一种折光仪、探测装置和探测折射率的方法制造方法及图纸

本申请提供一种折光仪，包括光源模块、反射模块、汇聚模块、感光面阵、控制模块和处理器；控制模块用于控制所述光源模块出射光束；反射模块用于接收来自所述光源模块的光束，当来自所述光源模块的光束在所述反射模块内满足全反射条件时，所述光束在所述反射模块内发生全反射，并入射至所述汇聚模块；汇聚模块用于将来自所述反射模块的光束汇聚至所述汇聚模块的焦平面上；感光面阵位于所述汇聚模块的焦平面上，所述控制模块还用于控制所述感光面阵对接收到的光束进行探测并输出探测图像；处理器用于根据所述探测图像确定所述探测图像中的亮度突变界线，以及根据所述亮度突变界线的位置确定所述亮度突变界线对应的折射率。的位置确定所述亮度突变界线对应的折射率。的位置确定所述亮度突变界线对应的折射率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种折光仪、探测装置和探测折射率的方法


[0001]本专利技术属于液体折射率测量领域，具体地涉及一种折光仪、探测装置和探测折射率的方法。

技术介绍

[0002]折光仪是一种测量液体折射率的装置。由于液体中的固体可溶物溶解后会增加液体的折射率，通过折射率测量可以实现液体中的固体可溶物含量的测量，因此折光仪可以用来测量液体中的固体可溶物的含量。水溶液中的固体可溶物通常是糖，所以折光仪在测量饮料(例如果汁、咖啡等)时也被称为糖度计。
[0003]图1是一种现有的折光仪的结构示意图。该折光仪包括狭缝1
′
、LED光源2
′
、一维的感光线阵3
′
、三角棱镜4
′
和处理器(图未示)。折光仪的原理利用了全反射角是由界面两种材质的折射率决定的。在折光仪置于待测液体内时，若待测液体的折射率低于三角棱镜4
′
的折射率，根据折射定律sin(α
折射角
)*n
待测液体
＝sin(α
入射角
)*n
三棱镜
可知，光束在三角棱镜4
′
内与液体相接的一面5
′
上的入射角满足时发生全反射。也即在LED光源2
′
为一个点光源的情况下，入射至面5
′
的光束中，入射角大于全反射角的部分发生全反射，而入射角小于全反射角时，透射和反射并存，且反射的亮度比全反射时的亮度小。因此，可以在一维的感光线阵3
′
所成的一维图像中，图像上的不同位置的像素对应该点光源以不同角度入射至面5
′
的光束，在对应于以全反射角入射至面5
′
的光束的像素附近可以看到一个明显的亮度突变处。处理器通过这个亮度突变处可以测到全反射角，并由此算出计算出待测液体的折射率。
[0004]然而，由于工艺限制LED光源的发光面具有一定面积，因此LED光源2
′
以不同入射角入射至面5
′
的光束可能会被反射到感光线阵3
′
上的同一个点，导致从而无法区分出这些光的角度，进而难以确定全反射角。因此现有的折光仪在LED光源2
′
的出射光路上设置有狭缝1
′
，使得光源在平行于感光线阵3
′
的方向上是很小的点光源，来定义打到感光线阵3
′
上每束光的角度。狭缝1
′
的本质上是解耦了光线的位置和方向，使得折光仪只需探测光线的方向而不被光线的位置干扰。但该设计会导致感光线阵3
′
的尺寸非常大，尤其在对折射率测量范围要求比较大的情况下。具体原因如下。
[0005]如图2所示，感光线阵3
′
的尺寸为2*tan(α/2)*d，d代表的是从LED光源2
′
到感光线阵3
′
的光程距离，α是LED光源2
′
的出射光的整体张角。在对折射率测量范围要求比较大的情况下(比如要测量不同折射率的液体)，α需要具有较大的数值，因此感光线阵3
′
的尺寸也需要跟着变大。这不利于折光仪的小型化。
[0006]对于CCD或CMOS这种半导体芯片来说，越大的物理尺寸以为这越高的成本，在考虑有限半导体晶圆大小的情况下，器件尺寸的变大会导致出货率和良率的降低。大尺寸芯片还意味着封装和贴片的难度增加，贴片翘曲率增加，这些都会导致成本的增加。通常情况下，因为这么大的半导体尺寸要求，只有线阵(一维阵列)才能满足成本的要求。而线阵在垂
直于它自身方向的安装位置和精度要求非常高，在光路出现偏差时(热胀冷缩、冲击或机械变形等引起)无法自动修正，而且容易被环境光或者杂散光影响，导致测量出现偏差。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于为解决上述问题而提供一种成本低，体积小，测量范围大，鲁棒性好的折光仪、具有该折光仪的智能杯和探测折射率的方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种折光仪，包括光源模块、反射模块、汇聚模块、感光面阵、控制模块和处理器；所述控制模块用于控制所述光源模块出射光束；所述反射模块用于接收来自所述光源模块的光束，当来自所述光源模块的光束在所述反射模块内满足全反射条件时，所述光束在所述反射模块内发生全反射，并入射至所述汇聚模块；所述汇聚模块用于将来自所述反射模块的光束汇聚至所述汇聚模块的焦平面上；所述感光面阵位于所述汇聚模块的焦平面上，所述控制模块还用于控制所述感光面阵对接收到的光束进行探测并输出探测图像；处理器，用于根据所述探测图像确定所述探测图像中的亮度突变界线，以及根据所述亮度突变界线的位置确定所述亮度突变界线对应的折射率。
[0008]本专利技术还提供了一种探测装置，包括上述折光仪。
[0009]本专利技术还提供了一种利探测折射率的方法，包括：向折光仪内的反射模块发射光束；通过汇聚模块将被所述反射模块至少全反射的光束汇聚至位于所述汇聚模块的焦平面上的感光阵列；利用所述感光阵列对接收的光束成像，生成探测图像；根据所述探测图像确定所述探测图像中的亮度突变界线；根据所述亮度突变界线在所述探测图像中的位置确定所述亮度突变界线对应的介质的折射率。
[0010]本专利技术的折光仪通过将感光面阵设置在透镜模块的像方焦平面上，透镜模块采用无穷远对焦成像方式，使得可以采用非点光源来作为光源，从而由光源的尺寸来分担感光面阵的尺寸，使得感光面阵的尺寸可以很小，具有成本低，体积小，测量范围大，鲁棒性好的优点；而且，折光仪采用面阵CMOS探测图像传感器，成本更低，精准度更高，降低安装的要求，且可以实现许多一维传感器无法做到的事情，如提高精准度、提升抗干扰能力、增加其它测量功能等。
附图说明
[0011]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0012]图1为一种现有的折光仪的结构示意图；图2为将图1中将感光线阵等效到液面那一侧的示意图；图3为折光仪的一种结构的截面示意图；图4为透镜单元采用无穷远对焦的成像原理示意图；图5是折光仪的一个等效光学系统示意图；图6和图7分别为本申请中采用不同尺寸的光源模块和透镜模块的折光仪的结构示意图；图8是折光仪在探测一种待测液体时感光面阵对所接收到的光束所成的探测图像；图9为折光仪的一种示例的结构示意图；图10a～c是对一种无影胶和清水的折射率随温度变化的实验结果示意图；图11和图12分别为探测图像的两个示例的示意图；图13为图9所示折光仪的俯视图的一个示例；图14为三棱
镜、三棱镜表面的涂层、防水件和待测液体的一个位置关系示意图；图15
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17为探测图像的一个示意图；图18左侧是感光面阵对接收的光束所成的探测图像上的一个像素本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种折光仪，其特征在于，包括光源模块、反射模块、汇聚模块、感光面阵、控制模块和处理器；所述控制模块用于控制所述光源模块出射光束；所述反射模块用于接收来自所述光源模块的光束，当来自所述光源模块的光束在所述反射模块内满足全反射条件时，所述光束在所述反射模块内发生全反射，并入射至所述汇聚模块；所述汇聚模块用于将来自所述反射模块的光束汇聚至所述汇聚模块的焦平面上；所述感光面阵位于所述汇聚模块的焦平面上，所述控制模块还用于控制所述感光面阵对接收到的光束进行探测并输出探测图像；处理器，用于根据所述探测图像确定所述探测图像中的亮度突变界线，以及根据所述亮度突变界线的位置确定所述亮度突变界线对应的折射率。2.根据权利要求1所述的折光仪，其特征在于，所述反射模块包括第一介质，所述折光仪还包括设置在所述第一介质表面上的探测区；当所述探测区覆盖有待测液体，且所述待测液体的折射率低于所述第一介质的折射率时，所述光束的至少部分被所述待测液体全反射；所述光源模块的发散角与所述探测区匹配。3.根据权利要求1所述的折光仪，其特征在于，所述光源模块的出射光束包含第一光束和第二光束；所述反射模块包括相邻设置的第一介质和第二介质，所述第一介质的折射率大于所述第二介质的折射率，所述第一光束从所述第一介质入射至所述第二介质，且至少部分被所述第二介质全反射，所述汇聚模块用于将被所述全反射的第一光束汇聚至所述感光面阵；所述控制模块还用于控制所述感光面阵对接收到的第一光束进行探测并输出探测图像；所述处理器用于确定所述探测图像中所述第一光束对应的第一亮度突变界线；其中，所述折光仪还包括探测区，设置在所述反射模块内的其中一个介质的表面上，用于接收所述第二光束；当所述探测区覆盖有待测液体，且所述待测液体的折射率低于所述其中一个介质的折射率时，所述第二光束的至少部分被所述待测液体全反射；所述汇聚模块还用于将所述全反射的第二光束汇聚至所述感光面阵；所述处理器还用于从所述探测图像中确定所述第二光束对应的第二亮度突变界线，根据所述第二亮度突变界线的位置计算所述待测液体的折射率，以及根据所述第一亮度突变界线对所述待测液体的折射率进行校正。4.根据权利要求3所述的折光仪，其特征在于，所述探测区设置在所述第一介质的表面上，所述探测区用于接收从来自所述第一介质的第二光束；且所述探测区和所述第二介质分别位于所述第一介质的同一个表面上的不同区域。5.根据权利要求4所述的折光仪，其特征在于，所述反射模块还包括具有与所述第二介质不同折射率的第三介质，与所述探测区、所述第二介质分别位于所述第一介质的同一个表面上的不同区域，所述第三介质用于对接收到的、来自所述光源模块的光束的至少部分全反射，且经所述汇聚模块汇聚至所述感光面阵，所述探测图像中还形成对应的第三亮度突变界线；
所述处理器用于根据所述第一亮度突变界线和/或所述第三亮度突变界线对所述待测液体的折射率进行校正。6.根据权利要求4所述的折光仪，其特征在于，所述第一介质包括具有光入射面、光出射面和探测面的棱镜，所述探测区和所述第二介质分别位于所述探测面的不同区域上；所述光出射面上设有分别对应所述第二介质和所述探测区的第一出光口和第二出光口，经所述第二介质全反射的至少部分光束通过所述第一出光口入射至所述汇聚透镜，经所述待测液体全反射的至少部分光束通过所述第二出光口入射至所述汇聚透镜。7.根据权利要求6所述的折光仪，其特征在于，所述光入射面上还设置有入光口，所述第一光束和所述第二光束通过所述入光口入射至所述探测面上；其中，所述第一出光口和所述第二出光口分别位于所述入光口在所述光出射面上的投影的两侧，且与所述投影未有交叠。8.根据权利要求3所述的折光仪，其特征在于，所述第一介质、所述第二介质和所述探测区层叠设置，且所述探测区设置在所述第二介质背向所述第一介质的一侧，用于接收依次穿过所述第一介质和所述第二介质的第二光束。9.根据权利要求8所述的折光仪，其特征在于，所述反射模块包括具有光入射面、光出射面和探测面的棱镜，所述探测区位于所述探测面上，且所述探测区和所述探测面之间夹有经固化的材料层和透光玻璃层，所述透光玻璃层用于将所述材料层和所述棱镜密封在所述折光仪内，所述探测区位于所述透光玻璃层背向所述材料层的一侧。10.根据权利要求9所述的折光仪，其特征在于，所述棱镜的折射率大于所述材料层的折射率，且所述材料层的折射率大于所述透光玻璃层的折射率，当所述待测液体的折射率小于所述透光玻璃层的折射率时，所述探测图像上形成有至少三条亮度突变分界线；所述第一介质为所述棱镜，所述第二介质为所述材料层；或者，所述第一介质为所述材料层，所述第二介质为所述透光玻璃层。11.根据权利要求9所述的折光仪，其特征在于，所述棱镜的折射率大于所述材料层的折射率，所述材料层的折射率大于所述透光玻璃层的折射率，且所述感光面阵避开经所述材料层全反射的光束经所述汇聚透镜汇聚的位置，使得所述所述探测图像上形成有两条亮度突变分界线；所述第一介质为所述材料层，所述第二介质为所述透光玻璃层。12.根据权利要求9所述的折光仪，其特征在于，所述棱镜的折射率大于所述材料层的折射率，所述材料层的折射率小于或等于所述透光玻璃层的折射率，所述第一介质为所述棱镜，所述第二介质为所述材料层，或者，所述棱镜的折射率小于或等于所述材料层的折射率，所述材料层的折射率大于所述透光玻璃层的折射率。13.根据权利要求9所述的折光仪，其特征在于，所述经固化的材料层是经光固化的涂层，或者是经高温固化的涂层，或者是经自然固化的涂层。14.根据权利要求9所述的折光仪，所述经固化的材料层是经光固化的无影胶层。15.根据权利要求9所述的折光仪，所述透光玻璃层的折射率大于所述折光仪的折射率测量量程的最大值。16.根据权利要求3所述的折光仪，其特征在于，所述第二介质的折射率大于1.33且不
大于1.6，且折射率随温度变化的数值位于
‑
0.0003/deg C到0.0003/deg C之内。17.根据权利要求3所述的折光仪，其特征在于，所述探测图像包括相对的第一边缘和第二边缘，其中所述探测图像中的亮度突变界线距离该第一边缘越近时对应的折射率越高；所述第一亮度突变界线位于所述探测图像中第一边缘和所述折光仪的折射率测量量程中的最大折射率对应的亮度突变界线之间。18.根据权利要求3所述的折光仪，其特征在于，所述感光面阵用于输出探测图像序列，所述探测图像序列中至少部分图像的曝光参数不同；或者，所述光源模块分别对应所述探测图像序列中的至少部分图像的发光强度不同。19.根据权利要求1
‑
18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述光源模块的发光面的口径和所述汇聚模块的通光口径相同或者相差小于所述发光面的口径的1/5，或者，所述光源模块的的发光面的口径大于所述汇聚模块的通光口径的2倍。20.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述感光面阵的探测角度范围覆盖所述汇聚模块的全反射角范围。21.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述光源模块的出射光的半高宽小于5nm，或者，所述光源模块的出射光路上设置有窄带滤光片，经所述窄带滤光片滤波后的出射光的半高宽小于5nm。22.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述光源模块的出射光路上设置有匀光片。23.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述光源模块的出射光为绿光波段，且所述感光面阵为采用贝尔图形为RGGB的CMOS传感器。24.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述处理器还用于在根据所述探测图像确定所述探测图像中的亮度突变界线之前，确定所述探测图像的亮度与预设亮度的差值的绝对值大于阈值。25.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述处理器还用于在根据所述探测图像确定所述探测图像中的亮度突变界线之前，根据所述探测图像中的目标像素行的上下至少部分像素行对所述目标像素行进行滤噪。26.根据权利要求25所述的折光仪，其特征在于，所述处理器用于根据所述目标像素行的像素值和所述至少部分像素行的像素值的加权平均值作为所述目标像素行滤噪后的像素值。27.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述处理器还用于确定所述探测图像中受杂散光影响的像素行，其中，所述受杂散光影响的像素行未用于确定位于所述全反射界面背向所述光源模块的一侧的介质的折射率。28.根据权利要求26所述的折光仪，其特征在于，所述处理器还用于根据多行像素行的亮度对比结果和/或多帧探测图像的亮度对比结果确定所述探测图像中受杂散光影响的像素行。29.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述探测图像是根据所述感光面阵获取到的多帧图像进行加权求和得到的。30.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述处理器还用于根据所述
探测图像计算位于所述全反射界面背向所述光源模块的一侧的介质的浊度。31.根据权利要求30所述的折光仪，其特征在于，所述探测图像包括非反射区域，所述处理器用于获取所述非反射区域中的非全反射区域的散射亮度和/或所述亮度突变界线的模糊程度，以及根据所述非反射区域中的非全反射区域的散射亮度和/或所述亮度突变界线的模糊程度计算所述浊度；其中，所述非反射区域中的非全反射区域对应所述非反射区域中以小于全反射角入射所述全反射界面后入射至所述感光面阵的区域。32.根据权利要求31所述的折光仪，其特征在于，所述非反射区域还包括位于所述非全反射区域一侧的全反射区域；所述处理器用于以所述非反射区域中的全反射区域的亮度为基准值计算所述探测图像中的非反射区域的非全反射区域的散射亮度。33.根据权利要求31所述的折光仪，其特征在于，所述处理器用于在待测液体的浓度低于预设浓度时根据所述探测图像中的非反射区域上的非全反射区域的散射亮度计算所述待测液体的浊度，在所述待测液体的浓度高于预设浓度时根据所述探测图像上的亮度突变界线的模糊程度来计算所述待测液体的浊度。34.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述折光仪具有待机模式；在所述待机模式中，所述控制模块于休眠待机状态，所述光源模块和所述感光面阵处于断电状态。35.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述折光仪具有低功耗模式下，在所述低功耗模式中，所述控制模块用于控制所述光源模块和所述感光面阵同步频闪。36.根据权利要求35所述的折光仪，其特征在于，所述控制模块用于根据所述感光面阵的帧信号同步触发脉冲宽度调制信号对所述光源模块控制。37.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述控制模块还用于获取当前环境的亮度信息，以及根据所述亮度信息调整所述感光面阵的探测图像画质。38.根据权利要求37所述的折光仪，其特征在于，所述控制模块用于通过调整以下至少一项来调整所述感光面阵的探测图像画质：所述光源模块的出射光强度、所述感光面阵的曝光时长、所述感光面阵的模拟增益、所述感光面阵的数字增益。39.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述折光仪还包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器设置在反射模块内部或者反射模块的表面上位于光路之外的区域上，用于检测反射模块的温度；所述第二温度传感器，设置在所述反射模块面向待测液体的一侧的表面上，用于探测待测液体的温度；所述处理器内预先存储有待测液体的温度、反射模块的温度与待测液体的折射率的关系模型，所述处理器还用于根据所述第一温度传感器和所述第二温度传感器获取到的温度和所述关系模型来计算待测液体的折射率。40.根据权利要求1
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18任一项所述的折光仪，其特征在于，所述感光面阵为面阵CMOS图像传感器。
41.一种探测折射率的方法，其特征在于，包括：向折光仪内的反射模块发射光束；通过汇聚模块将被所述反射模块至少全反射的光束汇聚至位于所述汇聚模块的焦平面上的感光阵列；利用所述感光阵列对接收的光束成像，生成探测图像；根据所述探测图像确定所述探测图像中的亮度突变界线；根据所述亮度突变界线在所述探测图像中的位置确定所述亮度突变界...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭倜，徐凌杰，吴泳智，
申请(专利权)人：深圳市流数科技有限公司，
类型：发明
国别省市：