Способ измерения скорости движения рассеивающих микрообъектов

 

Изобретение относится к спекл-оптике, в частности к измерительной технике, и может найти применение для измерения скорости поперечного перемещения рассеивающих объектов, в том числе и микроскопических, в частности капиллярных потоков жидкости, содержащей рассеивающие частицы, а также для определения продольных координат движущихся рассеивающих объектов в биологии, медицине, машиностроении и других областях науки и техники. Сущность: облучение микрообъекта когерентным излучением осуществляют перпендикулярно направлению скорости движения попеременно двумя соосными пучками, плоскости перетяжек которых расположены на заданном расстоянии одна от другой, фотоприемники располагают в поле рассеянного излучения в дальней зоне дифракции в плоскости, перпендикулярной оси пучков, определяют относительные временные задержки сигналов фотоприемников для случаев освещения объекта каждым из пучков в отдельности, по разности величин относительных задержек определяют скорость движения рассеивающего объекта и его продольную координату. Техническим результатом является повышение точности измерения скорости движения рассеивающего объекта в абсолютных величинах с учетом направления движения, в том числе и микрообъекта, что достигается за счет исключения систематической ошибки в измерениях скорости, связанной с невозможностью точной продольной локализации объекта относительно измерительного устройства. 3 ил.

Изобретение относится к спекл-оптике, в частности к измерительной технике, и может найти применение для измерения скорости поперечного перемещения рассеивающих объектов, в том числе и микроскопических, в частности капиллярных потоков жидкости, содержащей рассеивающие частицы, а также для определения продольных координат движущихся рассеивающих объектов в биологии, медицине, машиностроении и других областях науки и техники.

Известен способ определения скорости движения диффузно рассеивающих объектов, включающий освещение объекта когерентным излучением, измерение скорости движения полученного спекл-поля в плоскости объекта путем оптического сканирования его изображения и регистрацию интенсивности в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью объекта [Авторское свидетельство СССР 1474551, МПК G 01 Р 3/36].

Основным недостатком этого метода является его сложность, т.к. для его реализации необходимо применение оптико-механических сканаторов, кроме того, снижающих точность измерения. Кроме того, способ требует формирования в плоскости микрообъекта развитого спекл-поля, что физически не осуществимо при исследовании движения микрообъектов с высоким пространственным разрешением, т. е. в ситуации, когда в пределах освещенного объема находится небольшое число рассеивающих центров. Кроме того, для определения фактической скорости объекта этим способом необходимо точное оптическое согласование плоскости объекта и плоскости регистрации рассеянного излучения с помощью объектива с заданным линейным увеличением, что приводит к значительным систематическим погрешностям при использовании объективов с большим увеличением при измерении скорости движения микрообъектов, вызываемой продольными смещениями объекта, превышающими глубину резкости объектива.

Наиболее близким к заявляемому является способ корреляционного измерения скорости, заключающийся в облучении диффузно рассеивающего объекта пучком оптического излучения, регистрации флуктуации интенсивности рассеянного света в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью объекта посредством объектива с заданным увеличением с помощью двух фотоприемников. По относительной задержке сигналов фотоприемников вычисляют скорость движения объекта (А.С. СССР 1675782, МПК G 01 P 3/08).

Однако данному способу присущи недостатки, связанные с оптическим сопряжением плоскости объекта и плоскости регистрации, снижающих точность измерений и ограничивающих применимость данного способа к микрообъектам.

Задачей изобретения является повышение точности измерения скорости движения рассеивающего объекта в абсолютных величинах с учетом направления движения, в том числе и микрообъекта. Это достигается за счет исключения систематической ошибки в измерениях скорости, связанной с невозможностью точной продольной локализации объекта относительно измерительного устройства.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения скорости движения рассеивающих объектов, включающем облучение объекта когерентным излучением с заданной степенью расходимости, преобразование флуктуации интенсивности спекл-поля в двух пространственно разделенных точках в электрические сигналы с помощью двух фотоприемников с последующим определением скорости по величине относительной задержки электрических сигналов, согласно изобретению, облучение осуществляют перпендикулярно направлению скорости движения попеременно двумя соосными пучками, плоскости перетяжек которых расположены на заданном расстоянии одна от другой, фотоприемники располагают в поле рассеянного излучения в дальней зоне дифракции в плоскости, перпендикулярной оси пучков, а относительные временные задержки сигналов фотоприемников определяют для случаев освещения объекта каждым из пучков в отдельности, по разности величин относительных задержек определяют скорость движения рассеивающего объекта и его продольную координату.

Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема измерения скорости рассеивающего объекта, на фиг.2 - график зависимости относительной временной задержки от координаты плоскости перетяжки пучка, на фиг.3 - график зависимости обратной временной задержки от скорости движения объекта, где 1, 2 - лазерные пучки, 3 - рассеивающий объект, 4 - поле рассеянного излучения, 5 - диафрагма, 6 - фотоприемник, 7 - усилитель, 8 - компьютер, z₁ - координата плоскости перетяжки первого пучка относительно плоскости рассеивающего объекта, z₂ - координата плоскости перетяжки второго пучка относительно плоскости рассеивающего объекта, l - расстояние между плоскостью рассеивающего объекта и плоскостью наблюдения, ρ₁,ρ₂ - радиусы кривизны волновых фронтов первого и второго пучков в плоскости объекта, v - скорость движения рассеивающего объекта.

Способ осуществляют следующим образом (Фиг.1). Рассеивающий микрообъект 3 попеременно освещается двумя соосными лазерными пучками 1 и 2. Причем расстояние между плоскостями перетяжек этих пучков Δz=z₂-z₁ известно, а положение микрообъекта относительно пучков, z₁ или, что то же самое, z₂, является произвольным. Для радиуса кривизны волнового фронта каждого из лазерных пучков в плоскости объекта должны выполняться условия (πw²₀/λ)²≪|ρ|² и |ρ|≪l, где λ - длина волны лазерного излучения, w₀- диаметр перетяжки пучка и l - расстояние между объектом и плоскостью наблюдения. Рассеянное объектом излучение 4 регистрируют через диафрагму с двумя отверстиями 5 с помощью двух фотоприемников 6, преобразующих интенсивность света в электрический сигнал и расположенных в дальней зоне дифракции на расстоянии l от плоскости объекта. Диафрагма 5 расположена в плоскости, перпендикулярной оси пучков, а центры отверстий диафрагмы находятся на прямой, параллельной проекции скорости движения объекта на плоскость наблюдения, на расстоянии r один от другого. Диаметр отверстий диафрагмы соизмерим со средним размером спекла в плоскости наблюдения. Сигналы фотоприемников усиливаются с помощью усилителей 7 и преобразуются в цифровую форму. С помощью компьютера 8 вычисляют взаимные корреляционные функции сигналов фотоприемников с₁ и с₂, соответствующие освещению движущегося объекта первым и вторым пучками. По положениям максимумов корреляционных функций с₁ и с₂ определяют относительные временные задержки сигналов фотоприемников τ₁ и τ₂, возникающие при освещении объекта первым и вторым пучками, соответственно. Скорость движения объекта вычисляют по формуле , где Δz=z₂-z₁ - расстояние между плоскостями перетяжек лазерных пучков, l - расстояние между объектом и плоскостью регистрации рассеянного излучения, r - расстояние между центрами фотоприемников и τ₁,τ₂ - относительные временные задержки сигналов фотоприемников, возникающие при освещении объекта первым и вторым пучками соответственно. Так как величины Δz и r не зависят от продольного положения объекта относительно лазерных пучков, а величина l на несколько порядков превышает величину возможных продольных смещений объекта, то с помощью формулы (1) скорость поперечного смещения объекта может быть определенна при его произвольном продольном положении. Определяют продольное положение объекта относительно лазерных пучков, вычисляя координаты z₂ и z₁ по формулам Основные положения заявляемого способа иллюстрируются конкретным примером. Исследовались зависимости положения максимума взаимной корреляционной функции сигналов фотоприемников при рассеянии сфокусированного лазерного пучка на микрочастицах, перемещающихся в капиллярном потоке жидкости. В качестве объекта был выбран пластиковый капилляр диаметром 200 мкм, через который пропускалась с постоянной скоростью вода с взвешенными в ней рассеивающими частицами. Диаметр частиц 10 мкм и концентрация 1%. Излучение лазерного диода фокусировалось с помощью объектива микроскопа в перетяжку диаметром 1,5 мкм. Положение перетяжки пучка задавалось с помощью микрометрической подачи. Рассеянное излучение регистрировалось парой фотодиодов диаметром 3 мм, расстояние между центрами варьировалось в пределах 7-20 мм, расположенными на расстоянии 300 мм от капилляра. На фиг.2 показана зависимость временной задержки τ, соответствующей положению максимума взаимной корреляционной функции сигналов фотоприемников, от координаты плоскости перетяжки пучка относительно оси капилляра при постоянной скорости потока. На фиг.3 показана зависимость параметра 1/τ от скорости потока. Сплошной линией на графиках показаны прямые регрессии. Полученные линейные зависимости находятся в полном соответствии с формулами (1) и (2) и являются экспериментальным подтверждением заявляемого изобретения.

Изобретение позволяет измерять скорость движения рассеивающих микрообъектов в абсолютных величинах и с учетом направления движения при произвольном продольном положении объекта относительно измерительного прибора и определять продольную координату микрообъекта одновременно с измерением скорости.

Формула изобретения

Способ измерения скорости движения рассеивающих объектов, включающий облучение объекта когерентным излучением с заданной степенью расходимости, преобразование флуктуаций интенсивности спекл-поля в двух пространственно разделенных точках в электрические сигналы с помощью двух фотоприемников с последующим определением скорости по величине относительной задержки электрических сигналов, отличающийся тем, что облучение осуществляют перпендикулярно направлению скорости движения попеременно двумя соосными пучками, плоскости перетяжек которых расположены на расстоянии одна от другой, фотоприемники располагают в поле рассеянного излучения в дальней зоне дифракции в плоскости наблюдения, перпендикулярной оси пучков, а относительные временные задержки сигналов фотоприемников определяют для случаев освещения объекта каждым из пучков в отдельности, при этом радиус кривизны волнового фронта ρ каждого из лазерных пучков в плоскости объекта выбирают из условия

где λ - длина волны лазерного излучения;

w₀ - диаметр перетяжки пучка;

l - расстояние между объектом и плоскостью наблюдения,

а скорость движения рассеивающего объекта определяют из соотношения

где Δz=z₂ - z₁ - расстояние между плоскостями перетяжек лазерных пучков, l - расстояние между объектом и плоскостью наблюдения; r - расстояние между центрами фотоприемников; τ₁, τ₂ - относительные временные задержки сигналов фотоприемников, возникающие при освещении объекта первым и вторым пучками соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3