RU2124194C1

RU2124194C1 - Holographic method for measuring refraction index of dispersion medium particles

Info

Publication number: RU2124194C1
Application number: RU94043766A
Authority: RU
Inventors: В.В. Демин
Original assignee: Демин Виктор Валентинович
Priority date: 1994-12-13
Filing date: 1994-12-13
Publication date: 1998-12-27
Also published as: RU94043766A

Abstract

FIELD: holography, in particular, measuring refraction index of transparent and semitransparent particles in dispersion medium. SUBSTANCE: method involves illumination of medium by coherent light, generation of its real image near to photo sensitive material using optical system, detection of hologram of this image, redisplaying hologram and smooth alternation of focus of zooming optical system in order to detect disperse particle and focusing point of beam refracted by particle in redisplayed holographic image, measuring longitudinal coordinates of central section of particle and focusing point of beam refracted by it, and measuring size of particle. Measured data helps to determine refraction index of particle in dispersion medium. EFFECT: possibility to define different types of microparticles, increased reliability of detection of microparticle in holographic image of dispersion medium. 5 dwg

Description

Изобретение относится к области голографической дисдрометрии и может быть использовано для измерения показателя преломления прозрачных и полупрозрачных частиц дисперсных сред. The invention relates to the field of holographic dysdrometry and can be used to measure the refractive index of transparent and translucent particles of dispersed media.

Известен способ голографической регистрации объемных ансамблей микрочастиц [1], в котором исследуемый ансамбль микрочастиц освещают когерентным излучением, регистрируют голограмму ансамбля микрочастиц, полученную голограмму просвечивают когерентным излучением и по восстановленному голографическому изображению при помощи увеличивающей оптической системы измеряют размеры и формы частиц. There is a method of holographic registration of volumetric ensembles of microparticles [1], in which the studied ensemble of microparticles is illuminated with coherent radiation, a hologram of an ensemble of microparticles is recorded, the resulting hologram is translucent with coherent radiation, and particle sizes and shapes are measured using the reconstructed holographic image using an increasing optical system.

Однако в данном случае отсутствует информация об оптических свойствах вещества частицы дисперсной среды и, как следствие, невозможно идентифицировать частицы различной природы. Кроме того, данный способ ограничен по расстоянию до исследуемого ансамбля микрочастиц. However, in this case, there is no information on the optical properties of the substance of a particle of a dispersed medium and, as a consequence, it is impossible to identify particles of different nature. In addition, this method is limited in distance to the studied ensemble of microparticles.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ, в котором освещают когерентным излучением исследуемую дисперсную среду, при помощи оптической системы строят действительное изображение объема дисперсной среды вблизи фотоматериала, регистрируют голограмму этого изображения, просвечивают полученную голограмму пучком когерентного излучения и, при помощи увеличивающей оптической системы, обнаруживают частицу дисперсной среды в восстановленном голографическом изображении и измеряют ее размер [2]. The closest in technical essence to the invention is a method in which the studied disperse medium is illuminated by coherent radiation, an actual image of the volume of the dispersed medium near the photographic material is built using an optical system, a hologram of this image is recorded, the resulting hologram is transmitted through a beam of coherent radiation and, using an increasing optical system detect a particle of a dispersed medium in the reconstructed holographic image and measure its size [2].

Однако известный способ имеет следующие недостатки. Практика показывает, что в восстановленном голографическом изображении объема дисперсной среды наблюдаются изображения не только частиц, но и точек фокусировки лучей, преломленных частицами, а также изображения спеклов. Это существенно повышает вероятность ложного обнаружения микрочастицы. Еще одним недостатком данного способа является отсутствие информации об оптических параметрах исследуемых микрочастиц, что не позволяет различать частицы различной природы. However, the known method has the following disadvantages. Practice shows that in the reconstructed holographic image of the volume of a dispersed medium, images of not only particles, but also the focus points of rays refracted by particles, as well as speckle images, are observed. This significantly increases the likelihood of false detection of microparticles. Another disadvantage of this method is the lack of information about the optical parameters of the studied microparticles, which does not allow to distinguish particles of different nature.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа измерения показателя преломления микрочастиц дисперсной среды. В результате появляется возможность различать микрочастицы различной природы; повышается достоверность обнаружения микрочастицы в голографическом изображении объема дисперсной среды. The problem to which the invention is directed, is to provide a method for measuring the refractive index of microparticles of a dispersed medium. As a result, it becomes possible to distinguish microparticles of various nature; the reliability of detecting microparticles in a holographic image of the volume of a dispersed medium increases.

Технический результат достигается тем, что согласно известному способу, освещают когерентным излучением исследуемую дисперсную среду, при помощи оптической системы строят действительное изображение объема дисперсной среды вблизи фотоматериала, регистрируют голограмму этого изображения, просвечивают полученную голограмму пучком когерентного излучения и, при помощи увеличивающей оптической системы, обнаруживают частицу дисперсной среды в восстановленном голографическом изображении и измеряют ее размеры. The technical result is achieved by the fact that, according to the known method, the studied disperse medium is illuminated by coherent radiation, an actual image of the volume of the dispersed medium near the photographic material is built using the optical system, the hologram of this image is recorded, the resulting hologram is transmitted through the beam of coherent radiation and, using the magnifying optical system, it is detected particle dispersed medium in the restored holographic image and measure its size.

В отличие от известного, в заявляемом способе, после просвечивания полученной голограммы производят плавную перефокусировку увеличивающей оптической системы, устанавливают достоверность обнаруженного изображения голографическому изображению частицы дисперсной среды по появлению краевого дифракционного эффекта в наблюдаемой картине, дополнительно обнаруживают голографическое изображение точки фокусировки преломленного частицей излучения, по изменяющемуся при перефокусировке увеличивающей оптической системы размеру наблюдаемой картины с одновременным уменьшением ее освещенности подтверждают достоверность обнаружения точки фокусировки преломленного частицей излучения, последовательно настраивают увеличивающую оптическую систему на резкое изображение центрального сечения частицы дисперсной среды и на резкое изображение точки фокусировки преломленного этой частицей излучения, измеряют их продольные координаты и по измеренным величинам определяют показатель преломления частицы дисперсной среды. In contrast to the known method, in the inventive method, after scanning the obtained hologram, the magnifying optical system is smoothly refocused, the detected image is checked for the holographic image of the dispersed medium by the appearance of the edge diffraction effect in the observed picture, and a holographic image of the focus point of the radiation refracted by the particle is detected when refocusing the magnifying optical system, we observe the size This picture with a simultaneous decrease in its illumination confirms the reliability of the detection of the focus point of the radiation refracted by the particle, sequentially adjusts the magnifying optical system to a sharp image of the central section of the dispersed medium particle and to the sharp image of the focus point of the radiation refracted by this particle, measure their longitudinal coordinates and determine the indicator from the measured values refraction of a particle of a dispersed medium.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что производят плавную перефокусировку увеличивающей оптической системы, измеряют продольные координаты голографических изображений центрального сечения частицы и точки фокусировки преломленного частицей излучения, предварительно устанавливая их достоверность, и по измеренным величинам определяют показатель преломления частицы. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна". A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the claimed method differs from the known one in that they smoothly refocus the magnifying optical system, measure the longitudinal coordinates of holographic images of the central section of the particle and the focus point of the radiation refracted by the particle, presetting their reliability, and determine the indicator from the measured values refraction of a particle. Thus, the claimed method meets the criteria of the invention of "novelty."

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями в данной области и смежных областях показало, что способы, позволяющие определять показатель преломления вещества, известны. Однако они не позволяют определять показатель преломления частиц дисперсной среды и не предполагают запись голограммы. Способ, включающий перефокусировку увеличивающей оптической системы (наводку на резкость), известен [1]. Однако в этом способе не предполагается принимать решение о наличии или отсутствии частицы по изменению наблюдаемой картины, а также не предполагается измерение продольных координат голографических изображений центрального сечения частицы и точки фокусировки преломленного частицей излучения. Это позволяет сделать вывод, что заявляемый способ соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень". Comparison of the claimed solutions with other technical solutions in this field and related fields showed that the methods for determining the refractive index of a substance are known. However, they do not allow determining the refractive index of particles of a dispersed medium and do not imply recording a hologram. A method involving refocusing an increasing optical system (focusing) is known [1]. However, in this method it is not supposed to make a decision about the presence or absence of a particle by changing the observed pattern, nor is it supposed to measure the longitudinal coordinates of holographic images of the central section of the particle and the focus point of the radiation refracted by the particle. This allows us to conclude that the claimed method meets the criteria of the invention of "inventive step".

Практика показывает, что в голографическом изображении объема дисперсной среды присутствуют как изображения частиц среды, так и изображения точек фокусировки преломленного частицами излучения. Кроме того, здесь же присутствуют и изображения спеклов (спекл-картина). Производя перефокусировку увеличивающей оптической системы (как правило, микроскопа), можно разделить эти три типа изображений. Изображение спекла при перефокусировке практически не меняет свою форму, а просто исчезает, когда величина перефокусировки превышает продольный размер спекла. При отстройке от изображения частицы вокруг расфокусированного изображения возникает краевая дифракционная картина. При отстройке от изображения точки фокусировки преломленного частицей излучения просто изменяются размеры наблюдаемого пятна с одновременным уменьшением его освещенности. Таким образом, введенная операция плавной перефокусировки увеличивающей оптической системы позволяет повысить достоверность обнаружения частицы. Practice shows that in the holographic image of the volume of a dispersed medium there are both images of medium particles and images of focus points of radiation refracted by particles. In addition, speckle images (speckle picture) are also present here. By refocusing the magnifying optical system (usually a microscope), these three types of images can be divided. The image of the speckle during refocusing practically does not change its shape, but simply disappears when the magnitude of the refocusing exceeds the longitudinal size of the speckle. When detuning from a particle image, an edge diffraction pattern arises around the defocused image. When detuning from the image the focus point of the radiation refracted by the particle, the dimensions of the observed spot simply change with a simultaneous decrease in its illumination. Thus, the introduced operation of smoothly refocusing the magnifying optical system makes it possible to increase the reliability of particle detection.

На фиг. 1 показана схема устройства; на фиг.2 - регистрация голограммы частицы дисперсной среды; на фиг. 3 - восстановление голограммы частицы дисперсной среды; на фиг. 4 приведены фотографии увеличенного изображения водной капли: а) увеличивающая система сфокусирована (настроена) на центральное сечение капли; б) увеличивающая система настроена на точку фокусировки преломленного частицей излучения. In FIG. 1 shows a diagram of a device; figure 2 - registration of a hologram of a particle of a dispersed medium; in FIG. 3 - restoration of the hologram of a particle of a dispersed medium; in FIG. Figure 4 shows photographs of an enlarged image of a water drop: a) the magnifying system is focused (tuned) to the central section of the drop; b) the magnifying system is tuned to the focal point of the radiation refracted by the particle.

Устройство (фиг. 1) содержит лазер 1 (например, ГОР-100), установленный на плите установки УИГ-12 при помощи комплекта держателей УИГ-12, гелий-неоновый лазер 2 (например, ЛГ-38), полупрозрачные зеркала 3, "глухие" зеркала 4, расширители предметного (5) и опорного (6) каналов, исследуемый объем дисперсной среды 7, объектив 8, действительное изображение 9 исследуемого объема 7, фотопластинку 10 (типа ПФГ-03), микроскоп горизонтальный 11 (типа МГ-1), имеющий подвижки с точным отсчетом в трех взаимно перпендикулярных направлениях (для МГ-1 точность отсчета порядка 0,1 мм), восстановленное голографическое изображение 12. The device (Fig. 1) contains a laser 1 (for example, GOR-100) mounted on the plate of the UIG-12 installation using a set of holders of the UIG-12, a helium-neon laser 2 (for example, LG-38), translucent mirrors 3, " blind "mirrors 4, expanders of the subject (5) and reference (6) channels, the investigated volume of the dispersed medium 7, the lens 8, the actual image 9 of the studied volume 7, photographic plate 10 (type PFG-03), horizontal microscope 11 (type MG-1 ), which has shifts with an accurate reading in three mutually perpendicular directions (for MG-1, the reading accuracy is of the order of 0.1 mm), reconstructed holographic image 12.

На фиг. 2 показаны падающая волна 13, исследуемая частица дисперсной среды (или ее действительное изображение) 14, дифрагировавшее излучение 15, преломленное частицей излучение 16, опорная волна 17, фотопластина 10, точка 18 фокусировки преломленного частицей излучения 16. In FIG. 2 shows the incident wave 13, the studied particle of the dispersed medium (or its actual image) 14, the diffracted radiation 15, the radiation refracted by the particle 16, the reference wave 17, the photographic plate 10, the focus point 18 of the radiation refracted by the particle 16.

На фиг. 3 показаны восстанавливающая волна 17', голограмма 10, восстановленное голографическое изображение 14', z₁- продольная координата центрального сечения частицы; точка 18' фокусировки преломленного частицей излучения 16', z₂ - продольная координата точки 18', измерительный микроскоп 11.In FIG. 3 shows the reconstructing wave 17 ', the hologram 10, the reconstructed holographic image 14', z ₁ is the longitudinal coordinate of the central section of the particle; the focus point 18 'is refracted by the particle radiation 16', z ₂ is the longitudinal coordinate of the point 18 ', a measuring microscope 11.

При освещении падающей волной 13 (фиг. 2) прозрачной или полупрозрачной частицы 14 за ней распространяются две волны - дифрагировавшая на границе (контуре) частицы волна 15 и преломленная частицей волна 16. Последняя фокусируется в точке 18, расстояние до которой от центрального сечения частицы можно рассчитать из соображений геометрической оптики:
f = f(n_o, n_p, a)(1)
где а - размер частицы;
n_o - показатель преломления среды;
n_p - показатель преломления частицы.When a transparent or translucent particle 14 is illuminated by the incident wave 13 (Fig. 2), two waves propagate behind it — wave 15 diffracted at the particle’s boundary (contour) and wave 16 refracted by the particle. The latter is focused at a point 18, the distance to which from the central section of the particle can be calculate from considerations of geometric optics:
f = f (n _o , n _p , a) (1)
where a is the particle size;
n _o is the refractive index of the medium;
n _p is the refractive index of the particle.

Выражение (1) зависит от формы наблюдаемой частицы. Так, для сферической частицы радиуса а это выражение выглядит следующим образом:
f_сф = an_p/2(n_p-n_o) (2)
Голограмма 10 частицы 14 регистрируется при помощи опорной волны 17. Тогда на этапе восстановления (фиг. 3) при освещении голограммы сопряженной опорной волной 17' (что достигается освещением голограммы с обратной стороны опорной волной 17) с голограммы будет восстановлено изображение частицы 14', за которым распространяются волны 15' и 16', идентичные дифрагированной 15 и преломленной 16 волнам на этапе записи голограммы частицы 14 (фиг. 2).Expression (1) depends on the shape of the observed particle. So, for a spherical particle of radius a, this expression looks as follows:
f _sf = an _p / 2 (n _p -n _o ) (2)
The hologram 10 of the particle 14 is registered using the reference wave 17. Then, at the stage of restoration (Fig. 3), when the hologram is illuminated by the conjugated reference wave 17 '(which is achieved by lighting the hologram on the back side of the reference wave 17), the image of the particle 14' will be restored from the hologram, which propagate the waves 15 'and 16', identical to the diffracted 15 and refracted 16 waves at the stage of recording the hologram of particle 14 (Fig. 2).

Поэтому, измерив в восстановленном голографическом изображении (например, при помощи измерительного микроскопа 11 (фиг. 3)) расстояние от центрального сечения частицы 14 (фиг. 2) до точки фокусировки 18 преломленного излучения

и измерив размер частицы а, используя формулы (1), (2), легко определить показатель преломления вещества частицы дисперсной среды.Therefore, by measuring in the reconstructed holographic image (for example, using a measuring microscope 11 (Fig. 3)) the distance from the central section of the particle 14 (Fig. 2) to the focus point 18 of the refracted radiation

and by measuring the particle size a, using formulas (1), (2), it is easy to determine the refractive index of the substance of the particles of the dispersed medium.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Импульсное излучение рубинового лазера 1 (фиг. 1), пройдя систему зеркал 3, 4 и расширители 5, 6, формируется в два пучка: предметный и опорный. Опорный пучок освещает фотопластину 10, а предметный пучок освещает исследуемый объем дисперсной среды 7. Исследуемой дисперсной средой может служить, например, капельный аэрозоль, полученный либо кипением, либо при помощи ультразвукового генератора аэрозоля. Объектив 8 формирует действительное изображение 9 исследуемого объема дисперсной среды 7 вблизи фотопластины 10. Сформированные таким образом предметная и опорная волны образуют стационарную интерференционную картину, которая и регистрируется на фотопластинке 10. После фотохимической обработки фотопластина 10 (голограмма) освещается опорным пучком. Для этого используется непрерывное излучение гелий-неонового лазера 2, причем предметный пучок перекрывается, например, за расширителем 5. С голограммы 10 восстанавливается голографическое изображение 12 исследуемого объема дисперсной среды 7. При помощи микроскопа 11 в объемном изображении 12 обнаруживают изображение микрочастицы дисперсной среды. Производят плавную перефокусировку микроскопа 11. Если наблюдаемая картина при перефокусировке практически не изменяется, а затем исчезает, то в поле зрения находится спекл. Если картина увеличивается или уменьшается с одновременным уменьшением или увеличением освещенности, определяют, что в поле зрения находится пучок лучей, преломленных частицей. Если же при перефокусировке микроскопа 11 в наблюдаемой картине появляется краевой дифракционный эффект, то определяют, что в поле зрения микроскопа 11 находится изображение микрочастицы исследуемой дисперсной среды (в рассматриваемом случае - капли.). Последовательно настраивают микроскоп 11 на резкое изображение центрального сечения капли и на точку фокусировки преломленного каплей излучения. Зная увеличение микроскопа 11, по измерительной шкале перемещений микроскопа определяют их продольные координаты z₁ и z₂, а также радиус а капли. По формуле

определяют n_p - показатель преломления капли. В рассматриваемом случае n_o=1 - показатель преломления воздуха.The pulsed radiation of a ruby laser 1 (Fig. 1), having passed through a system of mirrors 3, 4 and expanders 5, 6, is formed in two beams: object and reference. The reference beam illuminates the photographic plate 10, and the object beam illuminates the investigated volume of the dispersed medium 7. The studied dispersed medium can be, for example, a droplet aerosol obtained either by boiling or using an ultrasonic aerosol generator. The lens 8 forms a real image 9 of the investigated volume of the dispersed medium 7 near the photographic plate 10. The object and reference waves thus formed form a stationary interference pattern, which is recorded on the photographic plate 10. After photochemical processing, the photographic plate 10 (hologram) is illuminated by a reference beam. For this, continuous radiation from a helium-neon laser 2 is used, and the object beam is blocked, for example, behind the expander 5. From the hologram 10, the holographic image 12 of the investigated volume of the dispersed medium is restored 7. Using a microscope 11, the image of the microparticle of the dispersed medium is detected. Perform smooth refocusing of the microscope 11. If the observed pattern during refocusing does not practically change, and then disappears, then speckle is in the field of view. If the picture increases or decreases with a simultaneous decrease or increase in illumination, it is determined that a beam of rays refracted by the particle is in the field of view. If, when refocusing the microscope 11, an edge diffraction effect appears in the observed picture, then it is determined that the image of the microparticle of the dispersed medium under study is in the field of view of the microscope 11 (in this case, drops.). The microscope 11 is sequentially tuned to a sharp image of the central section of the drop and to the focus point of the radiation refracted by the drop. Knowing the magnification of the microscope 11, on the measuring scale of the displacements of the microscope determine their longitudinal coordinates z ₁ and z ₂ , as well as the radius a of the drop. According to the formula

determine n _p is the refractive index of the drop. In this case, n _o = 1 is the refractive index of air.

При помощи описанного способа проведено определение показателя преломления водных капель (фиг. 4). Точность определения показателя преломления определяется точностью измерения z₁, z₂ и а и зависит, в основном, от цены деления шкалы перемещения микроскопа. В проведенных экспериментах, с использованием микроскопа горизонтального МГ, для капель радиусом 50 - 100 мкм, точность определения показателя преломления составила 10% - 3%. Избежать возрастания погрешности при уменьшении размера исследуемых капель возможно с помощью использования более точных подвижек.Using the described method, the refractive index of water droplets was determined (Fig. 4). The accuracy of determining the refractive index is determined by the measurement accuracy of z ₁ , z ₂ and a and depends mainly on the price of the division of the scale of movement of the microscope. In the experiments, using a horizontal MG microscope, for droplets with a radius of 50 - 100 μm, the accuracy of determining the refractive index was 10% - 3%. It is possible to avoid an increase in the error with a decrease in the size of the studied droplets by using more accurate movements.

Способ может быть реализован на базе серийно выпускаемой аппаратуры, что позволяет внедрять его всем заинтересованным организациям. The method can be implemented on the basis of commercially available equipment, which allows it to be implemented by all interested organizations.

Источники информации:
1. Кольер Р. , Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. - М.: Мир, 1973, с. 411 - 414.Sources of information:
1. Collier R., Burkhart K., Lin L. Optical holography. - M .: Mir, 1973, p. 411 - 414.

2. Оптическая голография. Практические применения. Е.А.Антонов, В.М. Гинзбург, Е.Н.Лехциер и др. под ред. В.М.Гинзбург, Б.М.Степанова.- М.: Сов. радио, 1978, с. 167. 2. Optical holography. Practical applications. E.A. Antonov, V.M. Ginzburg, E.N.Lekhtsier et al., Ed. V.M. Ginzburg, B. M. Stepanova. - M.: Sov. Radio, 1978, p. 167.

Claims

The holographic method for determining the refractive index of particles of dispersed media, in which the studied dispersed medium is illuminated by coherent radiation, constructs a real image of the dispersed medium near the photographic material, records the hologram of this image, transmits the resulting hologram with a beam of coherent radiation, and uses a magnifying optical system to detect a particle of the dispersed medium in the reconstructed image and measure its dimensions, characterized in that after transillumination p The obtained holograms produce a smooth refocusing of the magnifying optical system, establish the reliability of the detected image to the holographic image of the dispersed medium particle by the appearance of the edge diffraction effect in the observed picture, additionally find the image of the focus point of the refracted radiation particle in the reconstructed image, according to the size and illumination of the magnified optical system of the observed paintings confirm authenticity of the detected image of the focus point of the radiation refracted by the particle, sequentially adjust the magnifying optical system to a sharp image of the central section of the dispersed medium particle and the focus points of the radiation refracted by this particle, measure their longitudinal coordinates and determine the refractive index of the dispersed medium particle from the measured values.