CC BY
46
Mirror Г, гэтшгигп
I 2 (75), 2014-
ji c
ДИТЕЙНОЕ£ ™
ПРОИЗВОДСТВО
УДК . 681 .7.068:621 .74 Поступила 28.03.2014
А. П. МАРКОВ, с. с. СЕРГЕЕВ, А. Г. СТАРОВОЙТОВ, Белорусско-Российский университет, Е. И. МАРУКОВИЧ, Е. М. ПАТУК, ИТМ НАН Беларуси
высокочувствительное видеоэндоскопирование
поверхностей геометрических тел
Рассматриваются способы и средства высокочувствительной дефектоскопии. Ways and means of highly sensitive defectoscopy are considered.
В каждом отдельном случае структура и состояние информационного процесса конкретизируются применительно к особенностям поверхности ее параметров и свойств . Потребитель информации осуществляет выбор системы визуализации, адаптированной к реальному объекту. В системе контроля технологическими процессами объектов исследований выступают отдельный элемент поверхности, отдельная операция или их совокупности, обладающие характерными внутренними признаками, которые позволяют обособленно рассматривать их во взаимосвязи с другими элементами и операциями . Из множества физических величин, формирующих первичное отображение участка поверхности, выбираются более информативные и достоверные .
Технологический контроль позволяет с помощью технических средств распознать изменчивость свойств поверхности, классифицировать аномальное отклонение и идентифицировать формирующийся дефект. Распознавание образов изменчивого отображения в основном сводится к описанию и классификации признаков . В реальных условиях для эффективного и правдоподобного описания образов производится тщательная предварительная обработка признакового пространства, чтобы очистить первичное отображение от различных помех и устранить избыточность Таким путем выделяется некоторый ограниченный набор числовых или нечисловых характеристик или соотношений между ними, формирующих информативное излучение [1].
Недостаток или отсутствие априорной информации об изменчивости признакового пространства ограничивает достоверность характеристик его образа и точность идентификации поверхност-
ной неоднородности (дефекта) . При сравнительной оценке способов и структур восприятия и обработки информативных излучений преимущество отдается тем, которые обеспечивают максимальное количество информации при минимальных массо-габаритных параметрах и энергопотреблении
На эффективной спектрально-энергетической трансформации первичных отображений и их информативных излучений сказывается согласованный выбор элементов и их параметров для всей оптической системы, включая и окружающую среду Если световодный канал определяет помехоза-щищенную трансляцию и преобразование информации, то от среды зависят проявляемость и выяв-ляемость (обнаруживаемость) дефектных мест поверхности геометрического тела
Информационная система первичных преобразований со световодной оптикой определяется параметрами световода и размерами полевой диафрагмы В такой структуре световодной системы первичное отображение участка поверхности непосредственно воспринимается через диафрагму входным торцом 2 жгута световода 3 и переносится по светопроводящим моноволокнам на выходной торец, связанный с приемником 4 (см . рисунок) .
При приеме первичного изображения через среду с показателем п сказывается эффект приближения этого изображения . Замена воздушной среды при приеме на иммерсионную среду зрительно приближает поверхность на расстояние
1о 1С 1С (п -1) ^ (п -1)
---=-. Соотношение - для воды
1 п п п
составляет 1/4, а для иммерсионной жидкости -1/3 1с. В этом случае угловая величина 0 изменится в сторону увеличения и определяется соотношением:
-2 (75), 201а/ и и
Схема оптической системы: 1 - поверхность; 2 - диафрагма; 3 - жгут световодный; 4 - приемник (диафрагма)
е = аг<^2
(1+4
пр
чи
(и-1)
Для систем, формирующих изображение, особенно при низких уровнях освещенности произведение ^иЭ, где - площадь, освещаемая пучком лучей в плоскости изображения; 9 - телесный угол, под которым виден выходной зрачок из центра полевой диафрагмы, определяет световую энергию, которая может быть принята и передана оптической системой [2].
Если изображающая система освещается протяженным источником однородной яркостью В, тогда полная мощность излучения, попадающая от источника в оптическую систему, равна ВSи9 . Если в оптической системе линзы и световод идеально прозрачны, то световой поток будет сохраняться при переходе от одной плоскости изображения к другой и вся мощность излучения от источника пройдет через систему на ее выход
Безразмерная величина Sи9Л,2, где X - длина световой волны, определяет минимальное количество разрешаемых структурных элементов объекта, которые могут быть переданы изображающей оптической системой, работающей в условиях, когда разрешение ограничивается диафрагмой
Таким образом, увеличивая с помощью иммерсионных сред параметр Sи9/X2, повышается разрешающая сила оптической системы . При оптической обработке информации параметр Sи9/X2 называют пространственно-частотным произведением . Оно определяет эффективное число независимых параллельных каналов, которое реализуется в данном процессоре для передачи информации . В оптических световодных системах все эти каналы работают одновременно Такая особенность обеспечивает преимущество по сравнению с системами, в которых вся информация обрабатывается последовательно
Необходимо отметить, что поскольку длина волны неисчезающе мала, изображение, образуемое сходящимся пучком лучей, никогда не является точечным . Это - пятно, конечный размер кото-
рого определяется дифракцией Фраунгофера. Так, если параллельный пучок света проходит через щель шириной 2а и фокусируется линзой с фокусным расстоянием / то яркость центрального пятна падает до нуля на расстоянии от его центра: 0,5/Х/а [3] .
Так как главная диафрагма, определяющая разрешающую силу, расположена в заданной фокальной плоскости, то, когда мы смотрим со стороны предмета, входной зрачок оказывается в бесконечности
Наименьшее разрешаемое расстояние в плоскости предмета равно 0,61ХМп9 . Когда образец погружен в иммерсионную среду с показателем преломления п, наименьшее разрешаемое расстояние равно 0,61 ХМп9.
Разрешающая способность пучка световодов ограничена не только дифракцией излучения, но и комплексом других параметров и существенно уступает элементам классической оптики Предел разрешения современных оптических систем при числовых апертурах 0,5-0,1 равен 0,5-1,0 мкм; разрешение световодных элементов пока не превышает 4-6 мкм [2]. _
■ /2 2 Величину И8т0 = уяс -пи =А$ называют номинальной числовой апертурой световода в объективе микроскопа, где пс - показатель преломления световода; пи - показатель преломления оболочки Номинальная числовая апертура А0 является одной из основных характеристик световода и определяет его светособирающую и светопропускающую способность - светосилу
Светосила равна А02, т. е . п^—п^ .С точки зрения светосилы и качества передаваемой информации оптимальными являются световоды с числовой апертурой, равной или большей единицы Практически числовая апертура < 1 [3].
Если же на входе световода находится среда с показателем преломления П1 > 1 и из этой среды падает конический сноп лучей на входной торец сердцевины, а световод имеет номинальную чис-
I 2 2~
ловую апертуру, например у]пс -пж <щ, то
зт9 =
л
<1.
кс/шмии
и и / 2 (75), 201а-
2
В частности, для того чтобы диффузное излучение, падающее из иммерсионной среды с показателем преломления п полностью прошло через световод и дошло до его выходного торца, необходимо, чтобы ^п^ щ, т. е . была больше единицы
Эффективность использования в данной системе способности световода передавать широкие снопы лучей оценивается насыщенностью световода . Световод с сечением и номинальной число-
вой апертурой А0 может передавать поток Ф0 лучей с яркостью В не более чем Ф0 = А02 В5.
Номинальная насыщенность Н0 световода определяется отношением передаваемого им в пределах номинального апертурного угла 0 = а1гат А0 светового потока Ф к потоку Ф0 = А02В5 [3]:
Я0 =
Ф
А^ВБ
VI 2
пс -пи —1\, насыщенность Н0 = 1.
Литература
1. Визуально-оптическая дефектоскопия и размерный контроль в литейном производстве / Е . И . Марукович и [др . ]; под общ . ред . Е . И . Маруковича . Минск: Белорусская наука, 2007.
2 .С а т а р о в Д. К. Волоконная оптика. Л. : Машиностроение,1973 .
3 .А н д р у ш к о, Л. М. Волоконно-оптические линии связи: учеб . пособ . для вузов / Л. М. Андрушко, И. И. Гроднев, И . П . Панфилов . М . : Радио и связь, 1985 .
