CN102749303B - 一种测量平板型透明介质折射率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种测量平板型透明介质折射率的装置包括暗盒、半导体激光器、毛玻璃屏、会聚透镜、薄毛玻璃屏、CCD摄像头、精密移台、平台衬板，平台衬板设置在暗盒内，半导体激光器、毛玻璃屏、会聚透镜、精密平移台安装在平台衬板上，薄毛玻璃屏、CCD摄像头安装在精密平移台上，随精密平移台同步移动，半导体激光器、毛玻璃屏、会聚透镜、薄毛玻璃屏、CCD摄像头依次同轴排列设置在暗盒内，暗盒上设有遮光盖。采用该装置测量平板型透明介质折射率的方法为：将待测平板型介质置于会聚透镜和精密平移台之间，待测介质放入前后，在薄毛玻璃屏上的圆形光斑直径会发生变化，在定标的基础上，只需知道待测介质放入后的光斑直径，即可得到该介质的折射率，相应的圆形光斑图像通过CCD摄像头由计算机实时获取并测量。该方法适用于固体和液体介质折射率的测量，操作简便，测量数据少，测量范围不受限制，并可用于折射率的实时监测。

Description

一种测量平板型透明介质折射率的装置和方法

技术领域

本发明涉及固体和液体折射率的测量，尤其是涉及一种有两个平行面的平板型透明介质折射率的测量。

背景技术

折射率是介质的一项重要光学参数，也是一些相关工农业产品的重要性能指标，在光学材料、食品、化工、医药等领域有着广泛的应用。

目前，测量介质折射率的方法很多，就有两个平行面的介质而言，常用的有几何光学法和干涉法。如利用阿贝折射仪，但其缺点是只适用于特定范围的折射率测量；有依据光束通过介质产生的侧向偏移，再利用线阵CCD或PSD传感器检测偏移量测量折射率的，其缺点是需确定光束入射角，并调节线阵CCD或PSD传感器与出射光线垂直，操作相对较难；还有利用干涉方法测量的，虽然能达到较高的精度，但其对实验条件要求较高，操作繁琐。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种测量数据少、测量范围不受限制、操作简便，适用于有两个平行面的平板型透明介质折射率测量的装置，并可实现折射率的实时监测。

本发明要解决的另一个技术问题在于提供一种使用平板型透明介质折射率测量装置测量折射率的方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：测量平板型透明介质折射率的装置包括暗盒、半导体激光器、毛玻璃屏、会聚透镜、薄毛玻璃屏、CCD摄像头、精密移台、平台衬板，平台衬板设置在暗盒内，半导体激光器、毛玻璃屏、会聚透镜、精密平移台安装在平台衬板上，薄毛玻璃屏、CCD摄像头安装在精密平移台上，随精密平移台同步移动，半导体激光器、毛玻璃屏、会聚透镜、薄毛玻璃屏、CCD摄像头依次同轴排列设置在暗盒内，暗盒上设有遮光盖。

会聚透镜和薄毛玻璃屏之间设置有待测介质，待测介质可以为固体或液体，若待测介质为固体，需有两个平行面，测量时可直接放入系统；若待测介质为液体，可配套有两个平行面的液槽，测量时将液体注入。

采用上述的平板型透明介质折射率测量装置测量介质折射率的方法如下：

1、接通半导体激光器的电源，发出的光通过毛玻璃屏形成较为均匀的散斑，经会聚透镜在薄毛玻璃屏得到均匀的圆形光斑图像，通过CCD摄像头由计算机实时获取。

2、定标：在薄毛玻璃屏上得到的均匀圆形光斑由计算机获取后，测量其直径D₁，然后调节精密平移台，记录其移动距离S，并再次测量薄毛玻璃屏上获得的圆形光斑直径D₂，此时定标完成。若待测介质为液体，则定标时需事先将配套液槽置于会聚透镜和精密平移台之间。在不改变待测介质物态的情况下(液体换固体或液体换固体)，通常只需进行一次初始定标，在后续测量中无需再作定标。

(3)测量：将待测介质放入会聚透镜和精密平移台之间，相应的在薄毛玻璃屏上的光斑直径会发生变化，测得此时的光斑直径D₂′，即可计算得到该介质的折射率为：

$n=\frac{1}{1-\frac{S}{T}\frac{|{D_2}^{\′}-D_2|}{|D_1-D_2|}}$

式中，T为待测介质两个平行面之间的距离。定标及测量中，D₁、D₂和D₂′可取相对值，以像素为单位，实验过程中必要时可将遮光盖合上。

在放入待测介质前后，通过会聚透镜的光束聚焦点会发生轴向平移，本发明在聚焦点前设置薄毛玻璃屏，将聚焦点轴向平移转化成了光斑直径的横向变化，图2为其原理示意图，结合折射定理和几何关系可得到本发明的测量公式。在薄毛玻璃屏上的圆形光斑图像通过CCD摄像头由计算机实时获取，计算机按照事先设定的程序进行数据处理，计算出被测介质的折射率。本发明设有暗盒，测量过程对环境条件要求低，与待测介质折射率相关的现象光照即显示，所形成的光学图像为平面图像，清晰度高，同时本发明具有结构简单、造价较低，测量精度较高等优点，可应用于科研和工业生产领域的平板型透明材料(如玻璃、酒精等)折射率的测量。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是本发明的原理示意图。

图3是采用本发明方法测量H-K9平板玻璃折射率的圆形光斑照片。

图4是本发明一个实施例的配套液槽示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的平板型透明介质折射率测量装置由半导体激光器1、暗盒2、毛玻璃屏3、会聚透镜4，薄毛玻璃屏6、小型精密平移台7、CCD摄像头8、计算机10构成，待测介质5放置在会聚透镜4和精密平移台7之间，暗盒底部设有带螺孔的平台衬板11，顶部设有遮光盖。

本实施例暗盒2的壳体为不锈钢或不透光的工程塑料，暗盒2底部居中设有带螺孔的钢质平台衬板11，暗盒2左端用螺丝、支架等连接件将半导体激光器1固定安装在平台衬板11上，半导体激光器1右侧的毛玻璃屏3、会聚透镜4用螺丝、支架等连接件同轴固定在平台衬板11上，暗盒2右端的CCD摄像头8，CCD摄像头8左侧的薄毛玻璃屏6用螺丝、支架等连接件同轴固定在小型精密平移台7上，然后将其作为整体固定安装在平台衬板11上，并保证半导体激光器1、毛玻璃屏3、会聚透镜4，薄毛玻璃屏6、CCD摄像头8的同轴性，CCD摄像头8通过USB数据线9与计算机10相连。其中毛玻璃屏3左侧为磨砂面，右侧为光学面，薄毛玻璃屏6左侧为光学面，右侧为磨砂面。半导体激光器1发出的光通过毛玻璃屏3形成较为均匀的散斑，经会聚透镜4在薄毛玻璃屏6上可得到均匀的圆形光斑，CCD摄像头8将获取的图像传输给计算机10，计算机10按照事先设定的程序进行数据处理，计算出被测介质的折射率。

采用本实施例的平板型透明介质折射率测量装置在室温下测量H-K9平板玻璃的方法如下：

1、接通半导体激光器1的电源，发出的光通过毛玻璃屏3形成较为均匀的散斑，经会聚透镜4在薄毛玻璃屏6上得到均匀的圆形光斑，通过CCD摄像头8由计算机10获取图像。

2、定标：在薄毛玻璃屏6上得到的均匀圆形光斑由计算机10获取后，测量其直径D₁，然后调节精密平移台7，记录其移动距离S，并再次测量薄毛玻璃屏6上获得的圆形光斑直径D₂，定标完成，并维持精密平移台7状态不变。

(3)测量：首先测出H-K9平板玻璃的厚度T，并输入计算机10，然后将H-K9平板玻璃固定在会聚透镜4和精密平移台7间配套的固定支架上，相应的在薄毛玻璃屏6上的光斑直径会发生变化，测得此时的光斑直径D₂′，即可计算得到该介质的折射率为：

$n=\frac{1}{1-\frac{S}{T}\frac{|{D_2}^{\′}-D_2|}{|D_1-D_2|}}$

定标及测量中，D₁、D₂和D₂′均为相对值，以像素为单位，实验过程中必要时可将遮光盖合上，计算结果见表1。

表1本实施例测量装置测量H-K9平板玻璃的折射率

待测介质	H-K9玻璃
		标准折射率	1.5146
本发明测量值	1.5032

实施例2

在本实施例中，新增图4的长方体敞口液槽，顶部敞口，底部为毛玻璃，左右两侧为用作光学面的平板玻璃，前面两侧为毛玻璃。其它构成及零部件的连接关系与实施例1相同。

采用本实施例的平板型透明介质折射率测量装置在室温下测量蒸馏水的方法如下：

1、接通半导体激光器1的电源，发出的光通过毛玻璃屏3形成较为均匀的散斑，经会聚透镜4在薄毛玻璃屏6上得到均匀的圆形光斑，通过CCD摄像头8由计算机10获取图像。

2、定标：首先测出长方体敞口液槽槽内的宽度T，并输入计算机10，然后将长方体敞口液槽固定在会聚透镜4和精密平移台7间配套的固定支架上，从薄毛玻璃屏6上得到的均匀圆形光斑由计算机10获取后，测量其直径D₁，然后调节精密平移台7，记录其移动距离S，并再次测量薄毛玻璃屏6上获得的圆形光斑直径D₂，定标完成，并维持精密平移台7状态不变。

(3)测量：将待测蒸馏水注入长方体敞口液槽至指定高度，相应的在薄毛玻璃屏6上的光斑直径会发生变化，测得此时的光斑直径D₂′，即可计算得到该介质的折射率为：

$n=\frac{1}{1-\frac{S}{T}\frac{|{D_2}^{\′}-D_2|}{|D_1-D_2|}}$

定标及测量中，D1、D2和D2′均为相对值，以像素为单位，实验过程中必要时可将遮光盖合上。

Claims (1)

1.一种测量平板型透明介质折射率的方法，其特征在于，该方法采用测量平板型透明介质折射率的装置进行，所述测量平板型透明介质折射率的装置包括：暗盒、半导体激光器、毛玻璃屏、会聚透镜、薄毛玻璃屏、CCD摄像头、精密移台、平台衬板，平台衬板设置在暗盒内，半导体激光器、毛玻璃屏、会聚透镜、精密平移台安装在平台衬板上，薄毛玻璃屏、CCD摄像头安装在精密平移台上，随精密平移台同步移动，半导体激光器、毛玻璃屏、会聚透镜、薄毛玻璃屏、CCD摄像头依次同轴排列设置在暗盒内，暗盒上设有遮光盖；所述会聚透镜和薄毛玻璃屏之间设置有待测介质，待测介质为固体，需有两个平行面，测量时直接放入系统；或所述会聚透镜和薄毛玻璃屏之间设置有待测介质，待测介质为液体，配套有两个平行面的液槽，测量时将液体注入；

该方法由下述步骤组成：

(1)接通半导体激光器的电源，发出的光通过毛玻璃屏形成较为均匀的散斑，经会聚透镜在薄毛玻璃屏上得到均匀的圆形光斑图像，通过CCD摄像头由计算机实时获取；

(2)定标：在薄毛玻璃屏上得到的均匀圆形光斑由计算机获取后，测量其直径D₁，然后调节精密平移台，记录其移动距离S，并再次测量薄毛玻璃屏上获得的圆形光斑直径D₂，此时定标完成；若待测介质为液体，则定标时需事先将配套液槽置于会聚透镜和精密平移台之间；在不改变待测介质物态的情况下，只需进行一次初始定标，在后续测量中无需再作定标；

(3)测量：将待测介质放入会聚透镜和精密平移台之间，相应的在薄毛玻璃屏上的光斑直径会发生变化，测得此时的光斑直径D₂′，即可计算得到该介质的折射率为：

$n=\frac{1}{1-\frac{S}{T}\frac{|{D_2}^{\′}-D_2|}{|D_1-D_2|}}$

式中，T为待测介质两个平行面之间的距离；定标及测量中，D₁、D₂和D₂′取相对值，以像素为单位，实验过程中将遮光盖合上。