CN110470231A - 一种透明物体厚度激光测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透明物体厚度激光测量方法和系统，包括：激光器发出的激光束经过发射透镜后形成一束聚焦激光束，聚焦激光束投向待测透明物体前表面，经待测透明物体前表面反射后的光束经滤光片和接收透镜后在线阵CMOS器件上形成前表面成像波形；经待测透明物体前表面折射后的光束达到待测透明物体后表面，经待测透明物体后表面反射和二次折射后在线阵CMOS器件上形成后表面成像波形；前表面成像波形的质心坐标与前表面的位置一一对应，根据激光三角测距原理可以实现透明物体厚度的测量。本发明不仅可同时得到透明物体的前表面位置和厚度值，而且能自动适应前表面的位置变化、得到归一化的准确厚度测量结果，具有更广泛的实用性和通用性。

Description

一种透明物体厚度激光测量方法和系统

技术领域

本发明涉及一种测量技术，具体地，涉及的是一种可非接触测量透明物体厚度的激光测量方法和系统。

背景技术

以玻璃为代表的各种透明物体，在电子信息、交通运输、航天航空、建筑装饰等国民经济各个领域的应用越来越广泛。而透明物体(例如玻璃)的厚度测量，无论是对于其自身的生产、加工和质量控制而言，还是透明物体的使用方而言，都是必不缺少的常规性环节。

传统的透明物体厚度测量方式主要是利用螺旋测微计和游标卡尺等工具进行人工测量。由于这种人工的接触式测量灵活性差、效率低，而且易导致透明物体表面划痕，所以逐渐被淘汰。目前，灵活、高效、非接触式的光电检测方法(特别是激光测量方法)得到了越来越广泛的应用。

目前，采用激光测量透明物体的厚度的激光测量方法可以根据激光的入射方式分为两类：一类是垂直入射，另一类是倾斜入射。以璃为例：

对于垂直入射的激光测量方法而言，常常需要将玻璃置于一个不透光的基面之上，当激光垂直入射时，激光束透过玻璃后在不透光的基面上产生散射，散射光在通过透明平板时都将发生折射平移，光电器件光敏面上的像点也发生偏移，导致激光位移传感器的测量值也发生变化，从而实现透明物体的厚度测量。这种方法的严重缺点是：必须将被测透明物体置于不透光的基面之上才能完成厚度测量，这种条件在实际的工作场合中常常是不具备的，而且透明物体的距离测量取决于厚度测量、其精度远远低于厚度测量，因而使用收到限制，实际中很少采用。也可以采用共焦法(即利用光学系统中透镜的位置色差)来检测透明物体的厚度，同一透镜对不同波长的光焦距不同，通过分析透明物体上下两个表面的反射峰对应的波长值来计算其厚度。该方法测量的精度高，但是量程相对很小，测量速度受光谱分析限制，只能适用于微小厚度的透明物体测量。

对于倾斜入射的激光测量方法而言，激光以一定的倾斜角度入射到透明物体的表面，通过检测前后两个表面的反射光的位置与间距来检测厚度，这是目前应用最广的激光测量方法。但是，这种方法一直存在着一个严重的缺陷：当待测透明物体与测量装置之间的相对位置发生变化时，厚度测量结果将发生明显的变化并失去应有的测量精度。为此，只能采用在此距离下重新对测量系统进行标定的方法来克服，灵活性差、效率低，常常不能满足实际生产的需求，进而成为该领域的最大瓶颈问题。

经检索，申请号为201810165427.5的中国发明专利申请，其公开一种基于激光三角位移测量方法的厚度测量装置，通过双激光三角位移测量厚度，它通过两个不同波段的半导体激光器发出的激光分别照射到物体的两侧表面，通过光电非接触精确测量处于运动或振动状态中的物体厚度。但是该专利测量系统因采用了上下两个激光位移传感器而使得组成复杂、成本高、装置结体积大，而且激光垂直入射后大部分能量被反射或者投射、成像波形幅值将很低、测量精度差，同时对于不同距离导致的厚度测量问题仍然没有克服，并不可取。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种透明物体厚度激光测量方法，不仅可以同时得到透明物体的前表面位置和厚度值，而且能够自动适应前表面的位置变化、得到归一化的准确厚度测量结果，完全克服了位置变化对厚度测量的影响。

根据本发明的第一方面，提供一种透明物体厚度激光测量方法，所述透明物体具有平行的前后表面，所述方法包括：

激光器发出的激光束经过发射透镜后形成一束聚焦激光束，所述聚焦激光束投向待测透明物体前表面，经所述待测透明物体前表面反射后的光束经过滤光片和接收透镜后在线阵CMOS器件上形成前表面成像波形；经所述待测透明物体前表面折射后的光束达到与前表面平行的后表面，经所述待测透明物体后表面反射和二次折射后在线阵CMOS器件上形成后表面成像波形；

所述待测透明物体前表面成像波形的质心坐标与待测透明物体前表面的位置一一对应，根据激光三角测距原理，所述待测透明物体前表面、后表面的质心坐标之差与所述待测透明物体的厚度一一对应，根据该原理实现透明物体厚度的测量。

优选地，所述方法根据激光三角测距原理实现透明物体厚度的测量，具体包括：

S1,选择多个与被测透明物体相同材质但是厚度不同的标准测试目标，分别置于位置测量量程内的近端同一个位置，同步记录不同厚度的标准测试目标前后两个表面成像波形的质心坐标及质心间距；

S2,改变标准测试目标的前表面位置，重复S1，得到不同位置下的质心间距-厚度变化曲线；

S3,针对每一种前表面位置下的质心间距-厚度变化曲线进行多项式拟合，从而得到不同前表面位置下的厚度特性参数(即质心间距-厚度曲线拟合系数)；

S4,针对上述的不同前表面位置下的厚度特性参数，分别对S1得到的前表面质心坐标进行多项式拟合，从而得到每个厚度特性参数在不同前表面质心坐标下的计算系数(即厚度特性参数-前表面质心坐标曲线拟合系数)；

S5,在实际的透明物体厚度测量过程中，利用上述前表面成像波形的质心坐标和S4得到的计算系数，计算得到在此前表面质心坐标下的厚度特性参数；

S6,利用S5得到的所述前表面质心坐标下的厚度特性参数和S3得到的拟合多项式，直接计算得到待测透明物体厚度值。

根据本发明的第二方面，提供一种透明物体厚度激光测量系统，包括：激光器、发射透镜、滤光片、接收透镜、线阵CMOS器件以及处理器，其中：所述发射透镜位于所述激光器的出射端，且所述激光器、发射透镜与待测透明物体前表面组成发射光路；所述待测透明物体后表面、所述滤光片、所述接收透镜组成接收光路；所述发射光路和所述接收光路均连接到所述线阵CMOS器件的输入端，所述线阵CMOS器件的输出端连接所述处理器；其中：

所述激光器发出的激光束经过所述发射透镜后形成一束聚焦激光束，所述聚焦激光束投向待测透明物体前表面，经所述待测透明物体前表面反射后的光束经过所述滤光片和所述接收透镜后在所述线阵CMOS器件上形成前表面成像波形；经所述待测透明物体前表面折射后的光束达到所述待测透明物体后表面，经所述待测透明物体后表面反射和二次折射后在所述线阵CMOS器件上形成后表面成像波形；

所述处理器接收所述线阵CMOS器件的成像波形，根据激光三角测距原理计算得到所述待测透明物体的厚度。

优选地，所述发射透镜为单片非球面聚焦镜，将所述激光器发出的发散激光束汇聚在测量量程的中点处附近，并且保证全量程范围内的光斑变化小。

优选地，所述滤光片为窄带滤光片，其质心波长与所述激光器的波长一致。

优选地，所述接收透镜为单片非球面聚焦镜，将所述待测透明物体前后两个表面的反射光汇聚到所CMOS器件之上，形成两个尖而高的单峰。

优选地，所述线阵CMOS器件所在直线与所述接收透镜所在直线和所述待测透明物体的法线相交于同一点。

优选地，所述激光器为半导体激光二极管。

与现有技术相比，本发明具有以下至少一种有益效果：

本发明可以根据当前的前表面位置自动计算与之相符的厚度值，从而实现不同位置的自适应补偿。因此，该方法可以适应满量程内的任意位置的厚度测量，有效解决了传统的后的测量方法在不同位置下的厚度不一致问题，不仅具有自适应性能，而且显著提高了厚度测量精度和一致性。

进一步的，本发明的前提是针对同一种反射率材料的标准测试目标进行测试的，并得到相关的厚度特性参数与计算系数，因而完全适合同样折射率材质的透明目标的厚度测量，具有良好的通用性。

进一步的，本发明具有操作成本低、通用性好，可以适用于任何一个具有平行的前后表面的透明物体的厚度测量。根据厚度测量精度的高低不同，可以选择不同阶数对厚度特性曲线进行拟合，可以有效兼顾精度与速度两个方面的需求。

附图说明

图1是本发明一实施例的激光测量系统结构示意图；

图2是本发明一实施例的待测透明物体前后表面成像波形实测图；

图3是本发明一实施例的厚度测量原理数学模型示意图；

图4是本发明一实施例的不同位置下质心间距-厚度关系曲线实测图；

图5是本发明一实施例的不同位置下质心间距-厚度多项式拟合示意图；

图6a、6b、6c是本发明一实施例的厚度特性参数对前表面质心坐标的变化曲线及多项式拟合示意图；

图7a、7b是本发明一实施例的厚度测量结果与现有方法的效果对比示意图；

图中，1-激光器，2-发射透镜，3-待测透明物体，4-滤光片，5-接收透镜，6-线阵CMOS器件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明针对现有的透明物体厚度激光测量无法适应位置变化的问题，提出一种可非接触测量透明物体厚度的自适应激光测量方法和系统，将不同位置下待测透明物体3前后两个表面的成像波形质心间距-厚度的变化规律似为多项式形式，通过曲线拟合获得每一种位置下的厚度特性参数，然后再对不同位置下的厚度特性参数对前表面质心坐标进行多项式拟合，从而可以得到不同距离下的厚度特性参数的变化规律及其计算系数。在实际测量过程中，利用前表面成像波形的质心坐标来计算与之对应的厚度特性参数，然后根据这些厚度特性参数和前后两个表面的成像波形的质心间距来计算厚度值。该激光测量方法不仅可以同时得到透明物体的前表面位置和厚度值，而且能够自动适应前表面的位置变化、得到归一化的准确厚度测量结果，具有更广泛的实用性和通用性。

参照图1所示，为本发明一实施例中透明物体厚度激光测量系统的结构示意图，其中包括：激光器1、发射透镜2、滤光片4、接收透镜5、线阵CMOS器件6以及处理器，其中：发射透镜2位于激光器1的出射端，且激光器1、发射透镜2与待测透明物体3组成发射光路；待测透明物体3、滤光片4、接收透镜5、CMOS器件6组成接收光路；线阵CMOS器件6的输出端连接处理器；其中：激光器1发出的激光束经过发射透镜2后形成一束聚焦激光束，聚焦激光束投向待测透明物体3前表面，经待测透明物体3前表面反射后的光束经过滤光片4和接收透镜5后在线阵CMOS器件6上形成前表面成像波形；经待测透明物体3前表面折射后的光束达到与前表面平行的后表面，经待测透明物体3后表面反射和二次折射后在线阵CMOS器件6上形成后表面成像波形；处理器接收线阵CMOS器件6的成像波形，根据激光三角测距原理计算得到待测透明物体3的厚度。

在部分实施例中，激光器1为半导体激光二极管，可以实现单色光、低成本、小体积的目的；例如，可以采用中心波长为650nm的红色激光二极管。

在部分实施例中，发射透镜2为单片非球面聚焦镜，可以将激光器1发出的发散激光束汇聚在测量量程的中点处附近，并且可以保证全量程范围内的光斑变化较小，从而可以保证厚度的测量精度。

在部分实施例中，滤光片4为窄带滤光片4，其中心波长与激光器1的波长一致，从而可以有效滤除环境光的干扰；例如，对于中心波长650nm的激光器1，滤光片4的中心波长也为650nm，带宽可为50nm或者更窄。

在部分实施例中，接收透镜5为单片非球面聚焦镜，可以将待测透明物体3的前后两个表面的反射光汇聚到CMOS器件6之上，形成两个尖而高的单峰，如图2所示，保证全量程厚度的精度。

在部分实施例中，线阵CMOS器件6所在直线与接收透镜5所在直线和待测透明物体3的法线相交于同一点，保证全量程厚度的精度；如图3所示，三条直线相交于Q点。

基于上述的测量系统，本发明还提供一种透明物体厚度的激光测量方法的实施例，具体说明如下。

如图1所示，本实施例中，测量方法包括：由激光器1发出的激光束经过发射透镜2后形成一束聚焦激光束，投向透明的待测透明物体3的前表面，其反射光束经过滤光片4和接收透镜5后在线阵CMOS(互补金属氧化物半导体)器件6上形成了前表面成像波形，其折射光束经过待测透明物体3与前表面平行的后表面反射和二次折射后在线阵CMOS器件6上形成了后表面成像波形，如图2所示；经过理论分析可知(见图3)，前表面成像波形的质心坐标Cf(对应图3中的A’点)与待测透明物体3的前表面位置(对应图3中的距离D)一一对应，可以根据激光三角测距原理进行测量；前后两个表面的质心间距x(即两个表面的质心坐标之差：x＝Cf–Cb)与待测透明物体3的厚度t一一对应，通过该原理来实现可以进行透明物体厚度的测量。

具体的，在上述方法基础上，可以进一步包括：

(1)选择多个与待测透明物体3的材质相同、但是厚度不同且已知的标准测试目标，厚度不少于3种，优选地为5种；例如：待测透明物体3材质为石英玻璃，则标准测试目标亦采用相同的石英玻璃，以保证其折射率一致；假设激光测量系统的最大可测厚度为5mm，则可以分别去5种厚度的标准测试目标，厚度分别为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm；将上述多种厚度的标准测试目标分别置于位置测量量程内的近端同一个位置，例如：假设位置测量范围为40mm～45mm，则可以将标准测试目标置于40mm处；同步记录不同厚度的标准测试目标前后两个表面成像波形的质心坐标Cf和Cb及质心间距x；

(2)改变标准测试目标的前表面所在位置D，重复上个步骤(1)，得到不同位置D下的质心间距x-厚度t变化曲线，测试的位置数应不少于3个位置，优选地为5个位置；例如，对于前例，5个测试位置可以分别为40mm、41mm、42mm、43mm、44mm，图4为不同位置D下的质心间距x-厚度t变化曲线(图中显示为11个位置)，横坐标为质心间距x，纵坐标为厚度t，二者之间呈现为非线性关系；

(3)针对每一种前表面位置D的质心间距x-厚度t变化曲线进行多项式拟合，从而得到不同前表面位置D下的厚度特性参数(即质心间距-厚度曲线拟合系数)；例如，图5所示为针对实测的质心间距x-厚度t变化曲线进行二次多项式拟合的结果，拟合方差均大于0.95，可以满足绝大多数的测量精度需求；每一种前表面位置下的质心间距x-厚度t变化曲线二次多项式拟合结果，得到了三个厚度特性参数，分别是二次项系数B2、一次项系数B1和常数项B0，分别如图6a、6b、6c所示；对于精度更高的场合，可以采用三次多项式拟合或者更高的阶数进行拟合；

(4)针对上述的不同前表面位置D下的厚度特性参数B2、B1和B0，分别对前表面质心坐标Cf进行多项式拟合，从而得到每个厚度特性参数B2、B1和B0在不同前表面质心坐标Cf下的计算系数(即厚度特性参数-前表面质心坐标曲线拟合系数)；例如，对图6a、6b、6c所示所示的不同前表面位置下的厚度特性参数B2、B1和B0的变化曲线进行二次多项式拟合的结果，得到的三个计算系数k2、k1和k0(即厚度特性参数-前表面质心坐标曲线拟合的二阶系数、一阶系数和零阶系数)；

(5)在实际的透明待测透明物体3的位置D与厚度t的测量过程中，首先，根据得到的前表面成像波形的质心坐标Cf，利用常规的激光三角测距原理计算前表面的位置(即距离D)；利用该前表面质心坐标Cf和步骤(5)得到的三个计算系数k2、k1和k0，可以计算得到在此前表面位置下的厚度特性参数B2、B1和B0；

(6)再利用步骤(5)得到的厚度特性参数B2、B1、B0和步骤(4)得到的拟合多项式，直接计算得到待测透明物体3的厚度值t。

图7a、7b所示，为本发明上述实施例的厚度测量结果与现有方法的效果对比示意图，显然，常规的没有补偿前表面位置的厚度测量将随着前表面的位置不同而出现巨大变化，可以高达2mm甚至更大，相对误差高达60％；而本发明实施例对前表面的位置进行补偿，最终的厚度测量结果与前表面的位置不再关联，不同位置下的厚度测量结果是一致的，变化最大不超过0.4％。

由上述实施例可知，本发明上述实施例可以根据当前的前表面位置自动计算与之相符的厚度值，从而实现不同位置的自适应补偿。因此，该方法可以适应满量程内的任意位置的厚度测量，有效解决了传统的后的测量方法在不同位置下的厚度不一致问题，不仅具有自适应性能，而且显著提高了厚度测量精度和一致性，操作成本低、通用性好，根据厚度测量精度的高低不同，可以选择不同阶数对厚度特性曲线进行拟合，可以有效兼顾精度与速度两个方面的需求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种透明物体厚度激光测量方法，所述透明物体具有平行的前后表面，其特征在于，包括：

激光器发出的激光束经过发射透镜后形成一束聚焦激光束，所述聚焦激光束投向待测透明物体前表面，经所述待测透明物体前表面反射后的光束经过滤光片和接收透镜后在线阵CMOS器件上形成前表面成像波形；经所述待测透明物体前表面折射后的光束达到与前表面平行的后表面，经所述待测透明物体后表面反射和二次折射后在线阵CMOS器件上形成后表面成像波形；

所述待测透明物体前表面成像波形的质心坐标与待测透明物体前表面的位置一一对应，根据激光三角测距原理，所述待测透明物体前表面、后表面的质心坐标之差与所述待测透明物体的厚度一一对应，根据该原理实现透明物体厚度的测量。

2.根据权利要求1所述的透明物体厚度激光测量方法，其特征在于：所述方法根据激光三角测距原理实现透明物体厚度的测量，具体包括：

S1,选择多个与被测透明物体相同材质但是厚度不同的标准测试目标，分别置于位置测量量程内的近端同一个位置，同步记录不同厚度的标准测试目标前后两个表面成像波形的质心坐标及质心间距；

S2,改变标准测试目标的前表面位置，重复S1，得到不同位置下的质心间距-厚度变化曲线；

S3,针对每一种前表面位置下的质心间距-厚度变化曲线进行多项式拟合，从而得到不同前表面位置下的厚度特性参数；

S4,针对上述的不同前表面位置下的厚度特性参数，分别对S1得到的前表面质心坐标进行多项式拟合，从而得到每个厚度特性参数在不同前表面质心坐标下的计算系数；

S5,在实际的透明物体厚度测量过程中，利用上述前表面成像波形的质心坐标和S4得到的计算系数，计算得到在此前表面质心坐标下的厚度特性参数；

S6,利用S5得到的所述前表面质心坐标下的厚度特性参数和S3得到的拟合多项式，直接计算得到待测透明物体厚度值。

3.根据权利要求2所述的透明物体厚度激光测量方法，其特征在于，所述发射透镜为单片非球面聚焦镜，将所述激光器发出的发散激光束汇聚在测量量程的中点处附近，并且保证全量程范围内的光斑变化小。

4.根据权利要求1所述的透明物体厚度激光测量方法，其特征在于，所述滤光片为窄带滤光片，其质心波长与所述激光器的波长一致。

5.根据权利要求1所述的透明物体厚度激光测量方法，其特征在于，所述接收透镜为单片非球面聚焦镜，将所述待测透明物体前后两个表面的反射光汇聚到所CMOS器件之上，形成两个尖而高的单峰。

6.根据权利要求5所述的透明物体厚度激光测量方法，其特征在于，所述线阵CMOS器件所在直线与所述接收透镜所在直线和所述待测透明物体的法线相交于同一点。

7.根据权利要求1-6任一项所述的透明物体厚度激光测量方法，其特征在于，所述激光器为半导体激光二极管。

8.一种用于实现权利要求1-7任一项所述方法的透明物体厚度激光测量系统，其特征在于，包括：激光器、发射透镜、滤光片、接收透镜、线阵CMOS器件以及处理器，其中：所述发射透镜位于所述激光器的出射端，且所述激光器、发射透镜与待测透明物体前表面组成发射光路；所述待测透明物体后表面、所述滤光片、所述接收透镜组成接收光路；所述发射光路和所述接收光路均连接到所述线阵CMOS器件的输入端，所述线阵CMOS器件的输出端连接所述处理器；其中：

所述激光器发出的激光束经过所述发射透镜后形成一束聚焦激光束，所述聚焦激光束投向待测透明物体前表面，经所述待测透明物体前表面反射后的光束经过所述滤光片和所述接收透镜后在所述线阵CMOS器件上形成前表面成像波形；经所述待测透明物体前表面折射后的光束达到所述待测透明物体后表面，经所述待测透明物体后表面反射和二次折射后在所述线阵CMOS器件上形成后表面成像波形；

所述处理器接收所述线阵CMOS器件的成像波形，根据激光三角测距原理计算得到所述待测透明物体的厚度。