CN1087424A - 检测的玻璃中缺陷 - Google Patents

Abstract

观看十字交叉偏振光照射下的玻璃就地检测回 火平板窗玻璃中的应力产生的杂质和其它缺陷。一 个光盒通过起偏器照射窗玻璃，利用透射光或反射光 通过检偏器观看该窗玻璃。尽管回火玻璃内的固有 应力形成光影图案，但可以检测出小杂质的特征性应 力图案。应用安装装置上的显微镜可就地仔细检查 窗玻璃中的缺陷。利用安装于显微镜投影镜头上的 照相机可对杂质作摄影检查。用显微镜聚焦机构上 的游标刻度规可测量出玻璃中杂质的深度。

Description

本发明涉及检测玻璃中缺陷的方法和装置。本发明特指回火（强化）平板玻璃中探查硫化镍块的方法和装置，但本发明并不局限于这一特定的应用。

在许多现代建筑物中，外表面的大部分是由玻璃面板组成的。每块玻璃面板的尺寸约为1.5×2米，通常是两面抛光的。一幢大的高层办公大楼一般会有5000到10000块这样的玻璃面板。在大多数情况下，出于安全性和强度的原因，玻璃是加热回火的。回火玻璃其强度要比退火玻璃的大3到5倍;并且在破裂时，回火玻璃碎裂成有圆钝边缘的小碎块。

业已知道，回火玻璃要承受自身的碎裂。这种自身的碎裂虽然比较稀少，但在使用大面积玻璃板的场合（例如对于高层办公大楼），都会造成严重的问题。可以确信，大约0.8%的玻璃面板会遭致自身的碎裂。这在一幢大的高层建筑物中换算有50到100块玻璃发生自身碎裂。然而，即使只是一块玻璃潜伏着碎裂也能导致对生命和财产的重大伤害和损失。如果有缺陷的玻璃面板能鉴别出来，则在其碎裂前就能更换掉它们。

回火玻璃的自身碎裂可归因于玻璃中有杂质。大多数情况下，杂质是硫化镍“块”。硫化镍块外观上是金属类多晶体，大致呈球形，直径范围为0.1到0.6mm。

现已知道，硫化镍（NiS）在379℃会发生金相变换。这种金相变换是从高温的α-NiS变换至低温的β-NiS，并伴随着体积膨胀4.0%。现已主张，回火玻璃（它处于有应力状态）内部的NiS杂质的体积膨胀可能导致其自身的碎裂。

众所周知，将玻璃放置在两片十字交叉的偏振片之间，就可以观察到玻璃中的应力。若将单一的偏振片放置在一条光束之前，该偏振片将传送出平面偏振光。这第一片偏振片可称为“起偏器”（polariser）。如果将第二片偏振片放置在该平面偏振光之前，使此偏振片的偏振方向与第一偏振片的偏振方向相交成90°，则将没有光线通过第二偏振光透射出来。这第二偏振片可称为“检偏器”（analyser）。

如果将一片无应力的玻璃放置在两片十字交叉的偏振片（即相互间相对旋转90°的两偏振片）之间，则不会有光线透射出来。然而，如果是一片有应力的玻璃片放置在十字交叉的两偏振片之间，则由于有应力的玻璃能使光线部分地偏振，将会有一些光线透射出来。在玻璃工业中，应用十字交叉的偏振光来研究玻璃中应力情况的技术，是人们所熟知的。

例如，美国专利US4，026，656叙述的了一种用以检测吹制的玻璃容器侧壁中结块的装置。这些结块会导致在玻璃中形成应力图案，而当用红外线照射玻璃容器，并通过十字交叉的偏振滤光片观看时，就可探知这图案。使用一部具有电分析电路的电视摄像机（该分析电路与该专利的装置输出端相连接）便能自动检测出应力图案。

十字交叉偏振片对玻璃中的应力是非常敏感的。回火的窗玻璃因其制造方法造成有大量的内部应力。所以，当通过十字交叉的偏振光观看时回火玻璃，将显示出相当多的图案细节。由于硫化镍块是使玻璃碎裂的主要因素，这些结块一定会在回火玻璃中引起额外的内部应力;但是，此种内部应力可以探查出来，而且可能比整个回火平板玻璃内所发现的固有应力小得多。迄今，人们普遍认为，回火玻璃中的偏振光应力图案会比NiS块产生的应力图案显得更强并占主导地位，因而人眼或摄像机是检测不出NiS块的。

虽然美国专利US4，026，656所述装置中应用的技术适合于检验吹制的玻璃容器（它们并不会有大的应力），但它不适合应用于回火玻璃;这是因为，其应力图案是由回火玻璃中固有的大应力造成的。此外，美国专利US4，026，656的装置其结构较大，安装位置固定，要求被检的玻璃物件沿固定的路径移动。该装置不便于携带，且不适合于就地检验建筑物的窗玻璃。应用红外线、电视摄像机和电子处理电路又增加了装置的成本和复杂性。

本发明的一个目的提供一种改进的检测回火玻璃中的缺陷方法和装置。

本发明的另一目的是提供一种精确检查和测量玻璃中缺陷的位置的装置。

本发明的一种广泛的形式可提供一种检测回火玻璃中小应力杂质的方法，它包括以下步骤：

用偏振光照射该玻璃;

通过一个偏振媒体观看被照射的玻璃，该偏振媒体的偏振平面与照射光的偏振平面正交;

检测出具有小杂质特征性的玻璃中所查到应力图案。

现已发现，在十字交叉偏振光中观看玻璃，尽管回火玻璃中的固有应力引起的图案存在，就能够探查出诸如玻璃中杂质之类的缺陷所引起的特征性应力图案位置。一般把该方法应用于现场检测建筑物中窗平板玻璃中的杂质。这类杂质主要起因于硫化镍杂质。

十字交叉偏振光可以是经过玻璃透射的光，或者是从玻璃背面反射的光。对前者使用的方法中，光源置于玻璃的一侧，并透过玻璃传播之前经受一个偏振片的起偏振，通过一个第一偏振片（或即检偏器）从玻璃的另一侧观看透射的光，该第二偏振片的偏振平面定向与第一偏振片的成90°。在一种典型应用中，光源置于建筑物窗玻璃的内面，从窗玻璃的外面观看透射的十字交叉偏振光。

对后者使用的方法中，光源和观看者都处于窗玻璃的同一侧面。自光源发出的光被偏振，从玻璃的背面上被反射出来，由观看者通过一个检偏器进行观看。

光可以是光谱的可见部分内的普通光。本方法可在黑暗的环境中实施，例如在夜晚，或者在阻挡外界光线的黑暗壳罩中。

通过试验已经发现，在十字交叉偏振光下目视检查回火窗玻璃能够检查出其大小被认为可引起自身的NiS块几其它缺陷。

本发明的另一种形式可提供一种检测回火平板玻璃中杂质的方法，它包括以下步骤：用光照射平板玻璃的一侧;在平板玻璃的另一侧观看自空气-玻璃界面上反射出的光，以检测玻璃中的杂质。

令人惊异的是，现已发现，由反射光来检查玻璃能检测出导致玻璃自身碎裂的大部分缺陷。这种方法并不需要光线的正交偏振。由于玻璃的折射率作用所引起的放大特性，小至70μm的缺陷靠此种方法也能由肉眼检查出来。

本发明还提供执行上述方法的装置。

本发明的再一种形式可提供用以检查平板玻璃中应力导致的杂质和其它缺陷的装置，它包括：

光学放大装置;

它装装置，可适于可解脱地固定到玻璃上该光学放大装置能可调节地安装该安装装置上，从而它能在平板玻璃的至少一部分上移动。

光学平放大装置通常包括一个变焦的立体显微镜，显微镜上装配有一个光源。

在优选实施例中，该安装装置包括一个杆，在其一端带着吸垫，以便可解脱地吸附固定在玻璃上。显微镜安装在杆上，可沿着杆滑动，以使在第一方向上移动。装在杆棒上的微镜本身可调节，还能在与第一方向正交的第二方向上移动。该第一和第二方向限定一个平面，与平板平行板玻璃平面相平行。这样，可将显微镜置于被查缺陷的中心处。

玻璃中缺陷的深度的测量是随着调整折射率使显微镜交替地聚焦于玻璃表面和缺陷上并根据显微镜的两焦平面的差值得以测量的。该聚焦方法适当地配合使用一个数字游标刻度规可作到精确的测量。在显微镜的观看目镜上还装配一个十字线，以求得更好的测量精确度。

在优选的实施例中，将一个照相机配置在显微镜上的一个投影镜头上，以能进行摄影照相，得到该缺陷的放大图像，以供进一步的分析和测量。

将该安装装置固定在窗玻璃上，使显微镜定位垂直于窗玻璃平面，就能使本发明的装置能够用于现场检查和探查窗玻璃中的缺陷。于是，采用上面叙述的十字交叉偏振光技术或者反射光技术一旦检测出一个缺陷后，借助于由显微镜给出的光学放大作用，可以对此缺陷作进一步的检查、测量和/或照相。

为了更充分地了解本发明并付诸实践，现参照附图举例说明本发明的优选实施例。

图1是示出一种应用透射的十字交叉偏振光来检测窗玻璃中缺陷的装置的原理图;

图2示出应用反射的十字交叉偏振光来检测窗玻璃中缺陷的一种装置的原理图;

图3示出显微镜和照相机组合体的侧视图;

图4示出图3中显微镜和照相机组合体安装配置的端部视图;

图5示出由于折射率作用引起的影像失真。

发明者意外发现，回火玻璃中诸如杂质块和气泡之类的小杂质在十字交叉偏振光下是可以看得见的，即使回火玻璃因制造过程中产生大量的内应力的情况下也是如此。尺寸范围约为0.1至0.6mm的结块和气泡可以由肉眼检测出来。尺寸小于0.1mm的微粒不可能导致玻璃自身碎裂，而尺寸大于0.6mm的颗粒不用专门的技术不可检测出来。

任一种合适的光源都可采用。最好，十字交叉偏振光是普通的光，亦即光谱中可见部分的光线。通常，在十字交叉偏振光下观看时，小的杂物的应力特征呈现为“蝴蝶”图案。

应用反射的或透射的十字交叉偏振光都可以对玻璃进行检查。现在，参考图1和图2来分别地说明检测建筑物窗玻璃缺陷的这两种应用技术。

如图1中所示，光盒10内装有一个合适的光源，例如一支或多支荧光管，由一个偏振片11覆盖住。投射到偏振片11上的光线必须尽量地均匀。光盒放置于窗玻璃12的内侧，而观看者从建筑物的外侧观看窗玻璃。对于摩天大楼，可以用窗玻璃清洁员吊篮或建筑物脚手架（BMU）来运载和支持观看者13所希望的位置上。观看者13通过第二偏振片或即“检偏器”14观看自光盒10透射过来的光线，检偏器14的偏振角方向与起偏器11的偏振角方向相交成90°。实际上，观看者13可以戴上一副上面装有检偏器偏振片14的护目镜来观看。

为了避免外界光线的干扰，检查工作应在黑暗环境中进行，通常是在夜晚。另外，也可以在窗玻璃的任一侧附加上不透明的壳罩，以阻挡外界光线。

采用所示例的技术，用肉眼能检测出小到100μm的硫化镍的结块的特征性蝴蝶图案。

利用反射的十字交叉偏振光，亦可以就地查寻出窗玻璃中的小结块和其它缺陷。如图2所示，光盒20和附属的起偏器21放置于观看者23的头部上方。也就是，光盒20和观看者23处于窗玻璃的同一侧。一般，如果观看者站在窗外的脚手架上，光盒可以安装在观看者头部上方的脚手架结构框上。观看者23通过检偏器24观看自窗玻璃22上反射出来的光线。

已经发现，反射模式的偏振光所揭示出的玻璃中的应力情况，其效果即使不优于也至少等于透射模式的。在反射模式中，入射的偏振光从玻璃背面上反射出来。在反射面上，偏振平面并无大的改变，但光线将通过玻璃两次，它使观看者看到的应力反差放大。

透射的十字交叉偏振光方法只适用于透明的或了望的窗玻璃，与之不同，反射的十字交叉偏振光方法能适用于供透视的和不供透视的（例如拱肩窗）两类玻璃。

象透射光方法一样，反射光方法也要在黑暗环境中进行，例如是夜晚，或是阻挡住外界光线的不透明罩幕围绕的空间内。

由于玻璃内部物体的影像被放大等于折射率的值，缺陷的可见度得以增强。所以，在具有折射率为1.518的玻璃中，一个尺寸为70μm的物体对肉眼呈现为106μm。

更令人惊奇的是，发明者已经发现，采用不偏振的反射光也能检测出窗玻璃中小的结块和缺陷。观看窗玻璃的方式与图2中所示的相同，但不使用检偏器偏振光24。对于光盒给出的均匀照射光，自窗玻璃上反射的光线呈现为一个均匀的白背景光。在这个白背景光衬托下.小的结块或缺陷投影出一个暗影。小至70μm的核块也能用肉眼观看到。

硫化镍块或其它缺陷一旦被检测出后，采用光学放大技术可以更仔细地进行分析。本发明也提供出用光学方法分析玻璃中具体缺陷的装置，在图3和图4中示出了这种装置的一个实施例。该装置可应用于：

（1）对缺陷进行照相;

（2）测量缺陷的直径;

（3）测量缺陷离玻璃前表面的距离。

图3和图4中所示的装置可以应用一个无搁架的立体光学显微镜和照相机来简便而经济地构成。如图3中所示，变焦立体显微镜30具有的放大范围通常为9到60倍，它配置有一个荧光环照明器31作为其光源。最好加上一个滤光片35来校正荧光光源31的光色，并将一个十字线安装到显微镜目镜36上，以保证聚焦精确度。

在显微镜30上装置一个3.3X的投影镜头32，将影像投影到照相机33的背面。此外，装设上一个数字游标刻度规34，以便测量聚焦平面的变化。数字游标刻度规34适合于连接到一个齿轮齿条传动型显微镜聚焦组件37上。影像放大率由显微镜变焦控制钮38进行调节。

显微镜30的通常垂直定位以供常规使用。然而，当在这一应用中用于垂直的窗玻璃时，显微镜30安装在一个安装设备40（图4）上，因而大致工作在水平方向上。显微镜组件30固定在一个支架和滑块组体的支架部分41上。这支架部分41安装至一个滑块部分47上，而滑块部分47可沿水平杆43滑动。

一些真空垫44装配在水平杆43的两端。这些真空垫44用来将安装设备40可装卸地固定到窗玻璃上，它们可以是平板玻璃吸附提升装置那类的式样。在将安装设备40装配到窗玻璃上时，使各真空垫44顶住窗玻璃，转动真空垫44上的手柄45，便可在该垫下形成真空。

支架和滑块组件允许显微镜30在X和Y方向上移动。滑块部分47是一个套管状组件，它环绕着水平杆43。滑块47的套管状部分前侧和后侧上固定的聚四氟乙烯带帽螺丝维持住支架和滑块组件相对于水平杆43的抗扭强度。

滑块47由两个螺丝46支持在水平杆43上，螺丝46的尖端有聚四氟乙烯（商标名称Teflon）衬套。将两个螺丝46同时旋转，可使支架和滑块组件垂直移动（Y方向）。由于在聚四氟乙烯衬套和水平杆43机部之间只有小的摩擦接触，所以支架和滑块组件可在水平方向（X方向）上匀滑地平移。

利用显微镜30本身上的齿轮齿条聚焦装置37可使显微镜进行聚焦（使之沿Z方向移动）。

支架和滑块组件以及水平杆43都用铝适当地制成，或者用其它的强度高、重量轻的材料制造。

使用中，应用十字交叉偏振光在窗玻璃中一旦检测出一个缺陷后，依靠安装设备40将显微镜和照相机组合体装置到窗玻璃上，并将显微镜对准缺陷的中央。通过显微镜可对缺陷进行摄影。对一个划线的刻度规也进行摄影，以校准照相机上的放大率。对于所示的实施例，最大放大率为90倍，一张10×15cm的照片对应于窗玻璃上1.2×1.8mm的视野。玻璃中缺陷的大小可从照相片上测量出来。

通过立体显微镜30进行观看将是偏心的，也就是，光轴并不垂直地窗玻璃表面。偏心光轴的应用可给出这样的优点，除了玻璃背面上的物体之外，对于其它物体均可直接地拍摄其正面，又观看从玻璃背面上来的物体的反射光，从而拍摄该物体的反面。

玻璃内缺陷的深度借助在玻璃表面上作出一个标志来测量，例如应用一支记号笔。将显微镜聚焦在玻璃表面上，并将数字游标刻度规设定于0。然后，显微镜聚焦在缺陷本身上，缺陷的深度能从数字刻度规34上读出。数字刻度规的精度达到0.01mm。不过，目镜的聚焦精度典型值仅是0.1mm。所以，显微镜目镜上的十字线对于获得聚焦位置的精确度是很有益的。

玻璃厚度的测量有类似情况，即是先聚焦在前表面的标志上，重调定数字刻度规至0，然后聚焦在前表面标志的背面反射层上。玻璃的厚度便是数字刻度规34所测得的距离的一半。

能够测量玻璃内缺陷的位置是十分有用的。回火玻璃中，在玻璃厚度约20%的两侧表面内，承受着高的压力（属压缩区域），而在玻璃厚度的中间60%范围内，承受着高的拉力（属拉伸区域）。处在压缩区域内的缺陷通常是无害的。然而，处在拉伸区域内的缺陷会导致玻璃自身破碎。测量出缺陷离玻璃前表面的玻璃的厚度，就有可能确认该缺陷是否处于拉伸区域内。已发现，回火玻璃中有危害的缺陷其尺寸一般在0.1mm到0.6mm范围内。上面叙述的聚焦方法可做到对玻璃中这类缺陷的深度定位具有0.1mm的精度，这已相当足够。

玻璃的折射率对于所觉察的玻璃内缺陷的尺寸和位置有生大影响。如图5中所示，由于空气-玻璃界面处折射率的改变，进入玻璃的光线在玻璃表面处发生弯曲，使结块的视在位置比实际位置较靠近观看者。此外，视在的影像比实际物体的尺寸是放大了。人们熟知，由于这一作用，缺陷靠近了玻璃前表面“折射率的系数值”倍，并放大了“折射率的系数值”倍。也就是说，以于通常的回火窗玻璃，实际距离等于视在距离乘以1.52（玻璃的折射率），而实际尺寸等于视在尺寸除以1.52。在测量缺陷的尺寸和位置中，应计入折射率的这个影响。

上面所述只说明了本发明的某些实施例，显然，本技术领域内的熟练人员可以对此作出变型，但偏离不开本发明的范畴。例如，也可以在制造阶段检查玻璃，而不只是在安装之后。此外，上面叙述的检查方法可以在应用一个计算机控制的扫描机构、电视摄像机及一台计算机和/或其它数据存储装置下，实现自动化操作。

Claims (11)

1、一种用以检测回火玻璃中应力导致杂质的方法，其特征在于包括以下步骤：

用偏振光照射玻璃；

通过一个偏振媒体观看被照射的玻璃，该偏振媒体的偏振平面指向与照射光的偏振平面指向正交；

在玻璃中检测出查寻到的、表征杂质的应图案。

2、根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，玻璃是平板窗玻璃，该方法是在黑暗环境中就玻璃所在处实施例的。

3、权利要求2中所述的方法，其特征在于，对被照射的玻璃的观看是利用透射过玻璃的光线从平板玻璃照明光源的对侧进行的。

4、权利要求2中所述的方法，其特征在于，对被照射的玻璃的观看是利用自平板玻璃远侧表面反射出来的光线从平板玻璃照明光源的同一侧进行的。

5、一种用于检测回火平板玻璃中杂质的方法，其特征在于包括以下步骤：

用光线照射平板玻璃的一侧;

观看从平板玻璃另一侧空气-玻璃界面上反射出来的光线，以检测玻璃中的杂质。

6、一种用于检测回火平板玻璃中杂质和其它缺陷的装置，其特征在于包括：

光学放大装置;

安装装置，适合于可装卸地固定在玻璃上，光学放大装置可调节地被安装到该安装装置上，以在平板玻璃的至少一部分上移动。

7、权利要求6中所述的装置，其特征在于，所述的光学放大装置包含有一个变焦立体显微镜。

8、权利要求7中所述的装置，其特征在于，所述的安装装置包含有一个带有吸垫的延伸部体，吸垫可吸附上或脱离开玻璃;一个显微镜座沿着延伸部件可以滑动，并可在横切延伸部件轴的的方向上移动，在使用时显微镜座上安装适合的显微镜。

9、权利要求8中所述的装置，其特征在于，显微镜上有一个游标刻度规，用以测量聚焦平面位置的变化。

10、权利要求8中所述的装置，其特征在于，显微镜上装有一个投影镜头接头，并包含有一架安装在投影镜头接头上的照相机。

11、权利要求10中所述的装置，其特征在于，当显微镜安装在显微镜座上时，其光轴对于平板玻璃表面有倾斜角。

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