專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置及方法，特別是涉及一種精度較高的對(duì)光學(xué)玻璃 應(yīng)力和應(yīng)力均勻性分布進(jìn)行測(cè)量的裝置及其方法。
背景技術(shù)：
通常情況下，由于光學(xué)玻璃內(nèi)部溫度的不均勻使得原本各向同性的光學(xué)玻璃產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng) 力，顯現(xiàn)出類(lèi)似晶體的雙折射現(xiàn)象，即將一束偏振光分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的o光和e 光，且兩者在該光學(xué)玻璃中的折射率也有所不同，出射后形成位相差(光程差)。這種雙折 射光程差的存在，顯示了光學(xué)玻璃內(nèi)部存在應(yīng)力，應(yīng)力過(guò)大則不利于光學(xué)玻璃制品的冷加工 ，并且這種雙折射光程差在光學(xué)玻璃通光面上各處都存在差異，顯示了光學(xué)玻璃內(nèi)部應(yīng)力分 布的不均勻，使光學(xué)成像質(zhì)量變差。因此光學(xué)玻璃的應(yīng)力及其分布的測(cè)定就顯得尤為重要。
目前光學(xué)玻璃的應(yīng)力測(cè)定主要還是使用偏光應(yīng)力儀，有些已經(jīng)加入了四分之一波片，可 以直接讀出應(yīng)力雙折射的光程差數(shù)據(jù)，但其精度有限，尤其是對(duì)于應(yīng)力較小或者通光厚度很 小的光學(xué)玻璃，其測(cè)定誤差更大。
目前在板玻璃和光學(xué)薄膜的測(cè)試領(lǐng)域出現(xiàn)了一種采用光外差法為原理的共通光路干涉儀 ，如圖1所示，該共通光路干涉儀由穩(wěn)定橫向塞曼激光器l發(fā)出激光，經(jīng)過(guò)半透半反鏡2后分 成兩路， 一路透射光依次經(jīng)過(guò)同步旋轉(zhuǎn)半波片3、光學(xué)玻璃樣品4、第一偏光片5、第一激光 探測(cè)器6獲取信號(hào)后送入位相計(jì)7;另一路反射光經(jīng)過(guò)第二偏光片IO、第二激光探測(cè)器ll獲取 信號(hào)后也送入位相計(jì)7，由位相計(jì)7通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化器8輸入計(jì)算機(jī)9，來(lái)計(jì)算出前后兩個(gè)信號(hào)的 位相差，即為該波長(zhǎng)激光經(jīng)過(guò)光學(xué)玻璃樣品4時(shí)產(chǎn)生的位相差，同時(shí)通過(guò)同步旋轉(zhuǎn)半波片3和 偏光片5也可找到相應(yīng)快軸的方位角即應(yīng)力方向。由于該干涉儀的光路分成了兩路形成外差 形式，周?chē)h(huán)境中的震動(dòng)和氣流干擾對(duì)兩個(gè)光路的影響是一致的，將兩個(gè)信號(hào)做差值比較后 即可消除外界環(huán)境因素的影響，其測(cè)量速度快、測(cè)量精度高。
光學(xué)玻璃的應(yīng)力分布的測(cè)量目前多為定性測(cè)量，而且偏光應(yīng)力儀只能定性測(cè)定較小尺寸 的光學(xué)玻璃的應(yīng)力分布情況；而對(duì)于大口徑光學(xué)玻璃而言，凹面鏡反射法雖然可以通過(guò)增大 凹面鏡口徑的方法來(lái)定性測(cè)定大口徑光學(xué)玻璃的應(yīng)力分布情況，但是大口徑的凹面反射鏡將 會(huì)導(dǎo)致整個(gè)測(cè)試光路變得非常長(zhǎng)，要占用龐大的測(cè)試空間，而且隨著測(cè)試空間的增大，環(huán)境 的干擾也會(huì)變得越來(lái)越明顯，并且以上兩種方法都無(wú)法或者很難測(cè)定出大口徑光學(xué)玻璃的應(yīng)力方向及其分布。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種精度較高的應(yīng)力測(cè)量裝置，可以定量測(cè)定光學(xué)玻 璃的應(yīng)力大小、方向及分布。
本發(fā)明還要提供一種上述裝置的測(cè)量方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置，包括共通光路干涉 儀，還包括機(jī)架，所述機(jī)架包括一個(gè)框架和設(shè)置在框架上的掃面測(cè)試平臺(tái)，所述共通光路干 涉儀的激光接收單元和激光發(fā)射單元安裝在所述機(jī)架上，并且激光接收單元和激光發(fā)射單元 可同步前后移動(dòng)和上下移動(dòng)。
進(jìn)一步的，所述共通光路干涉儀中的穩(wěn)定橫向塞曼激光器、半透半反鏡、同步旋轉(zhuǎn)半波 片、第二偏光片、第二激光探測(cè)器放置在激光發(fā)射單元中；第一偏光片、第一激光探測(cè)器放
置在激光接收單元中。
進(jìn)一步的，所述框架由兩個(gè)橫向傳動(dòng)絲桿和四個(gè)立柱組成，兩個(gè)橫向傳動(dòng)絲桿相互平行 ，并與四個(gè)立柱保持垂直，所述四個(gè)立柱是可以在垂直方向上下滑動(dòng)的滑桿，所述激光發(fā)射 單元和激光接收單元分別安裝在兩個(gè)橫向傳動(dòng)絲桿和四個(gè)立柱上。
進(jìn)一步的，在所述立柱上安裝有光彈性系數(shù)測(cè)量裝置。
進(jìn)一步的，所述光彈性系數(shù)裝置包括框架、U型夾具和壓力傳感器，所述壓力傳感器設(shè) 置在U型夾具的正上方，所述壓力傳感器和U型夾具分別通過(guò)連接件安裝在所述框架上。
進(jìn)一步的，在所述框架內(nèi)設(shè)置有可上下移動(dòng)的絲桿，可分別帶動(dòng)壓力傳感器和U型夾具 相向的上下移動(dòng)。
光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟
1) 將光學(xué)玻璃應(yīng)力樣品放置在掃描測(cè)試平臺(tái)上，在計(jì)算機(jī)上設(shè)置好自動(dòng)掃描程序或手 動(dòng)掃描程序，通過(guò)兩個(gè)橫向傳動(dòng)絲桿的前后移動(dòng)和四個(gè)立柱的上下滑動(dòng)，帶動(dòng)激光發(fā)射單元
和激光接收單元的前后及上下移動(dòng)，對(duì)光學(xué)玻璃應(yīng)力樣品進(jìn)行逐點(diǎn)掃描；
2) 位相計(jì)接收到兩路信號(hào)后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)中，計(jì) 算機(jī)進(jìn)行一系列的相應(yīng)運(yùn)算處理，計(jì)算并顯示出各掃描點(diǎn)位的應(yīng)力雙折射光程差大小和方向 ，定量地獲得光學(xué)玻璃應(yīng)力樣品通光截面上的應(yīng)力的大小和方向分布情況。
進(jìn)一步的，上述步驟2后還有步驟3)將光彈性系數(shù)樣品放入光彈性系數(shù)裝置的U型夾具 中，通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)絲桿，使U型夾具和上面的壓力傳感器同時(shí)從上下兩個(gè)方向相向移動(dòng)，這 兩部分的相向運(yùn)動(dòng)將會(huì)對(duì)光彈性系數(shù)樣品的上下兩點(diǎn)產(chǎn)生壓力，該壓力值由壓力傳感器讀出并傳送給計(jì)算機(jī)，然后再按照前述的步驟1和步驟2的方法測(cè)定不同載荷下光彈性系數(shù)樣品中 心點(diǎn)的應(yīng)力大小的數(shù)值，形成很多個(gè)載荷壓力-光程差的數(shù)據(jù)對(duì)，即可按照光彈性系數(shù)測(cè)定 公式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合并最終獲得光彈性系數(shù)樣品的光彈性系數(shù)。
進(jìn)一步的，所述光彈性系數(shù)樣品的加工精度為圓柱體樣品側(cè)表面精磨、錐度不大于 1/100、不圓度不大于5/100、圓柱體樣品通光面平行度不大于1/100。
進(jìn)一步的，所述光彈性系數(shù)樣品的加工精度為厚度15±0. lmm、直徑20±0. lmm。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了光學(xué)玻璃應(yīng)力大小和應(yīng)力均勻性分布的定量測(cè)量，
并且精度得到很大提高，分辨率達(dá)到0.01nm，同時(shí)在測(cè)試速度上有了明顯提高，可測(cè)光學(xué)玻 璃尺寸大大放寬，尤其針對(duì)大尺寸光學(xué)玻璃移動(dòng)困難的特點(diǎn)，大大降低操作難度，提高了測(cè) 試效率。本發(fā)明還可很好的測(cè)定光學(xué)玻璃的光彈性系數(shù)，與其他帶有砝碼施壓的偏光應(yīng)力儀 測(cè)定裝置相比，載荷壓力和應(yīng)力的測(cè)定精度都有明顯的提高，光彈性系數(shù)的測(cè)定精度可達(dá)士 0. 03X10—12/Pa。


圖1是共通光路干涉儀的示意圖。
圖2是本發(fā)明裝置的主視圖。
圖3是圖2的側(cè)視圖。
圖4是光彈性系數(shù)裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
將待測(cè)光學(xué)玻璃制成兩種測(cè)試樣品， 一種是測(cè)量玻璃應(yīng)力的光學(xué)玻璃應(yīng)力樣品18，形狀 可為長(zhǎng)方體形，如圖2所示，另一種是測(cè)量玻璃光彈性系數(shù)的光彈性系數(shù)樣品22，形狀為圓 柱體，如圖4所示。
如圖2和圖3所示，本發(fā)明的裝置由共通光路干涉儀和機(jī)架組成，其中，共通光路干涉儀 中的穩(wěn)定橫向塞曼激光器l、半透半反鏡2、同步旋轉(zhuǎn)半波片3、第二偏光片IO、第二激光探 測(cè)器11放置在激光發(fā)射單元12中；第一偏光片5、第一激光探測(cè)器6放置在激光接收單元13中 ，位相計(jì)7、 A/D轉(zhuǎn)化器8和計(jì)算機(jī)9外置于任意位置；機(jī)架包括一個(gè)四方體框架14和設(shè)置在四 方體框架14上的掃面測(cè)試平臺(tái)16;四方體框架14由兩個(gè)橫向傳動(dòng)絲桿15和四個(gè)立柱組成；左 右兩邊的兩個(gè)橫向傳動(dòng)絲桿15相互平行，并與機(jī)架的四個(gè)立柱保持垂直，激光發(fā)射單元12和 激光接收單元13分別安裝在兩個(gè)橫向傳動(dòng)絲桿15和四個(gè)立柱上，使得激光發(fā)射單元12中的穩(wěn) 定橫向塞曼激光器1發(fā)射的光源與激光接收單元13中的第一激光探測(cè)器6準(zhǔn)直并同步前后移動(dòng) ;四個(gè)立柱是可以在垂直方向上下滑動(dòng)的滑桿，使得激光發(fā)射單元12中的穩(wěn)定橫向塞曼激光器1發(fā)射的光源與激光接收單元13中的第一激光探測(cè)器6同步上下移動(dòng)；掃描測(cè)試平臺(tái)16與四 個(gè)立柱垂直，其大小可根據(jù)光學(xué)玻璃應(yīng)力樣品18的尺寸大小來(lái)制作。
為了測(cè)定光學(xué)玻璃的光彈性系數(shù)，本發(fā)明將光彈性系數(shù)裝置17安裝在四個(gè)立柱的任意一 個(gè)立柱上，如圖3所示，光彈性系數(shù)裝置17包括U型夾具19，加工成合適形狀后的光彈性系數(shù) 樣品22安裝在U型夾具19中，壓力傳感器20設(shè)置在U型夾具19的正上方，壓力傳感器20和U型 夾具19分別通過(guò)連接件安裝在光彈性系數(shù)裝置17的框架21上，在框架21內(nèi)設(shè)置有由電機(jī)帶動(dòng) 的可上下移動(dòng)的絲桿，可分別帶動(dòng)壓力傳感器20和U型夾具19相向的上下移動(dòng)。測(cè)量時(shí)，通 過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)絲桿，使U型夾具19和壓力傳感器20同時(shí)從上下兩個(gè)方向緩慢地相向移動(dòng)，對(duì)安 裝在U型夾具19中的光彈性系數(shù)樣品22的上下兩點(diǎn)產(chǎn)生壓力，同時(shí)從光彈性系數(shù)樣品22中心 點(diǎn)測(cè)出相應(yīng)的應(yīng)力雙折射光程差，即可根據(jù)圓盤(pán)壓縮法的公式計(jì)算出該樣品的光彈性系數(shù)。
測(cè)定光彈性系數(shù)的樣品的加工精度最好保證圓柱體樣品側(cè)表面精磨、錐度不大于 1/100、不圓度不大于5/100、圓柱體樣品通光面平行度不大于1/100、厚度t為15士0. lmm、 直徑①20士0. lmm。
本發(fā)明的應(yīng)力測(cè)量方法包括以下步驟
1) 將光學(xué)玻璃應(yīng)力樣品18放置在掃描測(cè)試平臺(tái)16上，在計(jì)算機(jī)9上設(shè)置好自動(dòng)掃描程序 或手動(dòng)掃描程序，通過(guò)兩個(gè)橫向傳動(dòng)絲桿15的前后移動(dòng)和四個(gè)立柱的上下滑動(dòng)，帶動(dòng)激光發(fā) 射單元12和激光接收單元13的前后及上下同步移動(dòng)，對(duì)光學(xué)玻璃樣品進(jìn)行逐點(diǎn)掃描；
2) 位相計(jì)7接收到兩路信號(hào)后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化器8將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)9中 ，計(jì)算機(jī)9進(jìn)行一系列的相應(yīng)運(yùn)算處理，計(jì)算并顯示出各掃描點(diǎn)位的應(yīng)力雙折射光程差大小 和方向，定量地獲得光學(xué)玻璃應(yīng)力樣品18通光截面上的應(yīng)力的大小和方向分布情況；
3) 將光彈性系數(shù)樣品22放入光彈性系數(shù)裝置17的U型夾具19中，通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)絲桿，使 U型夾具19和上面的壓力傳感器20同時(shí)從上下兩個(gè)方向緩慢地相向移動(dòng)，這兩部分的相向運(yùn) 動(dòng)將會(huì)逐漸地對(duì)樣品的上下兩點(diǎn)產(chǎn)生壓力，而該壓力值即可由壓力傳感器20讀出并傳送給計(jì) 算機(jī)9。然后再按照前述的步驟1和步驟2的方法測(cè)定不同載荷下光彈性系數(shù)樣品22中心點(diǎn)的 應(yīng)力大小的數(shù)值，形成很多個(gè)載荷壓力-光程差的數(shù)據(jù)對(duì)，采集到一定數(shù)目的數(shù)據(jù)對(duì)之后， 即可按照光彈性系數(shù)測(cè)定公式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合并最終獲得光彈性系數(shù)樣品22的光彈性系數(shù)。
權(quán)利要求
1.光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置，包括共通光路干涉儀，其特征在于，還包括機(jī)架，所述機(jī)架包括一個(gè)框架(14)和設(shè)置在框架(14)上的掃面測(cè)試平臺(tái)(16)，所述共通光路干涉儀的激光接收單元(13)和激光發(fā)射單元(12)安裝在所述機(jī)架上，并且激光接收單元(13)和激光發(fā)射單元(12)可同步前后移動(dòng)和上下移動(dòng)。
2 如權(quán)利要求l所述的光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置，其特征在于，所述共 通光路干涉儀中的穩(wěn)定橫向塞曼激光器(1)、半透半反鏡(2)、同步旋轉(zhuǎn)半波片(3)、 第二偏光片(10)、第二激光探測(cè)器(11)放置在激光發(fā)射單元(12)中；第一偏光片(5 )、第一激光探測(cè)器(6)放置在激光接收單元(13)中。
3 如權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置，其特征在于，所 述框架(14)由兩個(gè)橫向傳動(dòng)絲桿(15)和四個(gè)立柱組成，兩個(gè)橫向傳動(dòng)絲桿(15)相互平 行，并與四個(gè)立柱保持垂直，所述四個(gè)立柱是可以在垂直方向上下滑動(dòng)的滑桿，所述激光發(fā) 射單元(12)和激光接收單元(13)分別安裝在兩個(gè)橫向傳動(dòng)絲桿(15)和四個(gè)立柱上。
4 如權(quán)利要求3所述的光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置，其特征在于，在所述 立柱上安裝有光彈性系數(shù)測(cè)量裝置(17)。
5 如權(quán)利要求4所述的光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置，其特征在于，所述光 彈性系數(shù)裝置(17)包括框架(21) 、 U型夾具(19)和壓力傳感器(20)，所述壓力傳感 器(20)設(shè)置在U型夾具(19)的正上方，所述壓力傳感器(20)和U型夾具(19)分別通過(guò) 連接件安裝在所述框架(21)上。
6 如權(quán)利要求5所述的光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置，其特征在于，在所述 框架(21)內(nèi)設(shè)置有可上下移動(dòng)的絲桿，可分別帶動(dòng)壓力傳感器(20)和U型夾具(19)相 向的上下移動(dòng)。
7 光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟 1)將光學(xué)玻璃應(yīng)力樣品(18)放置在掃描測(cè)試平臺(tái)(16)上，在計(jì)算機(jī)(9)上設(shè)置好自動(dòng)掃描程序或手動(dòng)掃描程序，通過(guò)兩個(gè)橫向傳動(dòng)絲桿(15)的前后移動(dòng)和四個(gè)立柱的上 下滑動(dòng)，帶動(dòng)激光發(fā)射單元(12)和激光接收單元(13)的前后及上下移動(dòng)，對(duì)光學(xué)玻璃應(yīng) 力樣品(18)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描；2)位相計(jì)(7)接收到兩路信號(hào)后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化器(8)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸入 計(jì)算機(jī)(9)中，計(jì)算機(jī)(9)進(jìn)行一系列的相應(yīng)運(yùn)算處理，計(jì)算并顯示出各掃描點(diǎn)位的應(yīng)力 雙折射光程差大小和方向，定量地獲得光學(xué)玻璃應(yīng)力樣品(18)通光截面上的應(yīng)力的大小和 方向分布情況。
8 光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，上述步驟2后還 有步驟3)將光彈性系數(shù)樣品(22)放入光彈性系數(shù)裝置(17)的U型夾具(19)中，通過(guò)電 機(jī)旋轉(zhuǎn)絲桿，使U型夾具(19)和上面的壓力傳感器(20)同時(shí)從上下兩個(gè)方向相向移動(dòng)， 這兩部分的相向運(yùn)動(dòng)將會(huì)對(duì)光彈性系數(shù)樣品(22)的上下兩點(diǎn)產(chǎn)生壓力，該壓力值由壓力傳 感器(20)讀出并傳送給計(jì)算機(jī)(9)，然后再按照前述的步驟1和步驟2的方法測(cè)定不同載 荷下光彈性系數(shù)樣品(22)中心點(diǎn)的應(yīng)力大小的數(shù)值，形成很多個(gè)載荷壓力-光程差的數(shù)據(jù) 對(duì)，即可按照光彈性系數(shù)測(cè)定公式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合并最終獲得光彈性系數(shù)樣品(22)的光彈性 系數(shù)。
9 如權(quán)利要求8所述的光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在 于，所述光彈性系數(shù)樣品(22)的加工精度為圓柱體樣品側(cè)表面精磨、錐度不大于1/100 、不圓度不大于5/100、圓柱體樣品通光面平行度不大于1/100。
10 如權(quán)利要求9所述的光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征 在于，所述光彈性系數(shù)樣品(22)的加工精度為厚度15±0. lmm、直徑20±0. lmm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種精度較高的應(yīng)力測(cè)量裝置，可以定量測(cè)定光學(xué)玻璃的應(yīng)力大小、方向及分布。光學(xué)玻璃應(yīng)力測(cè)量裝置，包括共通光路干涉儀，還包括機(jī)架，所述機(jī)架包括一個(gè)框架和設(shè)置在框架上的掃面測(cè)試平臺(tái)，所述共通光路干涉儀的激光接收單元和激光發(fā)射單元安裝在所述機(jī)架上，并且激光接收單元和激光發(fā)射單元可同步前后移動(dòng)和上下移動(dòng)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了光學(xué)玻璃應(yīng)力大小和應(yīng)力均勻性分布的定量測(cè)量，并且精度得到很大提高，分辨率達(dá)到0.01nm，可測(cè)光學(xué)玻璃尺寸大大放寬。本發(fā)明還可很好的測(cè)定光學(xué)玻璃的光彈性系數(shù)，與其他帶有砝碼施壓的偏光應(yīng)力儀測(cè)定裝置相比，載荷壓力和應(yīng)力的測(cè)定精度都有明顯的提高，光彈性系數(shù)的測(cè)定精度可達(dá)±0.03×10^-12/Pa。
文檔編號(hào)G01N21/23GK101592537SQ200910304198
公開(kāi)日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者張祖義, 田豐貴, 熔 胡 申請(qǐng)人:成都光明光電股份有限公司