Устройство для подавления спекл-шума

Полезная модель относится к области светотехники, а именно к устройствам для подавления спекл-шума при лазерной подсветке неоднородных объектов.
При подсветке неоднородных объектов когерентным лазерным излучением происходит интерференция электромагнитных волн, рассеянных на неоднородностях, и наблюдается пространственная модуляция интенсивности отраженного сигнала в виде точечных ярких пятен, известная как спеклы. Данный эффект приводит к значительному ухудшению качества изображения объекта. Поскольку хаотичная интерференционная картина от подсвечиваемого объекта зависит от фазы падающей на объект электромагнитной волны, то для борьбы со спекл-шумом используют различные устройства, создающие временную модуляцию фазы излучения подсветки. Смещение фазы приводит к изменению положения интерференционных максимумов и созданию более равномерной засветки. При этом падение амплитуды спеклов, а значит - и эффективность подавления спекл-шума, зависят от степени рандомизации фазы излучения.
Известны метод и устройство для ослабления спеклов, описанные в патенте EP 1505425 А1, МПК G02B 21/00, 09.02.2005. В данном методе и устройстве для ослабления спеклов используется вращающийся оптический элемент, модулирующий пространственное распределение фазы лазерного излучения. За время регистрации кадра изображения происходит смещение спеклов и их усреднение, приводящее к снижению их амплитуды и повышению качества изображения.
Недостатком данного метода является его применимость только при подсветке исследуемого объекта через свободное пространство. При использовании для передачи лазерного излучения оптического волокна, применение данного решения не представляется возможным.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототип) является устройство для возмущения многомодового волокна, описанное в патенте US 8411273 B2, МПК G01N 21/00, 02.04.2013. Данное устройство содержит лазерный источник излучения, рандомизатор и многомодовое волокно. Рандомизатор представляет собой вибрирующее устройство, придающее волокну пространственные колебания. В процессе этих колебаний в многомодовом волокне происходит периодическое перераспределение сигнала между модами, приводящее к усредению нескольких спекл-картин и падению амплитуды спеклов.
Недостатком прототипа является малая эффективность подавления спекл-шума. Это приводит к необходимости усреднения сигнала на длительной экспозиции - от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. Это отрицательно сказывается на временном разрешении при использовании данного решения в лазерной подсветке.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью, является повышение эффективности подавления спекл-шума. Это позволяет сократить необходимое время экспозиции приблизительно в 2 раза.
Технический результат достигается тем, что устройство для подавления спекл-шума, содержащее источник лазерного излучения, первое многомодовое волокно и рандомизатор, содержит оптически соединенную с первым многомодовым волокном волоконную линию задержки длиной не менее 0,5 км и второе многомодовое волокно, оптически соединенное с волоконной линией задержки, при этом волоконный выход источника лазерного излучения оптически соединен с первым многомодовым волокном, первое многомодовое волокно и второе многомодовое волокно механически соединены с рандомизатором так, чтобы механические вибрации рандомизатора непосредственно передавались первому многомодовому волокну и второму многомодовому волокну.
На чертеже приведена схема устройства для подавления спекл-шума, где
1 - источник лазерного излучения, 2 - первое многомодовое волокно, 3 - рандомизатор, 4 - волоконная линия задержки и 5 - второе многомодовое волокно.
Устройство содержит источник 1 лазерного излучения, первое многомодовое волокно 2, рандомизатор 3,. волоконную линию 4 задержки и второе многомодовое волокно 5. Волоконный выход источника 1 лазерного излучения оптически соединен с первым многомодовым волокном 2. Первое многомодовое волокно 2 механически соединено с рандомизатором 3 так, чтобы его механические вибрации передавались непосредственно первому многомодовому волокну 2. Оптический выход первого многомодового волокна 2 оптически соединен со входом волоконной линией 4 задержки. Выход волоконной линии 4 задержки оптически соединен со входом второго многомодового волокна 5. Второе многомодовое волокно 5 механически соединено с рандомизатором 3 так, чтобы его механические вибрации передавались непосредственно второму многомодовому волокну 5. При этом источник 1 лазерного излучения, первое многомодовое волокно 2, рандомизатор 3, волоконная линия 4 задержки и второе многомодовое волокно 5 могут быть, например, компактно расположены на одной оптической плите (на чертеже не показана).
Устройство работает следующим образом.
Излучение от источника 1 лазерного излучения передается по первому многомодовому волокну 2 к волоконной линии задержки 4. Рандомизатор 3, перемещаясь в вертикальной плоскости, как показано стрелкой на чертеже, создает пространственное возмущение первого многомодового волокна 2 перед входом волоконной линии 4 задержки. Пространственное возмущение вызывает перераспределение энергии излучения между модами волокна 2. Волоконная линия 4 задержки выполняет две функции: вызывает межмодовую дисперсию в распространяющемся сигнале, создавая дополнительную разность фаз между модами, и задерживает оптический сигнал на время, необходимое для изменения условий распределения по модам за счет смещения рандомизатора 3. На выходе из линии 4 задержки второе многомодовое волокно 5 также контактирует с рандомизатором 3, создающим на данном участке пространственное возмущение. Излучение во втором многомодовом волокне 5 второй раз перераспределяется между модами. Далее по второму многомодовому волокну 5 излучение подается на исследуемый объект.
В качестве источника 1 лазерного излучения может быть использован лазер DTL-413 производства ООО «Лазерэкспорт». В качестве первого 2 и второго 5 многомодового волокна, а также для волоконной линии 4 задержки может быть использовано волокно ClearCurve ОМ2 Fiber производства Corning. Волоконная линия задержки представляет собой, например, компактную волоконную бухту, диаметром около 30 см и высотой около 20 см, которая может содержать от 0,5 до 20 км оптического волокна. Рандомизатор 3 может представлять собой электродинамический громкоговоритель B&C Speakers 10CL51, на мембране которого механически крепятся первое 2 и второе 5 многомодовые волокна, и на вход рандомизатора 3 подается сигнал с генератора звуковых частот в диапазоне 10 Гц-1 кГц. В качестве оптической плиты может быть использована плита фирмы STAND A opto-mechanics.
Волоконная линия 4 задержки создает межмодовую дисперсию, изменяя распределение энергии между модами в волокне 2. Экспериментально измеренная максимальная скорость движения рандомизатора 3 составляет 0,5 м/с. Свет проходит волоконную линию длиной 0,5 км приблизительно за 2 мкс. За это время волокно сместится на 1 мкм. Поскольку данное смещение почти в 2 раза превосходит длину волны излучения подсветки (532 нм), то за время прохода успевает полностью измениться распределение излучения по модам волокна. При длине линии 4 задержки меньшей чем 0,5 км рандомизатор 3 не успевает сместиться на достаточную для изменения модового состава излучения величину, и эффективность подавления спекл-шума снижается. Поэтому следует использовать линию задержки длиной не менее 0,5 км.
Сложение двух эффектов - межмодовой дисперсии и смещения волокна - приводит к изменению структуры пучка. Вследствие этого второе прохождение рандомизатора 3 преобразует пучок не идентично первому. За счет двукратного прохождения рандомизатора 3 эффекты перераспределения излучения между модами складываются, давая снижение амплитуды спеклов приблизительно в два раза по сравнению с однократным прохождением.
Таким образом, достигается технический результат, т.е. повышение эффективности подавления спекл-шума.