Устройство для регистрации стереоскопического изображения частиц дисперсной фазы

Полезная модель относится к области стереоскопии, а именно к технике получения стереоскопических изображений, и может быть использовано для получения стереоскопического изображения частиц дисперсной фазы.
Регистрация стереоскопического изображения группы объектов позволяет по степени их параллаксного смещения установить расстояния до них и получить информацию об их взаимном расположении в трехмерном пространстве. Для получения стереоскопического изображения необходимо произвести регистрацию изображений с двух ракурсов, разделенных пространственным интервалом - базой параллакса. Существуют различные методы создания стереопар. В большинстве случаев они сводятся к двум вариантам - регистрации изображения с помощью двух камер, либо регистрации изображения с помощью одной камеры с использованием стереоскопической насадки на ее объективе. При регистрации стереоскопического изображения распределения частиц вещества в дисперсных средах предъявляются особые требования к величине базы параллакса. При величине базы параллакса свыше некоторого порогового значения, зависящего от концентрации рассеивающих частиц в среде, происходит перемешивание практически идентичных точечных изображений частиц среды. Следовательно, идентификация парных точек на стереокадрах и восстановление трехмерного распределения частиц среды становятся крайне затруднительными. Поэтому, регистрацию стереоскопического изображения частиц в концентрированных дисперсных средах необходимо производить при малых базах параллакса. При этом в большинстве стреоскопических устройств минимальная база параллакса ограничена особенностями конструкции. Особенно эти ограничения существенны при необходимости регистрации стереоскопического изображения с помощью одной камеры.
Известен метод получения стереоскопического изображения, описанный в патенте US 8228373 В2, МПК H04N 13/02, 24.07.2012. В данном устройстве используются две цифровых камеры и делительная пластина. Благодаря сведению оптических осей камер на делительной пластине достигается возможность реализации сколь угодно малых баз параллакса.
Недостатком данного устройства является невозможность регистрации стереоскопического изображения на одном регистрирующем устройстве. Использование делительной пластины предполагает наличие двух отдельных регистрирующих устройств - по одному для каждого из кадров стереопары.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототип), является стереокамера, описанная в патенте ЕР 2779654 А2, МПК H04N 13/00; H04N 13/02, 17.09.2014. В данном устройстве используется насадка на объектив, состоящая из двух отражательных призм, работающих в качестве входных зеркал стереоскопической насадки, с помощью которых формируется два ракурса изображения и одной призмы перекрестного типа, работающей в качестве выходного зеркала стереоскопической насадки, необходимого для уменьшения расстояния между оптическими осями и согласования их с оптической системой объектива, в результате чего появляется возможность записи изображений на одно регистрирующее устройство, и формируются два ракурса стереоскопического изображения.
Недостатком этого прототипа является невозможность регистрации стереоскопического изображения с параллаксной базой, меньшей, чем диаметр входной апертуры объектива. Таким образом, данное устройство не может быть использовано для регистрации стереоскопического изображения частиц в концентрированной дисперсной среде.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью, является возможность регистрации стереоскопического изображения с параллаксной базой, меньшей, чем диаметр входной апертуры объектива. База параллакса может быть уменьшена до половины диаметра входной апертуры объектива.
Технический результат достигается тем, что устройство для регистрации стереоскопического изображения частиц дисперсной фазы, содержащее входное и выходное зеркало стереоскопической насадки, телеобъектив и регистрирующее устройство, содержит оптический компенсатор, толщина которого связана с базой параллакса соотношением
S=L⋅n/(n-1)
1
где S - толщина оптического компенсатора, n - показатель преломления материала оптического компенсатора, L - база параллакса, и коллимирующий объектив, при этом исследуемый объект, телеобъектив, коллимирующий объектив и регистрирующее устройство последовательно расположены на одной оптической оси, исследуемый объект, оптический компенсатор, центр входного зеркала стереоскопической насадки - расположены на первой прямой, составляющей с оптической осью угол α=l/L, где l - расстояние между исследуемым объектом и телеобъективом; рабочая плоскость входного зеркала стереоскопической насадки расположена к первой прямой под углом β=45°+α/2, рабочая плоскость выходного зеркала стереоскопической насадки расположена к оптической оси под углом 45°, расстояние между центрами входного и выходного зеркал стереоскопической насадки лежит в интервале от 5 до 20 см, центры входного и выходного зеркал стереоскопической насадки лежат на второй прямой, расположенной под углом 90° к оптической оси; расстояние l между исследуемым объектом и входным зеркалом стереоскопической насадки лежит в интервале от 150 до 500 см, расстояние х между телеобъективом и коллимирующим объективом определяется соотношением:
1
1
2
2
x=l⋅f/(l-f)+d⋅f/(d-f)
1
2
где f - фокусное расстояние телеобъектива, f - фокусное расстояние коллимирующего объектива, d - расстояние между коллимирующим объективом и плоскостью считывания регистрирующего устройства, при этом оптический компенсатор, входное и выходное зеркало стереоскопической насадки, телеобъектив, коллимирующий объектив и регистрирующее устройство закреплены на оптической плите.
На фиг. 1 приведена схема устройства для регистрации стереоскопического изображения частиц дисперсной фазы, где:
1 - исследуемый объект, 2 - оптический компенсатор, 3 - входное зеркало стереоскопической насадки, 4 - выходное зеркало стереоскопической насадки, 5 - телеобъектив, 6 - первое промежуточное изображение, 7 - второе промежуточное изображение, 8 - коллимирующий объектив, 9 - первое проецируемое изображение, 10 - второе проецируемое изображение, 11 - регистрирующее устройство, 12 - оптическая плита.
1
Устройство содержит оптический компенсатор 2, входное зеркало 3 и выходное зеркало 4 стереоскопической насадки, телеобъектив 5, формирующий первое промежуточное изображение 6 и второе промежуточное изображение 7 исследуемого объекта 1, коллимирующий объектив 8, формирующий первое проецируемое изображение 9 и второе проецируемое изображение 10 исследуемого объекта 1 в плоскости считывания регистрирующего устройства 11, регистрирующее устройство 11 и оптическую плиту 12, предназначенную для размещения всех элементов устройства. Толщина оптического компенсатора 2 связана с базой параллакса соотношением (1), при этом исследуемый объект 1, телеобъектив 5, коллимирующий объектив 8 и регистрирующее устройство 11 последовательно расположены на одной оптической оси, исследуемый объект 1, оптический компенсатор 2, входное зеркало 3 стереоскопической насадки - расположены на одной прямой, составляющей с оптической осью угол α=l/L, где l - расстояние между исследуемым объектом 1 и телеобъективом 5; рабочая плоскость входного зеркала 3 стереоскопической насадки расположена к данной прямой под углом β=45°+α/2, рабочая плоскость выходного зеркала 4 стереоскопической насадки расположена к оптической оси под углом 45°, экспериментально установлено, что расстояние между центрами входного 3 и выходного 4 зеркал стереоскопической насадки лежит в интервале от 5 до 20 см, центры входного 3 и выходного 4 зеркал стереоскопической насадки лежат на второй прямой, расположенной под углом 90° к оптической оси; экспериментально установлено, что расстояние l между исследуемым объектом 1 и телеобъективом 5, а также расстояние lмежду исследуемым объектом 1 и входным зеркалом 3 стереоскопической насадки лежат в интервале от 150 до 500 см, установленное оптимальное расстояние d между коллимирующим объективом 8 и плоскостью считывания регистрирующего устройства 11 лежит в интервале от 30 до 80 см, расстояние х между телеобъективом 5 и коллимирующим объективом 8 определяется соотношением (2).
Устройство работает следующим образом:
Лучи, идущие от исследуемого объекта 1, попадают в телеобъектив 5 по двум путям - напрямую, и через оптический компенсатор 2 и стереоскопическую насадку, состоящую из входного зеркала 3 и выходного зеркала 4. Во втором случае длина пути, проходимого светом, больше. Поэтому без использования компенсатора одно из изображений стереопары будет не в фокусе телеобъектива 5. Для компенсации этой разности и используется оптический компенсатор 2, в котором за счет преломления света изображение объекта смещается ближе к телеобъективу 5. Величина компенсации фокуса регулируется количеством элементов в компенсаторе 2. Смещение происходит за счет свойства плоскопараллельной пластины сдвигать изображение наблюдаемого сквозь нее предмета вдоль оптической оси навстречу наблюдателю. Сдвиг обусловлен преломлением расходящихся от исследуемого объекта лучей, и может быть вычислен по известной формуле:
где Δх - сдвиг изображения объекта вдоль оптической оси, S - толщина плоскопараллельной пластины, n - показатель преломления материала плоскопараллельной пластины.
Во избежание потерь интенсивности излучения, грани пластины просветляются многослойным диэлектрическим покрытием FMC. База параллакса определяется расстоянием между зеркалами 3 и 4. Поскольку расстояние до исследуемого объекта 1 много больше, чем база параллакса, разность оптических путей для лучей основного и бокового ракурса можно считать приблизительно равной базе параллакса. Тогда с учетом формулы (2) получаем, что необходимая толщина S оптического компенсатора связана с базой параллакса L соотношением (1).
Выходное зеркало 4 стереоскопической насадки заводит в телеобъектив 5 излучение, прошедшее через оптический компенсатор 2 и входное зеркало 3 стереоскопической насадки. Телеобъектив 5 формирует из данной части излучения второе промежуточное изображение 7, представляющее собой действительное уменьшенное изображение исследуемого объекта 1. Первое промежуточное изображение 6, представляющее собой промежуточное действительное уменьшенное изображение исследуемого объекта 1 формируется лучами, приходящими от исследуемого объекта 1 напрямую в телеобъектив 5. Коллимирующий объектив 8 проецирует первое промежуточное изображение 6 и второе промежуточное изображение 7 исследуемого объекта 1 в плоскость считывания регистрирующего устройства 11, формируя первое проецируемое изображение 9 и второе проецируемое изображение 10, представляющие собой увеличенное действительное изображение в плоскости считывания регистрирующего устройства 11. Все элементы конструкции располагаются на оптической плите 12.
Для оптимизации расстояний между компонентами и корректного выбора характеристик используемых компонентов, были проведены экспериментальные исследования разрешающей способности с помощью набора мир по методике, изложенной в ГОСТ 15114-78С. Последовательно проверялось влияние расстояния между компонентами и фокусного расстояния оптических компонентов, на разрешающую способность всей системы.
1
1
1
1
Экспериментально установлено, что оптимальное расстояние l между исследуемым объектом 1 и телеобъективом 5, а также оптимальное расстояние l между исследуемым объектом 1 и входным зеркалом 3 стереоскопической насадки лежат в интервале от 150 до 500 см. На расстояниях l и l, меньших 150 см, телеобъектив 5 не обеспечивает построения изображения надлежащего качества (разрешение падает до 63 пар линий на миллиметр). При расстояниях l и l более 500 см происходит падение разрешающий способности до 85 пар линий на миллиметр. При этом, в экспериментах наилучшие результаты по разрешению показывают длиннофокусные телеобъективы с переменным фокусным расстоянием f в интервале от 50 до 300 мм.
Расстояние между центрами входного и выходного зеркал стереоскопической насадки лежит в интервале от 5 до 20 см. В регистрируемых установкой средах расстояние между частицами составляет несколько десятков их диаметров. При расстоянии менее 5 см разность положений частиц в регистрируемой стереопаре становится слишком малым, что приводит к резкому возрастанию погрешности определения расстояния до них. При расстоянии более 20 см смещения частиц накладываются друг на друга, что делает невозможным восстановление информации об объемном их расположении.
С помощью объектива MDL-0550D с переменным фокусным расстоянием, было исследовано оптимальное фокусное расстояние для коллимирующего объектива 8. При росте фокусного расстояния наблюдается резкое падение разрешения. Экспериментально установлено, что оптимальное фокусное расстояние f2 лежит в интервале от 1 до 15 мм.
Эксперименты также показали, что регистрация 23-25 позиции миры №1 достигается, если между телеобъективом 5, и микрообъективом 8 расстояние х лежит в интервале от 5 до 8 см. В этом интервале разрешающая способность не испытывает заметных изменений. При расстоянии менее 5 см разрешающая способность падает настолько, что резкое изображение миры не формируется. При расстоянии более 8 см разрешение также ухудшается, при этом различимы позиции не далее 10-11.
Расстояние d между коллимирующим объективом 8 и плоскостью считывания регистрирующего устройства 11 определяется условиями обеспечения максимальной резкости и оптимальных размеров изображения в плоскости считывания регистрирующего устройства 11. Для максимального использования разрешения регистрирующего устройства 11, необходимо формировать изображение на всю ширину его фоточувствительной области (ПЗС-матрицы или фотокатода). Поскольку типовой размер такой области лежит в интервале 18-25 мм, оптимум расстояния d между коллимирующим объективом 8 и регистрирующим устройством 11, установленный экспериментально, лежит в интервале от 30 до 80 см.
1
2
В качестве оптического компенсатора 2 может быть использован набор цилиндров с плоскопараллельными торцами, изготовленными из стекла К8 с многослойным диэлектрическим покрытием FMC, входное зеркало 3 стереоскопической насадки и выходное 4 зеркало стереоскопической насадки могут быть реализованы как плоские алюминиевые зеркала на подложке из стекла К8, помещенные в оправы Standa. В качестве телеобъектива 5 может быть использован телеобъектив EF 70-200mm CANON, либо иной телеобъектив с фокусным расстоянием f, лежащим в интервале от 50 до 300 мм. В качестве коллимирующего объектива 8 можно использовать микрообъектив Olympus MPlan 10х с фокусным расстоянием f, равным 10,6 мм. Регистрирующее устройство 11 может состоять из ЭОПа производства ОАО «Катод» и регистрирующей камеры SDU-R205 производства ООО «Спецтелетехника». В качестве оптической плиты 12 может быть использована плита фирмы STANDA opto-mechanics.
1
Расстояние между l исследуемым объектом 1 и телеобъективом 5 обусловлено особенностями конструкции телеобъектива. Экспериментально установленное оптимальное расстояние лежит в интервале от 150 до 500 см. Расстояние d между коллимирующим объективом 8 и плоскостью считывания регистрирующего устройства 11 определяется условиями обеспечения максимальной резкости и оптимальных размеров изображения в плоскости считывания регистрирующего устройства 11. Экспериментально установлено, что оптимальное расстояние лежит в интервале от 30 до 80 см.
Расстояние между входным зеркалом 3 стереоскопической насадки и выходным зеркалом 4 стереоскопической насадки, определяющее базу параллакса, может варьироваться от нескольких диаметров входной апертуры до половины диаметра входной апертуры.
Таким образом, достигается технический результат т.е. возможность регистрации стереоскопического изображения с параллаксной базой, меньшей, чем диаметр входной апертуры объектива.