专利名称：一种光栅基彩虹全息图像色度检测评价方法
技术领域：
本发明属于图像色度质量检测与评价领域，具体涉及到一种采用特殊光源照射条 件，并通过光谱来计算光栅基图像的色度信息，由此来评价光栅基图像的质量的光栅基彩 虹全息图像色度检测评价方法。
背景技术：
在竞争日益激烈的消费品市场，广大消费者在购买商品时，除了注重商品的质量、 性能外，对商品包装装潢的要求也越来越高。而光栅基彩虹全息承印材料印刷后清晰亮丽 的效果，以及印刷后无法遮盖的彩虹图像具有的整体防伪功能，使被包装的产品显得高贵 华丽，从而提高了产品的档次，满足了人们对高档消费品的装潢要求。虽然光栅基彩虹全息承印材料能够呈现五彩斑斓的颜色，具有良好的视觉效果， 但此承印物的效果导致其在印刷过程中颜色不容易控制，印刷技术人员的目视观察或采用 现有各种颜色测量仪器都难以保证同一批次印品，乃至不同批次印品的墨色一致，从而在 生产过程中产生大量的废品，据不完全统计，颜色无法准确测量导致光栅基产品的废品率 达到10%，每年给企业带来几百万的损失，因此，此类产品色度方面的检测就显得尤为重 要。由于镭射纸表面特殊的光学特性，其表面色度特性与测量角度，入射光波长等比 较敏感，因此色彩测量比较困难，目前国内外许多研究机构提出了多种色度及光谱检测方 法，并对镭射纸衍射光栅的呈色机理进行了分析。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/T 18733-2002,GB/T 18734-2002)。其中有两个特性指标即信噪比SNR和 衍射效率Π是极为重要的质量参数。不过，由于其检测方法比较复杂，而且不能表现全息 光栅的色度特征，因此，就目前的应用情况来看，对于素面全息纸的使用方尤其是包装印刷 企业缺乏实用性。在光栅的质量检测与评价方面，云南工业大学激光研究所对信噪比SNR、观察视 角、单色亮度等模压全息图比较重要的质量指标做了较多的研究工作，对影响这类特性指 标的因素做了分析与研究，但是此方法存在同样的问题，即检测方法复杂，设备要求高，对 产品质量检测的稳定性不高，很难实用于实际生产质量控制中。此外，还有一些学者通过对镭射纸张上不同样张色块在不同测量角度下综合色差 分布的描述，以离差分析的方法表征纸张表面呈色特性。虽然此种方法在一定程度上实现 了镭射纸表面颜色的评定，但未能从根本上解释镭射纸呈色的规律性，而且色彩重复检测 误差较大，色彩检测稳定性较差，与实际生产中的广泛应用仍存在很大距离。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方便、快捷、准确，能够宏观地评价光栅基彩虹全息图 像色度检测的一种方法，并能够根据检测数据进行质量评价，为激光全息防伪、衍射光栅全息纸、光栅立体印刷图像、光栅基彩虹全息印刷图像的质量控制提供技术支持本发明提供的技术方案是一种光栅基彩虹全息图像色度检测评价方法，其特征在 于基于衍射光栅基样本进行评价，所述衍射光栅基样本包括标准样本和测量样本，标准样 本是测量样本质量合格与否的标准；评价实现包括以下步骤，步骤1，采用电镜扫描仪，将测量样本表面放大至后确定其光栅基表面光栅结构类 型以及排列方式，并由此确定光栅参数；步骤2，根据光栅基表面光栅结构类型和光栅参数，进一步确定照明光源波长的衍 射光栅偏移量，从而获取衍射光栅所辖区域的空间色彩变化；步骤3，根据步骤2所得光栅所辖区域的空间色彩变化，并根据光源的光谱功率分 布，结合步骤1所得光栅基表面光栅结构类型与光学性质，设置适当的吸收滤色片；步骤4，提供满足衍射光栅基彩虹图像对光源性能要求的漫射光源，漫射光源投射 的光线在被照物体表面均勻分布；步骤5，分析测量样本在步骤4所提供漫射光线条件下的色彩再现效果，对测量样 本进行保留镜面反射光与去除镜面反射光两种方式进行测量，选择其中光谱测量误差更小 的测量方式；步骤6，采用步骤5所选择的测量方式测量光谱反射率，将其转换为色度信息；步骤7，根据步骤6所得色度信息，并根据人眼视觉特性，选择恰当的色差评价公 式，综合评价明度、彩度、和色调对色差的贡献大小，并确定色差评价公式中的容差系数；步骤8，根据步骤6测量所得光谱反射率，计算标准样本与测量样本之间的加权均 方根光谱误差，并分析标准样本与测量样本在光谱上的变化；步骤9，根据实际生产确定测量样本的色度范围以及光谱同色异谱指数相对容差， 并以此进行质量控制。而且，步骤4采用涂有漫反射材料的积分球提供漫射光源，积分球上设置支持保 留镜面反射光或去除镜面反射光的装置。本发明所提供的方法具有如下特点1)能够整体、宏观的对光栅基全息彩虹图像的色度质量作出准确评价，由于光谱 是色度信息的基础，是颜色的DNA，因而从光谱信息上能够更加准确的反应标样与比样的差 别；通过计算色度信息，可以更加直观的反应标样与比样在色度信息方面的差异。2)能够准确的反应生成过程中，由于机械压力、操作、生产环境等方面对色度质量 的影响，如通过计算ISO标准密度、L值等反映颜色层厚度的变化情况。3)灵敏度高，本发明采用的色度以及色差计算公式，完全考虑到人眼对色彩的视 觉敏感性，并基于此特性调整试验参数，能够非常准确反映色彩之间的差别。4)此方法同样适用于在有色光栅彩虹全息基上的后续加工，如后续印刷图像，可 以根据此发明计算方法调整油墨的色料配方，使比样与标样的色度保持一致。5)此发明采用的仪器结构简单，操作方法简单、快速、无需其他试剂材料，易于推 广应用。推广利用该发明方法可使光栅产品生产企业、激光防伪相关行业、高档印刷、立体 印刷等领域进行产品质量跟踪控制，减少材料浪费，促进相关行业的健康发展，并可根据此 建立相关的质量评价标准。
图1为本发明实施例的正入射时5级衍射光角度分布示意图；图2为本发明实施例的600nm入射光一级衍射后角分布示意图；图3为本发明实施例的380-680nm入射光一级衍射后的角分布示意图；图4为本发明实施例的漫射光照射时(白光)1-5级谱线衍射角示意图；图5为本发明实施例的保留/去除镜面反射光的结构示意图，其中图5a为保留镜 面反射的结构，图5b图为去除镜面反射的结构。图6为本发明实施例的漫射光照射时的衍射光强分布图。图7为本发明实施例的在线性光照明条件下，衍射光栅光强分布图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例进一步说明本发明，但不用来限制本发明的范围。衍射光栅基样本有标准样本也有测量样本，标注样本是工厂作为质量合格与否的 参考标准，测量样本是生产中的产品。实施例分别取IOOmmX 100mm92g金光柱镭射原纸(测 量样本)、IOOmmX 100mm92g金光柱镭射原纸印刷产品的样品各5张(标准样本)，并进行如 下分析步骤1，采用电镜扫描仪，将测量样本表面放大至后确定其光栅基表面光栅结构类 型以及排列方式，并由此确定光栅参数。实施例将样品裁切合适尺寸后，用电子显微镜进 行放大至3000倍，获取光栅原纸以及光栅印刷产品的结构图，并确定光栅结构类型以及参 数，例如，通过对金光柱镭射纸进行电镜照片分析，可知衍射光栅相邻两缝的距离为lum，光 栅衍射单元的宽度为lum，光栅周期d = 1+1 = 2um。步骤2，根据光栅基表面光栅结构类型和光栅参数，进一步确定照明光源波长的衍 射光栅偏移量，从而获取衍射光栅所辖区域的空间色彩变化。实施例根据步骤1所确定的光栅类型以及光栅参数，根据衍射方程dsin θ k = k λ 计算光线在各级衍射光的角分布，确定衍射光线在空间的分布规律，其中ek、k、λ分别表 示衍射角、衍射级数和波长。如金光柱镭射纸第一级衍射光谱紫光sinq =^f = lx0^to =0.19，得θ i =
a2
10.95°，红光如终=毕=1X 画二 0.39，得θ 2 = 22.96°，从而第一级光谱的张角
a2
Δ Q1 = 22.96° -10. 95° = 12.01°，同理可以求出其他衍射级光谱的张角，如图1所示 为衍射角度与波长的关系，如入射光线所有波长的第一级衍射分布在10. 95° 22. 96° 之间。图7为衍射光栅光强分布图，从上到下分别表示单缝衍射光强分布、多缝衍射之间的 形成的干涉，多缝衍射的光强分布(单缝衍射与多缝干涉的共同作用)。步骤3，根据步骤2所得光栅所辖区域的空间色彩变化，并根据光源的光谱功率分 布，结合步骤1所得光栅基表面光栅结构类型与光学性质，设置适当的吸收滤色片。分析入射光通过衍射光栅后的色彩再现效果，由于各级衍射光在蓝紫光(波长小于450nm)部分都有较强分布，并且探测仪器的CCD在蓝紫光部分感应较弱，因此需要在探 测器前安装UV滤色片，去除部分蓝紫光，以便获取更加准确的测量数据。步骤4，提供满足衍射光栅基彩虹图像对光源性能要求的漫射光源，漫射光源投射 的光线在被照物体表面均勻分布。实施例事先分析衍射光栅在理想漫射光情况下衍射角的分布情况、衍射光谱 的分布情况、衍射光强的分布情况。如金光柱镭射纸在漫射光条件下的衍射角分布
约=aSin(4-Sin⑷))，600nm漫射光入射时第1级光栅的衍射角分布如图2所示，横坐标为 a
入射角度分布，纵坐标为衍射角分布；380-780nm漫射光入射时的1级光栅衍射角如图3所 示，横坐标为入射角度分布，纵坐标为衍射角分布。漫射光照射时(白光)1-5级谱线衍射 角如图4所示，横坐标为入射角度分布，纵坐标为衍射角分布。漫射光照明条件下，光强分 布如图6所示，横坐标为衍射光栅的观察角，纵坐标为衍射光强。由上面分析可以确定，采 用漫射光可以很好的屏蔽正弦衍射光栅的光谱分散效果。实施例采用涂有漫反射材料的积 分球，结合D65标准光源，可以满足印刷镭射纸的测量要求的漫射光源条件。并且，为了方 便实现保留镜面反射光与去除镜面反射光两种测量方式，实施例在积分球上设置支持保留 镜面反射光或去除镜面反射光的装置。该装置是处于积分球球面上，与反射样品法线呈8° 角处。具体实施时，可以在积分球球面上与反射样品法线呈8°角处设一个孔，孔上设置可 开闭的盖子，从而实现该装置。打开盖子，就能去除镜面反射光；关闭盖子，就能保留镜面反 射光。步骤5，分析测量样本在步骤4所提供漫射光线条件下的色彩再现效果，对测量样 本进行保留镜面反射光与去除镜面反射光两种方式进行测量，选择其中光谱测量误差更小 的测量方式。在前述步骤确定了测量条件以及光源条件后，实施例通过开启/关闭与反射样品 法线呈8°角的装置，提供对测量样本进行保留镜面反射光与去除镜面反射光两种方式进 行测量。见图5，右边是开启装置去除镜面反射光，左边是关闭装置保留镜面反射光。测量 排除镜面反射与包含镜面反射两种情况下的光谱反射率，并进行比对，根据测量结果选择 两种情况中误差较小的测量方式。步骤6，采用步骤5所选择的测量方式测量光谱反射率，将其转换为色度信息。根 据现有色度信息计算方法得到测量样本的色度值即可，具体实施时还可以算出反射光谱的 色度坐标，通过坐标图直观地评价两个色样的相似程度。步骤7，根据步骤6所得色度信息，并根据人眼视觉特性，选择恰当的色差评价公 式，综合评价明度、彩度、和色调对色差的贡献大小。实施例根据人眼视觉对“可觉察性”，选择了最恰当合理的色差计算公式AEcmc， 并根据光源以及观察条件，综合评价明度、彩度、和色调对色差的贡献大小，调节视觉调节 参数因子，并确定色差评价公式AEcmc中的容差系数。在此样本计算中，容差系数L/C = 1. 4。调节视觉调节参数因子后，就可以计算标样与比样之间的色度误差，并根据色彩容差 判断比样的产品质量。步骤8，根据步骤6测量所得光谱反射率，计算标准样本与测量样本之间的加权均 方根光谱误差，并分析标准样本与测量样本在光谱上的变化。
实施例将生产中合格产品的参考样本作为标准样本，根据测量得到的光谱反射 率，以及色度值信息，分别计算比样(测量样本)与标样(参考样本)的加权均方根光谱误 差、色差信息、同色异谱指数，并分析标样与比样之间的误差及变化规律。比对标样与比样光谱的峰位、峰强与光谱分布结构，再根据加权相对光谱误差、同 色异谱指数，就可以判断标样与比样光谱上的相似性，进而判断比样的质量是否满足要求。步骤9，根据实际生产确定测量样本的色度范围以及光谱同色异谱指数相对容差， 并以此进行质量控制。最后可以根据结果分析比样是否满足产品质量要求。比样与标样的反射率光谱越 接近，加权光谱误差越小，则标样与比样越接近；另外，标样与比样的色度信息越接近，色度 坐标越接近，色差越小，则标样与比样越接近，若比样的色差在标样允许的容差范围之内， 则此比样满足质量要提供求。具体实施时，还可实现更多的质量控制手段，例如根据标样与比样的光谱反射率 计算ISO标准密度，并计算标样与比样的明度、亮度因子，综合评价着色涂层的厚度。
权利要求
一种光栅基彩虹全息图像色度检测评价方法，其特征在于基于衍射光栅基样本进行评价，所述衍射光栅基样本包括标准样本和测量样本，标准样本是测量样本质量合格与否的标准；评价实现包括以下步骤，步骤1，采用电镜扫描仪，将测量样本表面放大至后确定其光栅基表面光栅结构类型以及排列方式，并由此确定光栅参数；步骤2，根据光栅基表面光栅结构类型和光栅参数，进一步确定照明光源波长的衍射光栅偏移量，从而获取衍射光栅所辖区域的空间色彩变化；步骤3，根据步骤2所得光栅所辖区域的空间色彩变化，并根据光源的光谱功率分布，结合步骤1所得光栅基表面光栅结构类型与光学性质，设置适当的吸收滤色片；步骤4，提供满足衍射光栅基彩虹图像对光源性能要求的漫射光源，漫射光源投射的光线在被照物体表面均匀分布；步骤5，分析测量样本在步骤4所提供漫射光线条件下的色彩再现效果，对测量样本进行保留镜面反射光与去除镜面反射光两种方式进行测量，选择其中光谱测量误差更小的测量方式；步骤6，采用步骤5所选择的测量方式测量光谱反射率，将其转换为色度信息；步骤7，根据步骤6所得色度信息，并根据人眼视觉特性，选择恰当的色差评价公式，综合评价明度、彩度、和色调对色差的贡献大小；步骤8，根据步骤6测量所得光谱反射率，计算标准样本与测量样本之间的加权均方根光谱误差，并分析标准样本与测量样本在光谱上的变化；步骤9，根据实际生产确定测量样本的色度范围以及光谱同色异谱指数相对容差，并以此进行质量控制。
2.根据权利要求1所述的光栅基彩虹全息图像色度检测评价方法，其特征在于步骤4 采用涂有漫反射材料的积分球提供漫射光源，积分球上设置支持保留镜面反射光或去除镜 面反射光的装置。
全文摘要
本发明提供了一种光栅基彩虹全息图像色度检测评价方法，主要内容为首先确定衍射光栅的类型以及光学参数，根据光栅类型特点选用滤光片；采用漫射光源，并根据实际需要保留或屏蔽镜面反射光；测定样品的反射光谱，根据被测物体的反射光谱计算出比样与标样的光谱误差和同色异谱指数，以此来评价光栅基彩虹全息图像的色度信息。该方法能够客观反映标样与比样之间的色度信息，并且能够准确反映标样与比样的色度误差，操作方法简单、快速。推广利用该方法可以有效控制光栅基彩虹全息图像色度质量，促进激光全息防伪、立体印刷、光栅基高档产品质量控制。
文档编号G01J3/51GK101915617SQ201010239548
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月26日 优先权日2010年7月26日
发明者万晓霞, 刘振, 黄新国 申请人:武汉大学