[發明專利]實現透明材料厚度和傾斜角度測量的系統及方法

在審

• 申請號: 202110920032.3
• 申請日: 2021-08-11
• 公開（公告）號: CN113465520A
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 李春艷;劉繼紅;李庚鵬;喬琳;李可;呂政;羅豆
• 申請（專利權）人: 西安郵電大學
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06;G01B11/26;G01C9/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 鄭麗紅

本發明提供一種實現透明材料厚度和傾斜角度測量的系統及方法，利用測得的傾斜角度實時修正厚度測量數據，獲得實際厚度，消除了傾角誤差的影響，解決了現有技術中厚度測量受傾角誤差影響大，系統不可靠、實用性降低的問題。該系統包括厚度測量單元和傾斜角度測量單元；厚度測量單元將被測透明材料上下表面反射回的色散光波傳輸至數據處理模塊，傾斜角度測量單元將被測透明材料表面反射回的測角光波傳輸至數據處理模塊，數據處理模塊解算色散光波的光譜，并獲得測角光波在光電探測器上的聚焦點偏離光電探測器中心的距離，通過信號處理和數據解算，得到被測透明材料的傾斜角度，利用傾斜角度修正厚度測量數據，獲得被測透明材料的實際厚度。

技術領域

本發明屬于光電傳感系統精密測量領域，具體涉及一種實現透明材料厚度和傾斜角度測量的系統及方法。

背景技術

光譜共焦法實現透明材料厚度測量系統的基本工作原理如圖1所示，光源發出寬光譜復色白光，通過光纖、耦合器將復色光傳輸到色散物鏡，經色散物鏡產生軸向色散，各光譜形成對應的單色聚焦點，在一定范圍內的出射光軸方向形成聚焦位置與波長之間的精確對應關系，透明材料放置于測量范圍內，上下表面均會反射回特定波長的光；其他光波無法在表面聚焦而形成彌散斑，反射回測量系統的光能極弱。待測透明材料上下表面反射回的光束再次經色散物鏡、耦合器、光纖傳輸至分光系統，經分光系統后由CCD光電探測器接收，根據光譜曲線的兩個峰值對應于上下表面的空間位置，即可推算出透明材料的厚度。透明材料的厚度H可以表示為：

如圖2所示，經過色散物鏡后聚焦在上下表面的光波分別為λ₁、λ₂，h₀為λ₁、λ₂在空氣中的軸向色散距離，n為透明材料的折射率，θ₁為λ₂入射至透明材料上表面的入射角。光譜共焦法使用寬譜光源通過光學色散原理使色散物鏡產生軸向色差，建立色散距離與波長間的對應關系，利用分光光譜儀探測聚焦于物體表面并反射回來的光譜峰值波長，獲得精確的軸向位置或微小位移數據，該系統能夠突破普通光學顯微鏡的衍射極限，達到nm量級的超高測量分辨率，且不易受雜光、振動等干擾因素的影響，對環境及材料具有廣泛的適應性。

實際應用時，由于人為操作或安裝誤差，透明材料放置時，會存在材料表面不與色散物鏡光軸完全垂直的情況，如圖3所示，透明材料表面傾斜角度為θ時，測量出的厚度H’與實際厚度H存在偏差，從而影響系統測量精度。

H＝H′cosθ

理想情況下，色散物鏡光軸與被測透明材料表面完全垂直時測量精度最高，由于環境震動或操作及裝配誤差，難以保證透明材料表面完全水平，因此為實現精確測量，需額外引入傾斜角度測量系統，通過實際測量得到的表面傾斜角度θ，并根據θ值的大小，完成厚度測量的數據補償。但是，額外引入傾斜角度測量系統將導致整體系統結構復雜、體積龐大，這和光學測量儀器小型化、輕型化的需求是矛盾的，另外還會導致系統成本增加，安裝調試困難、操作復雜，特別是對于量產的透明材料，若在測量每件材料厚度前均先測量材料表面傾斜角度會額外增加許多工作量，耗時較多，得不償失。

發明內容

本發明的目的是解決現有光譜共焦法測量透明材料的厚度時，受透明材料表面隨機傾斜角度的影響，導致測量準確度低、誤差大，使得測量系統的性能及實用性降低的問題，提供一種實現透明材料厚度和傾斜角度測量的系統及方法，該系統和方法同時還能夠測量透明材料表面的傾斜角度，利用測量得到的傾斜角度修正厚度測量數據，獲得透明材料的實際厚度。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：