專利名稱：測量頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的所屬技術領域為顏色測量裝置。
本發(fā)明涉及一種用于光電測量儀器、特別是一種分光亮度計的測量頭，是為確定在彩印時一起印刷的顏色測量條的光學亮度性質而用的。它具有一個光源和一個照明鏡組，能按預定的距離，以預定大小的投射角，向一貼在測量平臺上的被測表面片照射，再用物鏡的測量鏡組，接收與被測表面垂直線成狹小測量角度、并從被測表面上返回的測量光束，使通過一個光波導管，與一光電換能器、特別是分光計耦合。
已有一種測定光學亮度性質用的測量頭具有一個照亮被測表面用的投射鏡組，并具有一個包括一個環(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定角度、從被測表面上返回的光束。這樣的測量頭在聯(lián)邦德國專利號DE-PS2600604中已有。
技術上也有同樣的改革情況。為了改進平版印刷機對印張的施色控制，對規(guī)定的顏色測量條已不再使用簡單的黑度計控制，而是使用經(jīng)過分光測量的色度計的控制。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，以此與規(guī)定的顏色座標比較，從中得出的顏色差別便可作為施色控制信號之用。為了避免測量誤差以及由此而產(chǎn)生的施色誤差，有必要對一起印刷的顏色測量條在全部波長范圍內(nèi)以高精度確定其顏色座標位置。在采用黑度計時，當照明鏡組與被測表面之間的距離變化在數(shù)量級上達到2.5%時，所造成的光差還是可以容許的，然而在分光分析時這樣卻會導致不符合要求的測量誤差。按照歐洲專利號EP-A-209860所說，曾經(jīng)嘗試用這樣的方式來解決這個問題，即在光源上焦點處設置一個聚光器，將照射光集中以后，就可使被測表面比原來的小。但在這種情況下，較多的光被浪費掉了，此外，這種已知裝置并不能達到改善精度的目的。
從這些技術現(xiàn)況出發(fā)，本發(fā)明的任務基本是要做出一個在上面開始時已經(jīng)提到過的那類測量頭，它能以一個寬大的角度來照亮被測表面，并以一個狹小的角度來返回光束，不受那些在實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精確掌握各種顏色的影響。
按照本發(fā)明，這個任務是這樣完成的。光源的光軸上設有一個由兩個與測量平臺平行并對準的環(huán)狀曼金反射鏡組成的裝置。兩鏡的凹面相對。與所設曼金反射鏡相隔一段距離的光源發(fā)出的光是通過一個同軸的能校準曼金反射鏡色差的消球差鏡而到達被測表面上的。物鏡的輸入透鏡也設在曼金反射鏡的光軸上，而在物鏡輸入透鏡的焦點上則設有一個測量光圈，光波導管就是與這光圈耦合的。
照明鏡組能以基本上為45°±5°的投射角度來使發(fā)自光源的光從各個方位照射到被測表面上，而從被測表面返回到測量鏡組的測量光束則以基本上為0°±5°的測量角度被接收。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量平臺上成象。由于兩個曼金反射鏡是對稱地構造并設置，并和一個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消球差鏡得到補償。用這種方法可在測量平臺上得到每種顏色都是一樣強弱的光源成象，測量誤差就可避免。而當光源的各種分光顏色不僅在測量平臺上，而且在測量平臺的上方和下方都有成象時，測量誤差就會產(chǎn)生。
即使被測表面的距離改變已知是不可避免的，由于按照本發(fā)明進行裝置和校準，測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度波動因此可大大減免。符合本發(fā)明任務的裝置安排和進一步的構成將是我們繼續(xù)提出權利要求的對象。
下面是本發(fā)明的一個實施例，用一張通過測量頭的剖面圖來作較詳細的探討。
圖中所畫出的測量頭是這樣作用的在測量平臺(1)上緊貼著一塊被測表面片(2)，它在紙張印刷時一起被印出來作為顏色測量條。這樣，要進行色度監(jiān)控的顏色和印刷機的控制就能精確地加以掌握。圖中所畫出的測量頭有一個用略圖畫出的光源(3)，它在被測表面(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管(4)中去，該波導管上連有一個分光計，用該機進行顏色的分光分析。
測量頭具有一個環(huán)形邊框(5)，其外徑約為80mm。邊框(5)上裝有多個走輪(6)，這些走輪能使至測量平臺(1)的距離保持不變。有一個固定在測量頭上、在圖上沒有畫出的彈簧，用來按住在測量平臺(1)上平放的印張。一起印出的顏色測量條的測定應達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)，涉及測量頭所掌握的測量值的失真在全部波長范圍內(nèi)須保證在千分之一以內(nèi)。這個要求是這樣得出的顏色座標位置的確定精度應有可能達到0.1E，這是一個熟練的目光分辨顏色的界限。
光源(3)的成象要進一步在下面更詳細地說明。它必需保證是極端消色差的。這樣對所有的分光顏色，白色光源(3)可投射在同一平面上成象，而不是對各種不同的分光顏色，分別投射在許多平行的上下挪動過的平面上成象。
邊框(5)與光源(3)共處在一個公用的殼體內(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)是由一個色溫為3000度的平螺旋形鹵素燈構成。平螺旋占有了一個長為2.6mm、寬為1.3mm的矩形平面。平螺旋-鹵素燈需要的功率在本實施例中為30瓦。平螺旋的平面延伸出去是與測量平臺平行的，這在圖中已概略地畫出。
測定頭的環(huán)形邊框(5)具有一個漏斗形的底部和一個包圍著圓形孔(8)的鼻部(9)，以及一個在漏斗形底部(7)的最大直徑上環(huán)繞著的環(huán)形肩(10)。
環(huán)形肩(10)用來支撐環(huán)形的第一個曼金反射鏡(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)從底下伸進去并突起來。
除了第一個曼金反射鏡(11)，其凹面是向上的以外，還設有第二個曼金反射鏡(14)，其凹面是向下的，其鏡面(15)則鍍在向上的凸面上。第二個曼金反射鏡(14)如同第一個曼金反射鏡(11)一樣，具有一個圓形的中心孔(16)。在其外徑為69mm時，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)繞中心軸對稱)，在圖上畫出了由設在曼金反射鏡(11，14)的光軸上、位在第二個曼金反射鏡(14)上方的光源(3)發(fā)出的照射光束在通過光圈(38)后的兩條用來闡明的邊緣光線(18)和(19)。由于全部裝置環(huán)繞中心軸對稱，所以在左邊畫出的邊緣光線(18)和(19)應該在右邊也有相應的邊緣光線，但為了容易看清起見，此處不再畫出了。
通過邊緣光線(18，19)顯示的由光源(3)來的光束通過第二個曼金反射鏡(14)上的孔(16)，進入具有同一構造的兩個曼金反射鏡之間的空間，在進入第一個曼金反射鏡(11)的玻璃體(22)時被折射。在被鏡面(12)反射后，光束再一次折射走出玻璃體(22)，這樣，能使圖上未畫出的、在邊緣光線(18，19)兩者之間的中間光線在經(jīng)過折射和反射后，所走的路線與測量頭的光軸(20)平行。這只要校準光源(3)與兩個曼金反射鏡中間對稱平面的距離即可作到。
如同人們在圖上所看到的，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，進入消球差鏡(25)的第一個透鏡體(24)。該體具有一個截球體的外形，它在指向光源(3)的凸出的球面上設有一個平頂(26)。
消球差鏡除了第一個透鏡體(24)以外，還設有第二個透鏡體(27)，該體如圖所示，具有截錐體的外形、帶有一個凹進的球形的輸出面(28)。消球差鏡是用普通方法由兩個不同的玻璃體構成的，這里第一個透鏡體的外半徑在一個實施例中約為17mm，第二個透鏡體的外半徑約為12mm。消球差鏡設計成為能對自身也能消球差的曼金反射鏡裝置進行校準，使后者的顏色誤差得到補償。這個裝置的整體并能消除色差，而且是在人們都感興趣的波長范圍以內(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)狀光束在穿過消球差鏡(25)以后，以投射角45°±5°照射到測量平臺(1)上。在圖中只是畫出了環(huán)狀光束的左邊剖面，但卻存在著與此相應的環(huán)形光照射，這個照射是從各個方位斜向射入，投射在測量平臺(1)上的被測表面(2)上。被測表面(2)具有象光源(3)那樣略為縮小的矩形外貌，在被測表面(2)上可以形成一個校正色差的光斑或測量斑。
人們在圖中可以看到，邊框(5)的開孔(8)上設有一個蓋板(30)，蓋板中間有一個漏斗形的撒光光圈(31)。撒光光圈(31)的開孔(32)有一內(nèi)徑例如為5mm，其底邊設在測量平臺的上方約0.5mm處。
在圖中人們還可以進一步看到，在底板(30)上設有一個導管(33)，供裝入?yún)⒄展獠▽Ч?34)之用。通過這個波導管，為造成一個參照強度而投射在參照面(35)上的光可進行輸出耦合。有了這個參照強度，在光源(3)的功率變化時就可對照明強度改變后的測量值進行校正。參照光波導管(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，以便沿波導管(34)長度方向投射的光轉彎。
上述裝置具有兩個對稱構成的曼金反射鏡(11，14)和消球差鏡(25)這就可以在測量平臺(1)上產(chǎn)生一個色差校正過的光源(3)的圖象，這個當由于放在底板上的紙張涂層不均勻而引起距離改變時，被測表面所控制的光不會有色度的挪動，這種色度挪動當光源(3)的成象是由多個相互重疊的各種光譜色的圖象構成時是存在的。
上面所說的校正色差的照明鏡組，加上下面將述及的測量鏡組，兩者對測量頭和測量平臺間的距離變化是不敏感的。測量鏡組有一個輸入透鏡(40)，它是由一根玻璃棍(41)的球面構成的，玻璃棍位在一個能允許光通過的套管(42)內(nèi)，該套管沿著測量頭的光軸延伸，穿過消色差透鏡(25)。玻璃棍(41)的長度約為15mm，其輸入透鏡有一個約為7mm的半徑，位于測量平臺(1)以上大約5mm的距離。
玻璃棍(41)在后端(43)處與一個轉向棱柱(44)耦合，該棱柱位在轉向室(53)內(nèi)，通過該棱柱，由測量斑返回的光在兩個曼金反射鏡(11，14)之間的對稱平面上轉向。轉向棱柱通過一個設在球面上的測量光圈(45)，支配著圖中右邊所畫的那一部分，測量光圈(45)還帶著一個透鏡裝置，這個裝置能使被測表面(2)在撒光光圈(47)上成象。測量光圈(45)位在輸入透鏡(40)的焦點上，從而該系統(tǒng)對人所共知、不可避免的距離變化并不敏感。測量光圈有一內(nèi)徑例如為2.2mm。正如人們在圖中所看到的，有一個含有多個光學部件的光保護管(54)通到設在消球差鏡(25)后面的轉向室(53)內(nèi)。光保護管(54)沿徑向、順著兩個曼金反射鏡(11)和(14)之間的對稱平面伸展一直到其邊界。
為了防止在被測表面(2)以外的漫射光被包括進去，借助透鏡(46)(以及球面(40)和(45))，將被測表面(2)上的成象投射到一個敞露直徑為4.5mm的撒光光圈上成象，該光圈離開透鏡(46)約為11mm。
由于測量條上細微的網(wǎng)目結構，所以能在用上許多光纖的光波導管內(nèi)產(chǎn)生莫阿效應。為了避免產(chǎn)生這種效應，在裝置內(nèi)規(guī)定采用兩個另加的透鏡(48，49)，透鏡(48)如同透鏡(46)一樣是平面加凸面的，透鏡(49)則由一個設在過渡玻璃棒(50)左邊的球面構成(如圖所示)。過渡玻璃棒一方面用作途徑的延長，另一方面是為了能配上光波導管(4)的直徑。過渡玻璃棒的直徑，在進入光波導管時，分成兩級來減小。透鏡(48，49)將測量光圈(45)成象在圖右過渡玻璃棒(50)的端面(51)上。在端面(51)上設有透鏡(52)，該透鏡能使要與光波導管(4)進行耦合的光成為平行。
雖然光波導管(4)開孔的角度可達到例如為±11°，但實用時光波導管(4)的開孔角僅定為9°，以便提高它的應變能力，這樣當光波導管(4)彎曲時，光強將不致變化。過渡玻璃棒(50)的長度約為18mm。
權利要求
1.一種外測頭，具有一個光源(3)，一個照明鏡組(11，14，25)，以一預定的到達一個貼在測量平臺(1)上的被測表面(2)上的距離，按照一個預定大小的投射角度進行照射，還具有一個測量鏡組(40，41，44-51)，其物鏡(40)能接收與被測表面(2)垂直線成一狹小角度并從被測表面(2)上返回的測量光束，使它通過一個光波導管(4)，射到一個光電變換裝置，特別是分光計上，與其耦合，其特征是光源(3)在其光源軸(20)上設置一個由兩個與測量平臺(1)平行并對準的環(huán)形曼金反射鏡組成的裝置，兩個曼金反射鏡的凹面相對，而與曼金反射鏡離開一段距離設置的光源(3)則一個同軸的、能消除曼金反射鏡色差的消球差鏡(25)投射在被測表面(2)上成象，同時在曼金反射鏡(11，14)的光軸(20)上設有物鏡(41)的輸入透鏡(40)，在物鏡輸入透鏡(40)的焦點上設有一個測量光圈(45)，光波導管(4)就與這個光圈耦合。
2.根據(jù)權利要求1的測量頭，其特征是消球差鏡自身突出到兩個曼金反射鏡(11，14)的中間空間中，在其光軸上有一個通道開孔，在該孔內(nèi)，一個面對消球差鏡(25)、在光學上能耦合起來的玻璃棒(41)伸了進去，該棒在與被測表面相對的前端為一球面的光輸入面(40)而在其后端則有測量光圈(45)。
3.根據(jù)權利要求2的測量頭，其特征是測量光圈(45)通過一個轉向棱柱(44)與玻璃棒(41)的后端耦合。
4.根據(jù)權利要求2或3的測量頭，其特征是測量光圈(45)還帶著一個透鏡裝置，這個裝置能使被測表面(2)在撒光光圈(47)上成象。
5.根據(jù)權利要求4的測量頭，其特征是在撒光光圈(47)后面的照射過程中，設有一組透鏡裝置(48，49)，該裝置能在走出測量頭到達光波導管(4)之前，使通過測量光圈(45)的光束在端面(51)上成象。
6.根據(jù)權利要求5的測量頭，其特征是在過渡玻璃棒(50)的面向撒光光圈的前端上設置透鏡裝置(49)而在過渡玻璃棒(50)的后端上則設置端面(51)作為耦合面。
7.根據(jù)權利要求6的測量頭，其特征是光波導管(4)的端面與過渡玻璃棒的后端耦合。
8.根據(jù)權利要求3至7之一的測量頭，其特征是測量光圈(45)，撒光光圈(47)以及帶有歸屬透鏡(46，47)的過渡玻璃棒(50)被設置在一個光保護管(54)內(nèi)，該管沿徑向、順著兩個曼金反射鏡之間的對稱平面一直伸展到邊界。
9.根據(jù)權利要求8的測量頭，其特征是光保護管(54)在曼金反射鏡(11，14)的光軸附近通入到一個轉向室(53)之內(nèi)。該室是由消球差鏡(25)上削平的背面支撐的，帶有轉向棱柱(44)的玻璃棒也伸入到該室內(nèi)。
10.根據(jù)以上權利要求1至9之一的測量頭，其特征是可設置一個參照光波導管(34)，其前端(35)突出在從消球差鏡(25)出來的光束中。
全文摘要
一個為確定在彩印時一起印刷的顏色測量條的光學亮度性質而用的測量頭，該測量頭具有一個照明鏡組，具有兩個曼金反射鏡(11，14)以及一個與曼金反射鏡(11，14)對準的、并設置在中心開孔(13)內(nèi)的消球差鏡(25)。從光源(3)送出并從被測表面(2)返回的光束到達一個玻璃棒(41)內(nèi)，并通過一個測量鏡組(40，45-52)輸入到一個光波導管(4)內(nèi)，通過波導管，上述返回的光速被輸送到一個分光計，以便進行分光分析。
文檔編號G01J3/50GK1032456SQ8810692
公開日1989年4月19日 申請日期1988年9月29日 優(yōu)先權日1987年10月1日
發(fā)明者弗雷德·馬斯特, 吉恩·愛·克努斯 申請人:海德堡印刷機械股份公司