JP2747915B2 - 光電測定装置用の測定ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光電測定装置、特に分光反射率測定器用の
測定ヘッドに関するもので、測定面上の測定ヘッドから
既定の距離に位置する有効面を所定の大きい入射角で照
射する光学照射手段と、光源とを具備してなる。

本装置はさらに、光学測定手段をも具備するが、その
対物レンズは、測定面の垂線に対して小さい測定角範囲
で測定面が反射した測定光を捕え、光導波管によって光
電変換装置、特に分光計に接続されている。

（従来の技術） 測定表面を照射する光学投射手段と光学投射または照
射手段の光軸に対して既定の角度で測定表面から反射し
た光を受け取る環状ミラーからなる光学コレクタ手段と
を具備し、光学反射率の特性を測定する測定ヘッドは、
西独特許第2600604号で周知である。

（発明が解決しようとする課題） 単に濃度測定法だけでなく、スペクトル測定による比
色法も使ってオフセット印刷機のインキング制御を改善
するために、印刷シートに設けた色測定フィールドを評
価することも、本技術の現状である。

この方法ではスペクトル反射を色合わせに利用し、そ
れから色座標を計算している。この色座標は、これに対
応する組の色座標と比較され、その結果、インキング制
御の調整用の色偏差信号を生成する。

測定エラーとインキング工程の制御エラーを予防する
ためには、波長範囲全体にわたって高い正確度で同時印
刷された色測定フィールド用の色位置を測定する必要が
ある。

濃度計の場合には、照射手段と測定表面との距離変動
によって2.5％のオーダの照射変動が生じ、これはなお
許容できるものかもしれないが、分光分析におけるこの
ような測定エラーは、測定時には好ましからざるエラー
となる。

欧州特許出願第209860号によれば、光源を集光鏡の焦
点に配置し、有効面が測定面上で照射された表面内にあ
るコア領域より確実に小さくなるようにして、この問題
を解決しようとする試みが行われている。

しかし、この方法では、比較的大量の光を浪費し、こ
の周知の装置の正確度もまだ改善の余地がある。

本発明の目的は、上記のタイプの測定ヘッドを提供す
ることであり、それにより、大きな角度で有効面を照射
し、距離の変動とは無関係にあらゆる色について小さい
角度で反射した光を測定できる。

このような変動は、例えば、印刷シートをその支持部
に水平に置かなかったことによるもので、実際には完全
に解決することはできないものである。

（課題を解決するための手段） 上記の目的は、本発明によれば、測定面に平行に配置
した２枚の環状のマンジャンミラーからなる装置の光軸
上に光源を配置することによって達成される。

この２枚のマンジャンミラーは、その凹面側で互いに
向き合い、マンジャンミラーから離して置いた光源の像
を同軸のアプラナートレンズを通して測定面に再現す
る。このアプラナートレンズは、マンジャンミラーの色
エラーを修正するものである。

さらに、対物レンズシステムの入光レンズがマンジャ
ンミラーの光軸上にあり、光導波管に連結した測定ダイ
ヤフラムが入光レンズの焦点に設けられている。

光学照射手段は、光を光源から発生させて、すべての
側でほぼ45゜±５゜の入射角で有効面を照射できるよう
にするので、測定表面から光学測定手段に反射した測定
光はほぼ０゜±５゜の測定角で受光される。

光学照射手段のマンジャンミラーは同軸のアプラナー
トレンズとともに、測定面上に正確に光源を再現できる
ようにする。

２枚のマンジャンミラーの構成と配置は対称になって
おり、しかもアプラナートレンズと協働しているので、
球面収差とコマ収差は正弦条件を満足すれば解決され
る。マンジャンミラー装置の色エラーは、このアプラナ
ートレンズによって補正される。

（作用及び効果） この方法では、あらゆる色について、等寸法の光源の
像が測定面に作られるので、様々な分光色の光源の像が
測定面だけでなく、その上下にもあるような場合に生じ
る測定エラーが避けられる。

本発明の装置と配置を利用すると、光学測定またはコ
レクタ手段は、上記のように測定表面に避けがたい距離
変動がある場合でも、同じ空間角度で反射した測定光を
必ず検出する。

このような距離変動による強度変動は、これによって
大幅に防止される。

本発明の別の目的や利点は、添付図面に関連して記載
した好ましい実施例の詳細な説明から明らかになるであ
ろう。

（実施例） 第１図に示す測定ヘッドは、測定面１上の個々の有効
面２を連続して光学的に走査する機能を果たすが、この
有効面２は、色測定フィールドとして印刷シートととも
に同時印刷されており、その色は印刷機の制御や比色監
視のために高い正確度で検出される。

同図の測定ヘッドは、有効面２上の概略で示した光源
３をいくらか小さめに再現し、分光計に接続された光導
波管４に反射光の一部を送り込むので、それにより、分
光分析が行われる。

測定ヘッドは、外径が約80mmである環状のホルダ５か
らなる。このホルダ５は、複数のローラ６を備え、これ
が測定面１までの距離を一定に保っている。スプリング
（図示しない）が測定ヘッドに固定され、測定面１上に
ある印刷シートを押えつけている。

同時印刷された色測定フィールドの測定は、測定ヘッ
ドに対する距離変動（印刷シートが平らに支持されてい
ないことによる）が例えば±0.2mmである場合でも、波
長範囲全体にわたって測定値のゆがみが１ミル当たり１
未満になるように、十分正確に行わなければならない。
これはよく訓練された目の色解像力の限界に相当する0.
1Eという正確度で色位置の測定を行うことが望ましいた
めに当然生じる必要条件である。

光源３の再現は、以下に詳しく説明する方法で行われ
るが、白色光源３の結像がどの分光色についても同じ面
内で起こり、様々な分光色について互いに平行に配置し
た複数の面に分かれないようにするため、極端な色消し
状で発生する。

ホルダ５は光源３と同じハウジング内にあるが、結像
エラーを防止するため、反射鏡は一切設けていない。

光源３は色温度3000゜のフラットコイルハロゲンラン
プで構成される。このフラットコイルは、長さ2.6mm、
幅1.3mmの長方形の表面をカバーする。フラットコイル
ハロゲンランプの電力消費量は好ましい実施例では30ワ
ットである。フラットコイルの面は、第１図に概略で示
したように、測定面１に平行に伸びている。

測定ヘッドの環状ホルダ５は、環状の頭部９が円形の
開口部８を取り囲んでいるロート形の底部７と、このロ
ート形の底部７の最も径の大きい部分にある環状の肩部
10とで構成される。

環状の肩部10は、環状の第１のマンジャンミラー11を
支持する機能を果たし、その反射面12は、第１のマンジ
ャンミラー11の凸面側にある。

同図に示すように、環状の第１のマンジャンミラー11
は、円形の中央開口部13を有し、その中に環状のホルダ
５の環状の頭部９が下から突き出している。

第１のマンジャンミラー11は、その凹面側が上を向い
ており、第２のマンジャンミラー14と結合している。こ
の第２のマンジャンミラー14の凹面側は下を向き、その
反射面15は上を向いている凸面側に設けられている。

第２のマンジャンミラー14は、第１のマンジャンミラ
ー11のように、円形の中央開口部16を具備する。これら
の円形の中央開口部13と16は、内径が39mm、外径が69mm
である。

環状のホルダ５の上部エッジ付近には雌ねじが設けら
れ、その中に締め付けリング17がねじ込まれて第１及び
第２のマンジャンミラー11、14をホルダ５内に固定して
いる。

光源３から発生した光線の周縁光線18と19が、第２の
マンジャンミラー14上で、第１及び第２のマンジャンミ
ラー11、14の光軸20上に配置されたダイヤフラム38によ
って限定されて、（回転対称な）光線経路として図に示
されている。

回転対称であることを考慮すると、図の左側に示した
周縁光線18と19は、図の右側にある周縁光線（簡略化の
ため、図示しない）に対応している。

周縁光線18、19で示した光源３の光線は、第２のマン
ジャンミラー14の中央開口部16を通り、同じ構造になっ
ている第１及び第２のマンジャンミラー11、14の間の中
空空間21に入り、第１のマンジャンミラー11のガラス本
体22への入口で屈折する。鏡面12で反射した後、この光
線は、屈折し反射した中央ビーム（図示しない）が測定
ヘッドの光軸20と平行な周縁光線18、19の間を通過する
ように、もう一度屈折した後、ガラス本体22から出てい
く。これは、２枚の第１及び第２のマンジャンミラー1
1、14の間の対称面から光源３までの距離を調整すれば
達成できる。

図に示したように、鏡面12、15の曲率半径（約71mm）
は内側の凹面の曲率半径（約49mm）より大きい。

鏡面15で反射した後、第２のマンジャンミラー14のガ
ラス本体23から出ていった光線、特に周縁光線18、19
は、アプラナートレンズシステム25の第１のレンズ本体
24に入る。このアプラナートレンズシステム25の第１の
レンズ本体24は、キャップ状の形状で、平面部26が設け
られた凸面状の球面は光源３の方向を向いている。

アプラナートレンズシステム25の第１のレンズ本体24
は、第２のレンズ本体27と結合し、その第２のレンズ本
体27の外部形状は、図に示すように、凹面状の出光球面
28を有する円錐台になっている。

アプラナートレンズシステム25は、従来通り、２枚の
異なるガラスでできており、本発明の実施例では第１の
レンズ本体24の外半径が約17mm、第２のレンズ本体27の
内半径が約12mmになっている。このアプラナートレンズ
システムは、それ自体も不遊であるマンジャンミラー装
置に合うように、マンジャンミラーの色エラーを補正
し、アセンブリ全体が関連の波長範囲全体で色消しにな
るように、寸法が決められて、調整されている。

第１及び第２のレンズ本体24、27で構成されるアプラ
ナートレンズシステム25は、ねじ付きリング29を使って
下から環状の頭部９にしっかり締め付け固定されてい
る。

そして、このねじ付きリング29を緩めることにより、
アプラナートレンズ25の位置を微調整して、マンジャン
ミラー11、14の色エラーを適切に補正できるようになっ
ている。

アプラナートレンズシステム25を通過した後、周縁光
線18、19で限定される環状光線からなる光線は、入射角
45゜±５゜で測定面１に突き当たる。同図には、環状光
線を横切る左断面しか示していないが、これに対応する
光線も存在し、あらゆる側から入射して測定面１の有効
面２に突き当たっている。やや小さめに示した光源３と
同様、有効面２は長方形で、有効面２が色彩的に修正し
た光点または測定点を形成している。

図に示すように、ホルダ５の開口部８には、その中心
にロート形の光分散ダイヤフラム31を構成するカバー30
が設けられている。光分散ダイヤフラム31の開口部32
は、内径が例えば5.4mmで、その端となっている下部エ
ッジは測定面１より約0.5mm高い位置にある。

さらに図に示すように、参照光導波管または導管34用
としてカバー30内に案内通路33が設けられ、基準面35に
入射する光を捕えて基準強度を形成させることができ
る。光源３のパワーが変動する場合には、これによっ
て、変動している照度による測定値の修正が可能にな
る。

参照光導波管34は、外部から周縁光線18、19の領域内
に放射状に突き出しており、その前端で斜めになってい
るので、上から入射した光線が参照光導波管34の長手方
向に分光される。

２枚の対称的な第１及び第２のマンジャンミラー11、
14とアプラナートレンズシステム25を備えた上記の装置
は、色彩的に修正した光源３の像を測定面１上に作り出
すことができるので、印刷シートが平らに支持されてい
ないために発生した距離変動の場合、光源３の像が何色
かの分光色を重ね合わせたいくつかの像で構成される場
合のように、測定表面から散乱した光の色彩変位が全く
起こらない。

色彩的に修正した上記の照射手段は、以下に説明する
光学測定手段に結合されている。このような光学測定手
段は、測定ヘッドと測定面との距離変動に反応しない。
この光学測定手段は、ガラスロッド41の球面として形成
した入光レンズ40を具備する。

このガラスロッド41は、非半透明のスリーブ42内にあ
り、アプラナート色消しレンズシステム25を通る測定ヘ
ッドの光軸に沿って伸びている。ガラスロッド41の長さ
は約15mmである。約入光レンズは半径が約7mmで、測定
面１より約5mm高い位置にある。

ガラスロッド41は、その端部43で、偏向室53内にある
偏向プリズム44に接続され、測定点で反射した光線はそ
の偏向プリズム44を通って、２枚の第１及び第２のマン
ジャンミラー11、14の間の対称面内へとそらされる。

図に示すように、偏向プリズム44の右側は特殊な平面
に形作られ、測定ダイヤフラム45がそれに接触してい
る。この測定ダイヤフラム45は、入光レンズ40の焦点に
あるので、入光レンズ40は測定ダイヤフラム45の距離を
無限大に変換する。それによりシステムは、上記のよう
な避けがたい距離変動に反応しなくなる。測定ダイヤフ
ラム45は内径が例えば2.2mmである。

図に示すように、いくつかの光学構成部品を収納して
いる光保護管54は、アプラナートレンズシステム25の後
端に位置する偏向室53内に開口している。光保護管54
は、２枚の第１及び第２のマンジャンミラー11、14の間
の対称面に沿ってその端まで半径方向に伸びている。

有効面２の外部からの分散光を受光して測定しないよ
うにするため、有効面２は、レンズ46（並びに表面40と
45）を使って、径が約4.5mmのアパーチュアがある光分
散ダイヤフラム47上で結像する。この光分散ダイヤフラ
ムはレンズ46から約11mmの位置にある。

測定フィールドがファイングリッド構造であることを
考慮すると、複数のファイバを有する光ファイバ光導波
管は、モアレ効果を生じる可能性がある。

これを防止するため、２枚の追加のレンズ48、49でレ
ンズアセンブリを形成した装置が設けられている。

レンズ48は、レンズ46のように平凸である。レンズ49
は、転移ガラスロッド50の左側として図に示した球面で
形成される。この転移ガラスロッド50は、一方で経路を
延長し、もう一方では光導波管４の径を調節する役割を
果たす。転移ガラスロッド50の径は、光導波管４の前面
の方向に向かって２段階で縮小される。

レンズ48、49は測定ダイヤフラム45からの像を、転移
ガラスロッド50の右にあるものとして前面51上に再現す
る。前面51には、光導波管４にそらされた光を平行にす
るレンズ52が設けられている。

この光導波管４の開度は、例えば±11゜であってもよ
いが、光導波管４をどのように曲げても光の強度を変化
させないことをより確実にするため、光導波管４は９゜
程度しか開けずに使用する。転移ガラスロッド50の長さ
は約18mmである。

本発明の精神や不可欠な特徴から逸脱せずに本発明を
他の特定の形態で実施できることは、本技術に普通に熟
練した者にはわかるであろう。

従って、ここに開示した実施例は、あらゆる点で実例
となるべきもので、制限的なものではなく、むしろ添付
の請求範囲によって示されているので、これに相当する
ものの意味や範囲内で得られるすべての変更態様はそれ
に含まれるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の好ましい実施例による測定ヘッドの
断面図である。 １……測定面、28……出光球面 ２……有効面、29……ねじ付きリング ３……光源、30……カバー ４……光導波管、31……光分散ダイヤフラム ５……ホルダ、32……開口部 ６……ローラ、33……案内通路 ７……底部、34……参照光導波管 ８……開口部、35……基準面 19……頭部、38……ダイヤフラム 10……肩部、40……入光レンズ 11……第１のマンジャンミラー、41……ガラスロッド 14……第２のマンジャンミラー、42……スリーブ 12、15……反射面、43……後端 13、16……中央開口部、44……偏向プリズム 17……締め付けリング、45……測定ダイヤフラム 28、19……周縁光線、46、48、49、52……レンズ 20……光軸、47……光分散ダイヤフラム 21……中空空間、50……転移ガラスロッド 22、23……ガラス本体、51……前面 24、27……レンズ本体、53……偏向室 25……アプラナートレンズシステム、54……光保護管 26……平面部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−102505（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−548（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−203347（ＪＰ，Ｕ) 昭和62年オプトロニクス社発行「オプ トロニクス活用のための光学的部品の使 い方と留意点」第95頁図２．38

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、 測定ヘッドから所定の距離にある測定面上の有効面を既
   定の大きな入射角で照射する光学照射手段であって、測
   定面に平行に配置され、かつ光軸を共有する２枚の環状
   のマンジャンミラーの装置を含み、前記光源が前記光軸
   上に位置し、また、前記２枚のマンジャンミラーのそれ
   ぞれの凹面側が互いに向き合うように配置された光学照
   射手段と、 前記光源からの光線をマンジャンミラー上に入射する周
   縁光線に限定する、前記光源と前記マンジャンミラーと
   の間に配置されたダイヤフラムと、 有効面上でマンジャンミラーの色エラーを補正するよう
   にマンジャンミラーから離して配置された、前記光源を
   再現する同軸のアプラナートシステムと、 有効面の垂線の回りの小さな測定角範囲内で有効面から
   反射した測定光を捕らえるレンズシステムを有し、そし
   て前記レンズシステムを光電変換装置に接続する光導波
   管手段を有する光学測定手段であって、さらにレンズシ
   ステムに含まれかつマンジャンミラーの光軸上に位置す
   る入光レンズを具備する光学測定手段と、前記入光レン
   ズの焦点に位置しかつ光導波管に接続された測定ダイヤ
   フラムと、で構成されることを特徴とする光電測定装置
   用の測定ヘッド。
2. 【請求項２】前記光電測定装置が分光反射率測定機であ
   り、前記光電変換装置が分光計であることを特徴とする
   請求項１記載の測定ヘッド。
3. 【請求項３】アプラナートシステムは２枚のマンジャン
   ミラーの間の中空空間内に伸び、さらに、アプラナート
   システムは光軸に沿って開口する通路を具備し、その中
   にアプラナートシステムに対して光学的に遮断されたガ
   ラスロッドが突き出しており、また、前記ガラスロッド
   は、その前端に有効面に対面する前記入光レンズを具備
   し、その後端に前記測定ダイヤフラムを具備することを
   特徴とする請求項１記載の測定ヘッド。
4. 【請求項４】前記入光レンズは、入光球面を具備するこ
   とを特徴とする請求項３記載の測定ヘッド。
5. 【請求項５】測定ダイヤフラムは、偏向プリズムによっ
   てガラスロッドの後端に接続されていることを特徴とす
   る請求項３記載の測定ヘッド。
6. 【請求項６】測定ダイヤフラムは、光分散ダイヤフラム
   上に有効面を結像するレンズ装置に結合していることを
   特徴とする請求項３記載の測定ヘッド。
7. 【請求項７】レンズアセンブリは光分散ダイヤフラムの
   背後に備えられ、該レンズアセンブリは光導波管に向か
   う測定ヘッドの出光側の前面上にて測定ダイヤフラムを
   結像することを特徴とする請求項６記載の測定ヘッド。
8. 【請求項８】レンズアセンブリは、光分散ダイヤフラム
   に対面する転移ガラスロッドの前端に位置し、その前面
   は、転移ガラスロッドの後端での結合面として設けられ
   ていることを特徴とする請求項７記載の測定ヘッド。
9. 【請求項９】光導波管の前面は、転移ガラスロッドの前
   面に接続されていることを特徴とする請求項８記載の測
   定ヘッド。
10. 【請求項１０】測定ダイヤフラムと、光分散ダイヤフラ
    ムと、これらの関連のレンズを有する転移ガラスロッド
    とは、２枚のマンジャンミラーの間の対称面に沿ってマ
    ンジャンミラーの端部まで半径方向に伸びている光保護
    管の中にあることを特徴とする請求項８記載の測定ヘッ
    ド。
11. 【請求項１１】光保護管は、マンジャンミラーの光軸付
    近において、アプラナートシステムの平坦な後端によっ
    て支持されそしてガラスロッドが偏向プリズムとともに
    突き出している偏向室の中に向かって開口することを特
    徴とする請求項10記載の測定ヘッド。
12. 【請求項１２】前端を斜めに形成した参照光導波管を、
    その前端がアプラナートシステムから出ていく光線内に
    突き出すように配置することを特徴とする請求項１記載
    の測定ヘッド。