Способ визуально-оптического контроля поверхности



Способ визуально-оптического контроля поверхности
Способ визуально-оптического контроля поверхности
Способ визуально-оптического контроля поверхности

 


Владельцы патента RU 2502954:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) (RU)

Способ визуально-оптического контроля поверхности глазом или с помощью микроскопа заключается в том, что между эталонной и контролируемой поверхностями помещают слой жидкости толщиной не более 10 мкм с показателем преломления больше, чем у контактирующих с ней оптических деталей, вводят в этот слой лазерное излучение, идущее по слою с полным внутренним отражением, и наблюдают свет, сконцентрированный и рассеянный на аномалиях и дефектах поверхности. В слой жидкости может быть введено поляризованное лазерное излучение, а наблюдают рассеянный от аномалий и дефектов свет через скрещенный по поляризации анализатор. Технический результат - возможность фиксировать наличие локальных аномалий поверхности глубиной меньше 0,05 мкм на больших площадях и без дорогостоящего оборудования. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к физике поверхностей, а точнее к визуально-оптическому контролю поверхностей.

Известно несколько способов визуального контроля чистоты оптических поверхностей /1, 2/, позволяющих при освещении и наблюдении поверхностей фиксировать на них аномалии (дефекты, шероховатости) с размерами в доли микрона.

Так, в «Методах контроля», п 2.2 /1/ при определении наличия дефектов (царапин и точек) предлагается поверхности деталей просматривать в косонаправленном пучке проходящего или отраженного света, т.е. под углом к оси детали, на фоне черного экрана, когда источником света служит лампа накаливания мощностью от 60 до 100 Вт (прототип).

Ограничение размера выявляемых аномалий связано с тем, что длина волны света в оптическом диапазоне составляет около 0.5 мкм, дефекты и аномалии с размерами по глубине меньше 0,05 мкм в используемых способах обычно остаются незамеченными. Но для ряда приложений контролирование наличия таких дефектов представляет интерес.

Контактные профилометры, использующие в качестве датчика иглу, ощупывающую контролируемую поверхность, позволяют фиксировать на ней аномалии, начиная от нанометров /2/, но для осмотра больших поверхностей они требуют существенных финансовых затрат и времени.

Задачей, решаемой изобретением, является создание способа визуально-оптического контроля, позволяющего фиксировать наличие локальных аномалий поверхности глубиной меньше 0,05 мкм на больших площадях и без дорогостоящего оборудования.

Для решения этой задачи предложено использовать тонкие жидкие пленки между эталонной (бездефектной, используемой для сравнения) и контролируемой оптической поверхностью (плоской или изогнутой) из жидкостей с показателем преломления больше, чем у контактирующих с ней оптических деталей, для получения полного внутреннего отражения света в пленке. В пленку сбоку вводится лазерный свет (Фиг.1), и при таком освещении аномалии на контролируемой поверхности становятся видны из-за рассеянного на них света, а царапины с жидкостью в них становятся световыми волноводами, концентрирующими введенное в пленку излучение, и из-за этого становятся особенно хорошо видны при наблюдении на темном фоне (так же, как это происходит с лазерными треками в тонких пленках /3/).

Схема наблюдения показана на Фиг.1, где 1 - эталон, 2 - контролируемая поверхность с дефектами, 3 - слой жидкости (меньше 10 мкм) между 1 и 2, 4 - фокусируемый лазерный луч, 5 - рассеянное на дефектах излучение.

Для уменьшения фоновой засветки лазерное излучение может быть поляризовано, а наблюдение аномалий при этом можно проводить через анализатор со скрещенной поляризацией. Глубины аномалий поверхности в данном способе не определяются, но отмеченные в способе места дефектов можно затем детально проверить профилометром.

Выбор жидкости определяется ее показателем преломления (известен набор жидкостей с показателями преломления до n=2 /4/) и совместимостью с материалом контролируемых деталей (исключающей их повреждение). Толщина пленки выбирается из условия, при котором свет концентрируется в зоне, например, царапины, т.е. после полного внутреннего отражения от поверхности царапины и последующего отражения от контрольной подложки свет снова возвращается в царапину. Для этого необходимо иметь малую толщину пленки, сравнимую или меньше ожидаемой ширины царапин. Дальнейшее уменьшение толщины пленки затрудняет ввод в нее лазерного излучения, поэтому оптимальный диапазон толщин пленки обычно выбирают меньше 10 мкм и составляет (1-5) мкм.

Минимально заметная в таком способе глубина визуально фиксируемых дефектов и отклонений определяется мощностью введенного в пленку лазерного излучения, и при использовании широкодоступных источников типа лазерной указки мощностью 10 мВт (532 нм) она из-за резонансного накопления и концентрации света в волноводной царапине при ширине (1-5 мкм), по оценкам /3, см. порог образования трека, стр.4/, может составлять доли нанометра.

Пример 1. Между эталонной и контролируемой плоскими кварцевыми подложками марки КУ (n=1,46) размером 6×6 см2 создают пленку бензола (n=1,5) толщиной от 1 до 5 мкм. В пленку сбоку линзой с фокусным расстоянием 5 см фокусируют излучение лазерной указки (10 мВт, 532 нм). Меняя место ввода лазерного излучения, через прозрачную эталонную подложку глазом или через микроскоп в зоне освещения лазером наблюдают на темном фоне проявляющиеся из-за рассеянного света на поверхности контролируемой подложки дефекты и царапины.

На Фиг.2 показан вид рассеянного на дефектах света в слое бензола толщиной 5 мкм между эталонной и контролируемой плоскими кварцевыми подложками марки КУ (n=1,46) размером 6×6 см2, где 1 - лазерный луч, 2 - длинная царапина на поверхности, 3 - мелкие дефекты от полировки.

Пример 2. Между эталонной и контролируемой плоскими стеклянными подложками марки К8 (n=1,5) диаметром 6 см создают пленку дийодметана (n=1,7) толщиной от 1 до 5 мкм. В пленку сбоку линзой с фокусным расстоянием 5 см фокусируют излучение лазерной указки (10 мВт, 532 нм). Меняя место ввода лазерного излучения, через прозрачную эталонную подложку глазом или через микроскоп в зоне освещения лазером наблюдают на темном фоне проявляющиеся из-за рассеянного света на поверхности контролируемой подложке дефекты и царапины.

На Фиг.3 показан вид рассеянного на дефектах света в слое дийодметана (n=1,7) толщиной 5 мкм между эталонной и контролируемой плоскими стеклянными подложками марки К8 (n=1,5) диаметром 6 см.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет без особых затрат визуально определить наличие групп или отдельных дефектов на контролируемой поверхности.

Возможные применения.

Выявление мелких аномалий и дефектов может быть использовано как экспресс-метод для контроля качества и износа шлифовального оборудования, а также в научных целях при отборе особо гладких поверхностей для изучения свойств лазерных треков в тонких пленках на подложках /5/.

Литература

1. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР. ДЕТАЛИ ОПТИЧЕСКИЕ. КЛАССЫ ЧИСТОТЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. ГОСТ 11141-84. Издание официальное ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ, (с.7).

2. Ким К.Ю. Диссертация к.т.н. «Исследование и разработка оптического метода бесконтактного контроля шероховатости поверхностей». Москва. 2009.

3. Стойлов Ю.Ю. Патент на изобретение «Способ получения световодных каналов в жидкой среде». RU 2403596 С11 (2009).

4. Иоффе Б.В. «Рефрактометрические методы в химии» Л. «Химия». 1983. (с.311-312).

5. Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. «ЛАЗЕРНЫЕ ТРЕКИ В РАДУЖНОЙ ЖИДКОЙ ПЛЕНКЕ НА ТВЕРДОЙ ПОДЛОЖКЕ». Препринт ФИАН №6 (2012). http://ellphi.lebedev.ru/wp-content/uploads/2012/06/preprint_06-12.pdf

1. Способ визуально-оптического контроля поверхности глазом или с помощью микроскопа, отличающийся тем, что между эталонной и контролируемой поверхностями помещают слой жидкости толщиной не более 10 мкм с показателем преломления больше, чем у контактирующих с ней оптических деталей, вводят в этот слой лазерное излучение, идущее по слою с полным внутренним отражением, и наблюдают свет, сконцентрированный и рассеянный на аномалиях и дефектах поверхности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в слой жидкости вводят поляризованное лазерное излучение, а наблюдают рассеянный от аномалий и дефектов свет через скрещенный по поляризации анализатор.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано при измерении малых разностей хода (менее 0,1λ длины волны) слабых оптических неоднородностей в прозрачных средах, например, при обтекании тел в потоках малой плотности, распыливании топлива из форсунок в разреженное пространство, изучении процессов смешения, воспламенения и горения топлив, обнаружении диффузных пограничных слоев.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к приборам и оптическим системам, в которых кварцевая линза является одним из основных элементов: в оптической литографии, поляризационной технике.

Изобретение относится к средствам измерения и может быть использовано для выявления центров диффузного рассеяния светового потока в оптических носителях информации, в частности для выявления царапин поверхностного слоя микрофильма.

Способ для позиционирования объекта, топографию поверхности которого получают на сенсорной системе, имеющей комплект двигателей для вращения объекта вокруг оси двигателя, перпендикулярной оптической оси сенсорной системы, и для перемещения объекта в направлениях X, Y и Z, содержит этапы: определяют позицию оси двигателя относительно базовой позиции в базовой системе координат; позиционируют сенсорную систему и/или объект в желаемой позиции и получают рельефную карту области в зоне обзора сенсорной системы; рассчитывают нормаль, отображающую топографию рельефной карты области; определяют угловое расхождение между нормалью и оптической осью сенсорной системы и сопоставляют его с пороговым углом для определения того, перпендикулярна ли поверхность области оси сенсорной системы.

Устройство содержит источник белого света (1) в виде LED-полоски (40), коллимационный блок (4), блок спектрометра для расщепления луча белого света (30) на луч мультихроматического света (31), направляемый на тестируемое изделие (5) под заданным углом падения, и камеру (3) для записи отраженного луча монохроматического света (32), так что информация о высоте поверхности по оси z тестируемого изделия (5) может извлекаться из значения оттенка отраженного луча (32) при относительном перемещении тестируемого изделия (5) по направлению (9) сканирования по оси x.

Изобретение может быть использовано для получения изображения микрорельефа объекта, имеющего большую площадь поверхности. Устройство включает платформу, на которой расположен объект и которая способна перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль первой горизонтальной оси, и портал, на котором установлен фазовый микроскоп и который способен перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль второй горизонтальной оси, перпендикулярной первой горизонтальной оси.

Изобретение относится к области диагностики поверхности твердого тела и может быть использовано для прецизионного контроля изделий в машиностроении и приборостроении.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения усталости твердых материалов, например металлов, пластмасс, композиционных материалов, стекла, бумаги и т.п., где усталость является ключевым параметром твердых материалов.

Изобретение относится к технике измерений, а более конкретно к измерению геометрических параметров нанообъектов путем исследования рассеянного излучения при сканировании объектов.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для бесконтактного оптического измерения физических параметров прозрачных объектов, как-то профиля, толщины стенки.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля формы и взаимного расположения поверхностей крупногабаритных изделий и объектов на расстояниях до 100 метров и более.

Изобретение относится к оптическому приборостроениию. .

(57) Способ осуществляют при помощи устройства (10), содержащего датчик изображений, световой источник (26) освещения и средства (18, 22) относительного перемещения датчика (24) изображений, светового источника (26) и механической детали (14). Осуществляют трехмерную съемку поверхности детали, определяют разбивку поверхности детали на зоны, определяют траекторию датчика изображений и светового источника относительно детали и получают изображения упомянутых зон поверхности детали. Дополнительно эти изображения анализируют и определяют зоны сильно или слабо экспонированные; оптимизируют оптические параметры получения изображений этих зон и определяют вторую разбивку поверхности детали с учетом оптимизации упомянутых оптических параметров; определяют новую траекторию датчика изображений и светового источника для получения изображения поверхности детали с использованием второй разбивки и оптимизированных оптических параметров; получают изображения этих зон при новой траектории и эти изображения записывают в память; автоматически определяют возможные дефекты поверхности детали в записанных изображениях и сравнивают их с известными дефектами, записанными в базе данных. Технический результат - обеспечение автоматической обработки и оптимизация полученных изображений. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство относится к средствам контроля геометрических параметров макродефектов внутренней поверхности труб, например, нефтяного сортамента. Заявленное устройство контроля макродефектов на внутренней поверхности труб содержит излучатель, приемник излучения, цилиндрический корпус направляющую трубу, механически связанную с электроприводом и установленную вдоль оси корпуса, концевой выключатель, блок управления, блок питания, связанный через блок управления с концевым выключателем, при этом на внутренней поверхности цилиндрического корпуса выполнены симметричные пазы, в каждый из которых установлены четыре пары направляющих роликов с шагом в 90°, ось каждого ролика жестко связана с кронштейном, имеющим возможность перемещения вдоль нормали к поверхности цилиндрического корпуса, при этом каждый кронштейн подпружинен относительно цилиндрического корпуса, другой конец пружины опирается на датчик давления, направляющая труба установлена с помощью подшипников в цилиндрическом корпусе с возможностью вращательного движения, направляющая труба и цилиндрический корпус связаны между собой зубчатой парой, одно из колес которой связано с электроприводом, на одной оси с корпусом установлен с возможностью осевого перемещения шток, опирающийся на пружину, второй конец пружины опирается на датчик давления установленный на фланце цилиндрического корпуса, при этом на части штока, находящейся вне внутренности цилиндрического корпуса, концевой выключатель установлен на штоке вне корпуса и касается торца контролируемой трубы, на торце направляющей трубы укреплен излучатель, перед излучателем размещена мембрана, в которой выполнены параллельные щели, имеющая угол наклона в сторону приемника излучения, в направляющей трубе выполнено окно между мембраной и приемником излучения. Технический результат заключается в определении геометрических параметров макродефектов на поверхности труб, имеющих различную цветность при обеспечении высокой достоверности результатов контроля. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности объектов относится к информационно-измерительной технике. При измерении шероховатости направляют на измеряемую поверхность пучок зондирующего излучения, формируют область освещенной излучением поверхности, измеряют характеристики отраженного излучения, изменяют размер освещающего пятна х на измеряемой поверхности в диапазоне от 0 до L, определяют функцию распределения среднеквадратического отклонения высоты шероховатости зависимости Rq(x) и ее производную Rq'x(x), при этом среднеарифметическое значение высоты шероховатости определяется по формуле: R a = 1 L ∫ 0 L R q 2 ( x ) + 2 R q ( x ) R q x ' ( x ) x d x ,                           ( 1 ) причем поверхность освещают поочередно на двух длинах волн, регистрируют в направлении зеркального отражения оптические изображения освещаемых областей поверхности объекта, а среднеквадратическое значение высоты неровностей Rq определяют по формуле: R q = λ 1 λ 2 π cos ψ ⋅ − ln k 12 + ln a λ 1 2 − λ 2 2 ,                     ( 2 ) k12 - отношение видеосигналов для всех элементов; i и j изображений; uij - величины видеосигналов изображений, полученных на длинах волн λ1 и λ2; ψ - угол освещения пластины; N - число элементов в строке изображения поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта; K - число строк в изображении поля зеркально отраженного излучения поверхности объекта. Технический результат - измерение шероховатости поверхности при освещении ее излучением на двух длинах волн. 1 ил.
Наверх