Файл: Применения лазеров..pdf

■ Пленка

■ изображение

■исследуемыйoâseM

- Точечная диафрагма

(d=200jHKM)

■ Диафрагма

- Диафрагма

- Рубиновый лазер

Ф и г . 10. Оптическая схема голографического анализатора частиц.

Не—Ne-лазером, работающим в непрерывном режиме. Восстанавливаемая волна образует объемное видимое изо­ бражение порции частиц тумана, занимающих часть объема, зарегистрированную на голограмме. Наблюдение и изме­ рение размеров и положений частиц в различных плоскос­ тях исследуемого объема проводят с помощью телевизион­ ной системы со специальной оптикой.

Первое устройство, на котором проверялась эффектив­ ность метода, было создано в 1963 г. [105]. Для устра­ нения фоновой засветки в нем использовали пространствен­ ный фильтр, поэтому изображения имели характерный вид дисков Эйри.

В 1964 г. были изготовлены два лазерных анализатора частиц тумана, которые работали в полевых условиях [132, 133]. Оптическая схема этих анализаторов показана на фиг. 10. Пучок рубинового лазера, работакщего в ре­ жиме модуляции добротности, в анализаторе пропускается через две диафрагмы диаметром 2 мм, установленные на расстоянии 56 см друг от друга, что позволяет избавиться от внеосевых мод лазерного излучения и получить на входе передней собирающей линзы коллиматора относительно однородное распределение интенсивности. Линзы Lj и L2 расширяют и коллимируют лазерный пучок; диаметр его при этом может быть увеличен в 20 раз. Частицы тумана могут проходить через исследуемый объем с глубиной 3 см вдоль оптической оси. Две линзы L3 и L4 с фокусным рас­ стоянием 19 см и относительным отверстием Ѵ3 съюстированы так, что их фокусы совпадают. Эта система отображает капли тумана в объем, расположенный непосредственно перед плоскостью 35-миллиметровой пленки Panatomic-X фирмы Kodak. Расстояние от плоскости пленки до ближай­ шей границы изображения исследуемого объема состав­ ляет 1 см.

Устройства были установлены на специальном прибор­ ном прицепе. Лазерная головка и коллиматор устройства крепились вертикально под алюминиевой плитой толщиной 12,5 мм. Две выпуклые пластины (фиг. 11) ограничивают исследуемый объем. Проекционная оптика и затворы рас­ положены в верхней вертикальной трубке. В верхней сек­ ции имеются два дополнительных элемента — соленоид для

изучать частицы диаметром 30 мкм и более. Разрешение пленки Panatomic-X и проецирующие линзы не давали возможности зарегистрировать частицы меньшего диа­ метра. Затем в конструкцию анализаторов были внесены изменения, а полученные данные обработаны для измерения диаметров зарегистрированных частиц туманов.

В 1965 г. два лазерных анализатора, описанные выше, были модифицированы и вновь испытаны в полевых усло­

вания (воспроизведения) лазерного анализатора. Голо­ грамма восстанавливается при освещении коллимирован­ ным излучением Не—Ne-лазера с выходной мощностью 0,3 мВт. Лазерный свет сначала фокусируется с помощью собирающей линзы на точечную диафрагму, которая дей­

ствует как фильтр нижних пространственных частот, сглаживающий мелкомасштабные изменения интенсив­ ности в поперечном сечении пучка. Голограмма устанав­ ливается в подвижной рамке, а восстанавливаемые действи­ тельные изображения проецируются на фотокатод видикона

Ф и г . 13. Голограмма порции капель, которая получена с помощью устройства, показанного на фиг, 12 (из работы [125]).

получен ряд положительных результатов для капель с диа­ метром 25 мкм и более. Автоматизацию процесса изме­ рений для частиц меньшего размера осуществить не уда­ лось, поскольку шумы пленки и несфокусированные изо­ бражения больших капель дают вклад в величину сигнала (интенсивность) того же порядка, что и сфокусированные изображения мелких капель. Неавтоматизированная ви­ зуальная техника позволяет определять размеры частиц диаметром до нескольких микрон.

Конструкция системы считывания была изменена та­ ким образом, чтобы облегчить обработку данных в полевых условиях и обеспечить оператору максимальные удобства в работе. Оптическая система остается довольно простой и допускает любые изменения в узлах будущих анализато-

— 5

Ф и г . 14. Оптическая схема системы считыва­ ния для измерения размеров частиц.

I — ТВ-приемник; 2—ТВ-каме­ ра; 5—линза; 4 —восстановлен­ ное изображение частиц; 5 — го­

8лограмма; 6 —коллимирующая линза (Г =50 см); 7 —диафрагма

(d=20 мкм); 8—Не—N e-лазер.

ров, пригодных для исследования частиц с другими размерами. Механическое сканирование в х-, у- и г-направ- лениях с электрическим приводом позволит использовать полностью автоматизированную схему, как только она будет разработана.

На фиг. 15 показана установка считывания. Специаль­ ная ручка управляет перемещением рамки с пленкой по оси Z. Поскольку система регистрации лазерного анали­ затора дает 5-кратное увеличение, глубина восстанавливае­ мого изображения объема возрастает в 25 раз. Перемещение

рамки в направлении г составляет 168 см. Четырехпозицион­

нели указывает участок голографического кадра, который воспроизводится на экране телеприемника. Оператор на­ бирает диаметры капель с помощью кнопок на панели управления, а печатающее устройство фиксирует на ленте их величину вместе с х-, у- и z-координатами.

Ряд счетчиков на передней консоли выше панели управ­ ления показывает число зарегистрированных частиц с дискретностью по диаметру ~ 5 мкм. По команде опера­ тора печатающее устройство фиксирует эти значения. При обработке данных сначала сканируется сфокусированное изображение голографического кадра и производится поиск голограмм отдельных частиц. Когда частица найдена, опе­ ратор перемещает каретку вдоль оптической оси, чтобы сфокусировать голографическое действительное изображе­

ние частицы. Схема сканирования с фазовой синхрониза­ цией в ^-направлении избавляет оператора от повторных учетов частиц и гарантирует от пропусков.

Предельное разрешение при считывании, определяемое увеличением проецирующей линзы и разрешением растра видикона, составляет около 25 мкм. Размер пятна 25 мкм на экране соответствует предельному разрешению анали­ затора. Это позволяет получить в устройстве считывания максимально возможное поле зрения без ухудшения каче­ ства изображений.

Такую же схему можно использовать и для объектов другого типа. Например, в работе [79] с ее помощью осу­ ществлялось динамическое измерение изменений формы стеклянных волокон в процессе их непрерывного вытяги­ вания. Поскольку волокна прозрачны, дополнительная интерференционная картина, создаваемая прошедшим пуч­ ком, образует модифицированную голограмму. На восста­ новленном изображении волокна (в середине) видны интер­ ференционные полосы, определяющие изменение диамет­ ра волокна.

Камера для быстродвижущихся аэрозолей. Для иссле­ дования быстродвижущихся аэрозолей было разработано и испытано специальное устройство. Очевидно, что воздей­ ствие окружающей среды может создать в этом применении дополнительные проблемы. Схема устройства приведена на фиг. 16.

Регистрация больших частиц. Это устройство можно использовать для исследования частиц диаметром от не­ скольких сотен микрон и выше. (Метод внеосевого опорно­ го пучка принципиально применим всегда, но на практике его использование ограничивается сложностью формирова­ ния опорного пучка.)

Однако для этого надо немного модифицировать устрой­ ство, так как в этом случае сильно увеличивается расстоя­ ние дальней зоны дифракции. Отказ же от использования регистрации в дальней зоне ухудшает качество изображе­ ний из-за наличия вклада расфокусированного мнимого изображения.

Решение проблемы состоит в том, что до регистрации голограммы производят уменьшение изображения частиц. Положение дальней зоны определяется тогда этим умень-

шенным размером. Метод может найти применение в таких важных областях, как анализ размеров дождевых капель, где за одну экспозицию можно зарегистрировать капли в объеме глубиной до нескольких метров.

23

□'Ң}— [1—~1Ьу—--— ДИ—Г ~ 0

-к __ u 1 l—ir*

Фотографирование в пузырьковой камере. В 1966 г.

Велфорд [150] предложил использовать голографию для увеличения глубины изображений в фотографиях пузырь­ ковых камер. Экспериментальные исследования примени­ мости голографической техники к пузырьковым камерам были проведены также в работах [129, 149].

Обычно пузырьки имеют диаметр около 400 мкм, а размер камеры достигает 132 см, а иногда и 200 см. При этом ярмо магнита не позволяет проводить наблюдения прямо сквозь камеру. Необходимо наблюдать камеру с той же стороны, с которой в нее вводится излучение цветового ис­ точника. Для этого была предложена схема с зеркалом на задней поверхности моделируемой камеры. При конт­ рольных испытаниях этой схемы в камеру помещались неподвижные проволочки и инжектировались аэрозольные частицы. Высокое разрешение по диаметру частиц (+3%) легко получалось в объеме глубиной, превышающей тре­ буемую. Точность же положения частиц по глубине объе­