本發(fā)明涉及一種光學(xué)玻璃的測量裝置，特別是涉及一種對光學(xué)玻璃的光吸收系數(shù)以及霧度的自動(dòng)化測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)玻璃的光吸收系數(shù)以及霧度是光學(xué)玻璃參數(shù)中的重要指標(biāo)，而且近幾年來隨著紅外產(chǎn)品在安防、車載市場中的廣泛應(yīng)用，紅外部分光吸收系數(shù)以及霧度指標(biāo)顯得尤為重要。目前國內(nèi)外只有可見光波段(400nm～700nm)的光吸收測定儀以及霧度測定儀，而且該測定儀結(jié)構(gòu)簡單，采用單光路測試方法，光功率漂移等因素會(huì)嚴(yán)重影響測試精度，而對于紅外波段的光吸收以及霧度測試的相關(guān)方法還屬空白。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高精度測量光學(xué)玻璃光吸收系數(shù)以及霧度的裝置。
本發(fā)明還要提供上述測量裝置的測量方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：光學(xué)玻璃測量裝置，按光路依次包括：
雙光源發(fā)生系統(tǒng)：按光路依次包括高精度穩(wěn)定光源、準(zhǔn)直鏡、濾光片和變徑光闌；或1000nm～1100nm激光器和偏振控制器；
雙光路系統(tǒng)：按光路依次包括光強(qiáng)衰減器、分光鏡、第一轉(zhuǎn)向鏡、分頻斬波器、第二轉(zhuǎn)向鏡、積分球、標(biāo)準(zhǔn)反射板和光陷阱，且在分頻斬波器和積分球之間還設(shè)置有待測樣品架；
光電探測系統(tǒng)：硒光電池探測器或銦砷化鎵探測器；
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：按光路包括雙通道鎖相放大器和計(jì)算機(jī)。
進(jìn)一步的，所述雙光源發(fā)生系統(tǒng)之間設(shè)置有光源切換器，所述雙光源發(fā)生系統(tǒng)按照測量不同波段的參數(shù)通過光源切換器切換。
進(jìn)一步的，所述待測樣品架根據(jù)測試參數(shù)不同分為光吸收待測樣品架和霧度待測樣品架。
進(jìn)一步的，所述光電探測系統(tǒng)根據(jù)測試波段不同，分別采用硒光電池探測器或銦砷化鎵探測器。
進(jìn)一步的，所述光強(qiáng)衰減器使光強(qiáng)衰減至與所述硒光電池探測器或銦砷化鎵探測器匹配的照度。
進(jìn)一步的，所述分頻斬波器為參考光和信號(hào)光加載不同特征頻率的交流調(diào)制。
進(jìn)一步的，所述霧度待測樣品架設(shè)置在積分球前窗口處。
進(jìn)一步的，所述標(biāo)準(zhǔn)反射板設(shè)置在積分球中心后側(cè)壁位置，向下滑動(dòng)角度為1～10度。
進(jìn)一步的，所述光陷阱緊挨積分球后側(cè)外壁，通過標(biāo)準(zhǔn)反射板進(jìn)入光陷阱的入射光束在光陷阱內(nèi)若干小棱鏡中多次折返，使光束延遲反射回積分球。
進(jìn)一步的，所述硒光電池探測器和銦砷化鎵探測器鑲嵌在積分球底部窗口。
光學(xué)玻璃測量裝置的測量方法，當(dāng)對待測樣品進(jìn)行可見光波段光吸收系數(shù)測量時(shí)，該方法包括以下步驟：
1)量取待測樣品的長度L，關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)反射板，將待測樣品放置在光吸收待測樣品架上并置于光路中；
2)高精度穩(wěn)定光源經(jīng)過準(zhǔn)直鏡后，光束準(zhǔn)直為一束平行光，經(jīng)過濾光片濾光后，再通過變徑光闌調(diào)節(jié)光束出光孔徑，然后經(jīng)過光強(qiáng)衰減器，使光強(qiáng)衰減至與硒光電池探測器匹配的照度；
3)光束經(jīng)過分光鏡、第一轉(zhuǎn)向鏡之后，將光束分為兩路，一路作為參考光，另一路作為信號(hào)光，分頻斬波器為參考光和信號(hào)光加載不同特征頻率的交流調(diào)制；
4)參考光經(jīng)過第二轉(zhuǎn)向鏡轉(zhuǎn)向，信號(hào)光經(jīng)過光吸收待測樣品架上的待測樣品后，兩束光同時(shí)投射進(jìn)入積分球，硒光電池探測器同時(shí)接收雙光路的可見光波段的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；
5)通過雙通道鎖相放大器將電壓信號(hào)放大增益濾波后輸入到計(jì)算機(jī)中計(jì)算，通過公式得到待測樣品的可見光光吸收系數(shù)K，
K＝1/L{2ln[1-((nd-1)/(nd+1))2]+ln[1+((nd-1)/(nd+1))4]-lnT} (2)
K：光吸收系數(shù)；
L：待測樣品的長度
Nd：玻璃d線(587.6nm)折射率。
光學(xué)玻璃測量裝置的測量方法，當(dāng)對待測樣品進(jìn)行1000nm～1100nm光吸收系數(shù)測量時(shí)，該方法包括以下步驟：
1)量取待測樣品的長度L，關(guān)閉高精度穩(wěn)定光源和標(biāo)準(zhǔn)反射板，將待測樣品放置在光吸收待測樣品架上并置于光路中；
2)采用光源切換器將1000nm～1100nm激光器切換置于光路中，1000nm～1100nm激光器經(jīng)過偏振控制器，再經(jīng)過光強(qiáng)衰減器后，使光強(qiáng)衰減至與銦砷化鎵探測器匹配的照度；
3)光束經(jīng)過分光鏡和第一轉(zhuǎn)向鏡后，將光束分為兩路，一路作為參考光，另一路作為信號(hào)光，分頻斬波器為參考光和信號(hào)光加載不同特征頻率的交流調(diào)制；
4)參考光經(jīng)過第二轉(zhuǎn)向鏡轉(zhuǎn)向，信號(hào)光經(jīng)過光吸收待測樣品架上的待測樣品后，兩束光同時(shí)投射進(jìn)入積分球，銦砷化鎵探測器同時(shí)接收雙光路的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；
5)通過雙通道鎖相放大器將電壓信號(hào)放大增益濾波后輸入到計(jì)算機(jī)中計(jì)算，通過公式(2)得到待測樣品的1000nm～1100nm光吸收系數(shù)K，
K＝1/L{2ln[1-((nd-1)/(nd+1))2]+ln[1+((nd-1)/(nd+1))4]-lnT} (2)
K：光吸收系數(shù)；
L：待測樣品的長度
Nd：玻璃d線(587.6nm)折射率。
光學(xué)玻璃測量裝置的測量方法，當(dāng)對待測樣品進(jìn)行1000nm～1100nm霧度測量時(shí)，該方法包括以下步驟：
1)關(guān)閉高精度穩(wěn)定光源，打開標(biāo)準(zhǔn)反射板，在積分球前窗口處的霧度待測樣品架上放置紅外霧度待測樣品；
2)采用光源切換器將1000nm～1100nm激光器切換置于光路中，1000nm～1100nm激光器經(jīng)過偏振控制器后，再經(jīng)過光強(qiáng)衰減器，使光強(qiáng)衰減至與銦砷化鎵探測器匹配的照度；
3)光束經(jīng)過分光鏡和第一轉(zhuǎn)向鏡后，將光束分為兩路，一路作為參考光，另一路作為信號(hào)光，分頻斬波器為參考光和信號(hào)光加載不同特征頻率的交流調(diào)制；
4)參考光經(jīng)過第二轉(zhuǎn)向鏡轉(zhuǎn)向，信號(hào)光經(jīng)過霧度待測樣品架上的待測樣品后，兩束光同時(shí)投射進(jìn)入積分球，信號(hào)光有部分光束進(jìn)入光陷阱中，其余部分光強(qiáng)為I1的信號(hào)光與光強(qiáng)為I2的參考光被銦砷化鎵探測器接收，并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；
5)通過雙通道鎖相放大器將電壓信號(hào)放大增益濾波后輸入到計(jì)算機(jī)中計(jì)算，通過公式(3)計(jì)算得到1000nm～1100nm波段紅外霧度，
霧度＝I1/I2 (3)。
本發(fā)明的有益效果是：采用分光光度雙光束同步測量原理，實(shí)現(xiàn)參考光和樣品透過光強(qiáng)度的同時(shí)測量，可以根本消除光功率漂移對測量穩(wěn)定性的影響，同時(shí)無需電動(dòng)機(jī)構(gòu)對樣品進(jìn)行機(jī)械切換；具有400nm～700nm波段光吸收系數(shù)、1000nm～1100nm光吸收系數(shù)以及1000nm～1100nm霧度測量功能；全自動(dòng)一鍵式測量流程，通過按下開始按鈕，儀器自動(dòng)完成測量、計(jì)算和顯示，無須繁瑣設(shè)置，效率極高；光機(jī)電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊合理，便攜性強(qiáng)，具有優(yōu)異的光噪聲和電磁噪聲屏蔽效果，適用于各種環(huán)境條件，保證儀器的超長使用壽命和測量穩(wěn)定性，易于測試操作，且具有較高的測試精度。
附圖說明
圖1是本發(fā)明裝置的示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明的光學(xué)玻璃測量裝置按光路依次包括：雙光源發(fā)生系統(tǒng)、雙光路系統(tǒng)、光電探測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
其中，雙光源發(fā)生系統(tǒng)按照測量不同波段的參數(shù)分為兩個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)對可見光波段(400nm～700nm)進(jìn)行光吸收系數(shù)測量時(shí)，其按光路依次包括高精度穩(wěn)定光源1、準(zhǔn)直鏡2、濾光片3和變徑光闌4；當(dāng)對紅外波段(1000nm～1100nm)進(jìn)行光吸收系數(shù)和霧度測量時(shí)，其按光路依次包括1000nm～1100nm激光器6和偏振控制器7。上述兩個(gè)光源系統(tǒng)通過光源切換器5來切換。
雙光路系統(tǒng)按光路依次包括光強(qiáng)衰減器8、分光鏡9、第一轉(zhuǎn)向鏡10、分頻斬波器11、第二轉(zhuǎn)向鏡14、積分球15、標(biāo)準(zhǔn)反射板16和光陷阱17，且在分頻斬波器11和積分球15之間還設(shè)置有待測樣品架，該待測樣品架根據(jù)測試的參數(shù)不同(光吸收系數(shù)或霧度)分為光吸收待測樣品架12和霧度待測樣品架13。
光電探測系統(tǒng)根據(jù)測試波段不同(可見光波段或紅外波段)，分別采用硒光電池探測器18或銦砷化鎵探測器19。
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)按光路包括雙通道鎖相放大器20和計(jì)算機(jī)21。
上述高精度穩(wěn)定光源1是光纖輸出簡化光路結(jié)構(gòu)的高精度穩(wěn)定光源，可采用色溫為2860K、光強(qiáng)飄逸小于0.01、輸出波長為400nm～700nm，穩(wěn)定性達(dá)0.05％～0.1％的光源；準(zhǔn)直鏡2的作用是使光束均勻通過準(zhǔn)直鏡2的中心位置，且使入射光以平行光的形式出射，其可設(shè)置在距離高精度穩(wěn)定光源1光路水平中心線后端(所述后端是以光線在光路中的傳播方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，以下同)50mm～110mm處；濾光片3具有過濾雜散光的作用，其可設(shè)置在距離準(zhǔn)直鏡2光路水平中心線后端5mm～10mm處，當(dāng)濾光片3采用LB2濾光片時(shí)，具有過濾可見光400nm～700nm波段以外雜散光的作用；變徑光闌4使光束出光孔徑形成的點(diǎn)光源，其可設(shè)置在距離濾光片3光路水平中心線后端50mm～310mm處；光源切換器5可以設(shè)置在距離變徑光闌4光路水平中心線后端100mm～110mm處；1000nm～1100nm激光器6可設(shè)置在距離光源切換器5豎直中心線(相對于光路水平中心線而言，以下同)200mm～350mm處；偏振控制器7用于旋轉(zhuǎn)激光的偏振態(tài)，通常采用零級(jí)二分之一波片，某些光學(xué)玻璃在不同偏振態(tài)條件下透過率會(huì)不同，偏振控制器7的作用就是應(yīng)對這樣的樣品檢測，其可設(shè)置在距離1000nm～1100nm激光器6出光孔5mm處。
上述光強(qiáng)衰減器8使光強(qiáng)衰減，其可設(shè)置在距離變徑光闌4光路水平中心線后端5～10mm處；分光鏡9放置在光強(qiáng)衰減器8的后端5nm～10mm處，使光束均勻分為兩束光，即：水平光和豎直光，其可設(shè)置在距離光強(qiáng)衰減器8光路水平中心線后端100mm～150mm處；第一轉(zhuǎn)向鏡10設(shè)置在分光鏡9光路豎直中心線100mm～110mm處，采用45度擺放角度；分頻斬波器11為兩束光加載不同特征頻率的交流調(diào)制，與雙通道鎖相放大器20設(shè)定的兩個(gè)交流信號(hào)頻率一致，這樣可以通過雙通道鎖相放大器20放大兩個(gè)頻率信號(hào)的能量，從而降低噪音以及暗電流對探測信號(hào)精度的影響，分頻斬波器11可設(shè)置在分光鏡9與第一轉(zhuǎn)向鏡10后端50mm～60mm處，光束經(jīng)過分頻斬波器11的風(fēng)扇葉片；第二轉(zhuǎn)向鏡14可設(shè)置在第一轉(zhuǎn)向鏡10光路水平中心線后端300mm～350mm處；光吸收待測樣品架12可設(shè)置在距離分光鏡9光路水平中心線100mm～110mm處；積分球15設(shè)置在光吸收待測樣品架12后端，且積分球15前窗口可設(shè)置在光吸收待測樣品架12光路水平中心線后端200mm～3000mm處，積分球15頂部窗口可設(shè)置在第二轉(zhuǎn)向鏡14光路豎直中心線后端100mm～110mm處；霧度待測樣品架13設(shè)置在積分球15前窗口處，并可位于光吸收待測樣品架12光路水平中心線后端200mm～3000mm處；標(biāo)準(zhǔn)反射板16的表面涂層材料與積分球15內(nèi)部反射涂層相同，都可采用氧化鎂涂層，作用是使光線達(dá)到全發(fā)射，當(dāng)關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)反射板16時(shí)，積分球15完全閉合，而當(dāng)打開標(biāo)準(zhǔn)反射板16時(shí)，積分球15具有一個(gè)小的出射窗口，而當(dāng)光線進(jìn)入積分球15后，部分光線會(huì)從這個(gè)出射窗口進(jìn)入到光陷阱17中，而其余部分光線則在積分球15內(nèi)部反射，標(biāo)準(zhǔn)反射板16可設(shè)置在積分球15中心后側(cè)壁位置，向下滑動(dòng)角度為1～10度；光陷阱17緊挨積分球15后側(cè)外壁，其內(nèi)部設(shè)置有若干小棱鏡，并排組成L形牛尾棱鏡，通過標(biāo)準(zhǔn)反射板16進(jìn)入光陷阱17的入射光束在若干小棱鏡中多次折返，具有使光束延遲反射回積分球15的作用。
上述硒光電池探測器18鑲嵌在積分球15底部窗口的前端，使光譜范圍為400nm～700nm的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；銦砷化鎵探測器19鑲嵌在積分球15底部窗口的后端，使光譜范圍為1000nm～1100nm的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。
上述雙通道鎖相放大器20將光電探測系統(tǒng)過來的電壓信號(hào)放大增益濾波后輸入到計(jì)算機(jī)21中計(jì)算和顯示。
采用本發(fā)明的裝置進(jìn)行測量時(shí)，可分為下面三種情況：
(一)當(dāng)對待測樣品進(jìn)行可見光波段(400nm～700nm)光吸收系數(shù)測量時(shí)，本發(fā)明的測量方法包括以下步驟：
1)用游標(biāo)卡尺量取待測樣品的長度L，關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)反射板16，將待測樣品放置在光吸收待測樣品架12上并置于光路中；
2)高精度穩(wěn)定光源1經(jīng)過準(zhǔn)直鏡2后，光束準(zhǔn)直為一束平行光，經(jīng)過LB2濾光片3濾光后，再通過變徑光闌4，使光束出光孔徑根據(jù)測試需求調(diào)至3～5mm的圓形光斑，然后經(jīng)過光強(qiáng)衰減器8，使光強(qiáng)衰減至與硒光電池探測器18匹配的照度；
3)光束經(jīng)過分光鏡9、第一轉(zhuǎn)向鏡10之后，將光束分為兩路，一路作為參考光，另一路作為信號(hào)光，同時(shí)，分頻斬波器11為參考光和信號(hào)光加載不同特征頻率的交流調(diào)制；
4)參考光經(jīng)過第二轉(zhuǎn)向鏡14轉(zhuǎn)向，信號(hào)光經(jīng)過光吸收待測樣品架12上的待測樣品后，兩束光同時(shí)投射進(jìn)入積分球15，硒光電池探測器18同時(shí)接收雙光路的可見光波段的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；
5)通過雙通道鎖相放大器20將電壓信號(hào)放大增益濾波后輸入到計(jì)算機(jī)21中計(jì)算，計(jì)算機(jī)21界面顯示參考光光強(qiáng)m以及信號(hào)光光強(qiáng)m1，最終計(jì)算機(jī)21計(jì)算得到可見光波段透射比T和可見光光吸收系數(shù)K，并通過界面顯示。其中，T值由公式(1)計(jì)算得出，并根據(jù)公式(2)得到待測樣品的可見光光吸收系數(shù)K。
T＝m1/m (1)
式中：
T：被測樣品的透射比；
m1：信號(hào)光光強(qiáng)；
m：參考光光強(qiáng)；
K＝1/L{2ln[1-((nd-1)/(nd+1))2]+ln[1+((nd-1)/(nd+1))4]-lnT} (2)
K：光吸收系數(shù)；
L：待測樣品的長度
Nd：玻璃d線(587.6nm)折射率。
(二)當(dāng)對待測樣品進(jìn)行1000nm～1100nm光吸收系數(shù)測量時(shí)，本發(fā)明的測量方法包括以下步驟：
1)用游標(biāo)卡尺量取待測樣品的長度L，關(guān)閉高精度穩(wěn)定光源1，關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)反射板16，將待測樣品放置在光吸收待測樣品架12上并置于光路中；
2)采用光源切換器5將1000nm～1100nm激光器6切換置于光路中，1000nm～1100nm激光器6經(jīng)過偏振控制器7，再經(jīng)過光強(qiáng)衰減器8后，使光強(qiáng)衰減至與銦砷化鎵探測器19匹配的照度；
3)光束經(jīng)過分光鏡9和第一轉(zhuǎn)向鏡10后，將光束分為兩路，一路作為參考光，另一路作為信號(hào)光，同時(shí)，分頻斬波器11為參考光和信號(hào)光加載不同特征頻率的交流調(diào)制；
4)參考光經(jīng)過第二轉(zhuǎn)向鏡14轉(zhuǎn)向，信號(hào)光經(jīng)過光吸收待測樣品架12上的待測樣品后，兩束光同時(shí)投射進(jìn)入積分球15，銦砷化鎵探測器19同時(shí)接收雙光路的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；
5)通過雙通道鎖相放大器20將電壓信號(hào)放大增益濾波后輸入到計(jì)算機(jī)21中計(jì)算，計(jì)算機(jī)21界面顯示參考光光強(qiáng)m以及信號(hào)光光強(qiáng)m1，最終計(jì)算機(jī)21計(jì)算得到1000nm～1100nm波段透射比T和1000nm～1100nm光吸收系數(shù)K，并通過界面顯示。其中，T值由公式(1)計(jì)算得出，并根據(jù)公式(2)得到待測樣品的1000nm～1100nm光吸收系數(shù)K。
(三)當(dāng)對待測樣品進(jìn)行1000nm～1100nm紅外波段的霧度測量時(shí)，本發(fā)明的測量方法包括以下步驟：
1)關(guān)閉高精度穩(wěn)定光源1，取掉光吸收待測樣品架12上的待測樣品，打開標(biāo)準(zhǔn)反射板16，在積分球15前窗口處的霧度待測樣品架13上放置1000nm～1100nm紅外霧度待測樣品；
2)采用光源切換器5將1000nm～1100nm激光器6切換置于光路中，1000nm～1100nm激光器6經(jīng)過偏振控制器7后，再經(jīng)過光強(qiáng)衰減器8，使光強(qiáng)衰減至與銦砷化鎵探測器19匹配的照度；
3)光束經(jīng)過分光鏡9和第一轉(zhuǎn)向鏡10后，將光束分為兩路，一路作為參考光，另一路作為信號(hào)光，同時(shí)，分頻斬波器11為參考光和信號(hào)光加載不同特征頻率的交流調(diào)制；
4)參考光經(jīng)過第二轉(zhuǎn)向鏡14轉(zhuǎn)向，信號(hào)光經(jīng)過霧度待測樣品架13上的待測樣品后，兩束光同時(shí)投射進(jìn)入積分球15，信號(hào)光有部分光束進(jìn)入開口角度為5度的光陷阱17中，偏離入射光5度以上的光強(qiáng)為I1的部分信號(hào)光與光強(qiáng)為I2的參考光被銦砷化鎵探測器19接收，并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；
5)通過雙通道鎖相放大器20將電壓信號(hào)放大增益濾波后輸入到計(jì)算機(jī)21中計(jì)算，計(jì)算機(jī)21計(jì)算得到1000nm～1100nm波段紅外霧度，并通過界面顯示。其中，1000nm～1100nm紅外霧度通過公式(3)計(jì)算得出。
1000nm～1100nm霧度＝I1/I2 (3)
本發(fā)明的全波段光吸收系數(shù)以及紅外霧度測量裝置，采用高精度穩(wěn)定光源1，可以有效避免現(xiàn)有白光光吸收測量儀中白熾燈光源的不穩(wěn)定性，提高測試精度；采用分光光度雙光束同步測量，實(shí)現(xiàn)參考光和樣品透過光強(qiáng)度的同時(shí)測量，可以根本消除光功率漂移對測量穩(wěn)定性的影響，同時(shí)無需電動(dòng)機(jī)構(gòu)對樣品進(jìn)行機(jī)械切換；另外，本發(fā)明增加1000nm～1100nm激光器6以及銦銦砷化鎵探測器19，可以測試樣品在紅外波段的光吸收值，增加標(biāo)準(zhǔn)反射板16和光陷阱17，可以測試光學(xué)玻璃紅外波段1000nm～1100nm的霧度。