Способ измерения поля градиента показателя преломления

 

Изобретение относится к оптическим методам исследования физических свойств объектов, влияющих на параметры зондирующей световой волны, и может быть использовано в химической электронной, оптико-механической, пищевой промышленности и т.д. Цель изобретения - повышение точности и расширение динамического диапазона. Способ заключается в просвечивании исследуемого объекта световой волной и регистрации фазовых искажений этой волны после прохождения через объект . Положительный эффект достигается просвечиванием объекта узким (по сравнению с его пространственным масштабом ) пучком света и регистрацией информации о положении прошедшего через объект светового пучка. Измерения проводятся в два этапа: сначала при отсутствии в рабочем участке объекта а затем - при его наличии, с разностной обработкой получаемой информации. 2 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (192 (112

А1 (gg)g G 01 N 21/41

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ П(НТ СССР (21) 4496280/25 (22) 21. 10.88 (46) 23.03.91.Бюл. ¹ 11 (71) Институт проблем механики

АН СССР (72) E.Â.Ãóìåííèê (53) 535.24 (088.8) (56) Физические измерения в газовой динамике и при горении./Под ред.

P.Ó.Ëàäåíáóðãà. — М.: Изд-во иностранной литературы, 1957, с.49-67.

Васильев Л.А.Теневые методы. — М.:

Наука, 1968, с. 14-20. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯ ГРАДИЕНТА

ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к оптическим методам исследования. физических свойств объектов, влияющих на параметры зондирующей световой волны, и

Изобретение относится к оптическим методам исследования объектов, содержащих прозрачные неоднородности показателя преломления (фазовых объектов), и может быть использовано для технологического контроля процес" сов в различных отраслях народного хозяйства, например в химической, электронной, оптикомеханической, пищевой промьппленности, а также в гидроаэродинамике, физике плазмы, теплофизике.

Цель изобретения — повышение точности и расширение динамического диа— пазона.

На фиг.1 и 2 представлена блоксхема устройств, реализующих способ.

2 может быть использовано в химической электронной, оптико-механической, пищевой промышленности и т.д. Цель изобретения — повышение точности и расширение динамического диапазона.

Способ заключается в просвечивании исследуемого объекта световой волной и регистрации фазовых искажений этой волны после прохождения через объект. Положительный эффект достигается просвечиванпем объекта узким (по сравнению с его пространственным масштабом) пучком света и регистрацией информации о положении прошедшего через объект светового пучка. Измерения проводятся в два этапа: сначала прп отсутствии в рабочем участке объекта . 7 а затем — при его наличии, с разност- f ной обработкой получаемой информации.

2 ил. С

Устройство (фиг. 12 содержит лазер 1, оптическую систему 2, зеркальный восьмигранный барабан 3, связанный механической связью с шаговым двигателем 4, исследуемый объект 5, оптическую систему 6, сопряженную с фотодиодной матрицей 7, которая связана с ЗВМ 8, блок 9 KANAKA, связанный с ЭВМ 8 и с шаговым двигателем 4.

Устройство (фиг,2) содержит тепловой источник 10 света, коллнмирую-,) щую систему 11, диафрагму 12, магнитоэлектрический сканер 13, оптическую систему„. образованную двумя объективами 14 и 15. между которыми находится исследуемый объект 16, квадратный координатно-чувствительный фото1636736

45 приемник (КЧФ) 17, связанный с многоканальным самописцем 18, и генератор.

19, связанный с самописцем 18 и со сканером 13.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

Свет, генерируемый лазером преобразуется оптической системой 2 с целью получения требующегося прост- 1р

paIfcTBpHHoãî разрешения и попадает на зеркальный восьмигранный барабан

3 который приводится во вращение с помощью шагового двигателя 4. Управление шаговым двигателем осуществля- 15 ется ЭВМ 8 через блок 9 KANAKA. Лазерный пучок,.пространственное положение которого в данный момент времени определяется уровнем управляющих напряжений на двигателе 4, вырабаты- 2р ваемых блоком 9 КАЧАК по команде с

ЭВМ 8, проходит через исследуемый объект 5. На выходе из объекта 5 лазерный пучок отклоняется на угол, величина которого определяется интеграль- 25

; ным по длине пучка значением градиен та показателя преломления. Отклоненный лазерный пучок проходит через оптическую систему б, которая в заданном масштабе строит изображение объ- 3р екта 5 на светочувствительной поверхности фотодиодной матрицы 7. На выходе этой матрицы формируется электрический сигнал, содержащий информацию о положении на ее поверхности лазерного пучка в соответствующий момент времени. Синхронизация сканирования и приема осуществляется за счет того, что сканированием и приемом информации управляет ЭВМ В памяти ма 4р шины хранится информация о совокупности координат лазерного пучка на поверхности фотодиодной матрицы 7 при сканировании рабочего участка в случае отсутствия в нем исследуемого,объекта. При этом запоминаются искажающие полезную информацию паразитные отклонения, вызванные, например, аберрациями оптической системы 6 и низким качеством стекла, из которого выполнены защитные окна рабочей части. На втором этапе измерений, когда зондирование рабочего участка осуществляется при наличии в нем исследуемого объекта 5, также происходит прием в ЭИ 8 совокупности координат на поверхности фотодиодной матрицы 7 лазерных пучков, отклоненных о&ьектом 5, и разностпая обработка этих координат с учетом полученной на первом этапе измерений соответствующей совокупности координат. По полученной разностной совокупности координат с помощью ЭИ вычисляется распределение градиента показателя преломления в объекте.

Устройство (фиг.2) "работает следующим образом.

С помощью коллимирующей системы

11 и диафрагмы 12 формируется узкий пучок света, источником которого явля ется тепловой источник 10. Узкий пучок света попадает на магнитоэлектрический сканер 13, представляющий собой зеркало, управляемое по углу наклона с помощью электрического сиг" нала, вырабатываемого генератором 19.

Отклоненный сканером узкий пучок света преобразуется объективом 14, про-.. свечивает исследуемый объект 16, испытывая отклонение на неоднородностях показателя преломления, преобразуется объективом 15 и попадает на поверхность квадрантного координатно-чувствительного фотоприемника 17. При этом зеркало сканера 13 и фоточувствительная поверхность фотоприемника

17 являются сопряженными с помощью оптической системы, образованной объективами 14 и 15. Электрический сигнал с КЧФ 17 пропорционален положению светового пучка на его поверхности и регистрируется с помощью самописца 18. На другой канал самописца 18 подается сигнал с генератора 19, управляющего сканером 13 и дающего информацию о координате сканируемого луча. На первом этапе записывается сигнал КЧФ 17> полученный при отсутствии в рабочем участке объекта. а на втором этапе - при наличии объекта 16.

Разностная обработка сигнала осуществляется путем вычитания соответствующих показаний, полученных во втором и в первом случае.

Сущность изобретения состоит в том, что зондирование исследуемого объекта осуществляется узким по сравнению с его пространственным масштабом пучком света, который сканируется, освещая все излучаемое пространство объекта. Синхронно со сканированием осуществляется регистрация угла рефракции -зондирующего пу . ка, а также разностная обработка информации, получаемой при освещении рабочего участка при наличии и при

6736 е

15 ТАИР-3 ° Таким образом, при освещении оптически однородного участка пучок света остается неподвижным на

5 поверхности фотоприемника 17 при сканировании зондирующего пучка света.

При отклонении зондирующего пучка в объекте на угол

1 3n

Ь

10 8 = — — (— — ау

sz где n — показатель преломления срео ды, окружакицей изучаемый объект;

n .— показатель преломления !

5 объекта;

L — протяженность объекта вдоль направления зондирования у;

Z — направление сканирования, происходит смещение светового пучка на поверхности фотоприемника вдоль оси Е на величину

L п о

35 =300210

-Ф

2 б 10 мм =60мкм

5 163 отсутствии в нем исследуемого объекта. Повышение точности, и расширение динамического диапазона измерения распределения градиента показателя преломления обеспечивается тем, что информация не искажается, так как нет наложения лучей света, прошедших .через отдельные участки объекта.

Кроме того, так как фиксируется информация только о положении (координате) прошедшего через объект све тового пучка повышение точности обеспечивается также за счет исключения влияния на полезную информацию паразитных флуктуаций интенсивности прошедшего через объект пучка света (вследствие флуктуаций интенсивности зондирующего пучка или по другим причинам).

Кроме того, применение разностного способа обработки информации позво ляет также повысить точность и расширить динамический диапазон измерений за счет исключения из результатов измерений стационарных паразитных эффектов,вызывающих изменение освещенности в теневой картине известного способа, например таких как низкое качество оптических элементов измерительной системы. При этом повышение точности и расширение, динамического диапазона достигаются в сочетании со сканированием и фиксацией отклонения луча от невозмущенного направления вследствие проявления этими признаками указанных свойств.

П р.и и е р. Способ был реализован с помощью устройства (фиг.2). Свет от ртутной лампы типа ДРШ-250 коллимируется с помощью линзы. Круглая диафрагма 12 диаметром 0,5 мм вырезает узкий пучок света, попадающий на сканер 13, который представляет собой зеркало, закрепленное на токопроводящей рамке, помещенной в поле постоянного магнита. Сканер 13 осуществляет строчную развертку зондирующего луча и выполнен на базе магнитоэлектрического гальванометра и постоянного магнита. Зеркало сканера находится в передней фокальной плоскости осветительного объектива 14 ТАИР-3. Таким образом, объект 16 просвечивается параллельно перемещающимся при ска-нировании пучком света. Квадрантный фотоприемник 17 находится в задней фокальной плоскости приемного объектива

25 где f — фокусное расстояние объектива ТАИР-3 (f = 300 мм) .

Так, если оп/ЭЕ = 10 1/см, а L = 20 см и объект находится в

39 воздухе, то

Эп -4 д2 — 2 10 рад. 0|.hи может быть надежно зарегистрировано квадрантным фотодиодом. Так, если фотодиод имеет крутизну координатной

40 характеристики 10 В/мм, то на выходе КЧФ имеем сигнал с амплитудой, равной 0,6 В. Этот сигнал регистрируется самописцем. Сигнал КЧФ не зависит при этом от интенсивности свето45 вого пучка на поверхности КЧФ в широком диапазоне изменения интенсивностей, а градуировка сводится к получению координатной характеристики КЧФ, которая может бить снята один раз и

5р является паспортной характеристикой устройства

Управление сканером осуществляется симметричным треугольныч импульсом, вырабатываемым генератором Г6-27.

55 Синхронизация сканирования и приема информации осуществляется путем записи на второй канал самописца управляющего сканером напряжения от генератора Гб-27. Вычитание регистро1636736 грамм сигналов сканирования осуществляется путем наложения и соответствующего .поэлементного вычитания регистрограмм, полученных на самописце при наличии и при отсутствии объекта в рабочем участке устройства. I

Формула изобретения

ФИГ. I

ФИГ. 2

Составитель В.Варнавский

Редактор Л.Зайцева Техред М.Дидык КоРРектоР М. Самборская

Заказ 811 Тираж 406 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Способ измерения поля градиента показателя преломления, включающий осве" щенке объекта, расположенного в рабочей зоне измерительной системы, ре гистрацию прошедшей световой волны и обработку полученных данных, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и расширения динамического диапазона измерений, предварительно освещают сканируемым лучом рабочую зону измерительной системы без исследуемого объекта, фиксируя отклонения луча от невоэмущенного направления распространения в каждой точке рабочей эоны, и запоминают эти результаты, этим же скани" руемым лучом освещают объект после

его помещения в рабочую зону с фиксацией отклонения луча в каждой точке объекта, а о величине градиента показателя преломления судят по разности зафиксированных отклонений в каждой точке рабочей зоны.