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1、第23卷第6期 大 学 物 理 Vol.23No.62004年6月COLLEGEPHYSICSJune.2004利用线阵CCD测量透明介质折射率花世群(江苏大学理学院,江苏镇江 212013) 摘要:根据光线穿过厚度均匀的透明介质平板时所产生的横向偏移量,提出了一种利用线阵CCD和计算机测量透明介质折射率的新方法.该方法充分利用了线阵CCD分辨率高的特点,并且具有一定的实用价值和应用前景.关键词:CCD;透明介质;折射率中图分类号:O435.1文献标识码:A文章编号:100020712(2004)0
2、6200512031 引言介质的折射率是一个很重要的光学参数,测量折射率的方法也有很多.归纳起来,除了干涉法之外,绝大多数方法都是利用菲涅耳反射、折射公式或其简单形式———反射、折射定律来进行的.而这些方法的一个共同特点就是不易实现测量过程的自动化.近年来,随着大规模集成电路的发展,CCD器件图1的品质越来越高,而价格却越来越低,使得其应用的范围也越来越广.本文提出了一种利用线阵CCD图dcosθ2in=sinθi1+(3)像传感器作为光电探测器,并利用计算机技术自动dsinθi-Δx处理数据,来测量
3、透明介质折射率的新方法.该方法由式(3)可知,入射角为θi的一条光线,穿过厚度d不仅具有自动化程度高,结果准确等优点,而且具有已知的均匀透明介质平板时,通过测量出射光线与一定的实用价值.入射光线之间的横向偏移量Δx,即可计算出该介质的折射率n.而横向偏移量Δx通过图2中的线2 测量原理和系统组成阵CCD进行测量时,可表示为211 测量原理Δx=L+(l1+l2)P2(4)如图1所示,假设有一条光线穿过厚度为d、折式(4)中l1和l2分别为没有玻璃平板和有玻璃平板射率为n、上下表面相互平行的均匀透明介质
4、平板,时CCD上的光斑宽度,L为光斑间距.并设光线在上表面处的入射角和折射角分别为θi212 系统构成及系统测量原理和θr,根据几何光学可知,出射光线和入射光线相测量系统的基本构成如图2所示.用波长为589.3nm的单色平行光(钠光)垂直入射狭缝,并使互平行,出射光线与入射光线之间由于介质平板的[1]折射所产生的横向偏移量为dΔx=·sin(θi-θr)(1)cosθr利用折射公式和三角函数展开公式,式(1)可进一步表示为cosθiΔx=dsinθi1-22(2)n-sinθi图2由式(2)可把介质平
5、板的折射率n表示成 收稿日期:2003-01-08;修回日期:2003-10-23作者简介:花世群(1965—),男,江苏海安人,江苏大学理学院副教授,主要从事大学物理的理论与实验教学及光学测试研究.©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net52大 学 物 理 第23卷从狭缝中射出的光线以入射角θi在玻璃平板表面入射.从玻璃平板下表面射出的光线采用线阵CCD
6、[2]作为接受器件,利用CCD直接完成信号的采集和转换.所采用的线阵CCD包含2048个单元,若CCD的驱动时钟频率为ν,输出钟频为2ν,CCD包含的单元尺寸为s,则从CCD出来的信号为y1,放大滤波后为y2,再经过比较器进行二值化处理后,得到矩形波信号y3,其电平与TTL电平兼容.如果计数器的计数时钟频率为f,分别以信号y3的高电平部分和低电平部分控制计数器1和2进行计数,[4]计数的值分别为i和j,则有:1i2νis图4 软件流程框图l=·s=f1P2νf1j2νjsL=·s=3 测量数据及结果f
7、1P2νf再由式(4)即可计算出Δx.测量中采用的是钠光源,波长λ=589.3nm,玻以上Δx的测量方法主要靠CCD的驱动电路璃平板的厚度d=8118mm,分别对不同的入射角来实现.其驱动电路主要是一些频率发生电路,由晶θi进行5次重复测量,测量数据及数据处理结果如体振荡器和分频器组成,用来产生CCD所需的驱动表1.时钟脉冲和+12V电平,同时还产生可编程定时器表18253芯片所需的时钟.利用8253芯片和分频功能12345平均值来产生SHIFT信号,用图3中的y3控制8253芯片[3]θiP(°)4
8、045505560的计数器1和计数器2工作在零方式.在该方式下,计数器对CLK输入信号进行减法计数,每个时l1Pmm0122401224012240122401224钟周期计数器减1.设定该方式后,计数器的输出l2Pmm0122801231012330123701240OUT变低,设置装入计数值时也使输出OUT变LPmm2130321722312043171141245低.当计数减到零时,输出OUT变高,该输出信号ΔxPmm215292195031433
