JPH07103826A - マルチアングル反射測光計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 可動部のない簡素な構造で、しかもゴニオ色
彩計、あるいは同分光計と同程度の角度分解能を有す
る。 【構成】 光源１１からの光束１２は、フィルタ１５
ｘ，１５ｙ，１５ｚの１つを通過し、レンズ１４によっ
て集束されて、試料面２を照明する。試料面２でさまざ
まな方向に反射された光束は、レンズ５１を透過し、平
行光束となって、スリット５２ａを通過し、レンズ５３
によって測定域制限板５４の開口部５４ａに集束する。
試料面２からの反射光の中で、例えば光束６０（ｎ）
は、スリット５２ａ上の位置５２（ｎ）を通過する。更
にこの光束は、レンズ５３，５５，５６によって、フォ
トダイオード５７（ｎ）に到達する。フォトダイオード
５７（１）〜５７（１８）は、各々を所定間隔で配設す
ることにより、例えば５°間隔で１８方向の反射光がそ
れぞれ入射するように構成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、メタリック塗装やマイ
カ塗装等が施された表面のように、観察する方向によっ
て色が異なる試料面の色彩を計測するためのマルチアン
グル反射測光計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、特に自動車等に見られるように、
メタリック塗装やマイカ塗装等が普及している。これら
の塗装が施された試料面は、観察する方向によって色彩
が異なってくる。従来、このような試料面の色彩を計測
する場合には、ゴニオ色彩計、あるいは同分光計やマル
チアングル色彩計、あるいは同分光計等が用いられてき
た。

【０００３】図８は従来のゴニオ色彩計の一例を示す図
である。照明光学系１０は、試料面２の測定域３の中心
をその中心とする円弧状のガイド１に摺動可能に取り付
けられ、測定域３に対する照明方向が変更可能になって
いる。図８では、試料面２の法線２ａに対して４５°の
方向から照明している。光源１１からの光束１２は、照
明域を制限するしぼり１３を通り、レンズ１４によって
集束されて、試料面２上の測定域３に到達する。

【０００４】受光光学系２０は、ガイド１に摺動可能に
取り付けられた支持部材２１に固定されている。そし
て、支持部材２１をガイド１に沿って摺動させることに
より、測定域３の中心を中心として照明光学系１０にご
く近い位置Ａから、照明光の正反射方向４を観察する位
置Ｂまで移動可能になっている。このように、受光光学
系２０は、照明光と略平行となる方向から正反射方向４
までの任意の角度で測定域３を観察することができるよ
うになっている。

【０００５】試料面２からの反射光の中で、受光光学系
２０が配置された方向成分の光束２２は、レンズ２３に
よって集束され、光ファイバ２４に入射する。この光フ
ァイバ２４の入射端の大きさにより、測定域３が決定さ
れる。光ファイバ２４は分岐して、射出端２４ｘ，２４
ｙ，２４ｚを有し、射出端２４ｘ，２４ｙ，２４ｚから
出た光は、検知部２５ｘ，２５ｙ，２５ｚに入射し、出
力信号２６ｘ，２６ｙ，２６ｚに変換される。

【０００６】ここで、検知部２５ｘ，２５ｙ，２５ｚ
は、光源１１の分光強度との組合せで得られる分光特性
がＣＩＥの標準光源及びＣＩＥの標準観察者の等色関数
から得られる分光特性に相当するように、その分光感度
が設定されており、出力信号２６ｘ，２６ｙ，２６ｚ
は、三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚに相当するものである。この出
力信号２６ｘ，２６ｙ，２６ｚは、図示しない電気回路
や演算手段によって、ＣＩＥのＬａｂ等の色彩値に変換
される。なお、ゴニオ分光計の場合は、分岐しない光フ
ァイバ２４の射出端が分光手段に接続されている。

【０００７】このようなゴニオ色彩計、あるいは同分光
計によって、試料面の色彩あるいは分光反射率の角度依
存性を正確に捉えることができる。図９はメタリック塗
装における刺激値Ｙの出力例を示す図である。横軸は、
正反射方向４からの偏角で、正の角度は照明光学系１０
側、負の角度はその反対側を表しており、＋９０°は照
明方向に一致している。

【０００８】メタリック塗装の場合には、図１０に示す
ように、塗膜５内のアルミフレーク６が塗装面にほぼ平
行に、所定の分布で散在されている。そのため、反射光
も図９に示すように、正反射方向を中心として所定の拡
がりを有している。メタリック塗装の見え方は、アルミ
フレーク６の分布によって決まるが、この分布は、反射
光の拡がり具合から知ることができる。このように、ゴ
ニオ色彩計、あるいは同分光計は、メタリック塗装やマ
イカ塗装等のような、角度依存性のある塗装面の解析に
有効な装置である。

【０００９】次に、特公昭６３−４１０１９号公報に記
載されている従来のマルチアングル色彩計の一例につい
て図１１に基づき説明する。照明光学系１０は、図８と
同一構成で、試料面２の法線に対して４５°の方向に固
定されている。受光光学系２０，３０，４０は、図８の
受光光学系２０と同一構成で、異なる観察方向、すなわ
ち図１１では、正反射方向からの角度が１０°，４５
°，７０°の位置に固定されている。

【００１０】照明光学系１０によって照明された測定域
３からの反射光は、受光光学系２０，３０，４０によっ
て３方向から同時に測定され、受光光学系２０から三刺
激値に対応する出力信号２６ｘ，２６ｙ，２６ｚが出力
され、受光光学系３０，４０からも、同様に三刺激値に
対応する出力信号が出力される。なお、マルチアングル
分光計の場合には、分岐しない各光ファイバ２４，３
４，４４の射出端がそれぞれ分光手段に接続されてい
る。

【００１１】また、受光光学系２０，３０，４０の位置
に照明光学系を配設し、照明光学系１０の位置に受光光
学系を配設して、各照明光学系の光源を順次点灯させ
て、各反射光を１つの受光光学系で観察するような、米
国特許４９１７４９５号に記載されている方式でも、同
様の結果が得られる。

【００１２】このようなマルチアングル色彩計、あるい
は同分光計によれば、照明及び観察方向は固定されてお
り、その角度を変える必要がないので、瞬時、あるいは
ごく短時間で測定が可能である。また、装置に可動部分
がない分、操作性で有利となっている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のゴニオ色彩計、あるいは同分光計では、例えば９０
°の範囲を５°毎に測定する場合には、およそ１８回の
角度変更を行って、測定しなければならず、長時間を要
するとともに、正確な角度設定に熟練を要する。しか
も、装置が大型となるため、製造現場で用いる場合、ス
ペース的に好ましいとは言えない。

【００１４】また、上記特公昭６３−４１０１９号公報
記載の従来のマルチアングル色彩計、あるいは同分光計
では、図９に示すＹ１０，Ｙ４５，Ｙ７０の３つの角度
の測定データしか得ることができないため、アルミフレ
ークの分布による反射光の傾向、特に、急峻に立ち上が
っている正反射方向近辺の傾向を把握するのには不十分
である。また、方向によって色相が変化するマイカ塗装
の場合には、反射光は更に複雑な分布を示すので、より
多くの方向から観察することが必要である。

【００１５】しかしながら、図１１に示す従来のマルチ
アングル色彩計、あるいは同分光計では、スペース的な
制限からそれほど観察方向を増加させることができな
い。一方、観察方向を増加させると米国特許第４９１７
４９５号に記載されている方式のものと同様、装置の構
造が複雑なものとなってしまう。

【００１６】本発明は、上記問題を解決するもので、可
動部のない簡易な構造で、しかもゴニオ色彩計、あるい
は同分光計と同程度の角度分解能を有するマルチアング
ル色彩計、あるいは同分光計を実現することのできるマ
ルチアングル反射測光計を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、試料面に一方向から照明光を投光する照
明手段と、上記試料面からの反射光を受光する受光光学
系とを有する反射測光計において、上記受光光学系は、
上記試料面に向けて配設され、該試料面からの拡散反射
光を結像する第１結像光学系と、この第１結像光学系と
一致する光軸を有し、上記第１結像光学系による結像位
置近傍に配設された第２結像光学系と、この第２結像光
学系による結像面であって、上記照明手段及び上記第１
結像光学系の両光軸を含む面上に複数の光電変換素子が
一列に配設されてなる受光部とを備えたものである。

【００１８】

【作用】本発明によれば、照明光が試料面に一方向から
投光されると、その照明光は試料面からさまざまな方向
に拡散反射される。この拡散反射光が第１，第２結像光
学系により結像される。そして、この結像面に配設され
た受光部により受光され、電気信号に変換される。この
とき、異なる方向に反射された反射光は、それぞれ異な
る光電変換素子で受光される。従って、各光電変換素子
から出力される電気信号を測定することにより、各方向
の反射光の強度が測定されることとなる。

【００１９】

【実施例】図１は本発明に係るマルチアングル反射測光
計の第１実施例の構成を示す説明図である。照明光学系
１０は、光源１１、照明域を制限する絞り１３、フィル
タが取り付けられたチョッパ円板１５及び光束を集束し
て平行光にするレンズ１４等から構成され、試料面２の
法線に対して４５°の方向から照明可能な姿勢で配設さ
れている。

【００２０】チョッパ円板１５は、絞り１３と対向する
ように配設され、フィルタ１５ｘ，１５ｙ，１５ｚが同
径上に等間隔で取り付けられており（但し、フィルタ１
５ｚは図１に表れていない）、モータ１６によって各フ
ィルタが光路上に位置するまで回転するようになってい
る。このように、チョッパ円板１５を照明光学系１０に
配置しておくことにより、干渉フィルタの波長シフトを
招く原因となる斜め入射光を低減することができる。ま
た、フィルタ１５ｘ，１５ｙ，１５ｚのサイズは、絞り
１３より多少大きい程度でよい。

【００２１】フィルタ１５ｘ，１５ｙ，１５ｚは、各フ
ィルタ１５ｘ，１５ｙ，１５ｚを光源１０の分光強度と
後述するフォトダイオードアレイ５７の分光感度と組み
合わせたときの分光特性が、ＣＩＥの標準光源の分光強
度とＣＩＥの標準観測者の等色関数Ｘ，Ｙ，Ｚを組み合
わせた分光特性に相当するように、それぞれの分光透過
率が設定されている。従って、フィルタ１５ｘ，１５
ｙ，１５ｚを透過して得られるフォトダイオードアレイ
５７の出力信号は、三刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚに相当するよう
になっている。

【００２２】そして、光源１１からの光束１２は、絞り
１３を通過した後、フィルタ１５ｘ，１５ｙ，１５ｚの
１つを通過し、レンズ１４によって平行光線にされて、
試料面２を照明する。

【００２３】受光光学系５０は、レンズ５１，５３，５
５，５６、スリット板５２、測定域制限板５４、フォト
ダイオードアレイ５７等から構成されており、照明され
た試料面２からの反射光を受光するものである。また、
受光光学系５０は、光軸Ｌ５０上に配設されるととも
に、照明光学系１０の光軸Ｌ１０の正反射方向の光束４
が受光可能になっている。

【００２４】レンズ５１は、測定域３からの反射光を集
束して平行光にするもので、その焦点が照明光学系１０
の光軸Ｌ１０と試料面２との交点に一致する位置に配設
されている。スリット板５２は、図２に示すように、所
定長のスリット５２ａを有し、レンズ５１を透過した光
束を制限して平面状に抽出するものである。スリット５
２ａは、照明光学系１０の光軸Ｌ１０と上記光束４とを
含む面と平行となるようにされている。レンズ５３は、
スリット５２ａを通過した光束を集束するもので、例え
ばレンズ５１と同一物が用いられている。

【００２５】スリット５２ａと、レンズ５１，５３と
は、図２に示すような関係にあり、レンズ５３は、この
スリット５２ａを通過した光束以外は利用していないの
で、図３に示すような形状としてもよい。

【００２６】測定域制限板５４は、その中央に所定の大
きさの開口部５４ａを有し、レンズ５３の焦点を含む面
に配設され、測定域３外からのノイズ光を遮断するもの
である。開口部５４ａは、光軸Ｌ５０を中心として配設
され、この開口部５４ａのレンズ５１，５３による試料
面２上への投影が測定域３となっている。

【００２７】試料面２でさまざまな方向に反射された光
束は、レンズ５１を透過し、平行光束にされ、更にスリ
ット５２ａを通過して平面状の光束にされた後、レンズ
５３によって測定域制限板５４の開口部５４ａに結像さ
れる。

【００２８】レンズ５５は、測定域制限板５４の後方に
対向して配設され、レンズ５３，５６とともに、スリッ
ト板５２のスリット５２ａの縮小像をフォトダイオード
アレイ５７上に形成するものである。レンズ５６は、焦
点が開口部５４ａの中心に位置するように配設されてい
る。そして、開口部５４ａを通過した光束は、レンズ５
５を透過した後、レンズ５６によって再び平行光束とな
って、フォトダイオードアレイ５７に入射する。

【００２９】フォトダイオードアレイ５７は、光軸Ｌ１
０，Ｌ５０を含む面に平行にフォトダイオード５７
（１）〜５７（１８）が一列に配設されて構成されてい
る。各フォトダイオード５７（１）〜５７（１８）は、
試料面２からの反射光を受光するもので、それぞれ入射
光強度に応じた電気信号を出力するものである。

【００３０】以上のような構成により、試料面２からの
反射光の中で、例えば光束６０（ｎ）は、スリット板５
２のスリット５２ａ上の位置５２（ｎ）を通過した後、
レンズ５３，５５，５６によって、フォトダイオードア
レイ５７のフォトダイオード５７（ｎ）に入射すること
となる。

【００３１】すなわち、スリット５２ａ上の位置５２
（ｎ）は、フォトダイオード５７（ｎ）の投影とも言え
る。また、スリット５２ａは、フォトダイオード５７
（１）〜５７（１８）に対応して、ａ−ｂ方向に１８分
割されているとも考えられる。

【００３２】試料面２からの反射光がスリット５２ａの
どの位置を通過するかは、試料面２での反射方向に対応
している。従って、フォトダイオードアレイ５７のフォ
トダイオード５７（１）〜５７（１８）は、各々を所定
間隔で配設することにより、例えば５°間隔で１８方向
の反射光がそれぞれ入射するように構成することができ
る。

【００３３】なお、フォトダイオード５７（１）〜５７
（１８）に対して色彩値を算出するための信号処理回路
を接続すれば、マルチアングル色彩計を構成することが
できる。例えば、フォトダイオード５７（１）〜５７
（１８）の出力信号をチョッパ円板１５上のフィルタ１
５ｘ，１５ｙ，１５ｚの各々について順次取り込む。こ
れらの出力信号をマルチプレクサを介してＡ／Ｄ変換回
路に入力し、ディジタル値に変換して、演算処理部に取
り込むようにする。そして、演算処理部において、例え
ばＣＩＥのＬ＊ａ＊ｂ＊空間の色彩値を各反射方向毎に
算出することができる。

【００３４】また、フィルタ１５ｘ，１５ｙ，１５ｚに
代えて、チョッパ円板１５上に例えば４００〜７００ｎ
ｍの範囲で２０ｎｍ毎に透過波長を有する１６種のバン
ドパスフィルタを取り付け、モータ１６によって各バン
ドパスフィルタが光路上に位置するまで回転させ、各波
長毎の出力信号を順次取り込むように構成すれば、分光
反射率を測定するマルチアングル分光計を構成すること
ができる。この場合、演算処理部には、１８方向×１６
波長＝２８８種のデータが取り込まれることとなる。

【００３５】なお、チョッパ円板１５は、受光光学系の
測定域制限板５４の近傍や、フォトダイオードアレイ５
７の前方に配置してもよい。

【００３６】ここで、反射光の光束６０（ｎ）は、本来
フォトダイオード５７（ｎ）のみに入射するはずであ
る。しかしながら、本実施例では、図８、図１１に示す
ような従来例と異なり、さまざまな方向への反射光を１
つの受光光学系で受光しているために、実際には各レン
ズ表面の反射等のいわゆるフレアにより、図４に示すよ
うに、反射光が他のフォトダイオードにも入射してしま
う虞れがある。そこで、次に、このようなフレアによる
影響の解消について説明する。

【００３７】ｉ番目の方向への反射強度をＩｉとする
と、実際にフォトダイオードアレイ５７のフォトダイオ
ード５７（１）〜５７（１８）で観察される出力Ｐｊ
（ｊ＝１〜１８）は、

【００３８】

【数１】Ｐｊ＝Ｉｉ・Ａｉｊ となる。ここで、Ａｉｊは、ｉ番目の方向への単位反射
光に対するｊ番目のフォトダイオードの出力、すなわち
図４の出力曲線を表わしている。

【００３９】実際には、各方向への反射光が重ね合わさ
れるので、

【００４０】

【数２】

【００４１】と表わされ、

【００４２】

【数３】

【００４３】が得られる。従って、予め

【００４４】

【数４】

【００４５】を求めておけば、いわゆるディコンボリュ
ーションの手法によって、実際の各方向への反射光の強
度、

【００４６】

【数５】（Ｉ１，Ｉ２，…，Ｉｉ，…，Ｉ１８） を算出することができる。

【００４７】例えば、図１において試料面２の位置に平
面鏡を配設し、これを光軸Ｌ１０と試料面２との交点を
通って紙面に垂直な軸の回りに回転させると、特定の方
向のみの反射光を形成することができる。この方法によ
り各方向の反射光６０（１）〜６０（１８）を形成し、
各々の反射光について各フォトダイオード５７（１）〜
５７（１８）の出力を取り込むことによって、

【００４８】

【数６】

【００４９】を求めることができるので、数４を算出す
ることができる。

【００５０】次に、本発明に係るマルチアングル反射測
光計の第２実施例について、図５〜図７に基づき説明す
る。図５は同マルチアングル反射測光計の第２実施例の
構成を示す説明図である。図６は図５の受光光学系５０
１の光軸Ｌ５０１に沿って紙面に垂直な断面から見たｃ
−ｄ断面図である。なお、第１実施例と同一機能を果た
すものは同一符号を付す。

【００５１】この第２実施例では、受光光学系５０１
は、レンズ５１，５３に代えて、凹面鏡５９、平面鏡５
８から構成されている。凹面鏡５９は、その中心５９ａ
が試料面２上に一致する位置に配設され、試料面２から
の反射光を反射して、測定域３の等倍の実像を形成する
ものである。また、凹面鏡５９は、その軸５９ｂが試料
面２に垂直な面、すなわち図５の紙面から、微小角度θ
だけ傾斜して配設されている。平面鏡５８は、凹面鏡５
９で反射された光を測定域制限板５４に向けて反射する
ものである。

【００５２】このような構成により、図６に示すよう
に、測定域３からの光束６０ａは、凹面鏡５９によって
反射されると２θだけ向きを変えて光束６０ｂとなり、
平面鏡５８によって反射されて、測定域制限板５４上に
測定域３の実像を形成する。

【００５３】そして、光束６０ｂは、測定域制限板５４
の開口部５４ａを通過し、レンズ５５，５６で集束され
て、図６の紙面と垂直な方向に各フォトダイオードが一
列に配設されてなるフォトダイオードアレイ５７に入射
する。

【００５４】なお、レンズ５５，５６は、図７に示すよ
うに、凹面鏡５９の直径にほぼ等しいフォトダイオード
アレイ５７の像５７ａを凹面鏡５９の近傍に形成するよ
うに、その定数が設定されている。

【００５５】すなわち、凹面鏡５９の近傍には、フォト
ダイオードアレイ５７の受光領域の像により、仮想的な
スリットが形成されていることになる。測定域３からの
反射光は、このフォトダイオードアレイ５７の像５７ａ
によって、反射方向毎に受光されるとも言える。

【００５６】なお、上記各実施例では、受光素子として
フォトダイオードを用いて説明したが、フォトトランジ
スタ等の他の光電変換素子を用いるものでもよい。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、照明さ
れた試料面からの拡散する反射光を集光し、異なる角度
の反射光は異なる光電変換素子で受光するようにしたの
で、可動部のない簡易な構造で、しかもゴニオ色彩計、
あるいは同分光計と同程度の角度分解能を有するマルチ
アングル色彩計、あるいは同分光計を実現することが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るマルチアングル反射測光計の第１
実施例の構成を示す説明図である。

【図２】スリット５２ａとレンズ５１，５３との関係を
示す図である。

【図３】レンズ５１，５３の形状の変形例を示す図であ
る。

【図４】ｎ番目の方向の反射光による各フォトダイオー
ドの相対的な入射強度を示す図である。

【図５】本発明に係るマルチアングル反射測光計の第２
実施例の構成を示す説明図である。

【図６】図５の受光光学系の光軸に沿って紙面に垂直な
断面から見たｃ−ｄ断面図である。

【図７】レンズ５５，５６によって形成されるフォトダ
イオードアレイ５７の像５７ａを示す図である。

【図８】従来のゴニオ色彩計の構成を示す説明図であ
る。

【図９】メタリック塗装における刺激値Ｙの出力例を示
す図である。

【図１０】塗膜内のアルミフレークを示す図である。

【図１１】従来のマルチアングル色彩計を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

２ 試料面 ３ 測定域 １０ 照明光学系 １１ 光源 １２ 光束 １３ 絞り １４，５１，５３，５５，５６ レンズ １５ チョッパ円板 １５ｘ，１５ｙ，１５ｚ フィルタ ５０，５０１ 受光光学系 ５２ スリット板 ５２ａ スリット ５４ 測定域制限板 ５４ａ 開口部 ５７ フォトダイオードアレイ ５７（１）〜５７（１８） フォトダイオード ５７ａ 像 ５８ 平面鏡 ５９ 凹面鏡 ６０ａ，６０ｂ 光束 Ｌ１０，Ｌ５０，Ｌ５０１ 光軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料面に一方向から照明光を投光する照
   明手段と、上記試料面からの反射光を受光する受光光学
   系とを有する反射測光計において、上記受光光学系は、
   上記試料面に向けて配設され、該試料面からの拡散反射
   光を結像する第１結像光学系と、この第１結像光学系と
   一致する光軸を有し、上記第１結像光学系による結像位
   置近傍に配設された第２結像光学系と、この第２結像光
   学系による結像面であって、上記照明手段及び上記第１
   結像光学系の両光軸を含む面上に複数の光電変換素子が
   一列に配設されてなる受光部とを備えたものであること
   を特徴とするマルチアングル反射測光計。