CN205027666U - 介质折射率的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及介质折射率的测量装置，测量装置包括准直光源、第一光阑、第二光阑、圆形的旋转台、步进电机、信号处理器和校准光源，步进电机连接信号处理器和旋转台，旋转台中心处设轴柱，轴柱上设有放置待测介质的圆形载物台，待测介质为具有可测顶角的契形棱镜，可测顶角的一顶角边所处侧面垂直圆形载物台所处水平面，该顶角边平行圆形载物台的直径，旋转台圆心与圆形载物台的圆心位于同一垂直轴线上，旋转台上设测量臂，测量臂上设探测器和GaF₂透镜，探测器连接信号处理器，光线发射孔、第一光阑的通光孔、第二光阑的通光孔、待测介质和探测器的狭缝均处于同一水平轴线上。利用该测量装置能够高精度测量介质的折射率。

Description

介质折射率的测量装置

技术领域

本实用新型涉及折射率的测量领域，尤其涉及一种介质折射率的测量装置。

背景技术

折射率作为光学系统设计、光纤材料研制以及珠宝鉴定等领域中的重要参数之一，在测量技术领域中具有重要的实际意义。尤其在光学系统设计和光纤材料研制领域中，精确的测量介质和光纤的折射率，对于准确设计光学系统和了解光纤产品的质量尤为重要。

在折射率测量领域中，较多的是采用传统的临界角法、最小偏向角法或干涉法进行测量。然而，传统的折射率测量方法仍然存在一些不足之处：例如，采用最小偏向角法，如果需要高精度测量被测样品的折射率，则需要利用极高的加工技术将样品加工成三角棱角，无疑增加了设备成本；临界角法测量折射率时，则需要待测样品的折射率必须小于标准样品的折射率，以满足临界角的条件，且全波段高折射率标准样品材料稀缺且造价昂贵，使得测量范围受到严重限制，尤其在测量固体介质时的精度下降。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种能够对介质的折射率进行高精度测量的介质折射率的测量装置。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：介质折射率的测量装置，其特征在于，包括具有光线发射孔的准直光源、第一光阑、第二光阑、圆形的旋转台、步进电机、信号处理器和校准用的可见激光光源，所述旋转台连接步进电机，步进电机连接信号处理器，旋转台的中心处设置有垂直于旋转台所处水平面的轴柱，轴柱上设有放置待测介质的圆形载物台，所述待测介质为具有一可测顶角的契形棱镜，所述可测顶角的一顶角边所处的侧面垂直于所述圆形载物台所处的水平面，且该顶角边平行所述圆形载物台的直径，所述圆形载物台上设置有调节圆形载物台上下升降的调节旋钮，且所述圆形载物台平行于旋转台所处水平面，所述旋转台的圆心与所述圆形载物台的圆心位于同一垂直轴线上，所述旋转台上还设置有长度可调的测量臂，测量臂上设置有获取光照强度的探测器和汇聚光线的GaF₂透镜，所述探测器与信号处理器连接，所述光线发射孔、第一光阑的通光孔、第二光阑的通光孔、待测介质和探测器的狭缝均处于同一水平轴线上，所述GaF₂透镜位于所述待测介质与所述探测器的狭缝之间，且所述探测器的狭缝位于GaF₂透镜的一倍焦距处。

可选择地，所述探测器为热敏探测器或红外光敏探测器或光电子型线阵型探测器或硅光电池探测器。

可选择地，所述准直光源为激光或者波长可调的窄脉宽光源。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：在光线发射孔、第一光阑的通光孔、第二光阑的通光孔、待测介质和探测器的狭缝均处于同一水平轴线后，利用步进电机带动旋转台作转动，信号处理器根据步进电机接收脉冲数与旋转台转动偏向角之间的对应关系以及探测器接收到的光线强度数据，同步地、一一对应地存储步进电机脉冲数和光照强度数据，并由信号处理器获取最大的两个光照强度数据，然后根据待测介质、圆形载物台之间的角度关系，首次获取得到待测介质的折射率；然后探测器随旋转台作反向旋转，并由信号处理器再次获取前后两个最大光照强度数据，并再次获得此状态下待测介质的折射率；如此往复循环数次，得到一系列待测介质的折射率数据；最后，利用统计学的方法，得到此系列折射率数据的平均值和方差，从而精确地得到待测介质的实际折射率。

附图说明

图1为本实用新型实施例中介质折射率的测量装置结构示意图；

图2为图1所示测量装置中圆形载物台和待测介质的设置位置示意图；

图3为图2中待测介质的示意图；

图4为图1所示测量装置中第一光阑的正面示意图；

图5为旋转台正向选转时，入射光线经待测介质折射后的示意图；

图6为旋转台反向选转时，入射光线经待测介质折射后的示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1至图4所示，本实用新型实施例中介质折射率的测量装置，包括准直光源1、第一光阑2、第二光阑3、圆形的旋转台4、步进电机5、信号处理器6和校准用的可见激光光源7，准直光源1上具有光线发射孔10，旋转台4连接步进电机5，步进电机5连接信号处理器6，其中，步进电机5在接收信号处理器6发送的脉冲后带动旋转台4旋转；旋转台4的中心处设置有轴柱40，该轴柱40垂直于旋转台4所处的水平面，轴柱40上设有圆形载物台41，圆形载物台41用来放置待测介质8，其中，该待测介质8为具有一可测顶角的契形棱镜，例如待测介质8的可测顶角为图3中的，该可测顶角的一顶角边AB所处的侧面ABDE垂直于圆形载物台41所处的水平面，且该顶角边AB平行于圆形载物台41的直径GH，此时可以保证侧面ABDE上接触圆形载物台41的边DE通过圆形载物台41的直径GH，在圆形载物台41上设置有调节圆形载物台41上下升降的调节旋钮410，并且圆形载物台41与旋转台4所处的水平面相平行，旋转台4的圆心与圆形载物台41的圆心位于同一垂直轴线上，以保证圆形载物台41随旋转台4转动时，两者始终保持同轴转动；旋转台4上还设置有测量臂42，测量臂42的长度可调，以最大限度地提高测量旋转台4转过角度的分辨率；在测量臂42上设置有探测器420和GaF₂透镜421，探测器420连接信号处理器6，探测器420用以采集照射在其表面上的折射光线的光照强度，并传送给信号处理器6；GaF₂透镜421则用来对经待测介质8折射后的分散的折射光线汇聚后，使汇聚后的光线照射在探测器420的狭缝处；同时，准直光源1的光线发射孔10、第一光阑2的通光孔、第二光阑3的通光孔、待测介质8和探测器420的狭缝均处于同一水平轴线上，以保证测量装置在初始未测量状态下，入射光线能够顺次通过第一光阑2和第二光阑3后照射到待测介质8上，并经待测介质8折射后照射在探测器420上；其中，GaF₂透镜421位于待测介质8与探测器420的狭缝之间，且探测器420的狭缝位于GaF₂透镜421的一倍焦距处。其中，可见激光光源7用于在测定工作正式启动前，对第一光阑2的通光孔、第二光阑3的通光孔、待测介质8和探测器420的狭缝是否均处于同一水平轴线上进行校准，以确保入射光线能够径直照射在待测介质8上。根据测量需要，探测器420可以选择使用热敏探测器或红外光敏探测器或光电子型线阵型探测器或硅光电池探测器。

为了测量待测介质8对不同光线的折射率情况，本实施例中的准直光源1可以选择激光或者波长可调的窄脉宽光源。

以下结合图1至图6，对利用本实施例中测量装置测量待测介质8折射率的测量方法进行说明。该测量方法依次包括如下步骤：

(1)开启准直光源1，调整测量臂42和探测器420，使光线发射孔10、第一光阑2的通光孔、第二光阑3的通光孔、圆形载物台41中轴线和探测器420的狭缝均处于同一水平轴线上；

(2)测定契形状待测介质8的顶角，并将顶角的一顶角边AB所处侧面ABDE垂直放置在圆形载物台41上，且令该顶角边AB平行圆形载物台41的直径GH，调整顶角的另一顶角边DF所处的侧面ADIC垂直于光线发射孔10中出来的入射光线，降低圆形载物台41，使待测介质8的上表面ABC低于由第一光阑2、第二光阑3确定的水平线；

(3)信号处理器6实时同步地接收探测器420传送来的光照强度数据和步进电机5的正向脉冲数量，并一一对应地存储光照强度数据和步进电机5的正向脉冲数量；步进电机5通电后，标记当前旋转台4的位置为零点φ₀；例如，当测量臂42随旋转台4转动至某位置时，则信号处理器6记录此时探测器420传送来的光照强度数据，并同时存储步进电机5此时接收到的脉冲数量，即信号处理器6存储每一个脉冲数量所对应的光照强度数据；

(4)反向调节步进电机5，启动信号处理器6和步进电机5，由信号处理器6设定预估的折射光线偏向角Δ和初始零点φ₀，令圆形的旋转台4缓慢旋转，并由旋转台4带动测量臂42同步转动，其中，步进电机5所接收到的正向脉冲数量m与旋转台4的转动偏向角φ_m之间的对应关系为：

其中，φ_m表示步进电机5接收到的正向脉冲数为m时，旋转台4对应转过的偏向角度；M表示旋转台4转动360°时，步进电机5所需要的脉冲数；例如，旋转台4转动360°时，步进电机5需要脉冲数为100，则此条件下旋转台4的转动偏向角φ_m与步进电机5所接收到的正向脉冲数量m之间的对应关系为当步进电机5接收到的正向脉冲式数量m＝2时，则此时旋转台4对应转过的偏向角φ₂＝7.2°。

(5)待旋转台4转动的偏向角φ_m达到预估偏向角Δ的一半，即时，则圆形载物台41升起，并由信号处理器6令旋转台4转动其偏向角φ_m至预估偏向角度值Δ，即φ_m＝Δ时，旋转台4停止转动；

(6)信号处理器6根据步骤(4)至步骤(5)中存储的所有光照强度数据，获得光照强度数据中最大的两个数值E₁、E₂，并同时获取分别对应该两个最大光照强度数据的步进电机5接收到的正向脉冲数m₁、m₂；

(7)计算步进电机5的正向脉冲数分别为m₁、m₂时，旋转台4所对应转过的偏向角度φ_m1、φ_m2：其中，

(8)根据获取的待测介质8的顶角、旋转台4对应转过的偏向角度φ_m1、φ_m2，以及角度对应关系，计算待测介质的折射率n₁：

其中，此步骤(8)中的角度对应关系参考图5所示：

光线发射孔10中发射的入射光线进入待测介质8中，其入射角为θ；当光照强度数据达到最大值E₁时，此时旋转台4转过的偏向角为φ_m1；随着测量臂42上探测器420按原方向继续转动，当光照强度数据达到第二个最大值E₂时，此时旋转台4转过的偏向角为φ_m2。

由于入射光线垂直于顶角边DF所处的侧面ADIC，则入射光线垂直边DF，所以又因法线垂直于边DE，所以γ+θ＝90°，则又因为θ＝θ'，故。因此，根据光学中对介质折射率的定义，则该待测介质8对该光线的折射率

(9)信号处理器6令步进电机5作反向转动，并带动旋转台4反向旋转，再次由信号处理器6实时同步地接收探测器420传送的光照强度数据和步进电机5的脉冲数，并一一存储光照强度数据和对应的步进电机的脉冲数；

(10)当旋转台4旋转至光照强度逐渐增大到时，则降低步进电机5转速，减缓旋转台4的旋转速度，并由信号处理器6记录、存储此时对应的所有光照强度数据和步进电机正向脉冲数；

当旋转台4旋转至光照强度逐渐减小到时，则增大步进电机5转速，加快旋转台4的旋转速度，由信号处理器6记录、存储此时对应的所有光照强度数据和步进电机正向脉冲数；

(11)当旋转台4旋转至步进电机5正向脉冲数为所对应的位置时，则圆形载物台41下降，使待测介质8脱离对光线的阻挡；

(12)当旋转台4旋转至光照强度逐渐增大到时，则降低步进电机5转速，减缓旋转台4的旋转速度，并由信号处理器6记录、存储此时对应的所有光照强度数据和步进电机正向脉冲数；

当旋转台4旋转至光照强度逐渐减小到时，则增大步进电机5转速，加快旋转台4的旋转速度，令旋转台4旋转动至步骤(4)中的零点位置，即此时旋转台4的偏向角恢复至φ₀，并由信号处理器6记录、存储此时间段内对应的所有光照强度数据和步进电机正向脉冲数；

(13)信号处理器6根据步骤(9)至步骤(12)中存储的所有光照强度数据，依次获得光照强度数据中前、后最大的两个数值E₃、E₄，并同时获取分别对应该两个最大光照强度数据的步进电机正向脉冲数m₃、m₄；

(14)计算步进电机5的正向脉冲数分别为m₃、m₄时，旋转台4对应转过的偏向角度φ_m3、φ_m4：

(15)根据获取的待测介质8的顶角旋转台4对应转过的偏向角度φ_m3、φ_m4，以及角度对应关系，分别计算待测介质8的折射率n₂：

(16)对步骤(4)至步骤(15)中的操作依次执行N次，获取2N个待测介质的折射率数值(n₁,n₂,n₃,n₄,…,n_2N)，并分别计算2N个待测介质折射率的平均值和方差δ：

$\stackrel{\‾}{n}=\frac{1}{2N}\underset{i=1}{\overset{i=2N}{\Σ}}{n}_i;$

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{2N}\underset{i=1}{\overset{i=2N}{\Σ}}{(n_i-\stackrel{\‾}{n})}^2;$

其中，n_i表示计算得到的第i个待测介质的折射率数值；

(17)根据步骤(16)中计算得到的待测介质折射率的平均值和方差δ，将待测介质折射率的平均值和方差δ之和或差作为待测介质8的实际折射率n：其中，

$n=\stackrel{\‾}{n}\±\mathrm{\δ}.$

由此可知，待测介质8的折射率n在的数值区间范围内。

在测定待测介质8对不同光线的折射率时，准直光源1可以按照需要进行调换，并依次执行上述步骤(2)至步骤(17)中操作的步骤。将准直光源1换成所需要的光源，便可测定待测介质8对不同光线的折射率，拓展了本实施例中测量装置的使用范围。

Claims (3)

1.介质折射率的测量装置，其特征在于，包括具有光线发射孔的准直光源、第一光阑、第二光阑、圆形的旋转台、步进电机、信号处理器和校准用的可见激光光源，所述旋转台连接步进电机，步进电机连接信号处理器，旋转台的中心处设置有垂直于旋转台所处水平面的轴柱，轴柱上设有放置待测介质的圆形载物台，所述待测介质为具有一可测顶角的契形棱镜，所述可测顶角的一顶角边所处的侧面垂直于所述圆形载物台所处的水平面，且该顶角边平行所述圆形载物台的直径，所述圆形载物台上设置有调节圆形载物台上下升降的调节旋钮，且所述圆形载物台平行于旋转台所处水平面，所述旋转台的圆心与所述圆形载物台的圆心位于同一垂直轴线上，所述旋转台上还设置有长度可调的测量臂，测量臂上设置有获取光照强度的探测器和汇聚光线的GaF₂透镜，所述探测器与信号处理器连接，所述光线发射孔、第一光阑的通光孔、第二光阑的通光孔、待测介质和探测器的狭缝均处于同一水平轴线上，所述GaF₂透镜位于所述待测介质与所述探测器的狭缝之间，且所述探测器的狭缝位于GaF₂透镜的一倍焦距处。

2.根据权利要求1所述的介质折射率的测量装置，其特征在于，所述探测器为热敏探测器或红外光敏探测器或光电子型线阵型探测器或硅光电池探测器。

3.根据权利要求1或2所述的介质折射率的测量装置，其特征在于，所述准直光源为激光或者波长可调的窄脉宽光源。