專利名稱：一種測量平板型透明介質(zhì)折射率的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)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(zhì)折射率的測量。
背景技術(shù)：
折射率是介質(zhì)的一項重要光學(xué)參數(shù)，也是一些相關(guān)工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的重要性能指標(biāo)，在光學(xué)材料、食品、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，測量介質(zhì)折射率的方法很多，就有兩個平行面的介質(zhì)而言，常用的有幾何光學(xué)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(jù)光束通過介質(zhì)產(chǎn)生的側(cè)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(diào)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(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測量數(shù)據(jù)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(zhì)折射率測量的裝置，并可實現(xiàn)折射率的實時監(jiān)測。本發(fā)明要解決的另一個技術(shù)問題在于提供一種使用平板型透明介質(zhì)折射率測量裝置測量折射率的方法。解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是測量平板型透明介質(zhì)折射率的裝置包括暗盒、半導(dǎo)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(shè)置在暗盒內(nèi)，半導(dǎo)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(dǎo)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(shè)置在暗盒內(nèi)，暗盒上設(shè)有遮光蓋。會聚透鏡和薄毛玻璃屏之間設(shè)置有待測介質(zhì)，待測介質(zhì)可以為固體或液體，若待測介質(zhì)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(zhì)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(zhì)折射率測量裝置測量介質(zhì)折射率的方法如下I、接通半導(dǎo)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(jīng)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(biāo)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(diào)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(biāo)完成。若待測介質(zhì)為液體，則定標(biāo)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(zhì)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(biāo)，在后續(xù)測量中無需再作定標(biāo)。(3)測量將待測介質(zhì)放入會聚透鏡和精密平移臺之間，相應(yīng)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(zhì)的折射率為
I
n =-s - D2
1_r IA-Al 式中，T為待測介質(zhì)兩個平行面之間的距離。定標(biāo)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(zhì)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(shè)置薄毛玻璃屏，將聚焦點軸向平移轉(zhuǎn)化成了光斑直徑的橫向變化，圖2為其原理示意圖，結(jié)合折射定理和幾何關(guān)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(shè)定的程序進行數(shù)據(jù)處理，計算出被測介質(zhì)的折射率。本發(fā)明設(shè)有暗盒，測量過程對環(huán)境條件要求低，與待測介質(zhì)折射率相關(guān)的現(xiàn)象光照即顯示，所形成的光學(xué)圖像為平面圖像，清晰度高，同時本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、造價較低，測量精度較高等優(yōu)點，可應(yīng)用于科研和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(jié)合附圖和實例對本發(fā)明進一步詳細(xì)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(zhì)折射率測量裝置由半導(dǎo)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(gòu)成，待測介質(zhì)5放置在會聚透鏡4和精密平移臺7之間，暗盒底部設(shè)有帶螺孔的平臺襯板11，頂部設(shè)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(shè)有帶螺孔的鋼質(zhì)平臺襯板11，暗盒2左端用螺絲、支架等連接件將半導(dǎo)體激光器I固定安裝在平臺襯板11上，半導(dǎo)體激光器I右側(cè)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(cè)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(dǎo)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(shù)據(jù)線9與計算機10相連。其中毛玻璃屏3左側(cè)為磨砂面，右側(cè)為光學(xué)面，薄毛玻璃屏6左側(cè)為光學(xué)面，右側(cè)為磨砂面。半導(dǎo)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(jīng)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(shè)定的程序進行數(shù)據(jù)處理，計算出被測介質(zhì)的折射率。
采用本實施例的平板型透明介質(zhì)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(dǎo)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(jīng)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(biāo)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(diào)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(biāo)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(yīng)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(zhì)的折射率為
I
n =-S A' -A
1_r IA-Al定標(biāo)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(jié)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(zhì)H-K9玻璃
標(biāo)準(zhǔn)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(cè)為用作光學(xué)面的平板玻璃，前面兩側(cè)為毛玻璃。其它構(gòu)成及零部件的連接關(guān)系與實施例I相同。采用本實施例的平板型透明介質(zhì)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(dǎo)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(jīng)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(biāo)首先測出長方體敞口液槽槽內(nèi)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(diào)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(biāo)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(yīng)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(zhì)的折射率為I
n =-s ~D^
l~f\Dx-D2\
定標(biāo)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(quán)利要求
1.一種測量平板型透明介質(zhì)折射率的裝置，其特征在于測量平板型透明介質(zhì)折射率的裝置包括暗盒、半導(dǎo)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(shè)置在暗盒內(nèi)，半導(dǎo)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(dǎo)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(shè)置在暗盒內(nèi)，暗盒上設(shè)有遮光蓋。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量平板型透明介質(zhì)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(shè)置有待測介質(zhì)，待測介質(zhì)為固體，需有兩個平行面，測量時可直接放入系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量平板型透明介質(zhì)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(shè)置有待測介質(zhì)，待測介質(zhì)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(zhì)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(dǎo)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(jīng)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(biāo)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(diào)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(biāo)完成。若待測介質(zhì)為液體，則定標(biāo)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(zhì)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(biāo)，在后續(xù)測量中無需再作定標(biāo)。
(3)測量將待測介質(zhì)放入會聚透鏡和精密平移臺之間，相應(yīng)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(zhì)的折射率為I Yl =- s A -A 1_r Ia-AI 式中，T為待測介質(zhì)兩個平行面之間的距離。定標(biāo)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(zhì)折射率的裝置包括暗盒、半導(dǎo)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(shè)置在暗盒內(nèi)，半導(dǎo)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(dǎo)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(shè)置在暗盒內(nèi)，暗盒上設(shè)有遮光蓋。采用該裝置測量平板型透明介質(zhì)折射率的方法為將待測平板型介質(zhì)置于會聚透鏡和精密平移臺之間，待測介質(zhì)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(biāo)的基礎(chǔ)上，只需知道待測介質(zhì)放入后的光斑直徑，即可得到該介質(zhì)的折射率，相應(yīng)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(zhì)折射率的測量，操作簡便，測量數(shù)據(jù)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(quán)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(xué)