CN115112606A - 一种折光仪和智能杯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液体折射率测量领域，特别地涉及一种折光仪和智能杯。本发明公开了一种折光仪和智能杯，其中折光仪包括光源、棱镜、透镜单元和光电传感器，棱镜具有一与待测液体接触的接触界面，光源为至少在一个方向上具有多个依次排列的点光源，光源被配置为光源发射的光经过棱镜的入射面进入棱镜并照射至接触界面，光电传感器设置在透镜单元的像方焦平面上，从接触界面反射的光经棱镜的出射面出射出棱镜，并经透镜单元采用无穷远对焦成像在光电传感器上。本发明的折光仪具有成本低，体积小，测量范围大，鲁棒性好的优点。

Description

一种折光仪和智能杯

技术领域

本发明属于液体折射率测量领域，具体地涉及一种折光仪和具有该折光仪的智能杯。

背景技术

折光仪是一种测量液体折射率的装置。因为固体可溶物溶解后会增加液体的折射率，通过折射率测量可以达到固体可溶物含量的测量，因此折光仪可以用来测量液体中的固体可溶物的含量。水溶液中的固体可溶物通常是糖，所以这种设备在饮料(果汁、咖啡等)中被称为糖度计。糖度计测量的单位为白利度(Brix)。

如图1所示，反射式电子测糖仪是一个比较常见的测糖方式，其原理利用了全反射角是由界面两种材质的折射率决定的。根据折射定律

sin(α_折射角)*n_液体＝sin(α_入射角)*n_玻璃

全反射角β发生在

也就是说在玻璃入射角度大于全反射角β时，是只有反射的，而当玻璃入射角小于全反射角β时，透射和反射并存，而反射的亮度会比全反射时小。我们可以在全反射角β这个角度附近看到一个明显的亮度变化界面。通过这个界面我们可以测到全反射角β、由此算出n_待测液体(待测液体的折射率)。通常情况下，n_待测液体越大，全反射角β越高，不同玻璃和液体会给出不同的角度值。例如在n_玻璃＝1.5时，0度Brix的水溶液全反射角β＝62.73°，50度Brix的水溶液全反射角β＝71.2°。

为了达到小巧的设计，美国专利：US7492447B2(以下简称为前案)公开的折射仪中设置了一个必不可少的一个狭缝1′，如图2所示，这个狭缝1′位于LED光源2′后，使得发光点在平行于感光阵列3′的方向上是很小的(点光源)，这样子很好地定义了打到感光阵列3′上每束光的角度。设想如果不是用狭缝1′，意味着有多个点光源同时发光，那么不同点光源发出的不同角度的光有可能会打到感光阵列3′上的同一个点，从而无法区分出这些光的角度，而这个角度在确定全反射角时是非常重要的。狭缝1′本质上是解耦了光线的位置和方向，使得我们只探测光线的方向而不被光线的位置干扰。但是这个设计的最主要问题是感光阵列3′需要的尺寸会非常的大，尤其对于折射率测量范围要求比较大的时候。通过反射的几何等效性，我们可以把感光阵列3′等效到液面那一侧，如图3所示，这样子更容易帮助我们理解光路的选中。可以看出，此时感光阵列3′的尺寸l＝2*tan(α/2)*d，这里的d代表的是从LED光源2′到感光阵列3′的光程距离，α是整体张角。也就是说，如果我们对于α角度要求比较大，比如测量不同种类的液体，而这些液体的折射率变化很大时，感光阵列3′的尺寸也需要跟着变得很大。对于感光阵列3′(CCD或CMOS)这种半导体芯片来说，越大的物理尺寸以为这越高的成本，在考虑有限半导体晶圆大小的情况下，器件尺寸的变大会导致出货率和良率的降低。大尺寸芯片还意味着封装和贴片的难度增加，贴片翘曲率增加，这些都会导致成本的增加。通常情况下，因为这么大的半导体尺寸要求，只有线阵(一维阵列)才能满足成本的要求。而线阵在垂直于它自身方向的安装位置和精度要求非常高，使得整体组装变得更加复杂。

发明内容

本发明的目的在于为解决上述问题而提供一种成本低，体积小，测量范围大，鲁棒性好的折光仪以及具有该折光仪的智能杯。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种折光仪，包括光源、棱镜、透镜单元和光电传感器，棱镜具有一与待测液体接触的接触界面，光源为至少在一个方向上具有多个依次排列的点光源，光源被配置为光源发射的光经过棱镜的入射面进入棱镜并照射至接触界面，光电传感器设置在透镜单元的像方焦平面上，从接触界面反射的光经棱镜的出射面出射出棱镜，并经透镜单元采用无穷远对焦成像在光电传感器上。

进一步的，所述光源为LED光源。

更进一步的，所述光源采用LED灯条来实现。

进一步的，所述光源为单波长的LED光源。

更进一步的，所述光源的中心波长在500-600nm之间。

进一步的，还包括匀光单元，匀光单元设置在光源与棱镜的入射面之间。

更进一步的，所述匀光单元为匀光片，固定在棱镜的入射面上。

进一步的，所述匀光单元为匀光膜层，镀膜在棱镜的入射面上。

进一步的，所述光电传感器为CMOS图像传感器。

更进一步的，所述光电传感器为面阵CMOS图像传感器。

进一步的，所述透镜单元为单个透镜或多个透镜组成。

更进一步的，所述透镜单元和光电传感器由手机的相机模组来实现。

进一步的，还包括滤光单元，滤光单元设置在棱镜的出射面与透镜单元之间。

更进一步的，所述滤光单元为滤光片，固定在棱镜的出射面上。

进一步的，所述滤光单元为滤光膜层，镀膜在棱镜的出射面上。

进一步的，所述棱镜为等腰棱镜。

本发明还提供了一种智能杯，设有上述的折光仪，用以测量该智能杯内液体的折射率。

本发明的有益技术效果：

本发明的折光仪通过将光电传感器设置在透镜单元的像方焦平面上，透镜单元采用无穷远对焦成像方式，使得可以采用非点光源来作为光源，从而由光源的尺寸来分担光电传感器的尺寸，使得光电传感器的尺寸可以很小，具有成本低，体积小，测量范围大，鲁棒性好的优点。

本发明的折光仪采用面阵CMOS图像传感器，成本更低，精准度更高，降低安装的要求，且可以实现许多一维传感器无法做到的事情，如提高精准度、提升抗干扰能力、增加其它测量功能等，且即使接触界面处有气泡或没有完全覆盖也不会影响测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的反射式电子测糖仪的结构示意图；

图2为前案公开的折射仪的结构图；

图3为图2中将感光阵列等效到液面那一侧的示意图；

图4为本发明实施例一的折光仪的结构示意图；

图5为透镜单元采用无穷远对焦的成像原理示意图；

图6为本发明实施例一的将光电传感器等效到液面那一侧的示意图；

图7为本发明实施例一的6mm光源的结构示意图；

图8为本发明实施例一的1mm透镜单元的结构示意图；

图9为本发明实施例一的12mm透镜单元和12mm光源的结构示意图；

图10为本发明实施例一的光电传感器采集到的亮度图；

图11为本发明实施例一的电路结构框图；

图12为本发明实施例二的折光仪的结构示意图；

图13为本发明实施例三的折光仪的结构示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例一

如图4所示，一种折光仪，包括光源1、棱镜2、透镜单元3和光电传感器4，棱镜1具有一与待测液体5接触的接触界面21，光源1为至少在一个方向(图4中的左上方向，以下称为第一方向)上具有多个(两个或两个以上)依次排列的点光源，光源1发射的光经过棱镜2的入射面22进入棱镜2并照射至接触界面21，光电传感器4设置在透镜单元3的像方焦平面上，即透镜单元3为无穷远对焦方式，从接触界面21反射的光经棱镜2的出射面23出射出棱镜2，并经透镜单元3采用无穷远对焦成像在光电传感器4上。

如图5所示，在光学中，平行光经过透镜(或者透镜组)可以被汇聚在像方焦平面，在理想情况下，像方焦平面上的汇聚点是唯一的，这个汇聚点(从透镜光心按这个平行光方向延伸与像方焦平面的交点)只跟光线的方向有关，而与光线的位置无关，利用这个原理，就可以解耦光线的位置和方向，而不需要如前案中所公开的在光源处设定一个狭缝或者小孔来解耦光线的位置和方向。

因此，本发明中，将光电传感器4设置在透镜单元3的像方焦平面上，这个位置也称为无穷远对焦(平行光可以认为是无穷远处的物体发出的)，这种对焦方式在手机的小型相机模组中很常见，利用平行光管做对焦即可得到，所以成本很低。由于采用无穷远对焦方式，则光源1可以采用至少在一个方向上具有多个(两个或两个以上)依次排列的点光源构成的光源来实现，此时，透镜单元3能成像的视场角范围由焦距f和透镜孔径大小决定，这个视场角可以轻易做到90度，而且有很多既有的镜头可以选择。在本发明中，我们希望能测量到尽可能广的折射率范围，仅仅探测到一个大的视场角是不够的。我们需要确保有这么大的角度的光线被接触界面21反射并入射到透镜单元3中。在本发明中，透镜单元3能够接收到的光的角度范围由光源1的尺寸(沿第一方向)和透镜单元3的尺寸(入光孔径尺寸)共同决定，如图6所示，为了更加直观，这里使用了反射的几何等效模型来分析角度。

在图6中，透镜单元3能够探测的光线角度由边缘的两条线所定义：光源1最上端到透镜单元3入光孔径的最下端的光线r1和光源1最下端到透镜单元3入光孔径的最上端的光线r2。

可以看出这个角度范围α由三个变量：光源1的尺寸、透镜单元3的尺寸以及光源1到透镜单元3的距离决定。也就是说，在同等角度范围α的情况下，前案中的感光阵列尺寸如今被光源1的尺寸和透镜单元3的尺寸一同分担。从虚线可以看出

前案中的感光阵列尺寸＝光源1的尺寸+透镜单元3的尺寸

如果前案中的感光阵列尺寸需要12mm，那么本发明中要与其同等角度范围α的情况下有几种典型的情况：

①本发明中只需要6mm的光源1+6mm的透镜单元3(光电传感器4的尺寸一般与透镜单元3的大小接近)，如图7所示，也就是说本发明的光电传感器4只需要前案的一半尺寸，从而减少了成本和量产难度。

②更加极端一点，本发明只需1mm的透镜单元3，成本和量产难度大幅下降，此时光源1的尺寸为11mm，如图8所示，光源1的尺寸是非常容易增加的，成本低，无需高精度装配，几乎没有任何代价。

③另外，如果本发明透镜单元3的尺寸也是12mm，光源1也采用12mm尺寸，则能够探测的角度范围与前案相比增加了接近一倍，如图9，此时整体设计的体积无需增加，因为棱镜2的体积没有变化。

可以看出，在同样的探测角度范围下，本发明几乎可以使用任何尺寸的光电传感器4，而不影响探测角度，因此，本发明可以采用更小尺寸的透镜单元3和光电传感器4，大大降低成本，且棱镜2的尺寸也跟着光源1和透镜单元3减小，整体体积也减小，同时测量范围大，鲁棒性好。

本具体实施例中，光源1优选采用LED光源，具有成本低，体积小，环保等优点，但并不以此为限，在其它实施例中，光源1也可以采用现有的其它光源来实现。

光源1可以由多个LED灯珠通过贴片或者封装的方式构成，此已是非常成熟的现有技术，不再详细说明。

优选的，本实施例中，光源1采用LED灯条来实现，易于实现，成本低，且体积更小，当然，在一些实施例中，光源1也可以采用其它LED光源，如LED面光源等来实现。

本具体实施例中，透镜单元3可以是由一个透镜组成，也可以由多个透镜构成，具体可以采用现有的无穷远对焦的相机模组来实现，成本低，可靠性高。

本具有实施例中，光电传感器4优选为CMOS图像传感器。近年来随着手机和智能硬件行业的兴起，小尺寸的CMOS图像传感器经过多年的大规模应用和迭代，感光性能已经做得非常好，分辨率非常高，成本也非常低。但并不限于此，在一些实施例中，光电传感器4也可以采用CCD图像传感器等其它光电传感器来实现。

进一步的，本实施例中，光电传感器4优选为面阵CMOS图像传感器，相对于一维图像传感器，不仅可以大幅度降低安装的要求，还可以通过二维阵列的性质增加许多一维阵列无法做到的事情，例如提高精准度和抗干扰能力，增加其它参量测量的能力等。此外，即使接触界面处有气泡或没有完全覆盖也不会影响测量。

本实施例中，透镜单元3和光电传感器4可以采用现有的手机的小型相机模组来实现，成本低，体积小，易于实现。

本具体实施例中，棱镜2采用玻璃材料制成，但并不限于此，在一些实施例中，也可以采用塑料、树脂等其它透明材料制成。

优选的，本实施例中，棱镜2为等腰棱镜，更优选为等腰直角棱镜，棱镜结构更紧凑，使得整体结构更小型化，但并不限于此。

图10所示为本实施例的光电传感器4采集到的亮度图，横轴对应于光源1的第一方向，可以看出对应着不同的液体折射率时，全反射角对应的分界线有明显的移动，通过计算这个分界线的位置我们能够计算出准确的液体折射率。纵轴对应着垂直于光源1的第一方向的方向，因为光源1也有垂直与第一方向的光出射并被接触界面21反射至光电传感器4中，在纵轴上也有一部分延伸，这部分延伸可以更好地处理噪声，提高信噪比，提高折射率测量的精准度。

如图11所示，本实施例中还包括调光模块100、处理器200、电源模块400和交互模块300，调光模块100的控制端与处理器200的控制输出端连接，调光模块100的输出端接光源1，用于驱动光源1发光，光电传感器4的输出端接处理器200的输入端，处理器200与交互模块300连接，电源模块400为整个折光仪供电，电源模块400可以是外部供电或电池供电，电池可以是充电电池或非充电电池，交互模块300可以包括触摸开关和显示屏等。

实施例二

如图12所示，本实施例与实施例一的区别为：本实施例还包括匀光单元6，匀光单元6设置在光源1与棱镜2的入射面之间，匀光单元6用于让光源1出射的每个方向的光都可以相对比较均匀，因此光电传感器4成的像也可以相对比较均匀，从而提高测量精准度。

本具体实施例中，匀光单元6为匀光片，固定设置在棱镜2的入射面22，使得结构更紧凑小型，且易于装配，但并不限于此，在其它实施例中，匀光片也可以固定在光源1等其它部件上。

当然，在其它实施例中，匀光单元6也可以为匀光膜层，镀膜在棱镜2的入射面22上，使得零部件更少，整体更紧凑，装配更简便。

实施例三

如图13所示，本实施例与实施例二的区别为：本实施例中，还包括滤光单元7，滤光单元7设置在棱镜2的出射面23与透镜单元3之间，相应地，光源1为单波长的LED光源，滤光单元7用于允许光源1的光进入透镜单元3而截止其它波长的光，例如太阳光，灯光等，因为这种光并不是由接触界面21反射的，会对测量造成干扰，从而提高测量精准度，且采用单波长的LED光源，透镜单元3无需考虑色差要求，从而大大降低设计难度。

滤光单元7需要考虑整个测量角度和温度范围内光谱截止波长的变化，使得光源1的光能够透过滤光单元7。

光源1的波长需要能够兼容CMOS图像传感器，通常是从300nm-1000nm，例如400-500nm，500nm-600nm，600nm-700nm，700nm-800nm。市面上已有的CMOS图像传感器有些是彩色的，对于G通道会分辨率更高更灵敏，因此，本实施例中，光源1的波长优选为500nm-600nm，以响应G通道。

本具体实施例中，滤光单元7为滤光片，固定在棱镜2的出射面23上，使得结构更紧凑小型，且易于且易于装配，但并不限于此，在其它实施例中，滤光片也可以固定在透镜单元3等其它部件上。

当然，在其它实施例中，滤光单元7也可以为滤光膜层，镀膜在棱镜2的出射面23上，使得零部件更少，整体更紧凑，装配更简便。

实施例四

本发明还提供了一种智能杯，设有上述的折光仪，用以测量该智能杯内液体的折射率。本实施例中，智能杯可以是智能水杯、智能饮料杯等，智能饮料杯包括智能咖啡杯、智能果汁杯等。

实施例五

本发明还提供了一种智能尿壶，设有上述的折光仪，用以测量该智能尿壶内尿液的折射率。

实施例六

本发明还提供了一种智能超小型手持测糖仪，设有上述的折光仪，通过该折光仪测量液体的糖度。

实施例七

本发明还提供了一种智能动物尿液检测仪(垫子等)，设有上述的折光仪，通过折光仪测量动物尿液的折射率。

本发明的折光仪通过将光电传感器设置在透镜单元的像方焦平面上，透镜单元采用无穷远对焦成像，使得可以采用非点光源来作为光源，从而由光源的尺寸来分担光电传感器的尺寸，使得光电传感器的尺寸可以很小，具有成本低，体积小，测量范围大，鲁棒性好的优点。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种折光仪，其特征在于：包括光源、棱镜、透镜单元和光电传感器，棱镜具有一与待测液体接触的接触界面，光源为至少在一个方向上具有多个依次排列的点光源，光源被配置为光源发射的光经过棱镜的入射面进入棱镜并照射至接触界面，光电传感器设置在透镜单元的像方焦平面上，从接触界面反射的光经棱镜的出射面出射出棱镜，并经透镜单元采用无穷远对焦成像在光电传感器上。

2.根据权利要求1所述的折光仪，其特征在于：所述光源为LED光源。

3.根据权利要求2所述的折光仪，其特征在于：所述光源采用LED灯条来实现。

4.根据权利要求2或3所述的折光仪，其特征在于：所述光源为单波长的LED光源。

5.根据权利要求4所述的折光仪，其特征在于：所述光源的中心波长在500-600nm之间。

6.根据权利要求1所述的折光仪，其特征在于：还包括匀光单元，匀光单元设置在光源与棱镜的入射面之间。

7.根据权利要求6所述的折光仪，其特征在于：所述匀光单元为匀光片，固定在棱镜的入射面上。

8.根据权利要求6所述的折光仪，其特征在于：所述匀光单元为匀光膜层，镀膜在棱镜的入射面上。

9.根据权利要求1所述的折光仪，其特征在于：所述光电传感器为CMOS图像传感器。

10.根据权利要求9所述的折光仪，其特征在于：所述光电传感器为面阵CMOS图像传感器。

11.根据权利要求9或10所述的折光仪，其特征在于：所述透镜单元由单个透镜或多个透镜组成。

12.根据权利要求11所述的折光仪，其特征在于：所述透镜单元和光电传感器由手机的相机模组来实现。

13.根据权利要求1所述的折光仪，其特征在于：还包括滤光单元，滤光单元设置在棱镜的出射面与透镜单元之间。

14.根据权利要求13所述的折光仪，其特征在于：所述滤光单元为滤光片，固定在棱镜的出射面上。

15.根据权利要求13所述的折光仪，其特征在于：所述滤光单元为滤光膜层，镀膜在棱镜的出射面上。

16.根据权利要求1所述的折光仪，其特征在于：所述棱镜为等腰棱镜。

17.一种智能杯，其特征在于：设有权利要求1-16任意一项所述的折光仪，用以测量该智能杯内液体的折射率。

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