专利名称：一种折射率色散特性的检测系统及其检测方法
技术领域：
本发明涉及一种折射率色散特性的检测系统及其检测方法。
背景技术：
色散特性是透明材料，例如玻璃，的一个重要指标，它与玻璃的成分及其制造有关。因此，对不同厂家、配方、原料和生产批次的玻璃，可以通过色散特性进行鉴别。另外，玻璃折射率的色散特性测量在工业材料检测、刑侦物证鉴定等领域有重要的应用价值。
玻璃折射率色散特性的传统测量方法，是在玻璃折射率测量方法的基础上，分别用不同波段单色光照明样品，得到不同波长下的折射率，然后得到玻璃样品的光谱特
性。精密测量透明材料折射率的经典方法有阿贝法、v棱镜法、最小偏向角法和干涉
法，市场能够提供基于这些方法的测量仪器。但这四种方法都要求把材料做成成型的样品，并且对相关的观测面有表面光滑的要求，而我们在现实生活中遇到的玻璃样品形状是任意的，加工成型和表面处理难度很大，所以这些方法不能用于此种情形。同时，由于这些光谱测量过程是在不同单色光照明时重复折射率测量过程，所以操作过程繁琐、时间上也不经济。
折射率匹配法是另外一种高精度测量玻璃折射率的方法。折射率匹配法是基于匹
配液和玻璃的折射率均随温度线性变化，前者变化率远远大于后者；将玻璃样品浸泡在匹配液中，当匹配液与玻璃样品的折射率完全相同的时候，在光学视场上将看不到两者的边界；根据匹配液的折射率可以获得待测玻璃样品的折射率。虽然在有人讨论过玻璃折射率的色散特性，但只是把玻璃的色散效应当作是一种误差来源；当前的折射率匹配法只测量在特定波长下的玻璃折射率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供无需多次重复设置待测物体，更加简便易行的系统及方法，能够较为准确快速的测出待测物体的折射率色散特性参数。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的
一种折射率色散特性的检测系统，包括-透明载体，用于盛装待测物体和匹配液；温度调节装置，用于改变并获取所述透明载体的温度；宽带光源，用于发出射向所述透明载体的宽带光；
成像装置，用于利用所述宽带光形成关于所述透明载体的至少包含二维信息的波长匹配图像；
计算处理装置，用于将所述透明载体的至少包含二维信息的波长匹配图像转换为相应的电信号，并结合所述温度调节装置获取的温度，对该电信号进行分析处理，得到所述待测物体的折射率色散特性参数。
其中，所述匹配液只要满足其折射率随温度变化特性已知、与待测物体的折射
率随温度变化特性具有差异，且物理化学性质稳定即可，而不需要其在给定温度范围内折射率随温度变化特征为线性。待测物体可以为任意透明或者半透明的物体。
在上述技术方案中，将待测物体，例如玻璃，浸于在透明载体内的匹配液中，并以该混合体整体作为检测的对象。其中，匹配液和玻璃的折射率均随温度线性变化，而匹配液的折射率温度系数远远大于玻璃。而随着温度的改变，当匹配液与玻璃的折射率完全相同的时候，在光学视场上将看不到两者的边缘，这时可以由匹配液的折射率得到玻璃的折射率。而用宽带光源照明承载有待测物体和匹配液的透明载体，并让透过该透明载体的光经过成像装置形成至少包含二维信息的波长匹配图像，其中，在二维图像中，其中， 一维是光波长，反映了所述宽带光所包含的波长；另一维是所述匹配液和待测物体相互之间的边界的位置。这样使得光谱信息与反应折射率匹配程度的图像同步被所述计算处理装置所记录。
随着温度的变化，所述计算处理装置记录下一系列"波长一匹配图像"，然后利用折射率匹配法得到不同波长下的所述待测物体折射率，也就是所述待测物体的折射率随波长变化的曲线，实现色散测量。进一步，作为一个简单的例子，所述待测物体的色散的柯西公式为
n(入)=A+B / A2+C/X4; (1)在(1)式中，n是折射率，A是波长，A、 B和C是色散参数。可以用得到所述待测物体折射率随波长变化的曲线，拟合柯西公式，得到色散参数A、 B和C;为简便计，以后相关的介绍以得到色散参数A、 B和C为例。
与传统的光谱测量方法相比，不仅继承了折射率匹配法的样品用量少、对样品形状没有要求的优点，而且操作过程少，不会增加时间负担。
上述技术方案基于折射率匹配法去测量待测物体，如玻璃的折射率色散特性，与以往色散特性测量相区别的最大特点就是在多波长下同步进行折射率测量，即经过一次折射率测量就可以得到样品的色散特性。此外，折射率匹配法无须把玻璃加工为
成型的样品，它只需要很少量样品，并对样品形状没有要求。所以利用这个基于折射率匹配法的玻璃折射率色散特性测量具有特殊的意义，特别是作为一种法庭物证鉴定的新手段。这是因为本技术方案所处理的待测物体，如玻璃样品通常都是任意形状和大小，并且要求测量过程快速、操作简单，可以有效增强刑事司法检验的技术力量，特别是针对要以玻璃，特别是碎片或者残渣作为物证的案件，具有重要的现实意义，也为新的科学技术有效、及时地应用于刑事技术领域开辟新的途径。这样，也将会拓展玻璃折射率光谱测量在玻璃相关工业的质量检测、玻璃应用领域的特征探测等方面的应用。
由于采用了宽带光源，那么在"波长匹配图像"上为连续光谱。考虑到光谱的分辨能力，既可以分析几个特定波长，也可以针对所有的波长进行分析。由于已知匹配液特定温度下折射率和它的折射率随温度的线性关系，即折射率温度系数，可以得到待测物体在不同波长下的折射率。然后用数学方法拟合待测物体的柯西色散公式得到参数A、 B和C等。相对而言，比较可取的方法是尽量多的取宽带光源所包含特定的波长，以提高拟合精度，使得结果不易受到某个波长下折射率测量误差的影响。
进一步而言，所述透明载体包括相对设置的上透明片和下透明片；所述上透明片和下透明片之间填充有所述匹配液，所述待测物体浸于所述匹配液。
与之相应的，所述成像装置包括
光学镜组，用于对所述透明载体进行光学成像；
狭缝，设置于所述透明载体相对于所述光学镜组的共轭成像面处；宽带光分解单元，用于分解透过所述狭缝的宽带光的光谱，并投射为空间分布。
采用上述技术措施，宽带光源照明承载有待测物体和匹配液的透明载体，并让透
过该透明载体的光经过所述狭缝后，被所述宽带光分解单元分解得到光谱信息，形成
二维图像，即为一种波长匹配图像。在每个测量的温度点上，采集一幅图像；通过改变温度，比如升温或者降温，可以得到一系列图像；"波长匹配图像"反映的是在不同 波长下玻璃样品与匹配液的匹配程度。其中，温度点的准确性，这取决于所述温度调 节装置的温度控制精度，及测温的精度。
进一步而言，所述宽带光分解单元包括用于分解宽带光的光谱，并将其投射为 空间分布的光栅。
进一步而言，所述光学镜组包括在所述透明载体光学成像光路上依次设置的第 一透镜、第二透镜和反射镜。
进一步而言，所述计算处理装置包括用于将光信号转换为相应电信号的电耦合
器件，以及，用于根据所述电耦合器件和温度调节装置输入的信号，进行数据处理并
得到折射率色散特性参数的数据处理单元。
考虑到实验测量误差和环境对测量的影响，测量记录的图像首先要利用图像处理
方法去除噪声。考察玻璃样品与匹配液的匹配程度，如果匹配时边缘在光学图像上消
失，则搜索和确定匹配温度。由于采用了宽带光源，那么在"波长一匹配图象"上为
连续光谱，考虑到光栅的分辨能力，可以分析几个特定波长，也可以针对所有的波长，
由于已知匹配液特定温度下折射率和它的折射率随温度的线性关系，即折射率温度系
数，得到玻璃样品在不同波长下的折射率；然后用数学方法拟合玻璃样品的柯西色散
公式得到参数A、 B和C等。比较好的方法是多取几个波长，可以提高拟合精度，使
得结果不易受到某个波长下折射率测量误差的影响。
进一步而言，所述温度调节装置包括用于对所述透明载体进行加热的加热单元， 以及调节所述加热单元加热的控制单元。
采用上述技术措施，可以方便的的调节温度，当然也可以用降温的方式来实现温 度的调节，但是这与加热的方式相比，其实现成本较高，且调节速度也较慢。
进一步而言，所述的折射率色散特性的检测系统还包括设置在所述宽带光源和 透明载体之间，用于汇聚宽带光的聚光装置。
采用上述技术措施，可以进一步提高系统的整体检测效率。
本发明还提供一种采用所述的折射率色散特性的检测系统的折射率色散特性的检 测方法，包括如下步骤
准备步骤将所述待测物体浸入盛于所述透明载体的匹配液中；
成像步骤成像装置利用所述宽带光形成关于所述透明载体的至少包含二维信息的波长匹配图像；
控温步骤所述温度调节装置获取并改变所述透明载体的温度；
处理步骤所述计算处理装置根据在不同温度下所获得的至少包含二维信息的波
长匹配图像以及相应的温度进行处理分析，得出盛装在所述透明载体内所述待测物体
的折射率色散特性参数。
采用上述技术方案，在处理步骤中，技术人员根据其工作要求，完成相应的工作，
例如，控制软件的设计、人机界面的编写，以及图像预处理和匹配温度搜索算法、数
学拟合算法等等的集成。
其中，我们可以认为，所述透明载体的温度，与所述待测物体和匹配液的温度是
相等的，或者，它们之间的差别为可以忽略的。
另外，影响色散测量精度的因素主要有两个。第一个因素是，在数学拟合柯西公
式得到参数A、 B和C等的过程中，测量误差会传递到参数A、 B和C的误差。可以
通过误差分析的方法对此进行克服，例如，参照传统的误差校正方法，对色散参数A、
B和C的误差进行校正。
第二个因素是，匹配液的色散特性，特别是在不同波长下折射率温度系数的变化。
解决方法包括，对匹配液的折射率温度系数进行标定。例如，可以用一组玻璃标准件 来标定匹配液的折射率温度系数光谱特性。具体的做法是首先，选择玻璃的标准件， 它们的折射率色散特性已知，即它们在不同波长下的折射率巳知；然后，用本发明的 上述折射率色散特性的检测方法测量出这些标准玻璃的色散特性。由于折射率匹配， 可以得到匹配液的色散特性，利用匹配液的折射率随温度的线性关系，可以得到在不 同波长下的匹配液折射率温度系数。其中，折射率差与温度差的比值就是匹配液的折 射率温度系数。这个过程就是标定匹配液的折射率温度系数光谱特性。标定完成之后， 匹配液折射率温度系数的光谱特性被存储在系统之中。在此后的玻璃折射率色散测量 过程中，相对应波长下的匹配液折射率温度系数会被系统调用，提高玻璃折射率色散 测量的精度。
进一步而言，所述透明载体包括相对设置的上透明片和下透明片；所述上透明 片和下透明片之间填充有所述匹配液，所述待测物体浸于所述匹配液； 所述成像装置包括-
光学镜组，用于对所述透明载体进行光学成像；
8狭缝，设置于所述透明载体相对于所述光学镜组的共轭成像面处； 宽带光分解单元，用于分解透过所述狭缝的宽带光的光谱，并投射为空间分布； 所述成像步骤包括
所述狭缝对准所述上透明片和下透明片之间的所述待测物体与所述匹配液交界的 边缘部分。
经过实验对比，采用上述方法进行的成像步骤，其系统所获得的二维波长匹配图 像的效果最优。
与现有技术相比本发明的优点在于，无需多次重复设置待测物体，更加简便易行 的，并较为准确快速的测出待测物体的折射率色散特性参数。
图1是本发明折射率色散特性的检测系统一种实施例的结构示意图； 图2是本发明折射率色散特性的检测系统另一种实施例的结构示意图； 图3是本发明折射率色散特性的检测系统另一种实施例中二维的波长匹配图像形 成示意图4本发明折射率色散特性的检测系统另一种实施例的工作过程示意图； 图5是本发明折射率色散特性的检测系统的检测方法一种实施例的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示， 一种折射率色散特性的检测系统包括透明载体100、温度调节装置
190、宽带光源200、成像装置300，以及，计算处理装置400。
其中，透明载体IOO用于盛装待测物体IIO和匹配液120;温度调节装置l卯用于 改变并获取所述透明载体100的温度；宽带光源200用于发出射向所述透明载体100 的宽带光；成像装置300用于利用所述宽带光形成关于所述透明载体100的至少包含 二维信息的波长匹配图像；计算处理装置400用于将所述透明载体100的至少包括二 维的波长匹配图像转换为相应的电信号，并结合所述温度调节装置190获取的温度， 对该电信号进行分析处理，得到所述待测物体IIO的折射率色散特性参数。
如图2所示，相比图l,为折射率色散特性的检测系统更具体的实施例。结合参照图l，其中，所述成像装置300包括用于对所述透明载体100进行光学成像的光学镜 组、设置于所述透明载体100相对于所述光学镜组的共轭成像面处的狭缝320、以及， 采用了光栅331，用于分解透过所述狭缝320的宽带光的光谱，并投射为空间分布的宽 带光分解单元。所述光学镜组包括在所述透明载体100光学成像光路上依次设置的 第一透镜311、第二透镜312和反射镜3B。
其中，所述透明载体100包括相对设置的上透明片101和下透明片102;所述上 透明片101和下透明片102之间填充有所述匹配液120，所述待测物体110浸于所述匹 配液120。
其中，所述计算处理装置400包括用于将光信号转换为相应电信号的电耦合器 件410，以及，用于根据所述电耦合器件410和温度调节装置1卯输入的信号，进行数 据处理并得到折射率色散特性参数的数据处理单元420。
其中，所述温度调节装置l卯包括用于对所述透明载体100进行加热的加热单
元，以及调节所述加热单元加热的控制单元。
如图3所示，为对图2所示实施例的工作原理做进一步说明。为了获得包含二维
信息的波长匹配图像，需要以下两个条件第一个条件是设置于所述透明载体100相
对于所述光学镜组的共轭成像面处的狭缝320。所述狭缝320的作用是取一个狭长区域
内的样品像，包括一个或几个待测物体110与匹配液120之间的边缘部分。所述狭缝
320也可以认为是一条线，把其他不需要的光都屏蔽。第二个条件是光栅331。所述光
栅331分解宽带光的光谱，并投射为空间分布。所述光栅331的作用是把所述狭缝320
透过来的光进行光谱分解，投射为空间分布，得到形成二维的"波长匹配图像"，其中，
一维是波长，另一维是待测物体110和匹配液120之间边界的位置。
在检测过程中，在每个温度点采集相应的二维的波长匹配图像。所述温度调节装 置l卯通过改变温度，比如升温或者降温，可以得到一系列二维的波长匹配图像。所 述波长匹配图像反映的是在不同波长下玻璃样品与匹配液的匹配程度。
如图4所示，其中各个模块代表了如图2所示实施例中实行相应功能的硬件部分， 其中虚线代表控制信号流，而实线代表信息流。
数据处理单元420可以采用计算机，其功能包含两部分 一部分是用户在人机交 互界面上设定各种参数，比如输入温度搜索范围、速度和精度，在图像显示窗口上选 择观察区(比如选待测物体与匹配液交界面)，设定图像处理的各种参数，选择数据分析的不同方法，并且在指定的区域显示仪器状态、测量结果等。第二部分是数据处理 系统与其他模块的交互，比如从成像装置300中读取图像数据；又如可以向温度调节 装置190的控制单元发布温度参数和控制指令，同时读取温度调节装置190的信息作 为反馈信息，比如当前温度和温度调节装置190状态等。
温度调节装置190和成像装置300分别作为功能模块，执行数据处理单元420的 指令，提供数据处理单元420需要的各种信息和数据，并保持与数据处理单元420的 同步。
如图5所示，采用所述的折射率色散特性的检测系统的折射率色散特性的检测方 法包括如下步骤
1，准备步骤包括两步。第一步是将待测物体110粉碎成粉末状，其粉末大小在
IO—IOO微米量级，这些粉末状的待测物体110被称为样品。第二步是取少量所述样
品放到一块下透明片102 (载玻片)上，并滴上匹配液120，让所述样品在液滴中心区 域均匀分布。然后，盖上上透明片IOI (盖玻片)，保证所述样品与匹配液120的混合 物中没有气泡。这样一种组合可以称为样品片。
2，将样品片放在相应的检测位置，此处温度调节装置190将可以改变其温度。为 了提高效率，可以预先校正系统，要保证温度调节区域在成像装置300的成像范围内； 同时调整成像装置300,使得成像装置300能够观察所述样品片中样品与匹配液边界。 此时系统也可以实时显示图像，以便用户能够直观的感觉到成像装置300的调整效果。
3，选择特定的观察区。用户需要调整所述样品片，使得狭缝经过一个或者几个样 品与匹配液120的边缘部分。
4，前后两种不同的搜索策略。高精度测定匹配温度是本发明的折射率精度的前提 条件。基本思路是，先大范围粗精度的搜索，得到在不同波长下玻璃与匹配液折射率 匹配的大致温度范围(比此前小的"小范围")，然后在这个温度"小范围"内进行细 精度的搜索，得到在不同波长下玻璃与匹配液折射率的匹配温度。
5，透过狭缝320的宽带光经过光栅331分解后，在电耦合器件410上获得波长匹 配图像。它的一维是待测物体100与匹配液120的边缘位置，另一维是相应的波长。
6，评估一系列"波长匹配图像"，得到在不同波长下匹配指数随温度的变化曲线， 然后得到匹配温度。作为一种具体的实施方式，匹配指数的获得可以是对电耦合器 件410上获得波长匹配图像进行处理，提取图像特征，作为评价指数来衡量样品与匹配液的匹配程度。其中，获得匹配温度的方法，与匹配指数的选择有关。
7，从匹配温度得到待测物体110的折射率。在测量之前，对系统进行定标，也就 是通过对折射率色散特性已知的标准样品按照流程进行测量，从而得到不同波长下匹 配液的温度折射率系数。在之后针对未知折射率的待测物体110的测量中，得到不同 波长下的匹配温度之后，通过不同波长下匹配液的温度折射率系数，换算出不同波长 下的待测物体110折射率。
需要指出的是，本发明中的成像装置300可以选择采用显微镜，包括，普通显微 镜和相差显微镜，其可以是透射式，也可以是反射式。本发明的检测方法的搜索策略， 除了用上述实施方式中的两种搜索策略并用的方式，也可以用小范围搜索得到匹配指 数变化趋势，然后结合匹配液折射率随温度变化特征，计算得到大致匹配温度，再结 合小范围细精度温度搜索。四是评估波长匹配图像的优劣，可以用如上述具体实施方 式中用边界特征，也可以用图像其他特征。而匹配指数的选定，可以用当前图像的某 数学特征作为匹配指数，也可以用基于起始温度状态图像作为模板对后续图像进行遴 选以获得匹配指数等。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本 发明的保护范围。
权利要求
1、一种折射率色散特性的检测系统，其特征在于，包括透明载体(100)，用于盛装待测物体(110)和匹配液(120)；温度调节装置(190)，用于改变并获取所述透明载体(100)的温度；宽带光源(200)，用于发出射向所述透明载体(100)的宽带光；成像装置(300)，用于利用所述宽带光形成关于所述透明载体(100)的至少包含二维信息的波长匹配图像；计算处理装置(400)，用于将所述透明载体(100)的至少包括二维的波长匹配图像转换为相应的电信号，并结合所述温度调节装置(190)获取的温度，对该电信号进行分析处理，得到所述待测物体(110)的折射率色散特性参数。
2、 如权利要求1所述的折射率色散特性的检测系统，所述透明载体(100)包括 相对设置的上透明片(101)和下透明片(102);所述上透明片(101)和下透明片(102) 之间填充有所述匹配液(120)，所述待测物体(110)浸于所述匹配液(120)。
3、 如权利要求1或2所述的折射率色散特性的检测系统，其特征在于，所述成像 装置(300)包括光学镜组，用于对所述透明载体(100)进行光学成像；狭缝(320)，设置于所述透明载体(100)相对于所述光学镜组的共轭成像面处； 宽带光分解单元，用于分解透过所述狭缝(320)的宽带光的光谱，并投射为空间 分布。
4、 如权利要求3所述的折射率色散特性的检测系统，其特征在于，所述宽带光分 解单元包括光栅(331)。
5、 如权利要求3所述的折射率色散特性的检测系统，其特征在于，所述光学镜组 包括在所述透明载体(100)光学成像光路上依次设置的第一透镜(311)、第二透镜(312)和反射镜(313)。
6、 如权利要求1或2所述的折射率色散特性的检测系统，其特征在于，所述计算 处理装置(400)包括用于将光信号转换为相应电信号的电耦合器件(410)，以及， 用于根据所述电耦合器件(410)和温度调节装置(l卯)输入的信号，进行数据处理 并得到折射率色散特性参数的数据处理单元(420)。
7、 如权利要求1或2所述的折射率色散特性的检测系统，其特征在于，所述温度调节装置(190)包括用于对所述透明载体(100)进行加热的加热单元，以及调节所述加热单元加热的控制单元。
8、 如权利要求1或2所述的折射率色散特性的检测系统，其特征在于，还包括设置在所述宽带光源(200)和透明载体(100)之间，用于汇聚宽带光的聚光装置(900)。
9、 一种采用如权利要求1所述的折射率色散特性的检测系统的折射率色散特性的 检测方法，其特征在于，包括如下步骤准备步骤将所述待测物体(110)浸入盛于所述透明载体(100)的匹配液(120)中；成像步骤成像装置利用所述宽带光形成关于所述透明载体(100)的至少包含二 维信息的波长匹配图像；控温步骤所述温度调节装置获取并改变所述透明载体(100)的温度； 处理步骤所述计算处理装置(400)根据在不同温度下所获得的至少包含二维信息的波长匹配图像以及相应的温度进行处理分析，得出盛装在所述透明载体(100)内 所述待测物体(110)的折射率色散特性参数。
10、 如权利要求9的所述的折射率色散特性的检测系统的折射率色散特性的检测方法，其特征在于，所述透明载体(100)包括相对设置的上透明片(101)和下透明片(102);所 述上透明片(101)和下透明片(102)之间填充有所述匹配液(120)，所述待测物体 (110)浸于所述匹配液(120); 所述成像装置(300)包括光学镜组，用于对所述透明载体(100)进行光学成像；狭缝(320)，设置于所述透明载体(100)相对于所述光学镜组(310)的共轭成 像面处；宽带光分解单元，用于分解透过所述狭缝(320)的宽带光的光谱，并投射为空间 分布；所述成像步骤包括所述狭缝(320)对准所述上透明片(101)和下透明片(102)之间的所述待测物 体(110)与所述匹配液(120)交界的边缘部分。
全文摘要
本发明公开一种折射率色散特性的检测系统及其检测方法。折射率色散特性的检测系统包括透明载体(100)，用于盛装待测物体(110)和匹配液(120)；温度调节装置(190)，用于改变并获取所述透明载体(100)的温度；宽带光源(200)，用于发出射向所述透明载体(100)的宽带光；成像装置(300)，用于利用所述宽带光形成关于所述透明载体(100)的至少包含二维信息的波长匹配图像；计算处理装置(400)，用于将所述透明载体(100)的至少包括二维的波长匹配图像转换为相应的电信号，并结合所述温度调节装置(190)获取的温度，对该电信号进行分析处理，得到所述待测物体(110)的折射率色散特性参数。
文档编号G01N21/27GK101603921SQ20091010870
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月3日 优先权日2009年7月3日
发明者何永红, 然 廖, 辉 马 申请人:清华大学深圳研究生院