CN101221284A - 一种自动阿贝折射仪的光路设计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动阿贝折射仪的光路设计，包括LED光源组和高折射率折光棱镜，沿着LED光源组发出的光波的传播方向，平面光波依次经过聚光透镜组、其中一个腰与聚光透镜组的主光轴相垂直于的梯形高折射率折光棱镜、主光轴垂直于梯形高折射率折光棱镜另一腰的成像透镜组和位于成像透镜组焦平面的线阵CCD接收面，整个光路通过光路座形成一个光路模块，装于主机内部。本发明利用比以往更简单的光路，设计出了重量轻、体积小、精度高和制造成本低的自动阿贝折射仪。

Description

一种自动阿贝折射仪的光路设计

技术领域

本发明涉及一种光学测量仪器的光路设计，特别是一种自动阿贝折射仪的光路设计。

背景技术

折射率是物质的重要物理常数之一，许多纯物质都具有一定的折射率，如果其中含有杂质则折射率将发生变化，出现偏差，杂质越多，偏差越大。因此通过折射率的测定，可以测定物质的纯度。阿贝折射仪(也称阿贝折光仪)是根据光的全反射原理设计的仪器，它利用全反身临界角的测定方法测定未知物质的折光率，可定量地分析溶液中的某些成分，检验物质的纯度，是石油工业、油脂工业，制药工业，造漆工业、食品工业、日用化学工业，制糖工业和地质勘察等有关工厂，学校及研发单位不可缺少的常用设备之一。

其工作原理如下：

当一束单色光从介质1进入密度不同的介质2时，光线在通过界面时改变了方向，这一现象称为光的折射，光的折射现象遵从折射定律：

$\frac{\sin \mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\β}}=\frac{n_2}{n_1}---\left(1\right)$

式中a为入射角，β为折射角n₁、n₂为交界面两侧两种介质的折射率。当光线从一种折射率小的介质1射入折射率大的介质2时(n₁＜n₂)，入射角一定大于折射角(a＞β)。当入射角增大时，折射角也增大，设当入射角a＝90°时，折射角为β₀，我们将此折射角称为临界角。因此，当在两种介质的界面上以不同角度射入光线时(入射角a从0°～90°)，光线经过折射率大的介质后，其折射角β≤β₀，其结果是大于临界角β0的部分无光线通过，成为暗区；小于临界角的部分有光线通过，成为亮区。临界角成为明暗分界线的位置，根据(1)式可得：

$n_1=n_2\frac{\sin {\mathrm{\β}}_0}{\sin \mathrm{\α}}=n_2\·{\sin \mathrm{\β}}_0---\left(2\right)$

因此在固定一种介质时，临界折射角β₀的大小与被测物质的折射率是简单的函数关系，阿贝折射仪就是根据这个原理而设计的。

现有的多光源折射率测量系统，通过选择多个光源中的一个合适的光源使临界角对应的分界线移至可测范围，从而起到扩大量程的作用；CCD阵列装在距透镜距离为L处，L不等于透镜焦距，即CCD阵列位于偏离透镜后焦面处，此时光源的线宽将使得一个角度对应于一点变成了对应于一个光斑，造成了暗区到亮区的过渡过宽，即变化不锐，从而影响精度。

由此看见，现有技术中的自动阿贝折射仪的测量系统存在如下问题：

1、  光路复杂，光学元件繁多，必然造成光路调试困难，用户需要具备一定的专业技术才能够对仪器进行操作。

2、  繁多的光学元件导致仪器成本居高不下。

3、  使用多个LED光源组来实现大量程的测量，使得系统变得更加复杂、笨重，价格昂贵，不利于仪器小型化。

4、  CCD阵列偏离透镜后焦面，导致暗区到亮区的过渡过宽，即变化不锐，从而影响精度。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种相对简单的测量光路，实现自动阿贝折射仪对各种物质折射率进行测量的目的，使自动阿贝折射仪重量轻、体积小、生产装配容易、制造成本低、测量范围大、操作简单。

这种自动阿贝折射仪的光路设计，包括LED光源组2和高折射率折光棱镜5，沿着LED光源组2发出的光波的传播方向，平面光波依次经过聚光透镜组3、其中一个腰与聚光透镜组3的主光轴相垂直于的梯形高折射率折光棱镜5、主光轴垂直于梯形高折射率折光棱镜5另一腰的成像透镜组6和位于成像透镜组6焦平面的线阵CCD接收面7。

所述的聚光透镜组3由两个凸透镜组成，聚光透镜组3的焦距在30mm～50mm之间。

所述的聚光透镜组3的会聚角度在-30～30度之间。

所述的高折射率折光棱镜5位于聚光透镜3的焦平面上。

所述的高折射率折光棱镜5的两个底角在50～70度之间。

所述的高折射率折光棱镜5的折射率在1.73～2.0之间。

所述的成像透镜组6由四个凸透镜组成，成像透镜组6的焦距在30mm～50mm之间。

所述的LED光源2由主波长为589.3±7nm的黄色LED发光二级管组成。

所述的器件封装在光路座4中，作为一个光路模块装于主机1内部。

与现有技术相比，本发明具有如下显而易见的特点和优点：

1、  测量光路结构简单，容易操作，成本低，对LED光源的发光均匀没有要求，减少了使光波均匀化的磨砂玻璃。

2、  聚光透镜3的使用确保了只需一个LED光源组就可以从实现光波从多角度入射到高折射率折光棱镜上，从而实现大量程1.3000-1.7000范围内物质折射率的测量。

3、  采用单色LED光源克服了用白光源带来的色散的影响，无需消色散光路。

4、  采用成像透镜和线阵CCD对通过高折射率折光棱镜的光波进行探测，大大提高了仪器探测的精度。

5、  整套光路封装与光路座内，实现了光路模块化，有助于仪器的小型化，提高仪器的稳定性。

附图说明

附图1是本发明的光路设计构成装配图。

图中：1、主机  2、LED光源组  3、聚光透镜组  4、光路座5、高折射率折光棱镜  6、成像透镜组7、线阵CCD接收面

具体的实施方式

如图1所示，选用主波长为589.3±7nm的超亮黄色LED发光管组成稳定的发光源，接通电源，发光二极管发出的发散单色光通过焦距为36.9mm的聚光透镜组形成汇聚光斑，该聚光透镜组由两个紧贴在一起的焦距分别为31.9mm和26.5mm的凸透镜组成，该聚光透镜组在高折射率折光棱镜和被测样品的接触面上产生会聚角度为±25度的会聚光，该会聚角度刚好能够满足测量要求，通过被测样品的光波从不同方向进入高折射率折光棱镜，为了保证光波能够在被测样品与高折射率折光棱镜相接的界面处发生全反射，选用底角为60度折射率为1.77236的高折射率折光棱镜，经高折射率折光棱镜反射出去的光波经过主光轴与梯形高折射率折光棱镜的一腰垂直的成像透镜组成像在线性CCD接收面上。所述成像透镜组由四个紧贴在一起的凸透镜组成，其焦距为36.9mm。放置在被测样品的一侧，使得只有在被测样品与高折射率折光棱镜5相接的界面处发生全反射的光线才能通过成像透镜组6成像在线阵CCD接收面7上，根据式2可知，只要已知棱镜的折光率n_l，通过测定待测样品的临界角β₀就能求得待测样品的折射率n_d，将上述器件封装在光路座4中形成一个模块化光路，从而且确保仪器可以长期稳定可靠的工作。

Claims (9)

1.一种自动阿贝折射仪的光路设计，包括LED光源组(2)和高折射率折光棱镜(5)，其特征在于：

沿着LED光源组(2)发出的光波的传播方向，平面光波依次经过聚光透镜组(3)、其中一个腰与聚光透镜组(3)的主光轴相垂直于的梯形高折射率折光棱镜(5)、主光轴垂直于梯形高折射率折光棱镜(5)另一腰的成像透镜组(6)和位于成像透镜组(6)焦平面的线阵CCD接收面(7)。

2.根据权利要求1所述的自动阿贝折射仪的光路设计，其特征在于：所述的聚光透镜组(3)由两个凸透镜组成，聚光透镜组(3)的焦距在30mm～50mm之间。

3.根据权利要求1所述的自动阿贝折射仪的光路设计，其特征在于：所述的聚光透镜组(3)的会聚角度在-30～30度之间。

4.根据权利要求1所述的自动阿贝折射仪的光路设计，其特征在于：所述的高折射率折光棱镜(5)位于聚光透镜(3)的焦平面上。

5.根据权利要求1所述的自动阿贝折射仪的光路设计，其特征在于：所述的高折射率折光棱镜(5)的两个底角在50～70度之间。

6.根据权利要求1所述的自动阿贝折射仪的光路设计，其特征在于：所述的高折射率折光棱镜(5)的折射率在1.73～2.0之间。

7.根据权利要求1所述的自动阿贝折射仪的光路设计，其特征在于：所述的成像透镜组(6)由四个凸透镜组成，成像透镜组(6)的焦距在30mm～50mm之间。

8.根据权利要求1所述的自动阿贝折射仪的光路设计，其特征在于：所述的LED光源(2)由主波长为589.3±7nm的黄色LED发光二级管组成。

9.根据权利要求1所述的自动阿贝折射仪的光路设计，其特征在于：所述的器件封装在光路座(4)中，作为一个光路模块装于主机(1)内部。

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