基于干涉條紋圖處理測(cè)量透明介質(zhì)折射率分布的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于物質(zhì)折射率測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于干設(shè)條紋圖處理來(lái)測(cè)量 透明介質(zhì)折射率分布的方法，W及提供實(shí)現(xiàn)該測(cè)量方法的測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 折射率作為表征物質(zhì)性質(zhì)的基本物理量，它反映了物質(zhì)內(nèi)部的許多信息，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，折射率的精確測(cè)量在工 業(yè)應(yīng)用上有重要的意義。
[0003] 物質(zhì)折射率的測(cè)量方法有很多種，自動(dòng)化并且高精度地測(cè)出物質(zhì)折射率一直是研 究者追求的目標(biāo)。在各種測(cè)量物質(zhì)折射率的方法中，通常使用的方法有最小偏轉(zhuǎn)角法、全反 射臨界角法、菲涅耳衍射法等。近年來(lái)還出現(xiàn)了一些新的測(cè)量方法，如液巧變焦柱透鏡法、 基于長(zhǎng)周期光柵的光纖傳感法等。但該些方法或多或少存在一定局限性，最小偏轉(zhuǎn)角法在 測(cè)量偏轉(zhuǎn)角度時(shí)易產(chǎn)生較大誤差；全反射臨界角法在測(cè)量液體時(shí)需要知道所用棱鏡的精確 折射率；菲涅耳衍射法雖然實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，但計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，不利于自動(dòng)化；所述液巧變焦柱透 鏡法需要標(biāo)準(zhǔn)液來(lái)標(biāo)定系統(tǒng)參數(shù)，而液體的腐蝕性限制了光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用。然而，上述 方法均不能很好的、實(shí)時(shí)的測(cè)量介質(zhì)折射率的分布。
[0004] 《中國(guó)激光》公開(kāi)了 "基于分光棱鏡干設(shè)法測(cè)量透明液體折射率"（見(jiàn)《中國(guó)激光》 第40卷5期，2013年5月，羅文全等），該文中的實(shí)驗(yàn)裝置和方法是基于CCD采集干設(shè)條紋 圖進(jìn)行圖像處理得到移動(dòng)條紋數(shù)，其在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中必需采集幾百幅圖像才能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，滿 足一定的精度要求。然而測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理繁瑣，且只能處理較低頻率的干設(shè)條紋 信號(hào)。而后《Optics Communications》公開(kāi)了 "A single-element interferometer for measuring refractive index of transparent liquids^ (見(jiàn)《Optics Communications》 332(2014) 14 - 17, Tao化ang等），該文獻(xiàn)對(duì)上述方法進(jìn)行了完善和改進(jìn)，得到了較高精度 的測(cè)量結(jié)果，但此方法只能對(duì)折射率分布均勻的透明介質(zhì)進(jìn)行其折射率的測(cè)量，無(wú)法測(cè)量 非均勻透明介質(zhì)的折射率分布。如果能夠提供一種既能測(cè)量均勻透明介質(zhì)的折射率，又能 測(cè)量非均勻透明介質(zhì)的折射率分布的測(cè)量方法，該正是本發(fā)明的任務(wù)所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷和不足，提供一種基于干設(shè)條紋 圖的處理來(lái)測(cè)量透明介質(zhì)折射率分布的方法；該方法是利用立體分光棱鏡分光面干設(shè)所產(chǎn) 生干設(shè)條紋圖，再通過(guò)計(jì)算改變輸入光透過(guò)待測(cè)樣品與參考介質(zhì)的光程差所產(chǎn)生的干設(shè) 條紋移動(dòng)數(shù)來(lái)進(jìn)行待測(cè)透明介質(zhì)的折射率分布的測(cè)量；W及提供一種實(shí)現(xiàn)該測(cè)量方法的測(cè) 量裝置。本發(fā)明的測(cè)量方法不僅可W對(duì)均勻透明介質(zhì)折射率進(jìn)行更高精度測(cè)量，而且還能 實(shí)現(xiàn)對(duì)非均勻的透明介質(zhì)折射率分布進(jìn)行測(cè)量。所述對(duì)透明介質(zhì)折射率分布的測(cè)量方法及 其測(cè)量裝置在保證測(cè)量精度和穩(wěn)定性的前提下，還具有減少測(cè)量次數(shù)，縮短測(cè)量時(shí)間，W及 簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理的優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明提供的一種基于干設(shè)條紋圖處理測(cè)量透明介質(zhì)折射率分布的方法，包括W 下具體步驟：
[0007] (1)產(chǎn)生并接收待測(cè)樣品處于第一位置時(shí)的干設(shè)條紋圖
[000引選取適合于測(cè)試光的波長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)的立體分光棱鏡，調(diào)整立體分光棱鏡位置，使所 產(chǎn)生的干設(shè)條紋間距滿足相位提取算法需要；將試樣臺(tái)靜置在平行激光束垂直入射到待 測(cè)樣品所處的第一位置并放置待測(cè)樣品和參考介質(zhì)，使待測(cè)樣品與測(cè)試光光束傳播方向垂 直；然后將光學(xué)匹配系統(tǒng)輸出的平行激光束垂直入射到試樣臺(tái)或其上比色皿中的待測(cè)樣品 和參考介質(zhì)，透過(guò)待測(cè)樣品的激光束形成信號(hào)光束、透過(guò)參考介質(zhì)的激光束形成參考光束， 所述信號(hào)光束和參考光束經(jīng)立體分光棱鏡發(fā)生干設(shè)形成干設(shè)光束，干設(shè)光束經(jīng)CCD探測(cè)器 采集記錄為干設(shè)條紋圖一，若干設(shè)條紋圖一已經(jīng)攜帶有待測(cè)樣品全部信息則直接進(jìn)行第 (2)步；反之，則將試樣臺(tái)在垂直光路的平面進(jìn)行上下移動(dòng)，CCD探測(cè)器繼續(xù)采集記錄此時(shí) 干設(shè)條紋圖，直到待測(cè)樣品全部的信息被采集完全，對(duì)所有采集的干設(shè)條紋圖進(jìn)行拼接，得 到一幅攜帶有待測(cè)樣品全部信息的干設(shè)條紋圖一，并存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中；
[0009] (2)產(chǎn)生并接收待測(cè)樣品處于第二位置時(shí)的干設(shè)條紋圖
[0010] 將試樣臺(tái)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)0角度之后靜置在平行激光束W 0角度入射到待 測(cè)樣品所處的第二位置，當(dāng)光學(xué)匹配系統(tǒng)輸出的平行激光束W 0角入射到試樣臺(tái)或其上 比色皿中的待測(cè)樣品和參考介質(zhì)，透過(guò)待測(cè)樣品和參考介質(zhì)的激光束形成的信號(hào)光束和參 考光束經(jīng)立體分光棱鏡發(fā)生干設(shè)形成干設(shè)光束，此過(guò)程中，通過(guò)光電探測(cè)計(jì)數(shù)器記錄干設(shè) 光束形成的干設(shè)條紋移動(dòng)的整數(shù)部分的數(shù)量N'，同時(shí)干設(shè)光束經(jīng)CCD探測(cè)器采集記錄為干 設(shè)條紋圖二；若干設(shè)條紋圖二已經(jīng)攜帶有待測(cè)樣品全部信息則直接進(jìn)行第（3)步；反之，貝U 將試樣臺(tái)在垂直光路的平面進(jìn)行上下移動(dòng)，CCD探測(cè)器繼續(xù)采集記錄此時(shí)干設(shè)條紋圖，直到 待測(cè)樣品全部的信息被采集完全，對(duì)所有采集的干設(shè)條紋圖進(jìn)行拼接，得到一幅攜帶有待 測(cè)樣品全部信息的干設(shè)條紋圖二，并存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中；
[0011] (3)計(jì)算干設(shè)條紋移動(dòng)的小數(shù)部分
[0012] 對(duì)上述獲得的干設(shè)條紋圖一和干設(shè)條紋圖二分別進(jìn)行去噪、相位提取和解包裹處 理；分別得到干設(shè)條紋圖一和干設(shè)條紋圖二的連續(xù)二維相位分布，兩者相減得到干設(shè)條紋 圖一和干設(shè)條紋圖二之間的相位差A(yù) Mx，y)，再根據(jù)公式非v，.v) = (1)，計(jì)算試 樣臺(tái)移動(dòng)過(guò)程引起的干設(shè)條紋移動(dòng)的小數(shù)部分e (x，y)，其中（x，y)表示像素點(diǎn)的坐標(biāo)；
[0013] (4)計(jì)算待測(cè)樣品的折射率分布
[0014] 當(dāng)待測(cè)樣品與垂直入射光束的入射角由0°變到0角度時(shí)，兩光束的光程差會(huì)發(fā) 生變化，對(duì)應(yīng)的干設(shè)條紋移動(dòng)數(shù)N可由如下公式（2)計(jì)算得到， 王
[00巧]?=(///1)*[(打2sin; 0);-打日 *cos0-n + n。] (2)
[0016] 對(duì)應(yīng)到每個(gè)像素點(diǎn)則有：
[0017] 八v'）= (//義）*[("(.、-，.'v')2-打02加2 0戶*cos0 - "(.、-，.'r) +灼0] (3)
[0018] 其中N(x，y) = N'（X，y)+ e (X，y)為干設(shè)條紋移動(dòng)數(shù)，1為待測(cè)樣品的厚度；n。為 參考介質(zhì)的折射率；A為光學(xué)匹配系統(tǒng)輸出的激光束的波長(zhǎng)；n(x，y)為該像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的樣 品點(diǎn)折射率，將公式（3)變形得到待測(cè)樣品平面各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)處折射率n(x，y):
[0019] "如:) = (緝wUW+2(l-cos0)(",;-",^r，.v)A//) …。 -C〇s0)-A'(.、...v^//]
[0020] 上述方案中，所述待測(cè)樣品為均勻透明介質(zhì)，或非均勻透明介質(zhì)；所述透明介質(zhì)為 液體、氣體或固體；所述參考介質(zhì)可W為空氣或任意均勻透明介質(zhì)。
[0021] 上述方案中，所述待測(cè)樣品為液體或氣體時(shí)，將其裝入具有兩個(gè)平行面的比色皿 中再置于試樣臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量；當(dāng)待測(cè)樣品為固體時(shí)，所述固體樣品應(yīng)具有兩個(gè)相互平行的 面，可直接放在試樣臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量。
[0022] 上述方案中，所述將試樣臺(tái)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)0角度的范圍在0-30°之間。
[0023] 上述方案中，所述光學(xué)匹配系統(tǒng)輸出的平行激光束選自單色光源，或光譜可調(diào)控 光源；其波長(zhǎng)范圍可從紫外、可見(jiàn)、近紅外、中紅外、到遠(yuǎn)紅外。
[0024] 上述方案中，所述立體分光棱鏡選擇所用波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的立體分光棱鏡，其分光面鍛 有寬帶消偏振分光膜。
[0025] 本發(fā)明一種實(shí)現(xiàn)基于干設(shè)條紋圖處理測(cè)量透明介質(zhì)折射率分布的測(cè)量裝置，包括 光學(xué)匹配系統(tǒng)、比色皿、試樣臺(tái)、立體分光棱鏡、平面分束鏡、透鏡、光電探測(cè)計(jì)數(shù)器、CCD探 測(cè)器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、待測(cè)樣品；還包括溫度控制器和試樣臺(tái)中的升降臺(tái)；所述試樣臺(tái)、立體 分光棱鏡、平面分束鏡依