CC BY
52
УДК 535.8, 681.7.01
РАЗРАБОТКА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ОБЪЕКТИВОВ ДЛЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО КОНТРОЛЯ 3D-ОБЪЕКТОВ
Петр Сергеевич Завьялов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, заведующий лабораторией, тел. (383)306-62-24, e-mail: zavyalov@tdisie.nsc.ru
Леонид Валентинович Финогенов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)306-62-24, e-mail: finog@tdisie.nsc.ru
Евгений Владимирович Власов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-62-24, e-mail: vlasov@tdisie.nsc.ru
В данной работе рассматривается расчет двух типов специализированных объективов: для контроля отверстий и для контроля цилиндрических поверхностей. Разработанные объективы формируют плоские изображения данных 3Б-объектов благодаря специально увеличенной собственной кривизне поля.
Ключевые слова: 3Б-объект, отверстие, цилиндр, кривизна поля, дисторсия, объектив.
DEVELOPMENT OF THE SPECIALIZED LENSES FOR OPTOELECTRONIC INSPECTION OF 3D OBJECTS
Petr S. Zavyalov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Ph. D., Laboratory Head, tel. (383)306-62-24, e-mail: zavyalov@tdisie.nsc.ru
Leonid V. Finogenov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Ph. D., Senior Scientist, tel. (383)306-62-24, e-mail: finog@tdisie.nsc.ru
Evgeny V. Vlasov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Ph. D., Junior Scientist, tel. (383)306-62-24, e-mail: vlasov@tdisie.nsc.ru
The calculation for two types of specialized lenses, namely, hole inspection lens and lens for inspection of cylindrical surfaces is presented. The developed lenses form the flat images of 3D-objects due to own field curvature that has been intentionally increased.
Key words: 3D-object, hole, cylinder, field curvature, distortion, lens.
Введение
Одной из актуальных задач в сфере оптико-электронных технологий является необходимость формирования изображений SD-объектов, в частности, наружных и внутренних цилиндрических поверхностей. Обычно для этого используются различные методы механического сканирования, развертки и т. п., обладающие существенными недостатками: низким быстродействием, сложностью конструкции. Существенные преимущества при контроле таких SD-объектов может дать применение специализированных оптических систем, которые благодаря намеренно увеличенным аберрациям и/или особому ходу лучей формируют плоские изображения, регистрация которых осуществима обычными матричными или линейными фотоприёмниками.
В данной работе рассматривается расчет двух типов объективов: для контроля отверстий и для контроля наружной цилиндрической поверхности. Разработанные объективы за счет большой кривизны поля формируют плоские изображения цилиндрических поверхностей. Объектив для контроля отверстий был разработан и применен в системе контроля дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов [1-3]. Объектив для контроля цилиндров был разработан для контроля внешнего вида топливных таблеток ТВС [4].
Объектив для контроля отверстий
Рассмотрим случай формирования изображения цилиндрического отверстия (диаметром Dh и длиной Lh) идеальной тонкой линзой (рис. 1, а).
а)
\ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ\ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ\ЧЧЧ\
Рис. 1. Формирование изображения цилиндрического отверстия: а) тонкой линзой (/" = 5 мм, Д, = 10 мм —» ср = 45°), б) специализированным объективом для контроля отверстий
Как известно, продольный отрезок проецируется тонкой линзой в наклонный отрезок (отрезки АВ и А,БЛ на рис. 1, а), т. е. изображение поверхности отверстия в данном случае будет коническим. Используя формулу тонкой линзы можно показать, что форма изображения отверстия описывается выражением:
2 Л, ,
-Су) = уН>1 +/' = tg((p)-|>i + /'
(1)
Из (1) следует, что угол конуса (п-2ф) увеличивается при увеличении соотношения f'/Dh. Это означает, что тонкая линза (или стандартный объектив) может быть использована для формирования изображений отверстий при условии f « Dh, т.е. для больших отверстий. В этом случае коническое изображение стремится к плоскости Р (ср —> 0). Однако использовать данный подход не представляется возможным для отверстий небольшого диаметра (менее 100 мм) вследствие значительных трудностей, связанных с изготовлением ультракороткофокусных объективов (f << 5 мм).
Очевидно, что стандартным объективом построить качественное изображение протяженных отверстий с малым диаметром невозможно. Для этих целей необходима разработка специализированного объектива, который можно назвать объективом для контроля отверстий (ОКО). Суть преобразования, выполняемого таким объективом, поясняется на рис. 1, б. Объектив должен спроецировать цилиндрическую поверхность отверстия диаметром Dh в плоскость фотоприемной матрицы. Выполнить такое преобразование способен объектив, обладающий значительной собственной кривизной поля.
Одной из задач, где необходимо использовать подобный объектив, является контроль геометрических параметров дистанционирующих решеток ТВС ядерных реакторов. Решение этой задачи в целом описано нами в работах [1-3]. Оптическая схема разработанного объектива представлена на рис. 2, а. Диаграммы пятен рассеяния для различных точек по длине отверстия показаны на рис. 2, б. Видно, что большинство пятен имеют значительный астигматизм.
а)
Рис. 2. Характеристики рассчитанного объектива: а) оптическая схема, б) диаграммы пятен рассеяния в зависимости от длины
отверстия 2
Можно показать, что собственная кривизна поля данного объектива недостаточна для наблюдения поверхности отверстия. Однако большой астигматизм данного объектива вносит существенную добавку к кривизне, такую, что изображение отверстия в меридиональных пучках является практически плоским.
Применение данного объектива позволило существенно упростить оптическую схему системы контроля дистанционирующих решеток, повысить точность измерения, а также значительно расширить номенклатуру измеряемых решеток по сравнению с ранее разработанной системой, где применялись стандартные объективы [5].
Недостатками разработанного объектива являются его малая апертура (относительное отверстие ~ 1:12) и большой уровень аберраций. Что объясняется простой конструкцией объектива (три сферические линзы).
Одним из подходов, позволяющих добиться лучшего качества изображений отверстий с малым диаметром и/или большим соотношением Ь^/Оь, является разработка объективов, имеющих несколько промежуточных изображений (два и более). В этом случае можно добиться большей суммарной кривизны поля объектива и без использования значительного астигматизма пучков.
На рис. 3 показан результат расчета объектива из семи линз, имеющего два промежуточных изображения и формирующего плоское изображение отверстия без астигматических пучков.
1-ое промеж.
изображение
Рис. 3. Объектив для контроля отверстий без астигматических пучков
Данный объектив, в отличие от предыдущего, формирует более качественное изображение. Разрешение как в меридиональном, так и в сагиттальном направлениях достаточно высокое. При этом второй объектив имеет большее относительное отверстие (1:7 против 1:12).
Примечательно, что в последнее время объективы для контроля отверстий стали появляться на рынке оптических систем [6, 7]. Так, объектив PCHI компании Opto Engineering предназначен для контроля отверстий диаметром 10 -120 мм с небольшим соотношением Lh/Dh ~ 1.
Объектив для контроля наружной цилиндрической поверхности
При формировании изображений наружной цилиндрической поверхности, как правило, используют методы развертки, вращая изделие вокруг оси и производя последовательное накопление узких участков изображения в суммарный кадр развёртки. Данный метод позволяет получить изображение боковой поверхности цилиндра хорошего качества, с высоким контрастом дефектов. Однако данный метод не применим в ряде случаев, например, при высоких требо-
ваниях по производительности контроля или при контроле длинных изделий (трубы, кабель и т. п.). В этом случае обычно используют многоканальный осмотр. При этом для создания равномерного освещения цилиндра необходимо использовать распределенные источники рассеянного света, избегать создания бликов от поверхности цилиндра и применять ряд других сложных подходов. Такая конфигурация освещения приводит к значительному снижению контраста дефектных областей, особенно на поверхностях, имеющих узкую диаграмму рассеяния.
Для получения высококонтрастных изображений таких поверхностей и решения задачи быстрой регистрации цилиндрической поверхности был предложен метод на основе специального объектива [4]. На рис. 4 поясняется предложенный принцип контроля цилиндрической поверхности.
Оптическая система построена таким образом, что освещение и наблюдение цилиндрической поверхности 1 производится всегда по нормали к поверхности. Объект 1 движется вдоль своей оси со скоростью V. Изображение поверхности формируется с помощью специального объектива, состоящего из конденсора 2 и корректора 5. Для того чтобы наблюдение поверхности производилось по нормали к цилиндрической поверхности в любой её точке, входной зрачок объектива должен находился на оси цилиндра. Эту задачу выполняет конденсор 2, имеющий при этом диаметр достаточный для охвата большого участка цилиндрической поверхности. Корректор 5 выполняет задачу исправления аберраций конденсора, которые довольно значительны при большом увеличении оптической системы Г > 1х. При малом увеличении Г << 1 аберрации не значительны, поэтому вместо корректора можно использовать стандартный объектив.
Рис. 4. Метод получения изображения боковой поверхности цилиндра: 1 - объект, 2 - конденсор, 3 - источник света, 4 - полупрозрачное зеркало,
5 - корректор, 6 - фотоприёмник
Регистрация изображения осуществляется камерой 6. Освещение объекта производится через полупрозрачное зеркало 4. При этом для соблюдения оптимальных условий освещения и наблюдения, необходимо чтобы конденсор 2 формировал изображение источника 3 на оси цилиндра 1. Таким образом, в оптической схеме должны быть оптически сопряжены источник света (точка А), ось цилиндра, входной зрачок (точка А) и апертурная диафрагма (точка А').
Применяя несколько таких оптических каналов можно получить полное изображение развертки боковой поверхности в процессе движения цилиндрического изделия вдоль оси.
Для реализации предложенного метода был разработан специализированный объектив для контроля цилиндрической поверхности. Оптическая схема разработанного объектива представлена на рис. 5, а. Диаграммы пятен рассеяния для различных точек цилиндрической поверхности приведены на рис. 5, б. Видно, что разрешение объектива близко к дифракционному пределу. Относительное отверстие объектива равно 1:6, фокусное расстояние 11,7 мм, параксиальное увеличение Г = -0,62х, диаметр контролируемых цилиндров 7^9 мм, поле зрения 90°.
Рис. 5. Характеристики рассчитанного объектива для контроля цилиндров: оптическая схема (а), диаграммы пятен рассеяния (б)
Данный объектив был разработан, изготовлен и использован в высокопроизводительной системе контроля боковой поверхности топливных таблеток. Полученное с помощью четырёх таких объективов изображение боковой поверхности таблеток представлено на рис. 6. Скорость движения таблеток составляла 100 мм/с (около 10 изд./с).
Применение разработанного объектива позволило получить высококонтрастные изображения топливных таблеток. Качество изображений позволило применить простые, быстрые и надёжные алгоритмы обработки изображений, работающие в темпе технологического конвейера.
Рис. 6. Примеры обработанных изображений таблеток с характерными дефектами
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Finogenov L. V., Lemeshko Yu. A., Zav'yalov P. S., and Chugui Yu. V. 3D laser inspection of fuel assembly grid spacers for nuclear reactors based on diffraction optical elements // Measurement Science and Technology. - 2007. Vol. 18, No. 6. - P. 1779-1785.
2. Завьялов П. С., Лемешко Ю. А., Финогенов Л. В., Чугуй Ю. В. Трехмерный контроль дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок атомных реакторов на основе дифракционных оптических элементов // Автометрия. - 2008. - Т. 44, № 2. - С. 23-31.
3. Lemeshko Yu. A., Finogenov L. V., Zav'yalov P. S. Using the Diffractive Optics for 3D Inspection of Nuclear Reactor Fuel Assembly Grid Spacers // Measurement Science Review. -2008. - Vol. 8, Section 3, No. 3. - P. 74-77.
4. Белобородов А. В., Власов Е. В., Завьялов П. С., Финогенов Л. В. Многоканальный высокопроизводительный оптико-электронный контроль качества поверхности топливных таблеток // Автометрия. - 2010. - Т. 46, № 4. - C. 121-129.
5. Битюцкий О. И., Вертопрахов В. В., Гущина А. А. и др. Трехмерный бесконтактный контроль геометрических параметров дистанционирующих решеток ядерных реакторов // Автометрия. - 2003. - Т. 39, № 5. - С. 4-18.
6. Vertoprakhov V., Yew T. P. Hole Inspection Method and Apparatus. US20110128368 A1.
7. Hole inspection optics for 360° inside view in perfect focus [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.opto-engineering.com/products/pchi-hole-inspection-optics
© П. С. Завьялов, Л. В. Финогенов, Е. В. Власов, 2015
