ЛАЗЕРНЫЙ ПРОЕКЦИОННЫЙ МИКРОСКОП (ВАРИАНТЫ)
LASER PROJECTION MICROSCOPE

Изобретения относятся к области квантовой электроники, а именно к лазерным проекционным системам, и могут быть использованы для неразрушающего контроля больших интегральных схем, визуализации быстропротекающих процессов, в том числе экранированных от наблюдателя фоновой засветкой, процессов обработки материалов концентрированными потоками энергии, исследования микрообъектов в медицине и биологии.
Известен лазерный проекционный микроскоп [Патент РФ №2144204, МПК7 G02B 21/00, опубл. 10.01.2000 г.], который содержит соосно установленные объектив и лазерный усилитель, систему регистрации изображения, связанную с компьютером, и оптический затвор, где система регистрации изображения выполнена в виде телевизионной камеры, связанной с компьютером. Оптический затвор установлен между предметом и лазерным усилителем с возможностью открытия и закрытия синхронно с частотой кадров телевизионной камеры.
Недостатком устройства является то, что каждый кадр формируется различным числом световых импульсов лазерного усилителя, так как экспозиция телевизионной камеры системы регистрации изображения больше периода повторения импульсов лазерного усилителя и отсутствует синхронизация работы камеры и лазерного усилителя. За счет того, что каждый кадр формируется несколькими импульсами сверхсветимости, он будет содержать искажения, связанные с нестабильностью разряда лазерного усилителя от импульса к импульсу и вибрациями элементов оптической схемы, а также изменениями наблюдаемого процесса или объекта за время между импульсами лазерного усилителя.
Известен лазерный проекционный микроскоп [Морозова Е.А., Прохоров A.M., Савранский В.В., Шафеев Г.А. Скоростная покадровая регистрация изображений биологических объектов с использованием лазерного проекционного микроскопа // Доклады АН СССР. - 1981. - Т.261. - №6. - С.1460-1462], включающий в себя лазерный усилитель на парах меди, объектив, конденсор, светофильтр, установленные соосно, резонатор, систему 100% зеркал, экран и систему регистрации изображения, представляющую собой высокоскоростную фотографическую установку ВФУ-1. Устройством обеспечивается получение изображения в проходящем свете от каждого импульса сверхизлучения лазерного усилителя.
Устройство исключает искажения, связанные с нестабильностью разряда и вибрацией элементов оптической схемы. Время экспозиции определяется длительностью импульса сверхизлучения лазерного усилителя. К недостаткам данного устройства можно отнести: ограниченное количество кадров, регистрируемое за одну съемку (40 кадров); сложность процесса обработки полученной информации, записанной на фотопленку; невозможность наблюдения объектов с большим коэффициентом отражения; невозможность мониторинга объекта в режиме реального времени; ограничение по скорости съемки, связанное с особенностями лазерного усилителя на парах меди. Такое устройство не позволяет своевременно реагировать на изменения объекта наблюдения и вмешиваться в наблюдаемый процесс.
Известен лазерный проекционный микроскоп [Абрамов Д.В., Галкин А.Ф., Жаренова С.В., Климовский И.И., Прокошев В.Г, Шаманская Е.Л. Визуализация с помощью лазерного монитора взаимодействия лазерного излучения с поверхностью стекло- и пироуглерода // Известия Томского политехнического университета - 2008. - Т.312. - №2. - С.97-101], выбранный в качестве прототипа, включающий в себя лазерный усилитель, с одной стороны от которого соосно установлены объектив и объект наблюдения, а с другой - система формирования изображения и система регистрации изображения либо система формирования изображения и экран, а также систему регистрации изображения, направленную на экран. Система регистрации изображения выполнена на основе CMOS-сенсора, связанного с компьютером. Лазерный усилитель выполнен на основе активной среды лазера на парах меди. Максимальная частота съемки системы регистрации изображения составляет 5000 кадров в секунду, частота работы лазерного усилителя составляет 16 кГц. Такой лазерный проекционный микроскоп позволяет визуализировать быстропротекающие процессы с временным разрешением 0,2 мс и отображать их на экране компьютера.
Недостатками этого лазерного проекционного микроскопа является рассогласование работы лазерного усилителя и системы регистрации изображения. В результате, даже при наблюдении статического объекта, кадры получаемого видеофайла существенно отличаются друг от друга по яркости. Это связано с отсутствием синхронизации работы системы регистрации изображения и лазерного усилителя, который работает в импульсно-периодическом режиме.
э
Если время экспозиции системы регистрации изображения t лежит в диапазоне
э
T<t<2T,
где T - период повторения импульсов лазерного усилителя, то изображение будет формироваться или одним, или двумя импульсами примерно с равной вероятностью, то есть яркость кадров будет отличаться в два раза.
э
Если 2T<t<3T,
то изображение будет формироваться или двумя, или тремя импульсами, то есть яркость кадров будет отличаться в полтора раза. Кроме скачков яркости изображения будут присутствовать искажения, связанные с нестабильностью разряда лазерного усилителя от импульса к импульсу и вибрациями элементов оптической схемы, а также с изменениями исследуемого объекта, отследить которые за время экспозиции системы регистрации изображения в таком устройстве не представляется возможным. В случае, если время экспозиции меньше периода работы лазерного усилителя, то полученный видеофайл будет содержать «пустые» кадры, которые получены в момент регистрации изображения в межимпульсный период лазерного усилителя, что снижает временное разрешение устройства в целом. Кроме этого, лазерный усилитель выполнен на основе лазера на парах меди, что ограничивает максимальное временное разрешение на уровне максимальных частот следования импульсов генерации данного лазера.
Задача, решаемая изобретениями, - регистрация быстропротекающих процессов посредством лазерного проекционного микроскопа с высоким временным разрешением и минимальными искажениями и, как следствие, повышение точности контроля и анализа исследуемых процессов.
Указанная задача решена за счет того, что лазерный проекционный микроскоп, так же, как в прототипе, содержит лазерный усилитель, с одной стороны от которого вдоль оптической оси расположены объектив и объект наблюдения, а с другой размещена система формирования изображения и экран; а также систему регистрации изображения.
Согласно первому варианту изобретения лазерный усилитель выполнен на основе активной среды лазера на парах бромида меди и связан с полупроводниковым источником накачки, система регистрации изображения выполнена на основе высокоскоростной CCD-камеры, направленной на экран и связанной с персональным компьютером и схемой синхронизации, которая связана с полупроводниковым источником накачки.
Во втором варианте лазерный проекционный микроскоп, так же, как в прототипе, содержит лазерный усилитель, с одной стороны от которого вдоль оптической оси расположены объектив и объект наблюдения, а с другой размещена система формирования изображения; а также систему регистрации изображения.
В отличие от прототипа лазерный усилитель выполнен на основе активной среды лазера на парах бромида меди и связан с полупроводниковым источником накачки, система регистрации изображения выполнена на основе высокоскоростной CCD-камеры, установленной соосно с лазерным усилителем и связанной с персональным компьютером и схемой синхронизации, которая связана с полупроводниковым источником накачки.
За счет того, что в лазерный проекционный микроскоп введена система регистрации изображения - высокоскоростная камера, связанная с компьютером, и схема синхронизации, связанная с полупроводниковым источником накачки лазерного усилителя на основе лазера на парах бромида меди и камерой, обеспечена регистрация изображения от единичного импульса подсветки (импульса сверхсветимости, генерируемого лазерным усилителем).
Технический результат заключается в уменьшении искажений, связанных с вибрацией элементов оптической схемы и нестабильностью разряда лазерного усилителя от импульса к импульсу; увеличении временного разрешения лазерного проекционного микроскопа, так как в качестве лазерного усилителя используется активная среда лазера на парах бромида меди, оптимальные частоты следования импульсов генерации которого выше, чем у лазера на парах меди; исключении искажений, связанных с изменениями исследуемого объекта (или процесса) в межимпульсный период, за счет регистрации изображений от единичного импульса сверхсветимости лазерного усилителя.
На фиг.1 представлена схема лазерного проекционного микроскопа при съемке изображения с экрана.
На фиг.2 представлена схема лазерного проекционного микроскопа при формировании изображения непосредственно на матрицу высокоскоростной камеры.
На фиг.3 приведены осциллограммы при различной скорости съемки: а) при частоте 28.8 кГц, б) при частоте 4.1 кГц, где кривая 1 - синхроимпульс, кривая 2 - импульс сверхизлучения лазерного усилителя, кривая 3 - импульс экспозиции. Уровни напряжений - ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика.
Предлагаемый лазерный проекционный микроскоп (фиг.1) содержит лазерный усилитель 1 на основе активной среды лазера на парах бромида меди, с одной стороны от которого вдоль оптической оси расположены объектив 2 и объект наблюдения 3, а с другой - система формирования изображения 4 и экран 5. Система регистрации изображения 6 (СР) состоит из высокоскоростной CCD-камеры 7, направленной на экран 5, связанной с персональным компьютером 8 (ПК) и схемой синхронизации 9 (ССН). Полупроводниковый источник накачки 10 (ИН), связанный с лазерным усилителем 1, содержит формирователь высоковольтных импульсов 11 (ФВИ), связанный с лазерным усилителем 1 и с синхрогенератором 12 (СГ). Схема синхронизации 9 (ССН) включает в себя схему согласования 13 (СС), связанную с синхрогенератором 12 (СГ), формирователь синхроимпульса 14 (ФС), связанный со схемой согласования 13 (СС) оптоволоконным кабелем (15). Формирователь синхроимпульса 14 (ФС) связан с высокоскоростной CCD-камерой 7 системы регистрации изображения 6 (СР).
Во втором варианте лазерного проекционного микроскопа (фиг.2) система формирования изображения 4 и высокоскоростная CCD-камера 7 установлены соосно с лазерным усилителем 1.
В качестве лазерного усилителя 1 использована активная среда лазера на парах бромида меди [например, по патенту РФ №62742, МПК H01S 3/08, H01S 3/227, опубл. 27.04.2007]. Формирователь высоковольтных импульсов 11 (ФВИ) выполнен на основе мощных IGBT транзисторов [например, Тригуб М.В., Торгаев С.Н., Фёдоров В.Ф. Полупроводниковые источники накачки CuBr-лазеров // Известия Томского политехнического университета, 2010. - Т.317 - №4. - С.164-168]. Синхрогенератор 12 (СГ) представляет собой генератор задающих импульсов требуемой частоты и длительности, выполненный на основе цифровых логических элементов, например КР1533ЛА3. Схема согласования 13 (СС) представляет собой буферный элемент, например UCC37322, связанный с оптическим передатчиком, например HFBR-1522. Формирователь синхроимпульса 14 (ФС) содержит оптический приемник, например HFBR-2522, выход которого подключен к ждущему одновибратору, например, на основе цифровых логических элементов или микроконтроллера. В качестве высокоскоростной CCD-камеры 7 использована CCD-камера с управляемым затвором, например FastCam HiSpec1.
Излучение лазерного усилителя 1, работающего в режиме сверхсветимости (без зеркал) (фиг.1), фокусируется на объекте наблюдения 3 при помощи объектива 2. Отраженный от объекта наблюдения 3 сигнал собирается и направляется на вход лазерного усилителя 1 объективом 2, который усиливается лазерным усилителем 1 и проецируется системой формирования изображения 4 либо на экран 5, с которого производится съемка высокоскоростной CCD-камерой 7, либо непосредственно на матрицу высокоскоростной CCD-камеры 7 системы регистрации изображения 6 (СР) (фиг.2). Изображение с высокоскоростной CCD-камеры 7 передается в персональный компьютер 8 (ПК), где представляется в цифровом виде, что обеспечивает возможность обработки и анализа изображения. Для синхронизации работы системы регистрации изображения 6 (СР) и лазерного усилителя 1 применяется схема синхронизация 9 (ССН), которая обеспечивает управление затвором высокоскоростной CCD-камеры 7. Импульс синхронизации поступает на высокоскоростную CCD-камеру 7 с формирователя синхроимпульса 14 (ФС) с такой задержкой, чтобы импульс сверхсветимости лазерного усилителя 1 попал в экспозицию высокоскоростной CCD-камеры 7. Также формирователь синхроимпульса 14 (ФС) позволяет изменять скорость съемки высокоскоростной CCD-камеры 7 путем формирования синхроимпульса с частотой, кратной частоте работы лазерного усилителя 1. При этом частота работы лазерного усилителя 1 остается неизменной.
Для пояснения работы устройства на фиг.3 приведены осциллограммы, полученные с помощью осциллографа LeCroy WJ-324, синхроимпульса - кривая 1 (импульса, поступающего с формирователя синхроимпульса 14 (ФС) на вход высокоскоростной CCD-камеры 7), сверхизлучения - кривая 2 (оптический импульс излучения лазерного усилителя 1, полученный с помощью ФЭК-22), и импульса экспозиции высокоскоростной CCD-камеры 7 - момент, когда происходит регистрация изображения - кривая 3. На фиг.3а представлен вариант, когда система регистрации 6 (СР) регистрирует изображения каждого импульса сверхизлучения лазерного усилителя 1, на фиг.3б - каждого восьмого. Из осциллограмм видно, что с использованием схемы синхронизации 9 (ССН) работа системы регистрации изображения 6 (СР) и лазерного усилителя 1 синхронны, то есть за счет того, что на вход высокоскоростной CCD-камеры 7 поступает синхроимпульс (кривая 1), в каждую экспозицию (кривая 3) попадает импульс сверхизлучения (кривая 2) лазерного усилителя 1.
Таким образом, введение схемы синхронизации 9 (ССН), обеспечивающей синхронную работу лазерного усилителя 1 и системы регистрации изображения 6 (СР), в лазерный проекционный микроскоп, при прочих равных условиях (частота работы лазерного усилителя 1, характеристики системы регистрации изображения 6 (СР)), дает возможность регистрировать процесс (или объект наблюдения) в отдельном импульсе сверхизлучения лазерного усилителя 1 и, как следствие, повысить достоверность получаемой информации и точность контроля исследуемого процесса. Это обеспечивается за счет уменьшения искажений, связанных с вибрацией элементов схемы, нестабильностью разряда лазерного усилителя 1 от импульса к импульсу, изменениями, происходящими в исследуемом процессе или объекте за межимпульсный период импульсов сверхизлучения лазерного усилителя 1, в случае, если кадр будет формироваться несколькими импульсами излучения лазерного усилителя, что присуще аналогам предлагаемого лазерного проекционного микроскопа. Наибольшее временное разрешение лазерного проекционного микроскопа достигается при равенстве частоты работы лазерного усилителя 1 и скорости съемки высокоскоростной CCD-камеры 7, то есть когда регистрируется каждый импульс сверхизлучения лазерного усилителя 1. Использование в качестве лазерного усилителя 1 активной среды лазера на парах бромида меди позволяет регистрировать процессы с большим временным разрешением, так как оптимальные частоты следования импульсов излучения у нее выше, чем у среды лазера на парах меди, используемой в прототипе.