一種高通量的折射率測量晶片、裝置以及方法與流程

2023-10-11 16:49:39

本發明屬於高通量折射率測量領域，更具體地，涉及一種高通量的折射率測量晶片、裝置以及方法。

背景技術：

折光計是測量物質折射率的裝置。傳統阿貝折光計和目前改進的大部分數字折光計一次測量都只能測量一種液體。如果需要準確測量多種物質的折射率，一般通過多次測量實現。多次測量的方式存在測量效率低的缺陷，還可能引入隨機測量誤差。

高通量測量是目前自動化儀器發展的一個趨勢。目前，還沒有多通道折射率測量裝置，因此，需要開發一種高通量或者大通量的折射率測量裝置和方法。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種高通量的折射率測量晶片、裝置以及方法，其目的在於，設計測量晶片和裝置，能在晶片中同時容置多種待測對象，以能同時測量多種對象的折射率，是一種高通量或者說是大通量的折射率測量方式，其測量效率高，測量結果一致性好，不易引入隨機誤差。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種高通量的折射率測量晶片，其包括晶片本體，該晶片本體的一個面為光學平面，該光學平面用於與外界的折射率測量設備相面接觸，在所述晶片本體上設置有至少兩個用於容置待測量液體的溝槽，所述溝槽的深度小於或者等於所述晶片本體的厚度，所述溝槽的兩端分別設置有液體輸入通道和液體輸出通道，所述溝槽具有敞口，該敞口位於光學平面上。

進一步的，多個所述溝槽相互平行，溝槽間通過側壁分隔開，相互獨立。兩個相互平行的溝槽能保證最終獲得的反應折射率的光斑整齊，方便後續的輸出處理和分析。

進一步的，所述溝槽的數量為兩個，所述溝槽的形狀為長方體或者半圓柱體狀。

按照本發明的第二個方面，還提供一種高通量的折射率測量裝置，其包括如上所述的折射率測量晶片。

進一步的，高通量的折射率測量裝置還包括光源、輸入耦合光學模塊、稜鏡、輸出耦合光學模塊、面陣器件以及圖像分析處理系統，其中，所述光源用於產生發散光束，所述輸入耦合光學模塊用於接受來自光源的光散光束並將其聚焦或發散，所述稜鏡設置在所述輸入耦合光學模塊的出射光方向上，所述折射率測量晶片的測量面與所述稜鏡的測量面相面重合，以保證待測液體的液面與稜鏡的測量面重合，進而使得測量光穿過稜鏡底面後待測液體液面發生折射和反射，所述輸出耦合光學模塊設置在所述稜鏡的出射光方向上，用於收集帶有待測對象折射率信息的反射光，所述陣列器件用於接受帶有待測對象折射率信息的反射光，並將其轉化為光電信號，所述圖像採集分析系統用於對所述光電信號進行處理和分析，以直接輸出待測對象的折射率數值。

進一步的，所述稜鏡為等腰稜鏡，該等腰稜鏡的一個等腰面為光線的入射面，另一個等腰面為光線的出射面，其底面為測量面。

進一步的，工作時，從輸入耦合光學模塊的出射光入射至稜鏡的入射面，發生第一次折射和反射，折射後光線透射進入稜鏡，在稜鏡的測量面和待測液體的界面處發生反射，反射光線從稜鏡的出射面射出，被輸出耦合光學模塊接受，由於折射率測量晶片同時具有多個容置待測液體的溝槽，不同溝槽容置不同的待測液體，對應會同時獲得相同數量的具有明顯界線的光斑，對光斑進行分析從而能同時獲得多種液體的折射率。

按照本發明的第三個方面，還提供一種高通量的折射率測量方法，其包括如下步驟：

s1：將稜鏡的測量面和折射率測量晶片的光學平面緊密貼合，

s2：通過折射率測量晶片的輸入通道向多個溝槽內輸入多種待測液體，直到待測液體的液面與折射率測量晶片的光學平面齊平，

s3：開啟裝置，進行測量，分析獲得的多個具有明暗界限的光斑，分析光斑以直接輸出待測液體的折射率。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

本發明通過巧妙設置測量晶片，測量晶片中設置有多個溝槽，以能同時測量多種待測液體的折射率，這種看似簡單的改進，具有非常顯著的效果，實現了高通量測量，對於自動化的高通量測量，意義重大。

在實際工程實踐中，通過改進算法，甚至可以實現同時測量三種、四種甚至更多種不同待測液體的測量，相應的，可以在現有基礎上，將折射率測量效率大幅度提高，並且同時測量以及進行數據處理，也能消除隨機誤差，進一步提高測量的精確性。

附圖說明

圖1是本發明實施例中折射率測量晶片的結構示意圖；

圖2是本發明實施例中折射率測量裝置的結構示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：

1-光源2-輸入耦合光學模塊3-稜鏡

4-折射率測量晶片5-輸出耦合光學模塊6-面陣器件

7-圖像採集分析系統

c1-第一溝槽c2-第二溝槽a1-輸入通道

a3-輸出通道a2-矩形狀溝槽腔室

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

圖1是本發明實施例中折射率測量晶片的結構示意圖，由圖可知，本發明的高通量的折射率測量晶片，其包括晶片本體，該晶片本體的一個面為光學平面，該光學平面平滑、潔淨。該光學平面用於與外界的折射率測量設備相面接觸。在所述晶片本體上設置有至少兩個用於容置待測量液體的溝槽，所述溝槽的深度小於或者等於所述晶片本體的厚度，所述溝槽的兩端分別設置有液體輸入通道和液體輸出通道，所述溝槽具有敞口，該敞口位於光學平面上。

當溝槽的深度小於所述晶片本體的厚度時，相當於在晶片上開設了盲孔狀的溝槽。當溝槽的深度等於所述晶片本體的厚度時，相當於是在晶片上開設了通孔狀的溝槽。

在本發明的一個實施例中，多個所述溝槽相互平行。所述溝槽的數量為兩個，優選為三個，所述溝槽的形狀為矩形體狀或者半圓柱體狀。半圓柱狀即為沿圓柱母線方向切除一部分後剩餘部分。

具體的，圖1中折射率測量晶片具有兩個相互平行的溝槽，分別是第一溝槽c1和第二溝槽c2，矩形狀的溝槽兩端分別設置了輸入通道a1和輸出通道a3，其中，第一溝槽c1和第二溝槽c2均為矩形狀溝槽，其溝槽腔室為矩形狀溝槽腔室a2。

圖2是本發明實施例中折射率測量裝置的結構示意圖，由圖可知，本發明的高通量的折射率測量裝置包括光源1、輸入耦合光學模塊2、稜鏡3、折射率測量晶片4，輸出耦合光學模塊5、面陣器件8以及圖像分析處理系統7。其中，所述光源1用於產生發散光束，所述輸入耦合光學模塊2用於接受來自光源1的光散光束並將其聚焦或發散，所述稜鏡3設置在所述輸入耦合光學模塊2的出射光方向上，所述折射率測量晶片4的測量面與所述稜鏡3的測量面相面重合，以保證待測液體的液面與稜鏡的測量面重合，進而使得測量光穿過稜鏡底面後待測液體液面發生折射和反射，所述輸出耦合光學模塊5設置在所述稜鏡3的出射光方向上，用於收集帶有待測對象折射率信息的反射光，所述陣列器件6用於接受帶有待測對象折射率信息的反射光，並將其轉化為光電信號，所述圖像採集分析系統7用於對所述光電信號進行處理和分析，以直接輸出待測對象的折射率數值。

在本發明的一個實施例中，所述稜鏡3為等腰稜鏡，該等腰稜鏡的一個等腰面為光線的入射面，另一個等腰面為光線的出射面，其底面為測量面。

工作時，從輸入耦合光學模塊的出射光入射至稜鏡的入射面，發生第一次折射和反射，折射後光線透射進入稜鏡，在稜鏡的測量面和待測液體的界面處發生反射，反射光線從稜鏡的出射面射出，被輸出耦合光學模塊接受，由於折射率測量晶片4同時具有多個容置待測液體的溝槽，不同溝槽容置不同的待測液體，對應會同時獲得相同數量的具有明顯界線的光斑，對光斑進行分析從而能同時獲得多種液體的折射率。

本發明還提供一種高通量的折射率測量方法，其包括如下步驟：

s1：將裝置中稜鏡的測量面和折射率測量晶片的光學平面緊密貼合，

s2：通過折射率測量晶片的輸入通道向多個溝槽內輸入多種待測液體，

s3：開啟裝置，光源發出光束，陣列器件探測光束，接著圖像採集分析系統分析陣列器件採集的多個具有明暗界限的光斑，分別分析多個明暗界線對應的信號，從而得到待測液體的折射率。

s4：接著輸入新的多種液體，回到s2步驟開始新的檢測。

更具體的，本發明裝置進行工作的過程如下：

首先，在溝槽中填充待測液體，直到待測液體的液面與折射率測量晶片的光學平面平齊，開啟高通量的折射率測量裝置，進行測量。

接著，光源1發射出發散光束，該發散光束入射至輸入耦合光學模塊2，輸入耦合光學模塊2對光源1的發散光束進行發散，經過發散的光線進一步出射至稜鏡3的入射面，在稜鏡3的等腰面(也即入射面)發生第一次反射和折射，折射的光線進入稜鏡3內，進一步射入稜鏡3的測量面(也即稜鏡3的底面)和待測液體的界面處，發生第二次的折射和反射。

由於原始的光線為發散光束，其發生一次折射後，光線在稜鏡3的測量面和待測液體的界面處的入射角也各不相同，發生第二次折射和反射後，反射光線的反射角也各不相同。

然後，在稜鏡3的測量面和待測液體的界面處發生反射後的光線從稜鏡3的出射面射出，在稜鏡3的出射面處，光線實際是發生第三次的折射和反射，發生折射的光線射出後被輸出耦合光學模塊5接受。

由於折射率測量晶片4同時具有多個容置待測液體的溝槽，不同溝槽容置不同的待測液體，不同待測液體的折射率不同，光線在稜鏡3的測量面和待測液體的界面處發生反射後，受待測液體折射率影響不同，出射光線對應獲得光斑的明暗界限不同。對光斑進行分析從而能同時獲得多種液體的折射率。

最後，所述陣列器件6用於接受帶有待測對象折射率信息的反射光，並將其轉化為光電信號，所述圖像採集分析系統7用於對所述光電信號進行處理和分析，以直接輸出待測對象的折射率數值。

本發明中，主要改進點在於巧妙設置了具有多個溝槽的測量晶片，可以多個通道同時測量不同的待測液體物質。

本發明中，由於輸入耦合光學模塊輸出的光線為匯聚或者發散形式，其在稜鏡3測量面上的入射角各不相同，其中包括臨界角，光線根據在稜鏡3測量面上的入射角不同而反射光能量不同，大於臨界角的光發生全反射而無透射光，小於臨界角的光發生折射而同時具有透射光和反射光，反射的光最終從稜鏡射出至外界中，被輸出耦合光學模塊接受。從稜鏡3中出射的反射光會由於待測對象折射率不同而形成具有明暗界限的光斑，該明暗界限與臨界角具有對應關係，該臨界角和待測對象的折射率具有對應關係，依此原理可獲得待測對象的折射率。

本發明的測量原理是常見的，其巧妙之處在於測量晶片的設計以及整個大通量測量的構思。

總的來說，本發明裝置是一種高通量或者說是大通量的折射率測量方式，其同時可以測量獲得多種液體的折射率，並且多種液體折射率測量是在相同的條件下進行測量和數據處理的，可以消除隨機誤差，其測量效率和測量精度更高。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。