颜色传感器的制作方法

专利名称：颜色传感器的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及测量样品或材料的光学特性，尤其涉及测量样品 或材料的颜色，并且更尤其涉及在制造过程中测量移动材料的颜色。
背景技术：
在现代造纸厂的质量实验室中，通常在多张纸垫上而不是在单张 上测量产品的颜色、亮度、洁白度和荧光性。如果仅对单张进行测量， 则结果将受到纸张的局部透明度和观察该纸张的背衬(backing)反射率 的影响。此外，终端客户通常所关注的是"无限衬垫(infinitepad)"值， 因为这通常是客户观察终端产品的方式。然而，在制造过程中，这些 测量状态无法在原位必然地重现，在此"在线，，传感器仅可以观察产品 的单个厚度。
已经采用了多种策略来改善在线颜色测量与实验室"衬垫"测量之 间的一致性。 一种策略(其例如公开于美国专利No.4,715，715中)利用 与所制造纸张的颜色和光学发散功率接近的不透明材料为纸张设置 背衬。第二种策略是两次地测量纸张的光谱反射率，其中一次背衬有 高反射(即"白色")材料， 一次背衬有高吸收(即"黑色")材料。通过这些 独立的测量，可以确定光谱透明度，并且可以根据Kubelka-Munk理 论计算无限衬垫光谱反射率。用于连续地测量暗反光度和亮反光度的 装置的例子公开于美国专利No.4,944,594中。
通常使用色度值例如CIE L*a*b数值和辅助值例如纸浆与造纸工
业技术协会(TAPPI)的亮度来描述材料的颜色。可以通过用于特定发光
条件的材料的总体辐射因数以及对那次发光的认知而计算出这些数 值。例如，可以通过适当地测量反射或透射总体辐射因数而使材料的 反射色或透射色特征化。为了可靠地对颜色进行特征化，可能有必要
获知在大多数或全部可见波长范围内，至少从420nm到650nm，通常 从400nm到700nm的总体辐射因数。可以利用照射器(illuminator)和 检测器的任何特定几何形状来针对被测材料进行这些测量，并且国际 机构已经将大量的几何形状采用为标准。
对于非荧光材料而言，反射总体辐射因数可能总是与反光度光语 相同，并且材料的透射总体辐射因数可能总是与材料的透射率相等。 这些在不同的发光条件下为常量，以便利用单个照射器确定反光度或 透光度足以对在任何其它照射器下的相应的总体辐射因数进行特征 化。因此，在测量非荧光材料的颜色时，可能仅需要使用单个照射器。
然而，对于测量的总体辐射因数通常取决于测量中所使用的照射 器的荧光材料而言，可能不是上述情况。这是因为可通过焚光发射和 入射光线的反射或透射确定总体辐射因数。因此，利用一个照射器测 量到的总体辐射因数不必与利用不同照射器测量到的总体辐射因数 相等，并且测量到的总体辐射因数通常仅对测量中所使用的照射器有 效。例如，在包含二苯乙烯基的荧光增白剂的纸中，450nm处的总体 辐射因数将取决于照射器在450nm处的光语功率与在用于在450nm 处，尤其是从330nm到420nm处的荧光发射的激发带中的材料光谱 功率之间的比值。此问题及颜色测量结果更详细地解释于T. Shakespeare & J. Shakespeare "Problems in color measurement of fluorescent paper grades", Analytica Chimica Acta 380(2) 227-242, 1999 中。
一种用于测量荧光纸颜色的策略是使用两个不同的照射器来测 量总体辐射因数(其在现有技术中有时被误导性地称为反光度因数)。 例如，美国专利No.4,699,510公开了一种用于测量包含荧光增白剂
(FWA)的移动纸张颜色的在线颜色传感器。荧光增白剂通常吸收入射
光线的紫光和紫外光能量，并且在可见光谱的蓝色范围内再发射这些
能量，以便赋予纸张更白的外观。该，510专利公开了在纸张由限定源 例如CIE D65(North Sky Daylight)标准源照射的情况下确定如此处理 的纸张的颜色光谱的技术。D65标准源具有能量分布，该能量分布与 其它标准源例如CIE源C相比在300-400nm的范围内相对明亮；结 果，如果由D65源照射，则具有荧光增白剂的纸可能显得更蓝。
该，510专利中的颜色传感器具有两个发光源， 一个为主要在荧光 增白剂的激发带中发射光线的紫外光源，另一个为具有与CIE标准源 接近的发射光谱的可见光源，CIE标准源也在紫外光或FWA的激发 范围内发射巨大的光线量。
然而，方法例如，510专利中的方法可能具有有限的效果，因为通 过使用两个照射器，仅能够可靠地确定可形成为测量中所使用的两个 照射器的线性组合的照射器范围内的总体辐射因数。 一组备选方法公 开于美国专利No.6,263，291和美国专利No.6，272,440中，这些专利描 述了在颜色测量中连续使用多个单色或窄带照射器。采用这种方式， 测量装置连续地确定辐射传输因数矩阵中的单独的行，由此可针对任 何照射器计算总体辐射因数。然而，这些方法为可靠性有限的慢速方 法，这是因为装置要求扩展的测量顺序，且在每次测量顺序中具有较 长的积分时间，并且装置也需要对接近零的光通量进行精确测量，以 便对辐射传输因数矩阵的非对角线值进行特征化。因此，装置可能不 适于可能要求单个样品的快速测量或可能要求测量其颜色可能变化 的快速移动材料的工业应用。例如，在造纸时，纸张可能以接近每秒 30米的速度移动，并且纸张可能在小于1米的距离内表现出颜色特性 的差异。
一种改进的方法公开于美国专利申请No.09/957,085中，其中可 能以随机顺序连续地使用多个富光谱照射器状态，并且使用分光度测 量的统计分解来推断辐射传输因数矩阵。在这种方法中，使用本身不
稳定的光源例如氙闪光管或其它一些具有不稳定电源的光源来确保 照射器的光镨可变性。因此，可根据测量顺序而确定辐射传输因数矩 阵，但该方法不要求每次测量中的较长测量积分，也不要求特别精确 的小光通量测量。然而，该方法却要求根据测量顺序而获知整个辐射 传输因数矩阵，以便计算特定照射器的总体辐射因数。这是因为测量 中所使用的任何特定的照射器状态不可能在单个测量中与所指定的 照射器足够精确地匹配以可靠地提供其总体辐射因数。因此，该方法 要求确定辐射传输因数的显著时间，在该段时间期间待测量的样品必 须静止，或者如果测量移动材料，则材料的特性在确定期间所移动的 距离范围内不得改变。
在纸板制造过程中，多种机器将振动施加给环境。这些振动可以 缩短在先前描述的传感器和类似装置中所使用的照射装置的预期寿 命。照射装置的短暂寿命可能要求替换照射装置，其不仅引起了替换 成本，而且也可能引起在替换照射装置时，与制造过程下线时的构件 有关的成本。特别地，基于灯丝的照射器例如鵠-卣素灯可趋向于在振 动较多的环境中快速失效，这是因为灯丝脆弱并且容易破裂。低压放 电管例如氙闪光管在这种环境中也缩短了使用寿命，这是因为在灯泡 材料中存在应力集中点，并且存在共振频率的可能性。
因此，需要一种有效的且高效的装置、方法和系统来快速并及时 地确定荧光和非荧光的样品和材料的颜色。此外，该装置、系统和方 法可提供一种可应付具有较大振动的不稳定环境的照射装置。该装 置、系统和方法可提供一种照射装置，该照射装置提供了荧光材料颜 色的有效测量并且提供了对传感器的维护。

发明内容
因此，本发明的一个目的是提供用于测量样品或材料的颜色的装 置、系统和方法。根据本发明的一个示例性实施例，该装置可具有用 于将紫外光束导向至样品上的至少一个发光二极管和用于控制所述
发光二极管的运行的器件。该装置还可具有至少一个光线检测器，用 于接收从样品上反射或通过样品透射的光束并且测量所接收光线的 至少一个波长带。该装置还可具有用于基于测量到的光线而确定样品 颜色的测量分析仪。
根据本发明的一个示例性实施例，该装置可结合以下实施例。在 一个实施例中，发光二极管可将紫外光束和可见光束导向至样品。在 另一个实施例中，该装置可具有用于将可见光束导向至样品的第二发 光二极管。在另一个实施例中，该装置可具有发光二极管控制器，用
于使发光二极管以大约300纳米到大约800纳米的波长连续地发射光 线，并且以在大约300纳米到大约800纳米的波长内的波带间断地发 射光线。在另一个实施例中，发光二极管控制器可通过改变输入电压、 输入电流、输入脉宽及运行温度而调节发光二极管。每个发光二极管 可定位于单独的电路板上。至少一个连续发光的二极管可定位于第一 电路板上，而至少一个间断发光的二极管可定位于第二板上。在又一 个实施例中，该装置可具有微型光学装置，用于将来自至少一个发光 二极管的光束聚焦并反射在样品上。在另一个实施例中，可调节多个 发光二极管，以便提供与指定照射器的集合光束相匹配的集合光束。 在该实施例的变型中，可调节多个发光二极管，以便提供一系列的发 光状态，这些发光状态并不都相同，每个状态提供了与指定照射器的 集合光束相匹配的集合光束。在该实施例的又一个变型中，可调节多 个发光二极管，以便提供一系列的发光状态，这些发光状态并不都相 同，每个状态提供了作为指定照射器的微扰(pe加rbation)的集合光束， 但这些状态都不需要与指定照射器精确地匹配。在又一个实施例中， 测量分析仪可在指定照射器中估计样品颜色，该指定照射器可不必与 测量中所使用的任何照射器相同。


考虑到以下详述并且结合附图，本发明的以上及其它目的和优点
将变得明显，在所有附图中类似的标号表示类似的部件，其中
图1为用于实施本发明的第一示例性光源实施例的照射装置的概 略示意图。
图2为用于实施本发明的第二示例性光源实施例的照射装置的概
略示意图。
图3为用于实施本发明的第三示例性光源实施例的照射装置的概
略示意图。
图4为流程图，其表示用于实施本发明的照射装置实施例的传感 器的第一示例性方法。
图5为流程图，其表示用于本发明的照射装置实施例的第二示例 性方法。
图6为用于实施本发明的第四示例性光源实施例的照射装置的概 略示意图。
具体实施例方式
颜色传感器可通过将光束导向至样品以便照射样品并且通过检 测并测量与样品互相作用的光线而确定样品的颜色。光线与样品的互 相作用可包括荧光发射的吸收、散射和激发。对与样品互相作用的光 线的检测可在样品的与照射相同的一侧上进行，或者可在照射的相对 侧上进行，或者可同时或依次在两侧上进行。颜色传感器可^f吏用测量 分析仪，以基于所测量的光来确定样品的颜色。样品的照射可采用一 个或多个发光二极管。可针对由类似样品的材料形成的无限厚的不透 明衬垫或者针对具有指定特性的背衬材料的样品确定样品的颜色。
可调节发光二极管，以便产生用于测量的 一个或多个发光状态。 可针对与测量中所使用的发光状态相匹配的照射器确定样品颜色。可 针对与测量中所使用的任何发光状态不匹配的照射器确定样品颜色， 但该照射器可表示为测量中所使用的发光状态的线性组合。还可针对 指定照射器确定样品颜色，该指定照射器不与测量中所使用的任何发
光状态相匹配，并且也不可精确地表示为测量中所使用的发光状态的
线性组合；在这种情况下，可将颜色确定为属于由一组测量中所使用
的发光状态的线性组合所限定的颜色间隔，这种设定形成一组与指定 照射器接近的微扰。
颜色传感器包括至少一个照射装置、至少一个测量检测器、至少
一个照射器控制器和测量分析仪。它还可包括至少一个参考^r测器。 测量分析仪可与总体上称为测量装置的所有其它构件分离。测量分析 仪并不仅限于颜色的反光度测量。可改进测量分析仪以便还测量颜色 的透射测量，或者甚至同时测量两种特性。测量分析仪可与总体上称 为测量装置的所有其它构件分离。
测量检测器和参考检测器优选地为分光计。分光计包括光谱仪(包 含光线入口和分散元件例如光栅)和;险测器例如具有128到2048个光 电二极管的线性CCD检测器。分散元件可为线性可变过滤器或具有 已知特性的一组离散光学过滤器，用于代替光^f册。分光计可具有另外 的光学元件例如镜子或分束器，以便将光束导向至分散元件，或者用 于在分散元件的样品上分布光束，或者用于将分散光线聚焦到检测器 上。该检测器可为二维光电二极管阵列而不是线性阵列，或者它可为 一组离散的光电检测器。
分光计的一个功能是用于将射线的大致准直部分与入口隔开；用 于利用分散元件将进入的光束分散为多个波长带；用于将分散光线分 配于检测器上，使得特定波长带入射到检测器内的特定位置；用于检 测并量化落在冲全测器中的多个位置上的光线；和/或用于产生可从其中 获得色度数据的光语测量。分光计可由分光比色计替换，分光比色计 可仅仅产生作为输出的色度数据(例如三色值和所获取的色度数据例 如亮度)。然而，使用分光比色计可导致测量可靠性的降低和荧光测量 效率的降低。
该测量装置可具有测量检测器。测量检测器可为测量来自样品的 辐射光谱的分光计。所测量的光线为来自于已经照射样品并且通过透
射样品或从样品反射而与样品互相作用的(多个)光源的光线，并且包 括响应于发光而来自于样品的荧光发射或磷光发射。
该测量装置还可具有参考检测器。参考检测器可为测量来自(多个) 光源的辐射光语的分光计。所测量的光线不与待测量的试样互相作 用，或者与校准标准互相作用。可获取参考分光计的输入作为由(多个) 光源所产生的光线的 一部分。
参考图l，传感器100可包括用于在通线(pass-line)处提供光束104 以照射样品106的照射装置102。照射装置102例如通过^f吏用一个或 多个发光二极管而提供了聚焦光束或准直光束。反射光束由检测器 108检测。检测器108将光线的测量值提供给测量分析仪110。可将 照射装置102产生的光线的一部分导向至参考检测器114。参考检测 器114将光线的测量值提供给测量分析仪110。测量分析仪110使用 来自检测器108的光线值来确定样品106的颜色，并且可另外使用来 自参考检测器114的光线值来确定样品106的颜色。测量分析仪110 还可调节照射器控制器112。测量分析仪可指导照射器控制器112以 使照射装置102在多个波长带的每个波长带处发射具有不同相对强度 的光线。本发明的实施例不由参考检测器所限制。如本领域技术人员 所知，可以在没有参考检测器的情况下实施多个实施例。
照射装置102可为一个或多个发光二极管(LED)。 LED可发射多 种波长的光线。LED可以以连续的或间^歐的方式发射光线。改变用于 驱动LED的电流和/或电压也可影响由LED发射的光线的相对光谱功 率分布。照射装置102还可使用发射具有不同光谱的光线的多个不同 的发光二极管。样品传感器IOO可控制单个发光二极管何时点亮，由 此控制由照射装置102发射的光线的波长光谱。LED可为采用蜂窝结 构的小型LED阵列所产生的大型表面区域LED。 LED还可为单独地 控制的波长带，例如R-G-BLED。 LED还可为宽带发射器，例如利用 多个磷光体或结合量子点(quantum dot)而构成的宽带发射器。
该照射装置102可包括散热面板、光学元件、LED安装在其上的
一个或多个电路板和用于安装该装置的机械结构。可以采取措施用于 以常规间隔或当诊断测试显示性能恶化时替换照射装置的 一 部分或 全部。光学元件可包括光束成形光学器件，例如微透镜或微反射器或
扩散器、光谱过滤器等。不同的照射装置可具有不同的LED类型/组 合。
入射到参考检测器上的射线可具有与入射到样品上的辐射基本 相同的光谱功率分布。优选地，将(多个)照射器所产生的辐射分为两 部分，但不需要等量分割。例如， 一些光纤或镜子或无色分束器可使 来自 一个或多个光源的光线的一部分导向至参考检测器，而另 一部分 则导向为用于照射样品。备选地，内表面为扩散性反射的多端口积分 球可用于组合来自 一个或多个光源的辐射，并且将组合辐射的特定部 分供应给参考检测器，并且供应组合辐射的另 一部分以便照射样品。 可使用局部球形或其它适当形状以代替球形，并且可选择光线入口和 光线出口的数量及位置。
测量几何形状为相对于样品的入射到样品上的辐射和相对于从 样品入射到测量检测器上的辐射的几何形状结构。操作许多公用的测 量几何形状，并且一些已经被正式化为国际标准，包括0/45、 45/0、 0/d、 d/0等。每对中的第一个数字为样品在其处被照射的相对于样品 并且以度数表示的角度，而第二个数字为来自样品的辐射在其处被测 量的相对于样品并且以度数表示的角度。根据惯例，将这些配对中的 0°角度认为与被照射的样品垂直。符号"d"而不是数字角度表示发光或 测量为扩散性的或者无向性的。此外，对于在大于0。的角度处的有向 发光而言，发光可来自单个方位方向，来自多个方位方向，或者来自 圆形环面。
样品的使辐射导向至测量检测器的部分被称为被视区域。被视区 域优选地为半径为10mm的圓盘，但是可以更大或更小，并且可以不 必为圆形的或连续的。样品的被照射的部分可包括至少整个被视区 域，并且优选地包括限制被视区域的其它区域。照射在任何测量时刻
在强度和光谱功率分布方面优选地在至少被视区域上在空间上一致。
照射器控制器112可相对于测量分析4义112无源，或者可为自动 单元。照射器控制器112控制来自照射装置102的光线输出或者通过 控制供应给LED或LED组的电压或电流而控制LED或LED组。可 以以连续接通模式或闪动开闭模式来运行照射装置102。在连续接通 模式中，用于照射器的功率可为固定的，或者可根据确定的方案或以 随机或伪随机的顺序作为时间的函数而变化。在连续接通模式中，还 可间断地关闭照射器。在闪动开闭模式中，用于照射器的功率可为固 定的，或者可根据确定的方案或以随机或伪随机的顺序而在闪动之间 变化。所有的LED可不必具有相同的运行模式、电压、电流、功率、 时序等。
在示例性情况中，自动照射器控制器以固定的状态顺序运行 LED，每个状态具有指定的持续时间，其中在每个状态中，为每个LED 或LED组限定了电压或电流或功率，并且为打开和关闭LED或LED 组而限定了时序。例如，在持续IO毫秒的第一状态中，第一LED可 以连续地接通并且具有200毫安的电流，第二 LED可以以1000Hz闪 动地开闭并且具有2安的闪动电流和IOO微秒的闪动持续时间，而第 三LED可连续地接通并且具有从100毫安线性升高到300毫安的电 流；而在持续5毫秒的第二状态中，第一LED和第二LED都连续地 接通，并且每一个具有150毫安的电流，并且第三LED关闭。
照射器控制器112还可通过例如监视LED的温度并且通过操控 加热和冷却装置使LED的温度保持在可接受极限内而执行对LED的 温度管理。例如， 一种简单的加热LED的方法是在没有进行测量时接 通LED。
样品106可为在制造过程或机械加工过程中处理的多种材料。例 如，样品106可为巻纸或巻板，或者可为塑料片或塑料膜，或者可为 编织织物或非编织织物。巻筒利用多种辊子、压力机和其它机器而在 制造过程中连续地移动。文中描述的样品传感器的多个实施例可与多
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个已知标准，例如纸浆与造纸工业技术协会(TAPPI)标准及其它已知的 工业和政府标准相符合。样品106并不限制于巻纸。样品106可为在 传送带上或用于传送材料片的其它装置上前进的单独的材料片。
样品106可为透明的、半透明的或不透明的。对于半透明样品而 言，可利用Kubelka-Munk方法对黑白背衬进行反光度测量，以便估 计由试样形成的无限厚的衬垫的真实反射率。可扩展Kubelka-Munk 方法以适应这种估计中的荧光。校准板(tile)通常是在所关注的所有波 长处具有高反射率的不透明白板。在校准期间，通常将校准板放置到 经常定位待测量样品的相同位置内。然而，如果光学路径被折叠或由 其它方式补偿，则不必如此。甚至可以将校准板定位于仪器"内部"处 于与试样位置光学等效的位置。
光束104从样品106上反射。利用光线检测器108测量反射光线 的强度。光线检测器108可使用光纤或其它微光学器件来收集将由光 线检测器108检测到的光线。光线检测器将收集到的光线转换为电荷。 光线检测器108可由多种装置例如电荷耦合装置(CCD)、数字互补金 属氧化物半导体(CMOS)光电二极管阵列、离散光电二极管或任何其 它适当的光敏装置组成。由光线检测器108产生的信号可为模拟信号 或可转换为用于处理的数字信号。将光线;险测器108的信号供给至测 量分析仪110。
可使用参考检测器114来提供用于测量分析仪110的参考点。可 将参考检测器114定位成接收由照射装置102所发射的光线的精确样 品。根据第一示例性实施例，参考检测器可使用光纤来聚集直接来自 照射装置102或来自边缘的光线。光纤可以防止反射光线破坏由参考 检测器114所收集到的参考光线样品。参考检测器可具有与上文关于 光线检测器108所述相类似的光线检测结构。
测量分析仪110可将从光线检测器108及参考检测器114接收的 光线的强度和光谱与用于具有已知特性的至少一个校准板的已知强 度值进行比较。通过照射至少一个校准板并且在参考检测器和测量检
测器中测量光线，可在两个检测器的光度比例之间建立关系。在最简 单的情况中，可确定用于每个光谱带的检测器的标准比值。此后，在 测量样品102时，可以使用这些光度比例之间的关系来获取来自两个 检测器的光线测量的总体辐射因数测量。
在硬件结构体系方面，测量分析仪110可包括处理器、存储器和 一个或多个输入与输出接口装置。局部接口可具有其它元件(为简明起 见而省略了这些元件)，例如控制器、緩沖器(緩存)、驱动器、转发器 和接收机，以便能够通信。此外，局部接口可包括地址、控制和/或数 据连接，以便能够在网络构件之间进行适当的通信。
测量分析仪110可通过确定反射光束强度和/或光语与来自照射
装置102的发光光束的强度之间的比值而确定样品106的特性。在补 偿了光度比例之间的关系之后，在测量检测器处测量的光线与在参考 检测器处测量的光线之间的比值为用于该次测量的照射器的样品106 的总体辐射因数。测量分析仪110可使用存储表、方程或其组合来计 算样品106的测量特性。
该系统和方法还可结合在与测量分析仪110的计算机或其它适当 运行装置一起使用的软件内。测量分析仪IIO还可包括图形用户接口 (GUI)，从而允许管理员或用户输入、观察并存储该特性或者输入与所 需特性相关联的限制条件，以便控制制造过程的其它装置。
参考图2，传感器200可包括用于在通线处提供光束204以便照 射样品206的照射装置202。照射装置202例如通过使用一个或多个 发光二极管而提供了聚焦光束或准直光束。检测器208检测到了反射 光束。检测器208将测量到的光线值供应给测量分析仪210。测量分 析仪210使用光线值来确定样品206的特性。测量分析仪210还可调 节照射器控制器212。测量分析仪210可以指导照射器控制器212， 从而导致照射装置202发射不同波长或强度的光线。样品传感器202 的构件可结合有先前在样品传感器100中描述的方面。
可使用参考检测器214来提供用于测量分析仪210的参考点。可
将参考检测器214定位成接收由照射装置202所发射的光线的精确样 品。根据第二示例性实施例，参考检测器210可使用梯形镜子和/或其 它微透镜及光学构件来聚集直接来自照射装置202或来自边缘的光 线。梯形镜子可防止反射光线破坏参考。根据第二示例性实施例，可 将检测器208所收集的光线样品反射到具有第一背景218和第二背景 220的样品206上。背景218， 220可允许测量分析仪基于在对比背景 218, 220之间的反射光线而确定样品206的其它特性。在一个例子中， 第一背景218可为黑色，而第二背景220可为白色。
参考图3，传感器300可包括用于在通线处提供光束304以便照 射样品306的照射装置302。照射装置302例如通过使用一个或多个 发光二极管而提供了聚焦光束或准直光束。根据第三示例性实施例， 可将LED放置在两个或多个电路板316上。电路板316可包括发射不 同波长光谱的LED。例如， 一个电路板可包括发射在可见光语内的光 线的LED。电路板316可发射来自不同方向的光线。第二电路板可包 括发射在紫外光谱内的光线的LED。电路板316可在不需要同时替换 传感器的所有LED的情况下而替换LED。根据以上例子，管理员可 以以更加规律的间隔替换紫外LED。
检测器308检测到了反射光束。检测器308将测量到的光线值供 应给测量分析仪310。测量分析仪310使用^r测到的光线值来确定样 品306的特性。测量分析仪310还可调节照射器控制器312。测量分 析仪310可指导照射器控制器312,从而导致照射装置302发射在多 个波长带的每个波长带内具有不同相对强度的光线。样品传感器300 的构件可结合先前在样品传感器100中描述的方面。
可使用参考检测器314来提供用于测量分析仪310的参考点。可 将参考检测器314定位成接收由照射装置302所发射的光线的精确样 品。根据第三示例性实施例，参考检测器314可在两个电路板316之 间的位置上纟企测光线，以便聚集直接来自照射装置302的光线。
图4为流程图，其表示用于实施本发明的照射装置实施例400的
传感器的第一个示例性方法。该方法具有两个阶段， 一个为表示在虚 线上方的校准阶段，照射装置的参数在校准阶段中得以确定，另一个 为表示在虚线下方的运行阶段，该装置用于在运行阶段中测量样品。
在校准阶段中，选择初始功率设定(方框402)。将具有这种设定的 功率供应给照射装置，从而导致照射装置产生第一光束(方框404)。将 因此而产生的第一光束导向至具有已知特性的参考材料上(方框406)。 参考材料可以为例如具有在至少可见范围内的已知高反射率的扩散 性反射材料。参考材料还可为具有已知荧光特性并且在其荧光的激发 与发射带中也具有已知反射率的荧光材料。接收与参考材料互相作用 的第二光束(方框408)，并且测量所接收的第二光束的光谱功率分布 (方框410)。通过所测量的第二光束的光谱功率分布和参考材料的已知 特性而确定第一光束的光谱功率分布(方框412)。存储第一光束的功率 设定和所确定的光谱功率分布(方框414)。对功率设定进行调制，以便 改变第一光束的光谱功率分布(方框416)。然后将具有新设定的功率供 应给照射装置，从而导致照射装置产生第一光束(方框404)。将方框 404、 406、 408、 410、 412、 414和416的顺序重复多次，从而存储多 种功率设定及相应的光谱功率分布。可以使用多种参考材料中的每一 种，例如具有不同荧光特性的参考材料来重复该顺序。
可在至少执行一次校准阶段之后使用运行阶段。在运行阶段中， 指定了所需的用于发光的光谱功率分布(方框452)。通过在校准阶段中 获得的存储的功率设定及存储的光谱功率分布，确定功率设定，该功 率设定将导致照射器产生具有所需光谱功率分布的光线(方框454)。制 造过程使得样品106前进到传感器100的通线(方框456)。照射器控制 器112将具有确定设定的功率供应给照射装置102，从而导致照射装 置102产生具有所需光谱功率分布的第一光束(方框458)。可通过将功 率供应给照射装置102的选定LED而实现上述情况。照射装置102 将第一光束104导向至样品106上(方框460)。光束104与样品106 互相作用，从而产生由检测器108接收的第二光束(方框462)。检测器
108测量所接收的第二光束的光镨功率分布(方框464)。测量分析仪 110通过所接收光线的光谱功率分布而确定样品106的特性(方框 466)。测量分析仪可在运行期间改变用于发光的所需光谱功率分布， 并且可在确定样品特性时采用利用单个光谱功率分布或两个或多个 光谱功率分布中的每个照射样品而进行的测量。可以不时地重复校准 阶段，以便可补偿构件老化的作用，并且可以避免性能恶化。可将一 种或多种适当的参考材料包含在测量装置内，该测量装置具有如下才几 构，其将参考材料展开到测量位置或等效地改变第一光束和第二光束
的光径，以便可在对常规操作存在最小干扰的情况下执行校准。
图5为流程图，其表示用于本发明照射装置实施例500的第二示 例性方法。制造过程使样品106前进到传感器100的通线(方框502)。 选择用于照射的所需的光谱功率分布(方框504)。选择用于照射器的初 始功率设定(方框506)。照射器控制器112将具有给定功率设定的功率 供应给照射装置102的LED，从而导致LED产生光束(方框508)。将 因而产生的光束分为第 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总功率，但其相对光谱功率分布至少在可见范 围内相同。将第二光束导向至参考检测器114(方框512)。参考检测器 114将第二光束的光谱功率分布测量为参考光镨功率分布(方框514)。 照射器控制器112对LED的功率设定进行调制，以便使测量的参考光 谱功率分布与所需的光谱功率分布之间的差异最小(方框516)。重复方 框508、 510、 512、 514和516的顺序，直到测量的参考光谱功率分 布与所需的光谱功率分布之间的差异足够小。在照射器控制器选择用 于照射的不同的所需的光i普功率分布时也重复该顺序。也可在运行期 间不时地重复该顺序，以确保用于照射的光谱功率分布不会偏离所需 的光谱功率分布。
将第一光束104导向至样品106上(方框518)。检测器108接收与 样品互相作用的第三光束(方框520)。检测器108将所接收的第三光束 的光i普功率分布测量为测量的光谱功率分布(方框522)。当参考光语功
率分布足够接近于所需的光谱功率分布时，可由测量分析仪IIO通过
所测量的光谱功率分布来确定样品特性(方框524)。测量分析仪110 可在运行期间改变用于照射的所需的光i普功率分布，并且可在确定样 品特性时采用通过利用单个所需的光谱功率分布或两个或多个所需 的光谱功率分布中的每个照射样品而进行的测量。可通过测量分析仪 或照射器控制器存储使参考光谱功率分布与所需的光谱功率分布之 间的差异最小的功率设定。如果测量分析仪将来选择相同的所需的光 谱功率分布，则可将用于所需光谱功率分布的存储的功率设定用作初 始功率设定。
参考图6，传感器600可包括用于在通线处提供光束604以便照 射样品606的照射装置602。照射装置602例如通过使用一个或多个 发光二极管而提供聚焦光束或准直光束。根据第四示例性实施例，可 将检测器608定位在样品606之外。
光束由检测器608检测。检测器608将测量的光线值供应给测量 分析仪610。测量分析仪610使用4企测的光线值来确定样品606的特 性。测量分析仪610还可调节照射器控制器612。测量分析仪610可 指导照射器控制器612,以使照射装置602发射在多个波长带的每个 波长带内具有不同相对强度的光线。样品传感器600的构件可结合先 前在样品传感器中描述的方面。可使用参考检测器614来提供用于测 量分析仪610的参考点。可将参考检测器614定位成接收由照射装置 602所发射的光线的精确样品。
应当理解的是，前述内容仅用于解释发明原理，并且在不脱离发 明范围与精神的情况下，本领域技术人员可以做出多种修改。因此， 应当认为这些实施例是在本发明的范围之内。本领域内技术人员还将 认识到的是，本发明可通过所述实施例之外的实施例来实施，所述实 施例的目的是用于解释而不是用于限制，并且本发明仅由权利要求所 限制。
权利要求
1. 一种用于测量样品特性的装置，所述装置包括用于利用光线照射所述样品的区域的至少一个器件，所述器件包括发射至少一个紫外光带的至少一个发光二极管；至少一个器件，其用于接收与所述样品互相作用的所述光线，并且用于测量所述光线在至少基本跨越可见范围的多个波长带中的光谱功率分布，从而形成测量的光谱功率分布；和用于通过所述测量的光谱功率分布来确定所述样品的光谱特性的至少一个器件。
2. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，用于照射所述样品的 器件和用于接收与所述样品互相作用的光线的器件位于所述样品的 同一侧上。
3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括至少 一个器件，其用于将具有已知反射率的背衬设置在所述样品的与所述 样品的被照射区域相对的侧面上，以使在可见范围内具有明显不同的 反射率的至少两个背衬可与所述样品的被照射区域相对地定位；并且，用于确定所述样品的光谱特性的器件采用至少一个测量的 光谱功率分布，所述至少一个测量的光谱功率分布利用具有明显不同 的反射率的至少两个背衬中的每个而获得。
4. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，用于照射所述样品的 器件和用于接收与所述样品互相作用的光线的器件位于所述样品的 不同侧上。
5. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，用于照射所述样品的 器件包括发射至少一个可见光带的至少一个发光二极管。
6. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，用于照射所述样品的 器件包括发射至少一个紫外光带和至少一个可见光带的至少一个发 光二极管。
7. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，用于照射所述样品的所述器件利用至少基本跨越可见范围的光线来照射所述样品。
8. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，用于照射所述样品的器件包括至少一个发光二极管，所述至少一个发光二极管的运行可被中断。
9. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，用于照射所述样品的器件还包括用于控制至少一个发光二极管的运行从而可改变其光线 输出强度的器件。
10. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，用于照射所述样品的器件还包括用于控制至少一个发光二极管的运行从而利用具有至 少 一个所需的光谱功率分布的光线照射所述样品的器件。
11. 如权利要求10所述的装置，其特征在于，用于确定所述样品光谱特性的器件釆用测量的光语功率分布，所述测量的光谱功率分布通过用于照射所述样品的至少两个光谱功率分布中的每个而获得。
12. 如权利要求10所述的装置，其特征在于，用于确定所述样品 的光谱特性的器件确定针对指定照射的所述样品的光谱特性，所述指定照射不可表示为用于照射所述样品的光谱功率分布的精确线性组合，使得针对包含所述指定照射的所述线性组合的范围确定光语特性 的间隔。
13. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述装置还包括 至少一个器件，其用于将由用于照射所述样品的器件所产生的光线分开，以使所述光线的一部分用于照射所述样品而另 一部分不用于 照射所述样品；和至少一个器件，其用于接收未用于照射所述样品的所述光线，并 且用于将所述光线在至少基本跨越可见范围的多个波长带中的光谱 功率分布测量为参考光谱功率分布。
14. 如权利要求13所述的装置，其特征在于，用于确定所述样品 的光谱特性的至少一个器件采用所述测量的光谱功率分布和所述参考光谱功率分布。
15. 如权利要求13所述的装置，其特征在于，用于照射所述样品 的器件还包括用于控制至少一个发光二极管的运行以使所述参考光 i普功率分布作为所需的光谱功率分布的器件。
16. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个发光二极 管具有光学元件，所述光学元件修改由所述发光二极管发射的光线的 至少一个特性。
17. 如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述光线的被修改 的特性为空间强度分布。
18. 如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述光线的被修改 的特性为光谱功率分布。
19. 如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述光线的被修改 的特性为极化状态。
20. —种用于检测样品特性的方法，其包括以下动作 传递样品；将功率供应到至少一个可见光发光二极管； 将光束从所述可见光发光二极管导向至所述样品上； 将功率供应到至少 一个紫外光发光二极管； 将光束从所述紫外光发光二极管导向至所述样品上； 检测与所述样品互相作用的所述可见光和所述紫外光；以及 基于所述^r测的光束确定所述样品的特性。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，间断地执行将功率 供应到至少 一 个紫外光发光二极管的动作。
22. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，将功率供应到至少 一个可见光发光二极管的动作还包括通过第 一 电路板供应功率，并且 将功率供应到至少一个紫外光发光二极管的动作还包括通过第二电 路板供应功率。
23. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，通过改变供应给所 述紫外光发光二极管的电流来执行将功率供应到至少 一个紫外光发 光二极管的动作。
全文摘要
公开了用于测量样品颜色的装置、系统和方法。示例性的装置可具有用于将紫外光束导向至样品的一个或多个发光二极管，并且还可具有用于将可见光束导向至样品的一个或多个发光二极管。示例性的装置可具有用于控制每个发光二极管的运行的时序和功率的构件。示例性的装置还可具有至少一个光检测器，用于接收从样品反射或经过样品透射的光束并且测量接收的光线的至少一个波长带。示例性的装置还可具有测量分析仪，用于基于测量的光线确定样品颜色。可针对结合荧光效果的指定照射器确定颜色。
文档编号G01N21/86GK101389936SQ200680053474
公开日2009年3月18日 申请日期2006年12月20日 优先权日2005年12月29日
发明者J·F·莎士比亚, T·T·莎士比亚 申请人:霍尼韦尔国际公司