JP2009115630A - 光計測装置及び走査光学系 - Google Patents
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Abstract
【課題】面光源からの光の計測を一の位置から高精度に行うことができる光計測装置を提供する。
【解決手段】面光源101からの光を計測する光計測装置1は、面光源101からの光を等立体角で射出する走査レンズ3と、走査レンズ3を介して面光源101の各部からの光を一定の方向へ順次偏向することにより、面光源101を走査する偏向器5と、走査レンズ3の射出瞳に共役点が位置するように配置され、偏向器5により偏向された光を、その断面を規定しつつ透過させる開口7aが形成された絞り部材7と、絞り部材7を透過した光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する分光器9と、を有する。
【選択図】図1
【解決手段】面光源101からの光を計測する光計測装置1は、面光源101からの光を等立体角で射出する走査レンズ3と、走査レンズ3を介して面光源101の各部からの光を一定の方向へ順次偏向することにより、面光源101を走査する偏向器5と、走査レンズ3の射出瞳に共役点が位置するように配置され、偏向器5により偏向された光を、その断面を規定しつつ透過させる開口7aが形成された絞り部材7と、絞り部材7を透過した光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する分光器9と、を有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、面光源における輝度や色度等の光に係る量を計測する光計測装置及び当該光計測装置に利用可能な走査光学系に関する。
面光源の輝度分布や色度分布等を計測するために、面光源の中央部や外周部等の各部の輝度や色度等の物理量若しくは心理物理量を順次計測する技術が知られている。特許文献1では、紙等のウェブの光学情報を収集する収集装置として、ウェブの各部からの光を順次偏向することによりウェブを走査するガルバノミラーと、ガルバノミラーにより偏向された光を透過させる2つのスリットと、2つのスリットを透過した光を分光する分光器とを有する装置が開示されている。特許文献1の技術によれば、面光源からの光の計測を一の位置(視点)から行うことができる。
特開2004−93326号公報
特許文献1の技術では、十分な精度で面光源の輝度等を計測することができない。例えば、一の位置から面光源の各部の輝度等を計測する場合、面光源の外周部と中央部とでは、測定装置に対する位置や角度が異なるから、測定装置の構成によっては、立体角や測定径が面光源の外周部と中央部とで変わってしまう。しかし、特許文献1では、このような問題に言及されていない。また、例えば、特許文献1の技術では、ガルバノミラーと分光器との間に2つのスリットが配置されることから、2つのスリットを通過した光は、その断面において、中央側の光束が多く、外周側の光束が少なくなり、輝度計測等の精度が保証されない。特に、検出器の受光面の応答度に部分的にムラがあると、誤差が拡大する。
本発明の目的は、面光源からの光の計測を一の位置から高精度に行うことができる光計測装置及び当該光計測装置に利用可能な走査光学系を提供することにある。
本発明の光計測装置は、面光源からの光を計測する光計測装置であって、前記面光源からの光を射影する射影光学要素と、前記射影光学要素を介して前記面光源の各部からの光を一定の方向へ順次偏向することにより、前記面光源を走査する偏向器と、前記射影光学要素の射出瞳に共役点が位置するように配置され、前記偏向器により偏向された光を、その断面を規定しつつ透過させる開口が形成された絞り部材と、前記絞り部材を透過した光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する検出器と、を有する。
好適には、前記射影光学要素は、当該射影光学要素の前記偏向器により傾斜された射出瞳の有効瞳径に基づく立体角が、前記面光源の各点において等しくなるように前記面光源からの光を射出する。
好適には、前記面光源の共役点に配置され、前記偏向器からの光の断面を規定しつつ透過させる開口が形成された開口部材を有する。
好適には、前記偏向器は、前記射影光学要素の射出瞳の位置に配置され、前記面光源に対する角度が変化することにより、前記射影光学要素を介して前記面光源の各部からの光を一定の方向へ順次偏向する偏向ミラーを有する。
本発明の走査光学系は、面光源からの光を部分的に取り出す走査光学系であって、前記面光源からの光を射影する射影光学要素と、前記射影光学要素を介して前記面光源の各部からの光を一定の方向へ順次偏向することにより、前記面光源を走査する偏向器と、前記射影光学要素の射出瞳に共役点が位置するように配置され、前記偏向器により偏向された光を、その断面を規定しつつ透過させる開口が形成された絞り部材と、を有する。
本発明によれば、面光源からの光の計測を一の位置から高精度に行うことができる。
図1は、本発明の実施形態に係る光計測装置1の概略構成を示す斜視図である。図2は、光計測装置1の概略構成を示す模式図である。
光計測装置1は、測定対象である面光源101(図2)の輝度分布や色度分布等の光に係る量の分布を計測する装置として構成されている。面光源101は、例えば、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ等の、複数の画素毎に輝度を調整して表示を行う表示装置である。
光計測装置1は、面光源101からの光が入射する走査レンズ3と、走査レンズ3を透過した光を偏向する偏向器5と、偏向器5により偏向された光の径(断面)を規定する絞り部材7と、絞り部材7を透過した光を集光する集光レンズ9と、集光レンズ9により集光された光の径(断面)を規定するピンホール部材11と、ピンホール部材11を透過した光を転送するリレーレンズ13と、リレーレンズ13により転送された光を受光する分光器15(図2)とを有している。
走査レンズ3は、例えば、図1に示すように、レンズ群により構成されている。なお、図2は、模式図であることから、走査レンズ3を単レンズにより表している。ただし、走査レンズ3は、実際に単レンズにより構成されてもよい。
走査レンズ3は、面光源101の各部からの光を、走査レンズ3の有効瞳径に基づいて決定される立体角が面光源101のどの位置でも等しくなるように射出する。すなわち、走査レンズ3は、面光源101からの光を等立体角となるように投影する。一般的に知られる等立体角射影レンズは、走査角(走査レンズ3からの射出角)をθS(図2)、焦点距離をfとしたときに、物体面(面光源101)における物高y(θS)(図2)が、2×f×sin(θS/2)となるレンズである。このようなレンズでは、一定の断面積で光が取り出されれば、換言すれば、射出瞳の有効瞳径が一定であれば、走査角θSによらず、立体角は一定である。また、面光源101上の面積×cosθSもほぼ均一になる。なお、走査レンズ3は、一般的な等立体角射影レンズでもよいが、一般的な等立体角射影レンズに対して、偏向器5の影響を考慮した若干の修正が加えられたレンズであることが好ましい。この点については、偏向器5を説明した後に説明する。また、走査レンズ3は、射出瞳に絞りが配置されても画角特性(立体射影など)が維持されるように構成されている。
なお、一般に、立体角(単位:ステラジアン)は、S/r2で定義される。rは、球の半径であり、Sは、その球の表面の所定部分の面積である。本実施形態では、立体角は、面光源101上の各点から出射された光線により形成される錐体において定義される。すなわち、立体角は、面光源101上の各点を球の中心と仮定し、その中心から計測光学系までの距離を半径rと仮定し、面光源101からの光が計測光学系に取り込まれるときの光の断面積(概ね球の表面の面積である)を面積Sと仮定して定義される。なお、本実施形態では、距離rは、面光源101の光の計測中において、基本的には一定である。一方、図2に示す、面光源101上の各点から出射された光線により形成される錐体の頂角の角度θVは、面積Sと相関関係にある。従って、頂角の角度θVが決定されれば、立体角は決定される。従って、以下では、立体角と、頂角の角度θVとを区別せずに、立体角θVということがある。
偏向器5は、走査レンズ3を介して面光源101の各部からの光を一定の方向(絞り部材7への方向)へ順次偏向することにより、面光源101を走査するものである。偏向器5は、例えば、ガルバノミラーにより構成されている。すなわち、偏向器5は、走査レンズ3からの光を偏向する第1偏向ミラー17と、第1偏向ミラー17により偏向された光を偏向する第2偏向ミラー19とを有している。
第1偏向ミラー17及び第2偏向ミラー19は、例えば、いずれかが走査レンズ3の射出瞳に位置するように配置され、また、その射出瞳よりも広い面積を有している。なお、走査レンズ3は、射出瞳が走査レンズ3の射出方向外部に位置するように構成されている。第1偏向ミラー17及び第2偏向ミラー19は、互いに異なる回転軸回りに回転可能に設けられている。偏向器5は、例えば、第1偏向ミラー17の回転により面光源101を主走査方向に走査し、第2偏向ミラー19の回転により面光源101を主走査方向に直交する副走査方向に走査する。主走査方向及び副走査方向は、面光源101がディスプレイである場合に、ディスプレイの主走査方向及び副走査方向と一致していても一致していなくてもよい。
第1偏向ミラー17及び第2偏向ミラー19は、例えば、第1モータ21及び第2モータ23によりそれぞれ駆動される。第1モータ21及び第2モータ23の動作は、制御装置25により制御される。制御装置25は、例えば、第1偏向ミラー17が一定の回転速度で連続的に移動するように、若しくは、第1偏向ミラー17が一定の時間間隔で間欠的に一定の回転角度で移動するように、第1モータ21を制御するとともに、第2偏向ミラー19が一定の時間間隔で間欠的に一定の回転角度で移動するように第2モータ23を制御する。
上述のように、走査レンズ3は、面光源101からの光を等立体角で射影する。しかし、走査レンズ3の射出瞳は、偏向器5によって傾けられる。そして、その傾きは、第1偏向ミラー17及び第2偏向ミラー19の傾斜角の変化によって変化する。換言すれば、面光源101のいずれの位置の光を取り込むかによって、射出瞳の傾きが異なる。射出瞳の傾きが異なると、有効瞳径も変化することになり、ひいては、有効瞳径に基づいて決定される立体角も変化することになる。そこで、走査レンズ3は、走査レンズ3単体の射出瞳に基づく立体角ではなく、偏向器5により傾斜された射出瞳の有効瞳径に基づく立体角が、面光源101上の各点において等しくなるようなディストーション特性を有することが好ましい。なお、本願において、面光源からの光を等立体角で射出する射影光学要素には、一般的な等立体角射影レンズも、上述のような偏向ミラーの影響を考慮したレンズも含まれるものとする。
走査レンズ3は、第1偏向ミラー17及び第2偏向ミラー19のいずれが走査レンズ3の射出瞳に位置しても、走査レンズ3の画角特性(例えば、立体射影)が維持されるように設計されていることが好ましい。このようにすれば、第1偏向ミラー17及び第2偏向ミラー19のいずれが回転しても、レンズの特性が崩れない。
走査レンズ3及び偏向器5により構成される光学系は、平行光を絞り部材7へ投射するように構成されている。なお、平行光への変換は、走査レンズ3のみにおいて行われていてもよいし、偏向器5のみにおいて行われていてもよいし、走査レンズ3及び偏向器5の組み合わせにより行われていてもよい。
絞り部材7には、偏向器5により偏向された光を、その径(断面)を規定しつつ透過させる開口7aが形成されている。すなわち、本実施形態では、開口7aの径は、偏向器5から出射された偏向された平行光の径以下に設定されている。絞り部材7は、共役点が走査レンズ3の射出瞳に位置するように配置されている。従って、絞り部材7は、射出瞳に配置されたのと同様の作用を奏し、走査レンズ3の有効瞳径を規定することができる。なお、本実施形態では、上述のように、走査レンズ3の射出瞳には、第1偏向ミラー17又は第2偏向ミラー19が位置しているから、絞り部材7は、第1偏向ミラー17又は第2偏向ミラー19に配置されたのと同様の作用を奏する。
なお、絞り部材7は、開口7aの径が固定のものでも可変のものでもよい。開口7aが可変の場合には、絞り部材7は、例えば、互いに径の異なる複数の開口7aが同一円周上に形成されており、回転することにより光路内に挿入される開口7aを変更するものであってもよいし、撮像装置等に用いられる絞り部材のように、複数の絞り羽根を組み合わせて構成されているものであってもよい。また、開口7aの径が固定の場合にも、絞り部材7を差し替え可能とすることにより、実質的に開口7aの径を可変としてもよい。
集光レンズ9は、絞り部材7を透過した平行光を集光して像面に結像させるものである。集光レンズ9は、単レンズであってもよいし、レンズ群により構成されていてもよい。集光レンズ9の径は、絞り部材7を透過した平行光が全て入射可能な大きさに設定されている。換言すれば、集光レンズ9の瞳径は、絞り部材7の径以上に設定されている。なお、絞り部材7が開口7aの径を変更可能なものである場合には、絞り部材7は、集光レンズ9の瞳径以下の範囲で開口7aの径を変更可能に構成されている。
集光レンズ9は、光軸方向に移動可能に保持されていることが好ましい。この場合、集光レンズ9の光軸方向への移動により、走査レンズ3から集光レンズ9までの光学系における焦点距離を変更することができる。従って、面光源101と光計測装置1との距離を変化させても面光源101にピントを合わせることができ、計測の目的に応じて計測距離を変化させることができる。なお、集光レンズ9を光軸方向へ移動可能に保持する保持部には、撮像装置に利用されるレンズ鏡筒のように種々の公知の技術が用いられてよい。
ピンホール部材11は、集光レンズ9の像面位置に配置されている。なお、本実施形態においては集光レンズ9に入射する光は平行光であるから、像面位置は集光レンズ9の焦点位置である。ピンホール部材11には、集光レンズ9により集光された光を、その径(断面)を規定しつつ透過させるピンホール11aが形成されている。ピンホール11aは、例えば、0.3〜3mmの開口である。ピンホール11aの形状は適宜な形状でよいが、例えば、円形や矩形である。なお、ピンホール部材11は、ピンホール11aの径が固定のものでも可変のものでもよい。ピンホール11aが可変の場合には、ピンホール部材11は、上述の絞り部材7と同様に、複数のピンホール11aが形成された回転可能な部材であってもよいし、複数の羽根を組み合わせて構成されたものでもよいし、差し替え可能なものであってもよい。
リレーレンズ13は、ピンホール部材11を透過した光を転送するものであり、例えば、第1リレー用レンズ27と、第2リレー用レンズ29とを有するレンズ群により構成されている。なお、リレーレンズ13は、単レンズにより構成されていてもよい。第1リレー用レンズ27は、例えば、前側焦点が集光レンズ9の後側焦点に一致する凸レンズにより構成されており、ピンホール11aを通過した光を平行光に変換する。第2リレー用レンズ29は、第1リレー用レンズ27を透過した平行光を集光する凸レンズにより構成されている。
分光器15は、リレーレンズ13からの光を受光し、その受光した光を分光して光のスペクトルを求め、そのスペクトルのデータを、若しくは、そのスペクトルから算出された輝度や色度を、電気信号として出力する。分光器15は、例えば、特に図示しないが、モノクロメータ等のいわゆる狭義の分光器と、狭義の分光器により分光された光を受光して、受光した光の光量に応じた電気信号を出力するCCD等の光電変換器とを有している。分光器15は、例えば、不図示の光ファイバによりリレーレンズ13からの光を受光する。
図3(a)は、光計測装置1の動作を説明する図である。また、図3(b)は、比較例の光計測装置201の動作を説明する図である。
光計測装置1は、偏向器5を動作させることにより、矢印y1で示すように、面光源101をX方向(主走査方向)及びY方向(副走査方向)に2次元走査を行い、面光源101の各部の輝度や色度を測定対象領域AR毎に測定する。すなわち、光計測装置1は、面光源101に対して一の位置から面光源101の輝度や色度を計測する。
なお、比較例の光計測装置201では、光計測装置201自体がX方向及びY方向へ移動することにより、面光源101の走査を行っている。この場合、光計測装置201を駆動する比較的大きな駆動装置が必要であり、装置全体として大型化する。この系と同一の計測を一般的な輝度計で例えるならば、測定面積が同一となるように測定距離を一定に保ちながら輝度計のヘッドを傾けるのと同義である。
図4は、光計測装置1の作用を説明する図である。
光計測装置1は、面光源101に対して一の位置から面光源101からの光を計測している。従って、走査レンズ3が通常のレンズ(y(θs)=ftanθSとなるレンズ)である場合、面光源101の中央側の測定対象領域AR1からの光を測定するときと、面光源101の外周側の測定対象領域AR3からの光を測定するときとでは、立体角θV及び測定面積Sdが異なる。
しかし、走査レンズ3は、立体角が一定となるようなディストーション特性をもって設計された等立体角射影レンズであることから、絞り部材7により走査レンズ3から射出された光の径が一定に規定されることにより、立体角θVは、走査角θSによらず一定(測定対象領域AR1と測定対象領域AR5とで同一)となる。
また、面光源101の共役点にピンホール部材11が配置されていることから、ピンホール部材11により、走査レンズ3から射出された光の径が一定に規定されることにより、測定対象領域AR1と測定対象領域AR5とは測定面積Sdが概ね同一となる。
ここで、ピンホール11aは、像面に位置しており、測定対象領域AR(AR1、AR5)は、物体面に位置しているから、ピンホール11aの径は、測定対象領域ARの径に、物体面と像面との間の光学系(走査レンズ3から集光レンズ9までの光学系)の倍率を乗じて決定される。
なお、面光源101と光計測装置1との距離や測定対象領域ARの大きさは適宜に設定されてよい。一例を示すと、面光源101と光計測装置1との距離は、面光源101の高さの3倍に設定される。例えば、面光源101が40インチの表示画面を有する表示装置(高さ約50cm)である場合、面光源101と光計測装置1との距離は、1.5m程度に設定される。また、このときの測定対象領域ARの大きさは、例えば、直径30mm程度に設定される。
以上の実施形態によれば、面光源101からの光を計測する光計測装置1は、面光源101からの光を等立体角で射出する走査レンズ3と、走査レンズ3を介して面光源101の各部からの光を一定の方向へ順次偏向することにより、面光源101を走査する偏向器5と、共役点が走査レンズ3の射出瞳に位置するように配置され、偏向器5により偏向された光を、その断面を規定しつつ透過させる開口7aが形成された絞り部材7と、絞り部材7を透過した光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する分光器15とを有することから、面光源101からの光の計測を一定の立体角θVで一の位置から行うことができる。ここで、人間が表示装置等の面光源を視認する場合、一の視点から見ることが多い。従って、本実施形態のように一の位置から光を計測する光計測装置1は、人間工学的に表示装置等の面光源を評価するシステムに好適に応用できる。
光計測装置1は、絞り部材7と分光器15との間に、絞り部材7を透過した平行光を像面に結像させる集光レンズ9と、像面の位置にて、集光レンズ9からの光を、その断面を規定しつつ透過させるピンホール11aが形成されたピンホール部材11とを有していることから、ピンホール部材11の径により測定面積Sdを規定することができるとともに、ピンホール部材11を透過した光は、その断面において、中央側から外周側に亘って一様の光束となり、輝度計測等の精度を向上させることができる。
偏向器5は、走査レンズ3の射出瞳の位置に配置され、面光源101に対する角度が変化することにより、走査レンズ3を介して面光源101の各部からの光を一定の方向へ順次偏向する第1偏向ミラー17を有することから、走査レンズ3を透過する全ての光は、第1偏向ミラー17の配置位置を通過することになる。従って、簡便な構成で効率的に走査レンズ3からの光を偏向することができる。
なお、以上の実施形態において、走査レンズ3は本発明の射影光学要素の一例であり、分光器15は本発明の検出器の一例であり、集光レンズ9は本発明の集光光学要素の一例であり、ピンホール部材11は本発明の開口部材の一例であり、ピンホール11aは本発明の開口部材の開口の一例であり、走査レンズ3からリレーレンズ13までの光学系は本発明の走査光学系の一例である。
本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。
光計測装置及び走査光学系は、2次元の走査を行うものに限定されず、一次元の走査を行うものであってもよい。また、計測対象となる面光源は、一次元の走査のみで光源全体の計測が行われることが可能な長尺状のものであってもよい。面光源は表示装置に限定されない。例えば、照明として使用されたり、表示装置のバックライトとして使用される面光源であってもよい。
射影光学要素及び集光要素は、レンズにより構成されるものに限定されない。例えば、曲面鏡により、若しくは、レンズと曲面鏡との組み合わせにより構成されてもよい。曲面鏡を用いる場合には、反射波長の角度依存を軽減できる等のメリットがある。
偏向器は、ガルバノミラーに限定されない。例えば、偏向器は、ポリゴンミラーを含んで構成されてよい。検出器は、分光器に限定されない。例えば、光を分光しないものであってもよい。検出器の検出する光に係る量は、物理量でも心理物理量でもよく、また、輝度や色度以外の量であってもよい。
実施形態における、集光レンズ9、開口部材(ピンホール部材11)及びリレーレンズ13は省略されてもよい。例えば、絞り部材7を通過した光を直接検出器に受光させてもよいし、集光レンズ9により集光された光を直接検出器に受光させてもよいし、ピンホール11aを透過した光を直接検出器に受光させてもよい。射影光学要素及び偏向器は、平行光を絞り部材へ投射しなくてもよい。この場合であっても、絞り部材により立体角等を規定できることに変わりはない。また、逆に、光計測装置及び走査光学系には、使用目的や測定対象の種類等の具体的事情に応じて、視感度補正フィルタ、色フィルタ、拡散透過板等の光学要素が適宜な位置に配置されてよい。開口部材の開口は、ピンホールとは言えないほどに、比較的大きな径のものであってもよい。
絞り部材の配置位置は、共役点が射影光学要素の射出瞳に位置すれば、適宜な位置に設定されてよく、偏向器の直後に限定されない。
図5は、本発明の変形例に係る光計測装置の概略構成を示す模式図である。この光計測装置は、実施形態の光計測装置1に比較して、絞り部材7の位置が異なる。具体的には、絞り部材7は、第1リレー用レンズ27と、第2リレー用レンズ29との間に配置されるとともに、共役点が走査レンズ3の射出瞳(第1偏向ミラー17)に位置するように配置されている。この場合であっても、絞り部材7の共役点は、走査レンズ3の射出瞳に位置しているから、絞り部材7により、走査レンズ3の有効径が規定され、ひいては、立体角が一定に規定される。
1…光計測装置、101…面光源、3…走査レンズ(射影光学要素)、5…偏向器、7…絞り部材、15…分光器(検出器)。
Claims (5)
- 面光源からの光を計測する光計測装置であって、
前記面光源からの光を等立体角で射出する射影光学要素と、
前記射影光学要素を介して前記面光源の各部からの光を一定の方向へ順次偏向することにより、前記面光源を走査する偏向器と、
前記射影光学要素の射出瞳に共役点が位置するように配置され、前記偏向器により偏向された光を、その断面を規定しつつ透過させる開口が形成された絞り部材と、
前記絞り部材を透過した光を受光し、受光した光に応じた信号を出力する検出器と、
を有する光計測装置。 - 前記射影光学要素は、当該射影光学要素の前記偏向器により傾斜された射出瞳の有効瞳径に基づく立体角が、前記面光源の各点において等しくなるように前記面光源からの光を射出する
請求項1に記載の光計測装置。 - 前記面光源の共役点に配置され、前記偏向器からの光の断面を規定しつつ透過させる開口が形成された開口部材を有する
請求項1に記載の光計測装置。 - 前記偏向器は、前記射影光学要素の射出瞳の位置に配置され、前記面光源に対する角度が変化することにより、前記射影光学要素を介して前記面光源の各部からの光を一定の方向へ順次偏向する偏向ミラーを有する
請求項1に記載の光計測装置。 - 面光源からの光を部分的に取り出す走査光学系であって、
前記面光源からの光を等立体角で射出する射影光学要素と、
前記射影光学要素を介して前記面光源の各部からの光を一定の方向へ順次偏向することにより、前記面光源を走査する偏向器と、
前記射影光学要素の射出瞳に共役点が位置するように配置され、前記偏向器により偏向された光を、その断面を規定しつつ透過させる開口が形成された絞り部材と、
を有する走査光学系。
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2007
- 2007-11-07 JP JP2007289253A patent/JP2009115630A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010271246A (ja) * | 2009-05-22 | 2010-12-02 | Sony Corp | 色彩輝度測定装置及び色彩輝度測定方法 |
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