JP4517800B2

JP4517800B2 - 皮膚の光学的性状の計測装置

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Publication number: JP4517800B2
Application number: JP2004278499A
Authority: JP
Inventors: 修敏米田; 伸俊小島; 秀一赤崎; 俊昭岩井
Original assignee: Kao Corp; Hokkaido University NUC
Current assignee: Kao Corp; Hokkaido University NUC
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2024-09-24
Also published as: JP2006087748A

Description

本発明は、皮膚外観の印象を、皮膚の透明性や色情報という光学的な計測値に基づいて表すことのできる計測装置に関する。

皮膚外観の印象は、皮膚の透明性（内部散乱状態）と、基調となる肌色、シミ、クマ等の色情報に大きく依存する。

物体の透明性の計測方法としては、一般に、ＶＲＭ（ビデオレフレクトメトリー）が知られている。これは物体表面にレーザーや白色光等種々の光を集光照射し、その内部散乱光の後方反射量を計測するものであり、透明性の高い物体ほど集光点近傍での光反射（内部散乱光の後方反射）の範囲が大きくなる。

また、皮膚のように、散乱性の強い物体の透過散乱光を検出し、その内部情報を非破壊的に測定する装置として光ＣＴ等の装置が知られており、そのような装置において、試料の深さ方向の情報を得られるようにしたものも提案されている（特許文献１）。

一方、光沢量や色情報（L^*a^*b^*等）の計測や解析は、集光手段を用いずに皮膚の一定面積を照明し、その反射光を検出することによりなされている。また、その画像のＲＧＢの強度ベクトルを成分分析することにより、メラニン成分量、ヘモグロビン成分量等を求めることがなされている（特許文献２）。

特開平１０−８２７３２号公報特開２００２−２０００５０号公報

皮膚外観の印象を左右するファクターとして皮膚の透明性と色情報を計測する場合、皮膚は外的環境や心理的環境の変化により血流量が変化しやすいため、それらは同時に計測することが望ましい。しかしながら、これまでの装置では透明性と色情報を同時に計測することができない。

これに対し、本発明は、皮膚の透明性と色情報をほぼ同時に計測できるようにすること、さらに、そのようにして計測された透明性と色情報を、皮膚の外観の印象と関連づけ、皮膚外観の印象を透明性と色情報を用いて客観的数値として表わせるようにすることを目的とする。

本発明者らは、上述の目的を達成するためには、皮膚からの反射光を検出して解析する装置に、皮膚に非接触に集光光と平行光を連続的に切り替え照射することのできる照射手段を設けることが有効であること、さらに透明性の指標として、例えば減衰係数を使用し、これと色情報とを皮膚外観の印象スコアに対して重回帰分析した場合に、減衰係数と色情報をほぼ同時に計測すると、これらと印象スコアとにきわめて高い相関性を得られることを見出した。

即ち、本発明は、（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）：
（Ａ）皮膚表面に非接触に集光光と平行光を連続的に切り替え照射することのできる照射手段、
（Ｂ）皮膚に照射した集光光の反射光を検出し、減衰係数（μ_eff）、吸収係数（μ_a）又は等価散乱係数（μ_s'）を算出する透明性計測手段、
（Ｃ）皮膚に照射した平行光の反射光を検出し、色情報を計測する測色手段
を備えた皮膚の光学的性状の計測装置を提供する。

特に、この計測装置において、前記色情報からメラニン量とヘモグロビン量を算出し、ヘモグロビン量、メラニン量及び減衰係数（μ_eff）と皮膚外観の印象スコアとの回帰式に基づき、任意の被験者のヘモグロビン量、メラニン量及び減衰係数（μ_eff）から該被験者の皮膚外観の印象スコアを出力する演算手段を備えた態様を提供する。

また、本発明は、
（ａ）皮膚表面に非接触に集光光と平行光を連続的に切り替え照射し、
（ｂ）皮膚に照射した集光光の反射光を検出し、減衰係数（μ_eff）、吸収係数（μ_a）又は等価散乱係数（μ_s'）を算出すると共に、
（ｃ）皮膚に照射した平行光の反射光を検出し、色情報を計測する
皮膚の光学的性状の計測方法を提供する。

さらに本発明は、上述の計測方法において、前記色情報からメラニン量とヘモグロビン量を算出し、メラニン量、ヘモグロビン量、及び減衰係数（μ_eff）と、皮膚外観の印象スコアとの回帰式を求め、該回帰式に基づき、任意の被験者のヘモグロビン量、メラニン量及び減衰係数から該被験者の皮膚外観の印象のスコアを求める皮膚の評価方法を提供する。

本発明の計測装置によれば、皮膚表面に非接触に集光光と平行光を連続的に切り替え照射することができるので、集光光と平行光をほぼシャッタースピードの速さで瞬時に切り替えて皮膚に照射することができ、集光光の反射光と平行光の反射光とをほぼ同時に検出することが可能となる。したがって、集光光の反射光の検出により、皮膚の透明性の指標として算出される減衰係数（μ_eff）、吸収係数（μ_a）又は等価散乱係数（μ_s'）と、平行光の反射光の色情報から算出されるメラニン量、ヘモグロビン量等とを、同時点での皮膚の計測値として得ることができ、これらの計測値と皮膚外観の印象スコアとに高い相関を持たせることができる。

よって、本発明により得られた皮膚の透明性（減衰係数（μ_eff）等）と色情報（メラニン量等）から、皮膚外観の印象を、光学的な計測に基づく客観的な数値として得ることができる。また、予め、皮膚の透明性と色情報と、皮膚外観の印象スコアとの回帰式を求めておくことにより、任意の被験者について、透明性と色情報を計測することにより、皮膚外観の印象の客観的な評価値を得ることができる。

さらに、皮膚の透明性の計測値（減衰係数（μ_eff）等）と色情報の計測値（メラニン量等）を重回帰分析することにより、皮膚外観の印象スコアに及ぼす透明性や色情報の寄与度を見積もったり、また、透明性が肌のテクスチャー（シミ、シワ、毛穴、血管の有無等）から受ける影響を評価することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成要素を表している。

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の一実施例の計測装置１Ａであって、試料Ｓとする皮膚に集光光を照射している状態（図１Ａ）と、平行光を照射している状態（図１Ｂ）の模式的構成図である。

この装置１Ａは、試料Ｓとする皮膚に、入射角０°で光を入射し、試料Ｓからの反射光を受光角（θ）４５°で検出する装置であって、ハロゲン、メタルハライド等の白色光源２、白色光源２から導光した光を一端から出射し、点光源３として機能する光ファイバー（直径０．０１〜１ｍｍ）４、点光源３から出射された光を集光する集光レンズ５、集光レンズ５の後段に設けられたコリメータレンズ７、集光レンズ５とコリメータレンズ７との間に設けられた絞り６、コリメータレンズ７により形成された平行光を試料Ｓに集光する集光レンズ８、受光角（θ）４５°の向きに設置されたデジタルカメラ１０を備えている。コリメータレンズ７と集光レンズ８との間には、必要に応じて、光量調節のための絞りを設けてもよい（図示せず）。ここで、集光レンズ８は、着脱自在となっている。したがって、図１Ｂに示すように集光レンズ８が光路から外された場合には、試料Ｓには、コリメータレンズ７から平行光が照射されることとなる。

また、この装置１Ａのデジタルカメラ１０には、該デジタルカメラ１０が検出した画像から減衰係数（μ_eff）を算出する透明性計測手段と、デジタルカメラ１０が検出した画像に基いて色情報を計測する測色手段が接続されている（図示せず）。

減衰係数（μ_eff）を算出する透明性計測手段としては、例えば、デジタルカメラ１０が検出した画像の動径方向の輝度分布を図２のように求め、必要に応じて、γ補正、暗電流補正等を行い、得られた輝度分布に対して、市販の科学的グラフ解析ソフトを使用し、次式

（式中、ｒ：動径距離（独立変数）
ｙ：輝度（従属変数）
ｋ：パラメータ）
で非線形曲線にフィッティングし、減衰係数（μ_eff）を算出する演算機能を有するパーソナルコンピュータを使用することができる。

この他、減衰係数（μ_eff）を算出する透明性計測手段としては、一対以上の送光用・受光用の光ファイバーの先端を対象物体（皮膚）に接触させ、送受光間隔を変えて測定するものをあげることができる。

また、減衰係数（μ_eff）は、吸収係数μ_a と等価散乱係数μ_s'の関数であるから、透明性の指標としては、減衰係数（μ_eff）に代えて吸収係数μ_a や等価散乱係数μ_s' を用いてもよい。なお、これらには次の関係が成り立つ。

一方、色情報を計測する測色手段としては、公知の測色計を使用することができるが、皮膚の画像信号からＲＧＢ各成分の強度を検出できるものが好ましく、また、この測色手段には、メラニン量又はヘモグロビン量、あるいは必要に応じてこれらの双方を算出する色素量算出手段を接続することが好ましい。色素量算出手段としては、例えば、画像信号のＲＧＢ各成分の強度から独立成分分析によりこれらの成分ベクトルを求め、メラニン量の分布画像やヘモグロビン量の分布画像を出力するものを使用することができる。このような解析処理と画像処理の詳細は、Vol.16,No.9/September 1999/J.Opt.Soc.Am.A2169に記載されており、パーソナルコンピュータに、市販の画像解析ソフト（例えば、Adobe Photoshop）を搭載することに実現することができる。

この他、測色手段としては、光沢量の計測手段を設けてもよい。光沢量の計測手段は、入射光に対して鏡面方向の受光位置（たとえば、図１では入射角φ＝０°で光を試料Ｓに入射させているが、この角度を入射角φ＝−a°に変更した時のθ＝a°方向）にカメラ等の計測器を配置し、更に偏光撮影技術を使用することにより構成できる。

なお、この装置１Ａにおいて、点光源３から試料Ｓの照射面までの距離は、５０〜５０００ｍｍ、試料Ｓの照射面からデジタルカメラ１０までの距離は６０〜６０００ｍｍ程度に組み立てればよい。

この装置１Ａで試料Ｓの減衰係数（μ_eff）とメラニン量及びヘモグロビン量を計測する場合、まず、装置を設置している計測室を暗室とし、集光レンズ８を用いて試料Ｓに集光光を照射してその反射光を検出し（図１Ａ）、引き続き、集光レンズ８を取り外して試料Ｓに平行光を照射してその反射光を検出する（図１Ｂ）。あるいは、まず、試料Ｓに平行光を照射してその反射光を検出し（図１Ｂ）、次いで集光光を照射してその反射光を検出する（図１Ａ）。

そして、集光光の反射光の検出信号から皮膚の透明性のパラメータとして、減衰係数（μ_eff）、吸収係数（μ_a）又は等価散乱係数（μ_s'）を算出し、また、平行光の反射光の検出信号から色情報を求め、さらにメラニン量及びヘモグロビン量を算出する。これにより、瞬時に、より具体的には１／１００秒〜２０秒というシャッタースピードの速さで検出光を切り替え、皮膚の透明性のパラメータである減衰係数（μ_eff）等と、色情報に対応するメラニン量やヘモグロビン量とを得ることができる。よって、透明性の計測時と色情報の計測時で、これらに影響を及ぼす被験者の心理的状態をそろえることができ、これらと皮膚の印象スコアとに高い相関を持たせることができる。

即ち、図３Ａ、図３Ｂに示すように、光ファイバー１１から皮膚Ｓ1 、Ｓ2 に光を入射させた場合に、一般に、外観の印象がきれいな皮膚Ｓ1 は、外観の印象が劣る皮膚Ｓ2 に対して光の染み出す範囲（光侵達領域）Ａが広い。

したがって、皮膚外観の印象を、最低を１、最高を７として７段階にスコア付けした場合に、光の侵達長（減衰係数（μ_eff）の逆数）と印象スコアとはある程度の相関性を有するが、侵達長、メラニン量及びヘモグロビン量と、印象スコアとの重回帰分析をすることにより得た相関性はより向上したものとなり、この場合に、侵達長、メラニン量及びヘモグロビン量を本発明の方法によりほぼ同時計測したものとすると、さらにこれらと印象スコアとの相関性を高めることができる。

よって、予め、多数人の所定部位の皮膚について、本発明の方法により、メラニン量、ヘモグロビン量及び減衰係数（μ_eff）を同時計測すると共に、その皮膚外観の印象スコアを専門パネルから得、メラニン量、ヘモグロビン量及び減衰係数（μ_eff）と印象スコアとを重回帰分析して回帰式を求め、一方、任意の被験者について同様にメラニン量、ヘモグロビン量及び減衰係数（μ_eff）を求め、前記回帰式に基づいて皮膚の印象スコアを算出すると、その印象スコアを、当該被験者の皮膚外観の印象の客観的評価値として使用することができる。

以上、図１Ａ及び図１Ｂに示した装置に基づいて本発明を説明したが、本発明は種々の態様をとることができる。

例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示す装置１Ｂのように、点光源３とコリメータレンズ７の間で集光レンズ５を省略してもよい。この場合、コリメータレンズ７としては、アクロマートレンズを使用することが好ましい。また、図４Ａでコリメータレンズ７と集光レンズ８との間に絞りを設けてもよい（図示せず）。

また、着脱自在に設けられる集光レンズ８と試料Ｓとの間にペリクルハーフミラー１２を試料Ｓに対して４５°傾けて設け、垂直方向の反射光を検出（受光角０°）するようにしてもよい。ハーフミラーを使わない０°入射４５°受光は構造が簡便であるが、ハーフミラーを使うことにより内部散乱光の広がりが同心円状になる状態で撮影できるため、光量の積分等が容易である。

さらに、図５Ａ、図５Ｂに示す装置１Ｃのように、図４Ａ及び図４Ｂに示した装置１Ｂにおいて、点光源３以降のレンズ系を筐体１３中に収容してもよい。これにより、計測時に装置を暗室で使用することが不要となる。筐体１３の大きさとしては、底面の縦及び横の長さをそれぞれ３０ｍｍ〜５００ｍｍ程度、高さを２０〜２００ｍｍ程度とすることができる。

また、筐体１３にはディフューザー１４を設けてもよい。なお、符号１５はミラーである。

実施例１
（１）印象スコア
１５〜４７歳の女性５１名を被験者とし、頬部の２０ｍｍ四方を測定部位として、約１ｍ離れた位置からの専門パネル５名の目視により、各測定部位の外観印象を次の７段階に評価し、５名の評価値の平均をとった。
７：透明感に優れ、色白でととてもきれい
６：きれい
５：ややきれい
４：どちらでもない
３：ややきれいでない
２：きれいでない
１：透明感が劣り、浅黒く、とてもきれいでない

（２）減衰係数μ_effの算出
暗室内で、図４Ａ、図４Ｂの装置を用いて、メタルハライドを光源とする白色光を点状（直径約１００μm）に前記測定部位に集光させ、その反射光画像をデジタルカメラで撮った（露光時間５秒）。

反射光画像のスポットの中心から動径方向への輝度分布を求め、γ補正と暗電流補正を行い、動径距離が１．５〜１０ｍｍの範囲における輝度分布（減衰曲線）に対して、科学的グラフ・解析ソフトウェア（ORIGIN、OriginLab社）を用いて次式で非線形曲線フィットし、減衰係数μ_effを求めた。

（式中、ｒ：動径距離（独立変数）
ｙ：輝度（従属変数）
ｋ：パラメータ）

（３）メラニン量、ヘモグロビン量の算出
（２）の反射光画像を撮った後、集光レンズ８を外して前記測定部位の反射光画像を撮り、そのＲＧＢ各成分の強度を検出し、独立成分分析を行うことによりメラニン量とヘモグロビン量を算出した。

（４）減衰係数μ_eff、メラニン量及びヘモグロビン量と印象スコアとの重相関
(4-1)印象スコアと減衰係数μ_effとの相関係数を求めたところ、０．５２であった。この場合の相関図を図６に示す。

(4-2)減衰係数μ_effを求める反射光画像と、メラニン量及びヘモグロビン量を求める反射光画像の検出間隔を１０分として、減衰係数μ_eff、メラニン量及びヘモグロビン量を算出し、これらと印象スコアとの重相関をとった。その結果、相関係数０．６２を得た。この場合の相関図を図７に示す。

(4-3)減衰係数μ_effを求める反射光画像と、メラニン量及びヘモグロビン量を求める反射光画像とをほぼ同時（双方の画像の撮影間隔１０秒）として、減衰係数μ_eff、メラニン量及びヘモグロビン量を算出し、これらと印象スコアとの重相関をとった。その結果、相関係数０．７１を得た。この場合の相関図を図８に示す。

(4-1)〜(4-3)の結果から、減衰係数μ_effを求める反射光画像と、メラニン量及びヘモグロビン量を求める反射光画像とをほぼ同時に撮り、減衰係数μ_eff、メラニン量及びヘモグロビン量を算出することにより、皮膚の外的環境や心理的環境の変化が皮膚血流を変化させてこれらに及ぼす影響を最小限に抑制することができる。よって、減衰係数μ_eff、メラニン量及びヘモグロビン量と、印象スコアとの相関性を高められることがわかる。

本発明によれば、皮膚外観の印象を、皮膚の透明性や色情報という光学的な計測値に基づいて表すことができるので、本発明は、種々の美容方法や化粧料の評価に有用となる。

試料に集光光を照射している状態の実施例の装置の模式的構成図である。試料に平行光を照射している状態の実施例の装置の模式的構成図である。画像の輝度と動径距離との関係図である。外観印象がきれいな皮膚における光の染み出し状態の説明図である。外観印象が劣る皮膚における光の染み出し状態の説明図である。試料に集光光を照射している状態の実施例の装置の模式的構成図である。試料に平行光を照射している状態の実施例の装置の模式的構成図である。試料に集光光を照射している状態の実施例の装置の模式的構成図である。試料に平行光を照射している状態の実施例の装置の模式的構成図である。減衰係数μ_effと印象スコアとの相関図である。減衰係数μ_effとメラニン量及びヘモグロビン量との計測間隔をあけた場合の減衰係数μ_eff、メラニン量及びヘモグロビン量、と印象スコアとの相関図である。ほぼ同時に計測した減衰係数μ_eff、メラニン量及びヘモグロビン量、と印象スコアとの相関図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ皮膚の光学的性状の計測装置
２白色光源
３点光源
４光ファイバー
５集光レンズ
６絞り
７コリメータレンズ
８集光レンズ
１０デジタルカメラ
１１光ファイバー
１２ペリクルハーフミラー
１３筐体
１４ディフューザー
１５ミラー
Ｓ、Ｓ1 、Ｓ2 試料又は皮膚

Claims

（Ａ）皮膚表面に非接触に集光光と平行光を連続的に切り替え照射することのできる照射手段、
（Ｂ）皮膚に照射した集光光の反射光を検出し、透明性の指標として減衰係数（μ_eff）、吸収係数（μ_a）又は等価散乱係数（μ_s'）を算出する透明性計測手段、
（Ｃ）皮膚に照射した平行光の反射光を検出し、色情報を計測する測色手段
を備え、さらに
前記色情報からメラニン量及びヘモグロビン量を算出する色素量算出手段、及び
メラニン量、ヘモグロビン量及び透明性の算出値と皮膚外観の印象スコアとの回帰式に基づき、任意の被験者のメラニン量、ヘモグロビン量及び透明性の算出値から該被験者の皮膚外観の印象スコアを出力する演算手段を備えた皮膚の光学的性状の計測装置。
（ａ）皮膚表面に非接触に集光光と平行光を連続的に切り替え照射し、
（ｂ）皮膚に照射した集光光の反射光を検出し、透明性の指標として減衰係数（μ_eff）、吸収係数（μ_a）又は等価散乱係数（μ_s'）を算出すると共に、
（ｃ）皮膚に照射した平行光の反射光を検出し、色情報を計測し、
前記色情報からメラニン量及びヘモグロビン量を算出し、
メラニン量、ヘモグロビン量及び透明性の算出値と、皮膚外観の印象スコアとの回帰式を求め、該回帰式に基づき、任意の被験者のメラニン量、ヘモグロビン量及び透明性の算出値から該被験者の皮膚外観の印象スコアを求める皮膚の評価方法。