Оптический прибор для исследования прозрачных неоднородностей Советский патент 1983 года по МПК G01N21/00 G02B27/52 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, предназначено для изучения стационарных и нестацио нарных процессов, может применяться при определении структуры прозрачных неоднороднрстей (газовый пОток, плаз ма, стекло и т.д.) и для измерения уг лов отклонения световьпс лучей, прошедших через неоднородность. Известен оптический прибор для ис следования прозрачных неоднородностей теневой прибор ИАБ-451, состоящий из одноканального осветлителя с источником света и расположенных далее по холу световых лучей входной диафрагмы, выполненной в виде щели на непрозрачном экране, первого коллима тора , рабочей камеры второго коллима тора, визуализирующей диафрагмы и приемного канала с регистратором. Rvi афрагмы расположены в фокальных плос костях коллиматоров. Этот прибор позволяет измерять составляющую угла отклонения световых лучей на направление, перпендикулярное ножу Фуко, используемому в качестве визуализирующей диафрагмы pQ Однако для исследования статических прозрачных неоднороДностей, отклоняющих световые лучи в различных направлениях и на различные величины углов, в приборе ИАБ-451 необходимо осуществлять поворот обеих диафрагм, а также производить различное перекрытие изображения щели ножом Фуко, что снижает точность определения параметров исследуемой неоднородноети, так как отдельные измерения, соответствующие поворотам дгафрагм на разные углы г разнесенные во времени, т.е. проводят при различных внешних условиях, изменяющихся например, под действием вибрации прибо ра. При исследовании быстроизменяюцихся нестационарных процессов (например, распространение ударной волны в ударной трубе) этот недостаток становится принципиальным, вви ду плохой повторяемости параметров таких процессов от эксперимента к эк перименту. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является оп тический прпбор для исследования про зрачных неоднородностей, содержащий четыре осветительных и четыре пр емных канала, первый коллиматор с ди афрагмой, установленной в его передней фокальной плоскости и включающей две щели, выполненные в диаго нально располоя{енных квадрантах диафрагмы,- второй коллиматор с диафраг мой, установленной в его задней фокальной пл9СкЬсти и включающей два ножа Фуко, также размещенных в диагонально расположенных квадрантах диафрагмы, камеру с исследуекюй неоднородностью, которая оптически сопряжена с плоскостями регистрации приемных каналов, а также первый отражательный призменный блок, установленный перед диафрагмой первого коллиматора, и второй отражательный призменный блок,.установленный за диафрагмой второго коллиматора, причем каждый из отражательных призменных блоков выполнен из четырех скрепленных прямоугольных призм, катеаные грани которых образуют прямоугольник с центром, лежащим на общей оптической оси коллиматоров, ориентированный по нормали к этой оси, отражающие гипотенуз ные грани прямоугольных призм обращены в .сторону коллиматора, совпадающие с оптическими осями осветительных и приемных каналов зеркальные отображения отражательными призменными блоками оптических осей, проходящих через центры квадрантов диафрагм, перпендикулярны к общей оси коллиматоров и ориентированы под углом 90 одна к другому, два осветительных канала расположены на зepкa Jьныx отображениях первым отражательным призменным блоком оптических осей, проходящих через центры квадрантов со щелями диафрагмы первого коллиматора, а два приемных канала расположены на отображениях вторым отражательным призменным блоком оптических осей, проходящих через центры квадрантов с ножами Фуко диафрагмы второго коллиматора, которые оптически сопряжены коллиматорами с соответствующими центрами квадрантов со щелями диафрагмы первого коллиматора В этом приборе во всех четырех квадрантах диафрагмы первого коллиматора выполнены щели, а во всех четырех квадрантах диафрагмы второго установлены ножи Фуко. При этом на всех четырех зеркальных отображениях оптических осей первым отражательным призменным блоком расположены осветительные каналы, в то время как на всех четырех зеркальных отобрс1жениях оптических осей вторым таким блоком - приемные каналы. Центры всех соответствующих квадрантов диафрагмы оптически сопряжены коллиматорами. С помощью четырехканальной системы можно, во-первых, получать одновременно (при запуске источников- света без задержки друг относительно друга) четыре теневые картины с различной исходной настройкой, которая варьируется величиной перекрытия изображений щелевой ножами Фуко и расположением последних с разных сторон от щелей. Во-вторых, осуществляя одинаковую исходную- настройку ножей Фуко и последовательно запуская источники света через,- заданные промежутки времени, можно изучать изменения параметров быстропротекающих процессов во времени 2 . Использование при проведении наиболее точных измерений, когда применяются обычные не лазерные) протяженные источники света известного оптического прибора ограничено, так как в-нем каждое из расфокусированных изображений протяженных источников света (призменный блок оптически не сопряжен с источником света) заполняет не только одну отражающую гипотенузную грань выходного призманного блока, предназначенную для данного приемного канала, :но и частично одну из его соседних отражгиощих граней. Происходит частич ное попадаиие света в смежный приемЕ ый канал, работающий в паре с други источником света. Это приводит к тому, что каждый из регистра1торов фиксирует теневую картину с наложенным на нее световьм фоном. Контраст теневой картины снижается и увеличивается погрешность определения парамет ров исследуемой неоднородности. Наиболее сильно этот недостаток прибора проявляется при исследовании слабых неоднороднос ей, например, потоков разреженного газа в аэродинамических установках. Цель изобретения - повшоение точности измерения оптических характеристик прозрачных нёоднородностей.. Поставленная цель достигается.тем что в оптическом приборе для исследования прозрачных нёоднородностей, содержащем четыре осветительных и Четыре приемных канала, первый кол лиматор с диафрагк4ой, установленной в его передней фокальной плоскости и включающей две щели, выполненные в диагонально расположенных квадрантах диафрагмы, второй коллиматор с диафрагмой, установление в его задней фокальной плоскости и включающей два ножа Фуко, также размещенных в диагонально расположенных квадрантах диафрапиы, камеру с исследуемой неоднородностью которая оптически сопряжена с плоскостями регистрации приемных каналов а также первый отражательный призменный блок, установ ленный перед диафрагмой первого коллиматора, и второй отражательньШ при зменный блок, установленный за диа.фрагмой второго коллиматора, причем каясдый из отражательных призменных блоков выполнен из четырех скрепленных прямоугольных призм, катетные грани которых образуют прямоугольник с центром/ лежащим на общей оптичес,кой оси коллиматоров, ориентированный по нормали к этой оси, отражающие гипотенузные грани прямоугольных призм обреицены в сторону коллиматоров, совпадающие с оптическими осями осветительных и приемных каналов зеркальные отображения отражательными призменными блоками оптичес,ких Осей, проходящих через центры ; квадрантов диафрагм, перпендикулярны к оси коллиматоров и ориентированы под углом 90°одно к другому, два осветительных канала расположены на зеркальных отображениях первым отражательным призменным бло- ком оптических осей, проходящих через центры квадрантов со щелями диафрагмы первого коллшматора, а два приемных канала расположены на зеркальных отображениях вто{ялм отражательным призменным блоком оптических осей, проходящих через центры квадрантов с ножами Фуко диафрагмы второго коллиматора, которые оптически сопряжены коллиматорами с соответствующими центрами квадрантов со щелями диафрагмы первого коллиматора, в свободных диагонально расположенных квадрантах диафрагмы первого коллиматора установлены ножи Фуко,, а в свободш х диагонально расположенных квадрантах диафрагмы второго выполнены щели, причем на зеркальных отображениях первым отражательным призменным блоком оптических осей, проходящих через центры квадрантов с ножами Фуко диафрагмы первого коллиматора, расположены два приемных канала, в то время как на зеркальных отображениях вторым отражательным призменным блоком оптических осей, проходящих через центры квадрантов со щелями диафрагмы второго коллиматора, установлены два осветительных канала, а центры квадрантов с Фуко Диафрагм; первого коллиматора оптически сопряжены коллиматорами с соответствующими центрами Квадрантов со щелями диафрагмы второго коллиматора. На чертеже noka3aHa схема оптического прибора для исследования прозрачных нёоднородностей. Предлагаемый прибор содержит осветительные каналы 1-4, каждый из которых включает источник 5 света и конденсорную систему 6, приемные каНсшы 7-10, каждый из которых включает приемный объектив 11 и регистратор (фотокамеру) 12 теневой картины, первый отра.:ательный призменный блок 13т состоящий из четырех прямоугольных призм 14-17 с отражакидими гйпотенузными гранями, диафрагму 18, поворотное зерксшо 19 и зеркальноменисковый объектив 20 первого коллиматора, причем диафрагма 18 первого коллиматора выполнена в виде чередующихся непрозрачных квадрантов со щелями 21 и 22 и прозрачных квадрантов , в которых установлены ножи 23 и 24 Фуко, камеру 25 с исследуемой прозрачной неоднородностью, зеркально-менисковый объектив 26J поворотное зеркало 27 и диафрагму 28 второго коллиматора, причем диафрагма 28 второго коллиматора выполнена в BHjie чередующихся непрозрачных квадрантов, со щелями 29 и 30 и прозрачных квадрантов, в КОТОРЫХ установлены ножи 31 и 32 Фуко, а также вторрй отражательный призменный блок 38, состоящий из четырех прямоу -ольных ПРИЗМ 34-37 с отражаю uiViMifi гипотенузHfcjMH гранями. Пои это два приемных канала 7 и 8 расположе ны на зеркальных отображениях первым призменным блоком 13 (его ПРИ-. змам1-1 15 и 17) оптических осей, проходящих через прозрачные квадранты диафрагмы 18 первого коллиматора, в которых установлены ножи 23 и,24 Фуко, а два осветительных канала 3 и 4 расположены на зеркаль ныхотображениях вторым призменным блоком 33 (его призмами 35 и 37) оп тических осей, проходящих через weли 29 и 30 непрозрачных квадрантов диафрагмы 28 второго коллиматора. Диафрагмы 1В и 28 расположены друг относительно друга так, что ножи 23 и 24 Фуко диафрагмы 18 совмещены соответственно с изображениями щелей 30 и 29 диафрагмы 28, а ножи 31 и 32 Фуко диафрагмы 28 совмещены с изображениями щелей 22 к 21 диаф рагмы 18. Оптический прибор для исследоваНИН прозрачных неоднородностей рабо тает следующим образом. Пучки от источников 5 света осветительных каналов 1 и 2, расположенных на зеркальных отображениях о тических осей первым призменным бло ком 13с помощью конденсорньп: систе 6 этих каналов и прямоугольных призм 14 и 16 блока 13 раздельно фокусирую ся соответственно на щелях 21 и 22, установленных в непрозрачных квадрантах диафрагмы 18 первого коллиматора. Расходящиеся из щелей 21 и 22 световые лучи после отражения от поворотного зеркала 19 преобразуются зеркально-менисковым объективом 20 в параллельные пучки, которые просвечивают исследуецую прозрачную неоднородность 25. Далее параллельные пучки проходят через зеркально-менисковый объектив 28 второго коллима тора и преобразуются им в сходящиеся пучки J которые ПОВОРОТНЫМ зеркалом 27 напоавляются на диафрагму 28 ВТОРОГО коллиматора. Ножи 32 и 31 Фуко, установленные в прозрачных квадрантах диафрагмы 28, совмещены соответственно с изобЪажениями щелей 21 и 22 диафрагмы 18 первого кол лиматора. После ножа 31 Фуко частичн перекрывающего изображение щели 22, расходящийся пучок лучей прямоугольной призмой 34 второго призменного блока 33 направляется в приемный канал 9. В плоскости регистратора 1 приемного канала S с помощью объектива 11 4 ормируется теневая картина исследуемой неоднородности 25. Таким же образом после ножа 32 Фуко, КО1ГОРЫЙ частично перекрывает изображение щели 21, освещаемой осветительным каналом 1, пучок лучей прямоугольной призмой 36 направляется в приемный канал 10 и в плоскости его регистратора 12 фокусируется теневая картина той же исследуемой неоднородности 25. Аналогично можно описать и пути лучей, идущих от осветительных каналов 3 и 4 к приемным каналам 8 и 7 и распространяющихся навстречу рассмотренным пучком. Таким образом, оптический прибор дает возможность регистрировать четыре теневые картины в приемных каналах 7-10. В то же время повышается контрастность теневых картин путем, исключения попадания света в каж/.цлй из четырех приемных каналов от оптически несопряженных с ним осветительных каналов, А это ведет к повышению точности измерения оптических характеристик исследуемой прозрачной неоднородности. Например, в приемный канал 9 поступает свет только от сопряженного с ним осветитель- кого канала 2, который освещает щель 22 диафрагмы 18. В плоскости второго призменного блока 33 расфокусированное изображение этой щели (блок 33 расположен в несопряженной со 1де;1ью 22 плоскости) попадает на отражающую грань призмы 34 и частично на отражающую грань призмы 35., так как расфокусированное изображение щели 22 в плоскости призменного блока 33 вытянуто вдоль призм 34 и 35, Отразившись от призмы 35, пучки света проходят а осветительный канал 3 и не оказывают влияния на работу приемного канала 10 Таким же образом можно показать, что пучки от светительного канала 1, сопряженного с приемным каналом 10, не оказывает влияния на работу приемного канала 9, т.е. взимное влияние осветительных каналов 1 и 2 на несопряженные с ними приемные каналы 9 и 10 в предлагаемом оптическом приборе исключено. Что касается осветительных каналов 3 и 4, то они также не влияют на работу приемных каналов 9 и 10, так как их оптические оси параллельны отражающим гипотенузным граням призм 34 и 36. Аналогичным образом показывается, что в к,лж дый из приемных каналов 7 и 8 свет поступает только от одного оптически сопряженного с .ним осветитешзпого канала, т.е. приемный канал 7 работает с осветительным канал ми 4, ft, пимемный канал 8 - с осветительны г /ана- лом 3. Таким образом, вследстаке усто,;нения засвет.ки регистраторов прие,;

ных каналов от оптически несопряженных с ними осветительных каналов в предлагаемом оптическом приборе увеличивается контрастность теневых

картин, что позволяет точно по сравнению с известными устройствами измерять параметры прозрачных неоднородностей.

ОПТИЧЕСКИЙ ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНга ПРОЗРАЧНЫХ НЕОДНОРОДНОСТВЙ, содержащий четыре осветительных и четыре приемных канала, первый коллиматор с диафрагмой, установленной в его передней фокальной плоскости и вкдпочающей две щели, выполненные в диагонально расположенных квадратах диафрагмы, второй коллиматор с диафрагмой, установленной в его задней фокальной плоскости и включающей два ножа Фуко, также размещенных в диагонально расположенных квадратах диафрагмы, камеру с исследуемой неоднородностью, которая оптически сопряжена с плоскостями регистрации приемных каналов, а также первый отражательный призменный блок, установленный перед диафрагмой первого коллиматора, и второй отражательный призменный блок, установленный за диафрагмой второго коллиматора, причем каждый из отражательгных призменных блоков выполнен из чеlupex скрепленных прямоугольных призм, катетные грани которых образуют прямоугольник с центром, лежсодим на общей оптической оси коллиматоров, ориентированный по нормали к этой оси, отражающие гипотенузные грани прямоугольных призм обращены в сторо-, ну коллиматоров, совпадающие с оптическими осями осветительных и приемных каналов зеркальные отображения отражательнььми призменными блоками оптических осей, проходящих через центры квадратов диафрагм, перпендикулярны к общей оси коллиматоров и ориентированы под углом 90 одно к другому, два осветительных канала расположены на зеркальгалх отображениях nepBbbvj отражательным призменным блоком оптических осей, проходящих через центры квадратов со щелями диафрагмы .первого коллиматора, а два приемных канала расположены на зеркальных отображениях вторым отражательным призменным блоком оптических осей, проходящих через центры квадрантов с ножами Фуко диафрагмы второго коллиматора, которые оптически сопряжены коллиматорами с соотW ветствующими центрами квадрантов со щелями диафрагмы первого коллиматора, отличающийся, тем, что с целью повышения точности измерения оптических характеристик прозрачных неоднородностей, в свободных диагональ-: но расположенных квадрантах диафрагмы первого коллиматора установлены СП ножи Фуко, а в свободных диагонально расположенных квадрантах диафрагжд со второго коллиматора выполнены щели, 01 причем на зеркальных отображениях со первым отражательным призменным блоком оптических осей, проходящих через центры квадрантов с кожами Фуко диафрагмы первого коллиматора,расположены два приемных канала, в то время как на зеркальных отображениях вторым отражательным призменным блоком оптических осей, проходящих через центры квадрантов со щелями диафрагмы второго коллиматора, расположены два осветительных канала-, а центры квадрантов с ножами Фуко диафраглвл первого коллиматора оптически сопряжены колллиматоры с соответствую1цими центрами квадрантов со щелями диафрагмы второго коллиматора.