[发明专利]测量液体折射率和液相扩散系数的消球差可变焦双液芯柱透镜

说明书

技术领域

本发明属于消球差的光学柱透镜，特别是液芯的消球差可变焦光学柱透镜。

背景技术

液体折射率和液相扩散系数是生物、化工、医学及环保等行业研究传质过程、计算传质速率及化工设计与开发的重要基础数据。但要准确地测量这两种数据需要透镜系统获得焦点清晰的图像，较好消球差的成像系统可使液体折射率的图像细锐，焦点位置清晰，测量更加准确。提出本发明之前，我们以提出了用等折射率薄层法测量折射率及液相扩散系数(孙丽存，普小云，孟伟东等，中国发明专利201310412166.X[P])，并提出快速测量扩散系数的瞬态折射率空间分布法(孟伟东，普小云，孙丽存等，中国发明专利201410440938.5[P])。前者选取不同的折射率薄层测量同一扩散体系或不同扩散体系的扩散系数，后者只需用一幅图像即可快速测量液相扩散系数。对于这些方法，球差(即纵向球差)仍然是影响液相扩散系数准确测量的主要原因，矫正球差则必需有一个折射率灵敏度高且能够消除所选折射率薄层焦点处和瞬态折射率空间分布所存在球差的透镜或系统。目前校正球差方法一般是通过增大透镜材料折射率、配曲、正负透镜组合或采用非球面透镜等方法，这些方法一般只能在某些固定的折射率点上有消球差效果，对应地测量折射率和扩散系数，而不能准确地测量整个扩散体系连续分布的两种数据。因此，所需解决的问题是，一个快速、准确测量液体折射率和液相扩散系数的液芯柱透镜成像系统，它不但能够提高所选折射率薄层焦点位置的折射率灵敏度，而且能够消除或减小被测液体在较宽的折射率变化范围内的球差。

发明内容

本发明旨在基于上述液芯柱透镜方法，提供一种测量液体折射率和液相扩散系数的消球差可变焦双液芯柱透镜，通过调节双液芯柱透镜后液芯内液体的折射率，提高折射率灵敏度，消除或减小球差，且能够消除或减小被测液体在较宽的折射率变化范围内球差，获得清晰的图像。

本发明通过以下方式实现：

该消球差可变焦双液芯柱透镜由前液芯柱透镜和后液芯柱透镜组成，其中：

前液芯柱透镜为液相扩散池和成像元件，后液芯柱透镜为消球差元件，后液芯柱透镜内装有折射率为n′液体，该n′液体能够减小前液芯柱透镜的球差且保证前液芯内液体折射率n有较宽的变化范围。

进一步，所述的消球差可变焦双液芯柱透镜由前液芯柱透镜和后液芯柱透镜的3片透镜胶合连接所构成，其中，前液芯柱透镜由对称的第1、2片球面柱透镜所组成，该球面柱透镜内注入折射率为n的液体作为成像原件，也可以装入两种液体作为液相扩散池；后液芯柱透镜由第3片透镜平凸柱透镜与第2、3两片透镜的中空间距d₅、且间距d₅内装有折射率n′液体所组成，为消球差元件；

设3片透镜的6个面成像的像距分别为S’₁、S’₂、S’₃、S’₄、S’₅、S’₆，则所述双液芯柱透镜的各透镜厚度及间距之间的高斯成像法焦距为：

f_高斯(n)＝s'₆(n,n′)+d₃+d₄+d₅+d₆，

式中f_高斯(n)与s'₆(n,n′)之间的关系用以下递推关系表示：

进一步，所述的消球差可变焦双液芯柱透镜的3片透镜的曲率半径分别为： R₁＝R₄＝45.0mm、R₂＝R₃＝27.9mm、R₅＝21.5mm，透镜厚度及间距分别为 d₁＝d₄＝4.0mm、d₂＝d₃＝3.0mm、d₅＝1.0mm、d₆＝12.0mm，d₇＝8.3mm、d₈＝3.7mm，光线宽度2h＝20.0mm，透镜半宽高h₁＝12.6mm、h₂＝17.0mm，透镜的长度L＝50.0mm，材料为折射率n₀＝1.5163的K9玻璃。