建筑玻璃的各向异性测量



这是我 2017 年关于 HACI(雾度、各向异性、清晰度、干扰)的 GPD 演讲的承诺后续行动,其中包含最新的技术和研究更新以及 ASTM 各向异性任务组活动的状态。

自 2017 年以来,我们的实验和研究使我们专注于各向异性。发现刚性夹层可以变得各向异性帮助我们解决了雾度和清晰度问题。在这里,我总结了库比蒂诺峰会:由 Apple 主办的为期一天的会议,来自世界各地的 31 位科学家和利益相关者齐聚一堂。这是 ASTM 各向异性测量任务组的启动会议。我在 8 次会议后介绍了我们任务组的状态。最后,您将看到该领域的下一步和挑战是什么。

参加我的演讲后,您将更多地了解各向异性背后的物理原理,以及扫描仪的制造商。您还将对即将推出的 ASTM 标准有一个很好的了解。

一、 定义

1.1 折射率

光在真空或空气中以 C = 300 Mm/s 的速度传播(东京-LA 为 9 Mm)。光在水或玻璃中的移动速度较慢,因为有更多的粒子挡住了它的去路。每次光子撞击一个粒子,光被吸收,粒子振动,然后光被重新发射;这一切都需要时间。在玻璃中,速度下降到 200 毫米/秒。

比率 C/V 称为折射率 (n)。对于浮法玻璃,大约是 n = 300/200 = 1.5

1.2 各向同性

真空、水、空气和退火玻璃是各向同性的。当沿所有方向的轴测量时,它们表现出具有相同值的特性(例如光传输速度)。在各向同性体中,无论传播方向或振动平面如何,该折射率都是恒定的。

1.3 各向异性

木材在纹理方向上更容易分裂:它是各向异性的。当在不同方向上测量时,它表现出具有不同值的特性。许多材料,如玻璃和塑料,在未受力时是各向同性的,但在受力时会变成各向异性。

由于偏振光的存在、玻璃的双折射特性以及由于热处理而在玻璃中产生的机械应力,各向异性会产生视觉效果。

1.4 双折射

双折射是解释我们在偏振光环境中在玻璃上看到的图案的物理特性。传播速度取决于光波的偏振方向。当折射率不再恒定时,观察到双折射的影响。某些晶体,如方解石,据说是双折射的,它们显示出光学各向异性。浮法玻璃在光学上是各向同性的,但在负载或应力下会变成光学各向异性。

方解石晶体

图1 方解石晶体

折射率的变化是应力的函数。在热处理玻璃或冷却夹层时,我们会创建具有不同折射率的区域,这会导致光学延迟。

机械应力改变折射率

图 2 机械应力改变折射率

1.5 延迟

在双折射材料中,偏振光波彼此垂直并在平行的主应力方向上以不同的速度传播。结果是这两个光波之间的光程差或光延迟。

样品中测得的延迟取决于应力光学定律:波长、玻璃的应力光学常数、主应力的应力差和穿过玻璃的路径的机械长度。在(部分)偏振日光下,这些延迟和光谱会导致人眼可见的颜色效果(彩虹色)。

二、库比蒂诺会议

2.1 利益相关者

GPD 2015 对欧洲和英国的标准和行业指南进行了详尽的研究。“根据现行英国标准,各向异性被明确认为是热处理工艺的必然结果”(Pasetto,2014 年)。北美标准 C1048 中存在相同的措辞。在库比蒂诺,Pasetto 先生强调该行业需要提出客观性、衡量标准和改变标准的意愿。在与一家世界领先的项目开发和建设集团合作时,他遇到了越来越多的无法交付的规格、长期的资质和代价高昂的法律纠纷。

2.2 现有标准

ASTM 已经有许多处理各向异性和光弹性的标准:

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其中一些标准非常基础,是在模拟时代开发的。其他允许精确测量双折射,但仅限于小局部区域。随着成像和计算能力的发展,我们现在可以设想以微小分辨率对大区域的延迟进行精确测量。此外,在制定标准时,我们需要解决基本问题:校准、可重复性和准确性。

2.3 研究

Marcus Illguth 和 Christian Schuler 在慕尼黑应用科学大学合作撰写了我们认为关于我们的主题的最权威论文(M. Illguth,2015 年)。Schuler 先生还曾与亚琛工业大学合作。他们使用光弹性方法展示了他们在全表面质量控制和评估方面的工作(Benjamin Schaaf,2017 年)。

干涉色的形成

图3 干涉色的形成

延迟波长

图 4 延迟波长

感知与观察角度

图 5 感知与观察角度

这些近期研究活动的结果表明,使用 RGB 光弹性的光学延迟测量是使用物理测量单位:纳米 (nm) 量化各向异性的正确工具。偏光镜图像被转换为​​延迟的全场测定,然后进行统计评估。

Christian Schuler 继续研究影响各向异性的因素:玻璃厚度、涂层、叠加玻璃板、熔炉与图案。他尝试使用分位数值、各向同性值和纹理特征来表征窗格。他甚至与对照组进行了实地研究。

在行业方面,圣戈班玻璃近年来在各向异性方面做了很多工作。Stéphane Auvray 带来了他的研究背景,以提高对现实生活情况的认识。建筑环境至关重要,因为它会改变视觉感知。如果双折射变化发生在玻璃的空间上,我们会观察到反射和透射的变化。因此,视角会使用户接近或远离临界布鲁斯特角。换句话说,对于同一建筑物在相同条件下钢化的玻璃,从地面观察时,冷却痕迹仅在某些楼层可见。

通过光学延迟映射的原始玻璃扫描仪可以很好地量化钢化质量,但不允许为观察者预测结果。根据观察角度和天空极化,图案将是可见的。但是,可以根据玻璃的 sp 回答来预测感知。因此,我们不仅需要考虑延迟的幅度,还需要考虑玻璃中存在的应力方向。

更复杂的是,Auvray 先生的研究还表明,涂层和层压的存在带来了吸收和反射,并改变了布鲁斯特角。

三、 商业扫描仪技术

SoftSolution 的 Hermann Sonnleitner、Viprotron 的 Rainer Feuster、Lite Sentry 的 Eric Hegstrom 和 Arcon 的 Hermann Dehner 解释了他们的公司如何进入各向异性扫描市场,并展示了他们的技术能力和科学背景。每家公司使用不同的测量方法,可分为两类:偏光镜和偏光仪。

3.1 软解

使用多个远心光源来扩大其延迟范围。它使他们能够评估硬夹层和厚玻璃的延迟。他们的系统还可以确定边缘应力和孔周围的应力。使用圆偏振器使其测量独立于床上的玻璃方向。他们正致力于关联边缘应力以预测碎片并最终消除破坏性的 QC 方法。

3.2 Viprotron

还使用圆偏振滤光片。它们使用更长的光波长(红色单色 LED 灯)。他们认为校准是计算正确延迟值的关键。他们使用几个不同波长的校准板来实现这一点。

3.3 LiteSentry

进入光学失真市场已有 20 年,在全球拥有 230 多个现场安装。制造工厂环境和图像分析的丰富知识是构建他们系统的关键。他们意识到延迟很复杂,并于 2017 年开始与 Stress Photonics 合作开发和制造他们的解决方案,用于在线测量玻璃的各向异性、虹彩、延迟和绝对应力。它们将色彩平衡偏振光源与多个灰场偏光镜相结合。这使它们能够很好地预测彩虹色。

来自数据集的模式预测

图 6 来自数据集的模式预测

3.4 阿尔康

是延迟测量的先驱。几年前,他们使用 Senarmont 方法开发了一种离线测量技术。他们最近与 ilis 合作开发了一种在线测量技术。可旋转分析仪被没有移动元件的特殊偏振相机取代,激光被 LED 面板取代,使用圆偏振光进行测量可以确定应力的正确大小和方向。他们现在可以根据应力的大小和方向执行实时统计计算。

3.5 格拉司通

没有在库比蒂诺峰会上展示系统,但他们的 iLooK 直接在钢化线上满负荷扫描在线玻璃各向异性,并单独显示每块玻璃。他们的仪器集成在他们的回火炉中以提供 QA 数据。

四、 ASTM C14.08 各向异性任务组

峰会结束后,很明显我们面临着严峻的挑战。我们决定通过处理热处理的平面单片玻璃来保持示波器的简单性。我们的目标是快速编写标准,然后添加其他标准以涵盖更复杂的结构,如夹层玻璃。

我们还坚持标准化测量光学各向异性的测试方法。该标准对利益相关者进行了有关该现象和可用于衡量该现象的技术的教育。它建立了一个词汇表,一种方法论。它证实了延迟是物理现象,其单位是纳米。最后,它证明了扫描仪制造商之间的测量是一致的、可重复的和可追溯的。输出将是一个值矩阵。

我们希望标准成为一个构建块。这是一个标准的测试方法,而不是一个规范。

五、 我们旅程的下一步

5.1 ASTM

我们希望通过投票来正式化这个构建块。由于它相当基础,我们希望这将是一个简单的过程。

5.2 研究

在以下几个领域还有更多的研究要做:

我们如何在数学或统计上解析延迟图以简化其解释?平均数并不能传达高各向异性的怪异图案或孤岛。在尖锐的几何区域中,我们从哪里开始评估边缘、孔洞?

人眼感知在显示行业得到了很好的研究,但建筑界尚未开始对此进行研究。我们的眼睛在多远的距离对灰色阴影有什么反应?在库比蒂诺会议上,麦克马斯特大学的 Adrian Kitai 解释了人眼如何成为最关键的分析仪器,以及它的空间分辨率限制是什么。

可以测量各种空间频率的对比阈值并将其绘制为对比敏感度与空间频率的关系。下图绘制了对比度敏感度函数。低空间频率的对比敏感度与感知大型物体和形状的程度有关。这项研究已经向我们表明,对于 60 m 外的建筑物来说,可接受的各向异性值对于描述汽车后窗玻璃的光学质量没有那么有用。

对比敏感度函数

图 7 对比敏感度函数

法国初创公司 Eclat Digital 使用各向异性强度和方向创建超逼真的虚拟原型。然而,他们在重建场地照明条件方面面临挑战。我们如何测量和描述建筑物的光偏振环境并捕捉更容易受到各向异性影响的环境?

六、结论和展望

我们正在继续我们非常有趣的旅程,现在允许领先的建筑师和制造商量化被认为不可避免但我们认为可以改进的现象。

计算能力和光学技术为可靠的热处理玻璃在线扫描仪铺平了道路。我们可以说这些设备可靠地绘制了零度的光学延迟,因此可以量化回火质量。一旦 ASTM 标准到位,就有可能关联准确和可重复的测量并客观地改进过程。

从长远来看,测量各向异性将导致大型复杂玻璃面板的美学改进。

参考

Benjamin Schaaf, P. D. (2017). Full-surface and Non-destructive Quality Control and Evaluation by Using Photoelastic Methods. Glass Performance Days. Tampere, Finland.

M. Illguth, C. S. (2015). The effect of optical anisotropies on building glass façades and its measurement methods. Munich, Germany: ScienceDirect.

Pasetto, S. (2014). Anisotropy as a defect in U.K. architectural float heat-treated glass. Bath, UK: University of Bath.

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