JP4306924B2 - 物体表面の光沢度判別方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射光の光量に応じた出力電流を信号処理して、物体表面の光沢度を判別する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、物体表面の光沢度を判別する際には、物体表面に赤外線、可視光線等を照射し、その反射光を、カラーセンサ、リニアイメージセンサ等の素子で受光し、出力電流を信号処理することで検知していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構造の光沢センサを使用した場合、カラーセンサ、リニアイメージセンサ等が高価であること、およびセンサ素子で受光した後の信号処理が複雑であることなどから、光沢センサ自体の価格が高価になるという問題点があった。
一方、安価な２端子のホトダイオードをセンサ素子として使用した場合、試料表面の色濃度によって反射光量が異なること、および被測定試料からの反射光が正反射光と乱反射光が混合された状態であることなどから、正確な光沢度の測定は非常に難しいという問題点があった。
【０００４】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するもので、赤外〜可視領域に含まれる光線を物体に照射して反射させ、位相差フィルムと偏光フィルタとを通過する反射光と、偏光フィルタを通過する反射光とに分けて位置検出センサ（Position Sensitive Detector：以下、ＰＳＤと称する。）にて検知し、上記２つの反射光の光量に応じた出力電流を各々２つの電流増幅回路に分流した後、反転増幅器に入力し、信号処理することを特徴とする物体表面の光沢度判別方法である。
また、上記電流増幅回路と反転増幅器がオペアンプの負帰還回路であることを特徴とする物体表面の光沢度判別方法である。
さらに、上記の位相差フィルムが１／２波長板または複屈折効果を示す透明フィルムであることを特徴とする物体表面の光沢度判別方法である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
物体表面の色濃度に関係なく、物体表面の光沢度を反射光の光量に応じた出力電流として取り出し、信号処理することによって判別する。
すなわち、赤外〜可視領域に含まれる光線を物体に照射して反射させ、位相差フィルムと偏光フィルタとを通過する反射光と、偏光フィルタを通過する反射光とに分けて位置検出センサにて検知し、上記２つの反射光の光量に応じた出力電流を各々２つの電流増幅回路に分流した後、反転増幅器に入力し、信号処理する。上記電流増幅回路と反転増幅器はオペアンプの負帰還回路を用い、正確な増幅度が得られるようにする。
【０００６】
【実施例】
以下は、本発明を用いた実施例の一例である。
〔実施例１〕
本発明による物体表面の光沢度判別方法を利用した光沢センサの構造を図１に示す。
図１において、被測定試料３に対し光の入射角と反射角が等しくなるように光源１とＰＳＤ６を配置する。光源１からの光は集光レンズ２を使ってスポット光の状態で被測定試料３に照射する。必ずしも光点を一点に集中させる必要はない。
光源１としては、ＬＥＤの他にハロゲンランプ、半導体レーザー等の単波長成分の多い光源を用いることが可能である。
【０００７】
図２は、図１の受光側を詳しく記述したものである。
図２に示す１／２波長板４、偏光フィルタ８を通過する前の反射光ｂについて、被測定試料３に対する水平方向の振動成分ｄをｓ波、ｓ波と直角方向の振動成分ｅをｐ波とした場合、正反射光は反射の法則に従いｓ波方向の振動成分に偏った反射光で、かつ試料表面の光沢度が高いほど支配的となる。また、乱反射光は正反射光を除く拡散的な反射光でｓ波、ｐ波を含む様々な振動方向を持ち、試料表面の光沢度が低いほど支配的となる。
【０００８】
図２の偏光フィルタ８の透過方向は縦方向であり、これは被測定試料３に対する反射光ｂの水平方向の振動成分ｄと平行な方向である。
また、図２の１／２波長板４は位相差フィルムの一種である。
図２に見られるように、被測定試料３の表面からの反射光ｂについて、半分を１／２波長板４と偏光フィルタ８、残りの半分を偏光フィルタ８のみ通過するようにし、偏光フィルタ８を通過した後の反射光ｃの中心がＰＳＤ６の中心に入射するように配置する。この際、１／２波長板４の向きは、図４に示すとおり被測定試料からの反射光に含まれるｓ波ｈの振動方向を約９０°回転させる向き（１／２波長板４の光軸９をｓ波ｈの振動方向に対してθ＝４５°の向き）に設置することが望ましい。
【０００９】
図５は、図２の被測定試料３からの反射光ｂについて偏光フィルタ８のみを通過する成分を表している。偏光フィルタ８を通過する前の反射光ｂは、乱反射光ｊと正反射光ｋ、ｌで構成されている。乱反射光ｊが偏光フィルタ８を通過する際に、透過方向に対して垂直の振動方向をもつｐ波は通過が抑制されるが、平行の振動方向をもつｓ波は通過が可能となる。
一方、正反射光ｋ、ｌのうち、偏光フィルタ８の透過方向に対して平行の振動方向をもつ正反射光ｋは通過が可能となるが、垂直の振動方向をもつ正反射光ｌは通過が抑制される。よって、被測定試料３からの反射光ｂについて偏光フィルタ８のみを通過する成分は、正反射光（ｓ波）ｍと乱反射光（ｓ波）ｎとなる。
【００１０】
図６は、図２の被測定試料３からの反射光ｂについて１／２波長板４と偏光フィルタ８の両方を通過する成分を表している。１／２波長板４と偏光フィルタ８を通過する前の反射光ｂは、図４と同様に乱反射光ｊと正反射光ｋ、ｌで構成されている。乱反射光ｊはｓ波、ｐ波を含む様々な振動方向を持つ反射光で、ｓ波とｐ波の存在確率はほぼ等しい。また、正反射光はｓ波方向に偏った反射光であるため、ｓ波方向の振動成分ｋはｐ波方向の振動成分ｌに比べて極端に大きくなる。１／２波長板４を通過した乱反射光ｏはｓ波、ｐ波ともに９０°振動方向を変えるため、後段の偏光フィルタ８を通過する際に、透過方向に対して垂直の振動方向をもつｓ波は通過が抑制され、平行の振動方向をもつｐ波は通過が可能となる。
一方、１／２波長板４を通過した正反射光ｐ、ｑは９０°振動方向を変えるため、後段の偏光フィルタ８を通過する際に、透過方向に対して垂直の振動方向をもつｓ波は通過が抑制されるが、平行の振動成分をもつｐ波は通過が可能となる。よって、被測定試料３からの反射光ｂについて１／２波長板４と偏光フィルタ８の両方を通過する成分は、正反射光（ｐ波）ｒと乱反射光（ｐ波）ｓとなる。
【００１１】
このため、図２のようにＰＳＤ６に入射する光のうち、上領域は偏光フィルタ８のみを通過してきた正反射光（ｓ波）と乱反射光（ｓ波）からなる反射光ｆとなり、下領域は１／２波長板４と偏光フィルタ８の両方を通過してきた正反射光（ｐ波）と乱反射光（ｐ波）からなる反射光ｇになり、これら反射光ｆ、ｇの照射光量と照射位置およびＰＳＤ６の電極間抵抗等によって決まる電流（Ｉ_ＰＳＤ１、Ｉ_ＰＳＤ２）が、ＰＳＤ６の端子から流れ出すことになる。
【００１２】
図３は、図２におけるＰＳＤ６の出力電流（Ｉ_ＰＳＤ１、Ｉ_ＰＳＤ２）を信号処理し、正反射光量に応じた出力電圧を得るための信号処理回路の例である。ＰＳＤ６のカソード端子１０には予め電圧Ｖｃｃが印加されている。ＰＳＤ６のアノード端子１１、１２からは、ＰＳＤ６で受光された反射光ｃによる電流（Ｉ_ＰＳＤ１、Ｉ_ＰＳＤ２）が分流し、次段のオペアンプ１３、１４による電流増幅回路で別々に増幅される。この際、帰還抵抗Ｒ１、Ｒ２の値は、Ｉ_ＰＳＤ２側のみ通過する位相差フィルムによる減衰率γを補正するために、
【００１３】
【数１】

に設定することが望ましい。オペアンプ回路１３、１４のそれぞれの出力電圧、−Ｉ_ＰＳＤ１×Ｒ１と−Ｉ_ＰＳＤ２×Ｒ２は、後段の反転増幅器の差動アンプ回路１５でその電位差（Ｉ_ＰＳＤ１×Ｒ１−Ｉ_ＰＳＤ２×Ｒ２）が取り出され、（Ｒ４／Ｒ３）倍に増幅される。従って、出力端子１６には、｛Ｉ_ＰＳＤ１−Ｉ_ＰＳＤ２／（１−γ）｝×Ｒ１×（Ｒ４／Ｒ３）の電圧が得られる。
【００１４】
図３におけるＰＳＤ６の出力電流のうち、Ｉ_ＰＳＤ１は｛正反射光（ｓ波）＋乱反射光（ｓ波）｝に比例した電流であり、Ｉ_ＰＳＤ２／（１−γ）は、｛正反射光（ｐ波）＋乱反射光（ｐ波）｝に比例した電流であることから、２つの電流量の差｛Ｉ_ＰＳＤ１−Ｉ_ＰＳＤ２／（１−γ）｝は、［｛正反射光（ｓ波）＋乱反射光（ｓ波）｝−｛正反射光（ｐ波）＋乱反射光（ｐ波）｝］と比例関係にあると考えられる。
ここで、乱反射光に含まれるｓ波とｐ波の存在確率がほぼ等しく、乱反射（ｓ波）≒乱反射（ｐ波）となること、および、正反射光はｓ波方向の振動成分に偏った反射光であり、正反射光（ｓ波）−正反射光（ｐ波）≒正反射光（ｓ波）となることを利用すると、先の式から
【００１５】
【数２】

の関係が得られる。よって、出力端子１６の電圧、｛Ｉ_ＰＳＤ１−Ｉ_ＰＳＤ２／（１−γ）｝×Ｒ１×（Ｒ４／Ｒ３）は、正反射光（ｓ波）の光量に応じた値となり、この電圧値の大小から光沢度が判別できる。
【００１６】
図１２は、図３の信号処理回路による光沢センサ出力電圧とＪＩＳ Ｚ８７４１ 方法３によるＧｓ（６０°）測定値との相関データの一例を示したものである。図１２のグラフから、光沢センサ出力値（Ｖ）はＧｓ（６０°）測定値（％）にほぼ比例し、被測定試料の光沢度が安定して測定されていることが確認できる。
【００１７】
〔実施例２〕
実施例１における図２の光沢センサでは、偏光フィルタ８の透過方向を縦方向（ｓ波と平行方向）としていた。しかし、図７のように偏光フィルタ１７の透過方向を横方向（ｓ波と垂直方向）に配置した場合についても同様に、光沢センサとして利用できる。
図７に示す１／２波長板４、偏光フィルタ１７を通過する前の反射光ｂについて、図２と同様に被測定試料３に対する水平方向の振動成分ｄをｓ波、ｓ波と直角方向の振動成分ｅをｐ波とする。
【００１８】
図７では、被測定試料３からの反射光ｂについて１／２波長板４と偏光フィルタ１７の両方を通過する成分は、正反射光（ｓ波）と乱反射光（ｓ波）、偏光フィルタ１７のみ通過する成分は正反射光（ｐ波）と乱反射光（ｐ波）になる。（１／２波長板４と偏光フィルタ１７、もしくは偏光フィルタ１７のみを通過する反射光は、図５、６の場合と同様である。）
【００１９】
図７のようにＰＳＤ６に入射する光のうち、上領域は１／２波長板４と偏光フィルタ１７の両方を通過してきた正反射光（ｓ波）と乱反射光（ｓ波）からなる反射光ｔ、下領域は偏光フィルタ１７のみを通過してきた正反射光（ｐ波）と乱反射光（ｐ波）からなる反射光ｕになり、これら反射光ｔ、ｕの照射光量と照射位置およびＰＳＤ６の電極間抵抗等によって決まる電流（Ｉ_ＰＳＤ１、Ｉ_ＰＳＤ２）が、ＰＳＤ６の端子から流れ出すことになる。
よって、ＰＳＤ６の出力電流（Ｉ_ＰＳＤ１、Ｉ_ＰＳＤ２）から、照射光量、照射位置、およびＰＳＤ６の電極間抵抗等によって決定される演算を図３と同様の信号処理回路を用いて行うことで、正反射光量に応じた出力電圧が得られ、この電圧値の大小から光沢度が判別できる。
【００２０】
〔実施例３〕
実施例１、２では、被測定試料３からの反射光ｂのうち約半分を、１／２波長板４を用いて振動方向を９０°回転させているが、正確に９０°回転できなくとも、複屈折効果を示す透明フィルムを用いて、同様の光沢センサを構成することができる。
【００２１】
図８は、図７における１／２波長板４の代わりに透明フィルム１８を用いた場合を示す。図８における透明フィルム１８は複屈折効果を示すフィルムを用いている。また、発光側は、図１と同様のものを用いている。図８に示す透明フィルム１８、偏光フィルタ１７を通過する前の反射光ｂについて、図２と同様に被測定試料３に対する水平方向の振動成分ｄをｓ波、ｓ波と直角方向の振動成分ｅをｐ波とする。
図８では、偏光フィルタ１７の透過方向を横方向としたが、偏光フィルタの透過方向を縦方向にした場合は下記のように考えることができる。
【００２２】
図８の偏光フィルタ１７の透過方向は横方向であり、これは被測定試料３に対する水平方向の振動成分ｄと垂直な方向である。
図８に示すように、被測定試料３の表面からの反射光ｂについて、半分を透明フィルム１８と偏光フィルタ１７、残りの半分を偏光フィルタ１７のみ通過するようにし、偏光フィルタ１７を通過した後の反射光ｃの中心がＰＳＤ６の中心に入射するように配置する。この際、透明フィルム１８の向きは、図９に示すとおり被測定試料からの反射光に含まれるｓ波ｈの振動方向を約α°回転させる向きに設置している。この際、振動方向の回転角度α°ができるだけ大きくなるように透明フィルム１８の光軸１９を設定することが望ましい。
【００２３】
図１０は、図８の被測定試料３からの反射光ｂについて透明フィルム１８と偏光フィルタ１７の両方を通過する成分を表している。透明フィルム１８と偏光フィルタ１７を通過する前の反射光ｂは、乱反射光ｊと正反射光ｋ、ｌで構成されている。透明フィルム１８を通過した乱反射光ｘはｓ波、ｐ波ともにα°振動方向を変えるため、後段の偏光フィルタ１７を通過する際に、透過方向に対して垂直の振動方向をもつ乱反射（ｓ波）×ｃｏｓ^２αと乱反射（ｐ波）×ｓｉｎ^２αは通過が抑制され、平行の振動方向をもつ乱反射（ｓ波）×ｓｉｎ^２αと乱反射（ｐ波）×ｃｏｓ^２αは通過が可能となる。この際、乱反射光に含まれるｓ波とｐ波の存在確率がほぼ等しく、乱反射（ｓ波）≒乱反射（ｐ波）とすることにより、透明フィルム１８と偏光フィルタ１７の両方を通過する乱反射光は、
【００２４】
【数３】

と整理できる。
一方、透明フィルム１８を通過した正反射光ｙ、ｚはα°振動方向を変えるため、偏光フィルタ１７の透過方向に対して平行の振動方向をもつ正反射光（ｓ波）×ｓｉｎ²αと正反射（ｐ波）×ｃｏｓ^２αのみが偏光フィルタ１７を通過できることとなる。よって、被測定試料３からの反射光ｂについて透明フィルム１８と偏光フィルタ１７の両方を通過する成分は、正反射光（ｓ波）×ｓｉｎ²αと正反射（ｐ波）×ｃｏｓ^２αによる振動成分ａ'、および乱反射（ｓ波）ｂ'となる。
【００２５】
図１１は、図８の被測定試料３からの反射光ｂについて偏光フィルタ１７のみを通過する成分を表している。偏光フィルタ１７を通過する前の反射光ｂは、図１０と同様に乱反射光ｊと正反射光ｋ、ｌで構成されている。乱反射光ｊが偏光フィルタ１７を通過する際に、透過方向に対して垂直の振動方向をもつｓ波は通過が抑制されるが、透過方向に対して平行の振動方向をもつｐ波は通過が可能となる。一方、正反射光ｌは偏光フィルタ１７の透過方向に対して平行の振動方向をもつこととなり、通過が可能となるが、正反射光ｋは、偏光フィルタ１７の透過方向に対して垂直の振動方向をもつことから、通過が抑制される。よって、被測定試料３からの反射光ｂについて偏光フィルタ１７のみを通過する成分は、正反射光（ｐ波）ｃ'と乱反射光（ｐ波）ｄ'となる。
【００２６】
このため、図８のようにＰＳＤ６に入射する光のうち、上領域は透明フィルム１８と偏光フィルタ１７の両方を通過してきた正反射光（ｓ波）×ｓｉｎ²αと正反射（ｐ波）×ｃｏｓ^２α、および乱反射光（ｓ波）からなる反射光ｖ、下領域は偏光フィルタ１７のみを通過してきた正反射光（ｐ波）と乱反射光（ｐ波）からなる反射光ｗになり、これらの照射光量と照射位置およびＰＳＤ６の電極間抵抗等によって決まる電流（Ｉ_ＰＳＤ１、Ｉ_ＰＳＤ２）が、ＰＳＤ６の端子から流れ出すことになる。
よって、ＰＳＤ６の出力電流（Ｉ_ＰＳＤ１、Ｉ_ＰＳＤ２）から、照射光量、照射位置、およびＰＳＤ６の電極間抵抗等によって決定される演算を図３と同様の信号処理回路を用いて行うことで、正反射光量に応じた出力電圧が得られ、この電圧値の大小から光沢度が判別できる。
【００２７】
実施例１、２、３は偏光フィルタ８、１７の透過方向と垂直な方向の光の透過率を０％とした場合であり、これらが実際と異なり、その違いが無視できない場合は図３に示した信号処理回路における演算を補正する必要がある。
【００２８】
また、実施例１、２、３において被測定試料３からの反射光ｂの中心と位相差フィルム（１／２波長板４、透明フィルム１８等）、偏光フィルタ８、１７もしくはＰＳＤ６の位置関係が多少違っても、図３における信号処理回路における演算で補正することができる。
【００２９】
実施例１、２、３では、非分割型のＰＳＤを用いたが、分割型（２分割、４分割等）のＰＳＤ（あるいは、ホトダイオード）を用いることも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
上記したように、本発明は、物体表面の光沢度を示す正反射光量を的確に取り出し、該正反射光量に応じた出力電流を電流増幅回路／反転増幅器により信号処理するものであり、かつ、これらの回路はオペアンプの負帰還回路で構成されているので、正確な増幅度が得られ、測定精度の向上を図ることができる。
よって、物体表面の色濃度に関係なく、また、正反射光と乱反射光が混合した状態であっても、簡単かつ安価な回路構成により精度の高い光沢度測定を行い、光沢度判別をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光沢センサの実施例である。
【図２】図１の光沢センサの受光側の細部を示したものである。
【図３】図２の光沢センサでＰＳＤ出力電流を信号処理し、正反射光量に応じた出力電圧を取り出すための信号処理回路の回路図を示したものである。
【図４】図２の光沢センサで使用した１／２波長板によりｓ波の振動方向が９０°回転することを表した図である。
【図５】図２の光沢センサで偏光フィルタのみを通過する反射成分を表した図である。
【図６】図２の光沢センサで１／２波長板と偏光フィルタの両方を通過する反射成分を表した図である。
【図７】図１の光沢センサについて偏光フィルタの透過方向を横方向とした光沢センサの受光側の細部を示したものである。
【図８】図１の光沢センサについて１／２波長板の代わりに、複屈折効果を示す透明フィルムを使用した光沢センサの受光側の細部を示したものである。
【図９】図８の光沢センサで使用した透明フィルムによりｓ波の振動方向がα°回転することを表した図である。
【図１０】図８の光沢センサで透明フィルムと偏光フィルタの両方を通過する反射成分を表した図である。
【図１１】図８の光沢センサで偏光フィルタのみを通過する反射成分を表した図である。
【図１２】図３の信号処理回路による光沢センサ出力電圧とＪＩＳ Ｚ８７４１ 方法３によるＧｓ（６０°）測定値との相関データの一例を示したものである。
【符号の説明】
１ 光源
２ 集光レンズ
３ 被測定試料
４ １／２波長板
５ 偏光フィルタ
６ ＰＳＤ
７ ＰＳＤ上に照射される反射光
８ 偏光フィルタ（透過方向：縦）
９ １／２波長板の光軸
１０ ＰＳＤのカソード端子
１１ ＰＳＤのアノード端子
１２ ＰＳＤのアノード端子
１３ Ｉ_ＰＳＤ１の電流増幅回路
１４ Ｉ_ＰＳＤ２の電流増幅回路
１５ 差動アンプ回路
１６ 信号処理回路の出力端子
１７ 偏光フィルタ（透過方向：横）
１８ 複屈折効果を持つ透明フィルム
１９ 透明フィルムの光軸
ａ 被測定試料３への入射光
ｂ 被測定試料３からの反射光
ｃ 偏光フィルタ８もしくは偏光フィルタ１７を通過した後の反射光
ｄ 被測定試料３に対する水平方向の振動成分
ｅ ｓ波と直角方向の振動成分
ｆ ＰＳＤ６の上領域に照射される正反射光（ｓ波）と乱反射光（ｓ波）
ｇ ＰＳＤ６の下領域に照射される正反射光（ｐ波）と乱反射光（ｐ波）
ｈ １／２波長板４もしくは透明フィルム１８を通過する前のｓ波
ｉ １／２波長板４もしくは透明フィルム１８を通過した後のｓ波
ｊ 被測定試料３からの反射光ｂに含まれる乱反射光
ｋ 被測定試料３からの反射光ｂに含まれる正反射光（ｓ波）
ｌ 被測定試料３からの反射光ｂに含まれる正反射光（ｐ波）
ｍ 偏光フィルタ８のみを通過した後の正反射光（ｓ波）
ｎ 偏光フィルタ８のみを通過した後の乱反射光（ｓ波）
ｏ １／２波長板４を通過した後の乱反射光
ｐ １／２波長板４を通過した後の正反射光（ｓ波）
ｑ １／２波長板４を通過した後の正反射光（ｐ波）
ｒ １／２波長板４と偏光フィルタ８を共に通過した正反射光（ｐ波）
ｓ １／２波長板４と偏光フィルタ８を共に通過した乱反射光（ｐ波）
ｔ ＰＳＤ６の上領域に照射される正反射光（ｓ波）と乱反射光（ｓ波）
ｕ ＰＳＤ６の下領域に照射される正反射光（ｐ波）と乱反射光（ｐ波）
ｖ ＰＳＤ６の上領域に照射される正反射光（ｓ波）×ｓｉｎ^２αと正反射光（ｐ波）×ｃｏｓ^２α、および乱反射光（ｓ波）
ｗ ＰＳＤ６の下領域に照射される正反射光（ｐ波）と乱反射光（ｐ波）
ｘ 透明フィルム１８を通過した後の乱反射光
ｙ 透明フィルム１８を通過した後の正反射光（ｓ波）
ｚ 透明フィルム１８を通過した後の正反射光（ｐ波）
ａ’ 透明フィルム１８と偏光フィルタ１７を通過したあとの正反射光（ｓ波）×ｓｉｎ^２αと正反射光（ｐ波）×ｃｏｓ^２α
ｂ’ 透明フィルム１８と偏光フィルタ１７を通過したあとの乱反射光（ｓ波）
ｃ’ 偏光フィルタ１７を通過した後の正反射光（ｐ波）
ｄ’ 偏光フィルタ１７を通過した後の乱反射光（ｐ波）

Claims (3)

1. 赤外〜可視領域に含まれる光線を物体に照射して反射させ、位相差フィルムと偏光フィルタとを通過する反射光と、偏光フィルタを通過する反射光とに分けて位置検出センサにて検知し、上記２つの反射光の光量に応じた出力電流を各々２つの電流増幅回路に分流した後、反転増幅器に入力し、信号処理することを特徴とする物体表面の光沢度判別方法。
2. 上記電流増幅回路と反転増幅器がオペアンプの負帰還回路であることを特徴とする請求項１記載の物体表面の光沢度判別方法。
3. 上記の位相差フィルムが１／２波長板または複屈折効果を示す透明フィルムであることを特徴とする請求項１記載の物体表面の光沢度判別方法。

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