Цветная шлирная система для определения величин и направлений векторов отклонений лучей
Использование: для исследования оптическими методами прозрачных неоднородностей при анализе гидродинамических явлений, излучении конвективных потоков при теплообмене, контроле качества оптического стекла и т.д. теневым методом.
Задача: получение количественной информации о проекциях векторов отклонений лучей.
Сущность: цветная шлирная система для определения величин и направлений векторов отклонений лучей, содержащая источник света, состоящий из рамки и набора светофильтров, конденсор, оптическую систему, ножевую диафрагму и проекционную оптическую систему, формирующую изображение объекта, дополнительно снабжена регистратором изображения, расположенным в плоскости изображения объекта и выполненным в виде матричного фотоприемника, каждая ячейка которого состоит из селективных фотоприемников, а число светофильтров набора выполнено равным количеству селективных фотоприемников в одной ячейке.
Рамка источника света может быть выполнена в виде квадрата, а светофильтры расположены таким образом, что первый светофильтр расположен по всей длине первой стороны квадратной рамки и на одной трети второй стороны, второй светофильтр расположен на двух третях второй стороны и на двух третях третьей стороны рамки, а третий светофильтр расположен на одной трети третьей стороны и по всей длине четвертой стороны рамки, а ножевая диафрагма имеет контур в виде квадрата. Рамка источника света может быть выполнена в виде кольца, разделенного на три сектора, в каждом из которых расположен один из светофильтров, а ножевая диафрагма имеет контур в виде окружности.
Предлагаемая полезная модель относится к области исследования оптическими методами прозрачных неоднородностей и может быть использована при анализе гидродинамических явлений, изучении конвективных потоков при теплообмене, контроле качества оптического стекла и т.д. теневым методом.
Известны теневые приборы, содержащие в коллиматорной части осветительную диафрагму со щелями и ножевую диафрагму в приемной части [1].
Однако она позволяет выявлять лишь градиенты показателя преломления среды в одном наперед заданном направлении, причем чем шире их рабочий диапазон, тем ниже чувствительность этих приборов.
Известны устройства, позволяющие определять градиенты показателя преломления в двух направлениях с помощью специальной маски, содержащей набор светофильтров и расположенной в плоскости осветительной щели (цветные теневые приборы) [2, 3].
Известные приборы обеспечивают получение качественной информации об исследуемом объекте и не дают количественной информации о величинах и направлениях отклонения лучей.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является цветная шлирная система для определения величины и направлений векторов отклонений лучей [4], состоящая из источника света, конденсора, оптической системы, включающей коллиматорный объектив и объектив, формирующий изображение источника света, ножевой диафрагмы и проекционной оптической системы, формирующей
изображение объекта. Прозрачный исследуемый объект, расположен между объективами.
Источник света выполнен в виде рамки и набора светофильтров, установленных перед или за рамкой.
Недостатком известной системы является ее ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в том, что она не дает количественной информации о величинах и направлениях векторов отклонения лучей или о двух проекциях этих векторов.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является получение количественной информации о проекциях векторов отклонения лучей.
Для решения поставленной задачи предложена цветная шлирная система для определения величин и направлений векторов отклонений лучей, которая, как и прототип, содержит источник света, состоящий из рамки и набора светофильтров, конденсор, оптическую систему, ножевую диафрагму и проекционную оптическую систему, формирующую изображение объекта.
В отличие от прототипа она дополнительно снабжена регистратором изображения, расположенным в плоскости изображения и выполненным в виде матричного фотоприемника, каждая ячейка которого состоит из селективных фотоприемников, а число светофильтров набора выполнено равным количеству селективных фотоприемников в одной ячейке.
Рамка источника света может быть выполнена в виде квадрата, при этом первый светофильтр расположен по всей длине первой стороны квадратной рамки и на одной трети второй стороны, второй светофильтр расположен на двух третях второй стороны и на двух третях третьей стороны рамки, а третий светофильтр расположен на одной трети третьей стороны и по всей длине четвертой стороны рамки, при этом контур ножевой диафрагмы имеет форму квадрата.
Рамка источника света может быть также выполнена в виде кольца, разделенного на три сектора, в каждом из которых расположен один из светофильтров, при этом контур ножевой диафрагмы имеет форму окружности.
Сущность предлагаемой системы заключается в том, что матричный фотоприемник для каждой точки P' изображения объекта вырабатывает три сигнала освещенности Ij(P')(j=1, 2, 3), которые оцифровываются с помощью аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав матричного фотоприемника. Оцифрованные сигналы связаны с площадями Si(P')(i=1, 2, 3) пересечения локального изображения источника света, сформированного лучами, проходящими через точку Р', со светофильтрами номера "i", системой уравнений:
Где аij - известные коэффициенты.
Поскольку число светофильтров равно числу селективных фотоприемников в одной ячейке, то система уравнений (1) имеет единственное решение, с помощью которого вычисляются значения Si (P'). Затем по вычисленным значениям Si (Р") вычисляются проекции gx (P') и gy(P') вектора смещения локального изображения источника света, обусловленного отклонением лучей.
Формулы перехода от площадей Si(P') к проекциям gx (P') и g y(P') вектора смещения изображения зависят от формы ножевой диафрагмы и источника света. В частности для квадратной формы они имеют вид:
где L - известная длина каждого из окон со светофильтрами.
Заявленная цветная шлирная система для определения величин и направлений векторов отклонений лучей иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 - представлена оптическая схема системы, на фиг.2 - показан вид ножевой диафрагмы с контуром квадратной формы, на фиг.3 - вид ножевой диафрагмы с контуром круглой формы.
Цветная шлирная система для определения величин и направлений векторов отклонений лучей содержит источник света, состоящий из лампы 1, конденсора 2, набора светофильтров 3 и рамки 4, объектив коллиматора 5, исследуемый объект 6, объектив 7, формирующий изображение источника света, ножевую диафрагму 8 и проекционную оптическую систему 9.
Система дополнительно снабжена регистратором изображения 10, выполненным в виде матричного фотоприемника, каждая ячейка которого состоит из трех селективных фотоприемников R, G, В, максимумы спектральной чувствительности которых расположены в красной, зеленой и синей областях спектра соответственно. Число светофильтров 3, в данном случае, равно также трем (числу селективных приемников в ячейке), и их максимумы пропускания также расположены в красной, зеленой и синей областях спектра.
При этом ножевая диафрагма 8 имеет квадратный контур 11 (фиг.2), размер стороны обозначен через 2с; внутренний размер изображения рамки 4 обозначен через 2а, наружный - через 2b.
При выполнении рамки 4 источника света в виде квадрата, первый светофильтр расположен по всей длине первой стороны 12 квадратной рамки и на одной трети второй стороны 13, второй светофильтр расположен на двух третях второй стороны 14 и на двух третях третьей стороны 15 рамки, а третий светофильтр расположен на одной трети третьей стороны 16 и по всей длине четвертой стороны 17 рамки.
При выполнении рамки 4 источника света в виде кольца, внутренний радиус изображения обозначен через rа, наружный - через r b,
при этом ножевая диафрагма 8 имеет контур в виде окружности 18, радиус которой обозначен через r с.
Кольцо разделено на три сектора 19, 20 и 21, в каждом из которых расположен один из светофильтров.
Предлагаемая цветная шлирная система для определения величин и направлений векторов отклонений лучей работает следующим образом.
Лучи света, исходящие от источника света (рамки 4), после прохождения через объективы 5 и 7, а также через исследуемый объект 6, формируют изображение рамки 4 в плоскости ножевой диафрагмы 8. Ножевая диафрагма 8 частично перекрывает это изображение, а частично пропускает. Лучи, пропущенные ножевой диафрагмой 8, проходят через проекционную оптическую систему 9 и формируют изображение объекта в плоскости фотоприемника 10. В невозмущенном состоянии объекта изображение рамки 4 занимает положение, симметричное относительно центра ножевой диафрагмы 8. При этом зоны изображения областей рамки 4, со светофильтрами (зоны 12 и 13, зоны 14 и 15, зоны 16 и 17 на фиг.2 или зона 19, зона 20 и зона 21 на фиг.3), сформированные лучами, прошедшими через окно ножевой диафрагмы 8, имеют равные площади, вследствие чего на фотоприемнике 10 лучи разного цвета смешиваются в равных пропорциях, и изображение в точке фотоприемника 10 будет иметь белый цвет, а три селективных фотоприемника, составляющие ячейку, будут вырабатывать начальные примерно равные сигналы. При возмущении объекта в нем появится неоднородность показателя преломления, что приведет к отклонениям проходящих лучей и вызовет смещение изображений рамки 4, сформированных лучами, проходящими через любую выбранную точку объекта, на величину, пропорциональную градиенту показателя преломления в этой точке объекта.
Смещения изображений рамки 4, состоящих из цветных зон, изменят соотношение площадей зон изображения разного цвета, расположенных в пределах прозрачной части ножевой диафрагмы 8, что
приведет к появлению окрашенности изображения объекта в разных точках фотоприемника 10 и соответственно к изменению сигналов селективных фотоприемников.
Регистрация и обработка этих сигналов позволит определить площади Sj зон разного цвета (j=1, 2, 3) изображения источника света, прошедшего через ножевую диафрагму 8.
Площади Sj позволят определить проекции вектора смещения изображения источника света gx и gy. В частности, для квадратной формы рамки 4 и контура ножевой диафрагмы 11, изображенных на фиг.2, проекции gx и gy вектора смещения изображения источника света вычисляются по формулам:
gx (P')=(5S1-4S2 -S3)/16a;
gy (P')=(S1+4S2-5S 3)/16a.
Это справедливо, если |gx |<с-а; |gx|<b-c; |g y|<с-а; |gy|<b-c
При круглой форме рамки 4 и контура ножевой диафрагмы 18, показанных на фиг.3, длина вектора смещения изображения источника света 
и азимутальный угол этого вектора 
=arctg(gy/gx ) для малых значений смещений (g<rc; rс+g<rb; r c-g>rа) можно вычислить по аналогии.
Таким образом, установка цветного матричного фотоприемника и установка трех светофильтров в рамку, являющуюся источником света, позволяет решить задачу количественного определения величин и направлений векторов отклонения лучей.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Л.А.Васильев. Теневые методы. Издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1968 г., cc.12-14.
2. Л.А.Васильев. Теневые методы. Издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1968 г., cc.46, 47.
3. Российская Федерация, авторское свидетельство №449285, МПК:G 01 n 21/20, 1999 г.
4. Г.С.Сеттлз. Цветная шлирная система для определения направления отклонения лучей. «Ракетная техника и космонавтика». Журнал Американского института аэронавтики и космонавтики, 1970, т. 8, №12, -прототип.
1. Цветная шлирная система для определения величин и направлений векторов отклонений лучей, содержащая источник света, состоящий из рамки и набора светофильтров, конденсор, оптическую систему, ножевую диафрагму и проекционную оптическую систему, формирующую изображение объекта, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена регистратором изображения, расположенным в плоскости изображения объекта и выполненным в виде матричного фотоприемника, каждая ячейка которого состоит из селективных фотоприемников, а число светофильтров набора выполнено равным количеству селективных фотоприемников в одной ячейке.
2. Цветная шлирная система для определения величин и направлений векторов отклонений лучей по п.1, отличающаяся тем, что рамка источника света выполнена в виде квадрата, а светофильтры расположены таким образом, что первый светофильтр расположен по всей длине первой стороны квадратной рамки и на одной трети второй стороны, второй светофильтр расположен на двух третях второй стороны и на двух третях третьей стороны рамки, а третий светофильтр расположен на одной трети третьей стороны и по всей длине четвертой стороны рамки, при этом ножевая диафрагма имеет контур в виде квадрата.
3. Цветная шлирная система для определения направления отклонения лучей по п.1, отличающаяся тем, что рамка источника света выполнена в виде кольца, разделенного на три сектора, в каждом из которых расположен один из светофильтров, а ножевая диафрагма имеет контур в виде окружности.
