TW444133B - Image-splitting spectrometric colorimeter - Google Patents

Description

A7 B7 444133 5017twf.doc/006 五、發明說明（（） 本發明是有關於一種色彩計，且特別是有關於一種 在光學入瞳處分光的色彩計。 爲了要檢測色彩的品質，色彩計已被廣泛的應用在 各行各業中，作爲色彩品質檢測及管理的設備。請參照第 1圖，其所繪示爲習知最傳統的色彩計。待測物10經由光 源的照射產生反射光束，或者是待測物10本身爲可發光 的物體，例如LED或者電視螢幕，此入射光束經過聚光鏡 20的聚集以及入瞳30的限制，入射光束最後成像在光感 測器面40上。而待測物10與光感測器面40爲一共軛像 點關係，亦即，待測物10面爲光學系統的物平面，光感 測器面40爲光學系統的像平面。 而在光感測器面40後，設置了許多個光感測器50， 根據第1圖所繪示，在光感測器面40上放置了分色濾光 元件80 (―般都是濾光片）用來過濾紅（R)、綠（G) 與藍（B)三種光線，經過分色濾光元件80之後各別的光 感測器50接收以及偵測各別顏色之光強度，這些光感測 器50依據所接收的光強度不同，產生不同大小的電訊號， 最後經由放大器（Amp) 60傳遞至電子系統70，而電子系 統70可依照這些不同光強度的電訊號來演算出待測物1〇 之色彩値。 在第1圖中電子系統70是以R、G與B三色光訊號 強度來演算出色彩値。而目前也已經有不同的各種分色濾 光方式，例如，7i7與5的人眼視覺分色濾光方式； 紅（R)、黃（Y)、綠（G)、青（C)與藍（B)的分色 3 本紙張尺度適用中囷國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） ----ΓΙΤ.Τ-----J^i — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂. --線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 444 f. doc/0 06 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（2) 濾光方式；可見光範圍的多波長分色濾光方式。這些方式 可根據不同偵測目的之光感測器即可達上述功能。 如第2圖所示，假設待測物A分爲al、a2與a3三部 份，此待測物A會被系統成像到光感測器面40,亦即B 上，而光感測器面B亦分爲三部份bl、b2與b3用來配置 偵測R、G與B三種顏色之光感測器。如果待測物A內的 色彩分佈是平均的，則在光感測器面B內的色彩分佈也是 接近平均的。則在光感測器面B上對於各色的光感測器之 配置位置不會有不良的影響。但是當待測物A區域內的色 彩al、a2與a3分佈不均勻，則光感測器面B區域內的色 彩bl、b2與b3分佈也會不均勻，此時光感測器之配置位 置會有不良的影響。 舉例說明，人眼對色彩的感覺是綜合平均性的，所 以看到待測物A之顏色爲A區域內的色彩平均値，即al、 a2與a3之平均値aave，在光感測器面B區域內，bl接收 到al的光，b2接收到a2的光，b3接收到a3的光，理想 上，各光感測器均接收到bl,b2,b3的平均値bave ’當光感 測器之配置位置不對，則經過電子系統所演算出的色彩値 將不會爲bl、b2與b3的平均値bave。如此一來各色光感 測器所偵測到的色彩値將是一個錯誤値。 請參照第3圖，其所繪示爲待測物A的色彩分佈不 均勻的情況。假設此時訊號R=G=B亦即al=a2=a3 ’而眼 睛所看到的顏色即爲aave，也就是白色。 請參照第4與5圖，其所繪示爲光感測器在光感測器 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------Γ-τ-------------訂---------線J (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 L ^4413 3 5〇17twf . doc/006 五、發明說明（$) 面上配置配置不良的結果。第4與5圖中紅色虛線所繪示 之區域即爲光感測器面上紅色濾光元件以及紅光感測器所 在的位置，綠色虛線所繪示之區域即爲光感測器面上綠色 濾光元件以及綠光感測器所在的位置，藍色虛線所繪示之 區域即爲光感測器面上藍色濾光元件以及藍光感測器所在 的位置。 請參照第4圖，光感測器面上只有藍色的光能夠通過 藍色濾光元件並被藍光感測器所接收。而綠光並不能通過 紅色濾光元件，所以紅光感測器不能夠接收任何訊號。而 紅光亦不能通過^色濾光元件，所以綠光感測器也不能夠 接收任何訊號。而三個偵測器的電訊號最後送至電子系統 經過分析之後待測物之色彩爲藍色，並不是原來的白色。 請參照第5圖，將光感測器旋轉一角度。光感測器面 上之少許藍色的光能夠通過藍色濾光元件並被藍光感測器 所接收。更些微的紅光能通過紅色濾光元件並被紅光感測 器接收。而藍光與紅光不能通過綠色濾光元件，所以綠光 感測器不能夠接收任何訊號。而三個偵測器的電訊號最後 送至電子系統經過分析之後待測物之色彩爲偏向紫色，並 不是原來的白色。 因此，當待測物的色彩分佈不均於時，光感測器的 配置對於電子系統的分析將會有很大的影響。而上述的色 彩檢測問題常發生在檢測結織品、建材、磁磚等表面有凹 凸物之物品以及印刷、印表機、顯示器等數位配色之物品。 爲了改善上述的問題，習知的解決方式如下： 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公« ) ---- ；---Γ-τ-------------訂---------線·^ · (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 f 444133 50l7twf . doc/006 五、發明說明（4) (a) 以擴散片（diffuser)解決： 請參照第6圖，其是在入瞳30與光感測器面40之間 加入擴散片90，使光擴散用以降低待測物a上的分佈不 平均之效應。此方式簡單’但是會使光大量散開，使光利 用率降低。 (b) 以導光光纖解決：. 請參照第7圖，其是在光感測器面40上設置導光光 纖100，將聚焦在感測器面40上的光耦合至導光光纖100 中並且傳導至各別的分色濾光元件80最後由各別的感測 器50接收，這種方式可經由導光光纖100來降低待測物A 分佈不均勻的問題，此方式的均勻性可以大大提高，但光 利用率仍不理想，而且成本高。 (c) 以積分球解決： 請參照第8圖，其是在光感測器面40裝置積分球110， 將聚焦在感測器面40上的光導入積分球110中，再經由 分色濾光元件80到達光感測器50來接收，此係利用物光 散射方式來降低待測物A分佈不均勻的問題’而此方式的 均勻性最高，但光利用率仍不夠好，並而且成本高’體積 大。 因此本發明係提供一種分像分光式色彩計’利用分 像分光元件在光學入瞳處分光的一種色彩計’其可以達成 高均勻度且高光效率的功效。 本發明提出一種分像分光式色彩計’其簡述如下： 聚光元件，聚光元件係用以限制接收待測物之待測 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公《 ) ---------------------訂---------線"^· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4441 3 3 丨0l7twf.d〇c/006 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（纟） 物光束，並且聚集待測物光束。待測物光束在入瞳處的光 強度分佈是最均均的，每一點待測物光束都在入瞳處均勻 分佈。分像分光元件，分像分光濾光元件位於入瞳處並可 以將待測物光束區分爲多個分光光束。多個分色濾光元 件，分色濾光元件係接收相對應的分光光束，並產生相對 應的分色濾光光束。光感測器，光感測器包括多個色彩感 測元件，每個色彩感測元件係接收相對應之各別分色濾光 光束，並將所接收之分色瀘光光束之光強度轉換成電訊 號。 爲讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易 懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明 如下： 圖式之簡單說明： 第1圖其所繪示爲習知最傳統的色彩計； 第2圖其所繪示爲待測物A區域內的色彩ai、a2與 a3分佈以及在光感測器面B區域內的色彩bl、b2與b3接 收分佈圖； 第3圖請其所繪示爲待測物A的色彩分佈不均勻的 情況； 第4圖其所繪示爲光感測器在光感測器面上配置配 置不良的結果； 第5圖其所繪示爲光感測器在光感測器面上配置配置 不良的結果； 第6圖其所繪示爲習知在入瞳與光感測器面之間加入 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐> ~ ---I — — — — — - I---— II — — — — — — IJ^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4441 3 ^ 5017twf.doc/006 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（6) 擴散片； 第7圖其所繪示爲習知在光感測器面上設置導^光 ΛΜΙ> · 纖， 第8圖其所繪示爲習知在光感測器面上裝置積分$求； 第9圖其所繪示爲本發明分像分光式色彩計示意U]; 第10Α圖其所繪示爲爲本發明之第一實施例，以導 光管來作爲分像分光元件； 弟10Β圖其所繪不爲爲本發明之第一實施例中導光 管配置圖； 第11Α圖其所繪示爲爲本發明之第二實施例，以多 影像分光稜鏡來作爲分像分光元件； 第11Β圖其所繪示爲爲本發明之第二實施例中多影 像分光稜鏡配置圖，其利用光學折射的原理將待測物光束 分光爲分光光束； 第12圖其所繪示爲爲本發明之第三實施例，以多影 像分光透鏡來作爲分像分光元件； 第13圖其所繪示爲爲本發明之第四實施例，以數位 光學元件來作爲分像分光元件；以及 第14圖其所繪示爲本發明利用在入瞳處分光，並以 第3圖爲待測物在光感測面上所得到的結果。 標號說明： 10待測物 20聚光鏡 30入瞳 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） ----"；---—·Ί--------------訂---------線，^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 444133 5017twf.d〇c/006 五、發明說明（) 40光感測面 5 0光感測器 60放大器 70電子系統 80爐光兀件 90擴散片 100導光光纖 110積分球 200導光管 210、220、230導光管在入瞳處之配置圖 300多影像分光稜鏡 410、420、430、440、450、460 多影像分光透鏡 500數位光學元件 實施例 請參照第9圖，其所繪示爲本發明分像分光式色彩計 示意圖。由於待測物光束在入瞳30處的光強度分佈是最 均均的，每一點待測物光束都在入瞳30處均勻分佈，運 用此特性，本發明最主要之特色在於待測物10所反射的 待測物光束，或者是待測物10本身所發出之待測物光束 經過聚光元件的聚集之後，在入瞳30處即以分像分光元 件（未繪示）將待測物光束區分爲多個分光光束，而此分 光光束都可以接收到待測物上分佈不均勻的每一點色彩 al、a2與a3所發射出來的光束，分光光束再經過各別的 分色濾光元件80產生各別的分色濾光光束，而由多個色 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 ---V；---Γ-Γ-------------訂---------線_一 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 444133 5017twf.d〇c/006 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 五、發明說明（及） 彩感測元件所組成之光感測器50，用來接收相對應之分色 爐光光束，並依據所接收之分色濾光光束之光強度轉換成 電訊號，最後經由放大器60放大電訊號並且傳遞出去。 本發明因爲每個分色濾光元件在bl、b2與b3位置上皆可 以接收到分佈不均勻的色彩al、a2與a3，所以色彩感測 元件之配置位置可以不限定，並且解決習知色彩計的缺 點。 請參照第10A圖’其所繪示爲本發明之第一實施例， 以導光管200來作爲分像分光元件。當待測物光束經由聚 光元件20聚集之後’在入瞳30處即以導光管200來予以 分光，而此導光管的材料可爲玻璃光學材料、塑膠光學材 料、液體光學材料或者光纖，而導光管200輸入端之排列 方式可參照桌10B圖210、220與230所繪示，其可將待 測物光束區分爲多個分光光束，而導光管200數目以及排 列方式可由光感測器80之數目來決定，而分離後的分光 光束可導引到不同的分色濾光元件8〇，經由導光管輸出端 的輸出以及導光管聚光元件250的聚焦經由分色濾光元件 80產生分色濾光光束最後由相對應的光感測器50接收。 在本實施例中分色濾光元件80亦可以用光學鍍膜方 式或者塗佈印刷方式將分色濾光元件直接鍍膜或者塗印在 相對應之導光管200輸出端。 再者，更可以用光學鍍膜方式或者塗佈印刷方式將 分色濾光元件直接鍍膜或者塗印在相對應之導光管200輸 入端，其可直接將待測物光束區分爲多個分色濾光光束， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---V----r-J--------------訂---------線"wl (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 444133 5 0 1V twf . doc/0 06 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（彳） 而分離後的分色濾光光束可導引到不同的光感測器50 ’經 由導光管200輸出端的輸出以及導光管聚光元件250的聚 焦由相對應的光感測器50接收。 請參照第11A圖，其所繪示爲本發明之第二實施例 以多影像分光稜鏡來作爲分像分光元件。在入瞳30處以 多影像分光稜鏡300來予以分光。請參照第11B圖，依照 本實施例多影像分光稜鏡300係由三個楔形稜鏡a、b與c 組成，利用光學折射的原理將待測物光束分光爲分光光 束，而分光光束再經過各別的分色濾光元件80產生分色 濾光光束由各別的光感測器50接收。 在本實施例中分色濾光元件80亦可以用光學鍍膜方 式或者塗佈印刷方式將分色濾光元件直接鍍膜或者塗印在 相對應之楔形稜鏡上。 請參照第12圖，其所繪示爲本發明之第三實施例以 多影像分光透鏡來作爲分像分光元件。將第12圖中之多 影像分光透鏡410、420、430、440、450與460置於第11A 圖之入瞳30處，而多影像分光透鏡410、420、430、440、 450與460係由多個不同光軸之透鏡所壓模鑄造成的，其 有多個不同的光軸，用以將待測物光束分光爲分光光束， 而分光光束再經過各別的分色濾光元件產生分色濾光光 束。 在本實施例中分色濾光元件80亦可以用光學鍍膜方 式或者塗佈印刷方式將分色濾光元件直接鍍膜或者塗印在 相對應之透鏡上。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------------訂---------線，^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 444133 5017twfdoc/006 五、發明說明（/p) 請參照第13圖，其所繪示爲本發明之第四實施例以 數位光學元件來作爲分像分光元件。數位光學元件（ binary optical element) 500上有許多原度不同（光程不同）分 佈，具有類似光繞射的功效，可以將待測物光束區分爲若 干分光光束。此數位光學元件也可能是以全像（Hologram) 光學元件來完成。 請參照第14圖，其所繪示爲本發明利用在入瞳處分 光，並以第3圖爲待測物在光感測面上所得到的結果。由 圖示可以淸楚的看到，所有不均勻的色彩均能夠成像在光 感測器面上的個別的色彩感測元件上，所以在藍色虛線區 域綠光以及紅光會被濾除僅藍光通過藍色濾光元件並被藍 光感測器所接收。在綠色虛線區域藍光以及紅光會被濾除 僅綠光通過綠色濾光元件並被綠光感測器所接收。同理， 在紅色虛線區域綠光以及藍光會被濾除僅紅光通過紅色濾 光元件並被紅光感測器所接收。並且三個感測器的電訊號 最後送至電子系統經過分析之後待測物之色彩即爲白色。 而以下表1爲本發明之色彩計與習知色彩比較之結 果： 擴散片 方式 導光光纖 方式 積分球 方式 入瞳分像 分光方式 均勻性 普通 佳 最佳 佳 光利用率 普通 普通 普通 佳— 尺寸 小 中等 大 小 成本 小 中等 大 小 生產性 容易 中等 高 低 訊號雜訊比 普通 普通 普通 最佳 表1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---V----rj--------------訂---------線，- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 44413ο 5017twf.doc/〇〇6 五、發明說明（// ) 由表1所示本發明具有局均勻性、筒光利用率、小尺 寸、低成本以及最佳的訊號雜訊比。 因此，本發明的優點係提供一種分像分光式色彩計’ 利用分像分光元件在光學入瞳處分光的一種色彩§十’其可 以達成高均勻度、高光效率、小尺寸、低成本以及最佳的 訊號雜訊比的功效° 以上之實施例’均是將色彩計的入瞳設置在聚光兀 件之後。若將色彩計的入瞳設置在聚光兀件之前’或聚光 元件中間，亦可達到相同的效果。 綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上’ 然其並非用以限定本發明’任何熟習此技藝者’在不脫離 本發明之精神和範圍內’當可作各種之更動與潤飾’因此 本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲 準。 —1—--------------訂---------線W (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 444133 頜 5〇17twf.doc/006 C8 1)8 六、申請專利範圍 ΐ·一種分像分光式色彩計，用以分辨一待測物之色 彩，包括： 一聚光元件，該聚光元件係用以限制接收該待測物 之一待測物光束，並聚集該待測物光束； 一分像分光元件，該分像分光濾光元件係在一入瞳 處將該待測物光束區分爲複數個分光光束； 複數個分色濾光元件，該些分色濾光元件係接收相 對應的該些分光光束，並產生相對應的複數個分色濾光光 束；以及 一光感測器，該光感測器包括複數個色彩感測元件， 各該些色彩感測元件係接收相對應之各該些分色濾光光 束’並將所接收之該些分色濾光光束之光強度轉換成複數 個電訊號。 2. 如申請專利範圍第1項所述之色彩計，其中該分像 分光元件係以複數條導光管之輸入端接收該待測物光束， 該些導光管輸出端所輸出之分光光束再經過該些分色濾光 元件產生該些分色濾光光束。 3. 如申請專利範圍第2項所述之色彩計，其中該些分 色濾光元件更包括以一光學鍍膜方式將各該些分色濾光元 件鍍膜在相對應之各該些導光管輸出端。 4. 如申請專利範圍第2項所述之色彩計，其中該些分 色濾光元件更包括以一塗佈印刷方式將各該些分色濾光元 件塗印在相對應之各該些導光管輸出端。 5. 如申請專利範圍第2項所述之色彩計，其中該些導 14 本紙張Κ度滷用中國國家標準（c’ns)a4規格（21〇 χ 297公釐1 ' ---V---------ml---訂·！--！-線^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 144133 5017twf.doc/006 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 光管係以一玻璃光學材料所構成。 6. 如申請專利範圍第2項所述之色彩計 光管係以一塑膠光學材料所構成。 7. 如申請專利範圍第2項所述之色彩計 光管係以一液體光學材料所構成。 8. 如申請專利範圍第2項所述之色彩計 光管係爲光纖。 9. 如申請專利範圍第2項所述之色彩計 個導光管聚光元件置於該些導光管輸出端與該些濾光元件 之間用以聚集該些分光光束。 1〇_如申請專利範圍第1項所述之色彩計，其中該分 像分光元件係將各該些分色濾光元件置於相對應之複數條 導光管之輸入端用以接收該待測物光束，並且該些導光管 輸出端產生該些分色濾光光束。 11. 如申請專利範圍第10項所述之色彩計，其中該& 分色濾光元件更包括以一光學鍍膜方式將各該些分色 兀件鍍膜在相對應之各該些導光管輸入端。 12. 如申請專利範圍第1〇項所述之色彩計，其 分色濾光元件更包括以一塗佈印刷方式將各該些 元件塗印在相對應之各該些導光管輸入端。〜扭應光 】3_如申請龍範圍第1〇麵述之色彩計， 導光管係以一玻璃光學材料所構成 /、中以些 丨4.如申請專利範圍第1〇項所述 導光管係以一塑膠光學材料所構成。 具中該些 其中該些導 其中該些導 其中該些導 更包括複數 - - ----V---Τ'--------------訂---------線^ (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 私紙張汶度適用中國國家標準（CNS)/\4規格<210 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 444 133 as F^8 5017twf.doc/006 C8 1)8 六、申請專利範圍 15. 如申請專利範圍第10項所述之色彩計，其中該些 導光管係以一液體光學材料所構成。 16. 如申請專利範圍第10項所述之色彩計，其中該些 導光管係爲光纖。 Π.如申請專利範圍第10項所述之色彩計，更包括複 數個導光管聚光元件，置於該些導光管輸出端以及該些色 彩感測元件之間用以聚集該些分色濾光光束。 18. 如申請專利範圍第1項所述之色彩計，其中該分 像分光元件係爲一多影像分光稜鏡，該多影像分光稜鏡係 由複數個楔形稜鏡組成，用以將該待測物光束分光爲該些 分光光束，該些分光光束再經過該些分色濾光元件產生該 些分色濾光光束。 19. 如申請專利範圍第18項所述之色彩計，其中該些 分色濾光元件更包括以一光學鍍膜方式將各該些分色濾光 元件鑛膜在相對應之各該些楔形稜鏡上。 20. 如申請專利範圍第18項所述之色彩計，其中該些 分色濾光元件更包括以一塗佈印刷方式將各該些分色濾光 元件塗印在相對應之各該些楔形稜鏡上。 21. 如申請專利範圍第1項所述之色彩計，其中該分 像分光元件係爲一多影像分光透鏡，該多影像分光透鏡係 由複數個不同光軸之透鏡所組成，用以將該待測物光束分 光爲該些分光光束，該些分光光束再經過該些分色濾光元 件產生該些分色濾光光束。 22. 如申請專利範圍第21項所述之色彩計，其中該些 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---λ---Ί1-------------訂-----I---線^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 444133 韶 5017twf.doc/006 品 六、申請專利範圍 分色濾光元件更包括以一光學鑛膜方式將各該些分色濾光 元件鍍膜在相對應之各該些不同光軸之透鏡上。 23. 如申請專利範圍第21項所述之色彩計，其中該些 分色濾光元件更包括以一塗佈印刷方式將各該些分色濾光 元件塗印在相對應之各該些不同光軸之透鏡上。 24. 如申請專利範圍第1項所述之色彩計，其中該分 像分光元件係爲一數位光學元件，該數位光學元件用以將 該待測物光束分光爲該些分光光束，該些分光光束再經過 該些分色濃光兀件產生該些分色濾光光束。 25. 如申請專利範圍第24項所述之色彩計，其中該數 位光學元係爲一全像光學元件。 —^—----------------訂·-------•線' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）