Спекл-интерферометрический датчик движения для

Федеральное Государственное образовательное
учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
Институт фундаментальной биологии и биотехнологии
Отчёт по производственной практике
Научный
руководитель:
Доцент:
В.В. Салмин
Выполнил:
Студент 5-го
курса:
П.В.
Лаврентьев
ВВЕДЕНИЕ

В данной работе будет рассмотрено
одно из применений лазерных
технологий на основе которой можно
реализовать глубокую диагностическую
программу, а также предложена сама
технология диагностики тремора
конечностей. Так как когерентное
излучение обладает уникальными
характеристиками, делается возможным
измерить малые времена изменения
любой величины, с очень большой
точностью.
Регистрация и измерение
тремора позволяет:




дать объективную оценку качества
деятельности человека оператора;
проводить экспертизу трудоспособности;
определить предрабочее
психофизиологическое состояние и
готовность к деятельности;
объективно оценить физическое и
психоэмоциональное утомление, влияние
лекарственных средств, запахов различных
стимулирующих и экстрасенсорных
воздействий, а также последствий
применения этанола и наркотических
средств.
В медицине треморография
дает возможность:


произвести диагностику и
дифференцировку различных видов
тремора при психофизических напряжениях
у здоровых и у больных лиц с различными
неврологическими заболеваниями;
Запись биопотенциалов с различных
отделов головного и спинного мозга и
периферической нервной системы
совместно с треморографией дает
возможность лучше понять механизм
возникновения тремора и других
заболеваний нервной системы;
На сегодняшний день известны
несколько видов треморографов
(датчиков):
акселерометрические датчики,
измеряющие ускорение;
 индукционные датчики, измеряющие
скорость перемещения;

Для достижения,
поставленной цели,
были определены
следующие задачи:
Цель работы:
разработка прибора для
возможности более
точного определения
видов патологического
тремора.
изучить методы спекл –
интерферометрии,
 непосредственно доработать
прибор (заменить лазер на
более эффективный)
 Создать биомеханическую
модель руки с настраиваемой
АЧХ для точной калибровки
виртуального экрана данных
и подбор регистрирующих и
преломляющих элементов
установки.

Описание установки
Установка состоит из
трех основных
частей:



Лазер
Матричный
светочувствительный
датчик
Световозвращающая
пленка
Лазер
Лазер установлен на плате мыши. Питание к лазеру подавалось
через понижающую напряжение электрическую схему (драйвер) от USB
кабеля, схема представлена на рисунке. Напрямую нельзя подключать
лазер, так как напряжение от USB порта 5 В, а сила тока 450 – 500 мА, что
превышает необходимые для лазера 4,5 В и 28 мА.
5
2
1
3
6
7
A
4
8
1 – конденсатор емкостью 1000 пФ, 2 - резистор сопротивлением 150 Ом, 3 –
конденсатор емкостью 1000 мкФ, 4 – стабилитрон IN4 732 A 5T, 5 – резистор
сопротивлением 30 Ом, 6 – Амперметр, 7 – резистор сопротивлением 50 Ом, 8 – лазер.
В нашей работе использовался лазер с мощностью 3 мВт,
длиной волны 650 нм, мы заменили его лазерным диодам из dvd-rw
мощностью 245 мВт с такой же длинной волны, что позволило увеличить
эффективность работы установки за счет стабильной мощности, которая
не падала со временем.
Вместе с новым лазером в установке, появился и новый драйвер
необходимый для его эксплуатации. В драйвере используется микросхема
LM317, которая включена стабилизатором тока.
Принцип работы установки:
Лазер расположен соосно с осью фотоприемника лазерной
мыши, Луч отражаясь от световозвращающей пленки, попадает на
приемный сенсор мыши и при перемещении ленты, получаем
перемещение курсора на экране монитора.
2
3
1 – световозвращающая пленка, 2 – лазер, 3 – приемный сенсор
лазерной мыши, 4 – компьютер.
4
Принцип работы матричного
светочувствительного датчика:
Схема работы оптической мыши
Оптический сенсор не только делает
снимки, но и обрабатывает их, так
как содержит две ключевых части:
систему получения изображения
Image Acquisition System (IAS) и
интегрированный DSP процессор
обработки снимков.
Анализ череды последовательных
снимков (представляющих собой
квадратную матрицу из пикселей
разной яркости), интегрированный
DSP процессор высчитывает
результирующие показатели,
свидетельствующие о направлении
перемещения мыши вдоль осей Х и Y.
В отличие от оптической мыши, лазерная способна
получать более полную информацию о поверхности благодаря
точечному нерассеянному световому потоку.
Таким образом, лазерный сенсор способен
анализировать каждую точку поверхности и четко задавать
направление курсора. Изображения, получаемые лазерным
сенсором, являются гораздо более четкими и контрастными.
Именно поэтому лазерная мышь отлично функционирует
даже на отражающих и неровных поверхностях. И так как в
нашей установке задействован лазер, то матричный
светочувствительный датчик будет регистрировать изменение
спекл – картины лазерного излучения.
Благодаря этому мы получим необходимые результаты.
Формирование спекл – структур:
Спеклы - это интерференционная
картина нерегулярных волновых фронтов,
образующаяся при падении когерентного
излучения на сильно шероховатую
поверхность.
При когерентном освещении
случайно–неоднородных объектов, таких,
например, как шероховатая поверхность
или прозрачная среда с флуктуирующим в
пространстве показателем преломления, в
рассеянном поле формируется спекл–
структура
Спекл – картина в поле
дифракции лазерного пучка на
шероховатой поверхности.
Оптические схемы наблюдения
спекл – картин:
1-источник света, 2 – случайно – неоднородный обьект или
среда, 3 – схематичный вид продольного сечения слоя спекл –
структуры, 4 – хаотически искаженный волновой фронт, 5 –
изображающая оптическая схема.
Корреляционная спекл –
интерферометрия:
Любая интерференционная картина представляет собой полосы
корреляции интерферирующих полей.
В корреляционной спекл – интерферометрии наблюдают полосы
корреляции пространственных распределений интенсивностей, получаемых
при интерференции спекл – модулированных волн.
Схемы корреляционных
спекл –
интерферометров для
измерения нормальных
(а) и тангенциальных (б)
смещений точек
шероховатой
поверхности объекта.
1 и 1' – освещающие лазерные пучки,2 – объект,3 – линза, 4 – опорный пучок, 5- полупрозрачное зеркало,
6 – плоскость регистрации, 7 – видиокамера, 8 – плата ввода изображений, 9 – компьютер, 10 – образец
картины полос корреляции деформации изгиба на экране монитора.
Биомеханическая модель руки:
Создание биомеханической модели руки с настраиваемой АЧХ
потребовалось для точной калибровки виртуального экрана данных и
подбор регистрирующих и преломляющих элементов установки.
5
1
6
3
4
7
2
Представленная
модель, может менять
амплитуду колебаний от 1°
до 45° при помощи
изменения положения оси
(5) на колесе (2), и за счет
изменения длинны плеча (6)
и (7). Частота колебаний
световозвращающей пленки
(1) меняется от 0 до 12 Гц за
счет изменения напряжения
в блоке питания (4).
1 – крепление для световозвращающей пленки, 2 – колесо для изменения амплитуды колебания, 3 –
электропривод, 4 – электропитание, 5 - ось изменения амплитуды, 6 и 7 – плечи шатуна
ВЫВОДЫ




В ходе работы был изучен метод
корреляционной спекл – интерферометрии.
Изучен оптический датчик перемещений,
использующий принцип корреляционной
спекл-интереферометрии.
Доработана лазерная составляющая
прибора с заменой драйвера на более
эффективный.
Разработана модель биомеханической руки
с настраиваемой АЧХ для калибровки
экрана данных и подбора регистрирующих
и преломляющих элементов установки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ






Островский Ю.И., Бутусов М.М., Островская Г.В.
Голографическая интерферометрия. М.: Наука, 1978.
336с.
Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл –
интерферометрия / Пер. с англ. под ред. Г.В.
Скроцкого. М.: Мир, 1986. 328 с.
Франсон М. Оптика спеклов / Пер. с англ. под ред.
Ю.И. Островского. М.: Мир, 1980. 171с.
Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Спб.:
Питер, 2003. 604 с.
Франсон М. Оптика спеклов. М.: Наука, 1980. 171 с.
http://samodelkyn.ucoz.ru /index/0-63.html