8 февраля 2021 года, в День российской науки, мэр Москвы Сергей Семенович Собянин вручил Премии Правительства Москвы молодым ученым за 2020 год. В числе лауреатов – сотрудники НТЦ УП РАН Хохлов Демид Денисович, Горевой Алексей Владимирович и Наумов Александр Александрович. Они удостоились Премии в номинации Приборостроение за работу «Разработка и внедрение аппаратно-программных и методических средств измерительной видеоэндоскопии».
Возможности современных эндоскопических приборов постоянно расширяются за счет внедрения новых технических решений, позволяющих не только наблюдать изображение объекта, но и дистанционно бесконтактными методами измерять физико-химические свойства объекта, а также получать цифровые трехмерные изображения участков его поверхности и с высокой точностью проводить геометрические измерения. Настоящая работа направлена на разработку, апробацию и внедрение методов измерительной эндоскопии, а также разработку приборов, реализующих данные методы.
Поскольку интенсивность излучения объекта на некоторой длине волны связана с его физическими или химическими характеристиками, то структура изображения, полученного на этой длине волны, будет отображать распределение этих характеристик. Поэтому в эндоскопических системах важной является возможность анализа спектральных свойств излучения, исходящего от объекта, а также пространственного распределения этих свойств. На основании проведенных исследований авторами предложены схемы эндоскопического видеоспектрометра, при которых перестраиваемый спектральный фильтр устанавливается в изображающем канале или в канале подсветки [Proc. SPIE 11210 112100D (2019)].
В рамках первого подхода при участии авторов разработан и апробирован эндоскопический модуль для неразрушающего контроля, состоящий из жесткого зонда, перестраиваемого акустооптического (АО) фильтра, обеспечивающего спектральную селекцию излучения при сохранении пространственной структуры изображения, и видеокамеры [Изв. РАН. Сер. физ. 82(11) 1541–1544 (2018)]. Использование АО фильтра обусловлено его высоким спектральным и пространственным разрешением, возможностью быстрой произвольной спектральной адресации и отсутствием подвижных и юстируемых элементов.
Для видеоэндоскопических зондов, у которых матричный приемник излучения расположен в дистальной части, установка такого фильтра перед приемником затруднительна из-за малого диаметра зонда. В таком случае целесообразно использовать второй подход, для реализации которого при участии авторов был разработан макет перестраиваемого источника света на основе АО фильтра [Proc. SPIE 10815 108150L (2018), J. Phys.: Conf. Ser. 1092 012081 (2018)]. При использовании такого источника со стереоскопическим видеоэндоскопом становится возможным совместить измерение трехмерных геометрических параметров объекта и спектральных свойств его поверхности. Для реализации стереоскопического метода в малых габаритах дистальной части зонда используются призменно-линзовые оптические системы (ОС), которые позволяют одновременно получить два изображения объекта с разных ракурсов на одном матричном приемнике излучения. При этом призменные элементы вносят значительную дисторсию и хроматические аберрации. Коррекция этих искажений за счет цифровой обработки становится особенно важной при проведении спектральных измерений. Современные серийно выпускаемые за рубежом измерительные видеоэндоскопы не допускают модификацию аппаратной части или программного обеспечения и не дают возможности оценки погрешности выполняемых измерений геометрических параметров объектов, что послужило основанием для разработки новой эндоскопической измерительной системы.
Основные практические результаты работы состоят в следующем:
- Впервые в России разработан, изготовлен и испытан измерительный стереоскопический видеоэндоскоп со спектрально-селективным источником света. Разработано программное обеспечение (ПО), позволяющие получать текстурированные (в том числе мультиспектральные) трехмерные модели объектов, измерять их геометрические параметры и оценивать погрешность измерений, использовать априорную информацию о форме поверхности объектов в виде трехмерной модели или чертежа для повышения точности измерений и сравнения, проводить калибровку и аттестацию системы. Подтверждены технические характеристики видеоэндоскопа на уровне аналогов, выпускаемых ведущими мировыми производителями [Патент RU 2693532 (2019), RU 2655479 C1 (2018), Свид. о гос. рег. программы для ЭВМ №2018614879 (2018), №2018616535 (2018), Proc. SPIE 11351 113511J (2020), Опт. журн. 86(6) 45–49 (2019), Optik 185 1172–1181 (2019), Proc. SPIE 11041 110410M (2019)].
- Разработан и испытан эндоскопический модуль для неразрушающего контроля, обеспечивающий получение изображений в узких спектральных интервалах в пределах видимого диапазона с произвольной спектральной адресацией. Разработано ПО для осуществления спектральных измерений с использованием эндоскопических видеоспектрометров. [Свид. о гос. рег. программы для ЭВМ № 2017661980 (2017), Изв. РАН. Сер. физ. 82(11) 1541–1544 (2018)]
- Разработана и применена на практике методика проектирования зондовых стереоскопических систем, созданы программные модули, совместимые с современными системами автоматизированного проектирования (САПР) ОС (Zemax, CODE V и др.). [Opt. Express 28(17) 24418–24430 (2020), Опт. Журн. 87(5) 18–30 (2020), Proc. SPIE 11056 110562W (2019)]
Преимущества разработанных приборов и программного обеспечения достигнуты за счет следующих оригинальных научных результатов:
- Разработан системный подход к проектированию зондовых измерительных стереоскопических систем, основанный на совместном компьютерном моделировании аппаратной части, процессов калибровки и обработки данных, а также использовании погрешности измерений как общего критерия качества. Для его реализации разработано математическое описание таких систем и предложены методы оценки погрешности измерений геометрических параметров. Применение этих методов обеспечивает одновременное проведение аберрационного анализа и анализа погрешности геометрических измерений, а также оптимизацию ОС, анализа влияния допусков и температурных деформаций средствами САПР. [Opt. Express 28(17) 24418–24430 (2020), J. Phys.: Conf. Ser. 1368 022010 (2019), Комп. оптика 42(6) 985–997 (2018)]
- Предложены математические модели, учитывающие специфические аберрации призменно-линзовой ОС и проведение измерений в узких спектральных интервалах, а также методы их калибровки. Путем компьютерного моделирования и экспериментальных исследований разработанных опытных образцов зондовых систем с перестраиваемым спектрально-селективным источником излучения доказано, что данные модели и методы позволяют значительно уменьшить систематическую погрешность измерений геометрических параметров объектов. [J. Opt. Soc. Am. A. 36(11) 1871–1882 (2019), Opt. Express 27(13) 17819–17839 (2019), Opt. Eng. 58(3) 033104 (2019), Proc. SPIE 11061 110610B (2019), Comput. Optics 41(4) 535–544 (2017), Дефектоскопия 9 44–53 (2017)]
- С учетом особенностей призменно-линзовой ОС разработаны методы цифровой обработки изображений для улучшения качества изображений, устранения дисторсии и хроматических аберраций, вычисления координат соответствующих точек и координат маркеров тест-объекта, используемого при калибровке и аттестации, и оценки погрешности этих координат. [Опт. журн. 87(5) 18–30 (2020), Proc. SPIE 11433 114331X (2020), Comput. Vis. Image Und. 182 30–37 (2019)]
По итогам работы сделано более 20 докладов на международных конференциях и симпозиумах, опубликовано более 50 печатных работ, в числе которых 2 патента РФ, 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, 27 статей в изданиях, индексируемых в международных базах цитирования Web of Science и Scopus. Результаты работы внедрены в АО «НПО Энергомаш им. В.П. Глушко» и ФГУП «НПО «Техномаш», получены соответствующие акты. Значительный объем работ был выполнен в рамках выполнения проекта Минобрнауки № 0069-2019-0010, и гранта РНФ № 17-19-01355. Материалы работы включены в диссертацию Горевого А.В. на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07.
Лауреаты премий Правительства Москвы молодым ученым за 2020 г.
