Electroóptico multicanal controlado por software complejos para la grabación a alta velocidad de una serie de imágenes de un proceso que fluye rápidamente.
Krutik Mikhail Ilyich
El artículo presenta los principios de construir complejos controlados por software para filmar a ultra alta velocidad procesos que fluyen rápidamente .
La base de estos dispositivos son convertidores electroópticos (EOC) con módulos de control de obturador de nanosegundos que garantizar el registro de una secuencia de fotogramas con tiempos de exposición de hasta 10-8 s.
Dichos sistemas pueden proporcionar disparos sincronizados de múltiples fotogramas (una serie de imágenes de dos a ocho fotogramas) de procesos ópticos con un período ajustable entre fotogramas de 10 ns a 1 ms o más.
Los resultados del uso de uno de estos se presentan complejos en problemas relacionados con la investigación en el campo de la balística.
Al realizar investigaciones en el campo de procesos rápidos, se utiliza el método de alta velocidad sincrónica. A menudo se utiliza el tiro.
El uso de convertidores electroópticos pulsados (IOC) para estos fines permite crear equipos que proporcionan disparos de alta velocidad de fotograma único y de fotogramas múltiples con tiempos de exposición de hasta unos pocos nanosegundos e intervalos entre fotogramas de hasta decenas de nanosegundos.
Sobre la base de estos tubos intensificadores de imagen y módulos de control de nanosegundos de alto voltaje, se construyen varias cámaras electroópticas (EOC) y complejos completos controlados por software.
Estos últimos son de interés cuando se requiere control remoto de parámetros de la cámara: tiempo de exposición, retraso de inicio, ganancia del intensificador de imagen, etc.
Esta necesidad surge en los casos en que el operador no está en la El área de trabajo es aceptable, pero esto requiere cambios rápidos en los parámetros de la cámara de un experimento a otro.
Esto es de particular interés en estudios relacionados con la balística.
La tarea de obtener imágenes de un objeto que vuela a gran velocidad (un proyectil, una bala, etc.) en varios puntos de una trayectoria, cuya longitud puede alcanzar cientos de metros, requiere la instalación de varios COE a una distancia considerable tanto entre sí y desde el lugar donde se procesan los cuadros grabados
En tales condiciones, las ventajas de los sistemas programados remotamente son aún más obvias. Mientras está en su lugar de trabajo, el operador establece los parámetros necesarios para cada EOC, controla el funcionamiento de todos los dispositivos incluidos en el complejo y el proceso de grabación de imágenes en sí.
Además, la comodidad asociada con el uso de COE controlados por software se aplicará en otras áreas de la ciencia y la tecnología, incluso si todos los equipos y el objeto de investigación se encuentran cerca.
Además de las ventajas enumeradas, este principio de construcción del complejo garantiza la instalación de una cantidad sin precedentes de valores posibles para cada uno de los parámetros del EOC: hasta 2000 combinaciones para la duración de la exposición y el valor del retraso de inicio, y hasta 256 para configurar la sensibilidad del canal fotoelectrónico.
Introducción
El uso de Los tubos intensificadores de imagen como obturador electrónico de alta velocidad comenzaron a mediados de los años 50.
A lo largo de los años, se han publicado bastantes publicaciones que reflejan el desarrollo y la aplicación de los intensificadores de imagen. tubos, así como dispositivos basados en ellos, en diversos campos de la ciencia y la tecnología.
Para no remitir al lector que no esté suficientemente familiarizado con el tubo intensificador de imagen y el modo de obturador electrónico a literatura especializada, a continuación se ofrece una breve descripción de ellos.
Sólo uno de Se presentan los tipos existentes de tubos intensificadores de imágenes, a partir de los cuales se crearon complejos programables.
De todos los convertidores electrón-ópticos que existen actualmente, el mayor interés son los llamados intensificadores de imagen planos (intensificadores de imagen de enfoque de proximidad) de las generaciones II, II+ y III para su uso en dispositivos para la grabación de imágenes de procesos rápidos a alta velocidad.
Sus ventajas indiscutibles son sus pequeñas dimensiones, su resolución espacial alta y uniforme en el campo, la ausencia total de distorsiones geométricas (distorsión) y su alta inmunidad a las interferencias electromagnéticas externas. El diagrama de un intensificador de imágenes plano se muestra en la Fig. 1.
Fig. 1. Tubos intensificadores de imagen de generación II y III.
Este tubo intensificador de imágenes es un bloque de vacío, dentro del cual se encuentran tres electrodos paralelos entre sí.
El primero es un fotocátodo translúcido (multiálcali para la generación II y arseniuro de galio para la III). ), depositado en la superficie interior de la ventana de cristal de entrada. Junto a él se instala una placa de microcanales (MCP). El último electrodo es una pantalla, que es una capa delgada de un fósforo especial aplicada a una ventana de salida de vidrio. Cuando se enciende, se aplican voltajes apropiados entre los electrodos.
En la figura. 1 Los voltajes en los electrodos del intensificador de imágenes garantizan su funcionamiento en el llamado «modo estático». En este modo, está abierto y funciona simplemente como intensificador de imagen.
La imagen del objeto se proyecta sobre la superficie interior de la ventana de vidrio de entrada y el fotocátodo, bajo la influencia de una corriente de cuantos de radiación, emite una corriente correspondiente de electrones.
Campo eléctrico generado por la fuente de energía Vfk,los transfiere a la entrada del MCP, que amplifica los electrones Keveces (proporcional al voltaje VMCP que se le aplica).
El aumento del flujo de electrones desde la salida del MCP, que cae en el campo de aceleración formado por la fuente de energía Vscreen, cae sobre la pantalla intensificadora de imágenes y provoca la radiación correspondiente.
Ganancia del intensificador (IEC ), igual a la relación entre el nivel de potencia de radiación de la pantalla intensificadora de imágenes y el nivel de potencia de radiación incidente en el fotocátodo, está determinado por el voltaje aplicado al MCP (VMCP). La dependencia de KEOP del voltaje en el MCP se muestra en la Fig. 2.
Como regla general, la ganancia del intensificador de imagen se puede configurar en el rango de 1 a 30.000 — 50.000.
Fig. 2. Dependencia de la ganancia de electrones
del voltaje en el MCP.
Tubo intensificador de imagen como obturador electrónico
De la Fig. 1 se puede ver que los electrones, cuando se mueven, pasan a través de tres secciones, cada una de las cuales tiene su propio campo eléctrico acelerador. Este es un fotocátodo – entrada MCP”, “entrada MCP – salida MCP” y “salida MCP – pantalla”. En teoría, cualquiera de estos intervalos se puede utilizar para el control de impulsos (activación) del intensificador de imágenes.
Apagar cualquiera de las fuentes de alimentación (Vfk, VMKP o Vekr) lo pone en un estado permanentemente cerrado. La aplicación de un pulso de voltaje con la polaridad y amplitud adecuadas a un espacio desenergizado provoca la apertura del intensificador de imágenes durante un tiempo igual a su duración.
En la práctica, solo el primero se utilizan dos secciones: “fotocátodo — entrada MCP” y entrada MCP – salida MCP.”
El espacio de la pantalla requeriría pulsos con una amplitud de 5…6 kV para el control, frente a varios cientos de voltios para los dos primeros, lo que, en igualdad de condiciones, daría lugar a dimensiones injustificadamente grandes del módulo de control.
Otra condición hace que la activación sea preferible sólo a lo largo del espacio entre el fotocátodo y la entrada del MCP. El hecho es que en el modo de espera, cuando está controlado por el espacio entre la entrada MCP y la salida MCP, a través del espacio abierto «fotocátodo — entrada MCP», los electrones generados por el fotocátodo bajo irradiación de fondo (luz diurna) y pulsada (lámpara de flash) continúan bombardeando. superficie de entrada del MCP. Con una exposición prolongada a grandes flujos de electrones, la placa de microcanales puede emitir gases residuales, lo que reduce drásticamente la vida útil del tubo intensificador de imagen (el fotocátodo se envenena, aparecen puntos constantemente brillantes, etc.).
Es decir, debe tratarse de la misma manera que cuando se usa en dispositivos de visión nocturna, para evitar que un flujo de luz de fondo significativo llegue al fotocátodo. Si se cumple esta condición, entonces la luz estroboscópica MCP se puede utilizar con éxito.
Desafortunadamente, para muchas tareas estos requisitos no son factibles. En primer lugar, se trata de un área de investigación como la balística.
Los experimentos se llevan a cabo durante el día y la duración de la iluminación pulsada puede ser miles de veces mayor que la duración del pulso del obturador.
Dado que la lámpara de flash debe proporcionar la energía necesaria para recibir durante el tiempo de exposición una cierta cantidad de fotones necesarios para formar la imagen correspondiente, toda la energía restante crea solo una carga electrónica adicional en la entrada del MCP.
Cuando se activa a lo largo del espacio entre el fotocátodo y la entrada del MCP” en el estado apagado, los electrones no alcanzan el MCP en ningún nivel de irradiación del fotocátodo.
Este modo le permite trabajar en condiciones de mucha luz diurna incluso con la ganancia máxima del tubo intensificador de imagen (pero no más alta de lo necesario para el modo de pulso).
Para el modo estroboscópico, la duración del pulso que desbloquea el intensificador de imagen determina el tiempo de exposición del cuadro, y el número de fotones durante este tiempo que caen sobre el fotocátodo es el valor de energía de la imagen grabada.
En la pantalla, en proporción a la ganancia del intensificador de imágenes, se emite el número de fotones correspondiente. Debido a la inercia del fósforo, el tiempo durante el cual se emiten puede exceder significativamente la duración de la exposición.
En sistemas pulsados esto no importa.
Lo principal es que todas caen sobre el fotodetector multicanal (CCD o CMOS) del sistema de grabación de imágenes de televisión en el intervalo correspondiente a la fase de acumulación de carga.
Actualmente, hay son soluciones de circuitos que garantizan la construcción de módulos de puerta con una duración controlada texp desde 5 nanosegundos hasta cientos de microsegundos o más.
Este rango garantiza el registro (alta fotografía rápida) de objetos que vuelan a velocidades que exceden significativamente la primera velocidad cósmica (8 000 m/s).
A modo de comparación, la luz recorre una distancia de 1 m en 3 ns.
Los esquemas con una duración de pulso fija (basados en conmutación de líneas de velocidad ultrarrápida con parámetros distribuidos) proporcionan una activación mínima tiempos de decenas de picosegundos, pero no se analizan en este artículo.
Las propiedades de alta frecuencia de los convertidores electrón-ópticos son un problema aparte. Los tubos intensificadores de imagen en serie producidos por varios fabricantes, por regla general, fueron desarrollados para dispositivos de visión nocturna que no requerían tales características.
Por lo tanto, en algunos casos, estos tubos intensificadores de imagen requieren modificación significativa.
Fig. 3. Control de impulsos de tubos intensificadores de imagen de generación II y III.
Principios de construcción de complejos electrón-ópticos multicanal controlados por software
La estructura del complejo, por regla general, está determinada por su propósito.
Fotografiar con exposiciones cortas requiere una iluminación activa del objeto, que suele ser realizado mediante lámparas de flash (a veces también se utilizan potentes láseres pulsados).
La lámpara de flash se activa mediante una señal del fotosensor en sincronía con el momento en que aparece un objeto en el campo de visión de un determinado canal del complejo.
El ajuste preciso del retardo de respuesta del módulo del obturador determina el momento del disparo y se selecciona a partir del tiempo estimado de aparición del objeto en un punto determinado.
Además, el uso del complejo para fotografiar objetos cuyo movimiento puede ocurrir a diferentes velocidades, se requiere la posibilidad de cambiar el tiempo de exposición también dentro de un rango bastante amplio.
A modo de ejemplo, en la Fig. La figura 4 muestra un sistema de registro programable monocanal.
Incluye:
- Cámara electroóptica (EOC), que consta de un convertidor electroóptico (EOC) con un módulo de obturador, que realiza las funciones de una cámara ultraalta. velocidad de obturación y intensificador de imagen; 2/3″ cámara CCD digital de alta resolución (1280 x 1024);
- lámpara de flash (FL);
- dispositivo disparador de fotografías compuesto por un láser ( L) y un fotosensor (FD);
- ordenador industrial (PC).
Después de encender el sistema, el operador, utilizando un software especial, instala todos los parámetros del complejo en el módulo de software EOC.
Aseguran el registro de la imagen del objeto y su grabación en el memoria de la computadora.
Estos parámetros incluyen:
- el valor de retardo para encender la lámpara de flash;
- el valor de retardo de respuesta del modelador de pulso de puerta en el EOC;
- valores de la duración del pulso de la puerta (tiempo de exposición);
- valor de la ganancia del intensificador de imagen (voltaje en el MCP).
Fig. 4. Diagrama de bloques de una cámara óptica electrónica de un solo canal controlada por software como parte del complejo de pruebas.
Después de salir del cañón, el objeto es interrumpido por el rayo láser.
En este caso, el fotosensor FD genera pulsos de sincronización 1 y 2 para activar la lámpara de flash IL y el electro -cámara óptica EOC. En el momento t a, cuando el objeto aparece en el campo de visión de A cámara, se produce su lanzamiento.
Imagen de un objeto a través de la lente de entrada OLa entrada se proyecta sobre el fotocátodo del tubo intensificador de imagen, cuyo obturador en este momento se abre durante un tiempo t exp. Los electrones emitidos por el fotocátodo forman una determinada carga que, amplificada en el MCP Ke veces, provoca un destello óptico de la energía correspondiente en la pantalla intensificadora de imágenes.
En algunas tareas balísticas, además del modo de exposición única, el modo de exposición doble puede resultar muy útil.
Consiste en que después de activar el obturador del intensificador de imagen en el momento t a, después de un retraso preestablecido, el obturador se vuelve a activar en el momento t b, al cual se moverá el objeto que permanece en el campo de imagen de la cámara. (Fig. 4).
En este caso, se formarán dos imágenes del mismo objeto en la pantalla intensificadora de imágenes, espaciadas a lo largo del campo.
Una condición necesaria para este modo es la ausencia de luz reflejada en varias superficies (paredes, elementos estructurales) ubicadas en el campo de la imagen.
Desde la pantalla EOC, una imagen intensificada a través de la lente de proyección Opr se transfiere a la almohadilla fotosensible de una cámara CCD digital, que, también funcionando en modo de espera, ahora ha cambiado al modo de acumulación de carga.
El tiempo de acumulación se selecciona ligeramente más largo que el tiempo de luminosidad del fósforo intensificador de imágenes.
El tiempo de acumulación se selecciona un poco más largo que el tiempo de luminosidad del fósforo intensificador de imágenes.
Durante este tiempo (para el fósforo R-20 es igual a 3…5 ms) se acumulan todos los fotones de señal y la acumulación adicional «recoge» sólo ruido de fondo.
Después de esto, los datos de vídeo se digitalizan en un código de 10 bits y, a través de un conjunto de puertas programables por el usuario, llegan a los transceptores que funcionan con un cable de par trenzado.
Dependiendo de las condiciones de la prueba , puede resultar más conveniente utilizar líneas de comunicación de fibra óptica o canales de radio.
El intercambio de datos entre la cámara y el PC se produce a través de una tarjeta de entrada de imágenes (frame grabber) con PCI bus.
Además, esta configuración garantiza una sensibilidad de registro de imagen muy alta.
En la ganancia máxima, asciende a decenas de fotones por elemento de imagen resuelto en el plano del fotocátodo del tubo intensificador de imagen.
Basado en el sistema de un solo canal presentado, es Es posible construir complejos multicanal con un número casi ilimitado de cámaras.
En la Fig. 5.
Incluye:
1) 16 EOC de un solo cuadro (similar al que se muestra en la Fig. 3);
2) A e E — lámparas de flash;
3) EOC de marco múltiple.
4) PC — computadora industrial que programa todos los componentes del complejo, registra y procesa la información registrada.
En esta lista, un nuevo componente es un EOC de fotogramas múltiples (ver Fig. 6), que es un bloque de ocho canales ópticos electrónicos, en cuyas entradas se proyectan imágenes del objeto en estudio a través de una lente de entrada común y un divisor de haz de luz de ocho prismas.
Cada uno de los ocho canales tiene una estructura similar a la que se muestra en la Fig. 4 EOC.
Cuando un pulso de disparo llega a la entrada de la cámara, se graba una secuencia de fotogramas en momentos precisos y con un tiempo de exposición especificado con precisión.
Una secuencia de ocho fotogramas grabados se transmite a través de un cable de comunicación a un ordenador industrial.
Un controlador de entrada de imágenes especial (en el bus PCI) garantiza la grabación de fotogramas en la RAM.
Fig. 5 Complejo de instrumentación y pista balística
Arroz. 6. EOC multitrama programable monobloque.
Todo el complejo se lanza en el momento en que el objeto sale del cañón mediante un módulo de sincronización especial (no se muestra en la figura). El pulso de sincronización se suministra a todos los EOC 1 y EOC 7 y a las lámparas de flash (A y E), y se activan secuencialmente de acuerdo con los retrasos de tiempo establecidos.
Se determinan calculando el tiempo esperado de aparición de un objeto en el campo de visión de las cámaras correspondientes. Los parámetros de una cámara multicuadro también se seleccionan en función de la duración esperada del proceso de destrucción de un objeto durante su interacción con el objetivo.
La ventaja de utilizar tales complejos es que, basándose en los componentes descritos, dependiendo de los requisitos específicos, se pueden organizar fácilmente sistemas con diferentes números de cámaras.
Las fotos 1 y 2 muestran los resultados del disparo a alta velocidad obtenidos utilizando un sistema de cuatro fotogramas programable. complejo electrón-óptico NANOGATE–Frame 4.
La foto 1 muestra una serie de tres cuadros del proceso de desintegración de un objeto a medida que se mueve a lo largo de una trayectoria a una velocidad de aproximadamente 1000 m/s.
Los intervalos entre cuadros son de 200 μs (entre los primeros y segundo) y 120 μs (entre el segundo y tercer fotograma). Los tiempos de exposición para cada cuadro se indican debajo de la foto.
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| t1 = 0 texp= 50 ns |
t2 = 200 µs texp=200 ns |
t3 = 320 µs texp=300 ns |
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Foto 1. Una serie de tres fotogramas grabados |
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La foto 2 muestra una sola toma de un objeto rastreador que se mueve a lo largo de una trayectoria a una velocidad de aproximadamente 800 m/s. La fotografía fue tomada con una exposición de 300 ns. En ambos casos, el objeto fue iluminado mediante una lámpara de flash.
texp=300 ns
Foto 2. Toma única , un objeto rastreador que se mueve a lo largo de una trayectoria a una velocidad de aproximadamente 800 m/s
En conclusión, me gustaría señalar que múltiples Los complejos ópticos electrónicos de canales controlados por software pueden encontrar una amplia aplicación en áreas tales como:
- interacción de la radiación láser pulsada con la materia;
- fluorescencia pulsada;
- física del plasma;
- vibración.
En resumen, dondequiera que sea necesario registrar la dinámica de procesos rápidos en un amplio rango espectral.
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3. Actas de las conferencias internacionales “Fotografía, videografía y fotónica de alta velocidad” 1970 – 2000
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6. M.I. Krutik, vicepresidente. Mayorov, V.V. Popov, M.S. Semín. Complejo óptico electrónico de nanosegundos programable de 4 cuadros NANOGATE – Cuadro 4, “NPK VIDEOSKAN”. Resúmenes de informes de la XIX Conferencia Panrusa sobre Fotografía y Fotónica de Alta Velocidad, Moscú, 2001
7. V.G. Komar, D.Yu. Hijo, M.S. Semin, vicepresidente. Mayorov, S.A. Sabo, S.V. Belyaev, L.M. Balyasny, M.I. Krutik, O.A. Lyubich, V.L. Kotlyar, V.E. Lapotenko. Sistema de televisión en color tridimensional, multiángulo, sin gafas y con pantalla holográfica //Tecnología de cine y televisión, nº 4, 1998