光学玻璃应力的自动测试_何勇

图 5 角度 ) 灰度图
人满意的, 它能让测试人员既掌握了整个测试邻域内每一点的应力, 也能知道所测邻域内最大的应力值及其 位置。
3 结论及误差分析
采用传统的 1 / 4波片法测应力时, 相应的双折射光程差的测量精度约为 K/180。当试件厚度为 1cm 时, 测定误差约为 ? 3nm。误差的数值随试件厚度 d 的增加而减小。在利用了高精度的图像采集、高精度的角 度控制以及精密的算法后, 弥补了因肉眼对光强细微变化不敏锐的缺陷, 达到应力双折射光程差测量精度为 ? 0. 2nm / cm, 重复性为 ? 0. 1nm / cm 。这样使得能用简单的光学测试方法 ) ) ) 1 /4波片法来达到高精度的 检测。
Ab stract: Based upon fundam ental g lass stress testing principle of 1 / 4 w ave p late m ethod ang les are contro led by Pho toelectric Encoder. The CCD w hich has a high reso lution and w ithout autom atic ga in has been app lied. And the grab of opt ica l g lass stress pattern w h ich represents the different ang les ' stress is controlled by com puter. T he sam pling po ints can be as m any as 512 @ 512 if required. So ftw are based on the platform o f w indow s 98 im plem ents interferog ram sam p ling and processing . A t the sam e t im e the compu ter draw s a 3D im age o f the stress d istribution. By the experim ent at CYY - 1, its results show that the prec ision is better than 0. 2nm / cm, and the reproducibility is better than 0. 1 nm / cm. Th is system ach ieved the process autom ation and intelligence.
第 33卷第 3期
玻璃与搪瓷
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本文利用 1 /4波片法测量应力的原理, 对数字化应力仪进行了初步的设计, 利用计算机控制测试全过 程, 编写了图像读取程序、图像处理程序, 进行实时的图像数据采集以及数据处理, 最后输出玻璃内应力的数 据列表。这样可以使整个测试过程变为全自动。通过实验, 验证了软件的正确性、实用性和可靠性。大大提 高检测的精度和效率。
1 应力测试原理
1. 1 1 / 4波片法原理 图 1是测量应力的原理示意图。它主要由起偏器、1 /4
波片和检偏器组成。图中检偏器和起偏器中的箭头方向表
示了它们的主方向。 1 /4波片的两个主方向 xd和 yd如图中
所示。其中一个方向 xd和起偏器的主方向相一致。被检玻
璃试件的两个主方向如图中所示。其中一个方向与偏振器 的主方向成 45b夹角。
那幅图所代表检偏器转过的角度就是所要得到的 Co 值, 从而可利用 ⑷式计算出该点的应力值。
2 实验
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玻璃与搪瓷
20 05年
2. 1 应力仪测试系统设计 采用 CYY - 1 大型偏光应力仪, 调整应力仪上的起偏器、1 /4波片、检偏器的相对位置, 使三者的主方向
相互正交, 由检偏器射出的平面偏振光的振幅为零, 因此视场中为均匀的黑暗一片。在载物台上放上被测玻 璃, 可以看到由于玻璃中存在应力, 玻璃所在的视场中有明暗条纹, 条纹的形状为基本的条形。用 f= 35mm, 相对孔径 1: 1. 7, 分辨率 512 @ 512的 CCD以及制作好的图像卡将图像传入到计算机内。用 PSI软件采集到 这幅图像。转动整个装置使起偏器、1 /4波片、检偏器相对于被测玻璃转过 45b, 这时玻璃条纹将重新排布。 这个位置就是检偏器零位置。连接光电编码器转动检偏器每隔 5b采集一幅图, 直到检偏器转过 180b, 即其 主方向翻转了 180b。
2. 2 实验结果
利用所编的程序对所拍摄的光学玻璃应力条纹分
布图进行分析, 这里光栅编码器转动的角度间隔为 5b, 处理的结果见表 1及图 5所示。
可以得出角度值为 Co = 125b, 代入 ⑷式就可以计 算得到中心区域的最大应力值为 49. 3 nm / cm。
由程序的运行结果可一目了然地看到这块玻璃的
( Institute of E lectronic Eng ineer ing & O pto- E lectr ic T echnology, N anjing U n ive rs ity o f Science & T echno logy, N anjing 210094, Ch ina)
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参考文献:
[ 1] 周天辉. 玻璃应力的测定方法 [ J] . 玻璃与搪瓷, 2001, 29 ( 6) : 44 - 47. [ 2] 刘涛, 等. 基于 V C 6. 0 的灰度位图处理的实现 [ J] . 计算机工程, 2002, 28 ( 1) : 271- 272. [ 3] I V G oltser, M Y a D arsch t, N D K und ikova, et a.l A n ad ju stab le quarter- w ave p late[ J]. O p tics Comm un icat ions, 1993, 97 ( 5, 6) : 291. [ 4] 柳承茂. MA TLA B5. X 入门与应用 [ M ] . 北京: 科学出版社, 1999. [ 5] 章毓晋. 图像工程 ( 上 ) - 图像处理和分析 [ M ] . 北京: 清华大学出版社, 1999. [ 6] 戴旭涵, 等. 复杂工况下光学元件变形及应力的有限元研究 [ J] . 光子学报, 1999, 28( 2 ) : 180- 184. [ 7] 李晓峰, 等. 透射式 G aA s光电阴极 A 1G aA s /G aA s外延层内应力的种类及其表征与测量 [ J]. 光子学报, 2002, 31( 1) : 88 - 92.
中心区域的应力状况, 邻域内每一点的应力值在输出时
都是按照其像素坐标点的位置进行排列的, 这样可以使
测试人员结合应 力图像来 分析玻璃 的应力分 布状况。
而且程序运行结果列出了中心邻域内最大应力点的坐
标及其应力值。从程序运行的结果可知, 各点应力值的 精度都达到了 0. 1nm / cm。因此本程序的运行结果是令
Key w ord s: opt ica l g lass; stress; test ing; im age processing
玻璃内存在应力时, 加工好的光学零件表面会随时间而慢慢变形, 严重影响成像质量。应力分布不均匀 还会引起光学均匀性质量降低, 使折射率分布不一致。这些都会使经过光学玻璃的波面发生变形, 使像质变 坏。所以应力的大小是光学玻璃光学性能的重要指标之一。
像模式都需要进行设置; 对于 256色图像, 图像数据就是实际的 R、G、B 值。
我们用 C 语言编写出相应的程序可以读出应力图中任意一点的灰度值。程序 框图如图 3。利用光栅编码器带动检偏器进行精确的角度转动, 每次转动拍下
图 2 条纹图
不同的应力条纹图, 我们选定检偏器在零位时为暗条纹的某一点, 读出所有图中这一点的灰度, 灰度最小的
/ b0为单位表示。因为采用的光源为白光, 故取 K= 540nm, 所以可得 no - ne = 3 /d # Co
⑷
式 ⑷就是带有 1 / 4波片的读数偏光仪测量玻璃双折射 ( no - ne )的计算公式。
1. 2 软件设计
由 CCD 拍摄下来的应力图如图 2, 明暗条纹反映了光学玻璃各点的应力
分布, 代表明暗度的灰度值与从光学玻璃各点透射过来通过检偏器出来的光
的强度值有关。光强度的表达式见式⑵。
应力图采集后以 BMP 格式在计算机里, BM P图像文件的结构可以分为如
下 4个部分: 位图文件头、位图信息头、调色板、图像数据。其中位图文件头和
位图信息头的长度为固定值 54个字节; 调色板数据对所有不超过 256色的图
158
125
122
90
158
130
130
95
161
135
137
100
155
140
151
105
158
145
162
பைடு நூலகம்110
151
150
158
115
152
155
灰度 155 151 136 132 130 115 99 88
角度 / ( b) 160 165 170 175 180
灰度 74 60 41 20 21
关键词: 光学玻璃; 应力; 测试; 图像处理 中图分类号: TQ 171. 1+ 12 文献标识码: A
文章编号: 1000- 2871( 2005) 03- 0040- 04
Autotesting of the Optical G lass Stress
H E Yong, WANG P ing - ting, ZH U R i- hong, SH EN H ua
⑴
其中 2a 是入射光的振幅, 探测器探测到的是它的强度, 即
I = |Y |2 = 4a2 sin2 $R /2
⑵
可见, 由于玻璃存在应力所引起的位相差 $R, 视场内具有一定的亮度, 而且 $R 越大, 视场越亮。转动 检偏器, 当自零位旋转过 C角以后, 则由检偏器射出的偏振光的光振动 Y 可以表示为:
第 33卷第 3期
玻璃与搪瓷
角度 /(b) 0 5 10 15 20 25 30 35
灰度 8 12 13 11 24 42 55 73
角度 /( b) 40 45 50 55 60 65 70 75
表 1 不同角度时的灰度值
灰度 角度 /(b) 灰度 角度 /( b)
94
80
166
120
112
85
第 33卷第 3期 2005年 6月
玻璃与搪瓷 GLASS& ENAMEL
光学玻璃应力的自动测试*
Vo.l 33 No. 3 Jun. 2005
何 勇** , 王娉婷*** 朱日宏, 沈 华
(南京理工大学电子工程与光电技 术学院, 江苏 南京 210094)
摘要: 根据 1 / 4波片法测量应力的特点, 采用光电编码器控制检偏器的旋转。高分辨率且无自动 增益功能的 CCD, 由计算机控制并采集光学玻璃干涉条纹图, 采样点根据需要可多达 512 @ 512。 介绍应力图分析软件的设计思路, 编制软件对多幅干涉条纹图进行处理与计算, 得到被测样品所 有点的应力值, 并绘制样品应力三维分布图。采用 CYY - 1应力仪进行实验, 实验表明, 应力双 折射光程差测量精度达 0. 2nm / cm, 重复性为 0. 1nm / cm, 并实现全测试过程的自动化和智能化。
图 1 应力测量原理图
光源发出的光经过起偏器就变成了振动方向沿其主方向的平面偏振光。由于样品存在应力, 经过其后
光被分成位相差 $R = 2KP( no - ne ) # d 的两束光, 经过 1 /4波片和检偏器后, 变成沿着检偏器主方向振动的
一束偏振光, 用矢量 Y 表示:
Y = 2asin $R / 2cos( Xt + $R / 2)
Y = 2a sin( $R / 2- C) cos( Xt+ $R /2)
⑶
当满足 sin( $R /2- Co ) = 0, 即 $R = 2N P+ 2C0 时, 由检偏器射出的平面偏振光的振幅为零, 因此视场是
全暗的。Co 是当视场里变成全暗时检偏器所转过的角度。
由于经过退火以后的光学玻璃应力一般不会太大, 双折射位相差通常不会超过 2P, 则 $R = 2Co, Co 以
* 收稿日期: 2004- 06- 10 ** 作者简介: 何勇 ( 1966- ) , 男, 江苏泰州人, 南京理工大学电光学院博士, 副教授, 硕士生导师, 主要从事光干涉计量等方面的研究。 *** 基金项目: 国防科工委国防军工计量 / 十五 0计划重点项目《移相式数字球面 ( 波差 ) 测量技术研究》( 60803134 ) 。