RU2694790C1 - Method of determining homogeneity of uniaxial crystals - Google Patents
Method of determining homogeneity of uniaxial crystals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694790C1 RU2694790C1 RU2018146521A RU2018146521A RU2694790C1 RU 2694790 C1 RU2694790 C1 RU 2694790C1 RU 2018146521 A RU2018146521 A RU 2018146521A RU 2018146521 A RU2018146521 A RU 2018146521A RU 2694790 C1 RU2694790 C1 RU 2694790C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- homogeneity
- determining
- pixels
- crystals
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 32
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000002925 chemical effect Effects 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000382 optic material Substances 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптики, а именно к способам определения оптической однородности и выявления структурных дефектов оптических кристаллов и может быть использовано для контроля качества одноосных кристаллов.The invention relates to the field of optics, and in particular to methods for determining optical homogeneity and detecting structural defects of optical crystals and can be used to control the quality of uniaxial crystals.
Из уровня техники известен способ выявления оптической неоднородности с помощью поляризационно-оптического метода, основанного на наблюдении под микроскопом поверхности кристалла в линейно поляризованном свете [А. И. Колесников, О. В. Малышкина, И. А. Каплунов и др. Определение дислокационной структуры в монокристаллах парателлурита методом фотоупругости // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2014, № 1, с. 81–89]. Недостатками этого способа являются дополнительные манипуляции по селективному химическому травлению, длительность эксперимента и отсутствие точных количественных характеристик.The prior art discloses a method for detecting optical inhomogeneity using a polarization-optical method based on microscopic observation of a crystal surface in linearly polarized light [A. I. Kolesnikov, O. V. Malyshkina, I. A. Kaplunov, et al. Determination of the dislocation structure in single crystals of paratellurite by the photoelasticity method // Surface. X-ray, synchrotron and neutron studies, 2014, No. 1, p. 81–89]. The disadvantages of this method are additional manipulations on selective chemical etching, the duration of the experiment and the lack of accurate quantitative characteristics.
Известен поляризационно-оптический способ исследования термических напряжений, возникающих в твердом материальном теле при воздействии локальных тепловых потоков (RU 2621458, опубл. 06.06.2017). Особенностью данного способа является использование модели пьезооптического материала без механических напряжений, которые создаются воздействием локального теплового потока, что затрудняет исследование собственных структурных дефектов оптического материала. Недостатком данного способа является использование микроскопа, что накладывает ограничения на размеры исследуемых образцов, а отношение максимального порядка к номинальному порядку изохром не дает точную количественную характеристику возникающих напряжений внутри образцов.A polarization-optical method for studying thermal stresses arising in a solid material body under the influence of local heat fluxes is known (RU 2621458, publ. 06.06.2017). A feature of this method is the use of a model of a piezo-optic material without mechanical stresses, which are created by the action of a local heat flux, which makes it difficult to study the intrinsic structural defects of an optical material. The disadvantage of this method is the use of a microscope, which imposes restrictions on the dimensions of the samples under study, and the ratio of the maximum order to the nominal order of isochrome does not provide an accurate quantitative characteristic of the stresses inside the samples.
Существует способ исследования оптической однородности, основанный на наблюдении теневых картин свилей (объемных дефектов) с помощью проекционной установки. [ГОСТ 3521-81 Стекло оптическое. Метод определения бессвильности. ГОСТ 3518-80 Метод определения оптической однородности на коллиматорной установке.] Недостатком является необходимость наличия контрольного образца и зависимость проводимых измерений от оптической схемы.There is a way to study optical homogeneity, based on the observation of shadow patterns of twists (bulk defects) using a projection installation. [GOST 3521-81 Optical glass. Method of determining immobility. GOST 3518-80 Method for determining optical homogeneity in a collimator setup.] The disadvantage is the need for a reference sample and the dependence of the measurements made on the optical design.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является способ анализа профиля интенсивности коноскопических (интерференционных) картин, получаемых при прохождении конического пучка лазерного излучения через кристаллическую пластину, помещенную между поляризатором и анализатором, позволяющий исследовать оптические аномалии в кристалле [О.Ю. Пикуль, Н.В. Сидоров. Лазерная коноскопия кристаллов. Апатиты: КНЦ РАН. 2014. 160с.] Недостатками способа являются неравномерное распределение интенсивности излучения по профилю лазерного пучка, возникновение артефактов в изображении, связанных с неидеальностью элементов оптической системы.The closest to the claimed invention to the technical essence is a method for analyzing the intensity profile of conoscopic (interference) patterns obtained when a conical laser beam passes through a crystal plate placed between the polarizer and the analyzer, allowing to investigate optical anomalies in the crystal [O.Yu. Pikul, N.V. Sidorov. Laser conoscopy of crystals. Apatity: KSC RAS. 2014. 160s.] The disadvantages of the method are the uneven distribution of the radiation intensity along the profile of the laser beam, the occurrence of artifacts in the image associated with the imperfection of elements of the optical system.
Задачей изобретения является разработка способа определения степени однородности одноосных кристаллов, позволяющего определять их пригодность для использования в электронно-оптических и акустооптических устройствах. The objective of the invention is to develop a method for determining the degree of uniformity of uniaxial crystals, which allows to determine their suitability for use in electro-optical and acousto-optical devices.
Данная цель достигается за счет того, что в способе определения степени однородности одноосных кристаллов, включающем регистрацию интерференционных картин методом лазерной коноскопии в различных положениях образца относительно оптической системы, их анализ с помощью специализированного программного обеспечения, в процессе анализа производят попиксельное вычитание полученных изображений друг из друга по параметрам RGB с формированием результирующего массива значений, из данного массива определяют количество пикселей со значениями RGB (0,0.0), вычисляют отношение k этого количества N0 к общему числу пикселей получаемого изображения N, где k=1 характеризует однородность идеального кристалла. This goal is achieved due to the fact that in the method of determining the degree of homogeneity of uniaxial crystals, including the registration of interference patterns by laser conoscopy in different positions of the sample relative to the optical system, their analysis using specialized software, in the process of analysis produce pixel-by-pixel subtraction of the images obtained from each other RGB parameters with the formation of the resulting array of values, from this array determine the number of pixels with values RGB (0,0.0), calculate the ratio k of this number N 0 to the total number of pixels of the resulting image N, where k = 1 characterizes the homogeneity of the ideal crystal.
Техническим результатом заявляемого изобретения, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является простота в реализации, минимизирование влияния искажений, обусловленных оптической системой, что способствует повышению точности измерения однородности оптических элементов. The technical result of the claimed invention provided by the above set of features is ease of implementation, minimizing the effect of distortion caused by the optical system, which contributes to improving the accuracy of measuring the homogeneity of optical elements.
Изобретение поясняется графическими материалами:The invention is illustrated graphic materials:
на Фиг.1 представлена общая оптическая схема для регистрации коноскопических картин, где 1 - лазер, 2 - поляризатор, 3 - коллиматор, 4 - собирающая линза, 5 - поворотный предметный столик, 6 - поляризационный экран, 7 - система регистрации изображений, ПЗС - матрица сопряжённая с PC;1 shows a general optical scheme for registering conoscopic pictures, where 1 is a laser, 2 is a polarizer, 3 is a collimator, 4 is a collecting lens, 5 is a swiveling stage, 6 is a polarizing screen, 7 is an image recording system, CCD is matrix conjugate with PC;
на Фиг.2 представлены положения образца при регистрации центральносимметричных коноскопических картин для анализа однородности определенной области образца;figure 2 presents the position of the sample when registering centrally symmetric conoscopic pictures for analyzing the homogeneity of a specific area of the sample;
на Фиг.3 представлены положения образца при регистрации коноскопических картин с различных областей;figure 3 presents the position of the sample when registering conoscopic paintings from different areas;
на Фиг.4 представлены исследования образца парателлурита в направлении совпадающем с оптической осью, где а - коноскопическая картина полученная на образце, б - картина интерфейса программного обеспечения, включающего результирующее изображение и рассчитанные значения количества пикселей;4 shows studies of the paratellurite sample in the direction coinciding with the optical axis, where a is the conoscopic picture obtained on the sample, b is the picture of the software interface including the resulting image and the calculated values of the number of pixels;
на Фиг.5 представлены исследования образца парателлурита, где а- коноскопические изображения области в центре оптического элемента, б - коноскопические изображения области вблизи края оптического элемента, в- картина интерфейса программного обеспечения, включающего результирующее изображение и рассчитанные значения количества пикселей.Figure 5 shows studies of the paratellurite sample, where a are the conoscopic images of the area in the center of the optical element, b are the conoscopic images of the area near the edge of the optical element, a picture of the software interface including the resulting image and the calculated values of the number of pixels.
Способ заключается в анализе интерференционных картин, полученных в процессе прохождения конического пучка лазерного излучения через материал и сложения амплитуд обыкновенных и необыкновенных волн, с помощью вычитания изображений по параметрам RGB (аддитивной цветовой модели) для выявления областей с отличающимися коэффициентами преломления от средних по объему, а также определения внешнего влияния на оптическую однородность.The method consists in the analysis of interference patterns obtained in the process of passing a conical laser beam through the material and the addition of the amplitudes of ordinary and extraordinary waves, by subtracting images by RGB parameters (additive color model) to identify areas with different refractive indices from the average in volume, also determine external influences on optical homogeneity.
Получаемые коноскопические изображения в случае абсолютно однородного материала (отсутствие дефектов и плоскопараллельность) будут идентичны по размеру и распределению интенсивности, что явно следует из законов геометрической оптики. При наличии дефектов коноскопические изображения будут отличаться.The resulting conoscopic images in the case of an absolutely homogeneous material (absence of defects and plane-parallelism) will be identical in size and intensity distribution, which clearly follows from the laws of geometric optics. In the presence of defects conoscopic images will be different.
С точки зрения компьютерных технологий, изображения (коноскопические картины), зафиксированные с помощью цифровой камеры, представляют собой данные в растровом виде, т.е. записываются в виде массива [N,M,RNM,GNM,BNM], где N,M – значения координат пикселя, R,G,B – значения параметров аддитивной цветовой модели, соответствующие координатам пикселя. RGB (0,0,0) соответствуют черному цвету.From the point of view of computer technology, images (conoscopic pictures) recorded with a digital camera are rasterized data, i.e. written as an array [N, M, R NM , G NM , B NM ], where N, M are the pixel coordinate values, R, G, B are the values of the parameters of the additive color model, corresponding to the pixel coordinates. RGB (0,0,0) correspond to black color.
Произведя вычитание значений RGB для одинаковых, с точки зрения координат, пикселей полученных изображений, мы получаем результирующий массив (изображение), где пиксели со значениями RGB отличными от (0,0,0) будут соответствовать неоднородным областям оптических элементов.Having subtracted the RGB values for the same, in terms of coordinates, pixels of the obtained images, we get the resulting array (image), where the pixels with RGB values different from (0,0,0) will correspond to non-uniform areas of optical elements.
Найдя отношение количества пикселей со значением RGB (0,0,0) N0 к общему значению пикселей изображения N, можно получить количественную величину характеризующую однородность образца, независящую от оптической системы и от разрешения ПЗС матрицы.Finding the ratio of the number of pixels with an RGB (0,0,0) N 0 value to the total pixel value of the image N, one can obtain a quantitative value characterizing the sample homogeneity independent of the optical system and the resolution of the CCD matrix.
где k принимает значения в диапазоне от 0 до 1, значение 1 соответствует случаю идеального кристалла.where k takes values in the range from 0 to 1, the
Способ осуществляется следующим образом:The method is as follows:
Собирается оптическая схема для лазерной коноскопии с использованием собирающей линзы с фокусом в центре предметного столика (Фиг.1) Исследуемый образец помещается на предметный столик и регистрируются коноскопические картины в двух положениях относительно оптической схемы (Фиг.2,3). Вычисляется значение показателя степени однородности k (отношение количества пикселей со значением RGB (0,0,0) к общему значению пикселей изображения), делается вывод об однородности исследуемого объема образца и возможности его использования в оптических устройствах.An optical scheme is assembled for laser conoscopy using a collecting lens with a focus in the center of the stage (Figure 1). The sample under study is placed on the stage and conoscopic pictures are recorded in two positions relative to the optical scheme (Figure 2). Calculates the value of the index of the degree of homogeneity k (the ratio of the number of pixels with an RGB value (0.0.0) to the total pixel value of the image), it is concluded that the sample volume is homogeneous and can be used in optical devices.
Примеры реализации способа.Examples of the method.
Пример 1. Исследовался образец, вырезанный из монокристалла парателлурита в направлении <111>. Размеры образца 20*20*10мм, плотность дислокаций - 103-4∙103 см-2.Example 1. A sample was cut from a single crystal of paratellurite in the direction <111>. Sample size 20 * 20 * 10mm, dislocation density - 10 3 -4 10 3 cm -2 .
В качестве источника излучения, использовался белый диод с поляризатором от ЖК-матрицы. В результате получена коноскопическая картина описанного образца (Фиг.4а). Вычитание и расчеты производились с помощью специализированного программного обеспечения (ПО), использующего алгоритмы, предложенные в настоящем изобретении. Определен объем образца с повышенной плотностью дислокаций (Фиг.4б), найдено значение параметра однородности k=0,7475, что позволяет сделать вывод о невозможности использования данного монокристаллического элемента в оптических устройствах.As a radiation source, a white diode with a polarizer from the LCD matrix was used. As a result, a conoscopic picture of the described sample was obtained (Fig. 4a). Subtraction and calculations were performed using specialized software (software) using the algorithms proposed in the present invention. The sample volume with an increased dislocation density was determined (Fig. 4b), the value of the homogeneity parameter was found to be k = 0.7475, which allows to conclude that it is impossible to use this single-crystal element in optical devices.
Пример 2. Исследовался светозвукопровод для акустооптического устройства из монокристалла парателлурита с углом между нормалью к поверхности и оптической осью 7°. Размеры образца 18*24*15мм. Сравнивались коноскопические изображения двух областей: в центре элемента (Фиг.5а) и вблизи края элемента (Фиг.5б).Example 2. A light and sound conductor for an acousto-optic device from a single crystal of paratellurite with an angle between the normal to the surface and the optical axis of 7 ° was investigated. Sample sizes 18 * 24 * 15mm. Conoscopic images of two areas were compared: in the center of the element (Fig. 5a) and near the edge of the element (Fig. 5b).
В качестве источника излучения, использовался полупроводниковый лазер. Вычитание и расчеты производились с помощью специализированного ПО, использующего алгоритмы, предложенные в настоящем изобретении (Фиг.5в). Значение параметра однородности k=0,7428. Разность коноскопических картин обусловлена механическими напряжениями (искажение коэффициентов преломления) вблизи края элемента, что накладывает ограничения на размеры области акустооптического взаимодействия.As a radiation source, a semiconductor laser was used. Subtraction and calculations were performed using specialized software that uses the algorithms proposed in the present invention (Figv). The value of the homogeneity parameter is k = 0.7428. The difference in conoscopic pictures is due to mechanical stresses (distortion of the refractive indices) near the edge of the element, which imposes restrictions on the size of the region of acousto-optic interaction.
Таким образом, заявляемый способ позволяет дать численную оценку степени однородности оптических элементов по объему в виде относительного параметра, вычисляемого при сравнении коноскопических картин, полученных при различных положениях образца относительно оптической системы, без использования эталона, физических или химических воздействий на кристалл, минимизируя влияние искажений, обусловленных оптической системой.Thus, the inventive method allows to give a numerical assessment of the degree of homogeneity of optical elements by volume in the form of a relative parameter calculated when comparing conoscopic pictures obtained at different positions of the sample relative to the optical system, without using a reference, physical or chemical effects on the crystal, minimizing the effect of distortion, caused by the optical system.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018146521A RU2694790C1 (en) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Method of determining homogeneity of uniaxial crystals |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018146521A RU2694790C1 (en) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Method of determining homogeneity of uniaxial crystals |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2694790C1 true RU2694790C1 (en) | 2019-07-16 |
Family
ID=67309375
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018146521A RU2694790C1 (en) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Method of determining homogeneity of uniaxial crystals |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2694790C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1704048A1 (en) * | 1990-01-23 | 1992-01-07 | Ленинградское Научно-Производственное Объединение "Гранит" | Uniformity detection method for crystallographyc characteristics of materials and structures |
| UA19220A (en) * | 1990-08-13 | 1997-12-25 | Інститут Металофізики Ан Урср | Method for determination of structural perfectness of dynamically dispersing monocrystals |
| US20090296096A1 (en) * | 2008-06-03 | 2009-12-03 | Jeong Hwan J | Interferometric Defect Detection |
| RU2615351C2 (en) * | 2015-08-24 | 2017-04-04 | Александр Михайлович Григорьев | Method for detecting structural defects in crystalline materials |
| RU2621458C1 (en) * | 2015-12-22 | 2017-06-06 | Сергей Константинович Есаулов | Method of investigating thermal stresses arising in solid material body with polarization-optical method on model from piezo-optical material under local heat flow impact on them with theoretical coefficient determination of thermal stress concentration |
| RU2650713C1 (en) * | 2017-02-06 | 2018-04-17 | Алексей Викторович Пигарев | Method of measuring small factors of optical absorption of nonlinear optic crystals |
-
2018
- 2018-12-26 RU RU2018146521A patent/RU2694790C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1704048A1 (en) * | 1990-01-23 | 1992-01-07 | Ленинградское Научно-Производственное Объединение "Гранит" | Uniformity detection method for crystallographyc characteristics of materials and structures |
| UA19220A (en) * | 1990-08-13 | 1997-12-25 | Інститут Металофізики Ан Урср | Method for determination of structural perfectness of dynamically dispersing monocrystals |
| US20090296096A1 (en) * | 2008-06-03 | 2009-12-03 | Jeong Hwan J | Interferometric Defect Detection |
| RU2615351C2 (en) * | 2015-08-24 | 2017-04-04 | Александр Михайлович Григорьев | Method for detecting structural defects in crystalline materials |
| RU2621458C1 (en) * | 2015-12-22 | 2017-06-06 | Сергей Константинович Есаулов | Method of investigating thermal stresses arising in solid material body with polarization-optical method on model from piezo-optical material under local heat flow impact on them with theoretical coefficient determination of thermal stress concentration |
| RU2650713C1 (en) * | 2017-02-06 | 2018-04-17 | Алексей Викторович Пигарев | Method of measuring small factors of optical absorption of nonlinear optic crystals |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| КОЛЕСНИКОВ А.И., ТРЕТЬЯКОВ С.А. и др. "ИССЛЕДОВАНИЯ АНОМАЛИЙ В ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛАХ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ КОНОСКОПИИ", доклад, VII Международная конференция по фотонике и информационной оптике, Москва, 24-26 января 2018 г. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shribak et al. | Techniques for fast and sensitive measurements of two-dimensional birefringence distributions | |
| TWI436051B (en) | A pattern inspection apparatus, a pattern inspection method, and a recording medium in which a program is recorded | |
| TWI421486B (en) | Apparatus and method for measuring an optical anisotropic parameter | |
| CN110044931B (en) | Detection apparatus for curved surface glass surface and internal defect | |
| US20150069247A1 (en) | Method and system for real time inspection of a silicon wafer | |
| JP2009042040A (en) | Polarization analyzer utilizing polarization imaging camera | |
| JP4692754B2 (en) | Light scattering observation device | |
| RU2694790C1 (en) | Method of determining homogeneity of uniaxial crystals | |
| Staes et al. | Optimized Stokes imaging for highly resolved optical speckle fields, Part I: optimized experimental setup | |
| KR20170055661A (en) | Apparatus of real time imaging spectroscopic ellipsometry for large-area thin film measurements | |
| JP4313322B2 (en) | Defective particle measuring apparatus and defective particle measuring method | |
| Romijn et al. | Automated calibration and control for polarization-resolved second harmonic generation on commercial microscopes | |
| JP2004294293A (en) | Method for collectively observing and measuring optical characteristics of plurality of different samples | |
| CN110044932B (en) | Method for detecting surface and internal defects of curved glass | |
| Nishida et al. | A high-resolution small-angle light scattering instrument for soft matter studies | |
| Butterworth et al. | Realtime acousto-optical QA methods for high intensity fields | |
| JP2006258594A (en) | Automatic double refraction measuring instrument and double refraction measuring method using it | |
| JP5089982B2 (en) | Non-invasive electric field detection and measurement device and method | |
| KR20220012820A (en) | Method for detection and diagnosis of surface patterns using liquid crystals | |
| JP3886619B2 (en) | Object defect inspection method and inspection apparatus | |
| KR100974478B1 (en) | Apparatus and method for inspecting surface of Liquid Crystal Alignment Layer | |
| Riesz | Camera length and field of view in Makyoh-topography instruments | |
| Shopa et al. | Imaging polarimeter with high-accuracy measuring principles in crystal optics | |
| JP3034390B2 (en) | Method for inspecting internal defect of transparent plate and sample stage therefor | |
| Arney et al. | Gloss granularity of electrophotographic prints |