反射式彩色密度计的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 3.82MB 62 页 15积分
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I
摘 要
为了能在印刷过程当中精确的还原原稿呈现出的视觉效果，就需要在印刷过程
中的精确控制，而密度计就是在印刷控制过程中不可或缺的一种测量仪器。本文
介绍了一种有实用价值的基于 LED 光源的新型反射式彩色密度计，可以测量样品
的彩色密度、网点面积率、印刷反差等数据。
文章首先简述了本设计的研究背景，以及密度计的发展现状，并且确定下了研
究目标。在接下来的第二章中，对密度测量原理以及色度测量原理进行了研究，
通过研究明确了密度测量和色度测量两者之间的区别，并找到了两个测量体系之
间的联系。在第三章中，详细的描述了整个测量系统的设计过程，设计内容包括
测量系统的几何结构、光谱条件、测量电路设计等，并在介绍过程中对设计的合
理性加以论述。
本系统是结合光学、机械、电子电路、单片机软件于一体的综合性设计。文章
侧重于从实践的角度出发，介绍整个设计过程和思路，并对项目中所作做工作进
行了逐一阐述，并且在本文的第四章通过标准比对的方法对仪器进行了校准，并
通过大量的实验数据验证了仪器的可靠性和稳定性.
关键词： 反射式密度计 LED 光源 密度测量 色度测量
II
ABSTRACT
In the printing process, in order to reproduce the visual effect of printed original,
precise control is required, thus the densimeter is an indispensable measuring
instrument in the printing process. This paper presents a reflective color densimeter
based upon LED light source. This instrument is of great practical value. Color density,
dot area ratio, print contrast and other datas can be obtained from this device.
This paper firstly outlines the research background of this design, as well as the
recent development of the densimeter, and then sets the research goal. In the second
chapter, the principle of density measurement and the color measuring principle has
been introduced, as well as the differences between density measurement and color
measurement, and the relationship between the two measurement systems also has been
identified. In the third chapter, elements of the design and the whole designing process
of this measuring system has been illustrated in detail, while elements of the design
include the geometry of the system and spectrum measuring conditions, measurement
circuit design, etc.At the same time the reasonableness of this design has been analyzed.
This project is a combination of optical, mechanical, electronic circuits,
microcomputer software, thus an integrated design. This paper introduces the entire
design process and all the ideas, and the works carried out in this project are from a
practical point of view. In Chapter IV of this article, by comparison method we calibrate
the instruments, and base on a large number of experimental datas, the reliability and
stability of this instrument has been verified.
Keywords: reflective color densimeter, LED light source, density
measurement, color measurement
III
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................................................................................................... 1
§1.1 研究背景 ............................................................................................................................... 1
§1.2 发展现状 ............................................................................................................................... 1
§1.3 研究目标 ............................................................................................................................... 2
第二章 测量原理及方案 ......................................................................................................................3
§2.1 密度的概念及测量方法 .......................................................................................................3
§2.1.1 透射密度和反射密度 .................................................................................................3
§2.1.2 分色密度和彩色密度 .................................................................................................4
§2.1.3 实地密度和色调密度 ................................................................................................6
§2.1.4 叠印时的密度以及叠印率 ........................................................................................6
§2.2 色度的概念及测量方法 .......................................................................................................7
§2.2.1 色度学系统概述 .........................................................................................................7
§2.2.2 CIE1931 标准色度系统和 CIE1964 补充标准色度系统 ........................................ 7
§2.2.3 颜色三刺激值及色度坐标的计算 .............................................................................9
§2.2.4 色度测量的实现方法 ..............................................................................................10
§2.3 密度测量和色度测量之间的区别和联系 .........................................................................10
§2.4 本章小结 ............................................................................................................................. 11
第三章 测量系统的设计 ....................................................................................................................12
§3.1 光学设计 ..............................................................................................................................12
§3.1.1 光学部分的机械结构设计 ......................................................................................12
§3.1.2 光学部分的光谱条件及其相应设计 ..................................................................... 17
§3.1.3 光学设计中的其他细节 ..........................................................................................27
§3.2 电路设计 ............................................................................................................................. 28
§3.2.1 前端 I/V 转换电路 ................................................................................................... 29
§3.2.2 三色信号选通电路 ...................................................................................................30
§3.2.3 自动增益放大电路 ...................................................................................................31
§3.2.4 二阶滤波电路 ...........................................................................................................31
§3.2.5 仪器供电电路 ...........................................................................................................33
§3.2.6 基于 C8051F340 的数字电路 ..................................................................................34
§3.2.7 白光 LED 组驱动电路 .............................................................................................38
§3.2.8 仪器 PCB 图及实物照片 ........................................................................................ 38
§3.3 软件设计 ............................................................................................................................. 41
§3.3.1 软件的运行流程 .......................................................................................................42
§3.3.2 程序初始化模块 .......................................................................................................43
§3.3.3 三通道信号自动采集功能模块 ...............................................................................44
§3.3.4 各项参数测量功能模块 ...........................................................................................46
§3.4 本章小结 ............................................................................................................................. 50
第四章 仪器的误差分析及校准 ........................................................................................................51
§4.1 仪器的误差分析 ..................................................................................................................51
IV
§4.2 仪器的测量值校准 .............................................................................................................52
§4.2.1 三色绝对密度的校正 ...............................................................................................52
§4.2.2 三色网点面积率的校正 ..........................................................................................55
§4.3 通过仪器由密度系统向色度系统的转换方法 ................................................................ 55
§4.4 本章小结 ............................................................................................................................. 56
第五章 总结与展望 ............................................................................................................................ 57
§5.1 全文总结 ............................................................................................................................. 57
§5.2 未来的展望 ..........................................................................................................................57
参考文献 .............................................................................................................................................. 58
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................................................................. 59
致 谢 .................................................................................................................................................... 60
第一章 绪 论
1
第一章 绪论
§1.1 研究背景
自上世纪 90 年代以来的十多年是印刷技术发展变革的一段重要时期，随着与
现代技术相结合，出现了数码印刷，数字化工作流程等新型印刷技术，彻底改变
了印刷行业以往陈旧、落后的形象。
随着科技的进步，人们对印刷品色彩方面的要求越来越高，为了得到高质量的
印刷品，就必须做好印前准备，控制好印刷过程，要做到这些首先要精确的掌握
印刷品的信息[4]。目前印刷行业使用的主要几种工具有：分光光度计、色度计、彩
色密度计等，其中使用最为广泛的就应当是彩色密度计。虽然近年来分光光度计
和色度计的价格都日趋合理，在印刷行业中变的越来越常见，但是这些仪器仍然
不会是普通的工具，相较于上述仪器密度计可算是印刷行业中最为常见的基本测
量工具，几乎每一台印刷机械都需有一台密度计配套。
密度计作为印刷行业中应用最广泛的仪器之一，能够在印刷流程中提供控制印
刷过程的重要信息。密度计可分为两种基本类型，透射式密度计和反射式密度计，
其中每种类型又可分为黑白密度计和彩色密度计两类，黑白密度计用于黑度测量，
彩色密度计用于计量彩色光，本课题的研究对象就是反射式彩色密度计。
在印刷过程中，色彩印刷质量是否稳定，主要取决于三个因素：（1）墨膜厚度
（通常由实地密度来反映）；（2）网点变化量（通常由网点扩大率反映）；（3）印
刷色序（通常用叠印率来反映）。以上这些重要信息都是通过彩色密度计来得到的，
设想没有密度计的话，要想测量印刷品的属性，并将他们与扫描、打样和印刷控
制联系起来几乎是不可能。目前国内的密度计研究尚处于较低水平，在此背景下，
研究反射式彩色密度计就显得十分必要。
§1.2 发展现状
密度计作为颜色测量和质量控制领域的一种重要工具，在印刷、医学、建筑、
纺织等领域得到广泛应用。
早期国内生产的密度计普遍存在精度低，体积大，不方便携带等缺点，因此对
于很多控制精度高的行业，国内的产品无法满足要求，只能花高额的代价从国外
进口。随着科学技术的迅猛发展，国内也逐渐出现了许多高质量产品。例如，由
浙江欧海白水无损检验厂与上海交通大学共同研制的 TCD2210 黑白透射密度计，
反射式彩色密度计的研究
2
北方交通大学研制的 HD2101 型黑白密度计，这些产品从性能上看足以媲美国外同
类产品，但价格远低于后者。
同时国外的密度测量技术也在快速发展，涌现出许多先进的产品。跳出了密度
计只能测量密度的局限，同时还能够作为颜色质量控制和颜色管理的工具。如美
国爱色丽公司生产的 X-Rite500 系列分光反射密度计，不仅可以测量密度，还可
测量不同颜色空间的色度值、色差值、网点面积、计算反差、叠印、色调误差和
灰度，还可和计算机联机，对测量数据进行处理等；同样是爱色丽公司的产品，
Spectroeye 系列的密度仪可以提供最高的测量精度，即使是最小的色彩偏差也能
检测出来，内部配有环形光源，因此对分光密度计的定位方向没有严格要求，并
且仪器内部集成了一个标准白板，无需用户介入即可实现自动校准，这项功能可
谓是密度计领域的一个伟大创新；爱色丽 939 提供了印刷行业最佳的精确性，提
供良好的台间协议解决方案，在其前身 938 型分光密度仪水平上进行了更完美改
良。提供给用户配色的最佳保证，从而确保产品颜色一致及可靠。印刷品买家、
印前设计、打样及印刷车间可凭借 939 进行高效的颜色交流，或跟油墨和纸张供
应商交换关键的颜色信息，可以说打破了欧洲和美国标准不一致性。相比之下国
内此类产品和技术还尚属空白。
虽然国内此领域已取得了可喜的进步，但总体来看，与国外相比，无论是从技
术、功能、外形、或者精度上来看始终存在着较大的差距，应该加快彩色密度计
的研制的步伐。
§1.3 研究目标
本课题研究的目标是设计一台便携反射式彩色密度计，符合密度测量标准，有
三彩色密度测量功能，绝对密度测量/相对密度测量功能、网点面积率测量，网点
增大测量，印刷反差测量、叠印率测量。并且目标仪器是一台有实用价值的设备，
仪器的重复性误差和线性度误差控制在一个较小的范围内。
此外在印刷工业中，颜色的主要度量体系是三色密度值
（
DR
、
DG
、
DB
）
，通过
三色密度值能够将油墨对光的吸收特性很好的反映，而且具有良好的比例性和叠
加性。而在色度学中，以颜色的三刺激值（X
、
Y
、
Z）为基础的颜色度量体系很好
的反映了色彩的生理和心理特性，并且为国际普遍采用，形成了国际标准。本课
题也将研究此两种体系之间的区别和联系，并尝试近似的用彩色密度计计算出被
测样品的三刺激值。
第二章 测量原理及方案
3
第二章 测量原理及方案
印刷行业是对精确程度要求很高的产业之一，要让生产出的印刷品的画面和图
像，再次呈现出原本的视觉感受，这就需要在印刷生产过程中的精确控制。为了
实现这个目标，第一点就是在生产过程中要准确的获取原稿、样本、产品的信息，
这也是本设计的目的和意义。
印刷品的色彩测量有两大体系，一是密度测量，另一种是色度测量，本章将重
点介绍一下这两种测量的原理、方法、特点以及联系。
§2.1 密度的概念及测量方法
§2.1.1 透射密度和反射密度
首先是密度的概念，密度有透射密度和反射密度两种，前者是为了测量样品的
光透射比得出的，后者是为了测量样品的光反射比得出的。
透射密度 DT，是对样品的透射率 T 以 10 为底取负对数得出的，透射率 T 为透
射光强 Io与入射光强度 Ii的比值，透射密度 DT与样品透射率 T 之间的关系如式（1）
[11]。
, lg1
o i T
T I I D T 
式（1）
图（1）：透射密度示意图 图（2）：反射密度示意图
反射密度 DR，是对样品的反射率 R以 10 为底取负对数得出的，反射率 R为反
射光强度 IR与入射光强度 Ii的比值，反射密度 DR与样品反射率之间的关系如式
（2）。
, lg1
o i R
R I I D R 
式（2）
由以上定义式我们可以观察出，样本密度测量的实质，其实上就是测量样本的
光透射率或光反射率。
既然是测量透射率和反射率，那么为什么要用对数来表示密度呢？以下几点原
因很好的解释了这个问题[17]：（1）密度信息在颜色质量控制中十分重要，其之所
摘要：

I摘要为了能在印刷过程当中精确的还原原稿呈现出的视觉效果，就需要在印刷过程中的精确控制，而密度计就是在印刷控制过程中不可或缺的一种测量仪器。本文介绍了一种有实用价值的基于LED光源的新型反射式彩色密度计，可以测量样品的彩色密度、网点面积率、印刷反差等数据。文章首先简述了本设计的研究背景，以及密度计的发展现状，并且确定下了研究目标。在接下来的第二章中，对密度测量原理以及色度测量原理进行了研究，通过研究明确了密度测量和色度测量两者之间的区别，并找到了两个测量体系之间的联系。在第三章中，详细的描述了整个测量系统的设计过程，设计内容包括测量系统的几何结构、光谱条件、测量电路设计等，并在介绍过程中对设计...

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