JP4569316B2 - 分光測色装置 - Google Patents

Description

本発明は、板等の被計測物の定量的な色分布を２次元で測定できる分光測色装置に関するものである。

被計測物の定量的な色や反射率等の光特性を測定する分光測色装置は、光源強度、検出器感度、測定温度等によって波長の特性に相異があるために、測定開始前や測定途中に基準試料による校正が必要となっている。この基準試料となる基準白色板を備えた分光測色装置が、特許文献１〜３に開示されている。

まず、特開平６−５０８１８号公報に記載されている分光測色装置では、平面鏡を回動させることにより、基準白色板又は被計測物からの反射光を切替えることで校正を行っている。また、特開平８−１５９８７６号公報に記載されている分光測色装置では、基準白色板又は被計測物からの反射光をプリズムによって切替えることで校正を行っている。これらの、分光装置では、基準白色板を移動させることなしに反射光の切替によって、校正ができるという点では、便利である。しかしながら、基本的には、点計測であって、被計測物の色分布を２次元で測定することはできない。

一方、特開平１１−１０１６９２号公報に記載されている分光測色装置では、移動台上に平板状の被計測物と基準試料とを配置して、移動台を移動させることによって、校正を行っている。この分光測色装置を用いれば、板状の被計測物の色分布を２次元で測定することが可能となっている。
特開平６−５０８１８号公報 特開平８−１５９８７６号公報 特開平１１−１０１６９２号公報

しかしながら、特開平１１−１０１６９２号公報に記載されている分光測色装置では、板状の被計測物の色分布を２次元で測定するためには、高価な２次元の移動台が必要となる。また、被計測物が長尺・大型化すると、これを載置する移動台も長尺・大型化することが必要となり、さらに高価格となってしまっていた。また、被計測物が長尺・大型化した場合には、基準白色板を測定するために移動台を移動させる距離も長くなり、校正に要する時間も長時間となってしまう。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、高価な２次元の移動台を用いることなく、長尺の被計測物であっても、被計測物の色分布を２次元で測定することができ、さらに、基準白色板によって容易に校正することの可能な分光測色装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の分光測色装置は、光ビームを被計測物に照射する照明手段と、被計測物を載置して移動させる被計測物移動部と、被計測物を撮像する分光撮像部と、撮像された撮像データから画像データを取り込む画像取込部と、前記画像データから色演算をする演算部と、演算部の色演算の結果を表示する表示部と、分光撮像部と照明手段と被計測物移動部とを制御する制御部と、被計測物の分光状態を校正するための基準白色板と、を有して、被計測物を測色する分光測色装置であって、光ビームの照射位置を被計測物から基準白色板に自在に変更することができるとともに、被計測物又は基準白色板の細部を光ビームが照射できるように光ビームを揺動する光切替揺動部を被計測物と基準白色板の中間位置に配置し、前記光切替揺動部は、第１平面鏡を微小角度で回動することにより被計測物又は基準白色板のそれぞれの細部を照射できる光揺動部と、第２平面鏡を９０度回動することにより光ビームの照射位置を被計測物から基準白色板に自在に変更することができる光切替部と、を具備するものであることを特徴としている。

本発明の分光測色装置は、被計測物移動部と、光切替揺動部とを備えているので、長尺の板状の被計測物であっても、２次元の移動台を用いることなく、被計測物の色分布を２次元で測定することができ、しかも、基準白色板によって容易に校正することができる。

（実施形態１）
本実施形態の分光測色装置について図１〜３に基づいて説明する。本実施形態の分光測色装置は、図１に示すように、外装材のような長尺の板状の被計測物１の色分布を２次元で測定するものであり、照明手段であるキセノン光源２と、光切替揺動部を構成する平面鏡３及び回動部４と、被計測物移動部である搬送コンベア５と、基準白色板６と、分光撮像部を構成するＣＣＤカメラ７及び光路スイッチ部８と、画像取込部９と、演算部１０と、表示部１１と、制御部１２と、を有している。

まず、被計測物体１は、長尺の板であり、キセノン光源２は、被計測物体１及び基準白色板６に、計測用の光ビーム１５を照射するための光源である。このものは、人工の光源としては、太陽光のスペクトル分布に近いという特徴を有し、ハロゲンランプに比べて寿命が長く、波長スペクトルが安定しているという利点がある。

また、平面鏡３は、キセノン光源２から照射された光ビーム１５の方向を変化させて、被計測物体１及び基準白色板６に照射させるという機能を有している。そして、平面鏡３は、回動部４に取り付けられている。そして、回動部４に内蔵されているモーター等によって、平面鏡３が、Ｐ、Ｐ’の方向に回動可能となっている。つまり、図1（ａ）に示すように、通常は、光ビーム１５は、この平面鏡３に反射して、被計測物体１を照射することになる。一方で、図1（ｂ）に示すように、校正を行うときには、回動部４によって、平面鏡３をＰ方向に９０度回動させて、光ビーム１５が、基準白色板６を照射するようになる。また、回動部４で、平面鏡３を微小角度だけ回動させることによって、被計測物体１又は基準白色板６の細部を光ビーム１５が移動して、測定できるようになっている。

また、搬送コンベア５は、平板状で長尺の被計測物１を載置して、Ｑ方向に移動可能とさせるものである。搬送コンベア５としては、市販のベルトコンベアを使用することができる。

また、基準白色板６は、分光測色の校正のために基準となる白色板であり、このもの幅は、少なくとも被計測物１以上の幅を有している。基準白色板６は、分光測色装置に固定されていて移動することはない。ここで、図２に示すように、平面鏡３は、被計測物体１と基準白色板６との中間位置に配置されており、平面鏡３に対して、被計測物体１と基準白色板６とが等距離の関係になっている。

また、ＣＣＤカメラ７及び光路スイッチ部８は、被計測物１又は基準白色板６を撮像する分光撮像部を構成するものである。まず、光路スイッチ部８は、被計測物１又は基準白色板６に照射された光ビーム１５の光路をＣＣＤカメラ７の方向に切り替えるものであり、このものはガラス基板１６とプリズム１７とからなっている。まず、図３（ａ）に示すように、光ビーム１５が、被計測物１を照射しているときには、制御部１２からの指令によって、光路スイッチ部８をＲ側に移動して、ガラス基板１６を光ビーム１５が通過してＣＣＤカメラ７へと照射されるようになる。一方、図３（ｂ）に示すように、光ビーム１５が、基準白色板６を照射しているときには、制御部１２からの指令によって、光路スイッチ部８をＲ’側に移動して、プリズム１７で光ビーム１５が反射してＣＣＤカメラ７へと照射するようになる。ここで、ＣＣＤカメラ７は、被計測物１又は基準白色板６に反射した光ビーム１５を一定の露光時間だけ受けて電気信号に変換するものである。

さらに、画像取込部９は、ＣＣＤカメラ７によって撮像された電気信号の撮像データから画像データを取り込む機能を有するものであり、演算部１０は、画像データから色演算をする機能を有するものであり、そして、表示部１１は、色演算の結果を表示する機能を有するものである。また、制御部１２は、キセノン光源２、搬送コンベア５、ＣＣＤカメラ７、光路スイッチ部８、回動部４の動作を制御する機能を有している。

以下に、本実施形態の分光測色装置の動作を説明する。まず、計測者は、被計測物１を搬送コンベア５に載置する。被計測物１の分光測色に先立って、校正のために基準白色板６の分光測色をする。このために、制御部１２からの指令によって、光ビーム１５が平面鏡３によって、基準白色板６に照射されるように回動部４を動作させて、平面鏡３をＰ方向に回動させる。これとあわせて、光路スイッチ部８をＲ’側に移動させて、プリズム１７によって、基準白色板６から光ビーム１５がＣＣＤカメラ７に入射するようにする。この状態で、図１（ｂ）に示すように、キセノン光源２から光ビーム１５を照射させて、キセノン光源２→平面鏡３→基準白色板６→プリズム１７→ＣＣＤカメラ７の経路で、光ビーム１５をＣＣＤカメラ７へと入射させる。さらに、この状態で、回動部４をＰの方向に微小角度だけ回動させて、光ビーム１５が基準白色板６の細部Ａ’→Ｂ’→Ｃ’の順に照射するように、光ビーム１５を揺動させる。このとき光ビーム１５をＣＣＤカメラ７で分光撮像して、このときの撮像データを校正データとして、演算部１０に記憶させておく。

次に、回動部４を動作させて、平面鏡３をＰ’方向に９０度回動させて、図１（ａ）に示すように、光ビーム１５が被計測物１を照射するようにするとともに、光路スイッチ部８で光ビーム１５が通過する部分をガラス基板１６へとＲ側に切り替える。こうすることによって、キセノン光源２から光ビーム１５を照射させて、キセノン光源２→平面鏡３→被計測物１→ガラス基板１６→ＣＣＤカメラ７の経路で、光ビーム１５をＣＣＤカメラ７へと入射させる。さらに、この状態で、搬送コンベア５を駆動させて、被計測物１をＱ方向に移動させる。そして、平面鏡３を微小角度の範囲で回動させて、光ビーム１５が被計測物１の細部をＡ→Ｂ→Ｃ→Ｂ→Ａの順に照射させるように、光ビーム１５を揺動させる。

ここで、本実施形態の分光測色装置は、図２に示すように、平面鏡３上に光ビーム１５が照射される点Ｘから被計測物１の細部Ａ、Ｂ、Ｃまでの距離と、基準白色板６の細部Ａ’、Ｂ’、Ｃ’の距離はそれぞれ等しく（ＸＡ＝ＸＡ’、ＸＢ＝ＸＢ’、ＸＣ＝ＸＣ’）、また、ＣＣＤカメラ７の点Ｙから、被計測物１の細部Ａ、Ｂ、Ｃまでの距離と、基準白色板６の細部Ａ’、Ｂ’、Ｃ’までの距離はそれぞれ等しく（ＹＡ＝ＹＡ’、ＹＢ＝ＹＢ’、ＹＣ＝ＹＣ’）、被計測物１及び基準白色板６に対する光ビーム１５の入射角度も等しい幾何学的配置となっている。このことは、キセノン光源２から照射された光ビーム１５が反射して、ＣＣＤカメラ７に入射するまでの波長と位相の関係が、被計測物１と基準白色板６とで同じであることを意味している。したがって、基準白色板６によって、被計測物１の分光測色結果が正しく校正できることになる。

次に、被計測物１を長時間にわたって分光測色している間に、キセノン光源２の波長が変化したり、周囲の温度が変化した場合には、光ビーム１５が基準白色板６を照射するように、平面鏡３をＰ方向に９０度回動させる。こうして、再度、基準白色板６を分光測色して、得られた結果を校正データとして、演算部１０に記憶させる。こうした後に、再び、平面鏡３をＰ’方向に９０度回動させて、光ビーム１５が被計測物１を照射するようにして、被計測物１の分光測色を継続する。

ここで、光ビーム１５の直径をφ、被計測物１上の細部を揺動する周波数をｆ、被計測物１が搬送コンベア５によってＱ方向に移動する速度をＶ、とすると、以下の関係式が成立している。
φｆ≧Ｖ
このことは、図４に示すように、光ビーム１５が被計測物１上を１周期の間に揺動する時間に、搬送コンベア５がＱ方向に移動する距離よりも、光ビーム１５の直径の方が大きいことを示している。したがって、被計測物１上を光ビーム１５は、全範囲にわたって照射できることになる。特に、φ＝ｆＶとなる周波数ｆで平面鏡３を揺動させると、被計測物１の全範囲をもれなく分光測色することができる。

また、被計測物１の端部であるＡ、Ｃや、基準白色板６上の端部であるＡ’、Ｃ’を光ビーム１５が照射するときには、キセノン光源２から照射される光ビーム１５の照射量を多くするとともに、被計測物１の中央部であるＢや、基準白色板６上の中央部であるＢ’を光ビーム１５が照射するときには、キセノン光源２から照射される光ビーム１５の照射量を少なくなるようにして、光ビーム１５を揺動する光揺動角に応じて、照明手段の光ビーム１５の照射量を変化させている。こうすることによって、被計測物１や基準白色板６上のそれぞれの細部に照射される光ビーム１５の照射量を同じとすることができる。

また、上記のように、光ビーム１５を揺動する光揺動角に応じて、キセノン光源２の光ビーム１５の照射量を変化させているのではなくても、被計測物１の端部であるＡ、Ｃや、基準白色板６上の端部であるＡ’、Ｃ’を光ビーム１５が照射するときには、ＣＣＤカメラ７の露光時間を長くして、被計測物１の中央部であるＢや、基準白色板６上の中央部であるＢ’を光ビーム１５が照射するときには、ＣＣＤカメラ７の露光時間を長くして、光揺動周期に応じて分光撮像部の露光時間を変化してもよい。こうすることによっても、被計測物１や基準白色板６上のそれぞれの細部からＣＣＤカメラ７に照射される光ビーム１５の照射量を同じとすることができる。

本実施形態の分光測色装置は、光ビームを被計測物に照射する照明手段と、被計測物を載置して移動させる被計測物移動部と、被計測物を撮像する分光撮像部と、撮像された撮像データから画像データを取り込む画像取込部と、画像データから色演算をする演算部と、演算部の色演算の結果を表示する表示部と、分光撮像部と照明手段と被計測物移動部とを制御する制御部と、被計測物の分光状態を校正するための基準白色板と、を有して、被計測物を分光測色する分光測色装置であって、光ビームの照射位置を被計測物から基準白色板に自在に変更することができるので、被計測物及び基準白色板を移動させることなく、基準白色板によって、被計測物の分光測色結果が正しく容易に校正できることになる。また、被計測物又は基準白色板の細部を光ビームが照射できるように光ビームを揺動する光切替揺動部を被計測物と基準白色板の中間位置に配置してなるので、長尺の被計測物であっても、高価な２次元の移動台を用いることなく、安価な１次元の移動装置を用いて、被計測物の色分布を２次元で測定することができる。

また、本実施形態の分光測色装置は、光切替揺動部における光ビームを揺動する光揺動周期に被計測物移動部の移動速度を乗じた数値よりも光ビームの幅が大きいので、被計測物上を光ビームは、全範囲にわたって照射できることになる。このために、被計測物の全範囲にわたって、２次元で分光測色して、色分布を測定することができる。

また、本実施形態の分光測色装置は、光切替揺動部における光ビームを揺動する光揺動角に応じて、照明手段の光ビームの照射量を変化するので、被計測物や基準白色板上のそれぞれの細部に照射される光ビーム照射量を同じとすることができる。このために、被計測物の測色データをより正確に校正することができる。

さらに、本実施形態の分光測色装置は、光揺動周期に応じて、分光撮像部の露光時間を変化するので、被計測物や基準白色板上のそれぞれの細部から分光撮像部に照射される光ビーム照射量を同じとすることができる。このめに、被計測物の分光測色データをより正確に校正することができる。

（実施形態２）
本実施形態の分光測色装置について図５に基づいて説明する。この分光測色装置の構成は、実施形態１のものとほぼ同じであるが、図５に示すように、光切替揺動部の構造が異なっている。この部分について主に説明する。

本実施形態の分光測色装置は、図５に示すように、キセノン光源２から照射された光ビーム１５を最初に反射する固定平面鏡１８を備え、光切替揺動部は、光揺動部と光切替部とからなっている。ここで、光揺動部は、被計測物１又は基準白色板６のそれぞれの細部を照射できるようにするものであり、固定平面鏡１８からの光ビーム１５を反射する第１平面鏡１９と、これを微小角度で回動させる第１回動部２１とによって構成されている。また、光切替部は、光ビーム１５の照射位置を被計測物１から基準白色板６に自在に変更することができるようにするものであり、第２平面鏡２０と、これを９０度だけ回動させる第２回動部２２とによって構成されている。

本実施形態の分光測色装置で、被計測物１を分光測色するには、図５に示すように、キセノン光源２から光ビーム１５を照射して、キセノン光源２→固定平面鏡１８→第１平面鏡１９→第２平面鏡２０→被計測物１→光路スイッチ部８（ガラス基板１６）→ＣＣＤカメラ７という経路で、ＣＣＤカメラ７に光ビーム１５を照射させて、被計測物１を撮像する。この状態で、第１回動部２１を動作して、第１平面鏡１９を微小角度だけ回動することにより揺動させて、被計測物１の細部に光ビーム１５を照射させる。このとき、搬送コンベア５をＱ方向に移動させることにより、被計測物１を全範囲にわたって、分光測色する。こうすることにより、被計測物１の分光分布を２次元で測色することができる。

一方、校正をするために、基準白色板６を測定するには、第２回動部２２を動作して、第２平面鏡２０を９０度だけ回動することにより、光ビーム１５が基準白色板６を照射するようにする。この状態で、この状態で、第１回動部２１を動作して、第１平面鏡１９を微小角度だけ回動することにより揺動させて、基準白色板６の細部に光ビーム１５を照射させる。こうすることにより、基準白色板６を分光測色することができ、校正のデータを測定することができる。

ここで、第１回動部２１は第１平面鏡１９を微小角度だけ回動するものであり、第２回動部２２は第２平面鏡２０を９０度だけ回動するものである。したがって、それぞれの回動機構は、実施形態１の回動部の回動機構と比べて、極めて簡易な機構となり、制御も容易となる。このために、部品点数が増加しても、全体の価格を安価にすることができる。

本実施形態の分光測色装置は、光切替揺動部は、第１平面鏡を微小角度で回動することにより被計測物又は基準白色板のそれぞれの細部を照射できる光揺動部と、第２平面鏡を９０度回動することにより光ビームの照射位置を被計測物から基準白色板に自在に変更することができる光切替部と、を具備するものであるので、光切替揺動部は、微小角度の範囲を回動する光揺動部と、９０度だけを回動できる光切替部とすることができる。このために、それぞれの回動機構をより簡易なものとすることが可能となり、低価格にすることもできる。

なお、本実施形態では、キセノン光源から照射された光ビームを固定平面鏡で最初に反射しているが、第１平面鏡に光ビーム入射する方向にキセノン光源を配置すれば、固定平面鏡を省略することも可能である。

（実施形態３）
本実施形態の分光測色装置について図６に基づいて説明する。この分光測色装置の構成は、実施形態１のものとほぼ同じであるが、図６に示すように、テレセントリック光学手段である第１レンズ２３と第２レンズ２４を備えていることが異なっている。この部分について主に説明する。

本実施形態の分光測色装置は、図６（ａ）に示すように、キセノン光源２から照射された光ビーム１５は、平面鏡３で被計測物１の方向に反射された場合には、第１レンズ２３を通過して、被計測物１に対して同一の入射角で照射される。また、図６（ｂ）に示すように、光ビーム１５は、平面鏡３で基準白色板６の方向に反射された場合には、第２レンズ２４を通過して、基準白色板６に対して同一の入射角で照射される。

本実施形態の分光測色装置は、光切替揺動部と被計測物の間および、光切替揺動部と白色基準板の間にテレセントリック光学手段をそれぞれ配置してなるので、被計測物及び基準白色板に対して、同一の入射角で照射することができる。このために、被計測物や基準白色板上のそれぞれの細部に照射される光ビーム照射量を同じとすることができ、被計測物の測色データをより正確に校正することができる。あわせて、被計測物や基準白色板の表面に凹凸が存在する場合であっても、細部を撮像することができる。

なお、テレセントリック光学手段である第１レンズ２３と第２レンズ２４とは、別々の物であってもよいが、１個のレンズを回動する構成であってもよい。１個のレンズを回動する場合には、光切替揺動部によって光ビームの光路を被計測物から基準白色板に変更する時に同時に回動する構成とする。このような構成とすることにより、同一のテレセントリック光学手段を被計測物と基準白板とに用いることが可能となって、校正の精度を向上させることができる。

実施形態１の分光測色装置の斜視図であり、（ａ）は被計測物を照射している状態であり、（ｂ）は基準白色板を照射している状態である。 実施形態１の分光測色装置の幾何学的配置を示す図である。 実施形態１の分光測色装置のＣＣＤカメラと光路スイッチ部の斜視図であり、（ａ）は被計測物を照射している状態であり、（ｂ）は基準白色板を照射している状態である。 実施形態１の光ビームの直径と揺動範囲を示す上面図である。 実施形態２の分光測色装置の斜視図である。 実施形態３の分光測色装置の斜視図であり、（ａ）は被計測物を照射している状態であり、（ｂ）は基準白色板を照射している状態である。

符号の説明

１ 被計測物
２ キセノン光源
３ 平面鏡
４ 回動部
５ 搬送コンベア
６ 基準白色板
７ ＣＣＤカメラ
８ 光路スイッチ部
９ 画像取込部
１０ 演算部
１１ 表示部
１２ 制御部
１５ 光ビーム
１６ ガラス基板
１７ プリズム
１８ 固定平面鏡
１９ 第１平面鏡
２０ 第２平面鏡
２１ 第１回動部
２２ 第２回動部
２３ 第１レンズ
２４ 第２レンズ

Claims (5)

1. 光ビームを被計測物に照射する照明手段と、被計測物を載置して移動させる被計測物移動部と、被計測物を撮像する分光撮像部と、撮像された撮像データから画像データを取り込む画像取込部と、前記画像データから色演算をする演算部と、演算部の色演算の結果を表示する表示部と、分光撮像部と照明手段と被計測物移動部とを制御する制御部と、被計測物の分光状態を校正するための基準白色板と、を有して、被計測物を測色する分光測色装置であって、
   光ビームの照射位置を被計測物から基準白色板に自在に変更することができるとともに、被計測物又は基準白色板の細部を光ビームが照射できるように光ビームを揺動する光切替揺動部を被計測物と基準白色板の中間位置に配置し、
   前記光切替揺動部は、第１平面鏡を微小角度で回動することにより被計測物又は基準白色板のそれぞれの細部を照射できる光揺動部と、第２平面鏡を９０度回動することにより光ビームの照射位置を被計測物から基準白色板に自在に変更することができる光切替部と、を具備するものであることを特徴とする分光測色装置。
2. 光切替揺動部における光ビームを揺動する光揺動周期に被計測物移動部の移動速度を乗じた数値よりも光ビームの幅が大きいことを特徴とする請求項１に記載の分光測色装置。
3. 光切替揺動部における光ビームを揺動する光揺動角に応じて、照明手段の光ビームの照射量を変化させるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の分光測色装置。
4. 光揺動周期に応じて、分光撮像部の露光時間を変化させるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の分光測色装置。
5. 光切替揺動部と被計測物の間にテレセントリック光学手段を配置してなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の分光測色装置。

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