基于干涉條紋圖處理測量透明介質折射率分布的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于物質折射率測量技術領域，特別設及一種基于干設條紋圖處理來測量 透明介質折射率分布的方法，W及提供實現該測量方法的測量裝置。
【背景技術】
[0002] 折射率作為表征物質性質的基本物理量，它反映了物質內部的許多信息，常用于 光學、化學、新材料合成、物質鑒別等工程領域和科學研究等領域，折射率的精確測量在工 業應用上有重要的意義。
[0003] 物質折射率的測量方法有很多種，自動化并且高精度地測出物質折射率一直是研 究者追求的目標。在各種測量物質折射率的方法中，通常使用的方法有最小偏轉角法、全反 射臨界角法、菲涅耳衍射法等。近年來還出現了一些新的測量方法，如液巧變焦柱透鏡法、 基于長周期光柵的光纖傳感法等。但該些方法或多或少存在一定局限性，最小偏轉角法在 測量偏轉角度時易產生較大誤差；全反射臨界角法在測量液體時需要知道所用棱鏡的精確 折射率；菲涅耳衍射法雖然實驗簡單，但計算過程復雜，不利于自動化；所述液巧變焦柱透 鏡法需要標準液來標定系統參數，而液體的腐蝕性限制了光纖傳感技術的應用。然而，上述 方法均不能很好的、實時的測量介質折射率的分布。
[0004] 《中國激光》公開了 "基于分光棱鏡干設法測量透明液體折射率"（見《中國激光》 第40卷5期，2013年5月，羅文全等），該文中的實驗裝置和方法是基于CCD采集干設條紋 圖進行圖像處理得到移動條紋數，其在旋轉過程中必需采集幾百幅圖像才能實現計數，滿 足一定的精度要求。然而測量時間較長，數據處理繁瑣，且只能處理較低頻率的干設條紋 信號。而后《Optics Communications》公開了 "A single-element interferometer for measuring refractive index of transparent liquids^ (見《Optics Communications》 332(2014) 14 - 17, Tao化ang等），該文獻對上述方法進行了完善和改進，得到了較高精度 的測量結果，但此方法只能對折射率分布均勻的透明介質進行其折射率的測量，無法測量 非均勻透明介質的折射率分布。如果能夠提供一種既能測量均勻透明介質的折射率，又能 測量非均勻透明介質的折射率分布的測量方法，該正是本發明的任務所在。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服現有技術中所存在的缺陷和不足，提供一種基于干設條紋 圖的處理來測量透明介質折射率分布的方法；該方法是利用立體分光棱鏡分光面干設所產 生干設條紋圖，再通過計算改變輸入光透過待測樣品與參考介質的光程差所產生的干設 條紋移動數來進行待測透明介質的折射率分布的測量；W及提供一種實現該測量方法的測 量裝置。本發明的測量方法不僅可W對均勻透明介質折射率進行更高精度測量，而且還能 實現對非均勻的透明介質折射率分布進行測量。所述對透明介質折射率分布的測量方法及 其測量裝置在保證測量精度和穩定性的前提下，還具有減少測量次數，縮短測量時間，W及 簡化數據處理的優點。
[0006] 本發明提供的一種基于干設條紋圖處理測量透明介質折射率分布的方法，包括W 下具體步驟：
[0007] (1)產生并接收待測樣品處于第一位置時的干設條紋圖
[000引選取適合于測試光的波長和對應的立體分光棱鏡，調整立體分光棱鏡位置，使所 產生的干設條紋間距滿足相位提取算法需要；將試樣臺靜置在平行激光束垂直入射到待 測樣品所處的第一位置并放置待測樣品和參考介質，使待測樣品與測試光光束傳播方向垂 直；然后將光學匹配系統輸出的平行激光束垂直入射到試樣臺或其上比色皿中的待測樣品 和參考介質，透過待測樣品的激光束形成信號光束、透過參考介質的激光束形成參考光束， 所述信號光束和參考光束經立體分光棱鏡發生干設形成干設光束，干設光束經CCD探測器 采集記錄為干設條紋圖一，若干設條紋圖一已經攜帶有待測樣品全部信息則直接進行第 (2)步；反之，則將試樣臺在垂直光路的平面進行上下移動，CCD探測器繼續采集記錄此時 干設條紋圖，直到待測樣品全部的信息被采集完全，對所有采集的干設條紋圖進行拼接，得 到一幅攜帶有待測樣品全部信息的干設條紋圖一，并存入計算機系統中；
[0009] (2)產生并接收待測樣品處于第二位置時的干設條紋圖
[0010] 將試樣臺順時針或逆時針旋轉0角度之后靜置在平行激光束W 0角度入射到待 測樣品所處的第二位置，當光學匹配系統輸出的平行激光束W 0角入射到試樣臺或其上 比色皿中的待測樣品和參考介質，透過待測樣品和參考介質的激光束形成的信號光束和參 考光束經立體分光棱鏡發生干設形成干設光束，此過程中，通過光電探測計數器記錄干設 光束形成的干設條紋移動的整數部分的數量N'，同時干設光束經CCD探測器采集記錄為干 設條紋圖二；若干設條紋圖二已經攜帶有待測樣品全部信息則直接進行第（3)步；反之，貝U 將試樣臺在垂直光路的平面進行上下移動，CCD探測器繼續采集記錄此時干設條紋圖，直到 待測樣品全部的信息被采集完全，對所有采集的干設條紋圖進行拼接，得到一幅攜帶有待 測樣品全部信息的干設條紋圖二，并存入計算機系統中；
[0011] (3)計算干設條紋移動的小數部分
[0012] 對上述獲得的干設條紋圖一和干設條紋圖二分別進行去噪、相位提取和解包裹處 理；分別得到干設條紋圖一和干設條紋圖二的連續二維相位分布，兩者相減得到干設條紋 圖一和干設條紋圖二之間的相位差A Mx，y)，再根據公式非v，.v) = (1)，計算試 樣臺移動過程引起的干設條紋移動的小數部分e (x，y)，其中（x，y)表示像素點的坐標；
[0013] (4)計算待測樣品的折射率分布
[0014] 當待測樣品與垂直入射光束的入射角由0°變到0角度時，兩光束的光程差會發 生變化，對應的干設條紋移動數N可由如下公式（2)計算得到， 王
[00巧]?=(///1)*[(打2sin; 0);-打日 *cos0-n + n。] (2)
[0016] 對應到每個像素點則有：
[0017] 八v'）= (//義）*[("(.、-，.'v')2-打02加2 0戶*cos0 - "(.、-，.'r) +灼0] (3)
[0018] 其中N(x，y) = N'（X，y)+ e (X，y)為干設條紋移動數，1為待測樣品的厚度；n。為 參考介質的折射率；A為光學匹配系統輸出的激光束的波長；n(x，y)為該像素點對應的樣 品點折射率，將公式（3)變形得到待測樣品平面各點對應的像素點處折射率n(x，y):
[0019] "如:) = (緝wUW+2(l-cos0)(",;-",^r，.v)A//) …。 -C〇s0)-A'(.、...v^//]
[0020] 上述方案中，所述待測樣品為均勻透明介質，或非均勻透明介質；所述透明介質為 液體、氣體或固體；所述參考介質可W為空氣或任意均勻透明介質。
[0021] 上述方案中，所述待測樣品為液體或氣體時，將其裝入具有兩個平行面的比色皿 中再置于試樣臺上進行測量；當待測樣品為固體時，所述固體樣品應具有兩個相互平行的 面，可直接放在試樣臺上進行測量。
[0022] 上述方案中，所述將試樣臺順時針或逆時針旋轉0角度的范圍在0-30°之間。
[0023] 上述方案中，所述光學匹配系統輸出的平行激光束選自單色光源，或光譜可調控 光源；其波長范圍可從紫外、可見、近紅外、中紅外、到遠紅外。
[0024] 上述方案中，所述立體分光棱鏡選擇所用波長對應的立體分光棱鏡，其分光面鍛 有寬帶消偏振分光膜。
[0025] 本發明一種實現基于干設條紋圖處理測量透明介質折射率分布的測量裝置，包括 光學匹配系統、比色皿、試樣臺、立體分光棱鏡、平面分束鏡、透鏡、光電探測計數器、CCD探 測器、計算機系統、待測樣品；還包括溫度控制器和試樣臺中的升降臺；所述試樣臺、立體 分光棱鏡、平面分束鏡依