光电测量仪器中玻璃微珠反射板的研制

　　1　引　言

　　在光电测量仪器的光路设计中,通常采用平面反射镜作为反射光路中的光学元件[1,2],例如在固体平面测速装置中采用的平面反射镜。图1所示的光学系统在动态检测的情况下,由于环境的振动,导致光学元件的振动,作为反射光路中的反射镜也产生振动,镜面法线产生角度偏移,反射光信号随之偏移,导致了测量精度下降。

　　直径从几微米至几百微米的玻璃圆球体称为玻璃微珠,具有正向反射特性[3]。利用微珠的正向反射特性制成的反射板可克服上述普通平面反射镜的缺陷。当在动态环境下测量样品长度时,光学元件的振动,也就是说反射板产生的位移不会改变入射光的反射方向,即入射到反射板上的光信号沿入射方向按原路反射回去,不会产生丝毫反射角度的偏差,能确保光学系统的稳定性和测量的精确性。因此研制高性能的应用于光电测量仪器中的玻璃微珠反射板对于高精度的光电测量,尤其是动态测量具有十分重要的意义。

　　2　原　理

　　(1)将具有较高折射率、高度透光特性的玻璃制成一定粒度范围的玻璃粉末颗粒,并将该玻璃粉末颗粒在一定高温下熔融为液滴,在表面张力的作用下,液滴呈圆球体,冷凝后得到一定粒径的透明玻璃圆球体,即玻璃微珠。

　　(2)由于玻璃微珠具有均匀球形的特点,光线射入球体后,将会发生折射,其中一部分光将按原路返回,这就是通常所说的回归反射。其光路图如图2所示。

　　图2中OO′为光轴,i为入射角(也称离轴角),θ为折射角。当光沿光轴入射时,由于此时的i =0,显然,其中有一部分光由于两次反射,将按原路返回,这是回归反射的一种特例。

　　由光路分析可知(图2),发生回归反射的条件为

　　解得n =2cosθ=2cos(i/2)。因为i≤π/2,即θ≤π/4,所以很容易获得n的值。n≥的玻璃微珠均具有回归反射特性,n越大,回归反射特性越好。n≥1.93的玻璃微珠回归反射特性最理想。

　　(3)将具有回归反射特性的玻璃微珠与所选择的透明漆按一定配比均匀混合,涂覆在平面基板表层,制成平面反射波形较好并具有回归反射特性的玻璃微珠反射板,可用它作为光电动态检测装置中的固定反射镜.

　　3　实　验

　　3.1　制造玻璃微珠用的玻璃

　　玻璃微珠要求玻璃具有较高的折射率,而折射率又是入射光波长的函数。鉴于光电测量装置中的光源多采用氦氖激光器,波长为红光,所以选用了BaO-TiO2-SiO2系统[4,5]。表1所示为玻璃微珠的化学成份及配比比例。

　　玻璃的熔制采用300mL的铂坩埚,在以硅碳棒为发热体的小电炉中进行熔制,用JWT-702自动控温仪控温。熔化温度为1420℃,出炉温度为1200℃。熔化好玻璃液后,一部分玻璃液被浇注成为块状,退火后用V棱镜折射仪测定其折射率,折射率nd=1.93426;其余的玻璃液浇入盛有冷水的不锈钢容器中,边浇边搅拌,直到被炸裂成为碎玻璃渣,在脱水干燥后进行研磨、过筛,最后得到一定粒度范围的玻璃粉末颗粒,以备成珠使用。