特許 6531295 反射光検出装置及び反射光検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6531295

(24)【登録日】2019年5月31日

(45)【発行日】2019年6月19日

(54)【発明の名称】反射光検出装置及び反射光検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/45 20060101AFI20190610BHJP

   G01N 21/27 20060101ALI20190610BHJP

【ＦＩ】

   G01J3/45

   G01N21/27 B

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-101747(P2016-101747)

(22)【出願日】2016年5月20日

(65)【公開番号】特開2017-207447(P2017-207447A)

(43)【公開日】2017年11月24日

【審査請求日】2018年1月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】304028346

【氏名又は名称】国立大学法人 香川大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001069

【氏名又は名称】特許業務法人京都国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】林 宏樹

(72)【発明者】

【氏名】石丸 伊知郎

【審査官】 塚本 丈二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０２３６０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５１６１１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０５４７０８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５４９５４２９（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０００−００９４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−３２９５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０９３４１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０２３２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１１８０７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０５−００７５５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００６２３６４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｊ ３／００−３／５２

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７−２１／６１

Ｇ０１Ｎ ２１／８４−２１／９５８

Ａ６１Ｂ ５／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

a) 全体として平面ではない表面を有する対象物の第１領域に、第１方向から所定の偏光方向の第１測定光を入射させる第１照明装置と、
b) 前記第１測定光が前記第１領域において表面反射された光である第１表面反射光の少なくとも一部が入射する位置に配置された偏光光学系と、
c) 前記対象物の表面の前記第１領域とは異なる領域である第２領域に、第２方向から所定の偏光方向の第２測定光を入射させる第２照明装置と、
d) 前記第２測定光が前記第２領域において表面反射された光である第２表面反射光の少なくとも一部が前記偏光光学系に入射するように、前記第２測定光の光軸の方向を調整する第２光軸調整手段と、
e) 前記偏光光学系を通過した光を検出する検出器と、
f) 前記第１表面反射光の振動方向と前記第２表面反射光の振動方向が同じになるように、前記第１測定光及び前記第２測定光の少なくとも一方の偏光方向を調整する偏光調整機構と
を備え、
前記第１照明装置が、第１光源と、該第１光源と前記第１領域の間に配置された第１偏光板とを備え、
前記第２照明装置が、第２光源と、該第２光源と前記第２領域の間に配置された第２偏光板とを備え、
前記偏光調整機構が、前記第１偏光板の姿勢を変更する第１偏光調整機構と、前記第２偏光板の姿勢を変更する第２偏光調整機構とから構成されている
ことを特徴とする反射光検出装置。

【請求項2】

前記第１偏光板が、該偏光板内にある、該偏光板の偏光方向と平行な軸周り、および該偏光板の偏光方向と直交する軸周りに回転自在であり、
前記第２偏光板が、該偏光板内にある、該偏光板の偏光方向と平行な軸周り、および該偏光板の偏光方向と直交する軸周りに回転自在であることを特徴とする請求項１に記載の反射光検出装置。

【請求項3】

前記検出器が、
前記偏光光学系を通過した光を集光するための集光光学系と、
前記集光光学系によって集光された光を平行光に変換するための平行光学系と、
前記平行光を第１分割光と第２分割光に分割し、該第１分割光と該第２分割光の間に連続的に変化する光路長差を付与する光路長差付与手段と、
連続的に変化する光路長差が付与された前記第１分割光及び前記第２分割光を結像面上に集光させて干渉光を形成する結像光学系と、
前記結像面上に配置された複数の画素を有する、前記干渉光の強度を検出する干渉光検出部と、
前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物に含まれる成分のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の反射光検出装置。

【請求項4】

前記第１照明装置及び前記第２照明装置が、前記対象物に対してそれぞれ相対的に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の反射光検出装置。

【請求項5】

前記第１照明装置が、ブリュースター角で前記第１領域に前記第１測定光を入射させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の反射光検出装置。

【請求項6】

前記第１測定光の光軸を調整する第１光軸調整手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の反射光検出装置。

【請求項7】

前記第２領域が前記対象物の表面の異なる複数の箇所から成り、
前記第２照明装置が、前記複数の第２領域にそれぞれ第２測定光を照射する複数の光源を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の反射光検出装置。

【請求項8】

a) 全体として平面ではない表面を有する対象物の第１領域に対して、第１照明装置により第１方向から所定の偏光方向の第１測定光を入射させ、
b) 前記第１測定光が前記第１領域において表面反射された光である第１表面反射光の少なくとも一部が入射する位置に偏光光学系を配置し、
c) 前記対象物の表面の前記第１領域とは異なる領域である第２領域に対して、第２照明装置により第２方向から所定の偏光方向の第２測定光を入射させ、
d) 前記第２測定光が前記第２領域において表面反射された光である第２表面反射光の少なくとも一部が前記偏光光学系に入射するように、前記第２測定光の光軸の方向を調整し、
e) 前記偏光光学系を通過した光を検出する方法であって、
前記第１照明装置が、第１光源と、該第１光源と前記第１領域の間に配置された第１偏光板とを備え、
前記第２照明装置が、第２光源と、該第２光源と前記第２領域の間に配置された第２偏光板とを備え、
前記第１偏光板の姿勢、及び／又は前記第２偏光板の姿勢を変更することにより、
前記第２表面反射光の振動方向が、前記第１表面反射光の振動方向と同じになるように、前記第２測定光の偏光方向を調整する
ことを特徴とする反射光検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、対象物に異なる複数の方向から光を入射させたときに該対象物から発せられる反射光（表面反射光、内部反射光）を用いて対象物を分析するために用いられる反射光検出装置及び反射光検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

物体の表面の所定の測定領域に光を照射したときの反射光を用いて、物体の表面形状や色、該物体の内部に含まれる成分等を定性的、定量的に測定することが従来より行われている。反射光には物体の表面で反射された反射光（表面反射光成分）と、物体の内部に進入し、そこで反射された光（内部反射光成分）が含まれており、測定する対象に応じて表面反射光成分、もしくは内部反射光成分、あるいは両方が利用される。表面反射光成分及び内部反射光成分の一方のみを用いて物体の表面形状や色、該物体の内部に含まれる成分等を測定する場合は、他方の成分がノイズとなるため、測定の精度や感度を上げるためには、反射光から該他方の成分を取り除く必要がある。

【0003】

例えば特許文献１には、光源からの光を人の顔に照射したときに発生する反射光のうち内部反射光成分を用いて肌の色を構成するメラニンやヘモグロビンなどの色素成分の量を測定する方法が開示されている。物体の表面に直線偏光を入射させた場合、表面反射では入射光の偏光状態（振動方向）が維持される一方、反射の方向が様々な内部反射では振動方向も様々であるため非偏光になる。そこで特許文献１では、光源と人の顔の間に第１の偏光フィルタを、人の顔と受光手段との間に第１偏光フィルタと偏光方向が直交する第２偏光フィルタをそれぞれ配置することにより反射光から表面反射光成分を取り除いている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開2002-200050号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１では、顔面の比較的狭い領域に光を照射しているため、顔面の表面での反射光もほぼ同一の方向となる。従って、第１偏光フィルタの偏光方向と第２偏光フィルタの偏光方向を上述した関係に設定することにより、表面反射光のほぼ全てを除去することができる。しかしながら、この方法で顔面の全体に含まれる色素成分の量や分布を測定する場合は、顔面における光の照射領域を順に移動させながら、その反射光を測定する必要があり、時間がかかる。

【0006】

そこでこのような場合、顔面全体もしくは顔面の複数箇所に光を照射し、そのときに発生する反射光をまとめて測定することが考えられるが、顔面のように平面ではない表面を有する物体に光を照射すると、光の入射角度が様々となるため、表面反射光も様々な方向に進行することになる。また、表面反射の方向が異なると、その振動方向も異なる。従って、この方法では、人の顔と受光手段の間に１個の第２偏光フィルタを配置しただけでは、表面反射光を十分に取り除くことができないという問題があった。
なお、ここでは表面反射光を除去する場合について説明したが、表面反射光を取り出す場合も同様である。

【0007】

本発明が解決しようとする課題は、平面ではない表面を有する対象物の広い範囲に光を照射した場合に生じる反射光を検出する際に表面反射光成分をまとめて取り出したり、まとめて取り除くことができる反射光検出装置及び反射光検出方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために成された本発明に係る反射光検出装置は、
a) 全体として平面ではない表面を有する対象物の第１領域に、第１方向から所定の偏光方向の第１測定光を入射させる第１照明装置と、
b) 前記第１測定光が前記第１領域において表面反射された光である第１表面反射光の少なくとも一部が入射する位置に配置された偏光光学系と、
c) 前記対象物の表面の前記第１領域とは異なる領域である第２領域に、第２方向から、前記第１測定光と偏光方向が同じである第２測定光を入射させる第２照明装置と、
d) 前記第２測定光が前記第２領域において表面反射された光である第２表面反射光の少なくとも一部が前記偏光光学系に入射するように、前記第２測定光の光軸の方向を調整する調整手段と、
e) 前記偏光光学系を通過した光を検出する検出器と
を備えることを特徴とする。

【0009】

また、上記課題を解決するために成された本発明に係る反射光検出方法は、
a) 全体として平面ではない表面を有する対象物の第１領域に、第１方向から所定の偏光方向の第１測定光を入射させ、
b) 前記第１測定光が前記第１領域において表面反射された光である第１表面反射光の少なくとも一部が入射する位置に偏光光学系を配置し、
c) 前記対象物の表面の前記第１領域とは異なる領域である第２領域に、第２方向から、前記第１測定光と偏光方向が同じである第２測定光を入射させ、
d) 前記第２測定光が前記第２領域において表面反射された光である第２表面反射光の少なくとも一部が前記偏光光学系に入射するように、前記第２測定光の光軸の方向を調整し、
e) 前記偏光光学系を通過した光を検出する
ことを特徴とする。

【0010】

第１領域及び第２領域は、必ずしも平面である必要はないが、できるだけ凹凸が少ない平坦な面であることが好ましく、一様に連続した面であればなお良い。「一様に連続した面」とは、例えば流線型の車体の側面のように、第１領域内及び第２領域内の各部における接線の傾きが該領域内の全体で大きく変化しないような滑らかな曲面をいう。また、例えば多面体状の対象物の場合は、辺部や頂部が含まれないように第１領域及び第２領域を設定すると良い。

【0011】

また、偏光光学系とは、偏光板や偏光フィルタ等、所定の偏光方向の光のみを通過させる光学部材を含む光学系をいう。

【0012】

対象物に光が入射すると、その光の一部は対象物の表面で反射され、残りは試料の内部に進入して拡散反射される。このとき、対象物に入射する光が所定の偏光方向の光であるとき、対象物の表面における反射では、その偏光状態が維持され、内部反射光では偏光状態が崩れて非偏光となる。上記照明システム及び照明方法においては、対象物の表面の第１領域に入射した第１測定光の表面反射光（第１表面反射光）の少なくとも一部、及び第２領域に入射した第２測定光の表面反射光（第２表面反射光）の少なくとも一部は、いずれも共通の偏光光学系に入射する。また、第１領域に入射した第１測定光が対象物の内部に進入し、内部反射された光（以下、「第１内部反射光」という）、及び第２領域に入射した第２測定光が対象物の内部に進入し、内部反射された光（以下、「第２内部反射光」という）は様々な方向に放射されるため、これらの一部も第１及び第２表面反射光と同様に偏光光学系に入射する。このとき、第１測定光と第２測定光の偏光方向が同じであるため、第１表面反射光と第２表面反射光の偏光方向も同じになる。従って、偏光光学系が、第１表面反射光及び第２表面反射光の偏光方向と同じ偏光軸の光学部材、あるいは、第１表面反射光及び第２表面反射光の偏光方向と直交する偏光軸の光学部材、さらにはその中間の偏光軸の光学部材を含むように構成することにより、該偏光光学系を通過して検出器に向かう第１及び第２表面反射光、並びに第１及び第２内部反射光の量を一括して調整することができる。

【0013】

なお、偏光光学系は、偏光フィルタの他、第１表面反射光又は第２表面反射光の多くが前記光学部材に向かうように第１表面反射光又は第２表面反射光の進行方向を変更するための１枚ないし複数枚の反射ミラー、第１表面反射光又は第２表面反射光を偏光フィルタ付近に集光させるためのコリメータレンズ等を含むように構成しても良い。

【0014】

上記反射光検出装置及び反射光検出方法においては、前記第１照明装置及び前記第２照明装置を、前記対象物に対してそれぞれ相対的に移動可能に構成することができる。このような構成により、対象物の表面の適宜の箇所に第１測定光及び第２測定光を入射させることができる。

【0015】

さらに、本発明においては、
好ましくは前記検出器が、
前記偏光光学系を通過した光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系によって集光された光を平行光に変換する平行光学系と、
前記平行光を第１分割光と第２分割光に分割し、該第１分割光と該第２分割光の間に連続的に変化する光路長差を付与する光路長差付与手段と、
連続的に変化する光路長差が付与された前記第１分割光及び前記第２分割光を結像面上に集光させて干渉光を形成する結像光学系と、
前記結像面上に配置された複数の画素を有する、前記干渉光の強度を検出する干渉光検出部と、
前記干渉光検出部で検出された前記干渉光の光強度に基づき、前記被測定物に含まれる成分のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と
を備える。

【0016】

上記構成においては、偏光光学系を通過した光は集光光学系に集光された後、平行光学系によって平行光束とされる。そして、光路長差付与手段によって第１分割光と第２分割光に分割された後、結像光学系によって結像面上に集光士、干渉光を形成する。このとき、光路長差付与手段によって第１分割光と第２分割光の間に連続的に変化する光路長差が付与されるため、この光路長差の変化に応じて結像面上に形成される干渉光の強度が変化する。従って、干渉光の強度を検出することにより、光路長差と干渉光の強度の関係、つまりインターフェログラムが求められるため、このインターフェログラムをフーリエ変換することにより前記偏光光学系を通過した光のスペクトル（分光特性）を取得することができる。従って、偏光光学系として、第１及び第２表面反射光と偏光軸が同じ偏光板を採用することにより、対象物の表面の分光特性を取得することができ、第１及び第２表面反射光の偏光軸と直交する偏光軸の偏光板を採用することにより、対象物の内部成分の分光特性を取得することができる。

【0017】

また、第１照明装置は、ブリュースター角で前記第１領域に第１測定光を入射させることが好ましい。ここで、第１領域が曲面であるときは該第１領域内のいずれかにおいて第１測定光がブリュースター角で入射していれば良い。

【0018】

表面反射では、入射面（対象物表面の法線と入射光を含む面）に対して垂直な方向に振動する直線偏光成分（Ｓ偏光成分）と入射面に対して平行な方向に振動する直線偏光成分（Ｐ偏光成分）が、それぞれ異なる反射率で反射されることが知られている。具体的には、Ｐ偏光成分の反射率はＳ偏光成分の反射率よりも小さく、特にＰ偏光成分は反射率がゼロになる入射角が存在し、このときの入射角はブリュースター角と呼ばれている。従って、上記構成においては、第１測定光がブリュースター角で第１領域に入射するため、入射面との関係でＰ偏光となる成分が第１表面反射光に含まれなくなり、偏光光学系に向かう第１表面反射光の量を少なくすることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、全体として平面ではない表面を有する対象物の複数の領域に対して複数の方向から測定光を入射させることにより生じる表面反射光の振動方向（偏光状態）を揃えて１個の偏光光学系を通過させるため、該偏光光学系を通過する光の多くを表面反射光にしたり、内部反射光にしたりすることができる。このため、対象物の表面による反射光（表面反射光及び内部反射光）を一括して検出器で検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の一実施形態に係る反射光検出装置の概略的な全体構成を示すブロック図。

【図2】分光測定装置の概略構成図。

【図3】対象物と照明装置及び分光測定装置の位置関係を示す図。

【図4】第１照明装置の偏光板の傾きを変化させた例（ａ）、第１及び第２照明装置の偏光板の傾きを変化させた例（ｂ）を示す図。

【図5A】第１偏光板と受光側偏光板の偏光方向がオープンニコルにある状態を示す図。

【図5B】第１偏光板と受光側偏光板の偏光方向がクロスニコルにある状態を示す図。

【図5C】第１偏光板をＸ軸周りに回転させたときの偏光板と受光側偏光板の偏光方向の関係を説明するための図。

【図5D】第１偏光板をＸ軸周りに回転させたときの光源、対象物、カメラの位置関係、及び偏光板と受光側偏光板の偏光方向の関係を説明するための図。

【図5E】第１偏光板をＺ軸周りに回転させたときの光源、対象物、カメラの位置関係、及び第１偏光板と受光側偏光板の偏光方向の関係を説明するための図。

【図5F】受光側偏光板をＺ軸周りに回転させたときの光源、対象物、カメラの位置関係、及び第１偏光板と受光側偏光板の偏光方向の関係を説明するための図。

【図6】赤色塗料で塗装した金属板に２個の白色ＬＥＤから光を照射したときの分光特性を測定する実験系の概略図。

【図7】２個の白色ＬＥＤから光を照射したときの金属板の可視画像（ａ）、ＣＣＤ画像（ｂ）。

【図8】第１偏光板と受光側偏光板の偏光方向がクロスニコルの関係にあるときの反射光の分光特性。

【図9】第１偏光板と受光側偏光板の偏光方向が１５°ずれているときの反射光の分光特性。

【図10】赤色塗料で塗装したミニチュアカーに２個の白色ＬＥＤから光を照射したときの分光特性。

【図11】第１偏光板と受光側偏光板の偏光方向がクロスニコルの関係にあるときのＣＣＤ画像（ａ）、オープンニコルの関係にあるときのＣＣＤ画像（ｂ）。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明に係る反射光検出装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
［反射光検出装置の構成］
図１は本実施形態に係る反射光検出装置のブロック図である。また、図２は該反射光検出装置における分光測定装置の概略的な全体構成図である。反射光検出装置は、照明システム１００と分光測定装置２００とこれらの動作を制御する制御装置３００から構成されている。

【0022】

［照明システムの構成］
照明システム１００は、１個の第１照明装置１１と１ないし複数個の第２照明装置１２と受光側偏光板１３を備えている。受光側偏光板１３は本発明の偏光光学系に相当する。詳しくは後述するように、受光側偏光板１３は、第１及び第２照明装置１１，１２から対象物Ｓに入射した光の反射光（表面反射光、内部反射光）の少なくとも一部が入射する位置に配置されている。受光側偏光板１３の後段に分光測定装置２００が配置されている。

【0023】

第１照明装置１１及び第２照明装置１２の位置や第２照明装置１２の数は、対象物Ｓの大きさや形状に応じて適宜設定される。例えば対象物が人の顔の場合は、第１照明装置１１及び第２照明装置１２並びに受光側偏光板１３はいずれも対象物の前方に配置される。また、第２照明装置１２は複数設けても良いが、１個でも十分である。一方、対象物が自動車の車体のような横長の立体形状の物体の場合は、第１照明装置１１は対象物の上方に配置され、受光側偏光板１３は対象物の前方又は後方に配置される。受光側偏光板１３を対象物の前方に配置する場合は、対象物の後方から光を照射してもその表面反射光を受光側偏光板１３に入射させることは難しいため、第２照明装置１２は対象物の左右の側方又は上下にそれぞれ１ないし複数個配置される。

【0024】

第１照明装置１１は、第１光源１１１と、該光源１１１と対象物の間に配置され、前記第１光源１１１から出射した光が入射する第１偏光板１１２と、第１光源１１１から出射される光の光軸を調整する第１光軸調整機構１１３と、第１偏光板１１２の偏光方向を調整する第１偏光調整機構１１４を備えている。この場合、第１光源１１１から出射され、第１偏光板１１２を透過した光が第１測定光となる。同様に、第２照明装置１２は、第２光源１２１と、該第２光源１２１から出射した光が入射する第２偏光板１２２と、第２光源１２１から出射する光の光軸を調整する第２光軸調整機構１２３と、第２偏光板１２２の偏光方向を調整する第２偏光調整機構１２４を備えている。そして、第２光源１２１から出射され、第２偏光板１２２を透過した光が第２測定光となる。

【0025】

第１光源１１１及び第２光源１２１には例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。第１光源１１１及び第２光源１２１が出射する波長範囲は対象物の種類によって設定する。例えば、対象物が人の顔面の場合は、皮膚の透過性に優れた赤色の波長範囲を含むＬＥＤが第１光源１１１及び第２光源１２１として用いられる。

【0026】

第１光源１１１及び第２光源１２１は、例えばピボット駆動可能な保持部に保持されており、該保持部のピボット角を変更することにより出射光の光軸、すなわち、第１及び第２測定光の光軸の方向を変更することができる。ピボット角の変更は手動で行っても良く、自動で行うようにしても良い。自動で行う場合の構成として、例えば次のような構成が考えられる。
受光側偏光板１３の近傍に光センサを配置し、該光センサの検出結果に基づき、受光側偏光板１３に入射する第１及び第２測定光の強度が最大となるように保持部のピボット角を調整するとともに保持部と対象物Ｓと受光側偏光板１３の配置を調整する調整機構を設ける。また、第１光源１１１及び第２光源１２１の設置位置からの光が対象物Ｓに対してブリュースター角で入射したときの第１及び第２測定光の強度が最も大きくなるように、あるいは強度が最も小さくなるように、さらには、強度が所定の設定値となるように、保持部のピボット角を調整するとともに保持部と対象物Ｓと受光機（後述する分光測定装置２００のＣＣＤカメラ２０４）の配置を調整すると良い。第１光源１１１及び第２光源１２１からの光が対象物Ｓに対してブリュースター角で入射する箇所は、第１光源１１１及び第２光源１２１と対象物Ｓの位置が決まればある程度特定することができる。
手動で光軸を変更する構成においては、第１光源１１１の保持部及び第２光源１２１の保持部がそれぞれ第１光軸調整機構１１３及び第２光軸調整機構１２３となる。また、自動で光軸を変更する構成では、光センサ、第１光源１１１の保持部、及び駆動機構が第１光軸調整機構１１３となり、光センサ、第２光源１２１、及び駆動機構が第２光軸調整機構１２３となる。

【0027】

［分光測定装置の構成］
図２に示すように、分光測定装置２００は、第１測定光及び第２測定光の対象物による反射光（表面反射光及び内部反射光）であって受光側偏光板１３を透過した光を集光し、平行光束にする光学系２０１、位相シフタ２０２、結像レンズ２０３、該結像レンズ２０３の結像面上に位置する受光面を有するＣＣＤカメラ２０４、ＣＣＤカメラ２０４の検出信号の処理や位相シフタ２０２の駆動を制御する制御部２０５を備えている。光学系２０１は、集光レンズ２０１１とコリメータレンズ２０１２から構成されており、これらレンズはそれぞれ本発明の集光光学系及び平行光学系として機能する。位相シフタ２０２は、固定ミラー部２１０及び可動ミラー部２１１並びに可動ミラー部２１１を矢印方向に移動させる駆動機構２１２を備えている。

【0028】

ＣＣＤカメラ２０４は２次元配置された複数の受光素子を備えている。制御部２０５は、ＣＣＤカメラ２０４（受光素子）の検出信号からインターフェログラムを求め、このインターフェログラムを数学的にフーリエ変換することにより前記受光側偏光板１３を透過した光の波長毎の相対強度である分光特性（スペクトル）を求める処理部２０６、駆動機構２１２の動作状態から、位相シフタ２０２を構成する固定ミラー部２１０及び可動ミラー部２１１の位置関係を判別する判別部２０７、処理部２０６の処理結果や判別部２０７の判別結果等をディスプレイ、プリンタ等の出力装置に出力する出力部２０８を備える。

【0029】

［反射光検出装置の動作］
次に、反射光検出装置の動作について図３及び図４を参照して説明する。ここでは、説明を簡単にするため、対象物Ｓは、上面及び左右側面がいずれもほぼ平坦な面からなる、先細状の左右対称な立体形状であることとし、長方形の板状の台４００の上に載置された対象物Ｓを取り囲むように１個の第１照明装置１１と２個の照明装置１２が配置されていることとする（図３参照）。また、以下の説明では、台４００の上面が水平面上にあることとし、台４００の上面の四つの辺のうち対向する二辺に平行な軸をＸ軸、残りの対向する二辺に平行な軸をＹ軸、Ｘ軸及びＹ軸と直交する軸（鉛直軸）をＺ軸とする。さらに、図３（ａ）における紙面左側を前、右側を後ろとする。

【0030】

第１照明装置１１は対象物Ｓの上方に、第２照明装置１２は対象物Ｓの左右の側方にそれぞれ配置されている。第１照明装置１１の第１偏光板１１２はＸＹ平面と平行に配置され、第１光源１１１は第１偏光板１１２よりも上方に配置されている。また、２個の第２照明装置の一方の偏光板１２２はＸＺ平面と平行になるように台４００の左辺の上に立設され、他方の偏光板１２２はＸＺ平面と平行になるように台４００の右辺の上に立設されている。また、第２光源１２１は、いずれも左右の第２偏光板１２２よりも外方に配置されている。そしてまた、対象物Ｓの前方には受光側偏光板１３及び分光測定装置２００が配置されている。

【0031】

なお、対象物Ｓの後方には遮光板４０１が配置されている。これにより、対象物Ｓは、台４００、第１偏光板１１２、第２偏光板１２２及び遮光板４０１によって構成される前方が開口する矩形箱状の空間に位置することとなり、対象物Ｓに入射した第１測定光及び第２測定光の反射光は該空間の開口を通してのみ受光側偏光板１３に向かう。

【0032】

上記構成において、まず、第１偏光板１１２の偏光方向（偏光軸）がＸ軸方向となるように、第２偏光板１２２の偏光方向がＺ軸方向となるように設定する。また、受光側偏光板１３として偏光方向がＹ軸方向となる偏光板を採用する。これにより、第１偏光板１１２と第２偏光板１２２、第１偏光板１１２と受光側偏光板１３、第２偏光板１２２と受光側偏光板１３が、いずれも偏光方向が直交する位置関係（クロスニコル）となる。

【0033】

次に、第１光源１１１から出射される光の光軸の向き、及び第２光源１２１から出射される光の光軸の向きを光軸調整機構１１３、１２３によって調整し、第１測定光及び第２測定光の両方が受光側偏光板１３に入射するように設定する。ここでは、第１光源１１１から出射される光の光軸はＸＺ平面と平行な向きに設定し、第２光源１２１から出射される光の光軸はＸＹ平面と平行な向きに設定する。

【0034】

続いて、第１光源１１１から光を出射させると、そのうちＸＺ平面と平行な方向に振動する成分が第１偏光板１１２を透過し、第１測定光として対象物Ｓの上面の所定の領域（第１領域）に入射した後、該第１領域で反射されて受光側偏光板１３に向かう。このとき、第１測定光の入射面（第１測定光の光軸と第１領域における法線を含む面）とＸＺ平面は平行となるため第１測定光はＰ偏光となり、第１測定光の表面反射光（第１表面反射光）もＰ偏光となる。

【0035】

一方、第２光源１２１から光を出射させると、そのうちＹＺ平面と平行な方向に振動する成分が第２偏光板１２２を透過し、第２測定光として対象物Ｓの左側面及び右側面の所定の領域（第２領域）に入射した後、該第２領域で反射されて受光側偏光板１３に向かう。このとき、第２測定光の入射面（第２測定光の光軸と第２領域における法線を含む面）とＹＺ平面は直交するため、入射面との関係では第２測定光はＳ偏光となるが、第２領域で表面反射されて受光側偏光板１３に向かうときの振動方向は第１表面反射光と同じになる。従って、第１表面反射光及び第２表面反射光はいずれも受光側偏光板１３を通過する際に減衰され、第１測定光による内部反射光及び第２測定光による内部反射光のみが分光測定装置２００に入射する。

【0036】

なお、図３に示す例では、第１偏光板１１２、第２偏光板１２２、及び受光側偏光板１３を互いに直交するように配置したが、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、直交していなくても良い。また、第１及び第２偏光板１１２、１２２の偏光方向が変わらなければ、適宜傾けてもよい。例えば図４（ａ）は、図３に示す状態から第１偏光板１１２をＹ軸周りに回転させた例、図４（ｂ）は図３に示す状態から第１偏光板１１２及び左側の第２偏光板１２２をそれぞれＸ軸周りに回転させ、右側の第２偏光板１２２をＺ軸周りに回転させた例を示す。つまり、第１偏光板１１２は、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りに回転しても偏光方向は変化せず、第２偏光板１２２はＸ軸周り、Ｚ軸周りに回転しても偏光方向は変化しない。つまり、これらの方向には自由に回転させることができる。一方、第１偏光板１１２をＺ軸周りに回転させると、また、第２偏光板１２２をＹ軸周りに回転させると、偏光方向が変化するため、これらの方向の回転自由度はない。

【0037】

以上の反射光検出装置の動作について、図５Ａ〜図５Ｆを使って更に詳しく説明する。図５Ａ〜図５Ｆは、第１偏光板と受光側偏光板の偏光方向の関係を示す図で、図中、矢印が各偏光板の偏光方向（偏光軸の方向）を示す。
図５Ａ及び図５Ｂは、互いに平行に配置された第１偏光板と受光側偏光板がオープンニコル（偏光方向が平行な位置関係）、クロスニコル（偏光方向が直交する位置関係）にある状態を示している。一方、図５Ｃは、図５Ｂに示す状態から第１偏光板をＸ軸周りに回転させた状態を示す。この状態で、図５Ｄに示すように第１偏光板の上方の光源から対象物に向けて光を出射し、受光側偏光板（Ｚ軸方向）に表面反射させる場合は、第１偏光板の傾きに関係なく、第１偏光板の偏光方向と受光側偏光板の偏光方向の関係は変化しない。また、図５Ｅは、図５Ｂに示す状態から第１偏光板をＸ軸周りに回転させ、さらにＺ軸周りに回転させた状態を示す。この状態で、第１偏光板の上方の光源から対象物に向けて光を出射し、受光側偏光板（Ｚ軸方向）に表面反射させる場合も、第１偏光板の傾きに関係なく、第１偏光板の偏光方向と受光側偏光板の偏光方向の関係は変化しない。これは、第１偏光板と受光側偏光板がオープンニコル、クロスニコルのいずれの関係であっても同じである。

【0038】

これに対して、図５Ｆは、図５Ｂに示す状態から第１偏光板をＸ軸周りに回転させ、受光側偏光板をＺ軸周りに回転させた状態を示す。この状態で、第１偏光板の上方の光源から対象物に向けて光を出射し、受光側偏光板（Ｚ軸方向）に表面反射させる場合は、第１偏光板の偏光方向と受光側偏光板の偏光方向の関係が崩れてしまう。これは、受光側偏光板をＹ軸周りに回転させた場合も同様である。また、第１偏光板と光学素子がオープンニコル、クロスニコルのいずれの関係であっても同じである。ただし、図５Ｂに示す状態から第１偏光板をＸ軸周りに回転させた状態から、さらに、第１偏光板をＹ軸周りに回転、もしくは受光側偏光板をＺ軸周りに回転（図５Ｆの状態）させることにより、第１偏光板を透過した光が受光側偏光板を透過する量を調整することができる（図５Ｆ参照）。

【0039】

［測定結果１］
次に、具体的な分光特性の測定結果を示す。
ここでは、表面に赤色の塗料が塗装された断面Ｌ字状の金属板（対象物Ｓ）の異なる２面（Ａ面及びＢ面）に対して２個の白色ＬＥＤ（第１光源１１１及び第２光源１２１、いずれも波長帯域は400〜800nm）から光を照射したときに該金属板で生じる反射光の分光特性を測定した。図６に２個の白色ＬＥＤと第１及び第２偏光板１１２及び１２２、金属板、受光側偏光板１３の配置を示す。また、図６には示していないが、受光側偏光板１３を通過した光が入射する位置に上述の分光測定装置２００が配置されている。

【0040】

図６に示すように、２個の白色ＬＥＤの出射光は、それぞれ金属板の直交する２つの面（Ａ面、Ｂ面）に照射される。各白色ＬＥＤと金属板との間には偏光板（第１偏光板１１２、第２偏光板１２２）が配置されており、上側の白色ＬＥＤ（第１光源１１１）の出射光は偏光軸が矢印Ｄ１で示す方向の偏光となって金属板のＡ面に入射し、下側の白色ＬＥＤ（第２光源１２１）の出射光は偏光軸が矢印Ｄ２で示す方向の偏光となって金属板のＢ面に入射する。また、受光側偏光板１３は、２個の白色ＬＥＤの出射光の金属板における表面反射光の少なくとも一部が入射する位置に配置されている。

【0041】

受光側偏光板１３の偏光軸の方向が図６において矢印Ｄ３で示す方向であるとき、すなわち、受光側偏光板１３と白色ＬＥＤ側の偏光板１１２、１２２の偏光軸がオープンニコルの関係にあるとき、金属板の可視画像、及び金属板の分光測定装置２００のＣＣＤカメラ２０４による検出画像（「ＣＣＤ画像」という）は図７（ａ）及び（ｂ）に示すようになる。これらの図から、Ａ面及びＢ面ともに同じように白色ＬＥＤの出射光が照射されていることが分かる。

【0042】

また、受光側偏光板１３と第１及び第２偏光板１１２、１２２がクロスニコルの関係にあるときの分光測定装置２００の測定結果（スペクトル）を図８に示す。図８には、白色ＬＥＤ（第１光源１１１及び第２光源１２１）の出射光がそのまま受光側偏光板１３に入射した光（白色ＬＥＤ）、白色ＬＥＤ（第１光源１１１）の出射光が第１偏光板１１２を通過し、Ａ面で反射された後、受光側偏光板１３に入射した光、白色ＬＥＤ（第２光源１２１）の出射光が第２偏光板１２２を通過し、Ｂ面で反射された後、受光側偏光板１３に入射した光のスペクトルをそれぞれ示している。

【0043】

図８に示すように、白色ＬＥＤの出射光のスペクトルは、波長450nm付近と波長550nm付近にそれぞれピークが存在する。これに対して、Ａ面からの光のスペクトル、及びＢ面からの光のスペクトルには、白色ＬＥＤの出射光スペクトルのピーク成分が存在しない。これは、Ａ面、Ｂ面における表面反射光の偏光方向と受光側偏光板１３の偏光軸とが直交するため、各面における表面反射光は受光側偏光板１３を通過せず、非偏光である内部反射光の一部のみが受光側偏光板１３を通過するからである。従って、Ａ面及びＢ面からの光のスペクトルはそれぞれ各面における内部反射光のスペクトルを表す。Ａ面及びＢ面からの各光のスペクトルに見られるピーク波長（580nm〜650nm）はＡ面及びＢ面の塗料の色（赤色）の波長に対応する。このことから、本実施形態に係る反射光検出装置において、受光側偏光板１３と第１及び第２偏光板１１２、１２２をクロスニコルの関係にすることにより、Ａ面及びＢ面の塗料成分の分光特性を得られることが分かる。

【0044】

図９は、受光側偏光板１３の偏光軸の方向が図６において矢印Ｄ４で示す方向であるとき、すなわち、受光側偏光板１３の偏光軸の方向と第１及び第２偏光板１１２、１２２の偏光軸の方向が１５°ずれているときの分光測定装置２００の測定結果（スペクトル）を示す。図８と同様、図９には、白色ＬＥＤの出射光がそのまま受光側偏光板１３に入射した光（白色ＬＥＤ）、Ａ面で反射された後、受光側偏光板１３に入射した光、Ｂ面で反射された後、受光側偏光板１３に入射した光のスペクトルがそれぞれ示されている。

【0045】

図８と異なり、図９に示すＡ面からの光のスペクトル、及びＢ面からの光のスペクトルには、白色ＬＥＤの出射光スペクトルの２つのピークに近いピーク成分が存在する。これは、Ａ面、Ｂ面における表面反射光の偏光方向と受光側偏光板１３の偏光軸が直交する状態から15°ずれた状態にあり、各面における表面反射光の一部も、非偏光の内部反射光の一部とともに受光側偏光板１３を通過するためである。従って、Ａ面及びＢ面からの光のスペクトルはそれぞれ各面における表面反射光と内部反射光を含む光のスペクトルを表す。

【0046】

受光側偏光板１３と第１及び第２偏光板１１２、１２２がオープンニコルの関係にあるときも、Ａ面及びＢ面からの表面反射光と内部反射光の両方が受光側偏光板１３を通過するが、この場合は表面反射光の光量の方が内部反射光の光量よりも圧倒的に多く、表面反射光の強度に内部反射光の強度が埋もれてしまうため、内部反射光の分光特性を求めることが難しい。これに対して、受光側偏光板１３と第１及び第２偏光板１１２、１２２の偏光軸の角度を適宜、調整することにより、Ａ面及びＢ面の表面反射光と内部反射光の両方の分光特性を同時に求めることができる。

【0047】

なお、図９において、Ａ面からの光のスペクトルのピーク強度がＢ面からの光のスペクトルのピーク強度よりも大きい理由は、Ａ面からの表面反射光の方がＢ面からの表面反射光よりも、受光側偏光板１３を通過する光量が多いためである。

【0048】

以上より、第１及び第２偏光板１１２、１２２の偏光軸と受光側偏光板１３の偏光軸の関係を調整することにより、分光測定装置２００に入射する表面反射光と内部反射光の光量を調整できることが分かる。

【0049】

［測定結果２］
次に、金属板に代えて、表面に赤色の塗料が塗装されたミニチュアカーの車体に２個の白色ＬＥＤからの光を照射したときの反射光の分光特性を求めた。使用した装置の構成は測定結果１と同じである。その結果を図１０に示す。図１０は、受光側偏光板１３と第１及び第２偏光板１１２、１２２がクロスニコルの関係、オープンニコルの関係にあるときの分光特性、及び光源の分光特性を示す。また、図１１（ａ）、（ｂ）はクロスニコル及びオープンニコルのときのＣＣＤ画像を示す。

【0050】

これら図１０及び図１１からも、本実施形態に係る反射光検出装置では、受光側偏光板１３と第１及び第２偏光板１１２、１２２がクロスニコルの関係にあるときは内部反射光の分光特性を、オープンニコルの関係にあるときは表面反射光の分光特性を検出できることが分かる。

【符号の説明】

【0051】

１１…第１照明装置
１１１…第１光源
１１２…第１偏光板
１１３…光軸調整機構
１１４…偏光調整機構
１２…第２照明装置
１２１…第２光源
１２２…第２偏光板
１２３…光軸調整機構
１２４…偏光調整機構
１３…受光側偏光板
１００…照明システム
２００…分光測定装置
２０１…光学系
２０１１…集光レンズ
２０１２…コリメータレンズ
２０２…位相シフタ
２０４…ＣＣＤカメラ
３００…制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図5F】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】