成像法測量玻璃微珠折射率的制作方法
【專利摘要】本發明提出成像法測量玻璃微珠折射率。其解決方案是首先在測量裝置中，顯示器1及規則成像物體2、平行光管3、玻璃微珠4、顯微鏡5、圖像采集設備6、計算機7組成共軸光路系統。然后在顯示器1上顯示規則成像物體2，同時顯示器1也作為光源，將其置于平行光管3前焦平面上。用顯微鏡5放大物體經玻璃微珠4所成的倒立縮小像，并使成像清晰。之后連接圖像采集設備6，拍攝放大的物體的像，并保存在計算機7中。最后測量物距和計算像高，代入由垂軸放大率得到的化簡公式，得到玻璃微珠焦距，根據厚透鏡焦距公式反演計算玻璃微珠折射率。成像法可測量任意尺寸和折射率的玻璃微珠，測量過程易于操作、安全性高，測量結果精度也較高。
【專利說明】成像法測量玻璃微珠折射率
【技術領域】
[0001]本發明涉及玻璃微珠折射率的直接測量技術，屬于測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]玻璃微珠是直徑為微米量級的透明球形小玻璃珠，一定折射率的玻璃微珠具有回歸反射性，即光線入射到玻璃微珠，出射光線沿入射光線原路返回，因此玻璃微珠常用于反光材料的制作。這種反光材料具有重量較輕、強度高、理化性能穩定、導熱系數低、摩擦力小等優點，目前廣泛應用于交通、航空、工業自動化、軍事等領域。影響玻璃微珠回歸反射性能的因素主要有三個:粒徑、材料的光學特性、周圍環境，折射率是影響玻璃微珠光學特性的主要參數。測量制作玻璃微珠塊狀樣品材料的方法有最小偏向角法、全反射臨界角法、V棱鏡法等，但經過高溫熔融、冷卻加工過程后，制成的玻璃微珠折射率會發生一定變化，這些測量方法具有一定的局限性。對玻璃微珠成品測量方法有彩虹法、球透鏡聚焦測量法、油浸法等。測量玻璃微珠折射率的彩虹法及其測量儀的研制本實驗室已做詳細研究并有相關專利，如專利CN 102175646B和專利CN 2581980Y ;成像法是將玻璃微珠看作球透鏡，對規則物體成像，還沒有相關專利用成像法測量玻璃微珠折射率，有文獻直接測量玻璃微珠焦距和直徑，焦距則為玻璃微珠中心到像平面的距離，由于玻璃微珠尺寸較小，這種測量結果誤差較大；油浸法在測量高折射率玻璃微珠時，需匹配一定折射率的溶液，測量過程麻煩，安全性低。
【發明內容】
[0003]鑒于上述問題，本發明通過數學推導、實驗研究提出了成像法測量玻璃微珠折射率。與其它測量方法相比，這種測量方法的優點首先是直接對玻璃微珠成品測量，消除了塊狀玻璃樣品制作玻璃微珠過程對其折射率的影響。其次，無需匹配折射率較高的溶液，提高了測量過程的安全性。此外，根據球透鏡聚焦原理，測量量為物距和像高，通過采集成像圖片，以像素為單位換算得到像高，精度較高。同時這種方法操作簡單、可重復測量，適用于不同折射率和不同粒徑范圍的玻璃微珠。
[0004]本發明特征是以下述原理為基礎:對于不同尺寸的玻璃微珠，可以將成像法分為放大率法和透鏡成像法。放大率法在光路中加入光線準直元器件，如平行光管，光能在傳播過程中損失較大，適于測量尺寸較大的玻璃微珠；透鏡成像法不加光線準直器件，由于玻璃微珠尺寸較小，光源到玻璃微珠的距離較大，像平面和焦平面近似重合，即近似看作平行光入射，光能損失較小，適于任何尺寸的玻璃微珠測量。
[0005]放大率法測量玻璃微珠折射率原理如圖1所示，已知高為A的規則成像物體I置于平行光管2前焦平面上，光線經平行光管后產生平行光束，邊緣物點J發出的兩條光線:通過平行光管中心，經玻璃微珠折射后交于邊緣像點的光線；經平行光管透鏡準直，通過玻璃微珠3中心交于邊緣像點的光線。玻璃微珠后焦平面上所成像高為V ,調節顯微鏡4使成像清晰，用(XD相機5進行拍攝。[0006]邊緣物點發出的兩條光線經準直透鏡后相互平行，球透鏡的主點和球心重合，?為通過準直透鏡中心的光線與光軸的夾角
【權利要求】
1.成像法測量玻璃微珠折射率，其特征在于首先將測量玻璃微珠折射率所用到的元器件，如顯示器1、光線準直器件3、玻璃微珠4、顯微鏡5、圖像采集設備6置于共軸光路系統中；其次，顯示器I上顯示規則成像物體2，將玻璃微珠4看作球透鏡，顯微鏡5對規則物體2經玻璃微珠4所成的像放大，用成像設備6拍攝記錄放大的物體的像，并保存在計算機7中，測量物距和計算像高，代入由垂軸放大率得到的化簡公式得到玻璃微珠焦距，根據厚透鏡焦距公式計算玻璃微珠折射率。
2.根據權利要求1所述，其特征在于:顯示器I可以為IXD、LED，用來顯示規則成像物體。
3.根據權利要求1所述，其特征在于:規則成像物體2可以是黑白光柵條紋，也可以是黑白相間圓環，其占空比，即一個光柵周期內不透明部分和透明部分可以取不同比值。
4.根據權利要求1所述，其特征在于:圖像采集設備6可以為CCD攝像機，也可以為CMOS攝像機，主要是拍攝物體所成的像。
5.根據權利要求1所述，其特征在于:若圖像采集設備6靶面像素與拍攝到的圖片像素的不一致，需要經過換算得到圖片上物體所成的像高；設CXD靶面像素為mXn，拍攝的照片像素為sXt，靶面的每個像素的尺寸為aXb (查看CXD使用說明書可知)，以水平方向像素的大小為準，則拍攝圖片的像高計算公式為X=, sf為CCD拍攝的物體所成的像的水平方向的像素個數。
6.根據權利要求1所述，其特征在于:顯微鏡5的作用是對規則成像物體經玻璃微珠所成的像放大，其物鏡的放大倍數不限；設顯微鏡放大倍數為#，則實際經過玻璃微珠4所成的像的大小為紀=|。
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7.根據權利要求1所述，其特征在于:放大率法中測量像高計算玻璃微珠焦距公式為/ = ^Z0，Z0為準直元件前焦距；透鏡成像法測量像高和物距計算玻璃微珠焦距公式為
ηr=~i, I為成像物體到玻璃微珠的距離。
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【文檔編號】G01N21/41GK103983608SQ201410233777
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】李大海, 張充, 李水艷, 秦雙, 王瓊華 申請人:四川大學