JP3284997B2 - 測定用光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物の被測定
領域から出射される光のうち所定の最大出射角以下の光
線のみを受光手段の受光面に導光する測定用光学系に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネルの生産ラインでは、生産され
た液晶パネルのホワイトバランスを調整したり、液晶パ
ネルの品質管理・出荷検査をすべく、液晶パネルの色度
や輝度などの光学特性を測定する光学測定装置が従来よ
り使用されている。この光学測定装置は、受光素子を内
蔵し、液晶パネルの被測定領域から出射される光を測定
用光学系を介して受光素子に導光するとともに、この受
光素子からの出力値に基づき国際照明委員会（ＣＩＥ）
で制定されているｘｙＹ（色度座標、輝度）、ＴΔｕｖ
Ｙ（相関色温度、黒体軌跡からの色差、輝度）などを演
算するように構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、液晶パネル
については、従来より周知のように、見る角度（中心面
法線からの角度）によって輝度や色度が異なる。これ
は、見る角度をある一定の角度間隔で変えていったとき
の出射光の強度が見る角度に応じて変化することに起因
するものであり、液晶パネルは例えば図１９（ａ）に示
すように中心面法線Ｎに対してほぼ対称な配光特性を有
している。すなわち、現在市場に流通している液晶パネ
ルでは、正面から見ると正常に表示されていたとして
も、中心面法線Ｎに対して徐々に角度をつけて見ると、
ある角度αを超えると、輝度や色度が大きく変化してし
まい、液晶パネルの視野角は狭くなっている。したがっ
て、液晶パネルの中心面法線Ｎの近軸付近の光線のみな
らず、上記角度を超えて出射される光線をも受光し、そ
の強度から液晶パネルの輝度や色度などの求めていた従
来例では、十分な精度および再現性を有する光学特性の
測定は困難であった。

【０００４】なお、このような問題は液晶パネルの光学
測定装置における測定用光学系に限った問題ではなく、
出射光の配光がある出射角を超えると、その出射角の光
線の強度が大きく変化するというと配光特性を有する光
源を被測定物とする場合に共通して存在する問題であ
る。

【０００５】この発明は、上記のような問題に鑑みてな
されたものであり、被測定物の被測定領域からの光のう
ち所定の出射角以下の光のみを受光手段に導光して配光
特性の変動の影響を防止することができる測定用光学系
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するため、被測定物の被測定領域から出射さ
れる光のうち所定の最大出射角以下の光線のみを受光手
段の受光面に導光する測定用光学系であって、正のパワ
ーを有する光学素子を、次の条件を満足するように前記
被測定物と前記受光手段との間に配置している。なお、
その条件とは、前記被測定領域の一方端部から出射する
光線のうち前記被測定領域から法線方向に出射する光線
と、前記被測定領域の他方端部から出射する光線のうち
出射角が前記最大出射角の光線とが、前記受光面の端部
で交差することである。

【０００７】また、請求項２の発明は、被測定物の被測
定領域から出射される光のうち所定の最大出射角α以下
の光線のみを受光手段の受光面に導光する測定用光学系
であって、上記目的を達成するため、正のパワーを有す
る焦点距離ｆの光学素子を、次の２つの条件式を満足す
るように前記被測定物と前記受光手段との間に配置して
いる。

【０００８】＜条件式１＞ ｆ＝｜２・ｈ／ｔａｎα｜ ただし、ｈは前記光学素子の光軸からの前記受光面の最
大高さである ＜条件式２＞ Ｌ＝（Ｈ−ｈ）・ｆ／Ｈ ただし、Ｌは前記光学素子の像側主点位置から前記受光
面までの距離であり、Ｈは前記光軸からの被測定領域の
最大高さである。

【０００９】さらに請求項３の発明は、前記光学素子と
前記被測定物との間に前記被測定領域を規制する規制手
段をさらに備えている。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用したキャリブ
レーションシステムの全体概略構成および動作について
説明した後、本発明の構成および作用効果について詳細
に説明する。

【００１１】Ａ．キャリブレーションシステムの全体概
略構成および動作 図１は、この発明を用いた液晶パネルのキャリブレーシ
ョンシステムを示す図である。このキャリブレーション
システムでは、コンピュータ本体１１と電気的に接続さ
れた液晶パネル１２の色度（三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚ）が光
学測定装置２で測定され、ＲＳ−２３２ＣやＵＳＢ（=U
niversal Serial Bus）などのインターフェースを介し
てコンピュータ本体１１に与えられ、コンピュータ本体
１１に予めインストールされている校正プログラムにし
たがって液晶パネル１２のホワイトバランス調整が行わ
れる。なお、現在市場に流通している液晶パネル１２は
すでに説明したように上下方向（配光特性変動方向）Ｘ
Ｘに配光特性が大きく変動するが、それと直交する水平
方向ＹＹでは配光特性はほぼ対称となっているものが多
く、以下においては、この前提に基づき本発明の構成、
作用効果などについて説明する。

【００１２】図２は、図１のキャリブレーションシステ
ムで採用されている光学測定装置を示す斜視図である。
また、図３は図２の光学測定装置を液晶パネルに装着し
た状態での光学測定装置の断面図である。この光学測定
装置２は、これらの図に示すように、装置本体２１と、
装置本体２１の内部に設けられた受光ユニット（受光手
段）２２と、液晶パネル１２の被測定領域１２１から出
射される光を受光ユニット２２に導く（測定用）光学系
２３と、受光ユニット２２から出力される信号を受けて
被測定領域１２１に表示される画像の輝度と色度を示す
三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚを演算し、コンピュータ本体１１に
出力する制御部２４と、装置本体２１を液晶パネル１２
に対して固定する固定用フック２５とで構成されてい
る。

【００１３】装置本体２１では、ＡＢＳ樹脂製の略円筒
形状の筒部２１１の一方端側（図３の左手側）に、ポリ
カーボネート製の略ドーナツ形状のフランジ２１２が固
着されている。また、このフランジ２１２の一方側主面
２１２ｓにフランジ２１２の外周縁に沿って円環状のゴ
ムリングシート２１３が取付けられており、このゴムリ
ングシート２１３が液晶パネル１２に当接可能となって
いる。ここで、図３に示すように、ゴムリングシート２
１３を液晶パネル１２に当接させると、フランジ２１２
が液晶パネル１２からゴムリングシート２１３の厚みｔ
分だけ離隔した状態で位置決めされるとともに、筒部２
１１の内部で固定された受光ユニット２２の液晶パネル
１２に対する位置も正確に位置決めされる。このように
本実施形態では、装置本体２１のゴムリングシート２１
３が液晶パネル１２と当接する当接部として機能し、こ
のゴムリングシート２１３が液晶パネル１２と当接して
光学測定装置２が液晶パネル１２に対して位置決めされ
る、いわゆる接触型構造となっている。このため、図３
に示すように光学測定装置２が液晶パネル１２に固定さ
れて測定可能な状態（以下「測定状態」という）となる
と、液晶パネル１２から受光ユニット２２までの距離Ｌ
1が装置本体２１の機械的な寸法によって決まる所定値
となる。

【００１４】このように光学測定装置２を液晶パネル１
２に接触させた状態で固定するために、この実施形態で
は、図２に示すように、フック２５の後端部２５１が略
Ｙ字形状となっており、筒部２１１の外周側部に回動自
在に取付け、フック２５の先端フック部２５２を液晶パ
ネル１２の上端部１２２に引っ掛けて液晶パネル１２に
対して光学測定装置２を固定可能となっている。ただ
し、光学測定装置２を液晶パネル１２に固定する固定手
段としては、本実施形態で示したフック２５以外に、ク
リップ、専用スタンドあるいはマジックテープ（登録商
標）等を用いることができる。また、表示面を略上方に
向けた状態で液晶パネル１２を倒伏配置している場合に
は、固定手段を設けるまでもなく、液晶パネル１２の表
示面上に光学測定装置２を載置することで光学測定装置
２を液晶パネル１２に対して実質的に固定位置決めする
ことができる。さらに、固定手段を設ける代わりに、測
定者がマニュアルで装置本体２１を液晶パネル１２の表
示面に押し付けたり、専用のロボットによって自動的に
装置本体２１を液晶パネル１２の表示面に押し付けるよ
うに構成してもよい。

【００１５】図４は、装置本体内部でのフランジ、光学
系および受光ユニットの配置関係を示す斜視図である。
図３および図４に示すように、フランジ２１２の中心部
には、円形の開口部２１２ａが形成されており、図３に
示す測定状態では、その開口部２１２ａが液晶パネル１
２の被測定領域１２１と近接対向しており、被測定領域
１２１から出射した光のみが光学系２３を介して受光ユ
ニット２２に入射するようになっている。このように、
この実施形態では、フランジ２１２の開口部２１２ａが
実質的に視野絞りとして機能している。

【００１６】また、光学系２３は被測定領域１２１の各
部から出射される光のうち所定の最大出射角α（例え
ば、１０゜程度）以下の出射角の光のみを受光ユニット
２２に導くように構成されており、配光特性の影響を抑
えて正確な測定可能となっている。なお、出射角を制限
するために本実施形態で採用した具体的な構成、および
その作用効果については、後の「B-2.測定用光学系につ
いて」の項で詳述する。

【００１７】このように開口部２１２ａおよび光学系２
３を介して被測定領域１２１からの光を受光する受光ユ
ニット２２は、図４および図５に示すように、４つの受
光部２２１〜２２４で構成されている。これらの受光部
のうち第１および第２受光部２２１、２２２は、同一の
分光感度特性を有しており、その分光感度は、国際照明
委員会（ＣＩＥ）で標準観察者の分光感度として規定さ
れている３つの分光感度のうち青の波長域に大きな感度
を持っている分光感度（ゼット・バー・ラムダ）に設定
されている。そして、これら２つの受光部２２１、２２
２は、液晶パネル１２から距離Ｌ1だけ離れた受光面上
で、しかも液晶パネル１２の配光特性変動方向ＸＸにお
いて被測定領域１２１の中心面法線（この実施形態で
は、光学系２３の光軸ＯＡと一致している）Ｎに対して
相互に反対側に配置されている。つまり、図５に示すよ
うに、受光部２２１は（＋ＸＸ）側に配置されるのに対
し、受光部２２２は（−ＸＸ）側に配置されている。こ
のように配置することの利点については、後の「B-3.受
光素子の並設構造について」の項で詳述する。

【００１８】一方、残りの第３および第４受光部２２
３、２２４は、受光面と中心面法線Ｎとが交差する交点
ＣＰを通り、しかも配光特性変動方向ＸＸとほぼ直交す
る方向ＹＹ方向に延びる仮想線ＶＬに配置されている。
しかも、交点ＣＰを挟んで第３受光部２２３が（＋Ｙ
Ｙ）側に配置されるとともに、第４受光部２２４が（−
ＹＹ）側に配置されている。このように配置された第３
受光部２２３は、第１および第２受光部２２１、２２２
とは異なり、赤の波長域に大きな感度を持っている分光
感度（エックス・バー・ラムダ）を有する一方、第４受
光部２２４は、第１ないし第３受光部２２１〜２２３と
は異なり、緑の波長域に大きな感度を持っている分光感
度（ワイ・バー・ラムダ）を有している。

【００１９】このように、この実施形態では、人間の目
に対応する分光感度とほぼ同じ感度を持つ３種類の受光
部２２１〜２２４を設けて、被測定領域１２１からの光
を受光するように構成しているので、被測定領域１２１
の色を三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚ（Ｚ1，Ｚ2）で測定すること
ができるようになっている。そして、こうして得られた
三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚ（Ｚ1，Ｚ2）に関連する４つのアナ
ログ信号ＳX，ＳY，ＳZ1，ＳZ2が制御部２４に与えられ
て校正処理された後、その校正済みの三刺激値Ｘ，Ｙ，
Ｚに関連するディジタル信号が光学測定装置２から出力
される。なお、受光ユニット２２における受光部の構成
については、この実施形態のそれに限定されるものでは
なく、受光部２２１、２２２を設ける代わりに、それら
と同一の分光感度（ゼット・バー・ラムダ）を有する受
光部を図５の仮想線ＶＬ上に配置し、この受光部によっ
て色刺激値Ｚを測定するようにしてもよい。

【００２０】図６は、光学測定装置の制御部の電気的な
構成を示すブロック図である。この制御部２４では、４
つのアンプ回路２４１ａ〜２４１ｄからなる増幅部２４
１が設けられている。これらのアンプ回路２４１ａ〜２
４１ｄはそれぞれ受光部２２１〜２２４と電気的に接続
されており、各受光部２２１〜２２４から出力されるア
ナログ信号ＳX，ＳY，ＳZ1，ＳZ2をそれぞれ増幅してマ
ルチプレクサ２４２の対応端子に供給する。

【００２１】このマルチプレクサ２４２は、ＣＰＵ２４
４からの切換指令信号に基づき、各アンプ回路２４１ａ
〜２４１ｄとＡ／Ｄ変換回路２４３との接続関係を順次
切換えてアナログ信号ＳX，ＳY，ＳZ1，ＳZ2を順番にＡ
／Ｄ変換回路２４３に与えてそれぞれディジタル信号Ｄ
X，ＤY，ＤZ1，ＤZ2に変換する。そして、こうして変換
されたディジタル信号ＤX，ＤY，ＤZ1，ＤZ2を受け取っ
たＣＰＵ２４４はＥＥＰＲＯＭ２４５に予め記憶されて
いる校正値ＫX，ＫY，ＫZに基づき真の三刺激値Ｘ，
Ｙ，Ｚを演算し、それらに関連する信号をコンピュータ
本体１１に出力する。

【００２２】次に、上記のように構成された光学測定装
置を用いた液晶パネル１２のキャリブレーション処理手
順について図７および図８を参照しつつ説明する。な
お、図７はキャリブレーション処理に先立ってＥＥＰＲ
ＯＭ２４５に校正値ＫX，ＫY，ＫZを記憶させる手順を
示すフローチャートであり、図８はキャリブレーション
処理の手順を示すフローチャートである。

【００２３】まず、基準となる液晶パネル（ＬＣＤ）を
準備し、この基準液晶パネルに測定用画像、例えば白色
画像を映し出す（ステップＳＴ１）。そして、その基準
液晶パネル上に映し出された測定用画像の三刺激値Ｘ
0，Ｙ0，Ｚ0を測定器、例えばミノルタ株式会社製の分
光放射輝度計「ＣＳ−１０００」によって測定する（ス
テップＳＴ２）。

【００２４】次に、上記基準液晶パネルの上端部に、光
学測定装置２の先端フック部２５２を引っ掛けて基準液
晶パネルに対して光学測定装置２を固定し（ステップＳ
Ｔ３）、ＣＰＵ２４４からの切換指令信号に基づき各ア
ンプ回路２４１ａ〜２４１ｄとＡ／Ｄ変換回路２４３と
の接続関係を順次切換えながら、Ａ／Ｄ変換回路２４３
から出力されるディジタル値（ディジタル信号）Ｄ0X，
Ｄ0Y，Ｄ0Z1，Ｄ0Z2を求める。さらに、ディジタル値Ｄ
0Z1，Ｄ0Z2を足し合わせてディジタル値Ｄ0Zを求めてお
く（ステップＳＴ４）。

【００２５】そして、次式に基づき校正値ＫX，ＫY，Ｋ
Zを求め（ステップＳＴ５）、ＥＥＰＲＯＭ２４５に記
憶しておく（ステップＳＴ６）。

【００２６】 ＫX＝Ｘ0／Ｄ0X ＫY＝Ｙ0／Ｄ0Y ＫZ＝Ｚ0／Ｄ0Z なお、この実施形態では、三刺激値Ｘ0，Ｙ0，Ｚ0につ
いては、図示を省略するキーボードをオペレータが操作
してＲＡＭ（図示省略）に一時的に記憶させる一方、デ
ィジタル値Ｄ0X，Ｄ0Y，Ｄ0Zについては、Ａ／Ｄ変換回
路２４３から出力されるディジタル値Ｄ0X，Ｄ0Y，Ｄ0Z
1，Ｄ0Z2についてはそのまま一時的にＲＡＭに記憶した
後で、ＣＰＵ２４４がディジタル値Ｄ0Z1，Ｄ0Z2をＲＡ
Ｍから読み出し、両者を足し合わせてディジタル値Ｄ0Z
を演算する。さらに、ＣＰＵ２４４がＲＡＭから三刺激
値Ｘ0，Ｙ0，Ｚ0を読み出し、上記式に基づき校正値Ｋ
X，ＫY，ＫZを求めた後、それらをＥＥＰＲＯＭ２４５
に自動的に記憶させているが、ディジタル値Ｄ0Zおよび
校正値ＫX，ＫY，ＫZの計算をマニュアルで行い、オペ
レータがキーボードを介してＥＥＰＲＯＭ２４５に記憶
させるようにしてもよい。

【００２７】次に、上記のようにして校正値ＫX，ＫY，
ＫZが予め設定記憶されている光学測定装置２を用い
て、測定対称となる液晶パネル（ＬＣＤ）１２の輝度と
色度を測定し、その結果に基づいて液晶パネルのキャリ
ブレーション処理を行う手順について図８を参照しつつ
説明する。

【００２８】まず、図３に示すように、フック２５の先
端フック部２５２を液晶パネル１２の上端部１２２に引
っ掛けて液晶パネル１２に対して光学測定装置２を装着
固定する（ステップＳＴ１１）。そして、コンピュータ
本体１１から液晶パネル１２に画像信号を与えて基準液
晶パネルに表示したのと同一の測定用画像を液晶パネル
１２の被測定領域１２１に映し出す（ステップＳＴ１
２）。

【００２９】こうして測定用画像が映し出されると、各
受光部２２１〜２２４から三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚ（Ｚ1，
Ｚ2）に関連する４つのアナログ信号ＳX，ＳY，ＳZ1，
ＳZ2が出力されるが、ここでＣＰＵ２４４からの切換指
令信号に基づき各アンプ回路２４１ａ〜２４１ｄとＡ／
Ｄ変換回路２４３との接続関係を順次切換えてディジタ
ル値（ディジタル信号）Ｄ0X，Ｄ0Y，Ｄ0Z1，Ｄ0Z2を求
め、ＲＡＭ（図示省略）に一時的に記憶する（ステップ
ＳＴ１３）。

【００３０】次に、ＣＰＵ２４４は、ＥＥＰＲＯＭ２４
５に予め記憶されている校正値ＫX，ＫY，ＫZを読み出
し、以下の演算処理を行って測定用画像の真の三刺激値
を求める（ステップＳＴ１４）。すなわち、まずディジ
タル値Ｄ0Z1，Ｄ0Z2を足し合わせてディジタル値Ｄ0Zを
求めた後、次式 Ｘ＝ＫX・Ｄ0X Ｙ＝ＫY・Ｄ0Y Ｚ＝ＫZ・Ｄ0Z にしたがって三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚの校正を行う。なお、
この実施形態では、受光部２２１，２２２から出力され
る信号をそれぞれ別個のアンプ回路２４１ｃ，２４１ｄ
で増幅しているが、受光部２２１，２２２から出力され
る信号を１つのアンプ回路に入力して電流増幅処理する
場合には、当該アンプ回路から加算状態の信号が出力さ
れるため、上記したディジタル値Ｄ0Z1，Ｄ0Z2の加算処
理は不要となる。

【００３１】こうして、真の三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚが求ま
ると、その演算結果を光学測定装置２からＲＳ−２３２
ＣやＵＳＢなどのインターフェースを介してコンピュー
タ本体１１に出力する（ステップＳＴ１５）。そして、
このデータ（被測定領域１２１上の測定用画像の三刺激
値Ｘ，Ｙ，Ｚ）を受け取ったコンピュータ本体１１は、
予めインストールされている液晶パネルのキャリブレー
ション用プログラムに従って液晶パネル１２のホワイト
バランス調整を行う（ステップＳＴ１６）。

【００３２】なお、このキャリブレーションシステムで
は、光学特性として三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚを測定している
が、これ以外の光学特性を測定し、出力するように構成
してもよい。つまり、本発明の適用対象は三刺激値Ｘ，
Ｙ，Ｚを測定するものに限定されず、色度および輝度な
どの光学特定を測定する光学測定装置全般を適用対象と
するものである。

【００３３】Ｂ．本発明の詳細構成および作用効果 次に、この発明の詳細構成および作用効果について説明
するが、本発明は大きく３つの特徴を有している。まず
第１点目として液晶パネル１２の光学特性を測定すべく
接触型構造を採用している点、また第２点目として被測
定領域１２１から出射される光のうち所定の出射角α以
下の光のみを受光部２２１〜２２４に導くための（測定
用）光学系２３を採用している点、さらに第三点目とし
て配光特性変動方向ＸＸに配光特性が大きく異なること
に適切に対応すべく色刺激値Ｚに関して受光素子の並設
構造を採用している、つまり同一の分光感度特性を有す
る第１および第２受光部２２１，２２２を設けている点
である。以下、これらについて順次説明する。

【００３４】B-1.接触型構造について この発明の一実施形態である光学測定装置２の基本的構
成は、すでに「Ａ．キャリブレーションシステムの全体
概略構成および動作」の項で説明した通りであり、光学
測定装置２を液晶パネル１２に装着固定すると、図３に
示すように、ゴムリングシート２１３が液晶パネル１２
と当接する。このため、同図において破線で示すよう
に、その当接部を中心として一定の広がりを持った接触
影響領域１２３が形成されて表示色が変化する。

【００３５】ところで、この実施形態では、ゴムリング
シート２１３の内径がフランジ２１２の開口部２１２ａ
の外径よりも充分に大きくなっており、当接位置（接触
影響領域１２３の中心位置）は被測定領域１２１からそ
の外周方向に離れた位置となっているため、接触影響領
域１２３の被測定領域１２１への重なり合いが防止さ
れ、この状態で上記のようにして被測定領域１２１の輝
度と色度を示す三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚを測定している。し
たがって、たとえ光学測定装置２の一部が液晶パネル１
２と接触したとしても、接触影響領域１２３の影響を受
けることなく、被測定領域１２１の輝度と色度を正確に
測定することができる。

【００３６】また、このように接触型構造を採用した実
施形態では、上記したように光学測定装置２が液晶パネ
ル１２に固定されて測定可能な状態となっており、液晶
パネル１２から受光ユニット２２までの距離Ｌ1が一定
値に固定されるため、高い測定精度および再現性で、被
測定領域１２１の輝度と色度を測定することができる。

【００３７】また、接触型構造の光学測定装置２によれ
ば、装置周辺から被測定領域１２１に入射する光はほと
んどなく、迷光による測定精度の低下を防止することが
でき、測定精度の向上を図ることができる。特に、迷光
の発生を防止する観点から、装置本体２１全体に対して
遮光性を持たせるのが好ましく、上記のように筒部２１
１をＡＢＳ樹脂で製造するとともに、フランジ２１２を
ポリカーボネートで製造する場合には、筒部２１１およ
びフランジ２１２の製造にあたって樹脂材料中に遮光性
に優れた顔料を混合して樹脂成形したり、成形された筒
部２１１およびフランジ２１２の外面または内面に遮光
性に優れたコーティングを施すのが望ましい。また、こ
れらの構成要素（筒部２１１およびフランジ２１２）を
樹脂材料の代わりに遮光性を有する他の材料、例えば金
属材料やセラミック材料などで構成するようにしてもよ
い。

【００３８】また、この実施形態では図１〜図３から明
らかなように円環状のゴムリングシート２１３を当接部
として機能させているため、ゴムリングシート２１３に
よって被測定領域１２１の全周が取り囲まれており、装
置周辺から被測定領域１２１への外光の入射をより確実
に防止している。

【００３９】なお、この実施形態では、フランジ２１２
の外周縁に沿って円環状のゴムリングシート２１３を取
り付けて当接部を構成しているが、複数の平板状ゴム片
をフランジ２１２の外周縁に沿って取り付けることで当
接部を構成し、この当接部によって被測定領域１２１を
部分的に取り囲むように構成してもよい。また、上記実
施形態では当接部を構成する材質としてゴムを用いてい
るが、当該材質はこれに限定されるものではなく、任意
の材料を用いることができる。

【００４０】B-2.測定用光学系について 図９は、この発明の一実施形態である測定用光学系２３
の配置関係を示す図である。光学系２３は、上記「Ａ．
キャリブレーションシステムの全体概略構成および動
作」の項で説明したように、フランジ２１２と受光ユニ
ット２２との間に配置されている。より詳しくは、光学
系２３は単一の正のパワーを有する平凸レンズ２３１に
よって構成されており、その凸面が被測定領域１２１側
を向き、しかも次の２つの条件式を満足するように配置
することで、液晶パネル（被測定物）の被測定領域１２
１から出射される光のうち所定の最大出射角α以下の光
線のみが受光ユニット２２の受光面ＲＳに導光されるよ
うに構成されている。すなわち、平凸レンズ２３１は、 ＜条件式１＞ ｆ＝｜２・ｈ／ｔａｎα｜ ただし、ｆは平凸レンズ（光学素子）２３１の焦点距離
であり、ｈは平凸レンズ２３１の光軸ＯＡからの受光面
ＲＳの最大高さである ＜条件式２＞ Ｌ＝（Ｈ−ｈ）・ｆ／Ｈ ただし、Ｌは平凸レンズ２３１の像側主点位置ＰＰから
受光面ＲＳまでの距離であり、Ｈは前記光軸ＯＡからの
被測定領域１２１の最大高さである。

【００４１】このように構成された測定用光学系２３で
は、レンズ２３１の収差が全くない、あるいは非常に小
さいと仮定すれば、被測定領域１２１の一方端部１２１
ａから出射する光線のうち被測定領域１２１から法線方
向ＺＺに出射する光線Ｒa1と、被測定領域１２１の他方
端部１２１ｂから出射する光線のうち出射角が最大出射
角αの光線Ｒb2とが、受光面RＲＳの一方端部（受光部
２２１の上方端部２２１ａ）で交差する。また、被測定
領域１２１の他方端部１２１ｂから出射する光線のうち
被測定領域１２１から法線方向ＺＺに出射する光線Ｒb1
と、被測定領域１２１の一方端部１２１ａから出射する
光線のうち出射角が最大出射角αの光線Ｒa2とが、受光
面ＲＳの他方端部（受光部２２２の下方端部２２２ａ）
で交差する。このことは、上下方向ＸＸと直交する水平
方向ＹＹにおいても成立する。

【００４２】したがって、受光部２２１〜２２４のそれ
ぞれには、被測定領域１２１の各部から出射した光を受
光し、しかも、その出射角は最大出射角α以下となって
いる。このため、次のような効果が得られる。

【００４３】まず第１点目として、正のパワーを有する
平凸レンズ２３１を用いているので、受光部２２１〜２
２４の受光エリアに比べて充分に広い被測定領域１２１
からの光を各受光部２２１〜２２４に導光し、受光部２
２１〜２２４からの出力レベルを高めることができ、そ
の結果、測定精度および再現性を向上させることができ
る。

【００４４】また、第２点目として、上記のように広い
被測定領域１２１から光を集光しているにも拘らず、受
光される光線の出射角を最大出射角α以下に制限するこ
とができる。すでに説明したように、中心面法線Ｎに対
して徐々に角度をつけて液晶パネル１２を見ると、ある
角度αを超えると、輝度や色度が大きく変化してしま
い、液晶パネル１２の視野角は狭いといわざるを得ず、
例えば図１９（ａ）に示すように最大出射角αを超える
と、光強度が極端に小さくなる。そのため、出射角が大
きな光線を受光部２２１〜２２４で受光し、その出力信
号に基づき被測定領域１２１の輝度や色度を求めると、
測定誤差が大きくなってしまう。これに対し、本発明の
如く出射角を最大出射角α以下に制限した場合、測定誤
差を抑えて精度および再現性のよい測定が可能となる。

【００４５】なお、上記説明においては、測定用光学系
２３を構成する単一のレンズ２３１が収差を有さない、
あるいは非常に小さいという仮定に基づきレンズ２３１
の配設位置を説明したが、レンズ２３１の収差が比較的
大きな場合には、光線追跡法によって被測定領域１２１
から出射される光線の経路が上記実施形態と同様になる
ようにレンズ２３１の配置を確定すればよい。すなわ
ち、被測定領域１２１の一方端部から出射する光線のう
ち被測定領域１２１から法線方向Ｎに出射する光線と、
被測定領域１２１の他方端部から出射する光線のうち出
射角が最大出射角αの光線とが、受光面ＲＳの端部で交
差するように、レンズ２３１を配置することで、上記仮
定の場合と同様の効果が得られる。

【００４６】また、上記実施形態では、フランジ２１２
の開口部２１２ａを平凸レンズ２３１と被測定領域１２
１との間に配設して被測定領域１２１を規制する規制手
段として機能させているが、これは測定用光学系２３の
必須の構成要素というわけではない。ただし、受光部２
２１〜２２４で受光される光線の出射角を最大出射角α
に精度良く規制するためには、本実施形態の如く、被測
定領域１２１の近傍に規制手段を設けるのが好ましい。

【００４７】また、上記実施形態では、単一の平凸レン
ズ２３１で測定用光学系２３を構成しているが、複数枚
のレンズを組み合わせて正のパワーを有する測定用光学
系２３を構成するようにしてもよいことはいうまでもな
い。

【００４８】また、出射角を最大出射角α以下に制限す
る手段としては、図１０に示すように、レンズを設ける
ことなく、フランジ２１２の開口部２１２ａと受光面Ｒ
Ｓとの距離の調整したり、あるいは開口部２１２ａ（視
野絞り）の径とを調整することで、被測定領域１２１の
他方端部から出射する光線のうち出射角が最大出射角α
の光線とが、受光ユニット２２の受光面ＲＳの端部に入
射するように構成してもよい。

【００４９】また、測定用光学系２３を図１１に示すよ
うに構成してもよい。この変形形態では、正のパワーを
有する焦点距離ｆのレンズ２３２の物体側主点ＰＰ（こ
の実施形態および後で説明する実施形態で採用されてい
るレンズはすべて薄レンズであり、物体側主点と像側主
点はほぼ一致している）を、図１１に示すように、被測
定領域１２１から距離ｆだけ受光ユニット２２側に離れ
た位置に配設し、レンズ２３２の像側主点ＰＰから距離
ｆだけ離れた位置に受光ユニット２２の受光面ＲＳが位
置している。すなわち、この測定用光学系２３はいわゆ
るテレセントリック光学系となっており、受光ユニット
２２自体がテレセントリック光学系用の絞りとして機能
している。

【００５０】このように構成された測定用光学系２３で
は、図１２に示すように、被測定領域１２１の各部から
出射された光のうち所定の出射角β以上で、しかも出射
角α以下の光線が各受光部２２１〜２２４に入射するこ
とになる。なお、出射角α，βは、レンズ２３２の焦点
距離ｆおよび受光ユニット２２の構成によって決まるも
のであり、これらを適切に調整することによって出射角
を最大出射角α以下に制限することができ、図９に示し
た実施形態と同様の効果、つまり測定誤差を抑えて精度
および再現性のよい測定が可能となるという効果が得ら
れる。

【００５１】なお、上記実施形態では、被測定領域１２
１から出射する光を受光部２２１〜２２４のそれぞれに
光学系２３によって導光し、被測定領域１２１の三刺激
値Ｘ，Ｙ，Ｚを測定しているが、被測定領域１２１から
出射される光のうち最大出射角α以下の光のみを受光ユ
ニット２２に導光するためには、光学系２３を以下のよ
うに構成してもよい。

【００５２】図１３は測定用光学系の他の実施形態を示
す図である。同図に示す光学系２３は、被測定領域１２
１の中心面法線Ｎとほぼ平行に延び、その断面がハニカ
ム形状となっているハニカム導光部材２３３を備えてい
る。このハニカム導光部材２３３を構成するハニカム部
分２３３ａの開口数は最大出射角αに対応するように設
定されており、各ハニカム部分２３３ａは被測定領域１
２１のうち一方側開口（被測定領域側開口）と対面する
微小領域から出射した光を受光ユニットに向けて導光
し、他方側開口（受光ユニット側開口）を介して出射す
る。したがって、各ハニカム部分２３３ａを介して導光
される光の出射角は最大出射角α以下に制限される。

【００５３】なお、このように構成されたハニカム導光
部材２３３によって導光される光を受光して被測定領域
１２１の三刺激値を求めるべく、ハニカム導光部材２３
３の他方端側には、赤の波長域に大きな感度を持ってい
る分光感度（エックス・バー・ラムダ）を有する受光部
２２３と、緑の波長域に大きな感度を持っている分光感
度（ワイ・バー・ラムダ）を有する受光部２２４と、青
の波長域に大きな感度を持っている分光感度（ゼット・
バー・ラムダ）を有する受光部２２５が中心面法線Ｎを
中心として相互に対称配置されている。このため、上記
のようにして被測定領域１２１の各微小領域から出射さ
れた光が対応する受光部２２３〜２２５に入射し、受光
部２２３〜２２５から三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚを示すアナロ
グ電気信号がそれぞれ出力される。

【００５４】図１４は測定用光学系の別の実施形態を示
す図である。この実施形態が図１３の実施形態と大きく
相違する点は、ハニカム導光部材２３３の代わりに、複
数の光ファイバ２３４ａを束ねた光ファイバ束２３４を
採用している点であり、その他の基本的構成は同一であ
る。この実施形態においても、光ファイバ２３４ａの開
口数が最大出射角αに対応するように設定されており、
各光ファイバ２３４ａは被測定領域１２１のうち一方側
開口（被測定領域側開口）と対面する微小領域から出射
した光を内部で全反射しながら、他方側開口（受光ユニ
ット側開口）を介して出射する。したがって、各光ファ
イバ２３４ａを介して導光される光の出射角は最大出射
角α以下に制限される。

【００５５】図１５は測定用光学系のまた別の実施形態
を示す図である。この実施形態が図１４の実施形態と大
きく相違する点は、光ファイバ束２３４の代わりに、ラ
ンダムファイバ２３５を採用している点であり、その他
の基本的構成は同一である。この実施形態においては、
ランダムファイバ２３５の他方端側が３つに分岐してお
り、分岐部２３５ｘ、２３５ｙ、２３５ｚにＸ，Ｙ，Ｚ
色刺激値測定用の受光部２２３〜２２５がそれぞれ取付
けられている。

【００５６】図１６は測定用光学系のさらに別の実施形
態を示す図である。この測定用光学系２３は、複数の正
のパワーを有する焦点距離ｆのレンズ２３６により構成
されており、各レンズ２３６は受光部２２６と１対１で
対応して設けられている。すなわち、一のレンズ２３６
は、その物体側主点ＰＰが被測定領域１２１から距離ｆ
だけ受光ユニット２２側に離れた位置に位置するように
配設され、レンズ２３６の像側主点ＰＰから距離ｆだけ
離れた位置に受光ユニット２２の受光面ＲＳが位置して
いる。すなわち、この測定用光学系２３も、図１１の光
学系と同様に、いわゆるテレセントリック光学系となっ
ており、受光ユニット２２自体がテレセントリック光学
系用の絞りとして機能している。

【００５７】このように構成された測定用光学系２３で
は、被測定領域１２１のうちレンズ２３６に対応する部
分１２１ｃから出射する光線が対応する受光部２２６に
入射することになる。したがって、レンズ２３６の焦点
距離ｆおよび受光部２２６の構成を適切に調整すること
で対応部分１２１ｃからの光の出射角を最大出射角α以
下に制限することができる。

【００５８】図１７は測定用光学系のさらに他の実施形
態を示す図である。この測定用光学系２３は、正のパワ
ーを有する焦点距離ｆのレンズ２３７の物体側主点ＰＰ
を被測定領域１２１から距離ｆだけ受光ユニット２２側
に離れた位置に配設して物体側テレセントリック系とす
るとともに、レンズ２３７と受光ユニット２２との間に
テレセントリック用絞り２３８を配置して被測定領域１
２１と受光面ＲＳとを光学的に共役なものとしている。

【００５９】このように構成された光学系２３では、図
１８に示すように、被測定領域１２１の一部分１２１ｄ
から出射した光がレンズ２３７および絞り２３８を介し
て受光ユニット２２の一の受光部２２７に導光される。
そして、絞り２３８の径を調整することで対応部分１２
１ｄの大きさおよび該部分１２１ｄからの光の出射角を
最大出射角α以下に制限することができる。

【００６０】また、図１１および図１７に示す変形形態
では、単一のレンズ２３２，２３７で測定用光学系２３
を構成しているが、複数枚のレンズを組み合わせて正の
パワーを有するレンズ２３２，２３７を構成するように
してもよいことはいうまでもない。また、図１６に示す
変形形態においても、所定の部分１２１ｃから出射する
光を単一のレンズ２３６で対応する受光部２２６に導光
しているが、複数のレンズで該レンズ２３６を構成して
もよい。

【００６１】さらに、上記実施形態では、液晶パネル１
２の光学測定装置２に測定用光学系を適用しているが、
測定用光学系２３の適用対象はこれに限定されるもので
はなく、被測定領域から出射する光の出射角を所定角度
以下に制限する必要がある装置全般に適用することがで
きる。

【００６２】B-3.受光素子の並設構造について この発明に係る液晶パネルの光学測定装置２では、図４
および図５に示すように、色刺激値Ｚを測定すべく、２
つの受光部２２１，２２２を用いている。具体的には、
略正方形の基板Ｗの一方主面側において、受光素子２２
１ｃ，２２２ｃが形成されるとともに、各受光素子２２
１ｃ，２２２ｃの上面に青の波長域の光を比較的透過さ
せる青フィルタ２２１ｆ，２２２ｆが取付けられて、青
の波長域に大きな感度を持っている分光感度（ゼット・
バー・ラムダ）を有する受光部２２１，２２２が形成さ
れている。また、これら以外に、基板Ｗの同一面側に受
光素子２２３ｃ（図４への図示は省略），２２４ｃが形
成されるとともに、受光素子２２３ｃの上面に赤の波長
域の光を比較的透過させる赤フィルタ２２３ｆが形成さ
れて赤の波長域に大きな感度を持っている分光感度（エ
ックス・バー・ラムダ）を有する受光部２２３が形成さ
れる一方、受光素子２２４ｃの上面に緑の波長域の光を
比較的透過させる緑フィルタ２２４ｆが形成されて緑の
波長域に大きな感度を持っている分光感度（ワイ・バー
・ラムダ）を有する受光部２２４が形成されている。

【００６３】これらの受光部のうち、受光部２２１，２
２２はいずれも色刺激値Ｚを検出するためのセンサであ
り、この実施形態では液晶パネル１２の配光特性変動方
向ＸＸにおいて被測定領域１２１の中心面法線Ｎに対し
て相互に反対側に配置されている。このため、次のよう
な作用効果が得られる。

【００６４】ここで、１つの受光部によって被測定領域
１２１からの光を受光した場合について考えてみる。こ
の場合、同一の被測定領域１２１から出射している光で
ありながら、配光特性変動方向ＸＸにおいて配光特性が
例えば図１９（ａ）の状態から同図（ｂ）の状態に変動
すると、当該受光部からの出力値が変化してしまい、正
確な測定が困難である。これに対し、本実施形態の如く
配置された２つの受光部２２１，２２２によって被測定
領域１２１からの光を受光し、各受光部２２１，２２２
によって検出された値を加算し、これを色刺激値Ｚを示
す値としているので、配光変動による影響を抑制するこ
とができ、測定精度を向上させることができる。

【００６５】また、残りの受光部２２３，２２４は、受
光面と中心面法線Ｎとが交差する交点ＣＰを通り、しか
も配光特性変動方向ＸＸとほぼ直交する仮想線ＶＬ上に
おいて、交点ＣＰを挟んで相互に反対側に配置されてい
る。

【００６６】なお、加算する代わりに、各受光部２２
１，２２２からの出力値を平均化したり、重み付け演算
し、その演算結果を色刺激値Ｚを示す値としてもよい。

【００６７】また、上記実施形態では、色刺激値Ｚを測
定するための２つの受光部２２１，２２２を設けている
が、３つ以上の受光部を設けて色刺激値Ｚを測定するよ
うにしてもよい。

【００６８】ところで、この実施形態では色刺激値Ｚを
測定するための受光部について並設構造を採用している
が、これは現在市場に供給されている液晶パネルの三刺
激値Ｘ，Ｙ，Ｚのうち色刺激値Ｚの値が最も低いことに
鑑みたものであり、本実施形態のように色刺激値Ｚを２
つの受光部２２１，２２２で測定し、これらの値を加算
することによって色刺激値Ｚの出力レベルを高めること
ができ、測定精度および再現性をより一層向上させるこ
とができるからである。すなわち、要は、白色画像など
の測定用画像を被測定領域１２１に表示し、各受光部か
ら出力される信号レベルが最も低くなるものについて、
本実施形態の如く複数の受光部によって測定すれば上記
実施形態と同様の効果が得られる。

【００６９】また、この実施形態では、受光素子２２１
ｃ〜２２４ｃには、国際照明委員会（ＣＩＥ）で標準観
察者の分光感度として規定されている３つの分光感度に
対応した青フィルタ２２１ｆ，２２２ｆ、赤フィルタ２
２３ｆおよび緑フィルタ２２４ｆがそれぞれ形成されて
受光部２２１〜２２４によって色刺激値Ｚ1，Ｚ2，Ｘ，
Ｙを検出するようにしているが、フィルタの種類はこれ
に限定されるものではない。

【００７０】

【発明の効果】以上のように、この発明に係る測定用光
学系によれば、正のパワーを有する光学素子が次の条件
を満足するように前記被測定物と前記受光手段との間に
配置されているので、被測定物の被測定領域からの光の
うち所定の出射角以下の光のみが受光手段に導光され、
その結果、配光特性の変動の影響を防止することができ
る。なお、その条件とは、前記被測定領域の一方端部か
ら出射する光線のうち前記被測定領域から法線方向に出
射する光線と、前記被測定領域の他方端部から出射する
光線のうち出射角が前記最大出射角の光線とが、前記受
光面の端部で交差することである。

【００７１】また、光学素子の収差が全くない、あるい
は小さい場合には、以下の２つの条件式を満足するよう
に光学素子を配置すればよい。

【００７２】＜条件式１＞ ｆ＝｜２・ｈ／ｔａｎα｜ ただし、ｆは光学素子の焦点距離であり、ｈは前記光学
素子の光軸からの前記受光面の最大高さである ＜条件式２＞ Ｌ＝（Ｈ−ｈ）・ｆ／Ｈ ただし、Ｌは前記光学素子の像側主点位置から前記受光
面までの距離であり、Ｈは前記光軸からの被測定領域の
最大高さである。

【００７３】さらに、前記光学素子と前記被測定物との
間に前記被測定領域を規制する規制手段を設けること
で、受光手段で受光される光線の出射角を最大出射角に
精度良く規制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を用いた液晶パネルのキャリブレーシ
ョンシステムを示す図である。

【図２】図１のキャリブレーションシステムで採用され
ている光学測定装置を示す斜視図である。

【図３】図２の光学測定装置を液晶パネルに装着した状
態での光学測定装置の断面図である。

【図４】装置本体内部でのフランジ、光学系および受光
ユニットの配置関係を示す斜視図である。

【図５】受光ユニットの正面図である。

【図６】光学測定装置の制御部の電気的な構成を示すブ
ロック図である。

【図７】キャリブレーション処理に先立ってＥＥＰＲＯ
Ｍに校正値を記憶させる手順を示すフローチャートであ
る。

【図８】キャリブレーション処理の手順を示すフローチ
ャートである。

【図９】この発明の一実施形態である測定用光学系の配
置関係を示す図である。

【図１０】測定用光学系の他の実施形態を示す図であ
る。

【図１１】測定用光学系の別の実施形態を示す図であ
る。

【図１２】図１１の測定用光学系による受光ユニットへ
の導光状態を説明するための図である。

【図１３】測定用光学系の他の実施形態を示す図であ
る。

【図１４】測定用光学系の別の実施形態を示す図であ
る。

【図１５】測定用光学系のまた別の実施形態を示す図で
ある。

【図１６】測定用光学系のさらに別の実施形態を示す図
である。

【図１７】測定用光学系のさらに他の実施形態を示す図
である。

【図１８】図１７の測定用光学系による受光ユニットへ
の導光状態を説明するための図である。

【図１９】液晶パネルの配光特性および配光特性の変動
の一例を示す図である。

【符号の説明】

２…光学測定装置 １２…液晶パネル（被測定物） ２２…受光ユニット（受光手段） ２３…（測定用）光学系 １２１…被測定領域 ２１２…フランジ（規制手段） ２１２ａ…開口部（規制手段） ２２１〜２２４…受光部 Ｒa1，Ｒa2，Ｒb1，Ｒb2…（被測定領域からの）光線 ＲＳ…受光面 ＸＸ…配光特性変動方向 α…最大出射角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−83142（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−94515（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−14548（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−111213（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−288638（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−281861（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−206231（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−264782（ＪＰ，Ａ) 特開2000−221110（ＪＰ，Ａ) 特開2000−221113（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01M 11/00 - 11/08 G01J 1/00 - 1/60 G01N 21/84 - 21/958

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の被測定領域から出射される光
   のうち所定の最大出射角以下の光線のみを受光手段の受
   光面に導光する測定用光学系であって、 正のパワーを有する光学素子が、次の条件を満足するよ
   うに前記被測定物と前記受光手段との間に配置されたこ
   とを特徴とする測定用光学系。前記被測定領域の一方端
   部から出射する光線のうち前記被測定領域から法線方向
   に出射する光線と、前記被測定領域の他方端部から出射
   する光線のうち出射角が前記最大出射角の光線とが、前
   記受光面の端部で交差する。
2. 【請求項２】 被測定物の被測定領域から出射される光
   のうち所定の最大出射角α以下の光線のみを受光手段の
   受光面に導光する測定用光学系であって、正のパワーを
   有する焦点距離ｆの光学素子が、次の２つの条件式を満
   足するように前記被測定物と前記受光手段との間に配置
   されたことを特徴とする測定用光学系。 ＜条件式１＞ ｆ＝｜２・ｈ／ｔａｎα｜ ただし、ｈは前記光学素子の光軸からの前記受光面の最
   大高さである ＜条件式２＞ Ｌ＝（Ｈ−ｈ）・ｆ／Ｈ ただし、Ｌは前記光学素子の像側主点位置から前記受光
   面までの距離であり、Ｈは前記光軸からの被測定領域の
   最大高さである。
3. 【請求項３】 前記光学素子と前記被測定物との間に前
   記被測定領域を規制する規制手段をさらに備えた請求項
   １または２記載の測定用光学系。