CN105241593A - 曲面玻璃表面应力仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于应力检测领域，具体讲是一种曲面玻璃表面应力仪，包括光源、光折射元件、成像单元，光折射元件位于光源的光发射方向，供放置待测玻璃，光源发出的光经光折射元件折射后进入成像单元成像，其特征在于，所述的光折射元件是一面为曲面的三角棱镜，所述的成像单元包括透镜组和图像传感器，透镜组的前端位于三角棱镜的光折射方向，后端设有图像传感器。由于本发明应力仪的光折射元件是一面为曲面的三角棱镜，测试曲面玻璃表面应力时，三角棱镜的曲面可以与待测玻璃相贴合，光源发出的单色光经三角折射棱镜与待测曲面玻璃的接触面发生全反射，因而，本发明应力仪可以测量曲面玻璃的表面应力，且测量精度高，具有广阔的市场前景。

Description

曲面玻璃表面应力仪

技术领域

本发明涉及应力检测装置，尤其涉及一种曲面玻璃表面应力仪。

背景技术

随着现代科技的迅猛发展，尤其是手机屏幕的日新月异，具有更符合人体工程学及消费者***面上，通常有弧形、J形、V形、双面弯曲形、S形、双折版等。曲面玻璃的制造工艺比平面玻璃要复杂的多，首先玻璃板要在加热段中进行加热，即将玻璃板加热到其玻璃态转化温度或高于其玻璃态转化温度，加热后的高温玻璃由加热炉送至设有内凹成型面的成型段，玻璃板依靠自身重力下垂弯曲至内凹成型面，从而弯制成不等弧的曲面玻璃，最后将弯曲成型后的高温玻璃板输送至钢化段进行冷却钢化。虽然经过钢化处理的曲面玻璃由于产生应力从而提高了其承载力，但是这种应力通常是极不均匀的，严重时会降低曲面玻璃制品的机械强度和热稳定性，影响玻璃制品的安全使用，严重时甚至会发生自爆现象。对于光学玻璃，较大应力的存在也严重影响了透光性及成像质量。因而，为保证曲面玻璃制品的使用性能，曲面玻璃的应力要控制在规定范围内，这就要求对曲面玻璃的应力进行测试。

市场上常见的钢化玻璃表面应力仪包括光源、折射棱镜、目镜、工业相机，折射棱镜为平面棱镜且位于光源的光线出射方向，目镜的一端位于双折射棱镜的光折射方向，另一端连接工业相机，利用这种应力仪进行测试时，将待测玻璃放置在折射棱镜表面，光源发出的光经折射棱镜折射后进入工业相机成像。但是，使用现有应力仪去测试曲面玻璃表面应力时，由于折射棱镜为平面棱镜，曲面玻璃放置其表面时，不能与折射棱镜完全贴合，光源发出的入射光难以在不能贴合的部分发生全反射，导致这种应力仪无法测出曲面玻璃表面的应力。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种可以测量曲面玻璃表面应力，且测量精度高的曲面玻璃表面应力仪。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种曲面玻璃表面应力仪，包括光源、光折射元件、成像单元，光折射元件位于光源的光发射方向，供放置待测玻璃，光源发出的光经光折射元件折射后进入成像单元成像，其特征在于，所述的光折射元件是一面为曲面的三角棱镜，所述的成像单元包括透镜组和图像传感器，透镜组的前端位于三角棱镜的光折射方向，后端设有图像传感器。

优选地，本发明所述的三角棱镜为等腰三角棱镜，等腰三角棱镜的底面为曲面，且光源发出的主光线垂直于等腰三角棱镜的腰。

本发明所述的等腰三角棱镜的曲面为凹面的时候，所述的透镜组为显微物镜，且显微物镜的工作距离大于等腰三角棱镜底边长的一半。

本发明所述的三角棱镜曲面的曲率与待测曲面玻璃的曲率相同。

本发明所述的光源是波长为500-900nm范围的单色光源。

本发明所述的光源与三角棱镜之间设置有会聚透镜，光源发出的光经会聚透镜会聚后入射到三角棱镜，光源、会聚透镜与三角棱镜之间的距离满足高斯光学公式。

本发明所述的光源与图像传感器之间的光路上设置有带通滤波片，带通滤波片的半高宽≤3nm。

本发明所述的光源与图像传感器之间的光路上还设有衰减片，可以根据需要对光线强弱进行调节。

本发明所述的图像传感器可以为CCD或CMOS中的一种，CCD或CMOS前端设有偏振方向互相垂直的双偏振片；图像传感器也可以是基于CCD或CMOS的双偏振工业相机。

作为本发明的另一种改进，所述图像传感器连接有数据处理单元。

本发明的有益效果是，由于本发明应力仪的光折射元件是一面为曲面的三角棱镜，测试曲面玻璃表面应力时，三角棱镜的曲面可以与待测玻璃相贴合，光源发出的单色光经三角折射棱镜与待测曲面玻璃的接触面发生全反射，从而在全反射后的光中包含了被测玻璃的双折射信息，再进入成像单元进行成像，即可测得被测玻璃表面应力信息。作为优选方案，本发明所述的三角棱镜为等腰三角棱镜，等腰三角棱镜的底面为曲面，且光源发出的主光线垂直于等腰三角棱镜的腰，由于折射棱镜为等腰三角棱镜，因而垂直于等腰三角棱镜腰的主光线将会以垂直于等腰三角棱镜的另一腰的方式射出，由于主光线垂直地射入射出，因而大大减小了光的损耗，提高了测量精度。成像单元中的透镜组通过选用显微物镜，便于操作使用，同时，显微物镜的工作距离大于等腰三角棱镜底边长的一半，使显微物镜后端的图像传感器能够接收到清晰的干涉条纹图像，成像质量得以大幅提升。由于本发明所述的三角棱镜曲面的曲率与待测曲面玻璃的曲率相同，因而利用本发明应力仪测试曲面玻璃表面应力时，待测曲面玻璃可与三角折射棱镜完全贴合，光源发出的光可以在待测玻璃的任意位置发生全反射，更进一步提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明应力仪的一种结构示意图，也是一种实施例示意图；

图2为本发明另一种结构示意图，也是一种优选实施例示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

实施例一

图1示出了本发明应力仪的一种实施例结构示意图。本发明所述的曲面玻璃表面应力仪，包括光源10、光折射元件、成像单元，光折射元件位于光源10的光发射方向，供放置待测玻璃，光源发出的光经光折射元件折射后进入成像单元成像。由图1可以看出，本实施例中的光折射元件是底面为曲面的三角棱镜20，所述的成像单元包括透镜组30和图像传感器40，透镜组30的前端位于三角棱镜20的光折射方向，后端设有图像传感器40。为了便于图像传感器40接收清晰图像，三角棱镜、透镜组与图像传感器之间的距离满足高斯光学公式，即：其中，d₂为透镜组与图像传感器之间的距离，d₁为三角棱镜与透镜组之间的距离，f为透镜组的焦距。

经钢化处理的玻璃在其表面会产生应力层，入射到玻璃表面的全反射光在应力层的作用下产生双折射，形成两束偏振方向互相垂直且传播方向不同的光束，该两束光束通过成像单元被转换成便于识别的亮条纹或暗条纹，通过计算干涉条纹信息从而获得相应玻璃表面应力值。因而，在利用上述原理测试玻璃表面应力信息时，必须要使光源发出的光经待测玻璃与折射棱镜的接触面发生全反射。但是，利用现有应力仪去测曲面玻璃应力时，由于折射棱镜的表面为平面，曲面玻璃无法与其完全贴合，因而光源发出的光就无法在待测玻璃与折射棱镜不能贴合的部位发生全反射，也就无法测出该部位的应力信息。对此，本发明应力仪的光折射元件采用一面为曲面的三角棱镜，三角棱镜的曲面供放置待测曲面玻璃，由于三角棱镜的一面为曲面，可以较好地与待测曲面玻璃相贴合，因而光源发出的光能够在待测玻璃与三角棱镜的接触面发生全反射。同时，本发明应力仪在成像单元设置了透镜组，可以根据实际需要对全反射后的光进行不同范围的会聚或发散，以便设置在透镜组后端的图像传感器接收清晰干涉图像。

实施例二

图2示出了本发明的一种优选实施例，如图2所示的应力仪，包括光源10、三角棱镜20、透镜组和图像传感器，三角棱镜20位于光源10的光发射方向，供放置待测玻璃。作为优选实施方式，本实施例中的三角棱镜20为等腰三角棱镜，等腰三角棱镜的底面为曲面，且光源发出的主光线垂直于等腰三角棱镜的腰，由于折射棱镜为等腰三角棱镜，因而垂直于等腰三角棱镜腰的主光线将会以垂直于等腰三角棱镜另一腰的方式射出，由于主光线垂直地射入射出，因而大大减小了光的损耗，提高了测量精度。另外，由于本发明应力仪是通过光源发出的光在折射棱镜与待测玻璃的接触面发生全反射，从而测得待测玻璃的应力信息，因而，作为优选的实施方式，本实施中等腰三角棱镜底面的曲率与待测曲面玻璃的曲率相同，待测曲面玻璃与等腰三角折射棱镜可以完全贴合，光源发出的光可以在待测玻璃的任意位置发生全反射，进一步提高了测量精度。

由于曲面玻璃上下表面待测应力位置的不同，等腰三角棱镜的曲面可以为凹面，也可以为凸面。本实施例中等腰三角棱镜20的曲面为凹面，因而光源10发出的光经等腰三角棱镜与待测曲面玻璃的接触面全反射之后会产生较大幅度的发散，对此，本实施例在等腰三角棱镜的光折射方向设置了显微物镜31，由图2可以看出，显微物镜31的前端位于等腰三角棱镜20的光折射方向，后端设有图像传感器。显微物镜31便于操作使用，同时可以对发散的光进行较大幅度的会聚，以便设置在显微物镜后端的图像传感器接收。

由于待测玻璃弯曲程度的不同，光源发出的光经接触面全反射之后会具有不同程度的发散，同时玻璃加工工艺的不同也会导致表面应力的疏密程度不同，因而在测试曲面玻璃应力之前，要根据待测玻璃的曲率及加工工艺的不同，选择放大率不同的显微物镜。在本实施例中，待测曲面玻璃的曲率半径为36mm，显微物镜的放大倍数为2倍-8倍，优选4倍。显微物镜的工作距离大于等腰三角棱镜底边长的一半，使显微物镜后端的图像传感器能够接收到清晰的干涉条纹图像，成像质量得以大幅提升。当然，本发明所述的三角棱镜的曲面也可以为凸面，当曲面为凸面时，由于光源发射出的光经凸面与待测玻璃的接触面全反射之后会发生一定的会聚，因而此时就不需要透镜组较大倍数的会聚即可清晰成像在图像传感器上。当凸面曲率较大时，由于对全反射之后的光进行了较大程度的会聚，此时通过透镜组可以对会聚光束进行适当程度的发散，以使图像传感器能够清晰接收干涉图像。

本实施例中的光源10是能发射出具有中心波长的单色光的光源，可以排除其它波长光的影响，以便得到清晰的干涉条纹图像。本实施例中优选中心波长为500-900nm范围的单色光源。由于光源发出的光为发散光，为了使光源发射的光更好地入射到三角棱镜20，本实施例中在光源与三角棱镜之间设置有会聚透镜11，光源发出的光经会聚透镜11会聚后入射到三角棱镜，光源、会聚透镜与三角棱镜之间的距离满足高斯光学公式，即：其中，d₄为会聚透镜与三角棱镜之间的距离，f₀为会聚透镜的焦距，d₃为光源与会聚透镜之间的距离。

本发明所述的光源也可以不是单色光源，对此，可以在光源与图像传感器之间的光路上设置带通滤波片对光源发射出的光进行滤波使之成为单色光。当然，即使光源是单色光源，也可以在光源与图像传感器之间的光路上设置带通滤波片，对光源发射的光进一步提纯，使之成为半高宽更窄的单色光。本实施例中，光源与会聚透镜之间的光路上设置有带通滤波片12，带通滤波片12的半高宽≤3nm。本实施例光源与图像传感器之间的光路上还设有衰减片13，使用者可以根据实际情况对光线强弱进行调节。

本发明所述的图像传感器可以为CCD或CMOS中的一种，CCD或CMOS前端设有偏振方向互相垂直的双偏振片；图像传感器也可以是基于CCD或CMOS的双偏振工业相机。在本实施例中，图像传感器为基于CCD的工业相机41，工业相机前端设置有双偏振片42，双偏振片42可以由两片偏振方向互相垂直的偏振片拼接而成，用于将从三角棱镜与待测玻璃接触面全反射后的光显著地识别为亮、暗条纹。双偏振片后端的图像传感器用于光电转换，将接收到的亮、暗条纹的光学信息转化为数字信号。

较佳地，本实施例所述的图像传感器还可以根据需要连接数据处理单元50，数据处理单元50根据图像传感器的输入信号实现对待测玻璃表面应力的实时采集和分析，完成曲面玻璃表面应力的精确检测。该数据处理单元50可以是具有数据处理软件的通用计算机，或者是专用数据处理器。

使用本发明应力仪测试曲面玻璃表面应力时，首先测定待测玻璃的曲率，根据测得的玻璃曲率选择合适的三角棱镜，三角棱镜曲面的曲率与待测玻璃的曲率越接近，本发明应力仪的测量结果也就越精确。将待测玻璃放置三角棱镜处，使二者贴合，接触面可以滴少量折射液以便待测玻璃与三角棱镜更好地接触，从而提高测量精度。调整光源，最好使光源以主光线垂直于三角棱镜入射边的角度设置，光源发出的光在待测玻璃与三角棱镜的接触面发生全反射之后进入成像单元，成像单元中的透镜组对全反射后的光进行适当的调整后入射到偏振方向互相垂直的双偏振片，经过双偏振片后的光束被显著识别为亮、暗条纹，双偏振片后端的图像传感器将接收到的亮、暗条纹进行光电转换后，将得到的电信号输入到数据处理单元完成最终表面应力的精确检测。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (10)

1.一种曲面玻璃表面应力仪，包括光源、光折射元件、成像单元，光折射元件位于光源的光发射方向，供放置待测玻璃，光源发出的光经光折射元件折射后进入成像单元成像，其特征在于，所述的光折射元件是一面为曲面的三角棱镜，所述的成像单元包括透镜组和图像传感器，透镜组的前端位于三角棱镜的光折射方向，后端设有图像传感器。

2.根据权利要求1所述的曲面玻璃表面应力仪，其特征在于，所述的三角棱镜为等腰三角棱镜，等腰三角棱镜的底面为曲面，且光源发出的主光线垂直于等腰三角棱镜的腰。

3.根据权利要求2所述的曲面玻璃表面应力仪，其特征在于，所述的等腰三角棱镜的曲面为凹面的时候，所述的透镜组为显微物镜，且显微物镜的工作距离大于等腰三角棱镜底边长的一半。

4.根据权利要求1或2或3所述的曲面玻璃表面应力仪，其特征在于，所述的三角棱镜曲面的曲率与待测曲面玻璃的曲率相同。

5.根据权利要求1或2或3所述的曲面玻璃表面应力仪，其特征在于，所述的光源是波长为500-900nm范围的单色光源。

6.根据权利要求1或2或3所述的曲面玻璃表面应力仪，其特征在于，所述的光源与三角棱镜之间设置有会聚透镜，光源发出的光经会聚透镜会聚后入射到三角棱镜，光源、会聚透镜与三角棱镜之间的距离满足高斯光学公式。

7.根据权利要求1或2或3所述的曲面玻璃表面应力仪，其特征在于，所述的光源与图像传感器之间的光路上设置有带通滤波片，带通滤波片的半高宽≤3nm。

8.根据权利要求1或2或3所述的曲面玻璃表面应力仪，其特征在于，所述的光源与图像传感器之间的光路上还设有衰减片，可以根据需要对光线强弱进行调节。

9.根据权利要求1或2或3所述的曲面玻璃表面应力仪，其特征在于，所述的图像传感器可以为CCD或CMOS中的一种，CCD或CMOS前端设有偏振方向互相垂直的双偏振片；图像传感器也可以是基于CCD或CMOS的双偏振工业相机。

10.根据权利要求9所述的曲面玻璃表面应力仪，其特征在于，所述图像传感器连接有数据处理单元。