JP3767233B2 - 光学測定方法、光学測定装置、光学測定システム及び画像形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学測定方法、光学測定装置、光学測定システム及び画像形成装置にかかり、特に、光を対象物に照射し、その反射光を集光レンズで集光した光に基づいて対象物に関する特性を測定する光学測定方法、光学測定装置、光学測定システム及び画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータを中心としたネットワーク技術の進展により、画像出力装置としてのネットワークプリンタが急速に普及している。特に、出力する画像のカラー化に伴い、近年、カラープリンタの開発が盛んになっており、カラー画質の維持安定性の向上、複数のカラープリンタ間におけるカラー画質の均一化などの要求が高まって来ている。最近では、色再現性に関して、設置環境、経時変化、機差によらず高い安定性が求められている。
【０００３】
一般に、人間の色差に対する感度は極めて高く、Ｌ^*ａ^*ｂ^*表色系において色差△Ｅ＝５程度で識別されることが知られており、画像形成装置には、色差△Ｅ＝３（色差認識限界）以下の要求値が望まれる。ところが、周知のように電子写真方式では各プロセスが不安定であり、色差△Ｅ＝３以下という要求値をみたすことは、温度や湿度等の環境条件、また感光体や現像剤等の経時的な劣化等の処理材料条件等により装置自体の画像出力状態が変動し画像再現性が変動するため、困難であった。
【０００４】
このため、出力された画像の画質、特に、カラーの場合には、色差を測定して、その測定結果を画像出力装置の各工程に反映させるようにフィードバックする必要性が高まっており、特に、プリンタに測定装置を内蔵させ、出力された画像の画質をオンラインで測定し、その測定結果をフィードバックする技術が重要視されてきている。このため、プリンタに内蔵する測定装置として、小型でかつ高精度、低コストの測定装置が要求されている。
【０００５】
画質の測定については、オフラインにより用紙などの画像形成媒体を固定した状態で高精度の画像測定が可能な、Ｘ―ｒｉｔｅと呼ばれている測色装置が広く使用されているが、オンラインの測定装置で高精度のものは、未だ実用化されていない。これは、オンライン測定の場合、用紙（被測定面）の、搬送系による上下動、すなわち用紙の進行方向に垂直な方向の変動があり、正確な測定ができないためである。例えば、紙面が上下に１ｍｍ程度変動すると、受光による出力は、１５％程度変化してしまう。このように、紙面の上下変動により、受光による出力に大きな誤差が生じてしまうために、被測定面の位置が固定であることを前提にしている光学系では、正確な色測定はできない。
【０００６】
この紙面変動に対して反射光量を一定にする方法として、集光レンズの焦点位置に受光素子を設ける技術が知られている（特開昭６３−１６２４７号公報、特開平１０−１７５３３０号公報参照）である。
【０００７】
特開昭６３−１６２４７号公報の技術では、照明光の強度を均一にすることで特定範囲からの反射光をレンズを介してファイバ端面に集光させ、また、受光系は、反射点からレンズを介してファイバ端面で結像させている。照明光として点光源を使用し平行光にすることにより、紙面が変動した場合にも、紙面上で均一な光量を得るものである。しかしながら、完全な点光源は存在しないために、受光素子をレンズの焦点に設置しても、光量が均一な照明とはならず、また平行光にもならないために、紙面変動により、紙面上の照明の強度が変化する。更に、紙面が上下に変動して反射点の位置がずれることによって、結像点もファイバ端面からずれるため、紙面変動に対して一定の出力を得ることができない。
【０００８】
特開平１０−１７５３３０号公報の技術では、対象面（物）からの反射光を、レンズの焦点位置に設けた光電変換素子で受光し電気信号として出力するときに、照射光のスポット、レンズ、光電変換素子の各パラメータに関して光学原理から導かれる光強度に関する関係式を導出し、その関係式を満すパラメータ値に設定することにより、被測定面の変動に依存しない一定の出力値を得るようにしている。この技術では、関係式によりパラメータの範囲を規定しているために比較的高い測定精度が期待できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光源、レンズや光電変換素子等の光学素子の個々のばらつきや取り付け誤差等によって、光電変換素子への入射光の状態、例えば光束の大きさが変化することがあった。この場合、測定紙面の上下変動に伴う紙面からの反射光に応じた出力信号が所望の信号として得られないことがある。
【００１０】
また、測定装置には、測定精度の要求が様々であり、各々の要求に対応するためには、要求精度に応じて部品パラメータを合せ込んだ数種類の測定装置を用意する必要がある。この場合、一つの測定装置で効率的に測定したいという要求に応じることが困難であった。例えば、検査の効率化の観点からいえば、高精度な計測には時間をかけて正確に計測する一方で、粗い精度の計測（例えば検査スペックに対する合否判定）には短時間で大量処理を行いたい、という１測定機で複数の測定に対応可能にするには、各精度に応じたセンサを複数個用意する必要があった。
【００１１】
本発明は、上記事実を考慮して、オンラインで画像制御に必要となる最適な精度により測定することができる光学測定方法、光学測定装置、光学測定システム及び画像形成装置を得ることが目的である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の光学測定方法は、対象物へ光を照射し、前記対象物からの反射光を集光レンズにより集光し、前記集光レンズの焦点位置近傍に設けられた受光素子で光量を検出して前記対象物に関する特性を測定する光学測定方法であって、前記対象物の反射光が前記集光レンズを透過した透過光束により形成される空間の一部でかつ前記集光レンズの光軸と交差すると共に、焦点位置を含む面近傍に特定領域を定め、前記受光素子を、縦横多数の受光画素に分割し、前記対象物を変位させたときに前記対象物からの反射光が前記集光レンズを透過して前記特定領域に至る光を前記多数の受光画素で受光し、予め定めた測定精度に対応する信号を入力し、測定精度に対応して予め定めた複数の選択範囲のうち前記入力信号に対応する何れか１つの選択範囲を所定範囲とすると共に、前記多数の受光画素のうち光量変動が所定範囲内の予め定めた受光画素を選択し、選択した受光画素により形成される領域を受光有効領域に設定し、前記受光有効領域で受光した光量に基づいて前記対象物に関する特性を求めることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、対象物の反射光のうち、特定領域の通過光のみを受光素子で受光する。この特定領域は、対象物の反射光が集光レンズを透過した透過光束により形成される空間内に、集光レンズの光軸と交差しかつ焦点位置を含む面近傍に定められる。従って、特定領域の通過光は、対象物の反射光のうち集光レンズを介する直接光のみを通過させことが可能な領域となる。特定領域を通過した光は、受光素子で受光される。この受光素子は、縦横多数の受光画素に分割される。この多数の受光画素で、対象物を変位させたときに前記対象物からの反射光が前集光レンズを透過して特定領域に至る光を受光し、光量変動が所定範囲内の受光画素を選択する。所定範囲には、光量変動が略一定の間の範囲を用いることができる。この選択により、対象物の変動に関係無く安定した受光を可能にすることができる。選択した受光画素により形成される領域を受光有効領域に設定し、受光有効領域で受光した光量に基づいて対象物に関する特性を求める。これにより、特定領域に至る光すなわち対象物における反射光の受光素子上の大きさに応じて受光できる。従って、光源やレンズ等の機差に拘わらず最適な反射光を受光でき、安定した出力を得ることができる。
【００１４】
前記特定領域は、前記対象物における所定反射角度以内の反射光の全てが前記集光レンズを透過するときの共通領域とすることができる。集光レンズの焦点位置を含む面に設けられた特定領域には、対象物からの反射及び散乱光の内の、集光レンズの光軸方向に対して、特定領域の面積により定まる特定の角度以内に入る光線のみが集まり、それが受光素子で受光される。すなわち、対象物で反射及び散乱した光の中で、集光レンズ光軸方向に対して特定の角度以内に入る光線のみが、受光素子に入射することになり、受光素子の受光量は、対象物、例えば紙面がレンズの光軸方向に変動しても、その変動に影響されることがない。つまり、対象物における反射光のうち、対象物における予め定めた所定反射角度以内の反射光は、集光レンズと対象物との間の距離に関与することなく一定となる。対象物における所定反射角度以内の反射光の全てが集光レンズを透過するときの共通領域を特定領域とすることによって、集光レンズと対象物との間の距離に関与、すなわち対象物の位置が変動した場合であっても、対象物からの反射光量が変動することなく、安定した出力を得ることができる。
【００１５】
この場合、前記対象物における所定反射角度以内の反射光の全てが前記集光レンズを透過して前記特定領域に至るときの光束以外を遮光するようにすれば、さらに安定した出力を得ることができる。
【００１６】
前記受光画素を選択するための光量変動の所定範囲は、複数の選択範囲を有し、該複数の選択範囲のうち１選択範囲を指定し、指定された選択範囲内の受光画素を選択することができる。
【００１７】
例えば、高精度計測を必要とする場合、時間をかけた正確な計測が要求され、短時間で大量計測を必要とする場合、粗い精度の計測が要求されるという相反した要求がなされる場合がある。この場合、上記のようにして複数の選択範囲の各々について受光有効領域を設定すれば、ダイナミックレンジが異なる複数の受光が可能となり、ユーザの要求に対応した複数のスペックで対象物の特性を測定することができる。
また、前記選択する受光画素は、測定精度に対応して予め定めた大きさの受光領域を満たす受光画素を選択することができる。
【００１８】
ところで、集光レンズは、実際には有限のレンズ幅であり、このレンズ幅を考慮する必要がある。この場合、照射光は、レンズ幅との関係で次の関係を満たす反射領域内に照射すればよい。すなわち、前記対象物へ照射する光は、前記対象物上における反射領域の大きさが次式の関係を満たすことを特徴とする。
【００１９】
Ａ≧Ｂ＋（Ｃ×Ｄ）／ｆ
ただし、Ａは前記集光レンズの端部と前記集光レンズの光軸との間の距離、Ｂは前記対象物上の反射領域の端部と前記光軸との間の距離、Ｃは前記集光レンズと前記反射領域との間の距離、Ｄは前記特定領域の端部と前記光軸との間の距離、ｆは前記集光レンズの焦点距離である。
【００２０】
前記光学測定方法は、次の光学測定装置により実現が可能である。対象物に対して光を照射する光源と、前記光源の光軸と異なる方向を光軸とし、前記対象物からの反射光の少なくとも一部を入射する集光レンズと、前記対象物の反射光が前記集光レンズを透過した透過光束により形成される空間の一部でかつ前記集光レンズの光軸と交差すると共に、焦点位置を含む面近傍に予め定めた特定領域を、通過した光のみを受光すると共に、縦横に分割された多数の受光画素を有する受光素子と、前記対象物を変位させたときに前記対象物からの反射光が前記集光レンズを透過して前記特定領域に至る光を前記多数の受光画素で受光し、予め定めた測定精度に対応する信号を入力し、測定精度に対応して予め定めた複数の選択範囲のうち前記入力信号に対応する何れか１つの選択範囲を所定範囲とすると共に、前記多数の受光画素のうち光量変動が所定範囲内の予め定めた受光画素を選択し、選択した画素により形成される領域を受光有効領域に設定する設定手段と、前記設定された受光有効領域に含まれる受光画素で受光した光量に基づいて前記対象物に関する特性を求める演算手段と、を備えた光学測定装置。
【００２１】
本発明の光学測定装置によれば、集光レンズを透過し受光素子へ至る光束を多数の受光画素で受光する。設定手段は、対象物を変位させ多数の受光画素で受光したとき、多数の受光画素のうち光量変動が所定範囲内の受光画素を選択し、選択した画素により形成される領域を受光有効領域に設定する。演算手段では、設定された受光有効領域に含まれる受光画素で受光した光量に基づいて対象物に関する特性を求める。これによリ、特定領域に至る光すなわち対象物における反射光の受光素子上の大きさに応じて受光でき、光源やレンズ等の機差に拘わらず最適な反射光を受光でき、安定した出力を得ることができる。
【００２２】
前記光学測定装置は、前記光源を、所定強度で点滅させる制御、または発光強度を制御する光源制御手段と、前記受光素子の出力を、前記点滅または制御された発光強度に同期しながら信号を得る信号制御手段とを更に備えることができる。
【００２３】
前記光学測定装置は、測色するためのシステムに用いて好適であり、次の光学測定システムにより実現することができる。本発明の光学測定システムは、前記光学測定装置を、１つの対象物に対して複数設け、かつ前記複数の光学測定装置の受光出力に基づいて、前記対象物の色を測定する。
【００２４】
前記光学測定装置は、画像形成装置に用いて好適であり、次の画像形成装置により実現が可能である。本発明の画像形成装置は、画像形成媒体を前記対象物として該画像形成媒体に画像を形成する画像形成手段と、前記光学測定装置を備え、前記画像形成手段により画像が形成された画像形成媒体の搬送中に、形成された画像を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記画像形成媒体に形成される画像の品質を制御する制御手段と、を備えている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００２６】
〔反射基本原理〕
まず、対象物の一例としての用紙の位置が変動した場合であっても安定した光量を検出できる、すなわち光電変換素子に入射する光が紙面の上下変動に依存しない原理を図面を参照して説明する。
【００２７】
図２は、本原理を説明するための光学系における各部品の基本的な位置関係を示したものである。図２に示すように、本光学系は、紙面Ｐに対して垂直な光軸ＣＬを有するレンズ１４を備えている。レンズ１４の光軸ＣＬ上でレンズ１４の後側焦点面近傍に、フォトダイオードやＣＣＤ素子等の光電変換素子１８が設けられている。また、本光学系は、レンズ１４の光軸ＣＬと異なる方向を照射光軸とするＬＥＤ等の光源１２を備えており、光源１２の照射角度はレンズ１４の光軸ＣＬに対して４５度に設定されている。また、この光源１２により紙面Ｐ上には照射領域Ａｒに照射光が照射される。
【００２８】
図３は、上記光学系のうち、紙面Ｐから反射光または散乱光が、レンズ１４を通過し、レンズ１４の後側焦点面に設置された光電変換素子１８に入射する状態を示したものである。この図では便宜上、レンズは収差が無く、厚さはゼロ、レンズ幅は無限として説明する。
【００２９】
図３において、ＰＬ４はレンズ位置、ＰＬ３は光電変換素子１８の受光側が設置されている後側焦点面、ＰＬ５，ＰＬ６は変動（図２または図３において上下動）する紙面位置、ＰＬ１，ＰＬ２は変動する紙面位置ＰＬ５，ＰＬ６に対応する結像面位置、ＣＬはレンズ１４の光軸を各々示している。また、レンズ１４について、中心をＯ、前側焦点をＦａ、後側焦点をＦｂ、前側焦点距離をｆａ、後側焦点距離をｆｂとし、光電変換素子１８の有効受光領域の端点をＣ、Ｆｂ―Ｃ間距離をｒとする。
【００３０】
また、光軸方向に異なる紙面位置ＰＬ５，ＰＬ６における反射点Ａ１，Ａ２で反射して、レンズを通して結像面位置ＰＬ１，ＰＬ２等で結像される結像点Ｂ１，Ｂ２迄の光線を考えるとき、この光線が光電変換素子１８の有効受光領域の端点Ｃを通るときの、反射点Ａ１，Ａ２での反射角度（レンズの光軸ＣＬの方向に対する角度）を、ｓ１，ｓ２とする。
【００３１】
また、紙面Ｐ−レンズ１４の間の距離をａ１，ａ２、光電変換素子と結像面との間の距離をｂ１，ｂ２、紙面における反射光のうちレンズ１４の光軸ＣＬに平行な光線がレンズ面ＰＬ４を通過する通過点をＬ１、Ｌ２、とする。また、反射点Ａ１，Ａ２で反射して、光電変換素子１８の有効受光領域の端点Ｃを通過して結像点Ｂ１，Ｂ２に結像する光線においてレンズ面ＰＬ４を通過する通過点をＭ１，Ｍ２とする。さらに、Ｌ１―Ｍ１間距離をｄ１、Ｌ２−Ｍ２間距離をｄ２とする。
【００３２】
この結像系では、ニュートンの式より、（１）式と（２）式が成立する。
（ａ１―ｆａ）／ｆａ＝ｆｂ／ｂ１ …（１）
（ａ２−ｆａ）／ｆａ＝ｆｂ／ｂ２ …（２）
また、３角形Ｂ１Ｌ１Ｍ１と３角形Ｂ１ＦｂＣの相似、及び３角形Ｂ２Ｌ２Ｍ２と３角形Ｂ２ＦｂＣの相似を利用すると、次の（３）式と（４）式が成立する。
ｒ／ｂ１＝ｄ１／（ｂ１＋ｆｂ） …（３）
ｒ／ｂ２＝ｄ２／（ｂ２＋ｆｂ） …（４）
さらに、３角形Ａ１Ｌ１Ｍ１及び３角形Ａ２Ｌ２Ｍ２において、角度ｓ１及びｓ２を用いると、次の（５）式と（６）式が成立する。
ｄ１＝ａ１・ｔａｎ（ｓ１） …（５）
ｄ２＝ａ２・ｔａｎ（ｓ２） …（６）
ここで、（５）式と（６）式を、（３）式と（４）式に代入すると、次の（７）式と（８）式が得られる。
ａ１＝（（ｂ１＋ｆｂ）／ｒ）／（ｂ１・ｔａｎ（ｓ１）） …（７）
ａ２＝（（ｂ２＋ｆｂ）／ｒ）／（ｂ２・ｔａｎ（ｓ２）） …（８）
この（７）式と（８）式を、（１）式と（２）式に代入すると、次の（９）式と（１９）式が得られる。
ｒ／ｔａｎ（ｓ１）＝ｆａ …（９）
ｒ／ｔａｎ（ｓ２）＝ｆａ …（１０）
この（９）式と（１０）式から、次の（１１）式を導出することができる。
ｓ１＝ｓ２ …（１１）
以上のことを一般化すると、紙面位置ＰＬ５や紙面位置ＰＬ６等のように、光軸ＣＬに沿う方向に変動する紙面位置ＰＬ５，ＰＬ６等での反射点Ａｉ（ｉ＝１，２，３，…）から反射して、レンズ１４を通過して結像面ＰＬ１，ＰＬ２等で結像される結像点Ｂｉ迄の光線を考えるとき、この光線が光電変換素子１８の端点Ｃを通過するときの、反射点Ａｉでの反射角度ｓｉは、他のパラメータに関係なく、常に一定となる。
【００３３】
すなわち、紙面Ｐの変動に伴い、反射領域（照射領域Ａｒ）が紙面Ｐ上で移動し、反射点Ａｉが移動しても、反射角度ｓｉは常に一定である。従って、反射及び散乱が理想的に生じているとすれば、反射点Ａｉでの状態が同一のとき、反射角度ｓｉ中に含まれる光線数は一定であると考えられるので、Ｆｂ―Ｃ間の光電変換素子１８への入射光量は、紙面Ｐとレンズ１４の間の距離、または紙面Ｐと光電変換素子１８の間の距離に依存せず、各反射点Ａｉの状態に応じた正確な光量となる。
【００３４】
従って、紙面の特定の領域から反射（散乱や拡散を含むものとする）して、光電変換素子に入射する光は、紙面−光電変換素子間距離に依存せず、その領域に応じたものとなる。
【００３５】
なお、図３では、各線分を平面上で表現しているが、実際の光学系においては、レンズ１４の光軸ＣＬを中心とした回転体として考えることができる。すなわち、光電変換素子１８の距離ｒ（線分ＦｂＣ）は、レンズ１４の光軸ＣＬを中心として一定となっているが、実際の光学系では、距離ｒは一定である必要はなく、光電変換素子１８の形状は、円形や四角形等、任意の形状選択が可能である。また、光電変換素子１８は、レンズ１４の光軸ＣＬの位置をその中心とするように設置する必要はなく、対象物（紙面Ｐ）からの反射光がレンズ１４を通過して入射する後側焦点面ＰＬ３内であれば、レンズ１４の光軸ＣＬを含まない位置に設けてもよい。
【００３６】
このように、対象物、例えば紙面Ｐの上下変動にかかわらず、紙面上の点からの特定角度範囲内で反射した光のみを、レンズ１４の後側焦点位置ＰＬ３を含む面に設置した光電変換素子１８で受光することによって、常に、反射領域の反射率や濃度、色等の特性を正確に測定することができる。
【００３７】
図３の原理説明では、レンズ１４の幅を無限大と仮定したが、実際にはレンズ幅は有限であり、このレンズ幅を考慮しなければならない。そのため、光源１２からの光は、レンズ幅との関係で以下に説明する制限条件を満たす照射領域Ａｒ（反射領域）内に照射する必要がある。
【００３８】
図４を参照してレンズ幅が有限である場合を説明する。センサ出力がもっとも制約を受けると考えられるのは、レンズ光軸に垂直な方向に対してである。反射点位置がレンズ幅よりも外側にあると、反射光は集光レンズ１４のエッジでけられるので、光電変換素子１８に到達する光量が減少する。また、光量が一定となる反射光はレンズ光軸に対して片側で角度ｓだけ広がって集光レンズ１４に入射するため、この広がりを見込む必要がある。これにより、出力が一定になる反射点位置範囲ｔは以下のように示すことができる。
【００３９】
ｔ≦ｕ−２ｄ …（１２）
ここで、ｕは集光レンズ１４のレンズ幅、ｄは角度ｓで広がった反射光の集光レンズ１４の位置における幅である。但し、幅ｄの値は光電変換素子１８や集光レンズ１４の仕様により決まる数字で、一般的にはレンズ幅ｕの１／１０以下であるため、反射点位置範囲は基本的に集光レンズ１４のレンズ幅で決定される。
【００４０】
上記の式では、（５）式及び（６）式に示すように、ｄ＝ａ・ｔａｎ（ｓ）の関係を含み、（９）式及び（１０）式に示すように、ｔａｎ（ｓ）＝ｒ／ｆａの関係がある。従って、上記（１２）式は、次の（１３）式で表すことができる。
【００４１】
ｕ≧ｔ＋２・ａ・ｒ／ｆａ …（１３）
レンズ幅ｕ、光電変換素子１８の幅２ｒ、および焦点距離ｆａは、固定された値であるので、紙面Ｐへの光の照射と紙面Ｐにおける光の反射に関わる反射点位置範囲ｔ、すなわち反射領域１２の幅、および集光レンズ１４と紙面Ｐとの間の距離ａが、（１３）式の制限条件を満たす範囲内であれば、光電変換素子１８に入射すべき光で、集光レンズ１４を通らないものは存在しないことになる。従って、（１３）式の制限条件を満たす照射領域Ａｒ（反射領域）内に照射されて、ｓ×２の角度範囲内で反射した光は、全て集光レンズ１４を透過して光電変換素子１８に入射することになり、紙面Ｐの上下変動にかかわらず、原理的に出力変化がゼロとなる。
【００４２】
［光学測定装置］
次に、上記原理に基づいた光学測定装置１０の詳細を説明する。上記原理にて、光学測定装置１０の各部品の基本的な位置関係を示した（図２参照）。本実施の形態では、光電変換素子１８の設置箇所を、レンズ１４の焦点位置を含み、光軸ＣＬに垂直な面としている。
【００４３】
図１は、本実施の形態の光学測定装置１０の基本構成を示したものである。図１は、光源１２からの光をレンズ１４を介することなく対象物である紙面Ｐに照射する場合を示している。本実施の形態の光学測定装置１０は、基本的には、紙面Ｐ上に定められる所定の大きさの反射領域すなわち照射領域Ａｒ内に光を照射する光源１２と、照射領域Ａｒからの反射光を集光するレンズ１４と、レンズ１４の後側焦点面ＰＬ３に設置する光電変換素子１８によって構成している。光電変換素子１８の受光領域は、後側焦点面ＰＬ３に含ませ、レンズ１４を透過した光の一部を受光する特定の大きさとしかつその受光サイズすなわち有効検出領域を可変できるものとしている。なお、レンズ１４の光軸ＣＬは紙面Ｐに対して垂直であり、光源１２の照射角度はレンズ１４の光軸に対して４５度に設定している。
【００４４】
光電変換素子１８には、信号処理部２０と駆動部２２が接続されている。信号処理部は、光電変換素子１８で光電変換された光量に対応する信号を他の装置へ出力信号として出力するためのものである。駆動部２２は、後述するように、受光領域（受光サイズ）を所定の大きさに設定するためのものである。
【００４５】
上記の構成によって、紙面Ｐからの反射光のうちの、光電変換素子１８の受光領域により定まる特定の角度範囲内に入る光のみが、光電変換素子１８で受光される。そして、この光電変換素子１８の選択された画素が受光した総光量が光電変換素子１８の出力とされる。光源１２からの照射光は、平行光に近いことが望ましいが、平行光以外であってもよい。本実施の形態では、光源１２としてはＬＥＤを用い、レンズ１４としては両凸レンズを用い、光電変換素子１８としては２次元ＣＣＤセンサを用いている。
【００４６】
２次元ＣＣＤセンサである光電変換素子１８は、図１に示すように、縦横多数の受光画素に分割され、各受光素子毎に分離独立して機能するようになっている。従って、駆動部２２が、２次元ＣＣＤセンサが有しているＣＣＤ素子を選択することによって、受光領域（受光サイズ）を所定の大きさに設定することができる。
【００４７】
図５には、上記説明した原理による光学測定装置１０の理想的な出力特性を示した。横軸ａは紙面変動距離であり、縦軸Ｖは光電変換素子の出力である。図から理解されるように、センサ出力は紙面変動量が数ｍｍの間で略一定となる平坦部を有しており、紙面変動量が数ｍｍ程度あっても、出力の変化量を小さく抑えることができる。
【００４８】
しかしながら、実際には図６に示すように、出力が一定となる紙面変動範囲は限られたものとなる。その原因は、光学測定装置１０を構成する各部品や取り付けが理想とする特性から外れているためで、集光系については特にレンズに起因した部分が大きいことが分かっている。
【００４９】
そこで、本発明者は、センサ出力に関するシミュレーションを行った結果、紙面上の各点を点光源とする光がレンズを介して任意の有限サイズの光電変換素子に入射する際に、光電変換素子の受光エリアの両端に入る光線の見込み角が上記の関係式を満たす紙面領域で一定とはならずバラツキを有することに起因し、レンズ収差の寄与が大きい、という知見を得た。
【００５０】
次に、センサ出力の変動に関するシミュレーションについて説明する。図７には、本シミュレーションに用いた光学系を示した。図中、Ａ０，Ａ１は、被測定面である紙面Ｐ上の反射点、α１，α２は、反射点Ａ０，Ａ１における光線の見込み角、Ｐ１，Ｐ１’は見込み角α１，α２で光電変換素子に入射される光線の受光エリアの両端、Ｐ２，Ｐ２’は見込み角が大きい（＞α１，＞α２）ときに光電変換素子に入射される光線の受光エリアの両端を示している。
【００５１】
上記シミュレーションの結果として角度バラツキの割合を図８に示した。図８から理解されるように、角度偏差はゼロとはならず、さらに受光エリアの変化とともに角度偏差が変化している。そして、任意の受光サイズ（図８では１．２ｍｍ）で最小値が存在するとともに、ある受光サイズ（図８では３．８ｍｍ）以上になると角度偏差が急激に増大する傾向を示している。このようなバラツキを抑制するには、レンズを改良し球面収差の小さいレンズ系を採用し出力変動を抑制することで達成できるが、非球面レンズや組合せレンズ等の高価なレンズ系となるためコストアップとなる。
【００５２】
そこで、本実施の形態の光学測定装置１０では、上記バラツキ実験において明らかとなった図８の特性を積極的に活用した。すなわち、本実施の形態では、周知の比較的安価なレンズ系で、上記特性を利用し、光電変換素子の受光エリアを可変とすることにより、測定精度に応じた最適な受光サイズを選択している。これによって、測定精度に応じて最適な受光サイズを選択するレンジ切換機能を有する光学測定装置を得ることができる。
【００５３】
上記説明したように、実際には個々の部品の特性が理想的な特性から外れるため、紙面変動許容範囲は限定されたものとなるが（図６参照）、本実施の形態の光学測定装置では、部品のバラツキを考慮し、センサ性能を要求仕様にあわせ簡単に最適化する。具体的には、図８に示す特性に基づいて、高精度な測定を行う場合は、φ１．２ｍｍ以内の有効受光領域に光電変換素子を設定し、精度の粗い測定の場合はφ３．６ｍｍ以内の有効受光領域に光電変換素子を設定する。この光電変換素子の有効受光領域の設定は、駆動部２２によって実行させることができる。このようにすることで、高精度測定に比べて粗い測定の場合に、受光面積及び信号強度は９倍となり、１桁アップに近い信号が得ることができるため、高速処理が可能となる。
【００５４】
また、φ１．２ｍｍとφ３．６ｍｍの有効受光領域は、φ１．２ｍｍのものは、紙面方向に対する照射領域（反射領域）の大きさ、位置ずれが大きい照射系の場合に、φ３．６ｍｍのものは逆に変動が小さいものに対して適応するように、選択することにより、使用用途に合致させた光学測定装置の使用が可能となる。
【００５５】
［画像形成装置］
次に、上記光学測定装置を、電子写真方式により画像を形成する画像形成装置に適合させた例を説明する。
【００５６】
図９には、本発明の実施の形態に係る電子写真方式のカラー画像形成装置の概略構成を示した。このカラー画像形成装置３０は、図示しない搬送機構によって用紙Ｐが搬送される用紙搬送路３２と、用紙搬送路３２に沿って搬送された用紙Ｐ上に、テストパターンや記録画像をイエロー（Ｙ），マゼンタ（Ｍ），シアン（Ｃ），黒（Ｋ）のトナーを各々用いて形成する画像形成ユニット３４Ｙ，３４Ｍ，３４Ｃ，３４Ｋと、用紙Ｐ上のトナー像を定着する定着器３６と、画像形成ユニット３４Ｙ，３４Ｍ，３４Ｃ，３４Ｋによって用紙Ｐ上に形成されたテストパターンや画像の濃度を用紙搬送路３２上にて読み取る光学測定装置１０（図１参照）と、光学測定装置１０における有効受光領域の設定や測定結果に基づいてカラー画像形成装置３０の各部の制御および校正を行う制御器４０とを備えている。
【００５７】
なお、光学測定装置１０は、定着器３６の後側（下流側）に設置されている。この光学測定装置１０は、制御器４０に接続されている。また、光学測定装置１０は、各色毎に備えても良く、１つの光学測定装置で各色を測定してもよい。
【００５８】
画像形成ユニット３４Ｙ，３４Ｍ，３４Ｃ，３４Ｋは、各々同様の構成を有しており、図示しない駆動モータによって所定方向（図９の矢印Ｒ方向）に回転する感光体ドラム４２と、感光体ドラム４２の表面を一様に帯電させる帯電器４４と、一様に帯電された感光体ドラム４２の表面を対応する色の画像信号に基づく露光を行って静電潜像を形成する露光ユニット４６と、感光体ドラム４２の表面に形成された静電潜像を対応する色のトナーで現像する現像器４８と、感光体ドラム４２上の現像されたトナー像を用紙Ｐに転写する転写器５０と、図示を省略したクリーナとを備えている。
【００５９】
本実施の形態の画像形成装置では、画像形成時には、画像信号が、露光ユニット４６に入力され、レーザ光を変調して、画像信号によって変調されたレーザ光が、感光体４２上にラスタ照射される。感光体４２は、レーザ光が照射される以前に帯電器４４で一様に帯電されており、一様に帯電された感光体４２に、レーザ光が照射されると、その表面に入力画像信号に対応した静電潜像が形成される。そして、現像器４８により静電潜像がトナー現像され、転写器５０によって現像されたトナー像が用紙Ｐ上に転写され、定着器３６によって定着される。これにより、用紙Ｐには、トナーが定着された定着画像が形成される。その後、感光体４２はクリーナ（図示省略）によりクリーニングされ、一回の画像形成動作が終了する。光学測定装置１０は、定着器３６の下流側に設置されており、定着後の画像濃度を検出する。この光学測定装置１０は、予め高精度測定か粗い測定かが設定されており、その設定に応じた信号が光学測定装置１０の駆動部に入力される。これにより、光電変換素子１８の有効受光領域が設定される。この検知結果をもとに、帯電量、露光量、現像バイアス、現像ロール回転数、トナー供給係数等の操作量を制御して所望の画像品質を得る。
【００６０】
このように、本実施の形態によれば、対象物（紙面）が光軸方向に変動する場合であっても、その変動の影響を受けずに測定を行うことができる。また、光電変換素子の有効受光領域を変更することができ、１つの光電変換素子で要求精度に応じた所望の信号を得て、高精度測定や粗い精度での測定という選択が可能となる。
【００６１】
従って、検査装置および画像形成装置のモニター用として、様々な検査仕様に合せて本光学測定装置を用いて測定を行う場合、光電変換素子の有効受光領域を可変とし測定精度に応じて最適な受光サイズを選択可能にすることにより１つのセンサで所望の検査目的を達成可能となる。
【００６２】
また、本実施の形態によれば、小型でかつ低コストの光学測定装置を提供できるため、カラープリンタなどの画像形成装置において、大きさおよびコストを増加させずに、出力する画質を大幅に向上させることができる。
【００６３】
なお、本実施の形態では、２次元ＣＣＤセンサの大きさを変更することによって、有効受光領域を選択する場合を説明したが、円形開口や矩形開口等の開口による空間形成で有効受光領域を制限してもよい。
【００６４】
なお、実際のセンサでは、現物の個々の部品は設計値からはずれた特性（個体差および理想値からのずれ）を示す場合があり、必ずしも最適化されたパラメータ値に設定されていない。そこで、光電変換素子に用いた２次元ＣＣＤセンサの個々のＣＣＤ素子の出力変動に合せて、最適な有効受光領域を選択することにより、より精度の高いセンサを得ることができる。
【００６５】
また、各画素毎に被測定面変動に対する出力信号が得られるため、その信号の挙動を解析し被測定面変動に対して出力が不変となるような補正を加えることにより、更に出力変動の小さい信号を得ることも可能である。
【００６６】
また、本実施の形態では、光学測定装置を画像形成装置に内蔵した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、画像を形成する工程を含まずに画像が形成された対象物を搬送する装置において、その搬送中に、対象物に形成された画像の特性の測定にも適用でき、高精度の画像測定ができる。
【００６７】
また、本実施の形態では、光学測定装置として、各色の濃度を測定するものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、画像の色を測定対象とする測色装置として機能させることもできる。
【００６８】
また、本実施の形態では、画像形成装置における画像出力装置中の光学測定装置の位置を、定着後の画像を測定する位置としているが、これは、転写後等の他の位置であってもよい。
【００６９】
また、本実施の形態では、電子写真方式を用いた画像形成装置に、本発明を適用した場合について説明したが、画像を形成して出力する装置であれば、画像形成装置に限定されるものではなく、インクジェット方式、感熱フィルム方式、などの画像出力装置にも適用することができる。
【００７０】
また、本実施の形態では、対象物として平坦な用紙を用いた場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものでない。例えば、対象物は、紙面のような平坦である必要はなく、凹凸を有する形状であっても、透過領域の特性を正確に測定することができる。従って、本発明は、画像の測定だけでなく、対象物の様々な特性の測定を行う場合にも適用可能である。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、対象物の反射面が光軸方向に変動する場合であっても、その変動の影響を受けずに測定することができ、この場合に光源やレンズ等に機差が生じていても受光有効領域を設定しているので、高精度で測定することができる、という効果がある。
【００７２】
また、前記受光画素を選択するための光量変動の所定範囲として、複数の選択範囲から１選択範囲を指定し、指定された選択範囲内の受光画素を選択することができるので、ダイナミックレンジが異なる複数の受光素子として機能することが可能となり、ユーザの要求に対応した複数のスペックで対象物の特性を測定することができる、という効果がある。
【００７３】
また、安定した出力を得ることが可能な光学測定装置を小型かつ低コストで提供できるため、カラープリンタ等の画像形成装置において、大きさおよびコストを増加させずに、出力する画質を大幅に向上させることができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる光学測定装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる光学測定装置の原理を説明するための概略構成図である。
【図３】光学測定装置の原理説明図である。
【図４】レンズ幅を有する光学測定装置の原理説明図である。
【図５】光学測定装置の理想的な測定結果を示す特性図である。
【図６】光学測定装置の実際の測定結果を示す特性図である。
【図７】本発明の実施の形態にかかる光学測定装置におけるシミュレーションを説明するための概略構成図である。
【図８】有効受光領域と角度偏差との関係を示す特性図である。
【図９】本発明の実施の形態にかかる画像形成装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１０ 光学測定装置
１２ 光源
１４ レンズ
１８ 光電変換素子
２２ 駆動部

Claims (8)

1. 対象物へ光を照射し、前記対象物からの反射光を集光レンズにより集光し、前記集光レンズの焦点位置近傍に設けられた受光素子で光量を検出して前記対象物に関する特性を測定する光学測定方法であって、
   前記対象物の反射光が前記集光レンズを透過した透過光束により形成される空間の一部でかつ前記集光レンズの光軸と交差すると共に、焦点位置を含む面近傍に特定領域を定め、
   前記受光素子を、縦横多数の受光画素に分割し、
   前記対象物を変位させたときに前記対象物からの反射光が前記集光レンズを透過して前記特定領域に至る光を前記多数の受光画素で受光し、
   予め定めた測定精度に対応する信号を入力し、
   測定精度に対応して予め定めた複数の選択範囲のうち前記入力信号に対応する何れか１つの選択範囲を所定範囲とすると共に、前記多数の受光画素のうち光量変動が所定範囲内の予め定めた受光画素を選択し、
   選択した受光画素により形成される領域を受光有効領域に設定し、
   前記受光有効領域で受光した光量に基づいて前記対象物に関する特性を求める ことを特徴とする光学測定方法。
2. 前記特定領域は、前記対象物における所定反射角度以内の反射光の全てが前記集光レンズを透過するときの共通領域であることを特徴とする請求項１に記載の光学測定方法。
3. 前記選択する受光画素は、測定精度に対応して予め定めた大きさの受光領域を満たす受光画素であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学測定方法。
4. 前記対象物へ照射する光は、前記対象物上における反射領域の大きさが次式の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の光学測定方法。
   Ａ≧Ｂ＋（Ｃ×Ｄ）／ｆ
   ただし、Ａは前記集光レンズの端部と前記集光レンズの光軸との間の距離、Ｂは前記対象物上の反射領域の端部と前記光軸との間の距離、Ｃは前記集光レンズと前記反射領域との間の距離、Ｄは前記特定領域の端部と前記光軸との間の距離、ｆは前記集光レンズの焦点距離である。
5. 対象物に対して光を照射する光源と、
   前記光源の光軸と異なる方向を光軸とし、前記対象物からの反射光の少なくとも一部を入射する集光レンズと、
   前記対象物の反射光が前記集光レンズを透過した透過光束により形成される空間の一部でかつ前記集光レンズの光軸と交差すると共に、焦点位置を含む面近傍に予め定めた特定領域を、通過した光のみを受光すると共に、縦横に分割された多数の受光画素を有する受光素子と、
   前記対象物を変位させたときに前記対象物からの反射光が前記集光レンズを透過して前記特定領域に至る光を前記多数の受光画素で受光し、予め定めた測定精度に対応する信号を入力し、測定精度に対応して予め定めた複数の選択範囲のうち前記入力信号に対応する何れか１つの選択範囲を所定範囲とすると共に、前記多数の受光画素のうち光量変動が所定範囲内の予め定めた受光画素を選択し、選択した画素により形成される領域を受光有効領域に設定する設定手段と、
   前記設定された受光有効領域に含まれる受光画素で受光した光量に基づいて前記対象物に関する特性を求める演算手段と、
   を備えた光学測定装置。
6. 前記光源を、所定強度で点滅させる制御、または発光強度を制御する光源制御手段と、前記受光素子の出力を、前記点滅または制御された発光強度に同期しながら信号を得る信号制御手段とを更に備えたことを特徴とする請求項５に記載の光学測定装置。
7. 請求項５または６に記載の光学測定装置を、１つの対象物に対して複数設け、かつ前記複数の光学測定装置の受光出力に基づいて、前記対象物の色を測定する光学測定システム。
8. 画像形成媒体を前記対象物として該画像形成媒体に画像を形成する画像形成手段と、
   前記請求項５または６に記載の光学測定装置を備え、前記画像形成手段により画像が形成された画像形成媒体の搬送中に、形成された画像を検出する検出手段と、
   前記検出手段の検出結果に基づいて、前記画像形成媒体に形成される画像の品質を制御する制御手段と、
   を備えた画像形成装置。

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