Использование фазово-контрастного метода Цернике в системах лазерной маркировки изделий

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФАЗОВО-КОНТРАСТНОГО МЕТОДА ЦЕРНИКЕ В СИСТЕМАХ ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ ИЗДЕЛИЙ

В.В. Слугин

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук, доцент Л.Н. Соме

Рассмотрена возможность применения фазово-контрастного метода Цернике для усиления изображений при условии насыщения лазерной активной среды. Показана принципиальная возможность использования метода в системах лазерной маркировки изделий.

Введение

Среди существующих способов (ударно-механического, электрохимического, окрашивания красками, наклейки этикеток) лазерная маркировка - наиболее современный и технологичный метод, обладающий исключительно высокой гибкостью, так как параметрами лазерного пучка можно управлять во времени и пространстве, а также точно дозировать и регулировать энергию излучения. Использование лазеров с различной длиной волны - 10,6 мкм, 1,06 мкм, 0,51 мкм и др. - позволяет маркировать широкий круг материалов (металлы, пластики, полупроводники, окрашенные материалы, различного рода резину, кожу, твердые специальные сплавы) с высокой скоростью и качеством [1].

К достоинствам лазерной маркировки относятся бесконтактность и быстрота процесса маркировки, надежность и стойкость полученного изображения, и его высокое разрешение. Она позволяет наносить на изделия промышленного производства любую информацию - логотип фирмы-изготовителя, технические данные и название детали, штрих-код - и защитить изделия от подделки лучше, чем традиционные способы.

В настоящее время получили развитие две технологии лазерной маркировки: масочная и сканирующая (векторная).

Масочная технология, при которой запись изображения лазерным излучением осуществляется через трафаретную маску в импульсном режиме, отличается высокой скоростью записи. Главным ее недостатком является сложность записи переменной информации.

Сканирующая технология состоит в формировании изображения сфокусированным лазерным лучом при его движении по маркируемой поверхности. Сканирующие системы позволяют производить запись переменной информации; при этом скорость записи зависит от размеров изображения и его разрешения.

Использование лазерные проекционных систем на основе ЖК-модуляторов света позволит сочетать преимущества обеих технологий (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная оптическая схема лазерной проекционной системы для маркировки изделий: 1 - пучок задающего генератора, 2 - поляризаторы, 3 - ЖК-модулятор, 4 - активный элемент

Излучение задающего генератора с равномерным распределением проходит через пространственный модулятор света (ПМС) и приобретает амплитудную модуляцию. За-

тем оно проходит через усилитель и с помощью формирующей системы проецируется на объект.

Однако имеются определенные трудности в реализации данной схемы:

(1) нелинейная зависимость излучения на выходе усилителя от излучения на входе при условии высокого энергосъема с усилителя;

(2) структура усиливаемого изображения заранее не известна, поэтому полная апертура активного элемента должна накачиваться до уровня, обеспечивающего максимальную яркость изображения.

В результате съем с темных областей изображений будет очень низким, и общий КПД также будет невысок.

Для повышения эффективности усиления изображения в лазерных проекционных системах предлагается использовать метод фазового контраста. Предлагается выполнить перекодирование информации, несущей изображение, из амплитудной в фазовую область, усилить полученный амплитудно-однородный сигнал и выполнить обратное преобразование информации в амплитудную область, наподобие того, как это реализуется в методе фазового контраста Цернике.

Метод фазового контраста Цернике

Данный метод был разработан в 1935 году для наблюдения структуры слабо поглощающих свет объектов и основан на принципах пространственной фильтрации [2]. Принципиальная схема метода приведена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема метода Цернике

Свет от источника проходит через исследуемый объект. Неоднородность показателя преломления объекта приводит к тому, что прошедшая через объект световая волна претерпевает в разных точках объекта разные изменения фазы, т.е. приобретает фазовый рельеф. В фокусе первой линзы располагается стеклянный диск - фазовая пластина, которая осуществляет изменение фазы падающей на нее волны на Р. На пластину падает свет, не несущий информацию о структуре изображения. Полезный сигнал проходит мимо фазовой пластины. Затем фоновая волна, фаза которой сдвинута на Р, и сигнальная волна

интерферируют, в результате чего формируется изображение структуры объекта.

Предположим, что объект характеризуется комплексным коэффициентом пропускания [3]

г ( х, у) = еф( х,у),

где ф(х, у) - действительная функция, модуль которой много меньше единицы, т.е. |ф(х, у) << 1 .

В этом случае можно приближенно записать г (х, у) = 1 + ф( х, у).

Комплексная амплитуда волны, прошедшей через объект, равна

е(х, у) = е0*(х, у) = Во + ггоф(х, у) .

В отсутствии фазовой пластинки наблюдаемое распределение интенсивности равно I (х, у) = I о[1 + ф2( х, у)], поле практически однородно, структура объекта просматривается плохо. В случае, если в фокусе находится фазовая пластинка, сдвигающая фазу фоновой волны на р/2, поле прошедшей волны равно

г( х у) = гг о[1 + ф( х, y)], а распределение интенсивности

I(х, у) »Iо[1 + 2ф (х, у)] линейно зависит от исходного фазового распределения.

Численное моделирование фазово-амплитудного преобразования по методу Цернике

Предлагаемая схема лазерной маркировки представлена на рис. 3.

Рис. 3. Предлагаемая оптическая схема лазерной проекционной системы для маркировки изделий: 1 - пучок задающего генератора, 2 - поляризатор, 3 - ЖК-модулятор, 4 - активный элемент, 5 - пластинка Цернике

Лазерный пучок задающего генератора имеет близкое к равномерному распределение интенсивности по сечению. После ЖК-модулятора пучок приобретает фазовую модуляцию, в то время как амплитудное распределение остается равномерным. В результате при проходе через усилитель съем инверсии происходит со всего объема активной среды. Затем выполняется преобразование фазы в амплитуду, и пучок проецируется на объект.

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

1.06 0.07

1.42 1.43 1.44 1.45 1.46 1.47 1.40 1.4Э 1.6

Рис. 4. Распределение интенсивности в исходном изображении

Среди существующих методов маркировки важное значение имеет маркировка штрих-кодами. Разработанные в настоящее время технологии позволяют обрабатывать различные типы одномерных и двумерных штрих-кодов. В связи с этим было проведено численное моделирование преобразования фазового распределения единичной интенсивности, соответствующего изображению участка штрих-кода. Распределение фазы рассчитывалось по формуле

I = 10 ехр(/ • тХ(х)),

где Х(х)- распределение интенсивности в исходном изображении (0...1), т - глубина фазовой модуляции. Расчеты проводились при значениях модуляции фазы т = 0.1-2,5 рад.

На рис. 4, 5 представлены результаты расчетов при т = 0,8 рад. При т>2 рад происходили значительные искажения исходного изображения, часть штрихов пропадала.

Значительное влияние на контраст и искажения в получаемом изображении оказывал выбор размера пластинки Цернике. При оптимальном выборе диаметра пластинки, как видно из графиков, контраст составил порядка 80%.

а

б

Рис. 5. Исходное изображение

Заключение

Показана возможность полного использования энергии, запасенной в лазерном усилителе, для нанесения штрих-кодов. Выигрыш в методе фазовой модуляции относительно случая амплитудной модуляции (отношение мощности в освещенных частях штрих-кода в разных методах модуляции) составляет 2 раза.

Литература

1. Горный С.Г., Юдин К.В. Применение методов лазерной маркировки в промышленности. // ЛАЗЕР-ИНФОРМ, Информационный бюллетень лазерной ассоциации. №8 (263), апрель 2003.

2. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. М.: Мир, 1970.

3. Ахманов С.А. Физическая оптика: Учебник. 2-е изд. / С.А. Ахманов, С.Ю. Никитин. -М.: Изд-во МГУ; Наука, 2004.