JP3376237B2 - 計測装置および計測方法 - 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、温度等の物理量の
変化に応じて発色状態が変化する感温液晶等の発色部材
の発色状態を検出し、発色部材の色の３刺激値から物理
量を演算する計測装置及び計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】物理量の変化を受け発色状態が変化する
発色部材として応用例が豊富な感温液晶を例にとり、本
発明の従来技術の一例として従来の温度計測装置につい
て説明する。

【０００３】種々の製品開発にあたっては、物体表面や
空間上の温度分布を広く知りたい場合が多い。通常こう
した平面あるいは空間上の温度分布は熱電対などの温度
計をあらかじめ多数設置することにより測定することが
必要である。ただし、こうした接触的方法は測定対象に
余計な外乱を与える欠点があり、例えば流れがある場合
には温度計自体から発生する擾乱によって計測対象であ
る温度場が歪められてしまう危険性がある。しかも必要
とする計測点をあらかじめ特定して置かなくてはならな
いという困難がある。また点計測にともなうデータ処理
の都合上、測定点数には限界がある。

【０００４】一方、放射温度計や赤外線サーモカメラの
ように、広範囲の領域の温度分布を非接触で面計測する
手法も存在する。しかし、これらの機器は一般に数百万
円以上という極めて高価格である。

【０００５】こうした背景から２次元的あるいは３次元
的に広がる温度場を比較的容易かつ安価な方法で計測す
る手法として、温度によって色彩変化する特徴をもった
液晶（感温液晶）を利用し、この色情報をＣＣＤカメラ
などによって計算機に取り込み画像処理することによっ
て計測する手法が開発されている。

【０００６】この手法は、液晶の色変化を定量的に処理
することによって色と温度を対応させ、広範囲の温度情
報を得るものである。しかしながら色情報（ＲＧＢ値な
ど）は温度に対して一般的に極めて複雑な非線形関数と
なる（図７参照）。このため、色と温度を一意的、定量
的に決定するためのに種々の方法が提案されてきた。

【０００７】例えば、笠木らは液晶面を単色光源で照明
し、対応する波長の温度領域のみを明瞭に可視化するこ
とにより測定面内で一つの等温線を求めることに成功し
た（笠木・平田・熊田、日本機械学会論文集Ｂ編 Vol.4
8, No.430,(1982)）。

【０００８】また、くぬぎらは光源に一様なスペクトル
を有する白色光を用い、極めて透過波長帯域の狭い光学
フィルタを複数個使用してそれぞれの透過波長に対応す
る等温領域を順次決定していくことにより、笠木らの方
法を発展させて、１回の実験で複数の等温線を求められ
るようにした（くぬぎ・上田・秋野、日本機械学会論文
集Ｂ編 Vol.53, No,485,(1987)）。

【０００９】さらに、最近では木村らが温度によって変
化する色画像情報のＲＧＢ値をニューラルネットワーク
により学習させることにより、温度と対応させる方法を
報告している（木村・打出・小澤、可視化情報、Vol.1
2, Suppl. No.1,(1992)）。

【００１０】また、Ｆａｒｉｎａらは温度によって変化
する色画像情報のＨＳＩ値（Hue,Saturation,Intensit
y）を求め、温度と１価関数となる領域が広いＨｕｅ値
に着目し、色と温度を対応させる方法を報告している
（Farina・Hacker・Moffat・Eaton, Exp.Thermal Fluid
Sci.9,1-12,(1994)）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、笠木ら
の方法では複数の等温線を得るには伝熱面を種々の温度
レベルに設定する必要があるし、これを改良したくぬぎ
らの方法でも１つの実験条件で複数の等温領域を決定す
ることが可能であるものの多くのフィルター等を必要と
し、かつ作業が複雑であるなどの問題があった。

【００１２】また、木村らの方法はフィルター等の付属
設備を排除したものの複数の学習パターンを設定する必
要があり、かつ極めて多くの学習回数が必要など前処理
に時間がかかる難点がある。

【００１３】Ｆａｒｉｎａらの方法は新たに定義したＨ
ｕｅ値によって色と温度の当てはめ領域を拡大させたも
のであるが、温度とＨｕｅ値が１価関数となる領域が液
晶の発色域全体にわたっていないので、液晶の発色域を
１００％利用した温度計測システムにはなっておらず結
果的に計測温度範囲が狭まっている。

【００１４】以上のように従来報告されている感温液晶
を用いた温度計測法は、色情報を温度に対応させる上
で、時に煩雑な処理を必要とするばかりか、また感温液
晶の発色帯域を十分に利用していないなどの問題があっ
た。

【００１５】また、従来の磁気ディスク装置等におい
て、磁気ヘッドの浮上量あるいは隙間幅を計測する上で
次のような問題があった。

【００１６】この問題点を説明するために、まず以下
に、磁気ディスク装置の浮動ヘッドスライダを例にとっ
て、従来の計測装置を説明する。

【００１７】磁気ディスク装置等の計算機外部記憶装置
では、情報の記録、読み出しの際に磁気ヘッドを微小高
さだけ浮上させる必要がある。近年の高密度化に伴いこ
の浮上量は０．１μｍ以下にもなっている。

【００１８】磁気ヘッドの浮上量の変化は装置の記録特
約に直接関連するため、このような記憶装置の開発にお
いては磁気ヘッドの微小浮上が安定に保たれているか否
かをチェックすることが重要である。

【００１９】磁気ヘッドの浮上量等、微小隙間を精度良
く測定する方法として、従来、既知の波長をもった光線
で被計測面を照射し、計測面に形成される干渉縞を測定
することで間隙を求める方法が提案されていた。しかし
ながらこの方法では、入射光の１／４波長の整数倍の場
合しか隙間測定ができないなどの難点があった。

【００２０】これに対し、この難点を克服した方法とし
て、田中・菅原（特開昭６１−４４３０７）は、白色光
を光学ヘッドを介してディスク等の被計測面に投射し、
被計測面から生じる干渉色をテレビカメラで撮影して、
図１３に示すように、テレビカメラからのＲ，Ｇ，Ｂ信
号から色相成分を求めることにより、予め求めていた隙
間と色相成分値との比較演算することによって、干渉色
から磁気ヘッドとディスクとの間隙を求める方法を提案
した。

【００２１】また、久保（特開昭６３−２９０９０３）
も同様に被計測面を光線で照射して干渉光をテレビカメ
ラで受像し、テレビカメラのＲ，Ｇ，Ｂ信号から色相を
求めることにより、予め求めていた隙間と色相成分との
関係から磁気ヘッドの浮上量を求める手法を提案してい
る。

【００２２】両者の違いは、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号から色相を
求める変換式の違いによるものである。いずれの手法も
微小な隙間を連続的に計測できるようにしたものであっ
た。しかしながら両手法ともにＲ，Ｇ，Ｂ信号から色相
を求める際、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号の相関関係に応じて煩雑な
判別式を必要とするなど信号処理上の解決問題が残され
ていた。

【００２３】そこで本発明の目的は、温度計測や隙間計
測等の計測における上記従来技術の有する問題を解消
し、所定の物理量の変化を受け発色状態が変化する発色
部材の発色帯域全体を利用し広範囲で物理量を簡易に計
測可能な計測装置及び計測方法を提供することである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は下記のような知見に基づいてなされたもの
である。物理量として温度を例にとり、発色部材として
液晶を例にとり説明する。

【００２５】色情報と温度との対応を２次元的に見た場
合には、例えば色の３刺激値としてＲＧＢ値を採用し整
理した場合（図７）でも、また色の３刺激値としてＬ*
ａ*ｂ* 値を採用し整理した場合（図８）でも、温度と
Ｒ，Ｇ，ＢやＬ* ，ａ* ，ｂ* などの値が温度に対して
多価関数となってしまうため、温度との対応関係が非常
に困難となってしまう。

【００２６】このような問題に対し、前述したように例
えばＦａｒｉｎａらは新たにＨｕｅ値という値を定義
し、色特性と温度とをＨｕｅ値を介して１価関数で表現
する手法を提案したが、温度とＨｕｅ値が１価関数とな
る領域は液晶の発色域の限られた範囲にしか適用でき
ず、結果的に計測可能な温度範囲が狭まっていた。

【００２７】これに対し、本発明の発明者は、色の３刺
激値のデータを３次元的に整理すると温度変化に対して
色情報値が液晶の変色帯域全体にわたって滑らかに連な
って存在している、ということを発見し、この発見に基
づき、物理量（温度）と色の３刺激値とを３次元色空間
において発色範囲の全域に渡って１価関数的に対応させ
れることが可能であることに着目したのである。

【００２８】上述の説明においては、物理量として温度
を例にとり、発色部材として液晶を例にとり説明した
が、物理量として磁気ヘッド等の浮上量等に係る微小隙
間幅であり、発色部材として光を照射されて干渉模様を
生成する、第１部材と第２部材の間に形成された隙間で
ある場合も同様に説明することができる。

【００２９】具体的には、上記課題を解決するために、
本発明による計測装置は、所定の物理量の変化を受け発
色状態が変化する発色部材と、前記発色部材の発色状態
を検出する色検出手段と、前記発色部材の色の３刺激値
の各刺激値に１つの座標軸を対応させて３個の座標軸を
有する３次元色空間を構成し、予め求めた前記物理量と
前記３刺激値との関係を前記３次元色空間で表示して構
成されるデータベース部と、前記データベース部を参照
し、前記色検出手段により検出した前記発色部材の３刺
激値から検出対象の前記物理量を演算する物理量演算手
段と、を備えている。

【００３０】また、前記色検出手段は、前記発色部材の
発色状態を検出するカラーセンサと、このカラーセンサ
によって検出した発色状態から前記３刺激値を演算する
演算手段とを有する。

【００３１】また、前記カラーセンサは前記発色部材の
空間位置部分毎の発色状態を検出するカラーイメージセ
ンサであり、前記演算手段は前記カラーイメージセンサ
によって検出した空間位置部分毎の発色状態から前記空
間位置部分毎に前記３刺激値を演算する画像処理演算手
段である。

【００３２】また、前記カラーイメージセンサは前記空
間位置部分毎の発色状態を複数の画素ピクセルによって
検出し、前記画像処理演算手段は、複数の画素ピクセル
で検出した発色状態の検出データを統計処理し前記空間
位置部分毎の前記３刺激値を演算する。

【００３３】また、前記カラーセンサは前記発色部材の
空間位置部分の発色状態を検出するカラーポイントセン
サであり、前記演算手段は、前記カラーポイントセンサ
によって検出した空間位置部分の発色状態から前記空間
位置部分の前記３刺激値を演算するポイント処理演算手
段である。

【００３４】また、前記データベース部は、予め求めた
前記物理量と前記３刺激値との関係を前記３次元色空間
で表示したキャリブレーション線を有する。

【００３５】予め求めた前記物理量は前記３次元色空間
で表示したキャリブレーション線上に一価関数的に表示
されている。

【００３６】また、前記キャリブレーション線は、離散
的な複数の前記物理量の値とこれらの離散的な複数の前
記物理量の各々の値に対応する離散的な複数の前記３刺
激値の値との関係を補間処理して得られる連続線であ
る。

【００３７】また、前記データベース部は、前記３次元
色空間において前記キャリブレーション線を囲うととも
に前記キャリブレーション線に沿って延びるパイプ状の
許容誤差領域パイプを有する。

【００３８】また、前記物理量演算手段は、検出した前
記発色部材の色の３刺激値が前記キャリブレーション線
上にあるか否かを判定するキャリブレーション線上判定
手段を有する。

【００３９】また、前記物理量演算手段は、検出した前
記発色部材の色の３刺激値が前記許容誤差領域パイプ内
にあるか否かを判定する許容誤差領域パイプ内判定手段
を有する。

【００４０】また、前記所定の物理量は例えば、温度で
ある。

【００４１】また、前記発色部材は、例えば感温液晶部
材である。

【００４２】また、前記感温液晶部材は、測定対象物の
表面に吹き付けられている。

【００４３】また、前記感温液晶部材は、液晶シートか
らなり測定対象物の表面に一体的に取り付けられてい
る。

【００４４】また、前記感温液晶部材は、測定対象物内
に混濁されている。

【００４５】また、前記発色部材は、光を照射されて干
渉模様を生成する、第１部材と第２部材の間に形成され
た隙間である。

【００４６】また、前記第１部材はディスク装置のヘッ
ド面部であり、前記第２部材はディスク面部である。

【００４７】また、前記第１部材は半導体ウエハ等の平
坦度の測定対象物であり、前記第２部材は平坦度基準体
である。

【００４８】また、前記所定の物理量は、光を照射され
て干渉模様を生成する、第１部材と第２部材の間に形成
された隙間幅である。

【００４９】また、前記３刺激値はＲＧＢ値である。

【００５０】また、前記３刺激値はＬ* ａ* ｂ* 値であ
る。

【００５１】本願発明による計測方法は、色の３刺激値
の各刺激値に１つの座標軸を対応させて３個の座標軸を
有する３次元色空間を構成し、所定の物理量の変化を受
け発色状態が変化する発色部材に対し前記物理量を種々
の値に変化させ、前記発色部材の発色状態を検出して前
記物理量の種々の値における前記３刺激値の値を求め、
前記物理量の種々の値と前記３刺激値の値との関係を前
記３次元色空間に表示してデータベース部を構成し、検
出対象に含まれる前記発色部材の３刺激値を検出し、前
記データベース部を参照して検出対象の前記物理量を演
算する。

【００５２】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明によ
る計測装置の実施形態について説明する。

【００５３】まず、図５を参照して本実施形態に係る計
測装置の概略構成について説明する。図５において、計
測装置は、物理量の変化を受け発色状態が変化する発色
部材２と、発色部材２の発色状態を検出する色検出手段
５と、データベース部８と、データベース部８を参照し
色検出手段５により検出した測定対象物１の色の３刺激
値から物理量を演算する物理量演算手段９とを備えてい
る。

【００５４】発色部材２は測定対象物１の温度等の物理
量の変化を受け発色状態が変化する部材であり、例えば
液晶である。発色部材２は、例えば、測定対象物１の表
面にスプレー状に吹き付けられていたり、あるいは一体
的にシート状に取り付けられている。また、発色部材２
を水等の液体の測定対象物１中に混濁させることも可能
である。

【００５５】色検出手段５は、カラーイメージセンサと
してのカラーＣＣＤカメラ６と画像処理演算手段７とを
有する。

【００５６】なお、検出対象物の表面の温度分布ではな
くある点の温度のみを計測したい場合には、カラーイメ
ージセンサの代わりに色を識別できるポイントカラーセ
ンサを用いてもよい。また、データベース部８を作成す
る場合においても、カラーイメージセンサの代わりに色
を識別できるポイントカラーセンサを用いることも可能
である。ポイントカラーセンサとしては、例えば単一の
カラー画素ピクセルあるいは少数のカラー画素ピクセル
から構成されるコンパクトなセンサを用いることが可能
である。

【００５７】測定対象物の表面の温度分布を計測しよう
とする場合には、測定対象物の表面の色分布を測定する
ために、カラーイメージセンサによって測定対象物の表
面の色分布を測定する必要がある。

【００５８】カラーＣＣＤカメラ６は多数の画素ピクセ
ルからなり、発色部材２の空間位置部分に対応するピク
セル毎にその空間位置部分の画像色情報を検出する。画
像処理演算手段７は、カラーＣＣＤカメラ６によって検
出した画像色情報に対しノイズ処理や平滑化処理等の種
々の画像処理をした後、発色部材２の空間位置部分毎に
発色部材２の色の３刺激値を演算する。

【００５９】一方、データベース部８は、発色部材２と
同じ物質からなる標準発色部材３を用い、標準発色部材
３に対し例えば加熱手段のような物理量変化手段４によ
って物理量を変化させ、物理量の変化に伴う標準発色部
材３の発色状態を色検出手段５によって検出して作成さ
れる。

【００６０】データベース部８には、色検出手段５によ
って検出した標準３発色部材３の色の３刺激値の各刺激
値に１つの座標軸を対応させ、３個の各刺激値を座標軸
とする３次元色空間１０が構成されている。データベー
ス部８は、例えば物理量が温度である場合、既存の温度
検出手段により標準発色部材３の温度を検出するととも
に色検出手段５により色の３刺激値を求め、３次元色空
間１０において、温度と３刺激値との関係をプロットし
たものである。

【００６１】なお、図１では発色部材２の他に標準発色
部材３を設けた場合を示しているが、発色部材２により
標準発色部材３の機能を兼ねるようにしてもよい。

【００６２】次に、データベース部８の具体例について
説明する。

【００６３】図１に示すデータベース部８は、色の３刺
激値としてＲＧＢ値を採用するとともに、各刺激値Ｒ
値、Ｇ値、Ｂ値をそれぞれ座標軸にとり３次元色空間１
０としてのＲＧＢ空間を形成し、液晶の温度とその温度
における液晶のＲＧＢ値の関係を示す。

【００６４】図１において、点Ａは温度の最も低い状態
を示し、点Ｂは温度の最も高い状態を示す。点Ａに示す
状態から点Ｂに示す状態まで温度をあげてゆき、各点で
既存の温度検出手段で温度を測定するとともに、色検出
手段５により既存の手法によりＲＧＢ値を演算しＲＧＢ
空間１０上にプロットし、キャリブレーション線として
の色・温度較正曲線１１が得られる。

【００６５】図１（ｂ）に示すように、ＲＧＢ値をＲＧ
Ｂ空間からなる３次元色空間１０上で３次元的に整理す
ると点Ａから点Ｂに至る温度変化に対して色情報値が液
晶の変色帯域全体にわたって滑らかに連なって存在して
いることが認めらる。

【００６６】図１に示すデータベース部８では、温度と
ＲＧＢ値の測定点と隣接する測定点との間にはデータ間
隔が存在する。このデータ間隔は必要に応じて補間法に
よって補間すればよい。

【００６７】次に、図２および図６を参照して、データ
ベース部８の較正用のデータの求め方について説明す
る。

【００６８】まず、図６におけるＳＴ１に示すように、
既存の温度制御手段４で標準発色部材３の液晶温度を一
定幅（例えば１℃毎）で変化させながら、液晶の色画像
を次々にカラーＣＣＤカメラ６で撮影し、撮影した液晶
画像を画像処理演算手段７に取り込む。

【００６９】次に、ＳＴ２において、画像処理演算手段
７により取り込まれた画像を色の３刺激値（例えばＲＧ
Ｂ値）として整理して、各々の測定点ｉにおける温度Ｔ
ｉに対するＲｉ，Ｇｉ，Ｂｉの値を求める。

【００７０】次い、ＳＴ３において、各々の温度Ｔｉに
対するＲｉ，Ｇｉ，ＢｉのデータをＲＧＢ空間からなる
３次元色空間１０上に展開する。さらに、３次元色空間
１０上で必要に応じて３次元的に補間し、色・温度較正
曲線１１を求める。補間の方法としては、直線補間でも
かまわないし、より滑らかに補間するために高次の補間
を行ってもよい。

【００７１】図２は、図１に示すデータをそれぞれ連続
する３点を逐次２次補間していくことによって求めた補
間曲線である。このように、色情報を補間することによ
り、３次元色空間１０上で、キャリブレーション線とし
ての紐状の色・温度較正曲線１１が展開されることにな
る。なお、キャリブレーション線としての色・温度較正
曲線１１の代わりに、各々の温度Ｔｉとこの温度Ｔｉに
対するＲｉ，Ｇｉ，Ｂｉの値とを対応させたキャリブレ
ーションテーブルを作成し用いることも可能である。

【００７２】次に、ＳＴ４乃至ＳＴ６で測定対象物１の
温度を測定する。

【００７３】ＳＴ４において、測定対象物１に取り付け
られた発色部材２の液晶画像をカラーＣＣＤカメラ６に
よって求める。

【００７４】次に、ＳＴ５において、カラーＣＣＤカメ
ラ６によって求めた液晶画像から画像処理演算手段７に
よってＲＧＢ値を算出する。

【００７５】次に、ＳＴ６において、ＳＴ３で求めた色
・温度較正曲線１１を参照し、ＳＴ５で算出したＲＧＢ
値で特定される点が色・温度較正曲線１１のどこにある
かを求め、物理量演算手段９によって測定対象物１の温
度を算出する。

【００７６】ここで、色・温度較正曲線１１は、温度と
色の３刺激値（ＲＧＢ値）との対応関係を、発色部材の
物理的性質に基づいて求めた曲線である。従って、発色
部材２のＲＧＢ値を求めさえすれば、求めたＲＧＢ値で
特定される３次元色空間１０上の点は理論的には色・温
度較正曲線１１上にあるはずである。

【００７７】しかしながら、実際の温度計測にあたって
は、求めたＲＧＢ値で特定される３次元色空間１０上の
点が正確に色・温度較正曲線１１上にあるとは限らな
い。

【００７８】その理由の一つとして、感温液晶の色特性
は照明のあたる角度や視角に応じて異なることがある。
このため、例えば、標準発色部材３を用いて色・温度較
正曲線１１を作成する工程と、測定対象物１の温度を求
めるために発色部材２の液晶画像を求める工程との間
で、照明や視角の条件が異なる場合には、求めたＲＧＢ
値で特定される３次元色空間１０上の点は色・温度較正
曲線１１上にはないことになる。

【００７９】従って、色・温度較正曲線１１を作成する
較正時と同じ照明や視角の条件下で、発色部材２の液晶
画像を求める必要がある。

【００８０】しかしながら、両者で同じ照明や視角の条
件を保証できない場合も考えられる。

【００８１】そこで、このような場合には、以下のよう
な処理をすることによって、測定データの信頼性を上げ
ることができる。

【００８２】測定対象物１に塗布あるいは貼付された液
晶からなる発色部材２の色画像をカラーＣＣＤカメラ６
で撮影する。次に、カラーＣＣＤカメラ６のピクセル毎
にＲＧＢ値を求める。次に、複数のピクセルを適当なグ
ループに分類し、この各グループ毎に含まれるピクセル
のＲＧＢ値を平均化統計処理して各グループ毎に誤差の
排除されたＲＧＢ値を抽出する。このようにして求めた
グループ毎のＲＧＢ値を色・温度較正曲線１１に代入
し、各グループに対応する温度を求める。

【００８３】また、実際の測定に含まれる誤差を処理す
る他の手法として、次のような処理をおこなってもよ
い。

【００８４】色・温度較正曲線１１は理想的には太さの
ない曲線である。そこで、許容できるＲＧＢ値の誤差幅
を想定して色・温度較正曲線１１を囲うとともに色・温
度較正曲線１１に沿って延びるパイプ状の許容誤差領域
パイプ１２（図２参照）を設け、データベース部８とし
て採用する。図２では、色・温度較正曲線１１に沿って
延びる許容誤差領域パイプ１２の一部のみが示されてい
る。

【００８５】そして、実際に発色部材２を測定して得ら
れたＲＧＢ値が許容誤差領域パイプ１２に入っていれ
ば、信頼性あるデータとして採用し、そのＲＧＢ値で特
定される３次元色空間１０内の点から最短距離にある色
・温度較正曲線１１上の点を求め、その点に対応する温
度を計測温度として採用する。また、実際に発色部材２
を測定して得られたＲＧＢ値が許容誤差領域パイプ１２
に入っていない場合には、何らかの理由で信頼できない
データであると判断して採用しないようにする。

【００８６】なお、物理量演算手段９は、検出した発色
部材の色の３刺激値が色・温度較正曲線１１上にあるか
否かを判定するキャリブレーション線上判定手段を有す
る。また、物理量演算手段９は、検出した発色部材の色
の３刺激値が許容誤差領域パイプ１２内にあるか否かを
判定する許容誤差領域パイプ内判定手段を有する。

【００８７】なお、上述した例は、誤差処理の単なる一
例であり、他に種々の誤差処理法が可能である。

【００８８】以上の実施形態の説明において、色の３刺
激値としてＲＧＢ値を採用して場合を説明してきた。色
の３刺激値としてＲＧＢ値に代えて、例えばＬ* ａ* ｂ
* 値を採用することもできる。

【００８９】図３は同じデータをＬ* ａ* ｂ* 値として
求め、３次元色空間１０としてのＬ* ａ* ｂ* 空間上で
プロットし、色・温度較正曲線１１を求めた例を示す。
Ｌ*ａ* ｂ* 空間においても、低温の点Ｃから高温の点
Ｄに至るまで、ＲＧＢ空間における場合と同様に、色情
報値は滑らかに連なって存在していることが認められ
る。

【００９０】図４は、図３におけるデータを補間法によ
って補間して求めた色・温度較正曲線１１を示す。

【００９１】なお、色の３刺激値として、ＲＧＢ系表示
やＬ* ａ* ｂ* 系表示の他に、さらに、ＨＳＩ系表示や
ＸＹＺ系表示等を採用した場合にも、本実施形態は同様
に適用できる。

【００９２】以上説明したように、本実施形態の構成に
よれば、物理量としての温度と色の３刺激値の関係を３
次元色空間１０で表示しデータベース部８を形成したの
で、温度（物理量）と色の３刺激値とを発色範囲の全域
に渡って１価関数的に対応させることができ、広範囲に
渡る温度測定を行うことができる。

【００９３】この結果、フィルター等の付属設備や煩雑
な処理を必要とせず、しかも液晶の発色帯域全体を利用
した温度計測システムを容易に構築することができる。
このため汎用のＣＣＤカメラとＲＧＢ系等の色情報処理
ができる環境を整えるだけで２次元および３次元の広範
囲の温度計測が可能となる。

【００９４】また一般に液晶は発色にある程度の色ムラ
を生じてしまい、色−温度変換をした結果温度の計測誤
差が生じることになるが、本実施形態によれば色情報を
色・温度較正曲線１１に対応させる際に色空間上で当て
はめ具合を制御できるため、例えば、具体的にはデータ
と較正曲線までの距離などで信頼すべきデータをより分
けることが可能となるため、どの程度の色ムラまでを計
測誤差範囲に含むようにするか容易に設定できる。

【００９５】次に、以下に本発明による計測装置の他の
実施形態について説明する。

【００９６】まず、図９を参照して本実施形態に係る計
測装置の概略構成について説明する。図９において、計
測装置は、磁気ディスク装置２１に形成され光が照射さ
れて干渉模様を生じる発色部材としての微小隙間２２
と、微小隙間２２の発色状態を検出する色検出手段２５
と、データベース部２８と、データベース部２８を参照
し色検出手段２５により検出した微小隙間２２の発色状
態から色の３刺激値を求め、この３刺激値から物理量と
しての微小隙間幅あるいは磁気ヘッド４０等の浮上量Ｈ
を演算する物理量演算手段２９とを備えている。

【００９７】図１２に示すように、磁気ディスク装置２
１に形成された微小隙間２２は、第１部材としての磁気
ヘッド４０と第２部材としての磁気ディスク４１との間
に形成されている。微小隙間２２の隙間幅は、磁気ディ
スク４１の表面を基準にした光学ヘッド４０の浮上量Ｈ
を表す。矢印Ｂは磁気ディスク４１の回転方向を示す。

【００９８】色検出手段２５は、カラーイメージセンサ
としてのカラーＣＣＤカメラ２６と画像処理演算手段２
７とを有する。

【００９９】データベース部２８は次のようにして作成
される。

【０１００】まず、図１１に示すように、擬似磁気ディ
スク４２と磁気ヘッド４０との間に標準微小隙間２３を
形成する。疑似磁気ディスク４２としては、磁気部材か
らなる平坦度の高い板材を用いることが可能である。磁
気ヘッド４０の浮上量Ｈの変化は、例えば微小変位手段
のような物理量変化手段２４によって磁気ヘッド４０を
昇降させて生成される。微小隙間２２には入射光線４３
が照射され、標準微小間隙２３で生じる光干渉によって
干渉模様４４が生成される。なお、擬似磁気ディスク４
２の表裏面間で干渉した干渉模様は識別されて除去され
微小隙間２２間からの干渉模様のみを抽出できるように
画像処理がなされる。標準微小隙間２３間から生じて干
渉模様の発色状態は、磁気ヘッド４０の浮上量Ｈの変化
に対応させ色検出手段２５によって検出される。

【０１０１】データベース部２８には、擬似磁気ディス
ク４２を用いた標準３発色部材の色の３刺激値の各刺激
値に１つの座標軸を対応させ、３個の各刺激値を座標軸
とする３次元色空間３０が構成されている。データベー
ス部２８は、３次元色空間３０において、浮上量Ｈと３
刺激値との関係をプロットしたものである。

【０１０２】次に、データベース部２８の具体例につい
て説明する。

【０１０３】図１０に示すデータベース部２８は、色の
３刺激値としてＲＧＢ値を採用するとともに、各刺激値
Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値をそれぞれ座標軸にとり３次元色空間
３０としてのＲＧＢ空間を形成し、磁気ヘッド４０の浮
上量Ｈとその浮上量Ｈにおける干渉模様のＲＧＢ値の関
係を示す。

【０１０４】図１０において、点Ｊは浮上量の最も大き
い状態を示し、点Ｋは浮上量の最も小さい状態を示す。
点Ｊに示す状態から点Ｋに示す状態まで磁気ヘッド４０
を下げてゆき、各点で既存の微小変位手段で浮上量Ｈを
測定するとともに、色検出手段２５により既存の手法に
よりＲＧＢ値を演算しＲＧＢ空間３０上にプロットし、
色・浮上量較正曲線３１が得られる。

【０１０５】図１０に示すように、ＲＧＢ値をＲＧＢ空
間からなる３次元色空間３１上で３次元的に整理すると
点Ｊから点Ｋに至る隙間幅の変化に対して色情報値が干
渉模様の変色帯域全体にわたって滑らかに連なって存在
していることが認められる。

【０１０６】図１０に示すデータベース部２８では、一
つの浮上量およびＲＧＢ値の測定点と隣接する他の測定
点との間にはデータ間隔が存在する。このデータ間隔は
必要に応じて補間法によって補間すればよい。

【０１０７】次に、図１４を参照して、データベース部
２８の較正用のデータの求め方について説明する。

【０１０８】まず、図１４におけるＳＴ１１に示すよう
に、既存の微小変位制御手段２４で擬似磁気ディスク４
２表面に対する磁気ヘッド４０の浮上量Ｈを一定幅（例
えば０．０２μm 毎）で変化させながら、干渉模様４４
の色画像を次々にカラーＣＣＤカメラ２６で撮影し、撮
影した干渉模様画像を画像処理演算手段２７に取り込
む。

【０１０９】次に、ＳＴ１２において、画像処理演算手
段７により取り込まれた画像を色の３刺激値（例えばＲ
ＧＢ値）として整理して、各々の浮上量の測定点Ｈｉに
対するＲｉ，Ｇｉ，Ｂｉの値を求める。

【０１１０】次い、ＳＴ１３において、各々の浮上量Ｈ
ｉに対するＲｉ，Ｇｉ，ＢｉのデータをＲＧＢ空間から
なる３次元色空間３０上に展開する。さらに、３次元色
空間３０上で必要に応じて３次元的に補間し、色・浮上
量較正曲線３１を求める。補間の方法としては、直線補
間でもかまわないし、より滑らかに補間するために高次
の補間を行ってもよい。

【０１１１】例えば、図１０に示すデータをそれぞれ連
続する３点を逐次２次補間していくことによって求めた
補間曲線が得られる。このように、色情報を補間するこ
とにより、３次元色空間３０上で、キャリブレーション
線としての紐状の色・浮上量較正曲線３１が展開される
ことになる。なお、キャリブレーション線としての色・
浮上量較正曲線３１の代わりに、各々の浮上量Ｈｉとこ
の浮上量Ｈｉに対するＲｉ，Ｇｉ，Ｂｉの値とを対応さ
せたキャリブレーションテーブルを作成し用いることも
可能である。

【０１１２】次に、ＳＴ１４乃至ＳＴ１６で測定対象物
１の浮上量を測定する。

【０１１３】ＳＴ１４において、磁気ディスク４１と磁
気ヘッド４０の間の微小隙間２２に光線４３を照射し干
渉模様の画像をカラーＣＣＤカメラ２６によって求め
る。

【０１１４】次に、ＳＴ１５において、カラーＣＣＤカ
メラ２６によって求めた液晶画像から画像処理演算手段
２７によってＲＧＢ値を算出する。

【０１１５】次に、ＳＴ１６において、ＳＴ１３で求め
た色・浮上量較正曲線３１を参照し、ＳＴ１５で算出し
たＲＧＢ値で特定される点が色・浮上量較正曲線３１の
どこにあるかを求め、物理量演算手段２９によって磁気
ヘッド４０の浮上量Ｈを算出する。

【０１１６】ここで、色・浮上量較正曲線３１は、浮上
量Ｈと色の３刺激値（ＲＧＢ値）との対応関係を、微小
隙間２２の物理的性質である干渉模様に基づいて求めた
曲線である。従って、干渉模様のＲＧＢ値を求めさえす
れば、求めたＲＧＢ値で特定される３次元色空間３０上
の点は理論的には色・浮上量較正曲線３１上にあるはず
である。

【０１１７】しかしながら、実際の浮上量計測にあたっ
ては、求めたＲＧＢ値で特定される３次元色空間３０上
の点が正確に色・浮上量較正曲線３１上にあるとは限ら
ない。

【０１１８】その理由の一つとして、微小隙間２２によ
る干渉模様は照明のあたる角度や視角に応じて異なるこ
とがある。このため、例えば、標準微小隙間２３を用い
て色・浮上量較正曲線３１を作成する工程と、測定対象
である微小隙間２２の浮上量Ｈを求める工程との間で、
照明や視角の条件が異なる場合には、求めたＲＧＢ値で
特定される３次元色空間３０上の点は色・浮上量較正曲
線３１上にはないことになる。

【０１１９】従って、色・浮上量較正曲線３１を作成す
る較正時と同じ照明や視角の条件下で、微小隙間２２に
よる干渉模様の画像を求める必要がある。

【０１２０】しかしながら、両者で同じ照明や視角の条
件を保証できない場合も考えられる。

【０１２１】そこで、このような場合には、以下のよう
な処理をすることによって、測定データの信頼性を上げ
ることができる。

【０１２２】色・浮上量較正曲線３１は理想的には太さ
のない曲線である。そこで、許容できるＲＧＢ値の誤差
幅を想定して色・浮上量較正曲線３１を囲うとともに色
・浮上量較正曲線３１に沿って延びるパイプ状の許容誤
差領域パイプ３２（図１０参照）を設け、データベース
部２８として採用する。図１０では、色・浮上量較正曲
線３１に沿って延びる許容誤差領域パイプ３２の一部の
みが示されている。

【０１２３】そして、実際に微小隙間２２における浮上
量Ｈを測定して得られたＲＧＢ値が許容誤差領域パイプ
３２に入っていれば、信頼性あるデータとして採用し、
そのＲＧＢ値で特定される３次元色空間３０内の点から
最短距離にある色・浮上量較正曲線３１上の点を求め、
その点に対応する浮上量を計測する浮上量として採用す
る。また、実際に浮上量Ｈを測定して得られたＲＧＢ値
が許容誤差領域パイプ３２に入っていない場合には、何
らかの理由で信頼できないデータであると判断して採用
しないようにする。

【０１２４】なお、物理量演算手段２９は、検出した干
渉模様の色の３刺激値が色・浮上量較正曲線３１上にあ
るか否かを判定するキャリブレーション線上判定手段を
有する。また、物理量演算手段２９は、検出した干渉模
様の色の３刺激値が許容誤差領域パイプ３２内にあるか
否かを判定する許容誤差領域パイプ内判定手段を有す
る。

【０１２５】なお、上述した例は、誤差処理の単なる一
例であり、他に種々の誤差処理法が可能である。

【０１２６】以上の実施形態の説明において、色の３刺
激値としてＲＧＢ値を採用して場合を説明してきた。色
の３刺激値としてＲＧＢ値に代えて、例えばＬ* ａ* ｂ
* 値を採用することもできる。

【０１２７】なお、色の３刺激値として、ＲＧＢ系表示
やＬ* ａ* ｂ* 系表示の他に、さらに、ＨＳＩ系表示や
ＸＹＺ系表示等を採用した場合にも、本実施形態は同様
に適用できる。

【０１２８】以上説明したように、本実施形態の構成に
よれば、物理量としての磁気ヘッド４０の浮上量Ｈと色
の３刺激値の関係を３次元色空間３０で表示しデータベ
ース部２８を形成したので、浮上量Ｈと色の３刺激値と
を干渉模様の発色範囲の全域に渡って１価関数的に対応
させれることができ、広範囲に渡る浮上量Ｈの測定を高
精度に行うことができる。

【０１２９】この結果、一般的に計測しにくい浮上量の
測定が、汎用のＣＣＤカメラ２６とＲＧＢ系等の色情報
処理ができる環境を整えるだけで可能となる。

【０１３０】また一般に干渉模様の発色にある程度の色
ムラを生じてしまい、色−浮上量変換をした結果浮上量
Ｈの計測誤差が生じることになるが、本実施形態によれ
ば色情報を色・浮上量較正曲線３１に対応させる際に、
例えば、具体的にはデータと較正曲線までの距離などで
信頼すべきデータをより分けることが可能となるため、
どの程度の色ムラまでを計測誤差範囲に含むようにする
か容易に設定できる。

【０１３１】なお、第１部材を磁気ヘッド４０とし第２
部材を磁気ディスク４１とし隙間幅の測定の例にとり磁
気ヘッド４０の浮上量Ｈを測定することについて説明し
たが、本発明はこれに限らず、第１部材を半導体ウエハ
とし第２部材を平坦度の高いガラス板等の平坦度基準体
とし、浮上量Ｈの測定と同様な方法で半導体ウエハの平
坦度を測定することも可能である。また、磁気ヘッド４
０の浮上量Ｈではなく、光学ヘッドの浮上量を測定する
ことも可能である。

【０１３２】以上説明したように、上述の説明において
は、物理量として温度と、微小隙間に係る浮上量Ｈとを
例にとり、また、発色部材として液晶と微小隙間とを例
にとり説明したが、本発明の適用は、物理量としては温
度や浮上量等に限らず、また発色部材として液晶等の化
学物質や干渉模様に限らない。３次元色空間において物
理量と色の３刺激値とが１価関数的に対応させられるも
のであればよい。物理量としては例えば磁場、電場、圧
力等の物理量でもよい。また、発色部材として液晶以外
の化学物質であってもよい。

【０１３３】液晶の種類によっては圧力や電界など他の
物理量によって変色するものもあるし、液晶以外の物質
であって種々の物理量に応じて変色する化学物質も存在
する。圧力に応じて変色する化学物質を用いた場合には
全く同様にして広範囲の圧力分布を求めることが可能と
なるし、電界によって変色する化学物質を用いた場合に
は電界分布を求めることができる。その他の物理量につ
いても色変化を呈する化学物質があれば同様の手法で定
量的分布を詳細かつ容易に求めることが可能となる。

【０１３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、物理量の変化を受け発色状態が変化する発色部材
の色の３刺激値と物理量との関係を３次元色空間内で表
示し、発色範囲の全域に渡って色の３刺激値と物理量と
を１価関数的に対応させれることができるので、広い範
囲に渡って物理量を計測することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるデータベース部を示し、３次元
色空間としてＲＧＢ空間を採用した例を示す図。

【図２】図１に示す色・温度較正曲線を補間法により補
間して作成した色・温度較正曲線を示す図。

【図３】本発明におけるデータベース部を示し、３次元
色空間としてＬ* ａ* ｂ* 系色空間を採用した例を示す
図。

【図４】図３に示す色・温度較正曲線を補間法により補
間して作成した色・温度較正曲線を示す図。

【図５】本発明の計測装置の一実施形態を示すブロック
図。

【図６】本発明の計測装置の計測手順を示すフローチャ
ート図。

【図７】従来のＲＧＢ系で表した色と温度との関係を示
す図。

【図８】従来のＬ* ａ* ｂ* 系で表した色と温度との関
係を示す図。

【図９】本発明の計測装置の他の実施形態を示すブロッ
ク図。

【図１０】本発明におけるデータベース部を示し、３次
元色空間としてＲＧＢ空間を採用し、色・浮上量較正曲
線を示す図。

【図１１】光学ヘッドと擬似磁気ディスクとの間に隙間
を形成し光線を照射し干渉模様を生成することを説明す
る図。

【図１２】光学ヘッドと磁気ディスクとの間に形成され
た隙間に係る光学ヘッドの浮上量Ｈを説明する図。

【図１３】隙間による生じる干渉模様のＲＧＢ値と浮上
量Ｈ（間隔幅）との関係を示す従来の図。

【図１４】本発明の計測装置の計測手順を示すフローチ
ャート図。

【符号の説明】

１ 測定対象物 ２ 発色部材 ３ 標準発色部材 ４ 物理量変化手段 ５ 色検出手段 ６ カラーＣＣＤカメラ ７ 画像処理演算手段 ８ データベース部 ９ 物理量演算手段 １０ ３次元色空間 １１ 色−温度較正曲線 １２ 許容誤差領域パイプ ２２ 微小隙間 ２３ 標準微小隙間 ２４ 物理量変化手段 ２５ 色検出手段 ２６ カラーＣＣＤカメラ ２７ 画像処理演算手段 ２８ データベース部 ２９ 物理量演算手段 ３０ ３次元色空間 ３１ 色−温度較正曲線 ３２ 許容誤差領域パイプ

フロントページの続き (72)発明者 池 田 一 隆 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 須 賀 威 夫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 中 田 裕 二 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝 研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平５−128380（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−164616（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 7/00 G01D 21/00 G01K 7/00 G01K 11/12

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の物理量の変化を受け発色状態が変化
   する発色部材と、 前記発色部材の発色状態を検出する色検出手段と、 前記発色部材の色の３刺激値の各刺激値に１つの座標軸
   を対応させて３個の座標軸を有する３次元色空間を構成
   し、予め求めた前記物理量と前記３刺激値との関係を前
   記３次元色空間で表示して構成されるデータベース部
   と、 前記データベース部を参照し、前記色検出手段により検
   出した前記発色部材の３刺激値から検出対象の前記物理
   量を演算する物理量演算手段と、を備えることを特徴と
   する計測装置。
2. 【請求項２】前記色検出手段は、前記発色部材の発色状
   態を検出するカラーセンサと、このカラーセンサによっ
   て検出した発色状態から前記３刺激値を演算する演算手
   段とを有することを特徴とする請求項１に記載の計測装
   置。
3. 【請求項３】前記データベース部は、予め求めた前記物
   理量と前記３刺激値との関係を前記３次元色空間で表示
   したキャリブレーション線を有することを特徴とする請
   求項１に記載の計測装置。
4. 【請求項４】前記キャリブレーション線は、離散的な複
   数の前記物理量の値とこれらの離散的な複数の前記物理
   量の各々の値に対応する離散的な複数の前記３刺激値の
   値との関係を補間処理して得られる連続線であることを
   特徴とする請求項６に記載の計測装置。
5. 【請求項５】前記データベース部は、前記３次元色空間
   において前記キャリブレーション線を囲うとともに前記
   キャリブレーション線に沿って延びるパイプ状の許容誤
   差領域パイプを有することを特徴とする請求項６に記載
   の計測装置。
6. 【請求項６】前記発色部材は、光を照射されて干渉模様
   を生成する、第１部材と第２部材の間に形成された隙間
   であることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
7. 【請求項７】色の３刺激値の各刺激値に１つの座標軸を
   対応させて３個の座標軸を有する３次元色空間を構成
   し、 所定の物理量の変化を受け発色状態が変化する発色部材
   に対し前記物理量を種々の値に変化させ、前記発色部材
   の発色状態を検出して前記物理量の種々の値における前
   記３刺激値の値を求め、前記物理量の種々の値と前記３
   刺激値の値との関係を前記３次元色空間に表示してデー
   タベース部を構成し、 検出対象に含まれる前記発色部材の３刺激値を検出し、
   前記データベース部を参照して検出対象の前記物理量を
   演算することを特徴とする計測方法。