Метод ножа и щели

Замена точечного источника света щелевым позволяет сократить время выдержки, необходимое для фотографирования картины, благодаря этому становится возможным исследование быстропротекающих процессов, таких как пролет пули, движение ударной волны и т. д. Край ножа в этом случае должен быть строго параллельным щели в двух плоскостях: перпендикулярной оптической оси и параллельной этой оси. Поскольку это сделать непросто, щель и нож обычно устанавливают на одном движущемся основании и фиксируют друг относительно друга.

Один из способов оптимизации построения изображений состоит в устранении постоянной фоновой засветки, которая существенно снижает контраст изображения путем перекрытия той части световых лучей, которые не отклоняются неоднородностью. Для этого на пути коллимированного светового пучка, прошедшего через оптически неоднородную среду, устанавливается объектив, а в его фокальной плоскости помещается непрозрачная маска (обычно ее называют ножом). Форма и расположение ножа подбираются таким образом, чтобы он частично или полностью (в зависимости от модификации метода) перекрывал световой поток, не отклоненный неоднородностями среды, и не препятствовал прохождению отклоненных лучей. Этот метод называется методом Фуко — Теплера^[1], оптическая схема распространенной модификации прибора, построенного на основе этого метода, представлена на рис. 11.6.1.

Свет от источника 1 проходит через конденсор 2 попадает на диафрагму 3 (щелевую или круговую), расположенную в фокальной плоскости основного объектива 4. Коллимированный световой пучок проходит через компенсирующий мениск 5 и попадает в анализируемый объем среды 6, заключенный между иллюминаторами. После мениска 7 свет попадает на объектив 8, формирующий в своей фокальной плоскости изображение световой диафрагмы 3. Это изображение перекрывается ножом или диафрагмой 9.

Рис. 11.6.1. Оптическая схема системы, работающей на основе теневого метода В приближении геометрической оптики можно считать, что каждый элементарный световой пучок, проходящий через площадку ДхДу поперечного сечения анализируемого объема, создает в фокальной плоскости объектива 0₂ индивидуальное изображение световой диафрагмы, освещенность которого пропорциональна площади ДхДу, элементарный световой пучок, проходящий через оптическую неоднородность ОН, отклоняется от первоначального направления и формирует изображение световой диафрагмы, смещенное относительно изображений, создаваемых остальными элементарными пучками, и относительно ножа. Этот пучок минует нож и достигает экрана, на котором можно наблюдать изображение неоднородности.

Смещение изображения световой диафрагмы относительно ножа можно записать.

где 8—у 8^ + ?у — угол отклонения световых лучей оптически неоднородной средой;/₂ — фокусное расстояние объектива 0₂. Площадь выходящей из-за ножа изображения световой диафрагмы.

где R — радиус ножа, равный радиусу изображения световой диафрагмы.

Если принять для простоты, что оптическая неоднородность отклоняет световой пучок в одном направлении и это направление совпадает с осьюх, то 8 = |е_х|, и освещенность изображения можно написать в виде.

где т — коэффициент пропускания оптической системы; L_v — яркость источника света, AS_OH — площадь изображения неоднородности на экране, (3 = I —коэффициент увеличения.

V^A5OH.

Если оптическая неоднородность имеет постоянный градиент показателя преломления по ходу луча и длину Z_0H в этом направлении, то (11.6.10), преобразуется.

Из (11.6.11) следует, что освещенность изображения пропорциональна абсолютному значению градиента показателя преломления и длине неоднородности в направлении зондирующего светового пучка. В средах с дисперсией изображение нити имеет сложную структуру, образованную наложением спектральных картин. В зависимости от положения ножа картина изображения становится окрашенной в голубой или красный цвет, что открывает дополнительные возможности для анализа картины течений.

• [1] Скотников М. М. Теневые количественные методы в газовой динамике.