CN101988845B - 采用激光曲面镜反射进行熔硅液位检测的装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的采用曲面反射镜线性光学放大的激光液面检测装置，单晶炉的顶部两侧对称开有两个开口，开口上分别设置有激光装置和CCD检测装置，激光装置和CCD检测装置中预设置信号处理装置。本发明利用该装置检测液面高度的方法，先建立模型模拟激光运行路线，计算得到符合要求的曲面镜多项式曲线函数，然后再将加工的曲面反射镜设置在CCD检测装置中，熔硅液面高度的变化就可以反应在CCD传感器上，就可以计算得到熔硅液面实际高度的变化。采用本发明的激光液面检测装置来检测液面高度，能够实时检测单晶炉液面位置，提高了检测装置的精度，便于检测信号的读取，还具有准确度高，检测时间短，故障率低，安装、操作简便等优点。

Description

采用激光曲面镜反射进行熔硅液位检测的装置及检测方法
技术领域
本发明属于检测与自动化装置技术领域，涉及一种采用激光曲面镜反射进行熔硅液位检测的装置，本发明还涉及采用该激光曲面镜反射进行熔硅液位检测的方法，用于单晶炉的液面检测。
背景技术
现有在采用斜入射斜接收式激光三角法对熔硅液位进行检测过程中，由于单晶炉室特殊的内外部结构及拉晶工艺要求的限制，使得激光入射点位置与光电检测器之间的距离较小，而激光入射点所在水平面到液面的垂直距离较大。激光从入射点入射，经过熔硅液面的反射进入光电检测器，再经过光电检测器内平面反射镜的反射将激光反射至传感器；当熔硅液面的液位发生较小的变化时，激光在经过光电检测器内的平面反射镜后在传感器上显示的光点位移变化与液位高度变化相同，使得反射至传感器上的光点位移变化不大，从而液位检测分辨率较低，检测精度不高。
激光三角液位检测系统的光路中，若采用平面镜来改变液面反射光线的光路时，无法实现将微小的液位变化放大为检测器上的光点位移变化，若采用园柱面镜来改变液面反射光线的光路时可以实现将微小的液位变化放大为检测器上的光点位移变化，但这种放大是非线性的，光点位置的变化不能直接反映液面位置的变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用激光曲面镜反射进行熔硅液位检测的装置，提高了熔硅液面液位的检测精度。
本发明的另一目的是提供一种采用激光曲面反射镜反射进行熔硅液位检测的方法。
本发明采用的技术方案是，一种采用激光曲面镜反射进行熔硅液位检测的装置，包括在单晶炉顶部两侧对称开设的两个开口，两个开口处分别设置有镀金石英玻璃，对应两个开口处分别设置有激光装置和CCD检测装置，激光装置和CCD检测装置内还设置有信号处理装置；
CCD检测装置的结构是：包括检测装置外壳，在检测装置外壳底部水平设置有滤光片，检测装置外壳的内壁竖直设置有驱动板，驱动板的内侧竖直设置有CCD传感器，检测装置外壳内还设置有反射面为凹面的曲面反射镜，曲面反射镜的反射面倾斜设置，且反射面朝向滤光片与CCD传感器，检测装置外壳的顶部设置有连接件；
激光装置的结构是：包括激光装置外壳，在激光装置外壳内设置有激光器，激光器的外表面设置有温控装置，激光器与温控装置分别与控制电路板相连接，激光装置外壳的顶部设置有电连接件与冷却空气接口；
信号处理装置的结构是：包括在激光装置内设置的激光器驱动电路、激光器温控电路与微处理器a，以及在CCD检测装置内设置的CCD驱动电路、图像信号处理电路与微处理器b，激光装置与CCD检测装置分别连接至RS485总线。
本发明采用的另一技术方案是，一种采用激光曲面反射镜反射进行熔硅液位检测的方法，具体按照以下步骤进行，
步骤1，
在单晶炉顶部两侧对称开设两个开口，在两个开口处分别安装镀金石英玻璃，在两个开口对应位置处分别设置激光装置和未装有曲面反射镜的CCD检测装置，激光装置和CCD检测装置内预设置信号处理装置，
信号处理装置的结构是：包括在激光装置内设置的激光器驱动电路、激光器温控电路与微处理器a，以及在CCD检测装置内设置的CCD驱动电路、图像信号处理电路与微处理器b，激光装置与CCD检测装置分别连接至RS485总线；
步骤2，
确定曲面反射镜反射面的形状以及曲面反射镜在CCD检测装置内的位置，具体过程为，
将激光从激光装置入射点入射的激光线路反应到相对应的二维坐标系上建模，在建立的坐标系模型当中，假设在CCD检测装置内设置有曲面反射镜，曲面反射镜的反射面倾斜设置，且反射面朝向滤光片与CCD传感器，激光从熔硅液面反射后经过曲面反射镜反射，对激光的线路进行分析，激光从激光器的激光入射点发出，以激光入射点A与CCD检测装置底部之间的水平面作为X轴，激光入射点的坐标设为A(-m0，0)，A点与X轴的夹角为β，当发出的激光经过熔硅液的液面反射后到达曲面反射镜反射面的最下端时，经熔硅液面反射后的激光与x轴的交点设为A1(m0，0)，以A(-m0，0)与A1(m0，0)的中点竖直方向作为y轴；此时x轴距离熔硅液面表面的距离为d0，此时熔硅液面的高度为可测量的最大值；熔硅液面的高度降低，当发出的激光经过熔硅液面反射后到达曲面反射镜反射面的最上端时，此时熔硅液面的高度为可测量的最小值，熔硅液面高度最大值与最小值的差为检测范围r；当熔硅液面高度由高变低时，激光从熔硅液面表面反射点依次为V0(T0，D0)、V1(T1，D1)，……Vi(Ti，Di)，反射后的直线依次为f0、f1、……fi；设曲面反射镜反射面的曲线函数为y＝f(x)，射入曲面反射镜的反射点依次为C0(x0、y0)、C1(x1、y1)、……Ci(xi、yi)，经曲面反射镜再次反射后的直线依次为f′0、f′1、……f′i，f′0、f′1、……f′i与x轴的夹角依次为α0、α1、……αi，li为fi和f′i在Ci(xi，yi)点的反射切线，最后激光射入至竖直设置的CCD传感器上，CCD传感器的直线为x＝L+m0，CCD传感器射入点依次为P0(L+m0，Q0)、P1(L+m0，Q1)、……Pi(L+m0，Qi)；
曲面反射镜曲线上离散点Ci(xi，yi)的计算：
首先根据光学反射原理利用f0和f′0求出l0，由于f0上已知确定的点V0(T0，D0)与角度β，所以f0的函数表达式为已知，C0(x0，y0)和P0(L+m0，Q0)可以确定；根据入射直线f0与反射直线f′0求出在其交点C0(x0、y0)的反射切线l0；当液面向下有d的变化，即液面反射点为V1(T1，D1)，可计算出对应CCD传感器上应有点P1(L+m0，Q1)，求出l0和f1的交点作为C1(x1，y1)，利用点C1(x1，y1)和点P1(L+m0，Q1)得到直线f′1，然后利用f1和f′1根据光学反射原理得到直线在交点C1(x1，y1)的反射切线l1；至此通过C0(x0，y0)求得C1(x1，y1)，依次类推采用迭代法，取li-1和fi的交点为Ci(xi，yi)，利用点Ci(xi，yi)和点Pi(L+m0，Qi)得到直线f′i，然后利用fi和f′i根据光的反射原理得到直线li，直到得到所有离散数据点Ci(xi，yi)，i＝0，1，2…，n；
利用得到的离散数据点Ci(xi，yi)进行多项式曲线拟合：
利用上述计算得到的离散数据点Ci(xi，yi)，i＝0，1，2，…，n，进行M次多项式曲线拟合，拟合出的曲面镜多项式曲线为：
y＝f(x)＝aMxM+aM-1xM-1+…+a0
其中x的取值范围为(x0，xn)，M的选取范围为3-5，α0、α1、……αM为最小二乘曲线拟合算法给出的参数；
步骤3，
根据步骤2计算得到的曲面镜多项式曲线函数，加工曲面反射镜，使得曲面反射镜反射面弧度的函数与该曲面镜多项式曲线函数一致，然后将该曲面反射镜设置在CCD检测装置内，将曲面反射镜的反射面倾斜设置，且反射面朝向滤光片与CCD传感器，曲面反射镜在CCD检测装置内的位置可以通过上述得到的曲面镜多项式曲线函数的取值确定；
步骤4，
对熔硅液面高度的变化进行检测，启动激光装置，从激光装置的激光入射点处向熔硅液面发射激光，激光经过熔硅液面反射后进入CCD检测装置，通过CCD传感器对熔硅液面高度的变化进行检测，由于熔硅液面最大变化范围r为先期测量得到，而且CCD传感器上光点的最大测量值为已知，所以可以得到曲面反射镜的放大倍数为N＝R/r，当熔硅液面的液位发生变化时，CCD传感器上的光点也发生了变化，记录光点在CCD传感器上高度的变化值，然后除以放大倍数N，就得到熔硅液面高度的变化值。
本发明的有益效果是，能够实时检测单晶炉液面位置，CCD检测装置中反射镜采用曲面反射镜，当熔硅液面发生微小变化后，激光束经过曲面反射镜的凹面反射后，射向CCD传感器的位置与之前射入的位置发生了较大的位移，解决了现有检测装置由于结构导致的光学分辨率低的问题，提高了检测装置的精度，便于检测信号的读取，还具有准确度高，检测时间短，故障率低，安装、操作简便等优点。而且提供了曲面镜来实现将微小的液位变化线性放大为检测器上的光点位移变化，同时给出该曲面镜函数关系的数值计算方法，该检测方法还可以应用在需要对微小位移进行放大采用光点线性位置指示的检测领域。
附图说明
图1是本发明熔硅液位检测的装置的结构示意图；
图2是本发明熔硅液位检测的装置中CCD检测装置的结构示意图；
图3是本发明熔硅液位检测的装置中激光装置的结构示意图；
图4是本发明熔硅液位检测的装置中信号处理装置结构框图；
图5是本发明方法中曲面镜线性放大原理图。
图中，1.熔硅液面，2.激光束，3.激光装置，4.CCD检测装置，5.镀金石英玻璃，6.单晶炉，7.坩埚，8.坩埚升降装置，9.滤光片，10.连接件，11.曲面反射镜，12.CCD传感器，13.驱动板，14.温控装置，15.激光器，16.电连接件，17.冷却空气接口，18.控制电路板，19.电源，20.激光器驱动电路，21.激光器温控电路，22.微处理器a，23.CCD驱动电路，24.图像信号处理电路，25.RS485总线，26.电源线，27.微处理器b。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明采用曲面反射镜线性光学放大的激光液面检测装置的结构，如图1所示，为该激光液面检测装置的机械部分，单晶炉6内设置坩埚7，坩埚7的下端为坩埚升降装置8，在单晶炉6的顶端两侧对称开有开口，两个开口处设置有镀金石英玻璃5，与两个开口位置对应处分别设置有激光装置3与CCD检测装置4，激光装置3与CCD检测装置4内设置有信号处理装置。
其中，CCD检测装置4的结构如图2所示，在CCD检测装置4外壳的底部水平设置有滤光片9，在CCD检测装置4的内壁竖直设置有驱动板13，驱动板13的内侧竖直设置有CCD传感器12，在CCD检测装置4内还设置有反射面为凹面的曲面反射镜11，曲面反射镜11的发射面倾斜设置且面向滤光片9与CCD传感器12，在CCD检测装置4的顶部设置有连接件10，连接件10连接外部的电路。
激光装置3的结构如图3所示，在激光装置3的外壳内设置有激光器15，激光器15的外表面设置有温控装置14，激光器15与温控装置14分别都连接至控制电路板18上，在激光装置3的外壳的顶部还分别设置有电连接件16与冷却空气接口17，电连接件16连接外部的电路。
本发明采用激光曲面镜反射进行熔硅液位检测的装置中的信号处理装置结构框图如图4所示，为信号处理部分，包括电源19，电源19分别通过电源线26与激光装置3和CCD检测装置4连接，RS485总线25也分别与激光装置3、CCD检测装置4连接，激光装置3包括激光器驱动电路20、激光器温控电路21与微处理器a 22，CCD检测装置4包括CCD驱动电路23、图像信号处理电路24与微处理器b 27。具体来说，微处理器a 22与微处理器b 27分别联结至RS485总线25。激光器驱动电路20用于驱动激光器15，激光器温控电路21用于控制温控装置14，CCD驱动电路23用于驱动CCD传感器12，图像信号处理电路24用于处理经过驱动板13的信号。
本发明采用激光曲面镜反射进行熔硅液位检测的装置的工作原理是，坩埚7内放置有待检测的熔硅液，坩埚升降装置8用来调节坩埚7在单晶炉6内的上下位置。由控制电路板18控制激光器15以及温控装置14，当激光器15温度过高时冷气通过冷却空气接口17进入激光装置3降温。激光器15发出激光束2，激光束2通过镀金石英玻璃5经过熔硅液面1反射进入CCD检测装置4，实现基本的激光三角法检测。进入CCD检测装置4的激光束2首先通过滤光片9将非激光频谱的光谱滤去，以防止其他光源对CCD传感器12的干扰，然后通过曲面反射镜11反射至CCD传感器12，CCD传感器12输出的信号经过驱动板13处理后再经过连接件10送出检测信号。当熔硅液面1发生微小变化后，激光束2经过曲面反射镜11的凹面反射，射向CCD传感器12的位置与之前射入的位置发生了较大的位移，从而提高了检测的精度，便于检测信号的读取。
本发明激光液面检测装置适用于直拉式单晶炉熔硅液面的检测，具有很好的线性放大功能，可以将液面的微小位移变化线性放大为光电检测器上的光点位移变化，准确度高，检测时间短，故障率低，安装、操作简便；其CCD检测装置也可以应用于一般的光点位置指示系统，得到具有线性放大功能的位置指示装置。
在本发明当中，曲面反射镜是一个具有特殊函数关系的柱面反射镜，其函数关系要保证熔硅液面的变化与在CCD传感器上得到的位置关系是线性对应关系。为了达到线性对应的目的，本发明提出了采用上述激光液面检测装置检测液面位置的方法，其具体步骤为：
步骤1，
在单晶炉6顶部两侧对称开设两个开口，在两个开口处分别安装镀金石英玻璃5，在两个开口对应位置处分别设置激光装置3与未装有曲面反射镜11的CCD检测装置4，激光装置3和CCD检测装置4内预设置信号处理装置，激光装置3、CCD检测装置4以及信号处理装置的结构如本发明采用曲面反射镜线性光学放大的激光液面检测装置的结构；
步骤2，
确定曲面反射镜11反射面的形状以及曲面反射镜11在CCD检测装置4内的位置：
具体过程为，
先将激光从激光装置3入射点入射的激光线路反应到相对应的二维坐标系上，在建立的坐标系当中，激光从熔硅液面反射后经过假设的曲面反射镜11的反射，对激光的线路进行分析，其曲面镜线性放大原理如图5所示，
激光从激光器15的激光入射点发出，以激光入射点A与CCD检测装置4底部之间的水平面作为X轴，激光入射点的坐标设为A(-m0，0)，A点与x轴的夹角为β，当发出的激光经过熔硅液的液面反射后到达曲面反射镜11反射面的最下端时，经熔硅液面反射后的激光与x轴的交点设为A1(m0，0)，以A(-m0，0)与A1(m0，0)的中点竖直方向作为y轴。此时x轴距离熔硅液面表面的距离为d0，此时熔硅液面的高度为可测量的最大值。熔硅液面的高度降低，当发出的激光经过熔硅液面反射后到达曲面反射镜11反射面的最上端时，此时熔硅液面的高度为可测量的最小值，熔硅液面高度最大值与最小值的差为检测范围r。当熔硅液面高度由高变低时，激光从熔硅液面表面反射点依次为V0(T0，D0)、V1(T1，D1)，......Vi(Ti，Di)，反射后的直线依次为f0、f1、......fi；设曲面反射镜11反射面的曲线函数为y＝f(x)，射入曲面反射镜11的反射点依次为C0(x0、y0)、C1(x1、y1)、......Ci(xi、yi)，经曲面反射镜11再次反射后的直线依次为f′0、f′1、......f′i，f′0、f′1、......f′i与x轴的夹角依次为α0、α1、......αi，li为fi和f′i在Ci(xi，yi)点的反射切线，最后激光射入至竖直设置的CCD传感器12上，CCD传感器12的直线为x＝L+m0，CCD传感器12射入点依次为P0(L+m0，Q0)、P1(L+m0，Q1)、......Pi(L+m0，Qi)。
由于激光入射点的坐标以及入射角β已知，熔硅液面变化的检测范围r和激光反射在CCD传感器上显示的高度范围R已知，放大倍数为N＝R/r，最后射入到CCD传感器上的各点的位置坐标也可以直接读出，从而，本发明检测液面位置的方法只需要给出曲面反射镜反射面曲线的函数以及位置，然后加工得到满足反射面曲线函数的曲面反射镜，再将曲面反射镜置于CCD检测装置内，即可检测熔硅液面高度的变化。下面给出曲面镜反射面函数的数值计算方法：
曲面反射镜曲线上离散点Ci(xi，yi)的计算：
首先根据光学反射原理利用f0和f′0求出l0。由于f0上已知确定的点V0(T0，D0)与角度β，所以f0的函数表达式为已知，C0(x0，y0)和P0(L+m0，Q0)可以确定；根据入射直线f0与反射直线f′0求出在其交点C0(x0、y0)的反射切线l0；当液面向下有d的变化，即液面反射点为V1(T1，D1)，可计算出对应CCD传感器上应有点P1(L+m0，Q1)，求出l0和f1的交点作为C1(x1，y1)，利用点C1(x1，y1)和点P1(L+m0，Q1)得到直线f′1，然后利用f1和f′1根据光学反射原理得到直线在交点C1(x1，y1)的反射切线l1；至此通过C0(x0，y0)求得C1(x1，y1)，依次类推采用迭代法，取li-1和fi的交点为Ci(xi，yi)，利用点Ci(xi，yi)和点Pi(L+m0，Qi)得到直线f′i，然后利用fi和f′i根据光的反射原理得到直线li，直到得到所有离散数据点Ci(xi，yi)，i＝0，1，2…，n。
利用得到的离散数据点Ci(xi，yi)进行多项式曲线拟合：
利用上述计算得到的离散数据点Ci(xi，yi)，i＝0，1，2，…，n，进行M次多项式曲线拟合，拟合出的曲面镜多项式曲线为：
y＝f(x)＝aMxM+aM-1xM-1+…+a0
其中x的取值范围为(x0，xn)，M的选取范围为3-5，α0、α1、......αM为最小二乘曲线拟合算法给出的参数。由于最小二乘曲线拟合算法是普通数学算法，这里不再进一步说明。
步骤3，
根据步骤2计算得到的曲面镜多项式曲线函数，加工曲面反射镜11，使得曲面反射镜11反射面弧度的函数与该曲面镜多项式曲线函数一致，然后将该曲面反射镜11设置在CCD检测装置4内，曲面反射镜11的反射面倾斜设置，且反射面朝向滤光片9与CCD传感器12，曲面反射镜11在CCD检测装置4内的位置可以通过上述得到的曲面镜多项式曲线函数的取值确定。
步骤4，
启动激光装置3，从激光装置3的激光入射点处向熔硅液面发射激光，激光经过熔硅液面反射后进入CCD检测装置4，就可以通过CCD传感器12对熔硅液面高度的变化进行检测；
对熔硅液面高度的变化具体的检测过程为：由于熔硅液面最大变化范围r已知，而且CCD传感器12上光点的最大测量范围R已知，所以可以得到曲面反射镜11的放大倍数为N＝R/r，当熔硅液面的液位发生变化时，CCD传感器12上的光点也发生了变化，记录光点在CCD传感器12上高度的变化值，然后除以放大倍数N，就可以得到熔硅液面高度的变化值。
实施例
以初始液面高度参数d0＝1300mm的单晶炉激光三角液位检测系统为例，按上述检测液面位置的方法，将步骤1、步骤2中各参数设置如下，激光入射点m0＝300mm，初始液面高度参数d0＝1300mm，曲面镜起点到CCD传感器距离L＝300mm，检测范围r＝40mm，CCD传感器显示范围R＝75mm，为了计算方便设曲面镜C0(x0、y0)在x轴上即C0(m0、0)，按曲面反射镜曲线离散点Ci(xi，yi)的计算方法进行迭代计算，取位移变化步长d＝0.01mm，即可计算出所有离散数据点Ci(xi，yi)，i＝0，1，2…，n。
利用上述计算得到的离散数据点Ci(xi，yi)，i＝0，1，2，…，n，进行M＝3次多项式曲线拟合，拟合出的曲面镜多项式曲线函数表达式为：
y＝-1023.29960+6.30977x
-0.01135x2+0.0000056x3
x∈[300，323.14]
线性放大倍数为
N＝1.875
最后按步骤3、4，加工具有上述曲线函数的线性放大曲面镜即可，放置的位置可以由该函数确定，最后在CCD传感器上显示变化的高度值除以线性放大倍数N就为液面实际高度的变化值。

Claims (2)

1.一种采用激光曲面镜反射进行熔硅液位检测的装置，其特征在于，包括在单晶炉(6)顶部两侧对称开设的两个开口，两个开口处分别设置有镀金石英玻璃(5)，对应两个开口处分别设置有激光装置(3)和CCD检测装置(4)，激光装置(3)和CCD检测装置(4)内还设置有信号处理装置；
所述的CCD检测装置(4)的结构是：包括检测装置外壳，在检测装置外壳底部水平设置有滤光片(9)，检测装置外壳的内壁竖直设置有驱动板(13)，驱动板(13)的内侧竖直设置有CCD传感器(12)，检测装置外壳内还设置有反射面为凹面的曲面反射镜(11)，曲面反射镜(11)的反射面倾斜设置，且反射面朝向滤光片(9)与CCD传感器(12)，所述检测装置外壳的顶部设置有连接件(10)；
所述的激光装置(3)的结构是：包括激光装置外壳，在激光装置外壳内设置有激光器(15)，激光器(15)的外表面设置有温控装置(14)，所述激光器(15)与温控装置(14)分别与控制电路板(18)相连接，所述激光装置外壳的顶部设置有电连接件(16)与冷却空气接口(17)；
所述的信号处理装置的结构是：包括在激光装置(3)内设置的激光器驱动电路(20)、激光器温控电路(21)与微处理器a(22)，以及在CCD检测装置(4)内设置的CCD驱动电路(23)、图像信号处理电路(24)与微处理器b(27)，激光装置(3)与CCD检测装置(4)分别连接至RS485总线(25)。
2.一种采用激光曲面反射镜反射进行熔硅液位检测的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，
在单晶炉(6)顶部两侧对称开设两个开口，在两个开口处分别安装镀金石英玻璃(5)，在两个开口对应位置处分别设置激光装置(3)和未装有曲面反射镜(11)的CCD检测装置(4)，激光装置(3)和CCD检测装置(4)内预设置信号处理装置，
所述的信号处理装置的结构是：包括在激光装置(3)内设置的激光器驱动电路(20)、激光器温控电路(21)与微处理器a(22)，以及在CCD检测装置(4)内设置的CCD驱动电路(23)、图像信号处理电路(24)与微处理器b(27)，激光装置(3)与CCD检测装置(4)分别连接至RS485总线(25)；
步骤2，
确定曲面反射镜(11)反射面的形状以及曲面反射镜(11)在CCD检测装置(4)内的位置，具体过程为，
将激光从激光装置(3)入射点入射的激光线路反应到相对应的二维坐标系上建模，在建立的坐标系模型当中，假设在CCD检测装置(4)内设置有曲面反射镜(11)，曲面反射镜(11)的反射面倾斜设置，且反射面朝向滤光片(9)与CCD传感器(12)，激光从熔硅液面反射后经过曲面反射镜(11)反射，对激光的线路进行分析，激光从激光器(15)的激光入射点发出，以激光入射点A与CCD检测装置(4)底部之间的水平面作为X轴，激光入射点的坐标设为A(-m0，0)，A点与X轴的夹角为β，当发出的激光经过熔硅液的液面反射后到达曲面反射镜(11)反射面的最下端时，经熔硅液面反射后的激光与x轴的交点设为A1(m0，0)，以A(-m0，0)与A1(m0，0)的中点竖直方向作为y轴；此时x轴距离熔硅液面表面的距离为d0，此时熔硅液面的高度为可测量的最大值；熔硅液面的高度降低，当发出的激光经过熔硅液面反射后到达曲面反射镜(11)反射面的最上端时，此时熔硅液面的高度为可测量的最小值，熔硅液面高度最大值与最小值的差为检测范围r；当熔硅液面高度由高变低时，激光从熔硅液面表面反射点依次为V0(T0，D0)、V1(T1，D1)，……Vi(Ti，Di)，反射后的直线依次为f0、f1、……fi；设曲面反射镜(11)反射面的曲线函数为y＝f(x)，射入曲面反射镜(11)的反射点依次为C0(x0、y0)、C1(x1、y1)、……Ci(xi、yi)，经曲面反射镜(11)再次反射后的直线依次为f′0、f′1、……f′i，f′0、f′1、……f′1与x轴的夹角依次为α0、α1、......αi，li为fi和f′i在Ci(xi，yi)点的反射切线，最后激光射入至竖直设置的CCD传感器(12)上，CCD传感器(12)的直线为x＝L+m0，其中，L为曲面镜起点到CCD传感器距离，CCD传感器(12)射入点依次为P0(L+m0，Q0)、P1(L+m0，Q1)、……Pi(L+m0，Qi)；
曲面反射镜曲线上离散点Ci(xi，yi)的计算：
首先根据光学反射原理利用f0和f′0求出l0，由于f0上已知确定的点V0(T0，D0)与角度β，所以f0的函数表达式为已知，C0(x0，y0)和P0(L+m0，Q0)可以确定；根据入射直线f0与反射直线f′0求出在其交点C0(x0、y0)的反射切线l0；当液面向下有d的变化，即液面反射点为V1(T1，D1)，可计算出对应CCD传感器上应有点P1(L+m0，Q1)，求出l0和f1的交点作为C1(x1，y1)，利用点C1(x1，y1)和点P1(L+m0，Q1)得到直线f′1，然后利用f1和f′1根据光学反射原理得到直线在交点C1(x1，y1)的反射切线l1；至此通过C0(x0，y0)求得C1(x1，y1)，依次类推采用迭代法，取li-1和fi的交点为Ci(xi，yi)，利用点Ci(xi，yi)和点Pi(L+m0，Qi)得到直线f′i，然后利用fi和f′i根据光的反射原理得到直线li，直到得到所有离散数据点Ci(xi，yi)，i＝0，1，2…，n；
利用得到的离散数据点Ci(xi，yi)进行多项式曲线拟合：
利用上述计算得到的离散数据点Ci(xi，yi)，i＝0，1，2，…，n，进行M次多项式曲线拟合，拟合出的曲面镜多项式曲线为：
y＝f(x)＝αMxM+αM-1xM-1+…+α0
其中x的取值范围为(x0，xn)，M的选取范围为3-5，α0、α1、……αM为最小二乘曲线拟合算法给出的参数；
步骤3，
根据步骤2计算得到的曲面镜多项式曲线函数，加工曲面反射镜(11)，使得曲面反射镜(11)反射面弧度的函数与该曲面镜多项式曲线函数一致，然后将该曲面反射镜(11)设置在CCD检测装置(4)内，将曲面反射镜(11)的反射面倾斜设置，且反射面朝向滤光片(9)与CCD传感器(12)，曲面反射镜(11)在CCD检测装置(4)内的位置可以通过上述得到的曲面镜多项式曲线函数的取值确定；
步骤4，
对熔硅液面高度的变化进行检测，启动激光装置(3)，从激光装置(3)的激光入射点处向熔硅液面发射激光，激光经过熔硅液面反射后进入CCD检测装置(4)，通过CCD传感器(12)对熔硅液面高度的变化进行检测，由于熔硅液面最大变化范围r为先期测量得到，而且CCD传感器(12)上光点的最大测量值为已知，所以可以得到曲面反射镜(11)的放大倍数为N＝R/r，其中R为激光反射在CCD传感器上显示的高度范围，当熔硅液面的液位发生变化时，CCD传感器(12)上的光点也发生了变化，记录光点在CCD传感器(12)上高度的变化值，然后除以放大倍数N，就得到熔硅液面高度的变化值。
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