在线实时连续测量熔融态玻璃折射率及色散的装置及方法与流程

1.本发明涉及光线折射测量技术领域，具体涉及光线在玻璃中的折射率测量技术领域，尤其涉及一种在线实时连续测量熔融态玻璃折射率及色散的装置及方法。


背景技术：

2.折射率是光学玻璃生产过程中最主要的控制指标之一（色散测量的本质也是折射率测量），目前，光学玻璃折射率的测试方法一般都是在成型后的固态玻璃上取样，并将样品经退火处理后加工成高精度的直角，最后再通过v棱镜折射仪进行测试，此类测试方法至少存在以下弊端：1.样品必须是透明固体，且只能在成型之后进行取样，对于其他状态的样品则需要经过熔化并重新浇注成固体；2.样品必须经过退火处理，导致测试过程复杂；3.样品必须进行精密加工，通常是将样品加工成直角，加工难度大，且对于样品直角的精确测试成本也很高；4.v棱镜折射仪测试时需要使用折射液对样品和仪器之间的间隙进行填充，以减小样品角度偏差对测试结果的影响，而高折射率的折射液在配置时需要用到剧毒化学品，难以实施，目前行业中普遍使用的折射液的折射率在1.80以下，对折射率为1.80以上的玻璃进行折射率测试时会带来较大误差；5.整个测试过程繁琐，通常需要耗时一天才能得到测试结果，耗时较长。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种在线实时连续测量熔融态玻璃折射率及色散的装置及方法，以至少克服现有针对光学玻璃折射率的测试方法中采用固体样品进行测试所存在的测试过程复杂、误差较大且测试时间较长的技术问题。
4.本发明的目的通过以下技术方案实现：一方面，本发明提供了一种在线实时连续测量熔融态玻璃折射率及色散的装置，包括：激光光源a，用于发出测试激光；分光棱镜c，设置于测试激光的传播路径上；所述分光棱镜c用于将测试激光分为两束线偏振光，两束线偏振光分别为透射光p以及反射光s1；待测量样品，所述待测量样品呈熔融态且置于容器d中，所述反射光s1能够以一定的入射角入射至待测量样品的表面，并形成反射光s2；光电探测器e，设置于透射光p的传播路径上；所述光电探测器e用于探测透射光p的光强；光电探测器f，设置于反射光s2的传播路径上；所述光电探测器f用于探测反射光s2的光强。
5.在一些可能的实施例中，所述测试激光为红绿蓝任意一种颜色的单色激光或红绿蓝三种颜色复合的白色激光；所述装置还包括滤光组件b，所述滤光组件b设置于测试激光的传播路径上且位于激光光源a和分光棱镜c之间，所述滤光组件b用于只允许红绿蓝三种颜色中其中一种颜色的激光透过。
6.在一些可能的实施例中，所述滤光组件b包括三个扇形滤光片以及舵机m，三个所述扇形滤光片组合构成滤光圆盘，所述滤光圆盘设置于舵机m的输出端，以通过舵机m驱动滤光圆盘转动。
7.在一些可能的实施例中，所述装置还包括计算机g，所述激光光源a、光电探测器e、光电探测器f以及舵机m均与计算机g通信连接。
8.在一些可能的实施例中，所述装置还包括黑箱h，所述激光光源a、滤光组件b、分光棱镜c、光电探测器e和光电探测器f均设置于黑箱h内，所述黑箱h的内壁为防反射的黑色磨砂面。
9.在一些可能的实施例中，所述容器d为坩埚，所述坩埚的顶盖上开设有供反射光s1以及反射光s2通过的孔。
10.在一些可能的实施例中，所述分光棱镜c的分光比例为6/4或5/5。
11.另一方面，本发明提供了一种在线实时连续测量熔融态玻璃折射率及色散的方法，采用上述所述的在线实时连续测量熔融态玻璃折射率及色散的装置，包括以下步骤：步骤s10.将所述待测量样品放置于容器d中，利用所述激光光源a发出测试激光，所述测试激光经分光棱镜c分光后分为两束线偏振光，两束线偏振光分别为透射光p和反射光s1；步骤s20.让所述反射光s1以一定的入射角θ1入射至待测量样品的表面，所述反射光s1经反射后形成反射光s2；步骤s30.利用所述光电探测器e探测透射光p的光强ie，利用所述光电探测器f探测反射光s2的光强if；步骤s40.基于反射光s1的入射角θ1、透射光p的光强ie以及反射光s2的光强if计算得到待测量样品的折射率n2，折射率n2的计算表达式为：式中，，α为分光棱镜c的分光比例。在一些可能的实施例中，步骤s40中还包括对所述反射光s1的入射角θ1进行校准，校准反射光s1的入射角θ1的过程包括：步骤s41.将已知折射率n2＇的液体样品放置入容器d中，利用所述激光光源a发出测试激光，所述测试激光经分光棱镜c分光后分为两束线偏振光，两束线偏振光分别为透射光p＇和反射光s
１
＇；步骤s42.让所述反射光s
１
＇以一定的入射角θ1入射至已知折射率n2＇的液体样品的表面，所述反射光s
１
＇经反射后形成反射光s
２
＇；步骤s43.利用所述光电探测器e探测透射光p＇的光强ie＇，利用所述光电探测器f
探测反射光s
２
＇的光强if＇；步骤s44.根据菲涅尔公式、折射定律公式以及光强与电场强度的关系式推导出入射角θ1的计算表达式，并根据入射角θ1的计算表达式计算入射角θ1；其中，入射角θ1的计算表达式为：式中，，α为分光棱镜c的分光比例。
12.在一些可能的实施例中，所述方法还包括步骤：步骤s50.分别测量所述待测量样品在红绿蓝三种颜色的激光作用下的折射率，根据待测量样品在不同颜色的激光作用下的折射率即可得到待测量样品的色散值。
13.本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明提供的在线实时连续测量熔融态玻璃折射率及色散的装置及方法，采用静态测量的方式，当采用同一波长的测试激光进行测试时整个装置中没有任何的机械运动，整个测试过程能够自动完成并自动计算出待测量样品的折射率，无需人为操作，且能够实现在线实时连续的测量待测量样品的折射率，测试过程更加高效且可靠性更高。
14.其次，在测试过程中仅使用了一个偏振方向的光进行测试，通过同步测量入射和出射光的光强进行折射率的计算，逻辑更加简单，引入的变量更少，计算结果也更加准确。同时，在测试过程中对于入射角没有硬性要求，还提供了入射角的校准方法，并能够实现多色测试激光的自动切换，也能够进行折射率和色散的测试。
15.相较于现有的测试方法而言，由于本发明所采用的待测量样品呈熔融态，因此无需经过精密加工以及退火处理，同时也无需使用v棱镜折射仪等成本较高的辅助仪器进行测试，折射率的测量范围也更广。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的在线实时连续测量熔融态玻璃折射率及色散的装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的滤光组件b的结构示意图。
17.图标：10-激光光源a，20-滤光组件b，21-扇形滤光片，22-舵机m，30-分光棱镜c，40-容器d，50-光电探测器e，60-光电探测器f，70-计算机g，80-黑箱h。
具体实施方式
18.请参照图1，本实施例提供了一种在线实时连续测量熔融态玻璃折射率及色散的装置，以至少克服现有针对光学玻璃折射率的测试方法中采用固体样品进行测试所存在的测试过程复杂、误差较大且测试时间较长的技术问题。具体地，该装置包括激光光源a10、滤光组件b20、分光棱镜c30、容器d40、光电探测器e50、光电探测器f60、计算机g70以及黑箱h80。
19.在本实施例中，激光光源a10用于发出一定波长的测试激光，以便于后续进行折射率的测试。可以理解的是，该激光光源a10发出的测试激光可以是红绿蓝任意一种颜色的单色激光，也可以是红绿蓝三种颜色复合的白色激光，但在后续单次测试折射率的过程中，应确保只有红绿蓝三种颜色中其中一种颜色的激光作为入射光，以实现测试待测量样品在某一颜色的激光作用下的折射率。
20.在本实施例中，滤光组件b20设置于测试激光的传播路径上，该滤光组件b20用于只允许红绿蓝三种颜色中其中一种颜色的激光透过，也就是说，当激光光源a10发出的测试激光为红绿蓝三种颜色复合的白色激光时，滤光组件b20只允许其中一种颜色的激光透过。
21.具体地，请参照图2，滤光组件b20包括但不局限于三个扇形滤光片21以及舵机m22，其中，三个扇形滤光片21的角均呈120
°
，且三个扇形滤光片21分别用于允许红绿蓝三种颜色中其中一种颜色的激光透过，此时，三个扇形滤光片21组合构成呈圆形的滤光圆盘，将该滤光圆盘安装在舵机m22的输出端，以通过舵机m22驱动滤光圆盘转动，从而实现在测试过程中使得滤光圆盘中的其中一个扇形滤光片21处于测试激光的传播路径上，进而实现保留测试所需颜色的激光，滤除其他颜色的激光。例如，当需要以红色激光作为测试激光时，舵机m22驱动滤光圆盘转动，以使得滤光圆盘中允许红色激光透过的扇形滤光片21转动至测试激光的传播路径上即可；当需要以绿色激光作为测试激光时，舵机m22驱动滤光圆盘转动，以使得滤光圆盘中允许绿色激光透过的扇形滤光片21转动至测试激光的传播路径上即可，以此类推。
22.在本实施例中，分光棱镜c30同样设置于测试激光的传播路径上，此时，滤光组件b20设置在激光光源a10与分光棱镜c30之间，分光棱镜c30用于将从滤光组件b20透过的单一颜色的测试激光分为两束线偏振光，也就是说，从滤光组件b20透过的单一颜色的测试激光垂直入射面入射在分光棱镜c30上时，出射光分为两束线偏振光，两束线偏振光分别为透射光p以及反射光s1，可以理解的是，该反射光s1同时也作为后续测试过程中待测量样品的入射光。
23.需要说明的是，在测试激光入射至分光棱镜c30的入射角不变的情况下，需要使得分光棱镜c30的分光比例一定，该分光比例可在进行测试之前提前测量，以便于后续进行折射率的计算，且一旦分光棱镜c30的分光比例测量出来后，将作为该装置的固定参数，后续不再进行调整。为了防止光强误差被放大，同时保证反射光s1不能太弱，作为优选的，本实施例中分光棱镜c30的分光比例为6/4或5/5。
24.在本实施例中，容器d40则用于容纳待测量样品，在进行测试时，待测量样品呈熔融态且置于容器d40中，且容器d40位于反射光s1的传播路径上，以使得反射光s1能够以一定的入射角入射至待测量样品的表面，该反射光s1在待测量样品的表面发生发射以形成反射光s2。
25.可以理解的是，本实施例中的容器d40可以是多种形式，例如坩埚或玻璃连续生产过程中的液槽等等。当采用坩埚作为容器d40时，坩埚的顶盖上需要开设供反射光s1以及反射光s2通过的孔，同时，坩埚还具备有加热功能，以便于当放置入容器d40内的样品为固体时，能够利用坩埚直接将样品加热至所需温度并变为熔体；相应的，当采用液槽作为容器d40时，由于在液槽中流淌的样品本身就是熔体，此时只需要使得熔体样品在液槽内缓慢流动即可。
26.需要说明的是，在实际测试过程中，反射光s1作为入射光入射到容器d40中待测量样品的表面时，对入射角的大小没有强制要求，入射角越大，反射光s2越强，越有利于测试，但限于容器d40自身结构的影响（例如坩埚的埚沿等），入射角不可能取到很大的角度，一般取45
°
左右，且一旦入射角的角度确定，整个装置中的所有部件均固定不动，后续将有方法来精确校准入射角的角度值，以实现将经校准后的入射角作为后续计算折算率的参数之一，对于入射角的校准方法将在后续步骤中详细阐述。同时，基于作为入射光的反射光s1已经是振动方向为s的线偏振光，根据菲涅尔公式，反射光s2也必然是s光。
27.在本实施例中，光电探测器e50设置于透射光p的传播路径上，以通过光电探测器e50探测透射光p的光强，光电探测器f60则设置于反射光s2的传播路径上，以通过光电探测器f60探测反射光s2的光强。可以理解的是，光电探测器e50和光电探测器f60探测得到的光强均作为后续计算折射率的参数之一。
28.需要说明的是，对于所使用的光电探测器e50和光电探测器f60的灵敏度，与激光光源a10能够发出的测试激光的光强有关，在对测试结果的精度要求不变的情况下，基于最终计算折射率时需要的是入射光和反射光的光强比值，故光源越强，探测器灵敏度要求越低。通过对激光光源a10的发光强度以及光电探测器e50和光电探测器f60灵敏度进行评估，假设分光比例为1:1，当激光光源a10发出的总光强为100mw时，光电探测器f60探测到的光强每偏差0.0001mw，折射率测试结果的偏移即为1
×
10-5
，其他情况下也基本在同一水平。因此，为了达到1
×
10-5
的测量精度，可以对激光光源a10以及光电探测器e50和光电探测器f60进行选择，例如，100mw的激光光源a10，光电探测器e50和光电探测器f60的精度均高于0.1μw；1000mw的激光光源a10，光电探测器e50和光电探测器f60的精度均高于1μw。
29.在本实施例中，计算机g70则用于控制激光光源a10启动、测试激光颜色的切换、扇形滤光片21的切换以及采集光强数据，并根据计算公式计算得到待测量样品的折射率以显示在相应的显示设备上，也就是说，激光光源a10、光电探测器e50、光电探测器f60以及舵机m22均与计算机g70通信连接，以通过计算机g70来控制激光光源a10以及舵机m22工作，并采集光电探测器e50和光电探测器f60探测到的光强数据。
30.在本实施例中，黑箱h80的内壁为防反射的黑色磨砂面，以通过设置黑箱h80来尽可能减少在测试过程中存在的干扰光，此时，黑箱h80上还应开设供反射光s1和反射光s2通过的孔，以使得反射光s1能够从黑箱h80内射出并入射至容器d40中待测量样品的表面，并使得经反射后形成的反射光s2能够重新射入至黑箱h80内部，从而便于光电探测器f60探测反射光s2的光强。与此同时，整个装置中除了容器d40以及计算机g70之外，其余部件均设置在黑箱h80内部，即激光光源a10、滤光组件b20、分光棱镜c30、光电探测器e50和光电探测器f60均设置于黑箱h80内，同时，位于黑箱h80内部的相应器件的表面也为防反射的黑色磨砂面，从而进一步降低干扰光对测试结果的影响，提高测试精度。
31.另一方面，本实施例提供了一种在线实时连续测量熔融态玻璃折射率及色散的方法，采用上述所述的在线实时连续测量熔融态玻璃折射率及色散的装置，该方法包括以下步骤：步骤s10.将待测量样品放置于容器d40中，利用激光光源a10发出测试激光，测试激光透过滤光组件b20后入射至分光棱镜c30上，此时，测试激光经分光棱镜c30分光后分为两束线偏振光，两束线偏振光分别为透射光p和反射光s1；
步骤s20.让反射光s1作为入射光并以一定的入射角θ1入射至容器d40中待测量样品的表面，反射光s1经反射后形成反射光s2；步骤s30.利用光电探测器e50探测透射光p的光强ie，利用光电探测器f60探测反射光s2的光强if；步骤s40.基于反射光s1的入射角θ1、透射光p的光强ie以及反射光s2的光强if计算得到待测量样品的折射率n2，折射率n2的计算表达式为：式中，，α为分光棱镜c30的分光比例。
32.可以理解的是，在步骤s40中，基于该装置在固定不动的情况下，不同颜色的反射光s1入射至待测量样品表面时入射角θ1不会发生变化，因此，可以采用相应的校准方法来校准反射光s1的入射角θ1，以进一步提高测试结果的准确度。具体地，校准反射光s1的入射角θ1的过程包括：步骤s41.将已知折射率n2＇的液体样品放置入容器d40中，利用激光光源a10发出测试激光，测试激光透过滤光组件b20后入射至分光棱镜c30上，此时，测试激光经分光棱镜c30分光后分为两束线偏振光，两束线偏振光分别为透射光p＇和反射光s
１
＇；需要说明的是，此处所用的测试激光的波长应与进行待测量样品折射率测试时所使用的测试激光的波长相同，例如，可以是波长为632.8nm的he-ne线；步骤s42.让反射光s
１
＇作为入射光并以一定的入射角θ1入射至已知折射率n2＇的液体样品的表面，反射光s
１
＇经反射后形成反射光s
２
＇；步骤s43.利用光电探测器e50探测透射光p＇的光强ie＇，利用光电探测器f60探测反射光s
２
＇的光强if＇；步骤s44.根据菲涅尔公式、折射定律公式以及光强与电场强度的关系式推导出入射角θ1的计算表达式，并根据入射角θ1的计算表达式计算入射角θ1；其中，入射角θ1的计算表达式为：式中，，α为分光棱镜c30的分光比例。
33.具体地，在步骤s44中，入射角θ1的计算表达式推导过程如下：已知，菲涅尔公式表达为：；式中，rs为s光的振幅（即电场强度e）反射系数，e1为反射光电场强度、e为入射光电场强度，θ1和θ2分别代表入射角和折射角；等号右侧的负号表示振动方向相反，计算绝对值时可去掉。
34.折射定律公式表达为：；式中，n1和n2分别代表入射方向和折射方向介质的折射率，在本实施例所述条件下，入射方向的介质为空气，故n1=1，n2为待测量样品的折射率，θ1和θ2同样分别代表入射角和折射角。
35.光强与电场强度的关系式表达为：；首先，基于分光棱镜c30的分光比例α=反射光的光强/透射光的光强，因此，反射光的光强=分光比例α*透射光的光强，也就是说，本实施例中反射光s
１
＇的光强= ；与此同时，本实施例中反射光s
２
＇的电场强度与反射光s1＇的电场强度的比值为：此时，令：去掉式（1）中代表振动方向的负号，并将式（1）与式（3）联立，可得：整理化简得：其次，令：将式（2）与式（6）联立，并消除折射角θ2，化简整理得：此时，基于分光比例α、透射光p＇的光强ie＇、反射光s
２
＇的光强if＇以及折射率n2＇均为已知参数，故可以利用式（8）计算出该装置在当前状态下，反射光s
１
＇的入射角θ1，也就实现了对反射光s
１
＇的入射角θ1进行校准。同时，由于后续测试过程中，该装置保持不动，因此，当对待测量样品进行测试时，反射光s
１
会以同样的入射角θ1入射至待测量样品的表面。
36.与此同时，对于上述步骤s40中计算待测量样品折射率n2的公式也是由式（8）变换
而来，此时，基于分光比例α、透射光p的光强ie、反射光s2的光强if以及入射角θ1均为已知参数，故可以直接计算得到待测量样品在当前颜色的测试激光作用下的折射率n2。
37.需要说明的是，在实际测试过程中，应重复多次测试待测量样品的折射率n2并取平均值，以消除随机误差。同时，上述计算入射角θ1以及折射率n2的过程均可在计算机g70内完成。
38.具体地，在计算机g70中计算入射角θ1的核心代码为：在计算机g70中计算折射率n2的核心代码为：
至此，即可利用计算机g70实现在线实时连续的测量待测量样品在不同颜色的测试激光作用下的折射率n2。
39.此外，为了实现测量待测量样品的色散值，上述方法还包括步骤：步骤s50.分别测量待测量样品在红绿蓝三种颜色的激光作用下的折射率，根据待测量样品在不同颜色的激光作用下的折射率即可得到待测量样品的色散值。也就是说，通过计算机g70控制激光光源a10依次发出红绿蓝三种不同颜色的激光作为测试激光，以得到待测量样品分别在红色激光、绿色激光以及蓝色激光作用下的折射率n
红
、n
绿
以及n
蓝
，根据n
红
、n
绿
以及n
蓝
即可得到待测量样品的色散值。
40.由此可见，本实施例提供的在线实时连续测量熔融态玻璃折射率及色散的装置及方法，采用静态测量的方式，当采用同一波长的测试激光进行测试时整个装置中没有任何的机械运动即可完成测试，整个测试过程能够自动完成并依靠计算机g70自动计算出待测量样品的折射率，无需人为操作，且能够实现在线实时连续的测量待测量样品的折射率，测试过程更加高效且可靠性更高。
41.其次，在测试过程中仅使用了一个偏振方向的光进行测试，通过同步测量入射和
出射光的光强进行折射率的计算，逻辑更加简单，引入的变量更少，计算结果也更加准确。同时，在测试过程中对于入射角没有硬性要求，还提供了入射角的校准方法，并能够实现多色测试激光的自动切换，也能够进行折射率和色散的测试。
42.相较于现有的测试方法而言，由于本实施例所采用的待测量样品呈熔融态，因此无需经过精密加工以及退火处理，同时也无需使用v棱镜折射仪等成本较高的辅助仪器进行测试，折射率的测量范围也更广。
43.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。