SU873053A1 - Способ измерени градиента коэффициента преломлени прозрачных сред - Google Patents

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к оптическим методам изучения распределения и флуктуаций плотности и других характеристик прозрачных бред по распределению и изменению их Коэф- 5 фициента преломления.

Одним из основных недостатков такого метода является сложность расшифровки черно-белой теневой картины, особенно, когда возмущения имеют сложную пространственную форму.

Известен способ измерения градиента коэффициента преломления Ерозрачных сред, в котором в осветительной части' прибора устанавливается .окра- ²⁵ шенная щель (например, используется диафрагма, состоящая из набора цветных стекол, слайд или с помощью специальной оптической приставки проек-. тируется спектрально окрашенное изоб- ²⁰ ражение источника),а в приемной части прибора используется щелевая диафрагма, 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 источника П].

Недостатками данного способа явля^ ются невысокая чувствительность, малая контрастность, слабая насыщенность цветов изображения, небольшой диапазон измерения углов отклонения цвета. Применение его ограничивается также относительно невысокой чувствительности цветных фотоматериалов.

⁴ Наиболее близким техническим решег нием к предлагаемому является способ измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред, в котором углы отклонения света регистрируются по определению смешения теней от диафрагмы, которая представляет собой набор темных деталей на прозрачном фоне и устанавливается вблизи фокуса приемного объектива вместо ножа Фуко [2}

Наиболее прудоемкой операцией является отождествление теней, особенно, когда исследуемые неоднородности имеют сложную форму и тени раздваиваются, перепутываются, меняются местами и не всегда допускают однозначную 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 пучка белого света, прошедшего через исследуемую среду с помощью многоэлементной решетки, пучок света дополнительно отклоняют на угол

Δλ. ЭЬи Эи _с ε- * ' ъг эл где Δλ- разность длин волн света;

η - коэффициент преломления среды, в которой происходит отклонение* света на угол £;

L - длина пути света в Отклоняющей среде;

Ζ - координата в направлении отклонения луча, а шаг решетки, выполненной по форме отклоненного пучка, выбирают из соотношения (Г = £f , где f - фокусное расстояние приемного объектива системы.

На фиг. 1-3 изображены блок-схегая устройства, в которых реализуется данный способ измерения градиента коэффициента преломления.

Устройство состоит из источника 1 белого света с непрерывным (лампа накаливания) или линейчатым (ртутная лампа) спектром, объектива 2, формирующего изображения·источника, диафрагмы 3, коллиматорного объектива'' 4, диспергирующего элемента 5, оптической кювета с исследуемой средой 6, приемного коллиматорного объ-.. ектива 7, установленной вблизи его фокуса решетки 8, объектива 9, фор873053 ₄ мирующего изображение исследуемой среды.и регистрирующего устройства 10(фото, кино, телекамера). Основными элементами устройства являются диафрагма, диспергирующий элемент и приемная решетка. В зависимости от целей и задачи исследований могут использоваться, например, круглая диафрагма 3 - лйНза 5 - решетка 8, ₁₀ состоящая из концентрических прозрачных и непрозрачных полос толщиной (Г (см. фиг. 1), щелевая диафрагма 3призма 5- решетка с постоянным шагом; состоящая из системы прозрачных ₁₅ и непрозрачных полос шириной , установленная параллельно основанию призмы (см. фиг. 2); щелевая диафрагма 3 - цилиндрическая линза 5, решетка с переменным шагом, состоящая из системы прозрачных и непрозрачных полос увеличивающейся шириной (f , установленная параллельно образующей цилиндра (см. фиг. 3).

В двух последних случаях прием25 ная 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_т отклоняется на известный и заданный угол весь световой пучок, который затем проходит через ³⁵ исследуемую среду. Поскольку величина дополнительного угла отклонения света зависит также от длины волны, в фокальной плоскости приемного объ-, ектива образуется множество спёкт⁴⁰ ральных 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 ⁵⁰ из которого параллельный пучок света дополнительно отклоняется на угол 8 =€ (х> у» z, JL) с помощью диспергирующего элемента 5, перекрывающего всю апертуру устройства, и посту⁵⁵ пает в кювету с исследуемой средой 6, находящейся между параллельными защитными стеклами, свободными от оптических неоднородностей. После

873053 6 выхода из исследуемой среды пучок света проходит коллиматорный объектив приемной части устройства, в фокальной плоскости которого установлена решетка одного из описанных ' выше типов, в зависимости от выбранного диспергирующего элемента 5. При этом в фокальной плоскости формируется широкое изображение осветительной диафрагмы, образованное переналожением спектрально окрашенных изображений источника, образованными лучами, проходящими через различные точки исследуемой среды. Темные полосы решетки частично перекрывают 'изображение отверстия диафрагмы и в поле зрения формируется изображение исследуемой среды, окрашенное в зависимости от настройки прибора в один цвет, систему концентрических цветных кругов или полос. Поскольку, в большинстве случает для диспергирующего элемента можно принять из анализа уравнений распространения света следует, что отклонение луча света от оси в фокальной плоскости приемного коллиматорного объектива задается соотношением где η - коэффициент преломления света в диспергирующей среде; f - фокусное расстояние приемного объектива;

L - длина луча света в диспергирующем элементе;

Δλ- разность длин волн;

(Гр~ смещение изображения, обусло+ вленное отклонением центра светового пучка в элементе 5; ширина спектрального изображения щели, обусловленная \ дисперсией.

Наиболее удобный для работы случай, ₇ когда угол отклонения света на оптических неоднородностях в исследуемой среде равен углу дисперсии или, что то же самое, величина смещения изображения вблизи фокальной плоскости приблизительно ; равна шагу решетки. Поскольку число Штрихов в решетке достаточно вели- ~ ко*''смещение изображения на большие расстояния сопровождается соответствующей сменой цвета изображения изучаемого участка оптической нееднородности, что соответственно существенно расширяет диапазон измеряемых углов отклонения.

В случае, если исследуемое вешест5 во обладает заметной дисперсией (например,, исследуются течения жидкостей),то, установив защитные стекла 6 пдд некоторым углом ί можно не использовать дополнительный 10 диспергирующий элемент 5, так как разложение света осуществляется в‘ самой исследуемой среде.

Способ измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред 15 отличается простотой и позволяет существенно расширить функциональные возможности теневого метода. В зависимости от типов изучаемых оптических неоднородностей (одномерных, 2о осесимметричных , или более слож -.

ных трехмерных) применяются различные виды диафрагм, диспергирующих элементов и решеток, что дает возможность изучать как общую картину ,25 распределения оптических неоднородностей , так и изучать их тонкую структуру. Данный способ позволяет существенно расширить диапазон регистрируемых углов отклонения света 30 при сохранении чувствительности традиционных теневых методов и наблюдать одновременно и сильные и слабые оптические неоднородности. Для > количественных измерений в большинст₃₅ ве случаев нет необходимости проводить фотометрирование кинограмм, достаточно измерить линейное смешение изображения выбранного цвета. При этом цвета получаются контрастные и насыщенные, поскольку исполь40 зуется значительная часть светового пучка, а потери энергии в такой системе малы, способ основан на раздел лении отдельных цветов, а не на Фильтрации и соответственно ослаблении света.

Предлагаемый способ может быть использован при исследовании прозрач- .. ных неоднородностей в жидкостях, газах, твердых телах. Особенно сказы⁵⁰ .ваются его преимущества при изуче\нии структуры нестационарных быстропротекающих процессов, которые не могут быть достаточно полно исследованы с помощью известных методов.

Claims (1)

1. Изобретение относитс  к измерительной технике, а более конкретно к оптическим методам изучени  распределени  и флуктуации плотности и других характеристик Прозрачных бред по распределению и изменению их Коэффициента преломлени . Одним из основных недостатков taKO го метода  вл етс  сложность расшифровки черно-белой теневой картины, особенно, когда возмущени  имеют сложную пространственную форму. Известен способ измерени  градиента коэффициента преломлени  т розрач ных сред, в котором в осветительной части прибора устанавливаетс  .окрашенна  щель (например, используетс  диафрагма, состо ща  из набора цветных стекол, слайд или с помощью специальной оптической приставки прОек-. тируетс  спектрально окрашенное изображение источника),а в приемной части прибора используетс  щелева  да1аф рагма, с помощью которой вырезаетс  часть изображени  источника. Если неоднородность отсутствует, то световые лучи, идущие от разных точек, проход т через одно и то же место диафрагмы и все поле окрашено в один цвет, завис щий от настройки прибора. Флуктуации коэффициента преломлени  в среде отклон ют лучи и на приемную диафрагму проектируютс  участки изображени  источника, окрашенные в другой цвет. Следует отметить, что в этом способе исследуема  среда просвечиваетс  параллельным пучком света, и в фокальной плоскости приемного объектива формируетс  изображение источникаLi. Недостатками данного способа ютс  невысока  чувствительность, мала  контрастность, слаба  насыщенность цветов изображени , небольшой диапазон измерени  углов отклонени  цвета. Применение его ограничиваетс  также относительно невысокой чуэствитепьности цветных фотоматериалов. Наиболее близким техническим реш нием к предлагаемому  вл етс  епособ измерени  градиента коэффициента преломлени  прозрачных сред, в котором углы отклонени  света регис рируютс  по определению смешени  те ней от диафрагмы, котора  представл ет собой набор темных деталей на пр зрачном фоне и устанавливаетс  вбли зи фокуса приемного объектива вместо ножа Фуко 2, Наиболее трудоемкой операцией  вл етс  отождествление теней, особенно , когда исследуемые неоднородности имеют сложную форму и тени раздваиваютс , перепутываютс , мен  с  местами и не всегда допускают од нозначную интерпретацию снимка. Цель изобретени  - расширение . функциональных возможностей теневого метода. Эта цель достигаетс  тем, что в способе измерени  градиента коэффициента преломлени  прозрачных сред, основанном на регистрации угла отклонени  д пучка белого света, проше шего через исследуемую среду с помощью многоэлементной решетки, пучо света дополнительно отклон ют на уг лХ ЭЬи ЭУ) с 1Г Э1 ЭЛ где ДХ- разность длин волн света; п - коэффициент преломлени  сре ды, в которой происходит отклонениесвета на угол ; L - длина пути света в отклон ющей среде; Z - координата в направлении отк лонени  луча, а шаг решетки выполненной по форме отклоненного пучка, выбирают из соотношени  О t.f , где f - фокусное рассто ние приемно го объектива системы. На фиг. 1-3 изображены блок-схеNfci устройства, в которых реализуетс  данный способ измерени  градиента коэффициента преломпени . Устройство состоит из источника белого света с непрерывным (лампа накаливани ) или линейчатым (ртутна  лампа) спектром, объектива 2, формирующего изображени Источника, диафрагмы 3, коллиматориого объектива А, диспрргирук цего элемента 5, оптической кювета с исследуемой сре дой 6, приемного коллиматорного объ ектива 7, установленной вблизи его фокуса решетки 8, объектива 9, фор534 мирующего изображение исследуемой среды.и регистрирующего устройства 10(фото, кино, телекамера). Основными элементами устройства  вл ютс  диафрагма, диспергируюпщй элемент и приемна  решетка. В зависимости от целей и задачи исследований могут использоватьс , например, кругла  диафрагма 3 - лййза 5 - решетка 8, состо ща  из концентрических прозрач ных и непрозрачных полос толщиной (f (см. фиг. О, щелева  диафрагма 3призма 5- решетка с посто нным шагом состо ща  из системы прозрачных и непрозрачных полос шириной о , установленна  параллельно основанию призмы (см. фиг. 2); щелева  диафрагма 3 - цилиндрическа  линза 5, решетка с переменным шагом, состо ща  из системы прозрачных и непрозрачных полос увеличивакнцейс  шириной и , установленна  параллельно образующей цилиндра (см. фиг. З).. В двух последних случа х приемна  часть прибора устанавливаетс  под некоторым углом к оси осветительной части. В данном способе более полно, чем в известном реализуютс  возможности оптической схемы теневого метода, поскольку, с помощью диспергирующего элемента, установленного между основными объективами системы отклон етс  на известный и заданный угол весь световой пучок. Который затем проходит через исследуемую среду. Поскольку величина дополнительного угла отклонени  света зависит также от длины волны, в фокальной плоскости приемного объ- . ектива образуетс  множество спектральных изображений источника, часть которых перекрываетс  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 отклон етс  на угол 6(х, у, Z, Д,) с помощью диспергирукщего элемента 5, перекрывающего всю апертуру устройства и поступает в кювету с исследуемой средой 6, наход щейс  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 руетс  широкое изображение осветительной диафрагмы, образованное переналожением спектрально окрашенных изображений источника, образованными лучами, проход щими через различные точки исследуемой среды. Темные полосы решетки частично пере рывают изображение отверсти  диафрагмы и в поле зрени  формируетс  изображение исследуемой среды, окра шенное в зависимости от настройки прибора в один цвет, систему концентрических цветных кругов или полос . Поскольку, в -большинстве случа ет дл  диспергирующего элемента мо  но прин ть 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 задаетс  соотношением ЭЬи Эи .flT --Я-- -- И ЭТ ЭУ где п - кoэd)фициeнт преломлени  све та в диспергирующей среде; f - фокусное рассто ние приемно го объектива; L - длина луча света в дисперги рующем элементе; ЛХ- разность длин волн; cJ,- смещение изображени , обусл вл,енное отклонением центра светового пучка в элементе Oi- ширина спектрального изобра жени  щели, обусловленна  Vдисперсией. Наиболее удобный дл  работы случ когда угол отклонени  света на опти ческих неоднородност х в исследуемой среде равен углу дисперсии ; 6д jL, или, что то же самое, величина смешени  изображени  вблизи фокальной плоскости приблизительно равна шагу решетки. Поскольку число йтрихов в решетке достаточно вели- ко смещение изображени  на большие рассто ни  сопровождаетс  соответствующей сменой цвета изображени  изучаемого участка оптической 36 нееднородности, что соответственно существенно расшир ет диапазон измер емых углов отклонени . В случае, если исследуемое вешество обладает заметной дисперсией (например,, исследуютс  течени  жидкостей),то, установив защитные стекла 6 пдд некоторым углом -t можно не использовать дополнительный диспергирующий элемент 5, так как разложение света осуществл етс  в самой исследуемой среде. Способ измерени  градиента коэффициента преломлени  прозрачных сред отличаетс  простотой и позвол ет существенно расширить функциональные возможности теневого метода. В зависимости от типов изучаемых оптичес- ких неодцородностей (одномерных, осесимметричных , или более слож -. ных трехмерных) примен ютс  различные виды диафрагм, диспергирующих элементов и решеток, что дает возможность изучать как общую картину распределени  оптических неоднородчостей , так и изучать их тонкую структуру. Данный способ позвол ет существенно расширить диапазон регистрируемых углов отклонени  света при сохранении чувствительности традиционных теневых методов и наблюдать одновременно и сильные и слабые оптические неоднородности. Дл  ; количественных измерений в большинстве случаев нет необходимости проводить фотометрирование кинограмм, достаточно измерить линейное смешение изображени  выбранного цвета. При этом цвета получаютс  контрастные и насыщеншле, поскольку используетс  значительна  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 жидкост х, газах , твердых телах. Особенно сказываютс  его преимущества при изуче- нии структуры нестационарных быстропротекакщих процессов, которые не могут быть достаточно полно исследованы с помощью известных методов. Формула изобретени  Способ измерени  градиента коэффициента преломлени  прозрачных сред, основанный на регистрации угла -отк