基于全內(nèi)反射法的寬光譜范圍物質(zhì)色散的自動(dòng)測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種物質(zhì)折射率的測定裝置，特別涉及一種基于全內(nèi)反射原理測量寬光譜范圍物質(zhì)色散的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]折射率是物質(zhì)的重要光學(xué)性質(zhì)，反映了物質(zhì)與光波的相互作用關(guān)系。寬光譜范圍的物質(zhì)折射率是物質(zhì)的色散，其反映了不同波長光與物質(zhì)的作用關(guān)系。物質(zhì)的色散在光學(xué)儀器、生物組織光學(xué)等科研與應(yīng)用領(lǐng)域有著重要作用。而且測量物質(zhì)的色散也是光學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。目前，寬光譜范圍的物質(zhì)色散的測量方法主要通過單色儀將光源實(shí)現(xiàn)單色化，再通過測量此波長下樣品的折射率，最后統(tǒng)一波長與折射率作為色散結(jié)果，或者利用樣品本身的色散性質(zhì)，將樣品制作成棱鏡的形狀等等，但整個(gè)測量過程較繁瑣。迄今為止，還沒有一種不通過將連續(xù)譜光源單色化，并利用全內(nèi)反射法原理測量寬光譜范圍物質(zhì)色散的簡便方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠測量寬光譜范圍物質(zhì)色散的裝置。本發(fā)明是利用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，帶動(dòng)一端固定在絲杠上的牽引臂，使其牽引與牽引臂的另一端相連的入射臂，從而改變?nèi)肷浔凵系募?xì)準(zhǔn)直寬帶平行入射光在柱棱鏡——樣品面的入射角，另一個(gè)牽引臂牽引與其相連的出射臂，使出射臂上的光譜儀的光纖探頭實(shí)時(shí)測量當(dāng)前入射角下由樣品——柱棱鏡面的反射光譜強(qiáng)度，再根據(jù)導(dǎo)數(shù)全內(nèi)反射法確定全反射臨界角，計(jì)算并得到每個(gè)波長下樣品的折射率，最后統(tǒng)一波長與折射率組成色散曲線。
[0004]本發(fā)明的基于全內(nèi)反射法的寬光譜范圍物質(zhì)色散自動(dòng)測量裝置包括:1個(gè)步進(jìn)電機(jī)，I個(gè)絲杠，2個(gè)牽引臂，2個(gè)被牽引臂(a，b)，I個(gè)細(xì)準(zhǔn)直寬帶平行光源，2個(gè)柱棱鏡，I個(gè)光纖光譜儀，光桿若干，計(jì)算機(jī)。其特征在于:利用柱棱鏡的對(duì)稱性能，當(dāng)光沿著柱棱鏡的半徑入射時(shí)，棱鏡內(nèi)反射光與入射光以底邊中點(diǎn)處的法線為對(duì)稱軸對(duì)稱，棱鏡外的入射光同出射光也以此法線對(duì)稱，所以根據(jù)空間對(duì)稱的特點(diǎn)，接收反射光的光纖光譜儀探頭與光源入射光以此法線對(duì)稱地改變角度時(shí)，探測光纖能實(shí)時(shí)接收細(xì)準(zhǔn)直寬帶平行入射光在樣品面的反射光，通過此對(duì)稱的機(jī)械結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)可同時(shí)控制入射角并保證光譜儀采集對(duì)應(yīng)反射光的光譜強(qiáng)度，利用導(dǎo)數(shù)全內(nèi)反射法計(jì)算出物質(zhì)各個(gè)波長下的折射率，最后統(tǒng)一波長與折射率得到色散結(jié)果。
[0005]本發(fā)明的測量方法包括如下步驟:
[0006]第一步:打開光源，計(jì)算機(jī)，光纖光譜儀等儀器，將樣品貼合在柱棱鏡底邊，液態(tài)樣品使用槽，固態(tài)樣品使用匹配液。
[0007]第二步:開始測量，記錄不同入射角度下的反射光譜。
[0008]第三步:對(duì)入射角度——光譜數(shù)據(jù)分析，利用導(dǎo)數(shù)全內(nèi)反射法確定全反射臨界角。
[0009]第四步:根據(jù)全反射原理計(jì)算不同波長下的樣品折射率，得到色散曲線。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
[0011]本發(fā)明利用了光學(xué)元件以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性以及全內(nèi)反射法的原理。測量只需要進(jìn)行單次一系列角度下的光譜測量，就能夠計(jì)算得到寬光譜范圍待測物質(zhì)的色散，具有結(jié)構(gòu)簡單，精度高，并且自動(dòng)化的特點(diǎn)。本發(fā)明提供的裝置方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
【附圖說明】
[0012]圖1是本方法的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是寬光譜(400nm——750nm)水的色散曲線。
[0014]圖3是630nm波長下水樣品的角度——光譜強(qiáng)度曲線。
[0015]圖4是630nm波長下水樣品角度——光譜強(qiáng)度曲線的導(dǎo)數(shù)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合【附圖說明】一下具體的實(shí)施方法:
[0017]圖1是本方法所使用的實(shí)驗(yàn)裝置以及光路示意圖，圖中:1是步進(jìn)電機(jī)，用于通過機(jī)械結(jié)構(gòu)改變?nèi)肷浣牵?是絲杠:3是牽引臂；4是被牽引臂(4a入射臂，4b出射臂)，放置光源以及探測器等；5是細(xì)準(zhǔn)直寬帶平行光源:6是柱棱鏡；7是光譜儀的光纖探頭，采集出射光的光譜；8是待測樣品；9是計(jì)算機(jī)，用于控制步進(jìn)電機(jī)和光譜儀以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0018]本方法的具體實(shí)施步驟如下:
[0019]第一步:細(xì)準(zhǔn)直寬帶平行光源5發(fā)出光，入射到柱棱鏡6與待測樣品8的交界面，反射光出射并由光譜儀探頭7采集，由計(jì)算機(jī)9記錄當(dāng)前入射角度以及反射光譜。
[0020]第二步:步進(jìn)電機(jī)I轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)牽引臂3移動(dòng)，從而改變被牽引臂4的角度，也就是改變?nèi)肷涔獾娜肷浣嵌龋庾V儀7記錄此時(shí)的光譜。
[0021]第三步:根據(jù)臂長的幾何關(guān)系計(jì)算入射角，再根據(jù)光譜數(shù)據(jù)，提取出的單波長下光譜強(qiáng)度與入射角對(duì)應(yīng)的曲線，如圖3是630nm波長下水樣品的角度——光譜強(qiáng)度曲線。對(duì)入射角——光譜強(qiáng)度曲線求導(dǎo)，如圖4是630nm波長下水樣品角度——光譜強(qiáng)度曲線的導(dǎo)數(shù)曲線，導(dǎo)數(shù)最大值所對(duì)應(yīng)的入射角度就是此波長下待測樣品的全反射臨界角。
[0022]第四步:利用反全射原理依次求出各個(gè)光譜下待測樣品的折射率，組成色散曲線。
[0023]數(shù)據(jù)處理方法:
[0024]入射角度的計(jì)算過程:如圖1，牽引臂長h，被牽引臂長j，牽引臂交點(diǎn)A到被牽引臂交代B長為s，s由步進(jìn)電機(jī)控制。被牽引臂同絲杠的夾角α可由s，h，j組成的三角形通過余弦定理計(jì)算得到
[0025]a =cos(s2+j2-h2)/(2*s*j)(I)
[0026]單一波長下每個(gè)角度的反射光譜強(qiáng)度組成角度——光譜強(qiáng)度曲線，如圖3是630nm波長下水樣品的角度——光譜強(qiáng)度曲線，求導(dǎo)后得到的導(dǎo)數(shù)極大值所對(duì)應(yīng)的入射角便是此波長下的全反射臨界角α。，如圖4是630nm波長下水樣品角度——光譜強(qiáng)度曲線的導(dǎo)數(shù)曲線。由全反射定理計(jì)算折射率:
[0027]η 樣品=n 棱鏡 *sin(a c)(2)
[0028]其中是當(dāng)前波長下的棱鏡折射率，n#s是待測樣品折射率。
[0029]分別求出每個(gè)波長下的樣品折射率，組成色散曲線，如圖2是寬光譜(400nm—— 750nm)水的色散曲線。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.本發(fā)明的基于全內(nèi)反射法的寬光譜范圍物質(zhì)色散自動(dòng)測量裝置包括:I個(gè)步進(jìn)電機(jī)，I個(gè)絲杠，2個(gè)牽引臂，2個(gè)被牽引臂(a，b)，I個(gè)細(xì)準(zhǔn)直寬帶平行光源，2個(gè)柱棱鏡，I個(gè)光纖光譜儀，光桿若干，計(jì)算機(jī)。其特征在于:利用柱棱鏡的對(duì)稱性能，當(dāng)光沿著柱棱鏡的半徑入射時(shí)，棱鏡內(nèi)反射光與入射光以底邊中點(diǎn)處的法線為對(duì)稱軸對(duì)稱，棱鏡外的入射光同出射光也以此法線對(duì)稱，所以根據(jù)空間對(duì)稱的特點(diǎn)，接收反射光的光纖光譜儀探頭與光源入射光以此法線對(duì)稱地改變角度時(shí)，探測光纖能實(shí)時(shí)接收細(xì)準(zhǔn)直寬帶平行入射光在樣品面的反射光，通過此對(duì)稱的機(jī)械結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)可同時(shí)控制入射角并保證光譜儀采集對(duì)應(yīng)反射光的光譜強(qiáng)度，利用導(dǎo)數(shù)全內(nèi)反射法計(jì)算出物質(zhì)各個(gè)波長下的折射率，最后統(tǒng)一波長與折射率得到色散結(jié)果。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能夠測量寬光譜范圍物質(zhì)色散的裝置。本發(fā)明是利用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，帶動(dòng)一端固定在絲杠上的牽引臂，使其牽引與牽引臂的另一端相連的入射臂，從而改變?nèi)肷浔凵系募?xì)準(zhǔn)直寬帶平行入射光在柱棱鏡——樣品面的入射角，另一個(gè)牽引臂牽引與其相連的出射臂，使出射臂上的光譜儀的光纖探頭實(shí)時(shí)測量當(dāng)前入射角下由樣品——柱棱鏡面的反射光譜強(qiáng)度，再根據(jù)導(dǎo)數(shù)全內(nèi)反射法確定全反射臨界角，計(jì)算并得到每個(gè)波長下樣品的折射率，組成色散曲線。優(yōu)點(diǎn)在于測量只需要進(jìn)行單次一系列角度下的光譜測量，就能夠計(jì)算得到寬光譜范圍待測物質(zhì)的色散，具有結(jié)構(gòu)簡單，精度高，并且自動(dòng)化的特點(diǎn)。本發(fā)明提供的裝置方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
【IPC分類】G01N21-41
【公開號(hào)】CN104568838
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310524601
【發(fā)明人】葉青, 鄧志超, 王槿, 孫騰騫, 張春平, 田建國
【申請(qǐng)人】南開大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2013年10月28日