CN115060582B - 一种测量薄膜抗拉伸强度的测试方法及测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学薄膜性能测试技术领域，公开了一种测量薄膜抗拉伸强度的测试方法及测试装置，其中的测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，包括以下方法：提供一长条状且具有呈光学镜面的镀膜面的陪镀片，在镀膜面镀有待表征的膜层；将陪镀片的一端固定且另一端悬空，使其呈悬挑状态；在陪镀片的上方设置光源和CCD信号采集器，CCD信号采集器位于光源光经陪镀片上膜层反射后的反射路径上；在初始温度下，记录陪镀片上的膜层的初始应力σ0，然后使陪镀片逐渐升温，陪镀片发生热膨胀，当膜层升温到出现裂纹时，通过CCD信号采集器采集光偏移量。本发明表征薄膜的抗拉伸强度，并且该测试方法可以为光学镀膜工艺提供一种新的评价视角。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜性能测试技术领域，具体涉及一种测量薄膜抗拉伸强度的测试方法及测试装置。
背景技术
光学薄膜是激光系统、智能手机、VR/AR 等光学系统所不可或缺的元器件。光学薄膜的裂纹可严重影响外观和使用性能。裂纹有可能是镀膜结束就有，但随着镜片尺寸加大和塑料镜片的广泛应用，外力导致裂纹的几率越来越大。为提高产品良率，研究薄膜开裂机理、改善镀膜工艺，需要对薄膜的延展性指标——抗拉伸强度进行测量。
截止目前，尚未有明确测量光学薄膜抗拉伸强度的方法。
目前，因为缺乏量化测量光学薄膜抗拉伸强度的方法，在镀膜工业中经常发生的膜裂现象缺乏研究工具，无法对膜裂原因进行深层次分析，只能通过模拟膜裂发生的使用环境去改善镀膜条件，比如 240h 高温等实验，不仅浪费大量人力物力，还可能影响塑料元件在光学行业的普及程度。
因此，需要开发一种能测量光学薄膜抗拉伸强度的测试方法和测试装置。
发明内容
本发明的目的在于提供的一种测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，该测试方法能对光学薄膜通过量化测量的方式对其抗拉伸强度进行表征，为光学镀膜工艺提供一种新的评价视角；同时，本发明还提供了一种测量薄膜抗拉伸强度的测试装置，该测试装置可实施该测试方法，能够达到实施所需的测试条件。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，提供一种测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，包括以下方法：
提供一长条状且具有呈光学镜面的镀膜面的陪镀片，在镀膜面镀有待表征的膜层；
将陪镀片的一端固定且另一端悬空，使其呈悬挑状态；
在陪镀片的上方设置光源和CCD信号采集器，CCD信号采集器位于光源光经陪镀片上膜层反射后的反射路径上；
在初始温度下，记录陪镀片上的膜层的初始应力σ0，然后使陪镀片逐渐升温，陪镀片发生热膨胀，当膜层升温到出现裂纹时，通过CCD信号采集器采集光偏移量；
通过光偏移量计算陪镀片的翘曲度，根据翘曲度以Stoney 公式计算出膜层的当前应力σ1；
根据初始应力σ0和当前应力σ1可得陪镀片施加给膜层的拉伸应力Δσ，拉伸应力Δσ即可表征为膜层的抗拉伸强度。
在可能的实现方式中，所述Stoney 公式为
；
其中， Es是陪镀片的杨氏模量，vs 是陪镀片的泊松比，ts 是基片厚度，tf是膜层厚度，Ls为陪镀片的长度，ΔL为陪镀片的翘曲度。
在可能的实现方式中，所述陪镀片为热膨胀系数大于 1×10-5的金属材料、PC材料、塑料材料或尼龙材料。
在可能的实现方式中，所述陪镀片的镀膜面经过抛光，其表面粗糙度小于1μm；所述陪镀片的长度远大于宽度，宽度远大于厚度。
在可能的实现方式中，所述拉伸应力Δσ为当前应力σ1与初始应力σ0的差值。
另一方面，也提供一种测量薄膜抗拉伸强度的测试装置，基于上述任一项技术方案的测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，包括长条状的陪镀片和定位座；
所述定位座设于一检测平面上，定位座用于固定陪镀片的一端以使陪镀片的另一端悬空，陪镀片具有呈光学镜面的表面，在陪镀片上镀设有待表征的膜层；所述检测平面的上方设有一光源和一CCD信号采集器，光源与信号采集器相对设置且分别位于陪镀片的上方两侧；所述检测平面的底部设有加热装置，加热装置用于使陪镀片升温；
所述CCD信号采集器和所述加热装置通过采集卡电连接有计算机。
在可能的实现方式中，所述定位座具有竖向的夹持槽，在夹持槽内滑动连接有夹持块，夹持块的顶部通过弹簧与夹持槽的顶部连接，夹持块的底部与夹持槽的底部之间构成可夹持所述陪镀片一端的夹持空间。
在可能的实现方式中，所述加热装置包括加热座，加热座具有槽状的安装部和可拆卸连接在安装部底部的加热部，安装部的内底面为所述检测平面。
在可能的实现方式中，所述加热座的安装部的内地面设有与所述定位座相适配的凹槽，凹槽与定位座可拆卸连接。
在可能的实现方式中，所述安装部内设有温度探头，温度探头通过采集卡与所述计算机电性连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，通过对镀有膜层的陪镀片在悬挑状态下对其施加热膨胀的拉伸作用，可使其上膜层的拉伸力增加，当膜层出现裂纹时，可获取到CCD 的光偏移量，并进一步计算悬臂梁施加给薄膜的拉伸应力σ1，膜裂发生时的当前应力σ1与初始应力σ0的差值σ1-σ0，即可视为薄膜的抗拉伸强度，并且该测试方法可以为光学镀膜工艺提供一种新的评价视角，有望减少膜裂的发生和探索膜裂的原因。
而且，这样的测试方法可使得表征数据更为精确、有效，也可使得测试更为规范。
本发明的测量薄膜抗拉伸强度的测试装置，可通过定位座使陪镀片以悬挑状态进行测试，并可提供加热作用，配合光源和CCD信号采集器可获得光偏移量，同时能够通过计算机进行调节和控制，最终可得到表征膜层的抗拉伸强度的量化数据，结构简单且设计合理。
附图说明
图1为本申请实施例的一种表征塑料光学元件膜层附着力的测试装置的结构示意图；
图2为本申请实施例的一种表征塑料光学元件膜层附着力的测试装置的定位座在第一视角下的结构示意图；
图3为本申请实施例的一种表征塑料光学元件膜层附着力的测试装置的定位座在第二视角下的结构示意图；
图4为本申请实施例的一种表征塑料光学元件膜层附着力的测试装置关于通过光偏移量计算翘曲度的原理示意图。
图中：1-陪镀片；2-光源；3-CCD信号采集器；4-计算机；5-加热座；51-加热部；52-安装部；6-定位座；61-弹簧；62-夹持块；63-夹持槽；7-温度探头。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。
本申请的实施例提供了一种测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，包括以下步骤：
步骤S1:提供一长条状且具有呈光学镜面的镀膜面的陪镀片，在镀膜面镀有待表征的膜层。
其中，陪镀片为待测样品主体，其是一种拥有光学级镜面的长条状物体，材料为金属、PC、塑料、尼龙或其它热膨胀系数大于 1×10-5 的物质，上表面抛光，其表面粗糙度小于1μm，长度远大于宽度、宽度远大于厚度。典型的陪镀片尺寸为 100×10×0.5mm，材料为金属铝，上表面抛光，粗糙度约 100nm。陪镀片为长条状，这样的结构可便于一悬挑状态进行测试，同时也可使得所获得的量化数据能够满足Stoney 公式的前提，即玻璃的翘曲度远小于玻璃长度。
步骤S2:将陪镀片的一端固定且另一端悬空，使其呈悬挑状态。
陪镀片通过采用悬挑的结构，可使其悬空的一端在接近自然状态下进行测试，所得到的相关数据更为准确，也便于在升温状态下进行更为自然的热膨胀，提高了测试的准确性。
步骤S3:在陪镀片的上方设置光源和CCD信号采集器，CCD信号采集器位于光源光经陪镀片上膜层反射后的反射路径上。
其中，光源发射的光有三个特征：近似平行光；近似线光源；光能被CCD 信号采集器感知。典型的光源如激光、经过整形后的白光光源，凡是满足上述特征的光源均可用于本测试方法。CCD信号采集器主要用于采集光偏移量，其位置与光源相对，这样能够准确的感知经膜层反射后的光线。CCD信号采集器可为线阵CCD。而且，通过平行光的应用，可减少光发散和汇聚造成的误差。
步骤S4:在初始温度下，记录陪镀片上的膜层的初始应力σ0，然后使陪镀片逐渐升温，陪镀片发生热膨胀，当膜层升温到出现裂纹时，通过CCD信号采集器采集光偏移量。
该步骤为测试进行的步骤，先在初始温度下记录陪镀片上的膜层的初始应力σ0，当对陪镀片加热升温时，陪镀片会发生热膨胀，这样在逐渐升温后并出现裂纹时，CCD信号采集器可感知光线的偏移，进而可获得光偏移量。膜层的应力亦可视为陪镀片对薄膜的拉伸力。
步骤S5:通过光偏移量计算陪镀片的翘曲度，根据翘曲度以Stoney 公式计算出膜层的当前应力σ1。
膜层的热膨胀系数远小于陪镀片，因此陪镀片的翘曲度增加，即对薄膜的拉伸力增加。当膜层出现裂纹时，记录CCD 的光偏移量，该光偏移量可利于计算悬臂梁施加给膜层的拉伸应力σ1，进而可视为薄膜在陪镀片上的附着力。具体的，结合图4所示，通过光偏移量计算陪镀片的翘曲度的方法是，当陪镀片产生向下或向上的翘曲时，照射至CCD的光斑会向左或向右偏移，对陪镀片施加不同的力，记录偏移量w与翘曲度ΔL的对应关系，对一组数据[w, ΔL]进行多项式拟合，得到函数关系式: ΔL=f(w)，即可由任意偏移量w推算翘曲度ΔL。
步骤S6:根据初始应力σ0和当前应力σ1可得陪镀片施加给膜层的拉伸应力Δσ，拉伸应力Δσ即可表征为膜层的抗拉伸强度。
在该步骤中，知晓初始应力σ0和当前应力σ1后，便可这两个参数得到陪镀片施加给膜层的拉伸应力Δσ，而该拉伸应力Δσ即可视为膜层的抗拉伸轻度。
通过上述的技术方案，在初始状态下，光源发出的光经陪镀片反射后，照射到 CCD信号采集器中央附近的位置；镀膜后，受膜层应力作用，陪镀片发生弯曲，反射光会发生偏移。视薄膜应力为压应力或张应力，反射光会向左或向右偏移。其偏移量与陪镀片的翘曲程度线性相关。由 CCD 读取到反射光束的偏移，可推算出悬臂梁玻璃的翘曲度，并由Stoney公式计算出当前薄膜的应力。
在一实施方式中，所述Stoney 公式为
；其中， Es是陪镀片的杨氏模量，vs 是陪镀片的泊松比，ts是基片厚度，tf是膜层厚度，Ls为陪镀片的长度，ΔL为陪镀片的翘曲度。
在知晓陪镀片的尺寸数据和性能数据后，可通过这样的Stoney 公式计算得到当前应力σ1。上述公式是 Stoney 原公式的变形，其成立条件是：陪镀片的翘曲度远小于陪镀片长度。
进一步的，为了得到与实际更为相符的量化数据，所述陪镀片为热膨胀系数大于1×10-5 的金属材料、PC材料、塑料材料或尼龙材料。
具体的，所述陪镀片的镀膜面经过抛光，其表面粗糙度小于1μm。陪镀片的上表面抛光，其表面粗糙度小于 1μm，长度远大于宽度、宽度远大于厚度，以此在其上表面形成适于镀膜的镀膜面。典型的悬臂梁尺寸为 100×10×0.5mm，材料为金属铝，上表面抛光，粗糙度约100nm。
关于如何得到拉伸应力Δσ，拉伸应力Δσ为当前应力σ1与初始应力σ0的差值。这样即可得到视为表征膜层的抗拉伸强度数据。
本发明的测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，也具有以下优点：
1、本测试方法能对光学薄膜的抗拉伸强度量化测量；
2、用膨胀系数远大于光学薄膜的材料作陪镀片，通过加热对薄膜施加拉伸力；
3、采用悬臂梁形状的陪镀片，可以将应力的变化转化为宏观可见的翘曲度；
4、用线阵 CCD 探测光的偏移，对基片翘曲度的变化进行量化表征；
5、对 CCD 信号实时采集，可以实时观测对薄膜拉伸力随温度的变化；
6、平行光的应用，减少光发散/汇聚造成的误差；
7、应用线光源，可以容忍基片在宽度方向发生翘曲导致的光偏移。
请参照图1-图3所示，本申请的实施例还提供一种测量薄膜抗拉伸强度的测试装置，基于上述任一项技术方案的测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，包括长条状的陪镀片1和定位座6；所述定位座6设于一检测平面上，定位座6用于固定陪镀片1的一端以使陪镀片1的另一端悬空，陪镀片1具有呈光学镜面的表面，在陪镀片1上镀设有待表征的膜层；所述检测平面的上方设有一光源2和一CCD信号采集器3，光源2与CCD信号采集器3相对设置且分别位于陪镀片1的上方两侧；所述检测平面的底部设有加热装置，加热装置用于使陪镀片1升温；所述CCD信号采集器3和所述加热装置通过采集卡电连接有计算机4。
其中，定位座6设置在检测平面上，其可固定陪镀片1的一端，而另一端则悬空，以此可使得陪镀片1以悬挑的结构进行检测。加热装置用于使陪镀片1进行加热，加热为非接触式加热，即通过对陪镀片1周围的环境进行升温，通过加热装置可使得陪镀片1热膨胀，进而使其翘曲度增加，即对膜层的拉伸力增加。计算机4可对所述CCD信号采集器3和所述加热装置进行控制，以更为自动的执行测试步骤，并且可通过计算机4根据预设的数学计算模型进行对应的计算，以此可自动获得相应的计算结果。
在一实施方式中，所述定位座6具有竖向的夹持槽63，在夹持槽63内滑动连接有夹持块62，夹持块62的顶部通过弹簧61与夹持槽63的顶部连接，夹持块62的底部与夹持槽63的底部之间构成可夹持所述陪镀片1一端的夹持空间。
定位座6的夹持块62可进行上下滑动，并通过弹簧61可实现放入夹持空间的陪镀片1一端进行压持，以此实现对陪镀片1的固定，也便于拆装，更为方便。
进一步的，为了更好的实现加热，所述加热装置包括加热座5，加热座5具有槽状的安装部52和可拆卸连接在安装部52底部的加热部51，安装部52的内底面为所述检测平面。加热座5的安装部52呈槽状，在安装部52内可设置定位座和进行测试，并在安装部52的内底部设有凹槽，凹槽可便于定位座6拆装且保持同一位置。加热座5底部的加热部51可进行拆卸，加热部51通电以后对整个加热座5加热，加热座5是金属材质，便于热扩散；加热部51主体是电阻丝、PTC电阻或其它能将电能转换为热能的物质。加热座5采用导热性能好的金属，可以对加热座5内部元器件均匀加热。
具体的，所述加热座5的安装部52的内地面设有与所述定位座6相适配的凹槽，凹槽与定位座6可拆卸连接。定位座6可通过凹槽的设置便于每次测试都能够放于同一个位置，并且可通过如卡扣等可拆卸的结构便于取放，更为方便实用。
在具体的实施过程中，所述安装部52内设有温度探头7，温度探头7也通过采集卡与所述计算机4电性连接。温度探头7可采集加热座5的安装部52内的温度，该温度即为测试的温度，这样便可对其温度在了解后通过加热装置进行控制。
本申请实施例的一种测量薄膜抗拉伸强度的测试装置的工作原理：
1、选择一定尺寸和对应材料的陪镀片1；
2、采用待表征的镀膜工艺，在陪镀片1正面镀膜；
3、将镀膜后的陪镀片1固定在定位座6上，并将定位座6放置于加热座5中；
4、开启光源2，CCD信号采集器3接收到陪镀片1的反射光，微调光源2与 CCD 信号采集器的相对位置，使反射光照射至 CCD信号采集器3 的中央区域；
5、调节光源2强度，使 CCD 信号采集器探测到合适光强的信号；
6、对加热座5供电，使温度探头7探测到的温度缓慢上升，并记录温度与 CCD 信号；
7、加大供电电压/电流，直至膜层出现裂纹，记录此时的 CCD 信号；
8、由 CCD 偏移量计算陪镀片1的翘曲度，并计算膜层的抗拉伸强度。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，其特征在于：包括以下方法：
提供一长条状且具有呈光学镜面的镀膜面的陪镀片，在镀膜面镀有待表征的膜层；
将陪镀片的一端固定且另一端悬空，使其呈悬挑状态；
在陪镀片的上方设置光源和CCD信号采集器，CCD信号采集器位于光源光经陪镀片上膜层反射后的反射路径上；
在初始温度下，记录陪镀片上的膜层的初始应力σ0，然后使陪镀片逐渐升温，陪镀片发生热膨胀，当膜层升温到出现裂纹时，通过CCD信号采集器采集光偏移量；
通过光偏移量计算陪镀片的翘曲度，根据翘曲度以Stoney 公式计算出膜层的当前应力σ1，其中，膜层的热膨胀系数远小于陪镀片；
根据初始应力σ0和当前应力σ1可得陪镀片施加给膜层的拉伸应力Δσ，拉伸应力Δσ即可表征为膜层的抗拉伸强度。
2.根据权利要求1所述的一种测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，其特征在于：所述
Stoney 公式为
；
其中， Es是陪镀片的杨氏模量，vs是陪镀片的泊松比，ts是基片厚度，tf是膜层厚度，Ls为陪镀片的长度，ΔL为陪镀片的翘曲度。
3.根据权利要求1所述的一种测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，其特征在于：所述陪镀片为热膨胀系数大于 1×10-5 的金属材料、PC材料、塑料材料或尼龙材料。
4.根据权利要求2所述的一种测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，其特征在于：所述陪镀片的镀膜面经过抛光，其表面粗糙度小于1μm；
所述陪镀片的长度远大于宽度，宽度远大于厚度。
5.根据权利要求1所述的一种测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，其特征在于：所述拉伸应力Δσ为当前应力σ1与初始应力σ0的差值。
6.一种测量薄膜抗拉伸强度的测试装置，基于如权利要求1-5任一项所述的测量薄膜抗拉伸强度的测试方法，其特征在于：包括长条状的陪镀片和定位座；
所述定位座设于一检测平面上，定位座用于固定陪镀片的一端以使陪镀片的另一端悬空，陪镀片具有呈光学镜面的表面，在陪镀片上镀设有待表征的膜层；所述检测平面的上方设有一光源和一CCD信号采集器，光源与CCD信号采集器相对设置且分别位于陪镀片的上方两侧；所述检测平面的底部设有加热装置，加热装置用于使陪镀片升温；
所述CCD信号采集器和所述加热装置通过采集卡电连接有计算机。
7.根据权利要求6所述的一种测量薄膜抗拉伸强度的测试装置，其特征在于：所述定位座具有竖向的夹持槽，在夹持槽内滑动连接有夹持块，夹持块的顶部通过弹簧与夹持槽的顶部连接，夹持块的底部与夹持槽的底部之间构成可夹持所述陪镀片一端的夹持空间。
8.根据权利要求7所述的一种测量薄膜抗拉伸强度的测试装置，其特征在于：所述加热装置包括加热座，加热座具有槽状的安装部和可拆卸连接在安装部底部的加热部，安装部的内底面为所述检测平面。
9.根据权利要求8所述的一种测量薄膜抗拉伸强度的测试装置，其特征在于：所述加热座的安装部的内地面设有与所述定位座相适配的凹槽，凹槽与定位座可拆卸连接。
10.根据权利要求9所述的一种测量薄膜抗拉伸强度的测试装置，其特征在于：所述安装部内设有温度探头，温度探头也通过采集卡与所述计算机电性连接。
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