JP5424826B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料を照明し該試料からの反射光を検出する測定装置に関する。

試料の反射特性の測定においては、ジオメトリと呼ばれる照明および観察のための光学的条件が測定結果に大きな影響を及ぼすため、試料に適したジオメトリが採用される。例えば、印刷物の測定には４５／０ジオメトリ（４５°照明・垂直受光）などが採用される。これらのジオメトリでは方向性照明が行われるため、測定試料を特定方向からの光で照明する照明装置が必要となる（特許文献１）。特許文献１では、４５°方向２方位の照明装置などが提案されている。

特開２００８−２８６５３０公報

しかし、従来の方向性照明系には、全方位から試料を照明しつつ高い照度分布均一性を得るのが難しいという問題がある。照明方位数が少ない場合、試料の設置方位や回転などの影響により正確な測定ができなくなる。また、測定領域の全体を均一な照度分布で照明できない場合には、測定領域の中の照度が強い部分の影響を強く受けるために正確な測定ができない。全方位照明を実現しつつ照度分布を均一化する方法としては積分球を用いる方法などが知られているが、積分球を用いると光利用効率が低下する。

本発明は、試料を全方位から照明しつつ均一な照度分布を得るために有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面に係る測定装置は、試料を照明して該試料からの反射光を検出する測定装置は、光源と、第１端に入射した光を複数回にわたって反射させて第２端から射出させる柱状反射面を有する柱状反射部材と、前記光源から放射された光を前記第１端に向けて反射する反射鏡と、検出部とを備え、前記第２端から射出した光で試料を照明し、該試料で反射されて前記柱状反射部材で反射されずに前記柱状反射部材を通り抜けた光を前記検出部によって検出し、前記柱状反射部材の軸に直交する断面における前記反射鏡の反射面の形状は、前記軸に向かって凹型の形状であり、かつ、前記光源から発散した光を前記第１端に収束させるように反射する形状である。

本発明によれば、試料を全方位から照明しつつ均一な照度分布を得るために有利な技術が提供される。

本発明の第１実施形態の測定装置を示す図である。 柱状反射部材の光学的な効果を説明するための図である。 柱状反射部材による光の攪拌効果を示すである。 柱状反射部材の断面形状を例示する図である。 柱状反射部材の好ましい長さを説明するための図である。 反射鏡の反射面のデータを例示する図である。 本発明の第２実施形態の測定装置を示す図である。 本発明の第３実施形態の測定装置を示す図である。 本発明の第１実施形態の測定装置のより具体的な実施例を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１を参照しながら本発明の第１実施形態の測定装置１０について説明する。測定装置１０は、試料４の反射特性を測定するために使用されうる。測定装置１０は、試料４を照明して試料４からの反射光を検出する。測定装置１０は、光源１と、柱状反射部材３と、反射鏡２と、検出部ＤＥＴとを備える。柱状反射部材３は、第１端３ａに入射した光を複数回にわたって反射させて第２端３ｂから射出させる柱状反射面３ｓを有する。ここで、柱状反射面とは、断面の形状が一定であり、かつ、当該断面に垂直な軸ＡＸに沿って伸びた反射面である。柱状反射部材とは、柱状反射面を有する部材である。反射鏡２は、光源１から放射された光を柱状反射部材３の第１端３ａに向けて反射する。測定装置１０は、柱状反射部材３の第２端３ｂから射出した光で試料４を照明し、試料４で反射され柱状反射部材３を通り抜ける。柱状反射部材３を通り抜けた光は、検出部ＤＥＴによって検出される。この実施形態では、測定装置１０は、いわゆる４５／０ジオメトリで反射特性を測定するように構成されている。

光源１としては、例えば、Ｘｅランプ、ハロゲンランプまたはＬＥＤなどを採用することができる。試料４の色彩を測定する場合には、可視光全域の波長にわたって発光する光源が採用されうる。４５度照明においては、反射鏡２は、光源１から放射される光を柱状反射部材３の軸ＡＸに対して４５度の角度を有する方向に反射させるように構成されうる。反射鏡２の反射面は、光源１の位置を焦点とし、軸ＡＸに対して４５度傾斜した対称軸を有する放物面形状を有しうる。また、軸ＡＸを含む平面における反射鏡２の反射面は、光源１の位置を焦点とし、軸ＡＸに対して４５度傾斜した放物線形状でありうる。また、軸ＡＸに直交する断面における反射鏡２の反射面の形状は、軸ＡＸに向かって凹型、例えば、円弧形状でありうる。

上記のような反射鏡２によれば、光源からｘ、ｙ方向に広範囲に発散した光を柱状反射部材３の第１端に収束させることができる。これにより、光源１からの光を効率的に使用することができる。また、柱状反射部材３に入射する光が様々な方向の光を含んでいるので、均一な照度分布かつ全方位照明を実現しやすい。ｘｙ平面における柱状反射部材３の開角は、図１に例示されるように１２０度とすることができるが、それ以外の角度でも良い。特に、光源１として指向性の低いランプなどを採用する場合には、周囲の光源１からその周囲の全方位に光が放射されるので、反射鏡２をリング形状にすることも有効である。
光源１を反射鏡２の焦点に配置する代わりに、該焦点から離れた位置に光源１を配置し、光源１から射出される光を光ファイバーなどの導光光学系によって該焦点の位置まで導光してもよい。このような構成は、部品配置の自由度を向上させる点、又は、光源１からの排熱が測定に与える提供を低減する点で優れている。

柱状反射部材３は、柱状の光透過部材、または、柱状の中空領域を有する部材でありうる。柱状反射部材３は、その軸ＡＸが試料４の面または試料台（試料４が置かれる台）に対して垂直になるように配置されている。４５度照明においては、軸ＡＸに対して４５度の角度を有する方向で柱状反射部材３の第１端３ａに光が入射し、軸ＡＸに対して４５度の角度を有する方向で柱状反射部材３の第２端３ｂから光が射出して試料４を照明する。試料４に入射した光は、試料４の表面で反射および散乱され、それらのうち０°方向（軸ＡＸに平行な方向）に向かう光は、柱状反射部材３に第２端面３ｂに入射し、今度は柱状反射面３ｓで反射することなく第２端３ａから出射する。

柱状反射部材３から射出した光は、検出部ＤＥＴによって検出される。検出部ＤＥＴは、例えば、柱状反射部材３から射出した光の光路を折り曲げる折り曲げミラー５ａ、集光レンズ５ｂ、分析器６を含みうる。分析器６は、例えば分光器を含みうる。分析器６は、分光器によって得られた分光分布データを処理する処理部を含んでも良い。

ここで、図２を参照しながら柱状反射部材３の光学的な効果について説明する。試料４の表面における微小領域４１を考え、その法線と平行にｚ軸をとる。光線２００がある曲面１００上の点１０１で反射され光線３００となって微小領域４１に達するとする。このとき、点１０１における曲面の法線１０２が試料面４１に対し平行であるものとし、これをｙ軸とする。また、ｙ軸とｚ軸に対して垂直な方向にｘ軸を設ける。すると、曲面１００上の点１０１における光線の反射は、図２に２つの直方体で示すような関係で描くことができる。このとき、入射光線２００と反射光線３００のｚ軸に対する角度（すなわち、試料面４１に対する角度）θｉとθｏとが等しくなる。つまり、光線の試料面に対する角度は、法線が試料面と平行な面で反射された場合、反射の前後において保存される。そこで、この実施形態では、試料の面に対して平行な法線のみを持つ形状、すなわち柱状反射面３ｓを有する柱状反射部材３が用いられる。柱状反射面３ｓによる光線の複数回の反射において、試料の表面に対する光線の角度は保存され、試料の表面と平行な方向（図２のｘ、ｙ軸方向）には様々な方向に光線が反射される。これにより、照度分布が均一化され、多数の方位、すなわち実質的には全方位から試料を照明することができる。

図３は、２本の平行な光線が六角柱形状の柱状反射部材３に入射し、その柱状反射面３ｓで反射される様子を第１端３ａ側から見た図である。柱状反射部材３の柱状反射面３ｓで複数回にわたって反射された結果、２本の光線２０１、２０２は、元の平行な関係が失われ、元の方向とは異なる方向に偏向されていく様子が分かる。このような試料面と平行な面内で見たときに様々な方向に光を反射させる効果のことを、光の攪拌効果と呼ぶことにする。

光の攪拌効果は、柱状反射面３ｓの断面形状に依存する。図４は、柱状反射面３ｓの断面形状が例示されている。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は多角形柱形状の柱状反射面３ｓであり、それぞれ四角柱、五角柱、六角柱である。辺の数が少なくなるべく円柱から遠い形状の方が光の攪拌効果が高い。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の断面形状を持つ柱状反射面３ｓを有する柱状反射部材３は、光透過材料で構成された柱状部材で構成されてその外側の面が反射面とされてもよいし、柱状の中空領域を有する部材で構成されてその内側の面が反射面とされてもよい。

図４（ｄ）、（ｅ）は、円柱形状の反射部材を組み合わせて中空構造として、内側の空間に面した部分（太線で示した部分）を反射面とした例である。（これらは、曲面を含み、入射光束をより様々な方向に反射することができる。よって、図４（ｄ）、（ｅ）の例は、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の例よりも高い攪拌効果を発揮する。図４（ｄ）、（ｅ）に例示される形状を王冠柱形状と呼ぶことにする。

図４（ｆ）に示す例は、平面と曲面を組み合わせた例である。多角形の一部を曲面にすることで単なる多角形よりも高い攪拌効果を得ることができる。図４（ｇ）に例示するように、凹凸のある多角形の断面形状でもよい。

次に、柱状反射部材３の長さについて考える。図５は、試料の表面と垂直な平面で切った柱状反射部材３の断面図である。図５（ａ）は中空の柱状反射部材を例示し、（ｂ）は透過材料で構成された柱状反射部材を例示している。光の攪拌効果を十分に得るためには、柱状反射部材３に入射した光線がロッド内壁で２回以上反射することが望ましい。したがって、図５に示すように、柱状反射部材に入射した光線が、対向する反射面で少なくとも１回ずつ反射されてから柱状反射部材３から出射することが望ましい。そのために必要な柱状反射部材３（より正確には、柱状反射面３ｓ）の最小の長さを求める。まず、図５（ａ）に例示されるように中空の柱状反射部材である場合は、柱状反射面の代表的な直径をＤ、光線の入射角をθｉとして、必要な長さＬは、図５（ａ）より、Ｌ＝２Ｄ／ｔａｎθｉで与えられる。一方、図５（ｂ）に例示するように透過材料で構成された柱状反射部材では、柱状反射面の代表的な直径をＤ、柱状反射部材の屈折率をｎ、光線の入射角をθｉとして、必要な長さＬは、Ｌ＝（２Ｄ／ｓｉｎθｉ）×√（１−（ｓｉｎθｉ／ｎ）^２）で与えられる。この式は、スネルの法則ｓｉｎθｏ＝ｎ×ｓｉｎθｉによって与えられる。十分な光の攪拌効果を得るためには、柱状反射面の長さをＬ以上の長さにすることが望ましい。

４５／０ジオメトリにおいて、柱状反射部材３への光の入射角は、一般的には、厳密に４５°である必要はない。例えば、ＪＩＳ規格では中心線（４５°）に対して８°以下の光線を許容している。これに従えば、柱状反射部材への入射角を４５°±８°とすることができる。その場合でも、柱状反射部材３において光の角度が保存される性質は保たれるので、試料面での光の角度も同じく４５°±８°となる。

次に、柱状反射部材の製作方法を例示的に説明する。多角形柱型の中空の柱状反射部材の場合、複数の平面の反射部材を準備して、それらを組み合わせればよい。平面の反射部材は、例えば、ガラスを平面研磨して作り、その上に高反射膜をコーティングして作製されうる。王冠柱型の中空の柱状反射部材の場合、複数の円柱型の反射部材を準備して、それらを組み合わせればよい。円柱状の反射部材は、例えば、ガラスを円柱状に研磨して、その上に高反射膜をコーティングして作製されうる。図４（ｆ）のような形状の柱状反射部材も同じ手法で作製されうる。一方、透過材料で構成される柱状反射部材の場合、王冠柱型は作製が難しく、多角形柱形状が容易である。透過材料で構成される多角形柱状反射部材は、ガラスを多角形柱状に研磨して作製されうる。透過材料で構成される柱状反射部材は、その側面に高反射コーティングが施されうる。なお、第２端３ｂに反射防止コーティングを施しておくと、試料面と第２端３ｂとの間の多重反射が測定に及ぼす影響を軽減することができる。

柱状反射部材と試料面との距離は、適切な短い間隔に設定されうる。柱状反射部材と試料面との距離が長いと、照明領域の周囲にボケが生じ、照度分布均一性が低下するためである。柱状反射部材を試料面に押し当てるようにして密着させて測定してもよいし、数ｍｍ程度の間隔を開けて測定してもよい。数ｍｍ程度の間隔を開ける場合は、視野絞りなどにより周囲のボケ部分を遮光するとよい。

図９は、第１実施形態のより具体的な実施例を示す図である。図９（ａ）は鳥瞰図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は上面図である。この実施例では、柱状反射部材３は、王冠柱型の中空の反射部材であり、直径３．８ｍｍの８本の円柱を直径６．２ｍｍの円に外接するように配置したものである。円柱の材質は、硝子等のような反射用素材である。円柱の表面を反射面として使用するので、高反射コーティングが施されている。光源１は、不図示の別の場所にあるランプ等の発光素子からの光を光ファイバにより導光したものの射出端であり、光は、ＮＡ（開口数）０．５程度の広がりで指向性をもって放射される。反射鏡２は、その形状のデータは、図６に示されている。反射鏡２は、柱状反射部材３の軸（図９におけるｚ軸）に対して回転対称である。図６において、ｚは柱状反射部材３の上端面（第１端）を基準としたｘｙｚ座標系におけるｚ座標値であり、ｒは、ｚ座標値における反射鏡２の反射面の半径である。このうち、ｚ座標値が３．５以上かつ１１．０以下の部分が反射鏡２として使用されうる。試料４は、柱状反射部材３の下端（第２端）から１ｍｍ程度の距離に配置されうる。試料４から出た反射・散乱光のうち試料４に対して垂直な方向に出たものは、光源１の上方に配置された検出器（不図示）によって検出され、例えば、反射特性が測定される。

図７を参照しながら本発明の第２実施形態の測定装置１１について説明する。ここで、第１実施形態を示す図１中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号が付されている。また、図７では、図面の簡略化のために検出部ＤＥＴが省略されているが、第１実施形態と同様の検出部ＤＥＴが備えられうる。第２実施形態の測定装置１１も、４５／０ジオメトリの測定装置である。

第２実施形態の測定装置１１は、第１の光源１および第１の反射鏡２に加えて、第２の光源７および第２反射鏡８を備えている。第２の反射鏡８は、第２の光源７から放射される光を柱状反射部材３の軸ＡＸに対して４５度の角度を有する方向に反射させるように構成されうる。第２反射鏡８の反射面は、第２の光源７の位置を焦点とし、軸ＡＸに対して４５度傾斜した対称軸を有する放物面形状を有しうる。また、軸ＡＸを含む平面における第２の反射鏡８の反射面は、第２の光源７の位置を焦点とし、軸ＡＸに対して４５度傾斜した対称軸を有する放物線形状でありうる。また、軸ＡＸに直交する断面における第２の反射鏡８の反射面の形状は、軸ＡＸに向かって凹型、例えば、円弧形状でありうる。

このような構成によれば、２つの光源７、８を１台の測定装置１１で扱うことができる。２つの光源７、８は、例えば以下のような応用を可能にする。例えば、一方を可視光光源とし、もう一方を紫外光光源とすることができる。この場合、可視光光源を用いて試料の色彩の測定を行い、紫外光光源を用いて試料の蛍光特性の測定を行うことができる。すなわち、色彩測定と蛍光測定を１台の測定装置で行うことが可能になる。また、２つの光源を以下のように使うことも可能である。２つの光源の組み合わせによって可視光域の全域に渡って良好なスペクトルが得らことができる。例えばＬＥＤなどは、たとえ白色ＬＥＤであっても、十分なスペクトル強度がない波長帯域が存在し、色彩計測に使用するには不十分な場合がある。このような場合、複数のＬＥＤを組み合わせて互いに補い合うようにすることで、可視光域の全域に渡って十分なスペクトル強度を確保することができる。光源をそのような構成とし、両方を同時に点灯して反射特性の測定を行えばよい。また、同じ光源を２つ用いて同時に点灯するという使い方をしても構わない。その場合、光量が増加するので測定にかかる時間を短くすることができる。

次に、図８を参照しながら本発明の第３実施形態の測定装置１２について説明する。ここで、第１実施形態を示す図１中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号が付されている。また、図８では、図面の簡略化のために検出部ＤＥＴが省略されているが、第１実施形態と同様の検出部ＤＥＴが備えられうる。第３実施形態の測定装置１２も、４５／０ジオメトリの測定装置である。

第３実施形態の測定装置１２は、コーン状の反射鏡２ａおよびリング状の反射鏡２ｂを備える。コーン状の反射鏡２ａは、光源１からの光を放射状に偏向する。リング状の反射鏡２ｂは、コーン状の反射鏡２ａを介して光源１から提供される光を柱状反射部材３の軸ＡＸに対して４５度の角度を有する方向に反射させて、柱状反射部材３の第１端３ａに入射させる。反射鏡２ｂの反射面は、光源１の位置を焦点とし、軸ＡＸに対して４５度傾斜した対称軸を有する放物面形状を有しうる。また、軸ＡＸを含む平面における反射鏡２の反射面は、光源１のコーンミラーによる虚像の位置を焦点とし、軸ＡＸに対して４５度傾斜した対称軸を有する放物線形状でありうる。また、軸ＡＸに直交する断面における反射鏡２の反射面の形状は、円形でありうる。このような構成によれば、柱状反射部材３に全方位から光を入射させることができ、柱状反射部材３による光の攪拌効果と併せることで、均一な照度分布かつ全方位からの４５°照明を実現することができる。また、この場合、柱状反射部材３の第１端（光が入射する端面）に対して全方位からの光が入射するので、照度分布の均一化のために必要なロッド長も比較的短くすることができる。。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

Claims (10)

1. 試料を照明して該試料からの反射光を検出する測定装置であって、
   光源と、
   第１端に入射した光を複数回にわたって反射させて第２端から射出させる柱状反射面を有する柱状反射部材と、
   前記光源から放射された光を前記第１端に向けて反射する反射鏡と、
   検出部とを備え、
   前記第２端から射出した光で試料を照明し、該試料で反射されて前記柱状反射部材で反射されずに前記柱状反射部材を通り抜けた光を前記検出部によって検出し、
   前記柱状反射部材の軸に直交する断面における前記反射鏡の反射面の形状は、前記軸に向かって凹型の形状であり、かつ、前記光源から発散した光を前記第１端に収束させるように反射する形状である、
   ことを特徴とする測定装置。
2. 前記光源は、前記軸の延長線上の点から光を放射する、ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記検出部は、前記光源が光を放射する点と前記第１端との間に配置された折り曲げミラーと、集光レンズと、分析器とを含み、
   前記第２端から射出した光で照明された試料で反射され前記柱状反射部材を通り抜けた光は、前記折り曲げミラーで反射され前記集光レンズによって集光されて前記分析器によって検出される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記断面における前記反射鏡の反射面の形状が円弧形状である、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の測定装置。
5. 前記断面における前記反射鏡の反射面の形状が前記軸を中心とする円弧形状である、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の測定装置。
6. 前記軸に直交する断面における前記反射鏡の反射面の形状がリング状である、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の測定装置。
7. 第２の光源と、
   前記第２の光源から放射された光を前記第１端に向けて反射する第２の反射鏡とを更に備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の測定装置。
8. 前記光源から放射された光を前記第１端に向けて反射する第２の反射鏡を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の測定装置。
9. 前記軸に直交する断面における前記第２の反射鏡の反射面の形状が前記軸に向かって凹型である、
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載の測定装置。
10. 前記柱状反射面は、曲面を含む、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の測定装置。

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