Устройство для регистрации микронных частиц в газодинамическом потоке

Полезная модель относится к области технической физики и может быть использована для двукадровой визуализации с разными коэффициентами оптического увеличения твердых и жидких быстролетящих частиц, образующихся при взрывных и других быстропротекающих процессах. Устройство содержит оптически связанные формирователь изображения, полупрозрачное зеркало для расщепления изображения и два канала регистрации изображения, содержащие регистрирующие элементы и окуляры, расположенные соответственно между полупрозрачным зеркалом и соответствующим регистрирующим элементом с заданным коэффициентом оптического увеличения. Формирователь изображения выполнен из последовательно соединенных объектива и светофильтра. Регистрирующие элементы выполнены в виде ПЗС матрицы с буферизацией столбцов с двойным затвором. Технические результаты, на достижение которых направлена заявляемая полезная модель, заключаются в обеспечении возможности одновременной регистрации двух изображений микрочастицы разнесенных во времени в одном и том же процессе с разным коэффициентом оптического увеличения и возможности регистрировать частицы, размерами больше либо равно 5 мкм, со скоростью их движениях в газодинамическом потоке - до 3 км/с. Размеры регистрируемых частиц могут быть больше или равно 5 мкм, скорость движениях их в газодинамическом потоке - до 3 км/с. 1 з.п. 3 илл.

Полезная модель относится к области электронно-оптических преобразований для регистрации быстропротекающих процессов и может быть использована для двукадровой визуализации с разными коэффициентами оптического увеличения твердых и жидких быстролетящих частиц, образующихся при взрывных и других быстропротекающих процессах. Размеры регистрируемых частиц могут быть от 5 мкм, скорость движениях их в газодинамическом потоке - до 3 км/с.

Известна система оптической регистрации (патент RU 107379 приоритет от 09.08.2010 г. «Система оптической регистрации объекта» авторов Базарова Ю.Б., Мешкова Е.Е., МПК: G03B 39/00 опубл. 10.08.2011 бюл. 22), включающая источник света, объект, объектив и регистрирующий элемент, последовательно расположенные на одной оптической оси, причем объект размещен между первым и вторым передними фокусами объектива. В качестве источника света, освещающего регистрируемый объект, может быть 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.

Недостатками аналога являются громоздкость, малая мобильность предложенной системы, а также влияние аберраций линзы на изображение объекта регистрируемой области и малая информативность - получение изображения с одним коэффициентом увеличения.

Наиболее близким по сущности к заявляемой полезной модели является устройство для получения последовательности кадров изображения с различными выдержками и произвольными задержками между кадрами (патент RU 2385544 приоритет от 25.06.2008 г., автор Р.А. Галиуллин, МПК H04N 7/00, опубликовано 27.03.2010 бюл. 9). В данном устройстве использовано полупрозрачное зеркало для расщепления изображения и два одинаковых канала регистрации, причем каждый из каналов регистрации изображения состоит из электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с электронным затвором, ПЗС-матрицы с буферизацией с буферизацией столбцов и системой считывания изображения из ПЗС-матрицы (камера), программируемого генератора серии импульсов с внешним запуском (генератор). Кадры выходного изображения формируются за счет задания момента срабатывания затвора ЭОП и момента переноса заряда ПЗС-матрицы из области фотоэлектрического преобразования в область буферного хранения.

К основным недостаткам данного устройства относятся малое оптическое разрешение системы, также ограниченная информативность - получение нескольких изображений лишь с одним коэффициентом оптического увеличения и отсутствие возможности регистрировать частицы, размерами больше либо равно 5 мкм.

Технические результаты, на достижение которых направлена заявляемая полезная модель, заключаются в обеспечении возможности одновременной регистрации двух изображений микрочастицы разнесенных во времени в одном и том же процессе с разным коэффициентом оптического увеличения и возможности регистрировать частицы, размерами больше либо равно 5 мкм, со скоростью их движениях в газодинамическом потоке - до 3 км/с.

Данный технический результат достигается тем, что в устройстве для регистрации микронных частиц в газодинамическом потоке, содержащем два канала регистрации изображения, каждый из которых включает оптически связанные общие для обоих каналов регистрации изображения и полупрозрачное зеркало для разделения изображения на два и регистрирующий элемент, новым является то, что формирователь изображения выполнен из последовательно соединенных объектива и светофильтра, в каждый канал регистрации изображения дополнительно установлен окуляр с заданным коэффициентом оптического увеличения, расположенный между полупрозрачным зеркалом и соответствующим регистрирующим элементом, при этом каждый регистрирующий элемент выполнен в виде ПЗС-матрицы в режиме двойного затвора с буферизацией столбцов.

Объектив может быть выполнен с возможностью изменения фокусного расстояния.

Применение окуляров с разными коэффициентами оптического увеличения и их определенным расположением в оптических системах позволяет получать два изображения с разным коэффициентом оптического увеличения. Применение ПЗС-матрицы в режиме двойного затвора обеспечивает возможность получения двух изображений частиц с одним коэффициентом увеличения на два разных момента времени на одном регистрирующем устройстве. Все это в совокупности позволяет повысить точность результатов измерений.

На фиг. 1 изображена схема, поясняющая работу устройства для регистрации микронных частиц в газодинамическом потоке, на фиг. 2 приведено изображение миры 1, на фиг. 3 - два кадра частиц металла в газодинамическом процессе разнесенные во времени, где размер регистрируемого поля - (12×12) мм, а знаками , , отмечены одни и те же частицы.

Схема (фиг. 1) содержит двухимпульсную лазерную установку 1, рассеиватель 2 пучка лазерного излучения и устройство для регистрации микронных частиц в газодинамическом потоке.

В качестве двухимпульсной лазерной установки 1 применяют установку с длиной волны лазерного излучения 532 нм и длительностью импульса не более 4 нс. Т.к. источником света является лазер, то он может располагаться на относительно большом расстоянии от объекта исследования (~500 м), что обеспечивает сохранность установки в динамическом эксперименте.

Рассеиватель 2 пучка используют для формирования рассеянного лазерного излучения.

Устройство для регистрации микронных частиц в газодинамическом потоке содержит два канала регистрации изображения А и Б, которые включают в себя оптически связанные между собой общие для обоих каналов регистрации изображения формирователь изображения, полупрозрачное зеркало 3 для расщепления изображения и регистрирующие элементы 4, 5 и окуляры 6, 7 с заданными коэффициентами оптического увеличения, расположенные соответственно между полупрозрачным зеркалом 3 и соответствующим регистрирующим элементом 4, 5.

Формирователь изображения выполняют из последовательно соединенных объектива 8 и светофильтра 9.

В канале регистрации изображения А (или Б) объектив 8, светофильтр 9, полупрозрачное зеркало для расщепления изображения, окуляр 6 (или 7) и регистрирующий элемент 4 (или 5) расположены на одной оптической оси.

В качестве объектива 8 применяют сменный объектив от микроскопа с оптическим увеличением (1÷5)× с переменным фокусным расстоянием.

В качестве светофильтра 9 может быть использован полосовой светофильтр с длиной волны 532 нм. Светофильтр 9 применяют для пропускания только светового пучка лазерного излучения с длиной волны 532 нм, что обеспечивает непропускание светового излучения от продуктов взрыва на регистрирующие элементы 4, 5.

Канал регистрации изображения А и канал регистрации изображения Б имеют разные коэффициенты оптического увеличения. Это достигается тем, что канал регистрации изображения А содержит окуляр 7 с одним фокусным расстоянием, а канал регистрации изображения Б - окуляр 6 с другим фокусным расстоянием, отличным от окуляра 7. При этом системы имеют общий входной объектив 8, общий полосовой светофильтр 9 и общее полупрозрачное зеркало 3.

В качестве окуляров 6, 7 применяют сменные окуляры от микроскопа с оптическим увеличением (5÷30)×.

Регистрирующие элементы 4, 5 выполнены в виде ПЗС-матрицы в режиме двойного затвора с буферизацией столбцов.

Устройство для регистрации микронных частиц в газодинамическом потоке работает следующим образом.

Источник микрочастиц устанавливается между первым и вторым передними фокусами объектива 8 и предназначен для формирования микрочастиц.

Лазерный луч двухимпульсной лазерной установки 1 через рассеиватель 2 пучка проходит область исследования и через объектив 8 и полосовой светофильтр 9 попадает на полупрозрачное зеркало 3, которым делится на два изображения. Полученные изображения передаются на окуляры 6 и 7, каждый из которых имеет свой коэффициент оптического увеличения, и строятся на плоскостях регистрирующих элементов 4 и 5 соответственно. Одновременное применение двух каналов регистрации изображения А, Б с разными коэффициентами оптического увеличения обеспечивает получение относительно широкого спектра частиц по размерам и скоростям в одном опыте. Режим двойного затвора регистрирующих элементов 4, 5 позволяет зарегистрировать два изображения одной и той же частицы в разные моменты времени. По известному размеру неподвижного репера, установленного в фокусе области исследования, определяются размер частицы и ее пролетное расстояние L по двум кадрам изображения, разнесенным во времени t. Скорость частицы определяют как u=L/t.

Оценка разрешающей способности устройства проводилась с помощью миры 1. На фиг. 2 приведено статическое изображение миры 1, полученное при регистрации с помощью системы (фиг. 1). По изображению квадрата 25 миры 1 с расстоянием между линиями 5.3 мкм видно, что устройство надежно разрешает частицы размером 5 мкм.

Была проведена большая серия измерений во взрывных опытах с регистрацией быстролетящих (скорость частиц составляла 2,5 км/с) капель воды и твердых частиц с размером меньше 100 мкм, выполненных с применением заявляемого устройства. Результаты этих измерений показывают, что надежно регистрируются частицы с размером 5 мкм (фиг. 3).

1. Устройство для регистрации микронных частиц в газодинамическом потоке, содержащее оптически связанные формирователь изображения, полупрозрачное зеркало для расщепления изображения и два канала регистрации изображения, содержащие регистрирующие элементы, отличающееся тем, что формирователь изображения выполнен из последовательно соединенных объектива и светофильтра, в каждый канал регистрации изображения дополнительно установлен окуляр с заданным коэффициентом оптического увеличения, расположенный между полупрозрачным зеркалом и соответствующим регистрирующим элементом, при этом каждый регистрирующий элемент выполнен в виде ПЗС матрицы с буферизацией столбцов с двойным затвором.

2. Устройство для регистрации изображений микронных частиц в газодинамическом потоке по п.1, отличающееся тем, что объектив выполнен с возможностью изменения фокусного расстояния.