JP6487167B2 - 測色装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車ボディに塗装された塗料の色、印刷物に使用されているインクの色など、物体表面の色を測定する測色装置に関する。

自動車修理工場などでは、板金修理した部分をその周囲の色と同色に塗装する仕上げが行われるが、ボディに当初より塗装されている塗料の情報があったとしても、退色などにより変色してしまっているため、一般には、当初の塗料をそのまま使用することができない場合が多い。
また、退色がほとんどなく当初の塗料がそのまま使用できる状態であったとしても、多数の自動車メーカーで使用している塗料をすべて取り揃えるわけにはいかないので、元の塗料のストックの用意がないこともある。

このような場合、ストックされている塗料から、現在のボディ色に近い色の塗料を選び出してこれをベース塗料とし、その色差に応じて、単色塗料を混色し、試し塗りをしながら、目視により、実際の色に極めて近い色の塗料を調合するという作業を行っている。

塗料の色は、基本的には赤青黄の３原色と白を混合することにより調整されるので、調合に際しては、ベース塗料に単色塗料を少しずつ混ぜ合わせることにより行われるが、例えば、ベース塗料の赤味がボディ色より濃い場合に、ベース塗料から赤成分のみを減らすことはできないので、ベース塗料はボディの色より薄めの色を選択する必要がある。

また、色を調整するためにどの色をどの程度混合するかなど経験により会得する部分もあり、このため、従来は、塗料の色調整作業は、ベース塗料の選択から塗料の調合に至るまで作業者の経験に頼らざるを得ない部分があった。
そこで近年では、ボディ色に近い色の塗料を選び出すために、その部分の色を正確に測定することのできる測色計を利用し、その測定結果を利用して塗料を選ぶことが行われている。

ところで、一般的な測色計で用いられるＬａｂ表色系において、Ｌ、ａ、ｂの値は、
Ｌ＝０〜１００
ａ＝−６０〜＋６０
ｂ＝−６０〜＋６０
の範囲で変化し、それぞれ小数点以下第２位まで表されるので、色数は、
10000×12000×12000＝１兆４４００億色
に達し、少数点以下第一位で四捨五入した整数を用いたとしても、
１００×１２０×１２０＝１４４万色
に達する。

しかしながら、自動車修理工場に限らず、どのような塗料メーカーにもそのような無限に近い色数の塗料は存在せず、普通は数百色、多くてもせいぜい数千色であるので、どんなに厳密に色を測定することができたとしても、結局は、作業者が、ベース塗料とボディ色との色差に応じて任意の色の塗料を少しずつ混色して試し塗りをして視認しながら、実際の色に極めて近い色の塗料を調合するという作業を欠かすことはできない。

また、調合した塗料がボディ色と一致しているかを確認するために測色計が用いられることもあるが、測色計で測定される二つの塗料の色データを完全に一致させることは事実上不可能であるので、結局は、作業者の目視によりある程度の似た色になるまで調合し、塗装作業の際に周囲にボカシを入れるという作業も欠かすことができない。

したがって、測色計をこのような用途に使用する際に、ベース塗料を選定する際の参考データを得る目的や、調合塗料の色とボディ色との同一性を確認するために使用するのであれば、１兆色以上を識別できるような精度までは不要である。

このような用途に用いられる従来の測色計としては、以下のようなタイプが知られている。

図４（ａ）に示す散乱光照射タイプの測色計４１は、発光素子４２から積分球４３内に照射された光を積分球４３で散乱させ、その下端に開口した光照射部４４から測定面４５に照射し、予め設定された光軸４６に沿って反射された光を積分球４３の外部に導いて受光素子４７で検出するようになっている（特許文献１参照）。
このタイプの測色計４１は、散乱光を得るために最低でも直径４０mm程度の積分球４３が必要となり、その周囲に発光素子４２及び受光素子４７を配さなければならないので、その積分球４３と発光素子４２及び受光素子４７の設置スペースを確保する必要があり、光学系が大型化する。

図４（ｂ）に示す環状照明タイプの測色計５１は、測定点５２を中心に等しい仰角で斜め上方に環状に配された複数の発光素子５３から測定点５２に対して光を照射させ、その反射光を測定点の法線方向に配された受光素子５４で検出するようにしている（特許文献２参照）。
この測色計５１は、発光素子５３を環状に配するスペースが必要となるため、やはり光学系が大型化せざるを得ない。

図４（ｃ）に示すマルチアングルタイプの測色計６１は、異なる入射角度で測定点６２に光を照射し得るように、測定点６２に立てた法線を通る平面上の放射方向に光を照射する複数の発光素子６３…と、それぞれの光を測定点に向けて反射させる円弧状ミラー６４と、各発光素子６３…から照射された光の正反射方向と一致しない角度に配された一つの測定光軸６５上に配された受光素子６６で検出する（特許文献３参照）ようにしている。
この測色計６１は、測定点６２から各発光素子６３…及び受光素子６６に至る光軸が扇形に広がらざるを得ないので、やはり光学系が大型化するという問題があった。

特開平６−２０７８５７号公報 特開平１０−２５３４５７号公報 特開２００６−１４５３７４号公報

そこで本発明は、ある程度の精度を維持しつつ、発光素子及び受光素子などの光学系を内蔵したプローブを極めて小型化できるようにすることを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、測定対象面に測定光を照射し、その反射光に含まれるＲＧＢの光強度に基づいて測定対象面の色を測定する測色装置において、
発光素子から発せられた白色の測定光を測定対象面に対して照射する光源と、測定対象面からの反射光に含まれるＲＧＢの光強度を検出する受光素子が、先端透光部から光が入出射されるプローブ内にその光軸に沿って配されると共に、当該プローブの先端透光部にはスペーサが形成され、
当該スペーサは、その端面を測定対象面に接触させた状態で、前記先端透光部から測定対象面までの光軸の長さを予め設定された一定の距離に維持すると共に、測定対象面で正反射された測定光が前記受光素子に入射されない角度に前記光軸を維持する形状に形成され、
前記受光素子でＲＧＢの光強度を検出する際に、受光素子に入射される外乱光の影響を排除する光分離手段を備えたことを特徴とする。

本発明に係る測色装置によれば、スペーサとして所定長さの遮光性筒状体の先端を、例えば７５°に斜めにカットしたものを用い、これをプローブの先端に固定すれば、スペーサ先端を測定面に当接させるだけで、先端透光部から測定対象面までの光軸の長さを一定の距離に維持することができるたけでなく、光軸が測定対象面に対して７５°に傾いた状態に維持される。

このとき、発光素子から照射された測定光は、測定面に対して７５°（入射角１５°）で照射され、正反射光は、法線を挟んで反射角１５°で反射される。
受光素子は、プローブの光軸に沿って配されているので、正反射光を直接検出することがなく、測定面で乱反射された光成分のうち正反射光に対して３０°傾斜した方向に進行する反射光のみが検出されるため、ある程度の測定精度が保障される。

また、発光素子及び受光素子は同一光軸に沿って配されているので、測定点から見たときに発光素子から測定点に至る光軸及び測定点から受光素子に至る光軸が、扇形に広がることがなく互いに並行に配されるので、プローブ自体を極めて小型に形成することができる。

本発明に係る測色装置の一例を示す断面図。 その全体構成図。 他の実施例を示す斜視図。 従来の測色装置の原理を示す説明図。

本例では、ある程度の精度を維持しつつ、発光素子及び受光素子などの光学系を内蔵したプローブを極めて小型化するという目的を達成するため、測定対象面に測定光を照射し、その反射光に含まれるＲＧＢの光強度に基づいて測定対象面の色を測定する測色装置において、発光素子から発せられた白色の測定光を測定対象面に対して照射する光源と、測定対象面からの反射光に含まれるＲＧＢの光強度を検出する受光素子が、先端透光部から光が入出射されるプローブ内にその光軸に沿って配されると共に、当該プローブの先端透光部にはスペーサが形成され、当該スペーサは、その端面を測定対象面に接触させた状態で、前記先端透光部から測定対象面までの光軸の長さを予め設定された一定の距離に維持すると共に、測定対象面で正反射された測定光が前記受光素子に入射されない角度に前記光軸を維持する形状に形成され、前記受光素子でＲＧＢの光強度を検出する際に、受光素子に入射される外乱光の影響を排除する光分離手段を備えた。

図１及び図２に示す測色装置１は、測定光を照射して測定対象面Ｓで反射させ、その反射光に含まれるＲＧＢの光強度に基づいて測定対象面Ｓの色を測定するためのものである。
測色装置１は、先端透光部２から光が入出射される直径３ｃｍ×長さ１０ｃｍ程度の略円筒状のプローブ３に、測定光学系４と制御回路５が内蔵されている。
プローブ３の先端側外周面にはネジ６が形成され、前記測定光学系４と測定対象面Ｓの位置関係を一定に維持するためのスペーサ７が前記ネジ６に螺合されて、先端透光部２に設けられている。

測定光学系４は、発光素子１１から発せられた白色の測定光を凹面鏡１２で反射させ、先端透光部２から測定対象面Ｓに対して照射する光源１３と、先端透光部２から取り込まれる測定対象面Ｓからの反射光に含まれるＲＧＢの各色の光強度を検出する受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂを備えている。

発光素子１１は、白色ＬＥＤなどが用いられ、凹面鏡１２に対向して光軸Ｘ上に配されて成る。
凹面鏡１２は、プローブ３の内径に等しい直径（約２５ｍｍ）を有し、発光素子１１から発せられた測定光を測定対象面Ｓに向かって収束するように反射させ、例えば、先端透光部２から測定対象面Ｓに至る標準作動距離ＷＤ＝５ｃｍの位置で直径４ｍｍのスポットが形成されるように測定光学系４が設計されている。

受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂは、光軸Ｘに沿って凹面鏡１２の背面側に配されており、本例では、光軸Ｘの周りに中心角１２０°で等角的に配されている。
この受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂは、ＲＧＢカラーセンサとして用いられるＳｉフォトダイオードが用いられ、赤色光検出用の受光素子１４Ｒの最大感度波長が６２０ｎｍ（感度波長範囲：５９０〜７２０ｎｍ）、緑色光検出用の受光素子１４Ｇの最大感度波長が５４０ｎｍ（感度波長範囲：４８０〜６００ｎｍ）、青色光検出用の受光素子１４Ｂの最大感度波長が４６０ｎｍ（感度波長範囲：５９０〜７２０ｎｍに選定されている。

また、受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂは、測定対象面Ｓで反射され先端透光部２から取り込まれた光を、凹面鏡１２に形成されたスリット１５を通して検出するように配されている。
このスリット１５は、凹面鏡１２で反射されて測定対象面Ｓに形成される測定光のスポットと、各受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂを結ぶ直線Ｌ１と凹面鏡１２との交点に形成されている。
また、このスリット１５を介して、発光素子１１から発せられた光が受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂに直接入射されることのないように、発光素子１１から照射されてスリット１５を透過する光の光束線Ｌ２と重ならない位置に受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂが配されている。

スペーサ７は、図２（ａ）に示すように、遮光性材料で形成されたパイプ先端を、所定角度（本例では７５°）に切断すると共に、その内面のパイプ後端側に、プローブ３のネジ６と螺合されるネジ２１が形成されて、プローブ３に対して着脱可能に装着されるアタッチメントとして形成されている。
また、斜めに切断された端面２２には、測定対象面Ｓに当接されたときに測定対象面Ｓをキズつけず、また、漏れ光が入射されることがないようにフェルトなどのクッション材（図示せず）が貼り付けられている。
さらに、発光素子１１から測定光を照射したときに、測定対象面Ｓで拡散反射された光が、スペーサ７内で乱反射し、スリット１５を通って受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂに達することがないように、スペーサ７の内面が黒のマット仕上げとなっている。

そして、図２（ｂ）に示すように、スペーサ７をプローブ３に螺合させ、このスペーサ７の端面２２を測定対象面Ｓに当接させた状態で光軸Ｘの先端透光部２から測定対象面Ｓまでの長さが予め設定された標準作動距離（例えば５ｃｍ）に一致するようにセットすれば、端面２２を測定対象面Ｓに当接させるだけで、標準作動距離ＷＤ＝５ｃｍの位置に光スポットを形成することができるので、常に一定の作動距離で測定可能となる。

また、スペーサ７の端面２２が７５°にカットされているので、この端面２２を測定対象面Ｓに当接させることにより、プローブ３の光軸Ｘが測定対象面Ｓに対して７５°の角度に維持されるので、特定対象面Ｓに照射される測定光の入射角度を常に一定の角度に維持して一定の条件下で測定することができる。
さらに、スペーサ７は遮光性材料で形成されているので、端面２２が測定対象面に密接されていれば、外乱光がスペーサ７内に入射されることがない。

制御回路５は、発光素子１１の点灯制御と、受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂの検出信号に基づいてＲＧＢの光強度を検出する演算処理と行い、その際に、測定光が所定の発光周期で測定対象面Ｓに照射されるように発光素子１１を点灯制御すると共に、受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂでその発光周期に同期して同期検波を行う光変調器（図示せず）が組み込まれている。

同期検波により、測定光の発光周期と異なる周期の光を排除することができ、例えば、発光周期を外乱光の変化に比して十分に高い高周波に設定すれば、高周波成分と低周波成分を分離して検出し、高周波成分の光強度から低周波成分の光強度をマイナスすることにより、光変調された測定光の反射光強度のみを検出することができる。

このように、本例では、外乱光を排除する光分離手段として、遮光性材料で形成されたスペーサ７と光変調器を用いている。したがって、スペーサ７の端面２２を測定対象面Ｓに密接することにより外乱光の入射を阻止することができるが、測定対象面Ｓが湾曲して端面２２を完全に密接できないときなど外乱光の入射を阻止できないときでも、光変調器により外乱光の影響を受けることなく測定光の反射光強度のみを測定することができる。

なお、プローブ３は、図示しないコンピュータに有線又は無線により接続され、プローブ３から出力された測定信号に基づき、その測定結果を図示しないコンピュータディスプレイに表示させ、必要に応じて所定の記憶領域に記憶する。

以上が本発明の一構成例であって、次にその作用について説明する。
例えば、自動車のボディ色を測定する場合、スペーサ７の端面２２を測定対象面Ｓとなる自動車ボディの任意の箇所に密接させるだけで、光軸Ｘが測定対象面Ｓに対して７５°の角度となり、プローブ３の先端透光部２から測定対象面Ｓに至る光軸Ｘの長さが標準作動距離ＷＤ＝５ｃｍに維持される。

この状態で、発光素子１１を点灯させると、白色光が凹面反射鏡１２で反射されて収束光束となり、光軸Ｘに沿って先端透光部２からスペーサ７内を通り、測定対象面Ｓに対し傾斜角７５°（入射角１５°）で照射され、標準作動距離ＷＤの位置に光スポットを形成する。これにより、測定対象面Ｓで表面反射が生じ、反射光は正反射されるだけでなく、周囲に拡散反射されるが、一般に色を測定するときは、正反射光を除いて拡散反射光を測定する。

本例では、受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂが光軸Ｘに沿って配されているので、測定対象面Ｓで拡散反射された光のうち、光軸Ｘ方向に反射された光、即ち正反射方向から約３０°傾いた方向に反射された光のみが、スペーサ７内を通り、凹面鏡１２のスリット１５を透過して受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂで検出される。
したがって、正反射光の影響を受けることなく、測定対象面Ｓの色を正確に測定することができる。

受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂは、光の三原色である赤色（６２０ｎｍ）、緑色（５４０ｎｍ）、青色（４６０ｎｍ）の光強度を検出するので、これらの値からボディ色を測定することができ、図示しないコンピュータにより従来公知の計算式により測定結果が任意の表色系に返還して表示される。
なお、メタリック塗料については測定光の照射方向により反射光が異なるので、必要に応じて複数方向から照射した測定結果を総合判断することにより、そのボディ色を特定することが可能である。

このとき、測定対象面Ｓの測定箇所は、遮光性材料で形成されたスペーサ７の端面２２が密接して覆われているので、外乱光が入射されることなく正確に色を測定することができる。
また、発光素子１１は制御回路５により所定の発光周期で点滅され、受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂでその発光周期に同期して同期検波を行うようにしているので、測定対象面７が湾曲して端面２２戸の隙間から外乱光が入射する場合でも、本例では、正確に色を測定することができる。
即ち、発光素子１１の発光周期を外乱光の変化に比して十分に高い高周波に設定すれば、高周波成分と低周波成分を分離して検出することができるので、外乱光が入射されても、光変調された測定光の反射光強度のみを検出することができる。

また、発光素子１１及び受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂを、同一の光軸Ｘに沿って配することにより、小型プローブ３に内蔵させることができ、測色装置１を小型化することができる。

図３に示す測色装置３１は、遮光性材料からなるスペーサ７に替えて、プローブ３にフレームタイプのスペーサ３２を取り付けたものである。
本例のスペーサ３２は、プローブ３のネジ６に螺合されるナット部３３と、測定対象面Ｓに当接されるテーパ面３４と、これらを連結する複数本のロッド３５からなる。
ナット部３３には光軸Ｘと直交するフランジ３６が形成され、テーパ面３４が前記ロッド３５を介して光軸Ｘに対して７５°傾斜して形成されている。
また、テーパ面３４にはクッション材（図示せず）が設けられると共に、光軸Ｘと交差する部分に観察孔３７が形成され、プローブ３から照射された測定光の光スポットがその観察孔３７内に形成されるようになっている。

このスペーサ３２をプローブ３に装着し、光軸Ｘに沿って先端透光部２からスペーサ３２の先端に至る長さを予め設定された標準作動距離ＷＤに一致させた状態で、テーパ面３４を測定対象面Ｓに当接させれば、発光素子１１及び受光素子１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂと測定対象面Ｓとの間隔が予め設定された一定の距離に維持されることとなる。

また、テーパ面３４が光軸に対して７５°に傾いているので、このテーパ面３４を測定対象面Ｓに当接させることにより、プローブ３の光軸Ｘが測定対象面Ｓに対して７５°の角度に維持される。したがって、テーパ面３４を測定対象面Ｓに当接するだけで標準作動距離ＷＤの位置に光スポットを形成することができるので、常に、一定の条件の下で測定することが可能となる。

このようなフレームタイプのスペーサ３１を用いれば、測定対象面Ｓ上の測定箇所を外部から視認することが容易であり、キズが形成された部位を誤って測定するということも防止できる。
また、実施例１と同様、プローブ３の制御回路５により同期検波がなされるので、観察孔３７に外乱光が照射されて、その反射光がプローブに入射されることがあっても、測定光の拡散反射光のうち光軸Ｘ方向に反射された反射光成分の光強度のみを測定することができる。

なお、上記実施例１及び２では、いずれも、プローブ３にスペーサ７又は３２を着脱可能に装着する場合について説明したが、プローブ３にスペーサ７又は３２を一体に形成してもよい。
また、光分離手段として、実施例１では遮光性材料で形成したスペーサ７と光変調器を併用した場合について説明し、実施例２では光変調器のみを用いる場合について説明したが、遮光性材料で形成したスペーサ７のみを用いる場合であってもよい。

本発明は、自動車ボディその他任意の測定対象面の色を測定する測色装置の用途に適用できる。

１ 測色装置
Ｓ 測定対象面
２ 先端透光部
３ プローブ
４ 測定光学系
７ スペーサ
１１ 発光素子
１２ 凹面鏡
１３ 光源
１４Ｒ 受光素子
１４Ｇ 受光素子
１４Ｂ 受光素子
Ｘ 光軸
２２ 端面

Claims (8)

1. 測定対象面に測定光を照射し、その反射光に含まれるＲＧＢの光強度に基づいて測定対象面の色を測定する測色装置において、
   発光素子から発せられた白色の測定光を測定対象面に対して照射する光源と、測定対象面からの反射光に含まれるＲＧＢの光強度を検出する受光素子とが、先端透光部から光が入出射されるプローブ内にその光軸に沿って配されると共に、当該プローブの先端透光部にはスペーサが形成され、
   当該スペーサは、その端面を測定対象面に接触させた状態で、前記先端透光部から測定対象面までの光軸の長さを予め設定された一定の距離に維持すると共に、測定対象面で正反射された測定光が前記受光素子に入射されない角度に前記光軸を維持する形状に形成され、
   前記スペーサにおける前記測定対象面に接触させる端面の内周面と外周面との距離が、当該スペーサにおける前記光軸に垂直な方向の厚みに比して大きく、
   前記光源は、前記発光素子と、前記発光素子から発せられた測定光を前記測定対象面に向けて収束させる凹面鏡と、を有し、
   前記光軸の軸方向において、前記発光素子、前記凹面鏡、前記受光素子が、この順に配置される、測色装置。
2. 前記スペーサが、プローブに対して着脱可能に形成されたアタッチメントである請求項１記載の測色装置。
3. 前記スペーサが、プローブと一体的に形成されてなる請求項１記載の測色装置。
4. 前記受光素子でＲＧＢの光強度を検出する際に、当該受光素子に入射される外乱光の影響を排除する光分離手段を更に備え、
   前記光分離手段として、発光素子から照射される測定光を所定の発光周期で照射させ、受光素子で前記測定光の発光周期に同期した同期検波を行う光変調器を用いた請求項１乃至３の何れか１項に記載の測色装置。
5. 前記受光素子でＲＧＢの光強度を検出する際に、当該受光素子に入射される外乱光の影響を排除する光分離手段を更に備え、
   前記光分離手段として、遮光性筒状体で形成されたスペーサを用いた請求項１乃至３の何れか１項に記載の測色装置。
6. 前記受光素子でＲＧＢの光強度を検出する際に、当該受光素子に入射される外乱光の影響を排除する光分離手段を更に備え、
   前記光分離手段として、遮光性筒状体で形成されたスペーサと、発光素子から照射される測定光を所定の発光周期で照射させ、受光素子で前記測定光の発光周期に同期した同期検波を行う光変調器とを併用した請求項１乃至３の何れか１項に記載の測色装置。
7. 前記スペーサは、前記プローブとの接続部における外径と、前記測定対象面に接触する端面における外径とが同一である、請求項１乃至６の何れか１項に記載の測色装置。
8. 前記凹面鏡は、前記測定対象面と前記受光素子とを結ぶ第１直線上に位置すると共に前記発光素子と前記受光素子とを結ぶ第２直線上には位置しないスリットを有する、請求項１乃至７の何れか１項に記載の測色装置。

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