УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ УГЛОВОЙ КОЛОРИМЕТРИИ
APPARATUS AND METHOD FOR ANGULAR COLORIMETRY

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к устройству и способу для угловой колориметрии, предназначенным для использовании в таких областях, как производство архитектурных стеклянных панелей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Энергоэффективные покрытия получают все большее использование в архитектуре и в качестве автомобильного остекления, и в других вариантах применения. Их использование постоянно диктуется государственными стандартами, при этом покрытия становятся весьма сложными, поскольку спецификации, которым они должны удовлетворять для управления передачей солнечного света, инфракрасного света и удержания тепла, становятся все более требовательными.
Действительно, для того чтобы удовлетворять требованиям улучшенной энергоэффективности, определили необходимость нанесения, по меньшей мере, некоторых из покрытий в виде многослойных интерференционных наборов (см. Coated Glass Applications and Markets, R.Hill and S.Nadel, published by BOC Coating Technology, Fairfield CA, 1999, полное содержание которого приведено здесь в качестве ссылочного материала). Эти наборы имеют специфический отражаемый цвет, когда на них смотрят со стороны падения света, близкого к нормальному. Такое стекло с покрытием неизменно используется как часть оконного модуля с двойным остеклением, состоящего из двух стекол. Стекла герметично установлены в оконную раму, и пространство между стеклами заполнено сухим газом. Поверхность с покрытием архитектурного стекла обычно представляет собой вторую поверхность таких модулей с двойным остеклением, если поверхности считать со стороны, освещенной солнцем, внутрь. Внешнее стекло может быть окрашенным и, как уже было отмечено, сами покрытия обычно имеют некоторый цвет.
Когда такие окна с двойным остеклением (известные в торговле как изолированные стеклянные модули (стеклопакеты) или IGU (ИСМ)) используют в качестве наружной облицовки больших многоэтажных зданий, архитектор и другие люди желают видеть однородный отраженный цвет под всеми углами. К сожалению, по причинам, хорошо известным конструкторам многослойных наборов покрытий, отражаемый цвет таких наборов может весьма ощутимо изменяться с изменением угла обзора. Если должное внимание не будет уделено этому аспекту, изменение цвета может быть достаточно серьезным и неприемлемым. Такое изменение цвета, как функция угла обзора, называется здесь угловой вариацией цвета.
Когда окна рассматривают снаружи здания, угловая вариация цвета более заметна при освещении в условиях облачного неба. Освещение облачного неба представляет собой случайно поляризованный свет, и его энергия в значительной степени равномерно распределена в видимом спектре (белый свет). Эти две характеристики света усиливают восприятие отраженного цвета, и отраженный цвет изменяется при изменении угла, под которым рассматривают оконные продукты.
Цвет света, отраженного от окон, воспринимаемый зрителем, представляет собой сумму отражений от всех отражающих поверхностей, содержащихся в оконном модуле.
Зеркальное отражение от любой поверхности, такой как поверхности оконного модуля, частично поляризовано, если его рассматривать под любым углом, кроме нормального угла падения. В области оптики хорошо известно, что эффект поляризации увеличивается с увеличением угла отражения до тех пор, пока не будет достигнут угол Брюстера. Поляризация отраженного света затем проявляет тенденцию уменьшения за пределами угла Брюстера до тех пор, пока не будет достигнуто скользящее падение, при котором эффект поляризации приближается к нулю. Глаз человека обычно не чувствителен к поляризации и может различать цвет без ошибки поляризации.
Во многих случаях управление угловой вариацией цвета выполняют с помощью визуального контроля ограниченного количества образцов. Основной недостаток такого способа состоит в том, что он основан на субъективном суждении о соответствии цвета, который часто воспринимают по-разному разные инспекторы, в частности, поскольку приблизительно 5% мужского населения обладает определенной степенью недостатка зрительного восприятия красного/зеленого цветов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать устройство измерения спектрального отражения, которое преодолевает проблемы предшествующего уровня техники.
Другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать устройство измерения спектрального отражения, которое позволяет получать данные угловой вариации цвета, требуемые в отрасли покрытия стекла и в аналогичных отраслях промышленности в строгой и эффективной по затратам форме, и которые были бы пригодны для использования как инструмент управления качеством, а также для развития покрытий или архитектурных окон.
Различные из этих и других целей предусмотрены в некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения.
В одном варианте воплощения настоящего изобретения предусмотрено устройство измерения отражательных свойств объекта, имеющего переднюю отражающую поверхность и заднюю отражающую поверхность. Устройство включает в себя предметный столик, на котором размещают объект, источник света, сконфигурированный для излучения белого света, детектор, сконфигурированный для детектирования отраженного света от объекта, и позиционирующее устройство, сконфигурированное для обеспечения множества угловых положений источника света и детектора относительно объекта на предметном столике таким образом, чтобы падающий на объект свет зеркально отражался в направлении детектора, и отраженный свет, принимаемый в детекторе, включал в себя отражение передней поверхности от объекта и, по меньшей мере, отражение одной задней поверхности от объекта.
В другом варианте воплощения настоящего изобретения предложен способ измерения отражательных свойств объекта, имеющего переднюю отражающую поверхность и, по меньшей мере, одну заднюю отражающую поверхность. Способ включает в себя: освещают объект под переменным углом падения, собирают свет, отраженный передней и задней отражающими поверхностями объекта под соответствующими углами зеркального отражения, выполняют разложение длин волн отраженного света в цветовой спектр и анализируют интенсивность цветового спектра как функцию длины волны.
Следует понимать что, как приведенное выше общее описание изобретения, так и следующее подробное описание представляют собой примеры, а не ограничения изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полное понимание настоящего изобретения и множества присущих ему свойств будет обеспечено по мере ознакомления с ним со ссылкой на подробное описание изобретения, которое следует рассматривать совместно с приложенными чертежами, на которых:
на фиг.1 показана схематическая иллюстрация обычной инструментальной записи отраженного света от стеклянной пластины;
на фиг.2 показана схематическая иллюстрация одного варианта воплощения настоящего изобретения, в котором измеряют как отражение передней поверхности, так и отражение задней поверхности от стеклянной пластины;
на фиг.3 показана схематическая иллюстрация управляемого движения оптического источника и образца, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения;
на фиг.4A показана схема новой гониометрической компоновки настоящего изобретения, обеспечивающей управляемое движение, представленное на фиг.3;
на фиг.4B показан график, представляющий угловые вариации цвета при отражении от стороны стекла для одного стекла с покрытием с низкой эмиссионной способностью;
на фиг.5 показана оптическая схема другого варианта воплощения углового колориметра в соответствии с изобретением, в котором используется удлиненный источник света и множество детекторов;
на фиг.6 показана оптическая схема другого варианта воплощения углового колориметра в соответствии с изобретением, в котором используется множество источников света и множество детекторов;
на фиг.7 показана оптическая схема еще одного варианта воплощения углового колориметра в соответствии с изобретением, в котором используется множество оптических волокон, для подвода света от одного источника света в множество положений и подвода света от множества наборов оптических средств сбора к одному детектору;
на фиг.8 показана оптическая схема хода лучей другого варианта воплощения изобретения, представляющая использование оптических затворов для избирательного детектирования света, зеркально отраженного от передней поверхности образца, и затем света, зеркально отраженного от задней поверхности образца;
на фиг.9 показан график детектируемого света, принятого от образца как функции угла, измеренного угловым колориметром в соответствии с настоящим изобретением, и отображаемый в соответствии с координатами цвета;
на фиг.10 показан график детектируемого света, принятого со стороны с покрытием образца как функции координат цвета;
на фиг.11 показана оптическая схема соответствующих проецируемых изображений зеркально отраженного света от передней стороны и от задней стороны (толстой подложки или образца) на плоскость изображения детектора;
на фиг.12 показана оптическая схема другого варианта воплощения углового колориметра в соответствии с изобретением, в котором используется одиночный источник света и секция полусферического диффузионного рефлектора для проецирования света на образец;
на фиг.13 показана оптическая схема хода лучей в соответствии с одним вариантом воплощения углового колориметра в соответствии с настоящим изобретением, на которой представлено множество внутренних зеркальных отражений от пластины образца;
на фиг.14 показана оптическая схема хода лучей в соответствии с одним вариантом воплощения углового колориметра в соответствии с настоящим изобретением, на которой представлено множество внутренних зеркальных отражений от пластины образца и показаны лучи, которые попадают в детектор;
на фиг.15 показан график зависимости расстояния разделения между первым и вторым зеркально отраженными лучами света от толщины образца и от угла падения отраженного света;
на фиг.16 показана оптическая схема другого варианта воплощения углового колориметра в соответствии с изобретением, в которой используется рычаг пантографа, сконфигурированный для одновременного углового движения одиночного источника и детектора;
на фиг.17 показана блок-схема последовательности операций, представляющая один способ в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.18 и 19 показаны необработанные спектры и относительные спектры (представляющие % отражающей способности) соответственно, полученные с помощью углового колориметра в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.20 показан график стабильности измерений L* a* и b* как функции времени после включения источника; и
на фиг.21 показана схема работающей в режиме онлайн системы управления в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для того чтобы определить задачу угловой вариации цвета, чтобы способствовать разработке покрытий с меньшей угловой вариацией цвета и для удовлетворения требованиям стандартов угловой вариации цвета при производстве, необходимо обеспечить возможность измерения общего цвета отражения стекла с покрытием. Изобретение в одном варианте воплощения направлено на инструмент для объективного измерения угловой вариации цвета.
Гонио-спектрофотометры, многоугловые колориметры и гонио-колориметры представляют собой обычные инструменты, используемые, например, в промышленности производства красок, в которой значительные усилия были направлены на разработку таких инструментов. В частности, в промышленности автомобильных красок такие инструменты используются для анализа цвета красок, в которые включены частицы металла, и хлопья, и частицы слюды, включающие в себя наборы интерференционных слоев, для получения металлического блеска и перламутрового эффекта, изменяющихся в зависимости от угла обзора.
Однако эти и различные другие инструменты ограничены тем, что они не предназначены для захвата отраженного света как с первой поверхности, так и со второй поверхности просвечивающего или полупрозрачного объекта (такого как, например, архитектурное стекло с покрытием, имеющее существенную толщину, превышающую несколько миллиметров.
Рассмотрим теперь чертежи и, более конкретно, фиг.1, на фиг.1 поясняется проблема, с которой сталкиваются при использовании обычного инструмента. Свет от источника 101 коллимируют с помощью объектива 102, и полученный в результате коллимированный луч 103 падает на стеклянный объект 104 толщиной 105. Объект имеет первую поверхность 106 и вторую поверхность 107. Коллимированный луч имеет диаметр w (108). Зеркально отраженные лучи света равного диаметра 109 и 110 направляют к детектору 111, который обычно имеет такие размеры, что он собирает немного больше, чем весь луч 109, отраженный от первой поверхности. Луч 110, отраженный от второй поверхности, либо не собирают вообще, или собирают только частично таким образом, что инструмент не обеспечивает точное измерение общей зеркальной отражающей способности от обеих поверхностей. Действительно, некоторые инструменты разработаны специально для отсечения отражения от второй поверхности, и в других частично собранное отражение от второй поверхности рассматривают как помеху и применяют стратегии для его устранения путем окрашивания второй поверхности в черный цвет, или путем придания ей шероховатости, или применяя оба эти подхода. Отражение от второй поверхности в некоторых инструментах иногда устраняют, используя специальный клиновидный образец, имеющий угол, по меньшей мере, несколько градусов между передней и задней поверхностями так, что отражение задней поверхности направляется от детектора.
На фиг.2 показана схема, иллюстрирующая один вариант воплощения настоящего изобретения, в котором измеряют отражение как передней, так и задней поверхностей от стеклянной пластины, как показано в виде оптической схемы, представленной на фиг.2. Устройство, показанное на фиг.2, включает в себя лампу 201 в интегрирующем кожухе 202, который изнутри покрыт диффузионно-отражающим белым материалом, таким как, например, сульфат бария или SPECTRALON™, поставляемый компанией Labsphere. Свет из кожуха 202, после многократного отражения внутри кожуха 202, падает на поверхность 203, которая также покрыта с обеих сторон диффузионно-отражающим белым материалом. Лучи 204 света от поверхности 203, падающие на переднюю поверхность 205 объекта 207 (например, образца архитектурного стекла), частично отражаются и частично пропускаются к задней поверхности 206 объекта 207, от которой происходит второе отражение. Как показано на фиг.2, зеркально отраженные лучи 208 от равных областей 209 и 210 на передней и задней поверхностях соответственно собирают с помощью отверстия 211 и передают с помощью системы 212 объектива к детектору 213, который включает в себя механизм 214 разложения длины волны, фотодиодную матрицу 215 и устройство 216 передачи сигнала, которое передает данные спектра от фотодиодной матрицы 215 в вычислительное устройство 218 для манипуляции со спектральными данными для получения калиброванных данных о спектре и цвете.
Для зеркального отражения угол между нормалью 217 к поверхности и падающим лучом 204 (угол падения) равен углу между нормалью к поверхности и отраженным лучом 208 (угол отражения θ). Для того чтобы обеспечить то, что отраженный луч всегда будет направлен вдоль одного и того же пути к фотодетектору для всех углов падения, образец или объект 207 требуется поворачивать наполовину углового поворота рычага, держащего источник света. Это связано с тем, что изменение угла θ в результате поворота источника 201, например в направлении детектора 213, должно соответствовать объекту 207, который поворачивается на θ/2, для того, чтобы отражения от поверхностей 209 и 210 проходили в том же направлении, для приема их в отверстии 211 и на детекторе 213. Переднее и заднее отражения от поверхностей 209 и 210 соответственно номинально являются параллельными, как показано. Детектор в одном варианте воплощения настоящего изобретения имеет узкий угол приема (например, приблизительно 1-5 градусов), который ограничивается зеркально отраженным светом (в отличие от диффузионного отражения света).
На фиг.3 показана схематическая иллюстрация управляемого движения оптического источника и образца в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. В этом варианте воплощения взаимозависимость поворота обеспечивается с помощью новой гониометрической компоновки. С правой стороны на фиг.3 источник 301 света показан в его первом положении (сплошные линии) на рычаге 302. Лучи 303 света от диффузионной освещенной белой поверхности 304 падают на образец, показанный в его первом положении 305, и лучи света, отраженные как от его передней, так и от его задней поверхностей, обозначенных сплошной линией 306, направляются в направлении спектрально избирательного детектора 307, показанного в данном примере как включающего в себя систему 308 объектива, оптическую решетку 309, линейный диодный массив 320 (действующий как отдельные фотодетекторы) и цифровой выход 315.
Второе положение источника света и рычага показано в позициях 311 и 312 соответственно (пунктирные линии). Лучи 313 света (жирная пунктирная линия) от диффузной поверхности 314 в этом втором положении падают на образец (или объект) 319, который был повернут только на половину углового поворота рычага из его первого положения. Это обеспечивает то, что отраженные лучи 318 (жирная пунктирная линия) как от задней, так и от передней поверхностей образца 319 в его втором положении будут направлены в направлении детектора 307. Нормаль к образцу обозначена в позициях 316 и 317 в первом и втором положениях образца соответственно. Угол между этими двумя нормалями составляет половину угла поворота рычага из его первого положения во второе положение.
На фиг.4A показана схема новой гониометрической компоновки в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивающей управляемое движение, показанное на фиг.3. Рычаг 401 на фиг.4А, который удерживает источник света, закреплен на первой поворотной пластине 402, которая поворачивается вокруг вала 404, установленного через подшипник 403 на неподвижной пластине 405. Между неподвижной пластиной 405 и первой поворотной пластиной 402 распложена вторая поворотная пластина 406. Шариковый подшипник 407 находится в контакте как с первой поворотной пластиной 402, так и с неподвижной пластиной 405. При вращении первой поворотной пластины 402 происходит качение шарикового подшипника 407. Такое движение качения шарикового подшипника 407 по контактной поверхности неподвижной пластины 405 толкает вторую поворотную пластину 406 в том же направлении, в каком происходит движение первой поворотной пластины 402. Эффект этой компоновки состоит в том, что первая поворотная пластина 402, закрепленная на рычаге 401 источника света, поворачивается в том же угловом направлении с удвоенной угловой скоростью по сравнению с поворотной пластиной 406, на которой закреплен держатель образца.
Для того чтобы лучше понять этот эффект, рассмотрим центроид шарикового подшипника 407 в кольце подшипника. При повороте шарика на один полный оборот центроид перемещается на расстояние вдоль дуги s=2πR относительно неподвижной пластины 405 (где R представляет собой радиус 409 шарика подшипника в кольце для шариков). Вторая поворотная пластина 406, содержащая кольцо 407 для шариков, должна, поэтому, переместиться на эквивалентный угол s/L, где L представляет собой радиус 410 точки контакта шарика подшипника от оси вала 403.
Точка контакта между шариком подшипника 407 и первой поворотной пластиной 402 также должна переместиться на расстояние s относительно центроида кольца для шариков. Таким образом, для одного оборота шарика подшипника 407 первая поворотная пластина 402 движется на общую длину дуги 2s относительно неподвижной пластины 405, то есть первая поворотная пластина движется с удвоенной угловой скоростью относительно второй поворотной пластины, как требуется.
Держатель 411 образца сам закреплен на опоре 408 держателя образца с использованием механизма крепления (не показан), который позволяет регулировать держатель образца с тремя степенями свободы, с целью совмещения.
В одном варианте воплощения настоящего изобретения детектор представляет собой устройство Photo Research PR650 SPECTRA SCAN™, используемое как спектрально-чувствительный фотодетектор. Этот детектор имеет преимущество, состоящее в том, что он обеспечивает фокусирующий объектив и видимое круглое черное пятно шкалы в окуляре, которое обозначает область приема фотодетектора в существенно большем поле обзора.
Процедура установки устройства SPECTRA SCAN™ или другого детекторного инструмента включает в себя процедуру выравнивания для обеспечения пересечения осью поворота гониометра поверхности образца и фокусирования устройства детектора на диффузионно-освещенной поверхности 304 по фиг.3. Когда смотрят через устройство детектора, отраженный свет от передней и задней поверхностей образца стекла с покрытием формирует два изображения в окуляре, которые разделены расстоянием, пропорциональным толщине стекла, и также зависят от угла падения. Для архитектурного стекла с энергоэффективным покрытием изображения обычно имеют разный цвет, и область перекрытия выглядит более яркой, чем любое из изображений по отдельности (см. фиг.11 ниже).
Другие варианты воплощения настоящего изобретения обеспечивают возможность автоматизации измерений путем перемещения источника света и образца под управлением компьютера, например компьютер управляет шаговыми двигателями и т.п. таким образом, что измерения можно выполнять полностью автоматически после исходной установки и вставки образца.
Такие варианты воплощения могут включать в себя возможность измерения углового цвета на производственной линии на заводе для нанесения покрытия на стекло или в полевых условиях, например в существующих зданиях для подбора оконных модулей, требующих замены, из-за повреждения или износа. Версия инструмента, работающего в режиме онлайн, может включать в себя оптические системы, которые позволяют выполнять измерение угловых цветов в разных местах расположения, например через стекло с покрытием на заводе при нанесении покрытия на стекло.
Изобретение полезно как экономичная альтернатива дорогостоящим спектроскопическим эллипсометрам с переменным углом (VASE, СЭПУ) в связи с тем, что колориметр углового цвета в соответствии с настоящим изобретением может обеспечить некоторую информацию того же типа о толщине слоев набора покрытия с целью разработки и с целью управления процессом обработки. Например, информацию, полученную в результате угловых измерений, можно использовать для того, чтобы инженер уменьшил толщину центрального диэлектрического слоя двойного архитектурного покрытия из энергосберегающего стекла, которое, возможно, выполнено слишком толстым. Например, можно регулировать уровни мощности, подаваемой катодом распыляющего устройства, которое наносит центральный слой, в данном случае уменьшить ее, с тем, чтобы привести толщину обратно к номинальному значению. Предоставляемая информация может быть интегрирована в онлайн систему управления процессом обработки с обратной связью через систему с искусственным интеллектом, такую как система с нечеткой логикой или обучающая система нейросети или простой контур PID (ПИД, пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование).
Опытные операторы установок для нанесения покрытий и ученые-разработчики покрытий разрабатывают правила регулировки обработки при нанесении покрытия на основе конкретных отклонений спектральной отражающей способности или графика пропускающей способности от идеального. Традиционно графики спектральной отражающей способности и пропускной способности учитывали только при углах падения, близких к нормальным. Угловой колориметр в соответствии с настоящим изобретением позволяет представлять графики спектральной способности под множеством углов и, поэтому, обеспечивают дополнительную информацию вместе с графиком углового цвета, которую опытный оператор/ученый может изучать для использования при регулировке процесса.
Изготовителям прозрачных продуктов хорошо известно, что предпочтительным цветом отражения для окон является нейтральный цвет или слабо выраженный цвет в сине-зеленом диапазоне. Окна, проявляющие красный, желтый или пурпурный цвета отражения, являются не столь популярными на рынке. Также предпочтительно, чтобы, если прозрачный продукт изменяет цвет при изменении угла обзора, ни под каким углом не должен появляться красный, желтый или пурпурный цвет. Для большинства оконных конструкций цвет отражения, видимый снаружи здания, известен как отражение на стороне стекла. В большинстве оконных конструкций, в которых используют изолированные стеклянные модули, самое внешнее стекло представляет собой стекло с покрытием с низкой эмиссионной способностью, и тонкопленочное покрытие расположено на внутренней поверхности этого внешнего стекла. Поэтому в такой конструкции наиболее заметный цвет окна, когда на него смотрят снаружи здания, представляет собой цвет отражения стороны стекла.
Один тип покрытия, обычно применяемый в архитектурном стекле, известен как покрытие с низкой эмиссионной способностью или с отражением тепла. Эти покрытия обычно представляют собой многослойные тонкопленочные наборы, состоящие из чередующихся диэлектрических слоев и слоев металла, отражающего инфракрасные лучи, такого как серебро. Другие слои могут присутствовать, такие как защитный слой или слой нуклеации вокруг слоя серебра. Такие стеклянные покрытия обычно включают от одного до трех слоев серебра. Когда такие наборы содержат два или больше слоев серебра, разделенных диэлектрическими слоями интерференции, угловые вариации цвета могут быть достаточно большими для получения продукта, не приемлемого на рынке. Если материалами слоев этих тонкопленочных наборов точно управлять, регулируя толщину слоя и оптические свойства, различные оптические и механические свойства, включающие в себя угловую вариацию цвета, можно удерживать в приемлемых пределах. Устройство измерения углового цвета в соответствии с настоящим изобретением можно использовать для определения правильности толщины и оптических свойств слоя. Настройка процесса осаждения может быть выполнена на основе показаний устройства угловых измерений цвета. Процесс настройки выполняют вручную или с использованием автоматического процесса управления с обратной связью.
В результате использования компьютерного моделирования наборов тонких пленок и практического опыта при нанесении покрытия могут быть получены корреляции между угловой вариацией цвета, и толщиной слоя, и оптическими свойствами.
Пример 1
Конструкции наборов с низким излучением приведены в следующей таблице с изменением толщины слоя от Конструкции А к Конструкции B.
Толщина слоя в нанометрах
Материал слоя
Конструкция A
Конструкция B
Разность толщины А-B
SiAlOxNy
24,6
26,2
1,6
NiCr metal
5,5
4,8
-0,6
NiCrOx
1,0
1,0
0,0
Ag
13,0
13,0
0,0
ZnO
6,0
6,0
0,0
SiAlOxNy
56,0
60,0
4,0
NiCr metal
8,0
8,0
0,0
NiCrOx
2,0
2,0
0,0
Ag
10,5
10,5
0,0
ZnO
10,0
10,0
0,0
SiAlOxNy
12,3
15,1
2,8
Стеклянная подложка (толщина в мм)
3,2
3,2
0,0
Когда показатели света, полученные с использование одиночного источника света с нормальным углом падения, учитывают в этих конструкциях, они обе показывают аналогичные цифры и любая из них может быть приемлемой на рынке.
Цвет при нормальном угле падения (8,5 градусов)
a*
b*
L*
Конструкция A
Передача
-3,26
-2,90
70,25
Отражение на стороне стекла
-1,85
-3,79
40,77
Отражение на стороне покрытия
-8,37
0,83
26,42
Конструкция B
Передача
-3,04
-2,04
72,14
Отражение на стороне стекла
-1,79
-3,90
41,23
Отражение на стороне покрытия
-10,31
5,02
26,57
Когда показатели цвета на стороне стекла под разными углами получают для одинаковых покрытий, Конструкция A выглядит красной при больших углах падения. Когда измерение цвета a* достигает значения, большего 1, внешний вид обычно считается слишком красным и нежелательным. Коррекция толщины слоя в Конструкции B позволяет получить внешний вид при большом угле падения, который не становится чрезмерно красным. При угле падения 75° значение a* в Конструкции B остается ниже 1.
На фиг.4B показан график, который представляет угловое изменение цвета на стороне отражения стекла для одного оконного стекла, состоящего из стекла с покрытием с низкой эмиссионной способностью. Показатели зависимости цвета от угла представлены в диапазоне от 0,0 до 75 градусов с приращением 5 градусов. В исходной точке 0,0 градусов оба цвета отражения приблизительно равны и находятся в предпочтительном сине-зеленом диапазоне. При углах падения больше чем 65 градусов Конструкция A становится чрезмерно красной. Вместе с результатами моделирования набора оптических тонких пленок эта информация может быть внедрена в систему искусственного интеллекта, такую как система с нечеткой логикой или система на основе нейронной сети, таким образом, что обработкой можно автоматически управлять путем использования соответствующего интерфейса программное средство/аппаратное средство между угловым колориметром (и другими измерительными устройствами) и оборудованием для нанесения покрытия, в котором такие параметры, как мощность и поток стекла, можно регулировать для поддержания процесса и параметров измеряемого продукта в пределах приемлемых границ.
В случае системы на основе нейронной сети угловые данные цвета вместе с другими параметрами продукта могут быть поданы в нейронную сеть с соответствующими параметрами обработки таким образом, что нейронная сеть может "обучаться" лучшим соединениям между входными и выходными сигналами сети, для управления процессом. На фиг.18 и 19 показаны необработанные спектры, полученные с помощью PR650, и относительные спектры (представляющие % отражающей способности) соответственно.
На фиг.5 показана оптическая схема другого варианта воплощения углового колориметра в соответствии с изобретением, в котором используется удлиненный источник света и множество детекторов. На фиг.5 источник 501 света выполнен удлиненным таким образом, что он охватывает значительный угол (например, от 30 до 80 градусов), который измеряют от центра вращения гониометра. Свет проходит вдоль путей 502, 503, 504, 505 к образцу 506, от которого он зеркально отражается (как от задней, так и от передней поверхностей образца 506) вдоль путей 507, 508, 509, 510 к детекторам 511, 512, 513, 514 соответственно. В данном варианте воплощения каждый детектор выбирает только свет, который был зеркально отражен от образца 506 и падает в пределах апертуры приемлемости детектора. По сигнальным линиям 515 информацию передают в вычислительное устройство для обработки спектра от каждого детектора.
На фиг.6 показана оптическая схема другого варианта воплощения углового колориметра в соответствии с изобретением, в котором используется множество источников света и множество детекторов. На фиг.6 множество источников 601, 602, 603 и 604, 605, 606 света обеспечивают свет, падающий на неподвижно закрепленный образец 613 под выбранными углами падения. Свет от этих источников света проходит вдоль путей 614 соответственно к образцу 613, откуда свет от каждого отдельного источника зеркально отражается как от задней, так и от передней поверхностей образца вдоль путей 615 к детекторам 607, 608, 609, 610, 611, 612 соответственно. Сигнал 618 передает информацию в компьютерное устройство для обработки спектра от каждого фотодетектора. Источники 601-606 света могут быть выполнены в форме интегрирующих диффузионных источников, как представлено в позициях 201 (фиг.2) или 301 (фиг.3).
На фиг.7 показана оптическая схема другого варианта воплощения углового колориметра в соответствии с изобретением, в котором используется множество оптических волокон, для соединения света от одного источника света с множеством положений и для соединения света от множества наборов оптических модулей сбора света к одному детектору. На фиг.7 свет от одного источника 701 света подают по множеству оптических волокон (пунктирные линии) (702-707) к их соответствующим коллимирующим или интегрирующим устройствам (708-713). Источники 708-713 света могут быть выполнены в форме интегрирующих диффузионных источников, как представлено в позиции 201 (фиг.2) или 301 (фиг.3), в которых элемент лампы заменен оптоволоконным выходным устройством.
Свет от этих оптоволоконных источников света зеркально отражается передней и задней поверхностями образца 714 вдоль путей, обозначенных сплошными линиями. Каждый оптоволоконный источник света имеет набор эквивалентных оптоволоконных оптических устройств сбора света (один из 715-720), установленных под равным и противоположным углом относительно нормали к образцу 714, который остается неподвижным во время измерений. Оптические средства сбора света передают свет через оптические волокна (сплошные линии) (721-726) в детектор 727, который имеет средство последовательного выбора, выходной сигнал которого из конкретных волокон будет проанализирован с помощью внутреннего оптического многоканального анализатора.
На фиг.8 показана оптическая схема хода лучей для другого варианта воплощения изобретения, на которой представлено использование оптических затворов для избирательного детектирования света, зеркально отражаемого от передней поверхности образца, и после этого света, зеркально отражаемого от задней поверхности образца. На фиг.8 источник 801 света коллимируют с помощью оптической системы 802 для формирования коллимированного луча 803, который отражается от передней поверхности 804 и от задней поверхности 805 образца 806, формируя зеркально отраженные коллимированные лучи 807 и 808 соответственно, которые направляют на детектор 809. Коллимированные лучи 807 и 808 подают в фотодетектор 809, последовательно открывая оптические затворы 810 и 811, для того, чтобы обеспечить возможность отдельного захвата спектра, отраженного передней и задней поверхностями. Когда оба оптических затвора 810 и 811 открыты, можно измерять комбинированный спектр отражения передней и задней поверхностей при отражении от образца 806 с помощью детектора 809, как обычно. В этом варианте воплощения может потребоваться апертура 812 для определения протяженности падающего коллимированного луча, и устройство деполяризации можно использовать для придания падающему лучу случайной поляризации, как описано ниже.
Оптические затворы применяют в других вариантах воплощения настоящего изобретения. Оптические затворы можно использовать, как описано выше со ссылкой на фиг.8, или можно использовать перед источниками или детекторами или в обоих местах для последовательного захвата спектров.
В одном варианте воплощения настоящего изобретения источники и детекторы света имеют достаточную стабильность в течение периода измерения для обеспечения требуемой точности спектральной координаты и координаты цвета. Стабильность настоящего углового колориметра была измерена путем выполнения многократных измерений источника через период от нескольких минут до нескольких часов после включения. Эти результаты показали, что угловой колориметр в соответствии с настоящим изобретением становится стабильным через 20 минут после включения источника света. На фиг.20 показана стабильность измерений L* a* и b* как функция времени после включения источника.
Источники света в соответствии с настоящим изобретением могут иметь спектральную энергетическую интенсивность излучения на всех длинах волн в диапазоне 380-780 нм для получения точных измерений цветовых координат в соответствии со стандартами CIE. С этой целью во многих случаях пригодны вольфрамовые кварцевые лампы. Общий класс наиболее подходящих ламп известен как кварцевые галогенные лампы. Эти лампы имеют вольфрамовую нить накала внутри кварцевой оболочки, которая содержит галоген или смесь галогенов, которые, по существу, предотвращают потемнение кварцевой оболочки в результате осаждения вольфрама. Одна конкретная лампа, пригодная для использования в настоящем изобретении, представляет собой продукт №: W-FTD, Specialty Brand, FTD MR-11 Галоген 30° Flood Lamp, 20 Вт, 12 В с основанием GZ4, номинальный срок службы 2000 часов, температура нити накала 2900 K.
Для некоторых целей может быть желательным, чтобы источник (источники) света имел существенную спектральную интенсивность излучения в выбранном количестве областей длин волн в видимом, инфракрасном (IR, ИК) или ультрафиолетовом (UV, УФ) диапазонах электромагнитного спектра для измерения спектральной отражающей способности в этих областях, с целью приблизительных измерений цвета и/или управления технологическим процессом. Такие источники света могут включать в себя, помимо прочих, светоизлучающие диоды (LED, СИД), газоразрядные лампы, газовые лазеры, диодные лазеры, лампы-вспышки, инфракрасные лампы, элементы накаливания, ртутные лампы, натриевые лампы. Фотодетектор (фотодетекторы) (например, позиция 215 на фиг.2) может быть, соответственно, чувствительным к любой комбинации областей длин волны в IR, видимом и UV диапазонах.
Атрибут изобретения состоит в том, чтобы обеспечить, чтобы спектр отражения от образца можно было калибровать путем первоначального непосредственного измерения источника. В варианте воплощения, показанном на фиг.3, такая калибровка может быть выполнена путем непосредственного измерения источника при размещении источника на оптической оси фотодетектора и удаления образца и держателя образца с оптического пути. В вариантах воплощения, показанных на фиг.5-8, вместо образца можно использовать зеркало на передней поверхности с известными спектральными свойствами отражающей способности для калибровки источника или источников.
Компоновка гониометра, показанная на фиг.4, может быть установлена вручную под требуемыми углами падения с помощью фиксированных упоров или может быть автоматически пошагово установлена под требуемыми углами падения под управлением компьютера, например, с использованием упомянутого выше шагового двигателя.
В ходе процедуры совмещения проверяют, что под всеми углами падения круговая координатная сетка находится в пределах упомянутой выше области перекрытия, обеспечивая, таким образом, сбор в равной степени взвешенных данных отражения как от передней, так и от задней поверхностей образца, как показано на фиг.11.
В одном варианте воплощения настоящего изобретения учитывают влияние эффекта поляризации. Поляризация света в настоящем изобретении может возникать в двух местах. Если такую поляризацию не компенсировать, могут возникнуть ошибки измерения.
Всякий раз, когда происходит зеркальное отражение света от поверхности под углами, отличающимися от угла нормального падения или углами скользящего падения, свет становится частично или в некоторых случаях полностью поляризованным. Один источник поляризации в настоящем изобретении представляет собой отражение света от измеряемого образца.
Второй источник поляризации возникает, когда свет, отраженный от образца, расщепляют на отдельные длины волн для спектральных или цветовых измерений. Разделение луча из смешанных длин волн на спектр обычно выполняют с использованием дифракционной решетки или призмы. Эти технологии вводят поляризацию. Если луч, попадающий на решетку или призму, уже частично поляризован, могут возникнуть ошибки измерения.
В одном варианте воплощения настоящего изобретения такие ошибки поляризации уменьшают путем обеспечения случайной поляризации света в двух местах в устройстве. Свет от источника света должен быть деполяризован, и луч между образцом и решеткой или призмой должен быть деполяризован.
Деполяризация луча источника света может быть обеспечена либо путем использования диффузионно-отраженных источников, или с помощью деполяризаторов, таких, как схематично показаны в позиции 812 на фиг.8. Такие деполяризаторы могут состоять из быстро вращающегося диска с переменной оптической плотностью, используемых для перемешивания поляризации таким образом, что выходной луч будет эффективно случайно поляризован. В качестве альтернативы, можно использовать два клина из соответствующих оптических материалов (например, кварца, кальцита или фторида магния) для формирования деполяризатора Лио. Деполяризатор Лио обычно включает в себя две кристаллические плоские параллельные пластины, которые вырезаны параллельно оптической оси. Относительная толщина плоскостей в деполяризаторе Лио составляет точно 2:1. В типичном деполяризаторе Лио две плоскости находятся в оптическом контакте, при этом оптические оси отдельных плоскостей формируют угол 45° градусов +5, и ошибка клина комбинации составляет меньше чем 2".
Деполяризация луча света после его отражения от образца и перед тем, как он попадет на решетку или призму, может быть выполнена с использованием некоторых способов, которые используются для луча источника света. Другая общая технология, которую можно использовать для любой деполяризации, состоит в том, что луч пропускают через оптоволоконный световод. Множественное отражение луча света от внутренних стенок волокон обеспечивает случайную поляризацию луча.
В некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения последовательные измерения спектров отражения выполняют с использованием падающего света, поляризованного в направлениях p и s соответственно. Поляризация p представляет собой такую поляризацию, при которой электромагнитный электрический вектор падающего луча находится в плоскости, содержащей нормаль к поверхности образца и падающему лучу. Поляризация s представляет собой поляризацию, при которой электромагнитный электрический вектор падающего луча расположен нормально к плоскости, составляющей нормаль к поверхности образца и падающему лучу.
Поляризация падающего света может быть выполнена, например, путем включения различных форм призменных поляризаторов (например, призмы Глена Тейлора) и пленочных поляризаторов, включающих в себя различные формы оптически выровненных оптических микроэлементов, включающих в себя последовательности молекул, как в полимерных пленках. Два таких полимерных поляризатора поставляют под торговым наименованием POLAROID™.
На фиг.9 показана график детектируемого света, принятого от образца, как функция угла измерения, полученный с помощью углового колориметра, в соответствии с настоящим изобретением, и отображенный в соответствии с координатами цвета. Более конкретно, на фиг.9 показан пример результата измерения стеклянной поверхности с покрытием, в которой лабораторный параметр L* представлен на чертеже в зависимости от угла падения. Настоящий угловой колориметр сравнили при 8,5 градусов с результатами, полученными от инструмента BYK Gardner на основе фотометрического шара, и определили, что он находится в приемлемой согласованности по всему диапазону значений цветов, представляющих "спектральные" покрытия.
На фиг.10 показан график детектируемого света, принимаемого со стороны покрытия образца, как функции координат цвета. Более конкретно, на фиг.10 показан пример результата измерений поверхности стекла с покрытием, на котором параметры a* и b* показаны на графике относительно друг друга, по мере изменения угла падения от 8,5 градусов через 15, 25, 35, 45, 55, 65 и до 75 градусов. Параметры a* и b* соответствуют требованиям Commission Internationale de l'Eclairage (Международная комиссия по освещению) и описаны в патенте США №6985254; все содержание которых приведено здесь в качестве ссылочного материала. В этой системе пространство CIE (МКО) L*a*b* представляет собой трехцветное пространство цветов с координатами L*, a* и b*. Центральная вертикальная ось (L*) представляет освещенность со значениями от 0 (черный) до 100 (белый). Две цветовые оси, каждая, продолжаются от положительной к отрицательной области. На оси а-а' (а*), положительные значения, обозначают количество красного цвета, в то время как отрицательные значения обозначают количество зеленого цвета. На оси b-b' (b*) желтый цвет занимает положительные значения и синий цвет - отрицательные. Как для оси а-а', так и для оси b-b' ноль представляет собой нейтральный серый цвет. Один конкретный цвет может быть уникально идентифицирован со значением для каждой цветовой оси и значением яркости для оси серой шкалы. Пространство CIE L*a*b* является независимым от устройства. На практике в этой системе используют следующие цифровые расчеты:
где S(λ) представляет собой спектральное распределение освещенности, R(λ) представляет собой спектральную отражающую способность объекта, и
представляют собой функции согласования цветов.
Колориметрическая система CIELAB определена по:
f(Y/Yn) и f (Z/Zn) рассчитывают аналогично.
На фиг.11 показана оптическая схема соответствующих проецируемых изображений зеркально отраженного света от передней стороны с покрытием и от задней стороны на плоскость изображения детектора. Более определенно, на фиг.11 показано представление вида, который можно видеть через устройство фотодетектора PR650 SPECTRASCAN™, в котором круг 1101, заполненный черным, представляет круглую окулярную шкалу модуля SPECTRASCAN™ и совпадает с областью сбора света фотодетектора. Сплошной круг и круг, представленный пунктиром, представляют наложение двух изображений 1102 и 1103 от передней и задней поверхностей покрытого стеклом образца соответственно.
На фиг.12 показана оптическая схема другого варианта воплощения углового колориметра в соответствии с изобретением, в котором используется одиночный источник света, и секция из полусферического зеркала или диффузионного отражателя для проецирования света на образец. На фиг.12 показан удлиненный источник света, аналогичный показанному в позиции 501 на фиг.5. На фиг.12 удлиненный источник 1201 света выполнен либо как изогнутое зеркало, или как изогнутый диффузионный белый отражатель. В любом случае свет от источника 1202 света проходит вдоль путей 1203, 1204, 1205, 1206 и возвращается от изогнутого устройства 1201 вдоль путей 1207, 1208, 1209, 1210 к образцу 1211, как требуется. Источник 1202 света может представлять собой любой из множества разных типов, включающих в себя вольфрамовую лампу, вольфрамовую галогенную лампу, миниатюрную дуговую лампу или лампу-вспышку. Источник 1202 света и образец 1211 представлены как находящиеся в плоскостях несколько в и за пределами плоскости схемы так, что источник 1202 света и образец 1211 не должны занимать одно и то же физическое место для правильного функционирования оптической компоновки. На фиг.12 показан несколько под наклоном вид физической компоновки.
1
e
f
b
s
На фиг.13 показана оптическая схема хода лучей в соответствии с одним вариантом воплощения углового колориметра в соответствии с настоящим изобретением, на которой представлено множество внутренних зеркальных отражений от пластины образца. Более конкретно, на фиг.13 иллюстрируется множество внутренних отражений, возникающих в результате одиночного падающего луча 1301 света с интенсивностью "I", который падает под углом θ (1302) на переднюю поверхность 1303 объекта 1304, который имеет заднюю поверхность 1305 и толщину "p" (1306). Первый переданный луч 1307 преломляется под углом φ (1308) к нормали 1309 поверхности. Первичный отраженный луч представляет собой луч 1313, который обозначен как R. Внутренние отражения приводят к появлению нескольких вторичных отраженных лучей 1314, 1315, 1316 и т.д. с постепенно уменьшающейся магнитудой, как показано на фиг.13. Эти отражения обозначены здесь с целью иллюстрации как R2, R3 и R4 соответственно. Кроме того, отражающая способность внешней первой поверхности обозначена как R, степень пропускания внешней или внутренней первой поверхности падающего луча обозначена как T, внутренняя отражающая способность передней поверхности обозначена как R, внутренняя отражающая способность задней поверхности обозначена как R, внутренняя пропускающая способность подложки обозначена как T. Соответственно,
1
e
R=IR
Предположим, что I=1 и приемлемые значения
3
1
2
Таким образом, третье отражение R, поэтому, имеет интенсивность, которая составляет 0,65% от некогерентной комбинации первых двух отражений R и R. Для типичных энергоэффективных покрытий, применяемых в промышленности по изготовлению архитектурного стекла, ошибка цветовых координат составляет не более чем 0,1 и, поэтому, является пренебрежимо малой для всех практических целей.
4
1
2
3
Таким образом, четвертое отражение R, поэтому, имеет интенсивность, которая составляет 0,005% некогерентной комбинации первых трех отражений R, R и R и, поэтому, ею можно полностью пренебречь для практических целей.
На фиг.13 также иллюстрируется один аспект настоящего изобретения. Этот аспект состоит в том, что если источник представляет собой коллимированный луч диаметром "w", принимающее оптическое средство должно иметь достаточно большую апертуру для захвата как первого отраженного луча 1313, так и второго отраженного луча 1314, который представляет собой результат того, что в луче 1307 произошло одно внутреннее отражение от задней поверхности.
Для расчета разделения "s" (1312) между этими первым и вторым отражениями 1313 и 1314 пусть
"a" представляет собой длину луча 1307 внутри объекта,
"n" представляет собой показатель преломления объекта,
"p" (1306) представляет собой толщину объекта,
"θ" (1302) представляет собой угол падения,
"φ" (1308) представляет собой угол преломления,
тогда
поэтому
из чего следует
Например, если n=1,53 для натриевого стекла и толщина "p" стеклянного объекта составляет 15 мм, расстояние "s" перпендикулярного разделения между первым и вторым отражением имеет максимальное значение 11,15 мм под углом падения 50 градусов. Таким образом, апертура сбора детектора должна иметь один размер, по меньшей мере, равный расстоянию "s" разделения плюс ширина луча "w" (позиция 108 на фиг.1) в плоскости падения, которая включает в себя падающий луч и нормаль к передней поверхности объекта.
Минимальную ширину луча определяют по эффективности сбора фотодетектора, по его шумовым свойствам и интенсивности излучения источника. В одном варианте воплощения изобретения используется вольфрамовая галогенная лампа мощностью 20 Вт (такая, как описана выше) и ширина луча 7 мм. Таким образом, апертура сбора в этом примере будет иметь размер, по меньшей мере, больше чем 18 мм, для сбора как первого, так и второго отраженных лучей 1313 и 1314 соответственно и их соответствующих лучей шириной "w". Фактически, апертура сбора должна быть существенно больше чем 18 мм (например, приблизительно 25 мм) для обеспечения возможности настройки малой несовмещенности в пределах устройства и установки образца в держателе образца.
Кроме того, оптическое средство сбора предпочтительно должно иметь однородную эффективность по всей ширине апертуры для исключения ввода недопустимых ошибок в результате измерения оптических свойств, таких как суммарная отражающая способность и цветовые координаты. Однородность настоящего углового колориметра в соответствии с настоящим изобретением проверяли на самосогласованность, и она оказалась однородной для используемой области источника освещения.
Для исключения относительно крупных, сложных оптических средств, в одном варианте воплощения изобретения, который показан на фиг.2, можно рассмотреть возможность использования обратного оптического пути, представленного на фиг.13. На фиг.13, можно предположить, что, используя принцип обратимости оптики, все пути были реверсированы так, что 1301 теперь представляет собой выходной луч к фотодетектору, и лучи 1313, 1314, 1315 и т.д. представляют собой входные лучи от удлиненного источника, который значительно проще изготовить, чем большой однородный детектор.
На фиг.14 показана оптическая схема хода лучей в соответствии с одним вариантом воплощения углового колориметра в соответствии с настоящим изобретением, на которой представлено множество внутренних зеркальных отражений от пластины образца и показаны те из них, которые попадают на детектор (как указано непосредственно выше). Здесь на этой иллюстрации удлиненный источник 1401 обеспечивает свет вдоль путей 1402, 1403, 1404, которые падают под равными углами на переднюю поверхность 1405 объекта 1406, который имеет заднюю поверхность 1407. Лучи 1402 отражаются на передней поверхности 1405 вдоль путей 1408 в направлении детектора (не показан).
Лучи 1403 испытывают одно отражение от задней поверхности и движутся вдоль путей 1409 к фотодетектору. Лучи 1404 испытывают одно внутреннее отражение от задней поверхности и одно от передней поверхности на их пути вдоль путей 1410, 1411, 1412 и 1413 к детектору. Источник с одним размером, по меньшей мере, "s"+"w" обеспечивает апертуру с размером "w", где все размеры измеряют в плоскости падения и отражения.
Таким образом, для детектора с размером приемлемости апертуры "w"=7 мм в настоящем изобретении в одном варианте воплощения используют однородный источник с размерами s+w=18 мм для стеклянного объекта толщиной 15 мм, установленным под углом падения 50 градусов. Источник 202 действует как фотометрический шар, обеспечивающий однородность по углу 1401 обзора, как обозначено позицией 202 на фиг.2, на которой элемент 1401 заменяет элемент 203. Для того чтобы справиться с не совмещенностью, например +/-3,5 мм, в настоящем изобретении, в одном варианте воплощения, используется однородный источник с размером 25 мм. Такой подход является особенно пригодным для вариантов воплощения, представленных на фиг.5-7, в которых предусмотрены фиксированные детекторы во множестве мест положений.
На фиг.15 показан график зависимости расстояния s разделения между первым и вторым зеркально отраженными лучами света от толщины (p) образца и угла падения падающего и отраженного света. Более конкретно, на фиг.15 показан график расстояния "s" разделения как функция угла падения и толщины стекла для стеклянного объекта с показателем преломления 1,53. Такой график меняется при изменении коэффициента преломления стекла. Максимальное расстояние "s" разделения может быть определено по данным, представленным на фиг.15 для любой толщины образца. Это позволяет выполнить конструкцию источника таким образом, чтобы его однородное измерение в плоскости падения соответствовало требованию, чтобы он был больше чем "s"+"w", как раскрыто выше.
На фиг.16 показана оптическая схема другого варианта воплощения углового колориметра в соответствии с изобретением, в которой используется рычаг пантографа, сконфигурированный для одновременного углового движения одного источника и детектора. Более конкретно, на фиг.16 показано альтернативное средство осуществления требуемого одновременного углового движения одиночного источника и детектора таким образом, чтобы детектор всегда собирал зеркально отраженный свет от образца в условиях изменения угла падения света на образец.
Как показано на фиг.16, пантограф включает в себя фиксированный рычаг 1601 и подвижный рычаг 1602. Фиксированный рычаг закреплен на верстаке и поддерживает источник 1603 света на одном конце. Источник представляет собой однородное пятно, такое, как получают при использовании многоотражающей сферической полости. Другой конец фиксированного рычага поддерживает вертикальный несущий стержень 1604. Подвижный рычаг может свободно вращаться вокруг этого вертикального, несущего стержня. Другой конец подвижного рычага 1602 поддерживает детектор 1605, который направлен на поверхность образца 1606. Держатель 1607 образца установлен на вертикальном несущем стержне и может свободно вращаться.
Два рычага 1608 и 1609 пантографа соединены с подшипниками на рычагах и также друг с другом на подшипнике, соединенном с поворотным блоком 1610. Стержень 1611, направляющий угол, продолжается через шарнирный блок и закреплен на основании 1612 держателя образца. Этот стержень управляет ориентацией держателя образца. Когда подвижный рычаг 1602 поворачивают вокруг вертикального подшипника 1604, компоновка пантографа приводит к угловому смещению держателя 1607 образца, так что оно составляет точно половину смещения подвижного рычага. Отраженное изображение источника, таким образом, всегда видимо через визирную лупу 1605 детектора при изменении угла отражения.
Во время работы устройства пантографа рычаги устанавливают в положение 180 градусов друг от друга, и образец удаляют с пути между детектором и источником. Эту конфигурацию используют для оптического совмещения инструмента. Детектор регулируют так, чтобы он находился на линии с вертикальным несущим стержнем и был установлен по уровню горизонтально. Источник регулируют так, чтобы он был по центру в поле зрения детектора. Источник измеряют для того, чтобы установить величину отражения, равную 100%.
Когда образец помещен на место и подвижной рычаг установлен в положение от 160 градусов до 15 градусов, образец регулируют таким образом, чтобы передняя отражающая поверхность была выровнена с центром вращения вертикального несущего рычага, и вид отражения источника был видим в центре рассматриваемого поля фотодетектора. Теперь можно выполнять измерение образца для получения параметра отражающей способности под любым углом от приблизительно 160 до приблизительно 15 градусов (включенный угол). Угол падения составляет половину включенного угла для всех значений включенного угла.
Помимо оценки архитектурного стекла, настоящий угловой колориметр можно применять в других областях, таких как, например, анализ пигментов со сдвигом цвета, стекла с рисунком на поверхности (двери душевых кабин, тонированные стекла и т.д.), антирефлективные покрытия, текстурированные поверхности, диффузионные поверхности (в отличие от зеркальных поверхностей), и активные пленки (такие как электрохимическая, фотохромическая или SPD (УВЧ, устройство со взвешенными частицами), краска, эмаль, глазурь, ленты, пленки, печатные изделия, металлы, керамика, жидкости, ткань, волосы, строительные материалы, кожа, пищевые продукты и т.д.
Хотя ряд приведенных выше примеров может включать в себя значительное количество диффузионного отражения (так, что измеренная степень отражающей способности будет представлять собой смесь зеркального и диффузионного отражений), настоящий угловой колориметр, тем не менее, полезен в ситуациях, когда ни одно из значений отражающей способности или их отношения не известно или, ни одно из них неизвестно, как постоянная величина.
В соответствии с этим, как представлено в ряде приведенных выше примеров, настоящее изобретение обеспечивает способ измерения отражательных свойств объекта, имеющего переднюю отражающую поверхность, и, по меньшей мере, одну заднюю отражающую поверхность. На фиг.17 показана блок-схема последовательности операций, представляющая общий способ в соответствии с настоящим изобретением. В позиции 1702 объект освещен под изменяющимися углами падения. В позиции 1704 свет, отраженный от передней и задней отражающих поверхностей объекта, собирают (например, с помощью оптики детектора, фокусирующей отраженный свет) под соответствующими углами зеркального отражения. В позиции 1706 отраженный свет разлагают по длине волны в цветовой спектр. В позиции 1708 анализируют интенсивность цветового спектра как функцию длины волны.
В позиции 1702 объект может быть освещен от источника света с диффузионной отражающей поверхностью, такого как, например, источник 202 света на фиг.2, или источник 1603 света на фиг.16. Как отмечено выше, в одном варианте воплощения настоящего изобретения, можно использовать вольфрамовую галогенную лампу с диффузором из сульфата бария. В позиции 1702 освещение может быть получено от удлиненного углового источника света, который излучает свет на объект в диапазоне углов падения (например, по меньшей мере, от 45 градусов до нормали к объекту или, предпочтительно, по меньшей мере, до 75 градусов).
Кроме того, освещение от источника света может быть пропущено через диффузионное устройство, которое диффузионно рассеивает (и случайно поляризует) свет от источника света, или через устройство деполяризации, которое случайно поляризует свет от источника света, или от обоих. Кроме того, поляризаторы могут быть размещены на оптическом пути между источником и детектором, что обеспечивает возможность разделять измерение общей зеркальной отражающей способности передней и задней отражающих поверхностей объекта как в плоскости поляризации в плоскости падения, так и в плоскости поляризации, нормальной к плоскости падения. Кроме того, освещение может быть получено от удлиненного источника света, сконфигурированного для обеспечения удлиненного изогнутого, оптически диффузионного источника, или зеркально отражающего или диффузно отражающего устройства от одиночной лампы.
В позиции 1704 зеркальные отражения от объекта могут быть направлены в детектор, который остается в фиксированном положении при изменении углового положения объекта относительно детектора или источников света. Например, гониометрическое устройство, представленное на фиг.4, можно использовать с предметным столиком и источником света, который вращается на рычагах 401 и 406, или можно использовать устройство-пантограф, показанное на фиг.16, в котором рычаг 1602 остается неподвижным. В позиции 1704, детектор может оставаться фиксированным, в то время как источник света движется с удвоенной угловой скоростью по сравнению с объектом. В качестве альтернативы, источник света может оставаться неподвижным, в то время как детектор движется с удвоенной угловой скоростью относительно объекта. Например, гониометрическое устройство, показанное на фиг.4, можно использовать с предметным столиком и вращением детектора на рычагах 401 и 406 или можно использовать устройство пантограф, показанное на фиг.16, в котором рычаг 1601 остается неподвижным. В позиции 1704, собранный свет может поступать от передней отражающей поверхности и задней отражающей поверхности объекта, которые разделены расстоянием, по меньшей мере, один миллиметр.
Кроме того, в позиции 1704, можно использовать оптические затворы, которые позволяют выполнять отдельное измерение степени зеркального отражения при отражении от задней и передней поверхностей объекта. Кроме того, собранный свет может поступать, например, от изолированного стеклянного модуля (IGU), или его макета, или от изделий, описанных выше (то есть пигмент сдвига цвета, стекло с рисунком на поверхности, антиотражающие покрытия, текстурированные поверхности, диффузные поверхности и активные пленки, краски, эмали, глазури, ленты, пленки, печатные изделия, металлы, керамика, жидкости, ткань, волосы, строительные материалы, кожа, продукты питания и т.д.).
В позиции 1706 может возникнуть возможность разрешения по длине волны при использовании спектрального фотодетектора. Кроме того, анализ в позиции 1708 может предоставить спектральное измерение света, отраженного от объекта.
В позиции 1708 анализ может быть основан на сигналах от множества детекторов, расположенных под множеством углов к объекту. Например, источник света может представлять собой множество источников света, расположенных под множеством углов к объекту (см., например, фиг.6 и 7). Кроме того, в позиции 1708, в одном варианте воплощения настоящего изобретения, предусмотрены сигналы от выходного устройства, например детектора, которые обозначают интенсивность цветов отраженного света.
Интенсивности цвета можно использовать для классификации отраженного света, например, используя цветовой график CIE. Система CIE характеризует цвета с помощью параметра Y освещенности и двумя цветовыми координатами x и y (или a* и b*), которые определяют точку на цветовом графике. В системе CIE используют параметры, которые основаны на спектральном распределении мощности (SPD, СРМ) света и которые разложены с помощью кривых чувствительности, которые были измерены для глаза человека. В соответствии со стандартом CIE и на основе того факта, что глаз человека имеет три разных типа конусов чувствительности к цвету, отклик глаза лучше всего описывается на основе трех "трехцветных величин". Однако после этого определили, что любой цвет может быть выражен через две цветовые координаты x и y. Цвета, которые могут быть сопоставлены в результате комбинирования определенного набора трех основных цветов (таких как синий, зеленый и красный), представлены на цветовом графике треугольником, соединяющим координаты для трех цветов.
Таким образом, количественная характеристика, такая как показана на фиг.10, выполняется в одном варианте воплощения настоящего изобретения для удаления субъективной меры видимого цвета объекта. Кроме того, как описано подробно выше, собранные угловые данные цветов можно использовать для управления процессом, который выполнен с возможностью управления процессом нанесения покрытия в режиме реального времени. В соответствии с этим, управление процессом обработки стекла (или процессами изготовления других объектов) может включать в себя устройства с искусственным интеллектом, которые работают с угловыми данными цвета. На фиг.21 показана схема онлайн системы управления в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. Как показано на фиг.21, два (хотя можно использовать большее количество) угловых колориметра в соответствии с настоящим изобретением используют на различных этапах (например, в областях 1 и 2 нанесения покрывая) установки для изготовления стекла. В одном варианте воплощения настоящего изобретения только один угловой колориметр можно использовать для управления процессом в контуре обратной связи для одиночной станции нанесения покрытия так, что будущие покрытия можно будет регулировать на основе результата настоящего покрытия. Вычислительное устройство управляет этапами производства и принимает данные от угловых колориметров для регулировки условия нанесения покрытия (как описано выше). Такая обработка не только обеспечивает контроль, но и удаляет необходимость субъективного определения соответствия условий нанесения покрытия стандарту.
Кроме того, в одном аспекте настоящего изобретения (используемом, например, для калибровки), объект может быть удален с оптического пути от детектора к источнику света таким образом, что может быть измерен эталонный спектр белого света. В соответствии с этим, в позиции 1708, вычислительное устройство можно использовать для получения относительного сигнала, соответствующего отраженному сигналу от объекта к опорному сигналу, соответствующему прямому свету из источника, для получения радиометрической суммарной зеркальной отражающей способности объекта. Кроме того, в позиции 1708 данные от детектора можно использовать с помощью вычислительного устройства для получения (по угловым положениям и на основании разрешающей способности длины волны отраженного света) угловых цветовых данных. В одном варианте воплощения настоящего изобретения вычислительное устройство может предоставлять угловые цветовые данные, например, в контроллер обработки для управления изготовлением стекла или процессом нанесения покрытия на стекло. Как отмечено выше, контроллер процесса может включать в себя алгоритмы с искусственным интеллектом, работающие над данными угловых цветов, для получения инструкций по изготовлению стекла или для процесса нанесения покрытия на стекло.
Множество модификаций и вариантов настоящего изобретения возможны с учетом приведенного выше описания. Поэтому следует понимать, что изобретение может быть выполнено на практике иначе, чем конкретно описано здесь, если оно находится в пределах объема приложенной формулы изобретения.