雷射照明玻璃微珠折射率測量的裝置的製作方法

2023-09-18 15:46:55

專利名稱：雷射照明玻璃微珠折射率測量的裝置的製作方法
專利說明
一、技術領域本實用新型是涉及光學材料參數測量的裝置，特別是涉及雷射照明玻璃微珠折射率測量的裝置。
二背景技術：
眾所周知，直徑在微米至毫米量級之間的玻璃微珠已在交通標誌、反光膜及配合目標等方面得到了廣泛的應用，如高速公路上的標誌牌，汽車牌照等，它們主要是利用了玻璃微珠的溯源(回光)反射性質。研究表明，玻璃微珠的折射率對其溯源反射性能具有決定性的影響，而且只有折射率符合一定要求的玻璃微珠才具有十分理想的溯源反射性能。因此，如何準確、安全和快速簡便地實現玻璃微珠折射率的測量，一直是玻璃微珠製造和應用商家迫切需要解決的實際問題，而能夠實現玻璃微珠折射率直接測量的方法和裝置，也是目前該領域的同行們正在研究的課題。
最近有文獻報導了可採用一次和二次彩虹法來測量玻璃微珠折射率的方法和裝置(2001年《光子學報》，Vol.30，No.6)，在該裝置中採用了雷射作為照明光源，雷射器發出的光經一正透鏡聚焦於待測玻璃微珠，利用其彩虹現象實現玻璃微珠折射率的測定。該裝置的主要特徵是利用會聚雷射直接照明玻璃微珠球的半部分，並調整微珠球的位置使二次彩虹現象最明顯再進行測試；在測試低折射率玻璃微珠的折射率時，需利用兩蓋玻片將玻璃微珠夾持住再進行測試。該測量裝置存在的缺陷是(1)由於待測玻璃微珠的直徑通常為50微米左右的圓球，當要求僅照明其半部分時，只有焦距比較短的透鏡才能實現，然而這將破壞彩虹理論所要求的平行光入射條件，並直接導致測量誤差增大；(2)在對摺射率大於1.9以上的玻璃微珠的折射率進行測試時，理論指出其二次彩虹光強將分布在與出射光相同的方向，而出射光的零級分量將使玻璃微珠的彩虹光強分布淹沒於其中，從而難以識別彩虹分布的邊界；(3)利用兩蓋玻片將玻璃微珠進行夾持而防止其滑落則會對測量帶來不便，也將使測量誤差增加。
三
發明內容
本實用新型的目的正是針對以上所述現有技術中所存在的缺陷，而提供一種雷射照明實現玻璃微珠折射率測量的裝置。該裝置克服了現有裝置測量玻璃微珠折射率的缺陷，從而使測量更加容易、準確、簡便、安全可靠。
為實現本實用新型的目的，本實用新型提供的一種雷射照明玻璃微珠折射率測量的裝置，主要由He-Ne雷射器、正透鏡及接收屏等組成。所述正透鏡採用長焦距正透鏡，在He-Ne雷射器和長焦距正透鏡之間設置一光闌，在長焦距正透鏡後設置第一接收屏，第一接收屏後設置一載玻片，而待測玻璃微珠通過吸附的作用附著於該載玻片上，經長焦距正透鏡會聚後的細雷射束直接照明單個玻璃微珠整體，長焦距正透鏡和載玻片用五維可調節支架支撐，載玻片後設置第二接收屏，在第二接收屏之後再安裝一能量接收器。
本實用新型與現有技術相比具有以下特點1、本實用新型使用長焦距正透鏡使雷射會聚後直接照明單個玻璃微珠整體，而不是照明玻璃微珠的半部分，使測量在技術上更易實現。
2、本實用新型無需對玻璃微珠的位置作任何調整都將形成明顯的彩虹現象，形成的明亮圓環將關於入射光束對稱，這樣更符合彩虹理論所要求的條件並使測量結果更加準確、簡便。
3、本實用新型採用對位於被測玻璃微珠後方的接收屏在其中心位置開孔讓零級譜通過的方式，大大增強了玻璃微珠彩虹現象形成的亮圓環的對比度，從而使測量更加容易、準確。
4、本實用新型接收屏均帶有一環形測量標尺，使彩虹亮環半徑的測量更方便。
四

附圖為本實用新型雷射照明玻璃微珠折射率測量的裝置結構及其光路示意圖。
五具體實施方式
以下結合附圖通過對本實用新型的結構、測量原理、測量過程及實施例作進一步的說明。
附圖中，He-Ne雷射器1置於整個裝置的入射端，其後放置一光闌2，用於遮擋入射光束中的雜散光；在光闌2後設置一長焦距正透鏡3，其焦距約為300毫米，並採用一上下、左右、前後、俯仰、旋轉的五維可調節支架7對長焦距正透鏡3進行支撐；在長焦距正透鏡3之後設置一帶環形標尺的第一接收屏4，其中心位置開有一小孔9使雷射束通過；第一接收屏4後設置載玻片6，該載玻片也用一五維可調節支架7支撐，而待測玻璃微珠5則通過吸附的作用被附著於載玻片6上；從長焦距正透鏡出射後的會聚光束穿過接收屏4直接照明在單個玻璃微珠整體上；在載玻片6後再安裝一帶環形標尺的第二接收屏8，並在第二接收屏8的中心位置開有一小孔9，讓零級譜通過該孔的方式，大大增強了玻璃微珠彩虹現象形成的亮圓環的對比度，從小孔9透射的雷射束被在其後安裝的能量接收器10所吸收。
本裝置測量的基本原理是依據玻璃微珠在平行光照明下所產生的彩虹現象來進行測量。當平行入射的雷射束從空氣介質中投射在玻璃微珠上時，進入玻璃微珠的光束在從玻璃微珠內出射並進入空氣介質之前，可以經玻璃微珠與空氣介質之間的界面經一次反射後出射，也可以經玻璃微珠與空氣介質之間的界面經二次反射後再射出，甚至是經多次反射後再射入空氣介質中。理論和實驗對該出射光束的研究表明，出射光束將被限制在與入射光束方向對稱的且有一定大小的立體角以內，在該立體角以內因出射光束間的幹涉會出現一些較弱能量分布的環帶，而該立體角的邊沿則會形成一十分明顯的亮環，這就是所謂的彩虹現象，即出射的光線存在一個最小偏向角，該最小偏向角的大小與待測玻璃微珠的折射率成一一對應關係，即滿足下式 其中 為最小偏向角，k為入射光在玻璃微珠內的反射次數，n為待測玻璃微珠的折射率。
當入射光束經玻璃微珠與空氣介質之間的界面經一次反射後再出射時，所形成的彩虹現象被稱為一次彩虹，對於低折射率的玻璃微珠，可以在附圖中的第一接收屏4上觀察到該現象，測出亮環半徑d1和玻璃微珠到第一接收屏4的距離s1，由下式可以計算出一次彩虹的最小偏向角 將此結果代入公式(1)中，並取k＝1，就可以得到待測玻璃微珠的折射率n。
當入射光束經玻璃微珠與空氣介質之間的界面經兩次反射後再出射時，所形成的彩虹現象被稱為二次彩虹，對於高折射率的玻璃微珠可以在附圖中的第二接收屏8上觀察到該現象，測出亮環半徑d2和玻璃微珠到第二接收屏8的距離s2，由下式可以計算出待測玻璃微珠二次彩虹的最小偏向角 將此結果代入公式(1)中，並取k＝2，就可以得到待測玻璃微珠的折射率n。
當入射光束經玻璃微珠與空氣介質之間的界面經多次反射後再出射時還會形成高次彩虹，由於其光能相對較弱，在本研究中已經沒有再研究的必要。
利用本裝置測量玻璃微珠折射率的測量過程是由雷射器1發出的細雷射束被光闌2濾掉其雜散光後，投射在裝夾於一五維可調節支架7的長焦距正透鏡3上，通過五維可調節支架7的微調機構使長焦距正透鏡與入射光束共軸。從長焦距正透鏡出射後的會聚光束穿過帶環形標尺的第一接收屏4直接照明在處於其焦距位置附近的單個玻璃微珠整體上，其中被照明的玻璃微珠是經吸附作用而附著於載玻片6的表面，它無需採用兩塊蓋玻片來夾持即可進行測量，載玻片6用五維可調節支架支撐，便於獲得待測玻璃微珠被照明的最佳位置。當被長焦距正透鏡3會聚後的光束正好均勻對稱地照明在單個玻璃微珠整體上時，將觀察到十分明顯的由玻璃微珠產生的彩虹現象，即在第一接收屏4或第二接收屏8上出現一明顯的亮環，該亮環到底出現哪一個接收屏上要視待測玻璃微珠的折射率大小而定。第二接收屏8的中心位置的小孔能使透射光直接通過並被其後的能量接收器10所吸收，它們可以極大地提高彩虹亮環的對比度，從而提高測量的精度和使測量者更安全。第一接收屏4和第二接收屏8分別被裝配上精確標定的環形測量標尺，其目的是使測量過程更加簡捷、準確、方便，使測量者能由它直接讀出亮環的半徑d1或d2，其精度可以達到毫米量級。同時，在第一接收屏4和第二接收屏8之間也被安裝一長度測量標尺，可由該標尺直接讀出第一接收屏4或第二接收屏8到玻璃微珠的距離s1或s2。
權利要求1.一種雷射照明玻璃微珠折射率測量的裝置，主要由He-Ne雷射器(1)、正透鏡、接收屏等組成，其特徵在於所述正透鏡採用長焦距正透鏡(3)，在所述He-Ne雷射器(1)和長焦距正透鏡(3)之間設置一光闌(2)，在長焦距正透鏡(3)後設置第一接收屏(4)，第一接收屏後設置一載玻片(6)，待測玻璃微珠(5)通過吸附的作用附著於載玻片(6)上，長焦距正透鏡使雷射會聚後直接照明載玻片上的單個玻璃微珠整體，載玻片(6)後設置第二接收屏(8)，長焦距正透鏡(3)和載玻片(6)用五維可調節支架(7)支撐，第二接收屏(8)的後方安裝一能量接收器(10)。
2.根據權利要求1所述的雷射照明玻璃微珠折射率測量的裝置，其特徵在於第一接收屏(4)和第二接收屏(8)均為帶有一環形測量標尺的接收屏。
3.根據權利要求2所述的雷射照明玻璃微珠折射率測量的裝置，其特徵在於帶有環形測量標尺的第一接收屏(4)和第二接收屏(8)的中心位置都開有一小孔(9)。
4.根據權利要求1所述的雷射照明玻璃微珠折射率測量的裝置，其特徵在於第一接收屏(4)和第二接收屏(8)之間設置有長度測量標尺。
5.根據權利要求1所述的雷射照明玻璃微珠折射率測量的裝置，其特徵在於長焦距正透鏡(3)和載玻片(6)都採用可上下、左右、前後、俯仰、旋轉的五維可調節支架(7)支撐。
專利摘要本實用新型是一種雷射照明玻璃微珠折射率測量的裝置，它由He－Ne雷射器、光闌、長焦距正透鏡、帶有環形標尺及中心開有小孔的接收屏及待測玻璃微珠附著的載玻片組成。長焦距正透鏡和載玻片採用五維可調節支架支撐，以便於獲得玻璃微珠被照明的最佳位置。本裝置使用長焦距正透鏡使雷射會聚後直接照明單個玻璃微珠整體，使測量在技術上更易實現；並能大大增強玻璃微珠彩虹現象形成的亮圓環的對比度，使亮圓環直徑的測量更加容易、準確且安全。
文檔編號G01N21/41GK2581980SQ02244849
公開日2003年10月22日 申請日期2002年11月22日 優先權日2002年11月22日
發明者李大海, 羅賢禮, 陳禎培, 陳懷新 申請人:四川大學