СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОДНОГО ПРИЕМНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO PRODUCE STEREOSCOPIC IMAGE USING ONE RADIATION RECEIVER AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптико-электронным приборам (ОЭП), и может быть использовано, например, в тепловизионных приборах и системах, построенных на основе матричных приемников теплового излучения и обеспечивающих получение стереоскопического изображения объектов в инфракрасном диапазоне спектра.
Известно, что использование в ОЭП стереоскопического изображения повышает информативность выходного изображения в любом рабочем спектральном диапазоне по сравнению традиционным плоским изображением пространства предметов. Это обусловлено возможностью восприятия наблюдателем глубины пространства, а также возможностью измерения дальности до объектов с помощью ОЭП.
Известен способ и устройство для создания стереоскопического инфракрасного изображения [Патент US 7098458 В2, 2006], содержащие два канала, разнесенные на базовое расстояние, каждый из которых содержит объектив, матричное фотоприемное устройство (МФПУ), работающее в инфракрасном диапазоне спектра, модуль электронной обработки, жидкокристаллический монитор и окуляр. Недостатком этого устройства является использование в нем двух МФПУ. Современный уровень развития МФПУ инфракрасного диапазона таков, что использование двух недорогих неохлаждаемых МФПУ позволяет создать компактный тепловизионный прибор, но с ограниченной дальностью обнаружения и распознавания объектов, а применение двух охлаждаемых МФПУ с высокой обнаружительной способностью приводит к увеличению массогабаритных характеристик и стоимости прибоpa.
В качестве наиболее близкого аналога способа получения стереоскопического изображения и устройства для его осуществления можно указать на стереоскопический оптико-электронный прибор [US 2006/0082979 A1, 2006], в котором применены два объектива с одинаковыми фокусными расстояниями, центры входных зрачков которых разнесены на базовое расстояние, один матричный приемник излучения, расположенная между ними оптическая система, обеспечивающая направление излучения, идущего от каждого объектива на матричный приемник излучения, и последующая обработка сигналов с матричного приемника излучения с помощью блока электронной обработки. Каждый из объективов выполнен в виде двухлинзового расклеенного компонента. Первые по ходу лучей линзы каждого объектива перекрыты на половину диаметра непрозрачными диафрагмами: в одном объективе излучение проходит через верхнюю половину объектива, в другом - через нижнюю. Оптическая система, обеспечивающая направление излучения, идущего от левого и правого объектива на матричный приемник излучения, выполнена в виде двух зеркал, установленных по ходу лучей между объективами и МФПУ, при этом зеркала смещены по вертикали таким образом, что одно зеркало направляет на приемник пучки лучей, прошедшие через открытую половину левого объектива и формирующие изображение объектов пространства предметов в плоскости чувствительной площадки МФПУ, второе - пучки лучей, прошедшие через открытую половину правого объектива, и формирующие изображение объектов пространства предметов в плоскости чувствительной площадки МФПУ, при этом каждое из изображений, сформированных правым и левым объективами, занимает не более половины размера чувствительной площадки МФПУ, и эти изображения не перекрывают друг друга. Дальность наблюдения составляет 50-300 м.
Близкое по технической сути решение имеется и в патенте [US 2005/0185050 A1, 2005], в котором также для получения стереоскопического изображения применены два объектива с одинаковыми фокусными расстояниями, центры входных зрачков которых разнесены на базовое расстояние, один матричный приемник излучения, оптическая система, обеспечивающая направление излучения, идущего от каждого объектива на матричный приемник излучения, последующая обработка сигналов с матричного приемника излучения с помощью блока электронной обработки. Каждый из объективов выполнен из трех многолинзовых компонентов. Первые по ходу лучей линзы каждого объектива перекрыты на половину диаметра непрозрачными диафрагмами: в одном объективе излучение проходит через верхнюю половинку объектива, в другом - через нижнюю. Оптическая система, обеспечивающая направление излучения, идущего от каждого объектива на МФПУ, выполнена в виде двух призм, установленных по ходу лучей между последними компонентами объективов и МФПУ. Призмы смещены по вертикали таким образом, что одна призма направляет на МФПУ пучки лучей, прошедшие через открытую половину левого объектива и формирующие изображение объектов пространства предметов в плоскости чувствительной площадки МФПУ, вторая - пучки лучей, прошедшие через открытую половину правого объектива и формирующие изображение в плоскости чувствительной площадки МФПУ, при этом каждое из изображений, сформированных правым и левым объективами, занимает не более половины размера чувствительной площадки МФПУ, и эти изображения не перекрывают друг друга.
Недостатком способа получения стереоскопического изображения является снижение не менее чем в два раза поля зрения по одной из координат (по вертикали) из-за того, что в плоскости чувствительных площадок МФПУ одновременно формируются два кадра, соответствующих изображениям, получаемым с левого и правого объективов. Кроме того, из-за деления потоков излучений в оптической системе, обеспечивающей направление излучения, идущего от каждого объектива на МФПУ, происходит уменьшение в два раза апертуры каждого объектива, т.е. не полностью используется апертура объективов, что снижает величину облученности в плоскости чувствительной площадки МФПУ и, как следствие, уменьшает дальность распознавания и обнаружения объектов.
Задачей, на решение которой направлены заявляемые способ и устройство для его осуществления, является создание технологичного, экономически эффективного стереоскопического оптико-электронного прибора, в том числе тепловизионного, с высокими техническими характеристиками.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в увеличении поля зрения, повышении дальности распознавания и обнаружении объектов с помощью оптико-электронных приборов, в том числе тепловизионных.
При этом заявляемые способ и устройство для его осуществления образуют единый изобретательский замысел как по решаемой задаче, так и по достигаемому техническому результату.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе получения стереоскопического изображения с использованием одного приемника излучения, заключающемся в формировании двух изображений пространства предметов с помощью левого и правого объективов с одинаковыми фокусными расстояниями, центры входных зрачков которых разнесены на базовое расстояние, в совмещении этих изображений с плоскостью чувствительной площадки МФПУ с помощью оптической системы, обеспечивающей направление излучения, идущего от левого и правого объективов, на МФПУ, и последующей обработки сигналов с МФПУ с помощью блока электронной обработки в отличие от наиболее близкого аналога излучение, идущее от объектов пространства предметов, пропускают через полные диаметры левого и правого объективов, оптическую систему, обеспечивающую направление излучения, идущего от левого и правого объективов, на МФПУ, выполняют в виде высокочастотного переключающего устройства, обеспечивающего для каждого объектива формирование изображений в пределах всей чувствительной площадки МФПУ, в блоке электронной обработки сигналов обеспечивают синхронизацию работы высокочастотного переключающего устройства и МФПУ, выходной сигнал в блоке электронной обработки формируют в виде сплошного видеопотока сигналов, соответствующих изображениям, полученным с помощью левого и правого объективов, в телевизионном формате для стереоизображений, поддерживаемом телевизионными приемниками (стереотелевизорами), либо в виде двух параллельных потоков сигналов, направляемых на два монитора, причем организуют потоки сигналов таким образом, что поток сигналов, направляемый на каждый монитор, соответствует кадрам изображений, построенных соответствующим объективом на МФПУ, и обеспечивают одновременное наблюдение двух мониторов с помощью двух окуляров. В конкретном выполнении способа в качестве матричного приемника излучения используют МФПУ, чувствительное к излучению, соответствующему рабочему спектральному диапазону тепловизионных приборов.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в устройстве для осуществления способа получения стереоскопического изображения, содержащем два объектива с одинаковыми фокусными расстояниями, центры входных зрачков которых разнесены на базовое расстояние, один МФПУ, расположенную между объективами и МФПУ оптическую систему, обеспечивающую направление излучения, идущего от каждого объектива на МФПУ, блок электронной обработки сигналов и систему визуализации, в отличие от наиболее близкого аналога оптическая система, обеспечивающая направление излучения, идущего от каждого объектива на МФПУ, выполняется в виде высокочастотного переключающего устройства, обеспечивающего для каждого объектива последовательное формирование изображений в пределах всей чувствительной площадки МФПУ, в блоке электронной обработки сигналов обеспечивается синхронизация работы высокочастотного переключающего устройства и МФПУ. Высокочастотное переключающее устройство выполнено в виде вращающегося зеркала или зеркал с приводом и блоком управления. Каждый из двух объективов выполнен двухкомпонентным, при этом второй компонент является общим для левого и правого объективов и размещен после высокочастотного переключающего устройства. В блоке электронной обработки выходной сигнал представляется в виде сплошного видеопотока сигналов, соответствующих изображениям, полученным с помощью левого и правого объективов, в телевизионном формате для стереоизображений, поддерживаемом телевизионными приемниками (стереотелевизорами). В частном случае в конкретной форме исполнения в блоке электронной обработки выходной сигнал представляется в виде двух параллельных потоков сигналов, направляемый на два монитора, причем поток сигналов, направляемый на каждый монитор, соответствует кадрам изображений, построенных соответствующим объективом на МФПУ, а для одновременного наблюдения двух мониторов вводятся два окуляра. В конкретном исполнении в качестве МФПУ применяется МФПУ, чувствительное к излучению, соответствующему рабочему спектральному диапазону тепловизионных приборов.
Предлагаемые признаки являются существенными, так как они влияют на получение технического результата и находятся с ним в причинно-следственной связи. Использование в качестве оптической системы, обеспечивающей направление излучения, идущего от каждого объектива на МФПУ, высокочастотного переключающего устройства, обеспечивающего для каждого объектива формирование изображение в пределах всей чувствительной площадки МФПУ, в совокупности с тем, что в блоке электронной обработки сигналов обеспечивают синхронизацию работы высокочастотного переключающего устройства и МФПУ, а выходной сигнал в блоке электронной обработки формируют в виде сплошного видеопотока сигналов, соответствующих изображениям, полученным с помощью левого и правого объективов, в телевизионном формате для стереоизображений, поддерживаемом телевизионными приемниками (стереотелевизорами), или в виде двух параллельных потоков сигналов, направляемых на два монитора, причем организуют потоки сигналов таким образом, что поток сигналов, направляемый на каждый монитор, соответствует кадрам изображений, построенных соответствующим объективом на МФПУ, и обеспечивают одновременное наблюдение двух мониторов с помощью двух окуляров, позволяет повысить величину поля зрения, т.к. угловое поле в пространстве предметов в отличие от наиболее близкого аналога будет определяться не половиной, а полным размером чувствительной площадки МФПУ и фокусным расстоянием объективов. Использование всей апертуры объективов обеспечивает повышение облученности в плоскости чувствительных элементов МФПУ, следствием чего является повышение дальности распознавания и обнаружения объектов с помощью оптико-электронных приборов, в том числе тепловизионных.
Указанная совокупность признаков позволяет получить необходимое и достаточное количество параметров для решения поставленной задачи и достижения технического результата и решить задачу создания технологичного, экономически эффективного стереоскопического оптико-электронного прибора, в том числе тепловизионного, с высокими техническими характеристиками.
Указанное решение, на наш взгляд, обладает новизной и изобретательским уровнем. Авторам не известны способ получения стереоскопического изображения с использованием одного приемника излучения и устройство для его осуществления, в которых была бы реализована совокупность указанных признаков.
Предложенные способ и устройство для его осуществления иллюстрируются с помощью функциональной схемы стереоскопического оптико-электронного прибора с использованием одного приемника излучения, представленной на фиг.1а и 1б.
Осуществление способа заключается в следующем: для получения стереоскопического изображения с использованием одного приемника излучения выполняют следующую совокупность действий: размещают правый 1 и левый 2 объективы с одинаковыми фокусными расстояниями таким образом, что расстояние между центрами их входных зрачков составляет базовое расстояние В, устанавливают за объективами высокочастотное переключающее устройство 3, которое последовательно направляет потоки излучений от левого и правого объектива на МФПУ 4, при этом высокочастотное переключающее устройство выполняют так, что оно для каждого объектива формирует изображение пространства предметов в пределах всей чувствительной площадки МФПУ. В блоке 5 электронной обработки сигналов и синхронизации обеспечивают обработку сигналов с МФПУ, синхронизацию работы высокочастотного переключающего устройства и МФПУ и формирование выходного сигнала для дальнейшей обработки или передачи на устройство визуализации стереоизображений. При этом выходной сигнал формируют в виде сплошного видеопотока сигналов, соответствующих изображениям, полученным с помощью левого и правого объективов, в телевизионном формате для стереоизображений, поддерживаемом телевизионными приемниками (стереотелевизорами). Далее передают выходной сигнал на стереотелевизор для стереоскопического воспроизведения и наблюдения объектов, расположенных в пространстве предметов. При ином способе организации выходного сигнала в блоке 5 электронной обработки сигналов и синхронизации выходной сигнал формируют в виде двух параллельных потоков сигналов, направляемых на левый монитор 6 и правый монитор 7, причем организуют потоки сигналов таким образом, что поток сигналов, направляемый на левый монитор 6, соответствует кадрам изображений, построенных левым объективом 2 на МФПУ 4, а поток сигналов, направляемый на правый монитор 7, соответствует кадрам изображений, построенных правым объективом 1 на МФПУ 4. Далее обеспечивают возможность одновременного наблюдения оператором двух мониторов 6 и 7 с помощью двух окуляров 8 и 9. В частности, в качестве МФПУ используют МФПУ, чувствительное к излучению, соответствующему рабочему спектральному диапазону тепловизионных приборов.
Так как сущность предлагаемого способа и устройства для получения стереоскопического изображения с использованием одного приемника излучения охарактеризована с использованием признаков, представленных на уровне функционального обобщения, то далее дается описание средств для реализации указанных признаков или методов их получения либо указывается на известность и возможность технической реализации признаков.
Возможность технической реализации объективов с одинаковыми фокусными расстояниями не требует особых доказательств, очевидна специалистам и может быть реализована путем различного устройства оптических систем, отличающихся техническими характеристиками. При этом объективы могут как содержать общие оптические компоненты, так и не содержать. Взаимное расположение оптических каналов относительно друг друга определяется конкретными техническими требованиями к характеристикам ОЭП. В качестве принципиальной схемы взаимного размещения объективов и остальных элементов на фиг.2 приведен пример конкретного исполнения устройства для осуществления предлагаемого способа получения стереоскопического изображения.
На фиг.2 приведена схема устройства для осуществления способа. Левый объектив состоит из двух силовых компонентов 10 и 11, а правый объектив - из силовых компонентов 12 и 11. При этом компонент 11 является общим для левого и правого объектива, а эквивалентные фокусные расстояния компонентов 10, 11 и 11, 12 равны по величине. Расстояние В между оптическими осями компонентов 10 и 11 определяет базу устройства. Высокочастотное переключающее устройство 3 содержит неподвижные зеркала 13, 14, 15 и вращающееся зеркало 16, имеющее привод 17 и блок управления 18. Блок управления 18 имеет выход, соединенный со входом блока 5 обработки сигналов и синхронизации. МФПУ 4 включает в себя защитное стекло 19, охлаждаемую диафрагму 20, фотоприемное устройство 21, интегрированную систему охлаждения 22. МФПУ 4 имеет выход, соединенный со входом блока 5 обработки сигналов и синхронизации. Блок 5 электронной обработки сигналов и синхронизации имеет выходы, соединенные со входами МФПУ 4, со входом блока управления 18, со входами левого монитора 6 и правого монитора 7. Окуляры 8 и 9 установлены за мониторами 7 и 6 таким образом, что создают изображения экранов мониторов на удобном для глаз наблюдателя расстояниях с учетом величин аметропий глаз наблюдателя. В устройство входит также блок питания 23, осуществляющий распределение электрической мощности по блокам устройства.
В высокочастотном переключающем устройстве 3 размещение зеркал 13, 14, 15, 16 и их число может быть различным. Техническая суть заключается в том, что устройство организуется таким образом, что происходит последовательная, чередующаяся с высокой частотой подача на чувствительную площадку МФПУ 4 потоков излучений, прошедших через полные апертуры (полные диаметры) правого и левого объективов. Техническая реализация привода высокочастотного переключающего устройства обеспечивается различными конструктивными решениями, например, на основе двигателя постоянного тока или шагового двигателя, а в качестве оптических элементов последовательно перекрывающих потоки излучений от одного объектива и пропускающего потоки излучений от второго объектива могут использоваться одно или несколько зеркал или других оптических элементов. В устройстве по фиг.2 - это зеркало 16, соединенное с приводом 17, управление которого осуществляется блоком управления 18.
Организация синхронизации работы высокочастотного переключающего устройства, МФПУ и блока электронной обработки, собственно блока электронной обработки сигналов и синхронизации с представлением выходного сигнала в виде одного или двух потоков вышеописанным образом осуществляется известными специалистам средствами и приемами с использованием известной элементной электронной базы и является технически реализуемой.
Осуществление изобретения далее показано на примере работы устройства для получения стереоскопического изображения с использованием одного приемника излучения, показанном на фиг.2. Потоки излучений, идущие от каждой точки пространства предметов, проходят через компонент 10 и компонент 12 объективов, которые создают два изображения этой точки в плоскости промежуточного изображения, при этом плоскость промежуточного изображения, построенного компонентом 12 с учетом отражательного действия зеркал 13, 15 при выведенном из хода лучей зеркале 16 совпадает с плоскостью промежуточного изображения, построенного компонентом 10 с учетом отражательного действия зеркал 14 при введенном в ход лучей зеркале 16. В конкретном примере исполнения, показанном на фиг.2, вращающееся зеркало 16 периодически, с высокой частотой перекрывает поток излучений от одного объектива и открывает доступ на МФПУ потоку излучений, идущему от другого объектива.
Из-за разнесения оптических осей компонентов 10 и 12 на базовое расстояние В изображение одной и той же точки, построенное компонентами 12 и 10 в плоскости промежуточного изображения, смещено относительно друг друга, т.е. имеет линейный параллакс. Из-за высокой частоты переключающего зеркала 16 в плоскости промежуточного изображения будет последовательно во времени, с большой частотой формироваться либо точка, построенная объективом 10, либо точка, построенная объективом 12. Все рассуждения в полной мере распространяются на совокупность точек пространства предметов и соответственно на кадры изображений. При этом все точки двух последовательных кадров будут иметь различные линейные параллаксы, величины которых определяются расстояниями до точек в пространстве предметов, базой В и величиной фокусного расстояния компонентов 10 и 12. Далее полученная последовательность кадров проецируется с помощью компонента 11 через защитное стекло 19 на чувствительную площадку фотоприемного устройства 21. МФПУ 4 имеет чувствительность в среднем и (или) дальнем инфракрасном диапазоне спектра. Интегрированная система охлаждения 22 служит для поддержания рабочей температуры в рабочей камере МФПУ 4. Охлаждаемая диафрагма 20 определяет заднюю числовую апертуру объективов 10, 11 и 12, 11, а также способствует снижению уровня фонового излучения, поступающего на чувствительную площадку фотоприемного устройства 21 от элементов устройства. Между блоком управления приводом 18 и блоком 5 электронной обработки сигналов и синхронизации, а также между последним и МФПУ 4 осуществляются прямые и обратные связи с целью синхронизации их работы. В результате поток сигналов с МФПУ 4 содержит информацию как об изображении пространства предметов, построенном левым объективом 10, 11, так и об изображении того же пространства предметов, построенном правым объективом 12, 11. В зависимости от требуемой технической реализации выходного изображения (на стерео ТВ приемнике или на двух мониторах (микродисплеях) выходной видеосигнал представляется в виде сплошного видеопотока сигналов, соответствующих изображениям, полученным с помощью левого и правого объективов, в телевизионном формате для стереоизображений, поддерживаемых телевизионными приемниками (стереотелевизорами), либо в виде двух параллельных потоков сигналов, передаваемых на два монитора в реальном масштабе времени, причем поток сигналов, направляемый на каждый монитор, соответствует кадрам изображений, построенных соответствующим объективом на МФПУ, а для одновременного наблюдения наблюдателем двух мониторов используются два окуляра. В результате наблюдатель воспринимает стереоскопически объекты, находящиеся в пространстве предметов ОЭП, а предлагаемое устройство в его конкретном исполнении является, по сути, тепловизионным стереоскопическим прибором (например, тепловизионным биноклем) с одним матричным приемником излучения. При этом по сравнению с наиболее близким аналогом в нем увеличено поле зрения и повышена дальности распознавания и обнаружения объектов.
В частности, известными средствами передача выходного сигнала на мониторы может осуществляться и по радиоканалу, а мониторы и окуляры могут выполняться конструктивно в наголовном исполнении, в блоке 5 электронной обработки и синхронизации может осуществляться вычисление расстояний до отдельных объектов, с помощью блока 5 на каждом из мониторов 6 и 7 могут формироваться изображения марок, смещенные на различные расстояния относительно оптических осей окуляров, при этом линейный параллакс между марками может регулироваться, что позволяет повысить тактико-технические характеристики ОЭП и обеспечивает дополнительный технический результат в предлагаемом устройстве, связанный с уменьшением массогабаритных характеристик, измерении дальности до объектов и повышении точности визуальной оценки расстояний до объектов, находящихся в поле зрения ОЭП.
Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемого способа получения стереоскопического изображения с использованием одного приемника излучения и устройства для его осуществления, обладающих совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет создать технологичный, экономически эффективный стереоскопический оптико-электронный прибор, в том числе тепловизионный, с высокими техническими характеристиками.
Источники информации
1. Патент US 7098458 В2, 2006.
2. US 2006/0082979 A1, 2006.
3. US 2005/0185050 A1, 2005.