Подводный микроскоп

Полезня модель относится к устройствам, обеспечивающих подводное наблюдение в натурных условиях за биологической деятельностью морских микроорганизмов на поверхности и в верхнем слое донных осадков, а также для исследования структуры донных осадков на акваториях, и регистрации изменения внешних локальных условий наблюдения. Устройство может применяться для проведения как оперативных исследований, так и длительного мониторинга динамических процессов в деятельном слое донных осадков в таких областях как морская биология, геохимия, экология, седиментология. Технический результат - повышение разрешающей способности подводных систем видеонаблюдения за микрообъектами подводного мира. Устройство включает видеоблок, который содержит две ПЗС матрицы, установленные под углом 90° друг к другу и оптическую систему из расположенных соосно с одной из матриц двух объективов между которыми установлено полупрозрачное зеркало, при этом каждая из матриц соединена посредством видеокабеля с блоком наружного управления и отображения видеоинформации. Видеоблок выполнен в виде герметичной водонепроницаемой капсулы, снабженной системой освещения прозрачного окна, расположенного на торцевой поверхности капсулы напротив объективов. Дополнительно устройство для подводного наблюдения оборудовано наружной видеокамерой, которая, как и видеоблок, расположена на горизонтальной несущей ферме, установленной на держателе, выполненном в виде заостренного стержня, оборудованного средством для погружения в грунт. Несущая ферма установлена с возможностью вращения вокруг держателя и снабжена механизмом вертикального смещения видеоблока.

Полезная модель относится к устройствам, обеспечивающим подводное наблюдение в натурных условиях за биологической деятельностью морских микроорганизмов на поверхности и в верхнем слое донных осадков, а также для исследования структуры донных осадков на акваториях, и регистрации изменения внешних локальных условий наблюдения. Устройство может применяться для проведения как оперативных исследований, так и длительного мониторинга динамических процессов в деятельном слое донных осадков в таких областях как морская биология, геохимия, экология, седиментология.

Существует достаточно много аппаратов для подводных исследований, выполненных на основе фото- или видеокамер, использующих объективы с различным фокусным расстоянием, позволяющих осуществлять, в основном, два типа съемок:

«широкоугольная» (угол поля зрения по диагонали кадра от 75 до 150 градусов), предназначенная для видовой съемки и съемки крупных обитателей и

«макросъемка» (угол поля зрения до 10 градусов), предназначенная для съемки увеличенного изображения крошечного объекта.

Как правило аппаратура для подводной съемки (обычная фото- или видеокамера) помещается в герметичный, чаще жесткий бокс с иллюминаторами и герметизированными органами управления камерой (рычаги, кнопки) или сам корпус фото- видеокамеры делается герметичным, и вся система допускает управление всеми органами до рабочих глубин погружения.

Известна подводная видеосистема Ocean Rover, используемая для задач макромониторинга среды обитания гидробионтов на шельфе о. Сахалин (http://www.sakhniro.ru/page 29.htm).

Известен телеуправляемый подводный аппарат для исследований «ФАЛКОН» (www.seaeye.com, www.tnpa.ru/falcon.php). Электронные компоненты подводного аппарата размещены в прочных герметичных контейнерах. Аппарат содержит светильники, обзорную и стационарную видеокамеры, датчики глубины и температуры, компенсаторы давления, блок плавучести, установленный в верхней части подводного аппарата. Аппарат оборудован манипулятором для сбора образцов, которые могут быть исследованы только после подъема на поверхность.

Известен погружной буксируемый подводный видеорегистратор (п. РФ 24552, МПК G01D 15/00) содержащий герметичный бокс, оснащенный блоком питания, блоком регистрации и записи видеоизображений в цифровом формате и блоком с источником освещения, при этом все блоки видеорегистратора размещены в отдельных герметичных боксах, снабжены герметичными разъемами для их соединения между собой, а блок питания оснащен дополнительными сменными комплектами.

Однако вышеперечисленные телеуправляемые системы и видеокамеры решают задачу получения ландшафтных изображений протяженных участков морского дна и не позволяют получать изображения мелкомасштабных объектов (порядка долей миллиметра), составляющих первичный материал при проведении исследований структуры донных осадков или развития различных форм фитопланктона. Поэтому часто телеуправляемые аппараты, например, «Фалкон», снабжают манипуляторами с целью сбора образцов грунта, фауны и малоподвижных биологических объектов для дальнейшего подробного исследования в лабораторных условиях. Однако подобные лабораторные исследования не позволяют реализовать непрерывный мониторинг состояния донных осадков или гидробиоты в изменяющихся с разными временными масштабами естественных условиях.

Известно устройство для подводного видеонаблюдения структуры дна, содержащее держатель, к нижнему окончанию которого присоединен погружаемый видеоблок, содержащий видеокамеру. Видеоблок помещен в герметичный водонепроницаемый корпус и соединен посредством видеокабеля с блоком наружного управления и отображения видеоинформации. Видеоблок выполнен с возможностью движения по горизонтали и вертикали относительно продольной оси держателя, который снабжен средством для его вертикальной установки относительно грунта (п. РФ 89315, МПК H04N 7/18; А01К 97/00). Данное устройство является наиболее близким к заявляемому.

Конструкция данного устройства позволяет вести длительное наблюдение за достаточно крупномасштабными объектами в толще воды (рыбами) или на поверхности дна (моллюсками, неоднородностями рельефа дна) в зависимости от предварительно выбранной ориентации видеоблока. Однако, известное устройство не обеспечивает получение изображений микрообъектов с размерами порядка долей миллиметров с разрешением, достаточным для их дальнейшей классификации, а возможность движения по горизонтали и вертикали относительно продольной оси держателя и самого держателя обусловлена необходимостью фиксации видеоблока в выбранном положении под водой.

Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является расширение функциональных возможностей системы для подводного наблюдения за счет конструкторских решений, обеспечивающих ей дополнительные технологические возможности при проведении подводных исследовательских работ, связанных с наблюдением за микропроцессами, происходящими на дне, в том числе за газовыделением или биологической деятельностью морских микроорганизмов на поверхности и в верхнем слое донных осадков без нарушения экологического равновесия системы и необходимости поднятия объектов на поверхность, что позволяет назвать данную систему «подводным микроскопом».

Технический результат - повышение разрешающей способности подводных систем видеонаблюдения за микрообъектами подводного мира.

Поставленная задача достигается за счет предлагаемой конструкции видеоблока, который содержит две ПЗС матрицы, установленные под углом 90° друг к другу и оптическую систему из расположенных соосно с одной из матриц двух объективов между которыми установлено полупрозрачное зеркало, при этом каждая из матриц соединена посредством видеокабеля с блоком наружного управления и отображения видеоинформации. Видеоблок выполнен в виде герметичной водонепроницаемой капсулы, снабженной системой освещения прозрачного окна, расположенного на торцевой поверхности капсулы напротив объективов. Дополнительно устройство для подводного наблюдения оборудовано наружной видеокамерой, которая, как и видеоблок, расположена на горизонтальной несущей ферме, установленной на держателе, выполненном в виде заостренного стержня, оборудованного средством для погружения в грунт, при этом несущая ферма установлена с возможностью вращения вокруг держателя и снабжена механизмом вертикального смещения видеоблока.

Характеристики объективов выбираются в зависимости от поставленной задачи исследования, при этом их характеристики могут быть и одинаковыми и разными.

Электронные платы с матрицами ПЗС выбирают исходя из условия сохранения разрешающей способности, обеспечиваемой оптикой (торцевым стеклом, объективами, полупрозрачным зеркалом) в изображении исследуемого объекта на экране монитора. Как правило, разрешающая способность электронной платы с матрицей ПЗС при работе с одним из объективов не ниже 2 мегапикселей.

Система освещения может быть выполнена на свето диодах или световодах.

Длина стержня выбирается исходя из предполагаемой толщины слоя рыхлых осадков.

Стержень может быть выполнен в виде телескопической трубки, состоящей из различного количества звеньев. Длина трубки регулируется в зависимости от толщины рыхлых осадков в районе исследования. При изменении длины телескопического держателя выдвигаемое количество секций соответственно фиксируется.

Средство для погружения стержня в грунт может быть выполнено, например, в виде ударно-вибрационного механизма, а механизм вращения несущей фермы выполнен, например, в виде двигателя, установленного на несущей ферме, с закрепленной на валу двигателя шестерней, которая находится в зацеплении с шестерней, закрепленной на верхнем основании держателя.

Вертикальное смещение видеоблока относительно несущей фермы может быть осуществлено различными способами, например, путем присоединения видеоблока с помощью винтовой передачи к устройству вертикального перемещения, установленному на ферме.

Стержень может быть снабжен средством для очистки окна видеоблока от загрязнения, выполненным, например, в виде поролоновой губки, укрепленной таким образом, что окно видеоблока скользит по губке при движении в определенном секторе в горизонтальной плоскости.

Подводный микроскоп может быть дополнительно оборудован датчиками температуры, давления, солености, содержания кислорода, установленными на стержне или несущей ферме, для измерения физических параметров среды во время наблюдений, что позволяет проследить причинно-следственные связи между явлениями разных пространственных масштабов.

Управление микроскопом осуществляется с помощью блока наружного управления и отображения видеоинформации посредством программного обеспечения, включающего операционную систему и программу, управляющую настройками электронных плат с матрицами ПЗС. Блок наружного управления и отображения информации соединен кабелем с подводным микроскопом.

На фиг.1 изображена схема подводного микроскопа, где 1 - видеоблок, 2-механизм вертикального перемещения видеоблока 1; 3 несущая ферма; 4 - стержень; 5 - устройство вращения фермы 3 вокруг стержня 4; 6 - наружная видеокамера (ландшафтная), 7 - механизм погружения стержня в грунт; 8 - кабели питания, управления и передачи изображения.

На Фиг.2 представлена оптическая схема видеоблока, где 9 и 9' - ПЗС матрицы, расположенные под углом 90°; 10 и 10' - объективы, установленные соосно с одной из матриц, 11 - полупрозрачное зеркало расположенное между объективами; 12 - исследуемый участок; 13 - обзор выбранного участка наружной видеокамерой, 14 - прозрачное окно.

Подводный микроскоп работает следующим образом.

Камерой 6 в реальном времени выбирают место установки микроскопа. Проникновение стержня на необходимую глубину в донные осадки обеспечивается с помощью механизма погружения 7, управляемого по кабелю с борта судна. После завершения процесса установки микроскопа на дне, с помощью камеры 6 и поворотного механизма 5, обследуется круговая полоса вокруг стержня и выбирается наиболее интересный участок для микроскопного исследования. На этот участок направляются объективы 10 и 10' и с помощью механизма 2 вертикального смещения производится регулировка фокусного расстояния ближнего к торцевому стеклу объектива, при этом точность регулировки контролируется по четкости изображения, получаемого на мониторе с матрицы 9. Для получения максимально четкого изображения при максимальном увеличении исследуемого участка производится точная подстройка фокусного расстояния объектива 10' путем микросмещения этого объектива вдоль оси относительно полупрозрачного зеркала. Такое микросмещение обеспечивается, например, микродвигателем с червячной передачей, установленным на одной платформе с объективом.

При работе в режиме максимального увеличения, когда требования к пространственной фиксации и уменьшению рельефности образца существенно возрастают, роль предметного стекла выполняет окно 14 торцевой поверхности видеоблока 1, которое в этом случае соприкасается с исследуемым участком. Освещение исследуемого фрагмента во всех режимах происходит через торцевое окно 14. Фокусировка объектива в этом режиме осуществляется его смещением внутри видеоблока относительно торцевого окна.

Отличительной особенностью подводного микроскопа является сочетание принципов получения увеличенных изображений с оригинальными способами фиксации пространственного положения прибора и исследуемого фрагмента донных осадков. В подводном микроскопе реализованы компьютерная визуализация изображений и дистанционное управление оптической системой.

Одновременное использование подводного видеоблока и подводной видеокамеры общего вида позволяет фиксировать внешние по отношению к исследуемому слою осадков (толщиной 10 мм) условия, облегчая изучение динамики причинно-следственных связей между процессами разного масштаба.

Для уменьшения влияния прибора на биологические процессы в исследуемом слое осадков процесс получения микромасштабного изображения осуществляют периодически при движении объектива по дуге от нерабочего концевого положения, в котором микроскоп находится большую часть времени. Протяженная в пространстве (вдоль траектории движения объективов) периодическая регистрация микромасштабных процессов позволяет получать статистически обоснованную (представительную) информацию, в отличие от измерений в одной точке. Вся получаемая информация передается по кабелю и регистрируется в наружном блоке управления и отображения информации, расположенном на берегу или на судне или на заякоренной платформе.

1. Устройство для подводного видеонаблюдения, включающее видеоблок, содержащий две ПЗС матрицы, установленные под углом 90° друг к другу, и оптическую систему из расположенных соосно с одной из матриц двух объективов, между которыми установлено полупрозрачное зеркало, при этом каждая из матриц соединена посредством видеокабеля с блоком наружного управления и отображения видеоинформации, при этом видеоблок выполнен в виде герметичной водонепроницаемой капсулы, снабженной системой освещения прозрачного окна, расположенного на торцевой поверхности капсулы напротив объективов, устройство оборудовано наружной видеокамерой, которая, как и видеоблок, установлена на горизонтальной несущей ферме, расположенной на держателе, выполненном в виде заостренного стержня, оборудованного средством для погружения в грунт, при этом несущая ферма установлена с возможностью вращения вокруг держателя и снабжена механизмом вертикального смещения видеоблока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система освещения выполнена с использованием светодиодов или световода.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для погружения держателя в грунт представляет собой ударно-вибрационный механизм.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм вращения несущей фермы выполнен в виде двигателя, установленного на несущей ферме, с закрепленной на валу двигателя шестерней, которая находится в зацеплении с шестерней, закрепленной на верхнем основании держателя.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено датчиками температуры и/или давления и/или солености и/или содержания кислорода.