聚合物光固化过程的监测方法、系统、储存介质及装置与流程

本发明涉及聚合物光固化技术领域，具体涉及一种聚合物光固化过程中的非接触式监测技术，更具体地，涉及一种聚合物光固化过程的监测方法、系统、储存介质及装置。

背景技术：

聚合物材料的光固化技术是一种节能环保的新型技术，它在涂层制备、电子封装、表面粘接、牙齿修复等众多领域都得到了越来越多的关注。聚合物材料光固化需经历一个物理状态的改变，一般是从液态转变为凝胶态，再由凝胶态最终变为固态的过程。

目前流行的固化监测方法主要包括差示扫描量热法、动态热机分析法、介电分析法等，他们也可用于聚合物光固化的监测。如公开时间为2019.02.05，公开号为cn109312019a的中国申请专利：反应性聚合物、光固化性树脂组合物及层叠体中就用到了差示扫描量热仪，通过检测聚合物的温度来判断光固化的过程。但这些已有方法在实际应用中存在各种各样的问题，如差示扫描量热法和动态热机分析法无法实现在线测量，因此不适用于工业生产和制造；介电分析法为接触式测量方法，其操作过程复杂且无法应用于一些实际应用场景。

技术实现要素：

针对现有技术的局限，本发明提出一种聚合物光固化过程的监测方法、系统、储存介质及装置，本发明采用的技术方案是：

一种聚合物光固化过程的监测方法，包括以下步骤：

通过预设的光学设备对被测聚合物进行谱域光学相干层析成像，实时获取被测聚合物产生的干涉光谱信号；所述干涉光谱信号中包括相位以及光学深度的信息；

通过提取所述干涉光谱信号中的相位以及光学深度，对固化过程引发的相位变化量进行计算；根据所述相位变化量计算出被测聚合物上表面以及下表面各自的光学深度变化量；

根据被测聚合物上表面以及下表面各自的光学深度变化量，计算出被测聚合物的折射率变化量和收缩应变。

相较于现有技术，本发明在聚合物光固化过程的监测方法中结合了相衬方法和谱域光学相干层析成像技术，克服了现有技术的缺点，能够进行非接触式的实时在线监测，实现光固化过程中收缩应变和折射率变化量的同时测量，非常适合工业生产和制造的实际应用中，具有良好的应用前景。

进一步的，所述干涉光谱信号按以下公式表示：

其中，i表示光强，k表示波数，t表示时间，dc表示直流分量，ac表示自相干分量，m表示被测聚合物表面的个数，j表示被测聚合物表面；ir表示所述光学设备中的参考面的反射光强，ij表示被测聚合物第j表面的反射光强；

φj(t)表示所述干涉光谱信号的相位，φj(t)＝φj0+2kλj(t)；φj0表示所述干涉光谱信号的初始相位，λj(t)表示光学深度。

作为一种优选方案，所述光学深度变化量按以下公式获取：

其中，δλj(t)表示光学深度变化量，λc表示所述光学设备的光源的中心波长，δφj(t)表示相位变化量，t0表示被测聚合物光固化的初始时刻，unwrap{}表示相位解卷绕，diff[]表示差分相位。

作为一种优选方案，所述折射率变化量δn(t)，按以下公式获取：

其中，a为所述光学设备的光束在被测聚合物上表面经过的点，b为所述光学设备的光束在被测聚合物下表面经过的点，d表示a点与b点之间的距离；δλa(t)表示被测聚合物上表面的光学深度变化量，δλb(t)表示被测聚合物下表面的光学深度变化量；n0表示被测聚合物的初始折射率。

进一步的，所述收缩应变ε(t)，按以下公式获取：

通过上述改进，当本发明具体在应用在聚合物光固化过程中的监测时，可以关注到聚合物光固化过程中具体物理量的变化，实现光固化过程中收缩应变和折射率变化量的同时测量。

本发明还提供以下内容：

一种聚合物光固化过程的监测系统，包括：

干涉光谱信号获取模块，用于通过预设的光学设备对被测聚合物进行谱域光学相干层析成像，实时获取被测聚合物上表面以及下表面各自产生的干涉光谱信号；所述干涉光谱信号中包括相位以及光学深度的信息；

光学深度变化量获取模块，用于通过提取所述干涉光谱信号中的相位以及光学深度，对固化过程引发的相位变化量进行计算；根据所述相位变化量计算出被测聚合物上表面以及下表面各自的光学深度变化量；

固化监测指标获取模块，用于根据被测聚合物上表面以及下表面各自的光学深度变化量，计算出被测聚合物的折射率变化量和收缩应变。

作为一种可选方案，所述光学设备包括宽带光源、参考面、ccd相机，以及：

沿主光轴从所述宽带光源输出端到被测对象依次设置的第一凸透镜、柱面镜、分光棱镜、第二凸透镜；

沿第一分光轴从所述分光棱镜到所述参考面依次设置的平面反射镜、第三凸透镜、中性滤光片；

沿第二分光轴从所述分光棱镜到所述ccd相机依次设置的衍射光栅、第四凸透镜。

作为一种优选方案，所述光学设备还包括沿第二分光轴设置于所述衍射光栅与第四凸透镜之间的滤光镜。

一种储存介质，其上储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的聚合物光固化过程的监测方法的步骤。

一种监测装置，包括光学设备、储存介质、处理器以及储存在所述储存介质中并可被所述处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时通过所述光学设备实现前述的聚合物光固化过程的监测方法的步骤。

附图说明

图1为本发明实施例提供的聚合物光固化过程的监测方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中的被测聚合物液滴的截面轮廓示意图；

图3为本发明实施例中的被测聚合物在光固化过程中a和b点光学深度变化量随光固化时间的变化曲线示意图；

图4为本发明实施例中的被测聚合物在光固化过程中的折射率变化量和收缩应变量变化示意图；

图5为本发明实施例提供的聚合物光固化过程的监测系统示意图；

图6为本发明实施例提供的光学设备的光路示意图；

附图标记说明：1、干涉光谱信号获取模块；2、光学设备；21、宽带光源；22、参考面；23、ccd相机；24、第一凸透镜；25、柱面镜；26、分光棱镜；27、第二凸透镜；28、平面反射镜；29、第三凸透镜；210、中性滤光片；211、衍射光栅；212、滤光镜；213、第四凸透镜；3、光学深度变化量获取模块；4、固化监测指标获取模块。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请实施例保护的范围。

在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

为了解决现有技术的局限性，本实施例提供了一种技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

请参考图1，一种聚合物光固化过程的监测方法，包括以下步骤：

s01，通过预设的光学设备对被测聚合物进行谱域光学相干层析成像，实时获取被测聚合物产生的干涉光谱信号；所述干涉光谱信号中包括相位以及光学深度的信息；

s02，通过提取所述干涉光谱信号中的相位以及光学深度，对固化过程引发的相位变化量进行计算；根据所述相位变化量计算出被测聚合物上表面以及下表面各自的光学深度变化量；

s03，根据被测聚合物上表面以及下表面各自的光学深度变化量，计算出被测聚合物的折射率变化量和收缩应变。

相较于现有技术，本发明在聚合物光固化过程的监测方法中结合了相衬方法和谱域光学相干层析成像技术，克服了现有技术的缺点，能够进行非接触式的实时在线监测，实现光固化过程中收缩应变和折射率变化量的同时测量，非常适合工业生产和制造的实际应用中，具有良好的应用前景。

作为一种优选实施例，所述干涉光谱信号按以下公式表示：

其中，i表示光强，k表示波数，t表示时间，dc表示直流分量，ac表示自相干分量，m表示被测聚合物表面的个数，j表示被测聚合物表面；ir表示所述光学设备中的参考面的反射光强，ij表示被测聚合物第j表面的反射光强；

φj(t)表示所述干涉光谱信号的相位，φj(t)＝φj0+2kλj(t)；φj0表示所述干涉光谱信号的初始相位，λj(t)表示光学深度。

具体的，由于上述干涉信号的幅值与反射光强ij成正比，频率与光学深度λj(t)成反比，因此对干涉信号沿k轴进行傅里叶变换后，其幅频特性则反映被测聚合物内部深度信息；由于干涉信号的相位变化量与光学深度变化量成正比，因此通过运用相衬方法，对不同时刻的相位进行相位变化量计算，可以得到被测聚合物各表面的光学深度变化量。

因此，作为一种优选实施例，所述光学深度变化量按以下公式获取：

其中，δλj(t)表示光学深度变化量，λc表示所述光学设备的光源的中心波长，δφj(t)表示相位变化量，t0表示被测聚合物光固化的初始时刻，unwrap{}表示相位解卷绕，diff[]表示差分相位。

具体的，由于光源中心波长λc约为800nm，所以相位每变化2π则表示光学深度发生了400nm的变化，可实现对光学深度变化量δλj(t)的高灵敏度监测。

作为一种优选实施例，所述折射率变化量δn(t)，按以下公式获取：

其中，a为所述光学设备的光束在被测聚合物上表面经过的点，b为所述光学设备的光束在被测聚合物下表面经过的点，d表示a点与b点之间的距离；δλa(t)表示被测聚合物上表面的光学深度变化量，δλb(t)表示被测聚合物下表面的光学深度变化量；n0表示被测聚合物的初始折射率。

进一步的，所述收缩应变ε(t)，按以下公式获取：

具体的，在一种可选的实施例中，所述光学设备的深度分辨率为7.5μm，深度量程为3mm，测量速度为20帧/秒；具体的被测聚合物呈现液滴状；在本实施例首先能够根据采集到干涉光谱的频谱，获得被测聚合物的截面轮廓，如图2所示，从中即可获得a和b点所在位置；提取a和b点相位随光固化时间的变化曲线，可以进一步计算出光学深度变化量，如图3所示；最后计算得到固化过程中被测聚合物的收缩应变量和折射率变化量，如图4所示。

实施例2

一种聚合物光固化过程的监测系统，请参阅图5，包括：

干涉光谱信号获取模块1，用于通过预设的光学设备2对被测聚合物进行谱域光学相干层析成像，实时获取被测聚合物产生的干涉光谱信号；所述干涉光谱信号中包括相位以及光学深度的信息；

光学深度变化量获取模块3，用于通过提取所述干涉光谱信号中的相位以及光学深度，对固化过程引发的相位变化量进行计算；根据所述相位变化量计算出被测聚合物上表面以及下表面各自的光学深度变化量；

固化监测指标获取模块4，用于根据被测聚合物上表面以及下表面各自的光学深度变化量，计算出被测聚合物的折射率变化量和收缩应变。

作为一种可选实施例，请参阅图6，所述光学设备2包括宽带光源21、参考面22、ccd相机23，以及：

沿主光轴从所述宽带光源21输出端到被测对象依次设置的第一凸透镜24、柱面镜25、分光棱镜26、第二凸透镜27；

沿第一分光轴从所述分光棱镜26到所述参考面23依次设置的平面反射镜28、第三凸透镜29、中性滤光片210；

沿第二分光轴从所述分光棱镜26到所述ccd相机23依次设置的衍射光栅211、第四凸透镜213。

具体的，请参阅图6白色箭头的指向，在监测过程中，所述宽带光源21发出的光在经过第一凸透镜24、柱面镜25、第二凸透镜27的准直和聚焦作用下，首先将被测聚合物的一个截面照亮；其反射光与参考面22表面的反射光在分光棱镜26处相互叠加，形成干涉信号，被衍射光栅211、第四凸透镜213以及ccd相机23组成的光谱仪接收。第三凸透镜29用于将光聚焦于参考面22，平面反射镜28用于缩小光学设备体积，中性滤光片210用于削弱参考面光强。

作为一种优选实施例，所述光学设备2还包括沿第二分光轴设置于所述衍射光栅211与第四凸透镜213之间的滤光镜212。

具体的，滤光镜212用于滤除宽带光源21波段以外的光；由此，可以滤除包括固化光源发出的光以及外部环境光。

实施例3

一种储存介质，其上储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的聚合物光固化过程的监测方法的步骤。

实施例4

一种监测装置，包括光学设备、储存介质、处理器以及储存在所述储存介质中并可被所述处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时通过所述光学设备实现如前所述的聚合物光固化过程的监测方法的步骤。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。