反射式灰阶测试卡测量装置及方法研究

高红波， 吴伟钢， 曾 智， 周 彦， 曹雪颖

(中国测试技术研究院，四川 成都 610021)

1 引 言

灰阶测试卡是一种检测图像细腻程度的图卡工具，用于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和反射式，按阶数可分为6阶、9阶、11阶、20阶、36阶等，阶数越多，对比度越高，分辨能力越强。

灰阶测试卡对评价扫描仪和数码相机产品的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，这对数码相机等产业的发展将产生不利影响。

灰阶测试卡上往往标有出厂光密度值，可用该值评价测试卡印刷质量的优劣程度。传统方法是用反射式光密度计测量光密度，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纸板上而形成的，测量时会在样品表面留下印记，破坏其性能。另外，反射式灰阶测试卡上每阶图像的面积太小，反射式光密度计测量口通常较大，无法与之相配，还需要特殊定制小孔底座，增加测量成本。也可在电脑配好色后，把每阶图像单独印制在1张面积较大的图纸上，再用反射式光密度计测出光密度，然后集中印制在同1张图纸上，这种方法只能做出厂值设定，后期无法实施校准[1,2]。

本文针对灰阶测试卡的光密度参数，设计测试方案、搭建光学测试平台，实施无接触测量，并对测量数据进行处理分析，合理评价灰阶测试卡的质量[3～14]。

2 确定测试方案搭建测试平台

2.1 确定测试方案

本文采用相对测量法，首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[15,16]。

根据反射光密度的定义，反射光密度与光反射因数有一一对应关系，测出光反射因数R就能算出对应的反射光密度D，

D=-logR

(1)

反射式灰阶测试卡的光反射因数R采用相对测量法，用已知标准白板的光反射因数Rs乘以灰阶测试卡与标准白板的亮度比(L1/L2)，就得到被测灰阶测试卡的光反射因数R,

R=(L1/L2)Rs

(2)

本测试系统采用传统亮度计的校准思路，用卤钨灯作为光源，光轨做准直系统，光谱分光辐射度计作为接收单元；主要测试系统结构如图1所示。

图1 测试系统结构图

2.2 搭建测试平台

在1条光轨上安装光源系统和样品架，并保证它们安装在1条直线上。根据反射光密度的使用环境，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。在测量臂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。根据公式(1)和公式(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。

图2 测试光路示意图

测量系统尽量模拟待测样品使用的环境，在光源选择方面根据GB/T 23649—2009《印刷技术 过程控制 印刷用反射密度计的光学、几何学和测量学要求》[17]中第4.4.1条的规定：“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2 856 K，允差为±100 K”，因此在设计中选用卤素灯作为照明光源，采用稳压电源为设备供电。通过精确的电压、电流调节，确保光源色温稳定在2 856 K左右。

为了取得类似太阳光的效果，在卤素灯光路侧加装平行光管，制造出一种与目标聚光灯相似的“平行光束”。由于加装了平行光管，密闭的空间会使光源的温度越来越高而烧毁卤素灯，故设计在光管末端加装了散热风扇，风扇会根据光管内的温度自动调节转速，从而使光管内的温度在一个恒定的范围内。卤素灯属于固体发光，可以发射连续光谱，它的主要发光波长范围为 350～2 500 nm，而反射光密度测量所需要的光谱范围仅为380～780 nm，本系统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，还需要在光源系统中加装紫外/红外截止滤光片。为了屏蔽杂散光，在光源和样品架支架安装光阑，使光线清晰照射在被测样品上。

在转角系统部分构建一个转角装置，使光轨和测量臂(包括样品架)形成45°夹角。传统方法是用手动旋转测量臂后，再用角度尺测量旋转后的角度，但由于机械部件结构限制，角度尺与测量臂之间不能很好切合，造成测量误差较大。也可利用角刻度圆盘原理，通过读取刻盘读数，测出测量臂转动的角度，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，操作很不方便。本文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系统，试验卡可插入计算机的任一PCI插槽中，通过简单连线直接连接到测试装置。装置采用型号为AT89C51(晶振频率为12 MHz)的51单片机对双出轴六线制步进电机QK 28STH32-0956B(内阻33 Ω，步进角1.8°，额定电流0.95 A)进行控制。通过I/O口输出具有时序的方波作为步进电机控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机。通过计算机自动控制测量臂和样品架的旋转，实现45°/0°转角系统的构架。转角系统自动控制单元结构图如图3所示。

图3 转角系统结构图

3 测试过程及数据分析

按第2节测试方案，打开稳压电源，调整电压大小，直至卤素灯的色温达到2 856 K。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心，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 min后，用自动转角系统，调节样品架与光轨的测光轴线成45°角，方可开始测量。首先，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，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 光密度测试数据

表1中,颜色由浅到深分别为第1，2，3，…，9阶；示值误差表示为测量值与出厂值之差的绝对值；被测卡由2个9阶测试卡组成，分为上下两排。

利用公式(1)和公式(2)计算出被测反射式灰阶测试卡每一阶的反射光密度。从表1可看出：利用该装置测出的反射光密度值和测试卡出厂值较为接近，最大示值误差仅为0.02，测试效果满意，旁证了该装置的可靠性高。

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相邻两阶光密度之间呈等比数列关系。对每一阶的光密度取常用对数后，计算结果和阶数之间呈明显的线性关系，如图4所示。因此，通过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。先画出光密度和阶数的散点图，再对纵坐标(光密度)取常用对数得到新图形，对新图形进行线性拟合，求出线性回归方程和方程的相关系数。

通过图4可以看出，被测反射式灰阶测试卡的线性回归方程为：y=0.126 9x-0.844 1，回归方程相关系数的平方为：R2=0.988 6。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。可见该卡的光密度参数线性度较好，印刷效果较为满意。

图4 被测卡线性度示意图

4 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US=0.02，k=2。而实验评定出的扩展不确定度UL=0.03，k=2。故采用传递比较法来验证测量结果。

若测量结果满足公式(3)，说明本次测量结果准确可靠。

(3)

式中：ylab为本实验室测量结果；yref为反射式灰阶测试卡出厂光密度；Ulab为本实验室测量结果的扩展不确定度；Uref为生产厂家给出的测量结果的扩展不确定度。

将表1中的测量数据代入公式(3)，得出的结论如表2所示。

表2 光密度测试结果验证

从表2测量的9阶灰阶测试卡的结果验证中，得到上下两排卡片的反射光密度测量结论均为满意，进一步验证了本文测量方法可行性较高。

5 结束语

为解决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原则，设计测试方案并搭建光学测试平台，对被测反射式灰阶测试卡每阶图像的反射光密度进行测试，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。测量实验数据分析表明：用该装置测量型号为TE-108型反射式灰阶测试卡，测量结果的反射光密度值与出厂给出的值之间的最大示值误差仅为0.02，说明该装置的可靠性和测量方法的可行性均较高，同时也证明了被测反射式灰阶测试卡的印刷质量较好。该装置结构简单、操作方便、测量准确度高，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。