JP2017026466A

JP2017026466A - 光学特性の測定装置

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Publication number: JP2017026466A
Application number: JP2015145249A
Authority: JP
Inventors: 祐介葛西; Yusuke Kasai; 拓嗣川中子; Takuji Kawanakako; 敬司関; Takashi Seki
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2035-07-22
Also published as: JP6818403B2; US20170024895A1; US10697887B2; EP3121588B1; EP3121588A1

Abstract

【課題】被検面の光学特性を測定する測定装置において、測定精度を維持しつつ、測定処理の対象とする画像データのデータ量の低減を実現する。
【解決手段】被検面の光学特性を測定する測定装置が提供される。測定装置は、光源からの光で前記被検面を照明する照明部と、前記照明部により照明された光の前記被検面からの反射光による像を撮る撮像部と、前記撮像部により得られた第１画像データの画素数を所定の低減率で低減して第２画像データを生成し、前記第２画像データを処理して前記被検面の光学特性を求める処理部とを備え、前記処理部は、前記照明部及び前記撮像部の動作設定に応じて前記所定の低減率を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体表面の光学特性を測定する技術に関する。

印刷物、塗装またはプラスチック材などの物体表面の光学特性は品質に関わる重要な要素である。物体表面の光学特性を測定する方法としては、例えば、鏡面光沢度、写像性、ヘイズなどがある。従来の光学特性測定装置は、入射光を所定の開き角で絞り、被測定面に対して所定入射角度で照射し、被検面からの反射光を所定の開き角で絞り、ＰＤ（フォトダイオード）やラインセンサなどの受光素子で受光して測定している。特許文献１は、この受光側の絞りを無くし、受光素子として２次元のエリアセンサを用いることにより、被測定面が傾いて受光範囲が移動した場合でも測定できる方法を開示している。

特開２００７−２２５３８４号公報

特許文献１の技術では、反射光の照射領域を十分カバーするだけの広い領域のエリアセンサを用いる必要がある。近年、エリアセンサはメガピクセル（数百万画素）以上の高画素高解像度のものが主流となってきているので、広い領域の反射光を取得しようとするとデータ量が膨大になってしまう。このために、測定処理に必要な演算量も増加し、また、データ転送にも時間がかかり、高速処理のＣＰＵや大容量メモリが必要となるなどコスト増加につながるという問題が生じる。また、特許文献１では単一角度での測定のみに言及しているが、複数の角度で測定できるように構成した場合、この問題はより顕著となる。

したがって本発明は、被検面の光学特性を測定する測定装置において、測定精度を維持しつつ、測定処理の対象とする画像データのデータ量の低減を図ることを目的とする。

本発明の一側面によれば、被検面の光学特性を測定する測定装置であって、光源からの光で前記被検面を照明する照明部と、前記照明部により照明された光の前記被検面からの反射光による像を撮る撮像部と、前記撮像部により得られた第１画像データの画素数を所定の低減率で低減して第２画像データを生成し、前記第２画像データを処理して前記被検面の光学特性を得る処理部とを備え、前記処理部は、前記照明部及び前記撮像部の動作設定に応じて前記所定の低減率を決定することを特徴とする測定装置が提供される。

本発明によれば、被検面の光学特性を測定する測定装置において、測定精度を維持しつつ、測定処理の対象とする画像データのデータ量の低減が実現される。

実施形態における光学特性測定装置の構成を示す図。実施形態における受光部の構成の一例を示す図。国際・国内規格における受光面の領域Ａ２と受光系開き角の領域Ａ１と投光系開き角の領域Ａ３との関係の一例を示す図。独自規格における受光面の領域Ａ２と受光系開き角の領域Ａ１と投光系開き角の領域Ａ３との関係の一例を示す図。実施形態における測定装置の動作を示すフローチャート。データ低減に係る画素ブロック形状の例を説明する図。画素ブロックの画素数と測定精度との関係の一例を示す図。画素ブロックの画素数とデータ低減後の画像データのデータ量との関係の一例を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施に有利な具体例を示すにすぎない。また、以下の実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の課題解決のために必須のものであるとは限らない。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態における光学特性の測定装置の構成を示す図である。本実施形態では、レンズ、偏向部材または受光部などの寸法、構成および配置は、国際規格あるいは国内規格で示される最低限の基本条件を満たすように設定するものとする。例えば、国内規格ＪＩＳ−Ｚ８７４１の第４章「測定条件」によれば、例えば光学特性の一つである鏡面光沢度の測定に関して、光源像の開き角（投光系開き角）、受光部の開き角（受光系開き角）、入射角および受光角などが定義されている。本実施形態の測定装置はこのような規格に準拠する。

本実施形態に係る光学特性測定装置は、投光系である照明部５０、受光系である撮像部６０、制御部１０１、操作部１５０を備える。照明部５０は、光源１、レンズ２、光源スリット３１、レンズ４１を含み、光源１からの光で被検面１０を照明する。撮像部６０は、照明部５０により照明された光の、被検面１０からの反射光による像を撮る。撮像部６０は、レンズ４２、受光部１００を含む。制御部１０１は、照明部５０及び撮像部６０の動作を制御する。この制御部１０１は、被検面１０の光学特性の演算処理を行う処理部としても機能するものであり、メモリ１０２、積算部１０３、演算部１０４を含む。操作部１５０は、ユーザからの測定に関する設定の指示を受け付ける。

照明部５０において、光源１からの光束は、レンズ２によって、規格で規定された開き角に設定された光源スリット３１上に集光される。これにより、光源スリット３１により規定の開き角の２次光源が構成される。光源スリット３１からの光束は、レンズ４１で略平行な光束となり、被検面１０に照射される。被検面１０での反射光は、被検面１０の状態により面特有の反射パターンとなって撮像部６０のレンズ４２で再び集光光束となり、受光部１００に入射する。

図２に受光部１００の構成例を示す。受光部１００は、例えばＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ等のエリアセンサ（撮像素子）によって構成されうる。図２において、画素アレイ２０１は、それぞれが光電変換素子を含む複数の画素が基板上にマトリクス状に配列された受光面を形成する画素群である。Ａ／Ｄ変換部２０２は、画素アレイ２０１から読み出されたアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換する。出力バッファ２０３は１フレーム分の第１画像データをＲＡＷデータのまま一時的に保存する。バッファコントローラ２０４は、Ａ／Ｄ変換部からの画像データの出力バッファ２０３への書き込みと、出力バッファ２０３からの第１画像データの読み出しを制御する。バッファコントローラ２０４は、出力バッファ２０３から読み出した第１画像データを出力インタフェース２０５（出力Ｉ／Ｆ）を介して出力する。

図１に戻り、入射角θと受光角θ’は例えば、ＪＩＳ−Ｚ８７４１規格に準拠して、２０度、４５度、６０度、７５度、８５度のうちの少なくともいずれかの角度をとることができる。ここで、入射角θは、照明部により被検面が照明される光の入射角をいう。また、受光角θ’は、撮像部で受光される反射光の受光角をいう。受光部１００の受光面は、光学特性を計算する対象の受光系開き角の光束が受光される領域よりも大きく構成されている。これを図３を参照して説明する。受光部１００の受光面の領域（受光面の大きさ）をＡ２とすると、光学特性の計算対象である受光系開き角の光束が受光される領域（計算に用いる領域）はＡ１であり、領域Ａ２＞領域Ａ１である。領域Ａ３は投光系開き角の領域である。仮に、被検面１０の表面が正反射面（ミラー面）であった場合は、領域Ａ２上に受光される光の大きさは、ほぼ領域Ａ３の大きさとなる。被検面１０の表面から反射される光の拡散成分が大きくなるに従い、領域Ａ２上に受光される光の大きさは広がっていく。また、規格では角度で規定されているので、領域Ａ１の実際の位置や大きさは光学特性測定装置の構成により異なるが、領域Ａ２上の中心位置に来るように構成する。ただし、被検面１０が傾いていた場合は反射光も傾き、受光位置が変動するので、そういった場合に追従できるよう、必要に応じて、反射光のピーク位置や重心位置から計算して領域Ａ２上の領域Ａ１の位置を再定義してもよい。

図３の（ａ）から（ｄ）は、異なる規格で得られる領域Ａ１、領域Ａ３を示しており、適用する規格によりその大きさや形が異なることが分かる。図３（ａ）は入射角θと受光角θ’を６０度又は４５度とした鏡面光沢度の測定方法で得られる領域を示し、図３（ｂ）は２０度とした鏡面光沢度の測定方法で得られる領域を示している。これは鏡面光沢度の規格であるＩＳＯ２８１３、ＩＳＯ７６６８、ＡＳＴＭ−Ｄ５２３といった国際規格やＪＩＳ−Ｚ８７４１の国内規格に定義されている。また、図３（ｃ）はＪＩＳ−Ｚ８７４１に準拠する７５度鏡面光沢度の測定方法で得られる領域を示している。さらに、図３（ｄ）は、ＡＳＴＭ−Ｄ５７６７に準拠する入射角θと受光角θ’が２０度のときの写像性（DOI：Distinct of Image）の測定で得られる領域を示している。

制御部１０１は、撮像動作として、光源１の光量の制御や受光部１００の受光時間の制御を行う。制御部１０１は、撮像部６０で得られた第１画像データをＲＡＷデータのままメモリ１０２に保存するのではなく、データ量を低減してメモリ１０２に保存する。本実施形態では、積算部１０３で、隣接するＮ個の画素群で構成される画素ブロックごとに各画素の画素値の積算値を代表値として求める。そして、その積算値を１画素の画素値としてメモリ１０２に保存する。これにより、ＲＡＷデータである第１画像データに対して所定の低減率１／Ｎでデータ量が低減された第２画像データが生成される。これは１／Ｎの縮小画像を作成することと等しい。なお、画素ブロックごとに各画素の画素値を積算するのではなく、各画素ブロックの所定位置の画素の画素値でその画素ブロックの代表値としてもよい。あるいは、画素ブロックごとに各画素の画素値の平均値をその画素ブロックの代表値としてもよい。本発明は特定のデータ低減方法に限定されるものではなく、他のデータ低減方法を採用してもよい。
演算部１０４は、生成された第２画像データに基づいて演算処理を行い、被検面の鏡面光沢度などの光学特性を求める。

次に、図５のフローチャートを参照して、本実施形態における測定装置の動作を説明する。まず、測定を開始する前に、測定方法の設定を行う（Ｓ１）。ここでユーザは、操作部１５０を介して、単角度測定を行うのか、複数角度測定を行うのかを指定することができる。また、それぞれの測定における入射角θ／受光角θ’を指定することができる。あるいは、ユーザは、複数の規格に従う測定をそれぞれ行うよう指定することもできる。これにより、照明部５０及び撮像部６０の動作設定が規定される。

設定が完了すると、制御部１０１は、Ｓ１で設定された各測定方法について、データ低減のための画素ブロック形状（１×８、２×１６、４×４等）を決定する（Ｓ２）。画素ブロック形状によって画像データの低減率が決まる。ここでは例えば、とりうる上記動作設定と画素ブロック形状との対応関係を記述したテーブル１０５をメモリ１０２に格納しておき、これを参照することで画素ブロック形状が決定される。画素ブロック形状は、例えば、画素アレイ２０１の画素ピッチと領域Ａ１の形状との関係に基づいて決定されうる。こうして、照明部５０及び撮像部６０の動作設定に応じて画像データの低減率が決定される。

制御部１０１は、照明部５０及び撮像部６０を、設定された測定方法に従う入射角θ／受光角θ’に動作させた後、光源１に発光動作を行わせ（Ｓ３）、受光部１００に撮像動作を行わせる（Ｓ４）。次に、積算部１０３は、設定された画素ブロック形状で決定される画素ブロックごとに画素値の積算を行い、その積算値をその画素ブロックの代表値としてメモリ１０２に格納する（Ｓ５）。これにより、第１画像データが画素ブロック形状で決まる低減率で低減されて第２画像データが生成される。

次に、演算部１０４は第２画像データの中から光学特性の演算に必要なデータ、具体的には、領域Ａ１内にあたる部分の光量情報を取得する（Ｓ６）。領域Ａ１の境界上にあたる画素に関しては光量情報を線形補間するなどの補間処理をして光量情報を取得してもよい。

次に、演算部１０４は、この光量情報に基づいて、例えばＪＩＳ−Ｚ８７４１に定められている演算処理を実行することで、光学特性の一つとして鏡面光沢度を取得する（Ｓ７）。なお、光学特性の算出に採用される演算処理は、上記国際規格や国内規格で規定されている方法のみならず、規格以外の方法でもよい。規格以外の算出方法としては、例えば、被検面１０の変角反射光分布特性を測定により取得して、この変角反射光分布特性の半値全幅を正反射近傍光強度として正反射光強度とともに求め、これらに基づいて光学特性を算出する方法がある。または、ある入射角で被検面１０に対して光を照射し、散乱光強度の角度分布関数を測定により取得して、この角度分布関数の散乱角に関する微分値に基づいて光学特性を算出する方法がある。

次に、制御部１０１は、Ｓ５にて得られた光学特性の情報を出力する（Ｓ８）。このとき、制御部１０１は、例えば、不図示の表示装置へ光学特性の情報を送信して表示させることができる。あるいは、制御部１０１は、ネットワークを介して外部に光学特性の情報を送信してもよいし、メモリ１０２に記録し続けてもよい。

なお、上記各工程の流れは、これに限定されるものではなく、例えば、バックグラウンドノイズを測定および記録する工程を入れてもよい。これはＳ７の光学特性の演算の前の範囲であればどのときに実行されるものでも構わない。また、光学特性を予備測定し、Ｓ３およびＳ４の本測定時により妥当な光量および照射時間を決定する工程をＳ３の前に入れてもよい。

上記Ｓ１、Ｓ２に関して、詳しく説明する。例えば、より正確に光学特性を把握したい場合には、ユーザはＳ１で、相異なる入射角θ／受光角θ’で複数の測定を行うよう設定することができる。あるいは、ユーザは、入射角θ／受光角θ’は同一だが規格が異なる測定方法に設定することもできる。これらの場合、各測定方法に対し、上記のようなテーブルに従い低減率を設定してもよい。あるいは、各測定方法のうち条件が最も厳しいものに従い低減率を統一してもよい。例えば、各測定方法のうち計算に用いる領域Ａ１が小さくなる測定方法について、テーブルを参照して低減率を設定し、他の測定方法にもその低減率を設定するようにしてもよい。例えば、入射角θ／受光角θ’を６０度とする測定方法及び２０度とする測定方法を設定した場合（それぞれ図３（ａ）、（ｂ）に対応）、領域Ａ１が小さいのは図３（ｂ）なので、６０度での測定においても２０度での測定の場合の低減率と同じにする。

また、入射角θ／受光角θ’は同一だが規格が異なる測定方法を設定した場合とは、例えば、図３（ｂ）の２０度の鏡面光沢度と図３（ｄ）の２０度の写像性とを測定する場合である。この場合、領域Ａ１が小さいのは図３（ｄ）である。いずれの場合も領域Ａ１は横長であるため、Ｓ２では、例えば、図６（ａ）のように画素ブロック形状が１×８の８画素の画素ブロック（低減率１／８）に決定される。

図７は、画素の低減をしない場合と低減した場合とで鏡面光沢度の差をシミュレーションで比較したグラフである。このグラフは、鏡面光沢度の異なる被検面、つまり散乱度の異なる被検面に対して、以下をプロットしたものである。なお、「画素数」とは、１画素ブロック内の画素数である。画素数の逆数が低減率である。
（１）画像データの低減をしない場合（画素数１）。
（２）１×８画素を積算して画素数を低減した場合（画素数８）。
（３）１×１６画素を積算して画素数を低減した場合（画素数１６）。
（４）１×３２画素を積算して画素数を低減した場合（画素数３２）。
グラフより、画素数の低減率が高いほど測定誤差が大きくなることが分かる。

図８は、１画素ブロックの画素数と画素数低減後の画像データのデータ量の関係を示したグラフである。横軸は１画素ブロックの画素数、縦軸は画素低減なし（画素数１）のときのデータ量に対するデータ量の比（％）を示している。画素数８の場合、低減率は１／８、すなわちデータ量（メモリ使用量）は１／８になる。画素数を増やすほどデータ量は低減し、２の累乗の画素数にするとメモリ使用量の削減効率が最も高い。メモリ使用量が削減できるので、例えば、外付けのメモリを無くし、マイコン内蔵のメモリで足りるようになる可能性も出てくる。そうすると、基板容積の削減やコストの削減ができ、特に、装置サイズの小さい低価格のポータブル測定機にとってはメリットが大きい。

図７、図８より、１画素ブロックの画素数を大きくするほど、メモリ使用量が削減される一方、測定精度が低下するというトレードオフの関係があることが分かる。よって、許容範囲内の精度で最大の画素数を選択すればよい。図７によれば、画素数８を選択した場合、画素数１と比較してすべての光沢サンプルで１．０ＧＵ未満の差になっている。一般的に市販されている光沢計では器差が１．０ＧＵ以内のものが多いので、画素数８は十分な精度と言える。あるいは、近似式等で画素数１と同じ値を取るように補正してもよい。

以上のように、事前にシミュレーション等で画素数の低減率を決め、例えば上記したテーブルを作成しておく。画素ブロック形状は、撮像素子において反射光が受光される領域の形状に対応したものである。例えば、図６（ａ）と同じ大きさのエリアセンサで画素数が縦横２倍のエリアセンサを採用した場合を考える。このとき、図６（ｂ）のように２×１６の画素ブロック形状で画素数を低減した場合の精度は、図６（ａ）の１×８の画素ブロック形状で画素数を低減した場合と同じになる。よって、低減方式の決定は採用するエリアセンサの画素ピッチとの関係にもよる。また、７５度鏡面光沢度の測定方法を採用する場合を考える。この場合、領域Ａ１は図３（ｃ）に示すように円形である。そこで、例えば、その円形になるべく近似するよう図６（ｃ）のように４×４の画素ブロック形状を採用して画素数を低減してもよい。複数の規格や複数の角度を測定する場合は低減方式を統一した方が処理上効率的であるが、必要に応じてそれぞれ低減方式を変えてもよい。

さらに、上記の実施形態に加えて、あるいは上記の実施形態に代えて、次のような変形例も考えられる。上記の実施形態では、国際規格や国内規格に従う構成としたが、それに従わない独自の方式、例えば、図１の光源スリット３１を独自に規定した場合も考えられる。図３の（ａ）から（ｄ）の領域Ａ３を見て分かるように、一般的な国際規格や国内規格では投光系開き角は矩形で規定されているので、矩形の光源スリットを用いることができる。しかし、図４のように、規格に従わずに独自に円形などの光源スリットや独自の領域Ａ１を用いた場合も同様に行えばよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の主旨の範囲内で種々の変更が可能である。例えば、積算部はFPGA（Field Programmable Gate Array）、演算部はMCU（Micro Controller Unit）で行ってもよい。あるいは、積算と演算をまとめてMCUで行ってもよいし、ISP（Image Signal Processor）で行ってもよい。また、積算して１画素に変換する際に、複数の画素内で重み付けして積算してもよいし、境界の複数の画素は重なり合ってもよい。

１：光源、２，４１，４２：レンズ、３１：光源スリット、５０：照明部、６０：撮像部、１００：受光部、１０１：制御部、１０２：メモリ、１０３：積算部、１０４：演算部、１０５：テーブル、１５０：操作部、２０１：画素アレイ、２０２：Ａ／Ｄ変換部、２０３：出力バッファ、２０４：バッファコントローラ、２０５：出力インタフェース

Claims

被検面の光学特性を測定する測定装置であって、
光源からの光で前記被検面を照明する照明部と、
前記照明部により照明された光の前記被検面からの反射光による像を撮る撮像部と、
前記撮像部により得られた第１画像データの画素数を所定の低減率で低減して第２画像データを生成し、前記第２画像データを処理して前記被検面の光学特性を得る処理部と、
を備え、
前記処理部は、前記照明部及び前記撮像部の動作設定に応じて前記所定の低減率を決定することを特徴とする測定装置。
前記撮像部は、光電変換素子を持つ複数の画素がマトリクス状に配列された撮像素子を含み、
前記処理部は、前記所定の低減率に応じた画素ブロック形状を決定し、前記決定された画素ブロック形状で画定される画素ブロックごとに画素値の代表値を１画素の画素値として出力することで前記第２画像データを生成することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記代表値は、前記画素ブロックにおける画素値の積算値であることを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
前記代表値は、前記画素ブロックにおける画素値の平均値であることを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
前記処理部は、前記動作設定と前記画素ブロック形状との対応関係を記述したテーブルに基づいて前記低減率を決定することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の測定装置。
前記動作設定は、前記照明部により前記被検面が照明される光の入射角及び前記撮像部で受光される前記反射光の受光角の設定を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の測定装置。
前記入射角及び前記受光角は、鏡面光沢度の測定のためにＪＩＳ−Ｚ８７４１において規定された２０度、４５度、６０度、７５度、８５度のうちの少なくともいずれかの角度であることを特徴とする請求項６に記載の測定装置。