用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统及其测量方法技术方案

本发明专利技术公开了用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统及其测量方法，光学系统包括用以生成光束的光源、用以折射入射光束的探头本体和用以接收出射光图像的图像传感器，探头本体包括能够使光源生成的光束进入形成出射光束的进光面，将进光面的出射光束进行反射的第一反射面，将第一反射面反射的光束汇聚在一起且能够进行透射光和/或发射光的工作面，将工作面反射的光束进行反射的第二反射面，将第二反射面反射的光束出射出去的出射面；所述测量方法采用光源通过探头本体，在工作面进行汇聚，而后结合透射或/和反射原理，并利用图像传感器接收探头本体的出射光，整个系统将探头、光源、图像传感器等集成一体，可用于进行液体的折射率测量。

The optical system of pen layout and its measurement method for liquid refractive index measurement

【技术实现步骤摘要】
用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统及其测量方法
本专利技术涉及测量
，具体的说，是用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统及其测量方法。
技术介绍
现有技术中，折射率是液体的重要光学参数之一，借助折射率能了解液体的光学性能、纯度、浓度以及色散等性质，其他的一些参数（如温度）也与折射率密切相关。因此，液体折射率的测量在化工、医药、食品、石油等等领域中都有重要的意义。特别是随着生活水平的提高和健康意识的增强，人们对食品安全和食品质量的要求也来越高。液体折射率测量仪可以测量液体食品折射率，在大数据的支撑下，可以比对出液体食品的浓度，进而得知其含糖量，含酸量，脂肪含量等，对人们特别是亚健康人群的进食起到指导作用。针对特殊贵重易仿冒的液体饮料，如名酒等，还可以起到鉴别作用。在健康保健行业中，可以用于人类排泄物的浓度测量，监控健康指数。全反射临界角成像法是一种常用的液体折射率的测量方法，是根据全反射原理，通过测量处于临界角光线的出射角，计算出待测量液体的折射率。如图1所示，一种典型的全反射临界角测量系统包括光源U1、棱镜U3、图像传感器U2，工作时，从光源U1发出的光束穿过棱镜U3到达被测液体X和棱镜U3的界面，在该界面分离成折射光和反射光，其中，反射光被图像传感器U2接收，生成如图中所示的明暗图像。在该明暗图像中，明的部分对应在被测液体X和棱镜U3的界面发生全反射的光线，暗的部分对应未发生全反射的光线，明暗分界线则对应发生全反射的临界角。由于被测溶液的折射率变化会导致发生全反射临界角的变化，因此通过测量该明暗分界线的位置，就可以求出全反射临界角，从而求出被测液体的折射率。但是，传统的光学折射计体积大且操作繁琐，而数字折射计虽然可以一键测量，但是其成本高，体积还未达到便携式程度。这两种都不容易在普通人群中推广。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统及其测量方法，所述光学系统将探头、光源、图像传感器等集成一体，形成小型化的光学系统，可用于进行液体的折射率测量；采用光束在工作面上聚集，使得有效区域很小，近似一点的工作模式而设计的探头，从而使得整个系统的体积能够被设计得更小；所述测量方法能够进行液体的折射率测量，通过折射率的测量来进行液体浓度的表征。本专利技术通过下述技术方案实现：用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统，包括用以生成光束的光源、用以折射入射光束的探头本体和用以接收出射光图像的图像传感器，探头本体包括：能够使光源生成的光束进入并形成出射光束的进光面，将进光面出射的光束进行反射的第一反射面，将第一反射面反射的光束汇聚在一起成一个点的工作面，且工作面接触被测液体时，汇集在该点的不同角度的光将发生透射和/或全反射，将工作面全反射的光束再次进行反射的第二反射面，将第二反射面反射的光束整形后出射到探头本体以外的出射面。进一步的为更好地实现本专利技术，特别采用下述设置结构：在所述出射面的出射端与图像传感器之间还设置有偏折棱镜。进一步的为更好地实现本专利技术，特别采用下述设置结构：在所述偏折棱镜和图像传感器之间还设置有目镜。进一步的为更好地实现本专利技术，特别采用下述设置结构：所述目镜由两个光学非球面构成。进一步的为更好地实现本专利技术，特别采用下述设置结构：所述工作面在进行光束的汇聚时，汇聚在工作平面中心部位。进一步的为更好地实现本专利技术，特别采用下述设置结构：所述工作面中心部位汇聚光束的大小为0~1mm。进一步的为更好地实现本专利技术，特别采用下述设置结构：第二反射面反射的光束与进光面出射光束的光轴平行。进一步的为更好地实现本专利技术，特别采用下述设置结构：所述第一反射面与第二反射面相对于探头本体中心线镜像对称设置。进一步的为更好地实现本专利技术，特别采用下述设置结构：所述第一反射面与第二反射面采用全反射（全反射原理）或镜面反射（金属或介质反射膜）的平面反射镜。进一步的为更好地实现本专利技术，特别采用下述设置结构：所述出射面为光学非球面透镜。进一步的为更好地实现本专利技术，特别采用下述设置结构：所述工作面的折射率为1.52~1.70。进一步的为更好地实现本专利技术，特别采用下述设置结构：所述入射面为光学非球面透镜。进一步的为更好地实现本专利技术，特别采用下述设置结构：在探头本体上还设置有连接脚。进一步的为更好地实现本专利技术，特别采用下述设置结构：所述探头本体采用一体成型结构。用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统的测量方法，包括下述步骤：1）光源生成入射光通过进光面投射到第一反射面；2）第一反射面进行全反射或镜面反射，并将反射光反射到工作面上；3）工作面将第一反射面反射的光进行汇聚，汇聚后的光束将部分从被测液体透射出去，而余下光束的将被全反射到第二反射面；4）第二反射面将对工作面反射的光束通过全反射或镜面反射的方式投射到出射面；5）出射面将第二反射面投射过来的光束传输至图像传感器。进一步的为更好地实现本专利技术所述的用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统的测量方法，所述出射面将第二反射面投射过来的光束传输至图像传感器之前还通过偏折棱镜将光束的光轴移动到中心轴线上。进一步的为更好地实现本专利技术所述的用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统的测量方法，经过所述偏折棱镜后的光束还经过目镜进行成像和光强的均化处理，而后输入至图像传感器上。特别需要说明的是，在本技术方案中，机械结构所涉及到的诸如“连接”“固定”、“设置”、“活动连接”“活动设置”等用语皆为机械领域内常规设置用的技术手段，只要能够达到固定或连接或活动设置等目的都可以采用，因此在文中不做具体的限定（比如用螺母、螺杆配合进行活动或固定连接，用插销活动或固定连接、设置，A物件与B物件之间通过卡接的方式实现可拆卸连接等）。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：（1）本专利技术优选的将探头、光源、偏折棱镜、目镜和图像传感器等采用笔式布局（各器件均匀的分列在光学系统的中心轴线的两侧）集成一体，形成小型化的光学系统，可用于进行液体的折射率测量。采用光束在工作面上聚集，使得有效区域很小，近似一点的工作模式而设计的探头，从而使得整个系统的体积能够被设计得更小。（2）本专利技术能够使得光束在工作面上聚集，使得有效区域很小，近似一点，从而使得整个探头的体积能够被设计得更小。（3）本专利技术的探头采用树脂材料的模压成型工艺制作，将球面、非球面、平面同时集成为一体，使得整个探头更加小型化。（4）本专利技术的结构达到进一步微型化，同时可以应用到珍贵样品的测量中，减少被测液体的损耗。（5）本专利技术中光学器件的集成化是产品小型化的基础，树脂材料的模压成型工艺使的光学器件的集成化成为可能。传统的玻璃光学器件受到加工工艺的限制，很难做到球面，非球面和平面同时集成在一个器件中，也很难将光学面和安装结构集成在一起。而树脂器件可以模压成型，可以使各种复杂光学面和装配结构集成在一个器件中。（6）本专利技术采用非球面将面光源LED的光进行汇聚和产生工作角度，传统的折射计使用平面对光源发出的光进行摄入。本专利技术可以小型化光路并且可以根据测量范围和精度的不同差异化的设计工作角度。使得设计更加模块化——在系统其它部分不变的情况下，改变进光面的设计可以实现不同精度和量程的测量。（7）由于探头出射的光已经偏向系统一侧，如果没有偏折棱镜改变光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统，其特征在于：包括用以生成光束的光源（U1）、用以折射入射光束的探头本体（U4）和用以接收出射光图像的图像传感器（U2），探头本体（U4）包括能够使光源（U1）生成的光束进入并形成出射光束的进光面（S1），将进光面（S1）出射的光束进行反射的第一反射面（S2），将第一反射面（S2）反射的光束汇聚在一起成一个点的工作面（S3），且工作面（S3）接触被测液体时，汇集在该点的不同角度的光将发生透射和/或全反射，将工作面（S3）全反射的光束再次进行反射的第二反射面（S4），将第二反射面（S4）反射的光束整形后出射到探头本体（U4）以外的出射面（S5）。

【技术特征摘要】
1.用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统，其特征在于：包括用以生成光束的光源（U1）、用以折射入射光束的探头本体（U4）和用以接收出射光图像的图像传感器（U2），探头本体（U4）包括能够使光源（U1）生成的光束进入并形成出射光束的进光面（S1），将进光面（S1）出射的光束进行反射的第一反射面（S2），将第一反射面（S2）反射的光束汇聚在一起成一个点的工作面（S3），且工作面（S3）接触被测液体时，汇集在该点的不同角度的光将发生透射和/或全反射，将工作面（S3）全反射的光束再次进行反射的第二反射面（S4），将第二反射面（S4）反射的光束整形后出射到探头本体（U4）以外的出射面（S5）。2.根据权利要求1所述的用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统，其特征在于：在所述出射面（S5）的出射端与图像传感器（U2）之间还设置有偏折棱镜（U5）。3.根据权利要求2所述的用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统，其特征在于：在所述偏折棱镜（U5）和图像传感器（U2）之间还设置有目镜（U6）。4.根据权利要求3所述的用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统，其特征在于：所述目镜（U6）由两个光学非球面构成。5.根据权利要求1或2或3或4所述的用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统，其特征在于：所述工作面（S3）在进行光束的汇聚时，汇聚在工作平面（S3）中心部位。6.根据权利要求1或2或3或4所述的用于液体折射率测量的笔式布局的光学系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨世华，马玉峰，魏微，
申请(专利权)人：四川维思达光学技术有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51