УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ Российский патент 1994 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть применено для исследования прозрачных оптических неоднородностей, сформированных за счет флуктуаций показателя преломления в жидких и газообразных средах.

Известно устройство для исследования оптических неоднородностей в прозрачных средах, основанное на теневом методе визуализации прозрачных неоднородностей [1].

Наиболее близким к изобретению является устройство для исследования оптических неоднородностей, содержащее оптическую систему с источником излучения, коллимационным объективом и защитным стеклом и телевизионную систему со светопреобразователем, генератором синхроимпульсов и видеопросмотровым устройством (ВПУ) [2].

Недостатком его является низкая разрешающая способность оптической системы, обусловленная особенностями визуализации прозрачных неоднородностей, принципиально присущим теневому методу вследствие наличия ножа, причем степень снижения разрешения высоких пространственных частот зависит от положения теневого ножа относительно изображения световой диафрагмы, что делает практически невозможной коррекцию пространственно частотных характеристик для обычно используемых на практике теневых систем (в которых предусмотрен подбор положения ножа в процессе исследований с целью реализации максимальной чувствительности).

Еще более существенно снижается разрешающая способность в направлении распространения зондирующего светового пучка в исследуемой среде, поскольку в теневой системе освещенность изображения пропорциональна углу отклонения светового пучка оптическими неоднородностями, накопленному на всем пути распространения пучка в исследуемой среде (т.е. усредненному по этому пути).

Длина пути пучка в среде обычно составляет 10² мм и более, так как эта длина равна расстоянию между защитным стеклом автоколлимационным зеркалом, и при уменьшении этого расстояния возникают искажения структуры оптических неоднородностей, обусловленные увеличением аэро- или гидродинамического сопротивления, создаваемого вследствие приближения держателя зеркала к защитному стеклу (относительно малая ширина полости между защитным стеклом и зеркалом препятствует свободному проходу через нее исследуемых жидкостей и газов, что приводит к искажению структуры потока).

Целью изобретения является повышение разрешающей способности устройства.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее оптическую систему, включающую источник излучения, коллимационный объектив, защитное стекло и телевизионную систему, включающую светопреобразователь, генератор синхpоимпульсов и ВПУ, дополнительно введены призма, на одну из граней которой нанесено зеркальное покрытие, размещенная по ходу излучения за защитным стеклом, цилиндрическая линза, счетчик импульсов и генератор высокочастотных импульсов, а также последовательно включенные компаратор, формирователь импульсов, регистр, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) с устройством управления, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и сумматор, при этом призма установлена так, что одна ее грань соприкасается с исследуемой средой, цилиндрическая линза размещена между коллимационным объективом и светопреобразователем таким образом, что образующая ее цилиндрической поверхности перпендикулярна ребру, образованному пересечением обращенных друг к другу основания призмы и поверхности защитного стекла, светопреобразователь установлен в фокальной плоскости пары "коллимационный объектив - цилиндрическая линза во втором сечении", выход преобразователя подключен ко входу компаратора, выход генератора высокочастотных импульсов подключен ко входу счетчика импульсов, выход генератора синхроимпульсов подключен ко входам светопреобразователя, устройства управления и сумматора, а также ко входам "установка нуля" регистра и счетчика, выход которого соединен с информационным входом регистра, при этом выход сумматора подключен ко входу ВПУ, а выход формирователя соединен со входом синхроимпульсов ввода регистра.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1.

Устройство содержит источник излучения 1, помещенный в фокальной плоскости коллимационного объектива 2, защитное стекло 3 и призму 4 с зеркальным покрытием 5, граничащие с исследуемой средой 6. Между коллимационным объективом 2 и светопреобразователем 7, установленным в его фокальной плоскости, помещена цилиндрическая линза 8 таким образом, что образующая цилиндрической поверхности (параллельная плоскости чертежа) перпендикулярна ребру Р, образованному при пересечении обращенных друг к другу поверхностей призмы 4 и защитного стекла 3 (эти поверхности и ребро перпендикулярны плоскости чертежа).

Выход светопреобразователя 7 подключен ко входу компаратора 9, выход которого через формирователь импульсов 10 подключен ко входу синхроимпульсов ввода регистра 11. Выход регистра подключен ко входу оперативного запоминающего устройства 12, управление которым осуществляется устройством 13 управления. Выход ОЗУ 12 соединен через ЦАП 14 со входом сумматора 16. Выход сумматора 15 подключен ко входу видеопросмотрового устройства 16.

Устройство содержит также генератор 17 высокочастотных импульсов, выход которого подключен ко входу счетчика импульсов 18. Выход генератора 19 синхроимпульсов подключен ко входам светопреобразователя 7, устройства 13 управления, сумматора 15, а также ко входам "установка нуля" регистра 11 и счетчика 18 импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Излучение, испускаемое источником 1 (размеры излучающей площадки должны быть на 3...4 порядка меньше, чем фокусное расстояние объектива 2, поэтому в качестве такого источника используется полупроводниковый лазер, либо как в прототипе, протяженный источник с конденсатором и "точечной" диафрагмой), направляется на коллимационный объектив 2, из которого в виде параллельного пучка падает на защитное стекло 3. На границе раздела "защитное стекло 3 - исследуемая среда 6" световой пучок преломляется, причем угол падения подбирается таким, чтобы пучок выходил из защитного стекла под углом порядка угловой минуты к поверхности стекла. Угол преломления определяется углом падения на границу раздела и соотношением показателей преломления защитного стекла и исследуемой среды. При постоянстве угла падения и показателя преломления стекла угол преломления зависит лишь от показателя преломления исследуемой среды. Объектив 2 обычно имеет прямоугольное поперечное сечение, причем размер прямоугольника в направлении Z, перпендикулярном плоскости чертежа, значительно больше, чем в плоскости чертежа (в направлении Х). При этом элементарные световые пучки а, b, с и т.д. проходят через разные области исследуемой среды и при наличии в ней флуктуаций показателя преломления, т.е. его неравномерности по оси Z, отклоняются на разные углы. После входа в призму 4, отражения от поверхности 5 и прохода через защитное стекло, эти пучки вновь падают на коллимационный объектив 2, причем под разными углами (определяемыми распределением показателя преломления среды по оси Z) относительно оптической оси объектива 2 в плоскости ХY. Распределение по оси Z углов поворота (в плоскости ХY) световых пучков а, b, с, и т. д. , падающих на объектив 2, преобразуется в его фокальной плоскости в соответствующее распределение смещений по оси Х точек фокусировки элементарных световых пучков. Для наблюдения этих смещений они должны быть преобразованы в электрический сигнал с помощью светопреобразователя 7. Чтобы элементарные пучки а, b, с, разнесенные по оси Z в зоне анализа среды 6, не налагались друг на друга в фокальной плоскости - и их смещения могли бы наблюдаться порознь, используется цилиндрическая линза 8, сопрягающая разнесенные по оси Z точки сечения анализируемого объема среды 6 с разнесенными по этой оси точками чувствительности площадки светопреобразователя 7 (и не вносящая при этом угловых искажений светового пучка по оси Х, поскольку в плоскости ХY линза 8 функционирует как плоскопараллельная пластина). Таким образом, положение точки падения элементарного пучка на чувствительную площадку светопреобразователя определяется:
по оси Х - углом поворота элементарного светового пучка на границах раздела "стекло-среда" и "среда-стекло", определяемым показателем преломления исследуемой среды в месте ее зондирования (как показывают расчеты, основной вклад в угол отклонения пучка вносит преломление на границе "стекло-среда", когда ее показатель преломления меньше, чем стекла);
по оси Z - координатой элементарного пучка по этой оси в зоне анализа среды.

Светопреобразователь 7 располагается таким образом, что его строчная развертка осуществляется по оси Х, а кадровая - по оси Z. При развертке первой строки видеосигнал равен уровню черного до тех пор, пока развертывающий электронный пучок не попадает в место мишени, соответствующее точке падения элементарного светового пучка "а" на светопреобразователь. При этом уровень видеосигнала повышается до уровня белого. Пpи превышении видеосигналом порогового уровня компаратора 9 на его выходе появляется высокое напряжение, и формирователь 10 импульсов (дифференцирующее устройство) выдает импульс на вход синхроимпульса ввода регистра 11. Формирователь импульсов обеспечивает появление на выходе импульса, длительность которого значительно меньше интервала времени между двумя смежными высокочастотными импульсами, благодаря чему в регистре сохраняется число, поступившее с выхода счетчика в начальный момент срабатывания компаратора. Перед началом развертки каждой строки генератор 19 синхроимпульсов выдает импульс, устанавливающий в нули регистр 11 и счетчик 18. После этого счетчик начинает подсчет количества высокочастотных (т.е. следующих с частотой на 3...4 порядка выше, чем частота строк) импульсов. В момент времени, когда поступает импульс на вход синхроимпульсов ввода регистра 11, в нем фиксируется число, накопленное на данный момент счетчиком 18. Таким образом, чем больше удалена от начала строки освещенная точка, сформированная пучком а, тем больше число, зафиксированное в регистре 11.

В силу изложенного выше, это число определяется показателем преломления исследуемой среды в месте зондирования ее элементарным пучком "а". После окончания развертки первой строки генератором 19 синхроимпульсов выдается новый строчный синхроимпульс, который устанавливает в нуль регистра и счетчик, и описанный цикл повторяется до тех пор, пока в регистре не будет зафиксировано число, определяемое показателем преломления среды в месте зондирования ее смежным элементарным пучком "в". При поступлении синхроимпульса из генератора 19 в устройство управления 13 это устройство выдает серию команд, и число, находящееся в регистре 11, поступает в ячейку памяти ОЗУ 12. После развертки всех N строк первого кадра в ОЗУ хранится N чисел. Устройство исследования неоднородностей предназначено для анализа структуры сред, перемещающихся относительно него с постоянной скоростью (направление движения показано на фиг.1).

По прошествии времени развертки N строк первого кадра устройство переместится относительно исследуемой среды, и в зоне анализа среды лучом "а", т.е. первой строки, будет новое значение показателя преломления. Это значение преобразуется в новое положение, освещенности точки на уровне первой строки чувствительной площадки светопреобразователя, а также и всех последующих строк. В результате при развертке следующего (второго) кадра в ОЗУ поступит новая совокупность N чисел. ОЗУ выполнено двухсекционным. Устройство 13 управления управляет работой секций таким образом, что когда в первую секцию поступают числа из регистра 11 (секция работает в режиме записи), из второй секции осуществляется считывание записанных чисел и передача их кодов на вход ЦАП 14. После накопления в первой секции ОЗУ М совокупностей N чисел (M - количество строк в кадре) воспроизводимом ВПУ), устройством 13 осуществляется переключение этой секции в режим считывания, а второй секции в режим записи чисел, находящихся в регистре 11. Формирование видеосигнала путем периодического считывания информации, содержащейся в ОЗУ, осуществляется традиционными методами: при поступлении из генератора 19 синхроимпульсов строчного синхроимпульса устройство 13 управления выдает серию команд, обеспечивающих поступление на вход ЦАП 14 последовательно N чисел за интервал времени, равный длительности сигнала строки. При этом на выходе ЦАП формируется последовательность импульсов, амплитуды которых пропорциональны считываемым числам, т.е. в конечном итоге распределению показателя преломления по оси Z.

Эти сигналы поступают на вход сумматора 15, на второй вход которого подаются строчные и кадровые синхроимпульсы с выходов генератора 20, благодаря чему на выходе сумматора формируется полный видеосигнал, воспринимаемый видеопросмотровым устройством 16. В результате на экране ВПУ формируется изображение строки, распределение яркости которого соответствует распределению показателя преломления по оси Z. При поступлении следующего строчного синхроимпульса на вход ЦАП поступает новая последовательность N чисел, что приводит, как описано выше, к появлению на экране ВПУ изображения следующей строки, яркость которого соответствует распределению показателя преломления по оси Z в следующий интервал времени. В результате считывания M последовательностей N чисел на экране ВПУ формируется изображение, представляющее распределение показателя преломления в исследуемой среде - в ее сечении, соприкасающемся с защитным стеклом, площадь сечения равна Z_o x l_o, где Z_o - световая длина объектива 2 по оси Z, а l_o= (здесь f_к - частота кадров). Поскольку за время развертки одного кадра изображения, проецируемого на светопреобразователь, формируется одна строка изображения на экране ВПУ, считываемая из ОЗУ информация воспроизводится на ВПУ (с помощью устройства управления 13) многократно - до тех пор, пока в другой секции ОЗУ не произойдет накопление М строк нового изображения. Выбор параметров, определяющих l_o, позволяет формировать как неискаженное, так и анаморфированное (что требуется в ряде приложений, например, при исследовании стратификации жидкостей) изображение на экране ВПУ.

Техническая чувствительность преобразования показателя преломления в угол поворота светового пучка при его преломлении на границе раздела двух сред, одна из которых является исследуемой, а вторая - стабильной (стекло), равна тангенсу угла между вышедшим пучком и нормально к поверхности раздела, отнесенному к показателю преломления исследуемой среды. При выходе пучка в исследуемую среду под углом, близким к 90^о, чувствительность преобразования составляет 100 (для случаев, когда исследуемые среды имеют показатель преломления соответственно 1,0 и 1,8). Для теневого метода такая чувствительность достигается при соотношении между длиной пути пучка в исследуемой среде Z_o и длиной базы, на которой измеряется приращение показателя преломления, Х_о, = 100 . таким образом, при базе Х_о = 1...100 мм заданная чувствительность может быть реализована при длине пути пучка в исследуемой среде 100...10000 мм.

Сущность изобретения: устройство состоит из оптической системы, включающей источник излучения, коллимационный объектив, защитное стекло, и телевизионной системы, включающей светопреобразователь, генератор синхроимпульсов и видеопросмотровое устройство, в которое дополнительно введены призма, цилиндрическая линза, счетчик импульсов, генератор импульсов, а также последовательно включенные компаратор, формирователь импульсов, регистр, оперативное запоминающее устройство с устройством управления, цифроаналоговый преобразователь и сумматор. При этом призма установлена так, что одна из ее граней соприкасается с исследуемой средой и составляет тупой угол с поверхностью защитного стекла, соприкасающейся с исследуемой средой, другая грань призмы выполнена зеркальной. Цилиндрическая линза устанавливается между коллимационным объективом и его фокальной плоскостью, при этом образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна ребру, образованному пересечением обращенных друг к другу поверхностей призмы и защитного стекла, соприкасающихся с исследуемой средой. Светопреобразователь устанавливается в фокальной плоскости составного объектива, включающего в себя коллимационный объектив и цилиндрическую линзу в сечении, перпендикулярном ее главному фокусирующему сечению. Выход светопреобразователя подключен к входу компаратора, выход генератора импульсов подключен к входу счетчика импульсов, выход генератора синхроимпульсов подключен к входам устройства управления и сумматора, а также к входам "установка нуля" регистра и счетчика, выход которого соединен с информационным входом регистра, при этом выход сумматора подключен к входу видеопросмотрового устройства, а выход формирователя соединен с входом синхроимпульсов ввода регистра. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ, содержащее оптическую систему, включающую источник излучения, коллимационный объектив и защитное стекло, и телевизионную систему, включающую светопреобразователь, генератор синхроимпульсов и видеопросмотровое устройство, отличающееся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, в устройство дополнительно введены призма, на одну из граней которой нанесено зеркальное покрытие, размещенная по ходу излучения за защитным стеклом цилиндрическая линза, счетчик и генератор импульсов, а также последовательно включенные компаратор, формирователь импульсов, регистр, оперативное запоминающее устройство с устройством управления, цифроаналоговый преобразователь и сумматор, при этом цилиндрическая линза размещена между коллимационным объективом и светопреобразователем так, что образующая ее цилиндрической поверхности перпендикулярна ребру, образованному пересечением обращенных друг к другу основания призмы и поверхности защитного стекла, светопреобразователь установлен в фокальной плоскости составного объектива, включающего в себя коллимационный объектив и цилиндрическую линзу, в сечении, перпендикулярном главному сечению линзы и оптической оси коллимационного объектива, выход светопреобразователя подключен к входу компаратора, выход генератора импульсов - к входу импульсов, выход генератора сикроимпульсов - к входам светопреобразователя счетчика, устройства управелния и сумматора, а также в входам "Установка нуля" регистра и счетчика, выход которого соединен с информационным входом регистра, при этом выход сумматора подключен к входу видеопросмотрового устройства, а выход формирователя соединен с входом синхроимпульсов ввода регистра.