CN2581980Y - 激光照明玻璃微珠折射率测量的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种激光照明玻璃微珠折射率测量的装置，它由He－Ne激光器、光阑、长焦距正透镜、带有环形标尺及中心开有小孔的接收屏及待测玻璃微珠附着的载玻片组成。长焦距正透镜和载玻片采用五维可调节支架支撑，以便于获得玻璃微珠被照明的最佳位置。本装置使用长焦距正透镜使激光会聚后直接照明单个玻璃微珠整体，使测量在技术上更易实现；并能大大增强玻璃微珠彩虹现象形成的亮圆环的对比度，使亮圆环直径的测量更加容易、准确且安全。

Description

激光照明玻璃微珠折射率测量的装置

一、技术领域

本实用新型是涉及光学材料参数测量的装置，特别是涉及激光照明玻璃微珠折射率测量的装置。

二、背景技术

众所周知，直径在微米至毫米量级之间的玻璃微珠已在交通标志、反光膜及配合目标等方面得到了广泛的应用，如高速公路上的标志牌，汽车牌照等，它们主要是利用了玻璃微珠的溯源(回光)反射性质。研究表明，玻璃微珠的折射率对其溯源反射性能具有决定性的影响，而且只有折射率符合一定要求的玻璃微珠才具有十分理想的溯源反射性能。因此，如何准确、安全和快速简便地实现玻璃微珠折射率的测量，一直是玻璃微珠制造和应用商家迫切需要解决的实际问题，而能够实现玻璃微珠折射率直接测量的方法和装置，也是目前该领域的同行们正在研究的课题。

最近有文献报道了可采用一次和二次彩虹法来测量玻璃微珠折射率的方法和装置(2001年《光子学报》，Vol.30，No.6)，在该装置中采用了激光作为照明光源，激光器发出的光经一正透镜聚焦于待测玻璃微珠，利用其彩虹现象实现玻璃微珠折射率的测定。该装置的主要特征是利用会聚激光直接照明玻璃微珠球的半部分，并调整微珠球的位置使二次彩虹现象最明显再进行测试；在测试低折射率玻璃微珠的折射率时，需利用两盖玻片将玻璃微珠夹持住再进行测试。该测量装置存在的缺陷是：(1)由于待测玻璃微珠的直径通常为50微米左右的圆球，当要求仅照明其半部分时，只有焦距比较短的透镜才能实现，然而这将破坏彩虹理论所要求的平行光入射条件，并直接导致测量误差增大；(2)在对折射率大于1.9以上的玻璃微珠的折射率进行测试时，理论指出其二次彩虹光强将分布在与出射光相同的方向，而出射光的零级分量将使玻璃微珠的彩虹光强分布淹没于其中，从而难以识别彩虹分布的边界；(3)利用两盖玻片将玻璃微珠进行夹持而防止其滑落则会对测量带来不便，也将使测量误差增加。

三、发明内容

本实用新型的目的正是针对以上所述现有技术中所存在的缺陷，而提供一种激光照明实现玻璃微珠折射率测量的装置。该装置克服了现有装置测量玻璃微珠折射率的缺陷，从而使测量更加容易、准确、简便、安全可靠。

为实现本实用新型的目的，本实用新型提供的一种激光照明玻璃微珠折射率测量的装置，主要由He-Ne激光器、正透镜及接收屏等组成。所述正透镜采用长焦距正透镜，在He-Ne激光器和长焦距正透镜之间设置一光阑，在长焦距正透镜后设置第一接收屏，第一接收屏后设置一载玻片，而待测玻璃微珠通过吸附的作用附着于该载玻片上，经长焦距正透镜会聚后的细激光束直接照明单个玻璃微珠整体，长焦距正透镜和载玻片用五维可调节支架支撑，载玻片后设置第二接收屏，在第二接收屏之后再安装一能量接收器。

本实用新型与现有技术相比具有以下特点：

1、本实用新型使用长焦距正透镜使激光会聚后直接照明单个玻璃微珠整体，而不是照明玻璃微珠的半部分，使测量在技术上更易实现。

2、本实用新型无需对玻璃微珠的位置作任何调整都将形成明显的彩虹现象，形成的明亮圆环将关于入射光束对称，这样更符合彩虹理论所要求的条件并使测量结果更加准确、简便。

3、本实用新型采用对位于被测玻璃微珠后方的接收屏在其中心位置开孔让零级谱通过的方式，大大增强了玻璃微珠彩虹现象形成的亮圆环的对比度，从而使测量更加容易、准确。

4、本实用新型接收屏均带有一环形测量标尺，使彩虹亮环半径的测量更方便。

四、附图说明

附图为本实用新型激光照明玻璃微珠折射率测量的装置结构及其光路示意图。

五、具体实施方式

下面结合附图通过对本实用新型的结构、测量原理、测量过程及实施例作进一步的说明。

附图中，He-Ne激光器1置于整个装置的入射端，其后放置一光阑2，用于遮挡入射光束中的杂散光；在光阑2后设置一长焦距正透镜3，其焦距约为300毫米，并采用一上下、左右、前后、俯仰、旋转的五维可调节支架7对长焦距正透镜3进行支撑；在长焦距正透镜3之后设置一带环形标尺的第一接收屏4，其中心位置开有一小孔9使激光束通过；第一接收屏4后设置载玻片6，该载玻片也用一五维可调节支架7支撑，而待测玻璃微珠5则通过吸附的作用被附着于载玻片6上；从长焦距正透镜出射后的会聚光束穿过接收屏4直接照明在单个玻璃微珠整体上；在载玻片6后再安装一带环形标尺的第二接收屏8，并在第二接收屏8的中心位置开有一小孔9，让零级谱通过该孔的方式，大大增强了玻璃微珠彩虹现象形成的亮圆环的对比度，从小孔9透射的激光束被在其后安装的能量接收器10所吸收。

本装置测量的基本原理是依据玻璃微珠在平行光照明下所产生的彩虹现象来进行测量。当平行入射的激光束从空气介质中投射在玻璃微珠上时，进入玻璃微珠的光束在从玻璃微珠内出射并进入空气介质之前，可以经玻璃微珠与空气介质之间的界面经一次反射后出射，也可以经玻璃微珠与空气介质之间的界面经二次反射后再射出，甚至是经多次反射后再射入空气介质中。理论和实验对该出射光束的研究表明，出射光束将被限制在与入射光束方向对称的且有一定大小的立体角以内，在该立体角以内因出射光束间的干涉会出现一些较弱能量分布的环带，而该立体角的边沿则会形成一十分明显的亮环，这就是所谓的彩虹现象，即出射的光线存在一个最小偏向角，该最小偏向角的大小与待测玻璃微珠的折射率成一一对应关系，即满足下式：

其中

为最小偏向角，k为入射光在玻璃微珠内的反射次数，n为待测玻璃微珠的折射率。

当入射光束经玻璃微珠与空气介质之间的界面经一次反射后再出射时，所形成的彩虹现象被称为一次彩虹，对于低折射率的玻璃微珠，可以在附图中的第一接收屏4上观察到该现象，测出亮环半径d₁和玻璃微珠到第一接收屏4的距离s₁，由下式可以计算出一次彩虹的最小偏向角

将此结果代入公式(1)中，并取k＝1，就可以得到待测玻璃微珠的折射率n。

当入射光束经玻璃微珠与空气介质之间的界面经两次反射后再出射时，所形成的彩虹现象被称为二次彩虹，对于高折射率的玻璃微珠可以在附图中的第二接收屏8上观察到该现象，测出亮环半径d₂和玻璃微珠到第二接收屏8的距离s₂，由下式可以计算出待测玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角

将此结果代入公式(1)中，并取k＝2，就可以得到待测玻璃微珠的折射率n。

当入射光束经玻璃微珠与空气介质之间的界面经多次反射后再出射时还会形成高次彩虹，由于其光能相对较弱，在本研究中已经没有再研究的必要。

利用本装置测量玻璃微珠折射率的测量过程是：由激光器1发出的细激光束被光阑2滤掉其杂散光后，投射在装夹于一五维可调节支架7的长焦距正透镜3上，通过五维可调节支架7的微调机构使长焦距正透镜与入射光束共轴。从长焦距正透镜出射后的会聚光束穿过带环形标尺的第一接收屏4直接照明在处于其焦距位置附近的单个玻璃微珠整体上，其中被照明的玻璃微珠是经吸附作用而附着于载玻片6的表面，它无需采用两块盖玻片来夹持即可进行测量，载玻片6用五维可调节支架支撑，便于获得待测玻璃微珠被照明的最佳位置。当被长焦距正透镜3会聚后的光束正好均匀对称地照明在单个玻璃微珠整体上时，将观察到十分明显的由玻璃微珠产生的彩虹现象，即在第一接收屏4或第二接收屏8上出现一明显的亮环，该亮环到底出现哪一个接收屏上要视待测玻璃微珠的折射率大小而定。第二接收屏8的中心位置的小孔能使透射光直接通过并被其后的能量接收器10所吸收，它们可以极大地提高彩虹亮环的对比度，从而提高测量的精度和使测量者更安全。第一接收屏4和第二接收屏8分别被装配上精确标定的环形测量标尺，其目的是使测量过程更加简捷、准确、方便，使测量者能由它直接读出亮环的半径d₁或d₂，其精度可以达到毫米量级。同时，在第一接收屏4和第二接收屏8之间也被安装一长度测量标尺，可由该标尺直接读出第一接收屏4或第二接收屏8到玻璃微珠的距离s₁或s₂。

Claims (5)

1、一种激光照明玻璃微珠折射率测量的装置，主要由He-Ne激光器(1)、正透镜、接收屏等组成，其特征在于所述正透镜采用长焦距正透镜(3)，在所述He-Ne激光器(1)和长焦距正透镜(3)之间设置一光阑(2)，在长焦距正透镜(3)后设置第一接收屏(4)，第一接收屏后设置一载玻片(6)，待测玻璃微珠(5)通过吸附的作用附着于载玻片(6)上，长焦距正透镜使激光会聚后直接照明载玻片上的单个玻璃微珠整体，载玻片(6)后设置第二接收屏(8)，长焦距正透镜(3)和载玻片(6)用五维可调节支架(7)支撑，第二接收屏(8)的后方安装一能量接收器(10)。

2、根据权利要求1所述的激光照明玻璃微珠折射率测量的装置，其特征在于第一接收屏(4)和第二接收屏(8)均为带有一环形测量标尺的接收屏。

3、根据权利要求2所述的激光照明玻璃微珠折射率测量的装置，其特征在于带有环形测量标尺的第一接收屏(4)和第二接收屏(8)的中心位置都开有一小孔(9)。

4、根据权利要求1所述的激光照明玻璃微珠折射率测量的装置，其特征在于第一接收屏(4)和第二接收屏(8)之间设置有长度测量标尺。

5、根据权利要求1所述的激光照明玻璃微珠折射率测量的装置，其特征在于长焦距正透镜(3)和载玻片(6)都采用可上下、左右、前后、俯仰、旋转的五维可调节支架(7)支撑。

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