CN102156108B - 一种标定二次彩虹的彩虹环半径的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种标定二次彩虹的彩虹环半径的方法及装置，所述方法的特征在于：预先设置一个直径L已知的圆环，通过摄像头拍摄该圆环的图像传输到计算机中，测量出该直径L的线段包含的像素个数m，从而计算出一个像素的尺寸为：L/m；测量出二次彩虹的直径所包含的像素个数M，结合计算出的每个像素的尺寸，从而计算出二次彩虹的半径r为M×L/(2×m)。

Description

一种标定二次彩虹的彩虹环半径的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高折射率玻璃微珠折射率测量过程中标定二次彩虹的彩虹环半径的方法及装置，即一种标定二次彩虹的彩虹环半径的方法及装置，属于测量技术领域。

背景技术

随着我国公路建设的快速发展，与道路逆反射材料配合使用的玻璃珠的用量迅速增加。玻璃珠在反光膜、反光油墨、反光标线、反光布、反光革、反光织带、反光安全性丝织物等交通安全产品和设施中正发挥着越来越重要的作用。

玻璃珠是一种硅酸盐材料，具有良好的化学稳定性、机械强度和电绝缘性，最独特的特性是对光具有回归反射特性。利用玻璃珠回归反射特性的材料使用的玻璃珠基本上均为玻璃微珠。玻璃微珠有实心、空心、多孔玻璃微珠之分，直径0.8mm-5mm的玻璃微珠称为大珠(或细珠)，0.8mm以下的称为微珠。目前，道路逆反射材料普遍使用的玻璃微珠是实心微珠，通过其对光线的回归反射特性，保证了逆反射材料类交通安全产品和设施的可见性，从而起到了保护道路使用者安全的作用。

道路逆反射材料使用的玻璃微珠有折射率低于1.7的低折射率玻璃微珠和折射率不小于1.9的高折射率玻璃微珠。低折射率的玻璃微珠主要应用在逆反射特性要求相对不高的材料，如反光标线，而高折射率玻璃微珠则应用在要求具有高的回归反射特性的材料，如反光膜中。两类玻璃微珠的制造工艺已经趋于成熟，市场上可购买到不同折射率的玻璃微珠，而且许多新型玻璃微珠，如镀膜玻璃微珠和雨夜反光玻璃微珠不断地被研发生产出来，国内许多玻璃微珠厂生产的玻璃微珠性能非常优越，而且远销国外，在保证道路逆反射材料的可视性中发挥着重要的作用。

道路逆反射材料用玻璃微珠测试技术中最关键的项目是折射率的测试。玻璃材料折射率的直接精确测量，大都是基于棱镜的最小偏转角法或全反射临界角法进行的，被测样品必须制成一定大小的精密棱镜才能进行测量。对于不便于制作成精密棱镜的颗粒材料，浸液法是最为常用的折射率测量方法，其对低折射率玻璃微珠是行之有效的，但对高折射率玻璃微珠，由于浸液法所需的高折射率匹配液体都有毒性，给测量带来很大的不便。对于高折射率玻璃微珠，通过制作棱镜的方法测量其折射率既费时又不能直接反映实际情况，由于成珠环境条件不同，实际微珠的折射率往往与用同样材料溶成块料的折射率有差异。国内外许多机构在高折射率玻璃微珠的测试方面均进行了卓有成效的研究，取得了一些研究成果，目前可采用彩虹法、干涉-剪像法、固体介质熔融比较法等一些方法，其中彩虹法是最为有效的方法。

专利CN 2581980Y公开了一种激光照明玻璃微珠折射率测量的装置，该装置主要由He-Ne激光器、正透镜、载玻片及接收屏等组成，依据玻璃微珠在平行光照明下所产生的彩虹现象来进行折射率的测量。该装置的主要特征是采用平行激光使用长焦距正透镜使激光会聚后直接照射到吸附在载玻片上的单个玻璃微珠整体上，并利用五维可调节支架支撑长焦距正透镜和载玻片获取玻璃微珠被照明的最佳位置。该测量装置存在的主要缺陷是：(1)由于玻璃微珠通过吸附作用吸附于载玻片上，支撑载玻片的五维可调节支架在调节过程中容易造成玻璃微珠脱落，不能进行连续多次测量，以实现统计分析；(2)激光与玻璃微珠的对准通过五维可调节支架分别调整长焦距正透镜和载玻片来实现，调准误差增加了测量误差；(3)无法保存形成的彩虹环和相关参数，不能实现测试数据的统计分析；(4)彩虹环的半径是通过环形测量标尺估读，使得获得的数据不准确，测得的玻璃微珠折射率偏差大。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种高折射率玻璃微珠折射率测量过程中标定二次彩虹的彩虹环半径的方法及装置，即一种标定二次彩虹的彩虹环半径的方法及装置，所述方法能够准确测量二次彩虹的彩虹环半径，进而能够统计分析得出被测量玻璃微珠的折射率。

本发明提供一种标定二次彩虹的彩虹环半径的方法，其特征在于：预先设置一个直径L已知的圆环，通过摄像头拍摄该圆环的图像传输到计算机中，测量出该直径L的线段包含的像素个数m，从而计算出一个像素的尺寸为：L/m；测量出二次彩虹的直径所包含的像素个数M，结合计算出的每个像素的尺寸，从而计算出二次彩虹的半径r为M×L/(2×m)。

优选地，所述高折射率玻璃微珠折射率测量过程包括以下步骤：

步骤1：激光器发出激光，经过透镜，光阑的光束垂直向上后透过载物台上载玻片；

步骤2：调节载玻片上的待测玻璃微珠，使光束射到待测玻璃微珠上，在接收屏上得到二次彩虹图像；

步骤3：使观察到的二次彩虹图像达到要求，从而摄像头拍摄到适当大小而又清晰的二次彩虹图像；

步骤4：根据算式：

θ＝kπ+2i-2z(k+1)    (1)

式中k＝1，2，3......N，其中N为自然数；

因为入射角i与折射角z之间满足Snell定理sini＝nsinz，代入(1)式可得到最小偏向角θ_min与玻璃微珠折射率n及内反射次数k的关系：

${\mathrm{\θ}}_{\min }=\mathrm{k\π}+2\arcsin \sqrt{\frac{{(k+1)}^2-n^2}{k(k+2)}}-2(k+1)\arcsin \left(\frac{1}{n}\sqrt{\frac{{(k+1)}^2-n^2}{k(k+2)}}\right)---\left(2\right)$

步骤5：

测量待测玻璃微珠到接收屏之间的距离s，并用下面的算式(3)计算出待测玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角θ_min：

${\mathrm{\θ}}_{\min }=t{g}^{-1}\left(\frac{r}{s}\right)---\left(3\right)$

将θ_min的结果代入公式(2)中，并取k＝2，得到待测玻璃微珠的折射率n。

优选地，调节载玻片上的待测玻璃微珠步骤是通过调节X、Y平移结构实现的，优选地，其中使观察到的二次彩虹图像达到要求的步骤是通过再旋转固定在三脚架上的升降旋钮实现的。

本发明还提供一种标定二次彩虹的彩虹环半径的装置，其特征在于：主要包括：激光器1、透镜3、光阑5、X、Y平移结构7、载玻片8、玻璃微珠9、接收屏10、摄像头11、升降装置、读数器13，所述摄像头11安装在升降装置上；摄像头11的下方安装所述接收屏10；读数器13安装在升降装置的移动台上，用于读取玻璃微珠9到接收屏10之间的距离；在接收屏10的下方有用于放置载玻片8的载物台；载物台安装在X、Y平移结构7的移动平台上；激光器1的出射光经透镜3、光阑5从载物台的下方向上穿过载物台上的光孔照射到玻璃微珠9上，在接收屏10上形成二次彩虹圆环，在接收屏10上预置直径已知的标定圆环，通过摄像头11将该标定圆环和二次彩虹圆环同时传输到计算机中，根据标定圆环的直径计算出二次彩虹圆环的半径。

优选地，在载玻片8上一次放置有多个玻璃微珠9，在测试完一个玻璃微珠9后，通过调节X、Y平移结构7和升降装置，继续下一个玻璃微珠9的测量，直到完成对多个玻璃微珠9的测量，然后统计分析所述多个玻璃微珠9的测量结果；优选地，所述多个玻璃微珠为200个以上。

优选地，所述装置还包括第一反射镜2、第二反射镜4、第三反射镜6，激光器1的光路前方依次安装第一反射镜2、所述透镜3、第二反射镜4、所述光阑5和第三反射镜6，激光器1发出的激光，被第一反射镜2反射经过透镜3，透射光经第二反射镜4反射，通过光阑5的光束再经第三反射镜6反射，光束垂直向上后透过载物台上载玻片8，使光束射到玻璃微珠9上。

优选地，所述升降装置包括三角架14，升降台，所述三脚架连接有所述升降台，在所述升降台上安装有所述摄像头11；优选地，所述升降装置还包括升降旋钮12，通过调节该升降旋钮12来调节升降台的高度；进一步优选地，在所述升降台的下部安装所述接收屏10。

优选地，将测量到的玻璃微珠9到接收屏10之间的距离和摄像头11拍摄下来的二次彩虹图像传输到采集卡15；优选地，采集卡15上的数据传输到所述计算机。

优选地，所述X、Y平移结构7包括螺旋机构或者齿轮齿条机构。

进一步优选地，所述高折射率玻璃微珠折射率测量过程包括：

步骤1：激光器1发出激光，被第一反射镜2反射经过透镜3，透射光经第二反射镜4反射，通过光阑5的光束被第三反射镜6反射，光束垂直向上后透过载物台上的载玻片8；

步骤2：使用X、Y平移结构7调节载玻片8上的待测玻璃微珠9，使光束射到待测玻璃微珠9上，在接收屏10上得到二次彩虹图像；

步骤3：旋转固定在三脚架14上的升降旋钮12，使观察到的二次彩虹图像达到要求，从而摄像头11拍摄到适当大小而又清晰的二次彩虹图像；

步骤4：根据算式：

θ＝kπ+2i-2z(k+1)    (1)

因为入射角i与折射角z之间满足Snell定理sini＝nsinz，代入(1)式便得到最小偏向角θ_min与玻璃微珠折射率n及内反射次数k的关系：

${\mathrm{\θ}}_{\min }=\mathrm{k\π}+2\arcsin \sqrt{\frac{{(k+1)}^2-n^2}{k(k+2)}}-2(k+1)\arcsin \left(\frac{1}{n}\sqrt{\frac{{(k+1)}^2-n^2}{k(k+2)}}\right)---\left(2\right)$

步骤5：

标定二次彩虹图像的彩虹环半径r步骤：预先设置一个直径L已知的圆环，通过摄像头拍摄该圆环的图像传输到计算机中，测量出该直径L的线段包含的像素个数m，从而计算出一个像素的尺寸为：L/m；测量出二次彩虹的直径所包含的像素个数M，结合计算出的每个像素的尺寸，从而计算出二次彩虹的半径r为M×L/(2×m)。

从读数器13读出待测玻璃微珠9到接收屏10的距离s，并用下面的算式计算出待测玻璃微珠9的二次彩虹的最小偏向角θ_min。

${\mathrm{\θ}}_{\min }=t{g}^{-1}\left(\frac{r}{s}\right)---\left(3\right)$

将θ_min的结果代入的公式(2)中，并取k＝2，得到待测玻璃微珠的折射率n。

本发明的优点：

1、载玻片及载玻片上的玻璃微珠水平放置，激光器发出的激光经过三次反射后垂直向上照射到玻璃微珠上，克服了玻璃微珠在测试过程中容易脱落的缺陷，并能够进行连续多次测量。

2、测量过程中仅需调节X、Y平移结构就可以使光束射到玻璃微珠上，并在接收屏上得到二次彩虹图像，减少了激光与玻璃微珠对准时的误差。

3、利用摄像头拍摄储存二次彩虹图像，并可利用计算机进行统计分析得到玻璃微珠的折射率，提高了计算的精度。

4、对二次彩虹的彩虹环半径进行准确标定，测得的玻璃微珠折射率偏差小。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1(a)所示为光线在玻璃微珠中经过一次、两次或多次内反射后折射出微珠的几何光路示意图；

图1(b)所示为以入射角i、折射角z的光线在折射率为n的玻璃微珠内经过k次内反射后折射出玻璃微珠的几何光路示意图；

图2是本发明的实验装置示意图；

图3(a)是二次彩虹条纹图；

图3(b)是二次彩虹条纹图；

图4是标定圆环图；

图5是数据统计直方图；

图6(a)是本发明的装置结构俯视示意图；

图6(b)是本发明的装置结构示意图。

具体实施方式

参照图1至图6对本发明的实施例进行说明。

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：

本发明提供了一种高折射率玻璃微珠折射率测量过程中标定二次彩虹的彩虹环半径的方法，该方法能够准确测量二次彩虹的彩虹环半径，进而能够统计分析得出被测量玻璃微珠的折射率。

一束平行光照射到高折射率玻璃微珠上，光线在微珠内部经历一次、二次或多次反射后将折射出玻璃微珠，出射光线与入射光线方向之间会形成偏向角，如图1(a)所示。当光线入射到玻璃微珠上的角度增大时，偏向角会逐渐减小，到达最小值后，又逐渐增大，其中具有最小偏向角的光线叫作笛卡尔光线。由于在最小偏向角附近光线最密集，密集的光线形成了虹。光线在微珠中经过一次、两次或多次内反射，形成一次、二次或高次彩虹。其中二次彩虹的成像原理如下所述：

图2中采用的光源为激光器40，其为单模氦氖激光器(632.8nm)，功率约为2mw。由该激光器40发出的光束通过透镜41聚焦，并经光阑42滤除其在传输过程中引入的杂散光后照射到待测玻璃微珠43上，其后摆放的接收屏45用于接收玻璃微珠的二次彩虹条纹图，接收屏45前有载物屏44，摄像头46放置接收屏45之后。

其中，接收屏45中心设置挡光装置以阻挡衍射光束的零级。由于透镜的焦深较长，会聚于玻璃微珠上的激光束可近似看成平行光，它投射到微珠上后将产生彩虹现象。理论上，图2的装置除了能形成一次和二次彩虹外，还有可能形成高次彩虹。但是，由于高折射率微珠的透过率极低(约为百分之几)，测量时一般只能观察到一次和二次彩虹。根据玻璃微珠高折射率性质，玻璃微珠的一次彩虹出现在入射光束的反方向，而二次彩虹出现在光束的入射方向。因此，在图2中微珠的后方设置的接收屏45将得到的是二次彩虹条纹图，如图3(a)、(b)所示。

如图1(b)所示，入射角i、折射角z的光线在折射率为n的玻璃微珠内经过k次内反射后，偏向角θ可以表示为：

θ＝kπ+2i-2z(k+1)    (1)

因为i与z之间满足Snell定理sini＝nsinz。代入(1)式便得到最小偏向角θ_min与玻璃微珠折射率n的关系：

${\mathrm{\θ}}_{\min }=\mathrm{k\π}+2\arcsin \sqrt{\frac{{(k+1)}^2-n^2}{k(k+2)}}-2(k+1)\arcsin \left(\frac{1}{n}\sqrt{\frac{{(k+1)}^2-n^2}{k(k+2)}}\right)---\left(2\right)$

(2)式表明，最小偏向角θ_min大小只与玻璃微珠折射率n和内反射次数k有关，当确定了内反射次数k，测出θ_min后，就可通过(2)式确定玻璃微珠的折射率。

最小偏向角测量方法：如图2所示的实验装置图中，接收屏45上将观察到二次彩虹，测出亮环半径r和玻璃微珠到接收屏45的距离s，由(3)式可以计算出待测玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角θ_min。

${\mathrm{\θ}}_{\min }=t{g}^{-1}\left(\frac{r}{s}\right)---\left(3\right)$

将此结果代入公式(2)中，并取k＝2，就可以得到待测玻璃微珠的折射率n。

标定步骤：为了测量出二次彩虹的半径r，可以通过标定测量出一个像素的尺寸，从而可以计算出二次彩虹的半径。具体如下：

在接收屏位置预先设置一个直径L已知的标定圆环，如图4所示，通过摄像头拍摄该圆环和二次彩虹圆环的图像并传输到计算机中，测量出该直径L的线段包含的像素个数m，从而计算出一个像素的尺寸为L/m。

打开已拍下的二次彩虹图，从而可以测量出二次彩虹的直径所包含的像素个数M，结合标定计算出的每个像素的尺寸，从而计算出二次彩虹的半径为：M×L/(2×m)。

数据分析方法：对高折射率玻璃微珠实施超过200次的测量，并利用计算机进行统计分析，可以得到折射率的平均值和标准差。如型号1#-1的玻璃微珠的统计分析结果见表1和图5。

表1

平均值	1.914118
		标准差	0.002546

从直方图5上可以看出，该测试结果接近正态分布，典型数据为：n＝1.914±0.004。

其它型号材料的数据如表2：

表2各型号微珠的测量结果

误差来源及测量精度方法步骤：

(1)玻璃微珠不圆度带来的误差

玻璃微珠的不圆会造成所成二次彩虹不圆，这样会给测量带来误差。所以要选择圆度好的样品微珠的同时，采取多次测量取平均值的方法来减小不圆度带来的影响。

(2)读数对准误差

a.半径测量时，由于二次彩虹外围有一定的噪声，所以读数时会有一定的误差。半径测量精度为±4个像素，产生的误差约-0.032mm；

b.距离测量时精度：±0.03mm。

(3)结果计算误差

由于最小偏向角、玻璃微珠折射率是按几何方法得到的，所以会有一定的误差，不过这个误差很小，故在本测量精度范围内的影响可忽略。

所以，最后的测量精度为N＝n₀±0.005(n₀为平均值)，因此，测试结果的小数点后第三位是可信的。

测试达到的指标：实用波长为633nm；测试范围1.68-2.4；折射率测量精度N＝n₀±0.005(n₀为平均值)。

实施例2：

根据图2所示的实验装置，设计图6(a)、(b)所示的测量装置结构。

本发明的高折射率玻璃微珠折射率测量过程中标定二次彩虹的彩虹环半径的装置，图6(a)中激光器1发出激光，被第一反射镜2反射经过透镜3，透射光经第二反射镜4反射，通过光阑5的光束再经图6(b)中第三反射镜6反射，光束垂直向上后透过载物台上载玻片8，利用X、Y平移结构7调节载玻片8上的玻璃微珠9，使光束射到玻璃微珠9上，从而会在接收屏10上得到二次彩虹图像。这时，再旋转固定在三脚架14上的升降旋钮12，使观察到的二次彩虹图像达到要求，从而摄像头11可以拍摄到适当大小而又清晰的二次彩虹图像。读出读数器13上显示的玻璃微珠9到接收屏10之间的距离，以及采集卡15采集到的彩虹环直径，即可求出被测位置玻璃微珠的折射率。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细的说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种在高折射率玻璃微珠折射率测量过程中标定二次彩虹的彩虹环半径的装置，其特征在于：主要包括：激光器(1)、透镜(3)、光阑(5)、X、Y平移结构(7)、载玻片(8)、玻璃微珠(9)、接收屏(10)、摄像头(11)、升降装置、读数器(13)，所述摄像头(11)安装在升降装置上；摄像头(11)的下方安装所述接收屏(10)；读数器(13)安装在升降装置的移动台上，用于读取玻璃微珠(9)到接收屏(10)之间的距离；在接收屏(10)的下方有用于放置载玻片(8)的载物台；载物台安装在X、Y平移结构(7)的移动平台上；激光器(1)的出射光经透镜(3)、光阑(5)从载物台的下方向上穿过载物台上的光孔照射到玻璃微珠(9)上，在接收屏(10)上形成二次彩虹圆环，在接收屏(10)上预置直径已知的标定圆环，通过摄像头(11)将该标定圆环和二次彩虹圆环同时传输到计算机中，根据标定圆环的直径计算出二次彩虹圆环的半径；

还包括第一反射镜(2)、第二反射镜(4)、第三反射镜(6)，激光器(1)的光路前方依次安装第一反射镜(2)、所述透镜(3)、第二反射镜(4)、所述光阑(5)和第三反射镜(6)，激光器(1)发出的激光，被第一反射镜(2)反射经过透镜(3)，透射光经第二反射镜(4)反射，通过光阑(5)的光束再经第三反射镜(6)反射，光束垂直向上后透过载物台上载玻片(8)，使光束射到玻璃微珠(9)上；在载玻片(8)上一次放置有多个玻璃微珠(9)，在测试完一个玻璃微珠(9)后，通过调节X、Y平移结构(7)和升降装置，继续下一个玻璃微珠(9)的测量，直到完成对多个玻璃微珠(9)的测量，然后统计分析所述多个玻璃微珠(9)的测量结果。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述多个玻璃微珠为200个以上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述升降装置包括三角架(14)、升降台，所述三脚架(14)连接有所述升降台，在所述升降台上安装有所述摄像头(11)；所述升降装置还包括升降旋钮(12)，通过调节该升降旋钮(12)来调节升降台的高度；在所述升降台的下部安装所述接收屏(10)。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：将测量到的玻璃微珠(9)到接收屏(10)之间的距离和摄像头(11)拍摄下来的二次彩虹图像传输到采集卡(15)；采集卡(15)上的数据传输到所述计算机。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述X、Y平移结构(7)包括螺旋机构或者齿轮齿条机构。

6.权利要求1-5任一项所述的装置用于在高折射率玻璃微珠折射率测量过程中标定二次彩虹的彩虹环半径的用途。

7.一种使用权利要求1所述装置的测量高折射率玻璃微珠折射率的方法，其特征在于：预先设置一个直径L已知的圆环，通过摄像头拍摄该圆环的图像传输到计算机中，测量出该直径L的线段包含的像素个数m，从而计算出一个像素的尺寸为：L/m；测量出二次彩虹的直径所包含的像素个数M，结合计算出的每个像素的尺寸，从而计算出二次彩虹的半径r为M×L/（2×m）；

其中高折射率玻璃微珠折射率测量过程包括以下步骤：

步骤1：激光器发出激光，经过透镜、光阑的光束垂直向上后透过载物台上载玻片；

步骤2：调节载玻片上的待测玻璃微珠，使光束射到待测玻璃微珠上，在接收屏上得到二次彩虹图像；

步骤3：使观察到的二次彩虹图像达到要求，从而摄像头拍摄到适当大小而又清晰的二次彩虹图像；

步骤4：建立算式：

θ＝kπ+2i-2z(k+1)           (1)

式中k=1,2,3……N，其中N为自然数；

因为入射角i与折射角z之间满足Snell定理sini=nsinz,代入（1）式可得到最小偏向角θ_min与玻璃微珠折射率n及内反射次数k的关系：

${\mathrm{\θ}}_{\min }=\mathrm{k\π}+2\arcsin \sqrt{\frac{{(k+1)}^2-n^2}{k(k+2)}}-2(k+1)\arcsin \left(\frac{1}{n}\sqrt{\frac{{(k+1)}^2-n^2}{k(k+2)}}\right)---\left(2\right)$

步骤5：

测量待测玻璃微珠到接收屏之间的距离s，并用下面的算式(3)计算出待测玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角θ_min：

${\mathrm{\θ}}_{\min }={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{r}{s}\right)---\left(3\right)$

将θ_min的结果代入公式（2）中，并取k=2，得到待测玻璃微珠的折射率n。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于其中调节载玻片上的待测玻璃微珠步骤是通过调节X、Y平移结构实现的。

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