Устройство для подавления спекл-шума в системах регистрации когерентного обратного рассеяния

Полезная модель относится к области оптики, а именно к технике регистрации эффекта когерентного обратного рассеяния (КОР) в дисперсных средах.
Явление когерентного обратного рассеяния света состоит в резком возрастании интенсивности света, рассеянного сильно неоднородной средой, в малом телесном угле (порядка отношения длины волны к длине свободного пробега фотона) в направлении, противоположном направлению падения света. Эффект когерентного обратного рассеяния позволяет получить информацию о свойствах рассеивающей среды, в частности о концентрации частиц и их распределении по размерам.
В настоящее время для регистрации когерентного обратного рассеяния используют установки, основанные на принципе измерения углового распределения обратного рассеяния. Основной принцип данных установок состоит в том, чтобы регистрировать свет, рассеянный по направлению строго назад по отношению к падающему излучению.
Для подавления спекл-шума, возникающего при лазерной подсветке и мешающего видеть полезный сигнал КОР, используются различные устройства. Принцип работы этих устройств состоит в изменении структуры пучка или вращении контактирующей с лазерным излучением поверхности. При вращении образца происходит аксиальное усреднение, что приводит к перекрытию спекловых картин, и слиянию их в относительно незашумленное изображение.
Известны метод и устройство для ослабления спеклов, содержащее источник лазерного излучения, первое многомодовое волокно, рандомизатор, волоконную линию задержки, второе многомодовое волокно и оптическую плиту, на которой они компактно размещены. Патент РФ № 172171, МПК G02B 27/14, 29.06.2017.
Недостатком аналога является малая эффективность подавления спекл-шума.
Известен узел системы регистрации когерентного обратного рассеяния, содержащий электродвигатель, вращающийся вал и кювету с образцом в виде цилиндра, на торец которого падает лазерное излучение, при этом вращающийся вал с помощью зажима механически соединен с кюветой, так что их оси совпадают. Все элементы узла: электродвигатель, вращающийся вал и кювета с образцом в виде цилиндра – находятся на одной оптической оси. D. Kroon, S. Lönn. Utilizing enhanced backscattering for determination of scattering properties in turbid media. – Lund Reports in Atomic Physics, PHYM01, 20111, 2011. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является невозможность плавной регулировки зондируемой толщины образца дисперсной среды. Толщина образца регулируется с помощью изменения числа дискретных слоёв.
Техническим результатом является возможность плавной регулировки зондируемой толщины образца дисперсной среды. Толщина образца регулируется с помощью смещения вращающейся кюветы, которая имеет клиновидную форму.
Технический результат достигается тем, что устройство для подавления спекл-шума в системах регистрации когерентного обратного рассеяния, содержащее электродвигатель, вал, соосный с электродвигателем и механически соединённый с ним, и вращающуюся кювету, дополнительно содержит втулку, цилиндрический стержень и зажим; втулка, выполненная в форме цилиндра, содержит соосное валу цилиндрическое углубление, предназначенное для крепления втулки к валу; также втулка содержит сквозное отверстие, ось которого перпендикулярна оси вала, предназначенное для крепления цилиндрического стержня; втулка механически соединена с валом и соосна с ним; цилиндрический стержень проходит через отверстие во втулке и механически соединён с втулкой; зажим содержит цилиндрическое отверстие, ось которого перпендикулярна оси вала; цилиндрический стержень проходит через данное отверстие и фиксируется в нём с помощью винта; вращающаяся кювета состоит из двух плоскопараллельных пластин из оргстекла или другого оптически прозрачного материала с длиной а и прокладки из органического стекла между ними c длиной Δa и толщиной b, соединённых так, что угол между плоскопараллельными пластинами равен α=b/(a-Δa); наибольшие грани ближайшей к электродвигателю пластины вращающейся кюветы параллельны торцам втулки и пересекаются с осью вала; вращающаяся кювета механически соединена с зажимом; зажим вместе с соединённой с ним вращающейся кюветой может перемещаться вдоль цилиндрического стержня и фиксироваться прижимным винтом в выбранном месте.
На чертеже приведена схема устройства для подавления спекл-шума в системах регистрации когерентного обратного рассеяния, где:
1 – электродвигатель, 2 – вал, 3 – втулка, 4 – цилиндрический стержень, 5 – зажим, 6 – вращающаяся кювета.
Устройство содержит электродвигатель 1, вал 2, соосный с электродвигателем 1 и механически соединённый с ним, втулку 3, цилиндрический стержень 4, зажим 5 и вращающуюся кювету 6. Втулка 3, выполненная в форме цилиндра, содержит соосное валу 2 цилиндрическое углубление, предназначенное для крепления втулки 3 к валу 2, также втулка 3 содержит сквозное отверстие, ось которого перпендикулярна оси вала 2 и предназначенное для крепления цилиндрического стержня 4. Втулка 3 механически соединена с валом 2, например, с помощью винтов; цилиндрический стержень 4 проходит через отверстие во втулке 3 и механически соединён с втулкой 3, зажим 5 содержит на боковой поверхности цилиндрическое отверстие, ось которого перпендикулярна оси вала 2, цилиндрический стержень 4 проходит через данное отверстие и фиксируется в нём с помощью винта. Вращающаяся кювета 6 состоит из двух плоскопараллельных пластин из оргстекла или другого оптически прозрачного материала с длиной а и прокладки между ними c длиной Δa и толщиной b, соединённых так, что угол между ними равен α=b/(a-Δa). Продольные боковые грани плоскопараллельных пластин попарно параллельны. Наибольшие грани ближайшей к электродвигателю 1 пластины вращающейся кюветы 6 параллельны торцам втулки 3 и пересекаются осью вала 2. Вращающаяся кювета 6 механически соединена с зажимом 5, например, с помощью винта. Зажим 5 вместе с соединённой с ним вращающейся кюветой 6 может перемещаться вдоль цилиндрического стержня 4 и фиксироваться прижимным винтом в выбранном месте. Зажим 5 может быть выполнен, например, в форме цилиндра, или, например, в форме прямоугольной призмы, при этом ось, проходящая через геометрические центры его торцов, перпендикулярна оси цилиндрического стержня 4, и параллельна оси вала 2.
Устройство работает следующим образом.
Электродвигатель 1 приводит в движение вал 2, который начинает вращаться вместе с закрепленной на нем втулкой 3, в отверстии которой находится цилиндрический стержень 4. Механически соединённый с цилиндрическим стержнем 4 зажим 5 и механически соединённая зажимом 5 вращающаяся кювета 6 начинают совершать обороты вокруг оси вала 2. При повороте вращающейся кюветы 6 в течение времени экспозиции кадра происходит многократное суммирование спекловых картин, что приводит к слиянию их в относительно незашумлённое спеклами изображение. Зажим 5 с прикреплённой к нему вращающейся кюветой 6 может перемещаться вдоль цилиндрического стержня 4 и фиксироваться прижимным винтом в выбранном месте, меняя тем самым толщину зондируемого слоя клиновидной кюветы 6.
1
2
3
4
В качестве электродвигателя 1 может быть использован двигатель постоянного тока 25GA370 DC12V130RPM, в качестве вала 2 может быть использован металлический стержень, например, диаметром 0,4 см, в качестве втулки 3 может быть использован цилиндр, например, из алюминия Д-16 диаметром 1 см, в ближнем торце которого имеется выемка с резьбой для крепления вала 2 и отверстие для цилиндрического стержня 4 в боковой части, в качестве цилиндрического стержня 4 может быть использован, например, стальной стержень диаметром 0,5 см, зажим 5, например, может быть выполнен в форме цилиндра, прямоугольной призмы или стержня с отверстием на боковой поверхности, в качестве вращающейся кюветы 6 может быть использованы две плоскопараллельные пластины из оргстекла или другого оптически прозрачного материала, скреплённые винтами M2, между которыми зажата прокладка из оргстекла. С данным набором комплектующих устройство может быть реализовано, например, со следующими параметрами: расстояние L между электродвигателем 1 и дальним торцом вала 2 лежит в интервале от 2 до 3 см, расстояние L между ближним торцом втулки 3 и дальним торцом вала 2 лежит в интервале от 1 до 1,5 см, длина втулки L лежит в интервале от 0,5 до 1,5 см, расстояние L между ближайшими друг к другу боковыми сторонами втулки 3 и зажима 5 может меняться от 0 до 4 см. При использовании других комплектующих, аналогичных приведённым выше, расстояния могут отличаться от указанных.
Длина зажима 5, а также длина цилиндрического стержня 4 не влияют на технический результат.
1
1
2
2
3
3
4
Расстояние L между ближним к валу торцом электродвигателя 1 и дальним от электродвигателя торцом вала 2 обусловлено особенностями конструкции электродвигателя 1. Экспериментально установленное оптимальное расстояние L лежит в интервале от 2 до 3 см. Глубина отверстия на ближнем к валу торце втулки L обусловлена особенностями конструкции вала 2. Экспериментально установленное оптимальное расстояние Lлежит в интервале от 1 до 1,5 см. Длина втулки 3 L обусловлена особенностями конструкции втулки 3 цилиндрической формы. Экспериментально установленное оптимальное расстояние Lлежит в интервале от 0,5 до 1,5 см. Экспериментально установлено, что расстояние L между ближайшими друг к другу боковыми сторонами втулки 3 и зажима 5 может меняться от 0 до 4 см, так как при превышении крайнего значения появляются сильные вибрации, действие которых отрицательно влияют на работу всей системы в целом.
В прототипе невозможно регулировать толщину зондируемого слоя, в то время как в представленной полезной модели за счёт использования вращающейся кюветы 6 клиновидной формы регулировка толщины зондируемого слоя становится возможной.
Зажим 5 с прикреплённой к ней вращающейся кюветой 6 может перемещаться вдоль цилиндрического стержня 4 и фиксироваться прижимным винтом в выбранном месте, меняя тем самым толщину зондируемого слоя вращающейся кюветы 6.
Таким образом, достигается технический результат, т.е. возможность плавной регулировки зондируемой толщины образца дисперсной среды.