CN106500891B - 玻璃表面应力检测装置以及用于其的检测棱镜 - Google Patents

玻璃表面应力检测装置以及用于其的检测棱镜 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种玻璃表面应力检测装置以及用于其的检测棱镜。所述检测装置包括：照明单元；检测棱镜，其具有检测表面，至少部分光以全反射临界角入射至检测表面并在沿被检测玻璃表面传播之后由检测表面耦合导出；成像单元，用于形成检测图像；以及布置在所述照明单元和所述检测棱镜的检测表面之间的光路上的柱面反射镜，该柱面反射镜的柱面形状的轴向垂直于所述至少部分光与检测表面的法线共同所在的光路法线平面。所述柱面形状的反射面使光束发散或会聚，使入射到检测表面上的光具有包含全反射临界角的不同入射角，使得能够减轻甚至省去人工调节入射角的工作，并使装置的整体结构更加紧凑。

Description

玻璃表面应力检测装置以及用于其的检测棱镜
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，其光程差可借助光楔精确测出。光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。
根据本发明的一个方面，提供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；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，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，所述玻璃表面应力检测装置还包括布置在所述照明单元和所述检测棱镜的检测表面之间的光路上的柱面反射镜，该柱面反射镜的柱面形状的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。
所述柱面反射镜可以是凸面柱面反射镜。
优选地，所述柱面反射镜是凹面柱面反射镜。
在一些实施例中，所述柱面反射镜为布置在所述照明单元与检测棱镜之间的反射镜。
优选地，所述检测棱镜构造为使得来自所述柱面反射镜的光入射检测棱镜之后直接照射到所述检测表面上。
所述检测棱镜可以包括导入棱镜、导出棱镜和设置在导入棱镜和导出棱镜之间的光阑，所述检测表面由所述导入棱镜和导出棱镜各自的彼此共面的表面形成。
在另一些实施例中，所述柱面反射镜可以由所述检测棱镜的、用于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构成。
优选地，所述检测棱镜包括导入棱镜、导出棱镜和设置在导入棱镜和导出棱镜之间的光阑，所述检测表面由所述导入棱镜和导出棱镜各自的彼此共面的表面形成，所述反射面形成在所述导入棱镜上。
优选地，所述导入棱镜和导出棱镜是一体成型的，所述检测棱镜的光阑由设置在所述导入棱镜和导出棱镜上的凹槽形成。
所述玻璃表面应力检测装置还可以包括设置在所述柱面透镜的入射表面上的起偏器。
根据本发明的另一个方面，还提供一种用于玻璃表面应力检测装置的检测棱镜，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以及用于对进入检测棱镜的光进行反射并将光引导至所述检测表面的柱面反射面，该柱面反射面的柱面形状的轴向平行于所述检测表面。
优选地，所述柱面反射面具有凹面的柱面形状。
所述检测棱镜可以包括导入棱镜和导出棱镜，所述导入棱镜和导出棱镜具有彼此共面的表面，并且所述表面形成检测棱镜的检测表面，所述柱面反射面形成在所述导入棱镜上。
优选地，所述导入棱镜和导出棱镜是一体成型的。
优选地，所述检测棱镜还可以包括设置在所述导入棱镜和导出棱镜之间且垂直于所述检测表面的凹槽，所述凹槽形成用于阻止光从导入棱镜一侧向导出棱镜一侧传播的光阑。
本发明中，通过柱面形状的反射面使照明光会聚或发散，使得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，从而使得能够减轻甚至省去了人工调节入射角的工作。相应地，这样使得有可能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一的玻璃表面应力检测装置的一个示例的示意图；
图2为根据本发明实施例二的玻璃表面应力检测装置的一个示例的示意图；
图3为根据本发明实施例三的玻璃表面应力检测装置的一个示例的示意图；
图4为适用于根据本发明实施例三的玻璃表面应力检测装置的检测棱镜的示意图；
图5为根据本发明实施例四的玻璃表面应力检测装置的一个示例的示意图；
图6为适用于根据本发明实施例四的玻璃表面应力检测装置的检测棱镜的示意图。
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一的玻璃表面应力检测装置100的示意图。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。
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布置成接收来自检测棱镜20的光并形成检测图像。在图1所示示例中，成像单元30包括例如沿光路依次设置的光楔32、检偏器33和透镜组34。光楔32例如可以采用石英楔。
玻璃表面应力检测装置100还包括布置在照明单元10和检测棱镜20之间的柱面反射镜16。根据本实施例，该柱面反射镜16为凹面柱面反射镜。柱面反射镜16布置成使得其柱面形状的轴向垂直于以全反射临界角入射检测表面20a的所述至少部分光与检测表面20a的法线共同所在的光路法线平面。在图1所示的布置中，柱面反射镜16的柱面形状的轴向为垂直于图面平面的方向。
根据本实施例，来自光源的光束通过柱面反射镜16将产生会聚的扇形光束，扇形光束被引导到检测棱镜20的检测表面上。扇形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，通过柱面反射镜16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去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。
如图1所示，检测棱镜20的入射表面可以构造为大致垂直于来自柱面反射镜16的光束，以减小由于反射造成的光量损失。
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，从而使得进入柱面反射镜16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。
在根据本发明实施例一的玻璃表面应力检测装置100中，还可以在照明单元10与检测棱镜20之间设置起偏器15，用于选择一定偏振方向的光来照射检测棱镜20的检测表面20a。在图1所示示例中，起偏器15设置在柱面反射镜16的光路上游；但是本发明并不限于此，起偏器15也可以设置在柱面反射镜16的光路下游，位于柱面反射镜16与检测棱镜20之间。例如，尽管没有示出，起偏器15可以设置在检测棱镜20的入射表面上，这样可以简化起偏器15的定位。在照明单元10包括激光器的情况下，可以使用或不使用起偏器15。
检测棱镜20可以为三角棱镜、入射面为圆弧形的矩形棱镜等。图1中作为示例示出的检测棱镜20为大致方形的棱镜。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可以包括导入棱镜21和导出棱镜22，这两部分可以用光阑23隔开，用于阻隔除了通过玻璃表面的全反射之外的从导入棱镜21一侧向导出棱镜22一侧传播的光线。
来自柱面反射镜16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。
在图1所示示例中，从检测棱镜20导出的光在经过光楔32，再经检偏器33后发射至透镜组34。利用光楔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。
作为替代，本发明的发明人提出，在成像单元30中可以不包含光楔32。换句话说，此时，成像单元30可以包括检偏器33和透镜组34以及其他的部件，但是不包含光楔。此时，被检测玻璃表面应力导致的双折射所引起的光程差，在不与光楔32所产生的光程差叠加的情况下，能够使光线产生干涉条纹。不同的是，这样产生的干涉条纹是通过条纹的间隔来反映玻璃表面应力大小，这与采用光楔情况下通过干涉条纹的倾斜角度来反映玻璃表面应力大小是不同的。
如图1所示，玻璃表面应力检测装置100还可以包括设置在检测棱镜20与光楔32之间的出射反射镜31。成像单元30可以进一步包括用于调节该出射反射镜31的位置和姿态的调节装置(图中未显示)。在图1所示示例中，出射反射镜31置于检测棱镜20和光楔32之间，用于将从检测棱镜20出射的光反射进入光楔32。出射反射镜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。调节装置可以包括螺纹件，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、成像单元30、柱面反射镜16、出射反射镜、图像检测单元35等等，用于遮蔽来自外部的杂散光。
图2为根据本发明实施例二的玻璃表面应力检测装置200的示意图。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200中，用凸面的柱面反射镜16’替代了玻璃表面应力检测装置100中的凹面的柱面反射镜16。
凸面的柱面反射镜16’布置成使得其柱面形状的轴向垂直于以全反射临界角入射检测表面20a的所述至少部分光与检测表面20a的法线共同所在的光路法线平面。在图2所示的布置中，柱面反射镜16’的柱面形状的轴向为垂直于图面平面的方向。
根据本实施例，来自光源的光束通过柱面反射镜16’将产生发散的扇形光束，扇形光束被引导到检测棱镜20的检测表面上。扇形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，通过柱面反射镜16’产生扇形发散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去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。
如图2所示，检测棱镜20的入射表面可以构造为大致垂直于来自柱面反射镜16’的光束，以减小由于反射造成的光量损失。
图3为根据本发明实施例三的玻璃表面应力检测装置300的示意图。玻璃表面应力检测装置300与根据前述实施例一的玻璃表面应力检测装置100的结构基本相同，不同之处在于，玻璃表面应力检测装置300中，柱面反射镜由检测棱镜20’的一个反射面20b’构成。
具体而言，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和用于对进入检测棱镜20’的光进行反射并将该光引导至检测表面20a的反射面20b’。该反射面20b’构成凹面柱面反射镜，从而替代根据实施例一的玻璃表面应力检测装置100中的分立的柱面反射镜16。反射面20b’构成的凹面柱面反射镜的轴向垂直于以全反射临界角入射检测表面20a的光与检测表面20a的法线共同所在的光路法线平面。在图3所示的布置中，该轴向为垂直于图面平面的方向。
根据本实施例，来自光源的光束通过反射面20b’将产生会聚的扇形光束，扇形光束被引导到检测棱镜20’的检测表面上。扇形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，通过反射面20b’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去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。
本实施例中，由于将柱面反射镜集成为检测棱镜20’的一部分，因此，玻璃表面应力检测装置300的零件数量减少，组装简化，而柱面反射镜的定位更加简单、精确。
在根据本发明实施例三的玻璃表面应力检测装置300中，也可以在照明单元10与检测棱镜20’之间设置起偏器15，用于选择一定偏振方向的光照射检测棱镜20’的检测表面20a。优选示例中，起偏器15可以设置在检测棱镜20’的入射表面上，这样可简化起偏器15的定位。在照明单元10包括激光器的情况下，可以使用或不使用起偏器15。
图4为适用于根据本发明实施例三的玻璃表面应力检测装置的检测棱镜的一个示例的示意图。
图4所示的检测棱镜20’包括一体成型的导入棱镜21和导出棱镜22，它们的底面彼此共面并共同构成检测表面20a。反射面20b’设置在导入棱镜21上。这样，形成有反射面20b’的部分与检测棱镜20’的其他部分是一体的。应该理解是，根据本发明，所述部分也可以是独立成型之后通过例如胶合的方式与其他部分结合起来的；本发明在此方面不受限制。
根据本实施例，为了使该反射面20b’的柱面形状的轴向垂直于光路法线平面，所述轴向布置为平行于检测表面20a。
如前参照图1描述根据实施例一的玻璃表面检测装置100时所述，导入棱镜21和导出棱镜22之间设置有光阑23，用于阻隔除了通过玻璃表面的全反射之外的从导入棱镜21一侧向导出棱镜22一侧传播的光线。在图4所示的检测棱镜20’中，光阑23由设置在导入棱镜21和导出棱镜22之间的、垂直于检测表面20a的凹槽构成，凹槽内例如可以通过磨砂、涂黑、填入遮光材料中的至少一种方式来阻隔光线。或者，也可以在凹槽中插入并粘接遮光片材例如金属片来阻隔光线。为了更好地遮挡光线，优选，凹槽和凹槽在垂直于检测表面20a的方向上相互交叠。
图4所示示例中，导入棱镜21和导出棱镜22是一体的，然而并本发明并不限于此。例如，导入棱镜21和导出棱镜22可以是分开成型，然后通过例如胶合的方式组合在一起的，而且在两者之间可以插入例如金属片以形成光阑。
图5为根据本发明实施例四的玻璃表面应力检测装置400的示意图。玻璃表面应力检测装置400中，由检测棱镜20”的一个反射面20b”是凸面反射面，构成凸面柱面反射镜。图6示意性地示出了玻璃表面应力检测装置400的检测棱镜20”的一个示例。
玻璃表面应力检测装置400的其他结构与根据前述实施例三的玻璃表面应力检测装置300的结构基本相同，因此在此不再赘述。
根据本发明实施例一和三的玻璃表面应力检测装置均采用了凹面柱面反射镜，与根据实施例二和四的采用凸面柱面反射镜的玻璃表面应力检测装置相比，前者由于将具有不同入射角的光线会聚，得到小而且固定的光束入射点，所以能够更加有效地检测玻璃表面与导出棱镜接触的部分的应力，而且检测装置在结构设计上更加简单。
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 (15)

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；
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，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，所述玻璃表面应力检测装置还包括布置在所述照明单元和所述检测棱镜的检测表面之间的光路上的柱面反射镜，该柱面反射镜的柱面形状的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，所述柱面反射镜是凸面柱面反射镜。
3.如权利要求1所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述柱面反射镜是凹面柱面反射镜。
4.如权利要求1所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述柱面反射镜为布置在所述照明单元与检测棱镜之间的反射镜。
5.如权利要求4所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述检测棱镜构造为使得来自所述柱面反射镜的光入射检测棱镜之后直接照射到所述检测表面上。
6.如权利要求5所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述检测棱镜包括导入棱镜、导出棱镜和设置在导入棱镜和导出棱镜之间的光阑，所述检测表面由所述导入棱镜和导出棱镜各自的彼此共面的表面形成。
7.如权利要求1所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述柱面反射镜由所述检测棱镜的、用于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构成。
8.如权利要求7中任一项所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述检测棱镜包括导入棱镜、导出棱镜和设置在导入棱镜和导出棱镜之间的光阑，所述检测表面由所述导入棱镜和导出棱镜各自的彼此共面的表面形成，所述反射面形成在所述导入棱镜上。
9.如权利要求6或8所述的玻璃表面应力检测装置，其中，所述导入棱镜和导出棱镜是一体成型的，所述检测棱镜的光阑由设置在所述导入棱镜和导出棱镜上的凹槽形成。
10.如权利要求7或8中任一项所述的玻璃表面应力检测装置，还包括设置在所述检测棱镜的入射表面上的起偏器。
11.一种用于玻璃表面应力检测装置的检测棱镜，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，其特征在于，所述检测棱镜还具有用于对进入检测棱镜的光进行反射并将光引导至所述检测表面的柱面反射面，该柱面反射面的柱面形状的轴向平行于所述检测表面。
12.如权利要求11所述的检测棱镜，其中，所述柱面反射面具有凹面的柱面形状。
13.如权利要求11或12所述的检测棱镜，其中，所述检测棱镜包括导入棱镜和导出棱镜，所述导入棱镜和导出棱镜具有彼此共面的表面，并且所述表面形成检测棱镜的检测表面，所述柱面反射面形成在所述导入棱镜上。
14.如权利要求13所述的检测棱镜，其中，所述导入棱镜和导出棱镜是一体成型的。
15.如权利要求14所述的检测棱镜，其中，还包括设置在所述导入棱镜和导出棱镜之间且垂直于所述检测表面的凹槽，所述凹槽形成用于阻止光从导入棱镜一侧向导出棱镜一侧传播的光阑。
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