一种高分辨率低入射角敏感度的V棱镜折射率测量装置

摘要

本发明提供了一种高分辨率低入射角敏感度的V棱镜折射率测量装置，包括底座，与底座连接的激光器、V棱镜和位移传感器；沿着激光器的激光出射方向安装V棱镜和位移传感器，激光器和V棱镜之间设有第一介质膜，V棱镜和位移传感器之间设有第二介质膜；所述V棱镜内容置透明待测液体；利用光学折射法对待测液体折射率实现精准测量，前后的介质膜设计，可采用空气隙、透明液体或透明玻璃设计，在降低了入射角的敏感度的同时，还能大大提高了液体折射率的测量精度，为高精度的液体折射率测量提供了一种简单有效的方案。

说明书

技术领域

本发明专利属于透明液体折射率测量领域，更具体地，涉及一种高分辨率低入射角敏感度的V棱镜折射率测量装置。

背景技术

V棱镜方案是用于透明液体折射率测量的重要装置，当激光以固定角度入射到不同折射率的透明液体时，出射光线的偏移角度将不同，光束的横向位移随之变化，通过位置传感器(PSD)检测位移量，进而得到待测液体折射率。

但传统V棱镜方案在测量透明液体折射率中，存在系统输出灵敏度受激光入射角影响大和输出灵敏度有限的问题。这是因为：传统中激光的入射和接收都在玻璃棱镜中完成，缺少对激光入射角的缓冲和输出角的放大。

因此，需要开发一种高分辨率低入射角敏感度的V棱镜折射率测量装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高分辨率低入射角敏感度的V棱镜折射率测量装置，其目的在于，通过改进传统V棱镜的结构以实现更高精度、更低入射角灵敏度的测量，从而解决现有技术中的测量精度较低和入射角微小偏移带来系统测量误差问题。

第一方面，本发明提供了一种高分辨率低入射角敏感度的V棱镜折射率测量装置，包括底座，与底座连接的激光器、V棱镜和位移传感器；沿着激光器的激光出射方向安装V棱镜和位移传感器，激光器和V棱镜之间设有第一介质膜， V棱镜和位移传感器之间设有第二介质膜；所述V棱镜内容置透明待测液体。

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

1、本发明的高分辨率低入射角敏感度的V棱镜折射率测量装置，采用将待测液体放入空气隙V棱镜中的测量方式，利用光学折射法对待测液体折射率实现精准测量，前后的介质膜设计，可采用空气隙、透明液体或透明玻璃设计，在降低了入射角的敏感度的同时，还能大大提高了液体折射率的测量精度，为高精度的液体折射率测量提供了一种简单有效的方案。

2、本发明通过激光器和V棱镜之间设有第一介质膜，V棱镜和位移传感器之间设有第二介质膜，改进传统V棱镜的结构以实现更高精度、更低入射角灵敏度的测量，从而解决现有技术中的测量精度较低和入射角微小偏移带来系统测量误差问题，实现降低入射角灵敏度的前空气隙和放大出射角提高系统分辨率的后空气隙。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例中测量液体折射率的装置结构示意图；

图2是基于折射法的折射率测量装置中“前空气膜”模型原理图；

图3是基于折射法的折射率测量装置中“后空气膜”模型原理图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明为一种高分辨率低入射角敏感度的V棱镜折射率测量装置，其包括将待测液体装入的V棱镜，以及实现降低入射角灵敏度的前空气隙和放大出射角提高系统分辨率的后空气隙。V棱镜材质为介质均匀的透明玻璃，待测液体为透明液体，在入射角需小于空气隙V棱镜全反射角的情况下，可实现对待测液体的高精度测量。

本发明创造性的提出，在传统V棱镜的基础上，新增了前后空气膜的结构，满足对液体折射率的测量需求，还能降低入射角的敏感度和大大提升液体折射率的测量精度，为高稳定、高精度的液体折射率测量提供了简单有效的测量方案。其中，V棱镜两侧透明窗口为测试光路的通过窗口，在本发明中，为了更好的实现更好的测量准确度，选用的是1mm的高斯激光，具体的光斑形状和大小可以根据实际测量的需求进行调整，在此不做具体限定。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种高分辨率低入射角敏感度的V棱镜折射率测量装置，包括底座，与底座连接的激光器、V棱镜和位移传感器；沿着激光器的激光出射方向安装V棱镜和位移传感器，激光器和V棱镜之间设有第一介质膜，V棱镜和位移传感器之间设有第二介质膜；所述V棱镜内容置透明待测液体。

进一步的，所述第一介质膜为由空气、透明玻璃、透明液体或其他透明介质其中的一种或多种构成的透明膜，优选的第一介质膜为第一空气膜；

进一步的，所述第二介质膜为由空气、透明玻璃、透明液体或其他透明介质其中的一种或多种构成的透明膜，优选的第一介质膜为第二空气膜；

进一步的，所述V棱镜为直角V棱镜，所述V棱镜的夹角可调，具体V棱镜的夹角可以根据实际情况进行调整。

进一步的，所述V棱镜的两侧透明窗口为测试光路的通过窗口；

进一步的，所述激光器的激光为半径1mm的高斯激光，具体的光斑形状和大小可以根据实际测量的需求进行调整。

进一步的，所述V棱镜材质为介质均匀的透明玻璃，所述透明玻璃为耐腐蚀材料构成；

进一步的，所述位移传感器(PSD)的位置分辨率为3μm，当折射率变化范围为Δn＝0.0073RIU，位移输出范围ΔD≈5.8mm，即可3.8×10-6RIU折射率分辨识别。

进一步的，所述激光器的激光入射角小于空气隙V棱镜全反射角。

实施例2

在本实施例中，V棱镜是夹角为直角V棱镜，只要能够满足基于折射法测量液体折射率的使用需求，具体V棱镜的夹角可以根据实际情况进行调整，在此不做具体限定。

如果待测的透明液体具有腐蚀性，则需要对透明玻璃进行特殊处理，或者选用特殊材质种类的透明玻璃，又或者采用其它类似的折射率均匀的透明材料，在此不做具体限定。

本发明测量透明液体折射率方法，创造性地在传统V型槽基础上提出了加“前空气膜”和“后空气膜”结构，可大幅降低入射角变化对测量分辨率的影响，且能提高对折射率的测量精度。实验中，采用PSD分辨率为3μm，可获得折射率分辨率3.8×10-6RIU。具体原理如下。

如附图2所示，图2为基于折射法的折射率测量装置中“前空气膜”模型原理图，图中na为空气膜折射率，ng为V型槽棱镜的折射率，i

在第一个界面会发生折射：

n

对上式(1)求微分：

由于：

所以有：

Δi

从式(4)可知，第一介质膜为第一空气膜，即“前空气膜”的模型可以提高系统对入射角的容差，使得系统在入射角发生微小变化后，系统仍可以在正常状态下运行。

如附图3所示，图3为基于折射法的折射率测量装置中第二介质膜为第二空气膜，即“后空气膜”模型原理图，图中n

在激光出射第4个界面会发生折射：

n

对式(5)求微分：

由于：

故有：

Δr

从式(8)可知，第二介质膜为第二空气膜的模型能放大出射光束的出射角，使得对应于相同折射率变化的出射角变化更大，进而提高系统测量分辨率。

采用本例的装置，可以方便地测量不同透明待测液体折射率，并根据不同待测液体的折射率区间更换不同材质和入射角，以实现最佳分辨率的折射率测量。在实验中，采用位置传感器(PSD)的位置分辨率为3μm，当折射率变化范围为Δn＝0.0073RIU，位移输出范围ΔD≈5.8mm，即可3.8×10-6RIU折射率分辨识别。

实施例3

如附图1所示，基于折射法的折射率测量装置来测量海水折射率的设置方式，其中第一介质膜和第二介质膜均为透明液体膜的模型原理图，图中n

在第一个界面会发生折射：

n

对上式(1)求微分：

由于：

所以有：

Δi

从式(4)可知，第一介质膜为透明液体的模型可以提高系统对入射角的容差，使得系统在入射角发生微小变化后，系统仍可以在正常状态下运行。

r为激光光束“海水——玻璃”界面出射角，r

在激光出射第4个界面会发生折射：

n

对式(5)求微分：

由于：

故有：

Δr

从式(8)可知，第二介质膜为透明液体的模型能放大出射光束的出射角，使得对应于相同折射率变化的出射角变化更大，进而提高系统测量分辨率。

采用本例的装置，可以方便地测量不同透明待测液体折射率，并根据不同待测液体的折射率区间更换不同材质和入射角，以实现最佳分辨率的折射率测量。在实验中，采用位置传感器(PSD)的位置分辨率为3μm，当折射率变化范围为Δn＝0.0073RIU，位移输出范围ΔD≈5.8mm，即可3.8×10-6RIU折射率分辨识别。

实施例4

如附图1所示，基于折射法的折射率测量装置来测量海水折射率的设置方式，其中第一介质膜为第一空气膜，第二介质膜为透明液体膜的模型原理图，图中n

在第一个界面会发生折射：

n

对上式(1)求微分：

由于：

所以有：

Δi

从式(4)可知，第一介质膜为第一空气膜的模型可以提高系统对入射角的容差，使得系统在入射角发生微小变化后，系统仍可以在正常状态下运行。

r为激光光束“海水——玻璃”界面出射角，r

在激光出射第4个界面会发生折射：

n

对式(5)求微分：

由于：

故有：

Δr

从式(8)可知，第二介质膜为透明液体的模型能放大出射光束的出射角，使得对应于相同折射率变化的出射角变化更大，进而提高系统测量分辨率。

采用本例的装置，可以方便地测量不同透明待测液体折射率，并根据不同待测液体的折射率区间更换不同材质和入射角，以实现最佳分辨率的折射率测量。在实验中，采用位置传感器(PSD)的位置分辨率为3μm，当折射率变化范围为Δn＝0.0073RIU，位移输出范围ΔD≈5.8mm，即可3.8×10-6RIU折射率分辨识别。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。