Метод нити. 
Океанология. 
Оптика океана

Метод нити был предложен в 1918 г. Г. Ричи и, независимо от него, Д. Д. Максутовым в 1921 г. Максутов использовал его вместе с осветительной щелью. Нить представляет собой «нож» с двумя лезвиями. Нить не перекрывает изображение источника, картина при испытании нитью не имеет теней, а только полутени (рис. 11.6.2, в). При этом полутень в изображении выглядит тонкой линией, и чем больше относительное отверстие зеркала, тем уже тень.

Рис. 11.6.2. Теневая картина при испытании параболического зеркала:

а — ножом; б — решеткой Ронки; в — нитью. Слева внизу — сложный тест, содержащий «нож», решетку и «нить».

Структура изображения нити зависит от знака более высоких производных в распределении коэффициента преломления в исследуемой среде. При работе с нитью важно, чтобы ширина щели была близкой к дифракционной.

В 1925 г. В. Ронки предложил решетку из нескольких нитей, нанесенных на стекло параллельно самим себе на расстоянии около 0,1— 0,2 мм. Эта решетка смещается с фокуса фронта волны на 2—5 мм к зеркалу или от него, и мастер по искривлению теней линий на зеркале судит о форме поверхности (рис. 11.6.2, б). Чем ближе к фокусу фронта волны расположена решетка, тем чувствительнее метод. Можно обойтись и одной нитью, если ее также сместить ближе к зеркалу (или дальше от него) на 2—5 мм от фокуса фронта волны. Это так называемый второй метод щели и нити, исследованный Д. Д. Максутовым.

Метод ножа и щели является одним из методов, нашедших широкое применение в форме абсолютного фотометрирования. Пусть в нулевом положении нож перекрывает изображение щели так, что остается открытой только ее часть шириной ?, 1. Если принять, что яркость изображения щели в направлении, перпендикулярном ножу, постоянна, то освещенность какого-либо места изображения равна.

где В (г|) — величина, которая учитывает яркость источника и поглощение системы, различна для разных точек поля и не зависит от времени; rji и % +1 — координаты краев осветительной щели по оси r, I — длина изображения щели.

Если неоднородность отклонит световой поток на угол в, то изображение щели сдвинется на величину 5 = / в, а освещенность той же точки изображения неоднородности станет равной.

Таким образом, при помощи этого метода можно измерять значение угла отклонения света в неоднородности по разности плотностей почернений нулевого и рабочего кадров.

Чувствительность метода зависит от контрастности фотоматериала и углового размера открытой части изображения источника света. Подбирая фотоматериалы большей контрастности, можно увеличивать чувствительность. Если нужно измерять малые отклонения световых лучей, использовать предельно возможную чувствительность теневого прибора, или если измерения происходят в отсутствии вибраций, когда начальное положение ножа относительно изображения щели хорошо известно, то необходимо отдать предпочтение методу ножа и щели.

При применении фотометрических методов существенное значение приобретает величина освещенности плоскости экрана. Для измерения малых углов отклонения приходится сильно уменьшать ширину открытой части изображения осветительной щели — повышать чувствительность измерения. При этом освещенность изображения уменьшается.

Освещенность изображения теневого прибора может быть определена по формуле:

где I — световой поток в люменах, даваемый источником света, а — апертура основного объектива теневого прибора (а = 2R/ f), ?, — ширина открытой части изображения осветительной щели, т — коэффициент пропускания света оптической системой теневого прибора, I — средняя ширина источника света в направлении, перпендикулярном щели теневого прибора, R — радиус основного объектива теневого прибора, ц — масштаб изображения неоднородности, ц' — масштаб изображения источника света.

При выводе этой формулы считалось, что источник света излучает равномерно во все стороны и апертура основных объективов теневого прибора является наименьшей из апертур, ограничивающих световой поток.

Использование выражения для чувствительности измерения дает:

где L — размер изображения источника света в направлении, перпендикулярном ножу.

Для получения наибольшей освещенности в теневом изображении необходимо проектировать источник света на щель с возможно большим увеличением. Но при этом нужно иметь в виду, что при увеличении изображения источника растут аберрационные погрешности основных объективов и размер изображения не может быть сделан больше, чем размер щели. Фотографии, полученные теневым прибором, подвергают дальнейшей обработке. В качественных исследованиях измеряют форму неоднородности, ее положение и структуру. При количественных измерениях фотометрируют снимок, определяют смещение тени от расфокусированной диафрагмы или цвет. Найденные углы отклонения лучей света в неоднородности приписываются точкам, в которых проводились измерения. Однако в силу ограниченной разрешающей силы прибора лучи света, вышедшие из одной точки неоднородности, не собираются в одну точку в плоскости изображения, а дают кружок рассеяния. Это приводит к некоторой ошибке измерения, так как мы находим не истинную величину угла отклонения в каждой точке, а усредненную по площади неоднородности, равной площади кружка рассеяния. Точность (а зачастую и возможность проведения теневыми методами некоторых исследований) зависит от разрешающей силы прибора, которую можно определить как.

где L — расстояние между штрихами в плоскости изучаемого объекта, которые еще разрешаются прибором^[1]. Часто R определяют как количество предельно разрешаемых штрихов на единицу длины в плоскости изображения. Эта величина является хорошим показателем качества фотографического объектива. Разрешающая сила определяется аберрациями основных объективов теневого прибора и фотоприставки, качеством фотоматериалов и дифракционными явлениями.

В количественных теневых измерениях ошибки могут возникать на различных стадиях процесса измерения и обусловлены разными причинами: всегда имеются экспериментальные погрешности, связанные с вибрациями, неравномерностью освещенности изображения щели в приемной части теневого прибора, непостоянством свойств фотоматериала и т. д.

Качественная теневая фотография дает сведения о характере неоднородности. При более детальном изучении теневых методов оказывается, что с их помощью можно не только провести качественные исследования, но и определить форму фронта световой волны, прошедшей через изучаемый объект. Это позволяет судить о распределении показателя преломления внутри неоднородности. Величиной, определяющей изменение освещенности в плоскости изображения теневого прибора, является смещение изображения осветительной щели в фокальной плоскости теневого объектива приемной части, произошедшее в результате отклонения световых лучей оптически неоднородной средой.

Для систем с параллельным ходом лучей (рис. 11.6.3) смещение луча в главной плоскости основного объектива приемной части равно bc = S tge. Из подобия треугольников kde и кЪс следует, что в фокальной плоскости основного объектива луч сдвигается на величину.

Поскольку обычно углы отклонения малы, можно заменить тангенс угла отклонения на сам угол:

Рис. 71.6.3. Расчет смещения луча в фокальной плоскости основного объектива в системах с параллельным ходом лучей:

асек — не отклоненный луч, abdk — отклоненный Видно, что величина смещения изображения щели, а вместе с ней и изменение освещенности изображения объекта, не зависят от положения неоднородности в параллельном пучке лучей и расстояния от изучаемой точки до оптической оси системы.

Если изучаемый объект помещается в сходящемся пучке лучей (рис. 11.6.4), то.

Для малых углов отклонения формула (11.6.26) преобразуется следующим образом:

В этом случае 8 зависит от положения исследуемой точки неоднородности в пространстве.

Рис. 11.6.4. Смещение луча в системах с непараллельным ходом лучей.

Первые попытки количественного применения теневых методов состояли в том, что при изучении какого-либо объекта постепенно уменьшалась чувствительность измерения. При этом устанавливался момент, когда неоднородность переставала быть видимой. Если контрастная чувствительность приемника была известной, то такая операция позволяла найти максимальный угол отклонения света. Этот метод полезен, если необходимо оценить качество изготавливаемых оптических деталей. К группе методов, позволяющих судить о свойствах оптических неоднородностей в целом, относятся иммерсионные методы.

Исследуемый предмет помещается в жидкость, представляющую собой раствор какой-либо соли или смесь двух веществ. Показатель преломления среды плавно изменяется путем варьирования количества растворенного вещества или соотношения между компонентами смеси. При этом показатели преломления жидкости и изучаемого предмета равны. Затем подбирается такой состав, при котором неоднородность становится невидимой. Показатель преломления жидкости определяется с помощью рефрактометрических приборов или теневым методом путем помещения ее в клинообразную кювету и определения смещения изображения осветительной щели, даваемого этим клином. Описанный метод применяется для определения показателя преломления прозрачных тел неправильной формы.

• [1] Васильев Л. А. Теневые методы.