Устройство для получения двух стереоскопических изображений малоразмерных объектов на одном цифровом кадре

Полезная модель относится к оптике, а именно к технике получения стереоскопических изображений, и может быть использована с целью измерения параметров малоразмерных объектов.
Параллаксная стереосъемка – техника, используемая для записи и восстановления объемных изображений. Использование двух фотографий, снятых с двух разнесённых в пространстве ракурсов, позволяет установить пространственное расположение объектов. Изображения регистрируемых объектов будут иметь различные смещения в зависимости от степени удалённости от регистраторов. Компьютерная обработка позволяет измерить степень смещения объектов на изображениях и локализовать регистрируемые объекты в пространстве, определить расстояние до них и трёхмерную форму их поверхности. При расчете величины расстояния до объекта учитывается разница положений исследуемого объекта на двух кадрах (диспаратность) и дополнительные технические характеристики, такие как фокусное расстояние и расстояние между точками обзора (параллаксный базис). Расчет позиции объекта осуществляется путем решения геометрической задачи об определении расстояния до удалённого объекта при обзоре его с двух точек с известным расстоянием между ними.
Существуют два основных пути получения стереоскопических изображений: с помощью регистрации изображения двумя регистраторами, расположенными в разных точках обзора, или с помощью стереоскопической насадки или других оптических устройств, формирующих два изображения объекта с разных точек обзора на одном регистраторе (см., например, Валюс Н., Стереоскопия. – М., Издательство академии наук, 1962. – C. 153–158). Первый вариант позволяет в рамках каждого регистратора максимально использовать его поле зрения и разрешающую способность для записи высококачественных стереокадров. Недостатком таких систем является значительное усложнение конструкции, необходимость прецизионной синхронизации и калибровки. Второй вариант значительно упрощает конструкцию устройства, позволяет существенно упростить синхронизацию и калибровку системы, однако поле зрения уменьшается при этом вдвое по сравнению с первым вариантом.
В настоящее время существуют устройства, в основе принципа которых лежит определение смещения двух изображений, полученных с пары камер, образующих параллаксный базис.
Известно устройство для регистрации стереоскопического изображения частиц дисперсной фазы, которое содержит входное и выходное зеркало стереоскопической насадки, телеобъектив и регистрирующее устройство, оптический компенсатор, благодаря которому компенсируется разность в длине пути двух изображений, в результате чего оба изображения оказываются в фокусе и обеспечивается возможность одновременной записи двух изображений на одно регистрирующее устройство. Патент РФ № 173575, МПК G02B 27/22, 31.08.2017.
Недостатком такой модели является то, что использование стеклянного компенсатора может породить хроматические аберрации.
Известно устройство для получения стереоскопических изображений малоразмерных объектов. Устройство содержит регистрирующие устройства и лазер подсветки, а также последовательно расположенные на первой оптической оси: первый телеобъектив, первый микрообъектив, первый фокусировочный экран, первое регистрирующее устройство; последовательно расположенные на второй оптической оси: второй телеобъектив, идентичный первому, второй микрообъектив, идентичный первому, второй фокусировочный экран, идентичный первому, второе регистрирующее устройство, идентичное первому; расположение элементов на первой и второй оптической оси симметрично относительно третьей оптической оси, при этом первая и вторая оптические оси параллельны и расстояние B между ними лежит в интервале от 20 до 50 см; расстояние между первым фокусировочным экраном и первым регистрирующим устройством, а также расстояние между вторым фокусировочным экраном и вторым регистрирующим устройством равны и лежат в интервале от 5 до 15 см, расстояния  между первым телеобъективом и первым микрообъективом, а также между вторым телеобъективом и вторым микрообъективом равны и определяются соотношением:
1
2
1
1
0
0
где f – фокусное расстояние телеобъективов, f – фокусное расстояние микрообъективов, d – расстояние между микрообъективами и фокусировочными экранами, l – расстояние от первого и второго телеобъективов до исследуемого объекта; при этом лазер подсветки находится от исследуемого объекта на расстоянии l, которое лежит в интервале от 250 до 600 см, лазер подсветки расположен на третьей оптической оси, параллельной первой и второй оптической оси, равноудалённой от них и лежащей с ними в одной плоскости; лазер подсветки содержит линзовую насадку, формирующую расходящийся пучок с углом расходимости β ≥ B/l, первый телеобъектив, первый микрообъектив, первый фокусировочный экран, первое регистрирующее устройство образуют первую регистрирующую систему с углом поля зрения α ≥ B/l, второй телеобъектив, второй микрообъектив, второй фокусировочный экран, второе регистрирующее устройство; образуют вторую регистрирующую систему с углом поля зрения α ≥ B/l, исследуемый объект располагается между первой и второй оптической осью, в области пространственного пересечения конуса поля зрения первой регистрирующей системы, конуса поля зрения второй регистрирующей системы и конуса лазерной подсветки; при этом лазер подсветки, первый телеобъектив, первый микрообъектив, первый фокусировочный экран, первое регистрирующее устройство, второй телеобъектив, второй микрообъектив, второй фокусировочный экран, второе регистрирующее устройство расположены на одной оптической плите. Патент РФ № 173576, МПК G03B 35/08, 31.08.2017. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком данного устройства является невозможность регистрации двух ракурсов стереоизображения с помощью одной камеры.
Техническим результатом является возможность регистрации двух ракурсов стереоизображения с помощью одной камеры.
Технический результат достигается тем, что устройство для получения двух стереоскопических изображений малоразмерных объектов на одном цифровом кадре, содержащее последовательно расположенные на первой оптической оси: первый телеобъектив, первый микрообъектив; последовательно расположенные на второй оптической оси: второй телеобъектив, идентичный первому, второй микрообъектив, идентичный первому, содержит зеркальную призму, первое и второе поворотные зеркала; а также устройство содержит последовательно расположенные на третьей оптической оси: лазер подсветки, фокусировочный экран и регистрирующее устройство, взаимное расположение элементов на первой и второй оптической оси симметрично относительно третьей оптической оси, при этом первая и вторая оптические оси параллельны и расстояние B между первой и второй оптической осью лежит в интервале от 20 до 50 см; центры отражающих поверхностей первого и второго поворотных зеркал и центры первой и второй отражающей грани зеркальной призмы лежат на четвёртой оптической оси, перпендикулярной к первой, второй и третьей оптическим осям, причем отражающие поверхности первого и второго поворотных зеркал параллельны к первой и второй отражающим граням зеркальной призмы соответственно, а также отражающие поверхности первого и второго поворотных зеркал развернуты соответственно к первой и второй отражающим граням зеркальной призмы соответственно, первая и вторая оптические оси пересекают, соответственно, центры отражающих поверхностей первого и второго поворотных зеркал; третья оптическая ось пересекает середину основания и вершину зеркальной призмы, расстояние b между задней поверхностью фокусировочного экрана и центром входной апертуры регистрирующего устройства лежит в интервале от 5 до 15 см, расстояние a между центром выходной апертуры первого микрообъектива и центром первого зеркала, центром выходной апертуры второго микрообъектива и центром второго зеркала лежат в интервале 20–30 см, расстояние e между центром первого поворотного зеркала и центром первой отражающей грани зеркальной призмы и расстояние между центром второго поворотного зеркала и центром второй отражающей грани зеркальной призмы равны и лежат в интервале 15–20 см, расстояния c между центром первой отражающей грани зеркальной призмы и передней поверхностью фокусировочного экрана, и расстояния между центром второй отражающей грани зеркальной призмы и передней поверхностью фокусировочного экрана равны и лежат в интервале 15–20 см, расстояния  между центром входной апертуры первого телеобъектива и центром входной апертуры первого микрообъектива, а также между центром входной апертуры второго телеобъектива и центром входной апертуры второго микрообъектива равны и определяются соотношением:
1
2
2
1
1
0
0
где f – фокусное расстояние телеобъективов, которое лежит в интервале от 50 до 300 мм, f – фокусное расстояние микрообъективов, причем фокусное расстояние f лежит в интервале от 1 до 15 мм, d = a + c + e; l – расстояние от центров входной апертуры первого и второго телеобъективов до исследуемого объекта, которое лежит в интервале 150–500 см; при этом выходная апертура лазера подсветки находится от исследуемого объекта на расстоянии l, которое лежит в интервале от 250 до 600 см, лазер подсветки содержит линзовую насадку, формирующую расходящийся пучок с углом расходимости β ≥ B/l, первый телеобъектив, первый микрообъектив, первое зеркало, первая отражающая грань призмы образуют первый канал стереосистемы с углом поля зрения α ≥ B/l, второй телеобъектив, второй микрообъектив, второе зеркало, вторая отражающая грань призмы образуют второй канал стереосистемы с углом поля зрения α ≥ B/l, исследуемый объект располагается между первой и второй оптической осью, в области пространственного пересечения конуса поля зрения первого канала стереосистемы, конуса поля зрения второго канала стереосистемы и конуса лазерной подсветки; при этом лазер подсветки, первый телеобъектив, первый микрообъектив, первое поворотное зеркало, зеркальная призма, второй телеобъектив, второй микрообъектив, второе поворотное зеркало, фокусировочный экран и регистрирующее устройство расположены на одной оптической плите.
На чертеже приведена схема устройства для регистрации стереоскопического изображения частиц, где 1 – исследуемый объект, 2 –первый телеобъектив, 3 – второй телеобъектив, 4 – первое промежуточное изображение, 5 – второе промежуточное изображение, 6 – первый микрообъектив, 7 – второй микрообъектив, 8 – лазер подсветки, 9 – первое поворотное зеркало, 10 – второе поворотное зеркало, 11 – зеркальная призма, 12 – третье промежуточное изображение, 13 – четвертое промежуточное изображение, 14 – фокусировочный экран, 15 – регистрирующее устройство, 16 – оптическая плита.
1
Устройство содержит зеркальную призму 11, первое 9 и второе 10 поворотные зеркала; последовательно расположенные на первой оптической оси: первый телеобъектив 2, формирующий первое промежуточное изображение 4, первый микрообъектив 6, формирующий третье промежуточное изображение 12 исследуемого объекта 1 и проецирующий его в плоскость фокусировочного экрана 14 с помощью первого поворотного зеркала 9 и зеркальной призмы 11, после чего третье промежуточное изображение 12 считывается регистрирующим устройством 15; последовательно расположенные на второй оптической оси: второй телеобъектив 3, идентичный первому 2, формирующий второе промежуточное изображение 5, второй микрообъектив 7, идентичный первому 6, формирующий четвертое промежуточное изображение 13 исследуемого объекта 1 и проецирующий его в плоскость фокусировочного экрана 14 с помощью второго поворотного зеркала 10 и зеркальной призмы 11, после чего четвертое промежуточное изображение 13 считывается регистрирующим устройством 15. Взаимное расположение элементов на первой и второй оптической оси симметрично относительно третьей оптической оси, при этом первая и вторая оптические оси параллельны и расстояние B между ними лежит в интервале от 20 до 50 см. В пределах данного интервала для исследуемого объекта 1 обеспечивается достаточная разница двух ракурсов изображения, при этом области регистрации первого и второго канала перекрываются. Исследуемый объект 1, лазер подсветки 8, фокусировочный экран 14, регистрирующее устройство 15 находятся на третьей оптической оси, параллельной первой и второй оптической оси, равноудаленной от них и лежащей с ними в одной плоскости. Центры отражающих поверхностей первого 9 и второго 10 поворотных зеркал и центры первой и второй отражающей грани зеркальной призмы 11 лежат на четвёртой оптической оси, перпендикулярной к первой, второй и третьей оптической оси. Экспериментально установлено, что расстояние a между центром выходной апертуры первого микрообъектива 6 и центром первого зеркала 9, центром выходной апертуры второго микрообъектива 7 и центром второго зеркала 10 лежат в интервале 20-30 см. Верхний предел расстояния обусловлен размерами оптической плиты 16, нижний предел ограничен необходимостью обеспечения доступа к элементам оптической системы. Экспериментально установлено, что расстояние e между центром первого поворотного зеркала 9 и центром первой отражающей грани зеркальной призмы 11 и расстояние между центром второго поворотного зеркала 10 и центром второй отражающей грани зеркальной призмы 11 равны и лежат в интервале 15-20 см. Верхний предел расстояния обусловлен размерами оптической плиты 16, нижний предел ограничен необходимостью обеспечения доступа к элементам оптической системы. Экспериментально установлено, что расстояния c между центром первой отражающей грани зеркальной призмы 11 и передней поверхностью фокусировочного экрана 14, и расстояние между центром второй отражающей грани зеркальной призмы 11 и передней поверхностью фокусировочного экрана 14 равны и лежат в интервале 15-20 см. Верхний предел расстояния обусловлен необходимостью согласования размера изображения на фокусировочном экране 14 с угловым полем зрения регистрирующего устройства 15, нижний предел ограничен необходимостью обеспечения доступа к элементам оптической системы. Все элементы расположены на оптической плите 16. Выходная апертура лазера 8 подсветки находится на расстоянии l от 250 до 600 см от исследуемого объекта 1, положение лазера 8 в указанном интервале определяется размером оптической плиты 16.
Устройство работает следующим образом.
Лучи от лазера подсветки 8 освещают площадь поверхности исследуемого объекта 1, отразившись от которого, попадают в первый телеобъектив 2 и второй телеобъектив 3, и формируют соответственно первое промежуточное изображение 4 и второе промежуточное изображение 5, представляющие собой уменьшенное перевёрнутое изображение двух ракурсов объекта 1. Первый микрообъектив 6 проецирует первое промежуточное изображение 4 в плоскость фокусировочного экрана 14 с помощью первого поворотного зеркала 9 и зеркальной призмы 11, второй микрообъектив 7 проецирует второе промежуточное изображение 5 в плоскость фокусировочного экрана 14 с помощью второго поворотного зеркала 10 и зеркальной призмы 11, в результате чего в плоскости фокусировочного экрана 14 появляются третье промежуточное изображение 12 и четвертое промежуточное изображение 13, затем третье 12 и четвертое 13 промежуточные изображения считываются регистрирующим устройством 15, все элементы располагаются на оптической плите 16.
1
Экспериментально установлено, что оптимальное расстояние  между исследуемым объектом 1 и центрами входной апертуры телеобъективов 2 и 3, лежит в интервале от 150 до 500 см. На расстояниях  меньших 150 см, телеобъективы 2 и 3 не обеспечивают построения изображения надлежащего качества (разрешение падает до 63 пар линий на миллиметр). При расстояниях  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.
2
Оптимальное фокусное расстояние для микрообъективов 6 и 7 было исследовано экспериментально путём применения в схеме микрообъективов 6 и 7 с различным фокусным расстоянием. При росте фокусного расстояния наблюдается резкое падение разрешения. Экспериментально установлено, что оптимальное фокусное расстояние f лежит в интервале от 1 до 15 мм.
Эксперименты также показали, что регистрация 23–25 позиции миры № 1 достигается, если между центром входной апертуры первого телеобъектива 2 и центром входной апертуры первого микрообъектива 6, а также между центром входной апертуры второго телеобъектива 3 и центром входной апертуры второго микрообъектива 7 расстояние x, определяемое формулой 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 не далее 10–11 позиции миры № 1. Расстояние  между центром выходной апертуры первого микрообъектива 6 и центром первого поворотного зеркала 9, центром выходной апертуры второго микрообъектива 7 и центром второго поворотного зеркала 10 определяется условиями обеспечения максимальной резкости и оптимальных размеров изображения на фокусировочном экране. Для максимального использования разрешения регистрирующего устройства 15, необходимо формировать изображение на всю ширину поля зрения регистрирующего устройства 15 в области фокусировочного экрана 14. Оптимум расстояния d = a + c + e, установленный экспериментально, лежит в интервале от 30 до 80 см. При меньшем расстоянии ухудшается разрешение за счёт уменьшения размера изображения, при большем – происходит снижение углового поля зрения.
Расстояние b между между задней поверхностью фокусировочного экрана 14 и центром входной апертуры регистрирующего устройства 15 обусловлено необходимостью максимального светосбора с фокусировочного экрана 14 при сохранении разрешающей способности. Экспериментально установленный оптимум лежит в интервале 5–15 см.
1
2,
В качестве лазера подсветки 8 может быть использован лазер DTL-419QT (длина волны 532 нм, длительность импульса 10 нс), в качестве первого телеобъектива 2 и второго телеобъектива 3 может быть использован телеобъектив EF 70–200mm CANON, либо другой телеобъектив с фокусным расстоянием f, лежащим в интервале от 50 до 300 мм. В качестве первого микрообъектива 6 и второго микрообъектива 7 можно использовать микрообъектив Olympus MPlan 10x с фокусным расстоянием fравным 10,6 мм. В качестве первого и второго зеркал 9, 10 могут быть использованы зеркала с алюминиевым покрытием 14АМ-1 фирмы STANDA opto-mechanics. В качестве зеркальной призмы 11 можно использовать прямую треугольную зеркальную призму MRA03-G01 фирмы Thorlabs. В качестве фокусировочного экрана 14 можно использовать фокусировочные экраны Canon EG-A. В качестве регистрирующего устройства 15 можно использовать камеру SDU-R205 производства ООО «Спецтелетехника». В качестве оптической плиты 16 может быть использована плита фирмы STANDA opto-mechanics.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно возможность регистрации двух ракурсов стереоизображения с помощью одной камеры.