专利名称：：用于角度色度测量的设备和方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于诸如建筑玻璃板的领域的角度色度测量(angularcolorimetry)的设备和方法。
背景技术：
：高能效涂层正在越来越多地被用于建筑和汽车玻璃及其他应用。其使用逐渐受到政府标准所管理，并且这些涂层根据规格的不同而变得很复杂，它们必须满足阳光透射、红外透射的控制，并且保温成为更进一步的要求。确实，为了满足提高能效的要求，已经发现需要将至少某些涂层沉积为多层千涉堆。(参考CoatedGlassApplicationsandMarkets,R.HillandS.Nadel，publishedbyBOCCoatingTechnology,FairfieldCA，1999，其全部内容以引用的方式并入本文中)。当以接近法线入射进行观察时，这些堆具有特定的反射颜色。这些有涂层的玻璃总是被用作由两块薄板(light)构成的双层窗户单元的一部分。这些薄板被密封到窗框内，并且干燥的气体占据这两个薄板之间的空间。建筑玻璃的涂敷表面通常在这种双层单元的从阳光一侧向内计算的第二表面上。外部薄板的玻璃可能是带色彩的，如已经注意到的那样，涂层本身通常具有某种颜色。当这种双层窗户(商品名称作隔热玻璃单元或IGU)被用作大的多层楼建筑的外部覆层时，建筑师和其他人希望从各个角度看到均匀的反射颜色。不幸的是，由于对多层涂层堆的设计者而言所公知的原因，这种堆的反射颜色可以随着观察角度而发生显而易见的改变。如果不将注意力适当地集中在这方面，颜色改变可能会是非常惊人且不可接受的。这种随着观察角度而发生的颜色的改变在此处被称作角度颜色变化。当从建筑物的外部观察窗户时，在多云天空的光线条件下角度颜色变化更显而易见。来自多云天空的照明光是随机偏振的光，并且其能量在整个可见光镨(白光)上相当均匀地分布。这两种光的特性提高了对反射颜色的感知，并且反射颜色随着主窗设计产品(fenestrationproduct)的角度而改变。被观察者感知的从窗户反射的光的颜色是来自包含在窗户单元内的所有反射表面的反射之和。如果从除了法线入射之外的任何角度观察，从诸如窗口单元内的表面之类的任何表面镜面反射的光是部分偏振的。在光学领域公知的是，偏振效应随着反射角度而增大，直到达到布儒斯特角为止。然后，超过布儒斯特角之后反射光的偏振倾向于减小，直到掠入射时偏振效应接近零。人眼通常对偏振不敏感，并且能够识别颜色，而不存在偏振误差。在许多情况下，通过对有限数量的样品进行视觉检查，来对角度颜色变化进行控制。这种方法的主要缺点是其依赖于颜色匹配的主观判断，在某种程度上不同的检查员常常会产生不同的感知，因为大约5%的男性人口具有某种红/绿颜色视觉缺陷。
发明内容本发明的一个目的是提供一种光谱反射率设备，其克服了现有技术中所存在的问题。本发明的另一个目的是提供一种光谱反射率设备，其能够以坚固的(rugged)并且节约成本的形式提供玻璃涂层和类似产业所需要的角度颜色变化数据，并且其适于用作质量控制工具，并且适用于涂层和建筑窗户开发。这些和其他目的的变化提供在本发明的某些实施例中。在本发明的一个实施例中，提供一种设备，其用于测量具有前反射表面和后反射表面的物体的反射率特性。该设备包括样品台，其用于放置该物体；光源，其被配置为发射白光；检测器，其被配置为检测来自该物体的反射光；以及定位装置，其被配置为相对于该样品台上的该物体为该光源和检测器提供多个角度位置，使得该物体上的入射光被朝向该检测器镜面反射，并且在该检测器处接收到的反射光包括从该物体的前表面反射和从该物体的至少一个后表面反射。在本发明的一个实施例中，提供一种方法，其用于测量具有前反射表面和至少一个后反射表面的物体的反射率特性。该方法包括在改变入射角度的条件下照亮该物体；以各个镜面反射的角度收集来自该物体的前反射表面和后反射表面的反射光；将该反射光波长分解为色语；以及分析作为波长的函数的色i普的强度。应当理解，对本发明的前面的概述和后面的详细描述都是示范性的，而不是对本发明的限定。当结合附图进行考虑时，通过参考后面的详细描述，将容易获得对本发明更完整的理解及其许多附带的优点，因为其变得更好理解，其中*.图l是记录来自玻璃板的反射光的传统仪器的示意图2是本发明的一个实施例的示意图，其中来自玻璃板的前后表面的反射光都被测量；图3是根据本发明的一个实施例在受控方式下光源和样品的运动的示意图4A是本发明的新颖的测角装置的示意图，其提供了图3所示的受控运动；图4B是示出低发射率的被涂敷的玻璃的单个薄板的玻璃侧反射角度颜色变化的曲线图5是利用扩展的光源和多个检测器的本发明的角度色度计的另一实施例的光学示意图6是利用多个光源和多个检测器的本发明的角度色度计的另一8实施例的光学示意图7是利用多根光纤以将光从单个光源耦合到多个位置，并将光从多组收集光学元件耦合到单个检测器的本发明的角度色度计的另一实施例的光学示意图8是本发明另一实施例的光线图，其示出了使用光闸以选择性地检测从样品的前表面镜面反射的光，以及随后检测从样品的后表面镜面反射的光；图9是通过本发明的角度色度计测量的并基于颜色坐标显示的从样品接收到的检测光作为角度的函数的示图10是从样品的带涂层的侧接收到的检测光作为颜色坐标的函数的示图ll是来自(厚的基板或样品的)前侧和后侧的镜面反射光分别投影到检测器的像平面上的图像的光学示意图12是利用单个光源和半球面漫反射器的一部分以将光投影到样品上的本发明的角度色度计的另一实施例的光学示意图13是根据本发明的角度色度计的一个实施例的光线图，其描绘了来自样品板的多次内镜面反射；图14是根据本发明的角度色度计的一个实施例的光线图，其描绘了来自样品板的多次内镜面反射，并且示出了传播到检测器的那些部分；图15是第一和第二镜面反射光束的间隔距离依赖于样品厚度和反射光的入射角度的视图16是利用被配置用于单个光源和检测器的同时角度运动的伸缩臂的本发明的角度色度计的另一实施例的光学示意图17是描绘根据本发明的一个方法的流程图18和19分别是来自本发明的角度色度计的原语和比例谱(表示％反射率)；图20是在接通光源之后测量值L、3*和1)*随着时间的稳定性的示图；以及图21是根据本发明的一个实施例的在线控制系统的示意图。具体实施例方式为了对角度颜色变化问题进行量化，促进对具有更小的角度颜色变化性的涂层的研发，并确保在生产中满足角度颜色变化性标准，需要能够测量被涂敷的玻璃的整体反射颜色。本发明在一个实施例中提供了一种工具，其用于对角度颜色变化性的客观测量。测角分光光度计、多角度色度计以及测角色度计是例如用于油漆工业的传统仪器，在油漆工业中已经将大量努力投入到对这种仪器的研发中。特别是，汽车油漆工业已经使用了这种仪器来分析油漆的颜色，在这些油漆中已经包含了金属颗粒和包含干涉层堆的云母薄片和颗粒以产生随着观察角度而变化的金属光泽和珠光效果。然而，这些和各种其他的仪器受到这样的限制，其中这些仪器没有被设计为同时捕获来自透明或半透明物体(例如，具有超过几毫米的实际厚度的被涂敷的建筑玻璃)的第一表面和第二表面的反射光。现在参考附图，更具体的是图1，图1图解了传统仪器所面对的问题。来自光源101的光被透镜102准直，并且所得到的准直光束103入射在具有厚度105的玻璃物体104上。该物体具有第一表面106和第二表面107。准直光束具有直径w(108)。等直径的镜面反射光束109和110朝向检测器111行进，检测器111的尺寸通常被调节以收集略大于第一表面反射光束109的全部。第二表面反射光束110要么完全不被收集，要么仅被收集一部分，由此该仪器并不提供对两个表面的总镜面反射率的精确测量。事实上，某些仪器被具体设计为阻止第二表面反射光，并且在其他情况下所收集的部分第二表面反射光被认为是有害的，而且，通过将第二表面涂黑或者使其粗糙化或者两种方法同时进行，使用策略来将其消除。在某些仪器中有时利用在前后表面之间具有至少几度的角度的特殊楔形化的样品来消除第二表面反射光，以便将后表面反射光引导远离检测器。图2是本发明一个实施例的示意图，其中从玻璃板同时测量前后表面反射光，如图2中的光学图所示。图2所示的设备包括位于集成夕卜壳(integratingenclosure)202内的灯201，该集成外壳内涂敷有漫反射白色材料，例如硫酸钡或Labsphere所销售的SPECTRALONTM。来自外壳202的光在外壳202内多次反射之后落到面203上，面203也在两侧涂敷有漫反射白色材料。来自面203的光线204落到物体207(例如，建筑玻璃的样品)的前表面205上，被部分反射，并且部分透射到物体207的后表面206，在后表面206处发生第二次反射。如图2所示，来自前后表面上的相等区域209和210的镜面反射光线208分别被孔径211选择并通过透镜系统212透射到检测器213上，检测器213包含波长色散机构214、光电二极管阵列215以及信号传输装置216，信号传输装置216将来自光电二极管阵列215的光i普数据传输到计算装置218,用于对光镨数据进行处理，以提供经校准的光i普和颜色数据。对于镜面反射，表面法线217和入射光束204之间的角度(入射角)等于表面法线和反射光束208之间的角度(反射角e)。为了确保对于所有的入射角度将反射光束总是沿到达光接收器的相同的路径引导，样品或物体207应当以保持光源的臂的一半角速度被旋转。这是因为为了使来自表面209和210的反射光沿相同的方向行进以被孔径211和检测器213所接收，通过例如将光源201朝向检测器213旋转而产生的角度0的改变将不得不通过将物体207旋转0/2来调节。来自表面209和210的前后反射光分别标称地平行，如图所示。在本发明一个实施例中的检测器具有窄的接收角(例如大约1-5度)，这将光限定为已经被镜面反射(与漫射相反)的光。[请确认范围图3是根据本发明一个实施例在受控方式下的光源和样品的运动的示意图。在这一实施例中，通过一种新颖的测角装置实现转动关系。在图3的右手侧，光源301示出为在臂302上的其第一位置(实线)。来自漫射照明白色表面304的光线303入射到在其第一位置305示出的样品上，并且用实线306表示的从其前后表面反射的光线被朝向光谱选择检测器307引导，该检测器307在本实例中示出为包含透镜系统308、光栅309、线性二极管阵列320(充当各个光电检测器)以及数字输出315。光源和臂的第二位置分别以311和312示出(点线)。来自在其第二位置的漫射表面314的光线313(粗虚线)入射到样品(或物体)319上，该样品(或物体)319仅从其第一位置转动了臂的一半转动角度。这确保了来自在其第二位置的样品319的前后表面的反射光线318(粗虚线)朝向检测器307被引导。在样品的第一位置和第二位置，样品的法线分别用316和317表示。这两条法线之间的角度是臂从其第一位置转动到第二位置的角度的一半。图4A是提供图3所示的受控运动的本发明的新颖的测角装置的示意图。图4A中保持光源的臂401被固定到第一可转动板402上，板402在轴杆404上转动，轴杆404通过轴承403的方式安装到固定板405上。在固定板405和第一可转动板402之间的是第二可转动板406。滚珠轴承407同时与第一可转动板402和固定板405接触。当第一可转动板402转动时，滚珠轴承407滚动。滚珠轴承407在与固定板405的接触表面上的滚动运动沿与第一可转动板402的主动相同的方向推动第二可转动板406。这种设置的效果在于被固定到光源臂401的第一可转动板402沿相同的角度方向以可转动板406的两倍角速度转动，样品保持器被固定到可转动板406上。为了更好地理解这种效果，考虑滚珠轴承407在座圏中的质心。当球转动完整一周时，质心相对于固定板405移动一段弧距离s=2ttR(其中，R是在滚珠座圏中的滚珠轴承的半径409)。因此包含滚珠座圏407的第二可转动板406必须移动等效的角度s/L，其中L是滚珠轴承的接触点距轴杆404的轴的半径410。滚珠轴承407和第一可转动板402之间的接触点也必须相对于滚珠座圏的质心移动3巨离s。由此对于滚珠轴承407的一周转动，第一可转动板402相对于固定板405移动2s的总弧长度，即，根据需要，第一可转动板以第二可转动板的两倍角速度移动。样品保持器411其本身通过附着机构(未示出)附着到样品保持12器支架408,出于对准的目的，该附着机构允许样品保持器在三个自由度上被调节。在本发明的一个实施例中，检测器是用作光镨选择光电检测器的PhotoResearchPR650SPECTRASCAN，装置。这种检测器具有在目镜内提供聚焦透镜和可见圆形格子线(graticule)黑点的优点，其表示在基本上比视场大的区域内的光电检测器的接收区域。SPECTRASCANTM装置或其他检测器仪器的设置过程包括对准过程，其确保测角仪的旋转轴与样品的表面相交，并确保检测器装置被聚焦在图3中的漫射照明表面304上。当通过检测器装置进行观察时，来自被涂敷的玻璃样品的前后表面的反射光在目镜内形成两个图像，这两个图像以正比于玻璃厚度的距离相分离，并且还依赖于入射角。对于具有高能效涂层的建筑玻璃，这些图像通常具有不同的颜色，并且重叠的区域比仅有单个图像的区域更明亮(见后面的图11)。本发明的其他实施例具有这样的能力，其通过计算机控制移动光源和样品来自动进行测量，该计算机控制例如为步进电机的计算机控制等，由此在初始设置和插入样品之后能够自动地完成测量。这些实施例可以具有这样的能力，其在玻璃涂敷设备(glasscoatingplant)或领域中，例如在已经存在的建筑物上，在线测量角度颜色，以使由于损坏或劣化而需要替换的窗户单元匹配。这种仪器的在线形式可以包含光学系统，这些光学系统使得能够在例如跨过玻璃涂敷设备内的被涂敷的玻璃的若干个位置上进行角度颜色测量。本发明对于经济地替换昂贵的可变角度分光镜椭圆偏光计(VASE)仪器是有用的，其中，出于研制和过程控制的目的，本发明的角度颜色色度计能够提供某些与涂层堆中的各层的厚度有关的相同类型的信息。例如，来自角度测量的信息能够被用于向工程师反馈双低e(doublelow-e)建筑涂层中的中心电介质层的厚度，其有可能太厚。例如，溅射机器的功率水平相对于沉积该中心层的阴极而被调节，在这种情况下，减少该功率水平，以使厚度回到标称值。所提供的信息能够通过人工智能系统诸如模糊逻辑系统或学习神经网络系统13或简单PID循环被集成到具有反馈的在线处理控制系统中。有经验的涂敷设备操作者和涂敷设计科学家制定了根据光镨反射率或透射率曲线相对于理想的特定偏移而调节涂敷工序的规则。传统上，光谱反射率和透射率曲线曾经仅在接近法线入射时被考虑。本发明的角度色度计允许在各种角度提供光镨反射率曲线，并因此与角度颜色曲线一起，还提供额外的信息，有经验的操作者/科学家能够学习将其用于调节加工过程。主窗设计产品的生产者公知对于窗户的优选反射颜色是在中性到稍微蓝绿色的范围内。显示出红色、黄色或紫色反射颜色的窗户在市场上不是主流。另外，优选的是，如果主窗设计产品随着观察角而改变颜色，反射不应当在任何角度表现出红色、黄色或紫色。对于窗户构造的主体，从建筑物外部看到的反射颜色已知是玻璃侧反射。在包含隔热玻璃单元的大多数窗户构造中，最外侧的薄板是低发射率的被涂敷的薄板，而薄膜涂层在该外侧薄板的内侧。因此，在这种构造中，从建筑物外侧观察的窗户上最引人注意的颜色是玻璃侧反射颜色。通常施加到建筑玻璃上的一种类型的涂层已知是低发射率或热反射涂层。它们典型地是由电介质和诸如银的红外反射金属的交替层构成的多层薄膜堆。可以存在其他层，诸如围绕银的保护或晶核形成层。这些玻璃涂层通常包含一至三层银。当这些堆包含被电介质干涉层分离的两层或更多层银时，角度颜色变化可能大到足以产生在市场上不可接受的产品。如果这些薄膜堆的层材料对于层厚度和光学特性受到精确控制，那么包含角度颜色变化在内的各种光学和机械特性可以被保持在可接受的限度内。本发明的角度颜色测量装置可以被用于确定层厚度和光学特性是否是恰当的。沉积过程的调节可以根据从角度颜色测量装置读取来实现。调节过程可以手工或通过自动反馈过程控制来完成。通过利用薄膜堆的计算机模拟和实际的涂敷经验，可以在角度颜色测量与层厚度和光学特性之间建立相关性。实例1在下表中给出了两个低发射率堆设计，并且层厚度从设计A改变到i殳计B。<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>当是单个薄板时，从这些设计中提取法线入射颜色读数，两者显示出类似的数字，并且其每一个在市场上都是可接受的。<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>计A显示出在更大的入射角度看上去为红色。当3*颜色测量达到大于1的值时，通常认为外观太红而不可接受。设计B中的层厚度校正得到不变得太红的大入射角外观。在75。的入射角，设计B中的aMi保持低于1。图4B是示出低发射率的被涂敷的玻璃的单个薄板的玻璃侧反射角度颜色变化的曲线图。角度颜色读数从0.0至75度以5度的增量被示出。在O.O度的起始点，两个反射率颜色大致相等，并且在优选的蓝绿色范围内。在大于65度的入射角度，设计A变得太红。结合光学薄膜堆模拟的结果，这一知识可以嵌入到人工智能系统诸如模糊逻辑或神经网络系统中，以便通过在角度色度计(和其他测量装置)与沉积设备之间使用合适的软件/硬件界面，该过程可以被自动控制，其中，诸如功率和气流之类的参数可以被调节，以将处理过程和可测量的产品参数保持在可接受的限度内。在神经网络系统的情况下，角度颜色数据和其他产品参数与相关的处理参数一起被馈送到神经网络，以便神经网络能够"学习"网络输入和输出之间的最佳连接，从而控制该处理过程。图18和19分别示出了来自PR650的原镨和比例谱(用％反射率表示)。图5是本发明的角度色度计的另一实施例的光学示意图，其利用了扩展的光源和多个检测器。在图5中，光源501被扩展使得其对着从测角仪的旋转中心测量时的实际角度(例如，30至80度)。光沿路径502、503、504、505行进到样品506，在那里其沿路径507、508、509、510分别被镜面反射(从样品506的前后两个表面)到检测器511、512、513、514。在这一实施例中，每个检测器仅选择已经从样品506被镜面反射并且落入检测器的接收孔径内的光。信号线515将信息发送到用于处理来自每个检测器的光谱的计算装置。图6是本发明的角度色度计的另一实施例的光学示意图，其利用了多个光源和多个检测器。在图6中，多个光源601、602、603和604以选定的入射角提供入射光到固定的样品609上。来自这些光源的光分别沿路径605、606、607、608行进到样品609，在那里，来自各个光源的光被样品的前后两个表面分别沿路径610、611、612、613镜面反射到检测器614、615、616和607。信号618将信息发送到用于处理来自每个检测器的光镨的计算装置。光源601至604可以采取如201(图2)或301(图3)所示的集成的漫射源的形式。图7是本发明的角度色度计的另一实施例的光学示意图，其利用了多根光纤以将来自单个光源的光耦合到多个位置，并将来自多组收集光学元件的光耦合到单个检测器。在图7中，来自单个光源701的光通过多根光纤(点线)(702至707)被馈送到其各个准直或集成装置(708至713)。光源708至713可以采取如201(图2)或301(图3)所示的集成的漫射源的形式，其中灯元件被光纤输出装置所取代。来自这些光纤光源的光被样品714的前后两个表面沿实线所示的路径镜面反射。每个光纤光源具有相对于样品714的法线以相等且相对的角度设置的一组相同的光纤收集光学元件(715至720之一)，其在测量期间是固定的。收集光学元件使光经过光纤(实线)(721至726)行进到检测器727，其具有顺次选择某一特定光纤输出将要被内部光学多通道分析器所分析的装置。图8是本发明另一实施例的光线图，其示出了使用光闸来选择性地检测从样品的前表面被镜面反射的光以及随后被样品的后表面镜面反射的光。在图8中，光源801被光学系统802准直以形成准直光束803，准直光束803械^样品806的前表面804和后表面805反射以形成分别被引导到检测器809的镜面反射准直光束807和808。通过打开光闸810和811容许准直光束807和808到达光电检测器809，随后使得能够对前后表面的反射光i普进行分开捕获。当两个光闸810和811被打开时，来自样品806的前后表面反射的组合反射光镨能够照常被检测器809测量。在这一实施例中，孔径812可能是必须的，以限定入射准直光束的范围，并且可以将去偏振装置813用于使入射光束如下面讨论的那样;f皮随才几偏振化。光闸的使用可应用于本发明的其他实施例。光闸可以如上面就图8所概述的那样使用或者可以用在光源或检测器前面或者同时用于两者前面以依次捕获光i普。在本发明的一个实施例中，光源和检测器在测量周期内具有足够的稳定性以提供所需要的光谱和颜色坐标精度。该角度色度计的稳定性通过在接通几小时之后间隔几分钟对光源重复进行测量来测量。这些结果已经显示出本发明的角度色度计在光源被持续接通20分钟的周期之后是稳定的。图20示出了在接通光源之后测量值L、3*和1*随着时间的稳定性。本发明的光源可以具有在380至780nm的范围内的全波长的光傳辐照度，以根据CIE标准提供颜色坐标的精确测量。为此目的，在许多情况下钨石英灯是适用的。最适用的普通分级的灯已知是石英囟素灯。这些灯具有在石英外壳中的钨灯丝，该石英外壳包含卣素或卣素的混合物，其基本上防止石英外壳由于鴒的沉积而发黑。适用于本发明的一种特殊的灯是产品号W-FTD，专业商标(SpecialtyBrand)FTDMR-ll卣素30。泛光灯，20W，12V,具有GZ4基座，2000小时额定寿命，2900K灯丝温度。为了某些目的，可能需要光源在电磁语中的可见、红外(IR)或紫外(UV)范围内的选定数量的波长区域的实际光镨辐照度，以便为了近似颜色测量和/或处理控制的目的测量这些区域内的光i普反射率。这些光源尤其可以包括发光二极管(LED)、气体放电灯、气体激光器、二极管激光器、闪光灯、红外灯、发光棒(glowbars)、汞灯、钠灯。(一个或多个)光电检测器(例如，图2中的标记215)可以相应地对在IR、可见和UV中的波长区域的任何组合敏感。本发明的一个特点在于确保来自样品的反射光语能够通过首先直接测量光源而被校准。在示于图3中的实施例中，可以通过将光源放置在光电检测器的光轴上并从光路上将样品和样品保持器移除来直接测量光源，来完成该校准。在图5、6、7和8所示的实施例中，具有已知光谱反射率特性的前表面反射镜可以用于取代样品来对一个或多个光源进行校准。图4的测角仪设备可以借助于固定光阑被手工设置为所需要的入射角度，或者通过诸如上面提到的步进电机的计算机控制来自动步进到所需要的入射角度。对准步骤检查在所有的入射角度圆形格子线都位于前述重叠区域内，由此确保如在图11中所示的来自样品的前后两个表面的等比重的反射数据的收集。在本发明的一个实施例中，考虑偏振效应的影响。光的偏振可能在本发明的两个地方产生。如果这些偏振没有被处理，那么可能产生测量误差。一旦光以除法线入射或掠入射角度以外的角度从表面被镜面反射，光将变为部分偏振，或者在某些情况下变为完全偏振。本发明中的一个偏振来源是从被测样品反射的光。偏振的第二个来源在来自样品的反射光束被分为用于光语和颜色测量的多个波长时产生。将混合波长的光束扩展成光谱典型地利用衍射光栅或棱镜来完成。这些技术引入了偏振。如果到达光栅或棱镜的光束已经是部分偏振的，那么可能产生测量误差。在本发明的一个实施例中，通过确保在设备内的两个位置处光是随机偏振的来减少这些偏振误差。来自光源的光必须被去偏振，并且样品和光栅或棱镜之间的光束必须被去偏振。光源光束的去偏振可以通过使用漫反射光源或通过诸如在图8中用附图标记812示意性示出的去偏振器来实现。这些去偏振器可以包括具有可变光学一致性(variableopticalconsistency)的快速旋转盘，其用于以使出射光束有效地随机偏振化的方式扰乱偏振。可替换地，合适光学材料(例如，石英、方解石或氟化镁)的两个楔形可以被用于形成Lyot去偏振器。Lyot去偏振器典型地包括两个平面平行晶体板，其平行于光轴被切割。Lyot去偏振器的平面的厚度比正好为2:1。在典型的Lyot去偏振器中，这两平面光学地接触，各个平面的光轴形成45。度+5角度，并且该组合的楔形误差小于2〃。在从样品被反射之后并且在到达光栅或棱镜之前，可以通过与用于光源光束相同的方法来实现光束的去偏振。可用于任意去偏振的另一种常用技术是使光束穿过光纤光导。光束从光纤的内壁发生大量反在本发明的某些实施例中，分别利用在p和S方向被偏振化的入射光来执行对反射率光镨的依次测量。p偏振是指入射光线的电磁电矢量在包含样品表面的法线和入射光线的平面内的偏振。S偏振是指入射光线的电磁电矢量垂直于包含样品表面的法线和入射光线的平面的偏振。入射光的偏振例如可以通过包含各种形式的棱镜偏振器(例如GlaiiTaylor棱镜)和薄膜偏振器来实现，这些薄膜偏振器包含各种形式的光学对准的光学微元件，这些光学微元件包括诸如在聚合物膜中的分子链。可以得到这两种聚合物偏振器，商品名为POLARIOD。图9是通过本发明的角度色度计测量的从样品接收到的检测光作为角度的函数并根据颜色坐标来显示的示图。更具体地说，图9示出了对被涂敷的玻璃表面的测量实例结果，其中Lab参数L+相对于入射角的角度被描绘。所提供的角度色度计已经在8.5度与从基于积分球的BYKGardner仪器得到的结果进行比较，并在代表"inspec"涂层的颜色值的范围上发现合理的一致性。图10是从样品的涂层侧接收的检测光作为颜色坐标的函数的示图。更具体地说，图10示出了对被涂敷的玻璃表面的测量的实例结果，其中Lab参数a头和l^随着入射角从8.5度改变经过15、25、35、45、55、65和75度相对于彼此的关系被描绘。参数&*和1>*与CommissionInternationaledeI'Eclairage所建立的且在美国专利No.6985254中所讨论的那个参数相一致；该美国专利的全部内容以引用的方式并入本文中。在这一系统中，CIEL*3*1)*空间是具有坐标L*、3*和13*的三色空间。中心垂直轴(L*)表示亮度，具有从0(黑色)到100(白色)的值。两颜色轴每一个从正到负。在a-a'轴(a*)上，正值表示红色的量，而负值表示绿色的量。在b-b'轴(b"上，黄色是正，而蓝色是负。对于a-a'轴和b-b'轴两者，零是中性灰度。利用每个颜色轴的值以及亮度或灰度轴的值，可以对单个特定颜色进行唯一识别。CIEI^a^A空间不依赖于装置。实际上，这种系统利用了下面的数值20<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>其中s(A)是照明的光谱分布，w(;i)是物体的光i普反射率，以及；(;i)、;(;i)、S(义)是颜色匹配函数。CIELAB色度系统-故定义为"=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>图11是来自前涂敷侧和后侧的镜面反射光分别投影到检测器的像平面上的各个图像的光学示意图。更具体地说，图11示出了通过PR650SPECTRASCANTM光电检测器装置看到的视图的表示，其中充满黑色的圆1101表示SPECTRASCANTM单元的圆形格子线，并且与光电检测器的光收集区域相一致。实线圆和点圆分别表示来自被涂敷的玻璃样品的前后表面的两个图像1102和1103的重叠。图12是本发明的角度色度计的另一实施例的光学示意图，其利用了单个光源和半球面反射镜或漫反射器的一部分，以将光投影到样品上。在图12中，类似于图5中的附图标记501，示出扩展的光源。在图12中，扩展的光源1201是曲面反射镜或曲面漫射白色反射器。在任一种情况下，来自光源1202的光沿着路径1203、1204、1205和1206行进，并4艮据需要从曲面装置1201沿路径1207、1208、1209、1210返回到样品1211。光源1202可以为许多不同的类型，包括鵠灯、鴒卣素灯、微弧(miniarc)灯或闪光灯。光源1202和样品1211被表示为在稍稍在图的平面之内和之外的平面内，以便光源1202和样品1211不必占据光学设备的相同物理空间，以正确地工作。图12是该物理设备稍微倾斜的视图。图13是基于本发明的角度色度计的一个实施例的光线图，其描绘了来自样品板的多次内镜面反射。更具体地说，图13描绘了由于以角度6(1302)入射到物体1304的前表面1303上的强度为"I"的单个入射光线1301而引起的多次内反射，该物体1304具有后表面1305和厚度"p"(1306)。第一透射光线1307以相对于表面法线1309的角度小(1308)折射。初级反射光线是1313，我们将用&表示。内反射引起逐渐降低幅度的若干次次级反射光线1314、1315、1316等，如图13所示。这些反射在此处出于图示的目的分别被表示为R2、R3和R4。另外，将外部第一表面反射率表示为Re，将入射光线的外部或内部的第一表面透射率表示为T，将前表面的内反射率表示为Rf，将后表明的内反射率表示为Rb，将基底的内透射率表示为Ts。因此，R产IRe。R2=IT2Rb(Ts)2R3=IT2(Rb)2(Rf)(Ts)4R4=IT2(Rb)3(Rf)2(Ts)6假设1=1并且合理的值是Re=4%，T=96%，Rb=20%,Rf=4%并且Ts=99.6%，1^=1*0.04=0.04=4%R2=l*(0.96)2*0.20*(0.996)2=0.183=18.3%_R3=l*(0.96)2*(0.20)2*(0.04)*(0.996)4=0.00145=0.145%R4=l*(0.96)2*(0.20)3*(0.04)2*(0.996)6=0.0000115=0.0012%由此，因此第三反射率R3具有为前两个反射率Rl和R2的非相干组合的0.65%的强度。对于典型的建筑玻璃工业高能效涂层，颜色坐标的误差不大于O.l，并因此对于所有实际的目的可忽略。由此，因此第四反射率R4具有为前三个反射率RpR2和R3的非相干组合的0.005%的强度，并因此出于实践的目的而完全忽略。图13还示出本发明的一个方面。这一方面是，如果光源是直径为"w"的准直光束，那么接收光学元件必须具有足够大的孔径以同时捕获第一反射光线1313和第二反射光线1314，第二反射光线1314是光线1307经历一次后表面内反射的结果。为了计算第一反射1313和第二反射1314之间的间距"s"(1312)，假令"a"是光线1307在物体内的长度"n"是物体的折射率"p"(1306)是物体的厚度"e"(1302)是入射角"f，(1308)是折射角那么n=sin6/sin(()从而(j)-asin((siii9)/n)由此可得s=2atan<|)cos9例如，如果对于钠玻璃n-1.53，并且玻璃物体的厚度"p"为15mm，那么第一和第二反射之间的垂直间距"s"在50度的入射角处具有最大值11.15。由此，检测器的收集孔径应当具有至少等于间距"s"加上入射平面内的光束宽度"w"(图1中用附图标记108表示)的一个尺寸，该入射平面包含入射光线和物体前表面的法线。光束的最小宽度由光电检测器的收集效率、其噪音特性以及光源的照度决定。本发明的一个实施例利用20瓦的鴒卣素灯(如上所述)，并且光束宽度为7mm。由此，对于本实例，收集孔径具有大于18mm的至少一个尺寸，以分别同时收集第一反射光线1313和第二反射光线1314，并且相应光束的宽度为"w"。事实上，收集孔径应当比18mm大得多(例如，大约25mm)，以减小设备和样品保持器内的样品的安装的对不准。另外，收集光学元件优选在整个孔径内其效率是均匀的，以避免在对光学特性诸如总反射率和颜色坐标的测量中引起不可接受的误差。本发明所提供的角度色度计的均匀性以自身一致性(self-consistent)的方式进行检查，并且对于所使用的照明光源区域是均匀的。为了避免相对大的、复杂的光学元件，可以将如图2所示出的本发明的一个实施例考虑为图13的反转光学路径。在图13中，设想利用光路可逆性原理，所有的路径使其箭头反转，使得现在1301是输出到光电检测器的光线，而光线1313、1314、1315等是来自扩展的光源的输入光线，扩展的光源比大而均匀的检测器容易制造得多。图14是根据本发明的角度色度计的一个实施例的光线图，其示出了来自样品板的多次内镜面反射，并且示出了穿过到达检测器(如前所述)的光束。此处，在这一示图中，扩展的光源1401提供沿以相等的角度入射到物体1406的前表面1405的路径1402、1403、1404的光，该物体1406具有后表面1407。光线1402在前表面1405沿路径1408被朝向检测器(未示出)反射。光线1403受到一次后表面反射并沿路径1409行进到光电检测器。当光线1404沿路径1410、1411、1412和1413行进到检测器时，其受到一次后表面和一次前表面内反射。具有至少"s，，+"w"的一个尺寸的光源提供尺寸"w"的孔径，其中所有的尺寸在入射和反射平面内测量。由此，对于接收孔径尺寸"w，，-7mm的检测器，在一个实施例中本发明对于厚度15mm的玻璃物体，以50度的入射角，利用尺寸s+w=18mm的均匀光源。光源202起积分球的作用，其如图2中用202所表示的那样在观察区域1401上提供均匀性，其中1401取代元件203。为了克服一般+A3.5mm的对不准，在一个实施例中本发明利用尺寸为25mm的均匀光源。这些考虑事项特别对于图5、6和7所表示的实施例是有效的，其中展示出在多个位置固定的检测器。24图15是第一和第二镜面反射光束之间的间隔距离s依赖于样品厚度(p)和入射、反射光的入射角的关系图。更具体地说，图15示出了对于折射率1.53的玻璃物体，间隔距离"s"作为入射角和玻璃厚度的函数的示图。该示图随着玻璃的折射率而改变。对于任何样品厚度，最大间隔距离"s"可以由图15所提供的数据来确定。这允许这样的光源的设计使得其在入射平面内的均匀尺寸满足如上所述的大于"s"+"w"的要求。图16是本发明的角度色度计的另一实施例的光学示意图，其利用了被配置用于单光源和检测器的同时角度运动的伸缩臂。更具体地说，图16示出了实现单光源和检测器所需要的同时角度运动的可替换装置，使得检测器总是随着样品上的光入射角度改变而收集来自样品的镜面反射光。如图16所示，缩放仪包括固定臂1601和可移动臂1602。固定臂被固定到工作台上并在一端上支撑光源1603。光源是诸如通过多次反射球形腔产生的均匀的斑点。回定臂的另一端支撑垂直支杆1604。可移动臂可绕该垂直支杆自由转动。可移动臂1602的另一端支撑检测器1605，检测器1605在样品1606的表面处^皮引导。样品保持器1607安装在垂直支杆上并能够自由转动。两伸缩臂1608和1609被连接到臂上的轴承，并且在连接到转轴块1610的轴承处还彼此相连。角度引导棒1611穿过转轴块并锚定到样品保持器支撑件1612内。该棒控制样品保持器的取向。当可移动臂1602绕垂直轴承1604转动时，伸缩设备使样品保持器1607的角度位移正好为可移动臂的一半大。由此，随着反射角度的改变，通过检测器望远镜1605，光源的反射图像总是可见。在伸缩装置的操作中，臂被以180度分开设置，并且将样品从检测器和光源之间的路径移除。这一构造被用于对仪器进行光学对准。将检测器调节为与垂直支杆成一直线，并且水平调平。将光源调节为在检测器视场内中心定位。对光源进行测量以实现100%反射率值。对于在适当位置的样品以及在160度和15度之间的值的可移动臂，将样品调节为使得前反射表面与垂直支杆的转动中心对准，并且光源的反射视图在光电检测器视场的中心是可见的。现在能够在大约160和大约15度之间的任意角度(夹角)对样品进行反射率测量。对于夹角的所有值，入射角是夹角的一半。除了建筑玻璃评估，本发明的角度色度计还具有在其他领域中的应用，例如在对颜色偏移颜料、图案化玻璃(浴室门、私用室玻璃等)、抗反射涂层、刻花表面、漫射(与镜面相对)表面，以及有源膜(诸如电致变色的、光致变色的或者SPD(悬浮颗粒装置))、油漆、瓷漆、釉、带子、薄膜、被印刷颗粒、金属、陶瓷、液体、布、头发、建筑材料、皮肤、食物等的分析中。尽管大量前述实例可以涉及到大量的漫反射(使得所测量的反射率为镜面和漫反射反射率的混合)，但是尽管如此，本发明的角度色度计在这两种反射率之一或两者之比已知或知道为常量的情况下是有用的。因此，如在上面大量实例中所描绘的，本发明提供一种用于测量物体的反射率特性的方法，该物体具有前反射表面和至少一个后反射表面。图17是描绘根据本发明的总体方法的流程图。在1702,物体以改变的入射角被照亮。在1704,来自物体的前后反射表面的反射光以各个镜面反射的角度被收集(例如通过对反射光聚焦的检测器光学元件)。在1706，反射光被波长分解为色i普。在1708，分析色谱的强度作为波长的函数。在1702，物体能够由诸如图2中的光源202或图16中的光源1603的漫反射表面光源照亮。如上面提到的，在本发明的一个实施例中，鴒囟素灯可以与硫酸钡漫射器一起使用。在1702，照明可以来自扩展的成角度的光源，该光源在入射角度的范围内(例如在相对于物体的法线成至少45度或优选高至至少75度)将光发射到物体上。另外，来自光源的照明光可以穿过使来自光源的光漫射(并且随机偏振化)的漫射装置，或者穿过使来自光源的光随机偏振化的去偏振装置，或者同时穿过二者。另外，偏振器可以设置在光源和检测器26之间的光路上，以允许同时在入射平面内的偏振平面内和在垂直于入射平面的偏振平面内对物体的前后反射表面的总镜面反射率进行测量。另外，照明光可以来自扩展的光源，其被配置为提供扩展弯曲的光学漫射源或者来自单个灯的镜面反射或漫反射装置。在1704，来自物体的镜面反射能够随着物体相对于检测器或光源的角度位置改变而被引导到被保持在固定位置的检测器。例如，图4所示的测角仪装置可以与在臂401和406上转动的样品台和光源一起使用，或者可以使用图16所示的伸缩装置，其中臂1602保持静止。在1704，检测器可以保持固定，而光源以物体的两倍角速度移动。可替换地，光源可以保持固定，而检测器以物体的两倍角速度移动。例如图4所示的测角仪装置可以与在臂401和406上转动的样品台和光源一起使用，或者可以使用图16所示的伸缩装置，其中臂1601保持静止。在1704，所收集的光可以来自以至少一毫米的距离分离的物体的前反射表面和后反射表面。另外，在1704，可以将光闸用于允许对物体的后表面反射和前表面反射的镜面反射率进行分开测量。另外，所收集的光可以来自隔热玻璃单元(IGU)或其实物模型，或者来自上述制品(即，颜色偏移颜料、图案化玻璃、抗反射涂层、刻花表面、漫射表面，以及有源膜、油漆、瓷漆、釉、带子、薄膜、被印刷颗粒、金属、陶瓷、液体、布、头发、建筑材料、皮肤、食物等)。在1706，可以利用光谱光电检测器进行波长分解。另外，在1708的分析可以提供对来自物体的反射光的光语测量。在1708,可以基于来自相对于物体以多种角度设置的多个检测器的信号来进行分析。例如，光源可以是相对于物体以多种角度设置的多个光源(例如参见图6和7)。另外，在1708，在本发明的一个实施例中，提供来自例如检测器的输出装置的信号，其表示反射光的颜色强度。例如利用CIE色度图可以将颜色强度用于对反射光进行分类。CIE系统通过指定色度图上的点的亮度参数Y和两个颜色坐标x和y(或效*和1)*)来表征颜色。CIE系统利用基于光的频语功率分布(SPD—)并且通过灵敏度曲线来计算(factor)的参数，该灵敏度曲线已经针对人眼进行了测量。根据CIE标准并基于人眼具有三种不同类型的感色灵敏锥的事实，人眼的响应基于三个"三色刺激值"进行最佳描述。然而，一旦被完成，就会发现任何颜色都能够基于这两颜色坐标x和y来表示。能够通过将给定的一组三原色(诸如蓝色、绿色和红色)进行组合来匹配的颜色通过与三色坐标相联系的三角形而表示在色度图上。由此，在本发明的一个实施例中进行如图IO所示的量化，以消除对物体可视颜色的主观测量。另外，如上面详细描述的，所收集的角度颜色数据可以用于被配置为实时控制涂敷过程的过程控制。因此，玻璃(或其他物体生产过程)的过程控制可以包括对角度颜色数据进行运算的人工智能。图21是根据本发明一个实施例的在线控制系统的示意图。如图21所示，本发明的两个(尽管也可以使用更多个)角度色度计被用于生产玻璃的设备的不同工作台(例如涂敷区域1和2)上。在本发明的一个实施例中，可以仅将一个角度色度计用于对单个涂敷站的反馈循环的过程控制，以便基于当前涂敷的结果调节将来的涂敷。计算装置控制工作台，并从角度色度计接收数据，以便调节涂敷条件(如前面所述)。这一过程不仅提供控制，而且排除了对于涂敷条件是否标准的主观判断。另外，在本发明的一个方面(例如用于校准)，可以将物体从检测器到光源的路径上移除，以便能够测量白光的反射语。因此，在1708，可以将计算装置用于计算同来自物体的反射信号相对应的信号与同来自光源的径直光相对应的参考信号的比率，以提供物体的辐射计整体镜面反射率。另外，在1708,来自检测器的数据可以被计算装置用来(根据角度位置和反射光的波长分解)产生角度颜色数据。在本发明的一个实施例中，计算装置可以将角度颜色数据提供到例如过程控制器，用于玻璃生产或玻璃涂敷过程的控制。如上所述，过程控制器可以包括对角度颜色数据进行运算的人工智能算法，以将指令提供到玻璃生产或玻璃涂敷过程。根据上面的教导，对本发明的大量改进和变形是可能的。因此，应当理解，在所附的权利要求的范围内，本发明可以被实践为此处所具体描述的其它形式。权利要求1.一种用于测量物体的反射率特性的设备，该物体具有前反射表面和后反射表面，该设备包括用于放置该物体的样品台；光源；被配置为检测来自该物体的反射光的检测器；以及定位装置，该定位装置被配置为相对于该样品台上的该物体为该光源和该检测器提供多个角度位置，使得该物体上的入射光朝向该检测器镜面反射，并且在该检测器处接收到的反射光包括从该物体的前表面反射和从该物体的至少一个后表面反射。2.权利要求l的设备，进一步包括输出装置，其被配置为提供来自检测器的信号，该信号表示该反射光的光镨强度。3.机利要求l的设备，其中该定位装置包括测角仪，其被配置为将该样品台、该检测器和该光源相对于彼此进行定位，使得随着该物体相对于该检测器和该光源的至少之一的角度位置的变化，从该物体被引导到该检测器的镜面反射相对于该检测器保持在固定角度。4.权利要求l的设备，其中该光源包括漫反射表面光源、白色光源、发光二极管、气体放电灯、气体激光器、二极管激光器、闪光灯、红外灯、发光棒、汞灯和钠灯中的至少一种。5.权利要求l的设备，其中该定位装置被配置为将该样品台从该检测器和该光源之间的光路移开，以允许进行该光源的光i普测量。6.权利要求l的设备，其中该检测器包括被配置为对来自该物体的该反射光进行波长分解的光镨光电检测器。7.权利要求l的设备，其中该检测器被配置为具有将来自该物体的镜面反射光作为反射光接收的接收角。8.权利要求l的设备，其中该物体的前反射表面和后反射表面以至少一毫米的距离分离开，并且该光源在直径上具有基本上均匀的辐射以允许将来自该物体的多次表面反射收集到该检测器内。9.权利要求l的设备，其中该光源包括扩展的成角度的光源，该光源被构造为在入射角的扩展范围内将光发射到该物体上。10.权利要求9的设备，其中该扩展范围是相对于该物体的法线至少45度。11.权利要求l的设备，其中该检测器包括相对于该物体以多个角度设置的多个检测器。12.权利要求l的设备，其中该光源包括相对于该物体以多个角度设置的多个光源。13.权利要求l的设备，还包括漫射装置，其设置在该光源和该样品台之间，所述漫射装置被配置为使来自该光源的光漫射和随机偏振化。14.权利要求l的设备，还包括去偏振装置，其设置在该光源和该样品台之间，所述去偏振装置被配置为使来自该光源的光随机偏振化。15.权利要求l的设备，还包括两个去偏振装置；一个设置在该光源和该样品台之间，所述去偏振装置中的一个被配置为使来自该光源的光随机偏振化，并且所述去偏振装置中的另一个设置在该样品和在该反射光被展开为各个波长光傳之前的位置之间。16.权利要求l的设备，还包括至少一个光闸，该至少一个光闸设置在该检测器和该样品台之间，并且被配置为允许对来自该物体的后表面和前表面的各个镜面反射率进行分开测量。17.权利要求l的设备，还包括至少一个偏振器，该至少一个偏振器设置在该光源和该检测器之间的光路上，所述偏振器被配置为允许在入射面内的偏振平面内和垂直于入射面的偏振平面内对该物体的前反射表面和后反射表面的总镜面反射率进行分开测量。18.权利要求l的设备，其中该光源包括扩展光源，该扩展光源被配置为提供来自单个灯的扩展的弯曲光学漫射或镜面反射装置。19.权利要求l的设备，其中该定位装置包括测角仪，其具有滚珠座圏，该滚珠座圏被配置为使该光源、该样品物体以及附着到该测角仪的检测器以这样的方式移动，使得随着该光源的第一光轴和该检测器的第二光轴之间的角度改变，来自该光源的从该样品物体镜面反射的光被恒定地朝向该检测器引导。20.权利要求l的设备，其中该检测器被配置为收集来自隔热玻璃单元或其实物模型的所有表面的反射光。21.权利要求l的设备，还包括计算装置，其被配置为计算与来自该物体的反射光相对应的信号和与从该光源直接到达该检测器的光相对应的参考信号的比率，以提供该物体的辐射计总镜面反射率。22.权利要求1的设备，还包括计算装置，其被配置为计算与来自该物体的反射光相对应的信号和与来自已知光谱反射率的参考表面的反射光相对应的参考信号的比率，以提供该物体的辐射计总镜面反射率。23.权利要求1的设备，还包括计算装置，其被配置为接收来自该检测器的数据，并根据该角度中的至少一个。24.权利要求23的设备，其中该计算装置被配置为将该角度依赖光谱反射率或该角度颜色数据中的至少一个提供到过程控制器，用于玻璃生产过程的控制。25.权利要求24的设备，其中该过程控制器包括对该角度依赖光谱反射率或该角度颜色数据中的至少一个进行运算的人工智能算法，以将指令提供到该玻璃生产过程。26.—种用于测量物体的反射率特性的设备，包括用于放置该物体的样品台；光源；被配置为检测来自该物体的反射光的检测器；以及定位装置，其被配置为如下至少之一，以该样品台的两倍角速度转动光源而该检测器保持固定，或者以该样品台的两倍角速度转动该检测器而该光源保持固定。27.—种用于测量物体的反射率特性的设备，包括用于放置该物体的样品台；光源；被配置为检测来自该物体的反射光的检测器；以及定位装置，其被配置为改变来自该光源的光入射到该物体上的角度，并确保随着入射角的改变，来自该物体的镜面反射光总是被朝向该检测器引导。28.—种用于测量物体的反射率特性的方法，该物体具有前反射表面和至少一个后反射表面，该方法包括以改变的入射角照亮该物体；以各个镜面反射的角度收集来自该物体的前反射表面和后反射表面的反射光；将该反射光波长分解为色语；以及分析作为波长的函数的色镨的强度。全文摘要一种用于测量物体的反射率特性的设备，该物体具有前反射表面和至少一个后反射表面。该设备包括用于放置物体的样品台；光源；被配置为检测来自该物体的反射光的检测器；以及定位装置，其被配置为相对于该样品台上的该物体为该光源和该检测器提供多个角度位置，使得该物体上的入射光朝向该检测器镜面反射，并且在该检测器处接收到的反射光包括来自该物体的前表面反射和来自该物体的至少一个后表面反射。该方法包括以改变的入射角照亮该物体；以各个镜面反射的角度收集来自该物体的前反射表面和后反射表面的反射光；将该反射光波长分解为色谱；以及分析色谱的强度作为波长的函数。文档编号G01N21/47GK101479593SQ200780021767公开日2009年7月8日申请日期2007年5月4日优先权日2006年5月5日发明者B·R·马斯哈尔,C·H·布尔顿,J·E·古塞瑞尔,P·A·塞克,P·A·马斯彻维兹,V·L·新哈瓦拉申请人:旭硝子北美平板玻璃公司