Структурные схемы и элементная база приборов оптического контроля

Структурная схема оптических приборов контроля (ОПК) содержит осветитель, приемник излучения, уст­ройство механического сканирования объекта и блок обработки сигналов и управления (ПЭВМ, микропроцес­сор и т.д.).

Осветитель состоит из источника света с блоком питания и необходимых для реализации конкретного режима освещения оптических элементов (конденсоры, светофильтры, модуляторы, растры, диффузоры, дефлек­торы, объективы, поляроиды, световоды к т.д.).

При работе в отраженном излучении (или при ком­бинированном освещении) осветитель располагается по одну сторону с приемником излучения относительно объекта контроля.

В обоих случаях контроль может производиться, в зависимости от конкретной задачи и специфики объекта, при освещении по методам темного или светлого поля, в различных спектральных диапазонах (УФ, ИК, ВИ), в поляризованном или естественном свете, при стационар­ном, модулированном или импульсном режиме излуче­ния источника. Различают также освещение источника­ми направленного (лазер, коллиматор) и диффузного (лампа с диффузором) излучения.

Анализатор изображения (телевизионная камера, фотодиодный датчик и т.п.) состоит из оптической сис­темы и фотодетектора. Оптическая система включает обычно объектив для фокусировки изображения объекта на фотоприемник или преобразователь изображения, а также вспомогательные элементы (фильтры, дефлекторы или сканаторы, модуляторы, световоды и т.п.), аналогич­ные упомянутым выше при анализе схемы осветителя.

Ниже приведены краткие сведения об основных элементах структурных схем ОПК.

Источники света по физическим принципам дей­ствия могут быть разделены на газоразрядные, тепловые, люминесцентные и лазерные.

В газоразрядных источниках (ГИ) высокого и низ­кого давления используется эффект свечения газов при электрическом разряде. Для них характерна высокая яр­кость (10⁶... 10⁸ кд/м²), способность работать в модули­рованном и непрерывном режимах, причем модуляция осуществляется по цепи питания лампы. Индикатриса излучения ГИ близка к сферической, размеры излучае­мой области 0,1... 1,0 мм. Спектр излучения ГИ обычно линейчатый или смешанный (отдельные интенсивные линии на фоне непрерывного спектра). Спектр ксеноновых ламп близок к солнечному. ГИ находят применение в стробоскопических осветителях, при люминесцентном контроле и в качестве мощных источников ИК- и УФ- излучения для длин волн 0,25... 2 мкм.

Тепловые источники (ГИ) - лампы накаливания - наиболее употребительны. В основе их действия лежат законы теплового излучения. Спектр ТИ близок к спек­тру абсолютно черного тела (АЧТ); при соответствую­щей температуре имеет непрерывный характер. Длина волны максимума спектральной плотности излучения определяется законом Вина l = 3000 (К), где К - темпе­ратура лампы (T = 3000 для ламп накаливания).

По яркости ТИ уступают ГИ. Их модуляция по цепи питания возможна только при низких частотах (1... 10 Гц) вследствие инерции нити накала.

Мощным источником ИК-излучения в диапазоне длин волн 0,3... 3,0 мкм являются галогенные лампы накаливания. Индикатриса излучения ТИ близка к сфе­рической, их яркость составляет от 10⁵ до 10⁷ кд/м². Не­достаток ТИ - инерционность, изменение спектра излу­чения при колебаниях напряжения питания, высокая температура нити накала, достоинство - широкий спек­тральный диапазон, который легко перестраивается, на­дежность, большая световая мощность (до 10⁶ лм).

Действие люминесцентных источников (ЛИ) ос­новано на эффекте электро- или катодолюминесценции. Наиболее известны такие ЛИ, как светодиоды (СД) и электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). СД имеют высокий КПД, малые габариты, модулируются по цепи питания до частот 1... 5 мГц, обладают линейной зависимостью яркости от тока накала. Спектр СД близок к линейному (монохроматичен). Основные области излучения СД - зеленая, желтая, красная и ИК (0,9 мкм). Индикатрисса излучения СД - полусферическая или направленная (угол раскрыва 30 - 60°). Создан СД с перестройкой спектра излучения от цепи питания. Яркость СД невели­ка (1... 100 кд/м²). В настоящее время освоен выпуск линеек и матриц на основе СД с числом элементов до 1024.

ЭЛТ применяют в основном в системах бегущего луча в устройствах анализа фотоснимков и в телевизи­онных микроскопах. Для них характерны высокое быст­родействие, большая информационная емкость (до 10⁶ элементов на растр). Недостаток ЭЛТ - невысокая яр­кость (10²... 10³ кд/м²), сложность системы электронной развертки, большая дисторсия.

Лазерные источники (ЛИ) наиболее перспектив­ны. Их свойства рассмотрены выше. Число типов, зы- пускаемых серийно, составляет многие десятки. Диапа­зон длин волн их излучения охватывает УФ, ВИ и ИК диапазоны области спектра. Мощность излучения лазе­ров колеблется от 0,1 мВт до 10 Вт. Расходимость луча составляет 1... 10'. По временным характеристикам вы­деляют импульсные лазеры (длительность импульса 10"⁶ - 10"⁹ с при скважности 0,01... 10 с) и непрерывные.

Среди импульсных наиболее широко применяют ла­зер на иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ), неодимовом стекле, углекислом газе, некоторых жидких красителях (родамин и др.). Малогабаритные лазерные диоды модули­руются до частот 10⁹ Гц. Среди лазеров непрерывного типа наиболее широко в дефектоскопии применяют гелий- неоновые (красный цвет излучения, l = 0,63 мкм, мощ­ность 1... 20 мВт), отличающиеся большой долговечно­стью (до 10 000 ч), гелий-кадмиевые (синее излучение, l = 0,415 мкм, мощность 1... 40 мВт), аргоновые (зеленое излучение, l = 0,46... 0,51 мкм, мощность 1... 2 Вт). Сверхмощные (до 1 кВт) ОКГ на С0₂ (l = 10,6 мкм) и наСО (l= 5,5 мкм) находят применение в устройствах на­грева объектов.

Техника безопасности при работе с лазерами вклю­чает обычные мероприятия, необходимые при работе с электрическими установками, в том числе высоковольт­ными. Специфичной является необходимость защиты глаз от прямого попадания излучения. Для этого персо­нал должен при включении лазеров надевать очки со стеклами, поглощающими излучение соответствующих длин волн.

Применение лазеров позволяет существенно рас­ширить границы традиционных оптических методов контроля и создать принципиально новые методы опти­ческого неразрушающего контроля, например, гологра- фические, акустооптические и др. Лазерная дефектоско­пия базируется на использовании основных свойств ла­зерного излучения - монохроматичности, когерентности и направленности.

Высокая монохроматичность (узкий спекр частот) излучения позволяет широко использовать методы спек­тральной селекции объектов.

Оптические системы и элементы базируются на традиционных методах и устройствах оптического и оп­тико-электронного приборостроения, широко освещен­ных в литературе. Это микро- и макрообъективы для фокусировки излучения, световоды для передачи света и изображения, абсорбционные и интерференционные све­тофильтры для спектральной селекции сигналов, поля­роиды, устройства для сканирования лучей в простран­стве (дефлекторы различных конструкций), управляемые транспаранты на ЖК-кристаллах и т.п.

Для работы в видимой области спектра применяют стандартные фото, телевизионные микрообъективы. В ИК и УФ диапазоне спектра применяют зеркальные объективы (типа Кассегрена и т.п.), реже - линзовые системы из фтористого бария, халькогенидных стекол и др. материалов, прозрачных в этих областях спектра.

Среди перспективных разработок отметим дифрак­ционные и голографические оптические системы (фокусаторы), позволяющие фокусировать излучение в пятно произвольной формы (линия, точка, крест, кольцо и пр.), обладающие повышенной светосилой (до 1: 0,5) линзы Френеля и асферические элементы (параболоиды и т.д.).

В миниатюрных приборах перспективно примене­ние граданов, оптических элементов с плоскими торца­ми, фокусирующих изображение за счет специального подобранного профиля показателя преломления стекла в их сечении, растры из микролинз для мультиплицирова­ния изображений.

Приемники излучения и преобразователи изо­бражения. Приемник излучения (ПИ) - важнейшая часть любого прибора ОНК. ПИ обычно делят на следующие основные группы - одноэлементные и матричные (по геометрическим признакам), и на квантовые и тепловые. Наибольшее применение в ОНК находят квантовые фо­тоэлектрические приемники. Для них характерна селек­тивность спектральной чувствительности (фотодиоды, фоторезисторы, ФЭУ, ПЗС-матрицы). Тепловые ПИ (бо­лометры, пировидиконы) имеют широкий спектральный диапазон чувствительности. Их применяют в основном в приборах, работающих с ИК-излучением.

Схема обработки сигналов ПИ аналогична схемам, применяемым в традиционной оптоэлектронной аппара­туре. Отметим, что в системах ОНК часто необходимо применять логарифмические усилители (задачи оптиче­ской абсорбционной толщинометрии, концентратометрии и т.д.).

Фотодиоды (ФД), особенно кремниевые, обладают линейностью световой характеристики в диапазоне 6 - 8 порядков, не боятся засветок, имеют высокую чувстви­тельность, хорошее быстродействие (до 10⁶ Гц). Размеры приемной площадки - от 1 до 10 мм. Выпускаются ФД с различной спектральной чувствительностью (от 0,2 мкм до 1,3 мкм). Разработаны многоэлементные и позицион- но-чувствительные ФД.

Преобразователи изображения (ПИ) (видиконы, диссекторы, ЭОП и др.) широко применяют в ОНК. В современных приборах используют линейные и матрич­ные ПЗС-телекамеры, в т.ч. цветные. Они отличаются высоким разрешением (число элементов в ПЗС-линейках до 2048 при размере одного элемента 10 х 10 мкм, а в матрицах - до 1024 х 1024), хорошим динамическим диапазоном световой чувствительности (2-3 порядка при минимальной освещенности на объекте 0,1... 1 лк), компактностью и малой массой (габариты камер 40x30 мм и менее, масса до 50 г), высоким быстродействием (кадровая частота до 50 кадр/ с), малым энергопотребле­нием (< 1 Вт),цифровым (дискретным) характером видео­сигнала, удобным для сопряжения с ПЭВМ, возможно­стью работы в режиме накопления.

Аналогичные по основным параметрам ФДМ (фо­тодиодные матрицы) имеют повышенное быстродейст­вие (100 кадр/с и более) и диапазон линейности световой характеристики до 10⁵.

Спектральная чувствительность ПЗС-матриц охва­тывает диапазон от 0,2 до 1,3 мкм. Созданы матрицы и для ИК-диапазона (область 2... 10 мкм) на базе новых фоточувствительных материалов и миниатюрных термо­электрических холодильников.

Традиционные ПИ (видиконы, диссекторы и др.) при­меняют преимущественно в стационарных установках.

Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) но­вых поколений особенно с микроканальными пластина­ми, способные усиливать яркость изображений в 10⁴ и более раз в спектральном интервале 0,2... 1,3 мкм при высоком быстродействии (до 10"⁶ с) и хорошем разреше­нии (40... 50 мм"¹) при размерах катода 30 мм, незаме­нимы для контроля при низких уровнях освещенности (W⁵... 10"³ лк).

Дефлекторы излучения. В ОПК сканирующего ти­па (лазерные микроскопы и т.п.) для перемещения луча в пространстве с высоким быстродействием (до 10⁶ Гц) при­меняются дефлекторы, или сканаторы. На смену тради­ционным оптико-механическим системам (вращающиеся или вибрирующие зеркала, призмы и т.п.) приходят электронно-оптические и голографические дефлекторы. Разработана гамма подобных устройств на различных физических принципах - акустооптические (основаны на дифракции света на УЗ-волнах), магнитоэлектриче­ские и биморфные (поворот или изгиб рамки с зеркалом в электромагнитном поле), магнитооптические (дифрак­ция лучей на регулярных доменных структурах, с поле­вым управлением их размерами).

Перспективны голографические дефлекторы, вы­полняемые в виде вращающихся дифракционных реше­ток с переменной структурой. Они способны не только осуществлять развертку луча в пространстве по произ­вольной траектории, но и реализовать операцию его фоку­сировки, в т.ч. в пятно любой формы (диск, линия и пр.).

В лазерной микроскопии перспективны квантоско- пы-кинескопы с электронной накачкой мишеней, выпол­ненных из лазерного кристалла. Их отличает высокое быстродействие (до 100 кадр/с), высокая интенсивность излучения.

Управляемые ПЭВМ жидкокристаллические дина­мические транспаранты перспективны для применения в сверхбыстродействующих когерентно-оптических Фу­рье-процессорах для распознавания дефектов.

Дата добавления: 2015-09-06