JP6236909B2 - 浸透過程計測装置及び浸透過程計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、フィルム、コート紙等のシート状媒体等の計測対象媒体の表面に存在する液体等の浸透性物質が計測対象媒体に浸透するのを計測対象媒体を破壊することなく経時的に観測可能な浸透過程計測装置及び浸透過程計測方法に関する。

印刷機では、フィルム、コート紙等のシート状媒体としての印刷物にインク等の浸透性物質としての液体を付着させることにより、文書、画像，電子回路のような機能性部品を形成することが行われている。
この種の印刷機では、シート状媒体の厚さ方向にわたる液体の浸透状態を評価している。

この液体の浸透状態の評価結果は、例えば、画像品質の向上、液滴塗布量の最適化、機能性部品の信頼性の向上を図るのに用いられる。
その印刷物の液体の浸透状態の評価は、例えば、その液体が浸透した印刷物等の計測対象媒体を切削してその断面を、質量分析装置、走査電子顕微鏡を用いて観察することにより行われている（例えば、特許文献１参照。）。

その特許文献１に開示の技術では、計測対象媒体の表面に対して計測対象媒体を所定の角度で切削し、切削面の画像を撮像することにより、液体の計測対象媒体に対する浸透状態を評価している。

しかし、この特許文献１に開示の技術では、計測対象媒体を切削する際に計測対象媒体の構造組織が破壊されるおそれがある。そこで、この技術では、計測対象媒体を樹脂に包み込むようにして埋め込む処理、凍結させる処理を行ってから切削している。

また、計測対象媒体に浸透した液体をレーザ光により蛍光発光させ、この蛍光を共焦点光学系により検出して光電検出信号に変換する。そして、この光電検出信号を輝度信号として用いて、計測対象媒体に対する液体の厚さ方向への浸透状態を画像化して取得する技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この技術によれば、計測対象媒体を切削しなくとも、液体の浸透状態を計測できる。

ところで、液体が浸透した計測対象媒体を切削して観察するという特許文献１に開示の技術は、破壊検査であり、液体の浸透過程の経時的変化を時間的に連続して観察することができないという不都合がある。

これに対して、液体にレーザ光を照射して蛍光を生じさせ、共焦点光学系により蛍光を検出し、この蛍光を画像化して、液体の浸透領域を観察する特許文献２に開示の技術は非破壊検査であり、液体の浸透過程の経時的変化を時間的に連続して観察できるというメリットがある。

しかしながら、この特許文献２に開示の技術では、微弱な蛍光を検出する必要がある。このため、例えば、計測対象媒体としての紙に対するインクの浸透過程を観察したい場合、紙の表面による散乱が大きいので、紙の深部からの蛍光を検出できず、計測対象媒体の表面層の近傍のみの浸透過程しか観察できないという不都合がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その目的は、計測対象媒体の深部における浸透性物質の浸透状態を計測対象媒体をも破壊することなく連続して観察することのできる浸透過程計測装置及び浸透過程計測方法を提供することにある。

本発明に係る浸透過程計測装置は、光源部と、該光源部からの光を参照光の光路と測定光の光路とに分割する光分割部と、前記参照光の光路に設けられた参照光学系と、前記測定光の光路に設けられかつ計測対象媒体を計測する測定光学系と、前記計測対象媒体からの戻り光と前記参照光学系からの参照光とを合成する光合成部と、該光合成部により合成された合成光を検出して光電変換信号に変換する検出部と、該光電変換信号を用いて前記計測対象媒体の断面を画像化する画像構築部と、該画像構築部により画像化された断面画像を表示する表示部と、前記計測対象媒体に液体を塗布する塗布手段と、前記液体の断面画像を時系列順に記憶する記憶部と、前記記憶部に蓄積された前記液体の深さ方向と前記深さ方向に直交する方向とからなる二次元断面画像により差分画像を求め、前記差分画像により深さ方向の画像強度の最初の立ち上がりを抽出することにより、前記計測対象媒体の内部において空隙が前記液体で満たされている状態の領域と液体領域との境界面を推定する推定手段を備える。

本発明によれば、光の干渉現象を利用して計測対象媒体に浸透した浸透性物質の浸透領域の界面からの散乱・反射光の強度変化を強調しているので、計測対象媒体の深部における浸透性物質の浸透状態を計測対象媒体をも破壊することなく連続して観察することができるという効果を奏する。

図１は本発明に係る浸透過程計測装置の実施例の要部構成を示すブロック図である。 図２は図１に示す測定光学系の部分拡大図である。 図３Ａは図２に拡大して示す計測対象媒体に浸透性物質を付着させる前のある時刻における断面画像の画像強度と計測対象媒体の深さ方向との関係を概念的に示すグラフである。 図３Ｂは図２に拡大して示す計測対象媒体に浸透性物質を付着させた後のある時刻における断面画像の画像強度と計測対象媒体の深さ方向との関係を概念的に示すグラフである。 図３Ｃは図３Ａに示す断面画像の画像強度と図３Ｂに示す断面画像の画像強度との差分により求めた差分画像強度と計測対象媒体の深さ方向との関係を概念的に示すグラフである。 図４Ａは二次元断面画像の一例を概念的に示す説明図である。 図４Ｂは二次元平面画像の一例を概念的に示す説明図である。

以下に、本発明に係る浸透過程計測装置及び浸透状態計測方法の実施例を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係る浸透過程計測装置の要部構成を示すブロック図である。この図１において、符号１は光源部、符号２は光合成・分割部、符号３は測定光学系、符号４は参照光学系、符号５は検出部、符号６は信号処理制御部を示している。

光源部１は、光源１ａと、集光レンズ１ｂとから概略構成されている。光源１ａは、例えば、中心波長が０.７マイクロメートル〜２.０マイクロメートルの近赤外の波長域にあり、可干渉距離が２０マイクロメートル以下の広帯域光Ｐ１を発生する。その広帯域光Ｐ１は部分干渉性を有する。その広帯域光Ｐ１は、集光レンズ１ｂにより集光され、かつ、導光ファイバ２ａの入射端面２ａ’に集束されて、導光ファイバ２ａにより光合成・分割部２に導かれる。

光合成・分割部２は、例えば、ファイバカップラから構成されている。導光ファイバ２ａに導かれた広帯域光Ｐ１は、光合成・分割部２により測定光Ｐ２と参照光Ｐ３とに分割される。例えば、広帯域光Ｐ１はファイバカップラに入射することにより、その光量が１対１に分割される。測定光Ｐ２は測定光路としての導光ファイバ２ｂに導かれる。参照光Ｐ３は参照光路としての導光ファイバ２ｃに導かれる。ここでは、この光合成・分割部２は光源部１からの光の光路を測定光Ｐ２の光路と、後述する参照光Ｐ３の光路とに分割する光分割部としての機能と、後述するように、計測対象媒体７による測定光Ｐ２の反射・散乱光と参照光Ｐ３とを合成して合成光を生成する光合成部としての機能とを果たす。

測定光学系３は、コリメートレンズ３ａ、ガルバノミラー（ガルバノスキャナ）３ｂ、３ｃ、コリメートレンズ３ｄ、試料台３ｅを有する。試料台３ｅには、計測対象媒体７が載置される。その試料台３ｅには計測対象媒体７の載置箇所に観測窓８が設けられている。計測対象媒体７は、例えば、シート状媒体としての紙、フィルム等の印刷物である。

コリメートレンズ３ａは、導光ファイバ２ｂの入射・出射端面２ｂ’に臨んでいる。コリメートレンズ３ａは、導光ファイバ２ｂから射出された測定光Ｐ２を集光して平行光束Ｐ４に変換する。その平行光束Ｐ４はガルバノミラー３ｂ、３ｃに導かれる。

ガルバノミラー３ｂ、３ｃは、ここでは、両方とも往復振動される。このようにガルバノミラー３ｂ、３ｃを両方共に駆動することにより後述する３次元の断面画像データを取得することができる。なお、いずれかのガルバノミラー３ｂ、３ｃを駆動することにより１次元の断面画像データを取得することができる。その平行光束Ｐ４は走査光としてコリメートレンズ３ｄに導かれる。そのコリメートレンズ３ｄは、図２に示すように、その走査光をスポット光Ｐ５に変換する役割を果たす。なお、このコリメートレンズ３ｄは、図２に拡大して示すように、平行光束Ｐ４を常に計測対象媒体７に対して垂直方向から入射させてスポット光Ｐ５を形成する役割を有する。このように、計測対象媒体７に対して垂直方向から平行光束Ｐ４を入射させて結像させることにより、断面画像を正確に取得することが可能となる。

計測対象媒体７の表面７ａは、図２に拡大して示すように、観測窓８を通じてそのスポット光Ｐ５により、二次元的に走査される。その図２において、矢印Ｚはコリメートレンズ３ｄの光軸方向を示し、矢印Ｘはその光軸方向Ｚと直交する走査方向を示している。
その測定光学系３には、計測対象媒体７に浸透性物質９を塗布する塗布手段１０として、計測対象媒体７に向かって液体を定量的に吐出する液体吐出装置が設けられている。浸透性物質９には、例えば、インクが用いられる。

浸透性物質９は計測対象媒体７に付着すると、時間の経過に伴って計測対象媒体７に浸透する。その図２において、符号１１は、計測対象媒体７の裏面７ｂに浸透性物質９が付着した時刻をｔ_１として時間Δｔだけ時間が経過した時刻ｔ_２における浸透性物質９の浸透領域を示している。

符号１１’は、その浸透性物質９が付着してから時間Δｔ’だけ時間が経過した時刻ｔ３（Δｔ’＞Δｔ）における浸透性物質９の浸透領域を示している。その浸透領域１１は、時間の経過に伴って広がると共に深く、つまり、厚み方向に浸透することになる。その浸透性物質９の計測対象媒体７への浸透状態の計測については、後に詳細に説明する。

走査スポット光Ｐ５は、その一部が計測対象媒体７の表面７ａにおいて散乱反射され、残りの一部は計測対象媒体７の内部に到達する。また、残余の走査スポット光Ｐ５は計測対象媒体７に吸収される。

その計測対象媒体７の内部に到達した走査スポット光Ｐ５は、その一部が浸透領域１１の界面１１ａにおいて反射され、残りの一部はその界面１１ａにおいて屈折され、その浸透領域１１の内部に到達する。ここで、浸透領域１１とは、計測対象媒体７の内部において空隙が浸透性物質９で満たされた状態の領域をいい、界面１１ａとは、計測対象媒体７の内部において空隙が浸透性物質９で満たされていない状態の領域と浸透領域１１との境界面をいう。

その界面１１ａにおいて反射された反射光、その表面７ａにおいて反射された反射・散乱光は、コリメートレンズ３ｄにより集光され、平行光束（戻り光ともいう）Ｐ４又は測定光Ｐ２としてガルバノミラー３ｃ、３ｂに導かれる。

そのガルバノミラー３ｃ、３ｂに導かれた測定光束Ｐ２は、コリメートレンズ３ａにより集束されて導光ファイバ２ｂの入射・出射端面２ｂ’に導かれ、この導光ファイバ２ｂを通って光合成・分割部２に達する。

参照光学系４は、コリメートレンズ４ａ、４ｂと参照ミラー４ｃとを有する。コリメートレンズ４ａは導光ファイバ２ｃの入射・出射端面２ｃ’に臨んでいる。コリメートレンズ４ａは入射・出射端面２ｃ’から射出された参照光Ｐ３を平行光束に変換する役割を果たす。この参照光Ｐ３はコリメートレンズ４ｂにより集光されて、参照光Ｐ３を全反射する参照ミラー４ｃに導かれる。

その参照ミラー４ｃにより反射された参照光Ｐ３は元の光路を通って導光ファイバ２ｃを経由して、光合成・分割部２に導かれる。
導光ファイバ２ｂから光合成・分割部２に導かれた測定光束Ｐ２と導光ファイバ２ｃから光合成・分割部２に導かれた参照光Ｐ３とは合成されて干渉光Ｐ６として導光ファイバ２ｄを経由して検出部５に導かれる。なお、分割部２から計測対象媒体７までの光路長と、分割部２から参照ミラー４ｃまでの光路長は、互いに等しいが、後述する計測対象媒体７の断面画像が取得できる範囲内で差異を設けることができる。

その検出部５は、集光レンズ５ａ、５ｂ、光電変換素子５ｃを有する。その干渉光Ｐ６は導光ファイバ２ｄの射出端面２ｄ’から射出され、集光レンズ５ａにより集光され、平行光束とされて集光レンズ５ｂに導かれ、この集光レンズ５ｂにより光電変換素子５ｃに集束される。

その光電変換素子５ｃは、その干渉光Ｐ６を光電変換し、その光電変換信号Ｓ１は信号処理制御部６に入力される。
その信号処理制御部６は、制御部６ａと、信号処理部６ｂと、記憶部６ｃと、表示部６ｄとを有する。制御部６ａは光源１ａの発光制御と、ガルバノミラー３ｂ、３ｃの振動制御と、液体吐出装置の吐出制御と、光電変換信号Ｓ１の取得タイミング制御と、信号処理部６ｂ、記憶部６ｃ、表示部６ｄの制御とを適宜実行する。

その制御部６ａは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウエアと所定の制御プログラムとから構成されている。信号処理部６ｂは光干渉断層法に従ったソフトウエアプログラムにより光電変換信号Ｓ１を処理し、光電変換信号Ｓ１に基づく画像強度データ（輝度データ）を用いて画像化することにより、計測対象媒体７の断面画像（断層画像）を構築する断面画像構築部として機能等を有する。
以下に、光干渉断層法に基づいた断面画像取得の基本的な概念を説明する。
光干渉断層法においては、光電変換素子５ｃとして例えば分光素子（図示を略す）とラインセンサ（図示を略す）からなる光検出装置を用いる。
この光検出装置は、光源１から射出される光の波長帯の全域にわたってスペクトルを検知できる。
干渉光Ｐ６には、計測対象媒体７の表面及び内部からの戻り光である測定光束Ｐ２と参照光Ｐ３とが含まれている。ここで、測定光学系３において、光合成・分割部２から参照ミラー４ｃまでの光路長と等しい光路長となる位置からのみ戻り光が発生した場合を仮定すると、光検出装置においてスペクトル干渉を観測できる。
この状態から、光合成・分割部２から参照ミラー４ｃまでの光路長を固定したまま、測定光学系３において戻り光が発生する位置を一方向に移動させることを考えると、光路差が増すほど観測されるスペクトル干渉の干渉縞間隔は狭くなる。つまり、観測される干渉縞間隔は戻り光の発生する位置によって決まる。
干渉光Ｐ６には、計測対象媒体７の表面及び内部のあらゆる位置からの戻り光が合成されているため、観測されるスペクトル干渉にもあらゆる縞間隔の干渉縞が現れる。
このスペクトル干渉の光電変換信号Ｓ１を信号処理部６ｂにおいてフーリエ変換処理する。このフーリエ変換処理により、スペクトル干渉に含まれるあらゆる間隔の干渉縞が分解され、これにより、戻り光の発生位置が特定される。
また、スペクトル干渉の振幅は戻り光の光の強さによって決まる。フーリエ変換処理後の信号（フーリエ変換信号という）において、ある戻り光の発生位置に対応するフーリエ変換信号の信号強度が相対的に大きいことは、その戻り光の発生位置においての反射または散乱光の強度が相対的に大きいことを意味する。
フーリエ変換信号の強度に応じて、輝度値分布を決定すれば、計測対象媒体７の厚み方向の分布が１次元断面画像として取得できる。
ガルバノミラー３ｂ、３ｃを駆動しながら得られたスペクトル干渉データに対して、この一連の処理を行えば、計測対象媒体７の二次元的な断面画像が、計測対象媒体７の表面や内部の反射又は散乱光の強度分布として取得できる。

記憶部６ｃはその断面画像を時系列順に記憶する機能と、後述する境界領域（界面ともいう）の推定に必要なデータ、浸透速度を計算するのに必要なデータ、例えば、断面画像のスケールや断面画像取得時刻等を記憶する機能と、信号処理部６ｃが信号処理を行うのに必要なソフトウエアプログラムを格納する機能とを有する。表示部６ｄは、少なくとも断面画像を表示する機能を有する。

この実施例では、計測対象媒体７の表面７ａに散乱抑制透明物体１２が設けられている。この散乱抑制透明物体１２には、例えば、計測対象媒体７に対して浸透しにくい物質、例えば、広帯域光Ｐ１に対して透明性の高い粘着材料を有する粘着性シートを用いる。
ここで、粘着性シートを用いるのは、計測対象媒体７の表面や反射を避けるために、密着状態を作る必要があるためである。このような散乱を避けると、透過光量の割合が増し、断層像のＳ/Ｎ比を向上させることができる。なお、粘着性シートは、粘着性並びに柔軟性を有するものが良い。

計測対象媒体７の表面７ａからの散乱光、反射光等の戻り光が過度に大きい場合には、計測対象媒体７の内部に侵入するスポット光Ｐ５の光量が相対的に少なくなる。このため、断面画像の構築の際に支障を生じるおそれがある。しかし、散乱抑制透明物体１２を設けると、計測対象媒体７の表面７ａからの散乱自体が抑制されるため、計測対象媒体７の内部に導かれるスポット光Ｐ５の光量が相対的に増加する。

また、散乱抑制透明物体１２の表面１２ａからの散乱・反射光と計測対象媒体７の表面７ａからの散乱・反射光とは、表面７ａと表面１２ａとが離間しているため、分離が容易である。従って、計測対象媒体７の表面７ａからの戻り光に基づく画像強度のデータの取得が容易となる。

なお、散乱抑制透明物体１２を計測対象媒体７の表面７ａに貼り付けるのが困難な場合には、表面７ａからの散乱光を減少させるために、表面７ａそのものを滑らかに仕上げる方法を採用することもできる。

このように、この実施例では、計測対象媒体７の表面７ａからの強い戻り光に計測対象媒体７の内部からの散乱・反射光が埋もれるのが防止される。従って、計測精度が向上し、断面画像を鮮明に構築できる。

以下に、計測対象媒体７への浸透性物質９の浸透状態の計測を図３Ａないし図３Ｃ（例示として一次元断面画像を示す）を参照しつつ概念的に説明する。この図３Ａないし図３Ｃは、説明の簡単化を図るため、散乱抑制透明物体１２を使用していないものとして説明する。
図３Ａはその計測対象媒体７に浸透性物質９を付着させる前の時刻ｔ_１における断面画像（断層画像）の画像強度Ｉ（ｔ_１）と計測対象媒体７の光軸方向［図２のＺ方向］（厚さ方向深さ）Ｚとの関係を概念的に示している。その厚さ方向深さｄは表面７ａの側から計ることにし、表面７ａの側を厚さ方向深さ「０」とし、裏面７ｂの側に向かうに伴って厚さ方向深さ「ｄ」が増加するものとする。その厚さ方向深さ「ｄ」の最大値は、計測対象媒体７の厚さＷを意味する。

時刻ｔ_１においては、計測対象媒体７に浸透性物質９が付着していない。このため、計測対象媒体７は、表面７ａからの反射・散乱光（戻り光）が最も大きい。従って、図３Ａに示すように、表面７ａと空気との界面では反射・散乱光により鋭く立ち上がる直線となる。その図３Ａにおいて、符号Ｚａは、時刻ｔ_１における表面７ａと空気との界面での戻り光による画像強度Ｉ（ｔ_１）を示している。

計測対象媒体７には、微視的に見ると空隙が存在するため、スポット光Ｐ５の残りの一部は計測対象媒体７の内部をそのまま進んで反対側の裏面７ｂから外部に向かう。このため、その裏面７ｂと空気との界面では、図３Ａに示すように、透過光の増加により鋭く立ち下がる直線となる。その図３Ａにおいて、符号Ｚｂは、時刻ｔ_１における裏面７ｂと空気との界面での戻り光による画像強度Ｉ（ｔ_１）を示している。

計測対象媒体７の表面７ａと裏面７ｂとの間の内部では、図３Ａに示すように、一般的に反射・散乱光（戻り光）が厚さ方向深さ「ｄ」が増加するに伴って指数関数的に減少する曲線となる。
その図３Ａにおいて、符号Ｚｃは、時刻ｔ_１における表面７ａと裏面７ｂとの間の戻り光による画像強度Ｉ（ｔ_１）の指数関数曲線を示している。

塗布手段１０としての液体吐出装置を駆動すると、浸透性物質９としての液体が図２に示すように液滴として吐出され、計測対象媒体７の裏面７ｂに液滴が付着する。
その液滴は、計測対象媒体７に空隙が存在するため、時間の経過に伴って、図２に示すように、計測対象媒体７の裏面７ｂから表面７ａに向かう方向に浸透する。

浸透性物質９としての液体が計測対象媒体７の内部にまで染み込んだ浸透性物質９の浸透領域１１がその裏面７ｂから表面７ａにまで到達するのに要する時間は多様である。計測対象媒体７と浸透性物質９との関係、計測対象媒体７の厚さＷ、温度等の環境条件によって１秒以内で到達する場合もあれば、数時間以上かかる場合もある。

浸透性物質９の液体が浸透すると、その浸透領域１１では、計測媒体対象７の空隙がその液体によって満たされるため、その界面１１ａにおいては、フレネルの法則に基づく反射屈折現象等により物理光学的特性が変化する。すなわち、その界面１１ａでは、一般的には、散乱・反射光の光量よりも透過光の光量の割合が増加する。

図３Ｂはその計測対象媒体７に浸透性物質９を付着させてから時間Δｔが経過した時刻ｔ_２における断面画像（断層画像）の画像強度Ｉ（ｔ_２）と計測対象媒体７の厚さ方向深さｄとの関係を概念的に示している。その図３Ｂにおいて、符号ｅ、ｅ’は表面７ａから界面１１ａまでの厚さ方向深さを示している。ここで、（ｅ―ｅ’）は界面１１ａを推定するのに用いる線分であり、例えば、この線分の中央値を界面として用いる。
また、（ｄ−ｅ）又は（ｄ−ｅ’）は裏面７ｂから界面１１ａまでの厚さ方向の浸透深さ（染み込み深さ）を意味する。
ここで言う厚さ方向深さｄは光路長を意味し、実際の距離に換算した厚さ方向深さとは異なる。計測対象媒体７内の範囲においては、計測対象媒体７の屈折率ｎの大きさ並びに分布に応じて歪が生じるためである。
図３Ａにおいて、例えば、計測対象媒体７の実際の距離に換算した厚さ方向深さを知るためには、光路長としての厚さｗを計測対象媒体７の平均屈折率で除算する等の方法で求めれば良い。

時刻ｔ_２においては、計測対象媒体７の表面７ａから厚さ方向深さｅまでの間では、浸透性物質９が計測媒体対象７にいまだ染み込んでいないため、表面７ａから厚さ方向深さｅまでの間は、時刻ｔ_１における指数関数曲線Ｚｃと同一の指数関数曲線Ｚｃ’に従って時刻ｔ２における画像強度Ｉ（ｔ_２）が減少する。符号Ｚｅは時刻ｔ_２における界面１１ａの厚さ方向深さｅでの戻り光による画像強度Ｉ（ｔ_２）を示している。

界面１１ａにおいては、計測対象媒体７の内部に達したスポット光Ｐ５は、屈折現象のため、散乱・反射光の光量よりも透過光（屈折光とも言う）の光量の割合が多くなる。このため、厚さ方向深さｅと厚さ方向深さｅ’との間での戻り光の光量は急激に減少し、透過光の増加により鋭く立ち下がる直線となる。符号Ｚｅ’は時刻ｔ_２における厚さ方向深さｅ’での戻り光による画像強度Ｉ（ｔ_２）を示している。

浸透領域１１に到達した透過光は、その一部が浸透領域１１により反射・散乱されて表面７ａに向かう戻り光となり、その残りの一部はそのまま浸透領域１１を進んで裏面７ｂから外部に向かう。

一般的に、空気と計測対象媒体７の屈折率の差と、液体と計測対象媒体７の屈折率の差とは異なるため、厚さ方向深さｅ’から裏面７ｂまでの間で反射・散乱されて、表面７ａに向かう戻り光の光量の指数関数的な減少割合と、表面７ａから厚さ方向深さｅまでの間で反射・散乱されて、表面７ａに向かう戻り光量の指数関数的な減少割合とは異なる。
その図３Ｂにおいて、符号Ｚｃ”は時刻ｔ_２における厚さ方向深さｅ’と裏面７ｂとの間での戻り光による画像強度Ｉ（ｔ_２）の指数関数曲線を示している。

裏面７ａと空気との界面では、透過光の光量が増加するため、戻り光の光量が相対的に少なくなる。その図３Ｂにおいて、符号Ｚｂ’は、時刻ｔ_２における裏面７ｂと空気との界面での戻り光による画像強度Ｉ（ｔ_２）を示している。

従って、図３Ｂに示す時刻ｔ_２における画像強度Ｉ（ｔ_２）のデータと時刻ｔ_１における画像強度Ｉ（ｔ_１）のデータの差分の絶対値（Ｉ（ｔ_２）―Ｉ（ｔ_１））を求めると、図３Ｃに示す画像強度の差分の絶対値（Ｉ（ｔ_２）―Ｉ（ｔ_１））のデータが得られる。

この差分の絶対値（Ｉ（ｔ_２）―Ｉ（ｔ_１））のデータを求めることにより、浸透領域１１の境界１１ａの最初の立ち上がりを抽出できる。

すなわち、その厚さ方向深さｅ、ｅ’を推定することにより、時刻ｔ_２における浸透性物質９の浸透位置を推定できる。
また、異なる時間Δｔ＝ｔ_２−ｔ_１の時間間隔で取得された断面画像を処理することにより推定された浸透領域１１の界面１１ａの位置の変化を時間Δｔで除算することにより、厚さ方向の浸透速度を算出することができる。

以下、信号処理制御部６による画像処理の詳細を以下に説明する。
制御部６ａは、制御プログラムに従って光源１ａを点灯させると共に、ガルバノミラー３ｂ、３ｃを駆動する。これにより、計測対象媒体７の表面７ａが二次元的に走査され、計測対象媒体７の表面７ａから裏面７ｂにわたる三次元断面形状を構築するための画像強度データ（輝度データ）が時々刻々と取得される。その画像強度データは、走査位置の情報と共に記憶部６ｃに一時的に保存される。

信号処理部６ｂはその画像強度データに基づいて三次元断面画像を構築する。また、信号処理部６ｂはその厚さ方向深さｄの画像強度データの平均値を演算により求める。この画像強度データの平均値は、図３Ａに示す時刻ｔ_１における戻り光による画像強度Ｉ（ｔ_１）に対応している。

ついで、制御部６ａは時刻ｔ_１において、塗布手段１０としての液体吐出装置を駆動する。これにより、液滴が計測対象媒体７の裏面７ｂに付着する。走査スポット光Ｐ５により引き続き計測対象媒体７の表面７ａは二次元的に走査され、計測対象媒体７の表面７ａから裏面７ｂにわたる三次元断面形状を構築するための画像強度データ（輝度データ）が継続して時々刻々と取得されて、画像強度データが記憶部６ｃに蓄積される。

信号処理部６ｂは、記憶部６ｃに蓄積された画像強度データを用いて継続して三次元断面画像を構築する。ここでは、三次元断面画像を構築することにしているが、図４Ａに模式的に示すように、計測対象媒体７の光軸方向Ｚとこの光軸方向Ｚと直交する走査方向Ｘ（又は、光軸方向Ｚと走査方向Ｘとの双方に直交する走査方向Ｙと光軸方向Ｚ）とを含む二次元断面画像Ｇ１を構築しても良いし、図４Ｂに模式的に示すように走査方向Ｘと走査方向Ｙとを含む平面に平行な二次元平面内での二次元平面画像Ｇ２を構築しても良い。

なお、光軸方向Ｚと走査方向Ｘ（又は走査方向Ｙ）とからなる二次元断面画像Ｇ１を構築する場合には、ガルバノミラー３ｂ、３ｃのいずれか一方を往復振動させれば良い。
このようにして、信号処理部６ｂにより構築された三次元断面画像、又は、二次元断面画像Ｇ１、又は、二次元平面画像Ｇ２は、制御部６ａにより時系列的に記憶部６ｃに保存される。

このようにして構築されかつ記憶部６ｃに保存された三次元断面画像、又は、二次元断面画像Ｇ１、又は、二次元平面画像Ｇ２は、必要に応じて、制御部６ａの制御指令により表示部６ｄに表示される。その二次元断面画像Ｇ１は浸透性物質９の浸透に伴って時間的に変化する。

信号処理部６ｂは、例えば、時刻ｔ_１における近傍の時間内に例えば数十枚の二次元断面画像Ｇ１から、計測対象媒体７の厚さ方向についての断面画像の平均画像データを演算により求める。これにより、図３Ａに示す時刻ｔ_１における画像強度Ｉ（ｔ_１）の断面画像に対応する画像強度の平均画像データが求められる。

この画像強度Ｉ（ｔ）の断面画像に対応する画像強度の平均画像データは画素毎の輝度を時間的に積分して時間ｔで除算することにより求めても良いし、数個の画素をまとめてひとかたまりの集合とし、これらの各画素の輝度のデータを積算して画素の個数で除算した平均値を平均画像データとして求めても良い。

同様にして、信号処理部６ｂは、例えば、時刻ｔ_２における近傍の時間内に例えば数十枚の二次元断面画像Ｇ１から、計測対象媒体７の厚さ方向について画像強度の平均画像データを演算により求める。これにより、図３Ｂに示す時刻ｔ_２における画像強度Ｉ（ｔ_２）に対応する画像強度の平均画像データが求められる。

信号処理部６ｂは、時刻ｔ_２における画像強度Ｉ（ｔ_２）の平均画像データから時刻ｔ_１における画像強度Ｉ（ｔ_１）の平均画像データを減算することにより差分平均画像データを構築する。

信号処理部６ｂは、この差分平均画像データに基づいて差分画像を構築する。この差分画像は、制御部６ａの指令により必要に応じて表示部６に表示される。観察者は、この表示部６に表示されている差分画像に基づいて計測対象媒体７への浸透性物質９の浸透状態を把握することができる。

信号処理部６ｂは、差分平均画像データから深さ方向厚さｅ、ｅ’の平均値を求めることにより時刻ｔ_２における浸透深さ（ｄ−ｅ）又は（ｄ−ｅ’）の平均値を推定することができる。すなわち、差分平均画像データにより、界面１１ａの位置を意味する最初の立ち上がりが抽出される。

また、信号処理部６ｂは浸透深さ（ｄ−ｅ）又は（ｄ−ｅ’）の平均値を時間Δｔで除算することにより、浸透性物質９の計測対象媒体７に対する平均浸透速度を求める。これらの浸透深さ（ｄ−ｅ）又は（ｄ−ｅ’）の推定値、平均浸透速度は、必要に応じて適宜に表示部６ｄに表示される。

すなわち、信号処理部６ｂは記憶部６ｃに蓄積された計測対象媒体の深さ方向とこの深さ方向とからなる二次元断面画像Ｇ１により差分画像を求め、この差分画像により深さ方向の画像強度の最初の立ち上がりである界面１１ａの位置を画像処理方法により抽出する。

従って、信号処理部６ｂは浸透領域１１の界面１１ａの位置を推定する推定手段として機能すると共に、異なる時刻に取得された断面画像による界面１１ａの深さ方向の位置の推定結果を時間Δｔで除算することにより、浸透速度を算出する機能とを有する。なお、二次元平面画像Ｇ２の時間的変化を用いれば、平面方向の浸透領域１１の界面１１ａの位置の推定、平面方向の浸透速度を算出することができる。

この実施例では、時刻ｔ_１と時刻ｔ_２とにおいて、差分平均画像データを求めることにして説明したが、差分平均画像データを時々刻々と演算により求めることにすれば、浸透性物質９が計測対象媒体７に浸透する状態を表示部６ｄに経時的に動的に表示させることができる。

なお、計測対象媒体７と浸透性物質９との組み合わせによっては、浸透領域１１の界面１１ａにおける界面反射により、計測対象媒体７の内部に侵入したスポット光Ｐ５の反射光の光量の割合が透過光の光量の割合よりも大きくなることがあるが、この場合でも浸透領域１１の界面１１ａにおいて、画像強度が変化するので、界面１１ａの位置を推定できる。その結果、浸透速度を求めることができる。

このように、この実施例によれば、計測対象媒体７の裏面７ｂの側から浸透性物質９を計測対象媒体７に浸透性物質９を付着させながら、計測対象媒体７の表面７ａの側から測定光Ｐ２を計測対象媒体７に照射して浸透性物質９の浸透状態を計測するので、浸透性物質９そのものによる反射の影響を受けずに、かつ、計測対象媒体７の深部における浸透性物質９の浸透状態を計測対象媒体７を破壊することなく連続して観察することができる。

１…光源部、２…光合成・分割部（分割部、合成部）、３…測定光学系、
４…参照光学系、５…検出部、９…浸透性物質、１０…塗布手段、
６ｂ…信号処理部、６ｄ…表示部、７ｂ…裏面、Ｐ２…測定光、Ｐ３…参照光

特開２００５−１２７９３８ 特開２００４−３３３２２８

Claims (8)

1. 光源部と、該光源部からの光を参照光の光路と測定光の光路とに分割する光分割部と、前記参照光の光路に設けられた参照光学系と、前記測定光の光路に設けられかつ計測対象媒体を計測する測定光学系と、前記計測対象媒体からの戻り光と前記参照光学系からの参照光とを合成する光合成部と、該光合成部により合成された合成光を検出して光電変換信号に変換する検出部と、該光電変換信号を用いて前記計測対象媒体の断面を画像化する画像構築部と、該画像構築部により画像化された断面画像を表示する表示部と、前記計測対象媒体に液体を塗布する塗布手段と、前記液体の断面画像を時系列順に記憶する記憶部と、前記記憶部に蓄積された前記液体の深さ方向と前記深さ方向に直交する方向とからなる二次元断面画像により差分画像を求め、前記差分画像により深さ方向の画像強度の最初の立ち上がりを抽出することにより、前記計測対象媒体の内部において空隙が前記液体で満たされている状態の領域と液体領域との境界面を推定する推定手段を備える浸透過程計測装置。
2. 前記塗布手段は前記計測対象媒体に対して前記測定光が入射する面の側と反対側の面の側に設けられ、前記計測対象媒体への浸透性物質の浸透状態を計測することを特徴とする請求項１に記載の浸透過程計測装置。
3. 異なる時間に取得された断面画像による浸透領域の界面の位置の推定結果を、前記時間により除算することにより、前記計測対象媒体の深さ方向の浸透速度を算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の浸透過程計測装置。
4. 前記計測対象媒体がシート状媒体又は印刷物であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の浸透過程計測装置。
5. 前記塗布手段が前記液体を定量的に吐出する液体吐出装置であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の浸透過程計測装置。
6. 前記計測対象媒体の表面に散乱抑制透明物体が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の浸透過程計測装置。
7. 前記光源部は中心波長が近赤外の波長域に属する広帯域光を射出することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の浸透過程計測装置。
8. 測定光を計測対象媒体の表面の側から照射しつつ、該計測対象媒体の裏面の側から該計測対象媒体に浸透性物質を付着させて前記計測対象媒体の断面の時間的変化を画像化して、該画像化された断面画像を表示し、前記計測対象媒体に液体を塗布し、前記液体の断面画像を時系列順に記憶し、前記記憶した前記液体の深さ方向と前記深さ方向に直交する方向とからなる二次元断面画像により差分画像を求め、前記差分画像により深さ方向の画像強度の最初の立ち上がりを抽出することにより、前記計測対象媒体の内部において空隙が前記液体で満たされている状態の領域と液体領域との境界面を推定することによって、前記計測対象媒体への前記浸透性物質の浸透状態を観察することを特徴とする浸透過程計測方法。