Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Vorobyev_Volnovaya_optika_Difraktsia

.pdf
Скачиваний:
55
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
27.62 Mб
Скачать

Приложение 4.

Автоматизированное рабочее место студента АРМС-7

Градуировка системы

Координатные измерения на изображении производятся в пикселях с помощью программы OSC WDM. Размер одного пикселя матрицы OV9121 камеры VAC-135 составляет 5,2 5,2 мкм. При формате видеоизображения 1280 1024 изображение воспроизводится в масштабе 1:1.

При использовании объектива следует провести подробную калибровку, разместив в поле зрения объектива объект с известными геометрическими размерами. При этом следует иметь в виду, что из-за дисторсии объектива масштабный коэффициент может меняться по полю зрения (в особенности для короткофокусных объективов). При анализе дифракционных распределений объектив не применяется!

Расстояние L от исследуемого объекта до приемной площадке камеры следует определить предварительно перед проведением исследований расчетным путем, установив ширину щели а и измерив расстояние в пикселях N11 между двумя симметричными максимумами первого порядка на изображении по формуле

где = 0,65 мкм - длина волны излучения лазера, 5,2 мкм - размер пикселя. Для объекта МОЛ - 1 можно определить L согласно п. 11 (см.ниже в разделе Проведение измерений).

Поправка A0 к лимбу щели переменной ширины определяется как отсчет по лимбу при полном закрытии щели. Для этого следует получить изображение, аналогичное приведенному на рис.15 (№1), и далее уменьшать ширину щели. При уменьшении уровня сигнала следует увеличить время накопления (движок Exposure, см. рис.46) или увеличить интенсивность излучения поворотом поляризатора, так, чтобы зафиксировать момент исчезновения сигнала с точностью ±1 деление по лимбу. В последующем требуемая ширина а устанавливается с учетом поправки:

а =А-А0,

где А - отсчет по лимбу, А0 - поправка.

Настройка АРМС

1.Включите питание лазерного излучателя.

2.Поверните поляризатор так, чтобы пятно лазера было хорошо заметно на объекте.

111

3. На юстировочном модуле лазера имеются два кольца, в каждое из которых вкручены по три винта. Отжимая и вкручивая винты, необходимо добиться того, чтобы лучи отраженные от поляризатора и объекта попали на выходную диафрагму лазера. В этом случае пучок, излучаемый лазером перпендикулярен поверхностям поляризатора и объекта.

Проведение измерений.

1. Видеокамера должна быть подключена к компьютеру. Изображение строится непосредственно на матрице камеры, поэтому с камеры надо снять крышку (камера должна быть без объектива).

Запустите программу OSC WDM (иконка)

на рабочем столе). Драйвер giveio.sys для работы в комплекте АРМС не требуется. Если программа не запускается, отсоедините и через 5 сек снова присоедините разъем USB2, подключающий камеры к системному блоку.

2.Если конфигурация настройки программы ранее была изменена, то в меню «Настройка» основного окна выберите п. «Чтение параметров» и загрузите файл настройки. Рекомендуемая конфигурация записана в файле «ARMS7.pdt». Вы можете в последующем создать несколько файлов конфигураций для решения различных задач и выбирать необходимый.

3.Активируйте окно «График по X», затем установите режим захвата изображений нажатием кнопки

Вызовите закладку «Video Capture Filter» и установите необходимые режимы работы видеокамеры:

Saturation - О

Sharpness - О

Backlight - О

Exposure - Manual (Auto - выкл.)

4.Выберите на объекте требуемую структуру и направьте на нее пучок лазера. Для этого отожмите винт рейтера и поднимая или опуская стойку с камерой вверх-вниз, выберите нужный ряд структур на объекте МОЛ и, вращая объект вокруг оптической оси, получите на мониторе изображение дифракционной картины. При использовании щели переменной толщины вращением микрометрического винта установите требуемую ширину щели

всоответствии с заданием преподавателя.

5.Установите коэффициент усиления и время накопления (движки Gain и Exposure) обеспечивающий яркое, контрастное изображение (см. «АРМС-7. Техническое описание. Руководство пользователя» - стр.10, рис.

112

46). Вращением поляризатора скорректируйте интенсивность пучка лазера. Поляризатором подстройте амплитуду сигнала, так чтобы центральный максимум был наибольшим и на вершине максимума перезасвечивание (насыщение) матрицы видеокамеры. Признаком насыщения является ровный белый фон участка изображения, значения интенсивности в этой зоне в окне «График по X» равно 255. Если ограничение сигнала при насыщении происходит на уровне меньшем, чем 255, то следует скорректировать динамический диапазон сигнала движком Яркость (Brightness) (см. рис.4а), добившись значения 255.

Далее поляризатором подстройте амплитуду сигнала так, чтобы центральный максимум был наибольшим, но не происходило перезасвечивание (насыщение) изображения. Таким образом, измеряемый уровень интенсивности всегда должен быть меньше 255 в той части изображения, где проводятся координатные или фотометрические измерения. В дальнейшем, если измерения будут проводиться на дифракционных максимумах высоких порядков, то допускается перезасвечивание центрального максимума, как показано на рис.12.

6. При работе с высоким уровнем шумов следует установить в программе большее число кадров для суммирования в режиме накопления (рекомендуемое значение 50). Для проведения измерения следует включить режим накопления нажатием кнопки

Зафиксировать изображение можно нажатием кнопки «Стоп-кадр накопленного изображения с обработкой»

Зафиксированное изображение при необходимости сохранить в виде графического файла нажатием кнопки

.«Запись файла изображения».

Описанные ниже действия могут выполняться как на зафиксированном изображении, так и на сохраненном ранее и вызванном нажатием кнопки

«Чтение файла изображения».

7. Выберите и зафиксируйте на изображении опорную точку нажатием кнопки

113

«Установка опорной точки» (например, основной максимум или минимум дифракционной картины). Точную подстройку положения перекрестья при выборе точки можно произвести с помощью кнопок

8.В любом из окон с графиками щелкните левой кнопкой мыши в месте, где производится второй отсчет (соседний максимум или минимум дифракционной картины). Более точную подстройку положения перекрестья можно произвести с помощью кнопок

,ориентируясь на величину амплитуды.

9.Разность между двумя отсчетами (см. рис.11) в пикселях необходимо перевести в миллиметры. Для этого число пикселей умножаем на масштабный коэффициент, определенный при градуировке. Уровни сигналов в точках отображаются в соответствующих окнах. Диапазон измеряемых сигналов 0 ... 255.

114

10.Полученный график можно распечатать на принтере либо сохранить

ввиде текстового файла значений сигнала для последующей обработки другими программами, например, средствами Microsoft Excel.

11.Расстояние между матрицей камеры и поверхностью объекта, необходимое для расчетов определяется следующим образом:

1) Измерить с помощью линейки расстояние D (см. рис.13) между торцевыми поверхностями оправы, в которой закреплен объект, и видеокамеры 2) Вычислить расстояний L по формуле L = 7мм + D + 7мм + d·n, где d – толщина покровного стекла матрицы видеокамеры, п- показатель преломления (в расчете принять d = 1мм, п = 1,5)

Рис. 13. Определение расстояния между матрицей камеры VAC-135 и поверхностью объекта

115

12. Величины углов дифракции рассчитываются из геометрических измерений в соответствии с методическими указаниями и сравниваются с теоретическими данными.

Особенности получения дифракционных изображений

При работе с полупроводниковым лазером следует учитывать, что по координате Y имеется неоднородность распределения интенсивности излучения в пучке, вызванное дифракцией на р-п -переходе.

Также загрязнение поверхности приемной матрицы (пылинки и пр.) приводит к появлению дополнительных локальных искажений изображения (см. рис. 14). Поэтому следует тщательно выбрать анализируемую строку в кадре изображения (положение горизонтальной линии перекрестью курсора.

Рис. 14. Выбор строки изображения для анализа

При работе со щелью переменной ширины следует установить требуемую ширину а с помощью микрометрического винта с учетом поправки: а =А- А0, где А - отсчет по лимбу, А0 - поправка.

Ниже на рис.15 приведены примеры визуализируемых изображений при увеличении ширины щели а.

116

Рис. 15. Дифракционные изображения от щели переменной ширины с соответствующим графиком распределения интенсивности по строке

(1—>8 ширина щели возрастает).

117

Идентификация номера структуры на объекте производится следующим образом (на примере ряда С объекта МОЛ-1). Внешний вид объекта МОЛ-1 приведен на рис. 16 (более подробное описание см. Описание объекта МОЛ-1).

После получения изображения дифракционной картины следует вращением объекта МОЛ-1 вокруг оптической оси получить последовательно ряд изображений, как показано на рис. 17. Начало отсчета в нумерации структур следует установить по переходу от изображения 1 к изображению 16. Далее следует визуальный контроль числа дополнительных дифракционных максимумов для структур 1 .. 16, визуализируемых на экране монитора, изменяя при необходимости уровень усиления и накопления. Допускается перенасыщение изображения центрального максимума.

Рис. 16. Схема расположения структур объекта МОЛ-1

(Ряд С одинарные щели толщины d (в мкм) в порядке возрастания номера: 8;10; 12; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 60; 70; 80; 90; 100).

ВНИМАНИЕ! Ввиду особенностей технологии изготовления тестобъектов МОЛ-01-1 при использовании лазерных источников с длиной волны 633 и 650 нм покрытие имеет характеристики полупрозрачного зеркала и распределение в центральном максимуме имеет сложную форму (интерференция прошедшего излучения с дифрагировавшим). Максимумы более высоких порядков ("боковые") воспроизводятся без искажений.

118

Рис. 17. Дифракционные изображения от структур №№ 1-16 ряда С объекта МОЛ-1

119

Приложение 5.

Модульный учебный комплекс ЛКО-1

Техническое описание

Лабораторные комплексы по оптике ЛКО-1 и ЛК0-1А предназначены для постановки лабораторных, работ по оптике в физическом практикуме вузов, колледжей, лицеев и школ. Позволяют изучать закономерности геометрической оптики, фотометрии, интерференции, дифракции, поляризации, а также их применение к решению измерительных задач. Совместно с модулями расширения МРО-1, МРО-2 и МРО-3 реализуют работы по интерферометрии, акустооптике и фотоупругости.

Комплексы серии ЛКО-1 обеспечивают постановку лабораторных работ по темам базового каталога, отмеченным знаком "+":

 

 

ЛК0-1А ЛКО-1

 

 

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

 

 

1.

Измерение преломляющих углов клина и призмы

+

+

2.

Измерение показателей преломления твердых тел

+

+

3.

Измерение показателей преломления жидкостей

+

+

4.

Фокусные расстояния и увеличения линз

+

+

5.

Моделирование проекционного микроскопа

+

+

6.

Визуализация к анализ стоячей ультразвуковой волны

 

 

 

 

ФОТОМЕТРИЯ

 

 

7.

Расходимость пучка и сила света лазера

+

+

8.

Интенсивность в сферической волне

+

+

9.

Преобразование силы света линзами

+

+

10.

Закон Бугера. Показатель поглощения раствора

+

 

 

 

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ

 

 

11.

Опыт Юнга. Закономерности интерференции

+

+

12.

Бипризма Френеля. Измерение длины волны света

+

+

13.

Кольца Ньютона. Измерение кривизны поверхности

+

 

14.

Интерференция при отражении от пластины

+

+

15.

Полосы равного наклона

+

+

16.

Интерференция частично когерентного света:

 

 

16.А. Оценка длины когерентности по числу полос

+

 

 

 

16.Б. Определение предельного размера источника

+

 

 

 

16.В. Оценка радиуса когерентности с помощью опыта Юнга

+

 

 

 

16. Г. Локализация полос, интерференции

+

 

120