萊森光學(xué)：用于印刷品的寬幅面高光譜顏色測(cè)量系統(tǒng)研究

來源：發(fā)布時(shí)間：2025-02-26

用于印刷品的寬幅面高光譜顏色測(cè)量系統(tǒng)研究

高光譜成像技術(shù)是高光譜顏色測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，**早被用于遙感領(lǐng)域，基于該技術(shù)的高光譜成像儀近年來被用于研究測(cè)量物體顏色。研究獲取高光譜圖像的工具，并結(jié)合相關(guān)算法聚焦于提高顏色測(cè)量的準(zhǔn)確性，忽略了高光譜成像裝置本身的性能參數(shù)以及光照條件等環(huán)境因素對(duì)顏色測(cè)量的影響。

本工作首先構(gòu)建印刷品色度儀器指標(biāo)需求分析模型，確定了主要性能參數(shù)，并由此研制了基于凸面衍射光柵分光組件的推掃式寬幅色度成像裝置。經(jīng)過波長(zhǎng)定標(biāo)和反射率定標(biāo)就可開展色度測(cè)量，色板測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其用于印刷品顏色測(cè)量領(lǐng)域的可行性，為高光譜成像技術(shù)在印刷品顏色測(cè)量的應(yīng)用提供了理論參考和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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01工作原理

成像光譜儀具有圖譜獲取能力，通過歸一化反射光譜數(shù)據(jù)處理可以反演各種照明條件下的物體顏色?；谘兄频某上窆庾V儀構(gòu)建推掃式寬幅色度成像裝置，硬件主要由ＬＥＤ光源、像方遠(yuǎn)心前置物鏡、分光組件、ＣＣＤ探測(cè)器、伺服直線移動(dòng)平臺(tái)和計(jì)算機(jī)組成。ＬＥＤ光源提供均勻覆蓋可見光范圍的穩(wěn)定照明，并滿足45°／0°照明幾何條件。前置物鏡對(duì)被照明的印刷品表面高清晰成像，把收集的光信號(hào)匯集到分光組件的入射狹縫上。分光組件將入射的光線經(jīng)準(zhǔn)直、分光、匯聚后，在探測(cè)器上可得到被測(cè)印品的一個(gè)條帶的色散譜線。狹縫在被測(cè)面的共軛長(zhǎng)度形成成像幅寬，伺服平臺(tái)帶動(dòng)印刷品或儀器作相對(duì)掃描運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)距離決定了成像幅長(zhǎng)。

圖1ＰＢＣＩＤ測(cè)色處理流程圖

02實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

圖2所示為實(shí)驗(yàn)室搭建的ＰＢＣＩＤ示逾圖。該裝置主要由自研的凸面衍射光柵分光組件、ＣＣＤ探測(cè)器、23ｍｍ像方遠(yuǎn)心前置物鏡，兩個(gè)ＬＥＤ線光源以及伺服直線移動(dòng)平臺(tái)組成。

圖2 ＰＢＣＩＤ示意圖

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在顏色科學(xué)的光譜測(cè)量應(yīng)用中，通常會(huì)使用光譜精度和色度精度來評(píng)估測(cè)量的準(zhǔn)確性。光譜精度關(guān)注光譜曲線的一致性，而色度精度基于人眼感知來評(píng)估光譜在特定條件下的顏色一致性。

光譜精度通過光譜均方根誤差（ＲＭＳＥ）和光譜擬合優(yōu)度系數(shù)（ＧＦＣ）來衡量。ＲＭＳＥ反映了各波長(zhǎng)光譜反射率的平均數(shù)值差異，而ＧＦＣ則評(píng)估兩條光譜曲線形狀的相似度，各自的計(jì)算公式如式（1）和式（2）。

式（1）和式（2）中，Ｒ１和Ｒ２分別**標(biāo)準(zhǔn)儀器與高光譜顏色測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)得的光譜反射率向量，Ｎ為波長(zhǎng)范圍，Ｔ表示轉(zhuǎn)置。較低的ＲＭＳＥ值表明兩條反射率的整體誤差較小，而接近１的ＧＦＣ值則表明兩條曲線的形狀非常匹配。

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色度精度則用色差ΔＥ₀₀和均勻性系數(shù)（ＵＬ）來評(píng)估。色差ΔＥ₀₀衡量?jī)蓚€(gè)顏色之間的差異，均勻性系數(shù)評(píng)估同一顏色在不同區(qū)域或角度上的顏色一致性。均勻性系數(shù)（ＵＬ）定義為式（3）中，Ｍ和Ｎ分別為空間維像元的行數(shù)和列數(shù)，ＣＨ_i，j為第ｉ行ｊ列像元的亮度或色度值。ＵＬ值越小，顏色分布越均勻。

03實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用PBCID單次掃描46.5ｃｍ×20.8ｃｍ的印刷品［如圖3（a）所示］，通過拉普拉斯金字塔融合算法拼接成如圖3（b）所示的寬幅印刷品推掃結(jié)果，隨機(jī)選取一塊區(qū)域，PBCID和CM-700d測(cè)得的色差小于2.9。從《潘通CMYK指南》中選取了包括青色、品紅色和藍(lán)色等在內(nèi)的七類顏色，PBCID推掃得到七類顏色的色卡如圖4所示，從每個(gè)類別中選取一個(gè)顏色并標(biāo)號(hào)為①—⑦。將高光譜圖像中七個(gè)顏色.

圖3（ａ）寬幅印刷品推掃實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖；（ｂ）寬幅印刷品推掃結(jié)果圖

圖4 ＰＢＣＩＤ推掃色卡所得圖像

04結(jié)論

基于印刷品色差檢測(cè)需求，提出以印刷三原色混合反射率為基礎(chǔ)建立三刺激值影響分析模型，并據(jù)此確定印刷品色度測(cè)量的關(guān)鍵指標(biāo)。光譜分辨率需要小于10ｎｍ，高準(zhǔn)確性測(cè)量時(shí)小于6ｎｍ。光譜彎曲和色畸變需要嚴(yán)格控制，譜線彎曲在10％光譜ＦＷＨＭ左右和色畸變?cè)?％空間維像元左右，印刷品圖案顏色變化快時(shí)，色差影響變大。在低于400ｎｍ和高于700ｎｍ的光譜波段，商用白光ＬＥＤ光源能量較弱，可以考慮引入補(bǔ)償光源以增強(qiáng)兩端波段測(cè)量的信噪比，同時(shí)需要考慮照明的時(shí)間變化和雜散光對(duì)測(cè)量的影響。設(shè)計(jì)了基于凸面衍射光柵的分光組件，分析及測(cè)量結(jié)果顯示，控制成像光譜儀各單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)色差的影響在0.3以內(nèi)能夠在顏色測(cè)量上實(shí)現(xiàn)ΔＥ₀₀≤３的高準(zhǔn)確性。顏色測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)多塊反射率板直接定標(biāo)后減小了輻射定標(biāo)誤差，提高了色度測(cè)量均勻性，在平均ＳＮＲ高于200時(shí)能夠高效地評(píng)估印刷品的色彩質(zhì)量，且對(duì)光源變化具有很強(qiáng)的魯棒性。

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