CN104535232A - 一种红外光学材料应力测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明的名称为一种红外光学材料应力测试装置及其测试方法。属于红外光学材料测试技术领域。它主要解决现有不透可见光红外光学材料应力测试问题。它的主要特征是：由红外光源、红外光学系统、信号接收系统、计算机采集处理显示系统、测试平台构成。本发明是基于检偏器角测量补偿的原理进行测试，当红外起偏镜和红外检偏镜形成45°角度时（具有矢量应力），产生的椭圆偏振光就会产生行程差，从而可以计算材料的应力。该发明设备具有操作简单、测试便捷的特点，可以实现不透可见光红外材料的应力测试，通过应力的测试，指导优化生产工艺，制造出应力较小的玻璃，进一步提高该材料的成像质量，为制造出高水平的红外成像系统奠定了基础。

Description

一种红外光学材料应力测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于红外光学材料测试技术领域，涉及一种红外光学材料应力测试装置及其测试方法。本发明通过设计红外光学材料应力测试装置，使不透可见光的红外光学材料应力能够可视并能测量，特别是透过波段在0.78~25μm的不透可见光红外材料的应力测试。通过对该材料的应力测试对材料的制造、加工、镀膜和使用起到重要的作用。

背景技术

通常情况下，光学材料由于在制造过程中因降温热历史不同使得原本各向同性的玻璃材料产生内应力。当一束偏振光照射到有内应力存在的玻璃材料时，可将偏振光分解为两束振动方向相互垂直的O光和e光，因两者折射率不同，且存在相位差(也称：光程差)，故此现象称为应力双折射现象。因此，目前都采用偏振光来测试玻璃材料的内应力。光程差的量值大小直接反映了光学材料内部应力存在的严重程度，应力过大则不利于光学玻璃制品的冷加工，由应力双折射引起的光程差在光学玻璃通光面上各处都存在差异，显示了光学材料内部应力分布的不均匀，从而可以影响光学成像质量。

随着社会的发展，红外热成像技术在天网监视、安防、汽车及武器装备中的应用越来越广泛，锗单晶、硅单晶、硫系玻璃和多晶硅等红外材料的应用逐步向民用热成像系统、红外夜视仪的应用扩展，导致Ge单晶、硫系玻璃等不透可见光的光学元器件的用量飞速增长，因此稳定生产、加工成为降低成本制约因素。而该类材料具有较大的热膨胀系数，较高的应力就会使玻璃在冷加工过程中产生炸裂，此外元器件中有应力存在，同样影响热成像质量。由于该类材料属于不透可见光的红外光学材料，现有的偏光应力仪（测试波长为565nm）不能满足该类材料的应力测试。而随着高性能光学系统对高均匀性红外光学材料的需求，设计制作不透可见光红外光学材料的应力测试装置显得尤为重要，实现不透可见光的红外光学材料内应力可视测试方法的设计并制造相应装置，不仅可以满足不透可见光红外光学材料的应力测试要求，而且根据测试后的应力值来调整退火工艺从而达到预期应力标准，从而保证材料生产的稳定和后续精密加工不炸裂，提高镀膜的牢固性，有效解决高性能红外系统的需求，达到快速推广市场目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是设计并提供一种测量红外光学材料的应力测量装置及测试方法，特别适合不透可见光红外光学材料的测试装置，可以定量测定红外光学材料的应力大小。本发明具有操作方便、性能可靠、测试效率高等特点。本发明的设计能够实现不透可见光的红外光学材料的应力测试，从而可以进一步优化该类材料的生产工艺，使硅、锗晶体、硫系玻璃等不透可见光红外光学材料批量生产技术进一步提高，为生产出更高品质的产品奠定了基础，满足红外成像系统高清晰成像质量的需求。

本发明红外光学材料应力测试装置的技术解决方案是：一种红外光学材料应力测试装置，其特征在于：由红外光源、红外光学系统、信号接收系统、计算机采集处理显示系统、测试平台五部分构成；其中，红外光源为发射光谱为近、中红外的点光源、线光源或面光源；红外光学系统由黑色玻璃、准直透镜、红外起偏镜、试样平台、1/4波片、红外检偏镜组成；红外光源、准直透镜、黑色玻璃、红外起偏镜依次固定在测试平台一端的壳体内，构成信号发出装置，准直透镜为凸透镜，红外光源位于准直透镜的焦点上，当光源发出的光波经过准直透镜后将会准直为平行光；试样平台间隔设置在信号发出装置之后的测试平台上；1/4波片、红外检偏镜分别固定在标有刻度的波片转动装置和检偏镜转动盘上，间隔设置在试样平台之后的测试平台上，1/4波片面向试样平台，其主要作用是将通过存在应力试样后的椭圆偏振光转换成线偏振光，红外检偏镜需要能透过红外光源发出的光线，当待测红外材料中存在应力时，经过转换后的线偏振光会发生偏移，当转动红外检偏镜到一定位置后，会接受到1/4波片转换后的线偏振光，这样根据红外检偏镜转动的角度就可以计算所测红外材料中存在的应力大小；信号接收系统由红外传感器、低温恒温器，控制红外传感器的电子装置，红外传感器输出信号的模拟-数字处理的电子装置，同步和数字信号处理的电子装置和电源组成，位于测试平台的另一端，用于接受通过红外光学系统出射的红外辐射能量，然后通过计算机采集处理显示系统显示在计算机屏幕上，信号接收系统的作用是将红外辐射信号转化为电子信号，从而观察和记录其表面上的温度变化，转换是通过行间转换和间行扫描红外传感器，借助物镜将观察到的图像投影显示在成像传感器表面上，当红外检偏器接受的红外线偏振光信号传递到红外成像传感器上，该红外成像传感器的作用是将红外辐射信号转化为电子信号，根据所测试样的通光波段选择使用近、中红外成像传感器，信号接收系统的电子装置对红外传感器输出信号进行放大、处理，并将其转换成电视视频信号，以及用于输送到电子计算机中的数字信号，因此该红外应力测试装置主要是借助红外成像传感器，将记录的辐射分布信号转化为温度分布信号，通过计算机中的软件处理来实现应力图像可视的；计算机采集处理显示系统通过光缆与信号接收系统连接，其中显示器应与红外成像传感器匹配，其对比度应优于1000:1，分辨率应优于1280×1024，将信号接收系统输出信号转换成视频信号和数字信号通过光缆输入到电子计算机中，同时其图像可以显示在计算机显示器上面，借助信号接收系统位移的螺旋机构（对焦），同时利用光学反差，借助glass.exe软件程序，记录辐射分布转化为温度分布的图像，从而在显示器屏幕上得到更加清晰的图像。

本发明红外光学材料应力测试装置的技术解决方案中所述的测试平台7表面平整，红外光源、红外光学装置、试样平台和信号接收系统处于同一轴线上。

发明红外光学材料应力测试装置的技术解决方案中所述的红外光源选用单一波长的红外激光二极管或红外氦氖激光光源，其发射光谱λ=1300nm或λ=3390nm，输出功率为50mW。

本发明红外光学材料应力测试装置的技术解决方案中所述的试样平台采用可以旋转的平台结构，这样通过调整可以保证待测试样处于测试光通面的中心。

本发明红外光学材料应力测试装置的技术解决方案中所述的黑色玻璃是表面经过精磨处理的并可滤除可见光的毛玻璃，为截止滤光毛玻璃，其作用：一是滤除可见光，提高红外信号的敏感度，通常选用波截止波长不小于0.78μm的截止滤光玻璃，这样会将可见波段光辐射滤除；二是起到漫射屏的作用，将红外点光源漫射成均匀的红外面光源。

本发明红外光学材料应力测试装置的技术解决方案中所述的波片转动装置和检偏镜转动盘的最小刻度值为1°，最大可测量范围为180°，并可分别带动1/4波片和检偏镜旋转一定的角度。

本发明红外光学材料应力测试装置的技术解决方案中所述的红外起偏镜和红外检偏镜为采用透红外材料制成的光学镜头，这样可以保证红外光源发出的光线能够通过。红外起偏镜主要作用是将红外光源发出的光线转换成线偏振光，当线偏振光照射到待测试样后，如果材料中存在应力双折射，光线就会变成椭圆偏振光。

本发明红外光学材料应力测试装置的技术解决方案中所述的红外传感器为近红外InGaAs传感器、硅矩阵感光片、InAsPSb、InAs、PbS、CdS、CdSe可接受光源透过波长的探测器。 

本发明红外光学材料应力测试方法的技术解决方案是：一种采用红外光学材料应力测试装置的测试方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

⑴、将加工好的红外光学材料样品放在试样平台上，旋转试样平台使试样处于光面的中部位置；

⑵、旋转红外检偏镜的旋转盘零位与刻度盘零位对齐，观测计算机显示器上视野最亮点即为应力最大点；

⑶、旋转红外检偏镜的旋转盘，直至计算机显示器上视野内最亮点变成黑色，记录刻度盘旋转的角度；

⑷、测试出该待测试样厚度；

(5)、根据公式计算试样的应力。

本发明的设计是基于检偏器角测量的补偿，当起偏镜和分检偏镜形成45°角度时（具有矢量应力），椭圆偏振光就会产生行程差，从而就能对材料的应力进行检测。本发明红外光源设计采用发射光谱为近、中红外的点光源，主要是考虑到被测试样是透过波段0.78~25μm的红外光学材料，该材料不透可见光，无法采用现有光学玻璃偏振光应力仪的可见光源（发射波长为565nm）进行测试，而本发明红外光源所发射的光谱应在材料的通光光谱区域内，光源单位面积的辐射通量应满足红外成像系统响应要求。

本发明具有的优点和积极效果：可以实现不透可见光红外光学材料的应力测试，设备具有操作方便、性能可靠、测试效率高等特点，生产过程中能根据测试数据优化退火工艺，避免产品生产中出现炸裂，提高了生产良品率，保证了后续加工工序的要求，提高了成像质量，保证了产品的经济效益。本发明主要适合不透可见光红外光学材料的主要应力测试。

附图说明

图1是红外光学材料应力测试装置结构示意图。

图2是红外光学材料应力测试装置中信号接收系统的结构图。

图3是红外光学材料应力测试图。

图中：1、红外光源；2、准直透镜；3、黑色玻璃；4、红外起偏镜；5、信号发出装置；6、试样平台；7、测试平台；8、1/4波片；9、波片转动装置；10、红外检偏镜；11、检偏镜转动盘；12信号接收系统；13、光缆；14、计算机采集处理显示系统；15、红外传感器 ；16、低温恒温器；17、控制红外传感器的电子装置；18、红外传感器输出信号的模拟-数字处理的电子装置；19、同步和数字信号处理的电子装置；20、图像数字输出；21、模拟输出视频信号；22、电子计算机互换信息；23、电源。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的技术内容、特点及功效，现列举以下实例，并结合附图详细说明如下。

本发明提供一种红外光学材料应力测试装置，由红外光源1、红外光学系统、信号接收系统12、计算机采集处理显示系统、测试平台7五部分构成。

考虑到被测试样是透过波段0.78~25μm的红外光学材料，红外光源1设计采用发射光谱为近、中红外的点光源、线光源或平面光源。一般选择单波长红外激光二极管LFO-450、红外氦氖激光光源，其发射光谱λ=1300nm或λ=3390nm；该光源1的输出功率一般为50mW左右，光线散度为25×40°。红外光源1所发射的光谱应在测试材料的通光光谱区域内，光红外光源1单位面积的辐射通量应满足红外成像系统响应要求。试红外光源1位于准直透镜的焦点上。

红外光学系统由黑色玻璃3、准直透镜2、红外起偏镜4、试样平台6、1/4波片8、红外检偏镜10组成。红外光源1、准直透镜2、黑色玻璃3、红外起偏镜4依次固定在测试平台7一端的壳体内，构成信号发出装置5。准直透镜2为凸透镜，透过红外光源发出的光线，而且光源位于透镜的焦点上，这样光源发出的电光源会准直为均匀的平行光。可根据光源选用透过波长0.4~1.6μm的标准DCX透镜、0.2~2.2μm的熔石英DCX透镜、2.0~7.0μm的氟化钙DCX透镜等。

黑色玻璃3位于准直透镜2后，是表面经过精磨处理的并可滤除可见光的毛玻璃，长波截止波长不小于0.78μm，主要是透过所需红外光，滤掉可见光，从而保持红外信号的敏感度。一般对于λ=1300nm的近红外光源会选用普通的截止滤光玻璃，如HB850等；对于λ=3390nm的光源会选用单晶Si或单晶Ge；这样保证所选红外光源的光线透过外，将可见波段光辐射滤除，黑色玻璃两大面精磨，其作用是起到漫射屏的作用，将红外光源发射出的光色散成均匀的漫射光。

红外起偏镜4和红外检偏镜10使用透红外光线的材料制备成镜头，且必须能够透射红外光源1发射出红外波段的光谱。红外起偏镜4主要作用是将光源1发出的光线转换成线偏振光。当线偏振光照射到待测试样后，如果试样中存在应力，就会产生双折射现象，使线偏振光变换成椭圆偏振光。红外检偏镜10固定在标有刻度的检偏镜转动盘11上，最小刻度值为1°，最大测量范围为180°，当检偏镜转动盘11转动时，带动红外检偏镜10转动，即可测量旋转的角度。红外起偏镜4和红外检偏镜10选用线栅偏振片、全息偏振片或中波红外偏振片。线栅偏振片基片材料为熔融石英，波长范围250nm~8μm，按照MIL-PRF-13830B的标准，要求偏振片表面质量10/5。全息偏振片的波长范围为2μm~30μm，可选用BaF2晶体、ZnSe晶体、溴化铊以及Ge单晶材料制造，在3μm的消光系数为150：1。近红外波段还可选用透过波段350~2300nm的光学级方解石。中波红外偏振片波长范围1.5~5μm，采用钠钙硅作为基片材料，厚度5mm，表面质量60/40。

试样平台6设计位于红外起偏镜4和1/4波片8之间位置，该试样平台6采用螺旋式升降结构。这样可以根据放在试样平台6上待测试样的规格不同进行位置调整，保证待测试样处于光面的中部位置。

在试样的后面设计了1/4波片8，即偏振分光镜， 1/4波片8应透射红外光源1发射的红外光谱，且1/4波片8放置在红外起偏镜4和红外检偏镜10之间。其主要作用是将通过存在应力试样后的椭圆偏振光转换成线偏振光。一般1/4波片8可选用近红外波段分光片，材料选用石英晶片，表面质量60/40。红外波段可选用通光波段2~8μm的CaF2分光片，要求平行度3弧分，表面质量60/40，表面精度2λ(λ=632.8nm)。1/4波片8的快轴与所述起偏镜4的透光轴所成的角度为45°。

当试样中存在应力时，经过转换后的线偏振光会发生偏移，当转动红外检偏镜10到一定位置后，会接受到1/4波片8转换后的线偏振光。这样根据红外检偏镜10转动的角度就可以计算玻璃中存在的应力大小。

信号接收系统12由红外传感器15、低温恒温器16，控制红外传感器的电子装置17，红外传感器输出信号的模拟-数字处理的电子装置18，同步和数字信号处理的电子装置19和电源23组成，位于测试平台7的另一端。信号接收系统12即为信号接收处理装置，其作用是目标的红外辐射转化为电子信号，从而观察和记录其表面上的温度变化。转换是通过行间转换和间行扫描红外传感器15，借助物镜将观察到的图像投影显示在成像传感器15表面上。当红外检偏器10接受的红外线偏振光信号传递到红外成像传感器15上，该红外成像传感器15的作用是将红外辐射信号转化为电子信号，根据所测试样的通光波段选择可使用近、中红外成像传感器。一般接受近红外光线的选用可见-近红外InGaAs传感器，光敏波段500nm~1700nm，可接受波长1300nm的信号。接受中红外光线的选用带电荷耦合的硅矩阵感光片、InAsPSb、InAs、PbS、CdS、CdSe等可接受波长3390nm的信号的探测器。信号接收系统12的电子装置对红外传感器15输出信号进行放大、处理，并将其转换成电视视频信号，以及用于输送到计算机采集处理显示系统14中的数字信号。因此红外应力测试装置主要是借助红外成像传感器15，将记录的辐射分布信号转化为温度分布信号，通过计算机中的图像处理来实现的。其信号接收系统的结构见图2，红外传感器15安装到低温恒温器16上，低温恒温器16保证将红外传感器冷却至工作温度，并在传送箱不间断工作的时间内维持该温度。观察对象的图像，形成物镜，经过低温恒温器16窗口，投影到红外传感器15的感光区域，该感光区域可以产生相关图像。当同步和数字信号处理的电子装置19媒介形成积累时间结束时，积累电荷在从控制红外传感器工作的电子装置17输送到红外传感器15电极的电子脉冲作用下，逐行传递到读数记录器，之后进行输出信号的单项输出。在脉冲和直流电压作用下进行红外传感器15的工作控制，脉冲和直流电压由位于控制红外传感器工作的电子装置17上的专门系统（激励器）形成。

信号接收系统12，控制红外传感器的电子装置17，对红外传感器输出信号进行放大、处理。其位于红外传感器输出信号的模拟-数字处理的电子装置18上面。红外传感器15的输出信号进入电子装置18，通过两次抽样选择对输出信号进行放大、处理。得到电子装置18输出的图像数字流，进入同步和数字信号处理的电子装置19，在同步和数字信号处理的电子装置19中进行图像处理，从而对红外传感器黑色信号的不均匀性所引起的结构干扰起到补偿作用。被处理的图像转化为扫描的信号标准，并通过数模转换器形成图像数字输出20和模拟输出视频信号21，然后将信号输入到计算机采集处理显示系统14中。

计算机采集处理显示系统14将信号接收系统12输出信号转换成模拟输出视频信号21和图像数字输出20输入到电子计算机中，同时其图像可以显示在计算机显示器上面。借助信号接收系统位移的螺旋机构（对焦），同时利用光学反差，借助glass.exe软件程序，记录辐射分布转化为温度分布的图像，从而在显示器屏幕上得到更加清晰的图像。其中显示器应与红外传感器15匹配，其对比度应优于1000:1，分辨率应优于1280×1024。

测试平台7表面平整，且保证红外光源1、红外光学装置、试样平台6和信号接收系统12处于同一轴线上。

红外光学材料应力测试装置的测试方法以下例进行说明：

打开设备开关，待设备预热30分钟后，开始进行检测。不放置待测试样时，通过信号接收系统12将红外传感器15接收到的信号反映在计算机采集处理显示系统14的显示器上视野范围是黑色。将待测试样放在试样平台6上，并旋转试样平台6至处于光面的中部位置，旋转红外检偏镜10的检偏镜转动盘11零位与刻度盘零位对齐，观测计算机采集处理显示系统14的显示器上视野最亮点即为应力最大点。然后旋转红外检偏镜10上的检偏镜旋转盘11，直至计算机采集处理显示系统14的显示器上视野内最亮点变成黑色，记录此时刻度盘旋转的角度，测试出该待测试样的厚度，即可用公式换算出应力值。

计算公式：应力双折射nm/cm=（λ/180 nm×检偏镜旋转角度）/被测试样厚度(cm)。

其中λ为光源波长。

取经10℃/小时降温退火的硫系玻璃（IRG203 ）作为测试样品，得到应力测试结果见附图3所示，计算的应力双折射如下：

附图3中点1处应力双折射为： 426 nm/cm

附图3中点2处应力双折射为： 515 nm/cm

附图3中点3处应力双折射为： 414 nm/cm

附图3中点4处应力双折射为： 458 nm/cm。

Claims (9)

1.一种红外光学材料应力测试装置，其特征在于：由红外光源（1）、红外光学系统、信号接收系统（12）、计算机采集处理显示系统、测试平台（7）五部分构成；其中，红外光源（1）为发射光谱为近、中红外的点光源、线光源或面光源；红外光学系统由黑色玻璃（3）、准直透镜（2）、红外起偏镜（4）、试样平台（6）、1/4波片（8）、红外检偏镜（10）组成；红外光源（1）、准直透镜（2）、黑色玻璃（3）、红外起偏镜（4）依次固定在测试平台（7）一端的壳体内，构成信号发出装置（5），准直透镜（2）为凸透镜，红外光源（1）位于准直透镜的焦点上；试样平台（6）间隔设置在信号发出装置（5）之后的测试平台（7）上；1/4波片（8）、红外检偏镜（10）分别固定在标有刻度的波片转动装置（9）和检偏镜转动盘（11）上，间隔设置在试样平台（6）之后的测试平台（7）上，1/4波片（8）面向试样平台（6）；信号接收系统（12）由红外传感器（15）、低温恒温器（16），控制红外传感器的电子装置（17），红外传感器输出信号的模拟-数字处理的电子装置（18），同步和数字信号处理的电子装置（19）和电源（23）组成，位于测试平台（7）的另一端；计算机采集处理显示系统（14）通过光缆（13）与信号接收系统（12）连接。

2.根据权利要求1所述的一种红外光学材料应力测试装置，其特征在于：所述的测试平台（7）表面平整，红外光源（1）、红外光学装置、试样平台（6）和信号接收系统（12）处于同一轴线上。

3.根据权利要求1或2所述的一种红外光学材料应力测试装置，其特征在于：所述的红外光源（1）选用单一波长的红外激光二极管或红外氦氖激光光源，其发射光谱λ=1300nm或λ=3390nm，输出功率为50mW。

4.根据权利要求1或2所述的一种红外光学材料应力测试装置，其特征在于：所述的试样平台（6）采用可以旋转的平台结构。

5.根据权利要求3或2所述的一种红外光学材料应力测试装置，其特征在于：所述的黑色玻璃（3）是表面经过精磨处理的并可滤除可见光的毛玻璃，其长波截止波长不小于0.78μm。

6.根据权利要求1或2所述的一种红外光学材料应力测试装置，其特征在于：所述的波片转动装置（9）和检偏镜转动盘（11）的最小刻度值为1°，最大可测量范围为180°。

7.根据权利要求1或2所述的一种红外光学材料应力测试装置，其特征在于：所述的红外起偏镜（4）和红外检偏镜（10）为采用透红外材料制成的光学镜头。

8.根据权利要求1或2所述的一种红外光学材料应力测试装置，其特征在于：所述的红外传感器（15）为近红外InGaAs传感器、硅矩阵感光片、InAsPSb、InAs、PbS、CdS、CdSe可接受光源透过波长的探测器。

9.一种采用权利要求1所述的红外光学材料应力测试装置的测试方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

⑴、将加工好的红外光学材料样品放在试样平台上，旋转试样平台使试样处于光面的中部位置；

⑵、旋转红外检偏镜的旋转盘零位与刻度盘零位对齐，观测计算机显示器上视野最亮点即为应力最大点；

⑶、旋转红外检偏镜的旋转盘，直至计算机显示器上视野内最亮点变成黑色，记录刻度盘旋转的角度；

⑷、测试出该待测试样厚度；

(5)、根据公式计算试样的应力。