Визуализатор плотностных неоднородностей среды
Владельцы патента RU 2344409:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт телевидения" (RU)
Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к оптико-электронным приборам, основанным на методе Фуко-Теплера и используемым для исследования градиента показателя преломления оптически прозрачных сред (жидкостей, газов). Визуализатор содержит систему 1 излучения, состоящую из полупроводникового лазера и конденсора, автоколлиматор, включающий диафрагму 2, головной объектив 3 и отражатель 4, защитные иллюминаторы 5 и 6, две светоделительные призмы 7 и 8, фотоприемник 9, передающую телевизионную камеру 10, блок 11 обработки информации и устройство 12 регистрации изображений. Отражатель 4 выполнен в виде прямоугольной (или квадратной) матрицы, состоящей из триппель-призм с размером, соизмеримым либо меньшим величины геометрического разрешения визуализатора. Между защитными иллюминаторами находится просмотровый объем 13. Между светоделительными призмами в фокальной плоскости головного объектива 3 установлен теневой нож 14. За диафрагмой 2 в фокальной плоскости головного объектива 3 установлено зеркало 15. Между первой светоделительной призмой 7 и фотоприемником 9 и первой светоделительной призмой 7 и передающей телевизионной камерой 10 установлены проекционные объективы 16 и 17, при этом выход фотоприемника 9 соединен со входом блока 11 обработки информации, а выход передающей телевизионной камеры 10, выполненной на ПЗС матрице, - со входом устройства 12 регистрации изображений. Техническим результатом является повышение точности измерения градиента оптических неоднородностей среды за счет уменьшения вибрационной погрешности измерения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к оптико-электронным приборам, основанным на методе Фуко-Теплера и используемым для исследования градиента показателя преломления оптически прозрачных сред (жидкостей, газов).
Известен проточный рефрактометр, предназначенный для анализа жидких и газообразных веществ, путем измерения показателя преломления, и содержащий последовательно установленные осветительную систему, состоящую из источника света и конденсора, объектив и зеркало (отражатель), расположенное в исследуемой среде, а также теневой нож и систему обработки информации (см. авт. св. СССР №911251, опубл. 07.03.82 г., бюллетень №9). Осветительная система вынесена относительно оптической оси. Автоколлиматор включает щель (диафрагму) в виде полосы с краями, расположенной в фокальной плоскости объектива, а также зеркало, выполненное в виде двугранного угла с гранями. В фокальной плоскости объектива помещен теневой нож. Каждая кромка ножа размещена между линиями, сопряженными объективом и каждой гранью зеркала с краями щели автоколлиматора, при этом величина двугранного угла α выбрана из условия ,
где n - показатель преломления исследуемой среды, что соответствует условию отсутствия полного внутреннего отражения на входе светового пучка в воздушный промежуток между иллюминатором и объективом. Между автоколлимационным зеркалом и иллюминатором находится просмотровый объем, через который проходит поток исследуемого вещества. Иллюминатор защищает объектив от действия на него анализируемого потока вещества.
В известном проточном рефрактометре в качестве полезного сигнала фиксируется смещение изображения щели в плоскости теневого ножа с помощью системы обработки информации.
Принцип действия известного проточного рефрактометра основан на том, что в плоскости теневого ножа образуется два изображения щели. Одно изображение формируется гранью зеркала, расположенной перпендикулярно оптической оси системы на расстоянии L от иллюминатора. Второе изображение щели формируется наклонной гранью зеркала.
Расстояние l между двумя изображениями щели в плоскости ножа определяется по формуле
l=2n(π-α)f,
где n - показатель преломления среды, находящейся внутри анализируемого просмотрового объема,
α - угол двугранного угла,
f - фокусное расстояние объектива.
Расстояние l зависит от величины двугранного угла и от абсолютного значения показателя преломления n вещества, проходящего через просмотровый объем. В зависимости от величины показателя преломления n, часть изображения диафрагмы (щели) от наклонной грани зеркала выходит из-за ножа, при неизменном положении изображения диафрагмы от нормальной грани зеркала. Изменение светового потока, выходящего из-за ножа, пропорционально показателю преломления n и фиксируется системой обработки информации.
Данная схема построения проточного рефрактометра обладает свойством повышенной виброустойчивости по отношению к поперечным вибрациям элементов схемы. Вибрационные смещения элементов схемы приводят к смещениям обоих изображений щели на одинаковую величину. Если по причине вибрации изображение щели, сформированное нормальной гранью зеркала, выйдет из-за ножа (зайдет за нож), световой поток, попадающий на систему обработки информации, с этой стороны увеличивается (уменьшается). При этом, на такую же величину изображение от наклонной грани зеркала зайдет за нож (выйдет из-за ножа), и световой поток в этой части кромки ножа уменьшается (увеличивается) таким образом, что компенсирует изменение потока на другой кромке ножа. Суммарный световой поток, проходящий при этом через нож, остается постоянным.
К недостаткам известного проточного рефрактометра относится то, что он лишь по одной координате (расположенной в вертикальной плоскости) обладает свойством повышенной виброустойчивости по отношению к поперечным вибрациям. По другой координате (расположенной в горизонтальной плоскости) вибрации отдельных частей оптической системы, например, щели, автоколлимационного объектива, проточной кюветы и автоколлимационного зеркала друг относительно друга не компенсируются. Это вызывает смещение щели при отсутствии полезного сигнала, что приводит к появлению шумового вибрационного фона, вызывающего повышение величины порога чувствительности известного прибора. Кроме того, принципиальная неравномерность яркости светового пятна в плоскости теневого ножа не позволяет полностью устранить влияние вибраций.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является дистанционный теневой визуализатор плотностных неоднородностей морской воды (см. авт. св. СССР №746260, опубл. 07.07.80 г., бюллетень №25), содержащий источник излучения, проекционный конденсор, диафрагму, выполненную в виде зеркального ножа, привод дистанционного управления, вторую диафрагму, фотоприемник, головной объектив, защитный иллюминатор, зеркало, проекционный объектив, светоделительную пластину, передающую телевизионную камеру, приемную телевизионную установку, фотоприемник, коммутатор, фильтр нижних частот и измерительный прибор.
К недостаткам данного устройства относится то, что вибрация отдельных частей оптической теневой системы, например, источника излучения, головного объектива и автоколлимационного зеркала друг относительно друга вызывает смещение изображения диафрагмы при отсутствии полезного сигнала, что приводит к появлению шумового вибрационного фона, вызывающего повышение величины порога чувствительности устройства. Также может иметь место постоянный сдвиг (наклон) элементов устройства, приводящий к систематической погрешности измерения, переменной во времени.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности измерения за счет уменьшения вибрационной погрешности измерения.
Это достигается тем, что визуализатор плотностных неоднородностей среды, содержащий систему излучения, автоколлиматор, включающий диафрагму, головной объектив и отражатель, а также первый защитный иллюминатор, первую светоделительную призму, фотоприемник, передающую телевизионную камеру, блок обработки информации и устройство регистрации изображений, отличается тем, что отражатель выполнен в виде матрицы, состоящей из триппель - призм, перед отражателем в просмотровом объеме дополнительно установлен второй защитный иллюминатор, также оптическая система визуализатора снабжена второй светоделительной призмой, между которыми в фокальной плоскости головного объектива установлен теневой нож, причем за диафрагмой установлено зеркало, между первой светоделительной призмой и фотоприемником и первой светоделительной призмой и передающей телевизионной камерой установлены первый и второй проекционные объективы соответственно, при этом выход фотоприемника соединен с входом блока обработки информации, а выход передающей телевизионной камеры - с входом устройства регистрации изображений.
Представленные иллюстрации поясняют суть предлагаемого технического решения. На фиг.1 представлена функциональная схема визуализатора плотностных неоднородностей среды, на фиг.2 - конструкция отражателя, состоящего из набора триппель - призм (вид сверху и вид сбоку).
Визуализатор плотностных неоднородностей среды (фиг.1) содержит систему 1 излучения, состоящую из полупроводникового лазера и конденсора, автоколлиматор, включающий диафрагму 2, головной объектив 3 и отражатель 4, первый и второй защитный иллюминаторы 5 и 6 соответственно, первую и вторую светоделительные призмы 7 и 8, фотоприемник 9, передающую телевизионную камеру 10, блок 11 обработки информации и устройство 12 регистрации изображений. Отражатель 4 выполнен в виде прямоугольной (или квадратной) матрицы, состоящей из триппель - призм с размером, соизмеримым либо меньшим величины геометрического разрешения визуализатора. Между первым и вторым защитными иллюминаторами 5 и 6 находится просмотровый объем 13. Первый и второй защитные иллюминаторы 5 и 6 защищают головной объектив 3 и отражатель 4, соответственно, от действия на них анализируемого потока среды. Между первой и второй светоделительными призмами 7 и 8 в фокальной плоскости головного объектива 3 установлен теневой нож 14. За диафрагмой 2 в фокальной плоскости головного объектива 3 установлено зеркало 15. Между первой светоделительной призмой 7 и фотоприемником 9 и первой светоделительной призмой 7 и передающей телевизионной камерой 10 установлены первый и второй проекционные объективы 16 и 17 соответственно, при этом выход фотоприемника 9 соединен со входом блока 11 обработки информации, а выход передающей телевизионной камеры 10, выполненной на ПЗС матрице, - со входом устройства 12 регистрации изображений.
Визуализатор плотностных неоднородностей среды работает следующим образом.
Система 1 излучения, состоящая из полупроводникового лазера и конденсора, формирует световой пучок, который через диафрагму 2 проецируется в плоскость зеркала 15, а затем направляется на вторую светоделительную призму 8. Параллельный световой пучок, сформированный головным объективом 3, через первый защитный иллюминатор 5 поступает в просмотровый объем 13 исследуемой среды. Затем световой пучок проходит через второй защитный иллюминатор 6 и, отразившись от отражателя 4 (фиг.2), проходит снова через второй защитный иллюминатор 6, просмотровый объем 13, первый защитный иллюминатор 5, головной объектив 3 и вторую светоделительную призму 8, попадая в плоскость теневого ножа 14. В плоскости ножа 14 формируется изображение тела излучения полупроводникового лазера системы 1 излучения. Первый проекционный объектив 16 совместно с головным объективом 3 и отражателем 4 формирует изображение сечения середины исследуемого объема среды в плоскости фотоприемника 9, а второй проекционный объектив 17 совместно с головным объективом 3 и отражателем 4 отображает сечение середины исследуемого объема среды в плоскости ПЗС матрицы передающей телевизионной камеры 10. При наличии в просмотровом объеме 13 плотностных неоднородностей среды световой пучок деформируется, и его часть, а не половина, попадает через первую светоделительную призму 7 и через первый проекционный объектив 16 на фотоприемник 9 и через второй проекционный объектив 17 на ПЗС матрицу телевизионной камеры 10. Сигнал с выхода фотоприемника 9 попадает на вход блока 11 обработки информации, а сигнал с выхода передающей телевизионной камеры 10 попадает на вход устройства 12 регистрации изображений. В блоке 11 обработки информации осуществляется усиление электрического сигнала, снимаемого с выхода фотоприемника 9, величина которого пропорциональна значению градиента оптических неоднородностей среды, находящейся в просмотровом объеме 13. В устройстве 12 регистрации изображений производится запись изображений исследуемой среды, находящейся в просмотровом объеме 13, которые затем воспроизводятся на экране монитора.
Предлагаемое устройство прошло опытную проверку и показало повышение точности измерения оптических неоднородностей за счет уменьшения вибрационной погрешности измерения в 2,4 раза.
1. Визуализатор плотностных неоднородностей среды, содержащий систему излучения, автоколлиматор, включающий диафрагму, головной объектив и отражатель, а также первый защитный иллюминатор, первую светоделительную призму, фотоприемник, передающую телевизионную камеру, блок обработки информации и устройство регистрации изображений, отличающийся тем, что отражатель выполнен в виде матрицы, состоящей из триппель-призм, перед отражателем в просмотровом объеме дополнительно установлен второй защитный иллюминатор, также оптическая система визуализатора снабжена второй светоделительной призмой, между которыми в фокальной плоскости головного объектива установлен теневой нож, причем за диафрагмой установлено зеркало, между первой светоделительной призмой и фотоприемником и первой светоделительной призмой и передающей телевизионной камерой установлены первый и второй проекционные объективы соответственно, при этом выход фотоприемника соединен с входом блока обработки информации, а выход передающей телевизионной камеры - с входом устройства регистрации изображений.
2. Визуализатор по п.1, отличающийся тем, что система излучения выполнена в виде полупроводникового лазера и конденсора.
3. Визуализатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что передающая телевизионная камера выполнена на ПЗС матрице.
