摘要
本研究采用手持积分球式分光光度计X-Rite Ci64及台式积分球式分光光度计Ci7800对7种镭射纸张进行多次颜色测量,寻找最合适的孔径值。结果表明,在Ci7800 3.5 mm和X-Rite Ci64 6 mm的孔径下,获取的纸张颜色更准确。多次测量后谱差约0.6,最小谱差仅0.15,光谱拟合度均可达99%,平均色差0.5左右。在后续的光柱镭射纸颜色测量过程中,选择较小孔径的仪器进行颜色测量,所获取的颜色更准确。
光柱镭射纸是一种常用的全息包装材料,在光照条件下会出现绚丽多彩的光柱效果,在香烟、化妆品等商品包装领域具有广泛的应
由于光柱镭射纸自身的光学特性,利用常规的颜色测量仪器,在纸张的不同位置,采取不同的角度进行颜色测
近年来,国内外学者进一步研究光柱镭射纸颜色测量,通过研究镭射纸的光栅光学特性,提出有关镭射纸的多种颜色测量方法。黄敏等
以上的测量方式均是针对于全纸进行颜色测量,效率有待提高。位春傲等
为更加准确进行光柱镭射纸颜色测量,获取最佳测量孔径,基于暗光柱定位的光柱镭射纸颜色测量这一方法,本研究选取2种不同测量仪器,共7个测量孔径,对7种不同种类镭射纸在暗光柱处进行颜色测量。研究不同孔径下获取颜色的准确性,并且对于确定的最佳孔径进行光谱和色度两方面的稳定性验证,从而为实际有价值的孔径选择提供参考。
本研究选取7种光柱镭射纸作为颜色测量实验的基础材料,纸张信息如
纸张编号 | 纸张名称 | 生产厂家 | 定量/g· |
---|---|---|---|
| 光柱金镭射纸-双铜软底 | 卓辉纸业 | 153 |
| 横纹铂金光柱镭射纸 | 中丰田 | 175 |
| 光柱银镭射纸-双铜软底 | 卓辉纸业 | 153 |
| 光柱银镭射纸-白卡硬底 | 卓辉纸业 | 275 |
| 横纹光柱镭射转移纸 | 雅泰 | 232 |
| 横纹哑光光柱银卡纸 | 中丰田 | 232 |
| 硫化锌光柱纸 | 中丰田 | 232 |
利用金相显微镜将纸张放大200倍,观察其微观结构,结果如

图1 7种光柱镭射纸微观结构图
Fig. 1 Microstructure diagram of 7 kinds of the holographic papers
本研究选用2种积分球式颜色测量仪器,分别为手持积分球式分光光度计X-Rite Ci64以及台式积分球式分光光度计Ci7800。2种仪器的测量几何条件为d/8°,测量几何条件原理图如

图2 积分球式测量几何条件原理图
Fig. 2 Principle of integrating sphere spectrophotometer
光柱镭射纸具有绚丽效果的“彩虹”图样,表面为常见的反射衍射光栅。首先在纸张表面进行镀膜,后期在该反射膜上利用刻印或腐蚀得到一系列划痕。在划痕处不反光,在镀膜表面未被划痕的其他地方反射光
(1) |
(2) |
(3) |
式中,a为划痕宽度;b为两划痕之间不透明部分宽度;称为光栅常数;表示波长;为衍射角;其中为单缝单独在衍射场中心产生的强度,为单缝衍射因子,为多缝衍射因子,表示缝隙之间衍射光的干涉。
光柱镭射纸彩虹全息效果呈现周期变换,放大观察其表面微观结构,示意图如

图3 一个光柱周期内的光栅条纹变化
Fig. 3 Change of grating fringe over the period of a light column
当光线照射到镭射纸表面,不同波长的光波衍射偏移量并不相同,在光栅衍射下就可以看到连续色彩变化的彩虹效果。当线光源照射到与其光线方向平行的小光栅上时,光到每个条纹的距离都不相等,产生光程差。当照射到与其光线方向垂直的光栅时,此时的光栅条纹方向与线光源照射方向垂直,光照射到每一条光栅距离相等,没有光程差的产生,因此这一区域没有色散产生,光照强度最高。在每个周期内有一组光栅对于光程差最小,在此位置处没有反射,李俊锋等
通过对于光柱镭射纸光栅特性研究与分析,基于此,李俊锋等

图4 光柱镭射纸暗光柱定位衍射图案
Fig. 4 Diffraction pattern of the holographic papers
为测量数据准确可靠,在前期实验准备中,需通过平行线光源垂直照射纸张确定暗光柱位置。本研究首先固定平行光源距离纸张高度与两平行光源之间的宽度,依次垂直照射镭射纸,观察表面的衍射图案,在纸张边缘处标注暗光柱位置,实验时对两点之间的连线上进行多次颜色测量。本实验对7种不同的光柱镭射纸进行测量。
在进行颜色测量实验前,对仪器进行黑白板校正,所有仪器均使用D 65光源和10°视角进行颜色测量,2种仪器获得的光谱反射率曲线均选择400~700 mm区间进行分析,光谱间隔为10 mm,共31维数据。首先使用仪器Ci 7800对镭射纸进行颜色测量,在前期确定的暗光柱位置上随机选取3个测量点,分别使用3.5、6、10、17及25 mm的测量孔径板对准暗光柱区域进行颜色测量,获取光柱镭射纸的光谱反射率数值。后继继续使用仪器Ci 64以相同的实验过程完成纸张颜色测量,获取该仪器下6 mm和14 mm 2个孔径的光谱反射率,完成实验后,将2种仪器所得数据进行比较与分析。
为了评价颜色测量准确性,对镭射纸的颜色测量精度主要从光谱精度和色度精度两方面进行评价。光谱精度主要采用光谱均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)和光谱拟合度系数(Goodness of Fit Coefficient, GFC)来进行多次重复测量的差异评价。
均方根误差为了说明样本的离散程度,该指标主要考虑测量值与平均值偏差的平方值与测量次数之间的比值大
(4) |
式中,为单次测量的原始光谱反射率;为多次测量后平均光谱,利用测量仪器采集的光谱反射率为400~700 mm,光谱间隔为10 nm,共31维数据。n为数据的维度,此处为31。
光谱拟合度系数旨在表示任意2条光谱曲线之间的整体相似程度,拟合度曲线越高,其相似程度越高,2条曲线拟合性更强。GFC计算如
(5) |
光谱拟合度系数取值范围从0到1。在本研究中,GFC数值越高,则表明多次进行镭射纸颜色测量的重复性精度越高。如果GFC≥99.99%,则认为平均反射率曲线与原始反射率几乎完全拟
除考虑光谱信息,还应该考虑纸张之间的颜色差异,色差是印刷品颜色控制的重要指标。在颜色色度上,采用目前最常用的色差公式CIEDE 2000。该公式改善工业色差评价的视觉一致性,其符合人眼视觉差异,使得色差值与人眼视觉更加接近,色差公式表现出更为准确的色差预测性能,色差公式计算如
(6) |
式中,、、均可由任意2个颜色(,,)和(,,)计算得出。式中的(,,)为针对不同应用场景的特定校正系数,在CIE规定的标准观测条件下,,,。权重函数、、、是在CIE坐标系中假定为直角下操作。数值与2个颜色之间视觉感知相一致,色差值越小,所计算二者颜色越相似,表明2个颜色的视觉感知越接近。
绘制7种纸张在不同孔径下测量的光谱反射率,结果如

图5 7种光柱镭射纸所获取的光反射率
Fig. 5 Spectral reflectance about 7 types of holographic papers
注 为Ci7800中3.5 mm孔径测量;
为Ci7800中6 mm孔径测量;
为Ci7800中10 mm孔径测量;
为Ci7800中17 mm孔径测量;
为Ci7800中25 mm孔径测量;
为Ci64中6 mm孔径测量;
为Ci64中14 mm孔径测量。
由
在颜色测量过程中,需要首先寻找衍射周期内的暗光柱位置。根据
纸张 | Ci7800孔径/mm | Ci64孔径/mm | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
3.5 | 6 | 10 | 17 | 25 | 6 | 14 | |
| 1.09832 | -0.28841 | 0.056546 | -0.28957 | -0.57688 | -0.40619 | 0.40619 |
| 4.5542 | 0.530748 | 0.458247 | -1.76151 | -3.78173 | 1.47185 | -1.47185 |
| 2.516809 | -0.10908 | -0.08132 | -0.74722 | -1.57919 | 0.268301 | -0.26831 |
| 2.152764 | -0.07037 | -0.26872 | -0.55077 | -1.26291 | -0.74623 | 0.74623 |
| 2.23367 | -0.04497 | -0.03671 | -0.63297 | -1.51092 | 0.60786 | -0.60786 |
| 3.353003 | 0.148648 | 0.251148 | -0.72193 | -3.03087 | 2.96528 | -2.96528 |
| -1.06256 | -0.06799 | 0.093272 | 0.152882 | 0.087478 | 0.60381 | -0.60381 |
由于实验设备的局限性,针对于Ci64仪器2个孔径而言,并不能直接得出其光谱反射率变化趋势,但可以对比得知,仍是小孔径所获得的反射率整体较高。根据暗光柱处的光栅结构可知,在暗光柱处没有色散产生,光照强度大,不受衍射现象的干扰。通过分析可知,利用小孔径测量获取的颜色更贴近于暗光柱处所获取的颜色信息,所以利用小孔径能够避免衍射现象的干扰,更加真实地表达纸张颜色。
通过不同仪器的不同孔径对比分析,可以得出在暗光柱位置进行颜色测量能够获取较为准确的颜色信息。同时,不同孔径下的反射率有所不同,综合2种仪器的7种孔径而言,在光柱镭射纸颜色测量中,使用较小的孔径能够更为准确地表达纸张的真实色彩信息。
目前市面上并没有公认的光柱镭射纸测量方式,通过对比不同仪器的不同孔径下获得的光谱反射率,结合暗光柱区域的光栅刻化角度与光线相垂直的特性,可以得出选择较小孔径进行测量较为准确与真实,但合适正确镭射纸颜色测量需要保证多次重复测量结果的统一。基于此,需要进一步验证光柱镭射纸颜色测量重复性,检验以暗光柱为最佳位置的Ci7800仪器下3.5 mm孔径和Ci64仪器下6 mm孔径所获取的反射率的稳定性。
为验证孔径选择的正确,确保该孔径下的测量精度,进行光柱镭射纸颜色测量验证实验。验证实验过程与上文1.3中描述的实验过程相同,对每种纸张的暗光柱位置上随机选择9个点进行颜色测量,获取每个点的光谱与色度值,计算RMSE、GFC、CIEDE 2000指标结果,如
仪器 | 纸张 | RMSE | GFC | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
平均值 | 最大值 | 最小值 | 平均值 | 最大值 | 最小值 | ||
Ci7800 |
| 0.490994 | 0.676181 | 0.350301 | 0.999959858 | 0.999982218 | 0.999916 |
| 0.635003 | 1.296635 | 0.239388 | 0.999999499 | 0.999999847 | 0.999999 | |
| 0.745682 | 1.408372 | 0.322949 | 0.999989105 | 0.999998937 | 0.999972 | |
| 0.622664 | 1.000184 | 0.13429 | 0.999995356 | 0.999998996 | 0.999988 | |
| 0.490227 | 0.868724 | 0.116955 | 0.999996296 | 0.999999074 | 0.99999 | |
| 0.588897 | 0.891548 | 0.154466 | 0.999997943 | 0.999999823 | 0.999994 | |
| 0.157985 | 0.291669 | 0.052526 | 0.999999626 | 0.999999971 | 0.999998 | |
Ci64 |
| 0.479825 | 1.109035 | 0.181211 | 0.999984172 | 0.999994108 | 0.99997 |
| 0.543658 | 1.222078 | 0.104944 | 0.999999208 | 0.999999879 | 0.999998 | |
| 0.888081 | 1.671410 | 0.319753 | 0.999986087 | 0.999998199 | 0.999954 | |
| 0.579713 | 0.978358 | 0.263049 | 0.999993294 | 0.999997434 | 0.99999 | |
| 0.275075 | 0.559614 | 0.114989 | 0.999996821 | 0.99999947 | 0.999991 | |
| 0.383461 | 0.820647 | 0.131269 | 0.999999336 | 0.999999792 | 0.999999 | |
| 0.128282 | 0.305699 | 0.060177 | 0.999999745 | 0.999999971 | 0.999999 |
仪器 | 纸张 | 平均值 | 最大值 | 最小值 |
---|---|---|---|---|
Ci7800 |
| 0.28519 | 0.598506 | 0.136958 |
| 0.195906 | 0.345414 | 0.112493 | |
| 0.686706 | 1.189042 | 0.193898 | |
| 0.35942 | 0.663175 | 0.100828 | |
| 0.271325 | 0.499786 | 0.100038 | |
| 0.156658 | 0.253653 | 0.016468 | |
| 0.068921 | 0.147275 | 0.017557 | |
Ci64 |
| 0.22219 | 0.505648 | 0.051944 |
| 0.186492 | 0.309076 | 0.058891 | |
| 0.671153 | 1.378804 | 0.174379 | |
| 0.338863 | 0.556092 | 0.169306 | |
| 0.239034 | 0.484048 | 0.087558 | |
| 0.123653 | 0.230457 | 0.074005 | |
| 0.052232 | 0.137472 | 0.020775 |
通过
色差是评价颜色差异重要的指标,通过色差数值对印刷品颜色复制差异有直观感受,小于1可以达到高精度复制产品的要求。本研究通过验证实验获取2种仪器最小孔径下纸张的光谱反射率,并通过计算得到纸张的Lab颜色属性值,利用色差公式2000即
本研究所用2种仪器测量原理相同,但仪器本身存在差异。为横向对比2种仪器之间的区别,将不同孔径下获得的色度值绘制散点图,

图6 2种仪器的色度值散点图
Fig.6 Scatter diagram of chromaticity values of 2 mstruments
注 第一行为Ci7800,第二行为Ci64。
本研究基于光柱镭射纸暗光柱定位的颜色测量方式,利用手持积分球式分光光度计X-Rite Ci64和台式积分球式分光光度仪Ci 7800两种颜色测量仪器对7种光柱镭射纸的颜色进行测量,对光柱镭射纸颜色测量最佳孔径进行研究。
3.1 在双平行线光源照射下,不同纸张的衍射图存在差异。利用金相显微镜观察纸张微观结构,微观结构表明,衍射图案形状与纸张自身光栅结构密切相关。
3.2 在颜色测量仪器孔径选择中,较小孔径所获得的光谱反射率更接近纸张本身的反射率,谱差和色差均重复性精度较高,能够更准确地表达出纸张信息。
3.3 绘制2种测量仪器不同孔径下纸张颜色色度值散点图,不同测量仪器获取的色度信息存在差异,但整体趋势一致。2种仪器获取亮度值大体相似,获取的纸张彩度值整体偏低。
参 考 文 献
毛大智. 猫眼镭射工艺在彩盒包装上的应用[J]. 印刷技术,2016(12):19-21. [百度学术]
MAO D Z. Application of Cat Eye Laser Technology in Color Box Packaging[J]. Printing Technology, 2016 (12):19-21. [百度学术]
王玉珏. 基于激光模压全息术的防伪包装优化设计研究[J]. 激光杂志,2020,41(7):199-203. [百度学术]
WANG Y J. Optimum design of anti-counterfeiting packaging based on laser molding holography[J]. Laster Journal, 2020, 41(7):199-203. [百度学术]
苏良昱. 计算机激光全息防伪技术在烟包印刷中的应用[J]. 激光杂志,2015,36(8):51-53. [百度学术]
SU L Y. The Application of Computer Laser Holographic anti-counterfeiting Technology in Cigarette Package Printing[J]. Laser Journal, 2015, 36(8):51-53. [百度学术]
万晓霞,黄新国,刘 振,等. 镭射纸表面结构对颜色测量精度的影响[C]//.第十三届全国包装工程学术会议论文集,2010:396-400. [百度学术]
WAN X X, HUANG X G, LIU Z, et al. The Effect of Surface Structure of Holographic Paper on Color Measurement Accuracy [C]. Thirteenth National Conference on Packaging Engineering, Tncpe 13, 2010: 396-400. [百度学术]
HUANG X G, WAN X X, LIU Z. Optimization of the method for color measurement of printing on holographic paper [J]. Color Research Esearch and Application, 2013, 38(2): 130-138. [百度学术]
赵德方, 万晓霞, 黄新国, 等. 不同观察角度对镀铝纸表面色差评价的影响[J]. 光学技术,2017,43(1):33-37. [百度学术]
ZHAO D F, WAN X X, HUANG X G, et al. Effects of different observersation angle on color difference evalution of aluminized paper[J]. Opical Technique, 2017, 43(1):33-37. [百度学术]
NADAL M E, EARLY E A. Color measurements for pearlescent coatings [J]. Color Research and Application, 2004, 29(1): 38-42. [百度学术]
曹从军, 郑元林. 镭射复合材料表面呈色性能的检测与分析[J]. 包装工程,2004 (5):170-171+181. [百度学术]
CAO C J, ZHENG Y L. Research on Measurement of Chromatic Characteristics on Holographic Foil Materials [J]. Packaging Engineering, 2004 (5):170-171+181 [百度学术]
黄 敏, 王灵芳, 刘 瑜, 等. 光柱镭射纸的光谱和色度测量分析[J]. 光学学报,2014,34(6):338-346. [百度学术]
HUANG M, WANG L F, LIU Y, et al. Measurement and Analysis of the Spectral and Chromaticity Values of Pillars of Light Holographic Paper[J]. Acta Optica Sinaca, 2014, 34(6):338-346. [百度学术]
付 马, 程 卫. 基于漫射照明的镭射纸颜色测量方法研究[J]. 包装学报,2015,7(1):71-75. [百度学术]
FU M, CHENG W. Study on Laser Paper Color Measurement Method Based on Diffuse Illumination[J]. Packaging Journal, 2015, 7(1):71-75. [百度学术]
黄 敏, 李泽阳, 史春洁, 等. 一种光柱镭射纸张及印刷品的颜色测量装置: 206056780U [P]. 2017-03-29. [百度学术]
HUANG M, LI Z Y, SHI C J, et al. The utility model relates to a color measuring device for paper and printed matter with laser beam: 206056780U [P]. 2017-03-29. [百度学术]
黄 敏, 李泽阳, 崔桂华, 等. 一种光柱镭射纸张及其印刷品的色差测量方法: 106052876A [P]. 2016-10-26. [百度学术]
HUANG M, LI Z Y, CUI G H, et al. The invention relates to a method for measuring the chromatic aberration of laser paper and its printed matter: 106052876A [P]. 2016-10-26. [百度学术]
位春傲, 李俊锋, 刘睿雯, 等. 一种柱状镭射纸颜色质量检测装置及检测方法: 110806389A [P]. 2020-02-18. [百度学术]
WEI C A, LI J F, LIU R W, et al. The invention discloses a columnar laser paper color quality detecting device and a detecting method: 110806389A [P]. 2020-02-18. [百度学术]
李俊锋, 位春傲, 常 成, 等. 柱状镭射纸的暗光柱定位装置、定位方法及颜色测量方法: 110806388A [P]. 2020-02-18. [百度学术]
LI J F, WEI C A, CHANG C, et al. Dark light column positioning device, positioning method and color measurement method for cylindrical laser paper: 110806388A [P]. 2020-02-18. [百度学术]
李俊锋, 位春傲. 基于棒状光源自动暗光柱定位的镭射纸颜色检测装置: 113324654A [P]. 2021-08-31. [百度学术]
LI J F, WEI C A. Laser paper color detection device based on bar light source automatic dark column positioning: 113324654A [P]. 2021-08-31. [百度学术]
李俊锋, 位春傲. 基于菱形衍射图样的双光源柱状镭射纸颜色检测装置: 113324653A [P]. 2021-08-31. [百度学术]
LI J F, WEI C A. Color detection device of dual-light source cylindrical laser paper based on diamond diffraction pattern: 113324653A [P]. 2021-08-31. [百度学术]
汤 伟, 王先通, 王 锋, 等. 基于FPGA和CCD相机的纸病检测系统的设计与实现[J]. 中国造纸学报,2016,31(1):57-62. [百度学术]
TANG W, WANG X T, WANG F, et al. Design and Implementation of Web Inspection System Based on FPGA and CCP Camera[J]. Transactions of China Pulp and Paper, 2016, 31(1):57-62. [百度学术]
党宏社,王 黎,周 强. 基于FPGA的纸病提取系统的设计[J]. 中国造纸学报,2014,29(3):43-46. [百度学术]
DANG H S, WANG L, ZHOU Q. Design of Paper Defect Extraction System Based on FPGA[J]. Transactions of China Pulp and Paper, 2014, 29(3):43-46. [百度学术]
万晓霞, 刘 振, 黄新国. 全息光栅基彩色图像光谱反射率模型[J]. 中国印刷与包装研究,2010,2(S1):41-44. [百度学术]
WAN X X, LIU Z, HUANG X G. The Spectral Reflectance Model of Coloring Images on Holographic Papers[J]. China Printing and Packaging Study, 2010, 2(S1):41-44. [百度学术]
赵诗华, 滕爱萍. 光栅衍射的初步分析[J]. 大学物理,2005,24(4):55-56+65. [百度学术]
ZHAO S H, TENG A P. Preliminary analysis of grating diffraction[J]. College Physics, 2005, 24(4):55-56+65. [百度学术]
LI Y, HE S, LIAO N, et al. Evaluation of the Effect of Paints Reproducing Ocean Color in Visible Light Range [J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, 562: 12071-12077. [百度学术]
CAO B, LIAO N, CHENG H. Spectral Reflectance Reconstruction from RGB Images Based on Weighting Smaller Color Difference Group [J]. Color Research Esearch and Application, 2017, 42(3): 327-332. [百度学术]