一種抑制雜散光的物質折射率測量裝置的製作方法
2023-12-05 05:04:21 1
本發明屬於光學儀器領域，更具體地，涉及一種抑制雜散光的物質折射率測量裝置。
背景技術：
折射率是物質的重要物理參數之一，人們常利用光在界面上臨界角附近的反射特性，完成折射率測量，如：著名的阿貝折光計。這種測量裝置原理簡單、測量精確，在各行各業得到了廣泛的應用。傳統的目視阿貝折光計需要取樣和手動對準，人眼通過目鏡對準，測量效率不高，精度也將受到影響，無法滿足自動在線測量要求。
此外，傳統阿貝折光計這類裝置測量不同物質時會受到一定限制：對於液體，需要取樣較多，這種限制對於少量液體、價值昂貴液體不適用；對於固體，薄片測量，對準誤差取決於操作者的經驗，長時間測量將帶來更大誤差。
在生物、醫藥、半導體、化工、光學、醫療等領域，存在大量薄膜和價值昂貴液體需要精確測量其折射率。在傳統光學中，對於光學薄膜和少量微量液體等的折射率測量存在著一個問題：與稜鏡接觸的待測物質下表面發生全反射，未經處理的上表面將產生雜散光信號，這將影響系統的測量性能。
目前，需要開發一種新的裝置或者方法以滿足薄膜、少量或價值昂貴液體的折射率的精確測量。
技術實現要素：
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種抑制雜散光的物質折射率測量裝置，通過設計反射測量模塊，能巧妙消除測量薄層物質折射率時的雜散光，由此能用於測量薄層物質的折射率。
為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種抑制雜散光的物質折射率測量裝置，其包括光源，輸入耦合光學模塊，反射測量模塊，輸出耦合光學模塊，陣列器件，圖像採集分析系統，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，所述反射測量模塊設置在所述輸入耦合光學模塊的出射光方向上，用於容置待測對象並對其折射率進行測量以獲得折射率原始信息，所述輸出耦合光學模塊設置在所述反射測量模塊的反射光方向上，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，工作時，從光源射出的光線經輸入耦合光學模塊後射入至反射測量模塊，光在反射測量模塊處同時發生折射和反射，反射測量模塊用於將發生折射的光透射至外界或者用於將發生折射的光吸收，從而消除折射光對反射光的幹擾，反射光進入輸出耦合光學模塊，從輸出耦合光學模塊中輸出的光被陣列器件接受。
進一步的，所述反射測量模塊包括第一稜鏡、第二稜鏡以及用於測量時容置待測對象的間隙，所述間隙為第一稜鏡的測量面和第二稜鏡的測量面相聚間隔而形成，所述間隙的高度為50nm～2mm。
進一步的，所述間隙的高度為300nm～2mm。
進一步的，所述間隙的高度為600nm～50μm。
進一步的，所述第一稜鏡和所述第二稜鏡為結構相同、折射率相同的等腰稜鏡。
進一步的，所述第一稜鏡和所述第二稜鏡為結構不相同、折射率不相同的等腰稜鏡。
進一步的，所述第二稜鏡的折射率大於待測物質的折射率。
進一步的，所述第一稜鏡的一個等腰側面為入射面，所述第一稜鏡的底面為測量面，所述第二稜鏡的一個等腰側面為出射面，所述第二稜鏡的底面為測量面，所述第一稜鏡和所述第二稜鏡的底面相對且相隔間隙設置。
進一步的，所述反射測量模塊包括第一稜鏡、吸光層以及用於測量時容置待測對象的間隙，所述間隙為第一稜鏡的測量面和吸光層的測量面相聚間隔而形成。
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：
本發明中設計了反射測量模塊，所述反射測量模塊設置在所述輸入耦合光學模塊的出射光方向上，用於容置待測對象並對其折射率進行測量以獲得折射率原始信息，光在反射測量模塊處同時發生折射和反射，反射測量模塊用於將發生折射的光透射至外界或者用於將發生折射的光吸收，從而消除折射光對反射光的幹擾，也即消除了雜散光的影響，從而能都測量獲得薄層物質的折射率。
附圖說明
圖1是本發明實施例中抑制雜散光的薄層物質折射率測量裝置的結構示意圖，該實施例中展示出了光線的兩次折射對。
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為光源，2為輸入耦合光學模塊，3為第一稜鏡，4為待測對象，其為固體或者液體狀的薄層物質，5為輸出耦合光學模塊，6為陣列器件，7為圖像採集分析系統，8為第二稜鏡，s2面為第一稜鏡和待測對象形成的界面，s3面為待測對象與第二稜鏡8所形成的界面。
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是本發明實施例中抑制雜散光的薄層物質折射率測量裝置的結構示意圖，由圖可知，本發明的薄層物質折射率測量裝置包括光源1，輸入耦合光學模塊2，反射測量模塊，輸出耦合光學模塊5，陣列器件6以及圖像採集分析系統7。
其中，反射測量模塊包括第一稜鏡3、第二稜鏡8以及用於測量時容置待測對象的間隙，所述間隙為第一稜鏡3的測量面和第二稜鏡8的測量面相聚間隔而形成，所述間隙的高度為50nm～2mm。進一步的，所述間隙的高度還優選為300nm～2mm，作為更進一步的優選，所述間隙的高度600nm～50μm。所述第二稜鏡8的折射率大於待測物質的折射率，這樣才能證獲得足夠的反射光，不然反射光的能量過小，而無用的折射光的能量過大。
在本發明的一個實施例中，所述第一稜鏡3和所述第二稜鏡8為結構相同、折射率相同的等腰稜鏡。或者，所述第一稜鏡3和所述第二稜鏡8為結構不相同、折射率不相同的等腰稜鏡。所述第一稜鏡3的一個等腰側面為入射面s1，所述第一稜鏡3的底面為測量面，所述第二稜鏡5的一個等腰側面為出射面s4，所述第二稜鏡5的底面為測量面，所述第一稜鏡3和所述第二稜鏡5的底面相對且相隔間隙設置。
詳細的，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，所述反射測量模塊設置在所述輸入耦合光學模塊2的出射光方向上，用於容置待測對象4並對其折射率進行測量以獲得折射率原始信息，所述輸出耦合光學模塊5設置在所述反射測量模塊的反射光方向上，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。
本發明裝置工作時，從光源1射出的光線經輸入耦合光學模塊2後射入至反射測量模塊，光在反射測量模塊處同時發生折射和反射，反射測量模塊用於將發生折射的光透射至外界或者用於將發生折射的光吸收，從而消除折射光對反射光的幹擾，反射光進入輸出耦合光學模塊5，從輸出耦合光學模塊5中輸出的光被陣列器件6接受並將其轉化為光電信號，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。
更具體的，本發明裝置的工作過程如下：
首先，將待測對象放置在間隙中，進行測量前的準備工作，準備完畢後，開啟光源進行測量。
接著，光源1出射的光線射入輸入耦合光學模塊2中，輸入耦合光學模塊2用於接受來自光源1的光束並將其聚焦或發散，以形成匯聚或者發散的光束，
然後，該匯聚或者發散的光束入射至反射耦合光學模塊的第一稜鏡3的入射面，光線發生第一次折射，接著入射至第一稜鏡3的測量面(也即底面)，發生第二次折射，進一步入射至待測對象4中，
接著，光線入射至第二稜鏡8的測量面，發生第三次折射，進入第二稜鏡8中，
最後，在第二稜鏡8的出射面發生第四次折射，透射的光線進入外界。本發明中，光線在折射的同時也會發生反射。光線在第一稜鏡3測量面處發生折射(反射)時，反射的光線會從第一稜鏡3的出射面射出，所述輸出耦合光學模塊5設置在所述反射測量模塊的反射光出射方向上，用於收集帶有待測對象折射率信息的反射光，從輸出耦合光學模塊5中輸出的光線被陣列器件6接受，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。
在實際工程中，如果s3面為待測對象與空氣形成的界面，也即，直接將待測物質置於第一稜鏡3表面，物質的上表面將會反射回較多的光能量，該部分的光能量相對於s2面的反射光能量是一種幹擾，也即系統的雜散光。這部分雜散光會對系統的折射率測量形成較大幹擾，使系統的測量結果不準確，甚至完全錯誤。如果待測物質為液滴，上表面將形成一個曲面，光在上表面甚至會發生全發射，造成更嚴重的幹擾。本發明裝置中，將待測物質置於兩個稜鏡形成的間隙中，使得待測對象上表面的光儘量多的透射，大幅度減少了反射光。
作為本發明的替換，可以將稜鏡8替換為平板玻璃，s3處設置吸光材料或者吸光層，將光大部分吸收，減少了光在此處的反射，也能取得相同的效果。此時，所述間隙為第一稜鏡3的測量面和吸光層相聚間隔而形成。
本發明中，主要改進點在於巧妙設置了間隙，該間隙用於在測量或者裝置工作時放置待測液體或者薄膜，待測液體或者薄膜分別與第一稜鏡3以及第二稜鏡8形成界面s2以及界面s3，由於界面s3的存在，避免了由於待測對象較薄，待測對象的上下兩個面對於測量光同時反射和折射後，對測量需要收集光線的幹擾，避免了雜散光的幹擾後，就能測量獲得薄層物質或者昂貴液體的折射率了。
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，其在第一稜鏡3測量面上的入射角各不相同，其中包括臨界角，光線根據在第一稜鏡3測量面上的入射角不同而透射光能量不同，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，透射的光最終從第二稜鏡射出至外界中，從第一稜鏡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，其巧妙之處在於光路的結構設計，具體的，待測量的透明介質(也是待測量的薄膜或者昂貴液體)通過兩塊稜鏡或者一塊稜鏡和一塊吸光材料構成測量光學系統，收集反射光，抑制透射光，達到抑制雜散光的作用，實現薄層物質的折射率測量。
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。