CN111551524B - 一种测量材料高温光学参数的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量材料高温光学参数的装置及方法。该装置包括椭球反射镜、切换反射镜、检测装置，椭球反射镜的内表面为椭球光学面，椭球反射镜具有双焦点，其中第一焦点处配置有光源，第二焦点处用于设置待测样品，椭球反射镜上开设有视场窗口，视场窗口处设置有椭球镜挡块组件，从待测样品反射的反射光路穿过视场窗口并经转折后入射至切换反射镜处，从待测样品透射的透射光路经转折后入射至切换反射镜处，通过旋转切换反射镜将待测样品的透射光线或反射光线导入检测装置。本发明集成了反射测量以及透射测量两种功能，并且两种测量功能的切换只需要通过计算机程序控制切换反射镜以及椭球镜挡块组件实现。操作简单，可操作性强。

Description

一种测量材料高温光学参数的装置及方法
技术领域
本发明属于光谱测量领域。具体涉及一种用于测量在高温环境下材料光学参数的方法及设备，用于测量材料的反射性能和透射性能。
背景技术
光学参数是宏观上表征材料光学性质的物理量，间接反映材料的微观特性。对光学参数的准确提取不仅可以研究材料微观性质和机理，而且还有助于开发和利用新型光学材料。传统材料光学参数测量技术主要包括紫外光谱、红外光谱、圆二色谱、X射线等传统光谱技术以及近年来发展起来的太赫兹时域光谱技术。主要测量的光学参数包括介电常数、介质损耗、折射率、吸收系数、消光系数和电导率等。大量研究表明，温度是影响材料光学参数的重要原因之一。因此获取材料在不同温度下的光学参数对研究其温度依赖性具有极其重要的意义。
传统的测量技术和测量设备一般只能测量材料的反射性能或者是投射性能，没有办法在测量材料的这两种特性上做切换。不同测量技术的区别只是在于选择了不同的测试频段，并且一般只实现了对材料在常温下光学参数的测量，或只能测量材料在某个温度下的光学参数。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷和不足，本发明提出一种新的用于测量材料高温光学参数的装置及方法，可以对被测材料的表面温度进行控制，精密测定材料在不同高温条件下的反射性能和透射性能，并具有较好的辐照度和能量利用率。
本发明的技术方案如下：
一种测量材料高温光学参数的装置，包括椭球反射镜、切换反射镜、检测装置，所述椭球反射镜的内表面为椭球光学面，所述椭球反射镜具有双焦点，即第一焦点和第二焦点，其中第一焦点处配置有光源，第二焦点处用于设置待测样品，所述椭球反射镜上开设有视场窗口，所述视场窗口处设置有可填塞视场窗口的椭球镜挡块组件，从待测样品反射的反射光路穿过视场窗口并经转折后入射至切换反射镜处，从待测样品透射的透射光路经转折后入射至切换反射镜处，所述切换反射镜可旋转，通过旋转切换反射镜将待测样品的透射光线或反射光线导入检测装置。
进一步的，从椭球反射镜至切换反射镜的所述反射光路上设置有第一光学元件和第二光学元件。
进一步的，所述第一光学元件为离轴准直镜，所述离轴准直镜设置于第二焦点与视场窗口的连线的延长线上。
进一步的，所述第二光学元件为平面反射镜，第一光学元件的出射光路经所述平面反射镜转折后入射至切换反射镜。
进一步的，从第二焦点至切换反射镜的所述透射光路上设置有第三光学元件和第四光学元件，所述第三光学元件为离轴镜，所述第四光学元件为转向镜。
进一步的，所述视场窗口设置有若干个，第二焦点与每个视场窗口的连线的延长线上均设置一个离轴准直镜，每个离轴准直镜的离轴量各不相同，且所述离轴准直镜的高度各不相同。
进一步的，所述平面反射镜的高度可调节，通过控制平面反射镜高度每次分别与不同的离轴准直镜保持相同的高度，使从不同视场窗口出射的光线分别通过不同离轴量的离轴准直镜准直。
进一步的，所述椭球镜挡块组件包括镜塞，所述镜塞与椭球反射镜具有相同的面形，同样具有双焦点，当需要测试待测样品的透射性能时，所述镜塞伸入视场窗口中。
一种测量材料高温光学参数的方法，将光源设置于椭球光学面的一个焦点处，并将待测样品设置于椭球光学面的另一个焦点处，在椭球光学面上开设视场窗口，从待测样品反射的反射光路穿过视场窗口并经转折后入射至切换反射镜处，从待测样品透射的透射光路经转折后入射至切换反射镜处，在不改变装置组成结构的前提下，仅通过旋转切换反射镜将待测样品的透射光线或反射光线导入检测装置，进行待测样品透射性能或反射性能的分析；其中：
待测样品反射性能分析：控制切换反射镜旋转至反射特性测量模式；控制可升降的平面反射镜每次分别与不同离轴量的离轴准直镜保持相同的高度，使得从椭球反射镜不同视场窗口出射的光线分别通过不同离轴量的离轴准直镜准直；光路经过切换反射镜导入检测装置；
待测样品透射性能：控制切换反射镜旋转至透射性能测量模式；控制椭球镜挡块组件中的镜塞填塞视场窗口，使得由光源辐射的光线将经过椭球反射镜反射和汇聚照射在待测样品的焦面处；光线透射过待测样品经底端的离轴镜和转向镜，由切换反射镜导入检测装置。
进一步的，待测样品的加热通过强激光器实现，将强激光器放置于椭球反射镜安装底座内部，使得强激光器直接照射待测样品，通过控制强激光器的功率实现温度的控制。
与现有的技术手段相比较，本发明的显著优点在于：
1、集成了反射测量以及透射测量两种功能，并且两种测量功能的切换只需要通过计算机程序控制切换反射镜以及椭球镜挡块组件实现。操作简单，可操作性强。
2、为测量材料在不同温度下的光学参数，本发明的显著优点在于只需通过计算机控制激光器的功率即可。
3、本发明可用于红外、可见光等多个波段的材料反射率、透射率测量，对材料表面粗糙度无要求，适用范围广，操作方便，实用性较强。
附图说明
图1为本发明一种测量材料高温光学参数的装置的结构及光路图；
图2为反射性能分析的光路图；
图3为透射性能分析的光路图；
图4为半椭球镜示意图；
图5为椭球镜挡块组件结构示意图；
图6为椭球镜挡块组件的侧视图；
图7为离轴准直镜组件示意图；
图8为底端转向镜组件示意图。
图中标记：1、切换反射镜；2、旋转台背架；3、旋转台垫片；4、转向镜组件；5、椭球镜挡块组件；5-1、镜塞；6、离轴镜；7、椭球反射镜；7-1、第一焦点；7-2、第二焦点；7-3、30°通光孔；7-4、60°通光孔；7-5、温度传感器放置位置；7-6、90°通光孔；8、离轴准直镜组件；8-1、第一离轴准直镜；8-2、第二离轴准直镜；8-3、第三离轴准直镜；9、光源；10、待测样品托盘；11、平面反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种如图1所示的测量材料高温光学参数的装置，图中同时还显示了光路结构。如图1中，椭球反射镜上半部分为系统的反射性能测量光路；椭球反射镜下半部分为透射性能测量的光路。该装置包括椭球反射镜7、切换反射镜1、检测装置(本实施例中的检测装置选用光谱仪)。
椭球反射镜7的结构如图4所示，其内表面为椭球光学面，椭球反射镜7具有双焦点，即第一焦点7-1和第二焦点7-2，其中第一焦点7-1处配置有光源9(该光源9为主动照射光源)，第二焦点7-2处用于设置待测样品(例如，可在第二焦点7-2处设置一待测样品托盘10，待测样品放置于待测样品托盘10上)。光源辐射的光线从一个焦点发出可聚集到另外一个焦面处可实现样品的照射。椭球反射镜7上开设有不同视场窗口供反射和透射性能分析(该视场窗口的数量不限，本实施例以开设三个视场窗口为例进行说明，即椭球反射镜7上开设有30°通光孔7-3、60°通光孔7-4、90°通光孔7-6)，视场窗口处设置有可填塞视场窗口的椭球镜挡块组件5。从待测样品反射的反射光路穿过视场窗口并经转折后入射至切换反射镜处(如图2所示)，从待测样品透射的透射光路经转折后入射至切换反射镜处(如图3所示)，切换反射镜可旋转(例如，可以设置一旋转台，将切换反射镜设置于旋转台上，如图1中所示，旋转台通过旋转台背架2、旋转台垫片3安装固定)，通过旋转切换反射镜将待测样品的透射光线或反射光线导入检测装置。
为了简化光路结构，减小装置体积，从椭球反射镜7至切换反射镜1的所述反射光路上设置有第一光学元件和第二光学元件，从第二焦点7-2至切换反射镜1的所述透射光路上设置有第三光学元件和第四光学元件。本实施例中，第三光学元件为离轴镜6，第四光学元件为转向镜组件4(如图8所示)，第二光学元件为平面反射镜11，第一光学元件的出射光路经平面反射镜11转折后入射至切换反射镜1。
如图7所示，本实施例中，第一光学元件为离轴准直镜组件8，所述离轴准直镜8包括三块离轴准直镜，即第一离轴准直镜8-1、第二离轴准直镜8-2、第三离轴准直镜8-3，每块离轴准直镜设置于第二焦点7-2与视场窗口的连线的延长线上。第二焦点7-2与每个视场窗口的连线的延长线上均设置一个离轴准直镜8，每个离轴准直镜8的离轴量各不相同，且离轴准直镜8的高度各不相同。通过采用不同离轴量的离轴准直镜实现反射光线收集功能。从椭球镜不同视场窗口出来的光线将通过离轴准直镜准直，然后经过平面反射镜以及平面反射镜最终将准直的光线导入光谱仪，实现反射性能的分析。本实施例中，平面反射镜11的高度可调节，通过控制平面反射镜11高度每次分别与不同的离轴准直镜8保持相同的高度，使从不同视场窗口出射的光线分别通过不同离轴量的离轴准直镜8准直。半椭球反射镜表面的不同位置开有测量孔，对应不同的测量角度。测量设备通过样品上下不同位置的测量，即可得到不同角度条件下试样的反射或透射特性数据。
本实施例中的椭球镜挡块组件5结构如图5-6所示，该椭球镜挡块组件5包括镜塞5-1，镜塞5-1与椭球反射镜7具有相同的面形，是半椭球反射镜面形的一部分，同样具有双焦点。当需要测试待测样品的透射性能时，只需利用可旋转和升降的电机将镜塞5-1伸入视场窗口中，可以实现将光源辐照的光线经镜塞反射透射过被测材料，从而到椭球镜下方的离轴镜及转向镜，最后经过平面反射镜最终导入光谱仪，实现透射性能的测量。
本实施例还提供一种测量材料高温光学参数的方法，将光源设置于椭球光学面的一个焦点处，并将待测样品设置于椭球光学面的另一个焦点处，在椭球光学面上开设视场窗口，从待测样品反射的反射光路穿过视场窗口并经转折后入射至切换反射镜处，从待测样品透射的透射光路经转折后入射至切换反射镜处，在不改变装置组成结构的前提下，仅通过旋转切换反射镜将待测样品的透射光线或反射光线导入检测装置，进行待测样品透射性能或反射性能的分析；其中：
待测样品反射性能分析：控制切换反射镜旋转至反射特性测量模式；控制可升降的平面反射镜每次分别与不同离轴量的离轴准直镜保持相同的高度，使得从椭球反射镜不同视场窗口出射的光线分别通过不同离轴量的离轴准直镜准直；光路经过切换反射镜导入检测装置；
待测样品透射性能：控制切换反射镜旋转至透射性能测量模式；控制椭球镜挡块组件中的镜塞填塞视场窗口，使得由光源辐射的光线将经过椭球反射镜反射和汇聚照射在待测样品的焦面处；光线透射过待测样品经底端的离轴镜和转向镜，由切换反射镜导入检测装置。
其中，待测样品的加热通过强激光器实现，将强激光器放置于椭球反射镜安装底座内部，使得强激光器直接照射待测样品，通过控制强激光器的功率实现温度的控制，其中，温度的检测可以通过设置温度传感器实现，该温度传感器可以设置在如图3中所示的椭球反射镜7上的温度传感器放置位置7-5上。利用高能连续波激光器作为热源，直接照射样品实现加热功能，设定温度后自动调节激光器的输出功率控制样品的温度。采用黑体作为主动照射光源，经半椭球反射镜汇聚投射到测试样品上，样品反射的能量经过由离轴准直镜、平面反射镜和选择反射镜构成的视场匹配单元进入到红外测试仪器——光谱仪，进而实现样品反射、透射特性的测量。整套装置的操作只需通过集成化的计算机软件实现。具体操作步骤为：第一步打开黑体和光谱仪和控温水冷装置，第二步选择测量控制模块，设定测量模式，第三步，打开强激光控制系统，对试样进行加热，第四步，触发数据采集系统，由光谱仪采集数据。
综上所述，本实施例一种测量材料高温光学参数的装置包括半椭球反射镜及其安装底座、3块不同离轴量的准直镜及其安装底座、椭球镜挡块及其安装底座、底端转向镜及其安装底座以及可升降的平面反射镜和切换平面反射镜等。该设备利用高能连续波激光器作为热源，直接照射样品实现加热功能，通过在电脑的客户端程序中设定温度后由电脑自动调节激光器的输出功率控制样品的温度，采用黑体作为主动照射光源，经半椭球反射镜汇聚投射到测试样品上，样品反射的能量经过由离轴准直镜、平面反射镜和选择反射镜构成的视场匹配单元进入到红外光谱仪，进而实现样品反射、透射特性的测量。调节高能连续波激光器的功率，即可调节被测材料的温度，从而实现对不同温度下材料光学参数的测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种测量材料高温光学参数的装置，其特征在于：包括椭球反射镜、切换反射镜、检测装置，所述椭球反射镜的内表面为椭球光学面，所述椭球反射镜具有双焦点，即第一焦点和第二焦点，其中第一焦点处配置有黑体光源，第二焦点处用于设置待测样品，所述椭球反射镜上开设有视场窗口，所述视场窗口处设置有可填塞视场窗口的椭球镜挡块组件，从待测样品反射的反射光路穿过视场窗口并经转折后入射至切换反射镜处，从待测样品透射的透射光路经转折后入射至切换反射镜处，所述切换反射镜可旋转，通过旋转切换反射镜将待测样品的透射光线或反射光线导入检测装置；所述椭球镜挡块组件包括镜塞，所述镜塞与椭球反射镜具有相同的面形，同样具有双焦点，当需要测试待测样品的透射性能时，所述镜塞伸入视场窗口中；所述视场窗口设置有若干个，第二焦点与每个视场窗口的连线的延长线上均设置一个离轴准直镜，每个离轴准直镜的离轴量各不相同，且所述离轴准直镜的高度各不相同；
从椭球反射镜至切换反射镜的所述反射光路上设置有第一光学元件和第二光学元件；所述第一光学元件为离轴准直镜，所述离轴准直镜设置于第二焦点与视场窗口的连线的延长线上，所述第二光学元件为平面反射镜，第一光学元件的出射光路经所述平面反射镜转折后入射至切换反射镜，所述平面反射镜的高度可调节，通过控制平面反射镜高度每次分别与不同的离轴准直镜保持相同的高度，使从不同视场窗口出射的光线分别通过不同离轴量的离轴准直镜准直；
从第二焦点至切换反射镜的所述透射光路上设置有第三光学元件和第四光学元件，所述第三光学元件为离轴镜，所述第四光学元件为转向镜。
2.使用权利要求1所述的装置的一种测量材料高温光学参数的方法，其特征在于：将黑体光源设置于椭球光学面的一个焦点处，并将待测样品设置于椭球光学面的另一个焦点处，在椭球光学面上开设视场窗口，从待测样品反射的反射光路穿过视场窗口并经转折后入射至切换反射镜处，从待测样品透射的透射光路经转折后入射至切换反射镜处，在不改变装置组成结构的前提下，仅通过旋转切换反射镜将待测样品的透射光线或反射光线导入检测装置，进行待测样品透射性能或反射性能的分析；其中：
待测样品反射性能分析：控制切换反射镜旋转至反射特性测量模式；控制可升降的平面反射镜每次分别与不同离轴量的离轴准直镜保持相同的高度，使得从椭球反射镜不同视场窗口出射的光线分别通过不同离轴量的离轴准直镜准直；光路经过切换反射镜导入检测装置；
待测样品透射性能：控制切换反射镜旋转至透射性能测量模式；控制椭球镜挡块组件中的镜塞填塞视场窗口，使得由黑体光源辐射的光线将经过椭球反射镜反射和汇聚照射在待测样品的焦面处；光线透射过待测样品经底端的离轴镜和转向镜，由切换反射镜导入检测装置。
3.根据权利要求2所述的一种测量材料高温光学参数的方法，其特征在于：待测样品的加热通过强激光器实现，将强激光器放置于椭球反射镜安装底座内部，使得强激光器直接照射待测样品，通过控制强激光器的功率实现温度的控制。
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