способ оптической томографии прозрачных материалов
Классы МПК: | G01N21/85 исследование потоков текучих сред или гранулированных твердых материалов |
Автор(ы): | Демин А.В., Путилин Э.С., Старовойтов С.Ф. |
Патентообладатель(и): | Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1993-03-10 публикация патента:
27.08.1997 |
Использование: изобретение относится к области оптического приборостроения и, в частности к методам дефектоскопии оптических материалов по таким показателям как пузырность и безсвильность. Сущность изобретения: устраняют влияние пограничной поверхности материала, зондируют оптическим излучением материал встречным пучком с одинаковыми апертурными углами, перемещают точку схождения встречных пучков по объему материала, осуществляют регистрацию приемной системой проходящего, рассеянного и отраженного от дефектов в материале излучения, корреляционную обработку части зондирующего излучения непроходящего в материал, осуществляют совместно с происходящим, рассеянным и отраженным от пузырей и свилей в материале и регистрируют положение точки схождения встречных зондирующих пучков. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Способ оптической томографии прозрачных материалов, включающий в себя операции зондирования оптическим излучением материала, регистрации приемной системой проходящего, рассеянного и отраженного от дефектов в материале излучения, отличающийся тем, что при построении томограммы величины и распределения дефектов по объему материала устраняют влияние пограничной поверхности материала на зондирующее излучение, зондируют материал встречными пучками с одинаковыми апертурными углами, перемещают точки схождения встречных пучков по объему материала, осуществляют корреляционную обработку части зондирующего излучения, непроходящего в материал, совместно с проходящим, рассеянным и отраженным от дефектов материала, регистрируют положение точки схождения встречных пучков относительно граничной поверхности материала.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области оптического приборостроения и, в частности к методам дефектоскопии оптических материалов по таким показателям как пузырность и безсвильность. Известны способы контроля пузырности и безсвильности в оптических материалах (ГОСТ 3522-69; ГОСТ 3521-69; Додугина В.С. К вопросу оптической однородности изготовок из стекла. СМП, 1962, N 4, c. 32). Суть этих способов сводится к выполнению последовательности следующих операций:подготовка образца из исследуемого оптического материала;
освещение образца направленным излучением;
визуальное наблюдение рассеянного от пузырей света на фоне черного экрана в направлении перпендикулярном освещению;
визуальное наблюдение дифракционной картины, образующей свечение на экране;
в соответствии с выбранным критерием (ГОСТ) определяют категорию материала относительно пузырности и безсвильности. Недостатком этих методов являются:
субъективность процесса регистрации;
отсутствие информации о пространственном расположении пузырей и свилей в материале;
низкая производительность и чувствительность методов. В качестве прототипа предлагаемого способа изобретения выбран косвенный метод определения наличия пузырности и безсвильности в оптическом материале, основанный на определении оптической однородности материала, в зависимости от выбранного критерия:
степень постоянства показателей преломления в зависимости от размеров заготовки (ГОСТ 23168-78);
степень изменения разрешающей способности ( ГОСТ 3518-69);
величины волновой аберрации (ГОСТ 23168-78). Недостатком этих материалов является:
субъективность процесса регистрации;
отсутствие информации о пространственном расположении (томограмма) пузырей и свилей в оптическом материале. Технической задачей способа оптической томографии прозрачных материалов является:
объективность результатов измерения; повышение точности и достоверности;
построение томограммы величины и распределения дефектов (пузырей и свилей) по объему материала. Это достигается тем, что выполняются следующие операции:
устранение влияния пограничной, шероховатой, дефектной поверхности материала;
зондирование оптическим излучением материала встречными пучками с одинаковыми апертурными углами;
перемещение точки схождения встречных пучков по объему материала;
регистрация приемной системой проходящего, рассеянного и отраженного от дефектов в материале излучения;
корреляционная обработка части зондирующего излучения, не проходящего в материал, совместно с проходящим, рассеянным и отраженным от пузырей и свилей в материале;
регистрация положения точки схождения встречных зондирующих пучков. На чертеже представлена структурно-функциональная схема информационно-измерительной системы для дефектоскопии оптически прозрачных материалов способом оптической томографии, где приняты следующие обозначения: 1 заготовка из оптического материала; 2 лазерный источник; 3 - поляризатор; 4 телескопическая система излучателя; 5 зеркало; 6 - полупрозрачная пластина; 7 зеркальный прерыватель; 8 объектив с переменным фокусным расстоянием; 9 система регистрации значения фокусного расстояния; 10 объектив; 11 анализатор; 12 приемник излучения; 13 электронный блок информации; 14 оптическая пластина с иммерсионной жидкостью. Информационно-измерительная система состоит из трех приемно-измерительных систем, установленных навстречу друг другу и обладающих одинаковыми параметрами. Таким образом реализуется коноскопическая схема измерения. При этом, зондируемая на предмет наличия пузырей зона в заготовке может быть выбрана любая. Установка дополнительного измерителя с постоянной расходимостью по торцу заготовки обеспечивает решение задачи регистрации свилей и напряжений в оптическом материале. Излучение от лазерного источника 2, промодулированного с частотой W1 или W2 не кратными друг другу, через объектив 4 и зеркало 5 и 6 подается на панкратический объектив 8, который формирует это излучение в заданную область заготовки 1. Пластина 14 с иммерсионной жидкостью позволяет исключить эффект влияния поверхности заготовки. Рассеянное излучение от дефектов (пузырей и свилей) регистрируется приемником лазерной энергии 12 с последующей обработкой информации в блоке 13. Зеркальные прерыватели 7 служат для контроля параметров излучения лазера при корреляционной обработке совместно с проходящим, рассеянным и отраженным от дефектов в материале изделия. Симметричный канал излучателя (верхняя часть рисунка) предназначен для увеличения точности определения координат дефектов. Для той же цели необходимо использовать излучение лазерных источников 2, промодулированное с разными, не кратными друг другу, частотами. Зеркальные прерыватели должны работать синхронно, с одинаковой частотой. В качестве источника излучения целесообразно выбрать лазер ЛГ-76 (HE-NE), обеспечивающий генерацию излучения на трех длинах волн 0,63; 1,15 и 3,39 мкм. Измерение на длине волны в 3,39 мкм позволяет осуществлять дефектоскопию в ИК материалах. Регистрация мгновенной интенсивности рассеянного излучения осуществляется в процессе сканирования по объему заготовки точки схождения пучков, а в итоге распределение интенсивности рассеянного излучения по объему материала оценивается со следующим соотношением:
где радиусы-векторы положения регистрируемого дефекта в заготовке и в плоскости анализа соответственно;
поле рассеивания в месте наблюдения;
K волновое число. Если исходить из модели диффузного рассеяния для упрощения алгоритма обработки, не снижающей точности построения томограммы, то имеет нормальное распределение, и для него справедливо:
где <.> усреднение по ансамблю наблюдения реализаций;
распределение интенсивности рассеянного, отраженного излучения в зоне наблюдения. В этой связи можно показать, что радиус корреляции интенсивности в зоне наблюдения одновременно двумя системами, который адекватен размеру дефекта будет
Или в нашем случае это будет
где d диаметр зондирующего пучка;
l длина зоны перетяжки;
длина волны зондирующего пучка;
R радиус волнового фронта;
f" фокусное расстояние прямо передающей системы;
a расходимость зондирующего пучка (апертурный угол зондирующего пучка). Образ диффузно-отражающих дефектов по объему заготовки является практически функцией только распределения интенсивности
где S площадь регистрируемой картины. Реализация способа оптической томографии осуществляется следующим образом. Сигнал, отраженный, рассеянный, проходящий от дефекта при когерентном освещении, регистрируется в плоскости приемника за время анализа данной зоны. При этом в этой зоне формируются два встречных пучка, имеющих одинаковый радиус волнового фронта в зоне перетяжки, далее сигналы с обоих встречно-работающих приемно-передающих систем, после обработки на ЭВМ, позволяет получить на экране дисплея пятенную картину, которая определяет послойно относительно заготовки распределение и размеры пузырей и свилей. При этом знание точного положения перетяжки в материале заготовки, а также координат приемно-передающих систем относительно заготовки, позволяет определить распределение и величины дефектов по всему объему заготовки - томограмму. Также следует отметить, что скоро приемно-передающие системы работают синхронно и навстречу друг другу (с точки зрения хода лучей), то на каждом из приемников лазерной энергии происходит регистрация рассеянного, отраженного и проходящего излучения. Для того, чтобы ослабить влияние прямо проходящего излучения на результаты анализа, в системах установлены скрещенные относительно друг друга поляризаторы.
Класс G01N21/85 исследование потоков текучих сред или гранулированных твердых материалов