CZ2006406A3

CZ2006406A3 - Zpusob merení transparentních mikrovrstev na transparentním substrátu a optický tlouštkomer

Info

Publication number: CZ2006406A3
Application number: CZ20060406A
Authority: CZ
Inventors: Dohnal@Miroslav
Original assignee: Fakulta chemicko-technologická
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2008-01-02
Also published as: CZ301842B6

Abstract

Pri merení tlouštky transparentních mikrovrstev (18) materiálu, se merí intenzita svetelného toku propušteného transparentní mikrovrstvou (8) materiálu naneseného na transparentní substrát (17) a intenzita svetelného toku procházejícího etalonem (7), kterým je optický sférický klín (12) nebo optický lineární klín (13) zaplnený tímtéž materiálem. Denzitometrický tlouštkomer sestává z osvetlovací soustavy (20), krížového stolku (6), etalonu (7) a zarízení schopného merit svetelný tok (19), kterýmje fotometr nebo fotocitlivý materiál (16). Osvetlovací soustavu tvorí svetelný zdroj (4), který jeumísten v ohnisku kondenzoru (5), pricemž zkoumaná mikrovrstva (8) nebo etalon (7) se zkoumaným materiálem jsou umísteny na stolku (6) s možností krížového mikroposuvu ve smeru kolmém na optickou osu(21) denzitometrického tlouštkomeru, mezi osvetlovací soustavou (20) a zarízením schopným merit svetelný tok (19).

Description

Vynález se týká optických měřicích metod, zejména měření tlouštěk transparentních mikrovrstev materiálu na transparentním substrátu, přičemž materiálem je zejména barva pro tisk.

Dosavadní stav techniky

Tloušťka barvové mikrovrstvy je jedním z parametrů rozhodujících o kvalitě tisku. Z technologie ofsetového tisku je známo, že pro dokonalé vybarvení výtisku musí být dosaženo předepsaných denzit barevných ploch - separací CMYK (cyan, magenta, yellow, black). Zvětšováním tloušťky barvové mikrovrstvy denzita postupně narůstá a je největší při plné saturaci barvy. Větší tloušťka barvy kvalitu výtisku nezlepšuje, ba naopak, zvyšuje výrobní náklady a prodlužuje dobu zasychání barvy.

V současné době se vyhodnocuje tloušťka barvové mikrovrstvy denzitometry, kdy intenzita odraženého světla od plné barevné plochy se měří přes zařazený filtr doplňkové barvy, např. žlutá barva přes modrý filtr. Je-li mikrovrstva barvy velmi tenká, světlo přes ni prochází, odráží se od bílého substrátu (papíru) a vrací se zpět stejnou cestou přes filtr doplňkové barvy a dopadá na fotocitlivý senzor denzitometru. Při dostatečné tloušťce mikrovrstvy se bílé světlo od substrátu neodráží a jeho intenzita je téměř nulová. Pro denzitu barvové mikrovrstvy platí vztah D = log(l₀ /1), kde Ιο, I jsou intenzity světla odraženého od referenčního bílého substrátu a od barvové mikrovrstvy, v obou případech měřené přes daný barevný filtr. Z principu metody vyplývá, že je velmi nepřesné, ne-li nemožné, měření tloušťky barvové mikrovrstvy na substrátu přibližně stejné barvy, např. tisk žluté barvy na oranžový papír. Výsledkem měření je jen zjištění, zda je mikrovrstva barvy dostatečně silná.

Propustnost mikrovrstvy T je zpravidla popsána Lambertovým - Beerovým zákonem T = I / lo = 10'^NoL, kde I, lo jsou intenzity světla propuštěného a dopadajícího, N je koncentrace absorbujících částic, σ je absorpční průřez a L je absorpční délka. Pro denzitu mikrovrstvy pak můžeme psát D = log(1/T) = ΝσΙ_. Tento zákon však platí jen tehdy, dochází-li k absorpci fotonů na úrovni molekul, atomů. Tiskové barvy však

obsahují pigmentové částice, které jsou mnohem větší, vzájemně se zastiňují a uvedený zákon neplatí.

Další metoda měření tloušťky barvové mikrovrstvy je založena na zjištění váhy odebrané barvy z válečku potiskovacího stroje. Na tomto stroji se vytiskne barevný pruh o šířce cca 15 mm a délce 100 mm. Zjistí se váha válečku s barvou před a po tisku. Diference váhy odpovídá váze barvy přenesené na potištěný substrát. Při známé objemové hustotě barvy a ploše potištěného substrátu lze vypočítat střední tloušťku barvové mikrovrstvy. Měřicí metoda je integrální.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob měření tloušťky transparentních mikrovrstev materiálu na transparentním substrátu, který spočívá vtom, že se měří světelná propustnost T zkoumané mikrovrstvy materiálu na substrátu a světelná propustnost T_e(v) etalonu se známou tloušťkou v mikrovrstvy téhož materiálu, z naměřených propustností se stanoví tloušťka zkoumané mikrovrstvy materiálu , kterým je například barvová mikrovrstva tiskem přenesená na transparentní substrát.

Světelná propustnost se měří mikrofotometrem nebo expozicí fotocitlivého materiálu. Denzitometrický tloušťkoměr transparentních mikrovrstev materiálu na transparentním substrátu podle vynálezu sestává z osvětlovací soustavy, křížového stolku, etalonu a zařízení schopného měřit světelný tok, osvětlovací soustavu tvoří světelný zdroj, který je umístěn v ohnisku kondenzoru, zkoumaná mikrovrstva materiálu nebo etalon se zkoumaným materiálem jsou umístěny na stolku s možností křížového mikroposuvu ve směru kolmém na optickou osu denzitometrického tloušťkoměru, mezi osvětlovací soustavou a zařízením schopným měřit světelný tok.

Zařízením schopným měřit světelný tok je zde fotometr nebo filmový materiál. Fotometr sestává z objektivu, mikrometricky stavitelné štěrbiny a fotosenzoru.

Etalonem tloušťky mikrovrstvy materiálu je optický lineární klín s exaktní definicí tloušťky mikrovrstvy materiálu nebo optický sférický klín, jehož vnější plocha může být s výhodou opatřena netransparentní vrstvou tak, že vymezuje tři stejně široké transparentní štěrbiny s konstantní roztečí.

Denzitometrický tloušťkoměr transparentních mikrovrstev na transparentním substrátu podle vynálezu měří světelnou propustnost T materiálu, například barvové mikrovrstvy, která je tiskem přenesena na substrát a světelnou propustnost T_e(v) etalonu s tímtéž

materiálem (barvou). Etalonem tloušťky mikrovrstvy je sférický nebo lineární optický klín. Obě světelné propustnosti T a T_e(v) lze měřit mikrofotometrem nebo denzitometricky na vyvolaném a ustáleném negativním (diapozitivním) filmu, který byl exponován průchodem světla jak přes zkoumanou mikrovrstvu barvy na substrátu, tak přes etalon s barvou. Vzájemným porovnáním světelných propustností T mikrovrstvy barvy a T_e(v) etalonu je dostatečně přesně stanovena tloušťka mikrovrstvy na potištěném substrátu.

Denzitometrický tloušťkoměr transparentních mikrovrstev na transparentním substrátu podle tohoto vynálezu nedostatky výše uvedených metod odstraňuje a lze jím měřit tloušťky vrstev v diskrétních místech jednobarevného výtisku, např. v tiskových bodech jednotlivých tiskových technologií - ofset, flexotisk, hlubotisk, inkoustový tisk a podobně.

Přehled obrázků

Obr. 1 znázorňuje denzitometrický tloušťkoměr s fotometrem.

Obr.2 znázorňuje optický sférický klín

Obr. 3 znázorňuje optický lineární klín.

Obr. 4 znázorňuje optický klín a zkoumaný vzorek na fotocitlivém materiálu

Obr. 5 znázorňuje průběh intenzit světla procházejícího štěrbinami optického klínu při jeho excentrickém nastavení vůči fotometru

Příklad provedení vynálezu

Denzitometrický tloušťkoměr barvových vrstev potištěného substrátu, zobrazený na obr. 1, sestává ze světelného zdroje 4, kondenzoru 5, křížového stolku 6, etalonu 7 tloušťky mikrovrstvy. Na obr. 1 je znázorněn optický sférický klín s planparalelní transparentní destičkou 15 , na obr. 2 je znázorněn optický sférický klín 12 a na obr.3 optický lineární klín 13 s kontinuální a matematicky popsanou tloušťkou barvové mikrovrstvy v(x) 8. Bílé světlo je kondenzorem 5 koncentrováno do etalonu 7, prochází barvovou mikrovrstvou 8 přes objektiv 9, stavitelnou štěrbinu 10 a dopadá na fotosenzor 11 mikrofotometru. Etalon 7 uchycený na křížovém stolku 6 mikrofotometru se kontinuálně posouvá a zesílený fotoproud úměrný intenzitě z mikrovrstvy 8 vystupujícího světla ovládá pohyb ·· ·· hrotu nezakresleného zapisovače s plynulým posuvem papíru. Stejný postup se opakuje s uchyceným substrátem 17 nesoucím mikrovrstvu 8 barvy 18.

Provedení se sférickým klínem

a) etalon 7 není opatřen propustnými štěrbinami

Sférický klín 12 dle obr. 2 je pevně fixován ke křížovému stolku 6 tak, že jeho optická osa je vkoincidenci sosou objektivu 9 mikrofotometru Jt Posuv klínu 12 v horizontálním nebo vertikálním směru je exaktně svázán s posuvem papíru v nezakresleném zapisovači. Zesílený světelný tok ovládá výchylku pisátka, a tím je zapsána závislost intenzity světelného toku na tloušťce měřené mikrovrstvy 8. Porovnáním intenzit světelných toků procházejících vzorkem 18 a sférickým klínem 12 stanovíme tloušťku mikrovrstvy 8. Před porovnáním intenzity vzorkem 18 propuštěného světelného toku je nutné odečíst vliv propustnosti vlastního substrátu 17.

b) etalon 7 je opatřen propustnými štěrbinami 1, 2 a 3

Sférický klín 12 je na své vnější ploše opatřen třemi propustnými štěrbinami 1, 2, a 3, které slouží k přesnému výpočtu maximální intenzity propuštěného světelného toku v bodě kontaktu optických ploch klínu 12, a tedy pro nulovou tloušťku mikrovrstvy 8. Tím je velmi usnadněno měření, protože není nutné zajistit koincidenci optických os jako v předchozím případě a). Je tím zcela vyloučena nepřesnost v nastavení osy sférického klínu 12 při měření. Štěrbiny 1, 2, a 3 jsou vyrobeny např. vakuovým napařením kovu na vnější straně optického sférického klínu 12. Mají stejnou šířku a konstantní i rozteč. Optický sférický klín 12 zaplněný zkoumanou barvou je ke křížovém stolku 6 mikrofotometru pevně fixován a postupně jsou proměřeny intenzity procházejících světelných toků h, I2 a I3 v podélném směru štěrbin 1, 2, a 3. Poměry které nastanou při excentrickém nastavení sférického klínu 12 jsou znázorněny na obr.

5. Maximální intenzity světelných toků h, ba I3 naměřené ve štěrbinách i, 2 a 3 poslouží kvýpočtu intenzity světlelného toku l₀ vose sférického klínu 12. Tím se značně zjednodušuje fixace sférického klínu 12 ke křížovému stolku 6 mikrofotometru, beze ztráty přesnosti měření. Jednou částí sférického klínu 12 může být rovinná planparalelní transparentní destička 15 to znamená, že poloměr její křivosti R₂ ->°o. Matematické odvození absolutně největší intenzity světla spočívá v interpolaci intenzit světla l-ι, l₂ a I3 kvadratickým polynomem (parabolou) a nalezení souřadnice x₀ pro polohu maxima, viz obr. 5. Nepřesnost měření yo ve směru vertikálním byla už vyloučena stanovením intenzit l₁₍ b a I3 v rovině procházející maximem paraboly (rovnoběžně s osou x). Fotometrickým měřením zjistíme závislost intenzity propuštěného světelného toku I na tloušťce v mikrovrstvy 8.

Koeficienty paraboly a, b, c, nalezneme řešením soustavy tří rovnic:

axj² + bXj + c = h, i = 1, 2, 3 kde χ, jsou souřadnice štěrbin vůči referenčnímu bodu na stolku 6. Pro souřadnici Xo maximální hodnoty lo dostaneme Xo = -b/2a. Maximální hodnota intenzity propuštěného světla bude:

l₀ = ax₀ ² + bx₀ + c = -b²/4a + c

Z průběhu intenzity světelného toku b např. podél štěrbiny 2 po přepočtu vzdáleností x od bodu dotyku vypočteme l(x) -závislost intensity světelného toku na vzdálenosti od místa kontaktu optických ploch klínu 12, a tím také l(v)- závislost intensity světelného toku na tloušťce v mikrovrstvy 8.

Při návrhu sférického klínu vyjdeme z obr. 2. Pro tloušťku sférického klínu 12 platí: v = yi - y₂ = (R₂ ² - x²)^1/2 - (R1²- x²)^1/2Za platnosti X/R2 «1a x/Ri« 1 můžeme přibližně psát: v = 0,5x²(1/Ri - 1/R₂)

Bude-li maximální šířka na obvodě sférické štěrbiny v_m rovna k vlnových délek, pak pro průměr sférického klínu 12 platí: d = 4^/k XR-,R₂/(R2 - R-i), to znamená, že sférický etalon bude mít na světle k interferenčních kroužků.

Volíme: k = 10 kroužků, střední vlnová délka λ = 500 nm, (to znamená, že v_m = 5 pm), poloměry zakřivení Rj = 199 mm, R₂ = 200 mm.

Po dosazení do předchozí rovnice obdržíme pro průměr sférického klínu 12 hodnotu d = 2r = 40 mm.

Pigmentové částice barvy mají průměr kolem 1 - 2 pm a navržený etalon je vyhovující.

Provedení s optickým lineárním klínem.

Etalonem je lineární klín 13 podle Obr. 3. Lineární klín 13 je vytvořen mezi dvěma transparentními skleněnými vyleštěnými destičkami, přičemž jedna je planparalelní,

4 4 4 4 · 4 • · 4« 4 4 4 • 4 4 444· • 4 44

4 4 · 4 4 4 • 4 4 4 4 • 4 4« · 4 4 44 4 * druhá je vyleštěna pod úhlem φ. Tento úhel je určen maximální tloušťkou v_m zkoumané barvové mikrovrstvy 8 a délkou skosení L optického klínu. Pro úhel klínu platí vztah: tg(cp) = kX/L = v_m/L.

Volíme v_m = 5 pm, λ = 500 nm, L = x_m = 20 mm, k = 10 interferenčních proužků, potom bude φ = 0,9 (obloukové vteřiny).

Optický lineární klín 13 zaplníme zkoumanou barvou 8 a fixujeme ke křížovému stolku 6 tak, aby vrcholová hrana lineárního klínu 13 byla rovnoběžná s vertikální osou y. Křížový stolek 6 se posouvá v horizontálním směru a etalon 13 je prosvětlován bílým světlem přes lineárně rostoucí tloušťku barvové mikrovrstvy 8. Mikrofotometrem bude registrována a zapisovačem zapsána závislost intenzity světelného toku l(v) na tloušťce v. Při měření tenkých vrstev je nutné odečíst vliv světelné propustnosti samotného etalonu 7 - optického lineárního klínu 13.

Tloušťka mikrovrstvy (8) lineárního optického klínu a tedy i barvové mikrovrstvy (8) je určena vztahem v = xtg((p), kde v je tloušťka mikrovrstvy 8 , x je vzdálenost měřená od optického kontaktu obou ploch optického lineárního klínu, φ je úhel optického lineárního klínu (13). Geometrické rozměry klínů se volí se zřetelem k maximální tloušťce v_m barvové mikrovrstvy 8 , které je přiřazen počet interferenčních kroužků nebo proužků optického klínu v bílém světle.

Provedení s expozicí fotocitlivého filmu.

Na fotocitlivý film 16 je současně umístěn sférický klín 12 nebo lineární klín 13 vyplněný zkoumanou barvou a toutéž barvou potištěný substrát. Světelný tok propuštěný barvovou mikrovrstvou 8 exponuje fotomateriál 16, viz obr. 4. Po jeho vyvolání a ustálení obdržíme negativ nebo diapozitiv 16 s proměnnou optickou hustotou (denzitou). Film 16 proměříme mikrofotometrem nebo po jeho skenování vyhodnotíme denzitu na počítači.

Měření intenzity světelného toku propuštěného potištěným substrátem

Potištěný substrát 17 je transparentní, nebo alespoň průsvitný. V případě potištěného papíru zlepšíme průsvitnost jeho ponořením do vody nebo oleje (silikonový, parafinový, apod.). Jedinou podmínkou je, aby olej chemicky nereagoval nebo nerozpouštěl mikrovrstvu 8 barvy. Další postup měření je stejný jako v předchozích případech jen s tím rozdílem, že místo etalonu 7 s barvou měříme denzity exponovaného filmu 16.

4 44 44 *· 44 • 4 ·4 4 4 4 · 4 4 • · 4 4 ··· 4« 44» » 44 44 ···»»» • 4 4444 4444

4444 444 ·· 4* 44 44

Oproti optickým klínům 12. 13 bude výsledná denzita dána součtem denzity substrátu 17 a barvové mikrovrstvy 8. Denzita substrátu působí jako šum pozadí a musíme ji od výsledné denzity odečíst. Stejným denzitám na filmu (po výše uvedené korekci) pak odpovídá stejná tloušťka barvové mikrovrstvy 8 . Tloušťku ν«, suché mikrovrstvy 8 na substrátu zjistíme jiným experimentem. Silná mokrá mikrovrstva 8 barvy o tloušťce v₀ ( 1 mm) se po vysušení smrští na tloušťku v_x. Pro jejich podíl platí k = vJv_Q. Touto konstantou vynásobíme tloušťku v mikrovrstvy 8 naměřenou denzitometrem podle vynálezu, a tím určíme tloušťku suché mikrovrstvy v«, na substrátu.

Průmyslová využitelnost vynálezu

Denzitometrický tloušťkoměr transparentních mikrovrstev na transparentním substrátu nalezne uplatnění zejména v polygrafickém průmyslu, kdy je zkoumána interakce barva-papír, při analýze vrstev polymerních, ochranných, barvových, lakových a všude tam, kde se vyžaduje znalost tloušťky transparentní mikrovrstvy na průsvitném substrátu.

Claims

1. Způsob měření tloušťky transparentních mikrovrstev na transparentním substrátu vyznačující se tím, že se měří světelná propustnost T mikrovrstvy materiálu naneseného na transparentní substrát a světelná propustnost T_e(v) etalonu obsahujícího tentýž materiál o známé tloušťce mikrovrstvy materiálu, z naměřených propustností se stanoví tloušťka zkoumané mikrovrstvy.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se měří světelná propustnost T barvové mikrovrstvy tiskem přenesené na transparentní substrát.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se světelná propustnost měří mikrofotometrem.

4. Způsob podle nároku 1 až 3, vyznačující se tím, že se světelná propustnost měří expozicí fotocitlivého materiálu.

5. Denzitometrický tloušťkoměr transparentních mikrovrstev materiálu na transparentním substrátu vyznačující se tím, že sestává z osvětlovací soustavy (20), křížového stolku (6), etalonu (7) a zařízení schopného měřit světelný tok (19), osvětlovací soustavu tvoří světelný zdroj (4), který je umístěn v ohnisku kondenzoru (5), zkoumaná mikrovrstva (8) materiálu nebo etalon (7) se zkoumaným materiálem jsou umístěny na stolku (6) s možností křížového mikroposuvu ve směru kolmém na optickou osu (21) denzitometrického tloušťkoměru, mezi osvětlovací soustavou (20) a zařízením schopným měřit světelný tok (19).

6. Denzitometrický tloušťkoměr podle nároku 5 vyznačující se tím, že zařízením schopným měřit světelný tok (19) je fotometr nebo fotocitlivý filmový materiál (16).

7. Denzitometrický tloušťkoměr podle nároku 5 a 6 vyznačující se tím, že fotometr sestává z objektivu (9), mikrometricky stavitelné štěrbiny (10) a fotosenzoru (11).

8. Denzitometrický tloušťkoměr podle nároku 5 až 7 vyznačující se tím, že etalonem (7) tloušťky mikrovrstvy 8 materiálu je optický lineární klín (13) s exaktní definicí tloušťky mikrovrstvy 8 materiálu.

9. Denzitometrický tloušťkoměr podle nároku 5 až 7 vyznačující se tím, že etalonem (7) tloušťky mikrovrstvy 8 materiálu je optický sférický klín (12).

9 ······· ····

10. Denzitometrický tloušťkoměr podle nároku 9 vyznačující se tím, že vnější plocha optického sférického klínu (12) je opatřena netransparentní vrstvou (14) tak, že vymezuje tři stejně široké transparentní štěrbiny (1, 2 a 3) s konstantní roztečí.