一種紅外光學材料應力測試裝置製造方法

2023-08-02 06:14:31

一種紅外光學材料應力測試裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型的名稱為一種紅外光學材料應力測試裝置。屬於紅外光學材料測試【技術領域】。它主要解決現有不透可見光紅外光學材料應力測試問題。它的主要特徵是：由紅外光源、紅外光學系統、信號接收系統、計算機採集處理顯示系統、測試平臺構成。本實用新型是基於檢偏器角測量補償的原理進行測試，當紅外起偏鏡和紅外檢偏鏡形成45°角度時（具有矢量應力），產生的橢圓偏振光就會產生行程差，從而可以計算材料的應力。該發明設備具有操作簡單、測試便捷的特點，可以實現不透可見光紅外材料的應力測試，通過應力的測試，指導優化生產工藝，製造出應力較小的玻璃，進一步提高該材料的成像質量，為製造出高水平的紅外成像系統奠定了基礎。
【專利說明】一種紅外光學材料應力測試裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型屬於紅外光學材料測試【技術領域】，涉及一種紅外光學材料應力測試裝置。本實用新型通過設計紅外光學材料應力測試裝置，使不透可見光的紅外光學材料應力能夠可視並能測量，特別是透過波段在0.78~25μπι的不透可見光紅外材料的應力測試。通過對該材料的應力測試對材料的製造、加工、鍍膜和使用起到重要的作用。

【背景技術】
[0002]通常情況下，光學材料由於在製造過程中因降溫熱歷史不同使得原本各向同性的玻璃材料產生內應力。當一束偏振光照射到有內應力存在的玻璃材料時，可將偏振光分解為兩束振動方向相互垂直的O光和e光，因兩者折射率不同，且存在相位差(也稱:光程差)，故此現象稱為應力雙折射現象。因此，目前都採用偏振光來測試玻璃材料的內應力。光程差的量值大小直接反映了光學材料內部應力存在的嚴重程度，應力過大則不利於光學玻璃製品的冷加工，由應力雙折射引起的光程差在光學玻璃通光面上各處都存在差異，顯示了光學材料內部應力分布的不均勻，從而可以影響光學成像質量。
[0003]隨著社會的發展，紅外熱成像技術在天網監視、安防、汽車及武器裝備中的應用越來越廣泛，鍺單晶、矽單晶、硫系玻璃和多晶矽等紅外材料的應用逐步向民用熱成像系統、紅外夜視儀的應用擴展，導致Ge單晶、硫系玻璃等不透可見光的光學元器件的用量飛速增長，因此穩定生產、加工成為降低成本制約因素。而該類材料具有較大的熱膨脹係數，較高的應力就會使玻璃在冷加工過程中產生炸裂，此外元器件中有應力存在，同樣影響熱成像質量。由於該類材料屬於不透可見光的紅外光學材料，現有的偏光應力儀(測試波長為565nm)不能滿足該類材料的應力測試。而隨著高性能光學系統對高均勻性紅外光學材料的需求，設計製作不透可見光紅外光學材料的應力測試裝置顯得尤為重要，實現不透可見光的紅外光學材料內應力可視測試方法的設計並製造相應裝置，不僅可以滿足不透可見光紅外光學材料的應力測試要求，而且根據測試後的應力值來調整退火工藝從而達到預期應力標準，從而保證材料生產的穩定和後續精密加工不炸裂，提高鍍膜的牢固性，有效解決高性能紅外系統的需求，達到快速推廣市場目的。


【發明內容】

[0004]本實用新型所要解決的技術問題是設計並提供一種測量紅外光學材料的應力測量裝置，特別適合不透可見光紅外光學材料的測試裝置，可以定量測定紅外光學材料的應力大小。本實用新型具有操作方便、性能可靠、測試效率高等特點。本實用新型的設計能夠實現不透可見光的紅外光學材料的應力測試，從而可以進一步優化該類材料的生產工藝，使矽、鍺晶體、硫系玻璃等不透可見光紅外光學材料批量生產技術進一步提高，為生產出更高品質的產品奠定了基礎，滿足紅外成像系統高清晰成像質量的需求。
[0005]本實用新型的技術解決方案是:一種紅外光學材料應力測試裝置，其特徵在於:由紅外光源、紅外光學系統、信號接收系統、計算機採集處理顯示系統、測試平臺五部分構成；其中，紅外光源為發射光譜為近、中紅外的點光源、線光源或面光源；紅外光學系統由黑色玻璃、準直透鏡、紅外起偏鏡、試樣平臺、1/4波片、紅外檢偏鏡組成；紅外光源、準直透鏡、黑色玻璃、紅外起偏鏡依次固定在測試平臺一端的殼體內，構成信號發出裝置，準直透鏡為凸透鏡，紅外光源位於準直透鏡的焦點上，當光源發出的光波經過準直透鏡後將會準直為平行光；試樣平臺間隔設置在信號發出裝置之後的測試平臺上；1/4波片、紅外檢偏鏡分別固定在標有刻度的波片轉動裝置和檢偏鏡轉動盤上，間隔設置在試樣平臺之後的測試平臺上，1/4波片面向試樣平臺，其主要作用是將通過存在應力試樣後的橢圓偏振光轉換成線偏振光，紅外檢偏鏡需要能透過紅外光源發出的光線，當待測紅外材料中存在應力時，經過轉換後的線偏振光會發生偏移，當轉動紅外檢偏鏡到一定位置後，會接受到1/4波片轉換後的線偏振光，這樣根據紅外檢偏鏡轉動的角度就可以計算所測紅外材料中存在的應力大小；信號接收系統由紅外傳感器、低溫恆溫器，控制紅外傳感器的電子裝置，紅外傳感器輸出信號的模擬-數字處理的電子裝置，同步和數位訊號處理的電子裝置和電源組成，位於測試平臺的另一端，用於接受通過紅外光學系統出射的紅外輻射能量，然後通過計算機採集處理顯示系統顯示在計算機屏幕上，信號接收系統的作用是將紅外輻射信號轉化為電子信號，從而觀察和記錄其表面上的溫度變化，轉換是通過行間轉換和間行掃描紅外傳感器，藉助物鏡將觀察到的圖像投影顯示在成像傳感器表面上，當紅外檢偏器接受的紅外線偏振光信號傳遞到紅外成像傳感器上，該紅外成像傳感器的作用是將紅外輻射信號轉化為電子信號，根據所測試樣的通光波段選擇使用近、中紅外成像傳感器，信號接收系統的電子裝置對紅外傳感器輸出信號進行放大、處理，並將其轉換成電視視頻信號，以及用於輸送到電子計算機中的數位訊號，因此該紅外應力測試裝置主要是藉助紅外成像傳感器，將記錄的輻射分布信號轉化為溫度分布信號，通過計算機中的軟體處理來實現應力圖像可視的；計算機採集處理顯示系統通過光纜與信號接收系統連接，其中顯示器應與紅外成像傳感器匹配，其對比度應優於1000:1，解析度應優於1280X1024，將信號接收系統輸出信號轉換成視頻信號和數位訊號通過光纜輸入到電子計算機中，同時其圖像可以顯示在計算機顯示器上面，藉助信號接收系統位移的螺旋機構(對焦)，同時利用光學反差，藉助glass, exe軟體程序，記錄輻射分布轉化為溫度分布的圖像，從而在顯示器屏幕上得到更加清晰的圖像。
[0006]本實用新型的技術解決方案中所述的測試平臺表面平整，紅外光源、紅外光學裝置、試樣平臺和信號接收系統處於同一軸線上。
[0007]本實用新型的技術解決方案中所述的紅外光源選用單一波長的紅外雷射二極體或紅外氦氖雷射光源，其發射光譜λ=1300ηπι或λ=3390ηπι，輸出功率為50mW。
[0008]本實用新型的技術解決方案中所述的試樣平臺採用可以旋轉的平臺結構，這樣通過調整可以保證待測試樣處於測試光通面的中心。
[0009]本實用新型的技術解決方案中所述的黑色玻璃是表面經過精磨處理的並可濾除可見光的毛玻璃，為截止濾光毛玻璃，其作用:一是濾除可見光，提高紅外信號的敏感度，通常選用波截止波長不小於0.78 μ m的截止濾光玻璃，這樣會將可見波段光輻射濾除；二是起到漫射屏的作用，將紅外點光源漫射成均勻的紅外面光源。
[0010]本實用新型的技術解決方案中所述的波片轉動裝置和檢偏鏡轉動盤的最小刻度值為1°，最大可測量範圍為180°，並可分別帶動1/4波片和檢偏鏡旋轉一定的角度。
[0011]本實用新型的技術解決方案中所述的紅外起偏鏡和紅外檢偏鏡為採用透紅外材料製成的光學鏡頭，這樣可以保證紅外光源發出的光線能夠通過。紅外起偏鏡主要作用是將紅外光源發出的光線轉換成線偏振光，當線偏振光照射到待測試樣後，如果材料中存在應力雙折射，光線就會變成橢圓偏振光。
[0012]本實用新型的技術解決方案中所述的紅外傳感器為近紅外InGaAs傳感器、矽矩陣感光片、InAsPSb, InAs, PbS, CdS, CdSe可接受光源透過波長的探測器。
[0013]本實用新型的設計是基於檢偏器角測量的補償，當起偏鏡和分檢偏鏡形成45°角度時(具有矢量應力)，橢圓偏振光就會產生行程差，從而就能對材料的應力進行檢測。本實用新型紅外光源設計採用發射光譜為近、中紅外的點光源，主要是考慮到被測試樣是透過波段0.78-25 μ m的紅外光學材料，該材料不透可見光，無法採用現有光學玻璃偏振光應力儀的可見光源(發射波長為565nm)進行測試，而本實用新型紅外光源所發射的光譜應在材料的通光光譜區域內，光源單位面積的輻射通量應滿足紅外成像系統響應要求。
[0014]本實用新型具有的優點和積極效果:可以實現不透可見光紅外光學材料的應力測試，設備具有操作方便、性能可靠、測試效率高等特點，生產過程中能根據測試數據優化退火工藝，避免產品生產中出現炸裂，提高了生產良品率，保證了後續加工工序的要求，提高了成像質量，保證了產品的經濟效益。本實用新型主要適合不透可見光紅外光學材料的主要應力測試。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是紅外光學材料應力測試裝置結構示意圖。
[0016]圖2是紅外光學材料應力測試裝置中信號接收系統的結構圖。
[0017]圖3是紅外光學材料應力測試圖。
[0018]圖中:1、紅外光源；2、準直透鏡；3、黑色玻璃；4、紅外起偏鏡；5、信號發出裝置；6、試樣平臺；7、測試平臺；8、1/4波片；9、波片轉動裝置；10、紅外檢偏鏡；11、檢偏鏡轉動盤；12信號接收系統；13、光纜；14、計算機採集處理顯示系統；15、紅外傳感器；16、低溫恆溫器；17、控制紅外傳感器的電子裝置；18、紅外傳感器輸出信號的模擬-數字處理的電子裝置；19、同步和數位訊號處理的電子裝置；20、圖像數字輸出；21、模擬輸出視頻信號；22、電子計算機互換信息；23、電源。

【具體實施方式】
[0019]為能進一步了解本實用新型的技術內容、特點及功效，現列舉以下實例，並結合附圖詳細說明如下。
[0020]本實用新型提供一種紅外光學材料應力測試裝置，由紅外光源1、紅外光學系統、信號接收系統12、計算機採集處理顯示系統、測試平臺7五部分構成。
[0021]考慮到被測試樣是透過波段0.78-25 μ m的紅外光學材料，紅外光源I設計採用發射光譜為近、中紅外的點光源、線光源或平面光源。一般選擇單波長紅外雷射二極體LF0-450、紅外氦氖雷射光源，其發射光譜λ=1300ηπι或λ =3390nm ;該光源I的輸出功率一般為50mW左右，光線散度為25X40°。紅外光源I所發射的光譜應在測試材料的通光光譜區域內，光紅外光源I單位面積的輻射通量應滿足紅外成像系統響應要求。試紅外光源I位於準直透鏡的焦點上。
[0022]紅外光學系統由黑色玻璃3、準直透鏡2、紅外起偏鏡4、試樣平臺6、1/4波片8、紅外檢偏鏡10組成。紅外光源1、準直透鏡2、黑色玻璃3、紅外起偏鏡4依次固定在測試平臺7—端的殼體內，構成信號發出裝置5。準直透鏡2為凸透鏡，透過紅外光源發出的光線，而且光源位於透鏡的焦點上，這樣光源發出的電光源會準直為均勻的平行光。可根據光源選用透過波長0.4-1.6 μ m的標準DCX透鏡、0.2-2.2 μ m的熔石英DCX透鏡、2.0-7.0ym的氟化鈣DCX透鏡等。
[0023]黑色玻璃3位於準直透鏡2後，是表面經過精磨處理的並可濾除可見光的毛玻璃，長波截止波長不小於0.78 μ m,主要是透過所需紅外光，濾掉可見光，從而保持紅外信號的敏感度。一般對於λ=1300ηπι的近紅外光源會選用普通的截止濾光玻璃，如HB850等；對於λ =3390nm的光源會選用單晶Si或單晶Ge ;這樣保證所選紅外光源的光線透過外，將可見波段光輻射濾除，黑色玻璃兩大面精磨，其作用是起到漫射屏的作用，將紅外光源發射出的光色散成均勻的漫射光。
[0024]紅外起偏鏡4和紅外檢偏鏡10使用透紅外光線的材料製備成鏡頭，且必須能夠透射紅外光源I發射出紅外波段的光譜。紅外起偏鏡4主要作用是將光源I發出的光線轉換成線偏振光。當線偏振光照射到待測試樣後，如果試樣中存在應力，就會產生雙折射現象，使線偏振光變換成橢圓偏振光。紅外檢偏鏡10固定在標有刻度的檢偏鏡轉動盤11上，最小刻度值為1°，最大測量範圍為180°，當檢偏鏡轉動盤11轉動時，帶動紅外檢偏鏡10轉動，即可測量旋轉的角度。紅外起偏鏡4和紅外檢偏鏡10選用線柵偏振片、全息偏振片或中波紅外偏振片。線柵偏振片基片材料為熔融石英，波長範圍250nm~8ym,按照MIL-PRF-13830B的標準，要求偏振片表面質量10/5。全息偏振片的波長範圍為2 μ m~30 μ m，可選用BaF2晶體、ZnSe晶體、溴化鉈以及Ge單晶材料製造，在3 μ m的消光係數為150:1。近紅外波段還可選用透過波段350~2300nm的光學級方解石。中波紅外偏振片波長範圍1.5-5 μ m，採用鈉鈣矽作為基片材料，厚度5mm，表面質量60/40。
[0025]試樣平臺6設計位於紅外起偏鏡4和1/4波片8之間位置，該試樣平臺6採用螺旋式升降結構。這樣可以根據放在試樣平臺6上待測試樣的規格不同進行位置調整，保證待測試樣處於光面的中部位置。
[0026]在試樣的後面設計了 1/4波片8，即偏振分光鏡，1/4波片8應透射紅外光源I發射的紅外光譜，且1/4波片8放置在紅外起偏鏡4和紅外檢偏鏡10之間。其主要作用是將通過存在應力試樣後的橢圓偏振光轉換成線偏振光。一般1/4波片8可選用近紅外波段分光片，材料選用石英晶片，表面質量60/40。紅外波段可選用通光波段2~8 μ m的CaF2分光片，要求平行度3弧分，表面質量60/40，表面精度2 λ (λ=632.8ηπι)。1/4波片8的快軸與所述起偏鏡4的透光軸所成的角度為45°。
[0027]當試樣中存在應力時，經過轉換後的線偏振光會發生偏移，當轉動紅外檢偏鏡10到一定位置後，會接受到1/4波片8轉換後的線偏振光。這樣根據紅外檢偏鏡10轉動的角度就可以計算玻璃中存在的應力大小。
[0028]信號接收系統12由紅外傳感器15、低溫恆溫器16，控制紅外傳感器的電子裝置17，紅外傳感器輸出信號的模擬-數字處理的電子裝置18，同步和數位訊號處理的電子裝置19和電源23組成，位於測試平臺7的另一端。信號接收系統12即為信號接收處理裝置，其作用是目標的紅外輻射轉化為電子信號，從而觀察和記錄其表面上的溫度變化。轉換是通過行間轉換和間行掃描紅外傳感器15，藉助物鏡將觀察到的圖像投影顯示在成像傳感器15表面上。當紅外檢偏器10接受的紅外線偏振光信號傳遞到紅外成像傳感器15上，該紅外成像傳感器15的作用是將紅外輻射信號轉化為電子信號，根據所測試樣的通光波段選擇可使用近、中紅外成像傳感器。一般接受近紅外光線的選用可見-近紅外InGaAs傳感器，光敏波段500nm~1700nm，可接受波長1300nm的信號。接受中紅外光線的選用帶電荷耦合的矽矩陣感光片、InAsPSb, InAs、PbS、CdS、CdSe等可接受波長3390nm的信號的探測器。信號接收系統12的電子裝置對紅外傳感器15輸出信號進行放大、處理，並將其轉換成電視視頻信號，以及用於輸送到計算機採集處理顯示系統14中的數位訊號。因此紅外應力測試裝置主要是藉助紅外成像傳感器15，將記錄的輻射分布信號轉化為溫度分布信號，通過計算機中的圖像處理來實現的。其信號接收系統的結構見圖2，紅外傳感器15安裝到低溫恆溫器16上，低溫恆溫器16保證將紅外傳感器冷卻至工作溫度，並在傳送箱不間斷工作的時間內維持該溫度。觀察對象的圖像，形成物鏡，經過低溫恆溫器16窗口，投影到紅外傳感器15的感光區域，該感光區域可以產生相關圖像。當同步和數位訊號處理的電子裝置19媒介形成積累時間結束時，積累電荷在從控制紅外傳感器工作的電子裝置17輸送到紅外傳感器15電極的電子脈衝作用下，逐行傳遞到讀數記錄器，之後進行輸出信號的單項輸出。在脈衝和直流電壓作用下進行紅外傳感器15的工作控制，脈衝和直流電壓由位於控制紅外傳感器工作的電子裝置17上的專門系統(激勵器)形成。
[0029]信號接收系統12，控制紅外傳感器的電子裝置17，對紅外傳感器輸出信號進行放大、處理。其位於紅外傳感器輸出信號的模擬-數字處理的電子裝置18上面。紅外傳感器15的輸出信號進入電子裝置18，通過兩次抽樣選擇對輸出信號進行放大、處理。得到電子裝置18輸出的圖像數字流，進入同步和數位訊號處理的電子裝置19，在同步和數位訊號處理的電子裝置19中進行圖像處理，從而對紅外傳感器黑色信號的不均勻性所引起的結構幹擾起到補償作用。被處理的圖像轉化為掃描的信號標準，並通過數模轉換器形成圖像數字輸出20和模擬輸出視頻信號21，然後將信號輸入到計算機採集處理顯示系統14中。
[0030]計算機採集處理顯示系統14將信號接收系統12輸出信號轉換成模擬輸出視頻信號21和圖像數字輸出20輸入到電子計算機中，同時其圖像可以顯示在計算機顯示器上面。藉助信號接收系統位移的螺旋機構(對焦)，同時利用光學反差，藉助glass, exe軟體程序，記錄輻射分布轉化為溫度分布的圖像，從而在顯示器屏幕上得到更加清晰的圖像。其中顯示器應與紅外傳感器15匹配，其對比度應優於1000:1，解析度應優於1280X1024。
[0031]測試平臺7表面平整，且保證紅外光源1、紅外光學裝置、試樣平臺6和信號接收系統12處於同一軸線上。
[0032]紅外光學材料應力測試裝置的測試方法以下例進行說明:
[0033]打開設備開關，待設備預熱30分鐘後，開始進行檢測。不放置待測試樣時，通過信號接收系統12將紅外傳感器15接收到的信號反映在計算機採集處理顯示系統14的顯示器上視野範圍是黑色。將待測試樣放在試樣平臺6上，並旋轉試樣平臺6至處於光面的中部位置，旋轉紅外檢偏鏡10的檢偏鏡轉動盤11零位與刻度盤零位對齊，觀測計算機採集處理顯示系統14的顯示器上視野最亮點即為應力最大點。然後旋轉紅外檢偏鏡10上的檢偏鏡旋轉盤11，直至計算機採集處理顯示系統14的顯示器上視野內最亮點變成黑色，記錄此時刻度盤旋轉的角度，測試出該待測試樣的厚度，即可用公式換算出應力值。
[0034]計算公式:應力雙折射nm/cm= ( λ /180 nmX檢偏鏡旋轉角度)/被測試樣厚度(cm)。
[0035]其中λ為光源波長。
[0036]取經10°C /小時降溫退火的硫系玻璃(IRG203 )作為測試樣品，得到應力測試結果見附圖3所示，計算的應力雙折射如下:
[0037]附圖3中點I處應力雙折射為:426 nm/cm
[0038]附圖3中點2處應力雙折射為:515 nm/cm
[0039]附圖3中點3處應力雙折射為:414 nm/cm
[0040]附圖3中點4處應力雙折射為:458 nm/cm。
【權利要求】
1.一種紅外光學材料應力測試裝置，其特徵在於:由紅外光源(I)、紅外光學系統、信號接收系統(12)、計算機採集處理顯示系統、測試平臺(7)五部分構成；其中，紅外光源(O為發射光譜為近、中紅外的點光源、線光源或面光源；紅外光學系統由黑色玻璃(3)、準直透鏡(2)、紅外起偏鏡(4)、試樣平臺(6)、1/4波片(8)、紅外檢偏鏡(10)組成；紅外光源(I)、準直透鏡(2 )、黑色玻璃(3 )、紅外起偏鏡(4)依次固定在測試平臺(7 ) —端的殼體內，構成信號發出裝置(5)，準直透鏡(2)為凸透鏡，紅外光源(I)位於準直透鏡的焦點上；試樣平臺(6)間隔設置在信號發出裝置(5)之後的測試平臺(7)上；1/4波片(8)、紅外檢偏鏡(10)分別固定在標有刻度的波片轉動裝置(9)和檢偏鏡轉動盤(11)上，間隔設置在試樣平臺(6)之後的測試平臺(7)上，1/4波片(8)面向試樣平臺(6);信號接收系統(12)由紅外傳感器(15)、低溫恆溫器(16)，控制紅外傳感器的電子裝置(17)，紅外傳感器輸出信號的模擬-數字處理的電子裝置(18)，同步和數位訊號處理的電子裝置(19)和電源(23)組成，位於測試平臺(7)的另一端；計算機採集處理顯示系統(14)通過光纜(13)與信號接收系統(12)連接。
2.根據權利要求1所述的一種紅外光學材料應力測試裝置，其特徵在於:所述的測試平臺(7)表面平整，紅外光源(I)、紅外光學裝置、試樣平臺(6)和信號接收系統(12)處於同一軸線上。
3.根據權利要求1或2所述的一種紅外光學材料應力測試裝置，其特徵在於:所述的紅外光源(I)選用單一波長的紅外雷射二極體或紅外氦氖雷射光源，其發射光譜λ=1300ηπι 或 λ =3390nm，輸出功率為 50mW。
4.根據權利要求1或2所述的一種紅外光學材料應力測試裝置，其特徵在於:所述的試樣平臺(6)採用可以旋轉的平臺結構。
5.根據權利要求3所述的一種紅外光學材料應力測試裝置，其特徵在於:所述的黑色玻璃(3)是表面經過精磨處理的並可濾除可見光的毛玻璃，其長波截止波長不小於0.78 μ mD
6.根據權利要求1或2所述的一種紅外光學材料應力測試裝置，其特徵在於:所述的波片轉動裝置(9)和檢偏鏡轉動盤(11)的最小刻度值為1°，最大可測量範圍為180°。
7.根據權利要求1或2所述的一種紅外光學材料應力測試裝置，其特徵在於:所述的紅外起偏鏡(4)和紅外檢偏鏡(10)為採用透紅外材料製成的光學鏡頭。
8.根據權利要求1或2所述的一種紅外光學材料應力測試裝置，其特徵在於:所述的紅外傳感器(15)為近紅外InGaAs傳感器、矽矩陣感光片、InAsPSb、InAs、PbS、CdS、CdSe可接受光源透過波長的探測器。
【文檔編號】G01L1/24GK204255542SQ201420689263
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月18日 優先權日:2014年11月18日
【發明者】胡向平, 段曉濤, 唐雪瓊, 徐光以, 徐華峰 申請人:湖北新華光信息材料有限公司