Способ измерения интенсивности рассеянного оптического излучения

 

Изобретение относится к области технической физики, в частности, к способам измерения интенсивности рассеяния оптического излучения веществом, позволяющим получать локальные, а также усредненные по поверхности исследуемого объекта характеристики рассеяния. Способ основан на использовании явления оптической интерференции. Изображение исследуемого участка поверхности объекта проектируется на приемную площадку ПЗС-видеокамеры, где интерферирует с опорным пучком, фаза которого линейно меняется во времени. Компьютерная поэлементная обработка видеопоследовательности интерферограмм позволяет выделить из общего сигнала интерференционную компоненту, что приводит, при использовании величины интенсивности опорного излучения много большей интенсивности рассеянного излучения, к существенному (на порядки) уменьшению погрешности измерений по сравнению с известными способами. Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения пространственного распределения интенсивности рассеянного излучения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области технической физики и, в частности, к способам измерения пространственного распределения интенсивности рассеянного оптического излучения объектами, размеры которых меньше длины волны излучения и которые распределены по поверхности, исследуемый участок которой можно считать плоским. Этот способ позволяет исследовать оптические свойства веществ в различных агрегатных состояниях, например, рассеивающих свойств поверхностей оптических изделий, определять ряд оптических параметров молекулярных объектов и т.д. Способ может быть использован при решении некоторых задач в области нанотехнологий.

Один из способов измерения интенсивности рассеяния оптического излучения J веществом состоит в том, что в случае упругого рассеяния света рассеивающий объект и фотоприемник располагают обычно под прямым углом к падающему на вещество световому потоку и измеряют интенсивность J [1]. Здесь применяется метод геометрического разделения падающего и рассеянного излучения. При этом в качестве фотоприемника используются как правило фотодиод или ФЭУ [1].

Недостатками этого способа являются сложность получения информации о пространственном распределении интенсивности рассеянного излучения, поскольку необходимое для решения этой задачи сканирование связано со значительными затратами времени, что не всегда приемлемо, а также весьма не просто в реализации. В частности, информация о пространственном распределении интенсивности рассеянного излучения может быть использована для определения среднего значения величины J.

Другим способом измерения интенсивности излучения и его пространственного распределения является способ, основанный на использовании многоэлементных преобразователей излучения (многоканальных фотоприемников) [1].

Недостатком этого способа является относительно невысокая чувствительность (по сравнению с упомянутым выше способом) измерения величины J.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение погрешности измерения пространственного распределения интенсивности рассеянного излучения J(x, y), где х, y - координаты в плоскости, в которой располагаются фоторегистрирующие элементы и, в частности, уменьшение погрешности среднего значения интенсивности рассеянного излучения в плоскости х, y, а также ускорение процесса измерения величин J(x, y) и .

Для достижения указанного технического результата в соответствии с предлагаемым способом оптическое излучение, рассеянное объектами, размер которых меньше длины волны излучения λ и которые расположены на плоской поверхности, направляют на поверхность ПЗС-матрицы видеокамеры. Здесь интенсивность рассеянного излучения J=J(x, y), где х, y – координаты данного элемента ПЗС-матрицы. На эту же поверхность ПЗС-матрицы подают когерентное с рассеянным излучение, называемое опорным, которое интерферирует с рассеянным излучением. При этом обеспечивают интенсивность опорного излучения J₀=J₀(x, y), по крайней мере, на два или три порядка больше, чем J=J(x, y). Величины J и J₀ для определенности будут измеряться в единицах плотности мощности. Кроме того, разность фаз интерферирующих лучей рассеянного и опорного излучений изменяют с постоянным шагом Δ ϕ , например, с помощью подвижного зеркала, согласно выражению

последовательно необходимое число раз n=1, 2, 3,... для определения всех неизвестных величин, входящих в выражение для поэлементно записываемой ПЗС-матрицей локальной интенсивности J_n(x, y), являющейся результатом интерференции, которая связана с величинами J₀, J и Ф_n(х, y) соотношением

Здесь известны значения J_n(x, y), а неизвестными величинами являются J₀, J и с учетом (1) Δ ϕ и сдвиг фазы Ф₀(х, y), зависящий только от координат х, y элемента ПЗС-матрицы. В выражении (2) опущено слагаемое J, поскольку J₀>>J, а существенное слагаемое, содержащее множитель , оставлено, т.к. соsФ_n(х, y) может принимать значения соsФ_n(х, y)≈ 1.

Затем для каждого элемента ПЗС-матрицы с координатами х, y путем обработки полученных для него данных по методу наименьших квадратов находят наиболее вероятные значения J₀, , откуда определяют пространственное распределение рассеянного излучения J=J(x, y).

Далее, производя усреднение величины J=J(x, y) по всем элементам ПЗС-матрицы, определяют среднее значение интенсивности рассеянного излучения .

Определяемые величины J(x, y), J₀ и являются интенсивностями оптического излучения с точностью до постоянного множителя, который можно определить независимым способом, например, проводя измерения с помощью рассеивающего объекта с известными характеристиками.

Наконец, производят измерение интенсивности J при различных интенсивностях падающего на рассеивающие объекты оптического излучения и, тем самым, определяют функциональную зависимость J от интенсивности падающего излучения. В принципе, это дает возможность определять нелинейные поправки зависимости интенсивности рассеянного света от интенсивности падающего света, если такие поправки имеют место. Для этого по экспериментально полученным данным зависимости величины рассеянного излучения от величины падающего методом наименьших квадратов находится кривая, представляемая полиномом степени выше первой, коэффициенты при старших степенях которого несут информацию о нелинейности.

Предложенный способ может быть реализован с помощью устройства, представленного на фиг.1. Согласно фиг.1 устройство содержит излучатель, состоящий из источника света 1, коллимирующей линзы 2, сменного узкополосного фильтра 3. Далее в устройство входят светоделительная пластинка 4, делящая пучок света на предметный и опорный пучки; объектив 5; рассеивающие излучение предметного пучка объекты 6, расположенные на плоскости, ориентированной так, что зеркальная компонента отраженного предметного луча выводится из устройства, а рассеянное излучение через объектив 5 направляется по пути, обратному предметному лучу. Опорный пучок, идущий через сменный оптический ослабитель опорного пучка 7; оптический объектив для опорного пучка 8; зеркало для отражения опорного пучка 9; объектив 10, через который проходит отраженный от зеркала 9 опорный пучок света и рассеянное излучение от предметного пучка; видеокамера 11, регистрирующая интерференцию излучений, выходящих из объектива 10; компьютер 12, обрабатывающий интерференционную картину; сменный оптический ослабитель 13 для регулировки интенсивности предметного оптического пучка.

Способ реализуется следующим образом. Свет от излучателя 1 через коллимирующую линзу 2 и сменный узкополосный фильтр 3 попадает на делительную пластину 4, которая делит пучок света на опорный и предметный пучки. Предметный пучок, направленный через объектив 5, попадает на рассеивающие объекты 6, расположенные на плоскости, ориентированной так, что зеркальная компонента, отраженного предметного луча выводится из устройства, а рассеянное излучение через объектив 5 направляется по пути, обратному предметному лучу. Опорный пучок, идущий через рассеянное излучение через объектив 5, направляется по пути, обратному предметному лучу. Опорный пучок, идущий через сменный оптический ослабитель 7 и далее через объектив 8, отражается от зеркала 9 и далее идет в обратном направлении до делительной пластинки 4, где встречается с пучком, собранным объективом 5 из рассеянного объектами излучения и, оба пучка, проходя через объектив 10, попадают на ПЗС-матрицу видеокамеры 11, где регистрируется их интерференция. Видеосигнал с ПЗС-матрицы захватывается специальной картой компьютера 12 и обрабатывается по специальной программе с использованием формул (1) и (2); Результаты измерения, т.е. величины J=J(x, y) и J, выводятся на экране монитора ПК.

Мощность оптического излучения, падающего на рассеивающие объекты, можно регулировать с помощью изменения мощности излучателя 1 и надлежащего выбора сменного оптического ослабителя 13. При изменении мощности излучателя 1 можно с помощью сменных ослабителей 7 добиться сохранения оптимального значения интенсивности J₀ опорного излучения, интерферирующего с исследуемым рассеянным излучением.

Приведем физические обоснования предлагаемого способа. Прежде всего оценим абсолютную среднеквадратичную погрешность Δ J, с которой определяется величина J, и покажем, что при абсолютных погрешностях Δ J_n и Δ J₀ определения величин J_n и J₀ данным регистратором (измерителем) имеет место неравенство Δ J<<Δ J_n, Δ J₀, т.е. имеет место уменьшение погрешности измерения рассеянного объектами излучения.

Пусть в (2) фаза Ф _n≈ 0. Тогда имеем J=(J_n-J₀) ²/4J₀. Относительная погрешность измерения Δ J/J с учетом того, что Δ J_n≈ Δ J₀, J_n-J₀≈ 2 , равна

т.е. абсолютная среднеквадратичная погрешность

Из выражения (3) видно, что абсолютная погрешность измерения интенсивности рассеянного излучения данным измерителем, у которого абсолютная погрешность измерения интенсивностей J_n и J₀ равна Δ J_n≈ Δ J₀, уменьшается с увеличением отношения J₀/J. Таким образом, достигается эффект уменьшения погрешности определения малой величины интенсивности рассеянного излучения. Эта погрешность может быть существенно меньше погрешности Δ J_n≈ Δ J₀ используемого регистратора (измерителя) величин J_n и J₀. Значение величины J ₀ ограничивается рабочим диапазоном измерителя.

Поскольку интенсивность рассеянного объектами излучения J мала, то необходимо оценить физическую возможность измерения этой величины на фоне диффузного рассеяния на оптических элементах аппаратуры, а также сравнить с предельной чувствительностью регистрирующей аппаратуры, т.е. с чувствительностью ПЗС-матрицы Δ J_n≈ Δ J₀.

Для оценки интенсивности J можно положить где σ - сечение рассеяния объектом падающего излучения, интенсивность которого J₀; S - площадь, которую занимает изображение объекта при его проектировании оптической системой на ПЗС-матрицу видеокамеры.

Характерная интенсивность диффузного рассеяния падающего на оптические элементы излучения , где а - характерный размер неровностей на поверхности оптических элементов. Таким образом, для наблюдения рассеянного излучения с интенсивностью J необходимо выполнение следующих неравенств

Очевидно, что эти неравенства вполне могут выполняться. Например, для объекта с большой диэлектрической проницаемостью ε >>1, размер которого R много больше длины волны λ , сечение рассеяния σ дается выражением σ ≈ 4π R⁶(ω /c)⁴ [2]. Здесь с - скорость света в вакууме и λ - длина волны оптического излучения. Если R≈ λ /3 и λ ~10^-4 см, то σ ~10^-10 см². Величина S может иметь порядок S≈ λ ²~10^-8 см². Современные технологии допускают изготовление оптических элементов с неровностями а≈ λ /100. Наконец, чувствительность ПЗС-матрицы Δ J_n≈ Δ J₀≈ 10^-11 Вт/см².

Таким образом, видно, что, например, неравенства (4) могут выполняться, тем более, что при резонансном рассеянии излучения сечения рассеяния σ могут быть порядка σ ≈ λ ² [3]. Отметим также, что используя, например, результаты работы [3], можно показать, что для рассмотренной в настоящей заявке системы имеет место интерференция между рассеянным и опорным излучениями, т.е. справедливо выражение (2).

Наконец, отметим, что устройство, представленное на фиг.1, вполне работоспособно, поскольку оно по существу представляет собой схему компьютерного фазового микроскопа [4, 5], где, однако, интересуются только фазами Ф_n(х, y), поскольку они связаны с рельефом исследуемой поверхности.

В настоящей же заявке предлагается с некоторыми изменениями использовать эту схему по другому назначению.

В настоящее время заявителям неизвестны объекты из анализа научной и патентной литературы, в которых есть признаки, являющиеся отличительными в заявленном техническом решении, то есть техническое свойство анализируемого объекта ново и не присуще известным объектам, в том числе и аналогу.

Таким образом, свойством, заключающимся в том, что согласно предлагаемому изобретению уменьшается погрешность измерения пространственного распределения интенсивности рассеянного излучения, обладает объект, характеризуемый совокупностью признаков в полном объеме формулы, то есть техническое решение представляет собой новую совокупность признаков и нового технического свойства, то есть отвечает критерию "существенные отличия".

Литература

1. Л.В.Левшин, А.М.Салецкий. Оптические методы исследования молекулярных систем. М., изд-во МГУ, 1994 г., с.276-280.

2. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. М., ГИТТЛ, 1957 г., с.384.

3. B.I.Makshantsev, V.B.Makshantsev. Chem. Phys., v. 271, p.107, 2001.

4. В.П.Тычинский. Компьютерный фазовый микроскоп. Сер. "Радиоэлектроника и связь", №5, М., Знание, 1989, 64 с.

5. J.Van Wingerden, H.J.Frankena, B.A. van der Zwan. Optical Engineering, v. 31, №11, р.2450, 1992.

Формула изобретения

1. Способ измерения пространственного распределения интенсивности оптического излучения, рассеянного объектами, размер которых меньше длины волны излучения, расположенными на плоскости S, и измерения среднего значения величины интенсивности рассеяния, включающий подачу на объекты оптического излучения, и регистрацию фотоприемным устройством той части этого излучения, которая рассеивается объектами, отличающийся тем, что на ПЗС-матрицу через оптическую систему, которая строит на поверхности ПЗС-матрицы изображение объектов, направляют рассеянное излучение, распределение интенсивности которого на этой поверхности J(x, y), где х, y - координаты элементов ПЗС-матрицы, причем рассеянное излучение не содержит за счет ориентации плоскости S зеркально отраженной компоненты, одновременно на ПЗС-матрицу подают когерентное с рассеянным излучение, интенсивность которого J₀(х, y) больше, по крайней мере, на два или три порядка, чем J(x, y), с которым рассеянное излучение интерферирует, при этом разность фаз интерферирующих лучей изменяют с постоянным шагом Δϕ, например, с помощью подвижного зеркала, согласно формуле

Ф_n(х, у)=Ф₀(х, y)+(n-1)Δϕ,

где n=1, 2, 3,...;

х, y - координаты элемента ПЗС-матрицы;

Ф₀(х, y) - сдвиг фазы, зависящей только от х, y,

и при каждом шаге фазы ПЗС-матрицей поэлементно записывается локальная интенсивность J_n(x, y), являющаяся результатом интерференции, которая связана с величинами J₀, J и Ф_n (х, y) выражением

где J₀=J₀(x, y), J=J(x, y),

затем для данного элемента (х, y) путем обработки по методу наименьших квадратов находят наиболее вероятные значения J₀, откуда определяют J=J(x, y), затем производят усреднение величины J=J(x, y) по всем элементам ПЗС-матрицы, что и является усредненным значением измеряемой интенсивности с точностью до постоянного множителя, который определяется независимым способом, например, с помощью рассеивающего объекта с известными характеристиками.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют интенсивность J при различных интенсивностях падающего на рассеивающие объекты оптического излучения и определяют функциональную зависимость J от интенсивности падающего излучения.

РИСУНКИ