CN205373934U - 一种测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪，拉曼光谱仪包括光源、拉曼信号采集装置、拉曼光谱分析装置，拉曼信号采集装置包括沿光路依次设置的半透半反镜、微透镜阵列、聚焦透镜、成像光纤束、显微系统、位移扫描控制机构，待测样品位于显微系统后端的位移扫描控制机构上，显微系统将光源发射的光聚焦在待测样品上以产生拉曼信号；拉曼光谱分析装置包括半透半反镜后端依次设置的成像透镜、出射狭缝、光谱仪，由待测样品散射的拉曼信号经半透半反镜反射后，通过成像透镜、出射狭缝进入光谱仪进行光谱分析。本实用新型测量工序简单，测量精度高，具有广泛的应用前景。

Description

一种测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪

技术领域

本发明属于钢化玻璃应力检测领域，尤其涉及一种测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪。

背景技术

钢化玻璃又称强化玻璃，它是一种预应力玻璃，通常使用化学或物理的方法，在玻璃表面形成压应力，玻璃承受外力时首先抵消表层压力，从而提高了承载能力，因而钢化玻璃广泛应用于建筑门窗、玻璃幕墙、电子仪表等领域。但是钢化玻璃切割后边缘会存在大量微裂纹，导致玻璃强度降低。尤其是随着触控产业的蓬勃发展，触控产品本身的规格要求也日渐严格，由于触控面板是由外部施加压力去进行感应组件的运作方式从而达到使用效果，因此产品的机械抗压力是各大厂商的重要规范与指标。对于光学玻璃，较大应力的存在也严重影响了光学透光性及成像质量。因而，为保证钢化玻璃制品的使用性能，钢化玻璃的应力要控制在规定范围内，这就要求对钢化玻璃的表面应力进行检测。

目前测量钢化玻璃表面应力主要采用光波导技术，即利用折射棱镜、折射液、待测玻璃表面产生倏逝波，结合光弹效应，进行钢化玻璃表面应力的测量。如中国实用新型专利ZL201420643584.X公开了一种新型全自动玻璃表面应力仪，包括仪器本体、目镜、光源和双折射棱镜，所述双折射棱镜凸出于仪器本体上表面且同时位于光源的光线射出方向，所述目镜的前端位于双折射棱镜的光线折射方向上，目镜的后底部安装一工业相机，所述双折射棱镜的正上方安装有一滴液器，所述工业相机、滴液器均通过数据线连接计算机处理器。利用该应力仪测量钢化玻璃表面应力时，首先将待测玻璃放置在双折射棱镜上，然后由计算机处理器控制滴液器向待测玻璃表面滴加少量折射液，由于经过钢化处理的玻璃在其表面会产生应力层，光源发出的光入射到待测玻璃表面，在表面应力层的作用下产生双折射，形成两束偏振方向互相垂直且传播方向不同的光束，该两束光束通过工业相机后被转换成便于识别的亮条纹或暗条纹，最后通过计算干涉条纹信息从而获得钢化玻璃表面应力值。虽然利用该新型全自动玻璃表面应力仪可以精确且高效地计算出钢化玻璃表面应力，但是，由于测量时需要将待测玻璃放置在双折射棱镜表面与其相接触以便发生全反射，接触过程中极易对待测玻璃造成划损，影响了待测玻璃的外观美感及使用性能。另外，为提高应力仪的测量精度，在测量过程中需要向待测玻璃表面滴加折射液，测量结束之后需要对待测玻璃表面进行擦拭，从而增加了整个测量工序的复杂性，费时费力，影响了测量效率。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪，可以避免测量过程中对待测玻璃造成划损，且测量工序简单，测量效率高。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪，包括光源、拉曼信号采集装置、拉曼光谱分析装置，其特征在于，所述的拉曼信号采集装置包括沿光路依次设置的半透半反镜、微透镜阵列、聚焦透镜、成像光纤束、显微系统、位移扫描控制机构，待测样品位于显微系统后端的位移扫描控制机构上，显微系统将光源发射的光聚焦在待测样品上以产生拉曼信号；所述的拉曼光谱分析装置包括半透半反镜后端依次设置的成像透镜、出射狭缝、光谱仪，由待测样品散射的拉曼信号经半透半反镜反射后，通过成像透镜、出射狭缝进入光谱仪进行光谱分析。

本发明所述的光源与半透半反镜之间依次设有整形透镜、入射狭缝、准直透镜，整形透镜与准直透镜同光轴设置，且整形透镜与准直透镜均设置在以入射狭缝为焦平面、焦点在入射狭缝的中心位置上，使光源发射的光经入射狭缝后形成点光源，减少杂散光的影响，提高了本发明拉曼光谱仪的测量精度。

本发明所述的光谱仪为多通道光纤光谱仪，因而本发明可以同时配置多个拉曼信号采集装置，能够同时并行探测多路拉曼信号，使本发明拉曼光谱仪可以同时测量多个样品的应力信息，提高了本发明的测量效率。

本发明所述的多通道光纤光谱仪的光线阵列间距小于所述的拉曼信号阵列间距，使本发明产生的拉曼信号能够全部耦合至多通道光纤光谱仪，提高了本发明拉曼光谱仪的测量精度。

本发明所述的光谱仪的响应波长带宽为50nm，既提高了本发明拉曼光谱仪的分辨率，使本发明分辨率可以达到0.02nm，又提高了本发明的扫描速度。

本发明所述的光谱仪连接有数据处理装置，可以对拉曼光谱分析装置所得数据进行快速处理，完成钢化玻璃表面应力的精确测量。

本发明所述的光源为激光光源，所发射的激光波长为532nm、514nm、635nm、785nm中的一种。

本发明还提供了一种利用所述的拉曼光谱仪测量钢化玻璃表面应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1、设置拉曼光谱仪的测试参数，使光源的激光功率为2-10mw，拉曼光谱仪的曝光时间为2-10s。

2、利用光波导法测出待测样品的应力分布。

3、将待测样品置于拉曼信号采集装置的光斑焦点并垂直于探测光束处，启动拉曼光谱仪进行扫描，获取此时的拉曼峰值。

4、通过位移扫描控制机构控制待测样品上下位移进行Z轴扫描，随着Z轴的变化会出现不同的拉曼峰值，获取不同Z轴位置处的拉曼光谱，利用光谱处理软件获取拉曼峰的波数，并测出与待测样品同种材料的玻璃无应力时的拉曼峰值。

5、利用步骤2中获得的应力分布，以及不同位置的拉曼峰值之差与应力值之差，计算应力频移因子σ，最后利用应力-频移公式F＝σΔω(F为钢化玻璃表面应力，σ为应力频移因子，Δω为拉曼频移)，计算出待测样品的表面应力。

本发明所述的测量钢化玻璃表面应力的方法还包括对待测样品的钢化深度进行测量的步骤，所述测量钢化深度的步骤为：所述的步骤4中，当Z轴的变化不出现新的拉曼峰值时，拉曼光谱仪停止扫描，此时的Z轴位置即为待测样品的钢化深度。

本发明的有益效果是，由于本发明采用拉曼光谱法进行钢化玻璃表面应力测量，因而避免了传统光波导法测量过程中对待测玻璃造成的划损。与传统拉曼光谱仪不同，本发明拉曼光谱仪包括光源、拉曼信号采集装置、拉曼光谱分析装置，且所述的拉曼信号采集装置包括沿光路依次设置的半透半反镜、微透镜阵列、聚焦透镜、成像光纤束、显微系统、位移扫描控制机构，待测样品位于显微系统后端的位移扫描控制机构上，显微系统将光源发射的光聚焦在待测样品上以产生拉曼信号；所述的拉曼光谱分析装置包括半透半反镜后端依次设置的成像透镜、出射狭缝、光谱仪，由待测样品散射的拉曼信号经半透半反镜反射后，通过成像透镜、出射狭缝进入光谱仪进行光谱分析，因而在利用本发明拉曼光谱仪测量钢化玻璃表面应力时，拉曼信号采集装置可以实现多点信号同时采集，降低了结构成本，提高了测量效率。同时，拉曼信号采集装置通过采用成像光纤束接收拉曼信号，提高了本发明拉曼光谱仪的测量灵敏度和光能利用率，进一步提高了测量精度。由于本发明所述的光源与半透半反镜之间还依次设有整形透镜、入射狭缝、准直透镜，可以对光源发出的光进行整形、聚焦，使光源发射的光经入射狭缝后形成点光源，减少了杂散光的影响，提高了本发明拉曼光谱仪的测量精度。由于本发明所述的光谱仪为多通道光纤光谱仪，因而在利用本发明测量钢化玻璃表面应力时，可以同时配置多个拉曼信号采集装置，并行探测多路拉曼信号，使本发明可以同时测量多个待测样品的应力信息，提高了本发明拉曼光谱仪的测量效率。同时，本发明还提供了一种利用所述的拉曼光谱仪测量钢化玻璃表面应力的方法，测量工序简单，测量精度高，使本发明拉曼光谱仪和所述测量方法具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明拉曼光谱仪的一种结构示意图，也是一种优选实施例示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

实施例一

图1示出了本发明拉曼光谱仪的一种实施例结构示意图，也是一种优选实施例示意图。如图1所示，本实施例所述的测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪，包括光源10、拉曼信号采集装置、拉曼光谱分析装置，所述的拉曼信号采集装置包括沿光路依次设置的半透半反镜21、微透镜阵列22、聚焦透镜23、成像光纤束24、显微系统25、位移扫描控制机构26，待测样品40位于显微系统25后端的位移扫描控制机构26上，位移扫描控制机构26根据测量过程控制待测样品进行位移，增加了操作便利性，显微系统25将光源10发射的光聚焦在待测样品40上以产生拉曼信号。本发明所述的拉曼光谱分析装置包括半透半反镜21后端依次设置的成像透镜31、出射狭缝32、光谱仪33，由待测样品40散射的拉曼信号经半透半反镜21反射后，通过成像透镜31、出射狭缝32进入光谱仪33进行光谱分析。

本发明所述的光源10为激光光源，单色性好，且具有非常高的准直性，激光光源所发射的激光波长为532nm、514nm、635nm、785nm中的一种。作为优选实施方式，本实施例激光光源所发射的激光波长为532nm。由图1中可以看出，本发明所述的拉曼信号采集装置还包括依次设置于所述的光源10与半透半反镜21之间的整形透镜27、入射狭缝28、准直透镜29，且整形透镜与准直透镜均设置在以入射狭缝为焦平面、焦点在入射狭缝的中心位置上。整形透镜27对光源10发射的光进行整形聚焦，使光源发射的光经入射狭缝28后形成点光源，减少了杂散光的影响，提高了本发明拉曼光谱仪的测量精度。光源10发出的光经入射狭缝28后成为以入射狭缝为辐射中心的散射光，准直透镜29对经入射狭缝出射的散射光进行准直后入射到半透半反镜21上，减少了光能损失，进一步提高了测量精度。

本实施例所述的光谱仪33为多通道光纤光谱仪，因而在利用本发明拉曼光谱仪测量钢化玻璃表面应力时，可以同时配置多个拉曼信号采集装置，能够同时并行探测多路拉曼信号，使本发明拉曼光谱仪可以同时测量多个待测样品的应力信息，提高了本发明的测量效率。由于待测样品散射的拉曼信号阵列经多个光学仪器反射之后存在像差等问题，影响了拉曼信号阵列与多通道光纤光谱仪接收光信号的光纤阵列的耦合效果，从而影响了测量精度。因而，本实施例所述的多通道光纤光谱仪的光纤阵列间距小于拉曼信号阵列间距，使本发明中待测样品散射的拉曼信号能够很简便的全部耦合至多通道光纤光谱仪，提高了本发明拉曼光谱仪的易操作性。为获得最佳实施效果，多通道光纤光谱仪的光纤阵列间距小于1/2或1/3拉曼信号阵列间距，此时不但耦合效果好，而且操作时间短，提高了本发明拉曼光谱仪的测量精度和测量效率。同时，本实施例中多通道光纤光谱仪接收光信号的光纤阵列中的光纤全部为活动设置，任意单根光纤都可以从光纤阵列中移除，因而当拉曼信号全部耦合至多通道光纤光谱仪中后，使用者可以将多余的没有耦合拉曼信号的光纤从光纤阵列中移除，从而使本发明结构更加简单化。本实施例所述的光谱仪33的响应波长带宽为50nm，既提高了本发明拉曼光谱仪的分辨率，使本发明分辨率可以达到0.02nm，又提高了本发明的扫描速度。

本实施例所述的多通道光纤光谱仪还可以根据需要连接数据处理装置50，数据处理装置50可以对拉曼光谱分析装置所得数据进行快速处理，完成钢化玻璃表面应力的精确测量。该数据处理装置50可以是具有数据处理软件的通用计算机，或者是专用数据处理器。

实施例二

本实施例提供了一种利用实施例一所述的拉曼光谱仪测量钢化玻璃表面应力的方法，主要包括以下步骤：

1、设置拉曼光谱仪的测试参数，使光源的激光功率为2-10mw，拉曼光谱仪的曝光时间为2-10s。

拉曼光谱仪的曝光时间，即拉曼光谱仪采集拉曼信号的时间，如果曝光时间过短，则会影响拉曼信号的采集量，导致不能将待测样品散射的拉曼信号全部耦合至拉曼光谱仪中，影响测量精度；如果曝光时间过长，则会导致测量效率低。因而，在本实施例中，将拉曼光谱仪的曝光时间设定为2-10s，既可以保证拉曼光谱仪采集到足够的拉曼信号，又不会影响测量效率。

2、利用光波导法测出待测样品的应力分布。

取出待测样品中的任意一个，利用光波导法测出该待测样品的应力分布。在本实施例中，测应力分布所用仪器为中国实用新型专利ZL201420643584.X公开的新型全自动玻璃表面应力仪，首先将该随机取出的待测样品放置在新型全自动玻璃表面应力仪的双折射棱镜上，然后由计算机处理器控制滴液器向待测样品表面滴加少量折射液，最后通过计算机处理器获得待测样品的应力分布。由本实施例所得的应力分布图中可观察到，Z＝0um时，应力F₁＝800Mpa；Z＝2um时，应力F₂＝700Mpa。这里的Z是指待测样品所处的位移高度，当Z＝0um时，拉曼信号采集装置的光斑焦点应位于待测样品的钢化层任一位置。

由于对同一批加工工艺的待测样品，其应力分布是一致的。因而，本步骤只需要对同一批加工工艺的待测样品中任意一个待测样品测出其应力分布即可，避免了传统用光波导法测应力需要对每一个待测样品分别测量，这样既防止了用光波导法测玻璃应力对玻璃造成划损的概率，又提高了测量效率。

3、将待测样品置于拉曼信号采集装置的光斑焦点并垂直于探测光束处，启动拉曼光谱仪进行扫描，获取此时的拉曼峰值。

作为优选实施方式，本实施例中可以通过位移扫描控制机构将待测样品位移至拉曼信号采集装置的光斑焦点处，实现自动化控制，提高了本发明拉曼光谱仪的测量精度和测量效率。

4、通过位移扫描控制机构控制待测样品上下位移进行Z轴扫描，随着Z轴的变化会出现不同的拉曼峰值，获取不同Z轴位置处的拉曼光谱，利用光谱处理软件获取拉曼峰的波数，并测出与待测样品同种材料的玻璃无应力时的拉曼峰值。

根据测量精度的不同可以设置位移扫描控制机构不同的步进行程，在本实施例中，为获得高精度的测量效果，优选设置位移扫描控制机构以1um的步进行程进行Z轴扫描，可以观察到，随着Z轴的变化会出现不同的拉曼峰值。当Z＝0um时，获得此时的拉曼峰值ω₁＝1090cm^-1；当Z＝2um时，获得此时的拉曼峰值ω₂＝1088cm^-1，并测出与待测样品同种材料的玻璃无应力时的拉曼峰值ω₀＝1080cm^-1。

5、利用步骤2中获得的应力分布，以及不同位置的拉曼峰值之差与应力值之差，计算出应力频移因子σ，最后利用应力-频移公式F＝σΔω(F为钢化玻璃表面应力，σ为应力频移因子，Δω为拉曼频移)，计算出待测样品的表面应力。

在本实施例中，由步骤2测得的应力分布图中可以获知，Z＝0um时，应力F₁＝800Mpa；Z＝2um时，应力F₂＝700Mpa。由步骤4可以获得，Z＝0um时，拉曼峰值ω₁＝1090cm^-1；Z＝2um时，拉曼峰值ω₂＝1088cm^-1，因而应力频移因子也即，对该同一批加工工艺的钢化玻璃，应力-频移公式F＝50Δω。由步骤4中测出的与待测样品同种材料的玻璃无应力时的拉曼峰值ω₀＝1080cm^-1，因而可以求出待测样品任一Z轴位置时的应力F＝σ×(ω-ω₀)＝50×(ω-1080)，ω为任一Z轴位置时的拉曼峰值。

本实施例所述的测量钢化玻璃表面应力的方法还包括对待测样品的钢化深度进行测量的步骤，所述测量钢化深度的步骤为：本实施例所述的步骤4中，当Z轴的变化不出现新的拉曼峰值时，拉曼光谱仪停止扫描，此时的Z轴位置即为待测样品的钢化深度。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (8)

1.一种测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪，包括光源、拉曼信号采集装置、拉曼光谱分析装置，其特征在于，所述的拉曼信号采集装置包括沿光路依次设置的半透半反镜、微透镜阵列、聚焦透镜、成像光纤束、显微系统、位移扫描控制机构，待测样品位于显微系统后端的位移扫描控制机构上，显微系统将光源发射的光聚焦在待测样品上以产生拉曼信号；所述的拉曼光谱分析装置包括半透半反镜后端依次设置的成像透镜、出射狭缝、光谱仪，由待测样品散射的拉曼信号经半透半反镜反射后，通过成像透镜、出射狭缝进入光谱仪进行光谱分析。

2.根据权利要求1所述的测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪，其特征在于，所述的光源与半透半反镜之间依次设有整形透镜、入射狭缝、准直透镜，整形透镜与准直透镜同光轴设置，且整形透镜与准直透镜均设置在以入射狭缝为焦平面、焦点在入射狭缝的中心位置上。

3.根据权利要求1或2所述的测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪，其特征在于，所述的光谱仪为多通道光纤光谱仪。

4.根据权利要求3所述的测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪，其特征在于，所述的多通道光纤光谱仪的光线阵列间距小于所述的拉曼信号阵列间距。

5.根据权利要求4所述的测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪，其特征在于，所述的多通道光纤光谱仪的光纤阵列间距小于所述的拉曼信号阵列间距的1/3。

6.根据权利要求1或2所述的测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪，其特征在于，所述的光谱仪的响应波长带宽为50nm。

7.根据权利要求1或2所述的测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪，其特征在于，所述的光谱仪连接有数据处理装置。

8.根据权利要求1或2所述的测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪，其特征在于，所述的光源为激光光源，激光光源发射的激光波长为532nm、514nm、635nm、785nm中的一种。