CN103940353B - 线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置及方法，属于光学测量技术领域。本发明为了解决现有玻璃厚度的测量方法，由于只能得到单一的待测参数值，造成测量结果误差大的问题。装置包括待测平板玻璃、线性调频激光器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统；方法首先打开线性调频激光器，使其发出线偏振光，并使光电探测器开始接收光束信号，数字信号处理器DSP连续采集光电探测器输出的电信号，并对采集到的差频信号进行处理，根据频率与厚度的关系，获得待测平板玻璃的厚度。本发明用于测量玻璃厚度。

Description

线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置及 方法

技术领域

本发明涉及线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置及方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

精密玻璃厚度测量是工程领域一直在面对并欲解决的问题。随着科学技术的发展，厚度测量方法不断的推陈出新，其中包括光学测量法、干涉测量法和衍射法等。但是这些方法的测量精度有限，很难满足高精度厚度测量的需求。

光学测厚由于具有非接触性、精度高和结构简单等特点而备受人们的重视，使用光学方法进行厚度的测量得到了越来越广泛的应用。在光学测量方法中，激光外差测量技术继承了激光外差技术的诸多优点，是目前超高精度测量方法之一，但传统的激光外差信号频谱解调后只能得到单一的待测参数值，使玻璃厚度的测量结果误差大。

发明内容

本发明目的是为了解决现有玻璃厚度的测量方法，由于只能得到单一的待测参数值，造成测量结果误差大的的问题，提供了一种线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置及方法。

本发明所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置，它包括待测平板玻璃，它还包括线性调频激光器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统，

线性调频激光器发出的线偏振光经第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后，斜入射至待测平板玻璃的前表面，经待测平板玻璃前表面透射的光束被待测平板玻璃的后表面反射后，与经待测平板玻璃前表面反射的光束共同被会聚透镜汇聚到光电探测器的光敏面上，光电探测器将接收的光束信号转换后获得电信号，光电探测器输出电信号给信号处理系统，信号处理系统用于对接收的电信号进行处理，获得待测平板玻璃的厚度d。

所述信号处理系统由滤波器、前置放大器、模数转换器和数字信号处理器DSP组成，

光电探测器输出电信号给信号处理系统的滤波器，经滤波器滤波后传送给前置放大器，前置放大器将接收的信号放大后输出模拟信号给模数转换器，模数转换器将模拟信号转换为数字信号后发送给数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP对接收到的数字信号进行处理，获得待测平板玻璃的厚度d。

采用上述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置实现线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的方法，该方法的过程为：

首先，打开线性调频激光器，使其发出线偏振光，并使光电探测器开始接收光束信号，数字信号处理器DSP连续采集光电探测器输出的电信号，并对采集到的差频信号进行处理，根据频率与厚度的关系：

f＝Kd，

获得待测平板玻璃的厚度d：

d＝f/K，

式中f为外差信号的频率，K为比例系数。

待测平板玻璃的厚度d获得的具体过程为：

设定第二平面反射镜反射后的光束以入射角θ₀斜入射至待测平板玻璃的前表面，此时光电探测器接收的光束信号的总光场E_Σ(t)为：

E_Σ(t)＝E₁(t)+E₂(t)+...+E_m(t)，m为大于1的正整数；

式中E₁(t)为t-l/c时刻到达待测平板玻璃前表面并被该前表面反射的反射光的光场，按以下公式获得：

式中α₁为系数，α₁＝γ，γ为光从周围介质射入待测平板玻璃时的反射率；E₀为入射光场振幅，i表示虚数，ω₀为入射光场角频率，t为时间，l为第二平面反射镜反射后的光束到达待测平板玻璃的前表面的光程，c为光速；k为调频带宽的变化率：

其中T为调频周期，△F为调频带宽；

E₂(t),...,E_m(t)为在待测平板玻璃的后表面和前表面多次反射后获得的多束反射光的反射光场：

式中，α₂,α₃,...,α_m均为系数，且α₂＝ββ'γ'，α₃＝ββ'(γ')³，……，α_m＝ββ'(γ')^(2m-3)；式中的β为光从周围介质射入待测平板玻璃时的透射率，β'为待测平板玻璃前后表面多次反射光射出待测平板玻璃时的透射率，γ'为待测平板玻璃后表面的反射率；θ为光束从周围介质入射至待测平板玻璃前表面时的折射角，n为待测平板玻璃的折射率；

光电探测器输出的光电流I为：

式中η为量子效率，e为电子电量，h为普朗克常数，v为线性调频激光器发出的线偏振光的频率，Z为光电探测器表面介质的本征阻抗，D为光电探测器光敏面的面积，*号表示复数共轭；

光电流I经过处理，滤除直流项后，获得的交流项为中频电流I_IF，则中频电流I_IF为：

其中，p＝2,3,...,m-2；

对中频电流I_IF进行傅里叶变换，获取其外差信号的频率f：

对上式进行计算，获得待测平板玻璃的厚度d。

cosθ的结果通过多光束激光外差二次谐波信号频谱中两个频谱曲线中心频率的比值ζ获得：

ζ＝cosθ。

本发明的优点：本发明基于线性调频技术与激光外差技术，通过线性调频技术将待测参数信息调制到外差信号二次谐波中，通过对激光外差二次谐波的解调可以精确获得待测玻璃厚度信息，它能够采集到较好的激光差频信号和提高信号处理的运算速度，经实验仿真验证，本发明获得的玻璃厚度测量误差小于0.01％，在满足测量精度的同时能够实现大范围厚度检测。

附图说明

图1是本发明所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置的光路示意图；

图2是多光束激光干涉原理示意图；

图3是多光束激光外差二次谐波信号的傅里叶变换频谱图；

图4为表1中不同平板玻璃厚度测量对应的频谱图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置，它包括待测平板玻璃1，其特征在于，它还包括线性调频激光器2、第一平面反射镜3、第二平面反射镜4、会聚透镜5、光电探测器6和信号处理系统7，

线性调频激光器2发出的线偏振光经第一平面反射镜3和第二平面反射镜4反射后，斜入射至待测平板玻璃1的前表面，经待测平板玻璃1前表面透射的光束被待测平板玻璃1的后表面反射后，与经待测平板玻璃1前表面反射的光束共同被会聚透镜5汇聚到光电探测器6的光敏面上，光电探测器6将接收的光束信号转换后获得电信号，光电探测器6输出电信号给信号处理系统7，信号处理系统7用于对接收的电信号进行处理，获得待测平板玻璃1的厚度d。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述信号处理系统7由滤波器7-1、前置放大器7-2、模数转换器7-3和数字信号处理器DSP7-4组成，

光电探测器6输出电信号给信号处理系统7的滤波器7-1，经滤波器7-1滤波后传送给前置放大器7-2，前置放大器7-2将接收的信号放大后输出模拟信号给模数转换器7-3，模数转换器7-3将模拟信号转换为数字信号后发送给数字信号处理器DSP7-4，数字信号处理器DSP7-4对接收到的数字信号进行处理，获得待测平板玻璃1的厚度d。

本实施方式中滤波器7-1为低通滤波器。

具体实施方式三：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为采用上述线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置实现线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的方法，该方法的过程为：

首先，打开线性调频激光器2，使其发出线偏振光，并使光电探测器6开始接收光束信号，数字信号处理器DSP7-4连续采集光电探测器6输出的电信号，并对采集到的差频信号进行处理，根据频率与厚度的关系：

f＝Kd，

获得待测平板玻璃1的厚度d：

d＝f/K，

式中f为外差信号的频率，K为比例系数。

具体实施方式四：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，本实施方式所述待测平板玻璃1的厚度d获得的具体过程为：

设定第二平面反射镜4反射后的光束以入射角θ₀斜入射至待测平板玻璃1的前表面，此时光电探测器6接收的光束信号的总光场E_Σ(t)为：

E_Σ(t)＝E₁(t)+E₂(t)+...+E_m(t)，m为大于1的正整数；

式中E₁(t)为t-l/c时刻到达待测平板玻璃1前表面并被该前表面反射的反射光的光场，按以下公式获得：

式中α₁为系数，α₁＝γ，γ为光从周围介质射入待测平板玻璃1时的反射率；E₀为入射光场振幅，i表示虚数，ω₀为入射光场角频率，t为时间，l为第二平面反射镜4反射后的光束到达待测平板玻璃1的前表面的光程，c为光速；k为调频带宽的变化率：

其中T为调频周期，△F为调频带宽；

E₂(t),...,E_m(t)为在待测平板玻璃1的后表面和前表面多次反射后获得的多束反射光的反射光场：

式中，α₂,α₃,...,α_m均为系数，且α₂＝ββ'γ'，α₃＝ββ'(γ')³，……，α_m＝ββ'(γ')^(2m-3)；式中的β为光从周围介质射入待测平板玻璃1时的透射率，β'为待测平板玻璃1前后表面多次反射光射出待测平板玻璃1时的透射率，γ'为待测平板玻璃1后表面的反射率；θ为光束从周围介质入射至待测平板玻璃1前表面时的折射角，n为待测平板玻璃1的折射率；

光电探测器6输出的光电流I为：

式中η为量子效率，e为电子电量，h为普朗克常数，v为线性调频激光器2发出的线偏振光的频率，Z为光电探测器6表面介质的本征阻抗，D为光电探测器6光敏面的面积，*号表示复数共轭；

光电流I经过处理，滤除直流项后，获得的交流项为中频电流I_IF，则中频电流I_IF为：

其中，p＝2,3,...,m-2；

对中频电流I_IF进行傅里叶变换，获取其外差信号的频率f：

对上式进行计算，获得待测平板玻璃1的厚度d。

本实施方式中，如图2所示，由于光束在待测平板玻璃1的前后表面之间会不断地反射和折射，而这种反射和折射对于反射光和透射光在无穷远处或透镜焦平面上的干涉都有贡献，所以在讨论干涉现象时，必须考虑多次反射和折射效应，即应讨论多光束激光干涉。

但是，由于激光在平板玻璃前表面的反射光与平板玻璃后表面相邻两次反射后透射出平板玻璃前表面的光混频，产生的两个差频信号的幅度相差2～3个数量级，经过傅里叶变换后，为了能够采集到较好的激光差频信号和提高信号处理的运算速度，仅考虑所检测的后表面第p-1次反射的E_p-1(t)与后表面p+1次反射后的E_p+1(t)光混频所产生的二次谐频差。

当第二平面反射镜4反射后的光束以入射角θ₀斜入射至待测平板玻璃1的前表面时，入射光场的数学表达式为：

E(t)＝E₀exp{i(ω₀t+kt²)}。

该E(t)与光电探测器6接收的光束信号的总光场E_Σ(t)在理论上相等。

只考虑E_p-1(t)和E_p+1(t)光混频所产生的差频信号，直流项经过低通滤波器后可以滤除，因此，只考虑交流项，此交流项通常称为中频电流，整理可得中频电流I_IF：

其中，p和j均为非负整数。

经整理获得：

上式中有待测平板玻璃1的厚度d信息，针对中频项中频率差进行分析，采用傅里叶变换很容易实现频率测量。此时，把外差信号的频率记为：

由此得知外差信号的频率与平板玻璃厚度成正比，其比例系数为：

该比例系数与平板玻璃的折射角θ、折射率n、调频带宽的变化率k及光速c有关。

具体实施方式五：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，本实施方式所述cosθ的结果通过多光束激光外差二次谐波信号频谱中两个频谱曲线中心频率的比值ζ获得：

ζ＝cosθ。

根据折射定律获得θ₀：

θ₀＝arcsin(nsinθ)。

本发明数值模拟与结果分析：

应用Matlab来验证本发明方法的可行性，通常情况下平板玻璃的折射率n＝1.493983；线性调频激光器波长为1.55μm，调频周期T＝1ms，调频带宽△F＝5GHz。

对本发明方法进行仿真，经信号处理得到的线性调频多光束激光外差二次谐波信号的傅里叶变换频谱如图3所示，其中实线为激光斜入射情况下，测量平板玻璃厚度d时对应线性调频多光束激光外差二次谐波信号的傅里叶变换频谱；虚线为激光正入射情况下，测量厚度d时对应线性调频多光束激光外差二次谐波信号的傅里叶变换频谱。

从图3中可以看到，实验中给出了正入射的情况下的理论曲线，目的是：在线性调频多光束激光外差二次谐波信号频谱图中，可以同时得到斜入射时多光束激光外差二次谐波信号频谱第一个主峰的中心频率和正入射时理论曲线的中心频率的数值，这样，很容易得到的两个中心频率的比值ζ：

ζ＝cosθ，

在得到中心频率的情况下，由上式可以算出激光经平板玻璃后折射角θ的大小，进而根据折射定律可以获得入射角θ₀的大小，最后求得K的数值，最终获得平板玻璃厚度d的值。

同时，利用Matlab仿真得到了不同入射角θ₀情况下，线性调频多光束激光外差测量平板玻璃厚度对应的多光束激光外差信号傅里叶变换频谱如图4所示，从图4中可以看出，随着平板玻璃厚度的增加，频谱的相对位置向高频方向移动即随着厚度的增加频率增加。原因在于：在平板玻璃入射角不变的情况下，比例系数K是一个常数，当厚度增加时，由于频率f与平板玻璃厚度d关系为f＝Kd，K不变的情况下，频率f和平板玻璃厚度d呈线性关系。因此，厚度增加时频率也随之增加即随着厚度的增加，频谱的相对位置向高频方向移动，图4很好地验证了前面理论分析的正确性。需要说明的是，由于外差探测是一种近衍射极限的探测方式，探测灵敏度极高，因此图4中外差信号的信噪比非常高。

利用线性调频多光束激光外差二次谐波测量法，连续测量八组数据，得到了不同平板玻璃厚度的仿真测量结果，如表1所示：

表1不同平板玻璃厚度的实际值d和仿真测量值d_i

利用表1的仿真实验数据，最终可以得到测量值的最大相对误差小于0.01％，可以看出本发明方法的测量精度非常高。同时，分析数据还可以看出，环境带来的系统误差和读数误差在仿真中是可以忽略的，仿真实验中的误差主要来自于快速傅里叶变换FFT后的精度误差和计算过程中的舍入误差。

根据工程领域高精度测量平板玻璃厚度的需要，本发明将线性调频技术和激光外差技术有效结合，提出了一种线性调频多光束激光外差二次谐波测量平板玻璃厚度的方法，通过线性调频技术对不同时刻入射到其前表面的光进行频率调制，把待测的平板玻璃厚度信息加载到外差信号二次谐波的频率差中，通过傅里叶变化很容易就可以解调出待测平板玻璃厚度信息，且测量精度极高，同时能够采集到较好的激光差频信号，使得信号的调制和解调简单易行，提高了信号处理的运算速度。该方法是一种良好的非接触测量平板玻璃厚度的方法，可以应用在恶劣测量环境下。应用此方法测量平板玻璃厚度时具有精度高，线形度好，测量速度快等优势。

仿真结果表明，该方法在测量不同平板玻璃厚度时，测量误差小于0.01％，说明该方法应用是可行、可靠的，能够满足微小玻璃厚度测量的要求，为许多工程领域提供了很好的测量手段，可以广泛的应用于激光雷达、机械、仪器仪表和电子产品制造业中，具有很好应用前景和价值。

Claims (2)

1.采用线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置实现线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的方法，且所述的线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的装置包括待测平板玻璃(1)、线性调频激光器(2)、第一平面反射镜(3)、第二平面反射镜(4)、会聚透镜(5)、光电探测器(6)和信号处理系统(7)，

线性调频激光器(2)发出的线偏振光经第一平面反射镜(3)和第二平面反射镜(4)反射后，斜入射至待测平板玻璃(1)的前表面，经待测平板玻璃(1)前表面透射的光束被待测平板玻璃(1)的后表面反射后，与经待测平板玻璃(1)前表面反射的光束共同被会聚透镜(5)汇聚到光电探测器(6)的光敏面上，光电探测器(6)将接收的光束信号转换后获得电信号，光电探测器(6)输出电信号给信号处理系统(7)，信号处理系统(7)用于对接收的电信号进行处理，获得待测平板玻璃(1)的厚度d；

所述信号处理系统(7)由滤波器(7-1)、前置放大器(7-2)、模数转换器(7-3)和数字信号处理器DSP(7-4)组成，

光电探测器(6)输出电信号给信号处理系统(7)的滤波器(7-1)，经滤波器(7-1)滤波后传送给前置放大器(7-2)，前置放大器(7-2)将接收的信号放大后输出模拟信号给模数转换器(7-3)，模数转换器(7-3)将模拟信号转换为数字信号后发送给数字信号处理器DSP(7-4)，数字信号处理器DSP(7-4)对接收到的数字信号进行处理，获得待测平板玻璃(1)的厚度d；

测量玻璃厚度的方法包括如下步骤：

首先，打开线性调频激光器(2)，使其发出线偏振光，并使光电探测器(6)开始接收光束信号，数字信号处理器DSP(7-4)连续采集光电探测器(6)输出的电信号，并对采集到的差频信号进行处理，根据频率与厚度的关系：

f＝K d，

获得待测平板玻璃(1)的厚度d：

d＝f/K，

式中f为外差信号的频率，K为比例系数；

其特征在于，

待测平板玻璃(1)的厚度d获得的具体过程为：

设定第二平面反射镜(4)反射后的光束以入射角θ₀斜入射至待测平板玻璃(1)的前表面，此时光电探测器(6)接收的光束信号的总光场E_Σ(t)为：

E_Σ(t)＝E₁(t)+E₂(t)+...+E_m(t)，m为大于1的正整数；

式中E₁(t)为t-l/c时刻到达待测平板玻璃(1)前表面并被该前表面反射的反射光的光场，按以下公式获得：

$E_1\left(t\right)={\mathrm{\α}}_1{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{l}{c})+k{(t-\frac{l}{c})}^2\]\},$

式中α₁为系数，α₁＝γ，γ为光从周围介质射入待测平板玻璃(1)时的反射率；E₀为入射光场振幅，i表示虚数，ω0为入射光场角频率，t为时间，l为第二平面反射镜(4)反射后的光束到达待测平板玻璃(1)的前表面的光程，c为光速；k为调频带宽的变化率：

$k=\frac{\mathrm{\Δ}F}{T},$

其中T为调频周期，△F为调频带宽；

E₂(t),...,E_m(t)为在待测平板玻璃(1)的后表面和前表面多次反射后获得的多束反射光的反射光场：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_2\left(t\right)={\mathrm{\α}}_2{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{l-2nd\cos \mathrm{\θ}}{c})+k{(t-\frac{l+2nd\cos \mathrm{\θ}}{c})}^2+\frac{2{\mathrm{\ω}}_{0}nd\cos \mathrm{\θ}}{c}\]\}\\ E_3\left(t\right)={\mathrm{\α}}_3{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{l+4nd\cos \mathrm{\θ}}{c})+k{(t-\frac{l+4nd\cos \mathrm{\θ}}{c})}^2+\frac{4{\mathrm{\ω}}_{0}nd\cos \mathrm{\θ}}{c}\]\}\\ ...\\ E_m\left(t\right)={\mathrm{\α}}_m{E}_0\exp \{i\[{\mathrm{\ω}}_0(t-\frac{l+2(m-1)nd\cos \mathrm{\θ}}{c})+k{(t-\frac{l+2(m-1)nd\cos \mathrm{\θ}}{c})}^2+\frac{2{\mathrm{\ω}}_0(m-1)nd\cos \mathrm{\θ}}{c}\]\}\end{array}\right.,$

式中，α₂,α₃,...,α_m均为系数，且α₂＝ββ′γ′，α₃＝ββ′(γ′)³，……，α_m＝ββ′(γ′)^(2m-3)；式中的β为光从周围介质射入待测平板玻璃(1)时的透射率，β′为待测平板玻璃(1)前后表面多次反射光射出待测平板玻璃(1)时的透射率，γ′为待测平板玻璃(1)后表面的反射率；θ为光束从周围介质入射至待测平板玻璃(1)前表面时的折射角，n为待测平板玻璃(1)的折射率；

光电探测器(6)输出的光电流I为：

$I=\frac{\mathrm{\η}e}{hv}\frac{1}{Z}\underset{D}{\∫\∫}\frac{1}{2}\[E_1\left(t\right)+E_2\left(t\right)+L+E_m\left(t\right)\]{\[E_1\left(t\right)+E_2\left(t\right)+L+E_m\left(t\right)\]}^{*}ds,$

式中η为量子效率，e为电子电量，h为普朗克常数，v为线性调频激光器(2)发出的线偏振光的频率，Z为光电探测器(6)表面介质的本征阻抗，D为光电探测器(6)光敏面的面积，*号表示复数共轭；

光电流I经过处理，滤除直流项后，获得的交流项为中频电流I_IF，则中频电流I_IF为：

$I_{IF}=\frac{\mathrm{\η}e}{hv}\frac{\mathrm{\π}}{Z}{E}_0^2\underset{p=2}{\overset{m-2}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{p+2}{\mathrm{\α}}_{p}cos(\frac{8kndcos\mathrm{\θ}}{c}t-\frac{8kndcos\mathrm{\θ}(l+ndcos\mathrm{\θ})}{c^2}),$

其中，p＝2,3,...,m-2；

对中频电流I_IF进行傅里叶变换，获取其外差信号的频率f：

$f=\frac{8kndcos\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}c}=\frac{4kndcos\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}c}=Kd,$

$K=\frac{4kncos\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}c},$

对上式进行计算，获得待测平板玻璃(1)的厚度d。

2.根据权利要求1所述的线性调频多光束激光外差二次谐波法测量玻璃厚度的方法，其特征在于，cosθ的结果通过多光束激光外差二次谐波信号频谱中两个频谱曲线中心频率的比值ζ获得：

ζ＝cosθ。