WO2022059524A1 - 測光装置 - Google Patents

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WO2022059524A1
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guide member
light guide
light receiving
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克敏 ▲鶴▼谷
洋 波多野
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コニカミノルタ株式会社
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    • G02B6/28Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals

Definitions

  • the present invention relates to a photometric device for measuring the characteristics of a light source to be measured, and more particularly to a photometric device such as a color luminance meter for measuring the brightness and chromaticity of light emitted from the light source to be measured.
  • a photometric device such as a color luminance meter
  • the measured light is divided into three and received by each sensor.
  • a means for dividing the measurement light into three for example, in Patent Document 1, a plurality of fiber strands are bundled, light emitted from an objective optical system is incident on one end side, and a plurality of fiber strands are incident on the other end side. Bundled fibers in which the wires are split are disclosed. Each of the other ends of the bundled fiber is provided with a plurality of color measurement optical systems for detecting the emitted light from the other end of the bundle fiber.
  • Patent Document 2 the applicant proposed a photometric device that divides the measurement light into a plurality of pieces and receives the light received by each sensor by using the optical path branching by the light guide member and the relay optical system. Specifically, a light beam whose position unevenness and angle unevenness of the object to be measured are made uniform by a light guide member is applied to a plurality of light receiving sensors by using a relay optical system.
  • the photometric device in the color measurement by the photometric device, the photometric device is brought into contact with or non-contacting the measured surface of the object to be measured (measured light source), and is emitted from a predetermined region of the measured surface in a predetermined angle range. This is done by receiving the light received by a photometric device. At this time, if there is unevenness (positional unevenness, angle unevenness) due to the light emitting position and the light emitting angle in the light emitting intensity (light emitting brightness) of the surface to be measured, the photometric device side is also affected by the unevenness (positional unevenness, angle unevenness).
  • the positional unevenness of the measurement sensitivity means that the measurement sensitivity is different for each light emitted in the same direction (for example, the direction perpendicular to the above surface) from different positions of the measured surface of the light source to be measured.
  • the angular unevenness of the measurement sensitivity means that the measurement sensitivity is different for each light emitted from the same position on the surface to be measured of the light source to be measured in different directions.
  • the position of the measurement sensitivity is less affected by the position unevenness and the angle unevenness of the emission intensity of the light source to be measured. It is necessary to reduce unevenness and angle unevenness.
  • the measured light is guided by using a light guide body in which a large number of fibers are bundled, but each fiber is randomly woven in order to reduce unevenness in the amount of light and reduce the measurement error. It is necessary and expensive.
  • a light guide body in which a large number of fibers are bundled, but each fiber is randomly woven in order to reduce unevenness in the amount of light and reduce the measurement error. It is necessary and expensive.
  • it is difficult to control the filling condition of the fiber, the bending state, the stress state, etc. it is difficult to design a light guide body that is less susceptible to the influence of the position unevenness and the angle unevenness of the emission intensity of the light source to be measured. As a result, there is a problem that it becomes difficult to reduce the positional unevenness and the angle unevenness of the measurement sensitivity.
  • the photometric device proposed in Patent Document 2 when the luminous flux emitted from the emission end of the light guide member is irradiated to the irradiation range R by the relay optical system, the irradiation range of the light receiving sensor installed in the irradiation range R The area ratio to R is about 10% per light receiving sensor. Therefore, if there are four light receiving sensors, the total is 40%, and about 60% of the luminous flux irradiated to the irradiation range R is wasted, so that there is a problem that the light efficiency is not good.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to reduce positional unevenness and angular unevenness of measurement sensitivity by a configuration using an inexpensive light guide member, and to obtain optical efficiency. It is to provide a good photometric device.
  • a light guide member having a circular or polygonal cross section, an objective optical system that collects light flux from the light guide member on the light incident side end face of the light guide member, and light emission from the light emission side end face of the light guide member.
  • a branch portion provided with a plurality of branch members each consisting of a single member that splits and guides the light beam to a plurality of pieces, and receives light emitted from each of the plurality of branch members in the branch portion, and 2
  • a photometric device equipped with multiple light receiving sensors for obtaining data of different characteristics over different types.
  • the photometric device according to item 1 above, wherein the objective optical system has a conjugate relationship between the object to be measured and the end face on the light incident side of the light guide member.
  • the plurality of light receiving sensors include a light receiving sensor for obtaining light receiving data close to the color matching function XYZ.
  • the plurality of light receiving sensors include a light receiving sensor for obtaining spectral data.
  • the plurality of light receiving sensors include a light receiving sensor of an external measuring device that receives light from the branch member via an optical connector, and the external measuring device can be attached to and detached from the branch member.
  • the photometric device according to any one of the above items 1 to 4, wherein any external measuring instrument selected by the user from a plurality of external measuring instruments having different light receiving characteristics of the light receiving sensor is connected to the branch member.
  • the plurality of branch members are each formed of an optical fiber.
  • the light measuring device according to item 6 above, wherein the optical fiber is made of resin.
  • the photometric device according to any one of items 1 to 7 above, wherein the light guide member is a polygonal prism or a polygonal frustum.
  • the light measuring device according to any one of items 1 to 8 above, wherein the light guide member and a plurality of branch members are connected without passing through an air layer.
  • the light measuring device according to any one of items 1 to 8 above, wherein the light guide member and a plurality of branch members have an integrated structure.
  • the light flux from the object to be measured is collected by the objective optical system on the light incident side end face of the light guide member, and is incident on the light guide member from the light incident side end face. Since the light guide member has a circular or polygonal cross section, the light guide member has a simpler structure and is cheaper than a conventional light guide body in which a plurality of fibers are randomly woven to guide the light guide member. Further, the light from the light source to be measured incident on the light guide member is totally reflected on the side surface of the light guide member (the surface other than the light incident side end face and the light emission side end face) as many times as the number of times according to the incident angle to the light guide member.
  • the light is guided to reach the light emitting side end face of the light emitting member, and is emitted from the light emitting side end face to be branched into a plurality of branching members composed of a single member. Then, the emitted light from each of the plurality of branch members is received by a plurality of light receiving sensors for obtaining data having two or more different characteristics.
  • each sensor of the light receiving unit receives light that is a mixture of light emitted from various positions of the measured surface of the light source to be measured and light emitted from the surface to be measured at various angles. ..
  • the emission intensity (emission brightness) of the surface to be measured of the light source to be measured has uneven position and angle, it is possible to make it less likely to be affected by the unevenness on the light receiving portion side, and thereby the position unevenness of the measurement sensitivity. And it is possible to reduce the angle unevenness.
  • the luminous flux emitted from the light emitting side end surface of the light guide member is branched by a plurality of branch members and guided to each light receiving sensor, the light emitted from the branched member is used without waste by each light receiving sensor. be able to. Therefore, the luminous efficiency can be improved as compared with the case where the light beam emitted from the light emitting side end surface of the light guide member is irradiated by the relay optical system and received by the light receiving sensor.
  • the objective optical system since the objective optical system has a conjugate relationship between the object to be measured and the end surface of the light guide member on the light incident side, the positional unevenness of the emission intensity of the surface to be measured of the light source to be measured is uneven. And the angle unevenness can be reduced.
  • the external measuring instrument can be used by causing the light receiving sensor of the external measuring instrument to receive light from the branch member via the optical connector, and the light receiving sensor can be used.
  • the user can select and use any measuring instrument from a plurality of external measuring instruments having different light receiving characteristics.
  • a plurality of branch members can be easily formed by optical fibers.
  • the optical fiber since the optical fiber is made of resin, it can enjoy advantages such as ease of bending, low cost, and abundant types.
  • the light guide member is a polygonal prism or a polygonal frustum, the light emitted from various positions of the measured surface of the measured light source and various angles from the measured surface.
  • the light emitted from the above can be efficiently mixed.
  • the branch portion of the light reaching the light emitting side end of the light guide member in a state where the light amount loss is suppressed. Can be branched to.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing a state when the light incident side end surface of the light guide member of FIG. 2A is viewed from the measurement range regulation diaphragm side.
  • (A) to (C) are explanatory views which show the structural example of the light guide member and the branch member.
  • FIG. 8 is an enlarged view of a connection portion between a branch member and a light receiving sensor in FIG. It is an enlarged view which shows the other structure of the connection part of a branch member and a light receiving sensor. It is a top view which shows the structure of a light receiving part.
  • FIG. 12 It is sectional drawing which shows the structure of a light receiving part. It is sectional drawing which shows the part of FIG. 12 enlarged.
  • (A) and (B) are explanatory views for explaining how the light incident on the light guide member is reflected and emitted in the light guide member. It is explanatory drawing of the incident light to a light guide member when there is no rear lens system. It is explanatory drawing of the incident light to a light guide member when there is a rear lens system. It is explanatory drawing which shows typically the optical path of the light beam which is guided inside the light guide member 2. It is explanatory drawing which developed and showed the optical path of the light beam guided inside the light guide member of FIG. 2D.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the photometric device 1 of the present embodiment.
  • the photometric device 1 includes a light guide member 2, an objective optical system 3, a branch portion 4, and a light receiving portion 5.
  • the light emitted from the measured surface LS0 of the light source LS to be measured is guided to the light guide member 2 via the objective optical system 3 and guided inside the light guide member 2.
  • FIG. 2A is a perspective view showing a configuration example of the light guide member 2.
  • the light guide member 2 is an optical element having a light incident side end surface 2a and a light emitting side end surface 2b, guiding light incident inside from the light incident side end surface 2a and emitting light from the light emitting side end surface 2b.
  • it is composed of a solid (filled) rod made of glass, but it may be hollow (empty).
  • the light guide member 2 has the shape of a quadrangular prism (for example, a square) having the same cross section from the light incident side end surface 2a to the light emission side end surface 2b. Not limited.
  • FIG. 2B is a perspective view showing another configuration example of the light guide member 2.
  • FIG. 2C is a perspective view showing still another configuration example of the light guide member 2.
  • the light guide member 2 has a triangular pillar shape in which the cross section is a triangle (for example, a regular triangle) having the same cross section from the light incident side end surface 2a to the light emission side end surface 2b, and the light incident.
  • the cross section may be a hexagon having the same size (for example, a regular hexagon) in the shape of a hexagonal column. That is, the light guide member 2 may have the shape of a polygonal prism having a polygonal cross section of the same size from the light incident side end surface 2a to the light emission side end surface 2b.
  • FIG. 2D is a perspective view showing still another configuration example of the light guide member 2.
  • the light guide member 2 may have a quadrangular pyramid shape in which the light incident side end surface 2a and the light emitting side end surface 2b have different sizes and the cross section is also a quadrangle.
  • the shape of the triangular pyramid which is a triangle with different sizes of the light incident side end face 2a and the light emitting side end face 2b and the cross section is also triangular, and the light incident side end face 2a and the light emitting side end face 2b are different. It may be in the shape of a hexagonal cone with a hexagonal size and a hexagonal cross section. That is, the light guide member 2 may have a polygonal pyramid shape in which the light incident side end face 2a and the light emitting side end face 2b are polygonal in different sizes and the cross section is also polygonal.
  • the light guide member 2 may have a cylindrical shape having a circular cross section (including an ellipse) having the same cross section from the light incident side end face 2a to the light emitting side end face 2b.
  • the shape of the truncated cone may be such that the end face 2a on the light incident side and the end face 2b on the light emitting side are circular (including an ellipse) having different sizes and the cross section is also circular (including an ellipse).
  • the light incident on the inside of the light guide member 2 having such a configuration through the light incident side end surface 2a is the number of times corresponding to the incident angle with respect to the light incident side end surface 2a on the side surface 2c (light guide member) of the light guide member 2. It is totally reflected at the interface with air in 2) and guided, and is emitted from the light emitting side end surface 2b.
  • the side surface 2c is a surface that connects the light incident side end surface 2a and the light emission side end surface 2b.
  • the light is emitted inside the light guide member 2.
  • the light After being incident through the incident side end surface 2a, the light is guided by the side surface 2c without being totally reflected and is emitted from the light emitting side end surface 2b. Therefore, the above-mentioned "number of times according to the incident angle" includes 0 times.
  • the light guide member 2 may be composed of, for example, a hollow pipe (light pipe) having a circular or polygonal cross section. In this case, by forming a reflective film made of metal on the inner surface of the pipe, the light incident on the light guide member 2 can be reflected by the inner surface (reflection film) to guide the light. Further, the material constituting the light guide member 2 may be glass or a transparent resin such as acrylic. (Objective optical system)
  • the objective optical system 3 is an optical system that reduces and forms an image of the light source LS to be measured on the light incident side end surface 2a of the light guide member 2.
  • the objective optical system 3 includes a front lens system 31 located on the light source LS side to be measured, a rear lens system 32 located on the light guide member 2, and a spread of light emitted from one point of the light source LS to be measured. It is configured to have an aperture AP1 (measurement angle restriction aperture) that regulates an angle and an aperture AP2 (measurement range regulation aperture, field aperture) that regulates the measurement range of the light source LS to be measured.
  • aperture AP1 measurement angle restriction aperture
  • AP2 measurement range regulation aperture, field aperture
  • the measured surface LS0 of the measured light source LS and the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 have a conjugate relationship. That is, the light emitted from a certain point on the measured surface LS0 of the measured light source LS is focused on a certain point on the light incident side end surface 2a of the light guide member 2.
  • the front lens system 31 is composed of two lenses
  • the rear lens system 32 is composed of three lenses.
  • the number of lenses in the front lens system 31 and the rear lens system 32 is not particularly limited.
  • the aperture AP1 is arranged at the posterior focal position of the anterior lens system 31.
  • Each point in the plane of the aperture AP1 (opening) corresponds to the emission angle of light on the measured surface LS0 of the measured light source LS.
  • the aperture AP1 By arranging the aperture AP1, it is possible to appropriately regulate the measurement angle (emission angle) of the light emitted from the surface to be measured LS0 without excess or deficiency, and to measure only the light in the angle range to be measured.
  • the shape of the opening of the aperture AP1 is circular, but it may be rectangular or another shape.
  • the diaphragm AP2 is arranged immediately before the light incident side end surface 2a of the light guide member 2. Each point in the plane of the aperture AP2 (opening) corresponds to each point on the measured surface LS0 of the measured light source LS.
  • the measurement range (measurement area) of the light source to be measured LS can be appropriately regulated without excess or deficiency, and only the light in the range to be measured can be measured.
  • FIG. 3 schematically shows a state when the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 of FIG. 2A is stopped down and viewed from the AP2 side.
  • the opening AP2a of the aperture AP2 is circular, and its diameter is set to be slightly smaller than the diameter of the inscribed circle of the light incident side end face 2a of the light guide member 2.
  • the opening AP2a of the aperture AP2 may have a rectangular shape or another shape. It is also possible to omit the arrangement of the aperture AP2.
  • the measurement range of the measured surface LS0 of the measured light source LS is similar to the shape of the light incident side end surface 2a of the light guide member 2.
  • the branch portion 4 is a spectroscopic optical system that guides the light emitted from the light emitting side end surface 2b of the light guide member 2 to the light receiving unit 5, and is composed of a plurality of branch members 41.
  • each branch member 41 is composed of, but not limited to, an optical fiber.
  • the material constituting the optical fiber may be glass or a transparent resin such as acrylic, but it is made of resin from the viewpoints of being easily bent into a desired shape, being inexpensive, and having a wide variety of types. Optical fiber is desirable.
  • the cross-sectional shape of the branch member 41 may be circular (including an elliptical shape) or polygonal.
  • each branch member 41 on the light guide member 2 side may be arranged close to the light emitting side end face 2b of the light guide member 2 via an air layer, but may be bonded or fused without passing through the air layer. It may be connected by the joining method of. If an air layer exists between the light guide member 2 and the branch member 41, a light amount loss occurs due to surface reflection. The light amount loss is about 4% each on the light emitting side end surface 2b of the light guide member 2 and the surface of the branch member 41 facing this surface, and is about 8% in total. When there is no air layer, the light loss is almost zero.
  • the light guide member 2 and the branch member 41 are separated from each other, the light guide member 2 and each branch member 41 are likely to be displaced due to the operating environment temperature, vibration, or the like, and the amount of light is likely to change. It is desirable that the light guide member 2 and the branch member 41 are joined without passing through an air layer.
  • FIGS. 4A to 4C show an example of the light guide member 2 and the branch portion 4.
  • the light guide member 2 is composed of a solid triangular prism having an equilateral cross section, and three optical fiber branches are formed on the light emitting side end surface 2b of the light guide member 2.
  • the ends of the member 41 are joined and connected by adhesion, fusion, or the like.
  • the relationship between the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 and the diaphragm AP2 as shown in FIG. It is set to be about the same as or slightly smaller than the inscribed circle of the regular triangle shape of the incident side end face 2a.
  • the length of one side of the light guide member 2 is 2.8 mm, and the diameter of the opening AP2a of the aperture AP2 is 1.5 mm.
  • the branch member 41 is an optical fiber having a diameter of 1 mm
  • the three branch members are shown in FIG. 4 (C).
  • the 41 can be arranged so as to fit within the range of the light emitting side end surface 2b of the equilateral triangle of the light guide member 2.
  • the present embodiment since the present embodiment has a simpler configuration than the 3-branch bundle fiber type, it is inexpensive and has stable optical characteristics (less variation due to objects).
  • the light guide member 2 is composed of a solid regular quadrangular prism having a square cross section, and four optical fiber branches are formed on the light emitting side end surface 2b of the light guide member 2.
  • the ends of the member 41 are joined and connected by adhesion, fusion, or the like.
  • the relationship between the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 and the diaphragm AP2 as shown in FIG. It is set to be about the same as or slightly smaller than the square inscribed circle of the incident side end face 2a.
  • the length of one side of the light guide member 2 is 1.5 mm, and the diameter of the opening AP2a of the aperture AP2 is also 1.5 mm.
  • the branch member 41 is an optical fiber having a diameter of 0.75 mm
  • four branches are shown as shown in FIG. 5 (C).
  • the member 41 can be arranged so as to fit within the range of the square light emitting side end surface 2b of the light guide member 2.
  • the optical efficiency of the branch portion 4 according to the present embodiment is about 10% per branch, and the optical efficiency of the branch portion 4 is the conventional four-branch bundle fiber. It is more efficient than the type and the light guide member and relay lens type.
  • FIG 6 and 7 show other examples of the light guide member 2 and the branch portion 4.
  • the light guide member 2 and each branch member 41 are integrally formed of the same material.
  • the light guide member 2 is composed of a solid regular triangular prism having a regular triangular cross section, and is integrally formed with the light guide member 2 from the light emitting side end surface 2b of the light guide member 2. It shows a state in which the branch member 41 having a circular cross section of the book protrudes forward.
  • FIG. 6 a step is formed between the peripheral edge portion of the light emitting side end surface 2b of the light guide member 2 and the branch member 41.
  • FIG. 7 there is no step between the peripheral edge portion of the light emitting side end surface 2b of the light guide member 2 and the branch member 41, and the light guide member 2 and the branch member 41 are formed in a smoothly connected state. ing. Even when the light guide member 2 and each branch member 41 are integrally formed of the same material as described above, the advantage when there is no air layer between the light guide member 2 and each branch member 41 can be taught. (Light receiving section) As schematically shown in FIG.
  • the light receiving unit 5 is incident on the light guide member 2 from the light source LS to be measured via the objective optical system 3, is emitted from the light emitting side end surface 2b of the light guide member 2, and is branched. It receives the light guided by the plurality of branch members 41 of the unit 4.
  • the light receiving unit 5 is composed of a plurality of light receiving sensors 51 having different characteristics arranged facing the emission end of each branch member 41. In the present embodiment, the plurality of sensors 51 of the light receiving unit 5 have measurement sensitivities corresponding to the color matching functions X, Y, and Z, respectively.
  • Each light receiving sensor 51 is composed of a light receiving element 52 and an optical color filter 53 arranged in front of the light receiving element 52.
  • the light receiving element 52 is composed of, for example, a silicon photodiode, and an electric signal corresponding to the amount of light received is output to a subsequent electric circuit (not shown).
  • the light receiving surface of the light receiving element 52 is a square or a rectangle in this example, but the light receiving surface may be a polygon other than a quadrangle (for example, a triangle) or a circle.
  • each branch member 41 As shown in FIG. 9, it is desirable that all the luminous flux emitted from each branch member 41 is received by the light receiving element 52 via the optical color filter 53 in terms of the light efficiency of 100%. Further, as shown in FIG. 10, all the light flux emitted from each branch member 41 receives light according to the diameter / NA (numerical aperture: Numerical aperture) of the branch member 41, the size of the light receiving element 52, the positional relationship, and the like.
  • a condenser lens 55 may be interposed between each branch member 41 and each optical color filter 53 so that light is received by the element 52.
  • FIG. 11 is a plan view showing a specific configuration of the light receiving unit 5.
  • the light receiving unit 5 has four light receiving sensors 51 (51a to 51d) corresponding to the four branch members 41.
  • each light receiving sensor 51 includes a light receiving element 52 and an optical color filter 53.
  • Each light receiving element 52 is composed of, for example, a silicon photodiode, and an electric signal corresponding to the amount of light received is output to a subsequent electric circuit (not shown).
  • the light receiving surface 5a of each light receiving element 52 is a square or a rectangle in this example, and is located at each of the four corners of one square.
  • each light receiving surface 5a may be a polygon other than a quadrangle (for example, a triangle) or a circle.
  • the number of light receiving sensors 51 is the same as the number of branch members 41.
  • the optical color filter 53 of each sensor 51 has an optical characteristic of transmitting light in a predetermined wavelength range, is formed in a size larger than that of the light receiving element 52, and is arranged on the light incident side of the light receiving element 52.
  • the optical color filters 53 of the three sensors 51 (for example, the sensors 51a to 51c) transmit light in the wavelength range corresponding to the color matching functions X, Y, and Z, respectively. It is composed of optical color filters 53X, 53Y, and 53Z.
  • the three sensors 51 have measurement sensitivities corresponding to the color matching functions X, Y, and Z, respectively.
  • the light transmitted through the optical color filters 53X, 53Y, and 53Z of the three sensors 51 is received by the corresponding light receiving element 52.
  • each sensor 51 each light receiving element 52
  • the plurality of light receiving sensors 51 of the light receiving unit 5 have measurement sensitivities corresponding to the color matching functions X, Y, and Z, respectively.
  • the signal corresponding to the three stimulus values of XYZ
  • This makes it possible to realize a color luminance meter (colorimeter) that obtains color and luminance.
  • the optical color filter 53 of the remaining sensor 51 (for example, the sensor 51d) among the above four sensors 51 is composed of an optical color filter 53Y that transmits light in the wavelength range corresponding to the color matching function Y.
  • the light receiving element 52 that receives the light transmitted through the optical color filter 53Y is connected to, for example, an electric circuit for detecting flicker. This makes it possible to detect flicker based on the electric signal output from the light receiving element 52.
  • one of the two optical color filters 53Y may be configured with, for example, an optical color filter that transmits infrared rays.
  • an optical color filter that transmits infrared rays.
  • the optical characteristics of the three optical color filters 53X, 53Y, and 53Z among the four optical color filters 53 are different from each other, but the characteristics of at least two optical color filters 53 may be different from each other. (It is sufficient that all of the plurality of optical color filters 53 do not have the same characteristics, and it is sufficient that data of two or more types of different characteristics can be obtained from the plurality of light receiving sensors 51).
  • the plurality of sensors 51 of the light receiving unit 5 include a light receiving element 52 having a square or rectangular light receiving surface 5a and an optical color filter 53 arranged on the light incident side of the light receiving element 52, respectively, of the optical color filter 53. Since at least two characteristics are different from each other, it is possible to easily arrange sensors 51 having a plurality of characteristics together as shown in FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the light receiving portion 5 in a state of facing the branch member 41
  • FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of a part thereof.
  • Each light receiving sensor 51 has a recess of the holding member 54 so that the optical color filter 53 is located closer to the branch member 41 than the light receiving element 52, and the light receiving element 52 and the optical color filter 53 are arranged via a gap. It is housed and held in 54a.
  • the recess 54a has a stepped shape in which the opening diameter is gradually narrowed from the arrangement side of the optical color filter 53 toward the arrangement side of the light receiving element 52, whereby the optical color filter 53 and the light receiving element 52 are described above. It can be accommodated in the recess 54a so as to have a positional relationship.
  • the holding member 54 also serves as a light-shielding wall that separates the light receiving sensors 51 located adjacent to each other. That is, since the holding member 54 exists as a light-shielding wall between two adjacent sensors 51, the light that has passed through the optical color filter 53 of one of the adjacent sensors 51 is transferred to the light receiving element 52 of the other adjacent sensor 51. Incident is prevented and measurement error can be reduced.
  • optical color filter 53 it is possible to use an interference film filter having an interference film formed on a glass substrate.
  • an interference film filter When an interference film filter is used, the transmission characteristics change depending on the angle of incidence of the light rays on the interference film. Since the angle unevenness) is mixed, the light emitted from the light guide member 2 does not depend on the characteristics of the light source LS to be measured. Therefore, it suffices to design a film corresponding to the angle of incidence (cone angle) on the interference film filter.
  • the interference film filter depends on the polarization (transmittance differs depending on the polarization condition), but the polarization is mixed (becomes unpolarized) by passing through the light guide member 2, so that the light source LS to be measured is LS. It does not depend on the characteristics of (the LCD monitor emits polarized light).
  • optical color filter 53 it is also possible to use a colored glass filter that absorbs light in a specific wavelength range, an ND (Neutral Density) filter that dims light in a wide wavelength range, a linear polarizing plate, a wave plate, or the like. be. Further, a plurality of optical color filters 53 may be arranged on the light incident side of one light receiving element 52.
  • ND Neutral Density
  • the optical color filters 53 may all be configured with the same filter. However, in this case, it is necessary to use different sensors as the light receiving element 52 in order to make the characteristics of the plurality of sensors 51 different. For example, by using a silicon photodiode for visible light and an InGaAs photodiode for infrared light in combination, or by using a light receiving element capable of high-sensitivity measurement and a light receiving element capable of high-speed measurement in combination. It is possible to measure various optical characteristics at the same time while using the same optical color filter 53.
  • the number of sensors 51 constituting the light receiving unit 5 is not limited to the four in the present embodiment. Depending on the number of branch members 41, it is appropriate to use more sensors 51, for example, 9 light receiving sensors 51 are arranged in 3 rows and 3 columns, or 16 light receiving sensors 51 are arranged in 4 rows and 4 columns. It is also possible to measure more optical characteristics at the same time by arranging in.
  • the arithmetic unit calculates the luminance Lv and the chromaticity x and y from the light receiving data corresponding to the color matching function XYZ converted into the electric signal output from each light receiving sensor 31.
  • the calculation result is displayed on the display unit or sent to an external personal computer.
  • the light emitted from the light source LS to be measured and incident on the inside of the light guide member 2 is emitted.
  • Total reflection is repeated on the side surface 2c of the light guide member 2 as many times as the number of times corresponding to the incident angle on the light incident side end surface 2a, and the light is emitted from the light emission side end surface 2b.
  • the above one point is illuminated by light from various points on the light incident side end surface 2a of the light guide member 2.
  • the measured surface LS0 of the measured light source LS and the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 are coupled by the objective optical system 3, light from various points of the light source LS to be measured is light from the light guide member.
  • Each sensor 51 of the light receiving unit 5 is illuminated via the 2 and the branch member 41.
  • each sensor 51 receives the light mixed by the light guide member 2 at various positions of the surface to be measured LS0, so that the sensor 51 receives the light. It is less susceptible to positional unevenness on the measurement surface LS0. As a result, in each sensor 51, the position unevenness of the measurement sensitivity can be reduced, and stable measurement becomes possible.
  • the light is incident on the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 according to the emission angle of the light emitted from the light source LS to be measured.
  • the angle changes.
  • the light incident on the inside of the light guide member 2 via the light incident side end surface 2a is repeatedly totally reflected by the side surface 2c of the light guide member 2 as many times as the angle thereof, and various positions of the light emission side end surface 2b are repeated. (Position according to the angle of incidence on the light guide member 2) will be reached. Therefore, considering one point of the light emitting side end surface 2b as described above, the above one point is illuminated by light of various angles.
  • each sensor 51 of the light receiving unit 5 is illuminated via the light source member 2 and the branch member 41.
  • the light beam (indicated by a solid line) L1 incident on the light incident side end surface 2a at the incident angle of 0 ° shown in FIGS. 14A and 14B has the incident position on the light incident side end surface 2a at the central position S1. Even if there is, the light travels straight even at the position S2 of the end portion, so that the light is uniformly emitted from the end surface 2b on the light emitting side. On the other hand, since the light rays incident on the light incident side end surface 2a at an incident angle other than 0 ° are reflected, the emission position from the light emission side end surface 2b is biased. For example, as shown in FIG.
  • each sensor 51 Even if the emission intensity (brightness) of the measured surface LS0 of the measured light source LS has unevenness in angle, in each sensor 51, light of various angles emitted from the measured surface LS0 is emitted from the light guide member 2.
  • the branch member 41 By receiving the light mixed by the above through the branch member 41, it is less likely to be affected by the angle unevenness on the surface to be measured LS0. As a result, it is possible to reduce the angle unevenness of the measurement sensitivity in each sensor 51, and stable measurement becomes possible.
  • the light guide member 2 has the shape of a simple polygonal prism or a polygonal frustum (see FIGS. 2A to 2D), it is compared with a conventional light guide body in which a plurality of fibers are randomly woven to guide the light. , Easy to configure and inexpensive. Therefore, it is possible to obtain the effect of reducing the positional unevenness and the angle unevenness of the measurement sensitivity with a simple configuration using the inexpensive light guide member 2.
  • the light receiving unit 5 has a plurality of sensors 51 having different characteristics, the color and the luminance can be measured, so that the color and the luminance can be measured. The above-mentioned effect can be obtained in the color luminance meter that performs the above.
  • the position of the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 is measured. It has a correlation with the angular distribution (directivity) of the surface LS0.
  • the incident position S3 on the light incident side end surface 2a only the light rays (indicated by the broken line) emitted from the light source LS to be measured at an upward angle are gathered.
  • the angle of incidence of the light guide member 2 on the light incident side end surface 2a has a correlation with the spatial distribution (measurement position) of the surface to be measured LS0. All the light rays from the point P1 on the surface to be measured LS0 are incident on the light guide member 2 in an oblique downward direction.
  • the spatial distribution (positional unevenness) of the measured surface LS0 depends on the number of reflections by the light guide member 2, and the higher the number of reflections, the higher the mixing property, and the angular distribution (directivity unevenness) of the measured surface LS0 is reflection. Mixability is good regardless of the number of times.
  • the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 when the surface to be measured LS0 and the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 are conjugated using the rear lens system 32, the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 The position correlates with the spatial distribution (measurement position) of the surface to be measured LS0.
  • the light rays from the point P2 on the measured surface LS0 are concentrated at the incident position S4 of the light incident side end surface 2a.
  • the angle of incidence of the light guide member 2 on the light incident side end surface 2a has a correlation with the angle distribution (directivity) of the surface to be measured LS0. All the light rays (broken line) emitted from the surface to be measured LS0 at an upward angle are incident on the light guide member 2 in an oblique downward direction.
  • the spatial distribution (positional unevenness) of the measured surface LS0 has good mixing property regardless of the number of reflections by the light guide member 2, and the angular distribution (directivity unevenness) of the measured surface LS0 depends on the number of reflections. The higher the number of reflections, the higher the mixing property.
  • liquid crystal and organic EL monitors have uneven light emission in the monitor screen due to variations in RGB display elements.
  • the RGB light emitting elements are arranged discretely, so that the measured value is easily affected by the spatial distribution (measurement position unevenness).
  • many personal computer monitors, home TVs, and smartphones have wide directivity (light distribution characteristics), and as a colorimeter, spatial distribution (measurement position unevenness) is mixed. Can be said to have a higher priority.
  • FIG. 17 is an explanatory diagram schematically showing an optical path of a light beam guided inside the light guide member 2.
  • the thin light guide member 2 (light incident) is formed by reducing the image of the measured surface LS0 of the light source LS to be measured on the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 by the objective optical system 3 (see FIG. 1). It is possible to use a light guide member in which the diameter D1 of the inscribed circle of the side end surface 2a and the diameter D2 of the inscribed circle of the light emitting side end surface 2b are small), and the emission angle of the light emitted from the light source LS to be measured.
  • the incident angle ⁇ of the light on the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 becomes large (therefore, the refraction angle ⁇ P inside the light guide member 2 also becomes large). From FIG. 17, the larger the incident angle ⁇ of the light on the light incident side end surface 2a (the larger the refraction angle ⁇ P), or the smaller the diameters D1 and D2, the more the side surface 2c of the light incident on the inside of the light guide member 2. It can be seen that the number of reflections at is increased.
  • D1 D2
  • the light ray LT having the maximum angle ⁇ with the optical axis AX.
  • the approximate number of times it is reflected by the side surface 2c of the light guide member 2 is (Ltan ⁇ P) / D1 or (Ltan ⁇ P) / D2 It is represented by.
  • nP is the refractive index of the light guide member 2
  • optical axis AX is an axis connecting the center of the inscribed circle of the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 and the center of the inscribed circle of the light emitting side end surface 2b, and is an objective optical system 3. It shall be coaxial with the optical axis of.
  • the above one point is light emitted from the light source LS to be measured at various angles. It is possible to reduce the influence of the angle unevenness of the light source LS to be measured.
  • the angle of the light ray is reversed. Therefore, as the number of times the light ray is reflected increases, the above-mentioned one point is illuminated with light of various angles. Therefore, it is possible to more effectively reduce the influence of the angle unevenness of the light source LS to be measured, reduce the angle unevenness of the measurement sensitivity, and enable more stable measurement.
  • FIG. 18 shows the optical path of the light beam guided inside the light guide member 2 when the light guide member 2 having the polygonal pyramid shape shown in FIG. 2D is used as the light guide member 2. It is explanatory drawing.
  • the shapes of the light incident side end face 2a and the light emitting side end face 2b are square, but the area of the light emitting side end face 2b is larger than the area of the light incident side end face 2a.
  • the number of reflections of the light guided internally when the light guide member 2 in the shape of a polygonal frustum is used can be considered as follows. That is, when the light guide member 2 having a polygonal cone trapezoidal shape is used, the angle ⁇ formed by the light beam emitted from the light source LS to be measured and incident on the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 with the optical axis AX is The approximate number of times that the maximum light ray LT is reflected by the side surface 2c of the light guide member 2 is represented by ⁇ / ⁇ . However, in FIG.
  • is an angle (°) formed by the straight line connecting the point A and the point O and the optical axis AX
  • is the side surface 2c of the light guide member 2 in the cross section including the optical axis AX.
  • the angle (°) is twice the angle formed by the optical axis AX and the optical axis AX.
  • the point O points to a point where the light beam LT intersects the optical axis AX when the side surface 2c of the light guide member 2 is extended in the cross section including the optical axis AX
  • the point A is the light incident on the light guide member 2.
  • ⁇ and ⁇ are angles that satisfy the following relational expression.
  • L Length (mm) of the light guide member 2 in the optical axis AX direction
  • Maximum value (°) of the angle formed by the light ray incident on the center of the light incident side end surface 2a of the light guide member 2 and the normal line of the light incident side end surface 2a.
  • D1 Diameter (mm) of the inscribed circle of the end face 2a on the light incident side of the light guide member 2.
  • D2 Diameter (mm) of the inscribed circle of the light emitting side end surface 2b of the light guide member 2.
  • nP The refractive index of the light guide member 2.
  • ⁇ / ⁇ > 1 that is, if the light ray LT is reflected at least once on the side surface 2c of the light guide member 2, the light ray LT is reflected on the side surface 2c to variously reflect the light ray LT on the surface to be measured LS0.
  • the light emitted from the position and the light emitted from the surface to be measured LS0 at various angles can be mixed by the light guide member 2. Therefore, the influence of the position unevenness and the angle unevenness of the light source LS to be measured can be reduced, and the position unevenness and the angle unevenness of the measurement sensitivity can be reduced.
  • the light ray LT is reflected multiple times on the side surface 2c, the influence of the position unevenness and the angle unevenness of the light source LS to be measured is surely reduced, and the position unevenness and the angle unevenness of the measurement sensitivity are surely reduced. Is desirable because it can be surely reduced.
  • the three light receiving sensors 51 (for example, the light receiving sensors 51a to 51c) have measurement sensitivities corresponding to the color matching functions X, Y, and Z, and have brightness (Lv) and chromaticity (x).
  • Y is a light receiving sensor
  • the remaining sensor 51 (for example, sensor 51d) is a light receiving sensor for detecting flicker, for example, has already been described.
  • the light guide member 2 is a regular quadrangular prism having a square cross section having a side length of 1.5 mm
  • the branch portion 4 includes four branch members 41 made of optical fibers having a diameter of 0.75 mm.
  • the light receiving unit 5 includes four light receiving sensors 51. Of the four light receiving sensors 51, three are light receiving sensors 51a to 51c composed of an optical color filter 53 and a light receiving element 52, and the light receiving sensitivity of the color matching function XYZ is used to calculate chromaticity and luminance. Used for.
  • the other is a light receiving sensor 51e that acquires spectral data using a diffraction grating, a prism, a bandpass filter, or the like, and is used for calculating spectral radiance, chromaticity, and brightness.
  • FIG. 19 illustrates only one light receiving sensor on behalf of the three light receiving sensors 51a to 51c.
  • the light receiving sensor 51e for obtaining the spectral data has, for example, an opening size 0 in which the exit end of the branch member 41 made of an optical fiber having a diameter of 0.75 mm is provided in the housing 6. It is arranged in an incident slit 61 of .4 ⁇ 0.75 mm, and the light beam from the incident slit 61 is made substantially parallel light by the lens 62 and is irradiated to the diffraction grating 63 of 600 lines / mm. Then, the light rays dispersed in wavelength by the diffraction grating 63 are focused by the lens 62 on the light receiving sensor 51e composed of the line sensor and received.
  • the line sensor constituting the light receiving sensor 51e includes 100 cells in which one element is 0.2 ⁇ 1 mm, and acquires spectral data having a wavelength range of 380 to 780 nm, a wavelength resolution of 4 nm pitch, and a wavelength half width of 8 nm.
  • FIG. 21 illustrates yet another combination of the plurality of light receiving sensors 51.
  • the light guide member 2 is a regular quadrangular prism having a side length of 1.5 mm and a square cross section
  • the branch portion 4 includes four branch members 41 made of optical fibers having a diameter of 0.75 mm
  • the light receiving portion 5 has a light receiving portion 5. It includes four light receiving sensors 51.
  • Each of the four light receiving sensors 51 is composed of spectroscopic sensors 51f to 51i, and each spectroscopic sensor 51f to 51i obtains spectroscopic data having different wavelength bands.
  • FIG. 21 of the four light receiving sensors 51f to 51i two of them overlap in the depth direction of the paper surface, so only two light receiving sensors are shown.
  • FIG. 22 illustrates yet another combination of the plurality of light receiving sensors 51.
  • the light guide member 2 is a regular quadrangular prism having a side length of 1.5 mm and a square cross section
  • the branch portion 4 includes four branch members 41 made of optical fibers having a diameter of 0.75 mm
  • the light receiving portion 5 has a light receiving portion 5. It includes four light receiving sensors 51. Of the four light receiving sensors 51, three are light receiving sensors 51a to 51c composed of an optical color filter 53 and a light receiving element 52, and the other one is a light receiving sensor 51j provided in an external measuring instrument 593. Is.
  • the light receiving sensor 51j of the external measuring instrument 593 is connected to the branch member 41 via the optical connectors (outlet side and inlet side) 591 and 592, and the light emitted from the branch member 41 is transmitted through the optical connectors 591 and 592. Receive light.
  • a plurality of external measuring instruments 593 having different light receiving characteristics of each built-in light receiving sensor can be detachably connected to the branch member 41 via optical connectors 591 and 592. ..
  • the user selects any external measuring instrument 593 from a plurality of external measuring instruments 593, connects them, and uses or replaces them. Examples of the external measuring instrument 593 include a flicker measuring instrument and a spectroscopic measuring instrument including a polychrom.
  • FIG. 23 illustrates yet another combination of the plurality of light receiving sensors 51.
  • the shape of the light guide member 2 and the number of branch members 41 (number of branches) are arbitrary.
  • 19 branch members 41 made of optical fibers are connected to a light guide member 2 of a regular hexagonal column having a regular hexagonal cross section, and 19 light receiving sensors 51 corresponding to each branch member 41 are connected. Place (not shown).
  • Each of the 19 light receiving sensors 51 has an arbitrary light receiving sensitivity.
  • 19 types of bands having center wavelengths of 400 nm, 420 nm, ... 500 nm, ... 760 nm and 20 nm, each having a half width of 30 nm.
  • the present invention can be used as a color luminance meter for measuring the luminance and chromaticity of light emitted from a light source to be measured.
  • Photometer 2 Light guide member 2a Light incident side end surface 2b Light emission side end surface 2c Side surface 3 Objective optical system 4 Branch part 41 Branch member 5 Light receiving part 5a Light receiving surface 31 Front lens system 32 Rear lens system 51 Sensor 52 Light receiving element 53 Optical color filter AP1, AP2 Aperture LS Light source to be measured

Landscapes

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Abstract

横断面が円形または多角形の導光部材(2)と、被測定物(LS)からの光束を導光部材(2)の光入射側端面(2a)に集める対物光学系(3)と、導光部材(2)の光出射側端面(2b)から出射される光束を複数に分岐して導光するそれぞれ単一の部材からなる複数の分岐部材(41)を備えた分岐部(4)と、分岐部(4)における複数の分岐部材(41)のそれぞれからの出射光を受光するとともに、2種類以上の異なる特性のデータを得るための複数の受光センサ(51)を備えている。

Description

測光装置
 本発明は、被測定光源の特性を測定する測光装置に関し、特に、被測定光源から出射される光の輝度や色度を測定する色彩輝度計などの測光装置に関する。
 色彩輝度計などの測光装置では、色を測定するために、測定光を3つに分割して各センサで受光する。測定光を3つに分割する手段として、例えば特許文献1では、複数のファイバ素線が束ねられて成り、対物光学系からの出射光が一端側に入射され、他端側で複数のファイバ素線が分割されているバンドルファイバが開示されている。このバンドルファイバにおける分割された各他端側には、それぞれ、バンドルファイバの他端側からの出射光を検出する複数の測色光学系が備えられている。
 また、出願人は特許文献2で、導光部材とリレー光学系による光路分岐を用いて、測定光を複数に分割して各センサで受光する測光装置を提案した。具体的には、導光部材により被測定物の位置むら、角度むらを均一化された光束を、リレー光学系を用いて複数の受光センサへ照射するものである。
 ところで、測光装置による色の測定は、測定対象物(被測定光源)の被測定面に測光装置を接触させ、または非接触で近づけ、被測定面の所定の領域から所定の角度範囲で出射された光を測光装置で受光することによって行われる。このとき、被測定面の発光強度(発光輝度)に、発光位置および発光角度によるムラ(位置ムラ、角度ムラ)があると、その影響を測光装置側でも受ける。そして、測光装置側で、上記影響を受けて測定感度の位置ムラおよび角度ムラが大きくなると、測定する位置および測定する角度の違いによって測定値の差(測定誤差)が大きくなる。なお、測定感度の位置ムラとは、被測定光源の被測定面の異なる位置から同じ方向(例えば上記面に垂直な方向)に出射される各光について、測定感度が異なることを指す。また、測定感度の角度ムラとは、被測定光源の被測定面の同じ位置から異なる方向に出射される各光について、測定感度が異なることを指す。
 したがって、色の測定にあたっては、測定する位置および測定する角度の違いによる測定誤差を小さくするために、被測定光源の発光強度の位置ムラおよび角度ムラの影響を受けにくくして、測定感度の位置ムラおよび角度ムラを低減することが必要となる。
特許第5565458号公報 特願2018-135574号
 しかし特許文献1では、多数本のファイバーを束ねた導光体を用いて測定光を導光するようにしているが、光量ムラを減らして測定誤差を小さくするために、各ファイバーをランダムに編み込むことが必要となり、高コストである。また、ファイバーの充填具合、曲げの状態、応力の状態等の制御が難しいため、被測定光源の発光強度の位置ムラおよび角度ムラの影響を受けにくくするような導光体の設計が困難であり、結果として、測定感度の位置ムラおよび角度ムラを低減することが困難となるという課題がある。
 また、特許文献2で提案された測光装置は、導光部材の出射端から出射した光束をリレー光学系により、照射範囲Rに照射したときに、照射範囲Rに設置された受光センサの照射範囲Rに対する面積比は、受光センサ1個あたり約10%程度である。このため、受光センサを4個とすると、合計は40%となり、照射範囲Rに照射された光束のうち60%程度を無駄にしているため、光効率が良くないという課題がある。
 本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的は、安価な導光部材を用いた構成で測定感度の位置ムラおよび角度ムラを低減することができ、しかも光効率が良い測光装置を提供することにある。
 上記目的は以下の手段によって達成される。
(1)横断面が円形または多角形の導光部材と、被測定物からの光束を前記導光部材の光入射側端面に集める対物光学系と、前記導光部材の光出射側端面から出射される光束を複数に分岐して導光するそれぞれ単一の部材からなる複数の分岐部材を備えた分岐部と、前記分岐部における複数の分岐部材のそれぞれからの出射光を受光するとともに、2種類以上の異なる特性のデータを得るための複数の受光センサと、を備えた測光装置。
(2)前記対物光学系は、前記被測定物と導光部材の光入射側端面とを共役関係とする前項1に記載の測光装置。
(3)前記複数の受光センサには、等色関数XYZに近似した受光データを得るための受光センサが含まれる前項1または2に記載の測光装置。
(4)前記複数の受光センサには分光データを得るための受光センサが含まれる前項1~3のいずれかに記載の測光装置。
(5)前記複数の受光センサには、前記分岐部材からの光を光コネクタを介して受光する外部測定器の受光センサが含まれるとともに、前記外部測定器は分岐部材に対して着脱可能であり、受光センサの受光特性がそれぞれ異なる複数の外部測定器の中から使用者によって選択された任意の外部測定器が分岐部材に対して接続される前項1~4のいずれかに記載の測光装置。
(6)前記複数の分岐部材はそれぞれ光ファイバーにより形成される前項1~5のいずれかに記載の測光装置。
(7)前記光ファイバーは樹脂製である前項6に記載の測光装置。
(8)前記導光部材は多角柱または多角錐台である前項1~7のいずれかに記載の測光装置。
(9)前記導光部材と複数の分岐部材は、空気層を介することなく接続されている前項1~8のいずれかに記載の測光装置。
(10)前記導光部材と複数の分岐部材は一体構造である前項1~8のいずれかに記載の測光装置。
 前項(1)に記載の発明によれば、被測定物からの光束は対物光学系によって導光部材の光入射側端面に集められ、光入射側端面から導光部材に入射される。導光部材は、横断面が円形または多角形であるため、複数本のファイバーをランダムに編み込んで導光する従来の導光体に比べて、構成が簡単であり、安価である。また、導光部材に入射する被測定光源からの光は、導光部材への入射角度に応じた回数だけ導光部材の側面(光入射側端面および光出射側端面以外の面)で全反射されて導光され、導光部材の光出射側端面に至り、光出射側端面から出射されて単一の部材からなる複数の分岐部材に分岐される。そして、複数の分岐部材のそれぞれからの出射光は、2種類以上の異なる特性のデータを得るための複数の受光センサによって受光される。
 このため、受光部の各センサは、被測定光源の被測定面の様々な位置から出射された光および被測定面から様々な角度で出射された光が混合された光を受光することになる。その結果、被測定光源の被測定面の発光強度(発光輝度)に位置ムラおよび角度ムラがあっても、受光部側でその影響を受けにくくすることができ、これによって、測定感度の位置ムラおよび角度ムラを低減することが可能となる。
 また、導光部材の光出射側端面から出射される光束は複数の分岐部材により分岐されて各受光センサまで導光されるから、分岐部材から出射される光を各受光センサによって無駄なく利用することができる。このため、導光部材の光出射側端面から出射した光束をリレー光学系により照射して受光センサに受光させる構成のものに較べて、光効率を向上することができる。
 前項(2)に記載の発明によれば、対物光学系は、被測定物と導光部材の光入射側端面とを共役関係とするから、被測定光源の被測定面の発光強度の位置ムラおよび角度ムラを少なくすることができる。
 前項(3)に記載の発明によれば、等色関数XYZに近似した受光データを得ることができる測光装置となる。
 前項(4)に記載の発明によれば、分光データを得ることができる測光装置となる。
 前項(5)に記載の発明によれば、外部測定器の受光センサに、分岐部材からの光を光コネクタを介して受光させることで、外部測定器を使用することができるとともに、受光センサの受光特性がそれぞれ異なる複数の外部測定器の中から、使用者は任意の測定器を選択して使用することができる。
 前項(6)に記載の発明によれば、複数の分岐部材をそれぞれ光ファイバーにより容易に形成することができる。
 前項(7)に記載の発明によれば、光ファイバーは樹脂製であるから、曲げ容易性、安価、種類が豊富等の利点を享受できる。
 前項(8)に記載の発明によれば、導光部材は多角柱または多角錐台であるから、被測定光源の被測定面の様々な位置から出射された光および被測定面から様々な角度で出射された光を効率よく混合することができる。
 前項(9)に記載の発明によれば、導光部材と複数の分岐部材は、空気層を介することなく接続されているから、導光部材の光出射側端部に至った光を光量ロスを抑制した状態で分岐部に分岐させることができる。
 前項(10)に記載の発明によれば、導光部材と複数の分岐部材は一体構造であるから、導光部材の光出射側端部に至った光を光量ロスを抑制した状態で分岐部に分岐させることができる。
本発明の実施の一形態の測光装置の概略の構成を示す説明図である。 上記測光装置の導光部材の一構成例を示す斜視図である。 上記導光部材の他の構成例を示す斜視図である。 上記導光部材のさらに他の構成例を示す斜視図である。 上記導光部材のさらに他の構成例を示す斜視図である。 図2Aの導光部材の光入射側端面を測定範囲規制絞り側から見たときの状態を模式的に示す平面図である。 (A)~(C)は導光部材と分岐部材の構成例を示す説明図である。 (A)~(C)は導光部材と分岐部材の他の構成例を示す説明図である。 導光部材と分岐部材のさらに他の構成例を示す斜視図である。 導光部材と分岐部材のさらに他の構成例を示す斜視図である。 導光部材と分岐部材と受光部の概略の構成を示す説明図である。 図8における分岐部材と受光センサの接続部分の拡大図である。 分岐部材と受光センサの接続部分の他の構成を示す拡大図である。 受光部の構成を示す平面図である。 受光部の構成を示す断面図である。 図12の一部を拡大して示す断面図である。 (A)(B)は導光部材に入射した光が導光部材内で反射されて出射される様子を説明するための説明図である。 後側レンズ系がない場合の導光部材への入射光の説明図である。 後側レンズ系がある場合の導光部材への入射光の説明図である。 導光部材2の内部で導光される光線の光路を模式的に示す説明図である。 図2Dの導光部材の内部で導光される光線の光路を展開して示した説明図である。 異なる特性のデータを得るための受光センサの組み合わせの一例を説明するための図である。 図19の分光センサで分光データを得るための構成の説明図である。 異なる特性のデータを得るための受光センサの組み合わせの他の例を説明するための図である。 異なる特性のデータを得るための受光センサの組み合わせのさらに他の例を説明するための図である。 異なる特性のデータを得るための受光センサの組み合わせのさらに他の例を説明するための図である。 図23の例において複数の受光センサがそれぞれ有するバンドパスフィルタの透過率を示すグラフである。
 本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
 図1は、本実施形態の測光装置1の概略の構成を示す説明図である。測光装置1は、導光部材2と、対物光学系3と、分岐部4と、受光部5とを有して構成されている。上記の測光装置1の構成では、被測定光源LSの被測定面LS0から出射された光を、対物光学系3を介して導光部材2に導き、導光部材2の内部で導光した後、分岐部4を介して受光部5に導く。以下、測光装置1を構成する各部材について説明する。
(導光部材)
 図2Aは、導光部材2の一構成例を示す斜視図である。導光部材2は、光入射側端面2aおよび光出射側端面2bを有し、光入射側端面2aから内部に入射した光を導光して光出射側端面2bから出射する光学素子であり、本実施形態では、ガラス製の中実(中身が詰まった)ロッドで構成されているが、中空(中身がない)であっても良い。本実施形態では、導光部材2は、光入射側端面2aから光出射側端面2bに至るまで横断面が同じ大きさの四角形(例えば正方形)である四角柱の形状であるが、この形状に限定されるわけではない。
 図2Bは、導光部材2の他の構成例を示す斜視図である。また、図2Cは、導光部材2のさらに他の構成例を示す斜視図である。これらの図に示すように、導光部材2は、光入射側端面2aから光出射側端面2bに至るまで横断面が同じ大きさの三角形(例えば正三角形)である三角柱の形状や、光入射側端面2aから光出射側端面2bに至るまで横断面が同じ大きさの六角形(例えば正六角形)である六角柱の形状などであってもよい。つまり、導光部材2は、光入射側端面2aから光出射側端面2bに至るまで横断面が同じ大きさの多角形である多角柱の形状であってもよい。
 また、図2Dは、導光部材2のさらに他の構成例を示す斜視図である。同図に示すように、導光部材2は、光入射側端面2aおよび光出射側端面2bが異なる大きさの四角形で横断面も四角形である四角錐台の形状であってもよい。その他、図示はしないが、光入射側端面2aおよび光出射側端面2bが異なる大きさの三角形で横断面も三角形である三角錐台の形状、光入射側端面2aおよび光出射側端面2bが異なる大きさの六角形で横断面も六角形である六角錐台の形状であってもよい。つまり、導光部材2は、光入射側端面2aおよび光出射側端面2bが異なる大きさの多角形で横断面も多角形である多角錐台の形状であってもよい。
 あるいはさらに、導光部材2は、光入射側端面2aから光出射側端面2bに至るまで横断面が同じ大きさの円形(楕円形を含む)である円柱の形状であってもよい。あるいは光入射側端面2aおよび光出射側端面2bが異なる大きさの円形(楕円形を含む)で横断面も円形(楕円形を含む)である円錐台の形状であってもよい。
 このような構成の導光部材2の内部に光入射側端面2aを介して入射した光は、光入射側端面2aに対する入射角度に応じた回数だけ、導光部材2の側面2c(導光部材2における空気との界面)で全反射して導光され、光出射側端面2bから出射される。なお、側面2cは、光入射側端面2aおよび光出射側端面2bを連結する面である。
 なお、例えば、光入射側端面2aの中心(光入射側端面2aと対物光学系3の光軸との交点)に垂直またはそれに近い角度で入射する光については、導光部材2の内部に光入射側端面2aを介して入射した後、側面2cで全反射されずに導光されて光出射側端面2bから出射される。したがって、上記の「入射角度に応じた回数」には、0回も含まれる。
 なお、導光部材2は、例えば断面が円形または多角形の中空のパイプ(ライトパイプ)で構成されてもよい。この場合、パイプの内面に金属からなる反射膜を形成することにより、導光部材2に入射した光をその内面(反射膜)で反射させて導光することができる。また、導光部材2を構成する材料は、ガラスであっても良いし、アクリルなどの透明樹脂であってもよい。
(対物光学系)
 対物光学系3は、被測定光源LSの像を、導光部材2の光入射側端面2aに縮小形成する光学系である。この対物光学系3は、被測定光源LS側に位置する前側レンズ系31と、導光部材2側に位置する後側レンズ系32と、被測定光源LSの1点から出射される光の広がり角を規制する絞りAP1(測定角規制絞り)と、被測定光源LSの測定範囲を規制する絞りAP2(測定範囲規制絞り、視野絞り)とを有して構成されている。
 対物レンズ系3の配置により、被測定光源LSの被測定面LS0と導光部材2の光入射側端面2aとは、共役な関係となっている。すなわち、被測定光源LSの被測定面LS0上のある点から出射された光は、導光部材2の光入射側端面2aのある点に集光する。本実施形態では、前側レンズ系31は、2枚のレンズで構成されており、後側レンズ系32は、3枚のレンズで構成されているが、上記の共役な関係を実現できる構成であればよく、前側レンズ系31および後側レンズ系32のレンズの枚数は特に限定されない。
 絞りAP1は、前側レンズ系31の後側焦点位置に配置されている。絞りAP1(開口部)の面内の各点は、被測定光源LSの被測定面LS0での光の出射角度に対応している。絞りAP1の配置により、被測定面LS0から出射される光の測定角度(出射角度)を過不足なく適切に規制し、測定したい角度範囲の光だけを測定することが可能となる。なお、本実施形態では、絞りAP1の開口部の形状は円形であるが、矩形であってもよいし、他の形状であってもよい。
 絞りAP2は、導光部材2の光入射側端面2aの直前に配置されている。絞りAP2(開口部)の面内の各点は、被測定光源LSの被測定面LS0上の各点に対応している。絞りAP2の配置により、被測定光源LSの測定範囲(測定領域)を過不足なく適切に規制し、測定したい範囲の光だけを測定することが可能となる。
 図3は、図2Aの導光部材2の光入射側端面2aを絞りAP2側から見たときの状態を模式的に示している。本実施形態では、絞りAP2の開口部AP2aは、円形であり、その直径は、導光部材2の光入射側端面2aの内接円の直径よりも若干小さく設定されている。なお、絞りAP2の開口部AP2aは、矩形であってもよいし、他の形状であってもよい。また、絞りAP2の配置を省略することも可能である。この場合、被測定光源LSの被測定面LS0の測定範囲は、導光部材2の光入射側端面2aの形状と相似になる。
(分岐部)
 分岐部4は、導光部材2の光出射側端面2bから出射される光を受光部5に導光する分光光学系であり、複数の分岐部材41によって構成される。各分岐部材41はこの実施形態では、限定はされないが光ファイバーによって構成されている。光ファイバーを構成する材料は、ガラスであっても良いし、アクリルなどの透明樹脂であってもよいが、所望の形状に容易に曲げられる、安価、種類が豊富であるなどの観点から樹脂製の光ファイバーが望ましい。また、分岐部材41の横断面形状は円形(楕円形を含む)であっても良いし、多角形であってもよい。
 各分岐部材41の導光部材2側の端面は、導光部材2の光出射側端面2bに空気層を介して近接配置されていても良いが、空気層を介することなく接着または融着等の接合方法により接続されていても良い。導光部材2と分岐部材41の間に空気層が存在すると、表面反射により光量ロスが発生する。光量ロスは、導光部材2の光出射側端面2bとこの面に対向する分岐部材41の面でそれぞれ4%程度、合計で8%程度となる。空気層が存在しない場合は光量ロスはほぼゼロとなる。さらに、導光部材2と分岐部材41とが離間していると、使用環境温度や振動などで導光部材2と各分岐部材41に位置ずれが生じ易く、光量変化が発生し易いことからも、導光部材2と分岐部材41は空気層を介することなく接合されるのが望ましい。
 図4(A)~(C)に、導光部材2と分岐部4の一例を示す。図4に示す例では、同図(B)のように、導光部材2は横断面正三角形の中実三角柱からなり、導光部材2の光出射側端面2bに3本の光ファイバー製の分岐部材41の端部が接着または融着等により接合接続されている。導光部材2の光入射側端面2aと絞りAP2の関係は、同図(A)に示すように、絞りAP2側から見て絞りAP2の開口部AP2aの大きさが、導光部材2の光入射側端面2aの正三角形状の内接円と同程度かわずかに小さく設定されている。この実施形態では、導光部材2の一辺の長さが2.8mmであり、絞りAP2の開口部AP2aの直径は1.5mmである。
 図4に示した例において、導光部材2と分岐部材41の接続部での光効率、換言すれば導光部材2と3本の分岐部材41の面積比率について説明する。
 導光部材2の横断面正三角形の一辺の長さが2.8mmであり、分岐部材41が直径1mmの光ファイバーとすると、図4(C)に位置関係を示すように、3本の分岐部材41は導光部材2の正三角形の光出射側端面2bの範囲内に収まる形態で配置できる。1本の分岐部材41当たりの光効率(面積率)は、
 分岐部材41の面積(0.52×π)÷導光部材2の面積(2.8×2.42÷2)=0.23
となる。一方、従来例で説明した特許文献1に記載の3分岐バンドルファイバーの光効率は、
 バンドル充填率(バンドル径に対するファイバー素線の有効面積比=70%程度)÷3=0.23
となり、図4に示した実施形態に係る分岐部4の光効率は、3分岐バンドルファイバータイプのものと同程度であることがわかる。一方、本実施形態の方が3分岐バンドルファイバータイプよりも構成が単純なので、安価でかつ、光学特性が安定している(物によるバラツキが少ない)。
 図5(A)~(C)に、導光部材2と分岐部4のさらに他の例を示す。図5に示す例では、同図(B)のように、導光部材2は横断面正方形の中実正四角柱からなり、導光部材2の光出射側端面2bに4本の光ファイバー製の分岐部材41の端部が接着または融着等により接合接続されている。導光部材2の光入射側端面2aと絞りAP2の関係は、同図(A)に示すように、絞りAP2側から見て絞りAP2の開口部AP2aの大きさが、導光部材2の光入射側端面2aの正方形状の内接円と同程度かわずかに小さく設定されている。この実施形態では、導光部材2の一辺の長さが1.5mmであり、絞りAP2の開口部AP2aの直径も1.5mmである。
 図5に示した例において、導光部材2と分岐部材41の接続部での光効率、換言すれば導光部材2と3本の分岐部材41の面積比率について説明する。
 導光部材2の横断面正方形の一辺の長さが1.5mmであり、分岐部材41が直径0.75mmの光ファイバーとすると、図5(C)に位置関係を示すように、4本の分岐部材41は導光部材2の正方形の光出射側端面2bの範囲内に収まる形態で配置できる。1本の分岐部材41当たりの光効率(面積率)は、
 分岐部材41の面積(0.3752×π)÷導光部材2の面積(1.5×1.5)=0.20
となる。一方、従来例で説明した4分岐バンドルファイバーの光効率は、1分岐当たり
 バンドル充填率(バンドル径に対するファイバー素線の有効面積比=70%程度)÷4=0.18
となる。また、特許文献2のように、導光部材とリレーレンズで4分岐する場合は、1分岐当たり10%程度であり、本実施形態に係る分岐部4の光効率は、従来の4分岐バンドルファイバータイプのものや、導光部材とリレーレンズタイプのものよりも効率が良い。
 図6及び図7は、導光部材2と分岐部4の他の例を示すものである。この例では、導光部材2と各分岐部材41を同一材料にて一体構造に形成したものである。
 図6及び図7では、導光部材2はいずれも横断面正三角形の中実の正三角柱からなり、導光部材2の光出射側端面2bから、導光部材2と一体に形成された3本の断面円形の分岐部材41が前方に突出している状態を示している。
 図6では、導光部材2の光出射側端面2bの周縁部と分岐部材41の間に段差が存在する状態に形成されている。一方、図7では、導光部材2の光出射側端面2bの周縁部と分岐部材41の間に段差は存在せず、導光部材2と分岐部材41が滑らかに連接された状態に形成されている。このように導光部材2と各分岐部材41を同一材料にて一体構造に形成した場合も、導光部材2と各分岐部材41との間に空気層が存在しない場合の利点を教授できる。
(受光部)
 受光部5は、図8に模式的に示すように、被測定光源LSから対物光学系3を介して導光部材2に入射し、導光部材2の光出射側端面2bから出射され、分岐部4の複数の分岐部材41により導光される光を受光するものである。この受光部5は、各分岐部材41の出射端に対向して配置された特性の異なる複数の受光センサ51で構成されている。本実施形態では、受光部5の複数のセンサ51は、それぞれ、等色関数X、Y、Zに対応する測定感度を有している。
 各受光センサ51は、受光素子52と、受光素子52前方に配置された光学色フィルタ53とで構成されている。受光素子52は、例えばシリコンフォトダイオードで構成されており、光の受光量に応じた電気信号が後段の電気回路(図示せず)に出力される。受光素子52の受光面は、この例では正方形または長方形であるが、受光面は、四角形以外の多角形(例えば三角形)であってもよいし、円形であってもよい。
 図9に示すように、各分岐部材41から出射された全ての光束が光学色フィルタ53を介して受光素子52で受光されるのが、光効率が100%となる点で望ましい。また、図10に示すように、分岐部材41の径・NA(開口数:Numerical Aperture)、受光素子52のサイズ、位置関係等に応じて、各分岐部材41から出射された全ての光束が受光素子52で受光されるように、各分岐部材41と各光学色フィルタ53との間に集光レンズ55を介在させてもよい。
 図11は、受光部5の具体的な構成を示す平面図である。受光部5は、この例では4本の分岐部材41に対応して4つの受光センサ51(51a~51d)を有している。各受光センサ51は前述したように、受光素子52と、光学色フィルタ53とで構成されている。各受光素子52は、例えばシリコンフォトダイオードで構成されており、光の受光量に応じた電気信号が後段の電気回路(図示せず)に出力される。各受光素子52の受光面5aは、この例では正方形または長方形であり、1つの四角形の四隅にそれぞれ位置している。このことから、受光部5の複数の受光センサ51は、1つの四角形の四隅にそれぞれ位置する四角形の受光面5aを有していると言うことができる。なお、各受光面5aは、四角形以外の多角形(例えば三角形)であってもよいし、円形であってもよいことは前述の通りである。また、受光センサ51の数は分岐部材41の数と同数である。
 各センサ51の光学色フィルタ53は、所定の波長域の光を透過させる光学特性を有しており、受光素子52よりも大きいサイズで形成されて、受光素子52の光入射側に配置されている。本実施形態では、4つのセンサ51のうち、3つのセンサ51(例えばセンサ51a~51c)の光学色フィルタ53は、それぞれ、等色関数X、Y、Zに対応する波長域の光を透過させる光学色フィルタ53X、53Y、53Zで構成されている。これにより、上記3つのセンサ51は、それぞれ、等色関数X、Y、Zに対応する測定感度を有することになる。上記3つのセンサ51の光学色フィルタ53X、53Y、53Zをそれぞれ透過した光は、対応する受光素子52で受光される。各受光素子52から出力される電気信号を電気回路で処理することにより、色や輝度を測定することができる。
 つまり、受光部5の複数の受光センサ51が、それぞれ、等色関数X、Y、Zに対応する測定感度を有していることにより、各センサ51(各受光素子52)から出力される電気信号(XYZの3刺激値に対応)に基づいて、電気回路にて、輝度(Lv)や色度(x,y)を求めることが可能となる。これにより、色や輝度を求める色彩輝度計(測色計)を実現することが可能となる。
 また、上記4つのセンサ51のうちで残りのセンサ51(例えばセンサ51d)の光学色フィルタ53は、等色関数Yに対応する波長域の光を透過させる光学色フィルタ53Yで構成されている。上記光学色フィルタ53Yを透過した光を受光する受光素子52は、例えばフリッカ検出用の電気回路と接続されている。これにより、上記受光素子52から出力される電気信号に基づき、フリッカを検出することが可能となる。
 なお、2つの光学色フィルタ53Yのうちの一方を、例えば赤外線を透過させる光学色フィルタで構成してもよい。この場合、4種類の光学色フィルタ53が配置されるため、4種類の光学特性を同時に測定することが可能となる。
 本実施形態では、4つの光学色フィルタ53のうち、3つの光学色フィルタ53X、53Y、53Zの光学特性が互いに異なっているが、少なくとも2つの光学色フィルタ53の特性が互いに異なっていればよい(複数の光学色フィルタ53の全てが同じ特性となっていなければよく、複数の受光センサ51から2種類以上の異なる特性のデータが得られれば良い)。受光部5の複数のセンサ51が、それぞれ、受光面5aが正方形または長方形である受光素子52と、受光素子52の光入射側に配置される光学色フィルタ53とを含み、光学色フィルタ53の少なくとも2つの特性が互いに異なっていることで、図11のように、複数の特性のセンサ51を簡易にまとめて配置することが可能となる。
 図12は分岐部材41と対向した状態での受光部5の断面図、図13はその一部を拡大して示す断面図である。
 各受光センサ51は、受光素子52よりも分岐部材41側に光学色フィルタ53が位置し、かつ、受光素子52および光学色フィルタ53が間隙を介して配置されるように、保持部材54の凹部54aに収容されて保持される。凹部54aは、光学色フィルタ53の配置側から受光素子52の配置側に向かって開口径が段階的に狭くなる階段状の形状であり、これによって、光学色フィルタ53および受光素子52を上記の位置関係となるように凹部54a内に収容することができる。
 上記の保持部材54は、隣り合って位置する受光センサ51を区切る遮光壁を兼ねている。つまり、隣り合う2つのセンサ51の間に保持部材54が遮光壁として存在するため、隣り合う一方のセンサ51の光学色フィルタ53を通過した光が、隣り合う他方のセンサ51の受光素子52に入射することが防止され、測定誤差を低減することが可能となる。
 また、上記した光学色フィルタ53としては、ガラス基板に干渉膜を形成した干渉膜フィルタを用いることが可能である。干渉膜フィルタを用いた場合、干渉膜に対する光線の入射角によって透過特性が変化するが、本実施形態では、導光部材2の光出射側端面2bで、被測定光源LSの特徴(位置むら、角度むら)はミキシングされているため、導光部材2からの出射光は被測定光源LSの特徴に依存しない。このため、干渉膜フィルタへの入射角度(コーンアングル)に対応した膜設計を行えば良い。
 干渉膜フィルタは偏光依存がある(偏光条件により透過率が異なる)が、導光部材2内を通過することで、偏光がミキシングされている(無偏光になっている)ので、被測定光源LSの特徴(液晶モニターは偏光光を出射している)に依存しない。
 また、光学色フィルタ53として、特定の波長域の光を吸収する色ガラスフィルタ、広い波長域の光を減光させるND(Neutral Density)フィルタ、直線偏光板、波長板等を用いることも可能である。また、1つの受光素子52の光入射側に、複数の光学色フィルタ53を配置してもよい。
 なお、光学色フィルタ53は、全て同じフィルタで構成されてもよい。ただし、この場合、複数のセンサ51で特性を異ならせるために、受光素子52として異なるセンサを用いる必要がある。例えば、可視光用のシリコンフォトダイオードと、赤外光用のInGaAsフォトダイオードとを組み合わせて用いたり、高感度測定が可能な受光素子と、高速測定が可能な受光素子とを組み合わせて用いることにより、同じ光学色フィルタ53を用いながら多様な光学特性を同時に測定することが可能となる。
 なお、受光部5を構成するセンサ51の数は、本実施形態の4個には限定されない。分岐部材41の数に応じて、例えば、受光センサ51を9個用いて3行3列で配置したり、16個用いて4行4列で配置するなど、より多くのセンサ51を用いて適切に配置することにより、より多くの光学特性を同時に測定することも可能である。
 各受光センサ31から出力された電気信号に変換された等色関数XYZに対応する受光データから、演算部(図示せず)は輝度Lvや色度x、yを演算する。演算結果は表示部で表示され、あるいは外部のパーソナルコンピュータに送出される。
(導光部材による測定感度の位置ムラおよび角度ムラの低減効果について)
 次に、本実施形態の導光部材2を用いることにより、測定感度の位置ムラおよび角度ムラを低減できる効果について説明する。
 本実施形態のように、多角柱または多角錐台の形状の導光部材2を用いた構成では、上述したように、被測定光源LSから出射されて導光部材2の内部に入射した光は、光入射側端面2aでの入射角度に応じた回数だけ、導光部材2の側面2cで全反射を繰り返し、光出射側端面2bから出射される。この構成では、光出射側端面2bのある1点を考えると、上記1点が、導光部材2の光入射側端面2aの様々な点からの光で照明されていることになる。また、被測定光源LSの被測定面LS0と導光部材2の光入射側端面2aとが対物光学系3によって共役であるから、被測定光源LSの様々な点からの光が、導光部材2及び分岐部材41を介して受光部5の各センサ51を照明することになる。
 すなわち、図14(A)に示すように、導光部材2の光入射側端面2aの中央部の位置S1から導光部材2に入射した光線も、図14(B)に示すように、導光部材2の光入射側端面2aの端部の位置S2から導光部材2に入射した光線も、導光部材2の光出射側端面2bで概ね均一な強度で出射され、被測定光源LSの被測定面LS0の発光強度(輝度)に位置ムラがあっても、各センサ51は、被測定面LS0の様々な位置の光が導光部材2によって混合された光を受光することで、被測定面LS0における位置ムラの影響を受けにくくなる。これにより、各センサ51において、測定感度の位置ムラを低減することができ、安定した測定が可能となる。
 また、多角柱または多角錐台の形状の導光部材2を用いた構成では、被測定光源LSから出射される光の出射角度に応じて、導光部材2の光入射側端面2aに入射する角度が変わる。光入射側端面2aを介して導光部材2の内部に入射した光は、その角度に応じた回数だけ、導光部材2の側面2cで全反射を繰り返し、光出射側端面2bの様々な位置(導光部材2への入射角度に応じた位置)に到達することになる。したがって、上記と同様に光出射側端面2bのある1点を考えると、上記1点は様々な角度の光で照明されていることになる。被測定光源LSからの光の出射角度は、導光部材2の光入射側端面2aにおける光の入射角度と対応しているから、結局、被測定光源LSから様々な角度で出射された光が、導光部材2及び分岐部材41を介して受光部5の各センサ51を照明することになる。
 すなわち、図14(A)(B)に示す0°の入射角度で光入射側端面2aに入射した光線(実線で示す)L1は、光入射側端面2aにおける入射位置が中央部の位置S1であっても端部の位置S2であっても直進するため、光出射側端面2bから均一に出射する。一方、0°でない入射角度で光入射側端面2aに入射した光線は反射するため、光出射側端面2bからの出射位置に偏りを生じる。例えば、図14(A)のように光入射側端面2aの中央部の位置S1に角度を持って入射した光線(波線で示す)L2は、光出射側端面2bの中央部に集まり、図14(B)のように光入射側端面2aの端部の位置S2に同じ角度で入射した光線L2は、光出射側端面2bの端部に集まっている。この現象は、導光部材2での反射回数が少ないほど偏りの程度が大きく、反射回数が多いほど偏りが緩和され均一に近づく。
 このように、被測定光源LSの被測定面LS0の発光強度(輝度)に角度ムラがあっても、各センサ51は、被測定面LS0から出射された様々な角度の光が導光部材2によって混合された光を分岐部材41を介して受光することで、被測定面LS0における角度ムラの影響を受けにくくなる。これにより、各センサ51において、測定感度の角度ムラを低減することができ、安定した測定が可能となる。
 しかも、導光部材2は、単純な多角柱または多角錐台の形状であるため(図2A~図2D参照)、複数本のファイバーをランダムに編み込んで導光する従来の導光体に比べて、構成が簡単であり、安価である。したがって、安価な導光部材2を用いた簡単な構成で、測定感度の位置ムラおよび角度ムラを低減する効果を得ることができる。特に、本実施形態では、上述したように、特性の異なる複数のセンサ51を受光部5が有していることにより、色や輝度を測定することができるため、そのような色や輝度の測定を行う色彩輝度計において上述の効果を得ることができる。
 次に、後側レンズ系32の有無に応じた導光部材2への入射条件によるミキシング効果の違いについて説明する。
 図15に示すように、絞りAP1の位置に導光部材2の光入射側端面2aを配置した場合、つまり後側レンズ系32が存在しない場合は、光入射側端面2aの位置は、被測定面LS0の角度分布(指向性)と相関を持つ。光入射側端面2aにおける入射位置S3には、被測定光源LSから上方角度に発する光線(破線で示す)だけが集まっている。
 導光部材2の光入射側端面2aへの入射角度は、被測定面LS0の空間分布(測定位置)と相関を持つ。被測定面LS0上の点P1からの光線は、すべて斜め下方向で導光部材2へ入射する。
 つまり、被測定面LS0の空間分布(位置むら)は、導光部材2による反射回数に依存し反射回数が多いほどミキシング性が高く、被測定面LS0の角度分布(指向性むら)は、反射回数に関わらず、ミキシング性は良い。
 一方、図16に示すように、後側レンズ系32を用いて、被測定面LS0と導光部材2の光入射側端面2aを共役にした場合、導光部材2の光入射側端面2aの位置は、被測定面LS0の空間分布(測定位置)と相関を持つ。被測定面LS0上の点P2からの光線は、光入射側端面2aの入射位置S4に集まっている。
 導光部材2の光入射側端面2aへの入射角度は、被測定面LS0の角度分布(指向性)と相関を持つ。被測定面LS0から上方角度に発する光線(破線)は、すべて斜め下方向で導光部材2へ入射する。
 つまり、被測定面LS0の空間分布(位置むら)は、導光部材2による反射回数に関わらず、ミキシング性は良く、被測定面LS0の角度分布(指向性むら)は、反射回数に依存し反射回数が多いほどミキシング性が高くなる。
 上記のように、導光部材2での反射回数が多いほど、ミキシング性能が向上することから、後側レンズ系32の付加的な効果として、視野絞りサイズよりも小さく集光し、小さな導光部材2を使えるので反射回数が増えるとか、導光部材2への入射角が大きくなるので反射回数が増えるという効果がある。
 ちなみに、液晶や有機ELモニターは、RGB表示素子のバラツキにより、モニター画面内で発光むらがある。測定範囲が狭い場合は、RGB発光素子が離散的に配列されている影響も出ることから、測定値は、空間分布(測定位置むら)の影響を受けやすい。また、近年のパソコン用モニターや、家庭用テレビ、スマートホンでは、広い指向性(配光特性)のものが多いことも相俟って、色彩計としては、空間分布(測定位置むら)のミキシングの方がより優先度が高いと言える。
 図17は、導光部材2の内部で導光される光線の光路を模式的に示す説明図である。対物光学系3(図1参照)によって、被測定光源LSの被測定面LS0の像を、導光部材2の光入射側端面2aに縮小結像させることにより、細い導光部材2(光入射側端面2aの内接円の直径D1および光出射側端面2bの内接円の直径D2が小さい導光部材)を用いることが可能となり、かつ、被測定光源LSから出射される光の出射角度よりも、導光部材2の光入射側端面2aにおける光の入射角度θが大きくなる(したがって、導光部材2の内部での屈折角θPも大きくなる)。図17より、光入射側端面2aにおける光の入射角度θが大きいほど(屈折角θPが大きいほど)、または、直径D1およびD2が小さいほど、導光部材2の内部に入射した光の側面2cでの反射回数は増加することがわかる。
 本実施形態では、D1=D2であり、被測定光源LSから出射されて導光部材2の光入射側端面2aに入射する光線のうち、光軸AXとのなす角度θが最大となる光線LTが、導光部材2の側面2cで反射する、おおよその回数は、
   (LtanθP)/D1、または(LtanθP)/D2
で表される。ただし、nPを導光部材2の屈折率としたとき、屈折角θPは、nPsinθP=sinθを満足する角度である。また、上記の光軸AXは、導光部材2の光入射側端面2aの内接円の中心と、光出射側端面2bの内接円の中心とを結ぶ軸であって、対物光学系3の光軸と同軸とする。
 前述のように、本実施形態の構成では、導光部材2の光出射側端面2bのある1点を考えたときに、上記1点は、被測定光源LSから出射された様々な角度の光で照明されていることになり、被測定光源LSの角度ムラの影響を低減することができる。導光部材2の内部で光線が反射されると、光線の角度が反転するため、光線の反射回数が増えると、より様々な角度の光で上記の1点が照明されることになる。このため、より効果的に、被測定光源LSの角度ムラの影響を低減して、測定感度の角度ムラを低減することができ、より安定した測定が可能となる。
 また、導光部材2での反射回数を一定としたとき、屈折角θPが大きく、D1またはD2が小さいほど、導光部材2の光軸AX方向の長さLを小さくすることができる。この場合、測光装置1の小型化が可能となる。
(多角錐台の導光部材を用いたときの反射回数について)
 図18は、導光部材2として、図2Dで示した多角錐台形状の導光部材2を用いたときの、導光部材2の内部で導光される光線の光路を展開して示した説明図である。上記の導光部材2では、光入射側端面2aおよび光出射側端面2bの形状は正方形であるが、光出射側端面2bの面積が光入射側端面2aの面積よりも大きい。
 ここで、多角錐台の形状の導光部材2を用いたときに内部で導光される光の反射回数については、以下のように考えることができる。すなわち、多角錐台形状の導光部材2を用いた場合、被測定光源LSから出射されて導光部材2の光入射側端面2aに入射する光線のうち、光軸AXとのなす角度θが最大となる光線LTが、導光部材2の側面2cで反射する、おおよその回数は、α/βで表される。ただし、図18において、αは、点Aと点Oとを結ぶ直線と、光軸AXとのなす角度(°)であり、βは、光軸AXを含む断面における導光部材2の側面2cと光軸AXとのなす角度の2倍の角度(°)である。ここで、点Oは、光軸AXを含む断面において、導光部材2の側面2cを延長したときに光軸AXと交わる点を指し、点Aは、光線LTが導光部材2の光入射側端面2aで屈折した後の光線(光軸AXとなす角はθP)を延長した直線(破線LP)と、中心が点Oで半径L0の円とが交わる点である。具体的には、αおよびβは、以下の関係式を満足する角度となる。すなわち、
 L0sinα={L-L0(1-cosα)}tanθP
 tan(β/2)=(D2-D1)/2L
 L0=D2L/(D2-D1)
 nPsinθP=sinθ
であり、
 L :導光部材2の光軸AX方向の長さ(mm)
 θ :導光部材2の光入射側端面2aの中心に入射する光線と光入射側端面2aの法線とのなす角度の最大値(°)
 D1:導光部材2の光入射側端面2aの内接円の直径(mm)
 D2:導光部材2の光出射側端面2bの内接円の直径(mm)
 nP:導光部材2の屈折率
である。
 α/β>1であれば、つまり、光線LTの導光部材2の側面2cでの反射回数が少なくとも1回あれば、光線LTを側面2cで反射させることで、被測定面LS0の様々な位置から出射される光、および被測定面LS0から様々な角度で出射される光を導光部材2で混合することができる。したがって、被測定光源LSの位置ムラおよび角度ムラの影響を低減して、測定感度の位置ムラおよび角度ムラを低減することができる。特に、α/β>2であることが、光線LTを側面2cで複数回反射させて、被測定光源LSの位置ムラおよび角度ムラの影響を確実に低減し、測定感度の位置ムラおよび角度ムラを確実に低減できるため、望ましい。
 なお、α≪1、β≪1の場合、
 α≒(L/L0)tanθP={(D2-D1)/D2}/tanθP
 β≒(D2-D1)/L
となり、
 α/β≒(LtanθP)/D2
となる。つまり、この場合、α/βは、上述したD1=D2の場合の、おおよその反射回数と一致する。
(受光部5での受光センサの組み合わせ)
 上述したように、受光部5は2種類以上の異なる特性のデータを得るための複数の受光センサ51を有している。受光センサ41が4個の場合、3個の受光センサ51(例えば受光センサ51a~51c)が等色関数X、Y、Zに対応する測定感度を有し、輝度(Lv)や色度(x,y)を求める受光センサであり、残りのセンサ51(例えばセンサ51d)が例えばフリッカを検出する受光センサである場合については、既に説明した。
 以下では、異なる特性のデータを得るための受光センサ51の組み合わせの他の例を示す。
 図19に示した実施形態では、導光部材2は一辺の長さ1.5mmの断面正方形の正四角柱であり、分岐部4は直径0.75mmの光ファイバー製の4本の分岐部材41を備え、受光部5は4個の受光センサ51を備えている。4個の受光センサ51のうち、3個は、光学色フィルタ53と、受光素子52で構成された受光センサ51a~51cであり、等色関数XYZの受光感度で、色度、輝度の演算用に用いられる。他の1個は、回折格子やプリズム、バンドパスフィルタなどを用いて分光データを取得し、分光放射輝度、色度、輝度の演算用に用いられる受光センサ51eである。なお、図19では、3個の受光センサ51a~51cを代表して1個の受光センサのみを図示している。
 分光データを得る受光センサ51eは、図20(A)(B)に示すように、例えば、直径0.75mmの光ファイバ製の分岐部材41の出射端を、筐体6に設けた開口サイズ0.4×0.75mmの入射スリット61に配置し、入射スリット61からの光束をレンズ62で概ね平行光とし、600本/mmの回折格子63へ照射する。そして、回折格子63で波長分散された光線を、レンズ62でラインセンサからなる受光センサ51eへ集光し受光する。受光センサ51eを構成するラインセンサは、1素子が0.2×1mmのセルを100個備え、波長範囲380~780nm、波長分解能4nmピッチ、波長半値幅8nmの分光データを取得する。
 入射スリット61での光量効率(面積比)は、スリット面積(0.4×0.6)÷光ファイバー面積(0.3752×π)=0.54となる。
 図21は、複数の受光センサ51のさらに他の組み合わせを例示するものである。この例では、導光部材2は一辺の長さ1.5mmの断面正方形の正四角柱であり、分岐部4は直径0.75mmの光ファイバー製の4本の分岐部材41を備え、受光部5は4個の受光センサ51を備えている。4個の受光センサ51はいずれも分光センサ51f~51iで構成され、各分光センサ51f~51iは、それぞれ波長帯の異なる分光データを得るようになっている。なお、図21では、4個の受光センサ51f~51iのうち、2個は紙面奥行き方向に重なっているため、2個の受光センサのみを図示している。
 図22は、複数の受光センサ51のさらに他の組み合わせを例示するものである。この例では、導光部材2は一辺の長さ1.5mmの断面正方形の正四角柱であり、分岐部4は直径0.75mmの光ファイバー製の4本の分岐部材41を備え、受光部5は4個の受光センサ51を備えている。4個の受光センサ51のうち、3個は、光学色フィルタ53と、受光素子52で構成された受光センサ51a~51cで、他の1個は、外部測定器593に備えられた受光センサ51jである。
 外部測定器593の受光センサ51jは、光コネクタ(出口側と入口側)591、592を介して分岐部材41と接続され、分岐部材41から出謝された光を光コネクタ591、592を介して受光する。この実施形態では、それぞれに内蔵される各受光センサの受光特性がそれぞれ異なる複数の外部測定器593が、光コネクタ591、592を介して分岐部材41に対し着脱自在に接続できるようになっている。使用者は複数の外部測定器593の中から任意の外部測定器593を選択し接続して使用し、あるいは交換する。外部測定器593としては、例えば、フリッカー測定器やポリクロを備える分光測定器を例示できる。
 図23は、複数の受光センサ51のさらに他の組み合わせを例示するものである。この例において、導光部材2の形状や分岐部材41の本数(分岐数)は任意である。
 例えば、図23に示すように、断面形状が正六角形である正六角柱の導光部材2に、光ファイバー製の分岐部材41を19本接続し、各分岐部材41に対応する19個の受光センサ51(図示せず)を配置する。19個の受光センサ51は、それぞれ任意の受光感度を有している。例えば、図24のバンドパスフィルタの透過率のグラフに示すように、中心波長が400nm、420nm、・・・500nm、・・・760nmと20nmずつずれた、いずれも半値幅30nmの19種類のバンドパスフィルタを備えることで、400~760nmの分光データを得ることができる構成とすることができる。
 本願は、2020年9月16日付で出願された日本国特許出願の特願2020-155610号の優先権主張を伴うものであり、その開示内容は、そのまま本願の一部を構成するものである。
 本発明は、被測定光源から出射される光の輝度や色度を測定する色彩輝度計などに利用可能である。
 1   測光装置
 2   導光部材
 2a  光入射側端面
 2b  光出射側端面
 2c  側面
 3   対物光学系
 4   分岐部
 41  分岐部材
 5   受光部
 5a  受光面
 31  前側レンズ系
 32  後側レンズ系
 51  センサ
 52  受光素子
 53  光学色フィルタ
 AP1、AP2 絞り
 LS  被測定光源

Claims (10)

  1.  横断面が円形または多角形の導光部材と、
     被測定物からの光束を前記導光部材の光入射側端面に集める対物光学系と、
     前記導光部材の光出射側端面から出射される光束を複数に分岐して導光するそれぞれ単一の部材からなる複数の分岐部材を備えた分岐部と、
     前記分岐部における複数の分岐部材のそれぞれからの出射光を受光するとともに、2種類以上の異なる特性のデータを得るための複数の受光センサと、
     を備えた測光装置。
  2.  前記対物光学系は、前記被測定物と導光部材の光入射側端面とを共役関係とする請求項1に記載の測光装置。
  3.  前記複数の受光センサには、等色関数XYZに近似した受光データを得るための受光センサが含まれる請求項1または2に記載の測光装置。
  4.  前記複数の受光センサには分光データを得るための受光センサが含まれる請求項1~3のいずれかに記載の測光装置。
  5.  前記複数の受光センサには、前記分岐部材からの光を光コネクタを介して受光する外部測定器の受光センサが含まれるとともに、前記外部測定器は分岐部材に対して着脱可能であり、受光センサの受光特性がそれぞれ異なる複数の外部測定器の中から使用者によって選択された任意の外部測定器が分岐部材に対して接続される請求項1~4のいずれかに記載の測光装置。
  6.  前記複数の分岐部材はそれぞれ光ファイバーにより形成される請求項1~5のいずれかに記載の測光装置。
  7.  前記光ファイバーは樹脂製である請求項6に記載の測光装置。
  8.  前記導光部材は多角柱または多角錐台である請求項1~7のいずれかに記載の測光装置。
  9.  前記導光部材と複数の分岐部材は、空気層を介することなく接続されている請求項1~8のいずれかに記載の測光装置。
  10.  前記導光部材と複数の分岐部材は一体構造である請求項1~8のいずれかに記載の測光装置。
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