CN110657928B - 一种快速测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法，在读数显微镜目镜处安装摄像头，摄像头连接有计算机，具体为：调节螺丝给平凸透镜施加应力P；保持应力不变，调整牛顿环测量装置，获取该应力下的牛顿环干涉图像；标准牛顿环的标定，获得图像单位像素对应的实际长度值L₀；测量牛顿环光干涉图像中心黑斑半径r；调节不同的应力值获取牛顿环干涉图像，得到不同应力P_i情况下牛顿环干涉图像中心黑斑的半径r_i；计算不同应力变形情况下光学平板玻璃的弯曲刚度D_i，获得光学平板玻璃的弯曲刚度测量值D。本发明解决了现有技术中存在的光学平板玻璃弯曲刚度测量过程复杂的问题。

Description

一种快速测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，涉及一种快速测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法。

背景技术

玻璃应用领域广泛，玻璃的力学参数决定了玻璃的应用特征和质量，玻璃的力学参数主要有弹性模量、弯曲刚度和泊松比等，但是，玻璃力学参数的传统测量方法测量过程比较繁琐，只能测量大样品玻璃，不能测量小样平玻璃，且需破坏玻璃样品，重复性不好。以弯曲刚度测量为例，一般常见的光学平板玻璃的弯曲刚度的测量方法主要有静态刚度测量法、谐振激励测量法等。静态刚度测量法是通过确定施加于弹挠性零上的力矩和转角(或力和位移)的大小，直接用胡克定律算出弯曲刚度值，因为玻璃是脆性材料，硬度和刚度都不是很高，所以受到弯曲和扭转很容易破坏，测量的重复性较差，精度不高。谐振激励测量法虽然采用波形分析法和频谱分析得出的弹挠性元件的自然谐振频率的测试精度非常高，但是将该频率转换为刚度系数时所建立的测量模型非常复杂，其准确度无法得到保证，此方法有待进一步研究。而且基于以上方法的测量过程比较繁琐，适用范围比较小。

现有的牛顿环应力测量装置(专利名称为：《一种牛顿环应力测量装置》，申请号为：201610247746.1，公告号：CN105865686B，公告号：2018-04-03)，可以精确测量由于螺丝松紧造成的玻璃体发生形变时受到的应力，但不能进行图像采集以及图像处理。

中国专利《一种利用光干涉法测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法》(申请号为：201611146179.7，公告号为：CN106769459B，公告号：2019-07-30)，用于测量小样品光学平板玻璃的弯曲刚度，人为通过读数显微镜读取在该应力下牛顿环干涉图像中心黑斑的直径Q，然后计算出黑斑的半径r，计算弯曲刚度D，其测量过程较慢、耗费人力，且其测量计算弯曲刚度D的力学模型复杂。

本发明基于上述问题提出了一种快速测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法，解决了现有技术中存在的光学平板玻璃弯曲刚度测量过程复杂的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种快速测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法，在一种牛顿环应力测量装置的读数显微镜目镜处安装摄像头，摄像头连接有计算机，具体按照以下步骤实施：

步骤1，在弹性范围内，调节螺丝给平凸透镜施加应力，并通过应力显示仪显示应力传感器测量的施加到光学平板玻璃的中心应力P，记录中心应力P的大小；

步骤2，保持步骤1中的中心应力不变，利用钠光源发出钠光，钠光经45°反射镜反射后垂直入射到平凸透镜上，通过摄像头获取读数显微镜目镜处的该应力下的牛顿环干涉图像，并将图像传输给计算机；

步骤3，通过标准牛顿环的标定，获得图像单位像素对应的实际长度值L₀；

步骤4，利用步骤3计算的图像单位像素对应的实际长度值L₀，测量牛顿环光干涉图像中心黑斑半径r；

步骤5，重复步骤1、2、4，得到不同应力P_i情况下牛顿环干涉图像中心黑斑的半径r_i(i＝1，2，…，n)；

步骤6，根据步骤5测得的数据，得到不同应力变形情况下光学平板玻璃的弯曲刚度D_i(i＝1，2，…，n)，取平均值获得光学平板玻璃的弯曲刚度测量值D，具体为：

步骤6.1，根据步骤5得到不同应力P_i情况下牛顿环干涉图像中心黑斑的半径r_i(i＝1，2，…，n)，计算不同应力变形情况下光学平板玻璃的弯曲刚度D_i：

其中，P_i为光学平板玻璃的中心应力，r_i为牛顿环干涉图像黑斑的半径，R为平凸透镜的标准曲率半径，h为光学平板玻璃的厚度；

步骤6.2，光学平板玻璃的弯曲刚度测量值D为：

本发明的特征还在于，

摄像头通过USB接口端与计算机相连。

步骤3具体为：

步骤3.1，通过计算机获取标准牛顿环图像

制作标准牛顿环，取下步骤2中的牛顿环仪，并将标准牛顿环放置在原来牛顿环仪对应的位置重复步骤2，通过计算机获取标准牛顿环图像；

步骤3.2，测量标准牛顿环图像的黑斑面积

对经步骤3.1获取的标准牛顿环图像依次通过图像预处理、图像增强处理、灰度转换、二值图像转换、二值图像取反、图像反光背景去除以及霍夫圆检测获取标准牛顿环图像中心黑斑像素面积；

步骤3.3，标定图像单位像素对应的实际长度值

已知标准牛顿环黑斑半径是R₀(mm)，标准牛顿环黑斑对应的图像黑斑像素半径为r₀(pixel)，像素面积是S₀(pixel²)，则S₀＝πr₀ ²，则得标准牛顿环像素半径r₀(pixel)与黑斑图像像素面积S₀(pixel²)对应的关系式：

则图像单位像素对应的实际长度值L₀(mm/pixel)为：

步骤4具体为：

依据步骤3.2的方法获得经步骤2获得的牛顿环干涉图像黑斑的像素面积S₁(pixel²)，计算图像黑斑的像素半径a₁(pixel)，

则牛顿环干涉图像黑斑半径的实际测量值r(mm)为：

r＝L₀a₁(4)。

步骤3.1中的图像预处理为对采集到的牛顿环干涉图像进行均值滤波以及中值滤波处理，图像增强处理为将经过均值滤波和中值滤波处理后的图像用直方图均衡化进行增强处理。

本发明的有益效果是：本发明利用牛顿环应力测量装置和计算机图像处理技术测量牛顿环黑斑半径并测量小样品光学平板玻璃弯曲刚度，与现有的测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法相比，测量方法简单易行，应用范围广，测量精度高，且不损伤玻璃材料，可方便用于测量光学平板玻璃弯曲刚度的测量，实现了小样品玻璃弯曲刚度的快速测量，解决了小样品光学平板玻璃弯曲刚度难以测量的问题。

附图说明

图1是本发明经过改进的牛顿环应力测量装置结构示意图；

图2是本发明牛顿环光干涉图像和标准牛顿环中心黑斑像素面积测量的主要算法框图；

图3是本发明中制作的标准牛顿环示意图。

图中，1.钠光源，2.读数显微镜，3.反射镜，4.螺丝，5.上盖，6.底座，7.应力传感器，8.通孔，9.应力显示仪，10.光学平板玻璃，11.平凸透镜，12.摄像头，13.计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种快速测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法，如图1所示，一种牛顿环应力测量装置，包括底座6，底座6的凹槽中放置有应力传感器7，应力传感器7的探头高于底座6的凹槽上表面，应力传感器7的探头上放置有光学平板玻璃10，光学平板玻璃10上放置有平凸透镜11(平凸透镜11由于凸面曲率半径R较大，外观可近似为圆形薄板)，平凸透镜11的凸面与光学平板玻璃10接触，光学平板玻璃10除与平凸透镜11和应力传感器7接触外不与其他任何部件接触，应力传感器7、光学平板玻璃10、平凸透镜11同轴，平凸透镜11的平面边缘上放置有上盖5，上盖5通过螺丝4与底座6连接，螺丝4拧紧的过程中，上盖5不会与底座6相接触，即上盖5与底座6之间有空隙；应力传感器7的信号线穿过底座6上的通孔8与应力显示仪9连接，应力显示仪9用于显示应力传感器7采集到的应力；在一种牛顿环应力测量装置中的读数显微镜2目镜处安装摄像头12，摄像头12通过USB接口端连接有计算机13；

具体按照以下步骤实施，如图2流程所示：

步骤1，在弹性范围内，调节螺丝4给平凸透镜11施加应力，并通过应力显示仪9显示应力传感器7测量的施加到光学平板玻璃10的中心应力P，记录中心应力P的大小；

步骤2，保持步骤1中的中心应力不变，利用钠光源1发出钠光，钠光经45°反射镜3反射后垂直入射到平凸透镜11上，通过摄像头12获取读数显微镜2目镜处的该应力下的牛顿环干涉图像，并将图像传输给计算机13；

步骤3，通过标准牛顿环的标定，获得图像单位像素对应的实际长度值L₀；具体为：

步骤3.1，通过计算机获取标准牛顿环图像

制作标准牛顿环，如图3所示，可选黑斑半径标准值的典型值为0.75mm，取下步骤2中的牛顿环仪，并将标准牛顿环放置在原来牛顿环仪对应的位置重复步骤2，通过计算机获取标准牛顿环图像；

步骤3.2，测量标准牛顿环图像的黑斑面积

对经步骤3.1获取的标准牛顿环图像进行均值滤波、中值滤波预处理，将经过中值滤波和均值滤波以后的图像用直方图均衡化进行增强处理、灰度转换、二值图像转换、二值图像取反、图像反光背景去除以及霍夫圆检测获取标准牛顿环图像中心黑斑像素面积；

步骤3.3，标定图像单位像素对应的实际长度值

已知标准牛顿环黑斑半径是R₀(mm)，标准牛顿环黑斑对应的图像黑斑像素半径为r₀(pixel)，像素面积是S₀(pixel²)，则S₀＝πr₀ ²，则得标准牛顿环像素半径r₀(pixel)与黑斑图像像素面积S₀(pixel²)对应的关系式：

则图像单位像素对应的实际长度值L₀(mm/pixel)为：

步骤4，利用步骤3计算的图像单位像素对应的实际长度值L₀，测量牛顿环光干涉图像中心黑斑半径r，具体为：

依据步骤3.2的方法获得经步骤2获得的牛顿环干涉图像黑斑的像素面积S₁(pixel²)，计算图像黑斑的像素半径a₁(pixel)，

则牛顿环干涉图像黑斑半径的实际测量值r(mm)为：

r＝L₀a₁ (4)；

步骤5，重复步骤1、2、4，得到不同应力P_i情况下牛顿环干涉图像中心黑斑的半径r_i(i＝1，2，…，n)；

步骤6，根据步骤5测得的数据，得到不同应力变形情况下光学平板玻璃的弯曲刚度D_i(i＝1，2，…，n)，取平均值获得光学平板玻璃的弯曲刚度测量值D，具体为：

步骤6.1，根据步骤5得到不同应力P_i情况下牛顿环干涉图像中心黑斑的半径r_i(i＝1，2，…，n)，计算不同应力变形情况下光学平板玻璃的弯曲刚度D_i：

其中，P_i为光学平板玻璃的中心应力，r_i为牛顿环干涉图像黑斑的半径，R为平凸透镜的标准曲率半径，h为光学平板玻璃的厚度；

步骤6.2，光学平板玻璃的弯曲刚度测量值D为：

本发明的原理为：利用计算机图像处理技术的优势，用摄像头12代替人眼进行拍照，在摄像头监控界面下微调牛顿环仪装置，获取效果最佳的干涉图像，将摄像头12采集到的图像传输到计算机13，编写牛顿环图像采集、处理程序，通过摄像头在显微镜目镜处实时采集牛顿环不同应力情况下的图像，基于数字图像滤波、增强、灰度转换、二值化和霍夫圆检测等原理，通过牛顿环黑斑识别和黑斑面积的测量，提出了基于牛顿环黑斑识别和黑斑面积测量的牛顿环中心黑斑半径测量方法，实现了牛顿环光干涉图像中心黑斑半径的自动、快速、准确测量，然后利用牛顿环干涉图像中心黑斑半径与应力的对应关系，快速测量光学平板玻璃的力学参数-弯曲刚度。

通过螺丝施加应力来改变平凸透镜接触变形，通过对牛顿环干涉图像进行处理得到牛顿环黑斑半径，根据力学模型中球面与平面接触的模型，计算光学平板玻璃的弯曲刚度。

本发明光学平板玻璃的弯曲刚度测量值D的具体推导过程为：

由公式(7)可得到黑斑处所对应光学平板玻璃垂直距离变形的变换式；

其中，R为光学平凸透镜的标准曲率半径，r为牛顿环干涉图像中心黑斑的半径，d为半径r处的光学平板玻璃与光学平凸透镜之间的变形距离；

根据力学理论，在法向正压力作用下的接触变形等于接触点相对的位移，数值上等于：

其中：E₁,E₂为物体1和物体2的弹性模量；v₁，v₂为物体1和物体2的泊松比；P为作用在物体1和物体2的力；R₁，R₁₁为物体1在接触点的主曲率半径；R₂，R₂₂为物体2在接触点的主曲率半径。

由物体1和物体2是球与平面的接触模型，利用上边公式(8)可以求出接触时的接触变形即等于接触点相对的位移：

牛顿环结构中的平凸透镜和光学平板玻璃之间的接触，可看作球与平面接触模型，公式(7)中的d与公式(9)中的f都代表在黑斑半径r处的距离变化；

因此，可推导出光学平板玻璃的弹性模量E：

又因为光学平板玻璃的弯曲刚度与弹性模量之间存在如下关系：

因此，可推导出光学平板玻璃的弯曲刚度D的公式为：

其中，P为光学平板玻璃的中心应力，r为牛顿环干涉图像黑斑的半径，R为平凸透镜的标准曲率半径，h为光学平板玻璃的厚度。

表1为本发明测得光学平板玻璃弯曲刚度值与标称值的对比：取n＝10

表1弯曲刚度测量结果比较

由以上数据对比可知，本发明测得的光学平板玻璃弯曲刚度数值与厂家所给标称值数据吻合度好。

本发明通过对牛顿环光干涉图像黑斑半径自动、快速、准确测量，进而快速测量光学平板玻璃弯曲刚度的无损测量方法，测量过程简单易行，应用范围广，数据测量精度比较高，且不损伤玻璃材料。

Claims (3)

1.一种快速测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法，其特征在于，在一种牛顿环应力测量装置的读数显微镜(2)目镜处安装摄像头(12)，所述摄像头(12)连接有计算机(13)，所述一种牛顿环应力测量装置包括底座(6)，底座(6)的凹槽中放置有应力传感器(7)，应力传感器(7)的探头高于底座(6)的凹槽上表面，应力传感器(7)的探头上放置有光学平板玻璃(10)，光学平板玻璃(10)上放置有平凸透镜(11)，平凸透镜(11)的凸面与光学平板玻璃(10)接触，光学平板玻璃(10)除与平凸透镜(11)和应力传感器(7)接触外不与其他任何部件接触，应力传感器(7)、光学平板玻璃(10)、平凸透镜(11)同轴，平凸透镜(11)的平面边缘上放置有上盖(5)，上盖(5)通过螺丝(4)与底座(6)连接，螺丝(4)拧紧的过程中，上盖(5)不会与底座(6)相接触，即上盖(5)与底座(6)之间有空隙；应力传感器(7)的信号线穿过底座(6)上的通孔(8)与应力显示仪(9)连接，应力显示仪(9)用于显示应力传感器(7)采集到的应力，具体按照以下步骤实施：

步骤1，在弹性范围内，调节螺丝(4)给平凸透镜(11)施加应力，并通过应力显示仪(9)显示应力传感器(7)测量的施加到光学平板玻璃(10)的中心应力P，记录中心应力P的大小；

步骤2，保持步骤1中的中心应力不变，利用钠光源(1)发出钠光，钠光经45°反射镜(3)反射后垂直入射到平凸透镜(11)上，通过摄像头(12)获取读数显微镜(2)目镜处的该应力下的牛顿环干涉图像，并将图像传输给计算机(13)；

步骤3，通过标准牛顿环的标定，获得图像单位像素对应的实际长度值L₀，具体为：

步骤3.1，通过计算机获取标准牛顿环图像

制作标准牛顿环，取下步骤2中的牛顿环仪，并将标准牛顿环放置在原来牛顿环仪对应的位置重复步骤2，通过计算机获取标准牛顿环图像；

步骤3.2，测量标准牛顿环图像的黑斑面积

对经步骤3.1获取的标准牛顿环图像依次通过图像预处理、图像增强处理、灰度转换、二值图像转换、二值图像取反、图像反光背景去除以及霍夫圆检测获取标准牛顿环图像中心黑斑像素面积；

步骤3.3，标定图像单位像素对应的实际长度值

已知标准牛顿环黑斑半径是R₀，单位：mm，标准牛顿环黑斑对应的图像黑斑像素半径为r₀，单位：pixel，像素面积是S₀，单位：pixel²，则S₀＝πr₀ ²，则得标准牛顿环像素半径r₀，单位：pixel，与黑斑图像像素面积S₀，单位：pixel²，对应的关系式：

则图像单位像素对应的实际长度值L₀，单位：mm/pixel，为：

步骤4，利用步骤3计算的图像单位像素对应的实际长度值L₀，测量牛顿环光干涉图像中心黑斑半径r，具体为：

依据步骤3.2的方法获得经步骤2获得的牛顿环干涉图像黑斑的像素面积S₁，单位：pixel²，计算图像黑斑的像素半径a₁，单位：pixel，

则牛顿环干涉图像黑斑半径的实际测量值r，单位：mm，为：

r＝L₀a₁ (4)；

步骤5，重复步骤1、2、4，得到不同应力P_i情况下牛顿环干涉图像中心黑斑的半径r_i，i＝1，2，…，n；

步骤6，根据步骤5测得的数据，得到不同应力变形情况下光学平板玻璃的弯曲刚度D_i，i＝1，2，…，n，取平均值获得光学平板玻璃的弯曲刚度测量值D，具体为：

步骤6.1，根据步骤5得到不同应力P_i情况下牛顿环干涉图像中心黑斑的半径r_i，i＝1，2，…，n，计算不同应力变形情况下光学平板玻璃的弯曲刚度D_i：

其中，P_i为光学平板玻璃的中心应力，r_i为牛顿环干涉图像黑斑的半径，R为平凸透镜的标准曲率半径，h为光学平板玻璃的厚度；

步骤6.2，光学平板玻璃的弯曲刚度测量值D为：

2.根据权利要求1所述的一种快速测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法，其特征在于，所述摄像头(12)通过USB接口端与计算机相连。

3.根据权利要求1所述的一种快速测量光学平板玻璃弯曲刚度的方法，其特征在于，所述步骤3.1中的图像预处理为对采集到的牛顿环干涉图像进行均值滤波以及中值滤波处理，图像增强处理为将经过均值滤波和中值滤波处理后的图像用直方图均衡化进行增强处理。

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