Claims (2)
Изобретение относитс к технике измерени размеров микрочастиц и может быть использовано в различных об TiacTHx науки и техники, где требуетс точное измерение размеров прозрач ных сферических микрочастиц, наприме в метеорологии дл измерени дисперс ного состава гидрометеоров, в механи ке и химии дл анализа микроструктуры распыленных жидкостей. Известен фотоэлектрический способ измерени размеров движуш.ихс микрочастиц , заключающийс в том, что час тицу облучают световым потоком от од ного источника по методу темного пол , с.помощью объектива получают,ее изображение на входном окне фотоэлек тронного умножител (ФЭУ), и по амплитуде импульсов напр жени , возникающих на нагрузке ФЭУ при прохождении частицы в поле зрени объектива суд т о размере частицы 1. Однако этот способ не дает информации о пространственном движении частицы, а в случае, когда производ тс измерени .частиц с близкими размерами, сложна практическа реали заци этого способа. Наиболее близким по технической сущности вл етс способ определени размеров микрочастиц, обладающих зеркально гладкими поверхност ми, заключающийс в том, что частицу облучают двум световыми потоками, направленными под острым углом один к другому, получают ее изображение в виде двух свет щихс точек, вл ющихс изображени ми площадок на поверхности частицы , от которых отражаетс часть светового потока,попадающа затем в апертуру объектива, измер ют рассто ние между этими свет щимис точками, по которому и определ ют размеры микрочастиц 2 . Однако использовать этот способ дл определени размеров прозрачных сферических микрочастиц затруднительно . Дл таких частиц мал коэффициент отражени светового потока от их поверхности . Кроме того, нар ду с отраженными от поверхности частиЦы световыми пучками, попадающими в апертуру объектива регистрирующей системы, туда также попадают и преломленные частицей пучки, причем в зависимости от величины угла между облучающим световым потоком и оптической осью объектива , ркость преломленных пучков может значительно превглиать ркость пучков отраженных. Поэтому дл наблюдени слабо свет щихс точек, соответс вующих отраженным от поверхности мик рочастицы пучкам, на фоне наход щихс в непосредственной близости от них рких точек, соответствующих преломленным микрочастицей пучкам, необхо димы устройства с большим динамическим диапазоном разрешени по ркости (далее указанные точки называютс со ответственно отраженной и преломленной точками), Более того, при некото рых услови х наблюдение отраженных точек вообще невозможно. Это происходит в том случае, когда отраженна и преломленна точки, возникающие от разных облучающих пуч ков, начинают сливатьс , т.е. рассто ние мэжду ними л становитс равным величине дифракционного предела разрешени объектива системы регистраци Д 1,22 Л/А , где Л - длина волны облучающего светового потока; А числова апертура объектива. С умень шением угла Ъ между облучающим свето вым потоком и оптичеркой осью объектива системы регистрации Д растет. При малых Ъ l(l-i/h) где п - показатель преломлени вещества микрочастицы. Так как А Ь , .то наибольшее значениеД составл ет s-D маис 1а(1-1;н) , где R - радиус микрочастицы. Дл регистрации отраженной точки необходимо, чтобы , откуда вытекает ограничение на R. При ,33,,1,,5 мкм R -TfS мкм. Это ограничение вл етс также недостатком известного способа определени размеров микроча тиц. Можно выбрать угол Ъ таким образо что в апертуру объектива системы регистрации не попадут лучи, преломлен ные микрочастицей. Дл этого необходимо ,чтобы Ъ был больше Ъгр/ где Ъго определ етс формулой: . .cp-ie V Ч ч I п Следует отметить, что при (т.е. практически дл всех известных прозрачных в видимом оптическом диащазоне веществ, исключа газы/ угол между облучающими световыми потоками становитс тупым, т.е. )/ что уже не удовлетвор ет требованию, изложенному в известном способе (2& острый ) . Если все же при by/fef.. дл определени размеров прозрачной сферической микрочастицы примен ть известный способ, то величина относительной погрешности F в определении радиуса частицы определ етс формуло Uli/bin Cb/a)Поскольку b-7brp ТО () /2 . При п 1,33, ,1, 6%. Как следует из приведенной выше формулы,Fg увеличиваетс с ростом Ь . Поэтому дл сохранени точности измерений должно быть наложено ограничение не только на величину угла между облучающими световыми пучками, но и на величину угла между каждым из пучков и оптической осью объектива ре-, 1 истрирующей системы. Следовательно, при измерении размеров микрочастиц по известному способу , необходимо облучать микрочастицы световыми пучками, направленными в сторону объектива. Кроме того, с увеличением угла Ъ коэффициент отражени от поверхности частицы лучей, попадающих в апертуру объектива, стремитс к своему минимальному значению, равному ( при Ь , ЧТО накладывает более высокие требовани на чувствительность регистрирующей системы к слабым световым потокам. Таким образом, известный способопределени размеров прозрачных микрочастиц имеет следующие недостатки: а)при облучении прозрачных сферических микрочастиц часть облучающего светового потока фокусируетс микрочастицей , за счет чего в плоскости изображени регистрирующей системы р дом с отраженной точкой по вл етс точка с большей ркостью. В результате , дл разрешени отраженной точки на фоне точки преломлений: требуетс применение аппаратуры с высоким динамическим диапазоном по ркости. Однако даже в этом случае точность измерений невелика, так как наличие дифракционной структуры вокруг изображени преломленной точки не позвол ет точно определить положение точки отраженной; б)при определении размеров частиц, использу преломленные точки (и производ вычислени по другим формулам), точность измерений зависит от положени отраженной точки. Это св зано с тем, что наличие отраженной точки приводит к размытию изображени преломленной точки; в)ограничиваетс нижний предел измер емых размеров микрочастиц, цапример дл микрочастиц из воды размером 15 мкм. Цель изобретени - возможность определени разм-зров прозрачных частиц с одновременным повышением точности измерений. .Поставленна цель достигаетс тем, что облучающие световые пучки направл ют на частицы со стороны объектива регистрирующей системы, а угол между ними устанавливают согласно зависимости: „ „ . Иб-п 2ot 8arcs n-n -rs-4arcs ni где 2.06- угол между световыми пучками п - показатель преломлени вещества исследуемых частиц. На чертеже изображен ход лучей в меридиональном сечении микрочастицы. Световые пучки 1 и 2 падают на про зрачную сферическую частицу 3 со стороны объектива 4 регистрирук дей систе мы под углами относительно оптичес- кой оси объектива 00 и преломл ютс частицей. При этом часть лучей из пучков 1 и 2, падающа на поверхность частицы под углом i отражаетс от поверхности частицы в точках А и А , фокусируетс в точках В и В , а затем попадает в апертуру объектива ( в общем случае, точки В и В не лежат на поверхности микрочастицы). Таким образом . частица видна в микроскоп в ви де двух точек, вл ющихс изображени ми точек В и в . Обозначим рассто ние между точками В и в через The invention relates to a technique for measuring the size of microparticles and can be used in various science and technology that requires precise measurement of the size of transparent spherical microparticles, for example in meteorology for measuring the dispersion of hydrometeors, in mechanics and chemistry for analyzing the microstructure of sprayed liquids. A photoelectric method for measuring the dimensions of moving particles of microparticles is known, which means that the particle is irradiated with a light flux from a single source using the dark field method, using an objective lens, its image on the photoelectric multiplier input window (PMT), and amplitude the voltage pulses arising from the load of the photomultiplier as the particle passes through the field of view of the lens are judged on particle size 1. However, this method does not provide information on the spatial motion of the particle, and in the case when measurements are made. with similar dimensions, complex practical realizations zatsi this method. The closest to the technical essence is the method of determining the size of microparticles with mirror-smooth surfaces, which means that the particle is irradiated with two light fluxes directed at an acute angle to one another, its image is obtained in the form of two luminous points The areas on the surface of the particle, from which the part of the light flux is reflected, which then falls into the aperture of the lens, measure the distance between these luminous points, on which the dimensions of the m krochastits 2. However, it is difficult to use this method to determine the size of transparent spherical microparticles. For such particles, the reflection coefficient of the light flux from their surface is small. In addition, along with the light beams reflected from the surface of the particle, which fall into the lens aperture of the recording system, the beams refracted by the particle also get there, and depending on the angle between the irradiating light flux and the optical axis of the lens, the brightness of the refracted beams can significantly exceed the brightness reflected beams. Therefore, to observe the weakly glowing points corresponding to the beams reflected from the surface of the microparticles, against the background of the bright points in the immediate vicinity of them, corresponding to the beams refracted by the microparticle, devices with a large dynamic resolution range are needed. responsibly reflected and refracted by points), Moreover, under certain conditions, observation of reflected points is generally impossible. This occurs in the case when the reflected and refracted points arising from different irradiating beams begin to merge, i.e. the distance between them l becomes equal to the value of the diffraction limit of the resolution of the lens of the registration system D 1,22 L / A, where L is the wavelength of the irradiating light flux; A numerical aperture of the lens. With a decrease in the angle b between the irradiating light flux and the optical axis of the lens of the recording system, D increases. For small b l (l - i / h) where n is the refractive index of the substance of the microparticle. Since A b,. The highest value of D is s-D maize 1a (1-1; n), where R is the radius of the microparticle. To register the reflected point, it is necessary that, whence, the restriction on R. follows. At, 33,, 1,, 5 microns R is TfS microns. This limitation is also a disadvantage of the known method for determining the size of microparticles. It is possible to choose the angle b in such a way that the rays refracted by the microparticle will not fall into the aperture of the lens of the registration system. For this, it is necessary that b be greater than f / / where b is defined by the formula:. .cp-ieV H h I p It should be noted that when (i.e., for practically all known substances transparent in the visible optical range, excluding gases / angle between the irradiating light fluxes becomes blunt, i.e.) / that is no longer satisfies the requirement set forth in the known method (2 & sharp). If, however, with by / fef .., the known method is used to determine the size of a transparent spherical microparticle, then the relative error F in determining the particle radius is determined by the formula Uli / bin Cb / a) Since b-7brp TO () / 2. When n 1.33, 1, 6%. As follows from the above formula, Fg increases with b. Therefore, in order to preserve the accuracy of measurements, a restriction should be imposed not only on the angle between the irradiating light beams, but also on the angle between each of the beams and the optical axis of the lens of the rectifier system. Therefore, when measuring the size of microparticles by a known method, it is necessary to irradiate the microparticles with light beams directed towards the lens. In addition, as the angle b increases, the reflection coefficient from the particle surface of the rays falling into the lens aperture tends to its minimum value (for b, THAT imposes higher requirements on the sensitivity of the recording system to weak light fluxes. Thus, the known method of determining dimensions transparent microparticles has the following disadvantages: a) when irradiating transparent spherical microparticles, part of the irradiating light flux is focused by the microparticle, due to which, in the plane of mapping the recording system adjacent to the reflection point is a point on a higher brightness. As a result, to resolve the reflected point against the background of the point of refraction: the use of equipment with a high dynamic range in brightness is required. However, even in this case, the accuracy of measurements is small, since the presence of a diffraction structure around the image of the refracted point does not allow one to accurately determine the position of the reflected point; b) when determining particle sizes using refracted points (and calculating using other formulas), the accuracy of measurements depends on the position of the reflected point. This is due to the fact that the presence of a reflected point leads to a blurring of the image of the refracted point; c) the lower limit of the measured size of the microparticles is limited, for example for microparticles of water of 15 µm in size. The purpose of the invention is the ability to determine the size of transparent particles with a simultaneous increase in measurement accuracy. The goal is achieved by the fact that the irradiating light beams are directed to the particles from the side of the objective of the recording system, and the angle between them is set according to the dependence: "". Ib-n 2ot 8arcs nn-rs-4arcs ni where 2.06 is the angle between the light beams and n is the refractive index of the substance of the particles under study. The drawing shows the course of the rays in the meridional section of the microparticle. The light beams 1 and 2 fall on a transparent spherical particle 3 from the side of the lens 4 registered by the system at angles relative to the optical axis of the lens 00 and are refracted by the particle. In this case, part of the rays from beams 1 and 2, incident on the particle surface at an angle i, is reflected from the particle surface at points A and A, focused at points B and B, and then falls into the lens aperture (in general, points B and B do not lie on the surface of the microparticle). In this way . the particle is visible under a microscope in the form of two points, which are images of points B and B. Denote the distance between points B and in
2.R . Простые геометрические построени и использование одного из основных законов оптики, св зывающего угол падени светового пучка на поверхность частицы, угол преломлени этого пучка, показатель преломлени вещества микрочастицы (закона Снеллиуса) позвол ют получить св з между R и R в виде системы уравнений Решение этой системы в общем случае весьма затруднительно и св зано с большой погрешностью в определении истинного размера частицы R. Процедуру вычислени R можно существенно упростить , если выбрать угол таким, что бы точки В и В находились на поверхности частицы. Справедливы следующие соотношени : Sina6/sinr n(1) oi 4r - 2i +р) , (2) где i - угол, под которым световой %уч из освещенного пучка, попадающий в середину апертуры объектива, падает йа поверхность микрочастицы; г - угол преломлени указанного луча; Jb - угол между оптической осью объектива и рассматриваемым лучом пос ле прохождени его через частицу. При использовании длиннофокусного объектива углом J можно пренебречь. Условием фокусировки преломленного пучка на поверхности частицы вл етс требование: ,гдеы 1и-1-ю1-4г (3) Из (1)-(3) получаем при Jb 1: sin -2apc 5ЧП /sin Таким образом, выбрав по (6) величину угла OJ/ (угол ос - острый уже при п 7/ )f с помсдью (5) вычисл ем величину sin i, а с помощью (7) по известным величинам R и увеличению регистрирующей системы определ ем истинный размер частицы. Использу соотноиени (1-3), можно получить выражение дл относительной ошибки Pg измерени размера микрочастицы при ошибке Ьд в измерении угла . При изменении п от 1,1 до 1,/ величина tcj J мен етс от 9,95 до 8,18. Поэтому при 1,5° 0,5%. Величина ошибки в измерении размера микрочастицы, св занна с неточностью определени ее показател преломлени , вычисленна с помощью (5), (7), равна f &-п. .Y-AD- где - - относительна ошибка измерени п. При Ci 0,5% необходимо , чтобы AS 6%. Все приведенные выше рассуждени не учитывают тот факт, что нар ду с фокусировкой лучей в меридиональной плоскости частицы про 1сходит фокусировка в перпендикул рной (сагиттальной ) плоскости, причем, в общем случае , эти точки фокусировки не совпадают . При этом может возникнуть ошибка , св занна с неточностью наводки объектива регистрирующей системы на Точку, соответствующую фокусировке лучей в меридиональной плоскости. Можно показать, что рассто ние между рассматриваемыми точками фокусировки равно .|b:,-Roosr«, что приводит к относительной ошибке в измерении размеров микрочастицы: р 4-п cosn R J А-Ч.п sinL ( в данном случае углом p пренебречь нельз ). Если ограничитьс значени ми п ; If7, Что не уменьшает общности рассмотрени , так как большинство веществ в видимом диапазоне спектра удовлетвор ет указанному ограничению, то f ; 3,4 Jb . Если положение микрочастицы не фиксировано в поле зрени объектива системы регистрации, то это накладывает ограничение на размер пол зрени L , поскольку Jb 4 , где F - фокусное рассто ние объектива. Дл объектива с F 3см f не превышает 2%, если поле зрени не более 350 мкм. С увеличением п возникает случай, когда от одного облучающего светового потока регистрируютс две свет щиес точки. Граничное значение показател преломлени п, при котором по вл етс втора свет ща с точка от одного светового пучка, определ етс из соотношени : . . Цао,...а-}д, где п 1,498. Таким образом, при- дл -измерени размеров микрочастиц можно использовать один облучак дий световой пучок, направленный под углом о к оптической оси объектива регистрирующей системы, причем величина oi определ етс выражением {6J. В то жеврем , как следует из этого же выражени , at О при п 1,617. Поскольку значение п отличаетс от п аи 1,5 и от 1,7 не более, чем на 6,5%, то в этом диапазоне показателей преломлени , можно облучать микрочастицу одьшм световым пучком, направленным со стороны объектива, вдоль его оптической оси. При этом фокусировка лучей на поверхности частицы происходит только дл п 1,617, а при л 1,617 может возникнуть дополнительна ошибка в определении за счет смещени точки фокусировки в меридиональной плоскости от поверхности час тицы. Рассто ние L , на которое смещаетс точка фокусировки от поверхнссти частицы при Ы О, даетс фор«i «- . При изменении п от 1,5 до 1,7L мен етс от -1,25R - фокусировка лучей внутри частицы, до 0,19R - фокусировка вне частицы. Следовательно, ошибка за счет этого зффекта меньше ошибки , возникающей из-за наличи точки фокусировки в сагиттальной плоскости Поэтому дл всех п от 1,498 до 1,7 можно облучать частицу одним световым пучком без ухудшени точности измерений . Осуществление предлагаемого способа происходит следующим образом. Рабочий объем с наход щимис в нем микрочастицами помещают в поле зрени объектива регистрирующей системы. Апертуру объектива, его фокусное рассто ние , а также поле зрени объектива выбирают исход из необходимой точ ности измерений. Объем освещаетс двум широкими световыми пучками, нап равленными со стороны объектива под углом к его оптической оси, причем величина этого угла вычисл етс по из весткому показателю преломлени микрочастицы заранее с помощью (6). Если величина показател преломлени лежит в пределах от 1,498 до 1,7 то микрочастицу облучают одним световым пучком, направленным вдоль оптической оси объектива регистрирующей системы. Получив изображение микрочас тицы в виде двух свет щихс точек, фиксируют его, например на фотопленку, измер ют рассто ние между ними, и, зна увеличение регистрирующей системы , наход т истинный размер микрочастицы с помощью (5), (7). Одновременно с измерением размеров микрочастиц можно , применив синхронные импульсные облучающие источники света, определить траектории движени частиц в поле зрени объектива регистрирующей системы, и скорость движени частиц. Предлагаемый способ измерени размеров прозрачных сферических микрочастиц позвол ет избежать применени регистрирующей аппаратуры с высоким разрешением по ркости, а также устранить ошибки в измерении размеров микрочастицы , присущие известному способу. Кроме того, способ позвол ет расширить диапазон измер емых размеров микрочастиц . Формула изобретени Способ определени размеров сферических микрочастиц, включающий облучение частиц двум световыми пучками, расположенными под острым углом друг к другу, получение при этом на экране регистрирующей системы от каждой частицы двух световых точек., по рассто нию между которыми суд т о размерах частиц, отличающийс тем, что, с целью определени размеров прозрачных частиц, облучающие световые пучки направл ют на частицы со стороны объектива регистрирующей системы , а угол между ними устанавливают согласно зависимости: 2a -earcsin- п 1 где loi - угол между световыми пучка-. п - показатель преломлени вещества исследуемых частиц. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3563660, «л. G 01 N 15/02, опублик. 16.02.71. 2,Авторское свидетельство СССР 387265, кл. G 01 N 15/02, 08.12.69 (прототип). 2.R. Simple geometric constructions and the use of one of the basic laws of optics connecting the angle of incidence of a light beam onto a particle surface, the angle of refraction of this beam, the refractive index of a microparticle substance (Snell's law) allows to obtain a connection between R and R in the form of a system of equations. in the general case, it is very difficult and is associated with a large error in determining the true particle size R. The calculation procedure R can be significantly simplified by choosing an angle such that points B and B are were on the surface of the particle. The following relations are valid: Sina6 / sinr n (1) oi 4r - 2i + p), (2) where i is the angle at which the light% of the beam from the illuminated beam falls into the middle of the lens aperture and falls on the surface of the microparticle; g is the angle of refraction of the indicated beam; Jb is the angle between the optical axis of the lens and the beam under consideration after passing through the particle. When using a long-focus lens, angle J can be neglected. The condition for focusing the refracted beam on the particle surface is the requirement: where 1i-1-yu1-4g (3) From (1) - (3) we get for Jb 1: sin -2apc 5ЧП / sin Thus, choosing by (6) the magnitude of the angle OJ / (the angle wasp is acute already at n 7 /) f with p 5 (5) we calculate the value of sin i, and with the help of (7), using the known values of R and the increase in the recording system, we determine the true particle size. Using ratios (1-3), one can get an expression for the relative error Pg of measuring the size of a microparticle with the error b in the angle measurement. When changing n from 1.1 to 1, / the value of tcj J varies from 9.95 to 8.18. Therefore, at 1.5 ° 0.5%. The magnitude of the error in measuring the size of a microparticle associated with the inaccuracy of determining its refractive index, calculated using (5), (7), is equal to f & n. .Y-AD- where - is a relative measurement error. At Ci 0.5%, an AS is 6%. All the above considerations do not take into account the fact that along with the focusing of rays in the meridional plane of the particle, focusing occurs in a perpendicular (sagittal) plane, and, in general, these focus points do not coincide. In this case, an error may occur related to the inaccuracy of the aiming of the lens of the recording system at the Point, which corresponds to the focusing of the rays in the meridional plane. It can be shown that the distance between the considered focusing points is equal to | b:, - Roosr ", which leads to a relative error in measuring the size of a microparticle: p 4-n cos RJ A-H.p sinL (in this case, the angle p cannot be neglected ). If limited to the values of n; If7, which does not reduce the generality of consideration, since the majority of substances in the visible range of the spectrum satisfy the indicated restriction, then f; 3.4 Jb. If the position of the microparticle is not fixed in the field of view of the lens of the recording system, then this imposes a limit on the size of the field of view L, since Jb 4, where F is the focal length of the lens. For a lens with F 3 cm, f does not exceed 2%, if the field of view is no more than 350 µm. With an increase in n, a case arises when two light points are recorded from a single irradiating light flux. The limiting value of the refractive index p, at which the second light point from one light beam appears, is determined from the relation:. . Cao, ... a-} d, where n 1,498. Thus, when measuring the size of microparticles, one irradiation beam can be used, directed at an angle about to the optical axis of the objective of the recording system, and the value oi is determined by the expression {6J. At the same chevrem, as follows from the same expression, at O at n 1.617. Since the value of n differs from pi to 1.5 and from 1.7 to no more than 6.5%, in this range of refractive indices, the microparticle can be irradiated with a single light beam directed from the side of the lens along its optical axis. In this case, the focusing of the rays on the particle surface occurs only for p 1.617, and at l 1.617 an additional error may arise in the determination due to the displacement of the focus point in the meridional plane from the surface of the particle. The distance L, by which the point of focus is shifted from the surface of the particle at SO, is given the form "i" -. When p varies from 1.5 to 1.7L, it varies from -1.25R — focusing the rays inside the particle, to 0.19R — focusing outside the particle. Therefore, the error due to this effect is less than the error due to the presence of a focal point in the sagittal plane. Therefore, for all n from 1.498 to 1.7, the particle can be irradiated with one light beam without degrading the measurement accuracy. The implementation of the proposed method is as follows. The working volume with microparticles in it is placed in the field of view of the lens of the recording system. The aperture of the lens, its focal length, and the field of view of the lens are chosen based on the required measurement accuracy. The volume is illuminated by two wide light beams directed from the side of the lens at an angle to its optical axis, and the value of this angle is calculated from the Western refractive index of the microparticle in advance using (6). If the value of the refractive index lies in the range from 1.498 to 1.7, then the microparticle is irradiated with one light beam directed along the optical axis of the objective of the recording system. Having obtained the image of a microparticle in the form of two luminous points, they fix it, for example on a film, measure the distance between them, and, knowing the magnification of the recording system, find the true size of the microparticle using (5), (7). Simultaneously with the measurement of the size of microparticles, it is possible, using synchronous pulsed irradiating light sources, to determine the trajectories of the particles in the field of view of the objective of the recording system, and the speed of the particles. The proposed method for measuring the size of transparent spherical microparticles makes it possible to avoid using recording equipment with high resolution in brightness, as well as to eliminate errors in measuring the size of microparticles inherent in the known method. In addition, the method allows to expand the range of measured sizes of microparticles. The invention The method of determining the size of spherical microparticles, including the irradiation of particles with two light beams located at an acute angle to each other, while obtaining on the screen of the recording system from each particle two light points, according to the distance between which the particle size is different so that, in order to determine the size of transparent particles, the irradiating light beams are directed to the particles from the objective side of the recording system, and the angle between them is set according to: 2a -earcsin-n 1 where loi is the angle between the light beams-. n is the refractive index of the substance of the studied particles. Sources of information taken into account in the examination 1. US patent number 3563660, "l. G 01 N 15/02, published 02.16.71. 2, USSR Author's Certificate 387265, cl. G 01 N 15/02, 08.12.69 (prototype).