CN102507160B

CN102507160B - 自聚焦透镜在线检测控制系统

Info

Publication number: CN102507160B
Application number: CN 201110394511
Authority: CN
Inventors: 吴芸; 刘尊亮; 朱纪军; 邓文凤; 于航; 朱琳
Original assignee: LEO MEDICAL EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: LEO MEDICAL EQUIPMENT CO Ltd
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2031-12-02
Also published as: CN102507160A

Abstract

一种自聚焦透镜在线检测控制系统，它包括生产自聚焦透镜的离子交换炉（40），其特征是所述的离子交换炉（40）中安装有方形玻璃样品（37），离子交换炉（40）的炉壁上设有用于照射方形玻璃样品（37）折射率的光线入口和光线出口，在炉壁外部、与所述的光线入口和光线出口相对位置处安装有光学干涉测量装置，所述的光学干涉测量装置的输出与控制计算机相连，控制计算机根据所测的方形玻璃样品（37）的折射率与预存的折射率曲线进行比较及时调整离子交换炉（40）的炉温和熔盐成份，从而使成品折射率曲线满足设定要求；所述的离子交换炉（40）和光学干涉测量装置均安装在封闭气氛装置（42）中,封闭气氛装置（42）上设有光线入射光窗（17）和检测光窗（26）。本发明解决了不停炉检测的难题，有利于提高生产效率，提高产品质量。本发明的光学干涉测量装置结构简单，易于实现，检测精度高，易于控制和调节。

Description

自聚焦透镜在线检测控制系统

技术领域

本发明涉及一种自聚集透镜生产设备，尤其是一种自聚焦透镜生产过程中使用的能实时检测成品折射率以便为生产工艺参数调整提供依据的检测控制系统，具体地说是一种自聚焦透镜在线检测控制系统。

背景技术

变折射率材料与光学系统的结合，为光学设计、光通信、光信息系统的发展注入了新的活力，获得了广泛的应用空间。但是由于变折射率材料的折射率分布不容易人为控制，也使这种应用受到了很大的限制。变折射率材料一般利用离子交换法通过玻璃材料和熔盐的离子交换形成的，交换后的离子浓度分布满足热力学统计规律，因此得到的折射率分布不容易控制，而很多应用需要用特定的折射率分布，如考虑消像差，需要Sech分布等等。

通常采用实验方法研究多次离子交换法和热处理方法。通过多次离子交换方法，即改变边界条件，改变玻璃成份、熔盐成份，控制交换时间，达到控制折射率分布的目的，减小像差，提高透镜质量。在退火温度下，玻璃棒中自身的离子在热扩散的作用下，离子浓度在空间上会重新分布，其空间折射率也会发生变化，通过控制退火温度，选取不同的退火曲线，同样也可以达到控制折射率分布，优化自聚焦透镜。现有的实验测试表明，经过二次离子交换和热处理后的自聚焦透镜，其光学性能得到明显的优化:折射率更接近理想分布、像差减小、光斑变小等等。但是目前主要采用实验中离线检测的方法，即将实验样品挑选出来，然后对玻璃材料进行折射率等参数的测试，根据测试的结果和以前的实验经验，尤其根据自聚焦透镜的像差理论和批量透镜的非均匀性问题作了理论和实验上的研究，根据像差与自聚焦透镜折射率表达式系数的关系，对于实验参数进行调整。

发明内容

本发明的目的是针对目前自聚焦透镜生产过程中需不断地停止加热进行检测来调整工艺参数造成生产效率低下，产品质量难以控制的问题，发明一种能在生产过程中实时监控折射率与标准曲线之间的差值以便及时进行工艺参数调整，无需停炉检测的在线检测装置。

本发明的技术方案是：

一种自聚焦透镜在线检测控制系统，它包括生产自聚焦透镜的离子交换炉40，其特征是所述的离子交换炉40中安装有方形玻璃样品37，离子交换炉40的炉壁上设有用于照射方形玻璃样品37折射率的光线入口和光线出口，在炉壁外部、与所述的光线入口和光线出口相对位置处安装有光学干涉测量装置，所述的光学干涉测量装置的输出与控制计算机相连，控制计算机根据所测的方形玻璃样品37的折射率与预存的折射率曲线进行比较及时调整离子交换炉40的炉温和熔盐成份，从而使成品折射率曲线满足设定要求；所述的离子交换炉40和光学干涉测量装置均安装在封闭气氛装置42中, 封闭气氛装置42上设有光线入射光窗17和检测光窗26。

所述的光学干涉测量装置包括第一分光镜41，与第一分光镜41相配的测量反射镜43和第一参考反射镜21分别接收第一分光镜41从入射光窗17入射的光线，测量反射镜43将入射光从离子交换炉40上的光线入口反射到方形玻璃样品37上并透过方形玻璃样品37后从离子交换炉40上的光线出口经过第二分光镜24入射到第二参考反射镜22上，入射到第二参考反射镜22的光34经过第一透镜25、检测光窗26、第二透镜27直接照射在检测器30上；第一参考反射镜21反射的光32入射到第二分光镜24上，经过第一透镜25、检测光窗26、第二透镜27照射到旋转反射镜28上，最终光线经旋转反射镜28照射在信号检测器29上，通过对检测器30中的参考信号、信号检测器29中的检测信号、第一参考反射镜21、测量反射镜43、旋转反射镜28的信号同步进行分析，即可得出方形玻璃样品37的实时折射率。

所述的第一参考反射镜21安装在压电陶瓷20上，压电陶瓷20连接有二个激振器19，23。

所述的测量反射镜43连接有对其进行反射角度调节的调节装置38。

本发明的有益效果：

本发明解决了不停炉检测的难题，有利于提高生产效率，提高产品质量。本发明的光学干涉测量装置结构简单，易于实现，检测精度高，易于控制和调节。

附图说明

图1是自聚焦透镜生产用离子交通装置的结构示意图。

图1中 101为炉盖，102、103、104、104为热电偶，106、107、113、116、114为耐火材料，108、109、110为电炉丝加热器，111为不锈钢坩埚，112为支持架，113待交换玻璃棒。

图2为本发明的激光干涉测量系统原理图。

图2中：17为入射光窗，18 为泵， 19、23为激振器， 20为压电陶瓷， 21为参考反射镜， 22为参考反射镜，24为分光镜，25为透镜， 26为检测光窗，27为透镜，28为可调反射镜，29为信号检测器，30为参考光检测器 31、32、33为检测光，34为参考光。35、36为交换炉测温热电偶，37为离子交换样品，38为测量反射镜调节装置，39为光线聚焦测试点，40为离子交换炉，41为分光镜，42 为封闭气氛装置，43为测量反射镜。

图3为本发明的在线检测控制系统结构示意图。

图4为安装了本发明检测系统的离子交换装置生产的自聚焦透镜的折射率实测图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-4所示。

一种自聚焦透镜在线检测控制系统，它包括生产自聚焦透镜的离子交换炉40，所述的离子交换炉40中安装有方形玻璃样品37，离子交换炉40的炉壁上设有用于照射方形玻璃样品37折射率的光线入口和光线出口，在炉壁外部、与所述的光线入口和光线出口相对位置处安装有光学干涉测量装置，所述的光学干涉测量装置的输出与控制计算机相连，控制计算机根据所测的方形玻璃样品37的折射率与预存的折射率曲线进行比较及时调整离子交换炉40的炉温和熔盐成份，从而使成品折射率曲线满足设定要求；所述的离子交换炉40和光学干涉测量装置均安装在封闭气氛装置42中, 封闭气氛装置42上设有光线入射光窗17和检测光窗26。如图3所示，其中的光学干涉测量装置如图2所示，它包括分光镜41，与分光镜41相配的测量反射镜43和参考反射镜21分别接收分光镜41从入射光窗17入射的光线，测量反射镜43将入射光从离子交换炉40上的光线入口反射到方形玻璃样品37上并透过方形玻璃样品37后从离子交换炉40上的光线出口经过分光镜24入射到参考反射镜22上，入射到参考反射镜22的光34经过透镜25、检测光窗26、透镜27直接照射在检测器30上；参考反射镜21反射的光32入射到分光镜24上，一部分光入射到方形玻璃样品37表面，方形玻璃样品37表面反射的光通过分光镜24反射，反射光经过透镜25、检测光窗26、透镜27照射到旋转反射镜28上，最终光线经旋转反射镜28照射在信号检测器29上，通过对检测器30中的参考信号、信号检测器29中的检测信号、参考反射镜21、测量反射镜43、旋转反射镜28的信号同步进行分析，即可得出方形玻璃样品37的实时折射率。所述的参考反射镜21安装在压电陶瓷20上，压电陶瓷20连接有二个激振器19，23。所述的测量反射镜43连接有对其进行反射角度调节的调节装置38，调节装置可采用常见的机械调节装置加以实现，如采用齿轮齿条机构、四连杆机构等。

详述如下：

本发明的安装在封闭气氛装置42中的离子交换装置如图1所示。待测玻璃材料113 在离子交换炉的温度和气氛中进行离子交换,离子交换工艺主要解决下面的问题：

①温度稳定性问题。离子交换温度要求略低于铊玻璃的软化温度，整个离子交换过程要在恒温下进行。目前存在的主要问题是由于高温下熔盐挥发，每天要打开炉盖加两次熔盐，引起炉温在一段时间内向下波动，影响了温度和时间的控制。目前，只能采用尽可能减少加盐时间，加大升温电压提高升温速率来减少温度波动对离子交换的影响。在大批量生产中，不能采用这些办法，只能采用密闭和自动加料办法来解决。

为使炉中钳锅内温度均匀，熔盐要采用适当的搅拌工艺，交换炉要采用分段控制和多点测温技术。

②熔盐。熔盐是离子交换的源，对离子交换改变折射率影响很大。必须注意以下几点:

A、熔盐的选取与确定

熔盐中的一价阳离子，和玻璃中的铊离子比较应该有大的极化率差，这样才能在离子交换后形成较大的折射率差，这是离子交换工艺很重要的原则。这在选择合适的熔盐时要特别重视，还要注意的是玻璃中不应有熔盐中交换离子的氧化物。从这些考虑出发，应选择KNO₃作为熔盐。因为K⁺离子的极化率为1.33A，Tl⁺离子为5.2A，玻璃中不含K₂O。熔盐质量。熔盐中杂质含量要符合分析纯的要求，新买的原料最好要进行杂质含量分析。

B、交换过程中熔盐浓度在上下内外各点一定要均匀，这是实现一炉制作的自聚焦透镜光性均匀的关键。可以采用搅拌工艺来实现熔盐浓度的均匀。

C、熔盐中交换离子Tl⁺的浓度要保持恒定，由于熔盐中Tl⁺浓度变化对自聚焦透镜边缘部分的折射率分布有大的影响，因此监控熔盐中Tl⁺浓度变化是十分必要的。实验室制作因坩锅小，只要每次交换采用新盐，Tl⁺浓度变化的影响就可以忽略不计。批量生产，熔盐量很大，就必须用控制Tl离子浓度来确定更换熔盐的时间。

③交换丝的规格。为了多出产品，在熔盐中放入的交换丝的数目要尽可能多和尽可能长，每根丝的圆度要好，不圆度应小于%l，整个丝的直径的偏差应小于%1，丝的长度由离子交换炉的恒温区长度确定。

④恒温炉工艺。由于每次加盐时都要把柑祸中的交换丝取出，为了不使丝取出后，急剧降温对丝的力学性能和光性均匀性造成不良影响，在采用小坩锅实验时，一般在交换炉中要放置一个空坩锅以便放丝，使丝在加温过程中不会急剧降温，对于批量生产，只有采用另建一个恒温炉的办法，使取出的交换丝可以放入和离子交换温度相同的恒温炉中。

⑤离子交换炉的通风问题。我们采用的熔盐是KNO₃，离子交换过程中，熔盐中有微量Tl⁺，KNO₃的熔点是333℃，在离子交换温度下，熔盐中大量的NO₃ ^-离子有一部分会挥发成为有刺激性的蒸汽，微量剧毒Tl⁺蒸汽，生产中要注意防护。因此，离子交换过程应在通风系统中进行，工作人员要采取防护措施。

为了使得在测量自聚焦透镜材料的折射率时不停止交换过程，本发明设计的基于干涉法进行折射率测量的系统，可同时将离子交换装置封闭在气氛装置42内。

复合折射率在线检测装置的光路如图2所示。从图2可以看出，通过光路的设计，建立简单的干涉设计的光路，通过在反射镜21，24，41，43 过程干涉光路，同时通过调节装置，可以进行光路信号的调制，参考光和检测光通过29，30 进行检测。根据图2,光源的光通过光窗17入射到分光镜41上,形成两束光,分别入射到测量反射镜43和参考反射镜21上，入射到测量反射镜43的光入射到样品37表面透过样品经过分光镜24入射到参考反射镜22上，入射到参考反射镜22的光34经过透镜25、光窗26、透镜27直接照射在检测器30上。参考反射镜21反射的光32入射到分光镜24上，一部分光入射到样品表面，样品表面反射的光通过分光镜24反射，反射光经过透镜25、光窗26、透镜27照射到旋转反射镜28，最终光线照射在信号检测器29上。通过对参考信号30、检测信号29，参考反射镜21、测量反射镜43、旋转反射镜28的信号同步与分析，可以分析样品的折射率。

复合折射率在线检测系统装置如图3所示。

从图3可以看出，通过对于压电装置20进行信号的调制以及反射镜28进行跟踪，在检测29，30可以获得参考光和检测光的幅值和相位，将检测信号和频率激振信号输入计算机，可以获得待测样品的折射率，通过与计算机中存储的理想曲线进行比较，再根据玻璃成份与折射率之间的关系理论再实时调整离子交换装置中的添加剂的成份即可实现折射率的在线调整。利用本发明的装置得到的具体的折射率的测试结果及采用离线方式测量控制得到的折射率曲线与折射率理论曲线之间的关系如图4所示。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种自聚焦透镜在线检测控制系统，它包括生产自聚焦透镜的离子交换炉（40），其特征是所述的离子交换炉（40）中安装有方形玻璃样品（37），离子交换炉（40）的炉壁上设有用于照射方形玻璃样品（37）折射率的光线入口和光线出口，在炉壁外部、与所述的光线入口和光线出口相对位置处安装有光学干涉测量装置，所述的光学干涉测量装置的输出与控制计算机相连，控制计算机根据所测的方形玻璃样品（37）的折射率与预存的折射率曲线进行比较及时调整离子交换炉（40）的炉温和熔盐成份，从而使成品折射率曲线满足设定要求；所述的离子交换炉（40）和光学干涉测量装置均安装在封闭气氛装置（42）中, 封闭气氛装置（42）上设有光线入射光窗（17）和检测光窗（26）。

2.根据权利要求1所述的自聚焦透镜在线检测控制系统，其特征是所述的光学干涉测量装置包括第一分光镜（41），与第一分光镜（41）相配的测量反射镜（43）和第一参考反射镜（21）分别接收第一分光镜（41）从入射光窗（17）入射的光线，测量反射镜（43）将入射光从离子交换炉（40）上的光线入口反射到方形玻璃样品（37）上并透过方形玻璃样品（37）后从离子交换炉（40）上的光线出口经过第二分光镜（24）入射到第二参考反射镜（22）上，入射到第二参考反射镜（22）的光（34）经过第一透镜（25）、检测光窗（26）、第二透镜（27）直接照射在检测器（30）上；第一参考反射镜（21）反射的光（32）入射到第二分光镜（24）上，经过第一透镜（25）、检测光窗（26）、第二透镜（27）照射到旋转反射镜（28）上，最终光线经旋转反射镜（28）照射在信号检测器（29）上，通过对检测器（30）中的参考信号、信号检测器（29）中的检测信号、第一参考反射镜（21）、测量反射镜（43）、旋转反射镜（28）的信号同步进行分析，即可得出方形玻璃样品（37）的实时折射率。

3.根据要得要求2所述的自聚焦透镜在线检测控制系统，其特征是所述的第一参考反射镜（21）安装在压电陶瓷（20）上，压电陶瓷（20）连接有二个激振器。

4.根据要得要求2所述的自聚焦透镜在线检测控制系统，其特征是所述的测量反射镜（43）连接有对其进行反射角度调节的调节装置（38）。