СИСТЕМА ОПТИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ

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.)
об
где  - проекционное расстояние от выходного зрачка объектива до плоскости изображения, β - 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).
-12
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 сек. Импульс света с такой длительностью позволит надежно, без смазывания получать изображения частиц летящих со скоростями 1 и более километров в секунду.