JP5701837B2 - 変位センサ、変位測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、分光器を利用した変位センサ、この変位センサを適用した分光特性測定装置、色測定装置、面状測定対象物品質監視装置、変位測定方法、分光特性測定方法および色測定方法に関する。
抄紙工程やフイルム製造工程等では品質管理のため製造物の色を監視する必要がある。このために分光器を利用した色測定装置が一般に用いられている。図１２は、分光器を利用した色測定装置が搭載された面状測定対象物品質監視装置の外観を示す図であり、ここでは紙の色を測定して品質を監視する場合について説明する。
面状測定対象物品質監視装置６００は、フレーム６１０を備えており、フレーム６１０の内側を、測定対象物であるシート状の紙５００が、図示しないローラー等により矢印Ａ方向に移動する。フレーム６１０の上側ビームには、紙５００を表面側から監視する上部走査ヘッド６２０が移動可能に取り付けられており、フレーム６１０の下側ビームには、紙５００を裏面側から監視する下部走査ヘッド６３０が移動可能に取り付けられている。上部走査ヘッド６２０と下部走査ヘッド６３０とは、同期して紙移動方向に直交する方向を往復移動し、同じ領域を表面と裏面から監視するようになっている。
色測定装置は、例えば、上部走査ヘッド６２０に搭載される。色測定装置の測定点は、紙５００の搬送と、上部走査ヘッド６２０の移動により、Ｗ字状ライン５０１に示すような軌跡を描くことになる。
図１３は、分光器を利用した色測定装置の構造を示す図である。本図に示すように、色測定装置３０は、回転対称に形成された樽型ミラー３００を備えている。樽型ミラー３００の、測定対象物である紙５００と対面する部分には測定窓４４０が設置されており、ゴミや汚れが内部に入り込むのを防いでいる。キセノンランプ４１０で発光した光は、ＵＶフィルタ４２０を介して、樽型ミラー３００に入射するようになっている。
測定対象物の配向特性の影響を受けないで、安定した測定結果を得るためには、照射光は紙５００の測定領域Ｍの垂線に対して回転対称であることが重要である。このため、光源であるキセノンランプ４１０と測定領域Ｍは、樽型ミラー３００の回転軸上に配置される。
測定領域Ｍからの反射光は、樽型ミラー３００の回転軸上に設置されたミラー４５０で反射され、集光レンズ３１０を介して光ファイバ３２０に入射する。光ファイバ３２０に導かれた反射光は、分光器３００本体に取り込まれ、入射スリット３３０により、光束が制限される。
その後、平行レンズ（入射側コリメータレンズ）３４０により平行光となり、回折器（回折格子、グレーティング）３５０に照射される。回折器３５０に照射された光は、波長に応じて異なった方向に反射する。この光を積分レンズ（出射側コリメータレンズ）３６０で集光すると、波長毎に異なった位置で結像する。
線状に並んだ複数個の光電変換素子で構成されたラインディテクタ３７０が結像位置に配置されており、各位置での光の強度を検出する。位置は波長に対応しているため、ラインディテクタ３７０の検出結果に基づいて反射光の波長毎の強度分布である分光分布を取得することができる。
演算部４００は、分光分布測定を制御するとともに、分光分布を電気信号に変換して色を数値的に処理する。
色を数値的に処理する際に、色の表現方法として［数１］で表わされる三刺激値が広く用いられている。
ここで、
ｋ：絶対値を規定する固定の係数
Ｓ（λ）：規格で決められた光源の分光分布
ｘ￣（λ）、ｙ￣（λ）、ｚ￣（λ）：規格で決められた等色関数と呼ばれる分光感度（ただし、ｘ￣は、ｘバーを表わす。ｙ￣、ｚ￣についても同様である）
Ｒ（λ）：測定対象物の分光反射率
Δλ：計算時に用いる波長刻み幅
である。なお、λは可視光の波長範囲で変化し、［数１］では、可視光の波長範囲を４００ｎｍ〜７００ｎｍとしている。
［数１］において、測定対象物に応じて変化するのはＲ（λ）だけであるため、色を測定することは、すなわち測定対象物の分光反射率を測定することである。分光反射率は、測定で得られた分光分布に基づいて算出することができる。［数１］におけるその他のパラメータは、演算部４００内のメモリ等に記録しておき、必要に応じて読み出せばよい。
分光反射率は、照射光に対する反射光の波長毎の割合であるため、測定で得られた分光分布に基づいて分光反射率を算出する際には、測定領域Ｍの照射光の光量が基準となる。このため、あらかじめ標準白板等を利用して測定領域Ｍの照射光の光量を取得しておくようにする。
しかしながら、樽型ミラー３００は、測定対象物との光軸方向の距離により光量が変化するという特性を有している。このため、測定領域Ｍの照射光の光量を一定に保つためには、上部走査ヘッド６２０と紙５００との間の距離を一定にしておかなければならないが、一般に、上部走査ヘッド６２０が移動するビーム長は数ｍから１０ｍ以上もあり、水平位置を一定に保つのは困難である。また、ローラー等で搬送する紙５００の水平位置を一定に保つことも困難である。
そこで、正確な分光反射率測定を行なうために、例えば、あらかじめ基準位置からの変位と分光反射率変化との関係を調べておき、実際の分光反射率測定の際に、上部走査ヘッド６２０と紙５００との間の変位を測定し、測定された分光反射率を補正することが提案されている。
この場合、例えば、図１４に示すように、上部走査ヘッド６２０に色測定装置３０とコイル６２１とを搭載し、下部走査ヘッド６３０にエアベアリング６３１と軟磁性体６３２とを搭載する。測定対象物である紙５００は、エアベアリング６３１により下部走査ヘッド６３０からの距離が一定に保たれるようになっている。また、電磁誘導の原理を利用してコイル６２１と軟磁性体６３２との距離を測定することができるため、上部走査ヘッド６２０と下部走査ヘッド６３０との距離が求められる。これにより、上部走査ヘッド６２０と紙５００との距離が算出され、基準位置からの変位を得ることができるため、分光反射率を補正することができる。
あるいは、距離により光量が変化する樽型ミラー４３０に代えて、円筒ミラーあるいは筒状多面体鏡を用いることで、距離変動に対する光量変化を小さくすることも提案されている。
特開２０１０−２８１８０８号公報 米国特許５４５７５３９号明細書
しかしながら、前者の方式では、コイル６２１、エアベアリング６３１、軟磁性体６３２といった分光反射率測定と直接的には関係のない新たな部品が必要となるため、装置の大型化、高価格化を招くことになる。また、後者の方式も大きな距離変動に対して光量変化を小さくするのには大型のミラーが必要になるため装置の大型化、高価格化を招くことになる。
このため、従来の色測定装置３０が本来的に備えている分光器３００を用いて変位を検出する変位センサを構成することができれば、装置の大型化、高価格化を招くことなく、高精度の分光反射率測定を行なうことができるようになり、好都合である。
そこで、本発明は、分光器を用いて変位センサを構成することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様である変位センサは、面状測定対象物の測定領域の変位を測定する変位センサであって、出射方向によって波長が変わる光を、前記測定領域を含む面に対して斜め方向に照射する光源ユニットと、前記測定領域における反射光の分光分布を測定する分光器と、前記分光分布の特徴量を抽出する特徴量抽出部と、前記抽出した特徴量と、あらかじめ取得した特徴量と変位との関係に基づいて、前記測定領域の変位を算出する変位算出部とを備えたことを特徴とする。
ここで、前記光源ユニットは、誘電体多層膜を用いた光学素子に対して斜めに光を入射することで、出射方向によって波長が変わる光を生成することができる。
また、前記特徴量抽出部は、前記分光分布のピーク波長を特徴量とすることができる。
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様である分光特性測定装置は、面状測定対象物の測定領域に光を照射する第１光源ユニットと、前記測定領域における反射光の分光分布を測定する分光器とを備え、前記第１光源ユニットに係る反射光の分光分布に基づいて分光特性を測定する分光特性測定装置であって、出射方向によって波長が変わる光を、前記測定領域を含む面に対して斜め方向に照射する第２光源ユニットと、前記第２光源ユニットに係る反射光の分光分布の特徴量を抽出する特徴量抽出部と、前記抽出した特徴量と、あらかじめ取得した特徴量と分光特性との関係に基づいて、前記分光特性を補正する分光特性補正部とを備えたことを特徴とする。
ここで、前記第２光源ユニットは、誘電体多層膜を用いた光学素子に対して斜めに光を入射することで、出射方向によって波長が変わる光を生成することができる。
また、前記第１光源ユニットが出射する波長範囲と、前記第２光源ユニットが出射する波長範囲とが重ならないようにしてもよい。
上記課題を解決するため、本発明の第３の態様である色測定装置は、面状測定対象物の測定領域に光を照射する第１光源ユニットと、前記測定領域における反射光の分光分布を測定する分光器とを備え、前記第１光源ユニットに係る反射光の分光分布に基づいて分光反射率を算出し、前記測定領域の色を測定する色測定装置であって、出射方向によって波長が変わる光を、前記測定領域を含む面に対して斜め方向に照射する第２光源ユニットと、前記第２光源ユニットに係る反射光の分光分布の特徴量を抽出する特徴量抽出部と、前記抽出した特徴量と、あらかじめ取得した特徴量と分光反射率との関係に基づいて、前記分光反射率を補正する分光反射率補正部とを備えたことを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第４の態様である変位センサは、面状測定対象物の測定領域の変位を測定する変位センサであって、波長および光軸の異なる光源を複数個含み、前記測定領域を含む面に対して斜め方向に照射する光源ユニットと、前記測定領域における反射光の分光分布を測定する分光器と、前記分光分布の特徴量を抽出する特徴量抽出部と、前記抽出した特徴量と、あらかじめ取得した特徴量と変位との関係に基づいて、前記測定領域の変位を算出する変位算出部とを備えたことを特徴とする。
ここで、前記特徴量抽出部は、それぞれの光源の波長の強度比を特徴量とすることができる。
上記課題を解決するため、本発明の第５の態様である分光特性測定装置は、面状測定対象物の測定領域に光を照射する第１光源ユニットと、前記測定領域における反射光の分光分布を測定する分光器とを備え、前記第１光源ユニットに係る反射光の分光分布に基づいて分光特性を測定する分光特性測定装置であって、波長および光軸の異なる光源を複数個含み、前記測定領域を含む面に対して斜め方向に照射する第２光源ユニットと、前記第２光源ユニットに係る反射光の分光分布の特徴量を抽出する特徴量抽出部と、前記抽出した特徴量と、あらかじめ取得した特徴量と分光特性との関係に基づいて、前記分光特性を補正する分光特性補正部とを備えたことを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第６の態様である色測定装置は、面状測定対象物の測定領域に光を照射する第１光源ユニットと、前記測定領域における反射光の分光分布を測定する分光器と、前記第１光源ユニットに係る反射光の分光分布に基づいて分光反射率を算出し、前記測定領域の色を測定する色測定装置であって、波長および光軸の異なる光源を複数個含み、前記測定領域を含む面に対して斜め方向に照射する第２光源ユニットと、前記第２光源ユニットに係る反射光の分光分布の特徴量を抽出する特徴量抽出部と、前記抽出した特徴量と、あらかじめ取得した特徴量と分光反射率との関係に基づいて、前記分光反射率を補正する分光反射率補正部とを備えたことを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第７の態様である面状測定対象物品質監視装置は、上述の色測定装置を走査ヘッドに搭載したことを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第８の態様である変位測定方法は、面状測定対象物の測定領域の変位を測定する変位測定方法であって、出射方向によって波長が変わる光を、前記測定領域を含む面に対して斜め方向に照射し、前記測定領域における反射光の分光分布を測定し、前記分光分布の特徴量を抽出し、前記抽出した特徴量と、あらかじめ取得した特徴量と変位との関係に基づいて、前記測定領域の変位を算出することを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第９の態様である分光特性測定方法は、面状測定対象物の測定領域に第１光を照射し、前記測定領域における前記第１光の反射光の分光分布に基づいて分光特性を測定する分光特性測定方法であって、出射方向によって波長が変わる第２光を、前記測定領域を含む面に対して斜め方向に照射し、前記測定領域における前記第２光の反射光の分光分布の特徴量を抽出し、前記抽出した特徴量と、あらかじめ取得した特徴量と分光特性との関係に基づいて、前記分光特性を補正することを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１０の態様である色測定方法は、面状測定対象物の測定領域に第１光を照射し、前記測定領域における前記第１光の反射光の分光分布に基づいて分光反射率を算出し、前記測定領域の色を測定する色測定方法であって、出射方向によって波長が変わる第２光を、前記測定領域を含む面に対して斜め方向に照射し、前記測定領域における前記第２光の反射光の分光分布の特徴量を抽出し、前記抽出した特徴量と、あらかじめ取得した特徴量と分光反射率との関係に基づいて、前記分光反射率を補正することを特徴とする。
本発明によれば、分光器を用いて変位センサを構成することができる。
本実施形態に係る分光器を利用した変位センサを説明する図である。 入射角度によって透過する光の波長が異なる特性を示す図である。 変位毎の分光分布と特徴量とを示す図である。 本実施形態に係る色測定装置の構成を示す図である。 補正関数作成処理の手順を説明するフローチャートである。 分光分布の特徴量を説明する図である。 距離の変化と特徴量の変化を説明する図である。 波長指標と光量指標との対応関係をプロットして得られた図である。 測定時の分光分布の補正手順を説明するフローチャートである。 分光器を利用した変位センサの変形例を説明する図である。 変位毎の分光分布と特徴量とを示す図である。 分光器を利用した色測定装置が搭載された面状測定対象物品質監視装置の外観を示す図である。 分光器を利用した色測定装置の構造を示す図である。 色測定装置とコイルを搭載した上部走査ヘッドと、エアベアリングと軟磁性体とを搭載した下部走査ヘッドとを示す図である。
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る変位センサを説明する図である。本図に示すように、変位センサ１０は、分光器を利用して測定対象物の変位を測定する装置であり、演算部１００、光源ユニット２００、分光器３００を備えている。
本例では、測定対象物として紙５００を用いた場合について説明するが、本実施形態に係る変位センサ１０は、フイルムその他の面状の対象物の変位測定に適している。面状であれば、連続物に限られず、製品の一部分、小片の変位測定に適用することができる。
また、変位センサ１０は、面状の測定対象物における所望の大きさの領域を変位測定の対象とし、この領域を測定領域Ｍと称するものとする。レーザ測定のようなピンポイント的な１点ではなく、ある程度の大きさを持った領域を測定対象とするため、変位センサ１０は、所望領域の平均的な変位を測定する用途に向いている。また、レーザ測定ではいわゆる潜り込みが発生して正確な測定が行なえない紙等の変位測定を精度よく行なうことができる。
分光器３００は、従来と同様の構成である。すなわち、入射スリット３３０、平行レンズ３４０、回折器３５０、積分レンズ３６０、ラインディテクタ３７０を本体に含み、光ファイバ３２０を介して集光レンズ３１０が接続される。もちろん、この構成に限られず、他の構成の分光器であってもよい。
光源ユニット２００は、光源２１０と光学素子２２０とを備えており、出射方向によって波長が変化する光を出射する。光源ユニット２００は、出射光が紙５００の測定領域Ｍを含む面を斜めに照射するように設置されている。
本例では、光源２１０として所定範囲の波長、例えば、８００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲の拡散光を放射する発光ダイオードを用いている。また、光学素子２２０として、誘電体多層膜を用いた光学フィルタ、例えば、バンドパスフィルタを用いており、光学フィルタに発光ダイオードの出射光が斜めに入射するように構成されている。
誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、各層の界面で生じる反射が干渉することで光の透過特性が変わることを利用しているため、斜めに光を入射すると入射角度によって透過する光の波長が異なるという特性を示す。中でも誘電体多層膜を用いたバンドパスフィルタは、光を垂直に入射させると特定の波長のみが透過するようになっているが、本実施形態では、出射方向によって波長が変化する光を生成するため、意図的に斜めから光を入射させるようにしている。
図２は、入射角度によって透過する光の波長が異なる特性を説明するための図である。本図は、光の入射角を５５度、４５度、３５度としたときの光学フィルタの透過率を示した図である。本図から５５度入射では８１０ｎｍの光が透過しやすく、４５度入射では８４０ｎｍ、３５度入射では８７０ｎｍの光が透過しやすいことがわかる。
このような光学フィルタに、所定範囲の波長の光を斜めに照射することで、図１に示すように、出射方向によって波長が連続的に変化する光が光源ユニット２００から出射される。ここでは、図１において左から右方向に波長が長くなる分布であるものとする。
光源ユニット２００からの出射光は、紙５００の測定領域Ｍを含む面に斜めに照射されるため、紙５００の変位に応じて測定領域Ｍにおける反射光の分光分布が変化することになる。
例えば、光源ユニット２００からの距離が近い位置Ａにおいては、図３に示すように、波長の短い方の光の強度が強い分光分布となる。そして、位置Ｂ、位置Ｃと、光源ユニット２００からの距離が離れていくに従って、波長の長い方の光の強度が強い分光分布となっていく。
この分光分布は変位と対応するため、あらかじめ変位と分光分布との関係を対応付けておれば、分光器３００で測定領域Ｍの分光分布を測定し、得られた分光分布に基づいて紙５００の変位を測定することができる。
この処理を行なうため、演算部１００は、分光分布取得部１１０、特徴量抽出部１２０、変位算出部１３０を備えている。
分光分布取得部１１０は、分光器３００が測定した測定領域Ｍの分光分布を取得する。
特徴量抽出部１２０は、取得した分光分布から特徴量を取得する。本例では、図３に示すように、分光分布のピーク周波数を特徴量とする。ただし、特徴量は、ピーク周波数に限られない。例えば、分布範囲の中間波長や平均波長等としてもよい。なお、光源２１０の波長範囲を適切に設定することで、分光分布のピーク周波数が紙５００自身の色の影響を受けることを避けることができるが、別途測定した紙５００の色に応じて分光分布を補正するようにしてもよい。
変位算出部１３０には、あらかじめ取得した特徴値と変位との対応関係を格納しておく。対応関係は、関数形式であってもよいし、テーブル形式であってもよい。この対応関係に基づいて、特徴量抽出部１２０が抽出した特徴量から測定領域Ｍの変位を算出することができる。
なお、光源ユニット２００の光学素子２２０は、誘電体多層膜の光学フィルタとしたが、他の光学素子を用いて出射方向によって波長が変化する光を出射するようにしてもよい。例えば、回折格子（グレーティング）、所望の分散を有するガラスで作成したプリズムを用いてもよい。また、場所により透過波長の変化するフィルタを用いたり、色ガラスフィルタを用いるようにしてもよい。これらの光学素子は、角度により透過波長が変化するものである。要は、入射角度または入射位置によって透過波長または反射波長が変わるような光学素子であればどのようなものであってもよい。
以上説明したように、本実施形態によれば、分光器３００を用いて変位センサ１０を構成することができる。分光器３００を用いた変位センサ１０は、変位補正を行なうことにより測定精度が向上する測定装置に好適に使用することができ、例えば、色測定装置、白色度測定装置、光沢度測定装置、水分計、坪量計等に適用することができる。
次に、上記実施形態の変位センサ１０を、色測定装置に適用した実施形態について説明する。なお、本発明は、色測定装置に限られず、広く分光特性測定装置に適用することができる。本実施形態の色測定装置は、分光器を用いて測定した分光反射率を、分光器を利用した変位センサの測定結果を利用して補正する。そして、補正された分光反射率を用いて、色測定の演算を行なう。ただし、変位センサの測定結果を利用して分光分布を補正して、分光反射率を算出するようにしてもよい。
図４は、本実施形態に係る色測定装置の構成を示す図である。本図に示すように測定対象物である紙５００の測定領域Ｍの色を測定する色測定装置２０は、従来の色測定装置３０と同様に、分光器３００と樽型ミラー４３０および関連光学系とを備えており、さらに、樽型ミラー４３０の底部に光源ユニット２００を備えている。なお、測定対象物は、紙５００に限られず、面状であればフイルム等の連続物であってもよく、印刷物や塗装面の色測定に用いることもできる。
光源ユニット２００は、上述の変位センサ１０における光源ユニット２００と同様であり、出射方向によって波長が変わる光を、紙５００の測定領域Ｍを含む面に対して斜め方向に照射する。
従来の色測定装置３０と同様に、キセノンランプ４１０による測定領域Ｍからの反射光は、集光レンズ３１０を介して光ファイバ３２０に入射する。光ファイバ３２０に導かれた反射光は、分光器３００本体に取り込まれ、ラインディテクタ３７０により分光分布が検出される。ここで、キセノンランプ４１０の波長範囲は、例えば、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光とする。
また、光源ユニット２００による測定領域Ｍからの反射光も集光レンズ３１０を介して光ファイバ３２０に入射する。光ファイバ３２０に導かれた反射光は、分光器３００本体に取り込まれ、ラインディテクタ３７０により分光分布が検出される。ここで、光源ユニット２００の波長範囲は、例えば、８００ｎｍ〜９００ｎｍの赤外光とする。
すなわち、キセノンランプ４１０による色測定用の光の測定領域Ｍからの反射光、光源ユニット２００による変位測定用の光の測定領域Ｍからの反射光とも集光レンズ３１０で集光されて分光器３００本体に取り込めるため、１台の分光器３００で、同じ測定領域Ｍの波長範囲の異なる分光分布を同時に測定することができる。このため、分光器３００は、４００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲の測定を行なえるものを使用する。
本図に示すように、色測定装置２０は、演算部１５０を備えている。演算部１５０は、分光分布取得部１５１、分光反射率算出部１５２、特徴量抽出部１５３、補正係数作成部１５４、分光反射率補正部１５５、色演算部１５６を備えている。
分光分布取得部１５１は、分光器３００が測定した分光分布を取得する。分光分布は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの測定用分光分布と、８００ｎｍ〜９００ｎｍの変位測定用の分光分布とを含んでいる。８００ｎｍ〜９００ｎｍの変位測定用の分光分布は、測定用分光分布の補正に用いるため、以降では、補正用分光分布と称する。
分光反射率算出部１５２は、分光分布取得部１５１が取得した測定用分光分布から分光反射率を算出する。分光反射率は、あらかじめ基準点で標準白板を用いて測定した分光分布と標準白板の既知の分光反射率とを用いて算出することができる。
特徴量抽出部１５３は、補正用分光分布の特徴量を抽出する。図６に示すように、補正用分光分布の特徴量は、波長に対応した波長指標であり、例えば、ピーク周波数とすることができる。あるいはピーク付近の分光強度の近似式を求めて、その頂点の波長を波長指標としてもよい。
また、特徴量抽出部１５３は、補正係数作成時に測定用分光分布に基づく分光反射率の特徴量も抽出する。分光反射率の特徴量は、光量に対応した光量指標であり、例えば、測定用波長範囲内のピーク値とすることができる。あるいはピーク付近の分光反射率の近似式を求めて、その頂点を光量指標としたり、分光反射率の平均値を光量指標としてもよい。
補正係数作成部１５４は、測定された分光反射率を補正するための補正関数を作成し、補正関数に基づいて補正係数を算出し、測定された分光反射率を補正する。補正関数の作成は、実際の色測定に先立ち行なうようにする。補正関数の作成手順については後述する。
分光反射率補正部１５５は、実際の色測定において、測定された補正用分光分布に対応した補正係数を用いて分光反射率を補正する。これにより、紙５００の変位に応じた分光反射率の補正が行なわれる。
色演算部１５６は、補正された分光反射率を用いて測定領域Ｍの色演算を行ない、測定結果として出力する。
次に、分光反射率を補正する際に用いる補正関数の作成手順について図５のフローチャートを参照して説明する。本処理は、補正係数作成部１５４の制御により行なわれる。
まず、分光分布取得部１５１が、基準点において測定対象物の分光分布を取得する（Ｓ１０１）。測定対象物は、実際の測定に用いる紙５００でなくてもよい。基準点は、変位の基準点となり、基準点における分光反射率が補正係数の基準となる。
そして、基準点で取得した分光分布から特徴量抽出部１５３が特徴量を抽出する（Ｓ１０２）。具体的には、図６に示したように、４００ｎｍ〜７００ｎｍの測定用分光分布については、分光反射率を算出して光量指標を抽出し、８００ｎｍ〜９００ｎｍの補正用分光分については波長指標を抽出する。光量指標と波長指標の特徴量を抽出すると、波長指標と光量指標とを対応付けて保存する（Ｓ１０３）。
次に、測定対象物の光軸方向の位置を変更する（Ｓ１０４）。変更する距離は任意であり、変位量を取得する必要はない。そして、変更した位置で、分光分布取得部１５１が分光分布を取得し（Ｓ１０５）、取得した分光分布から特徴量抽出部１５３が特徴量を抽出する（Ｓ１０６）。ここでも、４００ｎｍ〜７００ｎｍの測定用分光分布については分光反射率から光量指標を抽出し、８００ｎｍ〜９００ｎｍの補正用分光分布については波長指標を抽出する。
測定対象物の光軸方向の位置が変化すると、図７に示すように、測定用分光分布については、分光反射率の値が変化し、補正用分光分布については波長が変化する。そして、分光反射率の値の変化と補正用分光分布の波長の変化は、いずれも変位量に対応するため、相関関係を有している。
光量指標と波長指標の特徴量を抽出すると、波長指標と光量指標とを対応付けて保存する（Ｓ１０７）。測定対象物の光軸方向の位置を変更し、分光分布を取得して特徴量を保存する処理（Ｓ１０４〜Ｓ１０７）は、所定回数繰り返し（Ｓ１０８）、所定回数を終了すると、補正係数作成部１５４が補正関数を算出する（Ｓ１０９）。
補正関数の算出は、例えば、基準点における波長指標と光量指標との対応を基準に、測定対象物の光軸方向の位置を変化させたときの波長指標と光量指標との対応関係をプロットし、多項式で近似することで得ることができる。
例えば、波長指標と光量指標との対応関係をプロットして、図８に示すような線が得られた場合、基準点の光量指標を１として、この線を多項式近似した関数を補正関数ｆ（波長指標）とする。補正関数ｆ（波長指標）を用いることで、波長指標に基づいて、変位による光量変化に基づく分光反射率の変動を補正することが可能となる。
実際の測定の際には、図９に示すフローチャートにしたがって、測定で得られた分光反射率を補正する。
特徴量抽出部１５３が、測定で得られた補正用分光分布から波長指標を抽出し（Ｓ２０１）、補正係数作成部１５４が抽出された波長指標に対応する光量対応値を補正関数ｆ（波長指標）に基づいて算出する（Ｓ２０２）。そして、光量対応値の逆数を補正係数とする（Ｓ２０３）。
分光反射率補正部１５５が、この補正係数を用いて測定で得られた分光反射率を補正する（Ｓ２０４）。これにより、基準点に対する変位が補正された分光反射率を得ることができ、測定領域Ｍの分光反射率を用いた測定領域Ｍの色演算を精度よく行なうことができる。
なお、上記の例では、測定用分光分布の波長範囲を４００ｎｍ〜７００ｎｍとし、補正用分光分布の波長範囲を８００ｎｍ〜９００ｎｍとして、両光源の波長範囲を異ならせていたが、補正用分光分布の波長範囲を測定用分光分布の波長範囲に重ならせてもよい。例えば、補正用分光分布の波長範囲を５００ｎｍ〜６００ｎｍとしてもよい。この場合、測定用のキセノンランプ４１０と補正用の光源ユニット２００の光源２１０とを交互に点灯させ、測定用分光分布と補正用分光分布とを交互に取得するようにする。この構成では、分光器３００は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の測定を行なえるものであればよい。
以上説明したように、本実施形態によれば、分光器３００を利用した変位センサ１０を用いて色測定装置３０を構成することができる。このため、簡易な構成で変位に基づく分光反射率の補正を行なうことができるため、大型化、高価格化を招くことなく、高精度の色測定装置を実現することができる。
以上、変位センサを色測定装置に適用した例を説明したが、これは、近年、色測定装置の重要性が高まっている背景によるものである。色測定装置の重要性が高まっている理由としては、例えば、印刷の品質が向上しているため、ベースとなる紙の品質管理の重要性が増している、省資源のためパルプ使用量は減らしたいが、裏写りを防ぐために不透明度の管理は従来通りに行なう必要があり、このような管理に色測定装置は欠かすことができない等があげられる。
また、世界的な地球環境保全に対応し、森林伐採は厳しく制限されるようになっており、リサイクル紙の需要が高まっているが、リサイクル紙に対する品質の要求も高まっている。例えば、色は、バージンパルプを使用した場合と同程度にしたいという要求があり、この要求に応えるためには色測定装置が必要となる。
さらに、新聞、雑誌等、従来は黒のみの印刷だったメディアにおいてカラー印刷が拡大したり、カラー段ボール、模様入りの段ボール等梱包材料の高品質化、高付加価値化が進んでおり、色測定装置による品質管理が広く行なわれるようになっている。以上のような理由により、色測定装置の重要性が高まっている
なお、分光器３００を利用した変位センサを適用した色測定装置２０は、図１２に示した上側走査ヘッド６２０に搭載することで、面状測定対象物品質監視装置を構成することができる。
次に、分光器３００を利用した変位センサの変形例について説明する。図１０は、分光器３００を利用した変位センサの変形例を説明する図である。上述の実施形態と共通する部分については説明を簡略化する。
本図に示すように、変位センサ１０は、分光器を利用して測定対象物の変位を測定する装置であり、演算部１０１、光源ユニット２３０、分光器３００を備えている。分光器３００は、従来と同様の構成である。
光源ユニット２３０は、波長の異なる光源２４０と光源２５０とを備えており、それぞれの光源の出射光が異なる位置から紙５００の測定領域Ｍを含む面を斜めに照射するように設置されている。本例では、光源２４０が８２０ｎｍの光を出射し、光源２５０が８８０ｎｍの光を出射するものとする。
図１０に示すように、光源ユニット２３０の２つの光源からの出射光は、紙５００の測定領域Ｍを含む面に斜めに照射されるため、紙５００の変位に応じて測定領域Ｍにおける反射光の分光分布が変化することになる。
例えば、光源ユニット２３０からの距離が近い位置Ａにおいては、図１１に示すように、光源２４０の波長の強度ａが強い分光分布となる。そして、位置Ｂ、位置Ｃと、光源ユニット２３０からの距離が離れていくに従って、光源２５０の波長の強度ｂが強い分光分布となっていく。
光源２４０の波長と光源２５０の波長との強度比率ａ／ｂは変位と対応するため、あらかじめ変位と、光源２４０の波長と光源２５０の波長の強度比率ａ／ｂとの関係を対応付けておれば、分光器３００で測定領域Ｍの分光分布を測定し、得られた分光分布の光源２４０の波長と光源２５０の波長との強度比率ａ／ｂに基づいて紙５００の変位を測定することができる。
この処理を行なうため、演算部１０１は、分光分布取得部１１１、特徴量抽出部１２１、変位算出部１３１を備えている。分光分布取得部１１１は、分光器３００が測定した測定領域Ｍの分光分布を取得する。
特徴量抽出部１２１は、取得した分光分布から特徴量を取得する。本例では、光源２４０の波長の強度ａと光源２５０の波長の強度ｂとの比率ａ／ｂを特徴量とする。
変位算出部１３１には、あらかじめ取得した特徴値と変位との対応関係を格納しておく。対応関係は、関数形式であってもよいし、テーブル形式であってもよい。この対応関係に基づいて、特徴量抽出部１２１が抽出した特徴量から測定領域Ｍの変位を算出することができる。
以上説明したように、本変形例によっても、分光器３００を用いて変位センサ１１を構成することができる。この変位センサ１１を用いて色測定装置を構成することももちろん可能であり、この色測定装置を面状測定対象物品質監視装置に適用することも可能である。
１０…変位センサ、１１…変位センサ、２０…色測定装置、３０…色測定装置、１００…演算部、１０１…演算部、１１０…分光分布取得部、１１１…分光分布取得部、１２０…特徴量抽出部、１２１…特徴量抽出部、１３０…変位算出部、１３１…変位算出部、１５０…演算部、１５１…分光分布取得部、１５２…分光反射率算出部、１５３…特徴量抽出部、１５４…補正係数作成部、１５５…分光反射率補正部、１５６…色演算部、２００…光源ユニット、２１０…光源、２２０…光学素子、２３０…光源ユニット、２４０…光源、２５０…光源、３００…樽型ミラー、３００…分光器、３１０…集光レンズ、３２０…光ファイバ、３３０…入射スリット、３４０…平行レンズ、３５０…回折器、３６０…積分レンズ、３７０…ラインディテクタ、４００…演算部、４１０…キセノンランプ、４２０…フィルタ、４３０…樽型ミラー、４４０…測定窓、４５０…ミラー、５００…紙、６００…面状測定対象物品質監視装置、６１０…フレーム、６２０…上部走査ヘッド、６２１…コイル、６３０…下部走査ヘッド、６３１…エアベアリング、６３２…軟磁性体

Claims (3)

  1. 面状測定対象物の測定領域の変位を測定する変位センサであって、
    出射方向によって波長が変わる光を、前記測定領域を含む面に対して斜め方向に照射する光源ユニットと、
    前記測定領域における反射光の分光分布を測定する分光器と、
    前記分光分布の特徴量を抽出する特徴量抽出部と、
    前記抽出した特徴量と、あらかじめ取得した特徴量と変位との関係に基づいて、前記測定領域の変位を算出する変位算出部と、
    を備え、
    前記光源ユニットは、
    誘電体多層膜を用いた光学素子に対して光源光軸が一定の角度で斜めに光を入射することで、出射方向によって波長が変わる光を生成することを特徴とする変位センサ。
  2. 前記特徴量抽出部は、
    前記分光分布のピーク波長を特徴量とすることを特徴とする請求項１に記載の変位センサ。
  3. 面状測定対象物の測定領域の変位を測定する変位測定方法であって、
    誘電体多層膜を用いた光学素子に対して光源光軸が一定の角度で斜めに光を入射することで生成される出射方向によって波長が変わる光を、前記測定領域を含む面に対して斜め方向に照射し、
    前記測定領域における反射光の分光分布を測定し、
    前記分光分布の特徴量を抽出し、
    前記抽出した特徴量と、あらかじめ取得した特徴量と変位との関係に基づいて、前記測定領域の変位を算出することを特徴とする変位測定方法。
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