一種大量程范圍的折射率測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種折射率測量裝置，包括：單色角點光源照明模塊，用于產(chǎn)生進行測量的兩束光束；參考光路模塊，其中一束作為參考光入射到該參考光路模塊中，經(jīng)全反射后出射帶有原始光場信息的參考信息光；探測模塊，其與待測物接觸形成介質(zhì)面，另一束光束作為探測光入射到探測模塊并經(jīng)介質(zhì)面反射后出射耦合有待測物質(zhì)折射率信息的探測信息光；反射光能量收集模塊，分別接收參考信息光和探測信息光，并轉(zhuǎn)換為電信號；以及圖像處理模塊，其對兩路圖像進行比較，得到相對反射率分布，可提取出待測物質(zhì)的折射率信息。本實用新型的裝置和方法具有測量范圍大、可普遍適用于氣體、液體以及玻璃材料等物質(zhì)的折射率測量。
【專利說明】一種大量程范圍的折射率測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于光學(xué)折射率測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種光學(xué)折射率測量儀和測量方法，適用于折射率值在1.0-3.0范圍的氣體，液體以及玻璃材料的折射率的測量。
技術(shù)背景
[0002]折射率是表征物質(zhì)性質(zhì)的基本物理量，常用于光學(xué)、化學(xué)、新材料合成、物質(zhì)鑒別等工程領(lǐng)域和科學(xué)研究等領(lǐng)域，其與物質(zhì)的密度、濃度、溫度以及應(yīng)力等物理量有關(guān)。折射率的測量相對于其它的物理量的測量更易于實現(xiàn)，測量折射率成為人們獲取其它與物質(zhì)組成疏密程度相關(guān)參數(shù)的重要間接方法。
[0003]物質(zhì)折射率和物體內(nèi)分子數(shù)有很大的關(guān)系，通過對物質(zhì)折射率的分析可以更好的了解物質(zhì)的組成信息，也可以對物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)做出定性的分析。
[0004]介質(zhì)的折射率通常由實驗測定，有多種測量方法。目前，物質(zhì)折射率的測量方法主要分為波動光學(xué)、SPR技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、臨界角法。對氣體介質(zhì)，常用精密度更高的干涉法(邁克爾遜干涉儀)。對液體介質(zhì)，常用臨界角法(阿貝折射儀)；對固體介質(zhì)，常用最小偏向角法或自準(zhǔn)直法；氣體折射率采用波動光學(xué)中邁克爾遜干涉儀進行測量，該方法優(yōu)點是精度高，但該方法測量范圍較小不能兼顧液體和玻璃等材料，可實現(xiàn)性差、對設(shè)備使用環(huán)境要求較高不適合工業(yè)場合應(yīng)用。液體折射率一般可采用SPR技術(shù)、光纖傳感技術(shù)以及臨界角法進行精確的測量。但是液體的腐蝕性限制了 SPR技術(shù)和光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用，臨界角法可通過合理選擇玻璃材料實現(xiàn)一些腐蝕性液體的折射率測量。臨界角法的優(yōu)點在于測量范圍寬、精度高、易于在線的工業(yè)檢測。阿貝折光計作為可以測量液體和玻璃的儀器是應(yīng)用最廣泛的，它設(shè)備體積小且精度高、抗外界干擾強，量程為1.3000 - 1.7000，這造成其無法測量一些氣態(tài)物質(zhì)和一些折射率高于1.7的液體以及折射率較大的玻璃或者晶體材料。
[0005]CN102012359公開了一種發(fā)散型臨界角發(fā)測量液體參數(shù)的方法。該方法是通過微分法處理反射光斑明暗界限，從而實現(xiàn)液體折射率信息的測量。該方法的測量范圍由入射角和棱鏡的折射率決定。當(dāng)液體折射率大于1.5時，該裝置的反射光斑中不存在明暗界限，從而導(dǎo)致該裝置失效?，F(xiàn)有的臨界角折射率測量裝置和方法是通過高折射率的棱鏡來測量低折射的待測物質(zhì)，這造成測量精度及范圍上無法做到權(quán)衡。
[0006]在常溫常壓下，氣體折射率處于[1.0，1.01]，液體折射率處于[1.2，1.7]，玻璃材料折射率處于[1.4,2.5]。由于三者物質(zhì)所處的折射率區(qū)間差別較大，這導(dǎo)致測氣體折射率的裝置無法對液體或者玻璃材料折射率進行有效地測量。在有機化學(xué)反應(yīng)和新物質(zhì)的合成中，經(jīng)常需要對反應(yīng)物和生成物的折射率進行測量來保證化學(xué)反應(yīng)的正常進行。一般情況下，反應(yīng)物和生成物的所處折射率范圍跨度較大，無法通過現(xiàn)有的單一的折射率測量裝置來完成測量。在激光生命科學(xué)領(lǐng)域，往往需要通過生物組織的折射率來對組織的生物特性進行定性研究。不同部位的生物組織的折射率值相差較大。這導(dǎo)致有些折射率值超出現(xiàn)有測量裝置的生物組織無法進行測量，限制了生物組織的光學(xué)特性的研究?，F(xiàn)有的部分測量折射率的方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計和測量精度及范圍上無法做到權(quán)衡，在測量氣體、液體和玻璃等物質(zhì)上不能兼得。
實用新型內(nèi)容
[0007]本實用新型目的在于提出一種折射率測量裝置，可以實現(xiàn)全域范圍內(nèi)的折射率測量，其以反射型發(fā)散臨界角法裝置為基礎(chǔ)，可測量從氣體，液體，生物組織到玻璃材料全域范圍內(nèi)的折射率測量。
[0008]為實現(xiàn)本實用新型的目的，所提供一種普適全域折射率的測量裝置，用于實現(xiàn)從氣體、液體到玻璃材料的全域折射率的測量，其包括:
[0009]單色角點光源照明模塊，其用于產(chǎn)生進行測量的兩束光束；
[0010]參考光路模塊，用于生成參考光，即所述單色角點光源照明模塊產(chǎn)生的其中一束光束作為參考光入射到該參考光路模塊中，經(jīng)全反射后出射具有原始光場信息的參考信息光;
[0011]探測模塊，其底面與待測物接觸形成介質(zhì)面，所述單色角點光源照明模塊產(chǎn)生的的另一束光束作為探測光入射到該探測模塊并經(jīng)其介質(zhì)面反射后出射耦合有所述待測物質(zhì)折射率信息的探測信息光；
[0012]反射光能量收集模塊，其用于分別接收所述參考信息光和探測信息光，并各自將其轉(zhuǎn)換為電信號；以及
[0013]圖像處理模塊，其對轉(zhuǎn)換為電信號的兩路圖像進行比較，得到相對反射率分布曲線，經(jīng)處理即可提取出待測物質(zhì)的折射率信息。
[0014]作為本實用新型的進一步優(yōu)選，所述參考光路模塊優(yōu)選為三角棱鏡，其底面斜邊上鍍有鋁反射膜形成反射面，所述參考光在該底面上發(fā)生全反射。
[0015]作為本實用新型的進一步優(yōu)選，所述探測模塊優(yōu)選為三角棱鏡，其底面斜邊與待測物接觸形成介質(zhì)面，所述探測光入射到該介質(zhì)面被反射，待測物的折射率信息被調(diào)制到反射光中。
[0016]作為本實用新型的進一步優(yōu)選，根據(jù)所述反射率分布曲線可獲得相對反射光能量分布，根據(jù)該相對反射光能量分布可得到其與待測物折射率關(guān)系，從而得到待測物的折射率。
[0017]作為本實用新型的進一步優(yōu)選，在待測物折射率小于閾值折射率值時，所述探測光斑的圖像中存在一條明暗界限，通過微分法即可提取出該界限位置，從而獲得待測物折射率。
[0018]作為本實用新型的進一步優(yōu)選，在待測物折射率大于或者等于閾值折射率時，反射光斑光強分布呈現(xiàn)漸進分布，明暗界限消失，同時光強隨入射角度變化率與待測物折射率存在一一對應(yīng)關(guān)系，可通過反射光斑的傅里葉特征法提取折射率信息。
[0019]作為本實用新型的進一步優(yōu)選，所述參考光路模塊為底面鍍有鋁反射膜的光學(xué)棱鏡，所述探測模塊為與參考光路中尺寸相同的棱鏡，其為與參考光路中尺寸相同的棱鏡，底面上無鍍反射膜。
[0020]按照本實用新型的另一方面提供一種普適全域折射率的測量方法，用于實現(xiàn)從氣體、液體到玻璃材料的全域折射率的測量，該方法具體包括如下步驟:
[0021]產(chǎn)生進行測量的兩束光束；[0022]一束光束作為參考光入射到棱鏡中，經(jīng)其鍍有鋁反射膜的底面進行全反射，出射的參考信息光含有原始的光場信息；
[0023]另一束光束作為探測光入射到探測棱鏡，經(jīng)其與待測物接觸的底面形成介質(zhì)面上反射，出射耦合有所述待測物質(zhì)折射率信息的探測信息光；
[0024]對出射的所述參考信息光和探測信息光進行收集并轉(zhuǎn)換為電信號，并對兩路電信號進行比較，得到相對反射率分布曲線，經(jīng)處理即可提取出待測物質(zhì)的折射率信息。
[0025]作為本實用新型的進一步優(yōu)選，根據(jù)所述反射率分布曲線可獲得相對反射光能量分布，根據(jù)該相對反射光能量分布可得到其與待測物折射率關(guān)系，從而得到待測物的折射率。
[0026]作為本實用新型的進一步優(yōu)選，在待測物折射率小于閾值折射率值時，所述探測光斑的圖像中存在一條明暗界限，通過微分法即可提取出該界限信息，從而獲得待測物折射率。
[0027]作為本實用新型的進一步優(yōu)選，在待測物折射率大于或者等于閾值折射率時，反射光斑光強分布呈現(xiàn)漸進分布，明暗界限消失，同時光強隨入射角度變化率與待測物折射率存在一一對應(yīng)關(guān)系，可通過分析反射光傅里葉特征點的信息得到待測物質(zhì)的折射率。
[0028]本實用新型中，單色角點光源照明模塊包括LED光源、濾光片、透鏡組、耦合器、光纖分配器、多模光纖。LED光源出光經(jīng)聚焦透鏡聚焦、經(jīng)過窄帶濾光片濾光后再經(jīng)聚焦透鏡收光到光纖分配器中，由兩條多模光纖作為光源輸出；
[0029]本實用新型中，參考光路|吳塊和探測|吳塊構(gòu)成棱鏡探測|吳塊。參考光路|吳塊和探測模塊都采用同樣的三角棱鏡。參考光路模塊的棱鏡下底面鍍上一層鋁反射膜。在測試中探測模塊的棱鏡下底面與所述待測物表面接觸。角點光源照明模塊輸出的兩束光束同時斜入射到兩塊棱鏡的底面上。在參考光路模塊棱鏡的底面上光發(fā)射全反射，反射光包含有所有的原始光場的信息；在探測模塊的底面上待測物質(zhì)折射率信息會耦合到探測系統(tǒng)中，從而使得反射光呈漸進分布。
[0030]本實用新型中，反射光接收模塊用于探測收集棱鏡底面反射出的光線，并將此收集到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號以輸入到圖像分析模塊中；
[0031]本實用新型中，圖像分析模塊用于對接受的圖像信息進行處理，將兩幅傳送的圖像相除:在設(shè)定的閾值之下，通過分析明暗交界處的信息得到待測物質(zhì)的折射率；在設(shè)定的閾值之上，通過分析反射光傅里葉特征點的信息得到待測物質(zhì)的折射率。在反射型發(fā)散臨界角法的基礎(chǔ)上，采用微分法和反射光斑傅里葉特征點法，克服了傳統(tǒng)的反射型發(fā)散臨界角法測量裝置和方法量程小、不能普適于各種氣體、液體以及玻璃材料等的弊端，極大擴大了測量量程，可實現(xiàn)物質(zhì)的普適全域折射率。
[0032]本實用新型中，所述的圖像分析模塊是由微分法和反射光斑傅里葉特征法提取反射光斑中折射率信息。微分法是通過比較反射光光強的差異來判斷臨界角的，這使得它具備抗干擾強的優(yōu)點。反射光斑傅里葉特征法是一種基于反射光斑能量分布隨入射角度變化的特征點提取算法。該算法將空間傅里葉頻譜特征點與待測物折射率值進行一一對應(yīng)，具有較高的精度和穩(wěn)定性。根據(jù)菲涅爾反射原理，當(dāng)待測物折射率小于閾值折射率值時，CMOS圖像傳感器拍攝到的光斑的圖像中存在一條明暗界限，折射率越高，界限越往右側(cè)移動，并且折射率的增加量與界限的位移量呈線性關(guān)系，同時界限的位置可以通過微分法來進行提??；當(dāng)待測物折射率大于或者等于閾值折射率時，反射光斑光強分布呈現(xiàn)漸進分布，明暗界限消失，同時光強隨入射角度變化率與待測物折射率存在一一對應(yīng)關(guān)系，可通過反射光斑傅里葉特征法提取折射率信息。
[0033]本實用新型中，角點光源發(fā)出的一束光線，照射在棱鏡的測量面上。依據(jù)斯涅耳(Snell)原理，光線從光密介質(zhì)折射入光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角，且折射角隨入射角的增大而增大，當(dāng)入射角增大到一定值時，折射角將增大為90度。光束中部分光線將全反射，光束中另外一部分光線的能量將部分反射部分透射。當(dāng)光線從光疏介質(zhì)折射入光密介質(zhì)時，反射光能量遵循菲涅爾反射模型，隨著入射角增加，反射光斑光強呈現(xiàn)漸進分布。在光學(xué)探測系統(tǒng)中，入射角的范圍受限于光路設(shè)計和機械封裝，棱鏡的材料受限于待測物質(zhì)酸堿性。當(dāng)待測物質(zhì)折射率值在空氣和Snell定律規(guī)定折射率值之間時，入射角大于或者等于臨界角時，入射光線不發(fā)生透射，；當(dāng)入射角小于臨界角時，入射光線發(fā)生透射，反射光能量降低，從而得到由暗區(qū)和亮區(qū)構(gòu)成的明暗界限，臨界角Ge將隨著待測物質(zhì)折射率的變化而變化。當(dāng)待測物質(zhì)折射率值大于或者等于Snell定律規(guī)定折射率值時，入射光束不發(fā)生全反射，而是發(fā)生部分反射，同時其光強分布與入射角由菲涅爾反射模型決定，反射光斑的傅立葉特征點隨待測物折射率的變化而變化。
[0034]總體而言，本實用新型對小于閾值折射率值，采用全反射臨界角法進行測量，對于大于或者等于閾值折射率值，采用反射光斑傅里葉特征法進行測量。本實用新型的裝置和方法測量物質(zhì)折射率具有測量范圍大、可普遍適用于氣體、液體以及玻璃材料等物質(zhì)的折射率測量、精度高、維護簡單、實現(xiàn)容易、抗干擾能力強、受測量環(huán)境影響小等優(yōu)點。具體表現(xiàn)在:
[0035](I)采用了 LED光源做作為角點光源，可以使得輸出的光場均勻，同時也不會產(chǎn)生干涉，使得提高了反射光斑的質(zhì)量。
[0036](2)采用了參考光路模塊作為參考光，通過測量模塊的信息光和參考光進行比較，可以將裝置的折射率下限達到1.0。
[0037](3)采用了傅里葉特征點法和微分法對反射光斑能量進行處理。傅里葉特征點法可以通過漸進的反射能量分布提取折射率信息，從而提高了測量裝置的上限折射率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是本實用新型實施例的一種普適用全域折射率在線測量儀。
[0039]圖2 (a)和圖2 (b)是本實用新型實施例中待測折射率小于閾值折射率和大于閾值折射率的反射光斑圖。
[0040]圖3是本實用新型實施例中理想情況下反射光能量分布曲線。
[0041]圖4是本實用新型實施例的折射率測量儀測量SF-6玻璃材料折射率，相對反射光能量分布曲線。
[0042]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表同樣的技術(shù)特征，其中，1-光源照明模塊，2-探測模塊，3-參考光路模塊，4-反射光能量收集模塊，5-圖像處理模塊，LI和L2為透鏡，Cl 和 C2 為 CCD。
【具體實施方式】[0043]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本實用新型進行進一步詳細說明。此處說明若涉及到具體實例時僅僅用以解釋本實用新型，并不限定本實用新型。
[0044]如圖1，本實施例的普適全域折射率測量裝置包括單色角點光源照明模塊1、探測模塊2、參考光路模塊3、反射光能量收集模塊4和圖像處理模塊5。
[0045]單色角點光源照明模塊I優(yōu)選是由綠光LED，光束準(zhǔn)直器，光學(xué)窄帶濾光片，耦合透鏡和多模光纖構(gòu)成。該角點光源光源照明模塊可以輸出兩束均勻、波長范圍窄的近似理想光源。
[0046]參考光路模塊3是一個底面斜邊鍍有鋁反射膜SI的三角棱鏡Pl。參考光在該棱鏡Pl的斜面SI上發(fā)生全反射，通過反射光能量收集模塊4的透鏡LI將反射光會聚在CCD的像面上。
[0047]探測光路模塊2優(yōu)選采用三角棱鏡P2，在測量時P2的底面斜邊與待測物接觸，待測物在三角棱鏡的Pl底面斜邊上形成介質(zhì)面S2。當(dāng)入射光束照射在介質(zhì)面S2上，待測物的折射率信息被調(diào)制到反射光中，再通過反射光收集模塊4將反射光會聚在CCD的像面上。
[0048]圖像處理模塊5用于處理兩束反射光能量信息，該模塊可通過微分法和傅里葉特征點法提取反射光的折射率信息。當(dāng)待測物折射率小于閾值折射率時，反射光存在一條與待測物折射率相對應(yīng)的明暗界限。當(dāng)待測物折射率大于閾值折射率時，反射光顯現(xiàn)漸進分布，沒有明暗界限。圖像處理模塊5中可通過基于上述兩種算法實現(xiàn)折射率信息的提取。
[0049]物質(zhì)的折射率信息通過待測物質(zhì)與測量儀的探測模塊2的三角棱鏡P2的底面形成的反射面S2調(diào)制到探測光路中。角點光源照明模塊I產(chǎn)生兩個相同的光束，其中一個光束入射到參考光路模塊3并在三角棱鏡Pl鍍有鋁全反射膜的底部SI發(fā)生反射形成參考光。參考光通過反射光能量收集模塊4的透鏡LI聚焦到Cl的像面上。剩下一個光束入射到探測模塊2并在三角棱鏡P2底面與待測物構(gòu)成的反射面S2上發(fā)生反射形成信息光。信息光通過反射光能量收集模塊4的透鏡L2聚焦到C2的像面上。Cl和C2將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸入到圖像處理模塊5中。由圖像處理模塊5得到反射光斑圖像中信息光與參考光相除后的相對反射光能量分布特性，并得到相對反射光能量分布的傅里葉特征點與待測物折射率的關(guān)系式，繼而可以獲得待測物的折射率。
[0050]本實施例中可優(yōu)選通過微分法和傅里葉特征法對反射光的折射率信息進行提取。傅里葉特征法是通過比較反射光光強的差異來提取折射率信息，這使得它具備抗干擾強的優(yōu)點。微分法和傅里葉特征法是針對不同的光強分布，可以通過選取0.9*nglass*sin0max作為閾值折射率對兩種算法進行匹配，nglass為探測棱鏡的折射率，Θ _為探測系統(tǒng)在棱鏡底面上最大的入射角。根據(jù)菲涅爾反射原理，當(dāng)待測物折射率小于閾值折射率值時，CCD圖像傳感器拍攝到的光斑的圖像中存在一條明暗界限，折射率越高，界限越往右側(cè)移動，并且折射率的增加量與界限的位移量呈線性關(guān)系，同時界限的位置可以通過微分法來進行提取。當(dāng)待測物折射率大于或者等于閾值折射率時，反射光斑光強分布呈現(xiàn)漸進分布，明暗界限消失，同時光強隨入射角度變化率與待測物折射率存在一一對應(yīng)關(guān)系，可通過反射光斑的傅里葉特征點提取折射率信息。
[0051]本實施例中具體圖像處理過程如下:[0052]a)劃取區(qū)域，在CCD所拍圖像中的光斑上，光斑在待測物折射率小于閾值折射率時，圖像中存在一條明暗界限；當(dāng)待測物大于或者等于閾值折射率時，圖像中光強度呈漸進分布。為了保證測量范圍和測量精度，在圓形光斑區(qū)域中首先適當(dāng)?shù)貏澇鲆粋€矩形區(qū)域，并對矩形區(qū)域的數(shù)據(jù)進行計算和處理。
[0053](b)按行疊加并且平均，針對所選取的長方形區(qū)域，把每一行的數(shù)據(jù)疊加起來，最終得到一行疊加并且平均后的數(shù)據(jù)。這種按行疊加的方法可以增加系統(tǒng)的抗干擾性能。
[0054](c)相對反射率分布提取，將探測模塊得到的一行數(shù)據(jù)與參考光路模塊得到的一行數(shù)據(jù)相除，得到相對反射率分布數(shù)據(jù)；
[0055](d)折射率特征信息提取
[0056]本實施例中采用微分法和反射光斑傅里葉特征法，將反射光斑信息與折射率信息一一對應(yīng)。如果小于閾值，采用微分法通過反射光斑圖像分析臨界點位置來測量折射率。如果大于閾值，采用反射光斑傅里葉特征法通過將反射圖像傅里葉特征點來測量折射率。
[0057]反射率曲線是關(guān)于入射光角度的函數(shù)，當(dāng)入射光角度不變時，反射率曲線隨著待測物的折射率增加變得越平滑。反射率曲線的平滑程度與待測物質(zhì)的折射率呈現(xiàn)著一一對應(yīng)的關(guān)系。傅里葉特征點法是將反射率曲線進行傅里葉變化，通過反射率的傅里葉功率譜分析。傅里葉功率譜是在空間頻率上分析反射率曲線每個頻率的信息。通過仿真和實驗，待測物質(zhì)的折射率是與其反射率傅里葉的功率譜的最大值相關(guān)。傅里葉特征點法可以從漸變的反射率曲線中提取折射率信息，從而從算法上提高系統(tǒng)的上限折射率。該圖像識別技術(shù)具有精度高，抗干擾能力強的特點。在惡劣的環(huán)境中也能準(zhǔn)確地測量待測物折射率。
[0058]本實用新型的測量儀可以對常壓下的氣體進行折射率測量，當(dāng)然也可以對各種酸堿性的液體或常壓下的各種玻璃材料的折射率進行在線的測量。
[0059]本實用新型實施例的一種普適全域折射率測量的方法，包括:
[0060](I)利用光源產(chǎn)生兩束同樣的用于測量的LED單色角點光束；
[0061](2)將單色的角點光斜入射在參考光路模塊和探測模塊的棱鏡底面上。入射光在參考光路模塊棱鏡的底面與鋁全反射膜構(gòu)成的界面上發(fā)生全反射，形成包含有原始的光場能量分布的參考光；入射光在探測模塊棱鏡的底面與待測物質(zhì)構(gòu)成界面上發(fā)生反射，形成包含有折射率信息的信息光；
[0062](3)收集經(jīng)參考模塊和探測模塊的反射面反射的光線，并對收集的光斑圖像進行處理，提取反射光斑中的待測物折射率信息。
[0063]光源發(fā)出的一束光線，照射在棱鏡的測量面上。依據(jù)斯涅耳(Snell)原理，光線從光密介質(zhì)折射入光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角，且折射角隨入射角的增大而增大，當(dāng)入射角增大到一定值時，折射角將增大為90度。光束中部分光線將全反射，光束中另外一部分光線的能量將部分反射部分透射。當(dāng)光線從光疏介質(zhì)折射入光密介質(zhì)時，反射光能量遵循菲涅爾反射模型，隨著入射角增加，反射光斑光強呈現(xiàn)漸進分布。在光學(xué)探測系統(tǒng)中，入射角的范圍受限于光路設(shè)計和機械封裝，棱鏡的材料受限于待測物質(zhì)酸堿性。當(dāng)待測物質(zhì)折射率值在空氣和Snell定律規(guī)定折射率值之間時,入射角大于或者等于臨界角時,入射光線不發(fā)生透射；當(dāng)入射角小于臨界角時，入射光線發(fā)生透射，反射光能量降低，從而得到由暗區(qū)和亮區(qū)構(gòu)成的明暗界限，臨界角Θ c將隨著n2的變化而變化。當(dāng)待測物質(zhì)折射率值大于或者等于Snell定律規(guī)定折射率值時，入射光束不發(fā)生全反射，而是發(fā)生部分反射，同時其光強分布與入射角由菲涅爾反射模型決定，反射光斑的傅立葉特征點隨n2的變化而變化。
[0064]本實用新型的物理模型由Snell定律、菲涅爾反射定律、全反射原理以及傅立葉頻譜特性決定，折射率儀測量范圍可達到1.0到3.0甚至更高。系統(tǒng)閾值折射率可以一下公式評定，
[0065]nx = ngsin Θ c
[0066]公式中，nx為待測物質(zhì)折射率，ng為玻璃折射率，Θ。為系統(tǒng)最大入射角。根據(jù)界面上光線的入射角范圍確定和測量原理的公式，當(dāng)待測物折射率值小于系統(tǒng)閾值折射率時，可通過全反射法中臨界角的位置與折射率信息相對應(yīng)；當(dāng)待測物折射率大于或者等于系統(tǒng)閾值折射率時，可通過反射光斑的傅里葉特征點與折射率信息相對應(yīng)。本探測系統(tǒng)通過改變最小入射角使得系統(tǒng)下限折射率達到1，從而實現(xiàn)對氣體折射率進行測量。在不影響系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性的前提下，本探測系統(tǒng)通過全反射和部分反射光能量分析可以使得系統(tǒng)上限折射率達到3.0以上，從而實現(xiàn)全域折射率測量。
[0067]例如，利用本實用新型的測量裝置或方法在室溫時對蒸餾水、無水乙醇、純苯溶液進行測量并與阿貝折射率儀進行比較，測量方法如下:
[0068]先將上述溶液，利用阿貝折射率儀進行測量，再將液體分別滴在已經(jīng)定標(biāo)的實用新型某型樣機的測量模塊的探測面上。通過PC中圖像采集和分析程序得到各溶液的折射率。將溶液折射率與阿貝折射率測量值進行比較，并計算出相對誤差。表1為本折射率儀測量各種標(biāo)準(zhǔn)液體折射率值與阿貝折射儀比較。
[0069]
【權(quán)利要求】
1.一種折射率測量裝置，可實現(xiàn)從氣體、液體到玻璃材料的全域范圍內(nèi)折射率的測量，其特征在于，包括: 單色角點光源照明模塊(1)，其用于產(chǎn)生進行測量的兩束光束； 參考光路模塊(3)，其用于生成參考光，即所述單色角點光源照明模塊(I)產(chǎn)生的兩束光束中的其中一束作為參考光入射到該參考光路模塊(3)中，經(jīng)全反射后出射帶有原始光場信息的參考信息光； 探測模塊(2)，其與待測物接觸形成介質(zhì)面(S2)，所述單色角點光源照明模塊(I)產(chǎn)生的另一束光束作為探測光入射到該探測模塊(2)并經(jīng)該介質(zhì)面(S2)反射后出射耦合有所述待測物質(zhì)折射率信息的探測信息光； 反射光能量收集模塊(4)，其用于分別接收所述參考信息光和探測信息光，并各自將其轉(zhuǎn)換為電信號；以及 圖像處理模塊(5)，其對轉(zhuǎn)換為電信號的兩路圖像進行比較，得到相對反射率分布，經(jīng)處理即可提取出待測物質(zhì)的折射率信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種折射率測量裝置，其特征在于，所述參考光路模塊(3)優(yōu)選為三角棱鏡(Pl )，其底面斜邊上鍍有鋁反射膜形成反射面(SI )，所述參考光在該反射面(SI)上發(fā)生全反射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種折射率測量裝置，其特征在于，所述探測模塊為三角棱鏡(P2)，其底面斜邊與待測物接觸形成介質(zhì)面(S2)，所述探測光入射到該介質(zhì)面(S2)被反射，待測物的折射率信息被調(diào)制到反射光中。
【文檔編號】G01N21/43GK203534965SQ201320522682
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月26日
【發(fā)明者】楊克成, 葉駿偉, 夏珉, 李微, 郭文軍, 劉昊, 阮叢喆 申請人:華中科技大學(xué)