CN115524308A - 一种折光仪以及提高折射率测量准确度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折光仪以及提高折射率测量准确度的方法，其中折光仪包括光源单元、棱镜和光电传感器，光源单元包括提供P偏振光的第一光源单元和提供非P偏振光的第二光源单元，棱镜具有一与待测液体接触的接触界面，第一光源单元和第二光源单元被配置为第一光源单元发射的光和第二光源单元发射的光分别经过棱镜的入射面进入棱镜并照射至接触界面，从接触界面反射的光经棱镜的出射面出射出棱镜后被光电传感器接收形成第一光斑和第二光斑，第一光斑和第二光斑分别具有布儒斯特角信息和全反射角信息，用于共同判断待测体液的折射率。本发明通过布儒斯特角和全反射角共同测量折射率，准确度高，且对待测样品的状态要求低，适用性广，成本低。

Description

一种折光仪以及提高折射率测量准确度的方法

技术领域

本发明属于折射率测量领域，具体地涉及一种折光仪以及提高折射率测量准确度的方法。

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实现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。

图1所示为常见通过反射原理来测定液体或者固体折射率的原理图，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，从而可以在全反射角β这个角度附近看到一个明显的亮度变化界面，如图2中的箭头所示，通过这个亮度变化界面可以测到全反射角β，由此算出n_待测液体(待测液体的折射率)。

折光仪在进行折射率测量的时候，不同状态的液体，比如不同透明程度的液体、不同颜色的液体、不同浑浊度的液体都会在光线进入界面和液体的时候，产生反射和散射，而其中散射会导致光线不能按照理想的方式进入光电传感器(比如CMOS或者CCD或者其他光电传感器)而导致亮度变化界面模糊，因此，现有的折光仪在测量浊度或者色度较高的液体时，由于内部散射的原因造成全反射的亮度变化界面变模糊，从而使亮度变化界面的的亮面和暗面的对比度变小，导致人或者机器在读数的时候产生偏差，降低测量准确度。单纯地提高硬件的性能来提高测量准确度会导致硬件成本增加，比如提高线性阵列的单元数能够提高分辨率，但是多单元线阵的价格非常贵，显著的影响了整体硬件的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种折光仪以及提高折射率测量准确度的方法用以解决上述存在的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种折光仪，包括光源单元、棱镜和光电传感器，光源单元包括第一光源单元和第二光源单元，第一光源单元用于提供P偏振光，第二光源单元用于提供非P偏振光，棱镜具有一与待测液体接触的接触界面，第一光源单元被配置为第一光源单元发射的光经过棱镜的入射面进入棱镜并照射至接触界面，从接触界面反射的光经棱镜的出射面出射出棱镜后被光电传感器接收形成第一光斑，第二光源单元被配置为第二光源单元发射的光经过棱镜的入射面进入棱镜并照射至接触界面，从接触界面反射的光经棱镜的出射面出射出棱镜后被光电传感器接收形成第二光斑，第一光斑和第二光斑分别具有布儒斯特角信息和全反射角信息，用于共同判断待测体液的折射率。

进一步的，所述光源单元包括光源、准直单元、狭缝单元和P偏振片，准直单元用于将光源发射的光在第一方向上进行准直，狭缝单元具有两个间隔且平行设置的狭缝，狭缝的长度方向与第一方向垂直，光源发射的光经过准直单元准直后，再通过狭缝单元的两个狭缝形成两束光，其中一束光经过P偏振片形成P偏振光作为第一光源单元发射的光，另一束光作为第二光源单元发射的光。

更进一步的，所述准直单元采用正柱面透镜来实现，正柱面透镜的轴与第一方向垂直设置。

进一步的，还包括透镜单元，光源至少在与狭缝长度方向平行的第二方向上具有多个依次排列的点光源，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。

更进一步的，所述光源为LED光源。

更进一步的，所述光源为单波长的LED光源，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准直单元之间。

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。

进一步的，所述光电传感器为CMOS图像传感器。

本发明还提供了一种提高折射率测量准确度的方法，包括如下步骤：

A，采用布儒斯特角法测量待测样品的折射率，得到折射率n10；采用全反射角法测量待测样品的折射率，得到折射率n11；

B，将折射率n10和折射率n11进行耦合，得出待测样品的最终折射率n。

本发明的有益技术效果：

本发明可通过布儒斯特角和全反射角共同测量折射率，测量准确度高，对待测样品的状态要求低，不会受到对待测样品浊度、不透明度、色度等等因素的影响，适用性广，且成本低。

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为现有的通过反射原理来测定液体或者固体折射率的原理图；

图2为全反射的亮度变化界面的示意图；

图3为布儒斯特角测量时的反射光斑的亮度变化示意图；

图4为本发明实施例一的折光仪的结构示意图；

图5为本发明实施例一的折光仪的另一视角的结构示意图；

图6为透镜单元采用无穷远对焦的成像原理示意图；

图7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。

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。

在对本发明进行详细说明之前，先对布儒斯特角测量折射率的原理进行简要说明。

光的偏振是其波的振动方向和其传播方向不对称性导致的，而且只有横波才有偏振性。而正常的自然光情况下，没有限定在某个优势方向，因此自然光具有任意方向的偏振。

根据布儒斯特定律，自然光在入射到两个不同折射率的分界面时，其产生的反射光线和折射光线会产生一定程度的偏振化，一般情况下，自然光入射的时候，反射光含有较多的垂直入射成分(S偏振光)，折射光含有较多平行入射成分(P偏振光)，而偏振化的程度和入射角有关系，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直(S偏振光，P偏振光的反射率变成0)，此特定角称为布儒斯特角或起偏角。

若用只含有P偏振光的入射光入射两个不同折射率的分界面时，用CCD或者其他光电传感器获取反射光的光强，会产生光强的变化，如图3所示，由于布儒斯特角的存在，图中的光斑中出现了亮度由亮到暗再变亮的现象，通过亮-暗-亮的分界面(如图中箭头所指的地方)可以测到布儒斯特角θ_B。

根据斯涅尔定律定律，可以知道布儒斯特角θ_B满足以下公式

通常情况下，折光仪是已知棱镜的光学玻璃折射率n₁，即背景折射率，因此只要测得布儒斯特角θ_B就可以算出待测液体的折射率n₂。

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和5所示，一种折光仪，包括光源单元、棱镜2和光电传感器4，光源单元包括第一光源单元和第二光源单元，第一光源单元用于提供P偏振光，第二光源单元用于提供非P偏振光，如自然光、S偏振光等。

棱镜2具有一与待测液体1接触的接触界面21，第一光源单元被配置为第一光源单元发射的光(P偏振光)经过棱镜2的入射面22进入棱镜22并照射至接触界面21，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后被光电传感器4接收形成第一光斑，第二光源单元被配置为第二光源单元发射的光经过棱镜2的入射面22进入棱镜2并照射至接触界面21，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后被光电传感器4接收形成第二光斑，第一光斑和第二光斑分别具有布儒斯特角信息和全反射角信息，用于共同判断待测体液的折射率。即第一光斑具有亮-暗-亮的分界面，如图3所示，通过该亮-暗-亮的分界面可以得出布儒斯特角，从而得出待测体液的折射率n10，第二光斑具有亮度变化界面，如图2所示，通过该亮度变化界面可以得出全反射角，从而得出待测体液的折射率n11，然后通过折射率n10和折射率n11耦合得出最终的待测体液的折射率n，如可以将折射率n10和折射率n11进行相交，得出它们的重叠部分作为最终的待测体液的折射率n。

本具体实施例中，光源单元包括光源5、准直单元6、狭缝单元7和P偏振片8，准直单元6用于将光源5发射的光在第一方向(图4中的前后方向，也即垂直于接触界面21的入射面的方向)上进行准直，狭缝单元7具有两个间隔且平行设置的狭缝71和72，狭缝71和72的长度方向(图4中的左上方向，以下称为第二方向)与第一方向垂直，光源5发射的光经过准直单元6在第一方向进行准直后，再通过狭缝单元7的两个狭缝71和72形成两束光，其中一束光(狭缝71出来的光)经过P偏振片8形成P偏振光作为第一光源单元发射的光，另一束光(狭缝72出来的光)作为第二光源单元发射的光。

通过准直单元6在第一方向进行准直，减弱通过狭缝71和72的两束光的衍射现象，并使两束光在第一方向上保持一定的平行度，避免相互干扰，从而避免光电传感器4采集到的光线出现伪影或者一些干扰测量的因素，保证最终测量的精度。

本具体实施例中，准直单元6采用正柱面透镜来实现，正柱面透镜的轴与第一方向垂直设置(即沿第二方向)，结构简单，易于实现，成本低，但并不限于此，在一些实施例中，准直单元6也可以采用凸透镜、透镜组等来实现。

当然，在其它实施例中，光源单元也可以采用现有光源结构来实现，只要能提供相互分离的一束P偏振光和一束非P偏振光即可。

进一步的，本实施例中，还包括透镜单元3，光源5至少在一个方向(第二方向)上具有多个(两个或两个以上)依次排列的点光源，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，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6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，而无需在光源处设定一个狭缝(此狭缝长度方向应沿第一方向)或者小孔来解耦光线的位置和方向。

因此，本实施例中，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5可以采用至少在第二方向上具有多个(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。在本具体实施例中，透镜单元3能够接收到的光的角度范围由光源5的尺寸(沿第二方向)和透镜单元3的尺寸(入光孔径尺寸)共同决定，如图7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7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5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5的尺寸、透镜单元3的尺寸以及光源5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，本实施例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，本实施例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5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5也可以采用现有的其它光源来实现。

光源5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5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5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。

本具体实施例中，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。

进一步的，本实施例还包括匀光单元9，匀光单元9设置在光源5与正柱面镜之间，且位于正柱面镜的物方焦平面上，匀光单元9用于让光源5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9为匀光片，固定设置在光源5上，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其它部件上。

当然，在其它实施例中，匀光单元9也可以为匀光膜层，镀膜在光源5上，使得零部件更少，整体更紧凑，装配更简便。

本实施例中，还包括滤光单元100，滤光单元100设置在棱镜2的出射面23与透镜单元3之间，相应地，光源5为单波长的LED光源，滤光单元100用于允许光源5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100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5的光能够透过滤光单元100。

光源5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5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100为滤光片，固定在透镜单元3上，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，滤光片也可以固定在棱镜的出射面23等其它部件上。

当然，在其它实施例中，滤光单元100也可以为滤光膜层，镀膜在透镜单元3上，使得零部件更少，整体更紧凑，装配更简便。

折射率测量过程：

光源5发射的光经过匀光单元9匀光后，经准直单元6在第一方向进行准直后，再通过狭缝单元7的两个狭缝71和72形成两束光，其中一束光(狭缝71出来的光)经过P偏振片8形成P偏振光，经过棱镜2的入射面22进入棱镜22并照射至接触界面21，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后经滤光单元100滤光后，经透镜单元3采用无穷远对焦成像在光电传感器4上形成第一光斑，另一束光(狭缝72出来的光)经过棱镜2的入射面22进入棱镜22并照射至接触界面21，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后经滤光单元100滤光后，经透镜单元3采用无穷远对焦成像在光电传感器4上形成第二光斑，第一光斑和第二光斑分别具有布儒斯特角信息和全反射角信息，用于共同判断待测体液的折射率。

实施例二

本发明还提供了一种提高折射率测量准确度的方法，包括如下步骤：

A，采用布儒斯特角法测量待测样品的折射率，得到折射率n10；采用全反射角法测量待测样品的折射率，得到折射率n11；

B，将折射率n10和折射率n11进行耦合，得出待测样品的最终折射率n。如将折射率n10和折射率n11进行相交，得出它们的重叠部分作为最终的待测体液的折射率n。

本发明可通过布儒斯特角和全反射角共同测量折射率，测量准确度高，对待测样品的状态要求低，不会受到对待测样品浊度、不透明度、色度等等因素的影响，适用性广，且成本低。

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 (10)

1.一种折光仪，包括光源单元、棱镜和光电传感器，其特征在于：光源单元包括第一光源单元和第二光源单元，第一光源单元用于提供P偏振光，第二光源单元用于提供非P偏振光，棱镜具有一与待测液体接触的接触界面，第一光源单元被配置为第一光源单元发射的光经过棱镜的入射面进入棱镜并照射至接触界面，从接触界面反射的光经棱镜的出射面出射出棱镜后被光电传感器接收形成第一光斑，第二光源单元被配置为第二光源单元发射的光经过棱镜的入射面进入棱镜并照射至接触界面，从接触界面反射的光经棱镜的出射面出射出棱镜后被光电传感器接收形成第二光斑，第一光斑和第二光斑分别具有布儒斯特角信息和全反射角信息，用于共同判断待测体液的折射率。

2.根据权利要求1所述的折光仪，其特征在于：所述光源单元包括光源、准直单元、狭缝单元和P偏振片，准直单元用于将光源发射的光在第一方向上进行准直，狭缝单元具有两个间隔且平行设置的狭缝，狭缝的长度方向与第一方向垂直，光源发射的光经过准直单元准直后，再通过狭缝单元的两个狭缝形成两束光，其中一束光经过P偏振片形成P偏振光作为第一光源单元发射的光，另一束光作为第二光源单元发射的光。

3.根据权利要求2所述的折光仪，其特征在于：所述准直单元采用正柱面透镜来实现，正柱面透镜的轴与第一方向垂直设置。

4.根据权利要求2所述的折光仪，其特征在于：还包括透镜单元，光源至少在与狭缝长度方向平行的第二方向上具有多个依次排列的点光源，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。

5.根据权利要求4所述的折光仪，其特征在于：所述光源为LED光源。

6.根据权利要求5所述的折光仪，其特征在于：所述光源为单波长的LED光源，中心波长在500-600nm之间。

7.根据权利要求4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准直单元之间。

8.根据权利要求4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。

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。

10.一种提高折射率测量准确度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A，采用布儒斯特角法测量待测样品的折射率，得到折射率n10；采用全反射角法测量待测样品的折射率，得到折射率n11；

B，将折射率n10和折射率n11进行耦合，得出待测样品的最终折射率n。

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