Устройство для получения стереоскопических изображений быстропротекающих процессов

Полезная модель относится к оптике, а именно к технике получения стереоскопических изображений, и может быть использована с целью трёхмерной фоторегистрации быстропротекающих процессов.
Параллаксная стереосъемка – техника регистрации объемных изображений различных объектов. Использование двух изображений, зарегистрированных с двух разнесённых в пространстве точек обзора, 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.
Быстропротекающие процессы, например горение и взрыв, могут сопровождаться изменениями в положении и состоянии регистрируемых объектов, происходящими за времена порядка единиц или десятков наносекунд. Скорость отдельных объектов в таких процессах как правило лежит в интервале от 1 до 5 км/с. Для регистрации процесса с разрешением деталей не хуже 50 мкм необходимо, чтобы за время экспозиции элементы объекта переместились на длину не более 50 мкм. При движении объектов со скоростью 5 км/с необходимая экспозиция составляет 10 нс. Однако временное разрешение при регистрации быстропротекающих процессов ограничено временем экспозиции кадра регистрирующего устройства. Для большинства цифровых матриц минимальное время экспозиции составляет несколько микросекунд. При более коротких экспозициях, обеспечиваемых с помощью электрооптических и акустооптических затворов, возникает также проблема недостаточного светосбора. Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) регистрируют изображение в течение времени подачи высоковольтного электрического импульса и усиливают интенсивность входящего сигнала с помощью специального элемента – микроканальной пластины. Использование электронно-оптических преобразователей для регистрации быстропротекающих процессов позволяет, с одной стороны, обеспечить наносекундные времена экспозиции, а с другой стороны, усилить яркость регистрируемого изображения.
Известно устройство, состоящее из стереоскопической насадки, содержащей четыре призмы, благодаря чему появляется возможность записи изображения на одно регистрирующее устройство, объектива, ЭОП с электромагнитной фокусировкой, фотоаппарата. Статья «Стереофотография с помощью электронно-оптического преобразователя» (В. М. Курбатов, Г. Н. Павлыгин – Научные труды. Электронно-оптические преобразователи и их применение в науке и технике. – М.: ВНИИОФИ, 1972. – С. 218–220).
Недостатком данного устройства является регистрация изображения на фотоплёнку, что существенно усложняет обработку стереокадров. Для автоматизированной обработки необходима дополнительная процедура оцифровки фотоплёнки.
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 обеспечения экспозиции порядка 10 нс при регистрации стереопары.
Техническим результатом является возможность обеспечения экспозиции порядка 10 нс при регистрации стереопары.
Технический результат достигается тем, что устройство для получения стереоскопических изображений быстропротекающих процессов, содержащее последовательно расположенные на первой оптической оси: первый телеобъектив, первый микрообъектив, первое регистрирующее устройство; последовательно расположенные на второй оптической оси: второй телеобъектив, идентичный первому, второй микрообъектив, идентичный первому, второе регистрирующее устройство, идентичное первому; содержит первый и второй ЭОП, расположенные соответственно между первым микрообъективом и первым регистрирующим устройством на первой оптической оси и между вторым микрообъективом и вторым регистрирующим устройством на второй оптической оси, расположение элементов на первой и второй оптических осях 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, лазер подсветки находится на третьей оптической оси, параллельной первой и второй оптической оси, равноудалённой от них и лежащей с ними в одной плоскости; при этом экраны ЭОП расположены в предметной плоскости регистрирующих устройств, расстояния d между центром выходной апертуры первого микрообъектива и фотокатодом первого ЭОП, а также расстояние между центром выходной апертуры второго микрообъектива и фотокатодом второго ЭОП равны и лежат в интервале от 50 до 80 см, расстояния x между центром выходной апертуры первого телеобъектива и центром входной апертуры первого микрообъектива, а также между центром выходной апертуры второго телеобъектива и центром входной апертуры второго микрообъектива равны и удовлетворяют соотношению:
1
1
2
2
1
1
0
0
где f – фокусное расстояние телеобъектива, f лежит в интервале от 50 до 300 мм, f – фокусное расстояние микрообъектива, f лежит в интервале от 1 до 15 мм, l – расстояние от входной апертуры первого и второго телеобъективов до исследуемого объекта, d – расстояние между центром выходной апертуры первого микрообъектива и фотокатодом первого ЭОП, а также расстояние между центром выходной апертуры второго микрообъектива и фотокатодом второго ЭОП; расстояния b между плоскостью экрана первого ЭОП и центром входной апертуры первого регистрирующего устройства, а также расстояние между плоскостью экрана второго ЭОП и центром входной апертуры второго регистрирующего устройства равны и лежат в интервале от 5 до 15 см, расстояние l от центров входной апертуры первого и второго телеобъективов до исследуемого объекта лежит в интервале от 150 до 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, первый ЭОП, первое регистрирующее устройство образуют первую регистрирующую систему с углом поля зрения α ≥ B/l, второй телеобъектив, второй микрообъектив, второй ЭОП, 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 области регистрации первой и второй регистрирующих систем перекрываются; лазер подсветки, первый телеобъектив, первый микрообъектив, первый ЭОП, первое регистрирующее устройство, второй телеобъектив, второй микрообъектив, второй ЭОП, второе 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 – третье промежуточное изображение, 9 – четвёртое промежуточное изображение, 10 – первый ЭОП, 11 - второй ЭОП, 12 – пятое промежуточное изображение, 13 – шестое промежуточное изображение 14 – первое регистрирующее устройство, 15 – второе регистрирующее устройство, 16 – лазер подсветки, 17 – оптическая плита.
1
Устройство содержит последовательно расположенные на первой оптической оси: первый телеобъектив 2, формирующий первое промежуточное изображение 4 исследуемого объекта 1, первый микрообъектив 6, проецирующий первое промежуточное изображение 4 в плоскость первого ЭОП 10, в результате чего в плоскости фотокатода ЭОП 10 появляется третье промежуточное изображение 8, третье промежуточное изображение 8 считывается фотокатодом первого ЭОП 10, после чего в плоскости экрана ЭОП 10 формируется пятое промежуточное изображение 12, которое считывается первым регистрирующим устройством 14; последовательно расположенные на второй оптической оси: второй телеобъектив 3, идентичный первому 2, формирующий второе промежуточное изображение 5 исследуемого объекта 1, второй микрообъектив 7, идентичный первому 6, проецирующий второе промежуточное изображение 5 в плоскость второго ЭОП 11, в результате чего в плоскости фотокатода ЭОП 11 появляется четвертое промежуточное изображение 9, четвертое промежуточное изображение 9 считывается фотокатодом второго ЭОП 11, после чего в плоскости экрана ЭОП 11 формируется шестое промежуточное изображение 13, которое считывается вторым регистрирующим устройством 15; 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 первой и второй регистрирующих систем перекрываются; лазер 16 подсветки находится на третьей оптической оси, параллельной первой и второй оптической оси, равноудалённой от них и лежащей с ними в одной плоскости; при этом ЭОП 10, 11 расположены в предметной плоскости регистрирующих устройств 14, 15 соответственно. Расстояния d между центром выходной апертуры первого микрообъектива 6 и фотокатодом первого ЭОП 10, а также между центром выходной апертуры второго микрообъектива 7 и фотокатодом второго ЭОП 11 равны и лежат в интервале от 50 до 80 см. Расстояния  между центром выходной апертуры первого телеобъектива 2 и центром входной апертуры первого микрообъектива 6, а также между центром выходной апертуры второго телеобъектива 3 и центром входной апертуры второго микрообъектива 7, определяемые формулой равны и лежат в интервале от 5 до 8 см. Расстояния b между плоскостью экрана первого ЭОПа 10 и центром входной апертуры первого регистрирующего устройства 14, а также расстояние между плоскостью экрана второго ЭОПа 11 и центром входной апертуры второго регистрирующего устройства 15 равны и лежат в интервале от 5 до 15 см. Выходная апертура лазера 16 подсветки находится на расстоянии l от 250 до 600 см от исследуемого объекта 1, положение лазера в указанном интервале определяется размером оптической плиты 17. Расстояние l от центров входной апертуры первого 2 и второго 3 телеобъективов до исследуемого объекта 1 лежит в интервале от 150 до 500 см, что обусловлено экспериментально установленным диапазоном работы телеобъективов 2,3 в рамках данной оптической схемы.
Устройство работает следующим образом.
Лучи от лазера подсветки 16 освещают площадь поверхности исследуемого объекта 1, отразившись от которого, попадают в телеобъектив 2 и телеобъектив 3, и формируют соответственно первое промежуточное изображение 4 и второе промежуточное изображение 5, представляющие собой уменьшенное перевёрнутое изображение двух ракурсов объекта 1. Микрообъектив 6 проецирует первое промежуточное изображение 4 в плоскость первого ЭОП 10 и формирует третье промежуточное изображение 8. Микрообъектив 7 проецирует второе промежуточное изображение 5 в плоскость второго ЭОП 11, и формирует четвёртое промежуточное изображение 9. Третье промежуточное изображение 8 считывается фотокатодом первого ЭОП 10, в результате чего в плоскости формируется пятое промежуточное изображение 12, которое затем считывается первым регистрирующим устройством 14. Четвёртое промежуточное изображение 9 считывается фотокатодом второго ЭОП 11, в результате чего в плоскости формируется шестое промежуточное изображение 13, которое затем считывается вторым регистрирующим устройством 15. Все элементы устройства располагаются на оптической плите 17.
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 2,3 с переменным фокусным расстоянием f в интервале от 50 до 300 мм.
2
С помощью объектива MDL-0550D с переменным фокусным расстоянием было исследовано оптимальное фокусное расстояние для микрообъективов 6 и 7. 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 расстояния  между центром выходной апертуры первого телеобъектива 2 и центром входной апертуры первого микрообъектива 6, а также между центром выходной апертуры второго телеобъектива 3 и центром входной апертуры второго микрообъектива 7, определяемые формулой равны и лежат 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 фотокатодом первого ЭОП 10, а также расстояние между центром выходной апертуры второго микрообъектива 7 и фотокатодом второго ЭОП 11 определяется условиями обеспечения максимальной резкости и оптимальных размеров изображения на фотокатодах ЭОП 10,11. Для максимального использования разрешения регистрирующих устройств 14 и 15, необходимо формировать изображение на всю ширину поля зрения регистрирующих устройств в области ЭОПов 10, 11. Оптимум расстояния , установленный экспериментально, лежит в интервале от 50 до 80 см. Расстояние b между экраном первого ЭОП 10 и центром входной апертуры первого регистрирующего устройства 14, а также расстояние между экраном второго ЭОП 11 и центром входной апертуры второго регистрирующего устройства 15 обусловлено необходимостью максимального светосбора с экранов ЭОП 10 и 11 при сохранении разрешающей способности. Экспериментально установленный оптимум лежит в интервале 5–15 см.
1
2,
В качестве лазера подсветки 16 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 ЭОП 10, 11 может быть использован ЭОП ЭПМ102Г-05-22А производства ООО «Катод». В качестве первого регистрирующего устройства 14 и второго регистрирующего устройства 15 можно использовать камеру SDU-R205 производства ООО «Спецтелетехника». В качестве оптической плиты 17 может быть использована плита фирмы STANDA opto-mechanics.
При использовании в качестве чувствительного элемента фотопластинки или фотоплёнки, возникают технические сложности при необходимости обеспечить малое время экспозиции. Электрооптические затворы позволяют обеспечить малую экспозицию, однако пропорционально падает яркость зарегистрированного изображения. При длительности кадра порядка нескольких наносекунд фотоплёнка не позволяет получить изображение без использования специальных высокоинтенсивных систем подсветки. Применение ЭОП 10 и 11 позволяет решить данную проблему. Электронно-оптические преобразователи представляют собой электровакуумный прибор, состоящий из трёх основных элементов – фотокатода, микроканальной пластины (МКП) и люминесцентного экрана. Между фотокатодом и МКП, а также между МКП и люминесцентным экраном подаётся высокое напряжение. Между фотокатодом и МКП оно составляет порядка нескольких сотен вольт, между МКП и люминесцентным экраном – порядка нескольких тысяч вольт. При подаче между МКП и фотокатодом электрического импульса длительностью несколько нс и напряжением в несколько сотен вольт обеспечивается экспозиция кадра той же длительности, что и подаваемый импульс. Получение электрических импульсов с данными параметрами не представляет технических сложностей и относительно легко реализуется. Экспериментально установлено, что при формировании импульсов порядка 1 нс и менее, ЭОП начинает работать некорректно, поскольку МКП не успевает равномерно распределить заряд по своей поверхности и обеспечить одинаковое усиление во всех точках изображения. При экспозициях значительно более 10 нс при съёмке быстропротекающих процессов изображение размазывается. Таким образом, экспозиция порядка 10 нс – оптимальна как с точки зрения особенностей регистрируемого процесса, так и с точки зрения получения удовлетворительного качества изображения.
Таким образом, достигается технический результат – возможность обеспечения экспозиции порядка 10 нс при регистрации стереопары.