3. Методы измерения параметров электромагнитных полей

Методы измерений ЭМП основаны на различных физических эффектах, например,

• силовом взаимодействии МП с магнитным моментом физического объекта или частиц вещества,

• возбуждении ЭДС индукции в катушке индуктивности в переменном МП,

• изменении траектории движущихся в МП электрических зарядов под воздействием отклоняющей силы,

• тепловом воздействии ЭМП на приемник излучения и т.п.

Требования, предъявляемые к современной электронной технике, такие как: повышение надежности и помехоустойчивости, снижение цены, габаритов, потребляемой мощности - распространяются и на датчики. Выполнение этих условий становится возможным при использовании микроэлектронной схемотехники и технологии, поскольку:

во-первых, электрофизические свойства полупроводников и полупроводниковых приборов, на которых основана микросхемотехника, сильно зависят от внешних воздействий;

во-вторых, микроэлектронная технология основана на групповых методах обработки материалов для изготовления приборов, что снижает их себестоимость, габариты, потребляемую мощность и ведет к повышению надежности и помехоустойчивости.

Кроме того, при использовании полупроводникового сенсора или сенсора, изготовление которого совместимо с технологическим процессом создания интегральных микросхем (ИМС), сам сенсор и схемы обработки полученного сигнала могут быть изготовлены в едином технологическом цикле, на едином полупроводниковом или диэлектрическом кристалле.

К наиболее распространенным микроэлектронным магнитным преобразователям относятся: элементы Холла; магниторезисторы; магнитотранзисторы и магнитодиоды; магниторекомбинационные преобразователи.

4. Оптические методы получения информации

Оптика - раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества

Свет имеет двойственную структуру и проявляет как волновые, так и корпускулярные свойства. С волновой точки зрения свет представляет электромагнитные волны, лежащие в определенном диапазоне частот. Оптический спектр занимает диапазон длин электромагнитных волн в интервале от 10^-8м до 2*10^-6м (по частоте от 1.5*10¹⁴Гц до 3*10¹⁶Гц). Верхняя граница оптического диапазона определяется длинноволновой границей инфракрасного диапазона, а нижняя - коротковолновой границей ультрафиолета. Волновые свойства проявляются в процессах дифракции и интерференции. С корпускулярной точки зрения свет представляет собой поток движущихся частиц (фотонов). Связь между волновыми и корпускулярными параметрами света устанавливает формула де Бройля, гдеλ– длина волны,р– импульс частицы,h- постоянная Планка, равная 6,548 × 10^–34Дж·с (в системе СИ).

Оптические методы исследования отличаются высокой точностью и наглядностью.

5. Оптическая микроскопия

Для исследования и измерения объектов малых объектов используются такие оптические приборы как микроскопы. Класс оптических микроскопов очень разнообразен и включает в себя оптические, интерференционные, люминесцентные, инфракрасные и т.п.

Микроскоп представляет собой комбинацию двух оптических систем – объектива и окуляра. Каждая система состоит из одной или нескольких линз.

Перед объективной линзой размещается объект, перед глазом наблюдателя располагается окулярная линза. Для наглядного представления прохождения света через оптическую систему пользуются представлениями геометрической оптики, в которой основным понятием является луч света, направление луча совпадает с направлением волнового фронта.

Принципиальная схема получения изображения в оптическом микроскопе представлена на рис.1.

Для простоты построения изображения на рисунке система линз объектива заменена одной собирающей линзой L₁, а система линз окуляра - линзойL₂. ПредметАВпомещается перед фокальной плоскостью объектива, который создает увеличенное действительное изображениеА'В'предмета вблизи переднего фокуса окуляра. ИзображениеА'В'находится немного ближе переднего фокуса окуляраF₂. В этом случае окуляр создает увеличенное мнимое изображениеА"В", которое проектируется на расстояние наилучшего зрения и рассматривается через окуляр глазом.

Оптический микроскоп характеризуется следующими основными параметрами: увеличение, разрешение, глубина фокуса (резкости), поле зрения.

Увеличениеопределяется увеличительной способностью всех линз, включаемых в ход оптических лучей. Можно предположить, что, подбирая соответствующим образом значения увеличения объектива и окуляра, можно получить микроскоп со сколь угодно большим увеличением. Однако на практике не используют микроскопы с увеличением свыше 1500 – 2000 крат, так как возможность различения мелких деталей объекта в микроскопе ограничена. Это ограничение обуславливается влиянием дифракции света, происходящей в структуре рассматриваемого объекта. Благодаря волновой природе света изображение каждой точки объекта в плоскости изображений имеет вид концентрических темных и светлых колец, вследствие чего близко расположенные точки объекта на изображении сливаются. В связи с этим вводят понятия предела разрешения и разрешающей способности микроскопа.

Пределом разрешениямикроскопа называется наименьшее расстояние между двумя точками объекта, когда эти точки различимы, т.е. воспринимаются в микроскопе не сливающимися друг с другом.

Предел разрешения определяется формулой δ=0,51·λ/A, величинаА=n·sinuназывается числовой апертурой микроскопа;λ - длина волны света, освещающего предмет;n - показатель преломления среды между объективом и предметом;u- апертурный угол объектива, равный половине угла между крайними лучами конического светового пучка, входящего в объектив микроскопа.

Данные о каждом объективе маркируются на его корпусе с указанием следующих параметров):

1. увеличение («х» – кратность, размер);

2. числовая апертура: 0,20; 0,65, пример: 40/0,65 или 40х/0,65;

3. дополнительная буквенная маркировка, если объектив используется при различных методах исследования и контрастирования: фазовый – Ф, поляризационный – П (Pol), люминесцентный – Л (L), и т.п.

4. маркировка типа оптической коррекции: апохромат – АПО (АРО), планахромат – ПЛАН (PL, Plan),.

Разрешающей способностьюмикроскопа называется способность микроскопа давать раздельное изображение мелких деталей предмета. Разрешающая способность - это величина, обратная пределу разрешенияξ = 1/δ.

Как видно из формулы, разрешающая способность микроскопа зависит от его технических параметров, но физический предел этого параметра определяется длиной волны падающего света.

Повысить разрешающую способность микроскопа можно, заполнив пространство между предметом и объективом иммерсионной жидкостью с большим показателем преломления.

Глубиной резкости называется расстояние от самой ближней плоскости до самой дальней плоскости объекта, которые изображаются приемлемо сфокусированными.

Если точки предмета находятся на различных расстояниях перед объективом (в разных плоскостях), то формируемые им резкие изображения этих точек будут находиться также на различных расстояниях позади объектива. Это должно означать, что резкие изображения могут быть образованы только точками, лежащими в одной плоскости. Остальные точки в этой плоскости будут отображаться кружками, которые называются кружками рассеяния. (рис.2).

Величина кружка зависит от расстояния от данной точки до плоскости отображения. Вследствие ограниченной разрешающей способности глаза точки, отображаемые малыми кружками, будут восприниматься как точки и соответствующая плоскость объекта будет рассматриваться как сфокусированная. Глубина резкости тем больше, чем короче фокусное расстояние объектива, чем меньше диаметр действующего отверстия (диаметр оправы линзы или отверстия диафрагмы). На рис.2.показана зависимость глубины резкости от перечисленных факторов. При прочих равных условиях, то есть при F постоянном и также постоянном расстоянии от объектива до объекта, для увеличения глубины резкости уменьшают диаметр действующего отверстия. С этой целью между линзами объектива устанавливается диафрагма, позволяющая изменить диаметр входного отверстия.

Поле зренияоптической системы - часть пространства (плоскости), изображаемая этой системой. Величина поля зрения определяется входящими в систему деталями (такими как оправы линз, призм и зеркал, диафрагмы и пр.), которые ограничивают пучок лучей света.