JPS6236110Y2

JPS6236110Y2 -

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Publication number: JPS6236110Y2
Application number: JP1980145235U
Authority: JP
Priority date: 1980-10-14
Filing date: 1980-10-14
Publication date: 1987-09-14
Also published as: JPS5768536U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は、ガラス、透明プラスチツクなどの透
明度の高い物体の表面応力測定装置に関し、特
に、強化ガラス等と異なり、歪をとるべく焼なま
し工程を経たガラスの表面に残留する比較的小さ
い応力を測定する装置に関する。

ガラスなどの透明な物体の表面応力を測定する
装置として、米国特許第3286581号明細書記載の
装置が知られている。この装置は、ガラスの表面
に表面伝播光を励起し、励起された伝播光の偏光
特性が伝播距離とともに変化する状況を観察する
ことにより表面応力を測定するものである。

第１図は、かかる装置の構成を概略的に描いた
図面である。以下、該装置の構成および測定原理
を説明する。被測定体１の表面１ａの上に入射用
の三角プリズム２が一面を被測定表面１ａに光学
的に密着させた状態で配置され、このプリズム２
と相隣接した状態で射出用の三角プリズム３が同
様に配置されている。入射用プリズム２は、被測
定体の表面１ａに平行な表面伝播光４を励起する
ために設けられ、射出用プリズム３はこの表面伝
播光を外に取出すために設けられている。５は白
熱電球などの光源で、６はこの光源からの光を収
束させる集光レンズで、光は偏光板７により直線
偏光とされて入射用プリズム２を介して被測定体
１の表面へ入射される。ここで用いられるプリズ
ムはいずれも被測定表面よりも屈折率が大きいも
のであり、入射光のうち、被測定表面１ａへの臨
界角に等しい角度で入射した光の一部は表面伝播
光４となつて表面近傍を表面に平行に進行する。
この表面伝播光は進行に伴なつて僅かながら散乱
され、臨界屈折光８として射出用プリズム３によ
り取出される。

一方、射出用プリズムの斜め上方には顕微鏡９
が射出光８と平行に配置され、表面伝播光４の進
行経路に沿う各点から射出される光を観察するこ
とができる。１０は対物レンズで１１は接眼レン
ズである。なお、顕微鏡９の軸線上には検光板１
２が回転可能に配されていて射出光の偏光特性を
調べることができる。

表面伝播光４は、表面応力の光弾性効果のため
に、進行に伴なつて偏光特性を変える。この変化
は、表面伝播光の進行経路の個々の点からの射出
光を、検光板１２を回転させて解析することがで
きる。例えば、入射光を偏光板７を調節すること
により、入射面に対して45゜の角度をなす直線偏
光として被測定表面１ａへ入射させる。すると、
表面伝播光の、表面１ａに垂直に振動する成分と
表面に平行に振動する成分との間に光弾性効果に
よる光路差が生じ、表面伝播光の進行に伴つて偏
光特性が楕円偏光、円偏光、直線偏光などに順次
変わり、またそれらの軸の方向も回転して行く。
第２図は、かかる状態を模式的に示したものであ
る。入射光２１が入射面に対して45゜をなす直線
偏光として被測定表面の点Ａに入射し、表面伝播
光２２になるが、表面伝播光２２は進行するに従
つて図示のように楕円偏光、円偏光、楕円偏光と
偏光特性を変え、点Ｂにおいては入射時と直交す
る振動方向の直線偏光となり、更に点Ｃに至ると
入射時と同じ直線偏光にもどり、更に進行に伴つ
て変化を続けてゆく。この場合、Ａ→Ｃを一周期
として偏光特性を変化させていることになる。こ
の偏光特性の変化の一周期が光の垂直振動成分と
水平振動成分との光路差一波長分（使用する光の
波長）に相当する。そのため、射出用プリズム３
により取り出される射出光２３，２４などは、射
出される個々の場所に応じた偏光特性を有するこ
とになり、これを顕微鏡９により観察することに
より表面伝播光２２の伝播距離に伴う偏光特性の
変化を知ることができ、更には光弾性効果によつ
て表面に垂直に振動する成分と水平に振動する成
分との間に生じる光路差を知ることができる。こ
の光路差をＲ、表面伝播光の伝播距離をｘとする
と、表面応力ｆは次式により求められる。（ｘが
偏光特性の変化の１周期に等しいとき、Ｒは使用
する光の波長に等しい。）ｆ＝１／ｋ（ｄＲ／ｄｘ）ｋ：被測定体の光弾性定数以上の説明より明らかなように、この装置はＲ
とｘとの関係を求めることにより、ガラスなどの
被測定体の表面応力を非破壊的に測定することが
できるという特長を有している。

しかしながら、上記従来の装置は光源として白
熱電球、ナトリウムランプなどのスペクトル電球
等を用いていたために励起される表面伝播光が弱
く、そのわずかな散乱光を射出して観察すること
には著しい困難が伴ない、熟練を要する上に測定
精度が低く、残留応力の小さいガラス等は測定で
きないという欠点があつた。

そこで、本考案は光源としてレーザを使用する
ことにより、前記装置の長所を生かしつつ、欠点
を除去することを目的としている。レーザとして
は、高出力のガスレーザ及び色素レーザが好適で
ある。

第３図に示す本考案の一実施例に即して詳細に
説明する。

架台３１には開口３２が穿たれていて、入射用
の三角プリズム３３と射出用の三角プリズム３４
がピン３５及び３６によりそれぞれ架台３１に軸
支されている。二つのプリズム３３，３４の間に
は遮光板３４ａがはさまれている。架台３１は四
隅に設けられたネジ切りされた穴に通されたネジ
切りされた支持脚３７，３８により支持されてい
て、高さと水平度とを調節することができる。測
定に当つてはプリズム３３及び３４の下面や被測
定物体３９の表面３９ａに光学的に密着するよう
に架台の四隅の支持脚を調節する。光学的密着を
確保するために、例えばヨウ化メチレン、四臭化
エタンのような液の薄膜をプリズムと被測定表面
の間に介在させることが望ましい。入射用プリズ
ム３３は、表面伝播光を強くするために、入射光
を被測定表面３９ａへ臨界角で入射させることを
目的とするものであるから、この目的が達成され
る限り三角プリズムである必要はなく他の形状で
もよい。しかし、プリズムの屈折率は被測定物体
のそれよりも大きくなければならない。この点は
射出用プリズムでも同じである。光源であるガス
レーザ発振管４０はレーザ台４１上に固定され、
レーザ台４１は一端がピン４２により架台３１に
軸支されていて、このピンを軸として傾斜角度を
変えることができる。レーザ台４１の傾斜を変え
ることによりレーザ・ビーム４３の入射角度を適
宜調節することができる。レーザ台の傾斜角度
は、ネジで締めつけ固定できる把手４４と把手４
４の軸を滑動させることができる溝付板４５によ
り適当な角度に固定する。レーザ台４１の上には
レーザ・ビームの光路に集光レンズ４６と偏光子
４７が設けられている。偏光子は自在に回転で
き、所望の振動方向の直線偏光を作り出す。偏光
子としては偏光板、ニコルプリズムを利用するこ
とができる。また、仮にレーザ発振管４０が直線
偏光を発するものであり、かつ、その直線偏光の
偏光面が所望の振動方向となるように該レーザ発
振管４０を取付けることができれば偏光子４７を
配設する必要はない。他方、射出用プリズム３４
の側には顕微鏡４８が設けられている。この実施
例では顕微鏡の対物レンズ４９を収容している外
側筒体５０が長く伸されて、ピン５１により架台
３１に軸支されている。顕微鏡４８は、ピン５１
を軸としてその傾斜角度を変えることができ、射
出プリズム３４による射出光と平行になるように
その角度を調節する。５２は、接眼レンズ５３及
び検光子５４を備えた内側筒体で外側筒体５０の
中へ自在の深さに出し入れ可能である。検光子は
自在に顕微鏡の軸の回りに回転可能である。この
実施例では、検光子５４が顕微鏡４８の中に組み
こまれ対物レンズと接眼レンズの間に配されてい
るが、これに制限されるものではない。検光子５
４はプリズム３４による射出光の偏光特性を観察
するためのものであるから、射出光の光路の適当
な位置に配置されればいずれの場所でもよい。検
光子としても偏光板、ニコルプリズムを利用する
ことができる。顕微鏡４８の傾斜角度は、ネジで
締めつけ固定できる把手５５と把手５５の軸を滑
動させることができる溝付板５６により適当な角
度に調節する。

上記の本考案のように光源としてレーザを用
い、入射用プリズム及びレーザ・ビームの入射角
度調節手段を使つて入射角度を調節してやれば、
レーザ光は本来的に光束密度が高く、しかも入射
光の大部分が臨界屈折光（表面伝播光）として非
常に狭い経路に集中して生ずる。そのため、表面
伝播光の進行経路の個々の地点での散乱、射出光
も比較的強く、顕微鏡による観察も容易で、熟練
がさほどなくても表面に残存する小応力を高精度
で測定することが可能である。

上記実施例の装置を用いて実際に観察を行つた
結果が第４図である。Ａは表面応力のない均質な
光学ガラスの研磨面を観察したもので、偏光板に
より、入射光を振動方向が入射面と45゜の角度を
なすような直線偏光として入射させ、射出光は前
記偏光板と平行ニコルの関係においた検光板を通
過させて観察した。図中、左端の二点鎖線は射出
用プリズムの端の位置を示し、表面伝播光は矢印
の方向に進行している。Ａの場合、表面応力がな
いため表面伝播光の偏光特性はまつたく変化せ
ず、従つて一本の連続的な明るい輝線ａが観察さ
れた。このとき、検光板を偏光板と直交ニコルの
関係に置くと輝線ａは全く見えなくなつた。

ＢおよびＣは、表面応力が存在するガラス面の
観察例である。Ｂは偏光板と検光板を平行ニコル
の関係においた場合で、Ｃは直交ニコルの関係に
おいた場合である。表面伝播光の進行経路に沿つ
て明暗が交互する分布があり、しかもＢとＣとで
は明部と暗部の位置が反対の関係にある。Ｂおよ
びＣにおいて、明部（又は暗部）の１周期が応力
による光路差１波長（使用した光の波長）相当に
対応しているので、明暗の周期が詰まつているほ
どdR／dxが大きく、表面応力が大きいことにな
る。

本考案の装置によれば、明部が明瞭に観察し得
るため、顕微鏡の接眼レンズとして接眼測微計を
使用することにより、容易に明暗の１周期に対応
するｘの値を測定することができる。

本考案の一実施例として、入射光側の偏光子と
入射プリズムとの間に、バビネ補整器又はバビネ
−ソレイユ補整器を配置した装置がある。これら
の補整器はマイクロメータ機構によつてレーザ・
ビームの直交する２つの直線偏光成分の間に任意
の光路差を生じさせることができるので、これを
利用すると顕微鏡で観察できる明暗の周期が射出
用プリズムの底面（被測定表面との密着面）の長
さよりも長い場合に特に有用である。まず補整器
によつてＡなる値の光路差をレーザ・ビームに与
えて入射させ、表面伝播光の進行経路を顕微鏡に
より観察して第５図ａのごとき明暗の分布を得た
とする。次に、補整器のマイクロメータを動かし
てレーザ・ビームにＡ＋ΔＡなる光路差を与える
ことにより、第５図ａの明暗の分布が移動して第
５図ｂのようになつたとする。この時、ａにおけ
る最暗部，，，，…の移動量をそれぞ
れ〓x₁，〓x₂，〓x₃，〓x₄，〓x₅……とすると、
各部分における光路差Ｒの勾配は〓Ａ／〓x₁，〓
Ａ／〓x₂，〓Ａ／〓x₃，〓Ａ／〓x₄，〓Ａ／〓
x₅，……である。各部分での表面応力は、この勾
配にそれぞれ比例するから表面応力の場所的分布
を知ることができる。補整器を射出用プリズムと
検光子との間の任意の位置に置いてもよい。

なお第６図は、本考案装置の他の実施例の一部
を示した図である。この例では、レーザ・ビーム
６１は、架台（図示略）にピン６２により回転自
在に支持された全反射プリズム６３により反射さ
れ入射用プリズム６４に入る。全反射プリズム６
４の微動回転によりレーザ・ビームの入射角度を
調節することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の表面応力測定装置の構成を表す
概念図、第２図は表面伝播光の偏光特性の変化を
表す図、第３図は本考案装置の実施例を表す図、
第４図は表面伝播光の進行経路の観察例を表す図
で、Ａは表面応力がない場合の図で、Ｂ及びＣは
表面応力がある場合の図である。第５図はバビネ
補整器又はバビネ−ソレイユ補整器を用いた場合
の明暗部の移動を表す図で、第６図は、本考案装
置の別の実施例の部分図である。１ａ……被測定表面、２……入射用プリズム、
３……射出用プリズム、４……表面伝播光、７…
…偏光板、８……射出光、９……顕微鏡、１２…
…検光板、２１……入射光、２２……表面伝播
光、２３，２４……射出光、３３……入射用プリ
ズム、３４……射出用プリズム、４０……レーザ
発振管、４３……レーザ・ビーム、４７……偏光
子、４８……顕微鏡、５４……検光子、６１……
レーザ・ビーム、６３……全反射プリズム、６４
……入射用プリズム。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】 (1) レーザ発振管と、被測定表面に一面を密着し
得る入射用プリズムと、前記レーザ発振管から
のレーザ・ビームを前記入射用プリズムを通し
て被測定表面に投射し得る光投射手段と、入射
光の光路上に配置された回転自在な偏光子と、
被測定表面に一面を密着することができ、被測
定表面に励起された表面伝播光を射出するため
の射出用プリズムと、前記射出用プリズムによ
り射出された射出光を観察するための顕微鏡
と、前記射出光の光路上に配置された回転自在
な検光子とを具備することを特徴とする表面応
力測定装置。 (2) バビネ補整器又はバビネ−ソレイユ補整器
が、偏光子と入射用プリズムの間、又は射出用
プリズムと検光子との間の光路上に配置されて
いる実用新案登録請求の範囲第１項記載の表面
応力測定装置。