印刷用密度計(jì)的發(fā)展情況與前景

裴靖妮

(運(yùn)城學(xué)院 機(jī)電工程系，山西運(yùn)城044300)

0.引言

密度計(jì)是印刷質(zhì)量檢測的重要工具，是推動(dòng)印刷產(chǎn)業(yè)朝數(shù)字化發(fā)展的有力工具。使用密度計(jì)對網(wǎng)點(diǎn)面積、實(shí)地密度、疊印率、網(wǎng)點(diǎn)增大值和相對反差值等的測量，可以為印刷中的各道工序的產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)及評定質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。［1］在印刷中，使用的密度計(jì)均屬于光學(xué)密度計(jì)，測量的是光學(xué)密度。光學(xué)密度是物體吸收光線的特性量度，即入射光量與反射光量或透射光量之比，常用以10為底的反射率倒數(shù)或透射率倒數(shù)的對數(shù)來表示。光學(xué)密度計(jì)是一種用來間接確定表面吸收光的量的儀器，它的工作原理:比較表面反射光(或透射光)的強(qiáng)度與照射在表面上的光強(qiáng)度，然后通過大家認(rèn)可的邏輯關(guān)系來計(jì)算密度值。

1.密度計(jì)的分類

通常，我們將密度計(jì)分為反射密度計(jì)和透射密度計(jì)，反射密度計(jì)通過測量從印刷品反射的光量，得出反射密度值;透射密度計(jì)通過測量通過透明膠片的光量從而測量出透射密度。

此外，根據(jù)分光元件的不同，我們還可將密度計(jì)分為濾色片密度計(jì)和分光密度計(jì)。下面就對濾色片和分光密度計(jì)的原理進(jìn)行簡單的介紹。

1.1 濾色片密度計(jì)

濾色片密度計(jì)，首先通過濾色片對入射光進(jìn)行分色，然后求出其密度。密度值的計(jì)算如公式(1－1):

其中i=R、G、B。β為反射率或透射率。

濾色片密度計(jì)可分為黑白密度計(jì)和彩色密度計(jì)兩種。黑白密度計(jì)只有一種濾色片，常稱為黑度測量。例如:測量黑白照片、黑白底片密度。彩色密度計(jì)測量彩色光，通過紅、綠、藍(lán)三種濾色片分色后測量反射或透射光的紅、綠、藍(lán)三成分的光強(qiáng)，再通過邏輯計(jì)算，最后通過電子器件直接顯示物體的三色密度。一般用DR、DG、DB表示，從中判斷物體對這三種基本成分吸收的相對比例關(guān)系。

1.2 分光密度計(jì)

分光密度計(jì)是采用光譜式分光，根據(jù)光譜乘積∏(λ)來計(jì)算密度值的，密度值如公式(1－2):

其中 i=R、G、B，O(λ)為光譜透射率或反射率，∏(λ)是光譜乘積，國標(biāo)中對每種類型密度的光譜乘積都有規(guī)定。從密度計(jì)的公式中可以看出，只要測量出光譜反射率或透射率，就可以得到三色密度值。

分光密度計(jì)有類似單色儀光譜掃描和凹面光柵多通道接受結(jié)構(gòu)兩種類型。［2，3］

1.2.1 單色儀結(jié)構(gòu)

密度計(jì)的光譜采樣間隔一般是10nm－20nm，在400nm－700nm波長范圍內(nèi)采樣，誤差較小，滿足測量要求。單色儀結(jié)構(gòu)的分光密度計(jì)常用幾十個(gè)濾色片組成的濾色輪(如圖1)或?yàn)V色環(huán)分光，旋轉(zhuǎn)探測器或者探測器不動(dòng)，旋轉(zhuǎn)濾色輪對光采樣接收。

圖1 濾色輪式彩色密度計(jì)

1.2.2 光柵結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)一般所成的光譜像面平整，能夠用CCD或SPD(Self－Scanning Photodiode Array)一次性探測。［4］分光部分為光柵元件，常采用Czerny－Zurner光柵結(jié)構(gòu)(如圖2)，有較好的經(jīng)濟(jì)性和工藝性，可以較好的消除彗差。

圖2 Czerny－Zurner光柵結(jié)構(gòu)

2.密度計(jì)在國內(nèi)外的發(fā)展情況

密度計(jì)的發(fā)展距今已有大約90年的歷史了。在20世紀(jì)初，國外就已經(jīng)擁有了透射密度計(jì)。后來到了1925年，通過對已有透射密度計(jì)的改良，由H.Mills Cartwright和C.D.Hallam設(shè)計(jì)出了一款新型的反射密度計(jì)，它可用于對照片和半色調(diào)印品的密度進(jìn)行測量。［5］在1929年，由 Eastman Kodak公司推出了一款名為Capstaff－Purdy的密度計(jì)。在此密度計(jì)的基礎(chǔ)上，又由 J.W.Mcfarlane，和 Eastman Kodak公司在1933年，研制出一種新的反射密度計(jì)，這個(gè)密度計(jì)將入射光的角度固定為45°。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)還加入了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)白板，通過兩個(gè)光路將樣本的反射光與標(biāo)準(zhǔn)白板的反射光反射到接收設(shè)備中，再通過分析和計(jì)算得到密度值。［6］

到了1936年，由NORA M.Mohler、Delia Ann Taylor、Smith College、Northampton和Mass在《J.O.S.A》雜志上發(fā)表了一篇論文，論文中介紹了一種新的反射密度計(jì)，在這款密度計(jì)中，采用光電池作為反射光的接收元件。［7］采用光電池可以減少外部設(shè)備提供電壓;同時(shí)，它對變化的光源擁有一個(gè)線性的響應(yīng)。

在20世紀(jì)40年代，Western Electric RA－t 100透射密度計(jì)成為了當(dāng)時(shí)最受歡迎的一種密度計(jì)。但是，反射密度計(jì)的發(fā)展并不是很好，因?yàn)樗木冗_(dá)不到人們預(yù)期的效果。到了1949年，由R.L.Huber和A.B.Raus，以Western Electric RA －t 100透射密度計(jì)為基礎(chǔ)，又研制出了一種反射－透射光電密度計(jì)。［8］這個(gè)密度計(jì)是在原有的透射密度計(jì)基礎(chǔ)上對整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了改良，加入了一個(gè)用于測量反射密度的光學(xué)系統(tǒng);另外，該密度計(jì)中加入了青濾色片，使密度計(jì)可以用來測量單色和彩色印刷品。這款密度計(jì)打破了以前密度計(jì)只能單一的測量反射或透射密度的歷史。

到了20世紀(jì)50年代末，由Albet J.Derr研制出了一種新的反射密度計(jì)。［9］該密度計(jì)采用8個(gè)鎢絲燈組成一個(gè)系統(tǒng)作為光源，以一個(gè)5°的圓錐角的形式照射到樣本表面，照射孔徑為10mm，這樣可以減少不必要的光照射到樣本上，影響測量精度。同時(shí)，在反射光接收的路徑上還加入了彩色濾色片，因此可以對多色疊印的印品進(jìn)行密度測量?，F(xiàn)在所使用的彩色反射密度計(jì)大都采用這種形式。

與國外相比，我國對密度計(jì)的研究就比較晚了。七十年代以前我國印刷所使用的密度計(jì)完全依賴進(jìn)口。后來根據(jù)“28項(xiàng)新產(chǎn)品研制計(jì)劃”，廣州金星儀器廠于1978年試制成功了我國第一臺MCF－1型反射式密度計(jì)和第一臺MC1－1型透射式彩色密度計(jì)。［10］這兩種彩色密度計(jì)采用中規(guī)模集成電路及數(shù)字顯示等技術(shù)，體積小，重量輕，外形美觀，接近國外同類產(chǎn)品水平，填補(bǔ)了我國印刷行業(yè)在色光密度測量方面的空白，為國家節(jié)省了大量外匯。到了1982年，在此基礎(chǔ)上，又同華南工學(xué)院合作，進(jìn)一步試制成功帶微處理機(jī)的網(wǎng)點(diǎn)透射式彩色密度計(jì)。

于此同時(shí)，溫州自動(dòng)化設(shè)備廠于1977年開始生產(chǎn)印刷機(jī)械產(chǎn)品，生產(chǎn)出多種型號的黑白密度計(jì)，MDF－1型彩色反射密度計(jì)，MDW－1型彩色透射密度計(jì)、平印機(jī)調(diào)節(jié)表、平印橡皮布厚度測量儀等測量工具。

由廣州金星儀器廠和華南工學(xué)院共同研制成功的MTC－3微型電腦多功能透射式彩色密度計(jì)，于1984年10月通過鑒定，［11］并且它的主要技術(shù)性能已可以達(dá)到國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

最近，由西安工業(yè)大學(xué)光電學(xué)院和西安理工大學(xué)印包學(xué)院專家教授們聯(lián)合研制開發(fā)的CRD－998C彩色反射式密度儀已經(jīng)由咸陽銳普網(wǎng)絡(luò)信息工程有限公司推出。它采用最新的半導(dǎo)體LED光源技術(shù)和微電子技術(shù)，全中文顯示，放棄了傳統(tǒng)密度計(jì)普遍采用的普通光源加濾色片技術(shù)，它測量的密度、網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)和世界上比較先進(jìn)的愛色麗530密度儀測量的數(shù)據(jù)基本一致。

分光密度計(jì)是一種比較新的密度計(jì)，從20世紀(jì)90年代起開始興起。現(xiàn)在市面上常用的分光密度計(jì)，多是由愛色麗公司從90年代開始陸續(xù)推出的500系列分光密度計(jì)，它采用了一種叫做DSR的系統(tǒng)，使用24個(gè)不同的濾色片從24個(gè)不同的點(diǎn)對400nm到700nm的光譜曲線進(jìn)行測量并通過計(jì)算響應(yīng)值得出31個(gè)不同的采樣點(diǎn)，即每隔10納米就進(jìn)行一次采樣。［12］通過這種測量方式我們可以更加精確地對顏色進(jìn)行測量。

此外，愛色麗公司近期又推出了SpectroEye分光密度計(jì)，它是一款為印刷工藝檢查而設(shè)計(jì)的一款多功能分光光度儀/色密度儀。它最獨(dú)特的功能是——最佳匹配，能幫助印刷現(xiàn)場校準(zhǔn)顏色，有利于油墨的調(diào)配，可以直接的讓你知道如何通過改變油墨厚度(膠印)或濃度(柔印和凹印)，從而達(dá)到與參考顏色的匹配。

由美國GretagMactch公司(現(xiàn)已與愛色麗公司合并)推出的spectroline分光光度計(jì)(也可以測量透/反射彩色密度)，它采用是全息平場凹面光柵作為分光元件(a holographic diffraction grating)，重復(fù)性為 ±0.01D，測量時(shí)間 1s－2.5s。［2］

3.密度計(jì)發(fā)展前景及應(yīng)用

雖然我國的密度計(jì)產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但是現(xiàn)在市面上所銷售和使用的絕大部分依然是國外的產(chǎn)品，國內(nèi)對于密度計(jì)的研究和生產(chǎn)還有很長的路要走。

現(xiàn)在市場上通常使用的密度計(jì)大都采用鹵鎢絲燈。白熾燈作為光源，它的壽命比較短，溫度高散熱不好還伴有熱輻射，需要加入濾色片對紅外光進(jìn)行過濾，增加了密度計(jì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。而隨著固體發(fā)光材料的進(jìn)一步開發(fā)，半導(dǎo)體技術(shù)的逐步改進(jìn)第四代照明光源白光LED已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于我們的日常生活中，國外一些新的顏色檢測儀器已經(jīng)開始采用LED作為光源。因此，采用白光LED作為密度計(jì)的照明光源必將是密度計(jì)發(fā)展的一個(gè)方向。白光LED光源屬于綠色照明光源，白光LED固態(tài)光源，具有壽命長、省電、體積小、耐震性好、高效、響應(yīng)時(shí)間快、驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)，隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，價(jià)格的下降，它必將成為可能替代熒光燈、白熾燈的環(huán)保型、節(jié)能型照明光源。［13，14］同時(shí)，現(xiàn)在生產(chǎn)的白光LED光源已經(jīng)有多種色溫形式，基本可以滿足密度計(jì)所用光源的要求。

傳統(tǒng)的密度計(jì)中，大都采用濾色片加上光電傳感器對反射光進(jìn)行分色并接收。但是這種形式增加了密度計(jì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時(shí)，也增加了成本。現(xiàn)在生產(chǎn)出的顏色傳感器已經(jīng)將光電傳感器與濾波器集成到了一起，可以對光信號進(jìn)行分色和接收。如s7505顏色傳感器，其探測紅、綠、藍(lán)三色分量的波長范圍分別為:紅590 nm－720 nm(峰值波長λp=660 nm，半高全寬為90 nm);綠480 nm－600 nm(λp=540 nm，半高全寬為70 nm);藍(lán)400 nm－540 nm(λp=460 nm，半高全寬為 90 nm)，［15］可以滿足國標(biāo)對密度計(jì)中所用濾色片的要求。另外，如TCS230顏色傳感器，它同樣可以對反射光進(jìn)行分色，它通常用于顏色的識別與檢測。同時(shí)，它擁有一個(gè)特別的性能，即從此傳感器中輸出的信號為數(shù)字信號。一般顏色傳感器輸出為模擬信號，需要通過A/D轉(zhuǎn)換對該信號進(jìn)一步處理，機(jī)器才能進(jìn)行識別，增加了電路的復(fù)雜性，并且存在較大的識別誤差，影響了識別的效果。［16］而采用此傳感器作為光接收元件不僅省去了濾色片，同時(shí)也省去了A/D轉(zhuǎn)換的過程簡化了密度計(jì)的結(jié)構(gòu)，節(jié)省了成本。隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，使用顏色傳感器代替濾色片和光電傳感器是密度計(jì)發(fā)展的一個(gè)方向。

近兩年印刷在線檢測系統(tǒng)發(fā)展迅猛，除了傳統(tǒng)的對套準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)控外，密度也成為在線檢測對印品質(zhì)量監(jiān)控的一個(gè)重要指標(biāo)。在線檢測系統(tǒng)中對密度的測量原理同傳統(tǒng)的密度計(jì)相同，只是要求檢測的頻率有所增加，從之前的抽樣檢測到現(xiàn)在每張印品均需要檢測。這就對整個(gè)密度檢測系統(tǒng)的計(jì)算速率提出了很高的要求，而采用顏色傳感器設(shè)計(jì)的密度測量系統(tǒng)，能夠滿足在線檢測高速、高效的要求。

綜上所述，密度作為印刷品質(zhì)量檢測的一個(gè)重要指標(biāo)，密度計(jì)也必將會是今后我們研究的一個(gè)重要方向，將密度計(jì)更好、更快的國產(chǎn)化，必將成為我們印刷人努力的一個(gè)方向。

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