用する。

ハイパースペクトルカメラは、分光器を備えた従来のカメラと似ているが，一度に１列分の画像を取得する点が異なる。分光器とは、レンズおよび分散素子で構成され、光をさまざまな成分に分離する道具である。そして、それぞれの成分には、その波長が割り当てられる。そこで本発明では、複数のセンサーを用いて、対象となる材料の周囲に出射される光を、大きなスペクトルウィンドウで同時に測定することができる。この装置により、測定時間の短縮が可能になる。

本発明は、試料（２０）の材料による反射光（ＢＲＤＦ）と透過光（ＢＴＤＦ）との少なくとも一方を、入射光の球面方向ごとに、試料（２０）の周囲の空間のすべての球面方向で構成して、材料の光学特性を測定する光学装置である。

当該装置は、光源（３０）と、球面座標における入射光の方向（θ_in, φ_in）および球面座標における反射光の方向（θ_out, φ_out）の少なくとも１つを測定するように構成されたゴニオフォトメータとを備えており、一連の層にわたって観察されるシーン内の一連の点に入射する光の発光スペクトルを決定するように構成されているマルチセンサーイメージングデバイスをさらに備え、ゴニオフォトメータは、３次元の空間にあって、光源（３０）を支持するように構成された第１関節アーム（１１０）と、３次元の空間にあって、試料（２０）または試料ホルダー（１０）を支持するように構成された第２関節アーム（１２０）とを有しているセル（１００）にて構成されており、第１関節アーム（１１０）と第２関節アーム（１２０）との相対的な方向性を制御することができるという本質的な特徴があり、本装置は、任意で、試料（２０）をさらに含む。

１つの実施形態として、光学装置は、分散型スクリーン（４０）をさらに備え、その位置および空間的向きは調整可能である。

ある実施形態では、光学装置は、幾何学的キャリブレーションステップの間に試料（２０）の代わりに配置された鏡面反射要素の座標点（ｘ，ｙ）と分散型スクリーン（４０）上での反射との間の複数の入射に対する対応関係を有する第１の対応表、幾何学的キャリブレーションから算出された乗算係数を有する第２のルックアップテーブル、および、ハイパースペクトルカメラ（５０）の座標（Ｕ，Ｖ）のピクセルと対応する値（θ_in、φ_in、θ_out、φ_out；ｘ，ｙ）との対応関係を有する第３のルックアップテーブルの少なくとも１つを保存したメモリをさらに備えており、セル（１００）は、任意に、存在を検知すると、光源（３０）、第１関節アーム（１１０）、第２関節アーム（１２０）のうち、少なくとも１つを抑制するように構成された走査型レーザー、および、光源（３０）またはマルチセンサーイメージングデバイスと一体化した、任意に可変の偏光軸を持つ偏光フィルタの少なくとも１つをさらに備えている。

ある実施形態では、光学装置は、マルチセンサーイメージングデバイスによって観察されるシーンが、分散型スクリーン（４０）または試料（２０）のいずれかであるように構成されている。

光源（３０）は、０．１ｍｍ～２０ｍｍの間の等価直径の円形断面を有し、任意に変更可能で、最大１，０００，０００ルクスを生成することができる入射光ビーム（７０）を出射するように構成されている。

光源（３０）は、１つが白色光、１つが深紅色光、１つが紫色光を発し、可視光全体にわたって発光する隣接する３つ以上のＬＥＤの組、または、半反射ブレードによってそれぞれのビームが混合される複数のＬＥＤのいずれかを有し、任意に、システムオンチップ（ＳＯＣ）として構成されることが想定される。

分散型スクリーンは、ランバート反射率が高いフッ素樹脂コーティングを有することが提供され得る。

分散型スクリーンの向きは可変である。例えば、画面は回転可能な場所に配置されている。好ましくは、分散型スクリーンの位置は、すべての光の入射に対して向きが同じである一連の測定の前に、一度だけ固定される。

マルチセンサーイメージングデバイスはハイパースペクトルカメラ（５０）であることが想定される。好ましくは、ハイパースペクトルカメラ（５０）は、入射光または反射光のスペクトル分解を可能にする波長分割装置を備えている。

ハイパースペクトルカメラ（５０）は、分散型スクリーン（４０）または試料（２０）を列ごとに観察して、ハイパースペクトル画像の各ピクセルにおけるスペクトル、輝度、および放射を決定するように構成されている。

本発明による装置は、試料に関連する基準フレーム内の一連の点（ｘ，ｙ）について、入射光の値(θ_in, φ_in)と反射光の値(θ_out, φ_out)とから試料（２０）への法線のマップ、および、点ＢＲＤＦの集合体であって、試料（２０）のテクスチャの各ピクセルはそれぞれ点ＢＲＤＦの１つによって特徴付けられるテクスチャ・グローバルＢＲＤＦのうちの少なくとも１つを演算するように構成されたコンピュータをさらに備えることが想定される。

本発明は、かなり高い角度分解能があるので、試料の鏡面性のピーク付近で光がどのように反射されるかを判断することができる。

本発明は、適切な処理ソフトウェア（例えば、Eclat Digital Recherche社の登録商標「Ocean」で販売されているソフトウェア）で使用すると、これまでに知られている測定時間よりも短い測定時間で、フォトリアリスティックレンダリング、すなわち写真として成立するほど詳細な視覚的レンダリングを得ることが可能なデータへのアクセスを提供する。

また、本発明は、例えば、塗料、特に光輝性を有する自動車用塗料、つや消しのアルミニウム、金属などの材料の「品質管理」、「適合性管理」、「欠陥分析」、「精密な比色特性評価」などの用途にも使用できる。

本発明の他の特徴および利点は、例示的かつ非限定的な例として挙げられ、添付の図を参照して行われる以下の説明を読めば明らかになる。

Ｚ軸を法線とする試料への球面座標での入射光と反射光を示す。 本発明による装置の一実施形態を示す。 本発明による装置の別の実施形態を示す。 本発明によるセルの一実施形態を示す。 試料上のｘ，ｙ座標点の組を示す。 図５の試料のハイパースペクトル画像における座標ｕ，ｖのピクセルの組を示す。

本明細書で提案する測定装置は、試料２０の材料によるＢＲＤＦ（反射光）およびＢＴＤＦ（透過光）の少なくとも一方を、当該試料２０の周囲の空間の全球方向において、入射光の球方向ごとに測定する。

提案された光学測定装置は、光源３０と、分散型スクリーン４０と、マルチセンサーイメージングデバイスと、ゴニオフォトメータ（図示無し）とを備える。適用可能であれば、提案された光学測定装置は、試料２０も含んでいる。

任意のシーンのジオメトリに対して、そのジオメトリと交差する仮想の光線を計算し、それを反射または透過させることで、光源からの光の伝播をシミュレーションする３Ｄシミュレーションソフトウェアが存在する。

本発明では、本発明による装置で測定されたＢＲＤＦまたはＢＴＤＦに応じて、すなわち、事前に行われた材料測定に応じて、その光線を反射させることができる。３Ｄジオメトリの各ポイントでは、テクスチャがない材料の場合は同じ光学特性が適用され、テクスチャがある材料（材料上の異なるポイントｘ，ｙでＢＲＤＦまたはＢＴＤＦが異なる材料）の場合は適用されない、同様に、材料に微細な凹凸がある場合は、後述するように算出される局所的な法線に応じて、平均ＢＲＤＦが局所的に修正される。

スペクトロ・ゴニオフォトメータ（Spectro-Goniophotometer）
ゴニオフォトメータとは、光線の角度を測定することができる装置、機器、センサーを意味する。図２および図３に示す第１の実施形態では、以下のうちの少なくとも１つを決定（測定）するように構成された任意の既知のゴニオフォトメータである。
・θ_in，φ_in：球面座標系での入射光の方向
・θ_out，φ_out：球面座標系における反射光の方向
ここで
θは、０°（法線方向）と９０°（平面物体の接線方向）との間の天頂部
φは方位角
_inは、試料２０（場合によっては分散型スクリーン４０）を照射する入射光ビーム７０に対応
_outは、試料２０で反射または透過した入射光ビーム７０に対応

ゴニオフォトメータには様々な機種があり、５つのパラメータのうち，φ_in，φ_out，θ_in，θ_outの４つのパラメータを測定することができる。値φ_inは、例えば０°のように単一の値で固定されることがある。

有利には、分光器をゴニオフォトメータに接続して、第５パラメータλを測定することが画策される。例えば、反射光を取り込み、光ファイバを介して分光光度計に伝送する。分光ゴニオフォトメータは、試料２０が配置された少なくとも１つの試料ホルダー１０を備えている。当該試料２０は、後述する光源３０によって、その法線に対して０°以上１８０°以下の角度で照射される。例えば、光源３０は、アーチ６０に沿って移動可能である。

図４に示す第２の実施形態では、本発明による装置が、一方は試料２０を、他方は試料２０に対する光源３０を、正確に位置決めして方向付けるための２つのロボットアームを備えたセル１００の形態のゴニオフォトメータからなることが想定されている。ロボットアームは、６つの自由度を持ち、光源３０を支持するように構成された第１関節アーム１１０と、６つの自由度を持ち、試料２０または試料ホルダー１０を支持するように構成された第２の関節アーム１２０との二つである。各アームが、図４に点線で示されているそれぞれの半球体に関節接続され、半球体のすべての点が操作可能で、０．０１８ｍｍ以内の再配置の再現性を持つようになっている。

各アームには２つの端があり、そのうちの１つには把持装置が設けられている。例えば、把持装置はクランプで、この場合は圧縮空気で操作可能である。一実施形態では、各アームに最大７ｋｇの荷物を搭載することができる。本例では、試料２０を支持するためのアームは、試料２０または試料ホルダー１０を把持する平行なジョーを備えたクランプで構成されている。

また、測光キャリブレーションの際には、クランプが分散型スクリーン４０を把持することも想定され得る。この場合には、平面の床および平面の天井を含む平行六面体のセル１００の中に２つのアームが配置され、セル１００は、一方のアームの固定端が天井と一体化し、他方のアームの固定端が床と一体化するようになっていることが想定されている。

セル１００の中心に対する試料２０上の点の位置と３軸に沿った向き、および、試料上に定義された点を原点とし、１つの軸が試料２０の法線であり、他の２つの軸が垂直で試料２０の平面内にある参照フレーム内の球面座標系における光源３０の位置と向きを定義できるグラフィカルインターフェースを提供できる。アームの色は、測定の妨げとなる光の反射を避けるため、黒色が好ましい。

また、セル１００に走査型レーザー（図示無し）を搭載し、特に存在検知の際に光源３０を抑制するように構成することができる。実際、光源３０は非常に強力で、潜在的に危険な場合がある。走査型レーザーは、操作者がセル１００に近づいたときにロボットの動きを停止させて、ロボットが急激に動いたときに怪我をしないようにするために有効である。

光源
入射光ビーム７０を出射するために、状況によっては一直線な、光ファイバがない光源３０を用意することがが好ましい。実際、光ファイバはエネルギーを吸収し（４００ｎｍ付近から４５０ｎｍまで）、光ファイバの形状によって異なる吸収特性を持っている。しかし、ロボットの位置および向きによって光ファイバの形状が異なるため、測定に支障をきたしてしまうことになる。

実施形態では、光源３０は、０．１ｍｍから２０ｍｍの間の直径を有する円形断面を有し、最大１，０００，０００ルクスを発生させることができる入射光ビーム７０を出射するように構成されている。好ましくは、光源３０は、連続したスペクトル、すなわち、所定のスペクトルウィンドウ（この場合は可視ウィンドウ）の全体にわたってエネルギーを有するものに従って発光するように意図されている。

例えば、Ｘｅ－Ｍｅランプ、アークランプ、またはＬＥＤランプなどを使ったいくつかのテストが行われた。好ましくは、光源３０は白色光を発し、少なくとも３つの隣接するＬＥＤの組で構成され、そのうちの１つは白色、１つは深紅色、１つは紫色であり、それによって可視スペクトルにわたって発光することができる。また、半反射ブレードにより、それぞれのビームが混合された複数のＬＥＤを提供することも可能である。例えば、２つのＬＥＤ（例えば、白と紫）からのビームは、半反射ブレードによって混合される。これにより、２つのＬＥＤを異なる場所（例えば、一方が他方に対して垂直な面）に配置しても、２つのＬＥＤが同じ場所に配置されているかのようなビームを得ることができる。これは、複数のＬＥＤと互いに平行な複数のブレードを用いて直列に行うことができる。最初の混合ビームが２番目の半反射ブレードを通過することで、例えば赤色の３番目のＬＥＤからの光を追加することができる。この２枚目のブレードの出口には、３つのＬＥＤが仮想的に同じ場所に配置されている。これにより、すべての可視スペクトルのエネルギーを狭いビームで得ることができる。このビームを分岐させると、「尖った」円錐形の光を得ることができる。つまり、すべての光が小さな擬似的なポイントエリアから照射され、照射された試料の各ポイントが1つの方向からのみ光を受けるようになる。例えば、光源３０はシステムオンチップ（ＳＯＣ）である。

ある実施形態では、光源３０は５５ｍｍ×５５ｍｍに実質的に等しい寸法を有するシステムオンチップである。したがって、光源３０は、多関節アームの６つの自由度に干渉しない。

ある実施形態では、光源３０はＮ個（Ｎは自然数）の隣接するＬＥＤの組からなる。例えば、Ｎは２０から６０の間であり、３０から４０の間であることが好ましい。事例では、これらは、異なるスペクトルを有する白色ＬＥＤが好ましい。または、波長を中心としたスペクトルを持ち、半値幅が２０ｎｍから４０ｎｍの実質的にガウス形状のＬＥＤで、各ＬＥＤは既知の波長スペクトルで発光し、各ＬＥＤは選択的に起動可能であるとよい。このようにして、ハイパースペクトルな光源３０が得られる。

少なくとも１つのＬＥＤが白色であり、他のＬＥＤがそれぞれの波長を中心とし、２０ｎｍから４０ｎｍの間の半値幅を有する実質的にガウス形状のスペクトルを有することが好ましい。また、少なくとも可視スペクトル（３８０ｎｍ～７８０ｎｍ）に分布する波長の組が提供されることが好ましい。例えば、３８０ｎｍ、３９０ｎｍ、４０５ｎｍ、４１５ｎｍ、４２５ｎｍ、４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、４７０ｎｍ、４８０ｎｍ、４９０ｎｍ、５０５ｎｍ、５２０ｎｍ、５５０ｎｍ、５９０ｎｍ、６２０ｎｍ、６３０ｎｍ、６６０ｎｍ、６７０ｎｍ、７３０ｎｍの波長を中心としたＬＥＤの組を提供することができる。

また、赤外域（７８０ｎｍ～２５００ｎｍ）、特に８５０ｎｍ～１５５０ｎｍを中心としたＬＥＤを用意することもできる。赤外線を中心としたＬＥＤは、特に、ＬＩＤＡＲ（走査型レーザー）で照射されたときのシミュレーションを目的とした材料の光学特性の測定を可能にし、自動車の運転支援システムおよび自律走行システムの設計、評価、検証などの用途に利用できる。

また、紫外域（２５０ｎｍ～３８０ｎｍ）に集光したＬＥＤを用意することもできる。このような光源を用いることで、受光した波長とは異なる波長を発する蛍光体、および、受光した後に一定時間光を発し、受光した波長とは異なる波長を発する可能性もあるリン光体の特性評価を行うことができる。

このようなＬＥＤ光源の利点は、そのエネルギー効率が従来のモノクロメータよりもはるかに高いことで、所定の電力に対して生成される光ビームがはるかに大きくなることである。しかし、スペクトルＢＳＤＦを精度良く、かつ短時間で測定できるようにするためには、ハイパースペクトルセンサーに必要な多くの入射光ビームが必要となる。ＢＳＤＦを表面的に評価する場合、特にテクスチャがあるＢＳＤＦを評価する場合は、光ビームが一点に集中するのではなく、材料の表面に分布するため、高い光ビームがより重要になる。

このような複数のＬＥＤで構成される光源は、６自由度の多関節アームを備えたシステムと共生している。なぜなら、各ＬＥＤを試料上で定義された基準フレーム内の球面座標で正確に位置決めすることができ、各ＬＥＤを順番に正確に位置決めすることができるからである。このような位置決めは、ＢＳＤＦ、特に蛍光ＢＳＤＦと燐光ＢＳＤＦとの測定に必要である。また、特に，これらの機能を試料上の点の集合で特徴付けようとする場合に必要である。

したがって、光源３０の所定の位置および試料２０の所定の位置について、試料２０の一組のＢＲＤＦおよび／またはＢＴＤＦが計算される。計算されたＢＲＤＦおよび／またはＢＴＤＦの各値は、光源３０の１つまたは複数のＬＥＤの選択的な活性化に対応している。例えば、スペクトルの重なりがないＬＥＤ（例えば、ＵＶとＩＲ、またはＵＶとスペクトルの重なりがない可視）をオンにすることができ、角度補間法によって、ＢＲＤＦを構築する際にＬＥＤの異なる位置を考慮して、使用される異なる光源の波長に対するＢＲＤＦ／ＢＴＤＦを単一の光源位置に対して測定することができる。実際、異なるＬＥＤからの光の入射角はわずかに異なるため、補間によって、使用する光源のすべての波長について、任意の角度のＢＲＤＦを推定することができる。この構成により、蛍光体または燐光体の試料の特性評価が可能になる。

入射光ビーム７０の大きさ（等価直径）は変更可能であることが期待できる。選択される入射光ビーム７０のサイズは、光学的な特性評価対象の試料２０の材料の種類に依存する。一般的に、鏡面性を有する材料の場合、鏡面性のピークで最適な精度を得るためには、入射光ビーム７０のサイズを小さくすることが好ましい。拡散性が高い材料、つまり空間の全方向に光を均一に散乱させる傾向がある材料には、より大きなビームサイズを使用することができる。

例えば、入射光ビーム７０のより広いサイズは、試料２０上のＢＲＤＦがその位置によって大きく変わる可能性があるテクスチャ材料の特性評価に最適である。 このように、ＢＲＤＦは、受光量に対する発光量によって特徴付けられるため、より広いビームサイズを取ることで測定を平均化して代表値を得ることができるが、これは、ハイパースペクトルカメラ５０が試料２０ではなく分散型スクリーン４０をスキャンする場合（後述する第１の実施形態）にのみ有効である。なお、ハイパースペクトルカメラ５０が試料２０をスキャンする後述の第２の実施形態では、光ビームは広いことが望ましい。この第２の実施形態では、測定はハイパースペクトルカメラ５０のピクセルごとに行われ、測定レベルでの平均化は行われない。平均化は、ソフトウェアの計算によって、いくつかの隣接するピクセルの測定値からデジタル的に計算することによって行うことができる。

ハイパースペクトルカメラ５０の前に、向きを変えることができる直線偏光フィルタを配置し、３つの偏光方向（この場合は０°、４５°、９０°）から、ミューラー行列を用いて光の偏光を特徴付けることができる。これにより、光を偏光させる窓、フロントガラスなどの偏光ＢＲＤＦまたはＢＴＤＦを測定することができ、特に自動車および建築物のガラスのシミュレーションに役立つ。

なお、光源３０は、偏光フィルタを備えることができる。ロボットアームを使って光源３０の光軸を中心にアセンブリ（光源３０＋偏光フィルタ）を回転させることで、光源に対してフィルタを回転させて同じ効果を得るための追加の自動化システムを必要とせずに、試料に入射する光の偏光方向を変更することができる。

同様にマルチセンサーイメージングデバイスにも、偏光フィルタを搭載することができる。そして、マルチセンサーカメラをロボットアームに搭載し、試料を固定した支持体に載せることが想定される。マルチセンサーイメージングデバイスの光軸を中心とした回転により、マルチセンサーイメージングデバイスに対するフィルタの回転のための追加の自動化を必要とせずに、分析光の偏光方向を変更することができる。

このように、光源３０＋偏光フィルタおよび／またはマルチセンサーイメージングデバイス＋偏光フィルタを回転させることで、ロボットアーム自身が偏光方向の向きを変えることができる。

分散型スクリーン
分散型スクリーン４０は、高いランバート反射を有する、すなわち、所定の閾値よりも大きいことが好ましい。例えば、フッ素樹脂をコーティングしたスクリーンがこれに該当する。分散型スクリーン４０は、任意に柔軟性がある。

本例では、Spectralon（登録商標）製の分散型スクリーン４０が準備されている。これは、受光した光の約９９％を空間の全方向に均一に拡散するものであり、試料２０に対する分散型スクリーン４０の完璧な向きを必要としない。 簡潔にするため、ここではSpectralonのみを分散型スクリーン４０として説明する。また、本明細書の残りの部分では、その商標文字を省略する。

分散型スクリーン４０は、第１の実施形態（後述）のために、試料２０が入射光を反射する球面方向の集合を具現化したものである。第２の実施形態（後述）では、分散型スクリーン４０は、測光キャリブレーション段階で光源からの光を直接反射する。例えば、分散型スクリーン４０は、平面、長方形、または凸型の形状、例えば部分的に円筒形、または少なくとも半球形の半分を有することが好ましい。例えば、分散型スクリーン４０は、２００×２００ｍｍの寸法を有している。

試料
試料２０が提供され、そのコーティングは、例えば、品質管理の目的で、画像化または特性化されることが意図された材料である。非限定的な例として、板金でボディワークが作られたかまたは作られる予定の自動車のレンダリングを生成するための塗装された板金の試料２０、ガラスで作られた窓を備えた建物のレンダリングを生成するための特定のガラス（例えば偏光ガラス）の試料２０等を提供することが可能である。

試料２０は、平面であることが好ましい。しかし、微細な凹凸(マイクロレリーフ)および／またはテクスチャが含まれていることもある。試料のＢＲＤＦは、試料全体では一定であっても、マイクロレリーフによっては局所的に法線が変化することがある。テクスチャでは、試料のＢＲＤＦは、試料上の位置によって異なるＢＲＤＦの組によって特徴付けられる。試料２０は２ｍｍ^２以上の表面積であることが好ましい。

マルチセンサーイメージングデバイス
好ましくは、マルチセンサーイメージングデバイスがハイパースペクトルカメラ５０であることが企図されている。ハイパースペクトルカメラ５０は、１つの準単色波長にのみ感度を持つように構成されたセンサーに対応する各層を重ね合わせた画像を生成する。本例では、９４６層のハイパースペクトルカメラ５０が提供されており、４００～１０００ナノメートルのスペクトルウィンドウを約０．６４ｎｍの解像度で解析し、ＲＧＢカメラの３層ではなく、９４６層にわたってシーンで観察される物理的な点の集合が発するスペクトルを知ることが可能となっている。

ＲＧＢカメラと比較して、ハイパースペクトルカメラ５０のＳ／Ｎ比は層数で割られるため、光源３０は１，０００，０００ルクスまでの発光が可能なので、分散型スクリーン４０または試料２０からの反射光には十分なエネルギーが含まれていること、長い休止時間（所定の閾値よりも長い）を有することの条件のうち少なくとも１つを満たす点において有利である。スクリーンのハイパースペクトル画像を取得することで、分散型スクリーン４０によって物質化された球体の方向に向けて出射される光に関する情報が得られる。

ハイパースペクトルカメラ５０は、列および行を分析するＣＣＤセンサーなどとは異なり、観察されたシーンの単一の列、すなわちピクセルのスタック（この場合は２１８４ピクセル）を分析できるレンズで構成されている。ハイパースペクトルカメラ５０の視野５１は扇形になっている。ハイパースペクトルカメラ５０は、レンズの後ろに、例えばプリズム、回折格子などの波長分離素子を含み、スペクトル分解を可能にする。

波長分割デバイスの出力には、２Ｄセンサー（典型的にはＣＣＤまたはＣＭＯＳ／ＳＣＭＯＳ）が存在する。この波長分離装置は、列の１つの画素に対して、その画素に取り込まれた入射光をすべての波長（ここでは９４６層）に応じて分離し、その出力で２Ｄセンサーの行を印刷することができる。そのため、２Ｄセンサーの幅は、ハイパースペクトルカメラ５０の層数以上であることが望ましい。このように、ハイパースペクトルカメラ５０の１列の空間的な寸法と、２Ｄセンサーの行ごとのスペクトルの寸法とが組み合わされている。

ハイパースペクトルカメラ５０は、シーンを観察するための機械装置に搭載されている。この場合は分散型スクリーン４０または試料２０が例えばステッピングモーターに取り付けられ、垂直軸を中心とした連続的な回転によってスキャンされる。動作時には、ハイパースペクトルカメラ５０は、分散型スクリーン４０または試料２０を列ごとにスキャンし、ハイパースペクトル画像の各ピクセルにおけるスペクトル（そこから輝度および放射輝度を導出することができる）を与える。

ハイパースペクトル画像の各画素は、試料２０の材料が光を反射する空間内の球形方向に対応している。あとは、球体の観測方向（θ_out，φ_out）を、ハイパースペクトル画像の画素に合わせるだけである。走査型レーザーを含むセル１００を備えた実施形態では、ハイパースペクトルカメラ５０は、当該走査型レーザーの視野を超えて配置される。

キャリブレーション
好ましくは、本発明による装置の事前のキャリブレーションのための規定が設けられている。好ましくは、後述の第２の実施形態におけるｘ，ｙと同様に、ある入射角に対するθ_in，φ_in，θ_out，φ_outの値と画素との対応関係を得ることを目的とした幾何学的キャリブレーション、試料と標準物質との間の相対的な測定値を得ることを目的とした光度キャリブレーションの少なくとも１つである。そのキャリブレーションは後述される。

操作方法
試料２０のＢＲＤＦおよびＢＴＤＦの少なくとも一方は、測定装置を用いて測定される。この測定装置は、可能性がある入射光の球面方向ごとに、この試料２０の周囲の空間のすべての球面方向において、試料２０によって反射された光８０または透過された光を測定する。試料２０のＢＲＤＦを求めるためには、様々な入射角に対する試料２０の反射光８０を測定する必要がある。

このように、試料２０に対する光源３０の所定の相対位置について、ハイパースペクトルカメラ５０の測定値を記録する測定工程が存在する。試料２０と光源３０とを相対的に位置決めするシステムが提供されている点において有利である。測定工程は、試料２０に対する光源３０の相対位置を新たな所定の相対位置に変更し、ハイパースペクトルカメラ５０の測定値を記録することが、繰り返し行われる。

この目的のために、試料２０の法線に対する入射角の変更を制御できるコンピュータに接続された機械システムに、光源３０を取り付けることが想定される。光源３０が試料２０の法線に対してとる向きの値は、０°から１８０°の間である。好ましくは、各測定において、光源３０の傾きのみが変化する。光源３０が取る方位の値が０°から９０°の間である場合、試料２０から分散型スクリーン４０に反射する光のうち、材料の上の半半球部分を覆う部分が測定される。光源３０が取る方位の値が９０°から１８０°の間である場合、試料２０が材料の上方の半半球部分を覆う分散型スクリーン４０を透過する光の部分が測定される。

透光性を有する試料２０を、分散型スクリーン４０が配置されている半球と反対側の半球から照射することで、ＢＴＤＦの測定が可能になる場合がある。

なお、以下に説明する２つの実施形態のうち、３つの要素（試料２０、光源３０、ハイパースペクトルカメラ５０）のうち２つが可動で、残りが並進不動であるものを提供してもよい。好ましくは、ハイパースペクトルカメラ５０は、地球観測衛星に搭載されたハイパースペクトルカメラ５０のように、三脚上で並進不動であり、ステッピングモーターによって垂直軸を中心に回転するように取り付けられている。衛星は不動であり、地球は衛星にリンクされた参照フレーム内の観測フィールドで回転する。この場合、試料２０と光源３０とは、例えば上述したセル１００の多関節アーム上で移動可能であり、これにより、例えばハイパースペクトルカメラ５０をＲＧＢカメラに交換するなど、センサーの交換を容易に行うことができる。偏光フィルタを用いた分析には、ハイパースペクトルカメラ５０をロボットアームに搭載する方が有利な場合がある。

第１の実施形態
第１の実施形態では、ハイパースペクトルカメラ５０で分散型スクリーン４０のみを撮影し、試料２０は撮影しない。いわゆる絶対的な幾何学的キャリブレーション、または、いわゆる相対的な幾何学的キャリブレーションを行うことができる。分散型スクリーン４０は、試料２０の分析および後述する測光キャリブレーションのために、ハイパースペクトルカメラ５０によって撮影される。

いわゆる絶対的な幾何学的キャリブレーションの第１の変形例では、試料２０の代わりに配置された鏡面反射要素（この場合はミラー）が、ハイパースペクトルカメラ５０で、なるべく非常に小さい等価直径の光源を用いてスキャンされる。そして、メモリに格納された対応表の形で、鏡面反射素子の座標ｘ，ｙの点と、分散型スクリーン４０上の反射との間に、複数の入射についての対応関係を確立することができる。そして、試料２０の光学的特徴の測定のためには、試料２０が、所定の入射角に対して鏡と全く同じ向きであり、分散型スクリーン４０が同じ位置にあることが必要である。

これは、ロボットアームを使って、まずミラーの位置と向きとを変え、次に試料を同じように配置することで実現できる。より正確には、分散型スクリーン４０は、その分光フレネル係数が基準ミラーに入射する光の異なる入射率に対して既知である基準ミラーに置き換えられる。そして、基準ミラーと特徴測定対象の試料５０とのＢＲＤＦを測定し、試料５０のスペクトルフレネル係数を単純な比率で推論することができる。

いわゆる相対的な幾何学的キャリブレーションの第２の変形例では、鏡面反射要素は使用されず、試料２０は光源によって直接照射される。この変形例では、所定の入射角に対して、ハイパースペクトル画像の中で最も高い強度を持つピクセルが決定される。ほとんどの材料は、デカルト方向に最大値を持つ鏡面性のピークを持っていると仮定している。そこで、（スペクトルの積分である）強度が最大となるピクセルを選択し、このピクセルがデカルト方向に対応していると考えることができる。そして、このプロセスを複数の入射角について繰り返し、決定された値の間を補間することで、メモリに格納された対応表の形で、複数の入射角について、試料２０のＸ，Ｙ座標点と、分散型スクリーン４０上での反射との間の対応関係を確立することができる。

代わりに、または組み合わせて、一連のハイパースペクトル画像を作成し、少なくともＢＲＤＦが既知である基準材料を、特性評価対象の試料２０の代わりに配置する、フォトメトリックキャリブレーションを実施してもよい。有利なことに、Spectralonの断片が基準物質として使用される。基準物質の寸法は、光源を照射して特徴を測定する対象の試料２０の領域の寸法よりも大きいか、または等しいことが望ましい。

その後、各ハイパースペクトル画像について、各ピクセルについてのハイパースペクトルカメラ５０からの測定値を基準値と比較し、その結果、ハイパースペクトルカメラ５０から出力されるＢＲＤＦデータを得るために使用する変換を決定することができる。実際、分散型スクリーン４０上で観察されるのは、基準材料（Spectralonの一部）によって反射された光であり、その基準値は既知のＢＲＤＦであり、任意の反射方向および任意の波長についてｒｈｏ／ｐｉに等しい（ｒｈｏは反射係数＝約０．９９であり、Spectralonの製造業者によってキャリブレーションされている）。このようにして、ＢＲＤＦが所定の波長に対して一定である参照材料との対応表が得られ、メモリに格納される。この場合において、これは入射別および波長別の乗算係数の表であり、後に特性評価される試料２０に適用される。

試料２０の分散型スクリーン４０上のスペクトル測定値は、どのような変換を適用すべきかが分かっているので、次に絶対的なＢＲＤＦ値に変換することができる。すなわち、試料２０の代わりに参照材料（Spectralonの断片）を使用したときに測定されたスペクトルを、既知のSpectralonのＢＲＤＦ値に変換するために適用しなければならない変換と同じである。なお、このキャリブレーションでは、入射光源３０の不具合、および、ハイパースペクトルカメラ５０、分散型スクリーン４０、試料２０の間の幾何学的配置の不具合が補正される。

図２に示されたこの第１の実施形態では、分散型スクリーン４０は、例えば、半球の一部、この場合は半半球の一部を、使用される材料の試料２０の上方で覆い、試料２０からの反射光８０の最大値が分散型スクリーン４０に反射されるようにしている。本実施形態では、試料２０を水平に配置することが好ましい。分散型スクリーン４０は、好ましくは回転可能な支持体上に配置され、その向きは一連の測定の前に一度だけ固定され、すべての光の入射に対して同じ向きになるようになっている。

分散型スクリーン４０は、光をハイパースペクトルカメラ５０に反射させる。このように、試料２０から複数の方向への光の測定が可能となる。このように、光源３０から入射した光の一部は、試料２０から分散型スクリーン４０に反射または透過（測定の種類に応じて）し、ハイパースペクトルカメラ５０は、分散型スクリーン４０をスキャンするように構成されている。

これにより、試料２０は、分散型スクリーン４０と光源３０との間に配置される。ハイパースペクトルカメラ５０は、試料２０の法線に対する光源３０の向きのそれぞれについて、試料２０によって透過または反射された光の一部が反射ビーム９０として反射される分散型スクリーン４０をスキャンする。最終的には、光源３０の数だけハイパースペクトル画像が得られることになる。

試料２０は、鏡面性のピーク付近で優先的に光を反射する。拡散部分では、試料２０から反射されたエネルギーがほとんどない場合があるので、異なる取得時間で測定を行う必要があるかもしれない。取得時間を５０００ｍｓに設定することで、拡散部分を正確に測定することができる。取得時間１５ｍｓの測定では、鏡面スポットを飽和させることなく正確に測定することができる。あるいは、光源３０の光ビーム、ひいては照度（ルクス数）を変更することで、例えば１５ｍｓ程度の短い取得時間を１回で実現することも可能である。このようにして、合計の測定時間が短縮されることが、強力な光源の利点である。

ハイパースペクトル画像の各画素は、試料２０が光を反射する空間内の球体方向に対応している。あとは、球体の観測方向（θ_out，φ_out）をハイパースペクトル画像のピクセルに合わせるだけである。前述したように、測定対象の試料２０の材料を、光学特性が既知の分散材料（この場合はSpectralonの一部）に置き換えて、光源３０の入射角ごとに、分散型スクリーン４０のハイパースペクトルカメラ５０で撮影を行わなければならない。そのため、ハイパースペクトルカメラ５０での必要な撮影回数が２倍になる。

システムの幾何学的な構成が測定ごとに変わらないのであれば、測光または幾何学的なキャリブレーションを一度行ってから、必要な数の材料の測定を行うことが可能である。精密なロボットアームにより、材料ごとの形状を再現することができる。そのため、製造段階では、２つの異なる材料間でのフォトメトリック・キャリブレーションをやり直す必要はない。

第２の実施形態
第２の実施形態では、試料２０をハイパースペクトルカメラ５０で撮影する。幾何学的キャリブレーションについては、試料２０を、位置が既知の一連の特徴的な点、例えばテストパターン（この場合は白黒のチェッカーボードパターン）からなる基準光学素子に置き換える、絶対的な幾何学的キャリブレーションのみを使用することが計画されている。そして、当該基準光学素子をハイパースペクトルカメラ５０でスキャンし、基準光学素子とハイパースペクトルカメラ５０との相対的な位置関係により、ハイパースペクトル画像を取得する。 なお、周囲の照明で十分であり、必ずしも光源３０を点灯する必要はない。

値θ_out、φ_out、ｘ，ｙを決定するためには、例えば、Zhang法（Zhang, Z.S.に記載）に従って市松模様の正方形の角を検出してもよい。（"A flexible new technique for camera calibration" , Zhang, Z. (2000), IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 22(11), 1330-1334）

実際、テストパターンを試料２０の代わりに配置することで、各画素に関するハイパースペクトルカメラ５０の内在的なパラメータ（焦点距離、レンズによる変形）および外在的なパラメータ（位置および向き）を決定することができる。そこから、参照フレーム内のチェッカーボードの正方形の角の物理的座標を知ることで、これらの角に対応するピクセルが、テストパターンの各角に対応する画像内のピクセルのｘ，ｙ座標とｕ，ｖ座標との対応を確立する。これによって補間することで、ハイパースペクトル画像のすべてのピクセルのｘ，ｙを知ることができる。テストパターンに対するハイパースペクトルカメラ５０の位置と向き、およびレンズのモデル（Zhangの方法で得られたもの）を知った上で、ハイパースペクトル画像の各ピクセルのθ_out，φ_outを推論する。

値θ_inおよびφ_inは、光源のモデル（光源から出ている一連の光線の起源および方向）を考慮することによって得られ、各光線は、モデルによって決定された方向で試料の点に入射し、そこから、試料２０に対する光源３０の位置および向きが分かっていれば、θ_inおよびφ_inを推論することができる。したがって、分散型スクリーン４０のどのピクセルが、試料２０のどの反射方向に対応するかを判断できる幾何学的なキャリブレーションを行うことができる。

好ましくは、ハイパースペクトルカメラの各画素ｕ，ｖと、値θ_in，φ_in，θ_out，φ_out，ｘ，ｙとの対応関係を対応表に記録する。代わりに、または組み合わせて、第１の実施形態で説明したようなフォトメトリックキャリブレーションを実施することが可能で、この場合、基準材料がSpectralonの一部であるという点において有利である。基準物質とハイパースペクトルカメラ５０との相対的な位置関係は、特徴付けられるべき試料２０とハイパースペクトルカメラ５０との相対的な位置関係と同じである。

続いて、基準物質のハイパースペクトル画像の組を作成する。各ピクセルで、得られるスペクトルは、ｒｈｏ／ｐｉに等しくなければならない。このようにして、対応表が得られ、この場合、波長ごと、ピクセルごとの乗算係数の表が得られ、上述のように、特徴を推定する対象の試料２０に適用される。

図３に示す第２の実施形態では、ハイパースペクトルカメラ５０は、試料２０を直接スキャンするように構成されており、試料２０の材料から反射された光の部分へのアクセスを、ハイパースペクトルカメラ５０に提供している。この実施形態では、試料２０は、ハイパースペクトルカメラ５０によって可能な限り広い立体角で見ることができるように、好ましくは垂直に配置される。

第２の実施形態の第２変形例では、試料２０と、いわゆる「補償用」分散型スクリーンとが、ハイパースペクトルカメラ５０で、好ましくは同時に撮影される。また、補償用分散型スクリーンは、少なくとも２つの区画からなる試料ホルダー（図示せず）上に配置され、一方の区画は試料２０を構成し、他方の区画は補償用分散型スクリーンを構成し、２つの区画は共平面であり、試料２０と補償用分散型スクリーンとの上面が共平面になるように高さ調整が可能であることを特徴とする。好ましくは、補償用分散型スクリーンの寸法は、試料２０の寸法よりも小さいか等しい。

動作原理は、一方の区画に補償用分散型スクリーンを備えた試料ホルダーのハイパースペクトルカメラによる一連の撮影を行い、次に、他方の区画に分散型スクリーン４０を備えた試料ホルダーのハイパースペクトルカメラによる一連の撮影を行う。そして、一方の区画に補償用分散型スクリーンを備えた試料ホルダーのハイパースペクトルカメラによる一連の撮影を行い、他方の区画に試料２０を備えた試料ホルダーのハイパースペクトルカメラによる一連の撮影を行う。

試料ホルダーは、ハイパースペクトルカメラの視野内に分散補償スクリーンと試料２０とが同時に見えるように構成されており、試料２０の分析列ごとに分散補償スクリーンが見えるようになっている。また、光源３０が試料２０と補償用分散型スクリーンとの両方を照射するように、試料ホルダーが構成されている。有利には、光源３０からの入射光ビームは広い、すなわち、所定の閾値よりも大きい幅を有する。好ましくは、光源３０によって生成される光ビームは高く、すなわちその値は所定の閾値よりも大きい。

補償用分散型スクリーンは、キャリブレーションに使用された分散型スクリーン４０と同じ種類のものであり、好ましくは同一のものである。このようにして、差分ラジオメトリックキャリブレーションを行うことができる。すなわち、ハイパースペクトル画像の列について、補償用分散型スクリーンに対応するピクセルの平均スペクトルを計算することができる。これは、試料２０が撮影された画像と、試料２０の代わりに分散型スクリーン４０が撮影された画像とを利用して行われる。

この２つの平均スペクトルを比較することで、試料に対応する画像の列に対して、分散型スクリーン４０を観察したときと実質的に同じ照明条件に戻すための補正スペクトルベクトルを算出することができる。この構成により、光源３０のドリフトとハイパースペクトルカメラのドリフトとを補正することができる。基準鏡を用いた幾何学的キャリブレーションの変形例では、光源３０のドリフトを補償するために、同様に補償用分散型スクリーンを用いることができる。光ビームの一部をカットする吸収フィルタを設けて、補償用分散型スクリーンが光源３０から出射された光ビームのすべてを受け取るが、試料２０またはミラーが光ビームの一部のみを受け取るようにしてもよい。

性能
以下、本発明による装置の性能を、第１または第２の実施形態を参照して説明する。

・天頂解像度
天頂解像度は、視野角θ_outに応じたサンプリングに関連しており、この視野角θ_outは、ハイパースペクトルカメラ５０の解像度および分散型スクリーン４０からの距離に直接依存する。人間の視覚の角度分解能は０．０３°に近いため、表面の微小な欠陥を視覚化することができ、その結果、材料を区別することができる。そのため、０．０３°のオーダーで天頂部の解像度を実現する点において有利である。

本実施例で使用するハイパースペクトルカメラ５０は、例えば１０８０画素または２１８４画素のように列ごとに取得を行う。ハイパースペクトルカメラ５０（第１の実施形態）で分散型スクリーン４０を取得することで、最大０．０３°の角度分解能を得ることができる。この解像度により、鏡面物質の特性評価が可能になる。拡散性を有する材料の場合は、より低い解像度で十分である。

・方位角の分解能
方位角の分解能は、ハイパースペクトルカメラ５０が使用するモータリゼーションシステムの精度に依存する。０．１°のオーダーの方位分解能を達成することが有利である。

・波長分解能
波長分解能は、ハイパースペクトルカメラ５０の分光分解能に依存する。この場合、本出願人が使用しているカメラの波長分解能は、可視・近赤外帯域（４００ｎｍ～１０００ｎｍ）で０．６４ｎｍである。

・ハイパースペクトルカメラ５０の露光時間
試料２０から分散型スクリーン４０に反射した光の取り込み時間は、ハイパースペクトルカメラ５０の取り込み速度と所望のアジマス分解能とに依存する。方位角方向の解像度は、特徴付けされる材料の種類によって異なる場合がある。鏡面性を有する材料の場合は正確さを必要とすることがある。拡散性を有する材料の場合、精度が低下する可能性がある。拡散性を有する材料に対しては、９°の方位分解能で十分である。

・ＢＲＤＦとＢＴＤＦとの測定時間
測定値を校正するためには、光源３０の入射角ごとに、光学的特徴を調べたい試料を用いた第１のハイパースペクトル画像と、光学的に既知の材料（この場合はSpectralon）を用いた第２のハイパースペクトル画像とを、同じ照明条件で作成する必要がある。ＢＲＤＦまたはＢＴＤＦの測定時間は、入射光の球面方向のサンプリングに依存する。

０°から９０°までの光源３０の向きの１０個の値を、例えば１０°単位で考えた場合、等方性の試料２０に対して、２×２×１０×１０＝４００秒、つまり６分４０秒でＢＲＤＦを測定することができる。ただし、以下の条件を満たす必要がある。
・光源の光量が多い場合の撮影と、光量が少ない場合の撮影との２回の撮影を行う。
・試料２０の１つのＢＲＤＦとSpectralonの１つのＢＲＤＦとが対応している。
・入射角の向きの値の数が１０種類である。
・１０は、分散型スクリーン４０のハイパースペクトル取得の測定時間（スキャン角度６７°に対応するシーンの１０，０００／１５＝６６７列を０．１°の角度ステップで取得した場合）を秒単位で表したものである。。

このＢＲＤＦの測定時間は、以前にSpectralonで測定を行っていた場合は、２で割った時間（すなわち、３分２０秒）になる。また、試料２０の材質が半透明の場合は、試料２０に対して光源の向きを９０°から１８０°にして測定を行う。

以上のように、光源３０の入射向きの２０種類に対して、ＢＴＤＦは、２×２×２０×１０＝８００秒、つまり１３分２０秒で測定することができる。さらに、試料２０が入射面内で回転する場合、試料２０が等方性であればこの試料２０の外観は変更されないのに対し、試料２０が異方性であれば変更されるので、試料２０の異方性の可能性を考慮することも有用である。

一方、異方性材料の光学特性評価では、光源３０の球面方向をφ_inに沿ってサンプリングする必要がある。そのためには、測定する試料２０をその法線を中心に回転させるか、あるいは光源３０を移動・回転させて角度φ_inの値を変える必要がある。この回転は自動化されており、特徴付けられるべき試料２０を５つの異なる向きから撮影することができる。そのためには、ハイパースペクトルカメラ５０の撮影回数を増やす必要がある。光源３０の入射角が１０個の場合のＢＲＤＦの測定時間は、この場合、２×１０×１０×５（異方性材料）＋２×１０×１０×５（Spectralon）＝２０００秒、すなわち３３分２０秒となる。光源３０の入射角が１０個の場合にＢＴＤＦは、２×１０×１０×５（異方性材料）＋２×１０×１０×５（Spectralon）＝２０００秒、すなわち３３分２０秒で測定される。反射性と透過性との両方を有する材料は、そのＢＲＤＦとＢＴＤＦとによって特徴付けられるが、これには３３分２０秒（ＢＲＤＦの場合）と３３分２０秒（ＢＴＤＦの場合）との合計、つまり１時間６分４０秒が必要である。

計算方法
本発明による装置を使用して測定が行われたら、次に、以下に説明するように、第１または第２の実施形態に従って、測定値からＢＲＤＦまたはＢＴＤＦを再構成する、すなわち計算することが計画される。

第１の実施形態では、純粋に説明のための例として、等方性で非透光性の材料の試料２０を利用する。例えば、光源３０の１０個それぞれの位置（θ_in＝５°、θ_in＝１０°、θ_in＝２０°、θ_in＝３０°、θ_in＝４０°、θ_in＝４５°、θ_in＝５０°、θ_in＝６０°、θ_in＝７０°、θ_in＝８０°）から１０回の測定を行う。光学的に特性評価されるべき試料２０の材料を用いたハイパースペクトルの撮影は、光学特性が既知の参照材料を用いた場合と同じ数だけある。材料（試料２０およびリファレンス）のそれぞれについて、ハイパースペクトル画像の数は、試料２０を照射する光源３０の入射角の数に対応する。

これらのハイパースペクトル画像のそれぞれについて、最もエネルギーが大きい、すなわち最も明るいピクセルが求められ、同じ入射角の場合、試料２０のハイパースペクトル画像と基準物質のハイパースペクトル画像との間に対応関係が確立される。Snell-Descartesの法則から、材料は、入射点における鏡の接平面に対する光ビームの対称性に対応する鏡面性のピーク付近で、光を優先的に反射する傾向があることが知られている。

このように、最もエネルギーが大きい画素が観測角度（θ_out=θ_inで例えば２０°、φ_out=φ_inで例えば０°）に対応している。試料２０の法線から２０°の位置にある光源３０の位置に対応する材料のハイパースペクトル画像を解析する。これは、各ハイパースペクトル画像に対して行われる。

そして、対応する画素（θ_out＝５°、θ_out＝１０°、θ_out＝２０°、θ_out＝３０°、θ_out＝４０°、θ_out＝４５°、θ_out＝５０°、θ_out＝６０°、θ_out＝７０°、θ_out＝８０°）を求める。そこから５°～８０°の観測角を補間して、もう一方のθ_outを求めることができる。天頂精度は０．０３°となる。同様に、測定値を外挿することも可能である。

第２の実施形態では、ゴニオフォトメータと、特性評価対象の試料２０を照らすコリメートされたＬＥＤ光源３０とを用いて測定を行う。あるいは、光源３０は円錐に沿って分散させることができ、例えば均質な試料の場合には、１つのハイパースペクトル画像から異なるθ_in，φ_inを得ることができる点で有利である。

第１の実施形態のようにハイパースペクトルカメラ５０で分散型スクリーン４０をスキャンするのではなく、ここではハイパースペクトルカメラ５０が直接試料２０をスキャンする。このようにして、試料２０が発する光、すなわちそれによって反射または透過した光は、分散型スクリーン４０で事前に反射することなく、すなわちハイパースペクトルカメラ５０に向かって直接照射される。この場合、試料２０との交点の面積が所定の閾値よりも大きい光源３０によって試料２０が照射される。

コリメートされた光源３０のスペクトルは、可視ウィンドウのすべての波長にわたってエネルギーを持っている。この光源３０は、例えば２００ｍｍ×２００ｍｍの大きさで、３０，０００ルクスまでの照度が得られることが好ましい。試料２０を垂直に配置した後、光源３０で照明し、その後、ハイパースペクトルカメラ５０でスキャンすることが好ましい。これは、ハイパースペクトル画像の各画素について、上述の幾何学的キャリブレーションの手順に従って、（θ_in，φ_in，θ_out，φ_out，ｘ，ｙ）を決定することを意味する。

第１のステップでは、ハイパースペクトルカメラ５０による試料２０の第１のハイパースペクトル画像（スキャン）の連続した取得が行われる。第２のステップでは、試料２０を、試料の寸法以上の大きさの分散型スクリーン４０に同じ向きのまま置き換え、試料２０と同じ照明条件（同じ相対位置）で、この分散型スクリーン４０の第２のハイパースペクトル画像（スキャン）の連続取得を行う。このように、ハイパースペクトル画像の同じ画素について、第１の画像：試料２０で反射した光の画像（第１のスペクトル）と、第２の画像：分散型スクリーン４０で反射した光の画像（第２のスペクトル）とを、同じ照明条件（強度、相対的な位置関係）で取得している。

第１または第２の実施形態にかかわらず、その後、当該画素のＢＲＤＦは、既知の数式によって計算することができる。この場合、波長λに対するＢＲＤＦは、波長λに対する試料のスペクトルの値×波長λに対するrho（分散型スクリーンの反射率）／ｐｉ／波長λに対する分散型スクリーン４０のスペクトルの値となる。

このように、各画素、複数の入射角について、θ_in，φ_in，θ_out，φ_out，ｘ，ｙ，λの値が得られる。ここで、ｘ，ｙは、試料を撮影したときの画像上の座標であり、λは、光源３０からの入射光ビーム７０の波長である。

試料２０が均質、すなわち平坦で色が均一であれば、試料２０上の点はすべて同じＢＲＤＦを持つことになる。そして、比較的少ないハイパースペクトル画像で試料２０全体のＢＲＤＦを再構成することができる。均質な試料２０で、人は非コリメート（分散）光源を実装することを計画することができ、これにより、１つの画像内の複数のピクセルに対して入射角を変化させることができる。したがって、コリメートされた光源を用いた場合よりも少ない画像を必要とするため、より高速である。

各シーンでは、１回の撮影で複数のθ_in，φ_in，λの値を決定することができる。同様に、試料２０が均質なエリアの集合で構成されている場合、エリアごとに識別子を割り当て、エリアごとにＢＲＤＦを割り当てることで、比較的少ないハイパースペクトル画像で試料２０全体のＢＲＤＦを再構築することも可能である。

このような構成（ハイパースペクトルカメラによる観察＋一方向からの入射ビームによる試料の各点の照明）では、ハイパースペクトルカメラの１画素で見た試料の見かけの表面で定義される試料領域を照射した場合と同等の結果となるため、第１の実施形態のような平均化を避けることができる。これは、試料の各点が単一方向の光で照らされていることを確認する必要があるだけある。これは、コリメートされた光源または点分散型のエリアソースの場合には当てはまるが、分散型のエリアソースの場合には当てはまらない。

試料２０が、例えば、不均一な色、パターン、またはテクスチャを含むために、不均一である場合、試料２０上の点は、すべて同じＢＲＤＦを有するわけではない。この場合、テクスチャのピクセルに基づいてＢＲＤＦ分類を行い、所定のテクスチャのすべてのピクセルがポイントごとに異なるＢＲＤＦを持つようにする点において有利である。そして、点ＢＲＤＦを参照する識別子を各ピクセルに割り当てることもできる。このようにして、点ＢＲＤＦの集合体であるグローバルなテクスチャＢＲＤＦが得られる。

点ＢＲＤＦについては、最大反射エネルギーに対応する値θ_out，φ_outを決定することを計画することができる。ハイパースペクトル画像の１ピクセルと，サンプリングされた変数であるθ_in，φ_in，θ_out，φ_out，ｘ，ｙ，λとの間には，確かに対応関係が存在する。この対応付けは、あらかじめ試料２０の代わりに配置され、光源３０によって照明され、ハイパースペクトルカメラ５０によってスキャンされたテストパターンの組によって行われる。テストパターンのスペース空間は既知である。ハイパースペクトル画像上では、次に、テストパターンに対応するピクセル間のスペースを決定することが可能である。

これにより、各ピクセルについて、試料２０の参照フレーム内に対応する点のｘ，ｙ座標を決定することが可能となる。また、このテストパターンを用いて、試料２０に対するハイパースペクトルカメラ５０の位置と向きとを決定することで、各画素のθ_out，φ_outの値を決定することができる。あるいは、測定されたテストパターン点の間に補間ステップを設けてもよい。

コリメートされた光源３０の位置と向きとは既知であるので、値θ_in，φ_inは既知である。また、値θ_out，φ_outは決定されているので、次に、試料２０に対する局所的な法線を計算することができる。これは、試料２０が測定されたデータと一致するように法線の方向に正しく向けられているため、その各点におけるＢＲＤＦの分析モデル（例えば、フォンモデル）を考慮することによって行うことができ、これはコンピュータプログラミングによって実施される。調整が行われると、法線の方向が分かるので、ハイパースペクトル画像のピクセルｕ，ｖに対応する異なる点ｘ，ｙでの異なる法線を考慮することで、試料のマイクロリリーフが得られることになる。

その後、各画像について、試料２０、ハイパースペクトルカメラ５０、および光源３０の相対的な向きを変化させ、新しい相対的な向きごとに一連のハイパースペクトル画像を記録する。あるいは、第１の実施形態のように、ハイパースペクトルカメラ５０が偏光フィルタを備えていてもよい。

このようにして、偏光を用いた場合も含めて、ハイパースペクトル画像からハイパースペクトル画像へと、試料２０の所定の物理的な点に対応するピクセルの位置の変化を追うことができる。また、このような構成により、本発明では特に、例えば望遠鏡の鏡などの表面の分析が可能となる。実施形態に関わらず、相対的な動きはコンピュータによって制御されることが予見される。

本発明は、先に述べた実施形態に限定されるものではない。例えば、ハイパースペクトルカメラ５０は、交換可能なモノクロフィルタの組を備えたモノクロカメラで置き換えることができるが、動作時間が長くなるという代償を伴う。

本発明では、入射ビームと反射・透過ビームの方向が同一平面上にない「アウトオブプレーン」構成の複合スペクトル測定が可能である。また、本発明では、微細な分解能でのテクスチャ測定が可能であり、これにより、特に自動車産業または建築産業において有用である、塗料フレークの特性評価が可能となる。また、半透明の材料の特性評価および法線マップの測定も可能であり、これらすべてを操作時間内に、つまりＢＲＤＦおよびＢＴＤＦの測定時間内に行うことができる。

１０ 試料ホルダー／試料サポート
２０ 試料
３０ 光源
４０ 分散型スクリーン
５０ ハイパースペクトルカメラ
５１ ハイパースペクトルカメラ視野角
６０ ゴニオフォトメータのアーチ
７０ 光源からの入射光
８０ 試料で反射した入射光
９０ ハイパースペクトルカメラに向けて分散型スクリーンで反射した光ビーム
１００ セル
１１０ 第１関節アーム
１２０ 第２関節アーム

Claims (11)

1. 試料（２０）の周囲の空間のすべての球面方向からの入射光に対する前記試料（２０）の材料からの反射光（ＢＲＤＦ）および透過光（ＢＴＤＦ）の少なくとも一方を含む材料の光学特性を測定する光学装置であって、
   光源（３０）と、
   球面座標における入射光の方向（θ_in，φ_in）および球面座標における反射光の方向（θ_out，φ_out）の少なくとも１つを測定するように構成されたゴニオフォトメータと、
   一連の層にわたって観察されるシーン内の一連の点に入射する光の発光スペクトルを決定するように構成されているマルチセンサーイメージングデバイスと
   を備えており、
   前記ゴニオフォトメータは、３次元の空間にあって、前記光源（３０）を支持するように構成された第１関節アーム（１１０）と、３次元の空間にあって、前記試料（２０）または試料ホルダー（１０）を支持するように構成された第２関節アーム（１２０）とを有しているセル（１００）にて構成されており、
   前記第１関節アーム（１１０）と前記第２関節アーム（１２０）との相対的な方向性が制御可能であり、
   任意で、前記試料（２０）をさらに含んでいる、
   光学装置。
2. その位置及び空間的向きが調整可能である分散型スクリーン（４０）をさらに備える、請求項１に記載の光学装置。
3. 幾何学的キャリブレーションステップの間に前記試料（２０）の代わりに配置された鏡面反射要素の座標点（Ｘ，Ｙ）と前記分散型スクリーン（４０）上での反射との間の複数の入射に対する対応関係を有する第１の対応表、幾何学的キャリブレーションから算出された乗算係数を有する第２のルックアップテーブル、および、ハイパースペクトルカメラ（５０）の座標（Ｕ，Ｖ）のピクセルと対応する値（θ_in，φ_in，θ_out，φ_out，ｘ，ｙ）との対応関係を有する第３のマッピングテーブルの少なくとも１つを保存したメモリをさらに備えており、
   前記セル（１００）は、任意に、存在を検知すると、前記光源（３０）、前記第１関節アーム（１１０）、および前記第２関節アーム（１２０）のうちの少なくとも１つを抑制するように構成された走査型レーザー、ならびに、前記光源（３０）または前記マルチセンサーイメージングデバイスと一体化しており、任意に偏光軸が可変である偏光フィルタの少なくとも１つをさらに有している、
   請求項２に記載の光学装置。
4. 前記マルチセンサーイメージングデバイスによって観察されるシーンが、前記分散型スクリーン（４０）または前記試料（２０）のいずれかであるように構成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の光学装置。
5. 前記光源（３０）が、０．１ｍｍ～２０ｍｍの間の等価直径の円形断面を有し、任意に変更可能で、最大１，０００，０００ルクスを生成することができる入射光ビーム（７０）を出射するように構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の光学装置。
6. 前記光源（３０）は、１つが白色光を出射し、１つが深紅色光を出射し、１つが紫色光を出射して、可視光全体にわたって発光する隣接する３つ以上のＬＥＤの組、または、半反射ブレードによってそれぞれのビームが混合される複数のＬＥＤを有しており、
   前記光源（３０）が、任意に、システムオンチップ（ＳＯＣ）として構成されている、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の光学装置。
7. 前記分散型スクリーン（４０）は、ランバート反射率が高いフッ素樹脂コーティングを有する、請求項２～６のいずれか一項に記載の光学装置。
8. 前記マルチセンサーイメージングデバイスは、ハイパースペクトルカメラ（５０）である、請求項１～７のいずれか一項に記載の光学装置。
9. 前記ハイパースペクトルカメラ（５０）は、入射光または反射光のスペクトル分解を可能にする波長分割装置を備えている、請求項８に記載の光学装置。
10. 前記ハイパースペクトルカメラ（５０）が、前記分散型スクリーン（４０）または前記試料（２０）を列ごとに観察して、ハイパースペクトル画像の各ピクセルにおけるスペクトル、輝度、および放射を決定するように構成されている、請求項８または９に記載の光学装置。
11. 前記試料（２０）に関連する基準フレーム内の一連の点（ｘ，ｙ）について、入射光の値（θ_in，φ_in）と反射光の値（θ_out，φ_out）とから前記試料（２０）への法線のマップ、および、点ＢＲＤＦの集合体であって、前記試料（２０）のテクスチャの各ピクセルはそれぞれ点ＢＲＤＦの１つによって特徴付けられるテクスチャ・グローバルＢＲＤＦの少なくとも１つを演算するように構成されたコンピュータをさらに備える、請求項１～１０のいずれか一項に記載の光学装置。

Images