BRPI0711422A2 - aparelho e método para análise colorimétrica angular - Google Patents

Abstract

COMPOSIçõES COMPREENDENDO TENSOATIVOS POLIMERIZADOS DE BAIXO DP E MéTODOS DE USO DESTAS. São fornecidas composições de cuidados pessoais de baixa irritação compreendendo um tensoativo polimerizado de baixo DP. São também fornecidos métodos de preparar e utilizar tais composições.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHO E MÉTODO PARA ANÁLISE COLORIMÉTRICA ANGULAR".

Discussão dos Antecedentes

Campo da Invenção

A invenção refere-se a um aparelho e método para análise colo- rimétrica angular com uso em campos, como painéis de vidro arquitetônico.

Antecedentes da Invenção

Os revestimentos com eficiência energética vêm sendo crescen- temente usados em vidro arquitetônico e automotivo e em outras aplicações. O seu uso é progressivamente comandado por padrões governamentais e os revestimentos estão se tornando bastante sofisticados à medida que as especificações que eles devem satisfazer para o controle de transmissão solar, transmissão infravermelha e retenção térmica se tornam constante- mente mais exigentes.

De fato, com a finalidade de satisfazer as exigências por eficiên- cia energética aprimorada, achou-se necessário depositar ao menos parte dos revestimentos como pilhas de interferência com múltiplas camadas, (ref. Coated Glass Applications and Markets, R. Hill e S. Nadei, publicado por BOC Coating Technology, Fairfield CA, EUA, 1999, sendo que todos os con- teúdos do mesmo estão aqui incorporados a título de referência). Essas pi- lhas apresentam uma refletância de cores específicas quando observadas em incidência quase normal. Esse vidro revestido é invariavelmente usado como parte de uma unidade de janela com duas vidraças que consiste em duas luzes. As luzes são lacradas na estrutura da janela com um gás seco que ocupa o espaço entre as luzes. A superfície revestida de vidro arquitetô- nico está, geralmente, sobre a segunda superfície dessa unidade com duas vidraças se as superfícies forem contadas do lado solar para dentro. O vidro da luz exterior pode ser escurecido e, conforme previamente notado, os pró- prios revestimentos têm, geralmente, alguma cor.

Quando essas janelas com duas vidraças (conhecidas no co- mércio como unidades de vidro isolante ou IGUs) forem usadas como o re- vestimento externo de um edifício com vários andares, o arquiteto e os outros desejam ver uma cor refletida uniforme de todos os ângulos. Infelizmente, por razões bem-conhecidas pelos projetistas de pilhas de revestimentos com múltiplas camadas, a refletância de cor dessas pilhas pode se alterar de ma- neira bastante perceptível dependendo do ângulo de visualização. Se não for dada atenção a este aspecto, a alteração de cor pode ser bastante dra- mática e inaceitável. Essa alteração de cor, como uma função do ângulo de visualização, é aqui denominada como a variação angular de cor.

Quando as janelas de um edifício forem observadas por fora, a variação angular de cor é mais notável sob a luz de condições de céu nubla- do. A iluminação de um céu nublado consiste em uma luz aleatoriamente polarizada e sua energia é uniformemente distribuída, de maneira correta, através do espectro visível (luz branca). Essas duas características de luz aumentam a percepção de cor refletida e alteração de cor refletida em rela- ção ao ângulo em produtos de fenestragem.

A cor da luz refletida pelas janelas que pode ser vista por um observador é a soma de reflexões de todas as superfícies de reflexão conti- das na unidade de janela.

As reflexões especulares longe de qualquer superfície, como aquelas em uma unidade de janela, são parcialmente polarizadas se obser- vadas a partir de qualquer ângulo que não seja o ângulo de incidência nor- mal. Reconhece-se no campo da óptica que os efeitos de polarização au- mentam em relação ao ângulo refletido até que se obtenha um ângulo de Brewster. Logo, a polarização da luz refletida tende a diminuir além do ângu- lo de Brewster até que, em incidência rasante, os efeitos de polarização se aproximem de zero. O olho humano é, tipicamente, insensível à polarização e capaz de discernir cores sem erro de polarização.

Em muitos exemplos, o controle da variação angular de cor é gerenciado por inspeção visual em relação a um número limitado de amostras. A principal desvantagem deste método é que ele depende do julgamento subje- tivo de uma compatibilidade de cores que, em geral, é diferentemente percebi- da por diferentes inspetores, em parte, porque cerca de 5% da população masculina tem certa deficiência de visão com as cores vermelha/verde. Sumário da Invenção

Um objetivo da presente invenção consiste em proporcionar um aparelho de refletância espectral que supere os problemas existentes na técnica anterior.

Outro objetivo da presente invenção consiste em proporcionar um aparelho de refletância espectral que possa oferecer os dados de varia- ção angular de cor necessários pelas indústrias de revestimento de vidro e similares, de maneira severa e compensadora em relação aos custos, e que seja adequado para uso como uma ferramenta de controle de qualidade, bem como para revestimento ou desenvolvimento de janela arquitetônica.

Vários desses e outros objetivos são proporcionados em certas modalidades da presente invenção.

Em uma modalidade da presente invenção, proporcionou-se um aparelho para medir as propriedades de refletância de um objeto dotado de uma superfície de reflexão anterior e de uma superfície de reflexão posterior. O aparelho inclui um estágio amostrai para a colocação do objeto, uma fonte de luz configurada para emitir luz branca, um detector configurado para de- tectar a luz refletida de um objeto, e um dispositivo de posicionamento confi- gurado para proporcionar uma pluralidade de posições angulares para a fon- te de luz e o detector relativo ao objeto no estágio amostrai, de tal modo que a luz incidente sobre o objeto seja especularmente refletida em direção ao detector e a luz refletida recebida no detector inclua uma reflexão superficial anterior a partir do objeto e ao menos uma reflexão superficial posterior a partir do objeto.

Em uma modalidade da presente invenção, proporcionou-se um método para medir as propriedades de refletância de um objeto dotado de uma superfície de reflexão anterior e ao menos uma superfície de reflexão posterior. O método inclui iluminar o objeto em ângulos variáveis de incidên- cia, coletar a luz refletida a partir das superfícies de reflexão anteriores e posteriores do objeto em respectivos ângulos especularmente refletidos, se- parar por comprimento de onda a luz refletida em um espectro de cor, e ana- lisar uma intensidade do espectro de cor como uma função do comprimento de onda.

Deve-se compreender que tanto a descrição geral anterior da invenção como a descrição detalhada a seguir são exemplares, porém, não limitam a invenção.

Breve Descrição dos Desenhos

Uma avaliação mais completa da presente invenção e muitas vantagens concomitantes à mesma serão prontamente obtidas à medida que as mesmas se tornam mais bem compreendidas por referência à descrição detalhada a seguir quando consideradas em conjunto com os desenhos em anexo, em que:

A figura 1 é uma ilustração esquemática de um instrumento con- vencional que grava a luz refletida a partir de uma placa de vidro;

A figura 2 é uma ilustração esquemática que ilustra uma modali- dade da presente invenção em que tanto a reflexão superficial anterior como a reflexão superficial posterior são medidas a partir de uma placa de vidro;

A figura 3 é uma ilustração esquemática do movimento da fonte óptica e da amostra de maneira controlada de acordo com uma modalidade da presente invenção;

A figura 4A é uma ilustração esquemática de uma disposição goniométrica inusitada da presente invenção que proporciona o movimento controlado mostrado na figura 3;

A figura 4B é um gráfico que mostra a variação angular de cor de reflexão lateral do vidro de uma única luz de vidro revestido com baixa emissividade;

A figura 5 é uma ilustração esquemática de outra modalidade do colorímetro angular da invenção que utiliza uma fonte de luz estendida e uma pluralidade de detectores;

A figura 6 é uma ilustração esquemática óptica de outra modali- dade do colorímetro angular da invenção que utiliza uma pluralidade de fon- tes de luz e uma pluralidade de detectores;

A figura 7 é uma ilustração esquemática óptica de outra modali- dade do colorímetro angular da invenção que utiliza uma pluralidade de fi- bras ópticas para conjugar a luz proveniente de uma única fonte de luz em múltiplas posições e conjugar a luz proveniente de múltiplos conjuntos de óptica de coleção a um único detector;

A figura 8 é um diagrama de raio óptico de outra modalidade da invenção que mostra o uso de obturadores para detectar seletivamente a luz especularmente refletida a partir da superfície anterior da amostra e, subse- qüentemente, a luz especularmente refletida a partir da superfície posterior da amostra;

A figura 9 é um gráfico de luz detectada recebida a partir da a- mostra como uma função da medição angular pelo colorímetro angular da presente invenção e exibida de acordo com uma coordenada de cores;

A figura 10 é um gráfico de luz detectada recebida a partir do lado revestido da amostra como uma função de coordenadas de cores;

A figura 11 é uma ilustração esquemática óptica de respectivas imagens projetadas de luz especularmente refletida a partir de um lado ante- rior e um lado posterior (de um substrato espesso ou amostra) sobre um plano de imagem de um detector;

A figura 12 é uma ilustração esquemática óptica de outra moda- lidade do colorímetro angular da invenção que utiliza uma única fonte de luz e uma seção de um refletor difuso hemisférico para projetar luz sobre a a- mostra;

A figura 13 é um diagrama de raio óptico de acordo com uma modalidade do colorímetro angular da presente invenção que descreve múl- tiplas reflexões especulares internas a partir de uma placa amostrai;

A figura 14 é um diagrama de raio óptico de acordo com uma modalidade do colorímetro angular da presente invenção que descreve múl- tiplas reflexões especulares internas a partir de uma placa amostrai e mostra as que passam em um detector;

A figura 15 é um gráfico da dependência de distância de separa- ção entre um primeiro e segundo feixe de luz especularmente refletida em relação à espessura da amostra e em relação ao ângulo de incidência da luz refletida; A figura 16 é uma ilustração esquemática óptica de outra moda- lidade do colorímetro angular da invenção que utiliza um braço pantográfico configurado para um movimento angular simultâneo de uma única fonte e detector;

A figura 17 é um fluxograma que descreve um método de acordo com a presente invenção.

As Figuras 18 e 19 são o espectro bruto e o espectro proporcio- nal (representando o percentual de refletância), respectivamente, a partir de um colorímetro angular da presente invenção;

A figura 20 é um gráfico da estabilidade das medições L* a* e b* como uma função de tempo após a ligação da fonte; e

A figura 21 é uma ilustração esquemática de um sistema de con- trole online de acordo com uma modalidade da presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

Com a finalidade de quantificar o problema de variação angular de cor, de modo a auxiliar no desenvolvimento de revestimentos com uma menor variabilidade angular de cor, e garantir que os padrões de variabilida- de angular de cor sejam satisfeitos em produção, é necessário que seja ca- paz de medir a refletância total de cor do vidro refletido. A invenção em uma modalidade proporciona uma ferramenta para uma medição objetiva da vari- abilidade angular de cor.

Os gonio-espectrofotômetros, colorímetros multiangulares e go- nio-colorímetros são instrumentos convencionais usados, por exemplo, na indústria de tintas, onde se investiu um esforço considerável no desenvolvi- mento desses instrumentos. Em particular, a indústria de tintas automotivas utiliza esses instrumentos para analisar a cor de tinta onde partículas metáli- cas e flocos e partículas de mica, que incluem pilhas de camada de interfe- rência, foram incluídas para produzir efeitos brilhantes e perolizados metáli- cos que variam em relação ao ângulo de visualização.

No entanto, esses e vários outros instrumentos são limitados pelo fato de esses instrumentos não serem projetados para capturar a luz refletida tanto a partir de uma primeira superfície como a partir de uma se- gunda superfície de um objeto transparente ou semitransparente (como, por exemplo, um vidro arquitetônico revestido dotado de uma espessura subs- tancial maior que vários milímetros.

Reportando-se, agora, aos desenhos e, mais particularmente, à Figura 1, a figura 1 ilustra o problema encarado por um instrumento conven- cional. A luz proveniente de uma fonte 101 é colimada por uma lente 102 e o feixe colimado resultante 103 é incidente sobre um objeto de vidro 104 de espessura 105. O objeto tem uma primeira superfície 106 e uma segunda superfície 107. O feixe colimado tem um diâmetro w (108). Os feixes de luz especularmente refletida de diâmetro igual 109 e 110 viajam em direção a um detector 111 que, geralmente, é dimensionado de modo a coletar pouco mais que todo o feixe refletido da primeira superfície 109. O feixe refletido da segunda superfície 110 também não é coletado ou apenas parcialmente co- letado, logo, o instrumento não oferece uma medição precisa da refletância especular total de ambas as superfícies. De fato, alguns instrumentos são projetados especificamente para rejeitar a reflexão da segunda superfície, e, em outros, a reflexão parcial da segunda superfície coletada é considerada como um distúrbio e empregam-se estratégias para neutralizá-lo pintando-se a segunda superfície de preto ou enrugando-a ou fazendo ambos. A reflexão da segunda superfície em alguns instrumentos é, certas vezes, eliminada utilizando-se uma amostra especialmente cuneiforme dotada de um ângulo de ao menos vários graus entre as superfícies anteriores e posteriores de tal modo que a reflexão superficial posterior seja direcionada para longe do de- tector.

A figura 2 é uma ilustração esquemática que ilustra uma modali- dade da presente invenção em que tanto a reflexão superficial anterior como a reflexão superficial posterior são medidas a partir de uma placa de vidro, conforme mostrado pelo diagrama óptico descrito na figura 2. O aparelho mostrado na figura 2 inclui uma lâmpada 201 em um invólucro de integração 202 que é internamente revestido por um material branco difusamente refle- tor, como, por exemplo, sulfato de bário ou SPECTRALON® comercializado por Labsphere. A luz proveniente do invólucro 202, após múltiplas reflexões no invólucro 202, situa-se sobre a superfície 203 que também é revestida em ambos os lados por um material branco difusamente refletor. Os raios de luz 204 provenientes da superfície 203 que se situam sobre a superfície anterior 205 de um objeto 207 (por exemplo, uma amostra de vidro arquitetônico), são parcialmente refletidos, e parcialmente transmitidos à superfície posteri- or 206 do objeto 207 a partir da qual ocorre uma segunda reflexão. Confor- me mostrado na figura 2, os raios especularmente refletidos 208 a partir de áreas iguais 209 e 210 sobre as superfícies anteriores e posteriores, respec- tivamente, são selecionados pela abertura 211 e transmitidos por um siste- ma de lente 212 a um detector 213 que incorpora um mecanismo dispersivo de comprimento de onda 214, um arranjo de fotodiodos 215 e um dispositivo de transmissão de sinal 216 que transmite os dados espectrais a partir do arranjo de fotodiodos 215 a um dispositivo computacional 218 para manipu- lação dos dados espectrais de modo a proporcionar um espectro calibrado e dados de cor.

Para reflexão especular, o ângulo entre a superfície normal 217 e o feixe incidente 204 (o ângulo de incidência) igual ao ângulo entre a su- perfície normal e o feixe refletido 208 (o ângulo de reflexão Θ). Com a finali- dade de garantir que o feixe refletido seja sempre direcionado ao longo da mesma trajetória até o fotorreceptor para todos os ângulos de incidência, a amostra ou objeto 207 deve ser girado em metade da taxa angular do braço que retém a fonte de luz. Isto ocorre porque uma alteração no ângulo θ gi- rando-se a fonte de luz 201, por exemplo, em direção ao detector 213 terá que ser acomodada pelo objeto 207 sendo girado por Θ/2 com a finalidade de que as reflexões a partir das superfícies 209 e 210 percorram na mesma direção a ser recebida pela abertura 211 e o detector 213. As reflexões ante- riores e posteriores das superfícies 209 e 210, respectivamente, são nomi- nalmente paralelas, conforme mostrado. O detector em uma modalidade da presente invenção tem um ângulo estrito de aceitação (por exemplo, aproxi- madamente 1 a 5 graus) que restringe a luz ao ângulo que foi especularmen- te refletido (conforme oposto difusamente).

A figura 3 é uma ilustração esquemática do movimento da fonte óptica e da amostra, de maneira controlada, de acordo com uma modalidade da presente invenção. Nesta modalidade, a relação de rotação é realizada por uma inusitada disposição goniométrica. No lado direito da Figura 3, a fonte de luz 301 é mostrada em sua primeira posição (linhas contínuas) so- bre o braço 302. Os raios de luz 303 a partir da superfície branca difusamen- te iluminada 304 se chocam contra a amostra mostrada em sua primeira po- sição 305, e os raios de luz refletidos a partir de ambas as suas superfícies anteriores e posteriores, indicadas pelas linhas continuas 306, são direcio- nados ao detector espectralmente seletivo 307 mostrado neste exemplo in- cluindo um sistema de lente 308, uma rede de difração óptica 309, um arran- jo linear de diodos 320 (que age como fotodetectores individuais) e uma saí- da digital 315.

Uma segunda posição para a fonte de luz e o braço é mostrada em 311 e 312, respectivamente, (linhas pontilhadas). Os raios de luz 313 (linha pontilhada grossa) a partir da superfície difusa 314 nesta segunda po- sição se chocam contra a amostra (ou objeto) 319 que foi girado apenas me- tade da rotação angular do braço a partir de sua primeira posição. Isso ga- rante que os raios refletidos 318 (linha pontilhada grossa), tanto a partir de superfície posterior como a partir da superfície anterior da amostra 319 em sua segunda posição, sejam direcionados ao detector 307. A normal em re- lação à amostra é indicada em 316 e 317 na primeira e segunda posição da amostra, respectivamente. O ângulo entre essas duas normais é a metade da rotação angular do braço a partir de sua primeira posição até a segunda posição.

A figura 4A é uma ilustração esquemática de uma inusitada dis- posição goniométrica da presente invenção proporcionando o movimento controlado mostrado na figura 3. O braço 401 na figura 4A, que mantém a fonte de luz, é fixado a uma primeira placa giratória 402 que gira em um eixo 404 montado por meio do rolamento 403 a uma placa fixa 405. Entre a placa fixa 405 e a primeira placa giratória 402 encontra-se uma segunda placa gi- ratória 406. O rolamento de esferas 407 fica em contato tanto com a primeira placa giratória 402 como com a placa fixa 405. À medida que a primeira pia- ca giratória 402 é girada, o rolamento de esferas 407 rola. Esse movimento de rotação do rolamento de esferas 407 em uma superfície de contato com a placa fixa 405 empurra a segunda placa giratória 406 na mesma direção do movimento da primeira placa giratória 402. O efeito desta disposição é que a primeira placa giratória 402 fixada ao braço de fonte de luz 401 gira na mesma direção angular em duas vezes a taxa angular da placa giratória 406 à qual o retentor de amostra é fixado.

De modo a melhor compreender esse efeito, considere o cen- tróide do rolamento de esferas 407 na pista. À medida que a esfera gira uma revolução completa, o centróide se move em uma distância de arco s = 2πR com referência à placa fixa 405 (onde R é o raio 409 de um rolamento de esferas na pista de esferas). A segunda placa giratória 406 que contém a pista de esferas 407 deve, portanto, se mover em um ângulo equivalente s/L onde L é o raio 410 de um ponto de contato do rolamento de esferas a partir do eixo geométrico do eixo 403.

O ponto de contato entre o rolamento de esferas 407 e a primei- ra placa giratória 402 também deve se mover a uma distância s em relação ao centróide da pista de esferas. Portanto, para uma revolução do rolamento de esferas 407, a primeira placa giratória 402 se move em um comprimento total de arco de 2s em relação à placa fixa 405, isto é, a primeira placa gira- tória move em duas vezes a taxa angular da segunda placa giratória, con- forme a necessidade.

O próprio retentor de amostra 411 é fixado à montagem do re- tentor de amostra 408 pelo mecanismo de fixação (não mostrado) que per- mite ao retentor de amostra ser ajustado, com três graus de liberdade, por propósitos de alinhamento.

Em uma modalidade da presente invenção, o detector é um dis- positivo Photo Research PR650 SPECTRA SCAN® usado como um fotode- tector espectralmente seletivo. Esse detector apresenta a vantagem de pro- porcionar uma lente focalizadora e um ponto negro de retículo circular visível no óculo que indica a área de aceitação do fotodetector em um grande cam- po de visão. O procedimento de configuração do dispositivo SPECTRA SCAN® ou outro instrumento detector inclui um procedimento de alinhamento que serve para garantir que o eixo geométrico de rotação do goniômetro cruze a super- fície da amostra e que o dispositivo detector seja focalizado sobre a superfí- cie difusamente iluminada 304 na figura 3. Quando observada através do dis- positivo detector, a luz refletida a partir das superfícies anteriores e posteriores de uma amostra de vidro revestido forma duas imagens no óculo que são separadas por uma distância proporcional à espessura do vidro e depende, também, do ângulo de incidência. Para vidro arquitetônico com revestimen- tos que apresentam eficiência energética, as imagens são geralmente de uma cor diferente e a área de sobreposição é mais brilhosa do que somente as imagens. (Consulte a Figura 11 posteriormente).

Outras modalidades da presente invenção incorporam a capaci- dade de automatizar a medição mediante o movimento da fonte de luz e da amostra por controle computacional como, por exemplo, controle computa- cional de motores de passo e similares, de tal modo que as medições pos- sam ser completamente automatizadas após a configuração inicial e inser- ção de uma amostra.

Essas modalidades podem incluir a capacidade de medir a cor angular online em uma usina de revestimento de vidro ou no campo, por e- xemplo, em um edifício existente para encaixar unidades de janela que pre- cisem ser substituídas devido à danificação ou deterioração. Uma versão online do instrumento pode incorporar sistemas ópticos que permitem a me- dição de cor angular de diversas locações, por exemplo, através de vidro revestido em uma usina de revestimento de vidro.

A invenção é útil como uma alternativa econômica para instru- mentos elipsômetros espectroscópicos de ângulo variável (VASE) dispendi- osos em que o colorímetro angular de cor da presente invenção pode pro- porcionar certas informações do mesmo tipo de informação sobre as espes- suras das camadas em uma pilha de revestimento para propósitos de de- senvolvimento e controle de processo. Por exemplo, as informações de me- dições angulares poderiam ser usadas para reverter por engenharia a es- pessura da camada dielétrica central em um revestimento duplo arquitetôni- co de baixa emissividade que seja, talvez, muito espesso. Por exemplo, os níveis de potência de máquina por explosão aos cátodos que depositam a camada central seriam ajustados, neste caso reduzidos, com a finalidade de trazer a espessura de volta a um valor nominal. A informação proporcionada poderia ser integrada em um sistema de controle de processo online com retroalimentação através de um sistema de inteligência artificial, como um sistema de lógica difusa ou sistema de rede neural de aprendizado ou um Ioop PID simples.

Operadores de usinas de revestimento e cientistas de projeto de revestimento experientes desenvolvem regras para ajustar os processos de revestimento baseados em desvios particulares de uma refletância espectral ou gráfico de transmissão a partir do ideal. Tradicionalmente, a refletância espectral e os gráficos de transmissão foram adotados apenas e incidência quase normal. O colorímetro angular da presente invenção permite a apre- sentação de gráficos de refletância espectral em uma variedade de ângulos e, portanto, proporcionar informações adicionais, junto ao gráfico angular de cor, que um operador/cientista experiente pode aprender a usar de modo a ajustar o processo.

É bem-conhecido por fabricantes de produtos de fenestração que a refletância de cor preferencial para janelas encontra-se na faixa neu- tral a verde levemente azulado. As janelas que apresentam refletância de cores vermelha, amarela ou roxo não são tão populares no mercado. Tam- bém é preferencial que se um produto de fenestração alterar a cor em rela- ção ao ângulo de visualização, em nenhum ângulo, a reflexão parece verme- lha, amarela ou roxa. Para a maioria de construções de janela, a reflexão de cor observada por fora de um edifício é conhecida como a reflexão lateral do vidro. Na maioria das construções de janela que incorporam unidades de vidro isoladas, a luz mais externa é a luz revestida com baixa emissividade e a película delgada encontra-se na lateral interna desta luz externa. Portanto, nesta construção, a cor mais notável em uma janela observada a partir da parte externa do edifício é a cor de reflexão lateral do vidro. Um tipo de revestimento comumente aplicado a vidros arquitetô- nicos é conhecido como um revestimento de baixa emissividade ou um re- vestimento de reflexão térmica. Esses são tipicamente pilhas de película delgada que consistem em camadas alternadas de dielétrico e um metal re- fletor infravermelho, como a prata. Outras camadas podem estar presentes, como camadas protetoras e camadas de nucleação ao redor da prata. Esses revestimentos de vidro incluem, comumente, uma ou mais camadas de pra- ta. Quando essas pilhas contiverem duas ou mais camadas de prata sepa- radas por camadas de interferência dielétrica, a variação angular de cor po- de ser grande o suficiente para criar um produto inaceitável ao mercado. Se os materiais da camada dessas pilhas de película delgada forem precisa- mente controlados em relação à espessura de camada e propriedades ópti- cas, várias propriedades ópticas e mecânicas incluindo a variação angular de cor podem ser mantidas dentro dos limites aceitáveis. O dispositivo de medição angular de cor da presente invenção pode ser usado para determi- nar se as espessuras de camada e propriedades ópticas estão corretas. O ajuste do processo de deposição pode ser realizado com base nas leituras do dispositivo de medição angular de cor. O processo de ajuste pode ser manualmente realizado ou por controle automático de processo de retroali- mentação.

Através do uso de simulação por computador de pilhas de pelí- cula delgada e experiência prática de revestimento, as correlações podem ser realizadas entre as medições angulares de cor e espessuras de camada e propriedades ópticas.

Exemplo 1.

Proporcionam-se dois projetos de pilha com baixa emissividade na tabela a seguir junto à alteração de espessura da camada do Projeto A em relação ao Projeto B.

Material da camada

Espessura da camada em nanômetros <table>table see original document page 15</column></row><table>

Quando se adotam leituras de cor com incidência normal e luz única nesses projetos, ambos apresentam números similares e seriam acei- táveis no mercado.

<table>table see original document page 15</column></row><table>

Quando as leituras de reflexão de cor na lateral de vidro em vá- rios ângulos forem adotadas a partir dos mesmos revestimentos, o Projeto A é mostrado com uma aparência vermelha em maiores ângulos de incidência. Quando a medição de cor a* atingir um valor maior que 1, a aparência é, em geral, considerada muito vermelha para ser desejável. As correções de es- pessura de camada no Projeto B resultam em uma aparência de grande ân- gulo de incidência que não se torna excessivamente vermelha. Em um ângu- lo de incidência de 75°, o valor a* no Projeto B permanece abaixo de 1.

A figura 4B é um gráfico que mostra a variação angular de cor de reflexão lateral do vidro de uma única luz de vidro revestido com baixa emissividade. As leituras angulares de cor são mostradas de 0,0 a 75 graus em incrementos de 5 graus. No ponto de partida de 0,0 grau, ambas as refle- tâncias de cores são aproximadamente iguais e encontram-se na faixa prefe- rencial verde azulada. Em ângulos de incidência maiores que 65 graus, o Projeto A se torna excessivamente vermelho. Junto aos resultados da mode- lagem de pilha de película óptica delgada, este conhecimento pode ser in- corporado a um sistema de inteligência artificial, como um sistema de lógica difusa ou um sistema de rede neural, de tal modo que o processo possa ser automaticamente controlado pelo uso de uma interface software/hardware adequada entre o colorímetro angular (e outros dispositivos de medição) e o equipamento de deposição em que esses parâmetros como os fluxos de po- tência e gás podem ser ajustados de modo a manterem o processo e os pa- râmetros de produto mensuráveis dentro dos limites de aceitação.

No caso de um sistema de rede neural, os dados angulares de cor junto aos outros parâmetros de produto seriam carregados à rede neural junto aos parâmetros de processo associados, de tal modo que a rede neu- ral possa "aprender" as melhores conexões entre as entradas e saídas de rede com a finalidade de controlar o processo. As Figuras 18 e 19 mostram o espectro bruto fora do PR650 e o espectro proporcional (representando a porcentagem de refletância), respectivamente.

A figura 5 é uma ilustração esquemática óptica de outra modali- dade do colorímetro angular da invenção que utiliza uma fonte de luz esten- dida e uma pluralidade de detectores. Na Figura 5, a fonte de luz 501 é es- tendida de tal modo que ela se estenda por baixo de um ângulo substancial (por exemplo, 30 a 80 graus) conforme medido a partir da parte central de rotação do goniômetro. A luz viaja ao longo as trajetórias 502, 503, 504, 505 até a amostra 506 onde ela é especularmente refletida (tanto a partir da su- perfície posterior como a partir da superfície anterior da amostra 506) ao longo de trajetórias 507, 508, 509, 510 até os detectores 511, 512, 513, 514, respectivamente. Nesta modalidade, cada um dos detectores seleciona ape- nas a luz que foi especularmente refletida a partir da amostra 506 e que es- teja dentro da abertura de aceitação do detector. As linhas de sinal 515 en- viam informações a um dispositivo computacional para manipulação do es- pectro a partir de cada detector.

A figura 6 é uma ilustração esquemática óptica de outra modali- dade do colorímetro angular da invenção que utiliza uma pluralidade de fon- tes de luz e uma pluralidade de detectores. Na Figura 6, várias fontes de luz 601, 602, 603 e 604 proporcionam incidência de luz sobre a amostra fixa 609 em ângulos de incidência selecionados. A luz proveniente dessas fontes de luz viaja ao longo de trajetórias 605, 606, 607, 608, respectivamente, até a amostra 609 onde a luz proveniente das fontes individuais é especularmente refletida tanto pela superfície posterior como pela superfície anterior da a- mostra ao longo das trajetórias 610, 611, 612, 613 até os detectores 614, 615, 616 e 607, respectivamente. O sinal 618 envia informações a um dispo- sitivo computacional para manipulação do espectro a partir de cada fotode- tector. As fontes de luz 601 a 604 podem assumir a forma de fontes de inte- gração e difusão conforme descrito em 201 (Figura 2) ou 301 (Figura 3).

A figura 7 é uma ilustração esquemática óptica de outra modali- dade do colorímetro angular da invenção que utiliza uma pluralidade de fi- bras ópticas para conjugar a luz proveniente de uma única fonte de luz em múltiplas posições e conjugar a luz proveniente de múltiplos conjuntos de óptica de coleção a um único detector. Na Figura 7, a luz proveniente de uma única fonte de luz 701 é carregada por várias fibras ópticas (linhas pon- tilhadas) (702 a 707) em seus respectivos dispositivos de colimação ou inte- gração (708 a 713). As fontes de luz 708 a 713 podem assumir a forma de fontes difusoras de integração conforme descrito em 201 (Figura 2) ou 301 (Figura 3) em que o elemento de lâmpada é substituído por um dispositivo de saída de fibra óptica.

A luz proveniente dessas fontes de luz de fibra óptica é especu- larmente refletida tanto pelas superfícies anteriores como pelas superfícies posteriores da amostra 714 ao longo das trajetórias indicadas por linhas con- tínuas. Cada fonte de luz de fibra óptica tem um conjunto de ópticas de cole- ção de fibra óptica equivalente (uma de 715 a 720) em um ângulo igual e oposta ao ângulo normal da amostra 714 que é estacionário durante a medi- ção. As ópticas de coleção transferem a luz através de fibras ópticas (linhas contínuas) (721 a 726) até um detector 727 que tem meios de selecionar seqüencialmente qual saída de fibra particular deve ser analisada pelo anali- sador óptico de múltiplos canais.

A figura 8 é um diagrama de raio óptico de outra modalidade da invenção que mostra o uso de obturadores para detectar seletivamente a luz especularmente refletida a partir da superfície anterior da amostra e, subse- qüentemente, a luz especularmente refletida a partir da superfície posterior da amostra. Na Figura 8, a fonte de luz 801 é colimada pelo sistema óptico 802 de modo a formar um feixe colimado 803 que é refletido a partir da su- perfície anterior 804 e da superfície posterior 805 da amostra 806 com a fi- nalidade de formar feixes colimados especularmente refletidos 807 e 808, respectivamente, que são direcionados ao detector 809. Os feixes colimados 807 e 808 são aceitos pelo fotodetector 809 abrindo-se os obturadores 810 e 811, de forma seqüencial, de modo a permitir a captura separada do espec- tro de reflexão da superfície anterior e posterior. Quando ambos os obtura- dores 810 e 811 forem abertos, o espectro de refletância combinado das reflexões superficiais anterior e posterior a partir da amostra 806 pode ser medido pelo detector 809 conforme é habitual. Nesta modalidade, a abertura 812 pode ser necessária para definir a extensão do feixe colimado incidente e o dispositivo de despolarização 813 pode ser usado para produzir o feixe incidente aleatoriamente polarizado conforme discutido abaixo.

O uso de obturadores é aplicável em outras modalidades da presente invenção. Os obturadores podem ser usados, conforme esquemati- zado em relação à Figura 8, ou podem ser usados à frente de fontes ou de- tectores ou ambos para capturar seqüencialmente o espectro.

Em uma modalidade da presente invenção, as fontes de luz e os detectores têm estabilidade suficiente em relação a um período de medição de modo a proporcionar a precisão de coordenada espectral e colorida ne- cessária. A estabilidade do presente colorímetro angular foi medida realizan- do-se repetidas medições da fonte a partir de poucos minutos após o Iiga- mento até várias horas. Esses resultados mostraram que o colorímetro an- guiar da presente invenção é estável após a fonte de luz ter sido ligada por um período de 20 minutos. A figura 20 mostra a estabilidade das medições L* a* e b* como uma função de tempo após o Iigamento da fonte.

As fontes de luz da presente invenção podem ter radiação es- pectral em todos os comprimentos de onda na faixa de 380 a 780 nm de modo a proporcionar medições precisas de coordenadas de cor de acordo com os padrões CIE. Por este propósito, as lâmpadas de quartzo-tungstênio são adequadas em muitos casos. A classe geral de lâmpadas mais adequa- da é conhecida como lâmpadas de halogênio-quartzo. Essas lâmpadas têm um filamento de tungstênio no interior de um envelope de quartzo que con- tém um halogênio ou mistura de halogênios que mantêm, essencialmente, o envelope de quartzo da escuridão devido à deposição de tungstênio. Uma lâmpada adequada particular para a presente invenção é o Número do Pro- duto: W-FTD, Marca exclusiva, Lâmpada de Halogênio com Flood de 30° FTD MR-11, 20W, 12V com Base GZ4, Vida útil de 2000 horas, temperatura de filamento de 2900K.

Para determinados propósitos, pode ser desejável que a(s) fon- te(s) de luz tenha(m) radiação espectral substancial em um número seleto de regiões de comprimento de onda nas faixas visíveis infravermelhas (IR) ou ultravioletas (UV) do espectro eletromagnético com a finalidade de medir a refletância espectral nessas regiões por propósitos de medição aproxima- da de cor e/ou controle de processo. Essas fontes de luz podem incluir dio- dos emissores de luz (LEDs), lâmpadas de descarga de gás, Iasers de gás, lasers de diodo, lâmpadas instantâneas, lâmpadas infravermelhas, lâmpadas incandescentes, lâmpadas de mercúrio, lâmpadas de sódio entre outras. O(s) fotodetector(es) (por exemplo, item 215 da Figura 2) pode(m), conse- qüentemente, ser sensível(is) a qualquer combinação de regiões de compri- mento de onda no IV, visível e UV.

Um atributo da invenção consiste em garantir que o espectro de refletância a partir de uma amostra possa ser calibrado medindo-se, em pri- meiro lugar, a fonte diretamente. Na modalidade mostrada na figura 3, esta calibração pode ser realizada medindo-se, diretamente a fonte mediante a colocação da mesma em um eixo geométrico óptico do fotodetector e medi- ante a remoção da amostra e do retentor de amostra da trajetória óptica. Nas modalidades mostradas nas Figuras 5, 6, 7 e 8, um espelho superficial anterior com propriedades conhecidas de refletância espectral pode ser usa- do no lugar da amostra com a finalidade de calibrar a fonte ou fontes.

A disposição do goniômetro da Figura 4 pode ser manualmente ajustada em ângulos de incidência desejados com o auxílio de pontos fixos ou pode ser automaticamente escalonada em ângulos de incidência requeri- dos por um controle computacional, como o motor de passo descrito anteri- ormente.

O procedimento de alinhamento verifica que, em todos os ângu- los de incidência, o retículo circular fica situado no interior da área de sobre- posição supramencionada, garantindo, assim, a coleta de dados de refletân- cia igualmente ponderados tanto a partir da superfície anterior como a partir da superfície posterior da amostra conforme descrito na figura 11.

Em uma modalidade da presente invenção, considera-se a influ- ência de efeitos de polarização. A polarização de luz pode ocorrer em dois locais desta invenção. Se essas polarizações não forem tratadas, podem ocorrer erros de medição.

Toda vez que a luz for especularmente refletida a partir de uma superfície em ângulos que não sejam os ângulos de incidência normal nem ângulos de incidência rasantes, a luz se tornará parcialmente ou, em alguns casos, completamente polarizadas. Uma fonte de polarização nesta inven- ção é a reflexão de luz fora da amostra que estiver sendo medida.

A segunda fonte de polarização ocorre quando o feixe refletido a partir da amostra é dividido em comprimentos de onda individuais para me- dições espectrais ou de cor. A propagação de um feixe de comprimento de onda misturado em um espectro é, tipicamente, realizada com uma rede ou prisma de difração. Essas técnicas introduzem a polarização. Se o feixe que alcança a rede ou prisma já foi parcialmente polarizado, podem ocorrer erros de medição.

Em uma modalidade da presente invenção, esses erros de pola- rização são reduzidos garantindo-se que a luz seja aleatoriamente polariza- da em dois locais no aparelho. A luz proveniente da fonte de luz deve ser despolarizada e o feixe entre a amostra e a rede ou prisma deve ser despo- larizado.

A despolarização do feixe de fonte de luz pode ser obtida pelo uso de fontes difusamente refletidas ou por despolarizadores, como o mos- trado, de forma esquemática, como o item 812 na figura 8. Esses despolari- zadores podem consistir em um disco que gira rapidamente de consistência óptica variável usado para embaralhar a polarização de tal modo que o feixe existente seja aleatoriamente polarizado de maneira eficaz. Alternativamen- te, duas cunhas de materiais ópticos adequados (por exemplo, quartzo, cal- cita ou fIuoreto de magnésio) podem ser usadas para formar um despolari- zador Lyot. Um despolarizador Lyot inclui, tipicamente, duas placas paralelas cristalinas planas que são cortadas paralelamente em relação ao eixo geo- métrico óptico. A razão de espessura dos planos no despolarizador Lyot é de exatamente 2:1. Em um despolarizador Lyot típico, os dois planos são opti- camente colocados em contato, os eixos ópticos dos planos individuais formam um ângulo de 45° + 5, e o erro de cunha da combinação é menor que 2".

A despolarização do feixe de luz após ser refletido a partir da amostra e antes de alcançar a rede ou prisma, pode ser realizada pelos mesmos métodos usados para o feixe de fonte de luz. Outra técnica comum, que pode ser usada para despolarização, consiste em passar o feixe através de um guia de luz de fibra óptica. A ocorrência de numerosas reflexões do feixe de luz fora das paredes internas da fibra torna aleatórias as polariza- ções no feixe.

Em certas modalidades da presente invenção, as medições se- qüenciais do espectro de refletância são realizadas com a luz incidente pola- rizada nas direções ρ e s, respectivamente. A polarização ρ em que o vetor elétrico eletromagnético do raio incidente encontra-se no plano que contém a normal à superfície amostrai e o raio incidente. A polarização s em que o vetor elétrico eletromagnético do raio incidente é normal ao plano que con- tém a normal à superfície amostrai e o raio incidente.

A polarização da luz incidente pode ser realizada incluindo-se, por exemplo, várias formas de polarizadores de prisma (por exemplo, pris- mas Glan Taylor) e polarizadores de película que incorporam várias formas de microelementos ópticos opticamente alinhados que incluem cadeias de moléculas, como em películas poliméricas. Dois desses polarizadores poli- méricos estão disponíveis sob o nome comercial POLAROID®.

A figura 9 é um gráfico de luz detectada a partir da amostra co- mo uma função do ângulo medido pelo colorímetro angular da presente in- venção e exibido de acordo com uma coordenada de cores. De forma mais específica, a Figura 9 mostra um resultado exemplar de uma medição de uma superfície de vidro revestida onde o parâmetro Lab L* é representado graficamente contra o ângulo de incidência. O presente colorímetro angular foi comparado em 8,5 graus aos resultados de um instrumento Gardner BYK® baseado em uma esfera de integração e encontrado em concordância razoável pela faixa de valores de cor que representam os revestimentos "em espectro".

A figura 10 é um gráfico de luz detectada recebida a partir do lado revestido da amostra como uma função de coordenadas de cores. De forma mais específica, a Figura 10 mostra um resultado exemplar de uma medição de uma superfície de vidro revestida onde os parâmetros Lab a* e b* são representados graficamente um contra o outro à medida que o ângulo de incidência varia de 8,5 graus até 15, 25, 35, 45, 55, 65 e 75 graus. Os parâmetros a* e b* são consistentes com os estabelecidos pela Commission Internationale de I'Eclairage e discutidos na Patente U.S. N2 6.985.254; to- dos os conteúdos da mesma estão aqui incorporados a título de referência. Neste sistema, o espaço CIE L*a*b*, é um espaço de cor de tristímulo com as coordenadas L*, a* e b*. O eixo geométrico vertical central (L*) representa clareza, com valores de O (preto) a 100 (branco). Os dois eixos de cores va- riam de positivo a negativo. No eixo geométrico a-a' (a*), os valores positivos indicam quantidades de vermelho enquanto valores negativos indicam quan- tidades de verde. No eixo geométrico b-b' (b*), amarelo é positivo, e azul é negativo. Tanto para o eixo geométrico a-a' como para o eixo geométrico b- b', zero é cinza neutro. Uma única cor específica pode ser exclusivamente identificada por um valor de cada eixo geométrico de cor, e um valor para o eixo geométrico de clareza ou graduação da cor cinza. O espaço CIE L*a*b* independe de dispositivos. Na prática, este sistema utiliza os cálculos numé- ricos a seguir

<formula>formula see original document page 23</formula>

onde S(λ) é a distribuição espectral de iluminação, R(A) é a refletância espectral do objeto, e

x(λ), y(λ), z(λ):

são funções de combinação de cores.

O sistema colorimétrico CIELAB é definido por: <formula>formula see original document page 24</formula>

f(Y/Yn) e f (Ζ/Ζη) são calculados de maneira análoga. A figura 11 é uma ilustração esquemática óptica de imagens pro- jetadas respectivas de luz especularmente refletida a partir de um lado re- vestido anterior e um lado posterior sobre um plano de imagem de um detec- tor. De forma mais específica, a Figura 11 mostra uma representação da vis- ta observada através do detector fotodispositivo PR650 SPECTRASCAN® onde o círculo preenchido de preto 1101 representa o retículo circular da unidade SPECTRASCAN® e coincide com a área de coleta de luz do fotode- tector. Os círculos contínuos e pontilhados representam a sobreposição das duas imagens 1102 e 1103 a partir das superfícies anteriores e posteriores da amostra de vidro revestida, respectivamente.

A figura 12 é uma ilustração esquemática de outra modalidade do colorímetro angular da invenção que utiliza uma única fonte de luz e uma seção de um espelho hemisférico ou refletor difuso com a finalidade de pro- jetar luz sobre uma amostra. Na Figura 12, mostra-se uma fonte de luz es- tendida similar ao item 501 na figura 5. Na Figura 12, a fonte estendida 1201 é um espelho curvo ou um refletor branco difuso curvo. Em ambos os casos, a luz proveniente da fonte de luz 1202 viaja ao longo das trajetórias 1203, 1204, 1205, 1206 e retorna a partir do dispositivo curvo 1201 ao longo das trajetórias 1207, 1208, 1209, 1210 até a amostra 1211 conforme a necessi- dade. A fonte de luz 1202 pode ser de muitos tipos diferentes incluindo lâm- pada de tungstênio, uma lâmpada de halogênio-tungstênio, uma lâmpada de miniarco ou uma lâmpada instantânea. A fonte de luz 1202 e a amostra 1211 são representadas estando com planos ligeiramente dentro ou fora do plano do diagrama, de tal modo que a fonte de luz 1202 e a amostra 1211 não precisem ocupar o mesmo espaço físico para que a disposição óptica fun- cione corretamente. A figura 12 é uma vista ligeiramente oblíqua da disposi- ção física.

A figura 13 é um diagrama de raio óptico de acordo com uma modalidade do colorímetro angular da presente invenção que descreve múl- tiplas reflexões especulares internas a partir de uma placa amostrai. De for- ma mais específica, a Figura 13 ilustra as múltiplas reflexões internas devido a um único raio de luz entrante 1301 de intensidade "I" incidente em um ân- gulo θ (1302) em relação à superfície anterior 1303 de um objeto 1304 que tem uma superfície posterior 1305 e a espessura "p" (1306). O primeiro raio transmitido 1307 é retratado em um ângulo φ (1308) em relação à superfície normal 1309. O raio primário refletido é 1313 que será designado por Ri. As reflexões internas produzem raios secundários refletidos 1314, 1315, 1316, etc. de magnitude sempre decrescente conforme mostrado na figura 13. Es- sas reflexões são aqui designadas por propósitos de ilustração como R2, R3 e R4 respectivamente. Além disso, a refletância da primeira superfície exter- na é designada como Re, a transmitância da primeira superfície externa ou interna do raio incidente é designado como T, a refletância interna da super- fície anterior é designada como Rf1 a refletância interna da superfície poste- rior é designada como Rb, a transmitância interna do substrato é designada como Ts. Conseqüentemente, R1 = I Re

R2 = I T2 Rb (Ts)2

R3 = I T2 (Rb)2 ( R,) (Ts)4

R4 = I T2 (Rb)3 (R,)2 (Ts)6

Assumindo-se que I = 1 e valores razoáveis de

Re = 4%, T = 96%, Rb =20%, Rf =4% e Ts = 99,6%,

R1 = 1 * 0,04 = 0,04 = 4%

R2 = 1 * (0,96)2 * 0,20 * (0,996)2 = 0,183 = 18,3%

R3 = 1* (0,96)2 * (0,20)2 * (0,04) * (0,996)4 = 0,00145 = 0,145% R4 = 1 * (0,96)2* (0,20)3 * (0,04)2 * (0,996)6 = 0,0000115 = 0,0012%

Portanto, a terceira reflexão R3 tem uma intensidade que é 0,65% da combinação incoerente das primeiras duas reflexões Ri e R2. Para revestimentos energeticamente eficientes da indústria de vidro arquitetônico, o erro nas coordenadas de cor não é maior que 0,1 e, portanto, é desprezí- vel para todos os propósitos práticos.

Portanto, a quarta reflexão R4 tem uma intensidade que é 0,005% da combinação incoerente das primeiras três reflexões Rii R2 e R3, e, portanto, é totalmente desprezível para os propósitos práticos.

A figura 13 também é ilustrativa de um aspecto da presente in- venção. Este aspecto é que, se a fonte for um feixe colimado de diâmetro "w", as ópticas recebidas devem ter uma abertura grande o suficiente para capturar tanto o primeiro raio refletido 1313 como o segundo raio refletido 1314 que é um resultado do raio 1307 que se submete a uma reflexão inter- na de superfície posterior.

Para calcular a separação "s" (1312) entre a primeira e a segun- da reflexão 1313 e 1314, assuma que:

"a" seja o comprimento de raio 1307 no interior do objeto

"n" seja o índice refrativo do objeto

"p" (1306) seja a espessura do objeto

"Θ" (1302) seja o ângulo de incidência

"φ" (1308) seja o ângulo de refração

Logo:

n = sen θ/sen φ

logo

φ = asen ((sen θ)/n)

a partir do qual

s = 2a tan φ cos θ

Por exemplo, se n = 1,53 para vidro sódico e a espessura "p" do objeto de vidro for 15 mm, a distância de separação perpendicular "s" entre as primeira e segunda reflexões tem um valor máximo de 11,15 mm em um ângulo de incidência de 50 graus. Portanto, a abertura de coleta para um detector deve ter uma dimensão pelo menos igual à distância de separação "s" mais a largura do feixe "w"(item 108 da Figura 1) no plano de incidência que inclui o raio incidente e a normal à superfície anterior do objeto.

A largura mínima do feixe é determinada pela eficácia de coleta do fotodetector, por suas propriedades de ruído e pela irradiação da fonte. Uma modalidade da invenção utiliza uma lâmpada de halogênio-tugstênio de watts (conforme descrito anteriormente) e uma largura de feixe de 7 mm. Portanto, a abertura de coleta teria, para este exemplo, ao menos uma di- 10 mensão maior que 18 mm para coletar tanto o primeiro como o segundo raio refletido 1313 e 1314, respectivamente, e seus feixes correspondentes de largura "w". De fato, a abertura de coleta deveria ser consideravelmente maior que 18 mm (por exemplo, cerca de 25 mm) de modo a permitir míni- mos desalinhamentos no interior do aparelho e a montagem da amostra no retentor de amostra. Além disso, as ópticas de coleta são, de preferência, uniformes em sua eficiência ao longo de toda a abertura de modo a evitar a introdução de erros inaceitáveis na medição das propriedades ópticas, como a refletância total e coordenadas de cores. A uniformidade do presente colo- rímetro angular da presente invenção foi verificada de maneira autoconsis- tente e aparentou ser uniforme para a área de fonte de iluminação utilizada.

Com a finalidade de evitar ópticas sofisticadas relativamente grandes, uma modalidade da invenção conforme ilustrado na figura 2 pode ser considerada como uma trajetória óptica reversa da Figura 13. Na Figura 13, imagine que, utilizando-se o princípio de reversibilidade em óptica, todas as trajetórias têm suas setas revertidas de tal modo que 1301 seja, agora, um raio de saída a um fotodetector e os raios 1313, 1314, 1315 etc sejam raios de entrada provenientes de uma fonte estendida que é consideravel- mente mais fácil de fabricar do que um detector uniforme grande.

A figura 14 é um diagrama de raio óptico de acordo com uma modalidade do colorímetro angular da presente invenção que descreve múl- tiplas reflexões especulares internas a partir de uma placa amostrai e mostra as que passam por um detector (conforme denominado imediatamente aci- ma). No presente documento, nesta ilustração, uma fonte estendida 1401 proporciona luz ao longo das trajetórias 1402, 1403, 1404 que são incidentes em ângulos iguais em relação à superfície anterior 1405 do objeto 1406 que tem uma superfície posterior 1407. Os raios 1402 são refletidos na superfície anterior 1405 ao longo das trajetórias 1408 em direção ao detector (não mostrado).

Os raios 1403 toleram uma reflexão superficial posterior e viajam ao longo das trajetórias 1409 ao fotodetector. Os raios 1404 toleram uma reflexão superficial posterior e uma reflexão superficial anterior à medida que eles viajam ao longo das trajetórias 1410, 1411, 1412 e 1413 ao detector. Uma fonte com uma dimensão ao menos "s" + "w" carrega uma abertura de dimensão "w" onde todas as dimensões são medidas no plano de incidência e reflexão.

Portanto, para um detector de dimensão de abertura de aceita- ção "w" = 7 mm, a presente invenção em uma modalidade utiliza uma fonte uniforme de dimensão s + w = 18 mm para um objeto de vidro de espessura 15 mm em um ângulo de incidência de 50 graus. A fonte 202 atua como uma esfera de integração que produz uniformidade ao longo da área de visualiza- ção de 1401 conforme descrito em 202 na figura 2 onde 1401 substitui o e- lemento 203. Com a finalidade de lidar com desalinhamentos de, diga-se, +/- 3,5 mm, a presente invenção em uma modalidade utiliza uma fonte uniforme de dimensão 25 mm. Essas considerações encontram-se em vigor especi- almente para as modalidades representadas pelas Figuras 5, 6 e 7, onde os detectores fixos em uma pluralidade de posições são visualizados.

A figura 15 é um gráfico da dependência da distância de separa- ção s entre um primeiro e um segundo feixe de luz especularmente refletida na espessura da amostra (p) e no ângulo de incidência da luz incidente e refletida. De forma mais específica, a Figura 15 mostra um gráfico da distân- cia de separação "s" como uma função do ângulo de incidência e da espes- sura do vidro para um objeto de vidro com índice refrativo de 1,53. O gráfico variará de acordo com o índice refrativo do vidro. A distância máxima de se- paração "s" pode ser determinada a partir dos dados apresentados na figura 15 para qualquer espessura de amostra. Isso permite que o projeto da fonte, de tal modo que sua dimensão uniforme no plano de incidência satisfaça a exigência de ser maior que "s" + "w' conforme discutido anteriormente.

A figura 16 é uma ilustração esquemática óptica de outra moda- Iidade do colorímetro angular da invenção que utiliza um braço pantográfico configurado para um movimento angular simultâneo de uma única fonte e detector. De forma mais específica, a Figura 16 mostra um meio alternativo de realizar o movimento angular simultâneo necessário de uma única fonte e detector, de tal modo que o detector sempre capture a luz especularmente refletida a partir de uma amostra à medida que o ângulo de incidência da luz sobre a amostra varia.

Conforme mostrado na figura 16, a disposição pantográfica inclui um braço fixo 1601 e um braço móvel 1602. O braço fixo é preso a uma bancada e sustenta uma fonte de luz 1603 em uma extremidade. A fonte é um refletor uniforme, como o produzido por uma cavidade esférica multirre- fletora. A outra extremidade do braço fixo sustenta uma haste de mancai vertical 1604. O braço móvel é livre para girar ao redor desta haste de man- cai vertical. A outra extremidade do braço móvel 1602 sustenta um detector 1605 que é direcionado na superfície da amostra 1606. Um retentor de a- mostra 1607 é montado sobre a haste de mancai vertical e é livre para girar.

Dois braços pantográficos 1608 e 1609 são conectados aos mancais nos braços e também entre si em um mancai conectado ao bloco de pivô 1610. Uma haste de guia angular 1611 passa através do bloco de pivô e é firmemente fixada ao suporte do retentor de amostra 1612. Esta haste controla a orientação do retentor de amostra. Quando o braço móvel 1602 for girado ao redor do mancai vertical 1604, a disposição pantográfica faz com que o deslocamento angular do retentor de amostra 1607 seja exa- tamente a metade até o braço móvel. A imagem refletida da fonte é, portan- to, sempre visível através do telescópio detector 1605 à medida que o ângu- Io de refletância varia.

Na operação do dispositivo pantográfico, os braços são ajusta- dos em 180 graus separadamente e a amostra é removida da trajetória entre o detector e a fonte. Esta configuração é usada para alinhar opticamente o instrumento. O detector é ajustado para que fique alinhado à haste de man- cai vertical e horizontalmente em nível. A fonte é ajustada para que fique centrada no campo de visão do detector. A fonte é medida de modo a esta- belecer o valor de refletância de 100%.

Uma vez que a amostra esteja no lugar e o braço móvel esteja em valores entre 160 e 15 graus, a amostra é ajustada de tal modo que a superfície de reflexão anterior seja alinhada ao centro de rotação da haste de mancai vertical, e a vista refletida da fonte seja visível no centro do cam- po de visão do fotodetector. A amostra pode, agora, ser medida por refletân- cia em qualquer ângulo entre cerca de 160 a cerca de 15 graus, (ângulo in- cluso). O ângulo de incidência é metade do ângulo incluso para todos os valores do ângulo incluso.

Além da avaliação do vidro arquitetônico, o presente colorímetro angular tem aplicação em outros campos, como, por exemplo, na análise de pigmentos de desvio de cor, vidro padronizado (portas do chuveiro, vidro de privacidade etc), revestimentos anti-refletores, superfícies texturizadas, su- perfícies difusas (opostas às especulares), e películas ativas (como, eletro- químicas, fotocrômicas ou SPD (dispositivo de partículas suspensas)), tinta, esmalte, vernizes, fitas, películas, artigos impressos, metais, cerâmicas, lí- quidos, tecidos, cabelos, materiais de construção, pele, alimentos, etc.

Muito embora uma série de exemplos anteriores possa envolver uma quantidade significativa de refletância difusa (de modo que a refletância difusa seja uma mistura de refletância especular e difusa), o presente colo- rímetro angular é, no entanto, útil em situações em que as refletâncias ou sua razão são conhecidas ou conhecidas por serem constantes.

Conseqüentemente, conforme ilustrado nos diversos exemplos acima, a presente invenção proporciona um método para medir as proprie- dades de refletância de um objeto dotado de uma superfície de reflexão an- terior e ao menos uma superfície de reflexão posterior. A figura 17 é um flu- xograma que descreve um método geral de acordo com a presente inven- ção. Em 1702, um objeto é iluminado em ângulos de incidência variáveis. Em 1704, a luz refletida a partir das superfícies de reflexão anteriores e pos- teriores do objeto é coletada (por exemplo, por ópticas detectoras que focali- zam a luz refletida) em ângulos especularmente refletidos respectivos. Em 1706, a luz refletida é separada por comprimento de onda em um espectro de cor. Em 1708, uma intensidade do espectro de cor como uma função de comprimento de onda é analisada.

Em 1702, o objeto pode ser iluminado a partir de uma fonte de luz de superfície refletora difusa, como, por exemplo, a fonte de luz 202 na figura 2 ou a fonte de luz 1603 na figura 16. Conforme notado anteriormente, em uma modalidade da presente invenção, uma lâmpada de halogênio- tungstênio pode ser usada junto a um difusor de sulfato de bário. Em 1702, a iluminação pode ocorrer a partir de uma fonte de luz angular estendida que emite luz sobre o objeto por uma faixa de ângulos de incidência (por exem- plo, ao menos 45 graus em relação à normal ao objeto ou, de preferência, até pelo menos 75 graus).

Além disso, a iluminação proveniente da fonte de luz pode pas- sar através de um dispositivo de difusão que difunde (ou polariza aleatoria- mente) a luz proveniente da fonte de luz, ou através de um dispositivo de despolarização que polariza aleatoriamente a luz proveniente da fonte de luz, ou através de ambos. Ademais, os polarizadores podem ser colocados em uma trajetória óptica entre a fonte e o detector de modo a permitir a me- dição separada da refletância especular total das superfícies de reflexão an- teriores e posteriores de um objeto tanto em um plano de polarização no plano de incidência como em um plano de polarização normal ao plano de incidência. Além disso, a iluminação pode ocorrer a partir de uma fonte de luz estendida de modo a proporcionar uma fonte difusa estendida optica- mente curva ou a partir de um dispositivo difuso ou especularmente refletor a partir de uma única lâmpada.

Em 1704, as reflexões especulares provenientes do objeto po- dem ser direcionadas a um detector, que permanece em uma posição fixa, à medida que uma posição angular do objeto em relação ao detector ou à fon- te de luz varia. Por exemplo, o dispositivo goniômetro na figura 4 pode ser usado em um estágio amostrai e a fonte de luz girando sobre os braços 401 e 406, ou o dispositivo pantográfico descrito na figura 16 pode ser usado no braço 1602 que permanece estacionário. Em 1704, o detector pode perma- necer fixo enquanto a fonte de luz se move no dobro da taxa angular em re- lação ao objeto. Alternativamente, a fonte de luz pode permanecer fixa en- quanto o detector se move no dobro da taxa angular em relação ao objeto. Por exemplo, o dispositivo goniômetro descrito na figura 4 pode ser usado com um estágio amostrai e o detector girando sobre os braços 401 e 406, ou o dispositivo pantográfico descrito na figura 16 pode ser usado no braço 1601 que permanece estacionário. Em 1704, a luz coletada pode ser prove- niente de uma superfície de reflexão anterior e uma superfície de reflexão posterior do objeto que sejam separadas por uma distância de ao menos um milímetro.

Além disso, em 1704, os obturadores podem ser usados para permitir uma medição separada da refletância especular das reflexões su- perficiais posteriores e anteriores do objeto. Além disso, a luz coletada pode ser proveniente de uma unidade de vidro isolante (IGU) ou molde da mesma ou a partir de artigos descritos anteriormente (isto é, pigmentos de desvio de cor, vidro padronizado, revestimentos anti-refletores, superfícies texturiza- das, superfícies difusas, e películas ativas, tinta, esmalte, vernizes, fitas, pe- lículas, artigos impressos, metais, cerâmicas, líquidos, tecidos, cabelos, ma- teriais de construção, pele, alimentos, etc.

Em 1706, a resolução de comprimento de onda pode ocorrer utilizando-se um fotodetector espectral. Além disso, a análise em 1708 pode proporcionar uma medição espectral da luz refletida proveniente do objeto.

Em 1708, a análise pode ser baseada em sinais provenientes de uma pluralidade de detectores dispostos em uma pluralidade de ângulos em relação ao objeto. Por exemplo, a fonte de luz pode ser uma pluralidade de fontes de luz disposta em uma pluralidade de ângulos em relação ao objeto (consulte, por exemplo, as Figuras 6 e 7). Além disso, em 1708, em uma modalidade da presente invenção, proporcionam-se os sinais provenientes de um dispositivo de saída, por exemplo, de um detector onde são indicati- vos de intensidades de cores da luz refletida.

As intensidades de cores podem ser usadas para classificar a luz refletida, por exemplo, utilizando-se o diagrama de cromaticidade CIE. O sistema CIE caracteriza as cores por um parâmetro de iluminação Y e duas coordenadas de cores χ e y (ou a* e b*) que especificam o ponto no diagra- ma de cromaticidade. O sistema CIE utiliza parâmetros que são baseados na distribuição de potência espectral (SPD) da luz que são fatorados por curvas de sensibilidade que foram medidas a olho nu. De acordo com o pa- drão CIE e baseado no fato de que o olho humano tem tipos diferentes de cones sensitivos de cor, a resposta do olho é mais bem descrita em termos de três "valores de tristímulo". No entanto, uma vez realizado, descobre-se que qualquer cor pode ser expressa em termos das duas coordenadas de cores χ e y. As cores que podem ser correlacionadas combinando-se um conjunto dados de três cores primárias (como azul, verde e vermelho) são representadas no diagrama de cromaticidade por um triângulo que une as coordenadas para as três cores.

Portanto, as quantificações como as mostradas na figura 10 são realizadas em uma modalidade da presente invenção com a finalidade de remover uma medição subjetiva da cor visível de um objeto. Além disso, conforme detalhada anteriormente, os dados angulares de cor acumulados podem ser usados por controle de processo configurado para controlar um processo de revestimento em tempo real. Conseqüentemente, o controle de processo de um vidro (ou outro processo de fabricação do objeto) pode in- cluir inteligência artificial que opera nos dados angulares de cor. A figura 21 é uma ilustração esquemática de um sistema de controle online de acordo com uma modalidade da presente invenção. Conforme mostrado na figura 21, dois (embora possam ser utilizados mais) colorímetros angulares da pre- sente invenção são usados em vários estágios (por exemplo, zonas de re- vestimento 1 e 2) de uma indústria de fabricação de vidro. Em uma modali- dade da presente invenção, apenas um colorímetro angular pode ser usado para o controle de processo em um loop de retroalimentação em uma única estação de revestimento, de tal modo que os revestimentos futuros sejam ajustados com base no resultado do presente revestimento. Um dispositivo computacional controla os estágios e aceita os dados provenientes de colo- rímetros angulares com a finalidade de ajustar as condições de revestimento (conforme discutido anteriormente). Tal processo não apenas proporciona um controle, mas elimina as determinações subjetivas tal para se as condi- ções de revestimentos estão de acordo com o padrão.

Além disso, em um aspecto da presente invenção (usado, por exemplo, para calibração), o objeto pode ser removido de uma trajetória óp- tica a partir do detector até a fonte de luz, de tal modo que um espectro de referência da luz branca possa ser medido. Conseqüentemente, em 1708, um dispositivo computacional pode ser usado para medir a proporção de um sinal correspondente ao sinal refletido a partir do objeto a um sinal de refe- rência correspondente à luz direta a partir da fonte de modo a proporcionar uma refletância especular total radiométrica do objeto. Além disso, em 1708, os dados provenientes do detector podem ser usados por um dispositivo computacional com a finalidade de produzir (a partir de posições angulares e a partir de resolução de comprimento de onda da luz refletida) dados angula- res de cor. Em uma modalidade da presente invenção, o dispositivo compu- tacional pode proporcionar os dados angulares de cor para, por exemplo, um controlador de processo controlar a fabricação de vidro ou processo de re- vestimento de vidro. Conforme notado anteriormente, o controlador de pro- cesso pode incluir algoritmos de inteligência artificial que operam nos dados angulares de cor de modo a proporcionar instruções à fabricação de vidro ou processo de revestimento de vidro.

Diversas modificações e variações na presente invenção são possíveis tendo em vista os ensinamentos anteriores. Deve-se compreender, portanto, que no escopo das reivindicações em anexo, a invenção pode ser praticada de outra forma diferente da descrita especificamente no presente documento.

Claims (28)

1. Aparelho para medição de propriedades de refletância de um objeto dotado de uma superfície de reflexão anterior de uma superfície de reflexão posterior, que compreende: um estágio amostrai para colocação do objeto; uma fonte de luz; um detector configurado para detectar a luz refletida proveniente do objeto; e um dispositivo de posicionamento configurado para proporcionar uma pluralidade de posições angulares à fonte de luz e ao detector relativo ao objeto no estágio amostrai de tal modo que a luz incidente sobre o objeto seja refletida, de maneira especular, em direção ao detector e a luz refletida no detector inclua reflexão superficial anterior a partir do objeto e ao menos uma reflexão superficial posterior a partir do objeto.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, que compreende, ainda, um dispositivo de saída configurado de modo a proporcionar sinais a partir do detector indicativos de intensidades espectrais da luz refletida.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, onde o dispositivo de posicionamento compreende: um goniômetro configurado para posicionar o estágio amostrai, o detector e a fonte de luz um em relação ao outro, de tal modo que as refle- xões especulares a partir do objeto direcionado ao detector permaneçam em um ângulo fixo ao detector à medida que uma posição angular do objeto em relação ao menos o detector ou à fonte de luz é variada.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, onde a fonte de luz compreende ao menos uma das fontes de luz superficiais de reflexão difusa, fontes de luz branca, diodos emissores de luz, lâmpadas de descarga gasosa, Iasers gasosos, Iasers de diodo, lâmpadas instantâneas, lâmpadas infraverme- lhas, lâmpadas incandescentes, lâmpadas de mercúrio e lâmpadas de sódio.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, onde o dispositivo de posicionamento é configurado de modo a deslocar o estágio amostrai de uma trajetória óptica entre o detector e a fonte de luz de modo a permitir a medição espectral da fonte de luz.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, onde o detector compreende um fotodetector espectral configurado para separar por com- primento de onda a luz refletida do objeto.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, onde o detector é configurado de modo a ter um ângulo de aceitação que receba como a luz refletida, a luz especularmente refletida a partir do objeto.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, onde: a superfície de reflexão anterior e a superfície de reflexão poste- rior do objeto são separadas por uma distância de ao menos um milímetro, e a fonte de luz tem irradiação substancialmente uniforme por um diâmetro de modo a permitir a coleta de múltiplas reflexões superficiais a partir do objeto no detector.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, onde a fonte de luz compreende uma fonte de luz angular estendida configurada de modo a emitir luz sobre o objeto por uma faixa estendida de ângulos incidentes.

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, onde a faixa es- tendida é de ao menos 45 graus em relação perpendicular ao objeto.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, onde o detector compreende uma pluralidade de detectores disposta em uma pluralidade de ângulos relativos ao objeto.

12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, onde a fonte de Liz compreende uma pluralidade de fontes de luz disposta em uma plurali- dade de ângulos ao objeto.

13. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, que compreen- de, ainda: um dispositivo difusor disposto entre a fonte de luz e o estágio amostrai, sendo que o dispositivo difusor é configurado para difundir e alea- toriamente polarizar luz proveniente da fonte de luz.

14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, que compreen- de, ainda: um dispositivo de despolarização disposto entre a fonte de luz e o estágio amostrai, sendo que o dito dispositivo de despolarização é configu- rado para polarizar aleatoriamente a luz proveniente da fonte de luz.

15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, que compreen- de, ainda: dois dispositivos de despolarização; um disposto entre a fonte de luz e o estágio amostrai, sendo que um dos dispositivos de despolarização é configurado para polarizar aleatoriamente e luz proveniente da fonte de luz e o outro disposto entre a amostra e antes que a luz refletida seja propagada em um espectro de comprimento de onda.

16. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, que compreen- de, ainda: ao menos um obturador disposto entre o detector e o estágio amostrai, e configurado de modo a permitir medições separadas para as respectivas refletâncias especulares a partir das superfícies posteriores e anteriores do objeto.

17. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, que compreen- de, ainda: ao menos um polarizador disposto em uma trajetória óptica entre a fonte de luz e o detector, sendo que o dito polarizador é configurado de modo a permitir medições separadas da refletância especular total das su- perfícies de reflexão anteriores e posteriores do objeto tanto em um plano de polarização no plano de incidência como em um plano de polarização normal ao plano de incidência.

18. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, onde a fonte de luz compreende: uma fonte de luz estendida configurada de modo a proporcionar um dispositivo de reflexão especular ou opticamente difuso curvo estendido a partir de uma única lâmpada.

19. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, onde o dispositi- vo de posicionamento compreende: um goniômetro dotado de uma pista de esferas configurada para mover a fonte de luz, o objeto amostrai e o detector fixado ao goniômetro de tal modo que luz proveniente da fonte especularmente refletida a partir do objeto amostrai seja constantemente direcionada ao detector à medida que um ângulo entre um primeiro eixo geométrico óptico da fonte de luz e um segundo eixo geométrico óptico do detector varia.

20. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, onde o detector é configurado para coletar a luz refletida proveniente de todas as superfícies de uma unidade vítrea isolada ou molde da mesma.

21. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, que compreen- de, ainda: um dispositivo computacional configurado para computar uma razão de um sinal correspondente à luz refletida a partir do objeto até um sinal de referência correspondente à luz direta a partir da fonte até o detector de modo a proporcionar uma refletância especular total radiométrica do objeto.

22. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, que compreen- de, ainda: um dispositivo computacional configurado para computar uma razão de um sinal correspondente à luz refletida a partir do objeto até um sinal de referência correspondente à luz refletida a partir de uma superfície de referência de refletância espectral conhecida com a finalidade de propor- cionar uma refletância especular total radiométrica do objeto.

23. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, que compreen- de, ainda: um dispositivo computacional configurado para receber dados a partir do detector e calcular ao menos uma que depende da refletância es- pectral dependente do ângulo e dados de cor angular a partir das posições angulares e a partir da resolução de comprimento de onda da luz refletida.

24. Aparelho, de acordo com a reivindicação 23, onde o disposi- tivo computacional é configurado para proporcionar ao menos uma refletân- cia espectral dependente do ângulo ou os dados de cor angular a um contro- lador de processo para o controle de um processo de fabricação de vidro.

25. Aparelho, de acordo com a reivindicação 24, onde o controla- dor de processo inclui algoritmos de inteligência artificial que operam ao menos na refletância espectral dependente do ângulo ou nos dados de cor angular de modo a proporcionar instruções ao processo de fabricação de vidro.

26. Aparelho para medição de propriedades de refletância de um objeto, que compreende: um estágio amostrai para a colocação do objeto uma fonte de luz um detector configurado para detectar a luz refletida a partir do objeto; e um dispositivo de posicionamento configurado para ao menos girar a fonte de luz pelo dobro da taxa angular como o estágio amostrai, en- quanto o detector permanece fixo ou girar o detector pelo dobro da taxa an- gular como o estágio amostrai, enquanto a fonte de luz permanece fixa.

27. Aparelho para medição das propriedades de refletância de um objeto, que compreende: um estágio amostrai para a colocação do objeto uma fonte de luz um detector configurado para detectar a luz refletida a partir do objeto; e um dispositivo de posicionamento configurado para variar o ân- guio de incidência da luz a partir da fonte de luz sobre o objeto e garantir que a luz especularmente refletida a partir do objeto seja sempre direcionada ao detector à medida que o ângulo de incidência varia.

28. Método para medição das propriedades de refletância de um objeto dotado de uma superfície de reflexão anterior e ao menos uma super- fície de reflexão posterior, que compreende: iluminar o objeto em ângulos variáveis de incidência; coletar a luz refletida a partir das superfícies de reflexão anteriores e posteriores do objeto em ângulos especularmente refletidos respectivos; separar por comprimento de onda a luz refletida em um espectro de cores; e analisar uma intensidade do espectro de cores como uma fun- ção de comprimento de onda.