Многоканальные программно-управляемые электронно-оптические комплексы для скоростной регистрации серии изображений быстропротекающего процесса : НПК ВИДЕОСКАН

Многоканальные программно-управляемые электронно-оптические комплексы для скоростной регистрации серии изображений быстропротекающего процесса

Крутик Михаил Ильич

В статье представлены принципы построения программно-управляемых комплексов для сверхскоростной съемки быстропротекающих процессов. Основой таких устройств являются электронно-оптические преобразователи (ЭОП) с наносекундными затворными модулями управления, обеспечивающими регистрацию последовательности кадров с временами экспозиций до 10-8 с. Подобные системы могут обеспечить синхронную многокадровую съемку (серия изображений от двух до восьми кадров) оптических процессов с регулируемым периодом между кадрами от 10 нс до 1 мс и более. Приведены результаты применения одного из таких комплексов в задачах, связанных с исследованиями в области баллистики.

При проведении исследований в области быстропротекающих процессов, часто используют метод синхронной высокоскоростной съемки. Применение для этих целей импульсных электронно-оптических преобразователей (ЭОП) позволяет создавать аппаратуру, обеспечивающую режим однокадровой и многокадровой скоростной съемки с временами экспозиции до единиц наносекунд, а интервалами между кадрами до десятка наносекунд.

На основе таких ЭОП и высоковольтных наносекундных модулей управления строятся различные как электронно-оптические камеры (ЭОК), так и целые программно-управляемые комплексы. Последние представляют интерес там, где требуется дистанционное управление параметрами камеры - временем экспозиции, задержкой запуска, коэффициентом усиления ЭОП и т.п. Такая необходимость возникает в случаях, когда нахождение оператора в зоне работы не допустимо, но при этом требуется оперативное изменение параметров камер от эксперимента к эксперименту.

Это представляет особый интерес в исследованиях, связанных с баллистикой. Задача получения изображений летящего на большой скорости объекта (снаряд, пуля и т.п.) в различных точках его траектории, протяженность которой может достигать сотен метров, требует установки нескольких ЭОК на значительном удалении как друг от друга, так и от места обработки регистрируемых кадров. В таких условиях, преимущества дистанционно программируемых систем еще более очевидны. Находясь на своем рабочем месте, оператор устанавливает необходимые параметры для каждой ЭОК, контролирует работу всех входящих в комплекс приборов и сам процесс записи изображений.

Кроме того, удобства, связанные с использованием программно-управляемых ЭОК найдут применение и в других областях науки и техники, даже если вся аппаратура и объект исследования располагаются рядом. Кроме перечисленных достоинств, такой принцип построения комплекса обеспечивает установку беспрецедентно большого числа возможных значений каждого из параметров ЭОК - до 2000 комбинаций для длительности экспозиции и величины задержки запуска, и до 256 для установки чувствительности фотоэлектронного канала.

Введение

Применение ЭОП в качестве быстродействующего электронного затвора началось с середины 50-х годов. За эти годы вышло достаточно много публикаций, в которых нашли отражение вопросы разработки и применения ЭОП, а так же приборов на их основе, в различных областях науки и техники.

Для того чтобы не отсылать читателя, недостаточно хорошо знакомого с ЭОП и режимом электронного затвора, к специальной литературе, ниже приводится их краткое описание. Представлен только один из существующих типов ЭОП, на основе которого и созданы программируемые комплексы.

Из всех существующих в настоящее время электронно-оптических преобразователей, для применения в приборах высокоскоростной регистрации изображений быстропротекающих процессов наибольший интерес представляют так называемые плоские ЭОП (proximity focus image intensifiers) поколений II, II+ и III. Их бесспорным преимуществом являются малые габариты, высокое и однородное по полю пространственное разрешение, полное отсутствие геометрических искажений (дисторсии) и высокая защищенность к внешним электромагнитным помехам. Схема плоского ЭОП представлена на рис. 1.

Рис. 1. ЭОП поколения II и III

Данный ЭОП представляет собой вакуумный блок, внутри которой параллельно друг другу расположены три электрода. Первый - это полупрозрачный фотокатод (мультищелочной для поколения II и арсенид-галиевый для III), нанесенный на внутреннюю поверхность входного стеклянного окна. Следом за ним установлена микроканальная пластина (МКП). Последний электрод - экран, представляющий собой тонкий слой специального люминофора, нанесенного на стеклянное выходное окно. Во включенном состоянии между электродами подаются соответствующие напряжения. На рис. 1 напряжения на электродах ЭОП обеспечивают его работу в так называемом, "статическом режиме". В этом режиме он открыт и работает просто как усилитель изображения. Изображение объекта проецируется на внутреннюю поверхность входного стеклянного окна и фотокатод под воздействием потока квантов излучения испускает соответствующий поток электронов. Электрическое поле, образованное источником питания Vфк, переносит их на вход МКП, которая усиливает электроны в Ke раз (пропорционально приложенному к ней напряжению VМКП). Усиленный поток электронов с выхода МКП, попадая в ускоряющее поле, образованное источником питания Vэкр, падает на экран ЭОП и вызывает соответствующее излучение. Коэффициент усиления ЭОП (KЭОП), равный отношению уровня мощности излучения с экрана ЭОП к уровню мощности излучения, падающего на фотокатод, определяется напряжением, приложенным к МКП (VМКП). Зависимость KЭОП от напряжения на МКП приведена на рис. 2.

Как правило, коэффициент усиления ЭОП может устанавливаться в пределах от 1 до 30 000 - 50 000.

Рис. 2. Зависимость коэффициента усиления электронов от напряжения на МКП.

ЭОП в качестве электронного затвора

Из рис. 1 видно, что электроны при движении проходят три участка, каждый из которых имеет свое ускоряющее электрическое поле. Это "фотокатод - вход МКП", "вход МКП - выход МКП" и "выход МКП - экран". Теоретически, для импульсного управления (стробирования) ЭОП можно использовать любой из этих промежутков. Выключение любого из источников питания (Vфк, VМКП или Vэкр) переводит его в постоянно закрытое состояние. Подача на обесточенный промежуток импульса напряжения с соответствующей полярностью и амплитудой приводит к открытию ЭОП на время равное его длительности. На практике используют только первые два участка: "фотокатод - вход МКП" и "вход МКП - выход МКП". Экранный промежуток потребовал бы для управления импульсы с амплитудой 5:6 кВ, против нескольких сотен вольт для первых двух, что, при прочих равных условиях, привело бы к неоправданно большим габаритам модуля управления.

Еще одно условие делает предпочтительным стробирование только по промежутку "фотокатод - вход МКП". Дело в том, что в ждущем режиме, при управлении по промежутку "вход МКП - выход МКП", через открытый промежуток "фотокатод - вход МКП" электроны, генерируемые фотокатодом при фоновом (дневной свет) и импульсном (лампа-вспышка) облучении, продолжают бомбардировать входную поверхность МКП. При длительном воздействии больших потоков электронов микроканальная пластина может выделять остаточные газы, которые резко снижают ресурс работы ЭОП ("отравляется" фотокатод, возникают постоянно светящиеся точки и т.п.). То есть, с ним требуется обращаться так же, как при использовании его в приборах ночного видения - не допускать попадания на фотокатод значительного фонового светового потока. Если это условие выполнимо, то можно с успехом применять стробирование по МКП. К сожалению, для многих задач эти требования не выполнимы. В первую очередь, это касается такой области исследований как баллистика. Эксперименты проводятся в дневное время, а длительность импульсной подсветки может быть в тысячи раз больше, чем длительность затворного импульса. Так как лампа-вспышка должна обеспечивать мощность, требующуюся для получения за время экспозиции определенного количества фотонов, необходимого для образования соответствующего изображения, то вся ее остальная энергия создает только дополнительную электронную нагрузку на входе МКП.

При стробировании по промежутку "фотокатод - вход МКП" в выключенном состоянии электроны не достигают МКП при любом уровне облучения фотокатода. Такой режим позволяет работать в условиях яркого дня даже при максимальном коэффициенте усиления ЭОП (но не выше необходимого для импульсного режима).

Для стробируемого режима длительность импульса, отпирающего ЭОП, определяет время экспозиции кадра, а число фотонов за это время упавших на фотокатод - значение энергии регистрируемого изображения. На экране пропорционально коэффициенту усиления ЭОП излучается соответствующее число фотонов. Из-за инерционности люминофора время, в течение которого они излучаются, может значительно превышать длительность экспозиции. В импульсных системах это не имеет значения. Главное, чтобы все они попали на многоканальный фотоприемник (ПЗС или КМОП) телевизионной системы записи изображения в интервале, соответствующим фазе накопления заряда.

В настоящее время существуют схемотехнические решения, обеспечивающие построение затворных модулей с управляемой длительностью tэксп от 5 нс до сотен микросекунд и более. Такой диапазон обеспечивает регистрацию (сверхскоростное фотографирование) объектов, летящих со скоростью значительно превышающей первую космическую (8 000 м/с). Для сравнения - свет проходит расстояние в 1 м за время 3 нс. Схемы с фиксированной длительностью импульса (на основе сверхскоростной коммутации линий с распределенными параметрами) обеспечивают минимальные времена стробирования десятки пикосекунд, но в данной статье они не рассматриваются.

Высокочастотные свойства электронно-оптических преобразователей являются отдельной проблемой. Выпускаемые различными производителями серийные ЭОП, как правило, были разработаны для приборов ночного видения, в которых не требовались такие характеристики. Поэтому, в некоторых случаях, данные ЭОП требуют существенной доработки.

Рис. 3. Импульсное управление ЭОП поколения II и III

Принципы построения многоканальных программно-управляемых электронно-оптических комплексов

Структура комплекса, как правило, определяется его назначением. Съемка при коротких экспозициях требует активной подсветки объекта, которую, как правило, выполняют лампы-вспышки (иногда используют и мощные импульсные лазеры). Запуск лампы-вспышки осуществляется сигналом от фотодатчика синхронно с моментом появления объекта в поле зрения определенного канала комплекса. Точная регулировка задержки срабатывания затворного модуля определяет момент съемки и выбирается из расчетного времени появления объекта в заданной точке. Кроме того, применение комплекса для съемки объектов, движение которых может происходить с различными скоростями, требует возможности изменения времени экспозиции так же в достаточно широких пределах.

В качестве примера, на рис. 4 показана одноканальная программируемая система регистрации. В ее состав входят:

электронно-оптическая камера (ЭОК), состоящая из электронно-оптического преобразователя ЭОП с затворным модулем, которые выполняют функции сверхскоростного затвора и усилителя изображения; 2/3" цифровая ПЗС-камера высокого разрешения (1280x1024);
импульсная лампа-вспышка (ИЛ);
устройство фотозапуска, состоящее из лазера (Л) и фотодатчика (ФД);
промышленный компьютер (ПК).

После включения системы оператор с помощью специального программного обеспечения производит установку всех параметров комплекса в программный модуль ЭОК. Они обеспечивают регистрацию изображения объекта и запись его в память компьютера. К таким параметрам относятся:

величина задержки запуска импульсной лампы-вспышки;
величина задержки срабатывания формирователя затворного импульса в ЭОК;
значения длительности затворного импульса (время экспозиции);
значение коэффициента усиления ЭОП (напряжение на МКП).

Рис. 4. Структурная схема одноканальной программно-управляемой
электронно-оптической камеры в составе испытательного комплекса.

После выхода из ствола объект прерывает лазерный луч. При этом фотодатчик ФД вырабатывает синхроимпульсы 1 и 2 для запуска импульсной лампы вспышки ИЛ и электронно-оптической камеры ЭОК. К моменту времени ta, когда объект оказывается в поле зрения А камеры, происходит их запуск. Изображение объекта через входной объектив Овх проецируется на фотокатод ЭОП, затвор которого в этот момент открывается на время tэксп. Электроны, вылетевшие с фотокатода, образуют определенный заряд, который, усиливаясь в МКП в Ke раз, вызывает на экране ЭОП оптическую вспышку соответствующей энергии.

В некоторых баллистических задачах в дополнение к режиму однократной экспозиции весьма полезным может оказаться режим двойной экспозиции. Он заключается в том, что после срабатывания затвора ЭОП в момент ta через предварительно установленную задержку происходит повторное срабатывание затвора в момент tb, к которому объект, оставаясь в поле изображения камеры, переместится (рис. 4). При этом на экране ЭОП будет сформировано два изображения одного объекта разнесенные по полю. Необходимым условием такого режима является отсутствие отраженного света от различных поверхностей (стен, конструктивных элементов) находящихся в поле изображения.

С экрана ЭОК усиленное изображение через проекционный объектив Опр переносится на фоточувствительную площадку цифровой ПЗС-камеры, которая также работая в ждущем режиме, к данному моменту перешла в режим накопления заряда. Время накопления выбирается немного больше времени послесвечения люминофора ЭОП. За это время (для люминофора Р-20 оно равно 3:5 мс) накапливаются все сигнальные фотоны, и дальнейшее накопление "собирает" только фоновый шум. После этого видеоданные оцифровываются в 10 битный код и через вентильную матрицу, программируемую пользователем, попадают на приемопередатчики, работающие на кабель "витая пара". В зависимости от условий испытаний более удобным может оказаться применение волоконно-оптических линий связи или радиоканала. Обмен данными между камерой и ПК происходит через плату ввода изображения (фрэйм-грабер) с шиной PCI.

Кроме того, при такой конфигурации обеспечивается очень высокая чувствительность регистрации изображения. При максимальном коэффициенте усиления она составляет десятки фотонов на разрешаемый элемент изображения в плоскости фотокатода ЭОП.

На основе представленной одноканальной системы можно строить и многоканальные комплексы с практически неограниченным числом камер. Пример многоканального программно-управляемого комплекса представлен на рис. 5.

В его состав входят:

1 : 6 - однокадровые ЭОК (аналогичные показанной на рис. 3);
А : Е - импульсные лампы-вспышки;
многокадровая ЭОК;
ПК - промышленный компьютер, программирующий все составляющие комплекса, записывающий и обрабатывающий регистрируемую информацию.

В данном перечне новым компонентом является многокадровая ЭОК (см. рис. 6), которая представляет собой блок из восьми электронно-оптических каналов, на входы которых проецируются изображения исследуемого объекта через один общий входной объектив и призменный расщепитель светового пучка на восемь.

Каждый из восьми каналов по структуре аналогичен представленной на рис. 4 ЭОК. При поступлении на вход камеры пускового импульса происходит запись последовательности кадров в точно заданные моменты времени и с точно заданным временем экспозиции. Последовательность из восьми записанных кадров через кабель связи передается в промышленный компьютер. Специальный контроллер ввода изображений (на шине PCI) обеспечивает запись кадров в оперативную память.

Рис. 5. Баллистическая трасса и приборный комплекс

Рис. 6. Моноблочная программируемая многокадровая ЭОК.

Запуск всего комплекса осуществляется в момент вылета объекта из ствола с помощью специального модуля синхронизации (на рис. 5 не показан). Синхроимпульс поступает на все ЭОК 1 ё ЭОК 7 и импульсные лампы (А ё Е), а их запуск происходит последовательно в соответствии с установленными временными задержками. Они определяются из расчета ожидаемого времени появления объекта в поле зрения соответствующих камер. Параметры многокадровой камеры выбираются, также, из ожидаемой длительности процесса разрушения объекта при его взаимодействии с мишенью.

Преимуществом применения подобных комплексов является то, что на основе описанных компонентов в зависимости от конкретных требований можно легко компоновать различные по числу камер системы.

На фото 1 и 2 представлены результаты скоростной съемки, полученные с помощью программируемого четырех кадрового электронно-оптического комплекса NANOGATE-Frame 4. На фото 1 - серия из трех кадров процесса распада объекта при его движении по траектории со скоростью примерно 1000 м/с. Интервалы между кадрами 200 мкс (между первым и вторым) и 120 мкс (между вторым и третьим кадром). Времена экспозиции для каждого кадра указаны под фотографией.

t1=0 t2=200мкс t3=320мкс

tэксп=50нс tэксп=200нс tэксп=300нс

Фото 1. Серия из трех кадров зарегистрированных комплексом NANOGATE-Frame 4

На фото 2 - одиночный снимок, трассирующего объекта, двигающегося по траектории со скоростью примерно 800 м/с. Снимок сделан при экспозиции равной 300 нс. В обоих случаях подсветка объекта осуществлялась импульсной лампой-вспышкой.

tэксп=300нс

Фото 2. Одиночный снимок трассирующего объекта,
двигающегося по траектории со скоростью около 800 м/с

В заключение хотелось бы отметить, что многоканальные программно-управляемые электронно-оптические комплексы, могут найти широкое применение и в таких областях как:

взаимодействие импульсного лазерного излучения с веществом;
импульсная флюоресценция;
физика плазмы;
вибрация.

Короче, везде, где есть необходимость регистрировать динамику быстрых процессов в широком спектральном диапазоне.

Литература

Бутслов М.М., Степанов Б.М., Фанченко С.Д. Электронно-оптические преобразователи и их применение в научных исследованиях, М.: Наука, 1978.
Изнар А.Н., Электронно-оптические приборы, М.: "Машиностроение", 1977.
Материалы международных конференций "High Speed Photography, Videography and Photonics" 1970 - 2000 гг.
Материалы Всесоюзных конференций по высокоскоростной фотографии и фотонике. 1972 - 2001 гг.
М.И. Крутик, В.П. Майоров, В.В. Попов, М.С. Семин. Программируемая наносекундная электронно-оптическая камера NANOGATE-GC-1, "НПК ВИДЕОСКАН". Тезисы докладов на 19 Всероссийской Конференции по высокоскоростной фотографии и фотонике., Москва, 2001.
М.И. Крутик, В.П. Майоров, В.В. Попов, М.С. Семин. Программируемый 4-х кадровый наносекундный электронно-оптический комплекс NANOGATE-Frame 4, "НПК ВИДЕОСКАН". Тезисы докладов на 19 Всероссийской Конференции по высокоскоростной фотографии и фотонике., Москва, 2001.
В.Г. Комар, Д.Ю. Сон, М.С. Семин, В.П. Майоров, С.А. Сабо, С.В. Беляев, Л.М. Балясный, М.И. Крутик, О.А. Любич, В.Л. Котляр, В.Е. Лапотенко. Трехмерная многоракурсная безочковая цветная телевизионная система с голографическим экраном//Техника кино и телевидения, № 4, 1998