CC BY
67
УДК 681.723.26; 681.786.5
ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР БЕЛОГО СВЕТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ИНТЕРФЕРОГРАММ
Евгений Владимирович Сысоев
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Игнат Александрович Выхристюк
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, заведующий лабораторией, тел. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Родион Владимирович Куликов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Василий Владимирович Широков
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, аспирант, младший научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Исследовано применение интерферометра частично когерентного света с двумя каналами синхронной регистрации противофазных интерферограмм для контроля глубины дефектов технических поверхностей. Принцип измерения основан на формировании слоя когерентности на заданной глубине от поверхности контролируемого изделия. Показано, что использование двух каналов позволяет увеличить быстродействие контроля, и снижает влияние вибраций на погрешность измерения.
Ключевые слова: частично когерентный свет, быстродействие, двухканальный интерферометр, слой когерентности.
TWO-CHANNEL WHITE LIGHT DIFFERENTIAL INTERFEROMETER
Evgeny V. Sysoev
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Ph. D., Leading Researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Ignat A. Vykhristyuk
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Laboratory Head, tel. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Rodion V. Kulikov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Junior Researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Vasily V. Shirokov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Junior Researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]
Using the white light interferometer with two synchronous phase and antiphase interfero-grams registration channels for inspection of technical surfaces is studied. The measuring principle is based on forming the coherence layer at the specified depth from the surface under inspection. It is shown that the use of two channels improves inspection performance and reduces the measurement error caused by vibrations.
Key words: partially coherent light, productivity, two-channel interferometer, coherence layer.
Бесконтактный высокопроизводительный контроль дефектов технических поверхностей является актуальной задачей при производстве ответственных изделий. На сегодняшний день для решения этой задачи широко используются методы токовихревого контроля и различные оптические методы.
При контроле дефектов поверхности тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), используется система, основанная на токовихревом методе. В системе используется высокоскоростной узел вращения, который имеет ограниченный по времени ресурс работы. Кроме того, контроль некоторых типов дефектов (например, протяженная вмятина) осуществляется с большой погрешностью, что приводит как к перебраковке, так и пропуску дефектных изделий.
Более перспективными по сравнению с токовихревым методом являются оптические низкокогерентные интерференционные методы [1, 2]. Системы измерения, реализованные на этих методах, обладают высокой разрешающей способностью по высоте и малой погрешностью измерения [3, 4]. Принцип действия таких систем основан на регистрации нескольких интерферограмм сдвинутых друг относительно друга на определенную фиксированную фазу [5]. Фазовый сдвиг в интерферограммах обычно осуществляется при помощи изменения длины одного из оптических путей интерферометра. Быстродействие процесса измерения этих систем напрямую связанно с количеством регистрируемых интерферограмм, временем изменения оптического пути света в одном из плеч интерферометра и частотой работы камеры. Однако такие системы не устойчивы к воздействию вибраций и требуют дополнительных систем виброизоляции [4].
В статье представлена реализация интерферометра с двумя оптическими каналами синхронной регистрации [6], позволяющая уменьшить воздействие вибраций и повысить производительность измерений. Принцип измерения, используемый в данной системе, основан на получении дифференциальных ин-терферограмм [7, 8]. Схема интерферометра, представленная на рис .1, состоит из основной части 11 и объекта измерения 8. Основная часть 11 включает в себя источник частично когерентного света 1, объектив осветителя 2, светодели-тельные кубики 3 и 4, два идентичных объектива 5 и 6, опорное зеркало 7 и две идентичные ПЗС камеры 9, 10.
Свет от источника частично когерентного излучения (красный светодиод, имеющий среднюю длину волны X = 631,2 нм и длину когерентности 1С = 20,2 мкм) проходит через объектив осветителя 2 и попадает на светоделительный кубик 3. Прошедший пучок попадает на светоделительный кубик 4, где делится на два пучка. Первый пучок, распространяясь в опорном плече, проходит через микрообъектив 6 и освещает поверхность опорного зеркала 7. Второй, распространяясь в измерительном плече, проходит через микрообъектив 5 и освещает поверхность объекта измерения 8. Далее, частично отраженные и рассеянные поверхностями 7 и 8 световые волны проходят объективы 6 и 5, соответственно, попадают на светоделительный кубик 4. На границе деления кубика 4 световые волны интерферируют. Часть энергии попадает на ПЗС камеру 10, где происходит регистрация интерферограммы. Другая часть энергии попадает на светоде-лительный кубик 3 и регистрируется на ПЗС камере 9. Интерферограммы, синхронно регистрируемые ПЗС камерами 9 и 10, находятся в противофазе за счет фазовых набегов, получаемых на двух светоделительных кубиках в результате отражений.
Сканирование поверхности объекта измерения 8 на наличие дефектов производится путем его перемещения относительно основной части интерферометра 11 вдоль оси X. Дифференциальная интерферограмма формируется как модуль разности противофазных интерферограмм, синхронно регистрируемых ПЗС камерами. Так как используется источник частично когерентного света, то амплитуда дифференциальной интерферограммы будет отлична от нуля только для тех участков контролируемой поверхности, которые попадают в слой когерентности [7, 8].
Контроль дефекта поверхности осуществляется за счет установки основной части интерферометра относительно поверхности измеряемого объекта на фиксированное расстояние, определяемое допуском на глубину дефекта. В случае попадания дефекта в зону измерения интерферометра наблюдается максимальный контраст интерференционных полос. При перемещении контролируемой поверхности происходит обнаружение зон интерференции. Наличие этих зон свидетельствует о наличии дефектов.
На макете экспериментальной установки, показанной на рис. 2, были проведены эксперименты по получению синхронных интерферограмм. Добиться идеального совмещения изображений области измерения регистрируемой двумя камерами не удалось. В связи с этим, одна из камер была установлена на ме-
10
Рис. 1. Интерферометр с двумя каналами синхронной регистрации
ханический позиционер, имеющий шесть степеней свободы (перемещение и поворот по X, У, X). Это позволило совместить получаемые изображения с ошибкой в несколько пикселей.
Рис. 2. Макет интерферометра с двумя каналами синхронной регистрации
Для прецизионного совмещения было предложено использовать цифровую обработку изображений. Для этого было разработано программное обеспечение, в котором реализованы алгоритмы, позволяющие изменять геометрические параметры (преобразование прямоугольной области в произвольную четырехугольную) и яркость одного из изображений. Применение этих алгоритмов не позволило полностью отказаться от механической подстройки камер, так как программная подгонка дает субпиксельное совмещение двух изображений лишь при небольших изменениях одного из них.
Результаты эксперимента по получению дифференциальных интерферо-грамм представлены на рис. 3. На рис. 3, а приведена дифференциальная ин-терферограмма, полученная путем позиционирования слоя когерентности на поверхности оболочки ТВЭЛ. Темные области на светлой полосе свидетельствуют о наличии вмятин глубиной более 20 мкм. На рис. 3, б показан результат контроля фрагмента монеты, содержащий выступающие над основной частью поверхности буквы, высотой ~ 70 мкм. Слой когерентности установлен на вершины этих букв. Интерференция в областях основной части поверхности монеты не наблюдается.
Заключение
Показано, что использование двух оптических каналов регистрации позволяет увеличить быстродействие контроля более чем в два раза за счет синхронной регистрации двух противофазных интерферограмм.
Использование данной схемы интерферометра позволяет снизить влияние вибраций на достоверность результатов контроля благодаря синхронной регистрации противофазных интерферограмм.
В дальнейшем для повышения быстродействия процесса измерения планируется использование высокоскоростных камер.
Рис. 3. Дифференциальные интерферограммы полученные в результате синхронной регистрации: поверхность оболочки ТВЭЛ (а),
поверхность монеты (б)
БИБЛИОГРАФИЧ ЕСКИЙ СПИСОК
1. Albertazzi A. J. and Pont A. D. Preliminary measurement performance evaluation of a new white light interferometer for cylindrical surfaces // Journal of Physics. - 2005. - Vol. 13. -P. 28-31.
2. Höink A., Meiners-Hagen K., Jusko O., Abou-zeid A. Application of diode lasers in inter-ferometrical length measurements // Proceedings of ISMTII-2009 (The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments). Published by D.S. Rozhdestvensky Optical Society, Russia. Saint-Petersburg, Russia, 29 June - 2 July 2009. - Vol. 4. - P. 4-006 - 4-010.
3. Выхристюк И. А., Куликов Р. В., Поташников А. К., Сысоев Е. В., Широков В. В. Зависимость погрешности измерений интерференционного профилометра от длины когерентности света // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 98-99.
4. Сысоев Е. В., Выхристюк И. А., Куликов Р. В., Широков В. В. Влияние случайного сдвига фазы интерферограмм на погрешность измерений рельефа поверхности интерференционным профилометром // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 1. - С. 28-31.
5. Ильиных С. П., Гужов В. И. Обобщенный алгоритм расшифровки интерферограмм с пошаговым сдвигом // Автометрия. - 2002. - Т. 38, № 3. - С. 122-126.
6. Andretzky P., Lindner M. W., Bohn G., Neumann J., Schmidt M., Ammon G., and Häusler G. Modifications of the coherence radar for in vivo profilometry in dermatology // Proc. SPIE. -1998. - Vol. 3567. - P. 88-96.
7. Сысоев Е. В., Голубев И. В., Чугуй Ю. В., Шахматов В. А. Измерение локальных отклонений профиля поверхности на основе интерференции частично когерентного света // Автометрия. - 2004. - T. 40, № 4. - C. 4-13.
8. Сысоев Е. В., Голубев И. В. Способ измерения профиля поверхности. Патент РФ № 2245515, 2005.
© Е. В. Сысоев, И. А. Выхристюк, Р. В. Куликов, В. В. Широков, 2015
