折射仪的结构设计及工作原理

　　折射率是物质的重要光学参数之一，也是重要的物理常数之一。通过折射率可以测出物质的光学性能、纯度与性能等，比测量物质的沸点更可靠。虽然测量物质折射率的方法很多。但实验室内使用利用光学原理的阿贝折射仪比较广泛。目前国内阿贝折射仪大多应用在液体物质的检测中，而随着新型材料的出现，更多的领域对物质折射率的测量提出了新要求．传统阿贝折射仪的应用范围已经不能够满足市场的需求。传统的纯光学阿贝折射仪，虽然它测量液体折射率的范围可以达到1．300～l_700之间．还可以用于测量溶液的浓度，但它是通过手工操作，所产生的人工测量误差难以控制，造成测量的工作效率较低。在美国、日本、德国等一些国际大公司已经相继推出了各种新型的全自动阿贝折光仪，广泛应用于折射率测量。目前市场上引进的多种数字化的折射仪产品。由于光学部分的结构设计较为复杂．对工艺设计的要求也很高，价格一般都比较昂贵。对比国内外采用的测量方法和装置，现研制开发出一种既能检测透明、半透明液体折射率和糖度，又能检测固体折射率的全自动阿贝折射仪．具有结构简单、样品用量少、测试方便快捷等优点，在石油、油脂、制药、制漆、食品、日用化学、制糖工业和地质勘察等有关工厂、学校及科研单位有较广阔的使用空间。

　　全自动阿贝折射仪的结构设计

　　针对传统阿贝折射仪的缺点，本文提出利用单色发光二极管为光源，采用线阵CCD为传感器，采集物体折射率相对应黑白分界线的图像，结合计算机图像处理技术，自动识别分界线位置，实现折射率的自动测量。本装置采用阿贝折射仪法(临界测角法)，即利用光线在两种不同介质的交界面发生折射现象，根据全反射临界角求得透明、半透明液体或固体的折射率和平均色散的方法。所研制的全自动阿贝折射仪的光路部分主要由光源、聚光镜组、折光透镜组、成像透镜组、线阵电荷耦合元件(CCD)组成。机械系统主要包括光源结构、光路座、光路结构(包括棱镜组、成像透镜组与CCD的外围结构)、壳体与底座结构、外接设备结构(微型打印机、排风扇)等部分组成。该全自动阿贝折射仪不同于其他型号的数显折射仪的关键在于：它既能检测出液体折射率，也能检测出透明固体的折射率。本仪器应用最简单的光路结构，达到最好的测量效果，具有质量轻、精度高、制作成本低、体积小的优点。

　　工作原理

　　该新型全自动阿贝折射仪选择基于全反射原理的阿贝折射仪法，不同于其它的数显折射仪，该折射仪既能检测出液体折射率，也能检测出透明固体的折射率。该折射仪以单色发光二极管为光源，采用双光源结构，分别用于液体与固体物质的检测。其工作原理如下。使用折射仪测量液体溶液时(光学原理)，将被测液体放置于三角形棱镜和等腰梯形棱镜之间，光源LED1被激发，入射光经介质(上、下棱镜和被测溶液)发生全内反射，折射光透过***外套筒上开的光阑进人透镜组的入射面，经过透镜组汇聚到线阵电荷耦合元件(CCD)的光敏面，最后结合计算机图像处理技术可以得出不同被测液体的折射率，同时还可以换算出溶液相应的糖度值。检测基于全反射原理，即当入射角>临界角时，发生全反射，不发生透射，图像显示较暗；而当<0时，部分反射，产生透射，图像显示明亮韶。

　　关键技术分析

　　消除色散的设计在光源的设计中，由于白光的光谱范围很宽，单色性不理想，所以会加剧光的色散。本装置采用黄色钠光双光源的结构，有效地避免了白光带来的色散问题，然而大量的光线透过透镜组会带入一些杂光，仍会产生色散问题。为了解决此类问题，要设计光阑结构。根据杂散光的来源消杂光光阑的设计分为两类：一类光阑用于遮挡非成像光束；一类则是利用杂散光在通光孑L径中的无规特性而设计遮挡吸收器件，形成消杂散光光阑。文中选择结构较为简单的***类光阑，为了限制通过光学系统的光束宽度，即限制光能量，在透镜组与折光棱镜组之间要设计适当的光阑。光阑的位置选在***外套筒上，光阑的尺寸大小受壳体上的通光孔尺寸、透镜组的通光孔径、光阑和透镜组的相对位置及物点位置的影响。该结构可以有效地解决色散问题，避免了消色散光路的设计，对整体光学系统进行了简化。

　　调焦结构的设计在结构设计中用到了变旋转运动为直线运动的结构装置。如上所述，CCD上底板、压圈、第二外套筒与透镜组之间的结构设计能实现调节CCD与透镜出射面之间前后距离的功能。操作如下：透镜组固定不动，转动第二外套筒时，CCD上下底板将沿着透镜组中心轴的方向前后直线移动，实现微调。由于加工误差与安装存在的手工误差都是不可避免的，CCD到透镜的距离．厂并不等于理论焦距。入射光线临界角，厂为CCD到透镜的距离，2X为CCD光敏面成像范围。若厂过长，则光线只能投射到部分CCD光敏面上，造成测量误差；若厂过短，则只有部分光线投影在CCD光敏面上，其余杂光影响测量结果。因此该微调结构的设计具有必要性