一种高通量的折射率测量芯片、装置以及方法与流程

本发明属于高通量折射率测量领域，更具体地，涉及一种高通量的折射率测量芯片、装置以及方法。

背景技术：

折光计是测量物质折射率的装置。传统阿贝折光计和目前改进的大部分数字折光计一次测量都只能测量一种液体。如果需要准确测量多种物质的折射率，一般通过多次测量实现。多次测量的方式存在测量效率低的缺陷，还可能引入随机测量误差。

高通量测量是目前自动化仪器发展的一个趋势。目前，还没有多通道折射率测量装置，因此，需要开发一种高通量或者大通量的折射率测量装置和方法。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高通量的折射率测量芯片、装置以及方法，其目的在于，设计测量芯片和装置，能在芯片中同时容置多种待测对象，以能同时测量多种对象的折射率，是一种高通量或者说是大通量的折射率测量方式，其测量效率高，测量结果一致性好，不易引入随机误差。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高通量的折射率测量芯片，其包括芯片本体，该芯片本体的一个面为光学平面，该光学平面用于与外界的折射率测量设备相面接触，在所述芯片本体上设置有至少两个用于容置待测量液体的沟槽，所述沟槽的深度小于或者等于所述芯片本体的厚度，所述沟槽的两端分别设置有液体输入通道和液体输出通道，所述沟槽具有敞口，该敞口位于光学平面上。

进一步的，多个所述沟槽相互平行，沟槽间通过侧壁分隔开，相互独立。两个相互平行的沟槽能保证最终获得的反应折射率的光斑整齐，方便后续的输出处理和分析。

进一步的，所述沟槽的数量为两个，所述沟槽的形状为长方体或者半圆柱体状。

按照本发明的第二个方面，还提供一种高通量的折射率测量装置，其包括如上所述的折射率测量芯片。

进一步的，高通量的折射率测量装置还包括光源、输入耦合光学模块、棱镜、输出耦合光学模块、面阵器件以及图像分析处理系统，其中，所述光源用于产生发散光束，所述输入耦合光学模块用于接受来自光源的光散光束并将其聚焦或发散，所述棱镜设置在所述输入耦合光学模块的出射光方向上，所述折射率测量芯片的测量面与所述棱镜的测量面相面重合，以保证待测液体的液面与棱镜的测量面重合，进而使得测量光穿过棱镜底面后待测液体液面发生折射和反射，所述输出耦合光学模块设置在所述棱镜的出射光方向上，用于收集带有待测对象折射率信息的反射光，所述阵列器件用于接受带有待测对象折射率信息的反射光，并将其转化为光电信号，所述图像采集分析系统用于对所述光电信号进行处理和分析，以直接输出待测对象的折射率数值。

进一步的，所述棱镜为等腰棱镜，该等腰棱镜的一个等腰面为光线的入射面，另一个等腰面为光线的出射面，其底面为测量面。

进一步的，工作时，从输入耦合光学模块的出射光入射至棱镜的入射面，发生第一次折射和反射，折射后光线透射进入棱镜，在棱镜的测量面和待测液体的界面处发生反射，反射光线从棱镜的出射面射出，被输出耦合光学模块接受，由于折射率测量芯片同时具有多个容置待测液体的沟槽，不同沟槽容置不同的待测液体，对应会同时获得相同数量的具有明显界线的光斑，对光斑进行分析从而能同时获得多种液体的折射率。

按照本发明的第三个方面，还提供一种高通量的折射率测量方法，其包括如下步骤：

s1：将棱镜的测量面和折射率测量芯片的光学平面紧密贴合，

s2：通过折射率测量芯片的输入通道向多个沟槽内输入多种待测液体，直到待测液体的液面与折射率测量芯片的光学平面齐平，

s3：开启装置，进行测量，分析获得的多个具有明暗界限的光斑，分析光斑以直接输出待测液体的折射率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明通过巧妙设置测量芯片，测量芯片中设置有多个沟槽，以能同时测量多种待测液体的折射率，这种看似简单的改进，具有非常显著的效果，实现了高通量测量，对于自动化的高通量测量，意义重大。

在实际工程实践中，通过改进算法，甚至可以实现同时测量三种、四种甚至更多种不同待测液体的测量，相应的，可以在现有基础上，将折射率测量效率大幅度提高，并且同时测量以及进行数据处理，也能消除随机误差，进一步提高测量的精确性。

附图说明

图1是本发明实施例中折射率测量芯片的结构示意图；

图2是本发明实施例中折射率测量装置的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-光源2-输入耦合光学模块3-棱镜

4-折射率测量芯片5-输出耦合光学模块6-面阵器件

7-图像采集分析系统

c1-第一沟槽c2-第二沟槽a1-输入通道

a3-输出通道a2-矩形状沟槽腔室

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例中折射率测量芯片的结构示意图，由图可知，本发明的高通量的折射率测量芯片，其包括芯片本体，该芯片本体的一个面为光学平面，该光学平面平滑、洁净。该光学平面用于与外界的折射率测量设备相面接触。在所述芯片本体上设置有至少两个用于容置待测量液体的沟槽，所述沟槽的深度小于或者等于所述芯片本体的厚度，所述沟槽的两端分别设置有液体输入通道和液体输出通道，所述沟槽具有敞口，该敞口位于光学平面上。

当沟槽的深度小于所述芯片本体的厚度时，相当于在芯片上开设了盲孔状的沟槽。当沟槽的深度等于所述芯片本体的厚度时，相当于是在芯片上开设了通孔状的沟槽。

在本发明的一个实施例中，多个所述沟槽相互平行。所述沟槽的数量为两个，优选为三个，所述沟槽的形状为矩形体状或者半圆柱体状。半圆柱状即为沿圆柱母线方向切除一部分后剩余部分。

具体的，图1中折射率测量芯片具有两个相互平行的沟槽，分别是第一沟槽c1和第二沟槽c2，矩形状的沟槽两端分别设置了输入通道a1和输出通道a3，其中，第一沟槽c1和第二沟槽c2均为矩形状沟槽，其沟槽腔室为矩形状沟槽腔室a2。

图2是本发明实施例中折射率测量装置的结构示意图，由图可知，本发明的高通量的折射率测量装置包括光源1、输入耦合光学模块2、棱镜3、折射率测量芯片4，输出耦合光学模块5、面阵器件8以及图像分析处理系统7。其中，所述光源1用于产生发散光束，所述输入耦合光学模块2用于接受来自光源1的光散光束并将其聚焦或发散，所述棱镜3设置在所述输入耦合光学模块2的出射光方向上，所述折射率测量芯片4的测量面与所述棱镜3的测量面相面重合，以保证待测液体的液面与棱镜的测量面重合，进而使得测量光穿过棱镜底面后待测液体液面发生折射和反射，所述输出耦合光学模块5设置在所述棱镜3的出射光方向上，用于收集带有待测对象折射率信息的反射光，所述阵列器件6用于接受带有待测对象折射率信息的反射光，并将其转化为光电信号，所述图像采集分析系统7用于对所述光电信号进行处理和分析，以直接输出待测对象的折射率数值。

在本发明的一个实施例中，所述棱镜3为等腰棱镜，该等腰棱镜的一个等腰面为光线的入射面，另一个等腰面为光线的出射面，其底面为测量面。

工作时，从输入耦合光学模块的出射光入射至棱镜的入射面，发生第一次折射和反射，折射后光线透射进入棱镜，在棱镜的测量面和待测液体的界面处发生反射，反射光线从棱镜的出射面射出，被输出耦合光学模块接受，由于折射率测量芯片4同时具有多个容置待测液体的沟槽，不同沟槽容置不同的待测液体，对应会同时获得相同数量的具有明显界线的光斑，对光斑进行分析从而能同时获得多种液体的折射率。

本发明还提供一种高通量的折射率测量方法，其包括如下步骤：

s1：将装置中棱镜的测量面和折射率测量芯片的光学平面紧密贴合，

s2：通过折射率测量芯片的输入通道向多个沟槽内输入多种待测液体，

s3：开启装置，光源发出光束，阵列器件探测光束，接着图像采集分析系统分析阵列器件采集的多个具有明暗界限的光斑，分别分析多个明暗界线对应的信号，从而得到待测液体的折射率。

s4：接着输入新的多种液体，回到s2步骤开始新的检测。

更具体的，本发明装置进行工作的过程如下：

首先，在沟槽中填充待测液体，直到待测液体的液面与折射率测量芯片的光学平面平齐，开启高通量的折射率测量装置，进行测量。

接着，光源1发射出发散光束，该发散光束入射至输入耦合光学模块2，输入耦合光学模块2对光源1的发散光束进行发散，经过发散的光线进一步出射至棱镜3的入射面，在棱镜3的等腰面(也即入射面)发生第一次反射和折射，折射的光线进入棱镜3内，进一步射入棱镜3的测量面(也即棱镜3的底面)和待测液体的界面处，发生第二次的折射和反射。

由于原始的光线为发散光束，其发生一次折射后，光线在棱镜3的测量面和待测液体的界面处的入射角也各不相同，发生第二次折射和反射后，反射光线的反射角也各不相同。

然后，在棱镜3的测量面和待测液体的界面处发生反射后的光线从棱镜3的出射面射出，在棱镜3的出射面处，光线实际是发生第三次的折射和反射，发生折射的光线射出后被输出耦合光学模块5接受。

由于折射率测量芯片4同时具有多个容置待测液体的沟槽，不同沟槽容置不同的待测液体，不同待测液体的折射率不同，光线在棱镜3的测量面和待测液体的界面处发生反射后，受待测液体折射率影响不同，出射光线对应获得光斑的明暗界限不同。对光斑进行分析从而能同时获得多种液体的折射率。

最后，所述阵列器件6用于接受带有待测对象折射率信息的反射光，并将其转化为光电信号，所述图像采集分析系统7用于对所述光电信号进行处理和分析，以直接输出待测对象的折射率数值。

本发明中，主要改进点在于巧妙设置了具有多个沟槽的测量芯片，可以多个通道同时测量不同的待测液体物质。

本发明中，由于输入耦合光学模块输出的光线为汇聚或者发散形式，其在棱镜3测量面上的入射角各不相同，其中包括临界角，光线根据在棱镜3测量面上的入射角不同而反射光能量不同，大于临界角的光发生全反射而无透射光，小于临界角的光发生折射而同时具有透射光和反射光，反射的光最终从棱镜射出至外界中，被输出耦合光学模块接受。从棱镜3中出射的反射光会由于待测对象折射率不同而形成具有明暗界限的光斑，该明暗界限与临界角具有对应关系，该临界角和待测对象的折射率具有对应关系，依此原理可获得待测对象的折射率。

本发明的测量原理是常见的，其巧妙之处在于测量芯片的设计以及整个大通量测量的构思。

总的来说，本发明装置是一种高通量或者说是大通量的折射率测量方式，其同时可以测量获得多种液体的折射率，并且多种液体折射率测量是在相同的条件下进行测量和数据处理的，可以消除随机误差，其测量效率和测量精度更高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。