CN109470636B - 一种atr全反射棱镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种ATR全反射棱镜，包括一体成型的上层和下层，上层和下层表面覆设有光学镀膜，设有检测窗口，检测窗口外侧设有被测物，底面边缘均匀设有第一导光孔、第二导光孔和第三导光孔，使用多次反射的光学系统利用光纤射出光线，光线从第一导光孔入射，在上层和下层表面上反射n次与被测物相作用，最后出射；单束光线经过被测物的检测面一次的反射次数n满足如下方程：n＝D/(2h*tg(2θ))，当上述单束光线经过被测物的检测面一次后未到达第二导光孔和第三导光孔出射，则经过光学镀膜反射再次发生全反射，反射次数为N；单束光线在棱镜中的反射总次数满足大于等于N*n，具有结构简单、设计合理、操作方便、检测精度高和效果好的优点。

Description

一种ATR全反射棱镜

技术领域

本发明属于光谱分析技术领域，具体涉及一种ATR全反射棱镜。

背景技术

在酿造、发酵、饮料、食用油等食品、饮品的自动化生产过程中需要对产品中的一种或多种特定物质组份的浓度或含量进行实时快速在线监测。光谱分析技术以其快速、无损、简便、精确优点，在国外已应用于果酒、啤酒、葡萄酒、饮料、牛奶等食品饮料的在线监测中。国内在线光谱分析技术目前还处于研究阶段，市场上类似产品较少，且多用于实验室分析。利用光谱分析技术研制小型化的糖类、乙醇、酸、酯、醛酮等在线监测仪表将会在国内食品、饮品生产过程中的在线监控中得到广范应用。

专利一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜(公开(公告)号CN106980147A)，公开了一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜，所述太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜包括：电阻率在10kΩ·cm上的高阻硅作为传感器材料的选择：使用多次反射的光学系统，棱镜外形为等腰梯形，太赫兹波从一侧表面入射，在棱镜上下表面反射若干次与油品相作用，最后从另一侧表面出射；传感器在与油品接触的界面的入射临界角需要大于27.89°；棱镜的尺寸设计需满足方程；且该棱镜还需满足根据几何关系增加的约束条件。本发明使油品在太赫兹频段的受抑全内反射光谱检测得以实现，并提高检测效率，但是本发明中传感器棱镜为等腰梯形，波从一侧射入，仅能在棱镜上下表面反射，反射次数小，棱镜利用率低、检测效果和检测精度较为一般。

因此需要一种结构简单、设计合理、操作方便、检测精度高和效果好的ATR全反射棱镜。

发明内容

本发明的目的是提供一种ATR全反射棱镜，以解决现有棱镜利用率低，检测效果和检测精度不理想等问题。

本发明提供了如下的技术方案：

一种ATR全反射棱镜，包括一体成型的上层和下层，所述上层和所述下层表面覆设有光学镀膜，所述上层呈圆台状，所述圆台状的顶部设有检测窗口，所述检测窗口外侧设有被测物，所述下层为圆柱，所述圆柱底面边缘均匀设有第一导光孔、第二导光孔和第三导光孔，所述第二导光孔和第三导光孔分别与第一导光孔形成的圆心角小于180°，

使用多次反射的光学系统利用光纤射出光线，光线从所述第一导光孔入射，在所述上层和所述下层表面上反射n次与被测物相作用，最后从所述第二导光孔和所述第三导光孔出射；

单束光线经过被测物的检测面一次的反射次数n满足如下方程：n＝D/(2h*tg(2θ))，

式中：D为所述检测窗口的直径；h为所述棱镜厚度；θ为检测窗口同所述上层侧壁的夹角；

光线和所述被测物的入射临界角α需要大于等于58°；所述被测物折射率不大于1.5；夹角θ大于等于151°小于等于154°；

光线在检测窗口处发生全反射满足如下公式：sinα＝1.5/1.77＝0.8474；

夹角θ需要满足如下公式：θ＝180-(α/2)；

当上述单束光线经过被测物的检测面一次后未到达所述第二导光孔和所述第三导光孔出射，则经过所述光学镀膜反射再次发生全反射，反射次数为N；

单束光线在棱镜中的反射总次数满足大于等于N*n，

式中：定义棱镜底部圆周半径为r，光纤的数值孔径为Φ，以圆周圆心为极坐标圆心建立极坐标系，出射点极坐标为(r，β)，则：入射点坐标为D(r,0)，第一次反射点坐标为B(r,180-Φ)，第N次反射点坐标为C(r,N*(180-Φ))，当光线到达出射点时，满足：β＝N*(180-Φ)-360*M(M＝0，1，2，…)；

每根光线对所述被测物的穿透总深度为N*n*dp，

式中：dp为光线在被测物中全反射穿透深度，

λ为光线在反射介质中的波长；

为入射角；n₁、n₂为棱镜和被测物的折射率。优选的，所述光学镀膜包括高纯银膜和防护膜。

优选的，所述高纯银膜采用磁控溅射工艺加工，所述高纯银膜厚度大于100um。

优选的，所述防护膜由耐酸碱、无毒性和不污染材料制成。

优选的，所述防护膜为耐氧化SiO₂膜层，所述SiO₂膜层的厚度大于100um。

优选的，所述上层和所述下层由蓝宝石材料制成。

本发明的有益效果是：

本发明一种ATR全反射棱镜整体结构简单、设计合理易于制作和生产；针对食品检测采用耐酸碱、无毒性和不污染的防护膜；针对食品检测将夹角θ设于大于等于151°小于等于154°使用范围广；通过上层和下层多重ATR反射，光线反射次数高，棱镜利用率高，检测效果和检测精度提升；增强了被测溶液或固体粉状物中某种或多种分子键对特定波长光线的吸收作用，能够更准确地测量出某中物质的含量；利用多模光纤都有一定数值孔径的特性，将入射光线导入棱镜时形成一定角度的散射。通过在入射角小于临界的地方镀反射膜的方式，使入射光线在棱镜内发生多级全反射；采用蓝宝石镜片作为棱镜材质和对近红外光具有高反射率的高纯银膜，检测效果更好。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明截面结构及光线入射示意图；

图2是本发明俯视示意图；

图3是本发明仰视示意图；

图4是本发明极坐标系示意图；

图5是本发明一种实施方式原理图；

图6是本发明一种实施方式浓度-吸光度结果数据图；

图7是常见物质折射率表图。

图中标记为：1.上层，2.下层，3.检测窗口，4.第一导光孔，5.第二导光孔，6.第三导光孔，7.光学镀膜，8.发光灯，9.滤光片，10.光谱仪，11.光纤，12.棱镜，13.酒精。

具体实施方式

如图1-4所示，一种ATR全反射棱镜，包括一体成型的上层1和下层2，上层1和下层2表面覆设有光学镀膜7，上层1呈圆台状，圆台状的顶部设有检测窗口3，检测窗口3外侧设有被测物，下层2为圆柱，圆柱底面边缘均匀设有第一导光孔4、第二导光孔5和第三导光孔6，第二导光孔5和第三导光孔6分别与第一导光孔4形成的圆心角小于180°，使用多次反射的光学系统，光线从第一导光4孔入射，在上层1和下层2表面上反射n次与被测物相作用，最后从第二导光孔5和第三导光孔6出射；单束光线经过被测物的检测面一次的反射次数n满足如下方程：n＝D/(2h*tg(2θ))，式中：D为检测窗口3的直径；h为棱镜厚度；θ为检测窗口3同上层1侧壁的夹角；棱镜和被测物的入射临界角α需要大于等于58°；被测物折射率不大于1.5；夹角θ大于等于151°小于等于154°；光线在检测窗口3处发生全反射满足如下公式：sinα＝1.5/1.77＝0.8474；夹角θ需要满足如下公式：θ＝180-(α/2)；当上述单束光线经过被测物的检测面一次后未到达所述第二导光孔和所述第三导光孔出射，则经过所述光学镀膜反射再次发生全反射，反射次数为N；单束光线在棱镜中的反射总次数满足大于等于N*n，式中：定义棱镜底部圆周半径为r，光纤的数值孔径为Φ，以圆周圆心为极坐标圆心建立极坐标系，出射点极坐标为(r，β)，则：入射点坐标为D(r,0)，第一次反射点坐标为B(r,180-Φ)，第N次反射点坐标为C(r,N*(180-Φ))。当光线到达出射点时，满足：β＝N*(180-Φ)-360*M(M＝0，1，2，…)；每根光线对所述被测物的穿透总深度为N*n*dp，式中：dp为光线在被测物中全反射穿透深度，

λ为光线在反射介质中的波长；

为入射角；n₁、n₂为棱镜和被测物的折射率。

具体的，光学镀膜7包括高纯银膜和防护膜，高纯银膜采用磁控溅射工艺加工，高纯银膜厚度大于100um，防护膜由耐酸碱、无毒性和不污染材料制成，防护膜为耐氧化SiO₂膜层，SiO₂膜层的厚度大于100um，上层1和下层2由蓝宝石材料制成，第一导光孔4为入射孔，第二导光孔5和第三导光孔6为出射孔，第二导光孔5作为光谱吸收吸收监测光路孔，第三导光孔6作为参比光路选择对被测物不吸收的光谱波段。

本具体实施方式的一种使用环境为：

如图4所示，选用酒精13、发光灯8(EMIRS200)、滤光片9(中心波长1450um)、浮子精度计(0.1％)、电子温度计(0.1％)、恒温箱、光纤11和光谱仪10作为辅助仪器，使用棱镜12检测可以测得如图5所示数据，可以得出如下结论：

近红外光1450um作为入射光，被测物为不同浓度的酒精溶液。水分子对1450um近红外光有较强的吸收作用，不同浓度的酒精对该红外光的吸光度不同，且随着浓度的升高吸光度减小，温度等外部条件不变的情况下，酒精浓度和吸光度呈反比。1)、红外光谱在检测窗口3有较强有吸收作用(特定波长)，说明光线经ATR棱镜多重反射后增加了对样品总的穿透深度；2)、浓度和吸光度呈较好的线性关系，说明ATR棱镜通过镀膜层的反射提高了光线通过率，从而提高了信噪比，有较强的抗干扰能力，具有较高的灵敏度；

ATR全反射棱镜采用厚度2mm蓝宝石镜片制作，蓝宝石的折射率1.77。如图6所示，常见物质的折射率均小于1.77，根据全反射定律，选择适当的光线入射角理论上都可以进行检测。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种ATR全反射棱镜，其特征在于，包括一体成型的上层和下层，所述上层和所述下层表面覆设有光学镀膜，所述上层呈圆台状，所述圆台状的顶部设有检测窗口，所述检测窗口外侧设有被测物，所述下层为圆柱，所述圆柱底面边缘均匀设有第一导光孔、第二导光孔和第三导光孔，所述第二导光孔和第三导光孔分别与第一导光孔形成的圆心角小于180°，

使用多次反射的光学系统利用光纤射出光线，光线从所述第一导光孔入射，在所述上层和所述下层表面上反射n次与被测物相作用，最后从所述第二导光孔和所述第三导光孔出射；

单束光线经过被测物的检测面一次的反射次数n满足如下方程：n＝D/(2h*tg(2θ))，

式中：D为所述检测窗口的直径；h为所述棱镜厚度；θ为检测窗口同所述上层侧壁的夹角；

光线和所述被测物的入射临界角α需要大于等于58°；所述被测物折射率不大于1.5；夹角θ大于等于151°小于等于154°；

光线在检测窗口处发生全反射满足如下公式：sinα＝1.5/1.77＝0.8474；

夹角θ需要满足如下公式：θ＝180-(α/2)；

当上述单束光线经过被测物的检测面一次后未到达所述第二导光孔和所述第三导光孔出射，则经过所述光学镀膜反射再次发生全反射，反射次数为N；

单束光线在棱镜中的反射总次数满足大于等于N*n，

式中：定义棱镜底部圆周半径为r，光纤的数值孔径为Φ，以圆周圆心为极坐标圆心建立极坐标系，出射点极坐标为(r，β)，则：入射点坐标为D(r,0)，第一次反射点坐标为B(r,180-Φ)，第N次反射点坐标为C(r,N*(180-Φ))，当光线到达出射点时，满足：β＝N*(180-Φ)-360*M(M＝0，1，2，…)；

每根光线对所述被测物的穿透总深度为N*n*dp，

式中：dp为光线在被测物中全反射穿透深度，

λ为光线在反射介质中的波长；

为入射角；n₁、n₂为棱镜和被测物的折射率。

2.根据权利要求1所述的一种ATR全反射棱镜，其特征在于，所述光学镀膜包括高纯银膜和防护膜。

3.根据权利要求2所述的一种ATR全反射棱镜，其特征在于，所述高纯银膜采用磁控溅射工艺加工，所述高纯银膜厚度大于100um。

4.根据权利要求2所述的一种ATR全反射棱镜，其特征在于，所述防护膜由耐酸碱、无毒性和不污染材料制成。

5.根据权利要求2所述的一种ATR全反射棱镜，其特征在于，所述防护膜为耐氧化SiO₂膜层，所述SiO₂膜层的厚度大于100um。

6.根据权利要求1所述的一种ATR全反射棱镜，其特征在于，所述上层和所述下层由蓝宝石材料制成。

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