一种测量透明物质折射率的方法

摘要

本发明提供了一种测量透明物质折射率的方法，包括以下步骤：(1)在装有待测透明物质的样品池底部放置大小可调的光源O，其中，样品池的底部为粗糙的散射面；(2)样品池底部的光源O向上发射光线，从样品池上方俯视，出现由两个圆形成的圆环暗区；(3)在上述圆环上取一段弦，该弦贯穿两个圆，最后通过该弦长计算透明物质的折射率；或者通过光阑调整光源的尺寸大小，使得暗环刚消失时，通过测量光阑的尺寸计算透明物质的折射率。本发明测量的折射率没有范围限制，可以实时动态的测量透明物质的折射率。

权利要求

1.一种测量透明物质折射率的方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）在装有待测透明物质的样品池底部放置大小可调的光源O，其中，样品池的底部为粗糙的散射面；

（2）样品池底部的光源O向上发射光线，从样品池上方俯视，出现由两个圆形成的圆环暗区；

（3）光源的大小由圆形光阑控制，调节光阑使得光源O由点光源变成一个圆形面光源；

随着光阑半径的逐渐增大，圆环暗区的区域将逐渐缩小，即暗环的外径减小，暗环的内径增大，当光阑的半径增大到某一值时，圆环暗区消失；透明物质的折射率n为：其中，r为圆环暗区刚消失时光阑半径；h为透明物质的高度。

2.根据权利要求1所述的一种测量透明物质折射率的方法，其特征在于：所述透明物质为透明液体或透明固体。

说明书

一种测量透明物质折射率的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种折射率的测量方法，特别涉及一种测量透明物质折射率的方法。

背景技术

[0002] 折射率是表征物体光学性质的一个重要的物理量。测量物体折射率的方法比较多，全反原理测量物体的折射率是一种比较简单的可行方法。

[0003] 现有技术主要有以下四种方法：

[0004] 1)、使用分光计的最小偏角法。

[0005] 首先要把待测物品做成三棱镜形状，测量出三棱镜的顶角，然后把一束光线入射到三棱镜的一个侧面上，光线通过三棱镜后在另外一个侧面出射，通过测量入射光线和出射光线的最小夹角，再根据折射定律计算折射率。缺陷：需要把待测样品做成三棱镜形状，改变了样品的形貌，且不利于快速测量。

[0006] 2)、阿贝仪临界角法。

[0007] 阿贝折射仪测量物质的折射率的方法是建立在全反射原理基础上的掠入射法。光由折射率为n的待测介质射入折射率为N的玻璃介质，由折射定律知，入射角i与折射角r有以下关系：nsini＝Nsinr，阿贝仪要求n＜N，即光由光疏介质射入光密介质时，折射光靠近法线，亦即r＜i。入射角可取由0°到90°的任何一数值，由折射定律可知折射角亦具有对应的某个数值。当入射角达最大值i＝90°时，折射角达最大值r＝c。此时的入光线称掠射光线，对应的折射角c称为折射临界角。阿贝仪通过测量临界角来测量折射率。缺陷：阿贝仪测量的折射率有一定范围，这个范围依赖于仪器中光密介质的折射率的大小，另外，阿贝仪测量的只是黄光的折射率。

[0008] 3)、光干涉法。

[0009] 此方法是利用迈克尔逊等干涉仪进行测量，基本测量思想是通过测量光在待测介质中的光程，再测量待测介质的厚度来测量折射率。缺陷：此方法需要寻找干涉条纹，操作复杂，且适用于物体上下表面平行、厚度均匀的固体待测物。

[0010] 4)、光纤光栅测量法。

[0011] 它利用横向折变非对称的超长周期光纤光栅为核心测量器件，先由超长周期光纤光栅的高阶谐振峰测量待测液体的环境温度变化，再由低阶谐振峰测量液体的温度和折射率的共同变化，最后利用高阶谐振峰的温度测量结果对低阶谐振峰的测量结果进行校正，实现对不同温度条件下液体折射率的测量。缺陷：利用光纤光光栅测量，成本相对较高，测量原理较为复杂，测量需要一定的专业技术，不容易推广，且只适用于液体待测物。

发明内容

[0012] 针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种测量透明物质折射率的方法，其适应折射率范围广，固体和液体均可以适用。

[0013] 为达到上述目的，本发明采用以下技术手段：

[0014] 一种测量透明物质折射率的方法，包括以下步骤：

[0015] (1)在装有待测透明物质的样品池底部放置大小可调的光源O，其中，样品池的底部为粗糙的散射面；

[0016] (2)样品池底部的光源O向上发射光线，从样品池上方俯视，出现由两个圆形成的圆环暗区；

[0017] (3)在上述圆环上取一段弦，该弦贯穿两个圆，则透明物质的折射率如下：

[0018] 当光源O为点光源时，透明物质的折射率n为：

[0019]

[0020] 其中，L为圆环中大圆的弦长；l为圆环中小圆的弦长；h为透明物质的高度；

[0021] 当光源O的直径为d时，透明物质的折射率n为：

[0022]

[0023] 其中，L为圆环中大圆的弦长；l为为圆环中小圆的弦长；h为透明物质的高度。

[0024] 本发明进一步的改进在于：所述透明物质为透明液体或透明固体。

[0025] 本发明进一步的改进在于：圆环暗区的圆心为光源O的中心位置。

[0026] 本发明进一步的改进在于：光源O为可通过光阑调节大小的光源。

[0027] 本发明进一步的改进在于：弦代直径测量，不需要测量暗环的直径。

[0028] 为了实现上述目的，本发明还可以采用如下技术方案：

[0029] 一种测量透明物质折射率的方法，包括以下步骤：

[0030] (1)在装有待测透明物质的样品池底部放置大小可调的光源O，其中，样品池的底部为粗糙的散射面；

[0031] (2)样品池底部的光源O向上发射光线，从样品池俯视，出现由两个圆形成的圆环暗区；

[0032] (3)调节光阑控制光源O由点光源变成一个圆形面光源；随着光阑半径的逐渐增大，圆环暗区的区域将逐渐缩小，即暗环的外径减小，暗环的内径增大，当光阑的半径增大到某一值时，圆环暗区消失；透明物质的折射率n为：

[0033]

[0034] 其中，r为圆环暗区刚消失时光阑半径；h为透明物质的高度。

[0035] 本发明进一步的改进在于：所述透明物质为透明液体或透明固体。

[0036] 本发明进一步的改进在于：光源的尺寸大小由圆形光阑控制调节。

[0037] 与现有技术相比，本发明测量透明物质折射率的方法至少具有以下优点：本方法测量的折射率没有范围限制，可实时动态的测量液体折射率随温度或者浓度等因素的变化，在工程实际中有广泛的应用。另外本方法对固体也适用。

附图说明

[0038] 图1是透明液体光线路径图；

[0039] 图2是图1中样品池中光线亮度的俯视示意图；

[0040] 图3是样品池从俯视看得到的圆环示意图。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图对本发明方法的一种实施例进行详细描述：

[0042] 当入射光的入射角大于临界角时，将会发生全反射现象，大于临界角的入射光线将不能透射出原来的物质。

[0043] 如图1所示，样品池中装有透明液体，液体的厚度为h，样品池的底部是粗糙的散射面，光入射到底部将向各个方向散射。样品池底部中央有圆形光源O，该光源的大小可以通过光阑控制其直径大小，当直径很小时(其直径远小于液体的深度)，光源看成点光源。点光源发出的光线到达液面，如果入射角大于该液体的临界角θ，将发生全反射，如果小于临界角θ，绝大部分光透射出液面。如图1，OA和OB为临界光线。如果从样品池上方俯视：
AB间将是光亮的，这是因为AB间的光线都透射出液面；C点(D点)以外也是光亮的，那是因为液面全反射的光线照到样品池底部该区域(C点、D点以外区域)，而底部是一散射面，所以从上俯视看下来是光亮的；B’C(A’D)间基本上没有光线照到该区域，所以是黑暗的。
那么，从样品池俯视，将看到图2所示的现象：视场中将出现一圆环形状的暗区。

[0044] 通过测量暗环的内外直径，结合液体的深度h，可以测出该液体的折射率。测量暗环的内外径需要确定圆心的位置，但实际工程中，圆心的位置无法准确确定，可通过弦代直径法(测量弦长来代替直径，测量弦长不需要确定圆心位置，见图3)。折射率n可以表示为：

[0045]

[0046] 其中，h为液体的深度；L为外弦的长度；l为内弦的长度。

[0047] 实际中，光源有一定的大小，点光源是近似的模型。光源O可通过光阑控制其直径大小，如果光源直径的大小为d，那么折射率n可表示为：

[0048]

[0049] 其中，h为液体的深度；L为外弦的长度；l为内弦的长度；d为光源的直径。

[0050] 由于光阑可以控制光源直径的大小，当光源的半径逐渐增大时，光源由点光源变成一个圆形面光源，可以把面光源看成是大量点光源集合。和上述点光源分析相似，由于各个点光源都能产生自己的暗区，而各个点光源的亮暗区有重叠情形，这时从样品池上方俯视看到的暗区，应是所有点光源暗区的重叠区域形成的。调整光阑的半径大小将会看到：随着光阑半径的逐渐增大，暗环的区域将逐渐缩小，即暗环的外径减小，暗环的内径增大，当光阑的半径r增大到某一值时，暗环将消失。暗环消失时光阑的半径r的大小和液体的折射率有关，可通过测量此时光阑的半径来计算出液体的折射率。本方法通过调整光阑的大小，直到暗区消失时，记录光阑的尺寸，通过数学计算，液体折射率n和暗环刚消失时光阑半径大小r与液体深度h之间的关系可表示为：

[0051]

[0052] 其中，r为圆环暗区刚消失时光阑半径；h为透明物质的高度。

[0053] 以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。