專利名稱：一種自動(dòng)阿貝折射儀的光路設(shè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測(cè)量?jī)x器的光路設(shè)計(jì)，特別是一種自動(dòng)阿貝折射儀的 光路設(shè)計(jì)。
技術(shù)背景折射率是物質(zhì)的重要物理常數(shù)之一，許多純物質(zhì)都具有一定的折射率，如 果其中含有雜質(zhì)則折射率將發(fā)生變化，出現(xiàn)偏差，雜質(zhì)越多，偏差越大。因此 通過(guò)折射率的測(cè)定，可以測(cè)定物質(zhì)的純度。阿貝折射儀(也稱阿貝折光儀)是 根據(jù)光的全反射原理設(shè)計(jì)的儀器，它利用全反身臨界角的測(cè)定方法測(cè)定未知物 質(zhì)的折光率，可定量地分析溶液中的某些成分，檢驗(yàn)物質(zhì)的純度，是石油工業(yè)、 油脂工業(yè)，制藥工業(yè)，造漆工業(yè)、食品工業(yè)、日用化學(xué)工業(yè)，制糖工業(yè)和地質(zhì) 勘察等有關(guān)工廠，學(xué)校及研發(fā)單位不可缺少的常用設(shè)備之一。其工作原理如下當(dāng)一束單色光從介質(zhì)1進(jìn)入密度不同的介質(zhì)2時(shí)，光線在通過(guò)界面時(shí)改變了方向，這一現(xiàn)象稱為光的折射，光的折射現(xiàn)象遵從折射定律sina —… sin n，(i)式中S為入射角，"為折射角/7,、 ^為交界面兩側(cè)兩種介質(zhì)的折射率。當(dāng)光線從 一種折射率小的介質(zhì)1射入折射率大的介質(zhì)2時(shí)(/7X仏)，入射角 一定大于折射角(s〉^)。當(dāng)入射角增大時(shí)，折射角也增大，設(shè)當(dāng)入射角s4KT時(shí)，折射角為 ^。，我們將此折射角稱為臨界角。因此，當(dāng)在兩種介質(zhì)的界面上以不同角度射入光線時(shí)(入射角a從O。 90° )，光線經(jīng)過(guò)折射率大的介質(zhì)后，其折射角萬(wàn)《 》。，其結(jié)果是大于臨界角"。的部分無(wú)光線通過(guò)，成為暗區(qū)；小于臨界角的部分 有光線通過(guò)，成為亮區(qū)。臨界角成為明暗分界線的位置，根據(jù)(l)式可得sin or (2)因此在固定一種介質(zhì)時(shí)，臨界折射角^。的大小與被測(cè)物質(zhì)的折射率是簡(jiǎn)單的函 數(shù)關(guān)系，阿貝折射儀就是根據(jù)這個(gè)原理而設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)有的多光源折射率測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)選擇多個(gè)光源中的一個(gè)合適的光源使 臨界角對(duì)應(yīng)的分界線移至可測(cè)范圍，從而起到擴(kuò)大量程的作用；CCD陣列裝在 距透鏡距離為L(zhǎng)處，L不等于透鏡焦距，即CCD陣列位于偏離透鏡后焦面處， 此時(shí)光源的線寬將使得一個(gè)角度對(duì)應(yīng)于一點(diǎn)變成了對(duì)應(yīng)于一個(gè)光斑，造成了暗 區(qū)到亮區(qū)的過(guò)渡過(guò)寬，即變化不銳，從而影響精度。由此看見，現(xiàn)有技術(shù)中的自動(dòng)阿貝折射儀的測(cè)量系統(tǒng)存在如下問(wèn)題1、 光路復(fù)雜，光學(xué)元件繁多，必然造成光路調(diào)試?yán)щy，用戶需要具備一 定的專業(yè)技術(shù)才能夠?qū)x器進(jìn)行操作。2、 繁多的光學(xué)元件導(dǎo)致儀器成本居高不下。3、 使用多個(gè)LED光源組來(lái)實(shí)現(xiàn)大量程的測(cè)量，使得系統(tǒng)變得更加復(fù)雜、 笨重，價(jià)格昂貴，不利于儀器小型化。4、 CCD陣列偏離透鏡后焦面，導(dǎo)致暗區(qū)到亮區(qū)的過(guò)渡過(guò)寬，即變化不銳， 從而影響精度。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)量光路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)阿貝折射儀 對(duì)各種物質(zhì)折射率進(jìn)行測(cè)量的目的，使自動(dòng)阿貝折射儀重量輕、體積小、生產(chǎn)裝配容易、制造成本低、測(cè)量范圍大、操作簡(jiǎn)單。這種自動(dòng)阿貝折射儀的光路設(shè)計(jì)，包括LED光源組2和高折射率折光棱鏡 5，沿著LED光源組2發(fā)出的光波的傳播方向，平面光波依次經(jīng)過(guò)聚光透鏡組 3、其中一個(gè)腰與聚光透鏡組3的主光軸相垂直于的梯形高折射率折光棱鏡5、 主光軸垂直于梯形高折射率折光棱鏡5另一腰的成像透鏡組6和位于成像透鏡 組6焦平面的線陣CCD接收面7。所述的聚光透鏡組3由兩個(gè)凸透鏡組成，聚光透鏡組3的焦距在30mm 50mm之間。所述的聚光透鏡組3的會(huì)聚角度在一30 30度之間。 所述的高折射率折光棱鏡5位于聚光透鏡3的焦平面上。 所述的高折射率折光棱鏡5的兩個(gè)底角在50 70度之間。 所述的高折射率折光棱鏡5的折射率在1.73 2.0之間。 所述的成像透鏡組6由四個(gè)凸透鏡組成，成像透鏡組6的焦距在30mm 50mm之間。所述的LED光源2由主波長(zhǎng)為589.3±7nm的黃色LED發(fā)光二級(jí)管組成。 所述的器件封裝在光路座4中，作為一個(gè)光路模塊裝于主機(jī)1內(nèi)部。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯而易見的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)1、 測(cè)量光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作，成本低，對(duì)LED光源的發(fā)光均勻沒有 要求，減少了使光波均勻化的磨砂玻璃。2、 聚光透鏡3的使用確保了只需一個(gè)LED光源組就可以從實(shí)現(xiàn)光波從多 角度入射到高折射率折光棱鏡上，從而實(shí)現(xiàn)大量程1. 3000 — 1. 7000范圍內(nèi)物質(zhì) 折射率的測(cè)量。
3、 采用單色LED光源克服了用白光源帶來(lái)的色散的影響，無(wú)需消色散光路。4、 采用成像透鏡和線陣CCD對(duì)通過(guò)高折射率折光棱鏡的光波進(jìn)行探測(cè)， 大大提高了儀器探測(cè)的精度。5、 整套光路封裝與光路座內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了光路模塊化，有助于儀器的小型化， 提高儀器的穩(wěn)定性。


附圖1是本發(fā)明的光路設(shè)計(jì)構(gòu)成裝配圖。圖中1、主機(jī)2、 LED光源組3、聚光透鏡組4、光路座 5、高折射率折光棱鏡6、成像透鏡組7、線陣CCD接收面 具體的實(shí)施方式如圖1所示，選用主波長(zhǎng)為589.3士7nrn的超亮黃色LED發(fā)光管組成穩(wěn)定 的發(fā)光源，接通電源，發(fā)光二極管發(fā)出的發(fā)散單色光通過(guò)焦距為36.9mm的聚光 透鏡組形成匯聚光斑，該聚光透鏡組由兩個(gè)緊貼在一起的焦距分別為31.9mm和 26.5mm的凸透鏡組成，該聚光透鏡組在高折射率折光棱鏡和被測(cè)樣品的接觸面 上產(chǎn)生會(huì)聚角度為士25度的會(huì)聚光，該會(huì)聚角度剛好能夠滿足測(cè)量要求，通過(guò) 被測(cè)樣品的光波從不同方向進(jìn)入高折射率折光棱鏡，為了保證光波能夠在被測(cè) 樣品與高折射率折光棱鏡相接的界面處發(fā)生全反射，選用底角為60度折射率為 1.77236的高折射率折光棱鏡，經(jīng)高折射率折光棱鏡反射出去的光波經(jīng)過(guò)主光軸 與梯形高折射率折光棱鏡的一腰垂直的成像透鏡組成像在線性CCD接收面上。 所述成像透鏡組由四個(gè)緊貼在一起的凸透鏡組成，其焦距為36.9mm。放置在被 測(cè)樣品的一側(cè)，使得只有在被測(cè)樣品與高折射率折光棱鏡5相接的界面處發(fā)生 全反射的光線才能通過(guò)成像透鏡組6成像在線陣CCD接收面7上，根據(jù)式2可 知，只要己知棱鏡的折光率w,，通過(guò)測(cè)定待測(cè)樣品的臨界角^c就能求得待測(cè)樣品的折射率 ，將上述器件封裝在光路座4中形成一個(gè)模塊化光路，從而且確 保儀器可以長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的工作。
權(quán)利要求
1、 一種自動(dòng)阿貝折射儀的光路設(shè)計(jì)，包括LED光源組(2)和高折射率折光棱鏡(5)，其特征在于沿著LED光源組(2)發(fā)出的光波的傳播方向，平面光波依次經(jīng)過(guò)聚光透鏡組(3)、其中一個(gè)腰與聚光透鏡組(3)的主光軸相垂直于的梯形高折射率折光棱鏡(5)、主光軸垂直于梯形高折射率折光棱鏡(5)另一腰的成像透鏡組(6)和位于成像透鏡組(6)焦平面的線陣CCD接收面(7)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自動(dòng)阿貝折射儀的光路設(shè)計(jì)，其特征在于所 述的聚光透鏡組(3)由兩個(gè)凸透鏡組成，聚光透鏡組(3)的焦距在30mm 50mm 之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自動(dòng)阿貝折射儀的光路設(shè)計(jì)，其特征在于所 述的聚光透鏡組(3)的會(huì)聚角度在一30 30度之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)阿貝折射儀的光路設(shè)計(jì)， 述的高折射率折光棱鏡(5)位于聚光透鏡(3)的焦平面上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)阿貝折射儀的光路設(shè)計(jì)， 述的高折射率折光棱鏡(5)的兩個(gè)底角在50 70度之間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)阿貝折射儀的光路設(shè)計(jì)， 述的高折射率折光棱鏡(5)的折射率在1.73 2.0之間。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)阿貝折射儀的光路設(shè)計(jì)， 述的成像透鏡組(6)由四個(gè)凸透鏡組成，成像透鏡組(6)的焦距在30mm 50mm之間。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自動(dòng)阿貝折射儀的光路設(shè)計(jì)，其特征在于所其特征在于所其特征在于所其特征在于所其特征在于所述的LED光源(2)由主波長(zhǎng)為589.3士7nm的黃色LED發(fā)光二級(jí)管組成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自動(dòng)阿貝折射儀的光路設(shè)計(jì)，其特征在于所 述的器件封裝在光路座(4)中，作為一個(gè)光路模塊裝于主機(jī)(1)內(nèi)部。
全文摘要
本發(fā)明提供一種自動(dòng)阿貝折射儀的光路設(shè)計(jì)，包括LED光源組和高折射率折光棱鏡，沿著LED光源組發(fā)出的光波的傳播方向，平面光波依次經(jīng)過(guò)聚光透鏡組、其中一個(gè)腰與聚光透鏡組的主光軸相垂直于的梯形高折射率折光棱鏡、主光軸垂直于梯形高折射率折光棱鏡另一腰的成像透鏡組和位于成像透鏡組焦平面的線陣CCD接收面，整個(gè)光路通過(guò)光路座形成一個(gè)光路模塊，裝于主機(jī)內(nèi)部。本發(fā)明利用比以往更簡(jiǎn)單的光路，設(shè)計(jì)出了重量輕、體積小、精度高和制造成本低的自動(dòng)阿貝折射儀。
文檔編號(hào)G02B27/00GK101221284SQ20081003309
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者孫流星 申請(qǐng)人:上海精密科學(xué)儀器有限公司