CC BY
96
УДК 535.34:621. 32-535
Л.А. Канушина, А.Н. Соснов, Н.К. Соснова
СГГ А, Новосибирск
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ИК-МАТЕРИАЛОВ
Согласно закону смещения Вина, максимум излучения человека и окружающих его предметов при температуре, характерной для среды его обитания, находится в ИК области в интервале длин волн 4-9 мкм.
В этой области стекло непрозрачно, поэтому в оптических системах используют оптические кристаллы, оптическую керамику, бескислородные стекла, которые в видимой области спектра часто непрозрачны или малопрозрачны, что затрудняет контроль их дефектов. В современных ИК-приборах, имеющих фотоэлектрическую регистрацию, влияние оптических неоднородностей велико, так как они отклоняют лучи, чем искажают информацию об объекте.
Для контроля неоднородностей ИК-материалов применяют как традиционные методы (светящейся точки [1, 2], теневой [3],
интерференционный [4]), так и сравнительно новые: голографический, ИК-микроскопии, амплитудно-фазовой модуляции и т. д.
Для визуализации дефектов используются ЭОПы [3-6], ИК-фотопленки и фотобумагу, сенсибилизированные в ИК-области [8], специальные люминофоры [2], толстослойные голограммы [7], однако наиболее чувствительными и производительными являются измерительные устройства, где в качестве регистрации применяются фотоэлектрические приемники с выносом результатов исследований на экран монитора. Такие приборы позволяют автоматически производить разбраковку заготовок.
В настоящем обзоре описаны различные методы контроля оптических неоднородностей с фотоэлектрической регистрацией.
Метод светящейся точки
В работе описана установка [11], работающая по принципу светящейся точки и использующая в качестве регистратора излучения фотоэлектрический приемник, осуществляющий сканирование изображения. Картина распределения дефектов воспроизводится в видимых лучах на экране видеоконтрольного устройства (рис. 1).
Рис. 1. Видеоконтрольное устройство
1 - лазер; 2, 3, 6 - сферические зеркала; 4 - образец; 5 - регистратор; 7 - кадровое зеркало; 9 - фотоприемник; 10 - усилитель; 11 - ВКУ; 12 - фотоаппарат
Голографический метод
Большие возможности для контроля неоднородностей в ИК-области спектра предоставляет голография, позволяющая измерить фазовый сдвиг между возмущенным и невозмущенным оптической неоднородностью фронтами.
Основными достоинствами голографического метода являются [10]:
- Практически неограниченность размеров деталей;
- Сравнительно невысокие требования к качеству оптических элементов;
- Возможность определения объемного распределения показателя преломления;
- Возможность регулирования чувствительности в широких пределах;
- Возможность регистрации и «замораживания» световой волны, прошедшей через испытуемый образец, с последующим ее исследованием не только интерференционным, но и теневым методом и методом светящейся точки, с получением максимальной информации об исследуемой неоднородности.
Голографический дефектоскоп, предложенный в [11], позволяет обнаруживать внутренние дефекты ИК-материалов (пузыри, камни, посторонние включения, свили) (рис. 2). Источником излучения является лазер с активным элементом 2YAG:Nd3+.
Фазовая структура образца восстанавливается в результате обработки сдвиговых интерферограмм и ввода информации в ЭВМ. Восстановленное изображение интерферограммы обрабатывается построением по экспериментально снятой фотографии картины тонких линий, проходящих по максимумам интерференционных полос.
Рис. 2. Голографический дефектоскоп:
1 - зеркала, 2 - расширитель пучков, 3 - образец, 4 - голограмма, 5 - рассеиватель
Для голографирования в дальней области спектра была создана установка [10], работающая на длине волны 10,6 мкм, и применяющийся в качестве регистратора голограммы фотоэлектронный приемник. Сканирование ИК-изображения относительно приемника излучения и воспроизведения видимого изображения на экране видеоконтрольного устройства производилось специальным оптико-электронным прибором, описанным в [11].
Разделение опорного и предметного пучков производилось по схеме интерферометра Маха-Цендера, светоделительные пластины в котором выполнены из германия.
Метод амплитудно-фазовой модуляции
Так как наличие оптических неоднородностей приводит к искажению амплитудно-фазового распределения прошедшего через них излучения, измерение этих искажений позволяет определить пространственное распределение неоднородностей.
Амплитудно-фазовый метод [12] позволяет получить количественную информацию пространственного распределения градиента показателя преломления gradn по образцу.
Сущность метода понятна из принципиальной схемы (рис. 3).
Телескопическая система 3 расширяет пучок лазера 1 и формирует с помощью модулятора 2 прерывистый сигнал с частотой 12 Гц. Платформа сканирующего устройства 7 с установленной на ней диафрагмой 5 и приемником 6 может перемещаться перпендикулярно оптической оси прибора. Преобразователь перемещения 8 вырабатывает электрический сигнал, соответствующий координате в направлении сканирования. Двухплощадочный дифференциальный пироэлектрический приемник 6 позволяет одновременно получать сигнал, пропорциональный углу отклонения луча в плоскости сканирования, и сигнал, пропорциональный интенсивности излучения, прошедшего диафрагму 3 и испытуемый образец 4.
Рис. 3. Амплитудно-фазовое устройство:
1 - лазер; 2 - модулятор; 3 - телескопическая система; 4 - образец; 5 - диафрагма; 6 -приемник; 7 - платформа сканирующего устройства; 8 - преобразователь перемещения; 9 - электронный преобразователь; 11 - самописцы
Электрические сигналы, поступающие с приемника на электронный преобразователь, усиливаются им, нормируются по величине интенсивности и после выпрямления попадают на входы двухкоординатных самопишущих приборов 10 и 11, куда одновременно подается сигнал от преобразователя перемещений 9. Самописец 10 регистрирует распределение dф(x)/dx градиента фазы вдоль траектории луча сканирования, самописец 11 - распределение интенсивности J (х), излучения в направлении чувствительной оси устройства.
Распределение изменения показателя преломления в однородности 5n (x) находится из выражения:
5n (x) = (А/2лп)|^ф (x)/d (x))dx,
где d - толщина исследуемого образца.
Прибор, предложенный Солом и Вильямсом [13], также основан на измерении модуляционных изменений интенсивности узкого пучка ИК-излучения, прошедшего через неоднородность. С помощью системы зеркал (одиночного, колеблющегося с частотой 200 Гц и двойного, перемещающегося поступательно) происходит медленное сканирование образца точечной диафрагмой. Обработанный электронной системой сигнал от приемника поступает на самописец, изображающий распределение интенсивности в тонких линиях, совокупность которых образует псевдо объемную картину однородности образца.
Интересный вариант метода амплитудно-фазовой модуляции описан [14]. Сущность метода заключается в преобразовании фазового контраста объекта в амплитудный контраст в пространстве изображений фокусирующей оптической системы при смещении исследуемого объекта относительно плоскости предметов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Доладугина В.С. Оптическая однородность материала КО 1 / В.С. Доладугина, В.И. Воскресенская // ОМП. - 1979. - №7. - С. 18-20.
2. Доладугина В.С. Прибор для исследования свильности оптических материалов в красной и ближней ИК-области спектра / В.С. Доладугина, В.И. Воскресенская, М.И. Колпаков // ОМП. - 1968. - № 5. - С. 56-57.
3. Кузнецова А.Ф. Исследование неоднородностей полупроводниковых материалов / А.Ф. Кузнецова, Н.И. Поляков, А.Н. Цветкова // ОМП. - 1977. - № 1. - С. 3035.
4. Доладугина В.С. Инфракрасный интерферометр Майкельсона /В.С. Доладугина, В.И. Воскресенская, Ю.Д. Пушкин // ОМП. - 1973. - № 4. - С. 37-39.
5. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения летательных аппаратов / Л.П. Лазарев. - М.: Машиностроение, 1984. - 480 с.
6. Дуденкова А.В. Исследование оптических неоднородностей монокристаллов арсенида галлия / А.В. Дуденкова // Физика и техника полупроводников. - 1971. - Т. 5. - № 1.
- С. 3-7.
7. Майклер М.П. О преобразовании ИК-изображения в видимое с помощью толстостенной голограммы / М.П. Майклер // Журнал технической физики. - 1979. - Т.49.
- № 10. - С. 2255.
8. Тимофеев Ю.П. Люменесцентные приемники прямого видения полей ИК-излучения. / Ю.П. Тимофеев, С.А. Фридман // Изв. АН СССР. Сер. Физика. - 1981. - Т. 45.
- № 2. - С. 296-301.
9. Гнатюк Л.Н. Исследование характеристик оптических элементов в ближнем ИК-диапазоне посредством голографии / Л.Н. Гнатюк, М.Л. Гурари // Измерительная техника. -1975. - № 7. - С. 40-50.
10. Рукман Г.И. Голография в ИК-области спектра на основе сканирующих преобразователей изображения / Г.И. Рукман, В.Е. Лисянский // Измерительная техника. -1978. - № 5. - С. 29-30.
11. Лисянский, Б.Е. Контроль оптической однородности материалов в ИК-области / Б.Е. Лисянский, П.А. Морозов // Измерительная техника. - 1982. - № 4. - С. 36-37.
12. Бардюков А.М. Определение пространственного распределения в полупроводниковых материалах / А.М. Бардюков, М.Э. Бэрг // Измерительная техника. -1978. - № 9. - С. 42-44.
13. Saul R.S., William T.L. JR-Scanniug device vor non-homogenity samples detection. -Opt.acta, 1978, v 25, № 12, 5. 1149-1153.
14. Чудаков В.С. Метод наблюдения оптической неоднородности с помощью спектральной модуляции / В.С. Чудаков, Б.Н. Гречушников // ОМП. - 1977. - № 7. - С. 49-51.
© Л.А. Канушина, А.Н. Соснов, Н.К. Соснова, 2007
