光栅基柱状彩虹全息图的色度表征与检测方法

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光栅基柱状彩虹全息图的色度表征与检测方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种光栅基柱状彩虹全息图的色度表征与检测方法，该方法可用于柱状光栅镭射纸及其印刷色全息图的色度检测和评价，进而用于柱状光栅镭射纸生产和包装印刷品的色度质量控制。\n背景技术\n[0002] 目前，在高档烟酒等商品的包装中，常用柱状光栅基彩虹纸。这种纸张上附有周期性的柱状光栅，白光照射下，从不同的角度观看具有周期性不同的高反射彩虹色，熠熠闪烁的彩虹效果极大地增大了产品的附加品质，因此，常为中、高档香烟和酒类等商品的包装所选。\n[0003] 这种光栅基镭射纸的表面对入射光的反射光具有衍射作用，因而形成不同单色光在不同的衍射方向相干加强的彩虹现象。但由于光栅基具有方向性，且往往还有某种宏观图案（如柱状光栅基彩虹纸，具有周期性的柱形图案），造成了不同位置处颜色特征的显著差异。因而，当观看该镭射全息图，在同一角度观看不同的位置，或以不同的角度观看同一位置时，都表现为不同的颜色感觉。目前，无论是视觉观测，还是应用适于均匀颜色测量的各种颜色测量仪器，都难以准确表征这种承印物的颜色，给其质量控制带来困难。因而，此类产品的色度表征和检测评价显得尤为重要。\n[0004] 国家标准对防伪全息纸（含镭射纸）的特性指标做出了规定，并给出了检测方法（具体可参见GB/T18733-2002、GB/T18734-2002）。其中，用信噪比SNR和衍射效率η表征了光栅的色光衍射特征。不过，由于其检测方法比较复杂，而且不能完全表征全息光栅的色度及其变化特征，因此，就目前的应用情况看，对于全息纸的色度表征，特别是在包装印刷企业中的应用缺乏实用性。\n[0005] 国内外许多研究机构对镭射纸光栅的呈色机理进行了分析，也提出了多种色度及光谱检测方法。比如对镭射纸某一面元上不同测量角度下的综合色差的离差进行分析的方法；测试光栅参数、选择合适的光滤色片，再通过漫射光照射下光反射率的测量，实现对镭射纸色度测量的方法；等等。但这些方法存在同样的问题，即检测过程复杂，设备要求高，检测稳定性难以保证，仍不适于实际生产中的广泛应用。\n发明内容\n[0006] 本发明的目的在于提供一种能够方便、快捷、准确、宏观地评价光栅基柱状彩虹图的色度表征和检测方法，为此类镭射纸在全息防伪、彩虹全息包装印刷的色彩质量控制提供技术支持。\n[0007] 本发明的光栅基柱状彩虹全息图的色度表征与检测方法，获取特定光路下光栅柱长横截方向上足够长度内的色度信息，由该色度特征表征其彩虹全息图的颜色特性，可用于检测光栅基柱状彩虹原纸及其印刷品的颜色特性。\n[0008] 一种光栅基柱状彩虹全息图的色度表征与检测方法，包括以下步骤：\n[0009] （1）采用线状均匀白光光源，以光源线长方向沿柱状光栅柱长的横截方向照射柱状光栅样本，并在样本表面法线方向以线状像素阵列的光接收器接收反射光；\n[0010] （2）确定所用光接收器的光响应与被照样本色度的计算关系；\n[0011] （3）由步骤（1）中光接收器接收的反射光和颜色计算关系，将柱状光栅柱长横截方向上足够长度内的光信息转换成CIELab色度信息；\n[0012] （4）对步骤（3）得到的CIELab色度信息，分析其L*、a*和b*的数值及变化规律，并获取L*的空间变化周期性信息；\n[0013] （5）根据检测目的，选择应用明度L*的周期特征值和/或应用L*、a*和b*全部颜色特征信息表征得到的柱状光栅全息图的颜色特性；\n[0014] （6）对标准样本和测量样本（比样）的颜色差异进行评价，根据人眼视觉特性，确定不同应用中应控制的L*、a*、b*和色差数值，以及L*值周期性所允许的容差，用于生产质量控制。\n[0015] 步骤（2）中的光接收器可以是直接获得各像素点反射光的仪器（如扫描光谱相机），也可以是对各像素点反射光响应为RGB值的仪器（如平板扫描仪）。直接获得各像素点的反射光的仪器，可由像素点的反射光及色度学理论直接计算得到对应的CIELab色度值；\n对各像素点反射光响应为RGB值的仪器，需首先对该仪器进行颜色校正，建立仪器对色光响应的RGB与其对应CIELab色度值间的数学关系。\n[0016] 所述的光接收器形成的柱状光栅图像分辨率需适宜分析精度的要求，可在\n150dpi～300dpi之间选择。\n[0017] 步骤（3）中，将柱状光栅柱长横截方向上至少一个完整光栅周期长度内的光信息转换成CIELab色度信息。\n[0018] 采用的测试光源为线状标准白光，色温为5000K～6500K；白光照射的角度优选在\n30°～60°之间。\n[0019] 本发明以线状白光的线方向与镭射纸柱状光栅的柱长方向垂直，且与镭射纸样本表面的法线成某一角度的方式照射，在样本表面的法线方向接收反射光；利用接收的线状反射光表征柱状光栅在该照射白光下、该观测方向上的视觉色度及其随位置而周期性变化的特征。该特定光路条件下柱状光栅横截方向上的色度特征，不仅含有各个位置的色度信息，还有其按柱形周期排列的周期性变化信息，适用于柱状光栅基镭射图自身颜色的表征及与标样颜色的比较。该检测方法可由线性CCD扫描器件实现，方法简单、快速，可用于柱状光栅基镭射纸及其印刷图像的色彩质量控制。\n附图说明\n[0020] 图1为本发明采用的测试光路布局图。\n[0021] 图2-1和图2-2分别为本发明实施例1的标样和比样的全息图采样图像。\n[0022] 图3为本发明实施例1的测试仪器颜色响应色域和样品的CIELab色度图。\n[0023] 图4(a)、图4(b)和图4(c)为本发明实施例1标样和比样的全息图的色度变化图；\n其中图4(a)为L*值的位置变化图，图4(b)为a*值的位置变化图，图4(c)为b*值的位置变化图。\n[0024] 图5(a)、图5(b)和图5(c)为本发明实施例1标样和比样的全息图位置对准后的色度变化图；其中图5(a)为对准后L*值的位置变化图，图5(b)为对准后a*值的位置变化图，图5(c)为对准后b*值的位置变化图。\n具体实施方式\n[0025] 以下结合附图和实施例进一步说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。\n[0026] 在产品质量控制中，常有标准样本和检测样本，标准样本是企业作为质量合格与否的参考标准，检测样本是生产中的产品。该实施例分别取200mm×200mm柱状光栅基镭射原纸标准样本（称为标样）和检测样本（称为比样）各一张，实施测试过程及分析。\n[0027] 基本条件如下：\n[0028] 样品：两个银光柱柱状光栅基镭射原纸，标样和比样\n[0029] 仪器：线状像素阵列光接收器（含光源）采用专业级彩色扫描仪Epson GT-X970[0030] 扫描采样分辨率：200pdi\n[0031] 步骤1，采用专业级彩色扫描仪Epson GT-X970作为线状均匀白光源照明和光接收仪器，来实现本实施例技术方案中颜色样品的光采样过程，其采样光路如图1所示。\n[0032] 放置样品，使扫描仪线状均匀白光源的光源线长沿柱状光栅柱长的横截方向，则光源光线以一定的角度如30°照射，在样本表面的法线方向以线状像素阵列光接收器接收反射光。\n[0033] 应用该扫描仪前，首先设置合适的扫描参数，具体为：文件类型选择反射稿，颜色类型选择24位彩色，阶调曲线选择线性，亮度、反差、颜色平衡等选择默认设置，并取消一切自动处理功能，以保证稳定和适当的光响应。其后，确定柱状光栅纸上沿柱长方向和与之垂直方向上采样线度分别约为5mm和160mm的扫描区域进行扫描，得到两样品bmp格式的图像。如图2-1和图2-2所示，分别为两个镭射纸样品标样和比样的全息图采样图像。\n[0034] 步骤2，确定所用线状光接收器的光响应与被照样色度的计算关系：利用商业工具软件，建立扫描仪的ICC标准特性文件，得到扫描仪的光响应值RGB与被照样CIE色度值的转换计算关系。ICC标准特性文件是国际标准，其中的颜色关系是标准的数据查找表关系。\n[0035] 步骤3，利用上述颜色特性关系，由扫描图像的RGB响应值，可转换得到对应颜色的CIELab色度值，即将柱状光栅基柱长横截方向上至少一个完整光栅周期长度内的光信息转换为CIELab色度信息。图3中的浅底色区域A为该扫描仪可响应的颜色范围，称为色域；将得到的扫描图像CIELab数值进行沿柱长方向上求平均，其平均值如图3中的深色点B，是从扫描仪光路所“看”到的镭射全息图的颜色色度。可看到，这些颜色均在该扫描仪的颜色响应色域内，从而保证了计算所得镭射全息图颜色的可靠性。\n[0036] 步骤4，绘制步骤3中得到的两个光栅基柱状镭射原纸采样标样和比样全息图的色度变化图（扫描图像沿柱长方向上的平均CIELab值随位置变化图），得到标样和比样的CIELab色度周期性变化信息，可分析其L*、a*和b*的数值及变化规律，获取其空间变化周期，如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示。其中，1：标样，2：比样。\n[0037] 可分析的色度信息包括：\n[0038] （1）L*值变化周期\n[0039] 以图4(a)中最小L*值点的间距确定光栅周期。\n[0040] 如图4(a)所示，标样的两个最小L*值点间隔非常接近，得到的平均周期为T1=0.020（周/mm）；同样，比样的两个最小L*值点间隔也非常接近，得到的平均周期亦为T2=0.020（周/mm），表明比样有与标样相同的明度变化周期。\n[0041] 其计算关系如下：\n[0042] T1=f/25.4×[(t11+t12)/2]=0.0204（周/mm）=0.020（周/mm）\n[0043] T2=f/25.4×[(t21+t22)/2]=0.0203（周/mm）=0.020（周/mm）\n[0044] 其中f为扫描分辨率，该实施例中为200dpi。\n[0045] 由此得到的L*值空间变化周期反映了镭射纸的柱形特点，是其包装印刷应用中墨色深浅及颜色变化的基础。\n[0046] （2）颜色差异\n[0047] 将标样与比样的L*、a*、b*采样值分别在相同的变化周期内对准，获得两个光栅基柱状镭射原纸采样标样和比样的全息图位置对准后的色度变化图；其中图5(a)为对准后L*值的位置变化图，图5(b)为对准后a*值的位置变化图，图5(c)为对准后b*值的位置变化图，其中，1：标样，2：比样。\n[0048] 可从图5(a)、图5(b)和图5(c)中可直观地看到两样品在不同部位的差异，并可给出在该采样重叠区域内的平均数值差。该实施例中，L*、a*、b*值的平均差异分别为\n2.59、-0.49和1.84，对应的色差为3.21。\n[0049] 进一步，还可关注局部位置的颜色信息，更详细地分析比样和标样的色度差异。如该实施例中，从图5(a)可看到，较大的明度L*差异发生在1～200、450～550和800～\n900像素位置处，可分别求取其差异表征比样与标样的偏离，以指导原纸生产或图样印刷中不同位置的工艺质量改进。\n[0050] 此外，还可从图5(b)和图5(c)看出，在采样范围内，a*、b*色度值没有表现出完整的周期，却看出明显的对称特性。其差异主要发生在1～200像素位置处，b*的差异在\n800～900像素之间也较明显。\n[0051] 从L*、a*、b*整体色度变化看，比样和标样的色度差异主要发生在1～200和\n800～900像素位置间区域，都包含着由亮调到暗调的过渡过程。\n[0052] 步骤5，根据检测目的选择合适的检测内容。\n[0053] 根据检测目的，可选择应用明度L*的周期特征值及L*、a*和b*全部颜色特征信息表征该柱状光栅全息图的颜色特性。\n[0054] 无论对于原纸还是印刷上油墨后的颜色质量控制，都可同时关注L*、a*、b*的变化及其色差的大小。比样与标样在各空间位置处三个色度值的差异及色差的大小，都反映出比样的颜色质量，可分别详细说明。\n[0055] 如在该实施例中，由空间对准后的图5(a)～图5(c)看到，比样和标样间的L*、a*、b*值都存在某些差异，采样范围内的平均差异分别为2.59、-0.49和1.84，色差为3.21；其中明度的差异最大。而在不同的位置处，L*、a*、b*及对应色差各有不同。若以3mm长度（常规颜色测量仪器采样圆孔直径的线度）的区域为一个采样单元，可得各个单元上的色度差异；其中最小色差为0.83，最大色差为16.53，但大色差的数量并不多，主要发生在1～\n200像素位置间，因此，需对生产中该位置区域的工艺参数进行格外的关注，并进行调整。\n[0056] 此外，对于原纸而言，除了上述的色度差异外，还有L*值的空间变化周期性，反映原纸上光栅基的光学周期性。该实施例中由图4(a)得到，标样的L*值变化周期T1为t11和t12对应空间周期的平均值0.020（周/mm），比样的L*值变化周期T2为t21和t22对应空间周期的平均值亦为0.020（周/mm），表明比样和标样具有相同的光栅基光学周期性，这对比样印刷墨色后的质量保证打下了好的基础。\n[0057] 步骤6，在比样与标样的颜色差异评价中，可根据其应用目的和关注的测量项，并根据人眼的视觉特性，确定应控制的L*、a*、b*值和CIELab色差，以及L*值周期性所允许的容差，用于生产质量控制。\n[0058] 在该实施例中，镭射原纸比样和标样的L*值空间变化周期相同；比样与标样间的CIELab平均色差为3.21，产品质量检测人员在标准观察箱中观测，发现刚能看出两样品的差异。对于柱状光栅镭射原纸，L*值空间变化周期和色度指标都很重要，周期越接近，CIELab色差越小，比样的质量越符合要求。\n[0059] 无论对于原纸还是印有油墨的印刷色，比样与标样间的L*、a*、b*及CIELab色差究竟设置怎样的允差，需进一步根据其具体应用及品质要求来设定。