[发明专利]线性调频多光束激光外差测量玻璃厚度的装置及方法

摘要

线性调频多光束激光外差测量玻璃厚度的装置及方法，属于精密玻璃厚度测量技术领域。解决了现有激光外差信号频谱解调后只能得到单一的待测参数值，导致测量玻璃厚度的误差大的问题。本发明的调频激光器发射的激光经二号反射镜反射后入射至一号反射镜，经一号反射镜反射后的光束入射至平面玻璃；该入射光经平板玻璃的前表面与平板玻璃的后表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经平板玻璃透射之后经会聚透镜汇聚至光电探测器的光敏面上；经光电探测器进行光电转换后的电流信号发送至滤波器经滤波器的滤波后信号输出至前置放大器，再经A/D转换器转换后发送至数字信号处理器。本发明适用于测量玻璃厚度。

主权项

线性调频多光束激光外差测量玻璃厚度的装置测量玻璃厚度的方法，该方法基于线性调频多光束激光外差测量玻璃厚度的装置实现，该装置包括数字信号处理器(1)、A/D转换器(2)、前置放大器(3)、滤波器(4)、光电探测器(5)、会聚透镜(6)、平板玻璃(7)、一号反射镜(8)、二号反射镜(9)和调频激光器(10)；调频激光器(10)发射的激光经二号反射镜(9)反射后入射至一号反射镜(8)，经一号反射镜(8)反射后的光束入射至平面玻璃(7)；该入射光经平板玻璃(7)的前表面与平板玻璃(7)的后表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经平板玻璃(7)透射之后经会聚透镜(6)汇聚至光电探测器(6)的光敏面上；经光电探测器(5)进行光电转换后的电流信号输出端连接滤波器(4)的信号输入端，滤波器(4)的滤波后信号输出端连接前置放大器(3)的信号输入端，前置放大器(3)的放大信号输出端连接A/D转换器(2)的模拟信号输入端，A/D转换器(2)的数字信号输出端连接数字信号处理器(1)的信号输入端；其特征在于，该方法适用于在恶劣测量环境中，该方法的具体步骤为：步骤一、采用调频激光器(10)发射激光，激光经一号反射镜(8)和二号反射镜(9)两次反射后斜射至平板玻璃(7)；同时记录光束斜射至平板玻璃(7)的入射角θ0；并测量调频激光器(10)发射激光的到入射平板玻璃(7)之间的光程l，计算平板玻璃(7)的入射光场E(t)、反射光场E1(t)和经平板玻璃透射的光在不同时刻被平板玻璃多次反射的光场E2(t)、E3(t)、…、Em(t)…；入射光场的数学表达式为：E(t)＝E0exp{i(ω0t+kt2)}       (1‑1)其中，为调频带宽的变化率，T为调频周期，ΔF为调频带宽；E0为入射光场振幅，t为时间，ω0为光场角频率；i是虚数单位；根据公式(1‑1)获得t‑l/c时刻到达平板玻璃前表面的反射光场为：经平板玻璃透射的光在不同时刻被平板玻璃多次反射，其反射光的表达式分别为：其中，m为大于2的整数，α1＝r，α2＝ββ′r′，…，αm＝ββ′r′(2m‑3)，r为光从周围介质射入平面标准镜时的反射率，透射率为β，r′为平面标准镜后表面的反射率，平面标准镜前后反射光射出平面标准镜时的透射率为β′，d为平板玻璃厚度，θ为折射角，n为平板玻璃折射率，c为光速；p和j均为整数，且0≤p≤m‑1，1≤j≤m‑p；步骤二、激光经平板玻璃(7)折射发射后，经会聚透镜(6)会聚至光电探测器(5)的感光面上，计算光电探测器(5)接收到的总光场；光电探测器接收到的总光场表示为：E′(t)＝E1(t)+E2(t)...+Em(t)+...       (4‑1)则光电探测器输出的光电流表示为：其中，e为电子电量，Z为探测器表面介质的本征阻抗，η为量子效率，D为探测器光敏面的面积，h为普朗克常数，v为激光频率，*号表示复数共轭；步骤三、经光电探测器(5)的光电转换后获得电流信号经滤波器(4)进行低通滤波；获得滤波后的中频电流信号：将(2‑1)式和(3‑1)式代入(6‑1)式，结果为：其中，αj＝ββ′r′(2j‑3)、αj+p＝ββ′r′[(2j+p)‑3]；步骤四、对步骤三中的中频电流信号中的频率差进行傅里叶变换，获得频率差信号的频率与平板玻璃厚度d的比例关系式，进而获得平板玻璃厚度d；频率差信号的频率与平板玻璃厚度成正比的比例系数Kp为：。