基于折射原理精准测量光栅薄片栅距的方法

摘要

基于折射原理精准测量光栅薄片栅距的方法，涉及光栅栅距测量。用放大镜测出实际光栅薄片的栅距大小；利用电脑制版设计软件，先设计出等间距的黑白线条，并利用印刷专用的出片机，把所述等间距的黑白线条打印在菲林片上；把光栅薄片覆盖在打印出的菲林片上，不同间距的黑白线条在光栅薄片上呈现出不同大小的黑白图案，并且每条黑白线条在光栅薄片上呈现出来的是等距离的黑白图案，在黑白线条的相关数据测量后，创立测量计算公式；利用计算所得的数据为依据，得光栅薄片的栅距，再通过电脑软件再次打印印刷专用的菲林片验证数据是否正确，若得到的图案全是黑色或白色，则说明这个黑白线条的间距与实际所用的光栅薄片的栅距相同。

说明书

技术领域

本发明涉及光栅栅距测量，尤其是涉及基于折射原理精准测量光栅薄片栅距的方法。

背景技术

光栅薄片一般采用塑料光栅薄片，其厚度大约是0.4～0.5mm，产生立体或变化效果的设计图案是通过彩色印刷机印刷在薄片的平整面上，而光栅薄片的另一面则呈“波浪状”，在放大镜的帮助下，可以观察到这些“波浪”是由许多相同间距的柱状圆弧构成，类似于凸透镜，每个等间距的圆弧之间的距离称为一个光栅薄片的栅距。这些光栅薄片的栅距的大小在20倍放大镜下可以测出大约在0.30～0.40mm之间。但是这些光栅薄片栅距的测量数据以mm为单位，至少要能精确测量到小数点后三位。如果能精准到第四位数那就更好。采用的测量方法是，用不锈钢刻度尺测量光栅薄片一段不小于300mm的距离，然后数出这段距离光栅的数量，从而计算出具体光栅薄片的栅距，多次测量求平均值。但是用这种方法测量时，要求测量人员必须非常认真，全神贯注，一个不留神就有可能数错，要重新测量(以75线的光栅薄片为例，300mm的距离就有不少于800多个光栅的栅距)，并且不锈钢刻度尺读数时，会存在着一定的视觉误差。

光栅薄片的作用如下：生活中常见的照片、印刷品是都是平面的、静止的，这些图像的物体只有上下、左右的二维平面关系。而在真实空间里，物体不仅呈现长度和宽度，还具有高度的三维立体形态，甚至物体之间还会运动、变化着。光栅薄片的出现，使物体的这些形态的展示就有了机会。

平面图像的立体化或几幅连续动作图像的变化都离不开光栅，光栅薄片在图像处理、印刷设计后肩负着再现立体或运动、变化效果的任务。但由于光栅薄片是塑料材质，容易被气温影响，热胀冷缩比较明显，而所用的光栅薄片的栅距只要有一点微小的变化，就会影响其立体或变化的效果。因此，在生产立体或变化的图片时，能快速、精准地测量出光栅薄片的栅距尤为重要。

光栅薄片成像原因如下：光栅薄片是由许多个柱状透镜元组合而成，整个光栅薄片相当于由许多柱状透镜有序排列而成，其厚度主要是由塑料材料、折射率和分界面的曲率半径决定，大小等于焦距，其光学功能是将光栅薄片焦平面上所印刷的图像信息，通过这些柱状透镜元有规律地折射出去，让使用者从不同的角度可以看到印刷在其焦平面上不同部位的图像信息。

立体和变画印刷技术是根据光学原理，利用光栅薄片对光的折射作用使图像景物具有立体感和动画效果的一种印刷方法。在观看图像时，利用柱状透镜光栅薄片对光的折射，根据光路互逆效应，它对焦平面上的合成图像信息，具有“分离”的作用。如果合成的图案是立体图像时，使人左右眼分别看到的是同一景物的各个“不同视角”时的微小变化的图像信息，于是在人的视网膜中就产生具有一定视差的立体图像；如果合成图案是几个图像对变或连续动作的变画时，把光栅薄片与合成的图案上下或左右转动时，人的左右眼能同时看到同一个图像，但从不同的角度又能看到不同的图像或一些连续动作的再现。当设计的二变合成图案所采用栅距的大小与实际的光栅薄片的栅距相吻合时，光栅薄片所覆盖下的二变图案，在一定的角度下观看时，印刷图案覆合上光栅薄片后，始终只看到同一个图像；而当设计的二变合成图案所采用栅距的大小略大于实际的光栅薄片的栅距时，光栅薄片所覆盖下的二变图案，在一定的角度下观看时，印刷图案覆合上光栅薄片后，发现到了一定的距离就会出现另一个图像，并且再过相同的距离后，又会出现前一个图像，周而复始。同样，当设计的二变合成图案所采用栅距的大小略小于实际的光栅薄片的栅距时，光栅薄片所覆盖下的二变图案，在一定的角度下观看时，印刷图案覆合上光栅薄片后，同样，也发现到了一定的距离就会出现另一个图像，并且再过相同的距离后，同样会出现前一个图像，周而复始。

如果把二变合成图案其中的一个图像全做成黑色的，另一个图像改为白色的，然后同样覆盖上光栅薄片，情况应该会如上面所发现的现象。当设计后的黑白二变合成图案所采用栅距的大小与实际的光栅薄片的栅距相吻合时，黑白二变图案覆合上光栅薄片后，在一定的角度下观看时，始终只看到一个黑图像(或白图像)。

而当设计的黑白二变合成图案所采用栅距的大小略大于实际的光栅薄片的栅距时，黑白二变图案覆合上光栅薄片后，在一定的角度下观看时，一段距离全是黑色的，而后另一段距离全是白色的，重复循环。同样，当设计的黑白二变合成图案所采用栅距的大小略小于实际的光栅薄片的栅距时，黑白二变图案覆合上光栅薄片后，在一定的角度下观看时，一段距离全是黑色的，而后另一段距离也全是白色的，也是重复循环。

当设计的黑白二变合成图片所采用的栅距与实际的光栅薄片的栅距略有不同时，覆合上光栅薄片后，在一定的角度下观看时，就会出现一段距离全是黑色图像的，而后另一段距离全是白色的。如果把在一定的角度下观测时，所看到的是一段黑色图像和之后另一段白色图像的距离称为一个间距，那么在这段间距离内，经过分析发现，实际的光栅薄片的栅距数量就与二变合成图片设计中的栅距的数量，刚好相差一个栅距的大小。虽然实际的光栅薄片的栅距不好精确测量，但在电脑软件中，二变合成图片中的栅距可以精确设计到以mm为单位小数点后面四位数，那么可以以此为依据，反过来推算出实际光栅薄片的栅距。

发明内容

本发明的目的在于提供基于折射原理精准测量光栅薄片栅距的方法。

本发明包括以下步骤：

1)用放大镜测出实际光栅薄片的栅距大小；

在步骤1)中，所述放大镜可采用20倍放大镜(1小格0.05mm)；所述测出实际光栅薄片的栅距大小，一般可达到小数点后两位数，以75线的光栅薄片为例，在20倍放大镜中测得2.00mm刚好是6个光栅的栅距，平均可得栅距是0.33mm左右。

2)利用电脑制版设计软件，先设计出等间距的黑白线条，并利用印刷专用的出片机，把所述等间距的黑白线条打印在菲林片上；

在步骤2)中，所述利用电脑制版设计软件，可设计出以mm为单位，精确到小数点后面四位数、相同间距的黑白线条；所述等间距的黑白线条的间距可为0.330、0.331……0.339、0.340。

3)把光栅薄片覆盖在步骤2)打印出的菲林片上，不同间距的黑白线条在光栅薄片上呈现出不同大小的黑白图案，并且每条黑白线条在光栅薄片上呈现出来的是等距离的黑白图案，在黑白线条的相关数据测量后，创立测量计算公式；

在步骤3)中，所述创立测量计算公式的方法可为：

设黑白二变合成图片设计中的栅距为D，实际的光栅薄片的栅距为d，把光栅薄片覆在打印出来的菲林片上，在光栅薄片上呈现出一个完整的黑白图案，出现一个间距为L的图案时，说明在该间距L范围内，光栅薄片的栅距的数量与黑白二变合成设计中的栅距的数量刚好相差一个栅距的大小，所用计算公式为：L/D-L/d＝±1，其中±1表示在间距L内，光栅薄片栅距的数量比黑白二变合成图片中的栅距的数量多一个或少一个。

4)利用计算所得的数据为依据，得光栅薄片的栅距，再通过电脑软件再次打印印刷专用的菲林片验证数据是否正确，若得到的图案全是黑色或白色，则说明这个黑白线条的间距与实际所用的光栅薄片的栅距相同。

本发明是在光栅薄片和光栅成像原因的基础上，基于透镜折射原理，利用电脑设计软件辅助，实现快速简便又精准地测量光栅薄片实际栅距大小的测量方法，测量光栅薄片栅距的实际大小，测量结果的精度可达到10-4mm。经过研究和实测，证明本发明简单易懂，具有很强的可操作性。

本发明具有以下特点：

1)利用光栅，创立了新的测量方法

长度的测量，主要有刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器和带有刻度的放大镜，100倍放大镜虽然精度可达0.01mm，但还未能达到光栅薄片栅距测量的精度要求。现利用光栅，基于透镜折射原理，创立新的测量方法，对位于光栅薄片焦平面上的图像经透镜折射所成的像进行观察、测量、分析。

2)利用光栅，建立了栅距测量的数学模型

利用光栅薄片，把它紧密覆盖在专门制作的黑白二变合成图片的菲林片上，不同间距的黑白二变合成图片在光栅薄片上所呈现出来的黑白图案大小是不一样的。利用创建的测量公式：L/D-L/d＝±1，只需2～3个不同的黑白二变合成图片栅距数据的菲林片，就可准确地测量出所用光栅薄片栅距的大小，建立了栅距测量的数学模型。

3)利用光栅，达到了百纳米级的测量精度

利用光栅测量光栅薄片栅距的测量计算方法，精度高、误差小，简便实用，实测中测量结果的精度可达到10-4mm也就是100nm的数量级，完全可以达到光栅薄片栅距测量精度的要求，并且测量结果还可以利用专门制作的黑白线条菲林片加以验证，以保证测量结果的精准。

附图说明

图1为本发明实施例黑白线条的设计栅距与光栅薄片的栅距的关系。在图1中，曲线a为多一栅距的计算结果(mm)，曲线b为少一栅距的计算结果(mm)。

图2为本发明实施例黑白线条的设计栅距与黑白图案间距的关系。

图3为本发明实施例黑白线条的设计栅距与光栅薄片的栅距的关系。在图3中，曲线a为多一栅距的计算结果(mm)，曲线b为少一栅距的计算结果(mm)。

图4为本发明实施例黑白线条的设计栅距与黑白图案间距的关系。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1～4，本发明实施例包括以下步骤：

1)用放大镜测出实际光栅薄片的栅距大小；所述放大镜可采用20倍放大镜(1小格0.05mm)；所述测出实际光栅薄片的栅距大小，一般可达到小数点后两位数，以75线的光栅薄片为例，在20倍放大镜中测得2.00mm刚好是6个光栅的栅距，平均可得栅距是0.33mm左右。

2)利用电脑制版设计软件，先设计出等间距的黑白线条，并利用印刷专用的出片机，把所述等间距的黑白线条打印在菲林片上；所述利用电脑制版设计软件，可设计出以mm为单位，精确到小数点后面四位数、相同间距的黑白线条；所述等间距的黑白线条的间距可为0.330、0.331……0.339、0.340。

3)接着把光栅薄片紧紧覆盖在打印出来的菲林上，就可看到，不同间距的黑白线条在光栅薄片上呈现出不同大小的黑白图案出来，并且每个黑白线条在光栅薄片上呈现出来的是等距离的黑白图案。如果把在光栅薄片上所呈现出的一个黑白图案的距离称为一个间距(用L表示)，实际的光栅薄片的栅距(用d表示)数量就与黑白二变合成图片设计中的栅距(用D表示)的数量，刚好相差一个栅距的大小(但光栅薄片栅距的数量比黑白二变合成图片设计中的栅距是多一个栅距大小还是少一个栅距大小，暂时还不好确定，因此，就有两种可能。所以在测量实际光栅薄片的栅距时至少要有两组不同间距的黑白图案的数据，才能确定光栅薄片的栅距大小)。

测量计算公式的创立：黑白二变合成图片设计中的栅距(用D表示)，实际的光栅薄片的栅距(用d表示)，把光栅薄片覆在打印出来的菲林片上时，在光栅薄片上呈现出的一个完整的黑白图案时，把这个的距离称为一个间距(用L表示)。出现一个间距的图案时，说明在这个间距范围内，光栅薄片的栅距的数量与黑白二变合成设计中的栅距的数量刚好相差一个栅距的大小，所用计算公式：L/D-L/d＝±1(±1表示在L这段距离内，光栅薄片栅距的数量比黑白二变合成图片中的栅距的数量可能多一个，也可能少一个)。

把间距为0.330mm、0.331mm……0.339mm、0.340mm的黑白线条的相关数据测量后，列表计算(见表1)。

表1

通过表1的数据分析发现：

(1)当黑白二变合成图片设计中的栅距都比0.3380mm小时，少一栅距的计算结果相同，并且随着设计中所用栅距的增大，覆上光栅薄片后所呈现出来的一个黑白图案的间距随着增大；

(2)当黑白二变合成图片设计中的栅距都比0.3380mm大时，多一栅距的计算结果也相同，但随着设计中所用栅距的增大，覆上光栅薄片后所呈现出来的一个黑白图案的间距随着减小。

4)利用表格一中计算所得的数据为依据，如75线的光栅薄片的栅距大小为0.3380mm。这个数据是否正确，还可以通过电脑软件再次打印印刷专用的菲林片来进行验证。因此，以0.3380mm为主，分别打印间距为0.3370mm、0.3371mm、……0.3383mm、0.3384mm的黑白线条，把75线的光栅薄片覆在所打印出来的黑白线条的菲林片上，在一定的角度，如果所看到的图案全是黑色的(或白色)，就说明这个黑白线条的间距与实际所用的光栅薄片的栅距是一样的。

通过0.3370、0.3371……0.3383mm、0.3384mm的黑白线条菲林片的验证，发现步骤3中计算出来的结果与步骤4的数据相当的吻合。利用同样的方法，又测量了91线的光栅薄片的实际栅距，如表2所示，也精准的测出这个光栅薄片的栅距的大小。

表2

当测量出75线的光栅薄片的实际栅距后，再重新测量了91线的光栅薄片的实际栅距，发现下列的规律：

1、当黑白二变合成图片设计中的栅距都比实际光栅薄片的栅距小时，随着设计中所用栅距的增大，覆上光栅薄片后所呈现出来的一个黑白图案的间距随着增大，并且利用少一栅距的计算公式，结果相同的；

2、当黑白二变合成图片设计中的栅距都比实际光栅薄片的栅距大时，随着设计中所用栅距的增大，覆上光栅薄片后所呈现出来的一个黑白图案的间距随着减小，并且利用多一栅距的计算公式，结果也相同。

以下给出误差分析。

1)刻度尺读数误差的影响

在测量上述光栅薄片覆在菲林片上大约200mm的完整黑白图案时，考虑到利用不锈钢刻度尺进行测量，读数时会因视觉的原因而存在一定的误差，一般误差不超过2mm。现假设误差为±2mm，重新进行计算时，发现：

以75线的光栅薄片覆在菲林片上大约200mm的完整黑白图案时为例，如读数误差为+2mm重新进行计算，发现光栅薄片栅距的测量计算结果是0.3379～0.3381mm，如表3所示，计算结果误差在万分之六的范围内。

表3

同样，75线的光栅薄片覆在菲林片上大约200mm的完整黑白图案时，读数误差为－2mm重新进行计算，发现光栅薄片的栅距的测量计算结果是0.3379～0.3380mm，如表4所示，计算结果误差也在万分之六的范围内。

表4

2)栅距测量误差对效果的影响

当测量的栅距存在一定的误差时，利用计算公式：L/D-L/d＝±1，以75线光栅薄片为例，发现对立体或变画效果的影响情况，如表5所示。

表5

综合测量光栅薄片时的视线读数可能存在的误差和栅距测量误差对立体或变画效果的影响，如表3～5，发现这种测量方法，误差小，可保证在较大尺寸的范围内制作出来的产品的立体或变画的效果。

基于以上探究与分析，可以得出这种新颖测量光栅薄片栅距大小测量方法的主要结论。

1、利用创建的计算公式：L/D-L/d＝±1(L为在光栅薄片上呈现出的一个完整的黑白图案的间距，D为黑白二变合成图片设计中的栅距，d为实际的光栅薄片的栅距)。在计算中，只需二至三个不同的黑白二变合成图片栅距数据的菲林片，就可准确地测量出所用光栅薄片栅距的大小，建立了栅距测量的数学模型。并且在项目的研究中，通过实验数据的测量与分析，验证了这个数学模型的正确性。这种测量方法误差小，精度可达到10^-4mm，也就是100nm；

2、在探索与实践的过程中，创立出一种快速、精准地判断并测量计算出光栅薄片栅距的方法：

(1)光栅薄片覆在黑白二变合成图片的菲林片上，在一定的角度，所看到的图案全是黑色的(或白色)，就说明这个黑白线条的所用的栅距(用D表示)与实际光栅薄片的栅距(用d表示)是大小一致，d＝D；

(2)二变合成图片设计中的栅距(用D表示)都比实际光栅薄片的栅距(用d表示)小时，随着设计中所用栅距的增大，覆上光栅薄片后所呈现出来的一个黑白图案的间距(用L表示)随着增大，计算所用的公式为：L/D-L/d＝1；

(3)二变合成图片设计中的栅距都比实际光栅薄片的栅距大时，随着设计中所用栅距的增大，覆上光栅薄片后所呈现出来的一个黑白图案的间距随着减小，计算所用的公式为：L/D-L/d＝-1。

本发明可在立体或变画材料方面的精准测量中应用。

在研究中发现所用到的光栅薄片、菲林片等都是塑料材质，存在热胀冷缩的自然属性，而且它们的热膨胀系数不同。一般情况下，工厂所用的光栅薄片主要有聚丙烯(简称为PP)、聚苯二甲酸乙二酯(简称为PET)、聚氯乙烯(简称为PVC)等，常温常压下聚丙烯(PP)的热膨胀系数为90×10^-6m/K、聚苯二甲酸乙二酯(PET)热膨胀系数为60×10^-6m/K、聚氯乙烯(PVC)热膨胀系数为(50—80)×10^-6m/K。

如果考虑到不同的季节、不同的天气温度的变化影响，所用的光栅薄片材料的栅距大小也会随着天气温度的变化而变化。而如果没能及时测量出要印刷时所用的光栅薄片的栅距大小时，没有调整印刷所用的栅距设计参数直接进行印刷，就会影响到生产制作立体图片或变幻图片的质量。