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一种新型测量液体折射率的光学系统设计

作　者: 韩鹏斌
导　师: 苗润才
学　校: 陕西师范大学
专　业: 光学工程
关键词: 遮光效应液体薄膜折射率光学系统设计像差
分类号: TH74
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

液体的折射率是研究液体光学特性的重要参数之一。液体折射率测量方法可以分为两种：一是几何光学法；二是波动光学法。不同测量方法对应的实验装置有所不同。几何光学法利用光的反射定律或折射定律测量待测液体折射率。几何光学法一般对仪器要求较低,操作较简单,在一般的实验条件下就能实现。波动光学法利用光的干涉和衍射现象,或者通过反射光或透射光的相位差、偏振态等测量液体的折射率。利用波动光学法测量液体折射率时对实验仪器和环境的要求较高,所以在一般的实验室里很难达到。近年来,我们在研究静态液体表面光学效应的时候,发现了液体的遮光效应并利用这种效应测量液体折射率。用上述办法实现液体折射率的测量,存在两个明显的问题：一、必须有足够多的待测液体,而这个要求对于少数贵重液体来说是不太现实的。二、由于受周围环境振动的影响,使液体表面晃动,严重影响测量结果。为了克服以上缺陷,我们利用液体薄膜的遮光效应来测量液体折射率在理论上分析了液体薄膜遮光图样产生的条件及机理,得到了液体折射率与遮光半径之间的解析关系,建立了测量液体折射率测量的新方法及实验装置。实验上观察到清晰的薄膜遮光图样。在实际测量中,对遮光半径用两种不同的方法进行读数,一种是直接通过读数系统直接读取薄膜遮光图样的直径,带入理论公式求得待测液体的折射率；另一种是通过用CCD采集实验图样,再把其图样输入计算机进行智能化扫描处理,同样也得到了待测液体的折射率。两种测量结果与公认值均吻合较好。该装置设备简单,稳定性高,操作方便。且实验所用液体样品量少,并可实现对液体折射率的实时、全自动化测量。根据已成熟的实验原理和方法,为了推广这种测量液体折射率的新方法,我们申请了该方面的专利——基于全反射光阑效应的液体折射率测量方法。该专利已成功获得审批,为了尽早实现该方面理论成果的转化,本文首次设计出了利用液体薄膜遮光效应法测量液体折射率的光学系统。本文的主要内容：1.综述了测量液体折射率的常见实验方法、原理和测量装置,并讨论了各自测量方法的优缺点。2.分析了液体薄膜遮光效应法测量液体折射率的原理,建立了实验装置,提出两种读数方法：手动读数法和自动化读数法。3.对液体薄膜遮光效应法测量液体折射率的光学系统进行了设计,根据设计要求确定了该光学系统所需六个部件及其参数。本文的主要结论：选用了合适的光源,设计出聚焦单透镜,选定建立液体薄膜的光学玻璃组,设计出了适合该光学系统的摄像镜头,最后并为此光学系统选择了CCD作为图像传感器。首次设计出了利用液体薄膜的遮光效应测量液体折射率的光学系统。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-19
  1.1 液体折射率测量方法  9-17
    1.1.1 几何光学法  9-13
    1.1.2 波动光学法  13-17
  1.2 本论文要解决的问题  17-19
第二章利用液体薄膜遮光效应测量液体折射率  19-23
  2.1 实验装置和实验结果分析方法  19-21
  2.2 液体薄膜遮光效应测量液体折射率的实验装置分析  21-23
第三章光源的选择及聚焦单透镜的设计  23-33
  3.1 光源的选择  23-26
    3.1.1 现有光源及其对比  23-25
    3.1.2 光源的选择要求  25-26
  3.2 聚焦单透镜的设计  26-33
    3.2.1 光学设计软件和聚焦透镜的设计  26-28
    3.2.2 聚焦透镜的设计  28-33
第四章图像传感器的选择  33-37
  4.1 CCD简介及性能  33-34
  4.2 CMOS简介及性能  34-35
  4.3 图像传感器的确定  35-37
第五章光学玻璃的选择  37-43
  5.1 光学玻璃牌号分类和命名  37-38
    5.1.1 光学玻璃牌号分类  37
    5.1.2 光学玻璃牌号命名  37-38
  5.2 光学性能  38-40
    5.2.1 色散和阿贝数  38-39
    5.2.2 折射率温度系数(△n/△T)  39
    5.2.3 光吸收系数  39-40
  5.3 毛玻璃  40-41
  5.4 光学玻璃的选择要求及组合  41-43
第六章摄像镜头的设计及优化  43-53
  6.1 摄影物镜镜头的基本参数  43-45
  6.2 摄影镜头参数的确定  45-46
  6.3 像差及其优化后分析  46-53
第七章整体光学系统分析  53-59
  7.1 光学系统总照度分析  53-56
    7.1.1 单聚焦透镜引起的光照度损失  54-55
    7.1.2 光学玻璃组合引起的光照度损失  55-56
    7.1.3 摄像物镜引起的光照度损失  56
  7.2 光学系统整体外形尺寸  56-59
结论  59-61
参考文献  61-65
致谢  65-67
攻读硕士学位期间科研成果  67

一种新型测量液体折射率的光学系统设计

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