CN104964651A - 凹印大张产品墨层厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了凹印大张产品墨层厚度测量方法，包括以下步骤：a）、在现有的凹印大张离线检测仪的检测箱体上设置墨层厚度测量仪；b）、所述墨层厚度测量仪通过多光谱相机及光源对凹印产品图像进行采集，得到多谱段图像；c）、利用光谱重建算法得到真实的复原反射光谱；d）、通过光谱能量与墨层厚度的映射关系，得到墨层厚度的测量值，并数值化显示在凹印离线检测仪显示界面上，并将检测结果纳入凹印离线评分系统。本发明利用图像处理方式对凹印大张产品墨层厚度进行快速准确的测量，实现了印刷过程中，对凹印大张产品墨层厚度的实时控制和实时指导，在源头控制凹印墨层厚度的质量。

Description

凹印大张产品墨层厚度测量方法

技术领域

本发明属于凹印过程质量控制技术领域，特别涉及一种凹印大张产品墨层厚度测量方法。

背景技术

在钞票印刷工艺中，对墨层厚度的要求主要集中在凹印工序，因为凹印墨层厚度相对于其他工序传递到纸张上的油墨量大，从直观和触摸感觉上能感觉到凹印区域墨层的凹凸感，提升了人民币的外观质量，也增加了人民币的手感和防伪特性，因此，总公司对凹印墨层的印刷厚度提出了进一步的要求，需要保证墨层厚度的一致性。

目前，国内外有多种检测墨层厚度的仪器及方法，其大致分为三种：1、激光测距法，通过激光对钞票的墨厚进行绝对测量，但是激光测量针对点进行测量，虽然对于一点的测量精度高，但是对选取点的要求较高，一个点的厚度无法体现整体外观的厚度，并且无法快速有效的选取到合适的点进行测量，而且还要选取多个点进行平均测量，耗时长，且无法保证多个点测量结果的准确性，在大生产的过程中无法对油墨厚度进行快速的测量；2、密度计测量法，是相对测量，测量结果不直观，而且只能测量局部色块，不适用于复杂纹理测量；3、采用三维相机测量，虽然精度高，但无法去除纸张本身的形变对墨厚测量的影响。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够实现印刷过程中，对凹印大张产品墨层厚度的实时控制和实时指导，在源头控制凹印墨层厚度质量的凹印大张产品墨层厚度测量方法。

本发明的技术方案是这样实现的：凹印大张产品墨层厚度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)、在现有的凹印大张离线检测仪的检测箱体上设置墨层厚度测量仪；

b)、所述墨层厚度测量仪通过多光谱相机及光源对凹印产品图像进行采集，得到多谱段图像；

c)、利用光谱重建算法得到真实的复原反射光谱；

d)、通过反射光谱能量与墨层厚度的映射关系，得到墨层厚度的测量值，并数值化显示在凹印离线检测仪显示界面上，并将检测结果纳入凹印离线评分系统。

本发明所述的凹印大张产品墨层厚度测量方法，其在所述步骤b)中，所述多光谱相机由多组CCD传感器和不同谱段的滤色镜组成，其同时对同一目标进行成像，最后将不同谱段的图像进行配准到一幅多谱段彩色图像，再利用光谱重建的方法将目标物体的反射光谱准确还原出来。

本发明所述的凹印大张产品墨层厚度测量方法，其特征在于：所述光源具备能消除产品底纹和形变干扰的光谱，光的吸收作用是受朗伯定律和比尔定律这两个物理定律支配的，通过对各种产品的需要检测墨层厚度的各种油墨进行光谱反射曲线进行分析，从各种油墨的反射光谱曲线中寻找共同的吸收区域，作为墨厚光源的照射光谱。

本发明所述的凹印大张产品墨层厚度测量方法，其在所述步骤b)中，所述光源采用长为740mm，宽为120mm，高为72mm的尺寸，照明长度为640mm，照明宽度为15mm，白光照度为200000Lx，工作高度为7mm，电功率为850W，电压为DC48V。

本发明所述的凹印大张产品墨层厚度测量方法，其在所述步骤c)中，所述光谱重建算法是将已知光谱分布l_R(λ)的光源照射到目标物体上，检测目标的信息r(λ)加载到反射光上，通过成像系统o(λ)后再经过多个滤光片Фk(λ)，最后成像在CCD靶面上a(λ)，得到的图像输出为ck,εk是系统噪声，公式如下：

$c_k={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{l}_R\left(\mathrm{\λ}\right)r\left(\mathrm{\λ}\right)o\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\φ}}_k\left(\mathrm{\λ}\right)a\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}+{\∈}_k$

由于入射光源的光谱特性、成像光路、滤光片以及CCD传感器的光谱响应特性也是已知的，通过输出图像可以得到检测目标的光谱特性r(λ)。

本发明所述的凹印大张产品墨层厚度测量方法，其在所述步骤d)中，油墨吸收反射后，通过多光谱相机采集，光谱能量积分转换为油墨光谱能量，朗伯定律指出，在一定的波长下，光的能量吸收量与吸光材料的厚度成正比，比尔定律指出，在一定的波长下，光的能量吸收量与吸光材料的浓度成正比，朗伯-比尔定律可以写成下面的数学形式：

$A=lg\left(\frac{I_0}{I}\right)=lg\left(\frac{1}{T}\right)=kcd$

式中：I₀、I为入射光及通过样品后的透射光强度；A为吸光度，旧称光密度；C为样品浓度；d为光程，即盛放溶液的液槽的透光厚度；k为光被吸收的比例系数；T为透射比，即透射光强度与入射光强度之比；

由于油墨本身的性质所引起的使得光谱吸收能量值与厚度不成正比，而呈现出一种极为复杂的关系，而且还与印刷用的纸张有很大关系，实际上印刷油墨层的光谱能量D，并不因油墨层的厚度变大而无限地增加，多数的纸张油墨厚度在达到一定厚度时便达到饱和状态，油墨吸收光谱能量密度值不在增加，设饱和状态时的密度值为D_∞则可写出下面的关系式：

dD＝m(D_∞-D)·dl

经积分、整理后，有：

D＝D_∞(1-e^-ml)

m为纸张平滑常数，D_∞为油墨的饱和光谱能量吸收密度，也为常数；

则l＝-Ln(1-D/D_∞)/m。。

本发明通过具备能消除产品底纹和形变干扰的光谱的光源照射凹印大张产品，通过多光谱相机进行凹印大张产品的反射光谱复原，利用光谱能量与墨层厚度的映射关系，设计图像算法计算得到凹印大张产品的墨层厚度测量值，实现印刷过程中，对凹印大张产品墨层厚度的实时控制和实时指导，在源头控制凹印墨层厚度的质量。

附图说明

图1是本发明中光谱重建算法示意图。

图2是本发明中油墨反射密度与墨层厚度的关系图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种凹印大张产品墨层厚度测量方法，包括以下步骤：

a)、在现有的凹印大张离线检测仪的检测箱体上设置墨层厚度测量仪，原有两台相机保持原有的结构设计不变。

要满足以下三种检测要求：红外+OVI，红外+墨厚，OVI+墨厚。故在现有的凹印大张离线检测仪的检测箱体上分别在OVI工位和红外工位设计加装墨层厚度检测工位，即下表所示：

b)、所述墨层厚度测量仪通过多光谱相机及光源对凹印产品图像进行采集，得到多谱段图像。其中，所述多光谱相机由多组CCD传感器和不同谱段的滤色镜组成，其同时对同一目标进行成像，最后将不同谱段的图像进行配准到一幅多谱段彩色图像；所述光源具备能消除产品底纹和形变干扰的光谱，光的吸收作用是受朗伯定律和比尔定律这两个物理定律支配的，通过对各种产品的需要检测墨层厚度的各种油墨进行光谱反射曲线进行分析，从各种油墨的反射光谱曲线中寻找共同的吸收区域，作为墨厚光源的照射光谱，从而找到相应的入射光源的光谱区间，根据所需入射光谱的谱段，设计相应的入射光源。所述光源采用长为740mm，宽为120mm，高为72mm的尺寸，照明长度为640mm，照明宽度为15mm，白光照度为200000Lx，工作高度为7mm，电功率为850W，电压为DC48V。

在成像方案设计前，进行过成像实验，结果如下：

其中，主要的成像器材为相机及镜头。

相机的系统设计分辨率为0.045mm/pixel，要满足检测幅面的要求，因此需要选择4K的相机4096*0.045mm＝184mm，同时需要满足的条件：彩色线阵相机；行频满足需要；高信噪比；因此选择德国chromasens共同研发Al lPIXA4K线扫描相机，实验也对该相机进行评估过。

镜头的设计分辨率为0.045mm/pixel，光学放大倍率为0.222。箱体的空间限制尺寸为709mm，需选用合适焦距的镜头，使物象距在709mm左右偏差一定的范围，以方便与机械设计安装。因此选择schneider 100mm焦距镜头。

镜头	CPN-S 5.6/100
		焦距	100mm
兼容像圈	87.8mm
		最小光圈	5.6
接口	V口

光源根据实验结果可知，墨层厚度检测的图像重复性以及稳定性，TUBE光源优于对称光源，因此此系统光源选用华夏自制的TUBE光源。

红外+墨厚：在tube光源中整合红外光源；

OVI+墨厚：确认OVI光路与光源的开缝等细节；

OVI+红外：不做任何修改，使用现有条形白光和红外光源。

c)、利用光谱重建算法将目标物体的反射光谱准确还原出来，得到真实的复原反射光谱。如图1所示，所述光谱重建算法是将已知光谱分布l_R(λ)的光源照射到目标物体上，检测目标的信息r(λ)加载到反射光上，通过成像系统o(λ)后再经过多个滤光片Фk(λ)，最后成像在CCD靶面上a(λ)，得到的图像输出为ck,εk是系统噪声，公式如下：

$c_k={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{l}_R\left(\mathrm{\λ}\right)r\left(\mathrm{\λ}\right)o\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\φ}}_k\left(\mathrm{\λ}\right)a\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}+{\∈}_k$

由于入射光源的光谱特性、成像光路、滤光片以及CCD传感器的光谱响应特性也是已知的，通过输出图像可以得到检测目标的光谱特性r(λ)。

d)、通过光谱能量与墨层厚度的映射关系，得到墨层厚度的测量值，并数值化显示在凹印离线检测仪显示界面上，并将检测结果纳入凹印离线评分系统。

由于物体吸收了部分可见光的能量，致使光强度变弱，并使物体呈现出某种颜色。如果原来是透明体，则仍然是透明的；如果所有的光都被吸收了，那么这种物体便是黑色的。通过光源照射产品，产品上油墨吸收反射后，通过多光谱相机采集，光谱能量积分转换为油墨光谱能量，朗伯定律指出，在一定的波长下，光的能量吸收量与吸光材料的厚度成正比，比尔定律指出，在一定的波长下，光的能量吸收量与吸光材料的浓度成正比，朗伯-比尔定律可以写成下面的数学形式：

$A=lg\left(\frac{I_0}{I}\right)=lg\left(\frac{1}{T}\right)=kcd$

式中：I₀、I为入射光及通过样品后的透射光强度；A为吸光度，旧称光密度；C为样品浓度；d为光程，即盛放溶液的液槽的透光厚度；k为光被吸收的比例系数；T为透射比，即透射光强度与入射光强度之比。

朗伯定律只限于吸收物质是均匀的，比尔定律也只限于吸收物质在一定的浓度范围内，通常只考虑到照射光在物体内吸收的情况，而没有考虑到光波在油墨层的散射、多重反射等其它复杂的情况。

由于油墨本身的性质所引起的使得光谱吸收能量值与厚度不成正比，而呈现出一种极为复杂的关系，而且还与印刷用的纸张有很大关系，实际上印刷油墨层的光谱能量D，并不因油墨层的厚度变大而无限地增加，多数的纸张油墨厚度在达到一定厚度时便达到饱和状态，油墨吸收光谱能量密度值不在增加，设饱和状态时的密度值为D_∞则可写出下面的关系式：

dD＝m(D_∞-D)·dl

经积分、整理后，有：

D＝D_∞(1-e^-ml)

m为纸张平滑常数，D_∞为油墨的饱和光谱能量吸收密度，也为常数；

则l＝-Ln(1-D/D_∞)/m。

朗伯-比尔定律是在理想条件下推出的，它只考虑了油墨颜料的吸收性，而没有考虑在实际印刷中的许多复杂因素，更没有考虑到承印物如纸张、塑料等对油墨转移与成色所造成的影响，因而产生了理论计算与实际情况的差异。但是，尽管实际情况千差万别，影响因素种类繁多，然而“油墨光谱能量吸收性”仍然是油墨成色的根本原因。当油墨浓度保持不变时，影响油墨光谱吸收能量密度D的主要参数也仍然是墨层厚度。

通过以上分析，在一定范围内的墨层厚度可以通过油墨区域的光谱吸收能量代表，按照下面的原则对系统进行设计：光源的光谱要经过删选，以保证油墨反射光谱尽可能不受到纸张和底纹的干扰，并且光源稳定性好；成像系统噪声小，实现多光谱成像；选择油墨相对较厚的且油墨纹理提取稳定的典型检测区域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.凹印大张产品墨层厚度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)、在现有的凹印大张离线检测仪的检测箱体上设置墨层厚度测量仪；

b)、所述墨层厚度测量仪通过多光谱相机及光源对凹印产品图像进行采集，得到多谱段图像；

c)、利用光谱重建算法得到真实的复原反射光谱；

d)、通过反射光谱能量与墨层厚度的映射关系，得到墨层厚度的测量值，并数值化显示在凹印离线检测仪显示界面上，并将检测结果纳入凹印离线评分系统。

2.根据权利要求1所述的凹印大张产品墨层厚度测量方法，其特征在于：在所述步骤b)中，所述多光谱相机由多组CCD传感器和不同谱段的滤色镜组成，其同时对同一目标进行成像，最后将不同谱段的图像进行配准到一幅多谱段彩色图像，再利用光谱重建的方法将目标物体的反射光谱准确还原出来。

3.根据权利要求1所述的凹印大张产品墨层厚度测量方法，其特征在于：所述光源具备能消除产品底纹和形变干扰的光谱，光的吸收作用是受朗伯定律和比尔定律这两个物理定律支配的，通过对各种产品的需要检测墨层厚度的各种油墨进行光谱反射曲线进行分析，从各种油墨的反射光谱曲线中寻找共同的吸收区域，作为墨厚光源的照射光谱。

4.根据权利要求1所述的凹印大张产品墨层厚度测量方法，其特征在于：在所述步骤b)中，所述光源采用长为740mm，宽为120mm，高为72mm的尺寸，照明长度为640mm，照明宽度为15mm，白光照度为200000Lx，工作高度为7mm，电功率为850W，电压为DC48V。

5.根据权利要求1所述的凹印大张产品墨层厚度测量方法，其特征在于：在所述步骤c)中，所述光谱重建算法是将已知光谱分布l_R(λ)的光源照射到目标物体上，检测目标的信息r(λ)加载到反射光上，通过成像系统o(λ)后再经过多个滤光片Фk(λ)，最后成像在CCD靶面上a(λ)，得到的图像输出为ck,εk是系统噪声，公式如下：

$c_k={\∫}_{\mathrm{\λ}\min }^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{l}_R\left(\mathrm{\λ}\right)r\left(\mathrm{\λ}\right)o\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\φ}}_k\left(\mathrm{\λ}\right)a\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}+{\mathrm{\ϵ}}_k$

由于入射光源的光谱特性、成像光路、滤光片以及CCD传感器的光谱响应特性也是已知的，通过输出图像可以得到检测目标的光谱特性r(λ)。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的凹印大张产品墨层厚度测量方法，其特征在于：在所述步骤d)中，油墨吸收反射后，通过多光谱相机采集，光谱能量积分转换为油墨光谱能量，朗伯定律指出，在一定的波长下，光的能量吸收量与吸光材料的厚度成正比，比尔定律指出，在一定的波长下，光的能量吸收量与吸光材料的浓度成正比，朗伯-比尔定律可以写成下面的数学形式：

$A=lg\left(\frac{T_0}{I}\right)=lg\left(\frac{1}{T}\right)=kcd$

式中：I₀、I为入射光及通过样品后的透射光强度；A为吸光度，旧称光密度；C为样品浓度；d为光程，即盛放溶液的液槽的透光厚度；k为光被吸收的比例系数；T为透射比，即透射光强度与入射光强度之比；

由于油墨本身的性质所引起的使得光谱吸收能量值与厚度不成正比，而呈现出一种极为复杂的关系，而且还与印刷用的纸张有很大关系，实际上印刷油墨层的光谱能量D，并不因油墨层的厚度变大而无限地增加，多数的纸张油墨厚度在达到一定厚度时便达到饱和状态，油墨吸收光谱能量密度值不在增加，设饱和状态时的密度值为D_∞则可写出下面的关系式：

dD＝m(D_∞-D)·dl

经积分、整理后，有：

D＝D_∞(1-e^-ml)

m为纸张平滑常数，D_∞为油墨的饱和光谱能量吸收密度，也为常数；

则l＝-Ln(1-D/D_∞)/m。