<<
>>

3.2 Метод дифференциальной коноскопии.

Представленная в предыдущем параграфе методика в наибольшей степени эффективна при изучении связи различных дефектов структуры монокристаллов с образованием и проявлением в них оптических аномалий, а также в исследованиях, направленных на оптимизацию условий выращивания кристаллов с целью повышения их оптической однородности.

В отраслях, связанных с масштабным производством оптоэлектронных, акустооптических и других приборов, требуется быстро и точно определить пригодность оптического материала для использования, не прибегая к сложным измерительным и расчетным операциям для выяснения причин возникновения оптических аномалий.

В настоящей работе предложен новый метод - метод дифференциальной коноскопии, позволяющий в сжатые сроки дать количественную (численную) оценку степени однородности оптических элементов по объему в виде параметра, вычисляемого при сравнении коноскопических картин, полученных при различных положениях образца относительно оптической системы.

C точки зрения компьютерных технологий, изображения (коноскопические картины), зафиксированные с помощью цифровой камеры, представляют собой данные в растровом виде, т.е. записываются в виде массива [N,M,Rnm,Gnm,Bnm],где N, M - значения координат пикселя, R, G, В - значения параметров аддитивной цветовой модели, соответствующие координатам. C точки зрения геометрии получения коноскопической картины при абсолютно однородном материале (отсутствие дефектов и плоскопараллельность), в любых изображениях, полученных при различном расположении образца в оптической системе, пиксели с одинаковыми координатами будут соответствовать одинаковому телесному углу и одинаковому оптическому пути, а, следовательно, и интенсивность излучения, и значения параметров RGB будут одинаковы. В случае, когда эти значения различны, можно говорить о наличии оптической неоднородности

или несоблюдении плоскопараллельности.

Производя попиксельное вычитание значений RGB и записывая эти разницы в соответствующем формате, мы получим результирующее изображение, где значения RGB (0,0,0) - чёрный цвет и, следовательно, соответствующие пиксели исходных коноскопических картин равнозначны по интенсивности. Если в результирующем изображении данные значения отличны от нуля, то это свидетельствует об искажении коноскопической картины и присутствии оптических аномалий в объеме образца монокристалла. Проанализировав изображение и получив отношение «нулевых» пикселей (N0)к общему кол-ву пикселей (7V), с учетом возможных погрешностей, можно дать количественную оценку однородности материала.

Методика получения двух исходных изображений (коноскопических картин) для дальнейшего анализа может быть условно реализована двумя способами:

• фиксация коноскопических картин при прохождении света через один и тот же объем. Например, первое изображение регистрируется при расположении образца до фокуса собирающей линзы (в сходящемся конусе), второе - при расположении за фокусом (в расходящемся конусе) на таком же расстоянии, с разворотом образца на 180° (рис.З.Па). Такой способ подходит для анализа строго определённого объема с дефектом или для анализа всего образца, когда конус охватывает максимальный объем. Исходные изображения в данном случае будут фактически являться симметричными относительно центра картины. И вычитание позволит выявить как наличие дефектов, так и нарушение плоскопараллельности. Такой способ пригоден для случаев, когда оптическая ось перпендикулярна или параллельна нормали к поверхности оптического элемента.

• фиксация коноскопических картин при прохождении света через различные объемы образца (рис.3.116). Изображения могут быть получены как при смещении вдоль центральной оси пучка, так и перпендикулярно ему. Этот способ позволяет проводить сравнение оптической однородности локальных объемов кристалла с однородностью всего кристалла, а также сравнение однородности любого объема кристалла с однородностью эталонного образца кристалла этого же вещества, не имеющего заметных OA.

Также он позволяет определять границы оптических аномалий и возможность использования образцов в приборах. Способ применим для любой ориентации оптической оси относительно нормали к поверхности оптического элемента.

Рис.3.11. Положения образца в оптической схеме при анализе одного и того

же объема образца монокристалла (а), для сравнения различных объемов

одного элемента(б)

В настоящей работе для реализации данного метода использовалось программное обеспечение, разработанное на кафедре прикладной физики ТвГУ, вклад автора диссертации заключается в написании алгоритмов обработки изображений и формулировке ТЗ.

Была поставлена задача регистрации коноскопической картины с исключением шумовых артефактов, возникающих из-за механических колебаний установки и неоднородности оптического пучка по интенсивности, путем усреднения многократно полученных изображений в

одном и том же положении (рис.3.12)

Рис.3.12. Интерфейс ПО - окно получения и усреднения изображения

После регистрации изображений изохром производится построение теоретических изохром с помощью уравнения 3.1. В интерфейсе представлена возможность внесения значений переменных, расчет производится в математическом пакете Maple и интегрируется в разработанное ПО (рис.3.13).

■ No - показатель преломления обыкновенного луча,

■ Ne- показатель преломления необыкновенного луча,

■ h - толщина исследуемого кристалла в метрах,

■ f- расстояние от фокуса до экрана в метрах,

■ λ - длина волны в вакууме в нанометрах,

■ ψ - угол между оптической осью и нормалью к кристаллу в угловых

градусах,

■ Интервал по X и по у - поле зрения в метрах,

Рис.3.13.

Коноскопическая картина после усреднения (слева) и расчет вида изохром (справа), исходя из параметров оптической системы и свойств

исследуемого образца

Данная операция сравнения практически полученного изображения с теоретически построенной геометрией изохром для идеального кристалла позволяет выявить объемы кристалла с коэффициентами преломления, отличающимися от их известных правильных значений.

В программе реализована возможность получения изображений для двух положений образца с последующими операциями усреднения, описанными выше, и дальнейшим вычитанием этих изображений друг из друга по параметрам RGB. Примеры реализации представлены на рис. 3.14 и 3.15.

Первый образец представлял собой оптический элемент, вырезанный из монокристалла парателлурита в направлении с размерами 20 X 20 X 10 мм. В образце наблюдалось неравномерное распределение плотности дислокаций - от 10 см' . до 7-Ю см' . В качестве источника излучения использовался белый диод с поляризатором от ЖК-матрицы. Параметр однородности, рассчитанный согласно выражению (3.5), имел значение k=0,7475. На результирующем изображении ярко выражены также области с повышенной плотностью дислокаций, что позволяет не только численно оценить однородность, но и выявить неоднородные объемы элемента.

Рис.3.14 Пример коноскопической картины (а) полученной на кристалле парателлурита. Интерфейс программы (б), производящей вычитание коноскопических картин и расчет количества пикселей в зависимости от значений RGB в результирующем изображении

Второй образец представлял собой светозвукопровод функционирующего акустооптического устройства из монокристалла парателлурита с углом между нормалью к поверхности и оптической осью 7° с размерами 18 х 24 х 15 мм. Сравнивались две области: по центру и вблизи пьезоэлемента. В качестве источника излучения, использовался полупроводниковый лазер. В данном случае значение параметра однородности составило k=0,7428. Разность коноскопических картин обусловлена механическими напряжениями в области, близкой к 90

пьезоэлементу. Хотя исходные коноскопические картины визуально идентичны, данный способ позволяет выявить различия в значениях коэффициентов преломления исследуемых областей

Рис.3.15. Коноскопические картины, полученные в центре элемента, в области, соответствующей входному окну (а), и вблизи края элемента, рядом с пьезоэлементом (б). Интерфейс программы (в), с соответствующими значениями количества пикселей

Таким образом, результирующее изображение позволяет обнаружить области с градиентами коэффициентов преломления на качественном уровне, даже если на исходных коноскопических картинах ранее это было незаметно. При этом отношение количества «нулевых» пикселей к общему количеству дает количественную оценку однородности. Предложенный подход позволяет использовать цифровую камеру с любым разрешением, поскольку

вычисляемый параметр является относительной величиной. Он минимизирует также влияние на результат неидеальности оптической системы, так как возникающие из-за неё искажения располагаются в одних и тех же координатах и при вычитании устраняются.

Предложенный метод позволяет также предсказывать результаты при использовании теоретических расчетов при загрузке вместо реальных коноскопических картин рассчитанных кривых - изохром (рис.3.16). Это расширяет возможности применения метода в метрологии оптической однородности двупреломляющих кристаллов.

Рис.3.16. Результирующее изображение при вычитании расчетных кривых

при наличии свили в кристалле парателлурита (рис.3.8)

<< | >>
Источник: Третьяков Сергей Андреевич. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ И МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ОПТИЧЕСКУЮ ОДНОРОДНОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Тверь 2019. 2019

Еще по теме 3.2 Метод дифференциальной коноскопии.:

  1. 3.1 Применение коноскопии для численных оценок искажений оптической индикатрисы, связанных с дефектами структуры
  2. 3.4.4 ИК-дефектоскопия и лазерная коноскопия светозвукопроводов включенных акустооптических устройств
  3. Анализ методов и устройств трехмерного технического зрения и методов калибровки
  4. 1.2.1 Вариационные методы
  5. Развитие метода интерполяции по коэффициенту формы
  6. Геометрические методы
  7. 3. Понятие и виды методов государственно-управленческой деятельности
  8. Изопериметрический метод
  9. Методы вычисления параметров и сопоставления характерных точек объектов
  10. Аналитические методы решения двумерных задач строительной механики
  11. ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ПЛАСТИНОК
  12. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ВЫЧИСЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ РАБОЧЕЙ СЦЕНЫ
  13. Расчет железобетонных конструкций методом конечных элементов
  14. Перевод как герменевтический метод понимания текста
  15. ФОРМЫ И МЕТОДЫ ГОСУДАРСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ
  16. 1. Предмет и метод административного права