CN101064830A - 消隐激光作用过程的信号处理装置及观察装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消隐激光作用过程的信号处理装置，由将摄像机电子快门脉冲信号进行反相的反相器、积分器、幅度比较器和基准电压发生器相互连接构成；所述反相器的输入接所述摄像机的电子快门脉冲信号，所述反相器的输出为积分器的输入，所述积分器输出接幅度比较器，所述幅度比较器的另一输入为基准电压发生器的输出。本发明还涉及一种消隐激光作用过程的观察装置，包括用于拍摄激光与物质作用过程的摄像机，以及与该摄像机连接的监视器；所述摄像机的电子快门信号经过一消隐激光作用过程的信号处理装置处理后输出到一激光治疗设备的控制输入端。因此，本发明装置可以消隐激光与物质作用过程中产生的高亮度光噪声，从而可清晰地观察激光作用过程。

Description

消隐激光作用过程的信号处理装置及观察装置

技术领域

本发明涉及一种消隐激光作用过程的信号处理装置及观察装置，特别是一种通过电视监视系统对激光作用过程进行观察时，消隐激光与物质作用所产生的高亮度光噪声。

背景技术

激光是指受激辐射产生的光放大，它具有高亮度、方向性好、单色性等特点，且易于将其聚焦到一点上，并在焦点处获得极高的功率密度或能量密度。当激光作用在金属物质上时，会使其熔化、甚至汽化：作用在非金属物质上时，会使其碳化、燃烧甚至汽化；作用于动物组织时，会使其凝固、碳化甚至汽化。因此激光广泛应用于材料加工中，对被加工物体进行打孔、切割、焊接、热处理等；同样也广泛应用于医学中，对肌体组织进行凝固、碳化或汽化，使组织消融或切割而达到治疗的目的。有些波长的激光还可以用光导纤维传输，将激光导入物体内腔进行加工。

但是在观察激光与物质相互作用过程时遇到两个问题，一是激光很强，如果又是可见光波段的激光，眼睛被强激光的散射光照射就看不清其他物体。这一问题比较好解决，因为每种激光为单一波长，只要用眼镜滤掉就可以了，同时激光防护也要求佩戴滤除该波长激光的防护眼镜。另一个问题是强激光与物质相互作用时，会使局部物质温度迅速升高产生燃烧而发出强光，尤其在脉冲激光时，焦点处甚至会产生爆炸和很强的火花，也会使眼睛看不清作用点的情况和作用过程。燃烧和爆炸发出强光的谱线很宽，如果要滤掉它就需要佩戴高密度的黑眼镜，那么在滤掉强光时也就看不见其他任何东西了。上述激光作用过程虽然都是用眼睛观察的，当用摄像机观察时，也会遇到同样的问题，单一波长的激光很容易滤掉，而激光与物质相互作用时发出的谱线很宽的强光就很难滤掉了，因此现有的技术还无法消除激光作用过程中的高亮度的光噪声。

发明内容

本发明的目的是针对在使用电视监示系统观察脉冲激光与物质相互作用过程时，现有技术中无法消隐激光作用过程中产生高亮度光噪声的缺陷，提供一种消隐激光作用过程的信号处理装置及观察装置，消隐激光作用过程的信号处理装置及观察装置，能够克服上述缺陷，从而可以清晰地观察激光作用过程。

为实现上述目的，本发明提供了一种消隐激光作用过程的信号处理装置，由将摄像机电子快门脉冲信号进行反相的反相器、积分器、幅度比较器和基准电压发生器相互连接构成；其中，所述反相器的输入接所述摄像机的电子快门脉冲信号，所述反相器的输出为积分器的输入，所述积分器输出接幅度比较器，所述幅度比较器的另一输入为基准电压发生器的输出。

本发明还提供了一种消隐激光作用过程的观察装置，包括用于拍摄激光与物质作用过程的摄像机，以及与该摄像机连接的监视器；所述摄像机的电子快门信号经过一消隐激光作用过程的信号处理装置处理后输出到一激光设备的控制输入端；所述消隐激光作用过程的信号处理装置由将摄像机电子快门脉冲信号进行反相的反相器、积分器、幅度比较器和基准电压发生器相互连接构成；其中，所述反相器的输入接所述摄像机的电子快门脉冲信号，所述反相器的输出为积分器的输入，所述积分器输出接幅度比较器，所述幅度比较器的另一输入为基准电压发生器的输出。

所述摄像机中具有电子快门，其工作原理如下：通过控制每个像素的电荷积累时间，来控制入射光在摄像机CCD芯片上的作用时间来实现电子快门，即在电视屏幕显示的每一场内只将某一段时间产生的电荷作为图像信号输出，而将其余时间产生的电荷排放掉，不予使用，这样就缩短了存储电荷的时间，相当于缩短了光线照射在芯片上的时间，如同加了快门一样。

当摄像机工作时，产生电子快门脉冲信号并在CCD芯片上累积电荷量，二者与所述电视监视器的屏幕显示时间的关系分别如图6中(6-a)和图6中(6-b)所示。图6为本发明中各参量的时序变化示意图，图6中(6-a)为摄像机内的电子快门脉冲信号与电视监视器的屏幕显示时间的关系示意图，图6中(6-b)为摄像机CCD芯片的电荷积累量与电视监视器的屏幕显示时间的关系示意图。所述电视监视器的屏幕显示时间每场为1/50s，分为快门脉冲输出时间t1和快门脉冲停止时间t2两部分，分别对应快门的关闭时间和快门的开启时间。在快门脉冲输出的t1时间内，所述摄像机CCD芯片上积累的电荷都排放掉，而在快门脉冲停止即快门打开的t2时间内，CCD芯片对光积分，激光与物质的相互作用被CCD记录并且转换为图像在屏幕上显示。电子快门的速度可在1/50s～1/100000s变化。如果利用电子快门关闭的t1时间输出激光，那么激光以及激光与物质相互作用时产生的强光都不会在电视监视屏上出现。

因此，本发明在使用摄像机和电视监视器观察激光与物质相互作用过程时，例如在激光材料加工和激光医疗等各种激光与物质相互作用的场合，可消除激光以及激光与物质作用时产生的高亮度光噪声的干扰，从而可以清晰地观察激光作用过程。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明消隐激光作用过程的信号处理装置实施例1的示意图；

图2为本发明消隐激光作用过程的信号处理装置实施例2的示意图；

图3为本发明消隐激光作用过程的观察装置的实施例3的示意图；

图4为本发明消隐激光作用过程的观察装置的实施例4的示意图；

图5为本发明消隐激光作用过程的观察装置的实施例5的示意图；

图6为本发明中各参量的时序变化示意图。

附图标记说明：

1-CCD摄像机                 2-消隐激光作用过程的信号处理装置

3-激光输出控制器            4-激光器

5-电视监视器                6-视频信号亮度补偿器

7-照明光源                  21-开关信号调节器

A-反相器                    B-积分器

C-基准电压发生器            D-幅度比较器

E-单片微处理器

具体实施方式

实施例1

如图1所示，为本发明消隐激光作用过程的信号处理装置的一个实施例示意图。将电子快门脉冲信号通过反相器A反相，反相后的电子快门脉冲信号波形如图6中(6-c)所示。图6为本发明中各参量的时序变化图，图6中(6-c)为消隐激光作用过程的信号处理装置中的反相电子快门脉冲信号与电视监视器的屏幕显示时间的关系示意图，其横坐标是时间，纵坐标是反相快门脉冲信号；反相后的电子快门脉冲信号通过积分器B对反相快门脉冲电压进行积分，积分器B具有脉冲下降沿清零输出电压的功能，积分器B输出电压波形如图6中(6-d)所示，为消隐激光作用过程的信号处理装置中的反相电子快门脉冲信号积分电压与电视监视器的屏幕显示时间的关系示意图，其纵坐标为电压值。基准电压发生器C发生基准电压，设定基准电压略大于快门关闭时间内积分器输出电压的最高值。积分器B输出电压与基准电压通过幅度比较器进行比较，大于基准电压时比较器输出低电平，小于基准电压时比较器输出高电平。幅度比较器D的输出即形成如图6中(6-e)所示，为消隐激光作用过程的信号处理装置中输出的包络信号与电视监视器的屏幕显示时间的关系示意图，其纵坐标为电压值，即控制激光发射的控制信号，并发送给激光输出控制器3。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处是在实施例1的基础上增加了一单片微处理器E(即开关信号调节21)。如图2所示，包络脉冲信号和电子快门脉冲信号通过单片微处理器E进行处理，在第一场时，单片微处理器E的计数器计数电子快门脉冲信号，定义电子快门脉冲在每场内的脉冲数，从1到N+1。电子快门脉冲的频率是f，根据激光与物质相互作用的光噪声对图像采集的影响时间来确定压缩时间t′，电子快门在每场内的脉冲数减去压缩时间对应的脉冲数即得到压缩后的脉冲数N′，公式如下：

                N′＝(N+1)-t′f

当t′f是小数时，t′f的值取其整数部分加1。第一场时只计算N′值，激光器不工作，单片微处理器E保留N′值，以后每场时，单片微处理器E检测到包络信号的上升沿的同时将输出电平即压缩后的包络电平置高，当单片微处理器E检测到N′个快门脉冲时置低输出信号，即得到了压缩脉宽后的包络信号。该控制信号确保了激光与物质相互作用过程产生的光噪声在电子快门开启前结束。如果激光器4原来输出为连续激光，经开关信号调节器21压缩脉宽后控制的激光输出就变成如图6中(6-g)所示的波形，为激光器为连续激光时经开关信号调节器调制后的激光输出波形，其纵坐标为输出功率；如果激光器4原来输出为脉冲激光，经开关信号调节器21压缩脉宽后控制的激光输出就变成如图6中(6-h)所示的波形，为激光器为脉冲激光时经开关信号调节器调制后的激光输出波形，其纵坐标为输出能量值，其固有的激光脉冲重复频率不变，只是脉冲激光输出在电子快门打开前被停止。

实施例3

如图3所示，为本发明消隐激光作用过程的观察装置的一个实施例示意图。其中CCD摄像机1对激光与物质相互作用过程进行拍摄，并将拍摄到的画面传给电视监视器5，连接于摄像机1的消隐激光作用过程的信号处理装置2从摄像机1中取出电子快门脉冲信号并加以处理。将电子快门脉冲信号通过反相器A反相，反相后的电子快门脉冲信号波形如图6中(6-c)所示。反相后的电子快门脉冲信号通过积分器对反相快门脉冲电压进行积分，积分器具有脉冲下降沿清零输出电压的功能，积分器输出电压波形如图6中(6-d)所示。基准电压发生器发生基准电压，设定基准电压略大于快门关闭时间内积分器输出电压的最高值。积分器输出电压与基准电压通过幅度比较器进行比较，大于基准电压时比较器输出低电平，小于基准电压时比较器输出高电平。幅度比较器的输出即形成如图6中(6-e)所示的包络信号，即控制激光发射的控制信号，并发送给激光输出控制器3。

激光输出控制器3根据该控制信号来控制激光器4的输出，在电子快门关闭时打开激光器4输出激光，在电子快门开启时关闭激光器4停止激光的输出，从而实现了激光作用过程消隐观察。

实施例4

如图4所示，为本发明消隐激光作用过程的信号处理装置及观察装置的另一个实施例示意图。因为激光与物质相互作用过程产生的燃烧或爆炸的火花总是在激光输出作用于物质后才发生，即滞后于激光且具有一定的发光寿命。实施例1可以完全地消除激光的光噪声的影响，也可以消除大量伴随激光输出而产生的火花噪声，但不能消除电子快门即将开启时激光输出末端的激光与物质相互作用产生的光噪声，该火花就会进入电子快门开启的时间在显示屏上形成光噪声。为了解决这一问题就必须根据火花的发光寿命长短提前停止激光输出。

具体实施方法如图4所示，在消隐激光作用过程的信号处理装置2和激光输出控制器3之间增设一个开关信号调节器21，其功能是根据火花的发光寿命长短对消隐激光作用过程的信号处理装置2输出的包络脉冲信号的宽度进行压缩处理，压缩脉宽后的包络信号就变为实际控制激光输出的控制信号，如图6中(6-f)所示。包络脉冲信号和电子快门脉冲信号通过单片微处理器E进行处理，在第一场时，微处理器的计数器计数电子快门脉冲信号，定义电子快门脉冲在每场内的脉冲数，从1到N+1。电子快门脉冲的频率是f，根据激光与物质相互作用的光噪声对图像采集的影响时间来确定压缩时间t′，电子快门在每场内的脉冲数减去压缩时间对应的脉冲数即得到压缩后的脉冲数N′，公式如下：

                N′＝(N+1)-t′f

当t′f是小数时，t′f的值取其整数部分加1。第一场时只计算N′值，激光器不工作，单片微处理计算器保留N′值，以后每场时，单片微处理计算器检测到包络信号的上升沿的同时将输出电平即压缩后的包络电平置高，当单片微处理计算器检测到N′个快门脉冲时置低输出信号，即得到了压缩脉宽后的包络信号。该控制信号确保了激光与物质相互作用过程产生的光噪声在电子快门开启前结束。如果激光器原来输出为连续激光，经开关信号调节器21压缩脉宽后控制的激光输出就变成如图6中(6-g)所示的波形；如果激光器原来输出为脉冲激光，经开关信号调节器21压缩脉宽后控制的激光输出就变成如图6中(6-h)所示的波形，其固有的激光脉冲重复频率不变，只是脉冲激光输出在电子快门打开前被停止。其它作用过程与实施例3完全相同，不再赘述。

实施例5

如图5所示，为本发明消隐激光作用过程的信号处理装置及观察装置的再一个实施例示意图。在上述实施例中，由于使用了电子快门就产生了两个问题。一是加入了包络信号对激光输出的控制后，增加了激光停顿的时间，相当于降低了激光输出的平均功率或能量。如果电子快门开启的时间为1/50s，即相当于在每场中电子快门全部时间都打开，此时无激光输出；如果电子快门开启的时间为1/100s，即相当于电子快门在每场1/50s中有一半的时间打开，那么经包络信号控制后激光输出的平均功率或能量就减小了一半；如果电子快门开启的时间为1/1000s，即相当于电子快门在每场1/50s中只有5％的时间打开，那么经包络信号控制后激光输出的平均功率或能量就只减小了5％。因此，为了减少对激光输出平均功率或能量的影响就需要选定较高速度的电子快门，例如电子快门设定为1/1000s。但是，随之产生了另一问题，即电子快门开启时间越短，对激光作用部位的曝光时间越短，激光与物质的相互作用过程就看不清楚了，为了解决这一问题就需要增加激光作用部位的照度，即给激光作用部位提供补偿照明。

具体实施方法如图5所示，在摄像机1外连接视频信号亮度补偿器6，视频信号亮度补偿器6又连接照明光源7。所述视频信号亮度补偿器6从摄像机中提取并监测视频信号亮度，随着视频信号亮度的增减给照明光源7发出补偿信号，控制照明光源减少或增加照度以自动地满足因电子快门速度变化所需要的物场照明。当使用内窥镜在体腔内进行激光手术时，照明光源7就是冷光源。当然，如果电子快门速度经选定后不经常改变，也可以不用视频信号亮度补偿器6对照明光源7进行自动补偿控制，而用手动的办法调整物场的照明，以使在电视监视屏上获得合适亮度的图像即可。其它作用过程与实施例4完全相同，不再赘述。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种消隐激光作用过程的信号处理装置，其特征在于：由将摄像机电子快门脉冲信号进行反相的反相器、积分器、幅度比较器和基准电压发生器相互连接构成；其中，所述反相器的输入接所述摄像机的电子快门脉冲信号，所述反相器的输出为积分器的输入，所述积分器输出接幅度比较器，所述幅度比较器的另一输入为基准电压发生器的输出。

2.根据权利要求1所述的消隐激光作用过程的信号处理装置，其特征在于：还包括用于调整包络脉冲信号宽度的开关信号调节器，所述开关信号调节器的一信号输入为所述幅度比较器的信号输出，所述开关信号调节器的另一信号输入为所述摄像机的电子快门脉冲信号。

3.一种消隐激光作用过程的观察装置，包括用于拍摄激光与物质作用过程的摄像机，以及与该摄像机连接的监视器；其特征在于：所述摄像机的电子快门信号经过一消隐激光作用过程的信号处理装置处理后输出到一激光设备的控制输入端；所述消隐激光作用过程的信号处理装置由将摄像机电子快门脉冲信号进行反相的反相器、积分器、幅度比较器和基准电压发生器相互连接构成；其中，所述反相器的输入接所述摄像机的电子快门脉冲信号，所述反相器的输出为积分器的输入，所述积分器输出接幅度比较器，所述幅度比较器的另一输入为基准电压发生器的输出。

4.根据权利要求3所述的消隐激光作用过程的观察装置，其特征在于：所述消隐激光作用过程的信号处理装置还包括：用于调整包络脉冲信号宽度的开关信号调节器，所述开关信号调节器的一信号输入为所述幅度比较器的信号输出，所述开关信号调节器的另一信号输入为所述摄像机的电子快门脉冲信号。

5.根据权利要求3或4所述的消隐激光作用过程的观察装置，其特征在于：所述摄像机还与一个视频信号亮度补偿器连接，该视频信号亮度补偿器的输出端与照明光源连接，用于提供补偿照明。

6.根据权利要求5所述的消隐激光作用过程的观察装置，其特征在于：所述照明光源为普通光源或冷光源。

7.根据权利要求3或4所述的消隐激光作用过程的观察装置，其特征在于：所述激光设备由激光器及激光输出控制器连接构成，所述激光输出控制器的输入连接所述消隐激光作用过程的信号处理装置的输出，所述激光输出控制器的输出信号接所述激光器。

8.根据权利要求7所述的消隐激光作用过程的观察装置，其特征在于：所述激光器为工业加工或医疗设备使用的连续激光器或脉冲激光器。

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