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1. WO2007122674 - 光学測定装置

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[ JA ]
明 細書

光学測定装置

技術分野

[0001] 本発明は、光源力の全光束を測定することが可能な光学測定装置に関する。

背景技術

[0002] 光学測定装置のうち、全光束測定装置は、ディスプレイなどの面発光源の全光束 を、円柱光源である全光束標準電球を標準として測定し得る装置である。従来の典 型的な全光束測定装置は、内壁面に硫酸バリウムなどの完全拡散反射材料を塗布 した完全な積分球を備えて!/、る。測定対象となる試料ランプは積分球の中心に配置 され、その光束は積分球の球面上に形成された観測窓を介して光束が測定される。 試料ランプからの光が観測窓に直接入射しないように観測窓と試料ランプとの間には 遮光板が設けられる。このような球形光束計を用い、全光束の値が既知の全光束標 準電球と試料ランプとの比較測定を行うことにより、試料ランプの全光束を求めること ができる。

[0003] 球形光束計は、試料ランプを積分球の中心部において点灯する必要があるため、 試料ランプを積分球中心部で固定する支持具が必要となる。しかし、この支持具とラ ンプ自身の光吸収が測定誤差をもたらすため、支持具に積分球内壁面に塗布する 塗料と同様の塗料を塗布することが行われる。

[0004] 積分球壁面に自己吸収測定用光源を点灯し、支持具と試料ランプが積分球内に あるときと無いときでの測光器の出力の比から、それらの自己吸収率を求める方法が ある。しかし、現実には、ランプ支持具がランプ点灯用の配線のダクトを兼ねることが 多ぐ積分球に固定されているため、試料ランプの自己吸収率のみを求めて実施さ れている (JIS C7607— 1991、測光標準用放電ランプの全光束測定方法、付属書 補正係数の求め方 2.ランプの形状、寸法の相違などによる自己吸収の補正係数 k2の測定方法)。

[0005] 一方、試料ランプの配光分布および分光分布等は、全光束標準光源の配光分布、 および分光分布等と異なるため、ランプ支持具および試料ランプの自己吸収は無視 できない値となる。

[0006] このような問題を解決するため、半球と平面ミラーを備える新しい全光束測定装置 が提案された (特許文献 1)。

[0007] 特許文献 1に開示されている装置は、図 8に示すように、内壁に硫酸バリウムなどの 光拡散反射面 1を塗布した積分半球 2を用意し、この積分半球 2の開口部に平面ミラ 一 3を被せることによって作製される。平面ミラー 3のうち、積分半球の曲率中心に位 置する部分には開口 5が設けられており、この開口 5に被測定光源 4が挿入される。 被測定光源 4を積分半球 2の内部で点灯することにより、積分半球 2の内壁と被測定 光源 4の虚像が、平面ミラー 3により発生する。その結果、積分半球 2と同一半径の積 分球の内部に被測定光源 4と、その被測定光源 4の虚像が点灯された状態が得られ る。こうして、被測定光源 4と被測定光源の虚像とによって構成される二つの光源の 全光束が光検出器 6によって測定されることになる。

[0008] この装置によれば、ランプ支持具 (点灯治具) 8が積分空間の外側に位置するため 、ランプ支持具 8による自己吸収は全光束測定値に影響しない。このため、ランプ支 持具 8による自己吸収の補正など、煩雑なプロセスなしに高い測定精度が得られる。 また、積分空間は、全球の積分球の半分であるため、光検出器 6の受光窓の照度は 2倍となり、全光束測定における SZN向上が得られる。

特許文献 1 :日本国特開平 6— 167388号公報(図 1を参照)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] しカゝしながら、図 8の構成では、被測定光源 4からの直接光を遮断する遮光板 7は、 被測定光源 4の虚像力もの直接光をも遮断する必要がある。このため、後述するよう に、全球での積分球内に被測定光源 4のみを点灯する場合に比べて 2倍以上の大き さが必要となる。積分球内部の遮光板 7は、積分球内での反射光の光路の一部を遮 断し、かつ遮光板自身も光の吸収があるため、全球での積分球におけるランプ支持 具と同様に測定誤差が増大する課題があった。

[0010] 以下に、積分球を用いる測定原理と、遮光板の自己吸収による誤差を詳細に説明 する。

[0011] まず図 9を参照して積分球による測定原理を説明する。図 9は、積分球の原理を平 面モデルで説明するための図面である。

[0012] 半径 rの積分球の中心には光源 4が配置され、光源 4から角度 oc方向の積分球壁 微小面 Aに光度 I )で照明されたとする。このとき、積分球壁微小面 Aの照度 E aは

、数式 1で表される。

[0013] (数式 1)

E a=I 0 (a)/r2

[0014] 積分球内壁では反射率 pで完全拡散反射が生じ、また内壁面上の微小面 Aが面 積 dSであるとすれば、微小面 Aから反射される光束 φ aは数式 2で表される。

[0015] (数式 2)

φ a = p ·Ε a #dS

[0016] 微小面 Aの法線に対して角度 Θの方向の積分球壁面上の微小面を Bとする。微小 面 Aより面 B方向の光度 I a ( Θ )は微小面 Aが完全光拡散反射面のため数式 3で表さ れる。

[0017] (数式 3)

I a ( θ ) = a -cos θ / π

[0018] 面 Bは積分球内壁上の面であるため、面 Bへの I a ( Θ )の入射角は Θであり、微小面

Aと面 Bとの距離は 2r' cos Θである。したがって、面 Β上の光度 I a ( Θ )による照度 Eab は数式 4で表される。

[0019] (数式 4)

E ao =1 a (0)-cos0/(2r-cos0)2

=Φ a /(4πτ2)

= ·Ι (α)·ά8/(4πτ4)

[0020] 数式 4より明らかなように、微小面 Α力の反射光は微小面 Αからの出射角 0によら ず、積分球内壁のどの部分に対しても均一の照度で照明することになる。積分球の 内面積は、 4 π 'r2であるから、微小立体角 (1Ωを用いると微小面 dSを数式 5のように 表せる。

[0021] (数式 5)


= 2r2-dQ

[0022] したがって、数式 4は数式 6となる。

[0023] (数式 6)

E ab = p ·Ι 0 (α) ·άΩ/(2π -r2)

[0024] 数式 6の I 0 (ひ) '(1Ωを全空間で積分したもの力光源 4の全光束 Φである。このた め、光源 4からの光束の積分球内壁全体の 1次反射光による面 Βの照度 Ε blは、数式

7で表される。

[0025] (数式 7)

E bl =ρ ·Φ/(2π τ2)

[0026] 光源 4からの光束の積分球内壁の 1次反射光による面 Bの照度 E blに対し、さらに面

B表面で反射率 pの 2次反射が起こる。微小面 Bの面積を dSとすると、面 Bよって反 射される光束 Φ b,2は、数式 8で表される。

[0027] (数式 8)

φ b,2 = p ·Ε bl ·ά¾

= ·Ε bl -2r2-dQ

[0028] 面 Bが完全光拡散反射面である、面 Bから角度 Θ方向の光度 I b ( 0 )は、数式 9で表 される。

[0029] (数式 9)

I b ( θ ) = b,2 -cos θ / π

[0030] 面 Bから角度 Θ方向の点を Cとすれば、面 B上の光度 I b ( Θ )による照度 E beは数式 1

0で表される。

[0031] (数式 10)

Ebc = I b ( Θ ) -cos Θ /(2r-cos θ Ϋ

=Φ b,2 /(4πτ2)

= ·{ ρ ·Φ·άΩ}/(2π τ2)

[0032] したがって、面 Βからの 2次反射光は、面 Β力の出射角 Θによらず、積分球内壁の どの部分に対しても均一の照度で照明する。即ち積分球内壁全部からの 2次反射光

による面 Bの照度は、数式 10の (1Ωを全空間で積分した値であり、数式 11で表される

[0033] (数式 11)


[0034] 光源 4から面 Bへの直射光度を I 0 ( j8 )とし、 1次以降の高次の反射光を考慮すれば 面 Bの照度 Ebは、数式 12で表される。

[0035] (数式 12)

E b =10 (β)/τ + β ·Φ/(2π ·τ) + β2·Φ/(2π ·τ) + β3·Φ/(2π ·τ) - - - =1 0 (ι8)/Γ2+ ρ ·Φ/{(ΐ- ρ) ·2π τ2}

[0036] 光源 4を球面配光とすれば、面 Βの照度 Ε bのうち光源 4からの直接光による照度 Ε b,。

は、数式 13で表される。

[0037] (数式 13)

E (β)/ν2

b,0 =10

= Φ/(2π -r2)

[0038] 面 Bの照度 E bのうち、積分球壁面からの反射光による照度 E b,rは、数式 14で表され る。

[0039] (数式 14)

E b,r = ρ ·Φ/{(1- ρ) ·2π τ2}

[0040] 光源 4からの直接光による照度 Ε b,0と、積分球壁面からの反射光による照度 Ε b,rとの 比は、数式 15で表される。

[0041] (数式 15)

E b,0: E b,r =Φ/(2π τ2) : ρ ·Φ/{(1- ) ·2π τ2}


[0042] この比は、光拡散反射面 1の反射率 pで決まる。反射率が 95%程度であるとき、光 源 4からの直接光による照度 E b,0は 5%程度となる。この値は、光源 4を球面配光と仮 定した場合の値であり、測定しょうとする光源 4の配光に直接影響を受ける。

[0043] 従って、従来の積分球では、積分球の壁面 Bの位置に観測窓を設け、視感度補正 力 された光検出器 6を観測窓に設置した場合、光源 4からの直接光である I (β)を

遮光板 7で遮光することにより、光検出器 6は、光源 4の全光束値に比例した照度を 測定できる。

[0044] 次に、図 10 (a)および図 10 (b)を参照しながら、遮光板の自己吸収による誤差を説 明する。

[0045] 図示されるように光源 4と光検出器 6の間に遮光板 7を設けた場合を考える。この場 合、図 10 (a)に示すように光検出器 6の受光窓力みると、積分球内壁の p— qの範 囲からの照明が欠落する。また、図 10 (b)に示すように光源 4からみると、積分球内 壁の p'— qの範囲を直接照明できなくなる。これらは、いずれも測定誤差の原因とな る。この誤差は、遮光板 7が大きくなるに従い増大するが、測定しょうとする光源 4が 大きくなると、遮光板 7も大きくせざるを得ない。

[0046] 図 8の構成では、被測定光源 4からの直接光を遮断する遮光板 7が平面ミラー 3上 に配置されている。この場合の遮光板 7は、図 11に示すように、被測定光源 4とその 虚像である光源とを含む二つの光源力ゝらの直接光を遮光する必要がある。したがつ て、図 8の構成における遮光板 7は、全球での積分球内に被測定光源 4のみを点灯 する場合に必要な遮光板に比べて、 2倍以上の大きさが必要となり、その分、測定誤 差が大きくなると、う課題を有して、る。

[0047] 本発明は、上記課題を解決するためになされ、その目的とするところは、遮光板を 無くすことによって、遮光板による測定誤差を低減し、高い精度で全光束を測定する ことが可能な光学測定装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0048] 本発明の光学測定装置は、光入射窓または光源装着部として機能する中央開口 部と、光検出器による測定を可能にする観測窓とを有する平面ミラー、および前記平 面ミラーの前記中央開口部内に曲率半径の中心を有し、内壁面が光拡散反射面とし て機能する半球を備え、前記平面ミラーと前記半球は内部に積分空間を形成する。

[0049] 好ましい実施形態において、前記光検出器が前記平面ミラーの観測窓に装着され ている。

[0050] 好ましい実施形態において、前記中央開口部に装着される光源が前記平面ミラー に対して Lの距離だけ積分空間内に突出する場合において、前記中央開口部の中

心から前記観測窓の中心までの距離を L、前記観測窓の半径を R 1前記光検出器の 受光面の半径を R 2としたとき、前記光検出器は、前記観測窓の後方 L dの位置に設置 され、 L d >L h (R 1 +1 2 7 (しー1 1 の条件が満足される。

[0051] 好ましい実施形態において、前記積分空間内には、遮光部が配置されていない。

[0052] 好ま、実施形態にぉ、て、前記光検出器は輝度計である。

[0053] 好ましい実施形態において、前記観測窓と前記中央開口部との距離が前記半球の 曲率半径の 65%以上である。

発明の効果

[0054] 本発明の光学測定装置によれば、積分半球の中心を通る平面ミラー上に観測窓が あるため、遮光板を積分空間内に設置することなぐ光源力の直射光が観測窓に 入射することを回避できる。このため、遮光板の自己吸収や反射光束のけられがなく 、それによる測定誤差を低減できる。その結果、高出力、高 SZNで全光束を測定す ることが可能になる。

図面の簡単な説明

[0055] [図 1]本発明の実施形態 1における球形光束計の断面を示す図である。

[図 2]本発明の実施形態 2における球形光束計の断面を示す図である。

[図 3]円柱光源の配光特性を示す図である。

[図 4]光源 4から、観測窓 6'に直接入り込む光束がある場合の光検出器 6との位置関 係を示す図である。

[図 5]本発明の実施形態 3における球形光束計で、平面光源を測定する場合の断面 を示す図である。

[図 6]本発明の実施形態 3における球形光束計で、円柱光源を測定する場合の断面 を示す図である。

[図 7]円柱光源を全光束標準として平面光源の全光束を測定した場合の、観測窓の 位置をパラメータとした測定誤差の図である。

[図 8]特許文献 1の光束計の構成を示す図である。

[図 9]球形光束計の原理を示す図である。

[図 10] (a)および (b)は、球形光束計内部に遮光板を設けた場合の誤差を示す図で ある。

[図 11]特許文献 1の構成における球形光束計内部に遮光板を設けた場合の誤差を 示す図である。

符号の説明

[0056] 1 光拡散反射面

2 積分半球

3 平面ミラー

4 光源

5 光源装着窓

6 光検出器

6' 観測窓

7 遮光板

8 輝度計

発明を実施するための最良の形態

[0057] 本願発明者は、特許文献 1に開示されているような積分半球と平面ミラーとが形成 する積分空間内での光の挙動を分析することにより、原理上、球面体上に設けるべき ものと考えられていた観測窓を平面ミラー上に配置しても、光源の全光束を測定する ことができ、し力も、遮光板が不要になるということを見出した。

[0058] 図 9を参照しながら詳細に説明したように、従来の全光束測定の原理は、積分球の 内壁面上における照度に関する関係式によって導出されたものであり、あくまでも、 球状の内壁面上で成立するものと理解されてきた。しカゝしながら、本発明者の研究に よると、球体の中心を横切る平面ミラー上でも同様のことが成立するという予想外の 結果が得られた。本発明は、この知見に基づいて成されたものであり、観測窓を平面 ミラー上に配置するという新規な構成を採用することにより、遮光板を用いることなぐ より正確な全光束の測定を可能にするものである。

[0059] 以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

[0060] (実施形態 1)

図 1を参照して、本発明による光学測定装置の第 1の実施形態を説明する。

[0061] 本実施形態の光学測定装置は、内壁面が光拡散反射面 1として機能する積分半 球 2と、積分半球 2の開口面を塞ぐ平面ミラー 3とを備える全光束測定装置である。光 拡散反射面 1は、測定しょうとする放射を拡散する拡散材料を積分半球 2の内面に塗 布するか、または、積分半球 2の内面を加工することによって形成され得る。平面ミラ 一 3は、光入射窓または光源装着部 5として機能する中央開口部と、光検出器 6によ る測定を可能にする観測窓 6 'とを有している。積分半球 2の曲率半径の中心は、平 面ミラー 3の中央開口部内に位置し、平面ミラー 3と積分半球 2は内部に半球状の積 分空間を形成している。そして、全光束が測定される光源 4は、平面ミラー 3の光源装 着窓 5に装着される。

[0062] 本実施形態の全光束測定装置が従来の全光束測定装置から大きく異なる点は、 光検出器 6の位置である。すなわち、従来の全光束測定装置では、光検出器をセット する観察窓が積分球の球体壁面にあるのに対し、本実施形態では、光検出器 6をセ ットする観察窓が積分半球 2の壁面にはなぐ平面ミラー 3に設けられる。

[0063] 以下、図 1を参照しながら、本実施形態の測定装置の動作原理を説明する。

[0064] ここで、測定対象とする光源 4は、液晶ノックライトのような完全拡散配光を示す面 光源とする。図 1に示されるように、積分半球 2上の微小面 Aから、平面ミラー 3への 法線に対して、観測窓 6'の中心と微小面 Aを結ぶ線が角度 Θ dを形成しているとする

。光源 4の中心 (積分半球 2の曲率中心)カゝら微小面 Aへ至る直線と光源 4の法線と の間の角を Θとする。更に、光源 4の全光束を Φ、光源 4の法線方向の光度を I 0 (0) とすれば、数式 16が成り立つ。

[0065] (数式 16)

Φ = π ·Ι ο (0)

[0066] 光源 4から微小面 Α方向の光度 I 0 ( 0 )は、ランベルトの余弦法則により、数式 17で 表される。

[0067] (数式 17)

I 0 ( Θ ) =10 (0) - cos θ = ( Φ / π ) - cos θ / π = - cos θ / π

[0068] 積分半球の曲率半径を rとすれば、積分球内壁の微小面 A上の照度 E 0 ( Θ )は、数 式 18で表される。

[0069] (数式 18)

E ( Θ ) =Ι ( θ )/τ =Φ ·οο5 θ (π ·τ )

ο ο

[0070] 積分半球 2の内壁の光拡散反射面 1では、反射率 ρで完全拡散反射が生じる。内 壁上の微小面 Αが面積 Δ Sであるとすれば、微小面 Aで反射される光束 φ

aは、数式

19で表される。

[0071] (数式 19)

φ = β Έ ( Θ ) - AS

a


[0072] 微小面 Aの法線に対して角度 0 + 0

dの方向に光検出器 6の受光面がある場合、 光束 Φのうち、微小面 A力光検出器 6の方向の光度 I ( 0 )は、微小面 Aが完全光 拡散反射面のため、数式 20で表される。

[0073] (数式 20)

I ( θ ) = ( /π) -cos( Θ + θ )

a,a a d

= φ -cos( Θ + Θ )/ π

a d

= · AS- -cos Θ -cos( Θ + θ )/(π2τ2)

d

[0074] 微小面 Aから光検出器 6の受光面までの距離を L

adとすれば、光源 4からの光度 I (

0

0 )の微小面 Aでの 1次反射光による光検出器 6の照度 E a,d,lは、数式 21で表される。

[0075] (数式 21)

E =1 ( 0 )/L 2

a,d,l a,a ad

= · AS* Φ 'cos Θ 'cos ( θ + θ )/(π2· 'L 2)

d ad

[0076] 一方、光源 4からの全方向の光による微小面 Aの照度 E

a,fは、数式 12と同様に、数 式 22で表される。ただし、微小面 Aの照度は、平面ミラー 3による虚像により、 2倍に なる。

[0077] (数式 22)

E = ρ · Φ/{ (1- ) · π τ2}

a,f

[0078] 微小面 Αの照度 Ε

a,fにより反射される光束 φ

a,fは、数式 23で表される。

[0079] (数式 23)

φ = p ·Ε - AS

= ρ2· Δ8· Φ/{ (ΐ- ρ ) · π τ2}

[0080] 光束 φ

a,fのうち、微小面 Αから光検出器 6の方向の光度 I ( 0 )

a,d,は、数式 20と同様 に、微小面 Aが完全光拡散反射面のため、数式 24で表される。

[0081] (数式 24)

I ( θ ) = -cos θ / π

a,a,f a,a,f

= 2· AS- -cos 0 ) · π2τ2}

[0082] 従って、光源 4からの全光束の微小面 Αでの 1次反射光による光検出器 6の照度 Ε

a, d,fは、数式 25で表される。

[0083] (数式 25)

E =1 ( 0 )/L 2

a,d, a,d, ad

= p2- AS- -cos 0 /{ (l- p ) ^2-r2-L 2}

ad

[0084] すなわち、積分半球 2の内壁上の微小面 Aからの光による光検出器 6の受光面の 照度 E

a,dは、数式 26で表される。

[0085] (数式 26)

E =E +E

a,d a,d,l a,d,f

[0086] E

a,d,lと E

a,a,fの比は、数式 27で表される

[0087] (数式 27)

E : E =cos( θ + Θ )

a,d,l a,d, α : p /(l- )

[0088] 積分半球 2の内壁上の全面力の光源 4からの 1次反射光による光検出器 6の照度 Ε

F,d,lと、積分半球 2の内壁上の全面からの拡散反射光による光検出器 6の照度 Ε

F,d,f との比は、数式 27の E と E

a,d,l a,d,fを、それぞれ、 ( θ + Θ )

dおよび Θを全空間に対して 積分した値の比に等しいため、数式 28で示される。

[0089] (数式 28)

E : E =2π/3: π - ρ /(1~ ρ )

F,d,l F,d,f

= 2/3: β /(1- β )

[0090] ここで、 Ε

F,d,lは、光源 4を完全拡散の理想面光源として求めた力数式 17で示すよ うに、光源 4の配光に依存する。一方、 E

F,d,fは、数式 22に示すように、光源 4の全光 束に依存し、その配光には影響されない。したがって、 E

F,d,lが全光束測定時の系統

誤差となる。

[0091] 数式 28より、 E F,d,l: E F,d,fは 0によらず一定であり、観測窓 6'の中心と微小面 Aを結 ぶ線の角度 Θ dによらない。すなわち、観測窓 6'は、平面ミラー 3上のどの位置であつ ても、 E F,d,fは一定である。

[0092] ここで、積分半球 2の反射率 pが 95%以上であれば、 E F,d,lは、 E F,d,fの 3. 4%以下 となる。上記の 3. 4%という値は、全光束を比較測定する二つの光源のうち、一方の 光源の E F,d,f力^となるという極端な場合の値である。すなわち、 3. 4%の値は、光源 4 力 微小面 Aの方向の光度 I 0 ( Θ )は 0でない有意の値を示す力他の方向の光度 I 0 が全て 0となるような極めて狭帯域な配光を持つ光源 4を、完全拡散配光を示す光源 と比較する測定を行ったときに生ずる誤差である。これは、例えば完全拡散光源と、 微小面 Aにのみ集光したビーム光の光源との全光束を比較するときに発生するもの である。したがって、通常は、 1%以下の誤差しか生じないといえる。

[0093] E F,d,lおよび E F,d,fのうち、光源 4の配光によって値の影響を受けるのは E F,d,lであり、 E

F,d,fの値は、光源 4の配光によらず、全光束に比例した値となる。従って、配光特性が ほぼ同じ光源同士の全光束を比較測定する場合、内部に遮光板 7の自己吸収誤差 を回避した理想的な積分球として高、精度が得られる。

[0094] (実施形態 2)

図 2を参照しながら、本発明による光学定装置の第 2の実施形態を説明する。

[0095] 図 2の光束計は、内壁面が光拡散反射面 1として機能する積分半球 2と、積分半球 2の曲率中心を含む開口部を塞ぐように設置した平面ミラー 3とを備える。全光束を測 定しょうとする光源 4は、平面ミラー 3の面上において、積分半球 2の曲率中心の位置 に設けられた光源装着窓 5に装着される。また、光検出器 6は、平面ミラー 3の面上に 設けられた観測窓 6'に装着されるが、光源 4が光検出器 6の視野に入らないように配 置される。

[0096] 次に、本実施形態の光束計の動作原理を説明する。

[0097] 本実施形態における光源 4は、シングルエンド'ハロゲン電球のような円柱光源であ る。具体的には、光源 4のフィラメントは、平面ミラー 3に垂直で、積分半球 2の半径方 向に配置される。このような光源 4は、図 3に示す配光特性を示す。

[0098] 観測窓 6'の法線と積分半球 2の交点に微小面 Aが位置するものとする。また、説明 を簡単にするため、光源 4の発光中心は、積分半球 2の曲率中心と一致し、平面ミラ 一 3上にあるものとする。

[0099] 光源 4が図 3の配光特性を示す場合、曲率中心を通る、平面ミラーの垂線と、積分 半球 2の曲率中心力微小面 Aへの直線とのなす角を Θとするときの光度 1( 0 )は、 数式 29で表される。

[0100] (数式 29)


[0101] 光源 4の全光束 Φは、数式 30で表される。

[0102] (数式 30)

Φ = π2·ΐ(π/2)

[0103] 従って、光源 4から微小面 Α方向の光度 I 0 ( Θ )は数式 31で表される。

[0104] (数式 31)


[0105] 積分半球 2の曲率半径を rとすれば、積分球内壁の微小面 A上の照度 E 0 ( 0 )は、 数式 32で表される。

[0106] (数式 32)


[0107] 積分球内壁の光拡散反射面 1が反射率 ρで完全拡散反射を起こし、内壁面上の 微小面 Αが面積 Δ Sであるとすれば、微小面 Aで反射される光束 φ aは、数式 33で表 される。

[0108] (数式 33)

φ a = β Έ 0 (Θ)- AS

= · AS- -sin0 /(π2τ2)

[0109] 微小面 Aの法線に対して角度 Θの方向に光検出器 6の受光面がある。微小面 Aか ら光検出器 6の方向の光度 I a,d ( Θ )は、微小面 Aが完全光拡散反射面のため、数式 3

4で表される。

[0110] (数式 34)

I ( Θ ) = -cos θ / π

= · AS- -cos Θ -sin0 /(π3τ2)

[0111] 微小面 Aから光検出器 6の受光面までの距離は、 r'cos Θである。したがって、光源 4からの光度 Ι( Θ )の微小面 Aでの 1次反射光による光検出器 6の照度 E a,d,lは、数式

35で表される。

[0112] (数式 35)

E a,d,l =1 a,a (0)/(r2-cos20)

= · AS- -sin0 /(π3τ4·οο5 θ )

[0113] 光源 4からの全光束の微小面 Aでの反射光による光検出器 6の照度 E a,d,fは、数式 2

5と同様に数式 36で表される。

[0114] (数式 36)

E a,d,i =1 a,d,i (0)/(r2-cos20)

= 2· AS- /{(l - ) · π2τ4·οο5 θ }

[0115] 微小面 Αからの光による光検出器 6の受光面の照度 Ε a,dは、数式 37で表される。

[0116] (数式 37)

E a,d =E a,d,l +E a,a,f

[0117] E a,d,lと E d、 rの比をとると数式 38で表される。

[0118] (数式 38)

E a,d,l: E a,d,f =1: ' π / {(1— 'sinQ }

[0119] したがって、数式 39が成り立つ。

[0120] (数式 39)

E a,d,l =Ε a,d,f · ( 1— ) · sin θ / p · π

<E a,d,f · (1— )/ p · π

[0121] 積分半球 2の内壁上の全面力の光源 4からの 1次反射光による光検出器 6の照度 E F,d,lと、積分半球 2の内壁上の全面からの拡散反射光による光検出器 6の照度 E F,d,f との比は、数式 39の E a,a,lと E a,a,fを、それぞれ、 0を全空間に対して積分した値の比 であるから、数式 40で示される。

[0122] (数式 40)

E F,d,l <E F,d,f - (1 - ) / p - π

[0123] なお、観測窓 6'が平面ミラー 3上のどの位置であっても、数式 40は成り立つ。積分 半球 2の反射率 pが 95%以上であれば、 E F,d,lは、 E F,d,fの 1. 7%以下となる。

[0124] E F,d,lの値は、光源 4の配光によって大きさが変化する力 E F,d,fの値は光源 4の配光 によらず、全光束に比例する。従って、配光特性がほぼ同じ光源同士の全光束を比 較する場合、内部に遮光板 7がない理想的な積分球として高い精度が得られる。

[0125] シングルエンド'ハロゲン電球は、全光束標準電球の国家標準として指定された特 定 1次標準電球に比べ、分布温度 3000K程度で点灯でき、ハロゲンサイクルのため 短時間の光束維持率が高い。このため、シングルエンド'ハロゲンは、全光束'分光 常用標準として好適に使用される。このシングルエンド'ハロゲン電球を全光束標準 として平面光源の全光束を測定した場合の誤差は 1. 7%以下である。ただし、積分 半球 2の光拡散反射面 1における反射率 pが 95%とする。

[0126] 平面光源および円筒光源のそれぞれの誤差は、各光源を 1としたときに重畳する E

F,d,lであり、全光束に比例した系統誤差である。このため、平面光源の Φ +E F,d,lと、円 筒光源の Φ +Ε a,d,lの比の 1からのはずれを、このときの誤差とし、両者の比から見つ もれる。

[0127] 以上の検討では、説明を簡単にするために、光源 4の発光中心を積分半球 2の曲 率中心で平面ミラー 3上にあるものとした力実際の光源 4は、反射ミラー 3の上に高 さし hで設置される。このとき、図 4に示すように、光源 4から、観測窓 6'に入り込む光束 がある。この光束が光検出器 6に入射すると、測定誤差が生じる。

[0128] 平面ミラー 3に光源 4を挿入する開口 5の中心から、観測窓 6'の中心までの距離を L 、観測窓 6'の半径を Rl、光検出器 6の受光面の半径を R 2、平面ミラー 3の積分半球 2 側の面から光検出器 6の受光面までの距離を L dとすれば、 L-R 1とし hにより構成され る三角形と R 1 +R 2とし dにより構成される三角形とが相似になる。したがってと、数式 4

1に示す条件で光検出器 6を設置すると、光検出器 6は、光源 4からの直接光を受光 することはなくなる。このため、上記測定誤差の発生を防止できる。

[0129] (数式 41)

L >L (R +R ) / (L-R )

[0130] (実施形態 3)

図 5を参照しながら、本発明による光学測定装置の第 3の実施形態を説明する。

[0131] 本実施形態の装置 (全光束測定装置)は、内壁面が光拡散反射面 1として機能す る積分半球 2と、積分半球 2の曲率中心を含む開口部を塞ぐように設置した平面ミラ 一 3とを備える。全光束を測定しょうとする光源 4は、平面ミラー 3の面上において、積 分半球 2の曲率中心の位置に設けられた光源装着窓 5に装着される。本実施形態で は、輝度計 8が、平面ミラー 3の面上に設けられた観測窓 6'を介して積分半球 2の内 壁面上の微小面 Aの輝度を測定する。

[0132] 次に、本実施形態の光束計の動作原理を説明する。

[0133] 積分半球 2上の微小面 Aから、平面ミラー 3への垂線上に、観測窓 6'の中心がある とし、測定対象とする光源 4は、液晶ノックライトのような、完全拡散配光を持つ面光 源とする。光源 4の法線と、光源 4の中心であり前記積分半球 2の曲率中心である点 力も微小面 Aへの直線とのなす角を Θとする。光源 4の全光束を Φ、光源 4の法線方 向の光度を I 0 (0)とすれば数式 42が成り立つ。

[0134] (数式 42)

Φ = π ·Ι ο (0)

[0135] 従って、光源 4から微小面 Α方向の光度 I 0 ( Θ )は数式 43で表される。

[0136] (数式 43)

I 0 ( θ ) = Φ · οο5 θ / π

[0137] 積分半球 2の曲率半径を rとすれば、光源 4からの 1次光すなわち直接光による積 分球内壁の微小面 A上の照度 E 0 ( 0 )は、数式 44で表される。

[0138] (数式 44)

E 0 ( θ ) = Φ · οο5 θ / ( π τ2)

[0139] 積分半球 2の内壁の光拡散反射面 1で反射率 ρの完全拡散反射が生じる場合、光 源 4からの 1次光すなわち直接光による微小面 Αで反射される光束発散度 Μ a,lは、数 式 45で表される。

[0140] (数式 45)

M = p ·Ε ( Θ )

= · Φ 'cos θ /( π ·ν )

[0141] 微小面 Aの法線に対して角度 Θの方向に観測窓 6'があり、微小面 Aが完全光拡散 反射面であるため、微小面 Aから観測窓 6'の方向の輝度 B ( 0

a,d,l )は、数式 46で表さ れる。

[0142] (数式 46)

B ( Θ ) =M -cos θ / π

a,d,l a,l

= · Φ·οο52 θ /(π2τ2)

[0143] 一方、光源 4からの全方向の光による微小面 Aの照度 E

a,fは、数式 22と同様に、数 式 47で表される。ただし、微小面 Aの照度は、平面ミラー 3による虚像により、 2倍に なる。

[0144] (数式 47)

E = ρ · Φ/{ (ΐ- ρ ) · π τ2}

a,f

[0145] 微小面 Aの照度 E

a,fにより反射される光束発散度 M

a,fは、数式 48で表される。

[0146] (数式 48)

M = p ·Ε

a,f a,f

= ρ2· Φ/{ (ΐ- ρ ) · π τ2}

[0147] この光束発散度 M

a,fのうち、微小面 Aから光検出器 6の方向の輝度 B ( Θ )

a,a,f は、微 小面 Aが完全光拡散反射面のため、数式 49で表される。

[0148] (数式 49)

B ( θ ) = -cos θ / π

a,d,f a,d,f

= 2- -cos 0 /{ (l- ρ ) · π2τ2}

[0149] すなわち、積分半球 2の内壁上の微小面 Aから観測窓 6'方向の輝度 B

a,dは、数式 5

0で表される。この輝度 B は、輝度計 8によって測定される。

[0150] (数式 50)

B =B +B

a,d a,a,l a,a,f

[0151] B

a,d,lは B

a,a,fで表すと数式 51で表される。

[0152] (数式 51)

B =B -cos θ - (1- β )/ β

[0153] ここで、微小面 Aが Θ = 75° の位置にあるとし、積分半球 2の内壁反射率 pが 95 %以上であれば、 B a,d,lは、 B a,d,の 1. 5%以下となる。光源 4の配光によって値の影響 を受けるのは B a,d,lであり、 B a,d,の値は、光源 4の配光によらず、全光束に比例した値と なる。従って、配光特性がほぼ同じ光源同士の全光束を比較する場合に、内部に遮 光板 7がな、理想的な積分球として高!、精度が得られる。

[0154] さらに光検出器 6を積分半球 2の壁面に近づけると、 Θは大きくなるため、 B a,d,lはさ らに小さくなり、誤差は小さくなる。

[0155] 図 6は、本実施形態の光束計により、円柱光源の測定を行う場合を示している。以 下、この場合の動作を説明する。

[0156] 積分半球 2上の微小面 Aから、平面ミラー 3への垂線上に、観測窓 6'の中心がある とし、測定対象とする光源 4は、液晶ノックライトのような、完全拡散配光を持つ面光 源とする。

[0157] 光源 4は、シングルエンド'ハロゲン電球のような、前記平面ミラーに垂直で、前記積 分半球の半径方向に、フィラメントが配置される円柱光源で、図 3に示す配光特性を 持つ。

[0158] なお、説明を簡単にするために、光源 4の発光中心を積分半球 2の曲率中心で平 面ミラー 3上にあるものとする。この配光特性は、積分半球 2の曲率中心力も微小面 A への直線とのなす角を 0とし、このときの光度を 1 ( 0 )とすれば、数式 52で表される。

[0159] (数式 52)


[0160] 光源 4の全光束 Φは、数式 53で表される。

[0161] (数式 53)

Φ = π 2·ΐ ( π /2)

[0162] 従って、光源 4から微小面 Α方向の光度 I 0 ( Θ )は数式 54で表される。

[0163] (数式 54)


[0164] 積分半球 2の曲率半径を rとすれば、積分球内壁の微小面 A上の照度 E 0 ( 0 )は、 数式 55で表される。

[0165] (数式 55)


[0166] 積分半球 2の内壁の光拡散反射面 1で反射率 ρの完全拡散反射が生じるとすれば 、光源 4からの 1次光すなわち直接光による微小面 Αより反射される光束発散度 Μ a,i は、数式 56で表される。

[0167] (数式 56)

M a, = p ·Ε ( Θ )


[0168] 微小面 Αの法線に対して角度 Θの方向に観測窓 6'があり、微小面 Aより観測窓 6' の方向の輝度 B a,d,l ( Θ )は微小面 Aが完全光拡散反射面のため数式 57で表される。

[0169] (数式 57)

B ( Θ ) =M a,l -cos θ / π

a,d,l

= · Φ - sin Θ 9 cos θ / (π3τ2)

[0170] 一方、光源 4からの全方向の光による微小面 Aの照度 E a,fは、数式 22と同様に数式

58で表される。ただし、微小面 Aには、平面ミラー 3による虚像により、照度は 2倍に なる。

[0171] (数式 58)

E a,f = ρ ·Φ/{(ΐ- ρ) · π τ2}

[0172] 微小面 Aの照度 E a,fにより反射される光束発散度 M a,rは、数式 59で表される。

[0173] (数式 59)

M a, = p ·Ε


[0174] この光束発散度 M a,iのうち微小面 Aより光検出器 6の方向の輝度 B a,d,f ( Θ )は、微小 面 Aが完全光拡散反射面のため数式 60で表される。

[0175] (数式 60)


= 2- -cos0 /{(l- ρ) · π2τ2}

[0176] すなわち、積分半球 2の内壁上の微小面 Aから観測窓 6'方向の輝度 B は、数式 6

1で表される。この輝度 B は輝度計 8で測定される。

[0177] (数式 61)

B a,a = B a,d,l + B a,d

[0178] B a,a,lは B a,d,で表すと、数式 62で表される

[0179] (数式 62)

B = B - sin 0 - ( 1 - β ) / { π - a,a,l a,d,f ρ )

[0180] ここで、観測窓 6'が Θ = 30° の位置にあるとし、反射率 p力^ 5%以上であれば、 B a,d,lは、 B a,d,fの 1 %以下となる。光源 4の配光によって値の影響を受けるのは B a,d,lで

、 B a,d,fの値は光源 4の配光によらず、全光束に比例した値となる。従って、配光特性 がほぼ同じ光源同士の全光束を比較する場合、内部に遮光板 7がない理想的な積 分球として高ヽ精度が得られる。

[0181] なお、上記の 1 %という値は、光源 4から点 A方向の光度 I 0 ( Θ )が 0となる極めて狭 帯域な配光を持つ光源と、上記で説明した完全拡散配光の光源との比較測定を行 つたときに生ずる最大の誤差である。さらに観測窓 6'を光源 4に近づけると、 Θは小さ くなり、この比はさらに大きくなり、誤差は小さくなる。

[0182] シングルエンド'ハロゲン電球を全光束標準として平面光源の全光束を測定した場 合の誤差を図 7に示す。積分半球 2の光拡散反射面 1の反射率 pは 95%としている 。平面光源、円筒光源それぞれの誤差は、それぞれの光源を 1としたときに重畳する B a,d,lであり、全光束に比例した系統誤差である。このため、平面光源の B a,aと、円筒光 源の B a,dlの比の 1からのはずれを、このときの誤差とした。横軸は、積分球中心から観 測窓 6'までの距離を積分球半径で規格ィ匕した値である。

[0183] 図 7からゎカゝるように、円筒光源を標準として平面光源を測定する場合、観測窓 6' は、積分半球 2の中心から、その半径の 65%以上の位置に配置すれば、 3%以内の 誤差の測定が可能である。

産業上の利用可能性

[0184] 本発明の光学測定装置は、積分半球の中心を通る平面ミラー上に観測窓があるた め、遮光板を積分空間内に設置することなぐ光源力の直射光が観測窓に入射す ること回避ができ、遮光板の自己吸収や反射光束のけられがなぐそれによる測定誤

差を低減できる。このため、本発明の光学測定装置は、電球、蛍光ランプなどの一般 照明用光源はもとより、液晶ノックライトゃ電照看板用光源システムや、 PDPなどの 自発光平面ディスプレイの全光束の評価に好適に利用される。