Устройство ввода оптического излучения для нанесения меток времени в скоростной фотохронографический регистратор

Полезная модель относится к области высокоскоростной фотосъемки при исследовании однократных быстропротекающих физических процессов с использованием скоростного фотохронографического регистратора (СФР) с зеркальной разверткой.
В СФР изображение объекта, который в ходе исследуемого физического процесса формирует оптическое излучение, с помощью вращающегося зеркала перемещается по поверхности, на которой расположен чувствительный к излучению фотоприемник, представляющий фотопленку или фотоприемное устройство, выполненное в виде преобразователя матричного типа оптического изображения в электрический сигнал (А. С. Дубовик. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. – М.: Наука, 1984. – С. 51).
Одной из задач, решаемых с помощью СФР, является определение интервалов времени между событиями, сопровождаемыми оптическим излучением, формируемым исследуемым объектом и регистрируемым на фотоприемнике в виде отдельных отметок. Интервал времени между отметками определяется как частное от деления измеренного расстояния между ними на скорость развертки изображения по чувствительной поверхности фотоприемника.
Для уменьшения погрешности измерений интервалов времени с помощью СФР, связанной с неточностью определения скорости развертки изображения по фотоприемнику, одновременно с излучением от исследуемого процесса в оптическую систему СФР вводится излучение от источника модулированного оптического излучения, формирующего световой поток, модулированный с заданной частотой, который используется для нанесения меток времени на чувствительной поверхности фотоприемника.
Известно устройство ввода оптического излучения для нанесения меток времени в СФР, содержащее источник модулированного оптического излучения и оптический элемент с зеркальной отражающей поверхностью, оптическое волокно, червячную пару; источник модулированного оптического излучения оптически связан с входным торцом оптического волокна, противоположный конец оптического волокна закреплен в червячной паре на оси, проходящей через оптический элемент с зеркальной отражающей поверхностью, который расположен вплотную к поверхности выходного объектива СФР на расстоянии от излучающего торца оптоволокна, равном расстоянию от промежуточного изображения исследуемого объекта в СФР до поверхности выходного объектива СФР. Патент РФ № 2488867, МПК G03B 39/02, G03B 39/06, 20.06.2013. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком устройства-прототипа является наличие погрешности измерений количественного распределения энергии излучения на изображении исследуемого объекта, связанной с экранированием части излучения, поступающего в выходной объектив, поворотной призмой, которая применена в качестве оптического элемента с зеркальной отражающей поверхностью, расположенной вплотную к поверхности выходного объектива СФР, что приводит к образованию неоднородности распределения энергии излучения на изображении исследуемого объекта.
Техническим результатом полезной модели является исключение погрешности измерений количественного распределения энергии излучения на изображении исследуемого объекта.
Технический результат достигается тем, что устройство ввода оптического излучения для нанесения меток времени в скоростной фотохронографический регистратор (СФР), содержащее источник модулированного оптического излучения, оптический элемент с зеркальной отражающей поверхностью, оптическое волокно и червячную пару, источник модулированного оптического излучения оптически связан с входным торцом оптического волокна, выходной торец оптического волокна закреплен в червячной паре и находится на оптической оси, проходящей через оптический элемент с зеркальной отражающей поверхностью, в качестве оптического элемента с зеркальной отражающей поверхностью устройство содержит плоскопараллельную пластину (ПП), геометрический центр которой расположен между промежуточным изображением исследуемого объекта в СФР и выходным объективом СФР на пересечении оптических осей, одна из которых является оптической осью СФР, проходящей через центры входного и выходного объективов, вторая находится в одной плоскости с первой, направлена перпендикулярно к ней и совпадает с осью конуса модулированного оптического излучения, выходящего из торца оптического волокна, расстояние от торца оптического волокна до геометрического центра ПП устанавливается равным расстоянию от промежуточного изображения исследуемого объекта в СФР до геометрического центра ПП, угол наклона ПП к каждой из оптических осей, вдоль которых распространяется излучение от исследуемого объекта и излучение из оптического волокна, равен 45°±2°, ПП наклонена в сторону выходного объектива СФР для направления в него отраженного от ПП излучения, выходящего из торца оптического волокна.
На фиг. 1 приведена оптическая схема СФР с встроенной плоскопараллельной пластиной, входящей в состав устройства для ввода модулированного оптического излучения в предлагаемой полезной модели.
На фиг. 2 приведен рабочий кадр с результатами регистрации пространственно-временного распределения отметок, формируемых на чувствительной к оптическому излучению поверхности фотоприемного устройства в СФР сфокусированным импульсным оптическим излучением, возникшим при развитии физического процесса в исследуемом объекте, поступившим во входной объектив СФР и прошедшим сквозь ПП. На этом же кадре зафиксированы метки времени, сформированные сфокусированным излучением источника модулированного излучения, отраженным одной из поверхностей ПП, и след, оставленный несфокусированным излучением источника модулированного излучения, отраженным другой ее поверхностью.
Принятые обозначения:
1 – исследуемый объект с размером по вертикали Н1,
2 – промежуточное изображение исследуемого объекта с размером по вертикали Н2,
3 – изображение исследуемого объекта на фотоприемнике с размером по вертикали Н3,
4 – входной объектив СФР,
5 – выходной объектив СФР,
6 – подвижное зеркало,
7 – плоскопараллельная пластина (ПП),
8 – источник модулированного оптического излучения (источник),
9 – чувствительная к оптическому излучению поверхность фотоприемного устройства (чувствительная поверхность),
10 – метки времени на чувствительной поверхности, сформированные сфокусированным излучением источника 8, отраженным одной из поверхностей ПП 7,
11 – след, оставленный на чувствительной поверхности несфокусированным излучением источника 8, отраженным второй поверхностью ПП 7.
12 – оптическое волокно,
13 – червячная пара.
Устройство содержит плоскопараллельную пластину (ПП) 7, источник 8, оптическое волокно 12, червячную пару 13, источник 8 оптически связан с входным торцом оптического волокна 12, противоположный конец оптического волокна 12 закреплен в червячной паре 13 на оси, проходящей через геометрический центр ПП 7, которая встроена в оптическую систему СФР, содержащую входной 4 и выходной 5 объективы и подвижное зеркало 6. ПП 7 расположена между промежуточным изображением 2 исследуемого объекта 1 в СФР и выходным объективом 5 СФР на пересечении оптических осей, одна из которых является оптической осью СФР, проходящей через центры объективов 4, 5, вторая находится в одной плоскости с первой, направлена перпендикулярно к ней и совпадает с осью конуса модулированного оптического излучения, выходящего из торца оптического волокна 12, закрепленного в червячной паре 13, угол наклона ПП 7 к каждой из оптических осей, вдоль которых распространяется излучение от исследуемого объекта 1 и излучение из оптического волокна 12, первоначально равен 45° и уточняется в пределах ± 2° относительно первоначально установленного при выборе положения меток времени 10 и следа 11, оставленного несфокусированным излучением источника 8 на чувствительной поверхности 9 по отношению к изображению 3 исследуемого объекта 1, расстояние от торца оптического волокна 12 до геометрического центра ПП 7 устанавливается равным расстоянию от промежуточного изображения 2 исследуемого объекта 1 в СФР до геометрического центра ПП 7 и уточняется при фокусировке изображения торца оптического волокна 12 на чувствительной поверхности 9 с помощью червячной пары 13.
Устройство работает следующим образом.
Модулированное оптическое излучение от источника 8 через оптическое волокно 12, закрепленное в червячной паре 13, направляется на ПП 7, под углом 45° к ее поверхности, перпендикулярно оптической оси СФР. Часть этого излучения (76 %), испытав двойное лучепреломление в ПП 7, продолжает распространяться в том же направлении и уходит из оптической системы СФР. Часть излучения (8 %), отразившись от передней поверхности ПП 7, распространяется под углом 90° к первоначальному направлению и попадает в выходной объектив 5 СФР. Часть излучения (5 %) преломляется на границе воздушной среды и ПП 7, отражается от задней поверхности ПП 7 и, вновь преломившись при выходе из ПП 7, продолжает распространяться параллельно излучению, отразившемуся от передней границы ПП 7, и также попадает в выходной объектив 5, который вместе с подвижным зеркалом 6 создает и перемещает изображение источника 8 по фокальной поверхности СФР, на которой расположен чувствительный к излучению элемент (фотопленка или чувствительная к излучению поверхность 9 фотоприемного устройства), формируя на нем метки времени 10. При разработке предлагаемой полезной модели для регистрации оптического излучения применялись фотоприемные устройства, представляющие преобразователи оптического сигнала в электрический, выполненные на базе ПЗС-матриц с чувствительной к оптическому излучению поверхностью.
Фокусировка на чувствительной поверхности 9 изображения торца оптического волокна 12, первоначально установленного на расстоянии от ПП 7, равном расстоянию от промежуточного изображения исследуемого объекта 2 до геометрического центра ПП 7, осуществляется перемещением оптического волокна 12 с помощью червячной пары 13 вдоль оси конуса модулированного оптического излучения, выходящего из торца оптического волокна 12.
Одновременно с излучением от источника 8 в оптическую систему СФР через входной объектив 4 поступает излучение, формируемое исследуемым объектом 1 с размером по вертикали Н1 при развитии физического процесса. Входной объектив 4 создает промежуточное изображение 2 исследуемого объекта 1 с размером по вертикали Н2, излучение от которого под углом 45° падает на ПП 7. Основная часть этого излучения (76 %), испытав двойное лучепреломление в ПП 7, продолжает распространяться в первоначальном направлении и попадает в выходной объектив 5, который с помощью подвижного зеркала 6 строит изображение 3 исследуемого объекта 1 с размером по вертикали Н3 на чувствительной поверхности 9 и перемещает его по этой поверхности с заданной скоростью. Остальная часть излучения, отразившись от передней и задней поверхности ПП 7, меняет направление распространения на 90° и уходит из оптической системы СФР.
Объектив 5 с помощью подвижного зеркала 6 создает на чувствительной поверхности 9 изображение торца оптического волокна 12 и перемещает его по этой поверхности с той же скоростью, что и изображение 3 исследуемого объекта 1. Однако, из-за разности хода лучей сфокусировать одновременно изображение, создаваемое излучением, отразившимся от передней и от задней по отношению к падающему излучению поверхности ПП 7 невозможно; сфокусированное изображение представляет ряд меток 10 времени, следующих с заданной частотой, расстояние между которыми служит для определения скорости перемещения изображения 3 по чувствительной поверхности 9, несфокусированное изображение представляет след 11 в виде сплошной линии. Предлагаемое устройство выполнено с возможностью перемещения торца оптического волокна 12 вдоль оси направленной на ПП 7 с помощью червячной пары 13, что позволяет фокусировать излучение, отразившееся от передней или от задней по отношению к падающему излучению поверхности ПП 7, и менять взаимное расположение меток 10 времени и следа 11 от несфокусированного излучения источника 8 в рабочем кадре.
1
Расстояние a между сфокусированным и несфокусированным изображением торца световодов на чувствительной поверхности 9 может регулироваться выбором толщины d ПП 7, связь между которыми определяется формулой:
1
a = 3,3 d (1).
Перемещение меток 10 времени и следа 11 от несфокусированного излучения источника 8 по чувствительной поверхности 9 в вертикальном направлении для расположения их в требуемом месте относительно изображения 3 исследуемого объекта 1 в рабочем кадре осуществляется изменением угла наклона ПП 7 в пределах ± 2° по отношению к установленному (45°) и может уточняться в указанных пределах при выборе положения меток времени на чувствительной к излучению поверхности 9 фотоприемного устройства.
На кадре, представленном на фиг. 2, приведены результаты регистрации на чувствительной поверхности 9 изображения 3 исследуемого объекта 1, содержащего совокупность импульсных источников излучения, срабатывающих при развитии в нем физического процесса. Информация о развитии физического процесса заключена в пространственно-временном распределении отметок, создаваемых источниками импульсного излучения исследуемого объекта 1 и зарегистрированных на изображении 3 исследуемого объекта 1, и энергии излучения, поступившего из каждого источника. Применение в прототипе устройства ввода в СФР излучения для нанесения меток времени в качестве оптического элемента для ввода модулированного оптического излучения поворотной призмы 7, расположенной вплотную к выходному объективу 5, приводит к экранированию призмой 7 части излучения от исследуемого объекта 1 и, вследствие этого, неоднородности распределения энергии источников излучения на изображении 3 исследуемого объекта 1, что является причиной погрешности измерений количественного распределения энергии излучения из них по зарегистрированному кадру. Замена в оптической схеме поворотной призмы плоскопараллельной пластиной 7, сквозь которую проходит все излучение от объекта 1, исключает эту погрешность.
На этом же кадре зафиксированы метки 10 времени, сформированные сфокусированным излучением источника 8, отраженным от задней по отношению к падающему излучению поверхности ПП 7, и след 11, оставленный несфокусированным излучением источника 8, отраженным от передней поверхности ПП 7.
Таким образом, достигается заявленный технический результат полезной модели, а именно исключение погрешности измерений количественного распределения энергии излучения на изображении 3 исследуемого объекта 1, построенном на чувствительной к излучению поверхности 9.