CC BY
40
УДК 621.383.8:621.385.833.2
ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕНОСА ИЗОБРАЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО ПРОЕКЦИОННОГО МИКРОСКОПА
К.Л. Карюгин1, С.Н. Торгаев1,2, М.В. Тригуб1,2
1 Томский политехнический университет 2Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск E-mail: konstantin.lod@gmail.com
Разработка приборов, позволяющих проводить обработку материалов с помощью высококонцентрированных потоков энергии, является весьма актуальной задачей. Одним из классов таких приборов являются лазерные системы, которые могут применяться как в технике, так и в медицине. Разработка устройств, позволяющих формировать «силовой» пучок с заданной конфигурацией позволит значительно увеличить скорость обработки материалов и минимизировать побочные действия при использовании в медицинских целях. В работе представлено подобное устройство, позволяющее изменять распределение интенсивности по пучку с использованием активных оптических систем с усилителями яркости на парах металлов. В качестве усилителя яркости использовался CuBr-лазер с тиратронным источником питания с импульсным зарядом рабочей емкости. Мощность источника питания варьировалась от 900 до 1500 Вт. Проведены исследования зависимости контраста получаемых изображений и влияние параметров используемого дисплея.
Ключевые слова:
Газоразрядная трубка, лазер на парах бромида меди, активная оптическая система, лазерный микроскоп (монитор), ЖК-дисплей.
Целью работы является разработка системы переноса изображения, формируемого на ЖК-дисплее с использованием лазерного проекционного микроскопа.
Принцип действия лазерного монитора (термин введен авторами работы [1]) аналогичен работе лазерного проекционного микроскопа [2]: наблюдаемый объект 1 подсвечивается сфокусированным с помощью линзы 2 собственным сверхизлучением усилителя яркости 3, возбуждаемого источником 6, отраженный сигнал, проходя через активную среду оптического усилителя 3, усиливается и проецируется с помощью проецирующей системы 4 на CCD-матрицу камеры 5, соединенной с ПК 7. Схема представлена на рис. 1.
Отличительной особенностью данного устройства по сравнению с классическим проекционным усилителем яркости является возможность наблюдения процессов в режиме реального времени.
Торгаев Станислав Николаевич, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры промышленной и медицинской электроники Института неразрушаю-щего контроля ТПУ, мл. науч. сотр. Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук. E-mail: torgaev@tpu.ru Область научных интересов: физика лазеров, физика плазмы, активные оптические системы.
Карюгин Константин Леонидович, магистрант кафедры промышленной и медицинской электроники Института нераз-рушающего контроля ТПУ, инженер-конструктор 3-й категории ОАО «НПЦ "Полюс"». E-mail:konstantin.lod@gmail.com Область научных интересов: цифровые устройства, встраиваемые системы, преобразовательная техника. Тригуб Максим Викторович, инженер, ассистент кафедры промышленной и медицинской электроники Института неразрушающего контроля ТПУ, мл. науч. сотр. Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук.
E-mail: torgaev@tpu.ru Область научных интересов: активные оптические системы, неразрушающий контроль, визуализация.
Использование активных оптических систем на основе высокочастотных лазеров на парах бромида меди позволяет визуализировать процессы, микрообъекты, в том числе экранированные мощной фоновой засветкой. Яркость получаемого изображения не зависит от линейного увеличения, получаемого в системе.
Для реализации цели данной работы был построен макет на основе микроконтроллера STM32F103RBT6 [3] и монохромного ЖК-дисплея Nokia 1202.
На рис. 2 представлена структурная схема макета.
Рис. 2. Структурная схема макета: ВИП - вспомогательный источник питания
На основе структурной схемы была разработана принципиальная схема устройства, представленная на рис. 3.
Рис. 3. Принциальная схема устройства
Схема установки представлена на рис. 4.
2 4
6 -1
Рис. 4. Схема установки: 1 - ЖК экран; 2 и 4 - фокусирующие линзы; 3 - оптический усилитель; 5 - мишень; 6 - источник накачки
Данный макет позволяет выводить на дисплей как статические изображения, так и динамические (в виде анимации). Изображения были подготовлены с помощью программы Image Generate. На рис. 5 представлен внешний вид главного окна программы.
г Image generate 96кб4 — 3
Новый - Картинка О М РЧ эссив Масштаб 4 * И
► 1 ч
X: 0 V: 63
Рис. 5. Вид главного окна программы Image Generate
Для демонстрации возможности переноса изображения с матрицы используемого LCD-дисплея с помощью лазерного монитора был проведен ряд эксперимнетов. Изображение формировалось на матрице высокоскоростной камеры (Fastec Imaging HiSpec 1) и на экране. Второй вариант может быть интересен для демонстрационных проекционных систем. Было исследовано два вида дисплеев - с подложкой (рис. 6) и без подложки (рис. 7), что позволяло строить схемы лазерного проекционного микроскопа в проходящем и отраженном свете.
в г
Рис. 6. Изображение, получаемое на дисплее с подложкой: а-г - различные изображения, выведенные на дисплей без светоотражающей подложки
а б
Рис. 7. Изображения с дисплея без подложки: а, б - нарисованные от руки изображения, выведенные на дисплей со светоотражающей подложкой.
Проверка передачи контраста при различных изображениях проводилась при выводе линий на дисплей. При этом толщина линий изменялась. Контраст измерялся в программе ImageJ [4]. Ниже, на рис. 8, представлены результаты опыта. На рис. 8, а показан снимок полученного изображения, при этом на экран выводились линии шириной в 1 пиксель и расстоянием между линиями также в 1 пиксель. Для рис. 8, б-г ширина линии и расстояние между линиями 2, 3 и 4 пикселя соответственно. На графиках оси Х соответствуют номера пикселей, оси У - яркость этих пикселов в оттенках серого. Контраст составил 3 : 1, что является типичным значением для проекционных систем на основе лазерного проекционного микроскопа.
в г
Рис. 8. Изображения линий и их контраст соответственно: а-г - ширина линии и расстояние между линиями 1, 2, 3 и 4 пиксела соответственно
Дополнительно был проведен эксперимент по получению изображения с фоновой засветкой. В качестве засветки выступала свеча. Схема установки представлена на рис. 9. На рис. 10, а фотография схемы эксперимента. Как видно, мощная фоновая засветка не влияет на качество получаемого изображения (рис. 10, б).
Рис. 9. Схема установки: 1 - ЖК-экран; 2 и 4 - фокусирующие линзы; 3 - оптический усилитель; 5 - мишень; 6 - источник накачки; 7 - источник фоновой засветки (свеча)
а б
Рис. 10. Изображение с дисплея с фоновой засветкой: а - схема эксперимента с фоновой засветкой в виде свечи; б - результат эксперимента
Для систем с усилителями яркости на парах металлов характерным является возможность наблюдения процессов в условиях фоновой засветки. Проведенный эксперимент показывает, что отраженного от экрана сигнала достаточно для получения неискаженного изображения при экранировании его внешним источником засветки.
Таким образом, в работе продемонстрирована возможность получения изображения, сформированного на ЖК-индикаторе, с помощью активной оптической системы с усилителем яркости на парах бромида меди. Дальнейшим развитием работы является разработка системы генератор-усилитель для нанесения изображений, сформированных с помощью ЖК-индикатора, на различные объекты.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, Госзадание № 7.586.2011.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скоростная визуализация микрообъектов посредством активных сред лазеров на парах / М.В. Тригуб, Г.С. Евтушенко, Ф.А. Губарев и др. // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т. 315. - № 4. - С. 141-146.
2. Оптические системы с усилителями яркости / Г.А. Пасманик, К.И. Земсков, М.А. Казарян и др. // ИПФ АН СССР. - Горький, 1988. - 173 с.
3. STMicroelectronics / STMicroelectronics. 2013. - URL: http://www.st.com
4. Image Processing and Analysis in Java: September 2013 - URL: http://rsbweb.nih.gov/ij
Поступила 19.01.2014 г.
