JPH0821796A - 光学特性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定の再現性が高い光学特性測定装置を提供
する。 【構成】 光源１と、該光源からの光束を周期的に第１
光束又は第２光束に振り分ける光束分割装置４と、該第
１光束の光軸上に配置した被測定物からの光束を受光し
て電気信号に変換できるよう配置した第１受光部８と、
該第２光束を受光して電気信号に変換する第２受光部７
と、前記第１受光部と前記第２受光部からの出力の比を
とる比較手段１４とで構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物の透過率等の
光学特性を測定する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、被測定物の透過率等を測定する装
置として、例えば、ＪＩＳ Ｂ７１０７−１９６９に規
定されたような透過率測定装置がある。この測定装置
は、光源と光電変換素子で構成されており、光源からの
光束を被測定物に入射させる。被測定物を透過した光束
は、光電変換素子で受光され、入射光量に比例する電気
信号（出力）に変換される。この光電変換素子の出力を
測定信号とする。次に、被測定物を取り除き、光源から
の光束を直接、光電変換素子に入射させる。このときの
光電変換素子の出力を参照信号とする。得られた測定信
号と参照信号の比（百分率）を演算し、これを被測定物
の透過率としている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
測定装置では、同じ被測定物であっても繰り返し測定す
ると、測定するごとに透過率に微妙なばらつきがあっ
た。要するに、「測定の再現性が低い」と言われるもの
である。また、従来装置では、透過率の測定中に、被測
定物をいちいち取り付けたり、はずしたりしなければな
らないという不便さがあった。

【０００４】また、本発明者は、以前に上記課題を解決
するために、透過率測定装置に光束分割手段を用いて光
束を２分割にし、被測定物を透過した測定光及び被測定
物を透過しない参照光を同時に測定し、光源の光量変動
を受けずに測定の精度を高める発明を行なった。この発
明については、特願平６−３７３９２号で出願済であ
る。この技術は本出願明細書を出願した現在では未だ未
公開の技術であるが、この透過率測定装置に更に、光源
に振幅変調を駆けその変調周波数を利用してノイズを除
去する装置を設けて透過率を測定する場合、振幅変調の
ためにチョッパやハーフミラーを必要とする。しかし、
この装置の光学系にチョッパとハーフミラーの光学部材
を組み込む場合、測定装置の構造が複雑化し、装置自体
が大型になる。

【０００５】また、それぞれの光学部材について、取付
時に位置出し等を行うことになり、組立時の調整に時間
がかかるという問題もある。本発明は、この様な従来の
問題点を鑑みてなされたものある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、光学特性測定
装置を、光源と、その光源からの光束を反射する反射部
を有した光源からの光束を周期的に第１光束と第２光束
に振り分ける光束分割装置と、第１光束と第２光束をそ
れぞれ受光して電気信号に変換するための第１受光部と
第２受光部と、その第１受光部と第２受光部からの出力
の比をとる比較手段とから構成した。被測定物は第１光
束の光軸上に配置し、前記第１受光部は被測定物からの
光束を受光できるよう配置している（請求項１）。

【０００７】また、光束分割装置について、光源からの
光束を反射する反射部を有した第１光束分割部材と、当
該第１光束分割部材の反射部を光束の光軸上に周期的に
出現させる駆動部材とから構成した（請求項２）。ま
た、光束分割装置について、更に、光源からの光束を反
射する反射部と、光源からの光束を通過させる切取り部
とからなる第２光束分割部材と、反射部と該切取り部を
周期的に前記光源からの光束の光軸上に出現させる駆動
部材とから構成した（請求項３）。その第２光束分割部
材は、光源からの光束を反射する反射部と光源からの光
束を通過させる切取り部との面積の比率が１：１である
光束分割部材を用いた（請求項４）。

【０００８】比較手段からの情報により第１受光部と第
２受光部の出力の比を演算する演算装置を付加した光学
特性測定装置とした（請求項５）。請求項１から４まで
の発明について、更に、前記光束分割部材が光源からの
光束を第１光束又は第２光束に振り分ける時間的な周期
を読み取りその周期に関する周波数信号を出力する周波
数検出部と、第１受光部と第２受光部から出力したそれ
ぞれの電気信号から前記周波数検出部の周波数信号と対
応する信号だけを選択し、当該選択された信号を出力す
る周波数選択装置を付加した光学特性測定装置とした
（請求項６）。更に、前記周波数選択装置から出力され
た前記第１受光部に対応する信号と前記第２受光部に対
応する信号から、それぞれの信号の出力を比べ、前記第
１受光部が受けた被測定物からの光束に関する出力と前
記第２受光部が受けた光束分割部材からの光束に関する
出力との比を演算する演算装置を付加したことを特徴と
する光学特性測定装置とした（請求項７）。

【０００９】上記請求項の発明に更に、光源からの光束
の一部を通すピンホールを光源と光束分割部材との間に
付加し、前記ピンホールを通過した縮小光束を前記光束
分割部材に入射させる光学特性測定装置とした（請求項
８）。

【００１０】

【作用】本発明者の研究によると、測定値に微妙なばら
つきがでる原因は、光源の光量変化にあることがわかっ
た。本発明によれば、光源の光量変化が無視できるぐら
いの短かい時間周期で、光源からの光束を第１光束と第
２光束とに振り分ける。第１光束は、被測定物に入射す
る。第１受光部は、被測定物を透過又は反射した光束を
受光する。第２受光部は、第２光束を受光する。比較手
段は、第１及び２受光部から出力された信号の比をと
る。よって、光学特性がより正確に求まる（請求項１の
発明）。光源からの光束を第１光束と第２光束に分ける
光束分割装置には、光源からの光束を反射する反射部を
持った第１光束分割部材を、その第１光束分割部材を駆
動する駆動部材で駆動して、第１光光源からの光束を反
射する反射部と光源からの光束の光軸上に周期的に現す
（請求項２の発明）。又は、光源からの光束を反射部
と、光源からの光束を通過させる切取り部を有した第２
光束部材を、駆動部材によって第２光束部材の反射部と
切取り部を周期的に光源からの光束の光軸上に現す（請
求項３の発明）。更にその第２光束部材の持つ反射部と
切取り部の面積の比率が１：１として、切取り部を通過
する通過光の光量と反射部で反射される反射光の光量が
反射部の反射率を１００％と仮定すれば１：１となる
（請求項４の発明）。また、反射部が光束に表している
時間と表していない時間が等しければ、第１光束と第２
光束の光量が等しくなる。

【００１１】光学特性測定装置の構成に、比較手段の情
報から前記第１受光部と前記第２受光部の出力の比を演
算する演算装置を付加することにより、被測定物の透過
率又は反射率等の光学特性を算出する（請求項５の発
明）。又は光学特性測定装置の構成に、光束分割部材が
光源からの光束を第１光束又は第２光束に振り分ける時
間的な周期を読み取り、その周期に関する信号を出力す
る周波数検出部と、第１受光部と第２受光部から出力し
たそれぞれの電気信号から周波数検出部の周波数信号と
対応する信号だけを選択し、選択された信号を出力する
周波数選択装置を付加した。周波数検出部は、第１光束
と第２光束とに振り分ける周波数信号を検出し、周波数
選択装置に周波数信号を出力する。周波数選択装置は、
その周波数信号と、第１受光部からの電気信号と、第２
受光部からの電気信号とを入力する。第１受光部からの
電気信号と第２受光部からの電気電気信号から、周波数
信号と対応する信号だけを選択し、選択された信号を比
較手段に出力する（請求項６の発明）。この様な装置に
した場合、光束分割部材が周波数選択装置が拾い上げら
れる様に光源に周波数を持たし、かつ、光源からの光束
を２分割にする作用を持たしている。よって、光源と光
束分割手段との間にチョッパを設けることを必要とせ
ず、構造が簡単になる。また、この周波数検出部は、第
１受光部又は第２受光部を代用することもできる。

【００１２】更に、請求項６の構成を付加した光学特性
測定装置に、周波数選択装置からの第１受光部、第２受
光部に対応する信号から得られる光量の比を演算する演
算装置を比較手段の代わりに用いた。よって、自動的に
且つ瞬時に被測定物の透過率等の光学特性が算出するこ
とができる（請求項７の発明）。これは、異なる被測定
物を連続的に測定するときに有利である。演算結果は、
表示装置で数値又はグラフとして表示してもよい。しか
し、別の製造ラインや検査ラインに本発明の光学特性測
定装置を組み込んだ場合には、表示することなく、電気
信号（出力）のまま、別の動作の信号として利用しても
よい。

【００１３】上記光学特性測定装置全てに、光源からの
光束の一部を通すピンホールを光源と光束分割部材の間
に付加した（請求項７の発明）。被測定物を測定する場
合、更に精度の良い測定値を得るためには、光束を微小
光束に絞る必要がある。そのためには、光源自体が微少
光束を発するものを使用してもよい。この様にすると、
第１受光部、第２受光部で受光する光が限定されるた
め、効率よく光量が測定できるためである。

【００１４】以下、図面を引用して、実施例により本発
明をより具体的に説明するが、本発明は、これに限られ
るものではない。

【００１５】

【実施例】図１は、実施例の透過率測定装置の全体構成
を示すブロック図である。本実施例の透過率測定装置
は、光源１、コリメータレンズ２、ピンホール３、回転
ミラー４、モーター５、光電スイッチ６、フォトダイオ
ード７及び８、被測定物９、ロックインアンプ１０及び
１１、演算回路１２、デジタルボルトメーター１３、コ
ンピュータ１４で構成されている。

【００１６】光源１は、白色光源である。光源１から発
した光は、コリメータレンズ２によって、平行光束にさ
れる。平行光束にされた光は、ピンホール３によって幅
の狭い光束とする。ピンホール３の穴の大きさは、回転
ミラー４の反射部の大きさより小さいものとする。この
理由は、ピンホール３を通過した全ての光を回転ミラー
を通過した光を受光するフォトダイオード８と、回転ミ
ラー４を反射した光を受光するフォトダイオード７で受
光しなければ、正確に光の比較ができなくなるためであ
る。要するに、ピンホール３の大きさに付随して回転ミ
ラー４の大きさも必要十分な大きさにする必要がある。

【００１７】ところで、ピンホール３の大きさを更に小
さくすることにより、被測定物の一部について透過率を
求めることができる。そして、この更に小さくしたピン
ホールの位置を変更することにより、被測定物の各部の
透過率を求めて、その被測定物の透過率ムラを測定する
ことができる。回転ミラー４は光束分割部材の一種であ
る。本実施例では、図２で示した様な形状を有してい
る。回転ミラー４はアルミニウム板を用いており、羽根
の部分については両面鏡面加工を施している。この羽根
は光源からの光束を反射する反射部となる。回転ミラー
４は、扇型の４枚のこの羽根を回転軸に対して放射状に
設けている。図２で示す点線より内側は、取付け部Ｐを
示している。取付け部Ｐより外側（外周側）において、
羽根の面積と切取り部の面積の比は、１対１となるよう
製作してある。光源からの光は、この回転ミラー４によ
って第１光束と第２光束とに振り分けられる。第１光束
は回転ミラー４の切取り部を通過した通過光であり、第
２光束は回転ミラー４の反射部によって反射された反射
光である。切取り部と反射部の各々の面積が同じという
ことで、回転ミラーが同一回転数で回り続けている場合
は、回転ミラーの反射率が１００％と仮定すれば、回転
ミラーに反射する反射光と回転ミラーの切取り部を通過
する通過光の光量の比率が１対１となる。よって、光量
を１：１に分けるハーフミラーとしての目的を達成し、
また、所定の周期でもって通過光又は反射光に光の強弱
が生まれるため光源１の光に所定の周波数で振幅変調を
与える効果も生まれる。

【００１８】本発明者は、以前に、本回転ミラーを用い
ずに、光に所定の振幅変調周波数を持たすためのチョッ
パと、光路を分割するために金属薄膜または誘電膜を用
いたハーフミラーを用いた。しかし、金属薄膜または誘
電膜を用いたハーフミラーは角度特性があるため、光の
ハーフミラーに対する入射角が変わるとハーフミラーを
透過する光量と反射する光量の比率が変化した。そのた
め、本発明者は、その影響をできるだけ少なくできる位
置にハーフミラーを位置出ししなくてはならず、そのた
め微妙な調整を行わなければならないため、組立に非常
に時間が掛かった。それに対して、本実施例の様な回転
ミラーを用いると、前記の様なハーフミラーの角度特性
による影響が無くなり、通過光と反射光の光量は常に同
じになるため、この問題も解決できる。

【００１９】回転ミラー４は、取り外し可能な止めねじ
でモータ５に取りつけられている。回転ミラー４は、駆
動部材の一種であるモーター５によって一定の速度で回
転される。回転ミラー４は、モータ５により、回転数を
６０〜４５００ｒｐｍと変えて、第１受光部及び第２受
光部からの信号が最適な条件でロックインアンプに入力
できるよう回転ミラー４の回転数を可変している。本実
施例では、２７００ｒｐｍ辺りの回転数で行っている。
この回転数で行うと、蛍光灯の明かり等がそれぞれの受
光部に入力されても、ロックインアンプでこれらの光の
情報を削除できるようになる。

【００２０】回転ミラー４の切取り部を通過した通過光
は、被測定物９を照射する。被測定物９を透過した光を
第１受光部の一種であるフォトダイオード８で捕らえ
る。フォトダイオード８は、被測定物を経た透過光を検
知し、その光量に応じた信号を測定信号として出力す
る。その測定信号は、被測定物からの通過光以外の光も
受光していることがあるため、ロックインアンプ１１に
入力される。また、回転ミラー４によって反射された反
射光は、第２受光部の一種であるフォトダイオード７で
捕らえる。フォトダイオード７は、反射光を検知し、そ
の光量に応じた参照信号を出力する。その参照信号も、
測定信号と同様に、回転ミラー４からの反射光以外の光
も受光していることがあるため、ロックインアンプ１０
に入力される。フォトダイオード７とフォトダイオード
８は、その他の光電変換素子や積分球等でも構わない。

【００２１】回転ミラー４の近傍には、周波数検出部の
一種である光電スイッチ６が設置されている。光電スイ
ッチ６は、通過光と反射光の繰り返し周期を計測し、所
定の周波数信号を出力する。光電スイッチ６から出力さ
れた所定の周波数信号は、ロックインアンプ１０及びロ
ックインアンプ１１に入力される。ここでのロックイン
アンプは、周波数選択装置の一種である。ロックインア
ンプ１０又はロックインアンプ１１は、光電スイッチ６
から所定の周波数信号と、フォトダイオード７からの参
照信号、またはフォトダイード８からの測定信号を入力
する。ロックインアンプ１０は、フォトダイオード７か
ら出力された参照信号の中から、所定の周波数以外のノ
イズ分を除去した参照信号を出力する。ロックインアン
プ１１も同様に、フォトダイオード７から出力された測
定信号の中から、所定の周波数以外のノイズ分を除去し
た測定信号を出力する。そして、それぞれの選択した参
照信号及び測定信号を比較手段に出力する。

【００２２】ここでロックインアンプについて説明する
と、ロックインアンプは、測定した信号がノイズに埋も
れる様な微弱な信号であっても高い測定精度が得られる
との理由により、ロックインアンプがよく利用されてい
る。光の計測に使用した場合の一例として挙げると、光
源からの光束の途中にチョッパ等により、光源からの光
束に特定の周波数特性をもたす。その周波数は、ノイズ
分の光の持つ周波数と異なる周波数になる様にする。ま
た、そのチョッパ等が光源に振幅変調をかける周波数を
計測する周波数検出部を設ける。光源からの光束が被測
定物に照射される。被測定物を透過した光は、光電変換
素子で光電変換し、その出力を測定信号としてロックイ
ンアンプに入力する。このとき、大抵、光源からの光束
とは、違った周波数を持った光（ノイズ分）についても
光電変換素子で受光されている。ノイズ分の光は、光束
に駆けてある周波数と異なってため、それを利用して、
ロックインアンプでノイズ分の光を除去する。このよう
にして、ロックインアンプを用いて測定を行うと、光電
変換素子からの信号に測定信号とは別の周波数成分を有
する雑音が存在しても、測定信号のみを得られる様にな
っている為、雑音は除去される。つまり、雑音に埋もれ
たある周波数の微弱な繰り返し信号を検出するバンドパ
スフィルタともいえるものである。ロックインアンプの
構成は簡単に説明すると、周波数信号に応じて反転と非
反転を周波数信号で切り換えるスイッチと平均化回路等
で構成されたものである。

【００２３】本実施例での比較手段は、演算回路１２と
デジタルボルトメータ１３とコンピュータ１４とで構成
されている。演算回路１２は、ロックインアンプ１０と
ロックインアンプ１１の出力より得られた参照信号の電
圧Ｖｒと測定信号Ｖｗの電圧について、数式１により２
つの出力の比を求め、電圧で出力する。

【００２４】

【数１】

【００２５】電圧に変化した出力は、デジタルボルトメ
ータ１３により、アナログ信号からデジタル信号に変換
される。変換したデジタル信号をコンピュータ１４に送
り、コンピュータ１４で数式２により透過率Ｔを演算さ
せたあと、コンピュータ１４の画面に数値として表示す
る。

【００２６】

【数２】

【００２７】なお、ＲｒとＲｔは、回転ミラー４の反射
と通過の割合を表す。また、ｋは、回転ミラーの反射率
に関する係数である。なお、本発明は、上記実施例のみ
に限定されるものでは無く、例えば、光源１はレーザで
もよい。この場合、コリメータレンズ２は不要となる。
回転ミラー４については、ミラーの形状が回転ミラー以
外にも、シャッター機構を用いたミラーでも構わない。
この場合、一定の時間的な周期でもって、シャッターを
開け閉めをして行なう。

【００２８】周波数信号を得る為の手段としては、光電
スイッチ６以外にもコの字型をした形状の部材に、一方
を発光ダイオード、他方をフォトダイオードが取り付け
てあるコの字型のフォトセンサを使用して得る方法、ま
たはフォトダイオード７又はフォトダイオード８からの
信号により得る方法等がある。また、ピンホール３の代
わりにレンズ等により光の幅を制限しても構わない。

【００２９】本実施例では、回転ミラー４の光源側とは
逆になる裏面は、鏡面に加工している。これは、回転ミ
ラー４によって反射された光電スイッチの光を検出し、
周波数を読み取る反射型の光電スイッチ６を取り付けて
いるためである。しかし、フォトセンサ７等の出力をロ
ックインアンプの周波数信号の検出用としても兼用して
使用するのであれば、必ずしも両面鏡面にする必要はな
い。コの字型のフォトセンサーを設けて、これによって
周波数を測定する場合にも、同じことが言える。

【００３０】回転ミラー４の羽根の枚数については、本
実施例では４枚としてあるが、１枚でも５枚でも良く、
特に規定はしない。回転ミラーの材質については、鉄、
ステンレス等の金属やガラス等でも構わない。本実施例
では、回転ミラー４とモータ５の取付けに取り外し可能
な機構を持つ止めネジで行ったが、その他ピン等で止め
る形でも構わない。また、回転ミラー４は、反射と透過
の比率を可変にする必要がなければ、脱着式であろうと
無かろうと構わない。回転ミラー４の形状については、
本実施例では、羽根の面積と切取り部の面積の比は１対
１の割合にしたが、羽根の面積と切取り部の面積が違う
ものに変えることで、反射と透過の比率が変更出来る。
この様にすると、反射側のセンサーが許容値より強い光
を受光してしまうといった場合に、羽根の面積を小さく
することで、反射側のフォトダイオードに許容値内に受
光させることができ、正確な透過率の測定が可能とな
る。

【００３１】モータ５については、モータ以外にもゴム
やゼンマイ等回転が安定して行えるものであれば、モー
タの代わりに使用しても構わない。比較手段について
は、本実施例中では、演算装置とデジタルボルトメータ
とコンピュータ等で構成されているが、他にも、第１受
光部であるフォトダイオード７と第２受光部であるフォ
トダイオード７のそれぞれ出力を電流計等で計測し、比
較できるようなものであれば構わない。

【００３２】以上、本実施例では、被測定物の透過率を
測定する測定装置について以上述べたが、本実施例での
装置にフォトダイオード７が被測定物から反射される光
量を受光できるようにし、被測定物からの反射した光量
を測定することによって、被測定物の反射率を測定する
装置としても用いることが出来る。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明したように、本発明の光学特
性測定装置は、光源からの光束を光束分割部材によって
２分割にして、光束分割部材を通過して被測定物を透過
した通過光の光量と光束分割部材によって反射された反
射光の光量を同時に測定し、透過率を求めるため、光源
の光量変動を受けにくくなり、測定の再現度が高まる。
また、透過率の測定中に、被測定物をいちいち取り付け
たり、はずしたりする操作を不要にした。

【００３４】また、チョッパとハーフミラーを別々に設
けた測定装置に比べ、光学系の配置の制限が少なくな
り、構造が簡単となるので、測定装置が小型化出来る。
また、調整を必要とする部品が減るので、調整時間を少
なくすることが出来、組立コストが掛からなくなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明に関する実施例の装置図である。

【図２】は、本発明に関する実施例に用いられる回転ミ
ラーの図である。

【符号の説明】

１・・・・光源 ２・・・・コリメータレンズ ３・・・・ピンホール ４・・・・回転ミラー ５・・・・モータ ６・・・・光電スイッチ ７・・・・フォトダイオード ８・・・・フォトダイオード ９・・・・被測定物 １０・・・ロックインアンプ １１・・・ロックインアンプ １２・・・演算装置 １３・・・デジタルボルトメータ １４・・・コンピューター Ｐ・・・・回転ミラー取り付け部 以上

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、該光源からの光束を周期的に第１
   光束又は第２光束に振り分ける光束分割装置と、該第１
   光束の光軸上に配置した被測定物からの光束を受光して
   電気信号に変換できるよう配置した第１受光部と、該第
   ２光束を受光して電気信号に変換する第２受光部と、前
   記第１受光部と前記第２受光部からの出力の比をとる比
   較手段とを有したことを特徴とする光学特性測定装置。
2. 【請求項２】前記光束分割装置は、前記光源からの光束
   を反射する反射部を有した第１光束分割部材と、該第１
   光束分割部材の反射部を光束の光軸上に周期的に出現さ
   せる駆動部材からなることを特徴とする請求項１記載の
   光学特性測定装置。
3. 【請求項３】前記光束分割装置は、光源からの光束を反
   射する反射部と、該光源からの光束を通過させる切取り
   部とからなる第２光束分割部材と、該反射部と該切取り
   部を周期的に前記光源からの光束の光軸上に出現させる
   駆動部材とからなることを特徴とする前記請求項１記載
   の光学特性測定装置。
4. 【請求項４】前記第２光束分割部材は、光源からの光束
   を反射する反射部と光源からの光束を通過させる切取り
   部との面積の比率が１：１であることを特徴とする前記
   請求項１又は前記請求項３記載の第２光束分割部材。
5. 【請求項５】前記比較手段は、前記第１受光部と前記第
   ２受光部の出力の比を演算する演算装置からなることを
   特徴とする請求項１乃至４記載の光学特性測定装置。
6. 【請求項６】前記光束分割部材が光源からの光束を前記
   第１光束又は前記第２光束に振り分ける時間的な周期を
   読み取りその周期に関する周波数信号を出力する周波数
   検出部と、前記第１受光部と前記第２受光部から出力し
   たそれぞれの電気信号から前記周波数検出部の周波数信
   号と対応する信号だけを選択し、該選択された信号を出
   力する周波数選択装置とを付加し、該周波数選択装置の
   出力を比較手段に入力することを特徴とする請求項１乃
   至４記載の光学特性測定装置。
7. 【請求項７】前記周波数選択装置から出力された前記第
   １受光部に対応する信号と前記第２受光部に対応する信
   号から、それぞれの信号の出力を比べ、前記第１受光部
   が受けた被測定物からの光束に関する出力と前記第２受
   光部が受けた光束分割部材からの光束に関する出力との
   比を演算する演算装置を付加したことを特徴とする請求
   項６記載の光学特性測定装置。
8. 【請求項８】光源からの光束の一部を通すピンホールを
   光源と光束分割部材との間に付加し、前記ピンホールを
   通過した縮小光束を前記光束分割部材に入射させること
   を特徴とする請求項１乃至７記載の光学特性測定装置。