成型加工中反射型显微镜的研究

滕 鑫

(华东理工大学材料科学与工程学院，上海200237)

0 引言

在高分子领域，高分子材料成型加工技术是获取高分子材料制品、体现材料特性和开发新材料的重要手段。早在上世纪六七十年代，新的高聚物就不断地被合成出来，具有独特性能的高分子材料也不断地被发现［1-2］。当今世界，高分子成型加工技术已成为高分子学科向更广、更深入的领域发展的一个重要原因。例如挤出、注塑、热成型、铸塑等实验，可以赋予特定的高分子产品以特殊的形状尺寸。然而，实验仪器内部反应复杂，整个物理化学过程发生在密闭的高压、中温、钢制圆筒中，导致人们往往只知其大致规律，而无法分析并掌握其精确的物理数学规律模型［3］。

可视化技术的研究是建立在宏观可视化基础上的，即建立在肉眼观察、摄影及摄像基础上，其观察尺度为毫米级。但是，在挤出过程中还发生了聚合物形态、结构以及流变性能方面的大量变化［4］。在不同的挤出压力、温度、剪切速率的力和能量的作用下，制品的性能也会有很大的不同［5］。因此将可视化挤出机发展成全程视窗微观可视化挤出机，利用显微镜直接观察并记录下挤出过程中微观结构的变化(见图1)。

本课题研究内容是让物象在现有的物镜工作距离之内成实像，即制备一种光学器件，目标物在通过这种光学器件后在物镜的工作距离内成像并照相。为此，本文制备了高温下显微镜的探头，并将其与显微镜系统构架成一个整体，实现了探头在工作过程中成像与照相功能的联合应用［6］。对于了解螺杆内部反应物质的特征有着重要的意义，对于螺杆的性能改进起到检测和促进的作用。本课题的主要研究对象为高温下显微镜的探头的制作与整个显微镜系统的构架组成，以及显微镜照相的联合应用。

图1 双螺杆挤出机在线显微镜构想

1 基本设计思路

1．1 自聚焦透镜的特点及选择

当光线在空气中传播遇到不同介质时，由于介质的折射率不同会改变其传播方向。传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率，利用产生的光程差使光线汇聚成一点。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。

图2为不同截距自聚焦透镜中光的传播轨迹，只有当Z=0．50P和Z=1．00P时才可以传播与实物相同的像，只是成像是否正立。在实际情况下，现有理论认为双螺杆挤出机内反应物的反应是随机的，所以观察的结果与成像是否正立无关;而在实际使用中，所选透镜只要能够传播图像即可。因此，我们选用了截距为Z=0．50P的透镜。

图2 不同截距自聚焦透镜中光的传播轨迹

1．2 设计原理

在实物与显微镜的物镜之间安装合适的自聚焦透镜，使目标物的实像在物镜的工作距离内存在，这样就可以在普通显微镜中观测到这一实像。根据自聚焦透镜的成像原理可知，所观察到的实像就是所要观察的目标，所成的实像是与目标大小相等的倒像。通过普通显微镜结合自聚焦透镜联用实验，得出直接照明目标物时，可以在显微镜的物镜中观察到目标通过显微镜放大的像;而在物镜与自聚焦透镜之间进行光学照明时，却无法在物镜中观察到目标。这是由于自聚焦透镜传播光线时，入射光线的入射角必须小于临界角αmax，而采用该种方法照明时，由于物镜工作距离的限制，物镜与自聚焦透镜的距离只能被限定在一个较小的范围内，显然普通光线照明时的入射角α远大于透镜的临界角，如图3所示。

由于光线无法通过自聚焦透镜传播到目标物像上，导致物镜中看不到所要观察的像，在实物下方或是自聚焦透镜与实物之间对目标物像进行照明就成了首选方案［7］。而事实上所要观测的目标是螺杆挤出机中的反应物，实物下方就是螺杆，不可能实现在实物下方对目标物象进行照明的方案。基于这个原因，光学照明就只能在目标与自聚焦透镜之间进行，这是整个设计的核心。

1．3 基本设计框架

基于上述原因，可以得到整个系统的基本设计框架，如图4所示。

本实验所用的光纤是长度67 mm，直径2．68 mm的光纤棒，截距0．50P。事实上，一般使用0．50P周期的自聚焦透镜的长度略小于该透镜固有的周期长度，在实验中也证实小范围内上下移动透镜，所观察到的像基本不会发生变化［8］。此外，实物与自聚焦透镜并非直接接触，且必须保持一定的距离用来安装玻璃片以保护透镜。根据实验结果(见图5):当透镜远离目标时也能观察到成像，只是成像位置在透镜的内部，但是只要实像的位置在物镜的工作距离之内，就能够被显微镜所观察。由于所要观察的实物并非是紧贴在保护玻璃层，而是略深于保护玻璃的下表层［9］，其成像处于物镜的工作距离以内。由此可知，必须照明到保护玻璃的下表层，这样可以通过物镜观察到目标物象，只是成像的位置在聚焦透镜的内部而已，因此采用自聚焦透镜是最佳选择。

图3 物镜与自聚焦透镜位置图

图4 基本设计思路图解

图5 实物成像在自聚焦透镜内的图解

本研究的目的是实时观测在双螺杆中反应的高分子物质，而在高温环境下进行现场观测是不切实际的，因此需要借助显微镜摄像技术［10］。首先，应确定摄像机的安装位置，实验证明:在物镜成像平面附近的CCD片有自动调节的功能［11］，摄像机CCD上的每一个像素点都有一定的大小，以某一像素点为例，当光束照射到CCD时，只要通过该像素点的光线数相同，即照射到该像素点的光强相同，就能以相同的光强激活该像素点，其所反映的图像也是相同的，因此在成像平面附近(距离只与CCD的像素点的大小有关)可以安装摄像机。

2 设计结果

2．1 研究对象的选定

螺杆挤出机上的探测孔的型号有很多种。本实验研究是常见的GYZ2型，如图6所示。

2．2 光学照明系统的设计

图6 螺杆挤出机上的探测孔GYZ2型

本设计的棱镜是圆柱形，但剖面是采用现有理论成型的棱镜进行组合来设计的［12］，这样就保证了设计的实际可行性。图7中的棱镜1的剖面是等腰棱镜DⅡ-45°，它的一个顶角为 45°，两个底角都为67．5°，它的作用是使光轴转角45°，用的是3次反射的方法。如图所示，光线垂直照射到一条腰边上进入棱镜后依然竖直向下传播，到达另一条腰后全反射到底边，在底边上再次全反射到前一条腰后全反射垂直于腰传播出棱镜，全过程经过了3次全反射，最后在2号棱镜的底边上就会有一个与过渡透镜等大圆斑，并且轴心处会有以轴心为圆心，直径为1．32 mm的重叠区域，该区域的光强大，适合显微镜的光学观测。棱镜1的底边必须镀银，因为通过sinα=1/n，α=45°计算，得出n=1．414，因此棱镜的材料的折射率必须大于1．414。常用的冕牌玻璃的折射率都大于该值，因此该透镜可用常规玻璃制作，对于实际可行性有利。但是底边的入射角 α =22．5°，同样可以求得 n=2．613，这个值远大于实际玻璃的折射率，所以必须镀银以保证光线在底边能够全反射［13-14］。

图7 棱镜组剖面设计示意图

2．3 显微镜基本结构设计

图8 是整个显微镜系统的结构图，图中的1就是所设计的光学元件，与2结合就构成了本设计的光学照明部分，使光线按一定的角度照射到圆柱棱镜上;3号探头是根据给定的标准探测孔径设计的，必须保证有一定的强度，这构成了显微镜的最重要的部分，照明和图像的传递都在这里完成;4号过渡接头是基于物镜的尺寸，进行传像部分和成像部分的连接，另外也负有5保护螺帽的定位和光纤引入的作用保护螺帽是控制物镜与自聚焦透镜的距离，使之不接触。到此为止，自聚焦透镜的固定，光学照明以及实物的实像传递过程已经完成。

零件6～13是整个系统的成像部分，通过过渡接头进行衔接，加入隔热圈是为了保护物镜免受由探头传热而导致物镜的损坏;再由8完成物镜的安装与整个物镜的调节的衔接;通过调节螺纹10和压紧螺帽9使物镜能够上下移动，物镜的安装系统和CCD转接筒12、转接筒11、CCD13是连在一起的，这样保证在调节物镜与自聚焦透镜的距离，即找寻由自聚焦透镜所成的实像时，整个成像系统不会随之产生影响。

图8 显微镜系统的结构图

通过CCD成像后，使CCD与计算机连接，就可以在计算机上看到实时的像。

3 结语

本文主要讨论了螺杆挤出机探测孔中光学照明系统的程序设计，同时介绍了该系统的功能、特点、设计思路及设计过程中的注意事项。使用光学照明系统可以提高学生的学习兴趣和求知欲望。使学生加深对有关概念的理解与掌握，满足学生预习高分子加工实验的需要，同时配合课堂教学可以起到相辅相成的效果。

在高分子本科教学专业课程体系中，高分子成型加工是一门重要的核心课程，是高分子加工专业学生必须掌握的专业知识和技能［15］。结合高分子成型加工工艺实验有关教材的内容，在螺杆挤出机GYZ2型探测孔中安装光学照明系统，能够使学生看清实验的全过程及实验时无法直接观察到的仪器内部工作过程，达到了形与神的完美结合，保证了教学实验的直观性和动态过程的逼真性。

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