JP7284512B2 - 強化ガラスの応力測定装置、強化ガラスの応力測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、強化ガラスの応力測定装置、強化ガラスの応力測定方法に関する。

携帯電話やスマートフォン等の電子機器において、表示部や、筐体本体にガラスが用いられることが多い。近年の電子機器の薄型化・軽量化に伴い、電子機器に用いるガラスにも薄板化が要求されている。ガラスは板厚が薄くなると強度が低くなる。そこで、ガラスの強度を上げるために、ガラス表面にイオン交換による表面層（イオン交換層）を形成し圧縮応力を発生させることにより強度を上げた、所謂化学強化ガラスを使用し、光学的手法にて、表面の応力値を測定し、正しく強化されているかを確認し、市場に出荷するのが一般的であった。

強化ガラスの表面層の応力を測定する技術としては、例えば、強化ガラスの表面層の屈折率が内部の屈折率より高い場合に、光導波効果と光弾性効果とを利用して、表面層の圧縮応力を非破壊で測定する技術（以下、非破壊測定技術とする）を挙げることができる。この非破壊測定技術では、単色光を強化ガラスの表面層に入射して光導波効果により複数のモードを発生させ、各モードで光線軌跡が決まった光を取出し、凸レンズで各モードに対応する輝線に結像させる。なお、結像させた輝線は、モードの数だけ存在する。

又、この非破壊測定技術では、表面層から取出した光は、出射面に対して、光の振動方向が水平と、垂直の二種の光成分についての輝線を観察できるように構成されている。そして、次数の一番低いモード１の光は表面層の一番表面に近い側を通る性質を利用し、二種の光成分のモード１に対応する輝線の位置から、それぞれの光成分についての屈折率を算出し、その二種の屈折率の差とガラスの光弾性定数から強化ガラスの表面付近の応力を求めている（例えば、特許文献１参照）。

一方、上記の非破壊測定技術の原理を元に、モード１とモード２に対応する輝線の位置から、外挿でガラスの最表面での応力（以下、表面応力値とする）を求め、かつ、表面層の屈折率分布は直線的に変化すると仮定し、輝線の総本数から、圧縮応力層の深さを求める方法が提案されている（例えば、特許文献２及び非特許文献１参照）。

又、上記の表面導波光を利用した測定技術により測定した表面応力値と圧縮応力層の深さを元に、ガラス内部の引張応力ＣＴを定義し、ＣＴ値で強化ガラスの強度を管理する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。この方法では、引張応力ＣＴを『ＣＴ＝（ＣＳ×ＤＯＬ）／（ｔ×１０００－２×ＤＯＬ）』（式０）で計算している。ここで、ＣＳは表面応力値（ＭＰａ）、ＤＯＬは圧縮応力層の深さ（単位：μｍ）、ｔは板厚（単位：ｍｍ）である。

一般的に外力が加わらなければ、応力の総和は０である。従って、化学強化により形成された応力を深さ方向に積分した値が、化学強化されていない中心部分でバランスをとるように略均等に引張応力が発生する。

しかし、化学強化ガラスも強度向上と性能向上のため、多様になっており、従来の応力測定方法では十分な評価ができなくなっている。

例えば、リチウム含有ガラスをカリウム、ナトリウムの二種のイオンと交換し、応力分布を制御した強化ガラスや、透明な結晶化ガラスをイオン交換した化学強化ガラス等がある。

リチウム含有ガラスの化学強化ガラスでは、従来の光学的な表面応力測定装置では、リチウムがカリウムに交換された表面付近の応力層を評価することはできるが、リチウムがナトリウムに交換された内部の応力層を評価することができないため、応力深さは測定できない。

応力分布が屈曲する位置のガラス深さ（ＤＯＬ_ＴＰ）よりもガラス表層側の応力分布を測定し、ガラス表層側の応力分布の測定結果（測定画像）に基づいて、ＤＯＬ_ＴＰよりもガラス深層側の応力分布を予測する方法も提案されている（例えば、特許文献４参照）。しかしながら、この方法では、ＤＯＬ_ＴＰよりもガラス深層側の応力分布の実測を行わないため、測定再現性が悪いという問題がある。

結晶化ガラスにおいては、特に表示部に使用するには透明でなければならないため、ここで使用する結晶化ガラスは、結晶粒が可視光の波長より十分小さな結晶化ガラスであり、可視域においては、透明である。そのため、従来の光学的な表面応力測定装置で、化学強化工程で形成される表面の応力を測定できる。

そのため、多様化した化学強化ガラスの品質を維持するためには、深部までの応力の分布や、結晶化ガラスにおける結晶状態等を測定管理する必要がある。

近年、イオン交換がしやすく、化学強化工程で、短時間で、表面応力値が高く、応力層の深さが深くできるガラスとして、リチウム・アルミノシリケート系のガラスが注目されている。

このガラスを高温の硝酸ナトリウムと硝酸カリウムの混合溶融塩に浸漬して、化学強化処理を施す。ナトリウムイオン、カリウムイオンとも、溶融塩中の濃度が高いために、ガラス中のリチウムイオンとイオン交換するが、ナトリウムイオンの方がガラス中へ拡散しやすいために、まず、ガラス中のリチウムイオンと溶融塩中のナトリウムイオンが交換される。

ここで、ガラスの屈折率は、ナトリウムイオンがリチウムイオンとイオン交換されるとより低く、カリウムイオンが、リチウムイオン、或いはナトリウムイオンとイオン交換されるとより高くなる。つまり、ガラス中のイオン交換されていない部分に比べて、ガラス表面付近のイオン交換された領域はカリウムイオン濃度が高く、更に深いイオン交換された領域になるとナトリウムイオン濃度が高くなる。そのため、イオン交換されたガラスの最表面付近は、屈折率が深さとともに下がるが、ある深さからイオン交換されていない領域まで、深さとともに屈折率が高くなる特徴を持っている。

そのため、前述の表面の導波光を利用した応力測定装置では、最表面の応力値、或いは、応力分布だけで、深い部分の応力分布を測定することができず、応力層の深さ、ＣＴ値、全体の応力分布を知ることができなかった。その結果、適正な化学強化条件を見つけ出すための開発ができず、又、製造の品質管理ができなかった。

又、アルミノシリケートガラスやソーダガラスを風冷強化した後に化学強化した場合、化学強化された部分は前述の表面の導波光を利用した応力測定装置で応力分布或いは応力値を測定できる。しかし、化学強化がされておらず風冷強化だけがされた部分は屈折率変化が小さく、前述の表面の導波光を利用した応力測定装置では測定できない。その結果、応力層の深さ、ＣＴ値、全体の応力分布を知ることができなかった。その結果、適正な化学強化条件を見つけ出すための開発ができず、又、製造の品質管理ができなかった。

これらの課題の解決のためレーザ光の散乱光を利用した強化ガラスの応力分布を測定できる応力測定装置が提案されている（例えば、特許文献５参照）。これによれば、屈折率の深さ方向の分布によらず、強化ガラスの応力分布を表面から深い部分まで測定が可能となっている。この応力測定装置は、レーザ光の偏光位相差を、レーザ光の波長に対して１波長以上可変する偏光位相差可変部材と、偏光位相差を可変されたレーザ光が強化ガラスに入射されたことにより発する散乱光を、所定の時間間隔で複数回撮像し、複数の画像を取得する撮像素子と、複数の画像を用いて散乱光の周期的な輝度変化を測定し、前記輝度変化の位相変化を算出し、前記位相変化に基づき前記強化ガラスの表面からの深さ方向の応力分布を算出できる。

特開昭５３－１３６８８６号公報 特開２０１６－１４２６００号公報 特表２０１１－５３０４７０号公報 米国特許公開２０１６／０３５６７６０ 国際公開第２０１８／０５６１２１号

Yogyo-Kyokai-Shi（窯業協会誌）８７｛３｝１９７９ レーザー研究 ２０１１年６月 ｐ３９０～ｐ３９４

図１は、特許文献５に記載の応力測定装置におけるレーザ散乱画像の例であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の破線で囲んだ部分の拡大図である。

特許文献５に記載の応力測定装置はレーザの散乱光を利用するが、図１に示すように、散乱光画像は均一ではなく、粒子状になっている。図１において散乱光画像が粒子状になっているのは、レーザ光が高い干渉性を有するため、ランダムな点で散乱された散乱光を結像したときに、スペックルと呼ばれる斑点模様が現れるためである。

このスペックルのパターンは、レーザ光を散乱させる粒子（この応力測定装置では、ガラス中のわずかな組成ムラ、屈折率の不均一性や欠陥）のサイズや密度、及び散乱画像を結像する光学系で決まる。そして、スペックルパターンは、散乱画像の輝度ノイズであり応力測定の測定精度を劣化させる大きな要因になっている。更に、ガラス中の組成ムラ、屈折率の不均一性や、欠陥、結晶化ガラスの結晶粒の不均一性などに大きく影響されるため、不均一性の悪いガラス、結晶化ガラスではとくに影響が大きい。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、強化ガラスの屈折率分布や、種類、結晶化のムラに関わらず、強化ガラスの最表面から深い部分までの測定精度を向上可能な、強化ガラスの応力測定装置を提供することを目的とする。

本強化ガラスの応力測定装置は、レーザ光の偏光位相差を可変する偏光位相差可変部材と、前記偏光位相差を可変されたレーザ光が強化ガラスに入射されたことにより発する散乱光を結像する光変換部材と、前記光変換部材に結像された前記散乱光を、所定の時間間隔で複数回撮像し、複数の画像を取得する撮像素子と、前記複数の画像を用いて前記散乱光の周期的な輝度変化を測定し、前記輝度変化の位相変化を算出し、前記位相変化に基づき前記強化ガラスの表面からの深さ方向の応力分布を算出する演算部と、を有し、前記撮像素子の１画素の画素サイズｄ、前記光変換部材の倍率Ｍ、前記レーザ光の波長λ、前記光変換部材の開口率ＮＡ、としたときに、ＮＡ＞Ｍλ／２ｄを満足し、前記強化ガラスの中のレーザ光の断面形状は、細長状であり、前記断面形状の長手方向は、前記撮像素子と光学的に水平である。

開示の技術によれば、強化ガラスの屈折率分布や、種類、結晶化のムラに関わらず、強化ガラスの最表面から深い部分までの測定精度を向上可能な、強化ガラスの応力測定装置を提供できる。

従来の応力測定装置におけるにレーザ散乱画像の例である。 第１実施形態に係る応力測定装置を例示する図である。 第１実施形態に係る応力測定装置を図２のＨ方向から見た図である。 液晶素子の印加電圧と偏光位相差との関係を例示する図である。 液晶素子に偏光位相差が時間的に直線的に変化するような駆動電圧を発生させる回路を例示する図である。 撮像素子に結像されたレーザ光Ｌのある瞬間の散乱光像を例示する図である。 図６の点Ｂと点Ｃでの散乱光輝度の時間的な変化を例示する図である。 ガラス深さに応じた散乱光変化の位相を例示する図である。 図８の散乱光変化の位相データを基に、式６より求めた応力分布を例示する図である。 異なる時刻ｔ１、ｔ２の実際の散乱光像を例示する図である。 強化ガラス中のレーザ光Ｌの入射面の好ましくない設計例を示す図である。 強化ガラス中のレーザ光Ｌの入射面の好ましい設計例を示す図である。 応力測定装置１の測定方法を例示するフローチャートである。 応力測定装置１の演算部７０の機能ブロックを例示する図である。 第２実施形態に係る応力測定装置を例示する図である。 図１５のＡ方向から見たＸ－Ｘ方向の断面図である。 従来及び本実施形態のレーザ光の断面の場合の散乱光画像を例示する図である。 強化ガラスの応力分布測定をする深さの領域で、楕円状のビーム形状を得るためのレーザ光源の例である。 第３実施形態に係る応力測定装置を例示する図である。 第４実施形態に係る応力測定装置を例示する図である。 応力測定部３Ａ及び３Ｂで測定した応力分布を同じグラフに示した図である。 応力測定部３Ｂの測定方法を例示するフローチャートである。 応力測定部３Ｂの演算部７５の機能ブロックを例示する図である。 第５実施形態に係る応力測定装置の応力測定部を例示する図である。 同じ強化ガラスを異なる波長の光源で測定した縞画像の一例である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１実施形態〉
図２は、第１実施形態に係る応力測定装置を例示する図である。図２に示すように、応力測定装置１は、レーザ光源１０と、偏光部材２０と、偏光位相差可変部材３０と、光供給部材４０と、光変換部材５０と、撮像素子６０と、演算部７０と、光波長選択部材８０とを有する。

２００は、被測定体となる強化ガラスである。強化ガラス２００は、例えば、化学強化法や風冷強化法等により強化処理が施されたガラスである。

レーザ光源１０は、光供給部材４０から強化ガラス２００の表面層にレーザ光Ｌを入射するように配置されており、レーザ光源１０と光供給部材４０との間に、偏光位相差可変部材３０が挿入されている。

レーザ光源１０としては、例えば、半導体レーザ、ヘリウムネオンレーザ、アルゴンレーザを用いることができる。半導体レーザは通常偏光があり、４０５ｎｍ、５２０ｎｍ、６３０ｎｍ等の波長の半導体レーザが実用化されている。レーザ光の波長が短いほどビーム径を絞れ、空間分解能を高くできる。

強化ガラス２００の深さ方向の分解能を上げるためには、レーザ光の最小ビーム径の位置が強化ガラス２００のイオン交換層内にあり、最小ビーム径が２０μｍ以下であることが好ましい。レーザ光の最小ビーム径の位置を、強化ガラス２００の表面２１０とすると、更に好ましい。なお、レーザ光のビーム径が深さ方向の分解能となるため、必要な深さ方向の分解能以下のビーム径にする必要がある。ここで、ビーム径とはビーム中央の輝度が最大になる時の１／ｅ^２（約１３．５％）の幅を意味し、ビーム形状が楕円形状やシート状の場合、ビーム径は最小幅を意味する。但し、この場合は、ビーム径の最小幅がガラス深さ方向を向いている必要がある。

偏光部材２０は、必要に応じて、レーザ光源１０と偏光位相差可変部材３０との間に挿入される。具体的には、レーザ光源１０の出射するレーザ光Ｌが偏光でない場合、レーザ光源１０と偏光位相差可変部材３０との間に偏光部材２０が挿入される。レーザ光源１０の出射するレーザ光Ｌが偏光である場合、偏光部材２０は挿入されても、挿入されなくてもよい。又、レーザ光Ｌの偏光面が強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°になるよう、レーザ光源１０、及び、偏光部材２０が設置される。偏光部材２０としては、例えば、回転可能な状態で配置された偏光板等を用いることができるが、同様の機能を備えた他の部材を用いてもよい。

光供給部材４０は、被測定体である強化ガラス２００の表面２１０に光学的に接触した状態で載置されている。光供給部材４０は、レーザ光源１０からの光を強化ガラス２００に入射させる機能を備えている。光供給部材４０としては、例えば、光学ガラス製のプリズムを用いることができる。この場合、強化ガラス２００の表面２１０において、光線がプリズムを介して光学的に入射するために、プリズムの屈折率は強化ガラス２００の屈折率とほぼ同じ（±０．２以内）にする必要がある。

光供給部材４０と強化ガラス２００との間に、強化ガラス２００の屈折率とほぼ同じ屈折率を持つ液体を挟んでもよい。これにより、強化ガラス２００内に、効率よくレーザ光Ｌを入射できる。

強化ガラス２００を通過するレーザ光Ｌは、微量の散乱光Ｌ_Ｓを発生する。散乱光Ｌ_Ｓの輝度は、レーザ光Ｌの散乱する部分の偏光位相差で変化する。又、レーザ光Ｌの偏光方向が、強化ガラス２００の表面２１０に対して図３のθ_ｓ２が４５°（±５°以内）になるように、レーザ光源１０が設置されている。そのため、強化ガラス２００の面内方向にかかる応力の光弾性効果により複屈折を起こし、レーザ光Ｌが強化ガラス中を進むにつれ、偏光位相差も変化し、その変化に伴い散乱光Ｌ_Ｓの輝度も変化する。なお、偏光位相差とは、複屈折により生じる位相差（retardation）である。

又、レーザ光Ｌは、強化ガラスの表面２１０に対して、θ_ｓ１は１０°以上３０°以下に設定される。これは１０°を下回ると、光導波効果によりレーザ光がガラス表面を伝播し、ガラス内部の情報を取ることができなくなるからである。逆に３０°を超えると、レーザ光路長に対するガラス内部の深さ分解能が下がり、測定方法として好ましくない。よって、好ましくはθ_ｓ１＝１５°±５°に設定する。

次に、撮像素子６０について、図３を用いて説明する。図３は、第１実施形態に係る応力測定装置を図２のＨ方向から見た図であり、撮像素子６０の位置関係を示す図である。レーザ光Ｌの偏光が強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°の角度で入射するため、散乱光Ｌ_Ｓも強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°角度で放射される。そのため、この強化ガラスの面に対して４５°で放射される散乱光Ｌ_Ｓを捉えるために、撮像素子６０が、図３において、強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°の方向に設置されている。すなわち、図３において、θ_ｓ２＝４５°である。

又、撮像素子６０と、レーザ光Ｌの間に、偏光位相差を可変されたレーザ光Ｌが強化ガラス２００に入射されたことにより発する散乱光を撮像素子６０に結像する光変換部材５０が挿入されている。光変換部材５０としては、例えば、ガラス製の凸レンズや、複数の凸レンズや凹レンズを組み合わせたレンズを用いることができる。

又、複数のレンズを組み合わせたレンズについて、主光線が光軸に平行であるテレセントリックレンズにすることにより、レーザ光Ｌより四方に散乱する散乱光中、主に強化ガラス２００のガラス表面に対して４５°方向（撮像素子方向）に散乱する光のみで結像することができ、ガラス表面の乱反射等の不必要な光を低減する効果がある。

レーザ散乱画像の解像度を決める要因は、光変換部材５０のレンズ倍率及び撮像素子６０の画素サイズで決まる解像度と、光変換部材５０の光学的な回折限界で決まる解像度があり、トータルの解像度自体は、その両方の悪い方で決まる。一方、非特許文献２によると、スペックルパターンのサイズは結像する光変換部材５０の光学的な解像度で決まる。光変換部材５０の光学的な解像度と、光変換部材５０のレンズ倍率及び撮像素子６０の画素サイズで決まる解像度を適切な条件とすることにより、スペックルノイズを低減できる。

非特許文献２からスペックルサイズεは、レーザ光の波長λ、光変換部材５０の開口率ＮＡとすると、下記の式１により表わせる。

又、光変換部材５０の倍率Ｍとすると、撮像素子６０上でのスペックルサイズε_ｉｓは、下記の式２により表わせる。

ここで、撮像素子６０の１画素の画素サイズｄとすると、このスペックルサイズε_ｉｓを解像するには、下記の式３を満たす必要がある。

逆に、下記の式４を満たせば、スペックルを解像しなくなり、スペックルノイズを効果的に低減できることになる。

よって、光変換部材５０のＮＡを、下記の式５を満たすように設定することにより、スペックルノイズの測定への影響が少なくなり、安定に精度良く、応力分布測定が可能となる。

例えば、一般的な画素ピッチである撮像素子（ソニー社製IMX252）では、画素サイズは３．４５μｍである。例えば、光変換部材５０として倍率２倍のレンズを使い、レーザ光源波長を５２０ｎｍとすると、式（５）のＮＡは０．１５１となる。つまり、ＮＡ＞０．１５１で、かつ倍率２倍のレンズを使えばスペックルの影響が小さくなり、高精度な測定が可能となる。又、この時の強化ガラス中の深さ方向の分解能は１．２μｍとなり、十分な分解能を得ている。

一方、レーザ光Ｌと撮像素子６０との間に、少なくともレーザ光の波長＋１００ｎｍ以上と、－１００ｎｍ以下の波長の光を５０％以上、好ましくは９０％透過させない光波長選択部材８０を挿入してもよい。光波長選択部材８０を挿入することにより、レーザ光Ｌより発生した蛍光光や外来光を除去し、散乱光Ｌ_Ｓだけを撮像素子６０に集めることができる。光波長選択部材８０としては、例えば、誘電体膜を多層にしたバンドパスフィルタや、ショートパスフィルタを用いることができる。

撮像素子６０としては、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）素子やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサ素子を用いることができる。図２及び図３には図示していないが、ＣＣＤ素子やＣＭＯＳセンサ素子は、その素子を制御し、素子から画像の電気信号を取出す制御回路、電気信号をデジタル画像データにするデジタル画像データ生成回路、デジタル画像データを複数枚記録するデジタル記録装置に接続されている。更に、デジタル画像データ生成回路、デジタル記録装置は、演算部７０に接続されている。

演算部７０は、撮像素子６０、或いは、上記撮像素子６０に接続された、デジタル画像データ生成回路、デジタル記録装置から画像データを取り込み、画像処理や数値計算をする機能を備えている。演算部７０は、これ以外の機能（例えば、レーザ光源１０の光量や露光時間を制御する機能等）を有する構成としてもよい。演算部７０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、メインメモリ等を含むように構成できる。

この場合、演算部７０の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現できる。演算部７０のＣＰＵは、必要に応じてＲＡＭからデータを読み出したり、格納したりできる。但し、演算部７０の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。又、演算部７０は、物理的に複数の装置等により構成されてもよい。演算部７０としては、例えば、パーソナルコンピュータを用いることができる。又、演算部７０にデジタル画像データ生成回路、デジタル記録装置の機能を持たせても良い。

偏光位相差可変部材３０は、強化ガラス２００へ入射するときの偏光位相差を時間的に変化させる。変化させる偏光位相差は、レーザ光の波長λの１倍以上であることが好ましいが、１倍未満であってもよい。変化させる偏光位相差をレーザ光の波長λの１倍以上とすることで、応力測定の精度をより向上できる。以降では、変化させる偏光位相差をレーザ光の波長λの１倍以上とする場合の例について説明する。

偏光位相差は、レーザ光Ｌの波面に対して均一でなければいけない。例えば、水晶楔は、楔の傾斜面のついた方向には偏光位相差が均一でないためレーザ光の波面は均一でない。そのため、偏光位相差可変部材３０として水晶楔を用いることは好ましくない。

レーザ光の波面に均一で偏光位相差を電気的に１λ以上可変できる偏光位相差可変部材３０としては、例えば、液晶素子を挙げることができる。液晶素子は、素子に印加する電圧により偏光位相差を可変することができ、例えば、レーザ光の波長が６３０ｎｍである場合、３～６波長の可変が可能である。液晶素子において、印加する電圧で可変できる偏光位相差の最大値は、セルギャップの寸法で決まる。

通常の液晶素子は、セルギャップが数μｍであるため、最大の偏光位相差は１／２λ（数１００ｎｍ）程度である。又、液晶を使ったディスプレイ等では、それ以上の変化は要求されない。これに対して、本実施形態で使用する液晶素子は、レーザ光の波長が例えば６３０ｎｍである場合、６３０ｎｍの約３倍の約２０００ｎｍの偏光位相差を可変する必要があり、２０～５０μｍのセルギャップが必要となる。

液晶素子に印加する電圧と偏光位相差は比例しない。一例として、セルギャップが３０μｍの液晶素子の印加電圧と偏光位相差との関係を図４に示す。図４において、縦軸は偏光位相差（波長６３０ｎｍに対しての波長数）、横軸は液晶素子に印加する電圧（対数で描かれている）である。

液晶素子に印加する電圧が０Ｖから１０Ｖで、約８λ（５０００ｎｍ）の偏光位相差を可変できる。しかし、液晶素子は、一般的に０Ｖから１Ｖまでの低電圧では液晶の配向が安定せず、温度変化等で偏光位相差が変動する。又、液晶素子に印加する電圧が５Ｖ以上では、電圧の変化に対して偏光位相差の変化が少ない。この液晶素子の場合、１．５Ｖから５Ｖの印加電圧で使用することで、４λ～１λ、すなわち約３λの偏光位相差を安定に可変できる。

偏光位相差可変部材３０として液晶素子を用いる場合、偏光位相差可変部材３０は液晶を制御する液晶制御回路に接続され、撮像素子６０と同期して制御される。この際、偏光位相差を時間的に直線的に可変させ、撮像素子６０の撮像のタイミングに同期することが必要である。

図４は、液晶素子の印加電圧と偏光位相差との関係を例示する図である。図４で示すように、液晶素子の印加電圧と偏光位相差は直線的な変化をしない。そのため、偏光位相差がある時間内で直線的に変化するような信号を発生させ、液晶素子への駆動電圧として印加する必要がある。

図５は、液晶素子に偏光位相差が時間的に直線的に変化するような駆動電圧を発生させる回路を例示する図である。

図５において、デジタルデータ記憶回路３０１には、使用する液晶素子の印加電圧と偏光位相差とを予め測定したデータに基づいて、偏光位相差を一定間隔で変化させるための、偏光位相差に対応する電圧値が、必要な偏光位相差変化の範囲でデジタルデータとしてアドレス順に記録されている。表１に、デジタルデータ記憶回路３０１に記録されるデジタルデータの一部を例示する。表１の電圧の列が、記録されるデジタルデータであり、偏光位相差１０ｎｍの変化毎の電圧値である。

クロック信号発生回路３０２は、水晶振動子等を使い、周波数が一定であるクロック信号を発生させる。クロック信号発生回路３０２の発生したクロック信号は、デジタルデータ記憶回路３０１とＤＡコンバータ３０３に入力される。

ＤＡコンバータ３０３は、デジタルデータ記憶回路３０１からのデジタルデータをアナログ信号に変換する回路である。クロック信号発生回路３０２の発生したクロック信号に従って、デジタルデータ記憶回路３０１から順次記憶された電圧値のデジタルデータが読み出され、ＤＡコンバータ３０３へ送られる。

ＤＡコンバータ３０３では、一定時間間隔で読み出された電圧値のデジタルデータをアナログ電圧に変換する。ＤＡコンバータ３０３から出力されるアナログ電圧は、電圧増幅回路３０４を通して、偏光位相差可変部材３０として用いる液晶素子へ印加される。

なお、図５では図示していないが、この液晶素子の駆動回路は、図３の撮像素子６０を制御する回路と同期がとられ、液晶素子への駆動電圧の印加の開始とともに、撮像素子６０で時間的に連続な撮像を開始する。

図６は、撮像素子に結像されたレーザ光Ｌのある瞬間の散乱光像を例示する図である。図６では、上に行くほど強化ガラス２００の表面２１０からの深さが深くなる。図６において、点Ａは強化ガラス２００の表面２１０であり、強化ガラス２００の表面２１０の散乱光が強いため、散乱光像は楕円状に広がっている。

強化ガラス２００の表面部には強い圧縮応力がかかっているため、光弾性効果による複屈折により、レーザ光Ｌの偏光位相差が深さとともに変化する。そのため、レーザ光Ｌの散乱光輝度も深さとともに変化する。なお、レーザ光の散乱光輝度が、強化ガラスの内部応力により変化する原理については、例えば、Yogyo-Kyokai-Shi（窯業協会誌）８０｛４｝１９７２、等に説明されている。

偏光位相差可変部材３０により、強化ガラス２００に入射する前のレーザ光Ｌの偏光位相差を時間的に連続して変化させることができる。これにより、図６の散乱光像の各点において、偏光位相差可変部材３０で変化させた偏光位相差に応じて散乱光輝度が変化する。

図７は、図６の点Ｂと点Ｃでの散乱光の輝度（散乱光輝度）の時間的な変化を例示する図である。散乱光輝度の時間的な変化は、偏光位相差可変部材３０の変化させた偏光位相差に応じ、レーザ光の波長λの周期で、周期的に変化する。例えば、図７において、点Ｂと点Ｃでは、散乱光輝度の変化の周期は同じであるが、位相が異なっている。これは、レーザ光Ｌが点Ｂから点Ｃへ進むときに、強化ガラス２００中の応力による複屈折で更に偏光位相差が変化したためである。点Ｂと点Ｃとの位相差δは、点Ｂから点Ｃへレーザ光Ｌが進んだときに変化した偏光位相差を行路差で表現したものをｑ、レーザ光の波長をλとすると、δ＝ｑ／λとなる。

局所的に考えると、レーザ光Ｌ上の任意の点Ｓでの、偏光位相差可変部材３０の時間的な偏光位相差の変化に伴う、周期的な散乱光輝度の変化の位相Ｆを、レーザ光Ｌに沿った位置ｓで表した関数Ｆ（ｓ）に対して、ｓに対する微分値ｄＦ／ｄｓが強化ガラス２００の面内応力により発生した複屈折量である。強化ガラス２００の光弾性定数Ｃと、ｄＦ／ｄｓから、下記の式６により、点Ｓでの強化ガラス２００の面内方向の応力σを計算できる。

一方、偏光位相差可変部材３０は、ある時間内に時間的に連続に偏光位相差を１波長以上変化させる。その時間内に、撮像素子６０により、複数枚の時間的に連続したレーザ光Ｌによる散乱光像を記録する。そして、この連続撮影をした散乱光像の各点における時間的な輝度の変化を測定する。

この散乱光像の各点の散乱光の変化は周期的であり、その周期は場所によらず一定である。そこで、その周期Ｔをある点の散乱光輝度の変化から測定する。或いは、複数の点での周期の平均を周期Ｔとしてもよい。

偏光位相差可変部材３０では偏光位相差を１波長以上（１周期以上）変化させるため、散乱光輝度も１周期以上変化する。そのため、複数のピークやバレーの差、或いは、振幅の中点を通る時刻の差等から周期Ｔの測定が可能である。

なお、１周期以下でのデータでは１周期を知ることが原理的に不可能である。１周期以下でのデータを用いる場合には、偏光位相差可変部材３０は、例えば図４に示すように電圧と偏光位相差の関係より駆動信号を発生させるが、この駆動信号より１周期を予測できる。但し、液晶等の偏光位相差可変部材の特性は温度等で変化し、正確に予測することが難しく、予測する１周期の精度は低い。

ある点での散乱光の周期的な変化のデータにおいて、上記で決めた周期Ｔを基に、三角関数の最小二乗法やフーリエ積分により、その点での位相Ｆを正確に求めることができる。

予め既知である周期Ｔでの三角関数の最小二乗法やフーリエ積分では、既知である周期Ｔでの位相成分だけが抽出され、他の周期のノイズを除去可能である。又、その除去能力は、データの時間的変化が長ければ長いほど高くなる。通常、散乱光輝度は弱く、又、実際に変化する位相量も小さいため、数λの偏光位相差の可変によるデータでの測定が必要となる。

撮像素子６０により撮影した画像上のレーザ光Ｌに沿った散乱光像の各点での散乱光の時間的変化のデータを測定し、それぞれについて、上記と同様の方法で位相Ｆを求めると、レーザ光Ｌに沿った、散乱光輝度の位相Ｆを求めることができる。図８は、ガラス深さに応じた散乱光変化の位相の例である。

このレーザ光Ｌに沿った散乱光輝度の位相Ｆにおいて、レーザ光Ｌ上の座標での微分値を計算し、式６により、レーザ光Ｌ上の座標ｓでの応力値を求めることができる。更に、座標ｓをガラス表面からの距離に換算すれば、強化ガラスの表面からの深さに対する応力値を算出できる。図９は、図８の散乱光変化の位相データを基に、式６より応力分布を求めた例である。

図１０は、異なる時刻ｔ１、ｔ２の実際の散乱光像の例であり、図１０の点Ａは強化ガラスの表面であり、強化ガラスの表面の荒れにより、表面散乱光が映っている。この表面散乱光像の中心が強化ガラスの表面に相当する。

図１０において、レーザ光の散乱光像が各点で輝度が異なっていることがわかり、又、同じ点であっても、時刻ｔ２での輝度分布は、時刻ｔ１での輝度分布と同じでないことが分かる。これは、周期的な散乱光輝度変化の位相がずれているためである。

応力測定装置１において、レーザ光Ｌの入射面は、強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°傾いた状態とすることが好ましい。これについて、図１１及び図１２を参照しながら説明する。

図１１は、強化ガラス中のレーザ光Ｌの入射面の好ましくない設計例を示す図である。図１１では、強化ガラス２００中のレーザ光Ｌの入射面２５０が強化ガラスの表面２１０に対して垂直である。

図１１（ｂ）は図１１（ａ）の方向Ｈから見た図である。図１１（ｂ）に示すように、撮像素子６０は、強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°傾けて設置されており、レーザ光Ｌを斜め４５°から観察する。図１１の場合、レーザ光Ｌ上の異なる２点、点Ａ、点Ｂから撮像素子６０までの距離を距離Ａ、距離Ｂとすると、その距離が異なる。すなわち、点Ａと点Ｂとで同時にピントを合わせることができず、必要な領域のレーザ光Ｌの散乱光像を良好な画像として取得することができない。

図１２は、強化ガラス中のレーザ光Ｌの入射面の好ましい設計例を示す図である。図１２では、強化ガラス２００中のレーザ光Ｌの入射面２５０が強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°傾いている。

図１２（ｂ）は図１２（ａ）の方向Ｈから見た図である。図１２（ｂ）に示すように、撮像素子６０は、強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°傾けて設置されているが、レーザ光Ｌの通る面である入射面２５０も同様に４５°傾いている。そのため、レーザ光Ｌ上のどの点においても撮像素子６０までの距離（距離Ａと距離Ｂ）が同じとなり、必要な領域のレーザ光Ｌの散乱光像を、良好な画像として取得できる。

特に、本実施形態ではレンズのＮＡを大きくするため、それに伴い、焦点深度が浅く、せいぜい数１０μｍ程度であるため、強化ガラス２００中のレーザ光Ｌの入射面２５０を強化ガラス２００の表面２１０に対して４５°傾け、レーザ光Ｌ上のどの点においても撮像素子６０までの距離を同じにすることは、良好な画像を取得する上で極めて重要である。

（測定のフロー）
次に、図１３及び図１４を参照しながら測定のフローについて説明する。図１３は、応力測定装置１の測定方法を例示するフローチャートである。図１４は、応力測定装置１の演算部７０の機能ブロックを例示する図である。

まず、ステップＳ４０１では、偏光のあるレーザ光源１０、或いは偏光をかけたレーザ光源１０からのレーザ光の偏光位相差を、偏光位相差可変部材３０により、時間的に連続してレーザ光の波長に対して１波長以上可変する（偏光位相差可変工程）。

次に、ステップＳ４０２では、偏光位相差が可変されたレーザ光を、光供給部材４０を介して、被測定体である強化ガラス２００内に表面２１０に対して斜めに入射させる（光供給工程）。

次に、ステップＳ４０３では、偏光位相差を可変されたレーザ光が強化ガラス２００に入射されたことにより発する散乱光を光変換部材５０で結像し、光変換部材５０に結像された散乱光を、撮像素子６０を用いて所定の時間間隔で複数回撮像し、複数の画像を取得する（撮像工程）。

次に、ステップＳ４０４では、演算部７０の輝度変化測定手段７０１は、撮像工程で得られた散乱光の時間的に間隔を置いた複数の画像を用いて、偏光位相差可変工程により可変された偏光位相差の時間的変化に伴う散乱光の周期的な輝度変化を測定する（輝度変化測定工程）。

次に、ステップＳ４０５では、演算部７０の位相変化算出手段７０２は、強化ガラス２００中に入射されたレーザ光に沿った、散乱光の周期的な輝度変化の位相変化を算出する（位相変化算出工程）。

次に、ステップＳ４０６では、演算部７０の応力分布算出手段７０３は、強化ガラス２００中に入射されたレーザ光に沿った、散乱光の周期的な輝度変化の位相変化に基づいて、強化ガラス２００の表面２１０からの深さ方向の応力分布を算出する（応力分布算出工程）。なお、算出した応力分布を、表示装置（液晶ディスプレイ等）に表示させてもよい。

このように、応力測定装置１では、表面の導波光を利用した応力測定装置とは異なり、強化ガラスの屈折率分布に依存した応力測定を行わず、散乱光に基づいた測定を行う。そのため、強化ガラスの屈折率分布にかかわらず（強化ガラスの屈折率分布とは無関係に）、強化ガラスの応力分布を、強化ガラスの最表面から従来よりも深い部分まで測定可能となる。例えば、ある深さから、深さとともに屈折率が高くなる特徴を持つリチウム・アルミノシリケート系の強化ガラス等についても、応力測定が可能である。

又、レーザ光の偏光位相差を、偏光位相差可変部材３０により、時間的に連続してレーザ光の波長に対して１波長以上可変する。そのため、散乱光の周期的な輝度変化の位相を、三角関数の最小二乗法や、フーリエ積分により求めることが可能となる。三角関数の最小二乗法やフーリエ積分では、従来のように波のピークやバレーの位置の変化により位相を検知する方法とは異なり、波の全データが扱われ、又、予め分かっている周期に基づいているため、他の周期のノイズを除去可能である。その結果、散乱光の周期的な輝度変化の位相を容易かつ正確に求めることが可能となる。

〈第２実施形態〉
第２実施形態では、第１実施形態と基本構成は同じであるが、レーザ光の断面形状を特定の形状にすることで、測定される応力分布の精度及び安定性を向上可能な応力測定装置の例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１５は、第２実施形態に係る応力測定装置を例示する図であり、第１実施形態を説明する図２と同様に、図１６のレーザ光の断面形状と位置関係を説明する図の断面位置を示している。図１６は、図１５のＡ方向から見たＸ－Ｘ方向の断面図で、光供給部材４０と強化ガラス２００の界面を拡大し、応力測定部分のレーザ光の断面形状と位置関係を説明する図である。

図１６に示すように、強化ガラス２００の中のレーザ光Ｌｂの断面形状は、細長状であることが好ましい。ここで、細長状とは、短手方向の長さと長手方向の長さとの比率が１：３以上である形状を指し、例えば、短径と長径との比率が１：３以上の楕円形や、短辺と長辺との比率が１：３以上の四角形等が含まれる。

強化ガラス２００の中のレーザ光Ｌｂの断面形状は、短手方向の長さと長手方向の長さとの比率が１：４～１：１０であることが特に好ましい。短手方向の長さと長手方向の長さとの比率が大きい方がスペックルによるバラつきを減らす効果は大きくなるが、長手方向を長くするとレーザ光のビーム断面積が大きくなるとともに、レーザ光のパワー密度が下がり撮像素子からの信号のＳ／Ｎが低くなるためである。

又、強化ガラス２００の中のレーザ光Ｌｂの断面形状の長手方向は、撮像素子６０の撮像面と光学的に水平である。ここで、光学的に平行とは、撮像素子６０とレーザの散乱位置の光軸がミラー等で曲げられて幾何学的に平行でなくとも、光軸に対して垂直すなわち、光学的に平行であれば良い。

強化ガラス２００内のレーザ光Ｌｂの形状は、撮像素子６０から見て、奥行き方向は深さの解像度に影響するため、薄くなければならない。しかし、強化ガラス２００内のレーザ光Ｌｂの形状は、撮像素子６０から見て、幅方向は長くなっても、直接、深さの分解能を落とすわけではない。すなわち、撮像素子６０の画像の横方向の輝度を平均化することで、同じ深さでの散乱光強度を平均することになる。そのため、表面から深さ方向の輝度変化のデータが同じ深さ方向で平均化され、スペックルによるバラツキを減らすことが可能となり、安定で、精度高く散乱強度変化を測定することができ、更に、安定で、精度高く応力分布を測定できる。

図１７は、従来及び本実施形態のレーザ光の断面の場合の散乱光画像を例示する図である。図１７（ａ）は、従来の例であり、レーザ光の焦点を結ぶ強化ガラス中の応力を測定する部分におけるレーザ光の断面形状が直径１０μｍの円形であるレーザ光源を用いた場合の散乱光画像である。図１７（ａ）では、散乱光画像もビーム径１０μｍと同じ太さで撮影されている。

一方、図１７（ｂ）は、本実施形態の一例を示すものであり、レーザ光の焦点を結ぶ強化ガラス中の応力を測定する部分におけるレーザ光の断面形状が長径：短径＝５０μｍ：１０μｍであるレーザ光源を用い、長径方向が撮像素子６０の撮像面と平行になるように、設置されている場合の散乱光画像である。

図１７（ｂ）は、レーザ光の断面の幅が、図１７（ａ）に示す従来の例よりも５倍の５０μｍの場合の散乱画像である。しかし、画像上に散乱光画像が幅広で写っていても、深さの解像度に係るのは奥行き方向で、その方向は１０μｍと薄く、深さ方向の分解能を維持している。

一方、図１７（ｂ）において、画像上の幅方向、例えばＹ－Ｙ方向は同じ深さでの強化ガラス中の散乱画像位置である。Ｙ－Ｙ方向に輝度を平均化することで、スペックルによるデータのバラつきや、ガラス中の不均一性によるデータのバラツキを同じ深さで平均化することができ、高精度で、再現性のよい測定が可能となる。

図１８は、強化ガラスの応力分布測定をする深さの領域で、楕円状のビーム形状を得るためのレーザ光源の例である。図１８（ａ）は上面から見た図、図１８（ｂ）は側面から見た図、図１８（ｃ）はスリットの形状（拡大図）、図１８（ｄ）はレーザ光の断面形状（拡大図）を示している。

図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示すレーザ光源１０は、レーザ１０１とビームエクスパンダー１０２と、スリット１０３と、集光レンズ１０４とを有している。レーザ光源１０において、レーザ１０１より放射されたレーザ光は、ビームエクスパンダー１０２で所定の大きさの円形で平行なビームになる。ビームエクスパンダー１０２に代えて、コリメータレンズ等のビームエクスパンダー１０２と同等の機能を発揮できる光学部品を用いてもよい。ビームエクスパンダー１０２の出力側では、例えば、φ_１＝８ｍｍの円形のビームとなる。

仮に、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）において集光レンズ１０４の前にスリット１０３を配置しなければ、ビームエクスパンダー１０２の出力側の円形のビームは集光レンズ１０４により絞られ、開口率ＮＡと波長により式７から求まる半径ｒの円形となる。例えば、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）において、集光レンズ１０４の焦点距離ｆを１００ｍｍとすると、ＮＡは４／１００であり、λを０．５２μｍとすると、集光レンズ１０４の焦点位置でのビームの断面形状は直径φ８μｍの円形となる。

しかし、本実施形態では、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示すように、集光レンズ１０４の前に、図１８（ｃ）に示す所定の縦横比率を有するスリット１０３を配置し、スリット１０３を通過したレーザ光を集光レンズ１０４で絞っている。図１８（ｃ）において、例えば、幅Ｗ_１は６ｍｍであり、幅Ｗ_２は１．２ｍｍである。なお、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）では、スリット１０３は、長手方向（Ｗ_１の方向）が水平になるように配置されている。

スリット１０３を６ｍｍ×１．２ｍｍとすることで、図１８（ａ）ではスリット１０３により一旦ビームが６ｍｍ幅に制限され、その後集光レンズ１０４で絞られる。例えば、焦点距離ｆを１００ｍｍとすると、ＮＡは３／１００であり、λを０．５２μｍとすると、集光レンズ１０４の焦点位置でのビーム幅ａは１０μｍとなる。

一方、図１８（ｂ）ではスリット１０３により一旦ビームが１．２ｍｍ幅に制限され、その後集光レンズ１０４で絞られる。例えば、焦点距離ｆを１００ｍｍとすると、ＮＡは０．６／１００であり、λを０．５２μｍとすると、集光レンズ１０４の焦点位置でのビーム幅ｂは５０μｍとなる。

すなわち、図１８（ｄ）に示すように、集光レンズ１０４の焦点位置でのビーム形状は、ａ×ｂ＝１０μ×５０μｍの楕円状となる。ここで、スリット１０３の幅の広い方向が絞られたビームの狭い方となり、スリット１０３の幅の狭い方向が絞られたビームの広い方となる。

レーザ光源１０を図１８（ａ）及び図１８（ｂ）の構成とすることで、楕円状のビーム形状を生成できる。これを、第１実施形態の図２のレーザ光源１０として装着することで、本実施形態に係る応力分布測定装置を得ることができる。

〈第３実施形態〉
第３実施形態では、第１実施形態と基本構成は同じであるが、２波長のレーザ光を混合させ、スペックルを低減することで、測定される応力分布の精度及び安定性を向上可能な応力測定装置の例を示す。なお、第３実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１９は、第３実施形態に係る応力測定装置を例示する図である。図１９に示すように、応力測定装置２は、レーザ光源１０が第１レーザ光源１０Ａ及び第２レーザ光源１０Ｂに置換され、ハーフミラー９０が追加された点が応力測定装置１（図２等参照）と相違する。

図１９に示す応力測定装置２では、第１レーザ光源１０Ａから出射されたレーザ光は、そのレーザ光と４５°の角度で設定してあるハーフミラー９０を通って直進する。一方、第２レーザ光源１０Ｂは、ハーフミラー９０で反射された後のレーザ光が第１レーザ光源１０Ａから出射されたレーザ光と平行になるように設置されている。その結果、第１レーザ光源１０Ａから出射されたレーザ光と第２レーザ光源１０Ｂから出射されたレーザ光は、ハーフミラー９０を通ることで混合され、偏光部材２０へ入射される。

第１レーザ光源１０Ａと第２レーザ光源１０Ｂは、互いに波長の異なるレーザ光を出射する。第１レーザ光源１０Ａから出射されるレーザ光の波長と第２レーザ光源１０Ｂから出射されるレーザ光の波長は、波長が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下離れていることが好ましく、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下離れていることがより好ましい。波長が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下離れている場合、測定精度を維持し、スペックル低減効果が得られる点で特に好ましい。第１レーザ光源１０Ａと第２レーザ光源１０Ｂの各々の波長は、例えば、５１５ｎｍと５２５ｎｍである。第１レーザ光源１０Ａから出射されるレーザ光の出力と第２レーザ光源１０Ｂから出射されるレーザ光の出力は、ほぼ同じであり、又、偏光方向も同じである。

例えば、第１レーザ光源１０Ａ及び第２レーザ光源１０Ｂが半導体レーザ素子であれば、このような若干波長が異なる素子を作製可能である。この波長の異なる２つのレーザ光は、同時に強化ガラス２００の内部に入射され、第１実施形態と同様に、強化ガラス２００内のレーザ光の散乱光から、応力分布を測定できる。

通常レーザ光は単波長であることから、可干渉性が高くスペックルを発生させる。本実施形態では、若干波長の異なるレーザ光が混ざっているために、スペックルは発生しにくく、スペックルによるノイズを低減することができ、精度が高く、再現性の良い応力分布測定が可能となる。但し、あまり波長差が大きいと、図６及び図７を使って説明した位相差の測定の精度が落ちるため、波長差は２波長の平均値に対して±５％の範囲内にすることが好ましい。

〈第４実施形態〉
第４実施形態では、第１～第３実施形態の何れかの応力測定装置の近傍に、異なる手法の応力測定装置を設置し、１枚の強化ガラスについて同時に異なる２つの手法により異なる２つの深さ領域の応力分布を測定し合成することで、一度に表面から深い部分までの応力分布を測定する例を示す。なお、第４実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図２０は、第４実施形態に係る応力測定装置を例示する図である。図２０に示すように、応力測定装置３は、応力測定部３Ａと応力測定部３Ｂとを有している。応力測定部３Ａは、第１～第３実施形態で示した何れかの応力測定装置と同様の構成にできる。

応力測定部３Ｂは、強化ガラスの表面及び、表面付近の深さ領域の応力を測定するための応力測定装置であり、例えば、非特許文献１等で説明されている。図２０に示すように、応力測定部３Ｂは、光源１５と、光供給部材２５と、光取出し部材３５と、光変換部材４５と、偏光部材５５と、撮像素子６５と、演算部７５とを有する。そして、応力測定部３Ａの光供給部材４０と応力測定部３Ｂの光供給部材２５及び光取出し部材３５は、強化ガラス２００の大きさの範囲内に収められている。これにより、応力測定部３Ａと応力測定部３Ｂで異なる領域の応力分布を同時に測定可能となる。

応力測定部３Ｂにおいて、光源１５は、光供給部材２５から強化ガラス２００の表面層に光線Ｌａを入射するように配置されている。干渉を利用するため、光源１５の波長は、単純な明暗表示になる単波長であることが好ましい。

光源１５としては、例えば、容易に単波長の光が得られるＮａランプを用いることができ、この場合の波長は５８９．３ｎｍである。又、光源１５として、Ｎａランプより短波長である水銀ランプを用いてもよく、この場合の波長は、例えば水銀Ｉ線である３６５ｎｍである。但し、水銀ランプは多くの輝線があるので、３６５ｎｍラインだけを透過させるバンドパスフィルタを通して使用することが好ましい。

又、光源１５としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いてもよい。近年、多くの波長のＬＥＤが開発されているが、ＬＥＤのスペクトル幅は半値幅で１０ｎｍ以上あり、単波長性が悪く、温度により波長が変化する。そのため、バンドパスフィルタを通して使用することが好ましい。

光源１５をＬＥＤにバンドパスフィルタを通した構成にした場合、Ｎａランプや水銀ランプほど単波長性はないが、紫外域から赤外域まで任意の波長を使うことができる点で好適である。なお、光源１５の波長は、応力測定部３Ｂの測定の基本原理には影響しないため、上に例示した波長以外の光源を用いても構わない。

但し、光源１５として紫外線を照射する光源を用いることで、測定の分解能を向上できる。すなわち、応力測定部３Ｂで測定する強化ガラス２００の表面層は数μｍ～数十μｍ程度の厚さの場合であるため、光源１５として紫外線を照射する光源を用いることにより適度な本数の干渉縞が得られ、分解能が向上する。一方、光源１５として紫外線よりも長波長の光を照射する光源を用いると、干渉縞の本数が減るため分解能が低下する。

光供給部材２５及び光取出し部材３５は、被測定体である強化ガラス２００の表面２１０に光学的に接触した状態で載置されている。光供給部材２５は、強化ガラス２００の圧縮応力層を有する表面層内に、光源１５からの光を入射させる機能を備えている。光取出し部材３５は、強化ガラス２００の表面層内を伝播した光を、強化ガラス２００の外へ出射させる機能を備えている。

光供給部材２５及び光取出し部材３５としては、例えば、光学ガラス製のプリズムを用いることができる。この場合、強化ガラス２００の表面２１０において、光線がこれらプリズムを介して光学的に入射及び出射するために、これらプリズムの屈折率は強化ガラス２００の屈折率よりも大きくする必要がある。又、各プリズムの傾斜面において、入射光及び出射光が略垂直に通過するような屈折率を選ぶ必要がある。

例えば、プリズムの傾斜角が６０°で、強化ガラス２００の屈折率が１．５２の場合は、プリズムの屈折率は１．７２とすることができる。なお、光供給部材２５及び光取出し部材３５として、プリズムに代えて、同様の機能を備えた他の部材を用いてもよい。又、光供給部材２５及び光取出し部材３５を一体構造としてもよい。又、安定に光学的な接触をさせるために、光供給部材２５及び光取出し部材３５と強化ガラス２００の間に、光供給部材２５及び光取出し部材３５の屈折率と強化ガラス２００の屈折率の間の値となる屈折率の液体（ゲル状でもよい）を充填することもある。

光取出し部材３５から出射された光の方向には撮像素子６５が配置されており、光取出し部材３５と撮像素子６５との間に、光変換部材４５と偏光部材５５が挿入されている。

光変換部材４５は、光取出し部材３５を介して出射した光に含まれる、強化ガラス２００と光取出し部材３５との境界面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分を、二種の輝線列、或いは、強化ガラス２００と光供給部材２５の屈折率差により臨界角で生じる二種の境界線、に変換して撮像素子６５上に集光する機能を備えている。光変換部材４５としては、例えば、凸レンズを用いることができるが、同様の機能を備えた他の部材を用いてもよい。

偏光部材５５は、強化ガラス２００と光取出し部材３５との境界面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分のうち一方を選択的に透過する機能を備えている光分離手段である。偏光部材５５としては、例えば、回転可能な状態で配置された偏光板等を用いることができるが、同様の機能を備えた他の部材を用いてもよい。ここで、強化ガラス２００と光取出し部材３５との境界面に対して平行に振動する光成分はＳ偏光であり、垂直に振動する光成分はＰ偏光である。

なお、強化ガラス２００と光取出し部材３５との境界面は、光取出し部材３５を介して強化ガラス２００の外に出射した光の出射面と垂直である。そこで、光取出し部材３５を介して強化ガラス２００の外に出射した光の出射面に対して垂直に振動する光成分はＳ偏光であり、平行に振動する光成分はＰ偏光であると言い換えてもよい。

撮像素子６５は、光取出し部材３５から出射され、光変換部材４５及び偏光部材５５を経由して受光した光を電気信号に変換する機能を備えている。撮像素子６５としては、例えば、撮像素子６０と同様の素子を用いることができる。

演算部７５は、撮像素子６５から画像データを取り込み、画像処理や数値計算をする機能を備えている。演算部７５は、これ以外の機能（例えば、光源１５の光量や露光時間を制御する機能等）を有する構成としてもよい。演算部７５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、メインメモリ等を含むように構成できる。

この場合、演算部７５の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現できる。演算部７５のＣＰＵは、必要に応じてＲＡＭからデータを読み出したり、格納したりできる。但し、演算部７５の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。又、演算部７５は、物理的に複数の装置等により構成されてもよい。演算部７５としては、例えば、パーソナルコンピュータを用いることができる。なお、応力測定部３Ｂの演算部７５は、応力測定部３Ａの演算部７０と共用することもできる。

応力測定部３Ｂでは、光源１５から光供給部材２５を通して強化ガラス２００の表面層に入射した光線Ｌａは表面層内を伝播する。そして、光線Ｌａが表面層内を伝播すると、光導波効果によりモードが発生し、幾つかの決まった経路を進んで光取出し部材３５により、強化ガラス２００の外へ取出される。

そして、光変換部材４５及び偏光部材５５により、撮像素子６５上に、モード毎にＰ偏光及びＳ偏光の輝線となって結像される。撮像素子６５上に発生したモードの数のＰ偏光及びＳ偏光の輝線の画像データは、演算部７５へと送られる。演算部７５では、撮像素子６５から送られた画像データから、撮像素子６５上のＰ偏光及びＳ偏光の輝線の位置を算出する。

このような構成により、応力測定部３Ｂでは、Ｐ偏光及びＳ偏光の輝線の位置に基づいて、強化ガラス２００の表面層における表面から深さ方向の、Ｐ偏光及びＳ偏光の夫々の屈折率分布を算出できる。又、算出したＰ偏光及びＳ偏光の夫々の屈折率分布の差と、強化ガラス２００の光弾性定数とに基づいて、強化ガラス２００の表面層における表面から深さ方向の応力分布を算出できる。

このように、応力測定部３Ｂは、強化ガラスの表面層の導波光を利用して応力分布を測定可能な評価装置である。ここで、ガラス表面の導波光は、強化ガラス２００の屈折率が表面から深くなるほど低くなる層で発生する。深くなるにつれ、屈折率が高くなる層では導波光は発生しない。例えば、リチウム・アルミノシリケート系ガラスにおいて、ガラスの最表面付近のみ、屈折率が深くなるにつれ低くなるが、ある深さから、深さとともに屈折率が高くなる。このような強化ガラスの場合、屈折率が深くなるにつれ低くなる最表面層だけに導波光が発生し、その部分すなわち、屈折率分布が反転する深さまでは応力分布が測定できる。

一方、第１実施形態１の図１０に示した散乱光の画像で、図１０中の点Ａはガラス表面であり、表面散乱光が強く周囲に広がっている。この広がった表面散乱光は、表面点の情報を反映している。表面点Ａでは、正しい情報であるが、例えば、表面点Ａから少しガラスの深い部分でのレーザ光Ｌの散乱光は、本来のその点でのガラスの応力を反映した散乱光に表面点Ａでの応力を反映した散乱光が混じっている状態であり、表面散乱光が重なっている部分については、正しく応力を測定することが困難である。

この表面散乱光が重なる部分の深さはガラスの質や、ガラスの表面状態で異なるが、通常１０μｍ程度である。強化ガラスの強化層深さが深く、最表面付近、例えば、深さ数１０μｍ程度の表面領域において、応力の深さ方向の変化が緩やかな、表面応力値が低い、或いは、強化層が深い強化ガラスでは、正確に測定されない深さ１０μｍ以内でも、それより深い部分の応力の分布をガラス表面へ外挿しても正確な応力を推定できる。

しかし、強化ガラス２００の応力分布が、最表面近傍、例えば、強化ガラス２００の表面と深さ１０μｍの間で急に応力が高くなるような強化ガラスにおいては、外挿による最表面付近の応力値の推定値に大きな誤差が生じる。特に、最表面の応力値は誤差が大きい。しかし、この表面散乱光が邪魔をする領域以外では、絶対値として、正確に応力分布を測定可能である。

最表面の応力値、或いは最表面付近の応力分布を応力測定部３Ｂで測定した応力値、或いは応力分布と、応力測定部３Ａで測定した応力分布のうち、表面散乱光で邪魔をされない最表面から十分深い部分の応力分布を合わせることにより、全体の応力分布を精度よく測定できる。

応力測定部３Ａの十分信頼がおける深さ領域と応力測定部３Ｂの測定が可能な深さ領域が不連続の場合には、強化ガラスにおいて、理論的に予想される応力分布関数を使い、最小二乗法で、近似計算をすることにより、不連続な領域の応力も正確に推定可能である。

更に、応力測定部３Ａの光供給部材４０と応力測定部３Ｂの光供給部材２５及び光取出し部材３５は、強化ガラス２００の大きさの範囲内に収められている。これにより、応力測定部３Ａと応力測定部３Ｂで異なる領域の応力分布を同時に測定し、合成した結果を得ることができる。

図２１は、応力測定部３Ａ及び３Ｂで測定した応力分布を同じグラフに示した図である。より具体的には、表面から深さ１０μｍ付近に応力の傾きが急に変化する領域を有するような、２段階で化学強化された応力分布を持つ強化ガラスを、応力測定部３Ｂで測定した最表面付近の応力分布（領域Ａ）と、応力測定部３Ａで測定した十分信頼がおける領域での応力分布（領域Ｃ）とを同じグラフに示している。

図２１の例では、中間に、応力測定部３Ａでも応力測定部３Ｂでも測定されない領域Ｂが存在する。領域Ａ及びＣの応力分布に基づいて、領域Ｂにおいて予想される応力分布の関数を最小二乗法で求めた曲線を点線で示す。この場合、屈曲点が含まれる領域の実データがなくとも、最小二乗法で求められた曲線から、屈曲点位置も推定可能である。

応力測定部３Ｂの撮像素子６５で得られる縞画像は、通常２本以上の輝線列と、強化ガラス２００と光供給部材２５との屈折率差により臨界角で生じる境界線（以降、単に境界線とする）とを含む。例えば、後述の図２５（ａ）や図２５（ｂ）が撮像素子で得られる縞画像の例である。例えば、図２５（ａ）では、６本の輝線列と境界線（矢印ｂで示した部分）が得られている。

しかし、強化ガラス２００の強化の条件や強化ガラス２００の組成により、応力測定部３Ｂの縞（輝線）が１本しか観察できない場合や、全く観察できない場合（この場合、境界線のみが観察できる）がある。この場合、応力測定部３Ｂでは、応力分布を測定することができない。

Ｐ偏光、Ｓ偏光での１本の縞の位置は、ほぼ強化ガラス２００の表面の応力値を示している。以降、１本の縞の位置から得られた応力値を表面近傍応力値と称する。応力測定部３Ｂで１本の縞の位置を測定して表面近傍応力値を取得し、応力測定部３Ａで測定した応力分布と合成し、全体の応力分布を得ることができる。

又、縞（輝線）が１本も発生しない場合は、境界線の位置が強化ガラス２００の表面の応力値を示している。以降、境界線の位置から得られた応力値を表面応力値と称する。応力測定部３Ｂで境界線の位置を測定して表面応力値を取得し、応力測定部３Ａで測定した応力分布と合成し、全体の応力分布を得ることができる。

１本の縞の位置や境界線の位置を用いた測定、すなわち輝線列が得られなかった場合の測定では、強化ガラス２００の表面付近の応力の深さ方向の勾配が分からないため、合成の精度が落ちるが、強化ガラス２００の表面からが強化ガラス２００の中央までの応力の積分値が０となることを利用して、強化ガラス２００の表面付近の応力の深さ方向の勾配を推測し、合成の精度を維持できる。

（測定のフロー）
次に、図２２及び図２３を参照しながら測定のフローについて説明する。図２２は、応力測定部３Ｂの測定方法を例示するフローチャートである。図２３は、応力測定部３Ｂの演算部７５の機能ブロックを例示する図である。

まず、ステップＳ４０７では、強化ガラス２００の表面層内に光源１５からの光を入射させる（光供給工程）。次に、ステップＳ４０８では、強化ガラス２００の表面層内を伝播した光を強化ガラス２００の外へ出射させる（光取出工程）。

次に、ステップＳ４０９では、光変換部材４５及び偏光部材５５は、光取出し部材３５を介して出射した光に含まれる、強化ガラス２００と光取出し部材３５との境界面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分を、二種の輝線列、二種の輝線、及び／又は二種の境界線に変換する（光変換工程）。なお、Ｐ偏光とＳ偏光で境界線の位置も異なるため、二種の境界線に変換する。

次に、ステップＳ４１０では、撮像素子６５は、光変換工程により変換された二種の輝線列、二種の輝線、及び／又は二種の境界線を撮像する（撮像工程）。次に、ステップＳ４１１では、演算部７５の位置測定手段７５１は、撮像工程で得られた画像から二種の輝線列、二種の輝線、又は二種の境界線の位置を測定する（位置測定工程）。

次に、ステップＳ４１２では、演算部７５の応力分布等算出手段７５２は、二種の輝線列が得られた場合には、二種の輝線列の夫々の輝線の位置から、二種の光成分に対応した強化ガラス２００の表面から深さ方向にわたる屈折率分布を算出する。そして、二種の光成分の屈折率分布の差とガラスの光弾性定数とに基づいて、強化ガラス２００の表面から深さ方向にわたる応力分布を算出する（応力分布等算出工程）。

すなわち、応力分布等算出手段７５２は、位置測定手段７５１の測定結果に基づいて算出した二種の光成分に対応した強化ガラス２００の表面から深さ方向にわたる第１の領域の応力分布を測定する。

但し、応力分布等算出手段７５２は、二種の輝線列が得られずに二種の輝線（Ｐ偏光、Ｓ偏光での１本の縞）のみが得られた場合には、二種の輝線の夫々の位置から、二種の光成分に対応した強化ガラス２００の表面近傍応力値を算出する。又、応力分布等算出手段７５２は、輝線が１本も得られない場合には、二種の境界線の位置から、二種の光成分に対応した強化ガラス２００の表面応力値を算出する。

次に、ステップＳ４１３では、演算部７５の合成手段７５３は、ステップＳ４１２で算出した応力分布（第１の領域の応力分布）と、応力測定部３Ａの演算部７０の応力分布算出手段７０３が位相変化に基づいて算出した応力分布（第１の領域以外の応力分布）とを合成する。

但し、ステップＳ４１２で第１の領域の応力分布が得られずに表面近傍応力値が得られた場合には、合成手段７５３は表面近傍応力値と第１の領域以外の応力分布とを合成する。又、ステップＳ４１２で第１の領域の応力分布が得られずに表面応力値が得られた場合には、合成手段７５３は表面応力値と第１の領域以外の応力分布とを合成する。

なお、第１の領域の応力分布、表面近傍応力値、又は表面応力値と、第１の領域以外の応力分布とは、同時に測定できる。

〈第５実施形態〉
第５実施形態では、第４実施形態の応力測定装置の応力測定部３Ｂにおいて、光源が２つの異なる波長の光を切り替えて出射する機能を備え、それぞれの波長の光源での縞画像を撮影し、その２つの縞画像より、より精度良く応力を測定することを可能として応力測定装置の例を示す。なお、第５実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図２４は、第５実施形態に係る応力測定装置の応力測定部を例示する図である。第４実施形態の応力測定装置３において、図２０に示す応力測定部３Ｂに代えて、図２４に示す応力測定部３Ｃを用いてもよい。図２４に示す応力測定部３Ｃは、光源１５が第１光源１５Ａ及び第２光源１５Ｂに置換され、ハーフミラー９５が追加された点が応力測定部３Ｂ（図２０参照）と相違する。

図２４に示す応力測定部３Ｃでは、第１光源１５Ａから出射された光は、その光と４５°の角度で設定してあるハーフミラー９５を通って直進する。一方、第２光源１５Ｂは、ハーフミラー９５で反射された後の光が第１光源１５Ａから出射された光と平行になるように設置されている。

第１光源１５Ａと第２光源１５Ｂは、互いに波長の異なる光を出射する。第１光源１５Ａと第２光源１５Ｂの波長は、例えば、３６５ｎｍと５９６ｎｍである。第１光源１５Ａと第２光源１５Ｂは電気的に切り替え可能に構成されており、何れか一方のみが出射され、同時に出射されることはない。そのため、第１光源１５Ａと第２光源１５Ｂから出射される各々の波長の光で、別々に縞画像（輝線）を撮影できる。

図２５は、同じ強化ガラスを異なる波長の光源で測定した縞画像の一例であり、図２５（ａ）は波長３６５ｎｍの光源、図２５（ｂ）は波長５９６ｎｍの光源の場合の縞画像である。

光供給部材２５や強化ガラス２００の屈折率は波長により異なるため、光学的な位置関係を変更しないで光源の波長を変えると、図２５（ａ）と図２５（ｂ）の写真で左右位置がずれる。図２５の波長３６５ｎｍと波長５９６ｎｍの縞画像は、光学的な位置関係を変え、同じ位置に来るようにして、撮影した場合を図示している。

図２５に示すように、波長が異なると同じ強化ガラスでも、縞の間隔、位置が異なる。縞の位置が短い波長ほど、浅い位置に発生し、間隔も短くなる。この２つの波長が整数倍でなければ、長い波長のある次数と次の次数との間に、短い波長の縞が発生する。そのため、縞本数が増え、より精度良く応力分布を測定できる。縞が２本以上の場合、それぞれの波長での応力分布を測定し、２つの波長で測定した応力分布を平均することで、より精度の高い応力分布を測定可能となる。

又、従来は、縞が１本の場合は、この縞から算出された応力値を表面の応力として扱う場合があったが、縞が１本の場合、その縞は次数１の干渉での縞で、真の表面ではなく、数μｍの深さの応力値となる。本実施形態では、異なる波長で実質２本の縞を得ることができ、真の表面の応力を測定できる。

但し、波長が異なると縞の発生する位置も異なり、２つの異なる波長の縞位置から直接応力値や応力分布を算出できない。例えば、特許文献２及び非特許文献１によると、モード１とモード２に対応する輝線の位置から、外挿でガラスの最表面での応力を求めるが、この最表面に外挿した位置がモード０に相当する。逆にモード０は縞が現れないので、モード１とモード２に対応する輝線から、表面に相当するモード０の仮想の輝線の位置を求め、表面の応力を測定する。

本実施形態では、縞が１本しか発生しない場合では、異なる２つの波長の縞の位置から、例えば、短い波長の縞の次数を長い波長の縞の次数に換算し、２つの縞位置から応力、応力分布を算出できる。例えば、２つの波長が３６５ｎｍと５９６ｎｍの場合、３６５ｎｍでの次数１の縞は、５９６ｎｍでは、次数が１×３６５／５９６＝０．６１とみなすことができ、次数０．６１と次数１の２本の縞として、応力値、応力分布を計算できる。

測定のフローは第４実施形態と概ね同様であるが、以下の点が相違する。すなわち、本実施形態において、ステップＳ４０９では、光変換部材４５及び偏光部材５５は、光取出し部材３５を介して出射した光に含まれる、強化ガラス２００と光取出し部材３５との境界面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分を、２つの異なる波長の光による、二種の輝線列、二種の輝線、及び／又は二種の境界線に変換する（光変換工程）。

そして、ステップＳ４１０では、撮像素子６５は、光変換工程により変換された２つの異なる波長の光による、二種の輝線列、二種の輝線、及び／又は二種の境界線を撮像する。そして、ステップＳ４１１では、演算部７５の位置測定手段７５１は、撮像工程で得られた画像から２つの異なる波長の光による、二種の輝線列の位置、二種の輝線の位置、又は二種の境界線の位置を測定する。

そして、ステップＳ４１２では、演算部７５の応力分布等算出手段７５２は、２つの異なる波長の光による、第１の領域の応力分布、表面近傍応力値、又は表面応力値の算出を行う。そして、ステップＳ４１３では、演算部７５の合成手段７５３は、２つの異なる波長の光による、第１の領域の応力分布、表面近傍応力値、又は表面応力値と、第１の領域以外の応力分布と、を合成する。

〈第６実施形態〉
第６実施形態では、第１～第５実施形態の何れかの応力測定装置において、測定をする光源の波長の強化ガラスの屈折率を使って光弾性定数を推定する機能を追加する例を示す。なお、第６実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

第６実施形態に係る応力測定装置は、ガラスの光弾性効果を利用して応力を測定する方法を使用しているため、測定をする強化ガラスの光弾性定数が必要である。この光弾性定数は、波長により異なるため、第６実施形態に係る応力測定装置で使用する光源の波長に合わせた光弾性定数が必要である。

そのために、光弾性測定装置も応力測定装置の波長と同じ波長で測定できなければならない。しかし、市販されている光弾性測定装置は、通常Ｎａランプの５８９．３ｎｍ或いはＨｅＮｅガスレーザの６３３ｎｍの何れかであり、通常、応力を測定する強化ガラスの光弾性定数は１波長のみの値しか測定されていない。

本実施形態では、測定すべき強化ガラスの予め測定された一つの波長の光弾性定数と屈折率を元に、本実施形態で使用する光源の波長と、本実施形態で測定される屈折率から、その波長での光弾性定数を推定し、応力測定を行う。又、第１実施形態等のレーザ散乱光を利用した応力測定装置だけでなく、第４実施形態の応力測定部３Ｂや第５実施形態の応力測定部３Ｃの導波光を利用した応力測定装置にも適用可能である。

（屈折率の測定）
本実施形態に係る応力測定装置は、光源の入射角度、光供給部材（例えば、プリズム）、光変換部材（例えば、レンズ）、撮像素子が固定されていれば、撮像素子に結像されるレーザ散乱画像の角度は、強化ガラスの屈折率で一意に決定される。すなわち、撮像素子に写るレーザ散乱画像の角度を測定することで、強化ガラスのその波長での屈折率を求めることができる。又、第４実施形態の応力測定部３Ｂや第５実施形態の応力測定部３Ｃにおいても、強化ガラス中の導波光を光取り出し部材からの取出した光の角度を測定することで、強化ガラスの屈折率を算出できる。

（光弾性定数の推定方法）
光弾性効果は応力による複屈折を生じる現象であるため、光弾性定数はそのガラスの屈折率に深く関与する。又、屈折率は波長により変化するが、光弾性定数も同様に波長により変化し、変化のしかたも屈折率と同様な振る舞いをすると考えられる。

屈折率の波長依存性は、一般的にセルマイヤーの式８で表すことができる。式８において、ｎは屈折率、λは波長、Ａ及びλｒはガラスにより決まる定数である。

光弾性定数の波長による依存性も同様と仮定し、セルマイヤーの式はｎ^２－１が波長λの関数になっていることから、２つの波長λ_１、λ_２の屈折率ｎ_１、ｎ_２、光弾性定数Ｃ_１、Ｃ_２とすると、Ｃ_１とＣ_２との関係は式９で表わせる。

例えば、予め５８９ｎｍで測定された屈折率をｎ_５８９、光弾性定数をＣ_５８９とし、任意の波長λでの屈折率をｎとすると、光弾性定数Ｃは式１０で表わせる。

つまり、光源の波長の屈折率が分かれば、光弾性定数も推測が可能である。本実施形態に係る応力測定装置で使用する光源波長は３５０～９００ｎｍであり、中心の５８９ｎｍの屈折率に対して、３５０～９００ｎｍでの屈折率の変化は、通常のガラスでは大きくて±１０％程度である。そのため、式１０による、波長の違いによる基準の波長の光弾性定数に対して、補正される量の誤差が±３０％あったとしても、光弾性定数の推定値の精度は±３％程度となり、実質的な精度は得られる。

このように、第１～第３実施形態に係る応力測定装置で使用するレーザ光の波長、及び／又は第４及び第５実施形態に係る応力測定装置で使用する光の波長での屈折率を各々の応力測定装置自身で測定する。そして、各々の応力測定装置自身で測定した屈折率と、予め他の屈折率測定装置及び光弾性定数測定装置で測定された任意の一つの波長の屈折率及び光弾性定数と、に基づいて、各々の応力測定装置で用いるレーザ光の波長での光弾性定数、及び／又は各々の応力測定装置で用いる光の波長での光弾性定数を推定できる。更に、各々の応力測定装置において、推定された光弾性定数を用いて、応力分布を測定できる。

なお、光弾性定数を推定する機能、及び推定された光弾性定数を用いて応力分布を測定する機能は、演算部７０や演算部７５に持たせることができる。又、応力測定装置自身による屈折率の測定は、応力分布や応力値の測定と同時に行うことが可能である。

以上、好ましい実施形態について詳説したが、上述した実施形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上記の各実施形態に係る応力測定装置において、光源を構成要素として説明したが、上記の各実施形態に係る応力測定装置は光源を有していない構成としてもよい。光源は、上記の各実施形態に係る応力測定装置の使用者が適宜なものを用意して使用できる。

１、２、３ 応力測定装置
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 応力測定部
１０ レーザ光源
１０Ａ 第１レーザ光源
１０Ｂ 第２レーザ光源
１５ 光源
１５Ａ 第１光源
１５Ｂ 第２光源
２０、５５ 偏光部材
２５、４０ 光供給部材
３０ 偏光位相差可変部材
３５ 光取出し部材
４５、５０ 光変換部材
６０、６５ 撮像素子
７０、７５ 演算部
８０ 光波長選択部材
９０、９５ ハーフミラー
１０１ レーザ
１０２ ビームエクスパンダー
１０３ スリット
１０４ 集光レンズ
２００ 強化ガラス
２１０ 強化ガラスの表面
２５０ レーザ光の入射面
３０１ デジタルデータ記憶回路
３０２ クロック信号発生回路
３０３ ＤＡコンバータ
３０４ 電圧増幅回路
７０１ 輝度変化測定手段
７０２ 位相変化算出手段
７０３ 応力分布算出手段
７５１ 位置測定手段
７５２ 応力分布等算出手段
７５３ 合成手段

Claims (7)

1. レーザ光の偏光位相差を可変する偏光位相差可変部材と、
   前記偏光位相差を可変されたレーザ光が強化ガラスに入射されたことにより発する散乱光を結像する光変換部材と、
   前記光変換部材に結像された前記散乱光を、所定の時間間隔で複数回撮像し、複数の画像を取得する撮像素子と、
   前記複数の画像を用いて前記散乱光の周期的な輝度変化を測定し、前記輝度変化の位相変化を算出し、前記位相変化に基づき前記強化ガラスの表面からの深さ方向の応力分布を算出する演算部と、を有し、
   前記撮像素子の１画素の画素サイズｄ、前記光変換部材の倍率Ｍ、前記レーザ光の波長λ、前記光変換部材の開口率ＮＡ、としたときに、ＮＡ＞Ｍλ／２ｄを満足し、
   前記強化ガラスの中のレーザ光の断面形状は、細長状であり、
   前記断面形状の長手方向は、前記撮像素子と光学的に水平であることを特徴とする、強化ガラスの応力測定装置。
2. レーザ光の偏光位相差を可変する偏光位相差可変部材と、
   前記偏光位相差を可変されたレーザ光が強化ガラスに入射されたことにより発する散乱光を結像する光変換部材と、
   前記光変換部材に結像された前記散乱光を、所定の時間間隔で複数回撮像し、複数の画像を取得する撮像素子と、
   前記複数の画像を用いて前記散乱光の周期的な輝度変化を測定し、前記輝度変化の位相変化を算出し、前記位相変化に基づき前記強化ガラスの表面からの深さ方向の応力分布を算出する演算部と、
   光源と、
   前記強化ガラスの圧縮応力層を有する表面層内に、前記光源からの光を入射させる光供給部材と、
   前記表面層内を伝播した前記光を、前記強化ガラスの外へ出射させる光取出し部材と、
   前記光取出し部材を介して出射した前記光に含まれる、前記強化ガラスと前記光取出し部材との境界面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分を、二種の輝線列、二種の輝線、及び／又は前記強化ガラスと前記光供給部材との屈折率差により臨界角で生じる二種の境界線、に変換する光変換部材と、
   前記二種の輝線列、前記二種の輝線、及び／又は前記二種の境界線を撮像する第２の撮像素子と、
   前記第２の撮像素子で得られた画像から前記二種の輝線列の位置、前記二種の輝線の位置、又は前記二種の境界線の位置を測定する位置測定手段と、
   前記位置測定手段の測定した前記二種の輝線列の位置に基づいた前記強化ガラスの表面から深さ方向にわたる第１の領域の応力分布の算出、前記位置測定手段の測定した前記二種の輝線の位置に基づいた表面近傍応力値の算出、又は前記位置測定手段の測定した前記二種の境界線の位置に基づいた表面応力値の算出を行う応力分布等算出手段と、
   前記第１の領域の応力分布、前記表面近傍応力値、又は前記表面応力値と、前記位相変化に基づいて算出した前記第１の領域以外の応力分布と、を合成する合成手段と、を有し、
   前記撮像素子の１画素の画素サイズｄ、前記光変換部材の倍率Ｍ、前記レーザ光の波長λ、前記光変換部材の開口率ＮＡ、としたときに、ＮＡ＞Ｍλ／２ｄを満足し、
   前記レーザ光を前記強化ガラスに入射させる光供給部材と、前記光源からの光を前記強化ガラスに入射させる前記光供給部材及び出射させる前記光取出し部材は、前記強化ガラスの大きさの範囲内に収められ、
   前記第１の領域の応力分布、前記表面近傍応力値、又は前記表面応力値と、前記第１の領域以外の応力分布と、を同時に測定することを特徴とする、強化ガラスの応力測定装置。
3. 前記レーザ光は、波長が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下離れた２波長のレーザ光を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の強化ガラスの応力測定装置。
4. 前記光源は、２つの異なる波長の光を切り替えて出射する機能を備え、
   前記第２の撮像素子は、前記２つの異なる波長の光による、前記二種の輝線列、前記二種の輝線、及び／又は前記二種の境界線を別々に撮像し、
   前記位置測定手段は、前記２つの異なる波長の光による、前記二種の輝線列の位置、前記二種の輝線の位置、又は前記二種の境界線の位置を測定し、
   前記応力分布等算出手段は、前記２つの異なる波長の光による、前記第１の領域の応力分布、前記表面近傍応力値、又は前記表面応力値の算出を行い、
   前記合成手段は、前記２つの異なる波長の光による、前記第１の領域の応力分布、前記表面近傍応力値、又は前記表面応力値と、前記第１の領域以外の応力分布と、を合成することを特徴とする、請求項２に記載の強化ガラスの応力測定装置。
5. 前記レーザ光の波長及び前記光の波長での屈折率を測定し、前記屈折率と、予め他の屈折率測定装置及び光弾性定数測定装置で測定された任意の一つの波長の屈折率及び光弾性定数と、に基づいて、前記レーザ光の波長及び前記光の波長での光弾性定数を推定する機能と、
   推定された前記光弾性定数を用いて、応力分布を測定する機能と、を有することを特徴とする、請求項２又は４に記載の強化ガラスの応力測定装置。
6. レーザ光の偏光位相差を可変する偏光位相差可変工程と、
   前記偏光位相差を可変されたレーザ光が強化ガラスに入射されたことにより発する散乱光を光変換部材で結像し、前記光変換部材に結像された前記散乱光を、撮像素子を用いて所定の時間間隔で複数回撮像し、複数の画像を取得する撮像工程と、
   前記複数の画像を用いて前記散乱光の周期的な輝度変化を測定し、前記輝度変化の位相変化を算出し、前記位相変化に基づき前記強化ガラスの表面からの深さ方向の応力分布を算出する演算工程と、を有し、
   前記撮像素子の１画素の画素サイズｄ、前記光変換部材の倍率Ｍ、前記レーザ光の波長λ、前記光変換部材の開口率ＮＡ、としたときに、ＮＡ＞Ｍλ／２ｄを満足し、
   前記強化ガラスの中のレーザ光の断面形状は、細長状であり、
   前記断面形状の長手方向は、前記撮像素子と光学的に水平であることを特徴とする、強化ガラスの応力測定方法。
7. レーザ光の偏光位相差を可変する偏光位相差可変工程と、
   前記偏光位相差を可変されたレーザ光が強化ガラスに入射されたことにより発する散乱光を光変換部材で結像し、前記光変換部材に結像された前記散乱光を、撮像素子を用いて所定の時間間隔で複数回撮像し、複数の画像を取得する撮像工程と、
   前記複数の画像を用いて前記散乱光の周期的な輝度変化を測定し、前記輝度変化の位相変化を算出し、前記位相変化に基づき前記強化ガラスの表面からの深さ方向の応力分布を算出する演算工程と、
   前記強化ガラスの圧縮応力層を有する表面層内に、光供給部材を介して光源からの光を入射させる光供給工程と、
   前記表面層内を伝播した前記光を、光取出し部材を介して前記強化ガラスの外へ出射させる光取出し工程と、
   前記光取出し部材を介して出射した前記光に含まれる、前記強化ガラスと前記光取出し部材との境界面に対して平行及び垂直に振動する二種の光成分を、二種の輝線列、二種の輝線、及び／又は前記強化ガラスと前記光供給部材との屈折率差により臨界角で生じる二種の境界線、に変換する光変換工程と、
   前記二種の輝線列、前記二種の輝線、及び／又は前記二種の境界線を撮像する第２の撮像工程と、
   前記第２の撮像工程で得られた画像から前記二種の輝線列の位置、前記二種の輝線の位置、又は前記二種の境界線の位置を測定する位置測定工程と、
   前記位置測定工程で測定した前記二種の輝線列の位置に基づいた前記強化ガラスの表面から深さ方向にわたる第１の領域の応力分布の算出、前記位置測定工程で測定した前記二種の輝線の位置に基づいた表面近傍応力値の算出、又は前記位置測定工程で測定した前記二種の境界線の位置に基づいた表面応力値の算出を行う応力分布等算出工程と、
   前記第１の領域の応力分布、前記表面近傍応力値、又は前記表面応力値と、前記位相変化に基づいて算出した前記第１の領域以外の応力分布と、を合成する合成工程と、を有し、
   前記撮像素子の１画素の画素サイズｄ、前記光変換部材の倍率Ｍ、前記レーザ光の波長λ、前記光変換部材の開口率ＮＡ、としたときに、ＮＡ＞Ｍλ／２ｄを満足し、
   前記レーザ光を前記強化ガラスに入射させる光供給部材と、前記光源からの光を前記強化ガラスに入射させる前記光供給部材及び出射させる前記光取出し部材は、前記強化ガラスの大きさの範囲内に収められ、
   前記第１の領域の応力分布、前記表面近傍応力値、又は前記表面応力値と、前記第１の領域以外の応力分布と、を同時に測定することを特徴とする、強化ガラスの応力測定方法。

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