Способ измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред

Способ измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(72) Авториэобретеиия

Ю. Д. Чашечкин (7I) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГРАДИЕНТА КОЭФФИЦИЕНТА

ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ СРЕД

Изобретение относится к измерйтельной технике, а более конкретно к оптическим методам изучения распределения и флуктуаций плотности и других характеристик прозрачных сред по распределению и изменению их коэффициента преломления.

Одним из основных недостатков -такого метода является сложность расшифровки черно-белой теневой картийы, особенно, когда возмущения имеют сложную пространственную Форму., Известен способ измерения градиента коэффициента преломления црозрачных сред, в котором в осветительной части прибора устанавливается .окрашенная щель (йапример, используется диафрагма, состоящая из набора цветных стекол, слайд или с помощью специальной оптической приставки проектируется спектрально окрашенное изображение источника),а в приемной части прибора используется щелевая диаф= 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, окрашен" ные в другой цвет. Следует отметить, что в этом. способе исследуемая среда просвечивается параллельным пучком света, и в фокальной плоскости приемного объектива формируется иэображение источника(1).

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.

873053

Наиболее близким техническим реше". нием к предлагаемому является епособ 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 трудоемкой 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 функцианальиых возможностей теневого метода.

Эта цель достигается тем, что в способе измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред, основанном на регистрации угла отклонения Ед пучка белого света, прошед" шего через исследуемую среду с помощью многоэлементной решетки, пучок света дополнительно отклоняют на угол

Ь1 дЬи Эи и 32. ЭЛ где ЬХ- разность длин волн света; п - коэффициент преломления среды, в которой происходит отклонение света 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 д = 6 Ф где f — фокусное расстояние приемного объектива системы.

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

Устройство состоит из источника 1 белого света с непрерывным (лампа накаливания) или лииейчатым (ртутная лампа) спектром, объектива 2, формирующего изображения источника, диафрагмы 3, коллиматорного объектива 4, диспвргирующего элемента 5, оптической кювета с исследуемой средой б, приемного коллиматорного объ-., ектива 7, установленной вблизи его фокуса решетки 8, объектива 9, фор5

30 !

4О 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 — линза 5 — решетка 8, состоящая из концентрических прозрачных и непрозрачных полос толщиной д (см. фиг. 1), щелевая диафрагма 3призма 5- решетка с постоянным шагом„ состоящая из системы прозрачных и непрозрачных полос шириной д, 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 О установленная параллельно образующей цилиндра (см. фиг. 3).

В двух последних случаях приемная часть прибора устанавливается под некоторым углом $ = .(ЕЪ к оси осветительной части. В данном способе более полно, чем в известном реализуются возможности оптической схемы теневого метода, поскольку, с помощью диспергируюшего элемента, vcтановленного 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 абъектива 4, на выходе из которого параллельный пучок света дополнительно отклоняется на угол

f = (x, у, z, 3 ) с помощью диспергирующего элемента 5, перекрываюше- го всю апертуру устройства, и поступает в кювету с исследуемой средой б, находящейся между параллельными защитными стеклами, свободными от оптических неоднородностей, После

873053

О

20

35

45

5 выхода из исследуемой среды пучок света проходит коллиматорный объектив приемной части устройства, в фокальной плоскости которого установl лена решетка одного из описанных выше типов, в зависимости от выбранного диспергирующего элемента 5.

При этом в фокальной плоскости форми-, руется широкое изображение освети" тельной 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 мож- . но принять и()(,,z, А) =и„(хД z)nz(A); и =А В f из анализа уравнений распространения света следует, что отклонение. луча света от оси в фокальной плоскости приемного коллиматорного объектива задается соотношением ,, °, ь аь эи

% Р % И 32 . д1 где и - коэффициент преломления света в диспергирующей среде; т — фокусное расстояние приемного объектива; — длина луча света в диспергирующем элементе;

Г

Ь - разность длин волн; д — смещение изображения, обусловленное отклонением центра светового пучка в элементе 5; - ширина спектрального изображения щели, обусловленная дисперсией.

Наиболее удобный для работы случай, когда угол отклонения света на оптических неоднородностях в исследуемой среде равен углу дисперсии 6 E7„Ä или, что то же самое, величина смещения изображения вблизи фокальной плоскости приблизительно равна шагу решетки. Поскольку число штрихов в решетке достаточно вели-— ко б 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 вещество обладает заметной диспеосией (HaIIPHMeP, исследуются течения жидкостей),то, установив защитные стекла 6 под некоторым углом 4 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 неоднородностей (одномерных, осесимметричных, или более слож— ных трехмерных) применяются различные виды диафрагм, диспергирующих элементов и решеток. что дает воэможность изучать как общую картину распределения оптических неоднородностей, так и изучать их тонкую структуру. бранный способ позволяет существенно расширить диапазон регистрируемых углов отклонения света при сохранении чувствительности традиционных теневых методов и наблю" дать одновременно и сильные и слабые оптические цеоднородности. Для; количественных измерений в большинстве случаев нет необходимости проводить фотометрирование кинограмм, достаточно измерить линейное cMemeние изображения выбранного цвета.

При этом цвета получаются контрастные и насыщенные, поскольку используется значительная часть светового пучка, а потери энергии в такой системе малы, способ основан на разде-. лении отдельных цветов, а не на фильтрации и соответственно ослаблении света.

Предлагаемый способ может быть использован при исследовании прозрачных неоднородностей в жидкостях, газах, твердых телах. Особенно сказы-. .ваются его преимущества при изучен,нии структур»ы нестационарных быстропротекающих процессов, которые не могут быть достаточно полно исследованы с помошью известных методов.

Формула изобретения

Способ измерения градиента коэффициента преломления прозрачных сред, основанный на оегистоации угла отк" лонения 6 пучка белого света, прошедшего через. исследуемую среду с помощью многоэлементной решетки, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, пучок света дополнительно отклоняют на угол

QA. ®м Эи и 32. Э где ЬА- разность длин волн света;

n - коэффициент преломления среды, в которой происходит отклонение света на угол г-;

873053

" длина пути света в отклоняющей среде;

Z - координата в направлении отклонения луча, а шаг ре-, шетки, выполненной по Форме отклоненного пучка, выбивают из соотношения д = Я

rpe f - фокусное расстояние приемного объектива.

16 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Евлов Н. Т. Оптическая океанография, И., "Мир" 1970, с. 10.

2. Васильев Л. А. Теневые методы, 1з И., "Начка", 1968 с. 84-89 (прото-. тип).