МАГНИТОПОЛЯРИСКОП

Устройство магнитооптического контроля качества магнитных материалов и изделий (магнитополярископ) относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для решения научных и прикладных задач физического материаловедения и неразрушающих магнитных методов контроля материалов и изделий, для визуализации и оценки пространственных распределений неоднородных магнитных полей и доменной структуры магнитных материалов.
Известно устройство, предназначенное для визуализации магнитной доменной структуры магнитных материалов, которое содержит последовательно расположенные источник излучения, поворотный поляризатор, компенсатор, объектив, призму косого освещения, поворотный анализатор и фотоприемник (видеокамеру) (М.М. Червинский, С.С. Глаголев, В.Б. Архангельский. Методы и средства измерений магнитных характеристик пленок. Л.: Энергоатомиздат, 1990. С. 133. Рис. 5.9). При исследовании образцов поляризатор, анализатор и компенсатор сначала устанавливаются на максимальное погасание (положение скрещивания), а затем раскрещиваются на небольшой угол для достижения максимального магнитооптического контраста.
Недостатком аналога является низкое значение достижимого контраста изображения доменной структуры, которое во многих случаях находится ниже порога восприятия наблюдателя. Повышение контраста в данном случае с помощью известных методов компьютерной обработки весьма затруднительно из-за неоднородной освещенности и значительного неинформативного шума реальных исследовательских объектов.
Известно устройство, в котором для повышения контраста производится совмещение изображения доменной структуры с опорным изображением, полученным с того же участка образца, намагниченного до насыщения. Цифровая обработка разностного видеосигнала, его накопление и усреднение позволяет многократно увеличить контраст изображения, выводимого на дисплей. (A Hubert, R Schäfer. Magnetic domains: the analysis of magnetic microstructure. 1998. Springer Berlin).
Недостатком этого устройства является необходимость получения опорного изображения путем доведения образца до магнитного насыщения внешним магнитным полем. Эта процедура нежелательна с точки зрения воздействия на магнитную предъисторию исследуемого объекта. Кроме того, для доведения до насыщения материалов с высокой коэрцитивной силой требуются специальные источники сильных магнитных полей, что усложняет методику и связано с техническими трудностями. Еще одним недостатком этого устройства является необходимость создания опорного изображения при каждой смене поля зрения. При длительных наблюдениях возникает дополнительное требование демпфирования сейсмических и техногенных вибраций устройства во избежание ухода опорного участка образца от исходного положения.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран дифференциальный поляризационно-оптический визуализатор, описанный в патенте США Patent Application Publication US 2007/0034803 A1 “Method and apparatus for real-time polarization difference imaging (PDI) video” (Int. Cl. Go1J 5/02).
В указанном устройстве для реализации дифференциального принципа формирования разностного поляризационно-оптического изображения используется двухлучевой поляризатор (поляризационный светоделительный куб, призма Волластона, Рошона и др. (Г.С. Ландсберг. Оптика. М.: Наука, 1976). Двухлучевой поляризатор устанавливается на пути светового пучка после прохождения через образец. Двухлучевой поляризатор отличается от обычного (однолучевого) поляризатора тем, что он расщепляет падающий пучок на две пространственно разделенные части, причем эти части поляризованы в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Интенсивность света в каждом пучке подчиняется закону Малюса, но азимуты плоскости поляризации отличаются для двух пучков на 90°. Интенсивности пучков в обоих каналах двухлучевого поляризатора равны друг другу, когда плоскость поляризации падающего света составляет угол 45° с поляризующими направлениями призмы. При повороте плоскости поляризации интенсивности двух пучков меняются обратным образом: увеличение интенсивности одного из них автоматически приводит к уменьшению интенсивности другого. Регистрация этой разности позволяет выделить вклад, обусловленный вращением плоскости поляризации, и исключить эффекты, связанные с нестабильностью источника излучения и неинформативной поляризационно-инвариантной частью изображения объекта. В результате указанный дифференциальный метод обеспечивает резкое улучшение соотношения сигнал/шум S/N, чувствительность и контраст поляризационно-оптических изображений.
Недостаток указанного прототипа состоит в том, что предложенная схема не соответствует оптимальной поляризационной геометрии. Известно, что при поляриметрических измерениях оптимальная поляризационная геометрия, при которой достигается максимальное отношение сигнал/шум S/N, требует выполнения условия
o
1/2
φ=90°-ξ,
o
где φ - оптимальный угол скрещивания поляризаторов, a ξ - параметр экстинкции, учитывающий несовершенство оптических элементов и численно равный отношению интенсивностей света, проходящего через поляризаторы при взаимно перпендикулярном и взаимно параллельном расположении их поляризующих направлений. Чем выше качество оптики, тем меньше значение ξ; в идеальном случае ξ обращается в нуль.
С учетом обобщенного закона Малюса
o
2
2
I=I(cosφ+ξsinφ)
и малости значения ξ (ξ<<1) можно записать следующее важное для практики соотношение
o
I=2Iξ,
o
т.е. при оптимальном значении угла скрещивания φ интенсивность света, проходящего через анализатор, вдвое превосходит интенсивность света при полном скрещивании.
o
В реальных условиях значения φ не превышают 1…2 градусов, что намного меньше 45-градусной геометрии, положенной в основу работы прототипа, вследствие чего в прототипе не реализуется максимально возможное улучшение контрастности изображения. Кроме того, следует также учитывать, что для достижения предельной чувствительности разработчики стремятся использовать высокие световые мощности. С этой точки зрения 45-градусная геометрия может оказаться невыгодной, поскольку здесь на фотоприемник падает половина полного высокоинтенсивного светового потока. При высоких уровнях засветки фотоприемники начинают вести себя нелинейным образом и терять свою чувствительность, также при этом не исключается их выход из строя.
Задачей предлагаемой полезной модели является устранение недостатков, отмеченных у прототипа, т.е. создание устройства для визуализации и оценки пространственных распределений неоднородных магнитных полей и доменной структуры магнитных материалов, в котором путем усовершенствования структурной схемы достигалось бы повышение контрастности поляризационно-оптических изображений и обеспечение щадящих режимов работы фотоприемных регистраторов.
Для достижения поставленной цели (технического результата) предлагается изменение структурной схемы двухлучевого магнитополярископа, в котором для повышения контраста изображения и обеспечения щадящего режима работы фотоприемников создаются условия, приближенные к оптимальной поляризационной геометрии. Существенным отличием является использование для расщепления (деления) светового пучка поляризационно-изотропного делителя, не оказывающего влияние на состояние поляризации проходящего и отраженного света. В качестве такого делителя может использоваться стеклянная полупрозрачная пластинка в условиях почти нормального падения.
Поставленная задача и технический результат достигаются с помощью магнитополярископа, содержащего оптически связанные источник излучения, фокусирующую линзу, коллиматор, блок поляризации и деления светового пучка, двухканальный блок регистрации и обработки сигнала, содержащий в качестве входных приемников излучения две отдельные видеокамеры, отличающийся тем, что блок поляризации и деления светового пучка выполнен в виде однолучевого поляризатора и поляризационно-изотропного делителя, создающего два независимых пучка оптически связанных с двумя однолучевыми анализаторами поляризации с независимой установкой осей пропускания.
Техническая сущность и принцип действия магнитополярископа поясняются чертежом (Фиг. 1).
Устройство содержит источник излучения (1), фокусирующую призму (2), коллиматор (3), поляризатор (4), поляризационно-изотропный делитель пучка (6), фокусирующую линзу (7), первый поворотный анализатор (8), первую видеокамеру (9), второй поворотный анализатор (10), фокусирующую линзу (11), вторую видеокамеру (12), электронный блок нормировки и первичной фильтрации изображений (13), компьютер (14).
Расходящийся пучок света от источника излучения (1) преобразуется в параллельный пучок с помощью линзы (2) и коллиматора (3), пропускается через поляризатор (4) и образец (5). После прохождения через образец свет направляется на поляризационно-изотропный делитель пучка (60) на две части с помощью стеклянной полупрозрачной пластинки, установленной под углом, близким к нормали к плоскости пластинки. Один из полученных пучков проходит через делитель, фокусирующую линзу (7), поворотный анализатор (80) и направляется на первую фотоприемную матрицу (9). Второй пучок отражается от поверхности делителя (6), проходит через анализатор (10), фокусирующую линзу (11) и направляется на вторую фотоприемную матрицу (12). Выходы первого и второго матричного фотоприемника соединены с блоком регистрации и нормировки сигналов (13), выход которого сопряжен с персональным компьютером (14).
Устройство работает следующим образом. Испытуемый образец (5) помещается на предметный столик и освещается постоянным источником излучения (1) (лазер, лампа накаливания, светодиод). Визуальный контроль сфокусированного изображения осуществляется с помощью монитора персонального компьютера (14). Путем вращения производится предварительная установка угловых положений первого анализатора (8) и второго анализатора (10) в скрещенное положение, определяемое по минимальной освещенности изображения. После этого производится симметричное раскрещивание анализаторов (8) и (10) путем их вращения в разные стороны (по и против часовой стрелки) на равные по модулю углы. Оптимальное значение углов раскрещивания определяется оператором путем визуальной или фотометрической оценки качества изображения (значений контраста информативных элементов изображения). Конкретные значения оптимального угла раскрещивания зависят от качества оптических элементов магнитополярископа и оптических свойств объекта. Для реальных экспериментальных условий этот угол варьируется в диапазоне от десятых долей до единиц угловых градусов, соответственно интенсивность выходящего света оказывается незначительной, благодаря чему решается проблема щадящего режима работы видеокамер. После установления оптимального угла раскрещивания двух анализаторов производится их раздельная регистрация с помощью двух фотоприемников (видеокамер), выходы которых подключены к электронному блоку нормировки и предварительной фильтрации с последующим вводом соответствующих сигналов в компьютер.
С помощью компьютера производится окончательная обработка результата, включающая обязательную операцию компьютерного вычитания одного изображения из другого. Дополнительно могут производиться другие известные компьютерные процедуры обработки изображений, к числу которых относятся контрастирование, выравнивание фона, устранение шумовых составляющих и др.
Эффективность данного устройства определяется тем, что полученные после прохождения через анализаторы первое и второе изображение характеризуются инверсией поляризационно-оптического контраста подобно фотографическим негативам и позитивам. Операция компьютерного вычитания двух изображений выполняется как операция сложения исходного первого изображения с инвертированным вторым изображением, что приводит к увеличению информативного контраста. В то же время неинформативная поляризационно-инвариантная часть одинакова для обоих изображений, поэтому при инвертировании и сложении эти части компенсируют друг друга. Именно эта главная особенность - компенсация неинформативного фона определяет высокую эффективность предлагаемого устройства.
Экспериментальная проверка эффективности предлагаемого магнитополярископа осуществлялась при наблюдениях магнитной доменной структуры ряда магнитных материалов, в число которых входили монокристаллы сплавов редкоземельных металлов с кобальтом, тонкие пленки висмутзамещенных ферритов гранатов, коммерческие образцы постоянных магнитов из сплава железо-неодим-бор. Проводились фотометрическая оценки средних значений коэффициента контрастности C=|(C1-C2)|/(C1+C2), где C1 - интенсивность изображения одного из контролируемых доменов 180-градусного типа, а C2 - интенсивность изображения соседнего домена для 45-градусной ориентации осей пропускания анализаторов согласно прототипу, и для оптимизированной ориентации анализаторов, которые находились в пределах значений углов раскрещивания от 0,5 до 4 угловых градусов согласно предлагаемому устройству. Испытания проводились при прочих равных параметрах источника излучения и оптических элементов магнитополярископа. Компьютерная обработка изображений не применялась за исключением операции компьютерного вычитания. Установлено, что предлагаемое устройство обеспечивает получение для указанных материалов значений коэффициента контрастности C~0,2…0,8, что в несколько раз превышает значения C, полученное согласно прототипу. Наиболее эффективным является применение предлагаемого устройства для слабоконтрастных зашумленных объектов.