Способ определения степени однородности одноосных кристаллов
METHOD OF DETERMINING HOMOGENEITY OF UNIAXIAL CRYSTALS

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.
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.
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.
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.
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.
Задачей изобретения является разработка способа определения степени однородности одноосных кристаллов, позволяющего определять их пригодность для использования в электронно-оптических и акустооптических устройствах.
0
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 N к общему числу пикселей получаемого изображения N, где k=1 характеризует однородность идеального кристалла.
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.
Изобретение поясняется графическими материалами:
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;
на Фиг.2 представлены положения образца при регистрации центральносимметричных коноскопических картин для анализа однородности определенной области образца;
на Фиг.3 представлены положения образца при регистрации коноскопических картин с различных областей;
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;
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.
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.
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.
NM
NM
NM
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,R,G,B], где N,M – значения координат пикселя, R,G,B – значения параметров аддитивной цветовой модели, соответствующие координатам пикселя. RGB (0,0,0) соответствуют черному цвету.
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.
0
Найдя отношение количества пикселей со значением RGB (0,0,0) N к общему значению пикселей изображения N, можно получить количественную величину характеризующую однородность образца, независящую от оптической системы и от разрешения ПЗС матрицы.
,      (1)
где k принимает значения в диапазоне от 0 до 1, значение 1 соответствует случаю идеального кристалла.
Способ осуществляется следующим образом:
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.
Примеры реализации способа.
3
3
-2
Пример 1. Исследовался образец, вырезанный из монокристалла парателлурита в направлении <111>. Размеры образца 20*20*10мм,  плотность дислокаций - 10-4∙10 см.
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.
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).
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.
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.