JPWO2011121896A1 - 測定用光学系ならびにそれを用いた色彩輝度計および色彩計 - Google Patents

Abstract

本発明にかかる測定プローブ４０では、測定光は、分岐光学系１２で複数に分岐され、各分岐光は、色フィルタとしての各干渉膜フィルタ１３Ａ、１４Ａ、１５Ａを介して各受光センサ１３Ｂ、１４Ｂ、１５Ｂで受光される際に、略両側テレセントリック系を成す各集光レンズ群１３Ｃ、１４Ｃ、１５Ｃを介して各干渉膜フィルタ１３Ａ、１４Ａ、１５Ａへ入射される。そして、干渉膜フィルタ１３Ａ、１４Ａ、１５Ａは、該干渉膜フィルタ１３Ａ、１４Ａ、１５Ａへの入射光の入射角度に対する強度分布の条件に応じ、測定パラメータに対応した透過率特性が得られるように形成される。このため、本発明にかかる測定プローブ４０は、干渉膜フィルタ１３Ａ、１４Ａ、１５Ａを用いつつ、その入射角度による透過率特性のズレの影響を低減することができる。

Description

本発明は、液晶モニタやランプなどの光源から放射される光を受光し、光源の輝度（Ｌｖ）や色度（ｘｙ）を測定する色彩輝度計や、被測定物に照射された光の反射光を受光し、被測定物の反射率や色度（Ｌａｂ等）を測定する色彩計などに用いられる測定用光学系ならびにそれを用いた色彩輝度計および色彩計に関する。

液晶モニタの輝度（Ｌｖ）や色度（ｘｙ）を測定する色彩輝度計は、例えば、前記液晶モニタの表示画面に対向して配置される測定プローブおよび計測器本体を備えて構成される。前記測定プローブは、例えばＣＩＥ（国際照明委員会）で規定されている等色関数Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値をそれぞれのセンサで測定し、前記計測器本体は、その測定結果から、被測定物である表示画面３の輝度や色度を演算する。

このような色彩輝度計や色彩計に用いられる測定用光学系の典型的な従来技術は、例えば、特許文献１に示されている。

この特許文献１では、入射光を前記３刺激値に対応した３個の測色光学系のそれぞれへ入射させるべく、バンドルファイバが用いられている。前記測色光学系は、前記３刺激値にそれぞれ対応した色フィルタに受光センサが組み合わされて構成され、前記バンドルファイバの３つに分岐された各出射端には、これら各測色光学系の各色フィルタが配置されている。そして、この特許文献１の前記バンドルファイバでは、円形に束ねられた入射端側から見て、周方向に６つに分割され、対角線上に位置する束同士が束ねられている。これによって、指向性（配光特性）に起因する測定誤差の軽減が図られている。

しかしながら、前記色フィルタは、入射光を前記Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値などの所望分光特性に対応した透過率となるように、光吸収タイプのフィルタが複数枚積層されて構成されるので、例えば図２１で示すような、２つの波長域で透過率ピークを有する特性のフィルタを設計することができない、すなわちフィルタ設計の自由度が小さいという問題がある。また、透過率が小さく、光量ロスが大きいという問題もある。さらにまた、特にフィルム状の色フィルタにおいて、熱、光（紫外線）、湿度等に対して、経年変化が激しい（安定性が悪い）という問題もある。

そこで、前記色フィルタに、前記光吸収タイプのフィルタに代えて、干渉タイプのフィルタ（以下、干渉膜フィルタと言う）を用いるようにした従来技術が、例えば特許文献２で提案されている。この干渉膜フィルタは、ガラス基板上に、誘電体や酸化物を真空蒸着やスパッタリングなどの手法により数十層積層したものであり、光の干渉作用によって透過／反射の波長選択を行うフィルタである。

しかしながら、前記干渉膜フィルタは、入射角度によって透過率が異なるので、平行光（０度）入射では誤差感度が高いという問題がある。

特開２００３−２４７８９１号公報 特開２０１０−２２５５号公報

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、干渉膜フィルタを用いつつ、その入射角度による透過率特性のズレの影響を低減することができる測定用光学系ならびにそれを用いた色彩輝度計および色彩計を提供することである。

本発明にかかる測定用光学系ならびにこれを用いた色彩輝度計および色彩計では、測定光は、複数に分岐され、各分岐光は、各干渉膜フィルタを介して各受光センサで受光される際に、略両側テレセントリック系を成す各集光レンズ群を介して前記各干渉膜フィルタへ入射される。そして、前記干渉膜フィルタは、該干渉膜フィルタへの入射光の入射角度に対する強度分布の条件に応じ、測定パラメータに対応した透過率特性が得られるように形成される。このため、本発明にかかる測定用光学系ならびにこれを用いた色彩輝度計および色彩計は、干渉膜フィルタを用いつつ、その入射角度による透過率特性のズレの影響を低減することができる。

上記並びにその他の本発明の目的、特徴および利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。

実施の一形態にかかる色彩輝度計の測定プローブ内の構成（測定用光学系）を示す図である。 図１で示す測定プローブにおける測色光学系の具体的な構成を示す図である。 図２の光路図である。 図１で示す測定プローブにおける対物レンズの光路図である。 干渉膜フィルタへの入射光束の強度分布の測定方法を説明するための図である。 干渉膜フィルタへの入射光束の強度分布の一例を示すグラフである。 前記干渉膜フィルタの分光強度分布を示すグラフである。 前記干渉膜フィルタへの入射角度の分布と、フィルタが傾いた場合の影響とを示すグラフである。 図８で示す入射角度分布の光学系に、干渉膜フィルタを設置した場合の透過率分布を示すグラフである。 前記干渉膜フィルタへの入射角度の大きさと、誤差との関係を示すグラフである。 バンドルファイバの出射角度分布の例を示すグラフである。 前記集光レンズ群の具体的な設計例を模式的に示す図である。 前記集光レンズ群の具体的な構成例を示す図である。 色彩輝度計による液晶モニタの測定方法を説明するための図である。 色彩輝度計の測定プローブ側の概略的構成を示すブロック図である。 色彩計の測定プローブ側の概略的構成を示すブロック図である。 従来技術の色彩輝度計の測定プローブ内の構成（測定用光学系）を示す図である。 前記液晶モニタの配光分布を説明するための図である。 前記液晶モニタの配光分布の一例を示すグラフである。 前記液晶モニタにおけるＲＧＢ各色の画素配列と測定エリアとの関係を示す図である。 前記干渉膜フィルタの分光透過率特性の一例を示すグラフである。 前記干渉膜フィルタへの入射角度の変化に対する分光透過率特性の変化を示すグラフである。 図１７で示す測定用光学系に干渉膜フィルタを用いる場合において、集光レンズを用いない場合における第１の態様の光学系の構成を模式的に説明するための図である。 図１７で示す測定用光学系に干渉膜フィルタを用いる場合において、集光レンズを用いた場合における第２の態様の光学系の構成を模式的に説明するための図である。 図１７で示す測定用光学系に干渉膜フィルタを用いる場合において、集光レンズを用いた場合における第３の態様の光学系の構成を模式的に説明するための図である。 光ファイバ内での光の伝搬の様子を説明するための断面図である。

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

（比較例）
本実施形態の作用効果を説明するために、まず、比較例について以下に説明する。図１４は、色彩輝度計１を用いた液晶モニタ２の輝度（Ｌｖ）や色度（ｘｙ）の測定の様子を説明するための図である。この色彩輝度計１は、液晶モニタ２の表示画面３に対向配置される測定プローブ４および計測器本体５を備えて構成される。測定プローブ４は、例えばＣＩＥで規定されている等色関数Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値をそれぞれのセンサで測定し、計測器本体５は、その測定結果から、被測定物である表示画面３の輝度や色度を演算する。

測定プローブ４内の概略構成は、例えば図１５で示す通りである。すなわち、測定プローブ４は、被測定物である表示画面３からの出射光を対物光学系１１で受光し、予め規定された入射角の成分、例えば表示画面３の法線に対して±２．５度以内の成分を抽出して分岐光学系１２に入射させ、３つに分岐して等色関数Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値に対応した測色光学系１３，１４，１５に入射させ、入射光強度を測定するようになっている。

一方、前記被測定物の反射率や色度（Ｌａｂ等）を測定する色彩計の場合には、例えば図１６で示す通り、図１５に示す測定プローブ４の構成に、さらに、光源であるランプ１６および照明光学系１７が備えられている。これらランプ１６および照明光学系１７によって、被測定物に光が照射され、その反射光が前記測定プローブ４で測定される。

このような色彩輝度計や色彩計に用いられる測定用光学系の典型的な技術は、特許文献１で示されている。図１７は、その前記技術における測定プローブ４’内の構成を示す図である。この前記技術では、測定プローブ４’は、対物光学系１１と、分岐光学系１２と、測色光学系１３とを備えている。この対物光学系１１には正パワーを持つ凸レンズ１１ａが用いられ、分岐光学系１２にはバンドルファイバ１２ａが用いられている。前記バンドルファイバ１２ａは、径の小さな（φ＝０．０３〜０．３ｍｍ程度の）素線ファイバを、入射端（入口）側で複数ｎ（ｎ＝数百〜数千）本束ね、出射端（出口）側でそれをランダムに複数（例えば前記Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値に対応した３つ）に分岐して複数ｍ本ずつ束ねたものである。入射側および出射側の形状は、任意（円形、長方形など）である。

そして、この測定プローブ４’は、凸レンズ１１ａの後側焦点位置に図示しない開口絞りを配し、前述のように表示画面３の法線に対して±２．５度以内の成分を取込むために、前側テレセントリックな光学配置になっている。前記開口絞り面には、バンドルファイバ１２ａの入射端Ｆｉ１〜Ｆｉｎが臨む。測色光学系１３，１４，１５は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値にそれぞれ対応した色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａと、これらと組み合わされて用いられる受光センサ１３ｂ，１４ｂ，１５ｂとを備えている。

ここで、被測定物の特性として、例えば液晶モニタの場合について考えると、先ず、その配光分布に指向性がある。すなわち、光の出射強度が、表示画面３の法線に対する角度によって異なり、しかも前記法線に対して非対象の場合もある。例えば、ノートパソコンや携帯電話用のモニタでは、意図的に指向性を強めているものがあり、前記ノートパソコンのモニタは、使用者が斜め上方向から見下ろすことが多く、このため、図１８で示すように、その配光分布１８は、表示画面３の法線Ｎに対して、上側で多く、下側で少なくなっている。このような配光分布の一例を具体的に示したものが、図１９である。

また、前記液晶モニタの場合、測定位置によって発光強度が異なる（強度むらが生じる）。このような現象は、バックライトの配置位置やＲＧＢフィルタの配列と、測定プローブ４との位置関係によって生じる。図２０には、液晶モニタのＲＧＢ各色の画素配列と測定エリアとの関係を示す。例えば、中央の行に着目すると、実線の測定エリアＡ１では、Ｇが２個、Ｒ，Ｂが１個の画素が含まれているのに対して、測定エリアＡ１より画素配列方向に１画素分ずらした破線の測定エリアＡ２では、Ｂが２個、Ｒ，Ｇが１個の画素が含まれている。このような強度むらは、前記測定エリアが小さな（例えば、φ＝５ｍｍ以下の）場合に顕著である。

さらにまた、被測定物（液晶モニタ）には、軸非対称な特徴を有する一方で、測定器には安定した測定結果が求められる。すなわち、測定プローブ４を光軸回りに回転させても、測定結果が変動しない（回転誤差がない）ことが求められる。このような、現象は、液晶モニタに限らず、反射光を測定する色彩計において、例えば光沢のある印刷物や、メタリック、パールなどの塗装面の測定においても生じる。

そこで、前記特許文献１では、バンドルファイバ１２ａは、円形に束ねられた入射端Ｆｉ１〜Ｆｉｎ側から見て、複数の素線ファイバが、周方向に６つに分割され、対角線上に位置する束同士が束ねられて構成されている。これによって、上述のような指向性（配光特性）に起因する測定誤差の軽減が図られている。

しかしながら、色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａは、入射光を前記Ｘ，Ｙ，Ｚの３刺激値などの所望分光特性に対応した透過率となるように、光吸収タイプのフィルタが複数枚積層されて構成される。このため、このような構成では、例えば図２１で示すような、２つの波長域で透過率ピークを有するようなフィルタが設計できない、すなわちフィルタ設計の自由度が小さいという問題がある。また、透過率が小さく、光量ロスが大きいという問題もある。さらにまた、特にフィルム状の色フィルタにおいて、熱、光（紫外線）、湿度等に対して、経年変化が激しい（安定性が悪い）という問題もある。

そこで、色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａに、前記光吸収タイプのフィルタに代えて、干渉タイプのフィルタ（以下、干渉膜フィルタと言う）を用いた技術が、例えば、特許文献２で提案されている。この干渉膜フィルタは、ガラス基板上に、誘電体や酸化物を真空蒸着やスパッタリングなどの手法により数十層積層したものであり、光の干渉作用によって透過や反射の波長選択を行うフィルタである。したがって、この干渉膜フィルタは、上述のような光吸収タイプのフィルタに比べて、所望の透過率を得易く（設計し易い、設計の自由度が高い）、等色関数Ｘのような、２つのピーク（山）を有する（前記図２１で示す）フィルタの作成も可能である。また、干渉膜フィルタは、透過率が高く、例えばピーク透過率は、前記吸収タイプでは５０％以下になるのに対して、この干渉膜フィルタは１００％に近い。さらにまた、干渉膜フィルタは、信頼性に優れる（温度や湿度、光の暴露による経時的な透過率変化が少ない）という長所を有する。

一方、前記干渉膜フィルタは、入射角度によって透過率が異なるので、平行光（０度）の入射では誤差感度が高いという問題がある。このため、平行光を入射させるための光学系が複雑になるという短所を有する。図２２には、前記干渉膜フィルタへの光の入射角と、透過率との関係を示す。このように０度入射の場合、入射角度が該干渉膜フィルタの法線からずれる程、透過域は、短波長側にシフトする。したがって、部品の位置関係が少し傾いただけで、透過率特性が異なることになる。

したがって、干渉膜フィルタへの要求事項としては、入射角度の強度分布が常に安定していること、および各入射角度のそれぞれが固有の情報を持っていないこと（入射角度それぞれが均一化した情報を持つ必要がある）となる。そこで、このような要求に応えるために、前記特許文献２では、対物光学系１１として、２つのレンズおよびそれらの間に配置される開口絞りを備え、バンドルファイバ１２ａの入射端Ｆｉ１〜Ｆｉｎでの入射角が、開口絞りへの入射角よりも小さく設定することで、前記バンドルファイバ１２ａから干渉膜フィルタへの入射角度の拡がりを小さくし、前記干渉膜フィルタの短所を補償しようとしている。

ここで、対物光学系１１は、前記のように表示画面３の法線に対して±２．５度以内の成分を抽出して、分岐光学系１２に入射するために、前側テレセントリックな光学配置になっている。このため、個々のファイバ素線自体が持つ情報およびファイバ素線への入射角が持つ情報によって、各色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａへの入射光を均一化することは、やはり困難である。その理由を以下に詳述する。

先ず、ファイバ素線自体が持つ情報として、ファイバ素線のそれぞれに、被測定面から放射される角度（指向性）が関係付けられている。すなわち、前述の図１７において、被測定面から上方向に放射する光（破線）は、総て上側のファイバ素線の入射端Ｆｉ１に集められている。したがって、バンドルファイバ１２ａの３束の出射端Ｆｏａ１〜Ｆｏａｍ；Ｆｏｂ１〜Ｆｏｂｍ；Ｆｏｃ１〜Ｆｏｃｍにおいて、多数のファイバ素線の関係がランダムに配列されていれば、このような指向性の情報は、均一化される。しかしながら、そのようなバンドルファイバの作成は、困難であり、また作成できたとしても高価になる。実際は、バンドルファイバ１２ａの出射端側で、各ファイバ素線が、どこに配列されるか分らず、また偏った配列（例えば、０度周辺の指向性情報が、出射端側のファイバ束の外周に集中している等）となってしまう。さらにまた、同じモデルの測定器でも、個々に偏りの状態が異なっている。

次に、前記ファイバ素線への入射角が持つ情報として、各ファイバ素線内では、光は、コアとクラッドとの屈折率差によって全反射を繰返し伝送されてゆくので、各ファイバ素線への入射角度が、上述のように被測定面内の位置に関係付けられていると（図１７で、Ｓ１から放射する光は、常に一定の角度でファイバへ入射している）、ファイバ長さが短いときには、入射角＝±出射角となり、入射角度が持つ情報は、出射角度に保存される（符号が逆転する場合も含め）ことになるというものである。

ここで、ファイバ長さが或る程度以上長い場合は、ファイバを伝送する間（コア・クラッド間で何度も反射する間）に、入射角度は、ランダムに均一化され、ファイバが長い程（反射の回数が増えれば増える程）、この問題は解消される。これは、光ファイバは、コアとクラッドとの屈折率差を利用して、理想的には、図２６（ａ）で示すように入射光を全反射させてゆくべきところ、実際には、屈折率の局部的な差（脈利）やファイバ径の局部的な違い（太い、細い）、或いはファイバの屈曲による反射面の湾曲などによって、図２６（ｂ）で示すように、出射位置や出射角度がランダムになってしまうためである。

こうして、ファイバ長さが或る程度以上長い場合は、拡散板と同様の拡散効果を得て（拡散板より光量の低下は少ない）、入射光は、均一化されて出射され、その出射角度の分布は、ファイバが長い程、ファイバ固有のＮＡに近付く。つまり、ファイバへの入射角度に関わらず、ファイバ固有のＮＡ条件で出射されることになる。したがって、上述の特許文献２は、この点で矛盾している。ファイバからの出射角を小さくする（色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａへの入射角を小さくする）ためには、或る程度以下の短いファイバで構成する必要があるが、短い場合は、ファイバへの入射角が持つ情報が偏り、測定誤差が生じる。

一方、全ての光束は、同じ条件で（干渉膜フィルタへの入射角に依存しないように）受光する必要がある。しかしながら、上述のようにバンドルファイバ１２ａから出射する光束には、それぞれ被測定物に特定の情報を有するので、これらの情報を欠落することなく、かつ同じ条件で色フィルタ１３ａ，１４ａ，１５ａを通過させ、受光センサ１３ｂ，１４ｂ，１５ｂで受光する必要がある。もし、一部の情報が欠落して受光を行うと、前述のように測定プローブ４を回転させると回転に伴って受光データが変化したり（回転誤差）、欠落の条件が測定器によって異なると、器差（同じモデルの測定器で測定結果に差）が生じる。

このため、総ての光束（前記情報）を受光する場合に、集光レンズ無しで行おうとすると、図２３で示すように、バンドルファイバ１２ａの出射端Ｆｏａ１〜Ｆｏａｍ側のファイバ束に対して、色フィルタａおよび受光センサｂが大きくなってしまうとともに、それらの間隔Ａ，Ｂも大きくなり、大きさ（スペース）およびコストに非常に大きな問題がある。色フィルタａおよび受光センサｂは、サイズが大きくなるに従って、高額になるので、できるだけ、小さなサイズで構成したいという要望がある。

例えば、出射端Ｆｏａ１〜Ｆｏａｍ側のファイバ束の径φが２．３ｍｍであり、ファイバ出射角θが±４０度であり、そして、前記出射端Ｆｏａ１〜Ｆｏａｍと色フィルタａとの間隔Ａが１ｍｍで、色フィルタａの厚みが１ｍｍで、色フィルタａと受光センサｂとの間隔隙間Ｂが１ｍｍで、受光センサｂの外装面から受光セルまでの距離が１ｍｍで、これらの合計で４ｍｍである厚さの場合、受光センサｂのセルサイズ（矩形のセルの場合、その短面の長さ）は、（１．１５＋ｔａｎ４０度×４）×２＝９．０ｍｍという巨大なものとなってしまう。

一方、前記のように総ての光束（前記情報）を受光する場合に、色フィルタａおよび受光センサｂをできるだけ小さく構成するために、集光レンズで集光して受光させることも考えられる。その場合の構成を図２４および図２５で示す。図２４は、集光レンズ１９を用いて受光センサｂに平行光で入射する例を示し、図２５は、集光レンズ１９を用いて受光センサｂへ結像する例を示している。しかしながら、このような構成において、色フィルタａとして干渉膜フィルタを用いると、前述のような個々のファイバ素線が持つ情報およびファイバ素線への入射角が持つ情報の影響を受けるという問題がある。

より具体的には、先ずファイバ素線が持つ情報として、それぞれの素線から出射する光束は、色フィルタａへ異なる角度で入射するので、それぞれ異なる情報を持つ素線から出射する光束の受光感度が異なることになってしまう。すなわち、図２４および図２５で示すように、出射端Ｆｏａ１から出射する光と、Ｆｏａｍから出射する光とでは、色フィルタ１２ａに入射する角度が異なる。

次に、ファイバ素線への入射角が持つ情報として、ファイバが短い場合、前述のように入射角度の持つ情報が保存されて光が出射される。このため、図２４および図２５で示すように、各ファイバ素線が出射する角度のそれぞれは、入射角度を反映して、例えば実線と破線とで示すように保存されており、これによっても色フィルタａへの入射角度が異なる。ただし、ファイバ長さが十分に長い場合、ファイバ内部を通過する間に、角度はランダムにミキシングされ、各ファイバ素線からの出射光の角度は、均一化した情報に変換され、問題ない。しかしながら、前述のように、ファイバ固有のＮＡ条件で出射されることになる。

（実施形態１）
次に、実施の一形態について以下に説明する。図１は、本発明の実施の一形態にかかる測定プローブ４０内の構成（測定用光学系）を示す図である。この測定プローブ４０は、前述の図１５で示す色彩輝度計や図１６で示す色彩計の測定プローブ４として用いられる。測定方法の一例として、前述の図１４と同様に、色彩輝度計は、液晶モニタ２の表示画面３に対向配置される測定プローブ４０、および、測定プローブ４０の出力に基づいて色彩輝度を求める計測器本体５を備えて構成される。また、測定方法の他の一例として、前述の図１６と同様に、色彩計は、被測定物へ測定光を照射する測定光照射部、被測定物で反射した前記測定光の反射光を測定する測定プローブ４０、および、測定プローブ４０の出力に基づいて色彩を求める計測器本体を備えて構成される。この測定プローブ４０の概略のブロック構成は、この測定プローブ４０において、図１７で示す測定プローブ４’に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示している。

すなわち、この測定プローブ４０は、被測定物からの光を受光する対物光学系１１と、対物光学系１１から出射された出射光を複数に分岐する分岐光学系１２と、分岐光学系１２の各出射端のそれぞれに対応して設けられ、前記各出射端から出射された各出射光を検出する複数の測色光学系１３、１４、１５とを備えている。対物光学系１１には、正の光学的パワー（屈折力、焦点距離の逆数）を持つ両凸レンズ１１ａが用いられ、分岐光学系１２には、複数のファイバ素線が束ねられて成り、対物光学系１１からの出射光が一端側に入射され、他端側で前記複数のファイバ素線が複数の束に分割されているバンドルファイバ１２ａが用いられている。そして、凸レンズ１１ａの後側焦点位置に図示しない開口絞りが配され、前述のように表示画面３の法線に対して半角でα、例えば前述の±２．５度以内の成分を取込むために、対物光学系１１は、前側テレセントリックな光学配置になっている。前記開口絞り面には、バンドルファイバ１２ａの入射端Ｆｉ１〜Ｆｉｎが臨む。

ここで、本実施形態の測定プローブ４０では、測色光学系１３、１４、１５は、それぞれ、分岐光学系１２、本実施形態ではバンドルファイバ１２ａの他端側から出射される出射光が入射される集光レンズ群１３Ｃ、１４Ｃ、１５Ｃと、集光レンズ群１３Ｃ、１４Ｃ、１５Ｃから出射される出射光が入射され、色フィルタとしての、前記出射光を所定の透過率特性で透過させる干渉膜フィルタ１３Ａ、１４Ａ、１５Ａと、干渉膜フィルタ１３Ａ、１４Ａ、１５Ａから出射される出射光が入射され、前記出射光の強度を検出する受光センサ１３Ｂ、１４Ｂ、１５Ｂとを備えており、集光レンズ群１３Ｃ、１４Ｃ、１５Ｃは、それぞれ、略両側テレセントリック系を成し、そして、干渉膜フィルタ１３Ａ、１４Ａ、１５Ａは、その透過率特性が所定の特性に調製されている。すなわち、色フィルタ１３Ａ、１４Ａ、１５Ａとして干渉膜フィルタを用いるために、バンドルファイバ１２ａとこれら各干渉膜フィルタとの各間に、略両側テレセントリック系を成す各集光レンズ群１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃがそれぞれ介在されるとともに、干渉膜フィルタ１３Ａ、１４Ａ、１５Ａの透過率特性が調製される。

先ず、集光レンズ群１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃのうち、集光レンズ群１３Ｃを例として、この集光レンズ群１３Ｃについて、図２を参照して説明する。集光レンズ群１４Ｃ，１５Ｃは、この集光レンズ群１３Ｃと同様に構成される。この集光レンズ群１３Ｃは、前記両側テレセントリック系を成すように、例えば、いずれも正の光学的パワーを持つ２群の集光レンズ１３Ｃ１，１３Ｃ２と、それらの間に介在される開口絞り１３Ｃ３とを備えて構成される。この開口絞り１３Ｃ３は、図３に示すように、集光レンズ群１３Ｃにおける被測定面側に配置される集光レンズ１３Ｃ１の像面側の焦点距離ｆ１の位置で、かつ集光レンズ群１３Ｃにおける像面側に配置される集光レンズ１３Ｃ２の被測定面側の焦点距離ｆ２の位置に配置される。ただし、バンドルファイバ１２ａの長さが所定値以上であり、バンドルファイバ１２ａの出射角は、ファイバの開口率（ＮＡ）によって予め定まっているものとする。これによって、２群の集光レンズ１３Ｃ１，１３Ｃ２をｆ１＋ｆ２の主点間隔で配置することで、開口絞り１３Ｃ３は、特に設けられなくてもよい。

図２に戻って、このように所定値以上の長さのバンドルファイバ１２ａと両側テレセントリックな光学系とを組合わせることで、バンドルファイバ１２ａの個々のファイバ素線の出射端Ｆｏａ１〜Ｆｏａｍから出射する光束の総ては、同じ角度の拡がりで色フィルタ１３Ａへ入射することになる。このため、各ファイバ素線が異なる情報を持っていたとしても、干渉膜フィルタでの透過率特性は、同一となり、受光センサ１３Ｂでの受光データは、被測定物の特性の影響を受けない。すなわち、測定器の回転誤差が生じない。より具体的には、図２において、出射端Ｆｏａ１から上側に出射した光ＵＬ（実線）と、下側に出射した光ＬＬ（破線）とは、共に同じ拡がり角度θａ１１，θａ１２を持って色フィルタ１３Ａに入射される。こうして、バンドルファイバ１２ａの各ファイバ素線が持つ情報は、均一化され得る。

これに対して、ファイバが短い場合、入射角度の持つ情報がそのまま保存されて出射されるので、ファイバ素線から出射されるそれぞれの角度の光は、色フィルタ１３Ａに異なる角度で入射することで、それぞれに異なる情報を持ち、受光センサ１３Ｂでの受光感度が異なることになる。すなわち、前述の図１７で示した通りであり、ファイバ素線から出射された実線の光と破線の光とで、色フィルタ１３Ａに入射する角度が異なる。このため、上述のようにファイバ長さを充分に長くすることによって、該ファイバ内部を通過する間に、入射角度の異なる光がランダムにミキシング（混合）され、該光の持つ情報が、開口率（ＮＡ）によって規定される拡がりで、かつ均一化した情報に変換される必要がある。そのようなファイバ素線への入射角が持つ情報を打ち消すことができる前記充分な長さは、コア径の３０倍以上である。

また、対物レンズ１１ａは、前側テレセントリックな光学配置とするために、例えば図４（ａ）で示すように、測定範囲がφ＝２７ｍｍの円形とし、受光開口角αが液晶モニタを測定する場合における業界規定の前記±２．５度以内である場合に対して、レンズ性能（収差など）を考慮して、設計上、±２．３度とし、表示画面３から該対物レンズ１１ａまでの距離が３０ｍｍとし、バンドルファイバ１２ａの入射径がφ＝４．０ｍｍとし、該対物レンズ１１ａの像面側の焦点距離ｆ０が５０ｍｍとすると、バンドルファイバ１２ａの入射角α１（ＮＡ）は、半角で後述の約１５度となる。このとき、バンドルファイバ１２ａ（３分岐）の出射側の面積は、２．０^２×π÷３＝４．１８ｍｍ^２となり、出射側の直径は、２×√（４．１８÷π）＝２．３ｍｍとなる。

なお、対物レンズ１１ａは、図４（ｂ）で示すように、被測定面とバンドルファイバ１２ａの入射端Ｆｉ１〜Ｆｉｎとが結像関係となるような光学配置であってもよい。その場合、被測定面の各位置がファイバの各素線に対応付けられ、例えば被測定面の一方端Ｓ１から放射する光は、常に一方端の入射端Ｆｉｎに入射し、被測定面の他方端Ｓ３から放射する光は、常に他方端の入射端Ｆｉ１に入射する。

上述のように構成される測定光学系において、干渉膜フィルタの入射角と透過率との関係は、前述の図２２で示す通りである（Ｙフィルターの例）。これに対応し、本実施形態では、バンドルファイバ１２ａの開口率（ＮＡ）および集光レンズ群１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃの特性などに基づき変化する干渉膜フィルタへの入射光束の実際の強度分布は、例えば図５で示すような測定や、シミュレーションなどによって求められる。図５では、後段の集光レンズ１３Ｃ２からの放射光束の強度が、輝度計３０を該集光レンズ１３Ｃ２の中心から同一半径上で移動させて、あらゆる立体角（コーンアングル）で測定されている。

一方、シミュレーションの場合には、先ず干渉膜フィルタへの入射角度は、ファイバの出射面積および出射角度、ならびに集光レンズ群１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃの焦点距離およびレンズ配置によって決定される。そして、構成される光学部品の個々の条件や特性から、レンズシミュレーションソフトウエアなどを用いて、フィルタ面での入射光束の強度分布が算出される。例えば、ファイバからの出射条件は、ファイバ固有のＮＡ条件で出射することとし、集光レンズ群１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃのコンストラクションデータとから、光線追跡シミュレーションが行われる。

図６には、こうして求められた干渉膜フィルタへの入射光束の強度分布の一例を示す。この図６に示す例では、前記の輝度計３０を、所定範囲の円弧上を移動させた場合（１次元）における強度の変化が示されている。この図６で示すような相対強度（立体角で考えた相対強度：いわゆる「コーンアングルでの透過率」）を、前述の図２２で示すような干渉膜フィルタの各々の入射角度での透過率と掛け算することで、入射角度の強度分布を考慮したフィルタ透過率が演算される。その結果は、例えば図７において、参照符号β１（破線）で示す曲線となる。

そして、最終的に測定器で得られる受光感度は、このようなフィルタ透過率に加え、光学系（レンズや、光ファイバ等）の透過率、受光センサの受光感度、受光センサ面等での反射特性などの特性を加味したものであり、これが、最終的な受光感度となる。本実施形態では、例えば、最終的に得られる受光感度が、図７において参照符号β２（実線）で示すような所望の（ＣＩＥで規定される）等色関数に近似したものとなるように、前記干渉膜フィルタは、調製される。

ここで、前記干渉膜フィルタへの入射角度の拡がり条件について説明する。部品誤差などによって、該干渉膜フィルタが傾いて取付けられると、該干渉膜フィルタへの入射角度に対する強度分布が設計値からずれ、それに伴って、得られるフィルタ透過率が異なり、したがってセンサ受光感度分布が異なることになる。このようにフィルタが傾いて取付けられた場合における透過率変化の影響は、強度分布が狭い程、影響が大きいので、フィルタへの入射角度の強度分布は、或る程度以上の広がりを持っていることが望ましい。

このため、図８には、入射角度の分布と、フィルタが傾いた場合の影響とが示されている。図８（ａ）は、入射角度が半角で７．５度の場合における設計値の強度分布（実線）と、フィルタが１度傾いた場合の強度分布（破線）とを示すグラフであり、図８（ｂ）は、入射角度が半角で１７．５度の場合における設計値の強度分布（実線）と、フィルタが１度傾いた場合の強度分布（破線）とを示すグラフである。ここで言う入射角度７．５度（半角）とは、入射角度の強度分布のピーク（通常は０度がピークとなることが多い）に対し、おおよそ５％となる角度のことである。

そして、これら図８（ａ）および図８（ｂ）で示す入射角度分布の光学系に、前述の図２２で示す干渉膜フィルタを設置した場合の透過率分布が、それぞれ図９（ａ）および図９（ｂ）に示されている。これらの図９（ａ）および図９（ｂ）において、前記設計値に対する傾いた値のずれ量は、強調して示している。図９（ａ）と図９（ｂ）とを比較して明らかなように、入射角度の強度分布の広い方が、フィルタの傾きに対する誤差が小さくなっている。このようなフィルタ入射角度の大きさと、誤差（設計値からの差分）との関係は、グラフ化すると、図１０で示す曲線となる。この図１０から、フィルタが１度傾いた場合に、入射角度の拡がり角を１５度（半角）以上に設定しておくことで、誤差量は、２．５％以下に抑えられる。したがって、実使用でのファイバ傾きに対する誤差感度を考えると、干渉膜フィルタへの入射角度の拡がりは、１５度（半角）以上が望ましい。

したがって、バンドルファイバ１２ａの入射角α１を、半角でこの１５度以上とするために、バンドルファイバ１２ａの開口率ＮＡは、０．２６（１５度）以上とする。ここで、ファイバのＮＡとは、設計的なＮＡと、実際の（実効的な）ＮＡとがある。設計的なＮＡは、一般にファイバコアの屈折率と、クラッドの屈折率とから算出される値で、実際の（実効的な）ＮＡは、実際のファイバ出射角を実測したものである。実際のファイバ出射角は、図１１で示すように、比較的ガウス形状に似ており、ピークの半分の幅を示す場合のＮＡ（５０％）や、ピークの５％の幅を示す場合のＮＡ（５％）などがある。上述のようにファイバへの入射角α１を１５度とする場合、実質的なＮＡ（５％）が１５度以上なければ導光できないので、ＮＡは、ＮＡ（５％）＞ＮＡ０．２６（１５度）とする。

そこで、集光レンズ群１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃの具体的な設計として、図１２で示すように、バンドルファイバ１２ａの出射径φを前述の２．３ｍｍとし、受光センサ１３Ｂ，１４Ｂ，１５Ｂの受光面のサイズを２．８×２．８ｍｍとすると、該集光レンズ群１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃにおける倍率は、バンドルファイバ１２ａの出射光束の総てを受光センサ１３Ｂ，１４Ｂ，１５Ｂで受光するために、２．８／２．３＝１．２２より小さくてよく、例えば、１．２とする。したがって、集光第１レンズ１３Ｃ１の像面側の焦点距離ｆ１と、集光第２レンズ１３Ｃ２の被測定面側の焦点距離ｆ２との比ｆ２／ｆ１も、１．２とし、ｆ１＝５ｍｍ、ｆ２＝６ｍｍとする。

ここで、集光第１レンズ１３Ｃ１は、バンドルファイバ１２ａの出射面に近い程、コンパクトに構成できる。また、ファイバの出射角が前述のように広いので（レンズに対するＦｎｏ（Ｆナンバ）が明るいので）、該集光レンズ１を１枚で構成すると性能の劣化が大きい。このため、図１３で示すように、該集光第１レンズ１３Ｃ１は、２つのレンズ１３Ｃ１１，１３Ｃ１２で構成される。また、できるだけ単純なレンズとするために、半球レンズ、ボールレンズ、平凸レンズなどが使用される。

図１３では、相対的に被測定物側に配置される前記レンズ１３Ｃ１１は、被測定物側に凸の第１の半球レンズから成り、相対的に像面側に配置されるレンズ１３Ｃ１２は、像面側に凸の第２の半球レンズから成り、集光第２レンズ１３Ｃ２は、ボールレンズから成る。そして、集光第１レンズ１３Ｃ１の焦点距離（第１の半球レンズ１３Ｃ１１と第２の半球レンズ１３Ｃ１２との合成焦点距離）を前記ｆ１とし、集光第２レンズ１３Ｃ２の焦点距離を前記ｆ２とする場合に、集光第１レンズ１３Ｃ１と集光第２レンズ１３Ｃ２との主点間隔をｆ１＋ｆ２に設定することで、それらの間の開口絞りは、不要となり、前記の略両側テレセントリック系が構成される。これらのレンズ１３Ｃ１１，１３Ｃ１２，１３Ｃ２は、ＢＫ７を材料とするガラスレンズであり、それぞれＲ＝３ｍｍの半球レンズ、Ｒ＝４ｍｍの半球レンズ、φ＝８ｍｍのボールレンズで構成される。

以上のように、本実施形態の測定プローブ４０は、色彩輝度計や色彩計などに用いられ、光源から放射される光束や被測定物の反射光束を対物光学系１１で受光し、多数のファイバ素線が束ねられて成るバンドルファイバ１２ａに入射させ、分岐させて複数の出射面から出射させた後、干渉膜フィルタから成る色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａを透過させて前記光束の強度（輝度または照度値）を求める受光センサ１３Ｂ，１４Ｂ，１５Ｂに入射させる。これによって吸収式の色フィルタによる上述の問題を解消するために、バンドルファイバ１２ａと色フィルタ１３Ａ，１４Ａ，１５Ａとの間に、略両側テレセントリック系を成す集光レンズ群１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃが介在されるとともに、前記干渉膜フィルタの透過率特性が調製される。

したがって、光束がバンドルファイバ１２ａのどの位置から入射するかに拘わらず、集光レンズ群１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃの出射面から、所定の配光分布を持って、かつ均一化された光束が出射するようになり、そのため、前記干渉膜フィルタの透過率特性を、前記集光レンズ群１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃの出射面からの所定の配光分布を持った光束が入射した際に、透過光束が、受光センサ１３Ｂ，１４Ｂ，１５Ｂの測定パラメータに対応した透過率特性となるように設定することで、配光分布は、広くなるけれども、配光分布は、均一化され、その代わりに、その配光分布に干渉膜フィルタの透過率特性が合わせられる。

これによって、本実施形態の測定プローブ４０は、任意の透過率特性を設定でき、かつ光量のロスも少なく、安定性が高いという干渉膜フィルタの長所を生かしつつ、入射角度による透過率特性のズレが大きいという該干渉膜フィルタの短所を補うことができる。

なお、前記集光レンズ群１３Ｃ，１４Ｃ，１５Ｃは、完全なテレセントリック系に構成することが望ましいが、レンズ性能（収差など）の関係上、完全なテレセントリック系を構成することは難しい。テレセントリック性の程度を表現する指標として、「主光線の角度」を考えると、本件発明者の実験によれば、実使用上、周辺光束の前記主光線の角度が１５度傾いていても問題ないことが確認できており、略テレセントリック性になっていればよい。本件のテレセントリック系は、このような略テレセントリック性を含む。また、バンドルファイバ１２ａのファイバ素線のランダム性についても、完全にランダムにすることは困難であり、本件にも、特許文献１の手法が用いられてもよい。

本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。

一態様にかかる測定用光学系は、被測定物からの光束を受光する対物光学系と、多数のファイバ素線が束ねられて成り、前記対物光学系からの出射光が一端側に入射され、他端側で前記多数のファイバ素線が分割されているバンドルファイバと、前記分割された各バンドルファイバの他端側からの出射光が入射され、その入射光を所定の透過率特性で透過させて、前記光束の強度を求めるセンサに入射させる干渉膜フィルタとを備えて構成される測定用光学系であって、前記バンドルファイバと前記干渉膜フィルタとの間に介在され、略両側テレセントリック系を成す集光レンズ群をさらに含み、前記干渉膜フィルタは、該干渉膜フィルタへの入射光の入射角度に対する強度分布の条件に応じ、測定パラメータに対応した透過率特性が得られるように形成されている。

上記構成の測定用光学系は、例えば、色彩輝度計や色彩計などに用いられる。この測定用光学系では、前記色彩輝度計の場合には液晶モニタやランプなどの光源から放射される光束が、あるいは、前記色彩計の場合には所定の照明光源からの照射光による被測定物の反射光束が、対物光学系で受光されて、多数のファイバ素線が束ねられて成るバンドルファイバに入射され、前記バンドルファイバで分岐されて複数の出射面から出射された後に、干渉膜フィルタを通して、前記光束の強度（輝度または照度値）を求めるセンサに入射される。これによって、この測定用光学系は、吸収式の色フィルタによる問題の解消を図っている。そして、この測定用光学系では、前記バンドルファイバと干渉膜フィルタとの間に集光レンズ群が介在するとともに、前記干渉膜フィルタの透過率特性が調製される。

より具体的には、先ず、集光レンズ群を略両側テレセントリック系を成すように構成することで、前記光束がバンドルファイバのどの位置から入射するかに拘わらず、該集光レンズ群の出射面から、所定の配光分布を持って、かつ均一化された光束が出射される。そして、次に、前記干渉膜フィルタの透過率特性は、前記集光レンズ群の出射面からの所定の配光分布を持った光束が入射した際に、透過光束が、センサの測定パラメータに対応した透過率特性となるように設定される。すなわち、従来では、干渉膜フィルタへの入射角度による透過率特性のズレを押えるために、該干渉膜フィルタへの入射光束ができるだけ平行に（配光分布が狭く）なるように工夫されていたのに対して、上記態様では、配光分布は、広くなるけれども、配光分布に均一性を持たせ、その代わりに、その配光分布に干渉膜フィルタの透過率特性が合わせられる。

したがって、このような構成の測定用光学系は、任意の透過率特性を設定でき、かつ光量のロスも少なく、安定性が高いという干渉膜フィルタの長所を生かしつつ、入射角度による透過率特性のズレが大きいという該干渉膜フィルタの短所を補うことができる。

また、他の一態様では、上述の測定用光学系において、前記干渉膜フィルタへの入射角度の拡がりは、該干渉膜フィルタの法線に対して１５度以上である。

上記構成の測定用光学系は、前記所定の配光分布、すなわち立体角（コーンアングル）を前記１５度以上に拡げておくことで、該干渉膜フィルタの傾きに対する誤差を小さくすることができる。

また、他の一態様では、これら上述の測定用光学系において、前記集光レンズ群は、被測定物側に凸の第１の半球レンズと、像面側に凸の第２の半球レンズとを備えて成る第１レンズ群と、ボールレンズから成る第２レンズ群とを備えて構成され、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とする場合に、これら第１レンズ群と第２レンズ群との主点間隔は、ｆ１＋ｆ２に設定される。

上記構成の測定用光学系は、前記第２の半球レンズとボールレンズとの間の開口絞りを不要にして、前記の略両側テレセントリック系を構成することができる。

また、他の一態様にかかる色彩輝度計および色彩計は、これら上述のいずれかの測定用光学系を用いる。

したがって、このような構成の色彩輝度計および色彩計は、干渉膜フィルタを用いた高精度な色彩輝度計および色彩計を実現することができる。

この出願は、２０１０年３月３１日に出願された日本国特許出願特願２０１０−８３９５４を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

本発明によれば、測定用光学系ならびにそれを用いた色彩輝度計および色彩計を提供することができる。

Claims (5)

1. 被測定物からの光を受光する対物光学系と、
   複数のファイバ素線が束ねられて成り、前記対物光学系からの出射光が一端側に入射され、他端側で前記複数のファイバ素線が分割されているバンドルファイバと、
   前記バンドルファイバにおける前記分割された各他端側のそれぞれに対応して設けられ、前記バンドルファイバの他端側からの出射光を検出する複数の測色光学系とを備え、
   前記複数の測色光学系のそれぞれは、
   前記バンドルファイバの他端側からの出射光が入射され、略両側テレセントリック系を成す集光レンズ群と、
   前記集光レンズ群からの出射光が入射され、前記出射光を所定の透過率特性で透過させる干渉膜フィルタと、
   前記干渉膜フィルタからの出射光が入射され、前記出射光の強度を検出する受光センサとを備え、
   前記干渉膜フィルタは、該干渉膜フィルタへの入射光の入射角度に対する強度分布の条件に応じ、測定パラメータに対応した透過率特性が得られるように形成されていること
   を特徴とする測定用光学系。
2. 前記干渉膜フィルタへの入射角度の拡がりは、該干渉膜フィルタの法線に対して１５度以上であること
   を特徴とする請求項１に記載の測定用光学系。
3. 前記集光レンズ群は、
   被測定物側に凸の第１の半球レンズと、像面側に凸の第２の半球レンズとを備えて成る第１レンズ群と、
   ボールレンズから成る第２レンズ群とを備え、
   前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、前記第２レンズ群の焦点距離をｆ２とする場合に、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との主点間隔は、ｆ１＋ｆ２に設定されること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の測定用光学系。
4. 前記請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の測定用光学系を用いることを特徴とする色彩輝度計。
5. 前記請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の測定用光学系を用いることを特徴とする色彩計。

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