JP4542648B2 - 測光機器の受光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、照度計、輝度計、色彩計、写真撮影用露出計、紫外線強度計、黄疸計などの測光機器の受光装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
測光機器の受光装置は、その測光機器の測定目的に応じた所定の分光応答度特性を有するように設計される。例えば、照度計や輝度計の受光装置では、CIE(国際照明委員会)で規定された人間の視感を代表する標準分光視感効率V(λ)に近似した分光応答度特性を有することが求められ、色彩計の受光装置では、CIEで規定された等色関数x(λ),y(λ),z(λ)に近似した分光応答度特性を有することが求められる。なお、一般に等色関数を表わす記号としてバー付きのものが用いられるが、便宜上、バーを省略している。
【0003】
このような所望の分光応答度特性を実現する手段として、従来、分光方式およびフィルタ方式の2つの方式が知られている。
【0004】
分光方式は、プリズムや回折格子などの分光素子を用いて測定対象の放射束を分光し、波長ごとの光強度を光電変換素子で測定し、所望の分光応答度特性によって決定される波長ごとの重み係数を乗じて演算により出力値を得るものである。分光方式は、一般に分光特性的に高精度の測定が可能であるが、高価になるとともに、分光素子への光路スペースの確保が必要となるため、小型化には不利となる。
【0005】
なお、分光素子としては、透過主波長λi(i=1,2,…,n)のn種類の狭帯域バンドパスフィルタを互いに隣接させて1枚の透明基板上に配設して構成したフィルタユニットを用いて、各バンドパスフィルタの透過光を個別の受光センサで受光するマルチバンドパスフィルタ方式も知られている。このマルチバンドパスフィルタ方式は、プリズムや回折格子を用いる場合に比べて光路スペースが小さくてすむ。しかし、フィルタユニットのサイズを一定のままで波長分解能を向上しようとすると、バンドパスフィルタの個数が増加するため各フィルタの面積が小さくなり、信号レベルの低下を招くことになり、逆に、信号レベルを確保しつつ波長分解能を向上しようとすると、フィルタユニットのサイズが大きくなるという問題がある。
【0006】
一方、フィルタ方式は、所定の分光透過率特性を有する光学フィルタ(色フィルタ)を透過した光束を所定の分光応答度特性を有する光電変換素子で受光して測定するものである。
【0007】
光学フィルタとして、色ガラスフィルタ、アセテート染色フィルタ、ゼラチンフィルタ、蒸着干渉フィルタなどが用いられ、光電変換素子として、シリコンフォトセル、ゲルマニウムフォトセル、サーモパイル、焦電素子、光電子増倍管などが用いられる。
【0008】
フィルタ方式における受光装置としての分光応答度特性は、光学フィルタの分光透過率特性と光電変換素子の分光応答度特性との積によって決まる。光電変換素子の分光応答度特性は、使用する素子の種類によってほぼ決まってしまうため、フィルタ方式において受光装置としての目標とする分光応答度特性は、光学フィルタの分光透過率特性の調整によって得ることになる。
【0009】
光学フィルタを使用して所望の分光透過率特性を得るための方法として、原理的に、加法混色法および減法混色法の2種類が知られている。
【0010】
加法混色法は、例えば図12に示すように、分光透過率T1λの光学フィルタF1を透過した光束と分光透過率T2λの光学フィルタF2を透過した光束とを加色して所望の合成分光透過率Tλを得るものである。
【0011】
加法混色法では、一般に、図13に示すように、光学フィルタF1,F2を透過した光束を積分球P1により混ぜ合わせて光電変換素子P2に入射させることにより、色むらによる測定誤差を防止するようにしている。ところが、積分球を用いると、受光装置が大型化するので測光機器としての構成が複雑になる上に、積分球の形状の差によって分光応答度に差が生じたり機差が生じ易くなり、さらに受光光量が減少することにより測定の再現性が低下してしまう。
【0012】
そこで、従来は、減法混色法がよく用いられている。減法混色法は、図14に示すように、分光透過率T1λ,T2λの光学フィルタF1,F2を重ね合わせ、放射束を光学フィルタF1,F2に連続して透過させることにより、所望の合成分光透過率Tλを得るものである。
【0013】
しかし、光学フィルタの種類が限られているため、減法混色法のみを用いて所望の分光応答度特性を有する光学フィルタを精度良く構成するのは、非常に困難であった。
【0014】
フィルタ方式は、全波長域に亘って目的とする分光応答度特性に精度良く合わせ込むのは困難で、分光特性的には分光方式に劣るが、分光方式に比べて構成が簡素で、安価かつ小型の受光装置が実現できるため、一般に、小型で安価な測光機器では、分光方式ではなくてフィルタ方式が採用されることが多い。しかし、フィルタ方式においても、小型で安価という特徴を維持したままで、更に分光特性を向上することが望まれている。
【0015】
そこで、従来、フィルタ方式で加法混色法の原理を利用した照度計の受光部が提案されている(特開昭63−154920号公報)。この受光部は、分光透過率の異なる複数種類の棒状フィルタを遮光支持板に挿入して並べ、その構成割合を変えることで受光部としての分光応答度を標準比視感度(標準分光視感効率)に合致させるようにしたものである。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の特開昭63−154920号公報記載の受光部では、分光応答度を標準分光視感効率に精度良く合致させるためには多数の棒状フィルタを並べることが必要になるため、棒状フィルタを保持する遮光支持板の構成が複雑で、実際の製造が容易でなく、量産性が非常に劣るとともに、フィルタ部分が大型化してしまうことになる。また、受光部へ入射する放射束のうち、棒状フィルタに入射する放射束以外は遮光支持板によって遮光されてしまうため、受光部全体としての感度が低下してしまう。しかも、上記受光部を構成する棒状フィルタの各種類の構成割合を決定するのに試行錯誤的な手段を採用せざるを得ないため、設計を行うのが容易ではない。
【0017】
本発明は、上記光学フィルタを備え、所望の分光応答度特性を容易に、かつ精度良く得られる測光機器の受光装置を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、光学フィルタと、この光学フィルタを透過した放射束が受光面に入射する位置に配置された光電変換素子とを備えた測光機器の受光装置であって、上記光学フィルタは、フィルタ基板が互いに分光透過率特性の異なる少なくとも2つの領域に所定の面積比率で分割されてなり、一の領域以外の領域は上記フィルタ基板全体に分散配置された複数の小領域の集まりで構成され、上記一の領域は上記複数の小領域を除く残りの領域で構成され、上記少なくとも2つの領域のそれぞれは異なる所定の波長範囲の光を透過する分光透過率特性を有し、前記光電変換素子は、上記光学フィルタの少なくとも2つの異なる領域を透過した放射束を前記面積比率で受光し、前記放射束の強度に応じた電気信号を出力すること、を特徴としている。
【0019】
この構成によれば、例えば、フィルタ基板が互いに分光透過率特性の異なる3つの領域に所定の面積比率で分割されてなる光学フィルタの場合には、一の領域以外の第1、第2の領域は、それぞれフィルタ基板全体に分散配置された複数の小領域の集まりで構成され、上記一の領域である第3の領域は、第1、第2の領域を構成する上記複数の小領域を除く残りの領域で構成されていることから、この光学フィルタ全体の分光透過率特性は、第1、第2、第3の領域の分光透過率特性と各領域の面積比率とで決まることになる。従って、小領域の個数や各小領域の面積を変更することにより、光学フィルタ全体の分光透過率特性として所望の特性が容易に、かつ精度良く得られることとなる。
【0020】
そして、受光装置全体の分光応答度特性は、光学フィルタの分光透過率特性と、光電変換素子の分光応答度特性とによって決まるが、光学フィルタの分光透過率特性として所望の特性が容易に、かつ精度良く得られるので、受光装置全体の分光応答度特性として所望の特性が容易に、かつ精度良く得られることとなる。
【0021】
なお、上記小領域は、フィルタ基板全体にほぼ均一に分散して配置されていることが好ましい。これによって、入射する放射束の偏りによる影響を殆ど無視できるレベルにすることが可能になる。
【0022】
また、上記小領域は、フィルタ基板に孔を穿設したり、表面に薄膜を形成することによって得ることができる。また、上記一の領域に薄膜を形成し、一の領域以外の1つの領域を構成する小領域は元のフィルタ基板のままとし、当該1つの領域以外の領域にそれぞれ異なる分光透過率特性を有する薄膜を形成するようにしてもよい。また、薄膜を形成して領域を構成する場合には、フィルタ基板として、全波長域に亘って一定の透過率特性を有する透明基板を用いてもよい。
【0023】
また、前記小領域、微小孔または微小面積の薄膜は、フィルタ基板全体にほぼ均一に分散して配置されていることが好ましい。これによって、光電変換素子の受光面における照度分布、すなわち受光面に入射する放射束の偏りによる出力電気信号レベルの誤差を殆ど無視できるレベルにすることが可能になる。
【0024】
また、請求項2の発明は、請求項1に記載の測光機器の受光装置において、前記複数の小領域は、所定の分光透過率特性を有する光学フィルタからなるフィルタ基板全体に分散して穿設された複数の微小孔により構成されていることを特徴としている。
【0025】
この構成によれば、微小孔に入射する放射束は透過率100%で通過し、微小孔以外の部分に入射する放射束は所定の分光透過率で透過するので、この光学フィルタ全体の分光透過率特性は、所定の分光透過率特性から微小孔の部分と微小孔以外の部分の面積比率とで決まる。従って、微小孔の個数や各微小孔の面積を変更することにより、光学フィルタ全体の分光透過率特性として所望の特性が容易に、かつ精度良く得られることとなる。
【0026】
なお、微小孔は、フィルタ基板全体にほぼ均一に分散して配置されていることが好ましい。これによって、入射する放射束の偏りによる影響を殆ど無視できるレベルにすることが可能になる。
【0027】
また、請求項3の発明は、請求項1に記載の測光機器の受光装置において、前記複数の小領域は、所定の分光透過率特性を有する光学フィルタからなるフィルタ基板の表面全体に分散して形成された複数の微小面積の薄膜により構成されており、上記薄膜は上記分光透過率特性と異なる少なくとも1つの分光透過率特性を有するものであることを特徴としている。
【0028】
この構成によれば、この光学フィルタ全体の分光透過率特性は、上記所定の分光透過率特性と、薄膜が形成されていない部分の面積比率と、薄膜の分光透過率特性と、当該分光透過率特性を有する薄膜の面積比率、すなわち複数種類の薄膜が形成されている場合には各分光透過率特性を有するそれぞれの薄膜の面積比率とで決まる。従って、薄膜の個数、種類や微小面積を変更することにより、光学フィルタ全体の分光透過率特性として所望の特性が容易に、かつ精度良く得られることとなる。
【0029】
なお、フィルタ基板として、全波長域に亘って一定の透過率特性を有する透明基板を用いてもよい。
【0030】
また、微小面積の薄膜は、フィルタ基板全体にほぼ均一に分散して配置されていることが好ましい。これによって、入射する放射束の偏りによる影響を殆ど無視できるレベルにすることが可能になる。
【0031】
また、請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の測光機器の受光装置において、さらに、所定の分光透過率特性を有する少なくとも1枚の光学フィルタを備え、上記光電変換素子は、請求項1〜3のいずれかに記載の光学フィルタおよび上記少なくとも1枚の光学フィルタを透過した放射束が受光面に入射する位置に配置されていることを特徴としている。
【0032】
この構成によれば、所定の分光透過率特性を有する1枚または複数枚の光学フィルタを更に備えることによって、この光学フィルタと、請求項1〜3のいずれかに記載の光学フィルタと、光電変換素子との組合せにより、受光装置全体の分光応答度特性として所望の特性が更に容易に、かつ、精度良く得られることとなる。
【0033】
なお、請求項1〜4の発明において、放射束としては、可視域、紫外域および赤外域の放射束に適用することができる。
【0034】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1は本発明に係る光学フィルタの第1実施形態を示す図で、(a)は同実施形態である光学フィルタの平面図、(b)は同光学フィルタを備えた受光部の側面図である。
【0035】
図1(b)に示すように、受光部10は、光学フィルタ1および光電変換素子5からなる。この光学フィルタ1は、図1(a)に示すように、分光透過率特性f(λ)を有するフィルム状の光学フィルタ(本実施形態では例えばアセテートフィルタ)からなるフィルタ基板2全体に複数の微小孔3がほぼ均一に分散して穿設されて構成されている。なお、微小孔3の面積は、光電変換素子5の受光面の面積に比べて十分小さいものに設定されている。
【0036】
そして、図1(b)に示すように、この光学フィルタ(以下「多孔光学フィルタ」という。)1に放射束4が入射すると、フィルタ基板2の部分に入射した放射束41は分光透過率f(λ)で透過し、微小孔3の部分に入射した放射束42はそのまま通過(すなわち透過率100%)して、それぞれ光電変換素子(本実施形態では例えばシリコンフォトセル)5の受光面に入射し、入射した放射束の強度に応じた電気信号(本実施形態では例えば電流)が光電変換素子5から出力される。
【0037】
すなわち、フィルタ基板2を透過した放射束41と、微小孔3を通過した放射束42とは、光電変換素子5において、それらの面積比で加算されることになるため、電気的に加法混色が行われることとなる。
【0038】
ここで、図2を用いて、多孔光学フィルタ1の分光透過率特性について説明する。図2に示すように、微小孔3の半径をrとし、孔間隔をPとすると、1つの微小孔3の面積は(π・r2)であるので、正方形の単位面積(P2)における微小孔3以外のフィルタ基板2の部分の面積は(P2−π・r2)になる。従って、多孔光学フィルタ1全体の分光透過率特性F(λ)は、
F(λ)=f(λ)・{(P2−π・r2)/P2}+(π・r2/P2)…(1)
となる。
【0039】
このように、多孔光学フィルタ1の分光透過率特性F(λ)は、フィルタ基板2の分光透過率特性f(λ)に対して、微小孔3の半径rおよび孔間隔Pをパラメータとして、計算で容易に求められることとなる。
【0040】
また、光電変換素子5の分光応答度特性をd(λ)とすると、多孔光学フィルタ1および光電変換素子5からなる受光部全体の分光応答度特性S(λ)は、
S(λ)=F(λ)・d(λ) …(2)となる。
【0041】
図3、図4は微小孔の面積比率をパラメータとしたときの多孔光学フィルタの分光透過率特性の一例を示す図である。
【0042】
図3は細実線(面積比率0%)で示す分光透過率特性を有するシャープカットフィルタに対して面積比率10%,20%,40%,80%の微小孔を穿設したときの特性変化を示している。同図から分かるように、透過率が0%の波長範囲(480nm以下)の透過率が微小孔の面積比率に比例して上昇しており、それに応じて500nm近傍における透過率特性変化の傾斜が緩やかになっている。
【0043】
図4は細実線(面積比率0%)で示す分光透過率特性を有するバンドパスフィルタ(青フィルタ)に対して面積比率10%,20%,40%,80%の微小孔を穿設したときの特性変化を示している。同図から分かるように、図3と同様に、透過率が0%の波長範囲の透過率が微小孔の面積比率に比例して上昇しており、それに応じて半値幅が広がっている。
【0044】
このように、第1実施形態によれば、多孔光学フィルタ1のフィルタ基板2に穿設する微小孔3の半径および孔間隔をパラメータとして分光透過率特性を計算で容易に求めることができる。従って、所望の分光透過率特性を有する多孔光学フィルタ1を作成する際に、試行錯誤を行うことなく、計算で容易に設計することができる。また、微小孔3の面積比率に応じて僅かに異なる分光透過率特性を得ることができるので、実質的に光学フィルタの特性の種類を増すこととなり、分光透過率特性の設計の自由度を増すことができる。
【0045】
また、フィルム状のフィルタ基板2を用いているので、パンチング等により微小孔3を穿設する加工が容易に行うことができる。従って、多孔光学フィルタ1を容易に製造することができ、これによって、量産性に富み、かつ安価な光学フィルタを実現することができる。
【0046】
また、多孔光学フィルタ1は、フィルタ基板2に、光電変換素子5の受光面に比べて十分小さい多数の微小孔3をほぼ均一に分散して穿設して構成され、全フィルタ領域を透過した放射束を光電変換素子5の単一の受光面で受光するようにしたので、積分球による光学的な加法混色と等価な効果が、電気的に達成することができる。従って、積分球を備えていないので、受光部10として、小型化が可能になる。また、分光応答度の差や機差が生じたり、受光光量が低下するなどの積分球を備えることによる欠点を解消することができる。
【0047】
(第2実施形態)
図5は本発明に係る光学フィルタの第2実施形態を示す図である。図5(a)において、同第2実施形態である光学フィルタ(以下「薄膜光学フィルタ」という。)11は、基板(本実施形態では例えば透明基板)12の表面に対して、第1実施形態の微小孔に相当する部分以外に薄膜13を形成したもので、薄膜光学フィルタ11を透過した放射束は、第1実施形態と同様に、光電変換素子(図示省略)の受光面に入射するようにしている。薄膜13は、塗料の印刷や、合成樹脂や金属類の蒸着などによって形成すればよい。
【0048】
なお、薄膜13の形成領域は、図5(b)に示すように、逆でもよい。すなわち、基板12上に多孔パターンが形成されたマスクをセットした状態で印刷または蒸着によって薄膜13を形成し、マスクを除去することによって、微小面積の薄膜13が基板12上に分散配置された薄膜光学フィルタ11を容易に製造することができる。
【0049】
図5(b)において、薄膜13の半径をrとし、間隔をPとし、薄膜13の分光透過率特性をf(λ)とし、基板12の透過率をtとすると、薄膜光学フィルタ11の分光透過率特性F(λ)は、
F(λ)=t・{f(λ)・π・r2/P2+(P2−π・r2)/P2}…(3)
となる。このように、薄膜光学フィルタ11の分光透過率特性F(λ)は、基板12の透過率tおよび薄膜13の分光透過率特性f(λ)に対して、薄膜13の半径rおよび間隔Pをパラメータとして、計算で容易に求めることができる。
【0050】
また、光電変換素子の分光応答度特性をd(λ)とすると、薄膜光学フィルタ11および光電変換素子からなる受光部全体の分光応答度特性S(λ)は、上記式(2)と同様になる。
【0051】
このように、第2実施形態によれば、薄膜光学フィルタ11の基板12に形成する薄膜13の半径および間隔をパラメータとして分光透過率特性を計算で容易に求めることができる。従って、所望の分光透過率特性を有する薄膜光学フィルタ11を作成する際に、試行錯誤を行うことなく、計算で容易に設計することができる。また、薄膜13の面積比率に応じて僅かに異なる分光透過率特性を得ることができるので、実質的に光学フィルタの特性の種類を増すこととなり、分光透過率特性の設計の自由度を増すことができる。
【0052】
また、印刷や蒸着等により薄膜13を形成する加工は容易に行うことができるので、薄膜光学フィルタ11を容易に製造することができ、これによって、量産性に富み、かつ安価な光学フィルタを実現することができる。
【0053】
また、薄膜光学フィルタ11は、基板12に、光電変換素子の受光面に比べて十分小さい多数の薄膜13をほぼ均一に分散して形成することにより構成され、または、逆に、光電変換素子の受光面に比べて十分小さい多数の小領域の透明部分をほぼ均一に分散して形成し、この透明部分以外の領域に薄膜13を形成することにより構成され、いずれも、全フィルタ領域を透過した放射束を光電変換素子の単一の受光面で受光するようにしたので、積分球による光学的な加法混色と等価な効果が、電気的に達成することができる。従って、積分球を備えていないので、受光部として、小型化が可能になる。また、分光応答度の差や機差が生じたり、受光光量が低下するなどの積分球を備えることによる欠点を解消することができる。
【0054】
(第3実施形態)
図6は本発明に係る測光機器の受光装置の一実施形態である照度計の受光部を示す図で、(a)は断面図、(b)は分解斜視図である。なお、図1と同一物には同一符号を付し、説明を省略する。
【0055】
この照度計(測光機器)の受光部(受光装置)20は、拡散球21、フィルタホルダ22、第1フィルタ(本実施形態では例えばガラスフィルタ)23、多孔光学フィルタ1、第2フィルタ(本実施形態では例えばガラスフィルタ)24、マスク25および光電変換素子5から構成されている。
【0056】
拡散球21は、照度計として要求される基本性能の1つである斜入射光特性を良好にするための半球状の拡散部材、フィルタホルダ22は、第1フィルタ23、多孔光学フィルタ1および第2フィルタ24を保持するための部材、マスク25は、アパーチャ25aにより光電変換素子5に入射する放射束を制限する部材である。
【0057】
ここで、第1フィルタ23の分光透過率特性をf1(λ)とし、第2フィルタ24の分光透過率特性をf2(λ)とし、多孔光学フィルタ1の分光透過率特性をF(λ)とし、光電変換素子5の分光応答度特性をd(λ)とし、受光部20全体の分光応答度特性S(λ)とする。
【0058】
このとき、受光部20全体の分光応答度特性S(λ)は、
S(λ)=f1(λ)・f2(λ)・F(λ)・d(λ) …(4)
と表わされる。
【0059】
そして、本実施形態では、この受光部20全体の分光応答度特性S(λ)が、
S(λ)≒V(λ) …(5)
となるように設計されている。なお、V(λ)はCIEで規定されている標準分光視感効率である。
【0060】
次に、受光部20の分光応答度特性S(λ)の設計について説明する。まず、多孔光学フィルタ1を用いない従来の設計手法について説明する。図7はフィルタおよび光電変換素子のみを用いて、受光部の分光応答度特性S(λ)を設計する場合の手法を説明するための図、図8はフィルタの板厚と誤差量との関係を示す図である。
【0061】
この場合、通常は、フィルタなどの放射吸収層への入射放射強度と透過放射強度の関係を表わすLambert−Beerの法則を用いてフィルタの板厚を調整することによって、分光応答度特性の設計を行う。
【0062】
なお、Lambert−Beerの法則とは、透明で均一な媒体内を通過する放射量(光量)がどのように減衰するかを記述するもので、媒体への入射放射量(光量)をI0、媒体の吸収係数をbとすると、厚さxの媒体を通過する放射量(光量)Iは、
I=I0・exp(−b・x)
で与えられるという法則である。
【0063】
実際のフィルタ設計においては、ある厚さx0のガラスフィルタの分光透過率T(λ,x0)を測定しておけば、Lambert−Beerの法則を各波長に適用することにより、任意の厚さxのガラスフィルタの分光透過率T(λ,x)を計算で求めることができる。
【0064】
例えば図7(a)に示すように、第1、第2フィルタ31,32および光電変換素子5を重ね合わせ、図7(b)に示すように、標準分光視感効率V(λ)に近似する分光応答度特性S(λ)の受光部30を構成する。
【0065】
この分光応答度特性S(λ)は、
S(λ)=f31(λ)・f32(λ)・d(λ) …(6)
と表わされる。ただし、f31(λ),f32(λ)は第1、第2フィルタ31,32の分光透過率特性である。
【0066】
このとき、第1、第2フィルタ31,32および光電変換素子5の組合せにおいて、第1、第2フィルタ31,32の種々の板厚に対する分光透過特性f31(λ),f32(λ)をLambert−Beerの法則を用いて算出し、分光応答度特性S(λ)を求め、標準分光視感効率V(λ)に対する誤差量fsを算出する。そして、図8に示すように、種々の板厚と誤差量fsとの関係を求めておき、誤差量fsが最小になる板厚の組合せを求めることによって、フィルタの設計を行う。
【0067】
ここで、誤差量fsは、JIS(日本工業規格)のC1609−1993に規定されている可視域相対分光応答度特性(標準分光視感効率からの外れ)を表わすパラメータで、下記式(7)で定義されている。
fs=[{Σ|S'(λ)rel−V(λ)|・Δλ}/{ΣV(λ)Δλ}]×100(%)…(7)
なお、S'(λ)relは、
S'(λ)rel={ΣP(λ)A・V(λ)・Δλ}/{ΣP(λ) A・S(λ)rel・Δλ}・S(λ)rel …(8)
で表わされる。
【0068】
また、S(λ)relは相対分光応答度、P(λ)Aは温度2856Kの黒体放射の相対分光分布、Δλは測定波長間隔(5nm)で、Σの積算はλ=380nm〜780nmの範囲で行うようになっている。
【0069】
図8に戻って、誤差量fsが最小になる板厚の組合せを検討すると、第1フィルタ31の板厚が1.45mm、第2フィルタ32の板厚が1.64mmのときに、fs=6.14%で最小となる。
【0070】
図9に、この組合せによる相対分光応答度S(λ)と標準分光視感効率V(λ)との比較を示す。同図から明らかなように、誤差量fsを更に低減するためには、450〜510nmの波長範囲の応答度を低下させ、510〜550nmの範囲の応答度を増大させる必要がある。しかし、450〜550nmの波長範囲のみの特性を好適に補正するような分光透過特性を有するフィルタは従来存在しなかった。
【0071】
そこで、本実施形態では、図6に示すように、シャープカットフィルタからなるフィルタ基板2に微小孔3を分散配置してなる多孔光学フィルタ1を備えており、この多孔光学フィルタ1として、図10に示すような分光透過率特性を有するものを採用している。これによって、450〜510nmの波長範囲の応答度を低下させている。ところが、これだけでは510〜550nmの波長範囲の応答度も低下してしまうことになる。
【0072】
そこで、第1フィルタ31(図7)の板厚を少しだけ薄くして透過率を増大させたものを第1フィルタ23(図6)として採用し、これによって、510〜550nmの波長範囲の応答度を増大させている。なお、第2フィルタ24(図6)としては、第2フィルタ32(図7)と同一の板厚のものを採用している。
【0073】
このように、第3実施形態によれば、多孔光学フィルタ1の微小孔3の面積比率と第1フィルタ23の板厚とで最適の組合せを求めることによって、図9において標準分光視感効率V(λ)からの外れ量が大きい450〜550nmの波長範囲の特性を適正に補正して、図11に示すように、標準分光視感効率V(λ)に精度良く近似する分光応答度特性を得ることができ、受光部20全体として所望の分光応答度特性を得ることができる。図11の例では、誤差量fs≒3%となり、JISのC1609−1993に規定される可視域相対分光応答度特性として、精密級を実現することができた。
【0074】
なお、上記説明では、多孔光学フィルタ1の採用に伴って、第1フィルタ23(図6)の板厚のみを変化させ、第2フィルタ24(図6)の板厚は変化させていないが、第1、第2フィルタ23,24の特性によっては、両者の板厚を変化させて多孔光学フィルタ1も含めた全体としての分光透過率特性の最良バランスを求めることが必要となる場合がある。このような場合でも、第1、第2フィルタ23,24も、多孔光学フィルタ1も、全てのフィルタ要素について分光透過率特性を計算で求めることができるので、第1、第2フィルタ23,24の板厚と多孔光学フィルタ1の微小孔の面積比率とをパラメータとして、計算で分光応答度特性を容易に設計することができるとともに、所望の分光応答度特性が得られる板厚および面積比率を高精度で求めることができる。
【0075】
なお、本発明は、上記第1〜第3実施形態に限られず、例えば以下に示すような変形形態(1)〜(7)を採用することができる。
【0076】
(1)上記第1、第3実施形態では多孔光学フィルタ1(図1、図6)としてアセテートフィルタからなるフィルタ基板2を用いており、上記第3実施形態では、第1、第2フィルタ23,24(図6)として色ガラスフィルタを用いているが、これらに限られず、それぞれ、色ガラスフィルタ、アセテート染色フィルタ、ゼラチンフィルタ、蒸着干渉フィルタなどを用いることができる。
【0077】
(2)上記各実施形態では、光電変換素子5(例えば図1)として、シリコンフォトセルを用いているが、これに限られず、ゲルマニウムフォトセル、サーモパイル、焦電素子、光電子増倍管などを用いることができる。
【0078】
(3)上記各実施形態では、微小孔3(図1)および薄膜13(図5(b))からなる小領域の形状を円形としているが、これに限られず、任意の形状でもよく、また、全ての小領域が同一形状である必要はない。また、それぞれ小領域を規則的に格子状に配列しているが、これに限られない。
【0079】
すなわち、この微小孔または薄膜からなる小領域については、光電変換素子5の受光面の面積(図6ではアパーチャ25aの面積)に対して十分小さい面積の小領域が、受光面の全範囲に亘ってほぼ均一に分散配置されていればよい。これによって、光電変換素子5の受光面における放射照度分布(受光面への入射放射束の偏り)による出力電気信号レベルの誤差、すなわち測光機器における測定誤差を殆ど無視できるレベルにすることができる。
【0080】
(4)上記第2実施形態では、薄膜光学フィルタ11は、基板12として透過率tの透明基板上に薄膜13を形成したものとしているが、これに限られず、基板12として、分光透過率特性がt(λ)の光学フィルタからなるフィルタ基板を用いてもよい。この変形形態によれば、薄膜光学フィルタ11の分光透過率特性F(λ)は、
F(λ)=t(λ)・{f(λ)・π・r2/P2+(P2−π・r2)/P2}…(9)
となる。
【0081】
(5)上記第2実施形態では、薄膜13を1種類としているが、これに限られず、互いに異なる分光透過率特性を有する複数種類の薄膜を形成するようにしてもよい。これによって、更に、異なる分光透過率特性を有する薄膜光学フィルタ11を実現することができる。
【0082】
(6)上記第3実施形態では、多孔光学フィルタ1を1枚のみ用いているが、これに限られず、異なる分光透過率特性を有する多孔光学フィルタ1を複数枚用いてもよい。また、多孔光学フィルタ1に代えて、薄膜光学フィルタ11を用いるようにしてもよい。
【0083】
(7)上記第3実施形態では、測光機器の受光装置として照度計の受光部を例にした場合について説明しているが、これに限られず、輝度計、色彩計、写真撮影用露出計、紫外線強度計、黄疸計などの測光機器一般の受光装置に適用することができる。
【0084】
すなわち、上記第3実施形態では、受光部20(図6)全体の分光応答度特性として、標準分光視感効率V(λ)に近似させるようにした例について説明したが、これに限られず、例えばCIEの等色関数x(λ),y(λ),z(λ)に近似させるような場合に適用することができ、その他の分光応答度特性に対しても適用することができる。なお、一般に等色関数を表わす記号としてバー付きのものが用いられるが、便宜上、バーを省略している。
【0085】
更に、上記各実施形態では、測定対象が可視光の場合を例にして説明しているが、これに限られず、紫外域や赤外域などの放射束一般に対して適用することができる。この場合には、光電変換素子として、これらの放射束に対して感度を有するものを用いればよい。
【0086】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1の発明によれば、光学フィルタと、この光学フィルタを透過した放射束が受光面に入射する位置に配置された光電変換素子とを備えた測光機器の受光装置であって、上記光学フィルタは、フィルタ基板が互いに分光透過率特性の異なる少なくとも2つの領域に所定の面積比率で分割されてなり、一の領域以外の領域は上記フィルタ基板全体に分散配置された複数の小領域の集まりで構成され、上記一領域は上記複数の小領域を除く残りの領域で構成され、上記少なくとも2つの領域のそれぞれは異なる所定の波長範囲の光を透過する分光透過率特性を有し、前記光電変換素子は、上記光学フィルタの少なくとも2つの異なる領域を透過した放射束を面積比率で受光し、前記放射束の強度に応じた電気信号を出力するので、小領域の個数や各小領域の面積を変更することにより、光学フィルタ全体の分光透過率特性として所望の特性を容易に、かつ精度良く得ることができる。
【0087】
また、受光装置全体の分光応答度特性は、光学フィルタの分光透過率特性と、光電変換素子の分光応答度特性とによって決まるが、光学フィルタの分光透過率特性として所望の特性が容易に、かつ精度良く得られるので、受光装置全体の分光応答度特性として所望の特性を容易に、かつ精度良く得ることができる。
【0088】
また、請求項2の発明によれば、前記複数の小領域は、所定の分光透過率特性を有する光学フィルタからなるフィルタ基板全体に分散して穿設された複数の微小孔により構成されているので、この光学フィルタ全体の分光透過率特性は、所定の分光透過率特性から微小孔の部分と微小孔以外の部分の面積比率とで決まることから、微小孔の個数や各微小孔の面積を変更することにより、光学フィルタ全体の分光透過率特性として所望の特性を容易に、かつ精度良く得ることができる。
【0089】
また、請求項3の発明によれば、前記複数の小領域は、所定の分光透過率特性を有する光学フィルタからなるフィルタ基板の表面全体に分散して形成された複数の微小面積の薄膜により構成されており、上記薄膜は上記分光透過率特性と異なる少なくとも1つの分光透過率特性を有するものであるので、薄膜の個数、種類や微小面積を変更することにより、光学フィルタ全体の分光透過率特性として所望の特性を容易に、かつ精度良く得ることができる。
【0090】
また、請求項4の発明によれば、所定の分光透過率特性を有する1枚または複数枚の光学フィルタを更に備えることによって、この光学フィルタと、請求項1〜3のいずれかに記載の光学フィルタと、光電変換素子との組合せにより、受光装置全体の分光応答度特性として所望の特性を更に容易に、かつ精度良く得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る光学フィルタの第1実施形態を示す図で、(a)は同実施形態である光学フィルタの平面図、(b)は同光学フィルタを備えた受光部の側面図である。
【図2】 多孔光学フィルタの微小孔の形状や間隔を説明する図である。
【図3】 微小孔の面積比率をパラメータとしたときの多孔光学フィルタの分光透過率特性の一例を示す図である。
【図4】 微小孔の面積比率をパラメータとしたときの多孔光学フィルタの分光透過率特性の一例を示す図である。
【図5】 (a)(b)は本発明に係る光学フィルタの第2実施形態を示す図である。
【図6】 本発明に係る測光機器の受光装置の一実施形態である照度計の受光部を示す図で、(a)は断面図、(b)は分解斜視図である。
【図7】 フィルタおよび光電変換素子のみを用いて、受光部の分光応答度特性を設計する場合の手法を説明するための図である。
【図8】 フィルタの板厚と誤差量との関係を示す図である。
【図9】 図7による相対分光応答度と標準分光視感効率との比較を示す図である。
【図10】 図6に用いられる多孔光学フィルタの分光透過率特性を示す図である。
【図11】 第3実施形態による相対分光応答度と標準分光視感効率との比較を示す図である。
【図12】 加法混色法を説明する図である。
【図13】 加法混色法で用いられる積分球を示す図である。
【図14】 減法混色法を説明する図である。
【符号の説明】
1 多孔光学フィルタ
2 フィルタ基板
3 微小孔
5 光電変換素子
10,20 受光部
11 薄膜光学フィルタ
12 基板
13 薄膜
23 第1フィルタ
24 第2フィルタ
Claims (4)
- 光学フィルタと、この光学フィルタを透過した放射束が受光面に入射する位置に配置された光電変換素子とを備えた測光機器の受光装置であって、
上記光学フィルタは、フィルタ基板が互いに分光透過率特性の異なる少なくとも2つの領域に所定の面積比率で分割されてなり、一の領域以外の領域は上記フィルタ基板全体に分散配置された複数の小領域の集まりで構成され、上記一の領域は上記複数の小領域を除く残りの領域で構成され、上記少なくとも2つの領域のそれぞれは異なる所定の波長範囲の光を透過する分光透過率特性を有し、
前記光電変換素子は、上記光学フィルタの少なくとも2つの異なる領域を透過した放射束を前記面積比率で受光し、前記放射束の強度に応じた電気信号を出力すること、を特徴とする測光機器の受光装置。 - 前記複数の小領域は、所定の分光透過率特性を有する光学フィルタからなるフィルタ基板全体に分散して穿設された複数の微小孔により構成されていることを特徴とする請求項1に記載の測光機器の受光装置。
- 前記複数の小領域は、所定の分光透過率特性を有する光学フィルタからなるフィルタ基板の表面全体に分散して形成された複数の微小面積の薄膜により構成されており、上記薄膜は上記分光透過率特性と異なる少なくとも1つの分光透過率特性を有するものであることを特徴とする請求項1に記載の測光機器の受光装置。
- さらに、所定の分光透過率特性を有する少なくとも1枚の光学フィルタを備え、上記光電変換素子は、請求項1〜3のいずれかに記載の光学フィルタおよび上記少なくとも1枚の光学フィルタを透過した放射束が受光面に入射する位置に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の測光機器の受光装置。
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