Способ измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред Советский патент 1981 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к оптическим методам изучения распределения и флуктуации плотности и других характеристик Прозрачных бред по распределению и изменению их Коэффициента преломления. Одним из основных недостатков taKO го метода является сложность расшифровки черно-белой теневой картины, особенно, когда возмущения имеют сложную пространственную форму. Известен способ измерения градиента коэффициента преломления т розрач ных сред, в котором в осветительной части прибора устанавливается .окрашенная щель (например, используется диафрагма, состоящая из набора цветных стекол, слайд или с помощью специальной оптической приставки прОек-. тируется спектрально окрашенное изображение источника),а в приемной части прибора используется щелевая да1аф рагма, с помощью которой вырезается часть изображения источника. Если неоднородность отсутствует, то световые лучи, идущие от разных точек, проходят через одно и то же место диафрагмы и все поле окрашено в один цвет, зависящий от настройки прибора. Флуктуации коэффициента преломления в среде отклоняют лучи и на приемную диафрагму проектируются участки изображения источника, окрашенные в другой цвет. Следует отметить, что в этом способе исследуемая среда просвечивается параллельным пучком света, и в фокальной плоскости приемного объектива формируется изображение источникаLi. Недостатками данного способа ются невысокая чувствительность, малая контрастность, слабая насыщенность цветов изображения, небольшой диапазон измерения углов отклонения цвета. Применение его ограничивается также относительно невысокой чуэствитепьности цветных фотоматериалов. Наиболее близким техническим реш нием к предлагаемому является епособ измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред, в котором углы отклонения света регис рируются по определению смешения те ней от диафрагмы, которая представл ет собой набор темных деталей на пр зрачном фоне и устанавливается вбли зи фокуса приемного объектива вместо ножа Фуко 2, Наиболее трудоемкой операцией является отождествление теней, особенно, когда исследуемые неоднородности имеют сложную форму и тени раздваиваются, перепутываются, меня ся местами и не всегда допускают од нозначную интерпретацию снимка. Цель изобретения - расширение . функциональных возможностей теневого метода. Эта цель достигается тем, что в способе измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред, основанном на регистрации угла отклонения д пучка белого света, проше шего через исследуемую среду с помощью многоэлементной решетки, пучо света дополнительно отклоняют на уг лХ ЭЬи ЭУ) с 1Г Э1 ЭЛ где ДХ- разность длин волн света; п - коэффициент преломления сре ды, в которой происходит отклонениесвета на угол ; L - длина пути света в отклоняющей среде; Z - координата в направлении отк лонения луча, а шаг решетки выполненной по форме отклоненного пучка, выбирают из соотношения О t.f , где f - фокусное расстояние приемно го объектива системы. На фиг. 1-3 изображены блок-схеNfci устройства, в которых реализуется данный способ измерения градиента коэффициента преломпения. Устройство состоит из источника белого света с непрерывным (лампа накаливания) или линейчатым (ртутная лампа) спектром, объектива 2, формирующего изображенияИсточника, диафрагмы 3, коллиматориого объектива А, диспрргирукяцего элемента 5, оптической кювета с исследуемой сре дой 6, приемного коллиматорного объ ектива 7, установленной вблизи его фокуса решетки 8, объектива 9, фор534мирующего изображение исследуемой среды.и регистрирующего устройства 10(фото, кино, телекамера). Основными элементами устройства являются диафрагма, диспергируюпщй элемент и приемная решетка. В зависимости от целей и задачи исследований могут использоваться, например, круглая диафрагма 3 - лййза 5 - решетка 8, состоящая из концентрических прозрач ных и непрозрачных полос толщиной (f (см. фиг. О, щелевая диафрагма 3призма 5- решетка с постоянным шагом состоящая из системы прозрачных и непрозрачных полос шириной о , установленная параллельно основанию призмы (см. фиг. 2); щелевая диафрагма 3 - цилиндрическая линза 5, решетка с переменным шагом, состоящая из системы прозрачных и непрозрачных полос увеличивакнцейся шириной и , установленная параллельно образующей цилиндра (см. фиг. З).. В двух последних случаях приемная часть прибора устанавливается под некоторым углом к оси осветительной части. В данном способе более полно, чем в известном реализуются возможности оптической схемы теневого метода, поскольку, с помощью диспергирующего элемента, установленного между основными объективами системы отклоняется на известный и заданный угол весь световой пучок. Который затем проходит через исследуемую среду. Поскольку величина дополнительного угла отклонения света зависит также от длины волны, в фокальной плоскости приемного объ- . ектива образуется множество спектральных изображений источника, часть которых перекрывается с помощью диафрагмы. Устройство работает следующим образом. Белый свет,излучаемый источником 1 проходит через объектив 2, формирующий изображение источника, диафрагму 3, расположенную в фокусе коллиматорного объектива 4, на выходе из которого параллельный пучок света дополнительно отклоняется на угол 6(х, у, Z, Д,) с помощью диспергирукщего элемента 5, перекрывающего всю апертуру устройства и поступает в кювету с исследуемой средой 6, находящейся между параллельными запщтными стеклами, свободными от оптических неоднородностей. После выхода из исследуемой среды пучок света проходит коллиматориый объектив приемной части устройства, в фо кальной плоскости которого установлена решетка одного из описанных выше типов, в зависимости от выбран ного диспергирующего элемента 5. При этом в фокальной плоскости форм руется широкое изображение осветительной диафрагмы, образованное переналожением спектрально окрашенных изображений источника, образованными лучами, проходящими через различные точки исследуемой среды. Темные полосы решетки частично пере рывают изображение отверстия диафрагмы и в поле зрения формируется изображение исследуемой среды, окра шенное в зависимости от настройки прибора в один цвет, систему концентрических цветных кругов или полос. Поскольку, в -большинстве случа ет для диспергирующего элемента моя но принять У)(X,V,Z, Л) -И, (X,V, 1)И2(Л); M.z.AtB из анализа уравнений распространени света следует, что отклонение луча света от оси в фокальной плоскости приемного коллиматорного объектива задается соотношением ЭЬи Эи .flT --Я-- -- И ЭТ ЭУ где п - кoэd)фициeнт преломления све та в диспергирующей среде; f - фокусное расстояние приемно го объектива; L - длина луча света в дисперги рующем элементе; ЛХ- разность длин волн; cJ,- смещение изображения, обусл вл,енное отклонением центра светового пучка в элементе Oi- ширина спектрального изобра жения щели, обусловленная Vдисперсией. Наиболее удобный для работы случ когда угол отклонения света на опти ческих неоднородностях в исследуемой среде равен углу дисперсии ; 6д jL, или, что то же самое, величина смешения изображения вблизи фокальной плоскости приблизительно равна шагу решетки. Поскольку число йтрихов в решетке достаточно вели- ко смещение изображения на большие расстояния сопровождается соответствующей сменой цвета изображения изучаемого участка оптической 36 нееднородности, что соответственно существенно расширяет диапазон измеряемых углов отклонения. В случае, если исследуемое вешество обладает заметной дисперсией (например,, исследуются течения жидкостей),то, установив защитные стекла 6 пдд некоторым углом -t можно не использовать дополнительный диспергирующий элемент 5, так как разложение света осуществляется в самой исследуемой среде. Способ измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред отличается простотой и позволяет существенно расширить функциональные возможности теневого метода. В зависимости от типов изучаемых оптичес- ких неодцородностей (одномерных, осесимметричных , или более слож -. ных трехмерных) применяются различные виды диафрагм, диспергирующих элементов и решеток, что дает возможность изучать как общую картину распределения оптических неоднородчостей , так и изучать их тонкую структуру. Данный способ позволяет существенно расширить диапазон регистрируемых углов отклонения света при сохранении чувствительности традиционных теневых методов и наблюдать одновременно и сильные и слабые оптические неоднородности. Для ; количественных измерений в большинстве случаев нет необходимости проводить фотометрирование кинограмм, достаточно измерить линейное смешение изображения выбранного цвета. При этом цвета получаются контрастные и насыщеншле, поскольку используется значительная часть светового пучка, а потери энергии в такой системе малы, способ основан на разделении отдельных цветов, а не на Фильтрации и соответственно ослаблении света. Предлагаемый способ может быть ис пользЪван при исследовании прозрач- .. ных неоднородностей в жидкостях, газах, твердых телах. Особенно сказываются его преимущества при изуче- нии структуры нестационарных быстропротекакщих процессов, которые не могут быть достаточно полно исследованы с помощью известных методов. Формула изобретения Способ измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред, основанный на регистрации угла -отк