CN102305760A - 光学玻璃耐腐蚀性测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度、可以定量测试的光学玻璃耐腐蚀性测试装置。光学玻璃耐腐蚀性测试装置，沿光路依次设置光源、平行光管、转盘、测光积分球、光捕获器、白板和光探测器，所述测光积分球上开有四个开口，其中，第一个开口作为入射光的入口；第二个开口位于与入光口成180°的位置上，第三个和第四个开口互成90°，并且也分别与入光口互成90°，入光口处放置样品，其余三个开口处分别放置光捕获器、白板和光探测器。本发明方便巧妙地排除了入射光不平行性、样品以及测光积分球多次反射和透射损失，以及测光积分球内光残留、装置几何偏差造成的误差影响，实现了对光学玻璃表面腐蚀情况高精度的细分判定。

Description

光学玻璃耐腐蚀性测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试技术，特别是涉及一种光学玻璃耐腐蚀性测试装置及其测试方法。

背景技术

随着社会发展和技术进步，光学玻璃的使用领域和环境也随之扩大，对光学玻璃的各种耐腐蚀性提出了更为严格的要求，相应的对光学玻璃耐腐蚀性等级的判定提出了更高的细分要求。

关于光学玻璃耐腐蚀稳定性测试与分级方法，大体分为表面法和粉末法。粉末法容易受粉末颗粒表面大小等因素的影响，测定精确度比较差，而且破坏了光学玻璃的使用状态。采用表面法接近使用情况，但是原有的表面法判定划分方法为定性或者半定量测试，判定结果往往受标样以及检测者经验影响，无法对更高要求的产品性能指标进行判定和细分。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度、可以定量测试的光学玻璃耐腐蚀性测试装置。

本发明还要提供一种采用上述测试装置的测试方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：光学玻璃耐腐蚀性测试装置，沿光路依次设置光源、平行光管、转盘、测光积分球、光捕获器、白板和光探测器，所述测光积分球上开有四个开口，其中，第一个开口作为入射光的入口，即入光口；第二个开口位于与入光口成180°的位置上，第三个和第四个开口互成90°，并且也分别与入光口互成90°，入光口处放置样品，其余三个开口处分别放置光捕获器、白板和光探测器。

光学玻璃耐腐蚀性测试方法，该方法包括以下步骤：

1)不放样品(3)，将白板(4)放置在与入光口成180°的开口处，测光积分球(5)上剩余的2个开口处分别放置光捕获器(6)和光探测器(7)，光探测器(7)测得的光讯号I₁为：I₁＝φg[1-2b]；

2)将样品(3)放入光路中，白板(4)、光捕获器(6)和光探测器(7)的位置与步骤1相同，光探测器(7)测得的光讯号I₂为：I₂＝φτg[1-b′(2-ρ)]；

3)不放样品(3)，将光捕获器(6)放置在与入光口成180°的开口处，测光积分球(5)上剩余的2个开口处分别放置白板(4)和光探测器(7)，光探测器(7)测得的光讯号I₃为：I₃＝φyg[1-2b]；

4)将样品(3)放入光路中，白板(4)、光捕获器(6)和光探测器(7)的位置与步骤3相同，光探测器(7)测得的光讯号I₄为：I₄＝φg(τ₂+τ₁)[1-b′(2-ρ)]；

通过计算可得到扩散透过率与全光透过率之比为：

上述符号所代表的含义为：Φ：入射光量；ρ：待测样品反射率；τ：待测样品全光透过率；τ1：待测样品直接透过率；τ2：待测样品扩散透过率；b：光直接进入测光积分球，在测光积分球内经多次反射的相关系数。

本发明的有益效果是：本发明方便巧妙地排除了入射光不平行性、样品以及测光积分球多次反射和透射损失，以及测光积分球内光残留、装置几何偏差造成的误差影响，实现了不需要标准样品，精确获得能反应光学玻璃表面腐蚀情况的定量测试结果，从而实现了对光学玻璃表面腐蚀情况高精度的细分判定。

附图说明

图1是本发明装置的光路图。

图2是本发明方法的步骤1的光路示意图。

图3是本发明方法的步骤2的光路示意图。

图4是本发明方法的步骤3的光路示意图。

图5是本发明方法的步骤4的光路示意图。

具体实施方式

本发明结合光学玻璃的特点，利用光通过表面被腐蚀的光学玻璃后的散射情况与光学玻璃表面情况有关系的原理，通过对光的散射情况的定量测量来测试光学玻璃的耐腐蚀。

如图1所示，本发明装置沿光路依次设置光源1、平行光管、转盘8、测光积分球5、光捕获器6、白板4和光探测器7，样品3放置在转盘8上。

平行光管由离轴抛物镜2和椭球镜9组成，其作用是实现光路折叠，产生准直性较高的平行光，因为要保证对光学玻璃材料表面微小偏差的区分，就要求照射到样品3上的入射光有非常好的准直性。本发明采用的由离轴抛物镜2和椭球镜9组成的平行光管，可以方便地调整使系统的光轴重合，消除系统光路偏离的误差影响。

转盘8位于测光积分球5的入光口前，其上均匀分布有多个放置样品3的支座，样品3能竖直放置在转盘8上，并紧贴测光积分球5的入光口，转盘8由电机带动转动，使测试过程尽可能的快速，可以方便快捷地实现测试步骤中对入射光强和样品透射光强测试的状态转变以及不同样品测试条件的一致性，避免了取放样品等过程造成的系统不稳定性和由于测试过程过长造成的系统漂移影响，同时还可以实现多个样品在同一条件下的测试，减小了测试条件不一致造成的影响，有利于数据之间的对比分析。

测光积分球5上开有四个开口。其中，第一个开口作为入射光的入口，即入光口；第二个开口位于与入光口成180°的位置上，第三个和第四个开口互成90°，并且也分别与入光口互成90°。其中，与样品3接触的开口为入光口，其余三个开口处分别放置光捕获器6、白板4和光探测器7。光在测光积分球5内经多次反射后，光呈均匀分布，测光积分球5适合于测试光强较弱的散射光，也利于扣除平行光中的散射成分。

由光学玻璃表面腐蚀造成的入射到测光积分球5内的散射光光强相对较弱，需要避免测光积分球5内表面涂料的吸收和散射损耗，因此，需要将测光积分球5内表面抛光，以提高散射光强的测试精度。

因为在不同的测试步骤中，光捕获器6和光探测器7相对于入光口的位置会有所改变，白板4的作用是使每一个步骤中，测光积分球5上的四个开口上的物体数量相同，以保证光呈均匀分布。白板4的表面情况与测光积分球5的内表面情况一致。光捕获器6用于捕获光，使入射到光捕获器6上的光不会再反射回测光积分球5。光探测器7用于检测光强。

光源1发出的入射光经过离轴抛物镜2和椭球镜9构成的平行光管后，照射到放置在转盘8上的样品3，光通过样品3后有部分偏离光轴一定角度的散射光产生，这部分散射光与光学玻璃表面情况有关系，通过测量光的扩散透过率与全光透过率之比，实现对光学玻璃耐腐蚀性的定量评价和细分。

由于光学玻璃的高透过特性，要实现微小偏差的区分，除了装置的特别设计外，测试步骤也需要特别设计，以有效减小测试误差影响，提高测试精度。

本发明的测试方法分为4个步骤，如图2-5所示。下面所涉及到的符号所代表的含义为：

Φ：入射光量；

α：待测样品吸收率；

ρ：待测样品反射率；

τ：待测样品全光透过率；

τ1：待测样品直接透过率；

τ2：待测样品扩散透过率；

a、b：光直接进入测光积分球，在测光积分球内经多次反射的相关系数；

a′、b′：光线经待测样品进入测光积分球，在测光积分球内经多次反射的相关系数；

x：未经测光积分球反射，入射光进入开口的比例，在步骤3中，x可视为入射光被光捕获器捕获的比例，y为光残留于测光积分球中的比例。其中x+y＝1，α+ρ+τ＝1。

步骤1：如图2所示，不放样品3，将白板4放置在与入光口成180°的开口处，测光积分球5上剩余的2个开口处分别放置光捕获器6和光探测器7。入射光直接打在白板4上的光量为xΦ，假设其在测光积分球5内经多次反射后，光呈均匀分布，则在测光积分球5内壁上的光量为axΦ。同样的，未直接打在白板4上的光量为yΦ，其在测光积分球5内经多次反射后，在测光积分球5内壁上的光量为byΦ。因此，从入光口跑出测光积分球5及被光捕获器6所捕获的光量均为axΦ+byΦ。假设g为与电路相关的放大系数，光探测器7测得的光讯号I₁可表示为：

I₁＝g[φ-2φ(ax+by)]＝φg[1-2a-2(b-a)y]。

若白板4的材料特性与测光积分球5的内壁涂层的特性相同，则a＝b，上式中的I₁简化为：I₁＝φg[1-2b]。

步骤2：如图3所示，将样品3放入光路中，白板4、光捕获器6和光探测器7的位置与步骤1相同。入射光在进入测光积分球5前，被样品3吸收的光量为αΦ，被样品3反射的光量为ρΦ，进入测光积分球5中的光量只有τΦ。而进入测光积分球5的光量中，先打在白板4上再反射回测光积分球5内的光量为xΦτ₁，该部份的光经反射后在测光积分球5内壁上的光量为a′xΦτ₁；先打在测光积分球5内壁再反射并均匀分布于测光积分球5内壁的光量为yΦτ₁+Φτ₂，其在测光积分球5内壁上的光量为b′(yΦτ₁+Φτ₂)。因此，最后在测光积分球5内壁上的光量为a′xΦτ₁+b′(yΦτ₁+Φτ₂)。同样的，被光捕获器6所捕获的光量为a′xΦτ₁+b′(yΦτ₁+Φτ₂)，穿过样品3并由入光口跑出测光积分球5的光量为τ[a′xΦτ₁+b′(yΦτ₁+Φτ₂)]。在穿过样品3从入光口跑出测光积分球5前，又有α[a′xΦτ₁+b′(yΦτ₁+Φτ₂)]的光被样品3吸收。最后，光探测器7测得的光讯号I₂正比于Φ减去所有跑出测光积分球5的光以及被样品3吸收、反射的部分，即：I₂＝{φ-aφ-ρφ-[a′xφτ₁+b′φ(yτ₁+τ₂)](1+α+τ)}g

同样的，若白板4的材料特性与测光积分球5内壁涂层的特性相同，则a＝b，上式中的I₂简化为：I₂＝φτg[1-b′(2-ρ)]。

步骤3：如图4所示，不放样品3，将光捕获器6放置在与入光口成180°的开口处，测光积分球5上剩余的2个开口处分别放置白板4和光探测器7。被光捕获器6直接捕获的光量为xΦ，同样的，残留在测光积分球5内的光量为yΦ，在测光积分球5内经多次反射后，在测光积分球5内壁上的光量为byΦ。因此，从入光口跑出测光积分球5及被光捕获器6所捕获的光量均为xΦ+byΦ。假设g为与电路相关的放大系数，光探测器7测得的光讯号I₃可表示为：I₃＝φyg[1-2b]。

步骤4：如图5所示，将样品3放入光路中，白板4、光捕获器6和光探测器7的位置与步骤3相同。入射光在进入测光积分球5前，被样品3吸收的光量为αΦ，被样品3反射的光量为ρΦ，进入测光积分球5中的光量只有τΦ。而进入测光积分球5的光量中，被光捕获器6直接捕获的光量为xΦτ₁，其余部分的光量为yΦτ₁+Φτ₂，该部分光先打在测光积分球5内壁再反射并均匀分布于测光积分球5内壁，其在测光积分球5内壁上的光量为b′(yΦτ₁+Φτ₂)。因此，最后在测光积分球5内壁上的光量为b′(yΦτ₁+Φτ₂)。同样的，有b′(yΦτ₁+Φτ₂)的光会被光捕获器6所捕获，有τb′(yΦτ₁+Φτ₂)]的光会穿过样品3由入光口跑出测光积分球5。在穿过样品3从入光口跑出测光积分球5前，又有ab′(yΦτ₁+Φτ₂)]的光被样品3吸收。最后，光探测器7测得的光讯号I₄表示为：I₄＝φg(τ₂+τ₁)[1-b′(2-ρ)]。

依照定义，全光透过率等于：

........................(1)扩散透过率等于：

......................................(2)

将上述(1)、(2)两式相除，就可得到与光学玻璃表面情况有关系的散射光的测试结果，即扩散透过率与全光透过率之比：

所以，只需通过光探测器7测得4个光讯号I₁、I₂、I₃、I₄，再经过公式计算，就可以方便巧妙地排除了入射光不平行性、样品3以及测光积分球5多次反射和透射损失，以及测光积分球5内光残留、装置几何偏差造成的误差影响，实现了不需要标准样品，精确获得能反应光学玻璃表面腐蚀情况的定量测试结果，从而实现了对光学玻璃表面腐蚀情况高精度的细分判定。

本发明的测试方法分为4步进行测试，是为了排除掉各种不同的误差影响，提高测试精度，实现微小变化的区分。因此，各步骤中的部件会处于测光积分球5上不同位置的开孔，关键在于它们之间的相对位置关系。其中，步骤1不放样品3，入射光直接从测光积分球5的入光口进入测光积分球5，白板4与入光口处于相对的位置上，光捕获器6处于与它们各成90°的开孔上，光探测器7处于剩下的一个开孔上，这一步是测试入射光的光量。步骤2在入光口前放置样品3，白板4、光捕获器6、光探测器7的相对位置与步骤1相同，这一步是为了测试入射光透过样品后的光量，与步骤1测得的数据相除，就得到样品全光透过率。步骤3不放样品3，入射光直接从测光积分球5的入光口进入测光积分球5，光捕获器6与入光口处于相对的位置上，白板4处于与它们各成90°的开孔上，光探测器7处于剩下的一个开孔上。这一步是测试入射平行光中斜入射部分的光量，在最后计算中扣除其影响。步骤4在入光口前放置样品3，白板4、光捕获器6、光探测器7的相对位置与步骤3相同，这一步是测试入射光透过样品3后的散射光光量。

Claims (7)

1.光学玻璃耐腐蚀性测试装置，其特征在于：沿光路依次设置光源(1)、平行光管、转盘(8)、测光积分球(5)、光捕获器(6)、白板(4)和光探测器(7)，所述测光积分球(5)上开有四个开口，其中，第一个开口作为入射光的入口，即入光口；第二个开口位于与入光口成180°的位置上，第三个和第四个开口互成90°，并且也分别与入光口互成90°，入光口处放置样品(3)，其余三个开口处分别放置光捕获器(6)、白板(4)和光探测器(7)。

2.如权利要求1所述的光学玻璃耐腐蚀性测试装置，其特征在于：所述平行光管由离轴抛物镜(2)和椭球镜(9)组成。

3.如权利要求1所述的光学玻璃耐腐蚀性测试装置，其特征在于：所述转盘(8)上均匀分布有多个放置样品(3)的支座，所述样品(3)能竖直放置在转盘(8)上，并紧贴测光积分球(5)的入光口。

4.如权利要求1所述的光学玻璃耐腐蚀性测试装置，其特征在于：所述转盘(8)由电机带动转动。

5.如权利要求1所述的光学玻璃耐腐蚀性测试装置，其特征在于：所述测光积分球(5)内表面抛光。

6.如权利要求1所述的光学玻璃耐腐蚀性测试装置，其特征在于：所述白板(4)的表面与测光积分球(5)的内表面一致。

7.光学玻璃耐腐蚀性测试方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)不放样品(3)，将白板(4)放置在与入光口成180°的开口处，测光积分球(5)上剩余的2个开口处分别放置光捕获器(6)和光探测器(7)，光探测器(7)测得的光讯号I₁为：I₁＝φg[1-2b]；

2)将样品(3)放入光路中，白板(4)、光捕获器(6)和光探测器(7)的位置与步骤1相同，光探测器(7)测得的光讯号I₂为：I₂＝φτg[1-b′(2-ρ)]；

3)不放样品(3)，将光捕获器(6)放置在与入光口成180°的开口处，测光积分球(5)上剩余的2个开口处分别放置白板(4)和光探测器(7)，光探测器(7)测得的光讯号I₃为：I₃＝φyg[1-2b]；

4)将样品(3)放入光路中，白板(4)、光捕获器(6)和光探测器(7)的位置与步骤3相同，光探测器(7)测得的光讯号I₄为：I₄＝φg(τ₂+τ₁)[1-b′(2-ρ)]；

通过计算可得到扩散透过率与全光透过率之比为：

上述符号所代表的含义为：Φ：入射光量；ρ：待测样品反射率；τ：待测样品全光透过率；τ1：待测样品直接透过率；τ2：待测样品扩散透过率；b：光直接进入测光积分球，在测光积分球内经多次反射的相关系数。

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