一种用分光光度计测量光柱镭射纸光栅参数的方法

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一种用分光光度计测量光柱镭射纸光栅参数的方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及到一种用分光光度计测量光柱镭射纸光栅参数的方法，通过使用X-Rite MA68Ⅱ多角度分光光度计测量光柱镭射纸上不同位置的光谱信息，结合不同光栅常数的光栅条纹对应不同衍射级数的衍射主波长与衍射角度的变化关系，提出一种可以用X-Rite MA68Ⅱ多角度分光光度计测量光柱镭射纸光栅参数的方法。\n背景技术\n[0002] 镭射膜及镭射转移纸具有特殊的亮彩虹效果，同时具有一定的防伪性能，深受包装印刷企业的喜爱。但是包装印刷企业一般对镭射膜及镭射转移纸的加工工艺并不了解，在镭射纸基上进行图文印刷，往往会出现印刷工艺参数一致但产品颜色外观不一致的问题。这主要是由于镭射纸基本身的颜色差异造成的，当光照射到镭射纸基上时，除了产生光的漫反射外，还存在光的镜面反射、衍射和干涉。影响镭射纸不同呈色效果的主要原因是镭射膜或者镭射转移纸内部光栅条纹的光栅参数不同，其主要包括:光栅条纹的光栅常数以及光栅条纹的刻划方向和刻痕深度。光栅常数和光栅条纹的刻划方向主要影响镭射纸基在不同观察角度呈现颜色的主波长，而光栅条纹的刻痕深度主要影响光谱能量，即颜色的明暗。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的在于提出一种用分光光度计测量光柱基镭射纸光栅参数的方法，通过分光光度计采集光柱基镭射纸上不同位置的光谱信息，达到测量光柱基镭射纸光栅参数的目的。解决了光柱基镭射纸微观结构测量需要借助高倍数放大镜的问题，直接用分光光度计可完成光栅微观参数的测量，该方法适合于所有外观为光柱镭射纸的微观参数测量和颜色质量评测。\n[0004] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：\n[0005] 一种用分光光度计测量光柱镭射纸光栅参数的方法，包括如下步骤：\n[0006] （1）根据光栅方程，得到对应于不同衍射角度，在入射角为固定值时，不同衍射级数下的光栅常数和波长的对应关系，并绘制不同衍射角和衍射级数下的光栅常数和波长分布关系图；\n[0007] （2）以光柱镭射纸相邻两条彩虹带为基准，将光柱镭射纸在沿光柱方向和垂直于光柱方向划分成不同的测量区域，以x-y标记，其中x表示沿光柱方向，y表示垂直于光柱方向；\n[0008] （3）使用多角度式分光光度计采集光柱镭射纸上沿彩虹带方向（x方向）和垂直于彩虹带方向（y方向）不同位置的光谱数据，绘制不同探测角度（接收方向与镜面反射光夹角）下的光谱能量曲线分布图；\n[0009] （4）分析在光柱镭射纸上沿光柱方向和垂直于光柱方向不同位置不同探测角度下采集到的光谱数据分布规律；\n[0010] （5）结合步骤（1）得出的不同衍射角和衍射级数下的光栅常数和波长分布关系，分析步骤（3）测得的光谱数据的变化规律，推算光栅条纹的光栅常数；\n[0011] （6）固定多角度分光光度计光孔与镭射纸的相对位置，将光柱镭射纸平面旋转\n90°，测量同一位置的光谱信息，重复步骤（3）-（5），推导光柱镭射纸光栅条纹的刻划方向。\n[0012] 上述方法可进一步应用于检验单张光柱镭射纸表面光栅条纹刻划的均匀性和批量光柱镭射纸光栅条纹刻划的一致性。\n[0013] 步骤（1）中，所述的光栅方程为：d(sini+sinj)=kλ，式中，d是光栅常数，i和j分别是入射角和衍射角，k是衍射级数，λ是波长；波长λ在可见光范围内（380～780nm）取值，衍射级数k为1-4级，光栅常数d在0.5～2之间取值，在入射角一定的情况下（如入射角i=45°），得到对应于不同衍射角度，在入射角为i时，不同衍射级数k下的光栅常数d和波长λ的对应关系，并绘制不同衍射角和衍射级数下的光栅常数和波长分布关系图。在入射角一定的情况下，可根据不同衍射角处探测到的光谱能量峰值分布，推算出光栅条纹的光栅常数d。\n[0014] 步骤（3）中，使用X-Rite MA68Ⅱ分光光度计，对光柱基镭射纸进行光谱信息采集，在保证分光光度计与镭射纸的平面夹角不变的前提下，测量光谱范围为400～700nm，波长间隔为10nm，X-Rite MA68Ⅱ多角度分光光度计的光源照明入射角为45°，探测角度（接收方向与镜面反射光夹角）分别为15°、25°、45°、75°和110°，绘制多角度的光谱能量分布图。\n[0015] 步骤（3）中，采集数据时，依次固定镭射纸不同采样点和分光光度计的位置（保持刻划光栅条纹，照明光源和采集光孔位置的确定），同时保持分光光度计测量光孔平面与测量纸基平面夹角不变。\n[0016] 步骤（4）中，光柱基镭射纸的光谱分布，沿着光柱方向和垂直于光柱方向光谱分布规律存在较大的差异，沿着光柱方向采样，光谱分布规律大致相同；而垂直于光柱方向随着采样位置的变化，光谱分布规律表现出较大的差异。\n[0017] 步骤（5）中，根据分光光度计在不同光电探测角度测得的不同衍射级数处400～\n700nm光谱曲线峰值能量分布，由光栅方程d(sini+sinj)=kλ推算出光栅常数d。\n[0018] 步骤（7）中，根据镭射纸平面旋转前后光谱峰值能量变化，推测光柱镭射纸不同位置的光栅刻划条纹相对方向。比较镭射纸旋转90°前后沿着彩虹带方向不同系列（例如：-1系列：A-1，B-1，C-1，D-1，E-1）的光谱能量分布规律，推断其光栅条纹的方向。\n[0019] 步骤（7）中，使用分光光度计测量单张光柱基镭射纸的不同采样位置，固定镭射纸的纸基平面与分光光度计的光孔平面的平面夹角不变。可以从以下两个方面判断单张镭射纸表面光栅刻划的均匀性和批量镭射纸基表面光栅刻划的一致性：\n[0020] 1）根据X-Rite MA68Ⅱ分光光度计采集到不同探测角度的光谱能量峰值分布，推算镭射纸基表面光栅条纹的光栅常数；\n[0021] 2）镭射纸基平面旋转前后光谱峰值能量比较，推测光柱基镭射纸不同位置的光栅刻划条纹相对方向。\n[0022] 本发明采用分光光度计测量光柱基镭射纸光栅参数的方法，通过光栅方程绘制不同衍射角和衍射级数下的光栅常数和波长分布关系图；沿着光柱方向（x方向）和垂直于光柱方向（y方向）划分不同的测量区域，用X-Rite MA68Ⅱ分光光度计测量光柱基镭射纸的光谱数据；该方向在固定光柱彩虹镭射纸基采样位置和分光光度计相对位置的情况下，可用于测量镭射纸基的光栅参数，检测镭射纸基的均匀性和不同批次镭射纸光栅刻划的一致性，一定程度上解决了测量镭射纸微观结构需要借助高倍数显微放大装置的困难，具有操作方便、简单快捷、误差小的特点。\n[0023] 下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。\n附图说明\n[0024] 图1是光柱镭射纸的外观效果图。\n[0025] 图2是光柱镭射纸的不同测量位置示意图。\n[0026] 图3是光柱镭射纸的微观结构示意图（不同测量位置处）。\n[0027] 图4-1至图4-4是不同衍射角和衍射级数下对应的光栅常数和波长分布图，其中，图4-1：一级衍射；图4-2：二级衍射；图4-3：三级衍射；图4-4：四级衍射。\n[0028] 图5是X-Rite MA68Ⅱ照明角度和光电探测角度的光路示意图。\n[0029] 图6-1至图6-5是垂直于彩虹带方向A-位置不同探测角度的光谱分布图，其中，图\n6-1：探测角度为15°；图6-2：探测角度为25°；图6-3：探测角度为45°；图6-4：探测角度为\n75°：图6-5：探测角度为110°。\n[0030] 图7-1至图7-4是沿着彩虹带方向探测角度为110°的四幅光谱分布图，其中，图7-\n1：-3（A-3、B-3、C-3、D-3、E-3）位置；图7-2：-4位置；图7-3：-7位置；图7-4：-8位置。\n[0031] 图8-1至图8-4是将镭射纸基旋转90°沿着彩虹带方向探测角度为110°的四幅光谱分布图，其中，图8-1：-3（A-3、B-3、C-3、D-3、E-3）位置；图8-2：-4位置；图8-3：-7位置；图8-4是-8位置。\n具体实施方式\n[0032] 本发明利用分光光度计对光柱基镭射纸进行光栅微观参数的测量，在入射角一定的情况下，根据光栅方程绘制不同衍射角和衍射级数下的光栅常数和波长分布关系图；用X-Rite MA68Ⅱ分光光度计，光源的照明条件为45°，接收方向分别为与镜面反射光夹角为\n15°，25°，45°，75°和110°五个角度，在保证分光光度计与镭射纸的平面夹角不变的前提下，测量沿着彩虹光柱方向和垂直于彩虹光柱方向的光谱能量信息。沿着彩虹光柱方向的光谱分布规律相同，垂直于光柱方向随着采样位置的变化，光谱分布规律有较大的差异。\n[0033] 如图1所示，为光柱镭射纸的外观，x表示沿光柱方向，y表示垂直于光柱方向，L为彩虹带周期。使用分光光度计测量光柱基镭射纸光栅参数的方法，达到对镭射纸基光栅条纹刻划均匀性和一致性的检测，具体步骤如下：\n[0034] （1）根据光栅方程d(sini+sinj)=kλ，公式中的d是光栅常数，i和j分别是入射角和衍射角（X-Rite MA68Ⅱ中的入射角i=45°），k是衍射级数，λ是波长。改变光栅常数d（在0.5～2之间取值），波长λ在可见光范围内（380-780nm）取值，衍射级数选择1-4级，根据光栅方程即可得对应于不同的衍射角和衍射级数，光栅常数与波长的变化关系，如图4-1至图4-4所示，分别为衍射级数为1～4、不同衍射角下对应的光栅常数和波长分布图。\n[0035] （2）以镭射纸相邻的两条彩虹带为基准，将光柱镭射纸在沿光柱方向和垂直于光柱方向划分成不同的测量区域，以x-y编号，其中x表示沿光柱方向，y表示垂直于光柱方向，如图2所示。其中x方向分别以A-E编号，y方向分别以1-11编号。\n[0036] （3）使用X-Rite MA68Ⅱ多角度式分光光度计对光柱基镭射纸进行颜色测量，光谱范围400-700nm，波长间隔为10nm。在保证分光光度计与镭射纸的平面夹角不变的前提下，光源的照明条件为45°，接收方向分别为与镜面反射光夹角为15°，25°，45°，75°和110°五个角度，MA68Ⅱ的光路图如图5所示。\n[0037] 保持分光光度计测量光孔平面和镭射纸平面纸基的平面夹角不变，即保证对于图\n3所示光柱镭射纸的不同测量位置处的光栅刻划条纹，照明光源和采集光孔位置确定，采集光柱镭射纸上沿彩虹带方向和垂直于彩虹带方向采样点的光谱数据，绘制X-Rite MA68Ⅱ五个角度探测到的光谱能量分布图。\n[0038] （4）图6-1至图6-5可见垂直于彩虹带方向A-系列，图6-1（探测角度15°），图6-2（探测角度25°），图6-3（探测角度45°），图6-4（探测角度75°）和图6-5（探测角度110°）的光谱分布图。探测角度15°对应的衍射角度为-30°，图6-1中衍射波长小于300nm；探测角度为25°时，对应的衍射角度为-20°，图6-2中衍射波长在420nm左右；探测角度为45°时对应的衍射角为0°，图6-3中衍射波长在小于400nm波段和680nm两个波段；探测角度为75°时，对应的衍射角度为30°，图6-4中衍射波长在410nm和700nm两个波段；探测角度为110°对应的衍射角度为65°，图6-5中的衍射波长为410nm与550nm。\n[0039] 结合不同衍射角和衍射级数下的光栅常数和波长分布关系图可以推出该镭射纸基光栅常数为1μm。如，由图6-5所示的65°衍射角处测量的光谱能量分布图可知，其中的峰值波长550nm为图4-3中三级衍射对应的主波长，峰值波长410nm为图4-4中四级衍射对应的主波长，综合图4-3，图4-4可知该光柱镭射纸的光栅常数1μm。同理可由其它探测角度（-\n20°，0°，30°）采集到的光谱能量分布图中对应的峰值波长与图4-1至图4-4中不同衍射级数下的光栅常数和波长分布关系，推算出该测量的光柱镭射纸光栅常数为1μm。\n[0040] （6）图7-1至图7-4可见在探测角度为110°时采集到的沿着彩虹带方向的4个光谱分布图，分别为-3,-4,-7,-8系列，如：-3系列指的是A-3，B-3，C-3，D-3，E-3五个位置。图8-1至图8-4为将镭射纸基平面旋转90°探测角度为110°时采集到的沿着彩虹带方向的4个光谱分布图，分别为-3,-4,-7,-8系列。\n[0041] （7）结合图7-1至图8-4和光栅方程d(sini+sinj)=kλ及图4-1至图4-4所示的在入射角为固定值时，不同衍射角和衍射级数下的光栅常数和波长分布关系图，分析X-Rite MA68Ⅱ五个角度光电探测口测得的光谱数据变化规律。\n[0042] a)图7-3和7-4所示的-7与-8系列采集到的光谱能量很低，这是由于X-RiteMA68Ⅱ内部光路结构的特点，由于光栅衍射作用，几乎没有光能量进入探测器。而在同一个位置，将镭射纸基旋转90°图8-3和8-4所示-7与-8系列采集到的光谱能量能够进入探测器，能量出现峰值变化同时符合光谱衍射原理。同理图7-1和图7-2所示的-3与-4系列采集到的光谱峰值能量很高，将镭射纸基旋转90°后，图8-1和8-2所示-3与-4系列采集到的光谱峰值能量却很低，几乎没有光进入探测器。\n[0043] b）图7-1至图7-4与图8-1至图8-4进行对应比较，可以推测-3与-4系列位置光栅条纹刻划方向与-7和-8系列位置光栅条纹刻划方向垂直。\n[0044] （8）检验单张镭射纸表面光栅刻划的均匀性，或者批量镭射纸光栅刻划的一致性，根据步骤（7）检测方法，检测单张镭射纸基光栅刻划条纹的光栅常数d，光栅条纹的相对刻划方向。\n[0045] 本发明的方法可用于检测单张镭射纸表面的均匀性或者批量镭射纸光栅刻划一致性。由于单张镭射纸在不同位置处的刻划条纹宽度与光栅条纹刻划的方向，使镭射纸表面出现了绚丽的亮彩虹效果；同时由于光柱镭射纸基表面光栅刻划具有周期性，沿着彩虹带方向，光栅条纹刻划的方向一致，而垂直于彩虹带方向不同位置光栅刻划方向顺时针（逆时针）旋转一定的角度，所以在进行检测时要注意需注意标样和测试样的采样位置以及仪器和纸基的摆放位置。\n[0046] 本发明通过沿光柱方向和垂直于光柱方向将光柱彩虹镭射纸划分为不同测量区域，固定多角度分光光度计，比较镭射纸基旋转90°前后同一位置的光谱能量信息的变化，结合光栅方程绘制不同衍射角和衍射级数下的光栅常数和波长分布关系图，可以推断该镭射纸基光栅常数以及光栅条纹的倾斜方向。本发明通过使用多角度分光光度计采集镭射纸上不同位置的光谱信息，解决了光柱基镭射纸微观结构测量需要借助高倍数放大镜的问题，直接用多角度分光光度计完成镭射纸基光栅参数的测量和推算；在一定程度上解决了困扰科学界和工业界难以准确测量镭射纸的难题，具有操作方便、简单快捷的特点。