Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 11 )

3. Призмой называют оптический элемент, выполненный из однородного материала в виде фигуры, ограниченной несколькими пересекающимися плоскостями, в частности имеющей две параллельные грани (основания), представляющие собой равные многоугольники, а остальные грани (боковые) – параллелограммы. Призмы используются для изменения направления хода лучей и могут создавать хроматические аберрации.

4. Фильтры (светофильтры) – устройства, предназначенные для пропускания света требуемого электромагнитного спектра и задержки мешающего светового излучения. Особенностью фильтров в оптическом диапазоне является уменьшение размеров деталей и элементов, определяющих спектральные свойства, в соответствии с длиной волны.

5. Диафрагмы, маски и шаблоны применяют для ограничения проходящего светового потока или его спектрального состава в плоскости, перпендикулярной главной оптической оси. Эти устройства часто выполняются в виде пластины с отверстиями.

6. Волоконно-оптические световоды. Волоконный световод является фактически диэлектрическим волноводом, выполненным из двух оптически прозрачных слоев круглого поперечного сечения – сердечника и оболочки. Элементарным световодом является тонкая нить диаметром 10–20 мкм, причем внешний слой имеет толщину 1–3 мкм и изготовлен из стекла с меньшим показателем преломления, чем сердечник. Поэтому лучи света, попадая в центральную часть световода, испытывают полное внутреннее отражение от границы сердечника либо оболочки и передаются вдоль световода.

Для передачи световых потоков или изображений отдельные светопроводящие волокна объединяют в жгуты. Большим преимуществом волоконно-оптических жгутов является передача изображения при их изгибе по любому профилю на расстояние до нескольких метров и разнообразные возможности по кодированию световой информации. Если выполнить входной и выходной торцы волоконно-оптического жгута разной конфигурации или по-разному расположить в них волокна, то можно производить преобразование изображений (растягивать, сжимать, поворачивать, расщеплять и производить любые другие преобразования формы). Эта особенность открывает большие возможности по обработке оптической информации, повышению точности и достоверности контроля.

3.4 Первичные преобразователи оптического излучения

Излучения оптического диапазона могут преобразовываться в видимое изображение (инфракрасное и ультрафиолетовое) или в электрический сигнал.

Первичные измерительные преобразователи светового излучения в электрический сигнал являются основой автоматизированных устройств неразрушающего оптического контроля. В качестве первичных измерительных преобразователей используют: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, вакуумные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители, матрицы на базе полупроводниковых материалов и передающие телевизионные трубки [23–26].

1. Фоторезисторы и вакуумные фотоэлементы имеют наилучшие метрологические характеристики при преобразовании интенсивности света в электрический сигнал. Фоторезисторы могут обеспечить регистрацию небольших световых потоков в широком спектральном диапазоне длин волн падающих фотонов, особенно при охлаждении их до криогенных температур (охлаждаемые болометры). Их недостатком являются нелинейность световой характеристики и проявляющаяся иногда инерционность. Вакуумные фотоэлементы имеют линейную световую характеристику, но поскольку в них используется внешний фотоэффект, их чувствительность невелика, а спектральный диапазон работы меньше, что проявляется особенно сильно вблизи «красной границы» для квантов с малой энергией. Эти свойства обусловливают применение вакуумных фотоэлементов для точных светотехнических измерений.

2. Фотодиоды и фототранзисторы имеют высокую чувствительность, но недостаточно стабильные характеристики (сильная зависимость от температуры). Поэтому они применяются в тех случаях, когда сигнал носит импульсный характер и небольшие изменения их параметров не оказывают существенного влияния на результаты контроля.

3. Фотоэлектронные умножители имеют характеристики, подобные фотоэлементам, но обладают по сравнению с ними высокой (в 10–104 раз) чувствительностью к освещенности. Значительно большие шумы и необходимость высоковольтного питания ограничивают области их применения.

В связи с достижениями микроэлектронной технологии начинают широко использоваться матричные приборы [25] в виде линеек или пластин из полупроводниковых элементов с упорядоченным расположением выводов и приборы с зарядовой связью. Эти приборы служат базой для аппаратуры оптического неразрушающего контроля, воспринимающей оптические сигналы в пространстве путем квантования их и последующей дискретной обработки. На их основе строятся также твердотельные аналоги электронно-лучевых вакуумных трубок, позволяющие получить электрические сигналы о распределении освещенности в пространстве.

4. Электронно-лучевые вакуумные передающие трубки преобразуют сформированное на их входной мишени изображение в упорядоченную последовательность электрических сигналов, что дает возможность получать и обрабатывать большой объем информации о контролируемом объекте. Для работы электронно-лучевых передающих трубок необходимы высоковольтный блок питания электродов трубки, блок питания электромагнитной фокусировки, генераторы строчной и кадровой разверток. Поэтому конструкция передающей камеры с электронно-лучевой трубкой является сложной и требует качественной настройки. Среди разных видов передающих электронно-лучевых трубок наиболее часто применяют следующие: видикон, суперортикон и диссектор.

Суперортикон – передающая электронно-лучевая вакуумная трубка, использующая внешний фотоэффект. За счет переноса электронов, появившихся в результате воздействия квантов падающего света на двустороннюю накапливающую мишень и применения внутреннего фотоэлектронного умножения, он имеет очень высокую чувствительность по сравнению с другими трубками. Однако его недостатки – сложность в производстве и эксплуатации, большие искажения изображения при попадании на мишень элементов изображений с большой яркостью – ограничивают его применение.

Видикон – электронно-лучевая вакуумная трубка, использующая внутренний фотоэффект с накоплением зарядов. Видикон имеет меньшую чувствительность, чем суперортикон, и несколько хуже передает быстро движущиеся изображения. Спектральные характеристики видикона определяются материалом фотокатода. Например, мишени для работы в видимом диапазоне света изготавливают из соединений сурьмы, селена, мышьяка, серы; в инфракрасном – из сульфида свинца; в ультрафиолетовом – из селена, обладающего широкой спектральной характеристикой. На базе видикона созданы другие электронно-лучевые трубки, например, плумбикон и кремникон, в которых реализованы последние достижения полупроводниковой технологии и использующиеся более сложные мишени, что позволяет увеличить чувствительность и снизить инерционность трубки.

Диссектор – электронно-лучевая передающая вакуумная трубка без накопления заряда, использующая внешний эффект. Она содержит фотокатод, секцию фокусировки и развертки изображения, а также вторично-электронный умножитель. Выпускаемые промышленностью диссекторы имеют хорошие эксплуатационные показатели (механическая прочность, устойчивость к неблагоприятным внешним воздействиям и т. д.), линейную световую характеристику, дают возможность получить высокую разрешающую способность по яркости и в пространстве (отдельные экземпляры до 3000 строк).

3.5 Основные методы оптического контроля

3.5.1 Визуально-оптические методы контроля

Минимальный размер дефекта, который четко выявляется при визуальном контроле, зависит от характера исследуемого объекта (в частности, чем грубее его поверхность и структура, чем больше размер обнаруживаемого дефекта), уровня яркоcти и направления освещения, контраста между дефектом и фоном, т. е. от перепада яркостей, цветов или отражающих способностей, а также от личных качеств оператора (зрения, опыта и т. д.). Ориентировочно полагают, что при визуальном контроле оператор с нормальным зрением на расстоянии наилучшего зрения уверенно обнаруживает дефекты с минимальным размером 0,1 мм в плоскости, перпендикулярной линии наблюдения.

Визуально-оптическим называют неразрушающий контроль качества с применением оптических средств, позволяющих существенно расширить пределы естественных возможностей органов зрения человека. Он является техническим продолжением визуального контроля, дает возможность обнаруживать более мелкие дефекты и производить измерения с высокой разрешающей способностью (1–5 мкм). Обычно проводят многоступенчатый контроль: осматривают поверхность изделия без оптических средств, выявляя крупные дефекты и подозрительные места, изучают эти места через лупу (однолинзовый микроскоп), а затем исследуют отдельные участки контролируемого изделия с помощью многолинзового микроскопа, последовательно повышая кратность его увеличения. При правильном выборе условий визуально-оптического контроля размеры элементов объекта или минимальных выявляемых дефектов (в мм) уменьшаются в соответствии с оптическим увеличением устройства:

.

Лупы предназначены для оптического контроля близко расположенных элементов изображения при небольшом увеличении () и обычно при ручном контроле. Удобство работы с ними определяется тем, что их легко перемещать по контролируемому объекту, а зона обзора лупы сравнительно велика.

Так как для луп и микроскопов с большим увеличением глубина резкости уменьшается, проведение контроля с их помощью усложняется и требует большего времени для фокусировки изображения (поиска расстояния наилучшего видения).

Лупы имеют различное конструктивное оформление в соответствии с вариантами их применения: обзорные – для контроля одновременно двумя глазами; налобные в виде увеличительных очков; складные, в том числе – карманные, часовые, телескопические. Оптическая часть лупы может состоять из одной линзы или нескольких скрепленных между собой, что дает возможность скорректировать часть аббераций и получить изображение хорошего качества. Лупы с малым увеличением () используют для поиска дефектов и дефектных зон, а с большим () – для их анализа и обнаружения дефектов минимально возможных размеров. Чтобы максимально использовать возможности лупы при проведении визуально-оптического контроля, ее (кроме больших бинокулярных луп) надо держать как можно ближе к глазу, поскольку в этом случае воспринимается наибольшее количество лучей, идущих от контролируемого объекта, и снижается влияние отражений (бликов) от посторонних предметов и линзы. Лупа размещается, как правило, параллельно контролируемой поверхности, что повышает производительность и достоверность визуально-оптического контроля.