基于線陣CCD的光電玻璃測厚方法研究

摘要：玻璃厚度是衡量玻璃制品質(zhì)量的一項重要性能指標(biāo)。為了檢測平板透明玻璃的厚度，提出了利用線陣CCD傳感器作為光電接收器件的玻璃測厚裝置，介紹分析了以CCD傳感器作為光電接收器件透射式測厚法、單激光反射式測厚法、雙激光反射式測厚法3種光路結(jié)構(gòu)原理、以及性能特征。
關(guān)鍵詞：線陣CCD傳感器；透射式測量；單激光反射測量；雙激光反射測量

目前，國內(nèi)的大多數(shù)玻璃生產(chǎn)廠家采用傳統(tǒng)的人工測量玻璃厚度，在對于一些高要求玻璃制品測量很難達(dá)到高精度，實時監(jiān)控的目的，而采用激光測量結(jié)合光電檢測技術(shù)，能做到實時檢測的非接觸型測量法還較少，且大多成本較高。隨著光電檢測技術(shù)的發(fā)展，各種光學(xué)測量方法不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用光學(xué)方法測量玻璃厚度的理論和設(shè)備慢慢出現(xiàn)，本課題針對各種玻璃制品，采用CCD傳感器作為光電檢測器件，研究激光檢測玻璃厚度的方法。

1 線陣CCD光電傳感器
電荷耦合器件(Claarge Coupled Device，CCD)是在MOS集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ埽哂屑啥雀?、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。一個完整的CCD器件由光敏源、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器等組成。CCD工作時，在設(shè)定的積分時間內(nèi)，光敏元件對光信號進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏元的電荷量。取樣后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號驅(qū)動下，轉(zhuǎn)移到
CCD內(nèi)部的移位寄存器相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端由信號處理設(shè)備完成對信號的處理。

2 光電玻璃測厚方法
2．1 透射式測量方法
一種典型的采用激光透射原理的測量方法如圖3所示，其利用透射玻璃過程中光產(chǎn)生折射的方法進(jìn)行厚度測量。該方法是將被測物體放置于光源和光電元件之間，恒光源發(fā)出的光在透過被測物體時，光電元件接收該光信號并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)處理得到被測玻璃的厚度信息。

圖3中，當(dāng)光線通過厚度為d，折射率為n的平板玻璃時，會產(chǎn)生兩次折射，折射的結(jié)果是光線行進(jìn)的方向沒有改變，但側(cè)移了一段距離。如果令平板玻璃折射率為n，光束偏移量為x，光束入射角為θ，入射角及折射角關(guān)系，計算得到，平板玻璃厚度d的公式為：

式中：θ為激光束入射角；n為被測玻璃折射率。
測量前先標(biāo)定θ和n后，只要測出光束偏移量x，即可得到玻璃厚度d。為了精確測量光束偏移量，系統(tǒng)用線陣CCD接收參考光束及偏移光束位置。由于線陣CCD具有自掃描能力，能將一維空間的光強(qiáng)分布信號轉(zhuǎn)換為時間序列的電信號，電信號經(jīng)后續(xù)電路處理后獲得與光束偏移量相對應(yīng)的脈寬，測量出脈寬，即可得到光束偏移量，通過上式，便可得到被測平板玻璃折射率。該方法通過CCD獲得的位移信息，得到玻璃的厚度信息。
方法特征：1)透射方式測量玻璃厚度的方法適合對兩側(cè)都有空間的玻璃生產(chǎn)線進(jìn)行安裝測量，但不適合一邊空間較小的情況；2)在測量過程中激光要以一定的入射角進(jìn)行入射，所以對角度的要求比較高，角度的誤差對測量的精確度影響較大。