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對(duì)特殊效果涂層的色彩及外觀進(jìn)行精確測(cè)量的重要研究突破(一)

2011-01-06

                            對(duì)特殊效果涂層的色彩及外觀進(jìn)行精確測(cè)量的重要研究突破(一)
  許多涂料行業(yè)相關(guān)企業(yè)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的平面內(nèi)分光光度測(cè)試法不足以精確測(cè)量現(xiàn)代汽車常用的效果顏料的表觀顏色。知覺概念如閃光和粗度是非常明顯的角度相關(guān)感覺，但簡(jiǎn)單的平面方法及單攝像幾何法是不太充分及不太可靠的測(cè)量方法。以一種包含面外測(cè)試幾何學(xué)新型設(shè)計(jì)的顏色表征設(shè)備及軟件為基礎(chǔ)，工程為涂料設(shè)計(jì)師、生產(chǎn)商以及終端用戶創(chuàng)造出特種涂料的三維數(shù)學(xué)模型。這種新型設(shè)備使涂料公司為供應(yīng)鏈上的每一環(huán)節(jié)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，從而取得竟?fàn)巸?yōu)勢(shì)。生產(chǎn)人員便能及時(shí)識(shí)別并解決那些其它測(cè)試方法不能檢測(cè)到的缺陷。本文將提供這種技術(shù)信息并闡述其在涂料領(lǐng)域的應(yīng)用結(jié)果。
 
  研究背景
  60多年來，顏色測(cè)定設(shè)備幫助企業(yè)確保由不同地方采用不同原料生產(chǎn)出的零剖析均能組裝成完好的產(chǎn)品。依據(jù)不同市場(chǎng)的具體要求，測(cè)定方法也在不斷改進(jìn)。早期的積分球或0°/45°測(cè)量結(jié)構(gòu)設(shè)備可以用于測(cè)定普通涂料。帶5個(gè)觀測(cè)角的爭(zhēng)光光度計(jì)被用來控制金屬閃光涂料。新型球光顏料在不同光照角度下可變換其顏色，在ASTME2539-08中闡明了對(duì)帶多重光照角度的設(shè)備要求。
  盡管顏色測(cè)定設(shè)備可用于具有光澤紋理等效果的物質(zhì)測(cè)定，但是物質(zhì)的選定與生產(chǎn)控制過程通常依靠目測(cè)。目前傳統(tǒng)的顏色測(cè)定方法因?yàn)椴荒苤苯又С稚a(chǎn)工藝控制并且指出產(chǎn)生錯(cuò)誤的根源，因而應(yīng)用受到限制。汽車涂料、金屬油墨、塑料用有機(jī)珠光顏料、帶紋路與圖案的織物、帶光澤紙材印刷等領(lǐng)域都可以受益于外觀界定等方面的數(shù)控技術(shù)。

  研究目標(biāo)
  當(dāng)前的金屬閃光珠光涂料的工業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要為分光光度儀平面內(nèi)測(cè)試。目前的復(fù)合涂層具有三維結(jié)構(gòu)，因而這些測(cè)試方法通常不完全適用。涂層對(duì)色彩感和知變化的貢獻(xiàn)在于面外的立體方向上。傳統(tǒng)的平面內(nèi)幾何方法及單攝像體系不能說明感覺效果的事實(shí)，例如閃光和粗糙度本身就是角度相關(guān)特性，它們隨著光照與觀測(cè)條而改變。通常我們不對(duì)閃光與粗糙度這些感官特性進(jìn)行測(cè)定。我們只能測(cè)定涂層的反射光與散射光。由于粗糙向反射分布函數(shù)（BRDF）的多維變化，閃光與粗糙度之類的感官性也相應(yīng)改變。當(dāng)前的系統(tǒng)無法準(zhǔn)確地表征工藝與配方的改變對(duì)產(chǎn)品感官效果的影響。我們的目標(biāo)在于提供一種成本節(jié)約型的硬件與軟件解決方案。

  實(shí)驗(yàn)程序
  xDNA這是一新概念的確立是基于1977年亞利桑那在學(xué)光學(xué)院提出的雙向反射分布函數(shù)（BRDF），該函數(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。研究者使用BRDF，北朝鮮具有已知特性的光導(dǎo)向被測(cè)試表面并測(cè)定分析反射光，可以更好的了解物體的特性。根據(jù)能量守恒定律，入射光的能量等于反射光、折射光、吸收以及散射光的總和。
  xDNA概念一方面是基于任何物質(zhì)皆是色散的這一事實(shí)。也就是說，物體對(duì)藍(lán)光（400nm）與紅外（700nm）的折射能力（折射率）不同。無論物質(zhì)的外在顏色如何，其對(duì)不同光線的折射率均存在差異。即使外觀為黑色或閃亮（如鏡子）的物質(zhì)也都表現(xiàn)出色散現(xiàn)象，這是由于光的反射或吸收作用不是發(fā)生在表面，而是在表面以下。任何物質(zhì)都有特定的介電常數(shù)，這可以被認(rèn)作測(cè)量其色散傾向的一種方式。物質(zhì)的反射和吸收光線的能力懷介電常數(shù)的平方根成正比，由比我們獲得關(guān)于物體組成可靠信息。
  xDNA概念的另一方面是基于光接解到任何物體皆會(huì)散射，組藍(lán)光與紅光散射情況不同。小顆粒物質(zhì)散射光線的波長(zhǎng)與大粒子不同。任何物體在某種程度上均會(huì)發(fā)生散射，即使是透明玻璃。這一規(guī)律同樣與物體表面顏色無關(guān)。
  效應(yīng)介質(zhì)理論涂層或物體多復(fù)雜，我們?nèi)园阉鳛閱我痪辔镔|(zhì)處理。由九種成分組成的三層涂層可以被認(rèn)作各個(gè)成分在層內(nèi)以及層介而之間的加權(quán)平均而得到的一種物質(zhì)。我們將表征由特定成分以及層結(jié)構(gòu)形成的涂層的散射特性。如果物質(zhì)成分甚或是平均粒徑發(fā)生變化，其散射特性都會(huì)發(fā)生改變。
  既然現(xiàn)有的平面內(nèi)幾何測(cè)量或單攝像系統(tǒng)不能解決問題，工程師研發(fā)出了具有平面外幾何結(jié)構(gòu)特性的平臺(tái)。考慮到市場(chǎng)對(duì)于便攜式儀器的要求，包括新數(shù)據(jù)要與原有數(shù)據(jù)兼容一致，測(cè)量時(shí)間、重量、尺寸、成本等因素，不適合開發(fā)全新的測(cè)量平臺(tái)，而需要在原有測(cè)量平臺(tái)上進(jìn)行改進(jìn)。為獲得工藝與配方相應(yīng)的直觀數(shù)據(jù)，需要做大量的試驗(yàn)才能得出所需外樣板的少測(cè)量角度數(shù)。這種新開發(fā)的多角分光光度計(jì)用兩個(gè)光源與400至700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的11個(gè)感測(cè)器。除了傳統(tǒng)的五角度平面內(nèi)幾何結(jié)構(gòu)，新增了兩個(gè)平面內(nèi)角與四個(gè)平面外角。為了提高數(shù)據(jù)密度與準(zhǔn)確性，以及滿足ASTM2539-08的規(guī)定，增加了第二個(gè)光源。
  實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了工藝配方緩縵漸變下得到的數(shù)千個(gè)樣板，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)特種涂層高度可靠及可重復(fù)的表征。
  有有效介質(zhì)理論中，表征光的散射行為簡(jiǎn)單的方法之一是通過一個(gè)坐標(biāo)系表征光從樣品中發(fā)生與反射相關(guān)的散射方向。我們可以將其解釋為一種前后或側(cè)而偏離，其幅度相當(dāng)于未被吸收光的能量。一定方向的散射或反射光線越多，其偏離幅度就越大。若對(duì)一波長(zhǎng)都如研究的話，就可以分析物質(zhì)或涂料的分散特性，以此類推，在所有波長(zhǎng)下均勻反射并向各個(gè)方向均勻散射的材料在各個(gè)方向都沒有偏離。Spectralon接近于這種行為。它在所有光照與觀察角度下外觀為白色，均勻分散。完好的Spectralon沒有光澤，即使在入射光的角度非常大時(shí)也是如此。計(jì)算能量偏差簡(jiǎn)單的方法是從樣品中心到色譜儀檢測(cè)孔中心，每一觀測(cè)的角度作為一個(gè)固定向量。為每個(gè)波長(zhǎng)和觀察角度設(shè)定一個(gè)向量，偏離的幅度用測(cè)得的能量來衡量。這種偏離是在逐個(gè)波長(zhǎng)下對(duì)原有觀測(cè)角度向量求和得出和。因此，每個(gè)單波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)偏差向量。
  為了減小數(shù)據(jù)密度，實(shí)驗(yàn)中采用了向量加和法，用來加和多角光譜數(shù)據(jù)并將其表示成二維或三維形式，該方法符合效應(yīng)介質(zhì)理論的原理，測(cè)量方向的向量加和，其結(jié)果為各方向的反射系數(shù)。這種加和的結(jié)果是二維或三維空間內(nèi)點(diǎn)形成譜圖，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)量波長(zhǎng)。
  為了使所有結(jié)果與一般反射率的數(shù)值相當(dāng)，向量加和中的長(zhǎng)度采用典型朗伯發(fā)射器的向量加和長(zhǎng)度。
  反映結(jié)果的坐標(biāo)系由鏡面反射方向（Z軸）、入射光方向在鏡面垂直方向的投影（Y軸）以及與這兩個(gè)方向分別垂直的方向（X軸）構(gòu)成，這個(gè)結(jié)果被稱為譜圖。
  實(shí)驗(yàn)中采用下述角度表征測(cè)量方向：
  *相對(duì)于表面法線的照明角度；
  *相對(duì)于鏡面反射光的觀察角度；
  *相對(duì)于照明方向的檢測(cè)方位角。

  數(shù)據(jù)分析
     xDNA譜圖轉(zhuǎn)化的目的如下：
  *將工藝差異與配方差異區(qū)別開；
  *檢測(cè)工藝穩(wěn)定性；
  *針對(duì)涂料配方的改變，指導(dǎo)工藝調(diào)整。
 
  步驟1：采集原始數(shù)據(jù)
  對(duì)于每一個(gè)經(jīng)一定工藝處理得到的特定材料表面，都有特定的xDNA圖樣。配方上的任何變化都會(huì)改變其xDNA圖樣。工藝上的任何變化都會(huì)引起圖形位置與方向的改變。顏料分布上的任何變化都會(huì)對(duì)圖樣輪廓尺寸產(chǎn)生影響。
  必須牢記的是，工藝與配方之間有著關(guān)聯(lián)，并不是截然分開的。測(cè)定的是板上的物質(zhì)。既使機(jī)器操作沒有發(fā)生改變，粒徑的變化會(huì)改變處理過程。如氣相Sio之類的添加劑如果被用于控制汽車涂料中片狀金屬顏料的取向，除了影響到片狀顏料的取向，對(duì)測(cè)定的影響也是無法察覺的，它會(huì)引起流動(dòng)速率和霧化等過程變數(shù)的改變。
  應(yīng)用裝置設(shè)定的影響因不同的應(yīng)用裝置而異。沒有一種完全的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)可以界定是不同的應(yīng)用裝置、還是應(yīng)用裝置的不同設(shè)置，還是控制片狀取向的添加劑、濕度或者其它的條件影響到應(yīng)用過程。