JPS62127635A - 色変化を誘導するパラメ−タの精密測定のための色定量化システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 主−発肌叫１１１！湊翼所 （産業上の利用分野） 本発明は、色変調器によって感知される物理的及び化学
的パラメータを曖昧さ無くしがも高精度で測定できる、
色を定量化するためのシステムに関する。

（従来の技術） 色変調器（ｃｌ＋ｒｏｍａｔｉｃ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒ
）は、感知原理としてスペトル変化の検出をなす感知装
置である。

色変調器は、光学スペクトルの大部分又は全部が特定の
波長によって影響される波長エンコード化センサとは区
別される。

幾種類かの色変調器が知られているが、現在では技術的
に容易に実現可能なものは２種類だけである。最初のも
のは、有色フィルタ等の変調素子の光線内の機械的変位
を用い、該光線のスペクトル量が該変位に依存するもの
である。第２のものは、化学反応の発生又は伝播によっ
て変調が行ゎれるものである。しかし、他の種類の色変
調器が近い将来には技術的に容易に実現可能となり、後
述する偽足量化の本システムが等しくそれらに適用可能
となることには殆ど疑いがない。

色変調を用いた変位測定の最も簡単な方法は、２種の異
なった波長に於ける強度の変化をモニタし、それら強度
の比と位置とを関連づけることである。この方法を第１
図（ａｌ　ｆｂｌに示している。（可視及び／又は非可
視の電磁放射を含むことのできる広帯域電磁放射の）多
色光線は、色フィルタ等の変調素子内に測定すべき変位
に対応する度合いだけ挿入されて修正される。フィルタ
の２種の変位に対しての、光の波長λに対する伝播され
た光の強度（１）をプロットしたものを第１図（ａｌに
示す。数多くの変位に対する２種の波長に於ける強度の
測定から、第１図（ｂ）の較正グラフを得ることができ
る。該グラフは、フィルタの変位による２種の波長λ１
、λ２の比の変動に対応している。

強度の較正が行われたならば、フィルタの変位（従って
、測定すべき変位）の計算に必要なことは、２種の異な
った波長に於ける放たれた光の強度の測定のみである。

変位は、それらの強度の比を計算し、それを第１図（ｂ
ｌの較正グラフと比較することによって得られる。

後者の技術は適切であり効果的な特徴を幾つか有してい
るが、実用上は不利な点がある。例えば、信号検出のた
めに、スペクトル分解のための複雑な光学系を用いてお
り、得られる情報のほんの少ししか用いられていない。

更に、多くのパラメータをモニタするためには、それに
比例して測定すべき波長の数が増大し、ハードウェア及
びソフトウェアがより複雑になる。時間分解（ｔｉｍｅ
　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）も制限され、スペクトル捕捉
に必要な時間によって限定される。

前述の他の色変調技術に於いては、化学反応の進行を示
している化学反応中の色変化に対しては、単なる所定の
波長での変化よりも適切な色の測定が必要である。この
ことは、例えば、化学分解のモニタやｐＨメータに対し
ては肝要である。現今の所、そのような精密な色測定を
行う満足すべき手段はない。

本発明の主目的は、限定された数の特定の波長に於ける
強度変化とは別個の適切な色変化を測定手段を提供する
ことにある。

本発明の概念の理解を容易にするために、色測定に関す
る通常の概念及び理論を先ず説明する。

第２図は通常の三次元色−スペースダイアグラムであり
、彩度を半径方向に、色相を円周方向に、明るさを軸方
向に示している。本発明は原理的には、スペクＩ・ルバ
ヮー分布（Ｐλ）によって概略を説明できる色相及び彩
度を測定するものである。

色の定量的な定義は通常は色度図によってなされる。色
度図は普遍的に認められているダイアグラムであり、所
謂ＣＩＥダイアグラムである。−例を第３図に示す。こ
のダイアグラムでは純粋のスペクトル色は、後述のよう
に色度座標によって規定されたｘｙ空間内の馬蹄形の閉
曲線上にあり、特定の波長の彩度又は優越の種々の程度
はこの境界内の位置によって決定される。白色は座標（
０，３３゜０．３３）の点に対応している。従って、こ
のダイアグラムを用いれば、どのような色も二次元空間
内の単一の点によって特定され得る。

色度座標（Ｘ、　Ｖ）は次のように定義されている。

Ｐ−波長λに於けるスペクトルパワー分布内のパワー、
そして Ｘ（λ）、ｙ（λ）、７（λ）は等色（ｃｏｌｏｕｒｍ
ａｔｃｈｉｎｇ）関数、即ち、３個の別々の受容器（ｒ
ｅ−ｃｅｐｔｏｒ）に対応する３個の異なった波長の関
数である。

第４図を説明する。第２０図は、関数Ｘ（λ）、ｙ（λ
）、Σ（λ）を与える３個の受容器の必要な応答特性を
示している。等色関数のそれぞれは相対的に並列されて
いることに気付くであろう。

これらの等色関数は、マイクロプロセッサによる分析の
ためにデジタル的にストアできる。そのような等色関数
を与えるための適切な色のデータバンクは既に設けられ
ている。

従って、どのような特定の「不純な」色をも識別する通
常の技術は、第４図の応答特性を有する３個の受容器に
よってその色をサンプリングした後、又（λ）、ｙ（λ
）及びΣ（λ）の得られた値を用いて、その色に対応す
る色度図上のＸ及びｙの値を計算することを包含してい
る。

添付の第５図は、色の変化が色度図上にどのようにして
表されるかを示している。左側の図表（第５図（ａ）〜
（Ｃ））は、第１の色に対する２受容器（上）、Ｘ受容
器（中）及びＸ受容器（下）の応答を示している。右側
の図表（第５図（ｄｉ〜（ｆ））は、第２の色に対する
それら３個の受容器の応答を示している。第１の色は、
第５図（ａ）〜ｆｃｌの実線で示された強度対波長特性
を有している。各々の場合の応答曲線７（λ）、ｙ（λ
）及びＸ（λ）を鎖の値は、第５図（ａｌの実線の曲線
と鎖線の曲線とが重なった面積によって与えられる。同
様に、ｘ　（＝忘Ｐ（λｌ（λ）ｄλ）の値は、第５図
（ｂｌ及び第５図（ｃｌの実線の曲線と鎖線の曲線とが
重なった面積によって与えられる。そして、Ｘ及びｙの
値は式（１）及び（２）を用いて計算され、第５図（ｇ
ｌの色度図中の点へとなる。

第２の色は第５図（ｄｌ〜（ｆ）に於いて実線で示され
、応答曲線７（λ）、ｙ（λ）及びＸ（λ）は鎖線で示
されている。ここでも、Ｘ及びｙの対応する値は式（１
）及び（２）を用いて計算され、第５図ｆｇ）の色度図
中の点Ｂが特定される。

スペクトルの成る部分にパワーを加えたり減らしたりし
て色を変えると、色度図上の直線Ａ−Ｂに沿う変化が生
ずる。白色光線内への色フィルタの導入等の２個の成分
の関連のある変位の結果として色の変化がもたらされた
場合には、直線Ａ−Ｂに沿う色の変化は該相対的変位に
関係させることができ、その測定が与えられる。

２個の異なったパラメータに対応する２個の変位の測定
は、第６図に示したように、前述の技術を用いて行うこ
とができる。この構成では「白色」光源が用いられてお
り、０変位を表している。

「エメラルド」及び「ルビー」は、第１及び第２のパラ
メータをモニタするための第１及び第２の別個の変位の
両極端を表している。「エメラルド」の変位がＯであれ
ば、「ルビー」の変位は真のノでラメータ２の状態の単
純な直線的に関連する指示となる。しかし、両パラメー
タ１及び２がＯでないならば、観察された色はＡ（座標
ＸＡ　％　ｙＡ　）であり、それからパラメータ１及び
２の値は記憶されている較正データによって特異的に決
定され得る。

このようなシステムは、例えば、「白−エメラルド」パ
ラメータを温度変動性とすることによって、変位変換器
中の自動温度補償等を与えるのに用いることができる。

上述の技術は、複数の光源を有するシステムにも適用可
能である。第７図に示されているようＧこ、第４の光源
（例えば、青）を導入することによって範囲（ｇａｍｕ
ｔ）が新たな領域に増大し、同一の測定システムによっ
て同時に他のパラメータを検出することができるように
なる。しかし、点Ａは、例えば、青色によって或いは青
色無しでアクセスできるので、点Ａは最早や特異的に決
定されない。

この曖昧さを解消するためには、２個のパラメータ（ｘ
、ｙ）のみによる通常の色表示から離れて、Ｚパラメー
タをも導入することが必要である。

これにより、Ａに関する曖昧さを解決することができる
。

（発明が解決しようとする問題点） 上の説明は、「色」の測定を行うことができ、対応する
数値表示を確立することのできる理論の概略を述べてい
る。問題は、この理論を実際に実行するための公知のシ
ステムが高価であり、取扱が面倒であることである。更
には、強度とスペクトル量変化の両方を同時に検出して
曖昧さのない精密なパラメータ測定を与えるには精度が
充分でないことも問題である。

第８図に模式的に示したシステムは、回転する鏡１２と
検出器１４とを有するスペクトル分析装置１０を備えて
いる。このシステムでは、 比■λ＋　／Ｉλ２　（ここで、■λ１及びＩλ２は２
つの所定の波長λ７、λ２に於ける測定された強度を示
す）の計算が必要である。このシステムの応答時間は比
較的遅い（〜１０ｍ５）。その価格は、少なくとも７０
０ポンドに、計算を行うために必要なマイクロプロセッ
サの価格を加えたものになる。多重信号処理のためには
、少なくとも第３の波長λ３について更に測定する必要
がある。

第９図に示した他のシステムでは、演算構成は第８図の
システムと同様であり、プリズム１６及びＣＣ０１Ｂを
用いている。これの動作は第８図のものより速い（〜０
．３ｍ５）が、同様に高価であり、複雑な光学系を必要
とする。ここでも、別の信号チャンネルを処理しようと
すれば、他の波長における測定が必要となる。

本発明の目的の一つは、入射光の色を、定量的に且つ曖
昧さなく、且つその強度及びスペクトル量の両方とは関
係なく、しかも、精密なパラメータのモニタに充分な精
度でもって識別（ｉｄｅｎｔｉｆｙ）するだめのシステ
ムを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明の第１の面によれば、出力信号Ｘ、Ｙ、・・・・
・・がそれぞれ Ｘ＝≦Ｐ（λ）ｘ（λ）ｄλ、 Ｙ＝∫Ｐ　（、λ）ｙ（λ）ｄλ、・・・・・・（ここ
で、Ｐ（λ）は波長λに於けるスペクトルパワー分布、
Ｘ（λ）、ｙ（λ）、……は検出器の応答特性に対応す
る等色関数を示す）に対応するような応答特性を有する
２個以上のディスクリート色検出器と、色度図中のＸ及
びｙの値を計算すべき入射色に対応できるようにする、
Ｘ、Ｙ、……のアナログ処理のための手段とを備えた入
射光の色を特定するための色検出システムが提供され、
それにより上記目的が達成される。

また、本発明の第２の面からは、出力信号がそれぞれ Ｙ＝∫Ｐ（λ）ｙ（λ）ｄλ、 ｚ＝５ｐ　＜λ）Ｚ（λ）ｄλ に対応するような応答特性を有する３個のディスクリー
ト色検出器を備えており、それによって後者の信号の簡
単なアナログ（ａｎａｌｏｇｕｅ）処理によって色度図
中のＸ及びｙの値が計算できる入射光の色を特定するた
めの色検出システムが提供され、それにより上記目的が
達成される。

該３個の検出器の各々が、第４図に於けるＸ（λ）、ｙ
　（λ）及び２　（λ）（又は、ヌλ、ｙλ及び７λ）
の曲線にそれぞれ対応する応答特性を有する有色フィル
タを備えていることが好ましい。

該有色フィルタは、該検出器に入射する光の自動焦点を
同時に行うようにされているのが好適である。

（実施例） 本発明を実施例により添付図面を用いて以下に説明する
。

本発明の色検出器の一実施例を第１０図に示す。

例えば、出願人の英国特許願第８５２２２０２号に示さ
れた形式の一つである光変調装置から連なる光ファイバ
２０を通って光は検出器に到達する。光ファイバ２０か
らの入射光は、３個の着色味２１〜２３に加えられる。

着色味２１〜２３の各々は、ホトダイオード等の対応す
る光検出器２４〜２６の前方にそれぞれ位置している。

着色味２１〜２３の各々は、検出器２４〜２６の応答と
結合して３個の等色関数ｘ、ｙ、ｚを結果として与える
ようにされている異なった色伝播特性を有している。３
個の等色関数のそれぞれは前述のように次式で表される
。

Ｘ＝ＳＰ（λ）ｘ（λ）ｄλ、 Ｙ＝∫Ｐ（λ）ｙ（λ）ｄλ、及び Ｚ＝∫Ｐ＜λ）７（λ）ｄλ。

信号値ｘ、ｙ、ｚは、アナログ演算部２７に於いて加え
られ、他のアナログ演算部２９．３０に送出される。ア
ナログ演算部２９．３０には、Ｘ及びＹがそれぞれ直接
に送出されている。アナログ演算部２９．３０は、アナ
ログ関数 を計算して、Ｘ及びｙの必要な値が与えられる。

従って、色度図上の点ｘ、ｙが確立され、入射色の数値
表示が与えられる。

本質的には、上述の構成は、３個の等色関数Ｘ（λ）、
ｙ（λ）、２　（λ）のアナログ積分を行うものと見做
すことができ、前述のデジタル技術によって得られるも
のより効率的に得られる。

三要素検出を用いて、従来の色分析に用いられていた３
個の検出器と同じ働きをする」二連の検出器は、システ
ムの減衰の増大による強度の変化を除去するだけでなく
、センサの変調よりもシステムの劣化に基づくスペクト
ルシグネチュア（ｓｉｇ−ｎａｔｕｒｅ）の変化をも確
認することができる。これは、第３図の簡略版である第
１１図に示されている。

線Ａ−Ａは変調に基づく色変化に対応しており、線Ｂ−
Ｂはシステムによる色変化に対応している。

この場合、検出器の出力の軌跡は二次元内で生ずる。

しかし、三要素検出は必須ではなく、第１２〜１４図に
示したように、ただ２個の光応答性素子を有する検出器
でも可能である。第１２図では、光ファイバ３２からの
光は２個の着色味３３．３４に加えられる。着色味３３
．３４の各々は、ホトダイオード等の対応する光応答性
素子３５．３６の前方にそれぞれ位置している。第１の
素子３５の波長に対する応答性は、第２の素子３６のそ
れとは異なるようにされている。該２個の素子３５．３
６からの信号より、検出器に入射する放射のスペクトル
分布が色度（ＣＩＥ）図上の２個のパラメータの形で計
算され得る。

その後、該パラメータは分析され、求める対象の変位が
決定される。

これは第１３図及び第１４図に示されている。第１４図
は、第１２図の第１及び第２の光応答性素子３５．３６
の応答曲線η１（λ）及びη２（λ）の例を示している
。

素子３５の出力Ｏ８は次で与えられる。

素子３６の出力０２は次で与えられる。

信号値０１及び０２はアナログ演算（ａｒｉｔｈｍｅ−
ｔｉｃ）部３７で加えられ、他のアナログ演算部３８．
３９に送出される。０．及びＣ２は該アナログ演算部３
８．３９にも直接送出されている。アナログ演算部３８
．３９は次のアナログ関数を計算し、色度図上のＸ及び
ｙの必要な値が得られる。

Ｌ 第１３図は、二要素検出のみが行われた場合の第１１図
のダイアグラムと等価である。線Ｃ−Ｃは、変調に基づ
く邑の変化に対応している。即ち、検出された信号中の
支配的色はその線上にあり、その軌跡はｘ＋ｙ−１であ
る。

多重検出システムの他の実施態様では、（第１２図に示
されているような）並行サンプリングではなく、順次サ
ンプリングを用いている。実際の形態では、その出力信
号が新規に開発された電子回路によって処理される所謂
「色ダイオード（ｃｏｌｏｕｒｄｉｏｄｅ）　ｊが用い
られており、極めて高い感度と長期間の安定性が与えら
れている。

（発明の効果） 本発明の検出器の応答時間は数μｓオーダーより良い。

そのハードウェアは極めて安価とすることができ、極め
てコンパクトにすることができる。

必要な数学的計算は最少である。マイクロプロセッサを
設けることは任意であり、必須ではない。

前述のＡ／Ｄ変換器も任意であり、必須ではない。

本発明のシステムは、２個以」二の信号入力、即ち、測
定すべき２個以上のパラメータに於ける変動から生ずる
色変化の処理に同時に対処可能であることが判るであろ
う。

本発明のシステムは「真の」色を測定するので、変位セ
ンサ、化学変化及び他の全ての変調システムから生ずる
変調に基づく、光線中の色の変化をモニタするのに用い
ることができる。

従って、上述の技術は色を、極めて簡単で安価な態様で
識別（ｉｄｅｎｔｉｆｙ）　Ｌ／定量化することができ
、且つ強度及びスペクトル量を自動的に補償していかな
る曖昧さをも除去しながらパラメータ変化の精密な測定
に関連付けることを可能とする。この技術は、色変化を
生ずるどのような変調器とでも組み合せることができ、
色の測定された変化が変位、圧力、温度等の１以上の変
動パラメータの検出に用いられる効率的で正確な変位測
定システムが提供される。

↓−副訓久ｍ厘方裁贋 第１図（ａｌは検出原理の一態様を説明するための波長
に対して強度をプロットした間 第１図（ｂ）は第１図４８１から得られた変位に対する
２種の強度比をプロットした図、 第２図は通常の三次元色−空間ダイアグラム、第３図は
通常のＣＩＥ色度図、 第４図は応答Ｘ（λ）、ｙ（λ）、及びｉ（λ）を有す
る３個の受容器の応答曲線を示す図、第５図ｆａｌ〜（
ｇｌは色変化の色度図上への表わし方の説明図、 第６図（ａ）〜（Ｃ１は色度図上の２個の変位の測定を
説明する図、 第７図は色源が複数の場合の色度図、 第８図は色変調を測定するだめのシステムの一例の説明
図、 第９図は色変調を測定するためのシステムの他側の説明
図、 第１０図は本発明による色検出器の一実施例の概略説明
図、 第１１図は筒略化した色度図、 第１２図は本発明による色検出器の他の実施例の概略説
明図、 第１３図及び第１４図は第１２図の色検出器の動作を説
明するための図 である。

２０．３２・・・光ファイバ、 ２１．２２．２３．３３．３４・・・着色法、２４．２
５．２６・・・検出器、 ２７．２９．３０．３７．３８．３９・・・アナログ演
算部、３５．３６・・・光応答性素子。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、出力信号Ｘ、Ｙ、……がそれぞれ Ｘ＝∫Ｐ（λ）＠ｘ＠（λ）ｄλ、 Ｙ＝∫Ｐ（λ）＠ｙ＠（λ）ｄλ、…… （ここで、Ｐ（λ）は波長λに於けるスペクトルパワー
   分布、＠ｘ＠（λ）、＠ｙ＠（λ）、……は検出器の応
   答特性に対応する等色関数を示す）に対応するような応
   答特性を有する２個以上のディスクリート色検出器と、
   色度図中のｘ及びｙの値を計算すべき入射色に対応でき
   るようにする、Ｘ、Ｙ、……のアナログ処理のための手
   段とを備えた入射光の色を特定するための色検出システ
   ム。 ２、前記色検出器が並行して用いられる特許請求の範囲
   第１項に記載の色検出システム。 ３、前記色検出器が順次的に用いられる特許請求の範囲
   第１項に記載の色検出システム。 ４、前記色検出器の各々が、異なった色応答特性を有す
   る有色フィルタを備えている特許請求の範囲第１項乃至
   第３項のいずれかに記載の色検出システム。 ５、前記検出信号Ｘ及びＹの前記アナログ処理を行うた
   めに、ｘ＝Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）及び ｙ＝Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）（又はｘ＝ｘ／（Ｘ＋Ｙ）及びｙ＝
   ｙ／（Ｘ＋Ｙ）の計算から色度図中のｘ及びｙの値を確
   立するアナログ演算手段を備えている特許請求の範囲第
   １項に記載の色検出システム。 ６、出力信号がそれぞれ Ｘ＝∫Ｐ（λ）＠ｘ＠（λ）ｄλ、 Ｙ＝∫Ｐ（λ）＠ｙ＠（λ）ｄλ、 Ｚ＝∫Ｐ（λ）＠ｚ＠（λ）ｄλ （ここで、Ｐ（λ）は波長λに於けるスペクトルパワー
   分布、＠ｘ＠（λ）、＠ｙ＠（λ）、＠ｚ＠（λ）は検
   出器の応答特性に対応する等色関数を示す）に対応する
   ような応答特性を有する３個のディスクリート色検出器
   と、色度図中のｘ及びｙの値を計算すべき入射色に対応
   できるようにする、Ｘ、Ｙ及びＺのアナログ処理のため
   の手段とを備えた入射光の色を特定するための色検出シ
   ステム。 ７、前記色検出器が並行して用いられる特許請求の範囲
   第６項に記載の色検出システム。 ８、前記色検出器が順次的に用いられる特許請求の範囲
   第６項に記載の色検出システム。 ９、前記色検出器の各々が、異なった色応答特性を有す
   る有色フィルタを備えている特許請求の範囲第６項乃至
   第８項のいずれかに記載の色検出システム。 １０、前記３個の検出器の各々が、添付図面の第４図に
   於けるｘλ、ｙλ及びｚλ（又は、＠ｘ＠λ、＠ｙ＠λ
   及び＠ｚ＠λ）の曲線にそれぞれ対応する応答特性を有
   する有色フィルタを備えている特許請求の範囲第６項乃
   至第８項のいずれかに記載の色検出システム。 １１、前記検出信号Ｘ、Ｙ及びＺの前記アナログ処理を
   行うために、ｘ＝Ｘ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ）及びｙ＝Ｙ／（Ｘ
   ＋Ｙ＋Ｚ）の計算から色度図中のｘ及びｙの値を確立す
   るアナログ演算手段を備えている特許請求の範囲第６項
   乃至第１０項のいずれかに記載の色検出システム。