KR102609046B1 - 측광 장치 - Google Patents

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Abstract

측광 장치 (1) 는, 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 이 다각 형상인, 다각 기둥 또는 다각 뿔대의 도광 부재 (2) 와, 대물 광학계 (3) 와, 수광부 (5) 를 구비한다. 대물 광학계 (3) 는, 피측정 광원 (LS) 의 이미지를, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 에 형성한다. 수광부 (5) 는, 피측정 광원 (LS) 으로부터 대물 광학계 (3) 를 개재하여 도광 부재 (2) 에 입사되고, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2a) 으로부터 출사되는 광을 수광한다. 수광부 (5) 는, 특성이 상이한 복수의 센서 (51) 를 갖고, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 의 직후에 배치되거나, 또는, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 과 수광부 (5) 의 수광면 (5a) 이 공액이 되도록, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 과의 사이에 릴레이 광학계 (4) 를 개재하여 배치되어 있다.

Description

측광 장치
본 발명은 피측정 광원의 특성을 측정하는 측광 장치에 관한 것으로서, 특히 피측정 광원으로부터 출사되는 광의 휘도나 색도를 측정하는 색채 휘도계 등의 측광 장치에 관한 것이다.
색채 휘도계 등의 측광 장치에서는, 색을 측정하기 위해서 측정광을 3 가지로 분할하여 각 센서에서 수광한다. 측정광을 3 가지로 분할하는 수단으로서, 예를 들어 특허문헌 1 에서는, 다수 개의 광 파이버를 묶은 도광체가 제안되어 있다. 이 도광체는, 측정광의 입사측이 1 개의 파이버 다발로 묶이고, 출사측이 3 개의 파이버 다발로 분할되어 구성되어 있다. 상기 3 개의 파이버 다발의 단면 (端面) 으로부터 출사되는 광은, 각각, 적 (R), 녹 (G), 청 (B) 의 광을 투과시키는 특성을 갖는 필터를 개재하여 수광 소자에 입사된다.
상기 다수 개의 광 파이버는, 측정광의 입사측의 단면에 결상된 이미지 형성 광속의 결상 위치 관계가 의사적으로 랜덤해지도록 묶여져 형성된다. 이로써, 광출사측의 3 개의 파이버 다발의 단면으로부터 출사되어 각 수광 소자에 입사되는 이미지 형성 광속이 의사적으로 랜덤하게 혼합되기 때문에, 이미지 형성 광속의 광량 불균일이 경감된다.
일본 공개특허공보 2010-2255호 (청구항 1, 4, 단락〔0001〕,〔0023〕∼〔0028〕, 도 1 ∼ 도 3 등 참조)
그런데, 측광 장치에 의한 색의 측정은, 측정 대상물 (피측정 광원) 의 피측정면에 측광 장치를 접촉시키거나, 또는 비접촉으로 접근하고, 피측정면의 소정의 영역으로부터 소정의 각도 범위에서 출사된 광을 측광 장치에서 수광함으로써 행해진다. 이 때, 피측정면의 발광 강도 (발광 휘도) 에, 발광 위치 및 발광 각도에 의한 불균일 (위치 불균일, 각도 불균일) 이 있으면, 그 영향을 측광 장치측에서도 받는다. 그리고, 측광 장치측에서, 상기 영향을 받아 측정 감도의 위치 불균일 및 각도 불균일이 커지면, 측정하는 위치 및 측정하는 각도의 차이에 의해서 측정치의 차 (측정 오차) 가 커진다. 또한, 측정 감도의 위치 불균일이란, 피측정 광원의 피측정면의 상이한 위치로부터 동일한 방향 (예를 들어, 상기 면에 수직인 방향) 으로 출사되는 각 광에 대해서, 측정 감도가 상이한 것을 가리킨다. 또, 측정 감도의 각도 불균일이란, 피측정 광원의 피측정면의 같은 위치로부터 상이한 방향으로 출사되는 각 광에 대해서, 측정 감도가 상이한 것을 가리킨다. 따라서, 색 측정에 있어서는, 측정하는 위치 및 측정하는 각도의 차이에 의한 측정 오차를 작게 하기 위해서, 피측정 광원의 발광 강도의 위치 불균일 및 각도 불균일의 영향을 잘 받지 않게 하여, 측정 감도의 위치 불균일 및 각도 불균일을 저감할 필요가 있게 된다.
상기한 특허문헌 1 에서는, 다수 개의 파이버를 묶은 도광체를 사용하여 측정광을 도광하도록 하고 있지만, 광량 불균일을 줄여 측정 오차를 작게 하기 위해서, 각 파이버를 랜덤하게 편성할 필요가 있게 되고, 고비용이다. 또, 파이버의 충전 정도, 굽힘의 상태, 응력 상태 등의 제어가 어렵기 때문에, 피측정 광원의 발광 강도의 위치 불균일 및 각도 불균일의 영향을 잘 받지 않게 하는 도광체의 설계가 곤란하고, 결과적으로 측정 감도의 위치 불균일 및 각도 불균일을 저감하는 것이 곤란해진다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 그 목적은, 저렴한 도광 부재를 사용한 구성으로, 피측정 광원의 발광 강도의 위치 불균일 및 각도 불균일의 영향을 잘 받지 않게 할 수 있고, 이로써, 측정 감도의 위치 불균일 및 각도 불균일을 저감할 수 있는 측광 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 측면에 관련된 측광 장치는, 광입사측 단면 및 광출사측 단면이 다각 형상인, 다각 기둥 또는 다각 뿔대의 도광 부재와, 피측정 광원의 이미지를, 상기 도광 부재의 상기 광입사측 단면에 형성하는 대물 광학계와, 상기 피측정 광원으로부터 상기 대물 광학계를 개재하여 상기 도광 부재에 입사되고, 상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면으로부터 출사되는 광을 수광하는 수광부를 구비하고, 상기 수광부는, 특성이 상이한 복수의 센서를 갖고, 상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면의 직후에 배치되거나, 또는, 상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면과 상기 수광부의 수광면이 공액이 되도록, 상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면과의 사이에 릴레이 광학계를 개재하여 배치되어 있다.
피측정 광원으로부터 출사되는 광을, 대물 광학계와 도광 부재 (필요에 따라서 릴레이 광학계) 를 개재하여 수광부로 유도하는 구성에 있어서, 도광 부재는, 단순한 다각 기둥 또는 다각 뿔대 형상이기 때문에, 복수 개의 파이버를 랜덤하게 편성하여 도광하는 종래의 도광체에 비해서 구성이 간단하고, 저렴하다. 또, 다각 기둥 또는 다각 뿔대 형상의 도광 부재에 입사되는 피측정 광원으로부터의 광은, 도광 부재로의 입사 각도에 따른 횟수만큼 도광 부재의 측면 (광입사측 단면 및 광출사측 단면 이외의 면) 에서 전반사되어 도광되고, 수광부에 입사된다. 이 때문에, 수광부의 각 센서는, 피측정 광원의 피측정면의 여러 위치로부터 출사된 광 및 피측정면으로부터 여러 각도에서 출사된 광이 혼합된 광을 수광하게 된다. 그 결과, 피측정 광원의 피측정면의 발광 강도 (발광 휘도) 에 위치 불균일 및 각도 불균일이 있어도, 수광부측에서 그 영향을 잘 받지 않게 할 수 있고, 이로써 측정 감도의 위치 불균일 및 각도 불균일을 저감하는 것이 가능해진다.
도 1 은, 본 발명의 실시의 일 형태 및 실시예 1 의 측광 장치의 개략적 구성을 나타내는 설명도이다.
도 2a 는, 상기 측광 장치의 도광 부재의 일 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 2b 는, 상기 도광 부재의 다른 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 2c 는, 상기 도광 부재의 또 다른 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 2d 는, 상기 도광 부재의 또 다른 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 3 은, 도 2a 의 도광 부재의 광입사측 단면을 측정 범위 규제 조리개측에서 보았을 때의 상태를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 4 는, 상기 측광 장치의 수광부의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 5 는, 상기 수광부의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 6 은, 상기 도광 부재의 내부에서 도광되는 광선의 광로를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 7 은, 도 2d 의 도광 부재의 내부에서 도광되는 광선의 광로를 전개하여 나타낸 설명도이다.
도 8 은, 도 2b 의 도광 부재의 광입사측 단면을 측정 범위 규제 조리개측에서 보았을 때의 상태를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 9 는, 도 2b 의 도광 부재를 사용한 경우의 수광부의 평면 형상을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 10 은, 도 2c 의 도광 부재의 광입사측 단면을 측정 범위 규제 조리개측에서 보았을 때의 상태를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 11 은, 도 2c 의 도광 부재를 사용한 경우의 수광부의 평면 형상을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 12 는, 실시예 2 의 측광 장치의 개략적 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 13 은, 실시예 3 의 측광 장치의 개략적 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 14 는, 실시예 4 의 측광 장치의 개략적 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 15 는, 실시예 5 의 측광 장치의 개략적 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 16 은, 실시예 6 의 측광 장치의 개략적 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 17 은, 실시예 7 의 측광 장치의 개략적 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 18 은, 실시예 8 의 측광 장치의 개략적 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 19 은, 실시예 9 의 측광 장치의 개략적 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 20 은, 비교예 1 의 측광 장치의 개략적 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 21 은, 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포의 시뮬레이션 결과의 일례를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 22 는, 피측정 광원의 좌표계를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 23 은, 비교예 1 의 4 개의 센서 중 하나인 센서 (A') 에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 24 는, 비교예 1 의 4 개의 센서 중 하나인 센서 (B') 에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 25 는, 비교예 1 의 4 개의 센서 중 하나인 센서 (C') 에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 26 은, 비교예 1 의 4 개의 센서 중 하나인 센서 (D') 에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 27 은, 실시예 1 의 4 개의 센서 중 하나인 센서 (A) 에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 28 은, 실시예 1 의 4 개의 센서 중 하나인 센서 (B) 에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 29 는, 실시예 1 의 4 개의 센서 중 하나인 센서 (C) 에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 30 은, 실시예 1 의 4 개의 센서 중 하나인 센서 (D) 에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 31 은, 실시예 2 의 임의의 센서에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 32 는, 실시예 3 의 임의의 센서에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 33 은, 실시예 4 의 임의의 센서에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 34 는, 실시예 5 의 임의의 센서에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 35 는, 실시예 6 의 임의의 센서에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 36 은, 실시예 7 의 임의의 센서에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 37 은, 실시예 8 의 임의의 센서에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
도 38 은, 실시예 9 의 임의의 센서에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 설명도이다.
본 발명의 실시의 일 형태에 대해서 도면에 기초하여 설명하면, 이하와 같다. 도 1 은, 본 실시형태 (실시예 1) 의 측광 장치 (1) 의 개략적 구성을 나타내는 설명도이다. 측광 장치 (1) 는, 도광 부재 (2) 와, 대물 광학계 (3) 와, 릴레이 광학계 (4) 와, 수광부 (5) 를 갖고 구성되어 있다. 상기한 측광 장치 (1) 의 구성에서는, 피측정 광원 (LS) 의 피측정면 (LS0) 으로부터 출사된 광을, 대물 광학계 (3) 를 개재하여 도광 부재 (2) 로 유도하고, 도광 부재 (2) 의 내부에서 도광한 후, 릴레이 광학계 (4) 를 개재하여 수광부 (5) 로 유도한다. 이하, 측광 장치 (1) 를 구성하는 각 부재에 대해서 설명한다.
(도광 부재)
도 2a 는, 도광 부재 (2) 의 일 구성예를 나타내는 사시도이다. 도광 부재 (2) 는, 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 을 갖고, 광입사측 단면 (2a) 으로부터 내부에 입사된 광을 도광하여 광출사측 단면 (2b) 으로부터 출사되는 광학 소자이고, 본 실시형태에서는, 유리제의 중실 (속이 찬) 로드로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 도광 부재 (2) 는, 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 이 동일한 크기의 사각형 (예를 들어 정방형) 인 사각 기둥의 형상이지만, 이 형상에 한정되는 것은 아니다.
도 2b 는, 도광 부재 (2) 의 다른 구성예를 나타내는 사시도이다. 또, 도 2c 는, 도광 부재 (2) 의 또 다른 구성예를 나타내는 사시도이다. 이들 도면에 나타내는 바와 같이, 도광 부재 (2) 는, 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 이 동일한 크기의 삼각형 (예를 들어 정삼각형) 인 삼각 기둥의 형상이나, 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 이 동일한 크기의 육각형 (예를 들어 정육각형) 인 육각 기둥의 형상 등이어도 된다. 요컨대, 도광 부재 (2) 는, 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 이 동일한 크기의 다각형인 다각 기둥의 형상이어도 된다.
또, 도 2d 는, 도광 부재 (2) 의 또 다른 구성예를 나타내는 사시도이다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 도광 부재 (2) 는, 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 이 상이한 크기의 사각형인 사각 뿔대의 형상이어도 된다. 그 밖에 도시는 하지 않지만, 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 이 상이한 크기의 삼각형인 삼각뿔대의 형상, 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 이 상이한 크기의 육각형인 육각 뿔대의 형상이어도 된다. 요컨대, 도광 부재 (2) 는, 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 이 상이한 크기의 다각형인 다각 뿔대의 형상이어도 된다.
도광 부재 (2) 가 상기한 다각 기둥 또는 다각 뿔대 형상임으로써, 도광 부재 (2) 의 내부에 광입사측 단면 (2a) 을 개재하여 입사된 광은, 광입사측 단면 (2a) 에 대한 입사 각도에 따른 횟수만큼, 도광 부재 (2) 의 측면 (2c) (도광 부재 (2) 에 있어서의 공기와의 계면) 에서 전반사되어 도광되고, 광출사측 단면 (2b) 으로부터 출사된다. 또한, 측면 (2c) 은, 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 을 연결하는 면으로서, 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 을 구성하는 다각형의 정점 (또는 변) 의 수만큼 형성된다.
또한, 예를 들어, 광입사측 단면 (2a) 의 중심 (광입사측 단면 (2a) 과 대물 광학계 (3) 의 광축의 교점) 에 수직 또는 그에 가까운 각도에서 입사되는 광에 대해서는, 도광 부재 (2) 의 내부에 광입사측 단면 (2a) 을 개재하여 입사된 후, 측면 (2c) 에서 전반사되지 않고 도광되어 광출사측 단면 (2b) 으로부터 출사된다. 따라서, 상기한「입사 각도에 따른 횟수」에는 0 회도 포함된다.
또한, 도광 부재 (2) 는, 예를 들어 단면이 다각형인 중공의 파이프 (라이트 파이프) 로 구성되어도 된다. 이 경우, 파이프의 내면에 금속으로 이루어지는 반사막을 형성함으로써, 도광 부재 (2) 에 입사된 광을 그 내면 (반사막) 에서 반사시켜 도광할 수 있다. 또, 도광 부재 (2) 를 구성하는 재료는, 유리에만 한정되지 않고, 아크릴 등의 투명 수지여도 된다.
(대물 광학계)
대물 광학계 (3) 는, 피측정 광원 (LS) 의 이미지를, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 에 축소 형성하는 광학계이다. 이 대물 광학계 (3) 는, 피측정 광원 (LS) 측에 위치하는 전측 렌즈계 (31) 와, 도광 부재 (2) 측에 위치하는 후측 렌즈계 (32) 와, 피측정 광원 (LS) 의 1 점으로부터 출사되는 광의 확산각을 규제하는 조리개 (AP1) (측정각 규제 조리개) 와, 피측정 광원 (LS) 의 측정 범위를 규제하는 조리개 (AP2) (측정 범위 규제 조리개, 시야 조리개) 를 갖고 구성되어 있다.
대물 광학계 (3) 의 배치에 의해서, 피측정 광원 (LS) 의 피측정면 (LS0) 와 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 은 공액 관계로 되어 있다. 즉, 피측정 광원 (LS) 의 피측정면 (LS0) 상의 어느 점으로부터 출사된 광은, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 의 어느 점에 집광된다. 본 실시형태에서는, 전측 렌즈계 (31) 는 2 장의 렌즈로 구성되어 있고, 후측 렌즈계 (32) 는 3 장의 렌즈로 구성되어 있지만, 상기한 공액 관계를 실현할 수 있는 구성이면 되어, 전측 렌즈계 (31) 및 후측 렌즈계 (32) 의 렌즈의 장수는 특별히 한정되지 않는다.
조리개 (AP1) 는, 전측 렌즈계 (31) 의 후측 초점 위치에 배치되어 있다. 조리개 (AP1) (개구부) 의 면 내의 각 점은, 피측정 광원 (LS) 의 피측정면 (LS0) 에서의 광의 출사 각도에 대응하고 있다. 조리개 (AP1) 의 배치에 의해서, 피측정면 (LS0) 으로부터 출사되는 광의 측정 각도 (출사 각도) 를 과부족 없이 적절히 규제하여, 측정하고자 하는 각도 범위의 광만을 측정하는 것이 가능해진다. 또한, 본 실시형태에서는, 조리개 (AP1) 의 개구부의 형상은 원형이지만, 사각형이어도 되고, 다른 형상이어도 된다.
조리개 (AP2) 는, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 의 직전에 배치되어 있다. 조리개 (AP2) (개구부) 의 면 내의 각 점은, 피측정 광원 (LS) 의 피측정면 (LS0) 상의 각 점에 대응하고 있다. 조리개 (AP2) 의 배치에 의해서, 피측정 광원 (LS) 의 측정 범위 (측정 영역) 를 과부족 없이 적절히 규제하여, 측정하고자 하는 범위의 광만을 측정하는 것이 가능해진다.
도 3 은, 도 2a 의 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 을 조리개 (AP2) 측에서 보았을 때의 상태를 모식적으로 나타내고 있다. 본 실시형태에서는, 조리개 (AP2) 의 개구부 (AP2a) 는 원형이고, 그 직경은 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 의 내접원의 직경보다 약간 작게 설정되어 있다. 또한, 조리개 (AP2) 의 개구부 (AP2a) 는 사각형이어도 되고, 다른 형상이어도 된다. 또, 조리개 (AP2) 의 배치를 생략할 수도 있다. 이 경우, 피측정 광원 (LS) 의 피측정면 (LS0) 의 측정 범위는, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 의 형상과 서로 유사해진다.
(릴레이 광학계)
릴레이 광학계 (4) 는, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 과 수광부 (5) 의 수광면 (5a) 이 공액이 되도록, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 으로부터 출사되는 광을 수광부 (5) 로 유도하는 광학계이다. 요컨대, 릴레이 광학계 (4) 의 배치에 의해서, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 상의 어느 점으로부터 출사된 광은, 수광부 (5) 의 수광면 (5a) 의 어느 점에 집광되고, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 의 이미지가, 수광부 (5) 의 수광면 (5a) 에 확대 결상된다. 본 실시형태에서는, 릴레이 광학계 (4) 는 4 장의 렌즈로 구성되어 있지만, 상기한 공액 관계를 실현할 수 있는 구성이면 되어, 릴레이 광학계 (4) 의 렌즈의 장수는 특별히 한정되지 않는다.
(수광부)
수광부 (5) 는, 피측정 광원 (LS) 으로부터 대물 광학계 (3) 를 개재하여 도광 부재 (2) 에 입사되고, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 으로부터 출사되는 광을 수광한다. 이 수광부 (5) 는, 특성이 상이한 복수의 센서 (51) 로 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 수광부 (5) 의 복수의 센서 (51) 는, 각각 등색 함수 X, Y, Z 에 대응하는 측정 감도를 갖고 있다. 이하, 수광부 (5) 의 구성에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
도 4 는, 수광부 (5) 의 구성을 나타내는 평면도이고, 도 5 는, 수광부 (5) 의 구성을 나타내는 단면도이다. 수광부 (5) 는, 4 개의 센서 (51) (51a ∼ 51d) 를 갖고 있다. 각 센서 (51) 는, 수광 소자 (52) 와, 광학 필터 (53) 로 구성되어 있다. 각 수광 소자 (52) 는, 예를 들어 실리콘 포토다이오드로 구성되어 있고, 광의 수광량에 따른 전기 신호가 후단의 전기 회로 (도시 생략) 로 출력된다. 각 수광 소자 (52) 의 수광면 (5a) 은 정방형 또는 장방형이고, 1 개의 사각형의 4 코너에 각각 위치하고 있다. 이 점에서, 수광부 (5) 의 복수의 센서 (51) 는, 1 개의 사각형의 4 코너에 각각 위치하는 사각형의 수광면 (5a) 을 갖고 있다고 할 수 있다. 또한, 각 수광면 (5a) 은, 사각형 이외의 다각형 (예를 들어 삼각형) 이어도 되고, 원형이어도 된다.
각 센서 (51) 의 광학 필터 (53) 는, 소정의 파장역의 광을 투과시키는 광학 특성을 갖고 있고, 수광 소자 (52) 보다 큰 사이즈로 형성되어, 수광 소자 (52) 의 광입사측에 배치되어 있다. 본 실시형태에서는, 4 개의 센서 (51) 중, 3 개의 센서 (51) (예를 들어 센서 (51a ∼ 51c) 의 광학 필터 (53) 는, 각각, 등색 함수 X, Y, Z 에 대응하는 파장역의 광을 투과시키는 광학 필터 (53X, 53Y, 53Z) 로 구성되어 있다. 이로써, 상기 3 개의 센서 (51) 는, 각각, 등색 함수 X, Y, Z 에 대응하는 측정 감도를 갖게 된다. 상기 3 개의 센서 (51) 의 광학 필터 (53X, 53Y, 53Z) 를 각각 투과한 광은, 대응하는 수광 소자 (52) 에서 수광된다. 각 수광 소자 (52) 로부터 출력되는 전기 신호를 전기 회로에서 처리함으로써, 색이나 휘도를 측정할 수 있다.
요컨대, 수광부 (5) 의 복수의 센서 (51) 가, 각각, 등색 함수 X, Y, Z 에 대응하는 측정 감도를 갖고 있음으로써, 각 센서 (51) (각 수광 소자 (52)) 로부터 출력되는 전기 신호 (XYZ 의 3 자극치에 대응) 에 기초하여, 전기 회로에서, 적 (R), 녹 (G), 청 (B) 의 각 색의 비율을 구하거나, 휘도 (예를 들어 (R ＋ G ＋ B)/3) 를 구하는 것이 가능해진다. 이로써, 색이나 휘도를 구하는 색채 휘도계 (측색계) 를 실현하는 것이 가능해진다.
또, 상기 4 개의 센서 (51) 중에서 나머지의 센서 (51) (예를 들어 센서 (51d)) 의 광학 필터 (53) 는, 등색 함수 Y 에 대응하는 파장역의 광을 투과시키는 광학 필터 (53Y) 로 구성되어 있다. 상기 광학 필터 (53Y) 를 투과한 광을 수광하는 수광 소자 (52) 는, 예를 들어 플리커 검출용의 전기 회로와 접속되어 있다. 이로써, 상기 수광 소자 (52) 로부터 출력되는 전기 신호에 기초하여, 플리커를 검출하는 것이 가능해진다.
또한, 2 개의 광학 필터 (53Y) 중 일방을, 예를 들어 적외선을 투과시키는 광학 필터로 구성해도 된다. 이 경우, 4 종류의 광학 필터 (53) 가 배치되기 때문에, 4 종류의 광학 특성을 동시에 측정하는 것이 가능해진다.
본 실시형태에서는, 4 개의 광학 필터 (53) 중, 3 개의 광학 필터 (53X, 53Y, 53Z) 의 광학 특성이 서로 상이하지만, 적어도 2 개의 광학 필터 (53) 의 특성이 서로 상이하면 된다 (복수의 광학 필터 (53) 의 모두가 동일한 특성으로 되어 있지 않으면 된다). 수광부 (5) 의 복수의 센서 (51) 가, 각각, 수광면 (5a) 이 정방형 또는 장방형인 수광 소자 (52) 와, 수광 소자 (52) 의 광입사측에 배치되는 광학 필터 (53) 를 포함하여, 광학 필터 (53) 의 적어도 2 개의 특성이 서로 상이한 점에서, 도 4 와 같이, 복수의 특성의 센서 (51) 를 간이하게 정리하여 배치하는 것이 가능해진다.
각 센서 (51) 는, 수광 소자 (52) 보다 광입사측에 광학 필터 (53) 가 위치하며, 또한, 수광 소자 (52) 및 광학 필터 (53) 가 간극을 개재하여 배치되도록, 유지 부재 (54) 의 오목부 (54a) 에 수용되어 유지된다. 오목부 (54a) 는, 광학 필터 (53) 의 배치측으로부터 수광 소자 (52) 의 배치측을 향해서 개구 직경이 단계적으로 좁아지는 계단상의 형상이고, 이로써, 광학 필터 (53) 및 수광 소자 (52) 를 상기한 위치 관계가 되도록 오목부 (54a) 내에 수용할 수 있다.
상기한 유지 부재 (54) 는, 서로 이웃이 되어 위치하는 센서 (51) 를 구획하는 차광벽을 겸하고 있다. 요컨대, 이웃하는 2 개의 센서 (51) 사이에 유지 부재 (54) 가 차광벽으로서 존재하기 때문에, 이웃하는 일방의 센서 (51) 의 광학 필터 (53) 를 통과한 광이, 이웃하는 타방의 센서 (51) 의 수광 소자 (52) 에 입사되는 것이 방지되어, 측정 오차를 저감하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태와 같이, 복수의 센서 (51) (광학 필터 (53) 및 수광 소자 (52)) 를 배열하여 유지 부재 (54) 로 유지하는 구성에서는, 복수의 센서 (51) 의 배치 영역이 넓어진다. 그러나, 릴레이 광학계 (4) 에 의해서, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 의 이미지가 수광면 (5a) 에 확대 결상되기 때문에, 복수의 센서 (51) 를 유지 부재 (54) 로 유지하는 구성이어도, 각 센서 (51) 에 대해서 충분한 넓이의 조명 범위를 확보하는 것이 가능해진다.
또, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 으로부터 출사되는 광이 수광부 (5) 를 조사할 때의 조사 범위 R 은, 수광부 (5) 의 복수의 센서 (51) 의 각 수광 범위, 요컨대, 각 수광 소자 (52) 의 수광면 (5a) 을 모두 포함하고 있다. 이로써, 광학계의 조립시의 오차 (각 부품의 위치나 기울기의 어긋남) 나, 환경 변화 (온도 변화, 습도 변화, 진동, 충격 등) 에 의한 광학계의 변화 등에 의해서, 각 수광면 (5a) 에 대해서 조사 범위 R (도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 의 이미지의 결상 범위) 의 위치가 어긋나도, 수광량 (측정치) 의 변화가 작아지기 때문에, 안정적인 측정이 가능해진다.
특히, 본 실시형태에서는, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 은 사각형이고 (도 2a 참조), 수광부 (5) 의 복수의 센서 (51) 는 1 개의 사각형의 4 코너에 각각 위치하는 사각형의 수광면 (5a) 을 갖고 있다. 이로써, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 으로부터 출사되는 광을, 수광부 (5) 의 필요한 범위 (각 수광면 (5a) 로 효율적으로 유도할 수 있다. 따라서, 광의 이용 효율이 올라가기 때문에 (조명광의 대부분을 수광할 수 있기 때문에), S/N (Signal-to-Noise) 비의 높은 측정이 가능해진다.
또, 상기한 광학 필터 (53) 로는, 유리 기판에 간섭막을 형성한 간섭막 필터를 사용하는 것이 가능하다. 간섭막 필터를 사용했을 경우, 간섭막에 대한 광선의 입사각에 의해서 분광 투과율이 변화되지만, 본 실시형태에서는, 릴레이 광학계 (4) 에 의해서, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 의 이미지가 수광면 (5a) 에 확대 결상됨으로써, 각 센서 (51) 에 대한 광선의 입사각이 작아진다. 이로써, 간섭막 필터에 있어서의 광선 입사각에 의한 분광 투과율의 변화를 저감할 수 있다.
또한, 광학 필터 (53) 로서, 특정한 파장역의 광을 흡수하는 색 유리 필터, 넓은 파장역의 광을 감광시키는 ND (Neutral Density) 필터, 직선 편광판, 파장판 등을 사용하는 것도 가능하다. 또, 1 개의 수광 소자 (52) 의 광입사측에 복수의 광학 필터 (53) 를 배치해도 된다.
또한, 광학 필터 (53) 는 모두 동일한 필터로 구성되어도 된다. 단, 이 경우, 복수의 센서 (51) 에서 특성을 상이하게 하기 위해서, 수광 소자 (52) 로서 상이한 센서를 사용할 필요가 있다. 예를 들어, 가시광용의 실리콘 포토다이오드와, 적외광용의 InGaAs 포토다이오드를 조합하여 사용하거나, 고감도 측정이 가능한 수광 소자와, 고속 측정이 가능한 수광 소자를 조합하여 사용함으로써, 동일한 광학 필터 (53) 를 사용하면서 다양한 광학 특성을 동시에 측정하는 것이 가능해진다.
또한, 수광부 (5) 를 구성하는 센서 (51) 의 수는, 본 실시형태의 4 개에는 한정되지 않는다. 예를 들어, 센서 (51) 를 9 개 사용하여 3 행 3 열로 배치하거나, 16 개 사용하여 4 행 4 열로 배치하는 등, 보다 많은 센서 (51) 를 사용하여 적절히 배치함으로써, 보다 많은 광학 특성을 동시에 측정할 수도 있다.
(도광 부재에 의한 측정 감도의 위치 불균일 및 각도 불균일의 저감 효과에 대하여)
다음으로, 본 실시형태의 도광 부재 (2) 를 사용함으로써, 측정 감도의 위치 불균일 및 각도 불균일을 저감할 수 있는 효과에 대해서 설명한다.
본 실시형태와 같이, 다각 기둥 또는 다각 뿔대 형상의 도광 부재 (2) 를 사용한 구성에서는, 상기 서술한 바와 같이, 피측정 광원 (LS) 으로부터 출사되어 도광 부재 (2) 의 내부에 입사된 광은, 광입사측 단면 (2a) 에서의 입사 각도에 따른 횟수만큼, 도광 부재 (2) 의 측면 (2c) 에서 전반사를 반복하고, 광출사측 단면 (2b) 으로부터 출사된다. 이 구성에서는, 광출사측 단면 (2b) 의 어느 1 점을 생각하면, 상기 1 점이, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 의 여러 점으로부터의 광으로 조명되어 있게 된다. 또, 피측정 광원 (LS) 의 피측정면 (LS0) 과 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 이 대물 광학계 (3) 에 의해서 공액이고, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 과 수광부 (5) 의 수광면 (5a) 이 릴레이 광학계 (4) 에 의해서 공액인 점에서, 결국 피측정 광원 (LS) 의 여러 점으로부터의 광이, 도광 부재 (2) 를 개재하여 수광부 (5) 의 각 센서 (51) 를 조명하게 된다. 즉, 피측정 광원 (LS) 의 피측정면 (LS0) 의 발광 강도 (휘도) 에 위치 불균일이 있어도, 각 센서 (51) 는, 피측정면 (LS0) 의 여러 위치의 광이 도광 부재 (2) 에 의해서 혼합된 광을 수광함으로써, 피측정면 (LS0) 에 있어서의 위치 불균일의 영향을 잘 받지 않게 된다. 이로써, 각 센서 (51) 에 있어서, 측정 감도의 위치 불균일을 저감할 수 있어, 안정적인 측정이 가능해진다.
또, 다각 기둥 또는 다각 뿔대 형상의 도광 부재 (2) 를 사용한 구성에서는, 피측정 광원 (LS) 으로부터 출사되는 광의 출사 각도에 따라서, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 에 입사되는 각도가 변한다. 광입사측 단면 (2a) 을 개재하여 도광 부재 (2) 의 내부에 입사된 광은, 그 각도에 따른 횟수만큼, 도광 부재 (2) 의 측면 (2c) 에서 전반사를 반복하여, 광출사측 단면 (2b) 의 여러 위치 (도광 부재 (2) 에 대한 입사 각도에 따른 위치) 에 도달하게 된다. 따라서, 상기와 동일하게 광출사측 단면 (2b) 의 어느 1 점을 생각하면, 상기 1 점은 여러 각도의 광으로 조명되어 있게 된다. 피측정 광원 (LS) 으로부터의 광의 출사 각도는, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 에 있어서의 광의 입사 각도와 대응하고 있고, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 과 수광부 (5) 의 수광면 (5a) 이 공액인 점에서, 결국, 피측정 광원 (LS) 으로부터 여러 각도에서 출사된 광이, 도광 부재 (2) 를 개재하여 수광부 (5) 의 각 센서 (51) 를 조명하게 된다. 즉, 피측정 광원 (LS) 의 피측정면 (LS0) 의 발광 강도 (휘도) 에 각도 불균일이 있어도, 각 센서 (51) 는, 피측정면 (LS0) 으로부터 출사된 여러 각도의 광이 도광 부재 (2) 에 의해서 혼합된 광을 수광함으로써, 피측정면 (LS0) 에 있어서의 각도 불균일의 영향을 잘 받지 않게 된다. 이로써, 각 센서 (51) 에 있어서, 측정 감도의 각도 불균일을 저감할 수 있어, 안정적인 측정이 가능해진다.
게다가, 도광 부재 (2) 는, 단순한 다각 기둥 또는 다각 뿔대 형상이기 때문에 (도 2a ∼ 도 2d 참조), 복수 개의 파이버를 랜덤하게 편성하여 도광하는 종래의 도광체에 비해서 구성이 간단하고, 저렴하다. 따라서, 저렴한 도광 부재 (2) 를 사용한 간단한 구성으로, 측정 감도의 위치 불균일 및 각도 불균일을 저감하는 효과를 얻을 수 있다. 특히, 본 실시형태에서는, 상기 서술한 바와 같이, 특성이 상이한 복수의 센서 (51) 를 수광부 (5) 가 갖고 있음으로써, 색이나 휘도를 측정할 수 있기 때문에, 그와 같은 색이나 휘도의 측정을 행하는 색채 휘도계에 있어서 상기 서술한 효과를 얻을 수 있다.
또, 도 6 은, 도광 부재 (2) 의 내부에서 도광되는 광선의 광로를 모식적으로 나타내는 설명도이다. 대물 광학계 (3) (도 1 참조) 에 의해서, 피측정 광원 (LS) 의 피측정면 (LS0) 의 이미지를, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 에 축소 결상시킴으로써, 가늘은 도광 부재 (2) (광입사측 단면 (2a) 의 내접원의 직경 D1 및 광출사측 단면 (2b) 의 내접원의 직경 D2 가 작은 도광 부재) 를 사용하는 것이 가능해지며, 또한, 피측정 광원 (LS) 으로부터 출사되는 광의 출사 각도보다, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 에 있어서의 광의 입사 각도 θ 가 커진다 (따라서, 도광 부재 (2) 의 내부에서의 굴절각 θP 도 커진다). 도 6 으로부터, 광입사측 단면 (2a) 에 있어서의 광의 입사 각도 θ 가 클수록 (굴절각 θP 가 클수록), 또는, 직경 D1 및 D2 가 작을수록, 도광 부재 (2) 의 내부에 입사된 광의 측면 (2c) 에서의 반사 횟수는 증가하는 것을 알 수 있다.
본 실시형태에서는, D1 ＝ D2 이고, 피측정 광원 (LS) 으로부터 출사되어 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 에 입사되는 광선 중, 광축 (AX) 과의 이루는 각도 θ 가 최대가 되는 광선 (LT) 이, 도광 부재 (2) 의 측면 (2c) 에서 반사되는, 대략 그 횟수는,
(LtanθP)/D1, 또는 (LtanθP)/D2
로 나타내어진다. 단, nP 를 도광 부재 (2) 의 굴절률로 했을 때, 굴절각 θP 는, nPsinθP ＝ sinθ 를 만족하는 각도이다. 또, 상기한 광축 (AX) 은, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 의 내접원의 중심과, 광출사측 단면 (2b) 의 내접원의 중심을 잇는 축으로서, 대물 광학계 (3) 및 릴레이 광학계 (4) 의 광축과 동축으로 한다.
전술한 바와 같이, 본 실시형태의 구성에서는, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2a) 의 어느 1 점을 생각했을 때에, 상기 1 점은, 피측정 광원 (LS) 으로부터 출사된 여러 각도의 광으로 조명되어 있게 되어, 피측정 광원 (LS) 의 각도 불균일의 영향을 저감할 수 있다. 도광 부재 (2) 의 내부에서 광선이 반사되면, 광선의 각도가 반전되기 때문에, 광선의 반사 횟수가 증가하면, 보다 여러 각도의 광으로 상기한 1 점이 조명되게 된다. 이 때문에, 보다 효과적으로, 피측정 광원 (LS) 의 각도 불균일의 영향을 저감하고, 측정 감도의 각도 불균일을 저감할 수 있어, 보다 안정적인 측정이 가능해진다.
또, 도광 부재 (2) 에서의 반사 횟수를 일정하게 했을 때, 굴절각 θP 가 크고, D1 또는 D2 가 작을수록, 도광 부재 (2) 의 광축 (AX) 방향의 길이 L 을 작게 할 수 있다. 이 경우, 측광 장치 (1) 의 소형화가 가능해진다.
(다각 뿔대의 도광 부재를 사용했을 때의 반사 횟수에 대하여)
도 7 은, 도광 부재 (2) 로서, 도 2d 에서 나타낸 다각 뿔대 형상의 도광 부재 (2) 를 사용했을 때의, 도광 부재 (2) 의 내부에서 도광되는 광선의 광로를 전개하여 나타낸 설명도이다. 상기한 도광 부재 (2) 에서는, 광입사측 단면 (2a) 및 광출사측 단면 (2b) 의 형상은 정방형이지만, 광출사측 단면 (2b) 의 면적이 광입사측 단면 (2a) 의 면적보다 크다. 이와 같은 다각 뿔대의 도광 부재 (2) 를 사용했을 경우, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 의 직후에 수광부 (5) 를 배치해도 (릴레이 광학계 (4) 를 개재시키지 않아도), 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 으로부터 출사되는 광을 수광부 (5) 전체로 유도할 수 있다. 이와 같이, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 의 직후에 수광부 (5) 를 배치하고, 릴레이 광학계 (4) 의 배치를 생략함으로써, 저렴한 측광 장치 (1) 를 실현하는 것이 가능해진다.
여기서, 다각 뿔대의 형상의 도광 부재 (2) 를 사용했을 때에 내부에서 도광되는 광의 반사 횟수에 대해서는 아래와 같이 생각할 수 있다. 즉, 다각 뿔대 형상의 도광 부재 (2) 를 사용했을 경우, 피측정 광원 (LS) 으로부터 출사되어 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 에 입사되는 광선 중, 광축 (AX) 과의 이루는 각도 θ 가 최대가 되는 광선 (LT) 이, 도광 부재 (2) 의 측면 (2c) 에서 반사되는, 대략 그 횟수는 α/β 로 나타내어진다. 단, 도 7 에 있어서, α 는 점 A 와 점 O 를 잇는 직선과, 광축 (AX) 이 이루는 각도 (°) 이고, β 는 광축 (AX) 을 포함하는 단면에 있어서의 도광 부재 (2) 의 측면 (2c) 과 광축 (AX) 이 이루는 각도의 2 배의 각도 (°) 이다. 여기서, 점 O 는 광축 (AX) 을 포함하는 단면에 있어서, 도광 부재 (2) 의 측면 (2c) 을 연장시켰을 때에 광축 (AX) 과 교차하는 점을 가리키고, 점 A 는 광선 (LT) 이 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 에서 굴절된 후의 광선 (광축 (AX) 이 이루는 각은 θP) 을 연장시킨 직선 (파선 LP) 과, 중심이 점 O 이고 반경 L0 의 원이 교차하는 점이다. 구체적으로는, α 및 β 는 아래의 관계식을 만족하는 각도가 된다. 즉,
L0sinα ＝｛L － L0 (1 － cosα)｝tanθP
tan(β/2) ＝ (D2 － D1)/2L
L0 ＝ D2L/(D2 － D1)
nPsinθP ＝ sinθ
이고,
L : 도광 부재 (2) 의 광축 (AX) 방향의 길이 (㎜)
θ : 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 의 중심에 입사되는 광선과 광입사측 단면 (2a) 의 법선이 이루는 각도의 최대치 (°)
D1 : 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 의 내접원의 직경 (㎜)
D2 : 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 의 내접원의 직경 (㎜)
nP : 도광 부재 (2) 의 굴절률
이다.
α/β ＞ 1 이면, 요컨대, 광선 (LT) 의 도광 부재 (2) 의 측면 (2c) 에서의 반사 횟수가 적어도 1 회 있으면, 광선 (LT) 을 측면 (2c) 에서 반사시킴으로써, 피측정면 (LS0) 의 여러 위치로부터 출사되는 광, 및 피측정면 (LS0) 으로부터 여러 각도에서 출사되는 광을 도광 부재 (2) 에서 혼합할 수 있다. 따라서, 피측정 광원 (LS) 의 위치 불균일 및 각도 불균일의 영향을 저감하여, 측정 감도의 위치 불균일 및 각도 불균일을 저감할 수 있다. 특히, α/β ＞ 2 인 것이, 광선 (LT) 을 측면 (2c) 에서 복수 회 반사시켜, 피측정 광원 (LS) 의 위치 불균일 및 각도 불균일의 영향을 확실하게 저감하고, 측정 감도의 위치 불균일 및 각도 불균일을 확실하게 저감할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 본 실시형태의 효과를 더욱 확실하게 얻는 관점에서는, 후술하는 실시예의 결과로부터, α/β ＞ 4 인 것이 보다 바람직하고, α/β ＞ 7 인 것이 보다 더 바람직하며, α/β ＞ 10 인 것이 더욱 바람직하다.
또한, α ≪ 1, β ≪ 1 의 경우,
α ≒ (L/L0)tanθP ＝｛(D2 － D1)/D2｝/tanθP
β ≒ (D2 － D1)/L
이 되고,
α/β ≒ (LtanθP)/D2
가 된다. 요컨대, 이 경우, α/β는 상기 서술한 D1 ＝ D2 인 경우의, 대략 그 반사 횟수와 일치한다.
(도광 부재의 다른 형상과 수광부의 관계)
도 8 은, 도 2b 에서 나타낸 삼각 기둥상의 도광 부재 (2) 를 사용했을 때, 그 광입사측 단면 (2a) 을 조리개 (AP2) 측에서 보았을 때의 상태를 모식적으로 나타내고 있다. 동 도면과 같이, 삼각 기둥상의 도광 부재 (2) 를 사용한 경우여도, 조리개 (AP2) 의 원형의 개구부 (AP2a) 의 크기는, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 의 내접원보다 약간 작게 설정되면 된다.
도 9 는, 도 2b 의 도광 부재 (2) 를 사용했을 경우의 수광부 (5) 의 평면 형상을 모식적으로 나타내고 있다. 수광부 (5) 는 평면에서 보아 원형의 3 개의 센서 (51) (51a ∼ 51c) 로 구성되고, 각 센서 (51) 가 1 개의 정삼각형의 각 정점에 대응하여 위치하도록 배치되어 있어도 된다. 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 의 형상이 정삼각형이기 때문에, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 으로부터 출사되는 광이 수광부 (5) 를 조사할 때의 조사 범위 R 도, 수광부 (5) 의 3 개의 센서 (51) 의 각 수광 범위를 모두 포함하는 정삼각 형상이 된다.
도 10 은, 도 2c 에서 나타낸 육각 기둥상의 도광 부재 (2) 를 사용했을 때, 그 광입사측 단면 (2a) 을 조리개 (AP2) 측에서 보았을 때의 상태를 모식적으로 나타내고 있다. 동 도면과 같이, 육각 기둥상의 도광 부재 (2) 를 사용한 경우여도, 조리개 (AP2) 의 원형의 개구부 (AP2a) 의 크기는, 도광 부재 (2) 의 광입사측 단면 (2a) 의 내접원보다 약간 작게 설정되면 된다.
도 11 은, 도 2c 의 도광 부재 (2) 를 사용했을 경우의 수광부 (5) 의 평면 형상을 모식적으로 나타내고 있다. 수광부 (5) 는, 평면에서 보아 정방형 또는 장방형의 7 개의 센서 (51) (51a ∼ 51g) 로 구성되고, 각 센서 (51) 가 1 개의 정육각형의 각 정점 및 중심에 대응하여 위치하도록 배치되어 있어도 된다. 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 의 형상이 정육각형이기 때문에, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 으로부터 출사되는 광이 수광부 (5) 를 조사할 때의 조사 범위 R 도, 수광부 (5) 의 7 개의 센서 (51) 의 각 수광 범위를 모두 포함하는 정육각 형상이 된다.
(실시예)
다음으로, 본 발명의 구체적인 실시예에 대해서, 실시예 1 ∼ 9 로서 설명한다. 또, 각 실시예와의 비교를 위해서, 비교예에 대해서도 함께 설명한다.
도 12 ∼ 도 19 는, 각각 실시예 2 ∼ 9 의 측광 장치 (1) 의 개략적 구성을 모식적으로 나타내고 있다. 또, 도 20 은, 비교예 1 의 측광 장치 (1') 의 개략적 구성을 모식적으로 나타내고 있다. 또한, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 의 구성은, 도 1 에서 나타낸 바와 같다. 또한, 도 1, 도 12 ∼ 도 20 에서는, 편의상 각 측광 장치의 스케일을 조정하여 도시하고 있다 (스케일은 동일하지 않다).
실시예 2 의 측광 장치 (1) 는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 에 비해서, 사출동 (射出瞳) 의 위치가 피측정 광원 (LS) 측으로 어긋나 있고, 그 이외에는 실시예 1 의 측광 장치 (1) 와 동일한 구성이다. 여기서, 사출동의 위치란, 조리개 (AP1) 에 의해서 형성되는 이미지의 위치를 가리킨다.
실시예 3 의 측광 장치 (1) 는, 실시예 2 의 측광 장치 (1) 에 비해서, 사출동의 위치가 피측정 광원 (LS) 측으로 어긋나 있고, 그 이외에는 실시예 2 의 측광 장치 (1) 와 동일한 구성이다. 실시예 4 의 측광 장치 (1) 는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 에 비해서, 사출동의 위치가 수광부 (5) 측으로 어긋나 있고, 그 이외에는 실시예 1 의 측광 장치 (1) 와 동일한 구성이다.
실시예 5 의 측광 장치 (1) 는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 에 비해서, 도광 부재 (2) 의 광축 방향의 길이를 증대시키고, 도광 부재 (2) 의 내부에 입사되는 광선의 측면 (2c) 에서의 반사 횟수 (α/β) 를 증대시킨 것 이외에는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 와 동일한 구성이다.
실시예 6 의 측광 장치 (1) 는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 의 사각 기둥상의 도광 부재 (2) 를, 사각 뿔대의 도광 부재 (2) (도 2d 참조) 로 치환하고, 릴레이 광학계 (4) 를 배치하지 않고, 도광 부재 (2) 의 광출사측 단면 (2b) 의 직후에 수광부 (5) 를 배치한 것 이외에는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 와 동일한 구성이다.
실시예 7 의 측광 장치 (1) 는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 의 사각 기둥상의 도광 부재 (2) 를, 삼각 기둥상의 도광 부재 (2) (도 2b 참조)) 로 치환하고, 4 개의 사각 형상의 센서 (51) 를 갖는 수광부 (5) 대신에, 3 개의 원형의 센서 (51) 를 갖는 수광부 (5) (도 9 참조) 를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 와 동일한 구성이다. 실시예 8 의 측광 장치 (1) 는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 의 사각 기둥상의 도광 부재 (2) 를, 육각 기둥상의 도광 부재 (2) (도 2c 참조) 로 치환하고, 4 개의 사각 형상의 센서 (51) 를 갖는 수광부 (5) 대신에, 7 개의 사각 형상의 센서 (51) 를 갖는 수광부 (5) (도 11 참조) 를 사용한 것 이외에는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 와 동일한 구성이다.
실시예 9 의 측광 장치 (1) 는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 에 비해서, 도광 부재 (2) 의 광축 방향의 길이를 짧게 하고, 도광 부재 (2) 의 내부에 입사되는 광선의 측면 (2c) 에서의 반사 횟수 (α/β) 를 감소시킨 것 이외에는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 와 동일한 구성이다.
비교예 1 의 측광 장치 (1') 는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 에 있어서, 도광 부재 (2) 의 배치를 생략한 것 이외에는, 실시예 1 의 측광 장치 (1) 와 동일한 구성이다.
표 1 은 실시예 1 ∼ 9 및 비교예 1 에 있어서의 각 파라미터를 나타내고 있다.
Figure 112021005489160-pct00001
(평가)
각 실시예 1 ∼ 9, 비교예 1 의 구성에 의한 효과를 확인하기 위해서, 수광부 (5) 의 적어도 1 개의 센서 (51) 에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션하였다. 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포의 시뮬레이션은, 피측정 광원 (LS) 의 피측정면 (LS0) 이, 균일한 완전 확산면 광원으로 했을 경우에, 피측정면 (LS0) 의 각 위치로부터 출사되는 광이 어느 정도 수광 소자에 도달하는지, 및 피측정면 (LS0) 으로부터 각 방향으로 출사되는 광이 어느 정도 수광 소자에 도달하는지를 광학 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션한 것이다. 예를 들어 도 21 은, 1 개의 센서 (51) 에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포의 시뮬레이션 결과의 일례를 모식적으로 나타내고 있다. 이들 분포에 있어서, 백색부는 상대적으로 측정 감도가 높고, 흑색부는 상대적으로 측정 감도가 낮은 것을 나타내고 있다.
또, 도 22 는, 피측정 광원 (LS) (피측정면 (LS0)) 의 좌표계를 모식적으로 나타내고 있다. 도 21 에서 나타낸 측정 감도의 공간 분포의 수평 방향 (x 방향) 의 위치 및 수직 방향 (y 방향) 의 위치는, 피측정면 (LS0) 내의 수평 방향 (X 방향) 의 위치 및 수직 방향 (Y 방향) 의 위치와 각각 대응하고 있다. 또, 측정 감도의 각도 분포의 수평 방향의 각도 (θx) 및 수직 방향의 각도 (θy) 는, 피측정면 (LS0) 의 법선 (Z 방향) 에 대한 출사 광선의 수평 방향 (X 방향) 의 각도 (θx) 및 수직 방향 (Y 방향) 의 각도 (θy) 와 각각 대응하고 있다.
도 23 ∼ 도 26 은, 비교예 1 의 4 개의 센서 (51) (여기서는, 센서 (A'), 센서 (B'), 센서 (C'), 센서 (D') 라고 칭한다) 에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내고 있다. 또한, 상기 센서 (A'), 센서 (B'), 센서 (C'), 센서 (D') 는, 도 4 의 센서 (51a), 센서 (51b), 센서 (51c), 센서 (51d) 에 각각 대응하고 있다. 이들 도면으로부터, 비교예 1 에서는, 센서 (A' ∼ D') 사이에서 측정 감도의 공간 분포가 매우 불균일한 것을 알 수 있다.
이에 비해서, 도 27 ∼ 도 30 은, 실시예 1 의 수광부 (5) 의 4 개의 센서 (51) (여기서는, 센서 (A), 센서 (B), 센서 (C), 센서 (D) 라고 칭한다) 에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내고 있다. 또한, 상기한 센서 (A), 센서 (B), 센서 (C), 센서 (D) 는, 도 4 의 센서 (51a), 센서 (51b), 센서 (51c), 센서 (51d) 에 각각 대응하고 있다. 이들 도면으로부터, 센서 (A ∼ D) 사이에서, 측정 감도의 공간 분포로서 동일한 분포가 얻어지고, 또, 측정 감도의 각도 분포에 대해서도 동일한 분포가 얻어지는 것을 알 수 있다. 따라서, 실시예 1 에서는, 복수의 센서 사이에서 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 동시에 균일하게 할 수 있는 것을 알 수 있다.
또, 도 31 ∼ 도 38 은, 실시예 2 ∼ 9 의 수광부 (5) 를 구성하는 복수의 센서 (51) 중의 임의의 센서 (여기서는 센서 (A) 로 한다) 에서의 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내고 있다. 또한, 상기한 센서 (A) 는, 도 4 의 센서 (51a) (실시예 2 ∼ 6, 9), 도 9 의 센서 (51a) (실시예 7), 또는 도 11 의 센서 (51a) (실시예 8) 에 대응하고 있다. 실시예 2 ∼ 9 에 대해서도, 실시예 1 과 동일하게, 측정 감도의 공간 분포는 측정 범위 내에서 거의 균일하게 되어 있다. 도광 부재 (2) 의 배치에 의해서, 실시예 1 ∼ 9 의 각 센서 (51) 는, 측정 감도 분포의 웨이트에 의해서 평균화된 광량을 수광하게 되기 때문에, 피측정 광원 (LS) 의 피측정면 (LS0) 의 발광 강도 (휘도) 에 위치 불균일이 있어도, 수광부 (5) 에서는 상기 위치 불균일의 영향을 저감하여, 안정적인 측정을 행하는 것이 가능해진다.
또, 실시예 1 ∼ 9 에 있어서, 측정 감도의 각도 분포에 관해서는, 실시예에 따라서 정도의 차는 있지만, 어느 실시예에 있어서도 측정 범위 내의 넓은 범위에 감도 분포를 갖고 있다. 도광 부재 (2) 의 배치에 의해서, 실시예 1 ∼ 9 의 각 센서 (51) 는, 측정 감도 분포의 웨이트에 의해서 평균화된 광량을 수광하게 되기 때문에, 피측정 광원 (LS) 의 피측정면 (LS0) 의 발광 강도 (휘도) 에 각도 불균일이 있어도, 수광부 (5) 에서는 상기 각도 불균일의 영향을 저감하여, 안정적인 측정을 행하는 것이 가능해진다.
이상에서 나타낸 각 실시예 1 ∼ 9 의 시뮬레이션 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 측정 감도의 공간 분포 및 각도 분포는 도광 부재 (2) 의 길이 L 및 사출동 위치에 따라서 변화한다. 따라서, 도광 부재 (2) 의 길이 L 이나 사출동 위치를 조정함으로써, 원하는 측정 감도의 균일성을 갖는 측광 장치 (1) 를 설계하는 것이 가능해진다.
〔기타〕
이상에서 설명한 본 실시형태의 측광 장치는 아래와 같이 표현되어도 된다.
본 실시형태의 측광 장치는, 광입사측 단면 및 광출사측 단면이 다각 형상인, 다각 기둥 또는 다각 뿔대의 도광 부재와, 피측정 광원의 이미지를, 상기 도광 부재의 상기 광입사측 단면에 형성하는 대물 광학계와, 상기 피측정 광원으로부터 상기 대물 광학계를 개재하여 상기 도광 부재에 입사되고, 상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면으로부터 출사되는 광을 수광하는 수광부를 구비하며, 상기 수광부는, 특성이 상이한 복수의 센서를 갖고, 상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면의 직후에 배치되거나, 또는, 상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면과 상기 수광부의 수광면이 공액이 되도록, 상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면과의 사이에 릴레이 광학계를 개재하여 배치되어 있다.
상기한 측광 장치에 있어서, 상기 대물 광학계는, 상기 피측정 광원측에 위치하는 전측 렌즈계와, 상기 도광 부재측에 위치하는 후측 렌즈계와, 상기 피측정 광원의 1 점으로부터 출사되는 광의 확산각을 규제하는 조리개를 포함하고, 상기 조리개는 상기 전측 렌즈계의 후측 초점 위치에 배치되어 있어도 된다.
상기한 측광 장치는,
α/β ＞ 2
를 만족하고 있는 것이 바람직하다. 단,
L0sinα ＝｛L － L0(1 － cosα)｝tanθP
tan(β/2) ＝ (D2 － D1)/2L
L0 ＝ D2L/(D2 － D1)
nPsinθP ＝ sinθ
이고,
L : 상기 도광 부재의 광축 방향의 길이 (㎜)
θ : 상기 도광 부재의 광입사측 단면의 중심에 입사되는 광선과 상기 광입사측 단면의 법선이 이루는 각도의 최대치 (°)
D1 : 상기 도광 부재의 광입사측 단면의 내접원의 직경 (㎜)
D2 : 상기 도광 부재의 광출사측 단면의 내접원의 직경 (㎜)
nP : 상기 도광 부재의 굴절률
이고, D1 ＝ D2 인 경우,
α/β ＝ LtanθP/D2 ＞ 2
이다.
상기한 측광 장치에 있어서, 상기 수광부의 상기 복수의 센서는, 각각, 수광면이 정방형 또는 장방형인 수광 소자와, 상기 수광 소자의 광입사측에 배치되는 광학 필터를 포함하고, 상기 광학 필터의 적어도 2 개는 특성이 서로 상이해도 된다.
상기한 측광 장치에 있어서, 상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면으로부터 출사되는 광이 상기 수광부를 조사할 때의 조사 범위는, 상기 수광부의 상기 복수의 센서의 각 수광 범위를 모두 포함해도 된다.
상기한 측광 장치에 있어서, 상기 수광부의 상기 복수의 센서는, 각각 등색 함수 X, Y, Z 에 대응하는 측정 감도를 갖고 있어도 된다.
상기한 측광 장치에 있어서, 상기 도광 부재의 상기 광입사측 단면 및 상기 광출사측 단면은 사각형이고, 상기 수광부의 복수의 센서는, 1 개의 사각형의 4 코너에 각각 위치하는 사각형의 수광면을 갖고 있어도 된다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명의 범위는 이것에 한정되는 것이 아니고, 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변경을 가하여 실시할 수 있다.
본 발명은 예를 들어 색채 휘도계에 이용 가능하다.
1 : 측광 장치
2 : 도광 부재
2a : 광입사측 단면
2b : 광출사측 단면
2c : 측면
3 : 대물 광학계
4 : 릴레이 광학계
5 : 수광부
5a : 수광면
31 : 전측 렌즈계
32 : 후측 렌즈계
51 : 센서
52 : 수광 소자
53 : 광학 필터
AP1 : 조리개
LS : 피측정 광원

Claims (7)

  1. 광입사측 단면 및 광출사측 단면이 다각 형상인, 다각 기둥 또는 다각 뿔대의 도광 부재와,
    피측정 광원의 이미지를, 상기 도광 부재의 상기 광입사측 단면에 형성하는 대물 광학계와,
    상기 피측정 광원으로부터 상기 대물 광학계를 개재하여 상기 도광 부재에 입사되고, 상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면으로부터 출사되는 광을 수광하는 수광부를 구비하고,
    상기 수광부는, 특성이 상이한 복수의 센서를 갖고, 상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면의 직후에 배치되거나, 또는, 상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면과 상기 수광부의 수광면이 공액이 되도록, 상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면과의 사이에 릴레이 광학계를 개재하여 배치되어 있으며,
    α/β ＞ 2
    를 만족하는, 측광 장치 ;
    단,
    L0sinα ＝｛L － L0(1 － cosα)｝tanθP
    tan(β/2) ＝ (D2 － D1)/2L
    L0 ＝ D2L/(D2 － D1)
    nPsinθP ＝ sinθ
    이고,
    L : 상기 도광 부재의 광축 방향의 길이 (㎜)
    θ : 상기 도광 부재의 광입사측 단면의 중심에 입사되는 광선과 상기 광입사측 단면의 법선이 이루는 각도의 최대치 (°)
    D1 : 상기 도광 부재의 광입사측 단면의 내접원의 직경 (㎜)
    D2 : 상기 도광 부재의 광출사측 단면의 내접원의 직경 (㎜)
    nP : 상기 도광 부재의 굴절률
    α : 점 A 와 점 O 를 잇는 직선과, 상기 도광 부재의 광축 (AX) 이 이루는 각도 (°)
    β : 상기 광축 (AX) 을 포함하는 단면에 있어서의 상기 도광 부재의 측면과 상기 광축 (AX) 이 이루는 각도의 2 배의 각도 (°)
    점 O : 상기 광축 (AX) 을 포함하는 단면에 있어서, 상기 도광 부재의 상기 측면을 연장시켰을 때에 상기 광축 (AX) 과 교차하는 점
    점 A : 상기 광입사측 단면의 상기 법선과 상기 θ 의 각도를 이루며 상기 도광 부재의 광입사측 단면의 중심에 입사되는 광선이 상기 도광 부재의 광입사측 단면에서 굴절된 후의 광선 (이때, 상기 광축 (AX) 이 이루는 각은 θP) 을 연장시킨 직선과, 중심이 상기 점 O 이고 반경 L0 의 원이 교차하는 점
    이고, D1 ＝ D2 인 경우,
    α/β ＝ LtanθP/D2 ＞ 2
    이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대물 광학계는, 상기 피측정 광원측에 위치하는 전측 렌즈계와, 상기 도광 부재측에 위치하는 후측 렌즈계와, 상기 피측정 광원의 1 점으로부터 출사되는 광의 확산각을 규제하는 조리개를 포함하고,
    상기 조리개는, 상기 전측 렌즈계의 후측 초점 위치에 배치되어 있는, 측광 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수광부의 상기 복수의 센서는, 각각, 수광면이 정방형 또는 장방형인 수광 소자와, 상기 수광 소자의 광입사측에 배치되는 광학 필터를 포함하고,
    상기 광학 필터의 적어도 2 개는, 특성이 서로 상이한, 측광 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 도광 부재의 상기 광출사측 단면으로부터 출사되는 광이 상기 수광부를 조사할 때의 조사 범위는, 상기 수광부의 상기 복수의 센서의 각 수광 범위를 모두 포함하는, 측광 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수광부의 상기 복수의 센서는, 각각, 등색 함수 X, Y, Z 에 대응하는 측정 감도를 갖고 있는, 측광 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 도광 부재의 상기 광입사측 단면 및 상기 광출사측 단면은 사각형이고,
    상기 수광부의 복수의 센서는, 1 개의 사각형의 4 코너에 각각 위치하는 사각형의 수광면을 갖고 있는, 측광 장치.
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