проблемы создания оптически управляемого рельефного

ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ОПТИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМОГО
РЕЛЬЕФНОГО МОДУЛЯТОРА ДЛЯ МЕДИЦИНСКОГО
ПРИМЕНЕНИЯ
А.Л. Дмитриев
Описан лабораторный макет рельефного модулятора, управляемого оптическими сигналами, регистрируемыми решеткой фотоприемников. Сформулированы основные технические проблемы разработки
рельефного модулятора для использования в медицине – в сенсорном устройстве восприятия оптического изображения слепыми, а также в терапии
Рельефный оптический модулятор (РМ) представляет собой отражающую свет
поверхность, форма которой изменяется под действием внешнего электрического
управляющего сигнала. Такие устройства обычно применяются в адаптивной оптике
при создании деформируемых отражателей (адаптивных зеркал) [1]. Число дискретных
элементов в таких РМ достигает нескольких десятков – сотен, а амплитуда деформации
обычно не превышает 1 мкм. Электрически и оптически управляемые РМ находят применение и в системах оптической обработки информации – в устройствах ввода информации в оптический процессор и в преобразователях некогерентного оптического
изображения в когерентное [2, 3]. Эти РМ являются разновидностью пространственновременных модуляторов света с размерами элементарной отражающей свет ячейки
около 30–50 мкм и амплитудой деформации поверхности величиной до 0.3–0.5 мкм.
Объемный
визуальный
эффект
Восприятие
через
осязание
1
Рис. 1. Принцип действия оптически управляемого РМ. 1 – объект, 2 – оптическая
система, 3 – решетка фотоприемников, 4 - усилитель и преобразователь сигналов,
5 – рельефный модулятор
Одной из актуальных современных технических проблем приборостроения является разработка рельефных модуляторов для медицинского применения – в устройствах
восприятия изображений слепыми и людьми с пониженным зрением. Действие таких
сенсорных систем основано на восприятии информации об объекте посредством осязания – функции организма, по своей информативности занимающей третье место после
зрения и слуха [4]. Принцип использования РМ в таких системах восприятия поясняется на рис. 1. Оптическое изображение объекта 1 преобразуется в пространственный
рельеф рабочей поверхности РМ 5. Прямой контакт РМ с участком кожи человека, например ладони, при соответствующем обучении обеспечивает восприятие достаточно
большого объема видеоинформации об объекте. При этом высота рельефа (амплитуда
деформации участка поверхности РМ) пропорциональна яркости соответствующего
участка двумерного изображения объекта.
80
К рельефным модуляторам медицинского назначения предъявляются следующие
требования:
• амплитуда деформации поверхности до 500–1000 мкм,
• поперечные размеры элементарной ячейки около 1–2 мм,
• число элементарных ячеек – несколько сотен – тысяч,
• размеры рабочей поверхности РМ в пределах 80–150 мм,
• время срабатывания приводов РМ не более 1 с.
На кафедре ТТОЭ СПбГУИТМО выполнена экспериментальная разработка лабораторного РМ медицинского назначения и изготовлен действующий макет семиканального
РМ, управляемого светом, c большой амплитудой деформации рабочей поверхности [5].
Анализ различных физических способов создания деформируемых поверхностей
– акустического, электро- и магнитооптического, пьезоэлектрического, термического –
показал, что большие, величиной порядка десятков–сотен мкм, амплитуды деформации
практически может обеспечить РМ в виде решетки электромагнитных приводов. Электрический управляющий сигнал на приводы РМ поступает с выхода решетки фотоприемников, на которую проецируется оптическое изображение объекта. Блок схема включения таких фотоприемников показана на рис. 2.
фотодиод
свет
Операционный
усилитель
Электромагнитный
привод
Рис. 2. Блок-схема цепи управления приводом
2.
1.
2.
1.
3.
3.
4.
4.
а.
б.
Рис. 3. Устройство и действие электромагнитного привода РМ: 1 – намагниченный
сердечник (феррит), 2 – эластичная мембрана, 3 - катушка электромагнита,
4 – юстировочный винт. а – без сигнала, б – при подаче сигнала.
Устройство и работа электромагнитного привода показаны на рис. 3. Намагниченный сердечник из феррита в неоднородном магнитном поле, создаваемом электромагнитом, смещается и деформирует участок эластичной мембраны, образующей рабочую
поверхность РМ. В эксперименте использованы семь приводов с параллельно действующими оптоэлектронными каналами управления (рис. 2), связанными с решеткой
фотодиодов типа ФД-256. Сопротивлением нагрузки электронных усилителей величиной 22 Ом являлись катушки электромагнитов приводов, содержащие 800 витков провода. При максимальном токе через катушку 200 мА величина локального прогиба участка мембраны, изготовленной из полимерной пленки (лавсан), достигала 40 мкм. Диаметр сердечника 2 мм, длина 8 мм, постоянная времени срабатывания привода 0,2 мс.
Деформации мембраны соответствовали яркости выборочных участков изображения,
проектируемого на матрицу фотоприемников, расположенных геометрически подобно
приводам РМ. Внешний вид макета оптически управляемого РМ показан на рис. 4.
81
Рис. 4. Внешний вид макета оптически управляемого РМ
В результате выполнения комплекса экспериментов на макете установлено, что создание практического РМ медицинского назначения требует решения двух наиболее важных технических задач. Во-первых, необходима разработка электромагнитного привода
РМ, действующего по принципу вентильного механизма, связанного с внешним источником энергии, например, пневматического либо гидравлического типов. При этом условии энергопотребление электромагнитного привода минимально, и при количестве элементов РМ порядка нескольких сотен – тысяч общая потребляемая мощность устройства
останется в разумных пределах. Во-вторых, описанная параллельная оптоэлектронная
система управления приводами целесообразна лишь при сравнительно небольшом, порядка нескольких десятков, числе элементов РМ. Для создания РМ, используемого в
практических высокоинформативных системах восприятия изображений, необходимо
разработать устройство преобразования сигналов с выхода обычной компактной видеокамеры (например, на основе ПЗС), сигнал которого будет управлять соответствующим
приводом многоэлементного РМ. Эти задачи при современном уровне техники и технологии вполне разрешимы и в перспективе должны обеспечить разработку рельефного
модулятора медицинского применения, который найдет использование не только в системах восприятия изображений, но и в терапии (точечный массаж и др.).
Литература
1. Тараненко В.Г., Шанин О.И. Адаптивная оптика, М. Радио и связь, 1990
2. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света, М.: Радио и связь, 1987
3. Информационная оптика. / Под ред. Евтихеева Н.Н. М.: Изд. МЭИ, 2000
4. Ананьев Б.Г., Веккер Л.М., Ломов Б.Ф. Осязание в процессах познания и труда. М.:
АПН РСФСР, 1959
5. Казакевич М.С., Дмитриев А.Л. Макет оптически управляемого рельефного пространственного оптического модулятора. // Оптический журнал. 2003. Том 70. № 11.
С. 52–54.
82