CN104792732A - 一种光源分布自参照的折光计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源分布自参照的折光计，属于光电技术与光学仪器领域，包括用于产生发散光束的光源照明系统、光学传感头、反射光能量收集系统以及图像采集分析系统，光学传感头包括参照模块和棱镜，参照模块贴合在所述棱镜的底面，工作时发散光束入射进入棱镜后形成的光斑被分成位于参照模块的第一部分光束和位于参照模块外的第二部分光束，第一部分光束发生全反射，第二部分光束中有部分光线发生反射并部分光线发生折射，第一部分光束用于光源分布自参照，第二部分光束用于测量待测液体的参数。本发明方法解决了折光计中参照光的获取过程复杂繁琐、非实时采集等技术问题。

Description

一种光源分布自参照的折光计

技术领域

本发明属于测量与光电仪器领域，更具体地，涉及一种光电折光计，用于实现光源分布的自参照，同时实现液体的多种参数测量。

背景技术

液体的密度、折射率、浓度等相关参数是液体性能的重要指标。这些参数之间存在着相关性，可以相互进行换算，这类参数的测量装置被广泛的用于国民经济与国防等各个领域。液体折射率是一个重要的物理参量，目前比较普遍的测量液体折射率的方法有两类，一种是几何光学的方法，另一种是波动光学的方法。

波动光学的方法主要利用了介质对透射光相位的影响来测定物体的折射率。比较有代表性的测量方法有最小偏向角法、掠入射法、布儒斯特角法，干涉法等，其中干涉法又包括迈克尔逊干涉仪法、F-P干涉仪法、牛顿环法等。但是这些方法多数要求对待测物体进行复杂的形状加工，或需要已知折射率的标准样品，或将待测液体密封装载在特制容器中才能进行。其光路往往较为复杂，操作也繁琐复杂。该方法尤其对测量环境和测量对象有着苛刻的要求，通用性和可靠性也不高，并不能满足在工农业等领域中现场实时测量的需求。

几何光学的方法是以折射反射定律为理论依据，通过精确测量光线在通过材料时的偏折角度，来确定材料的折射率，这种方法比较方便而且准确度较高。在授权公告号为CN102012359B的中国专利中，公开了一种用临界角法测量液体折射率的传感器。但此种传感器在实际使用中时，需要每隔一段时间就需要单独采集原始光源的光斑，并通过图像采集分析系统进行光强检测，以此来确定光源是否发生了波动。检测完成后才能再进行对待测物折射率的测量，以确保传感器的精确度。因此对于利用几何光学原理的折光计，尽管在测量环境和测量对象上没有苛刻的要求，但是当折光计的光源发生波动，或由于使用时间过长导致光源发生微小变化时，会导致在光源手动检测前测量出现误差。该方法是非实时的，此外，该方法是非在线式的或者是非原位的，必须停止测量任务以进行光源采集。否则，结果出现较大误差。

为了避免这种情况的出现，在现有的折光计中，普遍使用的方法是在光源处添加一块半透半反镜或使用其他方法引出一束由光源直接发出的光线作为参照光，并利用此光线作为整个光学系统传输光线的参照，参照光的存在有效避免了光源波动或其他变化引起的系统误差。但是，(1)在光源处添加光学元件来获得参照光的方法不仅要损失部分光源的能量，而且需要考虑新增光学元件的固定以及整体光学系统的搭建；(2)其他一些采集参照光源的方法，如定期采集光源分布，过程也都较为繁琐，不适用于实际工程中的光源参照。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光源分布自参照的折光计，其目的在于在光学传感头与待测物的接触界面处增加一块折射率很小的参照模块，并使输入光学系统射出的光斑同时落到参照模块和待测物上，以能同时得到作为参照光源的原始光斑和作为测量的具有明暗界线的光斑，由此解决现有技术中，参照的获取过程较为复杂繁琐，不适用于实际工程的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光源分布自参照的折光计，其特征在于，包括：

光源照明系统，用于产生发散光束；

光学传感头，其包括参照模块和棱镜，所述参照模块贴合在所述棱镜的底面，且所述参照模块至少有一个边位于所述棱镜的底面内，以用于工作时使所述发散光束入射进入棱镜而形成的光斑能被该边分成位于所述参照模块上的第一部分光束和位于所述参照模块外的第二部分光束，所述第一部分光束发生全发射，第二部分光束中有部分光线发生全反射并部分光线发生折射，所述第一部分光束用于进行光源分布的自参照，所述第二部分光束用于测量待测液体的参数；

反射光能量收集系统，用于将均从棱镜射出的所述第一部分光束对应的第一光信号和第二部分光束对应的第二光信号分别转换为第一图像信号和第二图像信号，并输出；和

图像采集分析系统，用于接收所述第一图像信号和第二图像信号，并将所述第一图像信号和第二图像信号进行处理和分析，以实现光源分布自参照和对待测液体参数的测量。

进一步的，所述参照模块为呈矩形体的介质平板，该介质平板的折射率小于所述光学传感头中棱镜的折射率。

进一步的，所述参照模块的长度与所述棱镜的底面的长度相同，且参照模块的宽度小于所述棱镜的底面的宽度。

进一步的，所述参照模块的宽度为所述棱镜的底面宽度的一半。

进一步的，所述成矩形体的参照模块正好贴合在所述棱镜底面的两个矩形中的一个上，所述两个矩形是被该底面沿长度方向的中线分成的面积和形状相同的矩形。

进一步的，所述反射光能量收集系统包括输出耦合光学系统和面阵器件，所述第一光信号和所述第二光信号通过所述输出耦合光学系统照射在面阵器件的感光面上，以将第一光信号和第二光信号转换为第一图像信号和第二图像信号。

进一步的，所述光源照明系统包括光源和输入耦合光学系统，该光源出射的光束通过该输入耦合光学系统后形成小光点的发散光束。

进一步的，所述参照模块是呈矩形的全反射膜。

进一步的，所述介质平板为氟冕玻璃或轻冕玻璃。

进一步的，所述棱镜为等腰棱镜。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得下列有益效果：

1、由于在光学传感头与待测物体的界面上增加了一块折射率较小的参照模块，光源发出的发散光线在此参照模块上均发生全反射，因此可以从参照模块上获得不受光学系统中光学元件影响的光斑，作为参照光，实现不通过外部装置或者复杂改进就获得自参照光源，并且这种自参照光源是实时在线的。

2、通过利用面阵器件对原始光源的光斑进行接收并利用图像采集分析系统进行光强检测，并与之前标定好的光源产生的光强进行对比，能容易地判断出光源是否发生波动，也因此能适时发现光源波动从而能保证测量的准确性。

3、通过原始光源光斑与具有明暗界线的光斑进行参照，通过面阵器件接收两部分光斑并利用图像分析系统对比两部分光斑的光强，可以十分快速地获得反射率曲线，获得此时待测物的临界角。

附图说明

图1是本发明实施例中光源分布自参照的折光计的系统结构图；

图2是本发明实施例中光学传感头与待测物之间界面的示意图；

图3是本发明实施例中发散光束在界面处发生折反射的示意图；

图4是本发明实施例中待测物界面上光斑与参照模块上光斑的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明中折光计主要由四部分组成：光源照明系统，光学传感头，反射光能量收集系统，图像采集分析系统。图1是本发明实施例中光源分布自参照的折光计的系统结构图。

图1中：1为光源，2为输入耦合光学系统，3为等腰棱镜，4为参照模块，5为输出耦合光学系统，6为面阵器件，7为图像采集分析系统，S1，S2分别为等腰棱镜的左右两腰面，左右两腰面与空气接触，等腰棱镜3的底面与折射率较小的参照模块4相接触，两者之间的交界面为S3，等腰棱镜3的底面同时还与待测物接触，两者之间的交界面为S4。本实施例中，参照模块4为呈矩形体的介质平板，介质平板的折射率小于光学传感头中棱镜的折射率，介质平板的材料为折射率较小的氟冕玻璃或轻冕玻璃。但是本发明中参照模块还可以是镀在棱镜底面的全反射膜。本发明对于参照模块4为介质平板还是全反射膜不进行具体限定、对介质平板的材料也不进行具体限定。原则上，能使得入射到其上的光线发生全反射而获得整体明亮的光斑都能实现其功能。

作为本发明实施例的优选，参照模块的长度与棱镜底面的长度相同，参照模块的宽度为棱镜的底面宽度的一半。参照模块正好贴合在所述棱镜底面的两个矩形中的一个上，所述两个矩形是该底面被沿长度方向的中线分成的面积和形状相同的矩形。

图2是本发明实施例中光学传感头与待测物之间界面的示意图，由图可知，交界面S3和交界面S4在同一平面上。

本发明中折光计在测量液体折射率以及产生参照光的工作原理如下：

光源1出射的光束通过输入耦合光学系统2形成一束发散的光束，该发散光束具有不同的入射角，经过等腰棱镜3的S1面从空气中折射入等腰棱镜3内部，接着一部分发散光束在该等腰棱镜3与参照模块4间的交界面S3上发生全反射，另一部分发散光束在等腰棱镜3的底面在待测物之间的交界面S4发生折射或全反射。图3是本发明实施例中发散光束在界面处发生折反射的示意图。需要说明的是，入射角大于临界角的光线才会发生全反射，入射角小于临界角的光线会发生折射和反射。参照模块4的折射率非常小，则其临界角非常小，较容易使入射光线发生全反射。图3中所示入射光束一部分入射角大于α的光线(光线d、e)发生全反射，而另一部分入射角小于α的光线(光线a、b)能量部分折射并部分反射，因此在折射方向上可以看到一个明显的明暗界线。在界面S4上发生折射与全反射的光线经过等腰棱镜的S2面折射入空气中，在交界面S3上发生全反射的光线也经过等腰棱镜的S2面折射入空气中。

在界面S3和S4上发生折射与全反射的光线经过等腰棱镜的S2面折射入空气中，在交界面S3和S4上形成的光斑情况如图4所示。图4是本发明实施例中待测物界面上光斑与参照模块上光斑的示意图。从图中可知，交界面S3对应的光斑是整体明亮的光斑，是作为参照光源的原始光斑，交界面S4对应的光斑是作为测量的具有明暗界线的光斑。

最终通过所述的输出耦合光学系统5将光束照射在面阵器件上，将光信号转换为电信号，所述的图像采集分析系统7通过电信号完成对图像的采集、处理并进行数据分析。

本发明中，折光计的光源照明系统利用光源和输入耦合光学系统产生发散光束，通过光学传感头在交界面S3和S4上形成较大面积的光斑，该光斑被界面反射后照射到由输出耦合光系统与面阵器件组成的反射光能量收集系统，接着由图像采集分析系统进行接收，完成对图像的采集、数据处理及分析，最终获得对液体的折射率测量。

本发明中，为了实现光源的自参照功能，在光学传感头与待测物交界面处增加折射率很小的参照模块，控制从输入光学系统出射的发散光线照射到交界面S3和交界面S4上的光斑，一部分落到参照模块，另一部分光斑落到待测物上，由于要求传感头处的棱镜折射率较大，因此一般使用折射率较大的重火石玻璃，也可以是蓝宝石玻璃等等，对于照射到参照模块上的发散光束所包括的入射角的光线都会在此参照模块上发生全反射，由于没有任何光线发生折射，尽管光线经过光学系统中光学元件但是并没有对此光斑产生影响，这样我们就可以获得从光源照明系统中发出的光线形成的原始光斑，由此获得可以作为参照的光源。在经过等腰棱镜S4面折射后通过面阵器件的感光面接受反射光，对光斑进行分析后，可以直接获得光源的信息，并且判断光源是否发生波动或其他方面的变化。对于发射到待测物上的光线，由于小于临界角的光线部分反射且部分折射，大于临界角的光线发生全反射。光束从等腰棱镜S4面折射出来照射在面阵器件的感光面上，通过面阵器件来采集二维光信号。由此可以获得带有明暗界线位置的光斑，利用基于临界角法的测量算法，例如微分法、阈值法等，可以计算出明暗界线的位置。将获得的明暗界线位置x，与标定曲线上的明暗界线位置值对应的液体折射率n进行对应，可以获得待测液体的折射率值。

本发明中，面阵器件包括面阵CCD相机和面阵CMOS。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光源分布自参照的折光计，其特征在于，包括：

光源照明系统(1，2)，用于产生发散光束；

光学传感头(3，4)，其包括参照模块(4)和棱镜(3)，所述参照模块贴合在所述棱镜(3)的底面，且所述参照模块(4)至少有一个边位于所述棱镜(3)的底面内，以用于工作时使所述发散光束入射进入棱镜而形成的光斑能被该边分成位于所述参照模块上的第一部分光束和位于所述参照模块外的第二部分光束，所述第一部分光束发生全发射，所述第二部分光束中有部分光线发生全反射并部分光线发生折射，所述第一部分光束用于进行光源分布的自参照，所述第二部分光束用于测量待测液体的参数；

反射光能量收集系统(5，6)，用于将均从棱镜(3)射出的所述第一部分光束对应的第一光信号和第二部分光束对应的第二光信号分别转换为第一图像信号和第二图像信号，并输出；和

图像采集分析系统(7)，用于接收所述第一图像信号和第二图像信号，并将所述第一图像信号和第二图像信号进行处理和分析，以实现光源分布自参照和对待测液体参数的测量。

2.如权利要求1所述的一种光源分布自参照的折光计，其特征在于，所述参照模块为呈矩形体的介质平板，该介质平板的折射率小于所述光学传感头中棱镜的折射率。

3.如权利要求1或2所述的一种光源分布自参照的折光计，其特征在于，所述参照模块的长度与所述棱镜的底面的长度相同，且参照模块的宽度小于所述棱镜的底面的宽度。

4.如权利要求1所述的一种光源分布自参照的折光计，其特征在于，所述参照模块的宽度为所述棱镜的底面宽度的一半。

5.如权利要求3所述的一种光源分布自参照的折光计，其特征在于，所述参照模块贴合在所述棱镜底面的两个矩形中的一个上，所述两个矩形是该底面被沿长度方向的中线分成的面积和形状相同的矩形。

6.如权利要求1所述的一种光源分布自参照的折光计，其特征在于，所述反射光能量收集系统包括输出耦合光学系统(5)和面阵器件，所述第一光信号和所述第二光信号通过所述输出耦合光学系统(5)照射在面阵器件的感光面上，以分别将第一光信号和第二光信号转换为第一图像信号和第二图像信号。

7.如权利要求1所述的一种光源分布自参照的折光计，其特征在于，所述光源照明系统(1，2)包括光源(1)和输入耦合光学系统(2)，该光源(1)出射的光束通过该输入耦合光学系统(2)后形成小光点的发散光束。

8.如权利要求1所述的一种光源分布自参照的折光计，其特征在于，所述参照模块是呈矩形的全反射膜。

9.如权利要求2所述的一种光源分布自参照的折光计，其特征在于，所述介质平板为氟冕玻璃或轻冕玻璃。

10.如权利要求1所述的一种光源分布自参照的折光计，其特征在于，所述棱镜(3)为等腰棱镜。