CN211373832U - 一种测量素面镭射材料光栅常数的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种测量素面镭射材料光栅常数的装置，属于颜色测量装置技术领域，该装置主要由置样台、照明光源、光电成像镜头、CCD探测器和计算机组成；照明光源设置于待测样品表面的法线一侧，光学成像镜头和CCD探测器设置于待测试样表面的法线方向，光学成像镜头和CCD探测器与计算机连接；置样台上设置旋转轴和卡位，置样台可以水平旋转45°，计算机通过对样品在原位及水平旋转45°两个位置进行彩色图像的捕获和处理，获得被测素面镭射材料的光栅常数变化范围。采用本实用新型装置对素面镭射材料光栅常数进行测量，可快速、方便得出素面镭射材料的光栅常数范围。

Description

一种测量素面镭射材料光栅常数的装置

技术领域

本实用新型涉及一种测量素面镭射材料光栅常数的装置，属于颜色测量装置技术领域。

背景技术

镭射纸可经过镭射材料转印、加工后形成，在光照下呈现亮彩虹效果，在包装印刷领域有着广泛应用。不同类型的镭射纸会产生不同的颜色效果，主要是由其微观结构的不同引起的，但是人眼并不能区分镭射纸即其相关镭射材料的微观结构。

在进行镭射材料微观结构(光栅常数)测量时，可选用激光共聚焦形貌测量显微镜和超景深三维视频显微镜直接观测，但是设备成本较高，并不能在包装印刷企业中被广泛应用。

专利CN 104330240B提出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。但由于光柱镭射材料的微观结构是一维的，素面镭射材料的光栅结构是x，y方向二维的，所以用来测量两种镭射材料光栅常数的方法并不能通用。

专利CN106950182A提出了一种判别不同素面镭射材料微观结构的方法，但是在测量时需要先采集材料的色度值L^*，通过L^*调节不同素面镭射材料的初始位置，且需要用多角度分光光度计测量，价格较高，在测量时需要旋转镭射材料，使用也较不方便。

基于此，提供一种更快速、方便地得出镭射纸的光栅常数范围的装置，是目前需要解决的关键问题。

实用新型内容

为了快速、方便地实现对素面镭射材料微观光栅常数的测定，本实用新型提供了一种装置，利用该装置能够根据素面镭射材料颜色变化来推算其光栅常数范围。采用该装置避免了使用高倍数放大镜来检测素面镭射材料的光栅常数和使用多角度分光光度计等颜色测量仪器计算光栅常数。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：

一种测量素面镭射材料光栅常数的装置，该装置包括置样台、照明光源、光电成像镜头、CCD探测器(CCD传感器)和计算机；置样台用于放置素面镭射材料样品，照明光源设置于待测样品表面的法线一侧，光学成像镜头和CCD探测器设置于待测试样表面的法线方向，光学成像镜头和CCD探测器与计算机连接；所述的置样台上设置旋转轴和卡位，所述的置样台可以光学成像镜头和CCD探测器的接收方向为轴水平旋转45°。

优选的，所述计算机通过对样品在原位(未旋转)及水平旋转45°两个位置进行彩色图像的捕获和处理，获得被测素面镭射材料的光栅常数变化范围。

优选的，所述照明光源用于均匀照射放置在置样台上的素面镭射材料平面上一定面积的区域，光学成像镜头和CCD探测器用于捕获镭射材料经光源照射后形成的图像，计算机用于控制图像的捕获，并对数字图像的RGB信息进行处理，获得被测素面镭射材料的光栅常数变化范围。

优选的，所述的置样台可在置样台和样品所在水平面内绕中心顺时针或逆时针方向旋转45°，照明光源照射在置样台的中心处；选择的素面镭射材料测量区域为任一无明显划痕、无蹭脏的平整区域作为图像采集区域，目的是为了避免脏污部分对采集图像的颜色效果的干扰。

优选的，所述的计算机包括显示模块、控制模块和计算模块，显示模块和控制模块相连接，控制模块分别与CCD探测器以及计算模块相连接，所述控制模块包括第一图像捕获控制模块和第二图像捕获控制模块，所述计算模块包括RGB数值读取模块和光栅方程计算模块，所述RGB数值读取模块分别与第一图像捕获控制模块、第二图像捕获控制模块以及光栅方程计算模块相连接，光栅方程计算模块与显示模块相连接。

优选的，所述的照明光源为白光点光源，照明光源色温为5000-6500k，具有可见光范围内的连续光谱分布。

优选的，所述的照明光源的入射角度为照明光源发出的光线与待测试样表面法线方向(法线是指垂直于待测试样表面的直线)的夹角α，为避免一级和二级衍射光对图像颜色的影响，照明角度α的变化范围可为15°～30°。

优选的，所述的装置中还包括准直透镜，准直透镜设置于照明光源的光路上(照明光源经过透镜会聚后到达被测样品)，照明光源发出的光通过准直透镜会聚在较为集中的范围照射在素面镭射材料上。

优选的，所述照明光源的发光强度与工业彩色CCD和成像镜头的感光性能相匹配，以获得响应数值在0～255间均衡分布的数字影像。

优选的，所述光学成像镜头和CCD探测器置于素面镭射材料表面的法线方向上，在计算机控制下接收素面镭射材料经光源照射后形成的彩色数字图像，所述的CCD探测器和光学成像镜头采集到的图像为RGB影像。

优选的，所述的CCD探测器和光学成像镜头的影像分辨率为600dpi。所述的工业彩色CCD和成像镜头具有动、静态彩色数字图像捕获功能，并要求在线度为1cm左右的视场物面上的最小分辨尺寸小于45μm，即保证捕获的图样数字图像分辨率不低于600dpi。所述的计算机通过CCD系统的驱动软件捕获素面镭射材料的彩色数字图像，输出颜色范围不低于48bit。

优选的，所述计算机通过自身的控制模块和CCD系统的驱动软件捕获被测图样的彩色数字图像，并读出图像的RGB数值；计算机将得到的彩色图像结合可见光范围内不同波长的光所对应的RGB值变化，根据颜色结合光栅方程，得到光栅常数的范围；样品在原位(未旋转)及水平旋转45°分别进行彩色图像的捕获和处理，取两个计算结果的交叉范围，作为该素面镭射材料的光栅常数范围。

计算机根据可见光范围380～780nm不同波长的光所对应的RGB值变化，由光栅方程计算其在一级和二级衍射下得到的光栅常数范围；所述的光栅方程为d(sini+sinj)＝kλ；其中，d为光栅周期(光栅常数)，i为入射角，j为衍射角，λ为入射光波长，k为衍射级数，k＝±1,2,3……。

采用上述装置测量素面镭射材料光栅常数的方法，包括如下步骤：

(1)在置样台上放置并固定素面镭射材料；

(2)选择照明点光源，将照明光源设置于待测试样表面的法线一侧，将光学成像镜头和CCD探测器设置于待测试样表面的法线方向，CCD探测器和光学成像镜头与计算机连接，通过计算机进行彩色图像的捕获；

(3)以光学成像镜头和CCD探测器的接收方向为轴，将置样台连带其上的素面镭射材料水平旋转45°，再次进行彩色图像的捕获；

(4)根据捕获到的两次彩色影像的颜色信息变化，结合光栅方程得到待测试素面镭射材料的光栅常数范围。

有益效果：

本实用新型的装置采用照明光源照射放置在置样台上的素面镭射材料，CCD探测器和光电成像镜头采集素面镭射材料上无划痕、无蹭脏区域经光源照射后形成的彩色图像，计算机连接光电成像镜头和CCD探测器，用来进行图像的捕获。该装置的使用方法是通过样品在原位(未旋转)及水平旋转45°两个位置采集到的彩色图像结合光栅方程推算素面镭射材料的光栅常数范围。采用本实用新型装置对素面镭射材料光栅常数进行测量，可快速、方便得出素面镭射材料的光栅常数范围。同时可避免使用高倍数放大镜来检测素面镭射材料的光栅常数和使用多角度分光光度计计算光栅常数。

下面通过附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明，但并不意味着对本实用新型保护范围的限制。

附图说明

图1是本实用新型测量素面镭射材料光栅常数的装置结构示意图。

图2是为照明光源入射角在15°～30°范围，衍射角为0°时，采集的素面镭射材料不同旋转位置(0°和45°)处的颜色变化与光栅常数的对应关系。

主要附图标记：

1 置样台 2 素面镭射材料

3 白光照明光源 4 准直透镜

5 光学成像镜头 6 CCD探测器

7 计算机

具体实施方式

镭射纸是由全息光栅模压版(以下简称母版)经过转印、加工形成的，以母版为原版，经过模压、镀铝、复合、涂布、分切等工艺将母版上刻划的光栅条纹转印到纸张上。母版、模压膜、镀铝膜和成品纸张都具有相近光栅结构和光栅周期(光栅常数)的全息单元，为方便起见，本申请中统称为镭射材料。

本实用新型的装置主要由置样台、照明光源、光电成像镜头、CCD传感器、计算机、计算机等组成。置样台用于放置素面镭射材料，照明光源用于均匀照射放置在置样台上的素面镭射材料平面上一定面积的区域，光学成像镜头和CCD探测器用于捕获镭射材料经光源照射后形成的图像，计算机用于控制图像的捕获，并对数字图像的RGB信息进行处理，获得被测素面镭射材料的光栅常数变化范围。

所述的计算机包括显示模块、控制模块和计算模块，显示模块和控制模块相连接，控制模块分别与CCD探测器中的驱动软件模块以及计算模块相连接，所述控制模块包括第一图像捕获控制模块和第二图像捕获控制模块，所述计算模块包括RGB数值读取模块和光栅方程计算模块，所述RGB数值读取模块分别与第一图像捕获控制模块、第二图像捕获控制模块以及光栅方程计算模块相连接，光栅方程计算模块与显示模块相连接。

本实用新型的装置通过固定素面镭射材料，经光源照射后利用CCD探测器和光电成像镜头采集被测样品材料上任意无划痕、无脏污位置处的图像；通过计算机采集到被测材料的RGB影像，得到素面镭射材料的光栅常数。本实用新型装置对素面镭射材料的测量位置没有限制，对测量的起始角度没有限制，对入射光角度没有限制，操作者在使用过程中，可任意选择素面镭射材料的测量位置、起始角度和光源入射角(15°～30°)。

采用本实用新型装置测量素面镭射材料的光栅常数范围，包括如下步骤：

(1)选择照明光源，要求照明光源分布于被测图样表面的法线一侧，光源发出的光线于被测图样沿与被测图样表面法线方向(法线是指垂直于被测图样表面的直线)夹角为α；

(2)采用上述测量装置，在置样台上放置并固定素面镭射材料；选取待测试素面镭射材料上的任一无明显划痕、无蹭脏位置作为图像采集区域；

(3)将CCD探测器和光学成像镜头与计算机连接，通过计算机可进行彩色图像的捕获；

(4)根据捕获到的RGB影像的颜色信息变化，得到待测试素面镭射材料的光栅常数范围。

下面结合具体实施例，对本实用新型做进一步描述：

如图1所示，为本实用新型测量素面镭射材料光栅常数的装置结构示意图。本测量素面镭射材料光栅常数范围的装置，主要包括置样台1、白光照明光源3、准直透镜4、光学成像镜头5和CCD探测器6、计算机7及安装在计算机7上的显示模块、控制模块和计算模块，显示模块和控制模块相连接，控制模块分别与CCD探测器中的驱动软件模块以及计算模块相连接，所述控制模块包括第一图像捕获控制模块和第二图像捕获控制模块，所述计算模块包括RGB数值读取模块和光栅方程计算模块，所述RGB数值读取模块分别与第一图像捕获控制模块、第二图像捕获控制模块以及光栅方程计算模块相连接，光栅方程计算模块与显示模块相连接。置样台1用于放置素面镭射材料2样品，白光照明光源3用于照射放置在置样台1上的素面镭射材料2，照明光源3发出的入射光通过准直透镜4会聚在较为集中的范围照射在素面镭射材料2上，光学成像镜头5和CCD探测器6用于捕获素面镭射材料2被光源照射后的彩色图像，计算机7连接光学成像镜头5和CCD探测器6，计算机用于控制彩色图像的捕获，并根据捕获到的两次彩色影像的颜色信息变化，计算得到待测试素面镭射材料的光栅常数范围。

照明光源3设置于待测样品表面的法线一侧，光学成像镜头5和CCD探测器6设置于待测试样表面的法线方向，CCD探测器6与计算机7连接；置样台1上设置旋转轴和卡位，置样台1可以光学成像镜头5和CCD探测器6的接收方向为轴水平旋转45°，计算机7通过对样品在原位(未旋转)及水平旋转45°两个位置进行彩色图像的捕获和处理，获得被测素面镭射材料的光栅常数变化范围。

实施例1：

测量素面镭射材料A和B的光栅常数，具体步骤如下：

(1)选择白光LED点光源，入射角度设定为30°，色温为5000～6500k，分布于被测图样表面的法线一侧，其发光光线经光源前端的镜头准直，以在成像面上获得照度约为300mW/cm²左右的均匀照射。

(2)选择一种素面镭射材料，将其固定在置样台上。选取待测试素面镭射材料上的任一无划痕、无脏污位置作为图像采集区域，可避免脏污对采集图像的颜色效果的干扰。

(3)CCD探测器6和光学成像镜头5放置于素面镭射材料2表面的法线(法线是指垂直于素面镭射材料表面的直线)方向上，连接计算机，在计算机的控制下接收素面镭射材料2经光源照明后形成的彩色图像；

CCD成像系统选用高信噪比的工业彩色面阵CCD，像素数为2452×2054，配合光学放大镜头，获得物面上1cm左右的视场上45μm左右的分辨率，可形成分辨率为600dpi的彩色数字图像，从而保证成像质量在微米量级分析的精度以上。调整CCD成像系统的曝光时间和感光度，使在图样应用范围内，所形成的数字图像颜色数值在10-245范围内(避免过小和过大)。

(4)根据步骤(3)得到的RGB影像，结合光栅方程d(sini+sinj)＝kλ，其中，d为光栅周期，i为入射角(30°)，j为衍射角(0°)，λ为入射光波长(380nm～780nm)，k为衍射级数，k＝±1,2,3……，推导出素面镭射材料的光栅常数范围。该计算过程可通过计算机计算模块来完成。

可以根据采集到的不同颜色对应着不同波长的可见光(如表1所示)，得出可见光波长对应的光栅常数范围。

采集到素面镭射材料A和B在0°位置的图像色调为红色，入射波长(λ)的范围为620～780nm。考虑到1级衍射时，k＝1。由于图像采集系统置于素面镭射材料表面法线上方，此时，衍射角为0°。当入射角为30°时，通过光栅方程即可推导出素面镭射材料A和B的光栅常数范围在1.24～1.56μm范围变化。

表1不同波长对应的颜色感觉

(5)以素面镭射材料被拍摄区域为圆心，在置样台和样品所在水平面内将素面镭射材料旋转45°，即以光学成像镜头和CCD探测器的接收方向为轴，将置样台1连带其上的素面镭射材料2水平旋转45°，重复步骤(2)～步骤(4)的工作，可得到素面镭射材料A和B的RGB颜色信息变化。

由于图像采集系统置于素面镭射材料表面法线上方，此时，衍射角为0°。当入射角为30°时，将素面镭射材料A旋转45°后采集到的图像色调为黄绿色(较暗)，入射波长(λ)的范围为530～560nm。考虑到2级衍射时，k＝2，通过光栅方程即可推导出素面镭射材料的光栅常数范围在1.50～1.58μm范围变化。将素面镭射材料B旋转45°后采集到的图像色调为蓝色(较暗)，入射波长(λ)的范围为430～470nm。考虑到2级衍射时，k＝2，通过光栅方程即可推导出素面镭射材料的光栅常数范围在1.22～1.33μm范围变化。将素面镭射材料旋转45°后，正方形栅格的x，y两个方向的衍射叠加在对角线方向，此时的有效光栅常数为

通过对素面镭射材料A和B在0°位置及45°位置两次的颜色测量和计算结果，最终可将素面镭射材料的光栅常数限定在1.50～1.56μm范围和1.24～1.33μm范围。

实施例2：

测量素面镭射材料样品1^#～4^#的光栅常数，采用实施例1的方法，将照明光源的入射角度设定为30°，对素面镭射材料样品1^#～4^#进行光栅常数的测量，采集到素面镭射材料样品1^#～4^#在0°位置和45°位置的彩色图像，如表2所示，为四个不同的光栅常数的素面镭射材料在0°位置和45°位置时的颜色信息变化。其中45°位置采集到的颜色蓝紫色(较暗)和黄绿色(较暗)表明CCD探测器采集到的是二级衍射光信号。

通过光栅方程计算推导出素面镭射材料在0°位置和45°位置后的光栅常数范围，其中旋转45度后，代入光栅方程计算的有效光栅常数为0°位置光栅常数d的

倍。如表2所示，四个素面镭射材料1^#-4^#的光栅常数分别为0.85μm、1.0μm、1.15μm和1.5μm。

表2可见光波长对应的光栅常数范围(μm)

可以从表2看出，当照明光源的入射角及衍射角确定时，经光源照射后可以根据素面镭射材料所呈现的颜色来推断其光栅常数的范围。

实施例3：

测量素面镭射材料C的光栅常数，采用实施例1的方法，分别将照明光源的入射角度设定为15°、20°、25°和30°，对素面镭射材料样品C进行光栅常数的测量，采集素面镭射材料样品C在0°位置和45°位置的彩色图像。

如图2所示，为照明光源入射角在15°～30°范围，衍射角为0°时，计算得到可获取素面镭射材料不同旋转位置(0°和45°)处的颜色变化与光栅常数的对应关系。图2中虚线所示区域为0°位置时，30°入射角时捕获到的图像为蓝色，可知采集到的波长范围为430～470nm(一级衍射)，由光栅方程可知素面镭射材料C的光栅常数为0.86-0.94μm。当将素面镭射材料旋转45°，图2中实线所示区域得到的图像为红色，可知采集到的波长范围为620～730nm(一级衍射)，由光栅方程可知素面镭射材料C的光栅常数为0.88～1.10μm，因此该镭射材料的光栅常数为0.88～0.94μm。

随着旋转角度由0°向45°变化，扫描到的图像由短波段颜色(紫色，蓝色)向中波段颜色(绿色，黄绿色)、长波段颜色(橙色、红色)变化时，光栅方程中的k均为1，表明是一级衍射。0°计算时，k＝1；45°计算时，k＝2。

本实用新型装置对素面镭射材料的测量位置没有限制，对测量的起始角度没有限制，对光源的照射角度限制在15°～30°范围。操作者在使用过程中，可任意选择素面镭射材料的测量位置、起始角度。经过两次测量(0°位置和45°位置)素面镭射材料采集到的RGB图像，即可推导出素面镭射材料的光栅常数范围，此实用新型的装置使用较为方便、快捷，且成本也较低。

Claims (7)

1.一种测量素面镭射材料光栅常数的装置，其特征在于：该装置主要由置样台、照明光源、光电成像镜头、CCD探测器和计算机组成；置样台用于放置素面镭射材料样品，照明光源设置于待测样品表面的法线一侧，光学成像镜头和CCD探测器设置于待测试样表面的法线方向，光电成像镜头和CCD探测器与计算机连接；所述的置样台上设置旋转轴和卡位。

2.根据权利要求1所述的测量素面镭射材料光栅常数的装置，其特征在于：所述的计算机包括显示模块、控制模块和计算模块，显示模块和控制模块相连接，控制模块分别与CCD探测器以及计算模块相连接，所述控制模块包括第一图像捕获控制模块和第二图像捕获控制模块，所述计算模块包括RGB数值读取模块和光栅方程计算模块，所述RGB数值读取模块分别与第一图像捕获控制模块、第二图像捕获控制模块以及光栅方程计算模块相连接，光栅方程计算模块与显示模块相连接。

3.根据权利要求1所述的测量素面镭射材料光栅常数的装置，其特征在于：所述的置样台以光学成像镜头和CCD探测器的接收方向为轴水平旋转45°，计算机中的第一图像捕获控制模块和第二图像捕获控制模块分别对样品在原位及水平旋转45°两个位置的彩色图像进行捕获和处理。

4.根据权利要求1所述的测量素面镭射材料光栅常数的装置，其特征在于：所述的照明光源为白光点光源，所述照明光源的色温为5000～6500k。

5.根据权利要求1所述的测量素面镭射材料光栅常数的装置，其特征在于：所述的照明光源的入射角度为照明光源发出的光线与待测试样表面法线方向的夹角，入射角度为15°～30°。

6.根据权利要求1所述的测量素面镭射材料光栅常数的装置，其特征在于：所述的装置中还包括准直透镜，准直透镜设置于照明光源的光路上，照明光源发出的光通过准直透镜会聚在素面镭射材料上。

7.根据权利要求1所述的测量素面镭射材料光栅常数的装置，其特征在于：所述的CCD探测器和光学成像镜头采集到的图像为RGB影像。

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