CN1012841B - 测量头 - Google Patents

Abstract

一个为确定在彩印时一起印刷的颜色测量条的光学亮度性质而用的测量头，该测量头具有一个照明镜组，具有两个曼金反射镜(11、14)以及一个与曼金反射镜(11、14)对准的、并设置在中心开孔(13)内的消球差镜(25)。从光源(3)送出并从被测表面(2)返回的光束到达一个物镜(41)内，并通过一个测量镜组(40、45-52)输入到一个光波导管(4)内，通过波导管，上述返回的光束被输送到一个分光计，以便进行分光分析。

Description

本发明的所属技术领域为颜色测量装置。

本发明涉及一种用于光电测量仪器、特别是一种分光亮度计的测量头，是为确定在彩印时一起印刷的颜色测量条的光学亮度性质而用的。它具有一个光源和一个照明镜组，能按预定的距离，以预定大小的投射角，向一贴在测量平台上的被测表面片照射，再用物镜的测量镜组，接收与被测表面垂直线成狭小测量角度、并从被测表面上返回的测量光束，使通过一个光波导管，与一光电换能器、特别是分光计耦合。

已有的一种测定光学亮度性质用的测量头具有一个照亮被测表面用的投射镜组，并具有一个包括一个环状镜在内的聚焦镜组，以便接收与投射镜组或照明镜组的光轴成一预定角度、从被测表面上返回的光束。这样的测量头在联邦德国专利号DE-PS2600604中已有。

技术上也有同样的改革情况。为了改进平片印刷机对印张的施色控制，对规定的颜色测量条已不再使用简单的黑度计控制，而是使用经过分光测量的色度计的控制。在这种情况下，为了颜色的一致，利用了分光亮度并由此算出颜色座标，以此与规定的颜色座标比较，从中得出的颜色差别便可作为施色控制信号之用。为了避免测量误差以及由此而产生的施色误差，有必要对一起印刷的颜色测量条在全部波长范围内以高精度确定其颜色座标位置。在采用黑度计时，当照明镜组与被测表面之间的距离变化在数量级上达到2.5%时，所造成的光差还是可以容许的，然而在分光分析时这样却会导致不符合要求的测量误差。按照欧洲专利号EP-A-209    860所说，曾经尝试用这样的方 式来解决这个问题，即在光源上焦点处设置一个聚光器，将照射光集中以后，就可使被测表面比原来的小。但在这种情况下，较多的光被浪费掉了，此外，这种已知装置并不能达到改善精度的目的。

从这些技术现况出发，本发明的任务基本是要做出一个在上面开始时已经提到过的那类测量头，它能以一个宽大的角度来照亮被测表面，并以一个狭小的角度来返回光束，不受那些在实践中不能完全避免的现象的影响，例如由于放在底板上纸张的不均匀的涂层而引起的距离变化对精确掌握各种颜色的影响。

按照本发明，这个任务是这样完成的。光源的光轴上设有一个由两个与测量平台平行并对准的环状曼金反射镜组成的装置。两镜的凹面相对。与所设曼金反射镜相隔一段距离的光源发出的光是通过一个同轴的能校准曼金反射镜色差的消球差镜而到达被测表面上的。物镜的入射透镜也设在曼金反射镜的光轴上，而在物镜入射透镜的焦点上则设有一个测量光圈，光波导管就是与这光圈耦合的。

照明镜组能以基本上为45°±5°的投射角度来使发自光源的光从各个方位照射到被测表面上，而从被测表面返回到测量镜组的测量光束则以基本上为0°±5°的测量角度被接收。照明镜组的曼金反射镜装置和同轴的消球差镜合作，能将光源精确地投射在测量平台上成象。由于两个曼金反射镜是对称地构造并设置，并和一个消球差镜共同起作用，正弦条件得以满足，球形象差和彗形象差将可消除。曼金反射镜装置的色差将通过消球差镜得到补偿。用这种方法可在测量平台上得到每种颜色都是一样强弱的光源成象，测量误差就可避免。而当光源的各种分光颜色不仅在测量平台上，而且在测量平台的上方和下方都有成象 时，测量误差就会产生。

即使被测表面的距离改变已知是不可避免的，由于按照本发明进行装置和校准，测量镜组或聚焦镜组总是能得到以相同的空间角度返回的光束，由于这种距离变化而引起的光的强度波动因此可大大减免。符合本发明任务的装置安排和进一步的构成将是我们继续提出权利要求的对象。

下面是本发明的一个实施例，用一张通过测量头的剖面图来作较详细的探讨。

图中所画出的测量头是这样作用的：在测量平台（1）上紧贴着一块被测表面片（2），它在纸张印刷时一起被印出来作为颜色测量条。这样，要进行色度监控的颜色和印刷机的控制就能精确地加以掌握。图中所画出的测量头有一个用略图画出的光源（3），它在被测表面（2）上稍微缩小地成象并将一部分返回的光束输入到光波导管（4）中去，该波导管上连有一个分光计，用该机进行颜色的分光分析。

测量头具有一个环形边框（5），其外径为80mm。边框（5）上装有多个走轮（6），这些走轮能使至测量平台（1）的距离保持不变。有一个固定在测量头上、在图上没有画出的弹簧，用来按住在测量平台（1）上平放的印张。一起印出的颜色测量条的测定应达到这样的精度：即使是在距离变化例如有±0.2mm的情况下，（由于不均匀的涂层），涉及测量头所掌握的测量值的失真在全部波长范围内须保证在千分之一以内。这个要求是这样得出的：颜色座标位置的确定精度应有可能达到0.1E，这是一个熟练的目光分辨颜色的界限。

光源（3）的成象要进一步在下面更详细地说明。它必需保证是极端消色差的。这样对所有的分光颜色，白色光源 可投射在同一平面上成象，而不是对各种不同的分光颜色，分别投射在许多平行的上下挪动过的平面上成象。

边框（5）与光源（3）共处在一个公用的壳体内。光源（3）为了避免产生成象误差，不采用任何反射镜。光源（3）是由一个色温为3000度的平螺旋形卤素灯构成。平螺旋占有一个长为2.6mm、宽为1.3mm的矩形平面。平螺旋-卤素灯需要的功率在本实施例中为30瓦。平螺旋的平面延伸出去是与测量平台平行的，这在图中已概略地画出。

测定头的环形边框（5）具有一个漏斗形的底部和一个包围着圆形孔（8）的凸部（9），以及一个在漏斗形底部（7）的最大直径上环绕着的环形肩（10）。

环形肩（10）用来支撑环形的第一个曼金反射镜（11），在曼金反射镜的凸面上有一镜面（12）。人们可在图上看到，在环形曼金反射镜11上有一圆形的中心孔（13），在该孔内，环形边框（5）的环形凸部（9）从底下伸进去并突起来。

除了第一个曼金反射镜（11），其凹面是向上的以外，还设有第二个曼金反射镜（14），其凹面是向下的，其镜面（15）则镀在向上的凸面上。第二个曼金反射镜（14）如同第一个曼金反射镜（11）一样，具有一个圆形的中心孔（16）。在其外径为69mm时，圆形孔（13）和（16）的直径为39mm。在环形边框（5）靠近上边处制有内螺纹，在该螺纹内旋有将曼金反射镜（11、14）固定在边框（5）内的夹紧圈（17）。

为了阐明照射通道（环绕中心轴对称），在图上画出了由设在曼金反射镜（11、14）的光轴（20）上、位在第二个曼金反射镜（14）上方的光源（3）发出的照射光束在通过光栏（38）后的两条用来阐明的边缘光线（18）和（19）。由于全部装置环绕中心轴对称，所以在左边画出的边缘光线（18）和（19） 应该在右边也有相应的边缘光线，但为了容易看清起见，此处不再画出了。

通过边缘光线（18，19）显示的由光源（3）来的光束通过第二个曼金反射镜（14）上的孔（16），进入具有同一构造的两个曼金反射镜之间的空间，在进入第一个曼金反射镜（11）的玻璃体（22）时被折射。在被镜面（12）反射后，光束再一次折射走出玻璃体（22），这样，能使图上未画出的、在边缘光线（18，19）两者之间的中间光线在经过折射和反射后，所走的路线与测量头的光轴（20）平行。这只要校准光源（3）与两个曼金反射镜中间对称平面的距离即可作到。

如同人们在图上所看到的，反射镜面（12，15）的曲率半径（约71mm）大于凹面内边的曲率半径（约49mm）。在镜面（15）上反射后，由边缘光线（18，19）组成的光束从曼金反射镜（14）的玻璃体（23）折射出来，进入消球差镜（25）的第一个透镜体（24）。该体具有一个截球体的外形，它在指向光源（3）的凸出的球面上设有一个平顶（26）。

消球差镜（25）除了第一个透镜体（24）以外，还设有第二个透镜体（27），该体如图所示，具有截锥体的外形、带有一个凹进的球形的输出面（28）。消球差镜（25）是用普通方法由两个不同的玻璃体构成的，这里第一个透镜体（24）的外半径在一个实施例中约为17mm，第二个透镜体（27）的外半径约为12mm。消球差镜设计成为能对自身也能消球差的曼金反射镜装置进行校准，使后者的颜色误差得到补偿。这个装置的整体并能消除色差，而且是在人们都感兴趣的波长范围以内。

由透镜体（24，27）组成的消球差镜（25）在其底部用一带螺纹的环（29）与环形的凸部（9）固定地连接。以边缘光线（18，19）为界限的环状光束在穿过消球差镜（25）以后，以投 射角45°±5°照射到测量平台（1）上。在图中只是画出了环状光束的左边剖面，但却存在着与此相应的环形光照射，这个照射是从各个方位斜向射入，投射在测量平台（1）上的被测表面（2）上。被测表面（2）具有象光源（3）那样略为缩小的矩形外貌，在被测表面（2）上可以形成一个校正色差的光斑或测量斑。

人们在图中可以看到，边框（5）的开孔（8）上设有一个盖板（30），盖板中间有一个漏斗形的杂光光栏（31）。杂光光栏（31）的开孔（32）有一内径例如为5mm，其底边设在测量平台的上方约0.5mm处。

在图中人们还可以进一步看到，在底板（30）上设有一个导管（33），供装入参照光波导管（34）之用。通过这个波导管，为造成一个参照强度而投射在参照面（35）上的光可进行输出耦合。有了这个参照强度，在光源（3）的功率变化时就可对照明强度改变后的测量值进行校正。参照光波导管（34）从外面沿径向伸入到光束（18，19）的范围内，并在其前端切成斜面，以便沿波导管（34）长度方向投射的光转弯。

上述装置具有两个对称构成的曼金反射镜（11，14）和消球差镜（25）这就可以在测量平台（1）上产生一个色差校正过的光源（3）的图象，这个当由于放在底板上的纸张涂层不均匀而引起距离改变时，被测表面所控制的光不会有色度的挪动，这种色度挪动当光源（3）的成象是由多个相互重叠的各种光谱色的图象构成时是存在的。

上面所说的校正色差的照明镜组，加上下面将述及的测量镜组，两者对测量头和测量平台间的距离变化是不敏感的。测量镜组有一个入射透镜（40），它是由物镜（41）的球面构成的，物镜（41）位在一个能允许光通过的套管（42）内，该套管沿着测量头的光轴延伸，穿过消球差镜（25）。物镜 的长度约为15mm，其入射透镜（40）有一个约为7mm的半径，位于测量平台（1）以上大约5mm的距离。

物镜（41）在后端（43）处与一个转向棱镜柱（44）耦合，该棱镜位在转向室（53）内，通过该棱镜，由测量斑返回的光在两个曼金反射镜（11、14）之间的对称平面上转向。转向棱镜通过一个设在球面上的测量光栏（45），支配着图中右边所画的那一部分，测量光栏（45）还带着一个透镜装置，这个装置能使被测表面（2）在杂光光栏（47）上成象。测量光栏（45）位在入射透镜（40）的焦点上，从而该系统对人所共知、不可避免的距离变化并不敏感。测量光栏有一内径例如为2.2mm。正如人们在图中所看到的，有一个含有多个光学部件的光保护管（54）通到设在消球差镜（25）后面的转向室（53）内。光保护管（54）沿径向、顺着两个曼金反射镜（11）和（14）之间的对称平面伸展一直到其边界。

为了防止在被测表面（2）以外的漫射光被包括进去，借助透镜（46）（以及球面（40）和（45）），将被测表面（2）上的成象投射到一个敞露直径为4.5mm的杂光光栏（47）上成象，该光栏离开透镜（46）约为11mm。

由于测量条上细微的网目结构，所以能在用上许多光纤的光波导管内产生莫阿效应。为了避免产生这种效应，在装置内规定采用两个另加的透镜（48、49），透镜（48）如同透镜（46）一样是平面加凸面的，透镜（49）则由一设在透明玻璃棒（50）左边的球面构成（如图所示）。透明玻璃棒（50）一方面用作途径的延长，另一方面是为了能配上光波导管（4）的直径。透明玻璃棒（50）的直径，在进入光波导管时，分成两级来减小。透镜（48、49）将测量光栏（45）成象在图右透明玻璃棒（50）的端面（51）上。在端面（51）上设有透镜（52），该透镜能使要与光波导管（4）进行耦合的光 成为平行。虽然光波导管（4）开孔的角度可达到例如为±11°，但实用时光波导管（4）的开孔角仅定为9°，以便提高它的应变能力，这样当光波导管（4）弯曲时，光强将不致变化。透明玻璃棒（50）的长度约为18mm。

Claims (10)

1、一种测量头，具有一个光源，一个照明镜组，以一预定的到达一个贴在测量平台上的被测表面上的距离，按照一个预定大小的投射角度进行照射，还具有一个测量镜组，其物镜能接收与被测表面垂直线成一狭小角度并从被测表面上返回的测量光束，使它通过一个光波导管，射到一个光电变换装置，特别是分光计上，与其耦合，其特征在于：所说的照明镜组是由在光源(3)的光轴(20)上设置一个由两个与测量平台(1)平行并对准的环形曼金反射镜(11，14)组成的装置，两个曼金反射镜的凹面相对，而与曼金反射镜离开一段距离设置的光源(3)则通过一个同轴的、能消除曼金反射镜色差的消球差镜(25)投射在被测表面(2)上成象，所说的测量镜组是由同时在曼金反射镜(11、14)的光轴(20)上设有物镜(41)的入射透镜(40)，在物镜入射透镜(40)的焦点上设有一个测量光栏(45)，光波导管(4)就与这个光栏耦合，其位置关系为消球差镜(25)自身突出到两个曼金反射镜(11、14)的中间空间中，在其光轴上有一个通道开孔，在该孔内，一个面对消球差镜(25)、在光学上能耦合起来的物镜(41)伸了进去，该物镜在与被测表面相对的前端为一球面的光入射面(40)而在其后端则有测量光栏(45)，而测量光栏(45)通过一个转向棱镜(44)与物镜(41)的后端(43)耦合。

2、根据权利要求1的测量头，其特征在是：所说的测量光栏（45）还带有一个透镜装置，这个装置能使被测表面（2）在杂光光栏（47）上成象。

3、根据权利要求2的测量头，其特征是：在所说的杂光光栏（47）后面的光路中，设有一组透镜装置（48、49），该装置能在测量头的末端到达光波导管（4）之前，使通过测量光栏（45）的光束在端面（51）上成象。

4、根据权利要求3的测量头，其特征是：在所说的透明玻璃棒（50）的面向杂光光栏（47）的前端上设置透镜装置（49）而在透明玻璃棒（50）的后端上则设置端面（51）作为耦合面。

5、根据权利要求4的测量头，其特征是：光波导管（4）的端面与透明玻璃棒（50）的后端（51）耦合。

6、根据权利要求1至4的测量头，其特征是：测量光栏（45），杂光光栏（47）以及带有共轭透镜（46、48）的透明玻璃棒（50）被设置在一个光保护管（54）内，该管沿径向、顺着两个曼金反射镜（11，14）之间的对称平面一直伸展到边界。

7、根据权利要求6的测量头，其特征是：所说的光保护管（54）在曼金反射镜（11、14）的光轴附近通入到一个转向室（53）之内，该室是由消球差镜（25）上削平的顶面（26）支撑的，带有转向棱镜（44）的物镜（41）也伸入到该室内。

8、根据权利要求1至5的测量头，其特征是：可设置一个参照光波导管（34），其前端（35）突出在从消球差镜（25）出来的光束中。

9、根据权利要求6的测量头，其特征是：可设置一个参照光波导管（34），其前端（35）突出在从消球差镜（25）出来的光束中。

10、根据权利要求7的测量头，其特征是：可设置一个参照光波导管（34），其前端（35）突出在从消球差镜（25）出来的光束中。