专利名称：一种阿贝折射仪及光路实现方法
技术领域：
本发明涉及光学测量仪器领域，特别涉及一种阿贝折射仪及光路实现方法。
背景技术：
折射率是物质的重要物理常数之一，许多纯物质都具有一定的折射率，如果其中含有杂质则折射率将发生变化，出现偏差，杂质越多，偏差越大。因此通过折射率的测定，可以测定物质的纯度。阿贝折射仪(也称阿贝折光仪)是根据光的全反射原理设计的仪器，它利用全反身临界角的测定方法测定未知物质的折光率，可定量地分析溶液中的某些成分，检验物质的纯度，是石油工业、油脂工业，制药工业，造漆工业、食品工业、日用化学工业，制糖工业和地质勘察等有关工厂，学校及研发单位不可缺少的常用设备之一 。
其工作原理如下 当一束单色光从介质1进入密度不同的介质2时，光线在通过界面时改变了方向，这一现象称为光的折射，光的折射现象遵从折射定律<formula>formula see original document page 3</formula>(1) 式中a为入射角，13为折射角&、化为交界面两侧两种介质的折射率。当光线从一种折射率小的介质1射入折射率大的介质2时(ni < n2)，入射角一定大于折射角(a >13)。当入射角增大时，折射角也增大，设当入射角3 = 90°时，折射角为！3。，我们将此折射角称为临界角。因此，当在两种介质的界面上以不同角度射入光线时(入射角a从0。 90° )，光线经过折射率大的介质后，其折射角13《P。，其结果是大于临界角P。的部分无光线通过，成为暗区；小于临界角的部分有光线通过，成为亮区。临界角成为明暗分界线的位置，根据(1)式可得 <formula>formula see original document page 3</formula> ② 因此，在固定一种介质时，临界折射角13 。的大小与被测物质的折射率是简单的函数关系，阿贝折射仪就是根据这个原理而设计的。 现有的多光源折射率测量系统，通过选择多个光源中的一个合适的光源使临界角对应的分界线移至可测范围，从而起到扩大量程的作用；CCD阵列装在距透镜距离为L处，L不等于透镜焦距，即CCD阵列位于偏离透镜后焦面处，此时光源的线宽将使得一个角度对应于一点变成了对应于一个光斑，造成了暗区到亮区的过渡过宽，即变化不锐，从而影响精度。现有的技术都采用透镜成像在CCD阵列上，由于透镜总是存在像差，影响自动阿贝折射仪的准确度。 可见，现有技术中的自动阿贝折射仪的测量系统存在如下问题 1.光路复杂，光学元件繁多，必然造成光路调试困难，用户需要具备一定的专业技
术才能够对仪器进行操作。 2.聚光透镜和棱镜分离，使仪器的体积增大。
3.繁多的光学元件导致仪器成本居高不下。 4.使用多个LED光源组来实现大量程的测量，使得系统变得更加复杂、笨重，价格 昂贵，不利于仪器小型化。 5. CCD阵列偏离透镜后焦面，导致暗区到亮区的过渡过宽，即变化不锐，从而影响 精度。 6.由于现有的自动阿贝折射仪都采用透镜成像，而透镜总是存在像差，制约了现 有自动阿贝折射仪的精度进一步提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种相对简单的阿贝折射仪的测量光路结构以及光路实现 方法，实现高精度自动阿贝折射仪对各种物质折射率进行测量。 —种阿贝折射仪的光路实现方法，其特征在于，LED光源组发出的光线穿过光路座 内的一圆孔后入射至一聚折光组件的平凸聚光透镜入射面，经所述聚折光组件的样品测量 面折射，从所述聚折光组件棱镜腰面出射面被线阵CCD接收面接收。 —种阿贝折射仪，包括LED光源组、线阵CCD接收面和光路座，其特征在于，还包括
一聚折光组件，该聚折光组件具有样品测量面、入射面和出射面，所述的聚折光组件的入射
面垂直于置于所述光路座内部的圆孔轴线，该圆孔轴线同时垂直于所述的LED光源组的发
光面，所述的聚折光组件的出射面平行于所述线阵CCD接收面，所述的聚折光组件的入射
面为平凸聚光透镜入射面，所述的聚折光组件的出射面为棱镜的一个腰面。 所述圆孔的孔径小于1毫米，所述的聚折光组件由一平凸聚光透镜胶合于一折光
棱镜的入射腰面的中心处组成，所述平凸聚光透镜和所述折光棱镜的折射率相同，该折射
率在1. 73 2. 0之间，所述平凸聚光透镜的焦距在8毫米 10毫米之间，通光孔径7. 5毫
米 毫米之间，会聚角度在-30度 +30度之间，所述折光棱镜的两个底角在50度 70度
之间，所述的线阵CCD接收面与所述折光棱镜的出射腰面的距离在31毫米 35毫米之间。 所述的LED光源组、线阵CCD接收面和聚折光组件封装于光路座中。 所述的线阵CCD接收面像素在7000个 8000个之间。 所述的LED光源组由单色LED发光二级管组成。 与现有技术相比，本发明的阿贝折射仪的测量光路结构简单，容易操作，成本低， 对LED光源的发光均匀没有要求，减少了使光波均匀化的磨砂玻璃。高折射率聚光和折光 棱镜的使用确保了只需一个LED光源组就可以从实现光波从多角度入射到高折射率折光 棱镜上，从而实现大量程1. 3000-1. 7000范围内物质折射率的测量。采用单色LED光源克 服了用白光源带来的色散的影响，无需消色散光路。采用聚光透镜和棱镜胶合在一起进一 步减少仪器大小。消除成像透镜，和采用线阵CCD对通过高折射率折光棱镜的光波进行探 测，大大提高了仪器探测的精度。整套光路封装与光路座内，实现了光路模块化，有助于仪 器的小型化，提高仪器的稳定性。使得自动阿贝折射仪重量轻、体积小、生产装配容易、制造 成本低、测量范围大、操作简单，比现有的自动阿贝折射仪的精度提高一个数量级。
图1是本发明一实施例中的光路结构图的剖面图
其中 r 2. 3. 4. 5. 6.
主机
LED光源组 圆孔
-光路座
-聚折光组件
-线阵CCD接收面
具体实施例方式
以下结合附图对于本发明具体实施方式
作进一步说明。 如图1所示，本发明提供的阿贝折射仪的光路结构，包括LED光源组2 、线阵CCD接 收面6和光路座4，其特征在于，还包括一聚折光组件5，该聚折光组件5具有样品测量面、 入射面和出射面，所述的聚折光组件的入射面垂直于置于所述光路座内部的圆孔轴线，该 圆孔轴线同时垂直于所述的LED光源组的发光面，所述的聚折光组件的出射面平行于所述 线阵CCD接收面，所述的聚折光组件的入射面为平凸聚光透镜入射面，所述的聚折光组件 的出射面为棱镜的一个腰面。 所述圆孔3的孔径小于1毫米，所述的聚折光组件5由一平凸聚光透镜胶合于一 折光棱镜的入射腰面的中心处组成，所述平凸聚光透镜和所述折光棱镜的折射率相同，该 折射率在1. 73 2. 0之间，所述平凸聚光透镜的焦距在8毫米 10毫米之间，通光孔径 7. 5毫米 毫米之间，会聚角度在-30度 +30度之间，所述折光棱镜的两个底角在50度 70度之间，所述的线阵CCD接收面6与所述折光棱镜的出射腰面的距离在31毫米 35毫 米之间。 所述的LED光源组2、线阵CCD接收面6和聚折光组件5封装于光路座4中。光路 座4装于主机1内。 所述的线阵CCD接收面6像素在7000个 8000个之间。
所述的LED光源2组由单色LED发光二级管组成。 LED光源组发出的光线穿过光路座内的一圆孔后入射至一聚折光组件的平凸聚光 透镜入射面，经所述聚折光组件的样品测量面折射，从所述聚折光组件棱镜腰面出射面被 线阵CCD接收面接收。 现给出本发明的一个实施例。nm为纳米单位，mm为毫米单位。
选用主波长为589.3士7nm的大功率黄色LED发光管组成稳定的发光源，接通电 源，发光二极管发出的小角度发散单色光通过孔径为0. 5mm小圆孔，模拟成为点光源。从圆 孔3发出的光，经过高折射率聚光和折光棱镜的小平凸聚光透镜形成汇聚光斑，该小平凸 聚光透镜的焦距分别为9. 06mm，通光孔径为8mm，折射率为1. 77236，胶合在高折射率折光 棱镜一腰的中心处，该小平凸聚光透镜在高折射率折光棱镜和被测样品的接触面上产生会 聚角度为±15度的会聚光，该会聚角度刚好能够满足测量要求，通过被测样品的光波从不 同方向进入高折射率折光棱镜，为了保证光波能够在被测样品与高折射率折光棱镜相接的 界面处发生全反射，选用底角为60度折射率为1. 77236的高折射率折光棱镜，经高折射率 折光棱镜反射出去的光波直接照射在线性CCD接收面6上。所述高折射率折光棱镜和小平凸聚光透镜胶合在一起形成紧凑的高折射率聚光和折光棱镜组。使得只有在被测样品与高 折射率聚折光棱镜组件5相接的界面处发生全反射的光线才能直接照射在线阵CCD接收面 6上，根据式(2)可知，只要已知棱镜的折光率r^通过测定待测样品的临界角P。就能求得 待测样品的折射率rid，将上述器件封装在光路座4中形成一个模块化光路结构，从而且确保 仪器可以长期稳定可靠的工作。
权利要求
一种阿贝折射仪的光路实现方法，其特征在于，LED光源组发出的光线穿过光路座内的一圆孔后入射至一聚折光组件的平凸聚光透镜入射面，经所述聚折光组件的样品测量面折射，从所述聚折光组件棱镜腰面出射面被线阵CCD接收面接收。
2. —种阿贝折射仪，包括LED光源组、线阵CCD接收面和光路座，其特征在于，还包括一 聚折光组件，该聚折光组件具有样品测量面、入射面和出射面，所述的聚折光组件的入射面 垂直于置于所述光路座内部的圆孔轴线，该圆孔轴线同时垂直于所述的LED光源组的发光 面，所述的聚折光组件的出射面平行于所述线阵CCD接收面，所述的聚折光组件的入射面 为平凸聚光透镜入射面，所述的聚折光组件的出射面为棱镜的一个腰面。
3. 如权利要求2所述的阿贝折射仪，其特征在于，所述圆孔的孔径小于1毫米，所述的 聚折光组件由一平凸聚光透镜胶合于一折光棱镜的入射腰面的中心处组成，所述平凸聚光 透镜和所述折光棱镜的折射率相同，该折射率在1. 73 2. 0之间，所述平凸聚光透镜的焦 距在8毫米 10毫米之间，通光孔径7. 5毫米 毫米之间，会聚角度在-30度 +30度之 间，所述折光棱镜的两个底角在50度 70度之间，所述的线阵CCD接收面与所述折光棱镜 的出射腰面的距离在31毫米 35毫米之间。
4. 如权利要求2所述的阿贝折射仪，其特征在于，所述的LED光源组、线阵CCD接收面 和聚折光组件封装于光路座中。
5. 如权利要求2所述的阿贝折射仪的光路结构，其特征在于，所述的线阵CCD接收面像 素在7000个 8000个之间。
6. 如权利要求2所述的阿贝折射仪，其特征在于，所述的LED光源组由单色LED发光二 级管组成。
全文摘要
本发明涉及一种阿贝折射仪，包括LED光源组、线阵CCD接收面和光路座，其特征在于，还包括一聚折光组件，该聚折光组件具有样品测量面、入射面和出射面，所述的聚折光组件的入射面垂直于置于所述光路座内部的圆孔轴线，该圆孔轴线同时垂直于所述的LED光源组的发光面，所述的聚折光组件的出射面平行于所述线阵CCD接收面，所述的聚折光组件的入射面为平凸聚光透镜入射面，所述的聚折光组件的出射面为棱镜的一个腰面。本发明使得自动阿贝折射仪重量轻、体积小、生产装配容易、制造成本低、测量范围大、操作简单，比现有的自动阿贝折射仪的精度提高一个数量级。
文档编号G01N21/01GK101726469SQ20091019851
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月10日 优先权日2009年11月10日
发明者孙流星 申请人:上海精密科学仪器有限公司