Голографический способ определения показателя преломления частиц дисперсных сред

 

Изобретение относится к области голографической дисдрометрии и может быть использовано для измерения показателя преломления прозрачных и полупропрозрачных частиц дисперсных сред. Для измерения показателя преломления частицы освещают исследуемую среду когерентным излучением, при помощи оптической системы строят ее действительное изображение вблизи фотоматериала, регистрируют голограмму этого изображения, восстанавливают голограмму и при помощи плавной перефокусировки увеличивающей оптической системы достоверно обнаруживают в восстановленном голографическом изображении дисперсную частицу и точку фокусировки преломленного частицей излучения, измеряют продольные координаты центрального сечения частицы и точки фокусировки преломленного ею излучения, а также измеряют размер частицы. По измеренным величинам определяют показатель преломления частицы дисперсной среды. Техническим результатом является возможность различения микрочастиц различной природы, повышение достоверности обнаружения микрочастицы в голографическом изображении объема дисперсной среды. 5 ил.

Изобретение относится к области голографической дисдрометрии и может быть использовано для измерения показателя преломления прозрачных и полупрозрачных частиц дисперсных сред.

Известен способ голографической регистрации объемных ансамблей микрочастиц [1], в котором исследуемый ансамбль микрочастиц освещают когерентным излучением, регистрируют голограмму ансамбля микрочастиц, полученную голограмму просвечивают когерентным излучением и по восстановленному голографическому изображению при помощи увеличивающей оптической системы измеряют размеры и формы частиц.

Однако в данном случае отсутствует информация об оптических свойствах вещества частицы дисперсной среды и, как следствие, невозможно идентифицировать частицы различной природы. Кроме того, данный способ ограничен по расстоянию до исследуемого ансамбля микрочастиц.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ, в котором освещают когерентным излучением исследуемую дисперсную среду, при помощи оптической системы строят действительное изображение объема дисперсной среды вблизи фотоматериала, регистрируют голограмму этого изображения, просвечивают полученную голограмму пучком когерентного излучения и, при помощи увеличивающей оптической системы, обнаруживают частицу дисперсной среды в восстановленном голографическом изображении и измеряют ее размер [2].

Однако известный способ имеет следующие недостатки. Практика показывает, что в восстановленном голографическом изображении объема дисперсной среды наблюдаются изображения не только частиц, но и точек фокусировки лучей, преломленных частицами, а также изображения спеклов. Это существенно повышает вероятность ложного обнаружения микрочастицы. Еще одним недостатком данного способа является отсутствие информации об оптических параметрах исследуемых микрочастиц, что не позволяет различать частицы различной природы.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа измерения показателя преломления микрочастиц дисперсной среды. В результате появляется возможность различать микрочастицы различной природы; повышается достоверность обнаружения микрочастицы в голографическом изображении объема дисперсной среды.

Технический результат достигается тем, что согласно известному способу, освещают когерентным излучением исследуемую дисперсную среду, при помощи оптической системы строят действительное изображение объема дисперсной среды вблизи фотоматериала, регистрируют голограмму этого изображения, просвечивают полученную голограмму пучком когерентного излучения и, при помощи увеличивающей оптической системы, обнаруживают частицу дисперсной среды в восстановленном голографическом изображении и измеряют ее размеры.

В отличие от известного, в заявляемом способе, после просвечивания полученной голограммы производят плавную перефокусировку увеличивающей оптической системы, устанавливают достоверность обнаруженного изображения голографическому изображению частицы дисперсной среды по появлению краевого дифракционного эффекта в наблюдаемой картине, дополнительно обнаруживают голографическое изображение точки фокусировки преломленного частицей излучения, по изменяющемуся при перефокусировке увеличивающей оптической системы размеру наблюдаемой картины с одновременным уменьшением ее освещенности подтверждают достоверность обнаружения точки фокусировки преломленного частицей излучения, последовательно настраивают увеличивающую оптическую систему на резкое изображение центрального сечения частицы дисперсной среды и на резкое изображение точки фокусировки преломленного этой частицей излучения, измеряют их продольные координаты и по измеренным величинам определяют показатель преломления частицы дисперсной среды.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что производят плавную перефокусировку увеличивающей оптической системы, измеряют продольные координаты голографических изображений центрального сечения частицы и точки фокусировки преломленного частицей излучения, предварительно устанавливая их достоверность, и по измеренным величинам определяют показатель преломления частицы. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями в данной области и смежных областях показало, что способы, позволяющие определять показатель преломления вещества, известны. Однако они не позволяют определять показатель преломления частиц дисперсной среды и не предполагают запись голограммы. Способ, включающий перефокусировку увеличивающей оптической системы (наводку на резкость), известен [1]. Однако в этом способе не предполагается принимать решение о наличии или отсутствии частицы по изменению наблюдаемой картины, а также не предполагается измерение продольных координат голографических изображений центрального сечения частицы и точки фокусировки преломленного частицей излучения. Это позволяет сделать вывод, что заявляемый способ соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".

Практика показывает, что в голографическом изображении объема дисперсной среды присутствуют как изображения частиц среды, так и изображения точек фокусировки преломленного частицами излучения. Кроме того, здесь же присутствуют и изображения спеклов (спекл-картина). Производя перефокусировку увеличивающей оптической системы (как правило, микроскопа), можно разделить эти три типа изображений. Изображение спекла при перефокусировке практически не меняет свою форму, а просто исчезает, когда величина перефокусировки превышает продольный размер спекла. При отстройке от изображения частицы вокруг расфокусированного изображения возникает краевая дифракционная картина. При отстройке от изображения точки фокусировки преломленного частицей излучения просто изменяются размеры наблюдаемого пятна с одновременным уменьшением его освещенности. Таким образом, введенная операция плавной перефокусировки увеличивающей оптической системы позволяет повысить достоверность обнаружения частицы.

На фиг. 1 показана схема устройства; на фиг.2 - регистрация голограммы частицы дисперсной среды; на фиг. 3 - восстановление голограммы частицы дисперсной среды; на фиг. 4 приведены фотографии увеличенного изображения водной капли: а) увеличивающая система сфокусирована (настроена) на центральное сечение капли; б) увеличивающая система настроена на точку фокусировки преломленного частицей излучения.

Устройство (фиг. 1) содержит лазер 1 (например, ГОР-100), установленный на плите установки УИГ-12 при помощи комплекта держателей УИГ-12, гелий-неоновый лазер 2 (например, ЛГ-38), полупрозрачные зеркала 3, "глухие" зеркала 4, расширители предметного (5) и опорного (6) каналов, исследуемый объем дисперсной среды 7, объектив 8, действительное изображение 9 исследуемого объема 7, фотопластинку 10 (типа ПФГ-03), микроскоп горизонтальный 11 (типа МГ-1), имеющий подвижки с точным отсчетом в трех взаимно перпендикулярных направлениях (для МГ-1 точность отсчета порядка 0,1 мм), восстановленное голографическое изображение 12.

На фиг. 2 показаны падающая волна 13, исследуемая частица дисперсной среды (или ее действительное изображение) 14, дифрагировавшее излучение 15, преломленное частицей излучение 16, опорная волна 17, фотопластина 10, точка 18 фокусировки преломленного частицей излучения 16.

На фиг. 3 показаны восстанавливающая волна 17', голограмма 10, восстановленное голографическое изображение 14', z₁- продольная координата центрального сечения частицы; точка 18' фокусировки преломленного частицей излучения 16', z₂ - продольная координата точки 18', измерительный микроскоп 11.

При освещении падающей волной 13 (фиг. 2) прозрачной или полупрозрачной частицы 14 за ней распространяются две волны - дифрагировавшая на границе (контуре) частицы волна 15 и преломленная частицей волна 16. Последняя фокусируется в точке 18, расстояние до которой от центрального сечения частицы можно рассчитать из соображений геометрической оптики: f = f(n_o, n_p, a)(1) где а - размер частицы; n_o - показатель преломления среды; n_p - показатель преломления частицы.

Выражение (1) зависит от формы наблюдаемой частицы. Так, для сферической частицы радиуса а это выражение выглядит следующим образом: f_сф = an_p/2(n_p-n_o) (2) Голограмма 10 частицы 14 регистрируется при помощи опорной волны 17. Тогда на этапе восстановления (фиг. 3) при освещении голограммы сопряженной опорной волной 17' (что достигается освещением голограммы с обратной стороны опорной волной 17) с голограммы будет восстановлено изображение частицы 14', за которым распространяются волны 15' и 16', идентичные дифрагированной 15 и преломленной 16 волнам на этапе записи голограммы частицы 14 (фиг. 2).

Поэтому, измерив в восстановленном голографическом изображении (например, при помощи измерительного микроскопа 11 (фиг. 3)) расстояние от центрального сечения частицы 14 (фиг. 2) до точки фокусировки 18 преломленного излучения и измерив размер частицы а, используя формулы (1), (2), легко определить показатель преломления вещества частицы дисперсной среды.

Устройство работает следующим образом.

Импульсное излучение рубинового лазера 1 (фиг. 1), пройдя систему зеркал 3, 4 и расширители 5, 6, формируется в два пучка: предметный и опорный. Опорный пучок освещает фотопластину 10, а предметный пучок освещает исследуемый объем дисперсной среды 7. Исследуемой дисперсной средой может служить, например, капельный аэрозоль, полученный либо кипением, либо при помощи ультразвукового генератора аэрозоля. Объектив 8 формирует действительное изображение 9 исследуемого объема дисперсной среды 7 вблизи фотопластины 10. Сформированные таким образом предметная и опорная волны образуют стационарную интерференционную картину, которая и регистрируется на фотопластинке 10. После фотохимической обработки фотопластина 10 (голограмма) освещается опорным пучком. Для этого используется непрерывное излучение гелий-неонового лазера 2, причем предметный пучок перекрывается, например, за расширителем 5. С голограммы 10 восстанавливается голографическое изображение 12 исследуемого объема дисперсной среды 7. При помощи микроскопа 11 в объемном изображении 12 обнаруживают изображение микрочастицы дисперсной среды. Производят плавную перефокусировку микроскопа 11. Если наблюдаемая картина при перефокусировке практически не изменяется, а затем исчезает, то в поле зрения находится спекл. Если картина увеличивается или уменьшается с одновременным уменьшением или увеличением освещенности, определяют, что в поле зрения находится пучок лучей, преломленных частицей. Если же при перефокусировке микроскопа 11 в наблюдаемой картине появляется краевой дифракционный эффект, то определяют, что в поле зрения микроскопа 11 находится изображение микрочастицы исследуемой дисперсной среды (в рассматриваемом случае - капли.). Последовательно настраивают микроскоп 11 на резкое изображение центрального сечения капли и на точку фокусировки преломленного каплей излучения. Зная увеличение микроскопа 11, по измерительной шкале перемещений микроскопа определяют их продольные координаты z₁ и z₂, а также радиус а капли. По формуле
определяют n_p - показатель преломления капли. В рассматриваемом случае n_o=1 - показатель преломления воздуха.

При помощи описанного способа проведено определение показателя преломления водных капель (фиг. 4). Точность определения показателя преломления определяется точностью измерения z₁, z₂ и а и зависит, в основном, от цены деления шкалы перемещения микроскопа. В проведенных экспериментах, с использованием микроскопа горизонтального МГ, для капель радиусом 50 - 100 мкм, точность определения показателя преломления составила 10% - 3%. Избежать возрастания погрешности при уменьшении размера исследуемых капель возможно с помощью использования более точных подвижек.

Способ может быть реализован на базе серийно выпускаемой аппаратуры, что позволяет внедрять его всем заинтересованным организациям.

Источники информации:
1. Кольер Р. , Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. - М.: Мир, 1973, с. 411 - 414.

2. Оптическая голография. Практические применения. Е.А.Антонов, В.М. Гинзбург, Е.Н.Лехциер и др. под ред. В.М.Гинзбург, Б.М.Степанова.- М.: Сов. радио, 1978, с. 167.

Формула изобретения

Голографический способ определения показателя преломления частиц дисперсных сред, при котором освещают когерентным излучением исследуемую дисперсную среду, при помощи оптической системы строят ее действительное изображение вблизи фотоматериала, регистрируют голограмму этого изображения, просвечивают полученную голограмму пучком когерентного излучения, при помощи увеличивающей оптической системы обнаруживают частицу дисперсной среды в восстановленном изображении и измеряют ее размеры, отличающийся тем, что после просвечивания полученной голограммы производят плавную перефокусировку увеличивающей оптической системы, устанавливают достоверность обнаруженного изображения голографическому изображению частицы дисперсной среды по появлению краевого дифракционного эффекта в наблюдаемой картине, дополнительно обнаруживают в восстановленном изображении изображение точки фокусировки преломленного частицей излучения, по изменяющимся при перефокусировке увеличивающей оптической системы размерам и освещенности наблюдаемой картины подтверждают достоверность обнаруженного изображения точки фокусировки преломленного частицей излучения, последовательно настраивают увеличивающую оптическую систему на резкое изображение центрального сечения частицы дисперсной среды и точки фокусировки преломленного этой частицей излучения, измеряют их продольные координаты и по измеренным величинам определяют показатель преломления частицы дисперсной среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5