Устройство для хронографической регистрации оптического излучения

Полезная модель относится к области высокоскоростной фотосъемки при исследовании однократных быстропротекающих физических процессов с использованием скоростного фотохронографического регистратора с зеркальной разверткой.
В настоящее время для фотохронографической регистрации быстропротекающих процессов, сопровождающихся оптическим излучением, используют фотохронографы с зеркальной разверткой типа СФР, на фокальной поверхности которых расположен детектор, выполненный в виде преобразователя матричного типа оптического изображения в электрический сигнал.
Наиболее близким техническим решением к полезной модели (прототипом) является устройство для хронографической регистрации оптического излучения, описанное в патенте РФ №2485566, МПК G03B 39/02 и G04F 13/02, 20.06.2013.
Устройство содержит скоростной фотохронографический регистратор (СФР), в состав которого входят пульт управления и фотокамера с электромагнитным затвором, электрическим двигателем и датчиком положения зеркала, датчик меток времени, в состав которого входят источник модулированного оптического излучения и устройство ввода излучения, генератор импульсов оптического излучения с разветвителем, формирователь задержанного импульса, детектор оптического излучения, расположенный на фокальной поверхности фотокамеры, регистратор оптического излучения и персональный компьютер, информационный вход пульта управления соединен с выходом датчика положения зеркала, выходы соединены с управляющим входом исследуемого объекта, электрическим двигателем, электромагнитным затвором и источником модулированного оптического излучения, выход электромагнитного затвора соединен с информационным входом пульта управления, выход источника модулированного оптического излучения оптически соединен с входом устройства ввода излучения, управляющие входы формирователя задержанного импульса и регистратора оптического излучения соединены с информационными выходами пульта управления, управляющий вход генератора импульсов оптического излучения соединен с выходом формирователя задержанного импульса, оптический выход генератора импульсов оптического излучения с помощью разветвителя соединен с планкой, с источниками излучения, расположенной перпендикулярно оптической оси, проходящей через центры входного и выходного объективов фотокамеры и геометрический центр подвижного зеркала, детектор оптического излучения выполнен на базе ПЗС-матрицы, преобразующей оптическое изображение в электрический сигнал, выход детектора оптического излучения соединен с входом регистратора оптического излучения, выход регистратора оптического излучения соединен с входом персонального компьютера.
Недостатком прототипа является низкое качество регистрируемого изображения.
Изображение низкого качества или даже полная потеря информации могут быть получены из-за повторной засветки чувствительной поверхности детектора излучением, которое продолжает поступать в оптическую систему СФР на втором и следующих оборотах зеркала при неисправности электромагнитного затвора.
Техническим результатом полезной модели является улучшение качества регистрируемого изображения. Улучшение качества изображения происходит путем замены в устройстве детектора, выполненного на базе ПЗС-матрицы с полнокадровым переносом изображения, детектором, выполненным на базе КМОП-матрицы, обладающей функцией глобального электронного затвора с минимальным временем открытия 100 мкс, и исключения из состава устройства электромагнитного затвора.
Технический результат достигается тем, что устройство для хронографической регистрации оптического излучения, содержащее скоростной фотохронографический регистратор (СФР), в состав которого входят пульт управления и фотокамера с электрическим двигателем и датчиком положения зеркала, датчик меток времени, в состав которого входят источник модулированного оптического излучения и устройство ввода излучения, генератор импульсов оптического излучения с разветвителем, формирователь задержанного импульса, детектор оптического излучения, регистратор оптического излучения и персональный компьютер, информационный вход пульта управления соединен с выходом датчика положения зеркала, выходы пульта управления соединены с управляющим входом исследуемого объекта, электрическим двигателем и источником модулированного оптического излучения, выход источника модулированного оптического излучения оптически соединен с входом устройства ввода излучения, управляющие входы формирователя задержанного импульса и регистратора оптического излучения соединены с информационными выходами пульта управления, управляющий вход генератора импульсов оптического излучения соединен с выходом формирователя задержанного импульса, оптический выход генератора импульсов оптического излучения с помощью разветвителя соединен с планкой с источниками излучения, расположенной своей рабочей плоскостью перпендикулярно оптической оси фотокамеры, детектор оптического излучения расположен на фокальной поверхности фотокамеры СФР, выход детектора оптического излучения соединен с входом регистратора оптического излучения, выход регистратора оптического излучения соединен с входом персонального компьютера, детектор оптического излучения выполнен на базе КМОП-матрицы, которая обладает функцией глобального электронного затвора с минимальным временем срабатывания не более 100 мкс, управляющий выход и информационный вход пульта управления, предназначенные для управления электромагнитным затвором, соединены закороткой.
Структурная схема устройства для хронографической регистрации оптического излучения представлена на чертеже.
Принятые обозначения:
1 - исследуемый объект;
2 - планка с источниками излучения;
3 - фотокамера;
4 - входной объектив;
5 - плоскость промежуточных изображений источников излучения;
6 - детектор оптического излучения;
7 - выходной объектив;
8 - подвижное зеркало;
9 - электрический двигатель;
10 - датчик положения зеркала;
11 - устройство ввода излучения;
12 - источник модулированного оптического излучения;
13 - фокальная поверхность;
14 - пульт управления;
15 - генератор импульсов оптического излучения;
16 - персональный компьютер;
17 - формирователь задержанного импульса;
18 - разветвитель;
19 - регистратор оптического излучения;
20 - закоротка между управляющим выходом и информационным входом пульта управления, предназначенными для управления электромагнитным затвором.
Устройство содержит СФР, в состав которого входят пульт 14 управления и фотокамера 3, в качестве которой может быть использована фотокамера с зеркальной разверткой, используемая в различных модификациях устройств типа СФР, источник 12 модулированного оптического излучения с устройством 11 ввода излучения, детектор 6 оптического излучения, расположенный на фокальной поверхности 13 фотокамеры 3, регистратор 19 оптического излучения, персональный компьютер 16, формирователь 17 задержанного импульса, генератор 15 импульсов оптического излучения с разветвителем 18.
Фотокамера 3 содержит на одной оптической оси входной объектив 4 и выходной объектив 7, между которыми расположена плоскость 5 промежуточных изображений источников излучения, подвижное зеркало 8, расположенное между выходным объективом 7 и фокальной поверхностью 13, электрический двигатель 9 и датчик 10 положения зеркала.
Информационный вход пульта 14 управления соединен с выходом датчика 10 положения зеркала, выходы - с управляющим входом исследуемого объекта 1, электрическим двигателем 9, формирователем 17 задержанного импульса, источником 12 модулированного оптического излучения и регистратором 19 оптического излучения.
Выход детектора 6 оптического излучения соединен с входом регистратора 19 оптического излучения, выход которого соединен со входом персонального компьютера 16.
Выход формирователя 17 задержанного импульса соединен с входом генератора 15 импульсов оптического излучения, выход которого с помощью разветвителя 18 оптически соединен с планкой 2 с источниками излучения, которая расположена на одной оптической оси с входным объективом 4.
Управляющий выход и информационный вход пульта 14 управления, предназначенные для управления электромагнитным затвором, соединены закороткой 20, представляющей собой проводящий элемент или провод.
Устройство работает следующим образом.
Импульсное оптическое излучение, формируемое исследуемым объектом 1, передается в оптические волокна, расположенные в планке 2 в виде матрицы с определенным числом строк и столбцов, и принимается оптической системой фотокамеры 3, включающей объективы 4 и 7 и подвижное зеркало 8. Объектив 4 строит изображение планки 2 с источниками излучения в плоскости 5 промежуточного изображения, объектив 7 и зеркало 8 строят изображение планки 2 в окончательном виде на фокальной поверхности 13 фотокамеры 3, на которой располагается детектор 6, в случае вращения зеркала 8 данное изображение перемещается по поверхности детектора 6 и передает информацию в регистратор 19 оптического излучения, информация с которого считывается в персональный компьютер 16. При поступлении пускового электрического сигнала на вход регистратора 19 оптического излучения в КМОП-матрице детектора 6 оптического излучения открывается глобальный электронный затвор и регистрируется изображение исследуемого объекта 1; минимальное время открытия затвора не превышает 100 мкс, что значительно меньше времени, за которое подвижное зеркало 8 успевает сделать полный оборот и повторно засветить поверхность регистратора 19 оптического излучения.
Пульт 14 управления обеспечивает заданную скорость вращения зеркала 8, регулируя питание электродвигателя 9, для чего используются электрические сигналы, поступающие в пульт 14 от датчика 10 при каждом обороте зеркала 8. При достижении требуемой скорости вращения пульт 14 формирует на выходе одновременные электрические сигналы, один из которых поступает в исследуемый объект 1 и инициирует изучаемый физический процесс, второй приводит в состояние готовности регистратор 19, третий является пусковым для формирователя 17 задержанного импульса, четвертый запускает источник 12 модулированного оптического излучения, который оптически соединен со входом устройства 11 ввода излучения.
Соединение с помощью закоротки 20 управляющего выхода и информационного входа пульта 14 управления, предназначенных для управления электромагнитным затвором, имитирует открытие электромагнитного затвора, что необходимо для формирования в пульте 14 пускового сигнала, поступающего на вход формирователя 17.
При проверке функционирования устройства для хронографической регистрации оптического излучения импульсное оптическое излучение, формируемое исследуемым объектом 1, имитируется излучением, формируемым генератором 15 импульсов оптического излучения. При поступлении пускового сигнала с управляющего выхода пульта 14 управления на вход формирователя 17, на выходе формирователя 17 с задержкой, равной времени развития физического процесса в исследуемом объекте 1, формируется электрический сигнал, являющийся пусковым для генератора 15, который по этой команде формирует импульс оптического излучения и с помощью разветвителя 18, выполненного на базе оптоволокна, передает его в угловые точки матрицы источников излучения, находящихся в планке 2.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно улучшение качества регистрируемого изображения. Улучшение качества изображения происходит путем замены в устройстве детектора, выполненного на базе ПЗС-матрицы с полнокадровым переносом изображения, детектором, выполненным на базе КМОП-матрицы, обладающей функцией глобального электронного затвора с минимальным временем открытия 100 мкс, и исключения из состава устройства электромагнитного затвора.