CN101592537A - 光学玻璃应力测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种精度较高的应力测量装置，可以定量测定光学玻璃的应力大小、方向及分布。光学玻璃应力测量装置，包括共通光路干涉仪，还包括机架，所述机架包括一个框架和设置在框架上的扫面测试平台，所述共通光路干涉仪的激光接收单元和激光发射单元安装在所述机架上，并且激光接收单元和激光发射单元可同步前后移动和上下移动。本发明实现了光学玻璃应力大小和应力均匀性分布的定量测量，并且精度得到很大提高，分辨率达到0.01nm，可测光学玻璃尺寸大大放宽。本发明还可很好的测定光学玻璃的光弹性系数，与其他带有砝码施压的偏光应力仪测定装置相比，载荷压力和应力的测定精度都有明显的提高，光弹性系数的测定精度可达±0.03×10^－12/Pa。

Description

光学玻璃应力测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学玻璃应力测量装置及方法，特别是涉及一种精度较高的对光学玻璃应力和应力均匀性分布进行测量的装置及其方法。

背景技术

通常情况下，由于光学玻璃内部温度的不均匀使得原本各向同性的光学玻璃产生内部应力，显现出类似晶体的双折射现象，即将一束偏振光分解为两束振动方向相互垂直的o光和e光，且两者在该光学玻璃中的折射率也有所不同，出射后形成位相差(光程差)。这种双折射光程差的存在，显示了光学玻璃内部存在应力，应力过大则不利于光学玻璃制品的冷加工，并且这种双折射光程差在光学玻璃通光面上各处都存在差异，显示了光学玻璃内部应力分布的不均匀，使光学成像质量变差。因此光学玻璃的应力及其分布的测定就显得尤为重要。

目前光学玻璃的应力测定主要还是使用偏光应力仪，有些已经加入了四分之一波片，可以直接读出应力双折射的光程差数据，但其精度有限，尤其是对于应力较小或者通光厚度很小的光学玻璃，其测定误差更大。

目前在板玻璃和光学薄膜的测试领域出现了一种采用光外差法为原理的共通光路干涉仪，如图1所示，该共通光路干涉仪由稳定横向塞曼激光器1发出激光，经过半透半反镜2后分成两路，一路透射光依次经过同步旋转半波片3、光学玻璃样品4、第一偏光片5、第一激光探测器6获取信号后送入位相计7；另一路反射光经过第二偏光片10、第二激光探测器11获取信号后也送入位相计7，由位相计7通过A/D转化器8输入计算机9，来计算出前后两个信号的位相差，即为该波长激光经过光学玻璃样品4时产生的位相差，同时通过同步旋转半波片3和偏光片5也可找到相应快轴的方位角即应力方向。由于该干涉仪的光路分成了两路形成外差形式，周围环境中的震动和气流干扰对两个光路的影响是一致的，将两个信号做差值比较后即可消除外界环境因素的影响，其测量速度快、测量精度高。

光学玻璃的应力分布的测量目前多为定性测量，而且偏光应力仪只能定性测定较小尺寸的光学玻璃的应力分布情况；而对于大口径光学玻璃而言，凹面镜反射法虽然可以通过增大凹面镜口径的方法来定性测定大口径光学玻璃的应力分布情况，但是大口径的凹面反射镜将会导致整个测试光路变得非常长，要占用庞大的测试空间，而且随着测试空间的增大，环境的干扰也会变得越来越明显，并且以上两种方法都无法或者很难测定出大口径光学玻璃的应力方向及其分布。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种精度较高的应力测量装置，可以定量测定光学玻璃的应力大小、方向及分布。

本发明还要提供一种上述装置的测量方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：光学玻璃应力测量装置，包括共通光路干涉仪，还包括机架，所述机架包括一个框架和设置在框架上的扫面测试平台，所述共通光路干涉仪的激光接收单元和激光发射单元安装在所述机架上，并且激光接收单元和激光发射单元可同步前后移动和上下移动。

进一步的，所述共通光路干涉仪中的稳定横向塞曼激光器、半透半反镜、同步旋转半波片、第二偏光片、第二激光探测器放置在激光发射单元中；第一偏光片、第一激光探测器放置在激光接收单元中。

进一步的，所述框架由两个横向传动丝杆和四个立柱组成，两个横向传动丝杆相互平行，并与四个立柱保持垂直，所述四个立柱是可以在垂直方向上下滑动的滑杆，所述激光发射单元和激光接收单元分别安装在两个横向传动丝杆和四个立柱上。

进一步的，在所述立柱上安装有光弹性系数测量装置。

进一步的，所述光弹性系数装置包括框架、U型夹具和压力传感器，所述压力传感器设置在U型夹具的正上方，所述压力传感器和U型夹具分别通过连接件安装在所述框架上。

进一步的，在所述框架内设置有可上下移动的丝杆，可分别带动压力传感器和U型夹具相向的上下移动。

光学玻璃应力测量装置的测量方法，包括以下步骤：

1)将光学玻璃应力样品放置在扫描测试平台上，在计算机上设置好自动扫描程序或手动扫描程序，通过两个横向传动丝杆的前后移动和四个立柱的上下滑动，带动激光发射单元和激光接收单元的前后及上下移动，对光学玻璃应力样品进行逐点扫描；

2)位相计接收到两路信号后通过A/D转化器将光信号转换为电信号后输入计算机中，计算机进行一系列的相应运算处理，计算并显示出各扫描点位的应力双折射光程差大小和方向，定量地获得光学玻璃应力样品通光截面上的应力的大小和方向分布情况。

进一步的，上述步骤2后还有步骤3)将光弹性系数样品放入光弹性系数装置的U型夹具中，通过电机旋转丝杆，使U型夹具和上面的压力传感器同时从上下两个方向相向移动，这两部分的相向运动将会对光弹性系数样品的上下两点产生压力，该压力值由压力传感器读出并传送给计算机，然后再按照前述的步骤1和步骤2的方法测定不同载荷下光弹性系数样品中心点的应力大小的数值，形成很多个载荷压力光程差的数据对，即可按照光弹性系数测定公式进行数据拟合并最终获得光弹性系数样品的光弹性系数。

进一步的，所述光弹性系数样品的加工精度为：圆柱体样品侧表面精磨、锥度不大于1/100、不圆度不大于5/100、圆柱体样品通光面平行度不大于1/100。

进一步的，所述光弹性系数样品的加工精度为：厚度：15±0.1mm、直径：20±0.1mm。

本发明的有益效果是：本发明实现了光学玻璃应力大小和应力均匀性分布的定量测量，并且精度得到很大提高，分辨率达到0.01nm，同时在测试速度上有了明显提高，可测光学玻璃尺寸大大放宽，尤其针对大尺寸光学玻璃移动困难的特点，大大降低操作难度，提高了测试效率。本发明还可很好的测定光学玻璃的光弹性系数，与其他带有砝码施压的偏光应力仪测定装置相比，载荷压力和应力的测定精度都有明显的提高，光弹性系数的测定精度可达±0.03×10^-12/Pa。

附图说明

图1是共通光路干涉仪的示意图。

图2是本发明装置的主视图。

图3是图2的侧视图。

图4是光弹性系数装置的示意图。

具体实施方式

将待测光学玻璃制成两种测试样品，一种是测量玻璃应力的光学玻璃应力样品18，形状可为长方体形，如图2所示，另一种是测量玻璃光弹性系数的光弹性系数样品22，形状为圆柱体，如图4所示。

如图2和图3所示，本发明的装置由共通光路干涉仪和机架组成，其中，共通光路干涉仪中的稳定横向塞曼激光器1、半透半反镜2、同步旋转半波片3、第二偏光片10、第二激光探测器11放置在激光发射单元12中；第一偏光片5、第一激光探测器6放置在激光接收单元13中，位相计7、A/D转化器8和计算机9外置于任意位置；机架包括一个四方体框架14和设置在四方体框架14上的扫面测试平台16；四方体框架14由两个横向传动丝杆15和四个立柱组成；左右两边的两个横向传动丝杆15相互平行，并与机架的四个立柱保持垂直，激光发射单元12和激光接收单元13分别安装在两个横向传动丝杆15和四个立柱上，使得激光发射单元12中的稳定横向塞曼激光器1发射的光源与激光接收单元13中的第一激光探测器6准直并同步前后移动；四个立柱是可以在垂直方向上下滑动的滑杆，使得激光发射单元12中的稳定横向塞曼激光器1发射的光源与激光接收单元13中的第一激光探测器6同步上下移动；扫描测试平台16与四个立柱垂直，其大小可根据光学玻璃应力样品18的尺寸大小来制作。

为了测定光学玻璃的光弹性系数，本发明将光弹性系数装置17安装在四个立柱的任意一个立柱上，如图3所示，光弹性系数装置17包括U型夹具19，加工成合适形状后的光弹性系数样品22安装在U型夹具19中，压力传感器20设置在U型夹具19的正上方，压力传感器20和U型夹具19分别通过连接件安装在光弹性系数装置17的框架21上，在框架21内设置有由电机带动的可上下移动的丝杆，可分别带动压力传感器20和U型夹具19相向的上下移动。测量时，通过电机旋转丝杆，使U型夹具19和压力传感器20同时从上下两个方向缓慢地相向移动，对安装在U型夹具19中的光弹性系数样品22的上下两点产生压力，同时从光弹性系数样品22中心点测出相应的应力双折射光程差，即可根据圆盘压缩法的公式计算出该样品的光弹性系数。

测定光弹性系数的样品的加工精度最好保证：圆柱体样品侧表面精磨、锥度不大于1/100、不圆度不大于5/100、圆柱体样品通光面平行度不大于1/100、厚度t为15±0.1mm、直径Φ20±0.1mm。

本发明的应力测量方法包括以下步骤：

1)将光学玻璃应力样品18放置在扫描测试平台16上，在计算机9上设置好自动扫描程序或手动扫描程序，通过两个横向传动丝杆15的前后移动和四个立柱的上下滑动，带动激光发射单元12和激光接收单元13的前后及上下同步移动，对光学玻璃样品进行逐点扫描；

2)位相计7接收到两路信号后通过A/D转化器8将光信号转换为电信号后输入计算机9中，计算机9进行一系列的相应运算处理，计算并显示出各扫描点位的应力双折射光程差大小和方向，定量地获得光学玻璃应力样品18通光截面上的应力的大小和方向分布情况；

3)将光弹性系数样品22放入光弹性系数装置17的U型夹具19中，通过电机旋转丝杆，使U型夹具19和上面的压力传感器20同时从上下两个方向缓慢地相向移动，这两部分的相向运动将会逐渐地对样品的上下两点产生压力，而该压力值即可由压力传感器20读出并传送给计算机9。然后再按照前述的步骤1和步骤2的方法测定不同载荷下光弹性系数样品22中心点的应力大小的数值，形成很多个载荷压力光程差的数据对，采集到一定数目的数据对之后，即可按照光弹性系数测定公式进行数据拟合并最终获得光弹性系数样品22的光弹性系数。

Claims (10)

1.光学玻璃应力测量装置，包括共通光路干涉仪，其特征在于，还包括机架，所述机架包括一个框架(14)和设置在框架(14)上的扫面测试平台(16)，所述共通光路干涉仪的激光接收单元(13)和激光发射单元(12)安装在所述机架上，并且激光接收单元(13)和激光发射单元(12)可同步前后移动和上下移动。

2.如权利要求1所述的光学玻璃应力测量装置，其特征在于，所述共通光路干涉仪中的稳定横向塞曼激光器(1)、半透半反镜(2)、同步旋转半波片(3)、第二偏光片(10)、第二激光探测器(11)放置在激光发射单元(12)中；第一偏光片(5)、第一激光探测器(6)放置在激光接收单元(13)中。

3.如权利要求1或2所述的光学玻璃应力测量装置，其特征在于，所述框架(14)由两个横向传动丝杆(15)和四个立柱组成，两个横向传动丝杆(15)相互平行，并与四个立柱保持垂直，所述四个立柱是可以在垂直方向上下滑动的滑杆，所述激光发射单元(12)和激光接收单元(13)分别安装在两个横向传动丝杆(15)和四个立柱上。

4.如权利要求3所述的光学玻璃应力测量装置，其特征在于，在所述立柱上安装有光弹性系数测量装置(17)。

5.如权利要求4所述的光学玻璃应力测量装置，其特征在于，所述光弹性系数装置(17)包括框架(21)、U型夹具(19)和压力传感器(20)，所述压力传感器(20)设置在U型夹具(19)的正上方，所述压力传感器(20)和U型夹具(19)分别通过连接件安装在所述框架(21)上。

6.如权利要求5所述的光学玻璃应力测量装置，其特征在于，在所述框架(21)内设置有可上下移动的丝杆，可分别带动压力传感器(20)和U型夹具(19)相向的上下移动。

7.光学玻璃应力测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将光学玻璃应力样品(18)放置在扫描测试平台(16)上，在计算机(9)上设置好自动扫描程序或手动扫描程序，通过两个横向传动丝杆(15)的前后移动和四个立柱的上下滑动，带动激光发射单元(12)和激光接收单元(13)的前后及上下移动，对光学玻璃应力样品(18)进行逐点扫描；

2)位相计(7)接收到两路信号后通过A/D转化器(8)将光信号转换为电信号后输入计算机(9)中，计算机(9)进行一系列的相应运算处理，计算并显示出各扫描点位的应力双折射光程差大小和方向，定量地获得光学玻璃应力样品(18)通光截面上的应力的大小和方向分布情况。

8.光学玻璃应力测量装置的测量方法，其特征在于，上述步骤2后还有步骤3)将光弹性系数样品(22)放入光弹性系数装置(17)的U型夹具(19)中，通过电机旋转丝杆，使U型夹具(19)和上面的压力传感器(20)同时从上下两个方向相向移动，这两部分的相向运动将会对光弹性系数样品(22)的上下两点产生压力，该压力值由压力传感器(20)读出并传送给计算机(9)，然后再按照前述的步骤1和步骤2的方法测定不同载荷下光弹性系数样品(22)中心点的应力大小的数值，形成很多个载荷压力光程差的数据对，即可按照光弹性系数测定公式进行数据拟合并最终获得光弹性系数样品(22)的光弹性系数。

9.如权利要求8所述的光学玻璃应力测量装置的测量方法，其特征在于，所述光弹性系数样品(22)的加工精度为：圆柱体样品侧表面精磨、锥度不大于1/100、不圆度不大于5/100、圆柱体样品通光面平行度不大于1/100。

10.如权利要求9所述的光学玻璃应力测量装置的测量方法，其特征在于，所述光弹性系数样品(22)的加工精度为：厚度：15±0.1mm、直径：20±0.1mm。

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