СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И ДИСПЕРСИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR MEASUREMENT OF REFRACTION AND DISPERSION INDEX  AND DEVICE OF ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к оптическим средствам измерения показателя преломления, использующим эффект нарушения полного внутреннего отражения (НПВО) света и основанный на нем способ - способ НПВО, который применяют при создании средств измерения параметров оптически прозрачных и непрозрачных жидкостей, паст, гелей и т.п. веществ.
Способ измерения показателя преломления, использующий эффект НПВО света, известен давно [1, глава 7; 2, глава 4]. При использовании этого способа измеряют критический (предельный) угол, при котором наблюдается нарушение полного внутреннего отражения. В известном способе получения критического угла плоскость соприкосновения двух сред освещают расходящимся пучком света со стороны среды с большим показателем преломления.
Критический угол измеряют каким-либо угломерным устройством, показания которого через нормирующий коэффициент переводят в показатель преломления исследуемого вещества.
Для измерения дисперсии в заданном диапазоне длин волн измеряют показатель преломления вещества для крайних значений длин волн и вычисляют разность полученных показателей преломления вещества.
Недостатки известных способов состоят в том, что, во-первых, измерения критического угла проводят по недостаточно четкой границе света и тени, причем положение этой границы замеряется в одной точке - точке пересечения границы либо со шкалой, либо с одним элементом фотоприемной линейки; во-вторых, отсутствует автоматическое измерение дисперсии одновременно с измерением показателя преломления. Известное измерение дисперсии путем последовательных измерений показателя преломления для разных длин волн путем перенастройки аппаратуры с одной длины волны на другую приводит к погрешностям измерения [3, стр.113] и требует временных затрат.
Широко известны устройства, построенные на методе НПВО [4]. В этих устройствах, использующих этот метод, оптический элемент - призма - контактирует с исследуемым веществом. Граница соприкосновения двух сред: оптического элемента и исследуемого вещества освещается непараллельным пучком света. Часть лучей света, падающая на границу соприкосновения под углом менее критического, уходит в исследуемое вещество, а часть лучей света, падающая под большими углами на границу соприкосновения, претерпевает полное внутреннее отражение и проецируется на фотоприемное устройство (ФГТУ) - ПЗС-линейку. По положению границы света и тени на ПЗС-линейке определяют показатель преломления исследуемого вещества.
Недостатки известного устройства кроятся в недостатках применяемого способа: отсчет ведется по одной точке пересечения нечеткой границы света и тени на одном фотоприемном элементе, дисперсия автоматически не измеряется.
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа и устройства для его осуществления является способ и устройство, предложенные в [5]. По этому способу, основанному на явлении полного внутреннего отражения, показатель преломления определяется с помощью матричного фотоприемного устройства (МФПУ) по отношению площади тени на его фоточувствительной поверхности ко всей площади этой поверхности.
Устройство, реализующее известный способ [5], содержит источник света, стеклянную призму с высоким показателем преломления, рабочая грань которой соприкасается с исследуемым веществом, МФПУ, микропроцессор (МП), дисплей, подключенный к информационному выходу МП, пороговое устройство и электронную схему, подсчитывающую число импульсов с МФПУ, превысивших заданный порог, общее число измерительных импульсов и вычисляющая отношение полученных чисел.
Основным недостатком известного способа и основанного на нем устройства состоит в невозможности автоматического измерения дисперсии исследуемого вещества одновременно с измерением его показателя преломления. Известные способ и устройство для измерения дисперсии требуют перенастройки аппаратуры с последовательными измерениями показателя преломления в заданном диапазоне длин волн, что приводит к дополнительным погрешностям измерения [3, стр.113] и требует временных затрат.
Предлагаемый способ измерения показателя преломления и дисперсии основан на явлении НПВО на плоскости соприкосновения исследуемого вещества с оптическим элементом (например, призмой), при котором плоскость соприкосновения освещают расходящимся пучком света от точечного или щелевого источника света. Часть света, претерпевшую полное внутреннее отражение на плоскости соприкосновения рабочей грани призмы с исследуемым веществом, направляют на фоточувствительную поверхность МФПУ, на которой формируются зоны тени и света.
Отличие предлагаемого способа от известного состоит в том, что этот пучок света формируют от нескольких монохроматических источников света различной длины волны, световые потоки от этих источников света с помощью светорассеивателя преобразуют в единый расходящийся пучок света и направляют на многоспектральное МФПУ, спектральная чувствительность элементов матрицы которого соответствует спектрам излучения источников света. Таким многоспектральным МФПУ может быть, например, цветная телевизионная ПЗС или КМОП матрица, а в качестве монохроматических источников света - лазерные светодиоды. Часть света, претерпевшую полное внутреннее отражение, направляют на МФПУ, на фоточувствительной поверхности которого оптической системой формируют зоны света и тени, различные для разных длин волн (фиг.1). С МФПУ получают раздельные для каждой длины волны спектральные сигналы, для каждого спектрального сигнала измеряют в каждой строке МФПУ длительность импульса, соответствующую зоне тени, находят среднее значение длительности этих импульсов для всех участвующих в измерении строк, вычисляют отношение полученного среднего значения длительности импульсов к длительности строки МФПУ. Полученные отношения пропорциональны показателю преломления исследуемого вещества для данных длин волн. Далее вычисляют разность между полученными для различных длин волн отношениями, которая пропорциональна дисперсии для данного диапазона длин волн.
Функциональную зависимость показателя преломления от длительности импульса спектрального сигнала с МФПУ для каждого конкретного устройства (рефрактометра) определяют хорошо известным способом тарировки по эталонным жидкостям с известными показателями преломления, например калиброванным водным растворам кислот, солей, оснований, сахарозы и др. Найденная функциональная зависимость записывается в постоянную память микропроцессора конкретного устройства.
Предлагаемый способ и построенный на его основе рефрактометр позволяют получить высокую точность измерения показателя преломления, ускорить и автоматизировать процесс измерения, а также упростить конструктивное исполнение приборов измерения показателя преломления (рефрактометров), реализующих данный способ.
Повышение точности измерения достигается за счет:
- большого количества элементов и высокого пространственного разрешения МФПУ (несколько сот элементов в одной строке, расположенных с шагом в несколько микрон), участвующих в измерении;
- статистической обработки результатов многочисленных промежуточных измерений.
Высокая скорость получения результата достигается за счет автоматизации и исключения процедуры последовательных измерений критических углов для нескольких спектральных линий угломерным устройством.
Упрощение конструкции рефрактометров, реализующих предлагаемый способ, достигается благодаря простой оптической схеме рефрактометра (см. фиг.1).
Предлагаемый способ предполагает использование современных высоких технологий, таких как малогабаритные высокоразрешающие цветные МФПУ (ПЗС-матрицы, КМОП-матрицы и т.п.), микропроцессоры (микроконтроллеры) с соответствующим программным обеспечением, малогабаритные полупроводниковые источники света (монохроматические светодиоды на различные длины волн излучения).
Сущность изобретения поясняется фигурами. На фиг.1 показано распределение тени и света на фоточувствительной поверхности МФПУ для различных длин волн, на фиг.2 схематично представлен ход лучей света в исследуемом веществе для различных длин волн, идущих при критических углах, на фиг.3 изображена функциональная схема устройства.
Устройство, реализующее предложенный выше способ, содержит (фиг.2) блок источников света 1 (БИС), в котором установлены светодиоды с различной длиной волны излучения: R (красный), G (зеленый), В (синий); светорассеиватель 2, выравнивающий диаграммы направленности светодиодов и смешивающий их излучение в единый интегрированный многоспектральный световой поток; диафрагму 3, формирующую расходящийся световой поток и расположенную перед измерительной призмой 4, рабочая грань 5 которой служит плоскостью раздела исследуемого вещества 6, помещенного в кювету 7, и призмы 4; оптическую систему 8, формирующую резкие границы тени и света на фоточувствительной поверхности 9 МФПУ 10. Выходы RGB сигналов с МФПУ 10 (фиг.3) подключены к входам микропроцессора 11, выход которого соединен с входом дисплея 12.
Устройство работает следующим образом. При включении БИС 1 светорассеиватель 2 преобразует световые потоки от светодиодов RGB в единый световой поток. Из этого светового потока диафрагма 3 формирует узкий луч света, который освещает рабочую грань 5 призмы 4. Часть лучей света, падающих под углами больше критических, отражаются от плоскости раздела исследуемого вещества 6 и призмы 4. Из отраженных лучей света оптическая система 8 формирует на фоточувствительной поверхности 9 МФПУ 10 зоны тени и света с резкими границами (фиг.1).
МФПУ 10 (фиг.3) преобразует световые потоки от светодиодов RGB в импульсные видеосигналы, длительность которых отсчитывается от строчного импульса до границы тени и света. Эти длительности измеряют микропроцессором 11 и по ним вычисляют показатели преломления для каждой длины волны. Из вычисленного значения показателя преломления для светодиода «В» микропроцессор 11 вычитает значение показателя преломления для светодиода «R» и преобразует эту разность в коэффициент дисперсии. Вычисленные значения всех показателей преломления и дисперсии микропроцессор 11 выводит для отображения на дисплей 12.
Литература
1. Б.В. Иоффе. Рефрактометрические методы химии, изд. «Химия», Ленинградское отделение, 1974 г.
2. М.В. Лейкин и др. Отражательная рефрактометрия, изд. «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1983 г.
3. В.А. Афанасьев. Оптические измерения. М.: Высшая школа, 1981 г.
4. Х. Сало. Рефрактометр. Патент США №6067151, МПК G01N 21/41, 23 мая 2000 г.
5. Р.И. Волков, Э.И. Федоров. Способ измерения показателя преломления и устройство для его реализации. Патент РФ №2292038, МПК G01N 21/41, дата подачи заявки - 09.03.2005 г., дата публикации - 20.08.2006 г.