Оптическая микроскопия с использованием конических световых пучков

1.

Оптическая микроскопия с использованием конических световых пучков
П.И. РОПОТ, А.П. МАКАРЕВИЧ, А,М, ВАРАНЕЦКИЙ
Рассмотрен метод оптической микроскопии, основанный на использовании конических световых пучков. Предложены и
исследованы оригинальные схемы оптических микроскопов, с помощью которых можно производить тестирование
и фотографирование внешних и внутренних, цилиндрических и конических поверхностей. Изготовлен действующий макет
микроскопа полноазимутального видения цилиндрических объектов. Получены и проанализированы фотографии
цилиндрической поверхности проволок с увеличением 30˟.
Смещение активности в оптике цилиндрических (бесселевых и конических) световых пучков из области
научных исследований в прикладную область.
Основные особенности и преимущества:
1.
Оптимальность структуры пространственного спектра для оптического неразрушающего контроля и диагностики
различных изделий цилиндрического или конического профиля;
2.
Возможность осуществить освещение объекта, однородное как по азимуту, так и по продольной координате;
3.
4.
Использование оптических методов для получения информации о макроскопическом профиле объекта;
(Для наблюдения мелкомасштабных неоднородностей неизбежно применение изображающей оптики).
4.
Высокое быстродействие, что открывает возможности реализации экспресс контроля качества изделий в
процессе их производства;
5.
Потенциал. Возможность работы (адаптации) оптических схем в режимах полноазимутальной спеклфотометрии, профилометрии (итерферометрии) и микроскопии.
Для сканирующей микроскопии конический пучок на цилиндрической поверхности объекта должен быть
сфокусированным.

2.

Оптическая микроскопия с использованием конических световых пучков
Рис. 1. Принципиальная схема сканирующего микроскопа с
применением конических световых пучков.
СД – светоделитель; Л – линза; А – аксикон; КЗ – коническое зеркало
Рис. 2. Схема микроскопа для наблюдения внутренних
цилиндрических поверхностей: СД – светоделитель; Л – линза; А1 –
рефракционный аксикон; А2 – отражательный аксикон
Отклонение поверхности
цилиндра от идеальной
вызовет
интерференционный
эффект при сложении
опорного и предметного
пучков, что и будет
отслеживаться в
плоскости CCD-матрицы.
Рис. 3. Схема двулучевого интерференционного микроскопа с
применением конических световых пучков: СД – светоделитель; Л –
линза; КЗ – коническое зеркало; З – плоское зеркало
Рис. 4. К формированию изображения в микроскопе с коническими
световыми пучками:
СД – светоделитель; Л – линза; КЗ – коническое зеркало; З – зеркало

3.

Оптическая микроскопия с использованием конических световых пучков
Здесь предполагалось, что выходное изображение формируется CCD-матрицей. Если же оно формируется дисплеем компьютера,
то можно получуть существенное увеличение полноазимутального изображения и для толстого цилиндра (несколько см.).
Фото 1. Действующий макет полноазимутального микроскопа
1
2
3
4
5
Рис. 5. Оптическая схема микроскопа полноазимутального видения
цилиндрических объектов (движущейся проволоки):
1- сверхяркий диод (LED); 2,7 - диафрагмы; 3,12- сферические линзы;
4-специальный объектив; 5 – глухое поворотное зеркало; 6 - глухое
зеркало с центральным отверстием Ф8; 8- полупрозрачное зеркало с
отверстием Ф8; 9- конический отражающий элемент с отверстием Ф8;
11- скоростная CCD-камера; 12- исследуемый образец проволоки
Характеристики экспериментального образца устройства:
- высокая виброустойчивость (работа в условиях производства);
- способность контроля изделий с неоптическим качеством поверхности;
- диаметр исследуемых образцов 4-8мм;
- контролируемый размер дефектов 50мкм и более;
- скорость движения проволоки до 2м/с;
- индукционный нагрев для выявления приповерхностных дефектов.

4.

Оптическая микроскопия с использованием конических световых пучков
Фото 2. Статические фотографии цилиндрической
поверхности проволоки 30˟.
Оптическая
микроскопия с
бесселевых световых
пучков в
микроэлектронике
T1
P1
A1
K1
З1
T2
CCD
ФП
ПП
ОВ
BS
P2
L1
ПП МО
КС
CN
ИЖ
Объект
Наблюд. «размытие» изображения. Быстродействие CCD – 3000 кадр/с.
Базовая оптическая схема БОМ на конических световых пучках ( преломляющих аксиконах)
L2, L1 – лазеры; Т1, Т2 – телескопы; Р1, Р2 – четвертьволновая пластинка; А1, А2 – преломляющие
аксиконы; BS – делительный куб; К1 – одноосный кристалл; CN – усеченный конический элемент,
CCD – камера, З1 – зеркало, РР – пленочный поляризатор, МО – микрообъектов, ФП –
фотоприемник; КС – координатный стол; ОВ – одномодовое оптическое волокно; ПП –
полупрозрачная пластинка; ИЖ – иммерсионная жидкость.
A2
L2
Фото 3. Фотографии поверхности при движении 2м/с.
BS
МО
Управляющая
программа
Рис.6 Ближнепольный оптический микроскоп
Назначение оптической схемы – сформировать тонкостенное трубчатое
поле с заданными параметрами. Световой пучок от лазера L1 расширяется
телескопом T1 и падает на пластинку Р1
, приобретая циркулярную
поляризацию. Затем пучок аксиконом А1 преобразуется в БСП J0. Далее
БСП J0 направляется на одноосный кристалл К1 LiNbO3 и преобразуется в
50% в БСП J2. Кристалла К1 вырезается перпендикулярно оптической оси,
а его длина выбирается такой, что интенсивности БСП J0 и J2 на выходе
кристалла были равны. Асиконом А2 суммарный пучок трансформируется
из конического в осевой. Затем пучок в виде тонкостенного трубчатого
поля сжимается телескопом Т2 до нужных размеров и направляется на
конический наконечник CN, где на срезанной плоскости вершины
происходит его полное внутреннее отражение (ПВО). В приповерхностном
слое исследуемого образца формируется эванесцентный беселев пучок.

5.

Оптическая микроскопия с использованием конических световых пучков
sum
sum-in
sum
0.7
Полноазимутальная профилометрия коническими световыми пучками
0.6
0.5
0.4
0) I ( , ) I ob I ref 2 I ob I ref cos k obj syst align
0.3
1) I 1 ( , ) I ( , ) I ob I ref
I 2 ( , ) ~ cos k obj syst align
Rend)
0.2
550
0.1
0
2) I 2 ( , ) I 1 ( , ) 2 I ob I ref
0
50
100
150
200
250
300
500
( 2 3 pixels)
I 3 ( , ) max(| grad ( I 2 ( , )) |
450
Спекл-фотометрия поверхностных и приповерхностных дефектов при контроле качества движущейся
проволоки
400
Возможные методы обработки спекл-изображений: 1) анализ спектра распределения интенсивности по углу; 2) применение
методов корреляционного анализа с последующей фильтрацией; 3) фрактальный анализ спекл-изображений.
350
300
250
Correlation function
200
x=36:43; y=180:210(close to defect)
x=36:43; y=150:180(left-hand)
1,0
0,8
150
0,6
-200 -150
-100
-50
0
50
100
150
0,4
0,2
0
2
4
6
8
10 12 14 16
Time, r.u.
Фото 4. Вид некоторых дефектов (а), их спекл- изображения (б), поведение корреляционной функции в области дефектов (в).
20