JPWO2013114524A1 - 分光測定装置及び画像部分抽出装置 - Google Patents

分光測定装置及び画像部分抽出装置 Download PDF

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Abstract

本発明に係る分光測定装置では、ファイバボックス２の出力側端面２１が、光ファイバ２２の出力端２４１、…、２４１００がz軸方向に一次元的に並んだものとなっている。すなわち、光ファイバ２２の入力側端面２０上の１０×１０の格子点上に配置された入力端２３１、…、２３１００から入力されるディスプレイＤの二次元領域像は、ファイバボックス２内で一次元化され、出力側端面２１上の出力端２４１、…、２４１００からz軸に平行な一次元領域像として出射される。この一次元領域像はz軸方向に測定点Ｐ１から測定点Ｐ１００の位置情報を有するものとなる。

Description

本発明は、分光測定装置及び該分光測定装置に用いる画像部分抽出装置に関する。
被測定物上の二次元領域の分光強度分布を測定するための分光測定装置が従来より提案されている。図３は特許文献１に記載の分光測定装置における光学系の構成図である。
Ｘ軸方向に移動可能な移動台３１上に被測定物３２が載置され、その被測定物３２の面に平行に配設された棒状の光源３３から被測定物３２面上の一次元測定領域Ａ（Ｙ軸方向に延伸する線領域）に光を照射する。被測定物３２の表面で反射された光は、レンズ３４により、測定領域Ａに並行に配設された、それよりも短いスリットを有するスリット３５面に集光される。スリット３５を通過した一次元領域像を構成する光は、上方に配置された凹面回折格子３６の格子面に投影され、該凹面回折格子３６によりその一次元領域像に直交する方向に波長分散されることにより二次元分光像を形成する。この二次元分光像を構成する光は、凹面反射鏡３７で反射され、光検出器３８の測定面上に結像される。光検出器３８の測定面には多数の微小な受光素子が二次元的に配置されており、その一方の方向（α軸方向）には被測定物３２のＹ方向の一次元測定領域Ａ上の位置情報が、またα軸と直交する方向（β軸方向）にはその一次元測定領域Ａ内の各微小領域のスペクトル（分光強度）情報が得られる。
このようにして一次元測定領域Ａの分光強度分布が得られるので、移動台３１と光源３３等から成る光学ユニットとをＸ軸方向に所定ステップでもって順次相対移動させながら、繰り返し一次元測定領域の分光像を得ることにより、被測定物３２の二次元領域の分光強度分布を得ることができる。
また、特許文献２に記載の分光測定装置のように、測定点数分用意された高速型分光器によって、複数の測定点における透過光又は反射光の波長分布を測定するものもある。なお、ここで言う分光器とは、入射された光を波長分散する機能と波長分散された各波長の光を検出する機能を備える光学ユニットであり、高速型分光器とは、波長分散された各波長の光をラインセンサ構成の検出器によって一挙に検出する分光器である。
特開平６−３４５２５号公報 特開２０１０−０４４００１号公報
特許文献１の分光測定装置では、移動台３１と光学ユニットとを順次相対移動させるための移動機構が必要である。この相対移動の距離が長ければ、移動機構のサイズもそれに応じて大きくなり、分光測定装置が大型化してしまう。また、分光強度測定自体に要する時間に加えて、移動のための時間が必要であるが、その時間が相対的に長くなり、測定時間を圧迫する。更に、測定の再現性が位置合わせの精度に依存する、移動機構内の可動部が損傷する可能性がある、等の問題もある。
また、特許文献２の分光測定装置では、測定点毎に異なる分光器を用いているため、装置が高価になると共に、個々の分光器の特性の違いが測定に影響を与えるという問題がある。
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その主な目的は、移動機構を設けることなく被測定物の所定の領域の分光強度分布を測定することができると共に、安価且つ測定点毎の測定性能のばらつきが生じにくい分光測定装置を提供することである。
また、次の目的は、上記分光測定装置に用いる画像抽出装置を提供することである。
上記課題を解決するために成された本発明に係る分光測定装置は、
被測定物からの光を所定の結像面に結像する結像光学系と、
入力端が前記結像面上の相異なる位置に配置され、出力端が一次元的に配列された複数の光導波管と、
前記光導波管を通過することにより形成される一次元領域像を、その一次元領域に垂直な方向に波長分散させる波長分散素子と、
前記波長分散素子により形成される二次元分光像を、二次元的に配置された複数の受光素子によって検出する光検出器と、
を有することを特徴とする。
なお、本発明において「一次元」とは直線であることが望ましいが、多少の曲率を有していても良い。
また、複数の光導波管の入力端は、結像面上に一次元的に配置されていてもよいし、二次元的に配置されていてもよい。
本発明に係る分光測定装置では、複数の光導波管の、結像面上に配置された各入力端の位置が、被測定物上の各測定点に対応する。光導波管の各入力端から入力された各測定点からの光は、それら光導波管の一次元的に配列された出力端から出射される。こうして、被測定物の一次元領域又は二次元領域の各測定点からの光は全て一次元的に配列された出射光となり、波長分散素子により出射光の配列に垂直な方向に波長分散されて二次元分光像を形成する。このような構成を用いることにより、後段の光検出器では、一方の方向に被測定物の一次元領域又は二次元領域を一次元化した位置情報を有し、該位置情報に関する方向に垂直な方向に被測定物上の各測定点におけるスペクトル情報を有する被測定物の一次元／二次元領域の分光強度分布を一度の測定で得ることができる。また、本発明に係る分光測定装置の波長分散素子及び光検出器はそれぞれ測定点毎に分かれていない、すなわち、波長分散素子と光検出器を備える分光器としては単一であるため、装置を安価に製造することができると共に、測定点毎の測定性能のばらつきが生じにくい。
また、上記分光測定装置に用いるための本発明に係る画像部分抽出装置は、
一次元領域像を構成する光を、その一次元領域に垂直な方向に波長分散させる波長分散素子と、前記波長分散素子により形成される二次元分光像を、二次元的に配置された複数の受光素子によって検出する光検出器と、を備える分光測定装置に用いる画像部分抽出装置において、
被測定物からの光を所定の結像面に結像する結像光学系と、
入力端が前記結像面上の相異なる位置に配置され、出力端が一次元的に配列された複数の光導波管と、
を備えることを特徴とする。
本発明に係る分光測定装置は、複数の光導波管により被測定物の結像面上の一次元又は二次元領域と波長分散素子への出力端である一次元配列を接続しているため、被測定物と検出端の相対位置を移動させることなく、被測定物の一次元又は二次元領域の分光強度分布を一度の測定で取得することができる。このため、測定時間が短縮化されるとともに、再現性の高い測定を行うことができ、かつ、可動部が存在しないため壊れにくく、長期に亘る使用が可能である。また、波長分散素子及び光検出器がそれぞれ測定点毎に分かれていないため、装置を安価に製造することができると共に、測定点毎の測定性能のばらつきが生じにくい。
本発明に係る分光測定装置の一実施例である色彩計の概略構成図。 本実施例の色彩計で使用するファイバボックスの入射側端面の平面図(a)、出射側端面の平面図(b)、及び波長分散された後の二次元分光像の模式図(c)。 分光測定装置の従来例の概略構成図。
本発明に係る分光測定装置の一実施例である色彩計を、図１を参照して説明する。図１の色彩計は、ディスプレイ等の被検査物の色ムラや輝度ムラを検査するためのものである。この色ムラや輝度ムラの検査方法には刺激値直読方法と分光測色方法の２種類の方法があるが、本実施例の色彩計は分光測色方法を用いたものである。
図１の色彩計は大別して、画像抽出系、分光検出系、制御／データ処理系の４つで構成される。画像抽出系は、画像取り込みレンズ１と、ファイバボックス２と、ポルカドットビームスプリッタ３と、ファインダ用カメラ４と、を含む。分光検出系は、入射側レンズ５と、位相型体積ホログラフィックグレーティング（ＶＰＨＧ）６と、出射側レンズ７と、光検出器８と、を含む。制御／データ処理系は、信号処理部９と、カメラコントローラ１０と、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１１と、表示部１２と、を含む。
以下、本実施例の色彩計の特徴的な構成である画像抽出系及び分光検出系について詳しく説明する。
［画像抽出系］
画像取り込みレンズ１は、被測定物であるディスプレイＤの二次元領域像を、ファイバボックス２の入力側端面２０に結像するためのものである。すなわち、画像取り込みレンズ１とファイバボックス２は、画像取り込みレンズ１の結像面がファイバボックス２の入力側端面２０に一致するように配置されている。
なお、以下では説明の簡単化のため、図１の紙面がxy平面に平行であるとし、紙面に垂直な方向をz軸とする。また、ファイバボックス２の入力側端面２０及び出力側端面２１はyz平面に平行であるとする。
ファイバボックス２は、１００本の光ファイバ２２を内蔵している。これらの光ファイバ２２の入力端２３（図２(a)中の２３１、…、２３１００）は、図２(a)に示すようにファイバボックス２の入力側端面２０上に１０×１０の格子状に配置されており、入力端２３の各々から入力されたディスプレイＤの二次元領域像が後段の分光検出系により分光され、検出される。上記のように、ファイバボックス２の入力側端面２０はディスプレイＤの二次元領域像の結像面に配置されているため、光ファイバ２２の入力端２３の位置が、ディスプレイＤ上の測定点に対応することになる。以下、入力端２３１、…、２３１００に対応するディスプレイＤ上の測定点をＰ１、…、Ｐ１００と記載する。また、これらをまとめて測定点Ｐと記載する。
なお、入力端２３の配置は、図２(a)のように規則的である必要はなく、例えば中央付近で密に配置され、周辺部分で疎に配置されるような不規則な配置であっても良い。
一方、ファイバボックス２の出力側端面２１は、図２(b)に示すように、光ファイバ２２の１００個の出力端２４（図２(b)中の２４１、…、２４１００）がz軸方向に一次元的に並んだものとなっている。すなわち、入力側端面２０上の入力端２３１、…、２３１００から入力されたディスプレイＤの二次元領域像は、ファイバボックス２内で一次元化され、出力側端面２１上の出力端２４１、…、２４１００から、z軸に平行な方向に配列された一次元領域像として出射される。従って、この一次元領域像はz軸方向に測定点Ｐ１から測定点Ｐ１００の位置情報を有するものとなる。
なお、本発明に必須の構成ではないが、図１に示すように、画像取り込みレンズ１を通過する光をポルカドットビームスプリッタ３によって二方向に分離し、ファイバボックス２側と異なるもう一方の結像面にファインダ用カメラ４の撮影面を設けることにより、ディスプレイＤの二次元領域像をファインダ用カメラ４で撮影するようにしても良い。これにより、後述する制御／データ処理系において、ディスプレイＤの二次元領域像に対する入力端２３の位置（すなわちディスプレイＤ上の測定点Ｐの位置）を確認することができる。
［分光検出系］
入射側レンズ５は、ファイバボックス２の出力側端面２１の各出力端２４から照射される光（一次元領域像）をx軸方向に平行にしてＶＰＨＧ６に入射するためのものである。
一次元領域像を構成する平行光は、ＶＰＨＧ６に所定の角度で以て入射される。本実施例で用いるＶＰＨＧ６は一次元領域像をその延伸方向（z軸方向）と直交する方向（xy平面に平行な一方向。以下「λ軸方向」とする）に波長分散するように配設されている。すなわちＶＰＨＧ６に入射された一次元領域像を構成する光は、ＶＰＨＧ６を透過する途中で位置情報を保ったまま波長分散され、z軸方向に位置情報を有し、λ軸方向にスペクトル情報を有する二次元分光像として出射される（図２(c)）。この二次元分光像を構成する光は出射側レンズ７によって光検出器８の検出面上で結像し、検出面上に二次元的に配置された複数の受光素子によって検出される。
以上、本実施例の色彩計の特徴的な構成である画像抽出系及び分光検出系について説明したが、制御／データ処理系についても以下で簡単に説明する。
［制御／データ処理系］
光検出器８の各受光素子から出力された信号は、信号処理部９においてデジタル化や増幅等の所定の信号処理を経た後、ＰＣ１１に送られる。ＰＣ１１には専用の制御／データ処理プログラムがインストールされており、光検出器８からの出力に基づいて二次元分光強度分布を作成し、この二次元分光強度分布から三刺激値、色度座標、色差等の各種色彩指標値を、ＪＩＳに規定された算出方法に基づいて算出する。また、その結果を表示部１２の画面上に示す。
また、ＰＣ１１は、カメラコントローラ１０に所定の制御信号を送ることにより、カメラコントローラ１０を介してファインダ用カメラ４に撮影を行わせ、その撮影画像を取得することができる。ＰＣ１１は、ファインダ用カメラ４により撮影されたディスプレイＤの二次元領域像の画像データと、記憶部等に予め記憶している入力側端面２０における光ファイバ２２の入力端２３の位置関係を表示部１２に示し、ユーザがディスプレイＤ上の測定点Ｐの位置を確認できるようにすることができる。また、ユーザが測定点Ｐの一つをポインティングデバイス等により指し示すと、その測定点におけるスペクトルを表示部１２に表示するようにすることもできる。
以上、本発明に係る分光測定装置の一実施例を示したが、本発明の趣旨の範囲内において適宜変更可能であることは明白である。例えば、上記実施例では波長分散素子として透過型の回折格子を用いたが、反射型のものを用いても良い。また、光ファイバの配置や本数も必要に応じて適宜変更することができる。
１…画像取り込みレンズ
２…ファイバボックス
３…ポルカドットビームスプリッタ
４…ファインダ用カメラ
５…入射側レンズ
６…ＶＰＨＧ
７…出射側レンズ
８…光検出器
９…信号処理部
１０…カメラコントローラ
１１…ＰＣ
１２…表示部
２０…入力側端面
２１…出力側端面
２２…光ファイバ
２３、２３１、２３１００…入力端
２４、２４１、２４１００…出力端
３１…移動台
３２…被測定物
３３…光源
３４…レンズ
３５…スリット
３６…凹面回折格子
３７…凹面反射鏡
３８…光検出器
Ｘ軸方向に移動可能な移動台３１上に被測定物３２が載置され、その被測定物３２の面に平行に配設された棒状の光源３３から被測定物３２面上の一次元測定領域Ａ（Ｙ軸方向に延伸する線領域）に光を照射する。被測定物３２の表面で反射された光は、レンズ３４により、測定領域Ａに平行に配設された、それよりも短いスリットを有するスリット３５面に集光される。スリット３５を通過した一次元領域像を構成する光は、上方に配置された凹面回折格子３６の格子面に投影され、該凹面回折格子３６によりその一次元領域像に直交する方向に波長分散されることにより二次元分光像を形成する。この二次元分光像を構成する光は、凹面反射鏡３７で反射され、光検出器３８の測定面上に結像される。光検出器３８の測定面には多数の微小な受光素子が二次元的に配置されており、その一方の方向（α軸方向）には被測定物３２のＹ方向の一次元測定領域Ａ上の位置情報が、またα軸と直交する方向（β軸方向）にはその一次元測定領域Ａ内の各微小領域のスペクトル（分光強度）情報が得られる。
上記課題を解決するために成された本発明に係る分光測定装置は、
被測定物からの光を第１の結像面に結像する結像光学系と、
前記結像光学系を通過した前記被測定物からの光を二方向に分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分離された前記被測定物からの光の結像面である第２の結像面を撮影するカメラと、
入力端が前記第１の結像面上の相異なる位置に配置され、出力端が一次元的に配列された複数の光導波管と、
前記複数の光導波管の出力端により形成される一次元領域像を、その一次元領域に垂直な方向に波長分散させる波長分散素子と、
前記波長分散素子により形成される二次元分光像を、二次元的に配置された複数の受光素子によって検出する光検出器と、
を有することを特徴とする。
また、上記分光測定装置に用いるための本発明に係る画像部分抽出装置は、
一次元領域像を構成する複数の点の各点からの光を、その一次元領域に垂直な方向に波長分散させる波長分散素子と、前記波長分散素子により形成される二次元分光像を、二次元的に配置された複数の受光素子によって検出する光検出器と、を備える分光測定装置に用いる画像部分抽出装置において、
被測定物からの光を第１の結像面に結像する結像光学系と、
前記結像光学系を通過した前記被測定物からの光を二方向に分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分離された前記被測定物からの光の結像面である第２の結像面を撮影するカメラと、
入力端が前記第１の結像面上の相異なる位置に配置され、出力端が一次元的に配列された複数の光導波管と、
を備えることを特徴とする。

上記課題を解決するために成された本発明に係る分光測定装置は、
被測定物からの光を第１の結像面に結像する結像光学系と、
前記結像光学系を通過した前記被測定物からの光を二方向に分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分離された前記被測定物からの光の結像面である第２の結像面を撮影するカメラと、
入力端が前記第１の結像面上の相異なる位置に配置され、出力端が一次元的に配列された複数の光導波管と、
前記複数の光導波管の出力端により形成される一次元領域像を、その一次元領域に垂直な方向に波長分散させる波長分散素子と、
前記波長分散素子により形成される二次元分光像を、二次元的に配置された複数の受光素子によって検出する光検出器と、
を有し、
前記入力端が、前記第１の結像面の中央付近で密に、周辺部分で疎であるように、二次元的に配置されていることを特徴とする。
また、上記分光測定装置に用いるための本発明に係る画像部分抽出装置は、
一次元領域像を構成する複数の点の各点からの光を、その一次元領域に垂直な方向に波長分散させる波長分散素子と、前記波長分散素子により形成される二次元分光像を、二次元的に配置された複数の受光素子によって検出する光検出器と、を備える分光測定装置に用いる画像部分抽出装置において、
被測定物からの光を第１の結像面に結像する結像光学系と、
前記結像光学系を通過した前記被測定物からの光を二方向に分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分離された前記被測定物からの光の結像面である第２の結像面を撮影するカメラと、
入力端が前記第１の結像面上の相異なる位置に配置され、出力端が一次元的に配列された複数の光導波管と、
を備え、
前記入力端が、前記第１の結像面の中央付近で密に、周辺部分で疎であるように、二次元的に配置されていることを特徴とする。

Claims (4)

  1. 被測定物からの光を所定の結像面に結像する結像光学系と、
    入力端が前記結像面上の相異なる位置に配置され、出力端が一次元的に配列された複数の光導波管と、
    前記光導波管を通過することにより形成される一次元領域像を、その一次元領域に垂直な方向に波長分散させる波長分散素子と、
    前記波長分散素子により形成される二次元分光像を、二次元的に配置された複数の受光素子によって検出する光検出器と、
    を有することを特徴とする分光測定装置。
  2. 前記入力端が、前記結像面上に二次元的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の分光測定装置。
  3. 一次元領域像を構成する光を、その一次元領域に垂直な方向に波長分散させる波長分散素子と、前記波長分散素子により形成される二次元分光像を、二次元的に配置された複数の受光素子によって検出する光検出器と、を備える分光測定装置に用いる画像部分抽出装置において、
    被測定物からの光を所定の結像面に結像する結像光学系と、
    入力端が前記結像面上の相異なる位置に配置され、出力端が一次元的に配列された複数の光導波管と、
    を備えることを特徴とする画像部分抽出装置。
  4. 前記入力端が、前記結像面上に二次元的に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の画像部分抽出装置。
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