CN1193740A - 物质折射率的全反射测量方法与装置 - Google Patents

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李晖
谢树森
邱怡申
蔡坚勇
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle

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Abstract

本发明基于全反射原理,使用会聚光从折射率已知的半圆柱透镜中入射并聚焦到该透镜与待测的物质的分界面轴线处,由光探测器测量反射光强度或反射率的空间分布,用其中的拐点确定发生全反射的临界角,进而计算出待测物质的折射率。本发明易于用计算机控制和采集并处理数据。当光源在一定光谱范围内扫描时,可以快速得到实测的待测物质色散曲线。本发明适用于研究微量样品的各种材料(包括强散射的生物组织)的折射率性质。

Description

物质折射率的全反射测量方法与装置
本发明涉及一种光学材料或其它物质折射率及其色散性质关系的测量方法和装置，具体地说使用全反射原理确定临界角进而推算出折射率的方法及用于该方法的装置。
通常，非气态物质的折射率测量方法都以折射反射定律为基础，一般都可以归结为测角法。中国大百科全书出版社1987年出版的《中国大百科全书·物理学II》中第1218页至第1219页介绍了数种典型方法，如自准直法、大多数材料所用的偏向角法和阿贝折射仪以及实际生产中常用的V型棱镜法等。这些方法历史悠久，但有一定的局限性。如都需要借助望远镜在测角装置上通过观察和调整来建立光路，因而不仅烦琐而且有主观误差。若要想制造出自动检测仪，则需要一套精密的机械移动寻的扫描跟踪系统，因而成本高且不易达到较高的测量精度。此外，这些方法只能测量较大样品的透明材料，不适用于混浊的强散射材料如生物组织体的折射率测量。据陕西科学技术出版社1985年出版李景镇主编的《光学手册》中第1265页，可知目前材料的色散性质尚无直接测得，还只能是测量有限的几个波长的折射率，然后利用经验的如科西、塞耳迈耶尔或郝尔茨贝格公式求得。
本发明的目的是提供一种更为简便的易于用计算机控制和自动采集并处理数据，适用于各种材料(包括生物组织体)的测量方法和装置。
本发明从其本质上来说仍属于测角法，但光路布置及探测装置不同于人所共知的各种方法和技术。
本发明测量物质折射率的方法利用了全反射原理，其特征在于使用会聚光从折射率已知的光学材料中入射并聚焦到该光学材料与待测的物质的分界面上。采用会聚光入射的方式可以在提供各种方向即入射角各异的光线的同时保证探测区域极小以适用于微量样品的检测。当会聚光包含了全反射角时，凡入射角等于或大于全反射角的入射光均发生了全反射，而凡入射角小于全反射角的入射光均发生了折射使部分能量进入待测材料。因此，当入射的会聚光强度对半圆柱透镜的轴线张角为均匀分布时，反射光强度或反射率的出射角度分布是非均匀的，存在一个拐点对应发生全反射的临界角。因此，可由反射光强度或反射率的空间分布的拐点确定发生全反射的临界角，进而用折射定律计算出待测物质的折射率。反射光强度或反射率的空间分布的拐点处的斜率变化为从0到∞，因而由此确定临界角的精度可以很高，进而折射率亦很准确。
为了避免入射和出射光线的二次折射以简化测量关系，本发明装置使用了折射率已知的半圆柱透镜作为待测材料的载体。半圆柱透镜可以是固体材料如光学玻璃，亦可以是装在半圆柱容器中的某种折射率已知且大于待测固体的液体材料。用何种材料视待测材料和实际情况而定，只要保证不同材料之间的接触面为固液面即可。单色或准单色的线或点光源经凸透镜所形成会聚光焦点位于半圆柱透镜的轴线上。
反射光强的空间分布类似于半荫视场，可以用漫射屏接收由肉眼或助视仪观察，亦可用线阵电荷耦合器件(CCD)接收后通过接口电路用示波器或计算机显示。当拐点对应发生全反射的临界角确定后可计算出待测物质的折射率。本发明不直接确定拐点对应发生全反射的临界角，而是利用折射率已知的二种材料对装置进行定标，由计算机软件处理线阵电荷耦合器件(CCD)所输出的反射光强曲线，直接给出拐点所对应的折射率。这样可直接得到待测物质的折射率。
当光源在一定光谱范围内扫描时，本发明装置可以快速得到实测的待测物质色散性质曲线。当待测材料为透明的液体时，可取少量直接将其滴在半圆柱透镜的轴线上即可进行测量。当待测材料为透明的固体时，存在两种方式(1)需要使用一种折射率介于待测材料折射率和半圆柱透镜折射率之间的液体作为接触液，极薄地夹在待测材料折射率和半圆柱透镜之间以保证良好接触。在这种情况下，电荷耦合器件(CCD)所输出的反射光强曲线可能存在二个拐点，其中较矮的对应为待测材料的全反射角；(2)半圆柱透镜是装在半圆柱容器中的某种折射率已知且大于待测固体的液体材料，这种情况与待测材料为液体时完全一致。当待测材料为不透明强散射的材料如生物组织样品时，需要在光探测器之前使用凸透镜或拄面透镜和光阑以挡去漫射光，提高信噪比。
由于本发明中采用了会聚光照明方式，可以探测极微量的样品，又无需对入射光的入射角进行扫描因而使装置的机械部分极其简单可靠。如果把已有的方法看成具有光谱测量中单色仪的工作特点，那么本发明的方法则具有并行处理功能的OMA系统的优点。由于采用电荷耦合器件(CCD)作为光探测器，使得测量过程中易于用计算机控制和自动采集并处理数据。在使用波长可调的光源时可直接实测材料的色散曲线。由于采用了特别的全反射光路和限制光阑，使得本发明适用于测量只有一个光学面的各种材料(包括生物组织体)的折射率，而且测量范围(从1.000至半圆柱透镜的折射率)比较宽。本发明的测量精度可达0.1％～0.5％，可制造成专用的折射率测量仪，应用于科研、生产的有关领域。
图1为反射光强或反射率随入射角分布示意图。图中拐点对应全反射临界角。水平线和类似抛物线的曲线段分别对应发生全反射和部分反射的入射角范围。
图2为装置示意图。图中[1]为单色或准单色线或点光源；[2]为凸透镜或拄面透镜；[3]为半圆柱透镜；[4]为待测样品；[5]为狭缝或孔径光阑；[6]为线阵电荷耦合器件(CCD)；[7]为计算机及有关接口电路。
以下结合附图和实例对本发明做进一步的说明。
在图2的装置示意图中，[1]用钠灯照明下棱镜单色仪狭缝光源；选择拄面透镜[2]的焦距约为12cm使反射光对CCD的张角约为10°。这是因为CCD的接收面是平直的，如果张角太大会使测量范围的线性变差；半圆柱透镜[3]为F2玻璃，半径约3cm，对钠光的折射率为nd＝1.61295；线阵电荷耦合器件(CCD)[6]为1024位，探测单元尺寸为14μm，总宽度约为14.3mm的TCD132D；计算机[7]为386兼容机及自行研制的接口电路。
利用折射率为1.333蒸馏水和折射率为1.446三氯甲烷对装置进行定标，经多次重复测量，得化学纯乙醇和新鲜人全血在25℃下对钠光的折射率分别为1.362±0.007和1.38±0.01.利用加拿大树胶作为接触液，测得冕牌玻璃K6在25℃下对钠光的折射率为1.50±0.01.这些结果与其它方法的结果相当吻合。

Claims (5)

1.一种利用全反射原理测量物质折射率的方法，其特征在于使用会聚光从折射率已知的光学材料中入射并聚焦到该光学材料与折射率待测的物质的分界面上，由反射光强度或反射率的空间分布的拐点确定发生全反射的临界角，进而计算出待测物质的折射率。
2.一种权利要求1中所述方法的装置，包括(1)光源；(2)透镜；(3)光阑；(4)一定形状的光学材料；(5)判断临界角的光探测器等，其特征在于使用了半圆柱透镜[3]作为待测物质[4]的载体，且线或点光源[1]经拄面透镜或凸透镜[2]所形成会聚光焦点位于半圆柱透镜的轴线上，由线阵电荷耦合器件(CCD)[6]接收分界面上反射光分布。
3.根据权利要求2中的装置，其特征在于光源使用了波长可调的单色或准单色光如单色仪、波长可调谐激光器[1]。
4.根据权利要求2中的装置，其特征在于可使用计算机[7]控制单色仪或波长可调谐激光器[1]和线阵电荷耦合器件(CCD)[6]并采集有关数据，直接给出物质的色散性质曲线。
5.根据权利要求2中的装置，其特征在于在测量浑浊的散射物质如生物组织的折射率时可在光探测器之前使用拄面透镜或凸透镜[2]和光阑[5]以挡去漫射光，提高信噪比。
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