CN104964650A - 一种测量透明球形空腔容器厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量透明球形空腔容器厚度的方法,该方法基于光的干涉原理，主要通过光场干涉现象，确定物体厚度与干涉图样的关系。该方法的系统由氦氖激光器、扩束系统、半透半反镜、小孔光阑、接收屏及测量导轨、载物台及透明球形空腔容器组成。氦氖激光器产生的激光通过半透半反镜先反射至透明球形空腔容器表面；然后透明球形空腔容器内、外表面分别反射光至接收屏产生干涉场；对干涉场中的条纹图样进行接收并测量，从而提取出干涉场的信息。本方法能够实现透明球形空腔容器厚度的非接触式无损测量。本方法的测量过程无需镀膜、注入液体等其他辅助测量方式，具有装置简单，可操作性强的特点。

Description

一种测量透明球形空腔容器厚度的方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及一种利用光场干涉对透明球形空腔容器厚度实现非接触式无损测量的方法。

背景技术

目前，生活及工业中主要的测厚方法有直接测量法、霍尔效应测厚法、超声波测厚法、相位法等。

直接测量法就是利用直尺、游标卡尺、测量显微镜、螺旋测微器等直接对物体的厚度进行测量。一般适用于厚度在几十微米量级以上且表面平整的非封闭型物体。

霍尔效应测厚仪主要利用钢珠和探头进行厚度测量，将钢珠置于物体一侧，用探头在物体另一侧进行测量。当钢珠距离探头距离最近时，即钢柱置于尖端中央时，磁场强度最大，通过霍尔效应传感器对探头尖端到钢珠的距离进行测量。该能够实时显示物体厚度的变化。

超声波测厚一般分为两种情况：第一种情况是利用超声波脉冲测厚。主要原理是通过测量超声波脉冲在介质两表面反射的时间差，即通过测量超声波脉冲在介质中往返一次的时间，进而求得介质厚度；第二种情况是超声波谐振式测厚。超声波通过介质时，将在介质的两个表面发生反射并产生相位差。由于相位差的存在会导致回波干涉现象，因此通过分析超声波回波干涉信号，就能够得到介质的厚度。

相位法测厚就是利用物体两个表面反射光波的相位差对厚度进行测量。当一束光垂直于物体表面入射时，假设物体在测量位置前后两表面平行，那么两 表面反射光波的相位差就是光束经过物体内部往返一次的光程差。对光束的频率进行调制，并通过一台测相仪对其相位差进行测量，就可以求得物体的厚度。

但是，直接测量法测量局限性比较大，并且不够精确。霍尔效应测厚仪不适用于封闭型的球形空腔容器。超声波测厚需要添加额外装置和辅助型液体等。相位法涉及到调频技术，不容易实现。

与上述几种方法相比，本方法既能实现透明球形空腔容器厚度的非接触式无损测量，又不需要其他辅助装置，具有结构简单、便于操作的优点。

发明内容

本发明的目的是为了弥补现有测厚技术的不足，提供一种基于干涉原理的透明球形空腔容器厚度的测量方法。本发明是根据光波的干涉原理，利用透明球形空腔容器内、外表面反射光的相干叠加产生干涉图案，并通过理论计算得出反射光的条纹图案和透明球形空腔容器厚度之间的关系式，从而确定透明球形空腔容器厚度。为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种测量透明球形空腔容器厚度的方法，包括由氦氖激光器、扩束系统、半透半反镜、小孔光阑、载物台、接收屏、测量导轨组成的测量系统，以及透明球形空腔容器样品，该测量方法的具体步骤包括：

第1、打开激光器后，对光束进行调平保证其与抗震台表面平行，并通过扩束系统对光束进行扩束；

第2、使光束通过半透半反镜，调节半透半反镜使激光束垂直入射到透明球形空腔容器样品；

第3、保持接收屏与入射光线垂直，使透明球形空腔容器内、外表面的反射光经半透半反镜后在接收屏处形成干涉条纹图样，同时保持入射光束与接收屏上记录条纹位置等高；

第4、调节测量导轨，记录干涉环形条纹半径，并根据反射光的条纹图案和透明球形空腔容器厚度之间的关系式求得透明球形空腔容器厚度。

以上所述的测量系统中，氦氖激光器作为光源；扩束系统由两个透镜组成，将光束扩束以便增大干涉区域；半透半反镜用于实现光路的转折，同时便于接收垂直入射光束的反射光；小孔光阑用于滤除强度较弱的边缘光束和杂散光；透明球形空腔容器样品置于载物台上，其内、外表面的反射光产生干涉；接收屏用于接收干涉图样；导轨用于测量环形条纹的半径。

以上第四步中反射光的条纹图案和透明球形空腔容器厚度之间的关系式为 其中h为透明球形空腔容器厚度，N为所得两条圆形条纹所对应的入射角和它们之间间隔的条纹数目，n为玻璃容器介质层的折射率，i为入射角。

以上所述的接收屏与入射光方向垂直。

本发明的有益效果是：

直接测量法、霍尔效应测厚法均不能应用于全封闭型或接近全密封型透明球形空腔容器；超声波测厚需要辅助液体；相位法的实现比较困难。

与上述方法相比，光学干涉测量技术有着很大优势。一方面，该方法不仅可以实现透明球形空腔容器厚度的无损测量，测量精度高，结构简单，容易操作，弥补了以上方法在测厚方面的不足。另一方面，以此为基础，很容易测出容器的厚度分布，从而增强了本方法的功能拓展性。

附图说明

图1为入射光线经内、外表面反射的示意图。

图2为光线相交于无穷远时光线分布的示意图。

图3为光线相交于容器外表面时光线分布的示意图。

图4为垂直入射时光线入射及出射方向的示意图。

图5为测量系统的结构示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

如图1所示，ξ₁为容器内表面，ξ₂为容器外表面。入射光线1、2、3代表入射激光光束。由于激光的方向性非常好，所以理论上可以认为入射光线1、2、3为平行光线。OA、OB、OC为容器内、外表面不同入射位置的法线。介质层的折射率为n。入射光线1经过外表面折射后进入介质层，又经内表面反射后从外表面折射形成出射光线5。入射光线2经容器外表面反射成为反射光线4。入射光线3经外表面反射后成为反射光线6。

入射光线1与法线OA夹角为i，即入射角为i，则折射角为i′。法线OA与OC夹角为θ，法线OA与OB夹角为θ/2，经过简单的几何计算可以得出光线4与光线5平行，即只有弧BC上的入射光线形成的反射光线才能够与光线5相交，两个极限情况分别为：光线4与5相交于无穷远、光线5与6相交于容器外表面。

如图2所示，当分别经内、外表面的反射光线5与4相交于无穷远时，作垂线AE，使之与光线2相交于E点。作垂线CF，使之与光线4相交于F点。由于光路关于法线OB对称，于是可得：AD＝DC，EB＝BF。设线段AD＝a，EB＝b，AB＝c，容器壁的厚度为DB，且有DB＝h。此时光线5与4的光程差为：

δ₁＝n(ADC)-(EB)-(BF)＝2[n(AD)-(EB)]＝2(na-b)    (1)

在ΔADB中，由正弦定理可得

$\frac{h}{sin\[\frac{\mathrm{\π}}{2}-(\frac{\mathrm{\θ}}{4}+i^{\′})\]}=\frac{a}{sin(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{\mathrm{\θ}}{4})}=\frac{c}{sin(i^{\′}+\frac{\mathrm{\θ}}{2})}---\left(2\right)$

化简得： $\frac{h}{cos(\frac{\mathrm{\θ}}{4}+i^{\′})}=\frac{a}{\cos \frac{\mathrm{\θ}}{4}}=\frac{c}{sin(i^{\′}+\frac{\mathrm{\θ}}{2})}---\left(3\right)$

在ΔABE中，b与c的关系为

$b=csin(i+\frac{\mathrm{\θ}}{4})---\left(4\right)$

由式(1)、式(3)和式(4)，可得光线5与4的光程差为：

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{2h\[ncos\frac{\mathrm{\θ}}{4}-sin(i^{\′}+\frac{\mathrm{\θ}}{2})sin(i+\frac{\mathrm{\θ}}{4})\]}{cos(i^{\′}+\frac{\mathrm{\θ}}{4})}---\left(5\right)$

如图3所示，当光线5与6相交于容器外表面上时，从垂线AE与光线3交于E点。设线段AD＝a，EC＝b，AC＝c，可得AD＝DC,FC＝DB＝h。于是光线5与6的光程差为

δ₂＝n(ADC)-(EC)＝2na-b        (6)

在ΔADB中，由正弦定理可得

$\frac{h}{sin\[\frac{\mathrm{\π}}{2}-(\frac{\mathrm{\θ}}{4}+i^{\′})\]}=\frac{a}{sin(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{\mathrm{\θ}}{4})}---\left(7\right)$

在ΔACE中，b与c的关系为

$b=csin(i+\frac{\mathrm{\θ}}{2})---\left(8\right)$

由式(6)、式(7)和式(8)，可得光线5与6的光程差为：

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{2hcos\frac{\mathrm{\θ}}{4}\[n-sin(i^{\′}+\frac{\mathrm{\θ}}{2})sin(i+\frac{\mathrm{\θ}}{2})\]}{cos(i^{\′}+\frac{\mathrm{\θ}}{4})}---\left(9\right)$

由折射定律得：

sin i＝n sin i'            (10) 

因为相对于入射角i和折射角i′而言，θ比较小，所以在计算中可以将θ忽略不计，由式(5)、式(9)和式(10)得：

${\mathrm{\δ}}_1={\mathrm{\δ}}_2=2h\sqrt{n^2-{\sin }^{2}i}---\left(11\right)$

根据光波的相干叠加原理：当激光经透明球形空腔容器的内、外表面的反射光相遇时，如果反射光交点处的光程差为半波长的偶数倍，则两列光波干涉相长，产生亮条纹；如果交点处的光程差为半波长的奇数倍，则两列光波干涉相消，产生暗条纹。

由式(11)可得：无论透明球形空腔容器的内、外表面的反射光的交点在容器外表面上或者在无穷远处，只要两者在同一出射方向上，则该方向上的光程差处处相等。

如图4所示，令中心光线垂直入射于容器表面，则可以在接收屏得到环形干涉条纹图样，而且中心处的干涉级数较高。设入射光线与出射光线间的夹角为φ，由几何关系可以求得：

φ＝2i+θ            (12) 

其中tanφ为环形条纹半径与容器上的入射光斑到接收屏的距离之比。

只要得到两条圆形条纹所对应的入射角和它们之间间隔的条纹数目N，就可以得到容器厚度。由于中心光线垂直入射，则环形条纹中心对应入射角为零，令其级数为k。设入射激光的波长为λ，令第k～N级条纹对应的入射角为i.则得透明球形空腔容器厚度为：

$h=N\mathrm{\λ}/2\sqrt{n^2-{\sin }^{2}i}---\left(13\right)$

本发明设有抗震台(图中未示出)用于固定激光器、透镜、反射镜等各光学器件，也就是将激光器、扩束系统、半透半反镜固定在抗震台上，并保证光 路的稳定性。测量过程中使用相干性较好的氦氖激光器。打开激光器后，首先要对激光光束进行调平，使其与抗震台表面平行；然后使光束经过扩束系统扩束，使用透反镜将激光器光束方向改变以使入射光垂直入射到容器表面，同时使容器内、外表面反射光的干涉条纹图样呈现在接收屏上。接收屏与容器距离已知，且接收平面与入射光线方向垂直。保持入射光束与接收屏上记录条纹位置等高。最后调节测量导轨，测得环形条纹半径。

应当明确的是，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，按本发明构思所做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种测量透明球形空腔容器厚度的方法，包括由氦氖激光器、扩束系统、半透半反镜、小孔光阑、载物台、接收屏、测量导轨组成的测量系统，以及透明球形空腔容器样品，其特征在于：该测量方法包括以下步骤：

第1、打开激光器后，对光束进行调平保证其与抗震台表面平行，并通过扩束系统对光束进行扩束；

第2、使光束通过半透半反镜，调节半透半反镜使激光束垂直入射到透明球形空腔容器样品；

第3、保持接收屏与入射光线垂直，使透明球形空腔容器内、外表面的反射光经半透半反镜后在接收屏处形成干涉条纹图样，同时保持入射光束与接收屏上记录条纹位置等高；

第4、调节测量导轨，记录干涉环形条纹半径，并根据反射光的条纹图案和透明球形空腔容器厚度之间的关系式求得透明球形空腔容器厚度。

2.如权利1所述的透明球形空腔容器厚度的测量方法，其特征在于：所述的测量系统中，氦氖激光器作为光源；扩束系统由两个透镜组成，将光束扩束以便增大干涉区域；半透半反镜用于实现光路的转折，同时便于接收垂直入射光束的反射光；小孔光阑用于滤除强度较弱的边缘光束和杂散光；透明球形空腔容器样品置于载物台上，其内、外表面的反射光产生干涉；接收屏用于接收干涉图样；导轨用于测量环形条纹的半径。

3.如权利1所述的透明球形空腔容器厚度的测量方法，其特征在于：第四步中反射光的条纹图案和透明球形空腔容器厚度之间的关系式为其中h为透明球形空腔容器厚度，N为所得两条圆形条纹所对应的入射角和它们之间间隔的条纹数目，n为介质层的折射率，i为入射角。

4.如权利1所述的透明球形空腔容器厚度的测量方法，其特征在于：所述的接收屏与入射光方向垂直。