專利名稱：顏色傳感器的制作方法
技術領域：
本發明大體涉及測量樣品或材料的光學特性，尤其涉及測量樣品 或材料的顏色，并且更尤其涉及在制造過程中測量移動材料的顏色。
背景技術：
在現代造紙廠的質量實驗室中，通常在多張紙墊上而不是在單張 上測量產品的顏色、亮度、潔白度和熒光性。如果僅對單張進行測量， 則結果將受到紙張的局部透明度和觀察該紙張的背襯(backing)反射率 的影響。此外，終端客戶通常所關注的是"無限襯墊(infinitepad)"值， 因為這通常是客戶觀察終端產品的方式。然而，在制造過程中，這些 測量狀態無法在原位必然地重現，在此"在線，，傳感器僅可以觀察產品 的單個厚度。
已經采用了多種策略來改善在線顏色測量與實驗室"襯墊"測量之 間的一致性。 一種策略(其例如公開于美國專利No.4,715，715中)利用 與所制造紙張的顏色和光學發散功率接近的不透明材料為紙張設置 背襯。第二種策略是兩次地測量紙張的光譜反射率，其中一次背襯有 高反射(即"白色")材料， 一次背襯有高吸收(即"黑色")材料。通過這些 獨立的測量，可以確定光譜透明度，并且可以根據Kubelka-Munk理 論計算無限襯墊光譜反射率。用于連續地測量暗反光度和亮反光度的 裝置的例子公開于美國專利No.4,944,594中。
通常使用色度值例如CIE L*a*b數值和輔助值例如紙漿與造紙工
業技術協會(TAPPI)的亮度來描述材料的顏色?？梢酝ㄟ^用于特定發光
條件的材料的總體輻射因數以及對那次發光的認知而計算出這些數 值。例如，可以通過適當地測量反射或透射總體輻射因數而使材料的 反射色或透射色特征化。為了可靠地對顏色進行特征化，可能有必要
獲知在大多數或全部可見波長范圍內，至少從420nm到650nm，通常 從400nm到700nm的總體輻射因數。可以利用照射器(illuminator)和 檢測器的任何特定幾何形狀來針對被測材料進行這些測量，并且國際 機構已經將大量的幾何形狀采用為標準。
對于非熒光材料而言，反射總體輻射因數可能總是與反光度光語 相同，并且材料的透射總體輻射因數可能總是與材料的透射率相等。 這些在不同的發光條件下為常量，以便利用單個照射器確定反光度或 透光度足以對在任何其它照射器下的相應的總體輻射因數進行特征 化。因此，在測量非熒光材料的顏色時，可能僅需要使用單個照射器。
然而，對于測量的總體輻射因數通常取決于測量中所使用的照射 器的熒光材料而言，可能不是上述情況。這是因為可通過焚光發射和 入射光線的反射或透射確定總體輻射因數。因此，利用一個照射器測 量到的總體輻射因數不必與利用不同照射器測量到的總體輻射因數 相等，并且測量到的總體輻射因數通常僅對測量中所使用的照射器有 效。例如，在包含二苯乙烯基的熒光增白劑的紙中，450nm處的總體 輻射因數將取決于照射器在450nm處的光語功率與在用于在450nm 處，尤其是從330nm到420nm處的熒光發射的激發帶中的材料光譜 功率之間的比值。此問題及顏色測量結果更詳細地解釋于T. Shakespeare & J. Shakespeare "Problems in color measurement of fluorescent paper grades", Analytica Chimica Acta 380(2) 227-242, 1999 中。
一種用于測量熒光紙顏色的策略是使用兩個不同的照射器來測 量總體輻射因數(其在現有技術中有時被誤導性地稱為反光度因數)。 例如，美國專利No.4,699,510公開了一種用于測量包含熒光增白劑
(FWA)的移動紙張顏色的在線顏色傳感器。熒光增白劑通常吸收入射
光線的紫光和紫外光能量，并且在可見光譜的藍色范圍內再發射這些
能量，以便賦予紙張更白的外觀。該，510專利公開了在紙張由限定源 例如CIE D65(North Sky Daylight)標準源照射的情況下確定如此處理 的紙張的顏色光譜的技術。D65標準源具有能量分布，該能量分布與 其它標準源例如CIE源C相比在300-400nm的范圍內相對明亮；結 果，如果由D65源照射，則具有熒光增白劑的紙可能顯得更藍。
該，510專利中的顏色傳感器具有兩個發光源， 一個為主要在熒光 增白劑的激發帶中發射光線的紫外光源，另一個為具有與CIE標準源 接近的發射光譜的可見光源，CIE標準源也在紫外光或FWA的激發 范圍內發射巨大的光線量。
然而，方法例如，510專利中的方法可能具有有限的效果，因為通 過使用兩個照射器，僅能夠可靠地確定可形成為測量中所使用的兩個 照射器的線性組合的照射器范圍內的總體輻射因數。 一組備選方法公 開于美國專利No.6,263，291和美國專利No.6，272,440中，這些專利描 述了在顏色測量中連續使用多個單色或窄帶照射器。采用這種方式， 測量裝置連續地確定輻射傳輸因數矩陣中的單獨的行，由此可針對任 何照射器計算總體輻射因數。然而，這些方法為可靠性有限的慢速方 法，這是因為裝置要求擴展的測量順序，且在每次測量順序中具有較 長的積分時間，并且裝置也需要對接近零的光通量進行精確測量，以 便對輻射傳輸因數矩陣的非對角線值進行特征化。因此，裝置可能不 適于可能要求單個樣品的快速測量或可能要求測量其顏色可能變化 的快速移動材料的工業應用。例如，在造紙時，紙張可能以接近每秒 30米的速度移動，并且紙張可能在小于1米的距離內表現出顏色特性 的差異。
一種改進的方法公開于美國專利申請No.09/957,085中，其中可 能以隨機順序連續地使用多個富光譜照射器狀態，并且使用分光度測 量的統計分解來推斷輻射傳輸因數矩陣。在這種方法中，使用本身不
穩定的光源例如氙閃光管或其它一些具有不穩定電源的光源來確保 照射器的光鐠可變性。因此，可根據測量順序而確定輻射傳輸因數矩 陣，但該方法不要求每次測量中的較長測量積分，也不要求特別精確 的小光通量測量。然而，該方法卻要求根據測量順序而獲知整個輻射 傳輸因數矩陣，以便計算特定照射器的總體輻射因數。這是因為測量 中所使用的任何特定的照射器狀態不可能在單個測量中與所指定的 照射器足夠精確地匹配以可靠地提供其總體輻射因數。因此，該方法 要求確定輻射傳輸因數的顯著時間，在該段時間期間待測量的樣品必 須靜止，或者如果測量移動材料，則材料的特性在確定期間所移動的 距離范圍內不得改變。
在紙板制造過程中，多種機器將振動施加給環境。這些振動可以 縮短在先前描述的傳感器和類似裝置中所使用的照射裝置的預期壽 命。照射裝置的短暫壽命可能要求替換照射裝置，其不僅引起了替換 成本，而且也可能引起在替換照射裝置時，與制造過程下線時的構件 有關的成本。特別地，基于燈絲的照射器例如鵠-卣素燈可趨向于在振 動較多的環境中快速失效，這是因為燈絲脆弱并且容易破裂。低壓放 電管例如氙閃光管在這種環境中也縮短了使用壽命，這是因為在燈泡 材料中存在應力集中點，并且存在共振頻率的可能性。
因此，需要一種有效的且高效的裝置、方法和系統來快速并及時 地確定熒光和非熒光的樣品和材料的顏色。此外，該裝置、系統和方 法可提供一種可應付具有較大振動的不穩定環境的照射裝置。該裝 置、系統和方法可提供一種照射裝置，該照射裝置提供了熒光材料顏 色的有效測量并且提供了對傳感器的維護。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提供用于測量樣品或材料的顏色的裝 置、系統和方法。根據本發明的一個示例性實施例，該裝置可具有用 于將紫外光束導向至樣品上的至少一個發光二極管和用于控制所述
發光二極管的運行的器件。該裝置還可具有至少一個光線檢測器，用 于接收從樣品上反射或通過樣品透射的光束并且測量所接收光線的 至少一個波長帶。該裝置還可具有用于基于測量到的光線而確定樣品 顏色的測量分析儀。
根據本發明的一個示例性實施例，該裝置可結合以下實施例。在 一個實施例中，發光二極管可將紫外光束和可見光束導向至樣品。在 另一個實施例中，該裝置可具有用于將可見光束導向至樣品的第二發 光二極管。在另一個實施例中，該裝置可具有發光二極管控制器，用
于使發光二極管以大約300納米到大約800納米的波長連續地發射光 線，并且以在大約300納米到大約800納米的波長內的波帶間斷地發 射光線。在另一個實施例中，發光二極管控制器可通過改變輸入電壓、 輸入電流、輸入脈寬及運行溫度而調節發光二極管。每個發光二極管 可定位于單獨的電路板上。至少一個連續發光的二極管可定位于第一 電路板上，而至少一個間斷發光的二極管可定位于第二板上。在又一 個實施例中，該裝置可具有微型光學裝置，用于將來自至少一個發光 二極管的光束聚焦并反射在樣品上。在另一個實施例中，可調節多個 發光二極管，以便提供與指定照射器的集合光束相匹配的集合光束。 在該實施例的變型中，可調節多個發光二極管，以便提供一系列的發 光狀態，這些發光狀態并不都相同，每個狀態提供了與指定照射器的 集合光束相匹配的集合光束。在該實施例的又一個變型中，可調節多 個發光二極管，以便提供一系列的發光狀態，這些發光狀態并不都相 同，每個狀態提供了作為指定照射器的微擾(pe加rbation)的集合光束， 但這些狀態都不需要與指定照射器精確地匹配。在又一個實施例中， 測量分析儀可在指定照射器中估計樣品顏色，該指定照射器可不必與 測量中所使用的任何照射器相同。
考慮到以下詳述并且結合附圖，本發明的以上及其它目的和優點
將變得明顯，在所有附圖中類似的標號表示類似的部件，其中
圖1為用于實施本發明的第一示例性光源實施例的照射裝置的概 略示意圖。
圖2為用于實施本發明的第二示例性光源實施例的照射裝置的概
略示意圖。
圖3為用于實施本發明的第三示例性光源實施例的照射裝置的概
略示意圖。
圖4為流程圖，其表示用于實施本發明的照射裝置實施例的傳感 器的第一示例性方法。
圖5為流程圖，其表示用于本發明的照射裝置實施例的第二示例 性方法。
圖6為用于實施本發明的第四示例性光源實施例的照射裝置的概 略示意圖。
具體實施例方式
顏色傳感器可通過將光束導向至樣品以便照射樣品并且通過檢 測并測量與樣品互相作用的光線而確定樣品的顏色。光線與樣品的互 相作用可包括熒光發射的吸收、散射和激發。對與樣品互相作用的光 線的檢測可在樣品的與照射相同的一側上進行，或者可在照射的相對 側上進行，或者可同時或依次在兩側上進行。顏色傳感器可^f吏用測量 分析儀，以基于所測量的光來確定樣品的顏色。樣品的照射可采用一 個或多個發光二極管?？舍槍τ深愃茦悠返牟牧闲纬傻臒o限厚的不透 明襯墊或者針對具有指定特性的背襯材料的樣品確定樣品的顏色。
可調節發光二極管，以便產生用于測量的 一個或多個發光狀態。 可針對與測量中所使用的發光狀態相匹配的照射器確定樣品顏色。可 針對與測量中所使用的任何發光狀態不匹配的照射器確定樣品顏色， 但該照射器可表示為測量中所使用的發光狀態的線性組合。還可針對 指定照射器確定樣品顏色，該指定照射器不與測量中所使用的任何發
光狀態相匹配，并且也不可精確地表示為測量中所使用的發光狀態的
線性組合；在這種情況下，可將顏色確定為屬于由一組測量中所使用
的發光狀態的線性組合所限定的顏色間隔，這種設定形成一組與指定 照射器接近的微擾。
顏色傳感器包括至少一個照射裝置、至少一個測量檢測器、至少
一個照射器控制器和測量分析儀。它還可包括至少一個參考^r測器。 測量分析儀可與總體上稱為測量裝置的所有其它構件分離。測量分析 儀并不僅限于顏色的反光度測量?？筛倪M測量分析儀以便還測量顏色 的透射測量，或者甚至同時測量兩種特性。測量分析儀可與總體上稱 為測量裝置的所有其它構件分離。
測量檢測器和參考檢測器優選地為分光計。分光計包括光譜儀(包 含光線入口和分散元件例如光柵)和;險測器例如具有128到2048個光 電二極管的線性CCD檢測器。分散元件可為線性可變過濾器或具有 已知特性的一組離散光學過濾器，用于代替光^f冊。分光計可具有另外 的光學元件例如鏡子或分束器，以便將光束導向至分散元件，或者用 于在分散元件的樣品上分布光束，或者用于將分散光線聚焦到檢測器 上。該檢測器可為二維光電二極管陣列而不是線性陣列，或者它可為 一組離散的光電檢測器。
分光計的一個功能是用于將射線的大致準直部分與入口隔開；用 于利用分散元件將進入的光束分散為多個波長帶；用于將分散光線分 配于檢測器上，使得特定波長帶入射到檢測器內的特定位置；用于檢 測并量化落在沖全測器中的多個位置上的光線；和/或用于產生可從其中 獲得色度數據的光語測量。分光計可由分光比色計替換，分光比色計 可僅僅產生作為輸出的色度數據(例如三色值和所獲取的色度數據例 如亮度)。然而，使用分光比色計可導致測量可靠性的降低和熒光測量 效率的降低。
該測量裝置可具有測量檢測器。測量檢測器可為測量來自樣品的 輻射光譜的分光計。所測量的光線為來自于已經照射樣品并且通過透
射樣品或從樣品反射而與樣品互相作用的(多個)光源的光線，并且包 括響應于發光而來自于樣品的熒光發射或磷光發射。
該測量裝置還可具有參考檢測器。參考檢測器可為測量來自(多個) 光源的輻射光語的分光計。所測量的光線不與待測量的試樣互相作 用，或者與校準標準互相作用?？色@取參考分光計的輸入作為由(多個) 光源所產生的光線的 一部分。
參考圖l，傳感器100可包括用于在通線(pass-line)處提供光束104 以照射樣品106的照射裝置102。照射裝置102例如通過^f吏用一個或 多個發光二極管而提供了聚焦光束或準直光束。反射光束由檢測器 108檢測。檢測器108將光線的測量值提供給測量分析儀110?？蓪?照射裝置102產生的光線的一部分導向至參考檢測器114。參考檢測 器114將光線的測量值提供給測量分析儀110。測量分析儀110使用 來自檢測器108的光線值來確定樣品106的顏色，并且可另外使用來 自參考檢測器114的光線值來確定樣品106的顏色。測量分析儀110 還可調節照射器控制器112。測量分析儀可指導照射器控制器112以 使照射裝置102在多個波長帶的每個波長帶處發射具有不同相對強度 的光線。本發明的實施例不由參考檢測器所限制。如本領域技術人員 所知，可以在沒有參考檢測器的情況下實施多個實施例。
照射裝置102可為一個或多個發光二極管(LED)。 LED可發射多 種波長的光線。LED可以以連續的或間^歐的方式發射光線。改變用于 驅動LED的電流和/或電壓也可影響由LED發射的光線的相對光譜功 率分布。照射裝置102還可使用發射具有不同光譜的光線的多個不同 的發光二極管。樣品傳感器IOO可控制單個發光二極管何時點亮，由 此控制由照射裝置102發射的光線的波長光譜。LED可為采用蜂窩結 構的小型LED陣列所產生的大型表面區域LED。 LED還可為單獨地 控制的波長帶，例如R-G-BLED。 LED還可為寬帶發射器，例如利用 多個磷光體或結合量子點(quantum dot)而構成的寬帶發射器。
該照射裝置102可包括散熱面板、光學元件、LED安裝在其上的
一個或多個電路板和用于安裝該裝置的機械結構?？梢圆扇〈胧┯糜?以常規間隔或當診斷測試顯示性能惡化時替換照射裝置的 一 部分或 全部。光學元件可包括光束成形光學器件，例如微透鏡或微反射器或
擴散器、光譜過濾器等。不同的照射裝置可具有不同的LED類型/組 合。
入射到參考檢測器上的射線可具有與入射到樣品上的輻射基本 相同的光譜功率分布。優選地，將(多個)照射器所產生的輻射分為兩 部分，但不需要等量分割。例如， 一些光纖或鏡子或無色分束器可使 來自 一個或多個光源的光線的一部分導向至參考檢測器，而另 一部分 則導向為用于照射樣品。備選地，內表面為擴散性反射的多端口積分 球可用于組合來自 一個或多個光源的輻射，并且將組合輻射的特定部 分供應給參考檢測器，并且供應組合輻射的另 一部分以便照射樣品。 可使用局部球形或其它適當形狀以代替球形，并且可選擇光線入口和 光線出口的數量及位置。
測量幾何形狀為相對于樣品的入射到樣品上的輻射和相對于從 樣品入射到測量檢測器上的輻射的幾何形狀結構。操作許多公用的測 量幾何形狀，并且一些已經被正式化為國際標準，包括0/45、 45/0、 0/d、 d/0等。每對中的第一個數字為樣品在其處被照射的相對于樣品 并且以度數表示的角度，而第二個數字為來自樣品的輻射在其處被測 量的相對于樣品并且以度數表示的角度。根據慣例，將這些配對中的 0°角度認為與被照射的樣品垂直。符號"d"而不是數字角度表示發光或 測量為擴散性的或者無向性的。此外，對于在大于0。的角度處的有向 發光而言，發光可來自單個方位方向，來自多個方位方向，或者來自 圓形環面。
樣品的使輻射導向至測量檢測器的部分被稱為被視區域。被視區 域優選地為半徑為10mm的圓盤，但是可以更大或更小，并且可以不 必為圓形的或連續的。樣品的被照射的部分可包括至少整個被視區 域，并且優選地包括限制被視區域的其它區域。照射在任何測量時刻
在強度和光譜功率分布方面優選地在至少被視區域上在空間上一致。
照射器控制器112可相對于測量分析4義112無源，或者可為自動 單元。照射器控制器112控制來自照射裝置102的光線輸出或者通過 控制供應給LED或LED組的電壓或電流而控制LED或LED組。可 以以連續接通模式或閃動開閉模式來運行照射裝置102。在連續接通 模式中，用于照射器的功率可為固定的，或者可根據確定的方案或以 隨機或偽隨機的順序作為時間的函數而變化。在連續接通模式中，還 可間斷地關閉照射器。在閃動開閉模式中，用于照射器的功率可為固 定的，或者可根據確定的方案或以隨機或偽隨機的順序而在閃動之間 變化。所有的LED可不必具有相同的運行模式、電壓、電流、功率、 時序等。
在示例性情況中，自動照射器控制器以固定的狀態順序運行 LED，每個狀態具有指定的持續時間，其中在每個狀態中，為每個LED 或LED組限定了電壓或電流或功率，并且為打開和關閉LED或LED 組而限定了時序。例如，在持續IO毫秒的第一狀態中，第一LED可 以連續地接通并且具有200毫安的電流，第二 LED可以以1000Hz閃 動地開閉并且具有2安的閃動電流和IOO微秒的閃動持續時間，而第 三LED可連續地接通并且具有從100毫安線性升高到300毫安的電 流；而在持續5毫秒的第二狀態中，第一LED和第二LED都連續地 接通，并且每一個具有150毫安的電流，并且第三LED關閉。
照射器控制器112還可通過例如監視LED的溫度并且通過操控 加熱和冷卻裝置使LED的溫度保持在可接受極限內而執行對LED的 溫度管理。例如， 一種簡單的加熱LED的方法是在沒有進行測量時接 通LED。
樣品106可為在制造過程或機械加工過程中處理的多種材料。例 如，樣品106可為巻紙或巻板，或者可為塑料片或塑料膜，或者可為 編織織物或非編織織物。巻筒利用多種輥子、壓力機和其它機器而在 制造過程中連續地移動。文中描述的樣品傳感器的多個實施例可與多
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個已知標準，例如紙漿與造紙工業技術協會(TAPPI)標準及其它已知的 工業和政府標準相符合。樣品106并不限制于巻紙。樣品106可為在 傳送帶上或用于傳送材料片的其它裝置上前進的單獨的材料片。
樣品106可為透明的、半透明的或不透明的。對于半透明樣品而 言，可利用Kubelka-Munk方法對黑白背襯進行反光度測量，以便估 計由試樣形成的無限厚的襯墊的真實反射率。可擴展Kubelka-Munk 方法以適應這種估計中的熒光。校準板(tile)通常是在所關注的所有波 長處具有高反射率的不透明白板。在校準期間，通常將校準板放置到 經常定位待測量樣品的相同位置內。然而，如果光學路徑被折疊或由 其它方式補償，則不必如此。甚至可以將校準板定位于儀器"內部"處 于與試樣位置光學等效的位置。
光束104從樣品106上反射。利用光線檢測器108測量反射光線 的強度。光線檢測器108可使用光纖或其它微光學器件來收集將由光 線檢測器108檢測到的光線。光線檢測器將收集到的光線轉換為電荷。 光線檢測器108可由多種裝置例如電荷耦合裝置(CCD)、數字互補金 屬氧化物半導體(CMOS)光電二極管陣列、離散光電二極管或任何其 它適當的光敏裝置組成。由光線檢測器108產生的信號可為模擬信號 或可轉換為用于處理的數字信號。將光線;險測器108的信號供給至測 量分析儀110。
可使用參考檢測器114來提供用于測量分析儀110的參考點。可 將參考檢測器114定位成接收由照射裝置102所發射的光線的精確樣 品。根據第一示例性實施例，參考檢測器可使用光纖來聚集直接來自 照射裝置102或來自邊緣的光線。光纖可以防止反射光線破壞由參考 檢測器114所收集到的參考光線樣品。參考檢測器可具有與上文關于 光線檢測器108所述相類似的光線檢測結構。
測量分析儀110可將從光線檢測器108及參考檢測器114接收的 光線的強度和光譜與用于具有已知特性的至少一個校準板的已知強 度值進行比較。通過照射至少一個校準板并且在參考檢測器和測量檢
測器中測量光線，可在兩個檢測器的光度比例之間建立關系。在最簡 單的情況中，可確定用于每個光譜帶的檢測器的標準比值。此后，在 測量樣品102時，可以使用這些光度比例之間的關系來獲取來自兩個 檢測器的光線測量的總體輻射因數測量。
在硬件結構體系方面，測量分析儀110可包括處理器、存儲器和 一個或多個輸入與輸出接口裝置。局部接口可具有其它元件(為簡明起 見而省略了這些元件)，例如控制器、緩沖器(緩存)、驅動器、轉發器 和接收機，以便能夠通信。此外，局部接口可包括地址、控制和/或數 據連接，以便能夠在網絡構件之間進行適當的通信。
測量分析儀110可通過確定反射光束強度和/或光語與來自照射
裝置102的發光光束的強度之間的比值而確定樣品106的特性。在補 償了光度比例之間的關系之后，在測量檢測器處測量的光線與在參考 檢測器處測量的光線之間的比值為用于該次測量的照射器的樣品106 的總體輻射因數。測量分析儀110可使用存儲表、方程或其組合來計 算樣品106的測量特性。
該系統和方法還可結合在與測量分析儀110的計算機或其它適當 運行裝置一起使用的軟件內。測量分析儀IIO還可包括圖形用戶接口 (GUI)，從而允許管理員或用戶輸入、觀察并存儲該特性或者輸入與所 需特性相關聯的限制條件，以便控制制造過程的其它裝置。
參考圖2，傳感器200可包括用于在通線處提供光束204以便照 射樣品206的照射裝置202。照射裝置202例如通過使用一個或多個 發光二極管而提供了聚焦光束或準直光束。檢測器208檢測到了反射 光束。檢測器208將測量到的光線值供應給測量分析儀210。測量分 析儀210使用光線值來確定樣品206的特性。測量分析儀210還可調 節照射器控制器212。測量分析儀210可以指導照射器控制器212， 從而導致照射裝置202發射不同波長或強度的光線。樣品傳感器202 的構件可結合有先前在樣品傳感器100中描述的方面。
可使用參考檢測器214來提供用于測量分析儀210的參考點?？?br>
將參考檢測器214定位成接收由照射裝置202所發射的光線的精確樣 品。根據第二示例性實施例，參考檢測器210可使用梯形鏡子和/或其 它微透鏡及光學構件來聚集直接來自照射裝置202或來自邊緣的光 線。梯形鏡子可防止反射光線破壞參考。根據第二示例性實施例，可 將檢測器208所收集的光線樣品反射到具有第一背景218和第二背景 220的樣品206上。背景218， 220可允許測量分析儀基于在對比背景 218, 220之間的反射光線而確定樣品206的其它特性。在一個例子中， 第一背景218可為黑色，而第二背景220可為白色。
參考圖3，傳感器300可包括用于在通線處提供光束304以便照 射樣品306的照射裝置302。照射裝置302例如通過使用一個或多個 發光二極管而提供了聚焦光束或準直光束。根據第三示例性實施例， 可將LED放置在兩個或多個電路板316上。電路板316可包括發射不 同波長光譜的LED。例如， 一個電路板可包括發射在可見光語內的光 線的LED。電路板316可發射來自不同方向的光線。第二電路板可包 括發射在紫外光譜內的光線的LED。電路板316可在不需要同時替換 傳感器的所有LED的情況下而替換LED。根據以上例子，管理員可 以以更加規律的間隔替換紫外LED。
檢測器308檢測到了反射光束。檢測器308將測量到的光線值供 應給測量分析儀310。測量分析儀310使用^r測到的光線值來確定樣 品306的特性。測量分析儀310還可調節照射器控制器312。測量分 析儀310可指導照射器控制器312,從而導致照射裝置302發射在多 個波長帶的每個波長帶內具有不同相對強度的光線。樣品傳感器300 的構件可結合先前在樣品傳感器100中描述的方面。
可使用參考檢測器314來提供用于測量分析儀310的參考點?？?將參考檢測器314定位成接收由照射裝置302所發射的光線的精確樣 品。根據第三示例性實施例，參考檢測器314可在兩個電路板316之 間的位置上纟企測光線，以便聚集直接來自照射裝置302的光線。
圖4為流程圖，其表示用于實施本發明的照射裝置實施例400的
傳感器的第一個示例性方法。該方法具有兩個階段， 一個為表示在虛 線上方的校準階段，照射裝置的參數在校準階段中得以確定，另一個 為表示在虛線下方的運行階段，該裝置用于在運行階段中測量樣品。
在校準階段中，選擇初始功率設定(方框402)。將具有這種設定的 功率供應給照射裝置，從而導致照射裝置產生第一光束(方框404)。將 因此而產生的第一光束導向至具有已知特性的參考材料上(方框406)。 參考材料可以為例如具有在至少可見范圍內的已知高反射率的擴散 性反射材料。參考材料還可為具有已知熒光特性并且在其熒光的激發 與發射帶中也具有已知反射率的熒光材料。接收與參考材料互相作用 的第二光束(方框408)，并且測量所接收的第二光束的光譜功率分布 (方框410)。通過所測量的第二光束的光譜功率分布和參考材料的已知 特性而確定第一光束的光譜功率分布(方框412)。存儲第一光束的功率 設定和所確定的光譜功率分布(方框414)。對功率設定進行調制，以便 改變第一光束的光譜功率分布(方框416)。然后將具有新設定的功率供 應給照射裝置，從而導致照射裝置產生第一光束(方框404)。將方框 404、 406、 408、 410、 412、 414和416的順序重復多次，從而存儲多 種功率設定及相應的光譜功率分布。可以使用多種參考材料中的每一 種，例如具有不同熒光特性的參考材料來重復該順序。
可在至少執行一次校準階段之后使用運行階段。在運行階段中， 指定了所需的用于發光的光譜功率分布(方框452)。通過在校準階段中 獲得的存儲的功率設定及存儲的光譜功率分布，確定功率設定，該功 率設定將導致照射器產生具有所需光譜功率分布的光線(方框454)。制 造過程使得樣品106前進到傳感器100的通線(方框456)。照射器控制 器112將具有確定設定的功率供應給照射裝置102，從而導致照射裝 置102產生具有所需光譜功率分布的第一光束(方框458)?？赏ㄟ^將功 率供應給照射裝置102的選定LED而實現上述情況。照射裝置102 將第一光束104導向至樣品106上(方框460)。光束104與樣品106 互相作用，從而產生由檢測器108接收的第二光束(方框462)。檢測器
108測量所接收的第二光束的光鐠功率分布(方框464)。測量分析儀 110通過所接收光線的光譜功率分布而確定樣品106的特性(方框 466)。測量分析儀可在運行期間改變用于發光的所需光譜功率分布， 并且可在確定樣品特性時采用利用單個光譜功率分布或兩個或多個 光譜功率分布中的每個照射樣品而進行的測量。可以不時地重復校準 階段，以便可補償構件老化的作用，并且可以避免性能惡化。可將一 種或多種適當的參考材料包含在測量裝置內，該測量裝置具有如下才幾 構，其將參考材料展開到測量位置或等效地改變第一光束和第二光束
的光徑，以便可在對常規操作存在最小干擾的情況下執行校準。
圖5為流程圖，其表示用于本發明照射裝置實施例500的第二示 例性方法。制造過程使樣品106前進到傳感器100的通線(方框502)。 選擇用于照射的所需的光譜功率分布(方框504)。選擇用于照射器的初 始功率設定(方框506)。照射器控制器112將具有給定功率設定的功率 供應給照射裝置102的LED，從而導致LED產生光束(方框508)。將 因而產生的光束分為第 一光束和第二光束(方框510)。第 一光束和第二 光束不需要具有相同的總功率，但其相對光譜功率分布至少在可見范 圍內相同。將第二光束導向至參考檢測器114(方框512)。參考檢測器 114將第二光束的光譜功率分布測量為參考光鐠功率分布(方框514)。 照射器控制器112對LED的功率設定進行調制，以便使測量的參考光 譜功率分布與所需的光譜功率分布之間的差異最小(方框516)。重復方 框508、 510、 512、 514和516的順序，直到測量的參考光譜功率分 布與所需的光譜功率分布之間的差異足夠小。在照射器控制器選擇用 于照射的不同的所需的光i普功率分布時也重復該順序。也可在運行期 間不時地重復該順序，以確保用于照射的光譜功率分布不會偏離所需 的光譜功率分布。
將第一光束104導向至樣品106上(方框518)。檢測器108接收與 樣品互相作用的第三光束(方框520)。檢測器108將所接收的第三光束 的光i普功率分布測量為測量的光譜功率分布(方框522)。當參考光語功
率分布足夠接近于所需的光譜功率分布時，可由測量分析儀IIO通過
所測量的光譜功率分布來確定樣品特性(方框524)。測量分析儀110 可在運行期間改變用于照射的所需的光i普功率分布，并且可在確定樣 品特性時采用通過利用單個所需的光譜功率分布或兩個或多個所需 的光譜功率分布中的每個照射樣品而進行的測量?？赏ㄟ^測量分析儀 或照射器控制器存儲使參考光譜功率分布與所需的光譜功率分布之 間的差異最小的功率設定。如果測量分析儀將來選擇相同的所需的光 譜功率分布，則可將用于所需光譜功率分布的存儲的功率設定用作初 始功率設定。
參考圖6，傳感器600可包括用于在通線處提供光束604以便照 射樣品606的照射裝置602。照射裝置602例如通過使用一個或多個 發光二極管而提供聚焦光束或準直光束。根據第四示例性實施例，可 將檢測器608定位在樣品606之外。
光束由檢測器608檢測。檢測器608將測量的光線值供應給測量 分析儀610。測量分析儀610使用4企測的光線值來確定樣品606的特 性。測量分析儀610還可調節照射器控制器612。測量分析儀610可 指導照射器控制器612,以使照射裝置602發射在多個波長帶的每個 波長帶內具有不同相對強度的光線。樣品傳感器600的構件可結合先 前在樣品傳感器中描述的方面。可使用參考檢測器614來提供用于測 量分析儀610的參考點?？蓪⒖紮z測器614定位成接收由照射裝置 602所發射的光線的精確樣品。
應當理解的是，前述內容僅用于解釋發明原理，并且在不脫離發 明范圍與精神的情況下，本領域技術人員可以做出多種修改。因此， 應當認為這些實施例是在本發明的范圍之內。本領域內技術人員還將 認識到的是，本發明可通過所述實施例之外的實施例來實施，所述實 施例的目的是用于解釋而不是用于限制，并且本發明僅由權利要求所 限制。
權利要求
1. 一種用于測量樣品特性的裝置，所述裝置包括用于利用光線照射所述樣品的區域的至少一個器件，所述器件包括發射至少一個紫外光帶的至少一個發光二極管；至少一個器件，其用于接收與所述樣品互相作用的所述光線，并且用于測量所述光線在至少基本跨越可見范圍的多個波長帶中的光譜功率分布，從而形成測量的光譜功率分布；和用于通過所述測量的光譜功率分布來確定所述樣品的光譜特性的至少一個器件。
2. 如權利要求l所述的裝置，其特征在于，用于照射所述樣品的 器件和用于接收與所述樣品互相作用的光線的器件位于所述樣品的 同一側上。
3. 如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括至少 一個器件，其用于將具有已知反射率的背襯設置在所述樣品的與所述 樣品的被照射區域相對的側面上，以使在可見范圍內具有明顯不同的 反射率的至少兩個背襯可與所述樣品的被照射區域相對地定位；并且，用于確定所述樣品的光譜特性的器件采用至少一個測量的 光譜功率分布，所述至少一個測量的光譜功率分布利用具有明顯不同 的反射率的至少兩個背襯中的每個而獲得。
4. 如權利要求l所述的裝置，其特征在于，用于照射所述樣品的 器件和用于接收與所述樣品互相作用的光線的器件位于所述樣品的 不同側上。
5. 如權利要求l所述的裝置，其特征在于，用于照射所述樣品的 器件包括發射至少一個可見光帶的至少一個發光二極管。
6. 如權利要求l所述的裝置，其特征在于，用于照射所述樣品的 器件包括發射至少一個紫外光帶和至少一個可見光帶的至少一個發 光二極管。
7. 如權利要求l所述的裝置，其特征在于，用于照射所述樣品的所述器件利用至少基本跨越可見范圍的光線來照射所述樣品。
8. 如權利要求l所述的裝置，其特征在于，用于照射所述樣品的器件包括至少一個發光二極管，所述至少一個發光二極管的運行可被中斷。
9. 如權利要求l所述的裝置，其特征在于，用于照射所述樣品的器件還包括用于控制至少一個發光二極管的運行從而可改變其光線 輸出強度的器件。
10. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，用于照射所述樣品的器件還包括用于控制至少一個發光二極管的運行從而利用具有至 少 一個所需的光譜功率分布的光線照射所述樣品的器件。
11. 如權利要求10所述的裝置，其特征在于，用于確定所述樣品光譜特性的器件釆用測量的光語功率分布，所述測量的光譜功率分布通過用于照射所述樣品的至少兩個光譜功率分布中的每個而獲得。
12. 如權利要求10所述的裝置，其特征在于，用于確定所述樣品 的光譜特性的器件確定針對指定照射的所述樣品的光譜特性，所述指定照射不可表示為用于照射所述樣品的光譜功率分布的精確線性組合，使得針對包含所述指定照射的所述線性組合的范圍確定光語特性 的間隔。
13. 如權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括 至少一個器件，其用于將由用于照射所述樣品的器件所產生的光線分開，以使所述光線的一部分用于照射所述樣品而另 一部分不用于 照射所述樣品；和至少一個器件，其用于接收未用于照射所述樣品的所述光線，并 且用于將所述光線在至少基本跨越可見范圍的多個波長帶中的光譜 功率分布測量為參考光譜功率分布。
14. 如權利要求13所述的裝置，其特征在于，用于確定所述樣品 的光譜特性的至少一個器件采用所述測量的光譜功率分布和所述參考光譜功率分布。
15. 如權利要求13所述的裝置，其特征在于，用于照射所述樣品 的器件還包括用于控制至少一個發光二極管的運行以使所述參考光 i普功率分布作為所需的光譜功率分布的器件。
16. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，至少一個發光二極 管具有光學元件，所述光學元件修改由所述發光二極管發射的光線的 至少一個特性。
17. 如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述光線的被修改 的特性為空間強度分布。
18. 如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述光線的被修改 的特性為光譜功率分布。
19. 如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述光線的被修改 的特性為極化狀態。
20. —種用于檢測樣品特性的方法，其包括以下動作 傳遞樣品；將功率供應到至少一個可見光發光二極管； 將光束從所述可見光發光二極管導向至所述樣品上； 將功率供應到至少 一個紫外光發光二極管； 將光束從所述紫外光發光二極管導向至所述樣品上； 檢測與所述樣品互相作用的所述可見光和所述紫外光；以及 基于所述^r測的光束確定所述樣品的特性。
21. 如權利要求20所述的方法，其特征在于，間斷地執行將功率 供應到至少 一 個紫外光發光二極管的動作。
22. 如權利要求20所述的方法，其特征在于，將功率供應到至少 一個可見光發光二極管的動作還包括通過第 一 電路板供應功率，并且 將功率供應到至少一個紫外光發光二極管的動作還包括通過第二電 路板供應功率。
23. 如權利要求20所述的方法，其特征在于，通過改變供應給所 述紫外光發光二極管的電流來執行將功率供應到至少 一個紫外光發 光二極管的動作。
全文摘要
公開了用于測量樣品顏色的裝置、系統和方法。示例性的裝置可具有用于將紫外光束導向至樣品的一個或多個發光二極管，并且還可具有用于將可見光束導向至樣品的一個或多個發光二極管。示例性的裝置可具有用于控制每個發光二極管的運行的時序和功率的構件。示例性的裝置還可具有至少一個光檢測器，用于接收從樣品反射或經過樣品透射的光束并且測量接收的光線的至少一個波長帶。示例性的裝置還可具有測量分析儀，用于基于測量的光線確定樣品顏色?？舍槍Y合熒光效果的指定照射器確定顏色。
文檔編號G01N21/86GK101389936SQ200680053474
公開日2009年3月18日 申請日期2006年12月20日 優先權日2005年12月29日
發明者J·F·莎士比亞, T·T·莎士比亞 申請人:霍尼韋爾國際公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
