反射式灰階測試卡測量裝置及方法研究

高紅波， 吳偉鋼， 曾 智， 周 彥， 曹雪穎

(中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021)

1 引 言

灰階測試卡是一種檢測圖像細(xì)膩程度的圖卡工具，用于區(qū)分不同掃描儀或數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品拍攝圖像的品質(zhì)。目前常用的灰階測試卡按原理可分為透射式和反射式，按階數(shù)可分為6階、9階、11階、20階、36階等，階數(shù)越多，對(duì)比度越高，分辨能力越強(qiáng)。

灰階測試卡對(duì)評(píng)價(jià)掃描儀和數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性作用。目前業(yè)內(nèi)對(duì)灰階測試卡的參數(shù)指標(biāo)尚無統(tǒng)一衡量標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品評(píng)價(jià)體系也不一致，這對(duì)數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將產(chǎn)生不利影響。

灰階測試卡上往往標(biāo)有出廠光密度值，可用該值評(píng)價(jià)測試卡印刷質(zhì)量的優(yōu)劣程度。傳統(tǒng)方法是用反射式光密度計(jì)測量光密度，該方法為接觸式測量，反射式灰階測試卡是由特殊材料根據(jù)不同的厚度和濃度噴涂在紙板上而形成的，測量時(shí)會(huì)在樣品表面留下印記，破壞其性能。另外，反射式灰階測試卡上每階圖像的面積太小，反射式光密度計(jì)測量口通常較大，無法與之相配，還需要特殊定制小孔底座，增加測量成本。也可在電腦配好色后，把每階圖像單獨(dú)印制在1張面積較大的圖紙上，再用反射式光密度計(jì)測出光密度，然后集中印制在同1張圖紙上，這種方法只能做出廠值設(shè)定，后期無法實(shí)施校準(zhǔn)[1,2]。

本文針對(duì)灰階測試卡的光密度參數(shù)，設(shè)計(jì)測試方案、搭建光學(xué)測試平臺(tái)，實(shí)施無接觸測量，并對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，合理評(píng)價(jià)灰階測試卡的質(zhì)量[3～14]。

2 確定測試方案搭建測試平臺(tái)

2.1 確定測試方案

本文采用相對(duì)測量法，首先測出標(biāo)準(zhǔn)白板和反射式灰階測試卡每一階的亮度比，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)白板的反射因數(shù)推算出反射式灰階測試卡每一階的反射因數(shù)，最后根據(jù)反射因數(shù)計(jì)算出每一階的反射光密度值[15,16]。

根據(jù)反射光密度的定義，反射光密度與光反射因數(shù)有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，測出光反射因數(shù)R就能算出對(duì)應(yīng)的反射光密度D，

D=-logR

(1)

反射式灰階測試卡的光反射因數(shù)R采用相對(duì)測量法，用已知標(biāo)準(zhǔn)白板的光反射因數(shù)Rs乘以灰階測試卡與標(biāo)準(zhǔn)白板的亮度比(L1/L2)，就得到被測灰階測試卡的光反射因數(shù)R,

R=(L1/L2)Rs

(2)

本測試系統(tǒng)采用傳統(tǒng)亮度計(jì)的校準(zhǔn)思路，用鹵鎢燈作為光源，光軌做準(zhǔn)直系統(tǒng)，光譜分光輻射度計(jì)作為接收單元；主要測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 搭建測試平臺(tái)

在1條光軌上安裝光源系統(tǒng)和樣品架，并保證它們安裝在1條直線上。根據(jù)反射光密度的使用環(huán)境，還需要搭建一個(gè)45°/0°(即45°方向照明，法線方向接收)幾何測量條件的轉(zhuǎn)角平臺(tái)。在測量臂上安裝光譜分光輻射度計(jì)作為接收單元，接收由反射式灰階測試卡反射的光信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算后顯示經(jīng)反射的亮度。根據(jù)公式(1)和公式(2)計(jì)算出被測樣品的反射光密度。測試光路示意圖如圖2所示。

圖2 測試光路示意圖

測量系統(tǒng)盡量模擬待測樣品使用的環(huán)境，在光源選擇方面根據(jù)GB/T 23649—2009《印刷技術(shù) 過程控制 印刷用反射密度計(jì)的光學(xué)、幾何學(xué)和測量學(xué)要求》[17]中第4.4.1條的規(guī)定：“落入樣品表面光通量的光譜能量分布應(yīng)符合CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體A，其對(duì)應(yīng)的分布色溫為2 856 K，允差為±100 K”，因此在設(shè)計(jì)中選用鹵素?zé)糇鳛檎彰鞴庠?，采用穩(wěn)壓電源為設(shè)備供電。通過精確的電壓、電流調(diào)節(jié)，確保光源色溫穩(wěn)定在2 856 K左右。

為了取得類似太陽光的效果，在鹵素?zé)艄饴穫?cè)加裝平行光管，制造出一種與目標(biāo)聚光燈相似的“平行光束”。由于加裝了平行光管，密閉的空間會(huì)使光源的溫度越來越高而燒毀鹵素?zé)簦试O(shè)計(jì)在光管末端加裝了散熱風(fēng)扇，風(fēng)扇會(huì)根據(jù)光管內(nèi)的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而使光管內(nèi)的溫度在一個(gè)恒定的范圍內(nèi)。鹵素?zé)魧儆诠腆w發(fā)光，可以發(fā)射連續(xù)光譜，它的主要發(fā)光波長范圍為 350～2 500 nm，而反射光密度測量所需要的光譜范圍僅為380～780 nm，本系統(tǒng)中所采用的接收器對(duì)紫外光和近紅外光都有感應(yīng)。為了消除這兩種光的影響，還需要在光源系統(tǒng)中加裝紫外/紅外截止濾光片。為了屏蔽雜散光，在光源和樣品架支架安裝光闌，使光線清晰照射在被測樣品上。

在轉(zhuǎn)角系統(tǒng)部分構(gòu)建一個(gè)轉(zhuǎn)角裝置，使光軌和測量臂(包括樣品架)形成45°夾角。傳統(tǒng)方法是用手動(dòng)旋轉(zhuǎn)測量臂后，再用角度尺測量旋轉(zhuǎn)后的角度，但由于機(jī)械部件結(jié)構(gòu)限制，角度尺與測量臂之間不能很好切合，造成測量誤差較大。也可利用角刻度圓盤原理，通過讀取刻盤讀數(shù)，測出測量臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，但由于測試實(shí)驗(yàn)在暗室里進(jìn)行，每次讀取刻盤讀數(shù)都需用手電筒照明，操作很不方便。本文設(shè)計(jì)了一種基于雙軸步進(jìn)電機(jī)和PCI試驗(yàn)卡的自動(dòng)控制轉(zhuǎn)角系統(tǒng)，試驗(yàn)卡可插入計(jì)算機(jī)的任一PCI插槽中，通過簡單連線直接連接到測試裝置。裝置采用型號(hào)為AT89C51(晶振頻率為12 MHz)的51單片機(jī)對(duì)雙出軸六線制步進(jìn)電機(jī)QK 28STH32-0956B(內(nèi)阻33 Ω，步進(jìn)角1.8°，額定電流0.95 A)進(jìn)行控制。通過I/O口輸出具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制測量臂和樣品架的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)45°/0°轉(zhuǎn)角系統(tǒng)的構(gòu)架。轉(zhuǎn)角系統(tǒng)自動(dòng)控制單元結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)角系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 測試過程及數(shù)據(jù)分析

按第2節(jié)測試方案，打開穩(wěn)壓電源，調(diào)整電壓大小，直至鹵素?zé)舻纳珳剡_(dá)到2 856 K。用激光準(zhǔn)直儀調(diào)節(jié)被測樣品的高度，使樣品的測光軸線與光軌的測光軸線處于同一水平面內(nèi)。通過光譜分光輻射度計(jì)的目鏡瞄準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)白板或反射式灰階測試卡的中心，一邊觀察一邊調(diào)節(jié)目鏡和物鏡，使儀器內(nèi)的孔徑光闌清晰可見，且被測目標(biāo)的表面成像清晰。待儀器預(yù)熱30 min后，用自動(dòng)轉(zhuǎn)角系統(tǒng)，調(diào)節(jié)樣品架與光軌的測光軸線成45°角，方可開始測量。首先，測量標(biāo)準(zhǔn)白板，再依次測量反射式灰階測試卡上每一階圖像的亮度；然后，根據(jù)兩者的亮度比和標(biāo)準(zhǔn)白板的反射因數(shù)，計(jì)算出反射式灰階測試卡每一階的反射光密度值。本文對(duì)德國Image Engineering公司生產(chǎn)的TE-108型反射式灰階測試卡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 光密度測試數(shù)據(jù)

表1中,顏色由淺到深分別為第1，2，3，…，9階；示值誤差表示為測量值與出廠值之差的絕對(duì)值；被測卡由2個(gè)9階測試卡組成，分為上下兩排。

利用公式(1)和公式(2)計(jì)算出被測反射式灰階測試卡每一階的反射光密度。從表1可看出：利用該裝置測出的反射光密度值和測試卡出廠值較為接近，最大示值誤差僅為0.02，測試效果滿意，旁證了該裝置的可靠性高。

反射式灰階測試卡作為檢測圖像細(xì)膩程度的工具，其設(shè)計(jì)最理想的狀態(tài)為每相鄰兩階光密度之間呈等比數(shù)列關(guān)系。對(duì)每一階的光密度取常用對(duì)數(shù)后，計(jì)算結(jié)果和階數(shù)之間呈明顯的線性關(guān)系，如圖4所示。因此，通過線性度就可以評(píng)價(jià)測試卡的印刷質(zhì)量，而評(píng)價(jià)線性度通常采用線性回歸方程的方法。先畫出光密度和階數(shù)的散點(diǎn)圖，再對(duì)縱坐標(biāo)(光密度)取常用對(duì)數(shù)得到新圖形，對(duì)新圖形進(jìn)行線性擬合，求出線性回歸方程和方程的相關(guān)系數(shù)。

通過圖4可以看出，被測反射式灰階測試卡的線性回歸方程為：y=0.126 9x-0.844 1，回歸方程相關(guān)系數(shù)的平方為：R2=0.988 6。R平方的取值范圍在0～1之間，該數(shù)值越接近1，表明線性度越好?？梢娫摽ǖ墓饷芏葏?shù)線性度較好，印刷效果較為滿意。

圖4 被測卡線性度示意圖

4 測試結(jié)果的驗(yàn)證

為檢驗(yàn)校準(zhǔn)結(jié)果的可靠程度，需對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。因被測反射式灰階測試卡說明書中標(biāo)注了測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度US=0.02，k=2。而實(shí)驗(yàn)評(píng)定出的擴(kuò)展不確定度UL=0.03，k=2。故采用傳遞比較法來驗(yàn)證測量結(jié)果。

若測量結(jié)果滿足公式(3)，說明本次測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

(3)

式中：ylab為本實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果；yref為反射式灰階測試卡出廠光密度；Ulab為本實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度；Uref為生產(chǎn)廠家給出的測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度。

將表1中的測量數(shù)據(jù)代入公式(3)，得出的結(jié)論如表2所示。

表2 光密度測試結(jié)果驗(yàn)證

從表2測量的9階灰階測試卡的結(jié)果驗(yàn)證中，得到上下兩排卡片的反射光密度測量結(jié)論均為滿意，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文測量方法可行性較高。

5 結(jié)束語

為解決反射式灰階測試卡的量值溯源問題，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的鹵素?zé)簟⒐廛?、光闌、光譜分光輻射度計(jì)等設(shè)備，以被測樣品實(shí)際使用環(huán)境為原則，設(shè)計(jì)測試方案并搭建光學(xué)測試平臺(tái)，對(duì)被測反射式灰階測試卡每階圖像的反射光密度進(jìn)行測試，提出了用測試數(shù)據(jù)線性度考察測試卡印刷質(zhì)量的理念，并用傳遞比較法驗(yàn)證了測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明：用該裝置測量型號(hào)為TE-108型反射式灰階測試卡，測量結(jié)果的反射光密度值與出廠給出的值之間的最大示值誤差僅為0.02，說明該裝置的可靠性和測量方法的可行性均較高，同時(shí)也證明了被測反射式灰階測試卡的印刷質(zhì)量較好。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測量準(zhǔn)確度高，解決了傳統(tǒng)光密度接觸式測量的缺點(diǎn)，可用于印刷、攝影、制藥等行業(yè)中特殊不易接觸測量和較小面積光密度的測量。