Методы контроля параметров капилляров фильер

Методы контроля параметров капилляров фильер

Введение

В настоящее время для измерения различных геометрических параметров объектов широко используются оптические методы, которые в совокупности по точности, экспрессности, простоте и эксплуатационным характеристикам превосходят все другие известные методы.

На первом этапе выполнения работы были рассмотрены три оптических метода контроля параметров капилляров фильер: метод голографической интерферометрии, Фурье-метод и метод автоматической дискретной микроскопии. Определены возможности каждого метода при решении поставленной задачи, оценены погрешности и сделаны выводы для выполнения последующих этапов работы.

Кроме того, проведен анализ всех возможных значений параметров фильер и составлено согласованное техническое задание.

1. Анализ методов измерения

Для измерения параметров капилляров фильер рассматривается возможность применения различных оптических методов.

Для контроля диаметров капилляров, отклонений их формы от цилиндричности предполагалось использовать методы голографической интерферометрии, Фурье-оптики и микроскопии.

Контроль высоты капилляров возможен методами Фурье-оптики и микроскопии.

Шероховатость внутренней поверхности капилляров можно измерить методами Фурье-оптики, теории рассеяния и микроскопии.

Рассмотрим кратко перечисленные методы.

1.1 Метод голографической интерферометрии

Из технологических применений голографии наиболее значительно разработана голографическая интерферометрия. Восстановленная по голограмме волна дает копию объекта в момент записи голограммы. Если эту волну сравнить с волной от объекта, восстановленной по голограмме записанной в другой момент времени, то можно сделать заключение об изменениях в объекте за время между моментами записи голограмм. Поскольку голограммы фиксируют предмет с очень большой точностью, такой метод позволяет изучать с большой точностью явления, которые влияют на голограмму, например деформация, колебания и т.д. Голография может применяться для обеспечения точности обработки деталей.

Метод называется голографической интерферометрией. На голограмму влияют не только пространственные перемещения частей предмета или его перемещение в целом, но условия отражения и преломления света в предмете и другие факторы, приводящие к амплитудно-фазовой модуляции света. Поэтому условия и степень когерентности освещающей волны имеют большое значение.

Часто необходимо получить объемное изображение предмета, которого еще не существует, и, следовательно, нельзя получить его голограмму оптическими методами. В этом случае голограмма рассчитывается на ЭВМ (цифровая голограмма), и результаты расчета соответствующим образом переносятся на фотопластинку. С полученной таким способом машинной голограммы объемное изображение предмета восстанавливается обычным оптическим способом. Поверхность предмета, полученного по машинной голограмме, используется как эталон, с которым методом голографической интерферометрии производится сравнение поверхности реально изготовленного предмета. Топографическая интерферометрия позволяет произнести сравнение поверхности изготовленного предмета и эталона с погрешностью порядка длины волны. Это дает возможность контролировать (и, следовательно, изготовлять) с большой точностью сложные поверхности, которые было бы невозможно изготовить без применения цифровой голографии и методов топографической интерферометрии. Разумеется, для сравнения эталонной и изготовляемой поверхностей необязательно восстанавливать машинную голограмму оптическим способом. Можно получить голограмму предмета, перевести ее на цифровой язык ЭВМ и производить сравнение с эталонной цифровой голограммой программным путем.

Фотопластинка при записи голограммы, как и при фотографии, регистрирует интенсивность светового потока, т.е. в обоих случаях она выполняет одну и ту же функцию. Различие состоит лишь в том, что на голограмме необходимо фиксировать значительно более мелкие подробности распределения интенсивности и значительно больший диапазон изменения интенсивности, чем на фотографии.

Фотопластинка должна обеспечить запись дифракционной картины, которая составляет голограмму. В голограмме плоской волны условие максимумов имеет вид , а расстояние  между ними определяется соотношением . Отсюда следует, что . Например, при  = 15°  и поэтому , пластинка должна разрешать линии, расположенные на расстоянии 2 мкм. В рассмотренном случае требуемая разрешающая способность фотопластинки составляет 500 линий/мм. Желательно иметь пластинки с еще большей разрешающей способностью. Для этого приходится использовать очень мелкие зерна галоидного серебра, что уменьшает чувствительность пластинки. Поэтому пластинки с высокой разрешающей способностью обладают низкой чувствительностью и требуют больших времен экспозиции, достигающих нескольких секунд при небольших мощностях лазеров. В течение времени экспозиции необходимо обеспечить стационарность процесса экспозиции и относительную неподвижность приборов и предмета съемки с точностью до доли длины волны (обычно ). При использовании импульсных лазеров времена экспозиции могут быть уменьшены до продолжительности импульса (миллисекунды и меньше). В этих условиях можно снимать голограммы движущихся объектов.

Как и любой интерферометрический метод, рассматриваемый метод позволяет измерять диаметры капилляров с высокой точностью .

Однако, при использовании фотографической регистрации голограмм, автоматизация измерений затруднительна. Если же регистрацию амплитудно-фазового распределения излучения производить с помощью многоэлементных матричных приемников, то анализ и преобразование информации о контролируемых параметрах практически такой же, как и в методе Фурье-оптики. Кроме того, существующие ПЗС-матрицы имеют размер разрешаемого элемента поверхности (пиксела) порядка , что не согласуется с необходимым пространственным разрешением регистрации интерферограмм порядка 2 мкм.

1.2 Метод Фурье-оптики измерения параметров капилляров

Основные принципы Фурье-оптики основаны па том, что оптическая система хорошего качества является элементом, осуществляющим преобразование Фурье. Т.е. в плоскости изображения оптической системы наблюдается дифракционная картина, математически являющаяся преобразованием Фурье от поля в предметной плоскости. Кратко поясним это.

Пусть предмет с амплитудным коэффициентом пропускания  расположен непосредственно перед линзой и направим на него плоскую монохроматическую волну. На плоскости перед линзой образуется поле , где  - амплитуда плоской волны. Поле на выходе линзы с фокусным расстоянием определяется функцией:

Конечный размер апертуры линзы или объектива учитывается функцией зрачка , которая равна 1 внутри световой апертуры и равна нулю вне световой апертуры.

Тогда дифракционная картина в фокальной плоскости линзы описывается формулой дифракции Френеля:

После элементарных преобразований формула принимает вид:

Отсюда видно, что распределение амплитуд о фокальной плоскости с точностью до несущественных для дифракционной картины фазовых и масштабных множителей является Фурье-образом распределения амплитуд на входе оптической системы. Таким образом, оптическая система является элементом, осуществляющим преобразование Фурье.

В случае произвольного расположения плоскости предмета процесс дифракционного преобразования изображения сводится к двум стадиям:

формированию в фокальной плоскости ОС дифракционной картины предмета;

преобразованию дифракционной картины предмета в фокальной плоскости ОС в изображение предмета в плоскости изображений.

Все параметры, характеризующие предмет, представлены в дифракционном распределении интенсивности в фокальной плоскости линзы и могут быть определены по этому распределению однозначно.

С математической точки зрения это соответствует однозначному восстановлению функции по ее Фурье-образу.

Если произвести в фокальной плоскости изменения дифракционной картины (например, закрыть или, наоборот, усилить некоторые максимумы), то произойдет соответствующее изменение поля в плоскости изображении предмета. Внесение изменений в изображение предмета посредством модификации в фокальной плоскости ОС дифракционной картины, из которой в последующем формируется изображение, называется пространственной фильтрацией изображения.

При использовании принципов пространственной фильтрации необходимо производить расчеты дифракционного распределения поля в фокальной плоскости ОС.

1.3 Микроскопический метод

Обобщенная оптическая схема определения параметров отверстия фильеры представлена на рис. 9. Источник света 1 освещает отверстие фильеры 3, находящейся на предметном столике микроскопа 2. Объектив 4 микроскопа строит изображение отверстия с необходимым увеличением в плоскости пространственно-чувствительного приемника - ПЗС матрицы 8, сигнал с которой может быть направлен на видеоконтрольное устройство 11 через электронный блок сопряжения 12, на ПЭВМ. Для визуального наблюдения отверстия и получения фотодокумента в ход лучей вводится поворотное зеркало 5. В одном положении зеркала изображение отверстия строится в плоскости сетки 6 и наблюдается в окуляр 7, в другом - через оптический элемент сопряжения 10 регистрируется фотоприставкой 9.

Рассмотрим возможности оптической системы при визуальном наблюдении и фотоэлектрической регистрации. Будем предполагать, что приемником излучения является ПЗС матрица размером 576x798 элементов, отверстие фильеры круглое с диаметром  и высотой , т.е. отношение высоты  к диаметру  известно. Предположим далее, что выбором увеличения  объектива в изображении отверстия на диаметре укладывается N = 500 элементов ПЗС - матрицы (т.е. размер изображения  в зависимости от размера пикселя). Это означает, что при визуальном наблюдении отверстие занимает примерно половину поля зрения окуляра. Легко показать, что при этих условиях разрешение микроскопа как при визуальном (при наблюдении глазом через окуляр), так и при фотоэлектрическом (при проецировании на ФПУ) методе измерения практически всегда будет определяться дифракционным пределом разрешения объектива

, где

 - числовая апертура объектива,

 - длина волны света.

Действительно, предположим обратное, тогда геометрический предел разрешения, обусловленный конечным размером пикселя ПЗС матрицы  больше дифракционного, т.е. .

Отсюда последовательно получим:

.

Для реальных микрообъективов

, тогда .

При , N = 500 получим , а для видимой области , поэтому пределом разрешения будет .

Оценим теперь глубину резкого изображения при визуальном и фотоэлектрическом наблюдении. Как известно, при визуальном наблюдении общая глубина резкого изображения складывается из трех составляющих: геометрической , волновой  и аккомодационной , где

 - видимое увеличение микроскопа,

 - угловое разрешение глаза,

 - показатель преломления среды в плоскости наблюдения ( = 1).

Полагая, что при визуальном наблюдении увеличение микроскопа соответствует нормальному Г = 500А получим:

[мкм], [мкм], [мкм].

Следовательно, для  = 0,5 мкм получим:

[мкм].

При визуальной регистрации входной и выходной плоскостей целесообразно исключить влияние . Это достигается на практике тем, что фильера наблюдается одновременно с резким изображением сетки. Тогда

[мкм].

При фотоэлектрической регистрации величина  сохраняется, а значение  следует определять выражением:

где  - геометрический предел разрешения в плоскости ПЗС матрицы ().

Для реальных объективов , причем большее значение соответствует более светосильным объективам. С учетом этого получим  [мкм]. Общая глубина резкого изображения при фотоэлектрической регистрации составит:

[мкм].

Здесь также принято = 0,5 мкм.

Для оценки можно принять большее значение полученного выражения, т.е. окончательно для фотоэлектрической регистрации получим:

Из изложенного следует, что для более точной регистрации глубины отверстия фильеры необходимо, по возможности, использовать более светосильные объективы. Кроме того, видно, что фотоэлектрическая регистрация глубины отверстия обладает некоторым преимуществом по сравнению с визуальной.

Оценим погрешность фотоэлектрического метода определения глубины отверстия для двух значений диаметров фильеры  и . Полагая в обоих случаях , получим  и  . Для первого объектива числовая апертура , для второго . Следовательно, для первого отверстия , ; для второго отверстия , . Таким образом, погрешность измерения глубины отверстия не превышает 0,02 мм для диаметра 0,5 мм и 0,001 мм для диаметра 0,05 мм.

Исходя из изложенного, можно предложить следующую схему автоматизированного фотоэлектрического контроля отверстий фильеры с использованием ПЭВМ. Сущность этой схемы иллюстрируется рис. 1,2. Фильера имеет возможность горизонтального перемещения по столику в двух взаимно перпендикулярных направлениях (В). Это перемещение осуществляется, например, шаговыми двигателями, управляемыми ПЭВМ. Поскольку положения отверстий фильеры известны, то программным путем можно точно выставить каждое отверстие в центр поля зрения микроскопа. Предметный стол микроскопа имеет возможность точного перемещения по глубине (стрелка С). Смещая программным путем столик по стрелке С с шагом , равным глубине резкости, можно записать ряд дискретных изображений по глубине отверстия в ПЭВМ. В каждом из этих изображений резко будут представлены элементы отверстия, находящиеся внутри соответствующей области  (рис. 2а). Если затем программным путем определить для каждой из областей необходимый масштаб и последовательно «сложить» на плоскости все области так, чтобы обеспечивалась непрерывность перехода из одной области в другую, то получим плоскую развертку цилиндрической поверхности отверстия (рис. 2в). На рис. 2 показано, как при таком методе на развертке будут изображаться включения 1,2,3. Оценить размеры включений и их конфигурацию можно программным путем из анализа записанных дискретных изображений.

Для реализации предлагаемой схемы необходимо приобретение следующего оборудования:

ПЗС камеры типа ТСД 5120 АД;

видеоконтрольного устройства сопряжения ПЗС-камеры с ПЭВМ;

ПЭВМ класса PII.

Кроме того, необходима разработка электронных плат сопряжения и программного обеспечения.

Моделирование указанной схемы с помощью микроскопа визуальным методом показало, что реализация предлагаемого метода контроля возможна. Указанные в ТЗ точностные параметры достижимы, особенно если применить ряд мер, направленных на повышение контраста изображения (например, использование поляризатора в осветителе и анализатора в микроскопе).

Для апробации и иллюстрации предлагаемого метода контроля были проведены экспериментальные исследования отверстия фильеры диаметром  и глубиной . Измерительная установка в целом соответствовала обобщенной схеме (рис. 9), однако ее технические параметры значительно отличались от оптимальных. В частности, рабочее число элементов ПЗС матрицы составляло , а в качестве объектива использовался микрообъектив с параметрами , . Для обеспечения необходимого увеличения между объективом и ПЗС матрицей устанавливалась дополнительная линза.

На рис. 11 представлены 9 дискретных изображений по глубине отверстия с шагом . Из последнего изображения, кстати, видно, что нижняя граница отверстия фильеры не горизонтальна (правый край резкий, а левый размыт). Эти изображения были обработаны вручную по описанной выше схеме с помощью прикладного пакета обработки изображений Adobe Photoshop 5.0. Полученная при этом развертка отверстия фильеры представлена на рис. 4. Подчеркнем, что материалы на рис. 11 и рис. 12 носят в основном иллюстративный, нежели метрологический характер, т.к. предел разрешения и глубина резкого изображения установки были значительно больше оптимальных. Тем не менее, из них хорошо видно наличие, расположение и характер дефектов отверстия.

2. Сравнительный анализ предложенных методов. Оценки точности измерения параметров капилляров фильер

голографический капилляр фурье микроскопический

Наиболее точным является метод голографической интерферометрии, но в данном случае он плохо поддается автоматизации, и его в дальнейшем не рассматриваем.

Метод Фурье-оптики оценим при следующих исходных данных.

Освещение некогерентное.

Фотоприемное устройство - ПЗС-матрица 512x512.

При аппроксимации получаемых распределений по методу наименьших квадратов точность отсчета составляет 0,5 пикселя, что соответствует относительной точности . Поэтому для отверстий диаметром 1 мм и меньше точность измерения диаметра составляет 1 мкм, что соответствует ТЗ.

Для диаметров 1..3 мм , что меньше 10 мкм по ТЗ.

Точность измерения глубины отверстия определяется фотометрической точностью. При уровне квантования 256 (8-разрядный АЦП) фотометрическая точность составляет 0,5%,

.

Относительная погрешность измерений высоты капилляра определяется по приблизительной формуле:

По ТЗ имеем  для  и  для  (это уже критично!).

В последнем случае необходима более точная оценка и экспериментальная проверка.

Для микроскопического метода получим при тех же исходных данных и точности перемещения предметного столика по высоте .

 и

Измерения по глубине соответствуют ТЗ (п. 5.2).

Измерения по диаметру:

 для стальных фильер;

 для  для фильер из драгметаллов (критично!);

 для .

Под сомнением по данным оценкам находится точность измерения диаметров  ( вместо ). Здесь также нужна экспериментальная проверка.

Заключение

Подведя итоги теоретическому рассмотрению и моделированию различных методов измерения можно сделать следующие выводы:

.        Метод Фурье-оптики имеет преимущество перед методом микроскопии для «малых» отверстий  и уступает ему при .

Оба метода практически обеспечивают требования ТЗ по измерению  и . Небольшие отклонения от этих требований для узкого диапазона  и  может быть связано с неточностью оценок. Окончательный вывод может быть установлен экспериментально.

Шероховатость внутренней поверхности капилляра может быть измерена:

микроскопическим методом ;

методом Фурье-оптики .

Метрологическое обеспечение этих измерений может быть осуществлено по контролю на разъемных фильерах с помощью микроинтерферометров типа МИИ-10, МИИ-11.

.        Измерение заходных отверстий и переходных конусов возможно только микроскопическим методом. С учетом сказанного, можно рекомендовать для макетирования именно микроскопический метод с возможностью его модернизации (дополнительная оптическая система) для возможности применения метода Фурье-оптики. При этом необходимы дополнительные теоретические исследования по определению направлений, которые позволят увеличить точность измерения параметра .