專利名稱：一種阿貝折射儀及光路實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學測量儀器領(lǐng)域，特別涉及一種阿貝折射儀及光路實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
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。因此通過折射率的測定，可以測定物質(zhì)的純度。阿貝折射儀(也稱阿貝折光儀)是根據(jù)光的全反射原理設計的儀器，它利用全反身臨界角的測定方法測定未知物質(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)、日用化學工業(yè)，制糖工業(yè)和地質(zhì)勘察等有關(guān)工廠，學校及研發(fā)單位不可缺少的常用設備之一 。
其工作原理如下 當一束單色光從介質(zhì)1進入密度不同的介質(zhì)2時，光線在通過界面時改變了方向，這一現(xiàn)象稱為光的折射，光的折射現(xiàn)象遵從折射定律<formula>formula see original document page 3</formula>(1) 式中a為入射角，13為折射角&、化為交界面兩側(cè)兩種介質(zhì)的折射率。當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(ni < n2)，入射角一定大于折射角(a >13)。當入射角增大時，折射角也增大，設當入射角3 = 90°時，折射角為！3。，我們將此折射角稱為臨界角。因此，當在兩種介質(zhì)的界面上以不同角度射入光線時(入射角a從0。 90° )，光線經(jīng)過折射率大的介質(zhì)后，其折射角13《P。，其結(jié)果是大于臨界角P。的部分無光線通過，成為暗區(qū)；小于臨界角的部分有光線通過，成為亮區(qū)。臨界角成為明暗分界線的位置，根據(jù)(1)式可得 <formula>formula see original document page 3</formula> ② 因此，在固定一種介質(zhì)時，臨界折射角13 。的大小與被測物質(zhì)的折射率是簡單的函數(shù)關(guān)系，阿貝折射儀就是根據(jù)這個原理而設計的。 現(xiàn)有的多光源折射率測量系統(tǒng)，通過選擇多個光源中的一個合適的光源使臨界角對應的分界線移至可測范圍，從而起到擴大量程的作用；CCD陣列裝在距透鏡距離為L處，L不等于透鏡焦距，即CCD陣列位于偏離透鏡后焦面處，此時光源的線寬將使得一個角度對應于一點變成了對應于一個光斑，造成了暗區(qū)到亮區(qū)的過渡過寬，即變化不銳，從而影響精度。現(xiàn)有的技術(shù)都采用透鏡成像在CCD陣列上，由于透鏡總是存在像差，影響自動阿貝折射儀的準確度。 可見，現(xiàn)有技術(shù)中的自動阿貝折射儀的測量系統(tǒng)存在如下問題 1.光路復雜，光學元件繁多，必然造成光路調(diào)試困難，用戶需要具備一定的專業(yè)技
術(shù)才能夠?qū)x器進行操作。 2.聚光透鏡和棱鏡分離，使儀器的體積增大。
3.繁多的光學元件導致儀器成本居高不下。 4.使用多個LED光源組來實現(xiàn)大量程的測量，使得系統(tǒng)變得更加復雜、笨重，價格 昂貴，不利于儀器小型化。 5. CCD陣列偏離透鏡后焦面，導致暗區(qū)到亮區(qū)的過渡過寬，即變化不銳，從而影響 精度。 6.由于現(xiàn)有的自動阿貝折射儀都采用透鏡成像，而透鏡總是存在像差，制約了現(xiàn) 有自動阿貝折射儀的精度進一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種相對簡單的阿貝折射儀的測量光路結(jié)構(gòu)以及光路實現(xiàn) 方法，實現(xiàn)高精度自動阿貝折射儀對各種物質(zhì)折射率進行測量。 —種阿貝折射儀的光路實現(xiàn)方法，其特征在于，LED光源組發(fā)出的光線穿過光路座 內(nèi)的一圓孔后入射至一聚折光組件的平凸聚光透鏡入射面，經(jīng)所述聚折光組件的樣品測量 面折射，從所述聚折光組件棱鏡腰面出射面被線陣CCD接收面接收。 —種阿貝折射儀，包括LED光源組、線陣CCD接收面和光路座，其特征在于，還包括
一聚折光組件，該聚折光組件具有樣品測量面、入射面和出射面，所述的聚折光組件的入射
面垂直于置于所述光路座內(nèi)部的圓孔軸線，該圓孔軸線同時垂直于所述的LED光源組的發(fā)
光面，所述的聚折光組件的出射面平行于所述線陣CCD接收面，所述的聚折光組件的入射
面為平凸聚光透鏡入射面，所述的聚折光組件的出射面為棱鏡的一個腰面。 所述圓孔的孔徑小于1毫米，所述的聚折光組件由一平凸聚光透鏡膠合于一折光
棱鏡的入射腰面的中心處組成，所述平凸聚光透鏡和所述折光棱鏡的折射率相同，該折射
率在1. 73 2. 0之間，所述平凸聚光透鏡的焦距在8毫米 10毫米之間，通光孔徑7. 5毫
米 毫米之間，會聚角度在-30度 +30度之間，所述折光棱鏡的兩個底角在50度 70度
之間，所述的線陣CCD接收面與所述折光棱鏡的出射腰面的距離在31毫米 35毫米之間。 所述的LED光源組、線陣CCD接收面和聚折光組件封裝于光路座中。 所述的線陣CCD接收面像素在7000個 8000個之間。 所述的LED光源組由單色LED發(fā)光二級管組成。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的阿貝折射儀的測量光路結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，成本低， 對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。高折射率聚光和折光 棱鏡的使用確保了只需一個LED光源組就可以從實現(xiàn)光波從多角度入射到高折射率折光 棱鏡上，從而實現(xiàn)大量程1. 3000-1. 7000范圍內(nèi)物質(zhì)折射率的測量。采用單色LED光源克 服了用白光源帶來的色散的影響，無需消色散光路。采用聚光透鏡和棱鏡膠合在一起進一 步減少儀器大小。消除成像透鏡，和采用線陣CCD對通過高折射率折光棱鏡的光波進行探 測，大大提高了儀器探測的精度。整套光路封裝與光路座內(nèi)，實現(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。使得自動阿貝折射儀重量輕、體積小、生產(chǎn)裝配容易、制造 成本低、測量范圍大、操作簡單，比現(xiàn)有的自動阿貝折射儀的精度提高一個數(shù)量級。


圖1是本發(fā)明一實施例中的光路結(jié)構(gòu)圖的剖面圖
其中 r 2. 3. 4. 5. 6.
主機
LED光源組 圓孔
-光路座
-聚折光組件
-線陣CCD接收面
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對于本發(fā)明具體實施方式
作進一步說明。 如圖1所示，本發(fā)明提供的阿貝折射儀的光路結(jié)構(gòu)，包括LED光源組2 、線陣CCD接 收面6和光路座4，其特征在于，還包括一聚折光組件5，該聚折光組件5具有樣品測量面、 入射面和出射面，所述的聚折光組件的入射面垂直于置于所述光路座內(nèi)部的圓孔軸線，該 圓孔軸線同時垂直于所述的LED光源組的發(fā)光面，所述的聚折光組件的出射面平行于所述 線陣CCD接收面，所述的聚折光組件的入射面為平凸聚光透鏡入射面，所述的聚折光組件 的出射面為棱鏡的一個腰面。 所述圓孔3的孔徑小于1毫米，所述的聚折光組件5由一平凸聚光透鏡膠合于一 折光棱鏡的入射腰面的中心處組成，所述平凸聚光透鏡和所述折光棱鏡的折射率相同，該 折射率在1. 73 2. 0之間，所述平凸聚光透鏡的焦距在8毫米 10毫米之間，通光孔徑 7. 5毫米 毫米之間，會聚角度在-30度 +30度之間，所述折光棱鏡的兩個底角在50度 70度之間，所述的線陣CCD接收面6與所述折光棱鏡的出射腰面的距離在31毫米 35毫 米之間。 所述的LED光源組2、線陣CCD接收面6和聚折光組件5封裝于光路座4中。光路 座4裝于主機1內(nèi)。 所述的線陣CCD接收面6像素在7000個 8000個之間。
所述的LED光源2組由單色LED發(fā)光二級管組成。 LED光源組發(fā)出的光線穿過光路座內(nèi)的一圓孔后入射至一聚折光組件的平凸聚光 透鏡入射面，經(jīng)所述聚折光組件的樣品測量面折射，從所述聚折光組件棱鏡腰面出射面被 線陣CCD接收面接收。 現(xiàn)給出本發(fā)明的一個實施例。nm為納米單位，mm為毫米單位。
選用主波長為589.3士7nm的大功率黃色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)出的小角度發(fā)散單色光通過孔徑為0. 5mm小圓孔，模擬成為點光源。從圓 孔3發(fā)出的光，經(jīng)過高折射率聚光和折光棱鏡的小平凸聚光透鏡形成匯聚光斑，該小平凸 聚光透鏡的焦距分別為9. 06mm，通光孔徑為8mm，折射率為1. 77236，膠合在高折射率折光 棱鏡一腰的中心處，該小平凸聚光透鏡在高折射率折光棱鏡和被測樣品的接觸面上產(chǎn)生會 聚角度為±15度的會聚光，該會聚角度剛好能夠滿足測量要求，通過被測樣品的光波從不 同方向進入高折射率折光棱鏡，為了保證光波能夠在被測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直接照射在線性CCD接收面6上。所述高折射率折光棱鏡和小平凸聚光透鏡膠合在一起形成緊湊的高折射率聚光和折光棱鏡組。使得只有在被測樣品與高 折射率聚折光棱鏡組件5相接的界面處發(fā)生全反射的光線才能直接照射在線陣CCD接收面 6上，根據(jù)式(2)可知，只要已知棱鏡的折光率r^通過測定待測樣品的臨界角P。就能求得 待測樣品的折射率rid，將上述器件封裝在光路座4中形成一個模塊化光路結(jié)構(gòu)，從而且確保 儀器可以長期穩(wěn)定可靠的工作。
權(quán)利要求
一種阿貝折射儀的光路實現(xiàn)方法，其特征在于，LED光源組發(fā)出的光線穿過光路座內(nèi)的一圓孔后入射至一聚折光組件的平凸聚光透鏡入射面，經(jīng)所述聚折光組件的樣品測量面折射，從所述聚折光組件棱鏡腰面出射面被線陣CCD接收面接收。
2. —種阿貝折射儀，包括LED光源組、線陣CCD接收面和光路座，其特征在于，還包括一 聚折光組件，該聚折光組件具有樣品測量面、入射面和出射面，所述的聚折光組件的入射面 垂直于置于所述光路座內(nèi)部的圓孔軸線，該圓孔軸線同時垂直于所述的LED光源組的發(fā)光 面，所述的聚折光組件的出射面平行于所述線陣CCD接收面，所述的聚折光組件的入射面 為平凸聚光透鏡入射面，所述的聚折光組件的出射面為棱鏡的一個腰面。
3. 如權(quán)利要求2所述的阿貝折射儀，其特征在于，所述圓孔的孔徑小于1毫米，所述的 聚折光組件由一平凸聚光透鏡膠合于一折光棱鏡的入射腰面的中心處組成，所述平凸聚光 透鏡和所述折光棱鏡的折射率相同，該折射率在1. 73 2. 0之間，所述平凸聚光透鏡的焦 距在8毫米 10毫米之間，通光孔徑7. 5毫米 毫米之間，會聚角度在-30度 +30度之 間，所述折光棱鏡的兩個底角在50度 70度之間，所述的線陣CCD接收面與所述折光棱鏡 的出射腰面的距離在31毫米 35毫米之間。
4. 如權(quán)利要求2所述的阿貝折射儀，其特征在于，所述的LED光源組、線陣CCD接收面 和聚折光組件封裝于光路座中。
5. 如權(quán)利要求2所述的阿貝折射儀的光路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的線陣CCD接收面像 素在7000個 8000個之間。
6. 如權(quán)利要求2所述的阿貝折射儀，其特征在于，所述的LED光源組由單色LED發(fā)光二 級管組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種阿貝折射儀，包括LED光源組、線陣CCD接收面和光路座，其特征在于，還包括一聚折光組件，該聚折光組件具有樣品測量面、入射面和出射面，所述的聚折光組件的入射面垂直于置于所述光路座內(nèi)部的圓孔軸線，該圓孔軸線同時垂直于所述的LED光源組的發(fā)光面，所述的聚折光組件的出射面平行于所述線陣CCD接收面，所述的聚折光組件的入射面為平凸聚光透鏡入射面，所述的聚折光組件的出射面為棱鏡的一個腰面。本發(fā)明使得自動阿貝折射儀重量輕、體積小、生產(chǎn)裝配容易、制造成本低、測量范圍大、操作簡單，比現(xiàn)有的自動阿貝折射儀的精度提高一個數(shù)量級。
文檔編號G01N21/01GK101726469SQ20091019851
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者孫流星 申請人:上海精密科學儀器有限公司