JP2013238576A - 変角分光イメージング測定方法およびその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】測定サンプル面2に対して、2つ以上の角度方向から照明光を照射する照明装置10と、結像用の光学レンズ8と、白黒2次元画像センサー4を備える。これにより、測定波長毎に測定サンプル面2の2次元画像を撮像して、該2次元画像の全ての画素において、画素毎に変角、分光情報を短時間で正確に計測する方法及び装置を提供し、具体的には、より正確で実用性の高い変角分光イメージング測定方法及びその装置を実現する。
【選択図】図9
Description
また、分光イメージング計測装置は、バンドパスフィルターや透過波長帯を可変できる液晶チューナブルフィルター、音響光学チューナブルフィルターなどを備えたもの、単色光源を測定波長毎に備えたものなどが市販されているが、変角測定において、物体表面の画素毎の変角、分光等の情報を短時間に効率よく同時に得ることができるシステムは無い。
また、3次元形状の試料面に対して、光学幾何条件の変化を補正する変角分光イメージング測定方法およびその装置を実現することにある。
そこで、本発明では、その解決方法として試料面に対し垂直方向に撮像可能な2次元画像センサーを配し、試料面に対し垂直方向からある角度を持った照明装置を組み合わせ、2つ以上の角度方向からの照明光の照射によって、画像内X軸、Y軸方向の画素毎の光学幾何条件の変化を利用し、変角分光イメージング情報を計測する。
測定した画素毎の分光データは、例えばCIEの三刺激値やCIELAB値、RGB値、マンセル表色値等の色彩数値に変換した後に、光学幾何条件に基づくLAB空間上の分布の3次元構造や空間周波数解析、情報エントロピーなどの数値を用いて、物体表面の特徴を比較・評価する数値計算手段に供する。
また、変角分光イメージング装置に3次元形状測定手段を組み込むことによって、試料面の3次元形状情報を用いて試料面の法線方向を求め、光学幾何条件の変化を補正する。
(測定機構について)
図1は本発明の概略構成を説明する図である。
本発明の変角分光イメージング装置の実施形態は、平面状の測定サンプル面2の垂直方向に設置された白黒階調の画像を取得する白黒2次元画像センサー4、画像を白黒2次元画像センサー上に結像させる光学レンズ8、測定サンプル面2と光学レンズ8の間の所定位置に設置された液晶チューナブルフィルターなどの透過波長帯域を可変できる分光手段6、計測波長域で測定に必要なエネルギーを持つ照明装置10を備える。本発明の一実施形態では、測定サンプル面2の周縁部に測定サンプル面と平行に設置した白色参照面12を設けたものから構成される。白色参照面は撮像時に同時に写しこまれ、これにより計測時間中の照明の光量変動や撮像素子の露出時間の変動や誤差を吸収する為の補正に供される。
以下、画像と照明と受光・観察の光学幾何条件について説明する。
図2は本発明の光学幾何条件を説明する図である。
照明装置10から照射される光は、測定サンプル面2及び白色参照面12を照射する。白黒2次元画像センサー4と光学レンズ8は、測定サンプル面2と白色参照面12を同時に画像の中に収められるように配置される。なお、本図面では分光手段6の記載を省略している。
図2から明らかなように、白黒2次元画像センサー4の画素中の鏡面反射挟角は、i,j毎に異なり、変角の情報を持つことになる。
以下、撮像用の2次元画像センサーについて説明する。
近年の自動車塗料には、特殊な干渉性光輝材が多用されるようになっており、非常に微細で高輝度、かつ色の表現域が広い光輝性の反射色が含まれている。これらの塗色に対しては、変角情報を有効に利用し、また特徴を評価する正確な画像解析計算を行う為には、画像全般にわたり高精細・高精度で高ダイナミックレンジ、広色域の計測が必要である。この為、本発明の実施形態では画像センサーに白黒の2次元センサーを用いることで、モアレ画像の発生を抑え、かつ撮像の前段階に分光手段を備えることで、広色域の分光情報を全画素に対して得る機構を実現した。
白黒2次元画像センサー4の前に配置された結像用の光学レンズ8も高精細で周辺部の乱れや減光が少ないものを用い、画角については、周辺部の画像の乱れを抑えるために、40°よりも少ないものを用いることが好ましい。また、照明については少なくとも2以上の角度について可変できる機構を備えることで、複数の角度の鏡面反射挟角に対して計測を可能とすることができる(図1、図3,図4参照)。
以下、全撮像画素に対して分光情報を得る、分光イメージングについて説明する。
光学レンズ8の直前に備える分光手段6としては、測定波長に応じて透過波長帯域が異なる複数のバンドパスフィルターを備え、これを逐次交換し撮像することで、分光情報を得る方法が適用できる。この場合、可視光領域である400nmから700nmの間を10nm毎に計測する場合は、31枚のバンドパスフィルターを用意し、これを交換しつつ同位置の撮像を繰り返すことで、全画素に対して31個の分光情報を取得する。
照明装置10に関しては、タングステンランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、白色LED等の光源ランプを光ファイバーやライトガイドの機構を備えたもの、光源ランプに反射鏡、投影レンズ等を備えたもの等で、測定サンプル面2と白色参照面12を照明することができるものが適用される。
また、光学レンズ8の直前に分光手段6を備える方法と、分光照明を組み合わせることで、蛍光色等を計測する2波長分光イメージングを実現できる。
最初に、図5に基づいて機器の校正方法について説明する。
安定した計測を行う為には、校正手段を確立することが重要である。校正は、気温や湿度といった測定環境の変化、電源の不安定性、光源装置や光学機器の経時変化に対応するもので、電源投入直後や、校正後数時間〜数日の時間範囲で実施し、計測値が常にある誤差範囲に収まるように補正を行うものである。
次に図6に基づいて実際の測定方法について説明する。測定サンプルをセットし(S111)、測定波長毎に撮像し(S112)、その結果を記憶装置内に記録する(S113)。その値をMCij(p,λ)とする。その際に同時に撮像した白色参照面の測定値をMWkl(p,λ)とする。この場合、(数2)により校正後の測定サンプルの分光反射率係数Rmij(p,λ)が求められる。これらを複数の照明、異なる波長において完了すれば測定は終了する(S114)。
以下、測定した分光イメージング情報を用いて、画像解析により特徴量を計算する方法について説明する。これらの計算方法は一例に過ぎない。本発明においては、全画素に渡り高精細、高精度に測定を行うものであるから、多くの種類の画像解析計算を適用でき、また、これによる結果の信頼性を高く保つことが可能である。
またこの計算領域に対する平均的な鏡面反射挟角θ(p)は、(数4)で表される。
測定された全画素の分光反射率係数Rmij(p,λ)から色彩値を求める方法について説明する(S116)。色彩値を計算する手順として、まず三刺激値XYZを計算する。この代表的な方法には国際照明委員会(CIE:Commission Internationale de l’Eclairage)で定められたものを利用する。
各画素の三刺激値Xij(p),Yij(p),Zij(p)は、(数5)で表すことができる。
この他にも、画像フィルターや、微分値、フーリエ変換やウェーブレット変換等の周波数分析を画像位置、即ち照明と受光の幾何条件である鏡面反射挟角θ(p)に対し行う方法や、CIELAB色空間の分布状況をより詳細にパラメータ化する方法等、様々な方法が適用でき、測定対象の特徴量を数値化することで、2つの異なる測定対象の差を定量化することが可能となる。更には、製品製造の際の品質管理、製造方法の判断等、多方面にわたる合理化と効果が期待できる。
実施例では、白黒2次元画像センサー4に、ペルチェ冷却機構とアンチブルーミング機構を備えたBitran製16bit出力でX軸方向に772画素、Y軸方向に580画素のものを用いた。結像レンズにはタムロン製の焦点距離25mmの単焦点Cマウントレンズで画角は長辺方向に22度である。分光手段としては、レンズ直前に、CRi製の液晶チューナブルフィルターを備え、可視光範囲内を10nm間隔で分光計測を行える。測定サンプル面には、画像中央部のX軸方向に720画素、Y軸方向に520画素を用い、それ以外の周縁部は白色参照面とした。照明は投影レンズを備えた白色LEDチップ10個を直線状に配置したものを2組用意して、測定サンプル面中央垂直方向から20度と45度の2方向から照明するように配置した。
CIELAB色空間に於ける画像中の出現色数は、塗板の特徴を表す指標として利用できる。顔料をのみを着色材に用いた塗板で一般にソリッド色と呼ばれる塗色の場合、計測した結果は画像内で略、同じ値になるので、出現色数は極端に少ないが、メタリック色の場合、含まれるアルミ光輝材の種類や配合量、組み合わされる着色顔料により、光学幾何条件により、主に明度と彩度について変化し、出現色数は増加する。更に干渉性の光輝材を含むパール色では、光学幾何条件に応じて明度と彩度に加えて色相方向にも変化すると同時に、細かい光輝材の干渉性の反射光が含まれるために、個々の画素に様々な色が出現するので、出現色数は増加する。これは、CIELAB色空間に対して、より広い範囲に色が分布することを意味している。また、情報エントロピーは、画像中の情報量を表す数値であり、出現色数と同様に、塗板の特徴を表す指標として利用できる。
画素毎のL*a*b*値は、式7に基づいたJIS Z8729:2004の計算方法を用い、照明光はJIS Z8781:1999に示されているCIE測色用標準イルミナントD65、等色関数は10度視野の条件で計算した。計算は小数点2桁の精度で行った。次にCIELAB空間をL*、a*、b*各軸の方向に一辺が1.00の大きさの立方体を仮定し、画像中の720×520=374400個の画素について計算されてL*a*b*の値を立方体にあてはめ、出現した画素の色を含む立方体の数を出現色数とした。これをNとする。この計算方法は、8つに分割した画像に対しても行われる。
また、情報エントロピーEは、以下の(数10)で計算した。
図10にサンプルAのCIELAB色空間の分布を示し、図11に、20度と45度照明におけるL*−a*関係と、L*の値を50に設定したときの、a*−b*関係を示す。また、図13にサンプルBのCIELAB色空間の分布を示し、図14に、20度と45度照明におけるL*−a*関係と、L*の値を50に設定したときの、a*−b*関係を示す。
4 白黒2次元画像センサー
6 分光手段
8 光学レンズ
9 レーザープロジェクター
10 照明装置
11 格子像
12 白色参照面
14 鏡面反射挟角
16 鏡面反射方向の単位ベクトル
18 受光方向の単位ベクトル
19 画素(i,j)
20 照明方向の単位ベクトル
変角分光イメージング計測装置を提供するものである。
Claims (16)
- 試料面の垂直方向に対して2つ以上の角度方向から該試料面に白色光である照明光を照射可能な照明装置と、
前記試料面からの反射光を分光する該試料面の上方に配置した分光手段と、
前記分光手段により分光された反射光を結像する結像用のレンズと、
前記結像用のレンズを介して前記反射光を受光し該試料面を撮像可能な2次元画像センサーと、
を有し、
前記2次元画像センサーで撮像された2次元画像内の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して前記試料面の分光情報を取得する変角分光イメージング装置であって、
前記分光手段の透過波長を変更することにより測定波長毎に前記試料面の2次元画像を撮像し、該2次元画像の全ての画素の測定波長毎の分光情報を取得することが可能な変角分光イメージング計測装置。 - 試料面の垂直方向に対して2つ以上の角度方向から該試料面に白色光である照明光を照射可能な照明装置と、
前記試料面からの反射光を結像する該試料面の上方に配置した結像用のレンズと、
前記結像用のレンズで結像された光を分光する分光手段と、
前記分光手段からの光を受光し該試料面を撮像可能な2次元画像センサーと、
を有し、
前記2次元画像センサーで撮像された2次元画像内の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して前記試料面の分光情報を取得する変角分光イメージング装置であって、
前記分光手段の透過波長を変更することにより測定波長毎に前記試料面の2次元画像を撮像し、該2次元画像の全ての画素の測定波長毎の分光情報を取得することが可能な変角分光イメージング計測装置。 - 試料面の垂直方向に対して2つ以上の角度方向から該試料面に波長可変の測定波長毎の単色照明光を照射可能な照明装置と、
前記試料面からの反射光を結像する該試料面の上方に配置した結像用のレンズと、
前記結像用のレンズを介して前記反射光を受光し該試料面を撮像可能な2次元画像センサーと、
を有し、
前記2次元画像センサーで撮像された2次元画像内の2軸方向の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して前記試料面の分光情報を取得する変角分光イメージング装置であって、
前記照明装置からの測定波長を変更することにより該測定波長毎に前記試料面の2次元画像を撮像し、該2次元画像の全ての画素の測定波長毎の分光情報を取得することが可能な変角分光イメージング計測装置。 - 試料面の垂直方向に対して2つ以上の角度方向から該試料面に波長可変の測定波長毎の単色照明光を照射可能な照明装置と、
前記試料面からの反射光を分光する該試料面の上方に配置した分光手段と、
前記分光手段により分光された反射光を結像する結像用のレンズと、
前記結像用のレンズを介して前記反射光を受光し該試料面を撮像可能な2次元画像センサーと、
を有し、
前記2次元状画像センサーで撮像された2次元画像内の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して前記試料面の分光情報を取得する変更分光イメージング装置であって、
前記照明装置の照射波長を変更し、
前記分光手段の透過波長を変更することにより、
前記照射波長と透過波長毎に前記試料面の2次元画像を撮像し、
前記2次元画像の全ての画素の照射及び透過波長毎の分光情報を取得することが可能な変角2波長分光イメージング計測装置。 - 試料面の垂直方向に対して2つ以上の角度方向から該試料面に波長可変の測定波長毎の単色照明光を照射可能な照明装置と、
前記試料面からの反射光を結像する該試料面の上方に配置した結像用のレンズと、
前記結像用のレンズで結像された光を分光する分光手段と、
前記分光手段からの光を受光し該試料面を撮像可能な2次元画像センサーと、
を有し、
前記2次元状画像センサーで撮像された2次元画像内の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して前記試料面の分光情報を取得する変更分光イメージング装置であって、
前記照明装置の照射波長を変更し、
前記分光手段の透過波長を変更することにより、
前記照射波長と透過波長毎に前記試料面の2次元画像を撮像し、
前記2次元画像の全ての画素の照射及び透過波長毎の分光情報を取得することが可能な変角2波長分光イメージング計測装置。 - 前記2つ以上の角度方向からの照明光の照射は、単一の照明装置の角度位置を変更させる、あるいは角度を異ならせて2つ以上備えた照明装置を順次点灯し、照明光の前記試料面への照明方向を変更することによって、光学幾何条件を可変する請求項1〜5のいずれか一つに記載の変角分光イメージング計測装置。
- 前記照明装置はライン状又はスポット状に前記試料面を照明する請求項1〜6のいずれか一つに記載の変角分光イメージング計測装置。
- 前記照明装置の光量を可変、あるいは撮像時の露光時間を可変、あるいは両者を組み合わせることで、計測のダイナミックレンジを拡大する請求項1〜7のいずれか一つに記載の変角分光イメージング計測装置。
- 前記測定波長毎に校正及び測定時の撮像露光時間を可変することで、照明装置の分光特性、前記分光手段における分光特性、前記2次元画像センサーの分光特性の前記測定波長範囲内での利得の差を補正することを特徴とする請求項1〜8のいずれか一つに記載の変角分光イメージング装置。
- 前記画素毎の測定波長毎の前記分光情報は、数値の平均化や色彩数値の色空間分布、空間周波数解析や情報エントロピー等の画像計算に用いられる請求項1〜9のいずれか一つに記載の変角分光イメージング装置。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の変角分光イメージング装置に、3次元形状測定手段を組み込んだ装置であって、該3次元形状測定手段によって前記試料面の3次元形状情報を測定し、該試料面の3次元形状情報を用いて該試料面の各位置の法線方向を求め、前記光学幾何条件の変化を補正する変角分光イメージング装置。
- 2次元画像の全ての画素の測定波長毎の分光情報を取得する変角分光イメージング計測方法であって、照明装置によって試料面の垂直方向に対して2つ以上の角度方向から該試料面に照明光を照射し、照射された照明光の該試料面からの反射光を分光手段により分光し、分光された該反射光を結像用レンズによって結像し、前記結像用のレンズを介して前記反射光を受光して2次元画像センサーによって撮像し、該撮像された2次元画像内の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して、該試料面の分光情報を取得する変角分光イメージング計測方法。
- 2次元画像の全ての画素の測定波長毎の分光情報を取得する変角分光イメージング計測方法であって、照明装置によって試料面の垂直方向に対して2つ以上の角度方向から該試料面に照明光を照射し、照射された照明光の該試料面からの反射光を結像用のレンズで結像し、前記結像用のレンズで結像された光を分光手段により分光し、前記分光手段からの光を受光して2次元画像センサーによって撮像し、該撮像された2次元画像内の画素毎の照明方向と撮像方向の光学幾何条件の変化を利用して、該試料面の分光情報を取得する変角分光イメージング計測方法。
- 前記照明装置によって、試料面と白色参照面を同時に照射し、該白色参照面における反射光を参照して、測定中の照明光量の変化や、露光時間の変動を補正する請求項12又は13に記載の変角分光イメージング計測方法。
- 請求項12〜14のいずれかに記載の変角分光イメージング計測方法において、3次元形状測定手段によって前記試料面の3次元形状情報を測定し、該試料面の3次元形状情報を用いて該試料面の各位置の法線方向を求め、前記光学幾何条件の変化を補正する変角分光イメージング計測方法。
- 請求項1〜11のいずれかに記載の変角分光イメージング装置によって得られた画素毎の分光情報をもとに、画素ごとの分光反射率係数又は分光反射率係数から計算された色空間上の色彩数値を用い、変角情報に伴う計測波長毎の分光反射率係数、空間周波数解析、フラクタル解析の画像分布、画素毎の色彩値から求めた色空間上の分布状況、出現色数、情報エントロピーの計算を行う方法。
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