專利名稱：一種無損測量透明毛細(xì)管管壁折射率的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于用可見光作光源測量固體折射率的方法，特別涉及測量毛細(xì)管的管壁
折射率的方法和裝置。
背景技術(shù)：
玻璃毛細(xì)管廣泛應(yīng)用于醫(yī)療檢測，光學(xué)儀器，分析儀器，光纖通信配件，試驗(yàn)、化驗(yàn) 檢測等行業(yè)，是眾多檢驗(yàn)，檢測儀器中的重要部件之一 (http:〃www. glassinfo. com. cn/， 玻璃信息網(wǎng)[OL])。在科研工作中經(jīng)常需要精確地知道毛細(xì)管管壁的折射率，由于廠商一 般不提供或者只提供批量產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)，因此在科研過程中需要自行準(zhǔn)確地測量實(shí)際使 用的毛細(xì)管管壁折射率。根據(jù)目前的文獻(xiàn)資料報(bào)道，還沒有在無損毛細(xì)管的前提下對毛細(xì) 管的管壁折射率進(jìn)行精確測量的方法。本發(fā)明提出之前，我們根據(jù)平行光經(jīng)過裝有不同液 體的毛細(xì)管后匯聚焦點(diǎn)位置不同的物理現(xiàn)象，提出了用玻璃毛細(xì)管精確測量微量液體的 折射率原理和方法(普小云，白然，邢曼男等，中國發(fā)明專利ZL200710066016.2[P];邢曼 男，白然，普小云，精確測量微量液體折射率的新方法[J]，"光學(xué)精密工程"，2008，16(7)， 1196-1202)，通過該原理和方法可以測量裝有不同液體的毛細(xì)管焦點(diǎn)位置，并計(jì)算得到待 測毛細(xì)管中液體的折射率。但在這個(gè)過程中，作為測量毛細(xì)管內(nèi)液體折射率的管壁折射率 還不是已知的，需要廠商提供或者其它損壞毛細(xì)管的繁復(fù)實(shí)驗(yàn)后才能得到。

發(fā)明內(nèi)容
為了在無損前提下測量透明毛細(xì)管的管壁折射率，本發(fā)明目的包括提供一種無損
測量透明毛細(xì)管管壁折射率的方法，以及提供一種依據(jù)該方法采用在待測毛細(xì)管內(nèi)充入折
射率已知的標(biāo)準(zhǔn)液體樣品，通過測量平行光經(jīng)過毛細(xì)管后的光線匯聚點(diǎn)位置計(jì)算得到毛細(xì)
管的管壁折射率的裝置。
本發(fā)明通過以下方式實(shí)現(xiàn) 該方法毛細(xì)管管壁的折射率滿足(1)式
"0= 尊一。 (1) 式中，n。是待測毛細(xì)管的管壁折射率，r和R分別是毛細(xì)管的內(nèi)、外半徑，n是充入 毛細(xì)管內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)液體樣品的已知折射率，d是玻璃毛細(xì)管的軸線到其焦點(diǎn)的距離。其中，r和 R的數(shù)值通過讀數(shù)顯微鏡直接地測量取得；d的數(shù)值由平行光通過充入標(biāo)準(zhǔn)液體樣品的毛 細(xì)管后光線匯聚點(diǎn)位置間接地測量取得。
該方法進(jìn)一步表達(dá)為 令毛細(xì)管的軸線位置為D。，在毛細(xì)管中充入折射率為ni的標(biāo)準(zhǔn)液體樣品，則毛細(xì) 管的焦距位置滿足下式 d！ = D「D。 ； (2)
在毛細(xì)管中充入折射率為n2的標(biāo)準(zhǔn)液體樣品，則此時(shí)毛細(xì)管的焦距位置滿足下 式 d2 = D2-Dq。 (3)
將(2)和(3)式兩式分別代入(1)式，得到(4)和(5)式:
2"^-"(A-"o) (4)
2"2(i —，2—D。)
2i (￡>2 — D0) — 2w2r("2 —) + w2i r
所述的毛細(xì)管的軸線位置D。值滿足(6)式
(5)
"-ffl+A)純A-，(")卜o,
(6)
D。值。將D。值代入(4)或(5) 由(6)式通過計(jì)算可以得到D。值，而無需直接領(lǐng) 式，即可計(jì)算出待測毛細(xì)管的管壁折射率n。。 所述方法中，令A(yù)n。 = 0. 005，定義折射率靈敏度為管壁折射率改變0. 005所引起
的d值變化量A4，則有
2<i 2flf
△《=—x
1 +——
(7) 當(dāng)折射率n。變化0. 005引起的d值變化量超過成像景深值L = A /(N. A. )2，即
Ads > L時(shí)，可以從理論上保證An。 = 0. 005的測量精度，反之亦然。 根據(jù)以上方法提供的一種無損測量透明毛細(xì)管管壁折射率的裝置 該裝置以發(fā)光二極管作為測量光源(1)，經(jīng)透鏡(2)準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光束經(jīng)寬度可調(diào)的
狹縫(3)使得進(jìn)入毛細(xì)管的光線滿足近軸條件；吸入標(biāo)準(zhǔn)液體后的玻璃毛細(xì)管(4)構(gòu)成一
個(gè)由四個(gè)共軸柱面組成的光學(xué)系統(tǒng)，取柱透鏡作用，設(shè)置于透鏡(2)與顯微物鏡(5)之間；
顯微物鏡(5)與CCD探測器(6)構(gòu)成毛細(xì)管焦點(diǎn)像的采集系統(tǒng)(7)。所述裝置的光源(1)為中心波長為A = 580nm，譜線半寬度為FWHM = 32nm的發(fā)
光二極管。 所述裝置的焦點(diǎn)像的采集系統(tǒng)(7)固定在一個(gè)最小分度值為0. Olmm的一維位移 臺(9)上。 所述裝置的顯微物鏡(5)的放大倍率為10倍，數(shù)值孔徑A = 0. 25，經(jīng)過毛細(xì)管后 的光斑全部覆蓋顯微物鏡(5)的鏡面，使顯微物鏡(5)標(biāo)定的數(shù)值孔徑成為有效數(shù)值孔徑。
所述裝置的毛細(xì)管焦點(diǎn)的像采集系統(tǒng)(7)由具有內(nèi)置轉(zhuǎn)換電路和驅(qū)動(dòng)電路的 640X480陣列的二維CCD探測器(6)所構(gòu)成，該CCD探測器(6)通過一個(gè)USB接口與計(jì)算 機(jī)(8)連接。 所述裝置狹縫(3)的寬度SW約小于毛細(xì)管內(nèi)徑。 本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)液體樣品標(biāo)定毛細(xì)管的管軸位置，提高了毛細(xì)管焦距測量的可靠性。在具體實(shí)施方式
中用純水，乙醇，乙二醇三種標(biāo)準(zhǔn)液體對同種管壁材料、不同尺寸的毛 細(xì)管管壁折射率進(jìn)行測量，折射率測量精度在O. 005以內(nèi)。該發(fā)明方法具有使用設(shè)備簡單， 操作方便，便于對圖像觀察和識別以及測量精度高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對毛細(xì)管無損條件下，精 確測量其管壁折射率，滿足了一般科研實(shí)驗(yàn)對毛細(xì)管管壁折射率的要求精度。
本發(fā)明具有如下積極效果 1.采用毛細(xì)管的焦點(diǎn)成像法(普小云，白然，邢曼男等，用玻璃毛細(xì)管精確測量微 量液體的折射率，中國發(fā)明專利，200710066016. 2[P])測量毛細(xì)管的管壁折射率，實(shí)現(xiàn)了對 毛細(xì)管管壁折射率的無損測量。 2.如果按照(1)式計(jì)算毛細(xì)管的管壁折射率則必須測量毛細(xì)管的焦距d值。d = D「D。， D。是毛細(xì)管軸線的位置，此前我們通過測量毛細(xì)管外輪廓的清晰像位置來確定(邢 曼男，白然，普小云，精確測量微量液體折射率的新方法[J]，《光學(xué)精密工程》，2008，16(7)， 1196-1202)。由于平行光經(jīng)過毛細(xì)管外壁邊緣時(shí)的衍射效應(yīng)，準(zhǔn)確判斷毛細(xì)管外輪廓清晰 像的位置D。是困難的，由此造成了對d值測量的誤差。因此，本發(fā)明除了提供(1)式之外， 依據(jù)(4)或(5)式采用標(biāo)準(zhǔn)液體折射率標(biāo)定的方法來提高d值測量的精度，并應(yīng)用(6)式 直接計(jì)算D。值，避免了對D。值的直接測量，進(jìn)一步消除了由D。值的測量誤差造成的對毛細(xì) 管的管壁折射率的測量誤差。 3.采用了顯微物鏡結(jié)合面陣CCD對焦線位置成像的方法，該方法與采用讀數(shù)顯微 鏡直接測量焦線位置的方法相比(邢曼男，白然，普小云，精確測量微量液體折射率的新方 法[J]，《光學(xué)精密工程》，2008， 16(7) ， 1196-1202)，焦線的成像光斑在顯微物鏡上的尺寸超 過其有效孔徑。較大的成像光斑使得焦線通過顯微物鏡后，在CCD成像位置維持一個(gè)較短 的成像景深，保證了成像系統(tǒng)對焦線位置的判斷誤差始終限制在0. Olmm的范圍內(nèi)。
4、本發(fā)明為玻璃毛細(xì)管在批量生產(chǎn)過程中管壁折射率的快速抽樣檢測，提供了一 種可靠的技術(shù)方法。


圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一種裝置。發(fā)光二極管l，準(zhǔn)直透鏡2，可調(diào)狹縫3，玻璃毛細(xì) 管4，成像顯微物鏡5， 二維CCD探測器6，毛細(xì)管焦點(diǎn)像的采集系統(tǒng)7，計(jì)算機(jī)8， 一維位移平 臺9 ;可調(diào)狹縫寬度SW，毛細(xì)管管軸位置D。，毛細(xì)管焦點(diǎn)位置Di，毛細(xì)管焦距d = D「D。，顯微 鏡物方焦距f。 圖2是折射率靈敏度和景深值隨待測管壁折射率的變化曲線。曲線1，2，4分別是 用折射率為1. 3335， 1. 3618， 1. 4331的標(biāo)準(zhǔn)液體進(jìn)行標(biāo)定的計(jì)算曲線；曲線3為景深值曲 線。 下面在具體實(shí)施方式
中結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。但本發(fā)明方法和裝置 不受以下實(shí)施例的限制。
具體實(shí)施例方式( — )發(fā)明裝置的實(shí)施方式
實(shí)施例1 :用一個(gè)中心波長為A = 580nm，譜線半寬度FWHM = 32nm發(fā)光二極管1經(jīng)透鏡2
6準(zhǔn)直后作為測量光源，準(zhǔn)直光束經(jīng)寬度可調(diào)的狹縫3進(jìn)入毛細(xì)管。測量時(shí)，狹縫3的縫寬SW 約小于毛細(xì)管內(nèi)徑以滿足光學(xué)系統(tǒng)近軸條件；吸入標(biāo)準(zhǔn)液體后的玻璃毛細(xì)管4構(gòu)成一個(gè)由 四個(gè)共軸柱面組成的柱透鏡光學(xué)系統(tǒng)，并設(shè)置在透鏡2與顯微物鏡5之間；將放大倍率為 10倍，數(shù)值孔徑A = 0. 25的顯微物鏡5設(shè)置于接收視場，像采集系統(tǒng)7的視場光闌與毛細(xì) 管4焦點(diǎn)的光斑相匹配，并將像采集系統(tǒng)7固定在一個(gè)最小分度值為0. Olrnm的一維位移臺 9上。毛細(xì)管焦點(diǎn)的像采集系統(tǒng)7由內(nèi)置有轉(zhuǎn)換電路和驅(qū)動(dòng)電路的640X480陣列的二維 CCD集成電路所構(gòu)成，通過一個(gè)USB接口與計(jì)算機(jī)8連接。
( 二 )本發(fā)明的方法及測量結(jié)果
實(shí)施例2 : 按照(1)式確定毛細(xì)管的管壁折射率時(shí)，必須測量毛細(xì)管的焦距d值，d = Di-D。， 其中，D。是毛細(xì)管軸線的位置，它通常由測量毛細(xì)管外輪廓的清晰像位置來確定。由于平行 光經(jīng)過毛細(xì)管外壁邊緣時(shí)的衍射效應(yīng)，準(zhǔn)確判斷毛細(xì)管外輪廓清晰像的位置D。是困難的， 由此造成了d值有測量誤差。
實(shí)施例3 : 應(yīng)用公式(4)和(5)，即采用標(biāo)準(zhǔn)液體折射率標(biāo)定的方法，同時(shí)，應(yīng)用公式(6)計(jì)算 D。值，避免了對D。值的直接測量，消除了由D。值的測量誤差造成的對毛細(xì)管的管壁折射率 的測量誤差。 根據(jù)以上實(shí)施例提供的裝置和方法，本發(fā)明采用折射率已知的三種標(biāo)準(zhǔn)液體(純 水ni = 1. 3335，乙醇n2 = 1. 3618，乙二醇n3 = 1. 4331)來標(biāo)定毛細(xì)管的折射率。液體樣 品的折射率用2WA-J型阿貝折射計(jì)測量，折射率的測量誤差為0. 0002 (2WA-J型阿貝折射儀 使用說明書，上海光學(xué)儀器五廠生產(chǎn))。 在兩種不同材料的毛細(xì)管中，分別挑選兩支壁厚均勻、同心度好的毛細(xì)管進(jìn)行測 量。用純水、乙醇、乙二醇標(biāo)定玻璃毛細(xì)管的管壁折射率n。，得到表1所示的測量結(jié)果
表1 :幾種透明毛細(xì)管管壁折射率的測量結(jié)果
、■___^!'量結(jié)果 材料及錄7ftrsar^~^^_^用純水標(biāo)定用乙醇標(biāo)定 用乙二醇標(biāo)定
采血管 (硼硅玻 璃材料)管l 管2K 6791 K 66807=0.3268 1.470 ± 0.001 1. 472 ± 0. 0041. 467 ± 0. 007 7=0.3058 1.470 ± 0.001 1.470 ± 0.0021.471 ±0.005有機(jī)玻璃 (PMMA)管l 管2K 8560 1=0. 94317=0.6298 1.496 ± 0.002 1.498 ± 0.0011. 492 ± 0. 004 7=0.6783 1.494 ±0.001 1, 494 ± 0. 0011.507 ±0.001
在表1中，同種材料的管1，管2兩只玻璃毛細(xì)管內(nèi)外徑的平均值存在差異，而標(biāo)定 的n。在誤差允許的范圍內(nèi)可認(rèn)為是相同的，這表明同種材料不同內(nèi)外徑的毛細(xì)管，對折射 率n。的測量無影響；對于不同材料毛細(xì)管管壁折射率的測量，用純水作為標(biāo)準(zhǔn)液體進(jìn)行標(biāo) 定計(jì)算的整體誤差都控制在0. 002以內(nèi)，說明采用折射率較低的溶液作為標(biāo)準(zhǔn)溶液可以提 高毛細(xì)管管壁折射率的測量精度。(三)本發(fā)明系統(tǒng)的成像景深和管壁折射率測量的靈敏度對測量結(jié)果的影響下面 說明這兩個(gè)重要物理量對測量結(jié)果的影響 1.系統(tǒng)的成像景深如圖1本發(fā)明方法所采用的裝置已使經(jīng)過毛細(xì)管后的光斑全部覆蓋物鏡的鏡面，則顯微物鏡標(biāo)定的數(shù)值孔徑即為有效數(shù)值孔徑，把物鏡標(biāo)定的數(shù)值孔 徑N. A. = 0. 25，發(fā)光二極管的中心波長A = 580nm帶入景深計(jì)算公式L = A / (N. A. )2中 有L = 9.28iim。可見，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的成像景深在一維位移平臺的最小分度值0.01mm以內(nèi)。
2.管壁折射率測量的靈敏度管壁折射率變化An。引起的d值變化Ad可由(1) 式求出
(8)
0. 005，定義折射率靈敏度為管壁折射率改變0. 005所引起的d值變化
"0 令A(yù)n。 量A4，則有:
<formula>formula see original document page 8</formula>(,) (9) <formula>formula see original document page 8</formula> 3.景深與靈敏度對測量精度的影響如果由折射率n。變化0. 005引起的d值變化 量超過成像景深值，即A ds > L = 9. 28 ii m，可以從理論上保證An。 = 0. 005的測量精度， 反之亦然。取毛細(xì)管的內(nèi)外徑r = 0. 4877mm， R = 0. 6178mm，充入毛細(xì)管內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)液體的折 射率分別為1.3335， 1.3618， 1.4331，根據(jù)(9)式可以畫出折射率靈敏度曲線，將景深值L = 9.28ym與靈敏度曲線比較得到圖2。由圖2可知用純水作為標(biāo)準(zhǔn)液體對玻璃毛細(xì)管管壁 折射率進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算時(shí)，靈敏度大于景深值(曲線l)，測量精度優(yōu)于O. 005 ;用乙醇進(jìn)行計(jì) 算標(biāo)定時(shí)(曲線2)在曲交點(diǎn)右邊靈敏度大于景深值，即只有對管壁折射率大于1. 557的毛 細(xì)管進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，才能夠保證O. 005的測量精度；而用乙二醇進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，靈敏度始終小于 景深值(曲線4)，即選用乙二醇作為標(biāo)準(zhǔn)液體進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，測量精度差于0.005。同時(shí)比較 三組曲線也說明了 ，所用標(biāo)準(zhǔn)液體的折射率越低測量的靈敏度越高。
權(quán)利要求
一種無損測量透明毛細(xì)管管壁折射率的方法，其特征是該方法毛細(xì)管管壁的折射率滿足(1)式 <mrow><msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>dn</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>R</mi> <mo>-</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mn>2</mn><mi>Rd</mi><mo>-</mo><mn>2</mn><mi>ndr</mi><mo>+</mo><mi>nRr</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中，n0是待測毛細(xì)管的管壁折射率，r和R分別是毛細(xì)管的內(nèi)、外半徑，n是充入毛細(xì)管內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)液體樣品的已知折射率，d是玻璃毛細(xì)管的軸線到其焦點(diǎn)的距離。其中，r和R的數(shù)值通過讀數(shù)顯微鏡直接地測量取得；d的數(shù)值由平行光通過毛細(xì)管后對光線匯聚點(diǎn)位置間接地測量取得。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無損測量透明毛細(xì)管管壁折射率的方法，其特征是A. 在待測毛細(xì)管內(nèi)充入折射率為r^的標(biāo)準(zhǔn)液體樣品，測量平行光通過毛細(xì)管后的光線 匯聚點(diǎn)位置D工；B. 在待測毛細(xì)管內(nèi)充入折射率為化的標(biāo)準(zhǔn)液體樣品，測量平行光通過毛細(xì)管后的光線 匯聚點(diǎn)位置^;C. 令毛細(xì)管的軸線位置為D。，則= D「D。 ;d2 = D2-D。，將和d2分別代入(1)式，得 到(2)和(3)式:
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的無損測量透明毛細(xì)管管壁折射率的方法，其特征是毛細(xì)管的 軸線位置D。值滿足下式<formula>formula see original document page 2</formula>將D。值代入(2)式或(3)式，計(jì)算出待測毛細(xì)管的管壁折射率n。。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的無損測量透明毛細(xì)管管壁折射率的方法，其特征是 令A(yù)n。 = 0. 005，定義折射率靈敏度為管壁折射率改變0. 005所引起的d值變化量Ads，則有:<formula>formula see original document page 2</formula>當(dāng)折射率n。變化0.005引起的d值變化量大于成像景深值L二 A/(N.A.)2JP A ds > L 時(shí)，可以從理論上保證An。 = 0. 005的測量精度，反之亦然。
5. 如權(quán)利要求l-4所述的無損測量透明毛細(xì)管管壁折射率的裝置，其特征是該裝置以 發(fā)光二極管作為測量光源(l)，經(jīng)透鏡(2)準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光束經(jīng)寬度可調(diào)的狹縫(3)使得進(jìn)入 毛細(xì)管的光線滿足近軸條件；吸入標(biāo)準(zhǔn)液體后的玻璃毛細(xì)管(4)構(gòu)成一個(gè)由四個(gè)共軸柱面 組成的光學(xué)系統(tǒng)，取柱透鏡作用，設(shè)置于透鏡(2)與顯微物鏡(5)之間；顯微物鏡(5)與CCD 探測器(6)構(gòu)成毛細(xì)管焦點(diǎn)像的采集系統(tǒng)(7)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的無損測量透明毛細(xì)管管壁折射率的裝置，其特征是該裝置的 光源(1)為中心波長為A = 580nm，譜線半寬度為FWHM = 32nm的發(fā)光二極管。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5、6所述的無損測量透明毛細(xì)管管壁折射率的裝置，其特征是該裝置的焦點(diǎn)像的采集系統(tǒng)(7)固定在一個(gè)最小分度值為0.01mm的一維位移臺(9)上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5、6所述的無損測量透明毛細(xì)管管壁折射率的裝置，其特征是該裝置 的顯微物鏡(5)的放大倍率為10倍，數(shù)值孔徑A = 0. 25，經(jīng)過毛細(xì)管后的光斑全部覆蓋顯 微物鏡(5)的鏡面，使顯微物鏡(5)標(biāo)定的數(shù)值孔徑成為有效數(shù)值孔徑。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5、6所述的無損測量透明毛細(xì)管管壁折射率的裝置，其特征是該裝置 的毛細(xì)管焦點(diǎn)的像采集系統(tǒng)(7)由具有內(nèi)置轉(zhuǎn)換電路和驅(qū)動(dòng)電路的640X480陣列的二維 CCD探測器(6)所構(gòu)成，該CCD探測器(6)通過一個(gè)USB接口與計(jì)算機(jī)(8)連接。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5、6所述的無損測量透明毛細(xì)管管壁折射率的裝置，其特征是該裝 置狹縫(3)的寬度SW約小于毛細(xì)管內(nèi)徑。
全文摘要
一種無損測量透明毛細(xì)管管壁折射率的方法及裝置，屬于用可見光作光源測量固體折射率的方法。本發(fā)明利用平行光經(jīng)過裝有不同標(biāo)準(zhǔn)液體的毛細(xì)管后會(huì)聚焦點(diǎn)位置不同的原理，通過CCD對會(huì)聚焦點(diǎn)位置成像后的圖像判斷，計(jì)算出毛細(xì)管的外輪廓位置和焦距，進(jìn)而計(jì)算出毛細(xì)管管壁的折射率。本發(fā)明測量毛細(xì)管折射率的測量精度優(yōu)于0.005，具有設(shè)備簡單，操作方便，便于圖像觀察和識別清晰以及自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對毛細(xì)管在無損條件下管壁折射率的精確測量，滿足一般實(shí)驗(yàn)過程對毛細(xì)管管壁折射率的精度要求。
文檔編號G01N21/41GK101701912SQ20091021820
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日
發(fā)明者孫麗存, 張瑞凱, 普小云, 李強(qiáng), 蘇光輝 申請人:云南大學(xué)