CN111366096B

CN111366096B - 一种测量全息母版刻槽深度的方法

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Publication number: CN111366096B
Application number: CN202010159422.9A
Authority: CN
Inventors: 黄敏; 习永惠; 李修; 刘瑜; 潘洁
Original assignee: Beijing Institute of Graphic Communication
Current assignee: Beijing Institute of Graphic Communication
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2040-03-09
Also published as: CN111366096A

Abstract

本发明公开了一种测量全息母版刻槽深度的方法，属于颜色测量技术领域；其步骤包括：(1)选取n种不同类别、不同种类的全息母版作为待测试母版；(2)选择颜色测量仪器，测量待测试母版的明度值L^*；(3)测量刻槽深度值h，(3)绘制成散点图；(4)拟合、建立数学回归关系曲线；(5)重复步骤(2)的操作，测量任一待测试母版的明度值L^*，计算得出相应的刻槽深度值h。本发明的方法，避免每次测量时使用高倍数光学显微系统，可快速、准确的判断不同全息母版的刻槽深度差异以及同一全息母版的刻槽深度变化(即全息母版磨损程度)。

Description

一种测量全息母版刻槽深度的方法

技术领域

本发明涉及一种测量全息母版刻槽深度的方法，建立全息母版的明度值L^*和光栅刻槽深度值h间的变化关系，可根据测量得到母版的明度值计算其刻槽深度，从而判断不同全息母版刻槽深度的变化以及同一全息母版的磨损程度；属于颜色测量技术领域。

背景技术

全息承印材料由于其高亮度或/和绚丽的亮彩虹效果，在包装印刷领域得到了广泛应用。全息单元的光栅微观参数，包括光栅形状、光栅常数、刻槽深度、光栅偏转方向等，都是影响其在不同角度、接收不同波长干涉极大或极小能量的决定因素。

目前，对全息承印材料微观参数的研究多集中在如何进行其光栅常数的测量和计算。

中国发明专利CN104330240B公开了一种使用多角度分光光度计测量光柱镭射纸光栅常数的方法，该方法主要是针对亮彩虹光柱镭射承印物，需要在光柱镭射纸的光柱方向和垂直于光柱方向的不同位置进行光谱能量的采集，进而用光栅方程计算其光栅常数。

中国发明专利CN106950182B公开了一种使用多角度分光光度计判别不同素面彩虹镭射母版微观结构的方法，该方法需要测量不同素面镭射母版上固定位置的色度信息和光谱信息。测量时需在固定位置采样，通过旋转颜色测量仪器，在[0°，45°]范围内每间隔5°，依次记录颜色测量仪器在45°入射角和45°探测角度的色度值L^*。通过待比较镭射母版L^*值最大值出现的位置与标准母版L^*值最大值出现的位置，将不同母版初始采样位置对齐；然后再采集标准母版和待比较素面镭射母版上任一处位置的光谱信息，进而用光栅方程计算其光栅常数。

中国发明专利申请CN109709053A公开了一种用分光光度计测量素面镭射母版光栅常数的方法，提出选择一种几何测量条件为45/0(光源入射角度为45°，光电探测器接收角度为0°)环形光源照明的颜色测量仪器，采集素面彩虹镭射母版上任意一个位置的光谱能量信息，进而计算素面镭射母版的光栅常数。

上述现有技术中主要是选用测量几何条件为45°角照明，不同角度接收的颜色测量仪器，基于采集到的光谱能量，结合光栅方程对不同类别全息母版的光栅常数进行计算。通过对全息母版的呈色原理分析可知，在光线干涉、衍射的过程中，除光栅常数外，光栅的刻槽深度也是全息母版呈现不同颜色的关键影响因素。现有研究主要关注光栅的刻槽深度与光栅衍射效率之间的关系。文献(刘荣祁等，浮雕矩形光栅刻槽深度的衍射测量方法.应用激光，2009，29(3)：252-255)中利用矩形光栅的0级衍射与1级衍射的衍射强度比，推导出矩形光栅的刻槽深度和折射率的计算公式。文献(QIUJIE YANG,Terahertz dispersionusing multi-depth phase modulation grating.Opt.Express,2019,27(9):12732-12747)研究了太赫兹范围内的多深度相位调制光栅，发现刻槽深度对0级和±1级衍射光的强度有很强的调节作用。即当光栅刻槽深度不同时，0阶和±1阶衍射光的强度也不同。但是，上述研究主要是旨在建立光栅的刻槽深度与不同级次衍射光强间的关系，在工业界很难推广使用，如何定量化地比较不同全息母版刻槽深度间的差异，如何比较同一母版在使用过程中的磨损程度，是工业界需要解决的关键问题。而且，即使能使用，由于必须使用高倍数显微镜测量全息母版的光栅刻槽深度等原因，导致测量方法操作复杂、成本高昂。

因此，提供一种操作简单、成本低、不需要使用高倍数显微镜测量全息母版刻槽深度的方法就成为该技术领域急需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单、成本低、不需要使用高倍数显微镜测量全息母版刻槽深度的方法，建立全息母版的明度值L^*和光栅刻槽深度值h间的变化关系，可根据测量得到的明度值计算其刻槽深度，从而判断全息母版刻槽深度的变化以及全息母版的磨损程度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种测量全息母版刻槽深度的方法，其步骤如下：

(1)选取n种不同类别、不同种类的全息母版作为待测试母版；并在待测试母版上选择无脏污、无划痕的位置，作为测量区域；

(2)选择颜色测量仪器，保持颜色测量仪器的测量孔径与测量区域的测量点直接接触，基于步骤(1)中选取的测量区域，固定位置，旋转颜色测量仪器，采集不同旋转角度下待测试母版的明度值L^*，并计算多次测量的平均值；

(3)用显微镜，测量步骤(1)中测量区域内不同测量点的刻槽深度值h，并计算多次测量的平均值；

(4)将步骤(2)中测量的平均明度值L^*和步骤(3)中测量的平均刻槽深度值h绘制成散点图；

(5)通过步骤(4)中绘制的散点图，拟合、建立明度值L^*和刻槽深度值h之间的数学回归关系曲线；

(6)基于步骤(5)建立的数学回归关系曲线，重复步骤(2)的操作，测量任意一全息母版的明度值L^*，即可通过测量得到的明度值L^*，计算得出相应测量区域全息母版的刻槽深度h。

步骤(1)中，所述的显微镜为3D激光共聚焦形貌显微镜。

步骤(1)中，所述的n≥9。

步骤(1)中，所述的待测试母版为未经过任何后加工的全息母版。

步骤(1)中，所述不同类别全息母版包括亮彩虹光柱全息母版、素面彩虹全息母版、哑光柱全息母版等类别。

步骤(1)中，所述不同种类是指基于上述的不同类别，具有不同微观参数，如：光栅形状、光栅常数和刻槽深度等不同。

步骤(1)中，所述测量区域的尺寸不小于10mm×10mm。

步骤(2)中，所述颜色测量仪器为积分球式分光光度计。

步骤(2)中，积分球式分光光度计的测量条件为D65照明光源，10°视场，包含镜面反射光(SCI)，不小于4mm的测量孔径。

步骤(2)中，所述不同旋转角度，是指，测量时，需基于选取的测量位置，固定位置，在0°～180°范围内，等角度间隔旋转不同角度采集母版的明度值L^*，要求旋转次数≥4，取多次测量结果的平均值作为该固定位置处全息母版的明度值L^*。

步骤(2)和步骤(3)中，测量次数均不少于4次。

步骤(3)中，3D激光共聚焦形貌显微镜的放大倍数应不低于3000倍，测量精度应不低于0.01μm。

步骤(5)中，通过数学回归关系曲线记录数学回归关系曲线的各项拟合系数。

步骤(5)中，所述数学回归关系包括对数曲线模型或线性模型。

有益效果：

本发明的方法使用积分球式分光光度计测量全息母版刻槽深度，建立全息母版的明度值L^*和光栅刻槽深度值h间的变化关系，根据明度值L^*计算其刻槽深度h。该方法能在没有高精度显微镜的情况下使用常用的颜色测量仪器，快速测量得到全息母版的刻槽深度，从而判断全息母版刻槽深度的变化以及全息母版的磨损程度，在实际生产中具有重要意义。

本发明的方法，避免每次测量时使用高倍数光学显微系统，可快速、准确的判断不同全息母版的刻槽深度差异以及同一全息母版的刻槽深度变化(即全息母版磨损程度)。

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。

附图说明

图1为本发明实施例1中测量全息母版刻槽深度的方法所用X-Rite SP64分光光度计的测量光路示意图。

图2-1为本发明实施例1中待测试母版①在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图。

图2-2为本发明实施例1中待测试母版②在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图。

图2-3为本发明实施例1中待测试母版③在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图。

图2-4为本发明实施例1中待测试母版④在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图。

图2-5为本发明实施例1中待测试母版⑤在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图。

图2-6为本发明实施例1中待测试母版⑥在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图。

图2-7为本发明实施例1中待测试母版⑦在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图。

图2-8为本发明实施例1中待测试母版⑧在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图。

图2-9为本发明实施例1中待测试母版⑨在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图。

图2-10为本发明实施例1中待检测全息母版⑩在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图。

图3为本发明实施例1中测量全息母版刻槽深度的方法中不同全息母版的明度值L^*与刻槽深度h的散点图。

具体实施方式

除非特别说明，本发明具体实施方式中所用的设备和方法均为本领域现有的通用设备和方法。

本发明为一种测量全息母版刻槽深度的方法，固定全息母版，用积分球式分光光度计测量全息母版上任一无脏污、无划痕位置处的明度信息，基于建立的全息母版明度与刻槽深度间的数学回归关系，可直接计算全息母版的刻槽深度。

实施例1

一种使用积分球式分光光度计快速测量全息母版刻槽深度的方法，具体步骤如下：

(1)选取9种不同类别、不同种类的全息母版作为待测试母版：其中①-⑦为素面彩虹全息母版，⑧-⑨为哑光柱全息母版(上述全息母版均由安徽集友新材料有限公司销售)；并在待测试母版上选择无脏污、无划痕的位置，作为测量区域，所有待测试母版的测量区域尺寸为10mm×10mm；上述待测试母版的微观参数如表1所示：

表1待测试母版的微观参数

(2)选择美国爱色丽公司销售的X-Rite SP64积分球式分光光度计，其测量几何条件为D65照明光源，10°视场，包含镜面反射光(SCI)，6.5mm测量孔径，如图1所示，为本发明实施例1测量全息母版刻槽深度的方法所用X-Rite SP64积分球式分光光度计的测量光路示意图；保持X-Rite SP64积分球式分光光度计的孔径与测量点直接接触，基于步骤(1)中选取的测量区域，固定位置，从起始位置开始，每间隔45°旋转颜色测量仪器X-Rite SP64积分球式分光光度计，测量0°、45°、90°和135°，不同角度处的明度值L^*，如表2所示，并计算4个角度处采集到的明度值L^*的平均值，作为该位置处的明度值L^*。

表2母版①-⑨在不同角度下的明度值L^*

用日本基恩士公司销售的VK-X200K型3D激光共聚焦形貌显微镜，其测量精度为0.001μm，选取放大倍数为24000倍，在测量步骤(2)中选取的6.5mm测量孔径范围内，任意选取测量区域内的4个测量点，测量其刻槽深度，每次测量的值如表3所示，取该测量区域4次测量结果的平均值，表示所测位置处光栅的刻槽深度，如图2-1所示，为本发明实施例1中待测试母版①在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图；如图2-2所示，为本发明实施例1中待测试母版②在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图；如图2-3所示，为本发明实施例1中待测试母版③在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图；如图2-4所示，为本发明实施例1中待测试母版④在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图；如图2-5所示，为本发明实施例1中待测试母版⑤在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图；如图2-6所示，为本发明实施例1中待测试母版⑥在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图；如图2-7所示，为本发明实施例1中待测试母版⑦在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图；如图2-8所示，为本发明实施例1中待测试母版⑧在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图；如图2-9抽示，为本发明实施例1中待测试母版⑨在激光共聚焦显微镜下测量刻槽深度示意图。图2-1至图2-9中，视一个全息单元中的最高与最低处之差为该区域的刻槽深度值h。

表3待测试母版①-⑨在不同测量点处的刻槽深度值h

(3)将步骤(2)中测量得到的平均明度值L^*和步骤(3)中测量得到的平均刻槽深度值h绘制成散点图，如图3所示，为本发明实施例1中测量全息母版刻槽深度的方法中不同全息母版的明度值L^*与刻槽深度值h的散点图(其中①-⑦为素面彩虹全息母版，⑧-⑨为哑光柱全息母版)：

(4)根据步骤(4)绘制的散点图，在Excel软件中建立明度值L^*和刻槽深度值h间的回归趋势线，分别选择线性模型、多项式模型、对数模型和指数模型预测明度值L^*和刻槽深度值h间的数学回归关系，各模型的回归系数及回归关系如表4所示。

表4拟合、建立的各模型回归关系

其中，x表示全息母版的明度，y表示全息母版的刻槽深度。全息母版的明暗视觉效果与它的刻槽深度为反比关系。当全息母版的明度较大时，对应的刻槽深度较小。

(5)选择一块待检测全息母版⑩，该全息母版为素面彩虹全息母版，销售厂家为安徽集友新材料有限公司，光栅形状为方形，光栅常数为1.05μm(±0.02μm)；用步骤(2)的方法测量其明度值；使用日本基恩士公司VK-X200K型3D激光共聚焦形貌显微镜重复步骤(3)测量其刻槽深度值，4次测量结果如表5所示：

表5待检验全息母版⑩的明度值与刻槽深度值

将测量的明度值80.57代入表4所示的各模型回归关系中，可计算得到其刻槽深度值，如表6所示。

表6待检验全息母版⑩的刻槽深度计算值

由表6可知，对数曲线模型和线性模型计算得到的刻槽深度值L^*和刻槽深度值h间的相对误差最小，可用表4中的对数曲线模型或线性模型进行刻槽深度h的计算。

本发明所使用的方法避免了使用高倍数显微镜测量全息母版的光栅刻槽深度，可直接使用常用的颜色测量仪器即可完成全息母版的刻槽深度计算，从而判断全息母版刻槽深度的变化以及全息母版的磨损程度。使用该方法简单、快捷，且成本较低。

以上所述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，但并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种测量全息母版刻槽深度的方法，包括如下步骤：

(2)选择颜色测量仪器，保持颜色测量仪器的测量孔径与测量区域的测量点直接接触，基于步骤(1)中选取的测量区域，固定位置，旋转颜色测量仪器，测量不同旋转角度，待测试母版的明度值L^*，并计算多次测量的平均值；

(3)用显微镜测量步骤(1)中测量区域内不同测量点的刻槽深度值h，并计算多次测量的平均值；

(5)通过步骤(4)中的散点图，拟合、建立明度值L^*和刻槽深度值h之间的数学回归关系；

(6)基于步骤(5)建立的明度值L^*和刻槽深度值h之间的数学回归关系曲线，重复步骤(2)的操作，测量任一待测试母版的明度值L^*，通过测量得到的明度值L^*，计算得出相应的刻槽深度值h。

2.根据权利要求1所述的测量全息母版刻槽深度的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述显微镜为3D激光共聚焦形貌显微镜。

3.根据权利要求1所述的测量全息母版刻槽深度的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的待测试母版为未经过任何后加工的全息母版，所述n≥9。

4.根据权利要求1所述的测量全息母版刻槽深度的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述不同类别全息母版包括亮彩虹光柱全息母版、素面彩虹全息母版或哑光柱全息母版。

5.根据权利要求1所述的测量全息母版刻槽深度的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述测量区域的尺寸不小于10mm×10mm。

6.根据权利要求1所述的测量全息母版刻槽深度的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的颜色测量仪器为积分球式分光光度计。

7.根据权利要求6所述的测量全息母版刻槽深度的方法，其特征在于：步骤(2)中，测量条件为D65照明光源，10°视场，包含镜面反射光，不小于4mm的测量孔径。

8.根据权利要求1所述的测量全息母版刻槽深度的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述不同旋转角度，是指0°～180°范围内，等角度间隔旋转不同角度采集母版的明度值，旋转次数≥4。

9.根据权利要求1所述的测量全息母版刻槽深度的方法，其特征在于：步骤(2)和步骤(3)中，测量次数不少于4次。

10.根据权利要求1所述的测量全息母版刻槽深度的方法，其特征在于：步骤(5)中所述数学回归关系为对数曲线模型或线性模型。