CZ2015511A3 - Způsob rekonstrukce obrazu vzdálených astronomických objektů a teleskopický systém k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Způsob rekonstrukce obrazu vzdálených objektů (15) pozorovaných teleskopickým systémem s optickým objektivem (3), který je podél jedné osy osového kříže přímkový, podél druhé osy vydutý a jehož průmět do roviny kolmé k optické ose (16) objektivu (3) je pravoúhelníkový, při kterém se objektiv (3) nastaví ve směru pozorovaných vzdálených objektů (15) na nebeské klenbě (17) a astronomická kamera (7) zaznamená snímek (18) vzdálených objektů (15) na digitální pixelové pole (19) tvořené uspořádanými sloupci (20) s konstantním počtem pixelů (21) a na jediném snímku (18) vytvořeném bez otáčení objektivu (3) kolem optické osy (16) se pro každý vzdálený objekt (15) zaznamená úsečka (22) konstantní délky a konstantní intenzity na známém počtu aktivovaných pixelů (21), která je úměrná výšce optického objektivu (3). Následně je snímek (18) zpracován postupně sloupec (20) po sloupci (20), kdy se u každého sloupce (20) počet aktivovaných pixelů (21) inverzním zobrazením převede na zápis standardního obrazu (23) intenzity pořízené klasickým optickým objektivem, načež se výsledný klasický obraz (23) vykreslí integrováním jednotlivých dílčích výsledků z každého sloupce (20). Teleskopický systém popsaný výše, kde nosná konstrukce je tvořena pevným podstavcem (6) opatřeným paralaktickou montáží (5), ke které je pevně připojen optický objektiv (3), který je podél druhé osy parabolicky vydutý pro vytvoření parabolického pásu, a prostředek pro příjem světla je tvořen astronomickou kamerou (7), která je propojena s alespoň jedním řídicím a vyhodnocovacím prostředkem. Jiné provedení obsahuje sekundární optiku (4) tvořenou zrcadlovým parabolickým pásem a astronomická kamera (7) je uspořádána v ohnisku zrcadlového parabolického pásu.

Description

Způsob rekonstrukce obrazu vzdálených astronomických objektů a teleskopický systém k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu rekonstrukce obrazu vzdálených objektů a teleskopického systému k provádění tohoto způsobu vhodného pro pozorování vzdálených objektů v astronomii.

Dosavadní stav techniky

Nejrozšířeněji používaným zařízením pro pozorování vzdálených objektů v astronomii jsou zrcadlové teleskopické systémy, jejichž objektivy mají obvod ve tvaru kruhu nebo pravidelného n-úhelníku a jejichž úhlové rozlišení je téměř stejné ve všech směrech. Teleskopy jsou upevněny na nosných konstrukcích, které se nazývají montáže. Montáže slouží k citlivému polohování a směrování teleskopu vůči pozorované obloze. Zrcadlový teleskop neboli reflektor používá jako objektiv vyduté zrcadlo. Toto zrcadlo zobrazuje sledované objekty do obrazové roviny, kde může být umístěna kamera, sekundární zrcadlo, či malé rovinné zrcátko se sklonem 45° pro odraz obrazu na bok tubusu, aby nedošlo ke stínění hlavního zrcadla. V teleskopu typu Cassegrain se nachází sekundární vypouklé zrcadlo, které směruje obraz do okuláru umístěného ve spodní části dalekohledu. Přesnost pozorování ovlivňuje úhlové rozlišení, které charakterizuje schopnost teleskopu rozlišit dva body přes nejmenší možný úhel. Jsou známé teleskopy s průměrem zrcadla v objektivu od desítek cm až do cca 30 metrů.

Nevýhody výše uvedeného řešení spočívají ve vysokých nárocích na přesně vyrobená zrcadla pro objektivy, která neobsahují vady. Každá sebemenší vada ovlivňuje pozorování a přináší chyby do pozorování, případně jej zcela znemožňuje. Konstrukčně jsou teleskopické systémy s velkými objektivy špatně obsluhovatelné, obtížně udržovatelné (např. čištění od prachových částic) a finančně nákladné z hlediska pořizovacích nákladů. Další nevýhodou klasických systému je vysoká hmotnost primárních optických elementů, takže např. doprava na oběžnou dráhu Země je těžko realizovatelná.

Výše uvedené nevýhody standardních teleskopických systémů jsou odstraněny vytvořením teleskopického systému, jehož objektiv je tvořen pásovým vydutým segmentem pro odraz světla do obrazové roviny, kamery, či čočky okuláru umístěné v jeho ohnisku. Řešení je popsáno např. v patentovém dokumentu CZ 298313 B, či v dokumentu CN 2552029 Y. Tento segment tvořící objektiv rotuje, přičemž osou otáčení je osa zobrazení procházející objektivem, ohniskem pásového vydutého segmentu a středem pásového segmentu. Pásový segment je postupně otáčen okolo osy rotace a v každé pozici pootočení je vytvořen záznam obrazu nasnímaný z ohniska segmentu. Následně jsou všechny obrazy z kompletní otáčky teleskopu o 360° pomocí softwarového prostředku sloučeny do jediného vyobrazení, které odpovídá pozorování klasickým objektivem. Tím odpadá nutnost vyrábět technicky náročná vydutá zrcadla s velkým průměrem při požadovaném úhlovém rozlišení.

Nevýhody řešení spočívají v tom, že pro dlouhé pásové segmenty se musí používat montáž, která nejenom správně a citlivě nastavuje směr teleskopu vůči pozorované obloze, ale také musí umožnit přesnou rotaci pásového segmentu. Montáž je nákladná, protože musí splňovat přísné nároky na přesnost automatického pohybu v rámci rotace a zaměřování nebeských objektů, aby dílčí snímky nebyly odlišné při každé otáčce vlivem mechanických nepřesností a opotřebení nosné konstrukce. Teleskop rovněž potřebuje velký prostor, aby mohl segment vykonávat nerušenou rotaci.

Úkolem vynálezu je vytvoření způsobu rekonstrukce obrazu vzdálených objektů i z jediného snímku a vytvoření teleskopického systému k provádění tohoto způsobu, který bude levnější, bude mít menší nároky na prostor a bude schopen zrekonstruovat obraz s odlišnou rozlišovací schopností ve dvou na sebe kolmých směrech s přesností dostačující pro mnohé další astronomické aplikace.

Podstata vynálezu

Vytčený úkol je vyřešen pomocí způsobu rekonstrukce obrazu vzdálených astronomických objektů a teleskopického systému k provádění tohoto způsobu vytvořených podle tohoto vynálezu.

Způsob rekonstrukce obrazu vzdálených objektů pracuje s teleskopickým systémem. Teleskopický systém je opatřen optickým objektivem, který je podél jedné osy osového kříže přímkový, podél druhé osy vydutý a jehož průmět do roviny kolmé k optické ose objektivu je pravoúhelníkový. V průběhu provádění způsobu se objektiv nastaví ve směru pozorovaných vzdálených objektů na nebeské klenbě a astronomická kamera zaznamená snímek vzdálených objektů. Snímek je zaznamenán na digitální pixelové pole tvořené uspořádanými pixely tvořenými sloupci s konstantním počtem pixelů na sloupec.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že na jediném snímku vytvořeném bez otáčení objektivu kolem optické osy se pro každý vzdálený objekt zaznamená úsečka konstantní délky a konstantní intenzity na známém počtu dopadajícím světlem aktivovaných pixelů. Úsečka je úměrná výšce optického objektivu. Následně je snímek zpracován postupně sloupec po sloupci, kdy se u každého sloupce počet aktivovaných pixelů inverzním zobrazením převede na zápis standardního obrazu intenzity světla pořízené klasickým optickým objektivem, načež se výsledný klasický obraz vykreslí integrováním jednotlivých dílčích výsledků z každého sloupce.

Způsob umožňuje zisk snímků objektů existujících na nebeské klenbě podobných záznamu snímků stejných objektů velkým zrcadlovým teleskopem. Snímek je pořízen jednodušším teleskopickým systémem, načež je transformován a domodelován tak, aby byl použitelný v některých aplikacích. Tento způsob umožňuje šetřit pracovní čas největších známých teleskopů, které by jinak musely pořizovat soubory snímků pro tyto méně náročné aplikace.

Součástí vynálezu je rovněž teleskopický systém k provádění způsobu dle vynálezu.

Teleskopický systém je opatřen optickým objektivem. Objektiv je podél jedné osy osového kříže přímkový, podél druhé osy vydutý a jeho průmět do roviny kolmé k optické ose objektivu je pravoúhelníkový. Objektiv je v systému upevněný na polohovatelné nosné konstrukci a současně je teleskop opatřen alespoň jedním prostředkem pro příjem světelných paprsků odražených optickým objektivem do jeho ohniska.

Podstata vynálezu spočívá vtom, že nosná konstrukce je tvořena pevným podstavcem opatřeným paralaktickou montáží, ke které je pevně připojen optický objektiv. Objektiv je podél druhé osy parabolicky vydutý pro vytvoření parabolického pásu. Prostředek pro příjem světla je tvořen astronomickou kamerou, která je propojena s alespoň jedním řídícím a vyhodnocovacím prostředkem. Parabolický pás je konstrukčně snáze proveditelný, nežli celé parabolické zrcadlo bez vad. Je možné kostru pásu vyrobit z levného materiálu, načež je na pás nanesena reflexní vrstva. Teleskopický systém lze jednoduše vyrobit a kompletovat.

Ve výhodném provedení teleskopického systému podle vynálezu je objektiv odnímatelný od paralaktické montáže. Odnímatelnost usnadňuje převoz teleskopického systému.

Ve výhodném provedení teleskopického systému podle vynálezu jsou prostředky pro příjem světla v systému dva. První prostředek je uspořádán v ohnisku objektivu a je tvořen sekundární optikou pro úpravu parametrů světelných paprsků odražených objektivem, a druhý prostředek je tvořen astronomickou kamerou uspořádanou v trajektorii světelných paprsků upravených sekundární optikou. Sekundární optika upravuje parametry odražených světelných paprsků. Může je filtrovat, či je fokusovat mimo ohnisko parabolického pásu tak, aby v oblasti ohniska bylo omezeno stínění parabolického pásu. Astronomická kamera je schopna záznamu i velice jemných změn světelných paprsků přicházejících z mezihvězdného prostoru nebeské klenby.

- ⁵ - .· . ·:

Ve výhodném provedení teleskopického systému podle vynálezu je sekundární optika tvořena zrcadlovým parabolickým pásem, nebo zrcadlem, a astronomická kamera je uspořádána v ohnisku zrcadlového parabolického pásu. Sekundární optika přenáší obraz z ohniska hlavního parabolického pásu na kameru umístěnou mimo aktivní oblast teleskopu.

Ve výhodném provedení teleskopického systému podle vynálezu je řídící a vyhodnocovací prostředek tvořen sestavou zahrnující modul elektroniky ovládání paralaktické montáže a astronomické kamery, a dále zahrnující výpočetní zařízení pro zpracování zaznamenaných dat. Výpočetní zařízení zahrnuje alespoň jedno datové úložiště pro^uchování alespoň jednoho softwarového modulu a naměřených dat a alespoň je^Tprocesorovou jednotku pro provádění programů uložených v softwarových modulech.

Teleskopický systém je nejenom ovládán při zaměřování objektů na nebeské klenbě, ale pořízené snímky jsou rovnou zpracovány způsobem podle vynálezu.

Softwarový modul zahrnuje alespoň jeden program pro rekonstrukci obrazu obsahující alespoň jeden algoritmus pro zpracování snímku, při kterém program vyhledá aktivní pixely v jednotlivých sloupcích snímku a které postupně sloupec po sloupci převede inverzním zobrazením na klasické vykreslení, načež vykreslí snímek klasického zobrazení integrací výsledků jednotlivých sloupců.

Výhody teleskopického systému a způsobu využívajícího teleskopický systém jsou nízká konstrukční cena, dobrá přemístitelnost, jednoduchá konstrukce parabolického pásu objektivu teleskopického systému, rychlost práce a kvalita výsledků.

Objasnění výkresů

Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde: obr. 1 znázorňuje schematické vyobrazení teleskopického systému, obr. 2 znázorňuje schematické vyobrazení výpočetního zařízení, obr. 3 schematicky vyobrazuje provádění způsobu rekonstrukce obrazu vzdálených objektů.

— 6 *

Příklad uskutečnění vynálezu

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení vynálezu na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících patentových nároků.

Konstrukce teleskopického systému vyobrazena schematicky na obr. 1 zahrnuje pevný podstavec 6 s paralaktickou montáží 5, na které je pevně upevněn optický objektiv 3 v podobě parabolického pásu. Podstavec 6 zajišťuje stabilitu teleskopu a paralaktická montáž 5 umožňuje nastavení optické osy 16 objektivu 3 vůči vzdáleným objektům 15. Nastavení paralaktické montáže 5 je ovládáno přes modul 8 elektroniky ovládání.

Objektiv 3 je opatřen reflexní vrstvou pro odraz světelných paprsků 1 do svého ohniska 2. V oblasti ohniska 2 se nachází sekundární optika 4, která je konkrétním příkladu provedení tvořena soustavou optických filtru a čoček pro úpravu a zaostření světelných paprsků 1 do astronomické kamery 7. V jiném příkladu provedení je sekundární optika 4 tvořena vypouklým zrcadlem pro odraz obrazu z primárního zrcadla 3 do astronomické kamery 7. Případně rovinným zrcadlem, či hranolem sloužícím k přenosu obrazu do kamery 7. Astronomická kamera 7 je tvořena digitálním čipem s vysokým rozlišením, tzn. s vysokou hustotou pixelů 21 elementárních obrazových prvků. Pixel 21 je bezrozměrná jednotka popisující nejmenší činnou plochu v bitmapovém obrazu. Pixely 21 jsou uspořádány paralelně ve sloupcích 20 s konečným počtem pixelů 21 v každém sloupci 20.

Digitální snímek 18 je z astronomické kamery 7 odeslán do výpočetní jednotky 9 pro zpracování. Výpočetní jednotka 9 schematicky vyobrazená na obr. 2 zahrnuje alespoň jedno datové úložiště 11 tvořené trvalou pamětí, do kterého je nahrán digitální snímek 18 z astronomické kamery 7. Dále je v datovém úložišti 11 uložen

- ⁷~ : ··· ···’ alespoň jeden softwarový modul 12, který na základě softwaru zavedeného do procesorové jednotky vykonává způsob rekonstrukce obrazu vzdálených objektů 15. Výpočetní jednotka je tvořena přenosným, nebo stolním počítačem, přičemž modul elektroniky ovládání může být v počítači rovněž integrován.

Práce s teleskopickým systémem a způsob rekonstrukce obrazu vzdálených objektů 15 ze snímku 18 pořízeného pomocí neotáčivého parabolického objektivu 3 a astronomické kamery 7 zahrnuje následující kroky:

Ustaví se podstavec 6 a paralaktická montáž 5 se nastaví tak, aby optická osa 16 sledovala pohyb vzdálených objektů 15 po nebeské klenbě 17.

K paralaktické montáži 5 se v pevném spojení 10 upevní objektiv 3 a astronomická kamera 7 teleskopu, přičemž se astronomická kamera 7 připojí k výpočetní jednotce 9 a modulu 8 elektroniky ovládání.

Přes modul 8 elektroniky ovládání se zadá pozice sledovaných objektů 15 na nebeské klenbě 17 a paralaktická montáž 5 se přesně nastaví na zadanou pozici, načež modul 8 elektroniky ovládání aktivuje astronomickou kameru 7, která pořídí snímek 18 vzdálených objektů 15.

Ve výpočetní jednotce 9 je snímek 18 uložen a procesorová jednotka 14 na základě programu ze softwarového modulu 12 zrekonstruuje ze snímku 18 výsledný obraz 23, načež je teleskopický systém připraven pro zachycení nového snímku 18 a rekonstrukci jeho obrazu 23.

Na obr. 3 je znázorněno schéma činnosti způsobu rekonstrukce obrazu 23 a teleskopického systému. Vzdálené objekty 15 na nebeské klenbě 17 jsou vyfoceny astronomickou kamerou 7, která na základě svého rozlišení vytvoří digitální snímek 18.

Vzdálený objekt 15 je hvězda, od které se šíří světelné paprsky 1 a jejichž světelná intenzita je pro každý vzdálený objekt 15 odlišná. Na digitálním snímku 18 se tyto

- 8 světelné bodové objekty 15 zobrazují jako úsečky 22 s konstantní délkou a s konstantní intenzitou světla. Úsečky 22 jsou úměrné velikosti parabolického pásu 3. Digitální snímek 18 je tvořen pixelovým polem 19 (na obr. 3 je schéma velice zjednodušeno pro ilustraci, rozlišení pixelů a jejich sloupců je ve skutečnosti mnohonásobně vyšší) složeným ze sloupců 20 pixelů 21. Úsečky 22 jsou vyobrazeny konkrétním počtem aktivovaných pixelů 21, který je pro výpočet označen jako K. V případě, že jsou zaznamenány dva sousedící vzdálené objekty 15 nacházející se nad sebou, mohou se jejich úsečky 22 ve sloupcích 20 pixelů 21 překrývat. Každý analyzovaný sloupec 20 s pixely 21 lze popsat výrazem x_n.

Současně pokud se v klasickém zobrazení obrazu 23 vytvořeného pomocí klasického objektivu označí intenzity pozorovaných objektů 15 v jednotlivých bodech standardního obrazu 23 nad sebou jako množina čísel f(x_n), tak potom pro zaznamenané intenzity na snímku 18 a označené výrazem F(x_n) platí funkce F(x_i) ⁼ suma f(x_n), kde n nabývá hodnot od i do i+K.

Při inverzním matematickém zobrazení je využit vztah F(x_i+1) - F(x_i) = f(x_1+K) f(x_i). Vypočet začne ve sloupci 20 pixelů 21 od prvního aktivního pixelů 21 vyznačujícího začátek zobrazené úsečky 22, kde pro všechny neaktivní pixely 21 před začátkem úsečky 22 v daném sloupci 20 platí vztah f(x_i) = 0. Jakmile se toto provede pro všechny sloupce 20 a výsledné části klasického zobrazení se propojí, získáme rekonstruovaný skutečný obraz 23 v daném rozlišení.

S výsledným obrazem 23 lze dále pracovat v jiných dalších astronomických aplikacích, pro které by se jinak musel použít klasický teleskopický systém.

Průmyslová využitelnost

Způsob rekonstrukce obrazu vzdálených astronomických objektů a teleskopický systém k provádění tohoto způsobu podle vynálezu naleznou uplatnění především na astronomických pracovištích zabývajících se výzkumem nebo preventivním sledováním nebeské klenby.

— 9 —¹

Přehled vztahových značek světelné paprsky ohnisko optického objektivu optický objektiv sekundární optika paralaktická montáž podstavec astronomická kamera modul elektroniky ovládání kamery a montáže výpočetní zařízení pevné spojení objektivu a paralaktické montáže datové úložiště softwarový modul naměřená data procesorová jednotka vzdálený objekt optická osa nebeská klenba snímek z astronomické kamery pixelové pole sloupec pixelů pixel úsečka klasický snímek

-/to -

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (8)

1. Způsob rekonstrukce obrazu vzdálených objektů (15) pozorovaných teleskopickým systémem s optickým objektivem (3), který je podél jedné osy osového kříže přímkový, podél druhé osy vydutý a jehož průmět do roviny kolmé k optické ose (16) objektivu (3) je pravoúhelníkový, při kterém se objektiv (3) nastaví ve směru pozorovaných vzdálených objektů (15) na nebeské klenbě (17) a astronomická kamera (7) zaznamená snímek (18) vzdálených objektů (15) na digitální pixelové pole (19) tvořené uspořádanými sloupci (20) s konstantním počtem pixelů (21), vyznač ^u j í c í se tím, že na jediném snímku (18) vytvořeném bez otáčení objektivu (3) kolem optické osy (16) se pro každý vzdálený objekt (15) zaznamená úsečka (22) konstantní délky a konstantní intenzity na známém počtu aktivovaných pixelů (21), která jé úměrná výšce optického objektivu (3), následně je snímek (18) zpracován postupně sloupec (20) po sloupci (20), kdy se u každého sloupce (20) počet aktivovaných pixelů (21) inverzním zobrazením převede na zápis standardního obrazu (23) intenzity pořízené klasickým optickým objektivem, načež se výsledný klasický obraz (23) vykreslí integrováním jednotlivých dílčích výsledků z každého sloupce (20).

2. Teleskopický systém s optickým objektivem (3), který je podél jedné osy osového kříže přímkový, podél druhé osy vydutý a jehož průmět do roviny kolmé k optické ose objektivu (3) je pravoúhelníkový, je upevněný na polohovatelné nosné konstrukci a současně je opatřen alespoň jedním prostředkem pro příjem světelných paprsků (1) odražených optickým objektivem (3), vyznačující se t í m, že nosná konstrukce je tvořena pevným podstavcem (6) opatřeným paralaktickou montáží (5), ke které je pevně připojen optický objektiv (3), který je podél druhé osy parabolicky vydutý pro vytvoření parabolického pásu, a prostředek pro příjem světla je tvořen astronomickou kamerou (7), která je propojena s alespoň jedním řídícím a vyhodnocovacím prostředkem.

3. Teleskopický systém podle nároku 2, v y z n a č u j í c í se t í m, že objektiv (3) je odnímatelný od paralaktické montáže.

4. Teleskopický systém podle nároku 2 nebo /vyznačující se t í m, že prostředky pro příjem světla jsou v systému dva, kde první je uspořádán v ohnisku (2) objektivu (3) a je tvořen sekundární optikou (4) pro úpravu parametrů světelných paprsků (1) odražených objektivem (3), a druhý prostředek je tvořen astronomickou kamerou (7) uspořádanou v trajektorii světelných paprsků upravených sekundární optikou (4).

5. Teleskopický systém podle nároku /vyznačující se t í m, že sekundární optika (4) je tvořena zrcadlovým parabolickým pásem a astronomická kamera (7) je uspořádána v ohnisku zrcadlového parabolického pásu.

6. Teleskopický systém podle některého z nároků 2 až 5, v y z n a č u j í c í se t í m, že řídící a vyhodnocovací prostředek je tvořen sestavou zahrnující modul (8) elektroniky ovládání paralaktické montáže (5) a astronomické kamery (7), a výpočetní zařízení (9) pro zpracování zaznamenaných dat.

7. Teleskopický systém podle nároku 6, v y z n a č u j í c í se t í m, že výpočetní zařízení (9) zahrnuje alespoň jedno datové úložiště (11) pro uchování alespoň jednoho softwarového modulu (12) a naměřených dat (13) a alespoň jednu procesorovou jednotku (14) pro provádění programů uložených v softwarových modulech (12).

8. Teleskopický systém podle nároku /vyznačující se t í m, že softwarový modul (12) zahrnuje alespoň jeden program pro rekonstrukci obrazu obsahující alespoň jeden algoritmus pro zpracování snímku (18), pro vyhledávání aktivních pixelů (21) v jednotlivých sloupcích (20) snímku (18) a pro jejich převedení postupně sloupec (20) po sloupci (20) inverzním zobrazením na klasické vykreslení, a dále pro vykreslení snímku (23) klasického zobrazení integrací výsledků jednotlivých sloupců (20).