CN112945867B - 反射式灰阶测试卡测量***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反射式灰阶测试卡测量***及方法，包括光源***、准直***、转角***和接收器，所述准直***为光轨，所述光源***和样品架设置在光轨上，并在一条直线上，且光源***与样品架之间设置有光阑；所述转角***45/0几何测量条件的转角平台，用于控制测量壁和样品架旋转；所述接收器为安装在测量壁上的光谱分光辐射度计；在卤素灯周围加装平行光管做光源，采用双轴步进电机和基于PCI接口的微机机内置式PCI试验卡，实现45/0转角***的自动控制；用已知标准值的标准白板做标准，用相对测量的方法，实现反射式光密度的无接触测量。

Description

反射式灰阶测试卡测量***及方法
技术领域
本发明涉及灰阶测试卡参数测试技术领域，具体为反射式灰阶测试卡测量***及方法。
背景技术
如今我们已经进入屏幕时代，我们每天都在和各种屏幕打交道，在家看电视，出门看手机，在单位则是对着电脑。随着显示技术的发展，各种电子屏幕的像素也越来越高，现在已经看不出它的本来面目了。但如果我们仔细观察，还是可以通过各大广场上的LED广告屏看出端倪。它并不是一整块的，而是由一块块的发光点组成的。一般来说，液晶显示屏上的一个点，即一个像素，它是由红、绿、蓝(RGB)三原色组成的。每一个基色，其背后的光源都可以显现出不同的亮度级别。而灰阶代表的就是由最暗到最亮之间不同亮度的层次级别。把三基色每一个颜色从纯色不断变暗到黑的过程中的变化级别划分成为色彩的灰阶，并用数字表示，就是最常见的色彩存储原理。这中间层级越多，所能够呈现的画面效果也就越细腻。
灰阶测试卡就是检测图像细腻程度的一种测试图卡工具，区分不同扫描仪或数码相机产品拍摄图像的品质。目前常用的灰阶测试卡按原理可分为透射式灰阶测试卡或反射式灰阶测试卡，按阶数可分为20阶灰阶测试卡和11级灰阶测试卡等类型。
作为检测图像细腻程度的唯一工具，灰阶测试卡的好坏，对评价扫描仪或数码相机产品质量起着决定性作用。目前业内对灰阶测试卡的参数指标尚无统一衡量标准，产品评价体系也不一致，这对数码相机产业的发展十分不利。
传统方法用反射式光密度计测量光密度，但该方法为接触式测量，反射式灰阶测试卡是由特殊材料根据不同的厚度和浓度喷涂在一张图纸上而形成，用传统的接触式测量会在测量表面留下印记，破坏它的性能。另外，反射式灰阶测试卡上每一阶图像的面积太小，反射式光密度计测量口一般较大，无法与之相配，还需要特殊定制小孔底座，增加测量成本。也可以在电脑配好色后，把每一阶图像单独印制在一张面积较大的图纸上，用反射式光密度计测出每一阶的光密度，再集中印制在同一张图纸上，但这种方法只能做出厂值设定，后期无法实施校准。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种反射式灰阶测试卡测量***及方法，能够对反射式灰阶测试卡的光密度进行无接触测量，用于通过对测量数据处理分析，来评价灰阶测试卡的质量。技术方案如下：
一种反射式灰阶测试卡测量方法，包括以下步骤：
S1：搭建反射式灰阶测试卡测试平台
1)在一条光轨上安装光源***和样品架，并保证其在一条直线上；并在所述光源***与样品架之间安装光阑，使光线清晰照射在被测样品上；
2)搭建一个45/0几何测量条件的转角***，用于控制测量壁和样品架旋转，使其与光轨呈45°夹角；
3)在测量壁上安装光谱分光辐射度计作为接收单元，用于接收由待测反射式灰阶测试卡及标准白板反射的光信号；
S2：通过上述反射式灰阶测试卡测试平台，测量试待测反射式灰阶测试卡的亮度值L1和标准白板亮度值L2；
S3：计算待测反射式灰阶测试卡的光反射因数R；
Figure BDA0002931135520000021
其中，RS为已知的标准白板的光反射因数；
S4：计算待测反射式灰阶测试卡的反射密度D：D＝-log R。
进一步的，所述S2具体为：用激光准直仪调节被测样品的高度，使样品的测光轴线与光轨的测光轴线处于同一水平面内；通过光谱分光辐射度计的目镜瞄准标准白板或反射式灰阶测试卡的中央，一边观察一边调节目镜和物镜，使仪器内的孔径光阑清晰可见，且被测目标的表面成像清晰；待仪器预热后，通过转角***，调节样品架与光轨的测光轴线成45°角，开始测量；先测量标准白板，再依次测量待测反射式灰阶测试卡上每一阶图像的亮度。
更进一步的，所述光源***选用卤素灯；在卤素灯周围加装平行光管，制造出与目标聚光灯相似的平行光束。
更进一步的，在所述光源***中加装紫外/红外截止滤光片，消除紫外光和近红外光的影响。
一种反射式灰阶测试卡测量***，包括光源***、准直***、转角***和接收器；所述准直***为光轨，所述光源***和样品架设置在光轨上，并在一条直线上，且光源***与样品架之间设置有光阑；所述转角***45/0几何测量条件的转角平台，用于控制测量壁和样品架旋转；所述接收器为安装在测量壁上的光谱分光辐射度计。
进一步的，所述转角***包括双轴步进电机和PCI试验卡；PCI试验卡可直接***计算机的PCI插槽中，计算机通过驱动控制器控制双轴步进电机运行，带动测量壁和样品架的旋转。
本发明的有益效果是：本发明根据实验室现有测试仪器，搭建光学平台，设计测试方案；在卤素灯周围加装平行光管做光源，采用双轴步进电机和基于PCI接口的微机内置式PCI试验卡，实现45/0转角***的自动控制，选用光谱分光辐射度计作为接收单元，用已知标准值的标准白板做标准，用相对测量的方法，实现反射式光密度的无接触测量。
附图说明
图1为反射式灰阶测试卡测试***结构图。
图2为反射式灰阶测试卡测试光路示意图。
图3为转角***自动控制单元结构图。
图4为被测反射式灰阶测试卡线性度示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明采用相对测量的方法，先测出标准白板和反射式灰阶测试卡每一阶的亮度比，再根据标准白板的反射因数推算出反射式灰阶测试卡每一阶的反射因数，最后根据反射因数计算出每一阶的反射光密度值。
根据反射密度的定义，可知反射密度与光反射因数有一一对应关系，因此测出了光反射因数就能算出对应的反射光密度。反射式灰阶测试卡的光反射因数采用相对测量法，用已知光反射因数的标准白板做标准乘以灰阶测试卡与标准白板的亮度比，就得出被测灰阶测试卡的光反射因数。
本发明的测试***采用传统亮度计的校准思路，用卤素灯做光源，用光轨做准直***，用光谱分光辐射度计做接收单元，其主要工作原理如图1所示。
本发明的反射式灰阶测试卡测量方法，包括以下步骤：
S1：搭建反射式灰阶测试卡测试平台
1)在一条光轨上安装光源***和样品架，并保证其在一条直线上；并在所述光源***与样品架之间安装光阑，使光线清晰照射在被测样品上；
2)搭建一个45/0几何测量条件的转角***，用于控制测量壁和样品架旋转，使其与光轨呈45°夹角；
3)在测量壁上安装光谱分光辐射度计作为接收单元，用于接收由待测反射式灰阶测试卡及标准白板反射的光信号；
S2：通过上述反射式灰阶测试卡测试平台，测量试待测反射式灰阶测试卡的亮度值L1和标准白板亮度值L2；
S3：计算待测反射式灰阶测试卡的光反射因数R；
Figure BDA0002931135520000031
其中，RS为已知的标准白板的光反射因数；
S4：计算待测反射式灰阶测试卡的反射密度D：
D＝-log R (2)
本实施例中，搭建测试平台时，在一条光轨上安装光源***和样品架，保证它们在一条直线上。根据反射密度的使用环境，我们还需要搭建一个45/0(即45°方向照明，法线方向接收)几何测量条件的转角平台。在测量壁上安装光谱分光辐射度计作为接收单元，接收由反射式灰阶测试卡反射的光信号，经过计算后显示经反射的亮度。利用EXCEL软件，根据公式(1)和(2)计算出被测样品的反射光密度。测试光路示意图如图2所示。
围绕测量***尽量模拟待测样品使用环境的原则，在光源选择方面根据GB/T23649-2009中的规定“落入样品表面光通量的光谱能量分布应符合CIE标准照明体A，其对应的分布色温为2856K，允差为±100K”，因此在本设计中采用卤素灯作为照明光源。为了取得类似太阳光的效果，在卤素灯周围加装平行光管，制造出一种与目标聚光灯相似的“平行光束”。卤素灯属于固体发光，可以发射连续光谱，它的发光波长范围为(350～2500)nm，而反射密度测量所需要的光谱范围仅为(380～700)nm，本***中所采用的接收器对紫外光和近红外光都有感应。为了消除这两种光的影响，还需要在光源***中加装紫外/红外截止滤光片。为了屏蔽杂散光，在光源和样品架之间安装光阑，使光线清晰照射在被测样品上。
转角***部分，需构建一个转角装置，使光轨和测量壁(包括样品架)形成45°夹角。传统方法，手动旋转测量壁后用角度尺测量旋转后的角度，但由于机械部件结构限制，角度尺与测量壁不能很好切合，造成测量误差较大。也可利用角度刻度圆盘原理，通过读取刻盘读数，测出测量壁转动的角度，但由于测试实验在暗室里进行，每次读取刻盘读数都需用手电筒照明，操作也很不便。本发明设计了一种基于双轴步进电机和PCI试验卡的自动控制转角***，试验卡可直接***计算机的任一PCI插槽中，通过简单的连线，直接连接到测试装置。装置采用型号为AT89C51(晶振频率为12MHZ)的51单片机对双出轴六线制步进电机QK28STH32-0956B(内阻33欧，步进角1.8度，额定电流0.95A)进行控制。通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机。通过计算机自动控制测量壁和样品架的旋转，实现45/0转角***的构架。转角***自动控制单元结构图如图3所示。
测试过程及数据分析：按上述测试方案，打开稳压电源，调整电压大小，直至卤素灯达到2856K。用激光准直仪调节被测样品的高度，使样品的测光轴线与光轨的测光轴线处于同一水平面内。通过光谱分光辐射度计的目镜瞄准标准白板或反射式灰阶测试卡的中央，一边观察一边调节目镜和物镜，使仪器内的孔径光阑清晰可见，且被测目标的表面成像清晰。待仪器预热30分钟后，用自动转角***，调节样品架与光轨的测光轴线成45°角，开始测量。先测量标准白板，再依次测量反射式灰阶测试卡上每一阶图像的亮度，然后利用EXCEL的计算功能，根据两者的亮度比和标准白板的反射因数，计算出反射式灰阶测试卡每一阶的反射光密度值。本文对德国Image Engineering公司生产的TE-108型反射式灰阶测试卡进行了实验，实验数据如表1所示。
表1反射式灰阶测试卡光密度测试数据
Figure BDA0002931135520000051
注：颜色由浅到深分别为第1、2、3…9阶，测试卡正立时第一排为上排；示值误差表示为测量值与出厂值之差的绝对值。
利用公式(1)、(2)计算出被测反射式灰阶测试卡每一阶的反射光密度。通过表1可看出，利用该装置测出的反射光密度数值和测试卡出厂值较为接近，示值误差的最大值为0.02，测试效果满意。
反射式灰阶测试卡作为检测图像细腻程度的工具，其设计最理想的状态为每一阶光密度之间呈线性关系。因此，通过光密度的线性度就可以评价测试卡的印刷质量，而评价线性度通常采用线性回归方程的方法。利用EXCEL的图表功能，先画出光密度的散点图，再利用EXCEL的计算功能求出线性回归方程和方程的相关系数。被测反射式灰阶测试卡的光密度线性度和线性回归方程的相关系数如图4所示。
通过图4可以看出，被测反射式灰阶测试卡光密度参数的线性回归方程为：y＝0.2035x-0.2169，回归方程相关系数的平方为：R2＝0.9261。R平方的取值范围在0～1之间，该数值越接近1，表明线性度越好。通过数值可看出，该卡的光密度参数基本呈线性关系，线性度效果较为满意。
测试结果的验证：
为检验校准结果的可靠程度，需对测量数据进行验证。因被测反射式灰阶测试卡说明书中标注了测量结果的扩展不确定度为：U＝0.02，k＝2。而本实验评定出的扩展不确定度为：U＝0.03，k＝2。故采用传递比较法来验证测量结果。如果测量结果满足公式6，说明本次测量结果准确可靠。
Figure BDA0002931135520000061
式中：ylab——本实验室测量结果；
yref——反射式灰阶测试卡出厂光密度值；
Ulab——本实验室测量结果的扩展不确定度；
Uref——生产厂家给出的测量结果的扩展不确定度。
把表1中的测量数据代入公式3，得出的结论如下表2所示。
表2测试结论
Figure BDA0002931135520000062
本发明针对反射式灰阶测试卡的量值溯源问题，利用实验室现有的卤素灯、光轨、光阑、光谱分光辐射度计等设备，以被测样品实际使用环境为根据，设计测试方案并搭建光学平台。对被测测试卡的每一阶图像的反射密度进行了测试，提出了用测试数据线性度考察测试卡印刷质量的理念。并用传递比较法验证了测试数据的准确可靠。此方案，解决了传统光密度接触式测量的缺点，可用于印刷、摄影、制药等行业中特殊不易接触测量和较小面积光密度的测量。

Claims (2)

1.一种反射式灰阶测试卡测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：搭建反射式灰阶测试卡测试平台
1)在一条光轨上安装光源***和样品架，并保证其在一条直线上；并在所述光源***与样品架之间安装光阑，使光线清晰照射在被测样品上；所述方法在暗室里进行；所述光源***选用卤素灯；在卤素灯周围加装平行光管；在所述光源***中还加装有紫外/红外截止滤光片，以消除紫外光和近红外光的影响；
2)搭建一个45/0几何测量条件的转角***，用于控制测量壁和样品架旋转，使其与光轨呈45°夹角；
3)在测量壁上安装光谱分光辐射度计作为接收单元，用于接收由待测反射式灰阶测试卡及标准白板反射的光信号；
S2：通过上述反射式灰阶测试卡测试平台，测量待测反射式灰阶测试卡的亮度值L1和标准白板亮度值L2；
S3：计算待测反射式灰阶测试卡的光反射因数R；
Figure FDA0004269263100000011
其中，RS为已知的标准白板的光反射因数；
S4：计算待测反射式灰阶测试卡每一阶的反射光密度D：D＝-logR；
S5：画出光密度的散点图，求出线性回归方程和方程的相关系数，根据相关系数的平方值判断光密度的线性度，从而判断反射式灰阶测试卡的印刷质量。
2.根据权利要求1所述的反射式灰阶测试卡测量方法，其特征在于，所述S2具体为：用激光准直仪调节被测样品的高度，使样品的测光轴线与光轨的测光轴线处于同一水平面内；通过光谱分光辐射度计的目镜瞄准标准白板或反射式灰阶测试卡的中央，一边观察一边调节目镜和物镜，使仪器内的孔径光阑清晰可见，且被测目标的表面成像清晰；待仪器预热后，通过转角***，调节样品架与光轨的测光轴线成45°角，开始测量；先测量标准白板，再依次测量待测反射式灰阶测试卡上每一阶图像的亮度。
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