滕 鑫

(華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200237)

0 引言

在高分子領(lǐng)域，高分子材料成型加工技術(shù)是獲取高分子材料制品、體現(xiàn)材料特性和開發(fā)新材料的重要手段。早在上世紀(jì)六七十年代，新的高聚物就不斷地被合成出來，具有獨(dú)特性能的高分子材料也不斷地被發(fā)現(xiàn)［1-2］。當(dāng)今世界，高分子成型加工技術(shù)已成為高分子學(xué)科向更廣、更深入的領(lǐng)域發(fā)展的一個重要原因。例如擠出、注塑、熱成型、鑄塑等實(shí)驗(yàn)，可以賦予特定的高分子產(chǎn)品以特殊的形狀尺寸。然而，實(shí)驗(yàn)儀器內(nèi)部反應(yīng)復(fù)雜，整個物理化學(xué)過程發(fā)生在密閉的高壓、中溫、鋼制圓筒中，導(dǎo)致人們往往只知其大致規(guī)律，而無法分析并掌握其精確的物理數(shù)學(xué)規(guī)律模型［3］。

可視化技術(shù)的研究是建立在宏觀可視化基礎(chǔ)上的，即建立在肉眼觀察、攝影及攝像基礎(chǔ)上，其觀察尺度為毫米級。但是，在擠出過程中還發(fā)生了聚合物形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及流變性能方面的大量變化［4］。在不同的擠出壓力、溫度、剪切速率的力和能量的作用下，制品的性能也會有很大的不同［5］。因此將可視化擠出機(jī)發(fā)展成全程視窗微觀可視化擠出機(jī)，利用顯微鏡直接觀察并記錄下擠出過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化(見圖1)。

本課題研究內(nèi)容是讓物象在現(xiàn)有的物鏡工作距離之內(nèi)成實(shí)像，即制備一種光學(xué)器件，目標(biāo)物在通過這種光學(xué)器件后在物鏡的工作距離內(nèi)成像并照相。為此，本文制備了高溫下顯微鏡的探頭，并將其與顯微鏡系統(tǒng)構(gòu)架成一個整體，實(shí)現(xiàn)了探頭在工作過程中成像與照相功能的聯(lián)合應(yīng)用［6］。對于了解螺桿內(nèi)部反應(yīng)物質(zhì)的特征有著重要的意義，對于螺桿的性能改進(jìn)起到檢測和促進(jìn)的作用。本課題的主要研究對象為高溫下顯微鏡的探頭的制作與整個顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)架組成，以及顯微鏡照相的聯(lián)合應(yīng)用。

圖1 雙螺桿擠出機(jī)在線顯微鏡構(gòu)想

1 基本設(shè)計思路

1．1 自聚焦透鏡的特點(diǎn)及選擇

當(dāng)光線在空氣中傳播遇到不同介質(zhì)時，由于介質(zhì)的折射率不同會改變其傳播方向。傳統(tǒng)的透鏡成像是通過控制透鏡表面的曲率，利用產(chǎn)生的光程差使光線匯聚成一點(diǎn)。自聚焦透鏡同普通透鏡的區(qū)別在于，自聚焦透鏡材料能夠使沿軸向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生折射，并使折射率的分布沿徑向逐漸減小，從而實(shí)現(xiàn)出射光線被平滑且連續(xù)的匯聚到一點(diǎn)。

圖2為不同截距自聚焦透鏡中光的傳播軌跡，只有當(dāng)Z=0．50P和Z=1．00P時才可以傳播與實(shí)物相同的像，只是成像是否正立。在實(shí)際情況下，現(xiàn)有理論認(rèn)為雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)反應(yīng)物的反應(yīng)是隨機(jī)的，所以觀察的結(jié)果與成像是否正立無關(guān);而在實(shí)際使用中，所選透鏡只要能夠傳播圖像即可。因此，我們選用了截距為Z=0．50P的透鏡。

圖2 不同截距自聚焦透鏡中光的傳播軌跡

1．2 設(shè)計原理

在實(shí)物與顯微鏡的物鏡之間安裝合適的自聚焦透鏡，使目標(biāo)物的實(shí)像在物鏡的工作距離內(nèi)存在，這樣就可以在普通顯微鏡中觀測到這一實(shí)像。根據(jù)自聚焦透鏡的成像原理可知，所觀察到的實(shí)像就是所要觀察的目標(biāo)，所成的實(shí)像是與目標(biāo)大小相等的倒像。通過普通顯微鏡結(jié)合自聚焦透鏡聯(lián)用實(shí)驗(yàn)，得出直接照明目標(biāo)物時，可以在顯微鏡的物鏡中觀察到目標(biāo)通過顯微鏡放大的像;而在物鏡與自聚焦透鏡之間進(jìn)行光學(xué)照明時，卻無法在物鏡中觀察到目標(biāo)。這是由于自聚焦透鏡傳播光線時，入射光線的入射角必須小于臨界角αmax，而采用該種方法照明時，由于物鏡工作距離的限制，物鏡與自聚焦透鏡的距離只能被限定在一個較小的范圍內(nèi)，顯然普通光線照明時的入射角α遠(yuǎn)大于透鏡的臨界角，如圖3所示。

由于光線無法通過自聚焦透鏡傳播到目標(biāo)物像上，導(dǎo)致物鏡中看不到所要觀察的像，在實(shí)物下方或是自聚焦透鏡與實(shí)物之間對目標(biāo)物像進(jìn)行照明就成了首選方案［7］。而事實(shí)上所要觀測的目標(biāo)是螺桿擠出機(jī)中的反應(yīng)物，實(shí)物下方就是螺桿，不可能實(shí)現(xiàn)在實(shí)物下方對目標(biāo)物象進(jìn)行照明的方案。基于這個原因，光學(xué)照明就只能在目標(biāo)與自聚焦透鏡之間進(jìn)行，這是整個設(shè)計的核心。

1．3 基本設(shè)計框架

基于上述原因，可以得到整個系統(tǒng)的基本設(shè)計框架，如圖4所示。

本實(shí)驗(yàn)所用的光纖是長度67 mm，直徑2．68 mm的光纖棒，截距0．50P。事實(shí)上，一般使用0．50P周期的自聚焦透鏡的長度略小于該透鏡固有的周期長度，在實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)小范圍內(nèi)上下移動透鏡，所觀察到的像基本不會發(fā)生變化［8］。此外，實(shí)物與自聚焦透鏡并非直接接觸，且必須保持一定的距離用來安裝玻璃片以保護(hù)透鏡。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見圖5):當(dāng)透鏡遠(yuǎn)離目標(biāo)時也能觀察到成像，只是成像位置在透鏡的內(nèi)部，但是只要實(shí)像的位置在物鏡的工作距離之內(nèi)，就能夠被顯微鏡所觀察。由于所要觀察的實(shí)物并非是緊貼在保護(hù)玻璃層，而是略深于保護(hù)玻璃的下表層［9］，其成像處于物鏡的工作距離以內(nèi)。由此可知，必須照明到保護(hù)玻璃的下表層，這樣可以通過物鏡觀察到目標(biāo)物象，只是成像的位置在聚焦透鏡的內(nèi)部而已，因此采用自聚焦透鏡是最佳選擇。

圖3 物鏡與自聚焦透鏡位置圖

圖4 基本設(shè)計思路圖解

圖5 實(shí)物成像在自聚焦透鏡內(nèi)的圖解

本研究的目的是實(shí)時觀測在雙螺桿中反應(yīng)的高分子物質(zhì)，而在高溫環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場觀測是不切實(shí)際的，因此需要借助顯微鏡攝像技術(shù)［10］。首先，應(yīng)確定攝像機(jī)的安裝位置，實(shí)驗(yàn)證明:在物鏡成像平面附近的CCD片有自動調(diào)節(jié)的功能［11］，攝像機(jī)CCD上的每一個像素點(diǎn)都有一定的大小，以某一像素點(diǎn)為例，當(dāng)光束照射到CCD時，只要通過該像素點(diǎn)的光線數(shù)相同，即照射到該像素點(diǎn)的光強(qiáng)相同，就能以相同的光強(qiáng)激活該像素點(diǎn)，其所反映的圖像也是相同的，因此在成像平面附近(距離只與CCD的像素點(diǎn)的大小有關(guān))可以安裝攝像機(jī)。

2 設(shè)計結(jié)果

2．1 研究對象的選定

螺桿擠出機(jī)上的探測孔的型號有很多種。本實(shí)驗(yàn)研究是常見的GYZ2型，如圖6所示。

2．2 光學(xué)照明系統(tǒng)的設(shè)計

圖6 螺桿擠出機(jī)上的探測孔GYZ2型

本設(shè)計的棱鏡是圓柱形，但剖面是采用現(xiàn)有理論成型的棱鏡進(jìn)行組合來設(shè)計的［12］，這樣就保證了設(shè)計的實(shí)際可行性。圖7中的棱鏡1的剖面是等腰棱鏡DⅡ-45°，它的一個頂角為 45°，兩個底角都為67．5°，它的作用是使光軸轉(zhuǎn)角45°，用的是3次反射的方法。如圖所示，光線垂直照射到一條腰邊上進(jìn)入棱鏡后依然豎直向下傳播，到達(dá)另一條腰后全反射到底邊，在底邊上再次全反射到前一條腰后全反射垂直于腰傳播出棱鏡，全過程經(jīng)過了3次全反射，最后在2號棱鏡的底邊上就會有一個與過渡透鏡等大圓斑，并且軸心處會有以軸心為圓心，直徑為1．32 mm的重疊區(qū)域，該區(qū)域的光強(qiáng)大，適合顯微鏡的光學(xué)觀測。棱鏡1的底邊必須鍍銀，因?yàn)橥ㄟ^sinα=1/n，α=45°計算，得出n=1．414，因此棱鏡的材料的折射率必須大于1．414。常用的冕牌玻璃的折射率都大于該值，因此該透鏡可用常規(guī)玻璃制作，對于實(shí)際可行性有利。但是底邊的入射角 α =22．5°，同樣可以求得 n=2．613，這個值遠(yuǎn)大于實(shí)際玻璃的折射率，所以必須鍍銀以保證光線在底邊能夠全反射［13-14］。

圖7 棱鏡組剖面設(shè)計示意圖

2．3 顯微鏡基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖8 是整個顯微鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖中的1就是所設(shè)計的光學(xué)元件，與2結(jié)合就構(gòu)成了本設(shè)計的光學(xué)照明部分，使光線按一定的角度照射到圓柱棱鏡上;3號探頭是根據(jù)給定的標(biāo)準(zhǔn)探測孔徑設(shè)計的，必須保證有一定的強(qiáng)度，這構(gòu)成了顯微鏡的最重要的部分，照明和圖像的傳遞都在這里完成;4號過渡接頭是基于物鏡的尺寸，進(jìn)行傳像部分和成像部分的連接，另外也負(fù)有5保護(hù)螺帽的定位和光纖引入的作用保護(hù)螺帽是控制物鏡與自聚焦透鏡的距離，使之不接觸。到此為止，自聚焦透鏡的固定，光學(xué)照明以及實(shí)物的實(shí)像傳遞過程已經(jīng)完成。

零件6～13是整個系統(tǒng)的成像部分，通過過渡接頭進(jìn)行銜接，加入隔熱圈是為了保護(hù)物鏡免受由探頭傳熱而導(dǎo)致物鏡的損壞;再由8完成物鏡的安裝與整個物鏡的調(diào)節(jié)的銜接;通過調(diào)節(jié)螺紋10和壓緊螺帽9使物鏡能夠上下移動，物鏡的安裝系統(tǒng)和CCD轉(zhuǎn)接筒12、轉(zhuǎn)接筒11、CCD13是連在一起的，這樣保證在調(diào)節(jié)物鏡與自聚焦透鏡的距離，即找尋由自聚焦透鏡所成的實(shí)像時，整個成像系統(tǒng)不會隨之產(chǎn)生影響。

圖8 顯微鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

通過CCD成像后，使CCD與計算機(jī)連接，就可以在計算機(jī)上看到實(shí)時的像。

3 結(jié)語

本文主要討論了螺桿擠出機(jī)探測孔中光學(xué)照明系統(tǒng)的程序設(shè)計，同時介紹了該系統(tǒng)的功能、特點(diǎn)、設(shè)計思路及設(shè)計過程中的注意事項(xiàng)。使用光學(xué)照明系統(tǒng)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望。使學(xué)生加深對有關(guān)概念的理解與掌握，滿足學(xué)生預(yù)習(xí)高分子加工實(shí)驗(yàn)的需要，同時配合課堂教學(xué)可以起到相輔相成的效果。

在高分子本科教學(xué)專業(yè)課程體系中，高分子成型加工是一門重要的核心課程，是高分子加工專業(yè)學(xué)生必須掌握的專業(yè)知識和技能［15］。結(jié)合高分子成型加工工藝實(shí)驗(yàn)有關(guān)教材的內(nèi)容，在螺桿擠出機(jī)GYZ2型探測孔中安裝光學(xué)照明系統(tǒng)，能夠使學(xué)生看清實(shí)驗(yàn)的全過程及實(shí)驗(yàn)時無法直接觀察到的儀器內(nèi)部工作過程，達(dá)到了形與神的完美結(jié)合，保證了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的直觀性和動態(tài)過程的逼真性。

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