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對特殊效果涂層的色彩及外觀進行精確測量的重要研究突破(一)

2011-01-06

對特殊效果涂層的色彩及外觀進行精確測量的重要研究突破(一)
許多涂料行業相關企業發現傳統的平面內分光光度測試法不足以精確測量現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新型設計的顏色表征設備及軟件為基礎，工程為涂料設計師、生產商以及終端用戶創造出特種涂料的三維數學模型。這種新型設備使涂料公司為供應鏈上的每一環節提供準確數據，從而取得竟爭優勢。生產人員便能及時識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信息并闡述其在涂料領域的應用結果。

研究背景
60多年來，顏色測定設備幫助企業確保由不同地方采用不同原料生產出的零剖析均能組裝成完好的產品。依據不同市場的具體要求，測定方法也在不斷改進。早期的積分球或0°/45°測量結構設備可以用于測定普通涂料。帶5個觀測角的爭光光度計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中闡明了對帶多重光照角度的設備要求。
盡管顏色測定設備可用于具有光澤紋理等效果的物質測定，但是物質的選定與生產控制過程通常依靠目測。目前傳統的顏色測定方法因為不能直接支持生產工藝控制并且指出產生錯誤的根源，因而應用受到限制。汽車涂料、金屬油墨、塑料用有機珠光顏料、帶紋路與圖案的織物、帶光澤紙材印刷等領域都可以受益于外觀界定等方面的數控技術。

研究目標
當前的金屬閃光珠光涂料的工業測試標準主要為分光光度儀平面內測試。目前的復合涂層具有三維結構，因而這些測試方法通常不完全適用。涂層對色彩感和知變化的貢獻在于面外的立體方向上。傳統的平面內幾何方法及單攝像體系不能說明感覺效果的事實，例如閃光和粗糙度本身就是角度相關特性，它們隨著光照與觀測條而改變。通常我們不對閃光與粗糙度這些感官特性進行測定。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（BRDF）的多維變化，閃光與粗糙度之類的感官性也相應改變。當前的系統無法準確地表征工藝與配方的改變對產品感官效果的影響。我們的目標在于提供一種成本節約型的硬件與軟件解決方案。

實驗程序
xDNA這是一新概念的確立是基于1977年亞利桑那在學光學院提出的雙向反射分布函數（BRDF），該函數被廣泛應用于各個領域。研究者使用BRDF，北朝鮮具有已知特性的光導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皆是色散的這一事實。也就是說，物體對藍光（400nm）與紅外（700nm）的折射能力（折射率）不同。無論物質的外在顏色如何，其對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）的物質也都表現出色散現象，這是由于光的反射或吸收作用不是發生在表面，而是在表面以下。任何物質都有特定的介電常數，這可以被認作測量其色散傾向的一種方式。物質的反射和吸收光線的能力懷介電常數的平方根成正比，由比我們獲得關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散射，組藍光與紅光散射情況不同。小顆粒物質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發生散射，即使是透明玻璃。這一規律同樣與物體表面顏色無關。
效應介質理論涂層或物體多復雜，我們仍把它作為單一均相物質處理。由九種成分組成的三層涂層可以被認作各個成分在層內以及層介而之間的加權平均而得到的一種物質。我們將表征由特定成分以及層結構形成的涂層的散射特性。如果物質成分甚或是平均粒徑發生變化，其散射特性都會發生改變。
既然現有的平面內幾何測量或單攝像系統不能解決問題，工程師研發出了具有平面外幾何結構特性的平臺。考慮到市場對于便攜式儀器的要求，包括新數據要與原有數據兼容一致，測量時間、重量、尺寸、成本等因素，不適合開發全新的測量平臺，而需要在原有測量平臺上進行改進。為獲得工藝與配方相應的直觀數據，需要做大量的試驗才能得出所需外樣板的少測量角度數。這種新開發的多角分光光度計用兩個光源與400至700nm波長范圍內的11個感測器。除了傳統的五角度平面內幾何結構，新增了兩個平面內角與四個平面外角。為了提高數據密度與準確性，以及滿足ASTM2539-08的規定，增加了第二個光源。
實驗中設計了工藝配方緩縵漸變下得到的數千個樣板，從而實現了對特種涂層高度可靠及可重復的表征。
有有效介質理論中，表征光的散射行為簡單的方法之一是通過一個坐標系表征光從樣品中發生與反射相關的散射方向。我們可以將其解釋為一種前后或側而偏離，其幅度相當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。若對一波長都如研究的話，就可以分析物質或涂料的分散特性，以此類推，在所有波長下均勻反射并向各個方向均勻散射的材料在各個方向都沒有偏離。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也是如此。計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固定向量。為每個波長和觀察角度設定一個向量，偏離的幅度用測得的能量來衡量。這種偏離是在逐個波長下對原有觀測角度向量求和得出和。因此，每個單波長對應一個偏差向量。
為了減小數據密度，實驗中采用了向量加和法，用來加和多角光譜數據并將其表示成二維或三維形式，該方法符合效應介質理論的原理，測量方向的向量加和，其結果為各方向的反射系數。這種加和的結果是二維或三維空間內點形成譜圖，每個點對應一個測量波長。
為了使所有結果與一般反射率的數值相當，向量加和中的長度采用典型朗伯發射器的向量加和長度。
反映結果的坐標系由鏡面反射方向（Z軸）、入射光方向在鏡面垂直方向的投影（Y軸）以及與這兩個方向分別垂直的方向（X軸）構成，這個結果被稱為譜圖。
實驗中采用下述角度表征測量方向：
*相對于表面法線的照明角度；
*相對于鏡面反射光的觀察角度；
*相對于照明方向的檢測方位角。

數據分析
xDNA譜圖轉化的目的如下：
*將工藝差異與配方差異區別開；
*檢測工藝穩定性；
*針對涂料配方的改變，指導工藝調整。

步驟1：采集原始數據
對于每一個經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改變其xDNA圖樣。工藝上的任何變化都會引起圖形位置與方向的改變。顏料分布上的任何變化都會對圖樣輪廓尺寸產生影響。
必須牢記的是，工藝與配方之間有著關聯，并不是截然分開的。測定的是板上的物質。既使機器操作沒有發生改變，粒徑的變化會改變處理過程。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，對測定的影響也是無法察覺的，它會引起流動速率和霧化等過程變數的改變。
應用裝置設定的影響因不同的應用裝置而異。沒有一種完全的光學標準可以界定是不同的應用裝置、還是應用裝置的不同設置，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用過程。