CN106441655A - 玻璃表面应力检测装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种玻璃表面应力检测装置，其包括：照明单元，用于提供偏振照明光，该照明单元包括光源；检测棱镜，其具有用于与被检测玻璃的表面贴合以进行检测的检测表面；和成像单元，其包括沿光路依次设置的石英楔、检偏振片和透镜组，其中，所述照明单元还包括柱面镜，该柱面镜设置在所述光源和所述检测棱镜之间，具有正的径向屈光力，并且柱面镜布置为使得其轴向垂直于所述至少部分光与所述检测表面的法线共同所在的光路法线平面。柱面镜将照明光会聚，使入射到检测棱镜的检测表面上的光具有包含了全反射临界角的不同入射角，使得能够减轻甚至省去了人工调节入射角的工作，并使得玻璃表面应力检测装置的整体结构更加紧凑。
Description
技术领域
本公开涉及一种光学检测装置，具体地，涉及一种玻璃表面应力检测装置。
背景技术
玻璃板是日常生活和工业生产中都常见的材料。为了衡量玻璃板质量、确保玻璃板使用的安全，经常需要对玻璃板中的应力进行测量。为了检测玻璃板应力，在国标等标准中规定，采用双折射的方式测量玻璃的表面应力，以表征玻璃内部的应力水平。目前，实际使用中，测定玻璃表面应力的方式主要有：微分表面折射法DSR(Differential SurfaceRefractometry)、表面掠角偏光法GASP(Grazing Angle Surface Plarimetry)，以及近期爱沙尼亚推出了透射激光的方法。其中GASP方式对表面应力比较低的钢化玻璃具有较高的测量精度，适用于建筑上使用的半钢化玻璃的表面应力检测。
GASP的测量原理是：入射偏振光束进入玻璃表面薄层，平行玻璃表面运行一段距离后离开玻璃，由于玻璃表面应力作用，光束产生双折射现象，其光程差可借助石英楔精确测出。石英楔可制成多种精度等级，因此无论应力大小如何，GASP均可精确地予以测定。
然而，现有的GASP方式的玻璃表面应力检测装置在测量过程中需要调节入射光角度以及入射点两个自由度，在出射后需要调节反射镜的位置以及角度，手动调整的部件较多，操作繁琐，效率低，无法在强光下工作，适应能力低，并且设备体积大，携带不方便。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述缺陷或不足，本发明提供了一种结构简单、操作容易的便携式玻璃表面应力检测装置。
根据本发明的实施例，提供了一种玻璃表面应力检测装置，其包括：照明单元，用于提供偏振照明光，该照明单元包括光源；检测棱镜，其具有用于与被检测玻璃的表面贴合以进行检测的检测表面，来自所述照明单元的光中的至少部分光以全反射临界角入射至所述检测棱镜的检测表面，并在沿被检测玻璃表面传播之后由所述检测表面从所述被检测玻璃表面耦合导出；和成像单元，其包括沿光路依次设置的石英楔、检偏振片和透镜组，该成像单元布置成接收来自所述检测棱镜的光并形成检测图像，其中，所述照明单元还包括柱面镜，该柱面镜设置在所述光源和所述检测棱镜之间，具有正的径向屈光力，并且柱面镜布置为使得其轴向垂直于所述至少部分光与所述检测表面的法线共同所在的光路法线平面。
优选地，所述光源可以包括激光器和准直扩束镜，所述准直扩束镜扩大来自所述激光器的光束的直径。
优选地，所述光源还可以包括设置在所述激光器与所述准直扩束镜之间的折光系统，该折光系统将激光器与准直扩束镜之间的光路折叠180度。
优选地，所述照明单元还可以包括沿光路设置在所述柱面镜后面的起偏器。
优选地，所述照明单元还可以包括沿光路设置在所述光源与所述检测棱镜之间的光阑，用于遮挡入射至所述检测表面的光中入射角小于全反射临界角的至少部分光。更优选地，所述光阑沿垂直于光路的方向是位置可调的。
所述检测棱镜还可以包括对进入检测棱镜的光进行反射并将其引导到所述检测表面的反射面。
所述成像单元还可以包括设置在所述检测棱镜与所述石英楔之间的反射镜以及用于调节该反射镜位置和姿态的调节装置。
优选地，玻璃表面应力检测装置还可以包括遮光外罩，所述照明单元、检测棱镜和成像单元容纳在该遮光外罩中，并且所述遮光外罩形成有检测孔，所述检测棱镜的检测表面从所述检测孔露出。
优选地，玻璃表面应力检测装置还可以包括图像检测单元，其检测通过所述成像单元形成的图像。
优选地，所述玻璃表面应力检测装置还可以包括：设置在所述遮光外罩内的数据处理单元，所述图像检测单元与数据处理单元电连接；和形成在所述遮光外罩的表面上或支撑在所述遮光外罩上的显示单元，该显示单元电连接至所述数据处理单元，用于显示所述检测图像。
本发明中，通过加入柱面镜将照明光会聚，使得入射到检测棱镜的检测表面上的光具有不同的入射角，其中包含了临界角，这样使得能够减轻甚至省去了人工调节入射角的工作。相应地，这样可以省略用于调节入射角的部件，从而使得玻璃表面应力检测装置的整体结构更加紧凑。
附图说明
通过参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，附图中相同的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
图1为根据本发明实施例1的玻璃表面应力检测装置的结构示意图；
图2为根据本发明实施例2的玻璃表面应力检测装置的结构示意图；
图3为根据本发明实施例3的玻璃表面应力检测装置的结构示意图；
图4为根据本发明实施例4的玻璃表面应力检测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
图1为根据本发明实施例1的玻璃表面应力检测装置100的结构示意图。如图1所示，玻璃表面应力检测装置100包括：照明单元10、检测棱镜20和成像单元30。
照明单元10用于提供偏振照明光。该照明单元包括光源。照明单元10还包括柱面镜15，该柱面镜15设置在光源和检测棱镜20之间，柱面镜15布置为使得其轴向垂直于光路法线平面。这里光路法线平面指的是入射光线与法线共同所在的平面。
检测棱镜20具有用于与被检测玻璃的表面贴合以进行检测的检测表面20a，来自所述照明单元10的光中的至少部分光以全反射临界角入射至检测表面20a，并在沿被检测玻璃表面传播之后由所述检测表面从所述被检测玻璃表面20a耦合导出。
成像单元30包括沿光路依次设置的石英楔32、检偏振片33和透镜组34。该成像单元30布置成接收来自检测棱镜20的光并形成检测图像。
在所示示例中，来自光源的光束通过柱面镜15将产生会聚的扇形会聚光束，扇形会聚光束被引导到检测棱镜20的检测表面上。扇形会聚光束在进入检测棱镜20时具有不同的入射角，这些入射角中包含全反射临界角。因此，通过柱面镜产生扇形会聚光束使得入射到检测棱镜20的检测表面20a上的光中的至少部分光具有全反射临界角，这部分光可以被用于通过GASP方法检测玻璃表面应力。相比于现有技术中的玻璃表面应力检测装置，根据本发明实施例的玻璃表面应力检测装置可以减轻甚至省却调节光线入射检测表面20a时的入射角的工作；相应地，也使得装置的结构更加简单紧凑。
在图1所示示例中，照明单元10中的光源包括激光器12和准直扩束镜13。激光器12发出的激光单色性好、相干性好、方向性好、亮度高。准直扩束镜13用于扩大来自激光器12的光束的直径，从而使得进入柱面镜15的光束为准直光束。
然而，在此方面，本发明并不限于此；在根据本发明的玻璃表面应力检测装置中，光源也可以采取其它合适的形式。例如，光源可以包括单色LED，并且不限于使用准直扩束镜。
照明单元10还可以包括起偏器16，用于选择一定偏振方向的光来照射检测棱镜20。所述一定偏振方向例如为与光路法线平面成近似45°的方向，但是并不限于此。起偏器16可以设置在检测棱镜之前的光路中的任何适当的位置，例如如图1所示设置在柱面镜15和检测棱镜20之间。在光源包括激光器的情况下，可以使用或不使用起偏器16。
检测棱镜20可以为三角棱镜、入射面为圆弧型的矩形棱镜等。图1中示出的检测棱镜20为方形棱镜。检测棱镜20具有用于与被检测玻璃的表面贴合的检测表面20a。检测棱镜20还包括对进入检测棱镜20的光进行反射并将其引导到检测表面的反射面20b。
检测棱镜20可以包括导入棱镜21和导出棱镜22，这两部分可以用金属隔板或光阑隔开。
来自柱面镜15的扇形会聚光束进入检测棱镜20，并以不同的入射角照射到检测表面20a上，其中具有全反射临界角的至少部分光进入被检测玻璃表面，沿玻璃表面传播一段距离后被检测表面20a耦合导出。由于玻璃表面应力作用，光束产生双折射现象，因此，从检测表面20a导出的光中包含了一个方向上的光程差。
所述导出的光在经过石英楔32，再经检偏振片33后发射至透镜组34。利用石英楔32可以使光产生在另一个不同方向上的光程差，其与由于双折射引起的光程差叠加，使光线干涉产生倾斜的干涉条纹。玻璃表面应力值与干涉条纹的倾斜角正切函数成正比。测定干涉条纹的倾斜角，就可以计算出玻璃表面应力值。
成像单元30还可以包括设置在检测棱镜20与石英楔32之间的反射镜31以及用于调节该反射镜31的位置和姿态的调节装置(图中未显示)。反射镜31置于检测棱镜20和石英楔32之间，且临近检测棱镜20，以将从检测棱镜20出射的光反射进入石英楔32。临近检测棱镜20的反射镜31的位置可以由使用者经由调节装置进行调节，从而调节进入透镜组34的光的角度。调节装置可以丝组件，以提高易用性和调节的精度。
根据本发明实施例的玻璃表面应力检测装置100还可以包括图像检测单元35，其检测通过成像单元30形成的图像。图像检测单元35可以为电荷藕合器件图像传感器(Charge Coupled Device，CCD)相机，从检测棱镜20入射的临界角度的光经过透镜组34后成像到CCD相机35上。CCD相机作为一种新型光电探测器件,具有存储和转移信息电荷的能力,能够直接完成空间信息的采集、转换、存储和输出。
另外，玻璃表面应力检测装置100还可以包括外罩40。该外罩优选为遮光外罩。遮光外罩40容纳上述照明单元10、检测棱镜20和成像单元30等，用于遮蔽来自外部的杂散光。
图2为根据本发明实施例2的玻璃表面应力检测装置的结构示意图。本实施例中的结构与前述实施例1的结构基本相同，即检测棱镜20和成像系统30采用相同的元件和结构，不同之处在于，玻璃表面应力检测装置100’的照明系统10’中，在激光器12和扩束镜13之间设置了折光系统14，该折光系统14将激光器12与扩束镜13之间的光路折叠180°。
一般，激光器12的体积较大，例如高度尺寸可达约为7-8cm。如果将激光器12的中心轴线对准准直扩束镜13的中心轴线而布置在准直扩束镜13的正上方，则玻璃表面应力检测装置100’的整体高度尺寸会较大。通过利用折光系统14将激光器12与准直扩束镜13之间的光路折叠180度，可以显著减小装置100’的高度尺寸。如图2所示，折光系统14可以包括多个反射镜。作为替代，折光系统14也可以包括至少一个棱镜。
图3为根据本发明实施例3的玻璃表面应力检测装置的结构示意图。本实施例中的结构与前述实施例1的结构基本相同，不同之处在于，玻璃表面应力检测装置100”的照明单元10还包括沿光路设置在光源11与检测棱镜20之间的光阑17，以限制入射至检测棱镜20的检测表面与被检测玻璃表面之间的光线范围，特别是用于遮挡入射至所述检测表面的光中入射角小于全反射临界角的至少部分光。
具体来说，从照明单元10发出的一部分入射角度小于全反射角临界角的光线进入被检测玻璃中后反射回来，再次进入检测棱镜20而成为干扰光线。光阑17的作用即是在入射至检测棱镜20前遮挡这部分可能会成为干扰光线的入射光。进一步地，光阑17沿垂直于光路的方向是位置可调的，以适用于不同的应用场合，特别是由于被检测玻璃的折射率不同而使得全反射临界角不同的场合。如图2所示，光阑17可以放置于光源11与柱面镜15之间。图示中光阑17的位置仅用于示例，本发明并不限于此。例如光阑17还可以放置于柱面镜15与检测棱镜20之间，如果照明单元10包括起偏器16，光阑17也可以布置在柱面镜15与起偏器16之间或者起偏器16与检测棱镜20之间。
图4为根据本发明实施例4的玻璃表面应力检测装置的结构示意图。如图4所示，遮光外罩40上可以形成有检测孔(未示出)，检测棱镜20的检测表面20a从检测孔露出。
为了让使用者能够直观地了解检测结果，玻璃表面应力检测装置还可以包括：设置在遮光外罩40内的数据处理单元(图中未示出)，图像检测单元35与数据处理单元电连接；以及形成在遮光外罩40的表面上或支撑在遮光外罩40上的显示单元90，如图4所示。显示单元90可以包括显示检测结果的图形图像界面，以及控制内置于遮光外罩40内的小型数据处理单元进行诸如初始化、清零、校准、故障检测等实体或虚拟按键。显示单元90可以为触摸显示屏。进一步地，显示单元90还进一步集成有计算模块，用于完成至少部分数据处理任务。
应该理解的是，本发明的玻璃表面应力检测装置并不限于以上描述的成像单元的特定功能或构造。具体而言，尽管以上第一实施例及其变型中，成像单元包括透镜组，但是根据本发明的玻璃表面应力检测装置可以具有任意其它适合形式的成像单元。例如成像单元可以简单地实现为用于通过肉眼直接观察被全反射的光产生的干涉条纹的目视观察系统，可以不包括反射镜或者包括更多或更少的反射镜，等等。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (11)
1.一种玻璃表面应力检测装置，包括：
照明单元，用于提供偏振照明光，该照明单元包括光源；
检测棱镜，其具有用于与被检测玻璃的表面贴合以进行检测的检测表面，来自所述照明单元的光中的至少部分光以全反射临界角入射至所述检测棱镜的检测表面，并在沿被检测玻璃表面传播之后由所述检测表面从所述被检测玻璃表面耦合导出；和
成像单元，其包括沿光路依次设置的石英楔、检偏振片和透镜组，该成像单元布置成接收来自所述检测棱镜的光并形成检测图像，
其特征在于，
所述照明单元还包括柱面镜，该柱面镜设置在所述光源和所述检测棱镜之间，具有正的径向屈光力，并且柱面镜布置为使得其轴向垂直于所述至少部分光与所述检测表面的法线共同所在的光路法线平面。
2.如权利要求1所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述光源包括激光器和准直扩束镜，所述准直扩束镜扩大来自所述激光器的光束的直径。
3.如权利要求2所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述光源还包括设置在所述激光器与所述准直扩束镜之间的折光系统，该折光系统将激光器与准直扩束镜之间的光路折叠180度。
4.如权利要求1所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述照明单元还包括沿光路设置在所述柱面镜后面的起偏器。
5.如权利要求1所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述照明单元还包括沿光路设置在所述光源与所述检测棱镜之间的光阑，用于遮挡入射至所述检测表面的光中入射角小于全反射临界角的至少部分光。
6.如权利要求5所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述光阑沿垂直于光路的方向是位置可调的。
7.如权利要求1所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述检测棱镜还包括对进入检测棱镜的光进行反射并将其引导到所述检测表面的反射面。
8.如权利要求1所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述成像单元还包括设置在所述检测棱镜与所述石英楔之间的反射镜以及用于调节该反射镜位置和姿态的调节装置。
9.如权利要求1-8中任一项所述的玻璃表面应力检测装置，还包括遮光外罩，所述照明单元、检测棱镜和成像单元容纳在该遮光外罩中，并且所述遮光外罩形成有检测孔，所述检测棱镜的检测表面从所述检测孔露出。
10.如权利要求9所述的玻璃表面应力检测装置，其中，还包括图像检测单元，其检测通过所述成像单元形成的图像。
11.如权利要求10所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述玻璃表面应力检测装置还包括：
设置在所述遮光外罩内的数据处理单元，所述图像检测单元与数据处理单元电连接；和
形成在所述遮光外罩的表面上或支撑在所述遮光外罩上的显示单元，该显示单元电连接至所述数据处理单元，用于显示所述检测图像。
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