【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及应力双折射测量领域，特别是一种玻璃内部残余应力三维测量装置和测量方法。
技术介绍
1、光学元件在成型、退火、切割、抛光、镀膜和修补过程中会产生残余应力，并在元件内部形成缺陷，经过此处的偏振光束会因为双折射效应而出现波前畸变，影响光束质量，降低光学元件性能，因此，精确测量残余应力的位置和大小可以指导材料生长技术和元件修复技术的改进，并预测光学材料内部缺陷的走向。另外，观测生物代谢产物的双折射特性还可以用于疾病诊断和癌细胞筛选。
2、普遍情况下，应力是沿着光路变化的，所以精细化重构样品内部的结构信息需要三维光弹性数据。目前已经有一些三维测量技术，包括有限元法、冻结应力切片法、腐蚀法、集成光弹法、层析法、傅里叶法等。其中有限元法无法获取与实际情况完全一致的实验参数，只能作为实际操作过程的参考。冻结应力切片法和腐蚀法会对材料造成不可逆的破坏，所以在大型光学元件和活体样品的测量中很少使用。集成光弹法需要将三维光弹模型等效为一个包含线性相位延迟器和旋光器的光学模型，理论分析较为复杂。层析法具有较高的成像精度，但是测量过程中需要多次改变样品与探测光的相对位置，数据量大，重建过程复杂。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种玻璃内部残余应力三维测量装置和测量方法，利用高质量暗场获取玻璃内部的光弹性信息，结合本专利技术提出的三维偏振叠层衍射成像技术计算出样品内三维相位差、光程差、主应力差等参量的分布。该测量装置和测量方法可以应用于应力双折射的三维
2、本专利技术的技术解决方案如下：
3、一方面，本专利技术提供一种玻璃内部残余应力三维测量装置，其特点在于，包括：
4、光源，用于发出圆偏振光；
5、准直系统，设置在所述光源之后，用于将光源发出的光进行准直和扩束；
6、二维扫描系统，用于将经所述准直系统准直和扩束后的光束切割成小口径光束，并对待测样品表面进行二维扫描；
7、起偏器，设置在所述二维扫描系统之后，用于将光束转换为特定偏振态的照明光；
8、检偏器，设置在所述起偏器之后，且与该起偏器的通光方向垂直，两者同步旋转以形成暗场条件；
9、待测样品，放置于所述起偏器与检偏器之间；
10、数据采集系统，用于采集记录不同旋转角度和扫描位置下的衍射光斑图像；
11、数据处理系统，与所述数据采集系统相连，对所述衍射光斑图像进行处理，通过迭代算法重建待测样品内部的三维残余应力分布图。
12、进一步，还包括控制系统，分别与所述二维扫描系统、起偏器和检偏器相连，用于控制所述起偏器和检偏器同步旋转以形成暗场条件，且每转动一个角度，控制所述所述二维扫描系统扫描一次。
13、优选的，所述角度为30°。
14、优选的，所述二维扫描系统为直径为4mm的小孔，可以在垂直于光束传输方向的平面内二维扫描。
15、优选的，述数据采集系统是高清相机，分辨率不低于4096×4096。
16、优选的，所述起偏器和检偏器均为直径50.8mm的线性偏振片，消光比不低于10000:1。
17、优选的，所述准直系统为透镜。
18、另一方面，本专利技术还提供一种利用上述三维测量装置进行玻璃内部残余应力的测量方法，其特点在于，包括如下步骤：
19、步骤1)光源发出的圆偏振光经过准直系统准直后，照射在二维扫描系统上，通过二维扫描系统的小孔在待测样品表面进行二维移动，切割出小口径光束进行二维扫描；
20、步骤2)每次起偏器与检偏器以预设角度间隔同步旋转，维持暗场条件；
21、步骤3)在每个旋转角度下，所述二维扫描系统进行一次二维扫描，所述数据采集系统记录二维扫描系统扫描过程中产生的衍射光斑图像；
22、步骤4)对采集到的衍射光斑图像进行处理，利用迭代算法重建待测样品内部的三维残余应力分布图。
23、优选的，对采集到的衍射光斑图像进行处理，利用迭代算法重建待测样品内部的三维残余应力分布图。
24、优选的，所述预设角度间隔为30°，即π/6弧度为间隔，旋转三次。
25、假设准直后的照明光为p0(x,y)，所述二维扫描系统将照明光切割成小口径光束p1(x,y)，所述暗场产生装置以30°为间隔连续旋转至三个角度位置，在每个角度位置上，所述二维扫描系统进行一次二维扫描，由所述数据采集系统总共记录到三组衍射光斑标，记为ωl＝0,π/6,π/3，l＝1，2，3，a、b表示扫描阵列中的行数和列数，相邻扫描位置之间有重叠，重叠率在约为70％。厚度为h的所述待测样品放置在所述暗场产生系统内，将其假设为m个沿光轴方向放置的二维切片sm(x,y)，m＝1:m。
26、1)照明光束从所述二维扫描系统到所述数据采集系统的传输过程可以表示为：
27、
28、其中，p1(x,y)表示初始猜测的照明光复振幅分布，h(x,y)表示孔函数，表示m层薄样品的复振幅分布，表示卷积核在自由空间里的传输因子，z表示传输距离，-z表示逆向传输z的距离，其中所述二维扫描系统到所述待测样品前表面的距离为d1，第一层样品到第二层样品的距离为h1，第二层样品到第三层样品的距离为h2，…，所述待测样品后表面到所述数据采集系统的距离为d2。第m层样品第ab个照明位置的照明光为对应的透射光为其中a＝1:a，b＝1:b，表示衍射光斑在二维阵列里的坐标。
29、2)将所述数据采集系统面上的光场写为振幅和相位的形式
30、
31、取出记录到的第l组衍射光斑阵列，对样品内残余应力分布进行三维重建，第j次迭代过程如下：
32、3)将所述数据采集系统实际记录到的衍射光斑作为约束条件带入到迭代过程中，替换掉更新过程中的振幅信息，更新后的光场分布为
33、
34、4)将更新后的光场逆向传回到样品的后表面，即第m层样品处的透射光为
35、
36、5)用下式更新第m层样品的复振幅分布
37、
38、6)依次逆向更新每一层样品的分布，直至样品前表面。
39、7)更新样品前表面的照明光分布
40、
41、8)将照明光逆向传输到所述二维扫描系统的位置
42、
43、并将孔函数作为约束条件带入到更新过程中，促进函数收敛
44、
45、9)重复步骤1-8，带入第ab+1个衍射光斑进行更新，直至更新完所有照明位置处的样品分布，进入第j+1次更新。
46、10)得到各层样品在三个角度下的光弹性参数分布，强度分布分别记为照本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种玻璃内部残余应力三维测量装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的玻璃内部残余应力三维测量装置，其特征在于，还包括控制系统，分别与所述二维扫描系统(3)、起偏器(4)和检偏器(6)相连，用于控制所述起偏器(4)和检偏器(6)同步旋转以形成暗场条件，且每转动一个角度，控制所述所述二维扫描系统(3)扫描一次。
3.根据权利要求2所述的玻璃内部残余应力三维测量装置，其特征在于，所述角度为30°。
4.根据权利要求1所述的玻璃内部残余应力三维测量装置，其特征在于，所述二维扫描系统为直径为毫米量级的小孔，可以在垂直于光束传输方向的平面内二维扫描。
5.根据权利要求1所述的玻璃内部残余应力三维测量装置，其特征在于，所述数据采集系统是高清相机。
6.根据权利要求1所述的玻璃内部残余应力三维测量装置，其特征在于，所述起偏器(4)和检偏器(6)均为线性偏振片，消光比不低于1000:1。
7.根据权利要求1所述的玻璃内部残余应力三维测量装置，其特征在于，所述准直系统(2)为透镜。
8.利用权利要求1-
9.根据权利要求8所述的玻璃内部残余应力的测量方法，其特征在于，对采集到的衍射光斑图像进行处理，利用迭代算法重建待测样品(5)内部的三维残余应力分布图。
10.根据权利要求8所述的玻璃内部残余应力的测量方法，其特征在于，所述预设角度间隔为30°，即π/6弧度为间隔，旋转三次。
...【技术特征摘要】
1.一种玻璃内部残余应力三维测量装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的玻璃内部残余应力三维测量装置，其特征在于，还包括控制系统，分别与所述二维扫描系统(3)、起偏器(4)和检偏器(6)相连，用于控制所述起偏器(4)和检偏器(6)同步旋转以形成暗场条件，且每转动一个角度，控制所述所述二维扫描系统(3)扫描一次。
3.根据权利要求2所述的玻璃内部残余应力三维测量装置，其特征在于，所述角度为30°。
4.根据权利要求1所述的玻璃内部残余应力三维测量装置，其特征在于，所述二维扫描系统为直径为毫米量级的小孔，可以在垂直于光束传输方向的平面内二维扫描。
5.根据权利要求1所述的玻璃内部残余应力三维测量装置，其特征在于，所述数据采集系统...
【专利技术属性】
技术研发人员：昌成成，陶华，邢童璐，林强，吴丽青，张国文，刘诚，朱健强，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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