<<
>>

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. Изопериметрический метод
  8. Аналитические методы решения двумерных задач строительной механики
  9. Методы вычисления параметров и сопоставления характерных точек объектов
  10. ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ПЛАСТИНОК
  11. Метод интерполяции по коэффициенту формы
  12. Расчет железобетонных конструкций методом конечных элементов
  13. Перевод как герменевтический метод понимания текста
  14. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ВЫЧИСЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ РАБОЧЕЙ СЦЕНЫ
  15. Метод масштабирования для пластинок в виде треугольников
  16. II ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА ИНТЕРПОЛЯЦИИ ПО КОЭФФИЦИЕНТУ ФОРМЫ