Модифицированный триангуляционно-интерферометрический метод измерения толщин тонких прозрачных слабопоглощающих биологических тканей, неорганических плёнок и покрытий
ВВЕДЕНИЕ
1. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ
ПЛЁНОК И БИОТКАНЕЙ
1.1 Взаимодействие света с биотканями, строение и оптические свойства
передних тканей глазного яблока человека и животных
1.2 Разновидности оптических методов измерения толщины
1.2.1 Лазерная интерферометрия
1.2.2 Лазерная триангуляция
1.3 Результаты главы
2. РАЗРАБОТКА, СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ
ХАРАКТЕРИСТИК ТРИАНГУЛЯЦИОННО-ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ
ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ РЕШЕНИЯ НАУЧНО-
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ, МЕДИЦИНСКИХ И
БИОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПРОЗРАЧНЫХ
БИОТКАНЕЙ, СЛОЁВ И ПОКРЫТИЙ
2.1 Модификация метода лазерной триангуляции
2.1.1 Вариации модифицированного метода лазерной триангуляции 53
2.2 Лазерный триангуляционно-интерферометрический метод измерения
толщины
2.3 Результаты главы
3. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛИ ПРЕДЛОЖЕННЫХ
МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ
3.1 Расчёт оптимальных параметров модифицированного метода
лазерной триангуляции
3.2 Расчёт оптимальных параметров для лазерного триангуляционно-
интерферометрического метода измерения толщины
3.3 Результаты главы
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПОСТАНОВКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
4.1 Функционально-оптическая схема лазерного триангуляционно-
интерферометрического метода измерения толщины
4.1.1 Функционально-оптическая схема интерферометрической части
измерителя толщины
4.1.2 Функционально-оптическая схема триангуляционной части
измерителя толщины
4.1.3 Используемые объекты измерения и контроля
4.1.4 Примерные технические параметры установки
4.2 Экспериментальная модель и используемые образцы
4.3 Экспериментальные результаты
4.3.1 Интерферометрическая часть
4.3.2 Триангуляционная часть
4.3.3 Компьютерная обработка экспериментальных интерферограмм и
триангулограмм
4.4 Анализ погрешностей измерений и определение рабочего диапазона
экспериментальной измерительной установки
4.5 Общий анализ схемы проведения измерения толщины
4.5.1 Преимущества модульной конструкции
4.5.2 О практической значимости применения триангуляционно-
интерферометрического метода к измерению толщины
4.5.3 Возможные направления дальнейших исследований
4.6 Результаты главы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список сокращений и условных обозначений
Словарь терминов
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Список иллюстративного материала
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Листинги программного кода
А.1 Программа обработки фотоизображений экспериментальных
интерферограмм для определения значения ширины и угла наклона
интерференционных полос
А.2 Программа для определения расстояния между двумя выбранными
точками на изображении с контролем выбора по цвету пикселей
А.3 Программное средство обработки изображений экспериментальных
данных для оценки расстояния между световыми метками
А.4 Программное средство обработки видеопотока, фото- и видеофайлов
для определения расстояния между задаваемыми границами
А.5 Скрипт поиска оптимальных значений для углов в лазерном
триангуляционно-интерферометрическом методе
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Фото донорского глаза и роговицы
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Цифровая микроскопия
В.1 Схема установки
В.2 Результаты для роговицы в видимом и ближнем ИК диапазонах
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Экспериментальные результаты для человеческой
кожи, ногтевых пластин и зубной эмали
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Фото экспериментальной установки
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Спектры светодиода и лазерного модуля SIN
7805
Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования,
сформулированы цель и основные задачи исследования, представлены защищаемые
положения и результаты, обсуждаются научная новизна и практическая значимость
полученных результатов, приведены сведения об апробации работы, публикациях автора по
теме исследования, объёме и структуре диссертации, дана краткая аннотация работы.
В первой главе проведён обзор и классификация современных методов и средств
измерения толщины тонких плёнок/слоёв неорганических покрытий и биотканей.
В разделе 1.1 первой главы приведены справочные оптические свойства передних
тканей глазного яблока человека и животных. Роговица человеческого глаза состоит
преимущественно из коллагена, поляризационные свойства которого слабо выражены
[12,30-32]. Поэтому в первом приближении в качестве фантома была выбрана оптически
прозрачная в видимом диапазоне длин волн плёнка. Плёнка была расположена на водной
подложке, что соответствует анатомическому строению человеческого глаза. Величину
кривизны для фантома роговицы можно подобрать, если воспользоваться формулой для
объема шара. Тогда для радиуса R=8,6 мм (типичное значения для роговицы человеческого
глаза) объем жидкости для фантома необходимо взять в количестве V=4/3π =2,66 мл.
В разделе 1.2 и проведён критический обзор современных методов измерения толщины
плёнок из прозрачных диамагнитных и диэлектрических слаборассеивающих и
слабопоглощающих материалов, который показал перспективность исследования,
направленного на модернизацию и совместное применение лазерных методов
интерферометрии и триангуляции для измерения толщины при ряде ограничивающих
требований.
На основании списка дополнительных фиксированных ограничивающих условий
измерительные устройства, работающие на выделенных методах, должны обладать
определёнными свойствами: 1) обеспечение корректной работы в диапазонах толщин от
0,01 мм до 10 мм, 2) показателей преломлений от 1 до 2 и 3) с кривизной поверхностей в
точке измерения от 1/6до 0, и 4) относительными коэффициентами рассеяния и
поглощения не более 10% для случая однородных по толщине материалов и тканей при
использовании в качестве сканирующего излучения лазерное в видимом (532 нм,
650-660 нм) и ближнем ИК (808 нм, 980 нм, 1064 нм) диапазонах и выходной мощностью
излучения не более 5 мВт (в случае применения для передних тканей глазного яблока
in vivo мощность лазерного излучения ≤ 0,10 мВт), 5) радиус перетяжки лазерного пучка на
поверхности исследуемого биообъекта ≥ 0,1-0,5 мм. При этом должен обеспечиваться
режим работы в реальном времени.
Обосновано, что поставленные цели целесообразно реализовывать с использованием
сочетания методов, основанных на лазерных триангуляции [33] и интерферометрии, со
специализированной оптической системой и эффективными алгоритмами обработки
цифровых изображений на основе машинного зрения.
В разделе 1.3 сформулированы результаты по главе и поставлены общие задачи
исследования.
Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям принципов и особенностей
построения оптических измерительных систем толщины на основе интерферометрического
метода, модернизированного метода лазерной триангуляции, их совместного
использования.
В разделе 2.1 второй главы предложен способ модернизации метода лазерной
триангуляции для применения его к измерению толщины, показан вывод расчётной
формулы для толщины z слоя с плоскопараллельными гранями в зависимости от углов
падения излучения φ, наблюдения α и угла поворота камеры β, расстояния между
световыми метками на изображении x, показателя преломления измеряемого слоя n и
линейного увеличения оптической системы М (рис.1):
,(1)
где k – масштабирующий коэффициент.
Рис. 1 – Функционально-оптическая схема модифицированного метода лазерной
триангуляции, поясняющая принцип измерения толщины слоя с плоскопараллельными
гранями (угол падения излучения φ не показан) [А1]
Описаны различные вариации модифицированного метода лазерной триангуляции для
измерения толщин тонких прозрачных биотканей [А21] с расчётными формулами.
Получена формула с поправками для расчёта толщины слоя с криволинейными гранями:
(2)
Раздел 2.2. рассматривается вопрос разработки метода, основанного на
комбинированном применении оптических методов интерферометрии и модифицированной
триангуляции для измерения толщины независимо от иных оптических параметров объекта,
в частности – показателя преломления.
Предложеноматематическоеописаниедлялазерноготриангуляционно-
интерферометрического метода измерения толщины:
(4)
где и – углы наблюдения и положения фотоприемника относительно оптической
оси, r и r’ – расстояния от поверхности до объектива и от объектива до ПЗС, n – показатель
преломления пленки, λ – длина волны (в воздухе) лазера интерферометрического блока, –
угол падения лазерного излучения интерферометрического блока на поверхность, L –
расстояние от исследуемой поверхности до экрана, k – масштабирующий коэффициент,
который переводит значения расстояния на изображениях из пикселей в миллиметры [А9].
Данную систему уравнений можно решить относительно показателя преломления или
относительно толщины (измеряемые вещественные величины). И тогда можно получить, к
примеру, решая систему относительно толщины z, следующую зависимость:
Таким образом, мы можем определить значение толщины для исследуемого слоя без
числового (известного заранее) значения показателя преломления. Верно и обратное: можно
определить показатель преломления без известного значения для геометрической толщины
слоя. Следует отметить, что показатель преломления вносит влияние через х=x(n) и s=s(n):
чем больше значение n, тем ближе будут расположены световые метки и
интерференционные полосы друг к другу при заданных одних и тех же прочих параметрах.
В разделе 2.3 сформулированы результаты главы.
Третья глава посвящена численным исследованиям имитационной компьютерной
модели установки, основанной на предложенном методе измерения толщины.
В разделе 3.1 третьей главы был осуществлён полуэпирический расчёт оптимальных
параметров и составляющих для измерительной схемы толщины на основе
модернизированного метода лазерной триангуляции. Например, для значений толщины
биоткани (роговицы человеческого глаза) z=0,1 мм с показателем преломления n=1,36 и
радиусом кривизны в точке измерения R=7,8 мм [A21]:
1) угол падения лазерного излучения на поверхность измеряемого слоя;
2) угол наблюдения;
3) угол между приёмником оптического излучения и оптической осью системы;
4) линейное увеличение объектива М.
Распределение интенсивности по сечению лазерного пучка при этом было близко к
моде, а волновой фронт – к плоскому.
В разделе 3.2 были рассчитаны оптимальные значения (дающие минимум функции
расчёта толщины (4), выведенной в разделе 2.2) для углов в триангуляционно-
интерферометрической схеме измерения толщины
В зависимости от вариации схемы проведения измерений (рис.2) (число лазеров, число
регистрирующих приёмников излучения и т.п.) толщина z зависит от двух аргументов
и 8 (минимум) или 11 (максимум) параметров. Как известно, задачи проектирования
находятся в m-мерном конфигурационном пространстве, где m – число независимых
параметров (1 измерение для одного параметра). Так как при нашей схеме измерения
величины x и s измеряются независимо, то конфигурационное пространство параметров, к
примеру, 12 измерений z( , , , , , ,α,λ,M,L,R) распадается на два 6-мерных
пространства z( , , ,α,M,R) и z( , ,λ,L,R, ), т.е. можно подбирать оптимальные
значения параметров 2 способами: отдельно для триангуляционной части и отдельно для
интерферометрической либо осуществлять поиск одновременно.
Рис. 2 – Упрощённая схема лазерного триангуляционно-интерферометрического
измерительного устройства оптических характеристик прозрачных биологических тканей и
плёнок [A28]
Физически и технически реализуемы схемы измерительного устройства с наборами
параметров, которые лежат в следующих интервалах (рассмотрим случаи на примере углов,
при фиксированных прочих параметрах системы, из-за того, что их значения достаточно
просто и быстро может быть изменено):
Зафиксируем часть параметров и осуществим поиск оптимальных значений для углов
при помощи минимизации функции x=x(…), где х – расстояние между световыми метками
на изображении, а (…) – параметры из системы уравнения (4). Результаты расчёта [34]
представлены в таблице 1.
Не все комбинации углов, дающие минимум функции имеют физический смысл,
например, жирным курсивом выделены строки, в которых указаны физически или
технически нереализуемые варианты.
Таблица 1 – Оптимальные значения для углов в триангуляционно-
интерферометрической схеме измерения толщины [A28, А31]
, рад, рад, рад, рад, рад
0,710,710,331,220,20
0,860,860,201,600,70
0,630,630,311,991,48
1,070,620,761,801,61
……………
1,040,520,680,560,001
0,790,79-0,360,620,77
1,231,232,700,330,18
0,170,170,08-0,04-0,03
Достаточно хорошим вариантом является следующий:
и длят.к. позволяет
реализовать достаточно компактный по геометрическим размерам корпус измерительного
устройства.
В разделе 3.3 сформулированы результаты главы.
Четвёртая глава посвящена вопросам экспериментальной реализации полученных
схем проведения измерений толщины и общему анализу разработанного метода.
В разделе 4.1 обсуждаются методические вопросы постановки эксперимента для
апробации предложенных методик измерения. Показаны измерительные схемы для
комбинированного метода измерения толщины (рис. 3) и отдельно для
интерферометрической и триангуляционной частей. Приведены технические параметры
установки, а также исследованы зависимости значения величины длины когерентности от
температуры активной среды лазера [35,А2,А4], значение которой влияет на формирование
интерференционной картины с ненулевой видимостью для конкретного значения толщины
(таблица 2).
Рис. 3 – Блок-схема лазерного триангуляционно-интерферометрического
измерительного устройства оптических характеристик прозрачных биологических тканей и
плёнок: 1,9 – диагностирующие лазеры, 2,11 – фокусирующие линзы, 3 – роговица, 4 –
влага передней камеры, 5 – линза объектива, 6 – матрица регистрирующей камеры, 7,18,19 –
поворотные механизмы, 8 – экран, 10,12 – призмы Глана, 13 – ПК, 14 – блок питания, 15 –
триангуляционный блок, 16 – интерферометрический блок, 17 – триангуляционно-
интерферометрический блок, 20 – дифракционная решётка для калибровки [А11]
Таблица 2 – Длина когерентности для лазеров, используемых в эксперименте [A27]
Тип лазера и
Интерферометрич
выходная мощностьнмΔλ, нм
, ммеским методом , мм
излучения
Полупроводник651,03,60,10,1
овый, 5 мВт658,50,22,24,0
Полупроводник406,42,00,080,1
овый, > 200 мВт406,210,00,020,1
Твёрдотельный
с диодной накачкой532,00,21,79,0
> 200 мВт
Полупроводник
овый (HML1845),661,50,14,41,0
<100 мВт
He-Ne, < 5 мВт633,00,058,04,0
В разделах 4.2 и 4.3 показаны экспериментальные результаты – фото интерферограмм
(рис. 4,5) и триангулограмм(рис. 6,7) (световых меток на поверхностях плёнок/биотканей) и
их компьютерная обработка в существующих до этого и специально разработанных нами
программах с использованием подходов машинного зрения. Выполнен краткий
сравнительный анализ с результатами других научных групп.
Измерения проводились следующим образом: лазерный луч проходя через
формирующую систему падает под углом и фокусируется на поверхности фантома или
ex vivo биологической ткани. В качестве фантома использовались контактные линзы с
радиусом кривизны 8,6 мм и плёнки с плоскопараллельными границами. Отраженные
лазерные лучи от границ воздух-фантом и фантом-подложка попадают на экран, где
формируется интерференционная картина. Интерференционная картина регистрируется
КМОП- камерой [А4].
Рис. 4 – Фото экспериментальной интерферограммы и компьютерная обработка [А4]
Рис. 5 – Фото экспериментальной интерферограммы (а) и компьютерная обработка (б)
(цвета инвертированы для удобства восприятия) [A13]
В экспериментах использовались глаза ex vivo условно здорового донора домашней
свиньи породы: крупная белая. Аналогично [31] при подготовке к исследованиям свежие
свиные глазные яблоки были энуклеированы и использованы в пределах 10 часов после
энуклеации. Глаза транспортировались в холодильнике при температуре не выше 4 C.
Перед проведением измерений глаз выдерживался при комнатной температуре для
установления 19-22 C и фиксировался в специальной оправе.
Рис. 6 – Точечная триангулограмма 1-го порядка на роговице свиного глаза (на врезке)
и её компьютерная обработка (слева) толщина 0,90 мм и (справа) толщина 0,50 мм
[A10,А21]
Рис. 7 – Линейчатая триангулограмма 1-го порядка на роговице свиного глаза (на
врезке) и общий вид образца: 1 – роговица, 2 – лазерная метка на передней поверхности, 3 –
лазерная метка на задней поверхности роговицы, 4 – склера, 5 – зажим [А9,А21]
В разделе 4.4 рассматривается вопрос об определении и минимизации погрешности
измерения толщины. В такой схеме реализации погрешность измерительного устройства
будет мультипликативной: на рисунке 8 показаны графики зависимости относительной
погрешности измерения от толщины слоя.
Рассчитанное значение для относительной погрешности данного метода составляет
10-15% (при произвольно выбранных параметрах установки) и в общем случае зависит от
толщины z и радиуса кривизны поверхности R биоткани, как,
где a,b,c – эмпирические константы.
Рис. 8 – Зависимость относительной погрешности измерения от толщины слоя [A31]
Диапазон измерений можно определить, например, задав максимально допустимое
значение для погрешности. Сравниваются значения диапазонов измерений и
информативности (мера новой информации, заключённой в измерении [36]) для
оптимального набора параметров и произвольно выбранного. Проводится анализ причин
погрешности оптических измерений данного типа и путей их устранения.
Раздел 4.5 посвящён общему анализу разработанной схемы измерения. Оценена
возможность применения в методе триангуляции помимо лазерных источников излучения
ещё и светодиодных; применение модернизированного триангуляционного метода к
измерению толщины сильно рассеивающих материалов; исследован вопрос разработке
критерия для количества уравнений в математическом описании триангуляционно-
интерферометрического метода. Рассмотрены вопросы преимущества модульной
конструкции реализованной экспериментальной измерительной установки, практической
значимости применения разработанной методики к измерению толщины в различных
областях исследования и производства, обсуждаются возможные направления дальнейших
исследований.
В разделе 4.6 сформулированы результаты главы.
В заключении представлены основные результаты настоящего диссертационного
исследования. В приложении приведены фотоизображения объектов исследования и
экспериментальной установки, а также листинги программного кода.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
1.Автором проведена модификация метода лазерной триангуляции и реализована
измерительная установка с модульной конструкцией на основе лазерного дальномера
для измерения толщины, тем самым расширена функциональная возможность
устройств, основанных на нём, который слабо зависит от степени когерентности
излучения и положения спектрального пика: выведена формула расчёта толщины для
случая плоскопараллельных границ слоя; выведена формула расчёта толщины,
учитывающая радиус кривизны слоя R.
2.Былипредложеныиреализованыавторомисследованиявариации
модифицированного метода лазерной триангуляции: для случая многослойной
плоскопараллельной плёнки; для 2-волнового случая; для применения лазерных
линий (возможность создания сканера толщины).
3.Соискателем предложен лазерный метод измерения толщины, который не зависит от
числового значения показателя преломления, для слаборассеивающих (<10%) и
слабопоглощающих (<10%) неорганических материалов покрытий и передних тканей
глазачеловекаиживотных,выполненныйнаосновекомбинации
интерферометрического и модифицированного триангуляционного методов.
4.Совместно с соискателем предложен метод определения глобального и первого
локального максимумов по интенсивности (яркости) при компьютерной обработке на
экспериментальных фотоизображениях.
5.Лично автором предложен способ определения ширины интерференционной полосы
и угла наклона картины относительно вертикальной оси при компьютерной
обработке на фотоизображении экспериментальных интерферограмм. И разработано
программное средство для обработки видеопотока, фото- и видеофайлов
экспериментальных данных по определению расстояния между задаваемыми
границами.
6.Совместно с соискателем предложен алгоритм определения расстояния между
заданными точками при компьютерной обработке на фотоизображении с контролем
корректности выбора по цвету пикселов.
7.Лично автором получены расчётные формулы для измерительных устройств
толщины на основе модифицированного метода лазерной триангуляции и
триангуляционно-интерферометрического метода и найдены оптимальные
параметры для проведения измерений с минимальным значением величины
относительной погрешности для комбинированной установки:
a. углы падения лазерного излучения
b. угол наблюдения триангулограммы
c. угол поворота регистрирующего приёмника
d. угол поворота экрана.
8.Соискателемопределенрабочийдиапазон разработанноголазерного
триангуляционно-интерферометрического метода измерения толщины и установлен
вид его зависимости от значения величины относительной погрешности.
9.Разработаны непосредственно автором исследования функционально-оптические
схемы для измерительных устройств толщины, выполненных на основе
модифицированного метода лазерной триангуляции. Были найдены оптимальные
параметры для измерительной установки, повышающие её технико-экономические
характеристики: угол падения лазерного излучения на поверхность измеряемого слоя
; угол наблюдения; угол между приёмником оптического излучения
и оптической осью системы; линейное увеличение объектива;
λ [500;700] нм.
10.Совместно с автором установлена зависимость положения длины волны
спектрального пика и длины когерентности излучения от температуры активной
среды для некоторых полупроводниковых и твердотельных лазеров.
11.Впервые соискателем было получено аналитическое выражение для определения
толщины слоя биоткани, учитывающее радиус кривизны поверхностей в точке
измерения.
12.Впервые соискателем предложены новые термины "триангулограмма N-го порядка
точечная (и линейчатая)" для описания экспериментальных данных в разработанном
методе измерения толщины.
13.Результаты экспериментального исследования соискателя показали возможность
реализации лазерного триангуляционно-интерферометрического метода измерения
толщины с суммарной предельной погрешностью не более 15% в диапазоне
толщин [0,01; 10] мм. Рекомендаций к дальнейшему усовершенствованию метода и
развитию основной идеи работы: использовать более совершенные регистрирующие
камеры с алгоритмами встроенной предобработки шумов, более точный способ
установки углов в предложенной схеме и внести учёт влияния микропульсаций
объекта и поляризации излучения для дальнейшего уменьшения погрешности (ещё
большего повышения метрологических и технико-экономических характеристик
устройства измерения толщины).
Таким образом, были решены все поставленные задачи исследования и достигнута цель
работы. Новизна и полезность технических решений подтверждены двумя патентами на
полезную модель РФ.
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. SCHWIND AMARIS® 500 : [сайт]. – URL: https://www.eye-tech-solutions.com/schwind-
amaris500 (дата обращения: 31.10.2020). – Текст. Изображение : электронные.
2. Green, D.G. Corneal thickness measured by interferometry / D. G. Green, B. R. Frueh,
J.M. Shapiro. – Текст : непосредственный // Journal of the Optical Society of America,
Volume: 65, Publication Date: 1975 Feb, ISSN: 0030-3941
3. Hazuku, T. Measurement of liquid film in microchannels using a laser focus displacement
meter / T Hazuku, N Fukamachi, T Takamasa, T Hibiki, and M Ishii. – Текст :
непосредственный // Experiments in Fluids – 2005 – 38 pp 780-788 doi: 10.1007/s00348-
005-0973-9
4. Okkerse, W.J.H. Biofilm thickness variability investigated with a laser triangulation sensor /
W J H Okkerse, S P P Ottengraf, and B Osinga-Kuipers // Biotechnology and bioengineering
– 2000 – 70(6) pp 619-629
5. Лычагов, В.В. Метод дистанционной диагностики внутренней структуры слоистых
сред / В.В. Лычагов, А.Л. Кальянов, Д.В. Лякин, В.П. Рябухо. – Текст :
непосредственный // Квантовая электроника. — 2008. — Т. 38, № 6. — C. 563–569.
6. Генина, Э.А. Визуализация распределения меланина и индоцианина зеленого внутри
биоткани / Э.А. Генина, И.В. Федосов, А.Н. Башкатов, Д.А. Зимняков, Г.Б. Альтшулер,
В.В. Тучин. – Текст : непосредственный // Квантовая электроника. — 2008. — Т. 38,
№ 3. — C. 263–268.
7. Тучин, В.В. Исследование биотканей методами светорассеяния / В.В. Тучин. – Текст :
непосредственный // Успехи физических наук. — 1997. — Т. 167, № 5. — C. 517–539.
8. Зимняков, Д.А. Оптическая томография тканей / Д.А. Зимняков, В.В. Тучин. – Текст :
непосредственный // Квантовая электроника. — 2002. — Т. 32, № 10. — C. 849–867.
9. Изотова, В.Ф. Исследование параметров слоистых неоднородных структур методом
лазерной поляризационной нефелометрии : специальности 01.04.21 "Лазерная физика"
: диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук /
Изотова Вера Филипповна. — Саратов, 1996. — 145 c. – Текст : непосредственный
10. Щелоков, Р.В. Эллипсометрическое исследование оптических свойств роговицы глаза
: специальности 01.04.03 "Радиофизика" : диссертация на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук / Щелоков Роман Викторович. — Волгоград,
2006. —177 c. – Текст : непосредственный
11. Яцышен, В.В. Экспресс-диагностика состояния роговицы глаза / В.В. Яцышен,
Р.В. Щелоков. – Текст : непосредственный // Вестник Волгоградского
государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. — 2007. — Вып. 2. —
C. 99–106.
12. Приезжев, А.В. Лазерная диагностика в биологии и медицине / А.В. Приезжев,
В.В. Тучин, Л.П. Шубочкин. – Текст : непосредственный // Москва: Наука, 1989. — 240
с.: ил. — (Проблемы науки и технического прогресса). — ISBN 5-02-0144049-Х
13. Минаев, В.П. О физических эффектах при воздействии лазерного излучения на
биоткани / В.П. Минаев. – Текст : непосредственный // VII Международная
конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов.
Москва : НИЯУ МИФИ. — 2018. — С. 26—27.
14. Aker, A.B. Hyperion laser thermokeratoplasty for hyperopia / A.B. Aker and D.C. Brown. –
Текст : непосредственный // Int. Ophthalmol. 2000, Clin. 40(3), pp 165-181
15. Boxer Wachler, B.S. Hyperopia and Presbyopia / B.S. Boxer Wachler, D.T. Azar and Koch
D.D. (editors). – Текст : непосредственный // Marcel Dekker, New York, 2003, pp. 291-313
16. Rehany, U Diode laser thermal keratoplasty to correct hyperopia / Uri Rehany, Elina Landa.
– Текст : непосредственный // J Refract Surg 2004 Jan-Feb;20(1):53-61
17. Veritti, D Optimal Keratoplasty for the Correction of Presbyopia and Hypermetropia / D
Veritti, V Sarao, and P Lanzetta. – Текст : непосредственный // Hindawi Journal of
OphthalmologyVolume2017,ArticleID7545687,6pages
https://doi.org/10.1155/2017/7545687
18. Беликов, А.В. Светодиодный излучатель для фотодинамической терапии онихомикоза
/ А.В. Беликов, Ю.В. Семяшкина, М.А. Модин, Д.Р. Жубрёв. – Текст :
непосредственный // Научно-технический вестник информационных технологий,
механики и оптики. 2017. Т. 17. № 5. С. 782-789.
19. Храмов, В.Н. Поверхностное повреждение твердых тканей зуба при лазерном и
лазерно-плазменном воздействиях / В.Н. Храмов, И.В. Линченко, Т.С. Чебакова. –
Текст : непосредственный // Вестник СПбО АИН. – 2008. – № 4. С. 346–358.
20. Храмов, В.Н. Исследование оптимальных параметров импульсно-периодического
воздействия излучения неодимового лазера на твердые ткани зуба / В.Н. Храмов,
Т.С. Чебакова, И.В. Линченко. – Текст : непосредственный // Медицинская физика. –
2011. – Т. 49. № 1. С. 87−96.
21. Храмов, В.Н. Исследование производительности импульсно-периодического лазерно-
плазменного воздействия на дентин и эмаль / В.Н. Храмов, Т.С. Чебакова,
Е.Н. Скачкова. – Текст : непосредственный // Лазерно-информационные технологии в
медицине, биологии и геоэкологии – 2009: тезисы XVII Междунар. конф. (п.Абрау-
Дюрсо, 8-12 сент. 2009 г.). Новороссийск, – 2009. – С. 26–27.
22. Selifonov, A.A. Kinetics of optical properties on selected laser lines of human periodontal
gingiva when exposed to glycerol-propylene glycol mixture / A.A. Selifonov, V.V. Tuchin //
FLAMN, St. Petersburg, July 2019
23. Серебряков, В.А. Лазерные технологии в медицине / В.А. Серебряков. – Текст :
непосредственный // Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2009. – 266 с.
24. Неворотин, А.И. Введение в лазерную хирургию: Учебное пособие. / А.И. Неворотин
– Санкт-Петербург: СпецЛит; 2000. – 54 c. – Текст : непосредственный.
25. Лазеры в клинической медицине. Руководство для врачей / С.Д. Плетнев [и др.]; под
общ. ред. С.Д. Плетнева. – Москва: Медицина, 1996. – 432 с. – Текст :
непосредственный.
26. Шахно, Е.А. Физические основы применения лазеров в медицине / Е.А. Шахно –
Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2012. – 129 с. – Текст : непосредственный.
27. Михайлова, И.А. Основные принципы применения лазерных систем в медицине. Под
ред. акад. Н.Н. Петрищева / И.А. Михайлова, Г.В. Папаян, Н.Б. Золотова, Т.Г.
Гришачева. – Текст : непосредственный // – СПб, 2007. – 44 с.
28. Хайдуков, Е.В. Люминесцентная диагностика опухолей с применением
апконвертирующих наночастиц / В.В. Рочева, Н.В. Шолина, С.П. Деревяшкин,
А.Н. Генералова, А.В. Нечаев, Д.А. Хоченков, В.А. Семчишен, Е.В. Хайдуков,
Е.В. Степанова, В.Я. Панченко // Альманах клинической медицины. – 2016. – №2 :
URL:https://cyberleninka.ru/article/n/lyuminestsentnaya-diagnostika-opuholey-s-
primeneniem-apkonvertiruyuschih-nanochastits (дата обращения: 16.09.2020). – Текст.
Изображение : электронные.
29.Human stem cell based corneal tissue mimicking structures using laser-assisted 3D
bioprinting and functional bioinks / Anni Sorkio, Lothar Koch, Laura Koivusalo, Andrea
Deiwick, Susanna Miettinen, Boris Chichkov, Heli Skottman. – Текст : непосредственный
// Received 21 December 2017, Revised 11 April 2018, Accepted 14 April 2018, Available
online 16 April 2018. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.04.034
30.Бубнова, И.А. Люминесценция тканей глаза при механических нагрузках /
И.А. Бубнова, В.А. Семчишен, А.П. Свиридов, Е.В. Хайдуков, И.А. Новиков,
С.Ю. Петров, А.В. Волжанин. – Текст : непосредственный // Точка зрения. Восток -
Запад. – 2018. – № 4 – С. 84-86. – URL: https://doi.org/10.25276/2410-1257-2018-4-84-86
31.Поляризационная фотолюминесценция роговицы глаза ex vivo при внутренней
механической нагрузке. Национальный журнал глаукома. 2018; 17(4):16-23 : [сайт].
URL:https://www.glaucomajournal.ru/jour/article/view/209/217(датаобращения:
21.04.2021). – Текст. Изображение : электронные.
32.Семчишен, А.В. Измерения фотоупругости роговицы глаза. Астигматизм и аномалии
внутренних напряжений роговицы / А.В. Семчишен, В.А. Семчишен. – Текст :
непосредственный // Альманах клинической медицины. 2008; 17(2):128-132.
33.Теориятриангуляционногометода:[сайт].–URL:
http://www.controlplast.ru/site/index.php?/rproducts/klaser/teoria-triangulyacia(дата
обращения: 31.10.2020). – Текст. Изображение : электронные.
34.Optimization:[сайт].URL:
https://github.com/Antoniii/Optimization/blob/master/optimization.sce (дата обращения:
31.10.2020). – Текст. Изображение : электронные.
35.Князьков,А.В.Влияниетемпературынакогерентностьизлучения
полупроводниковых лазеров / А.В. Князьков, В.А. Кукуричкин . – Текст :
непосредственный//Научно-техническиеведомостиСПбГПУ.Физико-
математические науки. – 2013. – №4-1 (182).
36.Кирилловский, В.К. Оптические измерения. Часть 1. Введение и общие вопросы.
Точность оптических измерений. Учебное пособие. – 2-е изд., стер. /
В.К. Кирилловский, Т.В. Точилина // – Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2017. –
49 с. – Текст : непосредственный.
Актуальность темы
В настоящее время актуальными научными и важными техническими
задачами являются исследования в области новых методов и процессов, которые
могут быть положены в основу создания оптических и оптико-электронных
приборов, разработку и создание научной аппаратуры и приборов для
экспериментальных исследований в различных областях физики, в том числе при
решении технологических, биологических и медицинских задач, в частности,
модификация существующих и разработка новых высокоточных и
высокоскоростных методов контроля толщины прозрачных слаборассеивающих
слоёв неорганических покрытий и биологических тканей в таких отраслях, как
рефракционная микрохирургия и офтальмология, приборостроение,
электротехническая и электронная промышленность, производство
вычислительной и научно-исследовательской техники.
Используемые в офтальмологической практике и выпускаемые
промышленностью (как отечественной, так зарубежной) измерители толщины
роговицы (пахиметры), основанные на оптических и ультразвуковых методах,
предназначены, во-первых, для измерения исходного достаточно толстого слоя
роговицы (от десятых долей до единиц миллиметров), во-вторых, не могут
обеспечивать измерения во время некоторых специфичных офтальмологических
операций. При проведении ряда медицинских операций на передних тканях глаза
остается нерешённой проблема локального измерения в режиме реального
времени тонких остаточных слоев роговицы (от десятков до сотен
микрометров) [1]. Применяемый оптическими пахиметрами метод контроля
толщины зависит от показателя преломления роговицы, который может меняться
локально при взаимодействии с высокоинтенсивным лазерным лучом при
абляции, что влияет на точность измерения толщины роговичных слоёв, а это в
свою очередь может привести к ухудшению качества проведённой коррекции
зрения и увеличению вероятности возникновения достаточно опасных побочных
эффектов (истончение роговицы, кератоконус и т.п.) [2-5].
Поэтому представляется важным решить вопрос о разработки метода,
который бы позволил в первую очередь обойти необходимость использовать
численное значение показателя преломления для расчёта искомой толщины.
Перспективными для решения данного вопроса являются низкоинтенсивные
лазерные методы контроля толщины.
Следует отметить, что эксплуатационные характеристики
экспериментальных (и внедряемых в дальнейшем в серийное производство)
измерительных приборов, разрабатываемых на основе таких методов, должны
удовлетворять ряду ограничивающих требований: 1) безопасность использования
(в биологии и медицине), 2) минимальное воздействие на материал и отсутствие
влияния на геометрию исследуемой системы во время проведения измерений (в
микропроцессорной технике, конвейерном производстве и при изготовлении 3D-
моделей, в том числе при 3D-печати биотканей), 3) компактность и простота
конструкции, 4) модульность (возможность замены отдельных частей для
различных диапазонов и условий применения), 5) надёжность, 6) экономичность и
главное 7) реализация режима работы в реальном масштабе времени, т.е. должно
выполняться определённое соотношение скорости обработки к объёму
собираемых данных. Существующие решения на рынке для медицины и
промышленного использования хотя и удовлетворяют указанным требованиям, но
имеют зачастую громоздкую конструкцию, сложную схему проведения
измерений, малую портативность и дорогую стоимость (в том числе, высокую
цену технического обслуживания и ремонта) [6].
Среди ведущих научных групп, которые внесли значительный вклад в
решение вопросов исследования проведений оптических, в частности, лазерных,
измерений толщин, следует отметить группы из Мичигана (США) (D G Green; B
R Frueh; J M Shapiro) [7],Токио и Киото (Япония) (Hazuku T, Fukamachi N,
Takamasa T, Hibiki T, Ishii M) [8] и Амстердама (Нидерланды) (Okkerse W J H,
Ottengraf S P P, and Osinga-Kuipers B) [9]. Лазерными измерителями толщин и
расстояний занимались в Саратовском государственном университете им.
Чернышевского В.П. Рябухо, В.В. Лычагов, А.Л. Кальянов [10].
Мы не будем в работе подробно останавливаться на изучении вопроса
взаимодействия оптического (лазерного) излучения с биотканями и
неорганическими соединениями (материалами) плёнок и покрытий. Этому
вопросу посвящено достаточное количество исследований. Применение лазерного
излучения для визуализации процессов в биологических тканях изучалось
представителями Саратовского университета Э.А. Гениной, И.В. Федосовым,
А.Н. Башкатовым, Г.Б. Альтшулером, Д.А. Зимняковым, В.В. Тучиным [11].
Исследование биотканей методами светорассеяния проводились В.В.
Тучиным [12]. Вопросами оптической томографии тканей занимались
Д.А. Зимняков, В.В. Тучин [13]. Исследования параметров слоистых
неоднородных структур методом лазерной поляризационной нефелометрии
проводила В.Ф. Изотова [14]. Вопросами экспресс-диагностики состояния
роговицы глаза методами линейной и нелинейной нефелометрии занимались в
Волгоградском государственном университете В.В. Яцышен, Р.В.
Щелоков [15,16]. К числу ярких результатов, полученных в относительно
недавнее время, следует отнести, например, разработку оптической схемы
измерительного устройства на основе интерференционного метода и проведение
тестовых испытаний на роговице жабы in vivo [7,17].
Схожими вопросами о воздействии лазерного излучения на биологические
ткани и возникающих после этого эффектах занимались во Фрязино (НТО “ИРЭ-
Полюс”, Московская область) [18]. Изучались: нагрев коллагена методом
фракционного фототермолиза и неабляционных методов коррекции
рефракционных дефектов зрения. Аналогичные исследования проводились также
в США [19,20], в Израиле (Department of Ophthalmology, Nahariya Medical Center,
P.O. Box 21, 22100 Nahariya) [21] и в Италии (University of Udine) [22].
Применением оптического излучения в областях ногтевых пластин занимаются в
ИТМО (Санкт-Петербург) [23], однако не удалось получить чёткого отклика
диагностирующего лазерного сигнала на той же длине волны в
интерферометрической и триангуляционной схемах проведения измерений.
Взаимодействию лазерного излучения с тканями кожного покрова и
зубной эмали человека посвящены работы научных групп Храмова В.Н. в
Волгоградском государственном университете [24-26]; Тучина [27] в СГУ;
Серебрякова В.А. [28], Неворотина А.И. [29], Плетнева С.Д. [30], Шахно Е.А. [31],
Михайловой И.А., Папаян Г.В., Золотовой Н.Б. и Гришачевой Т.Г. [32] в Санкт-
Петербурге (ИТМО и СПбГУ); Хайдукова Е.В. в Москве (Институт проблем
лазерных и информационных технологий РАН) [33]. Интересен и открыт вопрос о
контроле толщины во время 3D-печати биологических тканей [34].
Необходимо отметить, что, несмотря на значительные достижения в
лазерной физике и фотонике к настоящему времени, некоторые аспекты
проведения измерений в отдельных диапазонах толщин (например, от нескольких
сотых долей до нескольких единиц миллиметров) исследованы и проработаны не
в полной мере. Например, при больших толщинах соседние интерференционные
полосы не всегда удаётся разрешить без вспомогательной оптической
конструкции, а также стоит учитывать зависимость видности интерференционной
картины от длины когерентности излучения используемого источника и, кроме
того, существенно влияние качества поверхности исследуемых пленок и тканей
(наличие или отсутствие царапин, степень матовости, геометрия слоя,
необходимость предварительной подготовки образца). При наличие движения
исследуемого объекта погрешность измерений возрастает до нескольких десятых
миллиметра. Другим примером являются устройства, использующие методы
эллипсометрии, которые требуют для реализации и применения использовать
большее число параметров, нелинейные уравнения (их не во всех случаях удаётся
линеаризовать), и сильнее зависят от параметров объекта и от внешних условий
проведения измерений, имеют громоздкую конструкцию, которую сложно и
дорогостояще минимизировать [15,16].
Ясно, что для решения вышеизложенных технических (прикладных) задач
необходимо разработать метод проведения оптических (лазерных) измерений в
условиях выполнения ряда жёстко зафиксированных ограничивающих условий
при наличия функциональной зависимости более чем от одного аргумента
(измеряемых величин), когда требуется для численного определения этих
параметров (в частности, для показателя преломления или радиуса кривизны
поверхности) дополнительных более сложных или громоздких, чем текущий,
методов измерения. Помимо этого в исследовании затрагивается вопрос
расширения области применения в пространстве задач для известных подходов
оптических измерений (применение лазерной триангуляции не только для
измерения расстояния, но и толщины), в том числе путём внесения в их схемы
соответствующих модификаций.
Заметим, что разработка новых или модификация существующих методов
измерения влечёт за собой необходимость зачастую также решать задачи,
связанные с разработкой методов компьютерной и математической обработки
экспериментальных результатов, обработкой и отображением экспериментально
получаемой информации (оптических изображений) и проведением исследования
ограничений на точность измерений.
Поэтому подобные исследования являются крайне важными и
актуальными для разработки и решения необходимых задач как теоретического,
так и экспериментального плана в области создания более совершенных методов
и основанных на них измерительных устройств толщины тонких биологических
тканей (в частности, в области офтальмологии) и неорганических слоёв покрытий
субмиллиметровой (и, возможно, субмикронной) точности, высоким
быстродействием и необходимы с точки зрения дальнейшего развития
методических подходов к измерениям толщин в лазерной экспериментальной
физике, фотонике, оптического и оптико-электронного приборостроения.
Объекты исследования
Объектом исследования являются методы оптических измерений толщины
прозрачных слабопоглощающих (и слаборассеивающих) слоёв биологической
ткани и неорганических покрытий. Предметом исследования были измерительные
свойства и возможности конкретных оптических (лазерных) систем измерения
толщины в диапазоне от нескольких сотых до нескольких единиц миллиметров,
методы анализа и цифровой обработки формируемых оптически фото- и
видеоизображений.
Используемые объекты измерения и контроля
С учётом анатомического строения роговицы глаза в данной работе
исследования проводились на фантомах, представляющих собой тонкую
прозрачную для видимого диапазона излучения плёнку из полиэтилена,
поливинилхлорида, полистирола и желатина (показатели преломления от 1,35 до
1,55) на водной и твёрдотельной (для имитации промышленного использования)
подложках с различными значениями радиуса кривизны в точке измерения
толщины.
Исследования с участием извлечённых органов и биологических тканей
лабораторных животных и людей проходили с соблюдением необходимых
нормативных актов (Хельсинкской декларации 2000 г. о гуманном отношении к
животным и «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных
животных» (Приказ Минздрава СССР № 755 от 12.08.1977)). Исследования с
участием добровольцев проводились с их согласия на основании Хельсинской
декларации о надлежащей клинической практике (“Этические принципы
медицинских исследований с участием человека в качестве испытуемого” 1964 г.),
части 2 ст. 21 Конституции РФ и Основ законодательства РФ об охране здоровья
граждан 1993 г..
Цель работы
Повышение метрологических, технико-экономических характеристик и
функциональных возможностей устройств измерения толщины на основе
разработки лазерного триангуляционно-интерферометрического метода с
исключением из расчётной формулы числового значения показателя преломления
исследуемого вещества.
Научная задача исследования заключается в разработке неинвазивных
оптических методов измерения толщины тонких прозрачных плёнок из
слаборассеивающих и слабопоглощающих биологических и неорганических
диэлектрических и диамагнитных материалов в режиме реального времени,
использующих их комбинированный подход к проведению измерений с целью
улучшения метрологических, технико-экономических и повышению
функциональных характеристик с исключением возможности внесения
дополнительных методических и инструментальных погрешностей, связанных с
нестационарным значением показателя преломления исследуемого вещества.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие
задачи:
1. Провести анализ и классификацию существующих методов контроля
толщины органических и неорганических материалов, выполнить
критический анализ возможности разработки методики измерения толщины,
удовлетворяющей ряду ограничивающих требований.
2. Разработать метод измерения толщины, сформулировать его математическое
описание и принцип работы основанного на нём оптического измерителя,
учитывающие параметры его основных элементов.
3. Разработать и провести исследования имитационной компьютерной модели
созданного измерителя, учитывающую влияние основных факторов,
возникающих при реальной эксплуатации. Определить критерий
оптимальности для проведения измерения толщины и численно найти
значения оптимальных параметров измерителя.
4. Разработать и исследовать возможности экспериментальной установки
оптического измерителя толщины, исследовать рабочий и предельный
диапазоны её работы, определить экспериментально оптимальные значения
для её параметров, подобрать методику калибровки.
5. Разработать, реализовать и исследовать алгоритмы обработки фото- и
видеоизображений световых меток на поверхностях слоев исследуемых
объектов.
6. Провести анализ возможных погрешностей и путей их минимизации.
Методология и методы исследования
Для решения поставленных задач использовались основные положения
распространённых теоретических моделей интерференционных измерений,
общеупотребимые методы машинного зрения и цифровой обработки
изображений, широко известные методы теории оптических измерений (в том
числе требований к созданию схем и методик оптических измерений согласно
поставленным задачам), стандартные методики расчёта оптимальных параметров
оптических схем, основанные на минимизации отдельных членов выведенной
функции. Для реализации программных комплексов по обработке
экспериментально полученных фото- и видеоизображений использовался язык
программирования Python3.
Достоверность научных результатов
Достоверность научных результатов подтверждается воспроизводимостью
экспериментальных данных, использованием обоснованных и апробированных
моделей и методов измерения, корректных и одобренных специалистами методов
подготовки биологических образцов, стандартных методов статистического
анализа полученных экспериментальных результатов, широкой апробацией и
согласованностью с результатами независимых исследований других авторов.
Научная новизна:
1. Впервые проведена модификация метода оптической (лазерной)
триангуляции, направленная на измерение с его помощью толщины, и
реализована измерительная установка с модульной конструкцией, которая
слабо зависит от степени когерентности и положения спектрального пика
используемого излучения.
2. Впервые предложены и реализованы вариации измерения толщины с
помощью модифицированного метода оптической (лазерной) триангуляции.
3. Предложен оптический метод измерения толщины, который не требует
числового значения показателя преломления исследуемого объекта, для
слаборассеивающих (<10%) и слабопоглощающих (<10%) неорганических
материалов покрытий/слоёв и передних тканей глаза человека и животных,
выполненный на основе совместной комбинации интерферометрического и
модифицированного триангуляционного методов.
4. Впервые разработаны функционально-оптические схемы для устройств
измерения толщины, выполненных на основе модифицированного метода
лазерной триангуляции и триангуляционно-интерферометрического
метода.
5. Впервые было получено аналитическое выражение для определения
толщины слоя биоткани (и/или неорганического покрытия), учитывающее
радиус кривизны поверхностей в точке измерения разработанным методом.
6. Впервые предложены новые термины "триангулограмма N-го порядка
точечная (и линейчатая)" для описания результатов измерения
разработанного метода.
Практическая значимость и реализация результатов работы
1. Разработана экспериментальная установка оптического (лазерного)
измерительного устройства толщины и показателя преломления (получены 2
патента на полезные модели [35,36]), которая может быть использована как в
учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям
Биотехнические системы и технологии, Приборостроение, Фотоника и
оптоинформатика, Лазерная техника и лазерные технологии, Оптотехника,
Физика, так и послужить основой научной базы производства измерительного
устройства для областей офтальмологии, измерения толщины защитных
покрытий в микроэлектронных приборах, на конвейерных предприятиях и
при изготовлении 3D-моделей из прозрачных слабопоглощающих
материалов.
2. Разработаны программные средства для обработки экспериментальных фото-
и видеоизображений интерферограмм и триангулограмм (световых меток)
(получены 4 свидетельства на регистрацию программ для ЭВМ [37-40]).
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты диссертационного исследования использовались при
выполнении НИР «Исследование в сфере разработки биомедицинских технологий
направленное на создание универсального метода лазерного контроля для
решения прикладных задач по определению параметров биологических тканей»
(грант РФФИ) и «Разработка лазерного устройства измерения толщины роговицы
и остаточных роговичных слоев глаза в процессе офтальмологических операций
на передних тканях глаза» (грант У.М.Н.И.К).
Апробация результатов работы
Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и
обсуждались на конференциях различного уровня:
Международная конференция в рамках Saratov Fall Meeting "Laser Physics and
Photonics XVIII; and Computational Biophysics and Analysis of Biomedical Data
IV" (СГУ им. Чернышевского, Саратов, 2017).
Международная конференция в рамках Saratov Fall Meeting "Laser Physics,
Photonic Technologies, and Molecular Modeling" (СГУ им. Чернышевского,
Саратов, 2018).
VII, VIII Международные конференции по фотонике и информационной
оптике. (НИЯУ МИФИ, Москва, 2018, 2019).
Международная конференция ФизикА.СПб 23–25 октября 2018 года. (Санкт-
Петербург, ФТИ им. А. Ф. Иоффе).
V Международная конференция и молодёжная школа «Информационные
технологии и нанотехнологии» (На базе Самарского национального
исследовательского университета имени академика С.П. Королева и
Института систем обработки изображений РАН - филиала ФНИЦ
«Кристаллография и фотоника» Российской Академии Наук, Самара, 2019).
Научно-техническая конференция «Научная сессия ВолГУ» (2017).
XXIV Региональная конференция молодых ученых и исследователей
Волгоградской области (Волгоград, 2019).
Результаты докладывались также на научных семинарах кафедр Лазерной
физики, Радиофизики ВолГУ, кафедры "Электротехника" ВолгГТУ, кафедры
Оптики и биофотоники СГУ им. Чернышевского и на IV Международном
Симпозиуме «Инженерно-физические технологии биомедицины» в НИЯУ
МИФИ.
Конкурсная поддержка работы
Исследования были поддержаны грантом РФФИ и Администрации
Волгоградской области в рамках научного проекта № 18-42-343003 и программой
«Участник Молодёжного Научно-Инновационного Конкурса» (У.М.Н.И.К) (17-12
(б), Волгоградская область – 2017 № 12926ГУ/2018).
Публикации
Основные результаты по теме диссертации изложены в 31 научных
публикациях, 3 из которых изданы в российских журналах, рекомендованных
ВАК; 6 рецензируются в SCOPUS и Web of Science; 6 – в тезисах докладов РИНЦ
российских и международных конференций; 9 – в объектах интеллектуальной
собственности; 7 – прочие публикации.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений
и условных обозначений, словаря терминов, списка цитируемой литературы,
состоящего из 171 наименования, и 6 приложений. Диссертация изложена на 164
страницах, из которых 100 занимает основной текст, содержит 60 рисунков, 3
таблицы и 11 формул.
Диссертация соответствует паспорту специальности 05.11.07
«Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» по пунктам:
1. "Исследование и разработка новых методов и процессов, которые могут
быть положены в основу создания оптических и оптико-электронных приборов,
систем и комплексов различного назначения" (разработка нового лазерного
метода измерения толщины в режиме реального времени, который не зависит от
числового значения показателя преломления исследуемого вещества).
2. "Разработка, совершенствование и исследование характеристик
приборов, систем и комплексов с использованием электромагнитного излучения
оптического диапазона волн, предназначенных для решения задач" в частях
"измерения геометрических и физических величин" (измерение толщины и
показателя преломления независимо друг от друга), "обработки информации"
(впервые разработаны и предложены алгоритмы компьютерной обработки
интерферограмм и световых меток (триангулограмм), которые позволяют снизить
погрешность определения расстояния между интересующими точками на
фотоизображениях: способ определения ширины интерференционной полосы и
угла наклона картины относительно вертикальной оси экспериментальных
интерферограмм и метод определения глобального и первого локального
максимумов по интенсивности (яркости) на экспериментальных
триангулограммах), "создания оптических и оптико-электронных приборов и
систем для медицины" и "создания оптического и оптико-электронного
оборудования для научных исследований в различных областях науки и техники"
(впервые разработаны и предложены функционально-оптические схемы для
измерительных устройств толщины, выполненных на основе модифицированного
метода лазерной триангуляции и триангуляционно-интерферометрического
метода, позволяющие проводить измерения толщины слоя при нестационарных
значениях показателя преломления в ходе рефракционных операций при абляции
передних тканей роговицы глаза или в процессе нанесения слоя на поверхность в
технологическом производстве).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанный метод оптических измерений и созданные на его основе
функционально-оптические схемы для измерительных устройств, позволяют
проводить измерения толщины и показателя преломления тонких
прозрачных слабопоглощающих биологических и неорганических слоёв и
покрытий независимо друг от друга.
2. Предложенный оптический триангуляционно-интерферометрический метод
позволяет разработать аппаратно-программный комплекс, который способен
проводить измерения толщины тонких прозрачных слабопоглощающих
биологических тканей и неорганических слоёв и покрытий в диапазоне
0,01...10 мм с суммарной предельной погрешностью не более 15% в режиме
реального времени.
3. Предложенные вариации модифицированного метода оптической (лазерной)
триангуляции позволяют реализовать различные схемы проведения
измерения толщины тонких биологических тканей и прозрачных
неорганических слоёв: случаи одно- и многослойной плёнки (ткани,
покрытия); плоскопараллельных границ и с учётом влияния радиуса
кривизны слоя в точке измерения; 1- и 2-волновой случай (слой/покрытие
прозрачены на каждой длине волны); лазерные линии (режим сканера
толщины).
4. Рассчитанные путём минимизации отдельных членов выведенной функции
оптимальные параметры для экспериментальной установки с минимальным
значением величины относительной погрешности (следующая комбинация:
углы падения и наблюдения излучения , углы положения
фотоприёмника и экрана относительно поверхностей
экрана и матрицы фотоприёмника) позволяют проводить измерения
толщины тонких биологических тканей и неорганических слоёв (покрытий) с
минимальным значением величины относительной погрешности в
диапазоне толщин от 0,01 мм до 10 мм.
Личный вклад автора диссертации
Постановка цели и задач диссертационной работы проведены совместно с
научным руководителем. Все экспериментальные исследования были
разработаны и выполнены лично соискателем. Автор лично проводил разработку
метода измерения толщины и алгоритмов обработки полученных
экспериментальных данных (фотоизображений); анализ и обсуждение
полученных результатов проводились совместно с научным руководителем и
соавторами. Автор лично участвовал в написании научных статей, отчётов по
НИР и апробации результатов исследований на конференциях и научных
семинарах.
Работа выполнена на кафедрах Лазерной физики и Радиофизики ФГАОУ
ВО «Волгоградский государственный университет».
В соответствии с целью и поставленными перед данным диссертационным
исследованием задачами получены следующие основные результаты:
1. Автором проведена модификация метода лазерной триангуляции и
реализована измерительная установка с модульной конструкцией на основе
лазерного дальномера для измерения толщины, тем самым расширена
функциональная возможность устройств, основанных на нём, который слабо
зависит от степени когерентности излучения и положения спектрального
пика: выведена формула расчёта толщины для случая плоскопараллельных
границ слоя; выведена формула расчёта толщины, учитывающая радиус
кривизны слоя R.
2. Были предложены и реализованы автором исследования вариации
модифицированного метода лазерной триангуляции: для случая
многослойной плоскопараллельной плёнки; для 2-волнового случая; для
применения лазерных линий (возможность создания сканера толщины).
3. Соискателем предложен лазерный метод измерения толщины, который не
зависит от числового значения показателя преломления, для
слаборассеивающих (<10%) и слабопоглощающих (<10%) неорганических
материалов покрытий и передних тканей глаза человека и животных,
выполненный на основе комбинации интерферометрического и
модифицированного триангуляционного методов.
4. Совместно с соискателем предложен метод определения глобального и
первого локального максимумов по интенсивности (яркости) при
компьютерной обработке на экспериментальных фотоизображениях.
5. Лично автором предложен способ определения ширины интерференционной
полосы и угла наклона картины относительно вертикальной оси при
компьютерной обработке на фотоизображении экспериментальных
интерферограмм. И разработано программное средство для обработки
видеопотока, фото- и видеофайлов экспериментальных данных по
определению расстояния между задаваемыми границами.
6. Совместно с соискателем предложен алгоритм определения расстояния
между заданными точками при компьютерной обработке на
фотоизображении с контролем корректности выбора по цвету пикселов.
7. Лично автором получены расчётные формулы для измерительных устройств
толщины на основе модифицированного метода лазерной триангуляции и
триангуляционно-интерферометрического метода и найдены оптимальные
параметры, повышающие метрологические характеристики, для проведения
измерений с минимальным значением величины относительной погрешности
для комбинированной установки:
a. углы падения лазерного излучения
b. угол наблюдения триангулограммы
c. угол поворота регистрирующего приёмника
d. угол поворота экрана .
8. Соискателем определен рабочий диапазон разработанного лазерного
триангуляционно-интерферометрического метода измерения толщины и
установлен вид его зависимости от значения величины относительной
погрешности.
9. Разработаны непосредственно автором исследования функционально-
оптические схемы для измерительных устройств толщины, выполненных на
основе модифицированного метода лазерной триангуляции. Были найдены
оптимальные параметры для измерительной установки, повышающие её
технико-экономические характеристики: угол падения лазерного излучения
на поверхность измеряемого слоя ; угол наблюдения ; угол
между приёмником оптического излучения и оптической осью системы
; линейное увеличение объектива ; λ [500;700] нм.
10.Совместно с автором установлена зависимость положения длины волны
спектрального пика и длины когерентности излучения от температуры
активной среды для некоторых полупроводниковых и твердотельных лазеров.
11.Впервые соискателем было получено аналитическое выражение для
определения толщины слоя биоткани, учитывающее радиус кривизны
поверхностей в точке измерения, разработанным модифицированным
методом лазерной триангуляции.
12.Впервые соискателем предложены новые термины "триангулограмма N-го
порядка точечная (и линейчатая)" для описания экспериментальных данных в
разработанном методе измерения толщины.
13.Результаты экспериментального исследования соискателя показали
возможность реализации лазерного триангуляционно-интерферометрического
метода измерения толщины с суммарной предельной погрешностью не более
15% в диапазоне толщин [0,01; 10] мм. Рекомендаций к дальнейшему
усовершенствованию метода и развитию основной идеи работы:
использовать более совершенные регистрирующие камеры с алгоритмами
встроенной предобработки шумов, более точный способ установки углов в
предложенной схеме и внести учёт влияния микропульсаций объекта и
поляризации излучения для дальнейшего уменьшения погрешности (ещё
большего повышения метрологических и технико-экономических
характеристик устройства измерения толщины).
Таким образом, были решены все поставленные задачи исследования и
достигнута цель работы. Новизна и полезность технических решений
подтверждены двумя патентами на полезную модель РФ.
Список сокращений и условных обозначений
ОКТ – оптическая когерентная томография
ПЗС – прибор с зарядовой связью
CCD – charge-coupled device
КМОП – комплементарная структура металл-оксид-полупроводник
CMOS – complementary metal-oxide-semiconductor
ПЧД – позиционно-чувствительные детекторы
PSD – position sensitive detectors
УФ – ультрафиолетовое излучение
ИК – инфракрасное излучение
СВЧ – сверхвысокочастотное излучение
ТГц – терагерцовое излучение
DPSS – Diode-pumped solid-state laser, твердотельный лазер с диодной
накачкой
z, Δz, t – физическая толщина измеряемого слоя (некоторые обозначения
сохранены для удобства такими, какие они есть в ссылаемых работах)
x, Δx – расстояние между изображением световых меток на фотоматрице
r – расстояние от поверхности исследуемого слоя до объектива
r' – расстояние от объектива до матрицы фоторегистрирующего устройства
n – относительный показатель преломления исследуемого материала
k – масштабирующий коэффициент
M – увеличение линзы
α – угол наблюдения световых меток
β – угол между фотоматрицей устройства и оптической осью системы
γ – угол падения излучения
φ – угол падения излучения
I – интенсивность излучения
L, – расстояние от исследуемой поверхности до экрана (некоторые
обозначения сохранены для удобства такими, какие они есть в ссылаемых
работах)
s – ширина интерференционной полосы
Δ – величина смещения объекта
R – радиус кривизны измеряемого слоя
λ – длина волны излучения (лазерного в воздухе)
Δλ – разница длин волн на полувысоте спектра излучения
– длина волны спектрального пика излучения (лазерного в воздухе)
S – площадь сечения лазерного пучка
P – выходная мощность излучения
ρ – плотность мощности излучения
l – длина дуги
– длина когерентности излучения
V – объём
Словарь терминов
показатель преломления: Относительный показатель преломления среды
относительно воздуха.
спекл-структура: картина хаотически расположенных светлых и темных
пятен (случайная интерференционная картина).
ширина интерференционной полосы: Расстояние между двумя
соседними границами максимума/минимума интенсивности (яркости) на
фотоизображении экрана.
триангулограмма точечная (линейчатая) N-го порядка: Фото- или
видеоизображение световых меток (2N штук), полученных отражением лазерного
излучения от границ измеряемого слоя при использовании N лазерных точек
(линий) в модифицированном методе лазерной триангуляции.
триангулограмма: Точечная триангулограмма 1-го порядка.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (826 отзывов)
4.4 (59 отзывов)
5 (154 отзыва)
0 (13 отзывов)
5 (188 отзывов)
4.9 (35 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
4.6 (92 отзыва)
5 (145 отзывов)
