WO2024154546A1 - ドーム型照明装置及び測定装置 - Google Patents

ドーム型照明装置及び測定装置 Download PDF

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WO2024154546A1
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light source
lighting device
shaped
light
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岳史 小歩
凌平 奥田
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コニカミノルタ株式会社
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    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/04—Optical design
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/22—Reflectors for light sources characterised by materials, surface treatments or coatings, e.g. dichroic reflectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
    • G01J3/50—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters using electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation

Definitions

  • This invention relates to a dome-shaped lighting device used in a color measuring device, etc., and a measuring device such as a color measuring device that uses this dome-shaped lighting device.
  • color values are calculated from the reflectance (spectral distribution) of an illuminated object to be measured, and in order to correctly measure the reflectance characteristics of the object, it is necessary to illuminate the surface of the object with the same light beam from each angle of incidence.
  • the ideal lighting is one with an angular lighting distribution that follows Lambert's cosine law.
  • An example of an approximation would be a white LED with a flat light-emitting surface.
  • lighting that is close to Lambert's cosine law is obtained by using an integrating sphere with a Lambert diffusion surface.
  • dome lighting devices used in machine vision and in-line measurement, it is not possible to obtain angular illumination close to Lambert's cosine law at the dome opening due to the light distribution and arrangement of the light source and the effects of baffles such as light-shielding walls.
  • Patent Document 1 discloses a color inspection device and a color inspection method that use a dome-shaped lighting device in the lighting system.
  • This dome-shaped lighting device is equipped with a dome-shaped housing that has a diffuse reflection surface on its inner surface and an opening that emits illumination light diffused by the diffuse reflection surface, and multiple light sources arranged in a ring shape inside the dome-shaped housing. Furthermore, each light source is arranged so that the main irradiation angle is in the normal direction of the opening of the dome housing.
  • Patent document 2 also discloses an illumination device that includes multiple light sources arranged in a ring shape so that the main irradiation angle is in the normal direction of the opening, a reflector formed of an ellipsoid, and an opening that emits illumination light diffused by the reflecting surface.
  • the purpose of this invention is to provide a dome-shaped lighting device and a measurement device that can obtain an angular lighting distribution close to Lambert's cosine law at the opening of a dome-shaped housing.
  • a dome-shaped housing having a diffuse reflection surface on an inner surface thereof and an opening through which illumination light diffused by the diffuse reflection surface exits; one or more light sources arranged along an inner circumference of the dome-shaped housing and emitting light with a main irradiation angle toward an apex of the dome-shaped housing rather than a normal direction of the opening;
  • a dome-shaped lighting device comprising: (2) The dome-shaped lighting device according to the preceding paragraph 1, wherein the plurality of light sources are discretely arranged along all or part of an inner circumference of the dome-shaped housing. (3) The dome-type lighting device according to the above paragraph 1, wherein the light source is a Lambertian light distribution light source.
  • a dome-shaped lighting device according to any one of (1) to (5) above, wherein a main irradiation angle of the light source is oriented toward a vertex of the dome-shaped housing by 25 degrees or more from a normal direction of the opening.
  • a dome-type lighting device according to any one of items 1 to 5 above; a light receiving means for receiving reflected light of light emitted from the dome-shaped lighting device to a measurement object placed in an opening of the dome-shaped lighting device;
  • a measuring device comprising: (9) The measurement device according to the preceding paragraph 8, wherein the plurality of light sources in the dome-shaped illumination device are discretely disposed along all or part of an inner circumference of a dome-shaped housing.
  • the measuring device (10) The measuring device according to the preceding paragraph 8, wherein the light source in the dome-shaped lighting device is a Lambertian light distribution light source. (11) The measurement device according to the preceding paragraph 8, wherein a change in the angular intensity distribution of the illumination light at the opening in the dome-shaped illumination device is ⁇ 4% to +4%. (12) The measuring device according to the preceding paragraph 8, wherein the light source in the dome-shaped lighting device has a half-value angle of 37 degrees to 83 degrees. (13) The measuring device according to any one of paragraphs 8 to 12, wherein a main irradiation angle of the light source in the dome-shaped lighting device is oriented toward a vertex of the dome-shaped housing by 5 degrees or more from a normal direction of the opening.
  • one or more light sources are arranged along the inner circumference of a dome-shaped housing having a diffuse reflection surface on the inner surface and an opening through which illumination light diffused by the diffuse reflection surface is emitted.
  • This light source emits light with a main irradiation angle toward the apex of the dome-shaped housing rather than the normal direction of the opening. Therefore, compared to when light is emitted toward the normal direction of the opening, the distance between the light source and the diffuse reflection surface is longer, and the amount of light according to the light distribution angle of the light source and the distance from the light source to the diffuse reflection surface are in a proportional relationship.
  • the illuminance is determined by the orientation distribution of the light source and the square law of the distance.
  • the illuminance seen from each light source becomes closer to uniform, and the amount of light irradiated from the diffuse reflection surface to the opening also becomes closer to uniform.
  • the opening has a uniform illuminance and an angular illumination distribution close to Lambert's cosine law.
  • the measurement device provides an opening of a dome-shaped lighting device with uniform illuminance and an angular illumination distribution close to Lambert's cosine law, and the light reflected from a measurement object placed at the opening is received by the light receiving means. Therefore, the measurement device according to the present invention can accurately measure the reflection characteristics of the measurement object.
  • FIG. 1A is a perspective view showing a dome-shaped lighting device according to an embodiment of the present invention, with a part cut away
  • FIG. 1B is a plan view of the same
  • FIG. 1C is a vertical cross-sectional view of the same.
  • 1 is a diagram illustrating an example of an angular illumination distribution of an opening portion in a conventional dome-type illumination device and in a dome-type illumination device according to an embodiment of the present invention.
  • 1A is a diagram showing the light distribution of a Lambertian light distribution light source and a light source with a half-value angle of 37 degrees in this embodiment
  • 1B is a diagram showing the angular illumination distribution of an opening of a dome-shaped lighting device according to the prior art and this embodiment, which uses a light source with a half-value angle of 37 degrees.
  • 1A and 1B are diagrams showing the results of simulating the change in the angular illumination intensity distribution at the opening when the half-value angle of the light source is changed using the dome-shaped illumination device according to the present embodiment, where (A) shows the light distribution of the light source at each half-value angle, and (B) shows the angular illumination intensity distribution at the opening for each light source at each half-value angle.
  • 1 is a table showing the allowable half-value angle when the dome diameter ⁇ 1 is 150 mm.
  • FIG. 1A is a diagram showing the angular illumination distribution of the aperture when a simulation is performed by changing the orientation of the main illumination angle A1 of each light source
  • FIG. 1B is a diagram showing the amount of change from the ideal (Lambert's cosine law).
  • 1A and 1B are schematic diagrams illustrating the hemispherical dome-shaped housing of the present embodiment in comparison with a conventional integrating sphere.
  • 1A is a diagram showing the illumination angle distribution of the opening when a conventional dome-shaped illumination device is operated with the main irradiation angle of the light source facing the normal direction of the opening while changing the distance between the opening and the object to be measured
  • FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating a spectrophotometer using the dome-shaped illumination device illustrated in FIG. 1 .
  • FIG. 1(A) is a perspective view showing a dome-shaped lighting device 1 according to one embodiment of the present invention with a portion cut away, (B) is a plan view of the same, and (C) is a longitudinal cross-sectional view of the same.
  • the dome-shaped lighting device 1 comprises a dome-shaped housing 11 with an open bottom and multiple light sources 12.
  • the dome-shaped housing 11 has a hemispherical shell shape that is circular when viewed from above and semicircular when viewed from the front, and has a hemispherical diffuse reflection surface 13 on its inner surface.
  • the dome-shaped housing 11 also has a ring-shaped light source attachment part 14 that protrudes horizontally from the bottom periphery in the direction of the central axis of the dome-shaped housing 11 by a certain width, and has a circular opening 15 on the inside of the light source attachment part 14.
  • a number of light sources 12 are arranged in a ring shape and at equal intervals on the inner peripheral side of the dome-shaped housing 11 at the light source mounting section 14 along the entire inner circumference of the bottom end of the dome-shaped housing 11.
  • Each light source 12 is an LED light source.
  • each light source 12 is mounted on the light source mounting section 14 so that its main irradiation angle A1 is directed toward the apex P of the dome-shaped housing rather than the normal direction A2 of the opening 15.
  • the light sources 12 may be arranged discretely at equal intervals in an arc shape along part of the inner circumference of the lower end of the dome-shaped housing 11, rather than along the entirety of the inner circumference. Also, a single continuous ring-shaped or arc-shaped light source may be arranged along the entirety or part of the inner circumference of the lower end of the dome-shaped housing.
  • each light source 12 emits light at its main irradiation angle A1 toward the apex P of the dome-shaped housing 11, resulting in a uniform illuminance and an angular illumination distribution close to Lambert's cosine law at the opening 15.
  • a Lambertian light distribution light source since a Lambertian light distribution light source has the strongest light amount in the main irradiation direction, when light is emitted at the main irradiation angle A1 toward the normal direction A2 of the opening 15 as in the conventional case, reflected light is generated that is irradiated directly onto the opening 15 from the diffuse reflection surface at the intersection position.
  • the amount of light reflected at a specific angle from the diffuse reflection surface at the intersection position is high due to the influence of the light directly reflected onto the opening 15, resulting in a distribution that deviates from Lambert's cosine law.
  • the light emitted from each light source 12 toward the apex P of the dome-shaped housing 11 is diffusely reflected by the diffuse reflection surface 13 on the inner surface of the dome-shaped housing 11 and irradiated to the opening 15.
  • the main irradiation angle A1 of the light source 12 toward the dome apex P where the distance between the light source 12 and the diffuse reflection surface 13 is the longest the amount of light according to the light distribution angle of the light source 12 and the distance from the light source 12 to the diffuse reflection surface 13 are in a proportional relationship.
  • the illuminance is determined by the orientation distribution of the light source 12 and the square law of the distance.
  • the illuminance as seen from each light source 12 is uniform, and the amount of light irradiated from the diffuse reflection surface 13 to the opening 15 is also uniform.
  • the opening 15 has a uniform illuminance and an angular illumination distribution close to Lambert's cosine law.
  • Figure 2 illustrates the angular illumination distribution of the opening 15 in a conventional dome-shaped lighting device and in the dome-shaped lighting device 1 according to this embodiment.
  • the main illumination angle A1 of each light source 12 is the normal direction A2 of the opening 15, while in the dome-shaped lighting device 1 of this embodiment, the main illumination angle A1 of each light source 12 is in the direction of the apex P of the dome-shaped housing 11.
  • the ideal Lambert's cosine law cos characteristic
  • the horizontal axis of Figure 2 is the angle
  • the vertical axis is the relative intensity (a.u.) when the relative illumination intensity of the Lambert's cosine law is 100%.
  • the dome lighting device 1 As shown in FIG. 2, it can be seen that the dome lighting device 1 according to this embodiment is close to the ideal Lambert's cosine law.
  • the light source 12 used in this embodiment is preferably a Lambertian light distribution light source with a half-value angle of 60 degrees, but it does not have to be a Lambertian light distribution light source.
  • Figures 3(A) and 3(B) show the results of simulating a conventional dome lighting device and the dome-shaped lighting device 1 of this embodiment when the half-value angle of the light source 12 is changed.
  • the dome diameter ⁇ 1 (see Figure 1(C)), which is the maximum inner diameter of the dome-shaped housing 11 excluding the light source mounting part 14, was set to 150 mm, and the opening diameter ⁇ 2, which is the diameter of the opening 15, was set to 110 mm.
  • multiple light sources 12 made of LEDs were discretely arranged at equal intervals in a ring shape.
  • the main irradiation angle A1 of each light source 12 is set to the normal direction A2 of the opening 15, and in the dome-shaped lighting device 1 of this embodiment, the main irradiation angle A1 of each light source 12 is set to the apex P direction of the dome-shaped housing 11.
  • Fig. 3(A) shows the light distribution of the Lambertian light distribution light source 12 in this embodiment and the light source 12 with a half-value angle of 37 degrees
  • Fig. 3(B) shows the angular illumination distribution of the opening 15 of the dome-shaped lighting device 1 according to the prior art and this embodiment, which uses a light source with a half-value angle of 37 degrees. Note that Fig. 3(B) also shows the ideal Lambert's cosine law (cos characteristic).
  • the results of the angular illumination distribution of the opening 15 in Figure 3 (B) reveal the following. That is, even if the half-value angle of the light source 12 differs from the half-value angle of the Lambertian light distribution light source, it is closer to the ideal Lambert's cosine law (cos characteristic) when the main irradiation direction A1 of the light source 12 is directed toward the dome apex P as in this embodiment, rather than toward the normal direction A2 of the opening 15 as in the conventional case.
  • Figure 4 shows the results of simulating the change d in the angular illumination intensity distribution at the opening 15 when the half-value angle of the light source 12 is changed using the dome-shaped lighting device 1 according to this embodiment, with a dome diameter ⁇ 1 of 150 mm and an opening diameter ⁇ 2 of 110 mm.
  • the change d is calculated using the following formula, with the change set to 0% when the relative angular illumination intensity distribution at the opening 15 follows Lambert's cosine law.
  • I is the relative angular illumination intensity when the illumination intensity distribution follows Lambert's cosine law
  • I' is the relative angular illumination intensity at a certain half-value angle light source.
  • Figure 4 shows the light distribution of the light source 12 at each half-value angle, and (B) shows the angular illumination intensity distribution of the opening 15 for each light source 12 at each half-value angle.
  • this change d is equivalent to Lambert's cosine law when it is ⁇ 4% or less, then when the dome diameter ⁇ 1 is 150 mm and the aperture diameter ⁇ 2 is 110 mm, it can be said that it is equivalent to Lambert's cosine law if it is 60° ⁇ 23°.
  • the light source 12 does not have to be a Lambertian light distribution light source, but it is desirable for it to be a light source that has a half-value angle of 37 degrees to 83 degrees.
  • the table in Figure 5 shows the allowable half-value angle when the dome diameter ⁇ 1 is 150 mm.
  • a large change rate of 7.0% occurs when the half-value angle is 37 degrees.
  • each light source 12 is not limited to emitting light at the main irradiation angle A1 toward the apex P of the dome-shaped housing 11 or its peripheral area. It is sufficient that the main irradiation angle A1 of the light source 12 is oriented toward the apex P of the dome-shaped housing 11 rather than the normal direction A2 of the opening 15.
  • the opening 15 is closer to Lambert's cosine law.
  • a dome-shaped housing 11 with a dome diameter ⁇ 1 of 150 mm and an aperture diameter ⁇ 2 of 110 mm was used, and the direction of the main irradiation angle A1 of each light source 12 was changed from the normal direction A2 of the aperture 15 to various angles of ⁇ (see FIG. 1C): 0 degrees, 10 degrees, 25 degrees, and apex direction to perform a simulation.
  • the angular illumination distribution of the aperture 15 at this time is shown in FIG. 6A.
  • the amount of change from the ideal (Lambert's cosine law) for each of ⁇ : 0 degrees, 5 degrees, 10 degrees, 25 degrees, and apex direction is shown in FIG. 6B.
  • ⁇ : 0 means that the main irradiation angle A1 is oriented in the normal direction A2 of the aperture 15, as in the conventional case.
  • a dome-shaped housing 11 is illustrated as having a hemispherical shell shape that is circular when viewed from above and semicircular when viewed from the front, but the height dimension of the dome-shaped housing 11 is not limited to that shown in the figure.
  • the height dimension may be less than half the dome diameter ⁇ 1, or more than half.
  • the shape of the dome-shaped housing 11 in a plan view may not be circular but may be elliptical or some other shape, and the shape in a front view may not be semicircular but may be semielliptical or some other shape.
  • the lighting system has the same effect as a conventional integrating sphere type lighting system, but is roughly half the size, so miniaturization is expected.
  • FIG. 7 shows a schematic comparison of the hemispherical dome-shaped housing 11 of this embodiment and a conventional integrating sphere 20.
  • (A) in the figure shows the dome-shaped housing 11, and (B) shows the integrating sphere 20. Comparing (A) and (B) it can be seen that the dome-shaped housing 11 can be clearly made smaller than the integrating sphere 20.
  • the aperture diameter ⁇ 2 of the opening 15 can be made larger while still providing the same effect as a lighting device of the same type. This means that the range over which the reflection characteristics of the measurement object 30 can be obtained (shown by the dashed line in Figure 7) is larger, and a wider measurement range can be expected.
  • the angular illuminance distribution is determined by the aperture diameter ⁇ 2 and the solid angle at the center of the measurement object 30.
  • a conventional dome-shaped lighting device was prepared in which the main irradiation angle A1 of the light source 12 was oriented in the normal direction A2 of the opening 15 while the distance between the opening 15 and the object to be measured 30 was changed to 0 mm, 5 mm, 10 mm, 15 mm, and 20 mm.
  • a dome-shaped lighting device 1 according to this embodiment was also prepared in which the main irradiation angle A1 of the light source 12 was oriented in the apex P of the dome-shaped housing 11.
  • Figures 8(A) and (B) show the results of investigating the lighting angle distribution of the opening 15 in both dome-shaped lighting devices.
  • Figure 8(A) shows the conventional dome-shaped lighting device
  • Figure 8(B) shows the dome-shaped lighting device 1 according to this embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a spectrophotometer (corresponding to a measuring device) 40 that uses the dome-shaped lighting device shown in FIG. 1, where (A) is a partially cutaway perspective view and (B) is a longitudinal cross-sectional view.
  • This spectrophotometer 40 is fitted with a camera (corresponding to a light receiving means) 41 facing the internal space of the dome-shaped housing 11 from a part of the wall surface of the dome-shaped housing 11. Then, color measurement is performed by placing the measurement object 30 in the opening 15 of the dome-shaped lighting device 1. Light emitted from the light source 12 of the dome-shaped lighting device 1 at a main irradiation angle A1 toward the apex P of the dome-shaped housing 11 from the normal direction A2 of the opening 15 is diffused by the diffuse reflection surface 13 on the inner surface of the dome-shaped housing 11 and illuminates the measurement object 30. The reflected light from the measurement object 30 of this illumination light is received by the camera 41 and calculated by a calculation unit (not shown) to obtain a measurement value.
  • a calculation unit not shown
  • the opening 15 of the dome-shaped lighting device 1 has uniform illuminance and an angular illumination distribution close to Lambert's cosine law. Therefore, the reflected light from the measurement object 30 placed at this opening 15 is received by the camera 41, and the reflection characteristics of the measurement object 30 can be measured with high accuracy.
  • the present invention can be used as a lighting device for color measurement devices, etc.
  • dome-shaped lighting device 11 dome-shaped housing 12 light source 13 diffuse reflection surface 14 light source mounting portion 15 opening 30 measurement object 40 spectrophotometer (measurement device) 41 Camera (light receiving means)

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Abstract

内面に拡散反射面（１３）を有し、拡散反射面（１３）で拡散された照明光を射出する開口部（１５）を有するドーム型筐体（１１）と、ドーム型筐体（１１）の内周に沿って配置され、主照射角度（Ａ１）を開口部（１５）の法線方向（Ａ２）よりもドーム型筐体（１１）の頂点側に向けて光を発する１個または複数個の光源（１２）と、を備えたドーム型照明装置（１）である。

Description

ドーム型照明装置及び測定装置
　この発明は、測色装置等に用いられるドーム型照明装置、及びこのドーム型照明装置を用いた測色装置等の測定装置に関する。
　例えばd：8分光測色装置では、照明された測定対象物の反射率（分光分布）から演算して色彩値を求めており、被測定物の反射特性を正しく測定するためには被測定物表面への各入射角から同じ光束で照明する必要がある。つまり照明はランベルトの余弦則を持つ角度照明分布が理想的とされている。近似的には平面状の発光面をもつ白色 LED等が挙げられる。分光測色装置ではランバート拡散面を持つ積分球等を用いることでランベルトの余弦則に近い照明を得ている。
　しかし、マシンビジョンやインライン測定等で用いられるドーム型照明装置においては、光源の配光分布や配置、遮光壁等のバッフルによる影響でドーム開口部ではランベルトの余弦則に近い角度照明を得ることはできていない。
　従来のドーム型照明装置として、特許文献１には、照明系にドーム型照明装置を用いた着色検査装置及び着色検査方法が開示されている。このドーム型照明装置は、内面に拡散反射面を有し、拡散反射面で拡散された照明光を射出する開口部を有するドーム型筐体と、ドーム型筐体内にリング状に配置された複数個の光源を備えている。また、各光源は主照射角度がドーム筐体の開口部の法線方向に光を発するように配置されている。
　また特許文献２には、主照射角度が開口部の法線方向に光を発する態様でリング状に配置された複数個の光源と、楕円体で構成された反射部と、反射面で拡散された照明光を射出する開口部を備えた照明装置が開示されている。
特開２０１６－１９４４４９号公報 特開２０１７－１３３９８４号公報
　しかし、特許文献１及び２に記載された照明装置では、リング状に配置された光源の主照射角度を開口面法線方向に向けている。このため、開口部ではランベルトの余弦則に近い角度照明分布が得られないという課題がある。
　この発明は、ドーム型筐体の開口部でランベルトの余弦則に近い角度照明分布を得ることができるドーム型照明装置及び測定装置の提供を目的とする。
　上記目的は、以下の手段によって達成される。
（１）内面に拡散反射面を有し、前記拡散反射面で拡散された照明光を射出する開口部を有するドーム型筐体と、
　前記ドーム型筐体の内周に沿って配置され、主照射角度を前記開口部の法線方向よりも前記ドーム型筐体の頂点側に向けて光を発する１個または複数個の光源と、
　を備えたドーム型照明装置。
（２）前記複数個の光源は、ドーム型筐体の内周の全部または一部に沿って離散的に配置されている前項１に記載のドーム型照明装置。
（３）前記光源はランバート配光光源である前項１に記載のドーム型照明装置。
（４）前記開口部における照明光の角度強度分布のランベルトの余弦則からの変化量が－４％～＋４％である前項１に記載のドーム型照明装置。
（５）前記光源は３７度～８３度の半値角を有している前項１に記載のドーム型照明装置。
（６）前記光源の主照射角度は、前記開口部の法線方向よりも５度以上、ドーム型筐体の頂点側に向いている前項１ないし５の何れかに記載のドーム型照明装置。
（７）前記光源の主照射角度は、前記開口部の法線方向よりも２５度以上、ドーム型筐体の頂点側に向いている前項１ないし５の何れかに記載のドーム型照明装置。
（８）前項１ないし５の何れかに記載のドーム型照明装置と、
　前記ドーム型照明装置の開口部に配置された測定対象物に対してドーム型照明装置から照明された光の反射光を受光する受光手段と、
　を備えた測定装置。
（９）前記ドーム型照明装置における複数個の光源は、ドーム型筐体の内周の全部または一部に沿って離散的に配置されている前項８に記載の測定装置。
（１０）前記ドーム型照明装置における光源はランバート配光光源である前項８に記載の測定装置。
（１１）前記ドーム型照明装置における前記開口部における照明光の角度強度分布の変化量が－４％～＋４％である前項８に記載の測定装置。
（１２）前記ドーム型照明装置における光源は３７度～８３度の半値角を有している前項８に記載の測定装置。
（１３）前記ドーム型照明装置における光源の主照射角度は、前記開口部の法線方向よりも５度以上、ドーム型筐体の頂点側に向いている前項８ないし１２の何れかに記載の測定装置。
（１４）前記ドーム型照明装置における光源の主照射角度は、前記開口部の法線方向よりも２５度以上、ドーム型筐体の頂点側に向いている前項８ないし１２の何れかに記載の測定装置。
　この発明に係るドーム型照明装置によれば、内面に拡散反射面を有し、拡散反射面で拡散された照明光を射出する開口部を有するドーム型筐体の内周に沿って１個または複数個の光源が配置される。この光源は、主照射角度を開口部の法線方向よりもドーム型筐体の頂点側に向けて光を発する。このため、開口部の法線方向に向けて光を発する場合に比べて、光源と拡散反射面の距離が長くなり、光源の配光角に応じた光量と光源から拡散反射面までの距離は比例した関係となる。照度は光源の配向分布と距離の二乗則で決定される。このため、各光源から見た照度はより均一に近くなり、拡散反射面から開口部に照射される光量もより均一に近くなる。つまり、開口部では均一照度且つランベルトの余弦則に近い角度照明分布が得られる。
　この発明に係る測定装置によれば、ドーム型照明装置の開口部は、均一照度且つランベルトの余弦則に近い角度照明分布が得られ、この開口部に配置された測定対象物からの反射光が受光手段で受光される。従って、この発明に係る測定装置は、測定対象物の反射特性を精度よく測定することができる。
（Ａ）は、この発明の一実施形態に係るドーム型照明装置をその一部を切り欠いて示す斜視図、（Ｂ）は同じく平面図、（Ｃ）は同じく縦断面図である。 従来のドーム型照明装置と、本実施形態に係るドーム型照明装置における開口部の角度照明分布を例示した図である。 （Ａ）は本実施形態におけるランバート配光光源と半値角３７度の光源の配光分布を示す図である。（Ｂ）は半値角３７度の光源を用いた従来及び本実施形態に係るドーム型照明装置の開口部の角度照明分布を示す図である。 本実施形態に係るドーム型照明装置を用い、光源の半値角を変化させたときの開口部での角度照明強度分布の変化量をシミュレーションした結果を示す図である。（Ａ）は各半値角の光源の配光分布を示し、同図（Ｂ）は各半値角の光源毎の開口部の角度照明強度分布を示す図である。 ドーム径Φ１が150mmの場合の許容半値角を示す表である。 （Ａ）は、各光源の主照射角度Ａ１の向きを変化させてシミュレーションを行ったときの開口部の角度照明分布を示す図である。（Ｂ）は理想（ランベルトの余弦則）からの変化量を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）は、本実施形態の半球殻形状のドーム型筐体と、従来の積分球を対比して模式的に示す図である。 （Ａ）は、開口部と測定対象物との距離を変化させて状態で、光源の主照射角度を開口部の法線方向に向けた従来のドーム型照明装置を動作させたときの開口部の照明角度分布を示す図である。（Ｂ）は同じく本実施形態に係るドーム型照明装置の開口部の照明角度分布を示す図である。 図１に示したドーム型照明装置を使用した分光測色計を模式的に示す図である。
　以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　図１（Ａ）は、この発明の一実施形態に係るドーム型照明装置１をその一部を切り欠いて示す斜視図、（Ｂ）は同じく平面図、（Ｃ）は同じく縦断面図である。
　ドーム型照明装置１は下面が開口したドーム型筐体１１と複数個の光源１２を備えている。
　ドーム型筐体１１は平面視円形、正面視半円形の半球殻形状をなすとともに、その内面に半球面状の拡散反射面１３を有している。また、ドーム型筐体１１は、下端周縁部からドーム型筐体１１の中心軸方向に水平に所定幅突出したリング状の光源取付部１４を有するとともに、光源取付部１４の内側に円形の開口部１５を有している。
　前記光源取付部１４におけるドーム型筐体１１の内周面側の位置には、複数個の光源１２が、ドーム型筐体１１の下端部内周の全部に沿ってリング状に、かつ等間隔で離散的に配置されている。各光源１２はLED光源である。図１（Ｃ）に示すように、各光源１２はそれらの主照射角度Ａ１を開口部１５の法線方向Ａ２よりもドーム型筐体の頂点Ｐに向けて光を発するように、光源取付部１４に取り付けられている。
　なお、光源１２はドーム型筐体１１の下端部内周の全部ではなく、一部に沿って円弧状に等間隔で離散的に配置されていても良い。また、連続するリング状のまたは円弧状の１個の光源が、ドーム型筐体の下端部内周の全部または一部に沿って配置されていても良い。
　このように、各光源１２がその主照射角度Ａ１をドーム型筐体１１の頂点Ｐに向けて光を発することにより、開口部１５では均一照度且つランベルトの余弦則に近い角度照明分布が得られる。
　即ち、ランバート配光光源は主照射方向の光量が最も強いため、従来のように、主照射角度Ａ１を開口部１５の法線方向Ａ２に向けて光を発すると、交点位置の拡散反射面から開口部１５へ直接照射される反射光が発生する。その結果、完全均一拡散面を持つドーム型筐体１１であっても、開口部１５への直接反射光による影響から、交点位置の拡散反射面から反射する特定の角度の光量が高くなり、ランベルトの余弦則から外れた分布となる。
　これに対し、本実施形態では、各光源１２からドーム型筐体１１の頂点Ｐに向けて発せられた光は、ドーム型筐体１１の内面の拡散反射面１３で拡散反射して開口部１５に照射される。光源１２と拡散反射面１３の距離が最も長くなるドーム頂点Ｐに光源１２の主照射角度Ａ１が向けられることで、光源１２の配光角に応じた光量と光源１２から拡散反射面１３までの距離は比例した関係となる。照度は光源１２の配向分布と距離の二乗則で決定される。このため、各光源１２から見た照度は均一となり、拡散反射面１３から開口部１５に照射される光量も均一である。つまり、開口部１５では均一照度且つランベルトの余弦則に近い角度照明分布が得られる。
　図２に、従来のドーム型照明装置と、本実施形態に係るドーム型照明装置１における開口部１５の角度照明分布を例示する。従来のドーム照明装置では、各光源１２の主照射角度Ａ１を開口部１５の法線方向Ａ２とし、本実施形態のドーム型照明装置１では各光源１２の主照射角度Ａ１はドーム型筐体１１の頂点Ｐ方向である。理想的なランベルトの余弦則（cos特性）も示している。図２の横軸は角度、縦軸はランベルトの余弦則の相対照明強度を100％とした場合の相対強度（a.u.）である。
　図２に示されるように、本実施形態に係るドーム照明装置１が理想的なランベルトの余弦則に近いことがわかる。
　本実施形態において使用される光源１２は、半値角６０度のランバート配光光源が望ましいが、ランバート配光光源でなくても良い。
　図３（Ａ）（Ｂ）は、光源１２の半値角を変化させたときの、従来のドーム照明装置と本実施形態のドーム型照明装置１のシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションでは、光源取付部１４を除いた状態でのドーム型筐体１１の最大内径であるドーム径Φ１（図１（Ｃ）参照）150mm、開口部１５の直径である開口径Φ２110mmとした。また、シミュレーションでは、LEDからなる複数個の光源１２をリング状に等間隔で離散的に配置した。従来のドーム照明装置では、各光源１２の主照射角度Ａ１を開口部１５の法線方向Ａ２とし、本実施形態のドーム型照明装置１では各光源１２の主照射角度Ａ１をドーム型筐体１１の頂点Ｐ方向とした。
　図３（Ａ）は本実施形態におけるランバート配光光源１２と半値角３７度の光源１２の配光分布を示し、同図（Ｂ）は半値角３７度の光源を用いた従来及び本実施形態に係るドーム型照明装置１の開口部１５の角度照明分布である。なお、同図（Ｂ）では、理想的なランベルトの余弦則（cos特性）も示している。
　図３（Ｂ）の開口部１５の角度照明分布の結果から以下のことがわかる。すなわち、光源１２の半値角がランバート配光光源の半値角とは異なっても、光源１２の主照射方向Ａ１を従来のように開口部１５の法線方向Ａ２に向けるより、本実施形態のようにドーム頂点Ｐに向ける方が理想的なランベルトの余弦則（cos特性）に近いことがわかる。
　このとき、どの程度ランベルトの余弦則に近づくかは光源１２の半値角とドーム径Φ１に依存する。光源１２の半値角がランバート配光光源に近づくほど、また、ドーム径Φ１が大きいほどランベルトの余弦則に近くなる。　
　図４に、本実施形態に係るドーム型照明装置１を用い、ドーム径Φ１を150mm、開口径Φ２を110mmとし、光源１２の半値角を変化させたときの開口部１５での角度照明強度分布の変化量dをシミュレーションした結果を示す。変化量dは、開口部１５での相対角度照明強度分布がランベルトの余弦則に従っている場合を0％とした変化量であり、下記式で算出している。下記式において、Iは照明強度分布がランベルトの余弦則に従う場合の相対角度照明強度、I'はある半値角光源における相対角度照明強度である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　図４（Ａ）は各半値角の光源１２の配光分布を示し、同図（Ｂ）は各半値角の光源１２毎の開口部１５の角度照明強度分布を示す。
　この変化量dが±4%以下のとき、ランベルトの余弦則と同等であると定義すると、ドーム径Φ１が150mm、開口径Φ２が110mmの場合は、60°±23°であれば、ランベルトの余弦則と同等であるといえる。つまり、光源１２はランバート配光光源でなくても良いが、３７度～８３度の半値角を有している光源であることが望ましい。
　ドーム径Φ１が150mmの場合の許容半値角を図５の表に示す。従来例では、半値角３７度のとき７．０％という大きな変化率が生じている。
　前述したように、各光源１２が主照射角度Ａ１をドーム型筐体１１の頂点Ｐに向けて光を発することにより、開口部１５では均一照度且つランベルトの余弦則に近い角度照明分布が得られる。光源１２の主照射角度Ａ１の向きは厳密な頂点Ｐではなく、頂点Ｐの周辺領域を向いていても良い。ただし、この実施形態では、各光源１２が主照射角度Ａ１をドーム型筐体１１の頂点Ｐ又はその周辺部に向けて光を発することに限定はされない。光源１２の主照射角度Ａ１が開口部１５の法線方向Ａ２よりもドーム型筐体１１の頂点Ｐ側に向いていれば良い。
　主照射角度Ａ１が開口部１５の法線方向Ａ２よりもドーム型筐体１１の頂点Ｐ側に向いていることにより、主照射角度Ａ１が開口部１５の法線方向Ａ２を向いている場合よりも、光源１２と拡散反射面１３の距離が長くなる。このため、開口部１５ではランベルトの余弦則により近付く。
　ドーム径Φ１が150mm、開口径Φ２が110mmのドーム型筐体１１を用い、各光源１２の主照射角度Ａ１の向きを、開口部１５の法線方向Ａ２よりもθ（図１（Ｃ）参照）：０度、１０度、２５度、頂点方向、の各種に変化させてシミュレーションを行った。このときの、開口部１５の角度照明分布が図６（Ａ）に示される。また、θ：０度、５度、１０度、２５度、頂点方向、のそれぞれについて、理想（ランベルトの余弦則）からの変化量が同図（Ｂ）に示される。なお、θ：０は従来のように、主照射角度Ａ１が開口部１５の法線方向Ａ２を向いていることを意味する。
　図６（Ａ）（Ｂ）の結果から、光源１２の主照射角度Ａ１は、開口部１５の法線方向Ａ２よりもθ：５度以上、ドーム型筐体１１の頂点Ｐ側に向いていれば明らかに効果が認められる。さらに好ましくは、光源１２の主照射角度Ａ１は、開口部１５の法線方向Ａ２よりもθ：２５度以上、ドーム型筐体１１の頂点Ｐ側に向いているのが良い。
　なお、図１に示した実施形態では、平面視円形、正面視半円の半球殻形状のドーム型筐体１１を例示したが、ドーム型筐体１１の高さ方向の寸法は、図示のものに限定されることはない。高さ方向の寸法が、ドーム径Φ１の半分以下であっても良いし、半分以上であっても良い。
　また、ドーム型筐体１１の平面視の形状も円形でなく楕円形その他の形状であっても良いし、正面視の形状も半円形でなく半楕円形その他の形状であっても良い。
　しかし、本実施形態の半球殻形状のドーム型筐体１１を用いた場合、従来の積分球タイプの照明系と比べ、同じ効果の照明系でありながら、ほぼ半分のサイズとなるため、小型化が期待できる。
　図７に、本実施形態の半球殻形状のドーム型筐体１１と、従来の積分球２０を対比して模式的に示す。同図（Ａ）がドーム型筐体１１、（Ｂ）が積分球２０である。図（Ａ）（Ｂ）の比較から、ドーム型筐体１１を積分球２０よりも明らかに小型化できるのが理解される。
　また、同図（Ａ）（Ｂ）の上側の対比図に示すように、従来の積分球タイプの照明装置と比べ、同じ効果の照明装置でありながら、開口部１５の開口径Φ２を大きくすることができる。このため、測定対象物３０の反射特性が得られる範囲（図７に破線で示す）が大きく、広測定範囲化が期待できる。開口径Φ２は大きいほど測定対象物３０の高さ変動による誤差感度も下がるため高さ変動に強い測定装置となる。
　角度照度分布は開口径Φ２と測定対象物３０の中心の立体角から決まる。開口径Φ２が大きいほど立体角も大きくなり、開口径Φ２が大きいほど高さ変動時の立体角変動も小さくなるため、光量や角度照度分布の変化も少ない。
　同様の理由で、図７（Ａ）（Ｂ）の下側の対比図に示すように、それぞれの開口部１５、２１と測定対象物３０との距離を離して非接触測定を行う場合、非接触測定の長距離化にも資することができる。
　開口部１５と測定対象物３０との距離を、0mm、5mm、10mm、15mm、20mmと変化させて動作させた状態で、光源１２の主照射角度Ａ１を開口部１５の法線方向Ａ２に向けた従来のドーム型照明装置を用意した。また、光源１２の主照射角度Ａ１をドーム型筐体１１の頂点Ｐに向けた本実施形態に係るドーム型照明装置１を用意した。図８（Ａ）（Ｂ）は、両方のドーム型照明装置において、開口部１５の照明角度分布を調べた結果を示す。同図（Ａ）は従来のドーム型照明装置、同図（Ｂ）は本実施形態に係るドーム型照明装置１である。
　これらの図７（Ａ）（Ｂ）の比較から、本実施形態に係るドーム型照明装置１の方が、各距離での波形乱れが小さく、作動距離変動時の誤差が小さいことがわかる。
　図９は図１に示したドーム型照明装置を使用した分光測色計（測定装置に相当）４０を模式的に示すものであり、（Ａ）は一部を切り欠いて示す斜視図、（Ｂ）は縦断面図である。
　この分光測色計４０には、ドーム型筐体１１の一部壁面からドーム型筐体１１の内部空間に臨む態様でカメラ（受光手段に相当）４１が装着されている。そして、ドーム型照明装置１の開口部１５に測定対象物３０を配置して測色を行う。ドーム型照明装置１の光源１２から、主照射角度Ａ１を開口部１５の法線方向Ａ２よりもドーム型筐体１１の頂点Ｐ側に向けて発せられた光は、ドーム型筐体１１の内面の拡散反射面１３で拡散され、測定対象物３０を照明する。この照明光の測定対象物３０からの反射光はカメラ４１によって受光され、図示しない演算部で演算されて測定値が得られる。
　前述したように、ドーム型照明装置１の開口部１５は、均一照度且つランベルトの余弦則に近い角度照明分布が得られている。このため、この開口部１５に配置された測定対象物３０からの反射光がカメラ４１で受光される結果、測定対象物３０の反射特性を精度よく測定することができる。
　本願は、２０２３年１月１６日付で出願された日本国特許出願の特願２０２３－００４６０５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、測色装置等の照明装置として利用可能である。
　１　　ドーム型照明装置
　１１　ドーム型筐体
　１２　光源
　１３　拡散反射面
　１４　光源取付部
　１５　開口部
　３０　測定対象物
　４０　分光測色計（測定装置）
　４１　カメラ（受光手段）

Claims (14)

  1. 　内面に拡散反射面を有し、前記拡散反射面で拡散された照明光を射出する開口部を有するドーム型筐体と、
    　前記ドーム型筐体の内周に沿って配置され、主照射角度を前記開口部の法線方向よりも前記ドーム型筐体の頂点側に向けて光を発する１個または複数個の光源と、
    　を備えたドーム型照明装置。
  2. 　前記複数個の光源は、ドーム型筐体の内周の全部または一部に沿って離散的に配置されている請求項１に記載のドーム型照明装置。
  3. 　前記光源はランバート配光光源である請求項１に記載のドーム型照明装置。
  4. 　前記開口部における照明光の角度強度分布のランベルトの余弦則からの変化量が－４％～＋４％である請求項１に記載のドーム型照明装置。
  5. 　前記光源は３７度～８３度の半値角を有している請求項１に記載のドーム型照明装置。
  6. 　前記光源の主照射角度は、前記開口部の法線方向よりも５度以上、ドーム型筐体の頂点側に向いている請求項１ないし５の何れかに記載のドーム型照明装置。
  7. 　前記光源の主照射角度は、前記開口部の法線方向よりも２５度以上、ドーム型筐体の頂点側に向いている請求項１ないし５の何れかに記載のドーム型照明装置。
  8. 　請求項１ないし５の何れかに記載のドーム型照明装置と、
    　前記ドーム型照明装置の開口部に配置された測定対象物に対してドーム型照明装置から照明された光の反射光を受光する受光手段と、
    　を備えた測定装置。
  9. 　前記ドーム型照明装置における複数個の光源は、ドーム型筐体の内周の全部または一部に沿って離散的に配置されている請求項８に記載の測定装置。
  10. 　前記ドーム型照明装置における光源はランバート配光光源である請求項８に記載の測定装置。
  11. 　前記ドーム型照明装置における前記開口部における照明光の角度強度分布の変化量が－４％～＋４％である請求項８に記載の測定装置。
  12. 　前記ドーム型照明装置における光源は３７度～８３度の半値角を有している請求項８に記載の測定装置。
  13. 　前記ドーム型照明装置における光源の主照射角度は、前記開口部の法線方向よりも５度以上、ドーム型筐体の頂点側に向いている請求項８ないし１２の何れかに記載の測定装置。
  14. 　前記ドーム型照明装置における光源の主照射角度は、前記開口部の法線方向よりも２５度以上、ドーム型筐体の頂点側に向いている請求項８ないし１２の何れかに記載の測定装置。
     
     
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016194449A (ja) * 2015-03-31 2016-11-17 有限会社パパラボ 着色検査装置および着色検査方法
JP2018189450A (ja) * 2017-04-29 2018-11-29 株式会社キーエンス 外観検査装置及び外観検査用照明装置

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