CN106840002B - 一种非接触式平板玻璃厚度和折射率测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式平板玻璃厚度和折射率测量装置及方法，测量装置包括平行光源、平板玻璃、第一线阵CCD和第二线阵CCD，平行光源射出的入射光束射向平板玻璃，入射光束的传播路径上设有狭缝，第一线阵CCD设于入射光束射向平板玻璃表面后反射光束的路径上，第二线阵CCD设于入射光束的延长线上，第一线阵CCD和第二线阵CCD均与数字存储示波器电连接。本发明的测量方法能够实现不接触地测量玻璃片的厚度，且精度达到千分尺的要求，而且能够同时测出折射率。

Description

一种非接触式平板玻璃厚度和折射率测量装置及方法
技术领域
本发明属于非接触测量技术领域，具体涉及一种非接触式平板玻璃厚度和折射率测量装置及方法。
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、激光反射式测厚装置等。然而，激光透射法测折射率要求已知平板玻璃的精确厚度，激光反射式测厚装置要求已知平板玻璃的精确折射率，均不能达到同时非接触式测量平板玻璃厚度和折射率的要求。
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，提供一种非接触式平板玻璃厚度和折射率测量装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种非接触式平板玻璃厚度和折射率测量装置，包括平行光源、平板玻璃、第一线阵CCD和第二线阵CCD，平行光源射出的入射光束射向平板玻璃，入射光束的传播路径上设有狭缝，第一线阵CCD设于入射光束射向平板玻璃表面后反射光束的路径上，第二线阵CCD设于入射光束的延长线上，第一线阵CCD和第二线阵CCD均与示波器电连接。
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。
优选地，所述平板玻璃置于分光计的载物台上，平行光源置于分光计的望远镜上。
一种非接触式平板玻璃厚度和折射率的测量方法，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；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直接射向第二线阵CCD的光线，光束l1和l2照射到第一线阵CCD感光面上时，示波器上均表现为一个电压峰，光束l3和l4照射到第二线阵CCD感光面上时，示波器上均表现为一个电压峰；
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；
S4、利用面光源对线阵CCD进行了定标，用面光源照射线阵CCD，整个线阵CCD阵列都将检测到光照，示波器采集波形，得到线阵CCD的感光位置两端坐标x5和x6，则平板玻璃厚度
Figure BDA0001215771170000021
折射率
Figure BDA0001215771170000022
其中，k为线阵CCD的像敏元数，s为像敏元中心距。
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非接触式平板玻璃厚度和折射率测量装置及方法，能够实现不接触地测量玻璃片的厚度，且精度能达到千分尺的要求，而且能够同时测出折射率，可靠性高。
附图说明
图1是本发明非接触式平板玻璃厚度和折射率测量装置的结构示意图。
图2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3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。
图4是面光源照射线阵CCD时光强随采集点位置的变化关系图。
图5是厚度的测量不确定度uh随线阵CCD最小分度值s的变化关系。
附图标记说明：1、平行光源；2、狭缝；3、平板玻璃；4、第一线阵CCD；5、第二线阵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：
本发明提供的一种非接触式平板玻璃厚度和折射率测量装置，包括平行光源1、平板玻璃3和线阵CCD，平行光源1射出的入射光束射向平板玻璃3，入射光束的传播路径上依次设有狭缝2和衰减器7，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。线阵CCD包括结构相同的第一线阵CCD4和第二线阵CCD5，第一线阵CCD4设于入射光束射向平板玻璃表面后反射光束的路径上，第二线阵CCD5设于入射光束的延长线上，第一线阵CCD4和第二线阵CCD5均与示波器电连接。
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，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1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直接射向第二线阵CCD的光线。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：
Figure BDA0001215771170000031
Figure BDA0001215771170000032
联立(1a)式和(1b)式可得：
Figure BDA0001215771170000033
h＝(2D2+D1)/(2sinθ)， (3)
从(2)式和(3)式可以看出，只要能精确测出入射角θ、垂直空间距离D1及D2的值，即可同时非接触地得到平板玻璃的折射率n和厚度h。
根据(2)(3)两式，可计算得到折射率n和厚度h的不确定度分别为：
Figure BDA0001215771170000034
Figure BDA0001215771170000035
其中，
Figure BDA0001215771170000036
uθ分别为D1，D2以及入射角θ的测量不确定度。
将分光计和CCD的误差限放大到其最小分度值来进行B类不确定度(即仪器误差限部分)的估计。
设线阵CCD的最小分度值(像敏元中心距)为s，则可将D1和D2的不确定度取为：
Figure BDA0001215771170000037
使用分光计来测量入射角θ，常用的分光计的最小分度值为1'，且θ为分光计游标盘两次读数的差值，则θ的测量不确定度为：
Figure BDA0001215771170000038
将一常见平板玻璃的参数h＝4.5mm，n＝1.50代入(4)、(5)式，并取入射角θ＝60°，则可以得到厚度的测量不确定度uh随线阵CCD最小分度值s的变化关系如图5所示。从图5可以看出，随着线阵CCD最小分度值s的增大，测量厚度的不确定度也将增大。特别地，当选用实验室中常用的1级千分尺(仪器误差限为0.004mm)时，对应的B类不确定度应为
Figure BDA0001215771170000041
从图2中可以看出，当测量所用的线阵CCD的最小分度值s小于2.97μm时，测量即可满足千分尺的精度要求。
基于上述原理，本实施例还提供一种非接触式平板玻璃厚度和折射率的测量方法，使用最小分度值1'的JJY型分光计，像敏元中心距s为14μm、像敏元数k为2160位的线阵CCD，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，调整分光计使激光以入射角θ＝60°射向平板玻璃，各光束l1、l2、l3和l4照射到线阵CCD感光面上时，数字存储示波器上均表现为一个电压峰。
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2和图3，其中图2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3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。
S4、为了得到D1和D2的实际大小，在不改变数字存储示波器设置的情况下，利用面光源对线阵CCD进行了定标，用面光源照射线阵CCD，整个线阵CCD阵列都将检测到光照，数字存储示波器采集波形，采集结果如图4所示，从图4中得到线阵CCD的感光位置两端坐标x5＝1612和x6＝8078，则可得到D1和D2的实际大小为：
Figure BDA0001215771170000042
Figure BDA0001215771170000051
将θ、D1和D2的测量结果分别带入上述的(2)式和(3)式，可得：
平板玻璃厚度
Figure BDA0001215771170000052
折射率
Figure BDA0001215771170000053
根据(8)(9)式可得出厚度h和折射率n的不确定度分别为：
Figure BDA0001215771170000054
Figure BDA0001215771170000055
由于数字存储示波器的采集率较高，从图4中可以看出，CCD一帧对应到示波器上的读取点数为x6-x5＝6466，约为CCD像敏元数2160的3倍，即平均每个CCD像敏元上大约将采集到3个点，因此，尽管利用高斯拟合得到的各峰对应横坐标的不确定度很小，但仍然将其放大到实际的CCD最小分度值上，即取
Figure BDA0001215771170000056
结合公式(6)得到的uθ＝2.38×10-4rad，我们可以分别得到：
uh＝0.006mm，
un＝0.004。
因此，本实施例测量得到的玻璃厚度及折射率可分别写为：
h＝4.586±0.006mm， (12)
n＝1.538±0.004. (13)
从(12)式可以看出，测量结果接近但不满足千分尺精度的设计要求，主要原因即为实施例中采用的线阵CCD的最小分度值(像敏元中心距)大于2.97μm，如使用一个最小分度值小于2.97μm的线阵CCD，测量即可满足千分尺的精度要求。经过调研，在国外CCD市场，像敏元中心距的最小值已经可以达到2.4μm。
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，利用千分尺测量被测玻璃板的厚度为ht＝4.613mm，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，分别对玻璃厚度和折射率而言，两种测量方法的相对误差仅为0.58％和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 (2)

1.一种非接触式平板玻璃厚度和折射率测量装置，其特征在于：包括平行光源(1)、平板玻璃(3)、第一线阵CCD(4)、第二线阵CCD(5)和分光计的载物台(6)，所述平板玻璃(3)置于分光计的载物台(6)上，平行光源(1)置于分光计的望远镜上，平行光源(1)射出的入射光束射向平板玻璃(3)，入射光束的传播路径上设有狭缝(2)，狭缝(2)位于平行光源(1)和平板玻璃(3)之间，狭缝(2)和平板玻璃(3)之间设有衰减器(7)，狭缝(2)以减小入射光束直径，再通过由两个偏振片组成的衰减器(7)控制光强，防止两个线阵CCD输出饱和，第一线阵CCD(4)设于入射光束射向平板玻璃表面后反射光束的路径上，第二线阵CCD(5)设于入射光束的延长线上，第一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)均与示波器电连接；
测量平板玻璃厚度和折射率的方法包括：
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，光线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，光线l3为取走平板玻璃时l0直接射向第二线阵CCD的光线，光线l1和l2照射到第一线阵CCD感光面上时，示波器上均表现为一个电压峰，光线l3和l4照射到第二线阵CCD感光面上时，示波器上均表现为一个电压峰；
S2、采集步骤S1中各电压峰的波形，得到光线l1、l2、l3和l4入射到两个线阵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，得到光线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；
S4、利用面光源对两个线阵CCD进行了定标，用面光源照射两个线阵CCD，整个线阵CCD阵列都将检测到光照，示波器采集波形，得到线阵CCD的感光位置两端坐标x5和x6，则平板玻璃厚度
Figure FDA0002686975000000011
折射率
Figure FDA0002686975000000012
其中，k为线阵CCD的像敏元数，s为线阵CCD像敏元中心距。
2.根据权利要求1所述的非接触式平板玻璃厚度和折射率的测量装置，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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