SU1636736A1 - Способ измерени пол градиента показател преломлени - Google Patents

Abstract

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

Description

Изобретение относитс  к оптическим методам исследовани  объектов, содержащих прозрачные неоднородности показател  преломлени  (фазовых объектов ) , и может быть использовано дл  технологического контрол  процессов в различных отрасл х народного хоз йства, например в химической, электронной, оптикомеханической, пищевой промышленности, а также в гидроаэродинамике , физике плазмыг теплофизике .

Цель изобретени  - повышение точности и расширение динамического диа - пазона.

На фиг.1 и 2 представлена блок- схема устройств, реализующих способ.

Устройство (фиг.1; содержит лазер 1, оптическую систему 2, зеркальный восьмигранный барабан 3, св занный механической св зью с шаговым двигателем 4, исследуемый объект 5, оптическую систему 6, сопр женную с фотодиодной матрицей 7, котора  св зана с,ЭВМ 8, блок 9 КАМАКа, св занный с ЭВМ 8 и с шаговым двигателем 4.

Устройство (фиг.2) содержит тепловой источник 10 света, коллимирую- щую систему 11, диафрагму 12, магнитоэлектрический сканер 13, оптическую системуу образованную двум  объективами 14 и 15. между которыми находитс  исследуемый объект 16, квадратный координатно-чувствительный фотоО СО

о

со с&

приемник (КЧФ) 17, св занный с многоканальным самописцем 18, и генератор 19, св занный с самописцем 18 и со сканером 13.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

Свет, генерируемый лазером 1, преобразуетс  оптической системой 2 с целью получени  требующегос  прост- ранственного разрешени  и попадает .на зеркальный восьмигранный барабан 3, который приводитс  во вращение с помощью шагового двигател  4. Управление шаговым двигателем осуществл - етс  ЭВМ 8 через блок 9 КАМАКа. Лазерный пучок, пространственное положение которого в данный момент времени определ етс  уровнем управл ющих напр жений на двигателе 4, вырабаты- ваемых блоком 9 КАМАК по команде с ЭВМ 8, проходит через исследуемый объект 5. На выходе из объекта 5 лазерный пучок отклон етс  на угол, величина которого определ етс  интеграль- ньм по длине пучка значением градиента показател  преломлени . Отклоненный лазерный пучок проходит через оптическую систему 6, котора  в заданном масштабе строит изображение объ- екта 5 на светочувствительной поверхности фотодиодной матрицы 7. На выходе этой матрицы формируетс  элект рический сигнал, содержащий информацию о положении на ее поверхности лазерного пучка в соответствующий момент времени. Синхронизаци  сканировани  и приема осуществл етс  за счет того, что сканированием и приемом информации управл ет ЭВМ. В пам ти машины хранитс  информаци  о совокупности координат лазерного пучка на поверхности фотодиодной матрицы 7 при сканировании рабочего участка в случае отсутстви  в нем исследуемого объекта. При этом запоминаютс  искажающие полезную информацию паразитные отклонени , вызванные, например , аберраци ми оптической системы б и низким качеством стекла, из которого выполнены защитные окна рабочей частио На втором этапе измерений, когда зондирование рабочего участка осуществл етс  при наличии в нем исследуемого объекта 5, также происходит прием в ЭШ 8 совокупности координат на поверхности фотодиодной матрицы 7 лазерных пучков, отклоненных объектом 5, и разностна  обработка

0

5

0

5

0

5

этих координат с учетом полученной на первом этапе измерений соответствующей совокупности координат. По полученной разностной совокупности координат с помощью ЭШ вычисл етс  распределение градиента показател  преломлени  в объекте.

Устройство (фиг.2)работает следующим образом.

С помощью коллимирующей системы 11 и диафрагмы 12 формируетс  узкий пучок света, источником которого  вл етс  тепловой источник 10. Узкий пучок света попадает на магнитоэлектрический сканер 13, представл ющий собой зеркало, управл емое по углу наклона с помощью электрического сигнала , вырабатываемого генератором 19. Отклоненный сканером узкий пучок света преобразуетс  объективом 14, прог свечивает исследуемый объект 16, испытыва  отклонение на неоднородност х показател  преломлени , преобразуетс  объективом 15 и попадает на поверхность квадрантного координатно-чувст- вительного фотоприемника 17. При этом зеркало сканера 13 и фоточувствительна  поверхность фотоприемника 17  вл ютс  сопр женными с помощью оптической системы, образованной объективами 14 и 15. Электрический сигнал с КЧФ 17 пропорционален положению светового пучка на его поверхности и регистрируетс  с помощью самописца 18. На другой канал самописца 18 подаетс  сигнал с генератора 19, уп- равл ющего сканером 13 и дающего информацию о координате сканируемого луча. На первом этапе записываетс  сигнал КЧФ 17 полученный при отсутствии в рабочем участке объекта, а на втором этапе - при наличии объекта 16. Разностна  обработка сигнала осуществл етс  путем вычитани  соответствующих показаний, полученных во втором и в первом случае.

Сущность изобретени  состоит в том, что зондирование исследуемого объекта осуществл етс  узким по сравнению с его пространственным мас- штабом пучком света, который сканируетс , освеща  все излучаемое пространство объекта. Синхронно со сканированием осуществл етс  регистраци  угла рефракции зондирующего пучка , а также разностна  обработка информации , получаемой при освещении рабочего участка при наличии и при

отсутствии в нем исследуемого объек- та. Повышение точности и расширение динамического диапазона измерени  распределени  градиента показател  преломлени  обеспечиваетс  тем, что информаци  не искажаетс , так как нет наложени  лучей света, прошедших через отдельные участки объекта. Кроме того, так как фиксируетс  информаци  только о положении (координате ) прошедшего через объект светового пучка, повышение точности обеспечиваетс  также за счет исключени  вли ни  на полезную информацию паразитных флуктуации интенсивности прошедшего через объект пучка света (вследствие флуктуации интенсивности зондирующего пучка или по другим причинам).

Кроме того, применение разностного способа обработки информации позвол ет также повысить точность и расширить динамический диапазон измерений за счет исключени  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 достигаютс  в сочетании со сканированием и фиксацией отклонени  луча от невозмущенного направлени  вследствие про влени  этими признаками указанных свойств.

Пример. Способ был реализован с помощью устройства (фиг.2). Свет от ртутной лампы типа ДРШ-250 колли- мируетс  с помощью линзы. Кругла  диафрагма 12 диаметром 0,5 мм вырезает узкий пучок света, попадающий на сканер 13, который представл ет собой зеркало, закрепленное на токопровод - щей рамке, помещенной в поле посто нного магнита. Сканер 13 осуществл ет строчную развертку зондирующего луча

и выполнен на базе магнитоэлектричес- 50  вл етс  паспортной характеристикой

5

0

5

15 ТАИР-3. Таким образом, при освещении оптически однородного участка пучок света остаетс  неподвижньм на поверхности фотоприемника 17 при сканировании зондирующего пучка света. При отклонении зондирующего пучка в объекте на угол

л 1 Г n , в -Hi I 3Z d У

где

z п

- показатель преломлени  среды , окружающей изучаемый объект; n r показатель преломлени 

объекта;

L - прот женность объекта вдоль направлени  зондировани  у; Z - направление сканировани , происходит смещение светового пучка на поверхности фотоприемника вдоль оси Z на величину

Д f67 ,

где f - фокусное рассто ние объектива ТАИР-3 (f 300 мм). Так, еслиЗп/Эг 1/см, a L 20 см и объект находитс  в воздухе, то

9г

п

о

-4

Эп

Sz

2

2

ф

10 рад. ЈД

300 -2- 10 6 -10 мм 60 мкм

и может быть надежно зарегистрировано квадрантным фотодиодом. Так, если фотодиод имеет крутизну координатной характеристики 10 В/мм, то на выходе КЧФ имеем сигнал с амплитудой, равной 0,6 В. Этот сигнал регистрируетс  самописцем. Сигнал КЧФ не зависит при этом от интенсивности свето- вого пучка на поверхности КЧФ в широком диапазоне изменени  интенсйвнос- тей, а градуировка сводитс  к получению координатной характеристики КЧФ, котора  может быть сн та один раз и

кого гальванометра и посто нного магнита. Зеркало сканера находитс  в передней фокальной плоскости осветительного объектива 14 ТАИР-3. Таким образом, объект 16 просвечиваетс  55 Синхронизаци  сканировани  и приема параллельно перемещающимс  при ска - - информации осуществл етс  путем нировании пучком света. Квадрантный записи на второй канал самописца уп- фотоприемник 17 находитс  в задней фо- равн ющего сканером напр жени  от калькой плоскости приемного объектива генератора Г6-27. Вычитание регистреустроиства

Управление сканером осуществл етс  симметричным треугольным импульсом , вырабатываемым генератором Г6-27.

Claims (1)

1. грамм сигналов сканировани  осуществл етс  путем наложени  и соответствующего .поэлементного вычитани  регист- рограмм, полученных на самописце при наличии и при отсутствии объекта в - рабочем участке устройства. i Формула изобретени 

   Способ измерени  пол  градиента показател  преломлени , включающий освещение объекта, расположенного в рабочей зоне измерительной системы, ре- /гистрацию прошедшей световой волны и обработку полученных данных, отличающийс  тем, что, с

   ФИГ. I

   целью повышени  точности и расшире4-- ни  динамического диапазона измерений , предварительно освещают сканируемым лучом рабочую зону измерительной системы без исследуемого объекта, фиксиру  отклонени  луча от невозмущенного направлени  распространени  в каждой точке рабочей зоны, и запоминают эти результаты, этим же сканируемым лучом освещают объект после его помещени  в рабочую зону с фиксацией отклонени  луча в каждой точке объекта, а о величине градиента показател  преломлени  суд т по разности зафиксированных отклонений в каждой точке рабочей зоны.