Способ ввода в скоростной фотохронографический регистратор оптического излучения для нанесения меток времени
METHOD OF INPUTTING OPTICAL RADIATION INTO SPEED PHOTOCHRONOGRAPHIC RECORDER FOR APPLYING TIMESTAMPS

Изобретение 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).
3
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. Количество отметок может достигать 10. Интервал времени между отметками определяется как частное от деления измеренного расстояния между ними на скорость развертки изображения по чувствительной поверхности фотоприемника.
Для уменьшения погрешности измерения интервалов времени с помощью СФР, связанной с неточностью определения скорости развертки изображения по фотоприемнику, одновременно с излучением от исследуемого процесса в оптическую систему СФР вводят излучение источника, формирующего световой поток, модулированный с заданной частотой, который используют для нанесения меток времени на чувствительной поверхности фотоприемника.
Известен способ ввода оптического излучения от источника модулированного оптического излучения для нанесения меток времени, заключающийся в том, что оптическое излучение вводят в оптическую систему СФР через выходной объектив с помощью оптического элемента с зеркальной отражающей поверхностью, при этом оптический элемент с зеркальной отражающей поверхностью располагают вплотную к поверхности выходного объектива, расстояние от источника излучения до поворотной призмы выбирают равным расстоянию от промежуточного изображения исследуемого объекта до выходного объектива, фокусируют изображение источника модулированного оптического излучения на поверхности фотоприемника, перемещая источник излучения вдоль оптической оси, направленной на оптический элемент с зеркальной отражающей поверхностью. Патент РФ № 2485565, МПК G03B 39/02, G03B 39/06, 20.06.2013. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком этого способа ввода излучения от источника модулированного оптического излучения является наличие погрешности измерений количественного распределения энергии излучения на изображении исследуемого объекта, построенном оптической системой СФР на чувствительной к излучению поверхности фотоприемного устройства.
Погрешность возникает в связи с экранированием части пучка лучей, поступающих в выходной объектив СФР, поворотной призмой, которая применена в прототипе в качестве элемента с зеркальной отражающей поверхностью и расположена вплотную к поверхности выходного объектива, что приводит к образованию неоднородности распределения энергии излучения на изображении исследуемого объекта.
Техническим результатом изобретения является исключение погрешности измерений количественного распределения энергии излучения на изображении исследуемого объекта, построенном оптической системой СФР на чувствительной к излучению поверхности фотоприемного устройства.
Исключение погрешности измерений получено за счет исключения из оптической системы СФР поворотной призмы (оптического элемента с зеркальной отражающей поверхностью), расположенной вплотную к поверхности выходного объектива и, тем самым, исключения эффекта экранирования части пучка лучей, поступающих в выходной объектив СФР.
1
1
Технический результат достигается тем, что в способе ввода в скоростной фотохронографический регистратор (СФР) оптического излучения для нанесения меток времени, заключающемся в том, что оптическое излучение от источника модулированного оптического излучения вводят в оптическую систему СФР через выходной объектив с помощью оптического элемента с зеркальной отражающей поверхностью, фокусируют изображение источника модулированного оптического излучения на чувствительной к излучению поверхности фотоприемного устройства, перемещая источник излучения вдоль оптической оси, направленной на оптический элемент с зеркальной отражающей поверхностью, в качестве оптического элемента с зеркальной отражающей поверхностью применяют плоскопараллельную пластину (ПП), которую располагают между промежуточным изображением исследуемого объекта, созданным входным объективом СФР, и выходным объективом таким образом, чтобы геометрический центр ПП находился на оптической оси СФР, угол наклона ПП к оптической оси был равен 45°, ПП была наклонена в сторону выходного объектива СФР для направления в него отраженного от ПП излучения, поступающего от источника модулированного оптического излучения, для получения меток времени на чувствительной к излучению поверхности фотоприемного устройства, сформированных сфокусированным излучением источника модулированного оптического излучения, отраженным одной из поверхностей ПП, фокусируют одно из двух изображений источника модулированного оптического излучения, создаваемых с помощью выходного объектива и подвижного зеркала на чувствительной к излучению поверхности фотоприемного устройства излучением, отраженным передней или задней по отношению к падающему излучению поверхностью ПП, для чего перемещают источник модулированного оптического излучения вдоль оси, которая перпендикулярна оптической оси СФР, проходит через геометрический центр ПП и составляет угол 45° с поверхностью ПП, расстояние а между метками времени на чувствительной к излучению поверхности фотоприемного устройства и следом, оставленным на этой поверхности несфокусированным излучением источника модулированного оптического излучения, отраженным второй поверхностью ПП, регулируют за счет выбора толщины ПП d, связь между которыми определяется формулой: а = 3,3d, след, оставленный на чувствительной к излучению поверхности фотоприемного устройства несфокусированным изображением источника модулированного оптического излучения смещают выше или ниже изображения исследуемого объекта на чувствительной к излучению поверхности фотоприемного устройства, изменяя угол наклона ПП к оптической оси СФР в пределах ±2° относительно установленного.
На фиг. 1 приведена оптическая схема СФР с источником модулированного оптического излучения для нанесения меток времени и встроенном в оптическую схему СФР элементом с зеркальной отражающей поверхностью (поворотной призмой) в способе-прототипе.
На фиг. 2 приведена оптическая схема СФР с встроенной плоскопараллельной пластиной для ввода в СФР излучения от источника модулированного оптического излучения для нанесения меток времени в предлагаемом способе.
На фиг. 3 показан ход лучей при падении на поверхность ПП оптического излучения под углом 45°.
На фиг. 4 и 5 приведены рабочие кадры с результатами регистрации пространственно-временного распределения отметок, формируемых на чувствительной поверхности фотоприемного устройства в СФР импульсным оптическим излучением, возникающим при развитии физического процесса в исследуемых объектах, содержащих совокупность импульсных источников излучения, которые срабатывают при развитии в них физических процессов. На этих же кадрах зафиксированы метки времени, сформированные сфокусированным излучением источника модулированного излучения, отраженным одной из поверхностей ПП, и след, оставленный несфокусированным излучением источника модулированного излучения, отраженным от другой поверхности ПП.
Кадры на фиг. 4–5 отличаются количеством и расположением источников излучения в исследуемом объекте (в кадре на фиг. 4 шесть источников расположены в два ряда, в кадре на фиг 5 источники в количестве 31 установлены в один ряд), а также местом расположения в кадре меток времени (метки времени в кадре на фиг. 4 и несфокусированный след от меток смещены в нижнюю часть кадра поворотом ПП на угол, не превышающий 2° относительно первоначально установленного (45°), при этом несфокусированный след на фиг. 4 смещен за рабочую область чувствительной к излучению поверхности).
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 чувствительной к излучению поверхности фотоприемного устройства с размером по вертикали Н3 (изображение исследуемого объекта),
4 – входной объектив СФР,
5 – выходной объектив СФР,
6 – подвижное зеркало,
7 – оптический элемент с зеркальной отражающей поверхностью (поворотная призма в прототипе, плоскопараллельная пластина (ПП) в предлагаемом способе),
8 – источник модулированного оптического излучения (источник),
9 – чувствительная к излучению поверхность фотоприемного устройства (чувствительная поверхность),
10 – метки времени на чувствительной к излучению поверхности фотопримного устройства 9, сформированные сфокусированным излучением источника 8, отраженным одной из поверхностей ПП 7 (метки времени),
11 – след, оставленный на чувствительной поверхности 9 несфокусированным излучением источника 8, отраженным второй поверхностью ПП 7 (след от несфокусированного излучения).
12 –луч, падающий на ПП 7 под углом 45°,
13 – луч, отраженный от передней поверхности ПП 7,
14 – луч, прошедший внутрь ПП 7 и отраженный от ее задней поверхности, параллельный лучу 13 и находящийся на расстоянии а от него,
15 – луч, прошедший через ПП 7 без изменения направления.
16 – отметки, формируемые источниками излучения исследуемого объекта 1, поступившим во входной объектив СФР и прошедшим сквозь ПП 7, на изображении исследуемого объекта 3 (отметки, формируемые источниками излучения исследуемого объекта 1) .
Как следует из оптической схемы прототипа, представленной на фиг. 1, оптическое излучение от исследуемого объекта 1 с размером по вертикали Н1 направляют во входной объектив 4 СФР, оптическая система которого содержит также выходной объектив 5, подвижное зеркало 6 и встроенный оптический элемент 7 с зеркальной отражающей поверхностью, установленный вплотную к выходному объективу 5, входящий в состав устройства ввода в СФР оптического излучения для нанесения меток времени (поворотную призму 7 в прототипе).
Излучение от промежуточного изображения 2 исследуемого объекта 1 с размером по вертикали Н2, построенное входным объективом 4, с помощью выходного объектива 5 и подвижного зеркала 6, вращающегося с заданной скоростью вокруг оси, перестраивают на чувствительной к излучению поверхности 9 фотоприемного устройства (чувствительной поверхности), получая на ней изображение 3 исследуемого объекта 1 с размером по вертикали Н3.
Одновременно с излучением от исследуемого объекта 1 в выходной объектив 5 с помощью поворотной призмы 7 вводят оптическое излучение от источника 8; объектив 5 вместе с подвижным зеркалом 6 создает и перемещает изображение источника 8 по чувствительной поверхности 9, формируя на ней метки времени 10.
Наличие поворотной призмы 7, установленной вплотную к выходному объективу 5, приводит к экранированию части излучения, прошедшего через входной объектив 4, и образованию неоднородности распределения излучения на изображении 3 исследуемого объекта 1, вносящей погрешность при измерении количественного распределения энергии излучения.
Предлагаемый способ ввода в СФР оптического излучения для нанесения меток времени реализуется следующим образом.
Как следует из оптической схемы, представленной на фиг. 2, излучение от источника 8 направляют в выходной объектив 5 с помощью плоскопараллельной пластины (ПП) 7, которую устанавливают на оптической оси СФР между входным 4 и выходным 5 объективами под углом 45° по отношению к оптической оси СФР. Часть этого излучения, отраженного от ПП 7 и изменившего направление на 90°, поступает в объектив 5, с помощью которого, а также подвижного зеркала 6, строят и перемещают изображение источника 8 по чувствительной поверхности 9, формируя метки 10 времени. Часть излучения, прошедшая сквозь ПП 7 без изменения направления, уходит из оптической системы СФР.
Одновременно с метками на чувствительной поверхности 9 с помощью объективов 4, 5 и подвижного зеркала 6 получают изображение 3 исследуемого объекта 1, которое перемещается по чувствительной поверхности 9 с той же скоростью, что и изображение меток 10; при этом излучение, поступившее в объектив 4, проходит сквозь ПП 7, применяемую в предлагаемом способе в качестве оптического элемента с зеркальной отражающей поверхностью, и поступает в объектив 5, оставаясь однородным.
Интенсивность отраженного и прошедшего через ПП 7 оптического излучения в случае падения излучения, схематически представленного лучом 12 на фиг. 3, под углом 45° к ней, была определена экспериментально при разработке предлагаемого способа. Часть излучения (76%), испытав преломление на границах оптических сред, имеющих разный коэффициент преломления n, (n = 1 у воздуха и n ≈ 1,5 у стекла) продолжает распространяться в том же направлении, что и до падения на ПП 7 (луч 15 на фиг. 3). Часть излучения (8%) отразившись от передней поверхности ПП 7, распространяется под углом 90° к его первоначальному направлению (луч 13 на фиг. 3). Часть излучения (5%) преломляется на границе воздушной среды и ПП 7, отражается от ее задней поверхности и, вновь преломившись при выходе из ПП 7, продолжает распространяться параллельно лучу13 на расстоянии а от него (луч 14 на фиг. 3).
Применительно к формированию меток времени, показанному на фиг. 2, луч 12 на фиг. 3 – излучение от источника 8, лучи 13 и 14 – излучение, отраженное от передней и задней поверхности ПП 7, направленное в выходной объектив 5, луч 15 – излучение, прошедшее через ПП 7 перпендикулярно оптической оси СФР без изменения направления и покидающее оптическую систему СФР.
Лучи 13 и 14 близки по интенсивности; выходной объектив 5 строит изображение источника излучения, создаваемое лучами 13 и 14, на чувствительной поверхности 9, однако, из-за разности хода лучей получить одновременно два сфокусированных изображения источника на одной поверхности невозможно.
Сфокусированное излучение будет представлять ряд меток времени, несфокусированное излучение – практически сплошной след (метки 10 времени и след 11 от несфокусированного излучения на фиг. 2).
Формула, определяющая зависимость расстояния a между лучами, отраженными от передней и задней поверхности ПП 7, от ее толщины d и от угла падения луча к плоскости ПП 7 α, полученная при разработке предлагаемого способа, имеет следующий вид:
1
2
где n и n – коэффициенты преломления излучения в воздухе и в пластине.
1
2
Применительно к случаю, рассматриваемому в предлагаемом способе, для угла α = 45°, коэффициентов преломления в воздухе n = 1,0 и в пластине n = 1,5 зависимость расстояния a от толщины ПП d принимает вид:
а = 0,75d (2).
Выходной объектив 5 в СФР строит изображение источника 8 на чувствительной поверхности 9 фотоприемного устройства с увеличением (коэффициент увеличения к =  = 4,4, где Н2 – размер по вертикали промежуточного изображения 2 исследуемого объекта 1, построенного входным объективом 4, и Н3 – размер по вертикали изображения 3 исследуемого объекта 1, построенного выходным объективом 5 и подвижным зеркалом 6), расстояние между изображением источника 8, создаваемым лучами 13 и 14 на чувствительной поверхности 9, (между метками времени 10 и следом 11 от несфокусированного излучения) с учетом его увеличения объективом 5, определяется по формуле:
1
а = к∙ а = 3,3d (3).
Толщина пластин ПП 7, применявшихся в экспериментах, находилась в пределах 1 – 4 мм; соответственно, изображения источника 8 на чувствительной поверхности 9 фотоприемного устройства, создаваемые лучами 13 и 14, как следует из формулы (3), находились на расстоянии ~ 3–13 мм.
В зависимости от того, излучение от какой поверхности ПП 7 сфокусировано на чувствительной поверхности 9 фотоприемного устройства, положение следа 11 от несфокусированного излучения может быть выше или ниже сфокусированных меток. Случай, когда фокусируют изображение, создаваемое излучением, отраженным от передней поверхности ПП 7, показан на фиг. 2 и фиг. 4; здесь метки находятся выше следа 11 от несфокусированного излучения.
Наличие следа 11, оставленного несфокусированным излучением, отраженным одной из поверхностей ПП 7, на чувствительной поверхности 9, используемой для записи информации об исследуемом объекте 1, иногда является нежелательным, поскольку уменьшает ее полезную площадь. Удалить этот след 11 можно небольшим, в пределах ± 2°, изменением угла наклона ПП 7 к оптической оси, что дает возможность перемещения следа вверх или вниз за рабочую область чувствительной поверхности 9.
Входной объектив 4 оптической системы СФР, в который поступает излучение от исследуемого объекта 1 с размером по вертикали Н1, строит промежуточное изображение 2 исследуемого объекта 1 с размером по вертикали Н2, излучение от которого проходит сквозь ПП 7, расположенную под углом 45° по отношению к оптической оси, проходящей через объективы 4 и 5. Часть этого излучения, испытав преломление в ПП 7 на границах двух оптических сред, распространяется, не меняя направления, вдоль оптической оси СФР; с помощью выходного объектива 5 и подвижного зеркала 6 это излучение фокусируют на чувствительной поверхности 9 фотоприемного устройства, где оно формирует изображение 3 исследуемого объекта 1 размером по вертикали Н3.
Применительно к рисунку, приведенному на фиг. 2, луч 12 на фиг. 3 – излучение от исследуемого объекта 1, поступившее в оптическую систему через входной объектив 4, луч 15 – излучение, прошедшее сквозь ПП 7 без изменения направления и поступившее в выходной объектив 5. Количество прошедшего через ПП 7 излучения составляет 76% от падающего на нее излучения. Остальная часть излучения после отражения от ПП 7 на угол 90° меняет направление и уходит из оптической системы СФР.
На кадрах фиг. 4–5 приведены результаты регистрации на чувствительной поверхности 9 изображения 3 исследуемого объекта 1, содержащего совокупность импульсных источников излучения, срабатывающих при развитии в нем физического процесса (отметки 16, формируемые источниками излучения исследуемого объекта 1). Информация о развитии физического процесса заключена в пространственно-временном распределении отметок 16, формируемых источниками излучения в исследуемом объекте 1 и зарегистрированных на изображении 3 исследуемого объекта 1, и энергии излучения, поступившего из каждого источника. При регистрации кадра, представленного на фиг. 4, была применена ПП 7 большей толщины, чем при получении кадра на фиг. 5, поэтому расстояние между метками времени 10 и следом 11 от несфокусированного излучения источника 8 на фиг. 4 больше, чем на фиг. 5.
При регистрации кадра, приведенного на фиг. 4, след 11 от несфокусированного излучения источника 8, отраженного от задней поверхности ПП 7, смещен на край чувствительной поверхности 9.
При регистрации кадра, приведенного на фиг 5, была применена ПП 7 меньшей толщины, чем при получении кадра на фиг. 4, что уменьшило расстояние между метками времени 10 и следом 11 от несфокусированного излучения источника 8; при этом для получения меток было сфокусировано излучение, отраженное от задней поверхности ПП 7. Смещение следа 11 от несфокусированного излучения источника 8, созданного излучением, отраженным передней поверхностью ПП 7, за пределы чувствительной поверхности 9 не проводилось.
Таким образом достигается заявленный технический результат изобретения, а именно исключение погрешности измерений количественного распределения энергии излучения на изображении 3 исследуемого объекта 1, построенном оптической системой СФР, включающей объективы 4, 5 и подвижное зеркало 6, а также встроенную ПП 7, входящую в состав оптической схемы устройства ввода излучения для нанесения меток времени на чувствительной поверхности 9 фотоприемного устройства.
Исключение погрешности измерений получено за счет применения в качестве оптического элемента 7 с зеркальной отражающей поверхностью для ввода в СФР излучения от источника 8 модулированного оптического излучения плоскопараллельной пластины, при прохождении сквозь которую излучение от исследуемого объекта 1 остается однородным, вместо поворотной призмы 7, применяемой для ввода в СФР излучения от источника 8 в прототипе, расположенной вплотную к поверхности выходного объектива 5 и экранирующей часть излучения от исследуемого объекта 1, делая его на выходе из объектива 5 неоднородным.