CN108333146B - 一种便携式折射率测量装置和折射率测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式折射率测量装置和折射率测量方法,其中便携式折射率测量装置,包括沿光路依次布置的光源、样品池以及图像传感器,在光源与样品池之间还设有标定板,该标定板带有标定图案;所述图像传感器用于在样品池放置待测样品前后,分别获取标定图案的图像数据,以计算待测样品的折射率。本发明便携式折射率测量装置结构简单、便于携带且成本相对较低,可测量和实时监控透明固体、液体和气体的折射率。

Description

一种便携式折射率测量装置和折射率测量方法
技术领域
本发明涉及折射率测量仪器技术领域,具体是涉及一种便携式折射率测量装置和折射率测量方法。
背景技术
测量透明固体、液体及气体的折射率是生产生活中要求广泛的一项运用技术,测量折射率有很多种方法,主要有利用折射定律测量折射率的方法、利用费涅尔公式测量折射率的方法、干涉法测量折射率以及阴影法四种方法。其中在生产实验中最常用的是利用折射定律测量折射率的方法,利用折射定律的方法包括精密测角仪法、棱镜折射仪法、阿贝折射仪法和浸液法。这些方法都是基于折射定律:折射角的正弦与入射角的正弦之比等于入射光所在介质的折射率与折射光所在介质的折射率之比。
利用干涉法测量折射率从本质上来看是一种绝对测量法。它是基于折射率与光程差的关系,通过测量干涉条纹与被测试件的转角之间的关系,通过一定的算法来获得被测试件的折射率,是一种被认为很有应用前景的方法。干涉法测折射率法主要采用迈克尔逊干涉仪,在迈克尔逊干涉仪中,通常有两个光路,参考光路和测试光路。
测量时,将平行平板待测件插入被测光路中,转动试件,同时记录下移动的条纹数和相应的试件转动角度,再精确测出试件的厚度,则可得到折射率n。这种方法的优点是结构简单、被测件插入系统比较方便,光线两次通过被测件,有利于提高精度,缺点是分光棱镜表面像易干扰有用的干涉条纹。
以上所有的测量折射率的方法的装置都比较复杂,设备昂贵,且不利于小型化、便携化测量。
发明内容
本发明提供了一种结构简单、便于携带且成本相对较低的折射率测量装置,可测量和实时监控透明固体、液体和气体的折射率。
一种便携式折射率测量装置,包括沿光路依次布置的光源、样品池以及图像传感器,在光源与样品池之间还设有标定板,该标定板带有标定图案;
所述图像传感器用于在样品池放置待测样品前后,分别获取标定图案的图像数据,以计算待测样品的折射率。
所述光源为半导体激光二极管。可发射稳定波长的光束用以实施检测。
所述标定板中,标定图案对光完全反射,非标定图案的区域为透明区;标定图案的线条宽度2um-30um。
光源照射直至标定板后,标定图案处的光被反射,光仅从透明区穿过经由样品池进入图像传感器,因此可以获得标定图案的图像数据。
本发明中关于样品池的形式没有严格要求,既可以是仅为一空间;也可以是安装有透光的容器,用以盛放待测样品。
作为优选,还设有控制模块,用于接收和处理来自所述图像传感器的图像数据,经计算获得待测样品的折射率。
作为优选,还设有图像显示模块,用于接收和显示来自所述控制模块的待测样品的折射率。
控制模块可以采用具有相应数据处理能力的计算机等形式,例如嵌入式控制模块等。
为了实现对图像数据的处理,所述控制模块包括处理器和存储器,存储器中配置有以下指令模块供处理器调用运行:
第一模块,用于读取在样品池放置待测样品前、后,图像传感器采集的标定图案的全息图;
第二模块,用于根据样品池放置待测样品前、后所对应的全息图分别计算标定图案与图像传感器之间的光程;
第三模块,根据如下公式计算待测样品的折射率n;
Figure BDA0001559829370000031
式中d为待测样品的厚度,l1和l2分别为样品池放置待测样品前、后,标定图案与图像传感器之间的光程。
计算待测样品的折射率时,包括如下步骤:
在样品池放置待测样品前,获取标定图案的全息图H1(即该状态下标定图案的图像数据),根据该全息图H1计算标定图案与图像传感器之间的光程l1
在样品池放置待测样品后,获取标定图案的全息图H2(即该状态下标定图案的图像数据),根据该全息图H2计算标定图案与图像传感器之间的光程l2
根据如下公式计算待测样品的折射率n;
Figure BDA0001559829370000032
式中d为待测样品的厚度。
在不考虑折射情况下,一般可视为光线垂直入射到图像传感器,标定图案与图像传感器平行,式中待测样品的厚度是指在图像传感器垂线方向上,待测样品的尺寸。
本发明有关光程的定义原理为,当物体被平面波照明,图像传感器位置处光场的复振幅与标定图案位置处光场的复振幅的关系为:
u(x,y;z)=∫∫u(xo,yo;0)h(x-xo,y-yo;z)dxodyo (1)
式(1)中:
u(xo,yo;0)为标定图案位置处光场的复振幅;
u(x,y;z)为图像传感器位置处光场的复振幅;
z为标定图案与图像传感器之间的距离;
h(x-x0,y-y0;z)为菲涅尔传播核函数。
在傅立叶频域空间内,表达式(1)可以被表示成式(2)。
A(fx,fy)=Ao(fx,fy)·H(fx,fy) (2)
式(2)中:
fx和fy是指空间坐标系中x,y方向多对应的傅立叶域频率坐标;
A(fx,fy)和Ao(fx,fy)分别是式(1)中u(x,y;z)和u(xo,yo;0)在傅立叶域的表达式;
H(fx,fy)是傅立叶域的传播函数,可以被表示为式(3)。
Figure BDA0001559829370000041
式(3)中:
k=2π/λ,λ=λ0/n,λ0为自由空间中的波长,n为折射率。
fcut-off为图像传感器的截止频率,由图像传感器的像素尺寸决定。
由泰勒展开近似,表达式(3)可写成:
Figure BDA0001559829370000042
式(4)中j为虚数单位,exp(ikz)对于同一个位置的探测面上的所有像素点而言是一个相同的值,因此可以认为是常数。所以H(fx,fy)可以被简化为:
Figure BDA0001559829370000043
本发明中将表达式(5)中
Figure BDA0001559829370000044
定义为光程,即光程
Figure BDA0001559829370000045
需要说明的是,此处的光程表达式不同于干涉测量中的光程(折射率与实际距离的乘积,n*z)。
依据全息图计算标定图案与图像传感器之间的光程,具体步骤包括:
(1)预估光程范围(0~lmax)。
预估光程范围可以依据已知的设备部件尺寸、历史数据、辅助刻度等方式。
(2)利用黄金分割选择法,在预估光程范围内选择50~500个l值,针对每一l值将图像传感器上的强度图像的根号值
Figure BDA0001559829370000046
逆向传播-l的距离,得到物平面上的伪复振幅分布u(x0,y0;0)。
此步骤原理为令光场从初始物平面传播到图像传感器探测平面的传播的光程为l,将图像传感器探测到的光场复振幅的强度值逆向传播,从而就回到了物体本身所在的物平面上,得到物平面上的伪复振幅分布,称它为伪复振幅是因为单幅强度全息图获得的复振幅分布具有“孪生像”。
此步骤中图像传感器上的强度图像即标定图案的图像数据,I(x,y;l)为图像数据中各点的强度值。
本实施例在预估范围内选择500个l值,数量越多精度越好,但相应的计算量增大。
(3)计算每一l值下伪复振幅分布的模值的导数的Gini系数(Gini of Gradient,以下简称GoG),当GoG为最小时,选取对应的l;
在预估范围下限至l范围(除l以外)内,例如(0~l),找到GoG最小时对应的lzuo
在l至预估范围上限范围(除l以外)内,例如(l~lmax),找到GoG最小时对应的lyou
(4)将(lzuo~lyou)设为最新的l的搜索范围,重复步骤(2)和步骤(3),直到lzuo~lyou符合设定值要求(例如lyou-lzuo≤1um),此时的l值即标定图案与图像传感器之间光程。
在样品池放置待测样品前、后由于待测样品折射的影响,会使光程l1和光程l2产生变化,而本发明则通过分别计算光程l1和光程l2后,再计算待测样品的折射率。
标定图案与图像传感器之间当只有空气的情况下,标定图案与图像传感器之间的光程为:l1=zair,zair为标定图案与图像传感器之间的空气间隔。
标定图案与图像传感器之间有多种介质时,例如样品池为一容器,而该容器的侧壁也视为介质之一。
标定图案与图像传感器之间的光程为:
Figure BDA0001559829370000051
z1~zn为:各介质厚度。
n1~nn为:各介质对应的折射率。
样品池放入厚度为d的待测样品(例如ZnSe平板)后,标定图案与图像传感器之间的光程为:
Figure BDA0001559829370000061
l1和l2通过以上全息自聚焦测光程方法可以得到,则待测样品的折射率为:
Figure BDA0001559829370000062
以上测量方式,均需额外测量待测样品厚度,作为优选,在样品池部位还设有用于放置并改变待测样品角度的旋转台,该旋转台带有可识别转动角度的标识。
作为优选,所述控制模块包括处理器和存储器,存储器中配置有以下指令模块供处理器调用运行:
第一模块,用于读取在样品池放置待测样品前、待测样品平行的放置在标定图案与图像传感器之间、待测样品偏转的放置在标定图案与图像传感器之间,三种状态下图像传感器采集的标定图案的全息图;
第二模块,用于根据三种状态下对应的全息图分别计算标定图案与图像传感器之间的光程;
第三模块,根据如下公式计算待测样品的折射率n和厚度d;
Figure BDA0001559829370000063
Figure BDA0001559829370000064
式中d为待测样品的厚度,n为待测样品的折射率,l1、l2和l3分别三种状态下,标定图案与图像传感器之间的光程,θ为待测样品偏转角度,即与标定图案与图像传感器间垂线的夹角。
本发明还提供一种折射率测量方法,基于本发明的便携式折射率测量装置实现。
一种折射率测量方法,包括:
读取在样品池放置待测样品前、后,图像传感器采集的标定图案的全息图;
根据样品池放置待测样品前、后所对应的全息图分别计算标定图案与图像传感器之间的光程;
根据如下公式计算待测样品的折射率n;
Figure BDA0001559829370000071
式中d为待测样品的厚度,l1和l2分别为样品池放置待测样品前、后,标定图案与图像传感器之间的光程。
一种折射率测量方法,包括:
读取在样品池放置待测样品前、待测样品平行的放置在标定图案与图像传感器之间、待测样品偏转的放置在标定图案与图像传感器之间,三种状态下图像传感器采集的标定图案的全息图;
根据三种状态下对应的全息图分别计算标定图案与图像传感器之间的光程;
根据如下公式计算待测样品的折射率n和厚度d;
Figure BDA0001559829370000072
Figure BDA0001559829370000073
式中d为待测样品的厚度,n为待测样品的折射率,l1、l2和l3分别三种状态下,标定图案与图像传感器之间的光程,θ为待测样品偏转角度,即与标定图案与图像传感器间垂线的夹角。
本发明折射率测量装置的测量精度能够达到10-4,与商用的阿贝折射率测量仪的量程(1.3-1.8)相比,本发明的方法的侧测量范围不受限制,甚至可以测量折射率趋近无穷大的透明材料。
附图说明
图1是本发明的便携式折射率测量装置的示意图;
其中:
(a)部分为放入待测样品前的示意图;
(b)部分为放入待测样品后的示意图;
(c)部分为标定图案的示意图;
图2是本发明利用的全息测光程法的原理示意图;
图3是图像传感器获得的全息图及利用全息图计算得到光程的示例图;
其中:
(a)部分左侧为图像传感器获得的一幅全息图,(a)部分右侧为左侧部分的局部放大图;
(b)部分为恢复出来的伪复振幅的强度图;
(c)部分为利用黄金分割法取不同光程值是分别对应的GoG数值;图4是待测样品旋转角度后,同时测量折射率和厚度的原理示意图;
其中:
(a)部分为放入待测样品前的示意图;
(b)部分为放入待测样品后的示意图;
(c)部分为待测样品旋转角度后的示意图;
(d)部分为待测样品部位的角度换算示意图。
具体实施方式
如图1,本实施例一种便携式测量折射率的装置主要包括:作为光源的激光二极管1;标定图案2;图像传感器3(采用CMOS图像传感器)。
标定图案2与图像传感器3之间为样品池,用于放置待测样品4。
在本实施例中,激光二极管1的中心波长为650nm,标定图案2为美国空军分辨率版图案(USAF1951),图像传感器3的分辨率为640*480,像素尺寸为2.2um;示例待测样品4为一个ZnSe平板。
如图1中的(a)部分所示,激光二极管1到标定图案2的距离大约为100mm,标定图案2到图像传感器3的距离大约为10mm以内。
测量时第一步,先点亮激光二极管,此时并没有放入待测样品,在图像传感器上记录一幅全息图H1(以下简称H1)例如图3中的(a)部分,利用H1和全息测光程算法计算得标定图案2到图像传感器3之间的光程l1
没有放入待测样品时,标定图案2到图像传感器3之间的光程l1的计算方式为:
(1)预估光程范围(0~lmax)。
(2)利用黄金分割选择法,在预估光程范围内选择500个l值,针对每一l值将图像传感器上的强度图像的根号值
Figure BDA0001559829370000091
逆向传播-l的距离,得到物平面上的伪复振幅分布u(x0,y0;0)。例如图3中的(b)部分。
(3)计算每一l值下伪复振幅分布的模值的导数的Gini系数(Gini of Gradient,以下简称GoG),Gini系数分布例如图3中的(c)部分。
当GoG为最小时,选取对应的l1
在(0~l1),找到GoG最小时对应的lzuo
在(l1~lmax),找到GoG最小时对应的lyou
(4)将(lzuo~lyou)设为最新的l的搜索范围,重复步骤(2)和步骤(3),直到lyou-lzuo≤1um,此时的l1值就认为是标定图案与图像传感器之间光程。
第二步,如图1(b),插入待测样品即ZnSe平板,点亮激光二极管,在图像传感器上记录一幅全息图H2,利用H2和全息测光程算法计算得到标定图案2到图像传感器3之间的光程l2
光程l2与光程l1的计算方式同理。
第三步,利用千分尺等符合精度要求的测量工具,测量出待测样品ZnSe平板的厚度d。
利用公式
Figure BDA0001559829370000092
计算待测样品折射率。
以某次实际测量为例:千分尺测得ZnSe平板的厚度d为1697um,光程l1=2811.4um,光程l2=1772.1um,运用本发明装置测量得到的折射率为2.5802,厂家(美国Thorlabs公司)提供的标准值为2.5809,折射率误差为7e-4。
图1所对应的测量折射率n的方法必须事先通过千分尺等工具测量待测样品的厚度d,作为改进,图4示意了一种能够同时测量待测样品厚度d和折射率n的方式。除了激光二极管1、标定图案2和图像传感器3以外,在标定图案2和图像传感器3之间,即样品池位置处设置带有刻度的旋转台,待测样品ZnSe平板放在旋转台上,通过刻度可以获知待测样品转动的角度。
具体操作步骤包括:
第一步,如图4(a),未放置待测样品前,利用全息自聚焦测光程的方法,测空气氛围下标定图案和图像传感器之间的光程l1
第二步,如图4(b),放置待测样品后,待测样品平行的布置在标定图案和图像传感器之间,利用全息自聚焦测光程的方法测标定图案和图像传感器之间的光程l2
第三步,如图4(c),将待测样品旋转θ角度,利用全息自聚焦测光程的方法测得平板旋转θ角度(例如20度)时标定图案和图像传感器之间的光程l3;图4(d)为当ZnSe平板旋转θ角度(θ为已知值)时,光线经过ZnSe平板时的偏转示意图。联立如下方程组:
Figure BDA0001559829370000101
Figure BDA0001559829370000102
可计算得到待测样品的d和n。
以某次实际测量为例:
光程l1=8123.9um;
光程l2=7083.9um;
光程l3=7114.6um。
运用本发明装置测量得到的折射率为2.5819,厚度为1697.4um。千分尺测得ZnSe平板的厚度d为1697um,厂家(美国Thorlabs公司)提供的标准值为2.5809,折射率误差为7e-4,厚度误差为0.4um。
以上公开的仅为本发明的具体实施例,但是本发明并非局限于此,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本发明要求的保护范围保护内。此外,尽管本说明书中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对本发明构成任何特殊限制。

Claims (7)

1.一种便携式折射率测量装置,包括沿光路依次布置的光源、样品池以及图像传感器,其特征在于,在光源与样品池之间还设有标定板,该标定板带有标定图案;
所述图像传感器用于在样品池放置待测样品前后,分别获取标定图案的图像数据,以计算待测样品的折射率;
还设有控制模块,用于接收和处理来自所述图像传感器的图像数据,经计算获得待测样品的折射率;
所述控制模块包括处理器和存储器,存储器中配置有以下指令模块供处理器调用运行:
第一模块,用于读取在样品池放置待测样品前、后,图像传感器采集的标定图案的全息图;
第二模块,用于根据样品池放置待测样品前、后所对应的全息图分别计算标定图案与图像传感器之间的光程,具体步骤包括:
(1)预估光程范围(0~lmax);
(2)利用黄金分割选择法,在预估光程范围内选择50~500个l值,针对每一l值将图像传感器上的强度图像的根号值
Figure FDA0002895825200000011
逆向传播-l的距离,得到物平面上的伪复振幅分布u(x0,y0;0);
(3)计算每一l值下伪复振幅分布的模值的导数的Gini系数即GoG,当GoG为最小时,选取对应的l;
在(0~l)找到GoG最小时对应的lzuo
在(l~lmax)找到GoG最小时对应的lyou
(4)将(lzuo~lyou)设为最新的l的搜索范围,重复步骤(2)和步骤(3),直到lyou-lzuo符合设定值要求,此时的l值即标定图案与图像传感器之间光程;
第三模块,根据如下公式计算待测样品的折射率n;
Figure FDA0002895825200000021
式中d为待测样品的厚度,l1和l2分别为样品池放置待测样品前、后,标定图案与图像传感器之间的光程。
2.一种便携式折射率测量装置,包括沿光路依次布置的光源、样品池以及图像传感器,其特征在于,在光源与样品池之间还设有标定板,该标定板带有标定图案;
所述图像传感器用于在样品池放置待测样品前后,分别获取标定图案的图像数据,以计算待测样品的折射率;
还设有控制模块,用于接收和处理来自所述图像传感器的图像数据,经计算获得待测样品的折射率;
所述控制模块包括处理器和存储器,存储器中配置有以下指令模块供处理器调用运行:
第一模块,用于读取在样品池放置待测样品前、待测样品平行的放置在标定图案与图像传感器之间、待测样品偏转的放置在标定图案与图像传感器之间,三种状态下图像传感器采集的标定图案的全息图;
第二模块,用于根据三种状态下对应的全息图分别计算标定图案与图像传感器之间的光程,具体步骤包括:
(1)预估光程范围(0~lmax);
(2)利用黄金分割选择法,在预估光程范围内选择50~500个l值,针对每一l值将图像传感器上的强度图像的根号值
Figure FDA0002895825200000022
逆向传播-l的距离,得到物平面上的伪复振幅分布u(x0,y0;0);
(3)计算每一l值下伪复振幅分布的模值的导数的Gini系数即GoG,当GoG为最小时,选取对应的l;
在(0~l)找到GoG最小时对应的lzuo
在(l~lmax)找到GoG最小时对应的lyou
(4)将(lzuo~lyou)设为最新的l的搜索范围,重复步骤(2)和步骤(3),直到lyou-lzuo符合设定值要求,此时的l值即标定图案与图像传感器之间光程;
第三模块,根据如下公式计算待测样品的折射率n和厚度d;
Figure FDA0002895825200000031
Figure FDA0002895825200000032
式中d为待测样品的厚度,l1、l2和l3分别三种状态下,标定图案与图像传感器之间的光程,θ为待测样品偏转角度,即与标定图案与图像传感器间垂线的夹角。
3.如权利要求1或2所述的便携式折射率测量装置,其特征在于,所述光源为半导体激光二极管。
4.如权利要求1或2所述的便携式折射率测量装置,其特征在于,所述标定板中,标定图案对光完全反射,非标定图案的区域为透明区;标定图案的线条宽度2um-30um。
5.如权利要求1或2所述的便携式折射率测量装置,其特征在于,还设有图像显示模块,用于接收和显示来自所述控制模块的待测样品的折射率。
6.一种折射率测量方法,其特征在于,包括:
读取在样品池放置待测样品前、后,图像传感器采集的标定图案的全息图;
根据样品池放置待测样品前、后所对应的全息图分别计算标定图案与图像传感器之间的光程,具体步骤包括:
(1)预估光程范围(0~lmax);
(2)利用黄金分割选择法,在预估光程范围内选择50~500个l值,针对每一l值将图像传感器上的强度图像的根号值
Figure FDA0002895825200000033
逆向传播-l的距离,得到物平面上的伪复振幅分布u(x0,y0;0);
(3)计算每一l值下伪复振幅分布的模值的导数的Gini系数即GoG,当GoG为最小时,选取对应的l;
在(0~l)找到GoG最小时对应的lzuo
在(l~lmax)找到GoG最小时对应的lyou
(4)将(lzuo~lyou)设为最新的l的搜索范围,重复步骤(2)和步骤(3),直到lyou-lzuo符合设定值要求,此时的l值即标定图案与图像传感器之间光程;
根据如下公式计算待测样品的折射率n;
Figure FDA0002895825200000041
式中d为待测样品的厚度,l1和l2分别为样品池放置待测样品前、后,标定图案与图像传感器之间的光程。
7.一种折射率测量方法,其特征在于,包括:
读取在样品池放置待测样品前、待测样品平行的放置在标定图案与图像传感器之间、待测样品偏转的放置在标定图案与图像传感器之间,三种状态下图像传感器采集的标定图案的全息图;
根据三种状态下对应的全息图分别计算标定图案与图像传感器之间的光程,具体步骤包括:
(1)预估光程范围(0~lmax);
(2)利用黄金分割选择法,在预估光程范围内选择50~500个l值,针对每一l值将图像传感器上的强度图像的根号值
Figure FDA0002895825200000042
逆向传播-l的距离,得到物平面上的伪复振幅分布u(x0,y0;0);
(3)计算每一l值下伪复振幅分布的模值的导数的Gini系数即GoG,当GoG为最小时,选取对应的l;
在(0~l)找到GoG最小时对应的lzuo
在(l~lmax)找到GoG最小时对应的lyou
(4)将(lzuo~lyou)设为最新的l的搜索范围,重复步骤(2)和步骤(3),直到lyou-lzuo符合设定值要求,此时的l值即标定图案与图像传感器之间光程;
根据如下公式计算待测样品的折射率n和厚度d;
Figure FDA0002895825200000051
Figure FDA0002895825200000052
式中d为待测样品的厚度,l1、l2和l3分别三种状态下,标定图案与图像传感器之间的光程,θ为待测样品偏转角度,即与标定图案与图像传感器间垂线的夹角。
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