(57)【要約】 一定周期で変化する断面強度分布を有する構造化パターンからなる照明パターンを表示可能な単一の照明用表示装置（１）と、照明パターンから測定対象物（１００）の被測定部位（１００ａ）に対して照明光が照射されたときの被測定部位からの反射光を、画素毎に受光して画像データに変換し出力する二次元の光電変換素子（３）であって、画像データは被測定部位の各画素毎の反射角度特性に依存するパラメータを測定するのに使用される光電変換素子（３）と、を備えている。
2020054382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定周期で変化する波形で示される断面強度分布を有する構造化パターンからなる照明パターンを表示可能な単一の照明用表示装置と、
前記照明用表示装置に表示された照明パターンから測定対象物の被測定部位に対して照明光が照射されたときの前記被測定部位からの反射光を、画素毎に受光して画像データに変換し出力する二次元の光電変換素子であって、前記画像データは被測定部位の各画素毎の反射角度特性に依存するパラメータを測定するのに使用される光電変換素子と、
を備えた表面特性測定用データの出力装置。
【請求項２】
一定周期で変化する波形は正弦波もしくは余弦波である請求項１に記載の表面特性測定用データの出力装置。
【請求項３】
前記照明用表示装置は、構造化パターンにおける断面強度分布の位相を複数回異ならせて表示し、前記光電変換素子は、異なる位相での表示毎に反射光を受光して画像データに変換し出力する請求項１または２に記載の表面特性測定用データの出力装置。
【請求項４】
前記照明用表示装置は、構造化パターンにおける断面強度分布の周波数を複数回異ならせて表示し、前記光電変換素子は、異なる周波数での表示毎に反射光を受光して画像データに変換し出力する請求項１〜３のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置。
【請求項５】
前記光電変換素子の空間分解能が１０〜１００μｍである請求項１〜４のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置。
【請求項６】
前記測定対象物の被測定部位は光輝材が含まれた塗装部位であり、前記反射角度特性は前記光輝材の反射角度特性である請求項１〜５のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置。
【請求項７】
反射角度特性に依存するパラメータには、光輝材の輝度、色度、配光特性、粒径、分散凝集に関する情報のうちの少なくとも一つが含まれる請求項６に記載の表面特性測定用データの出力装置。
【請求項８】
前記配光特性は、直交する２方向における反射角度特性に基づいて測定される請求項７に記載の表面特性測定用データの出力装置。
【請求項９】
前記照明用表示装置と前記光電変換素子とは、前記光電変換素子が前記被測定部位からの略正反射方向の反射光を受光可能である位置関係で配置されている請求項１〜８のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置。
【請求項１０】
前記照明用表示装置は、異なる色で前記照明パターンを個別に表示し、前記光電変換素子は、各色毎の反射光を受光し画像データに変換して出力し、出力された各色毎の画像データに基づいて、被測定部位の色情報もしくは分光情報が測定される請求項１〜９のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置。
【請求項１１】
分光透過率の異なる複数のフィルタを備えると共に、前記光電変換素子は各フィルタを介して前記反射光を受光することにより、各フィルタ毎の画像データに変換して出力し、出力された各フィルタ毎の画像データに基づいて、被測定部位の色情報もしくは分光情報が測定される請求項１〜９のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置。
【請求項１２】
前記複数のフィルタは、等色関数ｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）に対応する分光透過率を有している請求項１１に記載の表面特性測定用データの出力装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置と、
前記出力装置から出力された画像データに基づいて、被測定部位の各画素毎の反射角度特性に依存するパラメータを算出する演算部と、
を備えた表面特性測定装置。
【請求項１４】
前記表面特性測定用データの出力装置の照明用表示装置は、構造化パターンにおける断面強度分布の位相を複数回異ならせて表示し、
前記演算部は、前記表面特性測定用データの光電変換素子から出力される、断面強度分布の位相が異なる複数回の構造化パターンの表示毎の画像データから、各画素における複数の反射強度分布を算出するとともに、算出した複数の反射強度分布から位相分布を算出し、前記位相分布に基づいて、反射角度特性に依存するパラメータを算出する請求項１３に記載の表面特性測定装置。
【請求項１５】
前記断面強度分布は正弦波もしくは余弦波で示される請求項１３または１４に記載の表面特性測定装置。
【請求項１６】
前記表面特性測定用データの出力装置は１つの筐体内に備えられ、
前記筐体には、前記測定対象物の被測定部位に照明光を照射し、被測定部位からの反射光を取り込むための開口と、前記演算部による算出結果を表示するための結果表示部が備えられている請求項１３〜１５のいずれかに記載の表面特性測定装置。
【請求項１７】
前記演算部は、パーソナルコンピュータにより構成されている請求項１３〜１６のいずれかに記載の表面特性測定装置。
【請求項１８】
前記光電変換素子から出力された画像データはネットワークを介して演算部に送られる請求項１３〜１７のいずれかに記載の表面特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば光輝材と呼ばれるフレーク状のアルミニウム片やマイカ片を含む塗装部位等を被測定部位として、その反射角度特性に依存するパラメータを測定するのに用いられる表面特性測定用データの出力装置、及び表面特性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような光輝材が含まれた塗装は、観察角度によって色彩が異なるように見えることから、メタリック塗装あるいはパール塗装等として、意匠性が要求される自動車を始め各種の工業製品等に幅広く使用されている。【０００３】
従来、このようなメタリック塗装あるいはパール塗装の特徴の評価を、色彩以外の質感としてとらえるために、特許文献１には、被測定物を特定方向から照明し又は全方向から拡散照明し、反射光を二次元センサで受光し、反射像を解析することで、自動車塗料内部に含まれる光輝材によって発現される、被測定物の光輝感・粒子感を数値化する手法が提案されている。【０００４】
また、特許文献２には、二次元の明暗縞パターンを被測定物に投影し、その反射像を二次元的に解析することで、表面の傷・ブツ等の欠陥を検査する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２０８３２７号公報
【特許文献２】特開２００８−２２４３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし特許文献１に記載の技術では、各々独立した特定方向の複数の照明、もしくは拡散照明にて被測定部位を照射するため、装置の複雑化が懸念される。【０００７】
しかも、互いに不連続な角度での測定になるため、結果の連続性に欠け、このため高精度な測定を行うことができないとか、特定の限られた角度範囲の光学特性等を測定したい場合に対し、応用性に欠けるという課題もある。【０００８】
また特許文献２に記載の技術では、照明パターンとして明暗縞パターンが用いられているため、同時に複数の入射角から照明がなされる結果、各画素固有の反射特性を一意に決定することができず、やはり高精度な測定を行うことができないという課題があった。【０００９】
この発明は、このような技術的背景に鑑みてなされたものであって、装置の複雑化を生じることがなく、しかも、被測定部位における各画素固有の反射特性を一意に決定することができ、反射角度特性に依存するパラメータの精度の高い測定を可能とするためのデータを出力できる表面特性測定用データの出力装置、及び表面特性測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、以下の手段によって達成される。
（１）一定周期で変化する波形で示される断面強度分布を有する構造化パターンからなる照明パターンを表示可能な単一の照明用表示装置と、前記照明用表示装置に表示された照明パターンから測定対象物の被測定部位に対して照明光が照射されたときの前記被測定部位からの反射光を、画素毎に受光して画像データに変換し出力する二次元の光電変換素子であって、前記画像データは被測定部位の各画素毎の反射角度特性に依存するパラメータを測定するのに使用される光電変換素子と、を備えた表面特性測定用データの出力装置。
（２）一定周期で変化する波形は正弦波もしくは余弦波である前項１に記載の表面特性測定用データの出力装置。
（３）前記照明用表示装置は、構造化パターンにおける断面強度分布の位相を複数回異ならせて表示し、前記光電変換素子は、異なる位相での表示毎に反射光を受光して画像データに変換し出力する前項１または２に記載の表面特性測定用データの出力装置。
（４）前記照明用表示装置は、構造化パターンにおける断面強度分布の周波数を複数回異ならせて表示し、前記光電変換素子は、異なる周波数での表示毎に反射光を受光して画像データに変換し出力する前項１〜３のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置。
（５）前記光電変換素子の空間分解能が１０〜１００μｍである前項１〜４のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置。
（６）前記測定対象物の被測定部位は光輝材が含まれた塗装部位であり、前記反射角度特性は前記光輝材の反射角度特性である前項１〜５のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置。
（７）反射角度特性に依存するパラメータには、光輝材の輝度、色度、配光特性、粒径、分散凝集に関する情報のうちの少なくとも一つが含まれる前項６に記載の表面特性測定用データの出力装置。
（８）前記配光特性は、直交する２方向における反射角度特性に基づいて測定される前項７に記載の表面特性測定用データの出力装置。
（９）前記照明用表示装置と前記光電変換素子とは、前記光電変換素子が前記被測定部位からの略正反射方向の反射光を受光可能である位置関係で配置されている前項１〜８のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置。
（１０）前記照明用表示装置は、異なる色で前記照明パターンを個別に表示し、前記光電変換素子は、各色毎の反射光を受光し画像データに変換して出力し、出力された各色毎の画像データに基づいて、被測定部位の色情報もしくは分光情報が測定される前項１〜９のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置。
（１１）分光透過率の異なる複数のフィルタを備えると共に、前記光電変換素子は各フィルタを介して前記反射光を受光することにより、各フィルタ毎の画像データに変換して出力し、出力された各フィルタ毎の画像データに基づいて、被測定部位の色情報もしくは分光情報が測定される前項１〜９のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置。
（１２）前記複数のフィルタは、等色関数ｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）に対応する分光透過率を有している前項１１に記載の表面特性測定用データの出力装置。
（１３）前項１〜１２のいずれかに記載の表面特性測定用データの出力装置と、前記出力装置から出力された画像データに基づいて、被測定部位の各画素毎の反射角度特性に依存するパラメータを算出する演算部と、を備えた表面特性測定装置。
（１４）前記表面特性測定用データの出力装置の照明用表示装置は、構造化パターンにおける断面強度分布の位相を複数回異ならせて表示し、前記演算部は、前記表面特性測定用データの光電変換素子から出力される、断面強度分布の位相が異なる複数回の構造化パターンの表示毎の画像データから、各画素における複数の反射強度分布を算出するとともに、算出した複数の反射強度分布から位相分布を算出し、前記位相分布に基づいて、反射角度特性に依存するパラメータを算出する前項１３に記載の表面特性測定装置。
（１５）前記断面強度分布は正弦波もしくは余弦波で示される前項１３または１４に記載の表面特性測定装置。
（１６）前記表面特性測定用データの出力装置は１つの筐体内に備えられ、前記筐体には、前記測定対象物の被測定部位に照明光を照射し、被測定部位からの反射光を取り込むための開口と、前記演算部による算出結果を表示するための結果表示部が備えられている前項１３〜１５のいずれかに記載の表面特性測定装置。
（１７）前記演算部は、パーソナルコンピュータにより構成されている前項１３〜１６のいずれかに記載の表面特性測定装置。
（１８）前記光電変換素子から出力された画像データはネットワークを介して演算部に送られる前項１３〜１７のいずれかに記載の表面特性測定装置。
【発明の効果】
【００１１】
前項（１）に記載の発明によれば、一定周期で変化する波形で示される断面強度分布を有する構造化パターンからなる照明パターンの照明光が測定対象物の被測定部位に対して照射されたときの被測定部位からの反射光を、光電変換素子が画素毎に受光して画像データに変換し出力するから、各画素固有の反射特性を一意に決定することができると共に、各画素で連続した反射特性が得られるものとなり、反射角度特性に依存するパラメータの精度の高い測定が可能となる。しかも、単一の照明用表示装置を使用するから、装置全体の構成の複雑化を抑制できる。【００１２】
前項（２）に記載の発明によれば、一定周期で変化する波形は正弦波もしくは余弦波であるから、反射角度特性に依存するパラメータの測定を精度良く行うための画像データを出力できる。【００１３】
前項（３）に記載の発明によれば、照明用表示装置は、構造化パターンにおける断面強度分布の位相を複数回異ならせて表示し、光電変換素子は、異なる位相での表示毎に反射光を受光して画像データに変換し出力するから、反射角度特性に依存するパラメータをより簡単に精度良く測定するための画像データを出力できる。【００１４】
前項（４）に記載の発明によれば、照明用表示装置は、構造化パターンにおける断面強度分布の周波数を複数回異ならせて表示し、光電変換素子は、異なる周波数での表示毎に反射光を受光して画像データに変換し出力するから、被測定部位の各画素固有の反射角度特性がより精度の高いものとなり、反射角度特性に依存するパラメータをより精度良く測定するための画像データを出力できる。【００１５】
前項（５）に記載の発明によれば、光電変換素子の空間分解能が１０〜１００μｍであるから、人の目に適した現実的な反射角度特性の測定が可能となる。【００１６】
前項（６）に記載の発明によれば、塗装部位に含まれる光輝材の反射角度特性に依存するパラメータを測定するための画像データを出力することができる。【００１７】
前項（７）に記載の発明によれば、光輝材の輝度、色度、配光特性、粒径、分散凝集に関する情報のうちの少なくとも一つを測定するための画像データを出力できる。【００１８】
前項（８）に記載の発明によれば、直交する２方向における反射角度特性に基づいて配光特性を測定することができる。【００１９】
前項（９）に記載の発明によれば、照明用表示装置と光電変換素子とは、光電変換素子が被測定部位からの略正反射方向の反射光を受光可能である位置関係で配置されているから、光電変換素子から出力された画像データには、正反射近傍の画像データが含まれることになり、このため、光電変換素子から出力された画像データを使用して、正反射近傍での反射角度特性を含む被測定部位の全体について、反射角度特性に依存するパラメータを測定することができる。その結果、例えば配向分布が塗膜水平方向に集中している光輝材が分散された塗装面等の被測定部位に対して、各画素毎の反射角度特性に依存するパラメータの精度の高い測定が可能となり、目視相関の高い測定結果を得ることができる。【００２０】
前項（１０）に記載の発明によれば、照明用表示装置は、異なる色で照明パターンを個別に表示し、被測定部位に照射することで、各色毎の被測定部位の色情報もしくは分光情報を測定することができる。【００２１】
前項（１１）に記載の発明によれば、光電変換素子が、分光透過率の異なる各フィルタを介して反射光を受光することにより、各フィルタ毎に被測定部位の色情報もしくは分光情報を測定することができる。【００２２】
前項（１２）に記載の発明によれば、等色関数ｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）に対応する分光透過率のフィルタを用いることで、人間の目の感度に近い情報を算出することができる。【００２３】
前項（１３）に記載の発明によれば、出力装置の光電変換素子から出力された画像データを使用して、演算部が被測定部位の各画素毎の反射角度特性に依存するパラメータを算出するから、例えば配向分布が塗膜水平方向に集中している光輝材が分散された塗装面等の被測定部位に対して、反射角度特性に依存するパラメータの測定を高精度に行うことができ、しかも連続的な測定結果を得ることができる表面特性測定装置となる。【００２４】
前項（１４）に記載の発明によれば、演算部による反射角度特性に依存するパラメータの算出ひいては測定を、確実に行うことができる。【００２５】
前項（１５）に記載の発明によれば、断面強度分布は正弦波もしくは余弦波で示されるから、演算部での反射角度特性に依存するパラメータの算出がより簡単になる。【００２６】
前項（１６）に記載の発明によれば、筐体を持ち運ぶことにより、場所を問わず反射角度特性に依存するパラメータを測定できる。【００２７】
前項（１７）に記載の発明によれば、パーソナルコンピュータにより反射角度特性に依存するパラメータを算出できる。【００２８】
前項（１８）に記載の発明によれば、光電変換素子から出力された画像データはネットワークを介して演算部に送られるから、演算部が測定場所と離れていても反射角度特性に依存するパラメータの測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の一実施形態に係る表面特性測定用データの出力装置を備えた表面特性測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（Ａ）は光輝材の配向が塗膜面水平方向に揃っている状態を、（Ｂ）は光輝材の配向が０度から離れている状態を、それぞれ模式的に示す図である。
【図３】（Ａ）は基本となる照明パターンを示し、（Ｂ）〜（Ｄ）は（Ａ）の照明パターンの断面強度分布の位相をπ／２ずつずらした状態を示す図である。
【図４】測定対象物が光輝材を含まない完全な平滑面である場合の、光電変換素子による撮像状態を説明するための図である。
【図５】測定対象物が配光分布を有する光輝材を含む場合の、光電変換素子による撮像状態を説明するための図である。
【図６】（Ａ）は小さい粒径の光輝材が多数存在している状態を、（Ｂ）は大きな粒径の光輝材が存在している状態を、それぞれ模式的に示す図である。
【図７】（Ａ）は光輝材が分散している状態を、（Ｂ）は凝集している状態をそれぞれ模式的に示す図である。
【図８】（Ａ）は、照明用表示装置に表示された、余弦波で示される断面強度分布を有する構造化パターンを断面強度分布の位相を異ならせて表示する状態を示す図、（Ｂ）は（Ａ）の断面強度分布のり位相方向と直交する方向に、構造化パターンを断面強度分布の位相を異ならせて表示する状態を示す図である。
【図９】（Ａ）は、図８（Ａ）の方向Ａに平行な面内における光輝材の配向角度を測定可能であることを、（Ｂ）は、方向Ａと直交する方向Ｂに平行な面内における光輝材の配向角度を測定可能であることを、それぞれ説明するための図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１３（Ａ）の基本となる構造化パターンの断面強度分布の周波数を変更して、測定対象物を照明する場合の説明図である。
【図１１】受光側に色情報・分光情報を測定するためのフィルタ部を追加した光学特性測定装置の構成を示す図である。
【図１２】フィルタ部の一例を模式的に示す図である。
【図１３】（Ａ）（Ｂ）はフィルタ部の他の例を模式的に示す図である。
【図１４】この発明の他の実施形態に係る光学特性測定装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３１】
図１は、この発明の一実施形態に係る表面特性測定用データの出力装置を備えた表面特性測定装置の構成を示すブロック図である。
【００３２】
図１に示す表面特性測定装置は、単一の照明用表示装置１と、対物レンズ２と、ＣＣＤセンサ等からなる二次元の光電変換素子３と、演算部４と、液晶表示装置等によって構成される測定結果表示部５を備えており、照明用表示装置１と、対物レンズ２と、光電変換素子３によって、表面特性測定用データの出力装置が構成されている。
【００３３】
照明用表示装置１は少なくとも１個の照明パターンを表示するとともに、表示した照明パターンから測定対象物（単に試料ともいう）１００の被測定部位１００ａに対して照明光Ｌ１を照射する。
【００３４】
光電変換素子３は多数の画素を備え、試料１００からの反射光Ｌ２を対物レンズ２を介して画素毎に受光し、画像データに変換して出力する。
【００３５】
この実施形態では、照明用表示装置１と光電変換素子３とは、光電変換素子３が被測定部位１００ａからの略正反射方向の反射光を受光可能である位置関係で配置されている。略正反射方向とは、正反射方向の反射光のみならず正反射方向から僅かに外れている反射光も許容する主旨である。このような配置関係にする理由は、被測定部位１００ａに水平方向（０度）方向の成分が多数存在しているために正反射近傍でのみ高輝度・高彩度などの物性が発現する場合にも的確に対応し、目視相関の高い測定結果を得るためである。
【００３６】
例えば、試料１００に光輝材が含まれた塗装が施されているような場合、塗膜内の光輝材の配向分布は、一般的に塗膜面水平方向（０度方向）をピークとする分布となっており、このような光輝材の正反射近傍の情報を的確にとらえるためである。
【００３７】
また、試料１００における被測定部位１００ａの表面（試料面）と光電変換素子３が共役関係にあることが望ましい。
【００３８】
光電変換素子３から出力された電気信号である画像データは、必要に応じ、図示しないＩＶ変換回路、ＡＤ変換回路を通じてデジタル信号に変換され、演算部４に送られる。演算部４は、送られてきた画像データを用いてＣＰＵ等により反射角度特性に依存するパラメータの算出処理を行い、測定結果表示部５は演算部４による算出結果つまり測定結果を表示する。なお、光電変換素子３から出力された画像データのデジタル信号への変換は、演算部４で行われても良い。
【００３９】
演算部４は専用の装置であっても良いし、パーソナルコンピュータにより構成されていても良い。また、光電変換素子３から出力されデジタル信号に加工された画像データは、ネットワークを介して演算部４に送られても良い。この場合は、演算部４が測定場所と離れた場所に存在していても、反射角度特性に依存するパラメータの測定を行うことができる。
【００４０】
次に、光電変換素子３の空間分解能について説明する。目視で観察される現象を光電変換素子３で検知するためには、光電変換素子３に人間の眼に相当する空間分解能が必要になる。ある研究によると、人間の眼で区別可能な最小幅は、約０．６分といわれている。仮に瞳から観察物までの距離を２０〜３０ｃｍとすると、区別可能な２点の距離は３０〜５０μｍと計算される。
【００４１】
また、測定対象を自動車外装材の光輝材を含む塗装面とすると、塗膜内部に含まれる光輝材の粒径は、小さなもので１０〜２０μｍ、大きなもので凡そ１００μｍ程度である。光電変換素子３は光輝材１つ１つを空間的に区別できることがより望ましい。
【００４２】
以上から、光電変換素子３の空間分解能は１０〜１００μｍ程度であることが望ましい。
（実施形態１）
次に、具体的な反射角度特性に依存するパラメータの測定について説明する。
【００４３】
反射角度特性とは、被測定部位１００ａが照明光Ｌ１をどのような反射角度で反射させるかという特性であり、光電変換素子３の画素に対応して画素毎に評価される。この実施形態では、反射角度特性に依存するパラメータが光輝材の配光に関する情報（例えば配光角度）である場合について説明する。
【００４４】
試料面での解像度は十分高いものを選択する。この実施形態では、試料１００として、表面に光輝材を含む塗装が施されたものを例に挙げて説明し、試料１００は表面のテクスチャ構造が捉えられるほどの空間分解能があると仮定する。
【００４５】
塗膜内の光輝材は、一定の傾き(配向)を持った状態で存在する。その配向分布は、一般的に塗膜面水平方向(０度)をピークとし、角度の増加に伴い光輝材数が減少する分布をとり、例えばガウス分布などで表現される。
【００４６】
配向の状態は、光輝材や塗料の種類など設計的な要因もあれば、塗料の吹付速度、圧力、膜厚など塗装条件にも依存すると言われている。一般的に、図２（Ａ）に示すように、光輝材１１０の配向が塗膜面水平方向(０度)に揃っている場合は配向が良いといわれ、逆に同図（Ｂ）に示すように、光輝材１１０の配向が０度から離れている場合は、配向が悪いといわれる。この配向の良し悪しを定量化する方法として、本実施形態による手法を活用できる。
【００４７】
この実施形態は、照明パターンとして、一定周期で変化する波形で示される断面強度分布を有する構造化パターンを照明用表示装置１に表示して、測定対象物１００の被測定部位１００ａを照明するものである。
【００４８】
一般的に、照明用表示装置１の表示面上の互いに離れた複数点から照明した場合、各画素の反射角特性を一意に決定することができない。しかし、正弦波や余弦波のように、一定周期で変化する波形で示される断面強度分布を有する構造化パターンにおいて、断面強度分布の位相を変化させた複数パターンで表示したときの光電変換素子３から出力された画像データに対し、演算部４により特定の演算処理を加えることで、各画素毎の反射角度特性に依存するパラメータの測定が可能となることを、発明者らは見出した。
１）測定手順
基本となる照明パターン（以下、基本パターンという）は、図３（Ａ）に示すように、１周期分の余弦波で示される断面強度分布を有している。なお１周期分の正弦波で示される断面強度分布を有する照明パターンであっても良い。同図（Ｂ）〜（Ｄ）は、同図（Ａ）の基本パターンの断面強度分布の位相をずらした状態の構造化パターンを示し、この例では位相をπ／２ずつずらした状態を示している。
【００４９】
図３（Ａ）〜（Ｄ）の上側の図は照明用表示装置１の表示面の輝度分布(白い部分ほど高輝度、黒い部分ほど低輝度)であり、下側の図はその断面強度分布である。
【００５０】
照明用表示装置１に基本パターンを表示し、試料１００の被測定部位１０１ａを照明する場合、試料１００の表面もほぼ基本パターン(余弦波)通りの空間強度分布とみなせる。すなわち試料面の座標（ｘ，ｙ）における空間強度分布は、以下の式であらわされる。
【００５１】
【数１】
2020054382.tif 000003
【００５２】
基本パターンに対し、位相を(n/N)*2π (n=0,1,2,…,N-1) だけずらした空間強度分布は以下の式であらわされる。
【００５３】
【数２】
2020054382.tif 000004
【００５４】
試料１００の被測定部位１００ａにおける表面の空間強度分布が当該分布(n=0,1,2,…,N-1)となるよう、照明用表示装置１によって試料１００を順次照明し、その正反射像を光電変換素子３で測定する。
２）強度分布から位相分布の算出
Nに具体的な数値を与えて考える。
例１）N=3 (n=0,1,2)の場合
以下の空間強度分布となるパターンにて試料１００の被測定部位１００ａを順次照明する。これは、２π／３ずつ位相をずらした３枚の余弦波に相当する。
【００５５】
【数３】
2020054382.tif 000005
【００５６】
光電変換素子３側の各画素の反射強度分布（試料表面の空間強度分布と同じ）I(x,y,0)、I(x,y,1)、I(x,y,2)を測定する。
【００５７】
未知数はa(x,y)、b(x,y)、θ(x,y)の３個であり、式も３個のため、厳密解が一意に決まる。位相分布θ(x,y)に関しては、以下の式にて算出可能となる。
【００５８】
【数４】
2020054382.tif 000006
【００５９】
例２）N=4 (n=0,1,2,3)の場合
以下の空間強度分布となるパターンにて試料を順次照明する。これは、図３（Ａ）〜（Ｄ）に示したようなπ／２ずつ位相をずらした４枚の余弦波に相当する。
【００６０】
【数５】
2020054382.tif 000007
【００６１】
それぞれの反射強度分布I(x,y,0)、I(x,y,1)、I(x,y,2)、I(x,y,3)を測定する。
【００６２】
N=4の場合の利点として、位相分布θ(x,y)が以下に示す簡潔な式で算出可能となる。
【００６３】
【数６】
2020054382.tif 000008
【００６４】
３）位相分布から配向分布の算出
試料１００が光輝材を含まない完全な平滑面である場合、図４に示すように、光電変換素子３上では、照明用表示装置１が投影した基準の反射強度分布が撮像される。
【００６５】
一方、試料１００が配向分布を有する光輝材１１０を含む場合、図５に示すように、反射光Ｌ２の正反射方向が点線から実線へと変化するため、基準分布の同一輝度にあたる座標が平滑面に比べてシフトする。すなわち、位相がシフトすることを意味する。
【００６６】
そのシフト量は、光輝材１１０や表面の反射角度特性、ひいては光輝材１１０の配向角度あるいは表面の勾配角度に依存する。すなわち、位相シフト量から光輝材１１０の配向角度あるいは表面の勾配角度を一意に求めること、つまり測定することが可能である。
【００６７】
なお、振幅a(x,y)及び背景輝度b(x,y)が既知の場合は、基本パターンのみの１回の照射から、位相分布θ(x,y)を特定することができ、光輝材１１０の配向角度を求めることができる。
【００６８】
本実施形態で算出（測定）することのできる反射角度特性に依存するパラメータは、配向角度に限定されることはない。二次元の空間輝度分布を解析することで、含有する光輝材１１０の粒径の大小も定量化可能となる。またその解析結果から、光輝材１１０の粒度分布・平均粒径などを算出することも可能である。
【００６９】
図６（Ａ）に、小さい粒径の光輝材１１０が多数存在している場合を、同図（Ｂ）に、大きな粒径の光輝材１１０が存在している場合をそれぞれ示す。光輝材１１０の粒径は、二次元の空間輝度分布の解析により、光輝材１１０の配光角度と水平方向の長さが分かることから、算出することができる。
【００７０】
他にも、同様に二次元の空間輝度分布を解析することで、場所ごとの光輝材のムラの有無（均一に分散しているか、凝集している箇所があるか）も定量化可能となる。図７（Ａ）に光輝材１１０が分散している状態を、同図（Ｂ）に凝集している状態をそれぞれ示す。
【００７１】
このようにして反射角度特性を解析評価することで、反射角度特性に依存するパラメータとして、光輝材１１０の輝度・色度、配向、粒径、分散凝集などの少なくとも一つに代表される、塗料物性に関する多くの情報を測定することができる。
【００７２】
しかも、一定周期で変化する断面強度分布を有する構造化パターンからなる照明パターンの照明光が測定対象物１００の被測定部位１００ａに対して照射されたときの被測定部位１００ａからの反射光を、光電変換素子３が画素毎に受光して画像データに変換し出力するから、各画素固有の反射特性を一意に決定することができると共に、各画素で連続した反射特性が得られるものとなり、反射角度特性に依存するパラメータの精度の高い測定が可能となり、連続的な測定結果も得られる。また、特定の限られた範囲での測定も可能となる。
【００７３】
また、この実施形態では、単一の照明用表示装置１を用いるから、複数の照明用表示装置を用いる場合に較べて、装置全体の構成の複雑化を抑制できる。
（実施形態２）
この実施形態では、図８（Ａ）に示すように、照明用表示装置１の表示面の幅方向（同図の左右方向で位相方向Ａとする）に断面強度分布の位相を変化させた構造化パターンと、同図（Ｂ）に示すように、幅方向と直交する方向（同図の上下方向で位相方向Ｂとする）に断面強度分布の位相を変化させた構造化パターンの２方向の構造化パターンによる照明パターンを測定対象物１００の被測定部位１００ａに照明して、測定を行っている。これにより、直交する２方向での光輝材１１０の反射角度特性を評価でき、ひいては直交する２方向での光輝材１１０の配向角度等を測定することが可能となる。具体的には以下のとおりである。
【００７４】
即ち、照明用表示装置１に、照明用表示１１を同図（Ａ）のように、Ａ１の基本パターンと、基本パターンＡ１の断面強度分布の位相をπ／２ずらしたＡ２と、さらにπ／２ずらしたＡ３、さらにπ／２ずらしたＡ４というように、断面強度分布の位相をＡ方向にずらした複数の照明パターンを表示して測定を行った後、同図（Ｂ）のように、Ｂ１の基本パターンと、基本パターンＢ１の断面強度分布の位相をπ／２ずらしたＢ２と、さらにπ／２ずらしたＢ３、さらにπ／２ずらしたＢ４というように、断面強度分布の位相をＢ方向にずらした複数の照明パターンを表示して、実施形態１と同様に測定を行う。
【００７５】
Ａ１→Ａ２→Ａ３→ …の表示による測定では、図９（Ａ）に示すように、方向Ａに平行な面内における光輝材１１０の配向角度を測定可能である。一方、Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３→ …の表示による測定では、図９（Ｂ）に示すように、方向Ｂ（方向Ａと直交）に平行な面内における光輝材１１０の配向角度を測定可能である。
【００７６】
したがって、Ａ１→Ａ２→Ａ３→ …→Ａｎ、Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３→ …→Ｂｎと順に表示し測定することで、各光輝材１１０について直交する２方向の配向角度が求められるため、両者の値から、二次元の任意の方向への配向角度（もしくは面法線ベクトル）を推定算出すること、つまり配向角度を測定することが可能となる。
（実施形態３）
本実施形態では、周波数をシフトさせた照明パターンを照明した場合について説明する。基本パターンは、前述の実施形態１と同様に、１周期分の余弦波で示される断面強度分布を有している。
【００７７】
実施形態１と同様の手法を用いて、輝度分布（断面強度分布）から位相分布を算出することで、反射角度特性に依存する光輝材１１０の配向角度（配光分布）や表面の勾配角度（勾配分布）を求めることが可能である。
【００７８】
但し、図１０（Ａ）に断面強度分布を示すように、１周期では特に余弦波のピークの山谷付近で縦軸の変化が小さく、場合によっては位相分布の信号成分がノイズに埋もれてしまうことが懸念される。
【００７９】
そこで、図１０（Ｂ）に示すように２周期、あるいは同図（Ｃ）の３周期などN周期（N≧2）の余弦波で示される断面強度分布の構造パターンも順次照明することで、N＝１の場合よりも特に山谷付近の輝度変化を上げることができ、結果的に縦軸の分解能を上げることが可能となる。したがって位相分布(配向分布や勾配分布)をより高精度で求めることが可能となる。
【００８０】
なおこの場合も、実施形態２と同様に、相互に直交する２方向で構造化パターンの周波数を変更することにより、二次元の任意の方向への配向角度（もしくは面法線ベクトル）をより精度良く算出・測定することができる。
（実施形態４）
実施形態１〜３では、表面に光輝材１１０を含む塗装が施された試料１００を例示した。しかし、アルマイト処理などの処理を加えた場合、表面には、微小な凹凸や勾配が数μｍ〜数十μｍオーダーのミクロ領域にて存在する。その微小構造によって、特定方向から照明・観察すると表面の一部がキラキラと光って見えたり、また別の方向から照明・観察すると他の部分が光ったりなど、高い意匠性を発現させる原動力となっている。
【００８１】
従って、光輝材は存在していなくても、アルマイト処理されたもののように、表面に微小な凹凸や勾配を有する試料１００に対しても、実施例１〜３と同様に反射角度特性に依存する勾配角度等のパラメータの測定が可能となる。
（実施形態５）
特にパール顔料では、観察角度に応じて色が変化するため、色測定、分光測定などの波長分解測定を行うことは非常に有意である。したがって、反射角度特性に依存するパラメータとして、被測定部位１００ａの色情報もしくは分光情報を測定する機構を追加しても良い。
【００８２】
そこでこの実施形態では、照明側に色情報・分光情報を測定するための機構を追加する場合について説明する。
【００８３】
照明用表示装置１に液晶やOLED（Organic Light Emitting Diode：有機エレクトロルミネッセンス）のディスプレイ等を用いることで、赤色、緑色、青色（以下、これらをRGBという）の単色表示が可能である。
【００８４】
同一の照明パターンにて照明する際に、RGBを時分割で個別に表示し、表示タイミングと同期させて光電変換素子３が各色毎の反射光を受光し、画像データを出力することで、色情報・分光情報の算出・測定が可能となる。
（実施形態６）
実施形態５では、照明側に色情報・分光情報を測定するための機構を追加した場合を説明したが、本実施形態では、受光側に色測定機構を追加する場合を説明する。
【００８５】
即ち、図１１に示すように、光電変換素子３の前面に二次元色フィルタ部６を設ける。なお、図１１に示した表面特性測定装置において、二次元色フィルタ部６以外の構成は図１に示した表面特性測定装置と同じである。
【００８６】
二次元色フィルタ部６の一例として、図１２に示すように、光電変換素子３の画素３１に対応する、分光透過率が互いに異なる複数のフィルタ６１〜６３を有するものを挙げることができる。このようなフィルタ部６を用いることで、光電変換素子３は、各フィルタ６１〜６３の分光透過率に応じた色の反射光を受光し、画像データを出力するから、この出力された画像データを用いて色情報・分光情報の算出・測定が可能となる。
【００８７】
フィルタ配列はベイヤー配列としても良い。空間解像度の低下を防ぐため、近接する同種類のフィルタの出力から、その間の画素の出力を補間しても良い。
【００８８】
複数のフィルタ６１〜６３は、RGBフィルタであっても良いし、人間の目の感度である等色関数x(λ)、y(λ)、z(λ)に相当する感度を有するフィルタでも良い。
【００８９】
二次元色フィルタ部６の他の例として、図１３に示す構成も可能である。即ち、分光透過率が互いに異なる複数（図１２の場合は３個）のフィルタ６４〜６６を円盤６７の円周上に配置し、円盤６７の中心にモータ７の回転軸７１を設置し、モータ７の駆動によって、円盤６７が円周方向に回転するような構成とする。試料１００の被測定部位１００ａからの反射光Ｌ２は当該フィルタ６４〜６７を透過したのち、光電変換素子３に受光されるよう配置する。光電変換素子３は第１フィルタ６４の透過⇒円盤６７の回転⇒第２フィルタ６５の透過⇒円盤６７の回転⇒第３フィルタ６６の透過、のシーケンスで順次受光し、対応する画像データを出力するから、時分割で色情報・分光情報の演算・測定を行うことが可能である。
【００９０】
なお、複数のフィルタ６４〜６６は、RGBフィルタであっても良いし、人間の目の感度である等色関数x(λ)、y(λ)、z(λ)に相当する感度を有するフィルタでも良い。また半値全幅が１０〜２０ｎｍ程度で、重心波長が１０ｎｍピッチ程度で、異なる複数のバンドパスフィルタを円周上に並べ、モータを回転させて順に透過させることにより、二次元の各画素における分光反射率を測定することも可能である。
（実施形態７）
図１４は、この発明の他の実施形態に係る光学特性測定装置の外観を示す斜視図である。この実施形態では、光学特性測定装置は携行可能なハンディタイプのものに構成されている。
【００９１】
具体的には、照明用表示装置１、対物レンズ２、光電変換素子３、演算部４、あるいは更に二次元色フィルタ部６が、筐体８内に収容されている。また、筐体８の上面には、携行用の把持部８２が備えられると共に、測定結果を表示するための測定結果表示部５が備えられ、さらに筐体８の下面には、試料１００の被測定部位１００ａに照明光を照射し、被測定部位からの反射光を取り込むための開口８１が形成されている。
【００９２】
図１４に示す光学特性測定装置は、使用に際して、把持部８２を把持して下面の開口８１を試料１００の被測定部位１００ａに位置させる。そしてこの状態で、筐体８の内部に収容されている照明用表示装置１から照明光を試料１００に照射し、その反射光を光電変換素子３で受光し、光電変換素子３から出力された画像データを用いて演算部５で算出することにより、反射角度特性に依存するパラメータを測定し、測定結果を測定結果表示部５に表示するようになっている。
【００９３】
このような光学特性測定装置によれば、筐体を持ち運ぶことにより、場所を問わず反射角度特性に依存するパラメータを測定できる。
【００９４】
本願は、２０１８年９月１４日付で出願された日本国特許出願の特願２０１８−１７２３３１号の優先権主張を伴うものであり、その開示内容は、そのまま本願の一部を構成するものである。
【００９５】
この明細書に用いられた用語及び表現は、説明のために用いられたものであって限定的に解釈するために用いられたものではなく、ここに示され且つ述べられた特徴事項の如何なる均等物をも排除するものではなく、この発明のクレームされた範囲内における各種変形をも許容するものであると認識されなければならない。
【００９６】
本発明の図示実施形態をここに記載したが、本発明は、ここに記載した実施形態に限定されるものではなく、この開示に基づいていわゆる当業者によって認識され得る、均等な要素、修正、削除、組み合わせ（例えば、各種実施形態に跨がる特徴の組み合わせ）、改良及び／又は変更を有するありとあらゆる実施形態をも包含するものである。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明は、例えば光輝材と呼ばれるフレーク状のアルミニウム片やマイカ片を含む塗装部位等を被測定部位として、その反射角度特性に依存するパラメータの測定等に利用可能である。
【符号の説明】
【００９８】
１  照明用表示装置
２  対物レンズ
３  光電変換素子
４  演算部
５  測定結果表示部
６  フィルタ部
８  筐体
８１  開口部
６１〜６６  フィルタ
１００  測定対象物（試料）
１００ａ  被測定部位
１１０  光輝材
【図１】
2020054382.tif 000009
【図２】
2020054382.tif 000010
【図３】
2020054382.tif 000011
【図４】
2020054382.tif 000012
【図５】
2020054382.tif 000013
【図６】
2020054382.tif 000014
【図７】
2020054382.tif 000015
【図８】
2020054382.tif 000016
【図９】
2020054382.tif 000017
【図１０】
2020054382.tif 000018
【図１１】
2020054382.tif 000019
【図１２】
2020054382.tif 000020
【図１３】
2020054382.tif 000021
【図１４】
2020054382.tif 000022
【国際調査報告】
2020054382.tif 000023
2020054382.tif 000024
2020054382.tif 000025
2020054382.tif 000026