特許 7185241 反射光分布測定装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-29

(45)【発行日】2022-12-07

(54)【発明の名称】反射光分布測定装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/55 20140101AFI20221130BHJP

【ＦＩ】

G01N21/55

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021139043

(22)【出願日】2021-08-27

【審査請求日】2022-02-14

(73)【特許権者】

【識別番号】304021831

【氏名又は名称】国立大学法人千葉大学

(73)【特許権者】

【識別番号】592004404

【氏名又は名称】中央精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100080090

【弁理士】

【氏名又は名称】岩堀 邦男

(72)【発明者】

【氏名】井上 信一

(72)【発明者】

【氏名】津村 徳道

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 美範

(72)【発明者】

【氏名】星 武幸

【審査官】小野寺 麻美子

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５２－２４９８８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開昭５２－２６８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１０９４１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００２／００８０３５７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／９５８

Ｇ０１Ｍ １１／００ － Ｇ０１Ｍ １１／０８

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

点光源の点像から収束光を生成し、前記収束光を被測定球面の焦点に集光するように前記被測定球面へ照射する投光側光学系と、
前記被測定球面で反射した平行光を受光側コリメータレンズで受光して結像させ点像に戻す受光側光学系と、
前記結像した点像の光量分布を測定する測定部と、
を備えた反射光分布測定装置。

【請求項2】

前記投光側光学系は、前記収束光が集光する集光点を光軸方向に自在に変えられる機能を有する、
請求項１記載の反射光分布測定装置。

【請求項3】

前記投光側光学系は、投光側コリメータレンズと、前記投光側コリメータレンズ及び前記点光源の少なくとも一方を光軸方向に移動自在に支持する投光側支持体と、を有する、
請求項２記載の反射光分布測定装置。

【請求項4】

前記被測定球面を光軸方向に移動自在に支持する被測定側支持体を、
更に備えた請求項１乃至３のいずれか一つに記載の反射光分布測定装置。

【請求項5】

前記被測定球面の焦点から前記被測定球面までの距離を測定する測距部を、
更に備えた請求項１乃至４のいずれか一つに記載の反射光分布測定装置。

【請求項6】

投光側光学系によって、点光源の点像から収束光を生成し、前記収束光を被測定球面の焦点に集光するように前記被測定球面へ照射し、
受光側光学系によって、前記被測定球面で反射した平行光をコリメータレンズで受光して結像させ点像に戻し、
測定部によって、前記結像した点像の光量分布を測定する、
反射光分布測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被測定面から戻ってきた反射光について光量分布などを測定する反射光分布測定装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

被測定面の角度を測定するオートコリメータは、平行光を投光し被測定面で反射した反射光をコリメータ光学系で点像とし、その点像の位置から被測定面の角度を測定する構成である。その被測定面には、平面でかつ鏡面反射の強い物体、一般的にはミラーが使われている。

【0003】

また、コリメータ光学系を用いて、物体の反射光の角度分布であるＢＲＤＦ（Bidirectional Reflectance Distribution Function）を測定する技術は、本発明者により開示されている（特許文献１）。

【0004】

このＢＲＤＦとは、双方向反射率分布関数とも呼ばれる反射モデルの一つであり、反射表面上の点において、光がある方向から入射したとき他の方向へどれだけ反射されるか、を表す関数である。コンピュータグラフィックスの分野において、物体表面の質感を向上させるために、ＢＲＤＦの情報は今後ますます重要になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許５２０４７２３号公報「点像の鏡面反射光分布測定方法および測定装置」

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、コリメータ光学系を用いて物体のＢＲＤＦを測定する技術では、平面に対しては高精度な測定結果が得られるものの、曲面に対しては測定精度が落ちるという問題があった。特にコンピュータグラフィックスで表示したい対象（例えば工業製品や美術品等）は曲面で構成されている場合が多いため、曲面でも高精度にＢＲＤＦを測定できる技術が待望されている。

【0007】

そこで、本発明の目的は、被測定面が曲面である場合にも高精度にＢＲＤＦ等を測定できる反射光分布測定装置及び方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明者は、上記従来技術において曲面の測定精度が落ちる理由について、実験及び考察を繰り返したところ、照射された平行光が曲面で反射して広がってしまい、反射光が平行光にならないことをつきとめた。本発明はこの知見に基づきなされたものである。

【0009】

すなわち、本発明に係る反射光分布測定装置は、
点光源の点像から収束光を生成し、前記収束光を被測定球面の焦点に集光するように前記被測定球面へ照射する投光側光学系と、
前記被測定球面で反射した平行光を受光側コリメータレンズで受光して結像させ点像に戻す受光側光学系と、
前記結像した点像の光量分布を測定する測定部と、
を備えた装置である。

【0010】

そして、本発明に係る反射光分布測定方法は、
投光側光学系によって、点光源の点像から収束光を生成し、前記収束光を被測定球面の焦点に集光するように前記被測定球面へ照射し、
受光側光学系によって、前記被測定球面で反射した平行光をコリメータレンズで受光して結像させ点像に戻し、
測定部によって、前記結像した点像の光量分布を測定する、
方法である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、被測定面を曲面から球面に近似し、収束光を被測定球面の焦点に集光するように被測定球面へ照射することにより、被測定球面からの反射光が平行光になるので、コリメータレンズで精度よく点像に戻すことができ、被測定面が曲面である場合にも高精度にＢＲＤＦ等を測定できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態１の反射光分布測定装置を示す構成図である。

【図2】図１の一部を拡大して示す部分拡大図である。

【図3】光軸方向の原点から点光源までの距離と投光側コリメータレンズから収束光の集光点までの距離（光路長）との関係について、一例を示すグラフである。

【図4】実施形態１における凸面の測定原理を示す概念図である。

【図5】実施形態１における凹面の測定原理を示す概念図である。

【図6】実施形態２の反射光分布測定装置を示す構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。

【0014】

＜実施形態１＞
図１は、実施形態１の反射光分布測定装置を示す構成図である。図２は、図１の一部を拡大して示す部分拡大図である。以下、図１及び図２に基づき説明する。

【0015】

本実施形態１の反射光分布測定装置１１は、投光側光学系２０と受光側光学系３０と測定部４０とを備えている。投光側光学系２０は、点光源２１の点像から収束光２２を生成し、収束光２２を被測定球面５０の焦点５１に集光（収束）するように被測定球面５０へ照射する。受光側光学系３０は、被測定球面５０で反射した平行光３１を受光側コリメータレンズ３２で受光して結像させ点像に戻す。測定部４０は、結像した点像の光量分布を測定する。なお、図２では、収束光２２及び平行光３１を、被測定球面５０よりもかなり拡大して示している。

【0016】

投光側光学系２０は、投光側コリメータレンズ２３と、投光側コリメータレンズ２３及び点光源２１の少なくとも一方を光軸方向ｘに移動自在に支持する投光側支持体２４と、を有する。これにより、投光側光学系２０は、収束光２２が集光する集光点２７を光軸方向ｘに自在に変えられる機能を実現している。図２では、集光点２７を焦点５１に一致させた状態を示している。

【0017】

なお、本実施形態１では、点光源２１のみを光軸方向ｘに移動自在に支持する投光側支持体２４を例示している。投光側光学系２０は、投光側コリメータレンズ２３の代わりに凹面鏡などを用いて構成してもよい。また、例えば可変焦点レンズ又は電気光学レンズなどを用いて、収束光２２が集光する集光点２７を光軸方向ｘに電気的に変えるようにしてもよい。

【0018】

投光側光学系２０は、点光源２１、投光側コリメータレンズ２３及び投光側支持体２４の他に、絞り板２５及びハーフミラー２６を有している。点光源２１は、発光ダイオード又は半導体レーザなどの光源２１ａと、光源２１ａの出射側に設けられたピンホール板２１ｂとからなる。この構成によって、点光源２１から点像が得られる。投光側支持体２４は、例えば図示しないステージ、送りねじ及びパルスモータなどを有し、ステージ上の点光源２１の位置を送りねじ及びパルスモータによって光軸方向ｘに自在に変えられる。なお、パルスモータの代わりに、手動によって送りねじを回転させるようにしてもよい。

【0019】

受光側光学系３０は、受光側コリメータレンズ３２の他に、ハーフミラー２６を有している。ハーフミラー２６は、投光側光学系２０と受光側光学系３０との共用部品である。

【0020】

測定部４０は、ＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサなどの二次元イメージセンサ４１を有する。二次元イメージセンサ４１の受光面は、受光側コリメータレンズ３２の焦点に位置する。二次元イメージセンサ４１の受光面に結像された点像は、二次元座標上のフォトセルごとの光量（すなわち光量分布）として電気信号に変換され、コンピュータへ出力されたり、ディスプレイなどに拡大表示されたりする。そのコンピュータには、入力した光量分布に基づき被測定球面５０の変角光度及び偏角光度を算出する機能、及び、光量分布の半値幅が最小となるように投光側支持体２４を制御する機能を、コンピュータプログラムによって実現してもよい。

【0021】

図１及び図２では、被測定球面５０が凸面の場合を示している。被測定球面５０は、実際の物体表面の曲面を球面に近似したものである。図２において、被測定球面５０から焦点５１までの距離が焦点距離ｒであり、被測定球面５０から被測定球面５０の中心５２までの距離が曲率半径Ｒである。焦点５１は幾何光学で定義される焦点であり、焦点５１に向かう光線は被測定球面５０で反射して光軸に平行な光線となる。中心５２は、被測定球面５０を外表面の一部とする球体の中心である。焦点５１及び中心５２は光軸上に位置する。幾何光学の分野において、曲率半径Ｒと焦点距離ｒはＲ＝２ｒの関係にあることが知られている。

【0022】

図３は、光軸方向ｘの原点ｘ０から点光源２１までの距離Ｘと投光側コリメータレンズ２３から収束光２２の集光点２７までの距離（光路長）Ｙとの関係について、一例を示すグラフである。以下、図１及び図２に図３を加えて、反射光分布測定装置１１の動作の一例を説明する。ここで、原点ｘ０はコリメータレンズ２３の焦点位置である。点光源２１の位置は、ピンホール板２１ｂのピンホール位置である。したがって、原点ｘ０から点光源２１までの距離Ｘは、点光源２１の移動量である。距離Ｘが0.0のとき、点光源２１はコリメータレンズ２３の焦点位置であり、収束光２２の焦点位置は無限大となり、これは平行光である。

【0023】

まず、反射光分布測定装置１１に対向する定位置に、被測定球面５０を設置する。反射光分布測定装置１１をオンにすると、点光源２１から点像が出射される。点像は投光側コリメータレンズ２３で収束光２２に変換され、収束光２２はハーフミラー２６で反射して被測定球面５０へ向かう。図２に示すように、収束光２２の集光点２７が被測定球面５０の焦点５１に一致すれば、幾何光学で説明されるとおり、収束光２２は被測定球面５０で反射して平行光３１になる。平行光３１は、ハーフミラー２６及び受光側コリメータレンズ３２を透過し、二次元イメージセンサ４１の受光面に点像として結像される。このとき、二次元イメージセンサ４１で測定された光量分布の半値幅が最小になれば、収束光２２の集光点２７が被測定球面５０の焦点５１に完全に一致したことになる。

【0024】

収束光２２の集光点２７が被測定球面５０の焦点５１に一致しない場合は、収束光２２は被測定球面５０で反射しても広がってしまい平行光３１にはならない。そのため、二次元イメージセンサ４１の受光面にはぼやけた像しか映らないので、光量分布の半値幅も大きくなる。この場合は、光量分布の半値幅が最小となるまで、投光側支持体２４によって点光源２１を光軸方向ｘに少しずつ移動させる。

【0025】

図３において、横軸は光軸方向ｘの原点ｘ０から点光源２１までの距離Ｘ、縦軸は投光側コリメータレンズ２３から収束光２２の集光点２７までの距離（光路長）Ｙ、実線は計算値、▲は実測値である。ここで、点光源２１が投光側コリメータレンズ２３から離れる方向を、光軸方向ｘの正方向とする。図３に示すように、点光源２１を光軸方向ｘの正方向へ移動させるほど（距離Ｘが大きくなるほど）、収束光２２の集光点２７は投光側コリメータレンズ２３に近づく（距離Ｙは小さくなる）。

【0026】

本実施形態１では、光軸方向ｘの原点ｘ０を、投光側コリメータレンズ２３の焦点位置としている。そのため、点光源２１のピンホール板２１ｂが原点ｘ０に位置するときは、点光源２１の点像が投光側コリメータレンズ２３で収束光ではなく平行光になる。このとき、平面（被測定球面５０の曲率半径Ｒが無限大）に対して、ＢＲＤＦ等の測定が可能となる。点光源２１を原点ｘ０から光軸方向ｘの正方向へ少しずつ移動させると（距離Ｘを少しずつ大きくすると）、収束光２２の集光点２７は無限遠から投光側コリメータレンズ２３側へ少しずつ近づく（距離Ｙが少しずつ小さくなる）。換言すると、点光源２１を原点ｘ０から光軸方向ｘの正方向へ少しずつ移動させると、測定対象となる被測定球面５０の曲率半径Ｒが無限大から少しずつ小さくなる。もちろん、これとは逆に、距離Ｘを少しずつ小さくすることにより、距離Ｙを少しずつ大きくするようにしてもよい。

【0027】

投光側支持体２４は、被測定球面５０の焦点５１から被測定球面５０までの距離（焦点距離ｒ）を測定する測距部としても動作する。定位置に被測定球面５０を設置したとき、投光側コリメータレンズ２３から被測定球面５０までの距離Ｙ０は既知である。このとき、投光側支持体２４の操作時に距離Ｘを測定しておけば、距離Ｘに対応する距離Ｙが図３から求められる。距離Ｙは投光側コリメータレンズ２３から収束光２２の集光点２７（すなわち焦点５１）までの距離であるから、ｒ＝Ｙ－Ｙ０となる。したがって、Ｒ＝２ｒの関係から曲率半径Ｒが得られる。距離Ｘは、例えば、電気信号として出力することにより、又は、目盛りを読み取ることにより、測定可能である。なお、曲率半径Ｒを測定しない場合は、距離Ｙ０が不要であるから、定位置ではなく任意の位置に被測定球面５０を設置してもよい。

【0028】

図４は、実施形態１における凸面の測定原理を示す概念図である。図５は、実施形態１における凹面の測定原理を示す概念図である。以下、図１及び図２に図４及び図５を加えて説明する。

【0029】

図４は被測定球面５０が凸面の場合である。被測定球面５０の焦点５１及び中心５２は被測定物「内」の光軸上に位置する。図４では、焦点５１を集光点２７に一致させた状態を示している。図５は被測定球面６０が凹面の場合である。被測定球面６０の焦点６１及び中心６２は、被測定物「外」の光軸上に位置する。中心６２は、被測定球面６０を内表面の一部とする球体の中心である。図５では、焦点６１を集光点２７に一致させた状態を示している。凸面も凹面も、収束光２２をそれぞれ被測定球面５０，６０の焦点５１，６１に集光するように被測定球面５０，６０へ照射する、という点では同じである。そのため、収束光２２は、被測定球面５０，６０のどちらで反射しても、平行光３１になる。よって、被測定球面６０が凹面の場合でも、被測定球面５０が凸面の場合と同様に、ＢＲＤＦ等を測定可能である。

【0030】

図４からわかるように、収束光２２が焦点５１に集光する前に被測定球面５０（凸面）で反射して平行光３１になるとき、その光束は光軸に垂直な面において上下左右反転しない。しかし、図５からわかるように、収束光２２が焦点６１に集光した後に被測定球面６０（凹面）で反射して平行光３１になるとき、その光束は光軸に垂直な面において焦点６１を境に上下左右反転する。この違いを利用して、被測定球面が凸面であるか凹面であるかを判定できる。例えば、光軸に垂直な直線に対して、点像（チャート像）を非対称とすればよい。

【0031】

次に、反射光分布測定装置１１の効果について説明する。

【0032】

（１）反射光分布測定装置１１によれば、被測定面を曲面から球面に近似し、収束光２２を被測定球面５０の焦点５１に集光するように被測定球面５０へ照射することにより、被測定球面５０からの反射光が平行光３１になるので、受光側コリメータレンズ３２で精度よく点像に戻すことができ、被測定面が曲面（被測定球面５０）である場合にも高精度にＢＲＤＦ等を測定できる。

【0033】

（２）投光側光学系２０において収束光２２が集光する集光点２７を光軸方向ｘに自在に変えられる機能を有する場合は、広範囲の位置にある焦点５１にも収束光２２を集光できるので、広範囲の焦点距離ｒを持つ被測定球面５０に対しても高精度にＢＲＤＦ等を測定できる。

【0034】

（３）投光側光学系２０において投光側コリメータレンズ２３及び点光源２１の少なくとも一方を光軸方向ｘに移動自在に支持する投光側支持体２４を有する場合は、投光側コリメータレンズ２３の焦点位置に点光源２１を置くこともできるので、平面から曲面（凸面及び凹面）までの多様な被測定面に対しても高精度にＢＲＤＦ等を測定できる。また、平面から曲面（凸面及び凹面）までの多様な被測定面の角度を測定できるオートコリメータとしても、利用可能である。

【0035】

（４）被測定球面５０の焦点５１から被測定球面５０までの距離（焦点距離ｒ）を測定する測距部を備えた場合は、焦点距離ｒを二倍すれば曲率半径Ｒを求められることから、ＢＲＤＦ等と同時に曲率半径Ｒも測定できる。しかも、曲率半径Ｒそのものを測定する場合に比べて半分の距離を測定すればよいので、曲率半径Ｒの測定を簡易化できる。

【0036】

（５）反射光分布測定装置１１の動作を方法の発明として捉えると、次の工程を含む反射光分布測定方法となる。
投光側光学系２０によって、点光源２１の点像から収束光２２を生成し、収束光２２を被測定球面５０の焦点５１に集光するように被測定球面５０へ照射する工程。
受光側光学系３０によって、被測定球面５０で反射した平行光３１を受光側コリメータレンズ３２で受光して結像させ点像に戻す工程。
測定部４０によって、結像した点像の光量分布を測定する工程。
この反射光分布測定方法も、反射光分布測定装置１１と同等の作用及び効果を奏する。

【0037】

＜実施形態２＞
図６は、実施形態２の反射光分布測定装置を示す構成図である。以下、図２及び図６に基づき説明する。本実施形態２では、実施形態１と同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、重複説明を省略する。

【0038】

本実施形態２の反射光分布測定装置１２は、投光側支持体２４（図１）の代わりに、被測定球面５０を光軸方向ｘに移動自在に支持する被測定側支持体７０を備える点で、実施形態１と異なる。被測定側支持体７０は、投光側支持体２４（図１）と同様、例えば図示しないステージ、送りねじ及びパルスモータなどを有し、ステージ上の被測定物（被測定球面５０）の位置を送りねじ及びパルスモータによって光軸方向ｘに自在に変えられる。本実施形態２における投光側光学系８０では、点光源２１が動かないように固定されている。すなわち、収束光２２の集光点２７の位置は固定されている。また、投光側光学系８０は、投光側支持体２４（図１）と同様、被測定球面５０の焦点５１から被測定球面５０までの距離（焦点距離ｒ）を測定する測距部として、動作するようにしてもよい。なお、光軸方向ｘの正方向は、被測定球面５０が投光側光学系８０に近づく方向とする。

【0039】

次に、反射光分布測定装置１２の動作の一例を説明する。例えば、収束光２２の集光点２７の位置（固定）を原点ｘ０とし、原点ｘ０に被測定球面５０を設置する。この場合、反射光分布測定装置１２をオンにすると、収束光２２の集光点２７が被測定球面５０の焦点５１に一致しないため、被測定球面５０からの反射光は平行光３１にはならない。そこで、二次元イメージセンサ４１で測定される光量分布の半値幅が最小となるまで、被測定側支持体７０によって被測定球面５０を光軸方向ｘに少しずつ移動させる。つまり、被測定球面５０が収束光２２の集光点２７（固定）に一致する位置から、被測定球面５０の焦点５１が収束光２２の集光点２７（固定）に一致する位置まで、被測定球面５０を光軸方向ｘの正方向へ移動させる。このとき、図５に示すように、被測定球面６０が凹面である場合は移動方向が逆になる。そして、その移動距離が焦点距離ｒに相当するので、焦点距離ｒを二倍することによって曲率半径Ｒも求められる。なお、曲率半径Ｒを測定しない場合は、被測定球面５０の移動距離（焦点距離ｒ）の測定が不要になるので、原点ｘ０ではなく任意の位置に被測定球面５０を設置してもよい。

【0040】

反射光分布測定装置１２によれば、収束光２２が集光する集光点２７を光軸方向ｘに自在に変えられる機能を投光側光学系８０に設けなくてよいので、投光側光学系８０を簡素化できる。その結果、既存のオートコリメータを、僅かな変更を加えるだけで反射光分布測定装置１２に利用できる。反射光分布測定装置１２のその他の作用及び効果は、実施形態１の反射光分布測定装置１１（図１）のそれらと同様である。なお、反射光分布測定装置１２は、被測定側支持体７０及び投光側支持体２４（図１）の両方を備えるようにしてもよい。

【0041】

＜その他＞
以上、上記実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができ、そのように変更された技術も本発明に含まれる。

【符号の説明】

【0042】

１１，１２反射光分布測定装置
２０，８０ 投光側光学系
２１ 点光源
２１ａ 光源
２１ｂ ピンホール板
２２ 収束光
２３ 投光側コリメータレンズ
２４ 投光側支持体
２５ 絞り板
２６ ハーフミラー
２７ 集光点
３０ 受光側光学系
３１ 平行光
３２ 受光側コリメータレンズ
４０ 測定部
４１ 二次元イメージセンサ
５０，６０ 被測定球面
５１，６１ 焦点
５２，６２ 中心
７０ 被測定側支持体
ｘ 光軸方向
ｘ０ 原点
ｒ 焦点距離
Ｒ 曲率半径
Ｘ，Ｙ，Ｙ０ 距離

【要約】

【課題】 被測定面が曲面である場合にも高精度にＢＲＤＦ等を測定できる反射光分布測定装置及び方法を提供する。
【解決手段】 反射光分布測定装置１１は、投光側光学系２０と受光側光学系３０と測定部４０とを備えている。投光側光学系２０は、点光源２１の点像から収束光２２を生成し、収束光２２を被測定球面５０の焦点５１に集光するように被測定球面５０へ照射する。受光側光学系３０は、被測定球面５０で反射した平行光３１を受光側コリメータレンズ３２で受光して結像させ点像に戻す。測定部４０は、結像した点像の光量分布を測定する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】