CN101100520A - 可透红外光的黑色塑料制品的制作方法和应用 - Google Patents

可透红外光的黑色塑料制品的制作方法和应用 Download PDF

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Abstract

将透明有色色料混合组成一种黑色色料,再将此黑色色料掺入透明无色树脂混合制成的一种黑色塑料制品,特别是在光谱上具有吸收可见光而通过红外光的功能,使具有红外波段感应的CCD摄影机,在足够的红外光下可以穿过此黑色塑料制品,对远程的物体摄影取像。

Description

可透红外光的黑色塑料制品的制作方法和应用
技术领域
本发明涉及一种可以吸收可见光透过红外光的塑料,特别是涉及一种利用透明有色色料掺入无色透明树脂混合制成的黑色塑料的方法与其红外摄影的应用。
背景技术
一般黑色塑料制品(板材)的制造方法,主要是以不透明塑料为载体掺入无机黑色颜料后加工制造完成,无机黑色颜料大都是以颗粒较大的碳黑(Carbonblack)为主。
碳黑与其它颜料不同,黑色颜料的分类不是按照化学成分或化学结构来划分。另一面,所采用的特定的生产工艺对颜料性能有较大影响,因此很自然及通常地把生产工艺作为黑色颜料分类的重要标准。
黑色颜料因为吸收可见光,所以呈现黑色。
碳黑粒子不仅以原生粒子形式存在,而且在生产过程中常熔结成聚合体。这里聚合体结构的吸引力很大,造成分散过程困难,致使光线通过受阻。
碳黑的颗粒粒径愈细,所聚合的比表面积大,吸收的光更多,感觉上更黑些;而粗一点的碳黑反射光多,使观察者感觉比较不黑。以碳黑作着色时,黑度主要基于对光的吸收,由于这一切发生在碳黑粒子内部,因此对于特定浓度的碳黑,碳黑越细小,则光吸收程度越高。
现在一般碳黑大约为100nm的原生粒子粒径仍比可见光约400nm的波长还小的多。
碳黑着色以后的反射率介于0.04~0.8%之间,而只有大约4%的小部分反射光会通过空气和塑料的光滑接口。从产品加工过程得知,不同的黑色颜料,其表面的化学性能是不同的。
一般黑色塑料制品,因为使用颗粒大的碳黑,由于碳黑粒子内部的散射作用以及由碳黑表面具有的官能基团中的-C-OH-在红外波段约800nm~1000nm之间有红外吸收光谱,同时,一般黑色塑料制品,也因为使用了不透明塑料作为载体,所产生的散射让红外光无法顺利透过。所以,一般黑色塑料制品,吸收了大部份的可见光而呈现黑色。
因为粗颗粒碳黑对红外的散射与部份的红外吸收,使得红外光无法透射。
如果采用细颗粒碳黑,虽然大大降低对红外的散射与部份的红外吸收,但是又由于不透明塑料对红外引起很大的散射现象。所以,还是无法透红外光。
例如,市售的一种微细碳黑颜料色粉,与塑料混合制成的薄型制品稍可透光,故此微细碳黑颜料色粉也叫“透明黑”色粉。在应用市场上,大都使用于家用电器产品的“红外遥控器”。因为它稍可透光(可见光),所以也可以透红外光。这种透红外仅是让红外脉冲信号透过,但是不能让红外影像透过。即使可以让红外影像透过,也只是得到模糊的影像,无法达到穿透摄影的目的与功能。
发明内容
本发明目的是解决先前技术黑色塑料制品存在不能透红外摄影的问题。
本发明所采取的技术方案有:
(一)制造一黑色色料:
利用光学现象将两种以上透明的有色色(染)料,例如:青色(Cyan)、洋红(Magenta)、与黄色(Yellow)等三原色色料依适当的比例成份混合。
(二)制造一黑色塑料制品:
将黑色色料掺入可兼容性的透明树脂,形成一种黑色复合材料。再利用透明树脂的可塑性,将此种黑色复合材料塑造制成一个大小不同具有各种形状的黑色塑料制品。
(三)制作一可匹配应用的摄影机:
将一具有红外波段感应CCD摄影机的影像传感器前的红外截止滤光片移除。或在影像传感器前,安置一以自由移动一红外通过滤光片与一红外特定截止滤光片的装置,使穿透黑色塑料制品进行摄影时,可以避免可见光与红外、红外与红外等的重迭影像的发生。
其主要的特征就是:
(一)黑色色料,呈现黑色的现象,但可让红外光顺利通过。
此黑色色料可吸收包含蓝色(B)、红(R)、与绿色(G)在内的可见光光谱,但对可见光光谱外围的红外光谱则不吸收(可透过)。
(二)黑色塑料制品,是将黑色色料掺入可兼容性的透明树脂,塑制成一表面光滑的黑色塑料制品。
黑色塑料制品中,透明树脂的透明,必须具有高度的透明度。主要的目的是可让红外光可以顺利透过,用以供红外摄影取像。
黑色塑料制品中,透明树脂的树脂,主要是做为黑色色料的可塑载体,可以利用常见的设备以及成熟的生产工艺,就可以大量制作大型和各种形状的板材、薄膜和容器等用途。
黑色塑料制品应表面光滑,主要是使入射的红外光不会因为粗糙的表面而散射掉,供红外摄影时可以取得清晰的红外影像效果。
(三)具有红外波段感应的CCD摄影机,主要在影像传感器前移除一红外截止滤光片后加入一特定红外通过滤光片。目的是使红外光可以进入影像传感器,以及可以避免影像的过度重迭。
采取的技术方案与特征的技术效果:
本发明的效果之一,以容易取得的透明色料与兼容的透明树脂,用通用的塑料加工机械设备和成熟的塑料着色工艺技术,就可以制作体积大型而且可以具有各种形状,可透红外光的板材、薄膜和容器等相关制品。
本发明的效果之二,可以很容易的透过红外光,使一具有红外波段感应的CCD摄影机,可以进行穿透摄影以取得清晰、不会发生重迭的影像。
本发明的效果之三,因为可以吸收可见光,具有暗室以及隐藏伪装效果,在动植物暗室试验以及公共安全设备等应用上,可以利用一具有红外波段感应的CCD摄影机,进行过程多角度摄影观察与摄影监视的特殊功能。
附图说明
以下有关本发明一较佳实施例的详细说明及其附图,将可进一步了解本发明的技术内容及其目的功效;有关该实施例的附图为:
图1为可透红外光黑色塑料成品的架构示意图。
图1A为黑色色料11组成示意图。
图1B为金属模具条件示意图。
图1C为黑色塑料制品15的应用示意图。
图2为色光三原色图。
图2A为两色光能量和。
图2B为色料的三原色图。
图3为一透明品红色薄色板M1。
图3A为一不透明品红色薄色板M2。
图4为CMY三原色透明薄色板迭加的示意图。
图4A为CMY色料与RGB色光数学示意图。
图5为人眼三个感受器的典型彩色特性曲线图。
图6为一般型CCD彩色摄影机滤光镜的示意图。
图6A为先前专利CCD彩色摄影机滤光镜的示意图。
图6B为本实施CCD彩色摄影机滤光镜的示意图。
图7为一种黑色塑料3的平板71。
图8为黑色平板71的彩色摄影示意图。
图8A为黑色平板71的红外摄影示意图。
图9为两块不同黑色平板的红外摄影示意图。
图10为先前专利CCD彩色摄影机滤光镜的穿透示意图。
图11为本实施CCD彩色摄影机滤光镜穿透示意图。
图12为截止型红外通过滤光片取像示意图。
图13为黑色颜料(碳黑)截面示意图。
图14A黑色色料11截面示意图。
图13B为薄黑色颜料(碳黑)截面示意图。
图13C为薄黑色色料11截面示意图。
图14为动植物暗室观察箱示意图。
图15为伪造辨识应用示意图。
图16为光照射示意图。
图16A为红色不透明薄色板16。
图16B为红色不透明薄色板16光谱反射率示意图。
图17为黑薄板151对可见光与红外的透射率示意图。
【主要组件符号说明】
C青色料  B蓝色光  Bl蓝光中心  Bk黑色颜料  Black黑色Er红光能量  Eg绿光能量  G绿色光  M(洋)红色料  R红色光M1透明品红色薄色板  M2不透明品红色薄色板W白光  Y黄色料  Y1黄光中心φ1入射光通量  φ2透过光通量  φ3反射光通量  φ4吸收光通量11黑色色料  111透明色粉  112黑色颗粒12透明树脂  13黑色复合材料  14金属模具  141未抛光金属模具142已抛光金属模具  15黑色塑料制品  16黑色塑料制品15的应用示意图161A物体  162红外摄影机  163红外摄影机的显示器  61一般型CCD彩色摄影机滤光镜组合  611影像感应器  612摄影镜头  613红外截止滤光片  614石英透明玻璃  615红外通过滤光片  71平板  711区块厚度为1mm  7111可见光7112红外线  712区块厚度为2mm  7121可见光  7122红外线  713区块厚度为3mm  7131可见光  7132红外线  7181平板  71的可见光影像  7182平板  71的红外影像    7192红外线  71921红外线  71922黑色平板  71的红外影像72纯黑色平板  7292红外线  72921红外线  72922黑色平板  72的红外影像81影像显示器  82彩色摄影机  101物体1011物体101的可见光影像  1012物体101的红光影像1013物体101的反射红外影像  102物体1021物体102的可见光影像  1022物体101的红光影像105大型黑色平板  141暗室观察箱  1411门  1412抽风装置  1413排风装置  142桌子  143红外辅助光源  151黑色塑料制的薄板  152透明无色的塑料薄板  1521有文字图案的透明无色的塑料薄板  16红色不透明薄色板
具体实施方式
本发明主要原理内容如下列图1至图1C所示:
请参阅图1为可透红外光黑色塑料制品的加工示意图。
图1中,主要是将黑色色料11与透明树脂12混成黑色复合材料13,再将黑色复合材料13利用一内模抛光的金属模具14,塑造成一黑色塑料制品15。
请参阅图1A为黑色色料11组成示意图。
图1A中,黑色色料11的组成方法,是将两种以上单色的透明色料111混合,或是以一种微细碳黑色粉,使之呈现黑色的色料112,主要目的是呈现黑色与吸收可见光。
请参阅图1B为金属模具14条件示意图。图1和图1B中,黑色塑料制品15注射金属模具14的条件,就是金属模具内模141’必须抛光142’。其主要目的是在使黑色塑料制品15,能够具有光滑的表面,避免对入射的红外在粗糙的表面上产生散射。
请参阅图1C为黑色塑料制品15的应用示意图。图1C中,在黑色塑料制品15右端有一物体161,左端为一具有红外波段感应的摄影机162,摄影机162可穿透黑色塑料制品15对物体161摄影取像,并将影像传到影像显示器163显示出来形成红色不透明薄色板16。
本实施例就如图1所示依序进行实施说明。
首先就图1A黑色色料11的制造方法中,是将两种以上的透明色料111混合呈现黑色的色料112。这种从透明色料混合制成黑色色料的目的是什么?
其实,这是属于塑料配(着)色的处理方法。本发明实施方法与塑料配色的处理方法是背道而驰,采用了反向处理的原理。
例如将青〔Cyan〕,洋红〔Magenta〕,黄〔Yellow〕等三原色(以下简称为CMY)的色料111依不等比例相互混合在一起搅拌后,以塑料为载体可以射出各种不同颜色的塑料制品。有经验的配色技师或参考手册数据,都强调“不要同时”把等比例CMY的三种色料配在一起,因为这会配成灰黑色或是黑色。也就是说,依照国际照明委员会(CIE)制定的颜色空间图(a*b*),配色时注意色度图中心点位置(黑色)。
本发明实施方法却是强调“必须同时”把等比例CMY的三种色料配在一起,因为本发明方法须要这“黑”的黑色色料112,主要用来将可见光全部给予吸收(不会百分之百吸收)。
显然,本发明实施方法与塑料配色的处理方法是不同的。
本发明实施方法更是强调所使用CMY必须是透明的。为何用透明的三原色CMY色料?
请参阅图2为色光三原色图。
如图2,光(Color Light)的三原色分别是主要中心波长在700nm的红〔RED〕光,主要中心波长在520nm的绿〔GREEN〕光以及主要中心波长在460nm的蓝〔BLUE〕光。分别简称RGB三原色光。
从色光混合的能量角度分析,色光加色法的混色方程为:
W=a(R)+b(G)+c(B)
式中:W为混合色光总量;(R)、(G)、(B)为三原色的单位量;a、b、c为三原色份量系数。此混色方程十分明确地表达了复色光中的三原色成分。
从人眼对色光物理刺激的生理反应角度分析,色光加色混合的数学形式为:
W=x(R)+y(G)+z(B)
式中:W为混合色感觉;(R)、(G)、(B)为三原色的单位量;x、y、z为光谱三刺激值(Tristimulus Values)。
国际照明委员会(CIE)将物体的颜色仿真出人眼之感受计算出RGB各有多少量,而给予科学的资料化,称为三刺激值。相同的颜色其三刺激值必然相同,而两反射率不同的两色样在不同的光源下会发生不同的三刺激值。
在后面有关本实施例所做出的黑色塑料板(不会呈现完全的黑色),例如可能是黑色带蓝光。当然,本黑色塑料板的黑色主要是用人眼看的,在不同的光源下非常仔细的察看,还是会稍微发生不同透视色光,但总体而言,对人眼是不透明的(因为它吸收了绝大部份的可见光),这些不同的黑色度,是一种类似黑色,在外表看,本实施例中通通称为是黑色。
加色法是色光与色光混合生成新色光的呈色方法。参加混合的每一种色光都具有一定的能量,这些具有不同能量的色光混合时,可以导致混合色光能量的变化。
请参阅图2A为两色光能量和。
色光直接混合时产生新色光的能量是参加混合的各色光的能量之和。如图2A所示,照射面积相同的两种色光一红光与绿光混合,混合后的面积依然与混合前单色光的面积相同,但光的能量却增大了,所以导致了混合后色光亮度的增加。
在色光混合实验中可以看到:三原色光等量混合,可以得到白光。如果先将红光与绿光混合得到黄光,黄光再与蓝光混合,也可以得到白光。白光还可以由另外一些色光混合得到。如果两种色光混合后得到白光,这两种色光称为互补色光,这两种颜色称为补色。
补色混合具有以下规律:每一个色光都有一个相应的补色光,某一色光与其补色光以适当比例混合,便产生白光,其中最基本的互补色有三对:红-青,绿-品红,蓝-黄。
补色的一个重要性质:一种色光照射到其补色的物体上,则被吸收。例如:用蓝(B)光照射黄(Y)色物体,则黄色物体呈现黑色。
利用这个道理,我们可以用某一色光的补色控制这一色光。如果控制绿色(G),可以通过调节品红(M)颜料层的浓度来控制其反射(透射)率,以达到合适的光强度。例如,在后面实际实施例作出的黑色塑料制品如果发生黑色带蓝光时,可以增加黄色料的浓度(蓝色的补色)来控制达成。
颜色外观相同的光,不管它们的光谱成份是否一样,在色光混合中都具有相同的效果。凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。即相似色混合后仍相似。
如果颜色光A=B、C=D,那么:A+C=B+D
这就表明:只要在感觉上颜色是相似的便可以相互代替,所得的视觉效果是同样的。设A+B=C,如果没有直接色光B,而X+Y=B,那么根据上述代替律,可以由A+X+Y=C来实现C。由代替律产生的混合色光与原来的混合色光在视觉上具有相同的效果。
色光混合的代替律是非常重要的规律。根据代替律,可以利用色光相加的方法产生或代替各种所需要的色光。色光的代替律,更加明确了同色异谱色的应用意义。
由几种色光混合组成的混合色的总亮度等于组成混合色的各种色光亮度的总和。
请参阅图2B为色料的三原色图。
色料的三原色分别是分别是青(Cyan),洋红(Magenta),黄(Yellow),简称为CMY。
颜色可分为非彩色(Achromatic Color)与彩色(Chromatic Color)两大类。非彩色是指白色、黑色和由白黑组成的不同的灰阶色。
在光的照耀下,各种物体都具有不同的颜色。其中很多物体的颜色是经过色料的涂、染而具有的。凡是涂染后能够使无色的物体呈色、有色物体改变颜色的物质,均称为色料。
色料形态有固体(例如色粉和色母粒)与液体(例如色浆和色膏)。种类可分为染料(Dyes)、有机颜料(Organic Pigments)与无机颜料(InorganicPigments)。
染料是完全透明可溶解于溶剂中,只要溶解均匀,无分散问题。
有机颜料粒径(Particle Size)约0.05~0.1μm,呈半透明状,不可溶解于溶剂中,比重低。无机颜料粒径约0.5~1μm,呈不透明状,完全不可溶解于溶剂中,比重大,具有优越耐光与耐热性。
一般广义的说,颜料是任何型颗粒粒子。而染料是溶解成分子状态的小颗粒。
色料和色光是不同的两个东西,但是它们都具有众多的颜色。在色光中,确定了红、绿、蓝三色光为最基本的原色光。在众多的色料中,是否也存在几种最基本的原色料,它们不能由其它色料混合而成,却能调制出其它各种色料?通过色料混合实验,人们发现:采用与色光三原色相同的红、绿、蓝三种色料混合,其混色色域范围不如色光混合那样宽广。
但是,对本实施例而言,主要是配色配成最接近黑色就是目的,并不像塑料制品那样在乎特定的颜色,那样在乎其它混色色域范围的宽广与否。
由图2B可知,采用CMY三色色料的混合与采用RGB三色色料的混合,均可以得到黑色色料11。如图2B中所示的黑色(Black)。
其实在图2B,红、绿、蓝任意两种色料等量混合,也均能吸收绝大部分的可见光而呈现具有某种色彩倾向的深色或黑色。
所以由图2B,对本实施要达到“黑色”的方法而言,只要能达成如图2B中所示的黑色(Black)部份的两种色料(例如其中的绿Green与洋红Magenta)、或是三种色料(例如其中的CMY,采用CMY就等同采用RGB)都可说是黑色色料11制造方法的色料颜色的选择。
从能量观点来看,色料混合,光能量减少,混合后的颜色必然暗于混合前的颜色。
在色料混合时,其实可说是从白色光中减去一种或几种单色光,呈现另一种颜色的方法(也称为减色法)。
请参阅图3为一透明品(洋)红色薄色板M1。如图3中,以色光照射理想一品红色透明薄色板M1。根据补色的性质,品红薄色板M1吸收了白光W内R、G、B三色中的G,而将剩余R和B透射出来,从而呈现了品红色M。
请参阅图3A为一品红不透明薄色板M2。如图3A中,以色光照射理想一品红不透明薄色板M2。根据反射与吸收的性质,品红薄色板M2吸收了白光W内R、G、B三色中G,而将剩余R和B反射出来,从而呈现了品红色M。
上面说明,透明就是指光的透射现象,不透明就是指光的反射线现象。
图4为CMY三原色透明薄色板迭加的示意图。当白光W照射青、品红与黄色三块透明薄色板时,青透明薄色板C吸收了吸收了白光W内的R,品红透明薄色板M吸收了白光W内的G,黄色透明薄色板Y吸收了白光W内的B。
请参阅图4A为CMY色料与RGB色光数学示意图。图4A也就是说,青、品红、黄三种原色色料等比例混合就得到黑色色料,即(C)+(M)+(Y)=(Bk)。而这个黑色色料也就是说,等于白光W(由RGB组合)中吸收了RGB三原色光,最后呈现黑色的现象。
三原色料等比例混合可以得到黑色:
即:(Y)+(M)+(C)=(Bk)。
若先将黄色与品红色混合得到其间色红色,然后再与青色混合,上式可以写成:(R)+(C)=(Bk)。
像这样两种色料相混合成为黑色,我们称这两种色料为互补色料,这两种颜色称为互补色。
其意义在于给青色补充一个红色可以得到黑色;反之,给红色补充一个青色亦成为黑色。除了红、青两色是一对互补色外,在色料中,品红与绿,黄与蓝也各是一对互补色。
由于三原色比例的多种变化,构成补色关系的颜色有很多并不仅限于以上几对。
只要两种色料混合后形成黑色,就是一对互补色料。任何色料都有其对应的补色料。
色料混合中,补色的应用是本实施例制造方法的主要原理。
如在制造加工中,成品上某处色彩需要加暗(变黑)时,不要使用黑色(碳黑),只要在该处加入原色彩的补色即可。
加色法是色光混合呈色的方法。色光混合后,不仅色彩与参加混合的各色光不同,同时亮度也增加了;减色法是色料混合呈色的方法。色料混合后,不仅形成新的颜色,同时亮度也降低了。
加色法是两种以上的色光同时刺激人的视神经而引起的色效应;而减色法是指从白光或其它复色光中减某些色光而得到另一种色光刺激的色效应。从互补关系来看,基本上有三对互补色:R-C;G-M;B-Y。在色光加色法中,互补色相加得到白色;在色料减色法中,互补色相加得到黑色。
色光三原色是红(R)、绿(G)、蓝(B),色料三原色是青(C)、品红(M)、黄(Y)。人眼看到的永远是色光,色料三原色的确定与三原色光有着必然的联系。
在对人眼的视觉研究中表明,视网膜(retina)上分布有杆状体(rod)与锥形体(cone),是人体内侦侧光线的明暗与色彩的细胞。其中杆状体分怖较广,主管明暗,但无法辨别色彩。其中锥形体主管色彩的辨别,有三种感红、感绿、感蓝的感色细胞。自然界的各种色彩,可以认为是这三种感色细胞受到不同刺激所产生的反映,因此,我们只要有效地控制进入人眼的三原色光的刺激量,也就相对控制了自然界各种物质的表面颜色。如果一个人感蓝的感色细胞故障,就无法感觉蓝色色彩,一般称为蓝色色盲。
在色光相加混合中,通过红、绿、蓝三原色光能混合出较多的颜色,有最大的色域,为此我们选择青色来控制红光,青色是红色的补色它能最有效地控制(吸收)红光;同理,选择绿色的补色品红来控制绿光;选择蓝色的补色黄色来控制蓝光。
因为青、品红、黄利用改变自身的厚度(或浓度),能够很容易的改变对红、绿、蓝三原色光的吸收量,以完成控制进入人眼的三原色光的数量。
利用青、品红、黄对反射光进行控制,实际上是利用它们从照明光源的光谱中选择性吸收某些光谱的颜色,以剩余光谱色光完成相加混色作用,同时也是对色光三原色红、绿、蓝的选择和认定。色光三原色红、绿、蓝和色料三原色青、品红、黄是统一的,具有共同的本质,是一个事物的两个方面。它们都能得到较大的色域是必然的,因为照射到人眼的是色光。
请参阅图5为人眼三个感受器的典型彩色特性曲线图。阅图5,人眼三个感红、感绿、感蓝的感色细胞的感受分别为红色光R区、绿色光G区、以及蓝色光B区。
当人眼感受不同量颜色时,颜色的感觉是由此三种颜色光中感受较大的颜色光所决定,其红、绿、蓝的感受敏感如作标图表示。纵轴为人眼视神经敏感性,横轴为可见光波长表。
由阅图5中可见,在波长400nm可同时让人眼的蓝色B和红色R感受器作用感受,人眼感觉是蓝色和红色的平均色感,也就是紫色。随着波长的增加,蓝色感受器的感受量逐渐增大,而紫色的感受随着被蓝色取代。当波长增长到480nm时,因为受到等量的红、绿感受,在加上一部分的蓝光,即产生白光,但是尚剩下部分的蓝光,所以综合的感受为纯蓝色B1。由于是不等量红、绿、蓝光产生的消失白光,所以这个蓝色的感觉是一种降低纯度(饱和度)的蓝色。当波长继续增加到600nm以后,红色和绿色的感受很强,而蓝色减弱,因此引起黄光绿色的感受。至600nm时,几乎完全没有蓝色感受,仅有等量的红色R和绿色G而得到黄色Y的感受。当波长继续从600nm增加到700nm时,对红色、绿色的感受逐渐减弱,但绿色的感受比较明显,人眼感受到带有红色的黄光。到700nm时,基本上仅感受红色。
所以,一般色料大都不是单一的色调。
可见光的长波红光以外的是红外区,本实施例是指在780nm至约1000nm左右,也就是说指CCD摄影机影像感应器Image Sensor所能感应的有效波长,称为红外光。
在工业色彩学上知道,凡是某种色料与另一种色料相混合呈现黑色时,这两种色料互为补色料(Complementary colors)。
但是,在透明的互为补色料色料中,则混合后的颜色会有很大的差异。例如:透明黄色+透明篮色=鲜绿色,透明红色+透明黄色=鲜橙色,透明篮色+透明红色=鲜紫色。显然,都不是呈现黑色。
从前面述及的能量观点来看,色料混合,光能量减少,混合后的颜色必然暗于混合前的颜色。如果透明色料的浓度(用量)不够或是太稀薄,则色料混合后,光能量仅稍为减少,增加浓度使光能量减少到一定的程度,自然就呈现类似黑色。
综合上面,说明了为何用透明三原色CMY的色料。
简单说,透明三原色CMY的色料的透明,主要是让红外光通过。而透明三原色CMY的色料,主要是吸收可见光呈现黑色。
接下来说明透明树脂12:透明树脂12,首先必须有高透明度,必然要求表面质量要求严格,尽量不要有任何斑纹、气孔、泛白、雾晕、黑点、变色、光泽不佳等缺陷。
一般透明聚合物内部有微细接口,也会发生光散射,其典型就是结晶结构。例如,同样是H2O构成的水和冰。水是透明的,冰多半不透明,这是因为冰是结晶体,会发生光散射使光透过减少。水是非结晶体,发生光散射少,故呈现透明。所以,非结晶体是透明的因素之一。
在工业用塑料中透明性好的树脂大约有:PMMA(透明度93%)、PC(透明度88%)、PS(透明度89%)、CR-39(透明度90%)、SAN树脂(透明度90%)、MS树脂(透明度90%)、聚-4甲基戊烯-(TPX)  (透明度>90%)。另外,像聚甲烯酸甲酯、苯乙烯共聚物(MAS)、PET、PP以及PVC等透明度均很好,仅要找到可兼容的透明色料、或者泛用的透明色料就可以达到本实施例可透红外的要求。
上述这些泛用透明树脂12中,其透光性不仅包含波长在380nm~780nm的可见光,实际上也涵盖波长在780nm~1200nm的近红外领域。
可见光与红外在聚合物的透明性,一般同样是受到光的反射、吸收、与散射三因素影响。
本实施例就以最典型的透明压克力(有机玻璃)PMMA(Polymethylmethacrylate)和聚碳酸酯树脂(Polycarbonate)等作为试验。
当光进入聚合物时,一部份会在表面反射而损失。反射的例子通常是以光的折射率n1(=1)由空气垂直射入折射率n2的聚合物时,所算出的表面反射率R是以(n-1)的平方除以(n+1)的平方表示之。资料显示,PMMA的折射率是1.49,算出表面反射率R约为4%。PMMA的全透光率约为93%,这种光的损失大部份是表面反射造成的,而吸收和散射等内部的损失则非常小。
当光碰到聚合物分子后,分子将吸收其能量而发生旋转运动,引起光吸收于是降低透光性。在光吸收的同时发生的散射也会就大大降低透光性。由于聚合物内部固有的散射与折射率8乘方成正比,与波长4乘方成反比,因此,折射率低的材料散射损失少,在波长较长的可见光领域,散射的影响较小。在波长较长的红外领域,散射的影响几乎小到等于零。
而且,聚合物在制造过程产生或是掺入的一些异物,也会因为散射而降低透光性。由制造厂商数据显示,光学级的PMMA的异物仅有一般成型用PMMA的十分之一,这也就是本实施例建议使用光学级PMMA的原因。在实际应用上,有时因为环境的温度和湿度的变动,也大大影响折射率。一般来说,高分子聚合物的折射率愈大,则反射率会大。高分子聚合物的构造不均匀,光学上引起微观上折射率的不均而有散射的现象,光学级的折射率的比较均匀。
目前,压克力PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)在塑料中透明度首屈一指,在浇铸板的厚度为2m时也可完全透视物体。它又可以用染料自由着色、而且表面光泽度很好、对人体无毒性。
日本三菱Rayon制的PMMA的分光光线透过率在紫外线从250nm附近上升,在可见光领域完全不吸收。一般市售的PMMA树脂大都加有紫外线防止剂。另外分光光线透过率范围在红外线从800nm~1600nm。
所以,首先选用PMMA作实施。PMMA是属于一种非结晶性塑料(Amorphous),高分子链凌乱排列纠缠,未形成井然有序的排列结构,在凝固过程中没有晶核及晶粒生长过程,仅是自由的高分子链被″冻结″(frozen)的现象。所以多具高透明外观。非结晶性塑料聚合体皆有良好的光透性、其材质的密度性也较低;结晶形(Crystalline)聚合体由于球晶和不定形区域的折射率不同,其光透性较差,材质密度较大。
PMMA压克力板有良好的加工性能,既可采用热成型(包括模压、吹塑和真空吸塑),也可用机械加工方式钻、车、切割等。用微电脑控制的机械切刮和雕刻不仅使加工精度大提高,而且还可制作出用传统方式无法完成的图案和造型。另外还可接着、涂装、金属蒸镀、染色等。
再来,说明黑色塑料制品15:本实施例其实就是涉及塑料配色的技术,加入的透明有色色料必须不影响PMMA(树脂)本身的透光性。并且各色料折射率不可和树脂相差太多,以致降低树脂的透光性。
一般PMMA在常温,100%相对湿度的饱和吸水率约2%,但在射出成型材料所含水量的容许量在0.1%以下,成型前加工厂都会作预备干燥除去水份。
在射出成型过程中,待成型材料从漏斗供给加热缸,在加热缸内加热熔解,藉射出压力经喷嘴挤入金属模具,在金属模具内经浇口、浇道、充填母模内,冷却后取出。
对于目前有关PMMA的着色工艺,已经非常成熟。本实施例仅是将光学级透明青〔Cyan〕,洋红〔Magenta〕,黄〔Yellow〕等三原色的色料指定清单交付色母专业厂商选购。指定色母专业厂商选定特定制造品牌的透明色粉,各依约三分之一比例再掺入微量的分散剂后,一起在搅拌机中均匀搅拌成粉状的黑色色料11。
再将光学级PMMA透明颗粒12与粉状的黑色色料11放入搅拌机中均匀搅拌成黑色颗粒13。其中,PMMA透明颗粒12与粉状的黑色色料11搅拌混合的比例是100比0.4(其它透明度比较低的透明树脂可以是100比0.2左右)。
一般透明PMMA在制造过程产生或是掺入的异物,会造成散射降低透明度。而光学级PMMA的异物量仅有一般级PMMA的十分之一。例如,异物粒径在0.5μm~0.07μm时,光学级PMMA的异物量约为600~2000个/g,一般级PMMA的异物量约为4000~20000个/g。所以要采用光学级PMMA比较好。
本实施例准备了一现成的金属模具交付一塑料加工厂制作一可试验的成品。此金属模具的内模必须作精密抛光的处理,务使作出的黑色塑料15具有非常光滑的表平面,以免造成入射的红外在不光滑的表面造成散射。
比PMMA透明度稍差一点点(约92%)的聚碳酸酯树脂PC(Polycarbonate),是本实施例应用的另一个透明树脂。
两者比较不同点如下:
PMMA缺点:吸水率高、耐热性稍差、较不耐冲击、较容易起燃。
PC缺点:成形性差。
因为PC的黏度较高,成形温度也高些。但不需要特别困难的成形技术。
另外,透明树脂12中的聚碳酸酯树酯PC(Polycarbonate),是仅次于PMMA光学用的泛用工程塑料。尤其近来做为光盘基板的须需求大为增加而受瞩目。
PC的分子结构中的苯环在立体上是分非对称的,所以也是非结晶性具有优良的透明性,其在可见光范围的透光率可达90%以上。另外,PC也具有难燃性(也称防火等级)。
在为光盘用而开发的高性能透明树脂,其分子骨架是以酯环式结构为特征。它与PMMA均具有相同的双折射特性,但吸水性比PC低很多约1%。其代表性的有日本三井化学开发的APO,其透光率可达90%、日本ZEON公司开发的ZEONEX,其透光率可达91%、日本合成橡胶公司开发的ARTON其透光率可达92%。
因为PC材料具有吸湿性,加工前的干燥很重要。PC加入黑色色料11在射出成型中,因为其粘度比PMMA大,成型的温度也高一些。但是,并不需要特别困难的成型技术。只要根据厂商提供的规格或寻找有经验的厂商代工射出即可。
所以,同样地,本发明人也是准备了一已作精密抛光处理现成的金属模具交付一塑料加工厂制作一可试验的成品。
这与一般塑料加工成型一样,大概可分为″软化″、 ″成型″及″硬化″三个步骤。
为了进一步了解黑色塑料制品15以及其应用,本实施例设计制作了一彩色摄影机来作应用,主要是分别在可见光范围与红外范围,都能摄取到清楚的彩色影与红外穿透的影像。尤其在摄取红外穿透的影像时可以避开可见光与红外两者重迭的影像。
请参阅图6为一般型CCD彩色摄影机滤光镜61的示意图。
图6A为先前专利CCD彩色摄影机滤光镜62的示意图。图6B为本发明CCD彩色摄影机滤光镜63的示意图。
其中,图6显示一般型CCD彩色摄影机滤光镜61,包含有影像感应器(含石英玻璃)611、摄影镜头612、以及红外截止滤光片613。当太阳光由镜头612进入到影像感应器611时,仅有可见光进入,红外光被截止不能通过。主要是滤去太阳光中的红外光才能得到更真实色彩的影像(不会有偏红的色彩)。
其中,图6A显示先前专利CCD彩色摄影机滤光镜62,包含有影像感应器611、摄影镜头612、以及红外截止滤光片613以及无色透明的玻璃614。当太阳光由镜头612进入到影像感应器611时,如果红外截止滤光片613切入则仅有可见光进入,红外光被截止不能通过,可以取得到更真实色彩的影像。
其中的石英透明玻璃614有无存在都可以使可见光通过,切入石英透明玻璃614取代空缺的位置的目的,主要是避免产生光程差的问题。
图6A移除红外截止滤光片613时,与一般黑白摄影机性能差不多,都可以同时感应可见光与红外。
其中,图6B显示的本实施CCD彩色摄影机滤光镜63,包含有影像感应器611、摄影镜头612、红外截止滤光片613以及红外通过滤光片615。当太阳光由镜头612进入到影像感应器611时,如果红外通过滤光片615切入则仅有红外光进入,可见光以及部分的红外光将被截止不能通过。如果红外截止滤光片613切入则仅有可见光进入,红外光被截止不能通过。
由图6至图6B可知区别在于:图6具有固定的红外截止滤光片613,图六6A具有活动的红外截止滤光片613,图6B具有活动的红外截止滤光片613以及红外通过滤光片615。
应用实施例之一:
请参阅图7为一种黑色塑料制品15的一种平板71。
平板71是用光学级的透明CMY色粉依等比例混合在一起搅拌后,做成一种混合的黑色复合材料13。再将此黑色复合材料13与光学级的透明PMMA树脂混合,经过一现成的金属模具射出成型作为试验用的一平板71。
如图7所示,黑色的平板71具有光滑表平面,共分为三个阶梯式的厚度区块,分别为711区块厚度为1mm、712区块厚度为2mm、713区块厚度为3mm。
现在将此做好的黑色的平板71用手拿着靠近眼睛,然后隔着黑色的平板71对着日光灯注视,可以发现在711区块的日光灯呈现蓝色色调,712区块的日光灯呈现类似紫色色调,713区块的日光灯呈现类似棕色色调。这些色调,只要把黑色色料11计量增加,都会变成趋近于黑色的色调浓度,在此黑色平板71的黑色称为类似色。
当可见光穿过一“主色”为黑色的着色层时,短波的蓝光比长波的红光的散射效应更强烈。黑色浓度越薄,这种效应越显著。红光成分由于散射损失较小,因此进入着色层的深度大一些。蓝光总体散射强烈,在相反方向,即后方(向上)的散射也强烈,于是又从着色层中反射出来。当观察反射过程时,经过浓度薄的黑着色的出现蓝色色调。
本方法制造的黑色平板71主要是吸收可见光,黑色的浓度多浓,或是吸收的程度如何并非重点。重点是在于“对于人的眼睛视力而言不透明”的感觉,用以达到人眼观测不透明的效果。
为了便利说明对于可见光与红外穿透的不同,再利用上面的金属模具,将一般塑料用的黑色色母(如碳黑)取代黑色色粉(料)11,与光学级的透明PMMA树脂混合,以相同金属模具最后射出体积大小相同的一纯黑色平板72。
为了要证明本发明方法制造的黑色平板71与一般利用无机黑色颜料着色的纯黑色平板72有何不同的透光现象,请参阅图8,为黑色平板71的彩色摄影示意图。
图8包含有一影像显示器81、一彩色摄影机82、与黑色的平板71。当彩色摄影机82切入红外截止滤光片613时,仅有可见光进入,红外光被截止不能通过。
黑色的平板71所入射的可见光分别为711区块的7111、712区块的7121、713区块的7131等,进入彩色摄影机82传送到影像显示器81后均呈现平板71的可见光影像7181。
请参阅图8A为黑色平板71的红外摄影示意图。把黑色平板71中间的7 12区块表面以砂纸来回磨刮,把其平滑地表面磨刮成粗造不光滑的表面。其它两侧的711、713区块表面维持平滑地表面。当彩色摄影机82切入红外通过滤光片615时,仅有红外光进入,可见光被截止不能通过。黑色的平板71所入射的红外光分别为711区块的7112、712区块的7122、713区块的7132等,进入彩色摄影机82传送到影像显示器81后,中间的712区块表面呈现不透明白色的红外影像。其它两侧的711、713区块表面均呈现是透明的红外影像。
黑色平板71中间的712区块粗造不光滑的表面,所造成入射的红外光在表面上都被散射,这种散射也叫扩散反射(Diffuse reflection),红外不能透过,所以不能形成红外影像。
所以,黑色平板71射出所需的金属模具14,其内模必须抛光,使黑色平板71有一个平滑的表面,才能让红外通过。
另外,在平板71透明的影像四方周围因为两种不同介质(空气与平板71)的折射使得进入彩色摄影机82传送到影像显示器81后均呈现平板71的四方周围影像有明显的轮廓,轮廓内中可看出透明的平板71的红外影像7182。
由图8A可知,粗造不光滑的表面,不能形成透明的影像。这就是金属模具14必须具有抛光处理过的内模的理由。
这也说明,有意刻划平板71的表面,使其显现出粗造不光滑的文字或图案,在彩色摄影机82摄影传送到影像显示器81后均呈现不透明而很明显的文字或图案影像。
请参阅图9,为两块不同黑色平板的红外摄影示意图。图9中包含有:黑色的平板71、纯黑色平板72、彩色摄影机82、以及影像显示器81。
当彩色摄影机82切入红外通过滤光片615时,仅有红外光进入,可见光被截止不能通过。
黑色平板71所入射的红外光,在与彩色摄影机82同侧有一部分的红外7192透过黑色平板71消失(没有进入彩色摄影机82镜头)。在与彩色摄影机82相对的一侧有一部分的红外71921透过黑色平板71进入彩色摄影机82,在影像显示器81显示一黑色平板71的红外影像71922。
纯黑色平板72所入射的红外光,在与彩色摄影机82同侧有一部分的红外7292在纯黑色平板72表面反射,进入彩色摄影机82,在影像显示器81显示一纯黑色平板72的红外影像72922。在与彩色摄影机82相对的一侧有一部分的红外72921在纯黑色平板72表面反射后消失(没有进入彩色摄影机82镜头)。
所以,在影像显示器81上显示,有黑色平板71透明的红外影像71922以及有纯黑色平板72不透明的的红外影像72922。
上述的彩色摄影机82在红外能量太少,以致于无法取得清晰的红外影像时,可外加红外辅助光源,直接或间接照射物体(平板71和72)用以提高环境的红外能量进入彩色摄影机82。
有关于彩色摄影机82内部的滤光镜,图6A显示的先前专利CCD彩色摄影机滤光镜62与图6B显示本实施CCD彩色摄影机滤光镜63有何不同?
为了说明图6A与图6B的不同,以及实际应用的需求,有必要采用一大型的黑色平板。
制作大型PMMA的黑色平板,有浇铸法与押出法。美国Swedlow公司研究不锈钢板为金属模具而连续制造透明PMMA平板的方法,并已经取得专利(USR.3,376,371),但不太适合制造厚板。
浇铸法利用两块大型的无机玻璃板间,沿外围衔入软质氯乙烯等的密合垫。密合垫的材质需不溶于PMMA与透明有色色母料组成的聚合浆体,也不可渗出妨害聚合的物料,聚合完了也不脱离,随着浆体聚合的情形,体积收缩,密合垫要能相对压扁,因此,密合垫的硬度或形状都要适用,否则生成的大型PMMA黑色平板会有不规则的凹部,或在聚合中漏出浆体。
封入浆体的模在空气浴或水浴中加热,通常再70度C左右经过约五小时浆体聚合固化。本实施初次制作完成的成品内有气泡,是因为无法及时除去聚合热,内部聚合浆体呈沸腾状态产生的气泡。延长聚合时间与降低温度或者部要制作太厚板就可改善。在两块大型的无机玻璃板的两端之间以一夹件夹住。
如前所说,本发明人委托色膏制造业以光学级高透明度的CMY三原色液体色膏混合搅拌形成黑色色膏11再委托PMMA塑料加工厂,以浇铸法制作了一大型的黑色平板作为应用的试验。
请参阅图10为先前专利CCD彩色摄影机滤光镜的穿透示意图。图10包含有一彩色摄影机82、一影像显示器81、一大型PMMA黑色平板105、一物体101、一物体102。其中,彩色摄影机82是切入一透明玻璃614的模式。一大型的黑色平板105的两侧分别放置有物体101与物体102。因为,此时彩色摄影机82是切入一透明玻璃614的模式,所以可见光与红外光都可以进入彩色摄影机82的镜头内。
物体101的可见光影像1011因为无法透过黑色平板105,所以在黑色平板105表面反射进入一彩色摄影机82,在影像显示器81上显示物体101的可见光的影像。物体101的红外光影像1012因为透过黑色平板105,所以在黑色平板105透射过去,而无法进入一彩色摄影机82,在影像显示器81上看不到物体101的红外光的影像。
物体102的可见光影像1021因为无法透过黑色平板105,所以在黑色平板105表面反射回去,因此无法进入一彩色摄影机43,在影像显示器811上看不到物体102的可见光的影像。物体102的红外光影像1022因为透过黑色平板105,所以进入一彩色摄影机82,在影像显示器81上看到物体102的红外影像。
结果,在影像显示器81上看到物体101的可见光影像,而且同时看到物体102的红外光影像,此两个影像互相重迭。
当然,如果物体101的环境可见光很强(例如有白光源辅助照明),那么,此物体101的可见光影像将盖过物体102的红外光影像,在影像显示器81上仅看到物体101的可见光(彩色)影像。
相反的,如果物体102的环境红外光很强(例如有红外光源辅助照明),那么,此物体102的红外光影像将盖过物体101的可见光影像,在影像显示器81上看到物体102的红外光(黑白)影像。
如果物体101与物体102在相同的环境下,例如从室外进入的日光,几乎都含有足够的可见光与红外光可以使彩色摄影机82成像,这时,在影像显示器81上将看到物体101与物体102的两个影像互相重迭。
为了减少这两个影像互相重迭,本发明特将此一透明玻璃614改装用一红外通过滤光片615取代。
请参阅图11为本实施CCD彩色摄影机滤光镜穿透示意图。如图11所示,因为红外通过滤光片615仅让红外光通过,而可见光不能通过。这使得物体101的可见光影像1011在黑色平板105表面反射到达彩色摄影机82前时,因为被红外通过滤光片615阻挡因此不能进入成像。同时,物体101的红光影像1012在黑色平板105中透射过去。因此,物体101的红光影像1012也没有到达彩色摄影机82成像。结果,在影像显示器81上将看不到物体101的影像。
至于,物体102的的可见光影像1021在黑色平板105表面反射回去,所以没有进入彩色摄影机82成像。而物体102的的红外光影像1022在黑色平板105中透射过去,所以可以进入彩色摄影机82成像。结果,在影像显示器81上将仅有看到物体102的红外影像。
这样,综合上面两个结果,就不会看到物体101与物体102的两个重迭的影像,而且落实了本实施例强调的“可以穿透”功能。
上面图10在影像显示器81上将看到物体101与物体102的两个影像互相重迭,此两个互相重迭的影像中,一个是物体101的可见光影像与另外一个是物体102的红外影像。当加入了此红外通过滤光片615后,物体101的可见光影像被挡掉了,所以可以减少这种互相重迭影像的现象。
但是,如果物体101也是在红外的环境(或是红外大于可见光)下,是否也看到物体101与物体102的两个重迭的影像?
答案是不一定。请参阅图12为截止型红外通过滤光片取像示意图。
首先,如果物体101是在红外(中心波长为850nm)的环境,而截止型红外通过滤光片6151是940nm,也就是说红外波长在940nm以前被结截止,仅有940nm以后的波长可以通过。
所以,物体101的850nm红外影像1013,还是进不了彩色摄影机82成像,在影像显示器81上将看不到物体101的红外影像。事实上,物体101的850nm在黑色平板105表面反射回去的红外影像1013比较少,大部份是在黑色平板105透射出去的红外影像1012。
又,如果物体101是在红外(中心波长为850nm)的环境,而截止型红外通过滤光片6151也是850nm,那么,就还是看到物体101的红外影像1013与另外一个是物体102的红外影像1022互相重迭。
减少此两红外影像的重迭,就是把将红外通过滤光片615改成截止型红外通过滤光片6151,也就是将红外通过滤光片615所可以通过红外的波长大于物体101的红外(850nm)环境。
在本实施例应用上,效果很明显的是在物体102的环境中加入一与截止型红外通过滤光片6151具有相同波长(940nm)的红外辅助光源。使物体102发出更多的的940nm红外影像1022,顺利进入彩色摄影机82成像。
光遇到色粒子会改变方向,叫做散射(scattering)。其改变角度跟色粒子的大小、以及色粒子与介质的相对折射率有关。
下面将以散射的现象,来说明“透明”与“不透明”观念。本实施例的黑色塑料制品15,对可见光而言是不透明的。本实施例的黑色塑料制品15,对红外而言是透明的。
首先将以可见光的透明与不透明作说明。
参阅图13为黑色颜料(碳黑)截面示意图。图13碳黑的截面(cross-section),可见光入射到碳黑内部的碳黑粒子(图中黑点)中,大部份被吸收,少部份在碳黑粒子的附近绕射(diffraction)产生的散射,不能进入深层,没有光通过,呈现不透明。
参阅图13A为黑色塑料制品15截面示意图。图13A中当可见光入射到黑色塑料制品15内部的粒子(图中黑点)中,大部份被吸收,少部份在粒子的附近绕射,有微量的可见光可以通过,呈现一点透明。例如,黑色平板105带蓝光。
参阅图13B为薄黑色颜料(碳黑)截面示意图。图13B碳黑的薄(碳黑粒子比较少)截面,可见光入射到碳黑内部的碳黑粒子中,大部份被吸收,少部份在碳黑粒子的附近产生绕射(散射的一种),通过薄膜接口跑出去,有微量的可见光可以通过,呈现一点透明。
参阅图13C为薄黑色塑料制品15截面示意图。图13C为薄黑色塑料制品15,可见光入射到黑色塑料制品15内部的粒子中,一部份被吸收,一部份在粒子的附近绕射,有一部份的可见光可以通过,呈现多一点的透明。
图13碳黑入射的光,在密布的碳黑粒子中产生的散射并无足够的能量可以入射到更深的底层,所以呈现不透明。但是,在图13A至图13C在松散的碳黑粒子中产生的散射稍有足够的能量可以入射到更深的底层,有微量的可见光可以通过,呈现一点透明。
再来,对红外的透明与不透明作说明。
依据光能量的公式E=hv,能量和频率呈正比,而和波长成反比。而红光的波长较蓝光长,频率较蓝光小,所以红光能量较蓝光小。
细微粒子的散射遵循瑞利散射(Rayleigh Scattering)定律:散射光强度与波长的四次方成反比。而蓝色光波波长较短,红色光波波长则较长,故蓝色光波较容易被散射,一般透明色料细微粒子的大小在可见光波长的十分之一以下时发生的散射称为瑞利散射。
红外波长比红色光波波长较长,依照瑞利定律来看,红外的散射对可见光而言几乎是极小极小。
所以,对于图13A至图13C中若均有有微量的可见光可以通过,对红外则呈现透明。
在图13中,因为红外波长比可见光波波长较长,红外无更足够的能量可以入射到更深的底层而穿过。所以,红外对颜料碳黑呈现不透明。
在图13A为黑色塑料制品15,可见光入射时大部份被吸收,对可见光呈现不透明。但通过有微量的可见光,没有在强光(或特殊光源)的背景下是不容易看出这微量的可见光,这种情形在在前面说过,本实施例而言是可接受的,因此也称为对可见光呈现不透明。
由上述可知,黑色塑料制品15是对可见光呈现不透明,但对红外呈现透明。
从图8至图12所示的彩色摄影机82,对可见光或是对红外进行摄影时,焦点的落点会不同,所以要重新调整焦距。
为了证明本发明的一实际应用,请参阅图14为动植物暗室观察箱示意图。
图14中,包含有一彩色摄影机82、一影像显示器81、一以黑色塑料制品15制作的动植物试验用的暗室观察箱141、一供暗室观察箱141置放的桌子142、一红外辅助光源143。
暗室观察箱141上有一个门1411、一抽风装置1412、一排风装置1413、,桌子142的桌面是一片透明的玻璃板面。
当一动物或是一植物需要在无光(黑暗)的环境,长期观察实验变化的状况下,可以采用本暗室观察箱141,再搭配本实施的彩色摄影机82(内部切入红外通过滤光镜615的情况下)、一红外辅助光源143与一影像显示器81一起使用,可以得到很好的效果。
例如:
(1)在长期观察变化期间,不能因为要用人眼短暂的观察而打开门1411,透露一部份光线进入而影响试验效果时。
(2)需要记录观察某段特定时间的成长和变化,或是长期记录观察或连续瞬间变化的状况。
例如,将一只已服特定药物的小白老鼠由门1411放进暗室观察箱141,长期进行在黑暗中成长的过程与行动的反应状况。由一抽风装置1412与一排风装置1413提供空气的对流。因为,不能开启门1411用人眼观察,所以利用一内部已经切入红外通过滤光镜615的彩色摄影机82,从暗室观察箱141的外部自由移动以便找出适当的观察角度做摄影监视与观察。
当暗室观察箱141内部的动物(小白老鼠)到处乱跑移动时,实验工作人员可以透过影像显示器81,任意移动彩色摄影机82以及红外辅助光源143,直到找出适当的位置进行观察摄影取像。
必要时,也可以由桌子142的一片透明的玻璃板面进行观察动物躺下后的腹部加以观察摄影。
也可以通过暗室观察箱141以观察特殊植物在暗室生长过程,或是在特别内建的特定光源下,观察在此特定光源下的光合作用与生长现象的记录。
本实施例所采用的彩色摄影机82是使用在摄影机内已经切入红外通过滤光镜615的情况下,也就是说已经移除红外截止滤光镜613。如此,已经移除红外截止滤光镜613的彩色摄影机82与一般不具有红外截止滤光镜613的黑白摄影机功能一样。也就是说,此彩色摄影机82可以用一般黑白摄影机取代。
取代后的一般黑白摄影机,对暗室观察箱141内摄影取像如有发生暗室观察箱141外的可见光影像干扰(产生重迭的影像)时,可利用一红外辅助光源143照射暗室观察箱141内,使红外影像的能量大于(盖过)暗室观察箱141外的可见光影像。
此时的一般黑白摄影机,也可以一红外摄影机(具有红外范围)取代。
另外,在公共安全设备的应用上,例如恐怖活动地区在公用垃圾桶内、公用临时寄放物箱等,如有放置可疑物也可以以红外摄影侦测等也具有一定程度功效的应用。
黑色塑料制品15制作的动植物试验用的暗室观察箱141,对可见光呈现不透明,但对红外呈现透明。
如果,上述的暗室观察箱141不是采用黑色塑料制品15制作的,那么,情况与效果又如何?
假定,暗室观察箱141是采用透明“深”红色的PMMA板作成的。从外观看起来,这个透明深红色PMMA的暗室观察箱141把门1411关闭后是呈现黑色。因为暗室观察箱141内无光源,无光源就无色彩可言。但是,在暗室观察箱141外部有光源时,这外部的光源就穿透此透明深红色PMMA的暗室观察箱141,人眼隐隐约约可以看到暗室观察箱141内的被观察物模糊的影像。但是,这影响在暗处试验的效果。
从实施例图14可知,用一般黑白摄影机(无红外截止滤光片),或是本彩色摄影机82(已移除红外截止滤光片)都可以对这个透明深红色PMMA的暗室观察箱141内摄取到清楚的红外影像。
同样,如果是用不透明深红色PMMA作成的暗室观察箱141,也就无法以摄影机从暗室观察箱外摄取影像。
这就说明黑色塑料制品15的应用价值之一。
另外,透明树脂12中的聚碳酸酯树酯PC(Polycarbonate),是仅次于PMMA光学用的泛用工程塑料。尤其近来做为光盘基板的须需求大为增加而受瞩目。
在为光盘用而开发的高性能透明树脂,其分子骨架是以酯环式结构为特征。它与PMMA均具有相同的双折射特性,但吸水性比PC低很多约1%。其代表性的有日本三井化学开发的APO,其透光率可达90%、日本ZEON公司开发的ZEONEX,其透光率可达91%、日本合成橡胶公司开发的ARTON其透光率可达92%。这些都会是本实施例中理想的透明树脂12材料。
PC的分子结构中的苯环在立体上是分非对称的,所以也是非结晶性具有优良的透明性,其在可见光范围的透光率可达90%以上。
另外,PC也具有难燃性(也称防火等级)。因为PC材料在常温下不必考虑水分的问题。但在约300度C成型过程会引起水分解,降低性能。通常以低水份(0.015%)灌装密闭应市,0.05%以上时,成型会有气泡有必要干燥,否则在图10至图12中会影响红外图像的品质。
PC加入黑色色料11在射出成型中,因为其粘度比PMMA大,成型的温度也高一些。把黑色复合材料13(PC与黑色色料11)放入的漏斗(Hopper)最好是有120度C左右可控制操作的漏斗。PC对温度很敏感,为了以适当周期供给此熔融物品(黑色复合材料13),需要热控制完备而射出压力充分的成型机。
但是,并不需要特别困难的成型技术。只要跟据厂商提供的规格与寻找有经验的厂商代工射出即可。
请参阅图15为伪造辨识应用示意图。在图15上面两张黑色塑料制的薄板151之夹层中间,另外再插入一张透明无色的塑料薄板152,并在此透明无色的塑料薄板152上表面以黑色色笔写出「ABC」三个字,如图15A为有文字图案的透明无色的塑料薄板1521。
如果这样,将彩色摄影机82内部切入红外通过滤光镜615的情况下:
可在影像显示器81上看到隐藏在的黑色塑料制的薄板151内部,看到了ABC三个字。
但是,在黑色塑料制的薄板151的外表面,用人的眼睛也看不出ABC三个字。
这种夹层的应用,经过彩色摄影机82的穿透摄影监视,可以作为标签薄板的防伪监视。
当然,夹层的应用不只如此。例如可在复数张黑色塑料薄板151的夹层中间,可以利用其中至少一张的黑色塑料薄板151表面上,贴上或雕刻有文字图案,彩色摄影机82可以穿透这些迭层的黑色塑料薄板151进行摄影,使摄影的影像在影像显示器81上可以显示具有层次感的红外影像。
现在,就黑色塑料制的薄板151(黑色塑料制品15)对可见光与红外的影响作实施说明:
请参阅图16为光照射示意图。当黑色塑料制的薄板151(简称黑薄板151)受到外来光波的照射,光就会和组成黑薄板151的物质微粒发生作用。使入射的光分成几个部分:一部分被黑薄板151吸收,一部分被黑薄板151反射,再一部分穿透黑薄板151,继续传播。图中φ1为入射光通量;φ2为透射光通量;φ3为反射光通量;φ4为物体吸收的光通量。
透射:黑薄板151虽然吸收了大部份的入射的可见光,但并不能百分之百吸收,尚有些微的色光。例如,透过日光灯窥视可看到带蓝光,这是经过折射穿过黑色塑料板15后出射的现象。
对黑薄板151的透光性质通常是用入射光通量φ1与透过后的光通量φ2之比τ来表征,这τ称为透射率(Transmittance)。
从色彩的观点来说,这个黑薄板151能够用光谱透射率分布曲线来描述,此光谱透射率分布曲线为一相对值分布。所谓光谱透射率定义为从黑薄板151透射出的波长λ的光通量φ2(λ)与入射于黑薄板151上的波长λ的光通量φ1(λ)之比。
黑薄板151大部份入射光通量φ1被吸收掉,几乎仅有很少的光通量φ2透过,其透射率很低。
但是,对红外而言,对黑薄板151并未吸收入射的红外,入射光通量φ1几乎等于与透过后的光通量φ2,其透射率极高。
吸收:可见光照射到非选择性吸收的黑薄板151上,反射出来的φ3与入射的φ1强度相比,有很大程度的减少。上面所用的CMY三透明色料混合后的黑薄板151,通常反射率在4%~6%之间,依各厂家不同透明色料11与透明树脂的规格而定。剩余约有95%左右的φ4被吸收掉。一般不到10%的非选择性吸收率的黑薄板151的颜色可以称为黑色。
反射:请参阅图16A为红色不透明薄色板16。图16A入射白光W光谱中,绿色光G部分与蓝色光B部分都被吸收被吸收,仅反射红色光R部份。
请参阅图16B为红色不透明薄色板16光谱反射率示意图。图16B中,纵轴为波长反射率(Reflectance),横轴为波长范围(nm)。
若用光谱反射率来分析,则可以说在红色不透明薄色板16入射白光W光谱中,蓝色光B部分被吸收,光谱反射率值接近于零,绿色光G部分被吸收,光谱反射率值接近于零,只有红色光R与的辐射能被反射,具有较大的光谱反射率值,故红色不透明薄色板16表面呈红色R。图16B是红色不透明薄色板16表面的光谱反射率分布曲线,习惯上称为分光反射曲线或简称分光曲线。分光反射曲线可以精确地描述物体的颜色,对色彩的定量描述有重要意义。
黑薄板151因为有光滑的表面,所以当入射光以45°照射在黑薄板151表面上时,大约有4%的入射光在表面被反射,称为首层表面反射光,而则这4%的首层表面反射光作定向反射,因此不易进入人的眼睛;其余大部份入射光进入黑薄板151被吸收。如果黑薄板151表面粗糙,则这4%的首层表面反射光,将朝各个方面作漫反射。
当然,入射光进入黑薄板151并非仅是单纯如图以45°照射所示,还有其它四面八方各种角度入射出,本实施例仅就较重要代表性的入射光举例说明。正如同前面图8至图15的图示一样。
通常,对于不透明体的颜色是以反射率来定义。而对于半透明体的颜色是以透射率来定义。而对于透明体的颜色是以反射率或透射率来定义是一样的。
物体对光的选择性吸收是物体呈色的主要原因。红色不透明薄色板16是红色的,是因为白光的照射,红色不透明薄色板16本身没有色彩,光才是色彩的源泉。如果红色表面用绿光来照射,那么就呈现黑色,因为绿光波长的辐射能被全部吸收了。如果红色表面用红外来照射,那么就呈现无色(非彩色),因为红色表面仅反射红色,但红外它没有红色光可以反射,就没有色彩。可见,物体在不同的光谱组成的光的照射下,会呈现出不同的色彩。一切物体只是由于它们对光谱中不同波长的光的选择性吸收,才决定了它的颜色。
请参阅图17为黑薄板151对可见光与红外的透射率示意图。
由上所述结论从图17可看到,黑薄板151对可见光(约400nm~700nm)的透射率很低,但是对红外(约700nm~1,000nm)的透射率很高。
在图8A图示实施例可知,黑薄板151的厚薄对红外穿透影响不大。主要在穿透后的影像分辨率。所以应做出一可接受的如图17之图表作为日后量产参考。
影响图中曲线分布,其中对红外主要可分为黑色色料11与透明树脂12两部份影响。
其中,黑色色料11由图13图示与说明可知,是因为在黑色色料11内部造成的散射(因为所用的色料是透明)很小,小到可以让红外通过。
至于,透明树脂12内部造成的散射,在黑薄板151中对可见光与红外几乎小到不存在,因此可以让红外无阻通过。
由先前技术所述及的黑色颜料(碳黑),不能让红外通过的主要原因有二,一是黑色颜料的散射(碳黑颗粒太大),二是不透明树脂的散射(红外能量不足够)。
这就意味着,欲改善先前技术所述及的黑色颜料(碳黑),不能让红外通过的主要方法还有一种;就是使用现在市场出售的黑色研磨颜料(碳黑颗粒微细),以及使用透明的树脂,显然可以达到如图17的理想状况。
于是,本实施人又购得研磨过的碳黑颜料色粉(有经销商俗称透明黑,以下简称透明黑),取代CMY三种透明色粉,将此透明黑色粉委托塑料加工厂商,加入可兼容的PMMA再注射出另一块黑薄板。经如图8与图8A所示与说明重新做试验,发现此新的黑薄板与黑薄板151达到一样的红外穿透效果。
明显的是,各厂家出产透明黑的品质不一,加工过程必须通过多次的试验才能拿捏得好,颗粒太细的透明黑,吸收可见光效果很好,但是,如图13至图13C所示,在同一单位内颗粒太细,颗粒密度相对离散,将会造成太多的可见光通过(如图16φ2太大),通过的可见光越少对人眼越不透明。如前所说的,本实施就是要达到尽量吸收全部可见光为主要目的。
选择适当透明黑的方法就是:
(一)以出厂厂家出产的透明黑色粉做出对应的光谱透射率分布曲线。
(二)如图8A所示与说明,逐次测试记录找出最佳数据。
(三)如图17的参考图作测试标准依据。
综合以上实施例结论的黑色色料11:
由图1、图1A、图2B等图示与说明可知;
黑色色料11制造方法主要是参考图2的原理,所以,对本实施要达到黑色的方法而言,只要将能达成如图2B中所示的黑色(Black)部份的各种色料一起搅拌混合,都可说是黑色色料11制造方法。
其方法有多种,例如:
第一种:将两种为互补色料的透明色料混合。例如将透明绿与透明洋红的色料混合。
但是,事实上,由于三原色料的混合依各种比例实在有多种变化,构成补色观关系的颜色,并不仅限于如图2B中显示的几对。只要两种色料混合后形成黑色料,就是一对互补色料。
所以,上面第一种方法的均等说法解释为将两种透明色料混合。
第二种:将三种透明色料例如其中的CMY三种透明色料或是RGB三种透明色料)等依等比例混合后形成的黑色料。
除了上面第一、第二种以外是否还有第三种、第四种?答案是肯定的。
例如上面第二种而言,CMY三原色若依不等比例就可以配成许许多多种,把其中两种或三种混合,或是在加其中的另一种也都有可能。例如把CMY三种混成黑色后再加上一种绿色G,还是黑色。
所以,上面第二种方法的均等说法解释为将CMY三原色三种透明色料混合。
归纳上述混成黑色就是两种以上的透明色料混成。
由图17图示与说明,透明黑颜料色粉可以取代CMY三种透明色粉,将之加入可兼容的PMMA再注射出另一块黑薄板。发现此新的黑薄板与黑薄板151达到一样的红外穿透效果。
因此,黑色色料11也可以用一种透明黑颜料组成。
总而言之,黑色色料11制造方法是将两种以上的透明色料混合制成的、或是由一种透明黑颜料组成。
目前,透明黑的主要用途是在家用电器产品的红外遥控器上,红外遥控器前端黑色塑料片就是发射红外脉冲信号的窗口。将此端黑色塑料片拆卸下来后,用具有红外范围感应的摄影机穿透摄影,几乎无法成像。最好的状况下,也只是得到模糊的影像。
前端黑色塑料片不能透红外,其主要原因是在透明黑的颗粒太大,以及采用的是一种不透明的塑料制品,它对光(红外)有很大的散射与反射。
综合以上实施例结论的透明树脂12:
由图1、图13等图示与说明可知;
在工业用塑料中透明性好的树脂大约有:PMMA(透明度93%)、PC(透明度88%)、PS(透明度89%)、CR-39(透明度90%)、SAN树脂(透明度90%)、MS树脂(透明度90%)、聚-4甲基戊烯-(TPX)(透明度>90%)。另外,像聚甲烯酸甲酯、苯乙烯共聚物(MAS)、PET、PP以及PVC等透明度均很好,仅要找到可兼容的透明色料、或者泛用的透明色料就可以达到本实施例使用的要求。
一般聚合物折射率越小反射率越低,基本上表面反射较少其透明度较优异。
前面的PMMA折射率是1.492,PMMA内部散射与折射率8乘方成正比,折射率低的材料散射损失也少。但是,也应与于透明色料兼容,以免黑色塑料制品15变质影响红外摄影取像的品质。
综合以上结论黑色复合材料13:
由图1、图1A、图4B、图7的图示与说明可知;
组成黑色复合材料13的各种透明色粉可与透明树脂的颗粒混合搅拌成黑色颗粒(黑色色母粒),经适当干燥与处理(有时加上分散剂或其它不影响透明度的添加剂)后,就可在塑料射出机上加工射出成品,或是封装起来保存,尽量避免受潮以便日后使用。
综合以上结论金属模具14:
由图1、图八8、图10的图示与说明可知;
金属模具14的内模必须做抛光面处理,否则射出的黑色塑料制品15受到表面散射,无法让红外穿透取像。
如果不用金属模具14,如以浇铸法(两片玻璃压铸)制造成的PMMA也都有很平滑的表面。
综合以上结论黑色塑料制品15:
由图1C、图2、图7、图8、图10、图13、图14、图15等的图示与说明可知;
(1)黑色塑料制品15主要的功能是让可见光被吸收,同时让红外线44通过。
(2)黑色塑料制品15是由黑色色料11与透明树脂12制成。
其中制成的方法是:将黑色复合材料13,以一般塑料机械或设备大概可分为″软化″、″成型″及″硬化″三个步骤。用射出、押出、浇铸法等方法加工,可以大量制造各种不同体积与形状的应用制品。
(3)黑色塑料制品15与具有红外波段摄影的红外摄影搭配使用,可以取得各种的应用价值,例如:
(3-1)动植物暗室观察箱。
(3-2)可以作为标签薄板的防伪监视。
综合以上结论彩色摄影机82:
(一)由图6B、图10至图12等的图示与说明可知;彩色摄影机82,主要是指一具有红外波段感应的摄影机,可以摄取可见光的彩色影像以及红外的黑白影像。内部包括有一红外截止滤光片613以及一红外通过滤光片615。
其中,红外截止滤光片613以及红外通过滤光片615可以一起置放于同一个滤光片滑动槽,滑动槽可置放于影像传感器611上面,操作者可以手动或自动方式切换滤光片。
其中,红外通过滤光片615所可以通过的波长如有加以限制截止,例如改用截止型红外通过滤光片6151,可以避免与黑色塑料制品15同侧的其它物体在黑色塑料制品15表面产生反射,造成影像的重迭。
如图14仅做为动植物暗室观察箱的应用,则彩色摄影机82可以以一般黑白摄影机取代,因为一般黑白摄影机已经移除红外截止滤光片613,只要有足够的红外,或是加上红外光源143就可穿透箱体(黑色塑料制品15)进行摄影取像。
综合以上实施结果:
一种可透红外黑色塑料制品的制造方法,主要是将一种黑色复合材料经过机械加工而成,此制品适用于吸收可见光与通过红外,其制造方法包括两步骤:
第一步骤是制造黑色复合材料,主要是由黑色色料11与透明树脂12两部份约依0.4比100比例共同混炼制成,事实上黑色色料11所占比例以不高于0.5%较适当。但是,一般比例在高于0.5%时如不考虑色料的浪费,其实也可以达到可接受的红外影像。
其中,黑色色料11是由透明有色色料所组成的。
透明有色色料,是指包含由透明三原色色料CMY可以配(着)色的所有透明有色色料、或是指一种透明黑色色(粉)料。
透明有色色料的混合组成方法有两组:
一组是将两种以上的透明有色色料混合组成。
另一组是由一种透明黑色色(粉)料,也就是一种微细的黑颜料(透明黑)组成。
此两组的组成可以单独使用,或是合并使用。
所以,透明有色色料的混合组成方法是有由两种以上透明有色色料或是由一种透明黑色色(粉)料所组成。
透明有色色料的状态可以是一种固体(例如色粉)、一种液体(例如食用色素)、一种浆状体(例如色浆)或是一种膏状体(例如色膏)。有些状态的透明色种类不多,但只要能将这些透明色料混合配成类似黑色,就可达到本实施目的。
所以,依均等说法,黑色色料11是由透明有色色料所组成的。
其中,透明树脂12是指透明度约88%以上透明性最好的工业用树脂。重要的是透明树脂12中,其透光性不仅包含波长在380nm~780nm的可见光,实际上也涵盖波长在780nm~1200nm的近红外领域。
例如有:PMMA(透明度93%)与PC(透明度88%)等等,仅要找到可相容的透明色料大都可用。
第二步骤是制造黑色塑料制品,主要是将黑色复合材料用射出、押出、浇铸法等经过机械方法加工而成
经过机械加工制造完成。这与一般塑料加工成型一样,大概可分为″软化″、 ″成型″及″硬化″三个步骤。在加工成型中可利用具有抛光内模的金属模具或其它辅助器具(例如PMMA浇铸所用的大型玻璃片)制成各种不同形状与大小的成品。
一种可透红外黑色塑料制品15的应用,主要是利用一彩色摄影机82,在摄影机影像传感器前装置有一红外截止型红外通过滤光片6151,当彩色摄影机82对黑色塑料制品15进行穿透摄影时,其主要目功能是减少影像的重迭。
此彩色摄影机82可以用一般黑白摄影机取代。
取代后的一般黑白摄影机,对上述摄取红外影像遇到干扰(产生重迭的影像)时,可利用一红外辅助光源143的照射,藉以让红外的能量盖过可见光的能量,这样,也可以减少可见光的干扰而避开可见光影像与红外影像的重迭。

Claims (13)

1.一种可透红外光的黑色塑料制品的制作方法,至少包括下列步骤:
将透明有色色料与透明无色树脂两部份共同混合,经过机械方法加工制成各种表面光滑的黑色成品。
2.如权利要求1所述的方法,该透明有色色料是以下步骤完成:
将可相容的透明三原色料青色、洋红、与黄色的色粉依相等或不相等的比例共同混合在一起均匀搅拌与处理后完成。
3.如权利要求1所述的方法,该透明有色色料,包含:
将可兼容的透明青色、洋红、与黄色三原色料中可以互相混合呈现黑色的所有互补色料。
4.如权利要求1所述的方法,该透明有色色料是一种透明黑的色粉。
5.如权利要求1所述的方法,该透明有色色料的状态可以是一种固体、一种液体、一种浆状体或是一种膏状体。
6.如权利要求1所述之的方法,透明无色树脂,是指压克力PMMA、聚碳酸酯树脂PC等与其它透光性包含波长在可见光与红外领域的光学级透明树脂。
7.如权利要求1所述的方法,该透明有色色料与该透明无色树脂两部份大约依0.4比100比例共同混合,一起均匀搅拌形成一黑色复合材料,以塑料机械或设备加工抽条切粒,形成一种黑色色母粒。
8.如权利要求1所述的方法,该黑色塑料制品中,该透明色料中的透明是让红外可以通过,该透明色料中的色料混合是吸收可见光而呈现黑色;以及
该透明树脂中的透明是让红外可以通过,该透明树脂中的树脂是作为该透明色料的载体,使该黑色塑料制品可以塑造成各种板材、管材、颗粒、薄膜或其它可应用的形状;以及
该塑造后的黑色塑料制品能吸收可见光呈现黑色,使具有红外波段感应的摄影机能穿透黑色塑料制品进行摄影取像。
9.如权利要求8所述的方法,该具有红外波段感应的摄影机,用不具有红外截止滤光片的黑白摄影机取代。
10.如权利要求8所述的方法,该具有红外波段感应的摄影机,该摄影机的影像传感器与摄影镜头之间装置的滤光片组,包含有一可移动红外截止滤光片与红外通过滤光片的组合装置。
11.如权利要求8所述的方法,该黑色塑料制品中,将至少两张黑色塑料薄板迭层,另外在夹层中间插入一张透明无色的塑料薄板,并在该透明无色的塑料薄板上标示有文字图案,该具有红外波段感应的摄影机穿透该黑色塑料制品进行摄影辨识。
12.如权利要求10所述的方法,该红外通过滤光片是一种截止型红外通过滤光片。
13.如权利要求11所述的方法,该复数张黑色塑料薄板迭层的夹层中间,利用其中至少两张的黑色塑料薄板表面上,贴上或雕刻有文字图案,该具有红外波段感应的摄影机穿透迭层的该黑色塑料薄板进行摄影,使摄影的影像在影像显示器上显示出具有层次感的红外影像。
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