一种基于双劈尖干涉模型测量溶液折射率的装置及方法

1.本发明涉及一种测量溶液折射率的装置及方法，尤其涉及一种基于双劈尖干涉模型测量溶液折射率的装置及方法。


背景技术：

2.折射率是透明溶液的一个重要光学参量，反映了溶液的一些内在性质，测量透明溶液折射率在制药、食品、材料和化工等领域应用广泛。例如，食品生产过程中，需要判断液体食品(饮品、酒类等)是否变质；液体药品制备过程中，有效成分的含量、杂质的比例等都需要进行相关的精密检测；化工领域中，工业零件润滑油中的极性分子含量的变化会直接影响到机械的使用寿命和运作质量，而这些都可以通过测量折射率实现。现今，折射率的测量方法按原理可以分为几何光学和波动光学两类。其中，几何光学原理测折射率，以全反射临界角法和最小偏向角法最为普遍，全反射临界角法的阿贝折射仪，结构简单，但阿贝折射仪标准块的加工制作以及对被测样品的要求都非常严苛，难以实现。而最小偏向角法通常应用于测量三棱柱形状固体材料的折射率，若要测量液体折射率则需制作已知顶角的空心三棱镜装置，结构复杂。波动光学原理测量折射率，可达到较高的精度，但往往存在装置结构复杂，器材成本昂贵等缺点。
3.公布号为cn112964671a的发明专利公开了一种设计散斑测量法的透明液体折射率测量方法及系统，方法简洁，不需利用另一液体作为测量标准，但要求两矩形容器位于光轴中的部分厚度和材质均相同，对容器的要求较高。公布号为cn114062318a的发明专利公开了一种利用线阵ccd测量液体折射率的装置及方法，操作简单，原理明晰，但是测量精度受到ccd检测到的光束直径的限制。公布号为cn114813639a的发明专利公开了一种利用两束激光测量液体折射率与深度的方法，该方法可以直观地看到现象，但激光折射后的光束与过入射点作垂直液体表面的法线之间的夹角不易测量。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明提供一种基于双劈尖干涉模型测量溶液折射率的装置及方法，装置结构简单，易于实现，普适性强。
5.技术方案：本发明包括光源、扩束准直系统和分束镜，光源发出的光经扩束准直后，由分束镜分束，其中一束经第一平面反射镜反射形成标准光，另一束透过比色皿后，经第二平面反射镜反射形成检测光，检测光和标准光发生干涉，并由ccd探测系统采集图像，所述第一平面反射镜和第二平面反射镜形成平面反射镜劈尖，所述比色皿形成比色皿劈尖，平面反射镜劈尖和比色皿劈尖视作等效空气劈尖，比色皿中的包容物形成液体劈尖。
6.所述等效空气劈尖与液体劈尖构成双劈尖结构。
7.所述分束镜、第二平面反射镜和第一平面反射镜组成干涉系统。
8.一种基于双劈尖干涉模型测量溶液折射率的方法，包括以下步骤：
9.步骤一、采集多幅干涉条纹图；
29.其中，n1为空气折射率；
30.由液体劈尖面表达式引起的光程差δ2为：
[0031][0032]
其中，n2为液体折射率；
[0033]
利用干涉明纹方程：得干涉条纹间距为：
[0034][0035]
tanβ是直线斜率倒数的相反数，故有：
[0036][0037]
步骤34：把折射率已知的纯水作为液体劈尖，将其条纹间距d2、折射率n2、α和tanβ带入(1)、(2)两式，联立求得液体劈尖面的截距比和
[0038]
所述步骤四具体包括：将比色皿装有待测溶液时的干涉条纹间距d3、液体劈尖面的截距比带入双劈尖结构模型的干涉条纹间距表达式(1)计算待测溶液的折射率n3。
[0039]
有益效果：本发明首次应用双劈尖干涉结构模型测量透明液体折射率，对比色皿形状和材料要求不高，普适性强；将比色皿劈尖和迈克尔逊干涉仪组合在一起，操作简单，且排除溶液池在光路中对测量系统模型的干扰，装置结构简单，易于实现，装置中的迈克尔逊干涉系统易于搭建，且对平面反射镜角度要求不高，只需将比色皿放入分束镜分成的两条光路中的其中一条光路，用ccd探测系统采集干涉图像即可；用算法对干涉图像进行处理，避免了传统数条纹处理方式的人为误差。
附图说明
[0040]
图1为本发明的流程图；
[0041]
图2为本发明的测量装置示意图；
[0042]
图3为本发明实验采集的干涉条纹图：其中，(a)实验采集的空比色皿的干涉条纹图，(b)实验采集的比色皿装有纯水时的干涉条纹图，(c)实验采集的比色皿装有待测透明溶液时的干涉条纹图。
具体实施方式
[0043]
如图2所示，本发明的测量装置包括沿光路依次设置的光源1、第一扩束准直系统2、第二扩束准直系统3和分束镜4，光源1发出的光经第一扩束准直系统2和第二扩束准直系统3扩束准直后，经分束镜4分为两束，一束经第一平面反射镜7反射形成标准光，另一束透过比色皿5后，经第二平面反射镜6反射形成检测光，检测光和标准光相遇发生干涉，并由ccd探测系统8采集图像。
[0044]
分束镜4、第二平面反射镜6和第一平面反射镜7组成迈克尔逊干涉系统，且第一平面反射镜7和第二平面反射镜6不垂直，形成两平面反射镜劈尖。比色皿5两玻璃平板的前后两面不平行，形成比色皿劈尖，同时比色皿5中的包容物(透明液体)也是一个液体劈尖。将两平面反射镜劈尖和比色皿劈尖视作一个等效空气劈尖，等效空气劈尖与液体劈尖构成系统的双劈尖结构。
[0045]
如图1所示，本发明的测量方法包括以下步骤：
[0046]
步骤一、获取干涉条纹：通过ccd探测系统8采集三幅干涉条纹图，分别为空比色皿的干涉条纹图、比色皿装有纯水时的干涉条纹图和比色皿装有待测透明溶液时的干涉条纹图。
[0047]
步骤二、计算条纹间距：对采集的干涉条纹图进行二维傅里叶变换，得到零频与基频坐标位置，通过计算基频空间频率的倒数进而得到干涉条纹间距。具体为：
[0048]
步骤21：由ccd探测系统像元尺寸d以及像素ny×nx
，可得到ccd采集图像条纹间距的表达式为：
[0049][0050]
其中，分别是干涉图像在x方向、y方向上的空间频率，(x0,y0)、(x1,y1)分别为干涉图像的零频坐标、基频坐标。
[0051]
步骤22：对提取采集的三幅干涉条纹图进行二维傅里叶变换，得到零频与基频坐标位置，根据上述表达式计算出空比色皿干涉条纹间距d1、纯水干涉条纹间距d2、待测溶液干涉条纹间距d3。
[0052]
步骤三、计算双劈尖模型参数获得条纹间距表达式：根据空比色皿的干涉条纹图计算得到等效空气劈尖的夹角，根据空比色皿和比色皿装有纯水时的干涉条纹图计算得到两者条纹方向夹角的正切值，结合比色皿装有纯水时干涉条纹图的条纹间距计算液体劈尖面的结构参数，进而得到比色皿装有待测溶液时干涉条纹间距的表达式。具体为：
[0053]
步骤31：在空比色皿干涉条纹图中，已知空比色皿干涉条纹间距d1，根据单劈尖条纹间距的公式：其中λ为所述光源的波长，n1为空气折射率，得到等效空气劈尖的夹角α。
[0054]
步骤32：在傅里叶频谱图中，零频与基频两点确定条纹方向，故根据空比色皿的干涉条纹图零频(x0,y0)与基频(x1,y1)和比色皿装有纯水时的干涉条纹图零频(x0,y0)与基频(x2,y2)，可以得到两幅干涉图条纹方向夹角β的正切值：
[0055][0056]
其中δk
x
、δky分别为干涉条纹在x方向、y方向上的空间频率分辨率，分别为干涉条纹在x方向、y方向上的空间频率分辨率，
[0057]
步骤33：双劈尖结构模型干涉条纹明纹条件为：
[0058]
δ1 δ2＝kλ(k＝0,
±
1,
±
2,
…
)
[0059]
其中，δ1是等效空气劈尖引起的光程差，δ2是液体劈尖引起的光程差。
[0060]
假设两个劈尖中的其中一个面与xoy面重合，且设定等效空气劈尖的条纹平行于y轴，则等效空气劈尖面z＝xtanα引起的光程差δ1为：
[0061]
δ1＝2
·
tanα
·
x
·
n1，
[0062]
其中n1为空气折射率。
[0063]
由液体劈尖面表达式引起的光程差δ2为：
[0064][0065]
其中n2为液体折射率。
[0066]
利用干涉明纹方程可得干涉条纹间距为：
[0067][0068]
对于待测溶液，当其对应的干涉条纹间距确定后，只需要确定c/a和c/b，就可以由上式求得待测溶液的折射率。
[0069]
若要求出c/a和c/b，需要用到包含这两个未知数的两个方程，其中一个方程是式(1)给出的折射率已知液体的干涉条纹间距方程。另外一个方程则可以从干涉条纹的角度信息获得：因为tanβ是直线斜率倒数的相反数，故有：
[0070][0071]
步骤34：把折射率已知的纯水作为液体劈尖，将其条纹间距d2、折射率n2、α和tanβ带入(1)、(2)两式，联立求得液体劈尖面的截距比的值，从而建立待测液体折射率和条纹间距的一一对应关系。
[0072]
步骤四、计算透明溶液折射率：将比色皿装有透明溶液时的干涉条纹间距d3、液体劈尖面的截距比带入双劈尖结构模型的干涉条纹间距表达式(1)计算待测透明溶液的折射率n3。
[0073]
实施例
[0074]
本实施例为实验例，待测透明溶液取nacl溶液为例。ccd的有效口径d＝5.8mm，波长λ＝632.8nm，干涉图的像素大小是3672
×
5496，空气的折射率n1＝1，25℃时纯水的折射率n2＝1.3325。
[0075]
实验采集的空比色皿的干涉条纹图、比色皿装有纯水时的干涉条纹图和比色皿装有nacl溶液时的干涉条纹图分别如图3(a)-(c)所示。根据图3(a)计算得到空比色皿条纹间距d1＝1.17617mm和等效空气劈尖的夹角α＝0.0154131
°
。根据图3(b)计算得到纯水条纹间距d2＝0.667689mm，结合图3(a)和图3(b)计算得到两者条纹的正切值tanβ＝1.70561，求得液体劈尖面截距比根据图3(c)计算得到nacl溶液条纹间距d3＝0.59618mm，并结合之前算出的截距比计算出25℃时nacl溶液的折射率n3＝1.36325。