專利名稱：多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度 的裝置及方法，屬于微位移檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
精密玻璃厚度測量是工程領(lǐng)域一直需要面對和解決的問題。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，厚度測量方法不斷的推陳出新，包括光學測量法、干涉測量法和衍射法等。利用這些方法一般都不能達到高準確度角度測量的要求。由于光學測角由于具有非接觸性、精度高和結(jié)構(gòu)簡單等特點而備受人們的重視， 因此使用光學測角的方法得到了越來越廣泛的應(yīng)用。正是基于此種情況，我們提出了一種基于多光束激光外差檢測的動態(tài)測角算法，其特點是不需要動鏡的方向信息，可以在滿足精度的同時實現(xiàn)大范圍傾角檢測。但是上述基于多光束激光外差檢測的動態(tài)測角算法采集的激光差頻信號質(zhì)量和信號處理的運算速度均不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有基于多光束激光外差檢測的動態(tài)測角算法采集的激光差頻信號質(zhì)量和信號處理的運算速度均不理想的問題，而提出的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置及方法。多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置及方法，所述裝置由激光器、偏振分束鏡PBS、四分之一波片、振鏡、平面反射鏡、待測厚度玻璃板、會聚透鏡、光電探測器和信號處理系統(tǒng)組成，激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng)偏振分束鏡PBS反射后入射至四分之一波片，經(jīng)該四分之一波片透射后的光束入射至振鏡的光接收面，經(jīng)該振鏡反射的光束再次經(jīng)四分之一波片透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS，經(jīng)該偏振分束鏡PBS透射后的光束入射至平面反射鏡的反射面，經(jīng)該平面反射鏡反射后的光束入射至待測厚度玻璃板，經(jīng)該待測厚度玻璃板前表面透射的光束在該待測厚度玻璃板內(nèi)、經(jīng)該待測厚度玻璃板后表面多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經(jīng)該待測厚度玻璃板的前表面透射之后與經(jīng)該待測厚度玻璃板前表面反射后的光束均通過會聚透鏡匯聚至光電探測器的光敏面上，所述光電探測器輸出電信號給信號處理系統(tǒng)。采用上述多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置及方法實現(xiàn)玻璃厚度測量的方法，該方法的過程為首先，利用二維調(diào)整架調(diào)節(jié)平面反射鏡和待測厚度玻璃板的位置，使平面反射鏡的反射光入射到待測厚度玻璃板的中心位置；然后，打開振鏡的驅(qū)動電源使振鏡開始做簡諧振動；同時，打開激光器；開始測量，在測量過程中，通過信號處理系統(tǒng)連續(xù)采集光電探測器輸出的電信號，并對采集到的信號進行處理，獲得待測厚度玻璃板的厚度d，d = f/K,式中f為干涉信號的頻率，K為比例系數(shù)。本申請所述測量裝置及方法不但具有傳統(tǒng)光學測角技術(shù)具有非接觸性、精度高和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，還具有采集的激光差頻信號質(zhì)量高和信號處理的運算速度快的突出優(yōu)點。本申請通過在光路中加入振鏡4，振鏡4在正弦驅(qū)動信號作用下作簡諧振動，可以對不同時刻入射到其前表面的光進行頻率調(diào)制，把待測厚度玻璃6的信息加載到外差信號二次諧波的頻率差中，通過傅里葉變化就可以解調(diào)出待測厚度玻璃6信息，且測量精度極高。將激光外差技術(shù)和激光多普勒技術(shù)結(jié)合使用，將兩種技術(shù)的優(yōu)勢很好的應(yīng)用到了玻璃厚度的檢測上，使得調(diào)制、檢測、處理簡單易行。本申請所述方法是一種良好的非接觸測量玻璃厚度的方法，可以應(yīng)用在惡劣測量環(huán)境上。應(yīng)用此方法測量玻璃厚度時具有精度高，線形度好，測量速度快等優(yōu)勢。仿真結(jié)果表明，該方法在測量不同玻璃厚度時，測量誤差小于0. 08%，說明該方法應(yīng)用是可行、可靠的，能夠滿足微小玻璃厚度測量的要求，為許多工程領(lǐng)域提供了很好的測量手段，可以廣泛的應(yīng)用于激光雷達、機械、儀器儀表和電子產(chǎn)品制造業(yè)中。


圖1為本發(fā)明所述多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為待測厚度玻璃板的多光束激光干涉原理圖；圖3為多光束激光外差二次諧波信號的傅里葉變換頻譜圖；圖4為測量不同玻璃厚度測量對應(yīng)的傅里葉變換頻譜；圖中最左邊譜線表示待測玻璃厚度為Imm依次按照步長2mm增加到最后邊譜線為待測玻璃厚度為15mm
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置，該裝置由激光器1、偏振分束鏡 PBS2、四分之一波片3、振鏡4、平面反射鏡5、待測厚度玻璃板6、會聚透鏡7、光電探測器8 和信號處理系統(tǒng)9組成，激光器1發(fā)出的線偏振光經(jīng)偏振分束鏡PBS2反射后入射至四分之一波片3，經(jīng)該四分之一波片3透射后的光束入射至振鏡4的光接收面，經(jīng)該振鏡4反射的光束再次經(jīng)四分之一波片3透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS2，經(jīng)該偏振分束鏡PBS2透射后的光束入射至平面反射鏡5的反射面，經(jīng)該平面反射鏡5反射后的光束入射至待測厚度玻璃板6，經(jīng)該待測厚度玻璃板6前表面透射的光束再被該待測厚度玻璃板6后表面反射獲得反射光，該反射光與經(jīng)該待測厚度玻璃板6前表面反射后的光束均通過會聚透鏡7匯聚至光電探測器8的光敏面上，所述光電探測器8輸出電信號給信號處理系統(tǒng)9。本實施方式中的振鏡4可以對不同時刻入射到其表面的激光頻率進行正弦調(diào)制。本實施方式所述裝置在使用時，首先，打開激光器1，使線偏振光依次經(jīng)過偏振分束鏡PBS2和四分之一波片3后照射到振鏡4前表面上，而不同時刻被振鏡4調(diào)制的反射光又經(jīng)過四分之一波片3后透過偏振分束鏡PBS2斜入射到粘貼在標準梁上的平面反射鏡5 表面上，反射光經(jīng)待測厚度玻璃板6前表面透射的光被待測厚度玻璃板6的后表面反射后與經(jīng)過待測厚度玻璃板6前表面反射的光一起被會聚透鏡7會聚到光電探測器8 的光敏面上，最后經(jīng)光電探測器8光電轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過信號處理系統(tǒng)9后得到不同時刻待測的參數(shù)信息。這樣，就可以通過多普勒振鏡正弦調(diào)制調(diào)制多光束激光外差二次諧波法測得玻璃厚度。
具體實施方式
二 本實施方式為對實施方式一的進一步說明，所述激光器1為Htl 固體激光器。
具體實施方式
三本實施方式為對實施方式一、二或三的進一步說明，所述信號處理系統(tǒng)9由濾波器9-1、前置放大器9-2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D9-3和數(shù)字信號處理器DSP9-4組成，所述濾波器9-1對接收到的光電探測器8輸出的電信號進行濾波之后發(fā)送給前置放大器9-2，經(jīng)前置放大器9-2放大之后的信號輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D9-3，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器 A/D9-3將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送給數(shù)字信號處理器DSP9-4。
具體實施方式
四本實施方式為對實施方式一至三的進一步說明，所述振鏡4為多普勒振鏡，其簡諧振動方程為x(t) = X0Cos ( ω ct),式中Χο為多普勒振鏡振動的振幅，ω。為多普勒振鏡的角頻率，c為光速，t為時間，其速度方程為v(t) = - ω cx0sin ( ω ct)。
具體實施方式
五結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式為多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置實現(xiàn)玻璃厚度測量的方法，所述方法的過程為首先，利用二維調(diào)整架調(diào)節(jié)平面反射鏡5和待測厚度玻璃板6的位置，使平面反射鏡5的反射光入射到待測厚度玻璃板6的中心位置；然后，打開振鏡4的驅(qū)動電源使振鏡4開始做簡諧振動；同時，打開激光器1 ；開始測量，在測量過程中，通過信號處理系統(tǒng)9連續(xù)采集光電探測器8輸出的電信號，并對采集到的信號進行處理，獲得待測厚度玻璃板6的厚度d，d = f/K,式中f為二次諧波信號的頻率，K為比例系數(shù)。
具體實施方式
六結(jié)合圖1至圖4說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
五不同點在于對所述通過信號處理系統(tǒng)9連續(xù)采集光電探測器8輸出的電信號，并對采集到的信號進行處理，獲得待測厚度玻璃板6的厚度d的過程中，所述頻率f和比例系數(shù)K是采用下述方法獲得由于光束在待測厚度玻璃板6的前后表面之間會不斷地反射和折射，光混頻由激光在待測厚度玻璃板6前表面的反射光與待測厚度玻璃板6后表面反射k次和k+1 次后的透射出待測厚度玻璃板6前表面產(chǎn)生的幅度相差2 3個數(shù)量級的兩個差頻信號， 經(jīng)過傅里葉變換后，為了能夠采集到較好的激光差頻信號和提高信號處理的運算速度，
所述測量方法中的二次諧頻差為檢測待測厚度玻璃板6后表面k次反射的&與待測厚度玻璃板6后表面k+2次反射后的Ek+2光混頻所形成；當激光以入射角θ ^斜入射待測厚度玻璃板6前表面時的入射光場為E (t) = EpxpCi ω。!)公式 1振鏡4的簡諧振動方程為x(t) = X0Cos (ω ct)公式 2振鏡4的速度方程為v(t) = -COcXtlSin (ω ct)公式 3由于振鏡4的運動，反射光的頻率變?yōu)棣?= ω0(1-2ωεχ08 η(ωε )/ο)公式 4上述公式中參數(shù)Oci為激光角頻率，參數(shù)為振鏡4振動的振幅，參數(shù)ω。為振鏡 4的角頻率，參數(shù)c為光速；則t-1/c時刻到達待測厚度玻璃板6前表面的反射光場為E0 (t) = α ^exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-L/c)) /c)公式 5(t-L/c) + ω 0x0cos ( ω c (t_L/c)) /c]}式中，參數(shù)= r，r為待測厚度玻璃板6的反射系數(shù)。1為振鏡4到待測厚度玻璃板6前表面的光程，E1為振幅常數(shù)；經(jīng)待測厚度玻璃板6透射的光在不同時刻被待測厚度玻璃板6后表面反射m次而透射出待測厚度玻璃板6后，獲得m束反射光的表達式分別寫成如下形式E1Ct) = α ^expUlicOoCUcOcXosir^cOcCt-Q+Zndcos θ )/c))/c)(t- (l+2ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+2ndcos θ )/c)) /c]}E2 (t) = α ^exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (l+4ndcos θ ) /c)) /c)(t- (l+4ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+4ndcos θ )/c)) /c]}E3(t) = α gE^expUliOoCl-ZcOcXosinCcOcCt-d+endcos θ )/c))/c)(t_(l+6ndcos θ )/c) +cooXoCOS (coc(t_(l+6ndcos θ )/c))/c]} 公式 6.·
.Em(t) = c^EpxpUlicOod-ZcOcXosir^cOcCt-d+Zmndcos θ )/c))/c)(t- (l+2mndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+2mndcos θ )/c)) /c]}其中，參數(shù)Ci1= β β ' ... , αω= β β ' r' ‘1)，β為待測厚度玻璃板6前表面的透射系數(shù)，β'為光透射出待測厚度玻璃板6時的透射系數(shù)，r'為待測厚度玻璃板 6內(nèi)部前后表面反射光的反射系數(shù)，θ為光束光從周圍介質(zhì)入射待測厚度玻璃板6前表面
時的折射角，下標m取值為0，1，2......，η為待測厚度玻璃板6的折射率，d為待測厚度玻
璃板6的厚度；光電探測器8接收到的總光場表示為E (t) = E0 (t) +E1 (t) +··· +Em (t)公式 7則光電探測器8輸出的光電流表示為
權(quán)利要求
1.多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置，其特征在于所述裝置由激光器(1)、偏振分束鏡PBS( 、四分之一波片(3)、振鏡G)、平面反射鏡(5)、待測厚度玻璃板(6)、會聚透鏡(7)、光電探測器(8)和信號處理系統(tǒng)(9)組成，激光器(1)發(fā)出的線偏振光經(jīng)偏振分束鏡PBS ( 反射后入射至四分之一波片(3)，經(jīng)該四分之一波片( 透射后的光束入射至振鏡的光接收面，經(jīng)該振鏡(4)反射的光束再次經(jīng)四分之一波片C3)透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS ( ，經(jīng)該偏振分束鏡PBS (2)透射后的光束入射至平面反射鏡(5)的反射面，經(jīng)該平面反射鏡(5)反射后的光束入射至待測厚度玻璃板(6)，經(jīng)該待測厚度玻璃板(6)前表面透射的光束在該待測厚度玻璃板(6)內(nèi)、經(jīng)該待測厚度玻璃板(6)的后表面和前表面多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經(jīng)該待測厚度玻璃板(6)的前表面透射之后與經(jīng)該待測厚度玻璃板(6)前表面反射后的光束均通過會聚透鏡(7)匯聚至光電探測器(8)的光敏面上，所述光電探測器(8)輸出電信號給信號處理系統(tǒng)(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置，其特征在于所述激光器(1)為Htl固體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置，其特征在于所述信號處理系統(tǒng)(9)由濾波器(9-1)、前置放大器(9-2)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(9-;3)和數(shù)字信號處理器DSP (9-4)組成，所述濾波器(9-1)對接收到的光電探測器(8)輸出的電信號進行濾波之后發(fā)送給前置放大器(9-2)，經(jīng)前置放大器(9- 放大之后的信號輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(9-;3)，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D (9-3)將轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送給數(shù)字信號處理器DSP (9-4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置，其特征在于所述振鏡(4)為多普勒振鏡，其簡諧振動方程為χ (t) = X0Cos ( ω ct)，式中^為振鏡⑷振動的振幅，ω。為振鏡⑷的角頻率，c為光速，t為時間，其速度方程為v(t) = - ω cx0sin (ω ct)。
5.采用權(quán)利要求1所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置實現(xiàn)玻璃厚度測量的方法，其特征在于該方法的過程為首先，利用二維調(diào)整架調(diào)節(jié)平面反射鏡( 和待測厚度玻璃板(6)的位置，使平面反射鏡( 反射光入射到待測厚度玻璃板(6)中心位置；然后，打開振鏡(4)的驅(qū)動電源使振鏡(4)開始做簡諧振動；同時，打開激光器(1)；開始測量，在測量過程中，通過信號處理系統(tǒng)(9)連續(xù)采集光電探測器(8)輸出的電信號，并對采集到的信號進行處理，獲得待測厚度玻璃板(6)的厚度d，d = f/K,式中f為二次諧波信號的頻率，K為比例系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置實現(xiàn)玻璃厚度測量的方法，其特征在于對所述通過信號處理系統(tǒng)(9)連續(xù)采集光電探測器(8)輸出的電信號，并對采集到的信號進行處理，獲得待測厚度玻璃板(6)的厚度 d的過程中，所述頻率f和比例系數(shù)K是采用下述方法獲得由于光束在待測厚度玻璃板(6)的前后表面之間會不斷地反射和折射，光混頻由激光在待測厚度玻璃板(6)前表面的反射光與待測厚度玻璃板(6)后表面反射k次和k+Ι次后的透射出待測厚度玻璃板(6)前表面產(chǎn)生的幅度相差2 3個數(shù)量級的兩個差頻信號，所述測量方法中的二次諧頻差為檢測待測厚度玻璃板(6)后表面k次反射的Ek與待測厚度玻璃板(6)后表面k+2次反射后的Ek+2光混頻所形成；當激光以入射角θ ^斜入射待測厚度玻璃板(6)前表面時的入射光場為 E(t) = E1exp(i ω0 )公式 1振鏡(4)的振動方程為x(t) = X0COS (ω ct)公式 2振鏡(4)的速度方程為v(t) = - ω cx0sin (ω ct)公式 3由于振鏡(4)的運動，反射光的頻率變?yōu)?ω = ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω ct) /c)公式 4上述公式中參數(shù)ω^為激光角頻率，參數(shù)X(l為振鏡(4)振動的振幅，參數(shù)ω。為振鏡(4) 的角頻率，參數(shù)c為光速；則t-1/c時刻到達待測厚度玻璃板(6)前表面的反射光場為 E0 ⑴=α Exexp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-l/c)) /c)公式5(t-l/c) + ω 0x0cos (ω c (t_l/c)) /c]}式中，參數(shù)c^ = r，r為待測厚度玻璃板(6)的反射系數(shù)；1為振鏡(4)到待測厚度玻璃板(6)前表面的光程，E1為振幅常數(shù)；經(jīng)待測厚度玻璃板(6)透射的光在不同時刻被待測厚度玻璃板(6)后表面反射m次而透射出待測厚度玻璃板(6)后，獲得m束反射光的表達式分別寫成如下形式 E1 ⑴=α jE^xp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (l+2ndcos θ ) /c)) /c) (t- (l+2ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+2ndcos θ )/c)) /c]} E2 (t) = α 2E1exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (l+4ndcos θ ) /c)) /c) (t- (l+4ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+4ndcos θ )/c)) /c]} E3 (t) = α 3E1exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (l+6ndcos θ ) /c)) /c) (t- (l+6ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+6ndcos θ )/c)) /c]}公式 6Em (t) = α ,J1E1Gxp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (l+2mndcos θ ) /c)) /c) (t- (l+2mndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+2mndcos θ )/c)) /c]} 其中，參數(shù)Ci1 = β β，r’，...，Cim = β β，r’ ‘1)，β為待測厚度玻璃板(6)前表面的透射系數(shù)，β'為光透射出待測厚度玻璃板(6)時的透射系數(shù)，r'為待測厚度玻璃板 (6)內(nèi)部前后表面反射光的反射系數(shù)，θ為光束光從周圍介質(zhì)入射待測厚度玻璃板(6)前表面時的折射角，下標m取值為0，1，2......，η為待測厚度玻璃板(6)的折射率，d為待測厚度玻璃板(6)的厚度；光電探測器(8)接收到的總光場表示為E(t) = E0 (t)+E1U)+-+Em (t)公式 7則光電探測器(8)輸出的光電流表示為
全文摘要
多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置及方法，它涉及多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量玻璃厚度的裝置及方法。它為解決現(xiàn)有基于多光束激光外差檢測的動態(tài)測角算法采集的激光差頻信號質(zhì)量和信號處理的運算速度均不理想的問題而提出。所述方法為調(diào)節(jié)平面反射鏡和待測厚度玻璃板的位置；振鏡做簡諧振動的同時打開激光器；信號處理系統(tǒng)連續(xù)采集光電探測器輸出的電信號，并對采集到的信號進行處理，獲得待測厚度玻璃板的厚度。它具有采集的激光差頻信號質(zhì)量高和信號處理的運算速度快的突出優(yōu)點。它可以廣泛的應(yīng)用于激光雷達、機械、儀器儀表和電子產(chǎn)品制造業(yè)中。
文檔編號G01B11/06GK102331234SQ20111014514
公開日2012年1月25日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者李彥超, 王春暉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學