Приборы оптической структуроскопии

Определение внутренних напряжений в мате­риалах. Многие оптически прозрачные материалы (стекло, полимеры, кристаллы), изотропные в обычных условиях, становятся анизотропными после механиче­ского нагружения. При прохождении света в них возни­кает двойное лучепреломление, величина которого ха­рактеризует степень напряженного состояния контроли­руемого объекта.

Согласно закону Вертгейма разность хода обыкно­венного и необыкновенного лучей определяют по фор­муле

где - - разность главных напряжений; l - толщи­на изделия; с - оптическая постоянная материала изде­лия, определяемая экспериментально.

Внутреннее напряжение определяют с помощью по­лярископа, типовая схема которого показана на рис. 25.

Анализатор приводит колебания обыкновенного и необыкновенного лучей в одну плоскость и создает условия для их интерференции. При этом на экране видна система темных и светлых полос, соответствующих раз­ности хода обыкновенного и необыкновенного лучей , где т - порядок полосы равен 0, 1, 2... для свет­лых полос и m = 1/2, 3/2, 5/2... для темных полос.

Порядок полосы определяется на основании наблю­дения за картиной интерференции, в процессе возраста­ния нагрузки. В белом свете видны цветные полосы, и процесс измерения заключается в оценке цвета поля по­сле введения контролируемого объекта и его сопостав­ления с цветом тарировочной таблицы.

Для определения направлений главных напряжений пластинки выводят из полярископа. При этом возникает картина изоклин (геометрическое место точек, где на­правления главных напряжений совпадают с плоскостью поляризации прибора). Синхронно вращая поляризатор и анализатор, можно зафиксировать поле изоклин.

Пластинки служат для создания круговой поля­ризации и увеличения чувствительности. Обычно их подбирают такой толщины, чтобы без объекта поле по­лярископа было окрашено в «чувствительный» фиолето­вый цвет (разность хода, вносимая при этом пластинкой, около 570 нм). При этом небольшим изменениям разно­сти хода в объекте соответствует резкое изменение цве­та. Для более точных количественных измерений разно­сти хода лучей и фаз колебания, создаваемых образцом, применяют специальные устройства - компенсаторы.

Методы исследования напряжений в оптически прозрачных изделиях с помощью поляризованного света широко применяют в различных отраслях промышлен­ности - стекольной, электровакуумных приборов, хими­ческой, в производстве полимеров, алмазных инструмен­тов, различных искусственных кристаллов (в том числе лазерных) и др.

Успехи в создании преобразователей изображения позволили распространить методы фотоупругого анализа на материалы, непрозрачные в видимом свете (полупро­водники, германий и кремний, инфракрасные стекла и ряд других). Известны телевизионные инфракрасные полярископы, системы с лазерным сканированием (по­лярископы с оптико-механическим сканированием объ­екта).

Контроль качества изделий вращением плоско­сти поляризации. Некоторые вещества называют опти­чески активными, т.е. обладающими свойством враще­ния плоскости поляризации проходящего через него ли­нейно поляризованного света.

Различают естественную оптическую активность, встречающуюся у различных твердых и жидких веществ, и искусственную, возникающую у некоторых материа­лов при воздействии магнитного (эффекта Фарадея) или электрического (эффекта Керра) полей.

Электрооптические и магнитооптические эффекты находят применение преимущественно в системах моду­ляции и сканирования света. Естественная оптическая активность широко используется в пищевой и химиче­ской промышленности для контроля качества различных веществ, в основном, растворов.

Рис. 25. Схема полярископа для контроля внутренних напряжений в прозрачных объектах:

1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - поляроид; 4 - объект;

5 - анализатор; 6 - поляризационный компенсатор; 7 - окуляр;

8 - наблюдатель

Для растворов угол вращения плоскости поляриза­ции , где a - постоянная вращения; l - тол­щина слоя; с - концентрация раствора.

Для измерения угла вращения анализатор дважды (до вещества и с веществом в измерительной кювете) устанав­ливают на одинаковую яркость и регистрируют получен­ную разницу отсчетов по угломерному устройству.

Для повышения точности измерения применяют полутеневые устройства. Они состоят из двух анализато­ров, разделенных тонкой границей раздела, плоскости поляризации которых ориентированы под небольшим углом друг к другу. Таким образом, измерение сводится к установлению фотометрического равновесия соприка­сающихся полей, что значительно точнее метода гаше­ния яркости.

Выше были приведены наиболее известные приме­ры использования поляризационных приборов. Однако область их применения значительно шире. Отметим важнейшие из них.

Исследования кристаллов с помощью поляризаци­онных микроскопов и конометров.

Контроль качества алмазов по степени поляризации их люминесценции. Определение напряжений в непро­зрачных объектах с помощью оптически-активных по­крытий.

Интерференционно-поляризационная микроскопия для контроля качества оптически прозрачных сред с фа­зовыми неоднородностями.

Эллипсометрия как метод контроля тонких пленок в полупроводниковой электронике.

Контроль качества материалов с помощью измере­ния степени поляризации рассеянного излучения.

Измерение степени поляризации света различных источников.

Контроль качества элементов поляризационных приборов (модуляторов, сканаторов, компенсаторов, по­ляризаторов и т.д.).

Устранение вредных бликов и рефлексов в аппа­ратуре.

Стереоскопия с поляроидной сепарацией стереопар.

Нефелометрические методы контроля структу­ры. 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 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 распределения 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 а к оси первичного пучка интенсивность све­та равна

где - 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

,

где Ф₀ - интенсивность падающего на среду света; к - полярный коэффициент мутности (для сферических не­прозрачных частиц радиуса Rk = , с - концентрация взвешенных частиц; l - толщина слоя контролируемой среды.

Эта зависимость аналогична выражению для закона Бугера, поэтому для турбидиметрических измерений могут быть использованы абсорбционные концентратомеры (фотоколориметры). Фотоколориметры успешно применяются для турбидиметрических определений мутности питьевой воды, выбраковки бутылок с напит­ками и ампул с лекарствами, содержащих посторонние частицы, контроля работы различных фильтров и цен­трифуг, измерения концентрации дыма и пыли и решения многих других задач. При нефелометрических измерениях концентрации частиц обычно пользуются формулой

,

где Фо - исходная интенсивность света; N₀ - число час­тиц в единице объема; V - объем частиц; - длина вол­ны; - коэффициент пропорциональности.

Это выражение может применяться для анализа сред, различающихся только по степени дисперсионно- сти и концентрации частиц. Закономерности рассеяния света на частицах, сравнимых или больших длин волн света (2... 100 мкм), отличны от описанных выше и зна­чительно сложнее. Для анализа подобных сред исполь­зуют лазерные гониофотометрические установки (рис. 26), позволяющие измерять интенсивность рассе­янного света в большом диапазоне углов (0 < < 180°) с последующей обработкой на ЭВМ.

Рис. 26. Схема лазерной гониофотометрической установки:

1 - лазер; 2 - источник потока частиц; 3 - рассеянное излучение; 4 - световоды; 5 - многоэлементный фотоприемник; 6 - блок обработки информации; 7 - световая ловушка для гашения прямого излучения

Голографические методы анализа размеров час­тиц и структуры прозрачных объектов. Голографиче­ские методы эффективно используются для анализа раз­меров и относительного положения частиц в диапазоне 5... 100 мкм в различных газообразных и жидких сре­дах. Подобные системы крайне необходимы для контро­ля окружающей среды, оценки качества двигателей, ана­лиза процессов распыления жидкого топлива, анализа аэрозолей в ракетных двигателях. Типовой голографиче­ский анализатор частиц состоит из двух систем - систе­мы регистрации и системы воспроизведения. В системе регистрации импульсный лазер (обычно рубиновый) ос­вещает исследуемый объект, экспонируя голограмму. Малая длительность импульса лазера ( с) обеспечивает практическую неподвижность частиц, дает возможность одновременно зарегистрировать размер и относительное положение частиц в объеме с большим разрешением и большой глубиной поля зрения. В систе­ме воспроизведения голограмма освещается гелиево-не­оновым лазером, работающим в непрерывном режиме. При этом образуется видимое изображение порции час­тиц (например, тумана). Наблюдение и измерение разме­ров и положения частиц в различных плоскостях иссле­дуемого объема проводят с помощью телевизионной камеры. Используя различные длины волн для записи и восстановления голограмм, можно дополнительно повы­сить разрешающую способность системы. Принципи­ально возможна регистрация голограмм с помощью пуч­ка электронов при восстановлении лучом лазера видимого диапазона. При этом можно различить частицы размером порядка мм и менее. В гологра­фических анализаторах структуры прозрачных объектов используется схема получения голограмм фазовых про­зрачных объектов. Рна отличается от подобных систем для непрозрачных сред геометрией просвечивания объ­екта, а также методикой интерпретации результатов. Ме­тоды голографической интерпретации (в том числе фильтрации) успешно применяются для контроля одно­родности показателя преломления, наличия двулучепреломления в оптически прозрачных средах.

В ряде процессов (релаксация полимеров, процессы диффузии и т.п.) необходимо оценить изменение подвижности и средний размер частей, составляющих среду, в различные моменты времени. Если эти процессы про­текают медленно (1... 10⁶ с), то единственным способом контроля является метод голографической коррелометрии (МГК), который основан на получении с помощью двулучевой схемы голограммы рассеивающей среды в отраженном свете (при одностороннем доступе). На­правление освещения между экспозициями меняется на угол , что вызывает регулярный фазовый сдвиг на элементах рассеивателя и появления в изображении сис­темы эквидистантных интерференционных полос. Так как состояние среды за время между экспозициями изменится, уменьшится контраст полос. Случайный сдвиг фазы отдельной частицы , где - угол между направлениями падающей и рассеянной волн; - вектор смещения частицы;

- вектор разности между векторами и n_s падающей и рассеянной волн.

Зная статистические характеристики среды и экспе­риментально снятые зависимости видимости полос от времени анализа, можно оценить подвижность и раз­меры микрочастице диапазоне 0,01... 1 мкм.

Приборы телевизионной и когерентно-оптичес­кой структуроскопии. Во многих случаях информация о качестве объектов контроля может быть получена на основе анализа структуры их материала как поверхност­ной, так и объемной. Для этих целей создан ряд прибо­ров, среди которых наибольшее распространение полу­чили телевизионные анализаторы (ТВА) и когерентно­оптические процессоры (КОП). Действие ТВА основано на сканировании изображения изучаемых структур видеодатчиком (телевизионной камерой или устройством типа «бегущий луч») и последующей машинной обра­ботке получаемых видеосигналов с помощью вычислительных средств (микропроцессора, микроЭВМ и т.д.). При этом эффективным оказался подход, основанный на моделировании изображений полем случайных величин. Геометрические, фотометрические и другие характери­стики изображений анализируются с позиций теории случайных процессов. Получаемые при этом статистиче­ские характеристики имеют четкий физический смысл - они отражают пространственную упорядоченность и функциональные свойства исследуемых структур, кото­рые, в свою очередь, влияют на прочностные, электриче­ские, оптические и другие характеристики объектов кон­троля.

В случае применения КОП анализируется спектр Фурье исследуемых структур, получаемый с помощью оптических процессоров, описанных выше. Перспектив­но применение гибридных методов контроля, при кото­рых предварительная обработка изображений (выделе­ние объектов с заданными признаками, проведение опе­раций типа свертки, пространственной фильтрации и т.п.) производится быстродействующими КОП, а проце­дуры последующей классификации структур осуществ­ляются ЭВМ (подсчет коэффициента формы, вычисле­ние числа одинаковых элементов в поле зрения, корреляционный анализ, вычисление статистических характе­ристик и т.д.).

Становится возможным проведение стереологического анализа структур, т.е. определение трехмерной структуры объектов по их плоским срезам (согласно принципу Кавальери). Подобные методы контроля и анализа широко применяют в металловедении, микро­биологической промышленности, других областях.

Схемы ТВА включают устройства формирования оптических изображений объекта, телевизионную систе­му и устройство обработки видеосигнала, выполняемого на базе встроенных в структуроскоп микропроцессора или с помощью внешней ЭВМ. В состав математическо­го обеспечения обычно входят программы, обеспечи­вающие автоматический поиск объектов, контурное сле­жение и построчное сканирование в пределах заданного контура, а также вычисление необходимых статистиче­ских характеристик объектов. Время ввода телевизион­ного кадра составляет 0,02 с (реальное время). Время обработки зависит от сложности изображения, характера решаемой задачи и составляет в среднем 0,1... 1с.

Важнейшей областью применения телевизионной структуроскопии становится оптическая металлография.

Контроль микроструктуры металла предполагает выполнение вырезок из подлежащих контролю деталей и последующее изготовление из этих вырезок металлогра­фических шлифов. Такой метод контроля микрострукту­ры является разрушающим, т.к. приводит к безвозврат­ной порче детали, и деталь приходится заменять новой.

Неразрушающий металлографический контроль предполагает подготовку шлифа непосредственно на оборудовании без вырезки образцов. Подготовленный на оборудовании шлиф исследуют посредством портатив­ного (переносного) металлографического микроскопа или снимают с этого шлифа реплики (оттиски) и затем полученные реплики исследуют на микроскопе в лабора­торных условиях. Однако метод реплик весьма трудоемок.

В настоящее время существует объективная необ­ходимость разработки и внедрения современных систем оперативной компьютерной металлографии на базе пор­тативных микроскопов, отвечающих всем требованиям эксплуатации в полевых условиях.