RU2752283C1 - Способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах и устройство для его осуществления - Google Patents

Способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах и устройство для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
RU2752283C1
RU2752283C1 RU2020135313A RU2020135313A RU2752283C1 RU 2752283 C1 RU2752283 C1 RU 2752283C1 RU 2020135313 A RU2020135313 A RU 2020135313A RU 2020135313 A RU2020135313 A RU 2020135313A RU 2752283 C1 RU2752283 C1 RU 2752283C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hilbert
field
phase
fourier
probing
Prior art date
Application number
RU2020135313A
Other languages
English (en)
Inventor
Юрий Николаевич Дубнищев
Виталий Анисифорович Арбузов
Эдуард Витальевич Арбузов
Ольга Сергеевна Золотухина
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет»
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет» filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет»
Priority to RU2020135313A priority Critical patent/RU2752283C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2752283C1 publication Critical patent/RU2752283C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в экспериментальной гидро- и газодинамике, теплофизике, океанологии, а также в промышленных технологиях, связанных с необходимостью исследования полей фазовой оптической плотности в газовых, конденсированных и реагирующих средах, пламенах и струях. Заявленный способ визуализации полей фазовой оптической плотности газовых и конденсированных сред состоит в том, что в исследуемую среду направляют зондирующее световое поле, формируют пространственно-частотный фурье-спектр возмущений, индуцированных в зондирующем световом поле исследуемой средой, последовательно выполняют изотропную гильберт-фильтрацию пространственно-частотного фурье-спектра возмущённого поля, обратное фурье-преобразование, проектируют гильберт-образ возмущений светового поля на фотоматрицу видеокамеры и подвергают компьютерной обработке покадровую последовательность изображений. Причем зондирующее поле формируют в исследуемой среде в виде пространственно-сконфигурированных монохроматических или полихроматических бесселевых пучков. Устройство, реализующее способ, содержит последовательно расположенные световой источник, формирователь зондирующего светового поля, фурье-объектив, в частотной плоскости которого помещён изотропный гильберт-фильтр, и цифровую видеокамеру, подсоединённую к компьютеру. Световым источником является источник сконфигурированных бесселевых пучков, фурье-спектр которых согласован с фазовой структурой изотропного гильберт-фильтра. Устройство может быть выполнено, например, так, что формирователь сконфигурированных бесселевых пучков выполнен в виде последовательно расположенных формирователя концентрических кольцевых r, g, b пучков и аксикона, выполненного ступенчатым. Технический результат - повышение точности и расширение функциональных возможностей на гильберт-визуализацию пространственной структуры поля оптической фазовой плотности в конденсированных, газовых и реагирующих (пламя) средах. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в экспериментальной гидро- и газодинамике, теплофизике, океанологии, а также в промышленных технологиях, связанных с необходимостью исследования полей фазовой оптической плотности в газовых, конденсированных и реагирующих средах, пламенах и струях.
Известен способ визуализации полей фазовой оптической фазовой плотности в газовых и конденсированных средах [Дубнищев Ю.Н., Арбузов В.А., Арбузов Э.В., Сотников В.В. Патент на изобретение №2681672 «Способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах» Гос. рег. РФ 12.03.2019]. Согласно этому способу, в исследуемую среду направляют зондирующее световое поле, сформированное пространственно-совмещенными пучками, волновые числа которых находятся в соотношении
Figure 00000001
и соответствуют разным rgb-компонентам чувствительности пиксельной структуры фотоматрицы цифровой камеры. Последовательно выполняют гильберт-фильтрацию фурье-спектра фазовых возмущений зондирующего светового поля, индуцированных исследуемой средой, и обратное фурье-преобразование фильтрованного оптического поля. Формируют его изображение на фотоматрице видеокамеры и анализируют покадровую последовательность изображений поля оптической фазовой плотности. Основным недостатком этого способа является влияние дифракционных возмущений структуры зондирующего поля, индуцированных исследуемой средой, на гильберт-визуализацию полей фазовой оптической плотности.
Устройство, реализующее этот способ, содержит последовательно расположенные: источник зондирующего светового поля в виде пространственно-совмещенных световых пучков, волновые числа которых находятся в соотношении
Figure 00000001
и соответствуют разным rgb-компонентам чувствительности фотоматрицы цифровой камеры, формирователь зондирующего поля, оптический фурье-анализатор, в частотной плоскости которого установлен гильберт-фильтр, оптический фурье-преобразователь, частотная плоскость которого совмещена с фотоматрицей видеокамеры. Недостатком этого устройства является влияние дифракционных возмущений структуры зондирующего поля исследуемой средой на гильберт-визуализацию полей фазовой оптической плотности.
В другом известном способе [J.K.T. Eu, A.W. Lohmann. Isotropic Hilbert spatial filtering // Opt. Communications. - 1973. - Vol. 9, No 3. - P. 257-262] или, в более современной интерпретации, [Ананьин М.А., Хонина С.Н. Моделирование оптической обработки изображений с использованием вихревого пространственного фильтра // Компьютерная оптика. - 2009. - Т. 33, №4. С. 466-472], также выполняется гильберт-визуализация визуализация полей фазовой оптической плотности. Формируется фурье-спектр фазовых возмущений зондирующего поля, индуцируемых исследуемой средой. Выполняется изотропное преобразование Гильберта фурье-спектра фазовых возмущений. Основным недостатком этого способа является влияние дифракционных возмущений структуры зондирующего поля исследуемой средой на гильберт- визуализацию полей фазовой оптической плотности.
Устройство, реализующее этот способ, содержит последовательно расположенные формирователь зондирующего светового поля, оптический фурье-анализатор, в частотной плоскости которого установлен гильберт-фильтр. Последовательно с гильберт-фильтром помещен регистратор фильтрованного изображения в координатном пространстве. Недостатком этого устройства является влияние дифракционных возмущений структуры зондирующего поля исследуемой средой на гильберт-визуализацию полей фазовой оптической плотности.
Кроме того, известен способ изотропной гильберт-визуализации полей фазовой оптической плотности [Оптические методы исследования потоков / Ю.Н. Дубнищев, В.А. Арбузов, П.П. Белоусов, П.Я. Белоусов Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2003. 418 с.], являющийся прототипом способа. В этой книге на стр. 363-365 приведено описание способа изотропной гильберт-визуализации полей фазовой оптической плотности, который осуществляется за счет применения кольцевого источника и выполнения пространственно-частотного фильтра в виде коаксиальной фазовой пластинки Кастлера, В исследуемую среду направляется осесимметричное зондирующее поле, структура которого является ганкель-образом кольцевого светового источника. Фурье-спектр фазовых возмущений зондирующего светового поля, индуцируемых исследуемой средой, формируется в частотной плоскости оптической системы, являющейся плоскостью изображения кольцевого источника. После выполнения изотропной гильберт-фильтрации световое поле подвергается обратному фурье-преобразованию и проектируется на фотоматрицу видеокамеры. Визуализированное поле оптических фазовых неоднородностей фиксируется видеокамерой и подвергается компьютерной обработке. Основным недостатком этого способа является влияние дифракционных возмущений структуры зондирующего поля исследуемой средой на гильберт- визуализацию полей фазовой оптической плотности. Такие возмущения возникают из-за дифракции на неоднородностях исследуемой среды, что искажает пространственную структуру зондирующего поля, нарушая изотропность гильберт-фильтрации. Изотропность нарушается из-за искажений формы и смещения изображения кольцевого источника относительно гильберт-фильтра в частотной плоскости, что приводит к ошибкам в диагностике полей фазовой оптической плотности.
Устройство, реализующее этот способ, являющееся прототипом устройства, содержит последовательно расположенные кольцевой источник излучения, формирователь зондирующего светового поля, оптический фурье-анализатор, в частотной плоскости которого помещен изотропный гильберт-фильтр в виде коаксиальной фазовой пластинки Кастлера. Последовательно с гильберт-фильтром помещен регистратор фильтрованного изображения на фотоматрице видеокамеры, подключенной к компьютеру. Основным недостатком этого устройства является влияние дифракционных возмущений структуры зондирующего поля исследуемой средой на гильберт-визуализацию полей фазовой оптической плотности.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей на гильберт-визуализацию пространственной структуры поля оптической фазовой плотности в конденсированных, газовых и реагирующих (пламя) средах. Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе зондирующее поле в исследуемой среде формируют в виде одного или нескольких пространственно-сконфигурированных монохроматических или полихроматических бесселевых пучков. Фурье-спектр этих пучков оптически сопряжен с фазовой структурой изотропного гильберт-фильтра. Цветовая структура соответствует спектральной чувствительности пиксельной структуры фотоматрицы. В устройстве, реализующем способ гильберт-визуализации полей фазовой оптической плотности, между источником и формирователем зондирующего поля помещен формирователь сконфигурированных бесселевых пучков, фурье-спектр которых соответствует фазовой структуре изотропного гильберт-фильтра. Формирователь сконфигурированных бесселевых пучков выполнен в виде последовательно расположенных формирователя концентрических r, g и b пучков и аксикона. Формирователь сконфигурированных бесселевых пучков содержит ступенчатый аксикон, согласованный с концентрической структурой r, g и b пучков.
На Фиг. 1 показана структурная схема устройства, реализующего предложенный способ по п. 1 и 2.
На Фиг. 2 показана структурная схема устройства, реализующего предложенный способ по п. 3.
На Фиг. 3 показана структурная схема аксиконного формирователя последовательно расположенных r, g и b бесселевых пучков в устройстве по п. 3.
На Фиг. 4 показана структурная схема r, g и b гильберт-фильтра.
На Фиг. 5 показана структурная схема аксиконного ступенчатого формирователя последовательно расположенных r, g и b бесселевых пучков.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит последовательно расположенные источник светового излучения 1, аксикон 2, фурье-сопряженные объективы 3 и 4, объектив 5, в фурье-плоскости которого установлен гильберт-фильтр 6, объектив 7 и цифровую видеокамеру (камкодер) 8, подключенную к компьютеру 9. Способ осуществляется следующим образом. 1. Источник 1 формирует световой пучок, падающий на аксикон 2, параметры которого
Figure 00000002
где θ - угловой параметр бесселева пучка I0(kr1sinθ), заданный аксиконом,
β - угол между основанием и образующей конической поверхности аксикона,
n - показатель преломления материала, из которого выполнен аксикон.
Примем амплитуду волны единичной. Тогда комплексная амплитуда поля непосредственно за аксиконом:
Figure 00000003
где I0(kr1sinθ) - функция Бесселя нулевого порядка,
k=2π/λ - волновое число,
λ - длина волны источника излучения,
r1 - полярный радиус.
Здесь мы воспользовались известным разложением функции exp(ikr1sinθ) в ряд Фурье, ограничившись первым членом [Дубнищев ЮН. Теория и преобразование сигналов в оптических системах. СПб.: Издательство «Лань», 2011. - 368 с.]. При малом θ sinθ≈θ и (2) принимает вид:
Figure 00000004
Комплексная амплитуда поля в передней фурье-плоскости объектива 3 описывается с точностью до комплексного множителя бесселевым пучком (3).
Объектив 3 выполняет ганкель-преобразование поля, заданного в передней фурье-плоскости:
Figure 00000005
где w1 - полярный радиус в частотной плоскости объектива 3, w1=kr1/ƒ1 (ƒ1 - фокусное расстояние объектива 3). Ганкель-образ
Figure 00000006
и фурье-спектр S(w1) связаны соотношением
Figure 00000007
С учетом (4) и (5) находим выражение для комплексной амплитуды поля в задней фурье-плоскости объектива 3. Для этого воспользуемся известным [Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. М.: Издательство «МИР», 1971. 495 с.] преобразованием Ганкеля
Figure 00000008
где δ(w1-а) - дельта-функция.
Согласно Фиг. 1, а=kθ и, следовательно,
Figure 00000009
Из (7) и (3) для комплексной амплитуды поля в задней фурье-плоскости объектива 3 с точностью до постоянного комплексного множителя имеем:
Figure 00000010
Как видно из (8), в задней фурье-плоскости объектива 3 формируется кольцевая структура, радиус которой определяется из свойств дельта-функции, имеющей ненулевое значение при
Figure 00000011
Объектив 4, фокусное расстояние которого ƒ2, выполняет обратное преобразование Ганкеля для поля с комплексной амплитудой (8):
Figure 00000012
или, с учетом (8) и с точностью до постоянного комплексного множителя,
Figure 00000013
Здесь r - полярный радиус бесселева пучка, сформированного объективом 4. Воспользовавшись фильтрующим свойством дельта-функции,
Figure 00000014
получаем из (11) и (12) с точностью до комплексного множителя для амплитуды зондирующего поля:
Figure 00000015
Расходимость зондирующего поля оценивается областью существования главного (нулевого) максимума функции Бесселя I0(krθ) в (13). Как известно [Андре Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы. 1965. 779 с.], полуширина главного максимума функции Бесселя нулевого порядка (12) составляет 2,4:
Figure 00000016
Учитывая
Figure 00000017
где ƒ2/ƒ1 - поперечный коэффициент увеличения конфокальной системы, состоящей из объективов 3 и 4, условие (14) можно записать в виде:
Figure 00000018
Согласно (15) и (16), радиус сечения бесселева пучка, сформированного в исследуемой среде, оценивается как радиус бесселева пучка r1, умноженный на коэффициент передачи (увеличения) оптической системы, состоящей из объективов 3 и 4. Соответственно, угол расходимости зондирующего бесселева пучка, как следует из (13) и (16),
Figure 00000019
Продольный размер зондирующего поля
Figure 00000020
определяется как
Figure 00000021
где
Figure 00000022
- продольный размер бесселева пучка, сформированного аксиконом,
Figure 00000023
- продольный коэффициент увеличения конфокальной системы,
Figure 00000024
r0 - радиус аксикона.
Как следует из (13)-(17), объектив 4 формирует в исследуемой среде зондирующее поле, которое с точностью до комплексного множителя описывается бесселевым пучком с плоским волновым фронтом и комплексной амплитудой:
Figure 00000025
Опущенный комплексный множитель пропорционален экспоненте, мнимый показатель которой является линейной функцией координат оптической оси объектива 4, формирующего зондирующее поле. Это поле возмущается фазовыми неоднородностями exp[iψ(r)] исследуемой среды
Figure 00000026
Объектив 5 выполняет фурье-преобразование возмущенного зондирующего поля. Фурье-спектр этого поля S(w) формируется в задней фурье-плоскости объектива 5:
Figure 00000027
В осесимметричной оптической системе фурье-преобразование (22) реализуется через преобразование Ганкеля:
Figure 00000028
где
Figure 00000029
В приближении малых фазовых возмущений
Figure 00000030
Figure 00000031
С учетом (24), фурье-спектр S(w) с точностью до постоянного множителя пропорционален ганкель-образу возмущенного зондирующего поля:
Figure 00000032
Для первого интеграла в (25) имеем:
Figure 00000033
Выражение (26) описывает тонкое кольцо как ганкель-образ бесселева пучка. Кольцевая структура δ(w-kα), сформированная в фурье-плоскости объектива 5, разграничивает области положительных (w>kα) и отрицательных (w<kα) пространственных частот.
Ганкель-образ фазовых возмущений определяется вторым интегралом в (25):
Figure 00000034
Фурье-спектр этих возмущений пропорционален ганкель-образу (27):
Figure 00000035
Для визуализации полей фазовой оптической плотности (28) в частотной плоскости установлен гильберт-фильтр с когерентной передаточной функцией
Figure 00000036
Формула (29) описывает фазочастотную характеристику (ФЧХ) фильтра при амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), равной единице. Фурье-спектр поля непосредственно за гильберт-фильтром определяется произведением фурье-спектра фазовых возмущений (28) на когерентную передаточную функцию (29):
Figure 00000037
По свойствам дельта-функции,
Figure 00000038
где 2ε - толщина границы раздела положительных и отрицательных пространственных частот в структуре гильберт-фильтра.
Отсюда в (30)
Figure 00000039
С учетом (32) фурье-спектр поля непосредственно за гильберт-фильтром является гильберт-сопряженным фурье-спектром фазовых возмущений, индуцированных исследуемой средой:
Figure 00000040
Здесь
Figure 00000041
гильберт-спектр фазовых возмущений.
Объектив 7 выполняет обратное фурье-преобразование гильберт-сопряженного фурье-спектра фазовых возмущений. Воспользовавшись свойством фурье-преобразования (теорема смещения), получаем для гильберт-образа фазовых возмущений:
Figure 00000042
Здесь R - полярный радиус цилиндрической системы координат в плоскости фотоматрицы видеокамеры, регистрирующей гильберт-изображение I(R) поля оптической фазовой плотности исследуемой среды:
Figure 00000043
Гильберт-изображение поля фазовых возмущений (35) обрабатывается компьютером 9, подключенным к видеокамере 8. Таким образом, устройство по п. 1 и 2 реализует предложенный способ гильберт-визуализации полей фазовой оптической плотности газовых и конденсированных сред.
2. Обратимся к Фиг. 2. Здесь источник формирует концентрическую кольцевую r, g и b структуру излучения. Устройство содержит такую же, как и на Фиг. 1, конфигурацию последовательно расположенных элементов: источник светового излучения 1, аксикон 2, объективы 3 и 4, фурье-объектив 5, гильберт-фильтр 6, фурье-объектив 7 и видеокамеру 8, подключенную к компьютеру 9.
Аксикон 2 в этом устройстве преобразует, как показано на Фиг. 3, падающие на него поля с концентрической кольцевой r, g и b структурой излучения в соосную последовательность r, g и b бесселевых пучков.
Для суперпозиции таких rgb-компонент, сформированных аксиконом, с точностью до комплексных по аналогии с (3) множителей, имеем:
Figure 00000044
В (36) индексы r, g и b указывают на соответствие параметров бесселевых пучков r-, g- и b-спектральным интервалам.
Центральные сечения этих бесселевых пучков расположены на расстояниях z0r, z0g и z0b от аксикона:
Figure 00000045
Здесь θr, θg и θb - угловой параметр бесселева пучка, заданный аксиконом с учетом дисперсии. Размеры бесселевых пучков вдоль оптической оси соответственно равны
Figure 00000046
Figure 00000047
где
Figure 00000048
Figure 00000049
радиусы бесселевых пучков (красного, зеленого и синего соответственно).
В задней фурье-плоскости объектива 3 формируются фурье-спектры комплексных амплитуд этих бесселевых пучков. По аналогии с (8), с точностью до комплексных множителей имеем:
Figure 00000050
Радиусы кольцевых структур в (39) определяются из свойств дельта-функции: она имеет в (39) ненулевое значение при аргументе, равном нулю,
Figure 00000051
Объектив 4 выполняет обратное преобразование Ганкеля фурье-спектров бесселевых пучков (39):
Figure 00000052
где r - текущее значение радиуса в r, g и b бесселевых пучках.
Воспользовавшись фильтрующим свойством дельта-функции, получаем из (41) для зондирующего поля:
Figure 00000053
Как видно из (42), зондирующее поле представляет из себя суперпозицию трех последовательно расположенных бесселевых пучков с амплитудами I0(krrθr), I0(kgrθg) и I0(kbrθb). Кривизна волнового фронта этих волн в сечении, ограниченном существованием главного максимума амплитуд хроматических составляющих, описываемых функциями Бесселя нулевого порядка (42), равна нулю.
Поперечный размер зондирующего поля находится из условий, аналогичных (14):
Figure 00000054
Здесь, как и в (15), ƒ2/ƒ1 - коэффициент увеличения конфокальной системы, состоящей из объективов 3 и 4 с фокусными расстояниями ƒ1 и ƒ2. Отсюда находим радиусы сечений r, g и b зондирующего поля:
Figure 00000055
Продольные размеры r, g и b бесселевых зондирующих полей
Figure 00000056
сформированных объективами 3 и 4, определяются, согласно (18) и (19), формулами:
Figure 00000057
Соответственно, для углов расходимости зондирующих бесселевых пучков по аналогии с (17) имеем:
Figure 00000058
Объектив 4 формирует в исследуемой среде r, g и b зондирующие поля, которые с точностью до комплексных множителей описываются по аналогии с (20) бесселевыми пучками:
Figure 00000059
Исследуемая среда индуцирует фазовые возмущения rgb-структуры зондирующего поля (47). Возмущенное исследуемой средой зондирующее поле по аналогии с (21) можно с точностью до постоянных комплексных множителей описать выражением:
Figure 00000060
Figure 00000061
Фурье-спектр возмущенного зондирующего поля формируется в задней фурье-плоскости объектива 5. По аналогии с (23), для фурье-спектра возмущенного исследуемой средой зондирующего поля имеем:
Figure 00000062
где
Figure 00000063
ганкель-образы возмущенных rgb-зондирующих полей:
Figure 00000064
В приближении малых фазовых возмущений (24) для фурье-спектров rgb-полей фазовой оптической плотности (50) имеем по аналогии с (30):
Figure 00000065
Дельта-функции в (51) разграничивают области положительных (wr>krαr, wg>kgαg и wb>kbαb) и отрицательных (wr<krαr, wg<kgαg и wb<kbαb) пространственных частот в фурье-плоскости 6. Функции iψ(wr-krθr), iψ(wg-kgθg) и iψ(wb-kbθb) - описывают фурье-спектры фазовых возмущений, индуцированных исследуемой средой в зондирующих полях, сформированных r, g и b бесселевыми пучками (47).
Для визуализации полей фазовой оптической плотности (51) в частотной плоскости 6 устанавливается гильберт-фильтр с когерентной передаточной функцией, которая, по аналогии с (29), описывается выражением:
Figure 00000066
Структура гильберт-фильтра, реализующего изотропную гильберт-фильтрацию с когерентной передаточной функцией (52), показана на Фиг. 4.
Фурье-спектр поля непосредственно за гильберт-фильтром определяется, как и в (33), произведением фурье-спектра фазовых возмущений (51) на когерентную передаточную функцию гильберт-фильтра (52):
Figure 00000067
Фурье-объектив 7 выполняет, по аналогии с (34), обратное фурье-преобразование гильберт-сопряженных фурье-спектров фазовых возмущений (53):
Figure 00000068
Здесь R полярный радиус в координатной плоскости фото матрицы 8.
Фотоматрица видеокамеры регистрирует изображения гильберт-визуализированных полей фазовой оптической плотности исследуемой среды (54), локализованных в пределах зондирующих r, g и b бесселевых пучков (47):
Figure 00000069
Изображения визуализированных полей фазовой оптической плотности исследуемой среды в пространственных фрагментах, ограниченных зондирующими rgb-бесселевыми пучками, обрабатываются компьютером 9, подключенным к видеокамере. Устройство по п. 3 реализует предложенный способ гильберт-визуализации полей фазовой оптической плотности газовых и конденсированных сред.
На Фиг. 2 показана упрощенная схема устройства по п. 2, реализующего предложенный способ. В этом устройстве перед аксиконом установлен источник светового поля, имеющего кольцевую концентрическую r, g и b конфигурацию, оптически сопряженную со структурой гильберт-фильтра. Гильберт-фильтр имеет концентрическую rgb-структуру.
Обозначения оптических элементов на Фиг. 2 та же, что и на Фиг. 1. В такой системе аксиконом 2 формируется три разнесенных по оптической оси r, g, b бесселевых пучка, которые объективами 3 и 4 направляются в исследуемую среду. Структура фильтра 6, реализующего изотропную гильберт-фильтрацию, оптически сопряжена со структурой фурье-спектра бесселевых пучков, локализованной в задней фурье-плоскости объектива 3.
На Фиг. 3 показана схема аксиконного формирователя бесселевых пучков для устройства п. 2, реализующего способ. Структура полихроматического гильберт-фильтра, используемого в этом устройстве, представлена на Фиг. 4. Фиг. 5 иллюстрирует формирование бесселевых пучков ступенчатым аксиконом в устройстве, показанном на Фиг. 2. В этом устройстве ступенчатым аксиконом формируются три пространственно разнесенных по оси бесселевых пучка, которые объективами 3 и 4 направляются в исследуемую среду. Структура фильтра 6, реализующего изотропную гильберт-фильтрацию, оптически сопряжена со структурой фурье-спектра бесселевых пучков, локализованных в задней фурье-плоскости объектива 3.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей гильберт-визуализации на получение информации о пространственной структуре полей фазовой оптической плотности в конденсированных, газовых и реагирующих средах. Он достигается тем, что зондирующее поле в исследуемой среде формируется в виде пространственно сконфигурированных монохроматических или полихроматических бесселевых пучков, фурье-спектр которых оптически сопряжен с фазовой структурой изотропного гильберт-фильтра, а цвет соответствует спектральной чувствительности фотоматрицы видеокамеры. Повышение точности визуализации фазовых возмущений в исследуемой среде обеспечивается низкой расходимостью волнового фронта бесселевых пучков, образующих структуру зондирующего поля. Отсюда следует преимущество предлагаемого способа и устройств, его реализующих, по сравнению с известными аналогами и прототипом, в которых зондирующее поле формируется гауссовыми или апертурно ограниченными пучками, дифракционная расходимость которых выше расходимости бесселевых пучков.

Claims (4)

1. Способ визуализации полей фазовой оптической плотности газовых и конденсированных сред, состоящий в том, что в исследуемую среду направляют зондирующее световое поле, формируют пространственно-частотный фурье-спектр возмущений, индуцированных в зондирующем световом поле исследуемой средой, последовательно выполняют изотропную гильберт-фильтрацию пространственно-частотного фурье-спектра возмущённого поля, обратное фурье-преобразование, проектируют гильберт-образ возмущений светового поля на фотоматрицу видеокамеры и подвергают компьютерной обработке покадровую последовательность изображений, отличающийся тем, что зондирующее поле формируют в исследуемой среде в виде пространственно-сконфигурированных монохроматических или полихроматических бесселевых пучков.
2. Устройство, реализующее способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых или конденсированных средах по п. 1, содержащее последовательно расположенные световой источник, формирователь зондирующего светового поля, фурье-объектив, в частотной плоскости которого помещён изотропный гильберт-фильтр, и цифровую видеокамеру, подсоединённую к компьютеру, отличающееся тем, что световым источником является источник сконфигурированных бесселевых пучков, фурье-спектр которых согласован с фазовой структурой изотропного гильберт-фильтра.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что источник сконфигурированных бесселевых пучков выполнен в виде последовательно расположенных источника концентрических кольцевых r, g, b пучков и аксикона.
4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что аксикон ступенчатый.
RU2020135313A 2020-10-28 2020-10-28 Способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах и устройство для его осуществления RU2752283C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020135313A RU2752283C1 (ru) 2020-10-28 2020-10-28 Способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах и устройство для его осуществления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020135313A RU2752283C1 (ru) 2020-10-28 2020-10-28 Способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах и устройство для его осуществления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2752283C1 true RU2752283C1 (ru) 2021-07-26

Family

ID=76989404

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020135313A RU2752283C1 (ru) 2020-10-28 2020-10-28 Способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах и устройство для его осуществления

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2752283C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU95108833A (ru) * 1995-05-30 1996-12-20 Институт теплофизики СО РАН Цветной визуализатор полей оптической плотности
EP2388614A2 (en) * 2010-05-21 2011-11-23 Teledyne ISCO, Inc. Velocity measuring system
US20130057675A1 (en) * 2011-09-06 2013-03-07 Janesko Oy Method and arrangement for measuring flow rate of optically non-homogeneous material
RU2621466C2 (ru) * 2015-11-23 2017-06-06 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" Способ измерения поля скоростей в газовых и конденсированных средах
RU2681672C1 (ru) * 2018-04-16 2019-03-12 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" Способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU95108833A (ru) * 1995-05-30 1996-12-20 Институт теплофизики СО РАН Цветной визуализатор полей оптической плотности
RU2101744C1 (ru) * 1995-05-30 1998-01-10 Институт теплофизики Сибирского отделения РАН Цветной визуализатор полей оптической плотности
EP2388614A2 (en) * 2010-05-21 2011-11-23 Teledyne ISCO, Inc. Velocity measuring system
US20130057675A1 (en) * 2011-09-06 2013-03-07 Janesko Oy Method and arrangement for measuring flow rate of optically non-homogeneous material
RU2621466C2 (ru) * 2015-11-23 2017-06-06 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" Способ измерения поля скоростей в газовых и конденсированных средах
RU2681672C1 (ru) * 2018-04-16 2019-03-12 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" Способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Оптические методы исследования потоков / Ю.Н. Дубнищев, В.А. Арбузов, П.П. Белоусов, П.Я. Белоусов Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2003, стр. 363-365. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Aizu et al. Spatial filtering velocimetry: fundamentals and applications
CN107907483B (zh) 一种基于散射介质的超分辨光谱成像系统及方法
Gren et al. Tomographic reconstruction of transient acoustic fields recorded by pulsed TV holography
CN208704671U (zh) 一种快照式全场白光干涉显微测量装置
CN105157836A (zh) 一种偏振态同步获取的光谱成像装置及其方法
Ding et al. Structure design and image reconstruction of hexagonal-array photonics integrated interference imaging system
RU2752283C1 (ru) Способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах и устройство для его осуществления
Jiang et al. Panoramic dual-directional shearography assisted by a bi-mirror
US7649660B2 (en) High throughput holographic spectrometer using the multiplexed hologram
Gorevoy et al. Multi-wavelength off-axis digital holographic microscopy with broadly tunable low-coherent sources: theory, performance and limitations
CN115560848A (zh) 基于超表面径向剪切的强度-波前-波长测量仪
Desse et al. Shadow, Schlieren and Color Interferometry.
Shi et al. DCATT dispersed fringe sensor: modeling and experimenting with the transmissive phase plates
RU2681672C1 (ru) Способ визуализации полей фазовой оптической плотности в газовых и конденсированных средах
Dubnishchev et al. Isotropic bessel–hilbert visualization of phase optical density fields
CN113218519B (zh) 一种基于双层亚波长孔结构的径向剪切波前测量系统
Ghosh et al. Formation of uniform fringe pattern free from diffraction noise at LDA measurement volume using holographic imaging configuration
Zhang et al. A simple determination approach for zero-padding of FFT method in focal spot calculation
Chang Grating-based Interferometers And Their Applications.
Telega et al. Compressible gas density measurement by means of Fourier analysis of interferograms
Denisov et al. Measuring the Roughness Parameters of Ground and Polished Optical Surfaces by High-Precision Laser Interferometry Methods
Rasouli et al. Applications of 2-D moiré deflectometry to atmospheric turbulence
Dubnishchev et al. Polychromatic Hilbert diagnostics of the evolution of vortex rings induced by a pressure jump on a hole
Pandey et al. Single-shot phase retrieval for aspheric surface testing based on the transport of intensity equation and a prism-mirror module
Fujita et al. Two-dimensional density measurements in planar Venturi nozzle flows by Mach-Zehnder interferometers