JPS63313024A

JPS63313024A - 遠隔読取型分光測光器

Info

Publication number: JPS63313024A
Application number: JP14397687A
Authority: JP
Inventors: ハロルド　バン　アーケン; ウイリアム　エル、ウィーバー
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Priority date: 1987-06-08
Filing date: 1987-06-08
Publication date: 1988-12-21

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】産業上の利用分野本発明は、比較的距離の離れたところにある試料の分光
特性を簡便、かつ正確に測定する、遠隔読取型分光測光
器に関するものである。

発明の背景および目的分光測光器は、スペクトル反射率を決定する多くの場合
において、広範囲にわたって使用されている。工業的な
品質管理の手段として、分光測光器は、生産品が十分許
容しうる外観をもつかどうかを決定するために用いられ
る。すなわち、その目的は、生産品のスペクトル反射率
がその長さ、および幅を通じて一貫していること、すな
わち最終生産品が可能なかぎり高品質であるように保証
することである。例えば織物メーカーは染色過程が完全
で有効なものであるかどうかを監視するために、連続し
た生産の間、分光測光器を使用している。理想的には、
織物メーカーは生産品を搬出する前の最終生産段階で、
各素材ロールの品質一貫性を確認するために、すべての
最終検査ラック上に分光測光器を設置したいところであ
る。しかし、以下で議論されるように、従来の分光測光
器には限界があり、織物メーカーがすべての検査ラック
上に分光測光器を備え付けることは実行不可能である。

まず第１に、従来の分光測光器は、周囲の光の干渉を取
り除き試料から十分な強さの反射を得るために、測定さ
れる試料のすぐ近（、典型的には生産ラインの２．５４
ＣＩＩ（１インチ）以内に設置されなければならない。

従来の分光測光器は、生産品のすぐ近くに設置するため
に、その利用に際して、特別に注文された高価なブリッ
ジマウント（架橋取付構造）を作成する必要があった。

第２に、゛分光測光器は、しばしば連続生産中のシート
を走査できる必要がある。しかし、従来の分光測光器は
常に試料のごく近くに設置されるため、空間的に走査す
る際に、物理的に試料を横切るように移動させねばなら
ない。この形式の空間的な走査は、ブリッジマウントの
費用をかなり上昇させる。なぜならば、分光測光器を試
料のごく近くに設置するだけでなく、その至近位置を維
持しながら、試料を横切るように移動させる必要がある
からである。もちろん、そのような走査に対する許容誤
差を、工業的な取組において達成することは困難である
。織物工業において、織物検査ラックは極めて多く、各
最終検査ラック上に分光測光器を設置することは、経済
的に実現不可能である。従って、織物メーカーは検査ラ
ックよりも数の少ない染色工程においてのみ、分光測光
器を設置してきた。しかし、染色工程でなされる測定は
、最終検査段階での測定と比べて、最終生産品の品質の
正確な指標となり得ない。そこで、許容性を得るという
目的のために、正確性は明らかに犠牲にされている。

さらに、試料に接近した従来の分光測光器を移動可能な
状態で設置する必要性、およびその結束束じる、特別に
注文されたブリッジマウントを作成するための出費がい
くらかの工業において、品質管理手段として分光測光器
を使用する妨げとなってきた。実際、多（の工業におい
て、分光測光器の設置はその使用を保証するためのブリ
ッジマウントの費用のために、あまりにも高価になるこ
とが知られている。その上、従来の分光測光器が生産ラ
インに近接して設置されねばならないという要請は、試
料の環境が単純に分光測光器に対して過酷である場合や
、あるいは特別注文されたブリッジマウントを設置すべ
き適切な余地がないところでの分光測光器の使用を妨げ
てきた。他の状況においては、応用分野の特徴が従来の
分光測光器の設置を禁止している。例えば、食品工業に
おいては、衛生基準を満たすために、ブリッジマウント
はステンレススチールで形成されるだろうから、分光測
光器は色を測定する装置としては採用されてこなかった
。このようなマウント構造のコストの高さは、今までの
ところ、この工業で分光測光器を用いることの利益より
大きい。

試料表面に近接して設置された従来の分光測光器におい
て、なお存在する欠点としては、い（つかの表面を正確
に測定することができないということがある。従来の分
光測光器は、点源から多くの方向へ光を放射する光源、
および測定される表面から反射される光を受光し、検出
する検出器を含んでいる。この配置は、光源および検出
器が試料に近接して置かれるとき、たいていの連続した
平面に対して適切な測定を可能にするが、起伏のある表
面を空間的に走査するときには信頼のできるものではな
い。例えば、凹凸模様のあるカーペットの製造業は、正
確な分光学的測定が望まれる分野の１つであるが、それ
はこれまで達成されなかった。これらのカーペットはで
こぼこした表面を持ち、このようなカーペットに近接し
て置かれた従来の分光測光器は、正確な分光学的な反射
測定を与えない。なぜならば、このようなカーペットの
各部分は異なった方向に、異なった強度で光を反射する
からである。従って、凹凸模様のあるカーペットから検
出器へ反射される光は、カーペットの外観の結果として
部分ごとに異なっており、従来分光測光器によるこの表
面の走査は誤差のある信頼のおけない結果を生じる。し
たがって、このような制約はカーペット製造メーカーが
そのすべてではないにしても、いく種類かの製品には使
用できるであろう品質管理手段の採用をもしぶるという
カーペット製造業全体としての、分光測光器使用に対す
る大規模な拒絶の大きな原因となっている。

本発明の１つの目的は、被測物体から比較的大きな距離
隔てて、操作された場合でも極めて精密な分光学的測定
を行うことができる分光測光器を提供することである。

本発明の別の目的は、周囲の光条件から干渉されること
な（、精密な測定を得るべ（被測物体から比較的大きな
距離を隔てて操作される分光測光器を提供することであ
る。

本発明のさらなる目的は、いかなる複雑なブリッジマウ
ントも形成することなしに、被測物体に対して相対的に
大きな距離を隔てて操作される分光測光器を提供するこ
とである。

本発明のさらなる目的は、被測物体に対して相対的に大
きな距離を置いた定点から操作される、被測物体を精密
に走査することが可能な分光測光器を提供することであ
る。

本発明のさらなる目的は、分光測光器と試料との間の距
離が変わる場合でも、分光測光器の光学系を再配置又は
再整合する必要なしに、被測物体から比較的大きく離れ
たところから操作しうる分光測光器を提供することであ
る。

本発明のさらにもう１つの目的は、単一のハウジング内
において互いに隣接して配列された光源および検出器を
持ち、試料に対して相対的に大きな距離を隔てて、操作
される分光測光器を与えることである。

本発明によれば、これら、および他の極めて望ましい特
殊の効果は、試料のスペクトル反射特性を決定するため
に迅速、かつ正確な走査を行うコンパクトな構造におい
て達成される。

本発明の目的および利点は、ここである程度説明されて
いるが、残りはこれ以後に明らかになる、つまり発明の
実施において学習されるであろう。

本発明の要約本発明によれば、比較的長距離を隔てたところからスペ
クトル反射率を正確に測定しうる分光測光器が構成され
る。

最初の好ましい実施例においては、強度の大きな光源、
なるべ（ならパルス発光型キセノンランプが用いられる
。集束レンズは、光源の拡大像を焦点に集め、あるいは
平行なビームを、測定される試料のある部分へ投じるも
のである。少くとも１本の参照光ファイバ部材の一端は
、比較用の参照ビームを得るために、光源からの照射光
路中に位置していなければならない。光フアイバ部材の
他端は、参照光検出器に隣接した帯域フィルタと接合さ
れている。

試料結像レンズは、光を照射された試料領域の部分を視
るように整列配置され、試料から反射された光が検出器
アレイ各々によって個々に検出されるべき成分波長に分
離されるように位置ぎめされたポリクロメータ上に像を
結ばせる。試料の反射光、および参照ビームの検出信号
は増幅され、マイクロプロセッサによって処理するため
に、ディジタル信号に変換される。マイクロプロセッサ
は試料からの反射光の特徴に基づいて、参照ビーム情報
を用いて、試料のスペクトル反射率を決定する。好まし
くは、試料からの反射は、比較的広い試料領域にわたっ
て平均化される。

第２の実施例においては、映写機において用いられる光
学系と類似したコーラ−型の照射光学系が装備される。

この実施例では、パルス発光型キセノンランプからの光
は、集束レンズへ入射し、絞り開口を通して、対物レン
ズへ達する。対物レンズは、試料への均一な照射を与え
るために、紋り開口像を試料領域へ結像させる。参照ビ
ームを得るため、集束レンズと対物レンズとの間にはビ
ームスプリッタが配置される。参照ビームは積分された
拡散参照光源を形成するために均一に白色コーティング
された内表面を有する球の内壁上に集められる。

この実施例において、試料の被照射領域から、試料結像
レンズに至る光路は、球を通り抜けるか、またはその横
を通るかである。好ましく採用されたパルス発光型キセ
ノンランプの２回の連続した発光の間に、球の内部表面
に結像した積分化参照ビームと、ポリクロメータ上に結
像した試料からの反射光を、逐次的に導くためのビーム
スイッチが配置される。帯域フィルタ、および参照光検
出器と結合した光ファイバから成る１つあるいはそれ以
上の分離又は不連続波長検出器は、参照用発光、および
試料照射用発光の各間において、光源のスペクトル特性
を監視するために、球と協同する。

第２の実施例において、マイクロプロセッサは分離波長
検出器から得られた情報を利用することによって、２度
の発光の間で光源を正規化し、さらにその正規化された
情報に基づいて試料測定と、参照測定を比較する。この
比較から、試料のスペクトル反射特性が決定される。都
合のよいことに、一旦システムが調節されると、光の照
射界と試料の被視界とが重なり合い、比較的長距離の視
界深度を与える。試料照射光は極めて均一であるので、
このシステムは、再調節することなしに深い視野にわた
って、正確なスペクトル反射率の測定を可能にする。ま
た、比較的大きい、均一に光を照射された表面領域をサ
ンプリングすることにより、本発明は、従来の分光測光
器よりも表面変化に左右されにくい正確なスペクトル反
射率の測定を可能にするものである。

第２の実施例には種々の変形例としての配置が存在する
。そのような変形例の１つにおいて、分離波長検出器か
らのスペクトル特性を受は取り、かつ包括的に解析する
ために、第２のポリクロメータが与えられる。２つのポ
リクロメータを含む場合において、参照ビームはいかな
る積分球をも用いることなしに、第２のポリクロメータ
に直接集光される。

もう１つの配置において、参照ビームは、共役対物レン
ズによって散光器へ入射する。そしてビームスイッチ、
は、散光器からの拡散参照光、あるいは反射された試料
像を交互にポリクロメータへ向かわせる。この配置では
、正規化された参照光を与えるための分離波長検出器は
、拡散光路上に配置されたファイバを含んでいる。

その他考えられる配置としては、照射光学系の一部をな
す積分ロッド（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ　ｒｏｄ）　、
および角度走査又はラスク走査型の分光測光器を構成す
る帰線走査ミラーを含むものである。

前述の一般的な説明から明らかなとおり、先に列挙した
本発明の目的は、ここで具体化されたような発明の構成
によって達成される。

こうして、本発明の利点の１つとして、試料のスペクト
ル反射率を試料から遠く離れたところで測定することが
できる分光測光器が構成される。

都合のよいことに、本発明によれば、これは分光測光器
がいかなる高価なブリッジマウントをも必要とせずに、
試料から離れて設置されることを可能にする。

試料から離れたところで、スペクトル反射率を測定する
本発明の分光測光器は、これを生産ラインとは離れた透
明なガラスの仕切りの後に置くというように、試料の直
接の工業生産の環境から分離されることが可能である。

本発明の別の利点として、本発明の分光測光器は、均一
に光を照射された試料領域の測定を、正確に平均化する
ことができるため、不規則にでこぼこのある表面の局所
的な領域の測定から生じる不正確さを効果的に減少させ
る。

本発明のなお別の利点として、デュアルビーム比較方式
を用いることにより、試料のスペクトル反射率の極めて
正確な測定が可能となる。

本発明のさらに別の利点として、正確な角度走査を試料
より離れた定点から行うことができる。

前述の一般的な説明、および以下の詳細な説明は、本発
明の典型例に関する説明であり、本発明をそれらに限定
するものではないことを理解すべきである。

実　　施　　例図面を参照するにあたり、ここでは同様な要素には共通
の参照番号を付しであることに留意すべきである。図示
の分光測光器（１０）は、光源（１２）と、１つあるい
はそれ以上のンズより構成された第１光学系（１４）と
、参照ビームを１つあるいはそれ以上の参照光検出器（
１８）へ運ぶ参照ビーム手段（１６）と、試料Ａから反
射された光を、ポリクロメータ（２２）上に集束させ、
このポリクロメータ（２２）により試料から反射された
光の強度を多（の波長に分離し、検出させるための反射
光用の第２の光学系（２０）と、増幅および積分回路（
４６）、並びにデータ表示、およびシステム制御におい
てさらに利用するために、ボリクｌコメータおよび参照
検出器によって生成されたデータを受は取り、処理する
マイクロプロセッサ（４０）より構成される。

第１図に示された本発明の第１の実施例において、高強
度パルス発光型キセノンランプ、あるいは連続発光型キ
セノンアークランプより成る光源（１２）は集束レンズ
（２４）に光を投射する。できる限り多（の光が集束レ
ンズ（２４）の方向へ向けられるようにし、かつビーム
のドリフト（中心変動）、およびアークのふらつきの影
響を極力抑制するために、曲面状の反射鏡（２６）がラ
ンプ（１２）の後側に設置される。反射鏡（２６）はむ
しろマイナス１の倍率を持った球面鏡の方がよい。

集束レンズ（２４）は、試料Ａの一部を照らずために、
光源（１２）から放射された光を試料Ａの方向へ投じる
。集束レンズ（２４）は光源ランプの拡大像として試料
上に光を集束させるか、あるいは第１図に示されたよう
に、試料上に焦点のぼけた点を生成するための平行ビー
ムの形で光を投じる。前記のどちらの場合においても、
試料はその一領域に光を照射されている。１本あるいは
それ以上の光フアイバピックアップ（２８）は試料Ａへ
向かって投じられた光の参照ビームを形成するために、
試料への照射光路内に設置される。光フアイバ素子（２
８）からの参照ビームは、各光ファイバの終端がフィル
タ、および検出器の組に対接していることにより、帯域
フィルタ（２９）によって沖波され、参照ビーム検出器
（Ｉ８）に入射する。フィルタは３０ｎ＋＋＋台の帯域
幅をもち、これによっておよそ選ばれた２つの波長での
参照測定が行われる。また、選択的に、ビームスプリッ
タ、および集束レンズのように常套的な光学的要素を使
用することによっても、参照ビームが得られる。

試料Ａは、各波長において異なった量の光を反射、およ
び吸収することによって入射光に応答し、これによって
試料の分光学的“指紋“　（フィンガープリント）が定
義される。反射光を集めるレンズ（３０）として第１図
に示された、第２光学系（２０）は、試料Ａにおいて光
照射を受けた部分からの反射光を受光し、その反射光を
ポリクロメータ（２２）上に集束する。そして、このポ
リクロメータ（２２）により、反射光は検出用の成分波
長に分解される。

適当なポリクロメータの構成は第２図に示されている。

ポリクロメータ（２２）はレンズ（３０）の焦点上に置
かれた狭いスリット（２３）と、光線を平行にするコリ
メートレンズ（３４）と、コリメートレンズ（３４）か
らの平行なビームを受け、ビームをその成分波長に分解
する回折格子、またはプリズムのような光分散素子（３
６）と、分散素子によって分解された光を検出器アレイ
（３２）に集束させる集束レンズ（３８）、より構成さ
れる。検出器アレイ（３２）は、各波長領域に対応する
入射光を受光するように設置された複数の検出器より成
る。従って、これはマルチチャンネル検出システムを構
成する。便宜上、検出器アレイ（３２）は、１０チヤン
ネルシステムを与えるように１０個の検出器の配列とし
て図示されている。しかしながら、可視スペクトルを通
じて、それぞれ２０あるいは１０ｎＩ１１の間隔で光を
検出する２０あるいは４０チヤンネルのシステムの方が
より好ましい。本発明の分光測光器については、これを
スペクトルの非可視領域に適用することもまた意図され
る。ここに説明されたようなポリクロメータの構成は、
キラシナ−に与えられた“平行検出機構を有する分光測
光器”と題する米国特許第Ｎｏ、　４．０７６，４２１
号明細書において図示及び説明されている。

信号処理回路（４６）は、適切な方法で処理するために
、アレイ（３２）中の各検出器から信号を受は取る。こ
の処理は、マイクロプロセッサ（４０〉へ伝送する信号
の増幅、および積分を含んでいる。言うまでもな（、マ
イクロプロセッサは、増幅されたアナログ検出信号を受
は取り、かつ理解するために、アナログ／ディジタル変
換器を内蔵していなければならない。

第３図は、ポリクロメータ（２２）に関するもう１つの
構成を示している。光フアイバ部材（２８）はフィルタ
（２９）、および参照検出器（１８〉を有するポリクロ
メータ中に直接導かれる。参照検出器（１８）は、単に
検出器アレイ（３２）の拡張であることがわかる。

上に説明された、すなわち第２図および第３図に示され
たポリクロメータの構成は、望ましいものではあるが、
他のポリクロメータの構成や、モノクロメータの構成で
さえ、適当に用いることができる。すなわち、測定され
るべき反射試料光の各波長は、色分解装置を調節するこ
とにより、単一の検出器へ逐次的に向けられる。望まし
いポリクロメータの構成におけるのと同じく、単一の検
出信号は増幅゛およびマイクロプロセッシング回路へ伝
送される。

アナログ／ディジタル変換器は、参照検出器および試料
検出器アレイ（３２）からのデータを受は取リ、貯える
ものであり、マイクロプロセッサ（４０）の内部に含ま
れていることが望ましい。参照光検出器のデータは装置
が調節される際に生じるかもしれないずれを考慮して、
試料光を正規化するのに用いられ、その上で試料の測定
が行われることにより、試料のスペクトル特性が計算さ
れる。そのとき、マイクロプロセッサは、試料のスペク
トル特性、すなわち各測定波長における試料の反射率を
表示し、さらに試料の測定に基づいて自動的にプロセス
制御を行う。

先に述べたように、望ましい光源は、強度の大きいパル
ス発光型キセノンランプである。この容易に入手できる
光源を、本発明のデュアルビーム測定法とともに用いる
ことにより、本システムの周囲の光を無視することが可
能となる。さらに、反射光と同様、入射光の特徴も本発
明によって測定されるので、これまでより以上の正確さ
が得られる。従って、本発明による分光測光器は、いか
なる周囲の光の干渉もなしに、室内灯下において比較的
長い距離離れたところで使用可能である。

事実、本発明は約１．２２〜６．１０ｍ　（４〜２０フ
ィート）の距離での正確なスペクトル反射率の測定を可
能にしたものである。もちろん、パルス発光型キセノン
ランプ以外の適当な光源を用いることもできる。例えば
、強度の大きなパルス発光型クリプトンランプ、あるい
は他のパルス発光型の希ガスランプが適当である。また
、大きな強度の光を供給するアーク灯、あるいは室内灯
より高い振動数に変調された光源の使用も可能である。

上述の、第１図に示された光学配置は、広く応用可能で
ある。しかし、その特殊な配置による制限は、本発明を
長距離でのより高い精度および信頼性をもったスペクト
ル測定を可能とするための改良・工夫へと導いた。

特に、試料上の光の照射点は、光源の直接像であるので
、キセノン光はその像におけるランプのホットスポット
の位置に依存する照射点の微小領域にわたって変化する
ことが知られている。光源、とりわけキセノンランプは
、しばしば単一のビームドリフト、あるいはアークのふ
らつきの影響を受けるので、試料に照射される光は、た
とえ装置の調節、あるいは試料の移動がなかったとして
も変化する。光路内に設置された比較的小さな参照ビー
ムピックアップ（２８）における光の変動の影響は、さ
らに著しくなる。試料から種々の距離のところでシステ
ムを操作したい場合、および試料の位置が測定の間にい
くらか変化するような場合において、不調和な光の照射
は測定の不正確性を生じ、かつ再現性の欠如につながる
。光源（１２）の後部に設置された曲面状の反射器は、
ビームのドリフト、およびアークのふらつきの影響を減
するのに役立つが、この改良だけでは、完全に均一な光
を得られない。

その上、もし試料からの距離が変化すれば、第１図に示
された構造においては、再び焦点を合わせねばならず、
不均一な光源は再調節されねばならない。試料に照射さ
れる光は、極めて不均一であるため、その有効範囲は実
際の焦点のまわりの相対的に短い焦点距離に限定される
。第１の実施例におけるこれらの欠点は、分光測光器を
システムに近接して設置することにより克服される。し
かし、より大きな融通性と信頼性が要求されることにな
る。

従って本発明の第２の実施例は、第１図に示された第１
の実施例のこれら、あるいは他の欠点を克服するために
発展させられた。

第４図において、ここでは第１図〜第３図におけるのと
同じ要素に対応して共通の参照番号がつけられている。

試料上での均一な光の照射を保証するために、ケーラー
型の光学的配置を含む本発明の第２の実施例を示した。

この実施例において、キセノン光源（１２）は、第１光
学レンズ（４８）へ向けられる光を最大にし、かつ、ビ
ームのドリフトの影響を減じるための曲面上の反射鏡（
２６）を持っている。絞り板のような絞りを決める手段
（５１）が、明瞭な光線の絞りを決定するために第ルン
ズ（４８）に近接して設置されている―レンズ（４８）
は光源（１２）からの光を、対物レンズ（５０）へ集束
させるために設置された集束レンズである。さらに対物
レンズ（５０）は絞りの像を試斜上に結ばせる。対物レ
ンズ（５０）は光源それ自体よりもむしろ絞りの像を試
料上に結ばせるので、試料に照射される光は極めて均一
なものとなる。

都合のよいことに、対物レンズ（５０）は光源（１２）
におけるいかなる小さな変動をも相殺し、その結果試料
Ａの照射領域はつねに安定している。

すなわち、第２の実施例の光学系は、試料上に均一に光
を照射される部分を生じる。これは光線の適切な調節、
重なり合った視野を保証する検出光学系、および反射光
の正確な検出を容易にする。

この第２の実施例において、参照ビームはそれぞれ第ル
ンズ（４日）、および第２レンズ（５０）の間にある、
ビームスプリッタ（５２）を設置することによって得ら
れる。ビームスプリッタ（５２）は第１の球形の積分用
絞り（５６）によって第ルンズ（４８）から積分球（５
４）へ試料光の一部を反射させる。むしろ、参照ビーム
は積分球の入口（５６）から遠（離れた内壁上の一点に
集められる。そして、積分球（５４）の内壁は白色に均
一にコーティングされており、完全な球は参照ビームの
拡散像で照らされるようになる。

積分球（５４）はまた、それぞれ第２および第３の積分
用の球形絞り（５８）、および（６０）と共に用いられ
る。試料Ａの光を照射された部分からの反射試料ビーム
は積分球（５４）を通り抜けて、絞り（５８）、および
（６０）によって定められた弦に沿ってビームをポリク
ロメータ（２２）に集める試料集束レンズ（３０）へ向
かう。第１の実施例におけるのと同様に、試料ビームは
検出器アレイ（３２）によって検出され、増幅、および
積分回路（４６）によって処理され、マイクロプロセッ
サ（４０）へ伝送される。さらに、その情報は、試料Ａ
のスペクトル反射率に対応する有益な数値データに転換
される。

好ましいことにビームスイッチ（６４）は第３の積分用
の球形絞り（６０）に隣接している。一方で、ビームス
イッチは集束レンズ（３０）によって試料ビームを妨げ
ることはなく、他方、積分球（５４）の白色の壁の一部
からの参照ビームは反射された試料の像を除き、集束レ
ンズ（３０）へ向けられる。このようにビームスイッチ
（６４）、例えば、回転可能なプリズムは、積分された
参照ビームまたは試料ビームが試料集束レンズ（３０）
、結果的には、ポリクロメータ（２２）によって選択的
に検出されることを可能にしている。実際問題として、
パルス発光型キセノンランプが光源（１２）として使用
されるとき、２つの連続したパルス発光が用いられる。

１回目の発光の間、ビームスイッチ（６４）は試料ビー
ムをポリクロメータ（２２）によって検出されるように
、集束レンズ（３０）の方へ導（。この発光の間に、試
料からのスペクトル情報がマイクロプロセッサ（４０）
によって検出され、貯えられる。２回目の発光の間、ビ
ームスイッチ（６４）は集束レンズ（３０）光軸を、積
分球（５４）の内壁の一部へ向ける。その結果、積分さ
れた参照ビームは、ポリクロメータ（２２）上へ集束さ
れる。参照発光からのスペクトル情報は、また、マイク
ロプロセッサ（４０）に貯えられる。すなわち、２度の
発光が共に終了したのち、マイクロプロセッサ（４０）
はその中に参照ビーム、および試料ビームの完全なスペ
クトル特性を貯えている。従って、試料Ａのスペクトル
特性を決定するために、試料ビームから得られたデータ
は参照ビームのデータと比較、解析される。

第１図に示された、第１の実施例における参照ビームフ
ァイバ（２８）の役割と同様、２度の発光の間に、１つ
あるいはそれ以上の波長で光を監視するために、積分球
内に光ファイバのような、１つあるいはそれ以上の分離
参照ビームピックアップ（１２８）を設置することが望
ましい。すなわち、２つの光フアイバピックアップ（１
２８）は積分球（５４）から直接ポリクロメータ（２２
）へとつながれていることが望ましい。ただし、これら
のピックアップは帯域フィルタ（２９）、および専用の
参照検出器（１８）と接続されている（第３図参照）。

おおよそ、４００および６２０ｎｍの２つの波長だけで
、２度の発光の間になされるこのタイプの測定は、光源
のずれや不十分さの正確な指標を与えることと関係があ
る。より強く要求される応用に対して、これらの選択さ
れた波長での測定は、参照、および試料発光が参照ビー
ムと試料の反射光の測定とのより正確な比較を可能とす
るように正規化されるために、他の波長での変化を示す
ことと関係がある。

もちろん、試料ビームは積分球（５４）を通り抜けない
。試料ビームが積分球を通り抜けない本発明による分光
測光器の適切な構成の１つが第５Ａおよび第５Ｂ図に示
されている。この構成の側面図である第５Ａ図は、ビー
ムスプリッタ（５２）から絞り（１５６）を通って積分
球（１５４）へ反射された参照ビ−−ムを示している。

この構−成において、試料ビームは参照絞り（１５６ａ
）に隣接した積分球の横を通過する。第５ＡＥの直線５
Ｂ−５Ｂで切り取られた上部の部分図、第５Ｂ図は明ら
かにビームスイッチ（１６４）が積分球（１５４）から
の参照ビームが集束レンズ（３０）に向けられる図に示
された位置、および参照ビームを除く試料ビームが集束
レンズ（３０）に向けられるように、試料ビームの光路
の外の波線で示した位置の間で変化することが示されて
いる。従って、ポリクロメータ（２２）は参照ビーム、
および試料ビームからの光を、選択的に受光、かつ検出
する。第４図に示された実施例におけるように、光フア
イバピックアップ（１２８）は２度の発　光の間に選択
された波長での部分的な基準を与える。

また、積分球は参照ビームを一様に平均化する他の適当
な光学装置によって置き換えることができる。そのよう
な、装置の１つが第５Ｃ図に示されている。ビームスプ
リッタ（５２）からの参照ビームは試料光対物レンズ（
５０）と同様の共役対物レンズ（１５０）によって拡散
器（７０）へ集められる。ビームスイッチ（１６４）は
選択的に試料ビーム（位置（１６４ａ））、あるいは拡
散された参照ビーム（位置（１６４））を集束レンズ（
３０）、およびポリクロメータ（２２）へ向かわせる。

この構成において、光フアイバピックアップ（２２８）
は第１図に示された第１の実施例における、光ファイバ
（２８）の設置と同様に、拡散器（７０）からの参照ビ
ーム光の光路内に置かれる。しかしながら、光ファイバ
（２２８）は第１の実施例におけるように光源の像の光
路内よりもむしろ一様な拡散光の光路内に置かれるため
、ファイバ（２８）による光の変動の影響を受けない。

第２の実施例の光フアイバピックアップ（１２８）（第
４図参照）は参照ビーム、および試料ビームの発光の間
に、関係のあるすべての波長にわたって全参照ビームを
監視するために、第６図に示されたように、第２のポリ
クロメータ（１２２）に接続される。第６図に示された
ように、このデュアルポリクロメータは共に同一の解析
回路に接続される。すべての関係のある波長に対する光
源の完全な評価は、参照および試料発光の間に得られる
ので、この特別な構成は望ましいものである。すなわち
、光源における任意のずれは第２のポリクロメータ（１
２２）から感知され、試料のスペクトル反射率の極めて
正確な指標を与えるために、参照ビーム、および試料ビ
ームを相関させるのに用いられる。

第７図に示されたこのデュアルポリクロメータの構成の
さらなる拡張において、参照ビーム、および試料ビーム
はパルス発光型キセノンランプの１回の発光の間に、デ
ュアルポリクロメータによって同時に測定される。図に
示されたように、参照ビームはビームスプリッタ（５２
）から集束レンズ（１５０）へ反射し、試料光をシュミ
レーションするために、第２のポリクロメータ＜１２２
）へ集められる。第６図に示した構成におけるのと同様
に、ポリクロメータ（２２）、および（１２２）からの
データは、同様の増幅および積分回路（４６）、そして
マイクロプロセッサ（４０）によって処理される。もち
ろん、第７図に示された構成の欠点は、第１および第２
のポリクロメータ（２２）、および（１２２）がそれら
の検出特性の差異が試料の反射率の測定に変動を与えな
い゛ように互いに関して正確に調節されねばならないと
いうことである。

本発明の第２の実施例のもう１つ別の構成が第８図に示
されている。この構成において、参照ビームは光源（１
２）、および第ルンズ（４８）の間に置かれたビームス
プリッタ（１５２）によって得られる。ビームスプリッ
タ（１５２）はランプ（１２）からのいくらかの光を、
その光を絞り（５６）を通して積分球（５４）の壁の上
に集める共役レンズ（１４８）へ反射させる。第４図に
示された第２の実施例の構成におけるのと同様に、試料
ビームは第２、および第３の紋り（５８）、および（６
０）を通って積分球を通り抜け、さらに集束レンズ（３
０）によってポリクロメータ（２２）に集められる。同
様に、ビームスイッチ（６４）は試料ビーム、および参
照ビームを測定することを可能にし、集光用の光学的な
球形ピックアップ（１２８）は両方の発光からの光を選
択された波長において監視することを可能にする。

もちろん、第８図に示された共役な参照ビームの光学的
配置は、積分球よりむしろデュアルポリクロメータシス
テム（第７図参照）、または分散型のシステム（第５Ｃ
図参照）と結合する。

第１光学系（１４）は光ファイバの束のような積分ロッ
ドを含んでいる。積分ロッドを含む第１光学系が第９Ａ
図、および第９Ｂ図に示されている。

第９Ａ図において、積分ロッド（６４）を含む本発明に
よる光学系が示されている。積分ロッドは第ルンズ（４
８）からの光がさらに一様な試料光を得るための第２レ
ンズ（５０）上に正確に入射することを保証する。ビー
ムスプリッタ（５２）は第８図に示された参照ビーム装
置と同様に、参照ビームを共役第２レンズ（１５０）へ
入射させるために、積分ロッド（６４）、および第２レ
ンズ（５０）との間に置かれる。もちろん、レンズ（５
０）は積分ロッド（６４）の端の像を試料上に集める。

あるいは、ケーラー型の光学装置がさらに大きな一様性
を得るためにレンズ（５０）の代わりに用いられる。

積分ロッド（１６４）を含むもう１つ別の光学装置が第
９Ｂ図に示されている。積分ロッド（１６４）は試料ビ
ーム、および参照ビームを与えるために分割される。そ
の結果、ランプ（Ｉ２）から放射された光は第ルンズ（
４８）から積分ロッド（１６４）に入射し、２つに分割
されてそれぞれ第２レンズ（５０）へ向かう光、および
参照ビームとなる。積分ロッド（１６４）からの参照ビ
ームは、例えば第７図に示された構成に関して説明され
たのと同様に、共役対物レンズ（１５０）を通って第２
のポリクロメータ上に集められる。もちろん、積分ロッ
ド（１６４’）の参照柱はこの中に示された他の参照ビ
ーム照射システムと結合される。この装置は光フアイバ
法に特に適していることはすでに明らかである。

本発明の第２の実施例は試料の距離に対して分光測光器
にほとんど依存しない試料上に著しく均一な光を与える
。第１０図に示されたように、照射光、および測定の視
野が相対的に大きな距離で重なり合い、非常に長い視野
深度を与える。すなわち、分光測光器（１０）は最適の
測定距離が位置Ａに対応し、かつ測定視野が位置Ｂ、お
よびＣに入射した光と完全に重なり合うように調節され
る。

例えば、もし第２の実施例に従って、本システムが試料
から約２７５ｃｍ（約９フイート）のところに設置され
れば、このシステムの視野深度は約１２２０１ＩＩ（約
４フイート）から無限大までとなる。

このシステムは均一な光を与えるので、照射領域におけ
る光源の位置の変動による本発明の第１の実施例でみら
れた測定の変動は取り除かれる。さらに、試料表面の光
を照射された領域にわたる平均化は第２の実施例によっ
てシステムの試料からの距離についての制限のみが光源
の輝度レベルとなるという結果によって達成される。

さらに、第２の実施例に従って、本システムによって検
出された比較的大きな試料領域は、測定が試料の視野の
範囲内の全領域にわたる積分を構成しているために、試
料のスペクトル反射率のより正確な測定を与える。試料
表面は実際には部分ごとに変化しているために、この平
均の効果は従来の試料に近接した分光測光器よりも著し
い本システムの精度に寄与する。事実、従来の分光測光
器を用いた局所的な測定は凹凸模様のあるカーペットの
ような凹凸のある表面の測定のために、従来の分光測光
器が市場に導入されるのを不可能にしている部分的な原
因となっている。従来の分光測光器による凹凸模様のあ
るカーペットの外形の変動は、照明およびピックアップ
から試料までの相対的な距離において劇的な変化を生じ
る。これは広範囲にわたる検出の変動を引き起こす。他
方、本発明は不規則な表面のスペクトル特性を相対的に
大きな試料領域を概観し、正確なスペクトル応答に対す
る結果を平均化することによって離れたところから正確
に測定することを可能にする。従って、照明および検出
器から試料に至る相対的な距離の変動は微小であり、か
つ測定の変動は取るに足らないものとなる。

要するに、本発明は比較的距離の離れたところからスペ
クトル反射特性を測定する能力を深い視野深度、および
平均化された大きな試料領域と結びつけている。この特
徴の独自の組み合わせは、本発明の分光測光器が試料表
面から離れたところに取り付けられることを可能にする
。従って、本発明の分光測光器は、高価な特別注文され
たブリッジマウントが必要ではなくなるため、従来の分
光測光器と比較して設置のための費用が少なくなる。実
際、試料から離れたところでスペクトル測定を行うこと
により、本発明は従来の分光測光器が全（考慮されなか
った応用分野での使用を可能なものにしている。

さらに、本発明の独自の特徴は、照射光の光路、および
検出器の光路が狭い角度で対しているため、角度による
走査システムを安価で行うために特に採用されるという
ことである。従って、それぞれの光学的な絞りは互いに
隣接して設置される。第１１図に示されたように、本発
明の第２の実施例による分光測光器（第４図参照）は中
心点（７８）で旋回するように取り付けられた走査ミラ
ー（７６）を設置することにより、走査装置として構成
される。走査ミラー（７６）は試料Ａを横切る角度走査
を達成するために、帰線走査、あるいはのこぎり盲状に
動かされる。照射ビームは試料Ａに反射され、そして対
応する反射された試料ビームは測定視野内にとどまる。

ラスク走査が走査ミラー（７６）を２方向に旋回させる
ことにより、またはよく知られたように第２の走査ミラ
ーを取り付けることによって可能となる。

第１１図に従った、走査分光測光器の商業的な応用例が
第１２図に示されている。走査分光測光器が連続したシ
ート状の生産品の上の高い位置に取り付けられ、走査ミ
ラー（７６）の旋回運動の間に連続的したシートの幅全
体にわたって角度走査が行われる（第１１図参照）。都
合のよいことに、調節された測定標準器が分光測光器（
１０）の走査範囲に規則正しく含まれているように、シ
ート状の生産品に隣接して設置される。

本発明の分光測光器はその使用の際、測定される試料か
ら離れた固定された位置に設置される。

照射、および測定装置は適当な中間の試料距離で調節さ
れ、さらに既知の調節標準器が試料の位置に置かれる。

そして、分光測光器はこの標準器に基づいて調節され、
そのあと試料のスペクトル反射率を測定するために用い
られる。また、走査の際に、種々の走査点、例えば左、
右、および中央の点に対応する分光測光器調節用の標準
器は異なる走査角によって生じる、角度による色変動を
相殺するために、走査分光測光器を調節するのに用いら
れる。もちろん、分光測光器は精度を保証するために、
既知の標準器を使用することによって、定期的に再調節
されなければならない。

さらに、ここで説明された種々の特殊な実施例のどれも
がさらに改良され、他の特殊な実施例で提示可能な特徴
を備えることができるということは、通常の技術的熟練
によって理解されるだろう。例えば、特にもし視覚によ
る走査が達成されなければ、反射光学的素子は、ここに
説明された１つあるいはそれ以上のレンズに取って代わ
られるということはすでに知られている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による遠隔読取分光測光
器の平面図、第２図は本発明による第１の適切なポリクロメータ、お
よび解析回路の平面図、第３図は参照ビームを導（、ポリクロメータに直接結合
した光フアイバ参照ビームラインを含む第２の適切なポ
リクロメータ、および解析回路の平面図、第４図は本発明の第２の実施例よる遠隔読取分光測光器
の平面図、第５Ａ図は積分球の１つの構成を図解する本発明の第２
の実施例の部分平面図、第５Ｂ図は第５Ａ図の直線５Ｂ−５Ｂによって切り取ら
れた、第５Ａ図に示された積分球の１つの構成の側面図
、第５Ｃ図は第１図の参照ビームの光学的な機器構成を図
解する、本発明の第２の実施例の部分平面図、第６図はデュアルポリクロメータを含む、本発明の第２
の実施例の部分平面図、第７図はデュアルポリクロメータを含む、第２の参照ビ
ームの光学的な機器構成を図解する、本発明の第２の実
施例の平面図、第８図は共役な参照ビーム光学系を含む、第３の光学的
な機器構成を図解する、本発明の第２の実施例の平面図
、第９Ａ図は照射光学系の１部としての積分ロッドを含む
、第４の光学的な機器構成を図解する、本発明の第２の
実施例の部分平面図、第９Ｂ図は照射光学系の１部としての積分ロッドを含む
、第５の光学的な機器構成を図解する、本発明の第２の
実施例の部分平面図、第１０図は照射視野、および測定視野の重なり合いを図
解する、本発明の第２の実施例の平面図、第１１図は走査装置を含む、本発明の第２の実施例の平
面図、第１２図は第１１図に示された走査分光測光器の商業的
応用を示す斜視図である。（ｌＯ）・・・・・・・・・・・・・・・分光測光器（
１２）・・・・・・・・・・・・・・・光源（１４）・
・・・・・・・・・・・・・・第１光学系（１６）・・
・・・・・・・・・・・・・参照ビーム手段（１８）・
・・・・・・・・・・・・・・参照検出器（２０）・・
・・・・・・・・・・・・・第２光学系（２２）・・・
・・・・・・・・・・・・ポリクロメータ（２３）・・
・・・・・・・・・・・・・スリット（２４）・・・・
・・・・・・・・・・・集束レンズ（２６）・・・・・
・・・・・・・・・・反射鏡（２８）・・・・・・・・
・・・・・・・光フアイバピックアップ（２９）・・・
・・・・・・・・・・・・帯域フィルタ（３０）・・・
・・・・・・・・・・・・集束レンズ（３２）・・・・
・・・・・・・・・・・検出器アレイ（３４）・・・・
・・・・・・・・・・・コリメートレンズ（３６）・・
・・・・・・・・・・・・・光分散素子（３８）・・・
・・・・・・・・・・・・集束レンズ（４０）・・・・
・・・・・・・・・・・マイクロプロセッサ（４６）・
・・・・・・・・・・・・・・積分回路（４８）・・・
・・・・・・・・・・・・第ルンズ（５０）・・・・・
・・・・・・・・・・第２レンズ（５１）・・・・・・
・・・・・・・・・絞り（５２）・・・・・・・・・・
・・・・・ビームスプリッタ（５４）・・・・・・・・
・・・・・・・積分球（５６）・・・・・・・・・・・
・・・・絞り（５８）・・・・・・・・・・・・・・・
絞り（６０）・・・・・・・・・・・・・・・絞り（６
４）・・・・・・・・・・・・・・・ビームスイッチ（
７０）・・・・・・・・・・・・・・・拡散器（７６）
・・・・・・・・・・・・・・・走査ミラー（７８）・
・・・・・・・・・・・・・・中心点（１２２）・・・
・・・・・・・・・ポリクロメータ（１２８）・・・・
・・・・・・・・光フアイバピックアップ（１５０）・
・・・・・・・・・・・共役対物レンズ（１５２）・・
・・・・・・・・・・ビームスプリッタ（１５４）・・
・・・・・・・・・・積分球（１５６）　・・・・・・
・・・・・・絞り（１６４）・・・・・・・・・・・・
ビームスイッチ（２２８）・・・・・・・・・・・・光
ファイバ図面の浄書（内容に変更なし）ＦＩＧ、１２手続補正書（２）昭和６２年８月１０日２、発明の名称　　遠隔読取型分光測光器３、補正をす
る者

Claims

【特許請求の範囲】（１）照射手段、前記照射手段からの照射光を制定されるべき試料の一領
域へ向けるための第１光学手段、前記第１光学手段から
照射参照ビームを得るための手段、前記試料から反射された前記照射光の成分波長を連続的
にモノクロメータへ集束させるための第２光学手段、前記試料の分光特性を決定すべく前記反射された照射光
、および前記参照ビームを解析するための解析手段を備
えたことを特徴とする遠隔読取型分光測光器。（２）照射手段、前記照射手段からの照射光を測定されるべき試料の一領
域へ向けるための第１光学手段、前記第１光学手段から
照射参照ビームを得るための手段、前記試料から反射された前記照射光をポリクロメータへ
集束させるための第２光学手段、前記試料の分光特性を
特定すべく前記反射された照射光、前記参照ビームを解析するための解析手段を備えたこと
を特徴とする分光測光器。（３）前記照射手段がパルス発光型キセノンランプより
成る特許請求の範囲第２項記載の分光測光器。（４）前記照射手段がアーク発光型キセノンランプより
成る特許請求の範囲第２項記載の分光測光器。（５）前記分光測光器が前記パルス発生ランプからの照
射光を前記第１光学手段へ向けるために前記ランプの後
部に設置された曲面反射鏡を含むことを特徴とする特許
請求の範囲第２項記載の分光測光器。（６）前記第１光学手段が照射光集束レンズを含むこと
を特徴とする特許請求の範囲第（２）項記載の分光測光
器。（３）照射参照ビームを得るための前記手段が少くとも
１本の光ファイバからなり、前記光ファイバの一端が前
記照射光集束レンズに隣接して前記照射光の一部を受光
するように調節され、他端が前記帯域フィルタ、および
参照光検出器に隣接するように設置されたことにより、
前記帯域フィルタを通過した前記照射光の部分を前記参
照光検出器に入射させるようにしたことを特徴とする特
許請求の範囲第（６）項記載の分光測光器。（８）前記第２光学手段が集束レンズを含むことを特徴
とする特許請求の範囲第２項記載の分光測光器。（９）前記解析手段がコンピュータを含むことを特徴と
する特許請求の範囲第２項記載の分光測光器。（１０）照射手段、前記照射手段からの照射光を測定されるべき試料の一領
域へ向けるための第１光学手段、前記第１光学手段から
照射参照ビームを得るための参照ビーム手段、ポリクロメータ手段、前記参照ビーム、および前記照射を受けた試料からの反
射像を逐次的に前記ポリクロメータへ向けるための第２
光学手段、前記第２光学手段からの光を前記ポリクロメータ手段へ
集束させるために前記第２光学手段と前記ポリクロメー
タ手段との間の光路内に設置された第３光学手段、前記参照ビームと前記反射された試料像を解析し、試料
の分光特性を決定するために前記ポリクロメータ手段に
接続された解析手段より成る分光測光器。（１１）前記ポリクロメータ手段が入射光を成分波長に
分離する分離フィルタ、および前記成分波長の各々に対
して光の強度を検出する検出手段より成る特許請求の範
囲第（１０）項記載の分光測光器。（１２）前記照射手段がパルス発光型キセノンランプよ
り成る特許請求の範囲第（１０）項記載の分光測光器。（１３）前記パルス発光型キセノンランプからの照射光
を前記第１光学手段へ向けるために前記ランプの後部に
設置された曲面反射鏡より成る特許請求の範囲第８項記
載の分光測光器。（１４）第１光学手段が前記照射手段からの前記照射光
を受けるための第１レンズ素子、および前記第１レンズ
素子からの前記照射光を受け、かつ前記照射光を前記試
料へ向けるための第２レンズ素子より成る特許請求の範
囲第（１０）項記載の分光測光器。（１５）前記第１レンズ素子が集束レンズより成る特許
請求の範囲第（１４）項記載の分光測光器。（１６）前記第２レンズ素子が対物レンズより成る特許
請求の範囲第（１４）項記載の分光測光器。（１７）前記分光測光器がさらに、前記第１レンズ素子
に隣接した絞り手段を含むことを特徴とする特許請求の
範囲第８項記載の分光測光器。（１８）前記参照ビーム手段が前記第１レンズ素子、お
よび前記第２レンズ素子の間の前記照射光光路内に設置
されたビームスプリッタより成る特許請求の範囲第（１
４）項記載の分光測光器。（１９）前記ビームスプリッタからの前記参照ビームを
受けるための第１絞りをもつ積分球を含むことを特徴と
する特許請求の範囲第（１８）項記載の分光測光器。（２０）前記積分球が、前記反射された試料像の光路が
積分球を直接通り抜けるように前記積分球を通る弦に沿
って互いに対置された入口としての第２絞りと出口とし
ての第３絞りを含む特許請求の範囲第８項記載の分光測
光器。（２１）前記第２光学手段が前記出口としての第３絞り
に隣接し、かつ前記積分球からの積分された参照ビーム
、および前記反射された試料像が前記第３光学手段によ
って前記ポリクロメータへ逐次的に集束されることを可
能にするビームスイッチを含むことを特徴とする特許請
求の範囲第（２０）項記載の分光測光器。（２２）前記第２光学手段がビームスイッチを含むこと
を特徴とする特許請求の範囲第時項記載の分光測光器。（２３）前記第３光学手段が集束レンズより成る特許請
求の範囲第６項記載の分光測光器。（２４）前記分光測光器がさらに、前記参照ビーム、お
よび前記反射された試料像が逐次的にポリクロメータへ
向けられるとき、少くとも１つの波長において前記積分
された参照ビームを連続的に検出、かつ監視するために
前記積分球内に設置された光学的監視手段を含むことを
特徴とする特許請求の範囲第３項記載の分光測光器。（２５）前記試料へ向けられた前記照射ビーム、および
前記反射された試料像の間の反射角が比較的小さいこと
を特徴とする特許請求の範囲第（１０）項記載の分光測
光器。（２６）前記分光測光器がさらに、前記第１光学手段か
らの前記照射ビームを連続的に試料の連続した多数の部
分へ順次向かわせるとともに、前記試料からの前記反射
像を受け、かつこの反射像を前記第２光学手段へ導くた
めの走査手段を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
（１０）項記載の分光測光器。（２７）前記走査手段が平面走査ミラーより成る特許請
求の範囲第（２６）項記載の分光測光器。（２８）前記走査手段がラスタ走査を行うものであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第（２６）項記載の分光
測光器。