Лабораторный стенд EDU-FOP2/M Фурье оптика

Стенд предназначен для образовательных, демонстрационных и учебных целей, включает всё оборудование и инструменты (компьютер не входит в комплект), а также подробное руководство для удобной сборки и использования.

Экспериментальная часть дает возможность:
· изучить принципы Фурье-оптики с использованием 4f оптической схемы;
· поработать с изображениями 14 микроструктурированных паттернов на хромированном стекле;
· исследовать формирование и преобразование изображений в контексте микроскопа;
· пронаблюдать различные методы обработки изображений.
В оптической системе, такой как микроскоп, формирование изображения можно представить как интерференцию света, дифрагированного образцом и собранного объективом. Преобразование Фурье объекта проецируется на заднюю фокальную плоскость линзы (так называемую плоскость Фурье), что не объясняется простой геометрической оптикой. Изображение объекта, формируемое второй линзой, можно изменять различными способами, манипулируя паттерном в плоскости Фурье. Изучение Фурье-оптики позволяет студентам углубить понимание преобразований Фурье и формирования изображений.

КОМПЛЕКТАЦИЯ

В составе:
1) Алюминиевая оптическая плита, 1 шт.
2) Универсальный держатель стержней Ø12.7 мм с подпружиненным фиксирующим винтом, высота: 50 мм, 11 шт.
3) Основания Ø31.8 мм для крепления держателей стержней с помощью прижима, 11 шт.
4) Универсальный короткий прижим, паз: 31.5 мм, 13 шт.
5) Стержень для держателей оптики L = 50 мм, 13 шт.
6) Белый экран 150 мм x 150 мм, 1 шт.
7) Стержень для держателей оптики L = 30 мм, 1 шт.
8) Основания для крепления, 50 мм x 75 мм x 10 мм, 1 шт.
9) Держатель для стержней (Ø12.7 мм) с подпружиненным фиксирующим винтом и основанием для крепления с помощью прижима, высота: 54.7 мм, 4 шт.
10) Держатель прямоугольных оптических элементов размером 25.4 – 76.2 мм с возможностью смещения по осям XY, 2 шт.
11) Микроструктурированная мишень (хром на стекле), 1 шт.
12) Регулируемая микрометрическим винтом оптическая щель, 1 шт.
13) Держатель оптических элементов Ø25.4 мм с возможностью вращения, 1 шт.
14) Микроструктурированная маска (хром на стекле), 1 шт.
15) Держатель пластинок толщиной до 14.7 мм, ширина: 22.9 мм, 1 шт.
16) Обратная мишень Фурье, 1 шт.
17) Набор этикеток, 1 шт.
18) Светодиод с теплоотводом, холодный белый свет (6500 K), ток 1300 мА, мин. мощность: 930 мВт, 1 шт.
19) Драйвер для светодиодов T-Cube, макс. рабочий ток 1200 мА, 1 шт.
20) Кольцо Ø30.5 мм с зажимным винтом для крепления держателей оптики (тубусов), 1 шт.
21) Тубус с внешней резьбой для регулировки положения оптических элементов Ø25.4 мм, макс. длина смещения: 20.6 мм, 1 шт.
22) Асферическая конденсорная линза, Ø25 мм, фокусное расстояние 20.1 мм, числовая апертура 0.60, просветляющее покрытие: 350-700 нм, 1 шт.
23) Держатель оптики Ø25.4 мм с возможностью поворота на 90°, 1 шт.
24) Полосовой фильтр, Ø25 мм, центральная длина волны: 550 нм, ширина полосы пропускания: 40 нм, 1 шт.
25) Держатель для оптики со стопорным кольцом, Ø25.4 мм, 4 шт.
26) Ирисовая диафрагма на стержне, макс. апертура: 12.0 мм, 2 шт.
27) Ирисовая диафрагма на стержне, макс. апертура: 25.0 мм, 1 шт.
28) Ахроматический дублет, фокусное расстояние: 150 мм, Ø25.4 мм, просветляющее покрытие: 400 - 700 нм, 2 шт.
29) Тубус для крепления линз, глубина резьбы: 12.7 мм, 1 шт.
30) Ахроматический дублет, фокусное расстояние: 50 мм, Ø25.4 мм, просветляющее покрытие: 400 - 700 нм, 1 шт.
31) Тубус с возможностью смещения оптических элементов Ø25.4 мм вдоль оптической оси без вращения, 1 шт.
32) Ахроматический дублет, фокусное расстояние: 30 мм, Ø25.4 мм, просветляющее покрытие: 400 - 700 нм, 1 шт.
33) Центрирующая пластинка для кинематических держателей оптики Ø12.7 мм, 1 шт.
34) Светоделительный кубик, 90:10 (отражение:пропускание), покрытие: 400-700 нм, сторона куба: 25.4 мм, 1 шт.
35) Компактный кубический держатель для зеркал/призм, совместим с каркасными системами (30 мм), 1 шт.
36) Цветная CMOS камера Zelux™, 1.6 Мп, 1 шт. (Программное обеспечение камеры ThorCam)
37) Программное обеспечение «Gwyddion»
38) Тубус для крепления линз со стопорным кольцом, 1 шт.
39) Двояковыпуклая линза Ø25.4 мм из стекла N-BK7, фокусное расстояние 75.0 мм, без покрытия, 1 шт.
40) Юстировочная пластинка, для держателей оптики Ø25.4 мм, 1 шт.
41) Держатель для оптики Ø25.4 мм с внутренней резьбой, без выступа для крепления элементов, 1 шт.
Лабораторный стенд поставляется в упаковочных кейсах с ложементом, методическим описанием, комплектом крепёжных элементов, набором для чистки оптики и инструментами.

В этом комплекте объектом служит хромированная стеклянная пластина с 14 различными паттернами. Светоделитель и линза проецируют паттерн из плоскости Фурье на экран для прямого наблюдения. Студенты изменяют паттерны в плоскости Фурье с помощью маски на хромированном стекле, вращающейся щели или диафрагмы. Подробное руководство содержит математическую и теоретическую базу, а также упражнения для демонстрации оптических эффектов, достижимых с помощью Фурье-оптики.

Эксперименты:
Лабораторный стенд EDU-FOP2/M «Фурье оптика» предназначен для занятий в аудиториях и лабораториях. Как показано на Рисунке 1, это горизонтальная 4f-схема микроскопа с перпендикулярным плечом после объектива для наблюдения преобразования Фурье. Камера в конце системы подключается к ПК для просмотра итогового изображения. Студенты видят изменения в паттерне Фурье и результирующее изображение одновременно.

Руководство включает теоретические основы преобразований Фурье, Фурье-оптики и основ микроскопии, инструкции по сборке и упражнения разной сложности для изучения обработки изображений.

Горизонтальная сборка микроскопа из комплекта по Фурье-оптике

Сборка 4f-схемы со светодиодной подсветкой

Первое упражнение — сборка 4f-схемы (Рисунок а) со светодиодной подсветкой. Система использует освещение Кёлера для равномерной подсветки с регулируемой интенсивностью и размером пятна. Упрощённая конструкция позволяет наглядно изучить принципы работы микроскопа и 4f-системы.

После сборки системы, освещённая пластина с паттернами (Рисунок б) помещается в плоскость объектива, а изображение проецируется на камеру. Светоделитель между плоскостью Фурье и тубуcной линзой выводит паттерн на экран.

Обработка изображений

Большинство упражнений в руководстве показывают студентам, как использовать Фурье-оптику для изменения итогового изображения, проецируемого на камеру. Различные маски, щели и диафрагмы размещаются в оптическом пути на плоскости Фурье перед светоделителем, что позволяет наблюдать изменения паттерна на экране. Камера одновременно отображает соответствующие изменения в финальном изображении. Таким образом, студенты учатся определять, какие участки преобразования Фурье несут информацию о конкретных элементах изображения.

Специальная мишень из хромированного стекла, входящая в комплект, содержит четырнадцать различных паттернов, удобных для Фурье-фильтрации:

· Четыре перекрестные решётки с разным периодом;
· Треугольную решётку;
· Звёздную решётку;
· Серию домиков, составленных из линий под разными углами;
· Наложенные друг на друга буквы;
· Смайлик за решёткой.

В комплект также входит маска из хромированного стекла (Рисунок а), специально разработанная для фильтрации паттернов в плоскости Фурье. Она включает:

· Набор точек разного размера для блокировки главного максимума преобразования Фурье;
· Точные полосы для подавления каждого второго максимума в линейном паттерне;
· Звёздный паттерн, блокирующий каждый второй максимум в преобразовании Фурье треугольной решётки.

Диапазон оптических экспериментов варьируется от простой фильтрации перекрестной решётки для создания диагональных линий (Рисунок б) до отделения смайлика от решётки (Рисунок в). Студенты также изучают другие оптические принципы, например: Принцип Бабине, согласно которому дифракционные картины комплементарных структур (за исключением нулевого порядка) идентичны. Используя точечную маску, студенты могут заблокировать нулевой порядок дифракционной картины решётки из комплементарных зелёных и чёрных треугольников (Рисунок г).При блокировке нулевого порядка информация о разнице между треугольниками теряется, и на итоговом изображении остаются только зелёные треугольники. Студенты также в ходе выполнения упражнений изучают такие эффекты, как: мягкий фокус (удаление высоких дифракционных порядков) и выделение краёв (подавление низких порядков).В комплект входят специальные дифракционные оптические элементы, проецирующие изображения непосредственно в плоскость Фурье, а не в плоскость изображения. Кроме того, одно из упражнений наглядно объясняет, почему разрешение микроскопа ограничено дифракцией.

Альтернативные конфигурации лабораторного стенда по Фурье-оптике

Мы предлагаем две дополнительные конфигурации стандартного лабораторного стенда по Фурье-оптике, доступные по индивидуальному заказу:
· Система на оптическом рельсе для упрощения юстировки и настройки.
· Компактная версия с лазерным источником света вместо светодиода.

Конфигурация с оптическим рельсом

Большинство оптических компонентов в этой системе требуют точного позиционирования вдоль одной оси. Для таких случаев мы разработали оптический рельс и оптические каретки, которые ограничивают степени свободы и упрощают процесс настройки (Рисунок выше).

Преимущества:
Фиксация всех элементов на одной горизонтальной линии исключает необходимость точного бокового выравнивания, что особенно полезно для студентов с малым опытом работы в оптической лаборатории.
Система на оптическом рельсе сокращает время юстировки.
Ограничение:
Лабораторный стенд EDU-FOP2(/M) с оптической плитой позволяет студентам освоить юстировку сложных оптических систем, что более соответствует реальным лабораторным условиям.

Лазерная конфигурация

Использование лазера вместо светодиода в системе Фурье-оптики имеет как преимущества, так и недостатки (Рисунок а).

Преимущества:
1) Высокая интенсивность (лазер обеспечивает значительно более яркую дифракционную картину в плоскости Фурье, облегчая наблюдение).
2) Компактность и простота:
2а) Лазерная конфигурация требует меньше компонентов, что упрощает сборку и настройку. Это идеально для студентов с ограниченным временем или опытом.
2б) Лазерный диодный модуль имеет достаточный диаметр пучка для освещения мишени без дополнительных расширяющих оптических элементов.

Недостатки:
1) Утрата аналогии с микроскопом (отсутствие коллекторных и полевых линз, а также апертурных диафрагм делает невозможным демонстрацию освещения Кёлера и работы с апертурой).
2) Артефакты изображения (неоднородность интенсивности лазерного пучка приводит к появлению артефактов на изображениях мишеней. Например, диодный лазерный модуль, входящий в комплект, создаёт кольцеобразную структуру в левой половине паттерна (см. Рисунок б). Артефакты варьируются в зависимости от конкретного лазерного модуля.
3) Невозможность изучения когерентности (эксперименты, связанные с ролью когерентности, не могут быть выполнены).