СПОСОБ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОЛУЧЕНИЯ КАДРОВ ЭЛЕКТРОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G03B39/00 H01J31/50 

Область применения

Изобретение относится к телевизионной технике и может быть использовано в системах наблюдения быстропротекающих процессов.

Уровень техники

Для исследований в различных областях науки и техники, таких как квантовая электроника, физика плазмы, аэродинамика, баллистика, биология и многих других, используют скоростные видеокамеры, которые регистрируют различные стадии быстропротекающих процессов. Первоначально это были механические устройства, в которых с помощью зеркал или призм разворачивали изображение процесса и проектировали его на высокочувствительную кинопленку, например, патент РФ №2216778.

Впоследствии появились электронно-оптические камеры [авт.св. СССР №1611150. ″Способ развертки изображения в кадровом электронно-оптическом преобразователе″, 1989 г. Авторы: Г.Г.Фельдман и др.], использующие электронно-оптические преобразователи (ЭОП), в которых исследуемый процесс проецируется на фотокатод и превращается в поток электронов. В ЭОП имеется электронный затвор и система развертки изображения. В исходном состоянии ЭОП заперт. При отпирании электронное изображение проходит на экран, фиксируя на нем одну из стадий исследуемого процесса в виде двухмерного кадра. Последовательное отпирание и запирание изображения в сочетании с перемещением кадров по экрану позволяет осуществлять многокадровую съемку. При этом кадры располагаются на плоском экране ЭОП. В электронно-оптических камерах количество кадров ограничено размерами люминесцентного экрана ЭОП и обычно составляет 4-16 шт., что недостаточно для получения полноценного видеоклипа. Другой способ получения многокадрового изображения - скоростные телевизионные видеокамеры [патент РФ №2286589], которые имеют скорость съемки до нескольких тысяч кадров в секунду (видеографические камеры). Эти камеры делают на основе твердотельных матричных систем. Количество кадров в таких системах практически не ограничено и зависит от объема памяти. Недостатком также является то, что с увеличением скорости съемки число элементов разрешения падает в десятки раз, кроме того, эти приборы не обладают высокой чувствительностью, что делает их непригодными для съемки процессов малой яркости.

Техническим результатом данного изобретения является повышение точности разрешения съемки при одновременном увеличении скорости съемки.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 изображен многокадровый ЭОП, включающий: 1 - фотокатод, 2 - фокусирующий электрод, 3 - анод, 4 - электронный пучок, 5 - первая пара отклоняющих пластин, 6 - вторая пара отклоняющих пластин, 7 - микроканальная усилительная пластина (МКП), которая работает в качестве электронного затвора и усилителя тока одновременно, люминесцентный экран - 8, девятикадровая развертка изображения на люминесцентном экране - 9.

На Фиг.2 представлена гистограмма временного распределения кадров на экране, где темные зоны - время экспозиции кадров, светлые зоны - время задержки между кадрами.

На Фиг.3 показаны эпюры управляющих напряжений, которые обеспечивают развертку кадров по экрану, где U_з - напряжение на затворе; U1 - напряжение на первой паре отклоняющих пластин; U2 - напряжение на второй паре отклоняющих пластин.

На Фиг.4 показана схема сверхскоростной гибридной видеографической системы, включающая: 10 - ЭОП, цифрами 11; 12; 13 обозначены виртуальные многокадровые (в данном случае девятикадровые) пачки импульсов, каждая из которых считывается скоростной телевизионной камерой 14, запоминается и обрабатывается в компьютере 15.

Сущность изобретения

Заявленный технический результат достигается за счет того, что для получения кадров электронного изображения формируют плоское многокадровое изображение путем подачи электрических импульсов управления на времяанализирующий электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и его последующее считывание высокочастотной видеографической камерой таким образом, чтобы выполнялись следующие соотношения:

,

где

n - число кадров на экране ЭОП;

t₁; t₂; ...; t_n - длительность каждого кадра на экране ЭОП;

τ₁; τ₂; ...τ_n - длительность пауз между кадрами ЭОП;

f - частота съемки высокочастотной видеографической камеры.

Данный результат может быть реализован на основе того, что исследуемый световой импульс проецируется (см. Фиг.1, Фиг.4) на фотокатод 1 в виде двухмерного кадра. Под действием света с фотокатода эмитируется пучок электронов 4, который ускоряется напряжением, приложенным между фотокатодом 1 и анодом 3, с помощью фокусирующего электрода 2, фокусируется на микроканальной пластине 7 и электрическим полем, приложенным между микроканальной пластиной и люминесцентным экраном, переносится на люминесцентный экран 8. При помощи пластин развертки 5 и 6 электронный пучок разворачивается по поверхности микроканальной пластины. Подача импульсных напряжений на микроканальную пластину 7 обеспечивает стробирование и усиление электронного пучка. Электронный пучок 4, после выхода из микроканальной пластины, плоским электрическим полем переносится на люминесцентный экран 8 и возбуждает люминофор, преобразуя тем самым электронное изображение в световое. На Фиг.1 показано изображение на люминесцентном экране 8 в виде девятикадровой развертки 9 (см. Фиг.1). Каждый кадр изображения появляется в разных частях экрана в разные моменты времени.

Таким образом, при развертке осуществляется пространственно-временное преобразование входного изображения.

На Фиг.2 представлена гистограмма временного распределения кадров на экране. Длительность кадров и пауз между кадрами определяется длительностью управляющих электрических импульсов развертки и затвора и может задаваться компьютерной программой.

На Фиг.3 представлены эпюры управляющих напряжений, которые обеспечивают развертку кадров по экрану, где U_з - напряжение на затворе; U1 - напряжение на первой паре отклоняющих пластин; U2 - напряжение на второй паре отклоняющих пластин.

На Фиг.4 показана сверхскоростная гибридная видеографическая система. ЭОП, схема которого показана на Фиг.1, представлен на Фиг.4 как единый элемент - 10. Системой (Фиг.4) собираются виртуальные многокадровые (в данном случае девятикадровые) пачки импульсов 11, 12, 13, причем каждая пачка из которых считывается скоростной телевизионной камерой 14 и запоминается и обрабатывается в компьютере 15. При выполнении соотношения (1) каждая пачка кадров на экране будет считана и запомнена. Таким образом, максимальная частота съемки видеокамеры f может быть увеличена в n раз, т.е. во столько раз, сколько кадров электронного изображения умещается на люминесцентном экране ЭОП.

Пример 1.

N=9

t_n=200 нс

τ_n=100 нс

f=1000 Гц

Согласно (1)

200×9+100×8=2600 нс=2,6×10^-6<10^-3.

При этом реальная частота съемки составит 9000 кадров в секунду.

Пример 2.

N=9

f=1000 Гц

Пусть t_n=τ_n

Определим максимальную длительность кадра, при котором видеографическая система будет работать с частотой 9000 Гц.

Согласно (1)

t_n×17=0,001

t_n=τ_n≈5,9×10^-5

При больших длительностях кадров они будут накладываться один на другой.

Общее количество кадров, которое может быть записано и обработано в компьютере, включая создание видеоклипа, зависит только от объема памяти компьютера и может составлять тысячи кадров.

Способ высокоскоростного получения кадров электронного изображения, в котором формируют плоское многокадровое изображение путем подачи электрических импульсов управления на времяанализирующий электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и его последующее считывание высокочастотной видеографической камерой таким образом, чтобы выполнялись следующие соотношения:

где

n - число кадров на экране ЭОП;

t₁; t₂; ...; t_n - длительность каждого кадра на экране ЭОП;

τ₁; τ₂; ...τ_n - длительность пауз между кадрами ЭОП;

f - частота съемки высокочастотной видеографической камеры, причем длительность кадров и пауз между кадрами определяется длительностью электрических импульсов управления и может задаваться компьютерной программой.

Технический результат: повышение точности разрешения съемки при одновременном увеличении скорости съемки. 4 ил.

Способ высокоскоростного получения кадров электронного изображения, в котором формируют плоское многокадровое изображение путем подачи электрических импульсов управления на времяанализирующий электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и его последующее считывание высокочастотной видеографической камерой таким образом, чтобы выполнялись следующие соотношения:

где

n - число кадров на экране ЭОП;

t₁; t₂; ...; t_n - длительность каждого кадра на экране ЭОП;

τ₁; τ₂; ...τ_n - длительность пауз между кадрами ЭОП;

f - частота съемки высокочастотной видеографической камеры, причем длительность кадров и пауз между кадрами определяется длительностью электрических импульсов управления и может задаваться компьютерной программой.