Устройство измерения прозрачных неоднородностей

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к оптико-электронным теневым приборам, используемым для исследования градиента показателя преломления оптически прозрачных сред, преимущественно для изучения мелкомасштабных прозрачных плотностных неоднородностей. Технический результат полезной модели заключается в повышении точности измерений параметров прозрачных неоднородностей за счет повышения равномерности излучения по сечению зондирующего светового пучка в исследуемом объеме. В устройстве обнаружения прозрачных неоднородностей последовательно расположены лазерный диод, коллимирующий объектив, первая пентапризма, первый и второй иллюминаторы, между которыми размещается исследуемый объем, вторая пентапризма, приемный объектив, нож, и приемник излучения, соединенный со средствами обработки информации. Лазерный диод, ориентируют его таким образом, чтобы направление наибольшей расходимости светового пучка от него было параллельно кромке ножа. Апертура коллимирующего объектива выбирается таким образом, чтобы при установке его в определенное конструкцией устройства посадочное место, она не превышала бы размер светового пучка от лазерного диода в этой плоскости, в направлении наименьшей расходимости. Перед приемником излучения может быть установлена щелевая диафрагма, ориентированная параллельно кромки ножа.

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, а именно к оптико-электронным теневым приборам, используемым для исследования градиента показателя преломления оптически прозрачных сред, преимущественно для изучения мелкомасштабных прозрачных плотностных неоднородностей.

Наиболее близким к предлагаемому, и выбранным в качестве прототипа, является устройство измерения характеристик прозрачных неоднородностей по патенту РФ 2196299.

Устройство представляющее собой теневой прибор, включает лазерный диод, в качестве источника излучения, конденсор, коллимирующий объектив, пентапризму, два иллюминатора, между которыми размещается исследуемый объем, вторую пентапризму, приемный объектив, нож, линзу, призму, фотоприемник, состоящий из нескольких фотодиодов, один из которых, расположенный в центре, представляет собой прямоугольник с соотношением сторон меньше 0,02, длинная сторона которого параллельна кромке ножа, а другие расположены симметрично центральному и заполняют все поле изображения, причем выход с центрального фотодиода и суммарный выход со всех фотоприемников подключены к устройству вычитания, а выход устройства вычитания подключен ко входу устройства обработки сигнала, а выходы наиболее разнесенных в направлении, перпендикулярном кромке ножа, фотоприемников подключены к соответствующим корреляторам, выходы с которых подключены на вход устройства определения средней скорости потока.

Лазерный диод в данном устройстве ориентирован произвольно, а апертура коллимирующего объектива не согласована с размером светового пучка от лазерного диода в направлении наименьшей расходимости.

Известно, что излучение лазерного диода неравномерно по сечению светового пучка. Поэтому без принятия дополнительных мер яркость зондирующего светового пучка в исследуемом объеме неравномерна по сечению. Причем неравномерность от центра к краю может достигать 50%. В результате, одна и та же неоднородность, оказавшись в центре пучка, будет создавать полезный сигнал больший по величине, чем если бы она оказалась на краю сечения пучка. Кроме того, несогласованность входной апертуры коллимирующего объектива с размером светового пучка от лазерного диода в направлении наименьшей расходимости может привести к тому, что размер пучка в этом направлении окажется меньше входной апертуры, что увеличит неравномерность в этом направлении зондирующего светового пучка в исследуемом объеме, а следовательно, отразится на величине полезного сигнала. Все это, снижает точность результатов измерений.

Технический результат полезной модели заключается в повышении точности измерений параметров прозрачных неоднородностей за счет повышения равномерности излучения по сечению зондирующего светового пучка в исследуемом объеме.

Для достижения указанного технического результата в устройстве измерения прозрачных неоднородностей, представляющем собой теневой прибор, содержащий лазерный диод, в качестве источника излучения, коллимирующий объектив, первую пентапризму, первый и второй иллюминаторы, между которыми размещается исследуемый объем, вторую пентапризму, приемный объектив, нож, приемник излучения и средства обработки информации, лазерный диод ориентирован так, что направление наибольшей расходимости светового пучка от источника излучения параллельно кромке ножа, а входная апертура коллимирующего объектива не превышает диаметр светового пучка в направлении его наименьшей расходимости.

Для повышения чувствительности устройства к мелкомасштабным прозрачным плотностным неоднородностям, размер которых много меньше сечения зондирующего светового пучка, в устройстве, перед приемником излучения, может быть установлена щелевая диафрагма, ориентированная параллельно кромке ножа.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - оптическая схема устройства,

фиг.2 - предлагаемая схема ориентации лазерного диода.

На чертежах обозначены:

1 - лазерный диод (источник излучения);

2 - коллимирующий объектив;

3 - первая пентапризма

4 - первый иллюминатор;

5 - второй иллюминатор;

6 - вторая пентапризма

7 - приемный объектив;

8 - нож;

9 - щелевая диафрагма;

10 - приемник излучения;

11 - средства обработки информации;

В устройстве обнаружения прозрачных неоднородностей последовательно расположены лазерный диод 1, коллимирующий объектив 2, первая пентапризма 3, первый иллюминатор 4 и второй иллюминатор 5, между которыми размещается исследуемый объем, вторая пентапризма 6, приемный объектив 7, нож 8, и приемник 10 излучения, соединенный со средствами обработки информации 11.

Перед приемником излучения 10 может быть установлена щелевая диафрагма 9, ориентированная параллельно кромки ножа 8.

Установка элементов оптической схемы производится следующим образом. Нож 8 устанавливается требуемым образом, например, параллельно корпусу устройства. Лазерный диод 1 устанавливается в свое посадочное место и включается. Пятно излучения от него вытянуто в одном из направлений. Поворачивая лазерный диод 1, ориентируют его таким образом, чтобы направление наибольшей расходимости светового пучка от него было параллельно кромке ножа 8. В этом положении лазерный диод 1 фиксируется.

Апертура коллимирующего объектива 2 выбирается таким образом, чтобы при установке его в определенное конструкцией устройства посадочное место, она не превышала бы размер светового пучка от лазерного диода 1 в этой плоскости, в направлении наименьшей расходимости.

Приемник 10 излучения может быть выполнен, например, на основе кремниевого PIN фотодиода.

В качестве средства обработки информации 11 может использоваться ЭВМ или микроконтроллер.

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок от лазерного диода 1 проходит через коллимирующий объектив 2, который преобразует его в квазипараллельный зондирующий световой пучок. Этот зондирующий пучок, пройдя через первую пентапризму 3, иллюминатор 4, исследуемый объем, второй иллюминатор 5, вторую пентапризму 6, попадает на приемный объектив 7, который фокусирует пучок в плоскости ножа 8, перекрывающего часть пучка, после чего он попадает на приемник излучения 10.

Когда в исследуемом объеме появляются прозрачные неоднородности, зондирующий световой пучок смещается в плоскости ножа 8, т.е. изменяется засветка приемника излучения 10. Возникает полезный сигнал на выходе устройства, по величине и спектральной характеристике которого судят о характере обнаруженной неоднородности.

С выхода приемника излучения 10 электрический сигнал поступает в средства обработки информации 11, где осуществляется накопление данных, поступающих с выхода приемника излучения 10, а также их обработка, заключающаяся в цифровой фильтрации, вычислении спектральных характеристик и параметров оптических неоднородностей.

Благодаря тому, что лазерный диод 1 ориентирован так, что направление наибольшей расходимости излучения параллельно кромке ножа 8, из общего сечения светового пучка будет вырезаться только средняя часть, что обеспечит неравномерность зондирующего светового пучка вдоль кромки ножа 8 не более 5-10%. Поскольку входная апертура коллимирующего объектива 2 не превышает диаметр светового пучка в направлении его наименьшей расходимости, соответствующей направлению, перпендикулярному кромке ножа 8, в этом направлении будет обеспечиваться полное заполнение апертуры коллимирующего объектива 2. Поэтому, не зависимо от того, где через исследуемый объем проходит мелкомасштабная неоднородность, величина сигнала, создаваемого ею будет различаться не более чем на 5-10%. Таким образом, существенно повышаются точность измерения параметров прозрачных плотностных неоднородностей и достоверность всей получаемой информации.

В случае, когда в устройстве установлена щелевая диафрагма 9, световой пучок, до попадания на приемник излучения, проходит через нее. В результате, на приемник излучения 10 попадает информация не со всего сечения зондирующего светового пучка в исследуемом объеме, а с узкой полоски ориентированной вдоль кромки ножа 8, ширина которой определяется шириной щелевой диафрагмы 9 с учетом масштабного различия сечения светового потока в исследуемом объеме и в плоскости щелевой диафрагмы 9. При этом повышается чувствительность устройства к неоднородностям с размерами, до сопоставимых с шириной диафрагмы 9.

Предлагаемое устройство прошло опытную проверку и показало повышение точности измерений параметров прозрачных неоднородностей за счет повышения равномерности излучения по сечению зондирующего светового пучка в исследуемом объеме.

Представленные чертежи и описание позволяют, используя существующие материалы и технологии, изготовить предлагаемое устройство промышленным способом и использовать его для обнаружения и измерения прозрачных неоднородностей среды, что характеризует полезную модель как промышленно применимую.

1. Устройство измерения прозрачных неоднородностей, представляющее собой теневой прибор, содержащий лазерный диод, в качестве источника излучения, коллимирующий объектив, первую пентапризму, первый и второй иллюминаторы, между которыми размещается исследуемый объем, вторую пентапризму, приемный объектив, нож, приемник излучения и средства обработки информации, отличающееся тем, что лазерный диод ориентирован так, что направление наибольшей расходимости светового пучка от источника излучения параллельно кромке ножа, а входная апертура коллимирующего объектива не превышает диаметр светового пучка в направлении его наименьшей расходимости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перед фотоприемником установлена щелевая диафрагма, ориентированная параллельно кромке ножа.