CN113405478A - 一种透明材料厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透明材料厚度测量方法。其可以测出透明材料的厚度，特别是当空气洁净度较高时对表面粗糙度为纳米量级的透明材料厚度进行测量。本发明的方法步骤为：1)首先，在待测透明材料的上部依次设置激光器和整形透镜，在待测透明材料的30°～50°角度线处依次设置CCD和成像透镜；2)打开激光器，激光束经过整形透镜之后被调整为发散角更小的光束；光束垂直照射在待测透明材料表面，光束经过透明材料时，在透明材料内部形成一条明亮的线段；用CCD经过成像透镜采集线段的像；3)对采集的图像进行处理，得到图像中线段的长度x'；4)根据光的折射定律以及正弦定理计算出透明材料中线段在空间的实际长度即透明材料的厚度。

Description

一种透明材料厚度测量方法

技术领域

本发明涉及测量方法技术领域，具体涉及一种透明材料厚度测量方法，特别是当空气洁净度较高时对表面粗糙度为纳米量级的透明材料厚度进行测量。

背景技术

透明材料和光电子技术的发展密切相关，在各个领域占据日益重要的地位，已经成为一种不可或缺的材料。它不仅广泛应用在光学透镜、光学元件、光纤、光栅等光电子领域，而且作为建筑材料、医药行业用的器皿、飞机用的风挡、日常佩戴的眼镜片等也有广泛的应用。

透明材料加工速度快，同时由于高温、红热、脆性大和不易接触的特点，必须研究高速非接触的相关技术来保证产品的质量，对透明材料厚度的检测可以提高产品质量，提高成品率，因此具有显著的经济效益和社会效益。

目前，国内外对透明材料厚度检测所采用的的方法包括：荧光浸液法、光栅光谱法、平板电容法、光三角法等。

荧光浸液法是将被测件放入特殊液体中，该液体被(He-Cd)激光照射后会发出荧光，由于被测件本身不发荧光，所以被测件边缘可得清晰的边界，用相机记录光学图像，所采集图像处理后即可得到待测件厚度。此方法具有较高精度，但系统结构复杂，测量速度低；

光栅光谱测量法是基于光栅分光的原理而设计的，系统采用白光照明，经被测透明材料上下两个表面反射后得到的光由凹面光栅分解，分解后的光谱被传感器接收，数据送至上位机进行光谱分析，进而得到被测透明材料的厚度。这种方法的测量精度高、速度快，并且有微区间测量功能，缺点是测量系统结构不易调试；

平板电容法是基于玻璃厚度引起平板间电容变化的原理来测量透明材料厚度，属于非接触测量系统。平板电容法整体结构简单，但极易受空间电磁波干扰和线间分布电容变化的影响，测量精度较低；

光三角法是利用透明介质上、下表面反射光存在位移差的原理，结构简单，测量精度高。和以往的测量方案相比更为方便有效，是目前使用最多的一种方法，可以解决光学玻璃、光学晶体和光学塑料等厚度检测问题。但是，当测量环境洁净度较高并且待测材料表面粗糙度较小时，采集的图像中光斑较弱更甚者没有光斑，此时光三角法不能完成测量。

专利文献1(CN 108106552 A)中，使用双激光三角位移测量厚度，它主要是通过两个同轴对准的不同波段的半导体激光器发出的激光分别垂直照射到物体的两侧表面，然后根据两个阵列CMOS图像采集模块上的光点位置，处理得到物体的厚度。

专利文献2(CN 204854643 U)中，使用斜射式激光三角法对光学元件厚度进行测量，主要是将单色的LED光源汇聚在待测原件或者基准件表面，根据CMOS图像传感器接收到的，由待测原件或者基准件反射回来的光点位置偏离量得到待测原件的厚度。

专利文献3(CN 102679896 A)中，使用两个同轴对准的上下激光器发出两束准直光线，由激光器前端透镜聚焦到被测物表面。被测物上下表面漫反射光线同时成像到图像探测器上，经过计算图像中两个光斑的距离得到被测物的实际厚度。

专利文献4(CN 108981593 B)中，使用单个激光器将激光垂直照射在被测透镜表面，用两个CCD相机分别采集激光在透镜上下表面所成的光斑像，通过处理相机采集的光斑图像，得到透镜的厚度。

以上方法，都是先用CCD或CMOS相机采集待测透明材料上下表面光斑，然后对采集的光斑图像进行处理得到透明材料的厚度。但是当待测透明材料表面光洁度较好并且表面粗糙度较小时，透明材料上下表面散射的光斑较弱，则不能完成准确的测量。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种透明材料厚度测量方法，其可以测出透明材料的厚度，特别是当空气洁净度较高时对表面粗糙度为纳米量级的透明材料厚度进行测量。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种透明材料厚度测量方法，其特征在于：方法步骤为：

1)首先，在待测透明材料的上部依次设置激光器和整形透镜，在待测透明材料的30°～50°角度线处依次设置CCD和成像透镜；

2)打开激光器，激光束经过整形透镜之后被调整为发散角更小的光束；光束垂直照射在待测透明材料表面，光束经过透明材料时，在透明材料内部形成一条明亮的线段；最后，用CCD经过成像透镜采集线段的像；

3)对采集的图像进行处理，得到图像中线段的长度x'；

4)根据光的折射定律以及正弦定理计算出透明材料中线段在空间的实际长度即透明材料的厚度。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本发明采用单个CCD对透明材料厚度信息进行采集，根据线段图像就可以得到透明材料的厚度，可以实现对透明材料厚度进行快速、准确的实时在线测量。

2、本发明采用波长较短的激光器，激光束在经过透明材料时，在透明材料内部形成一条明亮的线段，通过计算线段在实际空间中的长度就可以实现：当空气洁净度较高时，对表面粗糙度为纳米量级的透明材料厚度进行测量。

3、本发明方法可以实现对透明材料厚度快速、准确、高精度、实时在线测量。

附图说明：

图1为透明材料厚度测量示意图；

图2透明材料厚度测量原理图；

1、激光器；2、整形透镜；3、CCD；4、成像透镜；5、待测透明材料。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

本发明提供一种透明材料厚度测量方法步骤为：

1)首先，在待测透明材料5的上部依次设置激光器1和整形透镜2，在待测透明材料5的30°～50°角度线处依次设置CCD3和成像透镜4，如图1所示；

2)打开激光器1，激光束经过整形透镜2之后被调整为发散角更小的光束；光束垂直照射在待测透明材料5表面，光束经过透明材料5时，由于激光波长和材料分子之间的关系，在透明材料5内部形成一条明亮的线段；用CCD3经过成像透镜4采集线段的像；

3)对采集的图像进行处理，得到图像中线段的长度x'；

4)根据光的折射定律以及图2中各部分的空间位置几何关系计算出透明材料中线段在空间的实际长度即透明材料的厚度。

如图2所示，激光器1、成像透镜4、接收CCD3三者成三角型分布。∠ABF是激光光轴与成像透镜光轴的夹角β，∠ANF是成像透镜光轴与CCD接收像面的夹角γ；BD为物体的实际厚度T，BC为相机视角BD的虚像，记BC长度为x；HN为BD在CCD像面上的长度x'；BF和FN分别为物距l和像距l'；CE⊥EF，HM⊥FN。

根据几何光路和三角形相似原理，图2中△FEC相似于△FMH，即可得到公式如下：

由图中的边角关系，可将(1)式进一步写为

其中，l和l'分别表示物距和像距，x为线段虚像的长度。

利用几何光学中的透镜成像高斯公式：

f为成像透镜的焦距，由(3)式可以得到

式(2)进而可写为：

所以虚像的长度x可以表示为：

进一步，由图2中可以得到

EF＝xcosβ+l (7)

在△BEC中，可知：

CE＝xsinβ (8)

在△ECF中，可知：

∠BCE＝90°-β (10)

α＝∠BCO＝∠ECF-∠BCE (11)

在△BOC中，可知：

BO＝xtanα (12)

根据光的折射定律可得：

式中n为空气折射率，n1为透明材料的折射率。

BD即为透明材料的厚度T。

以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种透明材料厚度测量方法，其特征在于：方法步骤为：

1)首先，在待测透明材料(5)的上部依次设置激光器(1)和整形透镜(2)，在待测透明材料(5)的30°～50°角度线处依次设置CCD(3)和成像透镜(4)；

2)打开激光器(1)，激光束经过整形透镜(2)之后被调整为发散角更小的光束；光束垂直照射在待测透明材料(5)表面，光束经过透明材料(5)时，在透明材料(5)内部形成一条明亮的线段；最后，用CCD(3)经过成像透镜(4)采集线段的像；

3)对采集的图像进行处理，得到图像中线段的长度x'；

4)根据光的折射定律以及正弦定理计算出透明材料中线段在空间的实际长度即透明材料的厚度。

Images