双光束非接触式位移传感器的制造方法
【专利摘要】本公开内容说明了用于远程监测诸如熔融的蓝宝石之类的流体表面的高度或者高度的变化的系统、方法和装置。远程监测可以按照在成像传感器上所检测的通过测量在流体表面的一对反射激光光束的位置来执行。随着表面高度下降，这对反射激光光束的位置相对于彼此移动，且这个位置变化可以转换为流体表面高度的变化。
【专利说明】双光束非接触式位移传感器
【技术领域】
[0001] 本公开内容总体上涉及遥感。具体地但非限制性地，本公开内容涉及用于远程感 测流体的高度的系统、方法和装置。
【背景技术】
[0002] 与蓝宝石晶棒生长相关的许多变化（例如泡生法、提拉法、巴格达萨罗夫 (Bagdasarov)法）包括在形成熔融蓝宝石的坩锅内蓝宝石种子上的结晶。在多个生长方法 中，对剩余熔融蓝宝石的体积的准确了解是必要的，可以借助对流体的液位或高度的了解 来查明。例如，由于蓝宝石晶体比熔融的流体密度更大，随着流体结晶，流体液位回落，监测 这个变化的液位的能力允许晶体生长速率的推断式测量。
[0003] 现有方法使用单光束三角测量来测量流体液位（参见图1)，但即使不是不可能 的，也难以实施，因为在光束源与光束检测器（例如MICRO-EPSILON的0PT0NCDT)之间需要 大角度（例如20° )。蓝宝石在其中熔化的反应室可以达到2050°C，为了保持这种温度，常 常使用厚的坩锅，只允许进入坩埚的单一长且窄的观察通道。这些方法所需的?20°角度 不适合于这种长且窄的管。
[0004] 图1示出了用于远程位移感测的传统的单光束三角测量系统。容器102包含液体 103,液体103位于第一液位104,随后位于第二液位106。基于单光束三角测量的位移检测 器108使用激光源110来将入射光束112投射到液体103的第一和第二表面104、106上。 由传感器116测量来自第一液位104的反射114,并由传感器116测量来自第二液位104的 反射116。基于在反射光束114、118在传感器116上的位置之间的距离120,可以计算在液 位104、106之间的距离122。但这个系统通常在蓝宝石生长炉中无法操作，因为位移测量典 型地通过如图2所示的狭窄且细长的观察通道202来进行，并且在光束之间的角度典型地 大于可允许通过这个狭窄且细长的观察通道202的角度。
[0005] 尽管一些系统可以使用较小的入射角来进行远程位移测量，并因而适合于加热炉 200的狭窄且细长的观察通道202,但这种系统典型地无法实现对于流体表面所期望的高 度分辨率。这些系统常常使用熔融蓝宝石流体表面反射到的单光束，且根据CCD上的反射 光束位置的变化来测量流体高度变化。这种系统获得低分辨率的原因在于除了液位的高度 的移动以外，多个变量导致反射光束位置的移动。即使流体液位没有发生变化，坩埚的振 动、激光源的未对准、和流体表面中的波动都可以导致反射光束横跨CCD的抖动。而且，价 格适度的CCD通常是二维像素阵列，能够进行的刷新速率不大于约70Hz，结果，反射光束的 迅速移动常常被检测为模糊斑点，而不是理想的高斯圆形或椭圆形。所有这些因素都使得 难以进行准确且高分辨率的测量。
[0006] 使用现有技术系统的进一步的问题在于激光反射常常被高于2000°C的熔融蓝宝 石的黑体福射所遮蔽。本领域中所使用的C⑶在监宝石达到1200 C时，趋向于饱和，因而在 蓝宝石达到其熔化温度很久之前就具有极高的信噪比。
[0007] 对这个问题的一个解决方案是使用在来自熔融蓝宝石的黑体强度较少的波长 (例如诸如MICRO-EPSILON的OPTONCDTBL的蓝色）运行的激光器。但即使在使用短波长激 光器时，C⑶在1200°C以上也趋向于饱和。
[0008] 另一个尝试的解决方案是使用共焦位移传感器，其使用在不同距离聚焦的多个 频率的光来进行纳米分辨率高刷新速率位移测量，但这种设备在范围上受到限制（例如， MICRO-EPSILON的C0NF0CALDT具有24mm的最大范围）。共焦传感器通常不适用于熔融蓝 宝石测量，因为坩埚设计常常要求传感器距离流体表面约1. 5m。
【发明内容】
[0009] 以下概述在附图中所示的本发明的示例性实施例。在【具体实施方式】部分中更充分 地说明了这些及其他实施例。但应理解，这并非旨在将本发明局限于在本
【发明内容】
或具体 实施方式中所说明的形式。本领域技术人员会认识到，存在许多修改、等效替代和可替换的 构造，它们都属于在权利要求书中所表达的本发明的精神和范围内。
[0010] 本公开内容的一些实施例的特征可以是用于流体液位测量的远程位移感测系统。 该系统可以包括一维成像传感器、第一激光源、第二激光源和处理器。第一激光源可以被引 向加热炉内的流体表面，以使得由所述一维成像传感器在第一位置处检测第一反射光束。 第二激光源可以被引向加热炉内的流体表面，以使得由所述一维成像传感器在第二位置处 检测第二反射光束。处理器可以被配置为监测在第一和第二位置之间的距离，并基于第一 和第二位置之间的距离的变化来计算流体的液位的变化。
[0011] 本公开内容的其他实施例的特征还可以是执行流体表面的远程位移感测的方法。 该方法可以包括：引导第一激光光束通过加热炉的观察通道，在加热炉内部的流体表面反 射，并通过观察通道返回。该方法可以进一步包括：引导第二激光光束通过加热炉的观察通 道，在加热炉内部的流体表面反射，并通过观察通道返回。该方法还可以包括借助至少一个 成像传感器在第一时间段期间测量在第一激光光束和第二激光光束之间的第一平均距离。 该方法可以进一步包括借助至少一个成像传感器在第二时间段期间测量在第一激光光束 和第二激光光束之间的第二平均距离。该方法还可以包括借助处理器计算在第一和第二平 均距离之间的差。最后，该方法可以包括借助处理器根据所述差来确定流体表面的高度的 变化。
[0012] 本公开内容的其他实施例的特征可以是远程位移感测系统，包括成像传感器、第 一脉冲激光源、第二脉冲激光源和处理器。成像传感器可以具有间断的检测积累时间段。第 一脉冲激光源可以被引向加热炉内的流体表面，以使得由成像传感器在第一位置处检测第 一反射光束。第一脉冲激光源的脉冲可以具有使得在成像传感器上的第一位置的模糊减小 的脉冲长度。第二脉冲激光源可以被引向加热炉内的流体表面，以使得由成像传感器在第 二位置处检测第二反射光束。第二脉冲激光源的脉冲可以具有使得在成像传感器上的第二 位置的模糊减小的脉冲长度。最后，处理器可以被配置为监测第一位置与第二位置之间的 距离，并基于在第一和第二位置之间的距离来计算流体的液位。
[0013] 本公开内容进一步的实施例的特征可以是非暂时性实体计算机可读存储介质，编 码有处理器可读指令，用以执行用于远程测量流体表面的垂直位移的方法。所述方法可以 包括检测第一反射激光光束在第一时间的第一位置。检测第二反射激光光束在第一时间的 第二位置。此外，计算第二反射激光光束在第一时间的第二位置。计算在第一和第二位置之 间的第一距离。检测第一反射激光光束在第二时间的第三位置。此外，检测第二反射激光 光束在第二时间的第四位置。另外，计算在第三与第四位置之间的第二距离，及按照第二距 离减去第一距离来计算在反射激光光束间隔的变化。最后，按照反射激光光束间隔的变化 除以第一或第二激光光束中任意一个的入射角的正切的四倍来计算流体表面的垂直位移。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 通过结合附图参考以下的详细说明和所附权利要求书，本发明的多个目的和优点 以及更完整的理解会是显而易见的并且更易于意识到：
[0015] 图1示出了用于远程位移感测的传统单光束三角测量系统。
[0016] 图2示出了用于从熔融的蓝宝石生长蓝宝石晶体的典型加热炉。
[0017] 图3示出了用于远程监测流体的位移的装置的一个实施例。
[0018] 图4示出了在流体的高度已经降低的随后时间的图3的装置。
[0019] 图5A显不了用于第一流体表面的激光光束和反射光束。
[0020] 图5B显示了当流体表面高度下降时的相同激光光束和反射光束。
[0021] 图6示出了用于远程监测流体表面的位移的组件和测量。
[0022] 图7示出了连同入射在一维成像传感器上的两个细长的反射激光光束的一维成 像传感器的一个实施例。
[0023] 图8A示出了结合了用于成像传感器的连续积累检测方案的脉冲激光源。
[0024] 图8B示出了结合了间断检测积累方案的连续波激光源。
[0025] 图8C示出了与以间断检测积累方案运行的成像传感器异步地对准的脉冲激光 源。
[0026] 图8D示出了用于与间断检测积累方案同步地运行的脉冲激光器的时序图的一个 实施例。
[0027] 图9示出了进行流体表面的远程位移测量的方法。
[0028] 图10显示了计算机系统的示例性形式中的机器的一个实施例的图示，在计算机 系统中可以执行一组指令，以使得设备完成或执行本公开内容的任意一个或多个方案和/ 或方法。
[0029] 图11示出了使用透镜元件以改进分辨率的远程位移监测系统的实施例。
【具体实施方式】
[0030] 本文使用词语"示例性的"来表示"充当示例、实例或者举例说明"。本文说明为 "示例性的"的任何实施例都不一定解释为相对于其他实施例是优选的或者有优势的。
[0031] 在一些实施例中，本文公开的系统、方法和装置借助以下的一个或多个方面克服 了本领域的难题：（1)测量第一光束相对于第二光束的移动，其中，这两个光束是从要测量 的流体表面反射的，（2)使用一维成像传感器而不是二维传感器来测量反射光束，（3)将光 束散布为垂直于行扫描器的方向的细长形状，（4)使激光源及可任选的一维成像传感器是 脉冲式的，和/或（5)对到达成像传感器的光进行滤光。
[0032] 使用两个激光光束
[0033] 图3示出了用于远程监测流体的位移的装置320的一个实施例。具体地，装置320 应用于远程监测流体、或反射流体、或镜面反射流体、或熔融液体、或诸如蓝宝石、硅、碳化 硅和玻璃（仅举几个例子）的熔融材料的位移。装置320还应用于流体表面的任何远程位 移测量，其中，流体高于大气温度或者在化学或热有害环境中。所述流体包括粘性和半流质 液体以及包括气体-液体组合的混合物。
[0034] 测量是远程的，因为要测量的表面310、312可以在加热炉或坩埚300内。这个加 热炉300可以用于例如在生长蓝宝石晶体时加热或熔化物质。在这个实施例中，加热元件 314可以用于加热流体306a，在一些情况下，用于熔化物质以形成流体306a，从它可以生长 晶体308a(例如蓝宝石、硅或氧化硅晶体）。加热炉300可以包括狭窄且细长的观察通道 302,其可以提供到熔融流体306a的唯一视觉通路。流体306a位于容器304中，具有第一 表面310,其在晶体308a具有第一尺寸时存在。随着晶体308a生长，其将流体306a转变为 固体，从而导致第一表面310的高度下降到第二表面312 (图4中所示的）。
[0035] 可以将装置320布置在加热炉300外部，并可以至少包括第一激光源322、第二激 光源324、成像传感器326和耦合到成像传感器326的处理器330。第一激光源和第二激光 源322、324分别在第一激光光束和第二激光光束的起点或者发射点。通过狭窄且细长的观 察通道302将第一激光光束和第二激光光束引导到流体306a的第一表面310。第一激光光 束和第二激光光束在第一表面310反射成为第一反射激光光束和第二反射激光光束，这些 反射激光光束入射到成像传感器326上并由它检测。可以在第一反射激光光束位置（例如 一个或多个像素位置）检测第一反射激光光束，并可以在第二反射激光光束位置检测第二 激光光束。第一激光光束和第二激光光束位置可以被传送到处理器330,其可以确定在第一 反射激光光束和第二反射激光光束位置之间的第一距离328a。
[0036] 如图4所示的，当晶体308b生长时，流体306b的体积减小，第二表面312变成流体 306b的上表面一换句话说，流体306a、306b的表面高度从310变为312。第一激光光束和第 二激光光束在反射前行进的距离比它们在第一表面310上反射时所行进的距离远，因而在 不同位置撞击到成像传感器320上。成像传感器320可以检测第一反射激光光束的位置， 并将这个位置作为第三反射激光光束位置传送给处理器330。成像传感器326还可以检测 第二反射激光光束的位置，并将这个位置作为第四反射激光光束位置传送给处理器330。基 于第三和第四反射激光光束位置，处理器330可以确定在第三和第四反射激光光束位置之 间的第二距离328b。处理器330可以使用在第一距离和第二距离328a、328b之间的差连同 第一或第二激光光束中任意一个相对于成像传感器326的入射角（例如，0. 5° -1.5° ) 来确定流体306b从第一表面310到第二表面312的高度332的变化。
[0037] 使用两个激光光束实现了比本领域中可能的更小的入射角（在光束和流体表面 310、312之间的或者在光束与成像传感器326之间的角度）（例如，0.5° -1.5° )，因而使 得装置320能够通过窄的细长观察通道302执行流体306b第一和第二表面310、312的远 程位移感测。同样，激光源到流体表面的距离可以包括1米、1. 25米、1. 5米及其他距离，在 这些距离上，此类位移测量在现有技术中是无效的。使用两个光束进行测量还允许即使在 第一激光光束和第二激光光束源322、324和/或成像传感器326之间出现没有对准时，或 者流体306b的表面中的波纹或其他扰动会使得单光束系统产生错误的情况下，准确地远 程测量位移。由于相对于第二反射激光光束来测量反射激光光束位置的变化，所以任一激 光光束充当参考而不是成像传感器上的点。
[0038] 第一激光源322是第一激光的发射孔，第二激光源324是第二激光的发射孔。这 些发射孔可以是激光器的孔，或者激光器可以远离第一激光源和第二激光源322、324。在这 种实施例中，诸如光纤的光路或者一个或多个反射面（例如反射镜）的系统可以将激光从 激光器传送到第一激光源和第二激光源322、324。
[0039] 本领域技术人员会认识到第一激光光束和第二激光光束可以是一个连续波激光 光束或者两个分离的脉冲。在任一情况下，源与光束方向都相同，对第一激光光束和第二激 光光束的参考仅仅用于帮助描述在第一时间的光束路径和在随后时间的光束路径。
[0040] 图5A和5B示出了激光源520、522与成像传感器524的靠拢，显示了可以如何测 量反射激光光束之间的距离526a、526b的变化。图5A显不了用于第一流体表面（未不出） 的激光光束和反射光束，图5B显示了当流体表面高度下降时（随着晶体扩展并消耗流体） 的相同激光光束和反射光束。如所见的，第一距离526a小于第二距离526b。在第一距离和 第二距离526a、526b之间的差可以是第三距离528。如以下参考图6论述的，第三距离用于 计算流体表面的高度的变化。
[0041] 图6示出了用于远程监测流体表面的位移的组件和测量。图6没有按照比例绘 制，而是包括放大的角度和比例，以便有助于测量方案的呈现。所示的是第一激光源602、第 一激光光束609、第一反射激光光束610、第三激光光束611、第三反射激光光束612、第二激 光源604、第二激光光束613、第二反射激光光束614、第四激光光束615、第四反射激光光束 616、成像传感器628、第一流体表面606、第二流体表面608和多个距离及角度。
[0042] 第一激光源602以入射角618 (相对于流体表面606、608的垂线）发出第一激光光 束609,而第二激光源604以入射角618或类似角度发出第二激光光束613。第一激光光束 和第二激光光束609、613进入加热炉（未不出）并在流体的第一表面606反射，产生第一 反射激光光束和第二反射激光光束610、614。第一反射激光光束和第二反射激光光束610、 614在第一相交位置630和第二相交位置632与成像传感器628相交。可以在第一时间发 出第一激光光束和第二激光光束609、613,可以由成像传感器628在稍后时刻检测相应的 反射激光光束610、614。
[0043] 成像传感器628可以将指示第一相交位置和第二相交位置630、632的数据传送到 处理器，其可以确定在第一相交位置和第二相交位置 63〇、632之间的第一距离620。
[0044] 随着晶体生长，流体的第一表面606的高度会降低到第二表面608的高度。在第 二时间，当表面高度在第二表面606时，第一激光源602可以发出第三激光光束611，导致来 自第二表面608的第三反射激光光束612反射到加热炉外，并在第三相交位置634撞击成 像传感器628。在第二时间，第二激光源604可以发出第四激光光束615,导致第四反射激 光光束616反射并在第四相交位置636撞击成像传感器628。
[0045] 成像传感器628可以将第三相交位置和第四相交位置636、636提供给处理器（例 如图3和4中的处理器330)，其可以确定在第三相交位置和第四相交位置634、636之间的 第二距离622。
[0046] 处理器可以进一步从第二距离622中减去第一距离620以确定在第一距离和第二 距离620、622之间的距离624的变化。距离624的这个变化可以连同入射角618 -起用于 确定流体表面高度的位移626。具体地，位移626可以借助如下的等式1来求解：
[0047]
【权利要求】
1. 一种用于流体液位测量的远程位移感测系统，所述系统包括： 一维成像传感器； 第一激光源，所述第一激光源被引向加热炉内的流体表面，以使得由所述一维成像传 感器在第一位置处检测第一反射光束； 第二激光源，所述第二激光源被引向所述加热炉内的所述流体表面，以使得由所述一 维成像传感器在第二位置处检测第二反射光束；以及 处理器，所述处理器被配置为监测所述第一位置与所述第二位置之间的距离，并基于 所述第一位置与所述第二位置之间的所述距离的变化来计算所述流体的液位的变化。
2. 根据权利要求1所述的远程位移感测系统，其中，所述第一激光源和所述第二激光 源产生光束，所述光束的横截面的长度实质上大于宽度。
3. 根据权利要求2所述的远程位移感测系统，其中，所述第一激光源和所述第二激光 源的所述光束的横截面的长度垂直于所述一维成像传感器。
4. 根据权利要求1所述的远程位移感测系统，其中，所述第一激光源和所述第二激光 源是同步脉冲式的，且对于相同脉冲长度保持在开启状态中。
5. 根据权利要求4所述的远程位移感测系统，其中，所述一维成像传感器的检测积累 时间段比所述脉冲长度长。
6. 根据权利要求5所述的远程位移感测系统，其中，所述一维成像传感器是与所述第 一激光源和所述第二激光源异步的脉冲式的。
7. 根据权利要求1所述的远程位移感测系统，其中，串联在所述流体表面与所述一维 成像传感器之间的一个或多个滤光器具有包括450或500纳米波长的通带。
8. 根据权利要求1所述的远程位移感测系统，其中，所述一维成像传感器相对于二维 成像传感器具有较快的数据采集率。
9. 根据权利要求1所述的远程位移感测系统，其中，所述第一激光源和所述第二激光 源在500纳米波长以下进行操作。
10. 根据权利要求9所述的远程位移感测系统，其中，所述第一激光源和所述第二激光 源在450纳米波长以下进行操作。
11. 根据权利要求1所述的远程位移感测系统，其中，所述处理器被配置为基于以下的 等式来计算所述流体的所述液位的变化:
其中，^-^是所述第一位置与所述第二位置之间的所述距离的变化，Θ是无扰动情况 下的在所述第一激光源或第二激光源与所述流体表面之间的角度。
12. 根据权利要求11所述的远程位移感测系统，其中，所述角度Θ在〇.5°与1.5°之 间。
13. 根据权利要求1所述的远程位移感测系统，其中，所述流体选自包含以下物质的 组：蓝宝石、硅、碳化硅和玻璃。
14. 一种对流体表面执行远程位移感测的方法，所述方法包括： 引导第一激光光束通过加热炉的观察通道，在所述加热炉内部的流体表面反射，并通 过所述观察通道返回； 引导第二激光光束通过所述加热炉的所述观察通道，在所述加热炉的内部的流体表面 反射，并通过所述观察通道返回； 借助至少一个成像传感器在第一时间段期间测量所述第一激光光束与所述第二激光 光束之间的第一平均距离； 借助所述至少一个成像传感器在第二时间段期间测量所述第一激光光束与所述第二 激光光束之间的第二平均距离； 借助处理器来计算所述第一平均距离与所述第二平均距离之间的差；以及 借助所述处理器根据所述差来确定所述流体表面的高度的变化。
15. 根据权利要求14所述的对流体表面执行远程位移感测的方法，其中，所述观察通 道距离所述流体表面至少1米。
16. 根据权利要求15所述的对流体表面执行远程位移感测的方法，其中，所述第一激 光光束在所述流体表面上的入射角小于1. 5°。
17. 根据权利要求16所述的对流体表面执行远程位移感测的方法，其中，所述第一激 光光束在所述流体表面上的入射角在0. 5°与1. 5°之间。
18. 根据权利要求14所述的对流体表面执行远程位移感测的方法，其中，对所述高度 的变化的分辨率随着入射角的增大而增大。
19. 根据权利要求14所述的对流体表面执行远程位移感测的方法，进一步包括使所述 第一激光光束和所述第二激光光束为同步的脉冲式的。
20. 根据权利要求19所述的对流体表面执行远程位移感测的方法，其中，在离散的时 间段中定期地执行所述测量。
21. 根据权利要求20所述的对流体表面执行远程位移感测的方法，其中，所述脉冲的 占空比比所述测量短。
22. 根据权利要求21所述的对流体表面执行远程位移感测的方法，其中，所述测量和 所述脉冲是异步的。
23. 根据权利要求14所述的对流体表面执行远程位移感测的方法，其中，所述成像传 感器是一维的。
24. 根据权利要求14所述的对流体表面执行远程位移感测的方法，其中，所述第一激 光光束和所述第二激光光束的横截面的长度实质上大于宽度。
25. 根据权利要求24所述的对流体表面执行远程位移感测的方法，其中，所述第一激 光光束和所述第二激光光束的横截面具有平行的长度尺寸。
26. 根据权利要求25所述的对流体表面执行远程位移感测的方法，其中，所述第一激 光光束和所述第二激光光束中的每一个激光光束的长度尺寸实质上垂直于一维成像传感 器的长度，其中，所述成像传感器实现了所述第一测量和所述第二测量。
27. 根据权利要求14所述的对流体表面执行远程位移感测的方法，其中，所述第一激 光光束和所述第二激光光束在所述流体表面的反射主要是镜面反射。
28. -种远程位移感测系统，包括： 成像传感器，所述成像传感器具有间断的检测积累时间段； 第一脉冲激光源，所述第一脉冲激光源被引向加热炉内的流体表面，以使得由所述成 像传感器在第一位置处检测第一反射光束，其中，所述第一脉冲激光源的脉冲具有使得在 所述成像传感器上的所述第一位置的模糊减小的脉冲长度； 第二脉冲激光源，所述第二激光源被引向所述加热炉内的所述流体表面，以使得由所 述成像传感器在第二位置处检测第二反射光束，其中，所述第二脉冲激光源的所述脉冲具 有使得在所述成像传感器上的所述第二位置的模糊减小的脉冲长度；以及 处理器，所述处理器被配置为监测所述第一位置与所述第二位置之间的距离，并基于 所述第一位置与所述第二位置之间的距离来计算所述流体的液位。
29. -种非暂时性有形计算机可读存储介质，编码有处理器可读指令，用以执行用于远 程测量流体的表面的垂直位移的方法，所述方法包括： 检测第一反射激光光束在第一时间的第一位置； 检测第二反射激光光束在第一时间的第二位置； 计算所述第一位置与所述第二位置之间的第一距离； 检测所述第一反射激光光束在第二时间的第三位置； 检测所述第二反射激光光束在第二时间的第四位置； 计算所述第三位置与所述第四位置之间的第二距离； 根据所述第二距离减去所述第一距离来计算反射激光光束间隔的变化；以及 根据反射激光光束间隔的变化除以所述第一激光光束或所述第二激光光束的入射角 的正切的四倍来计算所述流体的所述表面的所述垂直位移。
【文档编号】G01F23/00GK104303026SQ201380025977
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年3月18日 优先权日:2012年3月19日
【发明者】T·霍, G·凯切克 申请人:先进能源工业公司