ФАЗОВО-КОНТРАСТНЫЙ ВИЗУАЛИЗАТОР ПЛОТНОСТНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ МОРСКОЙ ВОДЫ Российский патент 1995 года по МПК G01N21/85 

Изобретение относится к рефрактометрии и может быть использовано при изучении плотностных оптических неоднород- ностей, в частности для исследования плотностных неоднородностей морской воды.

Известны приборы на основе метода визуализации прозрачных неоднородностей путем зондирования анализируемого объема среды лазерным световым пучком, на пути которого после его выхода их анализируемого объема установлена оптическая расфокусированная изображающая система (метод визуализации при дефокусировке) [1]
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для исследования оптических неоднородностей морской воды, содержащее гелий-неоновый лазер, конденсатор, световую диафрагму, коллиматорный объектив, систему из зеркала и полупрозрачного зеркала, иллюминатор, телескопическую систему Кассагрена, автоколлимационное зеркало, объектив приемной части, сопрягающий объектив, матовый экран, фоторегистратор [2]
Недостатком известного устройства является синусоидальный вид частотно-контрастной характеристики, что практически не позволяет проводить количественные оценки визуализируемых микроструктур.

Для устранения указанного недостатка предложен фазово-контрастный визуализатор плотностных неоднородностей морской воды, технический результат которого выражен в уменьшении искажений в визуализированном изобретении за счет расширения области прямоугольности частотно-контрастной характеристики визуализатора при сохранении его параметров виброустойчивости и контраста.

Указанный технический результат достигается тем, что в фазово-контрастный визуализатор плотности неоднородностей морской воды, содержащий лазер, конденсор, световую диафрагму, полупрозрачное зеркало, коллиматорный объектив, иллюминатор, автоколлимационное зеркало, зеркало, объектив приемной части, матовый экран, фоторегистратор, введены объектив, уменьшающий максимальный период исследуемых неоднородностей до 1 мм, задняя фокальная плоскость которого совпадает с передней фокальной плоскостью объектива приемной части с фокусным расстоянием f=489,2 мм, и корректирующая фазовая пластина Шмидта, расположенная перед объективом приемной части, при этом профиль корректирующей фазовой пластинки Шмидта d(x) удовлетворяет уравнению
d(x)= d_o+7,5 ˙ 10^-5x⁴ 6,5 ˙ 10^-6x⁶, (1) где d₀ толщина корректирующей фазовой пластинки Шмидта, а матовый экран размещен на расстоянии 1000 мм от объектива приемной части.

Отличительными признаками заявляемого устройства являются объектив, уменьшающий максимальный период исследуемых неоднородностей до 1 мм, задняя фокальная плоскость которого совпадает с передней фокальной плоскостью объектива приемной части с фокусным расстоянием f=489,2 мм; корректирующая фазовая пластинка Шмидта, размещенная перед объективом приемной части, профиль которой удовлетворяет уравнению (1); размещение матового экрана на расстоянии 1000 мм от объектива приемной части.

Указанные отличительные признаки не обнаружены в источниках информации в таком сочетании. Отличительные признаки в совокупности с известными обеспечивают решению новый технический результат, заключающийся в уменьшении искажений в визуализированном изображении за счет расширения области прямоугольности частотно-контрастной характеристики визуализатора при сохранении его параметров виброустойчивости и контраста. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна" и "изобретательский уровень".

Заявляемое устройство может быть использовано при изучении плотностных неоднородностей, в частности для исследования плотностных неоднородностей морской воды. Это позволяет сделать вывод о применении заявляемого устройства.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого визуализатора; на фиг. 2 частотно-контрастная характеристика метода дефокусировки для слабофазовых объектов (кривая А) и график функции sin W(u) (кривая Б); на фиг. 3 показан профиль корректирующей фазовой пластинки Шмидта; на фиг. 4, 5 и 6 показаны исходный фазовый объект, его изображение, полученные методом дефокусировки с коррекцией частотной характеристики за счет введения в оптическую систему дополнительных сферических абеpраций третьего и пятого порядков.

Фазово-контрастный визуализатор плотностных неоднородностей морской воды (фиг. 1) содержит последовательно расположенные лазер 1, конденсатор 2, световую диафрагму 3, полупрозрачное зеркало 4, коллиматорный объектив 5, иллюминатор 6, автоколлимационное зеркало 7, зеркало 8, объектив 9, корректирующую фазовую пластинку 10 Шмидта, объектив 11 приемной части, матовый экран 12, фоторегистратор 13.

Устройство работает следующим образом.

С помощью лазера 1, конденсора 2, световой диафрагмы 3, коллиматорного объектива 5 формируется коллимированный световой пучок лазерного излучения, проходящий через иллюминатор 6 и исследуемую среду, заключенную между иллюминатором 6 и автоколлимационным зеркалом 7. Отразившись от автоколлимационного зеркала 7, световой пучок вновь проходит через иллюминатор 6 и поступает на вход двойной оптической системы, образованной коллиматорным объективом 5, полупрозрачным зеркалом 4, зеркалом 8 и объективом 9. Передняя фокальная плоскость коллиматорного объектива 5 совпадает с плоскостью автоколлимационного зеркала 7, а его задняя фокальная плоскость с передней фокальной плоскостью объектива 9. С помощью двойной оптической системы в передней фокальной плоскости объектива 11 приемной части формируется уменьшенное изображение автоколлимационного зеркала 7. Уменьшение сечения просмотрового объема определяется отношением фокусных расстояний коллиматорного объектива 5 и объектива 9.

Для расчета коэффициента уменьшения и коpректирующей фазовой пластинки 10 Шмидта рассмотрим частотно-контрастную характеристику метода дефокусировки для слабофазовых объектов, которая приведена на фиг. 2 (кривая А). Дефокусировка на величину Δ соответствует частотной характеристике вида H(u) sin πλΔ u², где λ длина волны света; u пространственная частота, измеряемая в пер. /мм. С высоким контрастом и без искажений в этом случае визуализируются неоднородности, соответствую- щие пространственными частотам u, для которых πλΔ u²= λ u²= π n/2, где n целые нечетные числа, т.е. визуализируются неоднородности с пространственным периодом l= 1/u или l= . При n= 1 получают максимальный период визуализируемых без искажения неоднородностей l_o 1/u_o, что соответствует дефокусировке Δ l_o²/(2 λ).

Корректирующая фазовая пластина 10 Шмидта изготовлена так, что она вносит дополнительные сферические абеpрации третьего и пятого порядка в оптическую систему визуализации. В этом случае частотная характеристика оптической расфокусированной системы имеет вид H(u) sinW(u), где W(u) αu²+βu⁴+γ u⁶.

Если дефокусировка отрицательна (α < 0), коэффициент сферической абеpра-ции третьего порядка положителен (β > 0), а коэффициент сферической абеpрации пятого порядка отрицателен (γ < 0), то можно подобрать для заданного α, а следовательно, для величины дефокусировки Δ наибольшего визуализируемого периода l_o наименьшей пространственной частоты u_o такие значения β и γ которые обеспечивают значения W(u), близкие к π/2 с заданной величиной максимального отклонения.

Расчеты, проведенные на ЭВМ, показывают, что для u_o ≥ 1 пер/мм получают значения α,β,γ, позволяющие осуществить практическую реализацию корректирующей фазовой пластинки 10 Шмидта. В частности, для u_o=1 пер/мм (задаваемый интервал отклонений функции sinW(u) от единицы не превышает 0,2)
α 9,27 ˙ 10^-1 мм², β 1,17 ˙ 10^-1 мм⁴, γ 3,96 ˙ 10^-3 мм⁶. График функции sinW(u) в этом случае показан на фиг. 2 (кривая Б).

Выбирая u_o=1 пер/мм, находят, что для анализа неоднородностей с периодом 2 см (наибольшие размеры "солевых пальцев") необходимо уменьшить сечение зондирующего пучка в 20 раз.

Для проведения конкретных расчетов выбирают коллиматорный объектив 5 таким, что его фокусное расстояние равно 1 м, а диаметр зондирующего пучка 20 см. С помощью объектива 9 с фокусным расстоянием 5 см формируется уменьшенное до 1 см изображение автоколлимационного зеркала 7.

Дефокусировку Δ находят из условия sin πλΔ u² 0,8, в этом случае дефокусировка Δ 468,6 мм.

Введение в оптическую систему дополнительных абеpраций третьего и пятого порядка эквивалентно умножению частотной характеристики оптической системы на функцию μ (u) exp[i(β u⁴ + γ u⁶)] что эквивалентно после замены u= x/(λ b), где b расстояние от объектива 11 приемной части до плоскости наблюдения, представленной в виде матового экрана 12, умножению светового распределения перед объективом 11 приемной части на функцию
μ(x)=expik+
Поскольку после уменьшения диаметр светового пучка равен 10 мм, то x_max= 5 мм. Исходя из возможностей практической реализации корректирующей фазовой пластинки 10 Шмидта выбирают b=1000 мм.

Так как уменьшенное изображение автоколлимационного зеркала 7 сфокусировано в передней фокальной плоскости объектива 11 приемной части, то есть фокусное расстояние можно найти из условия f=f₂/(f-b), поскольку Δ 468,6 мм, b= 1000 мм, то f=489,2 мм, а в плоскости наблюдения получают расфокусированное изображение, увеличенное в m b/f ≈ 2 раза, т.е. изображение размером около 20 мм. При таком размере изображения отпадает необходимость в сопрягающем объективе.

Для введения в оптическую систему требуемых абеpраций перед объективом 11 приемной части устанавливается корректирующая фазовая пластинка 10 Шмидта, толщина которой по координате изменяется по закону
d(x) d_o+ α_o x⁴ + β_o x⁶, где
α_o 7,5·10^-5 (мм^-3)
β_o -6,5·10^-6 (мм^-5)
d_o толщина пластинки (порядка 1 мм).

На фиг. 3 показан профиль корректирующей фазовой пластинки 10 Шмидта.

С помощью ЭВМ осуществлено моделирование метода дефокусировки. На фиг. 4, 5 и 6 показаны исходный фазовый объект, его изображение, полученное методом дефокусировки, и изображение, полученное методом дефокусировки с коррекцией частотной характеристики за счет введения в оптическую систему дополнительных сферических абеpраций третьего и пятого порядков.

Полученное изображение проектируется на матовый экран 12, считывается фоторегистратором 13.

Техническая эффективность данного визуализатора состоит в том, что он практически сохраняет в плане виброустойчивости и контраста изображения характеристики известных визуализаторов на основе метода дефокусировки, но искажения наблюдаемых неоднородностей в нем значительно меньше за счет коррекции частотно-контрастной характеристики.

Использование: в рефрактометрии, при изучении плотностных оптических неоднородностей, в частности плотностных неоднородностей морской воды. Сущность изобретения: устройство содержит лазер, конденстор, световую диафрагму, полупрозрачное зеркало, коллиматорный объектив иллюминатор, автоколлимационное зеркало, зеркало объектив приемной части, матовый экран, фоторегистратор, объектив, уменьшающий максимальный период исследуемых неоднородностей до 1 мм, задняя фокальная плоскость которого совпадает с передней фокальной плоскостью объектива приемной части с фокусным расстоянием f-489,2 мм, и корректирующую фазовую пластинку Шмидта, расположенную перед объективом приемной части, профиль которой α(x) удовлетворяет уравнению α(x)=d_o+7,5·10^-5x⁴-6,5·10^-6x⁶, где d_o толщина корректирующей фазовой пластинки Шмидта, при этом матовый экран размещен на расстоянии 1000 мм от объектива приемной части. Изобретение позволяет уменьшить искажение в визуализированном изображении за счет расширения области частотно-контрастной характеристики визуализатора при сохранении его параметров: виброустойчивости и контраста. 6 ил.

ФАЗОВО-КОНТРАСТНЫЙ ВИЗУАЛИЗАТОР ПЛОТНОСТНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ МОРСКОЙ ВОДЫ, содержащий лазер, установленные последовательно по ходу излучения конденсор, световую диафрагму, полупрозрачное зеркало, коллиматорный объектив, иллюминатор, автоколлимационное зеркало, зеркало, объектив приемной части, матовый экран, фоторегистратор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно расположенные по ходу излучения объектив и корректирующая фазовая пластинка Шмидта, установленные перед объективом приемной части, при этом передняя фокальная плоскость коллиматорного объектива совпадает с плоскостью расположения автоколлимационного зеркала, его задняя фокальная плоскость совпадает с передней фокальной плоскостью дополнительного объектива, задняя фокальная плоскость которого совпадает с передней фокальной плоскостью объектива приемной части, фокусное расстояние которого равно 489,2 мм, профиль d X корректирующей фазовой пластинки Шмидта удовлетворяет уравнению
d X d₀ + 7,5 · 10^-5 X⁴ 6,5 · 10^-6 X⁶,
где d₀ толщина корректирующей фазовой пластинки Шмидта,
а матовый экран установлен от объектива приемной части на расстоянии 1000 мм.