专利名称：用于样品的平面测量的测量头的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及测量头，更具体说，是涉及设有光波导的测量头，用于样品的平面测量。
背景技术：
常规的测量头，通常包括照射测量表面的光学投射装置，和用于测量光反射的光学装置。这种测量头的一个例子，在美国专利U.S.Pat.No.4,078,858中说明，该测量头包括白炽灯，为了产生测量光斑，该白炽灯与准直器透镜和偏折反射镜，还与收集透镜结合在一起。以45度角反射的测量光斑的光，到达光学测量装置内，该测量装置包括球形环状反射镜及平的球形反射镜。
这种常规测量头的一种应用，在美国专利U.S.Pat.No.3,244,062说明的设备中描述，该设备用于确定照片的光密度，它包括测量头和光学测量装置，该测量头有光学投射装置，用于把白炽灯的光成像在照相材料上，该光学测量装置借助横过光学投射装置光轴的偏折反射镜，截获基本上垂直地从照片表面再散射的光，并露出有透镜辅助的光电倍增管入口孔径。光学投射装置能在所有各侧面上，使测量光斑以基本上45度入射角暴露在测量头的白炽光中发出的光下。与白炽灯相关的光学投射装置，包括环绕白炽灯的球形环状反射镜，以所述灯的灯丝循着该球形环状反射镜的光轴伸延。由球形环状反射镜平行于光学投射装置光轴传递的灯光，借助简单的环状反射镜聚焦在测量表面上。熟知设备的光学投射装置和光学测量装置的质量，在光反射性质的确定中，适合简单的密度测量，但不适合反射光的精细光谱分析。这种常规的测量头，在反射信号中传送大量杂散光和串扰，且因为光由于散射而在光腔中损耗，通常要求高功率的光源。
此外，常规的测量头在它们的外壳内不包含光源，所以要求相对外部光源的非常独特的对准，以便从光源收集光，最后用于照射样品。这种独特的对准程序已经证明是非常困难和费时的。
发明内容
本发明通过提供一种改进的测量头，用于照射测量表面，并以合适的精度及强度，传递从测量光斑反射的测量光，以便例如对被反射的光进行光谱分析。本发明的测量头，在测量头相对于光源的定位中，提供灵活性，使测量头的位置可以循着测量表面变化，而不降低照射测量表面的强度。
在本发明的一个实施例中，测量头包括至少一个输入光波导，用于把来自外部光源的光传送到测量头，供样品的照射；至少一个准直光学装置，用于使来自外部光源的被传送的光准直；至少一个平面反射镜，用于反射来自所述外部光源的被传送的光，使被传送的光的光路，在测量头内至少折叠一次；至少一个聚焦光学装置，用于使来自被照射样品的漫射光聚焦；和至少一个输出光波导，用于收集被聚焦的光，并把收集的光传送到测量头之外。
测量头的折叠光路，能在本发明的测量头100的大小方面，比当前可用的常规测量头有大的缩减。就是说，折叠光路能有充足的实际空间来使光改变方向，不必使光纤在相对小尺寸的测量头内过度弯曲。再有，本发明的输入和输出光纤，降低在按照本发明的测量头外壳内杂散(被改变方向的)光的量。杂散光的这种降低，能实现被收集的光更精确的测量和分析，该收集的光被至少一根输出光纤传输到测量头之外。该输入光纤，还在测量头相对于照射样品使用的光源的定位中，提供灵活性。
为了能够详细地理解以上叙述的本发明特性的方式，通过参照各实施例，可以获得上面简要地概括的本发明更具体的说明，其中的一些实施例在附图中出示。但是，应当指出，附图只表明本发明的典型实施例，从而不应认为是对本发明范围的限制，因为本发明可以有其他等效的实施例。
图1画出按照本发明测量头的一个实施例的高级方框解； 图2画出按照本发明测量头的另一个实施例的高级方框解； 图3画出一个实施例的高级方框解，该实施例表明适合使用按照本发明的测量头的光纤束；和 图4画出按照本发明测量头的另一个实施例的高级方框解。
为便于了解，已经在可能的地方使用标识的参考数字，指明各图共有的标识的单元。
具体实施例方式本发明有益地提供一种测量头，用于从某个源，通过至少一个光波导(如光纤)，把光传送到测量头中的平面反射镜，在那里，被反射的光通过至少一个准直透镜，入射到样品上，在一个实施例中，是以基本上45度角入射。从样品漫射的光，垂直地被另一个透镜收集，聚焦在另一个光波导(如光纤)的端部，并被引导到测量头之外。虽然这里说明的关于测量头的本发明各个实施例，包括具体数目的相应的收集光纤、平的反射镜、和准直透镜，但不应当把本发明具体实施例视作对本发明范围的限制。本领域熟练人员显然知道，本发明教导传达的是，可以有益地应用本发明的概念，提供基本上有任何数量的收集光纤、平的反射镜、和准直透镜或它们的组合。
图1画出按照本发明测量头的一个实施例的高级方框解。图1的测量头100，图上画出包括前表面上有抽样孔径104的外壳102。测量头100还包括两个平的反射镜1101-1102，图上画出以180度分开，置于相对的侧壁上；两个准直光学装置1201-1202(图上画出每一平的反射镜各有一个准直透镜)；一个聚焦光学装置130(图上画出一个聚焦透镜)；和三个光波导(图上画出三根光纤)1401-1403。图1还画出白炽光源(图上画出一个氙闪光灯)150。光源150，可以作为与测量头100一起使用的部件包括在内，也可以由用户提供。
在图1的测量头100中，来自氙灯150的光，被两根光纤(输入光纤)收集，图上画出光纤1401和1402。每一输入光纤1401、1402从氙灯150收集的光，被引导到测量头100相应的平的反射镜1101、1102。来自相应输入光纤1401、1402的光，从相应的平的反射镜1101、1102反射到相应的准直透镜1201、1202。经相应准直透镜1201、1202准直的光，通过测量头100外壳102的抽样孔径104，照射样品。由样品的照射产生的漫射光，经过孔径140，被聚焦透镜130垂直地收集并聚焦。已聚焦的漫射光被第三光纤1403(输出光纤)收集，该第三光纤1403把收集的光传输到测量头之外。输出光纤1403中的光，例如被要对收集的光进行光谱分析的测量仪器使用的光纤，传输到测量头之外。虽然在图1的测量头100中，输出光纤1403被画成至少部分位于测量头100内，从而作为测量头的部件被包括在内，但在本发明另外的实施例中，可以选择用于收集和聚焦来自被照射样品的漫射光的聚焦透镜，使被收集的漫射光聚焦在正好在测量头外面的位置上，这样可以被测量头外面位置上的收集装置，如光波导收集。因此，输出光波导不一定位于测量头内，也不要求它是本发明测量头本身的部件，而可以由用户提供。
在图1的测量头100中，输入光纤1401和1402、平的反射镜1101和1102、和准直透镜1201和1202的定位和放置，要使样品被来自氙灯150的准直光束以基本上45°+/-2°的角度照射。此外，聚焦透镜的定位和放置，要使来自被照射样品的漫射光被聚焦透镜聚焦，并使输出光纤1403以基本上0°+/-0.5°的角度被收集。
更具体地说，输入光纤1401和1402定位在测量头100的外壳102中，使输入光纤1401、1402传输的来自氙灯150的光，被相应的平的反射镜1101、1102以基本上45°+/-2°的角度反射。准直透镜1201、1202分别位于测量头100的外壳102中，使从相应的平的反射镜1101、1102反射的氙光被准直，并经过测量头100外壳102的抽样孔径104，以基本上45°+/-2°的角度照射样品。聚焦透镜130定位在测量头100的外壳102中，使来自被照射样品的漫射光以基本上0°+/-0.5°的角度被收集。其次，输出光纤1403定位在聚焦透镜130的焦点上，以垂直地收集来自被照射样品的聚焦的漫射光。
如在图1测量头100中画出的，得到的光路被折叠一次(即，光以基本上45°的角度入射平的反射镜，又以基本上45°的角度从平的反射镜反射)。这样的配置，能在本发明的测量头100的大小方面，比当前可用的常规测量头有大的缩减。就是说，折叠光路能有充足的实际空间来使光改变方向，不必使光纤在相对小尺寸的测量头内过度弯曲。
测量头100各种部件的物理和光学性质，至少由测量头100的尺寸和测量头100外壳102内的部件位置规定。例如，在图1的测量头100中，测量头外壳102的长度和宽度，图上画出两者的大小为六十(60)毫米。此外，图1测量头100外壳102的抽样孔径104，图上画出的宽度大小为十六(16)毫米。这样，在图1中，选择输入光纤1401、1402的数值孔径及位置，和准直透镜1201、1202的尺寸、位置、及曲率，使来自光纤1401、1402的被平的反射镜1101、1102反射，又被准直透镜1201、1202准直的氙光，照射整个抽样孔径104，从而照射图1测量头100外壳102的抽样孔径内的样品部分。例如，在图1的测量头100中，第一和第二输入光纤1401、1402，各在图上画出包括单根四百(400)微米的有0.39数值孔径(即，出射半角的正弦)的光纤。第一和第二准直透镜，各有焦距25mm及直径15mm。测量头100的孔径104，由外壳102中的16mm开孔构成，这样，从被照射样品垂直地漫射的光，也由宽度大小基本上为11mm的准直光束构成。在图1的测量头100中，基本上与测量头100准直透镜1201、1202使用的透镜相似的透镜，被用作聚焦透镜130。更具体地说，聚焦透镜130有焦距25mm及直径15mm。输出光纤1403是单根四百(400)微米的有0.39数值孔径的光纤，并在测量头100的外壳102内置于聚焦透镜130的焦点位置上。
如上所述，在按照本发明一个实施例的测量头中，至少一根输入光纤把来自光源的光，经过至少一个平的反射镜及至少一个准直透镜，向样品引导。至少一根输出光纤收集从样品聚焦的漫射光，并把光引导到测量头之外。用光纤来引导光进入和离开测量头，降低了测量头外壳内的杂散(被改变方向的)光的量。这种杂散光的降低，能使被至少一根输出光纤传输到测量头之外的收集的光，实现更精确的测量和分析。
现在回头参考图1，为进一步降低杂散光在光路中的影响，测量头100可选择地再包括多块光隔板。例如，如在图1中所示，光隔板1601-1604可以位于每一准直透镜1201、1202和聚焦透镜130的边缘，以降低测量头中被改变方向的光的量，并降低透镜边缘出现的光学像差的负面作用。为进一步降低杂散光，测量头100的外壳内部，可以涂敷黑的无光泽材料。
虽然图1的测量头100画成包括两个平的反射镜1101和1102、两个准直透镜1201和1202、和两根用于引导来自氙灯150的光照射样品的光纤1401和1402，但在本发明另外的实施例中，本发明的测量头可以包括基本上任何数量的平的反射镜、准直透镜、和用于从光源收集光的光纤或它们的组合。另外，本发明的测量头可以包括基本上任何数量的输出光纤，用于把从被照射样品垂直地收集的光，传送到测量头之外。例如，图2画出按照本发明测量头的另一个实施例的高级方框解。图2中的测量头200，图上画出包括前表面有抽样孔径204的六角形外壳202。图2的测量头200，图上画出包括六个平的反射镜2101-2106，图上画出按基本上圆形图形以60度分开放置；六个准直光学装置2201-2206(图上画出每一平的反射镜各有一个准直透镜)；一个聚焦光学装置230(图上画出一个聚焦透镜)；和七根光纤2401-2407。图2还画出白炽光源(图上画出一个氙闪光灯)250。光源250，可以作为与测量头200一起使用的部件包括在内，也可以由用户提供。
在图2的测量头200中，如在图1的测量头100一样，来自氙灯250的光，被输入光纤收集，图上画出光纤2401-2406。每一输入光纤2401-2406从氙灯250收集的光，被引导到测量头200相应的平的反射镜2101-2106。来自相应输入光纤2401-2406的光，从相应的平的反射镜2101-2106反射到相应的准直透镜2201-2206。在一个实施例中，经相应准直透镜2201-2206准直的来自各输入光纤2401-2406的光，通过测量头200圆柱形外壳202的抽样孔径204，以基本上45度的角度，照射样品。由样品的照射产生的漫射光，经过抽样孔径204，被聚焦透镜230垂直地收集并聚焦，然后被第七根光纤2407(输出光纤)收集，该第七光纤2407把收集的光传输到测量头之外。输出光纤2407中的光，例如被对收集的光进行光谱分析的测量仪器使用的第七根光纤2407，传输到测量头之外。发明人确定，通过设置多个光波导与平的反射镜的组合，用于照射样品，那么，样品可以被更强的光强照射，导致例如对收集的光进行光谱分析的测量仪器更高的精度。
为缩减本发明测量头所要求的形状因子，输入和输出光纤可以包括光纤束。例如，图3画出一个实施例的高级方框解，表明适合与例如图2的测量头200一起使用的光纤束300的实施例。图3的光纤束300，包括核心光收集器350和从核心光收集器350分出的七个光波导(图上画出七根光纤)3401-3407。图3为说明的目的，还画出氙光闪光灯350。如在图3中所示，光收集器350置于氙灯350之前，以收集来自氙灯350最大量的光。六根输入光纤，图上画出光纤3401-3406，把来自氙灯350的光传输到如同图2的测量头200的测量头，如上所述地照射样品。设置光纤束300的第七根光纤3407，用于收集从样品漫射的光，并把收集的光传输到测量头之外，例如供对收集的光进行光谱分析的测量仪器使用。
按照本发明，测量头中光波导(光纤和/或光纤束)的设置，提供许多优于常规测量头的优点。例如，本发明的光波导，在光源相对于本发明测量头的定位方面，提供灵活性。更具体地说，本发明测量头相对光源的位置，由于设置的光波导把光从光源传输到测量头中提供的灵活性，所以不象常规测量头那样关键。此外，设置光波导来收集从样品漫射的光，并把收集的光传输到测量头之外，也使本发明的测量头，在相对于例如用于对收集的光进行光谱分析的测量仪器的定位方面，有更多的灵活性。这样，测量头在照射样品时的位置，可以改变，而不是如常规测量头那样，停留在相对于光源固定的位置，其后是测量仪器。要能在常规的测量头中实现任何灵活性，光源常常包括在常规测量头的外壳中，与本发明测量头的形状因子比较，该光源极大地增大常规测量头的形状因子。另外，光纤或光纤束的设置，能使来自外部光源的光，基本上平行于测量头的轴，进入测量头，并如图1中所示，例如再向外弯折45度角，没有附加的光散射或其他损耗。常规的测量头，为实施这种配置，至少要求一个附加的反射表面，该反射表面能招致额外的光散射或其他损耗。
图4画出按照本发明测量头另一个实施例的高级方框解。更具体地说，图4画出按照本发明的0/45度测量头的实施例。在图4的测量头400中，样品基本上以零度被照射，而漫射光基本上以45度被聚焦和收集。图4的测量头400，图上画出包括的部件，与图1测量头100基本上相同，但是，在图4的测量头400中，输入光纤现在被用作输出光纤，而输出光纤被用作输入光纤。更具体地说，图4的测量头400，图上画出包括前表面上有抽样孔径404的外壳402。测量头400还包括两个平的反射镜4101-4102，图上画出以180度分开，置于相对的侧壁上；一个准直光学装置420(图上画出一个准直透镜)；两个聚焦光学装置4301-4302(图上画出每一平的反射镜有一个聚焦透镜)；和五个光波导(图上画出五根光纤)4401-4405。图1还画出白炽光源(图上画出一个氙闪光灯)450。光源450，可以作为与测量头100一起使用的部件包括在内，也可以由用户提供。
在图4的测量头400中，来自氙灯450的光，被三根光纤(输入光纤)收集，图上画出光纤4401-4403。输入光纤4401-4403从氙灯450收集的光，被用于以基本上0°+/-0.5°的角度照射样品。更具体地说，输入光纤4401-4403从氙灯450收集的光，被准直透镜420收集并准直。然后，被准直的光，经过测量头400外壳402的抽样孔径404，照射样品。由样品的照射产生的漫射光，经过孔径404，入射在每一平的反射镜4101-4102上并被每一平的反射镜4101-4102以基本上45°+/-2°的角度反射。更具体地说，被垂直照射的样品，把光沿各个方向以基本上45°+/-2°的角度漫射。被漫射的光，以基本上45°+/-2°的角度入射到两个平的反射镜4101-4102的每一个上，并以基本上45°+/-2°的角度，被两个平的反射镜4101-4102的每一个反射。两个平的反射镜4101-4102反射的被准直的光，由相应的聚焦透镜4301-4302收集。聚焦透镜4301-4302的每一个，把准直的光束聚焦成光斑。在聚焦透镜4301-4302的焦点位置上，从聚焦透镜4301-4302每一个聚焦的漫射光，被相应光纤4404和4405(输出光纤)收集，该两光纤把收集的光传输到测量头之外。输出光纤4404-4405中的光，例如被要对收集的光进行光谱分析的测量仪器使用的输出光纤4404-4405，传输到测量头之外。在本发明的各个实施例中，输出光纤可以取1:N的光纤形式，这里设置的多根光纤，从被照射样品收集漫射的聚焦的光，该1:N光纤包括一端有多根光纤而另一端有单根光纤。
虽然上面参照45/0度测量头和0/45度测量头说明本发明的实施例，但样品的照射角度和收集从样品漫射的光的角度，在上面本发明的实施例中画出的，仅是示例性的，不应视作对本发明范围的限制。本领域熟练人员显然知道，本发明教导传达的是，可以有益地应用本发明的概念，提供基本上任何样品的照射角度和收集从样品漫射的光的角度。45/0度和0/45度的照射和收集角度，仅仅是本领域的标准实践和遵照美国测试及材料协会(American Society for Testingand Materials，ASTM)与国际照明委员会(International IlluminationCommission，CIE)在例如定义色彩测量中，对照明和收集的教导。
虽然以上所述针对的是本发明的实施例，但在不偏离本发明的基本范围情形下，可以设计其他的和更多的实施例，本发明的范围由下面的权利要求书确定。
权利要求
1.一种测量头，包括至少一个输入光波导，用于把来自外部光源的光传送到所述测量头，供样品的照射；至少一个准直光学装置，用于使来自所述外部光源的被传送的光准直；至少一个平面反射镜，用于反射来自所述外部光源的所述被传送的光，以便所述被传送的光的光路，在所述测量头内至少折叠一次；和至少一个聚焦光学装置，用于使来自所述被照射样品的漫射光聚焦。
2.按照权利要求1的测量头，还包括至少一个输出光波导，用于收集被聚焦的光。
3.按照权利要求2的测量头，其中所述至少一个输入光波导，把来自所述外部光源的光，传送到所述至少一个准直光学装置，所述至少一个准直光学装置，使被传送的光准直，所述样品被来自所述准直光学装置的所述准直光照射，所述聚焦光学装置把来自所述被照射样品的所述漫射光，聚焦成所述测量头内的光斑，且所述至少一个输出光波导，在所述聚焦光学装置的焦点位置，收集所述聚焦的光，并把所述收集的光，传送到所述测量头之外。
4.按照权利要求3的测量头，其中所述样品被所述准直光以基本上45度角照射，而来自所述被照射样品的漫射光，则以基本上0度角被收集。
5.按照权利要求3的测量头，其中所述样品被所述准直光以基本上0度角照射，而来自所述被照射样品的漫射光，则以基本上45度角被收集。
6.按照权利要求2的测量头，其中所述至少一个输入光波导和所述至少一个输出光波导，包括光纤。
7.按照权利要求6的测量头，其中所述至少一根输入光纤和所述至少一根输出光纤，包括光纤束。
8.按照权利要求1的测量头，其中所述至少一个准直光学装置，包括准直透镜。
9.按照权利要求1的测量头，其中所述至少一个聚焦光学装置，包括聚焦透镜。
10.按照权利要求1的测量头，其中所述外部光源，包括白炽光源。
11.按照权利要求10的测量头，其中所述白炽光源，包括氙闪光灯。
12.按照权利要求2的测量头，其中所述至少一根输出光纤，把所述收集的光传送到光谱仪，以便对所述收集的光进行光谱分析。
13.按照权利要求1的测量头，其中所述测量头，包括6个输入光波导和6个相应的平面反射镜，用于把来自外部光源的光传送到样品，供所述样品的照射。
14.按照权利要求13的测量头，其中所述6个相应的平面反射镜，以60度分开，置于所述测量头内。
15.按照权利要求13的测量头，还包括6个相应的准直光学装置，用于使来自每一个平面反射镜的反射光准直。
16.按照权利要求1的测量头，还包括光隔板，用于阻挡部分来自所述至少一个输入光波导的所述被传送的光。
17.按照权利要求16的测量头，其中所述光隔板，被置于所述至少一个准直光学装置的边缘。
18.按照权利要求16的测量头，其中所述光隔板，被置于所述至少一个聚焦光学装置的边缘。
19.按照权利要求1的测量头，其中所述测量头，包括前表面中的孔径，用于所述样品的照射。
20.按照权利要求2的测量头，其中所述至少一个输入光波导和所述至少一个输出光波导，分别平行于所述测量头的测量轴，进入和离开所述测量头。
21.一种用于照射样品的方法，包括提供外部光源；和用所述外部光源，通过测量头照射所述样品，所述测量头包括至少一个输入光波导，用于把来自所述外部光源的光，传送进所述测量头；至少一个准直光学装置，用于使来自所述外部光源的被传送的光准直，并以所述准直光照射所述样品；至少一个平面反射镜，用于反射来自所述外部光源的所述被传送的光，使所述被传送的光的光路，在所述测量头内至少折叠一次；和至少一个聚焦光学装置，用于使来自所述被照射样品的漫射光聚焦。
22.按照权利要求21的方法，还包括通过至少一个输出光波导收集被聚焦的漫射光。
全文摘要
本发明的测量头把光从外部的源，通过至少一根光纤，传送到测量头中至少一个相应的平面反射镜，光通过反射镜被反射并被至少一个准直透镜准直，入射到样品上，在一个实施例中，是以基本上45度角入射。得到的光路是折叠一次的，从而能有足够的实际空间来使光改变方向，不用使光纤过度弯曲。在一个实施例中，从样品漫射的光，垂直地被聚焦透镜收集，聚焦在另一根光纤的端部，然后被引导到测量头之外，例如供对收集的光进行光谱分析的测量仪器使用。
文档编号G01J3/28GK101031782SQ200580032757
公开日2007年9月5日 申请日期2005年8月11日 优先权日2004年8月12日
发明者劳伦斯·B·布朗, 阿兰·英格莱森, 鲁迪格·库彼特泽克, 约瑟夫·瑞德 申请人:数据色彩控股股份公司