一种具有线性光学放大的激光三角法检测系统光路设计

　　0　引　言

　　直拉单晶炉是直拉法制备硅单晶的关键技术装备,在直拉法生产硅单晶过程中,为了保证高的拉晶质量,要求将硅熔体自由表面的位置精确控制在一个恒定的位置,而随着晶体的不断生长,坩埚内硅熔体体积减少,从而导致液位下降,所以必须实时地对坩埚内硅熔体液面的位置进行精确检测,以便及时地将液面高度调整到所要求的位置。随着目前直拉硅单晶向着高纯度、高完整性、高均匀性和大直径的发展[1],对液位控制及检测精度的要求也越来越高。激光三角测距作为光电检测技术中的一种非接触式测量方法,具有非接触、不易损伤表面、材料适应性广、结构简单、测量速度快、测量准确度高、测量距离大、抗干扰能力强、测量点小、实时处理能力强、使用灵活方便等优点,因此被广泛应用于工业生产现场和几何量的非接触式在线测量[2,3]。

　　在采用斜入射斜接收式激光三角法[4]对熔硅液位进行检测的过程中,由于单晶炉室特殊的内外部结构和尺寸及拉晶工艺要求[5,6,7],使得激光入射点位置与光电检测器之间的距离较小,而激光入射点所在水平面到液面的垂直距离较大,所以限制了液位检测分辨率的提高,进而影响检测精度的提高。当采用CCD作为光电检测器时,由于CCD像元间距的存在,在一定程度上限制了液位检测分辨率的提高。针对这种情况,本文从改进激光三角法的光路系统角度出发,提出了一种采用曲面镜光路线性放大的方法来提高激光三角液位检测系统的液位检测分辨率。

　　1　对线性放大光路的要求

　　在斜入射斜接收式激光三角液位检测系统光路中,当采用平面镜来改变液面反射光线的光路时无法实现将微小的液位变化放大为检测器上的光点位移变化,当采用柱面镜来改变液面反射光线的光路时可以实现将微小的液位变化放大为检测器上的光点位移变化,但这种放大是非线性的。

　　首先建立如图1所示的坐标系,设A(-m0,0)为激光入射点,激光入射角为β,初始液面高度为d0,曲面反射镜函数曲线为y = f(x),光电检测器垂直于x轴放置,曲面镜起点到检测器距离为L,光电检测器位置函数曲线为x = L+m0,与x轴交点为P(L+m0,0)点,r为检测范围,R为投影光点的检测器显示范围,液面光点位置为Vi,液面反射光线fi与x轴交点为Ai(mi,0),液面反射光线fi经曲面镜曲线上Ci(xi,yi)点反射后投影在检测器Pi(L+m0,Qi)点,初始液面光点位置为V0(T0,D0)点,当检测面变化了d时,此时液面光点由Vi-1变为Vi。为了实现线性放大的作用,设放大倍数为N,要求当液面变化d时,在检测器上光点位置变化Nd的距离,从而实现了液面位置距离与检测器显示距离的对应关系。