本發(fā)明涉及測量方法技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種一次性測量多層透明材料厚度的方法。

背景技術(shù)：

目前，光譜技術(shù)在市面上大多數(shù)都是用來鑒別物體的成份，光譜技術(shù)在測量領(lǐng)域的應(yīng)用比較少，特別是在具有曲面且由多層透明材料組成的產(chǎn)品的厚度等測量方面的應(yīng)用尚未見報道，對此類產(chǎn)品的厚度測量也存在較多的技術(shù)難點。現(xiàn)有的測量透明材料厚度的方法或設(shè)備，大多是采用機械運轉(zhuǎn)配合光學(xué)技術(shù)來進行測量，然而此類方法或設(shè)備存在如下缺陷：一方面由于在測量過程中機械零件間的運轉(zhuǎn)具有不可消除的偏差，造成測量數(shù)據(jù)存在一定的誤差；另一方面，此類測量方法或設(shè)備對待測產(chǎn)品的形狀等具有一定的限制性，往往只限于平面產(chǎn)品，無法對具有曲面的產(chǎn)品進行厚度測量。

有鑒于此，確有必要開發(fā)研究可以利用光譜技術(shù)對曲面產(chǎn)品的厚度等進行測量的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種具有高效、高準(zhǔn)確性、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點的一次性測量多層透明材料厚度的方法。

本發(fā)明為達到上述目的所采用的技術(shù)方案是：

一種一次性測量多層透明材料厚度的方法，包括由光源發(fā)出的光經(jīng)過一光學(xué)探頭形成一段連續(xù)光譜照射到具有一層或多層的透明被測物上，所述透明被測物的每層材料的上表面、下表面分別對第一波長、第二波長的色光形成自準(zhǔn)直，所述第一波長、第二波長的色光能量完全進入光闌，經(jīng)光譜儀分析，所述第一波長、第二波長的色光在能量曲線上對應(yīng)形成第一峰值、第二峰值，之后根據(jù)峰值、波長以及幾何運算算法進行推導(dǎo)而得出計算公式，利用計算公式可得出透明被測物的每層材料的上表面和下表面之間的距離，即得多層透明材料的各個厚度。

進一步地，所述的第一波長的色光的入射光線在每層材料的上表面形成第一交點C，所述第二波長的色光的折射光線在每層材料的下表面形成第二交點A，所述第二波長的色光的入射光線的延長線在每層材料內(nèi)形成第三交點B，所述第二波長的色光的入射光線與每層材料的上表面形成第一交點D。

進一步地，當(dāng)所述的透明被測物為一層材料，該層材料的上表面為平面時，透明被測物的厚度運算過程包括如下步驟：

(1)根據(jù)折射定律可得如下公式(一)：

n₀ sinα＝n sinβ

(2)根據(jù)三角形幾何關(guān)系可得如下關(guān)系式(二)：

(3)將公式(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為線段BC的長度，T為線段AC的長度即透明被測物的每層材料的上表面和下表面之間的距離，α為第二波長的色光的入射角，β為第二波長的色光從第一介質(zhì)進入第二介質(zhì)時發(fā)生折射的折射角，n₀為第一介質(zhì)的折射率，n為第二介質(zhì)的折射率。

進一步地，所述的透明被測物的一層材料的上表面為平面，下表面為平面、凸面或凹面中的任一種。

進一步地，當(dāng)所述的透明被測物為一層材料，該層材料的上表面為凸面時，凸面的曲率半徑為R，凸面所在的圓的圓心為O，透明被測物的該層材料的厚度運算過程包括如下步驟：

(1)在三角形BDO中，根據(jù)三角形幾何關(guān)系可得如下關(guān)系式(四)：

(2)根據(jù)折射定律可得如下公式(五)：

(3)根據(jù)三角形幾何關(guān)系可得如下關(guān)系式(六)：

(4)在三角形DAO中，根據(jù)正弦定律可得如下公式(七)：

(5)將公式(四)至(七)全部代入如下運算式中可得公式(八)：

其中，在公式(四)至(八)中，H為線段BC的長度，i1為第二波長的色光的入射角的角度大小值，i2為第二波長的色光從第一介質(zhì)進入第二介質(zhì)時發(fā)生折射的折射角的角度大小值，n(λ2)為第二介質(zhì)的折射率，α2為∠CBD的角度大小值，α3為∠BDA的角度大小值，α4為∠BAD的角度大小值，α5為∠AOD的角度大小值，T為線段AC的長度即透明被測物的每層材料的上表面和下表面之間的距離。

進一步地，所述的透明被測物的一層材料的上表面為凸面，下表面為平面、凸面或凹面中的任一種。

進一步地，當(dāng)所述的透明被測物為一層材料，該層材料的上表面為凹面時，凹面的曲率半徑為R，凹面所在的圓的圓心為O，透明被測物的該層材料的厚度運算過程包括如下步驟：

(1)在三角形ODB中，根據(jù)正弦定律可得如下關(guān)系式(九)：

(2)利用三角形幾何關(guān)系可得如下關(guān)系式(十)：

(3)根據(jù)折射定律和三角形幾何關(guān)系可得如下關(guān)系式(十一)：

α₅＝i1-α₂，α₃＝α₂-α₄

(4)在三角形ODB中，根據(jù)三角形幾何關(guān)系可得出如下關(guān)系式(十二)：

(5)在三角形DBA中，根據(jù)正弦定律可得出如下關(guān)系式(十三)：

(6)將公式(九)至(十三)全部代入，進行計算可得：

其中，在公式(九)至(十三)中，H為線段BC的長度，i1為第二波長的色光的入射角的角度大小值，i2為第二波長的色光從第一介質(zhì)進入第二介質(zhì)時發(fā)生折射的折射角的角度大小值，n(λ2)為第二介質(zhì)的折射率，α2為∠CBD的角度大小值，α3為∠BAD的角度大小值，α4為∠BDA的角度大小值，α5為∠AOD的角度大小值，T為線段AC的長度即透明被測物的每層材料的上表面和下表面之間的距離。

進一步地，所述的透明被測物的一層材料的上表面為凹面，下表面為平面、凸面或凹面中的任一種。

進一步地，所述的透明被測物為兩層、三層或三層以上的多層透明材料。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一次性測量多層透明材料厚度的方法，主要具有如下優(yōu)點：

第一，本發(fā)明利用光譜的特點，在限定泛圍內(nèi)可測量具有曲面的由多層透明材料組成的產(chǎn)品的厚度，而且可以一次性測出組成產(chǎn)品的各個透明材料層間的厚度和透明材料整體的厚度，特別適用于鍍膜凹凸透鏡、彎曲顯示屏貼片等制造行業(yè)的測量，這種方法顯著區(qū)別于以往測量技術(shù)，具有高效和高準(zhǔn)確性等優(yōu)點。

第二，本發(fā)明的厚度測量方法無需復(fù)雜的機械運轉(zhuǎn)相配合，可以避免因機械運轉(zhuǎn)所帶來的測量誤差，而且此種方法不限于具有平面或曲面的產(chǎn)品，應(yīng)用范圍廣泛，可以一次性測出產(chǎn)品組成中的多層材料的厚度，應(yīng)用前景十分廣闊。

上述是發(fā)明技術(shù)方案的概述，以下結(jié)合附圖與具體實施方式，對本發(fā)明做進一步說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的測試原理示意圖；

圖2為光譜儀測出圖表；

圖3為本發(fā)明測試平板透明材料的光路示意圖；

圖4為本發(fā)明測試凸面透明材料的光路示意圖；

圖5為本發(fā)明測試凹面透明材料的光路示意圖。

具體實施方式：

為了使本發(fā)明的目的和技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例作詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本實施例提供的一次性測量多層透明材料厚度的方法，結(jié)合圖1，包括一種一次性測量多層透明材料厚度的方法，包括由光源1發(fā)出的光經(jīng)過一光學(xué)探頭3形成一段連續(xù)光譜照射到具有一層或多層的透明被測物4上，所述透明被測物的每層材料的上表面、下表面分別對第一波長、第二波長的色光形成自準(zhǔn)直，所述第一波長、第二波長的色光能量完全進入光闌，而其他波長的色光則在光闌處形成大于光闌的彌散斑，經(jīng)光譜儀2分析，所述第一波長、第二波長的色光在能量曲線上對應(yīng)形成第一峰值、第二峰值，在光學(xué)探頭設(shè)計中獲得不同波長的離焦量參見圖2，第一峰值與第二峰值對應(yīng)波長色光所對應(yīng)的離焦量分別為D1和D2，D1和D2之間的差值對應(yīng)于圖3中的厚度T，根據(jù)峰值、波長以及幾何運算算法進行推導(dǎo)而得出計算公式，利用計算公式可得出透明被測物的每層材料的上表面和下表面之間的距離，即得多層透明材料的各個厚度。這里，自準(zhǔn)直可以實現(xiàn)使光路照射到某點后可沿原光路返回。

結(jié)合圖2，第一波長的色光的入射光線在每層材料的上表面形成第一交點C，所述第二波長的色光的折射光線在每層材料的下表面形成第二交點A，所述第二波長的色光的入射光線的延長線在每層材料內(nèi)形成第三交點B，所述第二波長的色光的入射光線與每層材料的上表面形成第一交點D。以下將從三個情況對所述計算公式的推導(dǎo)過程進行說明：

第一種情況，結(jié)合圖3，當(dāng)所述的透明被測物為一層材料，該層材料的上表面為平面時，透明被測物的厚度運算過程包括如下步驟：

(1)根據(jù)折射定律可得如下公式(一)：

n₀ sinα＝n sinβ

(2)根據(jù)三角形幾何關(guān)系可得如下關(guān)系式(二)：

(3)將公式(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為線段BC的長度，T為線段AC的長度即透明被測物的每層材料的上表面和下表面之間的距離，α為第二波長的色光的入射角，β為第二波長的色光從第一介質(zhì)進入第二介質(zhì)時發(fā)生折射的折射角，n₀為第一介質(zhì)的折射率，n為第二介質(zhì)的折射率。其中，入射光首先進入的介質(zhì)為第一介質(zhì)，之后進入的介質(zhì)為第二介質(zhì)，第一介質(zhì)、第二介質(zhì)是必須可以讓光透過的，第一介質(zhì)、第二介質(zhì)的具體材質(zhì)可以根據(jù)實際情況確定。

而且，所述的透明被測物的一層材料的上表面為平面，下表面為平面、凸面或凹面中的任一種，無論下表面形狀如何，以上表面為準(zhǔn)，將相應(yīng)數(shù)值代入上述公式(三)中，即可得到相應(yīng)的厚度。

第二種情況，結(jié)合圖4，當(dāng)所述的透明被測物為一層材料，該層材料的上表面為凸面時，凸面的曲率半徑為R，凸面所在的圓的圓心為O，透明被測物的該層材料的厚度運算過程包括如下步驟：

(1)在三角形BDO中，根據(jù)三角形幾何關(guān)系可得如下關(guān)系式(四)：

(2)根據(jù)折射定律可得如下公式(五)：

(3)根據(jù)三角形幾何關(guān)系可得如下關(guān)系式(六)：

(4)在三角形DAO中，根據(jù)正弦定律可得如下公式(七)：

(5)將公式(四)至(七)全部代入如下運算式中可得公式(八)：

其中，在公式(四)至(八)中，H為線段BC的長度，i1為第二波長的色光的入射角的角度大小值，i2為第二波長的色光從第一介質(zhì)進入第二介質(zhì)時發(fā)生折射的折射角的角度大小值，n(λ2)為第二介質(zhì)的折射率，α2為∠CBD的角度大小值，α3為∠BDA的角度大小值，α4為∠BAD的角度大小值，α5為∠AOD的角度大小值，T為線段AC的長度即透明被測物的每層材料的上表面和下表面之間的距離。其中，入射光首先進入的介質(zhì)為第一介質(zhì)，之后進入的介質(zhì)為第二介質(zhì)，第一介質(zhì)、第二介質(zhì)是必須可以讓光透過的，第一介質(zhì)、第二介質(zhì)的具體材質(zhì)可以根據(jù)實際情況確定。

其中，所述的透明被測物的一層材料的上表面為凸面，下表面為平面、凸面或凹面中的任一種。無論下表面形狀如何，以上表面為準(zhǔn)，將相應(yīng)數(shù)值代入上述公式(八)中，即可得到相應(yīng)的厚度。

第三種情況，結(jié)合圖5，當(dāng)所述的透明被測物為一層材料，該層材料的上表面為凹面時，凹面的曲率半徑為R，凹面所在的圓的圓心為O，透明被測物的該層材料的厚度運算過程包括如下步驟：

(1)在三角形ODB中，根據(jù)正弦定律可得如下關(guān)系式(九)：

(2)利用三角形幾何關(guān)系可得如下關(guān)系式(十)：

(3)根據(jù)折射定律和三角形幾何關(guān)系可得如下關(guān)系式(十一)：

α₅＝i1-α₂，α₃＝α₂-α₄

(4)在三角形ODB中，根據(jù)三角形幾何關(guān)系可得出如下關(guān)系式(十二)：

(5)在三角形DBA中，根據(jù)正弦定律可得出如下關(guān)系式(十三)：

(6)將公式(九)至(十三)全部代入，進行計算可得：

其中，在公式(九)至(十三)中，H為線段BC的長度，i1為第二波長的色光的入射角的角度大小值，i2為第二波長的色光從第一介質(zhì)進入第二介質(zhì)時發(fā)生折射的折射角的角度大小值，n(λ2)為第二介質(zhì)的折射率，α2為∠CBD的角度大小值，α3為∠BAD的角度大小值，α4為∠BDA的角度大小值，α5為∠AOD的角度大小值，T為線段AC的長度即透明被測物的每層材料的上表面和下表面之間的距離。其中，入射光首先進入的介質(zhì)為第一介質(zhì)，之后進入的介質(zhì)為第二介質(zhì)，第一介質(zhì)、第二介質(zhì)是必須可以讓光透過的，第一介質(zhì)、第二介質(zhì)的具體材質(zhì)可以根據(jù)實際情況確定。

其中，所述的透明被測物的一層材料的上表面為凹面，下表面為平面、凸面或凹面中的任一種，無論下表面形狀如何，以上表面為準(zhǔn)，將相應(yīng)數(shù)值代入上述公式(八)中，即可得到相應(yīng)的厚度。

在上述三種情況下，所述的透明被測物可以為兩層、三層或三層以上的多層透明材料，計算方法和上述三個情況一樣，這里，如果材料是一層材料的話，則只有一個上表面和一個下表面分別對對應(yīng)所述的第一波長色光、第二波長色光形成自準(zhǔn)直，當(dāng)透明被測物為兩層，兩層為緊貼合的方式時，則會有兩個厚度，三個表面，每個表面會對應(yīng)自準(zhǔn)直一個波長的色光，也就會有三個波長的色光能量進入光闌，則每個層的對應(yīng)上表面和下表面分別反射相應(yīng)的兩種波長的光進入光闌，此時，需要正確判斷清楚每個層的上表面和下表面以及對應(yīng)的波長、對應(yīng)的峰值和對應(yīng)的光路圖，找到正確的相應(yīng)的計算公式對應(yīng)的未知數(shù)，在可以得知待測物的相關(guān)信息的情況下，代入公式即可得知材料各個層的厚度，峰值對應(yīng)處的波長λ₁和λ₂，被測物的厚度和四個量有關(guān)，分別是α₂、R和D以及待測物如光學(xué)玻璃在波長λ₂處的折射率，其中，α₂和D和光學(xué)探頭的設(shè)計相關(guān)，可以從獲得的光譜曲線上，對應(yīng)峰值波長處的λ₁和λ₂確定，R是待測零件的曲率(需要已知)，n(λ₂)可以查已有的材料庫獲得，因此，通過以上的運算可以獲得被測物的幾何厚度。

本發(fā)明的一次性測量多層透明材料厚度的方法的工作原理大致如下：

結(jié)合圖1至圖5所示，在光源1發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)探頭3后形成一段連續(xù)光譜照射到被測物4上，被測物4的上下表面剛好對兩種不同色光形成自準(zhǔn)直，因此反射回去的光能量完全進入光闌(光闌是光學(xué)探頭內(nèi)的)，而其它色光則在光闌處形成大于光闌的彌散斑，同時，被反射回去進入光闌的色光經(jīng)光譜儀2收集并進行分析，利用光譜儀的內(nèi)部分析可以得出波長與光能強度、離焦量之間的關(guān)系曲線，如圖2所示，被測物的上表面反射回去的某波長色光在能量曲線上形成第一個峰值，被測物下表面反射回去的某波長色光在能量曲線上形成第二個峰值，然后根據(jù)這兩個峰值所對應(yīng)的光波長，結(jié)合本發(fā)明的運算公式，即可計算得出被測物上下表面之間的距離，從而得到了被測物材料本身的厚度。

總之，本發(fā)明的一次性測量多層透明材料厚度的方法，利用光譜的廣域性，使用光譜儀發(fā)出的連續(xù)光譜照射透明被測物，組成透明被測物的每層材料的上下表面將不同色光反射回到光學(xué)探頭，再經(jīng)光譜儀分析，反射回光學(xué)探頭的光譜相應(yīng)的色光的能量曲線會形成兩個峰值，然后根據(jù)兩個峰值所對應(yīng)的光的波長，進行幾何運算，即可得出被測物每層材料的厚度。本發(fā)明的測量方法相對于原有的測量技術(shù)或測量設(shè)備，優(yōu)點之一在于不依靠機械運轉(zhuǎn)配合來達到測量目的，可以有效避免因機械運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的偏差而造成測量誤差；優(yōu)點之二在于無論是具有平面還是曲面的透明產(chǎn)品，本發(fā)明的方法都可以進行精確快速的測量；優(yōu)點之三在于無論產(chǎn)品是由多少層透明材料組成，只要在本發(fā)明測量范圍之內(nèi)，都可以一次性測出各個材料層的厚度，具有一定的時效性，特別適用于鍍膜凹凸透鏡、彎曲顯示屏貼片等制造行業(yè)的測量，測量結(jié)果準(zhǔn)確、高效，且應(yīng)用范圍廣泛，應(yīng)用前景十分廣闊。

根據(jù)上述說明書的揭示和教導(dǎo)，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對發(fā)明的一些修改和變更也應(yīng)當(dāng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。