Устройство для исследования оптических неоднородностей прозрачных сред Советский патент 1980 года по МПК G02B27/38 G01N21/46 

Изобретение относится к оптическим приборам для исследования прозр чных сред, например в аэродинамичес ких исследованиях. Известно устройство для исследов ния оптических неоднородностей -прозрачных сред, содержащее осветитель световую диафрагму и коллиматорный объектив ClJ . Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению явля ется устройство, содержащее осветитель, световую диафрагму, коллима торный объектив, фотоприемник и защитное стекло, установленное перед объемом для исследуемой среды 23.. Недостатком устройстваявляется то, что при замере его чув ствительности ((Определении реакции устройства к входному воздействию), что необходимо для количественной обработки теневых картин исследуемых процессов, а также при контроле за его настройкой (проверяется реализация прибором наибольшей чувстви тельности к малому входному воздействию), в процессе эксплуатации используют специальное устройство с оптическими элементами, эталонированными по углу отклонения свётовогй пучка, вводимыми в пространство, где проходит коллимированный световой пучок. При использовании такого устройства возникают сшибки в. величине определяемой чувствительности, связанные с изменением параметров теневой картины по величине освещенности из-за потерь света при его прохождении через эталонированные элементы, а также из-за ошибок изготовления их поверхности и внутренних дефектов материала, из которого они состоят. Эти факторы оказывают существенное влияние, в особенности при определении чувствительности прибора относительно слабых оптических неоднородностей. Например, отклонения световых лучей от расчетного для эталонного имитатора оптической неоднородности в виде длиннофокусной стеклянной линзы, вызываемые местными ошибками на. ее поверхности ДМ 0,1 (наибольшее отклонение от заданной формы поверхности на 0,05 длины волны света), сравнимы по величине с пороговым углом/ регистрируемым теневым прибором и сос авляющим угол отклонения порядка 1 .

Цель изоб1- стення - повышение точности и надежности результатов исследования .

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство для исследования оптических неоднородностёй прозрачных сред введены герметизированный корпус с двумя отверстиями для прохождения светового потока, дозирующее устройство и плоскопараллел ная пластина, причем объектив и пластина установлены в отверстиях яорАуса, а дозирующее устройство соединфно с внутренним пространством Me)iyjiy объективом и пластиной.

При этом,в качестве плоскопараллелЬной пластины может быть использовано защитное стекло.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство содержит источник света I, расположенный на оптической оси. 00 .конденсора 2 . в сопряженной; источнику плоскости находится отBepCTire световой диафрагмы 3, расположенной в фокальной плоскости объектива 4. Его оптическая ось совпадает с Оптической осью конденсора. Ва пов;ерхности диафрагглы нанесен зеркальный слой, играющий роль теневой диафрагмы. Его поверхность расположена :под углом 45° к оси 00. По другую сторону объектива расположены перпенди1 улярно оптической оси плоскопаралле ьная пластина 5, защитные стекла 6 и 4втоколлимационное зеркало 7. Объектив 4 и плоскопараллельная пластина 5 размещены и загерметизированы в окнах Koginyca 8, который посредством отвер.стйя соединен с сильфоном 9 и манометром 10 (дозирующее устройство накачки газа j . Оптическая ось ООобъектива II пересекает ось 00 под углом 90° в месте расположения рабочей кромки теневой диафрагмы. Светочувствительный элемент 12 расположен в плоскости 13 анализа, оптически сопряженной с плоскостью,находящейся в рабочем объеме устройства. Элементы устройства, в том числе коллиматорный объектив заключены в корпус 14.

Устройство работает следующим образом.

Свет,.исходящий от изображения светяи|;егЪся тела накала (лампы) источника csgTa 1, образованного конденсором 2 и ограниченного диафрагмой 3, заполняет апертуру объектива 4. После объектива 4 свет в виде коллимированногио пучка проходит через объем, заключенный в корпусе 8, через рабочий объем, заключенный между защитными стеклами б и после отражения от зеркала 7 возвращается в обратном направлении, образуя изображение отверстия световой диафрагмы 3 в плоскости,проходящей через кромку теневой диафрагMtii.-Часть излучения попадает на зеркальную поверхность теневой диафрагмы и после отражения от нео создас.в плоскости 13 анализе ), с помощью обектива 11, работаюи1его совместно с объективом 4, теневое изображение оптических неоднород.ностей , находящихся в коллимированном пучке света При воздействии силы 5 на сильфон писходит его сжатие, вызывающее опреленное изменение плотности газа в объеме корпуса 8, что идентично помещению в коллимированный пучок слабой сферической линзы. Дозирование величины сжатия и, соответственно, изменения ллотности газа от номинального значения позволяют использовать получающиеся при этом отклонения световых лучей с помощью газовой линзы, как эталонные. Величина эталонного отклонения л (радианы) при двухкратном прохождении ( в данном автоколлимационном варианте схемы1 через участок линзы, заполненной воздухом, расположенный на расстоянии г мм от оптической оси 00, определяется по формуле (для ) л„ ( и р) 7-10 f ) где Др - величина отклонения давления от номинального, Mivi рт . ст .

R - радиус сферической поверхности линзы,, мм. Например, при R 350 мм,г 20 м и Лр 0,3 атм-230 мм рт.ст.

f, 9, -f,9

Приложение избыточного давления порядка долей атмосферы к одной из поверхностей реальных оптических элементов не приводит к их деформации ,. оказывая влияние на параметры теневой картины.

Измерение освещенности элементов теневой картины производится до и после изменения давления газа в корпусе 8, для элементов изображения, расположенных на различных расстояниях от центра поля зрения устройства, где проходит ось 00. Величина чувствительности определяется по результатам сопоставления контраста между освещенностягчда каждого элемента теневой артины до и после изме нения давления в газовой линзе и величинами соответствующих отклонений Лi световых пучков, образующих изображение этих участков. При равномерной фоновой освещенности по полю зрения указанные величины контраста получают путем сравнения одновременно измеряемых ве.пичин освещенности.выбранного элемента изображения и элемента, находящегос на оси 00, где освещенность не изменяется, так как в этом месте световой пучок при прохождении чере газовую линзу не приобретает цопол нительного углового отклонения. Из зависимости контраста от величины углового отклонения определяется пороговая чувствительность устройства, выраженная тем энзчением входногб воздействия, при котором контраст достигает заданной минимальной величины, .например 10%. Срав.нивая полученные значения порога чувствительности с его номинальным значением для данных условий (температуры) , судят о состоянии юстиров ки прибора. В одном из конструктивных вариантов устройства в -качестве герметично го корпуса, в котором изменяют давле ние находящегося внутри газа для создания эталонного отклонения, испо льзуют корпус устройства, заключающего в себе элементы устройства и в том числе коллиматорный объектив. Величин эталонного отклонения световых пучков в этом случае равна сумме дополнительных отклонений на всех поверхностях коллиматорного объектива, соприкасакхцихся с газовой средой. Техническая эффективность, получаемая при использовании данного изобре

тения связана с тем,что повышается точность определения реакции устройства (чувствительности) к входному воздействию,в особенности для малых величин последних,что позволяет боле точно отъюстировать устройство. Это осуществляется за счет отсутствия существенных дополнительных потерь света на поглощение в веществе эталоной газовой линзы и на. отражение у ее поверхности, отсутствия появляющихся при введении в оптическую схему новых элементов дополнительных паразитных рефлексов, искажающих теневую картину, практического отсутствия влияния на величину эталонного отклонения световых пучков качества ( местных ошибок) поверхностей, ограничивающих объем газовой линзы, так как кривизна ее сферической поверхности неизмеримо больше приращения кривизны на ее поверхности за счет местной ошибки изготовления.

фотоприемник и защитное стекло, установленное перед объемом для исследуемой среды, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и надежности результатов иссле0дований, в него введены герметизированный корпус с двумя отверстиями для прохождения светового потока, дозирующее устройство и плоскопараллельная пластина, причем объектив

5 и пластина установлены в отверстиях корпуса, а дозирующее устройство соединено с внутренним пространством между объективом и пластиной.

2. Устройство по П.1, отли0чающеес я тем, что в качестве плоскопараллельной пластины использовано защитное стекло.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

5

1.Авторское свидетельство СССР г 296950, кл. G 01 В 9/02, 1969.

2.Васильев Л.А.Теневые методы, М. , Наука, 1968, с. 19 { прототип) Кроме твро, возможно производить определение чувствительности в любых условиях, так как отсутствует необходимость механического введения в коллимированный пучок дополнительных оптических (эталонных) элементов которое в ходе эксперимента в ряде случаев вообще оказывается невозможным из-за того, что рабочий объем заполнен исследуемой средой ij герметизирован, а внутри устройства не предусмотрены соответствующие эталонные элементы, требующие для размещения дополнительного объема. Повышение точности в определении чувствительности устройства к входному воздействию и оперативное ее определение в ходе эксперимента приводит к повышению точности и надежности результатов исследов.аний. Формула изобретения 1. Устройство для исследования птических неоднородностей прозрачных ред, содержащее осветитель, световую иафрагму, коллиматорв ый объектив .