JP5454675B2 - 測定用光学系ならびにそれを用いた色彩輝度計および色彩計 - Google Patents

Description

本発明は、液晶モニタやランプなどの光源から放射される光を受光し、光源の輝度（Ｌｖ）や色度（ｘｙ）を測定する色彩輝度計や、被測定物に照射された光の反射光を受光し、被測定物の反射率や色度（Ｌａｂ等）を測定する色彩計などに用いられる測定用光学系ならびにそれを用いた色彩輝度計および色彩計に関する。

液晶モニタの輝度（Ｌｖ）や色度（ｘｙ）を測定する色彩輝度計は、例えば、前記液晶モニタの表示画面に対向して配置される測定プローブおよび計測器本体を備えて構成される。前記測定プローブは、例えばＣＩＥ（国際照明委員会）で規定されている等色関数Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値をそれぞれのセンサで測定し、前記計測器本体は、その測定結果から、被測定物である表示画面３の輝度や色度を演算する。

このような色彩輝度計や色彩計に用いられる測定用光学系の典型的な従来技術は、例えば、特許文献１に示されている。この特許文献１では、入射光を前記３刺激値に対応した３個の測色光学系のそれぞれへ入射させるべく、バンドルファイバが用いられている。前記測色光学系は、前記３刺激値にそれぞれ対応した色フィルタに受光センサが組み合わされて構成され、前記バンドルファイバの３つに分岐された各出射端には、これら各測色光学系の各色フィルタが配置されている。そして、この特許文献１の前記バンドルファイバでは、円形に束ねられた入射端側から見て、周方向に６つに分割され、対角線上に位置する束同士が束ねられている。これによって、指向性（配光特性）に起因する測定誤差の軽減が図られている。

しかしながら、前記バンドルファイバは、高価であり、また指向性（配光特性）に起因する測定誤差がある。このため、他の従来技術では、図２７の測定プローブ４''で示すように、前記バンドルファイバに代えて分岐および拡散の機能を有する拡散板１９が用いられている。或いは、図２８の測定プローブ４'''で示すように、対物光学系１１を用いずに、被測定物からの光束が直接拡散板１９に入射されている。

また、前記色フィルタは、入射光を前記Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値などの所望分光特性に対応した透過率となるように、光吸収タイプのフィルタが複数枚積層されて構成されるので、例えば図２９で示すような、２つの波長域で透過率ピークを有する特性のフィルタを設計することができない、すなわちフィルタ設計の自由度が小さいという問題がある。また、透過率が小さく、光量ロスが大きいという問題もある。さらにまた、特にフィルム状の色フィルタにおいて、熱、光（紫外線）、湿度等に対して、経年変化が激しい（安定性が悪い）という問題もある。

そこで、前記色フィルタに、前記光吸収タイプのフィルタに代えて、干渉タイプのフィルタ（以下、干渉膜フィルタと言う）を用いるようにした従来技術が、例えば特許文献２で提案されている。この干渉膜フィルタは、ガラス基板上に、誘電体や酸化物を真空蒸着やスパッタリングなどの手法により数十層積層したものであり、光の干渉作用によって透過／反射の波長選択を行うフィルタである。

しかしながら、前記干渉膜フィルタは、入射角度によって透過率が異なるので、平行光（０度）入射では誤差感度が高いという問題がある。

特開２００３−２４７８９１号公報 特開２０１０−２２５５号公報

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、干渉膜フィルタを用いつつ、その入射角度による透過率特性のズレの影響を低減することができる測定用光学系ならびにそれを用いた色彩輝度計および色彩計を提供することである。

本発明にかかる測定用光学系ならびにこれを用いた色彩輝度計および色彩計では、測定光は、第１の拡散部材によって散乱され、複数の干渉膜フィルタを介して複数の受光センサで受光される際に、第２の拡散部材を介して前記各干渉膜フィルタへ入射される。そして、前記干渉膜フィルタは、該干渉膜フィルタへの入射光の入射角度に対する強度分布の条件に応じ、測定パラメータに対応した透過率特性が得られるように形成される。このため、本発明にかかる測定用光学系ならびにこれを用いた色彩輝度計および色彩計は、干渉膜フィルタを用いつつ、その入射角度による透過率特性のズレの影響を低減することができる。

上記並びにその他の本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。

実施の一形態に係る色彩輝度計の測定プローブ内の構成（測定用光学系）を示す図である。 図１で示す測定プローブ内で、第１の拡散板を使用しない場合の干渉膜フィルタへの入射光束を説明するための図である。 図１で示す測定プローブ内で、第２の拡散板を使用した場合の干渉膜フィルタへの入射光束を説明するための図である。 前記第２の拡散板と干渉膜フィルタとの位置関係を示す図である。 図１で示す測定プローブにおける干渉膜フィルタへの入射光束の強度分布の測定方法を説明するための図である。 干渉膜フィルタへの入射光束の強度分布の一例を示すグラフである。 前記干渉膜フィルタの分光強度分布を示すグラフである。 前記干渉膜フィルタへの入射角度の分布と、フィルタが傾いた場合の影響とを示すグラフである。 図８で示す入射角度分布の光学系に、干渉膜フィルタを設置した場合の透過率分布を示すグラフである。 前記干渉膜フィルタへの入射角度の大きさと、誤差との関係を示すグラフである。 図１において、第２の拡散板の他の態様を示す図である。 図１において、第２の拡散板のさらに他の態様を示す図である。 図１２で示す第２の拡散板を用いた場合の測定プローブ内の構成を示す図である。 実施の第２の形態に係る測定プローブ内の構成を示す図である。 光ファイバ内での光の伝搬の様子を説明するための断面図である。 本件発明者による光ファイバの出射角度の実測データを示すグラフである。 図１６のデータの求め方を説明するための図である。 図１４で示す測定プローブにおける干渉膜フィルタへの入射光束の強度分布の測定方法を説明するための図である。 実施の第３の形態に係る測定プローブ内の構成を示す図である。 色彩輝度計による液晶モニタの測定方法を説明するための図である。 色彩輝度計の測定プローブ側の概略的構成を示すブロック図である。 色彩計の測定プローブ側の概略的構成を示すブロック図である。 従来技術の色彩輝度計の測定プローブ内の構成（測定用光学系）を示す図である。 前記液晶モニタの配光分布を説明するための図である。 前記液晶モニタの配光分布の一例を示すグラフである。 前記液晶モニタにおけるＲＧＢ各色の画素配列と測定エリアとの関係を示す図である。 他の従来技術の色彩輝度計の測定プローブ内の構成（測定用光学系）を示す図である。 さらに他の従来技術の色彩輝度計の測定プローブ内の構成（測定用光学系）を示す図である。 干渉膜フィルタの分光透過率特性の一例を示すグラフである。 前記干渉膜フィルタへの入射角度の変化に対する分光透過率特性の変化を示すグラフである。 他の従来技術の色彩輝度計の測定プローブ内の構成（測定用光学系）を示す図である。

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

（比較例）
本実施形態の作用効果を説明するために、まず、比較例について以下に説明する。図２０は、色彩輝度計１を用いた液晶モニタ２の輝度（Ｌｖ）や色度（ｘｙ）の測定の様子を説明するための図である。この色彩輝度計１は、液晶モニタ２の表示画面３に対向配置される測定プローブ４および計測器本体５を備えて構成される。測定プローブ４は、例えばＣＩＥで規定されている等色関数Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値をそれぞれのセンサで測定し、計測器本体５は、その測定結果から、被測定物である表示画面３の輝度や色度を演算する。

測定プローブ４内の概略構成は、例えば図２１で示す通りである。すなわち、測定プローブ４は、被測定物である表示画面３からの出射光を対物光学系１１で受光し、予め規定された入射角の成分、例えば表示画面３の法線に対して±２．５度以内の成分を抽出して分岐光学系１２に入射させ、３つに分岐して等色関数Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値に対応した測色光学系１３，１４，１５に入射させ、入射光強度を測定するようになっている。

一方、前記被測定物の反射率や色度（Ｌａｂ等）を測定する色彩計の場合には、例えば図２２で示す通り、図２１に示す測定プローブ４の構成に、さらに、光源であるランプ１６および照明光学系１７が備えられている。これらランプ１６および照明光学系１７によって、被測定物に光が照射され、その反射光が前記測定プローブ４で測定される。

このような色彩輝度計や色彩計に用いられる測定用光学系の典型的な技術は、特許文献１で示されている。図２３は、その前記技術における測定プローブ４’内の構成を示す図である。この前記技術では、測定プローブ４’は、対物光学系１１と、分岐光学系１２と、測色光学系１３とを備えている。この対物光学系１１には正パワーを持つ凸レンズ１１ａが用いられ、分岐光学系１２にはバンドルファイバ１２ａが用いられている。前記バンドルファイバ１２ａは、径の小さな（φ＝０．０３〜０．３ｍｍ程度の）素線ファイバを、入射端（入口）側で複数ｎ（ｎ＝数百〜数千）本束ね、出射端（出口）側でそれをランダムに複数（例えば前記Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値に対応した３つ）に分岐して複数ｍ本ずつ束ねたものである。入射側および出射側の形状は、任意（円形、長方形など）である。

そして、この測定プローブ４’は、凸レンズ１１ａの後側焦点位置に開口絞り１１ｂを配し、前述のように表示画面３の法線に対して±２．５度以内の成分を取込むために、前側テレセントリックな光学配置になっている。開口絞り１１ｂ面には、バンドルファイバ１２ａの入射端Ｆｉ１〜Ｆｉｎが臨む。測色光学系１３，１４，１５は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値にそれぞれ対応した色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａと、これらと組み合わされて用いられる受光センサ１３ｂ，１４ｂ，１５ｂとを備えている。

ここで、被測定物の特性として、例えば液晶モニタの場合について考えると、先ず、その配光分布に指向性がある。すなわち、光の出射強度が、表示画面３の法線に対する角度によって異なり、しかも前記法線に対して非対象の場合もある。例えば、ノートパソコンや携帯電話用のモニタでは、意図的に指向性を強めているものがあり、前記ノートパソコンのモニタは、使用者が斜め上方向から見下ろすことが多く、このため、図２４で示すように、その配光分布１８は、表示画面３の法線Ｎに対して、上側で多く、下側で少なくなっている。このような配光分布の一例を具体的に示したものが、図２５である。

また、前記液晶モニタの場合、測定位置によって発光強度が異なる（強度むらが生じる）。このような現象は、バックライトの配置位置やＲＧＢフィルタの配列と、測定プローブ４との位置関係によって生じる。図２６には、液晶モニタのＲＧＢ各色の画素配列と測定エリアとの関係を示す。例えば、中央の行に着目すると、実線の測定エリアＡ１では、Ｇが２個、Ｒ，Ｂが１個の画素が含まれているのに対して、測定エリアＡ１より画素配列方向に１画素分ずらした破線の測定エリアＡ２では、Ｂが２個、Ｒ，Ｇが１個の画素が含まれている。このような強度むらは、前記測定エリアが小さな（例えば、φ＝５ｍｍ以下の）場合に顕著である。

さらにまた、被測定物（液晶モニタ）には、軸非対称な特徴を有する一方で、測定器には安定した測定結果が求められる。すなわち、測定プローブ４を光軸回りに回転させても、測定結果が変動しない（回転誤差がない）ことが求められる。このような、現象は、液晶モニタに限らず、反射光を測定する色彩計において、例えば光沢のある印刷物や、メタリック、パールなどの塗装面の測定においても生じる。

そこで、前記特許文献１では、バンドルファイバ１２ａは、円形に束ねられた入射端Ｆｉ１〜Ｆｉｎ側から見て、複数の素線ファイバが、周方向に６つに分割され、対角線上に位置する束同士が束ねられて構成されている。これによって、上述のような指向性（配光特性）に起因する測定誤差の軽減が図られている。

しかしながら、バンドルファイバ１２ａは、高価であり、また前述のような指向性（配光特性）に起因する測定誤差がある。このため、他の従来技術では、図２７の測定プローブ４''で示すように、バンドルファイバ１２ａに代えて分岐および拡散の機能を有する拡散板１９が用いられている。或いは、図２８の測定プローブ４'''で示すように、対物光学系１１を用いずに、被測定物からの光束が直接拡散板１９に入射されている。

また、色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａは、入射光を前記Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値などの所望分光特性に対応した透過率となるように、光吸収タイプのフィルタが複数枚積層されて構成される。このため、このような構成では、例えば図２９で示すような、２つの波長域で透過率ピークを有するようなフィルタが設計できない、すなわちフィルタ設計の自由度が小さいという問題がある。また、透過率が小さく、光量ロスが大きいという問題もある。さらにまた、特にフィルム状の色フィルタにおいて、熱、光（紫外線）、湿度等に対して、経年変化が激しい（安定性が悪い）という問題もある。

そこで、色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａに、前記光吸収タイプのフィルタに代えて、干渉タイプのフィルタ（以下、干渉膜フィルタと言う）を用いた技術が、例えば、特許文献２で提案されている。この干渉膜フィルタは、ガラス基板上に、誘電体や酸化物を真空蒸着やスパッタリングなどの手法により数十層積層したものであり、光の干渉作用によって透過や反射の波長選択を行うフィルタである。したがって、この干渉膜フィルタは、上述のような光吸収タイプのフィルタに比べて、所望の透過率を得易く（設計し易い、設計の自由度が高い）、等色関数Ｘのような、２つのピーク（山）を有する（前記図２１で示す）フィルタの作成も可能である。また、干渉膜フィルタは、透過率が高く、例えばピーク透過率は、前記吸収タイプでは５０％以下になるのに対して、この干渉膜フィルタは１００％に近い。さらにまた、干渉膜フィルタは、信頼性に優れる（温度や湿度、光の暴露による経時的な透過率変化が少ない）という長所を有する。

一方、前記干渉膜フィルタは、入射角度によって透過率が異なるので、平行光（０度）の入射では誤差感度が高いという問題がある。図３０には、前記干渉膜フィルタへの光の入射角と、透過率との関係を示す。このように０度入射の場合、入射角度が該干渉膜フィルタの法線からずれる程、透過域は、短波長側にシフトする。したがって、部品の位置関係が少し傾いただけで、透過率特性が異なることになる。

これに対して、図２７で示す構成において、色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａとして干渉膜フィルタを搭載した場合では、測定プローブは、図３１で示すようになる。ここで、拡散板１９への入射位置は、被測定物の指向性に依存し、たとえば被測定面から上方向に放射する光（破線）は、拡散板のｐ１の位置に集まり、被測定面から下方向に放射する光（一点鎖線）は、拡散板のｐ２の位置に集まる。そして、拡散板の一方端付近ｐ１の位置から各色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａへ入射する角度、および、拡散板の他方端付近ｐ２の位置から各色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａへ入射する角度は、拡散板１９のサイズ、拡散板１９と色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａとの距離Ｄ、拡散板１９と色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａとの軸距離ｄによって決定される。

したがって、色フィルタ１３ａの場合、前記ｐ１の位置からの光束は、入射角が０度に近い状態で入射し、前記ｐ２の位置からの光束は、大きな角度で入射することになる。このため、この色フィルタ１３ａを通過し、受光センサ１３ｂで受光したデータは、被測定物からの上向き（破線）の指向性情報と、下向き（一点鎖線）の指向性情報とでフィルタ透過率が異なる受光データとなるので、被測定物と測定器との回転方向によって受光データが変化することになる（回転誤差）。

（実施形態１）
次に、実施の一形態について以下に説明する。図１は、実施の第１の形態に係る測定プローブ４０内の構成（測定用光学系）を示す図である。この測定プローブ４０は、前述の図２１で示す色彩輝度計の測定プローブ４や図２２で示す色彩計の測定プローブ４として用いられる。測定方法の一例として、前述の図２０と同様に、色彩輝度計は、液晶モニタ２の表示画面３に対向配置され、表示画面３からの光を測定する測定プローブ４０、および、測定プローブ４０の出力に基づいて色彩輝度を求める計測器本体５を備えて構成される。また、測定方法の他の一例として、色彩計は、被測定物へ測定光を照射する測定光照射部、被測定物で反射した前記測定光の反射光を測定する測定プローブ４０、および、測定プローブ４０の出力に基づいて色彩を求める計測器本体を備えて構成される。この測定プローブ４０の概略のブロック構成は、この測定プローブ４０において、図２７で示す測定プローブ４”に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示している。

すなわち、この測定プローブ４０は、被測定物からの光を受光する対物光学系１１と、分岐および拡散光学系として、対物光学系１１から出射された出射光を散乱して出射させる第１の拡散部材としての拡散板１９と、拡散板１９の出射端側に並設され、拡散板１９で散乱された出射光を検出する複数の測色光学系１３、１４、１５とを備えている。対物光学系１１には、正の光学的パワー（屈折力、焦点距離の逆数）を持つ両凸レンズ１１ａが用いられるとともに、凸レンズ１１ａの後側焦点位置に開口絞り１１ｂが配されている。そして、前述のように表示画面３の法線に対して半角でα、例えば前述の±２．５度以内の成分を取込むために、対物光学系１１は、前側テレセントリックな光学配置になっている。

ここで、この測定プローブ４０では、測色光学系１３，１４，１５において、色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａとして干渉膜フィルタを用いるために、拡散板１９を第１の拡散板として、この第１の拡散板１９とこの干渉膜フィルタとの間に、第２の拡散部材としての第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃが介在されるとともに、前記干渉膜フィルタの透過率特性が所定の特性に調製されている。すなわち、測色光学系１３、１４、１５は、それぞれ、被測定面から順に、第１の拡散板１９から出射される出射光が入射され、該出射光を散乱して出射させる第２の拡散板１３Ｃ、１４Ｃ、１５Ｃと、第２の拡散板１３Ｃ、１４Ｃ、１５Ｃから出射される出射光が入射され、色フィルタとしての、前記出射光を所定の透過率特性で透過させる干渉膜フィルタ１３Ａ、１４Ａ、１５Ａと、干渉膜フィルタ１３Ａ、１４Ａ、１５Ａから出射される出射光が入射され、前記出射光の強度を検出する受光センサ１３Ｂ、１４Ｂ、１５Ｂとを備えている。

ここで、第１の拡散板１９がない場合、図２で示すように、色フィルタ１３Ａには、前述のように被測定物から上向きに放射する光（破線）のみが入射してしまう。このため、本実施形態の測定プローブ４０は、先ず、図２７と同様に、或る程度以上の拡散性を有する第１の拡散板１９を利用し、適宜間隔を隔てて測色光学系１３，１４，１５を配置することで、被測定物の特徴を、該第１の拡散板１９で均一化（ミキシング）し、拡散透過させる。次に、本実施形態の測定プローブ４０は、干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）と同軸上に第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃを配置し、該第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃを通過させることで、図３において、参照符号２０で示すように、光束の持つ情報を均一化させ、干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）に入射させる。

第１および第２の拡散板１９；１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃは、例えば、ガラスや石英をすりガラス状にしたもの、ガラスに微粒子を混ぜたもの、プラスチック樹脂（白色のアクリル板など）、樹脂シート（半透明のシリコン樹脂シートなど）を用いることができる。

ここで、前記干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）への入射角度は、後述の吸光の遮光部材２１が設けられている場合、第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃと該干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）との距離、およびそのサイズによって決定される。サイズが一定の場合、距離が近い程、干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）への入射角度が広くなる。たとえば図４で示すように、第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃの有効径＝φ４ｍｍ、干渉膜フィルタの有効径＝φ３ｍｍ、第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃと干渉膜フィルタとの距離＝５ｍｍである場合、干渉膜フィルタへの入射角度は、ｔａｎ^−１（（２＋１．５）／５）＝３５度（半角）となる。そして、前記干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）への入射角の強度分布は、第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃの特性と、拡散板と該干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）との距離によって決定される。

上述のように構成される測定光学系において、干渉膜フィルタの入射角と透過率との関係は、前述の図３０で示す通りである（Ｙフィルタの例）。これに対応して、本実施形態では、前述の第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃと干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）との距離およびサイズならびに第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃの特性などに基づき変化する干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）への入射光束の実際の強度分布が、たとえば図５で示すような測定や、シミュレーションなどによって求められる。図５では、第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃからの放射光束の強度が、輝度計３０を該第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃの中心から同一半径上で移動させて、あらゆる立体角（コーンアングル）で測定されている。

なお、第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃ、干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）、受光センサ１３Ｂ，１４Ｂ，１５Ｂのそれぞれの組を、相互に区画して、不要な出入射光を発生しないようにする前記の遮光部材２１が設けられおり、この干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）への入射光束の強度分布の測定時には、その遮光部材２１は、干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）の位置で切断されている。

一方、シミュレーションの場合には、先ず、干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）への入射角度は、第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃの拡散特性のカタログ値などで決定される。そして、構成される光学部品の個々の条件や特性から、レンズシミュレーションソフトウエアなどを用いて、フィルタ面での入射光束の強度分布が算出される。たとえば、第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃのからの出射条件は、前述の拡散特性のカタログ値の条件で出射することとし、光線追跡シミュレーションが行われる。

図６には、こうして求められた干渉膜フィルタへの入射光束の強度分布の一例を示す。この図６の例では、前記の輝度計３０を、所定範囲の円弧上を移動させた場合（１次元）における強度の変化が示されている。この図６で示すような相対強度（立体角で考えた相対強度：いわゆる「コーンアングルでの透過率」）を、前述の図３０で示すような干渉膜フィルタの各々の入射角度での透過率と掛け算することで、入射角度の強度分布を考慮したフィルタ透過率が演算される。その結果は、たとえば図７において、参照符号β１（破線）で示す曲線となる。

そして、最終的に測定器で得られる受光感度は、このようなフィルタ透過率に加え、光学系（レンズや、光ファイバ等）の透過率、受光センサの受光感度、受光センサ面等での反射特性などの特性を加味したのものとなる。本実施形態では、最終的に得られる受光感度が、図７において参照符号β２（実線）で示すような所望の（ＣＩＥで規定される）等色関数に近似したものとなるように、前記干渉膜フィルタは、調製される。

ここで、前記干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）への入射角度の拡がり条件について説明する。部品誤差などによって、該干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）が傾いて取付けられると、該干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）への入射角度に対する強度分布が設計値からずれ、それに伴って、得られるフィルタ透過率が異なり、したがってセンサ受光感度分布が異なることになる。このようにフィルタが傾いて取付けられた場合における透過率変化の影響は、強度分布が狭い程、影響が大きいので、フィルタへの入射角度の強度分布は、或る程度以上の広がりを持っていることが望ましい。

このため、図８には、入射角度の分布と、フィルタが傾いた場合の影響とが示されている。図８（ａ）は、入射角度が半角で７．５度の場合における設計値の強度分布（実線）と、フィルタが１度傾いた場合の強度分布（破線）とを示すグラフであり、図８（ｂ）は、入射角度が半角で１７．５度の場合における設計値の強度分布（実線）と、フィルタが１度傾いた場合の強度分布（破線）とを示すグラフである。ここで言う入射角度７．５度（半角）とは、入射角度の強度分布のピーク（通常は０度がピークとなることが多い）に対し、おおよそ５％となる角度のことである。

そして、これら図８（ａ）および図８（ｂ）で示す入射角度分布の光学系に、前述の図３１で示す干渉膜フィルタを設置した場合の透過率分布が、それぞれ図９（ａ）および図９（ｂ）に示されている。これらの図９（ａ）および図９（ｂ）において、前記設計値に対する傾いた値のずれ量は、強調して示している。図９（ａ）と図９（ｂ）とを比較して明らかなように、入射角度の強度分布の広い方が、フィルタの傾きに対する誤差が小さくなっている。このようなフィルタ入射角度の大きさと、誤差（設計値からの差分）との関係をグラフ化すると、図１０で示す曲線となる。この図１０から、フィルタが１度傾いた場合に、入射角度の拡がり角を１５度（半角）以上に設定しておくことで、誤差量を２．５％以下に抑えることができる。したがって、実使用でのフィルタ傾きに対する誤差感度を考えると、干渉膜フィルタへの入射角度の拡がりは、１５度（半角）以上が望ましい。

以上のように、本実施形態の測定プローブ４０は、色彩輝度計や色彩計などに用いられ、光源から放射される光束や被測定物の反射光束を対物光学系１１で受光し、第１の拡散板１９を通過させて分岐および拡散させた後に、干渉膜フィルタから成る色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａを透過させて、前記光束の強度（輝度または照度値）を求める受光センサ１３Ｂ，１４Ｂ，１５Ｂに入射させる。これによって、吸収式の色フィルタによる問題を解消するために、前記第１の拡散板１９と色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａとの間に、第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃが介在されるとともに、前記干渉膜フィルタの透過率特性が調製される。

したがって、光束が第１の拡散板１９のどの位置から入射するかに拘わらず、すなわち被測定物の位置情報や角度情報に拘わらず、第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃの出射面から、所定の配光分布を持って、かつ均一化された光束が出射するようになり、測定プローブ４０は、安定した受光感度データが得られるようになる。そのため、前記干渉膜フィルタの透過率特性を、前記所定の配光分布を持った光束が入射した際に、透過光束が、受光センサ１３Ｂ，１４Ｂ，１５Ｂの測定パラメータに対応した透過率特性となるように設定することで、配光分布は、広くなるけれども、配光分布は、均一化され、その代わりに、その配光分布に干渉膜フィルタの透過率特性が合わせられる。

これによって、本実施形態の測定プローブ４０は、任意の透過率特性を設定でき、かつ光量のロスも少なく、安定性が高いという干渉膜フィルタの長所を生かしつつ、入射角度による透過率特性のズレが大きいという該干渉膜フィルタの短所を補うことができる。

なお、上述の実施形態において、前記第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃは、図１１で示す第２の拡散板Ｃのように、第１の拡散板１９と同様に１枚で構成されていてもよい。この場合において、前記遮光部材２１によって、以降の干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）および受光センサ１３Ｂ，１４Ｂ，１５Ｂ間が相互に遮光されるとともに、それらの光路が保持される。

また、上述の実施形態において、図１２の色フィルタＡＣで示すように、共通のガラス基板ＡＣ１の入射面側を粗面に形成することで第２の拡散板ＡＣ２が構成され、出射面側に干渉膜フィルタＡＣ３を成膜することで、それらの第２の拡散板ＡＣ２および干渉膜フィルタＡＣ３は、１枚の共通のガラス基板ＡＣ１上に形成される。この場合の測定プローブ４１内の構成は、図１３で示すようになる。すなわち、測色光学系１３１，１４１，１５１において、前述の干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）および第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃが、干渉膜フィルタ１３ＡＣ，１４ＡＣ，１５ＡＣで共用されている。

（実施形態２）
図１４は、実施の第２の形態に係る測定プローブ４２内の構成（測定用光学系）を示す図である。この測定プローブ４２は、前述の図１で示す測定プローブ４０に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。本実施形態の測定プローブ４２では、測色光学系１３２，１４２，１５２には、第２の拡散部材として、第１実施形態の第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃに代えて、単線ファイバ１３Ｆ，１４Ｆ，１５Ｆが設けられている。

ここで、光ファイバは、コアとクラッドとの屈折率差を利用して、理想的には、図１５で示すように、入射光を全反射させて光を導光させる。しかしながら、実際には、屈折率の局部的な差（脈利）やファイバ径の局部的な違い（太い、細い）、或いはファイバの屈曲による反射面の湾曲や材料（屈折率）の歪みなどによって、出射位置や出射角度がランダムになってしまい、入射光は、このような理想的な形では伝送されず、出射光は、均一化（出射位置、出射角度がランダム）される。すなわち、或る程度長い光ファイバの場合、該光ファイバへの入射光の特徴に依存せず、出射光は、均一化され、かつ常に安定した出射角度条件で出射されることになる（拡散板と同様の効果がある。拡散板よりも光量が多く得られる）。本実施形態の測定プローブ４２では、このような光ファイバの特性が利用される。

図１６には、本件発明者の実験結果が示されている。図１６は、光ファイバの出射角度の実測データを示すグラフである。この実験では、図１７で示すように、光ファイバに概ね平行な光（±２度以下の光束）が入射され、出射端に臨ませた図略の輝度計によって、前述の図５と同様に、ファイバ軸心からの角度（コーンアングル）を変化させて、ピーク強度（概ね０°位置になる）を１として、各角度での相対強度が測定された。ファイバは、１箇所で９０°屈曲されている。また、ファイバは、プラスチックファイバ（ＮＡ＝０．５、φ＝１ｍｍ）であって、その長さは、３０ｍｍ（×）、５０ｍｍ（▲）、１００ｍｍ（■）および３００ｍｍ（◆）のそれぞれに変化させた。

前記平行光を入射した場合に、この図１６から、ファイバ長さ５０ｍｍでは、実効的な開口角（ピークの５％強度の幅）は、±３５°程度であり、この５０ｍｍ以上にしても開口角の変化は、殆どなく、安定している。一方、ファイバの長さが３０ｍｍでは、出射光の強度分布が狭くなり、ミキシング（均一化）の程度が低い。しかしながら、これらの実験データは、平行光を入射した場合の結果であり、実際の光学系では、ファイバへの入射光が角度を持っているので、この実験条件（平行光入射）は、最も厳しい条件での実験データである。

したがって、実際の光学系においては、平行光束ではなく、ある程度角度を持った光束が入射するので、単線ファイバ１３Ｆ，１４Ｆ，１５Ｆは、３０ｍｍ以上の長さを有していれば、充分均等にミキシング可能である。そして、入射光と出射光およびファイバ長さの関係は、ファイバ中を導光する際に、コア・クラッド間の反射回数に依存する。したがって、この実験データでは、φ＝１ｍｍで必要なファイバ長さが３０ｍｍであるので、ファイバ長さは、ファイバ径の３０倍以上が望ましい。このような長さの光ファイバを利用することで、出射角度が均一化（出射角度に固有の情報を持たない）されるとともに、常に安定した出射角度条件が得られる。

次に、光ファイバの開口率ＮＡについて、ファイバ長さが長い場合には、前述のようにファイバからの出射角≒ファイバのＮＡ条件となるので、ファイバＮＡ＞０．２６（＝ｓｉｎ１５度）が望ましい。この単線ファイバ１３Ｆ，１４Ｆ，１５Ｆから干渉膜フィルタ（色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ）への入射光束の実際の強度分布も、前述の図５と同様の図１８で示すような測定や、シミュレーションなどによって求めればよい。シミュレーションの場合、ファイバの出射条件は、ファイバ固有のＮＡ条件で出射するものとする。

このように単線ファイバ１３Ｆ，１４Ｆ，１５Ｆを用いることで、本実施形態の測定プローブ４２は、第２の拡散板１３Ｃ、１４Ｃ、１５Ｃを用いる場合に比べて、光量ロスを極めて小さく抑えることもできる。

（実施形態３）
図１９は、実施の第３の形態に係る測定プローブ４３内の構成（測定用光学系）を示す図である。この測定プローブ４３は、前述の図１で示す測定プローブ４０に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。本実施形態の測定プローブ４３では、第１の拡散板１９１が、前記第２の拡散板１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃ側を覆うドーム状に形成されている。このように、第１の拡散部材にも、他の構成が用いられてもよい。

本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。

一態様にかかる測定用光学系は、被測定物からの光束が入射される第１の拡散部材と、前記第１の拡散部材の出射端側に複数組並設され、前記第１の拡散部材で散乱された出射光が入射され、その入射光を相互に異なる所定の透過率特性で透過させて、前記光束の強度を求めるセンサにそれぞれ入射させる干渉膜フィルタとを備えて構成される測定用光学系であって、前記干渉膜フィルタの前に配置される第２の拡散部材をさらに含み、前記干渉膜フィルタは、前記第２の拡散部材から該干渉膜フィルタに入射される入射光の入射角度に対する強度分布の条件に応じ、測定パラメータに対応した透過率特性が得られるように形成される。

上記構成の測定用光学系は、例えば、色彩輝度計や色彩計などに用いられる。この測定用光学系では、前記色彩輝度計の場合には液晶モニタやランプなどの光源から放射される光束が、あるいは、前記色彩計の場合には所定の照明光源からの照射光による被測定物の反射光束が、前記第１の拡散部材で散乱された後に、複数の干渉膜フィルタに入射され、これら互いに異なる所定の透過率特性を持つ前記複数の干渉膜フィルタのそれぞれを通して、前記光束の強度（輝度または照度値）を求めるセンサに入射される。これによって、この測定用光学系は、吸収式の色フィルタによる問題の解消を図っている。そして、この測定用光学系では、前記複数の干渉膜フィルタのそれぞれの前に複数の第２の拡散部材がそれぞれ介在されるとともに、前記複数の干渉膜フィルタにおける各透過率特性が調製される。

より具体的には、先ず、第２の拡散部材を介在することで、前記光束が第１の拡散部材のどの位置から入射するかに拘わらず、該第２の拡散部材の出射面から、所定の配光分布を持って、かつ均一化された光束が出射される。すなわち、前記光束は、被測定物の位置情報や、角度情報を均一化した上で、干渉膜フィルタに入射される。そして、次に、前記干渉膜フィルタの透過率特性は、前記第２の拡散部材の出射面からの所定の配光分布を持った光束が入射した際に、透過光束が、センサの測定パラメータに対応した透過率特性となるように設定される。すなわち、従来では、干渉膜フィルタへの入射角度による透過率特性のズレを抑えるために、該干渉膜フィルタへの入射光束ができるだけ平行に（配光分布が狭く）なるように工夫されてきたのに対して、上記構成では、第２の拡散部材によって干渉膜フィルタへの入射光束の配光分布は、広くなるけれども、配光分布に均一性を持たせ、その代わりに、その配光分布に干渉膜フィルタの透過率特性が合わせられる。

したがって、このような構成の測定用光学系は、任意の透過率特性を設定でき、かつ光量のロスも少なく、安定性が高いという干渉膜フィルタの長所を生かしつつ、入射角度による透過率特性のズレが大きいという該干渉膜フィルタの短所を補うことができる。

また、他の一態様では、上述の測定用光学系において、前記第１の拡散部材は、拡散板であり、前記第２の拡散部材も、拡散板である。

上記構成の測定用光学系は、或る程度の間隔を開けて第１および第２の拡散板を配置することで、上述のように干渉膜フィルタへの入射光束に均一性を持たせることができる。

好ましくは、前記第１および第２の拡散板を、それぞれ１枚で構成する。

また、他の一態様では、上述の測定用光学系において、前記第２の拡散部材である拡散板は、共通のガラス基板の入射面側を粗面に形成することで実現され、前記干渉膜フィルタは、前記共通のガラス基板の出射面側に成膜される。

上記構成によれば、測定用光学系は、前記第２の拡散板および干渉膜フィルタを１枚の基板上に形成することができる。

また、他の一態様では、上述の測定用光学系において、前記第１の拡散部材は、拡散板であり、前記第２の拡散部材は、単線ファイバである。

上記構成によれば、或る程度の長さ、より具体的にはコア径の３０倍以上の長さを有する光ファイバによって、その入射配光の影響が緩和される。すなわち、或る程度の長さを有する単線ファイバは、出射位置や出射角度がランダムになって拡散板と同様の拡散効果を得ることができる。そして、単線ファイバは、さらに、出射角度の分布をファイバ固有のＮＡ条件で出射させることができ、また、拡散板に比べて光量の減少を小さくすることもできる。

また、他の一態様では、これら上述の測定用光学系において、好ましくは、前記第１の拡散部材である拡散板は、前記第２の拡散部材側を覆うドーム状に形成される。

また、他の一態様にかかる色彩輝度計および色彩計は、これら上述のいずれかの測定用光学系を用いる。

したがって、このような構成の色彩輝度計および色彩計は、干渉膜フィルタを用いた高精度な色彩輝度計および色彩計を実現することができる。

この出願は、２０１０年４月２３日に出願された日本国特許出願特願２０１０−９９８３０を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

本発明によれば、測定用光学系ならびにそれを用いた色彩輝度計および色彩計を提供することができる。

Claims (8)

1. 被測定物からの光束が入射される第１の拡散部材と、
   前記第１の拡散部材の出射端側に並設され、前記第１の拡散部材からの出射光を検出する複数の測色光学系とを備え、
   前記複数の測色光学系のそれぞれは、
   前記第１の拡散部材から間隔を隔てて配置され、前記第１の拡散部材からの出射光が入射される第２の拡散部材と、
   前記第２の拡散部材からの出射光が入射され、前記出射光を所定の透過率特性で透過させる干渉膜フィルタと、
   前記干渉膜フィルタからの出射光が入射され、前記出射光の強度を検出する受光センサとを備え、
   前記被測定物からの光束を、前記第１の拡散部材で拡散透過させた次に、前記第２の拡散部材に透過させるものであり、
   前記干渉膜フィルタは、該干渉膜フィルタへの入射光の入射角度に対する強度分布の条件に応じ、測定パラメータに対応した透過率特性が得られるように形成され、
   前記測定パラメータは、予め測定した前記干渉膜フィルタへの入射光束の強度分布であり、
   前記透過率特性は、前記測定パラメータに前記干渉膜フィルタの各々の入射角度での透過率を掛け算することで演算されたものであること
   を特徴とする測定用光学系。
2. 前記第１の拡散部材は、拡散板であり、前記第２の拡散部材も、拡散板であること
   を特徴とする請求項１に記載の測定用光学系。
3. 前記第２の拡散部材は、前記複数の測色光学系に対して、共通に設けられる１枚の拡散板であること
   を特徴とする請求項２に記載の測定用光学系。
4. 前記第２の拡散部材は、入射面側を粗面に形成した共通のガラス基板から成る拡散板であり、
   前記複数の測色光学系における前記複数の干渉膜フィルタのそれぞれは、前記共通のガラス基板の出射面側に成膜されること
   を特徴とする請求項３に記載の測定用光学系。
5. 前記第１の拡散部材は、拡散板であり、前記第２の拡散部材は、単線ファイバであること
   を特徴とする請求項１に記載の測定用光学系。
6. 前記第１の拡散部材は、前記第２の拡散部材側を覆うドーム状に形成された拡散板であること
   を特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の測定用光学系。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の測定用光学系を用いることを特徴とする色彩輝度計。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の測定用光学系を用いることを特徴とする色彩計。

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