SU1704038A1

SU1704038A1 - Device for measurement of refractive index gradient

Info

Publication number: SU1704038A1
Application number: SU904821611A
Authority: SU
Inventors: Евгений Викторович Гуменник
Original assignee: Институт Проблем Механики Ан Ссср
Priority date: 1990-04-28
Filing date: 1990-04-28
Publication date: 1992-01-07

Abstract

Изобретение относитс к области оптических методов исследовани физических свойств объектов, вли ющих на параметры зондирующей световой волны, и может быть использовано в химической. Электронной, оптико-механической, .пищевой промышленности , а также при проведении научных исследований в области гидроаэродинамики , физики плазмы. Цель изобретени - упрощение конструкции и повышение точности . В устройстве дл измерени градиента показател преломлени , содержащем источник света, размещенный в фокальной плоскости осветительного объектива, размещенный за этим объективом приемный объектив, помещенный за ним пространственный фильтр с блоком регистрации теневой картины, лазер с дефлектором. оптически сопр женный с координатно-чув- ствительным фотоприемником, и средства сопр жени в виде двух полупрозрачных плоскопараллельных пластин, одна пластина размещена перед осветительным объективом , а втора -за приемным объективом, при этом дефлектор установлен так, что выход щий из него луч находитс в фокусе главного осветительного объектива, а коор- динатно-чувствительный Фотоприемник помещен в фокальной плоскости главного приемного объектива. 2 ил. елThe invention relates to the field of optical methods for studying the physical properties of objects that influence the parameters of a probing light wave, and can be used in chemical engineering. Electronic, optomechanical, food industry, as well as during scientific research in the field of fluid dynamics, plasma physics. The purpose of the invention is to simplify the design and improve accuracy. In a device for measuring the gradient of the refractive index, containing a light source placed in the focal plane of the lighting lens, a receiving lens placed behind this lens, a spatial filter placed behind it with a shadow pattern recording unit, a laser with a deflector. optically conjugated with a coordinate-sensitive photodetector, and interface devices in the form of two semitransparent plane-parallel plates, one plate placed in front of the lighting lens, and the second — behind the receiving lens, while the deflector is set so that the focus of the main illumination lens, and the coordinate-sensitive photodetector is placed in the focal plane of the main receiving lens. 2 Il. ate

Description

Изобретение относитс к области оптических методов исследовани объектов, содержащих прозрачные неоднородности показател преломлени , и может быть использовано дл технологического контрол в различных отрасл х народного хоз йства, например, в химической, оптико-механической , пищевой промышленности, а также в гидроаэродинамике, теплофизике. физике плазмы.The invention relates to the field of optical methods for the investigation of objects containing transparent inhomogeneities of the refractive index, and can be used for technological control in various branches of the national economy, for example, in the chemical, optical-mechanical, food industry, as well as in hydrodynamics, thermal physics. plasma physics.

Известны лазерные рефрактометры, позвол ющие получать оперативную количественную информацию о градиентеLaser refractometers are known that can provide rapid quantitative information on the gradient.

показател преломлени . Однако измерение полевых параметров градиента показател преломлени с помощью таких систем затруднительно.refractive index. However, measurement of the field parameters of the refractive index gradient using such systems is difficult.

Наиболее близким к изобретению вл етс устройство, содержащее источник излучени (например, точечный или щелевой), осветительный объектив, св занный с источником излучени , приемный объектив, св занный с пространственным фильтром (форма фильтра согласована с формой источника излучени ), лазер, оптически св занный с дефлектором, и координатноVIClosest to the invention is a device containing a radiation source (for example, a point or slit), an illumination lens associated with a radiation source, a receiving lens associated with a spatial filter (the shape of the filter is matched with the shape of the radiation source), a laser, optically entered with deflector, and coordinate VI

SS

оabout

со соwith so

чувствительный фотоприемннк (КЧФ). Така измерительна система позвол ет получать информацию об исследуемом объекте одновременно в виде визуально наблюдаемой и регистрируемой теневой картины и в форме электрического сигнала лазерного рефрактометра. К недостаткам этого устройства относ тс сложность и громоздкость конструкции, а также недостаточно высока точность измерений. Это св зано с тем, что при измерении полевых характеристик в ветви лазерного рефрактометра необходимо использовать объективы (передающий и приемный), которые по своим габаритным и оптическим параметрам аналогичны главным объективам теневого прибора, которые, как известно, имеют большие размеры и высокую стоимость. Кроме того, дл согласовани оптических ветвей теневого прибора и лазерного ре- Фрэктометра требуютс плоскопараллепь- ные полупрозрачные пластины больших размеров (в 2 раза больше, чем поле зрени теневого прибора) и высокого оптического качества. Использование этих пластин ведет к снижению точности измерений градиента показател преломлени в объеме, так как на результаты этих измерений оказывают вли ние неоднородности самих пластин. Кроме того, крупногабаритные высококачественные оптические пластины имеют значительную толщину и их использование зедет к двоению теневого изображени обь- ,тг и к снижению точности измерени .sensitive photo-detectors (KCF). Such a measuring system makes it possible to obtain information about the object under study simultaneously in the form of a visually observable and recorded shadow pattern and in the form of an electrical signal from a laser refractometer. The disadvantages of this device include the complexity and bulkiness of the design, as well as the measurement accuracy is not high enough. This is due to the fact that when measuring field characteristics in a branch of a laser refractometer, it is necessary to use lenses (transmitting and receiving), which in their overall and optical parameters are similar to the main lenses of a shadow instrument, which are known to have large dimensions and high cost. In addition, to match the optical branches of the shadow device and the laser re-Fraktometr, plane-parallel semi-transparent plates of large dimensions (2 times larger than the field of view of the shadow device) and high optical quality are required. The use of these plates leads to a decrease in the accuracy of measurements of the refractive index gradient in the volume, since the results of these measurements are affected by the inhomogeneity of the plates themselves. In addition, large-sized high-quality optical plates have a considerable thickness, and their use will result in doubling the shadow image of the OB, TG and decrease in the measurement accuracy.

Цель изобретени - упрощение конструкции и повышение точности измерени .The purpose of the invention is to simplify the design and improve the measurement accuracy.

Поставленна цель достигаетс за счет того, что в устройстве дл изморепи гради- мтл показател преломлени , содержащем и-лсчмик излучени и расположенные по хо- Ау излучени осветительный объектив, в фокальной плоскости которого расположен источник излучени , приемный объектив, пространственный фильтр и бпок регистрации тенесой картины, а также лазер с дефлектором , оптически сопр женный с КЧФ, идее полупрозрачные плоскопараллельные пластины, одна из пластин расположена мзжду источником излучени и осветительном объективом, втора - походу излучени пластина - за приемным объектисом. при этом дефлектор расположен в фокальной плоскости осветительного объектива, и через полупрозрачные пластины сопр жен с КЧФ, установленным в фокальной плоскости приемного объектива.This goal is achieved due to the fact that in the device for measuring the gradient of the refractive index, which contains an radiation emission and a lighting lens located along the radiation source, in the focal plane of which there is a radiation source, a receiving objective, a spatial filter and a side register pictures, as well as a laser with a deflector, optically conjugated to the CSF, the idea of translucent plane-parallel plates, one of the plates is located between the radiation source and the lighting lens, the second - plate radiation hike - behind the receiving object. at the same time, the deflector is located in the focal plane of the illuminating lens, and through the semi-transparent plates is interfaced with the RFA, installed in the focal plane of the receiving lens.

На фиг. 1 представленоустройство. первый вариант; на фиг. 2 - то же, второй вариант .FIG. 1 presents the device. first option; in fig. 2 - the same, the second option.

Первое устройство садеожит источник 1 излучени , осветительный объектив 2, исследуемый объект 3, приемный объектив 4, пропорциональный фильтр 5, блок 6 рёгистрации теневой картины, лазер 7, дефлектор 8, полупрозрачные пластины 9 и 10, КЧФ 11. Устройство работает следующим образом .The first device coordinates the radiation source 1, the illumination lens 2, the object to be examined 3, the receiving lens 4, the proportional filter 5, the shadow pattern registration block 6, the laser 7, the deflector 8, the translucent plates 9 and 10, KCF 11. The device works as follows.

С помощью источника 1 излучени , расположенного в фокальной плоскости осветительного объектива 2, формируетс широкий параллельный световой пучок, который зондирует исследуемый объект 3. Неоднородности показател преломлени вUsing a radiation source 1 located in the focal plane of the illumination lens 2, a wide parallel light beam is formed, which probes the object 3 under study. Inhomogeneities of the refractive index in

исследуемом объекте вызывают отклонени лучей широкого зондирующего пучка в местах локализации этих неоднородностей. После взаимодействи с объектом широкий световой пучок преобразуетс приемнымthe object under study causes deflection of the rays of the wide probe beam in the places of localization of these inhomogeneities. After interacting with the object, the wide light beam is converted by the receiving

объективом 4 и осуществл етс егб пространственна фильтраци с помощью про- странственного фильтра 5, который располагаетс в фокальной плоскости приемного объектива 4. При этом, так как характеристики пространственного фильтра согласованы с характеристиками источника излучени (например, щелевой источник излучени - нож Фуко), то через пространственный фильтр проход т лишь те световыеlens 4 and executing spatial filtering using a spatial filter 5, which is located in the focal plane of the receiving lens 4. In this case, since the characteristics of the spatial filter are consistent with the characteristics of the radiation source (for example, a slit radiation source - Foucault's knife), only those light waves pass through the spatial filter.

лучи, которые были отклонены неоднород- ност ми объекта от направлени невозмущенного распространени . Прошедшие через пространственный фильтр 5 лучи попадают в блок 6 регистрации теневой картины объекта, в котором происходит формирование и регистраци теневой картины объекта.rays that were deflected by object inhomogeneities from the direction of the unperturbed propagation. The rays that pass through the spatial filter 5 fall into block 6 of the registration of the shadow pattern of the object, in which the shadow pattern of the object is formed and recorded.

Одновременно с широким световым пучком объект зондируетс узким лазернымSimultaneously with a wide light beam, the object is probed by a narrow laser

пучком, который генерируетс лазером 7, и после отклонени дефлектором 8 направл етс о исследуемый объекте помощью полупрозрачной пластины 9. Полупрозрачна пластина 9 располагаетс таким образом,a beam that is generated by the laser 7, and after being deflected by the deflector 8, is guided about the object under study by means of the translucent plate 9. The translucent plate 9 is positioned in such a way

чтобы дефлектор 8 находилс в фокальной плоскости осветительного объектива .. В этом случае отклонени с помощью дефлектора 8 лазерного пучка по углу трансформируютс осветительным объективом вso that the deflector 8 is located in the focal plane of the illumination lens. In this case, the deflections of the laser beam deflector 8 are angularly transformed by the illumination lens into

плоскопэраллельное его перемещение с области исследуемого объекта 3, что позвол ет путем соответствующего управлени дефлектором вывести зондирующий лазерный лучок в любую область исследуемогоits plane-flatral displacement from the area of the object under study 3, which allows, by appropriate control of the deflector, to bring the probe laser beam to any area of the object under study

объекта, представл ющую интерес дл исследовани по результатам качественного анализа теневой картины. При этом лазерный зондирующий пучок в любом рабочем положении параллелен лучам широкого соетового пучка от источника 1 излучени . Прошед .игй через сБьект 3 лазерный лучок с помощью полупрозрачной пластины 10 на- пр зл етс иг КЧФ 11. При этом пластина 10 располагаетс образом, чтобы светочувствительна поверхность КЧФ 11 находилась в фокальное плоскости приемного объектива 4, При этом лазерный пучок будет отклон тьс на поверхность КЧФ лишь тогда , когда зондирующий пучок проходит через оптически неоднородные области объекта. Сигнал на выходе КЧФ пропорционален этим отклонени м и св зан с измер емой величиной градиента показател преломлени через электрические параметры КЧФ и оптические параметры приемной оптической системы. Часть лазерного пучка , прошедша через пластину 10, создает метку на теневой картине, маркирующую ту область объекта, в котооой в данный момент времени производитс измерение с помощью лазерного рефрактометра.an object of interest to the study based on the results of a qualitative analysis of the shadow pattern. At the same time, the laser probe beam in any working position is parallel to the beams of a wide net beam from the radiation source 1. Passing the laser beam through FB 3 with the help of a semitransparent plate 10 directs KCF 11. In this case, the plate 10 is positioned so that the photosensitive surface of CFC 11 is located in the focal plane of the receiving lens 4, and the laser beam will deflect by the surface of the CFC is only when the probe beam passes through the optically inhomogeneous regions of the object. The signal at the output of the FSC is proportional to these deviations and is related to the measured value of the refractive index gradient through the electrical parameters of the FFC and the optical parameters of the receiving optical system. The part of the laser beam passing through the plate 10 creates a mark on the shadow pattern marking the area of the object at which the current measurement is being measured using a laser refractometer.

Одновременна регистраци информации об объекте с помощью лазерного рефрактометра и теневой картины с маркером области измерени лазерного рефрактометра позвол ет существенно упростить процесс дальнейшей обработки теневой картины с целью получени по ней количественной информации путем фотометриро- вани , так как а этом случае не требуетс использовани эталонного фазового объекта , а прив зка степени почернени на теневой картине к величине угла рефракции производитс по результатам измерени лазерным рефрактометром.Simultaneous recording of information about an object using a laser refractometer and a shadow pattern with a marker of the measurement area of a laser refractometer significantly simplifies the process of further processing the shadow pattern in order to obtain quantitative information on it by photometry, since in this case the use of a reference phase object is not required. and the degree of blackening in the shadow pattern to the magnitude of the refraction angle is derived from the measurement results of a laser refractometer.

Второе устройство содержит источник 1 излучени , осветительную оптическую систему 12, первую согласующую оптическую систему, включающую в себ объектив 13 и полупрозрачную плэ .тину 9, лазер 7, дефлектор 8, осветительный объектив 2, объект 3 исследовани , приемный объектив 4, прос.тронстсенкый фильтр 5, вторую согласующую оптическую систему, включающую в себ полупрозрачную пластину 10 и объектив 14, блок G регистрации теневой картины , КЧФ 15.The second device comprises a radiation source 1, an illumination optical system 12, a first matching optical system including a lens 13 and a translucent flat 9, a laser 7, a deflector 8, an illumination lens 2, an object 3 of investigation, a receiving lens 4, thrust str. a filter 5, a second matching optical system including a translucent plate 10 and a lens 14, a shadow pattern recording unit G, a CCF 15.

Устройство по второму варианту работает следующим образом.The device according to the second variant operates as follows.

В фокальной плоскости А осветительно-. го объектива 2 с помощью осветительной оптической системы 12 формируетс изображение источника 1 излучени . Таким образом , объект 3 оссещаетс широким параллельным пучком спета. Взаимодейст- ьие этого пучка с объектом и формирование теневой картины осуществл етс аналогично тому, как это происходит при работе первого устройства. Дефлектор 8 располагаетс таким образом, чтобы в плоскости АIn the focal plane A is illuminating-. An objective 2 of the lens 2 is used to form an image of the radiation source 1 using the illumination optical system 12. Thus, object 3 is carried out by a wide parallel bundle of singing. The interaction of this beam with the object and the formation of a shadow pattern is carried out in the same way as during the operation of the first device. The deflector 8 is positioned so that in plane A

находилось его изображение, формируемое с помощью объектива 13 и полупрозрачной пластины 9. Тогда при подаче на дефлектор управл ющего сигнала (блок управлени дефлектором не показан) в плоскости А происходит лишь угловое смещение лазерного пучка и не происходит изменени его пространственного положени в этой плоскости . Таким образом, пучок лазерногоits image was formed by the lens 13 and the semitransparent plate 9. Then, when a control signal is applied to the deflector (control unit of the deflector is not shown) in plane A, only an angular displacement of the laser beam occurs and no change in its spatial position in this plane occurs. So the laser beam

0 рефрактометра может быть установлен в требуемую точку объекта аналогично тому. , как в первом устройстве.The 0 refractometer can be installed at the desired point of the object in a similar way. as in the first device.

Полупрозрачна пластина 10 и объектив 14 располагаютс таким образом, что свето5 чувствительна поверхность КЧФ 11 вл етс оптически сопр женной с плоскостью расположени пространственного фильтра 5. Если в объекте 3 отсутствуют оптические неоднородности, то лазерный пучск лазер0 ного рефрактометра, проход через различные области объекта, попадает в одну и ту же точку плоскости, где располагаетс пространственный фильтр, а далее, отража сь от пластины 10 и проход через объектив 14.The translucent plate 10 and the lens 14 are positioned in such a way that the light-sensitive surface of the KCF 11 is optically coupled to the plane of the spatial filter 5. If the object 3 lacks optical inhomogeneities, the laser beam of the laser refractometer passes through different areas of the object at the same point of the plane where the spatial filter is located, and then, reflecting from the plate 10 and the passage through the lens 14.

5 этот пучок попадает в одну и ту же точку светочувствительной поверхности КЧФ. Если в области объекта, через которую проходит лазерный пучок, имеетс оптическа неоднородность, то лазерный пучок испы0 тывает в плоскости фильтра 5 пространственное и угловое смещение по отношению к направлению невозмущенного распространени , а после отражени от пластины 10 и прохождени через объектив 14 отклон 5 етс от первоначального положени на поверхности КЧФ 11. Это отклонение, несущее информацию об объекте, преобразуетс с помощью КЧФ 11 в электрический сигнал и регистрируетс .5, this beam falls on the same point of the photosensitive surface of the EFC. If there is optical irregularity in the area of the object through which the laser beam passes, the laser beam experiences spatial and angular displacement in the plane of the filter 5 with respect to the direction of unperturbed propagation, and after reflecting from the plate 10 and passing through the lens 14, deviates 5 from the initial position on the surface of the FSC 11. This deviation, carrying information about the object, is converted by the FFC 11 into an electrical signal and recorded.

00

Claims

Apparatus of the Invention A device for measuring a refractive index gradient comprising a radiation source and located along the

5 radiation, an illuminating lens, in the frontal plane of which there is an radiation source, a receiving lens, a spatial filter and a shadow pattern registration unit, as well as a laser with a deflector, optically conjugated with a coordinate-sensing photodetector, and two translucent plane-parallel plates, distinguished by . what. In order to simplify the construction and improve accuracy, one of the plates is located between the radiation source and the lighting lens, the other along the radiation plate is behind the receiving lens, while the deflector is located in the focal plane of the lighting

and through semitransparent plastic photoreceiver installed in the backgrounds of interfaces with the coordinate-sensitive plane of the receiving lens.

Needle