JPH10508940A - 色特性の測定及び解析用を主とするスペクトル放射を測定・解析する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 所望の波長範囲におけるスペクトル放射の測定及び解析用の装置及び方法を提供する。Ｎ１個の放射源及び、該所望波長範囲における放射を検出する検出器が設けられる。放射源は互いに一次的に独立で、上記所望波長範囲を重畳してカバーするように選択される。検出器も同様に、スペクトル特性が互いに一次的に独立で、上記所望波長範囲を重畳してカバーするＭ１個のセンサを有する。また、一次的に独立なスペクトル特性をもって検出器の出力値とリンクされ、観察下の放射におけるスペクトル変化の決定に用いることができる複数の較正関数が格納される記憶装置が配備された制御ユニットが設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】 色特性の測定及び解析用を主とする スペクトル放射を測定・解析する装置及び方法 本発明は、スペクトル放射を測定及び解析する装置及び方法に関する。「スペ クトル放射」という用語は、ある特定波長範囲に及ぶ放射を指す。特に、本発明 は、受動的もしくは能動的な放射を行う物体の色特性の測定及び解析用の装置及 び方法に関する。 以下、本発明により解決すべき課題及びその解決方法について、色、即ち、３ ８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視波長範囲における放射の特性の測定及び解析用の装 置及び方法の例を挙げて述べる、しかしながら、本発明は、可視光範囲に限定さ れるものではなく、より短い、あるいは長い波長の放射についても適用できる。 日常使用されるあらゆる物、例えば衣服や家具、そして車等の基本的な必要品 について、その表面の色は、基本特性の１つである。色によりもたらされる感覚 は、例えば、入射光が、表面で反射された光が観察者によって色と知覚されるあ る特定のスペクトル行程を呈するように吸収もしくは反射されるような被放射面 がある場合に発生する。再生可能な色及び色表面をつくるには、上記スペクトル 特性を決定する必要がある。 色のスペクトル特性を知ることは、写真手法により、即ち、印刷物もしくはフ ィルム上に色を正確に再生するためにも重要であり、特に、電子手法により色を 検出して記録されたデータを転写し、テレビ・スクリーン及び視覚表示ユニット 上に色を正確に再生するためにも重要である。 例えば、ある着色物体で反射され、ある特定の色感覚を創出する光のスペクト ル（分光）分布は、色刺激関数ψ(λ)で表される。この色刺激関数は物体に投射 する光のスペクトル分布Ｓ（λ）により決定される一方、反射率を特徴づける波 長に依存する反射（率）関数σ（λ）による。色刺激関数は以下のように表され る。 ψ(λ)= σ(λ)・Ｓ(λ) これは、色刺激関数は光源のスペクトル分布、及び反射関数の積であることを 意味する。 光が物体で反射されずに透過したとすると、反射関数は透過関数τ（λ）で置 き換えられる。 色刺激関数は表面に投射する光のスペクトル分布の関数であるので、色の感覚 は、スペクトルのパワー分布が変化すれば変わる可能性がある。このような相違 は観察可能であり、例えば、ある物体が初めに自然光メタメリズムで放射され、 次に人工光で放射される場合等に見られる。 色がいわゆる標準（的）観察者から引き起こす色の知覚は、基本変数と呼ばれ る３つの変数により表現できる。この理論により、色刺激関数ψ(λ)により導き 出される１つの色の色値Ｘ、Ｙ、Ｚが、以下の積分により決定される。 の関数としての標準スペクトル値関数である。１９３１年には、小さい色エリア 、特に２度の視角における観測について、色値に関する対応する標準がＣＩＥ（ Commission Internationale de l'Eclairage）により設定された。また、この系 への補足として、１０度の系が１９６４年に導入された。これらの標準に加え、 他の標準化組織により設定された他の色標準があり、それらは、ルールとして、 ヤング−ヘルムホルツの３色理論に基づいている。 物体の色特性を測定する多くの機器があるが、最も主要なものを以下に簡単に 説明する。 典型的な受動式測色計は、物体自身の放射もしくは反射の結果としての物体か ら発せられる放射を、３つの感光性検知器により測定するものである。各検知器 値により直接算出し、表示することができる。しかしながら、この機器の欠点は 、フィルタ関数がスペクトル値関数の非常に正確な再生となる必要があり、これ は非常にコストを要する点である。更に、これら機器はメタメリック効果（meta meric effects）を記録することができない。 もし、係る機器が反射面の測定に用いられるならば、測定された値は、サンプ ルが、例えば、ドイツ工業標準（German industrial standard）ＤＩＮ５０３３ に規定された標準光で照射される時にのみ有効である。 しかしながら、このような測色計では３つの色値のみの表示が可能で、λの関 数としての反射関数は計算できない。 いわゆる分光測光器もまた、測色計の一種である。この機器には、例えば、１ ６もしくは３２の狭帯域フィルタが備えられ、反射光の強度が狭い波長範囲で検 出できる。これは、個々の波長範囲における波長の関数としての反射関数の決定 を可能にし、この関数のスペクトル分布がプロットできる。しかし、この過程に おいて、値として使われるスペクトル分布曲線上の各点について個別のフィルタ が必要とされる。これはまた、機器の構築、特に狭帯域フィルタの製造が非常に 高価になるという短所を有し、これは、これら機器が一般には研究所のみで使用 されるということを意味する。 また他のタイプの分光測光器では、反射光がプリズムにより分岐されて「屈折 」が波長の関数になるか、あるいは、格子により分岐されて「回折」が波長の関 数になるかしている。しかしながら、これらの機器は、その構成から非常に高価 で、これらもまた主に研究所で用いられる。 モノクロメータもまた、別の種類の測色計であり、特定波長の光のみがサンプ ルに当たるようにし、スペクトル分布の正確な検出を可能にする。しかしながら 、この機器は、分光測光器と同様に非常に高価で、主に研究所で用いられる。 研究所外、即ち、物の製造等において使用できるような測色計の向上のために 、多くの努力がなされてきた。 請求項１の従来技術部分による機器は、「DE 42 02 822 A1」公報で開示され るものである。この測色計は、円筒形基体を有し、その一方の側には温度センサ が 設けられ、もう一方の側には、円形に配置された複数の光源が設けられ、それら は円筒璧により４つの感光センサの組と切り離されている。この機器は更に複数 の光ファイバを有し、これに沿って光は光源から被測定エリアに導かれ、そこで 反射されて光ファイバによりセンサに導かれる。 光源及びセンサの各々は、異なるスペクトル特性を有する。また、光源には順 次エネルギが与えられ、各場合において反射された光は検出器により測定される 。 そして１組の重みづけされた積分が生成され、積分の数は、光源の数と検出器 の数との積になる。積分の重みづけ関数は、個々の放射重みづけ関数と個々のセ ンサ重みづけ関数との積である。これら１組の重みづけされた積分値から、一次 変換により、１組の重みづけされた積分値が算出され、その時、あらかじめ設定 された係数が用いられる。従って、スペクトル特性が標準色値を決定するための 特性に対応していない部分（成分）を用いて、標準色値の算出が可能である。し かしながら、この装置には欠点があり、それは、スペクトルの分解能が、放射光 源及びセンサの数と直接結びつくことである。例えば、１８の値という比較的低 レベルの解像度を達成するのに６つの放射光源が要求され、その距離はまた、同 じであるとは限らない。 本発明は、製造が容易でコスト効果が高く、高いスペクトル解像度で放射測定 及び解析が行える、スペクトル放射の測定及び解析用の装置及び方法の提供を行 おうとするものである。 本発明によれば、この課題は請求項１の主題により解決される。 本発明による方法は、請求項１２の主題に表される。 本発明は、シンプルな構成であるとともに、放射源の完全なスペクトル分布が 検出可能であるように設計された測色計を提供するものである。既知の装置と比 較して、精密及び高価なフィルタを用意する必要も、高価な格子を用意する必要 もない。 本発明は、発明の原理が保持された複数の異なる方法で実現できる。 本発明の第１の実施形態においては、装置は能動的なデバイスとして設計され る。これは、装置に、少なくとも１つの、電気的エネルギが放射エネルギに変換 されるような放射源が設けられることを意味する。被測定サンプルで反射された 、 もしくは、別ケースとしてサンプルを透過した放射は、検出器（センサ）で検出 され、制御ユニットにより解析される。 上記能動的デバイスのアセンブリは、様々な方法で実現できる。 １つの好適な実施形態は、異なるスペクトル特性のｎ個の放射源を設けること であり、その特性は、少なくとも部分的に重畳し、互いに一次的に独立であるよ うに選択される。また、その放射の所定波長範囲の全体に感応する１つのセンサ が、物体から反射された、もしくは物体を透過した放射を検出するために設けら れる。 個々のデバイスについて、既知の反射特性を有する１組の標準サンプルが、デ バイスの較正のために関連波長範囲で測定される。例えば、互いに一次的に独立 な８個の放射源が用いられる場合、８つの標準サンプルが用いられ、それらの所 定波長区間におけるそれぞれの既知の反射率値がデバイスに入力される。ここで は、３８０〜７８０ｎｍの波長範囲において、５０個の等間隔での値とする。測 定は連続的に行われ、即ち、個々の光源について８個全ての標準サンプルに関す る反射強度が測定される。 このようにして、詳細に後述されるように、波長の関数としての８個の較正関 数が生成される。そして未知のサンプルの反射率または透過率が測定される場合 、８つの異なる光源に関して得られた上記８つの測定値が上記較正関数と結合さ れ、サンプルの反射率／透過率をもたらす。 このようにして、モノクロメータを用いることなく、また、放射源の光につい て複雑なスペクトル分岐を行うことなく、サンプルのスペクトル特性の記録が可 能である。 分解能が、例えば５０個の値では不十分な場合は、１００〜２００個の値の使 用により、精度を容易に向上させることができる。 第２の実施形態では、ただ１つの光源が用いられ、それは、全関連波長範囲に おいて所定の特性の光を発する。この場合、異なるスペクトル特性を有するｎ個 のセンサが設けられ、それらの波長範囲は少なくとも部分的に重畳し、それらの 特性は互いに一次的に独立である。 ｎ個の標準サンプルがこの場合に同様に測定され、上述したｎ個の異なる光源 についての方法と同様の方法で解析が行われる。 能動的デバイスの第３の実施形態においては、異なるスペクトル特性を有する ｎ個の光源が設けられ、それら特性は関連波長範囲において少なくとも部分的に 重畳し、互いに一次的に独立である。そして、異なるスペクトル特性を有するｍ 個のセンサが設けられ、それらの特性もまた、部分的に重畳及び互いに一次的に 独立している。 この場合、較正用にｐ=ｍ・ｎ個の標準サンプルが用いられ、一連の一次方程 式が上述の実施形態と同様の手法で創出され、較正関数が得られる。上記光源の １つに関するある所定波長区間におけるスペクトル・センサ特性に相違がみられ ないなら、較正関数の数、そして、用いられる標準サンプルの数は少なくなる。 測色計のまた別の好適な実施形態として、受動的デバイスの形態がある。この デバイスでは、放射源が設けられずに、スペクトル特性が部分的に重畳し、かつ 互いに一次的に独立したｎ個のセンサが設けられる。このデバイスは、周辺光や 特定の光源等の能動的な放射光源のスペクトル特性の検出に用いることができる 。 上記実施形態において、較正は、関連波長範囲におけるスペクトル特性が知ら れたｎ個の能動的放射光源に関して対応する方法で行われる。 例えば、放射源として、既知のスペクトル強度分布を有する独立した光源から 照射される、既知の反射特性を有する反射標準サンプルを用いることができる。 デバイスのセンサにより検出される色刺激関数は、光源のスペクトル特性と反射 標準サンプルのスペクトル特性との積から算出可能である。そして、上述した実 施形態のように、較正関数は、上記既知の特性から順次生成される。該関数に基 づき、装置内において放射源のスペクトル分布が測定から決定される。 上記全ての実施形態において、測定及び算出された値は様々な方法で表示する ことができる。 測定された放射のスペクトル分布は、波長に関する直交座標形の従来形式で表 示ユニットに表示可能である。 スペクトル分布から既知の色標準の１つに基づき色値を算出することもまた可 能である。係る装置の特徴の概略は、複数の個別の入力スイッチが配備され、こ れにより複数の色標準が選択できるような制御ユニットが設けられるものであり 、 これは、測定が様々な方式で解析可能なことを意味する。 この実施形態を更に発展させるのなら、制御ユニットを、全スペクトル分布及 び標準色値の提供が可能なだけでなく、本デバイスがある特定タイプのデバイス をシミュレートするような様式での測定値の提供も可能であるように設計するこ とができる。これは、他のデバイスの出力が標準色値に従って実行されない場合 においても、ユーザが当該デバイスの測定値を他のタイプのデバイスの測定値と 直接比較することを可能にする。 以下、本発明の更なる長所、特徴及び応用について、以下の添付図面を参照し て例を挙げて記述する。 図１は、本発明による装置の第１実施形態を図示したものである。 図２は、８つの異なるＬＥＤのスペクトル強度分布を示す図であり、縦座標軸 に強度が、横座標軸に波長が示された図である。 図３は、８個の標準サンプルの反射スペクトルを示す図であり、縦座標軸に放 射容量が、横座標軸に波長が示された図である。 図４は、図１の構成による実施形態に関する較正例についての較正関数を示す 図である。 図５は、図１の構成による実施形態例の算出に用いられる測定例である。 図６は、本発明の更なる実施形態を示す図である。 図７は、本発明の更なる実施形態を示す図である。 図８は、本発明の更なる実施形態を示す図である。 図９は、特に被測定面上に置かれる色測定ヘッドとしての測定装置の詳細断面 図である。 図１０は、図９の構成における本発明の実施形態を示す図である。 以下、本発明について、図１に示す第１実施形態により説明する。 この実施形態は、被験面１の反射率の測定を意図したものである。 本装置は、複数の発光部Ｌ１〜Ｌ８を備える光源２、そして、検出器３を有す る。 発光部Ｌ１〜Ｌ８はＬＥＤ（発光ダイオード）であり、光センサ（検出器）３ は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトレジスタ等の一群の感光性 素子から選択できる。光センサ３が全波長範囲、即ち、３８０〜７８０ｎｍ範囲 の光に感応することが重要である。 本実施形態の機能に関わるＬＥＤの特徴を、以下に説明する。 本装置は全体として制御ユニット５により制御され、該ユニットは、好ましく は、光源Ｌ１〜Ｌ８の動作制御及び光センサ３からの測定値の記録に必要な、マ イクロプロセッサ及び異なる複数の信号入力部及び信号出力部を有する。この制 御ユニットは、該ユニットの動作用プログラムが格納された記憶装置６と接続さ れ、この記憶装置には、測定過程において測定値が記憶される。 本実施形態では、制御ユニットはまた、ユーザが制御ユニットへの指示を入力 可能な表示ユニット８と接続されている。この表示ユニットは、好ましくはＬＣ Ｄ（液晶ディスプレイ）であり、数値及び図記号を表示可能なものである。 制御ユニットは、また、ユーザが制御ユニットへの指示を入力可能な入力装置 ９と接続されている。制御ユニットに、ユーザにより操作される複数のスイッチ を設けても良い。しかしまた、数値もしくは文字を入力するためのフル英数字キ ーボードを配備しても良い。 表示ユニット８、入力装置９、もしくは構成によるが、記憶装置９等に代えて 、制御ユニット５をメインフレームやパーソナルタイプのコンピュータに直接接 続することができる。パーソナル・コンピュータの場合、制御ユニットにより実 行される全タスクはパーソナル・コンピュータにより実行され、その結果がパー ソナル・コンピュータの表示ユニットに表示される。 また、文字、数字、特に図記号の印刷用に印刷機器を設けても良い。 以下、本実施形態の機能における方法、特に、基本的な数学的解析手法につい て、図２及び５を参照して説明する。 本装置は、３８０〜７８０ｎｍの波長範囲におけるスペクトル分布が異なる８ つのＬＥＤを有する。この場合、図２に示されるように、異なる複数のスペクト ル行程が一次（線形）的に互いに独立している。望ましい一次独立は、異なるス ペクトル特性を有する、対応する数のＬＥＤを選択するか、あるいは、光源から 発光される光に、全体として、他のＬＥＤの分布とは一次的に独立なあるスペク トル分布を与えるフィルタを有するＬＥＤを備えることにより得ることができる 。 複数のＬＥＤのスペクトル特性は、更に、その範囲が少なくとも一部は重畳す るように選択される必要があり、これによれば、全関連波長範囲においてサンプ ルが照射されることが保証される。 図２は、本発明に従って要求される８つのＬＥＤのスペクトル波長分布の例で ある。ＬＥＤの強度は値１に規格化されて縦座標に示され、３８０〜７８０ｎｍ の波長範囲が横座標に示される。 装置の動作を決定する較正について、以下に詳細に記述する。 反射スペクトルが知られた多くの標準サンプルが、装置の較正に用いられる。 個々の標準サンプルのスペクトル分布は、ここでも同様に一次的に互いに独立で ある。 ８個の選択された標準サンプルのスペクトル強度分布を図３に例示する。同図 で、縦座標には、反射容量に関する次元のない値が示され、横座標には、３８０ 〜７８０ｎｍの関連波長範囲が示される。 装置の較正のため、各標準サンプルは、個々の光源Ｌ１〜Ｌ８により順次照射 され、反射光の強度がセンサ３により測定される。複数の測定値は制御ユニット ５により記録されて装置内の記憶装置６に格納される。ここで、８つの光源が用 いられるなら、８つの標準サンプルが較正に用いられる。 この較正の解析のため、以下の数学的演算が用いられる。 各々の標準サンプルの全波長範囲にわたる反射率は知られている。もしこの波 長範囲の一部のみ、即ち、区間Δλのみが観測されるのなら、該区間における、 測定されるセンサ信号と実際の反射率との関係に関する以下の式が創出される。 Ｉ_Δλ= Ｋ₁Ｌ₁＋Ｋ₂Ｌ₂＋・・・＋Ｋ_nＬ １．１ ここで、 ・Ｉ_Δλは、区間Δλにおける標準サンプルの反射率 ・Ｌ_iは、光源ｉの測定された放射強度 ・Ｋ_{i, λn}は、区間Δλに関する係数 である。 即ち、一次的に独立な光源の数であるｎに対応するｎ個の未知の係数Ｋ₁〜Ｋ_n をもって式がつくられる。 上述のように、一次的に独立な光源の数ｎに等しい複数のｍの標準サンプルが 較正に用いられる。 標準サンプルｍの各々について、与えられた区間Δλにおいて反射率が観測さ れるのなら、以下の式の組が創出される。 ここで、 ・Ｉ_{k λ}は、λにおける標準サンプルｋの反射率 ・Ｌ_i,kは、光源ｉでの標準サンプルｋ上の測定強度 ・Ｋ_{i, λ}は、λにおける光源ｉの係数 である。 これは、一次的な式の組であり、値Ｉ₁（λ）〜Ｉ_n（λ）は、範囲Δλにおい て公知の反射率を有する標準サンプルが測定されたゆえに知られ、そして、値Ｌ が測定処理の結果知られ、これらの値が、温度等の他のパラメータが考慮可能な 関数として機能し得る。係数Ｋ₁〜Ｋ_nはこの式においては未知である。 ＬＥＤ及び標準サンプルの個々の特性が互いに一次的に独立なので、この一連 の式の解はいずれにせよ簡単ではない解となる。解は、一連の式の係数行列が反 転されて標準サンプルの知られた反射率値で乗算されて得られ、即ち、以下の式 １．３のように、係数Ｋ₁〜Ｋ_nが創出される。 この式のセットは、非常に特定的にあらかじめ定められた波長区間Δλに関す る。関連波長範囲がｘ（個）の等区間Δλに再分割されるなら、式１．３に記載 した種類のｘ個の一次式の組が創出される。 もし区間Δλが縮小可能なら、数ｘは関連波長範囲において増加し、そ の結果１．４に示す極値への変遷が可能である。 所定区間に対する離散的な反射率値Ｉ_{k Δλ}は、もはや式１．２の組の左側に 現れず、標準サンプルの連続反射スペクトルＩ_{k( λ)}となる。 式１．２の右側では、離散的な係数ｋ_{I, Δλ}がλの関数となり、転置の後、一 連の式についての以下の解が得られる。 ここで、 ・Ｌ_i,kは、動作光源ｉが標準サンプルｋに作用する時の測定センサ信号 ・Ｉ_k（λ）は、標準サンプルｋの反射スペクトル ・ｋ_i（λ）は、個々の光源についての較正関数 である。 ｋ₁（λ）〜ｋ_n（λ）は、光源Ｌ１〜Ｌ８を源とし、個々の光源からの光の比 に応じて合成される入射光がいかにサンプルに投射するかを示す較正関数である 。 この方法を、従来のデジタル・マイクロプロセッサで動作する装置で実現する 時は、極値への変遷Δλ→０は行われない。その代わり、相応に大きなｘ個の値 、即ち、５０もしくは１００個の値が、望ましい解像度レベルに応じて選択され る。そして、連続的較正関数の代わりに、離散値により決定される関数が創出さ れる。しかしながら、選ばれたｘ個という値が十分大きければ、反射特性が不連 続部分を含まないので、離散的関数から難なく連続較正関数の行程が創出される 。 較正関数の離散的関数値は、マイクロプロセッサに恒久的に記憶される。 実際の測定プロセスは、以下のように実行される。 図１に示すような被測定面が順次ＬＥＤ・Ｌ１〜Ｌ８により照射され、測定値 が記憶される。これらの値から、個々の値Ｍ１〜Ｍｎを有する測定ベクトルＭが 生み出される。このＭは、一次的に独立な光源Ｌ１〜Ｌ８と同数の成分を有する 。もしセンサ３として好適なフォトダイオードが用いられるのなら、この測定ベ クトルの個々の成分Ｍ１〜Ｍ８は電圧値であり、ボルト単位で計られて記憶され る。この場合、較正関数の離散的独立値についても直接ボルト単位で記憶される 。 測定ベクトルは、較正関数の離散値と掛け合わされる。以下の式が用いられる 。 ここで"Result"は特定値Ｔにおける強度であり、"Mess"は測定ベクトル、Ｋ_n,r は数ｎ及び値ｒについてのＬＥＤに関する離散較正値である。 そして、結果は、ｘ個の値に関する関連波長範囲におけるスペクトル・パワー 分布となる。 較正方法及び測定プロセスについて、測定例を用いて説明する。 ８個の標準サンプルの反射率値が、図１に示すものに対応する、本発明による 装置の構成要素としての８個の異なるＬＥＤにより計られた。測定値の行列Ｌが これら値から生成され、これはテーブル１として表示される。その列は個々の標 準サンプルに対応し、列はＬＥＤに対応している。行列の値は光センサ３により 直接ボルトで検出された電圧値である。 標準サンプルに関する反射率値は、３８０〜７２０ｎｍの範囲の各所定区間１ ０ｎｍにおいてあらかじめ規定されており、１００％の反射率値に対応する無次 元値１に規格化されている。結果としての行列は、以下のように示される。 各々の行はそれぞれ個々の標準サンプルに対応し、即ち、第１行は白色につい ての１つの標準サンプルに関する値（このテーブルにおいては値は再生されてい ない）を含み、第２行はピンク色についての標準サンプルに関する値を含み、最 終行は青色についての標準サンプルに関する値を表す。１０ｎｍ区間への分割の 結果、簡略化のためであるが、３８０〜７２０ｎｍの範囲で３５個の値が存在す る。これは、行列Ｉの各列が全部で３５の個々の関数値を有することを意味する 。 行列Ｌは反転され、Ｉの値が乗じられ、図４に示す較正関数が生成される。 そして、未知のサンプルが測定された時に、以下の測定ベクトルが個々のＬＥ Ｄについて生み出された。 これらの値もまた、ボルトでの値である。 測定ベクトルＭ及び較正関数が掛け合わされる。３５個の離散値があるので、 式１．６に示すように、各値についての較正値が測定ベクトルと掛け合わされ、 そして個々の値が加算される。 そしてサンプルのスペクトル行程が、図５に示すように導かれる。このサンプ ルでは、反射率が縦座標軸にプロットされ、波長範囲が横座標軸にプロットされ ている。当業者は、そのスペクトル分布から緑色のサンプルが測定されたことを 認識するであろう。 上記例で示したように、本発明による方法に従えば、比較的少数の８個のＬＥ Ｄを用いて、可視光全域にわたるスペクトル・パワー分布を得ることが可能であ る。ユーザが更なる情報を得たいのなら、公知の測色の関係によるスペクトル分 布から、ＣＩＥ、ＡＳＴＭ、もしくはＤＩＮに従う色値を算出することができる 。 本発明の別の実施形態を、図６を参照して説明する。 図１による例と比較し、この例ではただ１つの放射源２１が設けられ、これが 全関連波長範囲に対する光を発する。放射源２１の光はサンプル２０により反射 され、その光は、波長特性が少なくとも部分的に重畳し、かつ互いに一次的に独 立であるセンサＳ１〜Ｓ８に当たる。 この一次的独立は、相応の数の異なるセンサを用いることで、もしくは、望ま れる異なるスペクトル分布を生み出すフィルタをセンサに備えることで得られる 。 制御ユニット５、記憶装置６、表示ユニット８等の残りの構成要素は、図１で 使用されていたものと同じである。 本実施形態の機能における方法を以下に説明する。 光源２１がまず駆動され、センサＳ１〜Ｓ８により発せられる信号が制御ユニ ット５により記録され、記憶装置６に記憶される。 そして、上述した式１．１及び１．５と同様の形式の一連の式が創出される。 しかしながら、上述の式と比較して、この場合、Ｌ１は測定された光源Ｉの放射 強度ではなく、センサＩにより測定された放射強度である。同様に、Ｋ_{I, λ}はλ におけるセンサＩの係数であり、較正関数Ｋ_I（λ）は個々のセンサに関する較 正関数を形成する。 更に、数学的解析及び測定値からのスペクトル分布の算出について、図１に従 う上述した実施形態例と同様の手法が適用される。 本発明による更に別の実施形態例を、図７を参照して説明する。 この実施形態は３つの光源Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を有し、これらを全体として放射 源３１と称する。係る光源からの光はサンプル３０で反射され、３つのセンサＳ １、Ｓ２、Ｓ３が設けられた受光デバイス３２で検出される。 光源Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の各々のスペクトル特性は少なくとも一部で重畳し、互 いに一次的に独立である。センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３についても同じ事が言える。 残りの構成要素は、図１及び６を参照して上述されたものに対応する。 本実施形態の機能における方法を以下に説明する。 較正は、図１及び６を参照して説明した内容と同様の方法で行われる。しかし ながら、この実施形態では、全部で９つの標準サンプルが要求され、各標準サン プルが光源Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３により順次照射される。センサＳ１〜Ｓ３により測 定された個々の値は、記憶装置に格納される。較正関数が、以下の式からスター トして上述と同様の方法で生成される。 ここで、 ・Ｉは、区間Δλにおける標準サンプルの反射率 ・Ｋ_I,Jは、光源Ｉ及びセンサＪについての区間Δλに関する係数 ・Ｌ_I,Jは、センサＪによって測定される光源Ｉからの放射の強度 である。 こうしてｎ（=Ｉ・Ｊ）個の未知の係数Ｋ_I,Jが生成され、これは、３つの光源 と３つのセンサを有するこの実施形態では全部で９つの未知の係数があることを 意味する。９つの標準サンプルの場合、式１．２で記述したものと同様で、９つ の未知係数を有する９つの一連の式が創出される。そして、上述のようにこれら 一連の式を解くことができ、９つの較正関数が生成される。そしてこれら較正関 数から、図１による第１実施形態における手法と同様の方法により、スペクトル 分布が算出される。 また別の実施形態を、図８を参照して以下に記述する。 この実施形態は、能動的に放射する放射源の測定を意図したもので、言い換え れば、光源によりサンプルを照射するのに、どのようなデバイスも配備されない 構成である。 全体としての放射源は符号４０で示され、８個のセンサＳ１〜Ｓ８を有する検 出器４１が、放射源４０から放射される光を検出するために設けられている。セ ンサＳ１〜Ｓ８は、関連帯域において少なくとも一部で重畳し、互いに一次的に 独立なスペクトル特性を呈する。 本装置のその他の構成要素は、他の実施形態例で説明したものに対応する。 本実施形態の機能における方法を以下に説明する。 装置の較正のため、図６による装置で用いられた構成に対応する構成が用いら れる。これは、既知のスペクトル分布の光源が使用され、検出器４１の数に対応 する複数の標準サンプルが照射されることを意味する。そして、上述のように、 較正関数が、記憶装置６に格納された測定値から生成される。既知のスペクトル 特性を有する対応する数の光源を、標準サンプルの代わりに用いても良い。 測定プロセスにおいては、測定される放射源の光が記録される。放射源は、ラ ンプ、ＬＥＤ等の能動的な放射源、もしくは、人工光や昼間の光により照射され る表面等の受動的な放射源で良い。放射源から発光される光はセンサＳ１〜Ｓ８ で検出され、測定値が記憶装置６に格納される。そして、放射源のスペクトル分 布が、記憶された較正関数により、上述のように算出される。 本発明による更に別の実施形態について、図９及び１０を参照して説明する。 この実施形態は放射源及びセンサを固定する測色ヘッドの実際的な構成例を示す ものである。 全体を符号１００で示すこの測色ヘッドは、軸対象なベル型の測色ヘッドであ り、内部に放射源及びセンサが配置されている。この測色ヘッドは、線形に裾広 がりになったテーパ部１００ｂに接合された円筒部１００ａを有する。円形部１ ００ｃは、テーパ部１００ｂに接合されている。テーパ部１００ｂは、この軸対 象ベルの軸に対して角度α、例えば４５度に設定されている。このテーパ部には 、同一面上に、ベル型の測定ヘッドの放射対称軸に関して同一角度距離で等距離 に配置された２４個の穴１０１が設けられている。２４個のＬＥＤ１１０もしく は２４個のセンサが、後述のように穴１０１にそれぞれ配置される。 ベルの円形部１００ｃには、放射対称軸と同軸になるように設けられた穴１０ ４があり、そこには測定シリンダ１０５が接着剤等により固着されている。この 測定シリンダの所定の長さがベル内に突出し、また、ベルの開口端１００ｄに面 するレンズ１０８を擁している。レンズと逆側のシリンダの他端には、フィルタ １０７が設けられ、その後ろ側にはセンサ１０６が固定されている。 本実施形態の機能における方法を以下に説明する。 本測色ヘッドは、上述した図１の構成における使用を意図するものである。２ ４個のＬＥＤ１０１が、即ち、図１に示すＬＥＤ・Ｌ１〜Ｌ８に対応する。 ２４個のＬＥＤは３つのＬＥＤを擁する複数グループとして配置され、３つの ＬＥＤは互いに１２０度の角度距離で配置されて固有の光を発する。この測色ヘ ッドは、従って、異なるＬＥＤによる８つの組を有する。この複数ＬＥＤの８グ ループのスペクトル分布は少なくとも一部が重畳し、互いに一次的に独立である 。円周状に配置された３ＬＥＤのグループの使用は、織ったような面によって影 ができた場合に測定値がひずまないという長所がある。 センサ１０６は図１のセンサ３に対応し、全関連波長範囲における光の強度を 測定できる。 測定のために、ベル１００を擁する測色ヘッドが被験面上に、好ましくは、望 ましくない光がいっさいベル内に入り込まないように置かれる。３ＬＥＤの個々 の組１０１は順次駆動され、ベルの放射対称軸１０３の延長上にほぼ沿うように 置かれたサンプル上の被測定エリアの方向に、光を投射する。被測定エリアから 反射された光は、センサ１０６により検出され、装置内の記憶装置６に記録され る。全ＬＥＤの組が駆動されて測定値が記憶されて記憶装置６に格納されるとほ どなく、図１を参照して上述したような解析が開始される。 図９に示されるように、ベルのテーパ部分の角度設計は、ＬＥＤから投射され る光が被測定面に角度４５度で確実に当たるようになされている。反射が正確に 反射のフレネルの法則に合致するならば、入射角は反射角に等しくなり、ＬＥＤ から投射される光がセンサに向けて反射されるのではなく、個々の対面する壁か らのものになるであろう。従って、センサはフレネルに従う反射を検出するので はなく、色知覚を決定する被測定面の拡散反射を検出することが確認される。 装置を較正するために、測定ヘッドが既知の反射率を有する標準サンプル上に 置かれ、較正用の測定値が、図１を参照して説明されたように活用される。 図９及び１０で示す実施形態においては、それぞれ３つずつに組分けされた全 部で２４個のＬＥＤが使われる。より多くのもしくは少ない数のＬＥＤを用いる こと、及び、異なる様式で組分けすることも可能である。 また、図７による実施形態に対応する、図９、１０による実施形態の（図示し ない）変形例がある。 この形態では、図９に示すような測色ヘッドが用いられるが、センサ１０６の 代わりに全関連波長範囲をカバーする放射源がシリンダ内で用いられ、ＬＥＤ１ １０の代わりに複数のセンサが穴１０１に配置される。この実施形態を図７によ る実施形態に類似させるのなら、装置には全部で８個の穴１０１が設けられ、全 部で８個のセンサが用いられ、スペクトル特性は部分的に重畳して互いに一次的 に独立である。 次に、内容の完全性をはかるために、既知のスペクトル特性をもって表面上で 測定された反射光強度が理論的にいかに決定されるかを、以下に説明する。 ここで、 ・Ｌ_i,j（Ｕ）は、反射光強度（測定値） ・ｋ_i（λ）は、標準サンプルｉの反射（率）関数 ・ψ_j(λ,Ｕ)は、温度依存測定値Ｕに依存する光源ｊのスペクトル特性 ・σ_j（λ）は、センサの特性 である。 これらの積分は、以下のようなパワーの数列で表現することができる。 ここで、 ・α_n,i,jは、標準サンプルｉ及び光源ｊに関する測定値についての次元ｎの展 開係数 ・Ｕ_0,i,jは、基準温度での温度依存測定値（例えばアノード電圧） ・Ｕ は、任意温度での温度依存測定値 である。 これらの係数はパワー数列に関するもので、以下の系列式で決定できる。 ここで、 ・Ｓ（Ｕ_k,i,j）は、光源の温度依存測定値Ｕ_k,i,jでのセンサの測定値 ・Ｕ_k,i,jは、温度ｋ、標準サンプルｉ及び光源ｊに関する温度依存測定値 ・ｋ=０…ｎは、パワー数列の次元 ・α_k,i,jは、標準サンプルｉ及び光源ｊに関する次元ｋの係数 である。 この系列式においては、Ｕ_k,i,j項は、ｉ＊ｊ行列に結合できる。 ここで、 ・ｌ=０…ｎは、異なる温度による測定値のインデックス ・ｋ=０…ｎは、パワー数列の指数 ・ｉは、標準サンプルに関するインデックス ・ｊは、光源に関するインデックス である。 従って、上記の系列式は以下のように記載できる。 そして、以下のα_i,jへと解決できる。 従って、被測定サンプルの反射スペクトルは、以下のように決定できる。 あるサンプルについてのｍのセンサ信号及び関連する光源パラメータの記録及 び格納（例えば、単一ＬＥＤの電圧を通して）は、以下のようになる。 較正関数の計算は、以下のようである（それら較正関数値が算出され、それら は、標準サンプルが実際の光源温度で測定されるなら得られるであろう値である ）。 ここで、 ・Ｅ（λ）は、結果の関数 ・Ｐは、測定値ベクトル である。また、 であり、ここで、 である。また、 であり、ここで、 ・Ｖ_jは、光源ｊの温度依存パラメータの実際の測定値 ・Ｕ_0,i,jは、基準温度に関する温度依存測定値（例えばアノード電圧） である。 そして、αの置き換えにより、以下の式が得られる。 そして、結果としての関数が、以下の形式により算出できる。 上記実施形態で示したように、本発明は、スペクトル放射の測定及び解析を行 う装置の作成を可能にし、比較的少ない数の放射光源、あるいは場合によっては センサを用い、放射スペクトル分布の記録を可能にする。このようなシンプルな 構成により、装置を比較的小さいサイズに作成して容易に扱えるようにでき、こ れにより、研究所内のみならず、色品質を連続的にモニタするための工場での直 接使用が可能となる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 所定波長範囲におけるスペクトル放射を測定及び解析し、特に、色特性を 検出する装置であって、 スペクトルがある波長範囲に分布する放射を発するＮ１個の放射源であって、 前記放射は該所定波長範囲中で少なくとも部分的に存在し、個々の前記放射源の スペクトル特性は互いに異なり、Ｎ１は１以上であるような放射源と、 前記所定波長範囲内の放射を検出し、検出された放射の強度を表す電気信号を 発生する検出器と、 本装置の放射を制御し、前記放射源が、連続する複数の時間的区間において所 定の結合形態で駆動されるように制御する制御ユニットと、 前記放射源の結合の各々に関する前記検出器により検出された値が記録及び格 納される記憶装置とを有し、 前記制御ユニットは、前記格納値から、前記放射源のスペクトル特性を決定す るための値を算出するものである装置において、 前記放射源は、そのスペクトル特性が前記所定波長範囲中で重畳するように選 択され、 前記光源のスペクトル特性は更に、前記光源の少なくともＮ２個の特性が互い に一次的に独立になるようなものであり、 前記検出器はＭ１個のセンサを有し、それらセンサの前記所定波長範囲におけ るスペクトル特性は該所定波長範囲を全てカバーするように重畳しており、Ｍ１ は１以上であり、 前記センサのスペクトル特性は更に、少なくともＭ２個の前記放射源の特性が 互いに一次的に独立であり、 Ｎ２及びＭ２の値を乗算して得られる積Ｐ（=Ｎ２＊Ｍ２）は１より大きく、 前記記憶装置内にＰ個の較正関数が格納され、それらは前記所定波長範囲に少 なくとも一部がかかり、個々の機器により測定されるＰ個の標準サンプルのスペ クトル強度分布とそれらの既知の反射スペクトルとの間の関係を決定するもので あり、前記反射スペクトルのスペクトル特性は互いに一次的に独立及び、全波長 範囲が記録されるように少なくとも部分的に重畳し、前記較正関数を、前記検出 器により得られる被測定放射に関する前記測定値と結合することにより、前記被 測定放射のスペクトル行程を決定できることを特徴とする装置。 ２． 前記数Ｎ１及びＮ２は１より大きく、少なくとも２つの互いに重畳及び一 次的に独立なスペクトル特性を有する放射源が設けられ、また、前記数Ｍ１及び Ｍ２は１に等しく、前記所定波長範囲の全体に感応する１つのセンサが設けられ ることを特徴とする請求項１記載の装置。 ３． 前記数Ｎ１及びＮ２は１であり、前記所定波長範囲にわたる放射を発する ただ１つの放射源を要し、また、前記数Ｍ１及びＭ２は少なくとも２に等しく、 前記所定波長範囲の全体がカバーされるように少なくとも部分的に特性が重畳し た少なくとも２つのセンサが設けられ、該特性はまた互いに一次的に独立である ことを特徴とする請求項１記載の装置。 ４． 前記数Ｎ２及びＭ２はそれぞれ１より大であることを特徴とする請求項２ または３記載の装置。 ５． 前記放射源は前記被測定放射を発し、前記所定波長範囲は前記放射源から 発せられる放射が検出される波長範囲であることを特徴とする請求項１記載の装 置。 ６． 前記所定波長範囲において、ｘ個の、好ましくは等距離間隔の値が設定さ れ、前記被測定放射のスペクトル分布が前記ｘの値から決定されるように前記較 関数が生成されることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の装置。 ７． 前記所定波長範囲において、前記較正関数は、前記ｘの値の各々において 、ｐ個の未知の係数を有するｐ個の方程式を含む一連の一次方程式が解かれるこ とにより決定されることを特徴とする請求項６記載の装置。 ８． 前記１つのまたは複数の放射源及び前記１つのまたは複数のセンサが固定 される測定ヘッドが設けられることを特徴とする請求項１〜４、６、７のいずれ かに記載の装置。 ９． 前記測定ヘッドはベル形に形成され、測定用の開口部が設けられ、これに 沿って被測定エリアの上にベル部を配置でき、前記放射源及び／または前記セン サが前記ベル部の被覆部内に設けられることを特徴とする請求項８記載の装置。 １０． 前記放射源は光照射デバイスであることを特徴とする請求項１〜４及び ６〜９のいずれかに記載の装置。 １１． 前記光照射デバイスは発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とす る請求項１０記載の装置。 １２． 所定波長範囲におけるスペクトル放射を測定及び解析し、特に、色特性 を検出する方法であって、 スペクトルがある波長範囲に分布する放射を発するＮ１個の放射源であって、 前記放射は該所定波長範囲中で少なくとも部分的に存在し、個々の前記放射源の スペクトル特性は互いに異なり、Ｎ１は１以上であるような放射源と、 前記所定波長範囲内の放射を検出し、検出された放射の強度を表す電気信号を 発生する検出器と、 本装置の放射を制御し、前記放射源が、連続する複数の時間的区間において所 定の結合形態で駆動されるように制御する制御ユニットと、 前記放射源の結合の各々に関する前記検出器により検出された値が記録及び格 納される記憶装置とを設け、 前記制御ユニットは、前記格納値から、前記放射源のスペクトル特性を決定す るための値を算出するものである方法において、 前記放射源は、そのスペクトル特性が前記所定波長範囲中で重畳するように選 択され、 前記光源のスペクトル特性は更に、前記光源の少なくともＮ２個の特性が互い に一次的に独立になるようなものであり、 前記検出器はＭ１個のセンサを有し、それらセンサの前記所定波長範囲におけ るスペクトル特性は該所定波長範囲を全てカバーするように重畳しており、Ｍ１ は１以上であり、 前記センサのスペクトル特性は更に、少なくともＭ２個の前記放射源の特性が 互いに一次的に独立であり、 Ｎ２及びＭ２の値を乗算して得られる積Ｐ（=Ｎ２＊Ｍ２）は１より大きく、 前記記憶装置内にＰ個の較正関数が格納され、それらは前記所定波長範囲に少 なくとも一部がかかり、個々の機器により測定されるＰ個の標準サンプルのスペ クトル強度分布とそれらの既知の反射スペクトルとの間の関係を決定するもので あり、前記反射スペクトルのスペクトル特性は互いに一次的に独立及び、全波長 範囲が記録されるように少なくとも部分的に重畳し、 前記較正関数を、前記検出器により得られる被測定放射に関する前記測定値と 結合することにより、前記被測定放射のスペクトル特性を決定できることを特徴 とする方法。 １３． 前記数Ｎ１及びＮ２は１より大きく、少なくとも２つの互いに重畳及び 一次的に独立なスペクトル特性を有する放射源が設けられ、また、前記数Ｍ１及 びＭ２は１に等しく、前記所定波長範囲の全体に感応する１つのセンサが設けら れることを特徴とする請求項１２記載の方法。 １４． 前記数Ｎ１及びＮ２は１であり、前記所定波長範囲にわたる放射を発す るただ１つの放射源を要し、また、前記数Ｍ１及びＭ２は少なくとも２に等しく 、前記所定波長範囲の全体がカバーされるように少なくとも部分的に特性が重畳 した少なくとも２つのセンサが設けられ、該特性はまた互いに一次的に独立であ ることを特徴とする請求項１２記載の方法。 １５． 前記数Ｎ２及びＭ２はそれぞれ１より大であることを特徴とする請求項 １３または１４記載の方法。 １６． 前記放射源は前記被測定放射を発し、前記所定波長範囲は前記放射源か ら発せられる放射が検出される波長範囲であることを特徴とする請求項１２記載 の方法。 １７． 前記所定波長範囲において、ｘ個の、好ましくは等距離間隔の値が設定 され、前記被測定放射のスペクトル分布が前記ｘの値から決定されるように前記 較正関数が生成されることを特徴とする請求項１２〜１６いずれか記載の方法。 １８． 前記所定波長範囲において、前記較正関数は、前記ｘの値の各々におい て、ｐ個の未知の係数を有するｐ個の方程式を含む一連の一次方程式が解かれる ことにより決定されることを特徴とする請求項１７記載の方法。