Устройство для определения размеров и концентрации светорассеивающих частиц Советский патент 1990 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим устройствам контроля параметров взвешенных частиц, и может быть использовано в коллоидной химии, биологии и медицине.

Целью изобретения является повышение точности и снижение нижнего предела размеров анализируемых частиц.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для определения размеров и концентрации светорассеиваюших частиц; на фиг. 2 - оптическая схема интерферометра поперечного сканирования.

Устройство содержит высококогерентный источник I излучения, блок 2 расширения пучка, оптическую кювету 3 с исследуемой средой, объектив 4, апер- турную диафрагму 5, интерферометр 6 поперечного сканирования, полевую диафрагму 7 и фотоэлектрический блок 8 регистрации.

Интерферометр 6 поперечного сканирования включает первый 9 и второй 10

поляризаторы, первый 11 и второй 12 двулучепреломляющие -клинья и двулуче- преломляющую плоскопараллельную пластину 13. Клинья 11 и 12 образуют плоскопараллельную пластину толщиной, равной толщине пластины 13.- Оптические оси клиньев одинаково ориентированы, перпендикулярны оптической оси плоскопараллельной пластины, образуют угол 45° с плоскостями поляризации поляризаторов и совместно с оптической осью двулучепреломляющей пластины расположены в плоскости, перпендикулярной направлению распространения пучка.

Плоскости поляризации поляризаторов образуют угол 90°.

Система клиньев 11 и 12 делит пучок на два распространяющихся соосно пучка с взаимно ортогональными линейными поляризациями:- обыкновенный о и необыкновенный е. На выходе клина И о и е , разделяются пространственно. Это происходит вследствие раз- личия в показателях преломления для о и е. Углы преломления о10 и de этих пучков определяются из соотношений:

sinei ™ sinta

с n

sin o/6 -- sine,

О)

где ц - угол падения;

n - показатель преломления внеш-

ней среды;

n иn - показатели преломления обыкновенного и необыкновенного пучков соответственно. Относительное смещение пучков о и е зависит от расстояния между клиньями 11 и 12. Так как клинья идеи- точны и образуют плоскопараллельную пластину, то в клине 12 пучки распространяются коллинеарно, но смеще- ны на расстояние р .

Из геометрического построения, на фиг.2 следует, что

j l( ), (2)

где 1 - расстояние между клиньями.

На фиг. 2 рассмотрен случай, когда клинья находятся в иммерсии, т.е. когда n ne. При этом один пучок распространяется прямолинейно, а второй преломляется. Продольное смещение между пучками о и е компенсируется пластиной 13.

.. jg5

20 25

30

35

40 45

50

Устройство работает следующим образом.

Излучение высококогерентного источника 1 поступает на вход блока 2 расширения пучка, выполненного, например, в виде телескопической системы из двух объектов и диафрагмы между ними и служащего для формирования волны с плоским фронтом.

При прохождении этой волны через исследуемую среду, помещенную в плоскопараллельную кювету 3, происходит рассеяние излучения. Объектив 4 проектирует изображение светорассеиваю- щих частиц в плоскость полевой диафрагмы 7, сразу за которой расположен фотоэлектрический блок 8 регистрации. Апертурная диафрагма 5 позволяет управлять спектром принимаемых пространственных частот поля рассеянного излучения. В интерферометре в происходит расщепление пучка на две равно- интенсивные составляющие, взаимное поперечное смещение расщепленных составляющих и последующее их смешение.

Определение размера и концентрации Частиц в дисперсной среде заключается в следующем.

Исследуемая оптическая кювета 3 с частицами облучается плоской волной. Рассеянное излучение проходит через интерферометр 6 поперечного сканирования (фиг. 2), исходное положение , которого - нулевое поперечное смещение между расщепленными пучками и строго соосное их смешение. Объектив 4 проецирует изображение рассеивающих частиц в плоскость полевой диафрагмы 7. Для жестких частиц величина апертурной диафрагмы 5 выбирается такой, чтобы она пропускала весь спектр пространственных частот рассеянного излучения.

В случае мягких частиц апертур- ная диафрагма уменьшается до тех пор, пока светлые пятна в центре изображений частиц-не исчезнут (при условии, что контуры изображений частиц остаются четкими).

Размер полевой диафрагмы 7 выбирается немного меньшим величины проецируемого изображения исследуемого объема.

Далее путем измерения интенсивнос- тей результирующего поля 1МО(КС и 1МИН для разностей хода пучков в плечах интерферометра соответственно 0 и

Я/2 определяется видность интерферен- (ционной картины, выражаемая поперечной функцией Г,(р) когерентности граничного поля излучения с помощью соотношения

Г1

. 1«Н /ИСК КС + «ЛИМ

(3)

Поперечная функция Г,(о) когерентности граничного поля излучения, прга- шедшего через светорассеивающую среду, несет информацию о корреляционной функции у(р) изображения системы часней соотношением

+ Г

(4)

тиц и связана с

rj.(f |Xj)

где Г - когерентная составляющая,обусловленная нерассеянным пучком.

Поперечная корреляционная функция изображения полидисперсного ансамбля частиц является сверткой корреляционной функции (0(р, R) одной частицы и функции f(R) распределения частиц по размерам и записывается в виде интегрального уравнения „моче

Y.(f,

V(j) где y0(j,

S V.(f, R)f(R)dR, (5)

«--fM-rRl--il/R M-R arcsin T;

R

макс

R - радиус частицы; - максимальный радиус

частицы.

По измеренной Г,(о) из соотношения (4) определяется vtfJ. Решение уравнения (5) дает значение f(R).

Концентрацию С частиц в исследуемой среде можно определить из выражения

(

причем

0

5

0

5

0

5

0

Формула изобретения

Устройство для определения размеров и концентрации светорассеивающих частиц, содержащее оптически сопряженные объектив, апертурную диафрагму и источник высококогерентного светового излучения, на оптической оси которого последовательно размещены элемент расширения пучка и оптическая кювета с исследуемой средой, интерферометр поперечного сканирования, полевая диафрагма и приемный фоторегистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и снижения нижнего предела размеров анализируемых частиц, объектив и апертур- ная диафрагма1последовательно размещены на оптической оси источника высоко- - когерентного светового излучения между кюветой с исследуемой средой и интерферометром поперечного сканирования, при этом интерферометр поперечного сканирования выполнен в виде расположенных последовательно по ходу луча первого поляризатора, двух идентичных двулучепреломляющих клиньев, образующих плоскопараллельную пластину, двулучепреломляющей пластины и второго поляризатора, двулучепрелом- ляющие клинья и двулучепреломляющая пластина выполнены из идентичного оп- тического материала таким образом, что толщина двулучепреломляющей пластины равна суммарной толщине лучепре- ломляющих клиньев, плоскости поляризации первого и второго поляризаторов взаимно перпендикулярны, одинаково ориентированные оптические оси двулучепреломляющих клиньев направлены перпендикулярно оптической оси двулучепреломляющей пластины, образуя угол 45 с плоскостями поляризации поляризаторов , и совместно с оптической осью двулучепреломляющей пластины расположены в плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового пучка.

J , 4 5

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим устройствам интегрального контроля параметров взвешенных частиц, и может быть использовано в коллоидной химии, биологии, медицине. Целью изобретения является повышение точности и снижение нижнего предела размеров анализируемых частиц. При прохождении плоскопараллельной высококогерентной световой волны от источника через кювету с исследуемой средой происходит рассеяние излучения на частицах. С помощью интерферометра поперечного сканирования, содержащего поляризаторы, двулучепреломляющие клинья и двулучепреломляющую пластину, создается интерференционное поле, возмущаемое в случае присутствия ансамбля исследуемых частиц. С помощью взаимного перемещения оптических клиньев достигаются последовательные измененные смещения между интерферирующими пучками света, при этом фоторегистратором определяется поперечная функция Г @ (ρ) когерентности, из которой находят корреляционную функцию ψ(ρ), функцию F(R) распределения частиц по размерам и концентрацию частиц в исследуемой среде. 2 ил.

11 К.

i

s

фие. 2

13

W