Система оптической регистрации

Полезная модель «Система оптической регистрации» относится к области технической физики и может быть использована при регистрации микрочастиц (около 100 мкм и менее) в поле регистрируемого объекта, в частности быстролетящих, образующихся при взрывных и других быстропротекающих процессах. В отличив от известной системы оптической регистрации объекта, содержащей источник света, объектив и регистрирующий элемент, причем регистрирующий элемент и объект расположены в сопряженных плоскостях объектива, в заявленной системе использован мощный направленный источник света, источник света, объект, объектив и регистрирующий элемент последовательно расположены на одной оптической оси, причем объект размещен между первым и вторым передними фокусами объектива. В системе может быть использован импульсный источник света; регистрирующий элемент может быть снабжен затвором. В частном варианте воплощения системы мощный направленный источник света образован источником рассеянного света и конденсором, либо источником параллельных или слаборасходящихся лучей света, в частности лазером, либо источником рассеянного света и коллиматором. В качестве регистрирующего элемента может быть ПЗС-матрица, объективом может служить простая положительная линза. Техническим результатом заявляемой модели является обеспечение оптической регистрации микрочастиц вплоть до микронного размера, быстропротекающих процессов с образованием микрочастиц, в том числе взрывных, с достижением приемлемого качества регистрации. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Полезная модель относится к области технической физики и может быть использована при регистрации микрочастиц (около 100 мкм и менее) в поле регистрируемого объекта, в частности быстролетящих, образующихся при взрывных и других быстропротекающих процессах.

Существует система регистрации, основанная на оптической схеме микроскопа, например, типа Konus KonusFirst 600х (http://allmedic.com), содержащего источник света, объектив и экран. Микроскоп реализует возможность проекции увеличенного изображения объекта на экран. Недостатком этой схемы является близкое расположение элементов оптической системы микроскопа и регистрируемого объекта, что в случае регистрации взрывного процесса может повлечь за собой разрушение оптических деталей микроскопа.

Наиболее близкой по сущности к заявляемой полезной модели является система оптической регистрации на основе фотоаппарата (Политехнический словарь, М., «Советская энциклопедия», 1989, с.573). В этом случае, как правило, изображение удаленного объекта строится при помощи объектива на регистрирующий элемент, причем регистрирующий элемент и объект расположены в сопряженных плоскостях объектива. При этом, как правило, регистрирующий элемент располагается между первым и вторым задними фокусами объектива. В качестве источника света, освещающего регистрируемый объект, может быть солнце или электрическая лампа.

При регистрации объекта с безопасного расстояния (взрывные процессы) на плоскости регистрации получается его уменьшенное изображение, поэтому при регистрации микрочастиц у существующих в настоящее время регистрирующих элементов (фотопленка, ПЗС-матрица) не хватает пространственного разрешения. Кроме того, существуют трудности в получении достаточной освещенности регистрируемого объекта при регистрации быстролетящих микрочастиц. Это является недостатком прототипа.

Существует проблема регистрации микрочастиц с размерами порядка ста микрон и менее. Например, это может быть связано с необходимостью регистрации распыленного жидкого топлива при работе форсунок; или микрочастиц, образовавшихся при взрывном разрушении конденсированной среды. В этих случаях могут образоваться частицы с размерами менее ста микрон, летящие со скоростями до 1 километра в секунду и более.

Техническим результатом заявляемой модели является обеспечение оптической регистрации микрочастиц вплоть до микронного размера, быстропротекающих процессов с образованием микрочастиц, в том числе взрывных, с достижением приемлемого качества регистрации.

Эта задача решается при помощи заявляемой полезной модели. Сущность заявляемой полезной модели заключается в следующем.

Известная оптическая система (прототип) регистрации объекта содержит источник света, объектив и регистрирующий элемент, причем регистрирующий элемент и объект расположены в сопряженных плоскостях объектива. В отличие от прототипа в заявляемой системе использован мощный направленный источник света, при этом источник света, объект, объектив и регистрирующий элемент последовательно расположены на одной оптической оси, причем объект размещен между первым и вторым передними фокусами объектива.

Такое расположение объекта, объектива и регистрирующего элемента позволяет получать сколь угодно увеличенное изображение микрочастиц, находящихся в поле регистрируемого объекта, в плоскости регистрирующего элемента. А использование мощного направленного источника света в такой системе позволяет создавать необходимую освещенность изображения для регистрации этого изображения регистрирующим элементом. Кроме того, это позволяет регистрировать быстро летящие микрообъекты с короткой выдержкой и избегать смазывания изображения.

При использовании источника света в импульсном режиме может быть упрощена регистрация быстролетящих частиц с малой выдержкой. Регистрирующий элемент может быть снабжен затвором, в частности в качестве затвора может быть использован ЭОП. Это расширяет возможности управления длительностью выдержки оптической регистрации объекта.

В заявляемой оптической системе мощный направленный источник света может быть образован источником рассеянного света с конденсором. Таким образом, может быть достигнута конкретная реализация системы, позволяющая получать приемлемо высокий уровень освещенности в плоскости регистрируемого элемента (в частности, такая схема используется при кинопроекции).

В качестве источника света в заявляемой системе может быть также использован источник параллельных или слаборасходящихся лучей света. В частности, это может быть лазер или источник рассеянного света в сочетании с коллиматором. Подобная схема позволяет разнести на большие расстояния источник света и регистрируемый объект. Это может быть полезным в случае регистрации взрывных и подобных процессов.

В заявляемой оптической системе в качестве регистрирующего элемента может быть использована ПЗС-матрица. Это позволяет упростить процесс регистрации и обработки полученного изображения по сравнению, например, с регистрацией на фотопленку.

В случае использования источника света в виде источника параллельных или слаборасходящихся лучей света в качестве объектива может быть использована простая положительная линза. Такая система может применяться при регистрации объекта с характерным размером много меньшим диаметра линзы. Причем поперечный размер пучка света не превосходит характерный размер объекта, образованного полем микрочастиц. В этом случае сводится к минимуму влияние аберраций линзы на изображение объекта регистрируемой области.

На фигуре 1 схематично изображена система оптической регистрации объекта с применением источника света в виде источника рассеянного света с конденсором:

1 - источник рассеянного света;

2 - конденсор;

3 - регистрируемый объект;

4 - объектив;

5 - плоскость проекции изображения объекта;

6 - регистрирующий элемент.

На фигуре 2 схематично изображена система оптической регистрации объекта с источником света в виде лазера:

7 - лазер;

4 - объектив в виде линзы;

3 - регистрируемый объект.

На фигуре 3 приведено изображение миры. Размер миры 1×1 мм Изображение получено при помощи лазерного источника света.

1. Изображение (фиг.1) исследуемого объекта (3) строится на плоскости (5) регистрирующего элемента (6) с помощью проекционного объектива (4) по схеме, аналогичной схеме диаскопической проекции. Исследуемый объект устанавливается между первым и вторым передними фокусами объектива. Линейное увеличение системы задается условиями эксперимента, наименьшее проекционное расстояние выбирается с учетом требований безопасности. Фокусное расстояние основного проекционного объектива определяется по формуле: (Б.Н.Бегунов «Геометрическая оптика». Издательство Московского Университета 1966 г.)

где - проекционное расстояние от выходного зрачка объектива до плоскости изображения, _об - линейное увеличение.

Осветительная система строит изображение источника рассеянного света (1) в плоскости входного зрачка основного объектива. Для согласования источника света с основным объективом используется конденсор (2). Конденсор подбирается светоэнергетическим расчетом.

На фигуре 2 приведена система оптической регистрации, в которой используется лазер в качестве источника света (7). Поперечный размер луча лазера соответствует диагонали или диаметру регистрируемого объекта. В отличие от схемы с конденсором (фиг.1), в которой расстояние от источника света (1) до конденсора (2) является фиксированным, лазер может располагаться на неограниченно большом расстоянии.

В этом случае в качестве объектива может быть использована простая положительная линза. Такая система может применяться при регистрации объекта с размером поля много меньшим диаметра линзы. Причем поперечный размер пучка света не превосходит характерный размер объекта.

На фигуре 3 приведено изображение миры, полученное при помощи системы (фиг.2). Разрешающая способность данной оптической системы регистрации составляет не менее 5 мкм. Оценка проводилась с помощью имеющихся в нашем распоряжении мир.

Была проведена большая серия измерений с регистрацией неподвижных капель воды и твердых частиц с размером меньше 100 мкм, выполненных, как с применением системы фиг.1, так и фиг.2. Результаты этих измерений показывают, что надежно регистрируются частицы с размером до 5 мкм (фиг.3).

Для регистрации быстролетящих частиц необходимо применение импульсного источника света, в частности импульсного лазера. В настоящее время существуют импульсные лазеры с очень коротким временем импульсного излучения, вплоть до примерно 10^-12 сек. Импульс света с такой длительностью позволит надежно, без смазывания получать изображения частиц летящих со скоростями 1 и более километров в секунду.

1. Система оптической регистрации объекта, содержащая источник света, объектив и регистрирующий элемент, причем регистрирующий элемент и объект расположены в сопряженных плоскостях объектива, отличающаяся тем, что источник света, объект, объектив последовательно расположены на одной оптической оси по схеме диаскопической проекции.

2. Система оптической регистрации объекта по п.1, отличающаяся тем, что источник света образован источником рассеянного света и конденсором.

3. Система оптической регистрации объекта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве источника света использован лазер.

4. Система оптической регистрации объекта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве регистрирующего элемента использована ПЗС-матрица.

5. Система оптической регистрации объекта по п.3, отличающаяся тем, что объективом служит простая положительная линза.