Устройство для измерения распределения градиента показателя преломления Советский патент 1992 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к оптическим средствам исследования объектов, содержащих прозрачные неоднородности показателя преломления (фазовых объектов), и может быть использовано, например, для технологического контроля в химической, электронной, оптико-механической, пищевой промышленности, а также для физических исследований в гидроаэродинамике, физике плазмы, теплофизике.

Известны теневые приборы, позволяющие получить информацию о поле градиента показателя преломления в виде теневой картины. При этом прошедший через объект широкий световой пучок, сформированный с помощью главного осветительного объектива, преобразуется с помощью главного приемного объектива и пространственного фильтра и используется для формирования теневой картины на экране. Однако получение с помощью этих приборов оперативной количественной информации весьма затруднительно, а точность измерений падает в условиях сильной рефракции лучей.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения поля градиента показателя преломления, содержащее

лазер, сканер, оптически связанный с лазером, главный осветительный объектив, оптически связанный со сканером и с исследуемым объектом, главный приемный объектив, оптически связанный с исследуемым объектом и с координатно-чувствитель- ным фотоприемником, блок управления и регистрации, электрически связанный с ко- ординатно-чувствительным фотопоиемни- ком и со сканером.

Однако функциональные возможности известного устройства ограничены гем, что оно имеет недостаточно высокое пространственное разрешение и недостаточно широкий диапазон измерений. Это происходит по следующим причинам. Пространственное разрешение определяется, главным образом, размером лазерного зондирующего пучка в измерительной области, а диапазон измерения углов рефракции (связанных с градиентом показателя преломления в объекте) существенно зависит от параметров оптической приемной системы, от размера лазерного пучка на светочувствительной поверхности координатно-чувствительного фотоприемника (КЧФ) и от характеристик КЧФ. Вследствие того, что пространственсл

С

-х|

ч о

00

SsJ

нов разрешение (размер зондирующего лазерного пучка) и динамический диапазон {размер лазерного пучка на светочувствительной поверхности КЧФ) в известном устройстве взаимосвязаны, оно имеет ограниченные возможности в плане обеспечения широкого диапазона измерений.

Целью изобретения является расширение диапазона измерений,

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем последовательно расположенные лазер, сканер, главный осветительный объектив, главный приемный объектив, КЧФ и блок регистрации и управления, электрически связанный со сканером и с КЧФ, между главным приемным объективом и КЧФ дополнительно введены последовательно расположенные рассеивающий экран, дополнительный объектив и многожильный световод, причем экран расположен в фокальной плоскости главного приемного объектива, дополнительный объектив оптически сопряжен с экраном и входным торцом световода, а выходной торец световода установлен с возможностью изменения расстояния до КЧФ.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - координатные характеристики КЧФ при меньшем (а) и большем (б) размере световой метки на светочувствительной поверхности КЧФ.

Устройство содержит лазер 1, сканер 2, главный осветительный объектив 3, исследуемый объект 4. главный приемный объектив 5, рассеивающий экран б, дополнительный объектив 7, световод 8, КЧФ 9, блок управления и регистрации 10.

Устройство работает следующим образом. Свет, генерируемый лазером 1, попадает на сканер 2 и отклоняется на угол, определяемый блоком управления и регистрации 10, Сканер 2 может представлять собой, например, зеркало, закрепленное на токовой рамке, помещенной в постоянное магнитное поле. Если зеркало сканера 2 находится в фокальной плоскости главного осветительного объектива 3, то лазерные пучки, выходящие из сканера 2 под разными углами, будут проходить через разные участки исследуемого объекта 4 по взаимно параллельным траекториям. Проходя через исследуемую область объекта, лазерный пучок испытает рефракцию на встретившихся на его пути неоднородностях объекта 4 и на выходе из объекта отклоняется на угол от невозмущенного направления распространения. При этом в - / |2- d z ( 1 ), где г,

По о ЗУч

по - показатель преломления в объекте и окружающей объект среде соответственно; L- протяженность объекта вдоль направления распространения, а направления осей

координат показаны на фиг, 1, При сканировании лазерного пучка осуществляется переход к другой точке объекта и лазерный пучок отклоняется от невозмущенного направления распространения на угол в и т.д.

0 При достаточно быстром сканировании (когда время кадра меньше характерного времени изменения объекта) временная зависимость #(t) связана с пространственным распределением величины

Z / ТТГ dz(V/v). где У - координата, вдоль

По о ду

которой осуществляется сканирование; v - скорость сканирования.

л Угловое отклонение в преобразуется главным приемным объективом 5 в смещение Д у Ю на экране 6 (здесь f - фокусное расстояние объектива 5),( который располагается в данном случае в задней фокальной

с плоскости главного приемного объектива 5. В случае однородного объекта при любом положении сканируемого пучка А у 0 и зондирующий пучок из всех точек объекта приходит в одну и ту же точку на экране 6 Q центр экрана. Лазерный пучок рассеивается на экране б, а его изображение в рассеянном свете строится с помощью объектива 7

-на входном торце световода 8. Смещения пучка А у на экране б, связанные с чеоднок родностями объекта 4, с помощью объектива 7 переносятся с соответствующим коэффициентом увеличения k (в данном случае ) на входной торец световода 8. Световод 8 для передачи изображения

п представляет собой многожильный световод с регулярной укладкой отдельных тонких световолокон. Положение Ау лазерного пучка на входном торце световода 8 передается на его выходной торец. На

5 выходном торце световода 8 имеется расходящийся световой пучок с центром, определяемым координатой tA .у.

Расходящийся световой пучок направ- 0 ляетсянаКЧФЭ. Размер лазерного пучка на светочувствительной поверхности КЧФ 9 бпределяется расстоянием между этой поверхностью и выходным торцом световода 8, а смещение энергетического центра 5 светового пятна на поверхность КЧФ равно k Ay. Управление размером лазерного пучка на поверхности КЧФ осуществляется пу- тем изменения расстояния между этой поверхностью и выходным торцом световода 8.

Координатные характеристики ряда КЧФ существенно зависят от раэмерй светового пятна на их светочувствительной поверхности. Так, для разрезного фотодиода с увеличением размера светового пятна на его поверхности (увеличение расстояния между КЧФ и выходным торцом световода 8) происходит увеличение диапазона измеряемых перемещений Ду1 и уменьшение крутизны координатной характеристики (см, фиг.2). При этом величина Um остается неизменной. Аналогичную координатную характеристику имеет КЧФ в виде фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) с непрозрачной диафрагмой (ножом), расположенной перед ФЭУ.

Изменением расстояния между выходным торцом световода 8 и КЧФ 9 в процессе измерения обеспечивается такой диапазон измеряемых перемещений Ду (фиг.2), который соответствует имеющемуся в данный момент распределению неоднородностей в исследуемом объекте .

При этом широкий диапазон измерений обеспечивается при йысоком пространственном разрешении, определяемом тем, что зондирующий пучок имеет малые размеры в измерительной области.

Электрический сигнал с выхода КЧФ 9 поступает на блок регистрации и управления 10, с помощью которого осуществляется обработка сигнала КЧФ и синхронизация работы сканера 2 и КЧФ 9.

Следует отметить, что поскольку иэб- бражение зондирующего пучка на входном торце световода формируется в рассеянном свете, для согласования экрана и входного торца световода можно использовать стандартные малогабаритные объективы, и на параметры светового пятна, сформированного в прошедшем через световод свете, не влияет большая величина угла отклонения

В (смещения Ау). При этом отсутствие экрана ведет к необходимости использования в качестве дополнительного объектива крупногабаритных объективов для устранения

винетирования.

Изобретение позволяет расширить диапазон измерений и повысить пространственное разрешение. Например, при использовании устройства для контроля

продукции в химической промышленности повышается надежность контроля (за счет повышения пространственного разрешения) и снижается требуемое количество контролирующих приборов (за счет широкого

диапазона измерений). Это ведет к повышению качества продукции и снижению затрат на ее контроль.

Формула изобретения

Устройство для измерения распределения градиента показателя преломления, содержащее последовательно расположенные оптически связанные лазер, сканер, осветительный объектив, приемный объектив,

координатно-чувствительный фотоприемник, а также блок регистрации и управления, электрически соединенный со сканером и с координатно-чувствителъным фотоприемником, отличающееся тем,

что, с целью расширения диапазона измерений, между приемным объективом и коорди- натно-чувствительным фотоприемником последовательно установлены рассеивающий экран, дополнительный объектив и

многожильный световод, причем экран расположен в фокальной плоскости приемного объектива, дополнительный объектив оптически сопряжен с экраном и входным торцом световода, а выходной торец световода установлен с возможностью изменения расстояния до координатно-чувствительного фотоприемника

Сущность изобретения: устройство содержит лазер, сканер, оптически связанный с осветительным объективом, приемный объектив, рассеивающий экран, дополнительный объектив и световод. Выходной торец световода установлен с возможностью регулирования расстояния между ним и светочувствительной поверхностью координат- но-чувствительного фотоприемника, который электрически связан с блоком управления и регистрации, соединенным со сканером. 2 ил.

а

Фиг. 2