JPH0843206A

JPH0843206A - 光束の色度検出装置

Info

Publication number: JPH0843206A
Application number: JP11750495A
Authority: JP
Inventors: Ufinger Joseph; ユフィンガーヨゼフ
Original assignee: SHIYABURONENTEKUNIIKU KUFUSUTAIN AG; Schablonentechnik Kufstein GmbH
Current assignee: SHIYABURONENTEKUNIIKU KUFUSUTAIN AG; Schablonentechnik Kufstein GmbH
Priority date: 1994-05-19
Filing date: 1995-05-16
Publication date: 1996-02-16
Also published as: DE9410778U1

Abstract

(57)【要約】【目的】高速度で移動する表面を走査する際に、高強
度の光を用いてスポット（点）ごとに色度を検出する。【構成】屈折率勾配干渉フィルタ２３では、１つの勾
配方向に沿って線形に屈折率が変化する。光束を供給す
る光ファイバ１９の光出口端は前記勾配方向に延びる列
ごとに互いに隣接配置される。光出口端からの円錐状の
光は円筒レンズ２２で１方向に集束され、前記干渉フィ
ルタ２３に導かれる。干渉フィルタ２３を通過した線形
勾配を有する波長の光はＰＩＮフォトダイオードアレイ
２５で受光され、個々のフォトダイオードが色信号を生
成する。この色信号を用いて色度を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光束の色度検出装置に
関し、特に、線形に屈折率が変化する１つの勾配方向を
持った屈折率勾配干渉フィルタと、この屈折率勾配干渉
フィルタの勾配方向に沿って互いに隣接配置され、屈折
率勾配干渉フィルタから光束が照射される複数のフォト
ダイオードと、屈折率勾配干渉フィルタの前方に配置さ
れ、フォトダイオードに向けて光束を集束させる集束光
学系とを備え、複数のフォトダイオードの測定信号に基
づいて色度を算出する色度検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、照射光の色度を測定する際に
は、その照射光から３本の部分光束を分散させる。それ
らの部分光束は、３つの色フィルタによってフォトダイ
オードまたはフォトトランジスタに導かれ、対応する３
つの電気信号に変換される。その他、光束全体から色度
を測定したい場合には、光束を光格子またはプリズムに
よってスペクトル成分に分光し、例えば２５６個や５１
２個のダイオードからなるダイオードアレイに投射する
こともできる。

【０００３】光束全体から３本の部分光束を分散させる
方法は、光のＲＧＢ測定法と呼ばれる。この測定方法で
は、赤、緑および青といった３つの色領域で測定が行わ
れることが多いからである。各色フィルタは、互いに異
なる波長域の光束を取り出し、フィルタの下流に接続さ
れたフォトダイオードへ送り込む。フォトダイオード
は、負荷の強度すなわち光の強度や、ダイオード自体の
感度に比例した電流を生成する。この電流が測定信号と
して用いられる。こうして得られたカラー情報は十分な
ものとはいえないことが多い。赤、緑および青といった
３原色が混ざった中間色のスペクトル成分はフィルタ係
数によって縮減された形で検出されるからである。しか
も、ＲＧＢ測定法に使用される色フィルタは、通常、１
００ｎｍ程度の広い帯域透過幅を有し、その下流に接続
されたダイオードが測定するのは、透過帯域全体にわた
った光強度の平均値でしかない。

【０００４】一般に、カラーサークルやその他の色相配
列表上では、色成分間の距離が互いに離れるほど、互い
に混合された色の値は白や灰色に近づく。赤、緑および
青といった色成分に対してのみ測定を行うと、これら３
原色の色度のみが後続する合成処理で使用されることと
なる。その結果、そういった色度から合成された色は、
明るい色調のときには乳白色に見え、暗い色調のときに
は灰色がかった色に見える。反対に、純粋なスペクトル
色や、近接したスペクトル色同士の混色は、鮮明なもの
となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】鮮明な色の再現に寄与
する色度測定法を実現するには、測定したい光束のスペ
クトル分解を行う。このスペクトル分解には、前述した
ように、光格子やプリズムが用いられる。しかしなが
ら、どちらを用いても光がかなり失われてしまう。例え
ば、光格子を用いた場合には、他の階層の回析もが光を
受光することから光の損失が生じる。プリズムを用いた
場合には、特に光学系の総延長が短いと、プリズムを多
重配置することが必要となる。この多重配置では、光の
反射が強い上、光の吸収によって損失が生じる。しか
も、この多重配置を用いると、収容する空間からみて
も、測定用電子機器のコンパクト化といった要求に完全
に反する結果となる。その上、生成されるスペクトルは
ほぼ短波長のものだけであって、短波長専用のダイオー
ドアレイが使用される。その結果、光の強度をゆっくり
としか読み取ることができない。また、きめ細かなスペ
クトル解像を得るには、ギャップが狭く、低照度である
ことが望ましい。こうすれば、異なる波長域間でギャッ
プ像が重なり合って光格子やプリズムによって達成され
た解像度を悪化させることもない。ただ、これによって
読み出しの速度が著しく遅くなる。

【０００６】光束の色度を検出する装置は、例えば、Ｏ
ＣＬＩ社（アメリカ合衆国カリフォルニア州Ｓａｎ
ｔａＲｏｓａ，ＮｏｒｔｈｐｏｉｎｔＰａｒｋｗ
ａｙ２７８９）のパンフレットに紹介されている。この
既知の装置は線形屈折率勾配干渉フィルタ（ｌｉｎｅａ
ｒｇｒａｄｅｄｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｆｉｌ
ｔｅｒ）を備える。この屈折率勾配干渉フィルタでは、
１つの勾配方向に沿って屈折率が変化し、この屈折率勾
配干渉フィルタを通じて光束が多数のフォトダイオード
上に投射される。フォトダイオードは、屈折率勾配干渉
フィルタの勾配方向に互いに隣接して配置され、これら
のフォトダイオードを用いて測定信号を供給する。この
測定信号に基づいて色度が計算されるのである。フォト
ダイオードは、２５６個のアレイ形に配置され、測定信
号の評価回路に接続される。屈折率勾配干渉フィルタの
前方には集束光学系が配置される。この集束光学系は、
ハロゲンランプから照射されてサンプルから反射してく
る光束をフォトダイオード上に集束させる。

【０００７】本発明は、前述された一般の色度検出装置
を改良し、高速度で移動する表面を走査する際に、高強
度の光を用いてスポット（点）ごとに色度を検出するこ
とができるものを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために、本発明によれば、線形に屈折率が変化す
る１つの勾配方向を持つ屈折率勾配干渉フィルタと、こ
の屈折率勾配干渉フィルタの勾配方向に沿って互いに隣
接配置され、屈折率勾配干渉フィルタから光束が照射さ
れる複数のフォトダイオードと、屈折率勾配干渉フィル
タの前方に配置され、フォトダイオードに向けて光束を
集束させる集束光学系とを備え、複数のフォトダイオー
ドの測定信号に基づいて色度を算出する光束の色度検出
装置において、前記屈折率勾配干渉フィルタの勾配方向
に延びる１以上の列ごとに互いに隣接配置される光出口
端を有し、前記光束を供給する複数の光ファイバと、前
記集束光学系に設けられ、前記勾配方向に沿った軸線を
有する円筒レンズとを備え、前記フォトダイオードをＰ
ＩＮダイオードで構成したことを特徴とする。

【０００９】かかる構成によれば、移動面上の色度をき
わめて迅速に読み取ることが可能になる。特に、光ファ
イバの配列と円筒レンズの使用とによって、最大レベル
の光束をフォトダイオード上に導くことができる。しか
も、ダイオードアレイに個別のＰＩＮフォトダイオード
を用いることによって、ダイオードキャパシタンスを最
小に抑えることができる。その結果、照射がかなり弱い
場合でも、対応するダイオード電流を迅速に生成するこ
とができる。

【００１０】例えば、所定のパターンが張り付けられた
シリンダ外周面を前記移動面としてとらえた場合、パタ
ーンの色は点（ポイント）単位でスキャンされる。この
ために、外周面に横たわるパターンとともに長手軸周り
でシリンダを回転させる。このとき、シリンダは中実で
あっても中空円筒であってもよい。回転するパターンは
点単位で照射され、この照射点に、光ファイバの全ての
光入り口端が向けられる。これらの入り口端は、パター
ンから反射してくる光（反射光または散乱光）を検知す
る。シリンダ外周面に平行にシリンダの長手方向に１つ
のガイドが延び、このガイドに沿って照射装置と光検出
装置とが一様に移動すると仮定すれば、シリンダの回転
中に連続的に測定される色点は、互いに密に隣接し合っ
て、シリンダ外周面に螺旋経路を描く。

【００１１】また、本発明の改良によれば、集束光学系
および屈折率勾配干渉フィルタとフォトダイオードとは
互いに屈折率勾配干渉フィルタの勾配方向に相対移動す
る。これによって、これら構成要素間の相対位置をきめ
細かく調整することが可能となる。このような構成で
は、集束光学系および屈折率勾配干渉フィルタを共通フ
レームで把持してもよい。この場合、共通フレームは屈
折率勾配干渉フィルタの勾配方向に変位可能に支持され
る。こうして共通フレームを用いれば、集束光学系と干
渉フィルタとの間の相対移動を回避し、その結果、位置
調整が著しく簡易化される。

【００１２】さらに、本発明の改良によれば、共通フレ
ームは中間挟持体に支持され、この中間挟持体は、フォ
トダイオードを支持する基礎体に固定される。かかる構
成では、複数のフォトダイオードはアレイとして構成さ
れ、このアレイは、基礎体に固着された基板上に配設さ
れる。中間挟持体には、基礎体と反対側の側面に、光フ
ァイバの光出口端を強固に保持する前方挟持体が固定さ
れる。これらの基礎体、中間挟持体および前方挟持体は
互いに固定されてもよい。その固定は、例えば、ピン結
合によってなされる。この構成では、アレイとして構成
される構成要素やこの構成要素を支持する基板に挟持力
は作用しない。基板が、基礎体の別体として基礎体に固
定され、中間挟持体による機械的負荷を受けないからで
ある。

【００１３】原則として、帯域透過特性が適切であれ
ば、いかなる線形屈折率勾配干渉フィルタを用いること
もできる。適切な帯域透過特性とは、例えば、２０ｎｍ
幅のものである。また、検出値を用いて鮮明な混合色を
合成するにしても、２５６個の基準点よりも少ない基準
点、例えば、１０個の基準点を可視スペクトルの異なる
領域に設けるだけで、パターン原本から反射する光束中
の異なる色成分を十分に検出することができることが分
かっている。基準点が少なくて済むことから、比較的大
きな広がりを持った個別のＰＩＮフォトダイオードを用
いることができる。これによって、特に、測定したい光
束が比較的弱い場合でも比較的迅速な読み取りが可能と
なる。前述したように、ＰＩＮフォトダイオードのダイ
オードキャパシタンスは小さく、良好な応答特性を有す
る。

【００１４】さらにまた、本発明の改良によれば、フォ
トダイオードは、各々、プリアンプを介して、３つの抵
抗器からなる並列回路に接続される。各並列回路の３つ
の抵抗器の出力は、３つの出力アンプに入力される。３
つの出力アンプからは、色信号Ｘ、Ｙ、Ｚが供給され、
この色信号を用いて混合色が合成される。使用されたフ
ォトダイオードの測定信号ごとの全ての成分が各色信号
Ｘ、Ｙ、Ｚの生成に使用される。ただし、各信号成分に
は、スペクトルにおけるフォトダイオードの位置関数に
従って異なる重み付けがなされる。位置関数と重み付け
との関係は、測色（比色分析）の分野で周知であり、こ
こでの説明は省略する。

【００１５】

【実施例】図１は、スペクトルに存在しない仮想色Ｘ、
Ｙ、Ｚを示すための標準的な色度表を示す。この色度表
を用いて混合色の原理を説明する。この色度表上に仮想
色Ｘ、Ｙ、Ｚを用いて色を表示する際の利点は、正側の
目盛り軸で形成される領域に全ての色をプロットするこ
とができることである。例えば、図１に示すように、第
１カラー１は、縦軸色度「１」にプロットされ、仮想色
Ｙに相当する。横軸の色度「１」には第２カラー２がプ
ロットされ、仮想色Ｘを示している。全ての純粋なスペ
クトル色は太線で描かれた曲線（スペクトル軌跡）４上
に存在する。このスペクトル軌跡４の一端、すなわち、
点９付近に青色が存在する。スペクトル軌跡４の他端、
すなわち、点１８付近に赤色が存在する。これらの２点
９、１８を結ぶ直線、すなわち、スペクトル軌跡４の両
端を結ぶ純紫軌跡３上には紫シェードがプロットされ
る。この紫シェードは赤と青との混色である。すべての
混合色は、スペクトル軌跡４と純紫軌跡３とで囲まれた
領域５の内部に存在する。色度座標が領域５からはみ出
た場合にはその色は自然界に存在しないこととなる。

【００１６】２つのスペクトル色を混ぜ合わせた場合、
その混合色は、２つのスペクトル色の色度座標を結ぶ直
線上に位置する。例えば、いま、領域５の内部で２つの
混合色が選ばれたとすると、これらを混合した色の色度
座標は必ずこれら２つの混合色の色度座標を結ぶ直線上
に示される。また、３つの混合色を混ぜ合わせる場合に
は、その結果得られる混合色は、それら３つの混合色の
色度座標を３頂点とする三角形の内部に示されることと
なる。

【００１７】ＲＧＢフィルタリングによって決定される
色もまた同様に混合色であってスペクトル色ではない。
帯域透過域がある範囲に限定されるフィルタを通じて色
度が得られるからである。仮にＲＧＢフィルタリングで
得られた色を前述の色度図にプロットするならば、緑色
としての第３カラー６、青色としての第４カラー７、赤
色としての第５カラー８は領域５の内部には位置するも
ののスペクトル軌跡４上には位置しない。これらの３つ
のプロットを結ぶＲＧＢの三角形はまさしくこれら３色
で表現される色領域を規定する。したがって、ここで表
現される色領域は、図１から明らかなように、スペクト
ル色によって表現可能なスペクトル軌跡４内部の領域５
よりもかなり狭い。

【００１８】本発明に係る装置によれば、線形屈折率勾
配干渉フィルタを用いて色情報が与えられる。この屈折
率勾配干渉フィルタは、可視波長域の全範囲において２
０ｎｍ幅の非常に狭い帯域透過特性を有する。すなわ
ち、フィルタの各透過ポイントでは、２０ｎｍ幅の波長
域だけが本質的に減衰されずにフィルタを通過する。屈
折率勾配干渉フィルタの勾配方向に沿った平均波長は、
その勾配方向の座標に対して線形に変化する。本発明に
係る装置の場合、例えば、１０個のフォトダイオード
（ＰＩＮフォトダイオード）を用い、個々のフォトダイ
オードで測定された色度を図１の色度図上にプロットす
ると、基準点９〜１８を頂点とする多角形領域が得られ
る。この多角形領域は、点６、７、８によって画成され
たＲＧＢ三角形と同様にスペクトル軌跡４の内側に位置
するとはいえ、ＲＧＢ三角形よりもずっとスペクトル軌
跡４の輪郭に近い。このことから言えることは、本発明
に係るカラースキャナ構造によってＲＧＢフィルタリン
グよりもかなり広い範囲の色を検出できることである。
しかも、注目すべき点は、基準点９〜１８とスペクトル
軌跡４とのずれは、個々のダイオードへ入射した波長域
の値を積分することによって検出されることである。こ
の距離検出に貢献する帯域透過特性の構成要素は実質的
に小さい。

【００１９】図２〜図４は本発明の色度検出装置の機構
構造を示す。図示しない光学スキャナユニットから光フ
ァイバ１９が２部材型受け部に導かれる。本実施例では
光ファイバ１９は１５本設けられる。２部材型受け部
は、２つの受け部材２０、２１を備え、これらの受け部
材２０、２１間に光ファイバ１９を把持する。光ファイ
バ１９は横長の細い長方形を形作るように押さえ付けら
れる。本実施例では、８本の光ファイバ１９の光出口端
が第１直線上に配置され、残りの７本の光ファイバ１９
の光出口端は、第１直線に平行な第２直線上に配置され
る。光学スキャナユニットの構造は、例えば、欧州特許
出願９４１０７１６４．９号に開示される。光ファイバ
１９から円錐状に拡散した放射光は、円筒レンズ２２に
よって一方向に集束され、線形屈折率勾配干渉フィルタ
２３を通じて個々のＰＩＮフォトダイオード２４へと偏
光される。ＰＩＮフォトダイオード２４は１つの構成体
２５としてアレイ形に結合されている。ダイオードの構
成体２５は基板２６上に取り付けられ、この基板２６は
ネジ２７によって基礎体２８に固定される。

【００２０】基礎体２８は、前方挟持体２９および中間
挟持体３０に１対のネジ３１によってネジ結合されると
ともにピン３２によってピン結合される。

【００２１】円筒レンズ２２は、挟持フレーム３３によ
って屈折率勾配干渉フィルタ２３に結合され、互いに１
つのユニット体を構成する。このユニット体は、セット
ネジ３４によって干渉フィルタの勾配方向に変位するこ
とができる。その結果、波長域を正確に調整した上で、
個々のＰＩＮフォトダイオード２４に照射させることが
可能になる。

【００２２】全てのフォトダイオードは１つの直線上に
互いに隣接配置される。この直線と平行に干渉フィルタ
の勾配方向が規定される。同様に、光ファイバ１９の光
出口端が配列された直線や、円筒レンズ２２の軸線も、
この直線と平行に配置される。

【００２３】図５はＰＩＮダイオード２４の出力側の接
続を示す。前述したように、フォトダイオード２４は例
えば１０個設けられる。ここで、これらのフォトダイオ
ード２４は、図１の色度図に示された基準点９〜１８上
に位置するよう屈折率勾配干渉フィルタ２３に対して配
置される。図５では、それら基準点の参照符号９〜１８
をフォトダイオードごとに個別に示してある。各フォト
ダイオード２４の出力は個別のプリアンプ３５に接続さ
れる。プリアンプ３５の出力は３つの抵抗器３６、３
７、３８からなる並列回路に入力される。かかる構成で
は、第１抵抗器３６の出力は第１出力アンプ３９に接続
され、第２抵抗器３７の出力は第２出力アンプ４０に接
続され、第３抵抗器３８の出力は第３出力アンプ４１に
接続される。残りのフォトダイオードでも、同様に、並
列回路の３つの抵抗器の出力は全て対応する出力アンプ
３９〜４１に接続される。出力アンプ３９、４０、４１
は、所望の色信号Ｘ、Ｙ、Ｚを選りすぐって出力する。
３つの抵抗器３６、３７、３８は互いに異なる抵抗値を
有し、その上、ＰＩＮフォトダイオードの測定経路ごと
でも抵抗値は相違する。かかる抵抗値の設定によれば、
色彩計から知ることができる標準スペクトル値曲線に従
い、各フォトダイオードから各々供給される測定信号が
色信号Ｘ、Ｙ、Ｚの決定にどのくらい貢献しているのか
を考察することができる。３つの出力アンプ３９、４
０、４１の出力信号はマイクロコンピュータに入力さ
れ、これら３つのカラー信号Ｘ、Ｙ、Ｚを用いて所望の
混色を合成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の背景を説明する図であって、スペク
トルに存在しない仮想色Ｘ、Ｙ、Ｚを有する標準色度図
である。

【図２】本発明に係る光束の色度検出装置の長手方向
に切断した断面図である。

【図３】図２の色度検出装置の部分的な平面図であ
る。

【図４】図２の色度検出装置の部分断面図であって、
光ファイバの光出口端を示す図である。

【図５】図２の色度検出装置のフォトダイオードの出
力側の接続を示す図である。

【符号の説明】

１９光ファイバ、２２円筒レンズ、２３線形屈折
率勾配干渉フィルタ、２４ＰＩＮフォトダイオード、
２５ダイオードアレイ、２６基板、２８基礎体、２
９前方挟持体、３０中間挟持体、３３共通フレー
ムとしての挟持フレーム、３５プリアンプ、３６，３
７，３８抵抗器、３９，４０，４１出力アンプ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】線形に屈折率が変化する１つの勾配方向
を持つ屈折率勾配干渉フィルタと、この屈折率勾配干渉
フィルタの勾配方向に沿って互いに隣接配置され、屈折
率勾配干渉フィルタから光束が照射される複数のフォト
ダイオードと、屈折率勾配干渉フィルタの前方に配置さ
れ、フォトダイオードに向けて光束を集束させる集束光
学系とを備え、複数のフォトダイオードの測定信号に基
づいて色度を算出する光束の色度検出装置において、前記屈折率勾配干渉フィルタの勾配方向に延びる１以上
の列ごとに互いに隣接配置される光出口端を有し、前記
光束を供給する複数の光ファイバと、前記集束光学系に
設けられ、前記勾配方向に沿った軸線を有する円筒レン
ズとを備え、前記フォトダイオードをＰＩＮダイオード
で構成したことを特徴とする光束の色度検出装置。
【請求項２】請求項１に記載の光束の色度検出装置に
おいて、前記集束光学系および屈折率勾配干渉フィルタと前記フ
ォトダイオードとは、互いに屈折率勾配干渉フィルタの
勾配方向に相対移動することを特徴とする光束の色度検
出装置。
【請求項３】請求項２に記載の光束の色度検出装置に
おいて、前記集束光学系および屈折率勾配干渉フィルタは共通フ
レームで把持されることを特徴とする光束の色度検出装
置。
【請求項４】請求項３に記載の光束の色度検出装置に
おいて、前記共通フレームは屈折率勾配干渉フィルタの勾配方向
に移動可能に支持されることを特徴とする光束の色度検
出装置。
【請求項５】請求項４に記載の光束の色度検出装置に
おいて、前記共通フレームは中間挟持体に設けられ、この中間挟
持体は、前記フォトダイオードを支持する基礎体に固定
されることを特徴とする光束の色度検出装置。
【請求項６】請求項５に記載の光束の色度検出装置に
おいて、前記複数のフォトダイオードはアレイとして構成され、
このアレイは、基礎体に固着された基板上に配設される
ことを特徴とする光束の色度検出装置。
【請求項７】請求項５または６に記載の光束の色度検
出装置において、前記中間挟持体には、基礎体と反対側の側面に、前記光
ファイバの光出口端を保持する前方挟持体が固定される
ことを特徴とする光束の色度検出装置。
【請求項８】請求項５、６または７に記載の光束の色
度検出装置において、前記基礎体、中間挟持体および前方挟持体は互いにピン
結合されることを特徴とする光束の色度検出装置。
【請求項９】請求項１〜８のいずれかに記載の光束の
色度検出装置において、前記線形勾配干渉フィルタは２０ｎｍ幅の帯域通過特性
を有することを特徴とする光束の色度検出装置。
【請求項１０】請求項１〜９のいずれかに記載の光束
の色度検出装置において、前記フォトダイオードは、各々、プリアンプを介して、
３つの抵抗器からなる並列回路に接続され、各並列回路
の３つの抵抗器の出力は、３つの出力アンプに入力され
ることを特徴とする光束の色度検出装置。
【請求項１１】請求項１〜１０のいずれかに記載の光
束の色度検出装置において、この色度検出装置は１０個のフォトダイオードを含むこ
とを特徴とする光束の色度検出装置。
【請求項１２】請求項１〜１１のいずれかに記載の光
束の色度検出装置において、前記光ファイバの光の入り口端はすべて単一の点に向け
られることを特徴とする光束の色度検出装置。