CN103983608A - 成像法测量玻璃微珠折射率 - Google Patents

Abstract

本发明提出成像法测量玻璃微珠折射率。其解决方案是首先在测量装置中，显示器1及规则成像物体2、平行光管3、玻璃微珠4、显微镜5、图像采集设备6、计算机7组成共轴光路系统。然后在显示器1上显示规则成像物体2，同时显示器1也作为光源，将其置于平行光管3前焦平面上。用显微镜5放大物体经玻璃微珠4所成的倒立缩小像，并使成像清晰。之后连接图像采集设备6，拍摄放大的物体的像，并保存在计算机7中。最后测量物距和计算像高，代入由垂轴放大率得到的化简公式，得到玻璃微珠焦距，根据厚透镜焦距公式反演计算玻璃微珠折射率。成像法可测量任意尺寸和折射率的玻璃微珠，测量过程易于操作、安全性高，测量结果精度也较高。

Description

成像法测量玻璃微珠折射率

技术领域

本发明涉及玻璃微珠折射率的直接测量技术，属于测量技术领域。

背景技术

玻璃微珠是直径为微米量级的透明球形小玻璃珠，一定折射率的玻璃微珠具有回归反射性，即光线入射到玻璃微珠，出射光线沿入射光线原路返回，因此玻璃微珠常用于反光材料的制作。这种反光材料具有重量较轻、强度高、理化性能稳定、导热系数低、摩擦力小等优点，目前广泛应用于交通、航空、工业自动化、军事等领域。影响玻璃微珠回归反射性能的因素主要有三个：粒径、材料的光学特性、周围环境，折射率是影响玻璃微珠光学特性的主要参数。测量制作玻璃微珠块状样品材料的方法有最小偏向角法、全反射临界角法、V棱镜法等，但经过高温熔融、冷却加工过程后，制成的玻璃微珠折射率会发生一定变化，这些测量方法具有一定的局限性。对玻璃微珠成品测量方法有彩虹法、球透镜聚焦测量法、油浸法等。测量玻璃微珠折射率的彩虹法及其测量仪的研制本实验室已做详细研究并有相关专利，如专利CN 102175646B和专利CN 2581980Y；成像法是将玻璃微珠看作球透镜，对规则物体成像，还没有相关专利用成像法测量玻璃微珠折射率，有文献直接测量玻璃微珠焦距和直径，焦距则为玻璃微珠中心到像平面的距离，由于玻璃微珠尺寸较小，这种测量结果误差较大；油浸法在测量高折射率玻璃微珠时，需匹配一定折射率的溶液，测量过程麻烦，安全性低。

发明内容

鉴于上述问题，本发明通过数学推导、实验研究提出了成像法测量玻璃微珠折射率。与其它测量方法相比，这种测量方法的优点首先是直接对玻璃微珠成品测量，消除了块状玻璃样品制作玻璃微珠过程对其折射率的影响。其次，无需匹配折射率较高的溶液，提高了测量过程的安全性。此外，根据球透镜聚焦原理，测量量为物距和像高，通过采集成像图片，以像素为单位换算得到像高，精度较高。同时这种方法操作简单、可重复测量，适用于不同折射率和不同粒径范围的玻璃微珠。

    本发明特征是以下述原理为基础：对于不同尺寸的玻璃微珠，可以将成像法分为放大率法和透镜成像法。放大率法在光路中加入光线准直元器件，如平行光管，光能在传播过程中损失较大，适于测量尺寸较大的玻璃微珠；透镜成像法不加光线准直器件，由于玻璃微珠尺寸较小，光源到玻璃微珠的距离较大，像平面和焦平面近似重合，即近似看作平行光入射，光能损失较小，适于任何尺寸的玻璃微珠测量。

放大率法测量玻璃微珠折射率原理如图1所示，已知高为                                                的规则成像物体1置于平行光管2前焦平面上，光线经平行光管后产生平行光束，边缘物点发出的两条光线：通过平行光管中心，经玻璃微珠折射后交于边缘像点的光线；经平行光管透镜准直，通过玻璃微珠3中心交于边缘像点的光线。玻璃微珠后焦平面上所成像高为，调节显微镜4使成像清晰，用CCD相机5进行拍摄。

边缘物点发出的两条光线经准直透镜后相互平行，球透镜的主点和球心重合，为通过准直透镜中心的光线与光轴的夹角

                                               (1)

上式化简为

                                                     (2)

空气中厚透镜焦距公式为

                                     (3)

对于球形的玻璃微珠，直径，，折射率表示式为

                                                   (4)

为玻璃微珠焦距，为平行光管的焦距，平行光管的焦距和物高已知，只需测得像高，根据公式(2)就可以求出玻璃微珠的焦距。再将焦距和被测玻璃微珠的直径代入式(4)即可求出玻璃微珠的折射率。放大率法测量装置如附图2所示，显示屏作为背景光源，以黑白相间的条纹作为规则成像物体。

透镜成像法测量玻璃微珠折射率原理如图5所示，规则成像物体1的边缘物点A发出一条经玻璃微珠2中心的光线；轴上物点B发出一条经玻璃微珠2折射后交于光轴的光线。像高为，调节显微镜3成清晰像，用CCD相机4拍摄物体所成的像。

为边缘物点发出的光线与光轴的夹角，是物距，和为焦点， 为牛顿公式中的像距，图中参数之间的关系表示为

                                             (5)

上式简化为

                                                    (6)

由于玻璃微珠尺寸较小，入射光可近似看作平行光入射，故，上式简化为

                                                      (7)

物高和物距是已知的，测得物体经玻璃微珠所成像的大小，代入(7)式即可得到玻璃微珠焦距，将代入(4)式计算得到玻璃微珠折射率。透镜成像法测量装置如图6所示。

测量中像高以像素个数来计算，由于玻璃微珠尺寸较小，需要考虑靶面像素与拍摄到的图片像素的不一致问题，经过换算得到图片上物体所成的像高。举例说明，若CCD靶面像素为m×n，拍摄的照片像素为s×t，靶面的每个像素的尺寸为a×b(查看CCD使用说明书可知)，则测得的拍摄图片的像高x为

                                                (8)

上式中，为CCD拍摄的物体所成的像的水平方向的像素个数。

显微镜对物体所成的像具有放大的作用，假设显微镜放大倍数为M，则实际经过玻璃微珠所成的像的大小为

                                                       (9)

本发明是成像法测量玻璃微珠折射率，其特征在于在共轴光学系统中，液晶显示屏作为光源及其显示的规则图作为成像物体（以黑白相间条纹为例），将玻璃微珠看作球透镜，显微镜对物体经玻璃微珠所成的像放大，用电子接收设备拍摄放大的物体的像，测量物距和计算像高，代入由垂轴放大率得到的化简公式得到玻璃微珠焦距，根据厚透镜焦距公式计算玻璃微珠折射率。具体执行过程如下：

一、组建共轴光路：如图2中，将液晶显示器1、平行光管3、玻璃微珠4、显微镜5、图像接收设备6，使其成为共轴光学系统。

二、呈现规则成像物体：在液晶显示器上显示规则成像物体2，即物高已知。放大率法测量装置中，将液晶显示器置于平行光管3前焦面上。

三、调节：调节显微镜5，规则成像物体2经玻璃微珠4成清晰像。

四、接收：连接图像接收设备6，拍摄物体经玻璃微珠成像，并经显微镜5放大的像。

五、测量：测量显示器到玻璃微珠的距离L，即为物距。

六、计算：处理拍摄到的成像物体的照片，得到像高h'。将像高、步骤二中标准物高和步骤五中物距代入垂轴放大率化简公式(2)或公式(7)，得到玻璃微珠焦距。通过厚透镜焦距公式反演计算玻璃微珠折射率。

本发明中显示器1、平行光管3、玻璃微珠4、显微镜5组成的共轴光学系统，即各光学元件中心在光轴上。

本发明中显示器1可以为LED、LCD，用来对规则物体成像。

本发明中规则成像物体2可以是黑白光栅条纹，也可以是黑白相间圆环，其占空比，即一个光栅周期内不透明部分和透明部分可以取不同比值，如附图3所示。

本发明中显微镜5的作用是，放大规则成像物体经玻璃微珠所成的像。

本发明中图像采集设备6可以为CCD摄像机，也可以为CMOS摄像机，主要是拍摄物体所成的像。

本发明的工作过程是先将各测量元器件调成共轴光路，然后在液晶显示屏上显示规则物体，接着调节显微镜使成像清晰，最后用成像记录设备接收物体所成的像。本发明作为玻璃微珠折射率直接测量方法，具有操作简单、安全稳定、测量精度较高；耗材小、花费少、可重复性强、便于实现等优点。

附图的说明

       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：

附图1是放大率法测量玻璃微珠折射率原理图；

附图2是放大率法测量装置图；

附图3是显示器屏幕上的成像物体；

附图4是拍摄到的物体经玻璃微珠所成的像；

附图5是透镜成像法测量玻璃微珠折射率原理图；

附图6是透镜成像法测量装置图；

附图7是拍摄到的物体经玻璃微珠所成的像；

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

下面结合附图2和附图6通过实例对本发明进行详细说明。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明成像法测量玻璃微珠折射率具体实施过程为：

首先调节光路系统，使测量玻璃微珠折射率的各元器件共轴。然后，液晶屏上显示规则成像物体，调节显微镜使物体经玻璃微珠所成的像清晰，连接电子接收设备，保存规则成像物体放大的像。最后，测量物距，计算像高，代入公式(2)或(7)，得到玻璃微珠焦距，再代入厚透镜焦距公式(4)，即可得到玻璃微珠折射率。

第一步、组建共轴光学系统：按附图2搭建测量装置，显示器1及其成像物体2、平行光管3、玻璃微珠4、显微镜5、图像采集设备6组成共轴光路系统。调节测量所需的元器件高度，使它们共轴。其中，透镜成像法测量小尺寸玻璃微珠时，将平行平管移开，如附图6所示。

第二步、显示器显示规则成像物体：操作计算机7，在显示器1上显示规则成像物体2，如附图3，规则成像物体2可以是黑白光栅条纹，也可以是黑白相间圆环，其占空比，即一个光栅周期内不透明部分和透明部分可以取不同比值。

第三步、调节：显微镜5对玻璃微珠4所成的像具有放大作用，调节显微镜反光镜和物镜到玻璃微珠的距离，从目镜中观察玻璃微珠上物体的清晰像。

第四步、电子设备接收：去掉显微镜目镜，连接图像采集设备6，如CCD或CMOS 摄像头，拍摄经玻璃微珠成像，并经显微镜5放大的像，并保存在计算机7中。附图4和附图7分别为放大率法和透镜成像法中，电子设备接收的规则物体经某种折射率的玻璃微珠所成的像。

第五步、测量：测量显示器屏幕到玻璃微珠的距离l，多次测量求其平均值。

第六步、计算：由公式(8)、(9)可得物体经玻璃微所成的实际像高。物高h和平行光管焦距f ₀ 已知，将测量参数结果代入公式(2)或(7)得到玻璃微珠焦距，再代入化简后的焦距公式(4)，即可得到玻璃微珠折射率。

Claims (7)

1.成像法测量玻璃微珠折射率，其特征在于首先将测量玻璃微珠折射率所用到的元器件，如显示器1、光线准直器件3、玻璃微珠4、显微镜5、图像采集设备6置于共轴光路系统中；其次，显示器1上显示规则成像物体2，将玻璃微珠4看作球透镜，显微镜5对规则物体2经玻璃微珠4所成的像放大，用成像设备6拍摄记录放大的物体的像，并保存在计算机7中，测量物距和计算像高，代入由垂轴放大率得到的化简公式得到玻璃微珠焦距，根据厚透镜焦距公式计算玻璃微珠折射率。

2.根据权利要求1所述，其特征在于：显示器1可以为LCD、LED，用来显示规则成像物体。

3.根据权利要求1所述，其特征在于：规则成像物体2可以是黑白光栅条纹，也可以是黑白相间圆环，其占空比，即一个光栅周期内不透明部分和透明部分可以取不同比值。

4.根据权利要求1所述，其特征在于：图像采集设备6可以为CCD摄像机，也可以为CMOS摄像机，主要是拍摄物体所成的像。

5.根据权利要求1所述，其特征在于：若图像采集设备6靶面像素与拍摄到的图片像素的不一致，需要经过换算得到图片上物体所成的像高；设CCD靶面像素为m×n，拍摄的照片像素为s×t，靶面的每个像素的尺寸为a×b (查看CCD使用说明书可知)，以水平方向像素的大小为准，则拍摄图片的像高计算公式为                                                ，为CCD拍摄的物体所成的像的水平方向的像素个数。

6.根据权利要求1所述，其特征在于：显微镜5的作用是对规则成像物体经玻璃微珠所成的像放大，其物镜的放大倍数不限；设显微镜放大倍数为M，则实际经过玻璃微珠4所成的像的大小为。

7.根据权利要求1所述，其特征在于：放大率法中测量像高计算玻璃微珠焦距公式为，f ₀为准直元件前焦距；透镜成像法测量像高和物距计算玻璃微珠焦距公式为，l为成像物体到玻璃微珠的距离。