CN112964671B - 一种透明液体折射率的测量方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明液体折射率的测量方法及其系统，涉及散斑测量法，针对现有技术中液体折射率测量受到大量因素限制而提出本方案。利用对称设置的两透明矩形容器实现了面内偏移量抵消以及轴向偏移量的误差修正。无需利用另一液体作为测量标准，因此被测液体的折射率范围不再受限。测量中无需考虑矩形容器的厚度限制。还因为前后两张散斑图的特定获取步骤，解决了轴向偏移量带来的散斑法原有的误差问题。使得利用散斑法对透明液体折射率的测量不再受到倾斜角、总厚度、折射率估值以及参考液体物理性质等等的条件限制。

Description

一种透明液体折射率的测量方法及其系统

技术领域

本发明涉及散斑法测量技术，尤其涉及一种透明液体折射率的测量方法及其系统。

背景技术

激光散斑，是激光自散射体的表面反射或通过一个透明散射体时，散射光干涉形成的一种无规则分布亮暗斑纹。目前，散斑已经广泛地应用在表面粗糙度研究、光学图像处理和成像质量评价等方面，尤其是微小位移的测量。散斑法测量微小偏移量，一般是通过寻找物体在插入光路前后记录的两张散斑图中的散斑对，即在变化前散斑图上的绝大多数散斑点都能在变化后散斑图上找到对应的散斑点，使得散斑点成对存在，而散斑对的距离和方向则反应了物体变化前后的偏移大小和方向。现常用数字散斑相关方法测量这一微小位移，它是一种对运动位移和变形前后的散斑图像进行相关匹配，量化分析，以测量物体位移、应变及场分布的光测实验力学方法，具有全场测量、抗干扰能力强和测量精度高等特点。

测量液体折射率的方法有多种,包括牛顿环法、迈克尔逊干涉仪法、分光计、阿贝折射仪等。对于液体折射率测量还有一种常见的测量方法——内标法：即利用某种液体的折射率去测量另一种液体的折射率。但是，内标法需要已知某种溶液的折射率，其计算公式的选取也取决于该折射率究竟是大于还是小于待测液体折射率。只有当液体容器的内厚较小且两种透明液体的折射率相差不大时，内标法中轴向偏移量产生的误差才有可以忽略。而要先预知待测液体的折射率，再利用与之相近的已知液体折射率进行标定测量，这显然是难以实现的。而且这一方法也未考虑散斑在放入两种透明液体前后产生的轴向偏移量影响。

数字散斑法是目前常用于测量各种物体微小变化的测量方法，其精度相对较高，而光路要求和测量步骤均较为简单。但是目前还没有技术方案指导利用数字散斑法测量液体折射率，因为散斑法的测量过程有很多限制，现有技术并无法解决。例如散斑法测量折射率会具有轴向偏移量、介质倾斜角度、介质总厚度等等参数限制。

发明内容

本发明目的在于提供一种测量方法及其系统，以更加准确和便捷地测量透明液体的折射率。

本发明所述透明液体折射率的测量方法包括以下步骤：

S1、设置基于数字散斑法的折射率测量光路；

S2、在成像透镜和CCD之间放置垂直于光轴的两矩形容器，使其一矩形容器装入待测的透明液体；

S3、控制CCD获取第一散斑图；

S4、使所述两矩形容器相对光轴形成反向但等值的倾斜角；

S5、控制CCD获取第二散斑图；

S6、利用所述第一散斑图以及第二散斑图，基于数字散斑法计算出所述透明液体的折射率；

其中两矩形容器位于光轴中的部分厚度和材质均相同。

所述倾斜角的弧度取值范围在[0.001,0.175]。

本发明所述一种透明液体折射率的测量系统，包括基于数字散斑法的折射率测量光路，在成像透镜和CCD之间放置一双容器机构；所述双容器机构包括倾斜角可调的第一矩形容器和第二矩形容器，所述的第一矩形容器和第二矩形容器位于光轴中的部分厚度和材质均相同。

基于数字散斑法的折射率测量光路包括沿光轴方向依次设置的氦氖激光器、扩束镜、准直透镜、毛玻璃、成像透镜和CCD。

本发明所述透明液体折射率的测量系统，其优点在于，无需利用另一液体作为测量标准，因此被测液体的折射率范围不再受限。同时引入两结构相同的矩形容器，可以将矩形容器壁厚带来的面内偏移量基本抵消，测量中无需考虑矩形容器的厚度限制。本发明所述测量方法，在具有上述优点的基础上，还因为前后两张散斑图的特定获取步骤，解决了轴向偏移量带来的散斑法原有的误差问题。使得利用散斑法对透明液体折射率的测量不再受到倾斜角、总厚度、折射率估值以及参考液体物理性质等等的条件限制。而且精度达到相对误差0.25％以内，绝对满足精细化生产的测量精度。

附图说明

图1是透明矩形物体对光线折射的计算模型示意图。

图2是散斑法误差来源分析的光路原理图。

图3是本发明所述双容器机构与光轴垂直时的工作原理示意图。

图4是本发明所述双容器机构与光轴倾斜时的工作原理示意图之一；

图5是本发明所述双容器机构与光轴倾斜时的工作原理示意图之二。

图6是本发明所述测量系统在双容器机构垂直时的光路原理图；

图7是本发明所述测量系统在双容器机构倾斜时的光路原理图。

附图标记：10-毛玻璃、11-成像透镜、12-透明矩形物体、13-感光平面；21-氦氖激光器、22-扩束镜、23-准直透镜；30-双容器机构、31-第一矩形容器、32-第二矩形容器。f-成像透镜的焦距；S-第二散斑点、S'-第一散斑点。

具体实施方式

本发明采用的基本原理是激光散斑法，基于激光散斑法测量透明介质折射率，可以通过测量散斑在放入介质前后，因折射效应而产生的微小面内偏移量来计算折射率，其原理如图1所示。

当一束光照射到一倾斜的透明矩形物体时，将发生折射现象。由几何关系可知

以及

根据折射定律

n₀ sinθ＝n sinθ′ (3)

联合(1)(2)(3)式，可得

其中：θ为入射角，等于透明矩形物体的倾斜角；θ′为折射角；D为透明矩形物体的厚度；d为散斑面内偏移量；n₀为空气的折射率且n₀＝1；n为透明矩形物体的折射率。

(4)式表明，如果已知待测物体的厚度D、倾斜角度θ及偏移量d，即可获得液体的折射率n。

但需要解决的关键问题是，散斑在放入透明液体及其固体容器前后产生的轴向偏移量对测量的误差影响以及容器壁面对激光折射带来的误差影响。所述轴向偏移量影响分析如下：

测量的时候采用像面散斑测量光路，如果参照现有技术中散斑法测量其他物理量的操作步骤，会利用CCD先采集一幅未放待测透明矩形物体时激光通过空气的第一散斑图，再将偏转一定角度的待测透明矩形物体放入光路系统中，记录下激光通过透明矩形物体的第二散斑图。然后利用数字散斑相关法对采集到的两幅散斑图进行数据处理，获得激光通过透明矩形物体后微小面内的偏移量d。而置入的透明矩形物体倾斜角也是有固定工具确定，是一个已知量，从而理论计算出其折射率n或厚度D。

但上述方法忽略了散斑在放入透明矩形物体前后产生的轴向偏移量，从而受到容器总厚度以及倾斜角度的严重限制，通常容器总厚度不能超过5mm，该尺寸限制对于需要置入溶液的容器来说，是极为严苛的设计。经过研究，发现总厚度和倾斜角度最终影响的是前后两幅散斑图光程差带来轴向偏移量的干扰，而轴向偏移量是对测量精度最大的干扰因素。如图2所示，考虑某一散斑对时由几何光学可知，放入待测透明矩形物体后的第二散斑点S，相比未放透明矩形物体前对应的第一散斑点S'，不仅在感光平面x方向有个面内偏移，且在光轴z方向由于光程变化也产生了一个轴向偏移，这一轴向偏移量跟透明物体厚度、折射率和倾斜角等有关。而由于采集数据的CCD感光面为一固定位置的接收平面，这种轴向偏移直接导致CCD两次采集到的数据不再是散斑对，而是相应的点和斑，从而产生明显的测量误差。

为了解决轴向偏移量的干扰导致无法利用数字散斑法测量液体折射率的问题本发明提供一种测量系统，如图6、7所示，主要包括基于数字散斑法的折射率测量光路以及设置在该光路中的双容器机构30。为了满足液体测量的特殊要求，本发明将双容器机构30设计为两结构相同的矩形容器并排结构，角度可以分别调节。如图3、4所示，具体包括了透明的第一矩形容器31和第二矩形容器32，图3、图4中为俯视角度。在本发明的技术启示下，只要将矩形容器与光轴形成直角和非直角变化即可，因此第一矩形容器31和第二矩形容器32的旋转轴可以垂直于水平面或平行于水平面。为了便于在实验室中多个矩形容器正确地成对配置，两厚度和材质均相同的矩形容器用柔质绳成对连接。

测量过程中，第一矩形容器31或第二矩形容器32的任一作为待测透明液体的承载容器。基于光路可逆，以及折射率是标量的原因，光路中的激光先射入空载的矩形容器还是先射入载液的矩形容器均不影响出射后的散斑面内偏移量d的绝对值。原理如图4和图5所示。

基于数字散斑法的折射率测量光路可以直接应用现有技术中的散斑法光路架构，如具体包括依光路方向依次放置的氦氖激光器21、扩束镜22、准直透镜23、毛玻璃10、成像透镜11及CCD。本发明的系统特点在于在原有光路的成像透镜11和CCD之间置入所述的双容器机构30，使双容器机构30的两矩形容器可以在图6和图7两种状态之间变化。

本发明所述透明液体折射率的测量方法可以利用所述测量系统进行，具体步骤如下：首先设置基于数字散斑法的折射率测量光路，并在成像透镜11和CCD的两倍焦距2f之间置入所述双容器机构30。将第一矩形容器31和第二矩形容器32调节至均垂直于光轴的状图，即图3和图6所示状态。将其一矩形容器盛入待测的透明液体，控制CCD获取第一散斑图。使所述两矩形容器相对光轴形成反向但等值的倾斜角，例如采用0.001、0.010、0.055、0.092、0.100、0.123、0.155或0.175等弧度，形成如图4和图7的所示状态。控制CCD获取第二散斑图。利用所述第一散斑图以及第二散斑图，采用数字散斑相关法对两散斑图进行图像相关，获得离输出图像中心具有x方向偏移量d的自相关亮点，再基于数字散斑法的理论式子

计算出所述透明液体的折射率n。其中：θ为入射角，等于矩形容器的倾斜角；D为矩形容器的内壁间距离；d为散斑面内偏移量。因为置入了两个相同的矩形容器，基于矩形容器自身厚度的折射角度和面内偏移量在经过两次矩形容器后完全抵消，因此在应用该式子时，D直接为内壁间距离。

本发明所述透明液体折射率的测量方法及其系统的原理在于，当两矩形容器均垂直于光轴放置时，此时两矩形容器和待测液体并不会引起感光平面x方向的面内偏移，但能够产生光轴z方向的轴向偏移量z₁。当两矩形容器对称地倾斜微小角度放置时，两矩形容器和待测液体同样会产生z轴向偏移量z₂。由几何光学可知在倾斜角不大的情况下z₂近似等于z₁，从而使轴向偏移的影响可以忽略不计。而且由于对称放置的固体两矩形容器本身并不会引起感光平面x方向的面内偏移，实际上采集到的仅仅是待测液体倾斜产生的散斑面内偏移量。因此可以直接利用公式计算出液体折射率。这一设计极大地减小了轴向偏移量对测量结果的误差，但不会影响面内偏移量的测量结果，从而提高了测量精度。

为了进一步提供本发明所述测量方法及其系统的技术支持，采用去离子水和酒精作为测量的两个具体实施例。

实施例一，所使用的去离子水标定折射率为1.3330；选取了0.092rad和0.123rad两个倾斜角，氦氖激光器的波长λ为632.8nm，矩形容器内壁间距离D分别选取5mm、10mm和20mm。利用所述测量方法及其系统得到如下实验数据表格：

从表中可以看出，内壁间距从5mm变化到20mm，在不同倾斜角下测量得到的折射率与标定值都非常接近，误差在0.25％以内。实验中CCD散斑图选取范围为1：1000，无论在哪种内壁间距测量下其散斑相关结果都是一个明显的自相关亮点。如果CCD接收平面前后两次采集的是仅有x方向相同偏移的无数散斑对，则其散斑相关输出结果应该是一个自相关亮点，而随着内壁间距和倾斜角的增大，仅仅是自相关亮点的偏移量增大，这一结果符合前述分析及数字散斑相关原理。

实施例二，所述使用的酒精为95％纯度，标定折射率为1.3670。其他实验参数均与实施例一相同。利用所述测量方法及其系统得到如下实验数据表格：

保持倾斜角不变，改变测量液体为酒精，测量了不同D所对应的酒精折射率，其测量结果同样可见非常接近于标定值，误差均在0.34％以内。实验中与去离子水相似，测量获得的散斑相关结果也都是一个明显的自相关亮点，只是相同条件下亮点的偏移量要比去离子水要大一些。由前述分析可知，随着液体折射率的增大，散斑面内偏移量必然也随之增大。

综上所述，随着矩形容器内壁间距和待测液体的折射率增大，仅仅是散斑面内偏移量d越来越大，而其轴向偏移量的影响几乎可以忽略。这样CCD感光平面接收到的为无数相同位移的散斑对，导致散斑相关输出一直都是一个自相关亮点，从而使其计算结果更为精确。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种透明液体折射率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设置基于数字散斑法的折射率测量光路；

S2、在成像透镜（11）和CCD之间放置垂直于光轴的两矩形容器，使其一矩形容器装入待测的透明液体；

S3、控制CCD获取第一散斑图；

S4、使所述两矩形容器相对光轴形成反向但等值的倾斜角；所述倾斜角的弧度取值范围在[0.001,0.175]；

S5、控制CCD获取第二散斑图；

S6、利用所述第一散斑图以及第二散斑图，基于数字散斑法计算出所述透明液体的折射率；

其中两矩形容器位于光轴中的部分厚度和材质均相同。

2.一种透明液体折射率的测量系统，包括基于数字散斑法的折射率测量光路，其特征在于，在成像透镜（11）和CCD之间放置一双容器机构（30）；所述双容器机构（30）包括倾斜角可调的第一矩形容器（31）和第二矩形容器（32），其一矩形容器装有待测的透明液体；所述的第一矩形容器（31）和第二矩形容器（32）位于光轴中的部分厚度和材质均相同；

所述的CCD用于在所述第一矩形容器（31）或第二矩形容器（32）装入待测透明液体并同时垂直于光轴时获取第一散斑图；以及，在第一矩形容器（31）和第二矩形容器（32）相对光轴形成反向但等值的倾斜角时获取第二散斑图；所述倾斜角的弧度取值范围在[0.001,0.175]。

3.根据权利要求2所述透明液体折射率的测量系统，其特征在于，基于数字散斑法的折射率测量光路包括沿光轴方向依次设置的氦氖激光器（21）、扩束镜（22）、准直透镜（23）、毛玻璃（10）、成像透镜（11）和CCD。

Images