專利名稱:測(cè)量頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明的所屬技術(shù)領(lǐng)域?yàn)轭伾珳y(cè)量裝置。
本發(fā)明涉及一種用于光電測(cè)量?jī)x器、特別是一種分光亮度計(jì)的測(cè)量頭,是為確定在彩印時(shí)一起印刷的顏色測(cè)量條的光學(xué)亮度性質(zhì)而用的。它具有一個(gè)光源和一個(gè)照明鏡組,能按預(yù)定的距離,以預(yù)定大小的投射角,向一貼在測(cè)量平臺(tái)上的被測(cè)表面片照射,再用物鏡的測(cè)量鏡組,接收與被測(cè)表面垂直線成狹小測(cè)量角度、并從被測(cè)表面上返回的測(cè)量光束,使通過(guò)一個(gè)光波導(dǎo)管,與一光電換能器、特別是分光計(jì)耦合。
已有一種測(cè)定光學(xué)亮度性質(zhì)用的測(cè)量頭具有一個(gè)照亮被測(cè)表面用的投射鏡組,并具有一個(gè)包括一個(gè)環(huán)狀鏡在內(nèi)的聚焦鏡組,以便接收與投射鏡組或照明鏡組的光軸成一預(yù)定角度、從被測(cè)表面上返回的光束。這樣的測(cè)量頭在聯(lián)邦德國(guó)專利號(hào)DE-PS2600604中已有。
技術(shù)上也有同樣的改革情況。為了改進(jìn)平版印刷機(jī)對(duì)印張的施色控制,對(duì)規(guī)定的顏色測(cè)量條已不再使用簡(jiǎn)單的黑度計(jì)控制,而是使用經(jīng)過(guò)分光測(cè)量的色度計(jì)的控制。在這種情況下,為了顏色的一致,利用了分光亮度并由此算出顏色座標(biāo),以此與規(guī)定的顏色座標(biāo)比較,從中得出的顏色差別便可作為施色控制信號(hào)之用。為了避免測(cè)量誤差以及由此而產(chǎn)生的施色誤差,有必要對(duì)一起印刷的顏色測(cè)量條在全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)以高精度確定其顏色座標(biāo)位置。在采用黑度計(jì)時(shí),當(dāng)照明鏡組與被測(cè)表面之間的距離變化在數(shù)量級(jí)上達(dá)到2.5%時(shí),所造成的光差還是可以容許的,然而在分光分析時(shí)這樣卻會(huì)導(dǎo)致不符合要求的測(cè)量誤差。按照歐洲專利號(hào)EP-A-209860所說(shuō),曾經(jīng)嘗試用這樣的方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,即在光源上焦點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)聚光器,將照射光集中以后,就可使被測(cè)表面比原來(lái)的小。但在這種情況下,較多的光被浪費(fèi)掉了,此外,這種已知裝置并不能達(dá)到改善精度的目的。
從這些技術(shù)現(xiàn)況出發(fā),本發(fā)明的任務(wù)基本是要做出一個(gè)在上面開(kāi)始時(shí)已經(jīng)提到過(guò)的那類測(cè)量頭,它能以一個(gè)寬大的角度來(lái)照亮被測(cè)表面,并以一個(gè)狹小的角度來(lái)返回光束,不受那些在實(shí)踐中不能完全避免的現(xiàn)象的影響,例如由于放在底板上紙張的不均勻的涂層而引起的距離變化對(duì)精確掌握各種顏色的影響。
按照本發(fā)明,這個(gè)任務(wù)是這樣完成的。光源的光軸上設(shè)有一個(gè)由兩個(gè)與測(cè)量平臺(tái)平行并對(duì)準(zhǔn)的環(huán)狀曼金反射鏡組成的裝置。兩鏡的凹面相對(duì)。與所設(shè)曼金反射鏡相隔一段距離的光源發(fā)出的光是通過(guò)一個(gè)同軸的能校準(zhǔn)曼金反射鏡色差的消球差鏡而到達(dá)被測(cè)表面上的。物鏡的輸入透鏡也設(shè)在曼金反射鏡的光軸上,而在物鏡輸入透鏡的焦點(diǎn)上則設(shè)有一個(gè)測(cè)量光圈,光波導(dǎo)管就是與這光圈耦合的。
照明鏡組能以基本上為45°±5°的投射角度來(lái)使發(fā)自光源的光從各個(gè)方位照射到被測(cè)表面上,而從被測(cè)表面返回到測(cè)量鏡組的測(cè)量光束則以基本上為0°±5°的測(cè)量角度被接收。照明鏡組的曼金反射鏡裝置和同軸的消球差鏡合作,能將光源精確地投射在測(cè)量平臺(tái)上成象。由于兩個(gè)曼金反射鏡是對(duì)稱地構(gòu)造并設(shè)置,并和一個(gè)消球差鏡共同起作用,正弦條件得以滿足,球形象差和彗形象差將可消除。曼金反射鏡裝置的色差將通過(guò)消球差鏡得到補(bǔ)償。用這種方法可在測(cè)量平臺(tái)上得到每種顏色都是一樣強(qiáng)弱的光源成象,測(cè)量誤差就可避免。而當(dāng)光源的各種分光顏色不僅在測(cè)量平臺(tái)上,而且在測(cè)量平臺(tái)的上方和下方都有成象時(shí),測(cè)量誤差就會(huì)產(chǎn)生。
即使被測(cè)表面的距離改變已知是不可避免的,由于按照本發(fā)明進(jìn)行裝置和校準(zhǔn),測(cè)量鏡組或聚焦鏡組總是能得到以相同的空間角度返回的光束,由于這種距離變化而引起的光的強(qiáng)度波動(dòng)因此可大大減免。符合本發(fā)明任務(wù)的裝置安排和進(jìn)一步的構(gòu)成將是我們繼續(xù)提出權(quán)利要求的對(duì)象。
下面是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,用一張通過(guò)測(cè)量頭的剖面圖來(lái)作較詳細(xì)的探討。
圖中所畫(huà)出的測(cè)量頭是這樣作用的在測(cè)量平臺(tái)(1)上緊貼著一塊被測(cè)表面片(2),它在紙張印刷時(shí)一起被印出來(lái)作為顏色測(cè)量條。這樣,要進(jìn)行色度監(jiān)控的顏色和印刷機(jī)的控制就能精確地加以掌握。圖中所畫(huà)出的測(cè)量頭有一個(gè)用略圖畫(huà)出的光源(3),它在被測(cè)表面(2)上稍微減弱地成象并將一部分返回的光束輸入到光波導(dǎo)管(4)中去,該波導(dǎo)管上連有一個(gè)分光計(jì),用該機(jī)進(jìn)行顏色的分光分析。
測(cè)量頭具有一個(gè)環(huán)形邊框(5),其外徑約為80mm。邊框(5)上裝有多個(gè)走輪(6),這些走輪能使至測(cè)量平臺(tái)(1)的距離保持不變。有一個(gè)固定在測(cè)量頭上、在圖上沒(méi)有畫(huà)出的彈簧,用來(lái)按住在測(cè)量平臺(tái)(1)上平放的印張。一起印出的顏色測(cè)量條的測(cè)定應(yīng)達(dá)到這樣的精度即使是在距離變化例如有±0.2mm的情況下,(由于不均勻的涂層),涉及測(cè)量頭所掌握的測(cè)量值的失真在全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)須保證在千分之一以內(nèi)。這個(gè)要求是這樣得出的顏色座標(biāo)位置的確定精度應(yīng)有可能達(dá)到0.1E,這是一個(gè)熟練的目光分辨顏色的界限。
光源(3)的成象要進(jìn)一步在下面更詳細(xì)地說(shuō)明。它必需保證是極端消色差的。這樣對(duì)所有的分光顏色,白色光源(3)可投射在同一平面上成象,而不是對(duì)各種不同的分光顏色,分別投射在許多平行的上下挪動(dòng)過(guò)的平面上成象。
邊框(5)與光源(3)共處在一個(gè)公用的殼體內(nèi)。光源(3)為了避免產(chǎn)生成象誤差,不采用任何反射鏡。光源(3)是由一個(gè)色溫為3000度的平螺旋形鹵素?zé)魳?gòu)成。平螺旋占有了一個(gè)長(zhǎng)為2.6mm、寬為1.3mm的矩形平面。平螺旋-鹵素?zé)粜枰墓β试诒緦?shí)施例中為30瓦。平螺旋的平面延伸出去是與測(cè)量平臺(tái)平行的,這在圖中已概略地畫(huà)出。
測(cè)定頭的環(huán)形邊框(5)具有一個(gè)漏斗形的底部和一個(gè)包圍著圓形孔(8)的鼻部(9),以及一個(gè)在漏斗形底部(7)的最大直徑上環(huán)繞著的環(huán)形肩(10)。
環(huán)形肩(10)用來(lái)支撐環(huán)形的第一個(gè)曼金反射鏡(11),在曼金反射鏡的凸面上有一鏡面(12)。人們可在圖上看到,在環(huán)形曼金反射鏡(11)上有一圓形的中心孔(13),在該孔內(nèi),環(huán)形邊框(5)的環(huán)形凸部(9)從底下伸進(jìn)去并突起來(lái)。
除了第一個(gè)曼金反射鏡(11),其凹面是向上的以外,還設(shè)有第二個(gè)曼金反射鏡(14),其凹面是向下的,其鏡面(15)則鍍?cè)谙蛏系耐姑嫔稀5诙€(gè)曼金反射鏡(14)如同第一個(gè)曼金反射鏡(11)一樣,具有一個(gè)圓形的中心孔(16)。在其外徑為69mm時(shí),圓形孔(13)和(16)的直徑為39mm。在環(huán)形邊框(5)靠近上邊處制有內(nèi)螺紋,在該螺紋內(nèi)旋有將曼金反射鏡(11,14)固定在邊框(5)內(nèi)的夾緊圈(17)。
為了闡明照射通道(環(huán)繞中心軸對(duì)稱),在圖上畫(huà)出了由設(shè)在曼金反射鏡(11,14)的光軸上、位在第二個(gè)曼金反射鏡(14)上方的光源(3)發(fā)出的照射光束在通過(guò)光圈(38)后的兩條用來(lái)闡明的邊緣光線(18)和(19)。由于全部裝置環(huán)繞中心軸對(duì)稱,所以在左邊畫(huà)出的邊緣光線(18)和(19)應(yīng)該在右邊也有相應(yīng)的邊緣光線,但為了容易看清起見(jiàn),此處不再畫(huà)出了。
通過(guò)邊緣光線(18,19)顯示的由光源(3)來(lái)的光束通過(guò)第二個(gè)曼金反射鏡(14)上的孔(16),進(jìn)入具有同一構(gòu)造的兩個(gè)曼金反射鏡之間的空間,在進(jìn)入第一個(gè)曼金反射鏡(11)的玻璃體(22)時(shí)被折射。在被鏡面(12)反射后,光束再一次折射走出玻璃體(22),這樣,能使圖上未畫(huà)出的、在邊緣光線(18,19)兩者之間的中間光線在經(jīng)過(guò)折射和反射后,所走的路線與測(cè)量頭的光軸(20)平行。這只要校準(zhǔn)光源(3)與兩個(gè)曼金反射鏡中間對(duì)稱平面的距離即可作到。
如同人們?cè)趫D上所看到的,反射鏡面(12,15)的曲率半徑(約71mm)大于凹面內(nèi)邊的曲率半徑(約49mm)。在鏡面(15)上反射后,由邊緣光線(18,19)組成的光束從曼金反射鏡(14)的玻璃體(23)折射出來(lái),進(jìn)入消球差鏡(25)的第一個(gè)透鏡體(24)。該體具有一個(gè)截球體的外形,它在指向光源(3)的凸出的球面上設(shè)有一個(gè)平頂(26)。
消球差鏡除了第一個(gè)透鏡體(24)以外,還設(shè)有第二個(gè)透鏡體(27),該體如圖所示,具有截錐體的外形、帶有一個(gè)凹進(jìn)的球形的輸出面(28)。消球差鏡是用普通方法由兩個(gè)不同的玻璃體構(gòu)成的,這里第一個(gè)透鏡體的外半徑在一個(gè)實(shí)施例中約為17mm,第二個(gè)透鏡體的外半徑約為12mm。消球差鏡設(shè)計(jì)成為能對(duì)自身也能消球差的曼金反射鏡裝置進(jìn)行校準(zhǔn),使后者的顏色誤差得到補(bǔ)償。這個(gè)裝置的整體并能消除色差,而且是在人們都感興趣的波長(zhǎng)范圍以內(nèi)。
由透鏡體(24,27)組成的消球差鏡(25)在其底部用一帶螺紋的環(huán)(29)與環(huán)形的鼻部(9)固定地連接。以邊緣光線(18,19)為界限的環(huán)狀光束在穿過(guò)消球差鏡(25)以后,以投射角45°±5°照射到測(cè)量平臺(tái)(1)上。在圖中只是畫(huà)出了環(huán)狀光束的左邊剖面,但卻存在著與此相應(yīng)的環(huán)形光照射,這個(gè)照射是從各個(gè)方位斜向射入,投射在測(cè)量平臺(tái)(1)上的被測(cè)表面(2)上。被測(cè)表面(2)具有象光源(3)那樣略為縮小的矩形外貌,在被測(cè)表面(2)上可以形成一個(gè)校正色差的光斑或測(cè)量斑。
人們?cè)趫D中可以看到,邊框(5)的開(kāi)孔(8)上設(shè)有一個(gè)蓋板(30),蓋板中間有一個(gè)漏斗形的撒光光圈(31)。撒光光圈(31)的開(kāi)孔(32)有一內(nèi)徑例如為5mm,其底邊設(shè)在測(cè)量平臺(tái)的上方約0.5mm處。
在圖中人們還可以進(jìn)一步看到,在底板(30)上設(shè)有一個(gè)導(dǎo)管(33),供裝入?yún)⒄展獠▽?dǎo)管(34)之用。通過(guò)這個(gè)波導(dǎo)管,為造成一個(gè)參照強(qiáng)度而投射在參照面(35)上的光可進(jìn)行輸出耦合。有了這個(gè)參照強(qiáng)度,在光源(3)的功率變化時(shí)就可對(duì)照明強(qiáng)度改變后的測(cè)量值進(jìn)行校正。參照光波導(dǎo)管(34)從外面沿徑向伸入到光束(18,19)的范圍內(nèi),并在其前端切成斜面,以便沿波導(dǎo)管(34)長(zhǎng)度方向投射的光轉(zhuǎn)彎。
上述裝置具有兩個(gè)對(duì)稱構(gòu)成的曼金反射鏡(11,14)和消球差鏡(25)這就可以在測(cè)量平臺(tái)(1)上產(chǎn)生一個(gè)色差校正過(guò)的光源(3)的圖象,這個(gè)當(dāng)由于放在底板上的紙張涂層不均勻而引起距離改變時(shí),被測(cè)表面所控制的光不會(huì)有色度的挪動(dòng),這種色度挪動(dòng)當(dāng)光源(3)的成象是由多個(gè)相互重疊的各種光譜色的圖象構(gòu)成時(shí)是存在的。
上面所說(shuō)的校正色差的照明鏡組,加上下面將述及的測(cè)量鏡組,兩者對(duì)測(cè)量頭和測(cè)量平臺(tái)間的距離變化是不敏感的。測(cè)量鏡組有一個(gè)輸入透鏡(40),它是由一根玻璃棍(41)的球面構(gòu)成的,玻璃棍位在一個(gè)能允許光通過(guò)的套管(42)內(nèi),該套管沿著測(cè)量頭的光軸延伸,穿過(guò)消色差透鏡(25)。玻璃棍(41)的長(zhǎng)度約為15mm,其輸入透鏡有一個(gè)約為7mm的半徑,位于測(cè)量平臺(tái)(1)以上大約5mm的距離。
玻璃棍(41)在后端(43)處與一個(gè)轉(zhuǎn)向棱柱(44)耦合,該棱柱位在轉(zhuǎn)向室(53)內(nèi),通過(guò)該棱柱,由測(cè)量斑返回的光在兩個(gè)曼金反射鏡(11,14)之間的對(duì)稱平面上轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向棱柱通過(guò)一個(gè)設(shè)在球面上的測(cè)量光圈(45),支配著圖中右邊所畫(huà)的那一部分,測(cè)量光圈(45)還帶著一個(gè)透鏡裝置,這個(gè)裝置能使被測(cè)表面(2)在撒光光圈(47)上成象。測(cè)量光圈(45)位在輸入透鏡(40)的焦點(diǎn)上,從而該系統(tǒng)對(duì)人所共知、不可避免的距離變化并不敏感。測(cè)量光圈有一內(nèi)徑例如為2.2mm。正如人們?cè)趫D中所看到的,有一個(gè)含有多個(gè)光學(xué)部件的光保護(hù)管(54)通到設(shè)在消球差鏡(25)后面的轉(zhuǎn)向室(53)內(nèi)。光保護(hù)管(54)沿徑向、順著兩個(gè)曼金反射鏡(11)和(14)之間的對(duì)稱平面伸展一直到其邊界。
為了防止在被測(cè)表面(2)以外的漫射光被包括進(jìn)去,借助透鏡(46)(以及球面(40)和(45)),將被測(cè)表面(2)上的成象投射到一個(gè)敞露直徑為4.5mm的撒光光圈上成象,該光圈離開(kāi)透鏡(46)約為11mm。
由于測(cè)量條上細(xì)微的網(wǎng)目結(jié)構(gòu),所以能在用上許多光纖的光波導(dǎo)管內(nèi)產(chǎn)生莫阿效應(yīng)。為了避免產(chǎn)生這種效應(yīng),在裝置內(nèi)規(guī)定采用兩個(gè)另加的透鏡(48,49),透鏡(48)如同透鏡(46)一樣是平面加凸面的,透鏡(49)則由一個(gè)設(shè)在過(guò)渡玻璃棒(50)左邊的球面構(gòu)成(如圖所示)。過(guò)渡玻璃棒一方面用作途徑的延長(zhǎng),另一方面是為了能配上光波導(dǎo)管(4)的直徑。過(guò)渡玻璃棒的直徑,在進(jìn)入光波導(dǎo)管時(shí),分成兩級(jí)來(lái)減小。透鏡(48,49)將測(cè)量光圈(45)成象在圖右過(guò)渡玻璃棒(50)的端面(51)上。在端面(51)上設(shè)有透鏡(52),該透鏡能使要與光波導(dǎo)管(4)進(jìn)行耦合的光成為平行。
雖然光波導(dǎo)管(4)開(kāi)孔的角度可達(dá)到例如為±11°,但實(shí)用時(shí)光波導(dǎo)管(4)的開(kāi)孔角僅定為9°,以便提高它的應(yīng)變能力,這樣當(dāng)光波導(dǎo)管(4)彎曲時(shí),光強(qiáng)將不致變化。過(guò)渡玻璃棒(50)的長(zhǎng)度約為18mm。
權(quán)利要求
1.一種外測(cè)頭,具有一個(gè)光源(3),一個(gè)照明鏡組(11,14,25),以一預(yù)定的到達(dá)一個(gè)貼在測(cè)量平臺(tái)(1)上的被測(cè)表面(2)上的距離,按照一個(gè)預(yù)定大小的投射角度進(jìn)行照射,還具有一個(gè)測(cè)量鏡組(40,41,44-51),其物鏡(40)能接收與被測(cè)表面(2)垂直線成一狹小角度并從被測(cè)表面(2)上返回的測(cè)量光束,使它通過(guò)一個(gè)光波導(dǎo)管(4),射到一個(gè)光電變換裝置,特別是分光計(jì)上,與其耦合,其特征是光源(3)在其光源軸(20)上設(shè)置一個(gè)由兩個(gè)與測(cè)量平臺(tái)(1)平行并對(duì)準(zhǔn)的環(huán)形曼金反射鏡組成的裝置,兩個(gè)曼金反射鏡的凹面相對(duì),而與曼金反射鏡離開(kāi)一段距離設(shè)置的光源(3)則一個(gè)同軸的、能消除曼金反射鏡色差的消球差鏡(25)投射在被測(cè)表面(2)上成象,同時(shí)在曼金反射鏡(11,14)的光軸(20)上設(shè)有物鏡(41)的輸入透鏡(40),在物鏡輸入透鏡(40)的焦點(diǎn)上設(shè)有一個(gè)測(cè)量光圈(45),光波導(dǎo)管(4)就與這個(gè)光圈耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量頭,其特征是消球差鏡自身突出到兩個(gè)曼金反射鏡(11,14)的中間空間中,在其光軸上有一個(gè)通道開(kāi)孔,在該孔內(nèi),一個(gè)面對(duì)消球差鏡(25)、在光學(xué)上能耦合起來(lái)的玻璃棒(41)伸了進(jìn)去,該棒在與被測(cè)表面相對(duì)的前端為一球面的光輸入面(40)而在其后端則有測(cè)量光圈(45)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的測(cè)量頭,其特征是測(cè)量光圈(45)通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)向棱柱(44)與玻璃棒(41)的后端耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的測(cè)量頭,其特征是測(cè)量光圈(45)還帶著一個(gè)透鏡裝置,這個(gè)裝置能使被測(cè)表面(2)在撒光光圈(47)上成象。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的測(cè)量頭,其特征是在撒光光圈(47)后面的照射過(guò)程中,設(shè)有一組透鏡裝置(48,49),該裝置能在走出測(cè)量頭到達(dá)光波導(dǎo)管(4)之前,使通過(guò)測(cè)量光圈(45)的光束在端面(51)上成象。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的測(cè)量頭,其特征是在過(guò)渡玻璃棒(50)的面向撒光光圈的前端上設(shè)置透鏡裝置(49)而在過(guò)渡玻璃棒(50)的后端上則設(shè)置端面(51)作為耦合面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的測(cè)量頭,其特征是光波導(dǎo)管(4)的端面與過(guò)渡玻璃棒的后端耦合。
8.根據(jù)權(quán)利要求3至7之一的測(cè)量頭,其特征是測(cè)量光圈(45),撒光光圈(47)以及帶有歸屬透鏡(46,47)的過(guò)渡玻璃棒(50)被設(shè)置在一個(gè)光保護(hù)管(54)內(nèi),該管沿徑向、順著兩個(gè)曼金反射鏡之間的對(duì)稱平面一直伸展到邊界。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的測(cè)量頭,其特征是光保護(hù)管(54)在曼金反射鏡(11,14)的光軸附近通入到一個(gè)轉(zhuǎn)向室(53)之內(nèi)。該室是由消球差鏡(25)上削平的背面支撐的,帶有轉(zhuǎn)向棱柱(44)的玻璃棒也伸入到該室內(nèi)。
10.根據(jù)以上權(quán)利要求1至9之一的測(cè)量頭,其特征是可設(shè)置一個(gè)參照光波導(dǎo)管(34),其前端(35)突出在從消球差鏡(25)出來(lái)的光束中。
全文摘要
一個(gè)為確定在彩印時(shí)一起印刷的顏色測(cè)量條的光學(xué)亮度性質(zhì)而用的測(cè)量頭,該測(cè)量頭具有一個(gè)照明鏡組,具有兩個(gè)曼金反射鏡(11,14)以及一個(gè)與曼金反射鏡(11,14)對(duì)準(zhǔn)的、并設(shè)置在中心開(kāi)孔(13)內(nèi)的消球差鏡(25)。從光源(3)送出并從被測(cè)表面(2)返回的光束到達(dá)一個(gè)玻璃棒(41)內(nèi),并通過(guò)一個(gè)測(cè)量鏡組(40,45-52)輸入到一個(gè)光波導(dǎo)管(4)內(nèi),通過(guò)波導(dǎo)管,上述返回的光速被輸送到一個(gè)分光計(jì),以便進(jìn)行分光分析。
文檔編號(hào)G01J3/50GK1032456SQ8810692
公開(kāi)日1989年4月19日 申請(qǐng)日期1988年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月1日
發(fā)明者弗雷德·馬斯特, 吉恩·愛(ài)·克努斯 申請(qǐng)人:海德堡印刷機(jī)械股份公司