RU172171U1

RU172171U1 - Speckle suppression device

Info

Publication number: RU172171U1
Application number: RU2017103660U
Authority: RU
Inventors: Владимир Геннадьевич Каменев
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2017-06-29

Abstract

Полезная модель относится к области светотехники, а именно к устройствам для подавления спекл-шума при лазерной подсветке неоднородных объектов. 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. Технический результат - повышение эффективности подавления спекл-шума, позволяющее сократить необходимое время экспозиции приблизительно в 2 раза. 1 ил.The utility model relates to the field of lighting engineering, namely, devices for suppressing speckle noise during laser illumination of inhomogeneous objects. A speckle noise suppression device comprising a laser source, a first multimode fiber and a randomizer, comprises a fiber delay line optically connected to the first multimode fiber with a length of at least 0.5 km and a second multimode fiber optically connected to the fiber delay line. In this case, the fiber output of the laser source is optically connected to the first multimode fiber, the first multimode fiber and the second multimode fiber are mechanically connected to the randomizer so that the mechanical vibrations of the randomizer are directly transmitted to the first multimode fiber and the second multimode fiber. The technical result is an increase in the efficiency of suppressing speckle noise, which allows to reduce the required exposure time by about 2 times. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области светотехники, а именно к устройствам для подавления спекл-шума при лазерной подсветке неоднородных объектов.The utility model relates to the field of lighting engineering, namely, devices for suppressing speckle noise during laser illumination of inhomogeneous objects.

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.When inhomogeneous objects are illuminated by coherent laser radiation, interference of electromagnetic waves scattered by the inhomogeneities occurs and spatial intensity modulation of the reflected signal in the form of bright spot spots, known as speckles, is observed. This effect leads to a significant deterioration in the image quality of the object. Since the chaotic interference pattern from the illuminated object depends on the phase of the electromagnetic wave incident on the object, various devices are used to combat speckle noise, creating a temporary modulation of the backlight radiation phase. The phase shift leads to a change in the position of interference maxima and the creation of more uniform illumination. In this case, the decrease in the speckle amplitude, and hence the speckle noise suppression efficiency, depends on the degree of randomization of the radiation phase.

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.A known method and device for attenuating speckles described in patent EP 1505425 A1, IPC G02B 21/00, 02/09/2005. In this method and device for speckle attenuation, a rotating optical element is used that modulates the spatial distribution of the phase of the laser radiation. During the registration of the image frame, the speckles are displaced and averaged, which leads to a decrease in their amplitude and an increase in image quality.

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.The disadvantage of this method is its applicability only when highlighting the investigated object through free space. When using optical fiber to transmit laser radiation, the application of this solution is not possible.

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.The closest technical solution to the proposed (prototype) is a device for the perturbation of multimode fiber, described in patent US 8411273 B2, IPC G01N 21/00, 04/02/2013. This device contains a laser radiation source, a randomizer and a multimode fiber. The randomizer is a vibrating device that gives the fiber spatial vibrations. During these oscillations in a multimode fiber, a periodic redistribution of the signal between the modes occurs, leading to the averaging of several speckle patterns and a decrease in the speckle amplitude.

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.The disadvantage of the prototype is the low efficiency of the suppression of speckle noise. This leads to the necessity of averaging the signal over a long exposure - from a few milliseconds to several seconds. This negatively affects the time resolution when using this solution in laser illumination.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью, является повышение эффективности подавления спекл-шума. Это позволяет сократить необходимое время экспозиции приблизительно в 2 раза.The technical result provided by the claimed utility model is to increase the efficiency of suppressing speckle noise. This allows you to reduce the required exposure time by about 2 times.

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.The technical result is achieved by the fact that the device for suppressing speckle noise, containing a laser source, a first multimode fiber and a randomizer, contains a fiber delay line optically connected to the first multimode fiber with a length of at least 0.5 km and a second multimode fiber optically connected to a fiber a delay line, wherein the fiber output of the laser source is optically connected to the first multimode fiber, the first multimode fiber and the second multimode fiber are mechanically oedineny with randomizer so that mechanical vibration is directly transmitted to the first randomizer multimode fiber and a second multimode fiber.

На чертеже приведена схема устройства для подавления спекл-шума, гдеThe drawing shows a diagram of a device for suppressing speckle noise, where

1 - источник лазерного излучения, 2 - первое многомодовое волокно, 3 - рандомизатор, 4 - волоконная линия задержки и 5 - второе многомодовое волокно.1 - laser radiation source, 2 - the first multimode fiber, 3 - randomizer, 4 - fiber delay line and 5 - second multimode fiber.

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).The device comprises a laser radiation source 1, a first multimode fiber 2, a randomizer 3 ,. fiber delay line 4 and a second multimode fiber 5. The fiber output of the laser source 1 is optically connected to the first multimode fiber 2. The first multimode fiber 2 is mechanically connected to the randomizer 3 so that its mechanical vibrations are transmitted directly to the first multimode fiber 2. Optical output of the first multimode fiber 2 is optically coupled to the input by a fiber delay line 4. The output of the delay fiber line 4 is optically connected to the input of the second multimode fiber 5. The second multimode fiber 5 is mechanically connected to the randomizer 3 so that its mechanical vibrations are transmitted directly to the second multimode fiber 5. In this case, the laser radiation source 1, the first multimode fiber 2, randomizer 3 , the delay fiber line 4 and the second multimode fiber 5 can, for example, be compactly arranged on one optical plate (not shown in the drawing).

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.The radiation from the laser source 1 is transmitted through the first multimode fiber 2 to the fiber delay line 4. The randomizer 3, moving in a vertical plane, as shown by the arrow in the drawing, creates a spatial disturbance of the first multimode fiber 2 before the input of the fiber delay line 4. The spatial perturbation causes the redistribution of the radiation energy between the modes of fiber 2. The fiber delay line 4 performs two functions: causes intermode dispersion in the propagating signal, creating an additional phase difference between the modes, and delays the optical signal for the time necessary to change the distribution conditions for the modes due to the shift randomizer 3. At the exit of the delay line 4, the second multimode fiber 5 also contacts the randomizer 3, which creates a spatial infringement. The radiation in the second multimode fiber 5 is redistributed between the modes a second time. Then, along the second multimode fiber 5, the radiation is supplied to the object under study.

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.As a source of 1 laser radiation can be used laser DTL-413 manufactured by LLC "Lazerexport". Corning's ClearCurve OM2 Fiber can be used as the first 2 and second 5 multimode fibers, as well as for the fiber delay line 4. The fiber delay line is, for example, a compact fiber bay with a diameter of about 30 cm and a height of about 20 cm, which may contain from 0.5 to 20 km of optical fiber. The randomizer 3 can be a B&C Speakers 10CL51 electrodynamic loudspeaker, on the membrane of which the first 2 and second 5 multimode fibers are mechanically attached, and a signal from the sound generator in the range of 10 Hz-1 kHz is supplied to the input of the randomizer 3. As an optical plate, a STAND A opto-mechanics plate can be used.

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.The fiber delay line 4 creates intermode dispersion by changing the energy distribution between the modes in fiber 2. The experimentally measured maximum speed of the randomizer 3 is 0.5 m / s. Light travels a fiber line 0.5 km long in approximately 2 μs. During this time, the fiber will shift by 1 micron. Since this shift is almost 2 times the wavelength of the backlight radiation (532 nm), the radiation distribution over the fiber modes manages to completely change during the passage. When the length of the delay line 4 is less than 0.5 km, the randomizer 3 does not have time to shift by a value sufficient to change the mode composition of the radiation, and the efficiency of suppressing speckle noise is reduced. Therefore, a delay line of at least 0.5 km in length should be used.

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.The addition of two effects — intermode dispersion and fiber displacement — leads to a change in the beam structure. As a consequence, the second passage of the randomizer 3 converts the beam is not identical to the first. Due to the double passage of the randomizer 3, the effects of the redistribution of radiation between the modes are added up, giving a decrease in the speckle amplitude by about half compared with a single passage.

Таким образом, достигается технический результат, т.е. повышение эффективности подавления спекл-шума.Thus, a technical result is achieved, i.e. increased speckle noise reduction.

Claims

A speckle noise suppression device comprising a laser source, a first multimode fiber and a randomizer, characterized in that it comprises a fiber delay line optically connected to the first multimode fiber with a length of at least 0.5 km and a second multimode fiber optically connected to the fiber delay line wherein the fiber output of the laser source is optically connected to the first multimode fiber, the first multimode fiber and the second multimode fiber are mechanically connected to randomization Hur so that mechanical vibration is directly transmitted to the first randomizer multimode fiber and a second multimode fiber.