RU2236032C1 - Method for detecting group of dispersing particles in optically transparent media - Google Patents
Method for detecting group of dispersing particles in optically transparent media Download PDFInfo
- Publication number
- RU2236032C1 RU2236032C1 RU2002134036/28A RU2002134036A RU2236032C1 RU 2236032 C1 RU2236032 C1 RU 2236032C1 RU 2002134036/28 A RU2002134036/28 A RU 2002134036/28A RU 2002134036 A RU2002134036 A RU 2002134036A RU 2236032 C1 RU2236032 C1 RU 2236032C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- group
- directions
- scattering particles
- space
- spatial
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптических измерений с применением дифракционной оптики и может найти применение при поиске, определении пространственного положения и ориентации группы рассеивающих частиц в различных оптических элементах, а также при получении достоверных измерений пространственно-частотных спектров этих рассеивающих частиц с целью их точной идентификации, повышения точности в определении их размеров и расстояний между ними.The invention relates to the field of optical measurements using diffraction optics and can find application in searching, determining the spatial position and orientation of a group of scattering particles in various optical elements, as well as in obtaining reliable measurements of the spatial frequency spectra of these scattering particles with the aim of their accurate identification, increase accuracy in determining their size and the distance between them.
Известен способ определения рассеивающих частиц в воде в виде клеток диатомной водоросли, имеющих различные размеры и форму, при котором отдельные разновидности этих клеток сначала фотографируют с помощью фазово-контрастного микроскопа, а затем используют полученные фотоизображения для изготовления пространственно-частотных фильтров с целью идентификации клеток по сигналам корреляции, получаемым в оптическом процессоре (Г.Старк. Применение методов фурье-оптики. М., Радио и Связь, 1988 г., стр. 82).A known method for determining scattering particles in water in the form of diatom cells of different sizes and shapes, in which individual varieties of these cells are first photographed using a phase contrast microscope, and then use the resulting images to produce spatial-frequency filters in order to identify cells by correlation signals received in the optical processor (G. Stark. The use of Fourier optics. M., Radio and Communication, 1988, p. 82).
Однако неинвариантность фурье-преобразования у угловому положению может снизить степень идентификации при "невыгодных" направлениях фотографирования исходной пробы загрязненной воды.However, the non-invariance of the Fourier transform at the angular position can reduce the degree of identification with "disadvantageous" directions of photographing the original sample of contaminated water.
Известен также способ определения оптических неоднократностей в виде текстур (Г.Старк. Применение методов фурье-оптики. М., Радио и Связь, 1988 г., стр. 440), заключающийся в том, что различные образцы текстур записывают на фотопленку, которую помещают в иммерсионную жидкость для устранения паразитной фазовой модуляции, обусловленной поверхностным рельефом самих образцов. Далее с помощью когерентного оптического процессора получают фурье-спектры фотоизображений текстур с целью формирования векторов, представляющих собой блоки цифровых данных энергетических спектров. При этом векторы формируются с помощью масок, синтезированных на ЭВМ, а каждая маска выполняет разбиение фурье-плоскости на несколько областей. Интенсивность в каждой из таких областей численно интегрируют и нормируют относительно величины полного интеграла интенсивности. Способ реализуют с помощью оптико-цифрового устройства, представляющего собой каскадное соединение когерентного оптического процессора и ЭВМ, а в качестве интерфейса между ними используют телевизионную камеру.There is also a method of determining optical repeatability in the form of textures (G. Stark. The use of Fourier optics. M., Radio and Communication, 1988, p. 440), which consists in the fact that various texture samples are recorded on photographic film, which is placed immersion liquid to eliminate parasitic phase modulation due to the surface relief of the samples themselves. Then, using a coherent optical processor, Fourier spectra of texture photo images are obtained in order to form vectors, which are blocks of digital data of energy spectra. In this case, the vectors are formed using masks synthesized on a computer, and each mask splits the Fourier plane into several areas. The intensity in each of these areas is numerically integrated and normalized with respect to the value of the total intensity integral. The method is implemented using an optical-digital device, which is a cascade connection of a coherent optical processor and a computer, and a television camera is used as the interface between them.
Недостатком данного способа является то, что фотоизображения исследуемых текстур получают без учета их пространственного положения и ориентации относительно оптической оси фоторегистрирующего устройства, в результате чего может нарушиться адекватность качественных изменений исследуемых текстур и количественных изменений в их энергетических спектрах.The disadvantage of this method is that the photographic images of the studied textures are obtained without taking into account their spatial position and orientation relative to the optical axis of the photo-recording device, as a result of which the adequacy of qualitative changes in the studied textures and quantitative changes in their energy spectra may be violated.
Известен также способ определения рассеивающих частиц в оптически прозрачных средах, который заключается в том, что неоднородности в виде частиц различной концентрации идентифицируются по размерам и видам с помощью методов фурье-оптики (Г.Старк. Применение методов фурье-оптики. М., Радио и связь, 1988 г., стр. 108).There is also a method for determining scattering particles in optically transparent media, which consists in the fact that inhomogeneities in the form of particles of different concentrations are identified by size and type using Fourier optics methods (G. Stark. Application of Fourier optics methods. M., Radio and Communications, 1988, p. 108).
При этом получают фотографические или иные изображения дифракционных картин рассеяния этих частиц, которые обрабатывают в когерентном оптическом процессоре с целью получения двумерного фурье-образа этих изображений и осуществления согласованной оптической фильтрации.This gives photographic or other images of diffraction scattering patterns of these particles, which are processed in a coherent optical processor in order to obtain a two-dimensional Fourier image of these images and implement consistent optical filtering.
Измерение энергетических спектров и других параметров производят с помощью электронных средств, включающих фотоприемное устройство (телевизионную камеру, фотоматрицу), сопряженное с ЭВМ.The energy spectra and other parameters are measured using electronic means, including a photodetector (television camera, photomatrix), coupled to a computer.
Этот способ принимаем за прототип. К недостаткам данного способа можно отнести снижение достоверности результатов измерений энергетических спектров с ростом концентрации частиц, при котором частицы начинают перекрывать друг друга, в результате чего начинает проявляться эффект вторичного излучения, которое уже было рассеяно другими частицами.This method is taken as a prototype. The disadvantages of this method include a decrease in the reliability of the results of measurements of energy spectra with increasing particle concentration, at which the particles begin to overlap each other, as a result of which the effect of secondary radiation, which has already been scattered by other particles, begins to appear.
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности измерений пространственно-частотных спектров путем точного определения пространственного положения группы рассеивающих частиц и ее ориентации, а также усреднения результатов измерений пространственно-частотных спектров, полученных по всем трем направлениям распространения когерентного света через группу рассеивающих частиц.The technical result of the invention is to increase the reliability of measurements of spatial frequency spectra by accurately determining the spatial position of a group of scattering particles and its orientation, as well as averaging the results of measurements of spatial frequency spectra obtained in all three directions of propagation of coherent light through a group of scattering particles.
Технический результат достигается тем, что перед измерением пространственно-частотных спектров производят поиск группы рассеивающих частиц, затем определяют ее пространственное положение относительно границ среды, после чего определяют ориентацию группы в пространстве, при этом для нахождения группы рассеивающих частиц вычисляют коэффициенты корреляции интенсивности дифракционной картины сканируемого по дальности пространства в одном направлении, для определения пространственного положения дополнительно измеряют коэффициенты корреляции интенсивности дифракционной картины сканируемого по дальности пространства в двух других направлениях, взаимно перпендикулярных первоначальному, до момента достижения наибольшего взаимного соответствия всех трех усредненных максимальных значений коэффициентов корреляции, для определения ориентации выбирают максимально возможные значения усредненных коэффициентов корреляции в процессе изменения углового положения каждого из трех направлений распространения когерентного света, после чего измеряют пространственно-частотные спектры и усредняют их результаты, полученные по трем направлениям, причем для поиска группы рассеивающих частиц используют широкий коллимированный пучок когерентного света, а для определения ориентации - узкий коллимированный пучок.The technical result is achieved by the fact that before measuring the spatial frequency spectra, a group of scattering particles is searched, then its spatial position relative to the boundaries of the medium is determined, then the orientation of the group in space is determined, and the correlation coefficients of the intensity of the diffraction pattern scanned by the range of space in one direction, to determine the spatial position, the coefficients are additionally measured correlations of the intensity of the diffraction pattern of the distance-scanned space in two other directions, mutually perpendicular to the original, until the maximum mutual correspondence of all three averaged maximum values of the correlation coefficients is achieved, to determine the orientation, select the maximum possible values of the averaged correlation coefficients in the process of changing the angular position of each of the three directions the propagation of coherent light, after which they measure the spatial frequency spectra also average their results obtained in three directions; moreover, a wide collimated beam of coherent light is used to search for a group of scattering particles, and a narrow collimated beam is used to determine the orientation.
В случае необходимости измерение пространственно-частотных спектров повторяют после дополнительной юстировки углового положения каждого из трех направлений и сужения соответствующих им пучков когерентного света, при этом измеряют распределение интенсивности света в соответствующей дифракционной картине до момента его наибольшей равномерности вблизи оптической оси.If necessary, the measurement of the spatial frequency spectra is repeated after additional adjustment of the angular position of each of the three directions and the narrowing of the corresponding coherent light beams, while the distribution of light intensity in the corresponding diffraction pattern is measured until it is most uniform near the optical axis.
Новизна изобретения выявлена из сравнения с прототипом и заключается в следующем:The novelty of the invention is revealed from comparison with the prototype and is as follows:
во-первых, для измерения пространственно-частотного спектра исследуемой группы рассеивающих частиц используют данные измерений пространственно-частотных спектров изображений дифракционных картин рассеяния, полученных по трем направлениям распространения пучков когерентного света через эту группу рассеивающих частиц, затем эти данные усредняют с целью повышения достоверности результатов измерения;firstly, to measure the spatial-frequency spectrum of the studied group of scattering particles, the data of measurements of the spatial-frequency spectra of images of diffraction scattering patterns obtained in three directions of propagation of coherent light beams through this group of scattering particles are used, then these data are averaged to increase the reliability of the measurement results ;
во-вторых, для получения изображения дифракционных картин рассеяния, наиболее полно отражающих число рассеивающих частиц в группе, их форму, расстояния между ними, используют метод сканирования пространства по дальности по трем взаимно перпендикулярным направлениям распространения пучков когерентного света через исследуемую группу рассеивающих частиц с целью определения ее пространственного положения относительно границ среды, затем определяют ориентацию группы в пространстве относительно каждого из трех направлений путем изменения их углового положения; при указанных операциях используют критерий наибольшего взаимного соответствия максимальных усредненных значений коэффициентов корреляции интенсивности света в дифракционных картинах, получаемых в процессе сканирования пространства по трем направлениям и критерий максимальности усредненных коэффициентов корреляции интенсивности света в дифракционных картинах, получаемых в процессе определения ориентации по каждому из трех направлений распространения когерентного света;secondly, to obtain images of diffraction scattering patterns that most fully reflect the number of scattering particles in the group, their shape, the distance between them, use the method of scanning space in range along three mutually perpendicular directions of propagation of coherent light beams through the studied group of scattering particles in order to determine its spatial position relative to the boundaries of the environment, then determine the orientation of the group in space relative to each of the three directions by changing their angular position; in these operations, the criterion of maximum mutual correspondence of the maximum averaged values of the light intensity correlation coefficients in the diffraction patterns obtained during the scanning of space in three directions and the maximum criterion of the averaged light intensity correlation coefficients in the diffraction patterns obtained in the process of determining the orientation in each of the three propagation directions are used coherent light;
в-третьих, в случае необходимости повышения достоверности результатов измерения пространственно-частотного спектра исследуемой группы рассеивающих частиц получают изображения дифракционных картин рассеяния по трем направлениям распространения когерентного света после дополнительной юстировки углового положения каждого из трех направлений и сужения соответствующих им пучков когерентного света, при этом используют критерий наибольшей равномерности интенсивности света в соответствующей дифракционной картине вблизи оптической оси.thirdly, if it is necessary to increase the reliability of the results of measuring the spatial-frequency spectrum of the studied group of scattering particles, images of diffraction scattering patterns are obtained in three directions of coherent light propagation after additional adjustment of the angular position of each of the three directions and the narrowing of the corresponding coherent light beams, while criterion for the greatest uniformity of light intensity in the corresponding diffraction pattern near the optical and.
Предлагаемый способ определения группы рассеивающих частиц в оптически прозрачных средах основан на том, что в процессе определения измерение пространственно-частотных спектров производят после более точного определения положения группы рассеивающих частиц относительно границ среды и ее ориентации в пространстве.The proposed method for determining the group of scattering particles in optically transparent media is based on the fact that in the process of determining the spatial-frequency spectra are measured after a more accurate determination of the position of the group of scattering particles relative to the boundaries of the medium and its orientation in space.
При этом достоверность измерений повышается за счет снижения эффекта вторичного излучения, которое уже было рассеяно другими частицами группы. При таком условии в формировании дифракционной картины рассеяния будет участвовать максимальное число частиц в группе, что и обуславливает высокую степень достоверности результатов измерения пространственно-частотных спектров.At the same time, the reliability of measurements is increased by reducing the effect of secondary radiation, which has already been scattered by other particles of the group. Under this condition, the maximum number of particles in the group will participate in the formation of the diffraction pattern of scattering, which leads to a high degree of reliability of the results of measuring spatial-frequency spectra.
Так как в общем случае группа рассеивающих частиц имеет объемный характер, то при определении ее пространственного положения, ориентации, а также при измерении ее пространственно-частотного спектра последовательно используют три пучка когерентного света, проходящих через исследуемую группу рассеивающих частиц.Since in the general case the group of scattering particles is three-dimensional in nature, when determining its spatial position, orientation, and also when measuring its spatial frequency spectrum, three beams of coherent light passing through the studied group of scattering particles are successively used.
Для более быстрого определения пространственного положения группы рассеивающих частиц используют широкие коллимированные пучки когерентного света, а для ее ориентации - узкие пучки (для повышения точности измерений), при этом для регистрации дифракционных картин рассеяния применяют фоторегистрирующее устройство, способное работать в квазиреальном масштабе времени, например телекамеру, сопряженную с ЭВМ.For a more rapid determination of the spatial position of a group of scattering particles, wide collimated beams of coherent light are used, and narrow beams are used for its orientation (to increase the accuracy of measurements), and a photorecording device capable of operating on a quasi-real time scale, for example, a television camera, is used to record diffraction scattering patterns. coupled to a computer.
В процессе поиска группы рассеивающих частиц S телекамеру 1 (фиг.1), оптически сопряженную с лазером 4, перемещают вдоль выбранного направления Х прохождения когерентного света через исследуемую оптически прозрачную среду Q, регистрируя дифракционные картины рассеяния на экране видеоконтрольного устройства 21 (фиг.2). При этом объектив телекамеры устанавливают на "бесконечность", диафрагму - в положение, соответствующее максимальной входной апертуре, а освещенность на фотомишени регулируют с помощью аттенюатора 13 (фиг.1). Для расширения лазерного пучка используют коллиматор 7, а для регулирования размеров его поперечного сечения х, у - прямоугольную диафрагму 10.In the process of searching for a group of scattering particles S, the camera 1 (Fig. 1), optically conjugated with a laser 4, is moved along the selected direction X of the passage of coherent light through the studied optically transparent medium Q, registering diffraction patterns of scattering on the screen of the video monitoring device 21 (Fig. 2) . In this case, the camera lens is set to "infinity", the aperture is in the position corresponding to the maximum input aperture, and the illumination on the photo target is controlled using the attenuator 13 (Fig. 1). A collimator 7 is used to expand the laser beam, and a rectangular diaphragm 10 is used to adjust the dimensions of its cross section x, y.
Перемещение телекамеры начинают с исходного положения, соответствующего ее расстоянию до предполагаемой области с группой рассеивающих частиц, равного фокусному расстоянию F1 применяемого объектива.The camera starts moving from its initial position corresponding to its distance to the intended area with a group of scattering particles equal to the focal length F 1 of the applied lens.
При таком условии в процессе перемещения телекамеры в сторону группы рассеивающих частиц будут последовательно регистрироваться, начиная с ближайшего граничного, последующие слои пространства группы в виде неразмытых дифракционных картин рассеяния на частицах неоднородностей вплоть до дальнего слоя, ограничивающего эту группу с другой стороны (то есть будет производиться своеобразное сканирование пространства фокальной плоскостью объектива в заданном направлении по дальности, ограниченной фокусным расстоянием). Перемещение телекамеры прекращают в тот момент, когда характер дифракционных картин рассеяния, регистрируемых на экране видеоконтрольного устройства (ВКУ), перестанет изменяться. После этого вычисляют размер Δ Lx группы рассеивающих частиц в данном направлении путем измерения расстояния между двумя крайними положениями телекамеры. Далее телекамеру перемещают обратно на расстояние, равное Δ Lx/2, и с этой дистанции регистрируют дифракционные картины рассеяния, передвигая телекамеру в плоскости, перпендикулярной данному направлению когерентного света, при этом выполняют условия оптического сопряжения с лазером 4. Перемещение телекамеры и регистрацию соответствующих дифракционных картин рассеяния производят до момента появления дифракционной картины, наиболее полно отражающей характер группы рассеивающих частиц и ее объем в данном направлении. После этого измеряют коэффициент корреляции интенсивности дифракционной картины (фиг.2). Измерения повторяют при положениях телекамеры, отличающихся на небольшую величину от найденного, до нахождения таких трех положений, которые соответствовали бы наибольшим значениям коэффициентов корреляции дифракционных картин рассеяния. Далее телекамеру устанавливают в среднее между этими тремя положение и перемещают в исходное положение вдоль данного направления распространения когерентного света с целью более точного определения размера Δ Lx группы рассеивающих частиц. Для этого телекамеру снова перемещают вдоль нового найденного направления, параллельного первоначальному, измеряя коэффициенты корреляции интенсивности дифракционных картин рассеяния и одновременно регистрируют эти картины на экране ВКУ 21 до момента достижения максимальных значений коэффициентов. После этого определяют размер Δ Lx группы рассеивающих частиц путем измерения расстояния между двумя крайними положениями телекамеры, причем первое положение соответствует дифракционной картине рассеяния с минимальным коэффициентом корреляции, а второе - дифракционной картине с максимальным коэффициентом корреляции световой интенсивности, при этом оба положения телекамеры находят путем усреднения из трех положений, соответствующих дифракционным картинам рассеяния с близкими по величине коэффициентами корреляции световой интенсивности в этих граничных слоях пространства группы рассеивающих частиц. Для определения пространственного положения группы рассеивающих частиц относительно границ среды последовательно производят определение размеров Δ Lx, Δ Lz группы рассеивающих частиц вдоль двух других направлений распространения света через группу, взаимно перпендикулярных первоначальному направлению (фиг.1), для чего дополнительно используют две телекамеры 2, 3, оптически сопряженные с соответствующими лазерами 5 и 6.Under this condition, in the process of moving the camera towards the group of scattering particles, the subsequent layers of the group space will be sequentially registered, starting from the nearest boundary, in the form of diffuse diffraction patterns of scattering by particles of inhomogeneities up to the far layer bounding this group on the other hand (i.e. a kind of scanning space with the focal plane of the lens in a given direction in range limited by focal length). The movement of the camera is stopped at the moment when the nature of the diffraction scattering patterns recorded on the screen of the video monitoring device (VKU) ceases to change. After that, the size Δ L x of the group of scattering particles in this direction is calculated by measuring the distance between the two extreme positions of the camera. Next, the camera is moved back to a distance equal to Δ L x / 2, and diffraction patterns of scattering are recorded from this distance, moving the camera in a plane perpendicular to this direction of coherent light, while the conditions of optical coupling with the laser are fulfilled 4. Moving the camera and recording the corresponding diffraction scattering patterns are produced until the appearance of a diffraction pattern that most fully reflects the nature of the group of scattering particles and its volume in this direction. After that, measure the correlation coefficient of the intensity of the diffraction pattern (figure 2). Measurements are repeated at camera positions that differ by a small amount from that found until three such positions are found that correspond to the highest values of the correlation coefficients of diffraction scattering patterns. Next, the camera is set in the middle between these three positions and moved to its original position along this direction of propagation of coherent light in order to more accurately determine the size Δ L x of the group of scattering particles. For this, the camera is again moved along a new direction found parallel to the original, measuring the correlation coefficients of the intensity of diffraction scattering patterns and simultaneously register these pictures on the
При этом телекамеру 2 и оптически сопряженный с ней лазер 5 устанавливают по оси Y, перпендикулярной оси Х, и пересекающей ее на расстоянии L1 от телекамеры 1, равном величинеIn this case, the
L’1=F1+Δ Lx/2,L ' 1 = F 1 + Δ L x / 2,
если телекамера 1 находится в первом крайнем положении, соответствующем минимальному коэффициенту корреляции световой интенсивности дифракционной картины рассеяния и величинеif the
L”1=F1-Δ Lx/2,L ” 1 = F 1 -Δ L x / 2,
если телекамера 1 находится в другом крайнем положении, соответствующем максимальному коэффициенту корреляции световой интенсивности (здесь F1 - фокусное расстояние объектива телекамеры 1).if the
Далее определяют размер группы рассеивающих частиц Δ Ly в направлении распространения когерентного света через группу вдоль оси Y, выполняя действия, аналогичные при определении величины Δ Lx, и отмечают при этом оба крайних положения телекамеры 2.Next, determine the size of the group of scattering particles Δ L y in the direction of propagation of coherent light through the group along the Y axis, performing actions similar to determining the value of Δ L x , and note both extreme positions of the
После этого определяют размер Δ Lz группы рассеивающих частиц в направлении распространения когерентного света через эту группу вдоль оси Z, перпендикулярной осям Х и Y и проходящей через их точку пересечения, для чего телекамеру 3 и оптически сопряженный с ней лазер 6 устанавливают вдоль этой оси и производят действия, аналогичные при определении величины Δ Lx, при этом отмечают оба крайних положения телекамеры 3.After that, the size Δ L z of the group of scattering particles is determined in the direction of propagation of coherent light through this group along the Z axis perpendicular to the X and Y axes and passing through their intersection point, for which a
Пространственное положение группы рассеивающих частиц относительно границ среды определяют с учетом размеров группы Δ Lx, Δ Ly, Δ Lz вдоль различных направлений распространения когерентного света и положения телекамер.The spatial position of the group of scattering particles relative to the boundaries of the medium is determined taking into account the size of the group Δ L x , Δ L y , Δ L z along different directions of the propagation of coherent light and the position of the cameras.
Если все три телекамеры находятся в крайних положениях, соответствующих максимальным коэффициентам корреляции интенсивности соответствующих дифракционных картин рассеяния, то координаты Lx1, Ly1, lz1 группы рассеивающих частиц относительно границ среды Q вычисляют следующим образом:If all three cameras are in extreme positions corresponding to the maximum intensity correlation coefficients of the corresponding diffraction scattering patterns, then the coordinates L x1 , Ly 1 , lz 1 of the group of scattering particles relative to the boundaries of the medium Q are calculated as follows:
LX1=(F1-Δ LX/2)-LT1 L X1 = (F 1 -Δ L X / 2) -L T1
LY1=(F2-Δ LY/2)-LT2 L Y1 = (F 2 -Δ L Y / 2) -L T2
LZ1=(F3-Δ LZ/2)-LT3,L Z1 = (F 3 -Δ L Z / 2) -L T3 ,
где F1...F3 - фокусные расстояния объективов телекамер 1... 3.where F 1 ... F 3 are the focal lengths of the
Δ Lx, Δ Ly, Δ Lz - размеры группы рассеивающих частиц вдоль различных направлений прохождения когерентного света (вдоль осей X, Y, Z.)Δ L x , Δ L y , Δ L z - dimensions of the group of scattering particles along different directions of the passage of coherent light (along the axes X, Y, Z.)
LT1...LT3 - расстояния от соответствующих телекамер до границ исследуемой оптически прозрачной среды Q.L T1 ... L T3 are the distances from the corresponding cameras to the boundaries of the studied optically transparent medium Q.
Для определения ориентации группы рассеивающих частиц в пространстве последовательно изменяют угловое положение каждого из трех направлений прохождения когерентного света через группу рассеивающих частиц с целью нахождения такого углового положения, при котором коэффициенты корреляции интенсивности в соответствующих дифракционных картинах рассеяния достигают максимальных значений.To determine the orientation of the group of scattering particles in space, the angular position of each of the three directions of the passage of coherent light through the group of scattering particles is successively changed in order to find such an angular position at which the intensity correlation coefficients in the corresponding diffraction scattering patterns reach maximum values.
Измерения коэффициентов корреляции повторяют в процессе сужения пучков когерентного света по соответствующим направлениям с помощью диафрагм 10... 12 до момента уменьшения значений этих коэффициентов, при этом сужение пучков производят последовательно сначала по одной координате (х), затем по другой (у), учитывая, таким образом, несимметричный характер формы группы рассеивающих частиц. Затем полученные коэффициенты корреляции усредняют по трем наибольшим значениям и определяют ориентацию группы рассеивающих частиц в пространстве относительно первоначальных направлений прохождения когерентного света путем вычисления углов γ 1...γ3, лежащих в плоскостях XZ, YZ, ZX (фиг.1).Measurements of the correlation coefficients are repeated in the process of narrowing the beams of coherent light in the corresponding directions using the diaphragms 10 ... 12 until the values of these coefficients decrease, while the narrowing of the beams is performed sequentially first at one coordinate (x), then at the other (y), taking into account Thus, the asymmetric nature of the shape of the group of scattering particles. Then, the obtained correlation coefficients are averaged over the three largest values and the orientation of the group of scattering particles in space relative to the initial directions of the passage of coherent light is determined by calculating the angles γ 1 ... γ 3 lying in the XZ, YZ, ZX planes (Fig. 1).
После определения ориентации приступают к измерению пространственно-частотных спектров группы рассеивающих частиц. Для этого с помощью телекамер 1... 3 и коммутатора 16 последовательно получают изображения группы рассеивающих частиц по каждому из трех вновь найденных направлений прохождения когерентного света через группу рассеивающих частиц путем регистрации этих изображений на экране ВКУ21 (фиг.3) с их последующим преобразованием в когерентно-оптические изображения посредством жидко-кристаллического пространственно-временного модулятора света (ЖК-ПВМС 23), изображающего объектива 22, светоделителя 24, коллиматора 25 и лазера 26). Затем эти изображения обрабатывают в когерентно-оптическом процессоре 27, 28 с целью получения их фурье-образа, который увеличивают с помощью микрообъектива 29 и проецируют на матовый экран 30. С помощью телекамеры 31 производят преобразование световой интенсивности получаемых картин в электрические сигналы, которые затем преобразуются в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе 17 и поступают для хранения в блок буферной памяти 18, содержимое которой через устройство выборки 19 подается в ЭВМ 20 для анализа и расчета пространственно-частотных спектров, а также может отражаться на экране ВКУ 20.After determining the orientation, they begin to measure the spatial frequency spectra of the group of scattering particles. To do this, using
После этого результаты расчетов пространственно-частотных спектров, полученных после обработки изображений группы рассеивающих частиц по каждому из трех направлений прохождения когерентного света, усредняют и используют для дальнейшего анализа.After that, the results of calculations of the spatial-frequency spectra obtained after processing images of a group of scattering particles in each of the three directions of transmission of coherent light are averaged and used for further analysis.
При получении изображений группы рассеивающих частиц их регистрацию на экране ВКУ 21 производят с наибольшим масштабом и обеспечивают соответствующую глубину резко изображаемого пространства, используя данные, рассчитанные при определении пространственного положения группы рассеивающих частиц (LT1, L1, Lx1, Δ Lx - по оси X и аналогичные данные по осям Y и Z).When obtaining images of a group of scattering particles, they are registered on the
В случае необходимости расширения динамического диапазона телекамеры 31 (фиг.3) улучшают отношение сигнал-шум примененного в ней видикона в ущерб скорости обработки за счет усреднения нескольких последовательных изображений одной и той же картины с целью снижения зависящего от времени уровня шума.If it is necessary to expand the dynamic range of the camera 31 (Fig. 3), the signal-to-noise ratio of the video recorder used in it is improved to the detriment of processing speed by averaging several consecutive images of the same picture in order to reduce the time-dependent noise level.
При этом отношение сигнал-шум улучшается как квадратный корень из числа усредненных кадров.In this case, the signal-to-noise ratio improves as the square root of the number of averaged frames.
Для повышения достоверности результатов измерения пространственно-частотного спектра группы рассеивающих частиц последовательно производят юстировку углового положения каждого из трех направлений распространения когерентного света и сужение соответствующих световых пучков, при этом измеряют распределение световой интенсивности в соответствующих дифракционных картинах рассеяния вблизи оптической оси (то есть в центральной части) до момента достижения наибольшей равномерности этой интенсивности в минимальной по площади области.To increase the reliability of the results of measuring the spatial frequency spectrum of a group of scattering particles, the angular position of each of the three directions of propagation of coherent light is adjusted sequentially and the corresponding light beams are narrowed, while the distribution of light intensity is measured in the corresponding diffraction scattering patterns near the optical axis (i.e., in the central part ) until the greatest uniformity of this intensity is achieved in the minimum area area.
Для этого телекамеры 1... 3 возвращают в положения, которые они занимали при определении ориентации группы рассеивающих частиц (фиг.1), и последовательно изменяют их угловые положения относительно первоначальных направлений прохождения когерентного света в плоскостях, перпендикулярных соответствующим плоскостям углов γ 1...γ3. При этом обеспечивают условия оптического сопряжения телекамер с соответствующими лазерами.For this,
Сужение когерентных пучков производится с помощью соответствующих диафрагм 10... 12 отдельно по одной координате (х), затем по другой (у), учитывая, таким образом, несимметричный характер формы группы рассеивающих частиц. В процессе юстировки и сужения пучков распределение световой интенсивности в дифракционной картине рассеяния вблизи оптической оси (в центральной части картины) будет зависеть от доли света, проходящего через частицы неоднородностей без рассеяния, а также света, прошедшего через свободное пространство между частицами и вне их группы. При достижении наибольшей равномерности световой интенсивности в минимальной области вблизи оптической оси будут выполняться условия уменьшения эффекта вторичного излучения, которое уже было рассеяно другими частицами, а также оптимальности размеров сечения пучка по обеим координатам (х и у), когда доля света, прошедшего вне группы рассеивающих частиц, будет минимальна.The coherent beams are narrowed using the corresponding diaphragms 10 ... 12 separately along one coordinate (x), then along the other (y), taking into account, therefore, the asymmetric shape of the group of scattering particles. In the process of alignment and narrowing of the beams, the distribution of the light intensity in the diffraction scattering pattern near the optical axis (in the central part of the picture) will depend on the fraction of light passing through the particles of inhomogeneities without scattering, as well as the light passing through the free space between the particles and outside their group. When the maximum uniformity of light intensity is achieved in the minimum region near the optical axis, the conditions for decreasing the secondary radiation effect, which has already been scattered by other particles, as well as the optimality of the beam cross section in both coordinates (x and y), when the fraction of light transmitted outside the group of scattering particles will be minimal.
После этого измеряют пространственно-частотные спектры по каждому вновь найденному направлению прохождения когерентного света через группу рассеивающих частиц и усредняют эти результаты, для чего производят действия по измерению пространственно-частотных спектров, описанных ранее после определения ориентации группы рассеивающих частиц в пространстве.After that, the spatial-frequency spectra are measured for each newly found direction of the passage of coherent light through a group of scattering particles and average these results, for which the steps are taken to measure the spatial-frequency spectra described earlier after determining the orientation of the group of scattering particles in space.
Коэффициенты корреляции световой интенсивности дифракционных картин рассеяния на частицах группы находят на основе формулыThe correlation coefficients of the light intensity of diffraction patterns of scattering by particles of the group are found on the basis of the formula
где угловые скобки означают усреднение по ансамблю соответствующих световых интенсивностей IN, а σ - их среднеквадратические отклонения, при этом шаг выборки in выбирают с учетом разрешающей способности телекамеры и требуемого коэффициента избыточности информации, поступающей в ЭВМ.where the angle brackets mean averaging over the ensemble of the corresponding light intensities I N , and σ their standard deviations, and the sampling step i n is selected taking into account the resolution of the camera and the required redundancy coefficient of the information received by the computer.
Пространственно-частотные спектры группы рассеивающих частиц определяют на основе формулыThe spatial frequency spectra of a group of scattering particles are determined based on the formula
где Ni - число частиц группы, равное N1…nl и размером di, равным d1...dL;where N i is the number of particles of the group equal to N 1 ... n l and the size d i equal to d 1 ... d L ;
Gi (fx) - пространственно-частотные спектры дифракционных картин рассеяния, порожденные частицами размером di;G i (f x ) - spatial frequency spectra of diffraction scattering patterns generated by particles of size d i ;
fx - дискретные пространственные частоты, на которых производится выработка значений световой интенсивности фурье-картины (fx=fx1, fx2...fxn),f x - discrete spatial frequencies at which the light intensity of the Fourier picture is generated (f x = f x1 , f x2 ... f xn ),
причем шаг а выборки выбирают таким, чтобы выполнялось следующее условиеmoreover, the sampling step a is chosen so that the following condition is satisfied
а≤ 1/2fX max,a ≤ 1 / 2f X max,
fX max - максимальная пространственная частота,f X max - maximum spatial frequency,
n (fX) - перекрестный член, обусловленный суммированием многих косинусоидальных сигналов со случайными пространственными частотами.n (f X ) is the cross term due to the summation of many cosine signals with random spatial frequencies.
Распределение световой интенсивности вблизи оптической оси определяют с помощью операции нормирования световой интенсивности в различных областях относительно интенсивности центральной области и сравнения результатов нормирования с заданным коэффициентом неравномерности, зависящим от формы группы рассеивающих частиц, концентрации частиц и их оптических характеристик и расположения в группе.The distribution of light intensity near the optical axis is determined using the operation of normalizing the light intensity in various regions relative to the intensity of the central region and comparing the results of normalization with a given coefficient of unevenness, depending on the shape of the group of scattering particles, particle concentration and their optical characteristics and location in the group.
Операцию нормирования завершают после достижения результатов нормирования близких или равных заданному коэффициенту неравномерности, причем из них выбирают такие, которые соответствуют минимальной площади дифракционной картины.The normalization operation is completed after reaching normalization results that are close to or equal to the given coefficient of unevenness, moreover, those that correspond to the minimum area of the diffraction pattern are selected from them.
Перед нормированием плоскость дифракционной картины вблизи оптической оси разбивают на ряд областей с помощью маски, синтезированной на ЭВМ.Before normalization, the plane of the diffraction pattern near the optical axis is divided into a number of regions using a mask synthesized on a computer.
Интенсивность светового поля в каждой из таких областей интегрируют и нормируют относительно интенсивности светового поля центральной области.The light field intensity in each of these regions is integrated and normalized with respect to the light field intensity of the central region.
Площадь дифракционной картины определяют интегрированием площадей всех внутренних областей, ограниченных внешними областями, для которых выполняется условие равномерности световой интенсивности.The area of the diffraction pattern is determined by integrating the areas of all the inner regions bounded by the outer regions, for which the condition of uniformity of light intensity is fulfilled.
Минимальный размер области выбирают из условия максимальной разрешающей способности телекамеры и объема буферной памяти, а расположение областей - по радиальным сегментам и кольцам.The minimum size of the region is chosen from the condition of the maximum resolution of the camera and the amount of buffer memory, and the location of the regions is along the radial segments and rings.
Благодаря описанному подходу в определении группы рассеивающих частиц в оптически прозрачных средах достоверность результатов измерения пространственно-частотных спектров повысилась в среднем на 25% и зависит от концентрации частиц в группе, их оптических характеристик и пространственного расположения.Thanks to the described approach to determining the group of scattering particles in optically transparent media, the reliability of the results of measuring the spatial-frequency spectra increased on average by 25% and depends on the concentration of particles in the group, their optical characteristics and spatial location.
В заявляемом изобретении повышение достоверности результатов измерения пространственно-частотного спектра группы рассеивающих частиц достигается за счет снижения эффекта вторичного излучения, которое уже было рассеяно другими частицами, за счет выбора оптимальных направлений регистрации изображений группы, точного определения ее размеров, а также усреднения результатов измерения, и обеспечивается совокупностью всех предложенных операций по определению группы рассеивающих частиц в оптически прозрачных средах.In the claimed invention, increasing the reliability of the measurement results of the spatial-frequency spectrum of a group of scattering particles is achieved by reducing the effect of secondary radiation, which has already been scattered by other particles, by choosing the optimal directions for registering group images, accurately determining its size, as well as averaging the measurement results, and provided by the totality of all the proposed operations to determine the group of scattering particles in optically transparent media.
Данное техническое решение опробовано в лабораторных условиях ВМА и может быть рекомендовано в прикладных областях, занимающихся идентификацией различных неоднородностей.This technical solution was tested in the laboratory conditions of the VMA and can be recommended in the application areas involved in the identification of various heterogeneities.
Источники информацииSources of information
1. Г.Старк. Применение методов фурье-оптики. - М., Радио и Связь.1988, с.82-90; 108-111; 179-182; 440-444.1. G. Stark. Application of Fourier optics methods. - M., Radio and Communications. 1988, p. 82-90; 108-111; 179-182; 440-444.
2. Л.А.Залманзон. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара. - М., Наука, 1989, с.298-307.2. L.A. Zalmanzon. Fourier, Walsh, Haar transforms. - M., Science, 1989, pp. 298-307.
3. Е.И.Куликов. Методы измерения случайных процессов. - М., Радио и Связь. 1986, с.260-262.3. E.I. Kulikov. Methods for measuring random processes. - M., Radio and Communications. 1986, p. 260-262.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002134036/28A RU2236032C1 (en) | 2002-12-17 | 2002-12-17 | Method for detecting group of dispersing particles in optically transparent media |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002134036/28A RU2236032C1 (en) | 2002-12-17 | 2002-12-17 | Method for detecting group of dispersing particles in optically transparent media |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002134036A RU2002134036A (en) | 2004-06-10 |
| RU2236032C1 true RU2236032C1 (en) | 2004-09-10 |
Family
ID=33433295
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002134036/28A RU2236032C1 (en) | 2002-12-17 | 2002-12-17 | Method for detecting group of dispersing particles in optically transparent media |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2236032C1 (en) |
-
2002
- 2002-12-17 RU RU2002134036/28A patent/RU2236032C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7502101B2 (en) | Apparatus and method for enhanced critical dimension scatterometry | |
| EP1364226B1 (en) | Apparatus and method for obtaining three-dimensional positional data from a two-dimensional captured image | |
| US7375810B2 (en) | Overlay error detection | |
| US7286242B2 (en) | Apparatus for measuring characteristics of thin film by means of two-dimensional detector and method of measuring the same | |
| US7312866B2 (en) | Methods and systems for substrate surface evaluation | |
| CN106895780B (en) | The Optical devices of position for measurement object | |
| CN105352915B (en) | A kind of dynamic measurement method of refractive index Two dimensional Distribution | |
| KR20200010461A (en) | Methods and associated optical devices for measuring curvature of reflective surfaces | |
| CN110207609A (en) | Three-D imaging method, device and the storage medium of active light based on multiple spectrum | |
| CN111220088B (en) | Measurement system and method | |
| US11454795B2 (en) | Surface sensing in optical microscopy and automated sample scanning systems | |
| Negara et al. | Imaging ellipsometry for curved surfaces | |
| CN113794839A (en) | Focal plane automatic focusing method of imaging ellipsometer | |
| US11385167B2 (en) | Beamsplitter based ellipsometer focusing system | |
| RU2236032C1 (en) | Method for detecting group of dispersing particles in optically transparent media | |
| KR101505745B1 (en) | Dual detection confocal reflecting microscope and method of detecting information on height of sample using same | |
| Zagar et al. | A laser-based strain sensor with optical preprocessing | |
| JPH04310836A (en) | Method for measure distribution of refractive index | |
| Maeda et al. | Birefringence compensation for single-shot 3D profilometry using a full-Stokes imaging polarimeter | |
| Ammann et al. | Enhancing the performance of light field camera by pattern projection | |
| CN113655610B (en) | Automatic focusing method and control device for photothermal reflection microscopic thermal imaging | |
| RU2760845C1 (en) | Method for detecting and identifying targets characteristics based on registration and processing of rays from objects in observed space and device for its implementation | |
| CN116659820A (en) | Test equipment, method and device for diffraction optical element and storage medium | |
| Noffsinger | Image Evaluation: Criteria and Applications Paper No. 1: Non-MTF Criteria | |
| CN115979142A (en) | Elliptical polarimeter-oriented light spot size measuring device and measuring method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20071218 |