印刷用密度计的发展情况与前景

2014-05-15裴靖妮

运城学院学报 2014年2期

裴靖妮

(运城学院机电工程系，山西运城044300)

0.引言

密度计是印刷质量检测的重要工具，是推动印刷产业朝数字化发展的有力工具。使用密度计对网点面积、实地密度、叠印率、网点增大值和相对反差值等的测量，可以为印刷中的各道工序的产品质量控制提供了可靠的数据依据及评定质量的标准。［1］在印刷中，使用的密度计均属于光学密度计，测量的是光学密度。光学密度是物体吸收光线的特性量度，即入射光量与反射光量或透射光量之比，常用以10为底的反射率倒数或透射率倒数的对数来表示。光学密度计是一种用来间接确定表面吸收光的量的仪器，它的工作原理:比较表面反射光(或透射光)的强度与照射在表面上的光强度，然后通过大家认可的逻辑关系来计算密度值。

1.密度计的分类

通常，我们将密度计分为反射密度计和透射密度计，反射密度计通过测量从印刷品反射的光量，得出反射密度值;透射密度计通过测量通过透明胶片的光量从而测量出透射密度。

此外，根据分光元件的不同，我们还可将密度计分为滤色片密度计和分光密度计。下面就对滤色片和分光密度计的原理进行简单的介绍。

1.1 滤色片密度计

滤色片密度计，首先通过滤色片对入射光进行分色，然后求出其密度。密度值的计算如公式(1－1):

其中i=R、G、B。β为反射率或透射率。

滤色片密度计可分为黑白密度计和彩色密度计两种。黑白密度计只有一种滤色片，常称为黑度测量。例如:测量黑白照片、黑白底片密度。彩色密度计测量彩色光，通过红、绿、蓝三种滤色片分色后测量反射或透射光的红、绿、蓝三成分的光强，再通过逻辑计算，最后通过电子器件直接显示物体的三色密度。一般用DR、DG、DB表示，从中判断物体对这三种基本成分吸收的相对比例关系。

1.2 分光密度计

分光密度计是采用光谱式分光，根据光谱乘积∏(λ)来计算密度值的，密度值如公式(1－2):

其中 i=R、G、B，O(λ)为光谱透射率或反射率，∏(λ)是光谱乘积，国标中对每种类型密度的光谱乘积都有规定。从密度计的公式中可以看出，只要测量出光谱反射率或透射率，就可以得到三色密度值。

分光密度计有类似单色仪光谱扫描和凹面光栅多通道接受结构两种类型。［2，3］

1.2.1 单色仪结构

密度计的光谱采样间隔一般是10nm－20nm，在400nm－700nm波长范围内采样，误差较小，满足测量要求。单色仪结构的分光密度计常用几十个滤色片组成的滤色轮(如图1)或滤色环分光，旋转探测器或者探测器不动，旋转滤色轮对光采样接收。

图1 滤色轮式彩色密度计

1.2.2 光栅结构

这种结构一般所成的光谱像面平整，能够用CCD或SPD(Self－Scanning Photodiode Array)一次性探测。［4］分光部分为光栅元件，常采用Czerny－Zurner光栅结构(如图2)，有较好的经济性和工艺性，可以较好的消除彗差。

图2 Czerny－Zurner光栅结构

2.密度计在国内外的发展情况

密度计的发展距今已有大约90年的历史了。在20世纪初，国外就已经拥有了透射密度计。后来到了1925年，通过对已有透射密度计的改良，由H.Mills Cartwright和C.D.Hallam设计出了一款新型的反射密度计，它可用于对照片和半色调印品的密度进行测量。［5］在1929年，由 Eastman Kodak公司推出了一款名为Capstaff－Purdy的密度计。在此密度计的基础上，又由 J.W.Mcfarlane，和 Eastman Kodak公司在1933年，研制出一种新的反射密度计，这个密度计将入射光的角度固定为45°。同时，在设计时还加入了一个标准白板，通过两个光路将样本的反射光与标准白板的反射光反射到接收设备中，再通过分析和计算得到密度值。［6］

到了1936年，由NORA M.Mohler、Delia Ann Taylor、Smith College、Northampton和Mass在《J.O.S.A》杂志上发表了一篇论文，论文中介绍了一种新的反射密度计，在这款密度计中，采用光电池作为反射光的接收元件。［7］采用光电池可以减少外部设备提供电压;同时，它对变化的光源拥有一个线性的响应。

在20世纪40年代，Western Electric RA－t 100透射密度计成为了当时最受欢迎的一种密度计。但是，反射密度计的发展并不是很好，因为它的精度达不到人们预期的效果。到了1949年，由R.L.Huber和A.B.Raus，以Western Electric RA －t 100透射密度计为基础，又研制出了一种反射－透射光电密度计。［8］这个密度计是在原有的透射密度计基础上对整个光学系统进行了改良，加入了一个用于测量反射密度的光学系统;另外，该密度计中加入了青滤色片，使密度计可以用来测量单色和彩色印刷品。这款密度计打破了以前密度计只能单一的测量反射或透射密度的历史。

到了20世纪50年代末，由Albet J.Derr研制出了一种新的反射密度计。［9］该密度计采用8个钨丝灯组成一个系统作为光源，以一个5°的圆锥角的形式照射到样本表面，照射孔径为10mm，这样可以减少不必要的光照射到样本上，影响测量精度。同时，在反射光接收的路径上还加入了彩色滤色片，因此可以对多色叠印的印品进行密度测量。现在所使用的彩色反射密度计大都采用这种形式。

与国外相比，我国对密度计的研究就比较晚了。七十年代以前我国印刷所使用的密度计完全依赖进口。后来根据“28项新产品研制计划”，广州金星仪器厂于1978年试制成功了我国第一台MCF－1型反射式密度计和第一台MC1－1型透射式彩色密度计。［10］这两种彩色密度计采用中规模集成电路及数字显示等技术，体积小，重量轻，外形美观，接近国外同类产品水平，填补了我国印刷行业在色光密度测量方面的空白，为国家节省了大量外汇。到了1982年，在此基础上，又同华南工学院合作，进一步试制成功带微处理机的网点透射式彩色密度计。

于此同时，温州自动化设备厂于1977年开始生产印刷机械产品，生产出多种型号的黑白密度计，MDF－1型彩色反射密度计，MDW－1型彩色透射密度计、平印机调节表、平印橡皮布厚度测量仪等测量工具。

由广州金星仪器厂和华南工学院共同研制成功的MTC－3微型电脑多功能透射式彩色密度计，于1984年10月通过鉴定，［11］并且它的主要技术性能已可以达到国外同类产品的先进水平。

最近，由西安工业大学光电学院和西安理工大学印包学院专家教授们联合研制开发的CRD－998C彩色反射式密度仪已经由咸阳锐普网络信息工程有限公司推出。它采用最新的半导体LED光源技术和微电子技术，全中文显示，放弃了传统密度计普遍采用的普通光源加滤色片技术，它测量的密度、网点数据和世界上比较先进的爱色丽530密度仪测量的数据基本一致。

分光密度计是一种比较新的密度计，从20世纪90年代起开始兴起。现在市面上常用的分光密度计，多是由爱色丽公司从90年代开始陆续推出的500系列分光密度计，它采用了一种叫做DSR的系统，使用24个不同的滤色片从24个不同的点对400nm到700nm的光谱曲线进行测量并通过计算响应值得出31个不同的采样点，即每隔10纳米就进行一次采样。［12］通过这种测量方式我们可以更加精确地对颜色进行测量。

此外，爱色丽公司近期又推出了SpectroEye分光密度计，它是一款为印刷工艺检查而设计的一款多功能分光光度仪/色密度仪。它最独特的功能是——最佳匹配，能帮助印刷现场校准颜色，有利于油墨的调配，可以直接的让你知道如何通过改变油墨厚度(胶印)或浓度(柔印和凹印)，从而达到与参考颜色的匹配。

由美国GretagMactch公司(现已与爱色丽公司合并)推出的spectroline分光光度计(也可以测量透/反射彩色密度)，它采用是全息平场凹面光栅作为分光元件(a holographic diffraction grating)，重复性为 ±0.01D，测量时间 1s－2.5s。［2］

3.密度计发展前景及应用

虽然我国的密度计产业也已经发展了几十年，但是现在市面上所销售和使用的绝大部分依然是国外的产品，国内对于密度计的研究和生产还有很长的路要走。

现在市场上通常使用的密度计大都采用卤钨丝灯。白炽灯作为光源，它的寿命比较短，温度高散热不好还伴有热辐射，需要加入滤色片对红外光进行过滤，增加了密度计结构的复杂性。而随着固体发光材料的进一步开发，半导体技术的逐步改进第四代照明光源白光LED已经广泛的应用于我们的日常生活中，国外一些新的颜色检测仪器已经开始采用LED作为光源。因此，采用白光LED作为密度计的照明光源必将是密度计发展的一个方向。白光LED光源属于绿色照明光源，白光LED固态光源，具有寿命长、省电、体积小、耐震性好、高效、响应时间快、驱动电压低等优点，随着芯片技术的发展，价格的下降，它必将成为可能替代荧光灯、白炽灯的环保型、节能型照明光源。［13，14］同时，现在生产的白光LED光源已经有多种色温形式，基本可以满足密度计所用光源的要求。

传统的密度计中，大都采用滤色片加上光电传感器对反射光进行分色并接收。但是这种形式增加了密度计结构的复杂性，同时，也增加了成本。现在生产出的颜色传感器已经将光电传感器与滤波器集成到了一起，可以对光信号进行分色和接收。如s7505颜色传感器，其探测红、绿、蓝三色分量的波长范围分别为:红590 nm－720 nm(峰值波长λp=660 nm，半高全宽为90 nm);绿480 nm－600 nm(λp=540 nm，半高全宽为70 nm);蓝400 nm－540 nm(λp=460 nm，半高全宽为 90 nm)，［15］可以满足国标对密度计中所用滤色片的要求。另外，如TCS230颜色传感器，它同样可以对反射光进行分色，它通常用于颜色的识别与检测。同时，它拥有一个特别的性能，即从此传感器中输出的信号为数字信号。一般颜色传感器输出为模拟信号，需要通过A/D转换对该信号进一步处理，机器才能进行识别，增加了电路的复杂性，并且存在较大的识别误差，影响了识别的效果。［16］而采用此传感器作为光接收元件不仅省去了滤色片，同时也省去了A/D转换的过程简化了密度计的结构，节省了成本。随着传感器技术的不断发展和完善，使用颜色传感器代替滤色片和光电传感器是密度计发展的一个方向。

近两年印刷在线检测系统发展迅猛，除了传统的对套准进行监控外，密度也成为在线检测对印品质量监控的一个重要指标。在线检测系统中对密度的测量原理同传统的密度计相同，只是要求检测的频率有所增加，从之前的抽样检测到现在每张印品均需要检测。这就对整个密度检测系统的计算速率提出了很高的要求，而采用颜色传感器设计的密度测量系统，能够满足在线检测高速、高效的要求。

综上所述，密度作为印刷品质量检测的一个重要指标，密度计也必将会是今后我们研究的一个重要方向，将密度计更好、更快的国产化，必将成为我们印刷人努力的一个方向。

［1］孙萌.印刷流程质量控制的武器——密度计［J］.今日印刷，2003(8).

［2］宁红娜，倪旭翔.彩色密度计的发展现状与趋势［J］.光学仪器，2003(4).

［3］Helmut K.Color measurement methods and systems in printing technology and graphic arts［J］.SPIE，1992:278－286.

［4］王克瑜，叶关荣.线阵CCD在颜色测试中的应用［J］.光电工程，1998(1).

［5］H.Mills Cartwright，C.D.Hallam.A NEW REFLECTION DENSITOMETER.Journal of Scientific Instruments，1926，(8):246 －248.

［6］J.W.Mcfarlane，，Eastman Kodak Company.A Reflection Densitometer［J］.J.O.S.A，1934，1:19 －24.

［7］NORA M.Mohler ，Delia Ann Taylor，Smith College，Northampton，Mass.A Photovoltaic Cell Reflection Densitometer［J］.J.O.S.A，1936，10:386 －387.

［8］R.L.Huber，A.B.Raus.A Photoelectric Reflection－Transmission Densitometer［J］.JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA，1949，10:873 －876.

［9］Albet J.Derr.Optical Unit for Reflection Densitometry［J］.JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA，1959，2:176 －178.

［10］张树栋等.中华印刷通史［M］.北京:印刷工业出版社，1999.

［11］微电脑多功能透射式彩色密度计问世［J］.科技信息，1985(1).