專利名稱：一種測量平板型透明介質折射率的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及固體和液體折射率的測量，尤其是涉及一種有兩個平行面的平板型透明介質折射率的測量。
背景技術：
折射率是介質的一項重要光學參數，也是一些相關工農業(yè)產品的重要性能指標，在光學材料、食品、化工、醫(yī)藥等領域有著廣泛的應用。目前，測量介質折射率的方法很多，就有兩個平行面的介質而言，常用的有幾何光學法和干涉法。如利用阿貝折射儀，但其缺點是只適用于特定范圍的折射率測量；有依據光束通過介質產生的側向偏移，再利用線陣CCD或PSD傳感器檢測偏移量測量折射率的，其缺點是需確定光束入射角，并調節(jié)線陣CCD或PSD傳感器與出射光線垂直，操作相對較難；還有利用干涉方法測量的，雖然能達到較高的精度，但其對實驗條件要求較高，操作繁瑣。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對上述現有技術的不足，提供一種測量數據少、測量范圍不受限制、操作簡便，適用于有兩個平行面的平板型透明介質折射率測量的裝置，并可實現折射率的實時監(jiān)測。本發(fā)明要解決的另一個技術問題在于提供一種使用平板型透明介質折射率測量裝置測量折射率的方法。解決上述技術問題所采用的技術方案是測量平板型透明介質折射率的裝置包括暗盒、半導體激光器、毛玻璃屏、會聚透鏡、薄毛玻璃屏、CCD攝像頭、精密移臺、平臺襯板，平臺襯板設置在暗盒內，半導體激光器、毛玻璃屏、會聚透鏡、精密平移臺安裝在平臺襯板上，薄毛玻璃屏、CCD攝像頭安裝在精密平移臺上，隨精密平移臺同步移動，半導體激光器、毛玻璃屏、會聚透鏡、薄毛玻璃屏、CCD攝像頭依次同軸排列設置在暗盒內，暗盒上設有遮光蓋。會聚透鏡和薄毛玻璃屏之間設置有待測介質，待測介質可以為固體或液體，若待測介質為固體，需有兩個平行面，測量時可直接放入系統(tǒng)；若待測介質為液體，可配套有兩個平行面的液槽，測量時將液體注入。采用上述的平板型透明介質折射率測量裝置測量介質折射率的方法如下I、接通半導體激光器的電源，發(fā)出的光通過毛玻璃屏形成較為均勻的散斑，經會聚透鏡在薄毛玻璃屏得到均勻的圓形光斑圖像，通過CXD攝像頭由計算機實時獲取。2、定標在薄毛玻璃屏上得到的均勻圓形光斑由計算機獲取后，測量其直徑D1，然后調節(jié)精密平移臺，記錄其移動距離S，并再次測量薄毛玻璃屏上獲得的圓形光斑直徑D2,此時定標完成。若待測介質為液體，則定標時需事先將配套液槽置于會聚透鏡和精密平移臺之間。在不改變待測介質物態(tài)的情況下(液體換固體或液體換固體)，通常只需進行一次初始定標，在后續(xù)測量中無需再作定標。(3)測量將待測介質放入會聚透鏡和精密平移臺之間，相應的在薄毛玻璃屏上的光斑直徑會發(fā)生變化，測得此時的光斑直徑D2'，即可計算得到該介質的折射率為
I
n =-s - D2
1_r IA-Al 式中，T為待測介質兩個平行面之間的距離。定標及測量中，D1, D2和D2'可取相對值，以像素為單位，實驗過程中必要時可將遮光蓋合上。在放入待測介質前后，通過會聚透鏡的光束聚焦點會發(fā)生軸向平移，本發(fā)明在聚焦點前設置薄毛玻璃屏，將聚焦點軸向平移轉化成了光斑直徑的橫向變化，圖2為其原理示意圖，結合折射定理和幾何關系可得到本發(fā)明的測量公式。在薄毛玻璃屏上的圓形光斑圖像通過CXD攝像頭由計算機實時獲取，計算機按照事先設定的程序進行數據處理，計算出被測介質的折射率。本發(fā)明設有暗盒，測量過程對環(huán)境條件要求低，與待測介質折射率相關的現象光照即顯示，所形成的光學圖像為平面圖像，清晰度高，同時本發(fā)明具有結構簡單、造價較低，測量精度較高等優(yōu)點，可應用于科研和工業(yè)生產領域的平板型透明材料(如玻璃、酒精等)折射率的測量。


圖I是本發(fā)明一個實施例的結構示意圖。圖2是本發(fā)明的原理示意圖。圖3是采用本發(fā)明方法測量H-K9平板玻璃折射率的圓形光斑照片。圖4是本發(fā)明一個實施例的配套液槽示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發(fā)明進一步詳細說明，但本發(fā)明不限于這些實施例。實施例I在圖I中，本實施例的平板型透明介質折射率測量裝置由半導體激光器I、暗盒2、毛玻璃屏3、會聚透鏡4，薄毛玻璃屏6、小型精密平移臺7、CXD攝像頭8、計算機10構成，待測介質5放置在會聚透鏡4和精密平移臺7之間，暗盒底部設有帶螺孔的平臺襯板11，頂部設有遮光蓋。本實施例暗盒2的殼體為不銹鋼或不透光的工程塑料，暗盒2底部居中設有帶螺孔的鋼質平臺襯板11，暗盒2左端用螺絲、支架等連接件將半導體激光器I固定安裝在平臺襯板11上，半導體激光器I右側的毛玻璃屏3、會聚透鏡4用螺絲、支架等連接件同軸固定在平臺襯板11上，暗盒2右端的CXD攝像頭8，CXD攝像頭8左側的薄毛玻璃屏6用螺絲、支架等連接件同軸固定在小型精密平移臺7上，然后將其作為整體固定安裝在平臺襯板11上，并保證半導體激光器I、毛玻璃屏3、會聚透鏡4，薄毛玻璃屏6、(XD攝像頭8的同軸性，CXD攝像頭8通過USB數據線9與計算機10相連。其中毛玻璃屏3左側為磨砂面，右側為光學面，薄毛玻璃屏6左側為光學面，右側為磨砂面。半導體激光器I發(fā)出的光通過毛玻璃屏3形成較為均勻的散斑，經會聚透鏡4在薄毛玻璃屏6上可得到均勻的圓形光斑，CXD攝像頭8將獲取的圖像傳輸給計算機10，計算機10按照事先設定的程序進行數據處理，計算出被測介質的折射率。
采用本實施例的平板型透明介質折射率測量裝置在室溫下測量H-K9平板玻璃的方法如下I、接通半導體激光器I的電源，發(fā)出的光通過毛玻璃屏3形成較為均勻的散斑，經會聚透鏡4在薄毛玻璃屏6上得到均勻的圓形光斑，通過CXD攝像頭8由計算機10獲取圖
像。 2、定標在薄毛玻璃屏6上得到的均勻圓形光斑由計算機10獲取后，測量其直徑D1，然后調節(jié)精密平移臺7，記錄其移動距離S，并再次測量薄毛玻璃屏6上獲得的圓形光斑直徑D2,定標完成，并維持精密平移臺7狀態(tài)不變。(3)測量首先測出H-K9平板玻璃的厚度T，并輸入計算機10，然后將H_K9平板玻璃固定在會聚透鏡4和精密平移臺7間配套的固定支架上，相應的在薄毛玻璃屏6上的光斑直徑會發(fā)生變化，測得此時的光斑直徑D2'，即可計算得到該介質的折射率為
I
n =-S A' -A
1_r IA-Al定標及測量中，DpDjP D2'均為相對值，以像素為單位，實驗過程中必要時可將遮光蓋合上，計算結果見表I。表I本實施例測量裝置測量H-K9平板玻璃的折射率
待測介質H-K9玻璃
標準折射率I. 5146
本發(fā)明測量值 I. 5032實施例2在本實施例中，新增圖4的長方體敞口液槽，頂部敞口，底部為毛玻璃，左右兩側為用作光學面的平板玻璃，前面兩側為毛玻璃。其它構成及零部件的連接關系與實施例I相同。采用本實施例的平板型透明介質折射率測量裝置在室溫下測量蒸餾水的方法如下I、接通半導體激光器I的電源，發(fā)出的光通過毛玻璃屏3形成較為均勻的散斑，經會聚透鏡4在薄毛玻璃屏6上得到均勻的圓形光斑，通過CXD攝像頭8由計算機10獲取圖像。2、定標首先測出長方體敞口液槽槽內的寬度T，并輸入計算機10，然后將長方體敞口液槽固定在會聚透鏡4和精密平移臺7間配套的固定支架上，從薄毛玻璃屏6上得到的均勻圓形光斑由計算機10獲取后，測量其直徑D1，然后調節(jié)精密平移臺7，記錄其移動距離S，并再次測量薄毛玻璃屏6上獲得的圓形光斑直徑D2,定標完成，并維持精密平移臺7狀態(tài)不變。(3)測量將待測蒸餾水注入長方體敞口液槽至指定高度，相應的在薄毛玻璃屏6上的光斑直徑會發(fā)生變化，測得此時的光斑直徑D2'，即可計算得到該介質的折射率為I
n =-s ~D^
l~f\Dx-D2\
定標及測量中，Dl、D2和D2'均為相對值，以像素為單位，實驗過程中必要時可將遮光蓋合上。
權利要求
1.一種測量平板型透明介質折射率的裝置，其特征在于測量平板型透明介質折射率的裝置包括暗盒、半導體激光器、毛玻璃屏、會聚透鏡、薄毛玻璃屏、CCD攝像頭、精密移臺、平臺襯板，平臺襯板設置在暗盒內，半導體激光器、毛玻璃屏、會聚透鏡、精密平移臺安裝在平臺襯板上，薄毛玻璃屏、CCD攝像頭安裝在精密平移臺上，隨精密平移臺同步移動，半導體激光器、毛玻璃屏、會聚透鏡、薄毛玻璃屏、CCD攝像頭依次同軸排列設置在暗盒內，暗盒上設有遮光蓋。
2.根據權利要求I所述的測量平板型透明介質折射率的裝置，其特征在于所述會聚透鏡和薄毛玻璃屏之間設置有待測介質，待測介質為固體，需有兩個平行面，測量時可直接放入系統(tǒng)。
3.根據權利要求I所述的測量平板型透明介質折射率的裝置，其特征在于所述會聚透鏡和薄毛玻璃屏之間設置有待測介質，待測介質為液體，可配套有兩個平行面的液槽，測量時將液體注入。
4.一種測量平板型透明介質折射率的方法，其特征在于該方法由下述步驟組成 (1)接通半導體激光器的電源，發(fā)出的光通過毛玻璃屏形成較為均勻的散斑，經會聚透鏡在薄毛玻璃屏上得到均勻的圓形光斑圖像，通過CXD攝像頭由計算機實時獲取。
(2)定標在薄毛玻璃屏上得到的均勻圓形光斑由計算機獲取后，測量其直徑D1，然后調節(jié)精密平移臺，記錄其移動距離S，并再次測量薄毛玻璃屏上獲得的圓形光斑直徑D2，此時定標完成。若待測介質為液體，則定標時需事先將配套液槽置于會聚透鏡和精密平移臺之間。在不改變待測介質物態(tài)的情況下(液體換固體或液體換固體)，通常只需進行一次初始定標，在后續(xù)測量中無需再作定標。
(3)測量將待測介質放入會聚透鏡和精密平移臺之間，相應的在薄毛玻璃屏上的光斑直徑會發(fā)生變化，測得此時的光斑直徑D2'，即可計算得到該介質的折射率為I Yl =- s A -A 1_r Ia-AI 式中，T為待測介質兩個平行面之間的距離。定標及測量中，DpD2和D2'可取相對值，以像素為單位，實驗過程中必要時可將遮光蓋合上。
全文摘要
一種測量平板型透明介質折射率的裝置包括暗盒、半導體激光器、毛玻璃屏、會聚透鏡、薄毛玻璃屏、CCD攝像頭、精密移臺、平臺襯板，平臺襯板設置在暗盒內，半導體激光器、毛玻璃屏、會聚透鏡、精密平移臺安裝在平臺襯板上，薄毛玻璃屏、CCD攝像頭安裝在精密平移臺上，隨精密平移臺同步移動，半導體激光器、毛玻璃屏、會聚透鏡、薄毛玻璃屏、CCD攝像頭依次同軸排列設置在暗盒內，暗盒上設有遮光蓋。采用該裝置測量平板型透明介質折射率的方法為將待測平板型介質置于會聚透鏡和精密平移臺之間，待測介質放入前后，在薄毛玻璃屏上的圓形光斑直徑會發(fā)生變化，在定標的基礎上，只需知道待測介質放入后的光斑直徑，即可得到該介質的折射率，相應的圓形光斑圖像通過CCD攝像頭由計算機實時獲取并測量。該方法適用于固體和液體介質折射率的測量，操作簡便，測量數據少，測量范圍不受限制，并可用于折射率的實時監(jiān)測。
文檔編號G01N21/41GK102749303SQ20121024727
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月14日 優(yōu)先權日2012年7月14日
發(fā)明者葉麗軍, 范曉珍, 許富洋 申請人:浙江師范大學