JP5131276B2 - 色分布測定用光学系、色分布測定装置、及び色分布測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディスプレイ、プロジェクタ、バックライトなどの色分布評価に適用される色分布測定用光学系、色分布測定装置、及び色分布測定方法に関する。

ディスプレイ、プロジェクタ、バックライトなど一定の面積を持った測定対象物の色評価には、測定対象物の各点の色データを順次に取得する方式より、測定対象物の各点の色データを一括に取得する方式の方が適している（特許文献１等を参照）。また、人間に対する視覚的効果を評価するのであれば、各波長の輝度を測定する分光方式だけでなく、三刺激値を直接的に測定する三刺激値直読方式を適用することもできる（特許文献２等を参照）。

よって、その色評価には、結像光学系及び等色関数フィルタを介して測定対象物を撮像する三刺激値直読方式の色分布測定装置が好適である。このうち結像光学系は、測定対象物の像を撮像素子上に形成するものであり、等色関数フィルタは、その分光透過特性のカーブ形状が、規格化された表色系（ＣＩＥ表色系）の等色関数のカーブ形状と同じになるように作製されたフィルタ（ｘ−フィルタ，ｙ−フィルタ，ｚ−フィルタ）である。

通常、この等色関数フィルタには、複数枚の色ガラスを互いに貼り合わせたものが使用される。但し、色ガラスの厚さ制御は難しいので、作製誤差が大きく、そのため作製コストが高くなる傾向にある。また、ｘ−フィルタ、ｙ−フィルタ、ｚ−フィルタの厚さを同じにすることが難しいので、三刺激値の成分によって測定精度が異なるといった問題が生じ易い。

そこで近年では、色ガラスの代わりに光学多層膜フィルタを使用することが検討され始めた。光学多層膜フィルタは、性質の異なる複数の誘電体多層膜を積層したものであり、その膜構成さえ適切に設計しておけば、その作製誤差は小さく、そのため作製コストを抑えることができる。また、ｘ−フィルタ、ｙ−フィルタ、ｚ−フィルタの厚さを略同じにすることができるので、三刺激値の成分によって測定精度が異なるといった問題は発生しない。
特開２００６−１７７８１２号公報 特開２００２−３１０８００号公報

しかしながら光学多層膜フィルタの分光透過特性は色ガラスの分光透過特性よりも角度依存性が強いので、測定光の光束のフィルタへの入射角（広がり角）が異なると求められる分光透過特性も異なる。それゆえ、測定対象物に応じて結像光学系をＦナンバーの異なるものに交換したり、結像光学系の開口絞りを調節したりすると分光透過特性が変化し、測定が不可能になるか、あるいは測定精度が低下する。よって、光学多層膜フィルタは、様々な結像光学系を使用して色分布測定する場合には適さない。

そこで本発明は、光学多層膜フィルタを使用しながらも様々な結像光学系を使用可能な色分布測定用光学系及び色分布測定装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、光学多層膜フィルタを使用しながらも様々な結像光学系を使用して測定を高精度に行うことのできる色分布測定方法を提供することを目的とする。

本発明の第1の態様に従えば、結像光学系を介して測定対象物の色分布を測定する光学系であって、光学多層膜フィルタである等色関数フィルタと、前記等色関数フィルタの前記結像光学系の光軸に対する配置角度を前記結像光学系の像側開口数に応じて変更する変更装置とを備える色分布測定用光学系が提供される。この色分布測定用光学系は、結像光学系の光軸に対する配置角度を変更する変更装置とを備えている等色関数フィルタとみなすこともできる。

また、前記何れかの色分布測定用光学系の変更装置は、ユーザからの指示に応じて前記等色関数フィルタの配置角度を変更してもよい。

また、前記結像光学系は、像側テレセントリックな光学系にし得る。本発明の色分布測定用光学系は前記結像光学系を備えている必要はないが、備えていてもよい。

また、前記等色関数フィルタは、前記結像光学系の光軸と前記等色関数フィルタの法線との成す角度が０°であり、かつ前記結像光学系の像側開口数が最大であるときにＣＩＥ等色関数カーブの分光透過特性を持つよう設計され得る。

本発明の第２の態様に従えば、本発明の色分布測定光学系と、前記色分布測定用光学系が生成した像の輝度分布に基づき前記測定対象物の色分布データを生成する信号生成装置とを備えた色分布測定装置が提供される。

本発明の第３の態様に従えば、対象物の色分布を測定する色分布測定装置であって、結像光学系と、光学多層膜を有する等色関数フィルタと、前記結像光学系の像側開口数を調節する開口絞りと、前記像側開口数を検出する検出器と、光学多層膜の前記結像光学系の光軸に対するチルト角度を前記検出器により検出された前記像側開口数に基づいて調節するチルト角調節装置と、前記結像光学系と等色関数フィルタを介して形成された像を検出する像検出器とを備える色分布測定装置が提供される。前記チルト角調節装置は、前記検出された像側開口数が大きいほどチルト角を大きくし得る。

本発明の第４の態様に従えば、測定対象物の像の輝度分布に基づき前記測定対象物の色分布を測定する色分布測定方法であって、光学多層膜を有する等色関数フィルタを結像光学系の像側に配置し、前記等色関数フィルタの結像光学系の光軸に対する配置角度を、前記結像光学系の像側開口数に応じて調節し、前記結像光学系及び前記配置角度が調節された等色関数フィルタを介して前記測定対象物の像を検出することを含む色分布測定方法が提供される。本発明の色分布測定方法は、さらに、前記結像光学系の像側開口数を検出することを含み得、前記結像光学系の像側開口数の異なる値に対する前記等色関数フィルタの結像光学系の光軸に対する配置角度を予め求め得る。本発明の色分布測定方法は、さらに、測定対象物に応じて前記結像光学系の像側開口数を調節することを含み得る。

本発明によれば、光学多層膜フィルタを使用しながらも様々な結像光学系を使用可能な色分布測定用光学系、及び色分布測定装置が実現する。また、本発明の色分布測定装置は、結像光学系の開口数の相違を検知して、それに応じて自動的に光学多層膜フィルタを調節することができるので、結像光学系またはその開口数が変化しても迅速で正確な色分布測定が実現できる。

また、本発明によれば、光学多層膜フィルタを使用ながらも様々な結像光学系を使用して測定を高精度に行うことのできる色分布測定方法が実現する。

色分布測定装置の全体構成図である。 ターレット３２及びその周辺を説明する図である。 図３（Ａ）及び（Ｂ）は、チルト角度が切り替わる様子を示す図である。 膜設計時に想定された入射光束を説明する図である。 ｘ−フィルタ３２ｘの光学多層膜の膜構成である。 ｙ−フィルタ３２ｙの光学多層膜の膜構成である。 ｚ−フィルタ３２ｚの光学多層膜の膜構成である。 図８（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、チルト角度が０°であるときに等色関数フィルタの各点へ入射する集光光束の状態を示す図である。 図９（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、チルト角度が０°であるときの等色関数フィルタの分光透過特性のカーブ形状を示す図である。 ＣＰＵ４０の動作フローチャートである。 図１０に続くＣＰＵ４０の動作フローチャートである。 図１２（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、第１実施形態の集光光束の状態を示す図である。 図１３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、第１実施形態の等色関数フィルタの分光透過特性のカーブ形状を示す図である。 図１４（Ａ）及び（Ｂ）は、第２実施形態の色分布測定装置の撮像素子の近傍の構成を示す図である。 第１実施形態の色分布測定装置のフィルタ３２の構造を示す断面図である。

符号の説明

２…レンズユニット，２１…測定レンズ，２２…開口絞り，２３…絞り環，３…装置本体，３２…ターレット，３２１…ステッピングモータ，３２２…ステッピングモータ，３３…撮像素子，３４…アンプ，３５…Ａ／Ｄ変換回路，３６…画像メモリ，３７…データ処理回路，３８…モニタ，３９…スイッチ，４０…ＣＰＵ，４１…ＲＯＭ，６０…光学多層膜，７０…反射膜,Ｏｘ…測定レンズの光軸

［第１実施形態］
以下、色分布測定装置の第１実施形態を説明する。

先ず、色分布測定装置の構成を説明する。図１は、色分布測定装置の全体構成図である。図１に示すとおり色分布測定装置は、装置本体３とレンズユニット（結像光学系）２とを備える。レンズユニット２は装置本体３に対して交換可能に装着され、装着時には電気接点４を介して装置本体３と電気的に接続される。レンズユニット２には測定対象物からの測定光が入射する。

レンズユニット２には、測定レンズ２１、開口絞り２２、絞り環２３などが備えられる。絞り環２３をユーザが回動操作すると、開口絞り２２の開口径が変化する。絞り環２３には、開口径または回動位置を検知するセンサ２３ａが設けられている。ここでは、測定レンズ２１の開放Ｆ値（Ｆナンバー）をＦ１．４とし、開口絞り３２の径の切り替えによって測定レンズ２１のＦ値がＦ１．４，Ｆ２．０，Ｆ３．５の３通りに切り替わる。

装置本体３には、等色関数フィルタ（後述）を装着した回転式ホルダ（ターレット）３２、ステッピングモータ３２１、ステッピングモータ３２２、ＣＣＤなどの撮像素子３３、アンプ３４、Ａ／Ｄ変換回路３５、画像メモリ３６、データ処理回路３７、モニタ３８、スイッチ３９、ＣＰＵ４０、ＲＯＭ４１などが備えられる。

なお、モニタ３８やスイッチ３９などは装置本体３に搭載されていなくても構わない。但し、その場合は外部コンピュータへの接続端子（ＵＳＢ接続端子など）が装置本体３に設けられる。また、ＣＰＵ及びＲＯＭは外部コンピュータのものを利用してもよい。

測定対象物から射出し、レンズユニット２を通過した結像光束は、ターレット３２に装着された等色関数フィルタを介して撮像素子３３上に測定対象物の像を形成する。その像は、撮像素子３３において光電変換され、画像信号となる。その画像信号は、アンプ３４において増幅された後、Ａ／Ｄ変換回路３５においてディジタルデータに変換され、画像メモリ３６へ取り込まれ、さらにデータ処理回路３７において処理される。処理後のデータは、モニタ３８へ表示される。

ＲＯＭ４１には、ＣＰＵ４０の動作プログラムが格納されている。ＣＰＵ４０は、その動作プログラムに従って各部を制御する。また、ＲＯＭ４１には、動作プログラムと共に、測定レンズ２１に設定される複数のＦ値（Ｆ１．４，Ｆ２．０，Ｆ３．５）の各々に適したチルト角度（０°，１０°，１３．５°）の情報が予め格納されている（このチルト角度の詳細は講述する。）。この情報は、ＣＰＵ４０の後述する動作において使用される。

スイッチ３９は、ユーザによって操作可能なスイッチであり、その操作に応じた信号をＣＰＵ４０へ与える。ＣＰＵ４０は、その信号によってユーザからの指示（測定指示など）を認識する。また、ＣＰＵ４０は、電気接点４を介してレンズユニット２に収められた測定レンズ２１のＦ値を検出することもできる。なお、Ｆ値の検出は、絞り環２３の回動位置（開口径）センサ２３ａから得られた回動位置情報に基づいて直接的に行われてもよく、レンズユニット２に備えられた不図示のレンズＣＰＵ経由で間接的に行われてもよい。

ここで、測定レンズ２１は、像側テレセントリックな結像光学系である。つまり、測定レンズ２１のうち、開口絞り２２より像側の光学系の前側焦点位置は、絞り面に一致している。したがって、前述した結像光束のうち、撮像素子３３の各点へ向かう集光光束の主光線は、測定レンズ２１から射出するときに平行となる。なお、図１中に描かれた４本の光線は、測定対象物の４つの代表点から射出し撮像素子３３の互いに異なる４点へ向かう各集光光束の主光線である。

図２は、ターレット３２及びその周辺を説明する図である。図２に示すとおり、ターレット３２には、等色関数フィルタとして、ｘ−フィルタ３２ｘ、ｙ−フィルタ３２ｙ、ｚ−フィルタ３２ｚが装着されている。このターレット３２の回転軸Ｓ１にはステッピングモータ３２１が連結されており、このステッピングモータ３２１が駆動されると、ターレット３２が回転し、それによって測定レンズ２１の光路に挿入される等色関数フィルタがｘ−フィルタ３２ｘ、ｙ−フィルタ３２ｙ、ｚ−フィルタ３２ｚの間で切り替わる。以下、このステッピングモータ３２１を「切替用モータ３２１」と称す。

その切替用モータ３２１の全体は、フィルタ面と平行な回転軸Ｓ２によって軸支されており、この回転軸Ｓ２にはステッピングモータ３２２（チルト角変更装置）が連結されている。このステッピングモータ３２２が駆動されると、回転軸Ｓ２を中心としてターレット３２が回転する。等色関数フィルタ（図２ではｘ−フィルタ３２ｘ）は測定レンズ２１を出射した光ＭＬの光路（または測定レンズ２１の光軸Ｏｘ）上に配置されているので、ターレット３２が回転すると、等色関数フィルタ３２ｘの測定レンズ２１の光軸Ｏｘに対する角度も変化する。

例えば、図３（Ａ）では、等色関数フィルタ３２ｘのフィルタ面が測定レンズ２１の光軸Ｏｘに対して垂直に配置されている。図３（Ｂ）に示すように回転軸Ｓ２が角度θだけ回転すると、等色関数フィルタのフィルタ面の法線Ｎと測定レンズ２１の光軸Ｏｘとが成す角度（以下、適宜「チルト角度」と称する）もまた、θだけ変化する。なお、ステッピングモータ３２２を「チルト用モータ３２２」と称す。

次に、ｘ−フィルタ３２ｘ、ｙ−フィルタ３２ｙ、ｚ−フィルタ３２ｚを詳しく説明する。

ｘ−フィルタ３２ｘ、ｙ−フィルタ３２ｙ、ｚ−フィルタ３２ｚの各々は、図１５に示すように、ガラス基板Ｐの一面上に光学多層膜６０を成膜してなる光学多層膜フィルタであり、ガラス基板Ｐの他面には例えば反射防止膜７０が形成される。ｘ−フィルタ３２ｘの光学多層膜の膜設計、ｙ−フィルタ３２ｙの光学多層膜の膜設計、ｚ−フィルタ３２ｚの光学多層膜の膜設計は、それぞれ以下の条件下で行われる。なお、以下で言う「等色関数フィルタの分光透過特性」又は「光学多層膜の分光透過特性」は、何れも等色関数フィルタ及び撮像素子３３からなる光学系の全体の分光感度特性のことを指す。

（１）ｘ−フィルタ３２ｘの光学多層膜に対する条件
・光学多層膜６０（ｘ）を構成する薄膜物質を、五酸化二オブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の２種類とする。
・光学多層膜６０（ｘ）の膜厚を約４μｍとする。
・光学多層膜への入射する光は前述のようにテレセントリックであるが、主光線を含む入射光束（同族光束）ＩＯは、図４のように主光線ＭＯを中心とする集光光束であり、中心光線（主光線ＭＯ）の入射角度が０°であり半角が２０．９°の集光光束と想定する。
・入射光束ＩＯ中に等間隔で含まれる７３本の光線（図４参照）の各々に対する分光透過特性の平均値を、光学多層膜の分光透過特性とする。
・光学多層膜６０の分光透過特性の目標カーブ形状を、ＣＩＥ−ＸＹＺ表色系の等色関数のＸ成分（Ｘ（λ））と同じカーブ形状とする。

（２）ｙ−フィルタ３２ｙの光学多層膜に対する条件
・光学多層膜６０（ｙ）を構成する薄膜物質を、五酸化二オブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の２種類とする。
・光学多層膜６０（ｙ）の膜厚を約４μｍとする。
・光学多層膜６０（ｙ）への入射光束ＩＯを、中心光線（主光線ＭＯ）の入射角度が０°であり半角が２０．９°の集光光束と想定する（図４参照）。
・入射光束ＩＯ中に等間隔で含まれる７３本の光線（図４参照）の各々に対する分光透過特性の平均値を、光学多層膜６０（ｙ）の分光透過特性とする。
・光学多層膜の分光透過特性の目標カーブ形状を、ＣＩＥ−ＸＹＺ表色系の等色関数のＹ成分（Ｙ（λ））と同じカーブ形状とする。

（３）ｚ−フィルタ３２ｚの光学多層膜に対する条件
・光学多層膜６０（ｚ）を構成する薄膜物質を、五酸化二オブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の２種類とする。
・光学多層膜６０（ｚ）の膜厚を約４μｍとする。
・光学多層膜６０（ｚ）への入射光束ＩＯを、中心光線（主光線ＭＯ）の入射角度が０°であり半角が２０．９°の集光光束と想定する（図４参照）。
・入射光束中に等間隔で含まれる７３本の光線（図４参照）の各々に対する分光透過特性の平均値を、光学多層膜６０（ｚ）の分光透過特性とする。
・光学多層膜の分光透過特性の目標カーブ形状を、ＣＩＥ−ＸＹＺ表色系の等色関数のＺ成分（Ｚ（λ））と同じカーブ形状とする。

なお、以上の条件における入射光束ＩＯ（図４参照）は、等色関数フィルタのチルト角度が０°であり、かつ測定レンズ２１のＦ値が開放Ｆ値（ここではＦ１．４）であるときに等色関数フィルタの各点に入射する集光光束をモデル化したものである。

したがって、上述した光学多層膜の膜設計は、チルト角度が０°であり、かつＦ値が最小値であるときに等色関数フィルタの分光透過特性が理想的特性となるように行われる。

膜設計の結果、例えば、図５、図６、図７に示すような膜構成が得られる。図５は、ｘ−フィルタ３２ｘの光学多層膜の膜構成であり、図６は、ｙ−フィルタ３２ｙの光学多層膜の膜構成であり、図７は、ｚ−フィルタ３２ｚの光学多層膜の膜構成である。図５、図６、図７における”Ｎｏ．”はガラス基板から数えた層の順番であり、”ｍａｔｅｒｉａｌ”は各層の材料であり、”ｄ”は各層の物理的厚さである。

次に、等色関数フィルタ（ｘ−フィルタ３２ｘ、ｙ−フィルタ３２ｙ、ｚ−フィルタ３２ｚ）の分光透過特性を詳しく説明する。

図８は、チルト角度が０°であるときに等色関数フィルタの各点へ入射する集光光束の状態を示す図である。図８における”Ｎ”はフィルタ面の法線であり、その法線Ｎと各光線との成す角度が各光線の入射角度である。

図９は、チルト角度が０°であるときにおける等色関数フィルタの分光透過特性のカーブ形状を示す図である。図９における実線が等色関数フィルタの分光透過特性のカーブ形状であり、黒点がＣＩＥ−ＸＹＺ等色関数のカーブ形状である。等色関数フィルタの分光透過特性は、集光光束中に含まれる各光線に対する分光透過特性の平均値である。

先ず、図８（Ａ）は、Ｆ値がＦ１．４であるときの状態を示す。この状態の集光光束ＩＯは、膜設計時に想定した入射光束ＩＯ（図４参照）と同じなので、等色関数フィルタの分光透過特性のカーブ形状は、図９（Ａ）に示すとおり、ＣＩＥ−ＸＹＺ等色関数のカーブ形状と略一致する。

一方、図８（Ｂ）は、Ｆ値がＦ２．０であるときの状態を示す。この状態の集光光束ＩＯ’は、膜設計時に想定した入射光束（図８（Ａ））とは異なるので、等色関数フィルタの分光透過特性のカーブ形状は、図９（Ｂ）に示すとおり、ＣＩＥ−ＸＹＺ等色関数のカーブ形状からずれる。具体的に、図８（Ｂ）に示す集光光束の拡がり角度は、膜設計時に想定した入射光束（図８（Ａ））の拡がり角度よりも小さいので、等色関数フィルタの分光透過特性のカーブ形状は、ＣＩＥ−ＸＹＺ等色関数のカーブ形状と比較すると長波長側にずれる。

その理由は次のとおりである。一般に、入射角度の大きい光線は、等色関数フィルタの分光透過特性のカーブ形状を短波長側へシフトさせる傾向にある。このため、入射角度の大きい光線を多く含む入射光束を想定した場合、入射角度の大きい光線による波長シフト分が相殺されるよう、膜設計の最適化は、入射角度の小さい光線に対する分光透過特性のカーブを長波長側にずらす方向に働く。よって、この膜設計で得られた等色関数フィルタの使用時に、入射角度の大きい光線の量が想定よりも少なくなると、分光透過特性のカーブ形状は、長波長側へシフトする。

また、図８（Ｃ）は、Ｆ値がＦ３．５であるときの状態を示す。この状態の集光光束ＩＯ”の拡がり角度は、膜設計時に想定した入射光束（図８（Ａ））の拡がり角度よりも大幅に小さい（つまり入射角度の大きい光線の量が減少している）ので、等色関数フィルタの分光透過特性のカーブ形状は、図９（Ｃ）に示すとおり、ＣＩＥ−ＸＹＺ等色関数のカーブ形状と比較すると長波長側へ大幅にずれる。

以上の結果、チルト角度が０°である場合にＦ値が開放Ｆ値以外の値に変化すると、等色関数フィルタの分光透過特性が理想的特性からずれることがわかる。そこで、本実施形態のＣＰＵ４０は、測定レンズ２１のＦ値を監視し、そのＦ値に応じてチルト角度を切り替える。

次に、ＣＰＵ４０の動作を詳しく説明する。図１０及び１１は、ＣＰＵ４０の動作フローチャートである。なお、この動作フローチャートの開始時点では、図１に示した測定レンズ２１の光路に図２に示したｙ−フィルタ３２ｙが挿入され、モニタ３８には測定対象物のモノクロ動画像がリアルタイムで表示されているものとする。この表示に当たり、ＣＰＵ４０は、撮像素子３２を連続的に駆動して画像信号を連続的に取得する。取得された画像信号は、アンプ３４、Ａ／Ｄ変換回路３５を介してモニタ３８へ取得順に送出される。ユーザは、このときモニタ３８に表示された測定対象物の像を観察しながら、測定対象物と色分布測定装置との位置関係や、絞り環２３の回動位置を調節すると、スイッチ３９を操作して測定指示を装置本体３へ入力する。以下、図１０及び１１の各ステップを順に説明する。

ステップＳ１：ＣＰＵ４０は、電気接点４を介して測定レンズ２１の現在のＦ値を検出する。

ステップＳ２：ＣＰＵ４０は、検出したＦ値が開放Ｆ値（Ｆ１．４）であるか否かを判別する。Ｆ１．４であればステップＳ３へ移行し、そうでなければステップＳ４へ移行する。

ステップＳ３：ＣＰＵ４０は、チルト用モータ３２２へ駆動信号を与え、等色関数フィルタのチルト角度を０°に設定する。つまり、Ｆ値が開放Ｆ値であるときには、チルト角度は０°に設定される。

ステップＳ４：ＣＰＵ４０は、検出したＦ値がＦ２．０であるか否かを判別する。Ｆ２．０であればステップＳ５へ移行し、そうでなければステップＳ６へ移行する。

ステップＳ５：ＣＰＵ４０はチルト用モータ３２２へ駆動信号を与え、等色関数フィルタのチルト角度を１０°に設定する。つまり、Ｆ値がＦ２．０であるときには、チルト角度は１０°に設定される。

ステップＳ６：ＣＰＵ４０は、チルト用モータ３２２へ駆動信号を与え、等色関数フィルタのチルト角度を１３．５°に設定する。つまり、Ｆ値がＦ３．５であるときには、チルト角度は１３．５°に設定される。

ステップＳ７：ＣＰＵ４０は、スイッチ３９からの信号を参照し、ユーザから測定指示が入力されたか否かを判別する。測定指示が入力された場合はステップＳ８へ移行し、そうでなければステップＳ１へ移行する。

ステップＳ８：ＣＰＵ４０は、等色関数フィルタをｘ−フィルタ３２ｘに設定する駆動信号を切替用モータ３２１へ与え、切替用モータ３２１はｘ−フィルタ３２ｘを測定レンズ２１の光路に挿入する。その後、ステップＳ９へ移行する。

ステップＳ９：ＣＰＵ４０は、撮像素子３２、アンプ３４を駆動してｘ−フィルタ３２ｘを通じて撮像素子３２に結像した像の画像信号を取得し、ステップＳ１０へ移行する。この画像信号は、Ａ／Ｄ変換回路３５においてディジタルデータ（ｘデータ）に変換され、画像メモリ３６へ取り込まれる。

ステップＳ１０：ＣＰＵ４０は、等色関数フィルタをｙ−フィルタ３２ｙに設定する駆動信号を切替用モータ３２１へ与え、切替用モータ３２１へはｙ−フィルタ３２ｙを測定レンズ２１の光路に挿入する。次いで、ステップＳ１１へ移行する。

ステップＳ１１：ＣＰＵ４０は、撮像素子３２、アンプ３４を駆動してｙ−フィルタ３２ｙを通じて撮像素子３２に結像した像の画像信号を取得し、ステップＳ１２へ移行する。取得された画像信号は、Ａ／Ｄ変換回路３５においてディジタルデータ（ｙデータ）に変換され、画像メモリ３６へ取り込まれる。

ステップＳ１２：ＣＰＵ４０は、等色関数フィルタをｚ−フィルタ３２ｚに設定する駆動信号を切替用モータ３２１へ与え、切替用モータ３２１は測定レンズ２１の光路にｚ−フィルタ３２ｚを挿入する。その後、ステップＳ１３へ移行する。

ステップＳ１３：ＣＰＵ４０は、撮像素子３２、アンプ３４を駆動してｚ−フィルタ３２ｚを通じて撮像素子３２上に結像し像の画像信号を取得し、ステップＳ１４へ移行する。取得された画像信号は、Ａ／Ｄ変換回路３５においてディジタルデータ（ｚデータ）に変換され、画像メモリ３６へ取り込まれる。

ステップＳ１４：ＣＰＵ４０はデータ処理回路３７を駆動し、ステップＳ１へ移行する。データ処理回路３７は、画像メモリに蓄積されたｘデータ、ｙデータ、ｚデータに基づき、測定対象物の像の各点の三刺激値を算出する。これによって、測定対象物の色分布データが取得される。データ処理回路３７が算出した色分布データはモニタ３０へ表示される。なお、ここで算出される三刺激値は、規格化された表色系の三刺激値であり、ＣＩＥ−ＸＹＺ表色系の三刺激値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）などである。

以上、本実施形態のＣＰＵ４０は、Ｆ値がＦ１．４であるときにはチルト角度を０°に設定し、Ｆ値がＦ２．０であるときにはチルト角度を１０°に設定し、Ｆ値がＦ３．５であるときにはチルト角度を１３．５°に設定した。このようなＦ値に応じてチルト角度を変更したことによる効果を図１２及び１３を参照しながら説明する。

図１２は、本実施形態の集光光束の状態を示す図である。図１２における”Ｎ”はフィルタ面の法線である。図１３は、本実施形態の等色関数フィルタの分光透過特性のカーブ形状を示す図である。なお、図１３の表記方法は、図９のそれと同じである。

先ず、図１２（Ａ）は、Ｆ値がＦ１．４であるときの状態を示す。このとき、等色関数フィルタのチルト角度は０°に設定されている。この状態の集光光束ＩＯは、膜設計時に想定した入射光束ＩＯと一致するので、等色関数フィルタの分光透過特性のカーブ形状は、図１３（Ａ）に実線で示すとおり、ＣＩＥ−ＸＹＺ等色関数のカーブ形状と一致する。

一方、図１２（Ｂ）は、Ｆ値がＦ２．０であるときの状態を示す。このとき、チルト角度は１０°に設定される。この状態の集光光束ＩＯ’の拡がり角度は、膜設計時に想定した入射光束（図１２（Ａ））の拡がり角度よりも小さいが、チルト角度が１０°に設定されたため、入射角度の大きい光線の量は、図８（Ｂ）に示したものよりも多くなっている。したがって、等色関数フィルタの分光透過特性のカーブ形状は、図１３（Ｂ）に示すとおりＣＩＥ−ＸＹＺ等色関数のカーブ形状と略一致する。

なお、ここでは入射角度の大きい光線の量にのみ着目したが、実際は、図１２（Ｂ）を図８（Ｂ）と比較すると明らかなとおり、入射角度の大きい光線の量が増加した分だけ、入射角度の小さい光線の量が減少している。よって、入射角度の大きい光線の量に着目すれば、等色関数フィルタの分光透過特性の変動を説明することが可能である。

また、図１２（Ｃ）は、Ｆ値がＦ３．５であるときの状態を示す。このとき、チルト角度は１３．５°に設定される。この状態の集光光束ＩＯ”の拡がり角度は、膜設計時に想定した入射光束（図１２（Ａ））の拡がり角度よりも大幅に小さいが、チルト角度が１３．５°に設定されたため、入射角度の大きい光線の量は、図８（Ｃ）に示したものよりも大幅に多くなっている。したがって、等色関数フィルタの分光透過特性のカーブ形状は、図１３（Ｃ）に示すとおりＣＩＥ−ＸＹＺ等色関数のカーブ形状と一致する。

以上、本実施形態の色分布測定装置では、測定レンズ２１の開口絞りの径は可変であり、しかも、等色関数フィルタに光学多層膜が使用されている。しかし、本実施形態のＣＰＵ４０は、等色関数フィルタに入射する集光光束の拡がり角度が小さいときほど等色関数フィルタのチルト角度を大きく設定することにより、等色関数フィルタの分光透過特性を理想的特性に保つ。したがって、本実施形態の色分布測定装置によれば、様々な測定対象物に応じてそれらの測定対象物の色分布の測定に最適な光学系のF値を選択しても、各測定対象物の色分布を高精度に測定することができる。

また、本実施形態の色分布測定装置では、測定光学系２１が像側テレセントリックなので、等色関数フィルタの各位置に対し集光光束（の主光線）が同じ入射角度で入射する。したがって、チルト角度を変化させたことによる効果は、等色関数フィルタ上の各点で均一に現れる。よって、本実施形態の色分布測定装置は、測定対象物の各点の色を常に均一な精度で測定することができる。

また、本実施形態の等色関数フィルタの光学多層膜は、等色関数フィルタのチルト角度が０°であって測定レンズ２１のＦ値が最小（像側開口数が最大）であるときに分光透過特性が理想的特性となるように設計される。したがって、測定レンズ２１のＦ値が変化しても、集光光束の拡がり角度は、膜設計時に想定した角度よりも小さい方にしか変化しない。このため、本実施形態の色分布測定装置は測定レンズ２１の全てのＦ値に対処できる。

［第２実施形態］
以下、色分布測定装置の第２実施形態を説明する。本実施形態は、第１実施形態の変形例である。ここでは第１実施形態の相違点のみ説明する。

図１４は、本実施形態の色分布測定装置の撮像素子の近傍の構成を示す図である。図１４（Ａ）に示すとおり、本実施形態の色分布測定装置の光学系は、単板式ではなく三板式に構成されている。

すなわち、本実施形態の色分布測定装置には、ビームスプリッタ５０と、３つの撮像素子３３ｘ、３３ｙ、３３ｚと、３つのチルト用モータ３２２ｘ、３２２ｙ、３２２ｚとが備えられ、ターレット３２及び切替用モータ３２１は省かれる。

測定レンズ２１を射出した結像光束は、ビームスプリッタ５０において３つの結像光束に分岐する。

分岐された或る結像光束は、ｘ−フィルタ３２ｘを介して撮像素子３３ｘへ入射し、その撮像素子３３ｘ上に測定対象物の像を形成する。

また、分岐された別の結像光束は、ｙ−フィルタ３２ｙを介して撮像素子３３ｙへ入射し、その撮像素子３３ｙ上に測定対象物の像を形成する。

また、分岐された別の結像光束は、ｚ−フィルタ３２ｚを介して撮像素子３３ｚへ入射し、その撮像素子３３ｚ上に測定対象物の像を形成する。

また、ｘ−フィルタ３２ｘは、フィルタ面と平行な回転軸によって軸支されており、その回転軸にチルト用モータ３２２ｘが連結されている。このチルト用モータ３２２ｘが駆動されると、ｘ−フィルタ３２ｘのチルト角度が切り替わる（図１４（Ａ）→図１４（Ｂ））。

また、ｙ−フィルタ３２ｙは、フィルタ面と平行な回転軸によって軸支されており、その回転軸にチルト用モータ３２２ｙが連結されている。このチルト用モータ３２２ｙが駆動されると、ｙ−フィルタ３２ｙのチルト角度が切り替わる（図１４（Ａ）→図１４（Ｂ））。

また、ｚ−フィルタ３２ｚは、フィルタ面と平行な回転軸によって軸支されており、この回転軸にチルト用モータ３２２ｚが連結されている。このチルト用モータ３２２ｚが駆動されると、ｚ−フィルタ３２ｚのチルト角度が切り替わる（図１４（Ａ）→図１４（Ｂ））。

したがって、本実施形態のＣＰＵ４０は、撮像素子３３ｘ、３３ｙ、３３ｚを同時に駆動することにより、ｘデータ、ｙデータ、ｚデータを同時に取得することができる。但し、本実施形態のＣＰＵ４０は、Ｆ値に応じたチルト角度の切り替えを、ｘ−フィルタ３２ｘ、ｙ−フィルタ３２ｙ、ｚ−フィルタ３２ｚの各々について行う必要がある。なお、チルト角度を切り替えるには、ＣＰＵ４０がチルト用モータ３２２ｘ、３２２ｙ、３２２ｚの各々へ駆動信号を与えればよい。

第２実施形態においても、ＣＰＵ４０がＦ値とチルト角度との関係を第１実施形態と同様に設定すれば、第１実施形態と同じ効果を得ることができる。

なお、上述した実施形態では、測定レンズのＦ値の切替数を３段階としたが、３以外の複数段階としてもよい。その場合、ＲＯＭ４１には、測定レンズ２１に設定され得るＦ値の各々に適したチルト角度の情報が予め格納されることになる。

また、上述した実施形態では、測定レンズのＦ値がステップ状に切り替わることとしたが、連続的に切り替わることとしてもよい。その場合、Ｆ値とチルト角度との対応関係の情報が、計算式として記憶されてもよい。

また、上述した実施形態の装置本体３は、測定レンズ２１のＦ値の切り替えに対処したが、レンズユニット２が別のものに交換された場合にも対処できることが望ましい。その場合、等色関数フィルタの光学多層膜の設計は、等色関数フィルタに入射しうる集光光束のうち最も拡がり角度の大きいもの（開放Ｆ値が最小であるときの集光光束）を想定して行われる。

また、その場合、装置本体３に装着され得るレンズユニットの測定レンズは、何れも像側テレセントリックであることが望ましい。

なお、装置本体３に装着されうる複数の測定レンズの全てがＦ値不変のレンズである場合、装置本体３は、装着中の測定レンズのＦ値を直接的に検出する代わりに、装着中の測定レンズの種類を検出し、それによって測定レンズのＦ値を間接的に検出してもよい。但し、その場合、装置本体３は各種の測定レンズのＦ値の情報を予め記憶しているものとする。

また、上述した実施形態では、測定レンズの全体を交換可能としたが、測定レンズの一部のみを交換可能としてもよい。その場合、絞り面よりも物体側のレンズ群をレンズユニットとして交換可能にするとよい。交換の前後で絞り面が変位しなければ、測定レンズの像側のテレセントリック性は保たれる。

また、上述した実施形態では、ＣＰＵ４０が測定レンズのＦ値を自動的に検出したが、ユーザに入力させることとしてもよい。その場合、等色関数フィルタのチルト角度の切り替えを機械式とし、かつユーザがＦ値を入力するためのスイッチを機械式とし、さらに等色関数フィルタのチルト角度を変化させるための機構を、そのスイッチに連結してもよい。このようにすれば、チルト用モータは不要となる。また、ＣＰＵ４０が測定レンズのＦ値を自動的に検出する代わりに以下のように測定装置を改変してもよい。絞り環２３の回動とチルト用モータ３２２の回転を機械的または電気的に連動させ、絞り環２３の回動によるＦ値の変動に伴って直接チルト角を変更することができる。こうすることによりＣＰＵによる制御を省略又は簡略化することができる。

上述した実施形態では、チルト角調節装置または変更装置として、チルト用モータ３２２を用いてターレット３２の角度を測定レンズ２１の光軸Ｏｘに対して傾斜させたが、ｘ−フィルタ３２ｘ、ｙ−フィルタ３２ｙ、及びｚ−フィルタ３２ｚの面角度を測定レンズ２１の光軸Ｏｘに対して傾斜させることができる機構であれば任意の機構を用い得る。例えば、ｘ−フィルタ３２ｘ、ｙ−フィルタ３２ｙ及びｚ−フィルタ３２ｚを長尺のプレートに長手方向に沿って順に埋設し、結像光学系（測定レンズ２１）の光軸Ｏｘに対してプレートを長手方向に移動させることによってそれらのフィルタを切り換えることができ、プレートの結像光学系（測定レンズ２１）の光軸Ｏｘに対する傾斜角度をＰＺＴ素子などのアクチュエータでプレートの一端を移動させることで調節し得る。上述した実施形態では、チルト用モータ３２２を用いてターレット３２の角度を測定レンズ２１の光軸Ｏｘに対して傾斜させたが、測定レンズ２１の光軸Ｏｘ及び撮像素子３３の方位をターレット３２に対して変化させてもよい。

上述した実施形態では、絞り環２３の回動位置を調節することで測定レンズ２１のＦ値を変更したが、測定レンズ２１を異なるＦ値を有する測定レンズに交換してもよい。すなわち、本発明で用いられる結像光学系は交換可能である。また、本発明の色分布測定用光学系には、結像光学系を備えていなくてもよい。本発明の色分布測定用光学系を入手したユーザが、市販されている結像光学系または別の光学機器で使用されている結像光学系を色分布測定用光学系に組み合わせて用いることができる。

上記実施形態においては、特定の材料及び層構成の光学多層膜を有する等色関数フィルタを用いたが、測定光の波長や測定対象物に応じてそれらの材料や層構成を変更することができる。

本発明の色分布測定用光学系及び色分布測定装置は、結像光学系またはその開口数が変化しても光学多層膜の分光透過特性を一定にすることができるので、種々の測定対象物の色分布を容易に且つ正確に測定することができる。

Claims (12)

1. 結像光学系を介して測定対象物の色分布を測定する光学系であって、
   光学多層膜フィルタである等色関数フィルタと、
   前記等色関数フィルタの前記結像光学系の光軸に対する配置角度を前記結像光学系の像側開口数に応じて変更する変更装置とを備える色分布測定用光学系。
2. 前記変更装置は、ユーザからの指示に応じて前記等色関数フィルタの配置角度を変更する請求項１に記載の色分布測定用光学系。
3. 前記等色関数フィルタは、前記結像光学系の光軸と前記等色関数フィルタの法線との成す角度が０°であり、かつ前記結像光学系の像側開口数が最大であるときにＣＩＥ等色関数カーブの分光透過特性を持つよう設計されている請求項１または２に記載の色分布測定用光学系。
4. さらに、前記結像光学系を備える請求項１〜３の何れか一項に記載の色分布測定用光学系。
5. 前記結像光学系は、像側テレセントリックな光学系である請求項４に記載の色分布測定用光学系。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の色分布測定用光学系と、
   前記色分布測定用光学系が生成した像の輝度分布に基づき前記測定対象物の色分布データを生成する信号生成装置とを備えた色分布測定装置。
7. 対象物の色分布を測定する色分布測定装置であって、
   結像光学系と、
   光学多層膜を有する等色関数フィルタと、
   前記結像光学系の像側開口数を調節する開口絞りと、
   前記像側開口数を検出する検出器と、
   光学多層膜の前記結像光学系の光軸に対するチルト角度を前記検出器により検出された前記像側開口数に基づいて調節するチルト角調節装置と、
   前記結像光学系と等色関数フィルタを介して形成された像を検出する像検出器とを備える色分布測定装置。
8. 前記チルト角調節装置は、前記検出された像側開口数が大きいほどチルト角を大きくする請求項７に記載の色分布測定装置。
9. 測定対象物の像の輝度分布に基づき前記測定対象物の色分布を測定する色分布測定方法であって、
   光学多層膜を有する等色関数フィルタを結像光学系の像側に配置し、
   前記等色関数フィルタの結像光学系の光軸に対する配置角度を、前記結像光学系の像側開口数に応じて調節し、
   前記結像光学系及び前記配置角度が調節された等色関数フィルタを介して前記測定対象物の像を検出することを含む色分布測定方法。
10. さらに、前記結像光学系の像側開口数を検出することを含む請求項９に記載の色分布測定方法。
11. 前記結像光学系の像側開口数の異なる値に対する前記等色関数フィルタの結像光学系の光軸に対する配置角度を予め求めることを含む請求項９または１０に記載の色分布測定方法。
12. さらに、測定対象物に応じて前記結像光学系の像側開口数を調節することを含む請求項９〜１１のいずれか一項に記載の色分布測定方法。

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