CN104819959A - 一种测量低折射率玻璃微珠折射率的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种测量低折射率玻璃微珠折射率的装置与方法，调节带孔反射镜调节装置及摄像头五维调节装置使摄像头中心、吸光装置中心及带孔反射镜的孔中心共轴，单模氦氖激光器发出激光经过一系列透射和反射最终照射到玻璃微珠上，在接收屏上形成一次彩虹图像，摄像头采集图像，测量玻璃微珠到接收屏的接收距离和彩虹图彩虹条纹最外环半径，计算出待测玻璃微珠一次彩虹的最小偏向角，通过其最小偏向角反演计算出折射率。

Description

一种测量低折射率玻璃微珠折射率的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种测量低折射率玻璃微珠折射率的装置及方法，属于测量技术领域。

背景技术

玻璃微珠广泛应用于公路、铁路、港口、海洋运输、矿山、坑道、消防、城建等领域内作为各种标志、警示牌、车辆牌照、救生用品等；随着我国公路建设的快速发展，与道路逆反射材料配合使用的玻璃微珠的用量迅速增加。在广告标识、反光膜、反光油墨、反光标线、反光布、反光革、反光织带、反光安全性丝织物等交通安全产品和设施中正发挥着越来越重要的作用。

玻璃微珠是一种硅酸盐材料，具有良好的化学稳定性、机械强度和电绝缘性，其独特的特性是对光具有回归反射特性。利用玻璃微珠回归反射特性的材料广泛应用于道路交通、广告标识中，玻璃微珠有实心、空心、多孔玻璃微珠之分，实心微珠的直径多为0.8mm-5mm，通过其对光线的回归反射特性，保证了逆反射材料类交通安全产品和设施的可见性，从而起到了保护道路使用者安全的作用；玻璃微珠的折射率将直接影响到反光设施的回归反射性能，是玻璃微珠的重要参数。

道路逆反射材料使用的玻璃微珠有折射率低于1.7的低折射率玻璃微珠和折射率不小于1.9的高折射率玻璃微珠。低折射率的玻璃微珠主要应用在逆反射特性要求相对不高的材料，如反光标线，而高折射率玻璃微珠则应用在高回归反射特性的材料上，如反光膜中。两类玻璃微珠的制造工艺已经趋于成熟，市场上可购买到不同折射率的玻璃微珠，国内许多玻璃微珠厂生产的玻璃微珠性能非常优越，而且远销国外，在保证道路逆反射材料的可视性中发挥着重要的作用。

道路逆反射材料玻璃微珠测试技术中最为关键的项目是折射率的测试。玻璃材料折射率的直接精确测量，大都是基于棱镜的最小偏转角法或全反射临界角法进行的，被测样品必须制成一定大小的精密棱镜才能进行测量。对于不便于制作成精密棱镜的颗粒材料，浸液法是最为常用的折射率测量方法，但由于油浸法对于高折射率匹配的液体都有毒性，给测量带来很大不便。通过制作棱镜的方法测量折射率既费时又不能直接反应实际情况，由于成珠环境条件不同，实际微珠的折射率往往与用同样材料溶成块料的折射率有差异。

专利CN 2581980Y公开了一种激光照明玻璃微珠折射率测量的装置，该装置主要由He-Ne激光器、正透镜、载玻片及接收屏等组成，依据玻璃微珠在平行光照明下所产生的彩虹现象来进行折射率的测量。该装置的主要特征是采用平行激光使用长焦距正透镜使激光汇聚后直接照射到吸附在载玻片上的单个玻璃微珠整体上，并利用三维可调节支架支撑长焦距正透镜和载玻片获取玻璃微珠被照明的最佳位置。该测量装置存在的主要缺陷是：（1）由于玻璃微珠通过吸附作用吸附于载玻片上，支撑载玻片的三维可调节支架在调节过程中容易造成玻璃微珠脱落，不能进行连续多次测量，以实现统计分析；（2）激光与玻璃微珠的对准通过三维可调节支架分别调整长焦距正透镜和载玻片来实现，调整误差增加了测量误差；（3）无法保存形成的彩虹环和相关参数，不能实现测量数据的统计分析。

专利CN 102175646B公开了一种测量高折射率玻璃微珠折射率的装置及方法，该装置主要由激光器、透镜、光阑、X和Y平移结构、载玻片、玻璃微珠、接收屏、摄像头、升降旋钮、读数器、采集卡等组成，依据激光照射在高折射率玻璃微珠上产生二次彩虹图像来进行折射率的测量。该装置主要特征是测量玻璃微珠到接收屏之间的距离，采集并计算所述二次彩虹图像半径，从而计算出待测玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角，结合该最小偏向角和玻璃微珠的内反射次数来确定玻璃微珠的折射率。该测量装置的主要缺陷是：（1）只能测量高折射率玻璃微珠；（2）摄像头的位置调节不精确，不利于光线共轴的调节。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种测量低折射率玻璃微珠折射率的装置与方法。所述装置克服了现有技术测量玻璃微珠折射率的缺陷，利用低折射率玻璃微珠在激光照明下产生的一次彩虹现象，测出多个玻璃微珠的最小偏向角后，根据相关计算公式统计得出被测低折射率玻璃微珠的折射率。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种测量低折射率玻璃微珠折射率的装置，主要包括：激光器1、正透镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、带孔反射镜5、带孔反射镜调节装置6、载玻片7、玻璃微珠8、X、Y平移结构9、接收屏10、吸光装置11、读数器12、摄像头13、五维调节装置14、升降旋钮15、采集卡16。测量低折射率玻璃微珠时，所述的摄像头13安装在五维调节装置14上，五维调节装置14安装在升降装置上，摄像头13的右侧安装接收屏10，读数器12安装在升降装置的移动台上，用于读取玻璃微珠8到接收屏10之间的接收距离，在带孔反射镜5的正上方有用于放置载玻片7的载物台，载物台安装在X、Y平移结构9的移动平台上，激光器1的出射光经正透镜2、第一反射镜3、第二反射镜4和带孔反射镜5从载物台的下方垂直向上透射载物台上的载玻片7，利用X、Y平移结构9调节载玻片7，使激光光束照射到玻璃微珠8上，从而在与光轴呈45o放置的带孔反射镜5上观察到一次彩虹图像，经带孔反射镜5反射后在接收屏10上接收到一次彩虹图像，摄像头13采集图像，测量该一次彩虹图像的最外环半径和玻璃微珠8到接收屏10之间的接收距离，通过接收距离和最外环半径计算最小偏向角，根据最小偏向角反演计算所述低折射率玻璃微珠的折射率。在载玻片7上一次放置多个玻璃微珠8，在测试完一个玻璃微珠8后，通过调节X、Y平移结构9，继续下一个玻璃微珠8的测量，直到完成对多个玻璃微珠8的测量，然后统计分析所述多个玻璃微珠8的测量结果。

所述升降装置包括升降台，支撑架，在所述升降台上安装有摄像头13；所述升降装置还包括升降旋钮15，通过调节升降旋钮15来调节所述升降台与接收屏10之间的距离；在所述升降台的右侧安装接收屏10；X、Y平移结构9包括螺旋结构或者齿轮齿条结构。

通过采集卡16和摄像头13采集接收屏10上的彩虹图像， 将采集的图像保存到计算机后进行分析处理。

本发明还提供一种测量低折射率玻璃微珠折射率的方法，其特征如下：

激光器1的出射光经正透镜2、第一反射镜3、第二反射镜4和带孔反射镜5从载物台的下方垂直向上透射载物台上的载玻片7，利用X、Y平移结构9调节载玻片7，使激光光束照射到玻璃微珠8上，从而在与光轴呈45o放置的带孔反射镜5上观察到一次彩虹图像，经带孔反射镜5反射后在接收屏10上接收到一次彩虹图像，摄像头13采集图像，测量该一次彩虹图像的最外环半径R和玻璃微珠8到接收屏10之间的接收距离L，通过接收距离和最外环半径计算最小偏向角，根据最小偏向角反演计算低折射率玻璃微珠8的折射率。计算玻璃微珠彩虹像的最小偏向角                                                的方法如下：

               （1）

玻璃微珠8到接收屏10之间的接收距离L，彩虹图像最外环半径R，内反射次数k，用公式（1）计算玻璃微珠8的最小偏向角。

确定玻璃微珠8的折射率的方法如下：

光线在玻璃微珠8内部进行不同次数的内反射后出射，出射光线相对于入射光线形成的偏向角表示为：

           （2）

上式中，k为光线在玻璃微珠8中的内反射次数，i、r分别为入射角和折射角。

入射角i与折射角r之间满足Snell折射定律 (其中n₀为空气折射率，数值等于1，可省略)，带入公式（2）可得到最小偏向角与玻璃微珠8折射率n及内反射次数k的关系：

             （3）                                                   

公式（3）表明，最小偏向角大小只与玻璃微珠8折射率n和内反射次数k有关，当内反射次数k确定，将所述最小偏向角代入公式（3）即可反演计算玻璃微珠8折射率，在测量低折射率玻璃微珠时内反射次数k=1。

在接收屏10上得到彩虹像的步骤为：调节升降旋钮15及五维调节装置14，使观察到的彩虹图像达到要求，从而摄像头13拍摄到适当大小而又清晰的彩虹图像；其中测量玻璃微珠8到接收屏10之间的接收距离L的步骤为：使用读数器12，读数器12上显示玻璃微珠8到接收屏10之间的接收距离L；其中测量玻璃微珠彩虹图最外环半径R的步骤为：测量玻璃微珠彩虹图最外环包含的像素个数，根据标定的每个像素大小，获得彩虹图最外环半径R。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、 通过增加摄像头五维调节装置，使系统共轴的调节更为方便；

2、利用摄像头采集彩虹图像，应利用计算机统计分析测量得到的玻璃微珠的折射率，提高了测量的精度；

3、测量过程无毒、方便，不增加任何会影响被测对象折射率的物理或化学过程，能较真实的测量玻璃微珠的折射率。

附图说明

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：

图1为本发明装置的正视示意图；

图2为本发明装置的斜视示意图；

图3为本发明装置的俯视示意图；

图4为一次彩虹条纹图；

其中， 1、激光器；2、正透镜；3、第一反射镜；4、第二反射镜；5、带孔反射镜；6、带孔反射镜调节装置；7、载玻片；8、玻璃微珠；9、X、Y平移结构；10、接收屏；11、吸光装置；12、读数器；13、摄像头；14、五维调节装置；15、升降旋钮；16、采集卡。

具体实施方式

下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

图1、图2和图3中，第一反射镜3，第二反射镜4，带孔反射镜5都与光轴呈45o放置，激光器1发出激光，经透镜2透射，经第一反射镜3和第二反射镜4反射，调节带孔反射镜5的位置使光束垂直向上通过带孔反射镜5后透射载物台上载玻片7，利用X、Y平移结构9调节载玻片7上的玻璃微珠8，使激光光束照射到玻璃微珠8上，从而会在接收屏10上接收到一次彩虹图像。旋转升降旋钮15及调节摄像头13的五维调节装置14，使观察到的一次彩虹图像达到要求，从而摄像头13可以拍摄到适当大小而又清晰的一次彩虹图像。读数器12上显示的玻璃微珠8到接收屏10之间的光线通过路径接收距离，以及采集卡16采集到的彩虹图像并测量其最外环半径，即可求出被测低折射率玻璃微珠的折射率。

通过设置两个反射镜第一反射镜3和第二反射镜4，可将激光器1放置在摄像头13的下方，从而能够使得整个测量系统更加紧凑，节省空间。

本装置依据的原理是：一束平行光照射到玻璃微珠上，光线在微珠内部经一次、二次或者多次反射后将折射出玻璃微珠，出射光线与入射光线方向之间会形成偏向角。当光线入射到玻璃微珠上的角度增大时，偏向角会逐渐减小，到达最小值后，又逐渐增大，其中具有最小偏向角的光线叫做笛卡尔光线。由于在最小偏向角附近光线最密集，密集的光线形成了虹。光线在微珠中经过一次、两次或多次内反射，形成一次、二次或高次彩虹。

本装置采用的光源为波长632.8nm的单模氦氖激光器，功率约为2mw。由该激光器1发出的光束通过正透镜2聚焦后可以得到平行激光束。在接收屏10上设置有吸光装置11以阻挡衍射光束的零级及直透光的干扰。理论上，本装置除了能形成一次和二次彩虹外，还有可能形成高次彩虹。但是，由于玻璃微珠的透过率极低（约为百分之几），测量时一般只能观察到一次和二次彩虹。而玻璃微珠的一次彩虹出现在入射光束的反方向，而二次彩虹出现在光束的入射方向。因此在本发明装置中可以接收到一次彩虹图像，如图4所示。

光线在玻璃微珠内部进行不同次数的内反射后出射，出射光线相对于入射光线形成的偏向角表示为：

          （2）

上式中，k为光线在玻璃微珠中的内反射次数，i、r分别为入射角和折射角。

入射角i与折射角r之间满足Snell定律 (其中n ₀ 为空气折射率，数值等于1，可省略)，带入公式（2）可得到最小偏向角与玻璃微珠折射率n及内反射次数k的关系：

             （3）

公式（3）表明，最小偏向角大小只与玻璃微珠折射率n和内反射次数k有关，当内反射次数k确定，将所述最小偏向角代入公式（3）即可反演计算玻璃微珠的折射率。

测出接收屏10上接收到的彩虹条纹图的最外环半径R，读数器12读出玻璃微珠8到接收屏10的接收距离L，内反射次数k，由公式（1）可以计算出待测玻璃微珠的最小偏向角。

             （1）

将此结果代入公式（3），在测量低折射率玻璃微珠时内反射次数k=1，通过最小偏向角反演计算待测玻璃微珠的折射率n。

其中，R的测量方法是先通过标定测量出一个像素的尺寸来计算的，具体如下：

先测量出长度d所含有的像素个数m，可以求出每个像素的尺寸大小d/m。打开已采集的彩虹图，可以测量出彩虹图最外环半径所包含的像素个数M，结合标定计算出的每个像素的尺寸，从而计算出最外环半径R为：

         （4）

对每种型号玻璃微珠进行超过200次的测量，并利用计算机进行统计分析，可以得到折射率的平均值和标准差。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种测量低折射率玻璃微珠折射率的装置，主要包括：激光器（1）、正透镜（2）、第一反射镜（3）、第二反射镜（4）、带孔反射镜（5）、带孔反射镜调节装置（6）、载玻片（7）、玻璃微珠（8）、X、Y平移结构（9）、接收屏（10）、吸光装置（11）、读数器（12）、摄像头（13）、五维调节装置（14）、升降旋钮（15）、采集卡（16），其特征在于，测量低折射率玻璃微珠时，所述的摄像头（13）安装在五维调节装置（14）上；五维调节装置（14）安装在升降装置上；摄像头（13）的右侧安装接收屏（10）；读数器（12）安装在升降装置的移动台上，用于读取玻璃微珠（8）到接收屏（10）之间的接收距离；在带孔反射镜（5）的正上方有用于放置载玻片（7）的载物台，载物台安装在X、Y平移结构（9）的移动平台上；激光器（1）出射的激光经正透镜（2）、第一反射镜（3）、第二反射镜（4）和带孔反射镜（5）从载物台的下方垂直向上透射载物台上的载玻片（7），利用X、Y平移结构（9）调节载玻片（7），使激光光束照射到玻璃微珠（8）上，从而在与光轴呈45o放置的带孔反射镜（5）上观察到一次彩虹图像，经带孔反射镜（5）反射后在接收屏（10）上接收到一次彩虹图像，摄像头（13）采集图像，测量该一次彩虹图像的最外环半径和玻璃微珠（8）到接收屏（10）之间的接收距离，通过接收距离和最外环半径计算最小偏向角，根据最小偏向角反演计算所述低折射率玻璃微珠的折射率。

2.根据权利要求1所述的一种测量低折射率玻璃微珠折射率的装置，其特征在于，所述的带孔反射镜（5）小孔为上小下大的喇叭型，激光可以从其小孔通过，一次彩虹图像通过带孔反射镜（5）反射后可以在水平方向放置的接收屏（10）上接收一次彩虹图像，由于其小孔为上小下大的喇叭型，可以有效避免小孔内壁对散射光的影响。

3.根据权利要求1所述的一种测量玻璃微珠折射率的装置，其特征在于，所述的带孔反射镜调节装置（6）是通过两组呈三角形分布的螺丝组来调节带孔反射镜（5）反射面的倾角。

4.根据权利要求1所述的一种测量低折射率玻璃微珠折射率的装置，其特征在于，通过调节五维调节装置（14）使摄像头（13）、吸光装置（11）和带孔反射镜（5）的小孔共轴。

5.根据权利要求1所述的一种测量低折射率玻璃微珠折射率的装置，其特征在于，所述的载玻片（7）上一次放置多个玻璃微珠（8），在测试完一个玻璃微珠（8）后，通过调节X、Y平移装置（9），继续测量下一个玻璃微珠（8），直到完成对多个玻璃微珠（8）的测量，通过统计分析方法，获得所述多个玻璃微珠（8）的测量结果。

6.根据权利要求1所述的一种测量低折射率玻璃微珠折射率的装置，其特征在于，通过采集卡（16）和摄像头（13）采集接收屏（10）上的一次彩虹图像，将采集的一次彩虹图像保存到计算机后进行分析处理。

7.一种利用权利要求1-6任一项的装置测量低折射率玻璃微珠（8）折射率的方法，其特征在于：激光器（1）出射的激光经正透镜（2）、第一反射镜（3）、第二反射镜（4）和带孔反射镜（5）后，从载物台的下方垂直向上透射载物台上的载玻片（7），利用X、Y平移结构（9）调节载玻片（7），使激光光束照射到玻璃微珠（8）上，从而在与光轴呈45o放置的带孔反射镜（5）上观察到一次彩虹图像，经带孔反射镜（5）反射后在接收屏（10）上接收到一次彩虹图像，摄像头（13）采集图像，测量该一次彩虹图像的最外环半径R及玻璃微珠（8）到接收屏（10）之间的接收距离L，从而计算出玻璃微珠（8）的最小偏向角                                                ，结合该最小偏向角和玻璃微珠的内反射次数k来确定其折射率；

计算玻璃微珠最小偏向角的方法如下：

  （1）

玻璃微珠（8）到接收屏（10）之间的接收距离L，彩虹图像最外环半径R，内反射次数k，用公式（1）计算出待测玻璃微珠的最小偏向角；

确定玻璃微珠的折射率的方法如下：

光线在玻璃微珠内部进行不同次数的内反射后出射，出射光线相对于入射光线形成的偏向角表示为：

  （2）

上式中，k为光线在玻璃微珠中的内反射次数，i、r分别为入射角和折射角，入射角i与折射角r之间满足Snell定律(其中n ₀ 为空气折射率，数值等于1，可省略)，带入公式（2）可得到最小偏向角与玻璃微珠折射率n及内反射次数k的关系：

   （3）

由公式（3）可知，最小偏向角大小只与玻璃微珠折射率n和内反射次数k有关，当内反射次数k确定，将所述最小偏向角代入公式（3）即可反演计算玻璃微珠的折射率，其中在测量低折射率玻璃微珠时内反射次数k=1。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：其中在接收屏上接收一次彩虹图像的步骤为：旋转升降旋钮（15），使观察到的一次彩虹图像满足要求，从而摄像头（13）采集到适当大小且清晰的一次彩虹图像；其中测量玻璃微珠（8）到接收屏（10）之间的接收距离L的步骤为：使用读数器（12），读数器（12）上显示玻璃微珠（8）到接收屏（10）之间的接收距离L；其中测量玻璃微珠彩虹图最外环半径R的步骤为：测量玻璃微珠彩虹图最外环包含的像素个数，根据标定的每个像素大小，获得彩虹图最外环半径R。