RU1770847C - Refraction index gradient distribution measuring device - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : устройство содержит лазер, сканер, оптически св занный с осветительным объективом, приемный объектив, рассеивающий экран, дополнительный объектив и световод. Выходной торец световода установлен с возможностью регулировани  рассто ни  между ним и светочувствительной поверхностью координат- но-чувствительного фотоприемника, который электрически св зан с блоком управлени  и регистрации, соединенным со сканером. 2 ил.SUMMARY OF THE INVENTION: the device comprises a laser, a scanner optically coupled to a lighting lens, a receiving lens, a diffusing screen, an additional lens and a light guide. The output end of the fiber is installed with the ability to control the distance between it and the photosensitive surface of the coordinate-sensitive photodetector, which is electrically connected to the control and registration unit connected to the scanner. 2 ill.

Description

Изобретение относитс  к оптическим средствам исследовани  объектов, содержащих прозрачные неоднородности показател  преломлени  (фазовых объектов), и может быть использовано, например, дл  технологического контрол  в химической, электронной, оптико-механической, пищевой промышленности, а также дл  физических исследований в гидроаэродинамике, физике плазмы, теплофизике.The invention relates to optical means for studying objects containing transparent inhomogeneities of the refractive index (phase objects), and can be used, for example, for technological control in the chemical, electronic, optical-mechanical, food industries, as well as for physical research in hydroaerodynamics, plasma physics Thermophysics.

Известны теневые приборы, позвол ющие получить информацию о поле градиента показател  преломлени  в виде теневой картины. При этом прошедший через объект широкий световой пучок, сформированный с помощью главного осветительного объектива , преобразуетс  с помощью главного приемного объектива и пространственного фильтра и используетс  дл  формировани  теневой картины на экране. Однако получение с помощью этих приборов оперативной количественной информации весьма затруднительно , а точность измерений падает в услови х сильной рефракции лучей.Shadow instruments are known that provide information on the gradient field of the refractive index in the form of a shadow picture. In this case, the wide light beam transmitted through the object, formed by the main illumination lens, is converted by the main receiving lens and the spatial filter and is used to form a shadow picture on the screen. However, obtaining with the help of these devices operative quantitative information is very difficult, and the accuracy of measurements decreases under conditions of strong ray refraction.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  устройство дл  измерени  пол  градиента показател  преломлени , содержащееClosest to the invention is a device for measuring the field of the gradient of the refractive index, containing

лазер, сканер, оптически св занный с лазером , главный осветительный объектив, оптически св занный со сканером и с исследуемым объектом, главный приемный объектив, оптически св занный с исследуемым объектом и с координатно-чувствитель- ным фотоприемником, блок управлени  и регистрации, электрически св занный с ко- ординатно-чувствительным фотопоиемни- ком и со сканером.laser, scanner, optically coupled to a laser, main illumination lens, optically coupled to a scanner and an object to be studied, main receiving lens, optically coupled to an object under study and to a coordinate-sensitive photodetector, control and recording unit, electrically coupled connected with a coordinate-sensitive photo detector and with a scanner.

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 определ етс , главным образом , размером лазерного зондирующего пучка в измерительной области, а диапазон измерени  углов рефракции (св занных с градиентом показател  преломлени  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 пространственслHowever, the functionality of the known device is limited by heme, that it does not have a high spatial resolution and a wide range of measurements. This occurs for the following reasons. The spatial resolution is determined mainly by the size of the laser probe beam in the measuring region, and the measurement range of the refraction angles (related to the gradient of the refractive index in the object) substantially depends on the parameters of the optical receiving system, on the size of the laser beam on the photosensitive surface of the coordinate-sensitive photodetector (KChF) and from the characteristics of KChF. Due to the fact that

СWITH

-х|x |

ч оh o

0000

SsJSsj

нов разрешение (размер зондирующего лазерного пучка) и динамический диапазон {размер лазерного пучка на светочувствительной поверхности КЧФ) в известном устройстве взаимосв заны, оно имеет ограниченные возможности в плане обеспечени  широкого диапазона измерений.The new resolution (the size of the probe laser beam) and the dynamic range (the size of the laser beam on the photosensitive surface of the CFP) in the known device are interconnected, it has limited possibilities in terms of providing a wide range of measurements.

Целью изобретени   вл етс  расширение диапазона измерений,The aim of the invention is to expand the range of measurements,

Указанна  цель достигаетс  тем, что в устройстве, содержащем последовательно расположенные лазер, сканер, главный осветительный объектив, главный приемный объектив, КЧФ и блок регистрации и управлени , электрически св занный 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 сопр жен с экраном и входным торцом световода, а выходной торец световода установлен с возможностью изменени  рассто ни  до КЧФ.This goal is achieved by the fact that in a device comprising a laser, a scanner, a main lighting lens, a main receiving lens, a CFF and a recording and control unit electrically connected to the scanner and a CFF, sequentially arranged additionally are introduced between the main receiving lens and the CFF a scattering screen, an additional lens and a multi-core fiber, the screen being located in the focal plane of the main receiving lens, the additional lens is optically coupled to the screen m and the input end of the fiber, and the output end of the fiber is installed with the possibility of changing the distance to the CFR.

На фиг.1 представлена структурна  схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - координатные характеристики КЧФ при меньшем (а) и большем (б) размере световой метки на светочувствительной поверхности КЧФ.Figure 1 presents a structural diagram of the proposed device; figure 2 - coordinate characteristics of the CFR with a smaller (a) and a larger (b) size of the light mark on the photosensitive surface of the CFR.

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 управлени  и регистрации 10.The device comprises a laser 1, a scanner 2, a main illumination lens 3, a test object 4. a main receiving lens 5, a scattering screen b, an additional lens 7, a fiber 8, a CFR 9, a control and registration unit 10.

Устройство работает следующим образом . Свет, генерируемый лазером 1, попадает на сканер 2 и отклон етс  на угол, определ емый блоком управлени  и регистрации 10, Сканер 2 может представл ть собой , например, зеркало, закрепленное на токовой рамке, помещенной в посто нное магнитное поле. Если зеркало сканера 2 находитс  в фокальной плоскости главного осветительного объектива 3, то лазерные пучки, выход щие из сканера 2 под разными углами, будут проходить через разные участки исследуемого объекта 4 по взаимно параллельным траектори м. Проход  через исследуемую область объекта, лазерный пучок испытает рефракцию на встретившихс  на его пути неоднородност х объекта 4 и на выходе из объекта отклон етс  на угол от невозмущенного направлени  распространени . При этом в - / |2- d z ( 1 ), где г,The device operates as follows. The light generated by the laser 1 enters the scanner 2 and is deflected at an angle determined by the control and registration unit 10. The scanner 2 can be, for example, a mirror mounted on a current frame placed in a constant magnetic field. If the mirror of the scanner 2 is in the focal plane of the main illumination lens 3, then the laser beams coming out of the scanner 2 at different angles will pass through different parts of the object 4 under study along mutually parallel paths. Passing through the object area under investigation, the laser beam will experience refraction on the inhomogeneities of the object 4 encountered on its way and at the exit from the object deviates by an angle from the undisturbed direction of propagation. Moreover, in - / | 2 - d z (1), where r,

По о ЗУчPo o Zuch

по - показатель преломлени  в объекте и окружающей объект среде соответственно; L- прот женность объекта вдоль направлени  распространени , а направлени  осейon is the refractive index in the object and the environment surrounding the object, respectively; L is the length of the object along the direction of propagation, and the direction of the axes

координат показаны на фиг, 1, При сканировании лазерного пучка осуществл етс  переход к другой точке объекта и лазерный пучок отклон етс  от невозмущенного направлени  распространени  на угол в и т.д.The coordinates are shown in Fig. 1. When scanning the laser beam, a transition to another point of the object is made and the laser beam deviates from the unperturbed direction of propagation through an angle at, etc.

0 При достаточно быстром сканировании (когда врем  кадра меньше характерного времени изменени  объекта) временна  зависимость #(t) св зана с пространственным распределением величины0 With a sufficiently fast scan (when the frame time is less than the characteristic time of the object), the time dependence # (t) is associated with the spatial distribution of

Z / ТТГ dz(V/v). где У - координата, вдольZ / TTG dz (V / v). where Y is the coordinate along

По о дуBy o do

которой осуществл етс  сканирование; v - скорость сканировани .which is being scanned; v is the scanning speed.

л Угловое отклонение в преобразуетс  главным приемным объективом 5 в смещение Д у Ю на экране 6 (здесь f - фокусное рассто ние объектива 5),( который располагаетс  в данном случае в задней фокальнойl The angular deviation in is converted by the main receiving lens 5 into the offset Д у Ю on the screen 6 (here f is the focal length of the lens 5), (which is located in this case in the rear focal

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 рассеиваетс  на экране б, а его изображение в рассе нном свете строитс  с помощью объектива 7from the plane of the main receiving lens 5. In the case of a homogeneous object at any position of the scanned beam A at 0 and the probe beam from all points of the object comes to the same point on the screen 6 Q center of the screen. The laser beam is scattered on the screen b, and its image in the scattered light is built using the lens 7

-на входном торце световода 8. Смещени  пучка А у на экране б, св занные с чеоднок родност ми объекта 4, с помощью объектива 7 перенос тс  с соответствующим коэффициентом увеличени  k (в данном случае ) на входной торец световода 8. Световод 8 дл  передачи изображени - at the input end of the optical fiber 8. The displacements of the beam A y on the screen b, connected with the similarities of the object 4, are transferred using the lens 7 with the corresponding magnification factor k (in this case) to the input end of the fiber 8. The optical fiber 8 for transmission images

п представл ет собой многожильный световод с регул рной укладкой отдельных тонких световолокон. Положение Ау лазерного пучка на входном торце световода 8 передаетс  на его выходной торец. Наn is a multicore fiber with regular laying of individual thin optical fibers. The position Ay of the laser beam at the input end of the fiber 8 is transmitted to its output end. On the

5 выходном торце световода 8 имеетс  расход щийс  световой пучок с центром, определ емым координатой tA .у.5, the output end of the optical fiber 8 has a diverging light beam with a center defined by the coordinate tA .y.

Расход щийс  световой пучок направ- 0 л етс наКЧФЭ. Размер лазерного пучка на светочувствительной поверхности КЧФ 9 бпредел етс  рассто нием между этой поверхностью и выходным торцом световода 8, а смещение энергетического центра 5 светового п тна на поверхность КЧФ равно k Ay. Управление размером лазерного пучка на поверхности КЧФ осуществл етс  пу- тем изменени  рассто ни  между этой поверхностью и выходным торцом световода 8.A diverging light beam is directed to the CFFC. The size of the laser beam on the photosensitive surface of the CFP 9 is limited by the distance between this surface and the output end of the fiber 8, and the shift of the energy center 5 of the light spot on the surface of the CFP is k Ay. The control of the size of the laser beam on the surface of the CFP is carried out by changing the distance between this surface and the output end of the optical fiber 8.

Координатные характеристики р да КЧФ существенно завис т от раэмерй светового п тна на их светочувствительной поверхности . Так, дл  разрезного фотодиода с увеличением размера светового п тна на его поверхности (увеличение рассто ни  между КЧФ и выходным торцом световода 8) происходит увеличение диапазона измер емых перемещений Ду1 и уменьшение крутизны координатной характеристики (см, фиг.2). При этом величина Um остаетс  неизменной. Аналогичную координатную характеристику имеет КЧФ в виде фотоэлектронного умножител  (ФЭУ) с непрозрачной диафрагмой (ножом), расположенной перед ФЭУ.The coordinate characteristics of the RPC series depend significantly on the light spot sizes on their photosensitive surface. Thus, for a split photodiode with an increase in the size of the light spot on its surface (an increase in the distance between the CFR and the output end of the optical fiber 8), an increase in the range of measured displacements Dn1 and a decrease in the steepness of the coordinate characteristic occur (see Fig. 2). In this case, the value of Um remains unchanged. A similar coordinate characteristic has a CFR in the form of a photomultiplier tube (PMT) with an opaque diaphragm (knife) located in front of the PMT.

Изменением рассто ни  между выходным торцом световода 8 и КЧФ 9 в процессе измерени  обеспечиваетс  такой диапазон измер емых перемещений Ду (фиг.2), который соответствует имеющемус  в данный момент распределению неоднородностей в исследуемом объекте .By changing the distance between the output end of the optical fiber 8 and the CFR 9 during the measurement process, a range of measured displacements Du (Fig. 2) is provided that corresponds to the currently existing distribution of inhomogeneities in the test object.

При этом широкий диапазон измерений обеспечиваетс  при йысоком пространственном разрешении, определ емом тем, что зондирующий пучок имеет малые размеры в измерительной области.Moreover, a wide range of measurements is provided with a high spatial resolution, determined by the fact that the probe beam has small dimensions in the measuring region.

Электрический сигнал с выхода КЧФ 9 поступает на блок регистрации и управлени  10, с помощью которого осуществл етс  обработка сигнала КЧФ и синхронизаци  работы сканера 2 и КЧФ 9.The electrical signal from the output of the CFR 9 is fed to the registration and control unit 10, with the help of which the RF signal is processed and the scanner 2 and the CFR 9 are synchronized.

Следует отметить, что поскольку иэб- бражение зондирующего пучка на входном торце световода формируетс  в рассе нном свете, дл  согласовани  экрана и входного торца световода можно использовать стандартные малогабаритные объективы, и на параметры светового п тна, сформированного в прошедшем через световод свете, не вли ет больша  величина угла отклонени It should be noted that since the reflection of the probe beam at the input end of the fiber is generated in scattered light, standard small-sized lenses can be used to match the screen and the input end of the fiber, and does not affect the parameters of the light spot formed in the light transmitted through the fiber large deviation angle

В (смещени  Ау). При этом отсутствие экрана ведет к необходимости использовани  в качестве дополнительного объектива крупногабаритных объективов дл  устранени B (bias Au). Moreover, the lack of a screen leads to the need to use large lenses as an additional lens to eliminate

винетировани .vignetting.

Изобретение позвол ет расширить диапазон измерений и повысить пространственное разрешение. Например, при использовании устройства дл  контрол The invention allows to expand the range of measurements and increase spatial resolution. For example, when using a control device

продукции в химической промышленности повышаетс  надежность контрол  (за счет повышени  пространственного разрешени ) и снижаетс  требуемое количество контролирующих приборов (за счет широкогоproducts in the chemical industry increases the reliability of control (by increasing spatial resolution) and reduces the required number of control devices (due to the wide

диапазона измерений). Это ведет к повышению качества продукции и снижению затрат на ее контроль.measuring range). This leads to improved product quality and lower costs for its control.

Claims (1)

Формула изобретени The claims Устройство дл  измерени  распределени  градиента показател  преломлени , содержащее последовательно расположенные оптически св занные лазер, сканер, осветительный объектив, приемный объектив,A device for measuring the distribution of the gradient of the refractive index, comprising: optically coupled laser, scanner, lighting lens, receiving lens, arranged in series координатно-чувствительный фотоприемник , а также блок регистрации и управлени , электрически соединенный со сканером и с координатно-чувствителъным фотоприемником, отличающеес  тем,coordinate-sensitive photodetector, as well as a registration and control unit, electrically connected to the scanner and coordinate-sensitive photodetector, characterized in that что, с целью расширени  диапазона измерений , между приемным объективом и коорди- натно-чувствительным фотоприемником последовательно установлены рассеивающий экран, дополнительный объектив иthat, in order to expand the measurement range, between the receiving lens and the coordinate-sensitive photodetector, a scattering screen, an additional lens, and многожильный световод, причем экран расположен в фокальной плоскости приемного объектива, дополнительный объектив оптически сопр жен с экраном и входным торцом световода, а выходной торец световода установлен с возможностью изменени  рассто ни  до координатно-чувствительного фотоприемникаa multicore fiber, the screen being located in the focal plane of the receiving lens, an additional lens is optically coupled to the screen and the input end of the fiber, and the output end of the fiber is installed with the possibility of changing the distance to the coordinate-sensitive photodetector аand Фиг. 2FIG. 2