Способ оптической томографии прозрачных материалов

 

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.

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;
λ 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.

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1