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

Изобретение относится к измеритель ной технике, более конкретно к оптическим приборам, предназначенным, для изучения распределения и флуктуации коэффициента преломления прозрачных Известно устройство для измерения градиента коэффициента преломления, содержащее осветительную щель в фокусе осветительного объектива и диафрагму из набора прозрачных цветных стекол в фокальной плоскости объектива приемной части либо цветную диафрагму в осветительной части прибора, а в приемной узкую щелевую диафрагму В качестве цветных диафрагм применяются также диспергирующие призмы, ко торые располагаются в осветительной . части прибора Г. Если отсутствует оптическая неоднородность, то световые лучи, идущие от разных точек, проходят через одно и то же место диафрагмы и все поле изображения окрашивается в один цвет зависящий от настройки прибора. При введении неоднородностей на приемную диафрагму проектируются участки осветительной щели, окрашенные в различный цвет, что приводит к изменени распределения цветности в изображении, причем все участки среды, отклоняющие свет на одинаковый угол, окрашены одинаково. Чувствительность данного метода не может быть сделана достаточной большой, так как дифракционные помехи ограничивают минимальную толщину цветных полос величиной порядка 0,15 мм. Применение таких устройств также ограничено в силу малой цветовой насыщенности изображений и невысокой чувствительности фотоматериалов, особенно в тех случаях, когда существует большая неоднородность распределения градиентов коэффициента преломления по пространству, а интерес представляет структура областей как с малыми, так и с большими градиента коэффициента прелог-шения. Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред, содержащее источник света и последовательно установленные по ходу светового пучка объектив, щелевую диафрагму, основные объективы, между которыми находится исследуемая среда, и приемную часть с решеткой, состоящей

из системы прозрачных и непрозрачных полос 2.

Отклонения лучей в неоднородности определяется по смещению теней от диафрагмы. Наиболее трудоемкой операцией в этом случае является отождествление теней, особенно если неоднородности имеют сложную форму и тени раздваиваются, перепутываются и меняются местами. Попытки прибегнуть к специальным приемам - выделить штрихи, изменяя их толщину или раскраску также не всегда позволяют выполнить однозначную интерпретацию снимка.

Цель изобретения - повышение информативности теневого изображения прозрачных сред.

Эта цель достигается тем, что в устройстве для измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред, содержащем источник белого света и последовательно установленные по ходу светового пучка объектив, диафрагму, основные объективы, между которыми находятся исследуемая среда, и приемную часть с решеткой, состоящей из системы прозрачных и непрозрачных полос, между первым по ходу светового пучка основным объектвом и исследуемой средой размещена диспергирующая призма с параллельным гранями, перекрывающая весь параллелный световой пучок, пришедший через объектив, а щелевая диафрагма и решетка установлены перпендикулярно градиенту коэффициента преломления призмы, причем диафрагма, решетка и призма выполнены с возможностью синхронного кругового вращения.

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Схема устройства включает в себя источник белого света 1 с непрерывным или линейчатым спектром (лампа накаливания, дуга, ртутная лампа), объектив 2, формирующий изображени источника, диафрагму 3 в виде плоской щели, основной объектив 4, диспергирующую призму 5 с параллельными гранями, склеенную из разных сортов стекла, имеющих разную дисперсию Зц/ад/ но одинаковое значение коэффициентов преломления для одного из цветов (например, призма из стекол ТК-б и Ф-1 не отклоняет лучи желтого света), исследуемую среду 6, заключеную в объем с прозрачными стенками, свободными от оптических неоднородностей, основного объектива приемной системы 7, установленной.вблизи его фокуса плоской решетки 8, состоящей из системы прозрачных и непрозрачных полос, объектива 9, формирующего изо ражение исследуемой среды, и регистрирующего устройства 10, причем щель и решетка установлены перпендикулярно направлению отклонения световых лучей в призме 5 и вся система диафрагма - призма - решетка вьшолиены с возможностью синхронного вращения вокруг продольной оптической оси устройства,

Устройство работает следующим образом.

Белый свет, излучаемый источником 1, проходит через объектив 2, формирующий изображение источника, диафрагму с плоской щелью, расположенную в фокусе основного объектива 3, выходит в виде параллельного пучка лу)чей и поступает на диспергирующую призму, отклоняющую свет на угол , величина которого зависит от длины волны и не Превышает /f , где - максимальное отклонение луча в фокальной плоскости и приемного объектива теневого прибора, при котором свет не виньетируется элементами устройства; f - фокусное расстояние Приемного объектива, для наиболее распространенного прибора ИАБ-451; 25 мм, f мм.

На исследуемую среду попадает набор пучков света различного цвета, приходящий под различными углами. В отсутствии возмущений лучи в ней не отклоняются и поступают на основной объектив. При этом в его фокальной плоскости получается спектрально окрашенное расширенное изображение щели в котором каждый цвет отстоит на расстояние

)

от Оси системы, где сУ - смещение луча; - угол отклонения лучей на выходе призмы;f - фокусное расстояние основного объектива; Д - величина расфокусировки, расстояние от фокуса до плоскости установки приемной решетки/ S - расстояние от исследуемой плоскости среды до основного объектива приемной системы. Отдельные участки изображения щели перекрываются с помощью плоской решетки, состоящей из системы прозрачных и непрозрачных полос, и в плоскости изображения объетива 9 наблюдается окрашенное в систему цветных полос изображение исследуемой среды. Толщина и цвет полос зависят от угла отклонения света и выбранной толщины полос решетки и их положения. Перемещая решетку в направлении, параллельном направлению отклонения света в призме, можно получать различный цвет полос. При протекании физических процессов в исследуемой среде изменяется локальное значение градиента коэффициента преломления и соответственно угол отклонения луча, прошедшего через данную область среды, и его положение j относительно решетки. Первоначальное распределение цвета изображения нарушается, в изображении появляются новые, ранее закрытые цвета. Полученное изображение регистрируется с помощью фото-, киноаппарата или видеомагнитофона. Поскольку данная система регистрирует отклонение лучей только в Одном направлении, перпендикулярном щели и полосам решетки, для анализа флуктуации градиента коэффициента преломления во всех направлениях, что имеет важное значение при анализе пространственных возмущений сложной формы, щель, призма, и решетка выполнены с возможностью синхронного вращения вокруг оптической оси систе мы, Устройство для измерения коэффици ента преломления прозрачных сред по сравнению с лучшими образцами аналогичного оборудования позволяет существенно расширить объем информации о распределении и характере возмущения грёщиента коэффициента преломления. Для количественных измерений в большинстве случаев нет необходимости прибегать к фотометрированию фото или кинограмм. Получающееся в данном устройстве цветное изображение обладает высокой сочностью, контрастностью и насыщенностью цветов, обеспечивает существенное повышение информативности о внутренней пространственной структуре исследуемых физических неоднородностей излучаемых физических Процессах в ср«де по срав нению с традиционными методами Сдиафрагма - решетка цветной метод), что позволяет непосредственно измерять ряд новых характеристик динамики движения прозрачных сред (например, конвективную скорость - скорост переноса характерных структур возмущения). Устройство может быть успешно использовано в лабораторных условиях при исследовании прозрачных неоднородностей в аэро- и газодинамике, в гидрофизике, энергетике и других областях применения традиционных те.невых методов, особенно в тех случаях, когда возмущения носят неоднородное распределение по пространству, а интерес представляет структура об-, ластей и с большими и с малыми изменениями градиента коэффициента преломления, которая не может быть достаточно полно изучена и интерпретирована с помощью известных приборов и устройств. Формула изобретения Устройство для измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред, содержащее источник света и последовательно установленные по ходу светового пучка объектив, щелевую диафрагму, основные объективы, междукоторыми находится исследуемая среда, и приемную часть с решеткой, состоящей из системы прозрачных и непрозрачных полос, отличающееся тем, что, с целью повышения информативности, между первым по ходу светового пучка основным объективом и исследуемой средой размещена диспергирующая призма с параллельными гранями, перекрывающая световой пучок, прошедший через объектив, а шелевая диафрагма и решетка установлены перпендикулярно градиенту коэффициента преломления призмы, причем диафрагма, решетка и призма выполнены с возможностью синхронного кругового вращения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Васильев Л.А. Теневые методы. М., Наука, ГРФМЛ, 1968, с. 40-49. 2.Там же, с. 84-89 (прототип).