印刷用密度計的發展情況與前景

裴靖妮

(運城學院 機電工程系，山西運城044300)

0.引言

密度計是印刷質量檢測的重要工具，是推動印刷產業朝數字化發展的有力工具。使用密度計對網點面積、實地密度、疊印率、網點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品質量控制提供了可靠的數據依據及評定質量的標準。［1］在印刷中，使用的密度計均屬于光學密度計，測量的是光學密度。光學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為底的反射率倒數或透射率倒數的對數來表示。光學密度計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)的強度與照射在表面上的光強度，然后通過大家認可的邏輯關系來計算密度值。

1.密度計的分類

通常，我們將密度計分為反射密度計和透射密度計，反射密度計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，根據分光元件的不同，我們還可將密度計分為濾色片密度計和分光密度計。下面就對濾色片和分光密度計的原理進行簡單的介紹。

1.1 濾色片密度計

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

其中i=R、G、B。β為反射率或透射率。

濾色片密度計可分為黑白密度計和彩色密度計兩種。黑白密度計只有一種濾色片，常稱為黑度測量。例如:測量黑白照片、黑白底片密度。彩色密度計測量彩色光，通過紅、綠、藍三種濾色片分色后測量反射或透射光的紅、綠、藍三成分的光強，再通過邏輯計算，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系。

1.2 分光密度計

分光密度計是采用光譜式分光，根據光譜乘積∏(λ)來計算密度值的，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，國標中對每種類型密度的光譜乘積都有規定。從密度計的公式中可以看出，只要測量出光譜反射率或透射率，就可以得到三色密度值。

分光密度計有類似單色儀光譜掃描和凹面光柵多通道接受結構兩種類型。［2，3］

1.2.1 單色儀結構

密度計的光譜采樣間隔一般是10nm－20nm，在400nm－700nm波長范圍內采樣，誤差較小，滿足測量要求。單色儀結構的分光密度計常用幾十個濾色片組成的濾色輪(如圖1)或濾色環分光，旋轉探測器或者探測器不動，旋轉濾色輪對光采樣接收。

圖1 濾色輪式彩色密度計

1.2.2 光柵結構

這種結構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光柵結構(如圖2)，有較好的經濟性和工藝性，可以較好的消除彗差。

圖2 Czerny－Zurner光柵結構

2.密度計在國內外的發展情況

密度計的發展距今已有大約90年的歷史了。在20世紀初，國外就已經擁有了透射密度計。后來到了1925年，通過對已有透射密度計的改良，由H.Mills Cartwright和C.D.Hallam設計出了一款新型的反射密度計，它可用于對照片和半色調印品的密度進行測量。［5］在1929年，由 Eastman Kodak公司推出了一款名為Capstaff－Purdy的密度計。在此密度計的基礎上，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，這個密度計將入射光的角度固定為45°。同時，在設計時還加入了一個標準白板，通過兩個光路將樣本的反射光與標準白板的反射光反射到接收設備中，再通過分析和計算得到密度值。［6］

到了1936年，由NORA M.Mohler、Delia Ann Taylor、Smith College、Northampton和Mass在《J.O.S.A》雜志上發表了一篇論文，論文中介紹了一種新的反射密度計，在這款密度計中，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備提供電壓;同時，它對變化的光源擁有一個線性的響應。

在20世紀40年代，Western Electric RA－t 100透射密度計成為了當時最受歡迎的一種密度計。但是，反射密度計的發展并不是很好，因為它的精度達不到人們預期的效果。到了1949年，由R.L.Huber和A.B.Raus，以Western Electric RA －t 100透射密度計為基礎，又研制出了一種反射－透射光電密度計。［8］這個密度計是在原有的透射密度計基礎上對整個光學系統進行了改良，加入了一個用于測量反射密度的光學系統;另外，該密度計中加入了青濾色片，使密度計可以用來測量單色和彩色印刷品。這款密度計打破了以前密度計只能單一的測量反射或透射密度的歷史。

到了20世紀50年代末，由Albet J.Derr研制出了一種新的反射密度計。［9］該密度計采用8個鎢絲燈組成一個系統作為光源，以一個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，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行密度測量?，F在所使用的彩色反射密度計大都采用這種形式。

與國外相比，我國對密度計的研究就比較晚了。七十年代以前我國印刷所使用的密度計完全依賴進口。后來根據“28項新產品研制計劃”，廣州金星儀器廠于1978年試制成功了我國第一臺MCF－1型反射式密度計和第一臺MC1－1型透射式彩色密度計。［10］這兩種彩色密度計采用中規模集成電路及數字顯示等技術，體積小，重量輕，外形美觀，接近國外同類產品水平，填補了我國印刷行業在色光密度測量方面的空白，為國家節省了大量外匯。到了1982年，在此基礎上，又同華南工學院合作，進一步試制成功帶微處理機的網點透射式彩色密度計。

于此同時，溫州自動化設備廠于1977年開始生產印刷機械產品，生產出多種型號的黑白密度計，MDF－1型彩色反射密度計，MDW－1型彩色透射密度計、平印機調節表、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，于1984年10月通過鑒定，［11］并且它的主要技術性能已可以達到國外同類產品的先進水平。

最近，由西安工業大學光電學院和西安理工大學印包學院專家教授們聯合研制開發的CRD－998C彩色反射式密度儀已經由咸陽銳普網絡信息工程有限公司推出。它采用最新的半導體LED光源技術和微電子技術，全中文顯示，放棄了傳統密度計普遍采用的普通光源加濾色片技術，它測量的密度、網點數據和世界上比較先進的愛色麗530密度儀測量的數據基本一致。

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

此外，愛色麗公司近期又推出了SpectroEye分光密度計，它是一款為印刷工藝檢查而設計的一款多功能分光光度儀/色密度儀。它最獨特的功能是——最佳匹配，能幫助印刷現場校準顏色，有利于油墨的調配，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)，從而達到與參考顏色的匹配。

由美國GretagMactch公司(現已與愛色麗公司合并)推出的spectroline分光光度計(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)，重復性為 ±0.01D，測量時間 1s－2.5s。［2］

3.密度計發展前景及應用

雖然我國的密度計產業也已經發展了幾十年，但是現在市面上所銷售和使用的絕大部分依然是國外的產品，國內對于密度計的研究和生產還有很長的路要走。

現在市場上通常使用的密度計大都采用鹵鎢絲燈。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行過濾，增加了密度計結構的復雜性。而隨著固體發光材料的進一步開發，半導體技術的逐步改進第四代照明光源白光LED已經廣泛的應用于我們的日常生活中，國外一些新的顏色檢測儀器已經開始采用LED作為光源。因此，采用白光LED作為密度計的照明光源必將是密度計發展的一個方向。白光LED光源屬于綠色照明光源，白光LED固態光源，具有壽命長、省電、體積小、耐震性好、高效、響應時間快、驅動電壓低等優點，隨著芯片技術的發展，價格的下降，它必將成為可能替代熒光燈、白熾燈的環保型、節能型照明光源。［13，14］同時，現在生產的白光LED光源已經有多種色溫形式，基本可以滿足密度計所用光源的要求。

傳統的密度計中，大都采用濾色片加上光電傳感器對反射光進行分色并接收。但是這種形式增加了密度計結構的復雜性，同時，也增加了成本?，F在生產出的顏色傳感器已經將光電傳感器與濾波器集成到了一起，可以對光信號進行分色和接收。如s7505顏色傳感器，其探測紅、綠、藍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400 nm－540 nm(λp=460 nm，半高全寬為 90 nm)，［15］可以滿足國標對密度計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行分色，它通常用于顏色的識別與檢測。同時，它擁有一個特別的性能，即從此傳感器中輸出的信號為數字信號。一般顏色傳感器輸出為模擬信號，需要通過A/D轉換對該信號進一步處理，機器才能進行識別，增加了電路的復雜性，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，同時也省去了A/D轉換的過程簡化了密度計的結構，節省了成本。隨著傳感器技術的不斷發展和完善，使用顏色傳感器代替濾色片和光電傳感器是密度計發展的一個方向。

近兩年印刷在線檢測系統發展迅猛，除了傳統的對套準進行監控外，密度也成為在線檢測對印品質量監控的一個重要指標。在線檢測系統中對密度的測量原理同傳統的密度計相同，只是要求檢測的頻率有所增加，從之前的抽樣檢測到現在每張印品均需要檢測。這就對整個密度檢測系統的計算速率提出了很高的要求，而采用顏色傳感器設計的密度測量系統，能夠滿足在線檢測高速、高效的要求。

綜上所述，密度作為印刷品質量檢測的一個重要指標，密度計也必將會是今后我們研究的一個重要方向，將密度計更好、更快的國產化，必將成為我們印刷人努力的一個方向。

［1］孫萌.印刷流程質量控制的武器——密度計［J］.今日印刷，2003(8).

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［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.

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