介质折射率的测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及折射率的测量领域，尤其涉及一种介质折射率的测量装置及其测量方 法。
【背景技术】
[0002] 折射率作为光学系统设计、光纤材料研制以及珠宝鉴定等领域中的重要参数之 一，在测量技术领域中具有重要的实际意义。尤其在光学系统设计和光纤材料研制领域中， 精确的测量介质和光纤的折射率，对于准确设计光学系统和了解光纤产品的质量尤为重 要。
[0003] 在折射率测量领域中，较多的是采用传统的临界角法、最小偏向角法或干涉法进 行测量。然而，传统的折射率测量方法仍然存在一些不足之处：例如，采用最小偏向角法， 如果需要高精度测量被测样品的折射率，则需要利用极高的加工技术将样品加工成三角棱 角，无疑增加了设备成本；临界角法测量折射率时，则需要待测样品的折射率必须小于标准 样品的折射率，以满足临界角的条件，且全波段高折射率标准样品材料稀缺且造价昂贵，使 得测量范围受到严重限制，尤其在测量固体介质时的精度下降。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的首要技术问题是针对上述现有技术提供一种能够对介质的折 射率进行高精度测量的介质折射率的测量装置。
[0005] 本发明所要解决的进一步技术问题是针对上述现有技术提供一种利用上述介质 折射率的测量装置测量介质折射率的测量方法。
[0006] 本发明解决上述首要技术问题所采用的技术方案为：介质折射率的测量装置，其 特征在于，包括具有光线发射孔的准直光源、第一光阑、第二光阑、圆形的旋转台、步进电 机、信号处理器和校准用的可见激光光源，所述旋转台连接步进电机，步进电机连接信号处 理器，旋转台的中心处设置有垂直于旋转台所处水平面的轴柱，轴柱上设有放置待测介质 的圆形载物台，所述待测介质为具有一可测顶角的契形棱镜，所述可测顶角的一顶角边所 处的侧面垂直于所述圆形载物台所处的水平面，且该顶角边平行所述圆形载物台的直径， 所述圆形载物台上设置有调节圆形载物台上下升降的调节旋钮，且所述圆形载物台平行于 旋转台所处水平面，所述旋转台的圆心与所述圆形载物台的圆心位于同一垂直轴线上，所 述旋转台上还设置有长度可调的测量臂，测量臂上设置有获取光照强度的探测器和汇聚光 线的GaF 2透镜，所述探测器与信号处理器连接，所述光线发射孔、第一光阑的通光孔、第二 光阑的通光孔、待测介质和探测器的狭缝均处于同一水平轴线上，所述GaF 2透镜位于所述 待测介质与所述探测器的狭缝之间，且所述探测器的狭缝位于GaF2透镜的一倍焦距处。
[0007] 可选择地，所述探测器为热敏探测器或红外光敏探测器或光电子型线阵型探测器 或硅光电池探测器。
[0008] 可选择地，所述准直光源为激光或者波长可调的窄脉宽光源。
[0009] -种利用上述测量装置测量介质折射率的测量方法，其特征在于，依次包括如下 步骤：
[0010] (1)开启准直光源，调整测量臂和探测器，使光线发射孔、第一光阑的通光孔、第二 光阑的通光孔、圆形载物台中轴线和探测器的狭缝均处于同一水平轴线上；
[0011] (2)测定契形状待测介质的顶角Φ，并将顶角Φ的一顶角边所处侧面垂直放置在 圆形载物台上，且令该顶角边平行所述圆形载物台的直径，调整顶角的另一顶角边所处的 侧面垂直于光线发射孔中出来的入射光线，降低圆形载物台，使待测介质的上表面低于由 第一光阑、第二光阑确定的水平线；
[0012] (3)信号处理器实时同步地接收探测器传送来的光照强度数据和步进电机的正向 脉冲数量，并一一对应地存储光照强度数据和步进电机的正向脉冲数量；步进电机通电后， 标记当前旋转台的位置为零点Φ。；
[0013] (4)反向调节步进电机，启动信号处理器和步进电机，由信号处理器设定预估的折 射光线偏向角A和初始零点Φ。，令圆形的旋转台缓慢旋转，并由旋转台带动测量臂同步转 动，其中，所述步进电机所接收到的正向脉冲数量m与旋转台的转动偏向角Φ m之间的对应 关系为：
[0014]
[0015] 其中，表示步进电机接收到的正向脉冲数为m时，旋转台对应转过的偏向角度； M表示旋转台转动360°时，步进电机所需要的脉冲数；
[0016] (5)待旋转台转动的偏向角达到预估偏向角Δ的一半，即φ -^夂时，则圆形 2 载物台升起，并由信号处理器令旋转台转动其偏向角至预估偏向角度值A，即Φ^= A 时，旋转台停止转动；
[0017] (6)信号处理器根据步骤（4)至步骤（5)中存储的所有光照强度数据，获得光照强 度数据中最大的两个数值E 1^2，并同时获取分别对应该两个最大光照强度数据的步进电机 接收到的正向脉冲数Hi 1、m2;
[0018] (7)计算步进电机的正向脉冲数分别为叫、，旋转台所对应转过的偏向角度 4* ml、4* m2:其中，
[0019]
[0020]
[0021] (8)根据获取的待测介质的顶角Φ、旋转台对应转过的偏向角度（Kp (K2，以及角 度对应关系，计算待测介质的折射率Ill:
[0022] LziN 丄UdU；?厶d厶；7 n ^? · * - 〇/ 〇
[0023] (9)信号处理器令步进电机反向转动，并带动旋转台反向旋转，再次由信号处理器 实时同步地接收探测器传送的光照强度数据和步进电机的脉冲数，并一一存储光照强度数 据和对应的步进电机的脉冲数；
[0024] (10)当旋转台旋转至光照强度逐渐增大到时，则降低步进电机转速，减缓旋 转台的旋转速度，并由信号处理器记录、存储此时对应的所有光照强度数据和步进电机正 向脉冲数；
[0025] 当旋转台旋转至光照强度逐渐减小到时，则增大步进电机转速，加快旋转台 的旋转速度，由信号处理器记录、存储此时对应的所有光照强度数据和步进电机正向脉冲 数；
[0026] (11)当旋转台旋转至步进电机正向脉冲数为+ 所对应的位置时，则圆形 载物台下降，使待测介质脱离对光线的阻挡；
[0027] (12)当旋转台旋转至光照强度逐渐增大到$及时，则降低步进电机转速，减缓旋 转台的旋转速度，并由信号处理器记录、存储此时对应的所有光照强度数据和步进电机正 向脉冲数；
[0028] 当旋转台旋转至光照强度逐渐减小到时，则增大步进电机转速，加快旋转台 L 的旋转速度，令旋转台旋转动至步骤（4)中的零点位置，并由信号处理器记录、存储此时间 段内对应的所有光照强度数据和步进电机正向脉冲数；
[0029] (13)信号处理器根据步骤（9)至步骤（12)中存储的所有光照强度数据，依次获得 光照强度数据中前、后最大的两个数值E 3、E4，并同时获取分别对应该两个最大光照强度数 据的步进电机正向脉冲数m3、m 4;
[0030] (14)计算步进电机的正向脉冲数分别为m3、m4时，旋转台对应转过的偏向角度 Φηι3、Φηι4:
[0031]
[0032]
[0033] (15)根据获取的待测介质的顶角f、旋转台对应转过的偏向角度（^3、（K 4，以及 角度对应关系，分别计算待测介质的折射率η2:
[0034] LiN 丄uouyzozy a yJ^ j 4/5 ^
[0035] (16)对步骤（4)至步骤（15)中的操作依次执行N次，获取2N个待测介质的折射 率数值〇1 1，112，113，114，*"，11@)，并分别计算2~个待测介质折射率的平均值^和方差5 :
[0036]
[0037]
[0038] 其中，Ii1表示计算得到的第i个待测介质的折射率数值；
[0039] (17)根据步骤（16)中计算得到的待测介质折射率的平均值G和方差δ，将待测 介质折射率的平均值i和方差δ之和或差作为待测介质的实际折射率 η:其中，
[0040] /? = /? 士 δ 〇.
[0041] 进一步地，所述测量介质折射率的测量方法还包括调换不同的准直光源，并依次 执行步骤（2)至步骤（17)中操作的步骤。
[0042] 与现有技术相比，本发明的优点在于：在光线发射孔、第一光阑的通光孔、第二光 阑的通光孔、待测介质和探测器的狭缝均处于同一水平轴线后，利用步进电机带动旋转台 作转动，信号处理器根据步进电机接收脉冲数与旋转台转动偏向角之间的对应关系以及探 测器接收到的光线强度数据，同步地、一一对应地存储步进电机脉冲数和光照强度数据，并 由信号处理器获取最大的两个光照强度数据，然后根据待测介质、圆形载物台之间的角度 关系，首次获取得到待测介质的折射率；然后探测器随旋转台作反向旋转，并由信号处理器 再次获取前后两个最大光照强度数