專利名稱：折射計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及一種用于測定溶液中糖濃度或密度的折射計。
背景技術(shù)：
眾所周知，用于測定溶液中糖濃度或密度的折射計可將光射在試樣和棱 鏡的分界界面上，然后利用光電傳感器檢測出在界面上的反射光，并且從光 電傳感器輸出的信號中測定出試樣的折射率(糖濃度或密度)。利用折射計進 行測定的原理在于當(dāng)棱鏡和試樣的界面發(fā)生全反射時的入射臨界角視試樣的 折射率而定。 .
在現(xiàn)有技術(shù)，如在已審查的實用新型申請公開號平3—26443中公開了一 種折射計，大體包括如圖1所示的光學(xué)系統(tǒng)。換言之，在棱鏡102和光源104 之間設(shè)置聚光透鏡106，用以使來自光源104的光集中在焦點上。此外，將 物鏡110設(shè)置在棱鏡102和光電傳感器108之間，該物鏡用于將棱鏡102輸 出的光集中在光電傳感器108上以便獲得清晰的明/暗對比的界面位置。
然而，這樣的光學(xué)系統(tǒng)因需要多個光學(xué)元件而存在生產(chǎn)成本高的問題。 而且，該結(jié)構(gòu)中使用的元件包括光學(xué)元件，這些元件必須被彼此間隔地排列， 所以需要非常精確地定位，這也增加了生產(chǎn)成本。
通常，將折射計安裝在圍繞著界面表面112的試樣臺114上，該界面表 面112構(gòu)成了棱鏡102和試樣S之間的界面。試樣臺114可與各種不同的試 樣材料接觸，這些試樣材料可為滴落在其上的諸如食物、化學(xué)制劑、油脂、 高分子化合物等，因此，該試樣臺是由諸如不銹鋼這樣的具有高耐腐蝕的金 屬來制成的。
在完成測定之后，必須將界面表面112和已經(jīng)放置了試樣S的試樣臺114 徹底擦干凈，從而確保沒有以前試樣上的材料被留下來并污染了下面的測定。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)所測定的試樣是一種諸如淀粉糖漿等糊狀物質(zhì)時， 很難除去己經(jīng)施加到折射計的試樣臺上的該試樣材料。擦掉以前的試樣材料 需要花費時間，就會引起降低測定操作效率的問題。而且，當(dāng)去除試樣材料
的擦拭動作被重復(fù)多次時，試樣臺114易于受到磨損。
一個影響用于測定諸如電池液等高腐蝕性試樣物質(zhì)的折射計的問題是試 樣臺114的使用壽命非常短。此外，如果使用能牢固地粘附到試樣臺114上 的諸如粘合劑等試樣，就不可能剝?nèi)ピ嚇硬牧?，并?dǎo)致不可能進行進一步的 測定。
在前述的折射計操作中，其只能將界面表面112的反射光射入到光電傳 感器108中，然而折射計不限于只在戶內(nèi)使用。當(dāng)測定諸如從水果或蔬菜中 提取出的汁液或例如在汽車中使用的防凍劑這樣的試樣時，折射計可能要經(jīng) 常在戶外使用。在這種情況下，在空間和時間中可改變的外部光線從試樣本 身的方向穿過棱鏡102并射入到光電傳感器108中。這樣，另一個影響折射 計的問題是在戶外環(huán)境中不能精確地測定折射率。
為了在戶外也能精確地測定折射率，使用者可以在試樣S上方用手作為 一個遮蓋物或者利用一個遮蓋物來遮斷外部光線，然而，在進行測定時，用 手作為遮蓋物或者打開和關(guān)閉一個遮蓋物都很麻煩并會影響測定有效地進 行。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述影響現(xiàn)有折射計的問題，本發(fā)明的一個目的在于提供一種 可降低生產(chǎn)成本的折射計。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種可更有效測定并能用于測定各種試樣 物質(zhì)的折射計。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種即使在戶外也能精確和有效地測定折 射率的折射計。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方面提供了 一種用于測定試樣折射率 的折射計，該折射計包括 一個棱鏡，其具有與所述試樣相接觸的界面表面； 一個光源，用于發(fā)光從而光通過所述棱鏡的射入表面射入所述棱鏡并且照在 所述界面表面上； 一個光電傳感器，用于接收在所述界面反射并通過所述棱鏡的射出表面從所述棱鏡射入的光；其中，所述光源和所述光電傳感器分別 附著在棱鏡的射入表面和射出表面上。
本發(fā)明的另一方面提供了一種折射計，其包括 一個棱鏡，其具有為試 樣提供界面的界面表面； 一個試樣臺，其配置在所述界面表面的周圍；其中， 所述試樣臺包括形成的非粘著性涂層。
本發(fā)明的另一方面提供了一種折射計，在該折射計中，光從光源射向為 試樣提供界面的棱鏡的界面表面，通過使用光電傳感器檢測所述界面表面的 反射光，以便以所述光電傳感器的輸出信號為基礎(chǔ)測定試樣的折射率，該折 射計包含 一個濾光裝置，其配置在所述界面表面和所述光電傳感器之間， 其中，所述濾光裝置包括一個波長濾光器，其能夠選擇性地允許傳輸(tmnsmit) 具有在給定區(qū)域內(nèi)的波長包括光源的光的波長在內(nèi)的光。
本發(fā)明的另一方面提供了一種折射計，該折射計包括 一個棱鏡，其具 有為試樣提供界面的界面表面； 一個光源，其向所述界面表面射出光； 一個 光電傳感器，用于接收所述界面表面的反射光；用于比較光能的裝置(光能 比較裝置)，用于當(dāng)所述光源沒有發(fā)光時，將所述光電傳感器測定的光能與預(yù) 先設(shè)定的容許值進行比較； 一個顯示裝置，用于當(dāng)所述光源沒有發(fā)光時所測 定的光能值大于所述容許值時顯示錯誤；光源控制裝置，用于當(dāng)所述光源沒 有發(fā)光時所測定的光能值小于所述容許值時點亮所述的光源；以及用于計算 折射率的裝置(折射率計算裝置)，用于在光源發(fā)光的情況下，從所述光電傳 感器測定的光能分布中計算折射率。
本發(fā)明的另一方面提供一種使用折射計計算折射率的方法，該折射計包 括 一個棱鏡，其具有為試樣提供界面的界面表面； 一個光源，其向所述界 面表面射出光； 一個光電傳感器，用于接收所述界面表面的反射光；該方法 包括以下步驟當(dāng)所述光源沒有發(fā)光時，利用所述光電傳感器測定光能分布； 當(dāng)所述光源沒有發(fā)光時，將測定的光能和預(yù)先設(shè)定的容許值進行比較；當(dāng)所 述光源沒有發(fā)光時所測定的光能值大于容許值時顯示錯誤；當(dāng)所述光源沒有 發(fā)光時所測定的光能值小于所述容許值時，點亮所述光源并且利用所述光電 傳感器測定光能分布；以及在所述光源發(fā)光的情況下，從測定的光能分布中 計算折射率。


結(jié)合附圖，通過下面對優(yōu)選實施例的說明將更清楚地理解本發(fā)明的這些
和其它的目的、特征和優(yōu)點。其中 圖1為現(xiàn)有折射計的橫截面視圖； 圖2為本發(fā)明折射計的一個實施例的透視圖； 圖3為圖1中折射計的主要部件的橫截面視圖； 圖4揭示了由圖1中折射計的濾光裝置允許傳輸?shù)墓獾墓鈧鬏斅剩?圖5是示意性地示出圖1中折射計的主要部件的方框圖； 圖6為圖1中折射計所使用的測定折射率的方法的流程圖； 圖7A和7B揭示了使用圖1中折射計測定的光能分布；以及 圖8至圖10揭示了本發(fā)明的折射計的其它實施例。
具體實施例方式
現(xiàn)在，參考附圖對本發(fā)明的實施例進行說明。在附圖中使用相同或相似 的標記來代表相同或相似的部件。
圖2揭示了本發(fā)明折射計的一個實施例。在該圖中，折射計10包括機架 12，放置試樣的試樣臺14，用于顯示在試樣中糖濃度或密度的顯示部16以 及操作部18。
機架12通常是由樹脂材料制成。在機架12的上部設(shè)有圓形的開口 22。 將試樣臺14配置并固定在該開口 22中。試樣臺14包含一個暴露到外面的試 樣導(dǎo)向面24和一個大體上形成在該試樣導(dǎo)向面24的中心的圓形開口 26。試 樣導(dǎo)向面24包含一個鄰近開口 22的圓周邊緣的平表面24a和一個從該平表 面24a向開口 26對角向下朝內(nèi)延伸的圓錐形表面24b。
圖3為圖2中折射計10的試樣臺14的橫截面視圖。
試樣臺14大體上為盤形并包括一個嵌入到開口 22中的厚中心部28和一 個從該中心部28向盤形的外部徑向延伸的薄邊緣部30。通過邊緣部30上的 諸如螺釘?shù)染o固裝置(圖中沒有示出)使試樣臺14固定在開口 22的周圍。
試樣臺14包括一個在上表面32上形成的非粘著性涂層34 (金屬鍍層)， 該涂層也環(huán)繞著試樣導(dǎo)向面24。該涂層34包括金屬和均勻分布在該金屬中 的氟碳聚合物微粒。尤其是，該涂層34是一種由同時沉積在金屬中的氟碳聚合物的共析化合微粒構(gòu)成的復(fù)合涂層?？蓛?yōu)選的是該涂層34的厚度約為3至 5 u m。
該涂層34的金屬主要包括鎳(Ni)，以及最好是包含鎳和磷的鎳磷合金。 涂層34的氟碳聚合物包括PTFE (聚四氟乙烯)?？蓛?yōu)選的是，該涂層34包 括20—26vol^(體積比)的氟碳聚合物而且該氟碳聚合物微粒直徑為0.2 0.3 ti m。
涂層34可以利用無電鍍處理來形成，這樣使均勻厚度的涂層適于粘附到 諸如不銹鋼等金屬材料的試樣臺14上。此外，在無電鍍處理完成之后，通過 進行熱處理可以獲得較硬的涂層。
這樣，涂層34具有與氟碳聚合物相同的非粘著性、防水、防油和耐磨損 (低摩擦性)性能。此外，這樣的涂層具有與化學(xué)鍍鎳層形成的正常涂層相 同的抗腐蝕性能。因此，與不銹鋼等通常用作現(xiàn)有試樣臺的材料相比，該涂 層34具有更優(yōu)良的性能。
將棱鏡38粘附到試樣臺14的下表面上并充滿開口 26。如圖3所示，該 棱鏡38具有梯形的橫截面并且包括一個暴露在開口 26的外部的表面40 (底 面)， 一個側(cè)表面(射入表面)42，從光源46發(fā)出的光Ri射入到該側(cè)表面中， 以及一個側(cè)表面(射出表面)44，其將反射光Rr向外射出。外部暴露表面作 為為試樣S提供界面的界面表面40。
界面表面40包括含有氟碳聚合物的涂層41?？蓛?yōu)選的是，該涂層41具 有與涂層34相同的非粘著性和抗腐蝕性能。例如，由位于7-18-2 Arakawa， Arakawa-ku, Tokyo的Nikken涂層工業(yè)有限公司(Nikken Coating Industry Co. Ltd.)生產(chǎn)的Nanoclear涂層適合用作該涂層41 。
由于非粘著性涂層34位于折射計10的試樣臺14上，所以試樣S就難以 粘附到試樣臺14上。同樣，當(dāng)非粘著性涂層41位于界面表面40上時，試樣 S也難以粘附到界面表面40上。因此，當(dāng)完成了折射率的測定之后，能將試 樣S很容易地從試樣臺14和界面表面40上去除。這縮短了擦掉試樣S所需 要的時間，從而提高了測定折射率的效率。
即使是在測定諸如電池液等高腐蝕性試樣材料時，試樣臺14上涂層34 的優(yōu)良抗腐蝕性能將延長試樣臺14的使用壽命。此外，試樣臺14上涂層34和界面表面40上涂層41的非粘著性能可對諸如粘合劑等高粘性物質(zhì)的試樣 進行折射率測定，而這些試樣不能用現(xiàn)有的折射計來進行測定。
而且，試樣臺14上涂層34的防水性和防油性確保了滴落在試樣臺14的 試樣導(dǎo)向面24上的試樣S被推到界面表面40上，而且能容易地聚集并保持 在其上。因此，當(dāng)將要測定的試樣S滴落下來時，與現(xiàn)有的折射計相比本發(fā) 明不需要將試樣非常確切地定位，從而使將要進行的折射率的測定更容易。
再者，當(dāng)將試樣S反復(fù)擦干凈時，試樣臺14上涂層34和界面表面40上 涂層41的優(yōu)良耐磨損性能避免試樣臺14和界面表面40受到磨損。將氟碳聚 合物微粒均勻地分散在涂層34中，這樣，即使涂層34出現(xiàn)一些少量的磨損， 在涂層被完全耗盡之前都能保持前述的性能。
可優(yōu)選的是，光源46為一個LED(發(fā)光二極管)，其射出波長約為589nm 的光。此外，光源46可以是一個高亮度的LED。
在本申請中，從光源46射向界面表面40的光Ri和界面表面40的法線 N所構(gòu)成的平面(平行于圖3的紙面的平面)是入射平面A(a plane-of-incident A)。
光源46包括一個扁平發(fā)光表面46a，該扁平發(fā)光表面46a粘附到射入表 面42上。當(dāng)將市售的發(fā)光二極管用作光源46時，發(fā)光表面46a能通過切削 由透明的樹脂構(gòu)成的頂部并拋光其切削表面來形成。直接抵靠在棱鏡38上的 光源46由于入射光Ri的射入表面42上的反射而減少了光能損失。
棱鏡38的另一側(cè)為射出表面44，在該射出表面上設(shè)有濾光裝置54和光 電傳感器52，其中，該濾光裝置54用于選擇例如入射光的偏振方向和波長， 該光電傳感器包括一個線路傳感器(line sensor),該線路傳感器具有多個一 維布置的光接收元件，如光電探測器。
濾光裝置54包括波長濾光器56、 58，其選擇性地允許傳輸具有在給定 區(qū)域內(nèi)的波長包括光源46的光的波長的光；偏光器60，其選擇性地允許傳 輸給定的偏振光；以及一個減光(強度)濾光器62，其能減少光強度。
波長濾光器56、58進一步包括第一波長濾光器56和第二波長濾光器58， 其中，該第一波長濾光器選擇性地允許傳輸僅具有比較短波長帶的光，該第 二波長濾光器選擇性地允許傳輸僅具有比較長波長帶的光。第一波長濾光器56，其遮斷從給定的波長長于光源46的光的波長到由 光電傳感器52檢測出的波長的最大值的波長區(qū)域內(nèi)的光。例如，當(dāng)光源46 為一個具有中心波長589nm的LED時，第一波長濾光器56是一種近紅外線 切斷濾光器，或者是一種熱光線切斷濾光器，其只允許傳輸較短波長，并遮 斷約700nm或以上的近紅外的光。尤其是例如，可將Schott Corporation制造 的BG40玻璃濾光器(帶通濾光器)用作第一波長濾光器56。
在圖4中，曲線Ta表示利用.l.Omm厚度的BG40濾光器作為第一波長濾 光器56時光的傳輸率(the rate of light transmission )。如圖所示，第一波長濾 光器56允許傳輸70%以上的從約340nm至600nm包括光源46發(fā)出的具有 中心波長589nm的光在內(nèi)的短波長區(qū)域內(nèi)的光。
第二波長濾光器58，其遮斷從給定的波長短于光源46的光的波長到由 光電傳感器52檢測出的波長的最小值的波長區(qū)域內(nèi)的光。例如，當(dāng)光源46 為一個具有中心波長589nm的LED時，第二波長濾光器58是這樣一種濾光 器，其只允許傳輸較長的波長，并遮斷可見區(qū)波長和大約550nm或以下的紫 外線光。尤其是例如，可將具有560nm的傳輸界限波長(傳輸率5%的吸收 界限波長和傳輸率72%的高傳輸波長的中點的波長)的銳利切斷濾光器0-56 (sharp cut filter 0-56)用作第二波長濾光器58。
在圖4中，曲線Tb.代表利用1.0mm厚度的0-56濾光器作為第二波長濾 光器58時光的傳輸率。如圖所示，第二波長濾光器58允許傳輸70%以上的 從約570nm或更長包括光源46發(fā)出的具有中心波長589nm的光在內(nèi)的長波 長區(qū)域內(nèi)的光。該波長濾光器58具有約560mn點上的一半最大值 (harf-maximum value at approximately 560nm)。
在圖4中的曲線Tc代表用于第一波長濾光器56和第二波長濾光器58組 合的光傳輸率。如圖4所示，波長濾光器56和波長濾光器58的組合允許傳 輸70%以上的從約570nm至600nm波長區(qū)域的光。
再參考圖3，將偏光器60設(shè)置成在入射平面A中具有一個傳輸軸，這樣 阻擋S偏振光沿垂直于入射平面A的方向振蕩，而且選擇性地僅允許P偏振 光傳輸。僅P偏振光的傳輸使更大部分的來自外部的入射光被遮斷。
減光(ND)濾光器62根據(jù)來自光源46的光的亮度減少光的比率。這樣，當(dāng)減光濾光器62將光源46照射光的光照度水平減少到光電傳感器52接收到 的適當(dāng)?shù)墓庹斩人綍r，該濾光器62同時降低外光線的光照度。因此，從光 源46發(fā)出的光的亮度達到很高的程度，由于減光濾光器62的操作引起的光 降低的比率很高(傳輸率低)，從而降低了外光線在光透過減光濾光器62并 進入到光電傳感器52中的比例。
如圖3所示，可優(yōu)選的是，濾光裝置54形成一體化的主體，在該一體化 的主體中，波長濾光器56和58、偏光器60和減光濾光器62相互疊層在一 起。此外，可優(yōu)選的是，將濾光裝置54的第一表面54a粘附到棱鏡38的射 出表面44上，并且將光電傳感器52的受光表面52a粘附到濾光裝置54的第 二表面54b上。這使濾光裝置54和光電傳感器52能夠容易地相對棱鏡38定 位并固定在其上。由于光電傳感器52經(jīng)由濾光裝置54而粘附到棱鏡38上， 所以通過在射出表面44和光電傳感器52的受光表面52a上的反射光Rr的反 射而降低了光能的損失。
在本實施例中，濾光裝置54的每一個濾光器56、 58、 60和62都設(shè)置成 能使來自界面表面40的反射光接連地傳輸(transmit)通過第一波長濾光器56、 偏光器60、第二波長濾光器58和減光濾光器62，然而，自然地，濾光器56、 58、 60和62的排列次序并不重要。
如上所述，在光源46和棱鏡38之間省略了聚光透鏡及在棱鏡38和光電 傳感器52之間省略了物鏡能減小折射計的結(jié)構(gòu)尺寸并降低生產(chǎn)成本。
通過第一步制造包括光源46、棱鏡38和光電傳感器52的光學(xué)系統(tǒng)機構(gòu) 能很容易地構(gòu)造出折射計10，其中該機構(gòu)安裝在機架12中。此外，由于光 源46，棱鏡38和光電傳感器52的定位是在把棱鏡38固定在機架12之前就 已完成，所以本發(fā)明折射計比現(xiàn)有折射計的制造更簡單。這也是降低生產(chǎn)成 本的另一個因素。
下面，結(jié)合附圖3說明在折射計10的棱鏡38區(qū)域中的操作。
當(dāng)試樣S滴落在界面表面40上時，點亮光源46并使從光源46發(fā)出的光 Ri射到界面表面40上。當(dāng)入射角小小于根據(jù)試樣S的折射率n確定的臨界入 射角4c(n)時，射出的光Ri的大部分傳輸具有試樣S的側(cè)壁，而當(dāng)入射角^ 大于臨界入射角》c(n)時，光Ri被反射到具有光電傳感器52的側(cè)壁上。界面表面40反射的光線Rr射入到濾光裝置54中。操作濾光裝置54使 在含有光源46的波長的給定波長區(qū)域(例如550nm-600nm)內(nèi)，相對入射平 面A平行振動的P偏振光傳輸?shù)骄哂泄怆妭鞲衅?2的側(cè)壁。而且，將經(jīng)過 濾光裝置54的光照度減少到適合于光電傳感器52能接收的光照度的范圍內(nèi)。
來自光源46的反射光主要包括波長約為589nm的光，而外光源的入射 光包括從紅外線到紫外線的全部光譜的波長。因此，由于濾光裝置54的操作 僅使具有波長約為589nm的光傳輸(transmit)，所以遮斷住外光源進入光的大 部分，而且，使大部分來自光源46的反射光傳輸?shù)焦怆妭鞲衅?2中。此外， 操作濾光裝置54僅使P偏振光被允許傳輸，而且由于傳輸光的光能減少了， 所以也進一步減少了外光與進入到光電傳感器52的光的比率。因此，即使在 外光非常強的場合中，也可以進行測量而不會超出光電傳感器52的動態(tài)范 圍。
利用上述構(gòu)成的折射計10，基于由光電傳感器52測定的光能分布曲線， 與試樣S的折射率(糖濃度，密度)對應(yīng)的臨界角點Pc (光電傳感器與臨界 角對應(yīng)的位置)是根據(jù)下面的方法計算出來的。
首先，確定用于計算臨界角點Pc的光能分布曲線的范圍。該范圍是從接 近光能分布曲線的最大微分值的位置(地址)的數(shù)據(jù)的預(yù)定數(shù)量(例如30個 點)的地址范圍?？商鎿Q的是，在折射計10的折射率的測定范圍存在一個非 常有限范圍的情況下，可以使用通過參考折射率范圍而提前確定的地址范圍。
其次，利用該范圍內(nèi)的m個點的數(shù)據(jù)，通過下面的表達式計算重心位置
Pc '
在表達式(1)中，Xi表示每一個受光元件的位置(地址)，并且Ii表示在Xi的受光能(V)。從表達式(1)中可以了解到重心位置Pc'是光能分布曲 線的一次微分曲線(或一次差分曲線)的重心位置。
最后，將常數(shù)C加到該重心位置Pc'上，計算出臨界角點Pc (=Pc' + C)。常數(shù)C是利用已知的試樣折射率通過實驗預(yù)先確定的值。
此處，在光能分布曲線包括大量外光的情況下，在光傳輸區(qū)域內(nèi)光能分 布曲線和一次微分曲線的形狀，隨著外光的空間和時間變化而變化，導(dǎo)致每 一次重心位置Pc^的測定相對于真實的臨界角點有大的變動。因此，不可能 精確地獲得臨界角點Pc和折射率。
利用本發(fā)明折射計的實施例，可以獲得光能分布曲線，該曲線由于濾光 裝置54的操作，不再包含大量的外光，從而獲得穩(wěn)定的重心位置Pc '。因 此，利用上述方法能精確地獲得臨界角點Pc，并且能精確地測定折射率。
還可利用光能分布曲線的二次微分或者一次微分和二次微分來進行臨界 角點Pc的計算。
圖5為折射計10的折射率檢測部48的示意性方框圖。如圖所示，折射 率檢測部48包括與光源46和光電傳感器52相連的控制部64、與控制部64 相連的顯示裝置16a、以及啟動開關(guān)18a和電源回路66?？刂撇?4包括受光 能存儲器68、容許值存儲器70、光能比較裝置72、折射率計算裝置74、比 較結(jié)果存儲器76、計算結(jié)果存儲器78、光源控制裝置80和顯示決定裝置82。
受光能存儲器68存儲由每個光電傳感器52的受光元件接收到的光能信 息。尤其是，受光能輸出作為從光電傳感器52發(fā)出的電流信號，經(jīng)I一V變 換器(圖中未示)等變換成電壓信號后，被變換成數(shù)字信號，然后再存儲到 受光能存儲器68中。
容許值存儲器70存儲從外部(外光)的入射光能的容許值。這些容許值 是從實驗中確定的，從而確保雖受外光的影響，折射率的誤差仍能在預(yù)定范 圍之內(nèi)。
比較結(jié)果存儲器76存儲一個[N-0]或[N4]值，表示是否外部的入射光能 小于容許值。[N-O]表示外部的入射光能值大于容許值，[N-l]表示外部的入 射光能值小于容許值。N的初始值設(shè)定為0。
當(dāng)PSNO]時，光能比較裝置72將已存儲到受光能存儲器68中每個光電傳感器52的受光元件的入射光能和已存儲到容許值存儲器70中的容許值進行 比較。如果光能比較裝置72確定外部的入射光能大于容許值，則裝置72在 比較結(jié)果存儲器76中將保持初始值|>[=0]。如果外部的入射光能小于容許值， 則光能比較裝置72將存儲在比較結(jié)果存儲器76中的值改變成PSNI]。
當(dāng)存儲于比較結(jié)果存儲器76中的值改變成[N-1]時，光源控制裝置80使 光源46發(fā)光。
當(dāng)[N4]時，折射率計算裝置74利用上述方法中的表達式(1)，根據(jù)己 存儲到受光能存儲器68中每個光電傳感器52的受光元件的入射光能分布(光 能分布曲線)，計算出臨界角點Pc，并且從該臨界角點Pc獲得試樣S的折射 率和糖濃度或密度。
計算結(jié)果存儲器78存儲由折射率計算裝置74計算出的折射率和糖濃度 或密度。
根據(jù)存儲在比較結(jié)果存儲器76中的值N，顯示決定裝置82使顯示裝置 16a顯示"外光錯誤"，以表示外部(外光)的入射光能過大，或者使顯示裝 置16a顯示存儲在計算結(jié)果存儲器78中的糖濃度或密度。在比較結(jié)果存儲器 76中的值為[NK)]的情況下，顯示決定裝置82使顯示裝置16a顯示"外光錯 誤"。在比較結(jié)果存儲器76中的值為[N-1]的情況下，顯示決定裝置82使顯 示裝置16a顯示存儲在計算結(jié)果存儲器78中的糖濃度或密度。
顯示裝置16a，例如是一種分段顯示式的LCD (液晶顯示)，其可顯示糖 濃度或密度、或者"外光錯誤"。此外，顯示裝置16a顯示的錯誤包括，例如 當(dāng)糖濃度或密度超出測定范圍時顯示"在測定范圍以外"；當(dāng)不能確定臨界角 時顯示"不能測定錯誤"，或者當(dāng)溫度處于能進行測定的范圍之外時顯示"溫 度錯誤"。顯示"外光錯誤"的裝置可與顯示糖濃度或密度的裝置或顯示其它 錯誤的裝置間隔地設(shè)置。
下面，結(jié)合圖5和圖6對控制部64的操作進行說明。 圖6是折射計10所使用的測定折射率的方法的流程圖。 在步驟S200，將比較結(jié)果存儲器76中的值設(shè)定為初始值，[N=0]。 在步驟S201，使用者將試樣S放置在界面表面40上，然后按下啟動按 鈕18a并使電源回路66處于ON狀態(tài)。在步驟S203，光電傳感器52測定光能分布，并將每個光電傳感器52的 受光元件的入射光能的信息存儲在受光能存儲器68中。
在步驟S205，由于比較結(jié)果存儲器76中[N-O]，所以執(zhí)行步驟S207的 操作。
在步驟S207，光能比較裝置72將己存儲到受光能存儲器68中每個光電 傳感器52的受光元件的入射光能和己存儲到容許值存儲器70中的容許值進 行比較。此處，由于光源46沒有發(fā)光，所以每個受光元件的入射光只有從外 部入射到界面表面40的外光。
在步驟S207,如果這些受光元件中任一個的入射光能大于容許值，則光 能比較裝置72在比較結(jié)果存儲器76中保持初始值PSNO]并執(zhí)行步驟S209。
在步驟S209，顯示決定裝置82根據(jù)比較結(jié)果存儲器76中[N-O]令顯示 裝置16a顯示"外光錯誤"，而且操作返回到步驟S201。由于顯示裝置16a 顯示出"外光錯誤"，所以使用者會注意到由于外光太強而無法進行折射率的 測定，然后采取適當(dāng)措施，諸如用手遮蓋界面表面40來遮斷住外光。
在步驟S201，使用者再次按下啟動按鈕18a。在步驟S203，光電傳感器 52測定光能分布，并將測定的結(jié)果存儲在受光能存儲器68中。在步驟S205， 光能比較裝置72根據(jù)比較結(jié)果存儲器76中[N-O]進行操作，并執(zhí)行步驟S207。
在步驟S207，例如，在使用者用手遮蓋了界面表面40的情況下，所有 受光元件中接收的光能小于容許值，則在步驟S210，光能比較裝置72將比 較結(jié)果存儲器76中的值改變成[N-1]并執(zhí)行步驟S211。
在步驟S211，光源控制裝置80根據(jù)比較結(jié)果存儲器76中[N4]而點亮 光源46，并使操作返回到步驟S203。在步驟S203，光電傳感器52再次測定 光能分布，并將測得的結(jié)果存儲在受光能存儲器68中并執(zhí)行步驟S205。
在步驟S205，折射率計算裝置74根據(jù)比較結(jié)果存儲器76中[N4]操作， 并執(zhí)行步驟S213。
在步驟S213，折射率計算裝置74根據(jù)已存儲到受光量存儲器68中每個 光電傳感器52的受光元件的入射光能分布計算出折射率和糖濃度或密度。由 于在步驟S207中已證實外部(外光)的入射光能小于容許值，所以入射到受 光元件的光主要是從光源46發(fā)出并在界面表面40上反射的光。因此，從該光能分布能精確地測定出臨界角點Pc，并且能精確地計算出糖濃度或密度。
然后，將獲得的折射率和糖濃度或密度存儲到計算結(jié)果存儲器78中。
在步驟S215，根據(jù)比較結(jié)果存儲器76中的值[N4]，顯示決定裝置82 使顯示裝置16a顯示出存儲在計算結(jié)果存儲器78中的糖濃度或密度。
在上述進行測定的方法中，在步驟S209顯示出"外光錯誤"之后，就不 再執(zhí)行步驟S203，直到在步驟S201將啟動按鈕設(shè)置成ON狀態(tài)為止，然而， 系統(tǒng)也能從步驟S209直接到步驟S203。這樣，直到證實外部的入射光能小 于容許值[N4]，光電傳感器52才能繼續(xù)自動地重復(fù)測定。
下面，結(jié)合圖7A和7B說明進行測定的實際例子。
圖7A和7B揭示了使用折射計10測定的光量分布。在圖7A和7B中， 橫軸代表每個光電傳感器52的受光元件的位置地址，縱軸代表每個受光元件 的受光能(V)。
圖7A和7B中的虛線代表在圖6所示的步驟S203中第一次測定的光能 分布，此時光源46沒有發(fā)光。換言之，這些虛線代表外部入射光能的分布。 圖7A和7B中的實線代表在光源46發(fā)光的情況下，步驟S203中測定的光能 分布。此處，將外部入射光能的容許值設(shè)定為40V。
在圖7A的例子中，如虛線所示，在測定初始，在步驟S207判斷出外部 的入射光能大于容許值，因此，在步驟S209顯示"外光錯誤"。
如圖中實線所示，當(dāng)使用者采取措施遮斷了入射光線，在光源46點亮的 情況下，從測定的光能分布中能進行對全反射臨界角的測定。
在圖7B的例子中，如虛線所示，在測定初始，在步驟S207判斷出外部 的入射光能小于容許值40V。因此，不會顯示"外光錯誤"，而且使用者也不 需要采取措施來遮斷住外光。
如圖中實線所示，在光源46點亮和不遮斷外光的情況下測定出光能分
布，該光能分布包括外部的入射光，然而，由于外部的入射光小于容許值， 所以全反射的臨界角也能從該光能分布中被比較精確地測定。 因此，本發(fā)明折射計的實施例具有以下特征 1. 一種用于測定試樣S折射率的折射計IO，其包括 一個棱鏡38，其具有與所述試樣S相接觸的界面表面40;一個光源46，用于發(fā)光從而光通過所述棱鏡38的射入表面42射入所述 棱鏡并且照在所述界面表面40上；
一個光電傳感器52，用于接收在所述界面表面40反射并通過所述棱鏡 38的射出表面44從所述棱鏡38射入的光；
其中，所述光源46和所述光電傳感器52分別附著在棱鏡38的射入表面 42和射出表面44上。
2. 光源46包括扁平發(fā)光表面46a，
扁平發(fā)光表面46a粘附到棱鏡38的射入表面42，將狹長切口 50插入在 它們之間。
3. 將光電傳感器52粘附到該棱鏡的射出表面44上。
4. 折射計10有一個狹長切口50，其沿與入射平面相垂直的方向延伸， 并配置在光源46和棱鏡38的射入表面42之間。
5. —種折射計，其包括
一個棱鏡38，其具有為試樣S提供界面的界面表面40; 一個試樣臺14，其配置在所述界面表面40的周圍； 該試樣臺14包括非粘著性涂層。
6. 涂層34的材質(zhì)包括金屬和其中均勻分布著氟碳聚合物的微粒。
7. 氟碳聚合物是聚四氟乙烯。
8. 涂層材質(zhì)包括20—26vol。^的氟碳聚合物。
9. 氟碳聚合物微粒的直徑為0.2至0.3um。
10. 界面表面40有含有氟碳聚合物的涂層41。
11. 一種折射計IO，其包括 一個機架，其上設(shè)有一個開口；
一個棱鏡38，其配置在該開口中并具有為試樣S提供界面的界面表面40; 一個光源46，其向界面表面40射出光；以及 一個傳感器52，用于接收從光源46發(fā)出并在界面40反射的光； 該機架包括一個位于該開口周圍并圍繞界面表面40的試樣導(dǎo)向面24; 該試樣導(dǎo)向面24包括含有鎳和其中均勻分布著氟碳聚合物的微粒的涂 層34;該氟碳聚合物是聚四氟乙烯； 該涂層34的材質(zhì)含有20—26vol^的氟碳聚合物； 該氟碳聚合物微粒的直徑為0.2至0.3 u m;以及 該涂層34利用無電鍍處理來形成。
12. 在該折射計10中，光從光源46射向為試樣S提供界面的棱鏡38的 界面表面40，通過使用光電傳感器52檢測所述界面表面40的反射光，以便 以所述光電傳感器52的輸出信號為基礎(chǔ)測定試樣S的折射率，
該折射計包含濾光裝置54，其配置在所述界面表面40和所述光電傳感 器52之間，
所述濾光裝置54進一步包括波長濾光器56和58，其能夠選擇性地允許 傳輸(tmnsmit)具有在給定區(qū)域內(nèi)的波長包括光源46的光的波長在內(nèi)的光。
13. 該波長濾光器56和58包括
第一波長濾光器56，其選擇性地遮斷從長于光源46的光波長的波長即 波長50nm到由光電傳感器52檢測出的波長的最大值的波長區(qū)域內(nèi)的光，以 及
第二波長濾光器58，其選擇性地遮斷從短于光源46的光波長的波長即 30nm波長到由光電傳感器52檢測出的波長的最小值的波長區(qū)域內(nèi)的光。
14. 該濾光裝置54包括可選擇性地允許傳輸直線偏振光的偏光器60。
15. 該濾光裝置54通過將波長濾光器56和58以及偏光器60彼此層疊 結(jié)合而一體形成。
16. 該濾光裝置54通過第一表面54a粘附到棱鏡38上，光電傳感器52 粘附到該濾光裝置54的第二表面54b上。
17. 濾光裝置54包括減光濾光器62。
18. —種折射計IO，該折射計包括-
一個棱鏡38，其具有為試樣S提供界面的界面表面40; 一個光源46，其向所述界面表面40射出光； 一個光電傳感器52，用于接收所述界面表面40的反射光； 光能比較裝置72，用于當(dāng)所述光源46沒有發(fā)光時，將所述光電傳感器 52測定的光能與預(yù)先設(shè)定的容許值進行比較；顯示裝置16a，用于當(dāng)所述光源46沒有發(fā)光時所測定的光能值大于所述 容許值時顯示錯誤；
光源控制裝置80，用于當(dāng)所述光源46沒有發(fā)光時所測定的光能值小于 所述容許值時點亮所述光源46;
折射率計算裝置74，用于在光源46發(fā)光的情況下，從所述光電傳感器 52測定的光能分布中計算折射率。
19. 顯示裝置16a顯示由折射率計算裝置74檢測出的折射率。
20. —種使用折射計IO計算折射率的方法，該折射計10包括 一個棱 鏡38，其具有為試樣S提供界面的界面表面40; —個光源46，其向所述界 面表面40射出光； 一個光電傳感器52，用于接收所述界面表面40的反射光； 該方法包括以下步驟
步驟S203，用于當(dāng)所述光源46沒有發(fā)光時，利用所述光電傳感器52測
定光能分布；
步驟S07，用于當(dāng)所述光源46沒有發(fā)光時，將測定的光能與預(yù)先設(shè)定的 容許值進行比較；
步驟S09，用于當(dāng)所述光源46沒有發(fā)光時所測定的光能值大于容許值時 顯示錯誤；
步驟S211和S03，用于當(dāng)所述46沒有發(fā)光時所測定的光能值小于容許 值時，點亮所述光源46并且利用光電傳感器52測定光量分布；以及
步驟S213，用于當(dāng)所述光源46發(fā)光時，從測定的光能分布中計算折射率。
本發(fā)明的折射計具有以下效果-
(1) 聚光透鏡和物鏡的省略能降低生產(chǎn)成本。
(2) 在將棱鏡安裝在機架中之前，進行光源、光電傳感器和棱鏡的定位， 使得折射計易于制造并能降低生產(chǎn)成本。
(3) 減少光能損失。
(4) 能將折射計本身制得更小。
(5) 能容易地從試樣臺和界面表面上去除試樣。
(6) 縮短了擦干凈試樣所需要的時間從而提高了測定折射率的效率。(7) 能測定具有高腐蝕性或高粘附性物質(zhì)的試樣的折射率。
(8) 試樣臺和界面表面不易受到磨損從而延長了折射計的使用壽命。
(9) 能將試樣容易和確實地保持在界面表面上。
(10) 即使是在戶外明亮的場所中，由于降低了外光的影響，所以在戶 外也能進行高精度的折射率測定。
(11) 能容易和有效地進行折射率的測定。 本發(fā)明上述優(yōu)選實施例的說明僅是示例性的而不具有限定性。本領(lǐng)域的
普通技術(shù)人員在不偏離權(quán)利要求書的范圍和本發(fā)明精神情況下可以容易地進 行各種其它的改變。
例如，本發(fā)明的第一實施例結(jié)合一種桌上型折射計進行說明，然而，本 發(fā)明的這種應(yīng)用可用于各種不同的折射計中，例如便攜式和Abbe折射計等。
如圖8所示，將光源46粘附到射入表面42上，在光源和射入表面之間 夾設(shè)有狹長切口 (針孔)50。作為選擇，如圖9所示，光源46和棱鏡的射入 表面42以一個設(shè)置在中間的狹長切口 50而間隔配置。狹長切口 50的寬度(或 針孔的直徑)可以設(shè)置成，例如0.3到0.5mm。該狹長切口 50可使光源46 的光Ri以比較小的擴散角9入射到棱鏡38上。這樣，能將足夠光能的光照 射到界面表面40的希望區(qū)域上而不需要在光源46和棱鏡38之間的光路上設(shè) 置諸如聚光透鏡等光學(xué)元件。而且，在棱鏡38和光電傳感器52之間的光路 上也不需要設(shè)置諸如聚光透鏡等光學(xué)元件，這樣，在光電傳感器52的希望區(qū) 域上也能接收到足夠光能的反射光Rr。因此，由于在本發(fā)明折射計的結(jié)構(gòu)中 省略了物鏡和聚光透鏡，所以能降低制造成本。
如圖10所示，上述試樣臺14，濾光裝置54和控制裝置64也能用在具 有聚光透鏡49和物鏡51的折射計上。
作為上述計算臨界角點Pc方法的一種替代，也可以根據(jù)從光源46點亮 時所測定的光能分布曲線中減去光源46沒有發(fā)光時所測定的光能分布曲線 之后獲得的光能分布曲線計算出臨界角點Pc。這樣會較好地排除外光的影響， 從而即使是在非常強光的戶外場所也能比較精確地進行折射率的測定。
為了證實本發(fā)明實施例中折射計10的涂層34的效果，作為實驗品的折 射計IO和現(xiàn)有的折射計通過實驗進行比較。作為現(xiàn)有技術(shù)的一個例子，可以使用一個現(xiàn)有的折射計，其利用了
SUS316制造的試樣臺。與現(xiàn)有的折射計一樣，實驗品的復(fù)合涂層34形成于 到試樣臺的外表面上。尤其是，該實驗品中涂層34的組成為，Nh 82—84wt% (重量百分比)，P: 8—10wt%， PTFE: 20—26vol% (體積百分比)。包含在 涂層34中的PTFE微粒的直徑為0.2 0.3 u m。
在比較實驗中，將每種類型的試樣滴落在圍繞界面表面40的試樣導(dǎo)向面 24的圓錐形表面24b上，而且可以進行比較來說明每種滑落到界面表面40 上的各試樣的好壞和將滑落到界面表面40上的各試樣擦干凈的容易性。使用 的試樣包括水、濃度10%、 30%和50%的糖液，牛乳、番茄醬、濃縮牛乳、 蛋黃醬和黑蜜。使用Kimwipe毛巾來擦凈試樣物質(zhì)。
實驗結(jié)果如下-
試樣滑落情況
當(dāng)在現(xiàn)有的折射計中施加水作為試樣時，該試樣能非常好地滑落到界面 表面上，然而，當(dāng)使用10%的糖液時，會有水滴殘留在圓錐形表面上。30% 和50%的糖液以及牛乳試樣滑落下來就有一些困難，番茄醬、濃縮牛乳、蛋 黃醬和黑蜜試樣就很難滑落到界面表面上。 .
與此相比，使用本發(fā)明的折射計IO時，水試樣和10%、 30%和50%的 糖液都能很好地滑落下來。此外，牛乳試樣滑落下來有些困難，而番茄醬、 濃縮牛乳、蛋黃醬和黑蜜試樣就很難滑落到界面表面上。
擦凈試樣的容易性
使用現(xiàn)有的折射計時，水和10%糖液通過1或2次擦拭就能很容易地擦 凈，當(dāng)使用所有其它的試樣時，即使加水擦拭也會殘留一定量的試樣。
與此相比，使用本發(fā)明的折射計10時，水和10%糖液通過1或2次擦 拭就能很容易地擦凈，當(dāng)使用所有其它的試樣時，與利用現(xiàn)有折射計情況相 比，加水擦拭能更容易地擦凈這些試樣。
權(quán)利要求
1. 一種折射計，在該折射計中，光從光源射向為試樣提供界面的棱鏡的界面表面，通過使用光電傳感器檢測所述界面表面的反射光，以便以所述光電傳感器的輸出信號為基礎(chǔ)測定試樣的折射率，在該折射計包括濾光裝置，其配置在所述界面表面和所述光電傳感器之間，其中，所述濾光裝置包括波長濾光器，其能夠選擇性地允許傳輸具有在給定區(qū)域內(nèi)的波長包括所述光源的光的波長在內(nèi)的光。
2. 如權(quán)利要求1所述的折射計，其特征在于，所述波長濾光器包括 第一波長濾光器，其選擇性地遮斷從長于光源的光波長的波長即波長50nm到由光電傳感器檢測出的波長的最大值的波長區(qū)域內(nèi)的光，以及第二波長濾光器，其選擇性地遮斷從短于光源的光波長的波長即30nm 波長到由光電傳感器檢測出的波長的最小值的波長區(qū)域內(nèi)的光。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的折射計，其特征在于，所述濾光裝置包括可 選擇性地允許傳輸直線偏振光的偏光器。
4. 如權(quán)利要求3所述的折射計，其特征在于，所述濾光裝置通過將所述 波長濾光器以及所述偏光器彼此層疊結(jié)合而一體形成。
5. 如權(quán)利要求1至4的任何一個權(quán)利要求所述的折射計，其特征在于，所述濾光裝置通過第一表面粘附到棱鏡上，光電傳感器粘附到該濾光裝置的 第二表面上。
6. 如權(quán)利要求1至5的任何一個權(quán)利要求所述的折射計，其特征在于， 所述濾光裝置包括減光濾光器。
7. —種折射計，該折射計包括-一個棱鏡，其具有為試樣S提供界面的界面表面； 一個光源，其向所述界面表面射出光； 一個光電傳感器，用于接收所述界面表面的反射光； 光能比較裝置，用于當(dāng)所述光源沒有發(fā)光時，將所述光電傳感器測定的 光能與預(yù)先設(shè)定的容許值進行比較；顯示裝置，用于當(dāng)所述光源沒有發(fā)光時所測定的光能值大于所述容許值時顯示錯誤；光源控制裝置，用于當(dāng)所述光源沒有發(fā)光時所測定的光能值小于所述容 許值時點亮所述光源；折射率計算裝置，用于在光源發(fā)光的情況下，從所述光電傳感器測定的 光能分布中計算折射率。
8. 如權(quán)利要求7所述的折射計，其特征在于，所述顯示裝置顯示由折射 率計算裝置檢測出的折射率。
9. 一種使用折射計計算折射率的方法，該折射計包括 一個棱鏡，其具 有為試樣提供界面的界面表面； 一個光源，其向所述界面表面射出光； 一個 光電傳感器，用于接收所述界面表面的反射光；該方法包括以下步驟當(dāng)所述光源沒有發(fā)光時，利用所述光電傳感器測定光能分布； 當(dāng)所述光源沒有發(fā)光時，將測定的光能與預(yù)先設(shè)定的容許值進行比較； 當(dāng)所述光源沒有發(fā)光時所測定的光能值大于容許值時顯示錯誤； 當(dāng)所述沒有發(fā)光時所測定的光能值小于容許值時，點亮所述光源并且利 用光電傳感器測定光量分布；以及當(dāng)所述光源發(fā)光時，從測定的光能分布中計算折射率。
全文摘要
一種用于測定試樣折射率的折射計，其包括一個棱鏡，具有與所述試樣相接觸的界面；一個光源，用于從棱鏡的射入表面向界面射入光；以及一個光電傳感器，用于接收在所述界面反射并從棱鏡的射出表面向外射出的光。該光源和該光電傳感器固定在棱鏡上。該折射計包括一個配置在所述界面表面周圍的試樣臺，該試樣臺設(shè)有在其表面上形成的非粘著性涂層。該折射計包括配置在所述界面表面和所述光電傳感器之間的濾光裝置，該濾光裝置包括一個波長濾光器，其能選擇性地允許傳輸具有在給定區(qū)域內(nèi)的波長包括光源的光的波長在內(nèi)的光。
文檔編號G01N21/43GK101545859SQ20091012804
公開日2009年9月30日 申請日期2003年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月30日
發(fā)明者中島吉則, 關(guān)口君則, 大澤正樹, 雨宮秀行 申請人:株式會社愛宕