CN107153049A - 一种抑制杂散光的物质折射率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制杂散光的物质折射率测量装置，属于光学仪器领域，其包括光源，输入耦合光学模块，反射测量模块，输出耦合光学模块，阵列器件以及图像采集分析系统，输入耦合光学模块用于接收来自光源的光束并将其聚焦或发散，反射测量模块用于容置待测对象并对其折射率进行测量以获得折射率原始信息，输出耦合光学模块用于收集带有待测对象折射率信息的反射光，阵列器件用于接受带有待测对象折射率信息的反射光，并将其转化为光电信号，图像采集分析系统用于对光电信号进行处理和分析，以直接输出待测对象的折射率数值。本发明通过设计反射测量模块，能巧妙消除测量薄层物质折射率时的杂散光，且能用于测量薄层物质的折射率。

Description

一种抑制杂散光的物质折射率测量装置

技术领域

本发明属于光学仪器领域，更具体地，涉及一种抑制杂散光的物质折射率测量装置。

背景技术

折射率是物质的重要物理参数之一，人们常利用光在界面上临界角附近的反射特性，完成折射率测量，如：著名的阿贝折光计。这种测量装置原理简单、测量精确，在各行各业得到了广泛的应用。传统的目视阿贝折光计需要取样和手动对准，人眼通过目镜对准，测量效率不高，精度也将受到影响，无法满足自动在线测量要求。

此外，传统阿贝折光计这类装置测量不同物质时会受到一定限制：对于液体，需要取样较多，这种限制对于少量液体、价值昂贵液体不适用；对于固体，薄片测量，对准误差取决于操作者的经验，长时间测量将带来更大误差。

在生物、医药、半导体、化工、光学、医疗等领域，存在大量薄膜和价值昂贵液体需要精确测量其折射率。在传统光学中，对于光学薄膜和少量微量液体等的折射率测量存在着一个问题：与棱镜接触的待测物质下表面发生全反射，未经处理的上表面将产生杂散光信号，这将影响系统的测量性能。

目前，需要开发一种新的装置或者方法以满足薄膜、少量或价值昂贵液体的折射率的精确测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种抑制杂散光的物质折射率测量装置，通过设计反射测量模块，能巧妙消除测量薄层物质折射率时的杂散光，由此能用于测量薄层物质的折射率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种抑制杂散光的物质折射率测量装置，其包括光源，输入耦合光学模块，反射测量模块，输出耦合光学模块，阵列器件，图像采集分析系统，其中，所述光源用于产生发散光束；所述输入耦合光学模块用于接受来自光源的光散光束并将其聚焦或发散，所述反射测量模块设置在所述输入耦合光学模块的出射光方向上，用于容置待测对象并对其折射率进行测量以获得折射率原始信息，所述输出耦合光学模块设置在所述反射测量模块的反射光方向上，用于收集带有待测对象折射率信息的反射光，所述阵列器件用于接受带有待测对象折射率信息的反射光，并将其转化为光电信号，所述图像采集分析系统用于对所述光电信号进行处理和分析，以直接输出待测对象的折射率数值。

进一步的，工作时，从光源射出的光线经输入耦合光学模块后射入至反射测量模块，光在反射测量模块处同时发生折射和反射，反射测量模块用于将发生折射的光透射至外界或者用于将发生折射的光吸收，从而消除折射光对反射光的干扰，反射光进入输出耦合光学模块，从输出耦合光学模块中输出的光被阵列器件接受。

进一步的，所述反射测量模块包括第一棱镜、第二棱镜以及用于测量时容置待测对象的间隙，所述间隙为第一棱镜的测量面和第二棱镜的测量面相聚间隔而形成，所述间隙的高度为50nm～2mm。

进一步的，所述间隙的高度为300nm～2mm。

进一步的，所述间隙的高度为600nm～50μm。

进一步的，所述第一棱镜和所述第二棱镜为结构相同、折射率相同的等腰棱镜。

进一步的，所述第一棱镜和所述第二棱镜为结构不相同、折射率不相同的等腰棱镜。

进一步的，所述第二棱镜的折射率大于待测物质的折射率。

进一步的，所述第一棱镜的一个等腰侧面为入射面，所述第一棱镜的底面为测量面，所述第二棱镜的一个等腰侧面为出射面，所述第二棱镜的底面为测量面，所述第一棱镜和所述第二棱镜的底面相对且相隔间隙设置。

进一步的，所述反射测量模块包括第一棱镜、吸光层以及用于测量时容置待测对象的间隙，所述间隙为第一棱镜的测量面和吸光层的测量面相聚间隔而形成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明中设计了反射测量模块，所述反射测量模块设置在所述输入耦合光学模块的出射光方向上，用于容置待测对象并对其折射率进行测量以获得折射率原始信息，光在反射测量模块处同时发生折射和反射，反射测量模块用于将发生折射的光透射至外界或者用于将发生折射的光吸收，从而消除折射光对反射光的干扰，也即消除了杂散光的影响，从而能都测量获得薄层物质的折射率。

附图说明

图1是本发明实施例中抑制杂散光的薄层物质折射率测量装置的结构示意图，该实施例中展示出了光线的两次折射对。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为光源，2为输入耦合光学模块，3为第一棱镜，4为待测对象，其为固体或者液体状的薄层物质，5为输出耦合光学模块，6为阵列器件，7为图像采集分析系统，8为第二棱镜，S2面为第一棱镜和待测对象形成的界面，S3面为待测对象与第二棱镜8所形成的界面。

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是本发明实施例中抑制杂散光的薄层物质折射率测量装置的结构示意图，由图可知，本发明的薄层物质折射率测量装置包括光源1，输入耦合光学模块2，反射测量模块，输出耦合光学模块5，阵列器件6以及图像采集分析系统7。

其中，反射测量模块包括第一棱镜3、第二棱镜8以及用于测量时容置待测对象的间隙，所述间隙为第一棱镜3的测量面和第二棱镜8的测量面相聚间隔而形成，所述间隙的高度为50nm～2mm。进一步的，所述间隙的高度还优选为300nm～2mm，作为更进一步的优选，所述间隙的高度600nm～50μm。所述第二棱镜8的折射率大于待测物质的折射率，这样才能证获得足够的反射光，不然反射光的能量过小，而无用的折射光的能量过大。

在本发明的一个实施例中，所述第一棱镜3和所述第二棱镜8为结构相同、折射率相同的等腰棱镜。或者，所述第一棱镜3和所述第二棱镜8为结构不相同、折射率不相同的等腰棱镜。所述第一棱镜3的一个等腰侧面为入射面S1，所述第一棱镜3的底面为测量面，所述第二棱镜5的一个等腰侧面为出射面S4，所述第二棱镜5的底面为测量面，所述第一棱镜3和所述第二棱镜5的底面相对且相隔间隙设置。

详细的，所述光源1用于产生发散光束；所述输入耦合光学模块2用于接受来自光源1的光散光束并将其聚焦或发散，所述反射测量模块设置在所述输入耦合光学模块2的出射光方向上，用于容置待测对象4并对其折射率进行测量以获得折射率原始信息，所述输出耦合光学模块5设置在所述反射测量模块的反射光方向上，用于收集带有待测对象折射率信息的反射光，所述阵列器件6用于接受带有待测对象折射率信息的反射光，并将其转化为光电信号，所述图像采集分析系统7用于对所述光电信号进行处理和分析，以直接输出待测对象的折射率数值。

本发明装置工作时，从光源1射出的光线经输入耦合光学模块2后射入至反射测量模块，光在反射测量模块处同时发生折射和反射，反射测量模块用于将发生折射的光透射至外界或者用于将发生折射的光吸收，从而消除折射光对反射光的干扰，反射光进入输出耦合光学模块5，从输出耦合光学模块5中输出的光被阵列器件6接受并将其转化为光电信号，图像采集分析系统7用于对所述光电信号进行处理和分析。

更具体的，本发明装置的工作过程如下：

首先，将待测对象放置在间隙中，进行测量前的准备工作，准备完毕后，开启光源进行测量。

接着，光源1出射的光线射入输入耦合光学模块2中，输入耦合光学模块2用于接受来自光源1的光束并将其聚焦或发散，以形成汇聚或者发散的光束，

然后，该汇聚或者发散的光束入射至反射耦合光学模块的第一棱镜3的入射面，光线发生第一次折射，接着入射至第一棱镜3的测量面(也即底面)，发生第二次折射，进一步入射至待测对象4中，

接着，光线入射至第二棱镜8的测量面，发生第三次折射，进入第二棱镜8中，

最后，在第二棱镜8的出射面发生第四次折射，透射的光线进入外界。本发明中，光线在折射的同时也会发生反射。光线在第一棱镜3测量面处发生折射(反射)时，反射的光线会从第一棱镜3的出射面射出，所述输出耦合光学模块5设置在所述反射测量模块的反射光出射方向上，用于收集带有待测对象折射率信息的反射光，从输出耦合光学模块5中输出的光线被阵列器件6接受，所述阵列器件6用于接受带有待测对象折射率信息的反射光，并将其转化为光电信号，所述图像采集分析系统7用于对所述光电信号进行处理和分析，以直接输出待测对象的折射率数值。

在实际工程中，如果S3面为待测对象与空气形成的界面，也即，直接将待测物质置于第一棱镜3表面，物质的上表面将会反射回较多的光能量，该部分的光能量相对于S2面的反射光能量是一种干扰，也即系统的杂散光。这部分杂散光会对系统的折射率测量形成较大干扰，使系统的测量结果不准确，甚至完全错误。如果待测物质为液滴，上表面将形成一个曲面，光在上表面甚至会发生全发射，造成更严重的干扰。本发明装置中，将待测物质置于两个棱镜形成的间隙中，使得待测对象上表面的光尽量多的透射，大幅度减少了反射光。

作为本发明的替换，可以将棱镜8替换为平板玻璃，S3处设置吸光材料或者吸光层，将光大部分吸收，减少了光在此处的反射，也能取得相同的效果。此时，所述间隙为第一棱镜3的测量面和吸光层相聚间隔而形成。

本发明中，主要改进点在于巧妙设置了间隙，该间隙用于在测量或者装置工作时放置待测液体或者薄膜，待测液体或者薄膜分别与第一棱镜3以及第二棱镜8形成界面S2以及界面S3，由于界面S3的存在，避免了由于待测对象较薄，待测对象的上下两个面对于测量光同时反射和折射后，对测量需要收集光线的干扰，避免了杂散光的干扰后，就能测量获得薄层物质或者昂贵液体的折射率了。

本发明中，由于输入耦合光学模块输出的光线为汇聚或者发散形式，其在第一棱镜3测量面上的入射角各不相同，其中包括临界角，光线根据在第一棱镜3测量面上的入射角不同而透射光能量不同，大于临界角的光发生全反射而无透射光，小于临界角的光发生折射而同时具有透射光和反射光，透射的光最终从第二棱镜射出至外界中，从第一棱镜3中出射的反射光会由于待测对象折射率不同而形成具有明暗界限的光斑，该明暗界限与临界角具有对应关系，该临界角和待测对象的折射率具有对应关系，依此原理可获得待测对象的折射率。

本发明的测量原理是常见的，其巧妙之处在于光路的结构设计，具体的，待测量的透明介质(也是待测量的薄膜或者昂贵液体)通过两块棱镜或者一块棱镜和一块吸光材料构成测量光学系统，收集反射光，抑制透射光，达到抑制杂散光的作用，实现薄层物质的折射率测量。

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)

1.一种抑制杂散光的物质折射率测量装置，其特征在于，其包括光源(1)，输入耦合光学模块(2)，反射测量模块，输出耦合光学模块(5)，阵列器件(6)，图像采集分析系统(7)，其中，

所述光源(1)用于产生发散光束；

所述输入耦合光学模块(2)用于接受来自光源(1)的光束并将其聚焦或发散，

所述反射测量模块设置在所述输入耦合光学模块(2)的出射光方向上，用于容置待测对象(4)并对其折射率进行测量以获得折射率原始信息，

所述输出耦合光学模块(5)设置在所述反射测量模块的反射光方向上，用于收集带有待测对象折射率信息的反射光，

所述阵列器件(6)用于接受带有待测对象折射率信息的反射光，并将其转化为光电信号，

所述图像采集分析系统(7)用于对所述光电信号进行处理和分析，以直接输出待测对象的折射率数值。

2.如权利要求1所述的一种抑制杂散光的物质折射率测量装置，其特征在于，工作时，从光源(1)射出的光线经输入耦合光学模块(2)后射入至反射测量模块，光在反射测量模块处同时发生折射和反射，反射测量模块用于将发生折射的光透射至外界或者用于将发生折射的光吸收，从而消除折射光对反射光的干扰，

反射光进入输出耦合光学模块(5)，从输出耦合光学模块(5)中输出的光被阵列器件(6)接受。

3.如权利要求2所述的一种抑制杂散光的物质折射率测量装置，其特征在于，所述反射测量模块包括第一棱镜(3)、第二棱镜(8)以及用于测量时容置待测对象的间隙，所述间隙为第一棱镜(3)的测量面和第二棱镜(8)的测量面相聚间隔而形成，所述间隙的高度为50nm～2mm。

4.如权利要求3所述的一种抑制杂散光的物质折射率测量装置，其特征在于，所述间隙的高度为300nm～2mm。

5.如权利要求3所述的一种抑制杂散光的物质折射率测量装置，其特征在于，所述间隙的高度为600nm～50μm。

6.如权利要求3所述的一种抑制杂散光的物质折射率测量装置，其特征在于，所述第一棱镜(3)和所述第二棱镜(8)为结构相同、折射率相同的等腰棱镜。

7.如权利要求3所述的一种抑制杂散光的物质折射率测量装置，其特征在于，所述第一棱镜(3)和所述第二棱镜(8)为结构不相同、折射率不相同的等腰棱镜。

8.如权利要求3-7之一所述的一种抑制杂散光的物质折射率测量装置，其特征在于，所述第二棱镜(8)的折射率大于待测物质的折射率。

9.如权利要求3-7之一所述的一种抑制杂散光的物质折射率测量装置，其特征在于，所述第一棱镜(3)的一个等腰侧面为入射面，所述第一棱镜(3)的底面为测量面，所述第二棱镜(5)的一个等腰侧面为出射面，所述第二棱镜(5)的底面为测量面，所述第一棱镜(3)和所述第二棱镜(5)的底面相对且相隔间隙设置。

10.如权利要求1或2所述的一种抑制杂散光的物质折射率测量装置，其特征在于，所述反射测量模块包括第一棱镜(3)、吸光层以及用于测量时容置待测对象的间隙，所述间隙为第一棱镜(3)的测量面和吸光层的测量面相聚间隔而形成。