ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.04.2025
Просмотров: 460
Скачиваний: 0
показатели преломления объекта и среды. Если показатель преломления nоб немного больше nср, то свет, проходящий через объект (луч 1), несколько запаздывает по отношению к свету, проходящему через среду мимо объекта (луч 2). Монохроматические световые колебания могут быть представлены синусоидальными колебаниями типа у = a sin x, где у —смещение при колебании; а — амплитуда, а х — абсцисса колеблющейся точки.
На рис. синусоида 2 представляет собой световое колебание, распространяющееся по пути луча 2(предыдущий рисунок). Световое колебание, проходящее через немного запаздывает по отношению к предыдущему. Оно изображено синусоидой 3, тождественной синусоиде 2, но сдвинутой, по оси х. Эти две синусоиды фактически идентичны, так как объект невидим вследствие недостаточного контраста. Другими словами, интенсивность света одинакова по всему полю. Интенсивность света пропорциональна,
квадрату амплитуды а2, и все колебания, проходящие через объект имеют одинаковую амплитуду, в частности и колебания 3 и 2. Но между этими колебаниями имеется небольшая разность фаз. Синусоиду 3 можно рассматривать как сумму двух синусоид — синусоиды 2 и синусоиды 1, сдвинутой на /2 по отношению к предыдущей и с очень малой амплитудой ОМ.
Из рисунка видно, что при суммировании ординат кривых 2 и 1 вновь получается синусоида 3.
Можно сказать, что синусоида 1 соответствует колебаниям, дифрагированным объектом. Ее амплитуда ОМ тем меньше, чем меньше поб — пср. Если (по6 - пср) 0, то и сдвиг синусоид будет стремиться к нулю и синусоида 1 исчезнет, т.е. дифрагированных колебаний не будет. Что касается синусоиды 2, то она представляет собой колебания, непосредственно участвующие в образовании изображения F'.
В плоскости колебание, соответствующее изображению F', называется прямым, а второе колебание соответствует дифрагированному свету, который распределяется вокруг F' и сдвинут по фазе на /2 по отношению к первому.
Изображение объекта получается в результате сложения всегда сдвинутых по фазе на /2 колебаний 2 и 1, которые приходят в А'. Интенсивность света в изображении А' определяется суммой квадратов составляющих амплитуд 2 и 1.
Интенсивность I1 изображения А' определяется, таким образом, соотношением
I1 a2 OM 2
при небольшом сдвиге фаз колебаний 3 и 2 ОМ — мало, и квадратом можно пренебречь;
I1 a2
Допустим, что нам удалось с помощью соответствующего приспособления сдвинуть кривую 1 еще на/2 относительно кривой 2. Относительное расположение колебаний 2 и 1, которые прошли через объект,
ипришли в изображение, будет соответствовать либо рис. а, либо рис. б.
Впервом случае колебания 2 и 1 находятся в фазе; они просто складываются, и результирующая амплитуда в изображении равна
а + ОМ , а интенсивность
I1 = (а + ОМ)2 а2 + 2 Ом*а ,
так как величиной ОМ2 можно пренебречь.
Вокруг объекта амплитуда остается равной а, и интенсивность
I2 = а2.
Получилось, что интенсивность I1 изображения объекта отличается от интенсивности I2 остального поля, и объект становится видимым.
Во втором случае колебания 1 и 2 находятся в противофазе. Результирующая амплитуда в изображении бактерии равна
а— ОМ , а интенсивность
=(а - ОМ)2 а2 - 2аОМ.
И здесь отличается от I2, и объект снова видим.
В первом случае I1 > I2, и объект кажется более светлым, чем остальное поле (негативный контраст); во втором случае (рис. б) I1 < I2, и объект кажется более темным (позитивный контраст).
Таким образом, дополнительное смещение кривой 1 на /2 по отношению к ее первоначальному положению, т.е. фазовый сдвиг на /2 прямых колебаний относительно дифрагированных, позволяет превратить незначительную разность фаз в объекте в разность интенсивностей света в изображении. В этом и заключается сущность метода фазового контраста.
Задача дополнительного сдвига фазы между прямыми и дифрагированными колебаниями может быть решена установкой в задней фокальной плоскости объектива микроскопа -прозрачной пластинки, настолько маленькой, чтобы через нее проходил только прямой свет от источника, а проходящим через нее дифрагированным светом можно пренебречь.
С помощью такой пластинки, имеющей нужную толщину и показатель преломления, прямое колебание (синусоида 2) можно сдвинуть по фазе вперед или назад, не меняя дифрагированных колебаний (синусоида 1).
Фазовая пластинка должна сдвигать прямые колебания 2 на 1/4 по отношению к дифрагированным 1 (фазовая пластинка представляет собой пластинку в четверть длины волны). Оптический путь прямых колебаний, проходящих через фазовую пластинку толщиной h с показателем преломления п, равен nh, а оптический путь дифрагированных колебаний, проходящих мимо (например, в воздухе), равен h. Тогда должно быть выполнено условие
nh h h(n 1) 4
Если дифрагированные колебания проходят через пластинку такой же толщины h, что и фазовая пластинка, но с показателем преломления
п', то Изменением толщины фазовой пластинки можно добиться
повышения контраста изображения, так как практически мы будем изменять амплитуду только прямого света.
С фазовой пластинкой с 50-кратным ослаблением света достигается максимальный контраст.
Фазовая пластинка должна точно перекрывать изображение диафрагмы 4 в фокальной плоскости объектива.
Задний фокус средних и сильных объективов расположен внутри оптической системы, что заставляет помещать фазовую пластинку между линзами объектива. Поэтому для работы по методу фазового контраста требуется применять специальные объективы, снабженные фазовыми кольцами.
Метод фазового контраста может быть использован и для наблюдения поверхности непрозрачных объектов в отраженном свете.
Отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают ряд микроскопов, работающих по методу фазового контраста.
Дифракционный метод
Возможности дифракции света могут быть использованы для контроля объектов и их поверхностей с применением эталона объекта. При этом на малом расстоянии от поверхности исследуемого объекта устанавливается поверхность эталона с заранее известной конфигурацией и формой. Зазор между поверхностями образует щель, которая освещается монохроматическим излучением от источника типа лазера. В результате на экране или в плоскости анализа наблюдается дифракционная картина, по виду которой и расположению колец или полос судят о состоянии исследуемой поверхности.
Если поместить контролируемый объект (провод и т.п.) в лазерный пучок перпендикулярно его оси, то на некотором расстоянии от провода можно наблюдать дифракционную картину, представляющую собой совокупность точек, с убывающей интенсивностью от центра . Диаметр провода может быть получен путем измерения расстояния между центрами точек, которое обратно пропорционально величине этого диаметра.
Распределение интенсивности точек J от центра подчиняется закону
sin x 2 J x
, где , – угол между осью лазера и направлением на данную точку; r – радиус провода; – длина волны излучения.
Для правильного контроля необходимо, чтобы диаметр луча лазера был в несколько раз больше диаметра провода.
Рефлексомтерический метод дефектоскопии
Принцип действия рефлексометрических датчиков малых перемещений основан на измерении световой энергии, попадающей из одного волоконного канала в другой за счет отражений от контролируемой поверхности и пропорциональной расстоянию от объекта датчика.
Волоконно-оптический измеритель зазоров и |
||||
смещений: |
||||
а – оптическая схема: 1 – источник света, 2 |
||||
– |
объект, |
3 |
– |
фотоприемник |
(а – расстояние между объектом и торцом световода);
б – схемы укладки волокон: 1 – регулярная, 2 – кольцевая, 3 – ступенчатая;
в – зависимость сигнала датчика от расстояния до объекта (1, 2 и 3 соответствуют
обозначениям укладки на рис.б), |
– |
интенсивность сигнала. |
Рефрактометрический метод дефектоскопии
Рефрактометрический метод контроля основан на регистрации светового потока, преломленного объектом. Показатель преломления, как и плотность, являются важными физическими константами при проведении дефектоскопии прозрачных объектов.
При переходе луча света из одной среды в другую он частично отражается от поверхности раздела, а частично переходит во вторую среду, изменяя при этом свое первоначальное положение, т.е. преломляясь. Отношение синусов угла падения 1, и угла преломления 2 есть величина постоянная:
sin 1 / sin 2 n21
Показатель преломления вещества определяется его природой, но зависит также от внешних условий, главным образом, от температуры и от длины волны света
Денситометрический метод контроля
При денситометрический методе контроля с помощью фотодетектора непосредственно измеряется оптическая плотность образца. Соответствующие приборы - денситометры обычно имеют спектральную характеристику, близкую к спектру чувствительности зрения, реализуемую с помощью светофильтров.
Объект освещается либо коллимированным пучком лучей, либо диффузным, реализуемым с помощью дополнительного рассеивателя.
Контроль может выполняться в широком спектральном диапазоне или в монохроматическом излучении, естественном или поляризованном свете, при различной интенсивности и геометрии падения лучей.
Индикатрисы рассеяния света регистрируют с помощью гиниофотометров. Метрологическое обеспечение измерения коэффициентов пропускания или оптической плотности основано на использовании высокостабильных нейтральных или цветных светофильтров, эталонах оптической плотности (с диапазоном ослабления до 5 + 6 порядков, т.е. с плотностью до 5 + 6 Белл).
Спектральный метод контроля
Спектральный метод контроля основывается на свойстве объекта поглощать или отражать свет на определенной длине волны.
Например, метод нашел широкое применение для определения концентрации газов или газовых смесей. Газы, благодаря своей молекулярной структуре могут иметь резонансные спектральные полосы поглощения. Это наблюдается когда энергия светового потока определенной длины волны интенсивно поглощается молекулами газа.
Данным метод может быть применен для обнаружения утечек газа, в том числе дистанционно на больших расстояниях – например с самолетов на земной поверхности.
Помимо контроля прозрачных объектов ы прошедшем свете возможен контроль твердых объектов в отраженном свете и жидких как в отраженном так и в прошедшем.
Нефелометрические методы контроля
Нефелометрами называют приборы для измерения концентрации взвешенных частиц в жидкостях и газах.
Принцип их действия заключается в регистрации степени ослабления проходящего через объект света в процессе рассеивания на его оптических неоднородностях. Падающий на мутную среду свет частично рассеивается.
Интенсивность рассеяния для малых частиц ( 1/10 ) в соответствии с законом Рэлея обратно пропорциональна четвертой степени длины волны света. В связи с этим в нефелометрии целесообразно использование коротковолновой области (УФ и синие лучи). Рассеяние света сопровождается его поляризацией. Пространственное распределение рассеянного света имеет симметричный характер относительно направления первичного пучка и перпендикулярного ему направления. В плоскостях, нормальных оси исходного пучка, интенсивность рассеянного света одинакова. Для произвольного направления под углом к оси первичного пучка интенсивность света равна
Фр Ф1 (1 cos2 )
где Ф1 - интенсивность в направлении, нормальном к исходному.
Существуют две разновидности метода - турбидиметрия, основанная на измерении интенсивности света, прошедшего среду ( = 0), и собственно нефелометрия, в основе которой лежит регистрация интенсивности рассеянного излучения ( = 90°). Основное уравнение турбидиметрии записывается в виде
Ф Ф0 exp( k c l)
где Ф0 - интенсивность падающего на среду света; k – полярный коэффициент мутности (для сферических непрозрачных частиц радиуса Rk = R2), с - концентрация взвешенных частиц; l - толщина слоя контролируемой среды.
Колориметрический метод контроля
Колориметрические методы основаны на регистрации цветовых параметров объекта, связанных с некоторыми его свойствами.
Колориметрический метод контроля может быть осуществлен путем сравнения цвета окраски объектов. На примере жидких веществ концентрацию одного вещества в другом определяют по интенсивности окраски их смеси на основе закона ЛамбертаБера:
Ф Ф0 e Cl
где Ф - поток монохроматического излучения с длиной волны , выходящего из поглощающего вещества; Ф0 - поток монохроматического излучения с длиной волны , входящего в анализируемое вещество; - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны излучения, природы растворенного вещества и температуры; С - концентрация растворенного вещества; l - толщина поглощающего слоя.
Это уравнение можно представить в виде интенсивностей световых потоков I0 , I соответственно до и после поглощения в слое растворенного вещества:
I I0 e Cl
Стробоскопический метод
Стробоскопический метод основан на освещении объекта контроля световыми импульсами, синхронизированными с различными фазами движения объекта, что позволяет визуализировать его изображение в этих фазах за счет стробоскопического эффекта.
Метод широко применяется для регистрации быстродвижущихся объектов или поверхности таких объектов.
Фотометрические методы контроля
Фотометрический метод основан на регистрации энергетических параметров оптического излучения до и после взаимодействия с объектом контроля.
Фотометрическая аппаратура весьма разнообразна. Для спектральных измерений применяют спектрофотометры различных конструкций, монохроматоры, другие спектральные приборы, а также наборы стеклянных, интерференционных или других фильтров, выделяющих нужную область спектра.
Поляриметрические измерения проводят с помощью фотометров, оснащенных пленочными или кристаллическими поляризаторами и анализаторами, компенсаторами и т.п. приспособлениями.
Измерения пространственного распределения оптических характеристик объектов (индикатрис) производят с помощью гониофотометров, снабженных многоэлементными матричными фотоприемниками или приспособлениями для проведения испытаний при различных углах падения света на образец и приема излучения; угловое разрешение лучших гониофотометров составляет 10 угл. сек. Современные фотометры делятся на два типа: 1) прямого отсчета; 2) метода сравнения.
Впервых используется световая характеристика приемника, то есть зависимость сигнал-свет. Эти приборы обычно имеют один приемник; шкала в них градуирована непосредственно в световых единицах.
Вфотометрах, работающих по методу сравнения, приемник используется в качестве индикатора, сравнивающего исследуемый поток с заданным (эталонным).
Волоконно-оптические датчики
обладают высокой чувствительностью, помехоустойчивостью, способностью работать в условиях взрыво- и пожароопасности, хорошей устойчивостью к воздействию агрессивных сред, у них отсутствует гальваническая связь с объектом контроля.
Непрерывные ВОД представляют собой волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС), у которой один из участков световода выполнен в виде чувствительного элемента. Обычно это участок световода с удаленной внешней оболочкой или изогнутый с малым радиусом кривизны порядка 5–10 радиусов самого световода. В таких ВОД используются полупроводниковые лазеры или светодиоды в качестве источника света и фотодиоды для измерения интенсивности света после прохождения ВОЛС с чувствительным участком, помещенным в контролируемой области. Физические эффекты, вызывающие модуляцию света, проходящего через чувствительный элемент ВОД, достаточно разнообразны. Чаще всего используют эффект «вытеснения» излучения из ВОЛС при изменении показателя преломления окружающей его среды или изменении радиуса кривизны изогнутого участка, например при тепловой деформации, механическом нагружении и т.д. «Иммерсионный» ВОД (рис. а) обычно применяют, поместив