ЦВЕТНОЙ ВИЗУАЛИЗАТОР ПОЛЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ Российский патент 1998 года по МПК G02B27/54 

Изобретение предназначено для цветной визуализации в реальном времени полей оптической плотности и может найти применение в научных исследованиях и в промышленных технологиях, связанных с необходимостью бесконтактного контроля структуры газовых и конденсированных сред.

Известны устройства такого назначения. В [1] описана система, представляющая собой стандартную черно-белую теневую трубу, в которой псевдоокрашивание тенеграмм осуществляется средствами электронно-вычислительной техники. Недостатком является ограниченное быстродействие, связанное с последовательным режимом обработки массива данных, соответствующего изображения тенеграмм, и потеря информации о знаке градиента оптического поля плотности.

Другое устройство, описанное в [2] представляет собой прибор, в котором содержится щелевой источник белого света и сопряженный с ним бихроматический нож Фуко. Недостатком устройства является низкая чувствительность из-за технологических проблем формирования визуализирующей кромки и узкополосных цветных фильтров бихроматического ножа Фуко.

Ближайшим аналогом изобретения является цветной визуализатор, описанный в [3] Он представляет собой теневой прибор, в котором бихроматический узкополосный щелевой источник оптически сопряжен с биквадрантным фильтром Фуко-Гильберта, а выходной сигнал регистрируется цветной видеокамерой. Такая конфигурация успешно решает проблему цветной визуализации в реальном времени проекции градиента оптического поля плотности в направлении, перпендикулярном щели. При этом выполняется хроматическое кодирование знака визуализированной проекции градиента коэффициента преломления. Основной недостаток этого устройства состоит в невозможности получения информации о двумерном пространственном распределении.

В основу изобретения положена задача создания визуализатора, который позволяет визуализировать градиент двумерного оптического поля плотности. Задача решается тем, что в цветном визуализаторе полей оптической плотности, содержащем последовательно расположенные формирующий объектив с бихроматическим щелевым источником в передней фурье-плоскости, фурье-сопряженным с формирующим приемным объективом, в задней фурье-плоскости которого помещен биквадрантный фильтр Фуко-Гильберта, согласованный с щелевым источником, видеокамеру с подключенными к ней системой обработки изображения и видеорегистрирующим устройством, согласно изобретению, дополнительно введены: второй бихроматический щелевой источник, ортогональный первому и оптически сопряженный с биквадрантным фильтром Фуко-Гильберта, коммутатор бихроматических щелевых источников и синхронизатор, выход которого подключен к управляющим входам коммутатора бихроматических щелевых источников, видеорегистрирующего устройства и системы обработки изображения.

На чертеже приведена схема предлагаемого визуализатора.

Визуализатор содержит бихроматический крестообразный источник, в котором последовательно размещены световые излучатели 1 и 2, согласующие линзы 3 и 4, светопроводы 5 и 6, выходные каналы которых образуют ортогонально ориентированные в пространстве щелевые источники 7 и 8 с бихроматическими фильтрами, рекомбинационный элемент 9 в виде, например, кубика с рекомбинирующей диагональной плоскостью, объектив 10, проектирующий изображения щелевых источников 7 и 8 на крестообразную щелевую маску 11, размещенную в передней фурье-плоскости формирующего объектива 12. Приемный объектив 13 фурье-сопряжен с формирующим объективом 12. В задней фурье-плоскости приемного объектива 13 установлен биквадрантный фильтр Фуко-Гильберта 14, оптически сопряженный с бихроматическим крестообразным источником. Последовательно за биквадрантным фильтром Фуко-Гильберта установлена цветная видеокамера 15. Выход синхронизатора 16 подключен к управляющим входам коммутатора световых излучателей, системы обработки изображений 18 и видеорегистрирующего устройства 19, сигнальные входы которых подсоединены к выходу видеокамеры.

В данном устройстве световой источник представляет собой суперпозицию двух ортогонально ориентированных и последовательно во времени коммутируемых щелевых источников. Один из них образован световым излучателем 1, согласующей линзой 3, световодом 5, имеющим световую конфигурацию выходного конца с бихроматическим фильтром 7, рекомбинационным элементом 9, объективом 10 и соответствующей щелевой маской 11. Другой щелевой источник образован элементами 2, 4, 6, 8, 10 и второй щелевой компонентой в крестообразной маске. Цветовые компоненты каждого из бихроматических источников выбирают в разнесенных спектральных областях излучения (например, в красной и зеленой).

Визуализатор действует следующим образом. Объектив 12 выполняет фурье-преобразование функций S₁ и S₂, описывающих бихроматические щелевые источники:

Здесь λ₁ и λ₂ длины волн излучения, 2b длина щелевого источника, 2а его ширина, a/b <<1. Оптические неоднородности, присутствующие в исследуемой среде, вызывают фазовую модуляцию волнового фронта световой волны, описываемой фурье-трансформантой функции бихроматического щелевого источника. Приемный объектив 13 выполняет обратное фурье-преобразование оптического сигнала, представляющего произведение фурье-образа функции источника и функции, описывающей фазовые свойства исследуемой среды. Поэтому в пространственно-частотной плоскости объектива 13 оптическое поле определяется сверткой функции щелевого источника и фурье-образа фазовой функции среды. В фурье-плоскости объектива 13 помещен фильтр Фуко-Гильберта, выполняющий преобразование


частота. Поскольку световой источник сформирован в виде бихроматической щели, оптически сопряженной с фильтром, поле непосредственно за фильтром является суперпозицией двух хроматически окрашенных световых сигналов, возникающих из-за преломления световой волны на фазовых неоднородностях в среде. Для источника S₁, ориентированного вдоль оси y₀, сопряженной с осью пространственных частот ω_y, световой сигнал на длине волны λ₁ соответствует пространственным частотам ω_x, а сигнал на длине волны λ₂ - отрицательным пространственным частотам (-ω_x). Соответственно для бихроматического щелевого источника S₂, ориентированного по оси x₀, оптически сопряженной с осью пространственных частот ω_x, световой сигнал на длине волны λ₁ соответствует положительным пространственным частотам (-ω_y), а сигнал на длине волны λ₂ отрицательным пространственным частотам ω_y. Оптическая система видеокамеры выполняет обратное фурье-преобразование сигнала, сформированного на выходе фильтра Фуко-Гильберта. Гильберт-преобразование в фурье-плоскости сводится к умножению спектра исследуемого сигнала на функцию [4]
H(ω) = jsgn(ω) (3).

Поэтому выходной сигнал после обратного преобразования содержит гильберт-трансформанту фазовой функции ϕ, характеризующей распределение оптической плотности в исследуемой среде [3] Для выходного сигнала, соответствующего бихроматическому щелевому источнику S₁, имеем:

Аналогично для ортогонального бихроматического щелевого источника S₂ получаем выходной сигнал:

где A₁ и B₁ квазипостоянные величины, характеризующие аддитивный и мультипликативный фон, несущественный для результатов анализа выходного сигнала;
i индекс, соответствующий длине волны λ_i в излучении бихроматического источника;
ϕ функция, описывающая распределение слабых фазовых неоднородностей в исследуемой среде;
H_x(ϕ) и H_y(ϕ) соответственно x и y компоненты гильберт-преобразования поля оптической плотности ϕ;
(-1)¹ sgn(H_x,y) знаковая функция гильберт-трансформанты S_1F;
S_2F фурье-образы функций источников S₁ и S₂.

Из (4) и (5) видно, что интенсивность выходного сигнала представляет собой суперпозицию гильберт-трансформанты оптической плотности исследуемой среды и фона. При этом осуществляется цветовая кодировка знака гильберт-образа.

Операция гильберт-преобразования, как известно [4] имеет некоторое сходство с пространственным дифференцированием. Поэтому гильберт-образ выходного оптического сигнала отображает градиентные свойства пространственного распределения коэффициента преломления в исследуемой среде. Визуализируются оптические неоднородности, проекция градиента которых направлена ортогонально большей стороне щели щелевого источника.

Коммутация щелевых источников S₁ и S₂ синхронизируется с коммутацией каналов системы обработки изображений 18 и видеорегистрирующего устройства 19. Система позволяет визуализировать градиент двумерного распределения оптического поля плотности в исследуемой среде. При этом регистрируется динамика изменения двумерных полей плотности в спектральной полосе, верхняя граница которой , где f_к частота коммутирования каналов. Это соотношение удовлетворяет известной теореме отсчетов Котельникова, согласно которой частота регулярной выборки должна вдвое превышать наивысшую частоту в спектре исследуемого процесса. Например, при частоте коммутации f 40 Гц осуществляется цветная визуализация двумерного поля оптической плотности в полосе частот 10 гЦ.

Таким образом, предложенное устройство позволяет в реальном времени осуществлять цветную визуализацию градиента двумерных полей оптической плотности с хроматическим кодированием знака градиента.

Предложенное устройство реализовано в виде лабораторного действующего макета.

Источники информации
1. Арбузов В.А, Полещук А.Г. Федоров В.А. Лазерная цветовая диагностика оптически сред //Тезисы докл. Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований на основе ЭВМ". Новосибирск, 14-18.09.1974.

2. Васильев Л.А. Теневые методы. М. Наука. 1986. 400 c.

3. V.A. Arbuzov, Yu.N. Dubnistchev. Real-time coloured visualization of phase flows by the schliren method//Optics and Laser Technology. 1991. V.23, N 2, p.118-120.

4. Сороко. Гильберт-оптика. М. Наука. 1981. -С.160.

Использование: для цветной визуализации в реальном времени градиента двумерного распределения коэффициента преломления в газовых и конденсированных средах. Сущность изобретения: в цветном визуализаторе полей оптической плотности, содержащем последовательно расположенные формирующий объектив с бихроматическим щелевым источником в передней фурье-плоскости, фурье-сопряженным с формирующим приемным объективом, в задней фурье-плоскости которого помещен биквадрантный фильтр Фуко-Гильберта, согласованный с щелевым источником, видеокамеру с подключенными к ней системой обработки изображения и видеорегистрирующим устройством, дополнительно введены: второй бихроматический щелевой источник, ортогональный первому и оптически сопряженный с биквадрантным фильтром Фуко-Гильберта, коммутатор бихроматических щелевых источников и синхронизатор, выход которого подключен к управляющим входам коммутатора бихроматических щелевых источников, видеорегистрирующего устройства и системы обработки изображения. 1 ил.

Цветной визуализатор полей оптической плотности газовых и конденсированных сред, содержащий последовательно расположенные формирующий объектив с бихроматическим целевым источником в передней Фурье-плоскости, Фурье-сопряженный с формирующим приемный объектив, в задней Фурье-плоскости которого помещен биквадатный фильтр Фуко-Гильберта, согласованный с щелевым источником, видеокамеру с подключенной к ней системой обработки изображения и видеографическим устройством, отличающийся тем, что дополнительно введены второй бихроматический щелевой источник, ортогональный первому и оптически сопряженный биквадратному фильтру Фуко-Гильберта, коммутатор бихроматических щелевых источников и синхронизатор, выход которого подключен к управляющим входам коммутатора бихроматических щелевых источников, видеорегистрирующего устройства и системы обработки изображения.