CN1531647A - 手持式自动折射计 - Google Patents

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Abstract

一种手持式自动折射计，包括一个带有多个光电管的线性扫描阵列和一个用于把光导向到该阵列上的光学系统，这些由所述光照明的阵列的特定光电管是由置于光学系统的棱镜的样品表面上的样品物质的折射率来确定的。一个反射表面与阵列成锐角设置在阵列附近，用于把初次光从样品－棱镜界面导向该阵列，并将来自于该阵列的偏离反射光重新导回到该阵列上。公开的折射计具有紧凑的设计，其中线性阵列以基本上平行棱镜样品表面的方向延伸。棱镜安装在箱体中，样品表面朝上，以便通过箱体的一个样品槽能到达，同时阵列面朝下安置于箱体中。

Description

手持式自动折射计
技术领域
本发明一般涉及一种用来测量物质折射率的折射计，更具体地涉及一种设计紧凑、方便手持操作的自动折射计。
背景技术
折射计测量全反射的临界角，是通过下述方式来完成的：把斜入射的非准直光束导向高折射率棱镜和样品之间的面-面界面处，以便允许在界面处发生交互作用后观测到一部分光。在透射光折射计中，观测到的是透射过样品和棱镜的光，而在反射光折射计中，观测到的是由于面-面界面上的全反射而产生的反射光。在任一种情况中，探测视野的一部分产生一个亮区，根据探测视野中亮区和相邻的暗区之间的阴影线的位置可以从几何上推出样品的折射率。
在工业中使用的较简单的手持式折射计中，视野中叠加十字线刻度，操作者通过目镜观察阴影线相对于十字线刻度的位置，标记该阴影线的位置可以提供所需要的信息，例如样品中的固体浓度百分比。试验样品的照明可以由环境照明提供，或者采用样品旁边的专用光源，例如像美国专利US4650323所公开的。手持式折射计是合乎需要的，因为作为一种质量保证的方法，它们能对样品进行定期的现场测量。由于液体物质的折射率与物质中元素浓度有关，手持式折射计被广泛应用于软性饮料业来监测糖的浓度和机械工具业来监测切削液的润滑剂浓度。作为一个更具体的例子，美国专利US6034762描述了一种用来测量液压液例如刹车液中的水含量的手持式折射计。手持式折射计的测量结果具有有限的准确度(真值的接近度)和精度(不考虑准确度的再现性)，这是因为操作者判断阴影线相对于十字线刻度的位置，因而将人为误差引进了每次读数。
对更高的准确度和精确度的要求使自动折射计的发展起来，消除了与通过视觉确定阴影线相对于十字刻度的位置有关的猜测工作。美国专利US4640616(Michalik)和6172746(Byrne等)公开了一种自动折射计，其中设置了光敏元件或“光电管”的线性扫描阵列，用于探测在样品-棱镜界面处发生交互作用后的光。在商业应用中，线性扫描阵列包括一直列电荷耦合装置(CCD)光电管，经电子扫描以提供一系列脉冲信号，其振幅与光电管从入射光接收到的照明量成正比。线性扫描阵列接受的光把阵列分为一个亮区和一个相邻的暗区，从而在阵列上形成一个阴影线。阴影线穿过的线性扫描阵列的特定光电管或插入的内光电管部分由紧挨着棱镜放置的样品物质的折射率来确定。数字化并处理光电管的输出，以得到光电管的位置，在该位置处过渡阴影线穿过阵列，这样可以计算出感兴趣的折射率和浓度。先有技术的自动折射计比手持式折射计大而且重，并包括光学装置，设计该光学装置是为了提供足够的初次到达探测器阵列的光通量，以便得到相对于探测器阵列来说合适的信噪比。在这些器械中，光学元件排列的紧密性不是一个限制性设计因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构紧凑、轻便的适于手持使用的自动折射计。
本发明的另一个目的是提供一种提供高度准确和精确测量读数的手持式自动折射计。
本发明还有一个目的是提供一种手持式自动折射计，它具有可以最大限度利用光源照明的光学系统，不用依靠增加光源的能源消耗而在折射计的感光阵列上提供需要的信噪比。
本发明还有一个目的是提供一种手持式自动折射计，其具有一物理结构紧凑的光学系统，可在折射计的感光阵列上提供避免影响测量读数异常的照明分配。
在这些和其它目的的促进下，本发明的手持式自动折射计通常包括一个线性扫描阵列和光学装置，其中所述线性扫描阵列具有多个光电管，所述光学装置将光引导到阵列上，以便该阵列上受到光照的特定光电管由放置得与该光学装置操作相关联的样品物质的折射率来确定，其中光学装置也用于接收阵列反射的偏离光，并且重新把该光引导回到阵列上。更具体地说，光学装置包括一个具有一样品接收表面以建立临界角界面的棱镜，一个将光斜着导向样品-棱镜界面处的非平行光源，一个置于紧挨着线性扫描阵列且与其成锐角的的反射表面。对反射表面进行定向，以便执行两种功能：第一、反射表面接受在样品-棱镜界面处内反射的光并将其导向线性扫描阵列；第二、反射表面接受少量线性扫描阵列反射的光并将其导回到阵列上。在一个优选实施例中，反射表面被做的足够长，以使一部分反射表面接受不到初次光通量，但是该反射表面更适合专门用于将二次反射的光返回到阵列上。另外根据一个优选的实施例，线性扫描阵列被设置沿着与样品接受表面平行或基本平行的方向沿伸，以用于低外形设计，同时样品表面向上、阵列朝下。
折射计还包括信号处理电子装置和一个显示器，用来将线性扫描阵列的输出转化为有意义的测量结果并汇报结果。
附图说明
本发明的特性和操作模式将在随后的本发明的详细说明中，结合附图更全面地描述。
图1是根据本发明优选实施例制造的手持式自动折射计的透视图；
图2是图1所示的手持式自动折射计的横截面图；
图3是详细的手持式自动折射计的光学系统的示意图；
图4A是类似于图3的光学示意图，表示以空气作为参考样品的光线轨迹和将光导到光学系统的探测器阵列上的短镜；
图4B是是类似于图4A的光学示意图，但是表示使用较长的镜将光导到光学系统的探测器阵列上；
图5是作为光电管数目函数的光强度的比较曲线图，用于有和没有来自线性扫描阵列的二次反射的情况下折射计的线性扫描阵列的参考扫描。
具体实施方式
首先参考图1，其图示了根据本发明优选实施例中形成的手持式自动折射计，概括地指定其参考序号为10。折射计10通常包括一个箱体12，一个置于箱体12的前部的截头圆锥形的样品槽14，一个校准控制按钮15，一个读数控制按钮16，一个模式控制按钮17，和一个LCD显示器面板18。
现在看图2的横截面图。箱体12包括一个上面安置了一个线性扫描阵列22的主电路板20，用于将光引导到线性扫描阵列22上的光学装置24(这将在下面详细介绍)，和一个以电池26形式出现的电源。所制造的箱体12具有用于装配目的的顶部12A和底部12B，而且按一定尺寸制造成为操作者可轻易手持的紧凑单元。
如图3所示，优选实施例中的光学装置24包括一个带有一个用来接受待测样品28的外部样品表面30A的高折射率棱镜30。参考图4A和4B，非平行光通过一个发光二极管32、散射体34、遮光板35以及第一透镜38斜射到样品28和棱镜30之间的表面交界处，所述散射体34直接位于发光二极管32的下游，所述遮光板35带有一个散射光通过的小孔缝隙36，所述第一透镜38粘接在棱镜30的一个进口表面(entry surface)30B上，用于将光聚焦在略微位于样品表面30A前方的F1点上。从F1点发散出来的光包括入射角比全内反射的临界角大的光线和入射角不大于全内反射的临界角的光线，这样前种光线会在样品-棱镜界面处发生内反射，并继续沿着一条路径到达线性扫描阵列22，而后种光线会被样品28折射，然后穿出系统。内反射光持续通过棱镜30的一个出口表面(exit surface)30C和一个粘接在出口表面上的第二透镜40。该光接着到达镜42的一个反射表面42A，然后被重新导向线性扫描阵列22。本技术领域的技术人员认识到样品28的折射率是确定棱镜-样品界面上的全内反射临界角以及因此确定线性扫描阵列22上的亮区和暗区之间阴影线的位置的一个变量。
作为非限制性的的实例，棱镜30由Schott SK2光学玻璃公司(Schott SK2optical glass)制造，其折射率ne＝1.60994，沿着样品表面30A的方向长18mm，分别与进口表面30B和出口表面30C成70度角；散射体34直径5.5mm，厚1.5mm，由其中一个表面用No.25T号研磨剂研磨光的窗玻璃形成；第一透镜38是SchottSK2光学玻璃公司的平凸透镜，直径3.8mm，全厚2mm，凸面的曲率半径是2.3mm；第二透镜40是Schott SK2光学玻璃公司的平凸透镜，直径9mm，全厚2.5mm，凸面的曲率半径是12mm；如图3所示，镜42是其反射表面42A抛光的退火耐热玻璃，长44mm。作为进一步非限制性实例，线性扫描阵列22最好是一个Toshiba TCD1304AP CCD线性图象传感器，其在约29mm长度上带有3648个独立的光电管。根据本实施例，采用以下间隔距离：S1＝3.35mm，S2＝9.24mm，S3＝24.36mm，S4＝14.54mm。在本实施例中，对线性扫描阵列22进行定向，从而使其光电管置于一个与棱镜30的样品表面30A基本平行的平面上，镜42的反射表面42A设置成与线性扫描阵列22的平面成锐角A1，并紧邻阵列，由此提供了本发明的光学系统为低的外形高度和短的总长度，这是合乎紧凑的手持式折射计需要的。在示例性的实施例中，角A1为15度。
值得注意的是，平凸透镜38的平坦表面与棱镜30平坦的进口表面30B面对面的接触并用光学粘合剂固定起来，平凸透镜40的平坦表面与棱镜30平坦的出口表面30C面对面的接触并用光学粘合剂固定起来。用这种方法，用于支撑透镜38和40以及排列光学系统中透镜的各自的安装结构可得到避免，而且粘贴上的透镜和棱镜经受相同的适当的温度变化。
如图4A、4B和5所示，反射表面42A设置成与线性扫描阵列22的平面成一小锐角，并紧邻阵列，可在入射到阵列上的照明分布方面得到希望的光学结果。尤其是，如图4A、4B虚线光线所示，线性扫描阵列22实际上把一小部分入射到该阵列上的光通量反射回到了反射表面42A的方向。接着，反射表面42A再一次把该二次光反射回线性扫描阵列22或反射出系统。如图4A所示，在本发明的进展过程中，发现使用具有相对短的反射表面42A的镜42，可导致一部分线性扫描阵列22上照明强度的损失，原因是该阵列由于镜的缩短而接受不到任何二次反射光。图5的强度分配图阐述了这个问题，如图所示，在使用较短的反射表面处曲线“A”中的强度急降或偏移。为了解决这个问题，并利用二次反射提供的信噪比增大的优点，扩展了反射表面42A，如图4B中示出的反射表面部分42A’，这样先前在图4A中逸出系统的光线被重新引导回线性扫描阵列22。从图5中的曲线“B”可以看出，较长的反光镜的使用消除了强度分配曲线上受影响的部分强度急降的问题。可以理解，反射表面42A的延伸部分42A’仅适用于接受和反射从阵列22的表面反射的二次光，而不接受直接来自透镜40的光。
正如自动折射计技术所知，来自线性扫描阵列22的光电管的脉冲信号是数字化的，并经过设计好的运算法则处理，以确定阵列的亮区和阵列的暗区之间的阴影线过渡的位置。线性扫描阵列22上的阴影线跨越的光电管数用于几何计算样品物质28的折射率。可使用各种运算法则，如美国专利US4640616，US5617201，US6172746中提供的，还有共同申请的美国专利，其申请号为09/794991，申请日为2001年2月27日，因此在本说明书中结合这些文献的每一篇作为参考文献。
既然照明强度分配曲线会自然包含一个急剧的转变表示阵列的暗区和亮区的过渡，消除如图5的曲线“A”所示的不相关的下降，防止把潜在的混淆数据输入运算法则。这允许使用更简单一些的法则，不必区分缺少二次光导致的下降和与棱镜-样品界面上全内反射的临界角有关的光区和暗区之间的转变。
这里描述的优选实施例与具有内部照明源的反射光折射计有关，本发明也可以用于透射光折射计和用于使用包括环境照明在内的外部照明源的折射计。

Claims (16)

1、一种折射计，其包括：
一线性扫描阵列，其包括多个光电管，在扫描过程中，每个光电管提供一个输出脉冲，其振幅由入射光在相应的光电管上产生的照明量来确定；
光学装置，其用于将光引导到所述阵列上，该阵列受到所述光的照明，其特定的光电管由与所述光学装置操作相关联的样品物质的折射率来确定，其中所述光学装置进一步用于接受所述阵列反射的光，并将所述阵列反射的光重新导回到所述阵列上；
信号处理装置，其与所述线性扫描阵列相连接，用于接受和处理光电管输出脉冲，以便计算放置得与所述光学装置操作相关联的样品物质的折射率；和
一个显示器，其与所述信号处理装置相连接，用于报告基于所述样品物质折射率的结果。
2、根据权利要求1所述的折射计，其中所述光学装置包括一接近所述阵列的反射表面，所述反射表面具有一个端部，其仅用于接受所述阵列反射的所述光。
3、根据权利要求1所述的折射计，其中所述反射表面相对于所述阵列成约15度角。
4、根据权利要求1所述的折射计，其中所述光学装置包括一棱镜，其具有一个用于接受所述样品物质的样品表面，所述阵列沿着与所述样品表面基本平行的方向延伸。
5、一自动折射计中，该自动折射计具有一个光电管阵列和用于将光导向所述阵列的光学装置，受到所述光照明的所述阵列的特定光电管由放置得与所述光学装置操作相关联的样品物质的折射率来确定，其改进在于：
所述光学装置相对于所述阵列进行构造和设置，以接受所述阵列反射的光，并将该阵列反射的光重新导回到所述阵列上。
6、根据权利要求5所述的改进，其中所述光学装置包括一个接近所述阵列的反射表面，所述反射表面具有一个端部，其仅用于接受所述阵列反射的所述光。
7、根据权利要求5所述的改进，其中所述反射表面相对于所述阵列成约15度角。
8、根据权利要求5所述的改进，其中所述光学装置包括一个棱镜，其具有一接受所述样品物质的样品表面，所述阵列沿着与所述样品表面基本平行的方向延伸。
9、一自动折射计中，该自动折射计具有一光电管的线性扫描阵列和用于将光引导到所述阵列的光学装置，受到所述光照明的所述阵列的特定光电管由与所述光学装置的样品接受表面操作相关联的样品物质的折射率来确定，其改进在于：
所述线性扫描阵列沿着与所述样品接受表面基本平行的方向延伸。
10、一种自动折射计，其包括：
一线性扫描阵列，其包括多个光电管，在扫描过程中，每个光电管提供一个输出脉冲，其振幅由入射光在相应的光电管上产生的照明量决定；
一棱镜，其带有一个用于接受样品物质的的样品表面，所述样品物质的折射率低于所述棱镜；
提供非平行光的装置，所述光斜射到所述样品表面和所述样品物质之间的界面上；
一反射表面，对其进行定向，以确定从所述界面经所述反射表面到所述线性扫描阵列的初次照明路径，和从所述线性扫描阵列经过所述反射表面回到所述所述线性扫描阵列的二次照明路径；
信号处理装置，其与所述线性扫描阵列相连接，用于接受和处理所述输出脉冲，以便计算所述样品物质的折射率；以及
一显示器，其与所述信号处理装置相连接，用于报告基于所述样品物质折射率的结果。
11、根据权利要求10所述的折射计，其中所述线性扫描阵列沿着与所述样品表面基本平行的方向延伸。
12、一种折射计，其包括：
一个带有一个样品槽的箱体；
一个置于所述箱体中的棱镜，所述棱镜带有一个面朝上的样品表面，并且通过所述样品槽能到达该样品表面，所述样品槽用于接受折射率低于所述棱镜的样品物质；
提供非平行光的装置，所述光斜射到所述样品表面和所述样品物质之间的界面上；
一个置于所述箱体中的反射表面，用于接受在所述界面交互作用后的光；
一个置于所述箱体中的线性扫描阵列，所述线性扫描阵列有多个面朝下的光电管，并且接受从所述反射表面反射的光，在入射光的扫描过程中，每个光电管提供一个输出脉冲，其振幅由相应的光电管的照明量决定；
与所述线性扫描阵列连接的信号处理装置，用于接受和处理所述输出脉冲，以便计算所述样品物质的折射率；和
一个与所述信号处理装置连接的显示器，用于报告基于所述样品物质折射率的结果。
13、一折射计中，该折射计具有一个棱镜，该棱镜包括一个用于接受测试样品的样品表面，以便提供一个临界角界面，该临界角界面位于所述测试样品、光进口表面和光出口表面之间，其中光通过所述光进口表面并到达所述临界角界面，以及光在所述临界角界面交互作用后通过所述光出口表面，其改进包括：
一个直接固定于所述光进口表面的透镜，用来折射照明光，以提供斜射到所述临界角界面的非平行光线。
14、根据权利要求13所述的改进，其中所述透镜包括一平坦表面，该平坦表面通过光学粘合剂粘与所述棱镜的所述光进口表面相固定。
15、根据权利要求13所述的改进，还包括一个第二透镜，其直接固定于所述光出口表面，用来折射穿过所述出口表面的光。
16、根据权利要求15所述的改进，其中所述第二透镜包括一平坦表面，该平坦表面通过光学粘合剂粘与所述棱镜的所述光出口表面相固定。
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