УСТРОЙСТВО ФИКСАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПОЗИЦИИ
DEVICE FOR FIXING A LONG EXPOSURE IMAGE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области фиксации изображений, требующих длительной экспозиции, например, при фотографировании слабосветящихся объектов.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Существует несколько областей, в которых фиксация изображения требует длительной экспозиции. Например, в астрономии для получения изображений требуются до сотен секунд выдержки. Большая длительность выдержки требуется и в микроскопии. В частности, во флуоресцентной микроскопии (fluorescence microscopy) при съемке слабо флуоресцирующих объектов используются экспозиции продолжительностью в единицы и десятки секунд.
Фиксация изображений слабосветящихся объектов в настоящее время производится с помощью фоточувствительных матриц, в частности, выполненных на основе ПЗС-технологии. Особенность фоточувствительных матриц как электронных приборов заключается в том, что в процессе экспозиции происходит накопление заряда. После прекращения режима накопления происходит обнуление накопленного заряда. Повторная экспозиция даже после короткого перерыва означает начало накопления заряда с исходного уровня, поэтому работа фоточувствительной матрицы во всей длительности экспозиции не должна прерываться.
При длительной экспозиции возникает опасность воздействия помех на получаемое изображение.
При этом помехи могут иметь разную природу. Это могут быть сотрясания (вибрация) устройства фиксации изображения, оптического прибора из-за сотрясений грунта, например, при землетрясениях. Это могут быть помехи в виде световой засветки, например, из-за импульсных источников освящения или пролетающих в зоне наблюдения телескопа спутников, которые являются яркими объектами.
При этом основной затвор таких оптических приборов при отстройке от указанных помех не может помочь. Он, как правило, не является быстро реагирующим затвором и предназначен для открывания и закрывания блока фиксации изображения в начале и конце съемки. Как сказано ранее, прерывать работу светочувствительной матрицы, чтобы отстроится от помех, не представляется возможным, так как теряется накопленный заряд изображения.
Проведенные заявителем исследования не выявили источников, которые бы содержали решения поставленной задачи. При этом известны следующие решения.
В патенте RU 266290 публ. 31.07.2018, МПК G02B 23/00 раскрыт способ борьбы с засветкой астрономических приборов светом уличных осветительных приборов, который включает разделение периодов работы осветительных приборов и астрономических приборов по времени. Формируют импульсный световой поток осветительных приборов с частотой в диапазоне 300-1000 Гц и скважностью в диапазоне 2-10, а перекрытие светового потока в светочувствительную матрицу астрономического прибора осуществляют в импульсном режиме с синхронизацией по частоте и в противофазе с частотой сформированного светового потока.
В патенте RU 93005699 «Устройство для защиты фотоприемника от световых помех» публ. 27.01.1995, МПК G01J 1/44 содержит объектив, за которым по ходу светового пучка установлен светоделитель, обеспечивающий работу двух оптических каналов с установленными в них фотоприемниками. Отличие от известного устройства заключается в том, что в одном из каналов между светоделителем и фотоприемником установлен оптический элемент с переменным коэффициентом затухания, имеющий сетку координат, выполненную из управляющих электродов. В другом канале между светоделителем и фотоприемником установлен нейтральный светофильтр, а фотоприемник подключен к процессору через устройство сопряжения. К этому процессору также подключен блок управления, соединенный с оптическим элементом с переменным коэффициентом затухания. Устройство может быть использовано в различных областях науки и техники: авиации, астрономии, геодезии, навигации и т.д.
В полезной модели UA 68352U, публ. 26. 03.2012, МПК G02B-023/00 переносной лазерный телескоп приемного канала для определения местоположения искусственных спутников содержит диафрагму, первую собирающую линзу, интерференционный фильтр, вторую собирающую линзу, затвор пропеллерного типа и фотоумножитель, которые соединены оптически. Между интерференционным фильтром и второй собирающей линзой находится диск с четырьмя нейтральными фильтрами, который соединен с дисковым поворотным механизмом и датчиком положения, причем нейтральные фильтры выбираются с коэффициентами пропускания 25%, 50%, 75%, 100%.
Известен патент RU 2042155 «Устройство для обнаружения объекта на фоне звезд» публ. 20.08.1995, МПК G01S 17/00, например, геостационарных искусственных спутников Земли. Устройство содержит приемный телескоп, пространственно-временной модулятор света с блоком управления, источник когерентного излучения, оптически связанные поляризационный светоделитель, объектив и передающую телевизионную камеру, последовательно соединенные устройство сравнения, пороговое устройство и видеоконтрольное устройство, а также блок управления и вычисления. Дополнительно введен электрооптический затвор с блоком управления режимами работы, расположенный между источником когерентного излучения и поляризационным светоделителем, а пространственно-временной модулятор света выполнен в виде электронно-оптического преобразователя с последовательно нанесенными первым прозрачным электродом, диэлектрическим зеркалом, фоторефрактивным кристаллом и вторым прозрачным электродом.
Приведенные решения не могут решить задачу обеспечения работы устройства фиксации изображения длительной экспозиции в присутствии помех без прерывания фиксации изображения.
Техническим результатом изобретения является обеспечение работы устройства фиксации изображения длительной экспозиции в присутствии различных помех без прерывания фиксации изображения.
Устройство фиксации изображения длительной экспозиции содержит блок формирования изображения, блок фиксации изображения и затвор. В устройство включен дополнительный затвор, соединенный через блок управления, по меньшей мере, с одним датчиком помех.
Кроме того, дополнительный затвор может быть установлен между блоком формирования изображения и блоком фиксации изображения
Помимо этого, дополнительный затвор может быть установлен внутри блока формирования изображения.
Дополнительный затвор также может быть установлен перед блоком формирования изображения.
Кроме этого, дополнительный затвор выполнен быстродействующим.
В частности, датчик помех может быть выполнен в виде датчика вибраций.
Помимо этого, датчик помех может быть выполнен в виде датчика слежения за объектами, способными внести искажения в изображение.
Кроме того, датчик помех может быть выполнен в виде датчика синхронизации с импульсными источниками света.
В частности, блок управления может быть выполнен с возможностью управления как дополнительным затвором, так и основным затвором.
Приведенные примеры датчиков помех не исчерпывают все варианты осуществления данного устройства. Могут быть и другие помехи, при воздействии которых потребуется перекрывать дополнительный затвор.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлена схема устройства фиксации изображения длительной экспозиции с дополнительным затвором.
На Фиг.2 представлен рисунок, поясняющий работу дополнительного затвора, установленного на телескопе.
На Фиг. 3 представлена блок-схема управления дополнительным затвором от датчиков помех на примере телескопа.
На Фиг. 4 представлена схема устройства фиксации изображения длительной экспозиции, в которой блок управления управляет основным, дополнительным затворами и блоком фиксации изображения.
На Фиг. 5 представлена временная диаграмма функционирования устройства с дополнительным затвором.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство фиксации изображения длительной экспозиции (Фиг. 1), содержит блок формирования изображения 1, например, объектив, блок фиксации изображения 2, например, сенсор, и затвор 3, который является основным затвором, обеспечивающим начало времени экспозиции и окончание времени экспозиции в блоке фиксации изображения 2. Блок фиксации 2 может быть выполнен на основе фоточувствительных матриц, в частности, выполненных на основе ПЗС-технологии.
Как правило, в устройствах фиксации изображения длительной экспозиции основные затворы 3 - это электронные, механические, электромеханические или электронно-оптические затворы, которые выполняются как затворы с низким быстродействием (например, затворы шторного типа), чтобы исключить негативное влияние на работу устройства фиксации изображения вибраций, электромагнитного излучения, тепла и других негативных воздействий, которые присущи устройствам с высоким быстродействием. Либо это электронные затворы, встроенные в устройство фиксации длительной экспозиции, переход которых в закрытое состояние означает не только перекрытие входного потока электромагнитной энергии, падающей на фоточувствительную матрицу, но и прекращение режима накопления этой энергии с последующим обнулением накопленной энергии.
Устройство длительной экспозиции по изобретению содержит также дополнительный затвор 4, который соединен через блок управления 5 с датчиками помех 6. При этом дополнительный затвор 4 может быть размещен в любом месте перед блоком фиксации изображения 2. Например, он может быть размещен перед блоком формирования изображения 1 (объективом), встроен в блок формирования изображения 1, или установлен после него. В частности, он должен быть установлен на расстоянии от блока фиксации изображения 2 с тем, чтобы механические колебания дополнительного затвора 4, излучаемые им тепловая и электромагнитная энергия не оказывали на блок фиксации изображения 2 существенного негативного влияния.
Устройства фиксации изображения длительной экспозиции применяются прежде всего в тех областях, где требуется фиксировать электромагнитное излучение, в частности, светового диапазона от слабоизлучающих объектов. К таким областям относится астрономия, съемка изображений под микроскопом (микроскопия), в частности, флуоресцентная микроскопия.
На Фиг. 3 приведен пример выполнения блока управления 5 дополнительным затвором 4 с датчиками помех 6 для телескопа 12. Рисунок, поясняющий данный пример применения, приведен на Фиг. 2. Известны ситуации, когда помехой при фиксации изображения на камеру, установленную на телескопе 12, становятся искусственные спутники 14 Земли, оказавшиеся в кадре, либо световые импульсы систем наружного освещения импульсного типа 15 (например, системы, описанной в упомянутом патенте RU 266290), либо когда сейсмическая волна 13 от землетрясения на короткое время нарушает устойчивость телескопа 12 и блока фиксации изображения 2 (сенсора) и вызывает смещение проекции изображения космических объектов на блоке фиксации изображения телескопа.
Дополнительный затвор 4 с целью снижения потерь экспозиции при переключениях и быстрой реакции на появление внезапных и кратковременных помех должен быть быстродействующим, то есть, в частности, обладающим способностью многократно переключаться из открытого состояния в закрытое и обратно за несколько миллисекунд и менее, и может быть выполнен в виде механического или электромеханического устройства (шторка, лепестковый затвор, вращающийся обтюратор и т.п.), либо в виде электронно-оптического устройства (оптическая перегородка на жидких кристаллах и т.п.), либо в другом виде.
Датчик 8 помех сейсмических колебаний, как и колебаний опоры любого прибора, например, микроскопа, от других причин, может быть выполнен в виде датчика вибраций. Датчик 11 ветровой нагрузки также может быть выполнен в виде датчика вибраций.
Датчик 9 помех от свечения пролетающих спутников может быть выполнен в виде датчика слежения за объектами.
Датчик 10 помех в виде засветки от импульсных источников света может быть выполнен в виде датчика синхронизации с импульсными источниками света.
Блок управления 7 (блок управления затворами и блоком фиксации изображения) (Фиг. 4) может быть выполнен с возможностью управления как дополнительным затвором 4, основным затвором так и сенсором блока 2 фиксации изображения. В этом случае он управляет всеми включениями и выключениями блока фиксации изображения 2.
Основной затвор 3 также может быть выполнен как электронный ключ, встроенный в светочувствительную матрицу, при этом включение и выключение матрицы представляет собой по сути одновременно и включение/выключение матрицы, и включение/выключение основного затвора.
Устройство фиксации изображения длительной экспозиции по схеме, показанной на Фиг. 1, работает следующим образом:
Изначально дополнительный затвор 4 находится в открытом состоянии. Это продолжается до момента, когда поступит команда от какого-либо из датчиков помех (8, 9, 10, 11).
Далее включается фоточувствительная матрица блока фиксации изображения 2 (Фиг. 2, Фиг. 4, Фиг. 5). Далее фоточувствительная матрица не будет выключаться все время работы устройства фиксации изображения даже при воздействии на устройство внешних помех. Как уже было сказано, выключение матрицы приводит к потере накопленной световой энергии, и процесс приходится начинать сначала. Затем начинается процесс фиксации изображения путем открытия основного затвора 3 на время Т (Фиг. 5, А). Основной затвор 3 в таких устройствах, как правило, не является быстродействующим. В случае возникновения какой-либо помехи срабатывает соответствующий датчик, например, датчик 8 сейсмических колебаний (Фиг. 5, Б), датчик 9 слежения за спутниками (Фиг. 5, В), датчик 10 системы наружного освещения (Фиг. 5, Г). При срабатывании любого из этих датчиков открытый дополнительный затвор 4 закрывается (Фиг. 5, Д) и препятствует поступлению засвеченного или смещенного изображения. Фоточувствительная матрица блока фиксации изображения 2 остается включенной. Основной затвор 3 продолжает находиться в открытом состоянии. Далее, по окончании действия помехи, соответствующий датчик помехи (блок 8, 9 или 10) отправляет сигнал в блок управления 5, который формирует команду на открытие дополнительного затвора 4. Дополнительный затвор 4 открывается, в этот момент экспозиция возобновляется до момента возникновения следующей помехи, то есть до поступления очередной команды на закрытие от блока управления 5. Основной затвор 3 остается в открытом состоянии до окончания экспозиции независимо от действия помех.
На (Фиг. 5, Е) показан длительный процесс накопления заряда светочувствительной матрицы блока фиксации изображения 2 слабосветящегося объекта. Кривая 16 показывает процесс накопления заряда фоточувствительной матрицы при постоянном свечении объекта, который фотографируют, и при наличии помех, свечение которых отсекается. На кривой 17 показан случай, когда никаких помех нет, и накопление идет непрерывно. Из сравнения этих кривых 16 и 17 видно, что при наличии помех процесс накопления заряда светочувствительной матрицы при постоянном свечении объекта, который фотографируют, требует большего времени.
В реализации устройства по схеме, показанной на Фиг. 4, возникает возможность компенсировать время, потерянное на выключение дополнительного затвора 4 при воздействии каких-либо помех, для выполнения нужной экспозиции и получения изображения необходимого качества. В этом случае блок датчиков помех 6 соединен с блоком управления 7 устройства фиксации изображения длительной экспозиции 2, который одновременно является блоком управления затворами, и передает на блок управления 7 сигнал, содержащий информацию о времени перекрытия дополнительного затвора 4. В результате с помощью блока управления 7 можно увеличить время экспозиции блока фиксации изображения 2, компенсируя таким образом потери времени экспозиции в ходе перекрытия дополнительного затвора 4.
комп
Чтобы качество съемки данного кадра не ухудшилось, необходимо увеличить время экспозиции на величину Т, равную сумме (Т1+Т2+Т3+…), где Т1, Т2 и Т3 отрезки времени, на которые срабатывает дополнительный затвор 4 при воздействии помех.
комп
Блок управления 7 по схеме, показанной на Фиг. 4, увеличивает время Т - время открытия основного затвора 3 на длительность Т. При такой реализации блок управления 7 может управлять и блоком фиксации изображения 2.
В микроскопии, кроме датчика помех от вибрации устройства, может быть применен датчик помех от включенного случайно освещения, который по сути является датчиком синхронизации с освещением.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Изобретение может быть реализовано в уже имеющихся на рынке устройствах, так и во вновь создаваемых устройствах.