CN106680244A - 一种平板玻璃折射率非接触式测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平板玻璃折射率非接触式测量装置及方法，测量装置包括平行光源、狭缝、平板玻璃和线阵CCD，平板玻璃置于载物台的圆心位置，平行光源、狭缝和线阵CCD均可绕载物台的圆心转动，线阵CCD与示波器电连接；平行光源射出的入射光束射向平板玻璃，狭缝设于入射光束的传播路径上位于平行光源和平板玻璃之间。本发明的测量方法利用分光计结合线阵CCD等常用实验仪器，不需要已知平板玻璃的精确厚度的情况下，能够测出平板玻璃的折射率，可靠性高。

Description

一种平板玻璃折射率非接触式测量装置及方法
技术领域
本发明属于非接触测量技术领域，具体涉及一种平板玻璃折射率非接触式测量装置及方法。
背景技术
非接触测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法。目前，已有文献报道的非接触式激光测量平板玻璃属性的方法有激光透射法测折射率等。然而，激光透射法测折射率要求已知平板玻璃的精确厚度。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，利用分光计结合线阵CCD等常用实验仪器，提供一种不需要已知平板玻璃的精确厚度的平板玻璃折射率非接触式测量装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种平板玻璃折射率非接触式测量装置，包括平行光源、狭缝、平板玻璃和线阵CCD，平板玻璃置于载物台的圆心位置，平行光源、狭缝和线阵CCD均可绕载物台的圆心转动，线阵CCD与示波器电连接；平行光源射出的入射光束射向平板玻璃，狭缝设于入射光束的传播路径上位于平行光源和平板玻璃之间。
优选地，入射光束的传播路径上，狭缝和平板玻璃之间设有衰减器，衰减器随着平行光源同步转动。
优选地，所述平行光源置于分光计的望远镜上，线阵CCD置于分光计的平行光管上。
优选地，所述平行光源为激光笔。
一种平板玻璃折射率非接触式测量方法，包括以下步骤：
S1、使平行光源发出的入射光l0以入射角θ射向平板玻璃，光线l1为平板玻璃上表面的反射光束，l2为下表面反射光经上表面折射的出射光，l3为取走平板玻璃时l0的延伸光线，l4为l0射入平板玻璃后的一次折出光；转动线阵CCD，使光束l1和l2照射到线阵CCD感光面上，示波器上表现出两个电压峰；然后再次转动线阵CCD，使光束l4照射到线阵CCD感光面上，示波器上表现出一个电压峰；保持线阵CCD的位置不变，取走平板玻璃，l3直接射向线阵CCD感光面上，示波器上表现出一个电压峰；
S2、采集步骤S1中各电压峰的波形，得到光束l1、l2、l3和l4入射到线阵CCD感光面上的位置坐标和电压的关系；
S3、对步骤S2采集到各电压峰顶进行高斯拟合，得到光束l1、l2、l3和l4对应的电压峰顶对应的横坐标分别为x1、x2、x3和x4；
优选地，所述入射角θ为入射光l0与平板玻璃法线的夹角。
本发明的有益效果是：本发明所提供的一种平板玻璃折射率非接触式测量装置及方法，利用分光计结合线阵CCD等常用实验仪器，不需要已知平板玻璃的精确厚度的情况下，能够测出平板玻璃的折射率，可靠性高。
附图说明
图1是本发明平板玻璃折射率非接触式测量装置的结构示意图。
图2是本发明平板玻璃折射率非接触式测量装置的光路图。
图3是本发明光束l1和l2照射线阵CCD时光强随采集点位置的变化关系图。
图4是本发明光束l3和l4照射线阵CCD时光强随采集点位置的变化关系图。
附图标记说明：1、平行光源；2、狭缝；3、平板玻璃；4、线阵CCD；6、载物台；7、衰减器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1所示，本发明提供的一种平板玻璃折射率非接触式测量装置，包括平行光源1、狭缝2、衰减器7、平板玻璃3和线阵CCD4，平板玻璃3置于载物台6的圆心位置，平行光源1、衰减器7、狭缝2和线阵CCD4均可绕载物台6的圆心转动，线阵CCD4与示波器电连接。
平行光源1射出的入射光束射向平板玻璃3，狭缝2和衰减器7依次设于入射光束的传播路径，狭缝以减小入射光束直径，再通过由两个偏振片组成的衰减器控制光强，防止线阵CCD输出饱和。
在本实施例中，平行光源采用激光笔，示波器采用数字存储示波器，平板玻璃3置于分光计的载物台6上，激光笔置于分光计的望远镜上，线阵CCD4置于分光计的平行光管上，激光笔出射的激光经过狭缝后变为一束细激光l0以入射角θ入射到平板玻璃，根据光学反射、折射原理，将形成如图2所示光路，其中入射角θ为入射光l0与平板玻璃法线的夹角，光线l1为平板玻璃上表面的反射光束，l2为下表面反射光经上表面折射的出射光；光线l4为l0射入平板玻璃后的一次折出光，l3为取走平板玻璃时l0的延伸光线。由于多次反射折射光强相对于入射光l0将明显变弱，因此多次反射、折射光线可不用考虑。对平板玻璃而言，光线l1平行于光线l2，光线l3平行于光线l4。
设光线l1、l2的垂直空间距离为D1，光线l3、l4间垂直空间距离为D2，平板玻璃厚度为h、折射率为n。可得出：
联立(1a)式和(1b)式可得：
从(2)式可以看出，只要能测出入射角θ、垂直空间距离D2和D1的比值，即可非接触地得到平板玻璃的折射率n。
基于上述原理，本实施例还提供一种平板玻璃折射率非接触式测量方法，包括以下步骤：
S1、将被测平板玻璃竖直放置于分光计载物台，激光笔平行固定于分光计的望远镜上，线阵CCD置于分光计的平行光管上。转动线阵CCD，使线阵CCD位于图中的a位置，此时光束l1和l2照射到线阵CCD感光面上，示波器上表现出两个电压峰；然后再次转动线阵CCD，使线阵CCD位于图中的b位置，此时光束l4照射到线阵CCD感光面上，示波器上表现出一个电压峰；保持线阵CCD的位置不变，取走平板玻璃，l3直接射向线阵CCD感光面上，示波器上表现出一个电压峰。
S2、固定数字存储示波器的采样率，采集步骤S1中各电压峰的波形，得到光束l1、l2、l3和l4入射到线阵CCD感光面上的位置坐标和电压的关系，以采集点为横坐标，相应的电压值为纵坐标作图，得到图3和图4，其中图3中x1和x2两峰代表的图形分别为光束l1和l2的光强分布，图4中x3和x4两峰代表的图形分别为光束l3和l4的光强分布。
S3、对步骤S2采集到各电压峰顶进行高斯拟合，得到光束l1、l2、l3和l4对应的电压峰顶对应的横坐标x1＝4003.90±0.22，x2＝4672.10±0.27，x3＝4415.40±0.46，x4＝4928.80±0.26，则将测量结果带入上述的(2)式可得：
为了进一步验证该测量方法测量玻璃厚度和折射率的可靠性，利用迈克尔逊干涉仪测量了所采用激光笔的波长为λ＝677.6nm，利用分光计结合布儒斯特定律的方法测量了在当前激光笔波长下玻璃的折射率为nt＝1.543。可以看出，对玻璃折射率而言，本发明的测量方法的相对误差0.32％，证明了该测量方法的可靠性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种平板玻璃折射率非接触式测量装置，其特征在于：包括平行光源(1)、狭缝(2)、平板玻璃(3)和线阵CCD(4)，平板玻璃(3)置于载物台(6)的圆心位置，平行光源(1)、狭缝(2)和线阵CCD(4)均可绕载物台(6)的圆心转动，线阵CCD(4)与示波器电连接；平行光源(1)射出的入射光束射向平板玻璃(3)，狭缝(2)设于入射光束的传播路径上位于平行光源(1)和平板玻璃(3)之间。
2.根据权利要求1所述的平板玻璃折射率非接触式测量装置，其特征在于：入射光束的传播路径上，狭缝(2)和平板玻璃之间设有衰减器(7)，衰减器(7)随着平行光源(1)同步转动。
3.根据权利要求1所述的平板玻璃折射率非接触式测量装置，其特征在于：所述平行光源(1)置于分光计的望远镜上，线阵CCD(4)置于分光计的平行光管上。
4.根据权利要求1所述的平板玻璃折射率非接触式测量装置，其特征在于：所述平行光源(1)为激光笔。
5.一种平板玻璃折射率非接触式测量方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、使平行光源发出的入射光l0以入射角θ射向平板玻璃，光线l1为平板玻璃上表面的反射光束，l2为下表面反射光经上表面折射的出射光，l3为取走平板玻璃时l0的延伸光线，l4为l0射入平板玻璃后的一次折出光；转动线阵CCD，使光束l1和l2照射到线阵CCD感光面上，示波器上表现出两个电压峰；然后再次转动线阵CCD，使光束l4照射到线阵CCD感光面上，示波器上表现出一个电压峰；保持线阵CCD的位置不变，取走平板玻璃，l3直接射向线阵CCD感光面上，示波器上表现出一个电压峰；
S2、采集步骤S1中各电压峰的波形，得到光束l1、l2、l3和l4入射到线阵CCD感光面上的位置坐标和电压的关系；
S3、对步骤S2采集到各电压峰顶进行高斯拟合，得到光束l1、l2、l3和l4对应的电压峰顶对应的横坐标分别为x1、x2、x3和x4；
则平板玻璃厚度折射率
6.根据权利要求5所述的平板玻璃折射率非接触式测量方法，其特征在于：所述入射角θ为入射光l0与平板玻璃法线的夹角。
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