Caractérisation des couleurs d'un nouveau système d'impression laser

Color characterization of a new laser printing system

• Auteur / Autrice : Juan Manuel Martinez Garcia
• Direction : Alain Trémeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Image, Vision, Signal
• Date : Soutenance le 16/09/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Clotilde Boust
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Trémeau, Manuel Melgosa, Jon Yngve Hardeberg, Mathieu Hébert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manuel Melgosa, Jon Yngve Hardeberg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impression en couleurs

Colorimétrie

Traitement d'images -- Techniques numériques

Mots clés libres

Science des couleurs

Calibration des appareils photo

Caractérisation des couleurs

Métrologie

Traitement des images

Gonioapparence

Colors science

Calibration of cameras

Color characterization

Metrology

Image processing

Gonioappearence

Résumé

Grâce aux progrès récents dans le domaine des nanotechnologies il est maintenant possible de colorer des plaques de verre avec du dioxyde de titane contenant de l’argent par irradiation laser. L’une des caractéristiques de ce procédé est que le rendu couleur des échantillons produits diffère quand ceux-ci sont observés en réflexion (spéculaire ou diffuse) ou en transmission, ainsi que quand on polarise la lumière. Ce nouveau procédé d’impression laser que l’on a appelé PICSLUP (pour Photo-Induced Colored Silver LUster Printing system) permet de produire des images couleur gonio-apparentes.L’objectif de cette thèse est de caractériser l’apparence couleur (d’un point de vus colorimétrique et photométrique, et ce selon plusieurs géométries d’observation) de plaques de verre colorées par ce procédé. Ce qui pose de nombreux challenges techniques du fait que le système d’impression utilisé est encore en cours de développement et pas souvent accessible, du fait également de plusieurs spécificités photométriques (surface fortement translucide, fortement spéculaire, forte gonio-chromaticité). Afin de lever de toutes ces contraintes techniques notre première approche a été de caractériser la couleur grâce à un imageur monté sur un microscope. Nous avons pour cela généré par impression laser (avec le système PICSLUS) tout un ensemble d’échantillons couleur en faisant varier de manière exhaustive différents paramètres d’impression (temps d’exposition du faisceau laser, longueur d’onde, distance focale). Afin d’obtenir des mesures couleur précises nous avons ensuite développé une méthode de calibrage couleur spécifique dédiée à la mesure de surfaces fortement spéculaires. La précision de cette méthode de calibrage, appliquée aux échantillons créés par le système PICSLUP, est comparable à celles relevées dans l’état de l’art. À partir des couleurs obtenues on peut estimer la gamme des couleur (color gamut) qui peut être obtenue par ce système d’impression, en particulier pour la géométrie spéculaires 0º:0º, et étudier l’influence des différents paramètres d’impression ainsi que l’effet de la polarisation. Quoique les mesures réalisées sous microscope avec la géométrie spéculaire 0°:0° soient particulièrement utile pour étudier les propriétés colorimétriques et photométriques produites par le système PICSLUP, ces mesures ne sont pas suffisantes pour caractériser complètement ce système. En effet, l’apparence couleur des échantillons produits varie également en fonction de la géométrie d’éclairement et d’observation, il est donc nécessaire de caractériser le système PICSLUP selon d’autres géométries que la seule géométrie 0°:0°. Nous avons donc développé une autre méthode de caractérisation basée sur l’utilisation d’un imageur hyperspectral à géométrie ajustable, ce qui nous a permis de caractériser un ensemble donné d’échantillons couleur produits par le système PICSLUP. Ces échantillons ont été mesurés, en recto-verso, en transmission (avec la géométrie 0°:0°), en réflexion spéculaire (avec la géométrie 15°:15°), et en réflexion hors spéculaire (avec la géométrie 45°:0°). Grâce à ces mesures on a pu estimer pour différentes géométries d’observation les changements de gamme des couleurs qui peuvent être obtenus par le système PICSLUP. Le volume qui circonscrit chacune de ces gammes de couleur peut être modélisé par une forme concave qui contient beaucoup de zones éparses, ce qui revient à dire que certaines couleurs ne peuvent être directement obtenues par impression. Afin d’obtenir une forme convexe, plus dense quelque soit la zone d’étude considérée, nous avons testé avec succès une nouvelle méthode d’impression qui consiste non plus à imprimer des aplats (zones uniformément colorées par juxtaposition de lignes laser identiques) mais à imprimer des demi-tons (par juxtaposition de lignes laser de différentes couleurs). Cette méthode est basée sur le principe de l’halftoning et sur un nombre limité de primaires couleur pré-sélectionnées

Recent progresses in nanotechnologies enabled the coloration of glass plates coated with titanium dioxide containing silver by laser irradiation. The colored samples display very different colors when obtained by reflection or transmission of light; in specular or off-specular directions; and with or without polarizing filters. This new laser printing technology, that we call PICSLUP (for Photo-Induced Colored Silver LUster Printing system), enables the production of gonioapparent color images.The goal of this study is to perform a multi-geometry photometric and color characterization of this complex system. This task posed technical challenges due to the system being in a development stage, especially a low availability of the printing material; and due to the photometric properties of the prints: high translucency, high specularity and strong goniochromaticity. In order to overcome these constraints, our first approach was based on color characterization by microscope imaging. The data set used consisted in printing an exhaustive number of micrometric color patches, produced by varying the different laser printing parameters: exposure time, laser wavelength, laser power, and laser focusing distance. To achieve accurate color measurements with samples produced with the PICSLUS system, we successfully developed a color calibration method especially tailored for highly specular materials, whose accuracy is good in comparison to previous studies in the literature on camera color calibration. From the colors obtained, we could estimate the color gamut in the 0º:0º specular reflection geometry and study the influence of the different printing parameters as well as polarization. Although the measurements with microscope imaging in the 0°:0° specular geometry were very useful to study the properties of the colors produced by the PICSLUP technology, they were not sufficient to fully characterize the system, since the samples exhibit very different colors according to the respective positions of the viewer and the light source. With this in mind, we assembled a geometry-adjustable hyperspectral imaging system, which allowed us to characterize a representative subset of the colors that can be produced with the system. The samples were measured from both recto and verso faces, in the 0°:0° transmission, 15°:15° specular reflection, and 45°:0° off-specular reflection illumination/observation geometries. From these measurements, the color gamuts of the system were estimated in the different geometries. The volumes delimited by the colors obtained were concave and contained many sparse regions with very few samples. In order to obtain more continuous, dense and convex color gamut volumes, we successfully tested the generation of new colors by juxtaposing printed lines of different primaries with halftoning techniques. In order to circumvent the need to physically characterize all the different color that can be produced with halftoning using the numerous primaries available, we also tested and fitted existing halftoning prediction models, and obtained a satisfactory accuracy. The use of halftoning not only increased the number colors that can be produced by the system in the different geometries, but also increased the number of different primaries that can be produced when we consider as a whole the set of colors produced by the same printed patch in multiple geometries. Finally, based on the different properties demonstrated by the samples produced by the PISCLUP system, we explored some imaging and security features with colors obtained from our characterization, and propose further potential applications for this new goniochromatic laser printing technology