WO2013157641A1 - 変角分光イメージング測定方法およびその装置 - Google Patents

変角分光イメージング測定方法およびその装置 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for variable angle spectroscopic imaging used for measurement evaluation, and manufacturing based on the measurement evaluation in relation to all fields such as paint, painting, fiber, printing, plastic, and the like for measuring the color of an object surface. .
  • color and texture change variously depending on the texture and optical geometric conditions as in the case of automobile exterior coating.
  • paint products but also wood products and textile products have color changes and textures due to optical geometric conditions.
  • skin and manipulative objects also have color changes and textures due to optical geometric conditions.
  • Patent Document 1 discloses a technique for obtaining spectral information that differs depending on a part of an image by using spectral light of a prism or a diffraction grating in obtaining spectral information.
  • Patent Document 2 discloses a technique related to a variable angle spectroscopic imaging apparatus having a rotary illumination light source and a multispectral camera.
  • Patent Document 3 discloses a technique in which a white reference surface is provided on the entire peripheral portion of the sample surface in order to correct the temporal variation of the illumination light source.
  • Patent Document 4 when performing variable angle spectroscopic measurement, a sample surface is irradiated using an illumination device including a plurality of single-color LEDs that can emit light of different colors arranged in a row.
  • a technique for performing imaging is disclosed.
  • Patent Document 5 discloses a technique related to a spectroscopic measurement system including a spectrometer that measures a first spectrum of a subject under ultraviolet illumination light and a second spectrum of the subject under visible light illumination.
  • Patent Document 6 discloses a technique related to a color measurement device that performs measurement by measuring spectral characteristics of a sample.
  • Patent Document 1 shows a method of obtaining different spectral information depending on the part of the image.
  • the spectral information is different for each pixel, and the wavelength and the like are set for each pixel in all pixels. Different spectral information cannot be acquired.
  • no correction means for fluctuations in light quantity and exposure time during measurement is constructed, and it is difficult to perform highly accurate measurement that satisfies practicality in paint production and product production by painting.
  • the illumination device is illumination from one position from an angular position larger than 40 degrees, the recording device must have a wide angle of view, and the peripheral portion of the imaging lens normally used in the recording device.
  • Patent Document 2 There was distortion in The technique disclosed in Patent Document 2 is a variable angle spectroscopic imaging apparatus having an illumination light source and a multispectral camera, but the illumination light source is a device that rotates illumination from one place or one illumination, a sample, However, there is a problem that accurate measurement is difficult, and a mechanism for rotational driving is required, which complicates the mechanism.
  • the technique disclosed in Patent Document 3 only irradiates the light reflected from the measurement object and the background light with light from the light source and receives the light at the light receiver, and then performs a relative comparison between the two. The spectral information is not acquired by imaging.
  • the technique disclosed in Patent Document 4 performs measurement by illuminating with two fixed illuminating devices.
  • the illuminating device arranges single-color LEDs that emit light of different colors in a row and is independent of each other. Therefore, there is a problem that the angle with respect to the measurement object differs depending on the LED that emits light, and the information obtained by the image sensor also differs.
  • the technique disclosed in Patent Document 5 includes a plurality of light emitting units having different spectral energy distributions. However, since each light emitting unit is provided separately, the light emitting unit that emits light has an angle with respect to the measurement object. There is a problem that the information obtained by the spectrometer is different.
  • the technique disclosed in Patent Document 6 is only an image calculation based on information obtained by a photometer.
  • variable angle measurement capable of variable angle measurement with variable optical geometric conditions based on illumination and observation direction is necessary and effective in a wide color gamut. . Therefore, in the present invention, as a solution to this problem, a two-dimensional image sensor capable of imaging in the vertical direction with respect to the sample surface is arranged, and an illumination device having an angle from the vertical direction with respect to the sample surface is combined.
  • the variable angle spectroscopic imaging information is measured by using the change in the optical geometric condition for each pixel in the X-axis and Y-axis directions in the image by irradiation of illumination light from the direction.
  • a bandpass filter having a transmission wavelength band for each constant wavelength at a position between the two-dimensional image sensor and the sample surface, a liquid crystal tunable filter capable of changing the transmission wavelength band, an acoustooptic device, etc. Use white light illumination / spectral light receiving method. Or the spectral illumination method provided with the spectral light source device which can output the monochromatic light for every measurement wavelength to illumination light is used. Alternatively, measurement of fluorescent color is also supported by using a method that combines spectral light reception and spectral illumination.
  • the measured spectral data for each pixel is converted into color values such as CIE tristimulus values, CIELAB values, RGB values, Munsell color values, etc., and then the three-dimensional structure of the distribution in the LAB space based on optical geometric conditions, Using numerical values such as spatial frequency analysis and information entropy, it is used for numerical calculation means for comparing and evaluating the features of the object surface.
  • the normal direction of the sample surface is obtained using the three-dimensional shape information of the sample surface, and a unit based on a change in optical geometric conditions and a difference in displacement or inclination. The irradiation energy of light per area is corrected.
  • An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for efficiently measuring information such as angle change and spectroscopic information for each pixel on an object surface in a short time, and more specifically, a more accurate and highly practical change.
  • An angular spectroscopic imaging measurement method and apparatus thereof can be realized. Also, by using illumination light irradiation from two or more angular directions, the field angle range of the imaging lens can be reduced, so that distortion at the lens periphery can be reduced, and spectral Accurate and wide range of color information can be measured. Moreover, high spatial resolution can be realized in a short time by measuring various and continuous optical geometric conditions at a time. Furthermore, since the spectral information is obtained from the image, it is possible to capture fine glitter reflection.
  • the three-dimensional shape information of the sample surface is measured, and the irradiation energy of light per unit area due to a change in optical geometric conditions of the sample surface and a difference in displacement or inclination is corrected. be able to.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the distribution of each pixel in the CIELAB color space, in which the image is divided into eight regions with respect to the specular reflection angle of sample A, and the illumination device is set to 20 degrees and 45 degrees.
  • FIG. 5 is a diagram showing an L * -a * relationship in each region and an a * -b * relationship when the value of L * is 50.
  • FIG. 8 is a diagram showing the distribution of each pixel in the CIELAB color space, in which the image is divided into eight regions with respect to the specular reflection angle of sample B, and the illumination device is set to 20 degrees and 45 degrees.
  • FIG. 5 is a diagram showing an L * -a * relationship in each region and an a * -b * relationship when the value of L * is 50.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a schematic configuration of the present invention.
  • a monochrome two-dimensional image sensor 4 that acquires a monochrome gradation image installed in the vertical direction of the planar measurement sample surface 2, and the image is displayed on the monochrome two-dimensional image sensor.
  • An optical lens 8 to be imaged a spectral means 6 such as a liquid crystal tunable filter installed at a predetermined position between the measurement sample surface 2 and the optical lens 8, and energy necessary for measurement in the measurement wavelength range.
  • the illuminating device 10 is provided.
  • the measurement sample surface 2 is provided with a white reference surface 12 provided in parallel with the measurement sample surface at the peripheral edge.
  • the white reference surface is captured at the same time as imaging, and is used for correction to absorb fluctuations in illumination light quantity and exposure time fluctuations and errors during the measurement time.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the optical geometric conditions of the present invention.
  • the light emitted from the illumination device 10 irradiates the measurement sample surface 2 and the white reference surface 12.
  • the monochrome two-dimensional image sensor 4 and the optical lens 8 are arranged so that the measurement sample surface 2 and the white reference surface 12 can be simultaneously included in the image.
  • the description of the spectroscopic means 6 is omitted.
  • the light irradiated from the illumination device 10 irradiates the measurement sample surface 2 and the white reference surface 12, but the irradiation direction depends on the irradiation shape and is measured with respect to the vertical direction of the measurement sample surface 2 and the white reference surface 12. Different for each position of the sample surface 2 and the white reference surface 12.
  • the regular reflection direction is in the relation of the mirror surface direction opposite to the irradiation direction.
  • the direction in which each pixel of the monochrome two-dimensional image sensor 4 that captures the measurement sample plane 2 and the white reference plane 12 receives light is different for each pixel, and its unit vector 18 is P ij .
  • i and j are pixels in the X-axis and Y-axis directions of the image. That is, (i, j) means the coordinates of each pixel on the two-dimensional image.
  • the unit vector 20 in the illumination direction on the image is I ij
  • the unit vector 16 in the specular reflection direction is S ij
  • the angle of the unit vector 18 in the light receiving direction with respect to the specular reflection direction of illumination is generally called an a-specular angle 14 (hereinafter referred to as “specular reflection sandwich angle”).
  • Metallic colors and pearl colors used for exterior paint colors of automobiles are The color (lightness, saturation, color) changes depending on the angle.
  • the specular reflection angle at each pixel on the image is ⁇ ij , it is expressed by (Equation 1).
  • each position on the measurement sample surface 2 or the white reference surface 12 corresponding to each pixel (i, j) 19 of the monochrome two-dimensional image sensor 4 is described.
  • P ij ⁇ S ij represents the inner product of P ij and S ij .
  • the specular reflection sandwich angle ⁇ ij in the pixel of the monochrome two-dimensional image sensor 4 is different for each of i and j, and has information on the angle change.
  • ⁇ il is the zenith angle of illumination
  • ⁇ il is the azimuth angle of the counterclockwise illumination with respect to the X axis
  • ⁇ rsv is the zenith angle of light reception
  • ⁇ rsv is the counterclockwise with respect to the X axis.
  • the unit vector of the regular reflection direction with respect to the illumination direction is (n xa , n ya , n za ) If the unit vector is (n xr , n yr , n zr ), the angle of specular reflection is
  • This ⁇ ij is a representative angle condition for capturing the optical characteristics of the glitter material. It is useful to calculate the color space distribution or the statistical parameter from the image in the region where ⁇ ij is the same.
  • the shape of the illumination device 10 is a line shape (line light source) as shown in FIG. 3 or a spot shape (point light source) as shown in FIG.
  • the order of arrangement of the optical lens 8 and the spectroscopic means 6 may be interchanged as long as they can fulfill their respective functions.
  • a line-like illumination shape information on the angle of change with respect to either the X-axis or Y-axis direction of the image is obtained depending on the installation direction.
  • a spot-like illumination shape the angles of illumination and light reception change with respect to both the X-axis direction and the Y-axis direction of the image, and information about the angle change is possessed with respect to both directions.
  • FIG. 7 shows the distribution of L * obtained from the measurement image when the illumination device is set to 20 degrees
  • FIG. 8 shows the distribution of L * obtained from the measurement image when the illumination device is set to 45 degrees. Show.
  • FIG. 17 shows a case where the light source is a point light source.
  • the sample surface position is P XY (x p , y p ), the illumination position is I ( ⁇ i , ⁇ i , D i ), and the received light position (focal position) is R (0, 0, D r ). .
  • x, y are the X-axis direction on the specimen surface, the position of the Y-axis direction, theta is the zenith angle, phi is the azimuth angle of the counterclockwise direction from the X-axis, D i is the coordinate origin of the sample surface to the light source
  • the distance, Dr is the distance from the coordinate origin of the sample surface to the imaging device, and the imaging device has an angle of view that can capture the imaging range of the sample surface.
  • the geometric conditions of illumination and light reception at the position P can be expressed by illumination zenith angle, azimuth angle, light reception zenith angle, and azimuth angle. At this time, the illumination position is
  • FIG. 18 shows a case where the light source is linear. If the light source is installed parallel to the Y-axis direction, the illumination is uniform with respect to the Y-axis.
  • the optical geometric condition is that the position of the sample surface is P (x p ) and the position of the illumination is I ( ⁇ i , D i ), and the light receiving position (focal position) is R (0, D r ).
  • x is the distance in the X-axis direction on the specimen surface, the position of the Y-axis direction, theta is the zenith angle, D i is the distance to the illumination from the coordinate origin, D r is the coordinate origin to the imaging device, imaging It is assumed that the apparatus has an angle of view that can capture the imaging range of the sample surface.
  • the geometric conditions of illumination and light reception at the position P can be expressed by illumination zenith angle, azimuth angle, light reception zenith angle, and azimuth angle. At this time, the illumination position is
  • FIG. 19 shows a change in the measured value accompanying a change in the geometric condition due to the orientation of the glittering material.
  • the glitter material has a glittering reflection characteristic including regular reflection on the surface, and exhibits a directional reflection characteristic that strongly reflects in the regular reflection direction. Since this reflects extremely strongly in the regular reflection direction, the amount of reflected light rapidly decreases as the observation position moves away from the regular reflection direction.
  • the size of the glittering material is usually several ⁇ m to several tens of ⁇ m, but may exceed 100 ⁇ m. This is because light is distributed with fluctuations in the coating layer formed by spray coating.
  • a glitter material formed of aluminum flakes is essentially a silver color with a substantially constant reflectance coefficient for each wavelength. Therefore, the spectral reflectance coefficient differs, and a suspicious color is generated.
  • the interference conditions also change, and the spectral reflectance coefficient and the color value are greatly affected.
  • the spectroscopic means used for measurement needs to have an appropriate wavelength resolution for the measurement target.
  • a coherent brilliant material is often used as a brilliant material, and has a reflection characteristic close to a pure color having a sharp reflectance and a single wavelength. For this reason, when glitter reflection is measured, it is distributed over a wide range in the color space, so the measurement method such as the RGB method with a limited color gamut is narrow and accurate measurement cannot be performed.
  • FIG. 20 shows a measurement example of the coherent bright material. In this measurement example, the result of the trade name Xirallic Crystal ⁇ Silver of German company Merck was shown.
  • the spectral reflectance coefficient having a shape that is sharp and narrow with respect to the wavelength is measured.
  • the distribution was compared with the brightest color region indicating the limit region of the object color.
  • the distribution on the surface is shown with the brightest color area. The measurement results indicate that the light is distributed up to the vicinity of the brightest color, and it is necessary to measure with a wavelength resolution sufficient to measure a wide area.
  • the two-dimensional image sensor 4 is provided with an anti-blooming mechanism in order to accurately capture a reflected color with good glitter, and in the case of a CCD image sensor, a Peltier element, water cooling, air cooling, or a cooling mechanism using both of these, It is desirable to provide a means for suppressing the generation of noise even after long exposure.
  • a dynamic range having an output resolution of 8 bits or more, preferably 16 bits or more is used. Further, it is desirable that the element has an anti-blooming mechanism.
  • the 2D image sensor 4 is desirably a method without a parallel arrangement of color RGB elements in order to suppress the occurrence of suspicious colors and moiré in measurement in a minute region. This is not a concern with monochrome sensors.
  • RGB can be measured, there is an element that does not depend on the parallel arrangement, and this also does not cause suspicious color, and is effective for measurement of the minute reflection of the glitter material, which is a target of the present invention.
  • RGB image sensors that do not depend on a parallel arrangement include a three-plate type and a Foveon sensor.
  • FIG. 22 to 25 show types of two-dimensional image sensors.
  • FIG. 22 shows black and white
  • FIG. 23 shows a Bayer arrangement color
  • FIG. 24 shows a Foveon color
  • FIG. 25 shows a three-plate type.
  • the Foveon system of FIG. 24 has a sensitivity of R, G, B in one pixel.
  • the Foveon color of FIG. 24 and the three-plate type image sensor of FIG. 25 can also increase the measurement speed by a method in which the pixels are not parallel.
  • the Bayer array color method in FIG. 23 is a parallel method, and in such a method, there is a concern about the influence of a change in geometric conditions, the occurrence of a suspicious color, or the like.
  • the imaging optical lens 8 arranged in front of the black and white two-dimensional image sensor 4 also uses a high-definition lens with little peripheral disturbance or dimming, and the angle of view is to suppress disturbance in the peripheral image. In addition, it is preferable to use less than 40 °. Further, by providing a mechanism that can vary at least two or more angles with respect to illumination, it is possible to measure with respect to a plurality of specular reflection sandwich angles (see FIGS. 1, 3, and 4).
  • the spectroscopic means 6 provided immediately before the optical lens 8 includes a plurality of bandpass filters having different transmission wavelength bands according to the measurement wavelength, and sequentially exchanges and images them.
  • a method for obtaining spectral information can be applied.
  • the spectroscopic means 6 when measuring between 400 nm and 700 nm, which is the visible light region, every 10 nm, prepare 31 bandpass filters and repeat imaging at the same position while exchanging them. 31 pieces of spectral information are acquired.
  • the spectroscopic means 6 only has to split the light incident on the two-dimensional image sensor 2, and may be provided either in front of the optical lens 8, in the middle, or immediately before the two-dimensional image sensor 2.
  • a method of illuminating a sample surface with monochromatic light as a technique using a spectroscopic means on the illumination side as shown in FIG.
  • a means for generating monochromatic light a spectral light source device 40 using a reflective diffractive element, a transmissive diffractive element, a prism or the like for white light illumination having sufficient radiant energy for a target wavelength range for obtaining spectral information.
  • a method of exchanging a plurality of interference filters for light incident on the spectroscopic device a method of combining a liquid crystal tunable filter, a bandpass filter such as AOTF, a method of switching a single wavelength illumination light source, and the like.
  • a mechanism is provided in which the illumination position and the light distribution pattern do not change by using or combining a lens, a reflecting mirror, an optical fiber, or the like alone.
  • a two-dimensional monochrome image sensor and a two-dimensional color image sensor are combined.
  • the present invention can be applied to an object that emits fluorescence and can be used as a two-spectral variable angle spectroscopic imaging apparatus.
  • the spectroscopic unit 6 may divide the light incident on the two-dimensional image sensor 2 and may be provided either in front of the optical lens 8, in the middle, or immediately before the two-dimensional image sensor 2.
  • the illumination device 10 measurement is performed using a light source lamp such as a tungsten lamp, a halogen lamp, a xenon lamp, or a white LED equipped with an optical fiber or a light guide mechanism, a light source lamp equipped with a reflecting mirror, a projection lens, or the like. What can illuminate the sample surface 2 and the white reference surface 12 is applied.
  • a light source lamp such as a tungsten lamp, a halogen lamp, a xenon lamp, or a white LED equipped with an optical fiber or a light guide mechanism, a light source lamp equipped with a reflecting mirror, a projection lens, or the like. What can illuminate the sample surface 2 and the white reference surface 12 is applied.
  • a light source lamp such as a tungsten lamp, a halogen lamp, a xenon lamp, or a white LED equipped with an optical fiber or a light guide mechanism, a light source lamp equipped with a reflecting mirror, a projection lens, or the like.
  • a light source lamp such as
  • FIG. 28 is a diagram showing a state in which a plurality of lights are arranged.
  • the plurality of lighting devices 10 are arranged in the zenith angle direction and the azimuth angle direction or the Y-axis direction, and a dot-like or linear illumination pattern from a plurality of angles is not movable. Can be realized.
  • various optical geometric conditions can be realized, and a state in which the spatial distribution of the light source is changed can be created.
  • FIG. 29 it is possible to create a condition for diffuse illumination without shadows by simultaneously lighting a light source at a symmetrical position with respect to an axis (Z axis) in the vertical direction from the center of the sample surface. it can.
  • a measurement window 52 is provided in a rectangular parallelepiped housing 50 and a measurement sample is placed on one surface thereof, and the sample 2 is contacted and fixed from the outside. There is.
  • the measurement window is raised and a large sample is measured, or the measurement window is lowered and the liquid level, viscous sample, cosmetics, etc. are measured in a non-contact manner. Is possible.
  • the measurement window 52 when the measurement window 52 is set upward, it is possible to easily measure a large sample 54 such as a fender or a door. It is also possible to measure by putting powder or liquid in a glass cell.
  • the measurement window when the measurement window is set downward, it is possible to perform measurement in a non-contact manner with respect to the sample 56 such as a liquid, a viscous sample, a powder, or a cosmetic. It is also effective to measure the human body and skin in a non-contact manner. Thereby, measurement without an edge loss error is possible for a semi-transparent human body that is not affected by changes in blood flow due to pressure contact.
  • Calibration corresponds to changes in the measurement environment such as temperature and humidity, power supply instability, light source equipment and optical equipment over time, and is performed immediately after power-on or within a time range of several hours to several days after calibration. Correction is performed so that the measured value always falls within a certain error range.
  • a standard white plate as a reference is prepared (S102).
  • the surface structure is a non-glossy diffusing surface and is uniform over the measurement range. Further, it is desirable that the spectral reflectance coefficient is approximately 80% or more in the measurement wavelength region.
  • a typical example is a barium sulfate powder pressed and hardened.
  • the spectral reflectance coefficient at the wavelength ⁇ is measured in advance with another calibrated spectrophotometer, and the value is stored in the storage device. Let that value be R c ( ⁇ ).
  • This standard white plate is installed in place of the measurement sample, and an image is taken for each measurement wavelength with illumination p, and the result is recorded in the storage device.
  • the value to C ij (p, ⁇ ). (I, j) is the position of the pixel that images the standard white plate.
  • the white reference surface provided at the peripheral edge is simultaneously imaged and recorded. Let that value be W kl (p, ⁇ ).
  • K, l is the position of the pixel that captured the white reference plane.
  • the surface structure of the white reference surface is preferably composed of a non-glossy diffusing surface that does not depend on the angle of light reception or illumination as much as possible, and the spectral reflectance coefficient is preferably approximately 80% or more in the measurement wavelength region.
  • the spectral distribution characteristics of the spectroscopic means 6 and the illumination device 10 vary within the measurement wavelength range. For the purpose of correcting this, the exposure time is optimized for each measurement wavelength. (S103, S104).
  • the calibration is completed (S105, S106).
  • the exposure time is stored in the storage device together with the calibration information, and the sample is measured with the same exposure time as that stored here.
  • a white reference surface 12 is installed in the periphery of the sample surface 2. This constitutes a double beam optical system. As one configuration example, it is installed inside the measurement window. During the calibration, the white calibration plate 3 placed on the white reference surface 12 and the sample part is simultaneously measured, and the calibration coefficient at that time is obtained. Since the two-dimensional image sensor is used, the white reference surface 12 and the sample surface 2 are simultaneously imaged at different parts. The imaging result of the white reference surface 12 is recorded in a storage device.
  • a white calibration plate 3 For calibration, use a standard white diffused surface that has been priced or an alternative white surface that can be referenced. This is referred to as a white calibration plate 3.
  • the white calibration plate 3 and the white reference surface 12 are simultaneously measured to obtain a calibration coefficient C I (x, y, ⁇ ).
  • the subscript I is the type (position) of lighting.
  • the calibration coefficient is obtained for the white calibration plate 2 based on a level setting that takes into account the range of spectral reflectance coefficient assumed in the measurement.
  • the level setting is a setting in which the output count value of the two-dimensional image sensor is made to correspond to the spectral reflectance coefficient of the white calibration plate 3.
  • R W be the spectral reflectance coefficient of a standard white diffusing surface prepared in advance or an alternative white surface that can be referred to.
  • the white calibration plate 3 has a uniform surface and does not change depending on optical geometric conditions and parts.
  • R R be the spectral reflectance coefficient of the white reference surface 12. This reference surface also has a uniform surface and does not change depending on optical geometrical conditions and parts.
  • the maximum value output from the image sensor is L max
  • the level setting value with illumination I for the white calibration plate 3 is L I.
  • the white reference plane measurement values V I, R (x R , y R , ⁇ ) are stored in the storage device. This is used for correction during measurement.
  • the exposure time of the two-dimensional imaging device is varied for each measurement wavelength, the difference in the amount of light from the light source, the difference in the efficiency of the spectroscopic means (difference in transmittance, etc.) and the difference in the spectral sensitivity of the imaging device , To ensure a dynamic range. Furthermore, the dynamic range is expanded by multiplexing times such as short exposure and long exposure. In this case, the level setting is multiplexed, or a white calibration plate having a low reflectance (gray, black, etc.) is prepared and the exposure time is multiplexed. Adjustment of the exposure time during calibration is automatically optimized by computer control based on the distribution state of the measurement count value during calibration. It can also be set manually.
  • the amount of illumination light As a measure for expanding the dynamic range other than the exposure time multiplexing, there is a method of multiplexing the amount of illumination light. In this case, there are multiplexing of the amount of power supplied to the illumination, multiplexing of the number of illuminations, and the like. There are a method for changing the calibration plate and a method for changing the level setting. Further, there is a method of combining the method of multiplexing the exposure time and the method of multiplexing the light quantity of illumination.
  • the sample surface 2 and the white reference surface 12 are simultaneously measured with the exposure time optimized for each wavelength, and the measurement count values of the white reference surface recorded during the calibration are compared and corrected. This is due to fluctuations in the amount of light in the illumination, fluctuations in the spectroscopic means (for example, fluctuations in spectral efficiency due to fluctuations in the transmittance of the filter, etc.) )and so on.
  • Illumination I at the time of calibration and white reference plane measurement values V I, R (x R , y R , ⁇ ) at wavelength ⁇ are stored in a storage device.
  • An example of the calculation method is shown below, but the method for calculating the interpolation of the time correction coefficient on the sample surface is not limited to this, and various means such as two-dimensional spline interpolation can be taken.
  • V I, RM (x R , y R , ⁇ ) be the measured values of the white reference plane during measurement.
  • the time correction coefficient based on the calibration point is
  • the pixel position of the white reference surface is a position that effectively acts on the pixel position (i, j) of the measurement sample surface to be corrected, for example, is drawn parallel to the X axis and the Y axis from the measurement position.
  • the position of the white reference plane that intersects the straight line is obtained by referring to the extrapolated position with respect to the X axis and Y axis, or by performing partial interpolation and averaging.
  • the white reference surface is simultaneously measured at the time of imaging, and is used for correction to absorb fluctuations in illumination light quantity and exposure time fluctuations and errors during the measurement time. For this reason, measurement with higher accuracy and stability is possible.
  • a light trap or standard black plate may be used to correct the spectral reflectance coefficient around zero.
  • the same optical geometric condition there may be a part that can be regarded as the same optical geometric condition.
  • image information under substantially the same optical geometric conditions can be obtained, and can be information for obtaining a distribution in a color space and an image feature amount.
  • the illumination is displaced in the +/ ⁇ direction of the Y axis from the illumination center, or in the +/ ⁇ direction with respect to the Y axis, It is a relationship.
  • the orientation of the glitter material can be measured.
  • ⁇ is calculated from i to i + I th in the X-axis direction and from j to j + J th in the Y-axis direction.
  • the average specular reflection sandwich angle ⁇ (p) for this calculation region is expressed by (Equation 19).
  • Calculate and display parameters such as brightness distribution, color space distribution, spatial distribution for each image position, number of appearance colors, information entropy, image filter, fractal dimension, etc. Is possible. Furthermore, based on the above information, it can be linked to reproduction information in computer graphics.
  • P ( ⁇ ) represents the spectral distribution of illumination light assumed when observing an object, and the range of the wavelength ⁇ to be integrated is the visible light region used for the measurement.
  • R ij (p), G ij (p), B ij (p) Convert to value.
  • a conversion method to sRGB, AdobeRGB, or the like is known according to the standard.
  • the average value can be obtained from (Equation 21) for tristimulus values.
  • X n , Y n , and Z n are tristimulus values when measuring an object having a spectral reflectance coefficient of 100%. Similar to the above-described average calculation of the spectral reflectance coefficient, the average value can be obtained by (Equation 23) regarding the CIELAB value.
  • a method of calculating the number of appearance colors and information entropy can be applied to a method of expressing the distribution of measurement values in the CIELAB color space as a quantitative parameter.
  • the information entropy is H, it is calculated by (Equation 24).
  • P (p, c) is the appearance frequency of the color c in the image picked up by the illumination p.
  • ⁇ L *, ⁇ a *, ⁇ b * are calculated by dividing each side with a cube of a certain size.
  • an image filter a method of performing frequency analysis such as differential value, Fourier transform, wavelet transform, etc.
  • the spectral information of the sample surface is obtained using a planar measurement target and using the change in optical geometric conditions for each pixel.
  • a three-dimensional shape measuring device into the spectroscopic imaging device, it is possible to correct the optical geometric condition from the normal of the curved pixel and realize accurate measurement.
  • the displacement in the Z-axis direction and the normal direction of the sample surface are measured from the three-dimensional shape, and the above-described optical geometric conditions ( ⁇ il , ⁇ il , ⁇ rsv , ⁇ rsv ) are corrected.
  • the position of the sample surface is P (x p , y p )
  • the position of the illumination device is I ( ⁇ i , ⁇ i , D i )
  • the position (focus position) of the light receiving device is R (0, 0, D r ).
  • x, y is the distance in the X-axis direction on the specimen surface, the position of the Y-axis direction, theta is the zenith angle, phi is the azimuth angle of the counterclockwise direction from the X-axis, the D i is the sample surface to the light source, D r is the distance from the sample surface to the imaging device, and the imaging device has an angle of view that can capture the imaging range of the sample surface.
  • the geometric conditions of illumination and light reception at the position P can be expressed by illumination zenith angle, azimuth angle, light reception zenith angle, and azimuth angle. At this time, the illumination position is
  • FIG. 37 is a diagram for explaining calibration coefficient correction.
  • the position I (x i , y i , z i ) on the XYZ orthogonal coordinates of the illumination is the observation position P (x p , y p , 0) on the sample surface.
  • the distance D I from the observation position to the illumination position is
  • the calibration coefficient C is corrected by the following equation.
  • the unit vector of the illumination direction at the point P is (n Ix , n Iy , n Iz ), and the unit vector for the three-dimensional curved surface at the point P is (n Hx , n Hy , n Hz ). Since the unit vector in the vertical direction of the point P is (0, 0, 1), the inner product of this and the unit vector in the illumination direction is n Iz . Therefore, the zenith angle in the illumination direction is
  • the projected area of light per unit area is
  • the correction factor in this case is
  • the method of obtaining the correction coefficient is not limited to this, and various means can be taken.
  • the monochrome two-dimensional image sensor 4 having a Peltier cooling mechanism and an anti-blooming mechanism and having 772 pixels in the X-axis direction and 580 pixels in the Y-axis direction is used.
  • the imaging lens is a single-focus C-mount lens with a focal length of 25 mm, and the angle of view is 22 degrees in the long side direction.
  • a liquid crystal tunable filter is provided immediately before the lens, and spectroscopic measurement can be performed at an interval of 10 nm in the visible light range.
  • the measurement sample surface As the measurement sample surface, 720 pixels in the X-axis direction and 520 pixels in the Y-axis direction in the center of the image were used, and the other peripheral portions were white reference surfaces. Two sets of 10 white LED chips having a projection lens arranged in a straight line were prepared for illumination, and were arranged so as to illuminate from two directions of 20 degrees and 45 degrees from the center vertical direction of the measurement sample surface.
  • a standard white plate which is a standard calibration plate
  • calibration information at each wavelength for illumination at 20 degrees and 45 degrees was measured.
  • the exposure time was optimized for each measurement wavelength, and the exposure time was stored in the storage device together with the calibration information.
  • the measurement sample was set in the measurement site, and the measurement was performed with the same exposure time as at the time of calibration for each wavelength with respect to the illumination at 20 degrees and 45 degrees.
  • sample A coated plate containing aluminum glitter material (product of Toyo Aluminum, Alpate07670NS)
  • sample B coated plate containing coherent glitter material (manufactured by Merck, Xirallic Crystal Silver XT60-10)).
  • spectral reflectance coefficients for all the pixels at 20 degrees and 45 degrees illumination were obtained based on the calibration information. From the spectral reflectance coefficient, tristimulus values XYZ, RGB for image display, and CIELAB color space values were obtained.
  • spectral reflectance coefficients for all the pixels at 20 degrees and 45 degrees illumination were obtained based on the calibration information. From the spectral reflectance coefficient, tristimulus values XYZ, RGB for image display, and CIELAB color space values were obtained.
  • tristimulus values XYZ, RGB for image display, and CIELAB color space values were obtained.
  • the X-axis direction is divided into 8 regions in the 20-degree and 45-degree illuminations, and the measured values of the pixels in each region are averaged in a total of 16 regions, and the wavelength is 10 nm from 400 nm to 700 nm.
  • the result of the measurement of the spectral reflectance coefficient is shown as a single figure.
  • the distribution status, the number of appearance colors, and the information entropy in the CIELAB color space for all pixels at 20 ° and 45 ° illumination were calculated.
  • the number of appearance colors in the image in the CIELAB color space can be used as an index representing the characteristics of the coated plate.
  • a paint color that is generally called a solid color with a paint plate that uses only pigment as a coloring material the measured result is almost the same value in the image, so the number of appearance colors is extremely small, but in the case of a metallic color.
  • the brightness and saturation mainly change depending on the optical geometric conditions, and the number of appearing colors increases.
  • the pearl color including the coherent glitter material changes in the hue direction in addition to the brightness and saturation depending on the optical geometric conditions, and at the same time, the coherent reflected light of the fine glitter material is included. Since various colors appear in the pixel, the number of appearance colors increases. This means that colors are distributed over a wider range than the CIELAB color space. Further, the information entropy is a numerical value representing the amount of information in the image, and can be used as an index representing the characteristics of the coated plate, like the number of appearance colors.
  • the L * a * b * value for each pixel uses the calculation method of JIS Z8729: 2004 based on Equation 7, and the illumination light is the standard illuminant D65 for CIE colorimetry shown in JIS Z8781: 1999, the color matching function was calculated under the condition of a 10 degree visual field. The calculation was performed with an accuracy of two decimal places.
  • the value of * b * was applied to a cube, and the number of cubes including the color of the appearing pixel was defined as the number of appearing colors. This is N.
  • This calculation method is also performed on an image divided into eight.
  • the information entropy E was calculated by (Equation 39).
  • FIG. 10 shows the distribution of the CIELAB color space of sample A.
  • FIG. 11 shows the L * -a * relationship at 20 degrees and 45 degrees illumination, and a * -b * when the L * value is set to 50. Show the relationship.
  • FIG. 13 shows the distribution of the CIELAB color space of sample B.
  • FIG. 14 shows the L * -a * relationship at 20 degrees and 45 degrees illumination, and the a * ⁇ when the L * value is set to 50. Shows b * relationship.
  • each image of 20 degree and 45 degree illumination was divided into 8 areas in the X-axis direction, and the distribution situation in the CIELAB color space was shown for each area.
  • FIG. 12 shows the L * -a * relationship of the eight regions in the 20-degree and 45-degree illuminations in Sample A, and the a * -b * relationship when the L * value is set to 50, in FIG.
  • the L * -a * relationship and the a * -b * relationship when the value of L * is set to 50 are shown for the eight regions in the sample B at 20 degrees and 45 degrees illumination.
  • the interference glitter material of sample A includes interference reflection of glitter colors, so that the distribution situation in the CIELAB color space is wide. The difference between the two is characteristically expressed.
  • the white reference surface 12 is provided around the measurement sample surface 2, but the white reference surface 12 is not provided, and the measurement may be performed using only the measurement sample surface 2. Further, in the present embodiment, a white light source is used as the illumination device 10, but a light source that has a spectral function in the illumination device and can emit light of a single wavelength may be used.
  • the spectral information of the sample surface is obtained using a change in the optical geometric condition for each pixel, but when the measurement object surface is a curved surface,
  • the optical geometric condition can be accurately corrected from the normal line of the curved pixel.
  • a black and white two-dimensional image sensor 4 a liquid crystal tunable filter as the spectroscopic means 6, and a lighting device 10 having two sets of white LED chips arranged in a straight line are provided as in the first embodiment.
  • the lattice image 11 is projected onto the measurement surface by a laser projector 9 (SHOWWX, manufactured by Microvision, USA). The shape is obtained from the displacement of the lattice image 11 obtained by the monochrome two-dimensional image sensor 4.
  • a standard white plate having sufficient flatness which is a standard calibration plate, was set at the measurement site, and calibration information at each wavelength for illumination at 20 degrees and 45 degrees was measured.
  • a lattice image was projected by a laser projector 9 for measuring a three-dimensional shape, imaged by a black and white two-dimensional image sensor 4, and the position of the lattice image 11 was digitized and stored as reference plane data.
  • the measurement sample is irradiated with the lattice image 11 by the laser projector 9, the lattice image is acquired by the monochrome two-dimensional image sensor 4, and the position information of the lattice image 11 on the reference plane which is measured and stored in advance is obtained. Used to calculate 3D shape data from trigonometry.
  • the optical geometric condition can be accurately corrected.
  • the normal vector is calculated from the three-dimensional shape, and the specular reflection angle is recalculated after correcting the regular reflection direction of the illumination. Measurement that is not affected by the shape of the sensor.
  • the solid surface is measured as an object to be measured, but it is possible to measure the liquid level, liquid, powder, etc. in a non-contact manner even if it is not a solid object.

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Abstract

　測定サンプル面２に対して、２つ以上の角度方向から照明光を照射する照明装置１０と、結像用の光学レンズ８と、白黒２次元画像センサー４を備える。これにより、測定波長毎に測定サンプル面２の２次元画像を撮像して、該２次元画像の全ての画素において、画素毎に変角、分光情報を短時間で正確に計測する方法及び装置を提供し、具体的には、より正確で実用性の高い変角分光イメージング測定方法及びその装置を実現する。

Description

変角分光イメージング測定方法およびその装置
　本発明は、物体表面の色彩を計測する塗料、塗装、繊維、印刷、プラスチック等、全ての分野に関連し、計測評価、及びそれに基づく製造に供される変角分光イメージング測定方法およびその装置に関する。
　近年の工業生産物は、意匠性が極めて重要な付加価値の一つである。この為多様な質感や表面構造を持つ製品が多い。例えば、自動車の外装塗料には多種多様の光輝材が含まれているため、その表面は極めて微小な光輝性の反射や粒状のテクスチャを持っている。更に光輝材や顔料、その他の材料の組み合わせ、塗装の層構造、照明と観察方向の幾何条件の変化により、色彩は大きく変化する。特に近年は、干渉性光輝材の登場により、色彩やテクスチャはさらに多様な変化を示している。また、自動車外装塗装に限らず、内装材、家具、建築物、家電製品、電子機器、化粧品、パッケージ等のその他の製品においても、光輝材含有の有無に拘わらず、表面構造は複雑化している。また、自動車外装塗装と同様にテクスチャと光学幾何条件により、その色彩やテクスチャは多様に変化する。更に塗装製品のみならず、木材製品や繊維製品も同様に、光学幾何条件による色彩変化とテクスチャを備えている。また、工業製品のみならず、皮膚や整体物についても光学幾何条件による色彩変化とテクスチャを備えている。
　また、デザインや材料の商品開発、製造・品質管理、広告等の市場展開には、経験者による高度な視覚判断が欠かせないことから、多くの時間と人的資源を要し、多大なエネルギーや労力などを費やす必要があった。従ってこれらの表面色を正確に計測・評価する方法の確立、ＣＧ等の画像を正確に表現する手段が求められているところである。
　この為に、変角で画像色彩情報を簡易な操作方法で短時間かつ正確・安定的に計測する物理的手段と評価方法の確立が望まれている。なお、色彩計測は、正確性及び広範囲な色彩を計測できる点から、特に干渉性光輝材を含む物体色については分光計測が重要となる。
　特許文献１には、分光情報を得るにあたり、プリズムや回折格子の分光光を用いることによって、画像の部位によって異なる分光情報を得る技術が開示されている。
　また、特許文献２には、回転式照明光源とマルチスペクトルカメラとを有する変角分光イメージング装置に関する技術が開示されている。
　さらに特許文献３には、照明光源の時間変動を補正するために、試料面の周縁部全体に白色参照面を設ける技術が開示されている。
　特許文献４には、変角分光測定を行う際に、１列に並んだ異なる色の光を発光することのできる複数の単色ＬＥＤを備えた照明装置を用いて試料面への照射を行って撮像を行う技術が開示されている。
　特許文献５には、紫外線照明光下における被写体の第１のスペクトルと可視光照明光下における被写体の第２のスペクトルを測定する分光計を有する分光測定システムに関する技術が開示されている。
　特許文献６には、試料の分光特性を測定して、演算を行う色彩測定装置に関する技術が開示されている。
特許第３９３３５８１号公報 特開２００５－１８１０３８号公報 特公昭６０－０４１７３１号公報 特開２００４－２２６２６２号公報 特開２００３－３３７０６７号公報 特開２００７－３３３７２６号公報
　特許文献１に開示されている技術は、画像の部位によって異なる分光情報を得る方法を示しているが、分光情報は画素毎に異なっているにすぎず、全ての画素で画素毎に波長等を異ならせた分光情報を取得することができない。また、測定中の光量変動や露光時間の変動などの補正手段を構築しておらず、塗料製造や、塗装による製品製造において実用性を満たす高精度な計測は難しい。さらに、照明装置が４０度より大きい角度位置からの１か所からの照明であるため、記録装置の画角を広く取らなければならず、記録装置に通常用いられている結像レンズの周辺部における歪曲が生じていた。
　特許文献２に開示されている技術は、照明光源とマルチスペクトルカメラとを有する変角分光イメージング装置ではあるが、照明光源は１か所からの照明又は１つの照明を回転駆動させるものや、試料が回転するものが示されており、正確な測定が困難であったり、回転駆動するための機構が必要となり、機構が複雑化するという問題点があった。
　特許文献３に開示されている技術は、測定物体の反射光と背景光に光源からの光を照射して、受光器において受光した後に両者の相対的比較を行うのみであり、照射後の光を撮像して分光情報を取得するものではない。
　特許文献４に開示されている技術は、固定された２つの照明装置によって照明を行って測定を行っているが、照明装置が、異なる色の光を発行する単色ＬＥＤを一列に並べ、それぞれ独立して点灯、消灯を切り換えるものであるため、発光するＬＥＤによって、測定物に対する角度が異なり、撮像素子で得られる情報も異なってくるという問題点がある。
　特許文献５に開示されている技術は、複数の異なる分光エネルギー分布を有する発光部を備えているが、それぞれの発光部は別々に備えられているため、発光する発光部によって測定物に対する角度が異なり、分光計で得られる情報も異なってくるという問題点がある。
　特許文献６に開示されている技術は、光度計によって得られる情報をもとに、画像計算を行っている程度にすぎない。
　複雑な構造発色を含む光輝材の特徴や評価情報を得る為には，広色域で照明と観察方向に基づく光学幾何条件が可変できる変角計測が可能な画像計測が必要であり有効である。また、計測された分光イメージング情報については、その特徴を数値化する為の画像解析計算が必要となる。
　しかし、このような装置は実用化されておらず、既存の方法では、情報量が極端に少ないか、データの計測に非常に時間を要するとともに、装置とあいまった有効な画像解析計算の手段が必要となる。また、近年の自動車塗料には、特殊な干渉性光輝材が多用されるようになっており、非常に微細で高輝度、かつ色の表現域が広い光輝性の反射色が含まれていることが特徴である。これらの塗色に対し、変角情報を有効に利用し、また特徴を評価する正確な画像解析計算を行う為には、画像全般にわたり高精細・高精度で高ダイナミックレンジ、広色域の計測が必要である。
　そこで、本発明の目的は、前記背景技術で説明した従来技術の問題点に鑑みて、物体表面の画素毎の変角、分光等の情報を短時間に効率的に計測する方法および装置を提供することであり、より具体的には、より正確で実用性の高い変角分光イメージング測定方法およびその装置を実現することにある。
　また、３次元形状の試料面に対して、光学幾何条件の変化を補正する変角分光イメージング測定方法およびその装置を実現することにある。
　複雑な構造発色を含む光輝材の特徴や評価情報を得る為には，広色域で照明と観察方向に基づく光学幾何条件が可変できる変角計測が可能な画像計測が必要であり有効である。
　そこで、本発明では、その解決方法として試料面に対し垂直方向に撮像可能な２次元画像センサーを配し、試料面に対し垂直方向からある角度を持った照明装置を組み合わせ、２つ以上の角度方向からの照明光の照射によって、画像内Ｘ軸、Ｙ軸方向の画素毎の光学幾何条件の変化を利用し、変角分光イメージング情報を計測する。
　分光計測には、２次元画像センサーと試料面との間の位置に定波長毎に透過波長帯を持つバンドパスフィルターや透過波長帯を可変できる液晶チューナブルフィルター、音響光学素子などを備えた、白色光照明・分光受光方法を用いる。あるいは照明光に測定波長毎の単色光を出力できる分光光源装置を備えた、分光照明方法を用いる。あるいは、分光受光と分光照明を組み合わせた方法を用いることで、蛍光色の測定にも対応する。
　測定した画素毎の分光データは、例えばＣＩＥの三刺激値やＣＩＥＬＡＢ値、ＲＧＢ値、マンセル表色値等の色彩数値に変換した後に、光学幾何条件に基づくＬＡＢ空間上の分布の３次元構造や空間周波数解析、情報エントロピーなどの数値を用いて、物体表面の特徴を比較・評価する数値計算手段に供する。
　また、変角分光イメージング装置に３次元形状測定手段を組み込むことによって、試料面の３次元形状情報を用いて試料面の法線方向を求め、光学幾何条件の変化及び変位や傾きの違いによる単位面積当たりの光の照射エネルギーを補正する。
　本発明により、物体表面の画素毎の変角、分光等の情報を短時間に効率的に計測する方法および装置を提供することであり、より具体的には、より正確で実用性の高い変角分光イメージング測定方法およびその装置を実現できる。また、２つ以上からの角度方向からの照明光の照射を用いることによって、結像用のレンズの画角範囲を小さくすることができるため、レンズ周辺部における歪曲を軽減することができ、分光計測による正確かつ広範囲な色情報の計測が可能となる。また、多様でかつ連続的な光学幾何条件を一度に計測することで、短時間で高い空間分解能が実現可能となる。さらに、画像で分光情報を得ているので、微細な光輝性反射を捉えることが可能となる。また、画像を部分的に平均化したり、光学幾何条件ごとにしたり、色空間上の分布情報やデータ処理の柔軟な活用が、変角情報と併せて可能となる。さらに、３次元形状測定手段を組み込むことによって、試料面の３次元形状情報を測定して、試料面の光学幾何条件の変化及び変位や傾きの違いによる単位面積当たりの光の照射エネルギーを補正することができる。また、皮膚や生体物を計測することで、医療面や化粧品などの研究開発に寄与できる可能性もある。
本発明の概略構成を説明する図である。 本発明の光学幾何条件を説明する図である。 ライン状の照明装置を用いる実施形態を説明する図である。 スポット状の照明装置を用いる実施形態を説明する図である。 本発明の校正手順を説明するフローチャートである。 本発明の測定手順を説明するフローチャートである。 照明装置を２０度の角度に設定した際の、Ｌ＊の分布を示したグラフである。 照明装置を４５度の角度に設定した際の、Ｌ＊の分布を示したグラフである。 本発明において、波長と鏡面反射挟角を変化させた際の分光反射率係数の変化を表した図である。 サンプルＡのＣＩＥＬＡＢ色空間における各画素の分布を表した図である。 サンプルＡの、ＣＩＥＬＡＢ色空間における各画素の分布を表した図であって、照明装置を２０度及び４５度に設定した際の、Ｌ＊－ａ＊関係、及び、Ｌ＊の値を５０にしたときの、ａ＊－ｂ＊関係を表した図である。 サンプルＡの、鏡面反射挟角に対して画像を８つの領域に分割した、ＣＩＥＬＡＢ色空間における各画素の分布を表した図であって、照明装置を２０度及び４５度に設定した際の、各領域におけるＬ＊－ａ＊関係、及び、Ｌ＊の値を５０にしたときの、ａ＊－ｂ＊関係を表した図である。 サンプルＢの、ＣＩＥＬＡＢ色空間における各画素の分布を表した図である。 サンプルＢの、ＣＩＥＬＡＢ色空間における各画素の分布を表した図であって、照明装置を２０度及び４５度に設定した際の、Ｌ＊－ａ＊関係、及び、Ｌ＊の値を５０にしたときの、ａ＊－ｂ＊関係を表した図である。 サンプルＢの、鏡面反射挟角に対して画像を８つの領域に分割した、ＣＩＥＬＡＢ色空間における各画素の分布を表した図であって、照明装置を２０度及び４５度に設定した際の、各領域におけるＬ＊－ａ＊関係、及び、Ｌ＊の値を５０にしたときの、ａ＊－ｂ＊関係を表した図である。 本発明に３次元形状測定手段を組み込んだ他の実施例を説明する図である。 光源が点光源の場合の分光情報を得る手段を説明する図である。 光源が線光源の場合の分光情報を得る手段を説明する図である。 光輝材の配向による幾何条件の変化に伴う、計測値の変化を示す図である。 干渉性光輝材の計測例を示した図である。 L*＝15でのL*-a*及びa*-b*面での分布を示した図である。 白黒の２次元画像センサーを示した図である。 ベイヤー配列の２次元画像センサーを示した図である。 Foveon２次元画像センサーを示した図である。 ３板式の２次元画像センサーを示した図である。 照明側に分光手段を用いた例を示した図である。 照明側と受光側に分光手段を用いた例を示した図である。 複数個の照明装置を配置した状態を示した図である。 試料面の中心から垂直方向の軸に対して対称位置にある光源を同時点灯した状態を示した図である。 計測装置の構成例を示した図である。 フェンダーやドア等の大型試料を計測する例を示した図である。 液体試料等を計測する例を示した図である。 校正係数を説明するためのレベル毎の出現頻度を示した図である。 線状の光源を用いたときの測定値が同じと見なせる位置を示した図である。 点光源を用いたときの測定値が同じと見なせる位置を示した図である。 ３次元曲面計測を説明するための図である。 校正係数の補正を説明するための図である。
　以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（測定機構について）
　図１は本発明の概略構成を説明する図である。本発明の変角分光イメージング装置の実施形態は、平面状の測定サンプル面２の垂直方向に設置された白黒階調の画像を取得する白黒２次元画像センサー４、画像を白黒２次元画像センサー上に結像させる光学レンズ８、測定サンプル面２と光学レンズ８の間の所定位置に設置された液晶チューナブルフィルターなどの透過波長帯域を可変できる分光手段６、計測波長域で測定に必要なエネルギーを持つ照明装置１０を備える。本発明の一実施形態では、測定サンプル面２の周縁部に測定サンプル面と平行に設置した白色参照面１２を設けたものから構成される。白色参照面は撮像時に同時に写しこまれ、これにより計測時間中の照明の光量変動や撮像素子の露出時間の変動や誤差を吸収する為の補正に供される。
（光学幾何条件について）
　以下、画像と照明と受光・観察の光学幾何条件について説明する。図２は本発明の光学幾何条件を説明する図である。照明装置１０から照射される光は、測定サンプル面２及び白色参照面１２を照射する。白黒２次元画像センサー４と光学レンズ８は、測定サンプル面２と白色参照面１２を同時に画像の中に収められるように配置される。なお、本図面では分光手段６の記載を省略している。
　照明装置１０から照射される光は、測定サンプル面２と白色参照面１２を照射するが、照射方向は照射形状に依存して、測定サンプル面２，白色参照面１２の垂直方向に対し、測定サンプル面２，白色参照面１２の位置毎に異なる。正反射方向は照射方向と反対の鏡面方向の関係にある。測定サンプル面２と白色参照面１２を撮像する白黒２次元画像センサー４の各画素が受光する方向は、画素毎に異なり、その単位ベクトル１８をＰijとする。ｉ，ｊは、画像のＸ軸、Ｙ軸方向の画素である。つまり、（ｉ，ｊ）は２次元画像上の各画素の座標を意味する。
　画像上の照明方向の単位ベクトル２０をＩijとし、それに対する鏡面反射方向の単位ベクトル１６をＳijとする。照明の鏡面反射方向に対する受光方向の単位ベクトル１８の角度を一般にａ－ｓｐｅｃｕｌａ角１４（以下「鏡面反射挟角」という。）と呼び、自動車の外装塗色に用いられるメタリック色やパール色はこの角度に依存して色彩（明度、彩度、色彩）が変化する。画像上の各画素に於ける鏡面反射挟角をδijとすると、（数１）で表される。なお、図２では、理解し易いように、白黒２次元画像センサー４の各画素（ｉ，ｊ）１９に対応する測定サンプル面２あるいは白色参照面１２の各位置として説明している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｐij・ＳijはＰijとＳijの内積を表す。
　図２から明らかなように、白黒２次元画像センサー４の画素中の鏡面反射挟角δijは、ｉ，ｊ毎に異なり、変角の情報を持つことになる。
　図２に基づいて、詳細な鏡面反射挟角の計算方法を説明する。点Ｐに対する幾何条件として、θilを照明の天頂角，φilをＸ軸を基準として反時計方向の照明の方位角，θrsvを受光の天頂角，φrsvをＸ軸を基準として反時計方向の受光の方位角とする。後述の計算によって幾何条件（θil，φil，θrsv，φrsv）が求められていたとして、照明方向に対する正反射方向の単位ベクトルを(nxa，nya，nza)、受光方向の単位ベクトルを(nxr，nyr，nzr)とすると、正反射の角度は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　従って、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　一方、受光角の場合、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　内積から角度を逆計算すると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　このδijは、光輝材の光学的特徴を捉える上で、代表的な角度条件となる。δijが同一となる領域で、色空間分布を計算したり、画像から統計的なパラメータを計算することが有用である。
　照明装置１０の形状は、図３に示されるようにライン状（ライン状の光源）、あるいは図４に示されるようにスポット状（点光源）等のものが適用される。光学レンズ８と分光手段６は、それぞれの機能を果たすことができれば、配置の順序を入れ換えてもよい。ライン状の照明形状の場合は、設置の方向によって、画像のＸ軸あるいはＹ軸のいずれかの方向に対して変角の情報を持つことになる。また、スポット状の照明形状の場合、画像のＸ軸方向、Ｙ軸方向の両者に対して照明と受光の角度が変わり、両方の方向に対して変角の情報を持つことになる。
　ここで、測定サンプル面２は２次元の広がりがあるため、測定サンプル面２及び白色参照面１２の位置ごとに、鏡面反射挟角は異なる。図７は、照明装置を２０度に設定したときの計測画像から得られたＬ＊の分布、図８は、照明装置を４５度に設定したときの計測画像から得られたＬ＊の分布を示している。
　次に、試料面に対して点状又は線状の照明光源装置により反射された反射光を、試料面上の位置による光学幾何条件の変化を利用して分光情報を得る手段について、さらに詳細に説明する。
　図１７は光源が点光源の場合を示している。試料面の位置をＰXY(xp，yp)、照明の位置をＩ(θi，φi，Di)、受光の位置（焦点位置）をＲ(0，0，Dr)とする。ここでx，yは、試料面上のX軸方向、Y軸方向の位置、θは天頂角、φはX軸から反時計方向の方位角、Diは試料面の座標原点から光源までの距離、Drは試料面の座標原点から撮像装置までの距離であり、撮像装置は試料面の撮影範囲を捉える事の出来る画角を持つものとする。位置Ｐにおける照明と受光の幾何条件は、照明の天頂角、方位角、受光の天頂角、方位角で表現できる。このとき、照明位置は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 となる。
　また、点Ｐに対するxy平面上の照明の相対座標位置は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 となり、点Ｐに対するxy平面上の受光の相対座標位置は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 となる。
このとき、幾何条件（θil，φil，θrsv，φrsv）は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 となる。
　図１８は光源が線状の場合を示している。光源をＹ軸方向に平行に設置したとすると、Y軸に対しては均一な照明となり、その場合の光学幾何条件は、試料面の位置をＰ(xp)、照明の位置をＩ(θi，Di)、受光の位置（焦点位置）をＲ(0，Dr)とする。ここでxは、試料面上のX軸方向、Y軸方向の位置、θは天頂角、Diは座標原点から照明までの距離、Drは座標原点から撮像装置までの距離であり、撮像装置は試料面の撮影範囲を捉える事の出来る画角を持つものとする。位置Ｐにおける照明と受光の幾何条件は、照明の天頂角、方位角、受光の天頂角、方位角で表現できる。このとき、照明位置は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 となる。
　また、点Ｐに対するxy平面上の照明の相対座標位置は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 となり、点Ｐに対するxy平面上の受光の相対座標位置は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 となる。
　このとき、幾何条件（θil，θrsv）は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 となる。
　図１９には、光輝材の配向による幾何条件の変化に伴う、計測値の変化が示されている。光輝材は表面に正反射を含む光輝性の反射特性を持っており、正反射方向に強く反射する指向反射特性を示す。これは正反射方向に極めて強く反射するため、正反射方向から観察位置が離れるに従い、その反射光量は急激に低下する。光輝材の大きさは数μｍから数十μｍが通常であるが、１００μｍを超える場合もある。これは、スプレー塗装により形成された塗膜層の中で、揺らぎをもって配光しているためである。
　分光計測手段として、波長毎に光学幾何条件が僅かでも変動した場合、この正反射付近では、大きな反射光量の変動に繋がり、正確な光輝性反射の計測を行う事が出来なくなることがあり、色空間上の分布も大きく異なることがある。例を挙げると、アルミニウムのフレークにより形成された光輝材では、本来、シルバー色で波長毎に略、一定の反射率係数であるにもかかわらず、波長毎に光学幾何条件が異なれば、波長毎の分光反射率係数が異なることになり、これによる疑色を発生することになる。干渉性光輝材の場合は、光学幾何条件が異なれば干渉条件も変わり、分光反射率係数や色彩値にも多大な影響を及ぼすこととなる。
　計測に用いられる分光手段は、測定対象に対し適切な波長分解能を有する事が必要となる。近年、光輝材には干渉性光輝材が用いられる事が多く、反射率の形が先鋭で単波長の色である純色に近い反射特性を持っている。この為、光輝性反射を計測すると、色空間の中で、広い範囲に分布する為、色域の限られたRGB方式等の計測方法では、範囲が狭く、正確な計測ができない。図２０は干渉性光輝材の計測例を示している。この計測例では、独国 Merck社の商品名Xirallic Crystal Silverの結果を示した。四角で囲まれた小領域での光輝性の反射を表示すると、波長に対し先鋭で幅の狭い形状の分光反射率係数が計測される。また物体色の限界領域を示す最明色の領域と分布を比較した。図２１には、計測された分光反射率係数から、人工照明D65で観察視野10°の条件でCIELAB色空間の値計算し、L*＝15でのL*-a*及びa*-b*面での分布を最明色の領域と共に示した。計測結果は最明色近辺まで分布していることを示しており、広い領域を計測するに足る波長分解能で計測する必要がある。
（撮像用の２次元画像センサーについて）
　以下、撮像用の２次元画像センサーについて説明する。
　近年の自動車塗料には、特殊な干渉性光輝材が多用されるようになっており、非常に微細で高輝度、かつ色の表現域が広い光輝性の反射色が含まれている。これらの塗色に対しては、変角情報を有効に利用し、また特徴を評価する正確な画像解析計算を行う為には、画像全般にわたり高精細・高精度で高ダイナミックレンジ、広色域の計測が必要である。この為、本発明の実施形態では画像センサーに白黒の２次元画像センサー４を用いることで、モアレ画像の発生を抑え、かつ撮像の前段階に分光手段を備えることで、広色域の分光情報を全画素に対して得る機構を実現した。
　２次元画像センサー４は、良好な光輝性の反射色を高精度にとらえる為、アンチブルーミング機構を備え、かつＣＣＤ撮像センサーの場合、ペルチェ素子や水冷、空冷、あるいはこれらを併用する冷却機構によって、長時間の露出でもノイズの発生が抑えられる手段を備えていることが望ましい。ダイナミックレンジも８ｂｉｔ以上、望ましくは１６ｂｉｔ以上の出力分解能を備えたものを用いる。更に素子には、アンチブルーミングの機構を備えていることが望ましい。
　２次元画像センサー４は、微小領域での計測に疑色やモアレの発生を抑える為に、カラーRGB素子の並列配列が無い方法が望ましい。モノクロセンサーの場合、この心配が無い。また、RGBを計測可能であるが、並列配列に依存しない素子もあり、これも、疑色が発生せず、本発明が特に対象としている光輝材の微小反射に対する計測に有効である。並列配列に依存しない、RGB撮像素子には、３板式のものや、Foveonセンサーがある。
　図２２～２５は２次元画像センサーの種類を示している。ここで、図２２は白黒、図２３はベイヤー配列カラー、図２４はFoveonカラー、図２５は３板式を示している。図２４のFoveon方式のものは、一つのピクセルで、R,G,Bの感度を有する。図２２の白黒の２次元画像センサーを用いた場合が、最も効率よく、高い感度で計測する事が可能である。図２４のFoveonカラー、図２５の３板式の画像センサーもピクセルが並列ではない方法で、計測の高速化を図ることが可能となる。一方、図２３のベイヤー配列カラー方式は、並列方式であり、このような方法では、幾何条件の変化や疑色の発生などの影響が懸念される。
（光学レンズについて）
　白黒２次元画像センサー４の前に配置された結像用の光学レンズ８も高精細で周辺部の乱れや減光が少ないものを用い、画角については、周辺部の画像の乱れを抑えるために、４０°よりも少ないものを用いることが好ましい。また、照明については少なくとも２以上の角度について可変できる機構を備えることで、複数の角度の鏡面反射挟角に対して計測を可能とすることができる（図１，図３，図４参照）。
（分光イメージングについて）
　以下、全撮像画素に対して分光情報を得る分光イメージングについて説明する。
　光学レンズ８の直前に備える分光手段６としては、図１に示されたように、測定波長に応じて透過波長帯域が異なる複数のバンドパスフィルターを備え、これを逐次交換し撮像することで、分光情報を得る方法が適用できる。この場合、可視光領域である４００ｎｍから７００ｎｍの間を１０ｎｍ毎に計測する場合は、３１枚のバンドパスフィルターを用意し、これを交換しつつ同位置の撮像を繰り返すことで、全画素に対して３１個の分光情報を取得する。
　ここで、分光手段６は２次元画像センサー２に入射する光を分光すればよく、光学レンズ８の前、中間部、２次元画像センサー２の直前のいずれに備えられてもよい。
　その他の手段として、図２６に示されたように照明側に分光手段を用いる手法として、試料面に単色光を照明する方法がある。単色光を生成する手段としては、分光情報を得る目的の波長範囲に対して十分な放射エネルギーを持つ白色光照明に、反射型回折素子、透過型回折素子、プリズム等を用いた分光光源装置４０や、分光装置に入射する光を複数の干渉フィルターを交換する方法や液晶チューナブルフィルター、ＡＯＴＦ等のバンドパスフィルターを組合せる方法、単波長の照明光源を切り替える方法等があり、かつ、分光により波長を可変しているときに、レンズや反射鏡、光ファイバー等を単独で用いたり、組み合わせることによって、照明位置や配光パターンが変化しない機構を備える。受光には２次元モノクロ撮像素子、２次元カラー撮像素子を組み合わせる。
　さらに、図２７に示されたように、照明側と受光側の双方に分光手段を用いる手段もある。これにより蛍光発光を行う対象に適用し、２分光方式の変角分光イメージング装置として用いる事ができる。この場合においても、分光手段６は２次元画像センサー２に入射する光を分光すればよく、光学レンズ８の前、中間部、２次元画像センサー２の直前のいずれに備えられてもよい。
（照明装置について）
　照明装置１０に関しては、タングステンランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、白色ＬＥＤ等の光源ランプを光ファイバーやライトガイドの機構を備えたもの、光源ランプに反射鏡、投影レンズ等を備えたもの等で、測定サンプル面２と白色参照面１２を照明することができるものが適用される。ここで、照明装置１０が温度変化により配光パターンや分光分布が異なる場合には、ペルチェ、水冷、空冷等、あるいはこれらの手段を併用した的確な冷却機構を備えていることが望ましい。
　次に、照明装置の具体的な構成について説明する。図２８は、複数個の照明を配置した状態を示した図である。図２８に示されているように、複数個の照明装置１０は、天頂角度方向及び方位角方向又はＹ軸方向に配置し、複数の角度からの点状又は線状の照明パターンを可動部材なしに実現することができる。
　さらに、照明を組み合わせて同時に点灯することで、多様な光学幾何条件が実現でき、光源の空間分布を変えた状態を作ることができる。また、図２９に示されたように、試料面の中心から垂直方向の軸（Ｚ軸）に対して対称位置にある光源を同時点灯することで、無影で拡散照明の条件を作ることができる。
　このように、同一試料に対し点灯のパターンを変えた状態を複数計測する事で、多彩な情報をシミュレーション計算で求めることができ、計測時間、計測回数の短縮を図ることができる。
　また、複数個の光源を同時に点灯する事で十分な光量を確保し、低反射率の測定対象でも、高精度、かつ短時間、高速に計測することができる。
（装置の構成について）
　計測装置の構成例として、図３０に示されているように、直方体の筐体５０に納められ、その一面に測定試料を設置する測定窓５２を備え、外側から試料２を接触させ固定する方法がある。ここで、筐体５０の方向を変えることで、測定窓を上方にし、大型の試料を測定したり、測定窓を下方にし、液面や粘性試料、化粧品等を非接触で計測したりする事を可能とする。
　図３１に示されているように、測定窓５２を上方に設定した場合、フェンダーやドア等の大型試料５４に対しても容易に計測する事が可能となる。また、紛体や液体をガラスセルに入れて計測する事も可能である。
　逆に、図３２に示されているように、測定窓を下方に設定した場合、液体や粘性試料、紛体、化粧品等の試料５６に対して非接触に計測する事が可能となる。また、非接触に人体や皮膚を計測することも効果的である。これにより、圧接による血流の変化の影響を受けない、半透明体の人体に対してエッジロスエラーのない計測が可能となる。
（機器の校正方法について）
　以下、実際の測定を行う前に行われる、機器の校正方法、及び、その後の測定方法、画像解析計算について、図５及び図６に基づいて説明する。最初に、図５に基づいて機器の校正方法について説明する。
　安定した計測を行う為には、校正手段を確立することが重要である。校正は、気温や湿度といった測定環境の変化、電源の不安定性、光源装置や光学機器の経時変化に対応するもので、電源投入直後や、校正後数時間～数日の時間範囲で実施し、計測値が常にある誤差範囲に収まるように補正を行うものである。
　まず、基準となる標準白色板を用意する（Ｓ１０２）。表面構造は光沢の無い拡散面であり測定範囲で均一である。また分光反射率係数も測定波長領域で概ね８０％以上あることが望ましい。代表的なものには、硫酸バリウムの粉末をプレスして固めたものなどがある。標準白色板は予め、別の校正済の分光光度計により波長λに於ける分光反射率係数を計測しておき、値を記憶装置に保存しておく。その値をＲc（λ）とする。測定サンプルの代わりに、この標準白色板を設置し、照明ｐにて測定波長毎に撮像し、その結果を記憶装置内に記録する。その値をＣij（ｐ，λ）とする。（ｉ，ｊ）は標準白色板を撮像した画素の位置である。
　その際に同時に周縁部に備えられた白色参照面も同時に撮像、記録される。その値をＷkl（ｐ，λ）とする。（ｋ，ｌ）は白色参照面を撮像した画素の位置である。白色参照面の表面構造は、受光や照明の角度にできるだけ依存しない、光沢の無い拡散面で構成されることが望ましく、また分光反射率係数も測定波長領域で概ね８０％以上あることが望ましい。校正情報を計測する際には、分光手段６や、照明装置１０の分光分布の特性に測定波長範囲内でばらつきがある為、これを補正する目的で、計測波長毎に露光時間を適性化してもよい（Ｓ１０３，Ｓ１０４）。これらを複数の照明、異なる波長において完了すれば校正は終了する（Ｓ１０５，Ｓ１０６）。この際には校正情報とともに露光時間も記憶装置に保存し、サンプルの測定の際には、ここで保存されたものと同じ露光時間で計測する。白色参照面の撮像結果の値を用いることによって、電源の不安定性、光源装置の光学機器の経時変化による、測定面の場所によるばらつきを補正することができ、露光時間を制御することによって、測定波長毎に異なる光源の分光分布、分光手段の分光特性、撮像素子の分光感度を一定化してダイナミックレンジを確保することができる。
　校正方法について、図２に基づいてさらに詳細に説明する。
　試料面２の周辺部には、白色参照面１２を設置する。これにより、ダブルビーム光学系を構成する。構成例の一つとして、測定窓の内側に設置される。校正中に白色参照面１２と試料部位に置かれた白色校正板３を同時に計測して、その時点での校正係数を求める。２次元撮像素子を用いているので、白色参照面１２と試料面２を同時に別の部位で撮像する。白色参照面１２の撮像結果は記憶装置にて値を記録しておく。
　校正には値付けされた標準白色拡散面、あるいはこれを参照できる代替の白色面を用いる。これを白色校正板３と称する。校正中は、この白色校正板３と白色参照面１２を同時に計測し、校正係数CI(x,y,λ)を求める。添え字のIは照明の種類（位置）である。校正係数は、白色校正板２に対して、計測で想定される分光反射率係数の範囲を考慮したレベル設定に基づき求められる。
　レベル設定とは、白色校正板３の分光反射率係数に対し、2次元撮像素子の出力カウント値を対応させる設定である。例えば、16bit出力が可能な撮像素子に対して白色校正板の分光反射率係数が90%であった場合、これを出力カウント値30000に対応させた場合、計測可能な分光反射率係数の最大値は、90×65535／30000＝196.6%である。
　校正係数の計算について、図３３に基づいて説明する。
（１）予め、準備された標準白色拡散面、あるいはこれを参照できる代替の白色面の分光反射率係数をRWとする。この白色校正板３は、均一な表面を持ち、光学幾何条件や部位によって変化しない。
（２）同様に白色参照面１２の分光反射率係数をRRとする。この参照面も均一な表面を持ち、光学幾何条件や部位によって変化しない。
（３）撮像素子から出力される値の最大値をLmax、白色校正板３に対する照明Iでのレベル設定の値をLIとする。（0＜LI＜Lmax）
（４）撮像素子からの照明I、波長λにおける出力値VI(x，y，λ)の出現分布がLIの位置が略頂点となるように、露出時間や光量を調整する。（後述）
（５）白色校正板３と白色参照面１２を同時に計測する。この時の白色校正板計測値を
VI,W (xW，yW，λ)、白色参照面計測値をVI, R (xR，yR，λ)とする。ここで、(xW，yW)≠(xR，yR)である。白色参照面計測値VI, R (xR，yR，λ)は記憶装置に保存しておく。これは、測定中に補正用に利用する。
（６）試料の測定部位に対する照明I、波長λでの分光反射率を計算する校正係数は、
　CI (xW，yW，λ)＝RW/ VI,W (xW，yW，λ)となる。
　校正中には、２次元撮像装置の露出時間を測定波長毎に可変し、波長に対する、光源の光量の違い、分光手段の効率の違い（透過率等の違い）、撮像装置の分光感度の違い、を補正することでダイナミックレンジを確保する。
　更に短時間露出、長時間露出といった時間を多重化することで、ダイナミックレンジを拡大する。この場合、レベル設定を多重化するか、あるいは、白色校正板を低反射率のもの（灰色、黒色等）を用意して、露出時間の多重化設定を行う。
　校正中の露出時間の調整は、校正中の計測カウント値の分布状況から、自動的にコンピュータによる制御で最適化される。手動でも設定できる。
　露出時間の多重化以外のダイナミックレンジの拡大策として、照明の光量を多重化する方法もある。この場合、照明に供給する電力量の多重化、照明の個数の多重化などがある。これに前述の校正板を変える方法、レベル設定を変える方法がある。
　更に露出時間の多重化と照明の光量を多重化する方法を組み合わせる方法もある。
　計測中は、波長毎に最適化された露出時間で、試料面２と白色参照面１２を同時に計測し、校正中に記録された白色参照面の計測カウント値を比較し、補正を行う。これは、照明の光量変動、分光手段の変動（例えばフィルターの透過率の変動等に起因する分光効率の変動）、２次元撮像素子の感度の変動、露出時間の誤差（特に短時間露出の際）などがある。校正時点での照明I、波長λでの白色参照面計測値VI,R (xR，yR，λ)は記憶装置に保存されている。計算方法の例を以下に示すが、試料面への時間補正係数の補間計算方法はこれに限らず、２次元スプライン補間など、様々な手段を取り得る。
　　試料面２への時間補正係数の補間計算方法について説明する。測定中の白色参照面の計測値をVI, RM (xR，yR，λ)とする。校正時点を基準とした場合の時間補正係数は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 　　また、xRの範囲をxb≦xR≦xe、yRの範囲をyb≦yR≦yeとする。
　点P(xp，yp)における補間を考える。まずY軸方向に直線補間する。この場合、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 　次にY軸に対する直線補間からの変位をxb及びxeについて計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 　これを照明条件毎に求めておく。
　照明条件毎の時間補正係数をＦij（Ｉ，λ）とする。ここで、添え字のijは、前述の式のxR, yRに対応する白色参照面（試料面に同じ）の位置である。
（実際の測定サンプル面の測定について）
　次に図６に基づいて実際の測定方法について説明する。測定サンプルをセットし（Ｓ１１１）、測定波長毎に撮像し（Ｓ１１２）、その結果を記憶装置内に記録する（Ｓ１１３）。その値をVMij（Ｉ，λ）とする。また、その際に同時に撮像した白色参照面の測定値から前述のFij（Ｉ，λ）を求める。この場合、（数１７）により校正後の測定サンプルの分光反射率係数Ｒij（Ｉ，λ）が求められる。ここで照明Ｉに対する校正係数は、Ｃij（Ｉ，λ）である。これらを複数の照明条件、異なる波長において完了すれば測定は終了する（Ｓ１１４）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　この場合、白色参照面の画素位置は、補正する測定サンプル面の画素位置（ｉ，ｊ）に対して、効果的に作用する位置を、例えば測定する位置からＸ軸及びＹ軸に平行に引いた直線と交わる部分の白色参照面の位置を、Ｘ軸Ｙ軸に対する補外位置として参照したり、部分的な補間や平均化を施したりして求める。白色参照面は撮像時に同時に計測され、これにより計測時間中の照明の光量変動や撮像素子の露出時間の変動や誤差を吸収する為の補正に供される。この為、より高精度で高安定性な測定が可能となる。尚、校正データを測定する際に光トラップや標準黒色板を用いて、分光反射率係数が０近辺の補正を加えてもよい。
　画像の測定位置によっては、同一の光学幾何条件と見做せる部位も存在する。例えば図３４に示されたような、線状の光源を用いた場合のＸ軸方向にｄｘの幅を持つY軸方向の領域（網掛け部分）や、光学幾何条件の変動が無視できる小領域である。この場合、略同一の光学幾何条件での画像情報を得る事ができ、色空間での分布や画像の特徴量を求める為の情報となりえる。
　また、画像の測定位置と照明の関係によっては、方位角が対称の光学幾何条件と見做せる部位も存在する。例えば図３５に示されたような、点光源である場合、照明中心からY軸の＋方向、－方向や、Y軸に対して＋に変位している照明と－に変位している照明の関係である。この場合、光輝材の配向を計測する事が可能となる。
（画像解析により特徴量を計算する方法について）
　以下、測定した分光イメージング情報を用いて、画像解析により特徴量を計算する方法について説明する。これらの計算方法は一例に過ぎない。本発明においては、全画素に渡り高精細、高精度に測定を行うものであるから、多くの種類の画像解析計算を適用でき、また、これによる結果の信頼性を高く保つことが可能である。
　測定された照明毎の全画素の分光反射率係数Ｒmij（ｐ，λ）の変角情報に対する平均値を求める方法を説明する（Ｓ１１５）。画素位置（ｉ，ｊ）により、鏡面反射挟角は異なる。分光反射率の平均値Ｒm（ｐ，λ）は、（数１８）で表される。　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　ここで、Σの計算は、Ｘ軸方向に対してはｉからｉ＋Ｉ番目まで、Ｙ軸方向に対してはｊからｊ＋Ｊ番目までの領域を計算する。Ｎは計算領域に含まれている画素の数で、Ｎ＝（Ｉ＋１）・（Ｊ＋１）となる。
　またこの計算領域に対する平均的な鏡面反射挟角θ（ｐ）は、（数１９）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　ｉ，ｊ，Ｉ，Ｊの取り方により、求めたい空間分解能に対する任意の鏡面反射挟角θ（ｐ）での平均分光反射率係数Ｒmij（ｐ，λ）を得ることが可能となる。Ｉ，Ｊを小さくとれば、鏡面反射挟角θ（ｐ）の平均計算領域の中での変動が小さく、高い空間分解能での平均計算が可能となり、一方、Ｉ，Ｊを大きくとれば、空間分解能は低下するが、Ｎを大きくとることになるので平均化、平滑化の効果は高くなる。　
　得られた変角分光画像情報としての、変角毎の輝度分布、色空間分布や、画像位置毎の空間分布、出現色数、情報エントロピー、画像フィルター、フラクタル次元等々のパラメータを計算表示することが可能となる。
　さらに上記の情報を基に、コンピュータグラフィックスでの再現情報に結び付けることができる。
（色彩値を求める方法について）
　測定された全画素の分光反射率係数Ｒmij（ｐ，λ）から色彩値を求める方法について説明する（Ｓ１１６）。色彩値を計算する手順として、まず三刺激値ＸＹＺを計算する。この代表的な方法には国際照明委員会（ＣＩＥ：Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ　ｄｅ　ｌ’Ｅｃｌａｉｒａｇｅ）で定められたものを利用する。
各画素の三刺激値Ｘij（ｐ），Ｙij（ｐ），Ｚij（ｐ）は、（数２０）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
　ここでＰ（λ）は、物体を観察する際に想定される照明光の分光分布を表し、積分する波長λの範囲は測定に用いられた可視光領域となる。三刺激値Ｘij（ｐ），Ｙij（ｐ），Ｚij（ｐ）は、コンピュータディスプレイやプリンター上に表示する際には、Ｒij（ｐ），Ｇij（ｐ），Ｂij（ｐ）値に変換を行う。この変換には、規格に応じて、ｓＲＧＢやＡｄｏｂｅＲＧＢなどへの変換方法が知られている。
　前述の分光反射率係数の平均計算と同じく、三刺激値に関しても、（数２１）で平均値を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
　測定された全画素の三刺激値Ｘij（ｐ），Ｙij（ｐ），Ｚij（ｐ）から色彩値を求める方法について説明する。代表的な方法にＣＩＥで定められたＣＩＥＬＡＢ色空間の値であるＬ＊ａ＊ｂ＊を（数２２）を用いて求める方法がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
　Ｘn，Ｙn，Ｚnは、分光反射率係数が１００％の物体を計測したときの三刺激値である。前述の分光反射率係数の平均計算と同じく、ＣＩＥＬＡＢ値に関しても、（数２３）で平均値を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
　また、画像解析から測定サンプル２の特徴を求める重要な方法として、ＣＩＥＬＡＢ色空間に於ける計測値の分布を求めることがある。この際も画像のＸ軸方向に対してはｉからｉ＋Ｉ番目まで、Ｙ軸方向に対してはｊからｊ＋Ｊ番目までの領域を計算する。
　また、ＣＩＥＬＡＢ色空間に於ける計測値の分布を数量的なパラメータとして表す方法に、出現色数や情報エントロピーを計算する方法が適用できる。情報エントロピーをＨとした場合、（数２４）で計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
　Ｐ（ｐ，ｃ）は照明ｐで撮像した画像中における色ｃの出現頻度で、Ｘ軸方向に対してはｉからｉ＋Ｉ番目まで、Ｙ軸方向に対してはｊからｊ＋Ｊ番目までの画素の範囲で，ΔＬ＊，Δａ＊，Δｂ＊各辺が一定の大きさの立方体で区切って計算する。
　この他にも、画像フィルターや、微分値、フーリエ変換やウェーブレット変換等の周波数分析を画像位置、即ち照明と受光の幾何条件である鏡面反射挟角θ（ｐ）に対し行う方法や、ＣＩＥＬＡＢ色空間の分布状況をより詳細にパラメータ化する方法等、様々な方法が適用でき、測定対象の特徴量を数値化することで、２つの異なる測定対象の差を定量化することが可能となる。更には、製品製造の際の品質管理、製造方法の判断等、多方面にわたる合理化と効果が期待できる。
（３次元曲面計測について）
　これまでの説明では、平面状の測定対象を用いて、各画素毎の光学幾何条件の変化を利用して試料面の分光情報を取得したが、測定対象面が曲面である場合も、変角分光イメージング装置に３次元形状測定装置を組み込み、曲面の画素の法線から光学幾何条件を補正して正確な計測を実現することができる。
　以下詳細に説明する。３次元形状から試料面のＺ軸方向の変位、及び法線方向を計測し、前述の光学幾何条件（θil，φil，θrsv，φrsv）に補正を施す。点光源の場合、試料面の位置をＰ(xp，yp)、照明装置の位置をＩ(θi，φi，Di)とし、受光装置の位置（焦点位置）をＲ(0，0，Dr)とする。ここでx，yは、試料面上のX軸方向、Y軸方向の位置、θは天頂角、φはX軸から反時計方向の方位角、Diは試料面から光源までの距離、Drは試料面から撮像装置までの距離であり、撮像装置は試料面の撮影範囲を捉える事の出来る画角を持つものとする。位置Ｐにおける照明と受光の幾何条件は、照明の天頂角、方位角、受光の天頂角、方位角で表現できる。
このとき、照明位置は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
 となる。
　また、点Ｐに対する照明の相対座標位置は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
 となり、点Ｐに対する受光の相対座標位置は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
 となる。
　このとき、３次元形状を計測した結果、点ＰにDHの変位があり、かつその法線ベクトルがφn方向に天頂角でθn傾いているとする。DHの変位を与えた相対座標位置は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000028
 となる。
　法線ベクトルがφn方向に天頂角でθn傾いた場合、これらの照明I''と受光R''の位置に直角で相対座標X''Y''平面を通る直線の周りに－θn回転させたのと同じ操作を行う事になる。この回転軸となる単位ベクトルは(－sin(φn)，cos(φn)，0)である。任意の単位ベクトル(nx，ny，nz)周りにθ回転する場合の一般式は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000029
 　従って、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000030
 　従って幾何条件（θil，φil，θrsv，φrsv）は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000031
 となる。
　また、３次元曲面計測の場合は、位置、及び角度が変わることにより、校正係数を補正する必要もある。すなわち、垂直方向の変位DHと照明位置に対する傾斜により校正係数を再計算する。これは、変位と傾きによって単位面積当たりの照射エネルギーが変わるためである。
　図３７は、校正係数の補正を説明するための図である。照明のXYZ直交座標上の位置I(xi，yi，zi)として、試料面上の観察位置P(xp，yp，0)とする。観察位置から照明位置までの距離DIは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000032
 これに、DHの距離の変位があった場合、校正係数Cは次式により補正される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000033
 　点Pでの照明方向の単位ベクトルを(nIx，nIy，nIz)、点Pの3次元曲面に対する単位ベクトルを(nHx，nHy，nHz)とする。点Pの垂直方向の単位ベクトルは(0，0，1)であるから、これと照明方向の単位ベクトルとの内積は、nIzになる。従って照明方向の天頂角は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000034
 この場合、単位面積当たりの光の投影面積は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000035
 一方、照明方向と法線方向の内積Aは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000036
 従って、この場合の投影面積は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000037
 この場合の補正係数は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000038
 となる。また、補正係数の求め方についても、これに限らず様々な手段を取り得る。
　次に、本発明の実施形態の具体的な実施例を説明する。
　実施例では、白黒２次元画像センサー４に、ペルチェ冷却機構とアンチブルーミング機構を備えＸ軸方向に７７２画素、Ｙ軸方向に５８０画素のものを用いた。結像レンズには焦点距離２５ｍｍの単焦点Ｃマウントレンズで画角は長辺方向に２２度である。分光手段としては、レンズ直前に、液晶チューナブルフィルターを備え、可視光範囲内を１０ｎｍ間隔で分光計測を行える。測定サンプル面には、画像中央部のＸ軸方向に７２０画素、Ｙ軸方向に５２０画素を用い、それ以外の周縁部は白色参照面とした。照明は投影レンズを備えた白色ＬＥＤチップ１０個を直線状に配置したものを２組用意して、測定サンプル面中央垂直方向から２０度と４５度の２方向から照明するように配置した。
　本実施例では、電源投入後、測定に先立ち、標準校正板である標準白色板を測定部位にセットし、２０度と４５度照明に対する各波長における校正情報を計測した。その際に、液晶チューナブルフィルター、照明装置の分光分布の特性を補正する為に、計測波長毎に露光時間を適性化し、校正情報とともに露光時間も記憶装置に保存した。その後、測定サンプルを測定部位にセットし、２０度と４５度照明に対し、各波長に対して校正の時と同じ露光時間で測定を行った。
　測定サンプルは、サンプルＡ（アルミ光輝材（東洋アルミ製、Alpate 7670NS）を含む塗板）とサンプルＢ（干渉性光輝材（Merck製、Xirallic Crystal Silver XT60-10）を含む塗板）に対して行った。両者ともに、測定後、校正情報を基に２０度と４５度照明での全画素に対する分光反射率係数を求めた。分光反射率係数からは、三刺激値ＸＹＺ、画像表示の為のＲＧＢ、ＣＩＥＬＡＢ色空間の値を求めた。図９に、２０度と４５度照明におけるＸ軸方向に対して８つの領域に分割し、合計１６の領域において、それぞれの領域内の画素の計測値を平均化し、波長を４００ｎｍから７００ｎｍまで１０ｎｍごとに切り換えて、分光反射率係数を測定した結果を１枚の図としたものを示した。
　更にＣＩＥＬＡＢ値からは、２０度と４５度照明での全画素に対するＣＩＥＬＡＢ色空間に於ける分布状況、出現色数、情報エントロピーを計算した。
　ＣＩＥＬＡＢ色空間に於ける画像中の出現色数は、塗板の特徴を表す指標として利用できる。顔料をのみを着色材に用いた塗板で一般にソリッド色と呼ばれる塗色の場合、計測した結果は画像内で略、同じ値になるので、出現色数は極端に少ないが、メタリック色の場合、含まれるアルミ光輝材の種類や配合量、組み合わされる着色顔料により、光学幾何条件により、主に明度と彩度について変化し、出現色数は増加する。更に干渉性の光輝材を含むパール色では、光学幾何条件に応じて明度と彩度に加えて色相方向にも変化すると同時に、細かい光輝材の干渉性の反射光が含まれるために、個々の画素に様々な色が出現するので、出現色数は増加する。これは、ＣＩＥＬＡＢ色空間に対して、より広い範囲に色が分布することを意味している。また、情報エントロピーは、画像中の情報量を表す数値であり、出現色数と同様に、塗板の特徴を表す指標として利用できる。
　画素毎のＬ＊ａ＊ｂ＊値は、式７に基づいたＪＩＳ Ｚ８７２９：２００４の計算方法を用い、照明光はＪＩＳ Ｚ８７８１：１９９９に示されているＣＩＥ測色用標準イルミナントＤ６５、等色関数は１０度視野の条件で計算した。計算は小数点２桁の精度で行った。次にＣＩＥＬＡＢ空間をＬ＊、ａ＊、ｂ＊各軸の方向に一辺が１．００の大きさの立方体を仮定し、画像中の７２０×５２０＝３７４４００個の画素について計算されてＬ＊ａ＊ｂ＊の値を立方体にあてはめ、出現した画素の色を含む立方体の数を出現色数とした。これをＮとする。この計算方法は、８つに分割した画像に対しても行われる。
　また、情報エントロピーＥは、（数３９）で計算した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000039
　ここでＰ(i)は画像中における色iの出現頻度で，前述のＬ＊、ａ＊、ｂ＊各軸の方向に一辺が１．００の大きさの立方体の中に、全画素に対し何個の画素が含まれているかを表している。
　図１０にサンプルＡのＣＩＥＬＡＢ色空間の分布を示し、図１１に、２０度と４５度照明におけるＬ＊－ａ＊関係と、Ｌ＊の値を５０に設定したときの、ａ＊－ｂ＊関係を示す。また、図１３にサンプルＢのＣＩＥＬＡＢ色空間の分布を示し、図１４に、２０度と４５度照明におけるＬ＊－ａ＊関係と、Ｌ＊の値を５０に設定したときの、ａ＊－ｂ＊関係を示す。
　また、２０度と４５度照明それぞれの画像をＸ軸方向に対して８つの領域に分割し、それぞれの領域について、ＣＩＥＬＡＢ色空間に於ける分布状況を示した。図１２にサンプルＡにおける、２０度と４５度照明における８つの領域の、Ｌ＊－ａ＊関係と、Ｌ＊の値を５０に設定したときの、ａ＊－ｂ＊関係を、図１５にサンプルＢにおける、２０度と４５度照明における８つの領域の、Ｌ＊－ａ＊関係と、Ｌ＊の値を５０に設定したときの、ａ＊－ｂ＊関係を示す。サンプルＡの干渉性光輝材は、サンプルＢのアルミ光輝材に比して、干渉色の光輝性反射を含むため、ＣＩＥＬＡＢ色空間に於ける分布状況は広範囲にわたっている。両者の違いを特徴的に表している。
　本実施の形態では、測定サンプル面２の周辺に白色参照面１２を設けたもので説明をしたが、白色参照面１２がなく、測定サンプル面２のみで計測を行ってもよい。また、本実施の形態では、照明装置１０として白色光源を用いたが、照明装置内に分光機能を有し、単波長の光を照射可能な光源を用いてもよい。
　また、本実施の形態では、平面状の測定対象を用いて、各画素毎の光学幾何条件の変化を利用して、試料面の分光情報を取得したが、測定対象面が曲面である場合、変角分光イメージング装置に３次元形状測定装置を組み込み、曲面の画素の法線から、光学幾何条件を正確に補正することができる。
　そこで、図１６に基づいて、３次元形状測定装置を組み込んだ他の実施例について説明する。前述の実施例と同様の構成については説明を省略する。
　本実施例では、白黒２次元画像センサー４、分光手段６としての液晶チューナブルフィルター、白色ＬＥＤチップ１０個を直線状に配置したものを２組用意した照明装置１０を備える点は実施例１と同様であるが、それに加えて、測定サンプルの３次元形状補正のための形状測定手段として、レーザープロジェクター９（米国Microvision社製　SHOWWX）で測定面に格子像１１を投影して、格子像１１を白黒２次元画像センサー４で取得し、格子像１１の変位から形状を得ている。
　本実施例では、電源投入後の測定に先立ち、標準校正板である十分な平面性を持つ標準白色板を測定部位にセットして、２０度と４５度照明に対する各波長における校正情報を計測した後に、３次元形状測定用のレーザープロジェクター９で格子像を投影し、白黒２次元画像センサー４で撮像、基準平面のデータとして格子像１１の位置を数値化して保存した。
　測定にあたっては、測定サンプルをレーザープロジェクター９で格子像１１を照射し、格子像を白黒２次元画像センサー４で取得し、予め計測して保存している基準平面上の格子像１１の位置情報を用いて、三角法から３次元形状データを計算した。
　その後、求められた３次元形状データから試料面の各位置の法線ベクトルを計算し、照明装置からの照明の正反射方向を補正した上で、鏡面反射挟角を再計算することによって、３次元形状の表面の光学幾何条件を補正した。
　本実施の形態では、曲面の測定対象面に対して、変角分光イメージング装置に３次元形状測定装置を組み込んだので、光学幾何条件を正確に補正することができる。特に鏡面反射挟角に対してデータを取得する場合、３次元形状から法線ベクトルを計算し、照明の正反射方向を補正した上で、鏡面反射挟角を計算し直すことで、測定対象面の形状に影響されない計測を可能としている。
　本実施の形態では、測定する対象として固体表面を測定しているが、固体のもの以外であっても、液面、液体、紛体などを非接触で計測することが可能である。
　２　試料面（測定サンプル面）
　３　白色校正板
　４　２次元画像センサー
　６　分光手段
　８　光学レンズ
　９　レーザープロジェクター
　１０　照明装置
　１１　格子像
　１２　白色参照面
　１４　鏡面反射挟角
　１６　鏡面反射方向の単位ベクトル
　１８　受光方向の単位ベクトル
　１９　画素（ｉ，ｊ）
　２０　照明方向の単位ベクトル
　３２　照明方向
　３４　正反射方向
　３６　観察方向
　３８　光輝材の法線方向
　４０　分光光源装置
　５０　筐体
　５２　測定窓
　５４　フェンダーやドアなどの大型試料
　５６　液体試料

Claims (12)

  1. 　光輝材を含む試料面の垂直方向に対して、それぞれ固定された２つ以上の角度方向から該試料面に白色光である照明光を照射可能なライン状又はスポット状の照明装置と、
    　前記試料面からの反射光を分光する該試料面の上方に配置した分光手段と、
    　前記分光手段により分光された反射光を結像する結像用のレンズと、
    　前記結像用のレンズを介して前記反射光を受光し該試料面を撮像可能な、固定された２次元画像センサーと、
    　前記試料面の周縁部全体に設けられた白色参照面と、
    　を有し、
    　前記２次元画像センサーで撮像された２次元画像内の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して前記試料面の分光情報を取得する変角分光イメージング装置であって、
    　測定前の校正時において、基準となる標準白色板と前記白色参照面とを同時に撮像して、画素毎及び波長毎の校正係数を計測し、かつ、前記波長毎の露光時間を決定し、
    　前記分光手段の透過波長を変更することにより測定波長毎に前記試料面及び前記試料面の周縁部全体に設けられた前記白色参照面の２次元画像を、前記照明装置、前記２次元画像センサー、前記試料面及び前記白色参照面の相対的位置を変更せずに撮像し、該２次元画像の全ての画素の測定波長毎の分光情報を取得し、
    　前記測定波長毎に校正及び測定時の撮像露光時間を可変することで、照明装置の分光特性、前記分光手段における分光特性、前記２次元画像センサーの分光特性の前記測定波長範囲内での利得の差を補正することを特徴とする
    変角分光イメージング計測装置。
  2. 　試料面の垂直方向に対して、それぞれ固定された２つ以上の角度方向から該試料面に白色光である照明光を照射可能なライン状又はスポット状の照明装置と、
    　前記試料面からの反射光を結像する該試料面の上方に配置した結像用のレンズと、
    　前記結像用のレンズで結像された光を分光する分光手段と、
    　前記分光手段からの光を受光し該試料面を撮像可能な、固定された２次元画像センサーと、
    　前記試料面の周縁部全体に設けられた白色参照面と、
    　を有し、
    　前記２次元画像センサーで撮像された２次元画像内の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して前記試料面の分光情報を取得する変角分光イメージング装置であって、
    　測定前の校正時において、基準となる標準白色板と前記白色参照面とを同時に撮像して、画素毎及び波長毎の校正係数を計測し、かつ、前記波長毎の露光時間を決定し、
    　前記分光手段の透過波長を変更することにより測定波長毎に前記試料面及び前記試料面の周縁部全体に設けられた前記白色参照面の２次元画像を、前記照明装置、前記２次元画像センサー、前記試料面及び前記白色参照面の相対的位置を変更せずに撮像し、該２次元画像の全ての画素の測定波長毎の分光情報を取得し、
    　前記測定波長毎に校正及び測定時の撮像露光時間を可変することで、照明装置の分光特性、前記分光手段における分光特性、前記２次元画像センサーの分光特性の前記測定波長範囲内での利得の差を補正することを特徴とする
    変角分光イメージング計測装置。
  3. 　試料面の垂直方向に対して、それぞれ固定された２つ以上の角度方向から該試料面に波長可変の測定波長毎の単色照明光を照射可能なライン状又はスポット状の照明装置と、
    　前記試料面からの反射光を結像する該試料面の上方に配置した結像用のレンズと、
    　前記結像用のレンズを介して前記反射光を受光し該試料面を撮像可能な、固定された２次元画像センサーと、
    　前記試料面の周縁部全体に設けられた白色参照面と、
    　を有し、
    　前記２次元画像センサーで撮像された２次元画像内の２軸方向の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して前記試料面の分光情報を取得する変角分光イメージング装置であって、
    　測定前の校正時において、基準となる標準白色板と前記白色参照面とを同時に撮像して、画素毎及び波長毎の校正係数を計測し、かつ、前記波長毎の露光時間を決定し、
    　前記分光手段の透過波長を変更することにより測定波長毎に前記試料面及び前記試料面の周縁部全体に設けられた前記白色参照面の２次元画像を、前記照明装置、前記２次元画像センサー、前記試料面及び前記白色参照面の相対的位置を変更せずに撮像し、該２次元画像の全ての画素の測定波長毎の分光情報を取得し、
    　前記測定波長毎に校正及び測定時の撮像露光時間を可変することで、照明装置の分光特性、前記分光手段における分光特性、前記２次元画像センサーの分光特性の前記測定波長範囲内での利得の差を補正することを特徴とする
    変角分光イメージング計測装置。
  4. 　試料面の垂直方向に対して、それぞれ固定された２つ以上の角度方向から該試料面に波長可変の測定波長毎の単色照明光を照射可能なライン状又はスポット状の照明装置と、
    前記試料面からの反射光を分光する該試料面の上方に配置した分光手段と、
    前記分光手段により分光された反射光を結像する結像用のレンズと、
    前記結像用のレンズを介して前記反射光を受光し該試料面を撮像可能な、固定された２次元画像センサーと、
    　前記試料面の周縁部全体に設けられた白色参照面と、
    を有し、
    　前記２次元画像センサーで撮像された２次元画像内の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して前記試料面の分光情報を取得する変角分光イメージング装置であって、
    　測定前の校正時において、基準となる標準白色板と前記白色参照面とを同時に撮像して、画素毎及び波長毎の校正係数を計測し、かつ、前記波長毎の露光時間を決定し、
    　前記照明装置の照射波長を変更し、
    　前記分光手段の透過波長を変更することにより、
    　前記照射波長と透過波長毎に前記試料面及び前記試料面の周縁部全体に設けられた前記白色参照面の２次元画像を、前記照明装置、前記２次元画像センサー、前記試料面及び前記白色参照面の相対的位置を変更せずに撮像し、
    　前記２次元画像の全ての画素の照射及び透過波長毎の分光情報を取得し、
    　前記測定波長毎に校正及び測定時の撮像露光時間を可変することで、照明装置の分光特性、前記分光手段における分光特性、前記２次元画像センサーの分光特性の前記測定波長範囲内での利得の差を補正することを特徴とする
    変角分光イメージング計測装置。
  5. 　試料面の垂直方向に対して、それぞれ固定された２つ以上の角度方向から該試料面に波長可変の測定波長毎の単色照明光を照射可能なライン状又はスポット状の照明装置と、
    　前記試料面からの反射光を結像する該試料面の上方に配置した結像用のレンズと、
    　前記結像用のレンズで結像された光を分光する分光手段と、
    　前記分光手段からの光を受光し該試料面を撮像可能な、固定された２次元画像センサーと、
    　前記試料面の周縁部全体に設けられた白色参照面と、
    を有し、
    　前記２次元画像センサーで撮像された２次元画像内の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して前記試料面の分光情報を取得する変角分光イメージング装置であって、
    　測定前の校正時において、基準となる標準白色板と前記白色参照面とを同時に撮像して、画素毎及び波長毎の校正係数を計測し、かつ、前記波長毎の露光時間を決定し、
    　前記照明装置の照射波長を変更し、
    　前記分光手段の透過波長を変更することにより、
    　前記照射波長と透過波長毎に前記試料面及び前記試料面の周縁部全体に設けられた前記白色参照面の２次元画像を、前記照明装置、前記２次元画像センサー、前記試料面及び前記白色参照面の相対的位置を変更せずに撮像し、
    　前記２次元画像の全ての画素の照射及び透過波長毎の分光情報を取得することが可能であり、
    　前記測定波長毎に校正及び測定時の撮像露光時間を可変することで、照明装置の分光特性、前記分光手段における分光特性、前記２次元画像センサーの分光特性の前記測定波長範囲内での利得の差を補正することを特徴とする
    変角分光イメージング計測装置。
  6. 　前記照明装置の光量を可変、あるいは撮像時の露光時間を可変、あるいは両者を組み合わせることで、計測のダイナミックレンジを拡大する請求項１～５のいずれか一つに記載の変角分光イメージング計測装置。
  7. 　前記画素毎の測定波長毎の前記分光情報は、数値の平均化や色彩数値の色空間分布、空間周波数解析や情報エントロピー等の画像計算に用いられる請求項１～６のいずれか一つに記載の変角分光イメージング装置。
  8. 　請求項１～７のいずれかに記載の変角分光イメージング装置に、３次元形状測定手段を組み込んだ装置であって、該３次元形状測定手段によって前記試料面の３次元形状情報を測定し、該試料面の３次元形状情報を用いて該試料面の各位置の法線方向を求め、前記光学幾何条件の変化を補正する変角分光イメージング装置。
  9. 　２次元画像の全ての画素の測定波長毎の分光情報を取得する変角分光イメージング計測方法であって、ライン状又はスポット状の照明装置によって、測定前の校正時において、基準となる標準白色板と前記白色参照面とを同時に撮像して、画素毎及び波長毎の校正係数を計測し、かつ、前記波長毎の露光時間を決定し、その後試料面及び該試料面の周縁部全体に設けられた白色参照面の垂直方向に対して、それぞれ固定された２つ以上の角度方向から該試料面及び該白色参照面に照明光を照射し、照射された照明光の該試料面及び該白色参照面からの反射光を分光手段により分光し、分光された該反射光を結像用レンズによって結像し、前記結像用のレンズを介して前記反射光を受光して、固定された２次元画像センサーによって、前記照明装置、前記２次元画像センサー、前記試料面及び前記白色参照面の相対的位置を変更せずに撮像し、該白色参照面における反射光を参照して、測定中の照明光量の変化や、露光時間の変動を補正し、該撮像された２次元画像内の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して、該試料面の分光情報を取得し、
    　前記測定波長毎に校正及び測定時の撮像露光時間を可変することで、照明装置の分光特性、前記分光手段における分光特性、前記２次元画像センサーの分光特性の前記測定波長範囲内での利得の差を補正することを特徴とする
    変角分光イメージング計測方法。
  10. 　２次元画像の全ての画素の測定波長毎の分光情報を取得する変角分光イメージング計測方法であって、ライン状又はスポット状の照明装置によって、測定前の校正時において、基準となる標準白色板と前記白色参照面とを同時に撮像して、画素毎及び波長毎の校正係数を計測し、かつ、前記波長毎の露光時間を決定し、試料面及び該試料面の周縁部全体に設けられた白色参照面の垂直方向に対して、それぞれ固定された２つ以上の角度方向から該試料面及び該白色参照面に照明光を照射し、照射された照明光の該試料面及び該白色参照面からの反射光を結像用のレンズで結像し、前記結像用のレンズで結像された光を分光手段により分光し、前記分光手段からの光を受光して、固定された２次元画像センサーによって、前記照明装置、前記２次元画像センサー、前記試料面及び前記白色参照面の相対的位置を変更せずに撮像し、該白色参照面における反射光を参照して、測定中の照明光量の変化や、露光時間の変動を補正し、該撮像された２次元画像内の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して、該試料面の分光情報を取得し、
    　前記測定波長毎に校正及び測定時の撮像露光時間を可変することで、照明装置の分光特性、前記分光手段における分光特性、前記２次元画像センサーの分光特性の前記測定波長範囲内での利得の差を補正することを特徴とする
    変角分光イメージング計測方法。
  11. 　請求項９又は１０に記載の変角分光イメージング計測方法において、３次元形状測定手段によって前記試料面の３次元形状情報を測定し、該試料面の３次元形状情報を用いて該試料面の各位置の法線方向を求め、前記光学幾何条件の変化を補正する変角分光イメージング計測方法。
  12. 　請求項１～８のいずれかに記載の変角分光イメージング装置によって得られた画素毎の分光情報をもとに、画素ごとの分光反射率係数又は分光反射率係数から計算された色空間上の色彩数値を用い、変角情報に伴う計測波長毎の分光反射率係数、空間周波数解析、フラクタル解析の画像分布、画素毎の色彩値から求めた色空間上の分布状況、出現色数、情報エントロピーの計算を行う方法。
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