一种测量钢化玻璃表面应力的拉曼光谱仪及测量方法
【技术领域】
[0001]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 光谱仪及测量方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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 曼光谱仪及测量方法，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。
[0005] 本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：
[0006] -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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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〇.〇2nm，又提高了本发明的扫描速度。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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：
[0014] 1、设置拉曼光谱仪的测试参数，使光源的激光功率为2-lOmw，拉曼光谱仪的曝光 时间为2-1 Os。
[0015] 2、利用光波导法测出待测样品的应力分布。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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 = 〇A ω (F为钢化玻璃表面应力，σ为应力频移 因子，△ ω为拉曼频移），计算出待测样品的表面应力。
[0019] 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Ζ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Ζ轴位置即为待测样品的钢化深度。
[0020] 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】
[0021] 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】
[0022] 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。
[0023] 实施例一
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026]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