Лазерная проекционная система с двухканальной регистрацией изображений 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.

Известно устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей [Губарев Ф.А., Ли Л., Мостовщиков А.В., Ильин А.П. Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей. Патент на изобретение № 2685040. Дата государственной регистрации: 16.04.2019. Правообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"]. Устройство позволяет одновременно инициировать процесс горения и получать количественную информацию о временных характеристиках процессов горения порошков металлов и их смесей в режиме реального времени. Временное разрешение системы ограничено 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.

Известно устройство визуализации объектов и быстропротекающих процессов [Тригуб М.В., Васнев Н.А., Евтушенко Г.С., Димаки В.А., Троицкий В.О. Бистатический лазерный монитор. Патент на изобретение № 2755256. Дата государственной регистрации 14.09.2021. Правообладатель: ИОА СО РАН (RU)], которое содержит два активных элемента и два источника питания. Устройство обеспечивает регистрацию изображения, сформированного одиночным импульсом подсветки и усиленным одиночным импульсом усиления, позволяя варьировать параметры подсветки и усиления. Однако, принцип работы данного устройства базируется на согласовании импульсно-периодических режимов работы двух активных элементов, использование которых позволяет повысить качественные характеристики изображений и их численные показатели, но не временное разрешение системы.

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 возможность 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. Данное устройство позволяет регулировать среднюю мощность (импульсную энергию) лазерного излучения, но не позволяет увеличить частоту кадров (временное разрешение), формируемых в единицу времени лазерными проекционными системами.

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

Указанная задача решена с помощью системы накачки, формирующей два импульса возбуждения квантового усилителя с регулируемыми энергетическими и временными параметрами и системы регистрации изображений, состоящей из двух камер машинного зрения, работа которых синхронизирована с работой системы накачки.

Технический результат заключается в формировании усиленных изображений объекта наблюдения с временной задержкой (50÷300) нс и их регистрации с помощью камер машинного зрения, работа которых синхронизирована с системой накачки.

Технический результат достигается за счет системы накачки, состоящей из платы управления, высоковольтного модулятора, основного и дополнительного источников питания с регулируемыми энергетическими и временными параметрами, работа которых синхронизирована с системой регистрации изображений, состоящей из фотоприемника, генератора импульсов, цифровой системы синхронизации и двух камер машинного зрения, которые сопряжены с персональным компьютером. Основной и дополнительный источники питания работают на один активный элемент (квантовый усилитель), в результате чего происходит генерация двух импульсов усиленного спонтанного излучения с временной задержкой в диапазоне (50÷300) нс, в каждом из которых формируется усиленное оптическое изображение объекта наблюдения.

Сущность изобретения заключается в том, что персональный компьютер, программируемая плата управления и высоковольтный модулятор инициируют работу основного и дополнительного источников питания в импульсно-периодическом режиме с регулируемыми энергетическими и временными параметрами, в результате чего формируется два импульса возбуждения (основной и дополнительный) квантового усилителя, приводящих к появлению двух импульсов усиленного спонтанного излучения, которые формируют усиленные изображения объекта наблюдения и регистрируются двумя независимыми камерами машинного зрения, сопряженными с фотоприемником, генератором импульсов, а также персональным компьютером. Амплитуда основных импульсов возбуждения должна превышать амплитуду дополнительных импульсов возбуждения в (1,5÷2) раза. Временная задержка между импульсами излучения соответствует временной задержке между дополнительным и основным импульсом возбуждения, которая варьируется в диапазоне (50÷300) нс.

Таким образом, за счет согласования энергетических и временных параметров источников питания, а также синхронизации камер машинного зрения происходит формирование и регистрация усиленных оптических изображений объекта наблюдения в каждом импульсе. Временная задержка между оптическими изображениями соответствует временной задержке между дополнительным и основным импульсами возбуждения. Первая камера регистрирует изображение, сформированное первым импульсом излучения, а вторая камера регистрирует изображение, сформированное вторым импульсом излучения соответственно.

Лазерная проекционная система с двухканальной регистрацией изображений и системой накачки (фиг.1) включает следующие элементы:

1 - активный элемент на парах бромида меди; 2 - объектив; 3 - объект наблюдения; 4 - полупрозрачное зеркало; 5 - проекционный экран; 6, 7 - камеры машинного зрения; 8 - глухое зеркало; 9 - фотоприемник; ПК - персональный компьютер; ПУ - программируемая плата управления; ВМ - высоковольтный модулятор; ИП1, ИП2 - источники питания; ГИ - генератор импульсов; СС - цифровая система синхронизации.

Лазерная проекционная система с двухканальной регистрацией изображений для визуализации объектов наблюдения, экранированных широкополосной мощной фоновой засветкой, содержит активный элемент на парах бромида меди (1), на оптической оси которого с одной стороны последовательно расположены объектив (2) и объект 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 тестового объекта (процесса) наблюдения.

Персональный компьютер (ПК) используется для настройки в программном обеспечении частотно-временных параметров накачки (возбуждения) квантового усилителя (1). Установленные значения частотно-временных параметров записываются в плату управления (ПУ) системы накачки (СН). Программируемая плата управления (ПУ) формирует тактовый сигнал для высоковольтного модулятора (ВМ), который в свою очередь формирует две серии импульсов, инициирующих работу дополнительного (ИП1) и основного (ИП2) источника питания. Для передачи каждой последовательности импульсов на блоки ВМ, ИП1 и ИП2 используется оптическое волокно. Для преобразования электрических сигналов в оптические используются оптические передатчики, например, HFBR-1521Z. Для обратного преобразования используются волоконно-оптические приемники, например, HFBR-2521Z, которые установлены в дополнительном (ИП1) и основном (ИП2) источниках питания, а также в высоковольтном модуляторе (ВМ).

Также высоковольтный модулятор (ВМ) формирует импульсы запуска коммутаторов дополнительного (ИП1) и основного источника питания (ИП2). Конструкция и принцип действия высоковольтного модулятора аналогичны полезной модели [Васнев Н.А., Тригуб М.В., Димаки В.А., Евтушенко Г.С., Троицкий В.О., Власов В.В. Высоковольтный модулятор. Патент на полезную модель № 185671. Дата государственной регистрации 13.12.2018. Правообладатель: ИОА СО РАН (RU)]. Пауза между дополнительным и основным импульсами возбуждения регулируется с помощью переменных индуктивностей в выходной линии временной задержки высоковольтного модулятора (ВМ). Очевидно, что это приводит к регулировке временной задержки и между импульсами излучения, которые формируют первое и второе оптические изображения.

Для регистрации изображений 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).

Лазерная проекционная система с двухканальной регистрацией изображений работает следующим образом:

Дополнительный источник питания (ИП1) с импульсным зарядом рабочей емкости формирует дополнительные импульсы возбуждения активной среды (1) с частотой следования импульсов (10÷12) кГц. Основной источник питания (ИП2) с импульсным зарядом рабочей емкости формирует основные импульсы возбуждения с частотой следования импульсов (10÷12) кГц на (50÷300) нс позже импульсов возбуждения. Амплитуда дополнительных импульсов возбуждения устанавливается в (1,5÷2) раза меньше амплитуды импульсов возбуждения. Дополнительный и основной импульсы возбуждения формируют два импульса усиленного спонтанного излучения с временной задержкой (50÷300) нс относительно друг друга. Частотно-временные параметры работы источников питания (ИП1, ИП2) устанавливаются с помощью персонального компьютера (ПК), платы управления (ПУ) и высоковольтного модулятора (ВМ).

Импульсы усиленного спонтанного излучения поочередно достигают объекта наблюдения (3), проходя через объектив (2). Отраженные импульсы излучения повторно проходят через объектив (2), формирующий оптическое изображение объекта наблюдения (3), и попадают обратно в среду активного элемента (1), где проходит их спектральное селективное однопроходное усиление. Далее усиленные изображения поочередно достигают проекционного экрана (5) и регистрируются камерами машинного зрения (6, 7), управляемыми персональным компьютером (ПК). Для срабатывания затвора камер часть выходного излучения отводится полупрозрачным (4) и глухим (8) зеркалами на фотоприемник (9). Выходной сигнал фотоэлемента являлся тактовым (опорным) сигналом, который подается на вход генератора импульсов (ГИ), например, Г5-63. Генератор импульсов (ГИ) формирует серию импульсов требуемой длительности (1 мкс) и амплитуды (5 В) с частотой, равной частоте опорного сигнала (10÷12) кГц. Такая серия импульсов поступает на вход цифровой системы синхронизации (СС). C помощью программных и аппаратных средств системы синхронизации (СС) частота опорного сигнала уменьшается в 500 раз. Последовательность импульсов длительностью 10 мкс и амплитудой 5 В с частотой 24 Гц формируется одновременно на двух выходных каналах цифровой системы синхронизации (СС). К выходным каналам цифровой системы синхронизации (СС) подключены камеры машинного зрения (6, 7), например, Baumer VLG-20C и JAI GO-5000C. Временная задержка между первой и второй сериями импульсов синхронизации (входными сигналами камер) регулируется в более широком диапазоне, чем импульсы излучения, приблизительно (0÷500) нс - это дает возможность регистрировать изображения в разные моменты существования несущего их сигнала. Выходные импульсы (импульсы экспозиции) камер машинного зрения (6, 7) формируются в момент срабатывания их затворов. Длительность импульсов соответствует заданному времени экспозиции съемки, которая устанавливается с помощью персонального компьютера (ПК). Для камеры Baumer VLG-20C минимальное значение экспозиции составляет 4 мкс, а для камеры JAI GO-5000C - 10 мкс. На практике при необходимости длительность экспозиции может быть увеличена, но для реализации покадровой съемки экспозиция не должна превышать период, в данном случае (83÷100) мкс.

Согласование частотно-временных режимов работы камер машинного зрения (6, 7) осуществлялось с помощью цифровой системы синхронизации, разработанной на основе микроконтроллера STM32F767ZI [Гембух П.И., Тригуб М.В., Васнев Н.А., Семенов К.Ю. Цифровая система синхронизации режимов работы элементов активных оптических систем визуализации. Патент на изобретение № 2821221. Дата государственной регистрации: 18.06.2024. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Правообладатель: ИОА СО РАН (RU)].

На фиг. 2 представлены импульсы синхронизации (10, 11) и импульсы экспозиции (12, 13) камер машинного зрения. Между импульсами синхронизации (10, 11) установлена временная задержка 10 мкс, существенно превышающая задержку в наносекундом диапазоне, которая устанавливается при визуализации - это сделано для того, чтобы наглядно продемонстрировать импульсы синхронизации и экспозиции в одной системе координат.

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к неразрушающему контролю и диагностике оптическими методами. Лазерная проекционная система с двухканальной регистрацией содержит квантовый усилитель на парах бромида меди, объектив для формирования оптического изображения, систему накачки в составе основного и дополнительного источников питания, управляемых с помощью высоковольтного модулятора и программируемой платы управления, соединенной с персональным компьютером, согласно изобретению временная задержка между формированием дополнительного и основного импульсов возбуждения составляет 50-300 нс, амплитуда основного импульса больше дополнительного в 1,5-2 раза и формируемые за счет этого оптические усиленные изображения регистрируются введенной системой регистрации изображений, состоящей из фотоприемника, генератора импульсов, цифровой системы синхронизации и двух камер машинного зрения, которые сопряжены с персональным компьютером. Технический результат - формирование усиленных изображений объекта наблюдения. 2 ил.

Лазерная проекционная система с двухканальной регистрацией, содержащая квантовый усилитель на парах бромида меди, объектив для формирования оптического изображения, систему накачки в составе основного и дополнительного источников питания, управляемых с помощью высоковольтного модулятора и программируемой платы управления, соединенной с персональным компьютером, отличающаяся тем, что временная задержка между формированием дополнительного и основного импульсов возбуждения составляет 50-300 нс, амплитуда основного импульса больше дополнительного в 1,5-2 раза и формируемые за счет этого оптические усиленные изображения регистрируются введенной системой регистрации изображений, состоящей из фотоприемника, генератора импульсов, цифровой системы синхронизации и двух камер машинного зрения, которые сопряжены с персональным компьютером.