ЛАЗЕРНЫЙ ПРОЕКЦИОННЫЙ МИКРОСКОП

Полезная модель относится к области квантовой электроники, а именно к лазерным проекционным системам, и может быть использовано для неразрушающего контроля больших интегральных схем, визуализации быстропротекающих процессов, в том числе экранированных от наблюдателя фоновой засветкой с целью их оптимизации и получения новых знаний об их природе, 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. Кроме этого, регистрируется не только полезный сигнал, несущий оптическую информацию об исследуемом процессе или объекте, но и фоновый сигнал - спонтанное излучение лазерного усилителя. Данная особенность приводить к ухудшению качества получаемого изображения, вызванное снижением его контраста.
Известен лазерный проекционный микроскоп [Морозова Е.А., Прохоров А.М., Савранский В.В., Шафеев Г.А. Скоростная покадровая регистрация изображений биологических объектов с использованием лазерного проекционного микроскопа // Доклады AM 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. В данном устройстве контраст получаемых изображений снижен, за счет того, что фиксируется спонтанное излучение наряду с сигналом, несущем информацию об исследуемом объекте.
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], 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 так же 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 Т - 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 так же 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. К недостаткам так же следует отнести то, что контраст получаемых изображений будет ниже максимально возможно, за счет того, что в систему регистрации изображения будет попадать спонтанное излучение лазерного усилителя, которое является нежелательным шумом.
Известен лазерный проекционный микроскоп [Тригуб М.В., Евтушенко Г.С., Губарев Ф.А., Торгаев С.Н. Лазерный монитор с возможностью покадровой регистрации изображений // Контроль. Диагностика. - 2011, Вып. Специальный - С.140-143] выбранный в качестве прототипа, включающий в себя лазерный усилитель с одной стороны от которого вдоль оптической оси расположены объектив и объект наблюдения, а с другой размещена система формирования изображения и система регистрации изображения, которая состоит из высокоскоростной CCD-камеры, связанной с персональным компьютером. Схема синхронизации, связанная с источником накачки лазерного усилителя и высокоскоростной CCD-камерой. Лазерный усилитель выполнен на основе лазера на парах бромида меди, накачка осуществляется полупроводниковым источником. В устройстве помимо полезного сигнала система регистрации изображения фиксирует спонтанное излучение лазерного усилителя, что снижает контраст и качество получаемых изображений. Изображение объекта формируется обеими длинами волн генерации лазерного усилителя, что вносит искажение в изображение, т.к. коэффициенты усиления и отражения различны для каждой линии генерации лазерного усилителя
Задачей полезной модели является улучшение качества изображения.
Указанная задача решена за счет того, что лазерный проекционный микроскоп, также как в прототипе, содержит лазерный усилитель, с одной стороны от которого вдоль оптической оси расположены объектив и объект наблюдения, а с другой стороны размещены система формирования изображения и система регистрации изображения. 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.
В отличие от прототипа, между системой формирования изображения и системой регистрации изображения установлен набор светофильтров, в котором последовательно расположены интерференционный полосовой светофильтр на одну из длин волн генерации лазерного усилителя и нейтральные светофильтры, обеспечивающие ослабление фона ниже уровня чувствительности CDD-камеры.
За счет того, что в лазерный проекционный микроскоп введен набор светофильтров, сигнал, попадающий в систему регистрации изображения, ослабляется. Для конкретного объекта наблюдения необходимо подбирать коэффициент ослабления, а следовательно, и количество нейтральных светофильтров, таким образом, чтобы уменьшить уровень спонтанного излучения лазерного усилителя (фона), попадающего в высокоскоростную CCD-камеру, до уровня, меньшего ее чувствительности. Калибровка необходима для каждого случая, так как уровень фона (спонтанного излучения) зависит от параметров объекта и оптической схемы - коэффициента отражения и расстояния от объекта до лазерного усилителя. Использование интерференционного полосового светофильтра позволяет фиксировать изображение, формируемое на одной длине волны генерации лазерного усилителя, что снижает искажения, так как желтая и зеленая линии излучения лазерного усилителя генерируются с некоторой временной задержкой и с различными коэффициентами усиления.
Ослабление сигнала, попадающего в высокоскоростную CCD-камеру системы регистрации изображения, уменьшает уровень шума на получаемом изображении. Так как изображение формируется одиночным импульсом лазерного усилителя, который работает в режиме насыщения уже при малых входных сигналах, при изменении параметров съемки (ее скорости) не происходит увеличение энергии спонтанного излучения, попадающего в систему регистрации изображения, что обеспечивает сохранение контраста на максимально высоком уровне. Исключаются искажения, вызванные различными коэффициентами отражения и поглощения изучаемого объекта на длинах волн излучения лазерного усилителя.
На фиг.1 представлена схема лазерного проекционного микроскопа
На фиг.2 представлены результаты визуализации тестового объекта при различном наборе светофильтров, где а) - нейтральные светофильтры НС6, НС9, НС10 и интерференционный полосовой фильтр BPF 510/10; б) - нейтральные светофильты НС6, НС7, НС9, НС10 и интерференционный полосовой фильтр BPF 510/10.
На фиг.3 представлены графики яркости пикселей по указанной на фиг.2 пунктирной белой линии, где а) - для изображения, представленного на а) фиг.2 и б) - для изображения, представленного на б) фиг.2.
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, набор светофильтров 5, система регистрации изображения 6 (CP), которая состоит из высокоскоростной CCD-камеры 7, связанной с персональным компьютером 8 (ПК) и схемой синхронизации 9 (ССН). Набор светофильтров 5 состоит из последовательно расположенных интерференционного полосового светофильтра на одну из длин волн генерации лазерного усилителя 1 и нейтральных светофильтров. 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 (CP).
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]. В наборе светофильтров 5 могут быть использованы нейтральные светофильтры, например, типа НС, и полосовые интерференционные фильтры, например, BPF 578\10 для желтой линии и BPF 510\10 для зеленной линии генерации лазерного усилителя 1. Формирователь высоковольтных импульсов 11 (ФВИ) выполнен на основе мощных IGBT транзисторов [например, Тригуб М.В., Торгаев С.Н., Федоров В.Ф. Полупроводниковые источники накачки CuBr-лазеров // Известия Томского политехнического университета, 2010. - т.317 - №4. - с.164-168]. Сиихрогенератор 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-камеру 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 на матрицу высокоскоростной CCD-камеры 7 системы регистрации изображения 6 (CP), предварительно ослабляемый набором светофильтров 5 (фиг.1). Величина ослабления, определяемая количеством нейтральных светофильтров и их характеристиками, подбирается таким образом, чтобы уменьшить величину спонтанного излучения лазерного усилителя при отсутствии объекта ниже уровня чувствительности высокоскоростной CCD-камеры 7. 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 (CP) 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. Так же 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.
Результаты визуализации тестового объекта - металлической сетки, представлены на фиг.2 при различном наборе светофильтров: нейтральные светофильтры HC6, HC9, HC10 и интерференционный полосовой BPF 510\10 для а), и нейтральные светофильтры: HC6, HC7, HC9, HC10 и интерференционный полосовой BPF 510\10 для случая б). Первый набор светофильтров: нейтральные светофильтры HC6, HC9, HC10 и интерференционный полосовой BPF 510\10 выбирался случайным образом, чтобы исключить засветку высокоскоростной CCD-камеры 7, полосовой фильтр BPF 510\10 использовался для получения изображения объекта, формируемого только линией 510,6 нм лазерного усилителя 1. Во втором случае (фиг.2, б) набор нейтральных светофильтров: HC6, HC7, HC9, HC10 и интерференционный полосовой BPF 510\10 выбирался таким образом, чтобы обеспечить отсутствие изображение на экране персонального компьютера 8 (ПК), формируемого высокоскоростной CCD-камерой 7 при отсутствии объекта наблюдения 3. Для оценки контраста изображений представлены графики яркости пикселей на фиг.3. Визуально видно, что изображение на фиг.2, а) содержит фон, в том месте, где его не должно быть - отверстие сетки, кроме этого, изображение является засвеченным и скрывает ряд подробностей об объекте - неровности граней сетки. В случае использования второго набора светофильтров 5 (б) на фиг.2), исключающих влияние спонтанного излучения лазерного усилителя 1, изображение не содержит фон в местах отсутствия сетки и является более информативным - позволяет оценить неровности и шероховатости граней объекта наблюдения 3.
Для количественной оценки качества полученных изображений, представленных на фиг.2, на фиг.3 представлены графики яркости пикселей по выделенным на изображениях (фиг.2) линиям. Видно, что там, где отсутствуют грани сетки (пиксели от 0 до 50) в первом случае (фиг.2а) имеется фон, яркость которого в среднем равна 25 (фиг.3а), при этом яркость первой грани равна 115 (пиксели 50-55 на фиг.3а), в то же время для второго случая (фиг.2б), когда используется второй набор светофильтров 5, яркость фона и грани равны соответственно 3 и 70 (фиг.3б). Локальный контраст для первого случая 4,6; для второго 23,3. Это является количественным подтверждением улучшения контраста получаемых изображений при использовании
Таким образом, введение в схему набора светофильтров 5, в котором последовательно расположены интерференционный полосовой светофильтр на одну из длин волн генерации лазерного усилителя 1 и нейтральные светофильтры, установленного между системой формирования изображения 4 и высокоскоростной CCD-камерой 7 системы регистрации изображения 6 (CP), обеспечивает уменьшение уровня спонтанного излучения лазерного усилителя 1, попадающего на вход высокоскоростной CCD-камеры 7, до уровня, меньшего, чем ее чувствительность. Так как лазерный усилитель 1 работает в режиме насыщения при малых входных сигналах, подобное решение приводить к увеличению контраста изображения, формируемого на матрице высокоскоростной CCD-камеры без потери полезной информации. Использование набора светофильтров 5, в который входит интерференционный полосовой светофильтр на длину волны генерации лазерного усилителя 1, обеспечивает формирование изображения только в одном цвете. Это улучшает качество изображения, т.к. устраняет искажения, связанные с различием коэффициентов отражения и поглощения объекта наблюдения 3 для разных длин волн лазерного усилителя 1, а так же отличием коэффициентов их усиления в лазерном усилителе 1 и временной задержкой между их излучением. Как следствие, это позволяет повысить достоверность получаемой информации и точность контроля исследуемого процесса, улучшает качество получаемых изображений и позволяет производить качественную математическую обработку, так как учесть спонтанное излучение математическими методами невозможно ввиду отсутствия законов ее зависимости от внешних факторов - параметров оптической схемы, мощности накачки лазерного усилителя.