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作者:阮致維、馬鴻祥(2004-07-14);推薦:徐業良(2004-07-16)

鏡片起霧測試機台設計製作

昇明國際股份有限公司基於本身從事光學鏡片生產和研發上的事業需求,需要提供防霧能力數值判斷的測試機台,故委托元智大學機械系依照歐洲光學設備標準EN168:2001進行相關眼鏡、鏡片起霧測試機台設計與製作事宜。本設計案最終提供昇明國際股份有限公司測試機具一台(包含相關軟、硬體設備)、使用手冊若干份,並提供相關安裝、測試和維護技術支援。

1.     鏡片起霧測試機台測試規範及程序

1.1 鏡片起霧測試機台測試規範

歐洲標準EN168:2001對於鏡片起霧測試機台規範如圖1,詳細測試規範參見附件一。如圖所示,測試樣本(8)經過前處理後擺放在水浴槽(1)上方的安置環(2)上,安置環有軟橡皮墊圈(3)以防水氣外洩。測試過程的環境溫度需保持在溫度23±5,水浴槽的溫度維持在溫度50±0.5水浴槽上方空氣使用循環風扇(9)使其成為飽合的水蒸氣,循環期間開放的測試口需被覆蓋上,在測試前循環風扇關掉,測試樣本須在開啟的狀態2秒內將其安置妥當。

雷射光源(4)經過透鏡、分光鏡(5)、測試樣本,經反射鏡(1)反射後,再經過測試樣本、分光鏡,投射至附光圈(6)之光接受器(7, receptor),以測試樣本起霧前後光通量的變化,以下式計算未被霧氣散射之光傳導率

                                                                                                        (1)

其中測試過程中光束通過測試樣本兩次,故所得光傳導率為為測試樣本在起霧後的光通量數值,為測試物體在起霧前的光通量數值。prEN168:2001主要即在測量減小到初始散射值80%時所經過的時間。

23為依此測試規範設計製作完成的實體機台,表1為本測試機台主要元件表。

1. 鏡片起霧測試機台示意圖

2. 測試機台實體(1) 

3. 測試機台實體(2)

1. 鏡片起霧測試機台主要元件表

編號

元件名稱

規格

數量

1

反射鏡

雷射專用反射鏡

1

2

出霧安置座

ψ40mm, 長度50mm

1

3

軟塑膠環

 

1

4

雷射光源

氦氖雷射系統,波長632nm

1

5

雷射夾座

 

1

6

支持柱

長度500mm

1

7

分光鏡

透射率-反射率50%-50%

1

8

光學滑軌

長度300mm

1

9

透鏡1

焦距10mm

1

10

透鏡2

焦距100mm

1

11

透鏡3

焦距400mm

1

12

透鏡裝置座

透鏡裝置座1、透鏡裝置座2、透鏡裝置座3

3

13

光感測裝置

照度計(TES-1332)及其組件

1

14

風扇

DC 9V

1

15

水浴槽

22cm×22cm×21cm透明壓克力

1

16

加熱器

1000W

1

17

溫度感測器

LM 35

1

18

防起霧電熱絲

 

1

1.2 光學元件組裝與校正程序

起霧測試機台大部分的光學元件屬於可拆式設計,各項光學元件必須有一定組裝和校正程序,用以確保測量的可靠性。光學元件校正和組裝程序如下(括弧內數字代表零件編號):

(1)   安裝透鏡3(11)以及感測裝置(13)元件

將兩項元件裝設於光學桌面之固定孔上,注意透鏡3(11)與感測裝置(13)元件間的位置適當調整,令兩元件之間的距離可使聚焦後的訊號能集中在感測設備的受測面積內,目的在於當訊號產生偏移時不至影響測試結果。

(2)   校正水平光軸

注意此時圖2左方的透鏡1(9)及透鏡2(10)還不需裝設,先將雷射光源(4)裝設於雷射夾座(5)和支持柱(6)上,並將分光鏡(7)裝置在光學滑軌(8)刻度37.2cm的位置上,分光鏡裝置妥當後另行接上雷射電源並開始校正光點反射位置。啟動後的雷射光源經由分光鏡以及透鏡3(11)將雷射光點投射於感測區域中心。若雷射夾座未裝設正確則光點會產生左右偏移,此時可將雷射夾座旋鈕鬆開輕微轉動調整鎖附角度;而如果分光鏡未裝設正確則光點會產生上下偏移,需透過調整分光鏡位置作上下校正,最終必須調整雷射夾座及分光鏡兩元件直到雷射光點位置投射於感測中心區域後方完成水平光軸校正。

(3)   校正垂直光軸

透鏡裝置座有兩個,分別可安裝透鏡12,校正垂直光軸的步驟主要以透鏡裝置座之自動對心功能作雷射光中心位置的確認(此時裝置座上勿安裝透鏡12)。兩透鏡裝置座需分別架設在光學滑軌刻度19cm以及30cm的高度上,可使兩透鏡固定在110mm的正確距離,進行校正步驟時先安裝透鏡裝置座2並延續步驟完成校正後,才進行透鏡裝置座1的組裝及其校正。透鏡裝置座2校正時需先開啟雷射光源,確認光點中心是否有偏移的狀況,若有,則需透過透鏡裝置座2下方的旋鈕微調(如圖4)解決,確認雷射光正確位置後即可將透鏡2裝回透鏡裝置座上,此時完成透鏡2的校正,透鏡1按照同樣的程序即可同樣完成校正垂直光軸。

4. 微調旋鈕

(4)   微調雷射夾座(5)

若投射的雷射光點因各部組件組裝誤差影響,產生光點位置偏移,可利用雷射夾座的角度微調旋鈕(如圖5)調整雷射光源前後、左右位置,直到光點位置對準感測區域中心。進行完畢上述四項光學元件校正後,比對照度數值是否正常以確保量測時具有相同的初始值,其判斷方式在將出霧口(2)開啟後照度計數值是否為2,500左右(量測時照度計刻度範圍需設於2,000),若數值正常則可確定完成測試機台光學元件組裝與校正程序。

5. 角度微調裝置

測試機台維護時若需要將水浴槽內的沉澱物移除時,必須留意光學元件拆裝對於準確度的影響,較為簡便的拆裝方式乃為直接拆卸測試機台的底板並將光學桌面由上方移出,但是若因裝卸影響光學元件時請再按照上述四項校正步驟重新進行各項光學元件的校正。

1.3 測試程序

(1)   開啟電源

接上電源,分別開啟加熱器電源及控制箱電源,水浴槽內的水在久置後的第一次測試時需先等待23分鐘,由水溫控制系統加熱水溫至測試溫度範圍50±0.5

(2)   讀取環境照度值

隨著控制箱電源開啟之後,系統啟動空氣循環風扇運轉讓水浴槽內的空氣維持飽合水蒸氣,同時照度計亦隨即讀取環境照度值10秒鐘,得到之環境照度值最後提供測試機台在計算程式中扣除其影響。

(3)   放置測試樣品

完成讀取環境照度值之後,LCD螢幕上會顯示操作人員可將測試樣品放置於安置座,此時注意出霧口仍需關閉以避免防霧塗料預先吸收水氣而影響實驗結果。擺放時要注意球形鏡片的菱鏡效應,鏡片需擺放在球形鏡片中心點位置才不會造成反射光束的角度偏差。接著雷射電源自動開啟並延續100秒的功率穩定時間,時間過後,測試人者在注意水溫是否到達測試溫度範圍(50±0.5)後可正式開始準備進行實際起霧測試。

(4)   讀取起霧前照度值

程式在完成前述程序後持續維持等待狀態。當操作者按下開始鈕後隨即開始擷取訊號。測試開始後風扇先維持運轉20秒以抓取「平均初始照度值」訊號,待初始值擷取完畢之後風扇自動停止開始計算起霧時間。

(5)   讀取起霧後照度值

測試機台的微電腦控制系統以每0.5秒的頻率連續讀取照度計數值,最後以初始照度值為基準比對其散射百分比是否達於80%、其即時數據資料(散射百分比、起霧時間)可從LCD螢幕上讀取。

(6)   輸出起霧時間

若連續10資料散射百分比皆小於80%的標準後,測試機台微電腦程式立刻停止,輸出風扇停止後的起霧時間(程式終止時間扣除累積10筆資料的時間)。

(7)   準備下次測試

若需重複進行下一次測試,則按下系統重置鈕讓程式再度重新執行,並回到(2)環境值讀取的測試階段開始同樣的測試程序。

2.     各項元件規格及設計說明

本節逐一說明鏡片起霧測試機台各項元件規格及設計。

2.1 光學元件規格

(1)雷射光源及光束放大器

EN168:2001要求雷射光源光譜範圍須在波長600±70nm及光束寬度10mm,本機台使用的雷射為紅色光束He-Ne雷射,波長632nm(如圖6,並搭配光束放大器(Laser Expander)將輸出光源放大至要求的10mm束寬。表2為雷射光源規格表。

6. 雷射光源

2. 雷射光源規格表

He-Ne Laser System (JDS UNIPHASE)

名稱

規格

Model

1122

Min. output power

2 mW

Polarization

N/A

Wavelength

632.8 nm (Red)

Beam diameter

0.63 mm

Beam divergence

1.3mrd

Mode purity (TEMoo)

>95%

(2)光學透鏡(反射鏡、分光鏡、透鏡)

本機台反射鏡選擇經特殊處理的He-Ne雷射光專用平面鏡,反射效果可達99.98%;透鏡方面選擇雙凸聚焦鏡片,並依照EN168:2001要求,採用透鏡焦距為10mm100mm400mm規格鏡片。

(3)照度計

鏡片起霧測試機台光感測值以光通量為單位,而光通量值即等於照度值乘以受光面積,若以具類比輸出的照度計搭配可控制受光面積的零件即可達到測試流程的要求本機台使用泰仕1332數位式照度計(具類比電壓值輸出),作為雷射光源的感測元件。照度值讀值必須選擇2,000 Lux的刻度單位以維持正常的操作狀態,正常狀態其雷射光源的讀值約為2,500 Lux,若有低於數值的情況則需進行光學元件校正的步驟。

2.2 水浴槽設計

EN168:2001要求水浴槽內上方空氣需超過4L,所以在設計上水浴槽內部規劃為20cm×20cm×20cm,外部尺寸為22cm×22cm×21cm,並有裝置光學桌面上蓋和水溫加熱器,水浴槽外部設計一注水口可進行起霧水源的補充。

EN168:2001要求水浴箱內水溫保持於50±0.5,並且保持上方循環空氣為飽和水蒸氣,期能提供測試樣品穩定的起霧條件。此系統獨立於程序控制系統運作,只需提供AC110V電源即可啟動內部的水溫控制系統,主要包含加熱器、溫度感測器(LM 35)、和微電腦控制器,作水溫的自動控制。微電腦控制原理使用溫度設定模式,若溫度未達預設值則由微電腦透過固態繼電器啟動加熱器,然一但超出上限預設值時則立刻停止加熱,如此可將溫度範圍控制要求之內。

2.3 結構設計

鏡片起霧測試機台結構設計包含光學透鏡組裝、光學測量元件、光學水平桌面以及反射鏡防霧設備等四項設計,詳細的零件圖見附件二。

(1)光學透鏡組裝

起霧測試使用的光學透鏡在測試機台上可以透過光學滑軌上下調整位置,因此光學滑軌必須被垂直的固定於特定位置。本機台透過自行設計的組件搭配及固定光學滑軌的使用。

(2)光學測量元件

此元件功能在於整合照度計感測頭、分光鏡、及透鏡三元件,令三元件能維持精準的水平度以維護測量的準確性,設計裝設高度主要配合採購的光學透鏡元件規格,且輔以可調式分光鏡高度將三項元件作精準的水平光軸控制。

(3)光學水平桌面設計

光學水平桌面在提供光學元件水平裝設位置以及對於水浴槽裝置外蓋的功能,原採取以外購鋁合金光學水平板的方式作為設計架構,但由於考量到所需時程約4週以及採購後所需額外的機械加工處理,所以直接委由臨近的機械加工廠來製作較可掌握加工時程及取件。

(4)反射鏡防霧設備

因反射鏡裝設的位置位於水浴槽充滿水氣的環境下,因此會在鏡面上發生水珠凝結的現象,於測試一段期間之後會影響測試數據的大小。我們針對此點選擇以加熱設備加熱鏡面來防止起霧的發生,而在市面上即有光學用的防起霧電熱絲的設備使用,我們將此產品直接包覆於反射鏡四週用以加熱反射鏡,實際測試結果亦得到不錯的防霧效果。

2.4 控制系統電路

在控制系統硬體設計上由於需要控制AC雷射電源及DC風扇電源兩個元件,則在元件選擇上採用固態繼電器(SSR),利用零觸發的技術原理讓微電腦控制器能安全地輸出使用,目的在防止因機械開關於作動瞬間造成的跳火現象,避免跳火現象影響微電腦控制器的穩定運作。元件控制需求上總共需要使用兩個SSR針對雷射電源及循環風扇作控制使用,按照應用類型分別區分為DCAC(控制雷射光源)、DCDC(控制循環風扇)。另外水溫控制系統亦獨立使用了1SSR作為加熱器控制開關,不過此SSR規格需要特別注意,因為控制的加熱器屬於大電流輸出所以我們選擇25安培規格來使用。圖7為控制系統電路圖,圖8為水溫控制系統電路圖。

7. 控制系統電路圖

8. 水溫控制系統電路圖

3.     量測訊號處理

3.1 照度計訊號穩定度測試

首先對照度計擷取照度訊號的穩定度作一測試,測試樣本選取先前所購買的防霧鏡片,對同一鏡片進行兩次起霧實驗。測試方式為鏡片擺放在出霧口,開啟雷射電源經過光學透鏡與待測鏡片至照度計,讀取照度值輸出訊號。此測試目的為評估照度計訊號穩定度,故水槽不裝水,排除霧氣的影響。訊號擷取頻率為100Hz,扣除資料運算時間,每次訊號擷取後延遲9540ms,可達到正確的訊號輸出時間。雷射開啟後等待100秒雷射功率穩定後,才後開始取資料。

3分別以每0.1秒、0.5秒、1秒、2秒平均一次輸出,訊號擷取共200秒,以取200秒內所有資料平均值為100%,計算200秒內照度計訊號變化上下界。測試結果得知在0.5秒訊號輸出的時間下,訊號變化率為2.12%2.58%,變化率最小,故本測試機台將採每0.5秒平均一次輸出。圖9為每0.5秒平均一次輸出時,兩次測試照度計訊號圖。

3. 照度計訊號穩定度測試

訊號輸出

測試次數

上界(Max %)

下界(Min %)

上下變化%

0.1sec

1

101.7329

98.2726

3.5592

2

101.6973

97.1737

4.3126

0.5sec

1

101.1900

98.6132

2.5768

2

101.1653

99.0451

2.1202

1.0sec

1

101.6352

97.4208

4.2144

2

101.8942

98.7699

3.1243

2.0sec

1

101.5238

97.2532

4.2706

2

102.4211

97.4175

5.0036

9(a). 測試一,變化率2.58 %Max:101.19%Min98.61%

9(b). 測試二,變化率2.12 %Max:101.17%Min99.05%

3.2 鏡片起霧前照度值設定

本測試機台「鏡片起霧前照度值」是起霧測試最重要之參考值。「鏡片起霧前照度值」定義應為在水槽無水狀態下開啟雷射光源,經過光學透鏡與待測鏡片後照度計量測之照度值。在此測試條件下,以每200秒紀錄照度值變化,共紀錄10筆數據如表410次測試照度平均值為2512.36Lux,標準差29.51Lux(1.18%)

4. 無水狀態鏡片起霧前照度值測試

測試次數

上界(Max %)

下界(Min %)

上下變化%

平均照度值

1

101.17

97.93

2.24

2538.80

2

100.94

99.19

1.75

2559.33

3

101.03

99.07

1.96

2549.83

4

101.05

99.17

1.88

2524.83

5

100.74

99.25

1.49

2507.85

6

100.99

99.20

1.79

2499.02

7

100.84

99.14

1.70

2497.94

8

100.48

99.28

1.20

2481.94

9

100.68

99.08

1.60

2492.00

10

99.58

98.78

0.8

2472.07

然而以水槽無水時定義「鏡片起霧前照度值」,在實際量測過程上十分困難。此處將水槽放水,水溫設定為50oC,開啟風扇,量測照度值200秒,比較與水槽無水狀態量測照度值之差異。同樣以每200秒紀錄照度值變化,共紀錄10筆數據如表510次測試照度平均值為2580.49Lux(與水槽無水時相差2.17%),標準差36.26Lux (1.45%)。本機台測試程序中,將以「開啟風扇,量測照度值200秒」所得平均照度值作為「鏡片起霧前照度值」。值得注意的是受到霧氣影響,每次量測時照度值上下變化較大,大約在±3%左右。

5. 水溫設定為50oC,開啟風扇,鏡片起霧前照度值測試

測試次數

上界(Max %)

下界(Min %)

上下變化%

平均照度值

1

103.75

97.16

6.59

2618.45

2

103.21

96.96

6.25

2642.32

3

102.47

96.92

6.72

2593.27

4

104.32

97.60

6.72

2574.50

5

102.07

96.80

5.27

2590.96

6

102.50

97.49

5.01

2570.07

7

101.69

98.54

3.15

2529.73

8

102.12

97.83

4.29

2579.55

9

102.30

97.72

4.58

2585.16

10

102.15

98.37

3.78

2520.91

3.3 量測訊號處理流程

10為本測試機台量測訊號處理流程。首先打開加熱器電源將水槽內的水加熱至50±0.5oC,等待水溫上升的過程則將控制箱電源及照度計同時開啟,微電腦控制系統啟動並先抓取環境訊號10秒(此時雷射尚未自動開啟),待數值抓取完畢後LCD螢幕顯示使用者可將鏡片放在安置座上,螢幕顯示2秒後雷射自動開啟並開始等候100秒使雷射功率達於穩定狀態。

時間過後程式就緒,操作者先確認照度計數值範圍調整在2,500並檢查放置鏡片後的照度值數值是否過大或過小(預設值2,200~2,500Lux為合理值,檢查數值時需將照度計範圍調整為20,000Lux),數值過大或過小時則調整雷射安置座上的微調旋鈕或是調整測試樣本在安置座位置,數值維持預設值之內時方可開始進行正式的量測。

當使用者按下測試鈕後則立刻開始擷取「初始照度值」的平均數值,擷取過程(20)、訊號擷取頻率為2Hz /秒。初始值擷取完畢後風扇自動關閉並開始正式抓取起霧照度數值,測試中的照度數值若連續10筆達到低於「初始照度值」的80%停止標準後,執行程式停止由LCD螢幕輸出起霧時間(起霧時間扣除累積10資料增加的5秒)。若測試者需再測試不同的樣品時,按下系統重置鈕即可回到初始系統狀態重新進行測試。

10. 量測訊號處理流程圖

3.4 可重複性測試

本測試機台可重複性測試採用昇明國際樣品(35/40)作為實驗樣品,總共連續進行五次測試,所測部位每次皆相同,測試結果如下表6

6. 可重複性測試數據表(35/40)

測試樣品

測試次數

起霧時間

水溫

初始讀值

終止讀值

環境照度值

35/40

1

2 min 3.0 sec

50.4

2661.91

1930.6

61.31

2

4 min 8.0 sec

50.2

2666.80

2062.9

58.45

3

2 min 9.0 sec

50.5

2593.48

1693.0

61.06

4

2 min 35.5 sec

50.2

2649.26

2012.8

56.94

5

12.5 sec

50.3

2555.04

1775.9

60.09

EN166規範其防霧測試的及格時間為8秒,表6結果顯示昇明國際樣品(35/40)有良好防霧效果。然而本測試機台若採用吸水性的防霧塗料鏡片進行檢測,在大多數的測試數據曲線皆會呈現相同的趨勢、若干幅度的上升後接續下降的現象,此種測試趨勢可能會直接影響測試數據的準確性以及可重複性。推論現象形成原因可能有二,其一為接收後的訊號於感測範圍產生的偏移,其二為表面水形成所造成的聚焦效應,第一項原因在縮小聚焦面積後初步可排除,然第二項原因因可能牽涉防霧塗料之性質的影響,需進行後續詳細的測試實驗後方可得到確認。

4.     故障排除

(1)   加熱器以及防霧電熱絲在操作完畢之後務必確認關閉電源,以維護測試場所安全。

(2)   控制箱外接頭由上而下依序為溫度接頭、風扇接頭以及照度計訊號輸出接頭。溫度計感測端的線路需與箱外的溫度接頭相連接後,其溫度錶頭始可正常顯示溫度數值。若三者的功能有不正常的工作情況時,請先檢查上述接頭端是否已正常連接,在檢查過後仍未能恢復正常時請個別檢查該設備是否已損壞,必要時進行檢修或適當更換。

(3)   雷射若未能正常啟動時請先檢查其電源供應器後方的保險絲插座是否鬆脫、前方的旋鈕開關是否設定在ON的狀態,以及檢查光束口的安全裝置是否已開啟。

(4)   當水溫達不到正常溫度範圍時,請先確認水位高度是否在貼附圖示的最上緣高度,以及溫度感測頭沒入水面位置是否過低或過高,正常狀態下溫度感測頭約沒入水下2公分處,必要時可打開加熱器外蓋進行適度調整。溫度感測頭位置平時同樣需沒入水下2公分處,過低或過高位置會影響正常的數字顯示,必要時進行適度調整。

(5)   在移動或組裝機台過後若有明顯的雷射光束偏移感測頭的現象,請再按照校正程序重新進行檢測。

7為本測試機台相關元件採購廠商資料,如需元件備品可向相關廠商購買。

7. 採購廠商資料

元件品名

廠商名稱

聯絡電話

地址/網址

透鏡及光學零件

牧友實業

 

TEL(02) 2931-7272

FAX(02) 2931-2900

台北市羅斯福路五段1666

He-Ne Laser(632nm)、雷射夾座、支持柱

方全雷射

TEL(02) 2603-7388

FAX(02) 2603-7889

台北縣林口郵政2-8號信箱

http://www.rapi-tech.com.tw

分光鏡

岳華展

TEL(04) 2630-1801

FAX(04) 2630-2301

台中縣梧棲鎮港南路二段4653517

http://www.rocoes.com.tw

防起霧電熱絲

觀泰實業

TEL(02) 2311-9858

FAX(02) 2371-0385

台北市中正區重慶南路一段6611F

http://www.fuji.com.tw

 

附件一:起霧測試規範—歐洲標準EN168:2001

附件二:機台零件圖

光學滑軌鎖附座零件圖

滑軌鎖附座零件圖

感測裝置(前)零件圖

感測裝置(後)蓋零件圖

感測裝置(安置座)零件圖

光學桌零件圖

出霧口設計零件圖

出霧遮蓋零件圖