[发明专利]一种大量程范围的折射率测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于光学折射率测量技术领域，具体涉及一种光学折射率测量仪和测量方法，适用于折射率值在1.0-3.0范围的气体，液体以及玻璃材料的折射率的测量。

技术背景

折射率是表征物质性质的基本物理量，常用于光学、化学、新材料合成、物质鉴别等工程领域和科学研究等领域，其与物质的密度、浓度、温度以及应力等物理量有关。折射率的测量相对于其它的物理量的测量更易于实现，测量折射率成为人们获取其它与物质组成疏密程度相关参数的重要间接方法。

物质折射率和物体内分子数有很大的关系，通过对物质折射率的分析可以更好的了解物质的组成信息，也可以对物质的物理和化学性质做出定性的分析。

介质的折射率通常由实验测定，有多种测量方法。目前，物质折射率的测量方法主要分为波动光学、SPR技术、光纤传感技术、临界角法。对气体介质，常用精密度更高的干涉法（迈克尔逊干涉仪）。对液体介质，常用临界角法（阿贝折射仪）；对固体介质，常用最小偏向角法或自准直法；气体折射率采用波动光学中迈克尔逊干涉仪进行测量，该方法优点是精度高，但该方法测量范围较小不能兼顾液体和玻璃等材料，可实现性差、对设备使用环境要求较高不适合工业场合应用。液体折射率一般可采用SPR技术、光纤传感技术以及临界角法进行精确的测量。但是液体的腐蚀性限制了SPR技术和光纤传感技术的应用，临界角法可通过合理选择玻璃材料实现一些腐蚀性液体的折射率测量。临界角法的优点在于测量范围宽、精度高、易于在线的工业检测。阿贝折光计作为可以测量液体和玻璃的仪器是应用最广泛的，它设备体积小且精度高、抗外界干扰强，量程为1.3000–1.7000，这造成其无法测量一些气态物质和一些折射率高于1.7的液体以及折射率较大的玻璃或者晶体材料。

CN102012359公开了一种发散型临界角发测量液体参数的方法。该方法是通过微分法处理反射光斑明暗界限，从而实现液体折射率信息的测量。该方法的测量范围由入射角和棱镜的折射率决定。当液体折射率大于1.5时，该装置的反射光斑中不存在明暗界限，从而导致该装置失效。现有的临界角折射率测量装置和方法是通过高折射率的棱镜来测量低折射的待测物质，这造成测量精度及范围上无法做到权衡。

在常温常压下，气体折射率处于[1.0，1.01]，液体折射率处于[1.2,1.7],玻璃材料折射率处于[1.4，2.5]。由于三者物质所处的折射率区间差别较大，这导致测气体折射率的装置无法对液体或者玻璃材料折射率进行有效地测量。在有机化学反应和新物质的合成中，经常需要对反应物和生成物的折射率进行测量来保证化学反应的正常进行。一般情况下，反应物和生成物的所处折射率范围跨度较大，无法通过现有的单一的折射率测量装置来完成测量。在激光生命科学领域，往往需要通过生物组织的折射率来对组织的生物特性进行定性研究。不同部位的生物组织的折射率值相差较大。这导致有些折射率值超出现有测量装置的生物组织无法进行测量，限制了生物组织的光学特性的研究。现有的部分测量折射率的方法在结构设计和测量精度及范围上无法做到权衡，在测量气体、液体和玻璃等物质上不能兼得。

发明内容

本发明目的在于提出一种折射率测量装置及方法，可以实现全域范围内的折射率测量，其以反射型发散临界角法装置为基础，可测量从气体，液体，生物组织到玻璃材料全域范围内的折射率测量。

按照本发明的一个方面，提供一种普适全域折射率的测量装置，用于实现从气体、液体到玻璃材料的全域折射率的测量，其包括：

单色角点光源照明模块，其用于产生进行测量的两束光束；

参考光路模块，用于生成参考光，即所述单色角点光源照明模块产生的其中一束光束作为参考光入射到该参考光路模块中，经全反射后出射具有原始光场信息的参考信息光；

探测模块，其底面与待测物接触形成介质面，所述单色角点光源照明模块产生的的另一束光束作为探测光入射到该探测模块并经其介质面反射后出射耦合有所述待测物质折射率信息的探测信息光；

反射光能量收集模块，其用于分别接收所述参考信息光和探测信息光，并各自将其转换为电信号；以及

图像处理模块，其对转换为电信号的两路图像进行比较，得到相对反射率分布曲线，经处理即可提取出待测物质的折射率信息。

作为本发明的进一步优选，所述参考光路模块优选为三角棱镜，其底面斜边上镀有铝反射膜，所述参考光在该底面上发生全反射。

作为本发明的进一步优选，所述探测模块优选为三角棱镜，其底面斜边与待测物接触形成介质面，所述探测光入射到该介质面被反射，待测物的折射率信息被调制到反射光中。