KR20080108403A - 광학 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 광학 측정 장치는 광 입사창 또는 광원 장착부(5)로서 기능하는 중앙 개구부와, 광 검출기(6)에 의한 측정을 가능하게 하는 관측창(6')을 갖는 평면 미러(3) 및 평면 미러(3)의 중앙 개구부 내에 곡률 반경의 중심을 갖고, 내벽면이 광 확산 반사면(1)으로서 기능하는 적분 반구(2)를 구비하되, 평면 미러(3)와 적분 반구(2)는 내부에 적분 공간을 형성한다.

Description

광학 측정 장치{OPTICAL MEASURING DEVICE}

본 발명은 광원으로부터의 전체 광속을 측정할 수 있는 광학 측정 장치에 관한 것이다.

광학 측정 장치 중, 전체 광속 측정 장치는 디스플레이 등의 면발광원의 전체 광속을, 원주 광원인 전체 광속 표준 전구를 표준으로 하여 측정할 수 있는 장치이다. 종래의 전형적인 전체 광속 측정 장치는 내벽면에 황산 바륨 등의 완전 확산 반사 재료를 도포한 완전한 적분구(積分球)를 구비하고 있다. 측정 대상으로 되는 시료 램프는 적분구의 중심에 배치되고, 그 광속은 적분구의 구면 상에 형성된 관측창을 통해 광속이 측정된다. 시료 램프로부터의 광이 관측창에 직접 입사되지 않도록 관측창과 시료 램프 사이에는 차광판이 마련된다. 이러한 구형 광속계를 이용하여, 전체 광속의 값이 기지인 전체 광속 표준 전구와 시료 램프를 비교 측정하는 것에 의해, 시료 램프의 전체 광속을 구할 수 있다.

구형 광속계는 시료 램프를 적분구의 중심부에서 점등해야 하기 때문에, 시료 램프를 적분구 중심부에서 고정하는 지지구가 필요해진다. 그러나, 이 지지구 와 램프 자신의 광 흡수가 측정 오차를 야기하기 때문에, 지지구에 적분구 내벽면에 도포하는 도료와 마찬가지의 도료를 도포하는 것이 행해진다.

적분구 벽면에 자기 흡수 측정용 광원을 점등하고, 지지구와 시료 램프가 적분구 내에 있을 때와 없을 때의 측광기의 출력의 비로부터, 그들의 자기 흡수율을 구하는 방법이 있다. 그러나, 현실에서는, 램프 지지구가 램프 점등용 배선의 덕트를 겸하는 것이 대부분이고, 적분구에 고정되어 있기 때문에, 시료 램프의 자기 흡수율만을 구하여 실시되고 있다(JIS C7607-1991, 측정 표준용 방전 램프의 전체 광속 측정 방법, 첨부서 보정 계수를 구하는 방법 2. 램프의 형상, 치수의 상이 등에 의한 자기 흡수의 보정 계수 k2의 측정 방법).

한편, 시료 램프의 배광 분포 및 분광 분포 등은 전체 광속 표준 광원의 배광 분포 및 분광 분포 등과 다르기 때문에, 램프 지지구 및 시료 램프의 자기 흡수는 무시할 수 없는 값으로 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 반구와 평면 미러를 구비하는 새로운 전체 광속 측정 장치가 제안되었다(특허 문헌 1).

특허 문헌 1에 개시되어 있는 장치는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 내벽에 황산 바륨 등의 광 확산 반사면(1)을 도포한 적분 반구(2)를 준비하고, 이 적분 반구(2)의 개구부에 평면 미러(3)를 덮음으로써 제작된다. 평면 미러(3) 중, 적분 반구의 곡률 중심에 위치하는 부분에는 개구(5)가 마련되어 있고, 이 개구(5)에 피측정 광원(4)이 삽입된다. 피측정 광원(4)을 적분 반구(2)의 내부에서 점등함으로써, 적분 반구(2)의 내벽과 피측정 광원(4)의 허상이 평면 미러(3)에 의해 발생한 다. 그 결과, 적분 반구(2)와 동일 반경의 적분구의 내부에 피측정 광원(4)과, 그 피측정 광원(4)의 허상이 점등된 상태를 얻을 수 있다. 이렇게 해서, 피측정 광원(4)과 피측정 광원의 허상에 의해 구성되는 두개의 광원의 전체 광속이 광 검출기(6)에 의해 측정되게 된다.

이 장치에 의하면, 램프 지지구(점등 지그)(8)가 적분 공간의 외측에 위치하기 때문에, 램프 지지구(8)에 의한 자기 흡수는 전체 광속 측정값에 영향을 미치지 않는다. 이 때문에, 램프 지지구(8)에 의한 자기 흡수의 보정 등, 번잡한 프로세스 없이 높은 측정 정밀도가 얻어진다. 또한, 적분 공간은 전구(全球)의 적분구의 절반이기 때문에, 광 검출기(6)의 수광창의 조도는 2배로 되어, 전체 광속 측정에서의 S/N 향상을 얻을 수 있다.

특허 문헌 1: 일본 공개 특허 공보 평6-167388호(도 1을 참조)

(발명이 해결하고자 하는 과제)

그러나, 도 8의 구성에서는, 피측정 광원(4)으로부터의 직접 광을 차단하는 차광판(7)은 피측정 광원(4)의 허상으로부터의 직접 광도 차단해야 한다. 이 때문에, 후술하는 바와 같이, 전구에서의 적분구 내에 피측정 광원(4)만을 점등하는 경우에 비해 2배 이상의 크기가 필요해진다. 적분구 내부의 차광판(7)은 적분구 내에서의 반사광의 광로의 일부를 차단하고, 또한 차광판 자체도 광의 흡수가 있기 때문에, 전구에서의 적분구에서의 램프 지지구와 마찬가지로 측정 오차가 증대한다는 문제가 있었다.

이하에, 적분구를 이용하는 측정 원리와, 차광판의 자기 흡수에 의한 오차를 상세히 설명한다.

우선 도 9를 참조하여 적분구에 의한 측정 원리를 설명한다. 도 9는 적분구의 원리를 평면 모델로 설명하기 위한 도면이다.

반경 r의 적분구의 중심에는 광원(4)이 배치되고, 광원(4)으로부터 각도 α방향의 적분구벽의 미소면 A에 광도 I_o(α)로 조명되었다고 한다. 이 때, 적분구벽 미소면 A의 조도 E_a는 수학식 1로 표시된다.

적분구 내벽에서는 반사율 ρ에서 완전 확산 반사가 발생하고, 또한 내벽면 상의 미소면 A가 면적 dS라고 하면, 미소면 A로부터 반사되는 광속 φ_a는 수학식 2로 표시된다.

미소면 A의 법선에 대하여 각도 θ방향의 적분구 벽면상의 미소면을 B라고 한다. 미소면 A보다 면 B 방향의 광도 I_a(θ)는 미소면 A가 완전 광 확산 반사면이기 때문에 수학식 3으로 표시된다.

면 B는 적분구 내벽 상의 면이기 때문에, 면 B에의 I_a(θ)의 입사각은 θ이며, 미소면 A와 면 B의 거리는 2r·cosθ이다. 따라서, 면 B 상의 광도 I_a(θ)에 의한 조도 Eab는 수학식 4로 표시된다.

수학식 4로부터 명백한 바와 같이, 미소면 A로부터의 반사광은 미소면 A로부터의 출사각 θ에 관계없이, 적분구 내벽의 어느 부분에 대해서도 균일한 조도로 조명하게 된다. 적분구의 내면적은 4π·r²이기 때문에, 미소 입체각 dΩ을 이용하면 미소면 dS를 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

따라서, 수학식 4는 수학식 6으로 된다.

수학식 6의 I_o(α)·dΩ를 전체 공간에서 적분한 것이, 광원(4)의 전체 광속 Φ이다. 이 때문에, 광원(4)으로부터의 광속의 적분구 내벽 전체의 1차 반사광에 의한 면 B의 조도 E_b1은 수학식 7로 표시된다.

광원(4)으로부터의 광속의 적분구 내벽의 1차 반사광에 의한 면 B의 조도 E_b1에 대하여, 또한 면 B 표면에서 반사율 ρ의 2차 반사가 일어난다. 미소면 B의 면적을 dS라고 하면, 면 B에 의해 반사되는 광속 φ_b,2는 수학식 8로 표시된다.

면 B가 완전 광 확산 반사면인, 면 B로부터 각도 θ방향의 광도 I_b(θ)는 수학식 9로 표시된다.

면 B로부터 각도 θ방향의 점을 C라고 하면, 면 B 상의 광도 I_b(θ)에 의한 조도 E_bc는 수학식 10으로 표시된다.

따라서, 면 B로부터의 2차 반사광은, 면 B로부터의 출사각 θ에 관계없이, 적분구 내벽의 어느 부분에 대하여도 균일한 조도로 조명한다. 즉 적분구 내벽 전부로부터의 2차 반사광에 의한 면 B의 조도는 수학식 10의 dΩ를 전체 공간에서 적분한 값이며, 수학식 11로 표시된다.

광원(4)으로부터 면 B에의 직사 광도를 I₀(β)로 하고, 1차 이후의 고차의 반사광을 고려하면 면 B의 조도 E_b는 수학식 12로 표시된다.

광원(4)을 구면 배광으로 하면, 면 B의 조도 E_b 중 광원(4)으로부터의 직접 광에 의한 조도 E_{b ,0}은 수학식 13으로 표시된다.

면 B의 조도 E_b 중, 적분구 벽면으로부터의 반사광에 의한 조도 E_{b ,r}은 수학식 14로 표시된다.

광원(4)으로부터의 직접 광에 의한 조도 E_{b ,0}과, 적분구 벽면으로부터의 반사광에 의한 조도 E_{b ,r}의 비는 수학식 15로 표시된다.

이 비는 광 확산 반사면(1)의 반사율 ρ로 결정된다. 반사율이 95% 정도일 때, 광원(4)으로부터의 직접 광에 의한 조도 E_{b ,0}은 5% 정도로 된다. 이 값은 광원(4)을 구면 배광이라고 가정한 경우의 값이며, 측정하고자 하는 광원(4)의 배광에 직접 영향을 받는다.

따라서, 종래의 적분구에서는, 적분구의 벽면 B의 위치에 관측창을 마련하고, 시감도 보정이 이루어진 광 검출기(6)를 관측창에 마련한 경우, 광원(4)으로부터의 직접 광인 I₀(β)을 차광판(7)으로 차광함으로써, 광 검출기(6)는 광원(4)의 전체 광속값에 비례한 조도를 측정할 수 있다.

다음에, 도 10(a) 및 도 10(b)을 참조하면서, 차광판의 자기 흡수에 의한 오차를 설명한다.

도시하는 바와 같이, 광원(4)과 광 검출기(6) 사이에 차광판(7)을 마련한 경우를 생각한다. 이 경우, 도 10(a)에 나타내는 바와 같이, 광 검출기(6)의 수광 창으로부터 보면, 적분구 내벽의 p-q의 범위로부터의 조명이 누락된다. 또한, 도 10(b)에 나타내는 바와 같이, 광원(4)으로부터 보면, 적분구 내벽의 p'-q'의 범위를 직접 조명할 수 없게 된다. 이들은 모두 측정 오차의 원인으로 된다. 이 오차는 차광판(7)이 커지는 것에 따라 증대하지만, 측정하고자 하는 광원(4)이 커지면, 차광판(7)도 크게 해야 한다.

도 8의 구성에서는, 피측정 광원(4)으로부터의 직접 광을 차단하는 차광판(7)이 평면 미러(3) 상에 배치되어 있다. 이 경우의 차광판(7)은, 도 11에 나타내는 바와 같이, 피측정 광원(4)과 그 허상인 광원을 포함하는 두 개의 광원으로부터의 직접 광을 차광해야 한다. 따라서, 도 8의 구성에 있어서의 차광판(7)은 전구에서의 적분구 내에 피측정 광원(4)만을 점등하는 경우에 필요한 차광판에 비해, 2배 이상의 크기가 필요하게 되어, 그 만큼, 측정 오차가 커진다고 하는 과제를 갖고 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 것은, 차광판을 없애는 것에 의해, 차광판에 의한 측정 오차를 감소시켜, 높은 정밀도로 전체 광속을 측정할 수 있는 광학 측정 장치를 제공하는 것에 있다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

본 발명의 광학 측정 장치는 광 입사창 또는 광원 장착부로서 기능하는 중앙 개구부와, 광 검출기에 의한 측정을 가능하게 하는 관측창을 갖는 평면 미러, 및 상기 평면 미러의 상기 중앙 개구부 내에 곡률 반경의 중심을 갖고, 내벽면이 광 확산 반사면으로서 기능하는 반구를 구비하고, 상기 평면 미러와 상기 반구는 내부에 적분 공간을 형성한다.

바람직한 실시예에서, 상기 광 검출기가 상기 평면 미러의 관측창에 장착되어 있다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 중앙 개구부에 장착되는 광원이 상기 평면 미러에 대하여 L_h의 거리만큼 적분 공간 내로 돌출하는 경우에, 상기 중앙 개구부의 중심으로부터 상기 관측창의 중심까지의 거리를 L, 상기 관측창의 반경을 R₁, 상기 광 검출기의 수광면의 반경을 R₂로 했을 때, 상기 광 검출기는 상기 관측창의 후방 L_d의 위치에 설치되고, L_d>L_h(R₁+R₂)/(L-R₁)의 조건을 만족한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 적분 공간 내에는, 차광부가 배치되지 않는다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 광 검출기는 휘도계이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 관측창과 상기 중앙 개구부와의 거리가 상기 반구의 곡률 반경의 65% 이상이다.

(발명의 효과)

본 발명의 광학 측정 장치에 의하면, 적분 반구의 중심을 지나는 평면 미러 상에 관측창이 있기 때문에, 차광판을 적분 공간 내에 설치하지 않고, 광원으로부터의 직사광이 관측창에 입사하는 것을 회피할 수 있다. 이 때문에, 차광판의 자 기(自己) 흡수나 반사 광속의 차폐없이, 그것에 의한 측정 오차를 감소시킬 수 있다. 그 결과, 고 출력, 고 S/N에서 전체 광속을 측정하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 구형 광속계의 단면을 나타내는 도면,

도 2는 본 발명의 실시예 2에 있어서의 구형 광속계의 단면을 나타내는 도면,

도 3은 원주 광원의 배광 특성을 나타내는 도면,

도 4는 광원(4)으로부터, 관측창(6')에 직접 들어가는 광속이 있는 경우의 광 검출기(6)와의 위치 관계를 나타내는 도면,

도 5는 본 발명의 실시예 3에 있어서의 구형 광속계로 평면 광원을 측정하는 경우의 단면을 나타내는 도면,

도 6은 본 발명의 실시예 3에 있어서의 구형 광속계로 원주 광원을 측정하는 경우의 단면을 나타내는 도면,

도 7은 원주 광원을 전체 광속 표준으로 하여 평면 광원의 전체 광속을 측정한 경우의, 관측창의 위치를 파라미터로 한 측정 오차의 도면,

도 8은 특허 문헌 1의 광속계의 구성을 나타내는 도면,

도 9는 구형 광속계의 원리를 나타내는 도면,

도 10(a) 및 도 10(b)는 구형 광속계 내부에 차광판을 마련한 경우의 오차를 나타내는 도면,

도 11은 특허 문헌 1의 구성에 있어서의 구형 광속계 내부에 차광판을 마련한 경우의 오차를 나타내는 도면이다.

(부호의 설명)

1 : 광 확산 반사면 2 : 적분 반구

3 : 평면 미러 4 : 광원

5 : 광원 장착창 6 : 광 검출기

6' : 관측창 7 : 차광판

8 : 휘도계

본원 발명자는 특허 문헌 1에 개시되어 있는 바와 같은 적분 반구와 평면 미러가 형성하는 적분 공간 내에서의 광의 거동을 분석함으로써, 원리상, 구면체 상에 마련해야 하는 것으로 생각되던 관측창을 평면 미러 상에 배치하더라도, 광원의 전체 광속을 측정할 수 있고, 또한, 차광판이 불필요해진다는 것을 알아내었다.

도 9를 참조하면서 상세히 설명한 바와 같이, 종래의 전체 광속 측정의 원리는 적분구의 내벽면 상에서의 조도에 관한 관계식에 의해 도출된 것이고, 어디까지나 구 형상의 내벽면 상에서 성립하는 것으로 이해되어 왔다. 그러나, 본 발명자의 연구에 의하면, 구체의 중심을 가로지르는 평면 미러 상에서도 동일한 것이 성 립한다고 하는 예상 외의 결과를 얻을 수 있었다. 본 발명은, 이 지견에 근거하여 이루어진 것이고, 관측창을 평면 미러 상에 배치한다고 하는 신규의 구성을 채용함으로써, 차광판을 이용하지 않고, 보다 정확한 전체 광속의 측정을 가능하게 하는 것이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 설명한다.

(실시예 1)

도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 광학 측정 장치의 실시예 1을 설명한다.

본 실시예의 광학 측정 장치는 내벽면이 광 확산 반사면(1)으로서 기능하는 적분 반구(2)와, 적분 반구(2)의 개구면을 막는 평면 미러(3)를 구비하는 전체 광속 측정 장치이다. 광 확산 반사면(1)은 측정하고자 하는 방사를 확산하는 확산 재료를 적분 반구(2)의 내면에 도포하든지, 또는 적분 반구(2)의 내면을 가공함으로써 형성될 수 있다. 평면 미러(3)는 광 입사창 또는 광원 장착부(5)로서 기능하는 중앙 개구부와, 광 검출기(6)에 의한 측정을 가능하게 하는 관측창(6')을 갖고 있다. 적분 반구(2)의 곡률 반경의 중심은 평면 미러(3)의 중앙 개구부 내에 위치하고, 평면 미러(3)와 적분 반구(2)는 내부에 반구 형상의 적분 공간을 형성하고 있다. 그리고, 전체 광속이 측정되는 광원(4)은 평면 미러(3)의 광원 장착창(5)에 장착된다.

본 실시예의 전체 광속 측정 장치가 종래의 전체 광속 측정 장치로부터 크게 다른 점은 광 검출기(6)의 위치이다. 즉, 종래의 전체 광속 측정 장치에서는 광 검출기를 세팅하는 관찰창이 적분구의 구체 벽면에 있는데 대하여, 본 실시예에서는, 광 검출기(6)를 세팅하는 관찰창이 적분 반구(2)의 벽면에는 없고, 평면 미러(3)에 마련된다.

이하, 도 1을 참조하면서, 본 실시예의 측정 장치의 동작 원리를 설명한다.

여기서, 측정 대상으로 하는 광원(4)은 액정 백 라이트와 같은 완전 확산 배광을 나타내는 면 광원으로 한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 적분 반구(2) 상의 미소면 A로부터, 평면 미러(3)에의 법선에 대하여, 관측창(6')의 중심과 미소면 A를 연결하는 선이 각도 θ_d를 형성하고 있다고 한다. 광원(4)의 중심(적분 반구(2)의 곡률 중심)으로부터 미소면 A에 이르는 직선과 광원(4)의 법선간의 각을 θ라고 한다. 또한, 광원(4)의 전체 광속을 Φ, 광원(4)의 법선 방향의 광도를 I₀(0)이라고 하면, 수학식 16이 성립한다.

광원(4)으로부터 미소면 A 방향의 광도 I₀(θ)는 람베르트의 코사인 법칙에 의해 수학식 17로 표시된다.

적분 반구의 곡률 반경을 r이라 하면, 적분구 내벽의 미소면 A 상의 조도 E₀(θ)는 수학식 18로 표시된다.

적분 반구(2) 내벽의 광 확산 반사면(1)에서는, 반사율 ρ로 완전 확산 반사가 발생한다. 내벽 상의 미소면 A가 면적 ΔS라고 하면, 미소면 A에서 반사되는 광속 φ_a는 수학식 19로 표시된다.

미소면 A의 법선에 대하여 각도 θ+θ_d의 방향에 광 검출기(6)의 수광면이 있는 경우, 광속 φ_a 중, 미소면 A로부터 광 검출기(6)의 방향의 광도 I_{a ,d}(θ)는 미소면 A가 완전 광 확산 반사면이기 때문에, 수학식 20으로 표시된다.

미소면 A로부터 광 검출기(6)의 수광면까지의 거리를 L_ad라고 하면, 광원(4)으로부터의 광도 I₀(θ)의 미소면 A에서의 1차 반사광에 의한 광 검출기(6)의 조도 E_a,d,1은 수학식 21로 표시된다.

한편, 광원(4)으로부터의 전(全) 방향의 광에 의한 미소면 A의 조도 E_{a ,f}는, 수학식 12와 마찬가지로, 수학식 22로 표시된다. 단, 미소면 A의 조도는 평면 미러(3)에 의한 허상에 의해 2배로 된다.

미소면 A의 조도 E_{a ,f}에 의해 반사되는 광속 φ_a,f는 수학식 23으로 표시된다.

광속 φ_a,f 중, 미소면 A로부터 광 검출기(6) 방향의 광도 I_{a ,d,f}(θ)는, 수학식 20과 마찬가지로, 미소면 A가 완전 광 확산 반사면이기 때문에, 수학식 24로 표시된다.

따라서, 광원(4)으로부터의 전체 광속의 미소면 A에서의 1차 반사광에 의한 광 검출기(6)의 조도 E_{a ,d,f}는 수학식 25로 표시된다.

즉, 적분 반구(2)의 내벽 상의 미소면 A로부터의 광에 의한 광 검출기(6)의 수광면의 조도 E_{a ,d}는 수학식 26으로 표시된다.

E_{a ,d,1}과 E_{a ,d,f}의 비는 수학식 27로 표시된다.

적분 반구(2)의 내벽 상의 전면으로부터의 광원(4)으로부터의 1차 반사광에 의한 광 검출기(6)의 조도 E_{F ,d,1}과, 적분 반구(2)의 내벽 상의 전면으로부터의 확산 반사광에 의한 광 검출기(6)의 조도 E_{F ,d,f}의 비는, 수학식 27의 E_{a ,d,1}과 E_{a ,d,f}를, 각각, (θ+θ_d) 및 θ를 전체 공간에 대하여 적분한 값의 비와 같기 때문에, 수학식 28로 표시된다.

여기서, E_{F ,d,1}은 광원(4)을 완전 확산의 이상면 광원으로서 구했지만, 수학식 17로 나타내는 바와 같이, 광원(4)의 배광에 의존한다. 한편, E_{F ,d,f}는, 수학식 22에 나타내는 바와 같이, 광원(4)의 전체 광속에 의존하고, 그 배광에는 영향을 받지 않는다. 따라서, E_{F ,d,1}이 전체 광속 측정 시의 계통 오차로 된다.

수학식 28로부터, E_{F ,d,1}:E_{F ,d,f}는 θ에 관계없이 일정하며, 관측창(6')의 중심과 미소면 A를 연결하는 선의 각도 θ_d에 의하지 않는다. 즉, 관측창(6')은 평면 미러(3) 상의 어느 위치이더라도, E_{F ,d,f}는 일정하다.

여기서, 적분 반구(2)의 반사율 ρ가 95% 이상이면, E_{F ,d,1}은 E_{F ,d,f}의 3.4% 이하로 된다. 상기의 3.4%라는 값은 전체 광속을 비교 측정하는 두 개의 광원 중, 한쪽 광원의 E_{F ,d,f}가 0으로 된다는 극단적인 경우의 값이다. 즉, 3.4%의 값은 광원(4)으로부터 미소면 A 방향의 광도 I₀(θ)는 0이 아닌 유의의 값을 나타내지만, 다른 방향의 광도 I₀이 모두 0으로 되는 매우 좁은 대역인 배광을 갖는 광원(4)을, 완전 확산 배광을 나타내는 광원과 비교하는 측정을 했을 때에 생기는 오차이다. 이것은, 예컨대, 완전 확산 광원과, 미소면 A에만 집광한 빔광의 광원과의 전체 광속을 비교할 때에 발생하는 것이다. 따라서, 통상은 1% 이하의 오차밖에 생기지 않는다고 할 수 있다.

E_{F ,d,1} 및 E_{F ,d,f} 중, 광원(4)의 배광에 의해 값의 영향을 받는 것은 E_{F ,d,1}이고, E_F,d,f의 값은 광원(4)의 배광에 관계없이, 전체 광속에 비례한 값으로 된다. 따라 서, 배광 특성이 거의 같은 광원끼리의 전체 광속을 비교 측정하는 경우, 내부에 차광판(7)의 자기 흡수 오차를 회피한 이상적인 적분구로서 높은 정밀도를 얻을 수 있다.

(실시예 2)

도 2를 참조하면서, 본 발명에 따른 광학 측정 장치의 실시예 2를 설명한다.

도 2의 광속계는 내벽면이 광 확산 반사면(1)으로서 기능하는 적분 반구(2)와, 적분 반구(2)의 곡률 중심을 포함하는 개구부를 막도록 설치한 평면 미러(3)를 구비한다. 전체 광속을 측정하고자 하는 광원(4)은, 평면 미러(3)의 면 위에서, 적분 반구(2)의 곡률 중심의 위치에 마련된 광원 장착창(5)에 장착된다. 또한, 광 검출기(6)는 평면 미러(3)의 면 위에 마련된 관측창(6')에 장착되지만, 광원(4)이 광 검출기(6)의 시야에 들어가지 않도록 배치된다.

다음에, 본 실시예의 광속계의 동작 원리를 설명한다.

본 실시예에 있어서의 광원(4)은 싱글 엔드·할로겐 전구와 같은 원주 광원이다. 구체적으로는, 광원(4)의 필라멘트는 평면 미러(3)에 수직이고, 적분 반구(2)의 반경 방향으로 배치된다. 이러한 광원(4)은 도 3에 나타내는 배광 특성을 나타낸다.

관측창(6')의 법선과 적분 반구(2)의 교점에 미소면 A가 위치하는 것으로 한다. 또한, 설명을 간단히 하기 위해, 광원(4)의 발광 중심은 적분 반구(2)의 곡률 중심과 일치하고, 평면 미러(3) 상에 있는 것으로 한다.

광원(4)이 도 3의 배광 특성을 나타내는 경우, 곡률 중심을 지나는 평면 미러의 수선과, 적분 반구(2)의 곡률 중심으로부터 미소면 A에의 직선이 이루는 각을 θ로 할 때의 광도 I(θ)는 수학식 29로 표시된다.

광원(4)의 전체 광속 φ는 수학식 30으로 표시된다.

따라서, 광원(4)으로부터 미소면 A 방향의 광도 I₀(θ)는 수학식 31로 표시된다.

적분 반구(2)의 곡률 반경을 r이라고 하면, 적분구 내벽의 미소면 A 상의 조도 E₀(θ)은 수학식 32로 표시된다.

적분구 내벽의 광 확산 반사면(1)이 반사율 ρ로 완전 확산 반사를 일으키고, 내벽면 상의 미소면 A가 면적 ΔS라고 하면, 미소면 A에서 반사되는 광속 φ_a는 수학식 33으로 표시된다.

미소면 A의 법선에 대하여 각도 θ의 방향으로 광 검출기(6)의 수광면이 있다. 미소면 A로부터 광 검출기(6)의 방향의 광도 I_{a ,d}(θ)는 미소면 A가 완전 광 확산 반사면이기 때문에, 수학식 34로 표시된다.

미소면 A로부터 광 검출기(6)의 수광면까지의 거리는 r·cosθ이다. 따라서, 광원(4)으로부터의 광도 I(θ)의 미소면 A에서의 1차 반사광에 의한 광 검출기(6)의 조도 E_{a ,d,1}은 수학식 35로 표시된다.

광원(4)으로부터의 전체 광속의 미소면 A에서의 반사광에 의한 광 검출기(6)의 조도 E_{a ,d,f}는 수학식 25와 마찬가지로 수학식 36으로 표시된다.

미소면 A로부터의 광에 의한 광 검출기(6)의 수광면의 조도 E_{a ,d}는 수학식 37 로 표시된다.

E_{a ,d,1}과 E_{a ,d,f}의 비를 취하면 수학식 38로 표시된다.

따라서, 수학식 39가 성립한다.

적분 반구(2)의 내벽 상의 전면으로부터의 광원(4)으로부터의 1차 반사광에 의한 광 검출기(6)의 조도 E_{F ,d,1}과, 적분 반구(2)의 내벽 상의 전면으로부터의 확산 반사광에 의한 광 검출기(6)의 조도 E_{F ,d,f}의 비는 수학식 39의 E_{a ,d,1}과 E_{a ,d,f}를, 각각, θ를 전체 공간에 대하여 적분한 값의 비이기 때문에, 수학식 40으로 표시된다.

또, 관측창(6')이 평면 미러(3) 상의 어느 위치이더라도, 수학식 40은 성립한다. 적분 반구(2)의 반사율 ρ가 95% 이상이면, E_{F ,d,1}은 E_{F ,d,f}의 1.7% 이하로 된 다.

E_{F ,d,1}의 값은 광원(4)의 배광에 의해 크기가 변화하지만, E_{F ,d,f}의 값은 광원(4)의 배광에 관계없이, 전체 광속에 비례한다. 따라서, 배광 특성이 거의 같은 광원끼리의 전체 광속을 비교하는 경우, 내부에 차광판(7)이 없는 이상적인 적분구로서 높은 정밀도를 얻을 수 있다.

싱글 엔드·할로겐 전구는 전체 광속 표준 전구의 국가 표준으로서 지정된 특정 1차 표준 전구에 비해, 분포 온도 3000K 정도로 점등할 수 있고, 할로겐 사이클 때문에 단시간의 광속 유지율이 높다. 이 때문에, 싱글 엔드·할로겐은 전체 광속·분광 상용 표준으로서 적합하게 사용된다. 이 싱글 엔드·할로겐 전구를 전체 광속 표준으로 하여 평면 광원의 전체 광속을 측정한 경우의 오차는 1.7% 이하이다. 단, 적분 반구(2)의 광 확산 반사면(1)에서의 반사율 ρ가 95%라고 한다.

평면 광원 및 원통 광원의 각각의 오차는, 각 광원을 1로 했을 때에 중첩하는 E_{F ,d,1}이며, 전체 광속에 비례한 계통 오차이다. 이 때문에, 평면 광원의 Φ+E_F,d,1과, 원통 광원의 Φ+E_{a ,d,1}의 비의 1로부터의 어긋남을, 이 때의 오차로 하고, 양자의 비로부터 산출할 수 있다.

이상의 검토에서는, 설명을 간단히 하기 위해, 광원(4)의 발광 중심을 적분 반구(2)의 곡률 중심으로서 평면 미러(3) 상에 있는 것으로 했지만, 실제의 광원(4)은 반사 미러(3) 위에 높이 L_h로 설치된다. 이 때, 도 4에 나타내는 바와 같이, 광원(4)으로부터, 관측창(6')에 들어가는 광속이 있다. 이 광속이 광 검출 기(6)에 입사하면, 측정 오차가 발생한다.

평면 미러(3)에 광원(4)을 삽입하는 개구(5)의 중심으로부터, 관측창(6')의 중심까지의 거리를 L, 관측창(6')의 반경을 R₁, 광 검출기(6)의 수광면의 반경을 R₂, 평면 미러(3)의 적분 반구(2) 쪽의 면으로부터 광 검출기(6)의 수광면까지의 거리를 L_d라고 하면, L-R₁과 L_h에 의해 구성되는 삼각형과 R₁+R₂와 L_d에 의해 구성되는 삼각형이 상사(相似)로 된다. 따라서, 수학식 41에 나타내는 조건으로 광 검출기(6)를 설치하면, 광 검출기(6)는 광원(4)으로부터의 직접 광을 수광하지 않게 된다. 이 때문에, 상기 측정 오차의 발생을 방지할 수 있다.

(실시예 3)

도 5를 참조하면서, 본 발명에 따른 광학 측정 장치의 실시예 3을 설명한다. 본 실시예의 장치(전체 광속 측정 장치)는 내벽면이 광 확산 반사면(1)으로서 기능하는 적분 반구(2)와, 적분 반구(2)의 곡률 중심을 포함하는 개구부를 막도록 설치한 평면 미러(3)를 구비한다. 전체 광속을 측정하고자 하는 광원(4)은 평면 미러(3)의 면상에서, 적분 반구(2)의 곡률 중심의 위치에 마련된 광원 장착창(5)에 장착된다. 본 실시예에서는, 휘도계(8)가 평면 미러(3)의 면상에 마련된 관측창(6')을 거쳐 적분 반구(2)의 내벽면 상의 미소면 A의 휘도를 측정한다.

다음에, 본 실시예의 광속계의 동작 원리를 설명한다.

적분 반구(2) 상의 미소면 A로부터, 평면 미러(3)에의 수선(垂線) 상에, 관측창(6')의 중심이 있는 것으로 하고, 측정 대상으로 삼는 광원(4)은 액정 백 라이트와 같은 완전 확산 배광을 갖는 면 광원으로 한다. 광원(4)의 법선과 광원(4)의 중심이며 상기 적분 반구(2)의 곡률 중심인 점으로부터 미소면 A에의 직선이 이루는 각을 θ라고 한다. 광원(4)의 전체 광속을 Φ, 광원(4)의 법선 방향의 광도를 I₀(θ)이라고 하면 수학식 42가 성립한다.

따라서, 광원(4)으로부터 미소면 A 방향의 광도 I₀(θ)는 수학식 43으로 표시된다.

적분 반구(2)의 곡률 반경을 r이라고 하면, 광원(4)으로부터의 1차광, 즉 직접 광에 의한 적분구 내벽의 미소면 A 상의 조도 E₀(θ)는 수학식 44로 표시된다.

적분 반구(2)의 내벽의 광 확산 반사면(1)에서 반사율 ρ의 완전 확산 반사가 발생하는 경우, 광원(4)으로부터의 1차광, 즉 직접 광에 의한 미소면 A에서 반 사되는 광속 발산도 M_{a ,1}은 수학식 45로 표시된다.

미소면 A의 법선에 대하여 각도 θ의 방향으로 관측창(6')이 있고, 미소면 A가 완전 광 확산 반사면이기 때문에, 미소면 A로부터 관측창(6')의 방향의 휘도 B_a,d,1(θ)는 수학식 46으로 표시된다.

한편, 광원(4)으로부터의 전 방향의 광에 의한 미소면 A의 조도 E_{a ,f}는, 수학식 22와 마찬가지로, 수학식 47로 표시된다. 단, 미소면 A의 조도는 평면 미러(3)에 의한 허상에 의해 2배로 된다.

미소면 A의 조도 E_{a ,f}에 의해 반사되는 광속 발산도 M_{a ,f}는 수학식 48로 표시된다.

이 광속 발산도 M_{a ,f} 중, 미소면 A로부터 광 검출기(6)의 방향의 휘도 B_a,d,f(θ)는 미소면 A가 완전 광 확산 반사면이기 때문에, 수학식 49로 표시된다.

즉, 적분 반구(2)의 내벽 상의 미소면 A로부터 관측창(6') 방향의 휘도 B_{a ,d}는 수학식 50으로 표시된다. 이 휘도 B_{a ,d}는 휘도계(8)에 의해 측정된다.

B_{a ,d,1}은 B_{a ,d,f}로 나타내면 수학식 51로 표시된다.

여기서, 미소면 A가 θ=75°의 위치에 있다고 하고, 적분 반구(2)의 내벽 반사율 ρ가 95% 이상이면, B_{a ,d,1}은 B_{a ,d,f}의 1.5% 이하로 된다. 광원(4)의 배광에 의해 값의 영향을 받는 것은 B_{a ,d,1}이고, B_{a ,d,f}의 값은, 광원(4)의 배광에 관계없이, 전체 광속에 비례한 값으로 된다. 따라서, 배광 특성이 거의 같은 광원끼리의 전체 광속을 비교하는 경우에, 내부에 차광판(7)이 없는 이상적인 적분구로서 높은 정밀도를 얻을 수 있다.

또한 광 검출기(6)를 적분 반구(2)의 벽면에 접근시키면, θ는 커지기 때문에, B_{a ,d,1}은 더 작아지고, 오차도 작아진다.

도 6은, 본 실시예의 광속계에 의해, 원주 광원의 측정을 행하는 경우를 나타내고 있다. 이하, 이 경우의 동작을 설명한다.

적분 반구(2) 상의 미소면 A로부터, 평면 미러(3)에의 수선 상에, 관측창(6')의 중심이 있다고 하고, 측정 대상으로 하는 광원(4)은 액정 백 라이트와 같은 완전 확산 배광을 갖는 면 광원으로 한다.

광원(4)은 싱글 엔드·할로겐 전구와 같은 상기 평면 미러에 수직이고, 상기 적분 반구의 반경 방향에 필라멘트가 배치되는 원주 광원으로, 도 3에 나타내는 배광 특성을 갖는다.

또, 설명을 간단히 하기 위해, 광원(4)의 발광 중심을, 적분 반구(2)의 곡률 중심이고 평면 미러(3) 상에 있는 것으로 한다. 이 배광 특성은 적분 반구(2)의 곡률 중심으로부터 미소면 A에의 직선이 이루는 각을 θ로 하고, 이 때의 광도를 I(θ)라고 하면, 수학식 52로 표시된다.

광원(4)의 전체 광속 Φ는 수학식 53으로 표시된다.

따라서, 광원(4)으로부터 미소면 A 방향의 광도 I₀(θ)는 수학식 54로 표시된다.

적분 반구(2)의 곡률 반경을 r이라고 하면, 적분구 내벽의 미소면 A 상의 조도 E₀(θ)는 수학식 55로 표시된다.

적분 반구(2)의 내벽의 광 확산 반사면(1)에서 반사율 ρ의 완전 확산 반사가 발생한다고 하면, 광원(4)으로부터의 1차광, 즉 직접 광에 의한 미소면 A로부터 반사되는 광속 발산도 M_{a ,1}은 수학식 56으로 표시된다.

미소면 A의 법선에 대하여 각도 θ의 방향에 관측창(6')이 있고, 미소면 A로부터 관측창(6') 방향의 휘도 B_{a ,d, 1}(θ)는 미소면 A가 완전 광 확산 반사면이기 때문에 수학식 57로 표시된다.

한편, 광원(4)으로부터의 전 방향의 광에 의한 미소면 A의 조도 E_{a ,f}는, 수학식 22와 마찬가지로, 수학식 58로 표시된다. 단, 미소면 A에는, 평면 미러(3)에 의한 허상에 의해, 조도는 2배로 된다.

미소면 A의 조도 E_{a ,f}에 의해 반사되는 광속 발산도 M_{a ,f}는 수학식 59로 표시된다.

이 광속 발산도 M_{a ,f} 중 미소면 A로부터 광 검출기(6)의 방향의 휘도 B_a,d,f(θ)는 미소면 A가 완전 광 확산 반사면이기 때문에 수학식 60으로 표시된다.

즉, 적분 반구(2)의 내벽 상의 미소면 A로부터 관측창(6') 방향의 휘도 B_{a ,d}는 수학식 61로 표시된다. 이 휘도 B_{a ,d}는 휘도계(8)로 측정된다.

B_{a ,d,1}은 B_{a ,d,f}로 나타내면, 수학식 62로 표시된다.

여기서, 관측창(6')이 θ=30°의 위치에 있다고 하고, 반사율 ρ가 95% 이상이면, B_{a ,d,1}은 B_{a ,d,f}의 1% 이하로 된다. 광원(4)의 배광에 의해 값의 영향을 받는 것은 B_{a ,d,1}이고, B_{a ,d,f}의 값은 광원(4)의 배광에 관계없이, 전체 광속에 비례한 값으로 된다. 따라서, 배광 특성이 거의 같은 광원끼리의 전체 광속을 비교하는 경우, 내부에 차광판(7)이 없는 이상적인 적분구로서 높은 정밀도를 얻을 수 있다.

또, 상기한 1%라는 값은 광원(4)으로부터 점 A 방향의 광도 I₀(θ)가 0으로 되는 매우 좁은 대역인 배광을 가지는 광원과, 상기에서 설명한 완전 확산 배광의 광원과의 비교 측정을 행했을 때에 생기는 최대 오차이다. 또한 관측창(6')을 광원(4)에 접근시키면, θ는 작아지고, 이 비는 더 커지며, 오차는 작아진다.

싱글 엔드·할로겐 전구를 전체 광속 표준으로 하여 평면 광원의 전체 광속을 측정한 경우의 오차를 도 7에 나타낸다. 적분 반구(2)의 광 확산 반사면(1)의 반사율 ρ은 95%로 하고 있다. 평면 광원, 원통 광원 각각의 오차는 각각의 광원을 1로 했을 때에 중첩하는 B_{a ,d,1}이며, 전체 광속에 비례한 계통 오차이다. 이 때문에, 평면 광원의 B_{a ,d}와 원통 광원의 B_{a ,d,1}의 비의 1로부터의 어긋남을 이 때의 오차로 했다. 가로축은 적분구 중심으로부터 관측창(6')까지의 거리를 적분구 반경 으로 규격화한 값이다.

도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 원통 광원을 표준으로 하여 평면 광원을 측정하는 경우, 관측창(6')은 적분 반구(2)의 중심으로부터, 그 반경의 65% 이상의 위치에 배치하면, 3% 이내의 오차의 측정이 가능하다.

본 발명의 광학 측정 장치는 적분 반구의 중심을 지나는 평면 미러 상에 관측창이 있기 때문에, 차광판을 적분 공간 내에 설치하지 않아, 광원으로부터의 직사광이 관측창에 입사하는 것을 회피할 수 있어, 차광판의 자기 흡수나 반사 광속의 차폐없이, 그것에 의한 측정 오차를 감소시킬 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 광학 측정 장치는 전구, 형광 램프 등의 일반 조명용 광원은, 물론, 액정 백 라이트나 전조 간판용 광원 시스템이나, PDP 등의 자발광 평면 디스플레이의 전체 광속의 평가에 적합하게 이용된다.

Claims (6)

1. 광 입사창 또는 광원 장착부로서 기능하는 중앙 개구부와,

   광 검출기에 의한 측정을 가능하게 하는 관측창을 갖는 평면 미러, 및

   상기 평면 미러의 상기 중앙 개구부 내에 곡률 반경의 중심을 갖고, 내벽면이 광 확산 반사면으로서 기능하는 반구

   를 구비하되,

   상기 평면 미러와 상기 반구는 내부에 적분 공간을 형성하는 광학 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 광 검출기는 상기 평면 미러의 관측창에 장착되어 있는 광학 측정 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 중앙 개구부에 장착되는 광원이 상기 평면 미러에 대하여 L_h의 거리만큼 적분 공간 내로 돌출하는 경우에, 상기 중앙 개구부의 중심으로부터 상기 관측 창의 중심까지의 거리를 L, 상기 관측창의 반경을 R₁, 상기 광 검출기의 수광면의 반경을 R₂로 했을 때, 상기 광 검출기는 상기 관측창의 후방 L_d의 위치에 설치되고,

   

   의 조건을 만족하는 광학 측정 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 적분 공간 내에는 차광부가 배치되어 있지 않은 광학 측정 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 광 검출기는 휘도계인 광학 측정 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 관측창과 상기 중앙 개구부의 거리는 상기 반구의 곡률 반경의 65% 이상인 광학 측정 장치.

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