[发明专利]成像法测量玻璃微珠折射率

说明书

技术领域

本发明涉及玻璃微珠折射率的直接测量技术，属于测量技术领域。

背景技术

玻璃微珠是直径为微米量级的透明球形小玻璃珠，一定折射率的玻璃微珠具有回归反射性，即光线入射到玻璃微珠，出射光线沿入射光线原路返回，因此玻璃微珠常用于反光材料的制作。这种反光材料具有重量较轻、强度高、理化性能稳定、导热系数低、摩擦力小等优点，目前广泛应用于交通、航空、工业自动化、军事等领域。影响玻璃微珠回归反射性能的因素主要有三个：粒径、材料的光学特性、周围环境，折射率是影响玻璃微珠光学特性的主要参数。测量制作玻璃微珠块状样品材料的方法有最小偏向角法、全反射临界角法、V棱镜法等，但经过高温熔融、冷却加工过程后，制成的玻璃微珠折射率会发生一定变化，这些测量方法具有一定的局限性。对玻璃微珠成品测量方法有彩虹法、球透镜聚焦测量法、油浸法等。测量玻璃微珠折射率的彩虹法及其测量仪的研制本实验室已做详细研究并有相关专利，如专利CN 102175646B和专利CN 2581980Y；成像法是将玻璃微珠看作球透镜，对规则物体成像，还没有相关专利用成像法测量玻璃微珠折射率，有文献直接测量玻璃微珠焦距和直径，焦距则为玻璃微珠中心到像平面的距离，由于玻璃微珠尺寸较小，这种测量结果误差较大；油浸法在测量高折射率玻璃微珠时，需匹配一定折射率的溶液，测量过程麻烦，安全性低。

发明内容

鉴于上述问题，本发明通过数学推导、实验研究提出了成像法测量玻璃微珠折射率。与其它测量方法相比，这种测量方法的优点首先是直接对玻璃微珠成品测量，消除了块状玻璃样品制作玻璃微珠过程对其折射率的影响。其次，无需匹配折射率较高的溶液，提高了测量过程的安全性。此外，根据球透镜聚焦原理，测量量为物距和像高，通过采集成像图片，以像素为单位换算得到像高，精度较高。同时这种方法操作简单、可重复测量，适用于不同折射率和不同粒径范围的玻璃微珠。

    本发明特征是以下述原理为基础：对于不同尺寸的玻璃微珠，可以将成像法分为放大率法和透镜成像法。放大率法在光路中加入光线准直元器件，如平行光管，光能在传播过程中损失较大，适于测量尺寸较大的玻璃微珠；透镜成像法不加光线准直器件，由于玻璃微珠尺寸较小，光源到玻璃微珠的距离较大，像平面和焦平面近似重合，即近似看作平行光入射，光能损失较小，适于任何尺寸的玻璃微珠测量。

放大率法测量玻璃微珠折射率原理如图1所示，已知高为                                                的规则成像物体1置于平行光管2前焦平面上，光线经平行光管后产生平行光束，边缘物点发出的两条光线：通过平行光管中心，经玻璃微珠折射后交于边缘像点的光线；经平行光管透镜准直，通过玻璃微珠3中心交于边缘像点的光线。玻璃微珠后焦平面上所成像高为，调节显微镜4使成像清晰，用CCD相机5进行拍摄。

边缘物点发出的两条光线经准直透镜后相互平行，球透镜的主点和球心重合，为通过准直透镜中心的光线与光轴的夹角

                                               (1)

上式化简为

                                                     (2)

空气中厚透镜焦距公式为

                                     (3)

对于球形的玻璃微珠，直径，，折射率表示式为

                                                   (4)

为玻璃微珠焦距，为平行光管的焦距，平行光管的焦距和物高已知，只需测得像高，根据公式(2)就可以求出玻璃微珠的焦距。再将焦距和被测玻璃微珠的直径代入式(4)即可求出玻璃微珠的折射率。放大率法测量装置如附图2所示，显示屏作为背景光源，以黑白相间的条纹作为规则成像物体。

透镜成像法测量玻璃微珠折射率原理如图5所示，规则成像物体1的边缘物点A发出一条经玻璃微珠2中心的光线；轴上物点B发出一条经玻璃微珠2折射后交于光轴的光线。像高为，调节显微镜3成清晰像，用CCD相机4拍摄物体所成的像。

为边缘物点发出的光线与光轴的夹角，是物距，和为焦点， 为牛顿公式中的像距，图中参数之间的关系表示为

                                             (5)

上式简化为