基于非对称液芯柱透镜精确测量液体折射率及液相扩散系数的装置制造方法
【专利摘要】基于非对称液芯柱透镜精确测量液体折射率及液相扩散系数的装置，涉及非对称柱透镜及其应用。本实用新型的柱透镜由四个曲率半径为Ri(i=1，2，3，4)，前后壁的厚度d1、d3，柱形腔厚度d2的柱形曲面构成，当柱形腔填充液体时，柱透镜第四个曲面到其焦线的距离s满足确定关系。应用该柱透镜的装置包括光源，物镜、孔径光阑，准直透镜、狭缝和柱透镜组成的成像系统，以电子目镜与物镜构成电子目镜显微镜及计算机终端组成的观测系统。本装置操作方便，稳定性好，对液体折射率的测量灵敏度优于2×10-5，可测量折射率差值小于0.001的两种液体间的扩散系数。
【专利说明】基于非对称液芯柱透镜精确测量液体折射率及液相扩散系
数的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及单色光消球差可变焦非对称光学柱透镜，并涉及用单色光测量液体折射率及液相扩散系数的装置。
【背景技术】
[0002]折射率是透明介质的重要光学参数，借助折射率能了解物质的光学性能、纯度、浓度以及色散等性质。液相扩散系数是研究传质过程，计算传质速率及化工设计与开发的重要基础数据，已广泛应用在生物、化工、医学及环保等新兴行业中。透镜很早就为人类所认识和利用，随着科学技术的不断发展，更多种类的透镜被应用在了更广泛的领域。柱透镜与球面透镜的结合使用广泛应用于激光扩束、眼镜光学、宽荧幕电影镜头等领域。但目前厂商生产的柱透镜尤其是较大口径的柱透镜总存在较大的球差，并且对于选定的柱透镜在无损的前提下是无法方便地改变其主焦距的。本实用新型提出之前，我们根据平行光经过装有不同液体的毛细管后会聚焦点位置不同的物理现象，提出了用玻璃毛细管精确测量微量液体折射率的原理和方法(普小云，白然，邢曼男等，中国实用新型专利ZL200710066016.2[P];邢曼男，白然，普小云，精确测量微量液体折射率的新方法[J]，“光学精密工程”，2008，16(7)，1196-1202)，通过该原理和方法可以测量装有不同液体的毛细管焦点位置，并计算得到毛细管中待测液体的折射率；利用毛细管成像法对液体折射率的空间分辨能力，以毛细管作为扩散池，可直接观察扩散介质在毛细管中的扩散现象(李强，李宇，孙丽存等，中国实用新型专利ZL201110283339.3 [P])，结合FICK第二定律计算出液相扩散系数。但是利用毛细管作为待测液体盛载装置，其测量折射率的灵敏度有限，并因此限制了其液相扩散系数的测量应用范围，只有当两种液体折射率差值较大(例如丙三醇与水)时，才可清晰的观察到介质的扩散现象。为提高折射率测量的灵敏度，我们再次设计了一种对称的液芯变焦柱透镜替代毛细管(李强，孙丽存，孟伟东等，用液芯变焦柱透镜精确测量液体折射率[J]，“中国激光”，2012，39 (10)，1008005-1?1008005-7)，但该柱透镜的设计没有考虑球差的存在对观测过程造成的影响，并且对折射率的测量灵敏度仍有待提高。
【发明内容】
[0003]为了进一步提高对液体折射率测量的灵敏度，拓宽液相扩散系数测量范围及稳定性，本实用新型提出一种非对称液芯柱透镜，并基于该非对称液芯柱透镜提供一种精确测量液体折射率及液相扩散系数的装置。
[0004]上述目的通过以下方式实现:
[0005](一)单色光消球差可变焦非对称液芯柱透镜
[0006]该柱透镜(6)由四个柱形光学曲面构成，柱透镜(6)光学曲面的曲率半径分别为TPi(i=l, 2, 3,4),前后壁的厚度分别为柱形腔的厚度为dv当柱形腔填充液体时,柱透镜
(6)第四个曲面到其焦线的距离s满足:[0007]
【权利要求】
1.一种非对称液芯柱透镜，其特征是该柱透镜(6)由四个柱形光学曲面构成，柱透镜(6)光学曲面的曲率半径分别为TPi (i=l，2，3，4)，前后壁的厚度分别为 <、<，柱形腔的厚度为d2,当柱形腔填充液体时，柱透镜(6)第四个曲面到其焦线的距离s满足:
2.根据权利要求1所述的非对称液芯柱透镜，其特征是所述的柱透镜(6)光学曲面的曲率半径分别为Rf&Qmm, R2=2bmm, R^=-1bmm, 7?4=-33.8〃--,前后壁的厚度分别为dfAmm,(64=--?,柱形腔的厚度为i/2=12a--,通光孔径为J= 32.50--?,当充入柱形腔的液体折射率/?为1.333时，成像系统的折射率变化0.001，焦线位置变化1.165瞧。
3.根据权利要求1或2所述的非对称液芯柱透镜，其特征是所述的柱透镜(6)由两个K9玻璃柱面体粘合而成，其下端口封闭。
4.应用如权利要求f3所述的非对称液芯柱透镜之一种精确测量液体折射率及液相扩散系数的装置，包括成像系统和观测系统，其中， 成像系统以发光二极管(I)为光源，经物镜(2)会聚后照射到作为点光源的孔径光阑(3)，经准直透镜(4)准直和狭缝(5)限宽，正入射到待测液体盛载部件(6)； 观测系统以透镜(8)和COMS图像传感器(9)构成电子目镜(8，9)，电子目镜(8，9)与物镜(7)构成电子目镜显微镜(10)，电子目镜显微镜(10)与精度为0.001 mm的电子位移平台(11)呈移动副，COMS图像传感器(9)与计算机终端(12)连接； 其特征是: 待测液体盛载部件(6 )为非对称液芯柱透镜(6 )。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述成像系统的物镜(2)为IOX平场消色差物镜，孔径光阑(3)直径大小为60微米，准直透镜(4)为焦距为400遞?、直径50.8遞?的双凸透镜，狭缝(5)的宽度可调。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征是所述成像系统的狭缝(5)的缝宽略小于柱透镜(6)的内径。
7.根据权利要求4或5所述的装置，其特征是所述观测系统的物镜(7)为20X平场消色差物镜，有效数值孔径傾=0.4，透镜(8)横向放大率为1/3以缩小所得图像，COMS图像传感器(9)以30倍的放大倍率对所得图像进行放大，最高分辨率为2048X1536。
8.根据权利要求4或5所述的装置，其特征是所述观测系统的物镜(7)为20X平场消色差物镜，有效数值孔径傾=0.4，透镜(8)横向放大率为1/3以缩小所得图像，COMS图像传感器(9)以30倍的放大倍率对所得图像进行放大，最高分辨率为2048X1536。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征是所述观测系统的物镜(7)为20X平场消色差物镜，有效数值孔径傾=0.4，透镜(8)横向放大率为1/3以缩小所得图像，COMS图像传感器(9)以30倍的放大倍率对所得图像进行放大，最高分辨率为2048X 1536。
【文档编号】G01N13/00GK203455276SQ201320578510
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】孙丽存, 普小云, 孟伟东, 李强 申请人:云南大学