SU1091709A1

SU1091709A1 - Method and apparatus for photodetecting and recording optical inhomogeneities in optically transparent medium

Info

Publication number: SU1091709A1
Application number: SU823439564A
Authority: SU
Inventors: Э.В. Козубский; М.М. Русинов
Original assignee: Объединенный Институт Ядерных Исследований; Ленинградский Институт Точной Механики И Оптики
Priority date: 1982-05-14
Filing date: 1982-05-14
Publication date: 1987-04-30

Abstract

1. Способ фоторегистрации оптических неоднородностей в оптически прозрачной среде, включающий освещение объекта белым светом, разделение светового потока на пути от объекта к регистратору на п одпотоки и регистрацию изображени объекта на черно-белую фотопленку, о т.л и ч а ю щ и и с тем, что, с целью повышени эффективности регистрации путём увеличени глубины резкости и упрощени дешифровки изображени ,разделение светового, потока провод т на спектрозональные подпотоки, которые провод т по оптическим пут м различной длины, а регистрацию изображени (Л выполн ют с помощью оптической систе- мы с телецентрическим ходом главных лучей в пространстве объекта. со о QD1. A method of photographing optical inhomogeneities in an optically transparent medium, including illuminating an object with white light, dividing the luminous flux on the way from the object to the recorder to fluxes, and registering an image of the object on a black and white photographic film so that, in order to increase the registration efficiency by increasing the depth of field and simplifying the image decryption, the separation of the light flux is carried out into spectral sub-streams, which are carried along optical paths of various lengths, and Image registration (L is performed using an optical system with a telecentric path of the main rays in object space. QD

Description

2. Устройство дл фоторегистрации оптических неоднородиостей в оптически прозрачной среде, содержащее фотокамеру и плоские зеркала, о т л и ч а ю щ е ее тем, что, с целью повьшени эффективности регистрации путем увеличени глубины резкости и упрощени дешифровки изображени , в него дополнительно введено полупрозрачное зеркало, расположенное наклонно к оси фотокамеры между фотокамерой и плоскими зеркалами, причем2. A device for photographing optical inhomogeneities in an optically transparent medium containing a camera and flat mirrors, so that, in order to increase the recording efficiency by increasing the depth of field and simplifying image decryption, it is additionally introduced a translucent mirror inclined to the camera axis between the camera and the flat mirrors, and

плоские зеркала расположены ортогонально оси фотокамеры на равных рассто ни х друг от друга вдоль этой оси и выполнены селективно отражающими в неперекрывающихс спектральных интервалах, объектив фотокамеры выполнен с телецентрическим ходом лучей в пространстве предметов и относительным отверстием, соответствующим глубине резкости, равной двоенному рассто нию мел у соседними зеркалами .flat mirrors are located orthogonal to the camera axis at equal distances from each other along this axis and are selectively reflecting in non-overlapping spectral intervals, the camera lens is made with a telecentric ray path in the space of objects and a relative aperture corresponding to a depth of field equal to twofold chalk adjacent mirrors.

Изобретение относитс к методике фотогр.афической регистрации оптических неоднородностей в оптически прозрачной среде, р частности к фоторегистрации следов зар женных частиц в различных следрвых камерах, например пузырьковых, примен емой в научных исследовани х в области физики элементарных частиц. Известен способ фоторегистрации оптических неоднородностей посредством фотокамеры, включающий освещение объема белым светом и фотоэкспонирование изображени на чернр-белую фотопленку . Недостаток способа обусловлен жесткой -зависимостью разрешени от глубины резкости. С увеличением отно сительного отверсти объектива возрастает разрешение и падает глубина резкости в фотографируемом объеме.По вьппение глубины резкости при заданно относительном отверстии объектива мо жет быть достигнуто за счет фотогра- фировани объекта послойно, например посредством группы фотокамер или посредством одной фотокамеры и перефокусировки фотообъектива. Применение нескольких фотокамер дл послойного фотографировани объекта влечет усложнени аппаратуры .и повьшение расхода фотопленки. Послойное фотографирование посредством одной фотокамеры с ее перефокусировкой не может быть применено дл фоторегистрации быстро протекающих процессов. Наиболее близким к изобретению вл етс способ фоторегистрации опти ческих неоднородностей в оптически прозрачной среде, включающий освещение объекта белым светом, разделение светового потока на пути от объекта к регистратору на подпотоки и регистрацию изображени объекта на чернобелую фотопленку. Известное устройство дл фоторегистрации оптических неоднородностей в оптически прозрачной среде содержит фотокамеру и плоские зеркала. Недостатком известных способа и устройства вл етс невысока эффективность из-за сравнительно неболыйого увеличени глубины резкости (IB 2 раза) и смещение изображений двух слоев относительно друг друга, что затрудн ет процесс дешифрировани изображений. Целью изобретени вл етс noBbmieние эффективности регистрации путем увеличени глубины резкости и упрощение дешифровки изображени , Это достигаетс тем, ,что разделение светового потока провод т на спектрозональные подпотоки, которые провод тпо оптическим пут м различной длины, а регистрацию изображени вьшолн ют с помощью оптической системы с телецентрическим ходом главных лучей в пространстве объекта. В известное устройство дл фоторегистрации оптических неоднородностей в оптически прозрачной среде, содержащее фотокамеру и плоские зеркала, дополнительно введено полупрозрачное зеркало, расположенное наклонно к оси фотокамеры между фотокамерой и плоскими зеркалами, причем плоские зерка3 ла расположены ортогонально оси фото камеры на равных рассто ни х друг от друга вдоль этой оси и вьтолнены селективно отражающими в неперекрывающихс спектральных интервалах, объек тив фотокамеры вьтолнен с телецентри ческим ходом лучей в прост4)анстве предметов и относительным отверстием , соответствующим глубине резкости равной удвоенному рассто нию между соседними зеркалами. На чертеже изображена схема устройства дл фоторегистрации оптических неоднородностей в оптически прозрачной среде. Устройство содержит пузьфьковую камеру 1, полупрозрачное зеркало 2, систему селективно отражающих плоских зеркал 3, объектив.4 фотокамеры, фоточувствительный материал 5. Устройство работает следзтощим образом . Объект (следы зар женных частиц в пузьфьковой камере 1) освещают ,белым (немонохроматическим) светом, /т.е. светом с широким, спектром длин Волн, равным интервалу фоточувствительности фотоматериала. Свет рассеиваетс на пузьфьках в жидкости и часть рассе нного неоднородност ми света направл етс в объектив фотокамеры . На пути светового потока от объек та к объективу А полупрозрачным (50% зеркалом 2 световой поток отклон ет-:с на систему плоских зеркал.3 с уззональными светоотражающими покрыти ми на их поверхност х. Световой поток, пада на первую светоотражаюпопо поверхность,V раздел етс на два подпотока. Один, соответствующий iipo матической зоне отражени покрыти , отражаетс в сторону полупрозрачного зеркала и объектива 4 фотокамеры, а другой п роходит к второй светоотражающей поверхности. На второй отражающей плоскости стопки оп ть происхр-; дит разделение падающего светового потока на два: отраженный, хроматическа окраска которого соответствует зоне отражени светоотражающего покрыти второй поверхности, и проход щий, хроматический спектр которого имеет провалы, соответствующие хрома тическим зонам отражени покрытий двух первых поверхностей. Процесс разделени на хроматические подпоток продолжаетс до попадани светового потока на последнюю светоотражающую 094 поверхность. Одновременно очередной хроматический подпоток проходит путь на удвоенное рассто ние между соседними зеркалами больший, 4ем предшествующий . Таким образом, одновременно производитс разделение светового потока на хроматические подпотоки и вноситс в каждый подпоток дополнительна разность хода, равна удвоенному рассто нию между соседними |3еркалами. Отраженные от системы селективно . отражающих зеркал 3 хроматические подпотоки направл ютс в сторону полупрозрачного зеркала 2, проход т это зеркало и попадают через объектив 4 фотокамеры- на фоточувствительный материал 5. Хроматические подпотоки света, вьщ1едшие из одной точки в прострранстве предмета, проход т различный путь до объектива в зависимости от длины волны каждого подпотока.При этом разница в длине пути до объектива кратна удвоенному рассто нию меж ,ду соседними селективно отражающими зеркалами. Следовательно, изображение этой точки, постр оенное лучами, в одном из хроматических интервалов спектра , окажетс резким, а все остальные изображени - сильно дефокусированными и при этом в различной степени в зависимости от длины пути света от этой точки до объектива, поскольку дл них эта точка оказываетс вне зоны резко изображаемого пространства. Аналогично друга точка, расположенна от первой точки на кратном удвоенному рассто нию между зеркалами, интервале также окажетс резко изображенной на пленке, но в ином хроматическом интервале, и дефокусИрованной во всех остальных хроматических интервалах и при этом в различной степени. Таким образом, в плоскости изображени фотокамеры окажутс хорошо сфокусированными изображени точек предмета, отсто щих друг от друга на кратные удвоенному рассто нию между зеркалами интервалы, но при этом все эти изображени будут иметь различную хроматическую окраску.Одног временно в плоскости изображени фотокамеры будут образованы изображени тех же точек, но сильно дефокусированные и окрашенные в другие цвета. Относительное отверстие объектива фотокамеры должно быть установлено с условием обеспечени резкого изображени пространства с глубиной 2Т/п, где D - глубина фотографируемого объема; К - число слоев, на которое разбиваетс фотографируемый объем, или число отражающих плоскостей; Т - рассто ние между плоскими зеркалами; п - показатель преломлени материала между зеркалами. Это условие выполн етс , если относительное отверстие объектива опре делено в соответствии с формулой А. (I+I/M) где АС - критическое значение аппертуры , при котором дл резко изобража емого пространства достигаетс равенство величины геометрической расфокусировки изображени точки и диффракционного кружка; М - масштаб изображени ; / - длина волны. Размер дифракционного п тна - изоб ражени точки при данном относительном отверстии объектива (А с) будет пропорционален корню квадратному из D/K. Таким образом, достигаетс разделение объекта фотографировани на р д зон по глубине, смещение каждой зоны в область резкого изображени одной центральной зоны и фотографирование всех ЗОНна обпщй снимок с резким изображением каждой из зон в одном из хроматических интервалов спектра. Дефокусированные изображени , как менее контрастные, могут быть отделе ны при анализе снимков или ликвидиро ваны подбором уровн -освещени и режима химической обработки снимков. Фотографирование посредством опти ческой системы с телецентрическим хо дом главных лучей в пространстве пред метов обеспечит построение изображеки всех слоев объекта в равном масштабе . Это избавит от необходимости внесени поправок на разномасштабность изображений отдельных слоев. Одновременно равномасштабность изображений отдельных слоев дает возможность наложить изображени всех слое друг на друга. Таким образом изображени отдельной точки пространства предметов на снимке, построенные кружками разного цвета и диаметра, окажутс наложенньми друг на друга концентрично, что ;повысит конраст изображени центральной части такого мультипликативного изображени этой точки. Количество слоев (К), т.е. фактор увеличени глубины резко изображаемого пространства по данному способу, зависит от числа разбиени спектра на узкие хроматические зоны и от уровн освещенности объекта, поскольку с увеличением числа зон ра-збивки спектра пропорционад ьно снижаетс ркость освещени соответствующего сло предмета . Все зоны отражени покрытий в стопке должны дополн ть друг друга и не перекрывать друг друга. Эффективность способа зависит также от значени коэффициента отражени плоских зеркал. Чем ближе к единице значение коэффициента отражени в нужной зоне и к нулю в остальной части спектра, тем вьше контраст изображений и тем больще число зон разбиени спектра, т.е. большее число слоев в фотографируемом объеме может быть достигнуто. Наложение изображений слоев друг на друга с целью упрощени процедуры сшивки отдельных слоев достигаетс посредством применени полупрозрачной пластинки и размещением ее с услойием направлени светового потока от предмета по нормали к плоскост м селективно отражающих зеркал, которые, в свою очередь, размещены ортогонально оси фотокамеры. Рассто ние между зеркалами должно быть равно 1/К глубины фотографируемого объекта при условии, что зто рассто ние редуцировано к воздуху (к - число слоев). Технико-экономические преимущества предложенньк способа и устройства определ ютс возможностью повысить глубину резко изображаемого пространства предметов при заданном уровне разрешени или увеличить разрешение при заданной глубине фотографируемого объема. Важность этой задачи можно проиллюстрирова ть на примере регистрации короткоживущих частиц в пузырьковой камере. Эта задача требует разрешени в пространстве объекта на уровне 10 мкм, поскольку дпина пробега таких частиц со временем жизни пор дка с составл ет величины меньше 1 мм. Указанное разре710917098The invention relates to a method for photographic recording of optical inhomogeneities in an optically transparent medium, in particular, to photographing traces of charged particles in various trace chambers, such as bubble chambers, used in scientific research in the field of particle physics. There is a method of photographing optical inhomogeneities by means of a camera, which includes illuminating the volume with white light and photoexposing the image onto a black-and-white photographic film. The disadvantage of the method is due to the hard-dependence of the resolution on the depth of field. With an increase in the relative aperture of the lens, the resolution increases and the depth of field decreases in the photographed volume. The use of several cameras for layer-by-layer photographing of an object entails a complication of the apparatus and an increase in the consumption of photographic film. Layer-by-layer photographing by means of a single camera with its refocusing cannot be used for photographing fast processes. The closest to the invention is a method of photographing optical inhomogeneities in an optically transparent medium, including illuminating an object with white light, dividing the light flux from the object to the recorder into sub-streams, and registering the image of the object on a black-and-white film. A known device for photographing optical inhomogeneities in an optically transparent medium contains a camera and flat mirrors. A disadvantage of the known method and device is the low efficiency due to the relatively slight increase in the depth of field (IB 2 times) and the displacement of the images of the two layers relative to each other, which complicates the process of image decoding. The aim of the invention is to noBbmie the registration efficiency by increasing the depth of field and simplifying the image decryption. This is achieved by the fact that the separation of the light flux is carried out on the spectral sub-streams, which are carried out by optical paths of various lengths, and the image is recorded using an optical system telecentric motion of the main rays in the space of the object. A semitransparent mirror is additionally introduced into a known device for photographing optical inhomogeneities in an optically transparent medium containing a camera and flat mirrors, which is inclined to the camera axis between the camera and flat mirrors, and the flat mirrors are orthogonal to the axis of the photo camera at equal distances from each other. the other along this axis and are selectively reflecting in non-overlapping spectral intervals, the camera’s objective is aligned with the telecentric ray path in the 4) anstve objects and relative aperture corresponding to the depth of field equal to twice the distance between adjacent mirrors. The drawing shows a diagram of a device for photographing optical inhomogeneities in an optically transparent medium. The device contains a puffy camera 1, a translucent mirror 2, a system of selectively reflecting flat mirrors 3, a camera objective.4, a photosensitive material 5. The device works in the following way. The object (traces of charged particles in the puzy chamber 1) is illuminated with white (non-monochromatic) light, / i. light with a wide, wavelength spectrum equal to the range of photosensitivity of the photographic material. The light is scattered in the liquid in a liquid and a part of the light scattered by inhomogeneities is directed to the camera lens. On the path of the luminous flux from the object to the lens A by a semitransparent (50% mirror 2, the luminous flux deflects: from to the system of flat mirrors.3 with narrow reflecting coatings on their surfaces. Luminous flux, falling to the first light reflecting to the surface, V section one to the two sub-streams. One corresponding to the iipomatical reflection zone of the coating is reflected towards the translucent mirror and the lens 4 of the camera, and the other goes to the second reflective surface. On the second reflecting plane of the stack again splitting the incident light flux into two: reflected, the chromatic color of which corresponds to the reflection zone of the reflective coating of the second surface, and the transmitted chromatic spectrum of which has dips corresponding to the chromatic reflection zones of the coatings of the two first surfaces. The division into chromatic substream continues until the light flux onto the last reflecting surface 094. At the same time, the next chromatic substream travels a distance of twice the distance they mirror the larger, 4th preceding. Thus, the luminous flux is divided into chromatic sub-streams at the same time and an additional path difference is introduced into each sub-stream, equal to twice the distance between adjacent | Mirrors. Reflected from the system selectively. reflecting mirrors 3 chromatic sub-streams are directed towards the semitransparent mirror 2, this mirror passes and passes through the lens 4 of the camera — the photosensitive material 5. The chromatic sub-streams of light, which are from one point in the space of the object, pass through a different path to the lens depending on wavelengths of each sub-stream. In this case, the difference in the length of the path to the lens is a multiple of twice the distance between the adjacent and adjacent selectively reflecting mirrors. Consequently, the image of this point, built with rays, in one of the chromatic intervals of the spectrum, will be sharp, and all other images - strongly defocused and at the same time, to different degrees, depending on the length of the light path from this point to the lens, since for them this point It appears outside the zone of sharply depicted space. Similarly to another point, located from the first point on a multiple of twice the distance between the mirrors, the interval will also be sharply depicted on the film, but in a different chromatic interval, and defocused in all other chromatic intervals and at the same time to varying degrees. Thus, in the image plane of the camera, the images of the object points will be well focused, spaced by intervals of two times the distance between the mirrors, but all of these images will have different chromatic colors. One time in the image plane of the camera will be formed same points, but strongly defocused and painted in other colors. The relative aperture of the camera lens must be set with the condition of providing a sharp image of the space with a depth of 2T / n, where D is the depth of the volume being photographed; K is the number of layers into which the volume to be photographed is divided, or the number of reflecting planes; T is the distance between flat mirrors; n is the refractive index of the material between the mirrors. This condition is fulfilled if the relative aperture of the lens is determined according to formula A. (I + I / M) where AC is the critical value of the aperture at which for the sharply depicted space, the geometric defocusing of the point image and the diffraction circle is achieved; M is the scale of the image; / - wavelength. The size of the diffraction spot - the image of a point at a given relative aperture of the lens (A s) will be proportional to the square root of D / K. Thus, the separation of the photographic object into a number of zones in depth, the displacement of each zone into the sharp image of one central zone and the photographing of all ZONE general image with a sharp image of each of the zones in one of the chromatic spectral intervals is achieved. Defocused images, as less contrast, can be separated when analyzing images or eliminated by selecting the level of illumination and the mode of chemical processing of images. Photographing by means of an optical system with a telecentric path of the main rays in the space of objects will ensure the construction of an image of all layers of the object on an equal scale. This eliminates the need to amend the different scale images of individual layers. At the same time, the equal-scale images of the individual layers make it possible to superimpose the images of all the layers on each other. Thus, the images of a separate point in the space of objects in the picture, constructed by circles of different colors and diameters, will be superimposed concentric on each other, which will increase the contrast of the image of the central part of such a multiplicative image of this point. The number of layers (K), i.e. The factor of increasing the depth of the sharply depicted space in this method depends on the number of dividing the spectrum into narrow chromatic zones and on the level of illumination of the object, since the increase in the number of zones in the spectrum causes the illumination of the corresponding object layer to decrease proportionally. All reflection zones of the coatings in the stack should complement each other and not overlap each other. The efficiency of the method also depends on the value of the reflection coefficient of flat mirrors. The closer to one the value of the reflection coefficient in the desired zone and to zero in the rest of the spectrum, the greater the image contrast and the greater the number of spectral splitting zones, i.e. a greater number of layers in the volume being photographed can be achieved. Overlaying images of layers on top of each other in order to simplify the procedure for stitching individual layers is achieved by using a translucent plate and placing it with the condition of the direction of the light flux from the object normal to the planes of selectively reflecting mirrors, which, in turn, are placed orthogonal to the camera axis. The distance between the mirrors should be equal to 1 / K of the depth of the object being photographed, provided that this distance is reduced to air (k is the number of layers). Technical and economic advantages of the proposed method and device are determined by the possibility to increase the depth of the sharply depicted object space at a given resolution level or to increase the resolution at a given depth of the volume being photographed. The importance of this task can be illustrated by the example of the registration of short-lived particles in a bubble chamber. This task requires resolution in the object space at a level of 10 µm, since the range of such particles with a lifetime of the order of c is less than 1 mm. The specified resolution710917098

тление можно получить, если применить Кроме того, увеличение глубиныsmoldering can be obtained if applied in addition, increasing the depth

объектив с относительным отверстием резко изображаемого пространства,дос ,v-1/4, при этом глубина резко изоб-тигаемое за счет послойного фотогра-lens with a relative aperture of the sharply depicted space, dos, v-1/4, while the depth is sharply isotoped by layer-by-layer photographs

ражаемого пространства составит все-фировани объекта, не влечет усложго лишь ,5 мм. Поскольку указанные 5нени ,процедуры обработки снимков,The space to be built will be an all-out object, not more complicated, 5 mm. Since the specified 5th, image processing procedures,

короткоживущие частиць образуютс споскольку применение телецентрическовесьма малой веро тностью, то зареги-го хода главных лучей в пространствеthe short-lived particles are formed because the use of a telecentric – particle is of low probability, then the recording of the main rays in space

стрировать их в объеме такой толщиныпредметов обеспечивает равный масштабscattering them in the volume of such a thickness of the objects ensures an equal scale

практически невозможно.изображений всех слоев.almost impossible. images of all layers.

Claims

'1. A method for photo-recording optical inhomogeneities in an optically transparent medium, including illuminating an object with white light, dividing the light flux along the path from the object to the registrar into sub-streams, and registering the image of the object in black and white film, characterized in that, in order to increase the recording efficiency by increasing the depth of field and simplifying the decoding of the image, the separation of the light th image is performed by an optical system with teletsentrycheskim swing principal rays in object space.

.SU,. ,, 1091709

2. A device for photographic recording of optical inhomogeneities in an optically transparent medium containing a camera and flat mirrors, which is related to the fact that, in order to increase the recording efficiency by increasing the depth of field and simplifying the decryption of the image, a translucent image is additionally introduced into it a mirror located obliquely to the camera axis between the camera and flat mirrors, and the flat mirrors are located orthogonally to the camera axis at equal distances from each other along this axis and are made tively reflective in nonoverlapping spectral intervals, the camera lens is arranged telecentric rays in the object space and relative aperture corresponding to the depth of field, equal to twice the distance between adjacent mirrors.