Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 10 )

,

где – яркость изображения дефекта и фона, кд/м2.

3.1.1 Общие правила по технике безопасности и охране труда

Оптический контроль происходит при повышенной нагрузке на глаза оператора, что надо учитывать при его организации. Особую опасность могут представлять источники, несущие концентрированные потоки световой энергии, в первую очередь оптические квантовые генераторы – лазеры [21–[22]]. Поэтому работа с лазерными установками, особенно при значительных мощностях, должна производиться в специальных помещениях с использованием защитных очков со светофильтрами, задерживающими большую часть излучения, и при экранировании наиболее опасной части установки. Следует помнить, что наиболее опасно облучение глаз, они поражаются излучением квантового генератора настолько быстро, что при облучении трудно принять защитные меры и их в случае опасности необходимо предусмотреть заранее. Максимально допустимые уровни плотности потока мощности в зависимости от типа лазера, длины волны и режима работы оператора составляют для кожи 0,1 Дж/см2, а для глаз – 0,002–1,0 мкДж/см2.

В качестве индивидуальных средств защиты персонала, работающего с квантовыми генераторами, могут быть применены: защитные очки, специальная одежда и перчатки, а также кремы (с двуокисью титана и цинка) для дополнительной защиты кожи лица и рук. Повышенное внимание при больших мощностях лазерного излучения, хотя бы и импульсных, надо уделять противопожарной безопасности.

3.2 Источники света

В неразрушающем контроле качества под источником света понимают излучатель электромагнитных колебаний в оптической части спектра: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой. Для получения световых потоков используют электрические лампы накаливания, газоразрядные и люминесцентные, светодиоды и оптические квантовые генераторы [22–[23][24][25][26]]. В оптическом контроле качества наибольшее распространение в настоящее время получили лампы накаливания в специальном исполнении и оптические квантовые генераторы.

1. Лампы накаливания испускают свет за счет нагрева электрическим током проводника в виде спирали из тугоплавкого материала, которая смонтирована в колбе, заполненной инертным газом (криптон, ксенон) или вакуумирована (до  мм рт. ст.). Лампы накаливания отличаются разнообразием конструкций и областей применения, электрическими параметрами и мощностью, спектральным составом, удобством в использовании и простотой обслуживания, что определяет широкое распространение их среди источников света. Недостатком ламп накаливания является сравнительно небольшой срок службы, который ограничивается испарением металла нити накаливания, а также малым КПД.

Галогенные лампы обладают большой световой отдачей в видимом диапазоне света, имеют большой срок службы и применяются для создания больших световых потоков в проекционных аппаратах, микроскопах и др. Такие лампы для оптических приборов изготавляют обычно на небольшие напряжения источника электропитания (6 – 24 В), чтобы использовать нить накаливания небольших размеров и улучшить однородность создаваемого светового потока.

2. Газоразрядные лампы используют световой эффект, появляющийся при возникновении электрического разряда в газах или паpax. В газоразрядных лампах разной конструкции и мощности используют различное давление газа или пара в колбе и различные виды разряда: дуговой, тлеющий или импульсный. Эти лампы имеют высокую световую отдачу и большой срок службы.

Наибольшее распространение для организации общего освещения производственных помещений и лабораторий получили люминесцентные лампы. Они представляют собой газоразрядные лампы низкого давления, в которых ультрафиолетовое излучение паров ртути преобразуется люминофором, нанесенным на внутреннюю поверхность цилиндрической колбы, излучение видимого света, близкого к естественному дневному свету. Спектр излучения газоразрядных ламп близок к линейчатому.

3. Светоизлучающие диоды являются малогабаритными полупроводниковыми источниками инфракрасного или видимого света, обычно близкого к монохроматическому (красный, зеленый, голубой и др.). Они построены на основе полупроводниковых материалов, легированы малыми количествами примесей, специально подбираемых для получения света необходимой длины волны. Светоизлучающие диоды имеют такие же преимущества, как и элементы полупроводниковой техники. Они создают потоки небольшой величины и используются поэтому только в некоторых малогабаритных устройствах.

4. Оптические квантовые генераторы (лазеры) [22] представляют собой источники света, работающие на базе процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотонов возбужденными атомами или молекулами под воздействием фотонов излучения, имеющих ту же частоту. Оптические квантовые генераторы создаются на базе различных активных сред: газообразной, жидкой или твердой. Они могут давать излучение в весьма широком диапазоне длин волн – от 100 нм (ультрафиолетовый свет) до 1,2 мкм (инфракрасное излучение) – и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Лазер состоит из трех принципиально важных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, работа которых обеспечивается с помощью специальных вспомогательных устройств.

В оптическом контроле качества лазеры могут применяться как источники узкого монохроматического пучка света при решении контрольно-измерительных задач, для чего требуется повышенная точность, но главные области их применения, где они незаменимы, связаны с использованием волновых свойств света – интерференции, дифракции и т. д.

3.3 Основные оптические элементы и устройства

В практике оптического контроля качества применяют различные элементы и устройства, образующие наиболее важный узел оптико-электронных приборов и блоков оборудования – оптическую систему [22–25]. Главным назначением оптической системы является получение достаточного потока световой энергии полезных сигналов или четкого изображения исследуемого объекта. Одним из центральных понятий для оптической системы является понятие «оптическая ось» – линия, на которой располагаются центры преломляющих или отражающих поверхностей элементов системы. Если центры всех элементов системы находятся на оптической оси, она называется главной. Детали изображения, расположенные около оптической оси, получаются наиболее четкими.

Оптическая система может состоять из различных элементов: линз, зеркал, призм, фильтров и др. при различных сочетаниях и в зависимости от конкретного ее назначения. Она характеризуется фокусным расстоянием, разрешающей способностью, светосилой, углом поля изображения (зрения) и др.

Фокусным расстоянием системы (передним или задним) называют расстояние от фокуса до главной точки, т. е. точки, где в плоскости, перпендикулярной главной оптической оси, изображение совпадает с его натуральной величиной. Если среды объектов и изображений имеют одинаковые оптические свойства, то переднее и заднее фокусные расстояния равны. Фокусы системы соответствуют изображению бесконечно удаленной точки.

Разрешающей способностью оптической системы называют минимальное расстояние между простыми различаемыми элементами объекта, близко расположенными в пространстве. В оптике разрешающая способность обычно измеряется числом линий, различимых на длине в 1 мм.

1. Линзой называют деталь, изготовленную из полированного прозрачного для пропускаемого излучения материала, ограниченного криволинейными полированными поверхностями. В зависимости от формы и положения фокуса линзы бывают собирающие, рассеивающие и специальные. Фокусное расстояние линзы определяется ее геометрией и материалом. При построении изображения, создаваемого линзой (простейшим однолинзовым объективом) используют свойства прохождения световых лучей сквозь линзу: лучи, идущие параллельно главной оптической оси, после линзы проходят через точку фокуса, а лучи, проходящие через центр линзы, не преломляются, если линза тонкая.

В объективе, состоящем из нескольких линз, получение изображения и расчеты его характерных точек делаются последовательно.

Изображение, получаемое на выходе оптической системы, относительно изображения объекта имеет различные искажения, называемые аберрациями. Аберрации могут быть геометрическими и хроматическими, обусловленными неодинаковым прохождением света различных длин волн.

Геометрические аберрации возникают из-за использования широких или наклонно падающих пучков света (сферическая аберрация, кома, астигматизм, дисторсия) и приводят к размытию и искажению формы изображения объекта, изменению расстояний и углов между элементами изображения. Сферическая аберрация состоит в получении вместо точки изображения в виде кружка рассеяния, кома – в виде вытянутого и неравномерно освещенного пятна, напоминающего комету. Астигматизм приводит к получению эллиптического изображения вместо кружка, а дисторсия – к искривлению прямых линий, в результате чего квадрат имеет подушкообразную или бочкообразную форму.

Хроматические аберрации проявляются при изменении длины волны монохроматического света или при использовании света сложного спектрального состава, например белого. Причина хроматических аберраций – дисперсия света, т. е. зависимость оптических свойств материала (показателя преломления вещества, затухания и др.) элементов оптической системы от длины волны света. В результате хроматических аберраций изображение размывается, и в плоскости изображений образуются радужные полоски.

Для уменьшения аберраций ограничивают поле зрения диафрагмами, применяют линзы из тонких и качественных материалов, а объективы делают из многих элементов (линз, зеркал и др.), подбираемых так, чтобы вносимые ими искажения взаимно компенсировались.

2. Зеркалом называют оптический элемент с полированной поверхностью, образующий требуемые световые потоки или изображения путем отражения падающих на него лучей. Зеркала изготавливают из металлов (серебро, алюминий, золото, хром, никель и др.) или путем напыления пленок из этих металлов на твердые материалы (стекло, керамику, сталь и т. д.). Зеркала могут выполнять те же функции, что и линзы, в частности на их основе могут создаваться зеркальные объективы, а в сочетании с линзами получают зеркально-линзовые объективы. В некоторых случаях используют полупрозрачные зеркала, частично отражающие и пропускающие световое излучение.