JP6185740B2 - 光学特性測定装置 - Google Patents
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Description
BRDFを求める手法として、特許文献1には、放物面状の鏡を利用したBRDFの高速測定方法、非特許文献1には、楕円面状の鏡を利用したBRDFの高速測定方法が記載されている。
また、非特許文献2には、楕円面上に平面鏡群を配置し、仮想的に楕円面の一方の焦点から出射した光を平面鏡で反射させて他方の焦点に配置した測定対象物に照射するとともに、平面鏡群に写り込んだ測定対象物の複数の像をカメラで一度に撮像する技術が記載されている。
他方、非特許文献2の技術によれば、短時間に反射特性の空間分布を測定し得るが、複数の平面鏡を一つの楕円面上に配置しているため、同程度の角度間隔で測定領域を観察できるよう複数の平面鏡を配置した場合に、平面鏡の組み合わせによっては、測定領域が映る場所が空間的に離れてしまう。その結果として、カメラの画像中での測定対象物部分が小さくなり、画素数が無駄に使われたり、高い空間分解能が得られないといった改善点がある。また、平面鏡群が大型化してしまうという課題もある。
この光学特性測定装置は、例えば、測定対象物の光反射特性の空間分布を取得する装置として好ましく用いられ、また、測定対象物の光吸収又は光散乱特性の空間分布を取得する装置としても好ましく用いられる。
本実施形態の光学特性測定装置(以下、単に測定装置ともいう)1は、図1に示すように、測定対象物Sの光反射特性を測定する装置であり、測定する反射特性は、例えば、双方向反射率分布関数(BRDF)等の公知の関数で表される。BRDFは、ある方向から光を照射したときにどの向きにどの程度光が反射するかを表す関数であり、一般には光の入射方向、出射方向に依存する関数である。
光源32としては、例えば、発光ダイオード(LED)光源にファイバーコリメーターを接続して光を照射可能としたもの等を用いることができる。LED光源としては、光ファイバー、LED素子、駆動回路及び電源が一体化された市販のもの等を用いることができる。光源32から照射させる光は、単色光であっても連続光であっても良いし、紫外光、可視光又は赤外光等であっても良い。
拡大・縮小装置34は、光線の幅や直径、鏡に映った像等を拡大又は縮小するもので、例えば市販のズームレンズのような、各種公知のものを用いることができる。
また可動ステージ35に固定した光源32を移動させて光を照射する平面鏡や平面鏡群の部位を変更するのに代えて、他の照射部位の切換方法を用いることもできる。例えば、光を照射し得る複数の光源32を複数設け、使用する光源32を切り替えることによって、光を照射する平面鏡21又は22を順次変更するようにすることもできる。また、照射領域内の位置によって照射光強度が異なるパターン照明を用いて、平面鏡ごとに照射する光の強度を異ならせ、パターンを順次変更することで、照射する平面鏡を切り替えることもできる。
但し、測定装置1における、測定対象物を配置する部位(以下、測定対象物配置部ともいう)は、支持台8や他の物等が配置されていない空間や領域であっても良い。即ち、測定対象物の光学特性を測定すべき領域(測定領域)を、焦点Pに配置することができれば良い。
また、撮像手段4は、複数の画像をそれぞれ充分な空間分解能を持って撮像できるものが好ましい。また、撮像手段4は、露出を変えて撮像できることが好ましい。また、撮像手段4は、静止画を撮像できるものでも動画を撮像できるものでも良く、更に静止画及び動画のいずれも撮像できるものが好ましい。また、撮像手段4は、撮像した画像を画像データ(電子データ)として画像処理装置6へ取り込むことの容易な、電荷結合素子(CCD)や相補型金属酸化物膜半導体(CMOS)素子を備えたカメラやビデオカメラが好ましい。
画像処理装置6としては、前述したパーソナルコンピュータ7に、前述した測定プログラムとともに画像処理プログラムをインストールしたもの等を用いることができる。測定プログラムは、前述したように、パーソナルコンピュータ7を制御装置5として機能させるものである。画像処理プログラムは、パーソナルコンピュータ7を画像処理装置6として機能させるものである。
測定プログラムにより制御されて実行される測定手順の一例においては、照射手段3により、平面鏡群に対して、光31が、照射する平面鏡群の部分を異ならせて複数回照射され、そのそれぞれの照明条件において、撮像手段4により、測定対象物Sの照明された領域(測定領域)が写り込んだ複数の平面鏡を含む平面鏡群の画像が撮像される。この平面鏡群の画像には、測定対象物Sの照明された領域(測定領域)を相異なる方向から観察した複数の画像が含まれる。
また、相異なる方向から観察した複数の画像を、相互間の距離を短くして効率よく一枚の画像に取り込むことができる。そのため、カメラの画素数の無駄を減らして効率よく活用することができ、高い空間分解能を得ること等が可能である。
また、撮像手段4により取得される画像は、例えば、一枚の静止画内に複数の平面鏡が写り込んでいるものであり、その複数の平面鏡には、照明された測定対象物のある程度の広さを有する測定領域を相異なる方向から観察した画像が含まれている。
従って、測定領域の複数の点における光学特性を示す関数(BRDF等)を求めることも容易となり、更にBRDFの空間分布を求めることも容易となる。
また、平面鏡群は、複数枚の平面鏡が配置された曲面の数が2面以上あることが好ましい。
本発明の光学特性測定装置における平面鏡群は、図8中の角度φが相異なる平面鏡を3以上含むことが好ましく、7以上含むことがより好ましく、17以上含むことがより好ましく、35以上含むことがより好ましい。また、本発明の光学特性測定装置における平面鏡群は、図8中の角度φ及び角度θの一方または両方が相異なる平面鏡を3以上含むことが好ましく、21以上含むことがより好ましく、136以上含むことがより好ましく、595以上含むことが更に好ましい。
例えば、平面鏡群を複数の放物面上に配置するのに代えて、平面鏡群を、測定対象物を配置可能な同一の焦点を有する他の曲面上に配置しても良い。例えば、図2に示すように、平面鏡群2を同一の焦点P1,P2を有する楕円面R1’,R2’上に配置しても良い。楕円面の場合、一方の焦点P1に測定対象物Sを配置し、他方の焦点P2から光31を照射する。そして、照射された測定対象物Sの画像が写り込んだ複数の平面鏡の画像を、他方の焦点P2に配置した撮像手段(図示せず)で撮像する。光31を照射する光源及び撮像手段(共に図示せず)は、焦点P2に配置した反射鏡を介して照射及び撮像を行うものであっても良い。
複数の楕円面上に複数の平面鏡を配置することで、単一の楕円面上に平面鏡を配置した場合に比して平面鏡の配置の自由度が高まり、装置の小型化が可能である。
光の照射手段は複数の放物面上に配置された平面鏡群の任意の平面鏡に光を照射できれば良く、一つの光源の光照射角度を平面鏡の位置に合わせて移動できるものでも良く、又は各平面鏡の位置に合わせて複数の光源を備えていても良い。
また、光透過性の空間分布を測定する場合は、後述する第2平面鏡群を設ければよい。
平面鏡の画像は平面鏡と他方の焦点P2の間にビームスプリッタを設けることにより、他方の焦点P2とは異なる位置にて撮像することができる。撮像した画像は前述の方法と同様に、処理、解析等を行うことが可能である。
光散乱特性又は光照射による励起に伴う発光特性の空間分布を測定する装置として用いることもできる。
上述した測定装置1を用いて測定対象物Sの光吸収性又は光散乱特性の空間分布を取得する場合は、上記の光反射特性を測定する場合と同様にして、照射、撮像、画像処理を行い、測定対象物を相異なる方向から観察した複数の画像を取得し、それらの画像の相互に対応する位置を検出し、その検知した対応位置の光の強度、スペクトル等の光学特性を比較する。この結果を、標準拡散板のような標準試料を測定した場合の結果又は照射した光と比較し、公知の手法により光吸収性又は光散乱特性の空間分布を求める。
図3に示す測定装置1Aは、同一の焦点Pを有し形状の異なる複数の同一種の二次曲面R1,R2に、接平面として接して配置された複数の平面鏡23からなる平面鏡群2Aと、平面鏡群2Aに光31を照射する照射手段と、平面鏡群2Aで反射されて測定対象物Sに照射され、該測定対象物Sを透過した光を反射させる第2の平面鏡群2Bと、第2の平面鏡群2Bの画像を取得する撮像手段4とを備えている。第2の平面鏡群2Bも、同一の焦点P’を有し形状の異なる複数の同一種の二次曲面R4,R5に接平面として接して配置された複数の平面鏡24からなる。平面鏡群2A、照射手段及び撮像手段4としては、上述した測定装置1におけるのと同様のものを用いることができる。第2の平面鏡群2Bは、測定対象物Sを透過した光が入射され易い位置に配し、平面鏡24で反射した光が、撮像手段4に向かうように配置する。
図3に示す測定装置1Aを用いて、光透過性の空間分布を測定するには、上述した光反射特性の測定(評価)と同様にして、照射、撮像、画像処理を行い、測定対象物を光照射面とは反対の裏面側から観察した複数の画像を取得し、それらの画像の相互に対応する位置を検出し、その検知した対応位置の光の強度を比較する。この結果を用いて、公知の手法により光透過性の空間分布を求める。なお、測定対象物の測定部位には支持台が存在しないか、または存在する場合は,
測定対象物を透過した光が吸収されない物性であることが好ましい。
図4に示す測定装置1Bは、光照射による励起が不要な場合は照射手段を持たない以外は、上述した測定装置1と同様の構成を有する。
図4に示す測定装置1Bを用いて測定対象物Sの発光特性の空間分布を取得するには、発光性能を有する測定対象物Sを、複数の二次曲面R1,R2の焦点Pの位置に配し、光励起が不要な場合は照射手段による光の照射を行わない以外は、測定装置1を用いた上記の光反射特性の測定(評価)と同様にして、撮像、画像処理を行う。そして、測定対象物を相異なる方向から観察した複数の画像を取得し、それらの画像の相互に対応する位置を検出し、その検知した対応位置の光の強度又はスペクトル等の光学特性を比較する。そして、この結果を用いて、公知の手法により発光特性の空間分布を求める。発光性能を有する測定対象物Sとしては、指向性を有する光源等が挙げられる。なお、発光性能は、化学的刺激(試薬や酵素の基質の反応や燃焼等)、物理的刺激(光、機械力、熱、電場、磁場等)等の発光させる何らかの摂動を与えたときのみ発光するものであっても良い。
上述した測定装置1,1A,1Bにおける拡大・縮小装置34は省略可能である。
<1>同一の焦点を有し形状の異なる複数の同一種の二次曲面に、接平面として接して配置された複数の平面鏡からなる平面鏡群と、
前記平面鏡群に光を照射する照射手段と、
前記平面鏡群の画像を取得する撮像手段を備え、
前記焦点に測定対象物を配置して前記照射手段による光の照射及び前記撮像手段による撮像を行う光学特性測定装置。
<2>前記二次曲面は、放物面又は楕円面である<1>記載の光学特性測定装置。
<3>前記照射手段は、照射する平面鏡群の部分を異ならせて照射することにより、測定対象物の測定領域を相異なる方向から照明可能になされており、
前記撮像手段は、前記測定領域を相異なる方向から観察した複数の画像を同時に取得可能になされている、<1>又は<2>に記載の光学特性測定装置。
<4>前記照射手段又は撮像手段において、照射光又は画像を拡大、縮小するための手段を備えた、<1>〜<3>の何れか1に記載の光学特性測定装置。
<5>光が平行光である<1>〜<4>の何れか1に記載の光学特性測定装置。
<6>光の照射が測定対象物の面に対して行われる、<1>〜<5>の何れか1に記載の光学特性測定装置。
<7>面の面積が、1mm2以上300cm2以下である、<6>に記載の光学特性測定装置。
<8>平面鏡数が3以上、好ましくは21以上、好ましくは136以上、好ましくは595以上であり、好ましくは1000以下である<1>〜<7>の何れか1に記載の光学測定装置。
<9>測定対象物の光反射特性の空間分布を取得する装置である、<1>〜<8>の何れか1に記載の光学特性測定装置。
<10>測定対象物の光吸収特性又は光散乱特性の空間分布を取得する装置である、<1>〜<8>の何れか1に記載の光学特性測定装置。
<12>同一の焦点を有し形状の異なる複数の同一種の二次曲面に、接平面として接して配置された複数の平面鏡からなる第1の平面鏡群と、
前記平面鏡群に光を照射する照射手段と、
前記平面鏡群で反射されて測定対象物に照射され、該測定対象物を透過した光を反射させる第2の平面鏡群と、
前記第2の平面鏡群の画像を取得する撮像手段とを備え、
前記第2の平面鏡群も、同一の焦点を有し形状の異なる複数の同一種の二次曲面に接平面として接して配置された複数の平面鏡からなり、
測定対象物の光透過特性の空間分布を取得する装置である光学特性測定装置。
<13>前記二次曲面は、放物面又は楕円面である<12>記載の光学特性測定装置。
<14>前記照射手段は、照射する平面鏡群の部分を異ならせて照射することにより、測定対象物の測定領域を相異なる方向から照明可能になされており、
前記撮像手段は、前記測定領域を相異なる方向から観察した複数の画像を同時に取得可能になされている、<12>又は<13>に記載の光学特性測定装置。
<15>前記照射手段又は撮像手段において、照射光又は画像を拡大、縮小するための手段を備えた、<12>〜<14>の何れか1に記載の光学特性測定装置。
<16>光が平行光である<12>〜<15>の何れか1に記載の光学特性測定装置。
<17>光の照射が測定対象物の面に対して行われる、<12>〜<16>の何れか1に記載の光学特性装置。
<18>面の面積が、1mm2以上300cm2以下である、<17>に記載の光学特性装置。
<19>第1平面鏡群又は第2平面鏡群のそれぞれの平面鏡の数が3以上、好ましくは21以上、好ましくは136以上、好ましくは595以上であり、好ましくは1000以下である<12>〜<18>の何れか1に記載の光学測定装置。
<20>同一の焦点を有し形状の異なる複数の同一種の二次曲面に、接平面として接して配置された複数の平面鏡からなる平面鏡群と、
前記平面鏡群の画像を取得する撮像手段を備え、
前記焦点に測定対象物を配置して前記撮像手段による撮像を行う光学特性測定装置であって、
測定対象物の発光特性の空間分布を取得する装置である光学特性測定装置。
<22>測定対象物の面の発光特性の空間分布を取得する、<20>又は<21>に記載の光学特性測定装置。
<23>面の面積が、1mm2以上300cm2以下である、<22>に記載の光学特性装置。
<24>平面鏡の数が3以上、好ましくは21以上、好ましくは136以上、好ましくは595以上である、好ましくは1000以下である<20>〜<23>の何れか1に記載の光学測定装置。
<25><1>〜<24>いずれか1に記載の光学特性測定装置を用いた、測定対象物の光反射特性、光吸収、光散乱特性、光透過特性、又は発光特性の空間分布を測定する方法。
<26>測定対象物が皮膚である、<25>記載の方法。
実施例については、複数の平面鏡を複数の放物面上に配置し、比較例については、複数の平面鏡を単一の放物面上に配置して、光反射特性の測定を行った。
平面鏡のサイズ及び形状は、一辺12mmの正方形領域に光照射・観察を行えるよう設計した。
図5は、実施例における平面鏡の配置、図6は、比較例における平面鏡の配置を示した。
図6は、下記式(1)で表される単一の放物面に3枚の平面鏡の総てを配置した例である。図5は、図6に示す3枚の平面鏡のうちの観察側平面鏡B及び照射側平面鏡を、下記式(1)で表される単一の放物面上に配置する一方、観察側平面鏡Aを下記式(2)で表される放物面上に配置した例である。
図5及び図6に記載した「φ」及び「θ」の値は、2つの放物面に共通する焦点に配置した試料への、各平面鏡からの光の入射角度又は各平面鏡への光の出射角度を示す(図8参照)。
また、図5及び図6のそれぞれにおいて、横軸および縦軸は、試料中心を0とし、単位をmmとしたときの位置である。
具体的には、アクリルで作製した支柱に、市販のアルミ平面鏡を貼り付けることにより、3次元的に配置した。試料としては、1辺10mm(10mm角)の正方形状に切り出したアルミ箔及び紙やすり(図7参照)を用い、試料の中心が放物面の焦点位置と一致するよう配置した。
図8は、実験の概要を示す説明図である。試料の照明は、LEDファイバー光源にファイバーコリメーターを接続し、平行光を図中の照射側平面鏡に入射することで、特定の角度から光を試料に照射した。また、その照射条件において、2枚の平面鏡に映った画像を、カメラを用いて同一方向から撮影することにより、2つの角度から試料を見込んだ画像を同時に取得した。
以上の結果より、本装置を用いて試料の光反射特性の空間分布を取得できることが示された。
R1,R2,R3 放物面(焦点を有する曲面)
R1’,R2’ 楕円面(焦点を有する曲面)
2 平面鏡群
21,22,23 平面鏡
2B 第2の平面鏡群
24 第2の平面鏡群を構成する平面鏡
3 照射手段
31 平行光(光)
32 光源
33 ビームスプリッタ
4 撮像手段
41 反射光
5 制御装置
6 画像処理装置
7 パーソナルコンピュータ
8 支持台
P 放物面の焦点
P1,P2 楕円面の焦点
Claims (13)
- 同一の焦点を有し形状の異なる複数の同一種の二次曲面に、接平面として接して配置された複数の平面鏡からなる平面鏡群と、
前記平面鏡群に光を照射する照射手段と、
前記平面鏡群の画像を取得する撮像手段を備え、
前記焦点に測定対象物を配置し、該測定対象物の面に対する前記照射手段による光の照射及び前記撮像手段による前記面の撮像を行う光学特性測定装置。 - 前記二次曲面は、放物面又は楕円面である請求項1記載の光学特性測定装置。
- 前記照射手段は、照射する平面鏡群の部分を異ならせて照射することにより、測定対象物の測定領域を相異なる方向から照明可能になされており、
前記撮像手段は、前記測定領域を相異なる方向から観察した複数の画像を同時に取得可能になされている、請求項1又は2記載の光学特性測定装置。 - 前記照射手段又は撮像手段において、照射光又は画像を拡大、縮小するための手段を備えた、請求項1〜3の何れか1項記載の光学特性測定装置。
- 測定対象物の光反射特性の空間分布を取得する装置である、請求項1〜4の何れか1項記載の光学特性測定装置。
- 測定対象物の光吸収特性、発光特性又は光散乱特性の空間分布を取得する装置である、請求項1〜4の何れか1項記載の光学特性測定装置。
- 同一の焦点を有し形状の異なる複数の同一種の二次曲面に、接平面として接して配置された複数の平面鏡からなる第1の平面鏡群と、
前記平面鏡群に光を照射する照射手段と、
前記平面鏡群で反射されて測定対象物の面に照射され、該測定対象物を透過した光を反射させる第2の平面鏡群と、
前記第2の平面鏡群の画像を取得する撮像手段とを備え、
前記第2の平面鏡群も、同一の焦点を有し形状の異なる複数の同一種の二次曲面に接平面として接して配置された複数の平面鏡からなり、
測定対象物の面の光透過特性の空間分布を取得する装置である光学特性測定装置。 - 前記二次曲面は、放物面又は楕円面である請求項7記載の光学特性測定装置。
- 同一の焦点を有し形状の異なる複数の同一種の二次曲面に、接平面として接して配置された複数の平面鏡からなる平面鏡群と、
前記平面鏡群の画像を取得する撮像手段を備え、
前記焦点に測定対象物を配置し、前記撮像手段による該測定対象物の面の撮像を行う光学特性測定装置であって、
測定対象物の面の発光特性の空間分布を取得する装置である光学特性測定装置。 - 前記二次曲面は、放物面又は楕円面である請求項9記載の光学特性測定装置。
- 測定対象物の測定可能な領域の面積が1mm 2 〜300cm 2 である、請求項1〜10の何れか1項に記載の光学特性測定装置。
- 請求項1〜11の何れか1項記載の光学特性測定装置を用いた、測定対象物の面の光反射特性、光吸収特性、光散乱特性、光透過特性、又は発光特性の空間分布を測定する方法。
- 測定対象物が皮膚である、請求項12記載の方法。
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