CN103884684A - 一种高精度数字v棱镜折射仪的光学系统 - Google Patents

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一种高精度数字V棱镜折射仪的光学系统，其特征在于：它包括电源(1)、白光LED光源(2)、狭缝(3)、消色差准直透镜(4)、干涉滤光片部件(5)、V棱镜座(6)、待测物体安装座(7)、消色差成像透镜(8)、信息感应传感器(9)，角度转动步进电机(10)、小型步进电机(11)、ARM控制器(12)和触摸液晶彩屏(13)；本发明快速光线瞄准大角度由角度编码器提供，小角度由PSD位置传感器或线阵CCD光电探测系统提供；最后总角度的偏向角度由两者角度之和得到，实现快速、大范围、高精度测量，整个装置结构简单，操作方便。

Description

一种高精度数字V棱镜折射仪的光学系统
技术领域
本发明涉及光学测量仪器领域，具体讲就是涉及一种高精度数字V棱镜折射仪的光学系统。
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。V棱镜折射仪的光学系统是一种用于折射率高精度测量的仪器，能对透明或半透明固体或液体物质的折射率，平均色散、部分色散进行测量。从而分析确定物质的浓度、含量及纯度等。广泛应用于制糖、制药、石油、食品、化工、光学玻璃等工业部门及有关高等院校和科研单位。
随着工业的发展，越来越多的行业也需用V棱镜折射仪的光学系统来检测他们各自的产品。而现有传统的V棱镜折射仪的光学系统是光学式的，仪器在读数显微镜对准、空程和行差等方面会产生误差，记录角度和后续数据处理的工作量较大，效率低下；所需的光源波长是采用笨重的钠灯、氢灯和汞灯，寿命短功、耗高、体积大，已不能满足现代检测部门的需要。
发明内容
如附图1所示，V棱镜工作原理：当一束垂直于V棱镜入射面的平行光进入V棱镜后，若被测试样的折射率与V棱镜折射率相同时，光线将不偏折地通过V棱镜，若被测试样的折射率与V棱镜折射率no有差异，光线将遵守折射定律发生折射，取出射光线与入射光线的夹角为H时，按照折射定律可以推导出H与n之间的关系为：
n = n o 2 + sin ( H ) n o 2 - sin 2 ( H ) - - - ( 1 )
式中：
no——V棱镜的折射率；
n——被测样品的折射率；
H——被测样品引起的偏折角；当n＞no时，H为正值；当n＜no时，H为负值
若能求得H角代入上式，即可求得被测试样的折射率n，当采用不同波长的单色光入射时，求得即为该波长的折射率nλ。
如附图2所示，微小角度测量原理：
H 1 = a tan ( L f ) - - - ( 2 )
式中：
H1为光线偏折的微小角度；L—平行光聚焦的位置到o点的距离；当光线聚焦点在o点的上方时，L为正值；当光线聚焦点在o点的下方时，L为负值；f为成像透镜的焦距。
根据以上V棱镜工作原理，本发明提供一种高精度数字V棱镜折射仪的光学系统，减小了测量程序，节约了测量时间，提高了测量精度，整个装置结构简单，操作方便。
技术方案
为了上述技术目的，本发明设计一种高精度数字V棱镜折射仪的光学系统，其特征在于：它包括电源、白光LED光源、狭缝、消色差准直透镜、干涉滤光片部件、V棱镜座、待测物体安装座、消色差成像透镜、信息感应传感器，角度转动步进电机、小型步进电机、ARM控制器和触摸液晶彩屏；
所述白光LED光源出射光路上装有狭缝，狭缝位于消色差准直透镜的焦平面上，光线从狭缝射出后经消色差准直透镜消除色差后以平行光进入干涉滤光片部件,光线射出后再进入V棱镜座，待测物体装在待测物体安装座内，待测物体安装座装在V棱镜座内V形槽内，进入V棱镜座的光线经过待测物体产生光线偏折，偏折后的平行光经消色差成像透镜射出成像在焦平面位置，消色差成像透镜装在角度转动步进电机上，所述角度转动步进电机受ARM控制器控制能够发生转动，所述信息感应传感器装在消色差成像透镜焦平面位置接受成像信息，将接受到的成像信息输出到ARM控制器，ARM控制器将输入信息分析后通过触摸液晶彩屏输出；
所述干涉滤光片部件装在小型步进电机上，所述小型步进电机受ARM控制器控制；
所述电源给白光LED光源、信息感应传感器、角度转动步进电机、小型步进电机和触摸液晶彩屏供电。
进一步，所述信息感应传感器为PSD位置传感器或线阵CCD。
进一步，所述狭缝是玻璃狭缝。
进一步，所述角度转动步进电机为高精度角度编码器步进电机。
进一步，所述干涉滤光片部件(包括至少8片干涉滤光片，滤光片装在安装转盘上，实现不同波长滤光片的选择。
有益效果
本发明快速光线瞄准大角度由角度编码器提供，小角度由PSD位置传感器或线阵CCD光电探测系统提供；最后总角度的偏向角度由两者角度之和得到，实现快速、大范围、高精度测量，整个装置结构简单，操作方便。
附图说明
附图1是V棱镜原理图。
附图2是现有透镜微小角度示意图。
附图3是本发明的结构示意图。
附图4是本发明中干涉滤光片部件原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步说明。
实施例
如附图3和4所示，一种高精度数字V棱镜折射仪的光学系统，其特征在于：它包括电源1、白光LED光源2、狭缝3、消色差准直透镜4、干涉滤光片部件5、V棱镜座6、待测物体安装座7、消色差成像透镜8、信息感应传感器9，角度转动步进电机10、小型步进电机11、ARM控制器12和触摸液晶彩屏13；
所述白光LED光源2出射光路上装有狭缝3，狭缝3位于消色差准直透镜4的焦平面上，光线从狭缝3射出后经消色差准直透镜4消除色差后以平行光进入干涉滤光片部件5,光线射出后再进入V棱镜座6，待测物体装在待测物体安装座7内，待测物体安装座7装在V棱镜座6内V形槽内，进入V棱镜座6的光线经过待测物体产生光线偏折，偏折后的平行光经消色差成像透镜8射出成像在焦平面位置，消色差成像透镜8装在角度转动步进电机10上，所述角度转动步进电机10受ARM控制器12控制能够发生转动，所述信息感应传感器9装在消色差成像透镜8焦平面位置接受成像信息，将接受到的成像信息输出到ARM控制器12，ARM控制器12将输入信息分析后通过触摸液晶彩屏13输出；
所述干涉滤光片部件5装在小型步进电机11上，所述小型步进电机11受ARM控制器12控制；
所述电源1给白光LED光源2、信息感应传感器9、角度转动步进电机10、小型步进电机11和触摸液晶彩屏13供电。
所述信息感应传感器9为PSD位置传感器或线阵CCD。
所述狭缝3是玻璃狭缝。
所述角度转动步进电机10为高精度角度编码器步进电机。
所述干涉滤光片部件5包括至少8片干涉滤光片，滤光片装在安装转盘上，实现不同波长滤光片的选择。
本发明的工作原理是白光LED光源2发出的光照射玻璃狭缝3，狭缝3位于消色差聚光透镜4的焦平面上，以平行光进入干涉滤光片部件5后得到需要波长的单色平行光，再进入V棱镜座6，透过待测物体后产生光线偏折；ARM控制器12控制带高精度角度编码器步进电机10转动使偏折后的平行光经消色差成像透镜8成像在焦平面上，被在焦平面上的PSD位置传感器或线阵CCD接受，ARM控制器12通过分析PSD位置传感器或线阵CCD采集的图像，根据公式计算出微小的偏折角度H1，再通过采集高精度角度编码器转过的角度得到大角度H2（其中顺时针方向转动为负，逆时针方向转动为正），两个角度之和就是被测物体引起的角度偏转H=H1+H2。对于每一种单色波长，由ARM控制器12控制小型步进电机11来调节干涉滤光片，计算被测物体对应波长的折射率，最后控制触摸液晶彩屏13实现被测物体所选波长的折射率显示。
本发明快速光线瞄准大角度由角度编码器提供，小角度由PSD位置传感器或线阵CCD光电探测系统提供；最后总角度的偏向角度由两者角度之和得到，实现快速、大范围、高精度测量，整个装置结构简单，操作方便。

Claims (5)

1.一种高精度数字V棱镜折射仪的光学系统的光学系统，其特征在于：它包括电源(1)、白光LED光源(2)、狭缝(3)、消色差准直透镜(4)、干涉滤光片部件(5)、V棱镜座(6)、待测物体安装座(7)、消色差成像透镜(8)、信息感应传感器(9)，角度转动步进电机(10)、小型步进电机(11)、ARM控制器(12)和触摸液晶彩屏(13)；
所述白光LED光源(2)出射光路上装有狭缝(3)，狭缝(3)位于消色差准直透镜(4)的焦平面上，光线从狭缝(3)射出后经消色差准直透镜(4)消除色差后以平行光进入干涉滤光片部件(5),光线射出后再进入V棱镜座(6)，待测物体装在待测物体安装座(7)内，待测物体安装座(7)装在V棱镜座(6)内V形槽内，进入V棱镜座(6)的光线经过待测物体产生光线偏折，偏折后的平行光经消色差成像透镜(8)射出成像在焦平面位置，消色差成像透镜(8)装在角度转动步进电机(10)上，所述角度转动步进电机(10)受ARM控制器(12)控制能够发生转动，所述信息感应传感器(9)装在消色差成像透镜(8)焦平面位置接受成像信息，将接受到的成像信息输出到ARM控制器(12)，ARM控制器(12)将输入信息分析后通过触摸液晶彩屏(13)输出；
所述干涉滤光片部件(5)装在小型步进电机(11)上，所述小型步进电机(11)受ARM控制器(12)控制；
所述电源(1)给白光LED光源(2)、信息感应传感器(9)、角度转动步进电机(10)、小型步进电机(11)和触摸液晶彩屏(13)供电。
2.如权利要求1所述的一种高精度数字V棱镜折射仪的光学系统的光学系统，其特征在于：所述信息感应传感器(9)为PSD位置传感器或线阵CCD。
3.如权利要求1所述的一种高精度数字V棱镜折射仪的光学系统的光学系统，其特征在于：所述狭缝(3)是玻璃狭缝。
4.如权利要求1所述的一种高精度数字V棱镜折射仪的光学系统的光学系统，其特征在于：所述角度转动步进电机(10)为高精度角度编码器步进电机。
5.如权利要求1所述的一种高精度数字V棱镜折射仪的光学系统的光学系统，其特征在于：所述干涉滤光片部件(5)包括至少8片干涉滤光片，滤光片装在安装转盘上，实现不同波长滤光片的选择。
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