Приборы оптической структуроскопии

Определение внутренних напряжений в мате­риалах. Многие оптически прозрачные материалы (стекло, полимеры, кристаллы), изотропные в обычных условиях, становятся анизотропными после механиче­ского нагружения. При прохождении света в них возни­кает двойное лучепреломление, величина которого ха­рактеризует степень напряженного состояния контроли­руемого объекта.

Согласно закону Вертгейма разность хода обыкно­венного и необыкновенного лучей определяют по фор­муле

где s1-s2 - разность главных напряжений; l - толщи­на изделия; с - оптическая постоянная материала изде­лия, определяемая экспериментально.

Внутреннее напряжение определяют с помощью по­лярископа, типовая схема которого показана на рис. 25.

Анализатор приводит колебания обыкновенного и необыкновенного лучей в одну плоскость и создает ус­ловия для их интерференции. При этом на экране видна система темных и светлых полос, соответствующих разности хода обыкновенного и необыкновенного лучей d= ml, где m - порядок полосы равен 0, 1, 2... для светлых полос и m = 1/2, 3/2, 5/2... для темных полос.

Порядок полосы определяется на основании наблюдения за картиной интерференции, в процессе возрастания нагрузки. В белом свете видны цветные полосы, и процесс измерения заключается в оценке цвета поля после введения контролируемого объекта и его сопоставления с цветом тарировочной таблицы.

Для определения направлений главных напряжений пластинки выводят из полярископа. При этом возникает картина изоклин (геометрическое место точек, где направления главных напряжений совпадают с плоскостью поляризации прибора). Синхронно вращая поляризатор и анализатор, можно зафиксировать поле изоклин.

Пластинки Х/4 служат для создания круговой поляризации и увеличения чувствительности. Обычно их подбирают такой толщины, чтобы без объекта поле полярископа было окрашено в «чувствительный» фиолетовый цвет (разность хода, вносимая при этом пластинкой, около 570 нм). При этом небольшим изменениям разности хода в объекте соответствует резкое изменение цвета. Для более точных количественных измерений разности хода лучей и фаз колебания, создаваемых образцом, применяют специальные устройства - компенсаторы.

Методы исследования напряжений в оптически прозрачных изделиях с помощью поляризованного света широко применяют в различных отраслях промышленности - стекольной, электровакуумных приборов, химической, в производстве полимеров, алмазных инструментов, различных искусственных кристаллов (в том числе лазерных) и др.

Успехи в создании преобразователей изображения позволили распространить методы фотоупругого анализа на материалы, непрозрачные в видимом свете (полупроводники, германий и кремний, инфракрасные стекла и ряд других). Известны телевизионные инфракрасные полярископы, системы с лазерным сканированием (полярископы с оптико-механическим сканированием объекта).

Контроль качества изделий вращением плоскости поляризации. Некоторые вещества называют оптически активными, т.е. обладающими свойством вращения плоскости поляризации проходящего через него линейно поляризованного света.

Различают естественную оптическую активность, встречающуюся у различных твердых и жидких веществ, и искусственную, возникающую у некоторых материалов при воздействии магнитного (эффекта Фарадея) или электрического (эффекта Керра) полей.

Электрооптические и магнитооптические эффекты находят применение преимущественно в системах модуляции и сканирования света. Естественная оптическая активность широко используется в пищевой и химической
промышленности для контроля качества различных веществ, в основном, растворов.

Рис. 25. Схема полярископа для контроля внутренних напряжений в прозрачных объектах:

1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - поляроид; 4 - объект;

5 - анализатор; 6 - поляризационный компенсатор; 7 - окуляр;

8 - наблюдатель

Для растворов угол вращения плоскости поляризации j=|a| lc, где | a | - постоянная вращения; l - толщина слоя; с - концентрация раствора.

Для измерения угла вращения анализатор дважды (до вещества и с веществом в измерительной кювете) устанавливают на одинаковую яркость и регистрируют полученную разницу отсчетов по угломерному устройству.

Для повышения точности измерения применяют полутеневые устройства. Они состоят из двух анализаторов, разделенных тонкой границей раздела, плоскости поляризации которых ориентированы под небольшим углом друг к другу. Таким образом, измерение сводится к установлению фотометрического равновесия соприкасающихся полей, что значительно точнее метода гашения яркости.

Выше были приведены наиболее известные примеры использования поляризационных приборов. Однако область их применения значительно шире. Отметим важнейшие из них.

Исследования кристаллов с помощью поляризационных микроскопов и конометров.

Контроль качества алмазов по степени поляризации их люминесценции. Определение напряжений в непрозрачных объектах с помощью оптически-активных покрытий.

Интерференционно-поляризационная микроскопия для контроля качества оптически прозрачных сред с фазовыми неоднородностями.

Эллипсометрия как метод контроля тонких пленок в полупроводниковой электронике.

Контроль качества материалов с помощью измерения степени поляризации рассеянного излучения.

Измерение степени поляризации света различных источников.

Контроль качества элементов поляризационных приборов (модуляторов, сканаторов, компенсаторов, поляризаторов и т.д.).

Устранение вредных бликов и рефлексов в аппаратуре.

Стереоскопия с поляроидной сепарацией стереопар.

Нефелометрические методы контроля структуры. Нефелометрами называют приборы для измерения концентрации взвешенных частиц в жидкостях и газах. Принцип их действия заключается в регистрации степени ослабления проходящего через объект света в процессе рассеивания на его оптических неоднородностях. Падающий на мутную среду свет частично рассеивается.

Интенсивность рассеяния для малых частиц (»1/10l) в соответствии с законом Рэлея обратно пропорциональна четвертой степени длины волны света. В связи с этим в нефелометрии целесообразно использование коротковолновой области (УФ и синие лучи). Рассеяние света сопровождается его поляризацией. Пространственное распределения рассеянного света имеет симметричный характер относительно направления первичного пучка и перпендикулярного ему направления. В плоскостях, нормальных оси исходного пучка, интенсивность рассеянного света одинакова. Для произвольного направления под углом а к оси первичного пучка интенсивность света равна

Фр = Ф1(1 + a),

где Ф1 - интенсивность в направлении, нормальном к исходному.

Существуют две разновидности метода - турбидиметрия, основанная на измерении интенсивности света, прошедшего среду (a = 0), и собственно нефелометрия, в основе которой лежит регистрация интенсивности рассеянного излучения (a = 90°). Основное уравнение турбидиметрии записывается в виде

Ф = Ф0 exp (-kcl),

где Фо - интенсивность падающего на среду света; k - полярный коэффициент мутности (для сферических непрозрачных частиц радиуса Rк = ), с - концентрация взвешенных частиц; l - толщина слоя контролируемой среды.

Эта зависимость аналогична выражению для закона Бугера, поэтому для турбидиметрических измерений могут быть использованы абсорбционные концентратомеры (фотоколориметры). Фотоколориметры успешно применяются для турбидиметрических определений мутности питьевой воды, выбраковки бутылок с напитками и ампул с лекарствами, содержащих посторонние частицы, контроля работы различных фильтров и центрифуг, измерения концентрации дыма и пыли и решения многих других задач. При нефелометрических измерениях концентрации частиц обычно пользуются формулой

где Фо - исходная интенсивность света; N0 - число частиц в единице объема; V - объем частиц; l - длина волны; k1 - коэффициент пропорциональности.

Это выражение может применяться для анализа сред, различающихся только по степени дисперсионно- сти и концентрации частиц. Закономерности рассеяния света на частицах, сравнимых или больших длин волн света (2... 100 мкм), отличны от описанных выше и значительно сложнее. Для анализа подобных сред используют лазерные гониофотометрические установки (рис. 26), позволяющие измерять интенсивность рассеянного света в большом диапазоне углов (0 ≤ a ≤ 180°) с последующей обработкой на ЭВМ.

Рис. 26. Схема лазерной гониофотометрической установки:

1 - лазер; 2 - источник потока частиц; 3 - рассеянное излучение; 4 - световоды; 5 - многоэлементный фотоприемник; 6 - блок обработки информации; 7 - световая ловушка для гашения прямого излучения

Голографические методы анализа размеров частиц и структуры прозрачных объектов. Голографические методы эффективно используются для анализа размеров и относительного положения частиц в диапазоне 5... 100 мкм в различных газообразных и жидких средах. Подобные системы крайне необходимы для контроля окружающей среды, оценки качества двигателей, анализа процессов распыления жидкого топлива, анализа аэрозолей в ракетных двигателях. Типовой голографический анализатор частиц состоит из двух систем - системы регистрации и системы воспроизведения. В системе регистрации импульсный лазер (обычно рубиновый) освещает исследуемый объект, экспонируя голограмму. Малая длительность импульса лазера (... с) обеспечивает практическую неподвижность частиц, дает возможность одновременно зарегистрировать размер и относительное положение частиц в объеме с большим разрешением и большой глубиной поля зрения. В системе воспроизведения голограмма освещается гелиево-неоновым лазером, работающим в непрерывном режиме. При этом образуется видимое изображение порции частиц (например, тумана). Наблюдение и измерение размеров и положения частиц в различных плоскостях исследуемого объема проводят с помощью телевизионной камеры. Используя различные длины волн для записи и восстановления голограмм, можно дополнительно повысить разрешающую способность системы. Принципиально возможна регистрация голограмм с помощью пучка электронов (l» 4 • ) при восстановлении лучом лазера видимого диапазона. При этом можно различить частицы размером порядка 10"5 мм и менее. В голографических анализаторах структуры прозрачных объектов используется схема получения голограмм фазовых прозрачных объектов. Она отличается от подобных систем для непрозрачных сред геометрией просвечивания объекта, а также методикой интерпретации результатов. Методы голографической интерпретации (в том числе фильтрации) успешно применяются для контроля однородности показателя преломления, наличия двулучепреломления в оптически прозрачных средах.

В ряде процессов (релаксация полимеров, процессы диффузии и т.п.) необходимо оценить изменение подвижности и средний размер частей, составляющих среду, в различные моменты времени. Если эти процессы протекают медленно (1... с), то единственным способом контроля является метод голографической коррелометрии (МГК), который основан на получении с помощью двулучевой схемы голограммы рассеивающей среды в отраженном свете (при одностороннем доступе). Направление освещения между экспозициями меняется на угол 0, что вызывает регулярный фазовый сдвиг Аф0 на элементах рассеивателя и появления в изображении системы эквидистантных интерференционных полос. Так как состояние среды за время т между экспозициями изменится, уменьшится контраст полос. Случайный сдвиг фазы отдельной частицы Dj (θ, t) = k Dr (t), где 0 - угол между направлениями падающей и рассеянной волн; Dr - вектор смещения частицы;

- вектор разности между ,

векторами и падающей и рассеянной волн.

Зная статистические характеристики среды и экспериментально снятые зависимости видимости полос v(t) от времени анализа, можно оценить подвижность и размеры микрочастице диапазоне 0,01... 1 мкм.

Приборы телевизионной и когерентно-оптической структуроскопии. Во многих случаях информация о качестве объектов контроля может быть получена на основе анализа структуры их материала как поверхностной, так и объемной. Для этих целей создан ряд приборов, среди которых наибольшее распространение получили телевизионные анализаторы (ТВА) и когерентно-оптические процессоры (КОП). Действие ТВА основано на сканировании изображения изучаемых структур видеодатчиком (телевизионной камерой или устройством типа «бегущий луч») и последующей машинной обработке получаемых видеосигналов с помощью вычислительных средств (микропроцессора, микроЭВМ и т.д.). При этом эффективным оказался подход, основанный на моделировании изображений полем случайных величин. Геометрические, фотометрические и другие характеристики изображений анализируются с позиций теории случайных процессов. Получаемые при этом статистические характеристики имеют четкий физический смысл - они отражают пространственную упорядоченность и функциональные свойства исследуемых структур, которые, в свою очередь, влияют на прочностные, электрические, оптические и другие характеристики объектов контроля.

В случае применения КОП анализируется спектр - Фурье исследуемых структур, получаемый с помощью оптических процессоров, описанных выше. Перспективно применение гибридных методов контроля, при которых предварительная обработка изображений (выделение объектов с заданными признаками, проведение операций типа свертки, пространственной фильтрации и т.п.) производится быстродействующими КОП, а процедуры последующей классификации структур осуществляются ЭВМ (подсчет коэффициента формы, вычисление числа одинаковых элементов в поле зрения, корреляционный анализ, вычисление статистических характеристик и т.д.).

Становится возможным проведение стереологического анализа структур, т.е. определение трехмерной структуры объектов по их плоским срезам (согласно принципу Кавальери). Подобные методы контроля и анализа широко применяют в металловедении, микробиологической промышленности, других областях.

Схемы ТВА включают устройства формирования оптических изображений объекта, телевизионную систему и устройство обработки видеосигнала, выполняемого на базе встроенных в структуроскоп микропроцессора или с помощью внешней ЭВМ. В состав математического обеспечения обычно входят программы, обеспечивающие автоматический поиск объектов, контурное слежение и построчное сканирование в пределах заданного контура, а также вычисление необходимых статистических характеристик объектов. Время ввода телевизионного кадра составляет 0,02 с (реальное время). Время обработки зависит от сложности изображения, характера решаемой задачи и составляет в среднем 0,1... 1с.

Важнейшей областью применения телевизионной структуроскопии становится оптическая металлография.

Контроль микроструктуры металла предполагает выполнение вырезок из подлежащих контролю деталей и последующее изготовление из этих вырезок металлографических шлифов. Такой метод контроля микроструктуры является разрушающим, т.к. приводит к безвозвратной порче детали, и деталь приходится заменять новой.

Неразрушающий металлографический контроль предполагает подготовку шлифа непосредственно на оборудовании без вырезки образцов. Подготовленный на оборудовании шлиф исследуют посредством портативного (переносного) металлографического микроскопа или снимают с этого шлифа реплики (оттиски) и затем полученные реплики исследуют на микроскопе в лабораторных условиях. Однако метод реплик весьма трудоемок.

В настоящее время существует объективная необходимость разработки и внедрения современных систем оперативной компьютерной металлографии на базе портативных микроскопов, отвечающих всем требованиям эксплуатации в полевых условиях.

В МНПО «Спектр» разработана система для комплексного металлографического анализа, которая состоит из портативного цифрового микроскопа, средств подготовки шлифа на объекте и пакета прикладных программ для апостериорной обработки металлографических изображений.

Микроскоп обеспечивает высокое качество изображения при работе в реальных условиях, т.е. при наличии вибраций, пылевых загрязнений и т.п. факторов.

Отличительные черты микроскопа МПМ-1 К:

• антивибрационный компенсатор механизма фокусировки;

• автономное питание высокоэффективного светодиодного источника света с регулируемым цветом свечения;

• автоколлимационная система фокусировки на объект повышенной точности;

• наличие системы контроля разрешающей способности и контраста изображения над встроенным тест- объектом;

• использование высокоразрешающей цифровой фотокамеры для регистрации изображений (более 3 Мегапикселей);

• возможность крепления к объекту с помощью сверхсильных магнитов и/или механических приспособлений;

• герметичный пылезащитный корпус;

• возможность подключения любой аналоговой видеокамеры с помощью оптических адаптеров;

• наличие узла крепления малогабаритных образцов для контроля шлифов, вырезанных по традиционной методике;

• возможность работы при любой ориентации микроскопа относительно объекта;

• комплектуется портативной системой подготовки шлифов на объекте методами механической и/или электрохимической полировки (фирма Strucrs, Дания).

Основные технические характеристики микроскопа МПМ-1 К:

1. Увеличение, крат - 100*, 500*, 800*.

2. Разрешающая способность, мкм - 1.

3. Габариты, мм - 50 х 100 х 150.

4. Масса, кг - 0,6.

5. Питание - батарея типа Крона или сетевой адаптер.

Основные задачи обработки металлографических

изображений при структурном анализе - секментация, оконтуривание, количественный анализ.

Эффективный алгоритм выделения связных областей основан на методе построчного сканирования. Он включает в себя процедуры фазового анализа и формирования матрицы связности. На первом этапе определяют пороги яркости «объект - фон» для бинаризации исходного изображения. На основе бинарного изображения формируется матрица связности, которая содержит в себе информацию о всех связных областях на изображении.

Важными являются проблемы разработки алгоритмов, позволяющих проводить автоматический анализ изображений.

Разработанные алгоритмы автоматического анализа изображений реализованы в программном продукте Grain Analyzer Pro (МНПО «Спектр»).

Для автоматизации процесса сравнения образцов металла с эталонами использован эффективный алгоритм распознавания структур. На первом этапе формируется база данных количественных характеристик изображений эталонных структур. Далее для полученных изображений вычисляются выбранные характеристики. Для каждого эталона формируется допустимый диапазон значений характеристик. Например, это может быть балльная шкала, каждому баллу которой соответствует диапазон количественных характеристик.

Получая для анализа неизвестный образец, программа вычисляет его характеристики и, проверяя их вхожесть в сформированные диапазоны, определяет его принадлежность к тому или иному классу (или баллу).

Наличие широкого набора количественных харак-теристик обеспечивает высокий уровень распознавания программой различных классов изображений.

Программа Grain Analyzer Pro была апробирована при анализе сплавов, применяемых в нефтехимической и энергетической отраслях, определении содержания включений второй фазовой составляющей в различных сплавах, используемых в энергоагрегатах.

Дата добавления: 2015-09-06