CN215448981U - 一种高量程高精度的折光仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及折射率测量领域，特别地涉及一种高量程高精度的折光仪。本实用新型公开了一种高量程高精度的折光仪，包括光源、棱镜、色散抑制单元和光电传感器，棱镜的折射率≥1.7，棱镜具有一与待测液体接触的接触界面，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，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，色散抑制单元用于抑制从棱镜的出射面出射的光的色散。本实用新型折射率测量的量程高，测量精度高，且成本低。

Description

一种高量程高精度的折光仪

技术领域

本实用新型属于折射率测量领域，具体地涉及一种高量程高精度的折光仪。

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。糖度计测量的单位为白利度(Brix)。

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，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)。

在测量液体的时候，不同折射率的待测液体会导致全反射角的变化，传统的折光仪都是采用低折射率的玻璃棱镜(例如K9玻璃，折射率为1.518)，低折射率玻璃棱镜在不同折射率的待测液体的测量时全反射角的变化范围非常大，而由于光电接收器的接收范围有限，如果全反射角变化太大，会导致只能测量量程中的一部分，不能够达到高量程的目的。若是采用折射率较高的玻璃棱镜(例如ZF51玻璃，折射率为1.7918等)，则可以将全反射角的变化范围缩小(0～100°brix在K9玻璃棱镜的全反射角的变化范围为26.54°，在ZF51玻璃棱镜的全反射角的变化范围为11.56°)，使光电接收器的接收范围能够与全反射角变化范围匹配，这样就能够提高液体折射率的测量量程，但是采用高折射率的玻璃棱镜，会导致色散严重，从而导致折光仪在测量过程中，全反射角的亮度变化界面不够锋利，从而影响测量的精度。现在市面上几乎不存在的高量程高精度且低成本的折光仪。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种高量程高精度的折光仪用以解决上述存在的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种高量程高精度的折光仪，包括光源、棱镜、色散抑制单元和光电传感器，棱镜的折射率≥1.7，棱镜具有一与待测液体接触的接触界面，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，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，色散抑制单元用于抑制从棱镜的出射面出射的光的色散现象。

进一步的，所述色散抑制单元采用窄带滤光单元来实现，窄带滤光单元的半高宽≤10.0nm，窄带滤光单元设置在棱镜的出射面与光电传感器之间，或光源与棱镜的入射面之间。

进一步的，所述色散抑制单元采用色散系数≥50.0的棱镜来实现。

进一步的，所述色散抑制单元采用半高宽≤10.0nm的单色的光源来实现。

更进一步的，所述光源采用激光光源来实现。

进一步的，所述光源的中心波长在500-600nm之间。

进一步的，还包括透镜单元，光源至少在一个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，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。

进一步的，所述光电传感器为CMOS图像传感器。

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。

本实用新型的有益技术效果：

本实用新型通过采用折射率≥1.7的棱镜提高了折射率的测量量程，同时通过色散抑制单元抑制从棱镜的出射面出射出的光的色散现象提高了折射率的测量精度，且成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例一的折光仪的结构示意图；

图3为透镜单元采用无穷远对焦的成像原理示意图；

图4为本实用新型实施例一的将光电传感器等效到液面那一侧的示意图；

图5为本实用新型实施例二的折光仪的结构示意图；

图6为本实用新型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，本实用新型提供有附图。这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，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实用新型的优点。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实用新型进一步说明。

实施例一

如图2所示，一种高量程高精度的折光仪，包括光源1、棱镜2、色散抑制单元和光电传感器4，棱镜2的折射率≥1.7，当然，棱镜2的折射率越高，则折射率的测量量程越高。

棱镜2具有一与待测液体5接触的接触界面21，光源1被配置为光源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，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，色散抑制单元用于抑制从棱镜2的出射面23出射出的光的色散现象。

本具体实施例中，色散抑制单元采用窄带滤光单元7来实现，窄带滤光单元7的半高宽≤10.0nm，窄带滤光单元7设置在棱镜2的出射面23与光电传感器4之间，从而将从棱镜2的出射面23出射的光过滤到很窄的带宽范围内，再进入光电传感器4，消除了由于棱镜2的折射率高导致从棱镜2的出射面23出射的光色散严重而使光电传感器4采集到的亮度图中的亮度变化界面不够锋利，影响测量精度的问题，从而提高了折射率的测量精度。且采用窄带滤光单元7成本低，还可以降低太阳光直射下对于测量系统的影响，增加了光学测量系统的鲁棒性。

本具体实施例中，窄带滤光单元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，且易于装配，但并不限于此，在其它实施例中，滤光片也可以固定在其它部件上。

当然，在其它实施例中，窄带滤光单元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。

当然，在一些实施例中，窄带滤光单元7也可以设置在光源1与棱镜2的入射面22，用于对入射进棱镜2的光过滤到很窄的带宽范围内。

进一步的，本实施例中，还包括透镜单元3，光源1至少在一个方向(图2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，经窄带滤光单元7过滤后，再经透镜单元3采用无穷远对焦成像在光电传感器4上。

如图3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4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4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，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。

光源1的波长需要能够兼容CMOS图像传感器，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，更优选为520nm。

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6，匀光单元6设置在光源1与棱镜2的入射面22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。

实施例二

如图5所示，本具体实施例与实施例一的区别为：本具体实施例的色散抑制单元采用色散系数≥50.0的棱镜来实现，也即本具体实施例的棱镜2为折射率≥1.7，色散系数≥50.0的棱镜2′，通过棱镜2′本身来消除光色散严重的现象，使光电传感器4采集到的亮度图中的亮度变化界面较锋利，从而提高了折射率的测量精度。从而在本实施例中，无需设置窄带滤光单元，避免了在光学系统中增加了窄带滤光单元，会导致光学系统变复杂，增加光学系统中的不确定因素的问题，但可能受制于棱镜2′的材料限制，本实施例的抑制色散效果会比实施例一的差一些，且成本可能较高。

本具体实施例中，棱镜2′可以采用H-LaK玻璃材料、D-LaK玻璃材料等制成。

实施三

如图6所示，本具体实施例与实施例一的区别为：本具体实施例的色散抑制单元采用半高宽≤10.0nm的单色的光源来实现来实现，也即本具体实施例的光源1为半高宽≤±5nm的单色的光源1′，优选为激光光源，易于实现，且带宽可以做到很小，但并不限于此，在一些实施例中，光源1′也可以采用其它光源来实现。

通过对光源1′发射的光的带宽限制来消除光色散严重的现象，使光电传感器4采集到的亮度图中的亮度变化界面较锋利，从而提高了折射率的测量精度。因此，本实施例中，无需设置窄带滤光单元，避免了在光学系统中增加了窄带滤光单元，会导致光学系统变复杂，增加光学系统中的不确定因素的问题，但光源1′(如激光光源)往往较贵，会整体的拉高折光仪的成本。

本实用新型通过采用折射率≥1.7的棱镜提高了折射率的测量量程，同时通过色散抑制单元抑制从棱镜的出射面出射的光的色散现象提高了折射率测量的精度，且成本低，从而提供了一种高量程高精度低成本的折光仪。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，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实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种高量程高精度的折光仪，其特征在于：包括光源、棱镜、色散抑制单元和光电传感器，棱镜的折射率≥1.7，棱镜具有一与待测液体接触的接触界面，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，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，色散抑制单元用于抑制从棱镜的出射面出射的光的色散现象。

2.根据权利要求1所述的高量程高精度的折光仪，其特征在于：所述色散抑制单元采用窄带滤光单元来实现，窄带滤光单元的半高宽≤10.0nm，窄带滤光单元设置在棱镜的出射面与光电传感器之间，或光源与棱镜的入射面之间。

3.根据权利要求1所述的高量程高精度的折光仪，其特征在于：所述色散抑制单元采用色散系数≥50.0的棱镜来实现。

4.根据权利要求1所述的高量程高精度的折光仪，其特征在于：所述色散抑制单元采用半高宽≤10.0nm的单色的光源来实现。

5.根据权利要求4所述的高量程高精度的折光仪，其特征在于：所述光源采用激光光源来实现。

6.根据权利要求1所述的高量程高精度的折光仪，其特征在于：所述光源的中心波长在500-600nm之间。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的高量程高精度的折光仪，其特征在于：还包括透镜单元，光源至少在一个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。

8.根据权利要求7所述的高量程高精度的折光仪，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。

9.根据权利要求7所述的高量程高精度的折光仪，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7所述的高量程高精度的折光仪，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。

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