CN104792733A - 一种快速定标模块及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速定标模块及应用，涉及光电技术与光学仪器领域。快速定标模块包括多个玻璃块，多个所述玻璃块相互胶合以形成至少一个完整的用于进行标定的工作平面，并该工作平面上具有多个相互平行的细缝，所述玻璃块的折射率均不相同；工作平面的相互平行的玻璃块用于与光斑相对扫过，光斑中的部分光线发生全反射并部分光线发生折射，以能形成明暗界线，利用明暗界线的位置和多个玻璃块的折射率完成定标。本发明中快速定标模块可用于临界角型折光计的标定和表面等离子体传感器的标定。

Description

一种快速定标模块及应用

技术领域

本发明涉及光电技术与光学仪器领域，更具体地涉及一种快速定标模块及应用，用于临界角折光计的标定和SPR传感器的标定。

背景技术

传感器的标定是指通过试验建立传感器输出与输入之间的关系，标定还能确定在不同使用条件下传感器输出与输入之间关系是否存在误差。标定能确定仪器或测量系统的输入与输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；能确定仪器或测量系统的静态特性指标；能消除系统误差，改善仪器或系统的精确度。在科学测量中，标定是一个不容忽视的重要步骤。

传感器标定的基本方法是将已知的量作为待标定传感器的输入，并获得输出量，对获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。

标定包括以下两种方法：绝对标定法和比较标定法。绝对标定法是通过高精度的设备产生并赋予一个分度值，即进行了标定。例如将一米标定为光在真空中1/299792458秒的时间间隔内所经路程的长度可理解为一种绝对标定。这种标定方法尽管精度较高，但是标定的过程及步骤都比较复杂。比较标定法则是用绝对标定法标定好的、标定精度比待标定传感器高一级的传感器来进行比较标定，这种方法比较简单易行，但是相比绝对标定法来说其精度较低。

在实际的折光计的标定方法中，使用较多的一种方法是通过配制已知折射率的液体进行标定，进而获得标定曲线。但是，(1)利用配制的液体进行标定的方法比较复杂，进行标定的时候需要配制至少5种以上不同折射率的溶液；(2)传感器经过一段时间使用，需再次进行标定以保证测量精确度，这时还需要用到不同折射率的溶液。但是上一次配置的液体难以长期保存因而需要重新配制溶液，仅仅配置溶液就需要耗费大量时间。因此该种方法的标定比较耗时，且过程复杂。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于折光计的快速标定装置及方法，其目的在于设计出玻璃组模块，利用入射光束照射在不同折射率的玻璃上，使光束发生折射和反射以形成具有明暗界线的图像，并进而得到明暗界线与折射率的关系，从而能完成折光计的标定，由此解决目前标定方法需要配置多种溶液、且存在反复配置溶液而导致的标定耗时和复杂的问题，还能解决SPR角的标定问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种快速定标模块，其特征在于，包括多个玻璃块，多个所述玻璃块相互胶合以形成至少一个完整的用于进行标定的工作平面，并该工作平面上具有多个相互平行的由玻璃块贴合形成的细缝，所述玻璃块的折射率均不相同；工作时，发散光束或者汇聚光束形成的光斑依次扫过所述工作平面的各个细缝，光斑中的部分光线发生全反射并部分光线发生折射，以能形成明暗界线，利用明暗界线的位置和多个玻璃块的折射率完成定标。

进一步的，多个所述玻璃块上的与所述工作平面相对的面上均涂覆有吸光涂层，以用于吸收折射光。

进一步的，多个所述玻璃块均呈矩形体。

进一步的，多个所述呈矩形体的玻璃块的宽度相同或/和长度相同。

进一步的，其包括五个呈矩形体的玻璃块，所述玻璃块的长边相互平行并按照折射率大小的依次顺序或者折射率大小的间隔顺序铺展并胶合为整体。

进一步的，所述吸光涂层的材料为表面粗糙的黑色吸光材料，厚度为0.1mm～3mm。

按照本发明的第二个方面，提供了一种快速定标模块的应用方法，其特征在于，将该快速定标模块胶合在折光计的棱镜的底面，并使从棱镜一个腰面入射的发散光束或者汇聚光束形成的光斑依次经过所述工作平面的各个细缝，所述光斑的光线入射角不同且多个玻璃块的折射率不同，使得部分光线发生全反射并部分光线发生折射，以此方式，使得从折光计棱镜另一个腰面射出的光线形成的图像中具有分别与多个玻璃块一一对应的多条明暗界线，利用明暗界线的位置与多个玻璃块的折射率的对应关系获得标定曲线，以此标定曲线实现对折光计的标定。

进一步的，使用时，移动所述快速定标模块，以使从棱镜一个腰面入射的发散光束或者汇聚光束形成的光斑依次扫过所述工作平面的各个细缝。

按照本发明的第三个方面，提供了一种快速定标模块的应用，其特征在于，将该快速定标模块胶合在SPR传感器棱镜底面的金属膜上，并使从棱镜一个腰面入射的发散光束或者发散光束形成的光斑依次扫过所述工作平面的各个细缝，所述光斑的光线入射角不同，使得一部分光线在棱镜底面的金属膜中发生SPR共振并使反射光减弱，另一部分光线在棱镜底面的金属膜中发生全反射而不会使光强减弱，所述一部分光线和另一部分光线经过棱镜另一腰面汇聚后形成一条暗线，所述多个玻璃块对应获得多个暗线位置，将暗线位置与SPR角一一对应，实现对SPR传感器中SPR角的标定。

进一步的，移动所述快速定标模块，以使从棱镜一个腰面入射的发散光束或者汇聚光束形成的光斑依次扫过所述工作平面的各个细缝。

本发明中，在对折光计进行标定时，通过人工操作或外界机械辅助装置，使得该快速定标模块沿平行于明暗界线的方向进行匀速移动，使得光斑完全覆盖在多个玻璃块及玻璃块间的细缝上，并依次扫过这些玻璃块。由于快速定标模块会沿折射率变化的方向做匀速运动，因此可以在较短的时间内捕捉得到多种不同折射率对应的明暗界线的位置。同时，由于多块不同折射率的玻璃块在进行实验之前就已经按顺序拼接并胶合好，因此获得的光斑上的明暗界线位置的变化仅仅是由于临界角的变化引起的，排除了由于玻璃块位置的误差导致的明暗界线位置的变化。最终利用多组数据获得折射率与明暗界线位置的标定曲线，完成折光计的标定。

本发明中，在对SPR传感器进行标定时，利用外界机械辅助装置操作快速定标模块，使得该快速定标模块沿折射率变化的方向进行匀速移动，将快速定标模块未涂覆吸光层的一面与SPR传感器中棱镜上的金属层贴合，SPR传感器中的光学系统发出发散光线或汇聚光线，使一部分光线在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，入射角接近SPR角的光线会在金属膜中产生消失波，消失波与表面等离子波发生共振，使反射光强会大幅度地减弱。此时的能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使得反射光的能量急剧减少，此时光线的入射角为共振角，也可以称为SPR角。实际中，SPR角随金属膜表面折射率变化而变化。另一部分光线在金属膜中也发生全反射，但是其入射角与SPR角相差较大，不会发生SPR共振，因此不会在金属膜中产生消失波，对反射的光强不会由很大幅度的减弱。仅仅是入射角接近SPR角的光线的光强会下降，因此光线经过棱镜另一腰面汇聚后形成了明亮光斑中的一条暗线。多个玻璃块对应获得光斑中不同的暗线位置，通过将暗线位置与折射率一一对应，最终完成对SPR传感器中SPR角的标定。

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、利用的是能够长期保存的玻璃作为标定物，玻璃与溶液相比不易变质，且可多次重复使用，解决了配置多种溶液、且存在反复配置溶液而导致的标定耗时复杂的问题，能够更快的通过单次操作完成标定过程，大幅度提高了标定效率。

2、多个玻璃块拼接并胶合为一体，使用时整体移动快速定标模块，不会造成多个玻璃块由于标定时位置变化带来的误差，即本发明中，多个玻璃块整体移动，消除了位置变化带来的误差，提高了标定精度。

3、在对SPR传感器中SPR角的标定中，通过多个玻璃块整体与SPR传感器棱镜表面金属膜的贴合，可以更快的通过单次操作获得不同的SPR角，由此更快的完成标定过程，大幅度提高标定效率。

本发明中快速定标模块在折光计出厂标定、定期维护、SPR角标定等领域有着重大作用，为准确测量奠定基础。

附图说明

图1是本发明实施例中的快速定标模块的结构示意图；

图2(a)、(b)是本发明实施例中的快速定标模块用于利用发散光束和汇聚光束的折光计标定的原理图；

图3为发散光束在界面上发生折反射的示意图；

图4(a)和(b)分别为两种标定折射率情况下的明暗界线位置与时间关系曲线；

图5是利用本发明实施例中的快速定标模块获得的折射率与明暗界线位置的标定曲线；

图6(a)、(b)是本发明实施例中的快速定标模块用于发散光束和汇聚光束型SPR传感器标定的原理图；

图7是利用本发明实施例中的快速定标模块获得的折射率与反射光强度暗界线位置的标定曲线。

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。

图1是本发明实施例中的快速定标模块的结构示意图，包括多个玻璃块，玻璃块成矩形体，呈矩形体的玻璃块的宽度、长度以及厚度均相同。但是，本发明中，呈矩形体的玻璃块的宽度、长度以及厚度均相同并胶合为一体是一个优选的实施例，原则上，该定标模块的长度可以不相同，宽度也可以不相同，也可以是其他形状。呈矩形体的玻璃块的长边相互平行并按照折射率大小的依次顺序或者折射率大小的间隔顺序铺展胶合以获得完整的用于进行标定的工作平面。该工作平面上具有多个相互平行的由紧密贴合的两个相邻的玻璃块形成的细缝，所述玻璃块的折射率均不相同。多个玻璃块上与所述工作平面相对的面上涂覆有吸光涂层，以用于吸收折射光线的能量。所述吸光涂层的材料为表面较粗糙的黑色材料，厚度为0.1～3个毫米。具体的，本实施例中吸光涂层是黑色的油墨，吸光涂层的厚度为2毫米。但是，本发明中对吸光涂层材料及其厚度不进行具体的限定，其还可以是黑色的涂料，其厚度只要在0.1～3个毫米范围内，均能起到有效吸收杂散光的效果。所述工作平面的相互平行的细缝用于将工作时来自发散光束或者汇聚光束形成的光斑依次扫过，光斑依次扫过各个折射率不同的玻璃块，光斑中的部分光线发生全反射并部分光线发生折射，只有部分光线发生全反射并部分光线发生折射才能形成明暗界线，利用明暗界线的位置和多个玻璃块的折射率可以完成定标。

图2是本发明实施例中的快速定标模块用于折光计标定的原理图。其中，折光计由光源照明系统、光学传感头、反射光能量收集系统以及图像采集分析系统组成。具体的，1为光源，2为输入耦合光学系统，3为等腰棱镜，4为快速定标模块，5为输出耦合光学系统，6为线阵或面阵器件，7为图像采集分析系统。其中S1，S2分别为等腰棱镜的左右两腰面，该两个腰面与空气接触，等腰棱镜3的底面与快速定标模块4贴合，两者之间的交界面为S3。

工作时，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面从空气中折射进入等腰棱镜3，接着一部分发散光束在该等腰棱镜3与快速定标模块4的界面S3上发生折射或全反射，在界面发生折反射的情况如图3所示。

在界面S3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，在快速定标模块4上形成的光斑情况如附图3所示，由于快速定标模块的多个玻璃块沿折射率变化方向做匀速运动，因此当入射光线照射到不同折射率的玻璃块上时，所获得的明暗界线位置是不一样的，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，利用本领域技术人员所公知的算法，只取对应玻璃块宽度的像素点进行处理，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、处理工作，并进行数据分析。

该快速定标模块对折光计进行标定的原理是利用临界角法，即光线自光密介质折射入光疏介质时，折射角大于入射角，且折射角随入射角的增大而增大，当入射角增大到一定值时，折射角将增大为90度，即折射光将沿两介质界面折射，此时的入射角成为临界角，记为α。若入射角达到临界角后继续增加，光线将不再折射入光疏介质，而全部被界面反射回原光密介质，称为全反射。在图3中，入射光束在界面处能量重新分布，入射光束一部分入射角大于α的光线(d、e)发生全反射，而另一部分入射角小于α的光线(a、b)能量部分折射部分反射，因此在折射方向上可以看到一个明显的明暗界线。

当快速定标模块沿折射率变化方向上做匀速运动时，由于在快速定标模块上存在多个不同折射率的玻璃块，因此在光斑照射到不同折射率的玻璃块的时候，由于光斑的大小固定，因此获得的折射光斑的明暗界线位置会由于折射率的变化发生变化，在随着玻璃平板运动的过程中，我们可以获得明暗界线位置x随时间t变化的曲线。同时通过对应不同时刻的折射率n与明暗界线位置x的关系，获得折射率与明暗界线位置关系的标定曲线。

实际中，快速定标模块中玻璃块数量至少为两块，玻璃块数量越多定标精度将越高，作为优选的，本发明中实施例中玻璃块数量为五块。但是本发明对玻璃块的数量不进行具体限定。

对不同折射率的玻璃块，在进行标定的过程中，若按折射率由小变大的方向进行运动时，我们可以获得如图4(a)所示的时间与明暗界线位置的关系图，由于按照折射率大小顺序由小到大排列玻璃块，因此在这种情况下，对标定折射率范围较大的折光计时，相邻玻璃块的折射率间隔较大，容易判断与玻璃块相对应的带有明暗界线的图像，也可以理解为对标定折射率范围不同的折光计时，我们可以利用改变玻璃块拼接顺序得到不同快速定标模块。对于标定折射率范围较大的折光计，我们可以使用按折射率大小次序变化的玻璃块进行标定，获得的x-t曲线如图4(a)。但是标定折射率范围较小的折光计时，若此时相邻玻璃块的折射率间隔较小，不容易判断与玻璃块相对应的带有明暗界线的图像，引起一定的误差，此时为了避免此误差，我们可以调整玻璃块安装顺序，将相邻的玻璃块调整为折射率相差较大的玻璃块，这样在匀速运动的过程中，我们可以获得如图4(b)所示的时间与明暗界线位置的关系图。最终，通过快速定标模块，实现了一次操作就确定不同明暗界线位置与不同折射率的对应关系，通过这样的标定过程，最终可以获得如图5所示的折射率与明暗界线位置的标定曲线。

图6(a)(b)是本发明实施例中的快速定标模块用于SPR传感器标定的原理图。以图6(a)进行说明，SPR角随贴合金属膜表面折射率变化而变化。将该快速定标模块胶合在SPR传感器棱镜底面的金属膜上，并使从棱镜一个腰面入射的发散光束或者发散光束形成的光斑(本发明实施例中以发散光束为例)依次经过所述工作平面的不同折射率区域，即依次经过不同折射率的玻璃块，由于光线的入射角不同，因此一部分光线在棱镜与金属膜表面上发生全反射，对入射角接近SPR角时，会在金属膜中产生消失波，消失波与表面等离子波发生共振时，检测到的反射光强会大幅度地减弱。可理解为发生SPR共振时，反射光强会大幅度减弱。此时的能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，反射光的能量因此急剧减少。此时对应的入射角为共振角，也即SPR角。只有在SPR角附近的入射光线的能量会大幅度减小。另一部分光线发生全反射，因此不会在金属膜中产生消失波，对应的反射光光强不会有很大幅度的减弱。因此这两部分光线经过棱镜另一腰面汇聚后形成反射光斑中会存在一条暗线。可以获得不同折射率区域上对应的明亮的反射光斑中不同的暗线，通过将暗线位置与SPR角一一对应，最终完成对SPR传感器的标定。

图7是利用本发明实施例中的快速定标模块获得的折射率与反射光强度暗界线的标定曲线。它与普通折光计的区别在于，在入射角临近SPR角的区域为较暗的光斑，而其他部分区域为明亮的光斑。

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)

1.一种快速定标模块，其特征在于，包括多个玻璃块，多个所述玻璃块相互胶合以形成至少一个完整的用于进行标定的工作平面，并该工作平面上具有多个相互平行的由玻璃块贴合形成的细缝，所述玻璃块的折射率均不相同；工作时，发散光束或者汇聚光束形成的光斑依次扫过所述工作平面的各个细缝，光斑中的部分光线发生全反射并部分光线发生折射，以能形成明暗界线，利用明暗界线的位置和多个玻璃块的折射率完成定标。

2.如权利要求1所述的一种快速定标模块，其特征在于，多个所述玻璃块上的与所述工作平面相对的面上均涂覆有吸光涂层，以用于吸收杂散光。

3.如权利要求1所述的一种快速定标模块，其特征在于，多个所述玻璃块均呈矩形体。

4.如权利要求3所述的一种快速定标模块，其特征在于，多个所述呈矩形体的玻璃块的宽度相同或/和长度相同。

5.如权利要求2所述的一种快速定标模块，其特征在于，其包括五个呈矩形体的玻璃块，所述玻璃块的长边相互平行并按照折射率大小的依次顺序或者折射率大小的间隔顺序铺展并胶合为整体。

6.如权利要求2所述的一种快速定标模块，其特征在于，所述吸光涂层的材料为粗糙的黑色吸光材料，厚度为0.1mm～3mm。

7.如权利要求1-6之一所述的一种快速定标模块的应用方法，其特征在于，将该快速定标模块胶合在折光计的棱镜的底面，并使从棱镜一个腰面入射的发散光束或者汇聚光束形成的光斑依次扫过所述工作平面的各个细缝，所述光斑的光线入射角不同且多个玻璃块的折射率不同，使得部分光线发生全反射并部分光线发生折射，以此方式，使得从折光计棱镜另一个腰面射出的光线形成的图像中具有分别与多个玻璃块一一对应的明暗界线，利用明暗界线的位置与多个玻璃块的折射率的对应关系获得标定曲线，以此标定曲线实现对临界角型折光计的标定。

8.如权利要求7所述的一种快速定标模块的应用方法，其特征在于，移动所述快速定标模块，以使从棱镜一个腰面入射的发散光束或者汇聚光束形成的光斑依次扫过所述工作平面的各个细缝。

9.如权利要求1-6之一所述的一种快速定标模块的应用，其特征在于，将该快速定标模块胶合在SPR传感器棱镜底面的金属膜上，并使从棱镜一个腰面入射的发散光束或者汇聚光束形成的光斑依次扫过所述工作平面的各个细缝，所述光斑中光线入射角不同，使得入射角在SPR角附近的光线在棱镜底面的金属膜中发生SPR共振以使反射光减弱，另一部分光线在棱镜底面的金属膜中发生全反射而不会使光强减弱，所述一部分光线和另一部分光线经过棱镜另一腰面汇聚后形成一条暗线，所述多个玻璃块对应获得多个暗线位置，将暗线位置与SPR角一一对应获得传感器的标定曲线，实现对SPR传感器的标定。

10.如权利要求9所述的一种快速定标模块的应用方法，其特征在于，移动所述快速定标模块，以使从棱镜一个腰面入射的发散光束或者汇聚光束形成的光斑依次扫过所述工作平面的各个细缝。