大尺寸玻璃光學性能測試方法

王亞平

摘 要：該文針對工程中鋼化玻璃尺寸較大，無法切割，光學性能無法直接檢測的難題，提出了多方面的改進，包括光路改造、暗室建設、可調玻璃支架等，設置了一套新型的光譜測試系統，可測量工程中任意尺寸玻璃的可見光透射比、遮陽系數等性能參數，并討論了影響其誤差的原因給出初步解決方法。

關鍵詞：大尺寸玻璃 光學 測試方法

中圖分類號：TQ171.12 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0199-02

應用節能玻璃是實現建筑節能的重要措施，GB 50411《建筑節能工程施工質量驗收規范》明確要求玻璃進場后應對其可見光透射比和遮陽系數等性能進場復驗，且該項檢測為強制性要求。而現有光學檢測設備僅具備對定尺寸樣品（通常為100 mm×100 mm）進行檢測，由于鋼化玻璃的不可切割性，目前進場復驗中無法對進場的玻璃進行抽樣檢測，只能采用生產廠家特別為檢測定尺加工的非鋼化玻璃進行測試，使得其檢測結果的代表性令人產生懷疑，不利于《建筑節能工程施工質量驗收規范》的貫徹實施。本項目將對大尺寸玻璃的光學性能測定進行探討，提出解決方案。

1 現有檢測系統改造

分光光度計從結構上分主要有兩種：單光路系統和雙光路系統。對于單光路系統，樣品透射率的測定需要進行兩次，因此測試速度比較慢，而且對光源以及系統的穩定性要求較高，因為光探的微小波動以及單色儀掃描過程中的任何不重復，都會導致測試精度的下降。相比來說，雙光路系統的主要優點是可以有效地降低光源穩定性對測試精度的影響，并且具有較快的測試速度。主要缺點在于其復雜的光路、更多光學元件的需求以及對系統硬件較高的穩定性要求，并且每加入一組附件都要考慮參考光路光程的變化，導致系統難以擴展。為了保證生產效率，市面上的商用分光光度計絕大多數都是雙光路式的系統。本文采用PE生產的Lamda950紫外/可見/近紅外分光光度計。

1.1 樣品倉改造

現有紫外/可見/近紅外分光光度計在進行大尺寸玻璃測試時，存在以下困難。樣品倉尺寸不足，詳見圖1；為適應工程不同尺寸玻璃的需要，需要檢測系統有一個開放式的樣品倉，同時需保證試驗不受外界自然光的影響，本文擬打造一個大型光學暗室。為了避免外界自然光學的影響，暗室的門窗使用遮光布、黑色絨布雙層遮擋，墻壁和吊頂涂黑色涂料，地面采用深色瓷磚。理論上，當在黑暗的房間內，出射光照射周圍的黑色空間，出射光被完全吸收，理論上反射為0，實際上反射值以一定的數值存在，這是由于一些雜散光、電路噪聲所形成的。

1.2 光路改造

Lamda950分光光度計現有檢測系統光路示意圖（見圖2），改造后的檢測系統光路示意圖（見圖3）。使用4塊反射鏡將光路引出樣品倉，擺脫原有設備對樣品尺寸的限制（見圖4），光程越遠，能量約弱，引出的距離不易過長。

1.3 光學附件——積分球

當光線大角度傾斜入射、并且待測樣品的厚度較大時，透射光照射在探測器上的位置會有一個明顯的側向位移，為了消除這種偏移效應，本文使用積分球代替標準檢測器；由于積分球的大小與探測器得到的光電信號強弱密切相關，積分球的開口尺寸不能太小，否則難以消除光束半徑的變形以及傾斜入射時大厚度樣品產生的偏移效應；但積分球的尺寸過大又會使能量過于分散，導致接收端的信號變弱。經過反復試驗，發現采用直徑80～150 mm的積分球效果最好，同時保證了信號強度與入射光角度的不敏感性。本文采用150 mm的積分球。

1.4 紅外光譜儀反射附件改造

本文采用Spectrum100傅里葉紅外光譜儀進行玻璃輻射率的測試。與傳統的色散型光譜儀相比，傅里葉光譜儀以更高的效率采集來自光源的輻射能量，在信噪比和分辨率方面占有絕對優勢。

現有Spectrum100傅里葉紅外光譜儀的樣品倉較小，配置的常規鏡反射裝置，高度低，只能測試小尺寸樣品（如圖5）。本文通過改變鏡面角度和重新設計光路，實現了樣品位置高于儀器，保證了大尺寸樣品的測量。因為光程增加，能量衰減，原有鋁鏡在中遠紅外區域反射率較低，為了保證測試的精度，將反射鏡片由鋁鏡改為金鏡。

1.5 大尺寸玻璃的固定支座

為了保證玻璃樣品與光路的垂直，以及測試的安全和便利性，本文定制了大尺寸玻璃的固定支座（見圖6），中部布設橫向和縱向導軌，可實現樣品的前后左右的調節。上部有玻璃固定裝置和定位裝置，保證在樣品移動和測量過程中穩定性。

2 實驗結果

實驗中選取非鋼化的樣品，從同一樣板上切割100 mm×100 mm和500 mm×500 mm的樣品，分別在設備改造前和改造后進行測試，將測得的可見光透射比、可見光反射比、遮蔽系數的結果和光譜曲線進行比較，從而確定改造后系統的光度準確度。

為了減少系統漂移，在儀器開機預熱45 min后開始測量，在測量之初，先對100%信號線進行校準。測量范圍：300～2500 nm，測量間隔：5 nm。根據GB/T 2680-94《建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關窗玻璃參數的測定》進行計算。

改造前后樣品測試參數差值多數都小于3.0%，基本達到預期目標。個別參數偏差較大，對造成這種誤差的原因進行分析了。

3 影響因素分析

系統誤差主要是指測試裝置本身的誤差和由被測樣品引入的誤差。本系統的系統誤差主要來源于光束的位置誤差、雜散光、光程變化等引起的偏差。

（1）因系統還不成熟，4塊鋁反射鏡使用磁吸固定器固定，其位置通過理論計算得出，安裝后根據光束的入射和探測器接收情況進行微調，光束與被測樣品的入射角度可能存在一定的偏移，影響了設備的測量準確性和重復性。

（2）開倉測試時，自然環境中的雜散光可能會影響測試的精度。雜散光可以分為兩種形式，一種是與待測光束波長相同的雜光，往往是由于待測光束因種種原因偏離正常光路，在不通過樣品的情況下，就直接照射到接收器上；引起它的主要原因是光學或機械零件包括樣品本身的反射和散射。第二種雜光是指待測波長以外的偏離正常光路到達探測器的光束，通常是由于光學系統的缺陷所引起的。本系統在設計之初，建造了暗室，盡可能對自然光進行了遮擋和封堵。但分光光度計本身氘和鎢燈因散熱的需要，不能完全遮擋，用黑色絨布在儀器的上表面進行了遮擋，儀器的背面留出散熱空間。這些光線經過地面和墻面反射、灰塵的散射等，都會造成光強探測的誤差。

（3）改造后光程變長，光強度減弱，儀器在在2000～2500 nm范圍內光度噪聲比較大。

4 結語

該測試系統可對大尺寸的玻璃直接進行測試，克服了傳統檢測方法無法進行鋼化玻璃光學測試的局限性，通過改造前后實驗對比結果可知，該系統能夠較好地反映樣品特征，可見光透射比和遮陽系數的偏差在可接收范圍內，對于建筑玻璃的工程復驗具有積極的意義。

參考文獻

[1] 李全臣，龐月娟.光譜儀器原理[M].北京理工大學出版社，1999.

[2] 周磊，鄭小兵.新型高準確度分光光度計的設計與測試[J].紅外與激光工程，2008，37（1）：123-125.

[3] 林志聰.光學系統透過率測試[D].長春理工大學，2010.endprint

摘 要：該文針對工程中鋼化玻璃尺寸較大，無法切割，光學性能無法直接檢測的難題，提出了多方面的改進，包括光路改造、暗室建設、可調玻璃支架等，設置了一套新型的光譜測試系統，可測量工程中任意尺寸玻璃的可見光透射比、遮陽系數等性能參數，并討論了影響其誤差的原因給出初步解決方法。

關鍵詞：大尺寸玻璃 光學 測試方法

中圖分類號：TQ171.12 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0199-02

應用節能玻璃是實現建筑節能的重要措施，GB 50411《建筑節能工程施工質量驗收規范》明確要求玻璃進場后應對其可見光透射比和遮陽系數等性能進場復驗，且該項檢測為強制性要求。而現有光學檢測設備僅具備對定尺寸樣品（通常為100 mm×100 mm）進行檢測，由于鋼化玻璃的不可切割性，目前進場復驗中無法對進場的玻璃進行抽樣檢測，只能采用生產廠家特別為檢測定尺加工的非鋼化玻璃進行測試，使得其檢測結果的代表性令人產生懷疑，不利于《建筑節能工程施工質量驗收規范》的貫徹實施。本項目將對大尺寸玻璃的光學性能測定進行探討，提出解決方案。

1 現有檢測系統改造

分光光度計從結構上分主要有兩種：單光路系統和雙光路系統。對于單光路系統，樣品透射率的測定需要進行兩次，因此測試速度比較慢，而且對光源以及系統的穩定性要求較高，因為光探的微小波動以及單色儀掃描過程中的任何不重復，都會導致測試精度的下降。相比來說，雙光路系統的主要優點是可以有效地降低光源穩定性對測試精度的影響，并且具有較快的測試速度。主要缺點在于其復雜的光路、更多光學元件的需求以及對系統硬件較高的穩定性要求，并且每加入一組附件都要考慮參考光路光程的變化，導致系統難以擴展。為了保證生產效率，市面上的商用分光光度計絕大多數都是雙光路式的系統。本文采用PE生產的Lamda950紫外/可見/近紅外分光光度計。

1.1 樣品倉改造

現有紫外/可見/近紅外分光光度計在進行大尺寸玻璃測試時，存在以下困難。樣品倉尺寸不足，詳見圖1；為適應工程不同尺寸玻璃的需要，需要檢測系統有一個開放式的樣品倉，同時需保證試驗不受外界自然光的影響，本文擬打造一個大型光學暗室。為了避免外界自然光學的影響，暗室的門窗使用遮光布、黑色絨布雙層遮擋，墻壁和吊頂涂黑色涂料，地面采用深色瓷磚。理論上，當在黑暗的房間內，出射光照射周圍的黑色空間，出射光被完全吸收，理論上反射為0，實際上反射值以一定的數值存在，這是由于一些雜散光、電路噪聲所形成的。

1.2 光路改造

Lamda950分光光度計現有檢測系統光路示意圖（見圖2），改造后的檢測系統光路示意圖（見圖3）。使用4塊反射鏡將光路引出樣品倉，擺脫原有設備對樣品尺寸的限制（見圖4），光程越遠，能量約弱，引出的距離不易過長。

1.3 光學附件——積分球

當光線大角度傾斜入射、并且待測樣品的厚度較大時，透射光照射在探測器上的位置會有一個明顯的側向位移，為了消除這種偏移效應，本文使用積分球代替標準檢測器；由于積分球的大小與探測器得到的光電信號強弱密切相關，積分球的開口尺寸不能太小，否則難以消除光束半徑的變形以及傾斜入射時大厚度樣品產生的偏移效應；但積分球的尺寸過大又會使能量過于分散，導致接收端的信號變弱。經過反復試驗，發現采用直徑80～150 mm的積分球效果最好，同時保證了信號強度與入射光角度的不敏感性。本文采用150 mm的積分球。

1.4 紅外光譜儀反射附件改造

本文采用Spectrum100傅里葉紅外光譜儀進行玻璃輻射率的測試。與傳統的色散型光譜儀相比，傅里葉光譜儀以更高的效率采集來自光源的輻射能量，在信噪比和分辨率方面占有絕對優勢。

現有Spectrum100傅里葉紅外光譜儀的樣品倉較小，配置的常規鏡反射裝置，高度低，只能測試小尺寸樣品（如圖5）。本文通過改變鏡面角度和重新設計光路，實現了樣品位置高于儀器，保證了大尺寸樣品的測量。因為光程增加，能量衰減，原有鋁鏡在中遠紅外區域反射率較低，為了保證測試的精度，將反射鏡片由鋁鏡改為金鏡。

1.5 大尺寸玻璃的固定支座

為了保證玻璃樣品與光路的垂直，以及測試的安全和便利性，本文定制了大尺寸玻璃的固定支座（見圖6），中部布設橫向和縱向導軌，可實現樣品的前后左右的調節。上部有玻璃固定裝置和定位裝置，保證在樣品移動和測量過程中穩定性。

2 實驗結果

實驗中選取非鋼化的樣品，從同一樣板上切割100 mm×100 mm和500 mm×500 mm的樣品，分別在設備改造前和改造后進行測試，將測得的可見光透射比、可見光反射比、遮蔽系數的結果和光譜曲線進行比較，從而確定改造后系統的光度準確度。

為了減少系統漂移，在儀器開機預熱45 min后開始測量，在測量之初，先對100%信號線進行校準。測量范圍：300～2500 nm，測量間隔：5 nm。根據GB/T 2680-94《建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關窗玻璃參數的測定》進行計算。

改造前后樣品測試參數差值多數都小于3.0%，基本達到預期目標。個別參數偏差較大，對造成這種誤差的原因進行分析了。

3 影響因素分析

系統誤差主要是指測試裝置本身的誤差和由被測樣品引入的誤差。本系統的系統誤差主要來源于光束的位置誤差、雜散光、光程變化等引起的偏差。

（1）因系統還不成熟，4塊鋁反射鏡使用磁吸固定器固定，其位置通過理論計算得出，安裝后根據光束的入射和探測器接收情況進行微調，光束與被測樣品的入射角度可能存在一定的偏移，影響了設備的測量準確性和重復性。

（2）開倉測試時，自然環境中的雜散光可能會影響測試的精度。雜散光可以分為兩種形式，一種是與待測光束波長相同的雜光，往往是由于待測光束因種種原因偏離正常光路，在不通過樣品的情況下，就直接照射到接收器上；引起它的主要原因是光學或機械零件包括樣品本身的反射和散射。第二種雜光是指待測波長以外的偏離正常光路到達探測器的光束，通常是由于光學系統的缺陷所引起的。本系統在設計之初，建造了暗室，盡可能對自然光進行了遮擋和封堵。但分光光度計本身氘和鎢燈因散熱的需要，不能完全遮擋，用黑色絨布在儀器的上表面進行了遮擋，儀器的背面留出散熱空間。這些光線經過地面和墻面反射、灰塵的散射等，都會造成光強探測的誤差。

（3）改造后光程變長，光強度減弱，儀器在在2000～2500 nm范圍內光度噪聲比較大。

4 結語

該測試系統可對大尺寸的玻璃直接進行測試，克服了傳統檢測方法無法進行鋼化玻璃光學測試的局限性，通過改造前后實驗對比結果可知，該系統能夠較好地反映樣品特征，可見光透射比和遮陽系數的偏差在可接收范圍內，對于建筑玻璃的工程復驗具有積極的意義。

參考文獻

[1] 李全臣，龐月娟.光譜儀器原理[M].北京理工大學出版社，1999.

[2] 周磊，鄭小兵.新型高準確度分光光度計的設計與測試[J].紅外與激光工程，2008，37（1）：123-125.

[3] 林志聰.光學系統透過率測試[D].長春理工大學，2010.endprint

摘 要：該文針對工程中鋼化玻璃尺寸較大，無法切割，光學性能無法直接檢測的難題，提出了多方面的改進，包括光路改造、暗室建設、可調玻璃支架等，設置了一套新型的光譜測試系統，可測量工程中任意尺寸玻璃的可見光透射比、遮陽系數等性能參數，并討論了影響其誤差的原因給出初步解決方法。

關鍵詞：大尺寸玻璃 光學 測試方法

中圖分類號：TQ171.12 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0199-02

應用節能玻璃是實現建筑節能的重要措施，GB 50411《建筑節能工程施工質量驗收規范》明確要求玻璃進場后應對其可見光透射比和遮陽系數等性能進場復驗，且該項檢測為強制性要求。而現有光學檢測設備僅具備對定尺寸樣品（通常為100 mm×100 mm）進行檢測，由于鋼化玻璃的不可切割性，目前進場復驗中無法對進場的玻璃進行抽樣檢測，只能采用生產廠家特別為檢測定尺加工的非鋼化玻璃進行測試，使得其檢測結果的代表性令人產生懷疑，不利于《建筑節能工程施工質量驗收規范》的貫徹實施。本項目將對大尺寸玻璃的光學性能測定進行探討，提出解決方案。

1 現有檢測系統改造

分光光度計從結構上分主要有兩種：單光路系統和雙光路系統。對于單光路系統，樣品透射率的測定需要進行兩次，因此測試速度比較慢，而且對光源以及系統的穩定性要求較高，因為光探的微小波動以及單色儀掃描過程中的任何不重復，都會導致測試精度的下降。相比來說，雙光路系統的主要優點是可以有效地降低光源穩定性對測試精度的影響，并且具有較快的測試速度。主要缺點在于其復雜的光路、更多光學元件的需求以及對系統硬件較高的穩定性要求，并且每加入一組附件都要考慮參考光路光程的變化，導致系統難以擴展。為了保證生產效率，市面上的商用分光光度計絕大多數都是雙光路式的系統。本文采用PE生產的Lamda950紫外/可見/近紅外分光光度計。

1.1 樣品倉改造

現有紫外/可見/近紅外分光光度計在進行大尺寸玻璃測試時，存在以下困難。樣品倉尺寸不足，詳見圖1；為適應工程不同尺寸玻璃的需要，需要檢測系統有一個開放式的樣品倉，同時需保證試驗不受外界自然光的影響，本文擬打造一個大型光學暗室。為了避免外界自然光學的影響，暗室的門窗使用遮光布、黑色絨布雙層遮擋，墻壁和吊頂涂黑色涂料，地面采用深色瓷磚。理論上，當在黑暗的房間內，出射光照射周圍的黑色空間，出射光被完全吸收，理論上反射為0，實際上反射值以一定的數值存在，這是由于一些雜散光、電路噪聲所形成的。

1.2 光路改造

Lamda950分光光度計現有檢測系統光路示意圖（見圖2），改造后的檢測系統光路示意圖（見圖3）。使用4塊反射鏡將光路引出樣品倉，擺脫原有設備對樣品尺寸的限制（見圖4），光程越遠，能量約弱，引出的距離不易過長。

1.3 光學附件——積分球

當光線大角度傾斜入射、并且待測樣品的厚度較大時，透射光照射在探測器上的位置會有一個明顯的側向位移，為了消除這種偏移效應，本文使用積分球代替標準檢測器；由于積分球的大小與探測器得到的光電信號強弱密切相關，積分球的開口尺寸不能太小，否則難以消除光束半徑的變形以及傾斜入射時大厚度樣品產生的偏移效應；但積分球的尺寸過大又會使能量過于分散，導致接收端的信號變弱。經過反復試驗，發現采用直徑80～150 mm的積分球效果最好，同時保證了信號強度與入射光角度的不敏感性。本文采用150 mm的積分球。

1.4 紅外光譜儀反射附件改造

本文采用Spectrum100傅里葉紅外光譜儀進行玻璃輻射率的測試。與傳統的色散型光譜儀相比，傅里葉光譜儀以更高的效率采集來自光源的輻射能量，在信噪比和分辨率方面占有絕對優勢。

現有Spectrum100傅里葉紅外光譜儀的樣品倉較小，配置的常規鏡反射裝置，高度低，只能測試小尺寸樣品（如圖5）。本文通過改變鏡面角度和重新設計光路，實現了樣品位置高于儀器，保證了大尺寸樣品的測量。因為光程增加，能量衰減，原有鋁鏡在中遠紅外區域反射率較低，為了保證測試的精度，將反射鏡片由鋁鏡改為金鏡。

1.5 大尺寸玻璃的固定支座

為了保證玻璃樣品與光路的垂直，以及測試的安全和便利性，本文定制了大尺寸玻璃的固定支座（見圖6），中部布設橫向和縱向導軌，可實現樣品的前后左右的調節。上部有玻璃固定裝置和定位裝置，保證在樣品移動和測量過程中穩定性。

2 實驗結果

實驗中選取非鋼化的樣品，從同一樣板上切割100 mm×100 mm和500 mm×500 mm的樣品，分別在設備改造前和改造后進行測試，將測得的可見光透射比、可見光反射比、遮蔽系數的結果和光譜曲線進行比較，從而確定改造后系統的光度準確度。

為了減少系統漂移，在儀器開機預熱45 min后開始測量，在測量之初，先對100%信號線進行校準。測量范圍：300～2500 nm，測量間隔：5 nm。根據GB/T 2680-94《建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關窗玻璃參數的測定》進行計算。

改造前后樣品測試參數差值多數都小于3.0%，基本達到預期目標。個別參數偏差較大，對造成這種誤差的原因進行分析了。

3 影響因素分析

系統誤差主要是指測試裝置本身的誤差和由被測樣品引入的誤差。本系統的系統誤差主要來源于光束的位置誤差、雜散光、光程變化等引起的偏差。

（1）因系統還不成熟，4塊鋁反射鏡使用磁吸固定器固定，其位置通過理論計算得出，安裝后根據光束的入射和探測器接收情況進行微調，光束與被測樣品的入射角度可能存在一定的偏移，影響了設備的測量準確性和重復性。

（2）開倉測試時，自然環境中的雜散光可能會影響測試的精度。雜散光可以分為兩種形式，一種是與待測光束波長相同的雜光，往往是由于待測光束因種種原因偏離正常光路，在不通過樣品的情況下，就直接照射到接收器上；引起它的主要原因是光學或機械零件包括樣品本身的反射和散射。第二種雜光是指待測波長以外的偏離正常光路到達探測器的光束，通常是由于光學系統的缺陷所引起的。本系統在設計之初，建造了暗室，盡可能對自然光進行了遮擋和封堵。但分光光度計本身氘和鎢燈因散熱的需要，不能完全遮擋，用黑色絨布在儀器的上表面進行了遮擋，儀器的背面留出散熱空間。這些光線經過地面和墻面反射、灰塵的散射等，都會造成光強探測的誤差。

（3）改造后光程變長，光強度減弱，儀器在在2000～2500 nm范圍內光度噪聲比較大。

4 結語

該測試系統可對大尺寸的玻璃直接進行測試，克服了傳統檢測方法無法進行鋼化玻璃光學測試的局限性，通過改造前后實驗對比結果可知，該系統能夠較好地反映樣品特征，可見光透射比和遮陽系數的偏差在可接收范圍內，對于建筑玻璃的工程復驗具有積極的意義。

參考文獻

[1] 李全臣，龐月娟.光譜儀器原理[M].北京理工大學出版社，1999.

[2] 周磊，鄭小兵.新型高準確度分光光度計的設計與測試[J].紅外與激光工程，2008，37（1）：123-125.

[3] 林志聰.光學系統透過率測試[D].長春理工大學，2010.endprint