Фотоэлектрическое теневое устройство Советский патент 1985 года по МПК G01N21/41 

1 Изобретение,относится к оптическ му приборостроению и может быть использовано Для исследования физичес ких процессов, происходящих в опти- чески прозрачных средах и сопровождающихся изменением градиента, оптического показателя преломления, например в гидро- и аэродинамике. Известно фотоэлектрическое теневое устройство для исследования оптических неоднородностей в прозрачных средах, позволяющее производить набродения распределения прозрачных неоднородностей в анализируемом объеме и измерение их параметров tO Недостатком устройства является чувствительность к воздействию ударных и вибрационных нагрузок, перепаду давления и изменению температуры. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является фотоэлектрическое теневое устройство, содержащее последовательно расположенные источник излучения, зеркальный нож, световозвращающее зерк ло, объектив, защитное стекло, автоколлимационное зеркало и фотоприемный блок. Устройство построено по дифферен циальной автоколлимационной схеме с четырехкратным прохождением света через анализируемый объем. При отсутствии в анализируемом объеме неоднородностей изображение световой диафрагмы всегда совпадает с самой диафрагмой, несмотря на присутствие указанных воздействий. Это достигается за счет наличия в фокальной плоскости объектива зерка ла, обеспечивающего четырехкратное прохождение светового пучка через анализируемый объем и позволяющего получить изображение световой диафрагмы в плоскости теневой диафрагм с увеличением Р+1, Таким образом, факт неподвижности изображения световой диафрагмы относительно теневой диафрагмы придает схеме свойство нерасстраиваемости 2 . Недостатком известного устройств является большой порог чувствительности, что обусловлено влиянием остаточных аберраций изображения световой диафрагмы при малых смещениях этих изображений, вызываемых малыми (близкими к пороговым) величинами угла отклонения световых 52 лучей, возникающего за счет неоднородностей. Цель изобретения - снюкение порога чувствительности. Указанная цель достигается тем, что в фотоэлектрическое теневое устройство, содержащее последовательно расположенные источник излучения, зеркальный нож, световозвращающее зеркало, объектив, защитное стекло, автоколлимационное зеркало и фотоприемный блок, дополнительно введен оптический клин, установленный между объективом и защитным стеклом так, что ребро двугранного угла клина параллельно рабочей кромке зеркального ножа, а грань, соединяющая преломляющие поверхности клина и находящаяся в поле зрения устройства, расположена на оптической оси, причем угол оС между каждой из преломляющих граней клина и оптической осью объектива удовлетворяет условию с.ч|-F) где t - расстояние между оптической осью и той границей зеркальной поверхности ножа или световозвращающего зеркала, которая расположена на наибольшем расстоянии от оптической оси; Г- фокусное расстояние объектива. На фиг. представлена оптическая схема фотоэлектрического теневого устройства, варианту на фиг. 2 - график, иллюстрирующий зависимость выходного тока фотоприемника от изменения градиента показателя преломления фотоэлектрического теневого прибора. Устройство содержит источник L излучения, зеркальный нож 2, световозвращающее зеркало 3, объектив 4, защитное стекло 5, оптический клин 6, автоколлимационное зеркало 7 и фотоприемное устройство 8. Рабочая кромка зеркального ножа 2 и кромка световозвращающего зеркала 3 образуют световую диафрагму. Световозвращающее зеркало 3 расположено в передней фокальной плоскости объектива Л перпендикулярно его оптической оси. Оптический клин 6 установлен так, что ребро двугранного угла клина параллельно рабочей кромке зеркального ножа 2, а грань, соединяющая преломляющие поверхности Э клина, расположена на оптической оси, причем угол к между каждой иэ преломляющих граней клина и оптической осью объектива удовлетворяет условию Ill в Г/ где - расстояние между оптической осью и той границей зеркаль ной поверхностиножа 2 или световозвращающего зеркала 3, которая расположена на большем расстоянии от оптической оси; t- фокусное расстояние объекти Установка клина 6 под углом с( необходима для того, чтобы удалить из поля зрения оптической системы блики, которые возникают за счет его присутствия в оптической схеме и исключить возможность их попадани на зеркальные поверхности 2 и 3, расположенные в фокальной плоскост - объектива 4. В противном случае блики могут попасть на фотоприемни и вызвать увеличение шумового тока что приведет к некоторому увеличени порога чувствительности. Величина преломляющего угла клина бС опреде ет режим работы устройства, а именн положение рабочей точки (при отсутствии неоднородности) ка графике (фиг, 2) и выбирается из Интервала углов, для которых выполняется усло f 1/ 1 вие - f. Y . где f - угловая величина аберрационного размытия выходного изображения световой диафрагмы; У - максимальный УГОЛ в диапазоне чувствительности устройст ва, который может быть определен как У. -77 линейный размер свето вой диафрагмы). Устройство работает следующим образом. При работе устройства изображени нити лампы источника 1 излучения проектируется в плоскость световой диафрагмы, образованной рабочей кромкой зеркального ножа 2 и кромко световозвращающего зеркала 3. Затем одна половина светового пучка проходит через объектив 4, защитное стекло 5, анализируеьатй объем и отр жается от автоколлимационного зерка ла 7, вновь проходит аналнзируеьшй объем, защитное стекло, объектив и строит промежуточное изображение св 54 товой диафрагмы на световозвращающем зеркале 3, Отразившись от зеркала 3, эта половина светового пучка в прямом и обратном ходе проходит объектив 4, защитное стекло 5, оптический клин 6, анализируемый объем и формирует изображение световой диафрагмы. Одновременно другая половина светового пучка после прохождения световой диафрагмы сначала проходит через объектив 4, оптический клин 6, защитное стекло 5, анализируемый объем, отражается от автоколлимационного зеркала 7, вновь проходит через анализируемый объем,защитное стекло 5, оптический клин 6, объектив 4 и строит промежуточное изображение световой диафрагмы на световозвращающем зеркале З, а затем отражается от зеркала 3 и в прямом и обратном ходе проходит объектив 4, защитное стекло 5, анализируемый объем и формирует свое изображение световой диафрагмы. Таким образом, за счет Tdro, что оптический клин 6 занимает половину поля зрения устройства, здесь две соответствуюр-ие половины светового потока образуют два изображения световой диафрагмы, которые смещены в противоположные стороны относительно теневой диафрагмы на величину, пропорциональную величине преломляющего угла клина Я При этом часть одного изображения световой диафрагмы попадает на рабочую зеркальную кромку ножа 2, соответствующий световой поток отражается от нее и попадает на фотоприемное устройство 8. Второе изображение попадает частично на зачерненную кромку зеркала 3 и гасится на ней. Из графика, приведенного на фиг. 2, который иллюстрирует зависимость выходного тока фотоприемника от изменения угла отклонения светового луча видно, что рабочая точка известного устройства ( ) лежит в не линейной области, а при наличии в схеме оптического клина рабочая точка лежит в линейной области, , i/ 2(п -1)) , где П - показатель преломления стекла клина. При одной и той же величине отклонения светового- пучка неоднородностью в линейной и нелинейной величина выходного тока (лТ1)для предлагаемого устройства возрастает в несколько раз по сравнению с величиной выходного сигнала (/111) для известного.

Соответственно происходит уменьшение в несколько раз величины порогового градиенте, вызывающее пороговое соотношение сигнап/шум. Таким образом, наличие в .схеме оптического клина ведет к снижению порога чувствительности устройства.

Кроме того, как видно из фиг. 2, рабочая точка в этом случае лежит в линейной области зависимости, следовательно, в пределах этого диапазона характеристика устройства линейна и однозначна, тогда как в известном устройстве рабочая точка лежит на нелинейном участке зависимости, имеющем симметричную форму, поэтому при изменении знака приращения градиента знак приращения сигнала не меняется,,что приводит к неодно- « значности соотнесения сигнала и входного воздействия, т.е. применение клина приводит к переходу от нелинейного преобразования к линейному, что упрощает обработку выходной информации и делает возможным обратное преобразование за счет устранения неоднозначности.

Применение изобретения позволит расширить диапазон использования устройства в исследованиях и изучить физические процессы, происходящие в прозрачных средах со слабыми градиентами.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ТЕНЕВОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее последовател но расположенные источник излучения зеркальный нож, световозвращающее зеркало, объектив, защитное стекло, автоколлимационное зеркало и фотоприемный блок, отличающееся тем, что, с целью снижения поро га чувствительности, в него дополнительно введен оптический клин, установленный между объективом и защитным стеклом так, что ребро двугранного угла клина параллельно рабочей кромке зеркального ножа, а грань, соединяющая преломляющие поверхности клина и находящаяся в поде зрения устройства, расположена на оптической оси, причем угол между каждой из преломляющих граней клина и оптической осью объектива удовлетворяет условию /I.i- V2 {) где расстояние между оптической осью и той границей зеркальной поверхности ножа или саетовозвращающего зеркала, которая расположена на наи больщем расстоянии от оптической оси; f - фокусное расстояние объектива.