WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 16 |

Интерференционный микроскоп для измерения микроструктуры поверхности Задание 5. Определение высоты микрорельефа поверхности образца В режиме интерферометра найти на поверхности образца участок, содержащий неровности, вызывающие различимое глазом искривление интерференционных полос, выделить одну из них и вывести при помощи микрометрических винтов 4 в середину поля зрения.

Определить, с помощью окуляр-микрометра и окулярной камеры, величину смещения интерференционных полос на неровности и, зная центральную длину волны источника излучения 0, рассчитать высоту микрорельефа.

Измерения провести как в белом свете, так и в монохроматическом, воспользовавшись цветными фильтрами.

Задание 6. Определение высоты макрорельефа поверхности образца Измерять рельеф поверхности при помощи микроинтерферометра можно не только по изгибу интерференционных полос, но и по их смещению при перестройке микроскопа с одного участка поверхности на другой. Для этого на микроскопическом изображении необходимо выделить некоторый участок на поверхности исследуемого объекта и вывести, используя микрометрические винты 4 предметного столика, этот участок на перекрестие шкалы окулярмикрометра.

Затем, пользуясь микрометрическим винтом 7 вывести центральную ахроматическую полосу точно в центр поля зрения также до полного совпадения с перекрестием шкалы окуляр-микрометра. При этом удобно, чтобы полосы были ориентированы горизонтально, или вертикально. Снять показания микрометрических винтов 4 и 7.

Используя микрометрические винты предметного столика 4 сместить изображение объекта так, чтобы в перекрестии шкалы окуляр-микрометра оказался другой участок поверхности объекта, после чего винтом 7 снова установить ахроматическую полосу на перекрестие шкалы окуляр-микрометра. Снять новые показания микрометрических винтов 4 и 7.

Разность первого и второго показаний винта 7 указывают геометрическую разность высот поверхности образца в выбранных точках, а разность показаний винта 4 – поперечное расстояние между этими точками.

Описанную процедуру повторить для 15-20 точек поверхности образца, лежащих на одной прямой, и по полученным данным построить профиль поверхности объекта вдоль этой прямой.

Задание 7. Определение оптической толщины прозрачного слоя Слоистый прозрачный образец (например, покровное стекло, слой скотча на стекле) положить на предметный столик микроскопа. Сфокусироваться на верхнюю поверхность образца, отметить положение интерференционных полос, снять показание винта 7. Затем при помощи винта 7 сместить интерференционную головку микроскопа до тех пор, пока не появится изображение нижЛычагов В.В., Рябухо В.П., Кальянов А.Л.

ней поверхности слоя и интерференционные полосы, соответствующие этому слою.

Продолжая вращать винт 7 установить интерференционные полосы в положение, в котором они были при фокусировке на первую границу слоя, снять новое показание винта 7. Разность начального и конечного показаний микрометрического винта 7 даст значение оптической толщины прозрачного слоя.

Описанную процедуру повторить для 15-20 точек поверхности образца, лежащих на одной прямой, и по полученным данным построить профиль толщины слоя вдоль этой прямой.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Нарисуйте схему микроскопа с опак-иллюминатором и системой освещения объекта по Келеру.

2. Объясните принцип работы интерференционного микроскопа и нарисуйте оптическую схема микроинтерферометра Линника 3. Объясните причину формирования в микроинтерферометре интерференционной картины в полосах конечной ширины От чего зависят период и наклон интерференционных полос Возможно ли в интерферометре Линника получить полосы бесконечной ширины 4. Какие существуют способы получения интерференционных полос конечной ширины в микроинтерферометре В чем их отличие 5. Записать выражение для распределения интенсивности в интерференционной картине, наблюдаемой на выходе микроинтерферометра, без учета освещенности микроскопического изображения 6. Чем отличаются режим наблюдения интерференционной картины в квазимонохроматическом и белом свете В каких случаях следует применять тот или иной вариант освещения СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Захарьевский А.Н. Интерферометры. М.: Оборонгиз, 1952. 296 с.

2. Коломийцов Ю.В. Интерферометры. Основы инженерной теории, применение. Л.: Машиностроение, 1976. 296 с.

3. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1966. 564 с.

4. Дубовик А.С., Апенко М.И., Дурейко Г.В. и др. Прикладная оптика. М.:

Недра, 1982. 612 с.

5. Борн М., Вольф Э. Основы оптики: Пер. с англ. М.: Наука, 1973. 720 с.

6. Мандель Л., Вольф Э. Оптическая когерентность и квантовая оптика:

Пер. с англ. М.: Наука. Физматлит, 2000. 896 с.

7. Гудмен Дж. Статистическая оптика: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 528 с.

8. Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику: Пер. с англ. М.: Мир, 1970. 364 с.

Интерференционный микроскоп для измерения микроструктуры поверхности 9. Сороко Л.М. Основы голографии и когерентной оптики. М.: Наука, 1971.

616 с.

10. Франсон М., Сланский С. Когерентность в оптике. М.: Наука, 1967. 80 с.

11. Горелик Г.С. Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику, 3-е изд. М.: Интеллект, 2007. 656 с.

СПЕКТРАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ТОМОГРАФИЯ В.В. Лычагов, В.П. Рябухо, А.Л. Кальянов Цель работы: ознакомление с принципами низкокогерентной интерферометрии и томографии на примере оптического когерентного томографа с регистрацией сигнала в спектральной области и возможностями оптической томографии для исследования структуры прозрачных слоистых сред.



ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Как любой другой вид томографии, оптическая когерентная томография (ОКТ) позволяет «заглянуть» под поверхность объекта и восстановить в виде двумерных срезов (рис. 1) или трехмерной реконструкции, внутреннюю структуру этого объекта. Отличие ОК томограмм заключается в том, что они показывают оптическую структуру объекта.

Метод ОКТ основан на принципах низкокогерентной интерферометрии.

Объект помещают в одно из плеч интерферометра и освещают светом с малой длиной временной когерентности. Свет частично отражается от поверхности объекта, а частично проходит внутрь. Внутри объекта свет испытывает многочисленные акты рассеяния и отражения на оптических неоднородностях, которые являются следствием скачков показателя преломления вещества, из которого состоит объект. В результате часть излучения выходит из объекта и принимается интерферометром. Эта часть излучения состоит из большого числа элементарных волн, каждая из которых отразилась от какой-либо неоднородности внутри среды (или испытала рассеяние на этой неоднородности).

Спектральная оптическая когерентная томография Рис. 1. ОКТ-изображение двумерного сечения внутренней оптической структуры слоистого объекта. В таком представлении цветом или уровнем серого кодируется информация об амплитуде ОКТ-сигнала.

Элементарные волны несут информацию о двух важных параметрах, характеризующих саму среду. Во-первых, амплитуды волн определяются отражательной способностью неоднородностей, послуживших источниками этих волн.

Во-вторых, в процессе распространения в среде до неоднородности и после нее происходит накопление волной временной задержки, или фазового сдвига, которые зависят от длины оптического пути, пройденного этой волной. Длина пути, пройденного волной, зависит, в свою очередь, от глубины залегания оптической неоднородности.

Таким образом, задача восстановления внутренней оптической структуры объекта заключается в селекции отраженного объектом излучения по длинам оптических путей, или, что то же самое, по глубине, с которой это излучение пришло, и определении степени отражения на этой глубине. Для этого предметную волну сравнивают с опорной волной от того же источника, каким освещали образец, при помощи интерферометра. Опорное плечо интерферометра устроено таким образом, что длина оптического пути, который проходит опорная волна, может меняться, так что опорная волна каждый раз сравнивается с долей излучения, пришедшего с разной глубины внутри объекта. Результат такого сравнения – интерференционный сигнал, - и есть одиночный скан объекта по глубине. На рисунке 1 этот скан выделен черной линией. Из множества таких последовательных сканов формируется двумерное сечение объекта.

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

Устройство оптического когерентного томографа В оптической когерентной томографии используются различные типы двулучевых интерферометров, но наибольшее распространение, в силу простоты реализации и настройки, получил интерферометр Майкельсона. Рассмотрим более подробно его устройство (рис. 2) и процесс формирования сигнала в таком интерферометре.

Рис. 2. Схема сканирующего интерферометра Майкельсона: SLD – источник света - суперлюминесцентный диод, L1, L2 – линзы, MO – два идентичных микрообъектива, M1, M2 – зеркала, zM - смещение зеркала M2, BS – светоделитель, PD – фотоприемник, PA – усилитель, ADC – аналого-цифровой преобразователь, PC – компьютер, MT - моторизованный транслятор.

В качестве источника излучения используется суперлюминесцентный диод SLD. Источник излучения в системах оптической томографии является одной из наиболее важных составляющих. Он должен удовлетворять одновременно ряду требований. Спектральный контур излучения источника должен иметь определенную форму и достаточную ширину, чтобы длина временной когерентности излучения была как можно короче, размеры тела светимости источника должны быть как можно более малыми. Последнее требование определяет необходимую высокую степень поперечной когерентности излучения.

Спектральная оптическая когерентная томография Наиболее доступными из такого класса устройств являются суперлюминесцентные диоды, которые представляют собой, по сути, открытые полупроводниковые лазерные диоды, с близким к нулю коэффициентом отражения на торцах активного канала. Также, в качестве источников излучения в оптической томографии используются лазеры с качающейся частотой, импульсные лазеры, генераторы суперконтинуума на фотонных кристаллах. Последние два позволяют получить излучение в очень широком спектральном диапазоне и, следовательно, с очень малой длиной когерентности, но эти источники чрезвычайно сложны конструктивно.

Излучение суперлюминесцентного диода в интерферометре (рис.2) делится при помощи светоделителя BS на две части, одна из которых, предметная, направляется на зеркало M1, на месте которого может быть объект, а вторая, опорная, на зеркало M2. Отразившись от зеркал обе волны снова сводятся вместе при помощи того же делителя BS, после чего попадают на фотоприемник PD. Зеркало M2 вместе с объективом MO закреплено на прецизионном моторизованном трансляторе MT и может перемещаться вдоль оптической оси интерферометра, формируя переменную разность хода между двумя волнами. В дальнейшем под перемещением опорного зеркала M2 и соответствующим изменением разности хода всегда будет подразумеваться совместное перемещение и зеркала и микрообъектива.

Фотоприемник PD регистрирует значение интенсивности суммарного оптического поля, усредненное по времени срабатывания фотодиода и апертуре светочувствительного элемента. Электрический сигнал фотодиода усиливается, оцифровывается при помощи аналого-цифрового преобразователя ADC и затем обрабатывается программными средствами.





Приведенная схема интерференционной части томографа является наиболее общей и принципиальной. Схемы реальных устройств сложнее и включают в себя блоки дифференциального детектирования, аналоговой фильтрации и демодуляции сигнала, блоки синхронизации и пр. Кроме того, на рисунке приведена схема на дискретных оптических элементах, в то время как многие томографические системы выполнены в виде волоконно-оптических устройств.

Различие заключается в использовании специальных волоконно-оптических разветвителей в качестве делителя оптического излучения и каналов доставки и детектирования излучения.

Распределение интенсивности светового поля в плоскости регистрации является результатом интерференции двух идентичных взаимнокогерентных волн, отразившихся от зеркал M1 и M2. Интерференционная картина изменяется при изменении оптической разности хода между интерферирующими полями, что может быть вызвано смещением зеркала M2. Изменение интерференционной картины при смещении зеркала M2 приводит к периодическому изменению электрического тока фотоприемника PD. Такой периодический фотоэлектрический сигнал, регистрируемый на выходе интерферометра, носит название интерференционного сигнала, или интерферограммы.

Интерференционный сигнал формируется в том случае, если оптическая разность хода между интерферирующими волнами не превышает длины вреЛычагов В.В., Рябухо В.П., Кальянов А.Л.

менной когерентности lc. Если используется низкокогерентный (широкополосный) источник излучения с малой длиной временной когерентности, то интерференционный сигнал представляет собой импульсный сигнал, пример которого приведен на рис. 3. На данном графике изменение интенсивности, регистрируемой фотоприемником, представлено в зависимости от величины смещения zM зеркала M2. Эта зависимость выражается следующим уравнением:

2 IPD(zM ) ER + ES + 2ERES (2zM ) cos 2zM, (1) где ER - амплитуда поля, отраженного от опорного зеркала M2; ES - амплитуда поля, отраженного от зеркала M1; (2zM ) - модуль нормированной функции временной когерентности светового поля, создаваемого источником; 0 - центральная длина волны излучения; 2zM - оптическая разность хода в интерферометре, соответствующая смещению зеркала M2 на величину zM.

Первые два слагаемых выражения (1) имеют смысл постоянной составляющей и, как правило, при регистрации и обработке сигнала отфильтровываются. Интерес представляет лишь третье – интерференционное слагаемое ~ I (2zM ). Периодический сигнал на рис. 3 описывается именно этой частью выражения (1), а его огибающая – множителем (2zM ).

Рис. 3. Интерференционный импульс временной когерентности, наблюдаемый на выходе интерферометра Майкельсона при смещении зеркала M2.

В томографических системах вместо зеркала М1 помещается объект контроля с объемной рассеивающей структурой, в частности, со слоистой структурой. Предположим, что такой объект состоит из N-1 слоев, разделенных N бесконечно тонкими границами. На каждой из границ часть света отражается, а часть проходит дальше. Теперь из первого плеча в интерферометр возвращаетСпектральная оптическая когерентная томография ся не одна, а N волн, отраженных каждая от своей границы. Каждая из этих волн когерентна опорной волне, отраженной от зеркала M2. В плоскости регистрации, на выходе интерферометра, эти волны складываются, формируя общую интерференционную картину.

Каждая из волн, пришедших из первого плеча интерферометра, имеет свою фазовую задержку относительно опорной волны, возникшую в результате отражения от границ, расположенных на различных расстояниях на оптической оси, или на различной глубине внутри объекта. Каждая из этих задержек может быть скомпенсирована соответствующим смещением опорного зеркала M2.

При поступательном смещении зеркала M2 на выходе интерферометра формируется интерференционный сигнал, содержащий уже не один, а N интерференционных импульсов. Каждый из этих импульсов соответствует интерференции опорной волны, отраженной от опорного зеркала M2, и волны, отраженной от одной из границ объекта.

Если интерференционный сигнал по-прежнему представить в зависимости от смещения зеркала M2, то расстояние между i -ым и i -1-ым импульсом в сигнале будет соответствовать оптической толщине слоя, заключенного между i -ой и i -1-ой границами. Положение i -го импульса относительно первого импульса в сигнале, соответствующего первой отражающей границе, или просто поверхности объекта, будет указывать оптическую глубину залегания i -ой отражающей границы. Выражение (1) для слоистого объекта изменится и примет следующий вид:

N N IPD(zM ) ER + )cos (2zM - 2zbi ). (2) E2 + 2ERE (2zM - 2zbi bi bi i=1 i=В выражении (2) Ebi - амплитуда поля, отраженного i -ой границей внутри объекта, Ebi = RiEb, где Ri - амплитудный коэффициент, учитывающий отражение i -ой границы и пропускание предыдущих i -1 границ, i-Ri = i (1- k )2, i и k - амплитудные коэффициенты отражения i -ой и k=k - границ, Eb - амплитуда поля, освещающего объект, 2zM - 2zbi - взаимная оптическая разность хода между опорной волной и волной, отраженной i -ой границей объекта.

Из уравнения (2) видно, что с физической точки зрения ОКТ-сигнал представляет собой функцию взаимной когерентности опорной и предметной волн и состоит из суперпозиции импульсов временной когерентности, смещенных относительно положения нулевой разности хода.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 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.