專利名稱：物質折射率的全反射測量方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學材料或其它物質折射率及其色散性質關系的測量方法和裝置，具體地說使用全反射原理確定臨界角進而推算出折射率的方法及用于該方法的裝置。
通常，非氣態物質的折射率測量方法都以折射反射定律為基礎，一般都可以歸結為測角法。中國大百科全書出版社1987年出版的《中國大百科全書·物理學II》中第1218頁至第1219頁介紹了數種典型方法，如自準直法、大多數材料所用的偏向角法和阿貝折射儀以及實際生產中常用的V型棱鏡法等。這些方法歷史悠久，但有一定的局限性。如都需要借助望遠鏡在測角裝置上通過觀察和調整來建立光路，因而不僅煩瑣而且有主觀誤差。若要想制造出自動檢測儀，則需要一套精密的機械移動尋的掃描跟蹤系統，因而成本高且不易達到較高的測量精度。此外，這些方法只能測量較大樣品的透明材料，不適用于混濁的強散射材料如生物組織體的折射率測量。據陜西科學技術出版社1985年出版李景鎮主編的《光學手冊》中第1265頁，可知目前材料的色散性質尚無直接測得，還只能是測量有限的幾個波長的折射率，然后利用經驗的如科西、塞耳邁耶爾或郝爾茨貝格公式求得。
本發明的目的是提供一種更為簡便的易于用計算機控制和自動采集并處理數據，適用于各種材料(包括生物組織體)的測量方法和裝置。
本發明從其本質上來說仍屬于測角法，但光路布置及探測裝置不同于人所共知的各種方法和技術。
本發明測量物質折射率的方法利用了全反射原理，其特征在于使用會聚光從折射率已知的光學材料中入射并聚焦到該光學材料與待測的物質的分界面上。采用會聚光入射的方式可以在提供各種方向即入射角各異的光線的同時保證探測區域極小以適用于微量樣品的檢測。當會聚光包含了全反射角時，凡入射角等于或大于全反射角的入射光均發生了全反射，而凡入射角小于全反射角的入射光均發生了折射使部分能量進入待測材料。因此，當入射的會聚光強度對半圓柱透鏡的軸線張角為均勻分布時，反射光強度或反射率的出射角度分布是非均勻的，存在一個拐點對應發生全反射的臨界角。因此，可由反射光強度或反射率的空間分布的拐點確定發生全反射的臨界角，進而用折射定律計算出待測物質的折射率。反射光強度或反射率的空間分布的拐點處的斜率變化為從0到∞，因而由此確定臨界角的精度可以很高，進而折射率亦很準確。
為了避免入射和出射光線的二次折射以簡化測量關系，本發明裝置使用了折射率已知的半圓柱透鏡作為待測材料的載體。半圓柱透鏡可以是固體材料如光學玻璃，亦可以是裝在半圓柱容器中的某種折射率已知且大于待測固體的液體材料。用何種材料視待測材料和實際情況而定，只要保證不同材料之間的接觸面為固液面即可。單色或準單色的線或點光源經凸透鏡所形成會聚光焦點位于半圓柱透鏡的軸線上。
反射光強的空間分布類似于半蔭視場，可以用漫射屏接收由肉眼或助視儀觀察，亦可用線陣電荷耦合器件(CCD)接收后通過接口電路用示波器或計算機顯示。當拐點對應發生全反射的臨界角確定后可計算出待測物質的折射率。本發明不直接確定拐點對應發生全反射的臨界角，而是利用折射率已知的二種材料對裝置進行定標，由計算機軟件處理線陣電荷耦合器件(CCD)所輸出的反射光強曲線，直接給出拐點所對應的折射率。這樣可直接得到待測物質的折射率。
當光源在一定光譜范圍內掃描時，本發明裝置可以快速得到實測的待測物質色散性質曲線。當待測材料為透明的液體時，可取少量直接將其滴在半圓柱透鏡的軸線上即可進行測量。當待測材料為透明的固體時，存在兩種方式(1)需要使用一種折射率介于待測材料折射率和半圓柱透鏡折射率之間的液體作為接觸液，極薄地夾在待測材料折射率和半圓柱透鏡之間以保證良好接觸。在這種情況下，電荷耦合器件(CCD)所輸出的反射光強曲線可能存在二個拐點，其中較矮的對應為待測材料的全反射角；(2)半圓柱透鏡是裝在半圓柱容器中的某種折射率已知且大于待測固體的液體材料，這種情況與待測材料為液體時完全一致。當待測材料為不透明強散射的材料如生物組織樣品時，需要在光探測器之前使用凸透鏡或拄面透鏡和光闌以擋去漫射光，提高信噪比。
由于本發明中采用了會聚光照明方式，可以探測極微量的樣品，又無需對入射光的入射角進行掃描因而使裝置的機械部分極其簡單可靠。如果把已有的方法看成具有光譜測量中單色儀的工作特點，那么本發明的方法則具有并行處理功能的OMA系統的優點。由于采用電荷耦合器件(CCD)作為光探測器，使得測量過程中易于用計算機控制和自動采集并處理數據。在使用波長可調的光源時可直接實測材料的色散曲線。由于采用了特別的全反射光路和限制光闌，使得本發明適用于測量只有一個光學面的各種材料(包括生物組織體)的折射率，而且測量范圍(從1.000至半圓柱透鏡的折射率)比較寬。本發明的測量精度可達0.1％～0.5％，可制造成專用的折射率測量儀，應用于科研、生產的有關領域。
圖1為反射光強或反射率隨入射角分布示意圖。圖中拐點對應全反射臨界角。水平線和類似拋物線的曲線段分別對應發生全反射和部分反射的入射角范圍。
圖2為裝置示意圖。圖中[1]為單色或準單色線或點光源；[2]為凸透鏡或拄面透鏡；[3]為半圓柱透鏡；[4]為待測樣品；[5]為狹縫或孔徑光闌；[6]為線陣電荷耦合器件(CCD)；[7]為計算機及有關接口電路。
以下結合附圖和實例對本發明做進一步的說明。
在圖2的裝置示意圖中，[1]用鈉燈照明下棱鏡單色儀狹縫光源；選擇拄面透鏡[2]的焦距約為12cm使反射光對CCD的張角約為10°。這是因為CCD的接收面是平直的，如果張角太大會使測量范圍的線性變差；半圓柱透鏡[3]為F2玻璃，半徑約3cm，對鈉光的折射率為nd＝1.61295；線陣電荷耦合器件(CCD)[6]為1024位，探測單元尺寸為14μm，總寬度約為14.3mm的TCD132D；計算機[7]為386兼容機及自行研制的接口電路。
利用折射率為1.333蒸餾水和折射率為1.446三氯甲烷對裝置進行定標，經多次重復測量，得化學純乙醇和新鮮人全血在25℃下對鈉光的折射率分別為1.362±0.007和1.38±0.01.利用加拿大樹膠作為接觸液，測得冕牌玻璃K6在25℃下對鈉光的折射率為1.50±0.01.這些結果與其它方法的結果相當吻合。
權利要求
1.一種利用全反射原理測量物質折射率的方法，其特征在于使用會聚光從折射率已知的光學材料中入射并聚焦到該光學材料與折射率待測的物質的分界面上，由反射光強度或反射率的空間分布的拐點確定發生全反射的臨界角，進而計算出待測物質的折射率。
2.一種權利要求1中所述方法的裝置，包括(1)光源；(2)透鏡；(3)光闌；(4)一定形狀的光學材料；(5)判斷臨界角的光探測器等，其特征在于使用了半圓柱透鏡[3]作為待測物質[4]的載體，且線或點光源[1]經拄面透鏡或凸透鏡[2]所形成會聚光焦點位于半圓柱透鏡的軸線上，由線陣電荷耦合器件(CCD)[6]接收分界面上反射光分布。
3.根據權利要求2中的裝置，其特征在于光源使用了波長可調的單色或準單色光如單色儀、波長可調諧激光器[1]。
4.根據權利要求2中的裝置，其特征在于可使用計算機[7]控制單色儀或波長可調諧激光器[1]和線陣電荷耦合器件(CCD)[6]并采集有關數據，直接給出物質的色散性質曲線。
5.根據權利要求2中的裝置，其特征在于在測量渾濁的散射物質如生物組織的折射率時可在光探測器之前使用拄面透鏡或凸透鏡[2]和光闌[5]以擋去漫射光，提高信噪比。
全文摘要
本發明基于全反射原理,使用會聚光從折射率已知的半圓柱透鏡中入射并聚焦到該透鏡與待測的物質的分界面軸線處,由光探測器測量反射光強度或反射率的空間分布,用其中的拐點確定發生全反射的臨界角,進而計算出待測物質的折射率。本發明易于用計算機控制和采集并處理數據。當光源在一定光譜范圍內掃描時,可以快速得到實測的待測物質色散曲線。本發明適用于研究微量樣品的各種材料(包括強散射的生物組織)的折射率性質。
文檔編號G01N21/41GK1193740SQ96102698
公開日1998年9月23日 申請日期1996年2月9日 優先權日1996年2月9日
發明者李暉, 謝樹森, 邱怡申, 蔡堅勇 申請人:福建師范大學
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