[发明专利]基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法

说明书

技术领域

本发明属于物质折射率测量技术领域，特别涉及一种基于干涉条纹图处理来测量透明介质折射率分布的方法，以及提供实现该测量方法的测量装置。

背景技术

折射率作为表征物质性质的基本物理量，它反映了物质内部的许多信息，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，折射率的精确测量在工业应用上有重要的意义。

物质折射率的测量方法有很多种，自动化并且高精度地测出物质折射率一直是研究者追求的目标。在各种测量物质折射率的方法中，通常使用的方法有最小偏转角法、全反射临界角法、菲涅耳衍射法等。近年来还出现了一些新的测量方法，如液芯变焦柱透镜法、基于长周期光栅的光纤传感法等。但这些方法或多或少存在一定局限性，最小偏转角法在测量偏转角度时易产生较大误差；全反射临界角法在测量液体时需要知道所用棱镜的精确折射率；菲涅耳衍射法虽然实验简单，但计算过程复杂，不利于自动化；所述液芯变焦柱透镜法需要标准液来标定系统参数，而液体的腐蚀性限制了光纤传感技术的应用。然而，上述方法均不能很好的、实时的测量介质折射率的分布。

《中国激光》公开了“基于分光棱镜干涉法测量透明液体折射率”(见《中国激光》第40卷5期，2013年5月，罗文全等)，该文中的实验装置和方法是基于CCD采集干涉条纹图进行图像处理得到移动条纹数，其在旋转过程中必需采集几百幅图像才能实现计数，满足一定的精度要求。然而测量时间较长，数据处理繁琐，且只能处理较低频率的干涉条纹信号。而后《Optics Communications》公开了“A single-element interferometer for measuring refractive index of transparent liquids”(见《Optics Communications》332(2014)14–17，Tao Zhang等)，该文献对上述方法进行了完善和改进，得到了较高精度的测量结果，但此方法只能对折射率分布均匀的透明介质进行其折射率的测量，无法测量非均匀透明介质的折射率分布。如果能够提供一种既能测量均匀透明介质的折射率，又能测量非均匀透明介质的折射率分布的测量方法，这正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的缺陷和不足，提供一种基于干涉条纹图的处理来测量透明介质折射率分布的方法；该方法是利用立体分光棱镜分光面干涉所产生干涉条纹图，再通过计算改变输入光透过待测样品与参考介质的光程差所产生的干涉条纹移动数来进行待测透明介质的折射率分布的测量；以及提供一种实现该测量方法的测量装置。本发明的测量方法不仅可以对均匀透明介质折射率进行更高精度测量，而且还能实现对非均匀的透明介质折射率分布进行测量。所述对透明介质折射率分布的测量方法及其测量装置在保证测量精度和稳定性的前提下，还具有减少测量次数，缩短测量时间，以及简化数据处理的优点。

本发明提供的一种基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法，包括以下具体步骤：

(1)产生并接收待测样品处于第一位置时的干涉条纹图

选取适合于测试光的波长和对应的立体分光棱镜，调整立体分光棱镜位置，使所产生的干涉条纹间距满足相位提取算法需要；将试样台静置在平行激光束垂直入射到待测样品所处的第一位置并放置待测样品和参考介质，使待测样品与测试光光束传播方向垂直；然后将光学匹配系统输出的平行激光束垂直入射到试样台或其上比色皿中的待测样品和参考介质，透过待测样品的激光束形成信号光束、透过参考介质的激光束形成参考光束，所述信号光束和参考光束经立体分光棱镜发生干涉形成干涉光束，干涉光束经CCD探测器采集记录为干涉条纹图一，若干涉条纹图一已经携带有待测样品全部信息则直接进行第(2)步；反之，则将试样台在垂直光路的平面进行上下移动，CCD探测器继续采集记录此时干涉条纹图，直到待测样品全部的信息被采集完全，对所有采集的干涉条纹图进行拼接，得到一幅携带有待测样品全部信息的干涉条纹图一，并存入计算机系统中；

(2)产生并接收待测样品处于第二位置时的干涉条纹图