CN109100328A - 一种测量折射率的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于测量折射率的设备和方法，该设备包括：光束入射装置，用于发出垂直入射到岩石薄片表面的第一光束和第二光束，其中，第一光束和第二光束为相干光束，第二光束穿过岩石薄片中的目标矿物得到第三光束；光束处理装置，用于对第一光束和第三光束叠加并滤波后输出目标光束；样品台，设置于光束入射装置和光束处理装置之间，用于放置岩石薄片；数据处理装置，其与光束处理装置连接，用于检测目标光束并根据目标光束计算目标矿物的折射率。通过该设备和方法，能够快速且准确地测出岩石薄片薄片中目标矿物的折射率。

Description

一种测量折射率的设备及方法

技术领域

本发明涉及地学和石油地质研究领域，并且更具体地，涉及一种用于测量岩石薄片中目标矿物折射率的设备及方法。

背景技术

在矿物学中，矿物折射率是反映矿物成分、晶体结构的非常重要的常数之一，是矿物种属鉴别的可靠依据。自然界绝大多数目标矿物的折射率介于1.4～2.0之间。在地质研究中通常将岩石或矿物磨制成厚度约0.03mm的薄片，在偏光显微镜下观察矿物的光学性质和测定光学常数，为准确识别矿物并为岩石命名提供依据。

对于在岩石薄片中直接测定目标矿物折射率，目前一共有三种方法：

(1)有经验的鉴定人员主要通过一系列矿物界面之间的光学现象来判别矿物和树胶之间或邻近矿物之间的相对折射率高低，这些现象包括糙面、突起和贝克线等。

(2)Thomas E.Laskowski和David M.Scotford(1981)提出一种利用色散油浸法在岩石薄片中测定目标矿物折射率的方法，原理为当白色平行光束射到液体-颗粒边界时，会色散呈不同波长的光线，其中大部分光线会在液体边界上发生偏离并在射到物镜后焦平面时被阻，只有一束光方向不变并可以通过矿物到达物象面，因此颗粒将呈现有色边缘，而颜色即表示液体和颗粒折射率相等时的波长。

(3)今年有人还提出利用可见光光谱在岩石薄片中测定目标矿物折射率的方法。先通过可见光光谱与矿物吸收系数之间的关系建立一个公式，再利用矿物在590nm波长实测的吸收率和光波透过厚度为0.03mm的矿物时的实测数值计算出矿物的透射系数，最后在前人制作的一张透射系数-吸收系数-折射率关系图上找出相应的折射率数值。

总体来看，第一种方法虽然常用，但仅能够获得矿物的相对折射率，而不是绝对折射率的大小。后两种方法操作繁琐，效率低下，精度不高，一般水平的操作人员也无法完成，并不具有实际推广应用的价值。但由于折射率在矿物鉴定中可以算是最重要的光学参数，尤其现阶段随着油气勘探范围扩大，不再受限于传统的沉积岩，而变质岩、岩浆岩的鉴定中又面临越来越多疑难少见矿物的鉴定，因此，如何快速、准确、定量测量岩石薄片中目标矿物的折射率显得至关重要。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种测量折射率的设备及方法，能够快速且准确地测出岩石薄片薄片中目标矿物的折射率，且操作方便。

在一方面，本申请提供了一种用于测量折射率的设备，该设备包括：光束入射装置，用于发出垂直入射到岩石薄片表面的第一光束和第二光束，其中，第一光束和第二光束为相干光束，第二光束穿过岩石薄片中的目标矿物得到第三光束；光束处理装置，用于对第一光束和第三光束叠加并滤波后输出目标光束；样品台，设置于光束入射装置和光束处理装置之间，用于放置岩石薄片；数据处理装置，其与光束处理装置连接，用于检测目标光束并根据目标光束计算目标矿物的折射率。通过该方面，能够快速且准确地测出岩石薄片薄片中目标矿物的折射率。

在本方面的一种可能的实现方式中，光束入射装置包括：光源，用于发出入射光束；第一光纤耦合器，用于将入射光束分路为第一光束和第二光束。通过该实现方式，能够保证第一光束和第二光束之间为相干光束，二者的频率相同，相位差恒定。

在本方面的一种可能的实现方式中，光束处理装置包括：第二光纤耦合器，用于将第一光束和第三光束叠加以产生干涉并获得叠加光束；差分电路，其与数据处理装置连接，用于对叠加光束进行差分和滤波处理并输出目标光束。通过该实现方式，能够实现第一光束和第三光束之间的干涉，为计算目标矿物的折射率创造条件。

在本方面的一种可能的实现方式中，数据处理装置包括：检测器，其与差分电路相连，用于检测目标光束并生成目标光束信号；图像处理单元，与检测器相连，用于接收检测器发送的目标光束信号，并根据目标光束信号计算目标矿物的折射率。

在本方面的一种可能的实现方式中，光束入射装置还包括：偏振片，其设置于光源和第一光纤耦合器之间，用于将入射光束转变为偏振光束。通过该实现方式，能够使入射光束转变为振动面位于固定方向的偏振光束，更加有助于最终对干涉条纹的分析。

在本方面的一种可能的实现方式中，光源为激光器或氙灯。

另一方面，本申请还提供了一种利用上述方面及其可能的实现方式测量折射率的方法，该方法包括：步骤1、在岩石薄片中确定目标矿物和参考区，其中参考区不包括目标矿物；步骤2、光束入射装置向样品台上的岩石薄片的表面垂直发出第一光束和第二光束，第一光束穿过参考区，第二光束穿过目标矿物后得到第三光束；步骤3、光束处理装置对第一光束和第三光束进行叠加产生干涉并获得目标光束；步骤4、数据处理装置检测目标光束并根据目标光束计算目标矿物的折射率。通过该方面，能够快速且准确地测出岩石薄片薄片中目标矿物的折射率。

在本方面的一种可能的实现方式中，步骤3包括：步骤31、对第一光束和第三光束进行叠加，得到叠加光束；步骤32、对叠加光束进行差分和滤波处理，输出目标光束。

在本方面的一种可能的实现方式中，在步骤2之前，方法还包括：数据处理装置确定测试参数，其中，测试参数包括扫描时间、物镜光斑大小等。

在本方面的一种可能的实现方式中，根据目标光束计算目标矿物的折射率，包括：数字处理装置通过图像分析或傅里叶变换计算目标矿物的折射率。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明实施例的测量折射率的设备的示意性框图。

图2显示了根据本发明另一实施例的测量折射率的设备的示意性框图。

图3显示了根据本发明实施例的测量折射率的方法的示意性框图。

图4显示了根据本发明又一实施例的测量折射率的设备的示意图。

图5显示了根据本发明又一实施例的测量折射率的设备的物镜的内部结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

近年来，随着光纤传感、光谱分析、电荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)测量以及计算机技术迅速发展，许多新的折射率测量方法和测量仪器也随之产生。它们或对原有测量方法进行改进，或另辟蹊径，实现对样品折射率的准确、快速、自动化测量。其中迈克尔干涉法作为最经典的干涉法，已经广泛应用于生产和科研领域，其基本原理是利用分振幅法产生双光束以实现干涉，通过改变介质的折射率可调整光程差，从而产生不同的干涉图样。因具有测量精度高、范围广、简单易调节且对样品没有破坏性等特点，在测量材料的折射率、以及难以用传统方法测量的物质的折射率方面也得到了较好的应用。而图像测量技术作为一种以图像为信息载体并从中提取有用信号的测量方法，由于具有高分辨率、高速度、信息量丰富和自动化等诸多优点，目前也已逐渐广泛应用于各种工业测量，将其应用于迈克尔逊干涉法，可以极大改进一些传统技术手段，例如条纹计数和角度距离的控制测量技术等，为实现折射率的高精度自动化实时测量提供必要条件。

本发明提供了一种基于迈克尔逊干涉法的折射率测量设备，图1为本发明的测量折射率的设备10的示意性框图。在图1中，该设备10包括：光束入射装置11，用于发出垂直入射到岩石薄片表面的第一光束和第二光束，第一光束和第二光束为相干光束，岩石薄片包括目标矿物，其中，第二光束穿过目标矿物得到第三光束；光束处理装置12，用于对第一光束和第三光束叠加并滤波后输出目标光束；样品台13，设置于光束入射装置11和光束处理装置12之间，用于放置岩石薄片；数据处理装置14，其与光束处理装置12连接，用于检测目标光束并根据目标光束计算目标矿物的折射率。

具体地，光束入射装置11发出的第一光束和第二光束垂直入射到放置在样品台13上的岩石薄片表面，第二光束穿过岩石薄片中的目标矿物后输出第三光束，此时该第三光束表征了一定的目标矿物的信息。光束处理装置12将第一光束和第三光束进行叠加并滤波处理后，输出目标光束，该目标光束被数据处理装置14检测到后，数据处理装置14根据该目标光束计算出该目标矿物的折射率。

应理解，光束入射装置11用于发射两束相干光束，其可以通过多种方式实现，例如，可以通过两个相干光源发射两束平行的光束。优选地，光束入射装置11包括光源110和第一光纤耦合器120。

优选地，本发明中的光束处理装置12包括第二光纤耦合器140和差分电路150。

图2为根据本发明另一实施例的测量折射率的设备100的示意性框图。如图2所示，该设备100包括：光源110，用于发出入射光束；第一光纤耦合器120，用于将光源110发出的入射光束分路为第一光束和第二光束，其中，第一光束为参考光束，第二光束为测试光束；样品台13，用于放置岩石薄片样品，其中，第二光束穿过岩石薄片中的目标矿物后得到第三光束，应理解，本发明中的目标矿物为具有一定折射率的透明矿物；第二光纤耦合器140，用于将第一光束和第三光束叠加以产生干涉并获得叠加光束；差分电路150，用于对第二光纤耦合器140发出的叠加光束进行差分和滤波处理并输出目标光束；数据处理装置14，用于检测目标光束并根据目标光束计算目标矿物的折射率。通过该方面，能够快速且准确地测出岩石薄片中目标矿物的折射率。

在本发明中，在时域测量时，光源110可以是单色光源，例如波长为1300nm的激光器；在频域测量时，该光源110可以是复色光源，例如氙灯。

具体地，光源110发出入射光束，通过光纤传输到第一光纤耦合器120上，第一光纤耦合器120将该入射光束通过分振幅分路为第一光束和第二光束，应理解，经分路后的第一光束和第二光束为振幅、频率相同以及相位差恒定的两路光束。第一光束和第二光束经过光纤传输垂直照射到样品台13上，该样品台13上可以放置待测的岩石薄片的标本，该岩石薄片上分布有待测折射率的目标矿物。第一光束穿过不包括目标矿物的参考区，没有发生折射；而第二光束穿过目标矿物后发生了折射，折射光束为第三光束；第一光束和第三光束同样经过光纤传输后到达第二光纤耦合器140上，第二光纤耦合器140将二者叠加，输出叠加光束；该叠加光束经差分电路150差分和滤波处理(其目的是消除干扰信号对光信号的干扰)后，该差分电路150向数据处理装置14发送目标光束，数据处理装置14根据接收到的该目标光束计算该目标矿物的折射率。

通过本申请提供的测量折射率的设备，能够快速且准确地测量岩石薄片中目标矿物的折射率，且不直接接触样品，不具有破坏性。

优选地，该光束入射装置11还包括设置在光源110和第一光纤耦合器120之间的偏振片，用于将光源110发出的入射光束转变为振动面位于固定方向的偏振光束，更加有助于最终对干涉条纹的分析。

优选地，第一光纤耦合器120和第二光纤耦合器140为1×2(Y型分支)光纤耦合器。

应理解，本申请的设备100中，数据处理装置14包括：检测器141，其一头与差分电路150相连，另一头与图像处理单元142相连，用于检测目标光束并生成目标光束信号；图像处理单元142，与检测器141相连，用于接收检测器141发送的目标光束信号，并根据目标光束信号计算目标矿物的折射率。可选地，本申请中的图像处理单元142可以是以软件程序的形式存在，以计算机为载体。

图3为利用图1的设备测量岩石薄片中目标矿物折射率的方法200的框图。该方法200包括：

S210、在岩石薄片中确定目标矿物和参考区，其中参考区不包括目标矿物。

S220、光束入射装置11向样品台13上的岩石薄片的表面垂直发出第一光束和第二光束，第一光束穿过参考区，第二光束穿过目标矿物后得到第三光束。

S230、光束处理装置12对第一光束和第三光束进行叠加产生干涉并获得目标光束。

S240、数据处理装置14检测目标光束并根据目标光束计算目标矿物的折射率。

相应地，利用图2的设备测量岩石薄片中目标矿物折射率的方法如下所示：

步骤1，在岩石薄片中确定目标矿物和参考区，其中参考区不包括目标矿物；

步骤2，光源110发出入射光束；

步骤3，第一光纤耦合器120将入射光束分为第一光束和第二光束，其中，第一光束垂直穿过参考区，第二光束垂直穿过目标矿物发生折射后得到第三光束；

步骤4，第二光纤耦合器140将第一光束和第三光束叠加以产生干涉并获得叠加光束；

步骤5，差分电路150对叠加光束进行差分和滤波处理并输出目标光束；

步骤6，数据处理装置14检测目标光束并根据目标光束计算目标矿物的折射率。

应理解，在步骤2之前，该方法还包括：确定数据处理装置14的扫描参数并对所述目标矿物和所述参考区进行扫描，其中，所述扫描参数包括扫描时间、物镜光斑大小等。

数据处理装置14包括检测器141和图像处理单元142，检测器141用于接收差分电路150发送的目标光束，再将该信号发送给图像处理单元142，图像处理单元142根据图像处理法或傅里叶变换计算该目标矿物的折射率。例如，在图像处理法中，目标矿物的折射率为n，厚度为t，相当于在干涉臂中加入了矿物介质，便会产生附加光程差，如公式(1)所示：

δ＝2(n-1)t (1)

若相应移动了N个干涉条纹，则如公式(2)所示，应有：

δ＝2(n-1)t＝Nλ (2)

利用图像分析法自动识别迈克尔干涉法条纹的变化，例如通过相位提取获得干涉条纹的变化信息，便可知N，另外λ和t已知，相应地便可计算出目标矿物的折射率n。

优选地，在步骤S230之前，该方法200还包括：在光源110和第一光纤耦合器120之间设置偏振片170，以将入射光束转变为振动面位于固定方向的偏振光束。

图4示出了根据本发明另一实施例的测量折射率的设备300的示意图。如图4所示，该设备300包括设备100的部件以及偏光显微镜310。由于激光器具有良好的穿透性，本实施例使用激光器作为光源110进行说明。

激光器110通过光纤连接在偏光显微镜310的光路入口处，与反射光共用一条光路。测试观察两用的物镜320安装在物镜转盘上，第二光纤耦合器140和差分电路150依次安装在载物台(样品台)13的正下方，由于载物台13中心通常会有一个直径约为30mm的洞，在安装时确保第二光纤耦合器140和差分电路150能接收到穿透样品的光信号即可。检测器141的一头与差分电路150相连，检测已经经过差分与滤波处理的信号，另一头将检测到的信号传送给图像处理单元142，通过电脑进行图像处理(时域扫描)或傅里叶变换(频域扫描)。

图5为测试观察两用物镜320的内部结构示意图，物镜320含偏振片170，先将入射光变为线偏振光，再通过内置的第一光纤耦合器120进行分路，图中的箭头方向为光路的方向。

该设备300工作的基本流程为：所述激光器110发射波长为1300nm的激光，通过偏光显微镜310的反射光路到达测试观察两用物镜320，通过镜头的内置的偏振片170，发射相干光，再经过内置第一光纤耦合器120后，垂直照射在样品台13上的薄片样品上。第二光束通过目标矿物+数胶+载玻片，第一光束通过树胶+载玻片，两条光束分别通过样品台13下方的第二光纤耦合器140叠加，通过差分电路150进行差分与滤波处理，再经检测器141检测，通过图像处理单元142被***接受。根据图像处理单元142识别到的条纹变化信息，推算出不同光程差，电脑通过图像处理(时域扫描)或傅里叶变换(频域扫描)即可得到目标矿物的折射率。

相对应地，在本实施例中，利用设备300测量岩石薄片中的目标矿物的折射率的方法为：

⑴将岩石薄片标本放置于偏光显微镜310的样品台13上；

⑵将设备200作为光学附件安装在偏光显微镜310上，测试观察两用物镜320安装在显微镜的物镜转盘上，第二光纤耦合器140安装在样品台13圆孔正下方，并与差分电路150、检测器141和图像处理单元142依次相连；

⑶开启偏光显微镜310透射光路开始观察，在岩石薄片标本上分别选定目标矿物和参考区，其中参考区没有矿物，仅有树胶和载玻片；

⑷开启图像处理单元142，根据目标矿物的透光性、颗粒大小等设定扫描时间、物镜光斑大小等相关参数；

⑸聚焦参考区，关闭透射光路，开启激光器110，入射光束通过反射光路垂直入射到岩石薄片表面目标位上，出现红色亮点，在当前位置扫描背景；

⑹聚焦目标矿物，在当前位置扫描样品；

⑺两条光束通过样品台13下方的第二光纤耦合器140分别相干叠加，通过差分电路150进行差分与滤波处理，再经检测器141检测，通过图像处理单元142被***接受。根据数据采集得到的不同光程差，电脑通过图像处理(时域扫描)或傅里叶变换(频域扫描)即可得到矿物折射率。

在一实施例中，岩石薄片样品编号1510287，取自安顺斗糯桂中-南盘江凹陷露头，在偏光显微镜下观察，基质以隐晶质粘土矿物混合黑色碳质为主，其中分布少量斑状晶体，呈六连晶，无色，低突起，干涉色一级灰白，平行消光，负延性、解理不确定，属于少见未知矿物。根据已知的光学性质，通过常丽华、陈曼云等(2006)编著的《光性矿物鉴定***》，可检索出钙霞石、鱼眼石、玉髓、方英石、片沸石、中沸石、石膏、堇青石、正长石等十几种符合特征的矿物。利用本发明设备及方法对这种矿物进行折射率的测试，测得折射率为RI＝1.542-1.551，可推断该矿物为堇青石。

因此，根据本发明提供的测量折射率的设备及方法，能够快速且准确地测量岩石薄片中的目标矿物的折射率，结构和操作简单，且测量过程中不接触样品，不具有破坏性。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种测量折射率的设备，其特征在于，包括：

光束入射装置，用于发出垂直入射到岩石薄片表面的第一光束和第二光束，其中，所述第一光束和所述第二光束为相干光束，所述第二光束穿过所述岩石薄片中的目标矿物以得到第三光束；

光束处理装置，用于对所述第一光束和所述第三光束叠加并滤波后输出目标光束；

样品台，设置于所述光束入射装置和所述光束处理装置之间，用于放置所述岩石薄片；

数据处理装置，其与所述光束处理装置连接，用于检测所述目标光束并根据所述目标光束计算所述目标矿物的折射率。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光束入射装置包括：

光源，用于发出入射光束；

第一光纤耦合器，用于将所述入射光束分路为所述第一光束和所述第二光束。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述光束处理装置包括：

第二光纤耦合器，用于将所述第一光束和所述第三光束叠加以产生干涉并获得叠加光束；

差分电路，其与所述数据处理装置连接，用于对所述叠加光束进行差分和滤波处理并输出所述目标光束。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述数据处理装置包括：

检测器，其与所述差分电路相连，用于检测所述目标光束并生成目标光束信号；

图像处理单元，与所述检测器相连，用于接收所述检测器发送的所述目标光束信号，并根据所述目标光束信号计算所述目标矿物的折射率。

5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述光束入射装置还包括：

偏振片，其设置于所述光源和所述第一光纤耦合器之间，用于将所述入射光束转变为偏振光束。

6.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述光源为激光器或氙灯。

7.一种利用如权利要求1至6中任一项所述的设备测量折射率的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、在所述岩石薄片中确定所述目标矿物和参考区，其中所述参考区不包括所述目标矿物；

步骤2、所述光束入射装置向所述岩石薄片的表面垂直发出所述第一光束和所述第二光束，所述第一光束和所述第二光束为相干光束，所述第一光束穿过所述参考区，所述第二光束穿过所述目标矿物后得到所述第三光束；

步骤3、所述光束处理装置对所述第一光束和所述第三光束进行叠加并滤波以获得目标光束；

步骤4、所述数据处理装置检测所述目标光束并根据所述目标光束计算所述目标矿物的折射率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤31、对所述第一光束和所述第三光束进行叠加，得到叠加光束；

步骤32、对所述叠加光束进行差分和滤波处理，输出所述目标光束。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在步骤2之前，所述方法还包括：

所述数据处理装置确定测试参数，其中，所述测试参数包括扫描时间、物镜光斑大小等。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标光束计算所述目标矿物的折射率，包括：

所述数字处理装置通过图像分析或傅里叶变换计算所述目标矿物的折射率。