JP6324113B2 - 光学系および光沢計 - Google Patents

Description

本発明は、光学系および光沢計に関する。

印刷物、塗装またはプラスチック材などの物体の光沢感（光学的な質感）は、品質に関わる重要な要素である。この光沢感を具体的な値で表すものとして、従来、被検面の性質に係る様々な指標とその計測方法が存在する。この指標としては、例えば、鏡面光沢度、ヘイズ、写像性または分光特性などがある。特許文献１は、光沢感を表す値としての光沢度と、実際に視覚で感ずる光沢感との乖離を低減させるために、それぞれ異なる複数の受光角で計測された指標を組み合わせて評価・判定する方法を開示している。

特開２００１−４１８８８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている方法では、複数の受光角ごとに異なる受光器を用いるため、精度（正確さ）の向上のために受光角のバリエーションを増やすほど受光器の設置数も増え、光学系の構成が複雑化する。これに対して、従来、複数の受光角での複数の計測に共通の受光器を用いることで構成を簡略化させる光学系が存在する。しかしながら、この共通化された受光器を用いる光学系では、一方の受光角での計測時に照射される光が、他方の受光角での計測に用いる光路に入り込み、受光器がノイズを含んだ信号を出力する可能性がある。

本発明は、例えば、構成の単純性および計測の正確性の点で有利な光学系を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光学系は、光源と、受光器と、対象面での第１反射角の第１反射光を受光器に受光させる第１受光系と、第１反射光を生成するための第１投光系と、対象面での第１反射角とは異なる第２反射角の第２反射光を受光器に受光させる第２受光系と、第２反射光を生成するための第２投光系と、を有し、第１反射光を生成する光が入射する対象面での入射領域は、対象面から第２受光系を介して受光器に入射する光が射出する対象面での射出領域とは離れており、第１反射光は、第１投光系から対象面に入射する光の正反射光を含み、第２反射光は、第２投光系から対象面に入射する光の正反射光を含む、ことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、構成の単純性および計測の正確性の点で有利な光学系を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る光学系を有する光沢計の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る光学系を有する光沢計の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光学系を有する光沢計の構成を示す図である。 従来の光学系を有する光沢計の構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る光学系、およびそれを用いた光沢計について説明する。図１は、本実施形態に係る光学系１０を有する光沢計１の構成を示す概略図である。光沢計１は、光を用いて物体の表面（被検面５００；「対象とする面」または「対象面」ともいう。）の光沢度を計測する。以下、光学的（視覚的）な質感を「光沢感」といい、光沢感を表す指標としての鏡面光沢度、ヘイズまたは写像性などを総称して「光沢度」という。例えば、国際規格として、鏡面光沢度は、ＪＩＳ−Ｚ８７４１で規定されており、ヘイズは、ＡＳＴＭ−Ｅ４３０で規定されており、写像性（ＤＯＩ）は、ＪＩＳ−Ｋ７３７４およびＡＳＴＭ−Ｄ５７６７で規定されている。また、国際規格では、例えばＪＩＳ−Ｚ８７４１のうちの第４章「測定条件」に記載されているように、光源像の開き角（投光系開き角）、受光器の開き角（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。そこで、本実施形態では、光沢計１におけるレンズ、偏向部材または受光器などの寸法、構成および配置は、国際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。ただし、これは一例であり、本発明は、独自の方式、例えば独自に規定した開き角等による光沢度の計測にも適用され得る。そして、光沢計１は、より正確に光沢感を把握するために、異なる複数の受光角（反射角）に設定された光学系１０を採用する。ここで、受光角は、ＪＩＳ−Ｚ８７４１で規定されている定義と同義である。以下、本実施形態では、一例として、光学系１０が特定の異なる２つの受光角θ１、θ２（θ１＜θ２）に設定された２つの光学系を含むものとして説明する。

図１（ａ）は、光沢計１の構成を示す図である。光沢計１は、光学系１０と、制御部７００（「処理部」ともいう。）とを有する。光学系１０は、それぞれ異なる受光角に設定される、第１光学系１０ａと、第２光学系１０ｂとを含む。第１光学系１０ａは、第１光源１００と、第１投光系１１１と、第１受光系１２１とを含む。第２光学系１０ｂは、第２光源２００と、第２投光系２１１と、第２受光系２２１とを含む。ここで、第１光学系１０ａにおける第１受光角（第１反射角）θ１は、被検面５００の法線と、第１受光系１２１の光軸１２０とのなす角である。一方、第２光学系１０ｂにおける第２受光角（第２反射角）θ２は、被検面５００の法線と、第２受光系２２１の光軸２２０とのなす角である。さらに、光学系１０は、第１受光系１２１および第２受光系２２１の２つの受光系からの光を受光可能とする受光器４００を含む。これは、別の表現をすれば、第１光学系１０ａおよび第２光学系１０ｂにそれぞれ含まれ得る受光器が１つの受光器４００として共通化されているといえる。ここで、各受光角θ１、θ２は、国際規格に準ずるのであれば、２０度、４５度、６０度、７５度、８５度など様々な計測項目があり、この計測項目等に応じて適宜角度を設定することが望ましい。

各光源１００、２００は、それぞれ各投光系１１１、２１１の焦点面に配置される。各光源１００、２００としては、それぞれ、無偏光であるＤ６５タイプの標準光またはＣタイプの標準光を発光するものが望ましく、例えば、経時ドリフトが少なく安価である白色ＬＥＤを採用し得る。なお、光源自体がそれらのような標準光のスペクトル分布特性を有しない場合には、色ガラスフィルタを光源と被検面５００との間に配置することで調整してもよい。さらに、本実施形態では、第１光源１００と第２光源２００とが独立した光源であるものとしているが、本発明はこれに限らない。例えば、光学系１０に含まれる発光体（光源）を１つとし、この発光体からビームスプリッタやファイバカプラなどで光を複数（本実施形態に対応させるならば２つ）に分岐させ、開閉可能な開口などにより別々に開閉制御可能とする構成としてもよい。

第１投光系１１１は、集光レンズ１１２を含み、第１反射光を生成するために、第１光源１００から射出された光をコリメートし被検面５００に入射させる。同様に、第２投光系２１１は、集光レンズ２１２を含み、第２反射光を生成するために、第２光源２００から射出された光をコリメートし被検面５００に入射させる。なお、各投光系１１１、２１１は、各集光レンズ１１２、２１２を含むものとしたが、さらなる性能向上や配置変更などのために、複数のレンズや偏向部材などを含むものとしてもよい。また、各投光系１１１、２１１は、コリメート光を照射する構成ではなく、被検面５００に光束が集光または発散する構成としてもよい。また、光源のみで調整に対応できない場合には、第１光源１００または第２光源２００に投光側スリットを配置し、２次光源としてもよい。または、ＪＩＳ−Ｚ８７４１中の図１に示されるように、中間結像を設けて中間結像面を２次光源面としてもよい。そして、被検面５００にコリメート光が入射するように、第１光源１００を集光レンズ１１２の焦点面に配置し、一方、第２光源２００を集光レンズ２１２の焦点面に配置すれば、ＪＩＳ−Ｚ８７４１に適合する。

第１受光系１２１は、集光レンズ１２２を含み、第１投光系１１１から入射した光で被検面５００で反射された第１反射光のうち正反射光（鏡面反射光）およびその近傍の反射光を受光器４００に入射させる。また、第１受光系１２１は、被検面５００からの反射光を偏向する偏向部材としての反射部材１２３を含む。同様に、第２受光系２２１は、集光レンズ２２２を含み、第２投光系２１１から入射した光で被検面５００で反射された第２反射光のうち正反射光およびその近傍の反射光を受光器４００に入射させる。なお、反射部材１２３としては、例えばミラーとし得るが、反射部材１２３に換えて、プリズム、偏芯レンズまたは回折格子のような偏向部材としてもよい。さらに、各受光系１２１、２２１は、各集光レンズ１２２、２２２を含むものとしたが、さらなる性能向上や配置変更などのために、複数のレンズや偏向部材などを含むものとしてもよい。

受光器４００は、各受光系１２１、２２１の焦点位置またはその近傍（レイリー長の範囲内）に配置される。受光器４００としては、例えばＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子（固体撮像素子）を採用し得る。このような撮像素子を用いれば、ＪＩＳ−Ｚ８７４１の図１に示されているような開口（受光側スリットＳ２）を設置しなくとも、後述する制御部７００において、このスリットに対応する画素の光量情報をピックアップして処理することができるという利点がある。また、反射光の角度分布を取得できることから、制御部７００は、ＡＳＴＭ−Ｅ４３０で規定されているヘイズや、ＡＳＴＭ−Ｄ５７６７に規定されている写像性を演算により求めることができる。さらに、撮像素子がカラータイプである場合には、制御部７００は、色相別に信号を取得することにより、スペクトル情報も取得可能となる。なお、受光器４００は、例えば、上記ＪＩＳ−Ｚ８７４１に示されているように、受光側スリットＳ２を組み合わせたものとしてもよい。この場合、受光側スリットＳ２は、各受光系１２１、２２１に含まれるものとしてもよい。

ここで、各投光系１１１、２１１から射出された光が被検面５００で反射し、その正反射光を受光器４００が受光可能であるときの投光系と受光器との関係を「正反射配置」という。そして、国際規格では、投光系の入射角（投光系の光軸と被検面とのなす角）と受光器の受光角とが等しくなる条件とすることが規定されている。したがって、この条件を満たすため、第１投光系１１１と第１受光系１２１とは、正反射配置の関係にあり、同様に、第２投光系２１１と第２受光系２２１とは、正反射配置の関係にある。

制御部７００は、各光源１００、２００および受光器４００に電気配線を介して接続される。そして、制御部７００は、計測に合わせて第１光源１００または第２光源２００のいずれかを発光させ、受光器４００からの情報（出力）に基づいて光沢度を求める（光沢度に関する情報を得る）。このとき、制御部７００は、第１光源１００と第２光源２００との発光タイミングや、それぞれの発光時の光量および照射時間などを制御する。なお、光沢度を算出する具体的な方法は、国際規格（例えばＪＩＳ−Ｚ８７４１）で規定されている方法でもよいし、国際規格以外の方法でもよい。国際規格以外の算出方法としては、例えば、被検面５００の変角反射光分布特性を計測により取得して、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沢度を算出する方法がある。または、ある入射角で被検面５００に対して光を照射し、散乱光強度の角度分布関数を計測により取得して、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沢度を算出する方法がある。

次に、本実施形態の特徴を明確にするために、比較例として従来の光学系を有する光沢計について説明する。図４は、従来の光学系５０を含む光沢計５の構成を示す概略図である。なお、本実施形態に係る光学系１０を含む光沢計１との比較を容易とするために、光学系５０において光学系１０の構成要素に対応するものにはそれぞれ同一の符号を付し、また、被検面５００および制御部７００も光沢計１の場合と同一符号とする。さらに、光沢計５において、異なる２つの受光角θ１、θ２で光沢度を計測し、その両方の計測にて共通する受光器４００を用いることは、本実施形態における光沢計１と同様である。

図４（ａ）は、光沢計５の構成を示す図である。光学系５０に含まれる第１光学系１０ａと第２光学系１０ｂとでは、図４（ａ）に示すように、被検面５００上の計測対象領域が同一であり、第１受光系１２１の光軸１２０と第２受光系２２１の光軸２２０とが被検面５００上で略同位置となる。図４（ｂ）は、図４（ａ）から各受光系１２１、２２１および受光器４００を抜き出し、第１光学系１０ａによる計測が実施されている状態を示す概略図である。この場合、第１光源１００が被検面５００に光を照射すると、被検面５００では正反射光１１と拡散反射光１２とが生じる。正反射光１１およびその近傍の光は、第１受光系１２１を介して受光器４００に照射される。しかしながら、拡散反射光１２のうちの一部は、第１光学系１０ａとは異なる第２光学系１０ｂの光路に入り込み、第２受光系２２１を介して受光器４００に照射される。光沢度は、正反射光１１およびその近傍の光の受光情報に基づいて算出されるものであるから、第２受光系２２１を介して受光した拡散反射光１２は、ノイズとなり、算出値に影響を及ぼし得る。

一方、図４（ｃ）は、図４（ａ）から各受光系１２１、２２１および受光器４００を抜き出し、第２光学系１０ｂによる計測が実施されている状態を示す概略図である。この場合、第２光源２００が被検面５００に光を照射すると、被検面５００では正反射光２１と拡散反射光２２とが生じる。正反射光２１およびその近傍の光は、第２受光系２２１を介して受光器４００に照射される。しかしながら、拡散反射光２２のうちの一部は、第２光学系１０ｂとは異なる第１光学系１０ａの光路に入り込み、第１受光系１２１を介して受光器４００に照射される。そして、上記と同様に、第１受光系１２１を介して受光した拡散反射光２２は、ノイズとなり、算出値に影響を及ぼし得る。そこで、本実施形態では、光学系１０を以下に示すような配置とする。

図１（ｂ）は、図１（ａ）から第１投光系１１１、第２受光系２２１および受光器４００を抜き出し、第１光学系１０ａによる計測が実施されている状態を示す概略図である。まず、このときの第１光学系１０ａについて、被検面５００上（対象面上）の第１入射領域１３０は、第１光源１００からの射出光を第１投光系１１１が被検面５００に照射し得る最大の領域である。すなわち、第１光源１００からの射出光は、第１投光系１１１を介して第１入射領域１３０のみに照射され、第１入射領域１３０の外側には第１投光系１１１を介しては照射されない。第１入射領域１３０は、第１光源１００の光射出部の寸法、射出光の角度特性、第１投光系１１１を構成するレンズ１１２の有効径や外径等で制限される第１投光系１１１の透過可能領域などにより規定される。

他方の第２光学系１０ｂについて、被検面５００上の第２射出領域２４０は、ここでの反射光を第２受光系２２１が受光器４００に照射し得る最大の領域である。すなわち、第２射出領域２４０での反射光のみが第２受光系２２１を介して受光器４００に照射され、第２射出領域２４０の外側で反射した光は、受光器４００に照射されない。第２射出領域２４０は、受光器４００の受光面（受光可能領域）の寸法、第２受光系２２１を構成するレンズ２２２の有効径や外径等で制限される第２受光系２２１の透過可能領域などにより規定される。

そして、光学系１０において、第１光学系１０ａと第２光学系１０ｂとは、図１（ｂ）に示すように、第１入射領域１３０と第２射出領域２４０とが被検面５００上で離れるように配置される。これにより、第１光学系１０ａを用いた計測の際に、第１入射領域１３０で生じた拡散反射光１２が第２受光系２２１を介して受光器４００の受光面に照射されるのを抑えることができる。

図１（ｃ）は、図１（ａ）から第２投光系２１１、第１受光系１２１および受光器４００を抜き出し、第２光学系１０ｂによる計測が実施されている状態を示す概略図である。まず、このときの第２光学系１０ｂについて、被検面５００上の第２入射領域２３０は、第２光源２００からの射出光を第２投光系２１１が被検面５００に照射し得る最大の領域である。すなわち、第２光源２００からの射出光は、第２投光系２１１を介して第２入射領域２３０のみに照射され、第２入射領域２３０の外側には第２投光系２１１を介しては照射されない。第２入射領域２３０は、第２光源２００の光射出部の寸法、射出光の角度特性、第２投光系２１１を構成するレンズ２１２の有効径や外径等で制限される第２投光系２１１の透過可能領域などにより規定される。

他方の第１光学系１０ｂについて、被検面５００上の第１射出領域１４０は、ここでの反射光を第１受光系１２１が受光器４００に照射し得る最大の領域である。すなわち、第１射出領域１４０での反射光のみが第１受光系１２１を介して受光器４００に照射され、第１射出領域１４０の外側で反射した光は、受光器４００に照射されない。第１射出領域１４０は、受光器４００の受光面の寸法、第１受光系１２１を構成するレンズ１２２の有効径や外径等で制限される第１受光系１２１の透過可能領域などにより規定される。

そして、光学系１０において、第１光学系１０ａと第２光学系１０ｂとは、図１（ｃ）に示すように、第２入射領域２３０と第１射出領域１４０とが被検面５００上で離れるように配置される。ここれにより、第２光学系１０ｂを用いた計測の際に、第２入射領域２３０で生じた拡散反射光２２が第１受光系１２１を介して受光器４００の受光面に照射されるのを抑えることができる。なお、第１入射領域１３０、第２入射領域２３０、第１射出領域１４０または第２射出領域２４０の各領域の大きさを規定（設定）するには、不図示であるが、鏡筒やその他の構成部材（遮光部材）により遮光される場合も含まれる。

このように、光学系１０は、まず、異なる複数の受光角θ１、θ２に対して同一の受光器４００を用いるので、複数の受光角のそれぞれに合わせた専用の受光器を用いる従来に比べ、受光器の設置数を減少させる、すなわち構成を簡略化させることができる。また、光学系１０は、上記のような配置とすることで、複数の受光角での計測に対応させつつ、受光器４００の情報（出力）に含まれ得るノイズを低減できるので、情報取得の精度が向上する。なお、上記説明では、第１光学系１０ａを第２光学系１０ｂよりも受光器４００の設置位置に対して遠方に配置されるものとしているが、図２に示すように、その逆の配置でも構わない。

以上のように、本実施形態によれば、構成の単純性および計測の正確性の点で有利な光学系を提供することができる。また、この光学系を用いた光沢計によれば、光沢計自体の構成の単純性の点にも有利であることに加え、受光器４００（光学系１０）からのノイズが低減された情報に基づいて光沢度を求めるので、計測して得られる光沢感の把握の正確性も向上する。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る光学系、およびそれを用いた光沢計について説明する。図３は、本実施形態に係る光学系２０を含む光沢計２の構成を示す概略図である。第１実施形態では、異なる２つの受光角θ１、θ２で、かつ１つの受光器４００で計測を行う光学系１０を有する光沢計１を例示した。これに対して、本実施形態に係る光学系２０および光沢計２の特徴は、第１実施形態における各光学系１０ａ、１０ｂに加え、第１受光角θ１および第２受光角θ２とは異なる第３受光角（第３角度）θ３を有する第３光学系１０ｃを含む点にある。なお、本実施形態における光沢計２では、第１実施形態における光沢計１と同一構成のものには同一の符号を付し、説明を省略する。

第３光学系１０ｃは、第３光源５００と、第３投光系５１１と、第３受光系５２１と、上記の受光器４００とは異なる第２受光器６００とを含む。第３光源５００は、第３投光系５１１の焦点面に配置される。第３投光系５１１は、集光レンズ５１２を含み、第３反射光を生成するために、第３光源５００から射出された光をコリメートし被検面５００に入射させる。第３受光系５２１は、集光レンズ５２２を含み、被検面５００で反射された第３反射光のうち正反射光およびその近傍の反射光を第２受光器６００に入射させる。第３投光系５１１と第３受光系５２１とは、正反射配置の関係にある。第３光学系１０ｃにおける第３受光角θ３は、被検面５００の法線と、第３受光系５２１の光軸５２０とのなす角である。本実施形態では、一例として、被検面５００上の光軸５２０の始点と、第２光学系１０ｂにおける被検面５００上の光軸２２０の始点とが略同位置としており、各受光角は、θ１＜θ２＜θ３の関係にある。なお、構成のコンパクト化のために、第３投光系５１１または第３受光系５２１は、偏向部材を用いて折り曲げた光路を形成するものとしてもよい。第２受光器６００は、第３受光系５２１の焦点位置またはその近傍に配置される。なお、第３光源５００や第２受光器６００は、第１実施形態にて説明した各光源１００、２００または受光器４００と同種のものを採用し得る。

ここで、本実施形態に係る光学系２０において、例えば、３つの受光角θ１〜θ３をそれぞれ２０度、６０度、８５度に設定すれば、ＩＳＯ規格２８１３、ＡＳＴＭ−Ｄ５２３およびＪＩＳ−Ｚ８７４１に適合する。または、３つの受光角θ１〜θ３をそれぞれ２０度、４５度、６０度に設定すれば、ＩＳＯ規格７６６８、ＡＳＴＭ−Ｄ２４５７およびＪＩＳ−Ｚ８７４１に適合する。または、３つの受光角θ１〜θ３のいずれかを７５度に設定すれば、特に紙を用途とする光沢度の計測規格ＪＩＳ−Ｚ８７４１に適合する。さらには、光沢感を正確に把握するために、例えば、被検面５００内の第１受光角θ１および第２受光角θ２とは異なる方向に第３受光角θ３を設定すれば、被検面５００の光沢の異方性を計測することができる。

このように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、より詳細に光沢感を把握したり、光沢度の別の指標を計測したりすることができる。なお、本実施形態に係る光学系２０は、３つの光学系を含むが、第３光学系１０ｃのような光学系をさらに増やしてもよいし、または、第１実施形態の光学系１０を構成する２つの光学系を複数組み合わせたものとすることもあり得る。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１０ 光学系
１００ 第１光源
１２１ 第１受光系
２００ 第２光源
２２１ 第２受光系
４００ 受光器

Claims (7)

1. 光源と、
   受光器と、
   対象面での第１反射角の第１反射光を前記受光器に受光させる第１受光系と、
   前記第１反射光を生成するための第１投光系と、
   前記対象面での前記第１反射角とは異なる第２反射角の第２反射光を前記受光器に受光させる第２受光系と、
   前記第２反射光を生成するための第２投光系と、を有し、
   前記第１反射光を生成する光が入射する前記対象面での入射領域は、前記対象面から前記第２受光系を介して前記受光器に入射する光が射出する前記対象面での射出領域とは離れており、
   前記第１反射光は、前記第１投光系から前記対象面に入射する光の正反射光を含み、
   前記第２反射光は、前記第２投光系から前記対象面に入射する光の正反射光を含む、
   ことを特徴とする光学系。
2. 前記第２反射光を生成する光が入射する前記対象面での入射領域は、前記対象面から前記第１受光系を介して前記受光器に入射する光が射出する前記対象面での射出領域とは離れている、ことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記第１受光系は、前記第１反射光を前記受光器に向けて偏向させる偏向部材を含む、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学系。
4. 第２受光器と、
   前記第１反射角および前記第２反射角とは異なる第３反射角の第３反射光を前記第２受光器に受光させる第３受光系を有する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載の光学系。
5. 前記第３反射光を生成するための第３投光系を含み、
   前記第３反射光は、前記第３投光系から前記対象面に入射する光の正反射光を含む、
   ことを特徴とする請求項４に記載の光学系。
6. 前記第１反射角または前記第２反射角は、２０度、４５度、６０度、７５度、８５度のうちのいずれかである、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のうちいずれか１項に記載の光学系。
7. 対象面の光沢度を計測する光沢計であって、
   請求項１ないし請求項６のうちいずれか１項に記載の光学系と、
   前記光学系により取得された情報に基づいて前記光沢度に関する情報を得る処理部と、
   を有することを特徴とする光沢計。

Images