提高镭射光柱卡纸色标光检测信号识别精度研究

陈锦华，何邦贵，段正红，金琨，张吕良，夏家良，王琪

提高镭射光柱卡纸色标光检测信号识别精度研究

陈锦华1，何邦贵1，段正红2，金琨2，张吕良2，夏家良3，王琪3

（1.昆明理工大学 机电工程学院，昆明 650500；2.大理美登印务有限公司，云南 大理 671000； 3.云南九九彩印有限公司，昆明 650000）

针对凹版印刷以镭射光柱纸作为承印物，镭射光柱对色标检测传感器产生干扰，致使镭射光柱纸不能使用传统套印工艺进行印刷，提出一种可直接在镭射光柱区域直接印刷套准色标的新工艺与技术方案。对色标传检测感器检测原理进行分析，分析镭射光柱纸的特点以及对色标传感器造成的干扰。根据镭射光柱光谱反射率曲线来进行滤光镜片的选取，同时也加入衰减镜片以及消光膜进行组合实验测量电压，实验使用松德凹印机组进行。以白卡纸套印电压作为参考，选取不同镜片组合进行生产打样。镜片组合可以滤除镭射光柱，色标传感器能准确检测色标光信号，上机打样满足高精度多色套印，且不需要复杂的镂空、遮盖工艺，节省了一组色序，并节省了2%的承印物原材料。对色标检测传感器检测原理的分析以及对镭射光柱纸的光谱反射率曲线的测量，实现了使用滤光镜片组合对镭射光柱的滤除，证明了套准标记可直接印刷在镭射光柱区域的可行性。同时，提高了承印物的利用率，减低了油墨使用量。

镭射光柱纸；色标检测传感器；套印色标；滤光镜片

电子无主轴传动技术在凹印套印控制系统中具有广泛应用，该技术具有响应迅速快、套印精度高、套准时间短、占地面积小[1-2]等优点。为了提高印刷效率，在无轴传动的基础上，不停机收放卷技术也随之出现，弥补了因手动换卷造成而出现的大量时间浪费，提高产能[3]，可根据印后工艺加工要求还可以加入烫金、模切、紫外线油墨印刷工艺以及二维码在线喷印工艺等功能[4]。其中，套印精度高和时间短主要得益于凹印机组的套印控制系统[5]，每个套印控制系统单独控制一个色组，在印刷完前一色序后，后一色序套准标记先通过色标检测传感器，检测到的信号送入套印系统，套印系统处理后发出补偿信号，控制印辊纵向电机保证印刷线速度与上一色序一致，横向电机接收到补偿信号后，带动丝杆调整印辊的轴向位置，最终满足生产要求。蒋恩松等[6]提到套印误差主要由色变检测传感器发出调制光，再根据反射光强弱来判断。王良等[7]提到色标检测传感器广泛应用于印刷、食品、造纸以及纺织业中，可对印刷在某种背景色中的色标进行检测。叶子解等[8]提到检测套印色标与色标检测传感器发出光的波长、入射角度以及功率有光，承印物本身以及套印色标反射光强不同来分别判断。色标检测传感器是凹印套印的基础，套印色标能否被精确识别直接影响印品成品率[9]。在传统卷烟包装印刷中，承印物大多数为白卡纸，色标检测传感器能精确识别印刷在白色背景上的套准色标。目前，随着环保意识的提高以及防伪性能的要求，镭射光柱卡纸成为了大多数卷烟包装的选择，但由于镭射光柱对色标检测传感器的影响使得套印色标无法被精确检测，最终无法套印导致废品率上升。王宏伟等[10]提到使用带有银边为15～20 mm的镭射光柱纸进行凹印套印，但银边占整个印刷品的2.00%～2.78%，增加了原材料浪费。在镭射光柱纸研究中，黄敏等[11]使用3D激光共聚焦显微镜放大3 000倍，可知镭射光柱纸彩虹效果是由于其衍射光栅周期性结构所导致。Nadal等[12]提到镭射光柱纸表面镀有一层珠光涂层材料，该层形成的衍射光栅结构导致镭射光柱产生。陈锦华等[13]提出利用模切位置进行套印色标的印刷，并以基准色块作为第一色，对镭射光柱进行覆盖，套印色标需要经过遮盖、镂空来体现，增加工艺难度，且需要单独一组色序作为基准色块，对于色序组数较少的凹印机组难以实现。

结合上述研究现状和成果可知，不仅对凹印套印系统和色标检测传感器进行了大量的研究，也对镭射光柱纸表面彩虹效果进行研究，但对使用滤色镜片进行镭射光柱的滤除没有可以参考的文献以及方法。在目前研究成的基础上，通过对镭射光柱纸光谱测量，根据光谱分布区间来选择合适的滤光镜片，然后配合不同的衰减镜片以及消光膜。把套准标记位置移动至镭射光柱区域，通过实验选择出合适的镜片组合对镭射光柱进行滤除，避免色标检测传感器产生干扰，提高承印物利用率，降低原材料消耗。

1 凹印套印检测原理分析

凹印在烟标印刷中占主要地位，套准色标形状以楔形套印色标为主，规格一般是一头宽为1 mm、另外一头宽为4 mm、长为10 mm、间距为20 mm。由于在横向位置宽度不一样，不仅能用在纵向进行套印，也能在横向进行套印。色标检测传感器有2个光电眼检测原理，如图1所示，套印色标反射，由透镜聚集的光源，经过光电转换后输出脉冲信号，两光路原理一致，两光路镜头相距约为20 mm。偏差检测时：以前一色序的套印色标为基准，当后一色序的套印色标经过时，两路光电检测系统同时产生两色标脉冲信号[14]。1、2距离小于20 mm时，前一色序滞后于后一色序；1、2距离大于20 mm时，前一色序超前于后一色序；1、2距等于20 mm时，前一色与后一色序满足凹印套印要求。

图1 双光电眼检测原理

色标检测传感器信号输出如图2所示，色标检测光电传感器以第1色的套印色标1作为基准。其产生的脉冲信号为主脉冲，检测第2色时，该套印色标所产生的脉冲信号为副脉冲2，主副脉冲之间的时间差∆1−2。当纵向套印出现误差时，印刷品图文纵向会发生重叠，∆值发生变化与预先设置的值不一致，如果2超前或者滞后，则表明存在套印误差，时间差∆越大，套印误差越大。当横向套印出现误差时，横向发生变化，横向误差通过检测套印色标中的1和2对应输出脉冲宽度来计算承印物位置，当1等于2时，套印准确。当1不等于2时，印刷品图文横向会发生重叠[15-16]。

图2 凹印套印色标波形示意图

色标检测传感器在检测镭射光柱纸时，信号输出如图3所示，色标检测光电传感器以第一色的套印色标1作为基准，在检测2时，会受到镭射光柱纸的影响产生杂波，使得在凹印套印过程中出现误判∆难以恒定，难以满足套印要求，产生大量废品。

图3 镭射光柱纸套准信号波形示意图

2 镭射光柱纸光谱测量与镜片选择

2.1 光谱测量

镭射光柱是由每毫米中有几千条干涉条纹的激光全息所产生，衍射能力非常强，条纹周期约为1 μm，光栅方程见式（1）。

式中：为光栅周期；和分别为光线的入射角和衍射角，如图4所示；为衍射级数；为波长[17]。镭射光柱纸由于光栅衍射原因，在不同角度进行观察会呈现出彩虹光带效果，如图5所示，这样不遵循一般光反射的特性。在凹印机组进行印刷时，色标检测传感接收到镭射光柱纸衍射光信号，使得套印信号混乱且无法准确识别套印色标，进而导致凹印套印系统难以发出补偿信号，直接在镭射光柱区域印刷套印色标就变得难以实现。

使用一张未印刷大小为755 mm×755 mm规格的镭射光柱纸进行测量，沿方向，以150 mm为间隔进行测量，一共测量5个点，沿方向，以70 mm为间隔进行测量，一共测量9个点，光柱镭射纸放大30倍的观测图，如图6所示。

图4 反射光栅光路

图5 镭射光柱纸

图6 镭射光柱纸光栅条纹

在印刷时，镭射光柱纸的运动方向是沿方向，并垂直于镭射光柱方向相进行印刷，且色标检测传感器垂直照射于承印物之上。选用Xrite SpectroEye分光光度计对镭射光柱进行光谱信息测量，如图7所示，满足印刷条件，故分光光度计应在0°接收衍射光。从仪器采集到的光谱反射图可知，接收波长为380～730 nm、380～430 nm时衍射光反射率下降，430～580 nm的衍射光反射率最低约为20%，580 nm后开始上升，最高可达到130%左右。

图7 分光光度计

衍射光主波长探测到的光谱从560 nm开始上升，在波长为650～700 nm时达到峰值，在采集仪器显示的数据中，部分数据光谱能量超过100%，这是由于设备接受到的能量由反射光谱和衍射光谱能量组成，如图8所示。虽然光谱能量会随采样位置的变化而有所不同，但总体差异较小。

图8 光谱能量信息

2.2 滤光镜片选择

从上述可知，滤光镜片选用截止滤光镜片，可以让指定的某一段范围中的光束透过，对不在这一范围内的光束产生抑制。抑制短波光束的滤光片称为长波通滤光片，相反，则称为短波通滤光片[18]。使用表1中实验材料，短波通滤光镜片的中心波长分别为500、550、600 nm，中性密度滤光片的衰减率分别为30%、40%、50%和60%，如图9所示，进行组合，其中一组使用消光膜，另外一组不使用消光膜。首先，使用0%的消光膜与3种滤光片以及不同参数的衰减镜片进行组合使用，然后是使用25%的消光膜与3种滤光片以及不同参数的衰减镜片进行组合使用。

表1 500 nm滤光镜片有消光膜电压测量

Tab.1 Voltage measurement of 500 nm filter lenses with extinction film V

图9 不同镜片

3 实验与分析

3.1 电压测量

首先，对松德凹印机组上的色标传感器尺寸进行测量，设计打印镜架安装镜片。一个完整的滤光设备由架子、衰减片、滤光镜片和消光膜共4个部分组成，如图10所示。凹印机组光色标检测传感器的信号输出必须要查阅其说明手册，在其“COLORCON UNIT BOX”部分找到信号输出的接线端子，位于“JUNCTION BOX”盒子中，盒子的工作电压为12 V，盒子内有T1、T2、12 V+等3个接线端子，把示波器接到T1与12 V+等2个端子上进行信号读取，进行电压信号的读取。

图10 镜片安装示意图

3种滤光镜片与消光膜组合，一组带有消光膜，一组不带消光膜，共6组。将已有的6个组分别与4种中性衰减镜片进行组合，安装在凹印机色标检测光电传感器上进行实验。使用中心波长为500、550和600 nm的滤光镜片分别与4种衰减镜片进行组合实验。

先对有消光膜组进行实验，表1中选用500 nm滤光镜片，不使用衰减镜片，红色、棕色和黑色油墨电压值较高，电压值为3.0～3.5 V；其次是白色油墨，电压值为2.0～2.5 V，黄色油墨电压值最小，为1.5～2.0 V。使用衰减率分别为30%、40%、50%、60%的衰减镜片，5种颜色的电压均在减小。使用550 nm的滤光镜片后（表2），在未使用衰减镜片时，红色、棕色和黑色油墨电压值较高，电压值为6.0～7.0 V；白色油墨的电压值为5.0～6.0 V，黄色油墨电压值为4.0～5.0 V，电压值明显高于表1中的电压值，但加装衰减镜片之后，电压降低程度大于表2中的电压。使用600 nm的滤光镜片后（表3），不使用衰减镜片的电压值在3组实验中最高，加装衰减镜片后电压值下降幅度最大。

表2 550 nm滤光镜片有消光膜电压测量

Tab.2 Voltage measurement of 550 nm filter lenses with extinction film V

表3 600 nm滤光镜片有消光膜电压测量

Tab.3 Voltage measurement of 600 nm filter lenses with extinction film V

对不带消光膜的镜片组进行实验，实验顺序与上述实验相同。3种滤色片与4种衰减片进行组合，得到的结果见表4—6。首先，对500 nm滤光镜片进行实验，不带消光膜的电压数据要明显高于带有消光膜的实验组，同样红色、棕色和黑色油墨的电压值较高，白色的电压值其次，黄色的电压值最低。然后，分别使用550 nm与600 nm滤光镜片进行实验，同样在使用衰减镜片后，各个颜色油墨的电压值迅速降低。3组不带消光膜的电压值均高于3组带消光膜的电压值。

表4 500 nm滤光镜片无消光膜电压测量

Tab.4 Voltage measurement of 500 nm filter lenses without extinction film V

表5 550 nm滤光镜片无消光膜电压测量

Tab.5 Voltage measurement of 550 nm filter lenses without extinction film

表6 600 nm滤光镜片无消光膜电压测量

Tab.6 Voltage measurement of 600 nm filter lenses without extinction film

由上述实验可知，5种不同颜色的油墨，其中黄色油墨在5种颜色中电压值最小，因此保证黄色能够被准确识别非常重要。使用白卡纸进行套印时，电压值为1～4 V能保证套印色标能够被准确识别。因此，根据白卡纸的套准电压来挑选出黄色油墨电压为1～4 V的实验组，并在凹印上进行后续的生产实验。

3.2 上机实验

在使用白卡纸进行凹版印刷时，色标传感器检测到色标，且能正常识别的电压区间为1～4 V。从3.1节实验中找出满足该电压需求的镜片配合方案，分别如下：

1）在带有消光膜的前提下，使用500 nm滤光镜片，所有油墨色组不需要衰减镜片；使用550 nm滤光镜片，所有油墨色组均需要安装30%的衰减镜片；使用600 nm滤光镜片，白色油墨色组需要安装30%的衰减镜片，黄色和红色油墨色组需要安装30%的衰减镜片，棕色和黑色油墨色组需要安装40%的衰减镜片。

2）在不带有消光膜的前提下，使用500 nm滤光镜片，白色油墨色组需要配合30%的衰减镜片使用，黄色油墨色组不需要衰减镜片，红色油墨需要配合40%的衰减镜片使用，棕色和黑色油墨不需要配合衰减镜片使用；使用550 nm滤光镜片，所有油墨色组均需要配合30%的衰减镜片使用；使用600 nm滤光镜片与使用550 nm滤光镜片的情况相同。

主要设备及材料：凹印机采用松德（SAY820C8）凹印机组；纸张采用225 g/m2×735 mm的无银边镭射光柱纸。

使用在镭射光柱区域进行套印色标印刷的印版，按照上述镜片配合进行上机实验。首先观察松德凹印机组上位机中显示的套准信号，镭射光柱是否还会对色标检测传感器产生影响而出现杂乱的脉冲波形信号；再查看印品套印精度是否满足该产品的生产需要。通过加装滤光镜片、衰减镜片以及消光膜，可过滤镭射光柱，杜绝其对色标检测传感器的影响，套印色标能被准确识别，满足高精度多色套印影响。

为进一步验证光柱镭射纸取消银边工艺的效果，使用无银边镭射光柱纸进行20个月的上机实验，并统计出各类去除银边光柱镭射纸使用情况，见表8。

表7 去除银边光柱镭射纸使用情况

Tab.7 Use of silver-edge removed laser paper

在使用滤色镜片工艺下，也实现了不需要银边进行生产，不仅减少了整个纸张的2.00%的浪费，且减少了一个序油墨的使用，未使用新工艺前每卷纸使用0.3 kg油墨，使用新工艺实现第1色序油墨的全部节省，每16卷纸节约人工0.5 h。同时，去除银边后，承印物两侧都能进行套印色标印刷，故不需要区分银边的位置，增加了镭射光柱纸对凹印机的通用性。总共节省纸张约14 420 kg、节省人工24.5 h、节省油墨235.5 kg。实验成品见图11。

图11 印刷套准色标

4 结语

相较前文中提到使用印刷基准色块作为第1色序，对纸张镭射光柱进行光电信号掩盖，使用滤光镜片辅助印刷工艺，能完全节省1个色序印刷单元组，也不需要复杂的色序组之间的相互镂空、遮盖工艺来提供套印色标。同时，节约每批次印刷工序的第1色序调墨、安装刮墨刀、安装供墨车及辅助装置的操作工劳务时间。不考虑油墨对镭射光的遮挡效果，以及凹印机组的色组数不足造导致无法满足生产色组数的问题。通过20个月的上机实验，实现了在凹印印刷纸张镭射光柱区域进行套印标记印刷，降低了承印物卷筒纸的消耗约14 420 kg，彻底节省油墨约235.5 kg，节省了1个色序的调墨和安装印版的时间，且新工艺也可在其他凹印印刷品牌类似印品中进行推广使用。

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Improvement of Identification Accuracy of Color Label Light Detection Signal in Laser Column Paperboard

CHEN Jin-hua1, HE Bang-gui1, DUAN Zheng-hong2, JIN Kun2, ZHANG Lyu-liang2, XIA Jia-liang3, WANG Qi3

(1. Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China; 2. Dali Meideng Printing Co., Ltd., Yunnan Dali 671000, China; 3.Yunnan Jiujiu Color Printing Co., Ltd., Kunming 650000, China)

In the gravure printing with laser column paper as the printing material, the laser column interferes with the color label detection sensor, causing the laser column paper unable to be printed by the traditional overprinting process. Therefore, the work aims to propose a new process and technology solution to print the registration color label directly in the laser column area. The detection principle of the color label sensor was analyzed, and the characteristics of the laser column paper and the interference caused to the color label sensor were analyzed. The filter lenses were selected based on the spectral reflectance graph of the laser column, and the attenuating lenses and extinction films were also combined for the experimental measurement of voltage, which was carried out by the Songde gravure printing machine set. Different combinations of lenses were selected for production proofing with the ivory board overprint voltage as a reference. The combined lenses could filter out the laser column, the color label sensor could accurately detect the color light signal, and the onboard proofing met the high precision multi-color overprinting. In addition, complicated hollowing and masking process were not required, which saved a set of color sequence and 2% of printing raw materials. The analysis on the detection principle of the color label detection sensor and the measurement of the spectral reflectance curve of the laser column paper enable the filtering of the laser column by a combination of filter lenses and demonstrate the feasibility of printing the registration label directly in the laser column area. At the same time, the utilization of printing materials is improved and the amount of ink used is reduced.

laser column paper; color label detection sensor; set color label; filter lens

TS835

A

1001-3563(2023)09-0275-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.033

2022−08−21

云南省科技计划项目（2019DC005）；云南九九彩印有限公司合作项目（649320200029）；大理美登印务有限公司合作项目（2022K0004A）

陈锦华（1993—），男，硕士生，主攻机械创新设计与制造。

何邦贵（1963—），男，教授，主要研究方向为机械创新设计与制造、包装印刷新材料等。

责任编辑：曾钰婵