WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 16 |

Четвертая работа «Лазерный доплеровский анемометр» посвящена изучению принципов лазерной доплеровской анемометрии и основ цифровой обработки сигналов на примере простейшего лазерного доплеровского анемометра, разработанного специально для учебных целей в Научнообразовательном институте оптики и биофотоники СГУ. В рамках пособия рассматривается фундаментальная природа эффекта Доплера и особенности его проявления для световых волн, принципы действия лазерных доплеровских анемометров, а также основы цифрового спектрального анализа.

В пятой лабораторной работе «Цифровая фурье-голография» рассматриваются теоретические основы метода цифровой голографии с записью голограммы в дальней области дифракции и практические схемные решения для реализации этого метода.

Когерентно-оптические методы в измерительной технике Шестая лабораторная работа «Цифровая голографическая интерферометрия» содержит теоретические и экспериментальные основы цифровой фурье-голографии и голографии сфокусированного изображения для измерения малых деформаций и смещений объекта с рассеивающей поверхностью.

Описание теоретических основ методов цифровой голографии, рассматриваемых в последних двух работах, базируется на пространственных преобразованиях Френеля и Фурье, реализуемых в оптических системах в процессе дифракционного распространения волновых полей в свободном пространстве и в линзовых системах, а также на численном преобразовании Фурье двумерных дискретных сигналов – цифровых голограмм. Теоретические основы оптической голографии излагаются с использованием комплексных функций для представления амплитудно-фазовых пространственных распределений комплексных амплитуд монохроматических волновых полей. В этих же представлениях описываются процессы формирования интерференционных картин в цифровой голографии и цифровой голографической интерферометрии.

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов университетов специальности «физика», «биохимическая физика» и «медицинская физика», магистрантов направления «физика», программ «физика оптических явлений» «биофизика» и «медицинская физика», а также для аспирантов специальностей «оптика», «лазерная физика» и «биофизика», физико-математические науки.

Учебное пособие может быть использовано в качестве практического учебнометодического руководства при изучении специальных дисциплин: «фурьеоптика», «голография и оптическая обработка информации», «лазерная интерферометрия», «цифровые системы обработки сигналов и изображений», «оптика биотканей», «оптические измерения в биомедицине», читаемых в рамках вышеназванных университетских программ подготовки специалистов и магистров.

профессор, д.ф.-м.н. В.П. Рябухо профессор, д.ф.-м.н. В.В. Тучин ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МИКРОСКОП ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ В.В. Лычагов, В.П. Рябухо, А.Л. Кальянов Цель работы: изучение устройства и принципа работы интерференционного микроскопа в когерентном и частично когерентном свете, ознакомление с методами исследования качества поверхностей и микроструктуры прозрачных слоистых объектов, сочетающими принципы микроскопии и оптической интерферометрии.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Обычный световой микроскоп позволяет наблюдать увеличенное во много раз изображение поверхности исследуемого объекта. Схема простейшего светового микроскопа приведена на рис. 1. В этой схеме объект наблюдения Obj располагается в фокальной плоскости микрообъектива MO, который формирует промежуточное изображение объекта в бесконечности. Чтобы наблюдатель мог увидеть это изображение, требуется дополнительная, тубусная линза L2 и окуляр O.

Освещение объекта в микроскопе может осуществляться различными способами, один из них, примененный в схеме на рис. 1, заключается в том, что объект освещается непосредственно через микрообъектив MO, посредством которого наблюдается изображение объекта (так называемый опак-иллюминатор).

Для этого в оптический тракт микроскопа вводится светоделительная пластина или кубик BS. Полупрозрачная грань этого кубика ориентирована таким образом, что отражает часть света, идущего от источника S, в направлении микроИнтерференционный микроскоп для измерения микроструктуры поверхности объектива, а свет, отраженный назад от объекта, пропускает в направлении тубуса микроскопа. Другая часть излучения источника, прошедшая через светоделитель напрямую, не используется.

Следует отметить, что схема на рис. 1 лишь один из множества возможных вариантов конструкции микроскопа и в данном случае интересна тем, что была положена в основу микроинтерферометра, изучаемого в настоящей работе.

Различные участки поверхности объекта имеют различную отражающую способность, чему могут быть различные причины. Например, рассеивающие и поглощающие свойства веществ, из которых состоит объект, и их спектральная зависимость, что приводит к появлению не только темных или светлых участков на микроскопическом изображении, но и к окрашиванию поверхности, наличие рельефа поверхности, при отражении от которого излучение выходит за пределы угловой апертуры микрообъектива и не возвращается в микроскоп, в результате чего участок поверхности выглядит темным.

Зачастую по микроскопическому изображению сложно разделить влияние тех или иных причин, приведших к формированию наблюдаемого в нем распределения освещенности. Более того, так называемые фазовые неоднородности объекта, изменяющие только фазу светового поля в изображении, не изменяют его освещенность. Это послужило одной из причин для разработки ряда методов контрастирования микроскопических изображений, таких как метод фазового контраста, флуоресцентная микроскопия, метод темного поля и метод интерференционной микроскопии.



Рис. 1. Принципиальная схема микроскоМикроскопическое изображепа с освещением объекта через микрообъние, получаемое посредством свето- ектив: S – источник света, L1, L2 – линзы, BS - делительная пластина, MO – микрового микроскопа, представляет собой объектив, Obj – объект, O – окуляр, E – двумерное распределение отражаюглаз наблюдателя.

щей способности по поверхности обЛычагов В.В., Рябухо В.П., Кальянов А.Л.

разца (или пропускания, если используется схема в проходящем свете и прозрачный объект), при этом теряется существенная часть информации об этой поверхности – информация о рельефе. По микроскопическому изображению можно сделать лишь общие качественные выводы о характере рельефа, но сказать, какова высота какого-либо участка поверхности относительно другого нельзя.

Причина этого заключается в том, что микроскопическое изображение в основном несет информацию о том, какая доля энергии отразилась от того или иного участка поверхности объекта и достаточно грубо позволяет определить рельеф поверхности - насколько далеко, или близко этот участок располагается.

Идея, положенная в основу интерференционного микроскопа, заключается в том, чтобы при помощи светового микроскопа не только получить увеличенное изображение поверхности объекта, но и восстановить рельеф этой поверхности. Иными словами необходимо обеспечить в микроскопе регистрацию не только амплитуды отраженной от объекта световой волны, но и ее фазы.

Эту операцию можно осуществить, воспользовавшись явлением интерференции световых полей. Для этого необходимо обеспечить наличие опорной волны, с которой будет сравниваться волна, отраженная от объекта. Для создания опорной волны понадобится еще один микрообъектив идентичный микрообъективу MO и зеркало, которые следует расположить так, как показано на рис. 2. По сути, это два микроскопа с общим тубусом. Один формирует изображение поверхности объекта, второй – изображение поверхности опорного зеркала M. Важной деталью является то, что у этих двух микроскопов один источник излучения S и, следовательно, формируемые в них изображения могут быть взаимно когерентными и при определенных условиях формировать интерференционную картину. Вид этой интерференционной картины несет информацию о различиях в рельефе и структуре контролируемой и опорной поверхностей.

Устройство интерференционного микроскопа Разработано несколько схемных решений для интерференционного микроскопа. Оптическая схема интерференционного микроскопа Линника приведена на рис. 2. В качестве источника излучения используется протяженный источник белого света S - лампа накаливания или светоизлучающий диод. Осветительная система микроинтерферометра, состоящая из коллектора L1, апертурной диафрагмы A, полевой диафрагмы F и конденсора L2 устроена таким образом, что формирует изображение источника в передние фокальные плоскости микрообъективов MO1 и MO2 так, что объект Obj и опорное зеркало M освещаются параллельными пучками лучей, исходящими от разных точек источника и имеющих различный наклон относительно оптической оси, поскольку источник света имеет конечные размеры.

Интерференционный микроскоп для измерения микроструктуры поверхности Рис. 2. Оптическая схема микроинтерферометра Линника: S – протяженный источник света, L1, L2, L3 – линзы, A, F – диафрагмы, MO1, MO2 – микрообъективы, BS – светоделитель, Obj – объект, M – зеркало, O – окуляр, E - глаз наблюдателя.

В обратном ходе лучей микрообъективы MO1 и MO2 строят изображения, соответственно, объекта Obj и зеркала M в бесконечности. Предметное и опорное оптические поля интерферируют, образуя в бесконечности изображение с интерференционными полосами. При помощи тубусной линзы L3 это изображение переносится в фокальную плоскость окуляра O. При этом изображения поверхности объекта, поверхности опорного зеркала и плоскость локализации интерференционных полос совмещены в одной плоскости.

Лычагов В.В., Рябухо В.П., Кальянов А.Л.

Схема, показанная на рис. 2, по своей сути представляет собой модифицированный двухлучевой интерферометр Майкельсона, особенность которого заключается в наличии идентичных микрообъективов в обоих плечах, которые совместно с тубусной линзой и окуляром образуют два частично совмещенных микроскопа.

Формирование интерференционной картины Интерференционная картина, возникающая на выходе микроинтерферометра, может быть рассмотрена как результат интерференции волн, распространяющихся от двух вторичных источников, являющихся изображениями протяженного источника S (рис.3). Взаимное расположение этих источников определяет вид интерференционных полос – их период и ориентацию.

Рис. 3. К процессу формирования интерференционной картины на выходе микроинтерферометра: S' и S'' – вторичные источники, смещенные друг относительно друга, dS' и dS'' – соответственные элементарные точечные источники на поверхности вторичных источников S' и S'', r – расстояние, на которое один источник смещен относительно другого, L3 – тубусная линза, FP – фокальная плоскость тубусной линзы L3, совмещенная с фокальной плоскостью окуляра.





Чтобы понять механизм формирования интерференционной картины в данной схеме следует обратиться к рисунку 3, на котором изображены два вторичных источника S' и S''. При этом условимся, что в качестве объекта используется зеркало, что несколько упростит анализ. Так как в микроинтерферометре используется протяженный источник света S, то вторичные источники так же будут протяженными. Оба вторичных источника при этом можно разбить на бесконечно большое число пар взаимнокогерентных соответственных элементарных точечных источников dS' и dS''. Эти источники будут давать в фокальной плоскости тубусной линзы L3 интерференционную картину, как изображеИнтерференционный микроскоп для измерения микроструктуры поверхности но на рис. 3, период которой определяется углом, 0 = 0 f3 r, где 0 - центральная длина волны источника излучения, а f3 - фокусное расстояние линзы L3.

Угол, в свою очередь, определяется расстоянием r между источниками S' и S'', r f3, а ориентация интерференционных полос определяется ориентацией этого отрезка – полосы перпендикулярны направлению взаимного сдвига источников. Иными словами, вид интерференционной картины полностью определяется взаимным положением источников dS' и dS''.

Следует заметить, что в такой схеме для любой пары соответственных точечных источников dS' и dS'' будут формироваться идентичные интерференционные картины с одинаковым периодом и ориентацией. В этом можно убедиться, выполнив необходимые геометрические построения.

В фокальной плоскости линзы L3 происходит точное наложение интерференционных картин от всех пар элементарных источников, что приводит к формированию контрастной результирующей интерференционной картины в этой плоскости от целых источников S' и S''. Вне этой плоскости между интерференционными картинами от элементарных соответственных источников возникает поперечный сдвиг, приводящий к снижению контраста и, в конце концов, полному исчезновению общей интерференционной картины.

Поскольку фокальная плоскость линзы L3 оптически сопряжена с плоскостью зеркала M, интерференционная картина в микроинтерферометре локализована в плоскости изображения зеркала M. Окуляр O служит для наблюдения интерференционной картины глазом. При этом увеличенное четкое изображение поверхности объекта и интерференционные полосы наблюдаются одновременно.

Период и ориентация интерференционных полос зависят от взаимного расположения вторичных источников S' и S''. Каким образом в интерференционном микроскопе реализуется возможность изменения взаимного расположения этих источников Традиционным способом создания на выходе интерферометра Майкельсона интерференционной картины в полосах конечной ширины служит наклон зеркала в одном из плеч интерферометра на малый угол, в результате чего разность хода между интерферирующими полями изменяется в направлении, перпендикулярном оси наклона одного зеркала относительно другого.

Этот способ можно применить и в интерференционном микроскопе. Однако наклон зеркала M в опорном плече микроинтерферометра будет приводить не только к смещению изображения вторичного источника, даваемого микрообъективом MO2, но и к растяжению этого изображения в направлении, перпендикулярном оси наклона зеркала M, что приводит к его декорреляции по отношению ко вторичному источнику, формируемому микрообъективом MO1 в предметном плече интерферометра. Этот процесс можно проиллюстрировать при помощи схемы, представленной на рис. 4а, из которой видно, что расстояние между изображениями элементарных источников dS1' и dS2' в фокальной Лычагов В.В., Рябухо В.П., Кальянов А.Л.

плоскости микрообъектива MO2 увеличилось по сравнению с расстоянием между элементарными источниками dS1 и dS2.

а) б) Рис. 4. Два способа формирования полос конечной ширины в микроинтерферометре:

а) наклон зеркала в опорном плече интерферометра; dS1, dS2 – два элементарных источника на поверхности промежуточного источника S на расстоянии r друг от друга, dS1', dS2' – изображения элементарных источников dS1, dS2, соответственно, даваемые микрообъективом MO2 при наклоне зеркала M в опорном плече интерферометра, на расстоянии r1 > r друг от друга;

б) смещение микрообъектива в опорном плече микроинтерферометра с оптической оси; S – промежуточное изображение источника, даваемое осветительной системой, S' - изображение вторичного источника, формируемое микрообъективом MO1 предметного плеча интерферометра, S'' – смещенное изображение вторичного источника, формируемое смещенным с оптической оси микрообъективом MO2 опорного плеча интерферометра, M – зеркало.

А - вид интерференционных полос конечной ширины, наблюдаемых в обоих случаях на выходе микроинтерферометра.

В соответствии со схемой на рис. 3 это приводит к изменению угла, определяющего период интерференционной картины. В результате в фокальной плоскости линзы L3 происходит наложение интерференционных картин, имеющих различный период и результирующая интерференционная картина, наблюдаемая на выходе интерферометра, будет иметь вид, изображенный на рис. 4а. Из него видно, что интерференционные полосы наблюдаются не во всем поле зрения микроскопа, а лишь в центральной его части, при снижении контраста полос на периферии поля зрения.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 16 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.