一种一次性测量多层透明材料厚度的方法与流程

本发明涉及测量方法技术领域，特别涉及一种一次性测量多层透明材料厚度的方法。

背景技术：

目前，光谱技术在市面上大多数都是用来鉴别物体的成份，光谱技术在测量领域的应用比较少，特别是在具有曲面且由多层透明材料组成的产品的厚度等测量方面的应用尚未见报道，对此类产品的厚度测量也存在较多的技术难点。现有的测量透明材料厚度的方法或设备，大多是采用机械运转配合光学技术来进行测量，然而此类方法或设备存在如下缺陷：一方面由于在测量过程中机械零件间的运转具有不可消除的偏差，造成测量数据存在一定的误差；另一方面，此类测量方法或设备对待测产品的形状等具有一定的限制性，往往只限于平面产品，无法对具有曲面的产品进行厚度测量。

有鉴于此，确有必要开发研究可以利用光谱技术对曲面产品的厚度等进行测量的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提供一种具有高效、高准确性、应用范围广等优点的一次性测量多层透明材料厚度的方法。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：

一种一次性测量多层透明材料厚度的方法，包括由光源发出的光经过一光学探头形成一段连续光谱照射到具有一层或多层的透明被测物上，所述透明被测物的每层材料的上表面、下表面分别对第一波长、第二波长的色光形成自准直，所述第一波长、第二波长的色光能量完全进入光阑，经光谱仪分析，所述第一波长、第二波长的色光在能量曲线上对应形成第一峰值、第二峰值，之后根据峰值、波长以及几何运算算法进行推导而得出计算公式，利用计算公式可得出透明被测物的每层材料的上表面和下表面之间的距离，即得多层透明材料的各个厚度。

进一步地，所述的第一波长的色光的入射光线在每层材料的上表面形成第一交点C，所述第二波长的色光的折射光线在每层材料的下表面形成第二交点A，所述第二波长的色光的入射光线的延长线在每层材料内形成第三交点B，所述第二波长的色光的入射光线与每层材料的上表面形成第一交点D。

进一步地，当所述的透明被测物为一层材料，该层材料的上表面为平面时，透明被测物的厚度运算过程包括如下步骤：

(1)根据折射定律可得如下公式(一)：

n₀ sinα＝n sinβ

(2)根据三角形几何关系可得如下关系式(二)：

(3)将公式(一)代入公式(二)中可得如下公式(三)：

T＝H×n/n₀×cosβ/cosα

在公式(一)、(二)、(三)中，H为线段BC的长度，T为线段AC的长度即透明被测物的每层材料的上表面和下表面之间的距离，α为第二波长的色光的入射角，β为第二波长的色光从第一介质进入第二介质时发生折射的折射角，n₀为第一介质的折射率，n为第二介质的折射率。

进一步地，所述的透明被测物的一层材料的上表面为平面，下表面为平面、凸面或凹面中的任一种。

进一步地，当所述的透明被测物为一层材料，该层材料的上表面为凸面时，凸面的曲率半径为R，凸面所在的圆的圆心为O，透明被测物的该层材料的厚度运算过程包括如下步骤：

(1)在三角形BDO中，根据三角形几何关系可得如下关系式(四)：

(2)根据折射定律可得如下公式(五)：

(3)根据三角形几何关系可得如下关系式(六)：

(4)在三角形DAO中，根据正弦定律可得如下公式(七)：

(5)将公式(四)至(七)全部代入如下运算式中可得公式(八)：

其中，在公式(四)至(八)中，H为线段BC的长度，i1为第二波长的色光的入射角的角度大小值，i2为第二波长的色光从第一介质进入第二介质时发生折射的折射角的角度大小值，n(λ2)为第二介质的折射率，α2为∠CBD的角度大小值，α3为∠BDA的角度大小值，α4为∠BAD的角度大小值，α5为∠AOD的角度大小值，T为线段AC的长度即透明被测物的每层材料的上表面和下表面之间的距离。

进一步地，所述的透明被测物的一层材料的上表面为凸面，下表面为平面、凸面或凹面中的任一种。

进一步地，当所述的透明被测物为一层材料，该层材料的上表面为凹面时，凹面的曲率半径为R，凹面所在的圆的圆心为O，透明被测物的该层材料的厚度运算过程包括如下步骤：

(1)在三角形ODB中，根据正弦定律可得如下关系式(九)：

(2)利用三角形几何关系可得如下关系式(十)：

(3)根据折射定律和三角形几何关系可得如下关系式(十一)：

α₅＝i1-α₂，α₃＝α₂-α₄

(4)在三角形ODB中，根据三角形几何关系可得出如下关系式(十二)：

(5)在三角形DBA中，根据正弦定律可得出如下关系式(十三)：

(6)将公式(九)至(十三)全部代入，进行计算可得：

其中，在公式(九)至(十三)中，H为线段BC的长度，i1为第二波长的色光的入射角的角度大小值，i2为第二波长的色光从第一介质进入第二介质时发生折射的折射角的角度大小值，n(λ2)为第二介质的折射率，α2为∠CBD的角度大小值，α3为∠BAD的角度大小值，α4为∠BDA的角度大小值，α5为∠AOD的角度大小值，T为线段AC的长度即透明被测物的每层材料的上表面和下表面之间的距离。

进一步地，所述的透明被测物的一层材料的上表面为凹面，下表面为平面、凸面或凹面中的任一种。

进一步地，所述的透明被测物为两层、三层或三层以上的多层透明材料。

与现有技术相比，本发明提供的一次性测量多层透明材料厚度的方法，主要具有如下优点：

第一，本发明利用光谱的特点，在限定泛围内可测量具有曲面的由多层透明材料组成的产品的厚度，而且可以一次性测出组成产品的各个透明材料层间的厚度和透明材料整体的厚度，特别适用于镀膜凹凸透镜、弯曲显示屏贴片等制造行业的测量，这种方法显著区别于以往测量技术，具有高效和高准确性等优点。

第二，本发明的厚度测量方法无需复杂的机械运转相配合，可以避免因机械运转所带来的测量误差，而且此种方法不限于具有平面或曲面的产品，应用范围广泛，可以一次性测出产品组成中的多层材料的厚度，应用前景十分广阔。

上述是发明技术方案的概述，以下结合附图与具体实施方式，对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明的测试原理示意图；

图2为光谱仪测出图表；

图3为本发明测试平板透明材料的光路示意图；

图4为本发明测试凸面透明材料的光路示意图；

图5为本发明测试凹面透明材料的光路示意图。

具体实施方式：

为了使本发明的目的和技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例作详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供的一次性测量多层透明材料厚度的方法，结合图1，包括一种一次性测量多层透明材料厚度的方法，包括由光源1发出的光经过一光学探头3形成一段连续光谱照射到具有一层或多层的透明被测物4上，所述透明被测物的每层材料的上表面、下表面分别对第一波长、第二波长的色光形成自准直，所述第一波长、第二波长的色光能量完全进入光阑，而其他波长的色光则在光阑处形成大于光阑的弥散斑，经光谱仪2分析，所述第一波长、第二波长的色光在能量曲线上对应形成第一峰值、第二峰值，在光学探头设计中获得不同波长的离焦量参见图2，第一峰值与第二峰值对应波长色光所对应的离焦量分别为D1和D2，D1和D2之间的差值对应于图3中的厚度T，根据峰值、波长以及几何运算算法进行推导而得出计算公式，利用计算公式可得出透明被测物的每层材料的上表面和下表面之间的距离，即得多层透明材料的各个厚度。这里，自准直可以实现使光路照射到某点后可沿原光路返回。

结合图2，第一波长的色光的入射光线在每层材料的上表面形成第一交点C，所述第二波长的色光的折射光线在每层材料的下表面形成第二交点A，所述第二波长的色光的入射光线的延长线在每层材料内形成第三交点B，所述第二波长的色光的入射光线与每层材料的上表面形成第一交点D。以下将从三个情况对所述计算公式的推导过程进行说明：

第一种情况，结合图3，当所述的透明被测物为一层材料，该层材料的上表面为平面时，透明被测物的厚度运算过程包括如下步骤：

(1)根据折射定律可得如下公式(一)：

n₀ sinα＝n sinβ

(2)根据三角形几何关系可得如下关系式(二)：

(3)将公式(一)代入公式(二)中可得如下公式(三)：

T＝H×n/n₀×cosβ/cosα

在公式(一)、(二)、(三)中，H为线段BC的长度，T为线段AC的长度即透明被测物的每层材料的上表面和下表面之间的距离，α为第二波长的色光的入射角，β为第二波长的色光从第一介质进入第二介质时发生折射的折射角，n₀为第一介质的折射率，n为第二介质的折射率。其中，入射光首先进入的介质为第一介质，之后进入的介质为第二介质，第一介质、第二介质是必须可以让光透过的，第一介质、第二介质的具体材质可以根据实际情况确定。

而且，所述的透明被测物的一层材料的上表面为平面，下表面为平面、凸面或凹面中的任一种，无论下表面形状如何，以上表面为准，将相应数值代入上述公式(三)中，即可得到相应的厚度。

第二种情况，结合图4，当所述的透明被测物为一层材料，该层材料的上表面为凸面时，凸面的曲率半径为R，凸面所在的圆的圆心为O，透明被测物的该层材料的厚度运算过程包括如下步骤：

(1)在三角形BDO中，根据三角形几何关系可得如下关系式(四)：

(2)根据折射定律可得如下公式(五)：

(3)根据三角形几何关系可得如下关系式(六)：

(4)在三角形DAO中，根据正弦定律可得如下公式(七)：

(5)将公式(四)至(七)全部代入如下运算式中可得公式(八)：

其中，在公式(四)至(八)中，H为线段BC的长度，i1为第二波长的色光的入射角的角度大小值，i2为第二波长的色光从第一介质进入第二介质时发生折射的折射角的角度大小值，n(λ2)为第二介质的折射率，α2为∠CBD的角度大小值，α3为∠BDA的角度大小值，α4为∠BAD的角度大小值，α5为∠AOD的角度大小值，T为线段AC的长度即透明被测物的每层材料的上表面和下表面之间的距离。其中，入射光首先进入的介质为第一介质，之后进入的介质为第二介质，第一介质、第二介质是必须可以让光透过的，第一介质、第二介质的具体材质可以根据实际情况确定。

其中，所述的透明被测物的一层材料的上表面为凸面，下表面为平面、凸面或凹面中的任一种。无论下表面形状如何，以上表面为准，将相应数值代入上述公式(八)中，即可得到相应的厚度。

第三种情况，结合图5，当所述的透明被测物为一层材料，该层材料的上表面为凹面时，凹面的曲率半径为R，凹面所在的圆的圆心为O，透明被测物的该层材料的厚度运算过程包括如下步骤：

(1)在三角形ODB中，根据正弦定律可得如下关系式(九)：

(2)利用三角形几何关系可得如下关系式(十)：

(3)根据折射定律和三角形几何关系可得如下关系式(十一)：

α₅＝i1-α₂，α₃＝α₂-α₄

(4)在三角形ODB中，根据三角形几何关系可得出如下关系式(十二)：

(5)在三角形DBA中，根据正弦定律可得出如下关系式(十三)：

(6)将公式(九)至(十三)全部代入，进行计算可得：

其中，在公式(九)至(十三)中，H为线段BC的长度，i1为第二波长的色光的入射角的角度大小值，i2为第二波长的色光从第一介质进入第二介质时发生折射的折射角的角度大小值，n(λ2)为第二介质的折射率，α2为∠CBD的角度大小值，α3为∠BAD的角度大小值，α4为∠BDA的角度大小值，α5为∠AOD的角度大小值，T为线段AC的长度即透明被测物的每层材料的上表面和下表面之间的距离。其中，入射光首先进入的介质为第一介质，之后进入的介质为第二介质，第一介质、第二介质是必须可以让光透过的，第一介质、第二介质的具体材质可以根据实际情况确定。

其中，所述的透明被测物的一层材料的上表面为凹面，下表面为平面、凸面或凹面中的任一种，无论下表面形状如何，以上表面为准，将相应数值代入上述公式(八)中，即可得到相应的厚度。

在上述三种情况下，所述的透明被测物可以为两层、三层或三层以上的多层透明材料，计算方法和上述三个情况一样，这里，如果材料是一层材料的话，则只有一个上表面和一个下表面分别对对应所述的第一波长色光、第二波长色光形成自准直，当透明被测物为两层，两层为紧贴合的方式时，则会有两个厚度，三个表面，每个表面会对应自准直一个波长的色光，也就会有三个波长的色光能量进入光阑，则每个层的对应上表面和下表面分别反射相应的两种波长的光进入光阑，此时，需要正确判断清楚每个层的上表面和下表面以及对应的波长、对应的峰值和对应的光路图，找到正确的相应的计算公式对应的未知数，在可以得知待测物的相关信息的情况下，代入公式即可得知材料各个层的厚度，峰值对应处的波长λ₁和λ₂，被测物的厚度和四个量有关，分别是α₂、R和D以及待测物如光学玻璃在波长λ₂处的折射率，其中，α₂和D和光学探头的设计相关，可以从获得的光谱曲线上，对应峰值波长处的λ₁和λ₂确定，R是待测零件的曲率(需要已知)，n(λ₂)可以查已有的材料库获得，因此，通过以上的运算可以获得被测物的几何厚度。

本发明的一次性测量多层透明材料厚度的方法的工作原理大致如下：

结合图1至图5所示，在光源1发出的光经过光学探头3后形成一段连续光谱照射到被测物4上，被测物4的上下表面刚好对两种不同色光形成自准直，因此反射回去的光能量完全进入光阑(光阑是光学探头内的)，而其它色光则在光阑处形成大于光阑的弥散斑，同时，被反射回去进入光阑的色光经光谱仪2收集并进行分析，利用光谱仪的内部分析可以得出波长与光能强度、离焦量之间的关系曲线，如图2所示，被测物的上表面反射回去的某波长色光在能量曲线上形成第一个峰值，被测物下表面反射回去的某波长色光在能量曲线上形成第二个峰值，然后根据这两个峰值所对应的光波长，结合本发明的运算公式，即可计算得出被测物上下表面之间的距离，从而得到了被测物材料本身的厚度。

总之，本发明的一次性测量多层透明材料厚度的方法，利用光谱的广域性，使用光谱仪发出的连续光谱照射透明被测物，组成透明被测物的每层材料的上下表面将不同色光反射回到光学探头，再经光谱仪分析，反射回光学探头的光谱相应的色光的能量曲线会形成两个峰值，然后根据两个峰值所对应的光的波长，进行几何运算，即可得出被测物每层材料的厚度。本发明的测量方法相对于原有的测量技术或测量设备，优点之一在于不依靠机械运转配合来达到测量目的，可以有效避免因机械运转所产生的偏差而造成测量误差；优点之二在于无论是具有平面还是曲面的透明产品，本发明的方法都可以进行精确快速的测量；优点之三在于无论产品是由多少层透明材料组成，只要在本发明测量范围之内，都可以一次性测出各个材料层的厚度，具有一定的时效性，特别适用于镀膜凹凸透镜、弯曲显示屏贴片等制造行业的测量，测量结果准确、高效，且应用范围广泛，应用前景十分广阔。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。