[發(fā)明專利]一種大量程范圍的折射率測量裝置及方法

有效

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• 申請日: 2013-08-26
• 公開（公告）號: CN103454247A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊克成;葉駿偉;夏珉;李微;郭文軍;劉昊;阮叢喆
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G01N21/43
• 分類號: G01N21/43
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)折射率測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光學(xué)折射率測量儀和測量方法，適用于折射率值在1.0-3.0范圍的氣體，液體以及玻璃材料的折射率的測量。

技術(shù)背景

折射率是表征物質(zhì)性質(zhì)的基本物理量，常用于光學(xué)、化學(xué)、新材料合成、物質(zhì)鑒別等工程領(lǐng)域和科學(xué)研究等領(lǐng)域，其與物質(zhì)的密度、濃度、溫度以及應(yīng)力等物理量有關(guān)。折射率的測量相對于其它的物理量的測量更易于實現(xiàn)，測量折射率成為人們獲取其它與物質(zhì)組成疏密程度相關(guān)參數(shù)的重要間接方法。

物質(zhì)折射率和物體內(nèi)分子數(shù)有很大的關(guān)系，通過對物質(zhì)折射率的分析可以更好的了解物質(zhì)的組成信息，也可以對物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)做出定性的分析。

介質(zhì)的折射率通常由實驗測定，有多種測量方法。目前，物質(zhì)折射率的測量方法主要分為波動光學(xué)、SPR技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、臨界角法。對氣體介質(zhì)，常用精密度更高的干涉法（邁克爾遜干涉儀）。對液體介質(zhì)，常用臨界角法（阿貝折射儀）；對固體介質(zhì)，常用最小偏向角法或自準直法；氣體折射率采用波動光學(xué)中邁克爾遜干涉儀進行測量，該方法優(yōu)點是精度高，但該方法測量范圍較小不能兼顧液體和玻璃等材料，可實現(xiàn)性差、對設(shè)備使用環(huán)境要求較高不適合工業(yè)場合應(yīng)用。液體折射率一般可采用SPR技術(shù)、光纖傳感技術(shù)以及臨界角法進行精確的測量。但是液體的腐蝕性限制了SPR技術(shù)和光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用，臨界角法可通過合理選擇玻璃材料實現(xiàn)一些腐蝕性液體的折射率測量。臨界角法的優(yōu)點在于測量范圍寬、精度高、易于在線的工業(yè)檢測。阿貝折光計作為可以測量液體和玻璃的儀器是應(yīng)用最廣泛的，它設(shè)備體積小且精度高、抗外界干擾強，量程為1.3000–1.7000，這造成其無法測量一些氣態(tài)物質(zhì)和一些折射率高于1.7的液體以及折射率較大的玻璃或者晶體材料。

CN102012359公開了一種發(fā)散型臨界角發(fā)測量液體參數(shù)的方法。該方法是通過微分法處理反射光斑明暗界限，從而實現(xiàn)液體折射率信息的測量。該方法的測量范圍由入射角和棱鏡的折射率決定。當(dāng)液體折射率大于1.5時，該裝置的反射光斑中不存在明暗界限，從而導(dǎo)致該裝置失效。現(xiàn)有的臨界角折射率測量裝置和方法是通過高折射率的棱鏡來測量低折射的待測物質(zhì)，這造成測量精度及范圍上無法做到權(quán)衡。

在常溫常壓下，氣體折射率處于[1.0，1.01]，液體折射率處于[1.2,1.7],玻璃材料折射率處于[1.4，2.5]。由于三者物質(zhì)所處的折射率區(qū)間差別較大，這導(dǎo)致測氣體折射率的裝置無法對液體或者玻璃材料折射率進行有效地測量。在有機化學(xué)反應(yīng)和新物質(zhì)的合成中，經(jīng)常需要對反應(yīng)物和生成物的折射率進行測量來保證化學(xué)反應(yīng)的正常進行。一般情況下，反應(yīng)物和生成物的所處折射率范圍跨度較大，無法通過現(xiàn)有的單一的折射率測量裝置來完成測量。在激光生命科學(xué)領(lǐng)域，往往需要通過生物組織的折射率來對組織的生物特性進行定性研究。不同部位的生物組織的折射率值相差較大。這導(dǎo)致有些折射率值超出現(xiàn)有測量裝置的生物組織無法進行測量，限制了生物組織的光學(xué)特性的研究。現(xiàn)有的部分測量折射率的方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計和測量精度及范圍上無法做到權(quán)衡，在測量氣體、液體和玻璃等物質(zhì)上不能兼得。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提出一種折射率測量裝置及方法，可以實現(xiàn)全域范圍內(nèi)的折射率測量，其以反射型發(fā)散臨界角法裝置為基礎(chǔ)，可測量從氣體，液體，生物組織到玻璃材料全域范圍內(nèi)的折射率測量。

按照本發(fā)明的一個方面，提供一種普適全域折射率的測量裝置，用于實現(xiàn)從氣體、液體到玻璃材料的全域折射率的測量，其包括：

單色角點光源照明模塊，其用于產(chǎn)生進行測量的兩束光束；

參考光路模塊，用于生成參考光，即所述單色角點光源照明模塊產(chǎn)生的其中一束光束作為參考光入射到該參考光路模塊中，經(jīng)全反射后出射具有原始光場信息的參考信息光；

探測模塊，其底面與待測物接觸形成介質(zhì)面，所述單色角點光源照明模塊產(chǎn)生的的另一束光束作為探測光入射到該探測模塊并經(jīng)其介質(zhì)面反射后出射耦合有所述待測物質(zhì)折射率信息的探測信息光；

反射光能量收集模塊，其用于分別接收所述參考信息光和探測信息光，并各自將其轉(zhuǎn)換為電信號；以及

圖像處理模塊，其對轉(zhuǎn)換為電信號的兩路圖像進行比較，得到相對反射率分布曲線，經(jīng)處理即可提取出待測物質(zhì)的折射率信息。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述參考光路模塊優(yōu)選為三角棱鏡，其底面斜邊上鍍有鋁反射膜，所述參考光在該底面上發(fā)生全反射。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述探測模塊優(yōu)選為三角棱鏡，其底面斜邊與待測物接觸形成介質(zhì)面，所述探測光入射到該介質(zhì)面被反射，待測物的折射率信息被調(diào)制到反射光中。