一种测量折射率的新方法.doc

光电工程V o l1 24,N o 14第 24 卷第 4 期 1997 年 8 月O p to 2E lec t ro n ic E n g in ee r in g A u gu s t, 1997 一种测量折射率的新方法胡玉禧张红强周绍祥(中国科技大学精密机械与仪器系, 合肥, 230026)摘要 提出一种新的折射率测量方法。 利用倾斜平行平板会引起出射光束位置平移 的测量原理。 同线阵 CCD 探测产生了位移的光束, 通过计算程序实时算出样品折射 率。 为了证实这种方法的可行性, 本文作者建立了一个由 H e- N e 激光器、透镜组、 CCD 传感器和单片机组成的实验系统, 具体研制了硬件和软件, 对厚度 t= 15mm , 倾 角 = 45的 K 9 玻璃进行了实际折射率测量。折射率在 1. 4 1. 9 之间时, 该方法能达 到小数点后四位以上的测量精度, 测量速度快, 自动化程度高, 而且系统简单, 造价 低, 适用范围广, 对于可见光、红外、紫外波段的光学材料以及气体、液体等的折射率 或者厚度均可用此方法测量。主题词折射率测量, CCD 图象传感器, 氦氖激光器, 单片机。分类号 O 435. 1A Nove l M e thod f or M ea sur in g Ref ra c t ive In dexHu Y ux i, Zhan g Hon gq ian g, Zhou Sha ox ian g(D ep a r tm en t of P rec is ion M ech a n ics a n d I n s t rum en ts, C h in aU n iv e rs ity of S c ien ce a n d T ech n ology , H ef e i, 230026)A bstra c t A n ew m e tho d fo r m ea su r in g ref rac t ive in dex is p ropo sed in th e p ap e r. T h e d isp laced po sit io n o f th e b eam w ill b e de tec ted b y th e lin ea r CCD b y u se o f th e m ea su r in g p r in c ip le th a t th e d isp lacem en t o f th e o u tgo in g b eam can b e cau sed b y胡玉禧: 女, 1941 年 12 月生, 1964 年毕业于北京工业学院光学仪器专业。副教授, 从事光学设计教学与科研。负责研制的“X F - 70 型狭缝高速摄影机”获 1982 年中科院科技成果奖二等奖;“R T 855, D C 85 光学软件”获 1986 年中国 科技大学科技成果奖二等奖。 参加研制的“112 工程小型高速电影经纬仪”获 1982 年中国科学院科技成果奖一 等奖;“70mm 棱镜补偿高速摄影机”获 1980 年国防科委科技成果奖二等奖; KD - 9A 型胶片判读和数据处理系 统”获 1987 年中国科技大学科技成果奖一等奖。发表论文多篇, 著有应用光学( 新编) ( 合肥: 中国科技大学出 版社, 1996) 。周绍祥: 男, 1941 年 1 月生, 1964 年毕业于北京工业学院光学仪器专业, 1967 年获中国科学院高速摄影专业硕士。教授, 中国光学学会高速摄影与光子学专业委员会副主任, 从事光学工程教学与科研, 负责研制的“KD - 9A 型胶片 判读和数据处理系统”获 1987 年中国科大科技成果奖一等奖; 参加研制的“X F - 70 型狭缝高速摄影机”获 1982 年中科院科技成果奖二等奖;“量和单位 GB 3100 3102- 86”获 1989 年国家技术监督局科技进步奖二等奖。发 表论文多篇, 著有理科最新常用数据手册( 西安: 陕西人民出版社, 1983)收稿日期: 1996- 09- 26; 收到修改稿日期: 1996- 12- 02th e t ilted p a ra lle l p la te. T h e sam p le ref rac t ive in dex can b e ca lcu la ted a t rea l t im ew ith com p u te r p ro g ram. A n exp e r im en ta l sy stem co n sist in g o f H e - N e la se r, len s2 e s, CCD sen so r an d sin g le2ch ip com p u te r h a s b een b u ilt in o rde r to dem o n st ra te th e fea sib ility o f th e m e tho d. T h e p rac t ica l ref rac t ive in dex m ea su rem en t fo r K 9 g la ssw ith th ick n e ss t= 15mm an d in c lin a t io n an g le = 45h a s b een ca r r ied o u t w ih t th edeve lop ed h a rdw a re an d so f tw a re. O ve r 4 b it m ea su r in g accu racy b eh in d th e dec im a l po in t can b e o b ta in ed b y th e m e tho d w h en th e ref rac t ive in dex is w ith in th e ran ge o f1. 4 1. 9. T h e sy stem h a s th e advan tage s o f fa st m ea su r in g sp eed. h igh au tom a2t io n , sim p le sy stem st ru c tu re. low co st an d w ide app lic t io n ran ge. T h e m ea su r in g m e tho d is app licab le to th e m ea su rem en t o f ref rac t ive in dex o r th ick n e ss o f op t ica l m a te r ia ls, ga s an d liqu id u sed in v isib le, IR an d U V w ave len g th s.Subjec t term s R ef rac t iv ity m ea su rem en t, CCD im age sen so r s, H e - N e la se r s, S in 2g le ch ip p ro ce sso r s.C la ss if ica t ion n um ber O 435. 1引言传统的折射率测量方法有全反射法、V 形棱镜法、最小偏向角法等1 。全反射法和 V 形棱镜法都属于比较测量法, 所以, 需要已知折射率的标准样品, 为了使标准样品和被测样品表面很好接触, 还需要折射液, 从而使测量范围受很大限制。最小偏向角法虽然不需要标准样品, 不必用折射液, 折射率的测量范围也不受限制, 但是, 被测样品的加工尺寸大, 技术要求高, 所用仪器调整复杂, 测量工作相当繁重。前些年, 有文献2 介绍了利用 T a lbo t 效应和莫尔条纹方法来测量折射率, 这种方法需要一块折射率已知的标准平板和精密的转动测量装置, 对光栅的周期精度和条纹位移的测量精度要求亦很高。本文提出的折射率测量的新方法, 既不需标准样品和折射液, 测量系统又十分简单, 只需小功率激光器配上常规一维 CCD 传感器便可实现。测量系统操作使用方便, 而且适用范围广,从光学材料到透明液体、气体, 均可实现折射率的自动测量。 下面主要介绍测量系统的工作原理和软硬件设计。1测量原理与实验系统当光束倾斜入射到平行平板上时, 光束传播方向按折射定律发生变化。射出平板的光束与无平板时的光束方向一致, 但在位置上平移了一段距离。当入射光束倾角、平板厚度一定时, 光束位移量仅与平板材料的折射率有关, 因此, 利用这个平移量便可计算得到材料的折射率。按上述测量原理, 构成了如图 1 所示的实验系统。一束小直径的 H e- N e 激光束以已知倾斜角 入射, 并通过厚度为 t 的平行平板样品。 经过折射后, 激光束位置相对原来位置平移量为 h。 由于焦距为 f 的透镜作用, h 在距离 z 处被放大为 H 。由三角形相似关系和折射定律, 可得到折射率的计算公式为2n = sin r1 +(z - f ) r t r co s(z - f ) r t r sin - f H式中 , z , f , t 均已知, 只要测量出 H , 即可求出折射率 n 的大小。H 值的测量是利用线阵 CCD 光电传感 器和A D 转换单元来完成的。线阵 CCD 是一种光电耦合器件, 具有 2048 个单元, 每个单元的输出电荷量与入射光强成比例。A D 转换 单元把模拟信号转换成数字信号, 供单片机 计算处理。落在 CCD 上的激光束以光斑形式呈现。 H 值是未折射和经平板折射后的两个光斑在 CCD 上的位置差值。 如图 2 所示, 从 CCD 出图 1实验系统示意图Sk e tch o f th e exp e r im en ta l sy stemF ig. 1来的信号为 , 经放大滤波后为 , 再经 A D 采样变换12为 。两个光斑在 CCD 上位置的不同, 反映在输出信号3上是波形发生平移, 即波峰位置发生变化, 从而导致两个采样波形中波峰间存在采样脉冲数差 N , 此值由单 片机处理采样数据后得到。 假设 CCD 输出时钟频率为f CCD , A D 转换单元的采样频率为 f s , CCD 象元线性尺寸为 d , 则有如下关系H = f CCD r N r df sH 值测出后, 按上面的折射率计算公式, 通过单片机处 理, 被测折射率便能实时显示出来。图 2信号处理流程图F ig. 2 F low ch a r t fo r signa l p ro ce ssing由于激光的输出能量过大, 会造成 CCD 输出饱和, 所以在激光束光路中又加进半透半反分光镜和滤光片等。硬件与软件实现硬件包括四个模块: CCD 驱动电路模块、信号处理 (放大和滤波) 模块、A D 转换模块及单 片机控制模块。 图 3 给出了硬件实现方法。 驱动电路主要是一些频率发生电路, 采用直接数字电路驱动,由晶体振荡器、分频器和计数器 组成, 产生 CCD 工作时所需要的 驱动时钟。A D 转换单元采用高2速 A D 转 换 芯 片 A D 7821 作 为核 心, 工 作 模 式 为 W R - RD 模 式, 所需要的驱动信号由计数器图 3硬件实现示意图F ig. 3 Sk e tch o f h a rdw a re和 部 分 CCD 驱 动 信 号 ( SH和 SP 信号) 共同产生, 该芯 片与单片机接口极其简 单,程序框图见图 4。结果与应用前景在 前 述 实 验 系 统 上, 我 们对厚度 t= 15mm 的 K 9 牌 号玻璃平板的折射率进行了 测量。取光束倾斜角 = 45, 透镜焦距 f = 40mm , 距离 z= 120mm 。K 9 玻璃对0. 6328m 波 长 的 折 射 率 名 义 值 n= 1. 51389, 我们选用的是 1类 A 级 玻 璃, 按 规 定, n =510- 4。在实验系统上测 得的折射率值列在表 1 中,3图 4软件流程图F ig. 4 F low ch a r t o f so f tw a re其折射率平均值处在所定类别的允许差值范围内。根据误差理论中对误差传递公式3 的分析表 1折射率测量值可得到, 平板玻璃在厚度较大时, 测量精度较高; 光束位移量 h 的测量误差对测量精度的影 响最大; 当入射角 约 55时, 折射率的测量误差最小4 。 所以, 通过加大平板厚度, 加大入射角到接近 55, 通过加大距离 z 或减小透镜焦距 f 来增大透镜的放大倍数, 那么, 折射率的测量 精度无疑将会进一步提高到 1 10- 4 以上, 这种小数点后四位以上的测量精度足以满足实际 的测量需要。T ab le 1 T h e m ea su red va lue s o f ref rac t ive index由于被测材料制成的平板是置于平行光路中, 所以当激光束在空间平移时, 落在 CCD 上激光光斑的结构保持不变。 为求取折射率, 只需测量两种情况下的光斑间距, 而对激光光斑本身的形状和尺寸无严格要求, 这就可以简化光学系统, 使整个测量系统结构简单, 造价降低。由于系统采用计算机, 所以可实现测量自动化, 而且测量速度快, 每次测量只有放置被测样品一个动作, 按动几个按钮便自动显示结果。一次测量过程在几十秒钟内即可完成。因为完全抛弃了用人眼来瞄准和读数的过程, 使测量工作变得轻松而可靠。当更换不同波段的光源、透镜材料和相应的 CCD 时, 该系统除能测量可见光波