CN104596989A - 基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于干涉条纹图的处理来测量透明介质折射率分布的方法，属于物质折射率测量技术领域。该方法是利用立体分光棱镜分光面干涉产生干涉条纹图，再通过计算改变输入光透过待测样品与参考介质的光程差所产生的干涉条纹移动数来进行待测透明介质折射率分布的测量；以及提供实现测量方法的测量装置。本发明测量方法不仅可对均匀透明介质折射率进行更高精度测量；而且还能对非均匀透明介质折射率分布进行测量。本发明的测量方法及其测量装置在保证测量精度和稳定性的前提下，还具有减少测量次数，缩短测量时间，以及简化数据处理的优点。

Description

基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法

技术领域

本发明属于物质折射率测量技术领域，特别涉及一种基于干涉条纹图处理来测量透明介质折射率分布的方法，以及提供实现该测量方法的测量装置。

背景技术

折射率作为表征物质性质的基本物理量，它反映了物质内部的许多信息，常用于光学、化学、新材料合成、物质鉴别等工程领域和科学研究等领域，折射率的精确测量在工业应用上有重要的意义。

物质折射率的测量方法有很多种，自动化并且高精度地测出物质折射率一直是研究者追求的目标。在各种测量物质折射率的方法中，通常使用的方法有最小偏转角法、全反射临界角法、菲涅耳衍射法等。近年来还出现了一些新的测量方法，如液芯变焦柱透镜法、基于长周期光栅的光纤传感法等。但这些方法或多或少存在一定局限性，最小偏转角法在测量偏转角度时易产生较大误差；全反射临界角法在测量液体时需要知道所用棱镜的精确折射率；菲涅耳衍射法虽然实验简单，但计算过程复杂，不利于自动化；所述液芯变焦柱透镜法需要标准液来标定系统参数，而液体的腐蚀性限制了光纤传感技术的应用。然而，上述方法均不能很好的、实时的测量介质折射率的分布。

《中国激光》公开了“基于分光棱镜干涉法测量透明液体折射率”(见《中国激光》第40卷5期，2013年5月，罗文全等)，该文中的实验装置和方法是基于CCD采集干涉条纹图进行图像处理得到移动条纹数，其在旋转过程中必需采集几百幅图像才能实现计数，满足一定的精度要求。然而测量时间较长，数据处理繁琐，且只能处理较低频率的干涉条纹信号。而后《Optics Communications》公开了“A single-element interferometer for measuring refractive index of transparent liquids”(见《Optics Communications》332(2014)14–17，Tao Zhang等)，该文献对上述方法进行了完善和改进，得到了较高精度的测量结果，但此方法只能对折射率分布均匀的透明介质进行其折射率的测量，无法测量非均匀透明介质的折射率分布。如果能够提供一种既能测量均匀透明介质的折射率，又能测量非均匀透明介质的折射率分布的测量方法，这正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的缺陷和不足，提供一种基于干涉条纹图的处理来测量透明介质折射率分布的方法；该方法是利用立体分光棱镜分光面干涉所产生干 涉条纹图，再通过计算改变输入光透过待测样品与参考介质的光程差所产生的干涉条纹移动数来进行待测透明介质的折射率分布的测量；以及提供一种实现该测量方法的测量装置。本发明的测量方法不仅可以对均匀透明介质折射率进行更高精度测量，而且还能实现对非均匀的透明介质折射率分布进行测量。所述对透明介质折射率分布的测量方法及其测量装置在保证测量精度和稳定性的前提下，还具有减少测量次数，缩短测量时间，以及简化数据处理的优点。

本发明提供的一种基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法，包括以下具体步骤：

(1)产生并接收待测样品处于第一位置时的干涉条纹图

选取适合于测试光的波长和对应的立体分光棱镜，调整立体分光棱镜位置，使所产生的干涉条纹间距满足相位提取算法需要；将试样台静置在平行激光束垂直入射到待测样品所处的第一位置并放置待测样品和参考介质，使待测样品与测试光光束传播方向垂直；然后将光学匹配系统输出的平行激光束垂直入射到试样台或其上比色皿中的待测样品和参考介质，透过待测样品的激光束形成信号光束、透过参考介质的激光束形成参考光束，所述信号光束和参考光束经立体分光棱镜发生干涉形成干涉光束，干涉光束经CCD探测器采集记录为干涉条纹图一，若干涉条纹图一已经携带有待测样品全部信息则直接进行第(2)步；反之，则将试样台在垂直光路的平面进行上下移动，CCD探测器继续采集记录此时干涉条纹图，直到待测样品全部的信息被采集完全，对所有采集的干涉条纹图进行拼接，得到一幅携带有待测样品全部信息的干涉条纹图一，并存入计算机系统中；

(2)产生并接收待测样品处于第二位置时的干涉条纹图

将试样台顺时针或逆时针旋转θ角度之后静置在平行激光束以θ角度入射到待测样品所处的第二位置，当光学匹配系统输出的平行激光束以θ角入射到试样台或其上比色皿中的待测样品和参考介质，透过待测样品和参考介质的激光束形成的信号光束和参考光束经立体分光棱镜发生干涉形成干涉光束，此过程中，通过光电探测计数器记录干涉光束形成的干涉条纹移动的整数部分的数量N'，同时干涉光束经CCD探测器采集记录为干涉条纹图二；若干涉条纹图二已经携带有待测样品全部信息则直接进行第(3)步；反之，则将试样台在垂直光路的平面进行上下移动，CCD探测器继续采集记录此时干涉条纹图，直到待测样品全部的信息被采集完全，对所有采集的干涉条纹图进行拼接，得到一幅携带有待测样品全部信息的干涉条纹图二，并存入计算机系统中；

(3)计算干涉条纹移动的小数部分

对上述获得的干涉条纹图一和干涉条纹图二分别进行去噪、相位提取和解包裹处理；分别得到干涉条纹图一和干涉条纹图二的连续二维相位分布，两者相减得到干涉条纹图一和干涉条纹图二之间的相位差Δφ(x,y)，再根据公式(1)，计算试样台移动过程引起的干涉条纹移动的小数部分ε(x,y)，其中(x,y)表示像素点的坐标；

(4)计算待测样品的折射率分布

当待测样品与垂直入射光束的入射角由0°变到θ角度时，两光束的光程差会发生变化，对应的干涉条纹移动数N可由如下公式(2)计算得到，

$N=(l/\mathrm{\λ})*{[(n^2-n_0^2{\sin }^2\mathrm{\θ})}^{\frac{1}{2}}-n_0*\cos \mathrm{\θ}-n+n_0]---\left(2\right)$

对应到每个像素点则有：

$N(x,y)=(l/\mathrm{\λ})*[{(n{(x,y)}^2-n_0^2{\sin }^2\mathrm{\θ})}^{\frac{1}{2}}-n_0*\cos \mathrm{\θ}-n(x,y)+n_0]---\left(3\right)$

其中N(x,y)＝N'(x,y)+ε(x,y)为干涉条纹移动数，l为待测样品的厚度；n₀为参考介质的折射率；λ为光学匹配系统输出的激光束的波长；n(x,y)为该像素点对应的样品点折射率，将公式(3)变形得到待测样品平面各点对应的像素点处折射率n(x,y)：

$n(x,y)=\frac{{(N(x,y)\mathrm{\λ}/l)}^2+2(1-\cos \mathrm{\θ})(n_0^2-n_{0}N(x,y)\mathrm{\λ}/l)}{2[n_0(1-\cos \mathrm{\θ})-N(x,y)\mathrm{\λ}/l]}---\left(4\right).$

上述方案中，所述待测样品为均匀透明介质，或非均匀透明介质；所述透明介质为液体、气体或固体；所述参考介质可以为空气或任意均匀透明介质。

上述方案中，所述待测样品为液体或气体时，将其装入具有两个平行面的比色皿中再置于试样台上进行测量；当待测样品为固体时，所述固体样品应具有两个相互平行的面，可直接放在试样台上进行测量。

上述方案中，所述将试样台顺时针或逆时针旋转θ角度的范围在0-30°之间。

上述方案中，所述光学匹配系统输出的平行激光束选自单色光源，或光谱可调控光源；其波长范围可从紫外、可见、近红外、中红外、到远红外。

上述方案中，所述立体分光棱镜选择所用波长对应的立体分光棱镜，其分光面镀有宽带消偏振分光膜。

本发明一种实现基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的测量装置，包括光学匹配系统、比色皿、试样台、立体分光棱镜、平面分束镜、透镜、光电探测计数器、CCD探测器、计算机系统、待测样品；还包括温度控制器和试样台中的升降台；所述试样台、立体分光棱镜、平面分束镜依次位于光学匹配系统所发出的平行激光束的光路上，来自光学匹配系统的平行激光束入射到放置于试样台或其上比色皿中的待测样品和参考介质，透过待测样品的激光束形成信号光束、透过参考介质的激光束形成参考光束；立体分光棱镜用于使信号光束和参考光束发生干涉形成干涉光束，平面分束镜用于将干涉光束分为透射光束和反射光束；透镜位于平面分束镜分出的透射光束或反射光束的光路上；用于放大所述透射光束或反射光束；光电探测计数器位于透镜所产生的透射光束的光路上，用于记录干涉条纹移动数的整数部分；CCD探测器位于平面分束镜形成的透射光束或反射光束的光路上，用于干涉光束的采集记录，并将记录的干涉光束数据传送给计算机系统；计算机系统分别与CCD探测器、试样台的驱动机构连接，用于接收与处理干涉光束数据，并将干涉光束形成的干涉条纹予以显示，以及控制试样台的转动和垂直于光路平面的升降台的上下移动；温度控制器与比色皿连接。

上述方案中，所述来自光学匹配系统的平行激光束选择单色光，或光谱可调控光源；其波长范围从紫外、可见、近红外、中红外、到远红外。

上述方案中，所述立体分光棱镜选择所用波长对应的立体分光棱镜，其分光面镀有宽带消偏振分光膜。

上述方案中，所述待测样品为液体、气体或固体；所述参考介质为空气或任意透明均匀介质。

上述方案中，所述待测样品为液体或气体时，将其装入具有两个平行面的比色皿中再置于试样台上进行测量；当待测样品为固体时，所述固体样品应具有两个相互平行的面，可直接放在试样台上进行测量。

上述方案中，所述比色皿选用外形为长方体的比色皿，其内腔的宽度为0.1mm～50mm；将比色皿内腔分隔成两部分，一部分用于装待测液体或待测气体样品，另一部分用于装参考介质。

上述方案中，所述温度控制器由主机、制冷/制热负载、温度传感器和显示器组成。

本发明所述公式(4)的来源见文献：Md,A.,S.D.Nicola,et al."A reflective grating interferometer for measuring the refractive index of liquids."Pure and Applied Optics:Journal of the European Optical Society Part A 5(6):761-765.(1996)，待测样品折射率分布可通过标定 得到样品点与干涉条纹图像素点之间的映射关系计算得到。

本发明所述的图像拼接技术是比较成熟的常规技术，《红外技术》公开了“数字图像拼接方法研究进展”(见《红外技术》第31卷6期，2009年6月，余宏生等)，对该项技术进展进行了说明。

本发明所设置的温度控制器，是为了排除环境温度漂移对待测透明介质折射率分布的影响，以及排除待测透明介质折射率分布的温度系数；因此，所设温度控制器用于调节待测样品的温度。

本发明与现有技术相比具有以下优点及有益的技术效果：

1、由于实现本发明所述测量方法的测量装置中设置了光电探测计数器和CCD探测器，光电探测计数器可记录干涉光束形成的干涉条纹移动的整数部分的数量N’，CCD探测器可采集并记录干涉光束再传输给计算机系统处理得到干涉条纹图像，再通过干涉条纹图像得到干涉条纹各像素点移动的小数部分ε(x,y)，带入折射率计算公式就可得到待测样品的折射率分布，这样不仅减少了测量次数，缩短了测量时间，而且简化了数据的处理。

2、使用本发明所述测量方法和实现该方法的测量装置对透明介质折射率分布进行测量，可保证折射率测量的高精度和准确性，测量精度可达到10^-4。

3、实现本发明测量方法的测量装置中，所述试样台下方放置有升降台，使其在垂直于光路方向的平面移动，结合图像拼接技术可以实现光路对待测样品折射率分布的全局测量。

4、实现本发明测量方法的测量装置中，可通过调整立体分光棱镜的倾斜角度来改变其与来自光学匹配系统的平行激光束之间的角度，以实现干涉条纹间距的调节，以利于后续干涉条纹移动数的整数部分计数以及小数部分计算。

5、实现本发明测量方法的测量装置中，所述温度控制器的设置便于对待测样品的温度进行调整，可排除环境温度漂移对待测样品折射率分布的影响，并可用于测量待测样品折射率的温度系数。

6、实现本发明方法的测量装置中，测试光光源为波长可控，且调控波段范围较广的超连续谱激光光源，波长选择范围可从紫外、可见、近红外、中红外、到远红外，可满足对某些只对特定波段感光灵敏的透明介质折射率的测量。

7、使用本发明所述的测量方法和实现该方法的测量装置，对环境因素不敏感，其抗 震稳定性强，可满足恶劣工作环境下对不同均匀透明介质折射率和非均匀透明介质折射率分布的测量。

附图说明

图1是本发明所述透明介质折射率分布测量装置的结构示意图；

图2是本发明测量装置的原理图，其中，(a)为俯视结构示意图，图中d为临界位置，超过[-d,d]范围的光入射立体分光棱镜将不会体现在出射的干涉条纹图上，(b)为三维结构示意图；

图3是仿真实验中试样台分别在0°和在20°时所得到的两幅干涉条纹图(a)和(b)；

图4是仿真实验中的结合整数移动数245和两幅干涉条纹图分析，得到的小数部分移动数ε(x,y)计算的待测透明介质折射率分布图(a)，和仿真误差图(b)；

图5是图1装置中试样台的结构示意图，包含载物台面、微型步进电机，升降台；

图6是温度传感器的结构示意图；

图7是在实际待测样品为氯化钠溶解实验中，用干涉条纹图处理方法得到的不同时刻待测样品折射率分布的6条曲线图，横坐标是距溶液底部的垂直距离；它们分别为实验开始后25小时，30小时，35小时，40小时，45小时和稳定时刻的折射率分布图。

图中，1-光学匹配系统，2-比色皿，3-试样台，3-1载物台面、3-2微型步进电机，3-3升降台，4-立体分光棱镜，5-平面分束镜，6-透镜，7-光电探测计数器，8-CCD探测器，9-计算机系统，10-温度控制器，10-1主机，10-2制冷/制热负载，10-3温度传感器，10-4显示器，11-待测样品。 

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，有必要在此指出的是所述实施例只是用于对本发明的进一步说明，但并不意味着是对本发明保护范围的任何限定。

本发明提供的一种实现基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法的测量装置，其结构如图1所示，包括光学匹配系统1、比色皿2、试样台3、其中，试样台3包括载物台面3-1、微型步进电机3-2、升降台3-3，立体分光棱镜4、平面分束镜5、透镜6、光电探测计数器7、CCD探测器8、计算机系统9、待测样品11和温度控制器10；其中，温度控制器包括主机10-1，制冷/制热负载10-2，温度传感器10-3和显示器10-4；所述试样台3、立体分光棱镜4、平面分束镜5依次位于光学匹配系统1所发出的平行激光束的光路上，来自光学匹配系统1的平行激光束垂直入射到放置于试样台3中的待测样品11 和参考介质，入射光透过待测样品11形成信号光束、透过参考介质形成参考光束；立体分光棱镜4用于使信号光束和参考光束发生干涉形成干涉光束，平面分束镜5用于将干涉光束分为透射光束和反射光束；透镜6位于平面分束镜5形成的透射光束或反射光束的光路上；用于放大所述透射光束或反射光束；光电探测计数器7位于透过透镜6的光路上，用于记录试验中干涉条纹移动数的整数部分；CCD探测器8位于平面分束镜5形成的反射光束或透射光束的光路上，用于干涉光束的采集与记录，并将记录的干涉光束数据传送给计算机系统9；计算机系统9分别与CCD探测器8、试样台3的驱动机构连接，用于接收与处理干涉光束数据，并将干涉光束形成的干涉条纹予以显示，以及控制试样台3的转动和垂直于光路平面的上下移动；温度控制器10与比色皿2连接。

所述温度控制器10是便于对待测样品的温度进行调整，可排除环境温度漂移对待测样品折射率的影响，并可用于测量待测样品折射率的温度系数。

图2是透明介质折射率分布测量的原理图，其中(a)图为测量装置俯视图，可以很直观的看到激光通过比色皿2后形成的参考光与信号光在立体分光棱镜4的分光面上发生干涉的过程，也可以看到在x轴方向每个位置都将在输出平面有对应点，因而在CCD探测器8采集记录的干涉条纹图中存在对应像素点；(b)图为测量装置的三维结构示意图，可以很直观的看到在y轴方向每个位置都将在输出平面有对应点，因而在CCD探测器8采集记录的干涉条纹图中存在对应像素点；这样就可以通过分析CCD探测器8采集并记录的干涉条纹图计算出每个像素点处的干涉条纹移动数，从而计算每个像素点对应的透明介质处的折射率，最终实现透明介质折射率分布的测量。

实施例1

本实例为仿真实验，对非均匀透明介质进行折射率分布测量，仿真折射率分布为n＝peaks(256,256)/10000+1.3316，其中peaks函数是matlab自带的函数，产生一个凹凸有致的曲面，包含了三个局部极大点及三个局部极小点，设置x方向载频为1/8，y方向载频为0，对干涉条纹进行仿真，得到试样台3分别旋转在0°和在18°时的两幅干涉条纹图，分别如图3(a)和图3(b)所示，而从0°变化到18°旋转过程中干涉条纹移动的整数部分为245，分别对图3中干涉条纹图(a)和干涉条纹图(b)采用二维FFT法提取包裹相位，再分别用常规菱形解包算法进行解包得到两幅解包相位分布图，用干涉条纹图(b)的解包相位减去干涉条纹图(a)的解包相位得到对应的相位差Δφ(x,y)，根据前面所述测 量方法中的公式(1)计算干涉条纹移动数的小数部分，得到一个256×256的矩阵ε(x,y)，加上整数部分245得入射角由0°变化到18°过程中的干涉条纹移动数N(x,y)，最后将N(x,y)带入测量方法中公式(4)便可计算出非均匀透明介质折射率的分布，如图4(a)所示，用仿真实验测量得到的非均匀透明介质折射率分布减去仿真折射率分布得到仿真实验的误差分布如图4(b)所示，误差均值为：-1.03×10^-8，误差均方差为：1.31×10^-6。

实施例2

本实例中，所述基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率的分布采用如图1所示的测量装置结构图进行测量。待测样品11为正在溶解的氯化钠-水溶液，将其置于比色皿2中；所述试样台3中载物台面3-1下方设置有微型步进电机3-2和升降台3-3，通过微型步进电机3-2带动，使载物台面3-1旋转，升降台3-3用于控制待测样品11在垂直于光路的平面上下移动；光学匹配系统1中采用放大倍数为10倍的望远镜系统，以将半导体激光器产生的直径为2mm、波长为636.94nm的激光扩束为直径约2cm的圆形光束；待测样品氯化钠-水溶液厚度为1cm；立体分光棱镜4为针对波长636.94nm的透射率与反射率之比为1:1的立体分光棱镜，其分光面镀有宽带消偏振分光膜；平面分束镜5为针对波长636.94nm的透射率与反射率之比为1:1的单波长平板分束镜；透镜6为焦距是10mm的凸透镜；光电探测计数器7采用光敏三极管单片机探测系统，该光敏三极管单片机探测系统为本课题组研究制作，CCD探测器8采用型号为MVC-Ⅱ1M、1024×1280像素的面阵CCD探测器，为了将干涉条纹图采集更完全，在CCD探测器镜头前添加了一个变焦镜头，型号为PHENIX 50MM/F1.7，计算机系统9为PC计算机。

按照图1所示的结构布置好各元器件并搭建好光路，用温度控制器将实验中所测液体样品温度控制在25℃，具体测量步骤如下：

(1)产生并接收待测样品为正在溶解的氯化钠-水溶液处于第一位置时的干涉条纹图调整立体分光棱镜4位置，使所产生的干涉条纹间距满足相位提取算法的需要，即干涉条纹图进行二维快速傅里叶变换后不发生频谱混叠；将试样台3静置在平行激光束垂直入射到待测样品所处的第一位置，并将4mL蒸馏水倒入比色皿2的其中一边，比色皿2另一边的参考介质为空气，所用比色皿2横截面积小于光斑面积，此位置待测样品与光束传播方向垂直，然后将光学匹配系统1输出的平行激光束垂直入射到待测样品11为正在溶解的氯化钠-水溶液和参考介质，透过该待测样品的激光束形成信号光束、透过参考介质的激光束形成参考光束，所述信号光束和参考光束经立体分光棱镜4发生干涉形成干涉光束，干涉光束经CCD探测器8采集并记录此干涉条纹图作为判定溶液是否达到均匀状态的参 考干涉条纹图；将0.1237g氯化钠晶体倒入蒸馏水中，待CCD探测器8采集平面出现清晰的干涉条纹图样则开始采集并记录不同时刻干涉条纹图情况，每相邻两干涉条纹之间条纹移动数不超过1；分别对相邻两干涉条纹图进行相位提取再计算相位差，根据折射率变化量与相位差关系公式Δn(x,y)＝Δφ(x,y)λ/2πd(5)进行相应计算即可得到各像素点相应时刻折射率变化情况；当采集的干涉条纹图与参考干涉条纹图相位只相差一个常数时可以判定所测氯化钠溶液溶解过程已经结束，此时溶液为均匀溶液，采集并记录此时干涉条纹图为干涉条纹图一(a)，调整升降台使样品上升5mm，采集并记录此时干涉条纹图为干涉条纹图一(b)，经过像素点匹配的方法将两幅干涉条纹图进行拼接，得到干涉条纹图一；

(2)产生并接收待测样品为均匀氯化钠溶液处于第二位置时的干涉条纹图，此时的所述氯化钠溶液已经是均匀溶液了。

将试样台顺时针旋转22°静置在平行激光束以22°角度入射到待测样品所处的第二位置，其他测试条件与步骤(1)相同，此时所测样品与入射光束夹角为22°，当光学匹配系统1输出的平行激光束以22°入射角入射到所测样品和参考介质的平行激光束形成的信号光束和参考光束后，经立体分光棱镜4发生干涉形成干涉光束，此过程中，通过光电探测计数器7记录干涉光束形成的干涉条纹移动的整数部分的数量为305，干涉光束经CCD探测器8采集并记录为干涉条纹图二(a)，调整升降台使样品下降5mm，采集并记录此时干涉条纹图为干涉条纹图二(b)，经过像素点匹配的方法将两幅干涉条纹图进行拼接，得到干涉条纹图二；

(3)计算干涉条纹移动的小数部分

对上述获得的干涉条纹图一和干涉条纹图二分别进行平均法去噪，FFT相位提取和菱形算法解包得到两个展开相位分布图，用干涉条纹图二的相位减去干涉条纹图一的相位得到相位差Δφ(x,y)，根据前面所述测量方法中的公式(1)计算试样台转动过程引起的干涉条纹移动数的小数部分ε(x,y)，为一个401×81的二维矩阵，这个矩阵大小小于CCD探测器8采集并记录的干涉条纹图的像素点矩阵大小，原因是实验中只截取了其中一部分有用的干涉条纹图进行计算；

(4)计算最终氯化钠溶液的折射率分布

将光电探测计数器7得到的干涉条纹移动数整数部分与条纹处理得到的条纹移动数小 数部分相加得到干涉条纹移动数，根据前面所述测量方法中的公式(4)计算均匀的氯化钠溶液平面各点对应的各像素点折射率分布n(x,y)，折射率均值为1.3413，均方差为5.73×10^-5，可以看出此时氯化钠溶液的折射率是均匀分布的，溶液为均匀介质；其中测得的折射率大于3％质量分数的氯化钠溶液的折射率，原因是溶解过程相当缓慢，在经过50几小时才达到稳定状态称为浓度均匀的溶液，而在试验过程中水有部分蒸发从而导致浓度升高；

(5)计算不同时刻氯化钠-水溶液的折射率分布

用最终计算的氯化钠溶液的折射率减去从某一时刻到溶解完全这段时间内的折射率变化量ΣΔn(x,y)得到该时刻的折射率分布；通过实验标定得到每个像素点对应到实际样品点大小为0.0354mm×0.0354mm，通过此映射关系可以得到实际样品的折射率变化分布图；由于氯化钠溶液在溶解时是由下往上的扩散过程，所以溶解过程中折射率在同一高度的变化几乎是同步的，为了直观体现折射率在氯化钠溶解过程中的变化情况，数据处理时对同一高度所有的像素点的折射率取平均值作为这一高度处的折射率，并绘制折射率在不同时刻随高度变化的曲线图，如图7所示，横坐标是距溶液底部的垂直距离，纵坐标是折射率，它们分别为实验开始后25小时，30小时，35小时，40小时，45小时和稳定时刻的折射率分布图；由图可以看到溶解过程中折射率由下往上逐渐较小，随着时间的推移，溶液上下折射率差值逐渐减小最后变为0，成为均匀溶液，这与理论上溶解的物理过程一致。

Claims (10)

1.一种基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)产生并接收待测样品处于第一位置时的干涉条纹图

将试样台(3)静置在平行激光束垂直入射到待测样品(11)所处第一位置并放置待测样品和参考介质，使待测样品与测试光光束传播方向垂直；将光学匹配系统(1)输出的平行激光束垂直入射到试样台上或其上比色皿(2)中的待测样品和参考介质，透过待测样品的激光束形成的信号光束与透过参考介质的激光束形成的参考光束经立体分光棱镜(4)发生干涉形成干涉光束；干涉光束经CCD探测器(8)采集记录为干涉条纹图一，若干涉条纹图一已经携带有待测样品全部信息则直接进行第(2)步；反之，则将试样台在垂直光路的平面上下移动，CCD探测器继续采集记录此时干涉条纹图，直到待测样品全部信息被采集记录完全，对所有采集的干涉条纹图进行拼接，得到一幅携带有待测样品全部信息的干涉条纹图一，并存入计算机系统(9)中；

(2)产生并接收待测样品处于第二位置时的干涉条纹图

将试样台顺时针或逆时针旋转θ角度之后静置在平行激光束以θ角度入射到待测样品所处的第二位置，当光学匹配系统输出的平行激光束以θ角入射到试样台或其上比色皿中的待测样品和参考介质，透过待测样品和参考介质的激光束形成的信号光束和参考光束经立体分光棱镜发生干涉形成干涉光束，此过程中，通过光电探测计数器(7)记录干涉光束形成的干涉条纹移动的整数部分的数量N'(x,y)，同时干涉光束经CCD探测器采集记录为干涉条纹图二；若干涉条纹图二已经携带有待测样品全部信息则直接进行第(3)步；反之，则将试样台在垂直光路的平面上下移动，CCD探测器继续采集记录此时干涉条纹图，直到待测样品全部信息被采集记录完全，对所有采集的干涉条纹图进行拼接，得到一幅携带有待测样品全部信息的干涉条纹图二，并存入计算机系统(9)中；

(3)计算干涉条纹移动的小数部分

对上述获得的干涉条纹图一和干涉条纹图二分别进行去噪、相位提取和解包裹处理；分别得到干涉条纹图一和干涉条纹图二的连续二维相位分布，两者相减得到干涉条纹图一和干涉条纹图二之间的相位差Δφ(x,y)，再根据以下公式

$\mathrm{\ϵ}(x,y)=\frac{\mathrm{\Δ\φ}(x,y)}{2\mathrm{\π}}---\left(1\right),$

计算试样台移动过程引起的干涉条纹移动的小数部分ε(x,y)，其中(x,y)表示像素点的坐标；

(4)计算待测样品的折射率分布

当待测样品与入射光束的入射角由0°即垂直入射变到θ时，两光束光程差会发生变化，对应的干涉条纹移动数N可由如下公式(2)计算得到，

$N(l/\mathrm{\λ})*[{(n^2-n_0^2{\sin }^2\mathrm{\θ})}^{\frac{1}{2}}-n_0*\cos \mathrm{\θ}-n+n_0]---\left(2\right),$ 对应到面则有：

$N(x,y)=(l/\mathrm{\λ})*[{(n{(x,y)}^2-n_0^2{\sin }^2\mathrm{\θ})}^{\frac{1}{2}}-n_0*\cos \mathrm{\θ}-n(x,y)+n_0]---\left(3\right)$

其中N(x,y)＝N'(x,y)+ε(x,y)为干涉条纹移动数，l为待测样品的厚度；n₀为参考介质的折射率；n(x,y)为该像素点对应的样品点折射率，λ为光学匹配系统输出的激光束的波长；将公式(3)变形得到待测样品平面各点对应的像素点处折射率n(x,y)：

$n(x,y)=\frac{{(n(x,y)\mathrm{\λ}/l)}^2+2(1-\cos \mathrm{\θ})(n_0^2-n_{0}N(x,y)\mathrm{\λ}/l)}{2[n_0(1-\cos \mathrm{\θ})-n(x,y)\mathrm{\λ}/l]}---\left(4\right).$

2.根据权利要求1所述基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法，其特征在于所述待测样品(11)为液体、气体或固体；所述参考介质为空气或任意透明均匀介质；所述待测样品为液体或气体时，将其装入具有两个平行面的比色皿(2)中再置于试样台(3)上进行测量；当待测样品为固体时，所述固体样品应具有两个相互平行的面，则直接将其放在试样台上进行测量。

3.根据权利要求1或2所述基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法，其特征在于所述将试样台(3)顺时针或逆时针旋转θ角度的范围在0-30°之间。

4.根据权利要求1所述基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法，其特征在于所述光学匹配系统(1)输出的平行激光束选自单色光源，或光谱可调控光源；其波长范围可从紫外、可见、近红外、中红外、到远红外。

5.根据权利要求1所述基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法，其特征在于所述立体分光棱镜(4)选择所用波长对应的立体分光棱镜，其分光面镀有宽带消偏振分光膜。

6.一种实现权利要求1-5任一项所述基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法的测量装置，包括光学匹配系统(1)、比色皿(2)、试样台(3)、立体分光棱镜(4)、平面分束镜(5)、透镜(6)、光电探测计数器(7)、CCD探测器(8)、计算机系统(9)、待测样品(11)；其特征在于还包括温度控制器(10)和试样台(3)中的升降台(3-3)；所述试样台、立体分光棱镜、平面分束镜依次位于光学匹配系统所发出的平行激光束的光路上，来自光学匹配系统的平行激光束入射到试样台或其上比色皿中的待测样品和参考介质，透过待测样品的激光束形成信号光束、透过参考介质的激光束形成参考光束，信号光束和参考光束发生干涉形成干涉光束；所述透镜位于平面分束镜形成的透射光束或反射光束的光路上；光电探测计数器位于透镜所产生的透射光束的光路上，CCD探测器位于平面分束镜形成的反射光束或透射光束的光路上，温度控制器与比色皿连接，计算机系统分别与CCD探测器、试样台的驱动机构连接。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于所述来自光学匹配系统(1)的平行激光束选择单色光，或光谱可调控光源；其波长范围从紫外、可见、近红外、中红外、到远红外。

8.根据权利要求6或7所述的测量装置，其特征在于所述立体分光棱镜(4)选择所用波长对应的立体分光棱镜，其分光面镀有宽带消偏振分光膜。

9.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于所述比色皿(2)选用外形为长方体的比色皿，其内腔的宽度为0.1mm～50mm；将比色皿内腔分隔成两部分，一部分用于装待测液体或待测气体样品，另一部分用于装参考介质。

10.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于所述温度控制器(10)由主机(10-1)、制冷/制热负载(10-2)、温度传感器(10-3)和显示器(10-4)组成。