Устройство для получения стереоизображений поверхностей

Устройство для получения стереоизображений поверхностей относится к области бесконтактных измерений и оценке размеров субмикронеровностей (поры, раковины, шероховатость, волнистость) и дефектов поверхностей и предназначено для получения стереоизображений с поверхностей металлов, сплавов, наплавленных поверхностей с последующим получением цифровой визуализированной информации, необходимой для оценки дефектов поверхностей.

Устройство позволяет по средствам отраженных и преломленных от поверхности лучей лазера, проходящих через систему линз получить устойчивую картину стереоизображений возможных дефектов поверхности.

Предлагаемое устройство содержит осветительный тубус в котором на оптической оси последовательно расположены источник света, в качестве которого использован лазерный диод мощностью 750 мВт, комплект линз, конденсатор, в осветительном тубусе установлен фильтр, имеющий квадратное сечение с размерами 0,1×0,1 мм; измерительный тубус, на оптической оси которого установлен комплект линз, в качестве регистрирующего устройства в измерительном тубусе применена светочувствительная интегральная микросхема CCD-матрица (Charge-CoupledDevice - специализированная аналоговая интегральная микросхема). В комплекте линз осветительного и измерительного тубусов использованы линзы с кратностью увеличения до 500.

Использование устройства позволяет повысить точность измерения параметров дефектов поверхностей в 2 раза и производительность процесса измерения в 10-15 раз, значительно сократить утомляемость оператора, расширяет его функциональные возможности, повышает точность измерения.

Устройство относится к области бесконтактных измерений размеров субмикронеровностей (поры, раковины, шероховатость, волнистость), оценке несплошности поверхностей и предназначено для получения стереоизображений с поверхностей металлов, сплавов, наплавленных поверхностей с последующим получением цифровой визуализированной информации, необходимой для оценки дефектов поверхностей.

Известны, выпускаемые промышленностью, оптические устройства для профилометрии и стереометрии поверхностей [Радкевич Я.М. Метрология, стандартизация и сертификация: Учеб. пособие / Радкевич Я.М., Схиртладзе А.Г., Лактионов Б.И. - М.: Высш. шк., 2004. - 767 с] которые используются для измерения отдельных геометрических параметров и дают интегральные характеристики измеряемого профиля.

Недостатком таких устройств являются передача искаженной информации о поверхности. В частности большинство приборов передают плоское изображение субмикрорельефов поверхности, что не является адекватным в некоторых случаях (в частности при оценке поверхностей после наплавки или триботехнических испытаний). Используемые, в некоторых устройствах, источники света имеют низкую мощность, что приводит к образованию теней и засветок. В качестве измерительных средств используются оптические системы, состоящие из измерительных и муаровых шкал, линз, требующих тарировки и юстирования, в связи, с чем снижается точность таких устройств. Как правило, данные устройства предполагают наличие подготовленного оператора.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является микроскоп двойной измерительный (МИС-11) [Муслина, Г.Р. Измерение и контроль геометрических параметров деталей машин и приборов: Учебное пособие / Г.Р.Муслина, Ю.М.Правиков. - Ульяновск; под общ. ред. Л.В.Худобина. - УлГТУ, 2007. - 220 с]. Принцип действия МИС - 11 основан на измерении параметров проекции светового сечения исследуемой поверхности с помощью наклонного направленного к ней светового луча. Световой луч, проходя через конденсатор и фильтр с узкой щелью, проецирует световую полоску поверхности объективом в фокальную плоскость окуляра. Высоту дефектов и микронеровностей измеряют с помощью окуляра-микрометра.

К недостаткам конструкции устройства МИС - 11 следует отнести низкую точность и высокую погрешность измерений, что обусловлено размером поля зрения прибора и необходимостью интерпретации результатов по соответствующим измерительным приборам, присутствие искажений изображения в виде засветок и затенений, низкую мощность источника света, что приводит к снижению точности полученных результатов. Основным недостатком прибора МИС-11 является несоответствие длины, на которой возможно измерение параметров дефектов поверхностей вследствие искажений изображения световой щели. Такое несоответствие вызвано размером поля зрения прибора, обусловленного применением щелевого фильтра. Кроме того, конструкция микроскопа МИС-11 не позволяет получить стереоизображение (топографическое изображение) с исследуемой поверхности.

Техническим результатом, предлагаемой полезной модели является улучшение качества получаемого изображения поверхности, увеличение точности получаемых результатов измерений, снижение трудоемкости получения результатов.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для получения стереоизображений поверхностей, содержит осветительный тубус, в котором на оптической оси последовательно установлены источник света, фильтр, комплект линз; и измерительный тубус с последовательно установленными на оптической оси комплектом линз и регистрирующим устройством, которое в конструкции предлагаемого устройства, необходимо для оценки интенсивности отраженного излучения от поверхности, в отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве в осветительном тубусе в качестве источника света использован лазерный диод мощностью 750 мВт и установлен фильтр с квадратным сечением размером 0,1×0,1 мм, в измерительном тубусе в качестве регистрирующего устройства установлена светочувствительная интегральная микросхема CCD-матрица (Charge-CoupledDevice) - специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненных на основе кремния, в комплекте линз осветительного и измерительного тубусов использованы линзы с кратностью до 500.

Применение лазерного диода позволяет повысить качество и точность, получаемого изображения, за счет уменьшения рассеивания и высокого контраста отраженного от дефекта излучения, что исключает появление оптических искажений, образование теней и засветок.

Увеличение кратности линз измерительного и осветительного тубусов предлагаемого устройства до 500 способствует получению более детального и контрастного изображения дефектов поверхностей, что позволяет более точно распознать топологии и размеры дефектов.

Применение фильтра с квадратным сечением размером 0,1×0,1 мм позволяет точно сфокусировать световой луч на заданную поверхность детали, что исключает появление засветок и затенений изображения дефектов. Использование интегральной микросхемы (CCD-матрицы), позволяет преобразовать, отраженный от поверхности детали свет в электрический сигнал с последующей его визуализацией.

Такое внесение изменений в конструкцию МИС-11 позволяет комплексно реализовывать сочетание преимуществ оптических устройств, использующих свет, а именно, отсутствие дифракционных пространственных шумов (спеклов), и оптических устройств, использующих фазовые методы измерений. Это и обеспечивает достижение необходимого технического результата - повышение точности измерений до значений не менее /1000 (-разность хода отраженных светового луча). Другим достигаемым техническим результатом является возможность исследования поверхностей существенно больших размеров, чем это предусмотрено штатной конструкцией устройства МИС-11, что позволяет использовать разработанное устройство для бесконтактных измерений при метрологическом обеспечении субнанометровых технологий.

Конструкция устройства представлены на фигуре 1:

Фигура 1. Оптическая схема предполагаемого устройства.

На фигуре 2 представлена сравнительная визуализация результатов измерения дефектов:

а) исходная поверхность, полученная с помощью устройства МИМ 7;

б) изображение дефектов, полученное с помощью МИС-11;

в) стереоизображение дефектов, полученное предлагаемым устройством.

Устройство (фиг.1) содержит последовательно установленные на оптической оси осветительного тубуса лазерный диод 1, линзу 2, конденсатор 3, фильтр 4 с квадратным сечением размером 0,1×0,1 мм, линзы 5, 6, на оптической оси измерительного тубуса последовательно расположены линзы 7, 8. Регистрирующее устройство (CCD матрица) 9 регистрирует полученные значения фаз сигналов, которые соответствуют профилю исследуемого дефекта.

Устройство работает следующим образом.

Луч от источника света 1 падает на линзу 2. Пучок излучения, сформированный линзой 2, освещает конденсатор 3 и фильтр 4 осветительного тубуса. Далее свет, проходя через линзы 5 и 6, фокусируясь, падает на исследуемую поверхность. Отраженный свет последовательно через линзы 7, 8 измерительного тубуса формирует сигнал на матрице 9 (фиг.1).

На фиг.2а показана зона дефектов поверхности, полученная с помощью микроскопа МИМ 7. Характер плоского изображения свидетельствует о том, что в исследуемой металлической поверхности присутствуют ряд дефектов в виде пор. Причем по виду плоского изображение характер этих дефектов (имеется в виду их размер и топология) определить не представляется возможным. По виду, представленного на фиг.2а изображения, невозможно определение глубины этих дефектов.

При использовании штатной конструкции устройства МИС-11 на изображении (фиг.26) наблюдается размытие его контуров, границ и искажение изображения. При этом характер и размер дефектов вследствие засветок на изображении определить не представляется возможным.

Использование предлагаемой конструкции устройства позволяет получить стереоизображение поверхности, представленное на фиг.2в, анализ изображения показывает, что границы дефектов четко определены, отсутствуют спеклы и искажения изображения. При таком изображении возможно определение размеров дефектов поверхностей с достаточной точностью.

Использование устройства позволяет повысить точность измерения параметров дефектов поверхностей в 2 раза и производительность процесса измерения в 10-15 раз, значительно сократить утомляемость оператора, расширяет его функциональные возможности, повышает точность измерения.

1. Устройство для получения стереоизображений поверхностей, состоящее из осветительного тубуса, в котором на оптической оси последовательно установлены источник света, конденсатор, фильтр, комплект линз; и измерительного тубуса с последовательно установленными на оптической оси комплектом линз и регистрирующим устройством, отличающееся тем, что в осветительном тубусе в качестве источника света использован лазерный диод, а фильтр установлен с квадратным сечением, в измерительном тубусе в качестве регистрирующего устройства установлена светочувствительная интегральная микросхема; в комплекте линз осветительного и измерительного тубусов использованы линзы с кратностью увеличения до 500.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мощность лазерного диода составляет 750 мВт.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светочувствительная интегральная микросхема представляет собой фотодиоды, выполненные на основе кремния.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что квадратное сечение фильтра составляет 0,1×0,1 мм.