基于干涉条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于物质折射率测量技术领域，特别设及一种基于干设条纹图处理来测量 透明介质折射率分布的方法，W及提供实现该测量方法的测量装置。
【背景技术】
[0002] 折射率作为表征物质性质的基本物理量，它反映了物质内部的许多信息，常用于 光学、化学、新材料合成、物质鉴别等工程领域和科学研究等领域，折射率的精确测量在工 业应用上有重要的意义。
[0003] 物质折射率的测量方法有很多种，自动化并且高精度地测出物质折射率一直是研 究者追求的目标。在各种测量物质折射率的方法中，通常使用的方法有最小偏转角法、全反 射临界角法、菲涅耳衍射法等。近年来还出现了一些新的测量方法，如液巧变焦柱透镜法、 基于长周期光栅的光纤传感法等。但该些方法或多或少存在一定局限性，最小偏转角法在 测量偏转角度时易产生较大误差；全反射临界角法在测量液体时需要知道所用棱镜的精确 折射率；菲涅耳衍射法虽然实验简单，但计算过程复杂，不利于自动化；所述液巧变焦柱透 镜法需要标准液来标定系统参数，而液体的腐蚀性限制了光纤传感技术的应用。然而，上述 方法均不能很好的、实时的测量介质折射率的分布。
[0004] 《中国激光》公开了 "基于分光棱镜干设法测量透明液体折射率"（见《中国激光》 第40卷5期，2013年5月，罗文全等），该文中的实验装置和方法是基于CCD采集干设条纹 图进行图像处理得到移动条纹数，其在旋转过程中必需采集几百幅图像才能实现计数，满 足一定的精度要求。然而测量时间较长，数据处理繁琐，且只能处理较低频率的干设条纹 信号。而后《Optics Communications》公开了 "A single-element interferometer for measuring refractive index of transparent liquids^ (见《Optics Communications》 332(2014) 14 - 17, Tao化ang等），该文献对上述方法进行了完善和改进，得到了较高精度 的测量结果，但此方法只能对折射率分布均匀的透明介质进行其折射率的测量，无法测量 非均匀透明介质的折射率分布。如果能够提供一种既能测量均匀透明介质的折射率，又能 测量非均匀透明介质的折射率分布的测量方法，该正是本发明的任务所在。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术中所存在的缺陷和不足，提供一种基于干设条纹 图的处理来测量透明介质折射率分布的方法；该方法是利用立体分光棱镜分光面干设所产 生干设条纹图，再通过计算改变输入光透过待测样品与参考介质的光程差所产生的干设 条纹移动数来进行待测透明介质的折射率分布的测量；W及提供一种实现该测量方法的测 量装置。本发明的测量方法不仅可W对均匀透明介质折射率进行更高精度测量，而且还能 实现对非均匀的透明介质折射率分布进行测量。所述对透明介质折射率分布的测量方法及 其测量装置在保证测量精度和稳定性的前提下，还具有减少测量次数，缩短测量时间，W及 简化数据处理的优点。
[0006] 本发明提供的一种基于干设条纹图处理测量透明介质折射率分布的方法，包括W 下具体步骤：
[0007] (1)产生并接收待测样品处于第一位置时的干设条纹图
[000引选取适合于测试光的波长和对应的立体分光棱镜，调整立体分光棱镜位置，使所 产生的干设条纹间距满足相位提取算法需要；将试样台静置在平行激光束垂直入射到待 测样品所处的第一位置并放置待测样品和参考介质，使待测样品与测试光光束传播方向垂 直；然后将光学匹配系统输出的平行激光束垂直入射到试样台或其上比色皿中的待测样品 和参考介质，透过待测样品的激光束形成信号光束、透过参考介质的激光束形成参考光束， 所述信号光束和参考光束经立体分光棱镜发生干设形成干设光束，干设光束经CCD探测器 采集记录为干设条纹图一，若干设条纹图一已经携带有待测样品全部信息则直接进行第 (2)步；反之，则将试样台在垂直光路的平面进行上下移动，CCD探测器继续采集记录此时 干设条纹图，直到待测样品全部的信息被采集完全，对所有采集的干设条纹图进行拼接，得 到一幅携带有待测样品全部信息的干设条纹图一，并存入计算机系统中；
[0009] (2)产生并接收待测样品处于第二位置时的干设条纹图
[0010] 将试样台顺时针或逆时针旋转0角度之后静置在平行激光束W 0角度入射到待 测样品所处的第二位置，当光学匹配系统输出的平行激光束W 0角入射到试样台或其上 比色皿中的待测样品和参考介质，透过待测样品和参考介质的激光束形成的信号光束和参 考光束经立体分光棱镜发生干设形成干设光束，此过程中，通过光电探测计数器记录干设 光束形成的干设条纹移动的整数部分的数量N'，同时干设光束经CCD探测器采集记录为干 设条纹图二；若干设条纹图二已经携带有待测样品全部信息则直接进行第（3)步；反之，贝U 将试样台在垂直光路的平面进行上下移动，CCD探测器继续采集记录此时干设条纹图，直到 待测样品全部的信息被采集完全，对所有采集的干设条纹图进行拼接，得到一幅携带有待 测样品全部信息的干设条纹图二，并存入计算机系统中；
[0011] (3)计算干设条纹移动的小数部分
[0012] 对上述获得的干设条纹图一和干设条纹图二分别进行去噪、相位提取和解包裹处 理；分别得到干设条纹图一和干设条纹图二的连续二维相位分布，两者相减得到干设条纹 图一和干设条纹图二之间的相位差A Mx，y)，再根据公式非v，.v) = (1)，计算试 样台移动过程引起的干设条纹移动的小数部分e (x，y)，其中（x，y)表示像素点的坐标；
[0013] (4)计算待测样品的折射率分布
[0014] 当待测样品与垂直入射光束的入射角由0°变到0角度时，两光束的光程差会发 生变化，对应的干设条纹移动数N可由如下公式（2)计算得到， 王
[00巧]?=(///1)*[(打2sin; 0);-打日 *cos0-n + n。] (2)
[0016] 对应到每个像素点则有：
[0017] 八v'）= (//义）*[("(.、-，.'v')2-打02加2 0户*cos0 - "(.、-，.'r) +灼0] (3)
[0018] 其中N(x，y) = N'（X，y)+ e (X，y)为干设条纹移动数，1为待测样品的厚度；n。为 参考介质的折射率；A为光学匹配系统输出的激光束的波长；n(x，y)为该像素点对应的样 品点折射率，将公式（3)变形得到待测样品平面各点对应的像素点处折射率n(x，y):
[0019] "如:) = (缉wUW+2(l-cos0)(",;-",^r，.v)A//) …。 -C〇s0)-A'(.、...v^//]
[0020] 上述方案中，所述待测样品为均匀透明介质，或非均匀透明介质；所述透明介质为 液体、气体或固体；所述参考介质可W为空气或任意均匀透明介质。
[0021] 上述方案中，所述待测样品为液体或气体时，将其装入具有两个平行面的比色皿 中再置于试样台上进行测量；当待测样品为固体时，所述固体样品应具有两个相互平行的 面，可直接放在试样台上进行测量。
[0022] 上述方案中，所述将试样台顺时针或逆时针旋转0角度的范围在0-30°之间。
[0023] 上述方案中，所述光学匹配系统输出的平行激光束选自单色光源，或光谱可调控 光源；其波长范围可从紫外、可见、近红外、中红外、到远红外。
[0024] 上述方案中，所述立体分光棱镜选择所用波长对应的立体分光棱镜，其分光面锻 有宽带消偏振分光膜。
[0025] 本发明一种实现基于干设条纹图处理测量透明介质折射率分布的测量装置，包括 光学匹配系统、比色皿、试样台、立体分光棱镜、平面分束镜、透镜、光电探测计数器、CCD探 测器、计算机系统、待测样品；还包括温度控制器和试样台中的升降台；所述试样台、立体 分光棱镜、平面分束镜依