Многокадровый цифровой регистратор и призменный светоделитель для его реализации
Предложен многокадровый цифровой регистратор, содержащий входной объектив, призменный светоделитель, многоканальную систему формирования кадров, включающую образующие каналы регистрации электронно-оптические затворы и соответствующие им ПЗС-камеры. Новым в предлагаемом регистраторе является то, что оптическая схема регистратора содержит установленные вдоль оптической оси длиннофокусный объектив, последовательно расположенный за объективом призменный светоделитель и следующий далее в соответствующем канале регистрации электронно-оптический затвор, согласованные в схеме с обеспечением равенства оптических длин путей между объективом и электронно-оптическими затворами, причем светоделитель обладает минимальными светопотерями, а в системе формирования кадров в каждом канале регистрации ПЗС-камера выбрана с возможностью прямой стыковки с соответствующим электронно-оптическим затвором посредством оптоволоконной шайбы. В многокадровом цифровом регистраторе между призменным светоделителем и электронно-оптическим затвором вдоль оптической оси может быть установлена поворотная призма для компактного расположения каналов регистрации. Предложен призменный светоделитель для систем цифровой регистрации, состоящий, по крайней мере, из одного светоделительного кубика, образованного парой прямоугольных призм со светоотражающим покрытием на гипотенузной грани одной из призм. Новым является то, что в предлагаемом светоделителе в качестве светоотражающего покрытия на гипотенузную грань призмы нанесено интерференционное диэлектрическое покрытие, материал и количество слоев которого подбирают исходя из условия отражения одной составляющей вектора световой волны и пропускания второй составляющей вектора световой волны. В случае использования совокупности светоделительных кубиков кубики собраны с максимально плотной компоновкой. Кроме того, светоделительные кубики могут быть собраны с возможностью юстировки их взаимного положения. Светоделитель может быть устроен с возможностью варьирования коэффициента деления световой волны. Технический результат для цифрового регистратора состоит в повышении предельного пространственного разрешения и упрощении конструкции регистратора. Техническим результатом для призменного светоделителя, позволяющего реализовать многокадровый цифровой регистратор, является снижение световых потерь. (2 н.п. ф-лы, 2 ил.)
Полезная модель относится к цифровым системам регистрации и может быть использована в протонографии для исследования быстропротекающих процессов и исследования динамики структуры объектов на основе взрывчатых веществ, в рентгенографии для газодинамической отработки приборов, в видео и эндоскопии для исследования взрывных и других быстропротекающих процессов, в экспериментах по исследованию мягкого рентгеновского излучения лайнерной плазмы.
Известна одноканальная цифровая система регистрации DICAM PRO [сайт http://www.pulsephotonics.com], содержащая, установленные вдоль оптической оси входной объектив, электронно-оптический затвор, согласующие линзовые объективы и ПЗС-камеру. Недостаток данной системы состоит в том, что более двух кадров на событие получить нельзя. Также имеется ограничение при задании межкадровых интервалов (500 нс).
Наиболее близкой к заявляемой системе является цифровая четырехкадровая система регистрации РСО HSFC-PRO [сайт http://www.pulsephotonics.com], содержащая установленные вдоль оптической оси входной объектив (стандартный объектив Nikon), строящий изображение в фокальной плоскости первого объектива телескопической системы, призменный светоделитель, расположенный внутри данной телескопической системы, систему формирования кадров, четыре канала регистрации которой расположены в одной плоскости. Каждый канал регистрации образован вторым объективом телескопической системы, электронно-оптическим затвором, ПЗС-камерой и второй телескопической системой, состоящей из двух объективов, согласующей затвор и ПЗС-камеру. Таким образом, данный цифровой регистратор помимо входного объектива включает еще 13 промежуточных объективов.
Недостатками такой цифровой системы являются высокая цена, большие массогабаритные параметры, обусловленные ее компоновкой, и, главное, высокие потери света из-за наличия большого количества промежуточной линзовой оптики. Во многих задачах требуется регистрация малоконтрастных и оптически плотных объектов при низкоинтенсивных световых потоках. И качество получаемых изображений определяется возможностью максимального сбора падающих световых квантов. Т.е., светопотери в регистраторе должны быть минимальны.
Известен призменный светоделитель [Креопалова Г.В., Пуряев Д.Т. Исследование и контроль оптических систем. - М.: Машиностроение, 1978. - 224 с.] на основе светоделительного кубика, образованного парой прямоугольных призм со светоотражающим покрытием на гипотенузной грани. Недостатком такого светоделителя при использовании его в цифровых системах регистрации являются высокие светопотери.
При разработке решается задача создания относительно недорогого и компактного многокадрового цифрового регистратора, с высоким качеством получаемых изображений и возможностью задания межкадровых интервалов независимым образом. Технический результат для цифрового регистратора состоит в повышении предельного пространственного разрешения и упрощении конструкции регистратора. Результат выражается в снижении световых потерь за счет выбора элементной базы, позволяющей исключить промежуточную линзовую оптику, и разработке системы светоделения, позволяющей расположить каналы регистрации наиболее компактно. Техническим результатом для призменного светоделителя, позволяющего реализовать многокадровый цифровой регистратор, является снижение световых потерь.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного многокадрового цифрового регистратора, содержащего входной объектив, призменный светоделитель, многоканальную систему формирования кадров, включающую образующие каналы регистрации электронно-оптические затворы и соответствующие им ПЗС-камеры, в предлагаемом регистраторе оптическая схема регистратора содержит установленные вдоль оптической оси длиннофокусный объектив, последовательно расположенный за объективом призменный светоделитель и следующий далее в соответствующем канале регистрации электронно-оптические затворы, согласованные в схеме с обеспечением равенства оптических длин путей между объективом и электронно-оптическими затворами, причем светоделитель обладает минимальными светопотерями, а в системе формирования кадров в каждом канале регистрации ПЗС-камера выбрана с возможностью прямой стыковки с соответствующим электронно-оптическим затвором посредством оптоволоконной шайбы.
В многокадровом цифровом регистраторе между призменным светоделителем и электронно-оптическим затвором вдоль оптической оси может быть установлена поворотная призма для компактного расположения каналов регистрации.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного призменного светоделителя для систем цифровой регистрации, состоящего, по крайней мере, из одного светоделительного кубика, образованного парой прямоугольных призм со светоотражающим покрытием на гипотенузной грани одной из призм, в предлагаемом светоделителе в качестве светоотражающего покрытия на гипотенузную грань призмы нанесено интерференционное диэлектрическое покрытие, материал и количество слоев которого подбирают, исходя из условия отражения одной составляющей вектора световой волны и пропускания второй составляющей вектора световой волны.
В случае использования совокупности светоделительных кубиков кубики собраны с максимально плотной компоновкой. Кроме того, светоделительные кубики могут быть собраны с возможностью юстировки их взаимного положения. Светоделитель может быть устроен с возможностью варьирования коэффициента деления световой волны.
Использование в оптической схеме на входе длиннофокусного объектива и выбор габаритов светоделительного блока, позволяют строить изображение на фотокатодах электронно-оптических затворов без дополнительных линзовых систем. При этом входной объектив и электронно-оптические затворы согласованы в схеме с обеспечением равенства оптических длин путей. Использование ПЗС-камер с оптоволоконной шайбой на входе позволяет исключить согласующие линзовые объективы, переносящие изображение с люминофора затвора на ПЗС-матрицу. Как известно [Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель. Вакуумные фотоэлектронные приборы. - Москва: Радио и связь, 1988. - 27], даже используя для переноса изображения телескопическую систему с достаточно светосильными объективами (1:1.5), коэффициент сбора света не превышает 5%. А в прототипе используется две телескопических линзовых системы. Правда в прототипе заявлено, что для согласования электронно-оптических затворов и ПЗС-матриц используются телескопические системы, позволяющие увеличить коэффициент светосбора до 20%. Наряду со световыми потерями, любая линзовая оптика ухудшает разрешающую способность системы и приводит к геометрическим искажениям регистрируемых изображений за счет дисторсии, астигматизма, аберраций. Т.о., исключение, по возможности, линзовой оптики из регистратора, а, также использование призменного светоделителя с минимальными светопотерями, позволяет существенно улучшить предельное пространственное разрешение.
Кроме того, отсутствие промежуточных линзовых систем упрощает конструкцию цифрового регистратора, уменьшает его массогабаритные параметры и удешевляет его стоимость.
Разработанная система светоделения, обеспечивающая ортогональную разводку исходного светового пучка, и наличие между объективом и электронно-оптическими затворами поворотных призм, позволяют сделать цифровой регистратор наиболее компактным.
Для разводки пучка используется призменный светоделитель, состоящий как минимум из одного светоделительного кубика. Каждый кубик склеен из двух прямоугольных призм, на гипотенузную грань одной из призм нанесено отражающее покрытие. С целью уменьшения световых потерь за счет поглощения, в качестве отражающих покрытий наносятся интерференционные диэлектрические покрытия. При толщине пленки 
/4 происходит амплитудное сложение векторов световой волны, отраженных от границ раздела сред за счет интерференции света, отражаемого от передней и задней поверхности пленки. Такого типа покрытия поглощают менее 1% падающего света. Для расчета коэффициента отражения от границы двух сред применяется метод разложения электрического вектора световой волны на составляющие - лежащую в плоскости падения волны на границу раздела двух сред (Р-поляризация) и перпендикулярную ей (S-поляризация) [Ландсберг Г.С. Оптика. - М. Наука, 1976. - 928 с.]. Материал и количество слоев подбирают согласно формулам Френеля, исходя из условия отражения одной составляющей вектора световой волны, и пропускания второй составляющей вектора световой волны. Для уменьшения потерь на входные и выходные грани кубиков нанесены просветляющие покрытия.
Основываясь на методе разложения электрического вектора световой волны на взаимно перпендикулярные составляющие, предложенный светоделитель (фигура 1) обеспечивает ортогональную разводку исходного светового пучка. Это позволяет разместить каналы регистрации наиболее компактно, в двух параллельных плоскостях, как показано на фигуре 2.
Светоделительные кубики (совокупность) в призменном светоделителе собраны с максимально плотной компоновкой и возможностью их взаимной юстировки.
Меняя местами светоделительные кубики можно варьировать коэффициент деления исходного светового пучка.
Данные признаки расширяют функциональные возможности призменного светоделительного блока.
На фигуре 1 представлена схема призменного светоделителя, где обозначениям соответствуют: К1, К2, К3 - светоделительные кубики; I0 - интенсивность падающего пучка света; I1, I2, I3, I4, - интенсивность света в каналах регистрации.
На фигуре 2 изображена оптическая схема четырехкадрового цифрового регистратора, где (а) - фрагмент первого и второго каналов, (б) - фрагмент третьего и четвертого каналов:
1 - входной объектив,
2 - призменный светоделитель,
3 - поворотные призмы,
Многоканальная система формирования кадра, включает в себя образующие каналы регистрации электронно-оптические затворы 4 и соответствующие им ПЗС-камеры 5 с оптоволоконной шайбой на входе.
В конкретном случае (фигура 2) при реализации четырехкадрового цифрового регистратора в качестве входного объектива использовался длиннофокусный светосильный объектив Nikon CT-606 (фокусное расстояние 600 мм, светосила 1:4). Призменный светоделитель состоял из трех светоделительных кубиков. Размер грани каждого кубика - 25 мм. В качестве диэлектрических покрытий напылялись пленки ZrO 2 (n=1.96) и SiO2 (n=1.45). На каждый светоделительный кубик напылялось такое количество слоев (рассчитанное по формулам Френеля), что падающий пучок делился призменным светоделителем на четыре равноинтенсивных пучка. В качестве электронно-оптических затворов использовались затворы на основе электронно-оптических преобразователей с микроканальной пластиной в качестве усилителя света и с оптоволоконной шайбой на выходе. Изображения (четыре кадра) регистрировались ПЗС-камерами S2C (фирма SILAR, г.С.-Петербург) с оптоволоконной шайбой на входе, размер матрицы 16.6×18.6 мм, размер пикселя 16×16 мкм.
Система работает следующим образом. Переносимое входным объективом (1) изображение призменный светоделитель (2) разводит на четыре канала. Это изображение строится на фотокадодах электронно-оптических затворов (4) и затем усиливается. Полученные кадры с люминофоров затворов считываются ПЗС-камерами (5) и передаются в ПК. Межкадровые интервалы задаются независимым образом.
За счет исключения промежуточной линзовой оптики световые потери уменьшаются, примерно, в 5÷6 раз. Согласно критерию Роуза [Роуз А. Зрение человека и электронное зрение. - М. Мир, 1977. - 216 с.] это позволяет увеличить предельное пространственное разрешение в ~2.5 раза. Кроме того, это уменьшает массогабаритные параметры регистратора и удешевляет его стоимость. Для сравнения, вес камеры РСО HSFC-PRO - 80 кг, размеры (без входного объектива) - 870×520×280 мм3. А параметры разработанного цифрового регистратора: вес камеры - 8 кг, размеры (без входного объектива) - 400×210×230 мм3. Стоимость разработанного регистратора примерно в ~2 раза дешевле прототипа.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет достичь технического результата. Разработан компактный, относительно недорогой цифровой многокадровый регистратор с минимальными световыми потерями, высоким качеством получаемых изображений и возможностью задания межкадровых интервалов независимым образом.
Разработана система светоделения, в основе которой используется призменный светоделитель со светопотерями за счет поглощения менее 1%.
1. Многокадровый цифровой регистратор, содержащий входной объектив, призменный светоделитель, многоканальную систему формирования кадров, включающую образующие каналы регистрации электронно-оптические затворы и соответствующие им ПЗС-камеры, отличающийся тем, что в качестве входного объектива в оптической схеме регистратора использован длиннофокусный светосильный объектив, вдоль оптической оси которого последовательно установлены призменный светоделитель и следующие далее электронно-оптические затворы с соответствующими им ПЗС-камерами, согласованные в схеме с обеспечением равенства оптических длин путей между длиннофокусным светосильным объективом и электронно-оптическими затворами, причем призменный светоделитель обладает минимальными светопотерями, а в многоканальной системе формирования кадров в каждом канале регистрации ПЗС-камера выбрана с возможностью прямой стыковки с соответствующим электронно-оптическим затвором посредством оптоволоконной шайбы.
2. Многокадровый цифровой регистратор по п.1, отличающийся тем, что между призменным светоделителем и электронно-оптическим затвором вдоль оптической оси установлена, по крайней мере, одна поворотная призма для компактного расположения каналов регистрации.
3. Призменный светоделитель, состоящий, по крайней мере, из одного светоделительного кубика с просветленными гранями, образованного парой прямоугольных призм со светоотражающим покрытием на гипотенузной грани одной из призм, отличающийся тем, что в качестве светоотражающего покрытия на гипотенузную грань призмы нанесено интерференционное диэлектрическое покрытие, материал и количество слоев которого подбирают исходя из условия отражения одной составляющей вектора световой волны и пропускания второй составляющей вектора световой волны.
4. Призменный светоделитель по п.3, отличающийся тем, что в случае использования совокупности светоделительных кубиков, кубики собраны с максимально плотной компоновкой.
5. Призменный светоделитель по п.4, отличающийся тем, что светоделительные кубики собраны с возможностью юстировки их взаимного положения.
6. Призменный светоделитель по п.4, отличающийся тем, что имеется возможность варьирования коэффициента деления световой волны.
