Теория метода и описание лабораторной установки
Метод шлирной линзы
Шлирен-метод, или метод Теплера, - это метод обнаружения оптических неоднородностей в прозрачных преломляющих средах и дефектов отражающих поверхностей. Применяется для нахождения так называемых свилей в оптически прозрачных материалах, для исследования качества зеркал и других оптических деталей. Ш.-м. применяют для исследования распределения плотности воздушных потоков, образующихся при обтекании моделей в аэродинамических трубах, используют для проекции на экран изображений (получаемых в виде оптических неоднородностей) в пузырьковых камерах, в телевизионных системах проекции на большой экран, в системах воспроизведения изображений с термопластических и везикулярных фотоматериалов и др. Шлирен-метод предложен немецким учёным А. Теплером в 1867.
Рисунок 2 – Схема получения изображения оптической неоднородности Шлирен-методом
В Шлирен-методе пучок лучей от точечного или щелевого источника света (рисунок 2), линзой или системой линз и зеркал (2—2') направляется через исследуемый объект (3) и фокусируется на непрозрачной ширме (5) с острой кромкой (на так называемом ноже Фуко), так что изображение источника проектируется на самом краю ширмы. Если в исследуемом объекте нет оптических неоднородностей, то все лучи задерживаются ширмой. При наличии оптических неоднородности (4) лучи будут рассеиваться ею и часть их, отклонившись, пройдёт выше края ширмы. Поставив за ширмой проекционный объектив (6), можно спроектировать на экран (7) эти лучи и получить изображение (8) тех неоднородностей, которые рассеивали лучи. Оптические неоднородности можно непосредственно наблюдать глазом, если вместо проекционного объектива поставить окуляр и смотреть через него на объект. Иногда вместо точечного источника света и ножа Фуко применяют оптически сопряжённые решётки (растры), перекрывающие ход лучам при отсутствии на их пути неоднородностей. Применяются также решётки со щелями в виде цветных светофильтров, позволяющие нагляднее определять характер оптических неоднородностей. Получение более грубой (теневой) картины зон резкого изменения оптической плотности объекта возможно без перекрытия лучей ножом Фуко или решётками. Просвечивание объекта двумя оптическими системами, установленными под углом друг к другу, позволяет получать стереоскопическую картину распределения неоднородностей в объекте. [Большая Советская Энциклопедия, Васильев Л.А., Теневые методы, М., 1968, Валюс Н.А., Растровые оптические приборы, М., 1966].
3.2 Лазерно-телевизионная установка «Луч-к»
За основу экспериментального исследования температурного поля резистора принимается зависимость показателя преломления от температуры. Если резистор поместить в оптически прозрачную, диэлектрическую среду (например, дистиллированную воду) и подключить к источнику питания, окружающее пространство начнет нагреваться (неравномерно). (Теплообмен в данном случае будем считать конвективным, поскольку доля теплопроводности в теплообмене будет мала по сравнению с конвекцией, а тепловое излучение через воду не пройдет - нулевой коэффициент пропускания). Образуется оптическая неоднородность – шлира. Эксперимент по визуализации оптической неоднородности, в результате станет экспериментом по визуализации температурного поля резистора.
Оставляя сущность эксперимента подобного описанному в пункте 3.1, (рисунок 2), саму структуру и оборудование установки можно значительно усовершенствовать. Для воспроизведения эксперимента задействована лазерно-телевизионная система «Луч-К», схема которой приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Лазерно-телевизионная установка «Луч-К»
1 – источник света (лазер, =0,63мкм);
2 – коллиматор;
3 – тестер с термопарой;
4 – оптическая неоднородность (ячейка);
5 – теневая телевизионная камера на основе ФПЗС-матрицы;
6 – контроллер;
7 – ПЭВМ, программное обеспечение.
Лучи лазера от источника собираются в параллельный пучок с помощью коллиматора и просвечивают оптическую неоднородность (ячейку), а затем попадают в объектив теневой телевизионной камеры. Сформированное камерой изображение визуализируется на дисплее ПЭВМ с помощью соответствующего программного обеспечения.
Для исследования температуры среды в разных точках пространства ячейки применяют термопару, подключенную к тестеру. Более подробное устройство ячейки изображено на рисунке 4.
Рисунок 4 – Ячейка с оптической неоднородностью
1 – тестер;
2 – крышка с отверстием для термопары и с креплением для резистора;
3 – дистиллированная вода;
4 – прозрачные стенки из стекла;
5 – термопара;
6 – исследуемый резистор;
7 – источник питания резистора.