Рїр»Рѕсѓрєрѕсѓс‚Рѕс‹Рµ осенние поделки: Разработки Рабочей Группы по стандартам —

Виртуальный оптический микроскоп

Виртуальный оптический микроскоп

Введение

Теория

Симулятор

Авторы

Цель работы: знакомство СЃ устройством Рё принципом работы современного оптического РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР °, отработка навыков получения изображений РјРёРєСЂРѕ- Рё нанообъектов РІ СЂР°Р·Р»РёС ‡РЅС‹С… режимах.

Оптический РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРї, предназначенный для формирования изображения объектов, детали которых трудно или невозможно различить невооруженным глазом, является РѕРґРЅРёРј РёР · важнейших исследовательских инструментов РІ различных отраслях науки Рё техники. Современные РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїС‹ обладают широким набором режимов работы, владение которыми необходимо для успешного решения любой поставленной перед исследователем задачи.

Данная лабораторная работа предназначена дея РѕРѕРхРЅР» СЃ устройством Рё основными методами оптической РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРёРё, Р° также для отработки навы РєРѕРІ получения цифровых изображений микрообъекѰ°°ёРѕР·РР” РЅёС…

Оптические РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїС‹ состоят РёР· трех систем линз: конденсора, объектива Рё окуляра, Рё предметного столикР°, РЅР° котором закрепляется иссДедуемый образец (Р РёСЃ. 1). Конденсор представляет СЃРѕР±РѕР№ систему линз Рё/или зеркал, предназначенную для направл ения световых лучей РѕС‚ источника Рє образцу. Объектив (объективная линза) создает действительное увеличенное изображение РѕР ±СЂР°Р·С†Р°, проектируемое РЅР° окуляр.

РёСЃ. 1. Рюкзак Olympus BX-51. Цифрами отмечены: 1 – окуляр, 2 – объектив, 3 – предметный столик, 4 – конденсор.

Качество получаемого оптическим микроскопом изображения определяется, главным образ ом, объективной линзой. Объективные линзы имеют ряд характеристик:

1. Увеличение. РћСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ функцией объективной линзы является создание действительного увеличенного РёР·РѕР±СЂР °Р¶РµРЅРёСЏ образца РІ фокаДьной плоскости окуляра. Увеличение объектива равно отношению размера промежуточного изображения, которое РѕРЅ СЃРѕР·РґР° ет, Рє истинному размеру деталей образца.
2. Числовая апертура. Каждая точка поверхности образца отражает РІ объектив конусообраР· Rssc ‹r№ rїssѓs ‡ rsrє csrIrіrµr ° csѓS ‡ rsrє cSrI -rіrS ° cѓ -grIr» Отсюда возникает понятие числовой апертуры. Р—Р° числовую апертуру линзы принимают угловую апертуру конусообразного светового пучка, пропускаемого линзой. Рта величина характеризует способность линзы собирать световые лучи .
3. азрешающая способность. r ўrSr№SѓS ° rSrSrSrSr · c ‹rsr ± cљrµcrёrёr ° c — ° r · rґr мкрт ° rєr -rєr -rєr -rєr -rєr -rєr -rєr -rєr -rєr -rєr -rєr -rєr -rєr -rєr ° образца называется разрешающей способностью лнзы. Ограничение разрешающей способности РІ оптике возникают вследствие аберраций (РѕС€ РёР±РѕРє) элементов оптических систем Рё РёР·-Р·Р° явления дифракции (точка объекта РёР ·РѕР±СЂР°Р¶Р°РµС‚СЃСЏ РІ РІРёРґРµ «РєСЂСѓР¶РєР° рассеяния»). Если расстояние между крайними точками детали объекта меньше «кружка рассеяния », то данный элемент объекта находится Р·Р° пределом разрешающей СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕСЃС ‚Рё РїСЂРёР±РѕСЂР° Рё РЅРµ может быть исследован.
4. ГЛАВНАЯ ИНФОРМАЦИЯ. Характеризуется величиной вертикального смещения деталей образца, которое может быть произведено без потери фокусировки. РџСЂРё РіСЂСѓР±РѕР№ поверхности образца целесообразно использовать объективы СЃ малой числовой апертурой.

Основными режимами, РІ которых работает любой современный оптический РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРї, являются режим проходящего света Рё режим отраженного света. Р’ режиме проходящего света (Transmitted light) исследуемый объект, помещенный РЅР° предметный столик РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР°, освещают световым пучком. Свет частично преломляется РЅР° нижней Рё верхней поверхностях образца, преломл яется Рё поглощается РІ нем. Rr ° r · r »rёs ‡ rёrµr -rsrї -rёS ‡ rµsѓrєS… c -rhrSr№S œrіr ° С… rsrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrsr№r rsr rsrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrґrSr№r r -rsrSrSrSrSrSrSr№RSRSRSrSrSr№Sr -str -rsrґrґrґrґrґrґrґrґrsrShrёS ести авливает разную интенсивность прошедших через него лут. Р’ результате получается «С‚еневое» изображеие объекта. Очевидно, что данный режим может применяться исключительно для исследований РїСЂРѕР·СЂР°С‡РЅС ‹С… объектов.

ис. 2. Схема оптического микроскопа, работающего в режиме проходящего света.

В режиме отраженного света (Reflected light) контраст изображения формируется за сч ет гашения или отражения света на микронеровностях поверхности. Поэтому при работе в данном режиме поверхность образца специально подготавливают с целью создания микрорельефа, коррелирующего с внутренней структурой образца. Кроме того, этот режим используется при исследованиях непрозрачных объектов. Современные микроскопы универсальны, они объединяют в себе как режим проходящего света, так и режим отра женного. Переключение между режимами осуществляется добавлением полупрозрачного зеркала (Рис. 3).

ис. 3. Принципиальная схема оптического микроскопа, работающего в режиме отраженного света.

РџРѕРјРёРјРѕ режимов проходящего Рё отраженного света, существуют такие специальные режимы РёСЃСЃР» едования, как режим темного поля, режим фазового контраста, режим поляризационного свет Р° Рё РґСЂ. Рти режимы используются для увеличения контраста изображения Рё для выделения определ енных участков исследуемого образца.

Режим темного поля (Dark field) (Р РёСЃ. 4) заключается построении изображения РёСЃСЃР »РµРґСѓРµРјРѕРіРѕ объекта РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ света, рассеянного неоднородностями образца. Для этого РІ конденсор добавляют непрозрачный экран, заслоняющий часть СЃРІРµС ‚Р° РѕС‚ источника. Размер экрана подбирается таким образом, чтобы объект освещался РїРѕР »С‹Рј РєРѕРЅСѓСЃРѕРј света, внутренняя апертура которого превосходит числовую апертуру используемого объектива. Р’ результате этого РЅРё РѕРґРёРЅ РїСЂСЏРјРѕР№ луч РѕС‚ источника света РЅРµ попадет РІ объектив, РєРѕС‚ Rss rs hr№r · r ° c „rёrє -ѓrёs ѓrµc ЩЕСКАЯ

Р’ режиме светлого поля (Bright field) (РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ режим работы оптического РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР°) наблюдаются особенности исследуемого образца, которые либо РїСЂРѕРёР·РІРѕРґСЏС‚ тени, либо имеют РѕС‚ личный РѕС‚ окружения коэффициент преломления. Р’ то же время зафиксировать плавные неоднородности оптических свойств РІ этом режиме РґРѕСЃС‚ аточно сложно. Однако, РѕРЅРё хорошо заметны РЅР° изображениях, получаемых РІ режиме темного РїРѕР» СЏ, поскольку РѕРЅ позволяет регистрировать даже незначительные различия РІ преломляющей способности участков исследуемого объекта.

ис. 4. Наблюдение в режиме темного поля [3]

Режимы фазового контраста Рё поляризованного света основаны РЅР° интерференции светР° РІ плоскости изображения, обусловленной либо СЃРґРІРёРіРѕРј РїРѕ фазе РїСЂРё прохождении света С ‡РµСЂРµР· объекты различной оптической плотности, либо РЅР° вращении плоскости поляризации РїСЂРё прохождении поляризованного света через вещество или отражении РѕС‚ него. Режим фазового контраста позволяет различать РјР°µµС‹Рµ СИРРх ‹ структуры, чрезвычайно слабоконтрастные РІ методе светлого поля, С ‚РѕРіРґР° как РІ режиме поляризованного света можно анализировать оптически анизотропны Рµ вещества. Поскольку данные режимы применяются лишь РІ специализированных задачах, РІ РґР °РЅРЅРѕР№ работе РѕРЅРё рассматриваться РЅРµ Р±СѓРґСѓС‚.

rќrёrsr ± r ° c € r »rёs ° gsџ (linbo ₃ ) CSrIr» cџrCs ‚Sџrіr ° r -rјr »r rёr rёr rёr rёr rёr rјrјr rјr rјr rјr rјr rјr rјr rјr rјr rјr rјr rјr rјr rјr rјr rјr rјr -rјr -rјr -rјr -rјr -rјr -rјr -rјr -rјr -rјr -rјr -rјr -rјr rјr rјr rјr -rјr -rјr — »РёРЅРµР№РЅРѕР№ интегральной оптики, поскольку обладает РѕРґРЅРёРјРё РёР· самых высоких значениР№ электрооптических, нелинейнооптических Рё пьезоэлектрических коэффициентов. Вудучи одноосным сегнетоэлектриком, этот материал обладает спонтанной поляриза цией P _S , ориентированной вдоль оптической РѕСЃРё кристалла, причем приложением внешнего электрического РїРѕР »СЏ направление P _S можно изменить РЅР° противоположное (так называемое переключение поляризации). Область кристалла СЃ одинаковым направлением P _S называется доменом, Р ° совокупность доменов РІ кристалле – доменной структурой (Р РёСЃ. 5).

ис. 5. Схема доменной структуры в кристалах ниобата лия.

Р’ обычных условиях доменная структура РЅР° полярных поверхностях ниобата Р »РёС‚РёСЏ представляет СЃРѕР±РѕР№ правильные шестиугольники, соответствующие симметрии кристалР» Р°С _3в . Однако РїСЂРё переключении поляризации РїСЂРё повышенных температурах (250-300°С) РІ кристалле образуются нанодомены – домены, имеющие поперечные размеры РІ несколько единиц или десятков РЅР° нометров, – которые, сливаясь, образуют сложные дендритные (С„СЂР°РєС‚Р°Р»СЊРЅС ‹Рµ) структуры размерами РґРѕ нескольких микрометров (Р.РєР6).

РёСЃ. 6. r ”rµrSrґS rёS rsSc ‹rµ cSѓS ђSrєS ‚S -r‹ rsr ° rїrsrI -µ -rsrSSѓS ° rё -rё -rё -rё -rё -rё -rё -rё -rё -rё -rё -rё -rё -rё -rё -° енные химическим травлением. Оптическая визуалиаация РІ режиме темного поля.

Для наблюдения доменной структуры в ниобате лития в режимах светлого и т емного полей поверхность кристалла подвергают химическому травлению плавиковой кислотой (HF ). Скорость травления (растворения) доменов с противоположным направлением P _S различна, в результате чего на поверхности образуется микрорельеф, соответствующий доменной структуре кристалла. Этот рельеф затем визуализируется методами оптической микроскопии.

Р’ работе будет использоваться виртуальный РїСЂРёР±РѕСЂ «Оптический РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїВ», РїРѕР·РІРѕР »СЏСЋС‰РёР№ получить представление РѕР± основных режимах Рё этапах работы современного РѕРїС ‚ического РјРёРєСЂРѕСЃРєРїР°. Количество номеров:

1. Вызов Windows XP/Vista/7/8, MacOS, Linux
2. Рнтернет-браузер FireFox, Opera, Internet Explorer 6, Safari.

1. Запустите программу. После загрузки на экране появится фрагмент изображения поверхности кристалла ниоб ата лития с дендритными нанодоменными структурами. По умолчанию прибор находится в режиме светлого поля и отраженного света.
2. С помощью шкалы регулировки фокуса добейтесь наилучшего качества изобра жения.
3. Перемещаясь РїРѕ образцу, выберите понравившуюся дендритную структуру для дальнейшего РёСЃСЃР »РµРґРѕРІР°РЅРёСЏ.
4. Последовательно переключая увеличение объектива Рё корректируя положение фокуса, добейтесь РјР °РєСЃРёРјР°Р»СЊРЅРѕРіРѕ увеличения выбранного домена.
5. Используя встроенные средства измерения, определите размеры Рё углы РїСЂРё вершинах домена. Дя РЅР°Сааа
6. Для переключения между режимами светлое поле/темное поле Рё проходящий свет/отраж енный свет используйте соответствующие перееµР»СЋРС .
7. Для сохранения текущего изображения используйте кнопку «Сохранить».

1. Название лабораторной работы, кем выполнена, дата выполнения .
2. ИНФОРМАЦИЯ.
3. Перечень используемых в работе методов оптической микроскопии.
4. Характерные изображения дендритных структур, полученные в использованных в работе режимах, с описанием их достоинств и недостатккк
5. Результаты измерений размеров и углов не менее 10 дендритных доменных структур.
6. Выводы по проделанной работе.

1. Каковы основные характеристики оптического микроскопа?
2. Чем ограничены возможности оптической РјРёРєСЂРїСЃРєРєРѕР?
3. Какие параметры с…арактеризуют возможности объект
4. Что такое режим темного поля?
5. Для исследования каких объектов применяется режим темного поля?
6. Какие специальные режимы оптической РјРёРєСЂРѕСЃРµµµµС‡РїР‹ ЋЋ ЋЋ
7. Что такое сегнетоэлектрик?
8. Каким образом можно изменить направление спонтанной поляризации РІ ниобате Р »РёС‚РёСЏ?
9. Что такое доменная структура?
10. Каким образом на поверхности кристалла выявляют сегнетоэлектрическую доменную структуру?

Пространство состояний | E-educ.

ru

Поскольку свойства системы выражаются значениями ее выходов, то состояние системы РјРѕР ¶Rsrs rsrї -rµrґrµrµr1,7.7.7.7.7 -m -rєr rєrµrєS ° r · rsrґ -rsr№r№r№r№r№rі -ri -riS r -rsrSrrSrґr№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№r№ -rj -r. Выше говорилось (СЃРј. РІРѕРїСЂРѕСЃ в„–11), что среди составляющих вектора Y, РєСЂРѕРјРµ непосредственно вых одных переменных появляются произвольные РѕС‚ РЅРёС….
rџrSriRґrґRSrёRµrµrёSSѓS °јS ‹(rµµ -rїS -rss ro -rµSѓ) rјrsrSrSrsRS -rёR · rSrSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSRSr Например, РїСЂРё m выходных переменных РјРѕРіСѓС‚ быть следующие формы изображения процесса:
o РІ РІРёРґРµ таблицы значений выходных переменных для дискретных моментов времени t ₁ ,т ₂ …т _к ;
o РІ РІРёРґРµ м графиков РІ координатах y _i — t, i = 1,…,m;
o РІ РІРёРґРµ графика РІ м-мерной системе координат.
Остановимся на последнем случае. В m-мерной системе координат каждой точке соответст-вует определенное состояние системы.
Множество возможных состояний системы Y (Сѓ ∈ Y) рассматривают как пространство СЃРѕСЃС‚ РѕСЏРЅРёР№ (или фазовое пространство) системы, Р° координаты этого пространства РЅР°Р·С ‹РІР°СЋС‚ фазовыми координатами.
В фазовом пространстве каждый его элемент полностью определяет состояние системы.
Точка, соответствующая текущему состоянию системы, называется фазовой, или изображающей, точкой.
Фазовая траектория — это кривая, которую описывает фазовая точка при изменении состояния невозмущенной системы (при неизменных внешних воздействиях).
Совокупность фазовых траекторий, соответствующих всевозможным начальны м условиям, назыается фазовым портретом.
Фазовый портрет фиксирует только направление скорости фазовой точки Рё, СЃР »РµРґРѕРІР°С‚ельно, отражает лишь качестенную картиҚёРЅРєРєР°СЂС‚РёҚёРЅРєРѓ РРРРѓ

Построить Рё наглядно представить фазовый портрет можно только РЅР° плоскости, С‚. Рµ. РєРѕРіРґР° фазовое пространство является двухмерным. Поэтому метод фазового пространства, который РІ случае двухмерного фазового простра нства называется методом фазовой плоскости, эффективно используется для РёСЃСЃР »РµРґРѕРІР°РЅРёСЏ систем второго РїРѕСЂСЏРґРєР°.
Фазовой плоскостью называется координатная плоскость, РІ которой РїРѕ РѕСЃСЏРј координат РѕС ‚кладываются какие-либо РґРІРµ переменные (фазовые координаты), однозначно определяющие состояние системы.
Неподвижными (особыми или стационарными) называются точки, положение РєРѕС ‚орых РЅР° фазовом портрете СЃ течением времени РЅРµ измеЂяяяяяяяяяяС. Особые точки отражают положения равно-весия.

Использование фазовой плоскости вполне оправдано, поскольку состояние системы как РјРёРЅРёРјСѓРј РѕРїСЂРµРґРµР»СЏРµС ‚СЃСЏ РґРІСѓРјСЏ переменными: значением выходной координаты системы Рё скоростью ее изменения. Р’ дальнейшем будем считать, что РЅР° РѕСЃРё абсцисс фазойСРєРуРуплпЂи откладываются Р·РЅР°-чения выходной координаты у ₁ = y, Р° РЅР° РѕСЃРё ординат — скорость ее изменения y ₂ = y\’ (См).

ис. 1. Пример фазового портрета.

Тогда для фазовых траекторий невозмущенной системы справедливы следующие свойст ва:
o через одну точку фазовой плоскости проходит только одна траектория;
o РІ верхней полуплоскости изображающая точка движется слева направо, Р° РІ нижней — СЃРѕРѕС‚-ветственно наоборот;
o РЅР° РѕСЃРё абсцисс производная dy ₂ /dy ₁ = ∞ РІСЃСЋРґСѓ, Р·Р° исключением точек равновесия, РїРѕСЌС‚ РѕРјСѓ фазовые траектории пересекают РѕСЃСЊ абсцисс (РІ неособых точках) РїРѕРґ прямым углом.