基於非對稱液芯柱透鏡精確測量液體折射率及液相擴散係數的方法
2023-10-18 20:03:49
基於非對稱液芯柱透鏡精確測量液體折射率及液相擴散係數的方法
【專利摘要】基於非對稱液芯柱透鏡精確測量液體折射率及液相擴散係數的方法，屬於用單色光測量液體折射率及液相擴散係數的方法。本發明以兩個玻璃柱面體及充有液體介質的柱形腔構成的單色光消球差可變焦非對稱柱透鏡，應用單色平行光經充有不同折射率液體的柱透鏡後會聚焦線位置不同的原理，測量柱透鏡的焦距，計算液體折射率。當柱形腔內注入兩種不同折射率的液體時，利用柱透鏡沿軸向對注入液體折射率的一維空間分辨力，拍攝一幅擴散圖像，以公式計算擴散係數。本發明對液體折射率的測量靈敏度優於2×10-5，可測量折射率差值為0.001兩種液體間的擴散係數。
【專利說明】基於非對稱液芯柱透鏡精確測量液體折射率及液相擴散系
數的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於用單色光測量液體折射率及液相擴散係數的方法，特別是涉及單色光消球差可變焦非對稱光學柱透鏡。
【背景技術】
[0002]折射率是透明介質的重要光學參數，藉助折射率能了解物質的光學性能、純度、濃度以及色散等性質。液相擴散係數是研究傳質過程，計算傳質速率及化工設計與開發的重要基礎數據，已廣泛應用在生物、化工、醫學及環保等新興行業中。透鏡很早就為人類所認識和利用，隨著科學技術的不斷發展，更多種類的透鏡被應用在了更廣泛的領域。柱透鏡與球面透鏡的結合使用廣泛應用於雷射擴束、眼鏡光學、寬熒幕電影鏡頭等領域。但目前廠商生產的柱透鏡尤其是較大口徑的柱透鏡總存在較大的球差，並且對於選定的柱透鏡在無損的前提下是無法方便地改變其主焦距的。本發明提出之前，我們根據平行光經過裝有不同液體的毛細管後會聚焦點位置不同的物理現象，提出了用玻璃毛細管精確測量微量液體折射率的原理和方法(普小雲，白然，邢曼男等，中國發明專利ZL200710066016.2[P]；邢曼男，白然，普小雲，精確測量微量液體折射率的新方法[J]，「光學精密工程」，2008，16(7)，1196-1202)，通過該原理和方法可以測量裝有不同液體的毛細管焦點位置，並計算得到毛細管中待測液體的折射率；利用毛細管成像法對液體折射率的空間分辨能力，以毛細管作為擴散池，可直接觀察擴散介質在毛細管中的擴散現象(李強，李宇，孫麗存等，中國發明專利21^201110283339.3[?])，結合？10(第二定律計算出液相擴散係數。但是利用毛細管作為待測液體盛載裝置，其測量折射率的靈敏度有限，並因此限制了其液相擴散係數的測量應用範圍，只有當兩種液體折射率差值較大(例如丙三醇與水)時，才可清晰的觀察到介質的擴散現象。為提高折射率測量的靈敏度，我們再次設計了一種對稱的液芯變焦柱透鏡替代毛細管(李強，孫麗存，孟偉東等，用液芯變焦柱透鏡精確測量液體折射率[J], 「中國雷射」，2012，39 (10)，1008005-1~1008005-7)，但該柱透鏡的設計沒有考慮球差的存在對觀測過程造成的影響，並且對摺射率的測量靈敏度仍有待提高。
【發明內容】
[0003]為了進一步提高對液體折射率測量的靈敏度，拓寬液相擴散係數測量範圍及穩定性，本發明旨在於原有測量裝置(李強，李宇，孫麗存等，中國發明專利ZL201110283339.3[P])的基礎上，提出一種基於非對稱液芯柱透鏡精確測量液體折射率及液相擴散係數的方法。
[0004]本發明通過以下方式實現:
(一)非對稱液芯柱透鏡
該柱透鏡(6)由四個柱形光學曲面構成，柱透鏡(6)光學曲面的曲率半徑分別為TPi(i=l, 2, 3,4),前後壁的厚度分別為柱形腔的厚度為dv當柱形腔填充液體時,柱透鏡(6)第四個曲面到其焦線的距離S為:
【權利要求】
1.一種非對稱液芯柱透鏡，其特徵是該柱透鏡(6)由四個柱形光學曲面構成，柱透鏡(6)光學曲面的曲率半徑分別為TPi (/=1，2，3，4)，前後壁的厚度分別為4、<，柱形腔的厚度為式，當柱形腔填充液體時，柱透鏡(6)第四個曲面到其焦線的距離s為:
2.根據權利要求1所述的非對稱液芯柱透鏡，其特徵是所述的柱透鏡(6)光學曲面的曲率半徑分別為R1=^unm, R2=cIbwm, Rz=-1bmm, 7?4=_33.8〃--,前後壁的厚度分別為d^=Amm,d^Awrn,柱形腔的厚度為Ci2=Vhm,前後壁材料為K9玻璃，通光孔徑為J= 32.50.，當充入柱形腔的液體折射率/?為1.333時，成像系統的折射率變化0.001，焦線位置變化1.165瞧。
3.根據權利要求1或2所述的非對稱液芯柱透鏡，其特徵是當所述的柱形腔中充入純水時，柱透鏡(6)成像系統的球差小於20微米。
4.基於權利要求f3所述之一種非對稱液芯柱透鏡測量液體折射率的方法，其特徵是:向柱透鏡(6)柱形腔中充入單一待測液體，待測液體折射率為:
5.基於權利要求f3所述之一種非對稱液芯柱透鏡測量液相擴散係數的方法，包括: 兩種液體的液相擴散係數滿足式(3):
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵是在步驟(I)中用精確控制液體注射速率及平穩度的單通道注射泵分別向非對稱柱透鏡(6)注入兩種液體，且兩種液體注入時間靜置間隔10分鐘，兩種溶液擴散進行15~20分鐘後拍攝擴散圖像，以避免外力導致的兩種液體對流影響液相擴散係數測量精度。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其特徵是在步驟(I)中向非對稱柱透鏡(6)分別注入兩種液體，兩種液體體積比為1:1。
8.根據權利要求5或6所述的方法，其特徵是該方法用於測量折射率差值約0.001的兩種溶液的液相擴散係數。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵是該方法用於測量折射率差值約0.001的兩種溶液的液相擴散係數。
10.一種基於權利要求f 3所述的非對稱液芯柱透鏡之一種精確測量液體折射率及液相擴散係數的裝置，包括成像系統和觀測系統，其中， 成像系統以發光二極體(I)為光源，經物鏡(2)會聚後照射到作為點光源的孔徑光闌(3)，經準直透鏡(4)準直和狹縫(5)限寬，正入射到待測液體盛載部件(6)； 觀測系統以透鏡(8 )和COMS圖像傳感器(9 )構成電子目鏡(8，9 )，電子目鏡(8，9 )與物鏡(7)構成電子目鏡顯微鏡(10)，電子目鏡顯微鏡(10)與精度為0.001臟的電子位移平臺(11)呈移動副，COMS圖像傳感器(9)與計算機終端(12)連接； 其特徵是: 所述待測液體盛載部件(6)為非對稱液芯柱透鏡(6)； 所述成像系統的物鏡(2)為IOX平場消色差物鏡，孔徑光闌(3)直徑大小為60微米，準直透鏡(4)為焦距為400mm、直徑50.8 mm的雙凸透鏡，狹縫(5)的寬度可調，且狹縫5的縫寬即入射平行光的寬度Σ略小於柱透鏡6的內徑； 所述觀測系統的物鏡(7)為20X平場消色差物鏡，有效數值孔徑傾=0.4，透鏡(8)橫向放大率為1/3以縮小所得圖像，COMS圖像傳感器(9)以30倍的放大倍率對所得圖像進行放大，最高解析度為2048X1536。
【文檔編號】G01N21/41GK103472507SQ201310412166
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月11日 優先權日:2013年9月11日
【發明者】孫麗存, 普小雲, 孟偉東, 李強 申請人:雲南大學