ポータブルな光反射特性測定装置及び測定方法
【課題】被測定物体から試料を切り取る必要がなく、機械的駆動部を備えておらず持ち運びが容易にできる反射特性測定装置および測定方法を提供する。
【解決手段】反射特性測定装置１は、被測定物体を照明する照明部1ａと、照明部1aにより内部を照明できるようにした拡散ドーム1bと、拡散ドーム1bの頂上に取り付けた魚眼レンズ1cと、魚眼レンズ1cを取り付けた受光部1dと、画像処理部1eを備えて構成されている。被測定物体からの反射光は拡散ドーム1bの内壁に映り込み、このときの光強度分布を受光部1dで撮像する。そして、撮像した画像から画像処理部1eで被測定物体上の反射点の位置を検出し、このときの位置を基準として拡散ドームの径に応じた球座標に変換する。このようにすると、反射点の反射特性を一度の撮像で取得して、さらに３次元表示できる。
【解決手段】反射特性測定装置１は、被測定物体を照明する照明部1ａと、照明部1aにより内部を照明できるようにした拡散ドーム1bと、拡散ドーム1bの頂上に取り付けた魚眼レンズ1cと、魚眼レンズ1cを取り付けた受光部1dと、画像処理部1eを備えて構成されている。被測定物体からの反射光は拡散ドーム1bの内壁に映り込み、このときの光強度分布を受光部1dで撮像する。そして、撮像した画像から画像処理部1eで被測定物体上の反射点の位置を検出し、このときの位置を基準として拡散ドームの径に応じた球座標に変換する。このようにすると、反射点の反射特性を一度の撮像で取得して、さらに３次元表示できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明方向や観察方向によって異なる物体表面の幾何学的形状に基づく光反射特性を観測可能な測定装置および測定方法に関する。たとえば、機械部品や樹脂成型品の表面傷、あるいは透明フィルムの表面もしくは内部の傷を検出する外観検査装置として応用できる。
【背景技術】
【０００２】
光学的特性の一つである反射特性は、物体表面の微視的構造に起因する情報であり、コンピュータグラフィックスにおけるリアルな質感表現を可能にするだけでなく、物体認識や工業用部品の傷検査において有用な情報を与える。コンピュータグラフィックスへの応用では可視光の主波長ごとに必要となるが、波長依存性のない物体表面の傷検査を主目的とすれば単波長でもよい。
【０００３】
物体の反射特性はBRDF(双方向反射率分布関数) により表すことができ、光源方向（入射角）からの入射光照度に対する視野角方向（反射角）への反射光輝度の比率により表わされる。したがって、反射特性を測定するためには、少なくとも１つの入射光に対して、複数の観測方向から反射光輝度を検出する必要がある。
【０００４】
特許文献１の方法では、正反射角の高い検出精度を有する光学特性測定装置及び光学特性測定方法が示されている。しかしながら、正反射光の反射方向に相当する位置を基準とする所定領域内で、受光部を機械的に移動させる必要がある。
【０００５】
そこで、このような問題を解決するべく、非特許文献１、２には、楕円鏡とプロジェクタを組み合わせて機械的駆動部を排除した測定装置と測定方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許公開２００８−２４９５２１
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】角野 他、"楕円鏡を用いた双方向反射率分布関数の高速計測、"信学論vol.J90-D,no.8, pp.1930-1937,2007.
【非特許文献２】田川 他、"複数光源の同時照明によるBRDF の高速計測、"信学論vol.J92-D,no.8, pp.1393-1402,2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記非特許文献１、２は、被測定対象物体から試料を切り取って測定装置に設置する必要があり、In-situ（その場）計測ができない。
【０００９】
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、以下のような特徴をもつ測定装置と測定方法を提供することを目的とする。
（１）物体表面の単一波長の光に対する反射特性を測定できる。
（２）装置に機械的駆動部が存在しない。
（３）被測定物体から試料を切り取る必要がなく、In-situ（その場）計測ができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１にかかる反射特性測定装置は、少なくとも一つ以上のスポット光源を有し被測定物体を照明する照明部と、内壁が拡散反射特性を有し内部を前記照明部で照明できるようにした半球状の拡散ドーム部と、前記拡散ドーム部の頂上にある開口に魚眼レンズを取り付けた受光部と、前記受光部で撮像した画像から反射特性を取得し画面表示する画像処理部とを具備することを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記拡散ドームの内壁に映り込んだ光強度分布は、被測定物体から反射する光の方向と強度に基づいており、前記受光部は魚眼レンズによって前記拡散ドーム内壁をすべて撮像することができるので、前記照明部から照射された一方向からの光に対して複数の視線方向から観測した光強度分布と等価な画像を一度の撮影で取得することができる。
【００１２】
そして、そのようにして取得した画像を、前記画像処理部で濃淡画像に変換し、このときの濃淡値に基づいて被測定物体上の反射点を抽出し、この反射点の位置を基準として座標系を拡散ドームの径に基づいた球座標に変換すれば、反射点から拡散する反射光の方向と強度を検出することができる。
【００１３】
本発明の請求項２にかかる反射特性測定方法は、照明部のいずれか一つの照明からスポット光を被測定物体に照明するステップと、拡散ドームの内壁に映り込んだ前記被測定物体からの反射光を受光部で撮像するステップと、このとき撮像した直交座標系の画像から画像処理部で被測定物体上の反射点の位置を抽出し、この位置を中心として前記拡散ドームの径に基づいた球座標系へ変換した反射特性を画面表示するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１若しくは請求項２にかかる発明によれば、比較的単純で軽量な測定装置により、被測定物体から試料を切り取ることなく光反射特性をIn-situ（その場）計測でき、取得した反射特性を３次元表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る測定装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る画像処理の方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に係る反射特性測定装置の実施形態について説明する。図１は、本発明に係る反射特性測定装置の構成例を示す図である。図１に示すように、反射特性測定装置１は、被測定物体を照明する照明部1ａと、前記照明部を取り付けた拡散ドーム1bと、前記拡散ドームの頂上に取り付けた魚眼レンズ1cと、前記魚眼レンズを取り付けた受光部1dと、前記受光部で撮像した画像を処理し表示する画像処理部1eとを備えて構成されており、持ち運び可能なポータブル構造を有している。
【００１７】
本反射特性測定装置の基本的な考え方は、被測定物体の表面から反射する光を、半球状の拡散ドームの内壁に映り込ませ、その映り込んだ光強度分布を広角カメラで撮影することによって、半球状に広がる反射光の方向と強度を一度の撮影で取得することにある。
【００１８】
照明部１ａには、被測定物体にスポット光を照明するための照明が少なくとも一つ以上備えられて、複数の方向から照明できるように設置されている。例えば受光部1dの受光開始ボタンを押すと、照明部1aの照明が一つずつ順番に動作し、照明が切り替わるたびに受光部1dで撮像を行う。
【００１９】
拡散ドーム1bの内壁は拡散反射特性を有するため、被測定物体から反射して前記拡散ドームの内壁に映り込んだ光強度分布は、魚眼レンズ1cと受光部1dによってすべて撮像することができる。
【００２０】
光反射特性として拡散ドーム1bへ移り込んだ光強度分布のみを取得する場合には、魚眼レンズ1cの中心に絞りを設け、反射点から直接魚眼レンズ1cへ入射する光を遮る。
【００２１】
図2は、画像処理部1eのフローチャートを示す図である。図2に示すように、画像処理部1eでは、まず、受光部1dで撮像した画像を濃淡画像に変換し、被測定物体上の反射点の位置を濃淡値の重心として抽出する。そして、この反射点位置を中心とした座標へ変換する。次に、座標を直交座標系から球座標系へ変換する。ここで、直交座標の画素位置と拡散ドームの径との相関から球座標の方位角と仰角を算出し、直交座標の濃淡値から球座標の距離を算出する。このようにして球座標へ変換すると、反射点の反射特性を３次元表示することができる。
【００２２】
被測定物体が透明な物体である場合、被測定物体へ照射したスポット光の透過光を本反射特性測定装置で観察するように構成すれば、透過光の散乱を観測することができる。
【００２３】
光源から照射する光の形態をスポット（点）からスリット（直線）に替え、拡散ドームを半球状から半円筒状に替えることにより、測定領域を点から直線へと拡張することができる。この場合、被測定物体上の直線領域の光反射特性が得られることになる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明方向や観察方向によって異なる物体表面の幾何学的形状に基づく光反射特性を観測可能な測定装置および測定方法に関する。たとえば、機械部品や樹脂成型品の表面傷、あるいは透明フィルムの表面もしくは内部の傷を検出する外観検査装置として応用できる。
【背景技術】
【０００２】
光学的特性の一つである反射特性は、物体表面の微視的構造に起因する情報であり、コンピュータグラフィックスにおけるリアルな質感表現を可能にするだけでなく、物体認識や工業用部品の傷検査において有用な情報を与える。コンピュータグラフィックスへの応用では可視光の主波長ごとに必要となるが、波長依存性のない物体表面の傷検査を主目的とすれば単波長でもよい。
【０００３】
物体の反射特性はBRDF(双方向反射率分布関数) により表すことができ、光源方向（入射角）からの入射光照度に対する視野角方向（反射角）への反射光輝度の比率により表わされる。したがって、反射特性を測定するためには、少なくとも１つの入射光に対して、複数の観測方向から反射光輝度を検出する必要がある。
【０００４】
特許文献１の方法では、正反射角の高い検出精度を有する光学特性測定装置及び光学特性測定方法が示されている。しかしながら、正反射光の反射方向に相当する位置を基準とする所定領域内で、受光部を機械的に移動させる必要がある。
【０００５】
そこで、このような問題を解決するべく、非特許文献１、２には、楕円鏡とプロジェクタを組み合わせて機械的駆動部を排除した測定装置と測定方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許公開２００８−２４９５２１
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】角野 他、"楕円鏡を用いた双方向反射率分布関数の高速計測、"信学論vol.J90-D,no.8, pp.1930-1937,2007.
【非特許文献２】田川 他、"複数光源の同時照明によるBRDF の高速計測、"信学論vol.J92-D,no.8, pp.1393-1402,2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記非特許文献１、２は、被測定対象物体から試料を切り取って測定装置に設置する必要があり、In-situ（その場）計測ができない。
【０００９】
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、以下のような特徴をもつ測定装置と測定方法を提供することを目的とする。
（１）物体表面の単一波長の光に対する反射特性を測定できる。
（２）装置に機械的駆動部が存在しない。
（３）被測定物体から試料を切り取る必要がなく、In-situ（その場）計測ができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１にかかる反射特性測定装置は、少なくとも一つ以上のスポット光源を有し被測定物体を照明する照明部と、内壁が拡散反射特性を有し内部を前記照明部で照明できるようにした半球状の拡散ドーム部と、前記拡散ドーム部の頂上にある開口に魚眼レンズを取り付けた受光部と、前記受光部で撮像した画像から反射特性を取得し画面表示する画像処理部とを具備することを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記拡散ドームの内壁に映り込んだ光強度分布は、被測定物体から反射する光の方向と強度に基づいており、前記受光部は魚眼レンズによって前記拡散ドーム内壁をすべて撮像することができるので、前記照明部から照射された一方向からの光に対して複数の視線方向から観測した光強度分布と等価な画像を一度の撮影で取得することができる。
【００１２】
そして、そのようにして取得した画像を、前記画像処理部で濃淡画像に変換し、このときの濃淡値に基づいて被測定物体上の反射点を抽出し、この反射点の位置を基準として座標系を拡散ドームの径に基づいた球座標に変換すれば、反射点から拡散する反射光の方向と強度を検出することができる。
【００１３】
本発明の請求項２にかかる反射特性測定方法は、照明部のいずれか一つの照明からスポット光を被測定物体に照明するステップと、拡散ドームの内壁に映り込んだ前記被測定物体からの反射光を受光部で撮像するステップと、このとき撮像した直交座標系の画像から画像処理部で被測定物体上の反射点の位置を抽出し、この位置を中心として前記拡散ドームの径に基づいた球座標系へ変換した反射特性を画面表示するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１若しくは請求項２にかかる発明によれば、比較的単純で軽量な測定装置により、被測定物体から試料を切り取ることなく光反射特性をIn-situ（その場）計測でき、取得した反射特性を３次元表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る測定装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る画像処理の方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に係る反射特性測定装置の実施形態について説明する。図１は、本発明に係る反射特性測定装置の構成例を示す図である。図１に示すように、反射特性測定装置１は、被測定物体を照明する照明部1ａと、前記照明部を取り付けた拡散ドーム1bと、前記拡散ドームの頂上に取り付けた魚眼レンズ1cと、前記魚眼レンズを取り付けた受光部1dと、前記受光部で撮像した画像を処理し表示する画像処理部1eとを備えて構成されており、持ち運び可能なポータブル構造を有している。
【００１７】
本反射特性測定装置の基本的な考え方は、被測定物体の表面から反射する光を、半球状の拡散ドームの内壁に映り込ませ、その映り込んだ光強度分布を広角カメラで撮影することによって、半球状に広がる反射光の方向と強度を一度の撮影で取得することにある。
【００１８】
照明部１ａには、被測定物体にスポット光を照明するための照明が少なくとも一つ以上備えられて、複数の方向から照明できるように設置されている。例えば受光部1dの受光開始ボタンを押すと、照明部1aの照明が一つずつ順番に動作し、照明が切り替わるたびに受光部1dで撮像を行う。
【００１９】
拡散ドーム1bの内壁は拡散反射特性を有するため、被測定物体から反射して前記拡散ドームの内壁に映り込んだ光強度分布は、魚眼レンズ1cと受光部1dによってすべて撮像することができる。
【００２０】
光反射特性として拡散ドーム1bへ移り込んだ光強度分布のみを取得する場合には、魚眼レンズ1cの中心に絞りを設け、反射点から直接魚眼レンズ1cへ入射する光を遮る。
【００２１】
図2は、画像処理部1eのフローチャートを示す図である。図2に示すように、画像処理部1eでは、まず、受光部1dで撮像した画像を濃淡画像に変換し、被測定物体上の反射点の位置を濃淡値の重心として抽出する。そして、この反射点位置を中心とした座標へ変換する。次に、座標を直交座標系から球座標系へ変換する。ここで、直交座標の画素位置と拡散ドームの径との相関から球座標の方位角と仰角を算出し、直交座標の濃淡値から球座標の距離を算出する。このようにして球座標へ変換すると、反射点の反射特性を３次元表示することができる。
【００２２】
被測定物体が透明な物体である場合、被測定物体へ照射したスポット光の透過光を本反射特性測定装置で観察するように構成すれば、透過光の散乱を観測することができる。
【００２３】
光源から照射する光の形態をスポット（点）からスリット（直線）に替え、拡散ドームを半球状から半円筒状に替えることにより、測定領域を点から直線へと拡張することができる。この場合、被測定物体上の直線領域の光反射特性が得られることになる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つ以上の光源を有し被測定物体を照明する照明部と、内壁が拡散反射特性を有し内部を前記照明部で照明できるようにした拡散ドーム部と、前記拡散ドーム部の頂上にある開口に魚眼レンズを取り付けた受光部と、前記受光部で撮像した画像から反射特性を取得し画面表示する画像処理部とを具備する反射特性測定装置。
【請求項２】
請求項１の測定装置において、照明部のいずれか一つの光源から被測定物体に照明するステップと、拡散ドームの内壁に映り込んだ被測定物体からの反射光を受光部で撮像するステップと、このとき撮像した直交座標系の画像から画像処理部で被測定物体上の反射点の位置を抽出し、この位置を基準として拡散ドームの径に基づいた球座標系へ変換して反射光の強度と方向を取得し、３次元表示するステップからなる反射特性測定方法。
【請求項１】
少なくとも一つ以上の光源を有し被測定物体を照明する照明部と、内壁が拡散反射特性を有し内部を前記照明部で照明できるようにした拡散ドーム部と、前記拡散ドーム部の頂上にある開口に魚眼レンズを取り付けた受光部と、前記受光部で撮像した画像から反射特性を取得し画面表示する画像処理部とを具備する反射特性測定装置。
【請求項２】
請求項１の測定装置において、照明部のいずれか一つの光源から被測定物体に照明するステップと、拡散ドームの内壁に映り込んだ被測定物体からの反射光を受光部で撮像するステップと、このとき撮像した直交座標系の画像から画像処理部で被測定物体上の反射点の位置を抽出し、この位置を基準として拡散ドームの径に基づいた球座標系へ変換して反射光の強度と方向を取得し、３次元表示するステップからなる反射特性測定方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−３２９５１（Ｐ２０１３−３２９５１Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６８６９０（Ｐ２０１１−１６８６９０）
【出願日】平成２３年８月１日（２０１１．８．１）
【出願人】（５９５１１５５９２）学校法人鶴学園 (39)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１日（２０１１．８．１）
【出願人】（５９５１１５５９２）学校法人鶴学園 (39)
【Ｆターム（参考）】
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