JP6080410B2

JP6080410B2 - 分光測色装置

Info

Publication number: JP6080410B2
Application number: JP2012157041A
Authority: JP
Inventors: 拓嗣川中子
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: US20150103342A1; JP2014020809A; US8947667B2; US20140016128A1; US9140642B2

Description

本発明は、被測定物の分光反射特性を特定することにより測定対象物の色を測定する分光測色装置に関する。

色の測定方法には、大きく分けて分光測色方法と刺激値直読方法の２種類の方法がある。分光測色装置では、前者の方法を用いて色の測定を行っており、被測定物の分光反射率から三刺激値を算出し、この数値を基にしてＣＩＥ（国際照明委員会）によって規格化された各種表色系の色彩値を求めている。分光測色装置は、基本的には被測定物を照射する光源と光を回折する分光器、および光を受光するセンサで構成されている。分光測色装置の光源として、ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた方法が広く知られている。この方法は、光源の分光強度分布が可視光領域内で連続的な分布になるように、分光強度分布の異なる複数のＬＥＤを組み合わせるものである（特許文献１の図３参照）。このように複数のＬＥＤを用いる方法では、測定する色彩値がＬＥＤの製造バラツキによる分光強度分布のずれの影響を受けてしまうという問題があった。

この問題に対して、測定する色彩値がＬＥＤの分光強度分布のずれの影響を受け難い光源の構成方法が提案されている（特許文献２の図１０、図１１参照）。この方法によれば、光源に用いるＬＥＤの分光強度分布を選択する際に、等色関数や被測定物の分光反射率の変化の大きさを考慮することで高精度の測定を可能としている。

特開２０００−２９２２５９号特開２００４−１０１３５８号

しかし、この方法では分光測色装置単体での測定精度の向上は可能であるが、複数の分光測色装置間の色彩値の差である器差を考慮していないため、装置ごとの測定値にバラツキが生じるという問題があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、例えば、複数の分光測色装置間の器差を低減するのに有利な分光測色装置を提供することを目的とする。

被測定物の分光反射率を測定し、ＸＹＺ表色系の等色関数と前記分光反射率とに基づいて前記被測定物の色彩値を求める分光測色装置であって、光を前記被測定物に照射する照射部と、信号処理部と、を有し、前記照射部は、前記ＸＹＺ表色系の等色関数におけるｚの値における波長の分光強度にピークを有さない白色光を発する第１光源と、前記照射部から照射される分光強度分布を正規化した分光強度のピークに対して、前記ＸＹＺ表色系の等色関数におけるｚの値における波長の分光強度が０．５以上の相対強度である分光強度分布を有する光を発する第２光源と、を含み、前記信号処理部は、前記分光反射率に基づいて前記被測定物の色彩値を求めることを特徴とする。

本発明によれば、例えば、複数の分光測色装置間の器差を低減するのに有利な分光測色装置を提供することができる。

本発明の一実施形態における分光測色装置の構成を示す図である。本発明の第１実施形態における白色光源の分光強度分布を示す図である。ＸＹＺ表色系の等色関数を示す図である。ＸＹＺ表色系の等色関数ｚと赤タイルの分光反射率を示した図である。ＸＹＺ表色系の等色関数ｚとｚの近似光源の分光強度分布を示す図である。白色光源にｚ近似光源を付加した場合の分光強度分布を示す図である。本発明の第１実施形態における赤タイルの分光反射率を示す図である。ＸＹＺ表色系の等色関数ｚとｚ近似光源の分光強度分布を示す図である。白色光源にｚ近似光源を付加した場合の分光強度分布を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

まず、本発明を適用する分光測色装置について説明する。図１は、分光測色装置１の構成を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る分光測色装置１は、分光測色方法を用いた測色装置とする。分光測色装置１は、まず、開口部２と、操作部３と、表示部４と、信号処理部５と、白色光源（第１光源）６と、ＸＹＺ表色系の等色関数ｚに近似した分光強度分布を有する光源（以下、ｚ近似光源）（第２光源）７と、分光器８と、を備える。尚、白色光源６およびｚ近似光源は、不図示の照射部を構成する。ここで、ＣＩＥのＸＹＺ表色系の等色関数ｘ、ｙ、ｚは、通常、それぞれ小文字の上にバー（−）が付けられているが、この明細書中では省略する。

開口部２は、測定の際に被測定物９に対向させる箇所である。操作部３は、スイッチ等を有し、測定動作を行う際には操作部３により測定条件が設定される。この際、設定値はＬＣＤ（液晶ディスプレイ）で構成される表示部４へ出力される。操作部３により設定された設定値は、信号処理部５に入力される。信号処理部５は、ＭＣＵ（マイクロ・コントロール・ユニット）で構成され、設定値を基に制御信号を出力する。

白色光源６は、赤外カットフィルタ１０を有し、白色光源制御回路１１に接続され、白色光源制御回路１１は、信号処理部５から出力される制御信号に従って白色光源６を制御し、被測定物９に照射する白色光源６の放射強度を調整する。ｚ近似光源７は、付加光源制御回路１２に接続され、付加光源制御回路１２は、信号処理部５から出力される制御信号に従ってｚ近似光源７を制御し、被測定物９に照射する光源の放射強度を調整する。

図２は、白色光源６の分光強度分布を示しており、横軸は波長、縦軸は正規化した放射強度（相対強度）である。白色光源６は、図２に示すような３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の可視光全域で放射強度に途切れの無い連続な分光強度分布を有する。ただし、使用する白色光源が、可視光領域より長い波長の領域にも放射強度がある分光強度分布を有する場合には、赤外カットフィルタ１０で７８０ｎｍよりも長い波長の領域の放射強度を減衰させる。

分光器８は、受光レンズ１３と、回折格子１４と、リニアセンサ１５とを備える。受光レンズ１３は、光源７および６から照射されて被測定物９で反射した光を受光するレンズである。回折格子１４は、受光レンズ１３を介して分光器８に入射した光を分光する。リニアセンサ１５は、各々の素子に入射した光の強度と素子の分光感度特性に比例した信号を出力し、この出力信号を信号処理部５に入力する。

次に、分光測色装置１による測色処理について略説する。図１を参照すると、白色光源６とｚ近似光源７とは、被測定物９を照射する為の投光角度が被測定物９の法線方向（鉛直方向）からそれぞれ４５°になるように設置される。白色光源６およびｚ近似光源７から照射され、被測定物９で反射した法線方向の反射光は、受光レンズ１３を介して分光器８に入射し、分光手段としての回折格子１４で分光される。回折格子１４で分光された光は、受光素子のリニアセンサ１５に入射する。信号処理部５は、リニアセンサ１５から入力された信号に基づいて被測定物９の分光反射率を求め、この分光反射率に基づいて色彩値を求める（算出する）。求められた色彩値は、表示部４に出力される。

ここで、均等色空間の色彩値で、色の評価に広く用いられているＬ＊ａ＊ｂ＊表色系（以下、Ｌａｂ）の色彩値の算出手順を示す。図３はＸＹＺ表色系の等色関数を示しており、横軸は波長、縦軸はｘ、ｙ、ｚそれぞれの応答度である。まず、上記で求めた被測定物９の分光反射率を図３に示すＸＹＺ表色系の等色関数と対比し、ＸＹＺ表色系の三刺激値を導出する。そして、分光反射率から導出された三刺激値に対して、ＣＩＥ規定の数式を用いて演算処理を行う。この数式を用いた演算処理により、ＸＹＺ表色系での三刺激値がＬａｂ表色系での色彩値へ変換される。以上の処理により、均等色空間の色彩値であるＬａｂ値が測定値として求められる。

本発明の一実施形態では、信号処理部５にＭＣＵを用いたが、この代わりにＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プロセッサ）やＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）を用いても良い。また、受光素子はリニアセンサ１５として構成したが、フォトダイオードなどで構成しても良い。また、白色光源制御回路１１と付加光源制御回路１２とを別々に構成したが、これを１つの光源制御回路で構成しても同様の効果を得ることができる。さらに、光源は、白色光源６とｚ近似光源７とで構成したが、必ずしも複数用いる必要はなく、白色光源６およびｚ近似光源７の分光強度分布を併せ持つ光源であれば、１つの光源でもよい。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る分光測色装置を説明する。
まず、器差とは、複数の分光測色装置間の色彩値の差である色差を意味する。Ｌａｂ表色系における色差ΔＥ＊ａｂ（以下、ΔＥａｂ）は、Ｌａｂ値を用いて次式で求めることができる。
ΔＥａｂ＝｛（ΔＬ）^２＋（Δａ）^２＋（Δｂ）^２｝^１／２・・・（１）
ΔＬは、比較する２つの色彩値におけるＬ値の差分であり、Δａ、Δｂは、同様に、ａ値、ｂ値それぞれの色彩値の差分である。ここで、複数の分光測色装置間において、式（１）で示される色差ΔＥａｂが大きくなる一例を示す。

図４はＸＹＺ表色系の等色関数ｚと、色の標準板として広く用いられているＢＣＲＡ光沢タイルの赤タイル（以下、赤タイル）の分光反射率を示している。グラフの横軸は波長、左の縦軸は等色関数ｚを正規化した応答度、右の縦軸は赤タイルの反射率である。図４に示すように、赤タイルは５５０ｎｍ以上の長波長領域において反射率が大きく、等色関数ｚの応答度が最大の４５０ｎｍでは長波長領域に比べて反射率が小さい。波長４５０ｎｍ付近では、分光器８により迷光が発生し、この迷光が被測定物９からの正味の反射光に加算されてしまう。発生する迷光は、回折格子１４の製造誤差などに起因しており、分光器８の個体ごとに大きさが異なっている。

被測定物９の反射率が可視光全域で小さい場合には、白色光源制御回路１１により白色光源６の放射強度を増加させることができる。これにより、４５０ｎｍのセンサ出力値を増加させて、正味の反射光に対する迷光の大きさを相対的に小さくすることができる。

しかしながら、上記の赤タイルの場合、４５０ｎｍのセンサ出力値を増加させるために白色光源６の放射強度を増加させると、反射率の大きい５５０ｎｍ以上の長波長領域でセンサ出力値が飽和してしまう問題が発生する。従って、波長４５０ｎｍでのセンサ出力値を増加させることができず、波長４５０ｎｍ付近で正味の反射光の大きさに対する迷光の大きさが相対的に大きくなってしまう。

Ｌａｂ値の算出過程には、等色関数との対比処理があるため、等色関数ｚの応答度が最大の４５０ｎｍで誤差が大きくなると、色差ΔＥａｂが大きくなってしまう。

このように、被測定物９の反射率が、等色関数ｚの応答度が最大の４５０ｎｍで小さく、５５０ｎｍよりも長波長領域で大きくなる場合には、複数の分光測色装置間での迷光の大きさの違いが顕著に影響し、器差が大きくなってしまう。

次に、４５０ｎｍでの迷光に起因する測定誤差の低減を考える。図５はＸＹＺ表色系の等色関数ｚと、ｚ近似光源７の分光強度分布を示している。グラフの横軸は波長、縦軸は相対放射強度である。ｚ近似光源７は、図５に示すように、等色関数ｚの値（応答度）がピークとなる４５０ｎｍに分光強度分布の強度ピークを有する光源を選定する。

白色光源６にｚ近似光源７を付加した場合の光源の分光強度分布を図６に示す。グラフの横軸は波長、縦軸は正規化した放射強度である。ｚ近似光源７を付加した図６の分光強度分布では、図２に示す白色光源６の分光強度分布に比べて、４５０ｎｍの放射強度が約３倍に増加している。これにより、被測定物９が赤タイルのような分光反射率を有する場合でも、センサ出力値を飽和させることなく４５０ｎｍの測定誤差を低減することができる。なお、ｚ近似光源７を付加した場合の分光強度分布において、波長４５０ｎｍでの正規化強度（相対強度）を１としたが、それには限定されない。当該相対強度は、その値に応じて効果は低下しうるものの、０．５以上１未満の値としてもよい。

次にｚ近似光源７を付加した場合の器差を考える。図７（ａ）は、被測定物９を赤タイルとし、これを図２に示す分光強度分布を有する白色光源６だけで照射した場合に、リニアセンサ１５から出力される信号に基づいて算出した被測定物９の分光反射率である。グラフの横軸は波長、縦軸は反射率を示しており、実線、破線、一点鎖線、二点鎖線および鎖線は、５台の分光測色装置で同じ赤タイルを測定した際の反射率の値である。図７（ａ）のグラフでは、分光測色装置５台の４５０ｎｍにおける反射率の最大誤差が０．３％となる。この分光反射率を用いて色差ΔＥａｂを求めると、分光測色装置５台の平均色差ΔＥａｂは０．４７となる。

図７（ｂ）は、被測定物９を赤タイルとし、白色光源６にｚ近似光源７を付加して図６に示す分光強度分布を有する光源で照射した場合の被測定物９の分光反射率である。グラフの縦軸および横軸は図７（ａ）と同様で、実線、破線、一点鎖線、二点鎖線および鎖線についても図７（ａ）と同様に分光測色装置５台分の値を示している。このグラフでは、ｚ近似光源７を付加することで、分光測色装置５台の４５０ｎｍにおける反射率の最大誤差が０．０８％に低減されている。この分光反射率を用いて色差ΔＥａｂを求めると、分光測色装置５台の平均色差ΔＥａｂは０．３２となる。従って、本実施形態によれば、分光測色装置間の器差を約３０％低減することができる。

以上のように、本実施形態によれば、複数の分光測色装置間の器差を低減する分光測色装置を提供することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る分光測色装置について説明する。第１実施形態で説明したｚ近似光源７は、４５０ｎｍに分光強度分布の強度ピークを有する光源とした。これに対して、本実施形態の分光測色装置１のｚ近似光源７は、４４０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の範囲にわたって分光強度分布の強度ピークを有する光源とした。

ＬＥＤの分光強度分布の強度ピークは、製造バラツキにより規定の波長よりも±１０ｎｍ以内の誤差を有することが多い。そこで、ｚ近似光源７としてＬＥＤを用いるものとし、このＬＥＤの分光強度分布の強度ピークが４５０ｎｍから±１０ｎｍのずれを有する場合について考える。

図８は、ＸＹＺ表色系の等色関数ｚと、４４０ｎｍおよび４６０ｎｍにそれぞれ強度ピークを有する２つのｚ近似光源７の分光強度分布を示している。グラフの横軸は波長、縦軸は相対放射強度を示す。実線は４４０ｎｍに強度ピークを有する分光強度分布を、一点鎖線は４６０ｎｍに強度ピークを有する分光強度分布をそれぞれ示している。

分光測色装置間の器差を低減するには、４５０ｎｍでの迷光に起因する測定誤差を低減すれば良いから、ｚ近似光源７の分光強度分布の強度ピークが４５０ｎｍからずれている場合にも、４５０ｎｍの相対放射強度を考慮する必要がある。

図８に示すｚ近似光源７の分光強度分布では、強度ピークの波長ずれにより、４５０ｎｍにおける相対放射強度が最大値の約半分になっている。従って、図５に示す分光強度分布を有するｚ近似光源７に対して、放射強度を相対的に２倍以上に設定することで、４５０ｎｍにおける放射強度を同等にできる。

図９は、白色光源６に、４４０ｎｍに分光強度分布の強度ピークを有するｚ近似光源７を付加した場合の光源の分光強度分布である。グラフの横軸は波長、縦軸は正規化した放射強度である。ｚ近似光源７の分光強度分布の強度ピークが４５０ｎｍから±１０ｎｍのずれを有する場合においては、図９に示すように、ｚ近似光源７の放射強度を白色光源６の最大放射強度に対して相対比２倍以上に設定すればよい。これにより、波長４５０ｎｍでの放射強度が確保され、センサ出力値を飽和させることなく４５０ｎｍの測定誤差を低減することができる。本実施形態においても、分光測色装置間の器差を第１実施形態と同様に約３０％低減することができる。

また、上述のように放射強度を相対的に２倍以上に設定すれば、ｚ近似光源７の分光強度分布の強度ピークのずれが４５０ｎｍから１０ｎｍ未満である場合にも、器差の低減効果を有することは明らかである。なお、本実施形態においても、近似光源７を付加した場合の分光強度分布における波長４５０ｎｍでの正規化強度（相対強度）は、０．５以上１以下の値としうるものである。

なお、分光測色装置１の光源は、以上の実施形態では白色光源６とｚ近似光源７との２つの光源から構成したが、図６や図９のような分光強度分布を有するものであればよく、よって単一の光源または３つ以上の光源で構成してもよい。

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。

１分光測色装置
９被測定物

Claims

被測定物の分光反射率を測定し、ＸＹＺ表色系の等色関数と前記分光反射率とに基づいて前記被測定物の色彩値を求める分光測色装置であって、
光を前記被測定物に照射する照射部と、
信号処理部と、を有し、
前記照射部は、
前記ＸＹＺ表色系の等色関数におけるｚの値における波長の分光強度にピークを有さない白色光を発する第１光源と、
前記照射部から照射される分光強度分布を正規化した分光強度のピークに対して、前記ＸＹＺ表色系の等色関数におけるｚの値における波長の分光強度が０．５以上の相対強度である分光強度分布を有する光を発する第２光源と、
を含み、
前記信号処理部は、前記分光反射率に基づいて前記被測定物の色彩値を求める
ことを特徴とする分光測色装置。
前記相対強度は１である、ことを特徴とする請求項１に記載の分光測色装置。
前記第２光源は、前記分光強度分布における前記波長での強度が前記第１光源の発する光の分光強度分布におけるピークの強度と同じかそれ以上となるような分光強度分布を有する光を発する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分光測色装置。
前記第２光源の分光強度分布は、４４０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の範囲内の波長にピークを有する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の分光測色装置。
前記第２光源の発する光の分光強度分布におけるピークの強度は、前記第１光源の前記ピークの強度の２倍以上である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の分光測色装置。
前記被測定物の前記色彩値は、Ｌａｂ表色系の色彩値であることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか一項に記載の分光測色装置。
前記被測定物からの反射光を分光する分光器を有し、
前記信号処理部は、
前記分光器で分光された光の信号に基づき前記被測定物の分光反射率を求め、
前記分光反射率をＸＹＺ表色系の等色関数と対比することでＸＹＺ表色系の三刺激値を求め、
前記ＸＹＺ表色系の三刺激値に基づいて被測定物の色彩値を求めることを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の分光測色装置。
被測定物の分光反射率を測定し、ＸＹＺ表色系の等色関数と前記分光反射率とに基づいて前記被測定物の色彩値を求める測色方法であって、
前記被測定物に光を照射する照射工程と、
前記被測定物からの反射光を信号処理する工程と、を有し、
前記照射工程は、
第１光源から前記ＸＹＺ表色系の等色関数におけるｚの値における波長の分光強度にピークを有さない白色光を前記被測定物に照射し、第２光源から前記被測定物に照射される光の分光強度分布を正規化した分光強度のピークに対して、前記ＸＹＺ表色系の等色関数におけるｚの値における波長の分光強度が０．５以上の相対強度である分光強度分布を有する光を前記被測定物に照射し、
前記信号処理する工程は、
前記分光反射率に基づいて前記被測定物の色彩値を求めることを特徴とする測色方法。