CN110320179A - 一种工作面聚光的液体折射率测试探头及其光折射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工作面聚光的液体折射率测试探头及其光折射方法，用于折射入射光束，包括采用一体成型结构的探头本体（U5），探头本体（U5）包括能够使光束进入形成出射光束的进光面（S1），将进光面（S1）的出射光束进行反射的第一反射面（S2），将第一反射面（S2）反射的光束汇聚在一起且能够进行透射光和/或发射光的工作面（S3），将工作面（S3）反射的光束进行反射的第二反射面（S4），将第二反射面（S4）反射的光束出射出去的出射面（S5）；能够使得光束在工作面上聚集，使得有效区域很小，近似一点，从而使得整个探头的体积能够被设计得更小。

Description

一种工作面聚光的液体折射率测试探头及其光折射方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体的说，是一种工作面聚光的液体折射率测试探头及其光折射方法。

背景技术

现有技术中，折射率是液体的重要光学参数之一，借助折射率能了解液体的光学性能、纯度、浓度以及色散等性质，其他的一些参数（如温度）也与折射率密切相关。因此，液体折射率的测量在化工、医药、食品、石油等等领域中都有重要的意义。特别是随着生活水平的提高和健康意识的增强，人们对食品安全和食品质量的要求也来越高。液体折射率测量仪可以测量液体食品折射率，在大数据的支撑下，可以比对出液体食品的浓度，进而得知其含糖量，含酸量，脂肪含量等，对人们特别是亚健康人群的进食起到指导作用。针对特殊贵重易仿冒的液体饮料，如名酒等，还可以起到鉴别作用。在健康保健行业中，可以用于人类排泄物的浓度测量，监控健康指数。

全反射临界角成像法是一种常用的液体折射率的测量方法，是根据全反射原理，通过测量处于临界角光线的出射角，计算出待测量液体的折射率。如图1所示，一种典型的全反射临界角测量系统包括光源U1、棱镜U3、图像传感器U2，工作时，从光源U1发出的光束穿过棱镜U3到达被测液体X和棱镜U3的界面，在该界面分离成折射光和反射光，其中，反射光被图像传感器U2接收，生成如图中所示的明暗图像。在该明暗图像中，明的部分对应在被测液体X和棱镜U3的界面发生全反射的光线，暗的部分对应未发生全反射的光线，明暗分界线则对应发生全反射的临界角。由于被测溶液的折射率变化会导致发生全反射临界角的变化，因此通过测量该明暗分界线的位置，就可以求出全反射临界角，从而求出被测液体的折射率。

但是，传统的光学折射计体积大且操作繁琐，而数字折射计虽然可以一键测量，但是其成本高，体积还未到便携式程度。这两种都不容易在普通人群中推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作面聚光的液体折射率测试探头及其光折射方法，所述液体折射率测试探头能够使得光束在工作面上聚集，使得有效区域很小，近似一点，从而使得整个探头的体积能够被设计得更小，所述光折射方法采用在工作面进行聚焦，而后通过透射和反射相结合的方式来进行光的折射。

本发明通过下述技术方案实现：一种工作面聚光的液体折射率测试探头，用于折射入射光束，包括采用一体成型结构的探头本体，探头本体包括

能够摄入（LED）光束并形成出射光束的进光面，

将进光面出射的光束进行反射的第一反射面，

将第一反射面反射的光束汇聚在一起成一个点的工作面，且工作面接触被测液体时，汇集在该点的不同角度的光将发生透射和/或全反射，

将工作面全反射的光束再次进行反射的第二反射面，

将第二反射面反射的光束整形后出射到探头本体以外的出射面。

进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述工作面在进行光束的汇聚时，汇聚在工作平面中心部位。

进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述工作面中心部位汇聚光束的大小为0~1mm。

进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：第二反射面反射的光束与进光面出射光束的光轴平行。

进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述第一反射面与第二反射面相对于探头本体中心线镜像对称设置。

进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述第一反射面与第二反射面采用全反射或镜面反射的平面反射镜。

进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述出射面为光学非球面透镜。

进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述工作面的折射率为1.52~1.70。

进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述入射面为光学非球面透镜。

进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：在探头本体上还设置有连接脚。

采用一种工作面聚光的液体折射率测试探头进行光折射的方法，包括下述步骤：

1）入射光通过进光面投射到第一反射面；

2）第一反射面进行全反射或镜面反射，并将反射光反射到工作面上；

3）工作面将第一反射面反射的光进行汇聚，汇聚后的光束将部分从被测液体透射出去，而余下光束的将被全反射到第二反射面；

4）第二反射面将对工作面反射的光束通过全反射或镜面反射的方式投射到出射面；

5）出射面将第二反射面投射过来的光束传输出去。

特别需要说明的是，在本技术方案中，机械结构所涉及到的诸如“连接”“固定”、“设置”、“活动连接”“活动设置”等用语皆为机械领域内常规设置用的技术手段，只要能够达到固定或连接或活动设置等目的都可以采用，因此在文中不做具体的限定（比如用螺母、螺杆配合进行活动或固定连接，用插销活动或固定连接、设置，A物件与B物件之间通过卡接的方式实现可拆卸连接等）。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明所述液体折射率测试探头能够使得光束在工作面上聚集，使得有效区域很小，近似一点，从而使得整个探头的体积能够被设计得更小，所述光折射方法采用在工作面进行聚焦，而后通过透射和反射相结合的方式来进行光的折射。

（2）本发明采用树脂材料的模压成型工艺制作，将球面、非球面、平面同时集成为一体，使得整个探头更加小型化。

（3）本发明在应用时，能够使测试仪器进一步微型化成为可能，同时可以应用到珍贵样品的测量中，减少被测液体的损耗。

附图说明

图1一种典型的全反射临界角测量系统图。

图2为新型液体折射率测量光学器件的工作原理示意图。

图3为本发明结构示意图。

图4为本发明的一种简单光学应用结构示意图。

其中， S1-进光面、S2-第一反射面、S3-工作面、S4-第二反射面、S5-出射面、U1-光源、U2-图像传感器、U3-棱镜、U4-聚光透镜、U5-探头本体、X-被测液体、C1-连接脚。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横 向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、 “竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也 可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

值得注意的是：在本申请中，某些需要应用到本领域的公知技术或常规技术手段时，申请人可能存在没有在文中具体的阐述该公知技术或/和常规技术手段是一种什么样的技术手段，但不能以文中没有具体公布该技术手段，而认为本申请不符合专利法第二十六条第三款的情况。

实施例1：

本发明设计出一种工作面聚光的液体折射率测试探头，能够使得光束在工作面上聚集，使得有效区域很小，近似一点，从而使得整个探头的体积能够被设计得更小，如图2~3所示，特别采用下述设置结构：用于折射入射光束，包括采用一体成型结构的探头本体U5，探头本体U5包括

能够摄入（LED）光束并出射特定发散角度（优选的设置为-5°~5°）光的进光面S1，

将进光面S1生成的特定发散角度（优选的设置为-5°~5°）光进行反射的第一反射面S2，

将第一反射面S2反射的光束汇聚在一起成一个点的工作面S3，且工作面S3接触被测液体时，汇集在该点的不同角度的光将发生透射和/或全反射，

将工作面S3全反射的光束再次进行反射的第二反射面S4，

将第二反射面S4反射的光束整形后出射到探头本体U5以外的出射面S5。

作为优选的设置方案，该液体折射率测试探头用于折射入射光束，包括采用一体成型结构的探头本体U5，探头本体U5包括

用于摄入光源（LED）U1一定夹角内的入射光的进光面S1，进光面S1优选采用非球面结构，与光源（LED）U1同轴设置，其作用是摄入LED一定夹角内的入射光到探头本体U5内部并形成特定角度（优选的设置为-5°~5°）的出射光，称为出射光1，且出射光1的总夹角与折射率测量的区间值有关，角度大，区间值就越大，反之就越小；

第一反射面S2，优选采用平面结构，出射光1在此第一反射面S2全反射或者镜面反射（在第一反射面S2上镀膜实现），形成反射光1，该反射光投射到工作面S3中。其中，第一反射面S2与工作面S3的倾斜角度决定了折射率测量的中心值，在不改变探头其他部分的情况下，改变此面的倾斜角度可以测量折射率的不同段；可以在保证精度不变的情况下，开发出不同测量范围的系列产品；

工作面S3，反射光1在工作面S3进行汇聚，测试时，在工作面S3上放置被测液体X，将根据被测液体X的折射率的大小，部分光透射到被测液体X中，部分光全反射到第二反射面S4，做全反射的部分光成为反射光2。工作面S3有效区的减小降低了样品的测量体积，可以极大的将整个系统小型化；

第二反射面S4，反射光2在第二反射面S4发生全反射或者镜面反射（在第二反射面S4上镀膜实现），投射到出射面S5，这部分光成为反射光3。第二反射面S4和第一反射面S2优选设置为有相同的倾斜角度，从而保证反射光3和出射光1的轴线平行；

出射面S5，优选采用光学非球面，其光轴与探头轴平行，对反射光3进行整形（准直化处理），出射的光称为出射光2。

所述液体折射率测试探头采用光学级透明树脂材料；采用注塑工艺一体化成型的，从而保障光学部件的装配一致性。

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案中采用相同技术结构部位在此技术方案中将不再赘述，如图2、图3所示，进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述工作面S3在进行光束的汇聚时，汇聚在工作面S3中心部位，在设置时，工作面S3进行光束汇聚时汇聚于工作面S3中心部位，即工作面S3的轴心范围区域内。

实施例3：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案中采用相同技术结构部位在此技术方案中将不再赘述，如图2、图3所示，进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述工作面S3中心部位汇聚光束的大小为0~1mm，即将光束汇聚在工作面S3轴心0~1mm大小的圆内，优选为直径1mm大小的圆内。

实施例4：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案中采用相同技术结构部位在此技术方案中将不再赘述，如图2、图3所示，进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：第二反射面S4反射的光束与进光面S1出射光束的光轴平行，即将第二反射面S4和第一反射面S2设置为相同的倾斜角度；第二反射面S4和第一反射面S2的倾斜角度相同，保证了光学系统的光轴平行，简化系统制造难度。第二反射面S4的倾斜角度也可以与第一反射面S2有差异，这样形成一个离轴光学系统，虽然增加了制造难度，但是可以减少系统器件。

实施例5：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案中采用相同技术结构部位在此技术方案中将不再赘述，如图2、图3所示，进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述第一反射面S2与第二反射面S4相对于探头本体U5中心线镜像对称设置；即将第二反射面S4和第一反射面S2设置为相同的倾斜角度；第二反射面S4和第一反射面S2的倾斜角度相同，保证了光学系统的光轴平行，简化系统制造难度。第二反射面S4的倾斜角度也可以与第一反射面S2有差异，这样形成一个离轴光学系统，虽然增加了制造难度，但是可以减少系统器件。

实施例6：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案中采用相同技术结构部位在此技术方案中将不再赘述，如图2、图3所示，进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述第一反射面S2与第二反射面S4采用全反射（全反射原理）或镜面反射（金属或介质反射膜）的平面反射镜。

实施例7：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案中采用相同技术结构部位在此技术方案中将不再赘述，如图2、图3所示，进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述出射面S5为光学非球面透镜。

实施例8：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案中采用相同技术结构部位在此技术方案中将不再赘述，如图2、图3所示，进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述工作面S3的折射率为1.52~1.70，工作面S3直接接触液体，对树脂材料的防腐蚀性能要求较高；根据被测液体折射率的范围，树脂材料的折射率要求在1.52-1.70之间；可以根据被测液体的情况选择不同级别的光学材料。

实施例9：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案中采用相同技术结构部位在此技术方案中将不再赘述，如图2、图3所示，进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：所述入射面S1为光学非球面透镜。

实施例10：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案中采用相同技术结构部位在此技术方案中将不再赘述，如图2、图3所示，进一步的为更好地实现本发明所述液体折射率测试探头，特别采用下述设置结构：在探头本体U5上还设置有连接脚C1，在设置时，可以在探头本体U5的进光面S1和出射面S5处设置连接脚C1便于与别的后续部件进行连接。

在设置时，出射面S5也可以设计成目镜，直接成像到图像传感器U2上，也可以仅对反射光3进行整形，作为后续光学系统的输入端。

实施例11：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案中采用相同技术结构部位在此技术方案中将不再赘述，如图2、图3所示，采用一种工作面聚光的液体折射率测试探头进行光折射的方法，包括下述步骤：

1）入射光通过进光面S1投射到第一反射面S2；

2）第一反射面S2进行全反射或镜面反射，并将反射光反射到工作面S3上；

3）工作面S3将第一反射面S2反射的光进行汇聚，汇聚后的光束将部分从被测液体X透射出去，而余下光束的将被全反射到第二反射面S4；

4）第二反射面S4将对工作面S3反射的光束通过全反射或镜面反射的方式投射到出射面S5；

5）出射面S5将第二反射面S4投射过来的光束传输出去。

如图3所示，在探头的基础上结合光源U1（该光源可以选用面光源的LED，具有成低的特性）和图像传感器U2形成简单的光学应用结构，在使用时，光源U1出射的部分光束（H、M、L）将通过进光面S1投射到第一反射面S2，第一反射面S2进行全反射或镜面反射，并将反射光反射到工作面S3上进行汇集，汇集成0~1mm大小的光束，该光束将部分通过其上的被测液体X透射出去，余下部分光束将全反射到第二反射面S4，第二反射面S4将对光束采用全反射或镜面反射的方式投射到出射面S5，出射面S5将光束进行整形（准直化处理），而后经后续光学系统（比如偏折棱镜等）的处理后在图像传感器U2上成像，优选的图像传感器U2可采用CMOS。

如图1所示，目前液体折射率行业普遍采用的工作方式，其具体设置为：测试探头是一个棱镜，其所有光学面都是平面，且成一定夹角。入射平面选取光源（太阳光，LED或者LD）发出的一定角度的发散光（折射率测量范围越大，需要的发散角度就越大）进入测试探头，此时光从光疏介质传入光密介质，发散角度会降低，但是经过一定的传输距离，到工作面上的有效光斑会有一定的尺寸（被测液体必须完全覆盖有效光斑才能得到完整的测量信息，这就决定了样品需要一定的体积，对于珍贵液体并不合适）。该光斑在工作面被全反射，从而以原有的发散角继续在探头内传播，导致探头尺寸继续增大。图2是新型液体折射率测量光学器件的工作原理示意图，其比图1多了一个聚光透镜U4，放在光源与棱镜之间。通过一个光学曲面（球面，非球面或者柱面）将摄入的光汇聚在工作面上，同时得到想要的发散角度。不管光源是点光源（如LD），面光源（如LED）或者平行光（太阳光）只要设计对应的光学曲面都可以实现：汇聚和角度。这样就将光学器件的有效区域大大的降低，为其尺寸的减小提供了前提。

图3是根据图2的原理设计的。传统的光学器件（探头）选择玻璃材质，其加工工艺决定了其光学面只能选择简单的平面或者球面，器件一般是棱镜和球面透镜。本探头选择树脂模压成型，可以引入非球面而且多个光学面可以集成在一个器件中。这样光学结构更紧凑，器件尺寸可以更小，定位精度更高。如图3所示，新型探头的进光面S1起聚光作用，其功能和图2中的聚光透镜U4相同；进光面S1的光轴与工作面S3垂直，通过倾斜的第一反射面S2等量补偿各测量光的工作角度，而图2中聚光透镜U4光轴与工作面直接形成了工作中心角度。前者的结构比后者紧凑，节省空间。图3中，新型探头还集成了第二反射面S4和出射面S5，更加增加了设计的自由度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工作面聚光的液体折射率测试探头，用于折射入射光束，其特征在于：包括采用一体成型结构的探头本体（U5），探头本体（U5）包括：

能够摄入光束并形成出射光束的进光面（S1），

将进光面（S1）出射的光束进行反射的第一反射面（S2），

将第一反射面（S2）反射的光束汇聚在一起成一个点的工作面（S3），且工作面（S3）接触被测液体时，汇集在该点的不同角度的光将发生透射和/或全反射，

将工作面（S3）全反射的光束再次进行反射的第二反射面（S4），

将第二反射面（S4）反射的光束整形后出射到探头本体（U5）以外的出射面（S5）。

2.根据权利要求1所述的一种工作面聚光的液体折射率测试探头，其特征在于：所述工作面（S3）在进行光束的汇聚时，汇聚在工作平面（S3）中心部位。

3.根据权利要求2所述的一种工作面聚光的液体折射率测试探头，其特征在于：所述工作面（S3）中心部位汇聚光束的大小为0~1mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种工作面聚光的液体折射率测试探头，其特征在于：第二反射面（S4）反射的光束与进光面（S1）出射光束的光轴平行。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种工作面聚光的液体折射率测试探头，其特征在于：所述第一反射面（S2）与第二反射面（S4）相对于探头本体（U5）中心线镜像对称设置。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种工作面聚光的液体折射率测试探头，其特征在于：所述第一反射面（S2）与第二反射面（S4）采用全反射或镜面反射的平面反射镜。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种工作面聚光的液体折射率测试探头，其特征在于：所述出射面（S5）为光学非球面透镜。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种工作面聚光的液体折射率测试探头，其特征在于：所述工作面（S3）的折射率为1.52~1.70。

9.根据权利要求1或2或3所述的一种工作面聚光的液体折射率测试探头，其特征在于：所述入射面（S1）为光学非球面透镜。

10.采用权利要求1~9任一项所述的一种工作面聚光的液体折射率测试探头进行光折射的方法，其特征在于：包括下述步骤：

1）入射光通过进光面（S1）投射到第一反射面（S2）；

2）第一反射面（S2）进行全反射或镜面反射，并将反射光反射到工作面（S3）上；

3）工作面（S3）将第一反射面（S2）反射的光进行汇聚，汇聚后的光束将部分从被测液体（X）透射出去，而余下光束的将被全反射到第二反射面（S4）；

4）第二反射面（S4）将对工作面（S3）反射的光束通过全反射或镜面反射的方式投射到出射面（S5）；

5）出射面（S5）将第二反射面（S4）投射过来的光束传输出去。