Способ визуализации объектов наблюдения с помощью лазерной проекционной системы с двухканальной регистрацией Российский патент 2025 года по МПК G02B21/06 

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к неразрушающему контролю и диагностике оптическими методами, и может быть использовано для визуализации тестовых объектов и быстропротекающих процессов, в том числе экранированных широкополосной мощной фоновой засветкой.

Известен способ исследования процесса горения смеси крупнодисперсных порошков металлов [Evtushenko G.S., Trigub M.V., Gubarev F.A., Evtushenko T.G., Torgaev S.N., Shiyanov D.V. Laser monitor for non-destructive testing of materials and processes shielded by intensive background lighting // Review of Scientific Instruments - 2014. - Vol. 85. - Issue 3. - P. 154-159. - DOI: 10.1134/S102485602102010X], включающий фокусировку усиленного спонтанного излучения квантового усилителя на объекте исследования, формирующий изображение с помощью оптической системы, усиливающий изображение в активной среде и проецирующий его на высокоскоростную CCD-камеру. Экспозиция CCD-камеры синхронизируется с импульсом сверхсветимости квантового усилителя, что обеспечивает покадровую регистрацию процесса (регистрация изображения в каждом импульсе). Однако квантовый усилитель возбуждается одним источником питания и работает в традиционном импульсно-периодическом режиме в частотном диапазоне (20÷25) кГц, что исключает возможность формирования двух кадров с временной задержкой в наносекундном диапазоне.

Известен способ исследования процесса горения порошков металлов или их смесей [Губарев Ф.А., Ли Л., Мостовщиков А.В., Ильин А.П. Способ исследования процесса горения порошков металлов или их смесей. Патент на изобретение №2685072. Дата государственной регистрации: 16.04.2019. Правообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"]. Способ позволяет осуществить поджиг порошков металла и исследовать процессы их горения, а также процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом. Однако скорость съемки также ограничивается импульсно-периодическим режимом работы лазерного усилителя (20 кГц), в связи с чем отсутствует возможность формирования последовательности из двух импульсов излучения с задержкой в наносекундном диапазоне и их последующей регистрации.

В качестве прототипа выбрана работа [Trigub M.V., Troitskii V.O., Dimaki V.A. Continuous control of CuBr laser pulse energy // Optics and Laser Technology - 2021. - Vol. 139. - P. 106929-1-106929-6. - DOI: 10.1016/j.optlastec.2021.106929], в которой представлен лазер на парах бромида меди с возможностью управления энергией импульсов генерации за счет формирования импульсов предионизации дополнительным источником питания до формирования импульсов возбуждения основным источником питания. Временная задержка между импульсами предионизации и импульсами возбуждения варьировалась в диапазоне (0÷25) мкс. При временной задержке (0,2÷2) мкс генерация полностью подавлялась. При временной задержке >2 мкс, появлялась генерация желтой спектральной линии, а при временной задержке >5 мкс, появлялась и генерация зеленой спектральной линии. Описанный способ управления позволяет регулировать среднюю мощность (импульсную энергию) лазерного излучения, но не позволяет увеличить частоту кадров, формируемых в единицу времени лазерными проекционными системами.

Задача, решаемая изобретением: увеличение временного разрешения лазерной проекционной системы визуализации объектов наблюдения в условиях широкополосной мощной фоновой засветки.

Указанная задача решена за счет формирования двух импульсов возбуждения квантового усилителя (основного и дополнительного) с временной задержкой в диапазоне (50÷300) нс.

Технический результат заключается в генерации двух импульсов усиленного спонтанного излучения с регулируемой временной задержкой в диапазоне (50÷300) нс, формирующих усиленные изображения объекта наблюдения и регистрацию каждого из них с помощью отдельной камеры машинного зрения.

Технический результат достигается за счет согласования частотно-временных и энергетических параметров основного и дополнительного источников питания, а также синхронизации импульсов экспозиции двух независимых камер машинного зрения с импульсами усиленного спонтанного излучения.

Сущность изобретения заключается в том, что накачка квантового усилителя осуществляется двумя источниками питания таким образом, что сперва дополнительный источник питания формирует дополнительный импульс возбуждения активной среды квантового усилителя (активного элемента), в результате чего происходит генерация первого импульса излучения, затем по истечении временной задержки (50÷300) нс основной источник питания формирует основной импульс возбуждения активной среды квантового усилителя (активного элемента), амплитуда которого выше амплитуды импульса предионизации в (1,5÷2) раза, что приводит к генерации второго импульса усиленного спонтанного излучения. Таким образом, из-за различных энергетических параметров дополнительного и основного импульсов возбуждения в активной среде квантового усилителя происходит поочередное формирование двух импульсов усиленного спонтанного излучения. Временная задержка между импульсами излучения соответствует временной задержке между дополнительным и основным импульсами возбуждения. Формирование двух импульсов подряд происходит только в диапазоне временной задержки (50÷300) нс. На Фиг. 1. представлен пример осциллограмм импульсов возбуждения (дополнительного - U1, основного - U2) и усиленного спонтанного излучения (L1, L2). Пример представлен для временной задержки tз=86 нс.

Каждый импульс усиленного спонтанного излучения подсвечивает объект наблюдения, который может быть экранирован широкополосной мощной фоновой засветкой, формирует оптическое изображение объекта с помощью объектива, в активной среде усилителя происходит повышение яркости (спектральное селективное усиление) изображения, проецируемого на экран, и далее изображения поочередно регистрируются двумя камерами машинного зрения с регулируемой задержкой импульсов экспозиции (момент формирования кадра) относительно импульсов усиленного спонтанного излучения.

В представленном способе предлагается формировать два импульса возбуждения активной среды с малой временной задержкой относительно друг друга, что является нетипичным режимом накачки активной среды (активного элемента) квантового усилителя на парах бромида меди. Дополнительный источник питания (ИП1) формирует дополнительные импульсы возбуждения, основной источник питания (ИП2) формирует основные импульсы возбуждения активной среды.

Способ визуализации и реализующая его лазерная проекционная система с двухканальной регистрацией представлены на фиг. 2.

Способ визуализации объектов и быстропротекающих процессов, экранированных широкополосной мощной фоновой засветкой, осуществлен с помощью лазерной проекционной системы, которая содержит активный элемент на парах бромида меди (1), на оптической оси которого с одной стороны последовательно расположены объектив (2) и тестовый объект (процесс) наблюдения (3). С другой стороны активного элемента (1) на его оптической оси последовательно установлены полупрозрачное зеркало (4) и проекционный экран (5), в плоскости которого формируется резкое усиленное увеличенное изображение объекта наблюдения.

Для двухканальной регистрации изображений объектов наблюдения используются две независимые камеры машинного зрения (6, 7), например, Baumer VLG-20C (27 fps) и JAI GO-5000C (3846 fps), управляемые персональным компьютером (ПК). Импульсы экспозиции скоростных камер синхронизировались с импульсами излучения. Для этого часть излучения отводилась с помощью полупрозрачного (4) и глухого (8) зеркал на фотоприемник (9), например ФЭК-22-СПУ-М. Выходной сигнал с фотоприемника поступает на вход генератора импульсов (ГИ), например, Г5-63. Выходной сигнал генератора импульсов (ГИ) инициировал работу цифровой системы синхронизации (СС), к выходным каналам которой подключаются камеры машинного зрения (6, 7).

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к неразрушающему контролю и диагностике оптическими методами. Способ визуализации объектов, экранированных широкополосной мощной фоновой засветкой, основанный на накачке квантового усилителя на парах бромида меди основным и дополнительным высоковольтными импульсами возбуждения, формируемыми двумя источниками питания, фокусировке импульсов усиленного спонтанного излучения на объекте наблюдения объективом и формировании с его помощью оптических изображений, их проецировании на экран после усиления квантовым усилителем, отличается тем, что дополнительный источник накачки формирует дополнительный импульс возбуждения активной среды, затем по истечении временной задержки 50-300 нс основной источник питания формирует основной импульс возбуждения активной среды, амплитуда которого выше амплитуды дополнительного импульса в 1,5-2 раза, и две камеры машинного зрения, управляемые персональным компьютером, регистрируют изображения, сформированные двумя импульсами излучения. Технический результат - генерация двух импульсов усиленного спонтанного излучения. 2 ил.

Способ визуализации объектов, экранированных широкополосной мощной фоновой засветкой, основанный на накачке квантового усилителя на парах бромида меди основным и дополнительным высоковольтными импульсами возбуждения, формируемыми двумя источниками питания, фокусировке импульсов усиленного спонтанного излучения на объекте наблюдения объективом и формировании с его помощью оптических изображений, их проецировании на экран после усиления квантовым усилителем, отличающийся тем, что дополнительный источник накачки формирует дополнительный импульс возбуждения активной среды, затем по истечении временной задержки 50-300 нс основной источник питания формирует основной импульс возбуждения активной среды, амплитуда которого выше амплитуды дополнительного импульса в 1,5-2 раза, и две камеры машинного зрения, управляемые персональным компьютером, регистрируют изображения, сформированные двумя импульсами излучения.