CN102564740A - 一种变角度玻璃反射测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变角度玻璃反射测量装置及方法，在无样品时，测得入射光通量，进行绝对校准；在有样品时，改变照射样品的入射光角度，根据反射光相应角度的变化，收集来自样品上反射表面和下反射表面的总反射光通量；计算总反射光通量与入射光通量的比值，得出样品的总反射比。本发明可以对这些薄膜层厚度和其光学特性进行有效地控制，它可提供玻璃膜层和类似产业所需的角度颜色变化数据，为玻璃膜层的质量控制提供依据。

Description

一种变角度玻璃反射测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种变角度玻璃反射测量装置及方法。

背景技术

随着人们对建筑物美观、节能意识的不断增强，镀膜玻璃作为新兴的建筑玻璃材料，以其通透、亮丽和节能的特点深受建筑设计师和用户的喜爱。然而，在建造大面积玻璃幕墙时经常会出现颜色不均匀的问题，即色差，它直接影响玻璃幕墙的外观质量和美观效果，因此镀膜玻璃的色差问题越来越引起人们的重视。

镀膜玻璃是在玻璃表面涂镀一层或多层薄膜，以改变玻璃的光学性能，满足某种特定要求。它对反射光的作用较普通玻璃发生了更复杂的变化，光在薄膜与薄膜之间以及玻璃、薄膜和空气相对之间发生着入射、反射、透射、吸收、折射等复杂的光学作用，玻璃和薄膜的成分、结构以及厚度影响镀膜玻璃的光谱透射比和光谱反射比，也就决定了镀膜玻璃的透射颜色和反射颜色，任一因素的变化都将导致镀膜玻璃的色差。从不同角度观察玻璃，其反射颜色会随着观察角度的改变而发生变化，尤其是双银和三银镀膜玻璃由于膜层较厚，大角度观察玻璃色差会很明显。

透明玻璃有上下两个表面。当光线入射到玻璃上表面时会同时出现折射和反射现象，沿着折射光进入玻璃内部会射到玻璃的下表面，在下表面会出现反射和透射，透射光穿出玻璃；而经下表面反射后的光又从玻璃内部射向玻璃的上表面，在此处又会发生反射和透射，透射光就穿出玻璃。如此会有许多反射光和透射光同时存在，而所有的反射光构成了玻璃表面的总反射。

镀膜玻璃主要用于建筑玻璃幕墙以及室外装饰，人们大多是在室外光照条件下观看玻璃，是玻璃的总反射，所以总反射色差的检测更重要。尤其是在光线好的条件下观察，玻璃颜色变化会很明显。 

为了比较在不同角度下玻璃的总反射颜色，确保玻璃在不同的观察角度下色差满足相关标准要求，就需要多角度反射光谱测量，进而计算出不同角度下的颜色及色差。

传统的仪器一般只能测量样品的上表面的反射光束，下表面的反射光不被收集或只收集一部分，如图1，这类仪器不对测量样品的总反射提供精确的测量。

目前现有大多数反射光谱测量仪器仅仅是在固定的入射角下（通常在接近法线的入射角15°以下）测量反射比的，被测样品的反射比是和反射标准板的已知反射比通过对比来确定的，是一种相对测量（比对测量）。测量时先放上反射标准板进行校准，然后再放上样品，两者的光强进行比对，便得出样品的反射比。

目前现有变角度反射光谱测量仪主要是光谱椭偏仪，它是一种可以进行连续光谱扫描的变入射角的光谱椭偏成像测量系统，该仪器更注重于对样品表面尤其是纳米薄膜样品表面形貌及物理厚度进行定量测量。它也是只能测量样品上表面的反射光学特性，不能测量有一定厚度样品的反射比，也不能做绝对测量。

目前大多数反射测量方法有如下几方面不足：a）被测样品的反射比要和反射标准板的已知反射比进行比较来确定，这就要求反射标准板要进行严格的标定和周期检定。b）只能在固定入射角度下测量反射比，不能对玻璃实施多角度反射光谱的检测。c）局限于测量上表面单一表面的反射比，不能直接测量玻璃尤其是厚玻璃和多片玻璃的总反射比。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种可测量不同角度玻璃总反射比、并实现反射比绝对测量的变角度玻璃反射测量装置，本发明的另一目的是提供一种变角度玻璃反射测量方法。

为实现上述目的，本发明一种变角度玻璃反射测量方法，具体为：在无样品时，测得入射光通量，进行绝对校准；在有样品时，改变照射样品的入射光角度，根据反射光相应角度的变化，收集来自不同角度的样品上反射表面和下反射表面的总反射光通量；计算总反射光通量与入射光通量的比值，得出样品的总反射比。

进一步，将所述反射光的波长分解为色谱，分析作为波长的函数的色谱的强度。

进一步，所述入射光的角度在8—85度之间进行变化；所述样品厚度大于30mm时，所述入射光的角度在15度以内；所述样品厚度小于20mm时，所述入射光的角度在8—85度之间。

一种实施上述方法的变角度玻璃反射测量装置，包括光源单元、接收单元和用于承载样品的样品台，光源单元和接收单元旋转后能够相互相对设置，使得光源单元发出的入射光直接射入接收单元，以测得入射光通量，来进行绝对校准；光源单元和接收单元旋转相应的角度，入射光射向样品表面，样品上下表面的反射光均被接收单元接收，以测得总反射通量。

进一步，所述光源单元包括光源臂电控旋转台、光源臂和光源，光源臂一端与光源臂电控旋转台连接，光源臂的另一端上连接有光源，光源臂电控旋转台通过光源臂来带动光源转动。

进一步，所述接收单元包括接收臂电控旋转台、接收臂、接收器和分光光度计，接收臂一端与接收臂电控旋转台连接，接收臂的另一端上连接有接收器，接收臂电控旋转台通过接收臂来带动接收器转动，接收臂上与带动接收器相对应的位置上设置有分光光度计。

进一步，所述样品台设置在电控平移台上，电控平移台设置在样品电控旋转台上；电控平移台上设置有竖直导轨，电控平移台能够带动样品台上下移动，同时，样品电控旋转台通过电控平移台来带动样品台转动。

进一步，所述光源臂与接收臂的旋转方向相反，所述光源臂与接收臂旋转角度为0—120度之间；在所述光源臂的角度改变的同时，所述接收臂同时跟着在反方向改变相同角度，并且每改变一个角度的旋转中心均是相同的；所述样品台的旋转角度为0—90度之间，所述样品台的旋转方向与所述光源臂的旋转方向一致。

进一步，样品测量中，所述光源臂、接收臂和样品台绕同一个旋转轴转动；对于不同厚度的样品，通过调节所述电控平移台的高度，使样品的被测面始终与所述样品电控旋转台的旋转轴处在同一平面上。

进一步，所述样品台的中部设置有中空孔，在进行绝对校准时，所述光源臂与接收臂转到同一轴线上，使所述光源与接收器同轴，同时所述样品台也旋转相同的角度，使样品台台面与光源垂直，光源发射的光穿过所述样品台的中空孔后被接收器接收，以测得入射光通量。

本发明可以对这些薄膜层厚度和其光学特性进行有效地控制，它可提供玻璃膜层和类似产业所需的角度颜色变化数据，为玻璃膜层的质量控制提供依据。

附图说明

图1为现有技术中传统仪器的结构示意图；

图2为本发明原理图；

图3为本发明装置主视示意图；

图4为本发明装置侧视示意图；

图5为光源臂、接收臂旋转轨迹示意图；

图6为采用平行光管、积分球做接收器的光线路示意图；

图7为采用带有光源的积分球做光源、平行光管做接收器的光线路示意图；

图8为绝对测量时结构示意图；

图9为光在8度、45度及85度时照射到玻璃上的光路图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

反射比：在入射光线的光谱组成、偏振状态和几何分布指定条件下，反射的光通量与入射光通量之比。

反射绝对校准：不需要标定的反射比标准板做比对，通过变角度或使用积分球等方法直接测出反射比。

反射相对校准：需要标定已知反射比的反射标准板做比对，通过光强的比对方法测出反射比。

朗伯体光源：满足式的发光强度规律的面发光体称为朗伯发光体或余弦辐射体。发光强度和亮度的概念不仅适用于自己发光的物体，也可以应用到反射体。光线射到光滑的表面上，定向地发射出去；射到粗糙的表面上时，它将朝向所有方向漫射。一个理想的漫射面，应是遵循朗伯定律的，即不管入射光来自何方，沿各方向漫射光的发光强度总与cosθ成正比，从而亮度相同。积雪、刷粉的白墙或十分粗糙的白纸表面，都很接近这类理想的漫射面。这类物体称为朗伯反射体。

常被用做朗伯体光源的有：被光反射板、积分球、灯罩、照明面板、反射扩散板、光纤耦合器的衰减器等。

积分球：积分球常用金属做成一个内部空心的球，在球的内表面涂有无波长选择性的（均匀）漫反射性的白色涂料，在球内任一方向上的照度均相等。光源在球壁上任意一点上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。积分球的主要功能是光收集器，被收集的光可以用作漫反射光源或被测源。

如图2至图9所示，本发明一种变角度玻璃反射测量方法，具体为：在无样品时，测得入射光通量，进行绝对校准；在有样品时，改变照射样品的入射光角度，根据反射光相应角度的变化，收集来自不同角度的样品上反射表面和下反射表面的总反射光通量；计算总反射光通量与入射光通量的比值，得出样品的总反射比。进一步将反射光的波长分解为色谱，分析作为波长的函数的色谱的强度。

本方法提供了一种可以连续变入射角度的光谱反射测量方法，它可提供玻璃膜层和类似产业所需的角度颜色变化数据，为玻璃膜层的质量控制提供依据。

本方法在测量中，关键技术如下：

1）入射光的角度在8—85度之间进行变化；

2）绝对测量（不需要反射标准板）：通过改变入射光的角度，接收器也做相应的角度变化，从而测得样品在不同角度下的反射通量以及入射到样品上的通量，则计算可得绝对反射比。

3）可测有一定厚度样品内多片多表面的总反射比：样品有可能是由多片玻璃叠加组成，通过用朗伯体光源照明，接收器接收，可测样品多表面的反射比。测量角度与样品厚度是相关的，随着样品厚度的增加，有效测量角度会减小。当样品厚度大于30mm时，入射光的角度在15度以内；当样品厚度小于20mm时，入射光的角度在8—85度之间。

一种实施上述方法的变角度玻璃反射测量装置，包括光源单元、接收单元和用于承载样品的样品台9，光源单元和接收单元旋转后能够相互相对设置，使得光源单元发出的入射光直接射入接收单元，以测得入射光通量，来进行绝对校准；光源单元和接收单元旋转相应的角度，入射光射向样品11表面，样品上下表面的反射光均被接收单元接收，以测得总反射通量。

本发明采用朗伯体光源照明，使发射光的亮度相同。在无样品时，测得入射光通量，进行绝对校准，通过连续改变入射光（光源臂）的角度（8—85度），接收臂也随之做相应的角度变化，接收器接收，即可测出样品上下表面的反射通量，通过与入射光通量比对，则可得出样品的反射比，这种测量得出的反射比为绝对反射比。

其中，光源单元包括光源臂电控旋转台1、光源臂5和光源7，光源臂5一端与光源臂电控旋转台1连接，光源臂5的另一端上连接有光源7，光源臂电控旋转台1通过光源臂5来带动光源7转动。

光源臂5与接收臂6的旋转方向相反，光源臂5与接收臂6旋转角度为0—120度之间；在光源臂5的角度改变的同时，接收臂6同时跟着在反方向改变相同角度，并且每改变一个角度的旋转中心12均是相同的，从而使得不会改变光程长度，逐渐增大或减少入射角，光束都会照在样品的同一点上。

接收单元包括接收臂电控旋转台2、接收臂6、接收器8和分光光度计10，接收臂6一端与接收臂电控旋转台2连接，接收臂6的另一端上连接有接收器8，接收臂电控旋转台2通过接收臂6来带动接收器8转动，接收臂6上与带动接收器8相对应的位置上设置有分光光度计10。

样品台9设置在电控平移台4上，电控平移台4设置在样品电控旋转台上；电控平移台4上设置有竖直导轨，电控平移台4能够带动样品台9上下移动，同时，样品电控旋转台通过电控平移台4来带动样品台9转动。样品台9的旋转角度为0—90度之间，样品台9的旋转方向与光源臂5的旋转方向一致。

样品11测量中，光源臂5、接收臂6和样品台9绕同一个旋转轴转动；对于不同厚度的样品，通过调节电控平移台4的高度，使样品的被测面始终与样品电控旋转台4的旋转轴处在同一平面上。

样品台9的中部设置有中空孔，在进行绝对校准时，光源臂5与接收臂6转到同一轴线上，使光源7与接收器8同轴，同时样品台9也旋转相同的角度，使样品台台面与光源7垂直，光源7发射的光穿过样品台9的中空孔后被接收器接收，以测得入射光通量。

在具体实施中，如图5所示，光源臂5的旋转轨迹为轨迹线13所示，接收臂6的旋转轨迹为轨迹线14所示。可采用朗伯体光源照明，朗伯体光源可以采用光源17+平行光管15组合，积分球16做接收器（如图7）；根据光路可逆性原理也可用带有光源18的积分球16做光源，平行光管15做接收器（如图6）。

测量时，将光源臂与接收臂转到同一轴线上，使光源7与接收器8同轴，同时样品台9也旋转相同的角度，使样品台台面与光源垂直，光源7发射的光穿过样品台9的中空孔被接收器8接收，测得入射光通量。将样品11放在样品台9上，通过驱动系统控制在改变入射角度的条件下照射样品，接收器8随着接收臂6做相应角度的旋转并接收样品11的总反射光通量，总反射光通量与入射光通量的比为该样品的反射比。通过分光光度计10将反射光波长分解为光谱，并分析波长的函数的色谱强度，将数据传输到计算机中。

本装置可以连续测量样品总反射率，可测得样品整体的反射颜色，不需要反射标准样板进行比对，此测量为绝对测量。当样品厚度有变化时，可通过改变样品台的高度，使样品上表面与3个电控旋转台中心保持一致。

通常应用在建筑玻璃上的膜层是低辐射或热反射膜层。它们是由电介质和诸如银的红外反射金属的叠加层构成的多层薄膜，这些玻璃膜层通常含一至三层银。当这些膜层包含被电介质干涉层分离的两层或更多层银时，角度颜色变化会很大。本发明的变角度玻璃反射测量装置，可以对这些薄膜层厚度和其光学特性进行有效地控制，它可提供玻璃膜层和类似产业所需的角度颜色变化数据，为玻璃膜层的质量控制提供依据。

Claims (10)

1.一种变角度玻璃反射测量方法，其特征在于，该方法具体为：在无样品时，测得入射光通量，进行绝对校准；在有样品时，改变照射样品的入射光角度，根据反射光相应角度的变化，收集来自不同角度的样品上反射表面和下反射表面的总反射光通量；计算总反射光通量与入射光通量的比值，得出样品的总反射比。

2.  如权利要求1所述的变角度玻璃反射测量方法，其特征在于，将所述反射光的波长分解为色谱，分析作为波长的函数的色谱的强度。

3.  如权利要求2所述的变角度玻璃反射测量方法，其特征在于，所述入射光的角度在8—85度之间进行变化；所述样品厚度大于30mm时，所述入射光的角度在15度以内；所述样品厚度小于20mm时，所述入射光的角度在8—85度之间。

4.  一种变角度玻璃反射测量装置，其特征在于，该装置包括光源单元、接收单元和用于承载样品的样品台，光源单元和接收单元旋转后能够相互相对设置，使得光源单元发出的入射光直接射入接收单元，以测得入射光通量，来进行绝对校准；光源单元和接收单元旋转相应的角度，入射光射向样品表面，样品上下表面的反射光均被接收单元接收，以测得总反射通量。

5.  如权利要求4所述的变角度玻璃反射测量装置，其特征在于，所述光源单元包括光源臂电控旋转台、光源臂和光源，光源臂一端与光源臂电控旋转台连接，光源臂的另一端上连接有光源，光源臂电控旋转台通过光源臂来带动光源转动。

6.  如权利要求4所述的变角度玻璃反射测量装置，其特征在于，所述接收单元包括接收臂电控旋转台、接收臂、接收器和分光光度计，接收臂一端与接收臂电控旋转台连接，接收臂的另一端上连接有接收器，接收臂电控旋转台通过接收臂来带动接收器转动，接收臂上与带动接收器相对应的位置上设置有分光光度计。

7.  如权利要求4所述的变角度玻璃反射测量装置，其特征在于，所述样品台设置在电控平移台上，电控平移台设置在样品电控旋转台上；电控平移台上设置有竖直导轨，电控平移台能够带动样品台上下移动，同时，样品电控旋转台通过电控平移台来带动样品台转动。

8.  如权利要求5所述的变角度玻璃反射测量装置，其特征在于，所述光源臂与接收臂的旋转方向相反，所述光源臂与接收臂旋转角度为0—120度之间；在所述光源臂的角度改变的同时，所述接收臂同时跟着在反方向改变相同角度，并且每改变一个角度的旋转中心均是相同的；所述样品台的旋转角度为0—90度之间，所述样品台的旋转方向与所述光源臂的旋转方向一致。

9.  如权利要求8所述的变角度玻璃反射测量装置，其特征在于，样品测量中，所述光源臂、接收臂和样品台绕同一个旋转轴转动；对于不同厚度的样品，通过调节所述电控平移台的高度，使样品的被测面始终与所述样品电控旋转台的旋转轴处在同一平面上。

10.  如权利要求9所述的变角度玻璃反射测量装置，其特征在于，所述样品台的中部设置有中空孔，在进行绝对校准时，所述光源臂与接收臂转到同一轴线上，使所述光源与接收器同轴，同时所述样品台也旋转相同的角度，使样品台台面与光源垂直，光源发射的光穿过所述样品台的中空孔后被接收器接收，以测得入射光通量。

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