Desarrollo de un refractómetro basado en el análisis de imágenes

Abstract

El índice de refracción es una propiedad física que caracteriza la propagación de la luz en un medio. Su íntima relación con las propiedades ópticas de la materia permite conocer el comportamiento y propagación de las ondas electromagnéticas para distintas frecuencias. La medida precisa del índice sigue vigente en la actualidad, con aplicaciones no solo en el ámbito clásico de la instrumentación óptica, sino en campos de investigación punteros, tales como medicina, biología o física del estado sólido, y en multitud de áreas científico-tecnológicas, como por ejemplo las industrias química, alimenticia o farmacéutica. En este trabajo se lleva a cabo en primer lugar una revisión de los métodos clásicos de medida del índice de refracción. Se han realizado posteriormente una serie de medidas experimentales sobre distintos dispositivos de medida del índice de refracción adaptados para la medida del índice de líquidos. Se trata de un conjunto de técnicas muy representativas y que están disponibles en los laboratorios de óptica de la UC. Además de comentar métodos más sofisticados (como la resonancia plasmónica utilizada en la nanoescala) se dedica una atención especial a los procedimientos de medida del índice basados en el análisis de imágenes. Finalmente, se propone un método innovador de medida del índice de refracción de líquidos (válido también para materiales transparentes tallados en forma de lente semiesférica). El dispositivo se ha denominado ‘refractómetro de aumento’, por ser el aumento la magnitud directamente relacionada con el índice, y medible con precisión. Se describe su fundamento y se presenta un montaje experimental con el que dicho refractómetro puede mostrar su funcionamiento. Su comportamiento se ha estudiado a través de simulaciones, utilizando el software MATLAB, tanto en la situación ideal como en una más realista, en la cual se incorporan los efectos de la difracción, el desenfoque y algunas aberraciones.

Refractive index is a physical property that characterizes the propagation of light in a medium. Its intimate relationship with the optical properties of matter allows us to know the behaviour and propagation of electromagnetic waves at different frequencies. Precise measurements of refractive index are still in force today. Applications not only include the classical field of optical instrumentation, but also leading research fields, such as medicine, biology or solid state physics, and several scientific-technological areas, for example, chemical, food and pharmaceutical industries. This dissertation first carries out a review of classic refractive index measurement methods. Subsequently, experimental measurements on different refractive index measurement devices adapted to liquids have been accomplished. These are a set of highly representative techniques that are available in UC’s optical laboratories. In addition to commenting on more sophisticated methods (such as nanoscale plasmon resonance techniques), special attention is paid to refractive index measurement procedures based on image analysis. Finally, a novel method to measure refractive index of liquids (also valid for transparent materials carved in half ball lens shape) is proposed. The device is called ‘magnification refractometer’, as magnification is the magnitude directly related to the index of refraction, and it is precisely measurable. The magnification refractometer’s basis is described and an example of the experimental setup with which this refractometer can show its operation is presented. Furthermore, an analysis of its behaviour is carried out through simulations with MATLAB software, both in the ideal situation and in a more realistic one, in which diffraction effects, softness of focus and some aberrations are taken into account.