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Die Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer mit einem auf einen Inspektionsfleck gerichteten Objektiv und einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Inspektionsflecks.
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In der Druckindustrie ist es üblich, die Farbwerte von ausgewählten Punkten auf einem Druckerzeugnis oder einem Prüfdruck (Proof) mit Hilfe eines Spektrometers zu messen, so dass Farbabweichungen zwischen einem durch den Proof repräsentierten gewünschten Ergebnis und dem tatsächlichen Druckergebnis quantifiziert und bewertet werden können. Mehrere Hersteller bieten Spektrometer in der Form von Handgeräten an, die auf die gewünschte Stelle – den Inspektionsfleck – des Proofs oder des Druckerzeugnisses aufgesetzt werden können. Es ist auch bekannt, Spektrometer, die hier zur besseren Unterscheidung als Bordspektrometer bezeichnet werden sollen, unmittelbar in die Druckmaschine einzubauen, so dass Farbmessungen bereits während des Druckprozesses an der durchlaufenden Bedruckstoffbahn vorgenommen werden können. Allerdings hat sich gezeigt, dass die Messergebnisse, die man mit verschiedenen Spektrometern für dasselbe Messobjekt erhält, nicht unbeträchtlich voneinander abweichen.
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Zum Teil sind die Unterschiede darauf zurückzuführen, dass in den Handgeräten und den Bordspektrometern unterschiedliche Beleuchtungseinrichtungen verwendet werden. Während die Handgeräte üblicherweise Halogenlampen als Beleuchtungseinrichtung aufweisen, kommen in den Bordspektrometern vorzugsweise Blitzlampen zum Einsatz, deren Blitzzeitpunkte sich so mit dem Repeat der auf die Bedruckstoffbahn gedruckten Formate synchronisieren lassen, dass man nach dem Stroboskop-Prinzip auf jedem Format einen Inspektionsfleck untersucht, der derselben Stelle im Druckbild entspricht.
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Wenn die Spektren der benutzten Lichtquellen bekannt sind, ist es im Prinzip möglich, die Unterschiede in den Beleuchtungsspektren rechnerisch zu kompensieren, so dass die mit verschiedenen Spektrometern erhaltenen Ergebnisse vergleichbarer werden. Zur Untersuchung des Spektrums einer Lichtquelle lässt man üblicherweise das Licht dieser Lichtquelle auf ein sogenanntes Weißnormal fallen, d.h., eine zumeist als weiß oder grau erscheinende Oberfläche mit einer standardisierten spektralen Reflektivität, und man misst das Spektrum des von dieser Oberfläche reflektierten Lichts.
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Bei dem Spektrum von Blitzlampen handelt es sich jedoch anders als bei dem Spektrum einer Halogenlampe nicht um ein thermisches Spektrum, sondern im wesentlichen um ein Emissionsspektrum, das ausgeprägte Emissionslinien (Peaks) bei bestimmten Wellenlängen aufweist, während die Intensität in anderen Wellenlängenbereichen deutlich kleiner ist. Für eine unverfälschte Messung des Spektrums ist es deshalb erforderlich, dass die Dynamik oder der sogenannte Hub des Spektrometers so groß ist, das Spektrometer bei den Peaks nicht übersteuert. Die Folge ist jedoch, dass die Empfindlichkeit des Spektrometers in den außerhalb der Peaks liegenden Wellenlängenbereichen relativ gering ist. Dadurch wird die Genauigkeit beeinträchtigt, mit der das Spektrum der Lichtquelle charakterisiert werden kann und mit der das mit dem Bordspektrometer aufgenommene Spektrum sich in ein entsprechendes Spektrum umrechnen lässt, das man mit einem Handgerät erhalten würde.
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Das Problem lässt sich innerhalb gewisser Grenzen dadurch mildern, dass man mit geeigneten Filtern die Emissionslinien aus dem Spektrum der Blitzlampen herausfiltert. Jedoch lassen sich die Peaks auf diese Weise nicht völlig eliminieren, da es schwierig ist, Filter zu finden, die so selektiv sind, dass sie nur die Peaks herausfiltern ohne das Licht bei benachbarten Wellenlängen zu stark zu unterdrücken.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Spektrometer zu schaffen, dessen Empfindlichkeit gleichmäßiger über den für die Farbwahrnehmung wesentlichen Bereich des elektromagnetischen Spektrums verteilt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Beleuchtungseinrichtung mindestens zwei Lichtquellen aufweist, deren Licht sich am Inspektionsfleck überlagert, und deren Spektren sich von einander unterscheiden.
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Durch diese Ausgestaltung der Beleuchtungseinrichtung gelingt es, das Beleuchtungsspektrum so zu glätten, dass die Intensität im Bereich der Peaks gedämpft, in den schwächeren Bereichen des Spektrums hingegen angehoben wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorzugweise verwendet man zwei gleiche Lichtquellen, doch ist mindestens einer dieser Lichtquellen ein Filter zugeordnet, der bewirkt, dass sich die Spektren des von den beiden Lichtquellen stammenden Lichts unterscheiden.
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Wenn beispielsweise das Licht der Lichtquellen einen ausgeprägten Peak bei einer bestimmten Wellenlänge aufweist, so wird der Filter für die eine Lichtquelle so gewählt, dass er diesen Wellenlängenbereich praktisch vollständig unterdrückt. In diesem Wellenlängenbereich steht folglich nur noch das Licht einer einzigen Lichtquelle zur Verfügung, während sich in den übrigen Wellenlängenbereichen das Licht beider Lichtquellen überlagert, so dass man eine entsprechend höhere Intensität erhält. Auf diese Weise lässt sich auch mit Filtern, die nur eine verhältnismäßig geringe Selektivität haben, eine wesentlich gleichmäßigere spektrale Intensität des Beleuchtungslichts und eine entsprechend gleichmäßige spektrale Empfindlichkeitsverteilung des Spektrometers erreichen.
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Bevorzugt ist mindestens einer der Lichtquellen eine einstellbare Blende zugeordnet, so dass sich das Verhältnis der Intensitäten des von den verschiedenen Lichtquellen stammenden Lichts nach Bedarf einstellen lässt.
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Die Erfindung ist besonders geeignet für Bordspektrometer für Druckmaschinen, bei denen die Lichtquellen durch Blitzlampen gebildet werden.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Spektrometers in einer Rotationsdruckmaschine;
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2 eine perspektivische Ansicht des Spektrometers und einer Walze der Druckmaschine;
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3 ein Beispiel eines Spektrums einer Blitzlampe des Spektrometers nach 1 und 2;
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4 ein Spektrum einer anderen Blitzlampe des Spektrometers, nach Filterung mit einem breitbandigen Filter; und
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5 ein Spektrum, das man durch Überlagerung der Spektren nach 3 und 4 erhält.
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In 1 ist ein Spektrometer 10 gezeigt, das als Bordspektrometer in eine Rotationsdruckmaschine eingebaut ist. Von der Druckmaschine ist lediglich eine Walze 12 gezeigt, über die eine bereits bedruckte Bedruckstoffbahn 14 läuft (siehe auch 2).
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Das Spektrometer 10 ist an einer Führungsschiene 16 verfahrbar, die parallel zur Achse der Walze 12 verläuft, und lässt sich daher auf jede gewünschte Breitenposition der Bedruckstoffbahn 14 einstellen. Ein Objektiv 18 des Spektrometers ist auf einen Inspektionsfleck 20 auf der Oberfläche der Bedruckstoffbahn 14 gerichtet, die die Umfangsfläche der Walze 12 umschlingt.
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Eine Beleuchtungseinrichtung des Spektrometers wird durch zwei gleiche Blitzlampen 22, 24 gebildet, deren Licht jeweils durch eine Lochblende 26, 28 unter einem Winkel von 45°, symmetrisch zur optischen Achse des Objektivs 18, auf den Inspektionsfleck 20 fällt.
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Im gezeigten Beispiel ist im Strahlengang jeder der beiden Blitzlampen 22, 24 ein optischer Filter 30, 32 angeordnet. Die beiden Filter 30, 32 unterscheiden sich in ihren spektralen Eigenschaften (Transmissivität), wie später anhand der 3 bis 5 noch näher erläutert werden soll.
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Bei den Lochblenden 26 und 28 handelt es sich vorzugsweise um einstellbare Blenden, beispielsweise um Irisblenden, oder einfach um Blenden, deren Löcher zum Teil durch Madenschrauben begrenzt werden, so dass sich die Öffnungsfläche des Loches fein und stufenlos einstellen lässt.
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Wahlweise können jeder der Blitzlampen 22, 24 auch Reflektoren, Kondensorlinsen und dergleichen zur Bündelung des Lichts auf den Inspektionsfleck 20 zugeordnet sein.
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Durch eine nicht gezeigte elektronische Steuereinrichtung werden die Blitzlampen 22, 24 so angesteuert, dass ihre Blitzzeitpunkte miteinander sowie mit dem Repeat der auf die Bedruckstoffbahn 14 gedruckten Formate 34 (2) synchronisiert sind. Durch Wahl der Position des Spektrometers 10 längs der Führungsschiene 16 und durch Wahl der Blitzzeitpunkte kann somit innerhalb des Druckbilds ein Punkt ausgewählt werden, der den Inspektionsfleck 20 bildet und dessen Farbe (spektrale Reflektivität) mit Hilfe des Spektrometers 10 analysiert wird. Das vom Inspektionsfleck 20 reflektierte und vom Objektiv 18 empfangene Licht der Beleuchtungseinrichtung wird im Spektrometer 10 in bekannter Weise in seine spektralen Anteile zerlegt, beispielsweise mit Hilfe eines Beugungsgitters, und die Intensität der spektralen Anteile wird dann mit Hilfe von optoelektronischen Wandlern gemessen und in ein entsprechendes elektronisches Signal umgewandelt, das dann digitalisiert und weiter ausgewertet werden kann.
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In 3 gibt eine in durchgezogenen Linien eingezeichnete Kurve 36 das Spektrum des von den Blitzlampen 22, 24 emittierten Lichts an. Es handelt sich um ein für Blitzlampen typisches Spektrum mit zwei ausgeprägten Peaks 38, 40, die in diesem Beispiel bei etwa 420 und 510 nm liegen. Außerhalb dieser Peaks ist die Intensität I deutlich geringer, und sie nimmt zu kleineren sowie zu größeren Wellenlängen λ hin ab.
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Wenn der Hub des Spektrometers 10 so groß ist, dass das Spektrum auch im Bereich der Peaks 38, 40 noch ohne zu übersteuern und somit unverzerrt aufgezeichnet werden kann, so erhält man folglich in den Bereichen unterhalb von etwa 400 nm und oberhalb von etwa 550 nm nur ein relativ schwaches Signal, so dass die Messgenauigkeit hier relativ gering ist und Strukturen in diesen flacheren Bereichen des Spektrums kaum messbar sind.
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Um diesen Effekt zu mildern, ist der Filter 30, der der Blitzlampe 22 zugeordnet ist, so beschaffen, dass möglichst gezielt die Wellenlängen herausgefiltert werden, bei denen die Peaks 38 und 40 liegen. Das entsprechende Spektrum wird in 3 durch eine gestrichelt eingezeichnete Kurve angegeben, die mit 22a bezeichnet ist. In Ermangelung hinreichend selektiver Filter ist es jedoch nicht möglich, die Peaks 38, 40 vollständig zu eliminieren.
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Um das Spektrum weiter zu glätten, ist der Filter 32, der der anderen Blitzlampe 24 zugeordnet ist, so beschaffen, dass er in einem Wellenlängenbereich B (4), der die beiden Peaks 38, 40 einschließt, nahezu undurchlässig ist, während er Wellenlängen außerhalb dieses Bereiches nahezu ungedämpft passieren lässt. Eine Kurve 24a in 4 zeigt das Spektrum des Lichts der Blitzlampe 24, nachdem es durch den Filter 32 gefiltert wurde.
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Würde man für die Blitzlampe 22 anstelle des Filters 30 einen Filter verwenden, der die gleichen Eigenschaften hat wie der Filter 32, so wären zwar die Peaks 38 und 40 vollständig eliminiert, doch wäre dann das Spektrometer für Wellenlängen in dem Bereich B praktisch blind, so dass Farbunterschiede, die auf unterschiedlichen spektralen Reflektivitäten innerhalb dieses Bereichs B beruhen, nicht erkannt werden könnten.
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Da jedoch erfindungsgemäß nur einer der beiden Blitzlampen der breitbandige Filter 32 zugeordnet ist, wird der Inspektionsfleck 20 hier mit Licht ausgeleuchtet, dessen Spektrum einer Überlagerung der gefilterten Spektren entspricht, die durch die Kurven 22a und 24a repräsentiert werden, wobei die Gewichtung dieser beiden Anteile je nach Einstellung der Lochblenden 26, 28 variieren kann.
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Als Beispiel illustriert 5 den Fall, dass das Licht der Blitzlampe 22 durch die Lochblende 26 um 50% gedämpft wird, während die Blende 28 unwirksam bzw. maximal geöffnet ist. Die fett eingezeichnete Kurve 42 in 5 gibt das Spektrum des Lichts an, mit dem der Inspektionsfleck 20 bei dieser Blendeneinstellung tatsächlich beleuchtet wird. Die Kurve 22b repräsentiert den Anteil, der von der Blitzlampe 22 stammt, nach Filterung im Filter 30, und entspricht der Kurve 22a in 3, jedoch mit einer um 50% reduzierten Amplitude. Die Differenz zwischen den Kurven 42 und 22b in 5 entspricht der Kurve 24a in 4 und repräsentiert den Anteil, der durch die Blitzlampe 24 und den Filter 32 beigesteuert wird.
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Man erkennt anhand des Verlaufs der Kurve 42, dass die Peaks 38, 40 auf diese Weise zwar nicht vollständig eliminiert werden, jedoch im Verhältnis zu den intensitätsschwächeren Bereichen des Spektrums außerhalb des Bereiches B deutlich unterdrückt sind. Umgekehrt bedeutet dies, dass die Intensität in den Bereichen außerhalb des Bereichs B deutlich angehoben ist, so dass in diesen Bereichen ein größeres Signal/Rausch-Verhältnis des Spektrometers erreicht wird. Insgesamt ist so das Spektrum, das durch die Kurve 42 repräsentiert wird, gleichmäßiger als ein typisches Blitzlampenspektrum. Allein durch diesen Effekt wird erreicht, dass die Ergebnisse, die man mit dem hier vorgeschlagenen Spektrometer 10 erhält, eher mit den Ergebnissen vergleichbar sind, die man mit einem mit Halogenlampen ausgestatteten Handgerät erhalten würde.
