JP2588588B2

JP2588588B2 - カラーセンサー

Info

Publication number: JP2588588B2
Application number: JP63171459A
Authority: JP
Inventors: 一朗松崎; 正雄植月
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 1988-07-08
Filing date: 1988-07-08
Publication date: 1997-03-05
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: JPH0221225A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、色の識別や測色の為に使用される、回折
格子を用いたカラーセンサーに関するものである。より
詳しくは、工場の生産ラインにおいて、物体の表面を非
接触で高速に測定し、色識別による検査の自動化や、色
管理による搬送の仕分けの自動化などの目的に使用され
る、回折格子を用いたカラーセンサーに関するものであ
る。

［従来の技術］色の識別や測色の為に使用する装置には、数種類の色
フイルターを用いた光学系や回折格子を用いた光学系が
用いられている。

色フイルターを用いた光学系では、波長範囲がおよそ
400〜700nmで透過帯域の異なる、数種類の帯域フイルタ
ーが組み合わされている。識別する色の種類や測色の精
度により異なるが、およそ３〜30枚のフイルターが用い
られる。

一方、反射型回折格子を用いたものは、第６図に示す
ような光学系から構成されている。第６図の光学系は、
いわゆるツエルニーターナー型分光計である。測定する
試料からの反射光はスリツト11を通して入射され、凹面
鏡12により平行光にされ、反射型回折格子13により各波
長に分光され、凹面鏡14により出射側スリツト４に集光
される。波長の走査法には出射スリツト15の後方にホト
マルチプライヤーやホトダイオードのような光検出器を
置いて回折格子13を回転させる方法と、回折格子13を固
定してCCDラインセンサのようなアレイ状の光検出器を
出射スリツト面15に設ける方法とがある。

［発明が解決しようとする課題］上記帯域フイルターは、多層膜の蒸着や特性の異なる
複数のフイルターを積層して作製されるので、工程が複
雑で高価になつてしまう。また、測定の精度を上げる為
にはフイルターの帯域幅を狭くし、フイルターの数を増
やす必要があるが、回折格子を用いた分光計に比べて、
波長分解能が悪くなる。

一方、反射型回折格子を用いると、1nm以下の波長分
解能が比較的容易に達成され、迷光も少ないので、高精
度の測定が可能である。ところが、このような分光計で
光の利用効率を高めるためには、格子の形状が鋸歯状で
あるために、作製が困難で高価な、いわゆるエシユレツ
ト格子を用いなければならない。また、波長の走査を回
折格子13を回転させて行う場合には高速測定は困難であ
る。

上記の点に鑑みて、本発明者らは透過型回折格子と光
検出器とを備えた、波長分解能が高い小型カラーセンサ
ーを考案し、実願昭63−42854号において開示した。

ここで、カラーセンサーで測定の対象となるのはおよ
そ400〜700nmの波長範囲である。ところが、上記カラー
センサーでは、この波長範囲において、光検出器からの
出力信号のダイナミツクレンジが波長によつて大きく変
化し、特に、短波長側のダイナミツクレンジが小さいた
めに電気的ノイズが生じる不都合があつた。本発明は、
上記不都合に鑑みてなされたもので、回折格子と光検出
器を備えたカラーセンサーであつて、光検出器の出力電
気信号のダイナミツクレンジが大きく、かつ測定光の波
長による差を減少させたカラーセンサーを提供すること
を目的としている。

［課題を解決するための手段］上記課題を解決するために、本発明のカラーセンサー
では、長波長側と短波長側の光の利用効率を変えてい
る。すなわち、カラーセンサーで用いられる光源および
光検出器では、光源の放射光強度と光検出器の感度はと
もに長波長側に比べて、短波長側が小さくなつており、
このために短波長側のダイナミツクレンジが小さくな
る。そこで本発明では、回折格子への光の入射角度を短
波長側のブラツグ角とすることによつて、短波長側の光
の利用効率を長波長側よりも高めている。

カラーセンサーの光源として通常用いられる、ハロゲ
ンランプの放射光強度は短波長側の方が長波長側より小
さい。ここでプランクの放射側によると、分光放射輝度
Ｌは次式で与えられる（T:温度（Ｋ）、λ：光の波長、C₁,C₂:定
数）。上記の式を用いてランプのフイラメント温度が27
00K、2800K、2900K、3000K、3100Kの各温度の分光放射
輝度を計算した結果を第２図に示した。第２図から明ら
かなようにハロゲンランプでは、フイラメントの温度を
高くすることにより放射光強度を大きくすることができ
る。しかし、フイラメントの温度を高くするとランプの
寿命は短くなるので、センサーの用途で使われる温度は
2800K程度である。ここで、第２図から2800Kにおける放
射輝度は420nmの波長では4.42w/cm²・μｍ、680nmの波
長では42.79w/cm²・μｍである。タングステン金属の分
光放射率は420nmでは0.46、680nmでは0.42である。した
がつて、ハロゲンランプの放射光強度は420nmでは2.03w
/cm²・μｍ、680nmでは17.97w/cm²・μｍとなるので、
長短波長での放射光強度比は1:9程度である。

次に、光検出器として頻繁に使われるSiのPINホトダ
イオードの分光感度特性の１つの例を第３図に示す。通
常のホトダイオードは約900nmに感度のピークを持ち、
短波長側（420nm）と長波長側（680nm）では感度比は1:
10程度になっている。

したがって、上記ハロゲンランプの放射光強度と上記
ホトダイオードの感度の波長特性は、ともに短波長側が
小さく、長波長側が大きくなつている。このために短波
長側の出力信号は長波長側よりも小さくなる。たとえ
ば、出力信号の比として、上記放射光強度と上記感度の
積をとると、短波長側（420nm）と長波長側（680nm）で
は、1:90程度となる。

ここで、回折格子の回折効率が格子への光の入射角度
によつて変化することは知られている。

第４図は格子ピツチ507nmの正弦波状レリーフ透過型
回折格子について、波長680nmの光の格子への入射角度
と回折効率の関係を示している。θ_Ｂは上記格子の680n
mの光に対するブラツグ角で、42.1゜である。なお、こ
の格子の420nmの光に対するブラツグ角は24.5゜であ
る。第４図から明らかなように、上記格子のＰ偏光に対
する回折効率の入射角度依存性は小さいが、Ｓ偏光に対
しては入射角度により大きく変化する。ここで、420nm
の光に対するブラツグ角24.5゜で光を入射した場合、42
0nmの波長に対するＳ偏光の回折効率は最大となるのに
対し、680nmに対しては第４図によると50％程度に低下
する。したがって、この角度で光を入射すると、上記回
折格子のＳ偏光とＰ偏光を合わせた回折効率は、420nm
に比べ680nmでは低くなる。回折格子の形状によつて、
Ｓ偏光およびＰ偏光の回折効率の入射角度依存性は異な
るが、第４図により説明したように、短波長側のブラツ
グ角で光を入射することにより、長波長側のブラツグ角
からずれるため、長波長側の回折効率を短波長側に比べ
て相対的に小さくすることができる。

本発明のカラーセンサーでは、このように、回折格子
が回折効率の入射角度依存性を有する特性により、出力
信号の長短波長の差を小さくしている。すなわち、光源
と光検出器の波長特性により、長波長側に比べて、短波
長側の出力信号が小さいカラーセンサーにおいて、短波
長側のブラツグ角で光を回折格子に入射することによつ
て、出力信号の波長による変化を小さくしている。

また、各波長のブラツグ角で入射した場合、長波長側
に比べて、短波長側の回折効率が高い特性を有する回折
格子を用いて、上記のように短波長側のブラツグ角で光
を入射すると、出力信号の波長による変化をより小さく
することができる。

さらに、短波長側の方が長波長側に比べて光の透過率
の高い波長特性を有するコーテイングを回折格子等に施
しても良く、同様の特性を有する光学フイルターを用い
ても良い。

［作用］この発明のカラーセンサーは、短波長側の光の利用効
率を長波長側に比べて相対的に高くすることによつて、
長短波長に対する光検出器からの出力信号の差を小さく
している。

［実施例］以下に、本発明を実施例によりさらに詳しく説明す
る。

本発明に係るカラーセンサーの１つの実施例の概略構
成図を第１図に示す。光源１からの光で測定する物体７
の表面を照明し、物体表面からの散乱光のうちレンズ２
とスリツト３を通過した光が透過型回折格子４に入射す
る。透過型回折格子４で分光した光はレンズ５により集
光し、光検出器６で各波長の光強度を検出する。光検出
器６としては、複数のホトダイオード、ホトダイオード
アレイ、CCD、PSD等を用い、各画素は光の波長に対応す
る。本実施例では、回折格子４としては、ピツチが507n
mで断面形状が正弦波状の格子を用いている。光源１は
浜井電球工業社製LNS−540、光検出器６は第３図に示し
た分光感度特性をもつホトダイオードPN−４−17（光電
子工業研究所製）を使用した。なお、レンズ2,5の焦点
距離はそれぞれ20mm、50mmである。またスリツト３のス
リツト幅は0.75mmである。回折格子４に入射する光の入
射角は、回折格子の短波長側のブラツグ角となるように
25゜に設定した。この角度で光を入射した場合の回折効
率は、420nmでは約65％、680nmでは約12％であつた。

ところで、上記回折格子において、各波長のブラツグ
角で光を入射したときの回折効率は、420nmに対しては6
5％であるが、680nmに対しては、Ｐ偏光の回折効率が小
さいため、28％である。このように各波長のブラツグ角
で入射した場合の回折効率が、短波長側の方が長波長側
に比べて高い回折格子を用いると、短波長側の光の利用
効率をより高めることができる。

本実施例のカラーセンサーを用いて、反射率が85〜90
％で、波長特性の小さい白色板からの反射光の出力信号
特性を測定した結果を第５図に示した。第５図におい
て、420nm〜680nmの波長域における、最大出力信号と最
小出力信号の比は100:7程度である。第７図には破線に
よつて、光源の放射光強度およびホトダイオードの感度
の波長特性の積を示している。上記出力信号の波長によ
る変化はこれよりも大幅に小さくなつている。

なお、上記回折格子や光検出器表面には、無機誘電体
多層膜等からなり、短波長側の方が長波長側に比べて光
の透過率の高い波長特性を有するコーテイングを施す
と、上記出力信号の波長による変化をより小さくするこ
とができる。しかし、この場合は光検出器で検出される
光の絶対量は小さくなるので、出力信号の大きさと出力
信号の波長による差のバランスを考慮して、各波長の光
の利用効率を最適に設定する必要がある。

また、本発明に係るカラーセンサーには、多層膜の蒸
着等で作製された、短波長側の光の透過率が長波長側に
比べて高い特性を有する光学フイルターを併用してもよ
い。

［発明の効果］以上説明したように、本発明のカラーセンサーでは、
長短波長の光の利用効率に差があるので、出力信号の大
きさの波長による差が小さくなり、電気信号のダイナミ
ツクレンジの光の波長による差を減少させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るカラーセンサーの１つの実施例の
概略構成図、第２図はフイラメント温度と分光放射輝度
の関係を示す図、第３図はSiのPINホトダイオードの分
光感度特性の１つの例を示す図、第４図は回折格子の回
折効率と入射角の関係を示す図、第５図は実施例のカラ
ーセンサーの出力信号の波長特性を示す図、第６図は従
来の分光計の構成図である。１……光源、2,5……レンズ、４……回折格子、６……光検出器、７……被測定物体。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、測定すべき物体の表面で上記光源
の光を反射した反射光を分光する回折格子と、上記回折
格子による分光光束を検出する光検出器とを備えてお
り、上記光源の放射光強度と上記光検出器の感度の波長
特性によって、上記光検出器からの出力信号が小さい波
長域の光の利用効率が、上記出力信号の大きい波長域よ
りも高いカラーセンサーであって、上記回折格子への上
記反射光の入射角度が、上記光検出器からの出力信号が
小さい光の波長域のブラッグ角となるように配置されて
いることを特徴とするカラーセンサー。
【請求項２】上記回折格子が、各波長のブラッグ角で光
を入射したときに、上記光検出器からの出力信号が大き
い光の波長域よりも、上記出力信号が小さい光の波長域
における、回折効率が高い特性を有する請求項１記載の
カラーセンサー。