KR890001688B1 - Color-measuring spectrophotometer system for source - Google Patents
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Abstract
내용 없음.No content.
Description
제1도는 본 발명의 전체시스템 배치도.1 is an overall system layout of the present invention.
본 발명은 염색업체등 색측정 및 관리가 필요한 산업체에 사용되는 시료의 분광 확산 반사율과 색좌료를 측정하는 분광광도계의 개발에 관한 것이다.The present invention relates to the development of a spectrophotometer for measuring the spectroscopic diffuse reflectance and color coordinates of a sample used in industries that require color measurement and management, such as dyeing companies.
이러한 목적으로 사용되고 있는 기존 분광광도계로서 그 구조를 대별하면, 광원으로서 크세느 전구나 텅스텐 헬로겐전구를 사용하고 광검출기로서 광중배관(PHOTO MULTIPLIER TUBE : PMT)이나 실리콘 광다이오드를 사용하여, 분광부로서 회절격자나 간섭필터를 사용하고 조명 조건으로서 다색광 조명이나 단색광조명을 사용하며, 광원의 기하학적인 형태로서 이중광선이나 단광선으로서 전체시스템을 구성하는 것이다.The conventional spectrophotometer used for this purpose can be classified into a structure such as a xenon bulb or a tungsten halogen bulb as a light source and a photomultiplier tube (PHT) or a silicon photodiode as a photodetector. Diffraction gratings or interference filters are used as the illumination conditions, and multi-color light or monochromatic light is used as the illumination conditions. The geometrical shape of the light source constitutes the entire system as double light or single light.
본 발명에서는 텅스텐 할로겐 전구, 실리콘 광다이오드, 간섭필터, 단색광조명, 단광선의 조건을 갖춘 시스템으로서 제작단가를 저렴하게 함과 동시 이러한 조건의 단점인 측정정확도의 보정을 위하여 간섭 필터 후면에 푸른색의 광학 흡수 필터를 설치하여 간섭필터의 표유광선(SPRAY LIGHT)를 감소시키고 실리콘 광다이오드앞에 푸른색의 광학 흡수필터를 설치하여 형광을 띤 시료의 측정오차를 감소시키며 백색 표준판과 회색표준판을 사용하여 단광선 광학계에서 제기되는 반사도 측정오차를 컴퓨터에서 계산상으로 보정되게한 정밀성을 부여한 것이다.In the present invention, the system is equipped with the conditions of tungsten halogen bulb, silicon photodiode, interference filter, monochromatic light, monochromatic light, and at the same time, it is possible to reduce manufacturing cost and at the same time, to correct the measurement accuracy which is a disadvantage of these conditions, Reduce the stray light of the interference filter by installing the optical absorption filter, and reduce the measurement error of the fluorescent sample by installing the blue optical absorption filter in front of the silicon photodiode. This reflects the precision that allows the computer to correct the reflectance measurement errors raised by the short beam optical system.
이하 발명 요지를 첨부 도면 및 실시예에 의하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings and examples.
먼저 그 전체 시스템으로서 직류 전원(1)에 의한 텅스텐할로겐전구(2)의 광원이 집속렌즈(3)→스테핑모우터(4)에 설치된 16개의 간섭필터(5)→아크로메트렌즈(6)→푸른색의 광학흡수필터(7)→ 광분할기(8)에서 적분구(9)를 통해 시료(10)에 닫게하고 그 반사광은 푸른색의 광학흡수 필터(11)를 경유 실리콘 광다이오드(12)를 통해 A/D변환기(13)에 연결함과 동시 광분할기(8)에서도 실리콘 광다이오드(14)를 통해 A/D변환기(13)에 연결하며, A/D변환기(13)은 스테핑모우터 제어기(15)가 연결된 마이크로 컴퓨터(16)에 연결시킨 시료의 색측정 분광광도계시스템인 것이다.First, as a whole system, the light source of the tungsten halogen bulb 2 by the DC power supply 1 is provided with 16
이와같이 된 본 발명의 작용효과를 설명키 위하여 분광 광도계의 원리를 개략설치하면,분광 광도게는 광원부, 분광부, 측정부 및 이들을 제어하고 측정된 데이터의 처리에 사용되는 마이크로 컴퓨터로 구분됨으로 분광시스템은 광원과 분광부 그리고 측정부의 특성이 모두 고려되어야 하는 것인데, 먼저 광원부를 텅스텐 할로겐 전구(2)와 직류 전원(1)으로 구성시킨 이유는, 사실 광원의 전원을 직류로 하면 출력은 안정화되나 직류전원을 별도로 제작하여야 되므로 전체장치의 제작단가가 높게된다.When the principle of the spectrophotometer is outlined to explain the effect of the present invention, the spectrophotometer is divided into a light source unit, a spectrometer, a measurement unit, and a microcomputer used to control them and process the measured data. The characteristics of the light source, the spectrometer, and the measurement unit should all be considered. First, the light source unit is composed of a tungsten halogen bulb (2) and a direct current power source (1). Since the power must be manufactured separately, the manufacturing cost of the whole device becomes high.
그러나 만약 교류 전원을 사용하는 경우 시간상수가 큰 전자필터(CLECTRONIC FILTER)를 구성해야 하므로 측정시간이 길어져야 한다. 그러므로 측정시간이 길어도 크게 영향을 미치지 않는 측정장비는 교류 전원을 사용해도좋으나 분광광도계와 같이 1개의 시료당 16점 이상으로 측정해야 하는 경우는 본 발명과 같이 직류전원을 사용해야 하는 것이다.However, if AC power is used, the measurement time should be long because an electronic filter (CLECTRONIC FILTER) with a large time constant must be configured. Therefore, the measuring equipment that does not significantly affect the measurement time is long, but may use an AC power source, but when measuring more than 16 points per sample, such as a spectrophotometer, the DC power source should be used as in the present invention.
분광부는 광원에서 나오는 빛을 집속하는 집속렌즈(3)와 16개의 간섭필터(5)및 광학흡수필터(7)로 구성되어 있다.The spectroscopic section is composed of a focusing
이것은 회절격자를 사용하는 방식에 비해 가격이 저렴하고 기계구동장치가 단순화된 것이며, 이 간섭필터(5)는 400mm-700mm 광파장 영역에서 20nm의 간격으로 투과도 최대치값을 가진 것으로서 각 필터는 10nm의 FWHW(FULL WIDTH AT HALF MAXIMUM)의 띠폭(BAND WIDTH)를 가지고 있으며, 그 이외의 파장에서는 10-5의 투과도를 가지고 있다.This is inexpensive compared to the method using a diffraction grating and the machine driving device is simplified. The
분광광도계에서는 40nm-700nm파장 영역만 측정하므로 그외에 파장 영역의 빛은 투과 특성을가진 열흡수유리를 사용하여 제거시킨다.In the spectrophotometer, only the 40nm-700nm wavelength region is measured. In addition, light in the wavelength region is removed by using heat-absorbing glass having transmission characteristics.
16개의 간섭필터(5)는 직경24cm인 원판(5a)위에 직경 20cm의 원주상에 배치되어 있으며 스테핑모우터(4)를 사용하여 원판(5a)를 회전시켜 400-700nm의 파장 영역에서 20nm간격으로 단색광을 얻도록 한다.The sixteen
다음 분광부의 광학계를 설명하면 광원인 텅스텐 할로겐 전구(2)에서 나온 빛은 접속렌즈(3)에 의해 집속되어 간섭필터(5)에 투과한다. 간섭필터(5)를 투과한 빛은 광학흡수필터(7)에 의해 800nm보다 긴 파장의 적외선은 흡수되며 아크로메트렌즈(6)에 의해 적분구(9)의 시료(10)면에 간섭필터(5)의 앞에 위치한 렌즈의상을 맺는다.Next, the optical system of the spectroscopic section will be described. The light from the tungsten halogen bulb 2 serving as the light source is focused by the
적분구(9)앞에 위치한 광분할기(8)에 의해 반사된 빛은 실리콘 광다이오드(14)에 입사되어 출력변화에의해 일어나는 측정값의 변화를 보상하는 것이다. 본 장치에서는 광센서인 실리콘광다이오드(12)(14)가 광신호를 전기적 신호로 바꾸어주는 O/E변환기역할을 하는데 실리콘 광다이오드의 P.N접합부에서 흡수된 빛은 전자와 홀을 생성시키며 생성된 전자와 홀이 전극으로 이동되면서 전류신호를 내게되어 이때의 전류신호는 입사된 광신호에 비례하는 아날로그 신호이며 이 아날로그 전기 신호를 A/D변환기(13)에서 디지탈 전기신호로 바꾸어 주게 되는 것이다.The light reflected by the optical splitter 8 located in front of the integrating sphere 9 is incident on the
다음 측정부의 조명 및 관측 조건으로서 표면의 색을 측정하기 위하여 시료면을 수직방향으로 조명하고 정반사광을 제외한 모든방향에서 반사하는 빛을 적분구로 수광시켜 이때 조명광선의 중심축은 시료면의 수직에 대하여 10도이내로 하고 조명광선속에는 중심축에 대하여 5도 이상이 되는 광선이 포함되지 않게 하고 또한 적분구는 크기에 관계없이 전 개구의 면적이 적분구 내면의 10%를 넘지 않게 한다.Next, illuminate the specimen surface in the vertical direction to measure the color of the surface as illumination and observation conditions of the measurement unit, and receive the light reflected from all directions except the specular reflection light through the integrating sphere. The luminous flux should not be more than 10 degrees and the light beam should not contain more than 5 degrees of the central axis, and the integral sphere shall not exceed 10% of the inner surface of the integral sphere, regardless of size.
본 발명은 이와같은 수직/확산 방법으로서 빛이 시료에 수직으로 입사하도록 장치하여 정반사된 빛은 적분구의 개구를 통하여 적분구 바깥으로 통과되게 구성시킨 것이다. 가시광선 영역에서 널리 사용되는 광감지기는 실리콘 광다이오드와 P.M튜브이다.In the vertical / diffusion method of the present invention, the light is vertically incident on the sample so that the specularly reflected light passes out of the integrating sphere through the opening of the integrating sphere. Widely used photodetectors in the visible range are silicon photodiodes and P.M tubes.
본 발명의 광감지기는 실리콘 광다이오드인데 이것은 P.M튜브에 비하여 분광과 감응도가 낮으나 가격이 저렴하고 안정도가 높은 장점이 있다. 특히, 광속분할기를 이용하여 광출력의 변화를 보상해주는 광학계에서는 안정도가 좋은 2개의 광검출기가 필요하므로 P.M튜브에 비하여 값이 저렴한 실리콘 광다이오드를 사용한 것이다. 그러나 실리콘 광다이오드는 분광감응도가 낮으므로 2개의 실리콘광다이오드(12)(14)에 10-8watt/cm2이상의 단색광이 입사되도록 광학계를 구성해야 함으로 제1도와 같은 광학계를 구성하고 24V, 150W전구를 20V직류 전원에 연결함으로서 400-700nm파장영역에서 10-8watt/cm2이상의 단색광을 실리콘 광다이오드에 입사시킨 것이다.The photodetector of the present invention is a silicon photodiode, which is low in spectroscopy and sensitivity compared to PM tubes, but has the advantages of low cost and high stability. In particular, in the optical system that compensates for the change in the light output by using a beam splitter, two photodetectors having good stability are required, so that silicon photodiodes are cheaper than PM tubes. However, since the silicon photodiode has low spectral sensitivity, the optical system must be configured to inject monochromatic light of 10 -8 watt / cm 2 or more into the two
단색화장치에서 나온 빛이 실리콘 광다이오드에 입사되어 광전류가 흐르게 되며 이 광전류는 전류 전압 변환기(CURRENT TO VOLTAGE CONVERTER)에서 전압으로 바뀐 다음,디지트(DIGIT)의 디지탈신호(DIGITAL SIGNAL)로 변환되어 컴퓨터에 입력됨으로 단색화 장치의 파장은 컴퓨터에 의해 제어시킨 것이다. 이와같이 된 본 발명은 그 구조가 간단하고 가격이 저렴하며 확산반사율 측정오차는 2%이하로서 산업현장에서 훌륭하게 활용될 수 있는 수준인 것이다.The light from the monochromator is incident on the silicon photodiode, causing the photocurrent to flow, which is then converted to voltage in a current to voltage converter (CURRENT TO VOLTAGE CONVERTER). The wavelength of the monochromator is controlled by a computer because it is converted into a digital signal of a digital signal and input to a computer. The present invention thus obtained has a simple structure, low cost, and a diffuse reflectance measurement error of 2% or less, which is a level that can be effectively utilized in industrial fields.
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