Устройство для получения стереоскопических изображений малоразмерных объектов

Полезная модель относится к оптике, а именно - к технике получения стереоскопических изображений, и может быть использовано с целью измерения параметров малоразмерных объектов.
Параллаксная стереосъемка - техника, используемая для записи и восстановления объемных изображений. Использование двух фотографий, снятых с двух разнесенных в пространстве ракурсов, позволяет установить пространственное расположение объектов. При раздельной подаче двух изображений соответственно на правый и левый глаз человека, за счет явления фузии - совмещения мозгом двух изображений - создается иллюзия пространственной глубины. Компьютерная обработка позволяет локализовать регистрируемый объект в пространстве, определить расстояние до него и трехмерную форму поверхности объекта. Существуют два возможных пути получения такого рода изображений: за счет использования стереоскопической насадки на входе камеры или с помощью регистрации изображения двумя камерами с разных ракурсов.
Стереоскопическое изображение позволяет вычислить расстояние от камеры до выбранного объекта на изображении, а также определить размеры этого объекта исходя из полученных данных. При расчете величины расстояния до объекта учитывается разница между картинками и дополнительные технические характеристики, такие как фокусное расстояние и расстояние между камерами. Расчет позиции объекта осуществляется путем решения геометрической задачи об определении расстояния до удаленного объекта при обзоре его с двух точек с известным расстоянием между ними.
В настоящее время существуют устройства, в основе принципа которых, лежит определение смещения двух изображений, полученных с пары камер, образующих параллаксный базис.
В патенте "Apparatus for determing the distances of points on a surface from a reference axis" US 4937445, МПК G01B 11/02, 26.06.1990, устройство для определения расстояния точек поверхности до базисной оси содержит фотодиод, два записывающих устройства, систему собирающих линз, обеспечивающих равномерное распределение пучка по поверхности исследуемого объекта и равномерное заполнение поля регистрации устройства, объект с нанесенными отметками, до которых определяется расстояние, устройства вывода данных. В данной системе свет от фотодиода направляется на поверхность объекта, после чего отраженный в обратном направлении проходит через собирающую линзу и фокусируется на камере. Из корреляции полученных изображений извлекают информацию о геометрических размерах поверхности.
Недостатком такой конструкции является использование некогерентного источника света, что дает достаточно слабый обратный сигнал, и по этой причине появляется необходимость использования усилителя.
В патенте "Method of automatically measuring the shape of a continuous surface" US 4842411, G01B 11/24, 27.06.1989, устройство автоматического измерения формы непрерывной поверхности содержит непрерывный лазер, систему собирающих линз, обеспечивающих равномерную засветку поля регистрации устройства, два записывающих устройства, устройства вывода информации, конвертор смещения объекта на двух ракурсах изображения. Лазерный луч расщепляется собирающей линзой на несколько отдельных пучков, каждый из которых отражается от определенной точки исследуемой поверхности плиты, с нанесенными на нее контрольными точками. Отраженные лучи попадают на датчики изображения с зарядовой связью, разделенные на смежные зоны, с каждой из которых сканирующее устройство собирает информацию и передает на блок обработки изображений. Данная конструкция позволяет повысить точность нанесения меток на интересующую поверхность. Данное устройство принято в качестве прототипа.
Недостатком данного устройства является низкое линейное разрешение устройства. Это обусловлено широким полем обзора. Низкое линейное разрешение не позволяет производить стереоскопическую съемку малоразмерных объектов.
Техническим результатом полезной модели является увеличение линейного разрешения устройства. При этом происходит пропорциональное уменьшение поля обзора. За счет увеличения разрешающей способности становится возможным получение стереоскопических изображений малоразмерных объектов.
Технический результат достигается тем, что устройство для получения стереоскопических изображений малоразмерных объектов, содержащее регистрирующие устройства и лазер подсветки содержит 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 x между первым телеобъективом и первым микрообъективом, а также между вторым телеобъективом и вторым микрообъективом равны и определяются соотношением:
1
2
где ƒ - фокусное расстояние телеобъективов, ƒ - фокусное расстояние микрообъективов, d - расстояние между микрообъективами и фокусировочными экранами,  - расстояние от первого и второго телеобъективов до исследуемого объекта; при этом лазер подсветки находится от исследуемого объекта на расстоянии , которое лежит в интервале от 250 до 600 см, лазер подсветки расположен на третьей оптической оси, параллельной первой и второй оптической оси, равноудаленной от них и лежащей с ними в одной плоскости; лазер подсветки содержит линзовую насадку, формирующую расходящийся пучок с углом расходимости , первый телеобъектив, первый микрообъектив, первый фокусировочный экран, первое регистрирующее устройство образуют первую регистрирующую систему с углом поля зрения , второй телеобъектив, второй микрообъектив, второй фокусировочный экран, второе регистрирующее устройство образуют вторую регистрирующую систему с углом поля зрения , 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.
На фиг. 1 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 - четвертое промежуточное изображение, 10 - первый фокусировочный экран, 11 - второй фокусировочный экран, 12 - первое регистрирующее устройство, 13 - второе регистрирующее устройство, 14 - лазер подсветки, 15 - оптическая плита.
1
2
0
1
2
0
На фиг. 2 схематически изображен принцип записи стереоскопического изображения двумя регистрирующими системами, где x - смещение (в пикселях) изображения исследуемого объекта 1 относительно правого края кадра для первой регистрирующей системы, x - смещение (в пикселях) изображения исследуемого объекта относительно левого края кадра для второй регистрирующей системы, α - угол поля зрения первой регистрирующей системы и второй регистрирующей системы, α - угол, образованный оптической осью первой регистрирующей системы и прямой, соединяющей первую регистрирующую систему и исследуемый объект 1, α - угол, образованный оптической осью второй регистрирующей системы и прямой, соединяющей вторую регистрирующую систему и исследуемый объект 1, x - горизонтальное разрешение кадра (в пикселях), В - расстояние между оптическими осями регистрирующих систем.
Устройство содержит последовательно расположенные на первой оптической оси: первый телеобъектив 2, формирующий первое промежуточное изображение 4 исследуемого объекта 1, первый микрообъектив 6, формирующий третье промежуточное изображение 8 исследуемого объекта 1, первый фокусировочный экран 10, первое регистрирующее устройство 12; последовательно расположенные на второй оптической оси: второй телеобъектив 3, идентичный первому, формирующий второе промежуточное изображение 5 исследуемого объекта 1, второй микрообъектив 7, идентичный первому, формирующий четвертое промежуточное изображение 9 исследуемого объекта 1, второй фокусировочный экран 11, идентичный первому, второе регистрирующее устройство 13; 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 камер перекрываются; лазер 14 подсветки находится на третьей оптической оси, параллельной первой и второй оптической оси, равноудаленной от них и лежащей с ними в одной плоскости; при этом фокусировочные экраны 10, 11 расположены в предметной плоскости регистрирующих устройств 12, 13. Экспериментально установлено, что расстояния d между первым микрообъективом 6 и первым фокусировочным экраном 10 и между вторым микрообъективом 7 и вторым фокусировочным экраном 11 равны и лежат в интервале от 50 до 80 см. Экспериментально установлено, что расстояния х между первым телеобъективом 2, и первым микрообъективом 6, вторым телеобъективом 3 и вторым микрообъективом 7 равны и лежат в интервале от 10 до 30 см. Экспериментально установлено, что расстояния между первым регистрирующим устройством 12 и первым фокусировочным экраном 10, и между вторым регистрирующим устройством 13 и вторым фокусировочным экраном 11 равны и лежат в интервале от 5 до 15 см. Лазер 14 подсветки находится на расстоянии от 250 до 600 см от исследуемого объекта 1, что обусловлено размером оптической плиты 15. Расстояние  от 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 14 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 перевернутое изображение двух ракурсов объекта 1. Микрообъектив 6 проецирует первое промежуточное изображение 4 в плоскость первого фокусировочного экрана 10, и формирует третье промежуточное изображение 8. Микрообъектив 7 проецирует второе промежуточное изображение 5 в плоскость второго фокусировочного экрана 11, и формирует четвертое промежуточное изображение 9. Третье промежуточное изображение 8 считывается с первого фокусировочного экрана 10 первым регистрирующим устройством 12. Четвертое промежуточное изображение 9 считывается со второго фокусировочного экрана 11 вторым регистрирующим устройством 13. Все элементы устройства располагаются на оптической плите 15.
Получение информации о расстоянии до исследуемого объекта 1 осуществляется с помощью сравнения положения зарегистрированного объекта на двух кадрах, полученных соответственно, с первого регистрирующего устройства 12 и второго регистрирующего устройства 13. При описании механизма вычисления расстояния до исследуемого объекта 1, назовем систему, состоящую из первого телеобъектива 2, первого микрообъектива 6, первого фокусировочного экрана 10 и первого регистрирующего устройства 12 первой регистрирующей системой, а систему, состоящую из второго телеобъектива 3, второго микрообъектива 7, второго фокусировочного экрана 11 и второго регистрирующего устройства 13 второй регистрирующей системой. Обе регистрирующих системы будут иметь одинаковый угол поля зрения и одинаковый формат кадра.
1-
2
Оптические оси первой регистрирующей системы и второй регистрирующей системы параллельны, α угол между оптической осью первой регистрирующей системы и исследуемым объектом 1 и α - угол между оптической осью второй регистрирующей системы и исследуемым объектом 1, В - расстояние между оптическими осями первой и второй регистрирующей системы, расстояние D до исследуемого объекта рассчитывается следующим образом:
Используя фиг. 2 и руководствуясь основными геометрическими понятиями, получаем:
0
0
1
2
где α - угол поля зрения регистрирующих систем и x - горизонтальное разрешение кадра регистрирующих систем, x - смещение (в пикселях) изображения исследуемого объекта 1 относительно правого края кадра для первой регистрирующей системы, x - смещение (в пикселях) изображения исследуемого объекта относительно левого края кадра для второй регистрирующей системы, В - расстояние между оптическими осями регистрирующих систем.
Для оптимизации расстояний между компонентами и корректного выбора характеристик используемых компонентов, были проведены экспериментальные исследования разрешающей способности с помощью набора мир по методике, изложенной в ГОСТ15114-78С. Последовательно проверялось влияние расстояния между компонентами и фокусного расстояния оптических компонентов, на разрешающую способность всей системы.
1
Экспериментально установлено, что оптимальное расстояние  между исследуемым объектом 1 и телеобъективами 2 и 3, лежит в интервале от 150 до 500 см. На расстояниях  меньших 150 см, телеобъективы 2 и 3 не обеспечивает 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 ƒ 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 ƒ лежит в интервале от 1 до 15 мм.
Эксперименты также показали, что регистрация 23-25 позиции миры №1 достигается, если между телеобъективами 2 и 3, и микрообъективами 6 и 7 расстояние x 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 позиции не далее 10-11. Расстояние d между микрообъективами 6 и 7 и фокусировочными экранами 10 и 11 определяется условиями обеспечения максимальной резкости и оптимальных размеров изображения на фокусировочном экране. Для максимального использования разрешения регистрирующих устройств 12 и 13, необходимо формировать изображение на всю ширину поля зрения регистрирующих устройств в области фокусировочных экранов. Оптимум расстояния d между микрообъективами 6 и 7 и фокусировочными экранами 10 и 11, установленный экспериментально, лежит в интервале от 30 до 80 см.
Расстояние между регистрирующими устройствами 12 и 13 и фокусировочными экранами 10 и 11 обусловлено необходимостью максимального светосбора с фокусировочного экрана при сохроанении разрешающей способности. Экспериментально установленный оптимум лежит в интервале 5-15 см.
1
2
В качестве лазера подсветки 14 может быть использован лазер DTL-419QT (длина волны 532 нм, длительность импульса 10 не), 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 10х с фокусным расстоянием f; равным 10,6 мм. В качестве первого фокусировочного экрана 10 и второго фокусировочного экрана 11 можно использовать фокусировочные экраны Canon EG-A. В качестве первого регистрирующего устройства 12 и второго регистрирующего устройства 13 можно использовать камеру SDU-R205 производства ООО «Спецтелетехника». В качестве оптической плиты 15 может быть использована фирмы STANDA opto-mechanics.
При уменьшении поля зрения при сохранении разрешающей способности на то же число регистрирующих элементов распределяется изображение с меньшего угла. При этом происходит увеличение числа регистрирующих элементов, приходящихся на единицу угла. Следовательно, для повышения разрешающей способности необходимо уменьшение угла поля зрения оптической системы. Использование первого телеобъектива 2 и второго телеобъектива 3 позволяет уменьшить угол поля зрения в 6-10 раз. Первый микрообъектив 6 и второй микрообъектив 7 вырезают из поля зрения первого телеобъектива 2 и второго телеобъектива 3 узкий диапазон углов, уменьшая поле зрения еще в несколько раз. Экспериментально установлено, что оптическая система из телеобъектива EF 70-200 mm CANON и микрообъектива Olympus MPlan 10х имеет фокус в интервале 400-600 мм. Угол поля зрения связан с фокусом оптической системы известной формулой:
a
b
где α - угол поля зрения, d - размер фоточувствительного элемента регистрирующего устройства, ƒ - фокусное расстояние оптической системы. Для стандартных объективов, используемых для формирования изображения на ПЗС-матрицах регистрирующих устройств, фокусное расстояние лежит в интервале 20-50 мм. Для телеобъективов оно составляет 50-300 мм. Отношение углов поля зрения для двух оптических систем с фокусными расстояниями ƒ и ƒ можно найти по формуле:
а
b
a
b
a
где α, α - углы поля зрения, d - размер фоточувствительного элемента, ƒ и ƒ - фокусное расстояние оптических систем. Для неширокоугольных объективов 2rctg(d/2ƒ)≈d/ƒ, что позволяет сократить d в формуле для соотношения углов и получить приближенное соотношение:
Согласно данной формуле, угол поля зрения уменьшится в 12-30 раз по сравнению со стандартными объективами с f=20-50 мм и в 2-12 раз по сравнению с телеобъективами. Если расстояние до объекта одинаково, а минимальный размер фокального пятна двух оптических систем меньше чем размер пикселя ПЗС-матрицы, угловая разрешающая способность будет определяться количеством пикселей ПЗС-матрицы на заданный угол поля зрения. Линейная разрешающая способность при использовании одного и того же типа ПЗС-матрицы в двух оптических системах, изменяется обратно пропорционально углу их поля зрения:
а
b
а
b
где Т и Т - разрешение соответствующих оптических систем, α, α - углы их поля зрения.
Таким образом, достигается указанный технический результат - увеличение линейного разрешения устройства.