eng
Содержание
Содержание
Часть I. Основные принципы...............................................................................15
Глава 1. Взаимодействие электромагнитного излучения с материалом....................15
1.1.
Введение.......................................................................................................15
1.1.1.
Технология – структура – свойства......................................................16
1.1.2.
Оптические и неоптические методы.....................................................17
1.1.3.
Возможности автоматизированных микроскопов...............................18
1.1.4.
Моделирование и визуализация трехмерных объектов.......................20
1.2.
Характеристики электромагнитного излучения.........................................21
1.2.1.
Математическое моделирование и физическая реальность................21
1.2.2.
Электромагнитная волна.......................................................................22
1.2.3.
Показатель преломления.......................................................................25
1.2.4.
Групповая скорость................................................................................29
1.2.5.
Поляризация..........................................................................................30
1.2.6.
Поляризаторы и пластинки в четверть длины волны..........................32
1.3.
Распространение световых волн..................................................................34
1.3.1.
Отражение света от плоских поверхностей..........................................34
1.3.2.
Влияние угла падения на коэффициент отражения............................36
1.3.3.
Отражение от неплоских поверхностей................................................37
1.3.4.
Интерференция волн............................................................................38
1.3.5.
Светофильтры........................................................................................42
1.3.6.
Дифракция.............................................................................................44
1.3.7.
Поглощение света..................................................................................46
1.3.8.
Квантовая механика и теория Бора......................................................49
1.3.9.
Источники электромагнитного излучения...........................................53
1.4.
Конструкция микроскопа............................................................................55
1.4.1.
Линзы.....................................................................................................55
1.4.2.
Микроскоп............................................................................................60
1.4.3.
Аберрация..............................................................................................64
1.4.4.
Оптический микроскоп проходящего света.........................................71
1.4.5.
Оптический микроскоп отраженного света.........................................72
1.4.6.
Флуоресцентный микроскоп................................................................73
1.4.7.
Методы темного поля, фазового контраста и интерференционная
микроскопия .........................................................................................74
1.4.8.
Поляризационный микроскоп.............................................................78
1.5.
Фотоника......................................................................................................79
1.5.1.
Магнитооптические и электрооптические материалы........................79
1.5.2.
Оптические свойства линзы..................................................................82
1.5.3.
Оптоэлектронные нейронные сети......................................................85
1.5.4.
Будущее компьютерной оптической микроскопии.............................87
1.6.
Литература....................................................................................................89
1.7.
Дополнительная литература.........................................................................89
Глава 2. Цифровое изображение и его обработка...................................................90
2.1.
Введение.......................................................................................................90
2.2.
Цифровая информация................................................................................91
2.2.1.
Числовые коды......................................................................................91
2.2.2.
Кодирование текста...............................................................................92
2.2.3.
Кодированные процессы и действия....................................................93
2.3.
История развития вычислительных методов .............................................95
2.3.1.
Транзистор.............................................................................................95
2.3.3.
Motorola 6802.......................................................................................100
2.3.2
История развития микропроцессоров.................................................100
2.3.4.
Измерительные системы Vela и LabView.............................................102
2.3.5.
Связь языка программирования с электроникой...............................104
2.3.6.
Транспьютер T800 фирмы INMOS.....................................................104
2.3.7.
Сигнальный процессор (DSP)............................................................107
2.3.8.
Корреляция и свертка..........................................................................110
2.3.9.
Прогноз вычислительных возможностей...........................................110
2.4.
ПЗС-матрицы.............................................................................................111
2.4.1.
Спектральные характеристики...........................................................113
2.4.2.
Температура эксплуатации..................................................................114
2.4.3.
Спектральное и пространственное разрешение.................................115
2.4.4.
Диапазон измерений и увеличение.....................................................116
2.5.
Оцифровка и АЦП-устройства...................................................................116
2.5.1.
Медленное сканирование в режиме реального времени...................119
2.5.2.
Ошибки, обусловленные дискретностью сигнала..............................119
2.5.3.
Значения времени выборки.................................................................120
2.5.4.
Теорема Котельникова о частоте съема информации........................121
2.5.5.
Видеокарты C80 и «Genesis» ...............................................................122
2.6.
Цифровое изображение..............................................................................125
2.6.1.
Структура цифрового изображения....................................................125
2.6.2.
Анализ изображения............................................................................128
2.6.3.
Преобразование изображения.............................................................129
2.7.
Хранение и редактирование изображений................................................130
2.7.1.
Структура файлов данных...................................................................130
2.7.2.
Формат изображения...........................................................................132
2.7.3.
Сжатие без потери качества.................................................................134
2.7.4.
Сжатие с потерей информации...........................................................134
2.8.
Преобразовавние изображения..................................................................134
2.8.1.
Коррекция изображения.....................................................................135
2.8.2.
Преобразование распределения интенсивности................................138
2.8.3.
Пространственные фильтры................................................................140
2.8.4.
Частотный фильтр...............................................................................141
2.8.5.
Преобразование Хоуга.........................................................................143
2.8.6.
Выделение областей.............................................................................148
2.8.7.
Характеризация и классификация......................................................151
2.9.
Ошибки и стереология...............................................................................151
2.10.
Литература.................................................................................................154
Часть II. Микроскопия отраженного света и конфокальная растровая
лазерная микроскопия.........................................................................155
Глава 3. Микроскопия отраженного света ..........................................................155
3.1.
Введение......................................................................................................155
3.1.1.
Подготовка образца.............................................................................158
3.1.2.
Микроскоп Olympus BH2....................................................................160
3.1.3.
Измерения на единичном кадре..........................................................162
3.2.
Автоматизированная микроскопия крупных областей............................169
3.2.1.
Введение...............................................................................................169
3.2.2.
Система на основе транспьютеров......................................................172
3.2.3.
Калибровка поля зрения......................................................................173
3.2.4.
Определение ориентации волокна......................................................176
3.2.5.
Волокна необычной формы................................................................181
3.3.
Ориентация волокон в композитах, полученных литьем под давлением...185
3.3.1.
Краткое описание................................................................................185
3.3.2.
Введение..............................................................................................186
3.3.3.
Автоматизированная система определения ориентации волокон.....189
3.3.4.
Стереология.........................................................................................191
3.3.5.
Разделение касающихся волокон........................................................191
3.3.6.
Характеристики степени ориентации волокон..................................193
3.3.7.
Анализ процесса многократной инжекции расплава.........................194
3.3.8.
Заключительные замечания................................................................196
3.4.
Измерение длины волокон.........................................................................196
3.4.1.
Краткое описание................................................................................196
3.4.2.
Введение..............................................................................................197
3.4.3.
Области детекции................................................................................198
3.4.4.
Метод...................................................................................................200
3.4.5.
Результаты............................................................................................202
3.5.
Последние достижения...............................................................................202
3.5.1.
Последовательные 2D-сечения...........................................................202
3.5.2.
Изучение трехмерной структуры композита......................................206
3.6.
Литература..................................................................................................207
Глава 4. 3D конфокальная лазерная сканирующая микроскопия...........................211
4.1.
Принципы конфокальной лазерной сканирующей микроскопии..........211
4.1.1.
Первые конфокальные микроскопы..................................................211
4.1.2.
Оптика конфокального микроскопа...................................................215
4.2.
Современные конфокальные микроскопы...............................................218
4.2.1.
Конфокальный микроскоп Biorad MRС 500......................................219
4.2.2.
Конфокальный микроскоп «Одиссей» фирмы Норан......................220
4.3.
Оптические сечения....................................................................................222
4.3.1.
Влияние диафрагмы.............................................................................223
4.3.2.
Показатель преломления и проблема глубины..................................225
4.3.3.
Максимальная глубина проникновения............................................22810 Содержание
4.3.4.
Уменьшение интенсивности света в образце......................................228
4.3.5.
Интерпретация данных........................................................................230
4.4.
Проблемы калибровки................................................................................230
4.4.1.
Коррекция неравномерности освещенности.....................................230
4.4.2.
Геометрическая коррекция..................................................................232
4.4.3.
Z-калибровка.......................................................................................234
4.5.
Способы построения изображения............................................................235
4.5.1.
Работа в отраженном и флуоресцентном свете..................................235
4.5.2.
Представление трехмерной структуры...............................................238
4.5.3.
Методы получения тонких оптических сечений................................241
4.5.4.
Исследование поверхности.................................................................241
4.5.5.
Автофокусировка микроскопа............................................................245
4.6.
Анализ тонких пленок, наполненных частицами.....................................246
4.6.1.
Краткое описание................................................................................246
4.6.2.
Полимерные пленки............................................................................247
4.6.3.
Стереологический анализ частиц........................................................248
4.6.4.
Анализ частиц методом конфокальной микроскопии.......................249
4.6.5.
Методы измерения объема..................................................................250
4.6.6.
Эксперимент........................................................................................254
4.6.7.
Результаты и выводы............................................................................255
4.7.
Исследование волнистости волокон..........................................................256
4.7.1.
Краткое описание.................................................................................256
4.7.2.
Введение..............................................................................................257
4.7.3.
Изучение однонаправленных композитов
методом конфокальной микроскопии................................................260
4.7.4.
Изучение формы волокон....................................................................262
4.7.5.
Анализ многослойных композитов.....................................................264
4.7.6.
Изучение волнистости волокон..........................................................267
4.7.7.
Заключение..........................................................................................273
4.8.
Перспектива развития конфокальной микроскопии................................273
4.9.
Литература..................................................................................................274
Часть III. Дополнительные микроскопические методы........................................278
Глава 5. Дополнительные оптические и электромагнитные методы исследования...278
5.1.
Введение......................................................................................................278
5.2.
Рамановская микроскопия.........................................................................280
5.2.1.
Раманскоп............................................................................................282
5.2.2.
Дополнительные методы, связанные с эффектом
комбинационного рассеяния..............................................................284
5.3.
Растровая атомно-силовая микроскопия и микроскопия ближнего поля.287
5.3.1.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).................................290
5.3.2.
Атомно-силовой микроскоп (AСM)...................................................291
5.3.3.
Сканирующая микроскопия ближнего поля......................................292
5.4.
Дополнительные оптические и электромагнитные методы.....................294
5.4.1.
Термография и метод Фурье-анализа инфракрасного света (FTIR)..294
5.4.2.
Флуоресцентная микроскопия (FLIM)..............................................298
5.4.3.
Программируемый матричный микроскоп (ПММ)
с двойным оптическим путем..............................................................300
5.4.4.
Когерентная оптическая томография.................................................301
5.5.
Рентгеновская микроскопия, томография и микротомография..............304
5.5.1.
Микроскопы, использующие мягкое рентгеновское излучение.......304
5.5.2.
Рентгеновская микрорадиография......................................................307
5.6.
Рентгеновская микротомография волокнистых материалов....................308
5.6.1.
Краткое описание.................................................................................308
5.6.2.
Введение..............................................................................................308
5.6.3.
Рентгеновская компьютерная томография.........................................310
5.6.4.
Качество изображения. Артефакты и разрешение.............................311
5.6.5.
Текстильные и композиционные волокнистые материалы...............313
5.6.6.
Микротомография волокнистых структур.........................................315
5.6.7.
Автоматизированный анализ формы волокон...................................316
5.6.8.
Выводы.................................................................................................320
5.7.
Литература..................................................................................................321
Глава 6. Другие микроскопические методы..........................................................327
6.1.
Растровая и просвечивающая электронная микроскопия ......................329
6.1.1.
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
и Оже-спектроскопия..........................................................................334
6.1.2.
Спектроскопия отраженных электронов и спектроскопия
энергопотерь электронов.....................................................................335
6.2.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).......................................................338
6.2.1.
Основные принципы ЯМР..................................................................338
6.2.2.
Практические соображения................................................................339
6.2.3.
Применение ЯМР в материаловедении..............................................341
6.3.
Ультразвуковая и сканирующая акустическая микроскопия...................341
6.3.1.
Введение..............................................................................................342
6.3.2.
Сканирующая акустическая микроскопия.........................................343
6.3.3.
Сканирующие системы, измеряющие время
распространения ультразвука.............................................................344
6.4.
Ультразвуковая трехмерная картография констант упругости
композиционных материалов...................................................................345
6.4.1.
Введение..............................................................................................345
6.4.2.
Методология........................................................................................348
6.4.3.
Исследование полиметилметакрилата................................................353
6.4.4.
Углепластики, армированные непрерывными волокнами................357
6.4.5.
Стеклопластик, полученный методом литья под давлением.............358
6.4.6.
Выводы.................................................................................................362
6.5.
Заключение.................................................................................................366
6.6.
Литература..................................................................................................368