JPH0771945A

JPH0771945A - 表面性状測定方法及びその装置

Info

Publication number: JPH0771945A
Application number: JP4211670A
Authority: JP
Inventors: Koji Minami; 浩治南; Hajime Hotta; 肇堀田; Fumio Maruyama; 文夫丸山
Original assignee: Kao Corp; Sumita Optical Glass Inc
Current assignee: Kao Corp; Sumita Optical Glass Inc
Priority date: 1992-08-07
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 1995-03-17

Abstract

(57)【要約】【目的】物体表面における「質感」、「光沢」、「つ
や」等の状態を適確に解析できる表面性状測定方法及び
その装置の提供。【構成】本発明の表面性状測定方法及びその装置は、
互いに照射角の異なる複数の照射光路２ａ〜２ｄの一つ
から物体表面の被解析面に光を照射し、複数の受光光路
３ａ〜３ｅのそれぞれに被解析面における上記照射光の
反射光を受光させ、上記複数の照射光路２ａ〜２ｄを種
々選択することによって、上記受光光路３ａ〜３ｅの受
光角θ₃、θ₄、θ₅、θ₆と照射光路２ａ〜２ｄの照
射角θ₁、θ₂、θ₇、θ₈との和である解析角を種々
変えて、複数の解析角における被解析面に対する光の反
射率を測定し、予め測定された基準となる表面の光の反
射率と比較して物体の表面の状態を解析する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の表面の状態、特
に人体の皮膚表面における「質感」、「光沢」や「つ
や」等の状態を解析する表面性状測定方法及びその装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、物体表面の凹凸、平坦度、光
沢、つや等の表面状態を解析する方法として、物体表面
における光反射率を測定する方法が知られている。例え
ば、特開昭５２ー６２０８２号公報には、鏡面の表面に
光を照射し、該照射光の反射光を検光器が検出して、正
反射強度を測定することによって、鏡の平坦度等の表面
状態を解析する方法が開示されている。

【０００３】また、特開平２ー５７９４９号公報には、
照射器を固定し、受光器の受光角を種々変化させて皮膚
表面を測定する技術が開示されており、即ち、入射角を
一定とし、受光角を、２０°、４５°、６０°等種々変
化させ、それぞれの角度における反射面からの反射光の
強度を測定し、これによって鏡面光沢度等を解析してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし乍ら、上述した
前者の従来技術にあっては、入射角と受光角とは、それ
ぞれ固定されており、常に一定の角度を形成して測定す
るものであるから、対象となる被解析面が鏡等における
単なる平坦度を測定する場合には、このように、一定の
反射光のみを受光するもので充分であるが、人体の肌等
の複雑な方向の凹凸を有する被解析面の光沢等の状態を
解析することができない。

【０００５】一方、後者の従来技術にあっては、受光角
を変化させるものであるから、皮膚等の複雑な凹凸を有
する表面状態の解析をすることができるが、受光光路の
なす角度を変化させただけでは、被解析面における微小
素面分布を測定することができない。ここで、微小素面
は、皮膚の凹凸面の壁面を形成する種々の方向を向いた
面であって、微小素面分布は、一定の方向を向いた微小
素面の分布状態をいう。即ち、肌等のような複雑な凹凸
を有する被解析面において光沢等を測定する場合、単に
平坦度や反射の度合では足りず、凹凸面を形成する微小
素面分布を測定することが必要である。

【０００６】具体的には、粗い形状をもった物体表面の
反射光は、広い角度範囲にわたって分布するが、反射光
分布の測定を効率よく行うためには、受光角度のみなら
ず、照射角度を種々変化させ、しかもその測定を自動的
に短時間でおこなう必要がある。また、粗い形状をもっ
た物体表面の「つや」、「光沢」等の見え方と、その物
体の表面の形状とを関連させて表面状態の解析をおこな
うためには、照射光路と受光光路とのなす角度を種々変
化させて反射強度の測定を行う必要がある。なぜなら、
この方法で測定した反射光分布は、照射方向と受光方向
を２等分する方向を向いた微小素面の分布に一致するか
らである。しかし、従来の技術では、かかる微小素面分
布を測定することができず、複雑な凹凸を有する皮膚表
面の「肌の光沢」や「肌のつや」を適確に測定すること
ができないという問題点があった。

【０００７】従って、本発明の目的は、物体表面におけ
る「質感」、「光沢」、「つや」等の状態を適確に解析
できる表面性状測定方法及びその装置を提供することで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、互いに照射角
の異なる複数の照射光路の一つから物体表面の被解析面
に光を照射し、被解析面で反射した上記照射光の反射光
を互いに受光角の異なる複数の受光光路で受光させ、上
記複数の照射光路を種々選択することによって照射光路
の照射角を変化させて上記受光角と上記照射角との和で
ある解析角を種々変え、複数の解析角における被解析面
に対する光の反射率を測定し、予め測定された基準とな
る表面の光の反射率と比較して物体の表面の状態を解析
することを特徴とする表面性状測定方法を提供すること
により、上記目的を達成したものである。更に本発明
は、物体表面の被解析面に光を照射する、互いに照射角
が異なる複数の照射光路と、上記被解析面で反射した上
記照射光の反射光を受光する複数の受光光路と、上記複
数の照射光路を種々選択する入力部と、上記全ての受光
光路から受光した光の反射率を出力信号に変換する制御
部と、予め測定された基準となる表面の光の反射率と比
較して皮膚表面の状態を解析する出力部とを備えること
を特徴とする表面性状測定装置を提供することにより上
記目的を達成したものである。

【０００９】

【作用】本発明の表面性状測定方法は、まず、予め所定
の角度に設定された複数の照射光路の中の一つを特定
し、照射光を物体表面の被解析面に導き、互いに受光角
の異なる複数の受光光路における反射光強度を測定す
る。続いて、照射角度の異なる他の照射光路についても
同様に測定し、種々の照射角度及び種々の受光角度にお
ける反射光強度を測定する。次に、上述した反射率の測
定値から反射光分布を予め基準となる反射光分布と比較
して、被測定物体表面の「質感」、「光沢」、「つや」
等の表面状態を解析する。

【００１０】

【実施例】以下に、添付図面を参照して、本考案の好ま
しい実施例を説明する。尚、以下の実施例では、被解析
面として人体の肌を例に用いた場合について説明する。
最初に、本発明の実施例に用いられる表面性状測定装置
１について説明する。表面性状測定装置１には、図１〜
図４に示すように、照射光路２ａ〜２ｄ及び受光光路３
ａ〜３ｅが配置され、被解析面に当てるヘッド４と、ヘ
ッド４における照射光路２ａ〜２ｄ及び受光光路３ａ〜
３ｅを制御する本体５から構成されている。

【００１１】本体５は、照射光路２ａ〜２ｄの光源及び
受光光路３ａ〜３ｅを制御する入力部６と、入力部の作
動及び反射率の出力信号を制御する制御部７と、該出力
信号を処理して表示し、または予め測定された基準とな
る表面の光の反射率と比較して皮膚表面の状態を解析す
る出力部８とを備えており、更に、表面性状測定装置１
には、被解析面の表面状態を写し出すビデオカメラ９が
装備されている。

【００１２】ヘッド４は、手の平程度のコンパクトなサ
イズに形成されており、片手で持って肌の表面上を移動
できる寸法である。このヘッド４には、図２〜図４に示
すように、入射光路として４本の入射用光ファイバー２
ａ〜２ｄと、受光光路として５本の受光用光ファイバー
３ａ〜３ｅが配置されており、これらの入射用光ファイ
バー２ａ〜２ｄと受光用光ファイバー３ａ〜３ｅとは、
凹み状の半球面１１において、それぞれ所定角度を形成
するように配置されている。

【００１３】即ち、図２において、入射用光ファイバー
２ａ、２ｂ及び受光用光ファイバー３ｃ、３ｄ、３ｅ
と、入射用光ファイバー２ｃ、２ｄ及び受光用光ファイ
バー３ｃ、３ｂ、３ａとが、凹状球面において、それぞ
れ一列状に配置されており、互いの列が図２において直
交するように配置されている。そして、各光ファイバー
２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｅはそれぞれ所定の角度θ₁、θ
₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆、θ₇、θ₈を形成してい
る。ここで、図３及び図４において、θ₁は入射用光フ
ァイバー２ａと入射用光ファイバー２ｂとの成す角度、
θ₂は入射用光ファイバー２ｂと受光用光ファイバー３
ｃとの成す角度、θ₃は受光用光ファイバー３ｃと受光
用光ファイバー３ｄとの成す角度、θ₄は受光用光ファ
イバー３ｄと受光用光ファイバー３ｅとの成す角度、θ
₅は受光用光ファイバー３ａと受光用光ファイバー３ｂ
との成す角度、θ₆は受光用光ファイバー３ｂと受光用
光ファイバー３ｃとの成す角度、θ₇は受光用光ファイ
バー３ｃと入射用光ファイバー２ｃとの成す角度、θ₈
は受光用光ファイバー３ｃと入射用光ファイバー２ｃと
の成す角度である。

【００１４】かかる各角度θ₁〜θ₈は、任意の角度に
設定されるが、本実施例では、θ₁が３０°、θ₂が４
５°、θ₃が１５°、θ₄が３０°、θ₅が３０°、θ
₆が３０°、θ₇が３０°、θ₈が３０°である。合計
９本の各入射用光ファイバー２ａ〜２ｄ及び受光用光フ
ァイバー３ａ〜３ｅはそれぞれ入力部６に接続されてお
り、その入射及び受光が制御されている。ヘッド４に
は、更にビデオカメラの映像取り込み用ファイバー１２
が配置されており、ビデオカメラによる撮影ができるよ
うになっている。

【００１５】入力部６は、光源として、各入射用光ファ
イバー２ａ〜２ｄの基端に接続された４個のランプ１
３、及びランプスイッチ１４、ランプ点灯制御装置１５
が設けられており、所定の入射用光ファイバー２ａ〜２
ｄから選択的に且つ連続的に順次光照射するようになっ
ている。また、入力部６において、各受光用光ファイバ
ー３ａ〜３ｅの基端にはそれぞれ５個の受光素子１６
と、アナログ信号増幅器１７、増幅制御装置１８が接続
されており、受光した光の強度を出力信号に変換するよ
うになっている。

【００１６】更に、入力部６には、映像取り込み用ファ
イバー１２の映像の制御をするビデオカメラ１９とこの
ビデオカメラを制御するカメラ制御装置２０が設けら
れ、ファイバー１２に取り込まれる映像を制御するよう
になっている。

【００１７】制御部７には、ランプ点灯制御装置１５と
増幅器制御装置１８とに連結されたアナログ回路制御装
置２１、アナログ信号増幅器に連結されたアナログ／デ
ジタル信号処理変換器２２、ビデオカメラ１９に連結さ
れ、出力装置８のＣＲＴ（カソードレイチップ）を制御
するＣＲＴ制御装置２３が設けられており、これらのア
ナログ回路制御装置２１、アナログ／デジタル信号処理
変換器２２、ＣＲＴ制御装置２３はデジタル信号処理装
置２４に接続されており、測定データをデジタル処理す
るとともにマイクロコンピュータからの命令を各装置に
伝達するようになっている。

【００１８】出力部８には、マイクロコンピュータ２５
及びＣＲＴ２６が設けられており、予め測定された基準
となる物体の表面の光の反射率と比較して、演算処理し
て、必要に応じてグラフ化し、またはランク付けによる
評価をするようになっている。具体的には、被解析面が
肌の場合には、予め「肌の光沢」やいわゆる「肌のつ
や」と反射率の相関関係を入力しておいたデータに基づ
いて演算し、かかる「肌荒れ状態」を指標する。一方、
ＣＲＴ２６では同時に、ビデオカメラで撮影した皮膚表
面の状態が拡大映像で表示される。

【００１９】次に、表面性状測定装置を用いた本実施例
の作用について説明する。まず、人体の肌の表面反射率
を測定する際には、ヘッド４を測定すべき所定の部位、
例えば、額、頬に当接させ、入力部６、制御部７及び出
力部８の入力をＯＮにして、肌の表面反射率を測定す
る。

【００２０】本実施例による表面性状測定方法は、図３
及び図４に示すように、複数の照射光路２ａ〜２ｄの一
つから物体表面の被解析面に光を照射し、複数の受光光
路３ａ〜３ｅのそれぞれが上記照射光の被解析面に対す
る反射光を受光する。そして、上記複数の照射光路２ａ
〜２ｄを順次選択することによって、該受光光路３ａ〜
３ｅの受光角θ₃、θ₄、θ₅、θ₆と照射光路２ａ〜
２ｄの照射角θ₁、θ ₂、θ₇、θ₈との和である解析
角を種々変えて、複数の解析角における被解析面に対す
る光の反射率を測定し、予め測定された基準となる表面
の光の反射率と比較して物体の表面の状態を解析する。
かかる照射と受光は、まず、入力部６におけるランプ点
灯制御装置１５と、増幅器制御装置１８とにより制御に
され、すべての受光光路３ａ〜３ｅと所定の照射光路２
ａ〜２ｄの一つとが選択される。

【００２１】次に、下記表１に示す各解析角度における
照射角度と受光角度との組合わせから、マイクロコンピ
ュータ２５、アナログ回路制御装置２１による制御がな
され、順次該受光光路３ａ〜３ｅと照射光路２ａ〜２ｄ
を選択するようになっている。

【００２２】

【表１】

【００２３】例えば、解析角９０°の場合には、照射角
度７５°（θ₁＋θ₂）となる照射光路２ａと、受光角
度１５°（θ₃）となる照射光路３ｄ、次に、６０°
（θ₇＋θ₈）となる２ｄと、３０°（θ₆）となる３
ｂ、更に４５°（θ₂）となる２ｂと、４５°（θ₃＋
θ₄）となる３ｅの順に選択する。そして、受光光路に
より受光された光はアナログ信号増幅器１７により増幅
後、アナログ／デジタル信号変換器２２により所定の出
力信号に変換された後、マイクロコンピュータ２５によ
り解析される。

【００２４】照射光は、図７に示すように、最も理想的
な状態では、光照射の皮膚表面に対する照射角に対して
これと等しい反射角を中心に空間的広がりをもって反射
する。従って、皮膚表面に対する照射光の入射角と等し
い反射角の角度に受光器６を保持すれば、皮膚表面にお
いて吸収される光を除きほとんどがそのまま反射光とし
て受光されることになる。しかし、皮膚表面は微小素面
により凹凸状に形成されているので、微小素面Ａの反射
光は種々の方向に反射されるから、その面の入射角に対
する受光角を定めれば、所定方向に傾いた微小素面Ａの
量に応じて受光する光の量が変化する。即ち、一方方向
に傾いた微小素面の分布は、解析角ｘを保持したまま受
光角を変えることにより、その角度における反射率Ｒを
測定する。反射率Ｒは、以下の式にて表わすことができ
る。

【００２５】

【数１】Ｒ（ｒ）＝ｆ〔（ｉ＋ｒ）／２〕＊ｇ（θ）

【００２６】ここで、ｆ〔（ｉ＋ｒ）／２〕はフレネル
の反射率に基づく関数であって、受光角ｒによらず一定
である。ｇ（θ）は、θ方向をむく微小素面Ａの数であ
る。即ち、反射率Ｒ（ｒ）は、微小素面Ａの分布ｇ
（θ）そのものとなる。従って、反射率Ｒ（ｒ）を測定
することによって、微小素面Ａの分布の状態が解析でき
るのである。

【００２７】一方、マイクロコンピュータ２５には、予
め所定の状態における皮膚の反射率を測定しておき、こ
れを基準データとして、これと比較することによって、
「肌の光沢」または「肌のつや」等を測定することがで
きる。基準データとしては、所望の皮膚状態を解析する
ものであれば種々のものを基準データとして用いること
ができる。そして、種々の基準データと測定値とを比較
して、被解析面における状態を、「肌の光沢」、「肌の
つや」、「肌の老化」等の程度を判断する。かかる判断
は、グラフを比較して解析者が行ってもよく、または、
コンピュータ２５に予め上記したような基準となる所要
のデータを入力しておき、測定値をこれらのデータと比
較演算してその度合いを所定の段階で評価値、例えば
「Ａ」、「Ｂ」等により表示すものであってもよい。

【００２８】尚、このような解析状態にもとづいて被験
者は「肌の光沢」や「肌のつや」に基づいた適当な肌の
手入れを行い、またはファンデーションの塗布を適当に
行うことができる。同時にＣＲＴ２６では、皮膚表面の
拡大画面が表示され、光の反射率のみによらないで、目
視により表面性状を適確に把握する。

【００２９】次に、図８〜図１１を参照して本実施例の
実験例について説明する。図８は受光変角法による受光
角と反射強度との関係を示すグラフ図であり、図９は試
料変角法による受光角と反射強度との関係を示すグラフ
図であり、図１０は反射率の入射角依存性の関係を示す
グラフ図であり、図１１は受光変角法による反射光分布
を示すグラフ図である。物体表面の形状すなわち、凹凸
の大きさと、その表面反射の分布の基本的関係を調べる
ため、粗さの異なるサンドペーパーの歯科印象剤による
レプリカを取り、その表面反射光分布の測定を行った。
サンプルは、８０、４００、１５００メッシュのものに
ついて行った。

【００３０】〔測定条件〕図８に示す受光変角法では、照射角ｉ＝４５°、受光角ｒ＝（０〜８０°）絞り＝（入射／受光）３．０／１．０感度＝９５０／９５０、角形スリット使用。図９に示す試料変角法では、照射角ｉ＋ｒ＝９０°、受光角ｒ＝（１５〜７５°）絞り＝（入射／受光）３．０／１．０感度＝９５０／７３１、角形スリット使用。

【００３１】尚、図８及び図９には示していないが、２
４０、８００メッシュ（＃）のレプリカの反射強度分布
は、それぞれ、８０と４００メッシュ及び４００と１５
００メッシュの中間の値が出力されていたが、ここで
は、説明を簡単にするため２４０、８００メッシュのグ
ラフは省略する。

【００３２】かかる測定結果から以下の結果〜が導
き出される。かかる図８及び図９から、受光変角法において表面反
射光分布は受光角の大きい側で反射強度が相対的に大き
くなり、試料変角法においては、鏡面方向（ｒ＝４５
°）を中心に対象な分布を示していることが分かる。粗面の表面反射光は、均等拡散には達していないもの
の、その分布は０〜８０°まで広い範囲に分布してい
る。表面粗さによって、表面の反射強度と分布は変化し、
中間の粗さのもの（４００メッシュ）が最も表面反射強
度が大きい。

【００３３】図１１は、平滑面のレプリカの反射率の入
射角依存性を実測してフレネル係数にあたるものを導出
したもので、図９に示す変角法によって得られた測定値
に、図１０の反射率をかけあわせた値（受光角ｒ＝４５
°の反射強度で規格化して実線で示す）は、図１１に示
す受光変角法による測定値（図中一点鎖線で示す）によ
く一致していることが分かる。かかる実験結果から、照
射角と受光角を種々変化させた試料変角法による測定が
より適切であることが分かる。このことは、通常、我々
が表面を観察するときに試料を入射面内で回転させて見
たときの光沢ぐあいであると考えることができる。

【００３４】本考案は、上述した一実施例に限定され
ず、本考案の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能であ
る。例えば、照射光は自然光を用いることにかぎらず、
図６に示すように、偏光フィルタ２８を使用した偏光を
用いるものであってもよい。例えば、照射光を入射面に
垂直な振動面を持つ偏光Ｓ（Ｓ偏光）とし、受光器では
Ｓ偏光の反射率を測定するものとする。このとき、測定
される反射強度は表面で反射された全ての光（Ｓs ）と
内部拡散光（Ｄs ）との和（Ｒss）となる。そこで、次
に、入射光を入射面と平行な振動面を持つ光（Ｐ偏光）
とし、受光側のＳ偏光を測定をすれば、表面反射光は観
測されず、内部拡散光（Ｄs ）のみが反射強度（Ｒps）
として測定されるから、（Ｒss）から（Ｒps）を引いた
値が表面反射強度として確実に測定することができる。
従って、かかる偏光を用いて測定すれば、より適確な皮
膚表面解析をすることができる。特に、同様にして内部
拡散光（Ｄs ）のみを測定することによって、肌の表面
で反射する光をカットして、肌の表面状態、肌荒れやが
さつきに無関係な肌の内部状態の測定が可能となる。ま
た、照射光路及び受光光路は、光の通過する媒体であれ
ばよく、光ファイバーに限らず、レンズ等の他の媒体で
あってもよい。尚、言うまでもなく、肌に限らず、金属
等の他の表面状態に用いても良い。

【００３５】

【発明の効果】本発明の表面性状測定方法及びその装置
によれば、光の照射角度及び受光角度を種々設定し、か
つ種々の角度を変化させて物体の表面の反射光強度を測
定することによって、物体表面における「質感」、「光
沢」、「つや」等の状態を適確に解析できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に用いられる表面性状測定装置
の概略構成図。

【図２】図１に示す表面性状測定装置のヘッドの平面
図。

【図３】図１に示すヘッドをIII-III 線に沿って切断し
た概略断面図。

【図４】図１に示すヘッドをIV-IV 線に沿って切断した
概略断面図。

【図５】図１に示す表面性状測定装置の制御機構を示す
ブロック図。

【図６】本発明の他の実施例による表面性状測定装置の
ヘッドの平面図。

【図７】本発明による測定原理を説明する図。

【図８】受光変角法による受光角と反射強度との関係を
示すグラフ図である。

【図９】試料変角法による受光角と反射強度との関係を
示すグラフ図である。

【図１０】反射率の入射角依存性の関係を示すグラフ図
である。

【図１１】受光変角法にる反射光分布を示すグラフ図で
ある。

【符号の説明】

１表面性状測定装置２ａ〜２ｄ照射光路（入射用光ファイバー）３ａ〜３ｅ受光光路（受光用光ファイバー）４ヘッド５本体６入力部７制御部８出力部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに照射角の異なる複数の照射光路の
一つから物体表面の被解析面に光を照射し、被解析面で
反射した上記照射光の反射光を互いに受光角の異なる複
数の受光光路で受光させ、上記複数の照射光路を種々選
択することによって照射光路の照射角を変化させて上記
受光角と上記照射角との和である解析角を種々変え、複
数の解析角における被解析面に対する光の反射率を測定
し、予め測定された基準となる表面の光の反射率と比較
して物体の表面の状態を解析することを特徴とする表面
性状測定方法。
【請求項２】物体表面の被解析面に光を照射する、互
いに照射角が異なる複数の照射光路と、上記被解析面で
反射した上記照射光の反射光を受光する複数の受光光路
と、上記複数の照射光路を種々選択する入力部と、上記
全ての受光光路から受光した光の反射率を出力信号に変
換する制御部と、予め測定された基準となる表面の光の
反射率と比較して皮膚表面の状態を解析する出力部とを
備えることを特徴とする表面性状測定装置。