CN1012653B

CN1012653B - 热物体尺寸的在线光学测量方法

Info

Publication number: CN1012653B
Application number: CN 89100248
Authority: CN
Inventors: 徐可欣
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-01-23
Filing date: 1989-01-23
Publication date: 1991-05-22
Also published as: CN1034804A

Abstract

本发明是一种应用光学相位共轭原理的光学测量方法，由激光器、准直扩束系统、分束镜、全反射镜、汇聚透镜、光学相位共轭镜、物镜、光栏和光学滤波器组成。它可以使光线经过待测热物体后因光线偏折而造成的测量误差得到消除，从而获得足够高的测量精度。该方法可以用于在线测量热轧金属材料断面的外形尺寸，如圆钢和管材的外径、方材的边长、六角形材的对边长度和对角线长度等；还可以用于其它热物体尺寸的高精度在线测量。

Description

本发明涉及一种采用光学相位共轭原理的在线光学测量方法，它可以用于测量热轧金属材料断面的外形尺寸，如园材和管材的外径，方材的边长、长方形材的长边长度和短边长度、六角形材和多角形材的对边长度和对角线长度;还可以用于其它热物体尺寸的在线测量。

光学相位共轭：光源发出的光波称之为探测波，它照射至普通平面镜的反射特性见图1a;它照射至相位共轭镜的反射特性见图1b;其中实线表示探测波，虚线表示反射波。在图1a中，探测波与反射波满足反射定律。而在图1b中，反射波与探测波重合而成时间反演关系，这种反射波称之为共轭波，即共轭波沿探测波的反方向传播，共轭波的波面处处与探测波相同。光学相位共轭的前提是相位共轭波，图1c表示四波（ε₁、ε₂、ε_p和ε_c）混频产生相位共轭波的原理：图中BS表示分束镜，M表示全反射镜，ε₁和ε₂表示泵浦波，ε_p表示探测波，ε_c表示共轭波。来自激光器10的光束，一部分透过平行的两组分束镜BS，照射至右边的全反射镜M上，反射出泵浦波ε₂并照射至相位共轭镜13上;另一部分由右边一组分束镜BS反射而照射至下方的全反射镜M上，反射出泵浦波ε₁也照射至相位共轭镜13上;还有一部分由左边一组分束镜BS反射至左下方的分束镜BS上，反射出探测波ε_p也照射至相位共轭镜13上;这样，从相位共轭镜13反射回来的ε_c波才具有如图1b所表示的相位共轭特性。

现有的在线光学测量方法为平行光投影测量法（见图2）。光源1发出的光，通过准直镜2，形成一组平行光向右照射，经热物体3、物镜4、光栏5和光学滤波器6，投射至象面7上，因热物体3挡光而在物面3′上形成的阴影，经物镜4在象面7上成象，可采用光电耦合器件测出象的大小，经过換算即可得出热物体3的直径尺寸。其不足之处是：测量精度低。这是因为，光线的传播特性与介质有关，以空气为介质时，当空气的温度均匀（密度也均匀）时，光线的传播轨迹是直线（见图2b及2c的虚线8），而当空气温度不均匀时，一般来说光线的传播轨迹不是直线。当光线在热物体周围的空间传播时，由于热物体周围沿辐射方向上各点的温度不同，因而空气密度也不同，也就是在热物体周围存在着一个非均匀的折射率场，在此场中传播的光线会产生偏折，所以光线在热物体周围的传播轨迹为曲线（见图2b及2c的曲线9），这时因热物体挡光而在物面3′上形成的阴影尺寸不等于热物体的外径，故按象面7上所测得的象的大小，经換算得出的尺寸，并不等于热物体3的外径尺寸，从而产生出较大的测量误差。另外，上述光偏折的大小与热物体的直径、表面温度、运动速度以及物面3′至热物体的距离等因素有关，而其关系很难用一数学式表达，在测量现场更是难以掌握其规律，故测量误差大且难以修正。

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种应用光学相位共轭原理进行在线光学测量的方法，它能将因光线偏折所引起的测量误差值减小至可以忽略不计的程度。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：由激光器、准直扩束系统、分束镜、全反射镜、汇聚透镜、光学相位共轭镜、物镜、光拦和光学滤波器组成在线光学测量装置，来自激光器的光束，经准直扩束系统，平行向右照射，经分束镜继续向右照射，称此光束为探测光波，探测光波中，未被待测热物体挡住的光束可继续向右传播，虽然经过热物体周围的非均匀折射率场后引起光线偏折（过热物体前也会引起微小的光线偏折），但经透镜汇聚入射至光学相位共轭镜后，由光学相位共轭镜产生的共轭反射波将沿其原路反回，它在物面3′上所形成的阴影大小，与原探测光波在热物体右面的任何偏折均无关。这样，共轭光波经全反射镜后继续向下传播，经物镜、光拦和光学滤波器后，在象面上成象。靠共轭光波形成的阴影的象（而不是图2a中靠探测光波形成的阴影的象）来测量热物体的尺寸，可实现将光束经过热物体后因光线偏折所引起的测量误差全部消除;另一方面，探测光波中被热物体挡住的光将被热物体散射，而置于物镜焦点处的光拦将只允许平行光通过，故这部分散射光将被光拦滤掉，而不会对共轭光波在象面上成的象产生影响。光束在经过热物体前已引起的光线偏折误差，虽然并未得到消除，但从实践得知，过热物体前的偏折误差远远小于过热物体后的偏折误差，所以，在生产实际中可以忽略不计。

光学相位共轭镜的材质选用应考虑其响应时间要远远小于折射率场的变化周期，以保证共轭波与探测波经过的是同一个折射率场（或其变化可以忽略），硅酸铋晶体具此特性。

本发明相比现有技术，可以消除测量光束经过热物体（如热轧钢）后，由于光线偏折所引起的测量误差。而且本法的测量精度与被测件本身的特性无关，即与热物体（如轧材）的尺寸、表面温度、运动速度以及物面离热物体的距离（此距离因轧件横向运动而变化）无关。此外，光线于过钢后路径上的任何随机抖动（由于空气扰动等因素引起），也不会影响测量精度，故此法对于因空气扰动而引起光束的随机抖动而造成的随机误差（在测量冷物体尺寸时亦存在此项误差）也可以完全消除。此法在光路安排上，光的发射部分（10，2，11）和光的反射部分（12，13）均可远离热物体3放置，故适于热物体现场仪器的安装。总的来说，可在不必对被测热物体的横向位置加以限制的情况下，实现近距离或远距离进行对热物体的高精度在线测量。

附图的图面说明如下：

图1a为普通平面镜的反射特性示意图。

图1b为光学相位共轭镜的反射特性示意图。

图1c为四波混频产生相位共轭波的原理图。

图2a为现有的平行光投影法测量热物体的示意图。

图2b为光线经过热物体前后光偏折的放大示意图。

图2c为光线经过热物体引起测量误差的放大示意图。

图3为本发明用于测量热轧材的示意图。

本发明下面将结合实施例作进一步详述：

待测热轧园钢的外径为35毫米，温度为1000摄氏度，测量装置见图3。来自激光器10的光束1，经准直扩束系统2后扩束成平行光线向右照射，经分束镜11继续向右照射，与待测热轧园钢3相切而过的光线，经过热轧园钢3周围的折射率场后引起光线偏折（过钢前也引起微小的光线偏折），经汇聚透镜12汇聚至光学相位共轭镜13，由光学相位共轭镜13产生的共轭波沿其原路反回，并正好与原先从分束镜向右照射的光线相重合，然后向下反射，经物镜4、光拦5和光学滤波器6后，在象面7上成象。测出象的尺寸，经換算得出热轧园钢的尺寸，其测量误差为±0.007毫米。这个误差值完全能满足生产的要求。而用现有技术的测量方法，如物面3′距离轧材为80毫米处，其测量误差为±0.130毫米。

Claims

1、一种利用光源、准直镜、光栏和光学滤波器对热物体尺寸进行在线测量的方法，其特征在于，使来自激光器10的光束1，经准直扩束系统2和分束镜11，形成平行光线，该光线与待测热物体3相切而过后引起光线偏折，经汇聚透镜12汇聚至光学相位共轭镜13后产生的共轭波沿其原路反回，并正好与原先从分束镜向右照射的光线相重合，然后向下反射，经物镜4、光栏5和光学滤波器6后，在象面7上成象，采用光电耦合器件测出象的大小，经过换算即可得出热物体的直径尺寸。