专利名称：一种无损测量透明毛细管管壁折射率的方法及装置的利记博彩app
技术领域：
本发明属于用可见光作光源测量固体折射率的方法，特别涉及测量毛细管的管壁
折射率的方法和装置。
背景技术：
玻璃毛细管广泛应用于医疗检测，光学仪器，分析仪器，光纤通信配件，试验、化验 检测等行业，是众多检验，检测仪器中的重要部件之一 (http:〃www. glassinfo. com. cn/， 玻璃信息网[OL])。在科研工作中经常需要精确地知道毛细管管壁的折射率，由于厂商一 般不提供或者只提供批量产品的相关数据，因此在科研过程中需要自行准确地测量实际使 用的毛细管管壁折射率。根据目前的文献资料报道，还没有在无损毛细管的前提下对毛细 管的管壁折射率进行精确测量的方法。本发明提出之前，我们根据平行光经过装有不同液 体的毛细管后汇聚焦点位置不同的物理现象，提出了用玻璃毛细管精确测量微量液体的 折射率原理和方法(普小云，白然，邢曼男等，中国发明专利ZL200710066016.2[P];邢曼 男，白然，普小云，精确测量微量液体折射率的新方法[J]，"光学精密工程"，2008，16(7)， 1196-1202)，通过该原理和方法可以测量装有不同液体的毛细管焦点位置，并计算得到待 测毛细管中液体的折射率。但在这个过程中，作为测量毛细管内液体折射率的管壁折射率 还不是已知的，需要厂商提供或者其它损坏毛细管的繁复实验后才能得到。
发明内容
为了在无损前提下测量透明毛细管的管壁折射率，本发明目的包括提供一种无损
测量透明毛细管管壁折射率的方法，以及提供一种依据该方法采用在待测毛细管内充入折
射率已知的标准液体样品，通过测量平行光经过毛细管后的光线汇聚点位置计算得到毛细
管的管壁折射率的装置。
本发明通过以下方式实现 该方法毛细管管壁的折射率满足(1)式
"0= 尊一。 (1) 式中，n。是待测毛细管的管壁折射率，r和R分别是毛细管的内、外半径，n是充入 毛细管内标准液体样品的已知折射率，d是玻璃毛细管的轴线到其焦点的距离。其中，r和 R的数值通过读数显微镜直接地测量取得；d的数值由平行光通过充入标准液体样品的毛 细管后光线汇聚点位置间接地测量取得。
该方法进一步表达为 令毛细管的轴线位置为D。，在毛细管中充入折射率为ni的标准液体样品，则毛细 管的焦距位置满足下式 d！ = D「D。 ； (2)
在毛细管中充入折射率为n2的标准液体样品，则此时毛细管的焦距位置满足下 式 d2 = D2-Dq。 (3)
将(2)和(3)式两式分别代入(1)式，得到(4)和(5)式:
2"^-"(A-"o) (4)
2"2(i —，2—D。)
2i (￡>2 — D0) — 2w2r("2 —) + w2i r
所述的毛细管的轴线位置D。值满足(6)式
(5)
"-ffl+A)純A-，(")卜o,
(6)
D。值。将D。值代入(4)或(5) 由(6)式通过计算可以得到D。值，而无需直接领 式，即可计算出待测毛细管的管壁折射率n。。 所述方法中，令An。 = 0. 005，定义折射率灵敏度为管壁折射率改变0. 005所引起
的d值变化量A4，则有
2<i 2flf
△《=—x
1 +——
(7) 当折射率n。变化0. 005引起的d值变化量超过成像景深值L = A /(N. A. )2，即
Ads > L时，可以从理论上保证An。 = 0. 005的测量精度，反之亦然。 根据以上方法提供的一种无损测量透明毛细管管壁折射率的装置 该装置以发光二极管作为测量光源(1)，经透镜(2)准直，准直光束经宽度可调的
狭缝(3)使得进入毛细管的光线满足近轴条件；吸入标准液体后的玻璃毛细管(4)构成一
个由四个共轴柱面组成的光学系统，取柱透镜作用，设置于透镜(2)与显微物镜(5)之间；
显微物镜(5)与CCD探测器(6)构成毛细管焦点像的采集系统(7)。所述装置的光源(1)为中心波长为A = 580nm，谱线半宽度为FWHM = 32nm的发
光二极管。 所述装置的焦点像的采集系统(7)固定在一个最小分度值为0. Olmm的一维位移 台(9)上。 所述装置的显微物镜(5)的放大倍率为10倍，数值孔径A = 0. 25，经过毛细管后 的光斑全部覆盖显微物镜(5)的镜面，使显微物镜(5)标定的数值孔径成为有效数值孔径。
所述装置的毛细管焦点的像采集系统(7)由具有内置转换电路和驱动电路的 640X480阵列的二维CCD探测器(6)所构成，该CCD探测器(6)通过一个USB接口与计算 机(8)连接。 所述装置狭缝(3)的宽度SW约小于毛细管内径。 本发明采用标准液体样品标定毛细管的管轴位置，提高了毛细管焦距测量的可靠性。在具体实施方式
中用纯水，乙醇，乙二醇三种标准液体对同种管壁材料、不同尺寸的毛 细管管壁折射率进行测量，折射率测量精度在O. 005以内。该发明方法具有使用设备简单， 操作方便，便于对图像观察和识别以及测量精度高的特点，实现了对毛细管无损条件下，精 确测量其管壁折射率，满足了一般科研实验对毛细管管壁折射率的要求精度。
本发明具有如下积极效果 1.采用毛细管的焦点成像法(普小云，白然，邢曼男等，用玻璃毛细管精确测量微 量液体的折射率，中国发明专利，200710066016. 2[P])测量毛细管的管壁折射率，实现了对 毛细管管壁折射率的无损测量。 2.如果按照(1)式计算毛细管的管壁折射率则必须测量毛细管的焦距d值。d = D「D。， D。是毛细管轴线的位置，此前我们通过测量毛细管外轮廓的清晰像位置来确定(邢 曼男，白然，普小云，精确测量微量液体折射率的新方法[J]，《光学精密工程》，2008，16(7)， 1196-1202)。由于平行光经过毛细管外壁边缘时的衍射效应，准确判断毛细管外轮廓清晰 像的位置D。是困难的，由此造成了对d值测量的误差。因此，本发明除了提供(1)式之外， 依据(4)或(5)式采用标准液体折射率标定的方法来提高d值测量的精度，并应用(6)式 直接计算D。值，避免了对D。值的直接测量，进一步消除了由D。值的测量误差造成的对毛细 管的管壁折射率的测量误差。 3.采用了显微物镜结合面阵CCD对焦线位置成像的方法，该方法与采用读数显微 镜直接测量焦线位置的方法相比(邢曼男，白然，普小云，精确测量微量液体折射率的新方 法[J]，《光学精密工程》，2008， 16(7) ， 1196-1202)，焦线的成像光斑在显微物镜上的尺寸超 过其有效孔径。较大的成像光斑使得焦线通过显微物镜后，在CCD成像位置维持一个较短 的成像景深，保证了成像系统对焦线位置的判断误差始终限制在0. Olmm的范围内。
4、本发明为玻璃毛细管在批量生产过程中管壁折射率的快速抽样检测，提供了一 种可靠的技术方法。
图1是实现本发明的一种装置。发光二极管l，准直透镜2，可调狭缝3，玻璃毛细 管4，成像显微物镜5， 二维CCD探测器6，毛细管焦点像的采集系统7，计算机8， 一维位移平 台9 ;可调狭缝宽度SW，毛细管管轴位置D。，毛细管焦点位置Di，毛细管焦距d = D「D。，显微 镜物方焦距f。 图2是折射率灵敏度和景深值随待测管壁折射率的变化曲线。曲线1，2，4分别是 用折射率为1. 3335， 1. 3618， 1. 4331的标准液体进行标定的计算曲线；曲线3为景深值曲 线。 下面在具体实施方式
中结合附图对本发明作进一步的说明。但本发明方法和装置 不受以下实施例的限制。
具体实施例方式( — )发明装置的实施方式
实施例1 :用一个中心波长为A = 580nm，谱线半宽度FWHM = 32nm发光二极管1经透镜2
6准直后作为测量光源，准直光束经宽度可调的狭缝3进入毛细管。测量时，狭缝3的缝宽SW 约小于毛细管内径以满足光学系统近轴条件；吸入标准液体后的玻璃毛细管4构成一个由 四个共轴柱面组成的柱透镜光学系统，并设置在透镜2与显微物镜5之间；将放大倍率为 10倍，数值孔径A = 0. 25的显微物镜5设置于接收视场，像采集系统7的视场光阑与毛细 管4焦点的光斑相匹配，并将像采集系统7固定在一个最小分度值为0. Olrnm的一维位移台 9上。毛细管焦点的像采集系统7由内置有转换电路和驱动电路的640X480阵列的二维 CCD集成电路所构成，通过一个USB接口与计算机8连接。
( 二 )本发明的方法及测量结果
实施例2 : 按照(1)式确定毛细管的管壁折射率时，必须测量毛细管的焦距d值，d = Di-D。， 其中，D。是毛细管轴线的位置，它通常由测量毛细管外轮廓的清晰像位置来确定。由于平行 光经过毛细管外壁边缘时的衍射效应，准确判断毛细管外轮廓清晰像的位置D。是困难的， 由此造成了d值有测量误差。
实施例3 : 应用公式(4)和(5)，即采用标准液体折射率标定的方法，同时，应用公式(6)计算 D。值，避免了对D。值的直接测量，消除了由D。值的测量误差造成的对毛细管的管壁折射率 的测量误差。 根据以上实施例提供的装置和方法，本发明采用折射率已知的三种标准液体(纯 水ni = 1. 3335，乙醇n2 = 1. 3618，乙二醇n3 = 1. 4331)来标定毛细管的折射率。液体样 品的折射率用2WA-J型阿贝折射计测量，折射率的测量误差为0. 0002 (2WA-J型阿贝折射仪 使用说明书，上海光学仪器五厂生产)。 在两种不同材料的毛细管中，分别挑选两支壁厚均匀、同心度好的毛细管进行测 量。用纯水、乙醇、乙二醇标定玻璃毛细管的管壁折射率n。，得到表1所示的测量结果
表1 :几种透明毛细管管壁折射率的测量结果
、■___^!'量结果 材料及錄7ftrsar^~^^_^用纯水标定用乙醇标定 用乙二醇标定
采血管 (硼硅玻 璃材料)管l 管2K 6791 K 66807=0.3268 1.470 ± 0.001 1. 472 ± 0. 0041. 467 ± 0. 007 7=0.3058 1.470 ± 0.001 1.470 ± 0.0021.471 ±0.005有机玻璃 (PMMA)管l 管2K 8560 1=0. 94317=0.6298 1.496 ± 0.002 1.498 ± 0.0011. 492 ± 0. 004 7=0.6783 1.494 ±0.001 1, 494 ± 0. 0011.507 ±0.001
在表1中，同种材料的管1，管2两只玻璃毛细管内外径的平均值存在差异，而标定 的n。在误差允许的范围内可认为是相同的，这表明同种材料不同内外径的毛细管，对折射 率n。的测量无影响；对于不同材料毛细管管壁折射率的测量，用纯水作为标准液体进行标 定计算的整体误差都控制在0. 002以内，说明采用折射率较低的溶液作为标准溶液可以提 高毛细管管壁折射率的测量精度。(三)本发明系统的成像景深和管壁折射率测量的灵敏度对测量结果的影响下面 说明这两个重要物理量对测量结果的影响 1.系统的成像景深如图1本发明方法所采用的装置已使经过毛细管后的光斑全部覆盖物镜的镜面，则显微物镜标定的数值孔径即为有效数值孔径，把物镜标定的数值孔 径N. A. = 0. 25，发光二极管的中心波长A = 580nm带入景深计算公式L = A / (N. A. )2中 有L = 9.28iim。可见，实验系统的成像景深在一维位移平台的最小分度值0.01mm以内。
2.管壁折射率测量的灵敏度管壁折射率变化An。引起的d值变化Ad可由(1) 式求出
(8)
0. 005，定义折射率灵敏度为管壁折射率改变0. 005所引起的d值变化
"0 令An。 量A4，则有:
<formula>formula see original document page 8</formula>(,) (9) <formula>formula see original document page 8</formula> 3.景深与灵敏度对测量精度的影响如果由折射率n。变化0. 005引起的d值变化 量超过成像景深值，即A ds > L = 9. 28 ii m，可以从理论上保证An。 = 0. 005的测量精度， 反之亦然。取毛细管的内外径r = 0. 4877mm， R = 0. 6178mm，充入毛细管内标准液体的折 射率分别为1.3335， 1.3618， 1.4331，根据(9)式可以画出折射率灵敏度曲线，将景深值L = 9.28ym与灵敏度曲线比较得到图2。由图2可知用纯水作为标准液体对玻璃毛细管管壁 折射率进行标定计算时，灵敏度大于景深值(曲线l)，测量精度优于O. 005 ;用乙醇进行计 算标定时(曲线2)在曲交点右边灵敏度大于景深值，即只有对管壁折射率大于1. 557的毛 细管进行标定时，才能够保证O. 005的测量精度；而用乙二醇进行标定时，灵敏度始终小于 景深值(曲线4)，即选用乙二醇作为标准液体进行标定时，测量精度差于0.005。同时比较 三组曲线也说明了 ，所用标准液体的折射率越低测量的灵敏度越高。
权利要求
一种无损测量透明毛细管管壁折射率的方法，其特征是该方法毛细管管壁的折射率满足(1)式 <mrow><msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>dn</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>R</mi> <mo>-</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mn>2</mn><mi>Rd</mi><mo>-</mo><mn>2</mn><mi>ndr</mi><mo>+</mo><mi>nRr</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中，n0是待测毛细管的管壁折射率，r和R分别是毛细管的内、外半径，n是充入毛细管内标准液体样品的已知折射率，d是玻璃毛细管的轴线到其焦点的距离。其中，r和R的数值通过读数显微镜直接地测量取得；d的数值由平行光通过毛细管后对光线汇聚点位置间接地测量取得。
2. 根据权利要求1所述的无损测量透明毛细管管壁折射率的方法，其特征是A. 在待测毛细管内充入折射率为r^的标准液体样品，测量平行光通过毛细管后的光线 汇聚点位置D工；B. 在待测毛细管内充入折射率为化的标准液体样品，测量平行光通过毛细管后的光线 汇聚点位置^;C. 令毛细管的轴线位置为D。，则= D「D。 ;d2 = D2-D。，将和d2分别代入(1)式，得 到(2)和(3)式:
3. 根据权利要求2所述的无损测量透明毛细管管壁折射率的方法，其特征是毛细管的 轴线位置D。值满足下式<formula>formula see original document page 2</formula>将D。值代入(2)式或(3)式，计算出待测毛细管的管壁折射率n。。
4. 根据权利要求1、2或3所述的无损测量透明毛细管管壁折射率的方法，其特征是 令An。 = 0. 005，定义折射率灵敏度为管壁折射率改变0. 005所引起的d值变化量Ads，则有:<formula>formula see original document page 2</formula>当折射率n。变化0.005引起的d值变化量大于成像景深值L二 A/(N.A.)2JP A ds > L 时，可以从理论上保证An。 = 0. 005的测量精度，反之亦然。
5. 如权利要求l-4所述的无损测量透明毛细管管壁折射率的装置，其特征是该装置以 发光二极管作为测量光源(l)，经透镜(2)准直，准直光束经宽度可调的狭缝(3)使得进入 毛细管的光线满足近轴条件；吸入标准液体后的玻璃毛细管(4)构成一个由四个共轴柱面 组成的光学系统，取柱透镜作用，设置于透镜(2)与显微物镜(5)之间；显微物镜(5)与CCD 探测器(6)构成毛细管焦点像的采集系统(7)。
6. 根据权利要求5所述的无损测量透明毛细管管壁折射率的装置，其特征是该装置的 光源(1)为中心波长为A = 580nm，谱线半宽度为FWHM = 32nm的发光二极管。
7. 根据权利要求5、6所述的无损测量透明毛细管管壁折射率的装置，其特征是该装置的焦点像的采集系统(7)固定在一个最小分度值为0.01mm的一维位移台(9)上。
8. 根据权利要求5、6所述的无损测量透明毛细管管壁折射率的装置，其特征是该装置 的显微物镜(5)的放大倍率为10倍，数值孔径A = 0. 25，经过毛细管后的光斑全部覆盖显 微物镜(5)的镜面，使显微物镜(5)标定的数值孔径成为有效数值孔径。
9. 根据权利要求5、6所述的无损测量透明毛细管管壁折射率的装置，其特征是该装置 的毛细管焦点的像采集系统(7)由具有内置转换电路和驱动电路的640X480阵列的二维 CCD探测器(6)所构成，该CCD探测器(6)通过一个USB接口与计算机(8)连接。
10. 根据权利要求5、6所述的无损测量透明毛细管管壁折射率的装置，其特征是该装 置狭缝(3)的宽度SW约小于毛细管内径。
全文摘要
一种无损测量透明毛细管管壁折射率的方法及装置，属于用可见光作光源测量固体折射率的方法。本发明利用平行光经过装有不同标准液体的毛细管后会聚焦点位置不同的原理，通过CCD对会聚焦点位置成像后的图像判断，计算出毛细管的外轮廓位置和焦距，进而计算出毛细管管壁的折射率。本发明测量毛细管折射率的测量精度优于0.005，具有设备简单，操作方便，便于图像观察和识别清晰以及自动化程度高的特点，实现了对毛细管在无损条件下管壁折射率的精确测量，满足一般实验过程对毛细管管壁折射率的精度要求。
文档编号G01N21/41GK101701912SQ20091021820
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月16日 优先权日2009年11月16日
发明者孙丽存, 张瑞凯, 普小云, 李强, 苏光辉 申请人:云南大学