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對(duì)特殊效果涂層的色彩及外觀進(jìn)行精確測量的重要研究突破(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)分光光度測試法不足以精確測量現(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量方法。以一種包含面外測試幾何學(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。生產(chǎn)人員便能及時(shí)識(shí)別并解決那些其它測試方法不能檢測到的缺陷。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)不同市場的具體要求，測定方法也在不斷改進(jìn)。早期的積分球或0°/45°測量結(jié)構(gòu)設(shè)備可以用于測定普通涂料。帶5個(gè)觀測角的爭光光度計(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。
  盡管顏色測定設(shè)備可用于具有光澤紋理等效果的物質(zhì)測定，但是物質(zhì)的選定與生產(chǎn)控制過程通常依靠目測。目前傳統(tǒng)的顏色測定方法因?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)測試標(biāo)準(zhǔn)主要為分光光度儀平面內(nèi)測試。目前的復(fù)合涂層具有三維結(jié)構(gòu)，因而這些測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)行測定。我們只能測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)向被測試表面并測定分析反射光，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)?？紤]到市場對(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，測量時(shí)間、重量、尺寸、成本等因素，不適合開發(fā)全新的測量平臺(tái)，而需要在原有測量平臺(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波長范圍內(nèi)的11個(gè)感測器。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)算能量偏差簡單的方法是從樣品中心到色譜儀檢測孔中心，每一觀測的角度作為一個(gè)固定向量。為每個(gè)波長和觀察角度設(shè)定一個(gè)向量，偏離的幅度用測得的能量來衡量。這種偏離是在逐個(gè)波長下對(duì)原有觀測角度向量求和得出和。因此，每個(gè)單波長對(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)測量波長。
  為了使所有結(jié)果與一般反射率的數(shù)值相當(dāng)，向量加和中的長度采用典型朗伯發(fā)射器的向量加和長度。
  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。