СПОСОБ КОНТРОЛЯ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ
METHOD FOR CONTROL OF SURFACE RELIEF

Изобретение относится к оптическим средствам анализа и исследования микрорельефа поверхности и может быть использовано для обнаружения, визуализации и регистрации скрытых рельефных и давленых изображений на различных носителях и документах, например в криминалистической практике.
Известен способ контроля формы детали теневым методом, согласно которому контролируемую деталь размещают на держателе, освещают потоком света от сферического источника, и регистрируют теневое изображение объекта с использованием измерительного экрана с нанесенным на него шаблоном и эталонным изображением, соответствующим теневой картине от идеальной формы контролируемой детали, производят продольное перемещение измерительного экрана и измеряют это перемещение /а.с. СССР №1421995, МПК G01В 13/22/.
Однако известные способы не позволяют удовлетворительно регистрировать микрорельеф, углубленный в материал поверхности исследуемого объекта, например след от давления пишущего инструмента на бумагу при письме.
Известен способ визуализации рельефа поверхности, реализованный в аппарате кадрового микрофильмирования АКМ-451, в котором исследуемый лист бумаги укладывают на плоское основание, например предметный стол, закрепляют на нем с помощью вакуумного прижима и освещают наклонным параллельным пучком света. Пучок света направляют на исследуемый объект под разными азимутальными углами. Регистрируют теневое изображение рельефа при помощи пленочной фотокамеры, причем на один кадр регистрируется интегральное теневое изображение, получаемое при вращении осветителя вокруг исследуемого объекта. Для регистрации интегральной теневой картины используется большая выдержка для того, чтобы за время экспозиции осветитель успел сделать несколько оборотов вокруг исследуемого объекта. Совмещают теневые изображения, получаемые при различных азимутальных углах освещения, при помощи оптического клина, который вращают синхронно с осветителем. Величина смещения изображения в процессе оптического интегрирования задается углом оптического клина. Прибор комплектуют набором оптических клиньев с фиксированными значениями углов, что затрудняет точный подбор необходимого смещения для получения высококонтрастного изображения и ограничивает чувствительность способа.
Используемый для проявления изображений «мокрый» фотографический процесс является недостаточно адаптивным и гибким, не позволяет в процессе проявления изображений в реальном масштабе времени подстраивать, например, сенситометрическую кривую фотоматериала под параметры исследуемого объекта, что ограничивает чувствительность метода при исследовании объектов с малой величиной рельефа, которые дают малоконтрастные результирующие изображения. Производительность таких исследований является невысокой и ограничена скоростью проявления и последующей обработки фотопленки. К тому же, для обеспечения неподвижности объекта относительно пленочной фотокамеры в процессе длительного экспонирования конструкция прибора, реализующего этот способ, должна быть достаточно массивной и жесткой, что влечет за собой увеличение материалоемкости и стоимости прибора. Кроме того, проведение исследований требует непрерывного участия оператора на всех стадиях процесса.
Известен способ контроля рельефа поверхности (профиля) изделия, включающий размещение контролируемого изделия на подвижном двухкоординатном столе, направление на поверхность изделия светового излучения в направлении нормали к поверхности стола, прием с другого направления отраженного от поверхности изделия излучения, измерение координат световых пятен отраженного от поверхности излучения, фиксирование координат положения стола, сканирование профиля изделия вдоль заданного сечения, сравнение его с эталонным и определение искомой характеристики профиля изделия, а именно его годности в случае совпадения с эталонной характеристикой /патент РФ №2263879, G01B 11/24, G01B 21/20, публ. 10.11.2005/. Известный способ предусматривает программно-ориентированное управление процессом задания координат стола и сканирования профиля и обработку результатов измерений характеристик принимаемого отраженного излучения, по которым судят о характеристиках профиля изделия. В известном способе обеспечивают удовлетворительный качественный контроль осесимметричных изделий с волновым профилем, имеющим регулярный характер и мало меняющиеся параметры.
Недостатком известного способа является ограниченность его функциональных возможностей при контроле произвольного по форме рельефа (микрорельефа) изделия, например в виде произвольно ориентированных давленых линии, что обусловлено невозможностью регистрации в отраженном свете углублений с краями, параллельными падающему лучу света. Кроме того, перемещение объекта вместе с подвижным предметным столом при переустановке в плоскости Х-Y неизбежно приводит к потере части искомой информации.
Известный способ контроля рельефа поверхности, включающий размещение контролируемого изделия на предметном столе, направление на поверхность изделия светового излучения под заданным углом, прием отраженного от поверхности изделия излучения, регистрацию и измерение характеристик отраженного от поверхности излучения, выбран в качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения.
Задачей настоящего изобретения являются расширение функциональных возможностей за счет повышения чувствительности при обнаружении микрорельефа и выявлении давленых изображений.
Задача решена тем, что в способе контроля рельефа поверхности, включающем размещение контролируемого изделия на предметном столе, направление на поверхность изделия светового излучения под заданным углом освещения, прием отраженного от поверхности изделия светового излучения, регистрацию и измерение характеристик отраженного от поверхности излучения, в соответствии с изобретением поверхность изделия освещают наклонно падающим пучком светового излучения последовательно при разных азимутальных углах, производят прием диффузно отраженного светового излучения вдоль заданных азимутов и регистрируют распределение его интенсивности с получением характеристического изображения поверхности изделия, производят суперпозицию всех характеристических изображений поверхности, полученных при разных азимутальных углах, причем каждое характеристическое изображение поверхности смещают вдоль соответствующего азимута в заданном направлении по отношению к источнику падающего светового излучения на заданное расстояние, затем суммируют интенсивности диффузно отраженного светового излучения для всех характеристических изображений в одноименных точках поверхности с получением результирующего характеристического изображения, по которому судят о рельефе поверхности.
Кроме того, поверхность изделия освещают наклонно падающим параллельным пучком лучей.
Кроме того, поверхность изделия освещают наклонно падающим расходящимся пучком лучей.
Кроме того, поверхность изделия освещают наклонно падающим излучением в диапазоне углов наклона не более 45°.
Кроме того, азимутальные углы освещения поверхности изделия устанавливают с заданной дискретностью в диапазоне углов от 0 до 360°.
Кроме того, регистрацию интенсивности диффузно отраженного излучения производят в цифровой форме, преимущественно с использованием цифрового фотоаппарата.
Кроме того, при суперпозиции характеристических изображений поверхности изделия каждое из них смещают вдоль соответствующего азимута в заданном направлении до достижения максимально контрастного результирующего характеристического изображения, преимущественно на расстояние 0,1-0,4 мм.
Кроме того, в качестве характеристического изображения выбирают световое изображение.
Кроме того, световое изображение смещают против направления падающего светового излучения.
Кроме того, в качестве характеристического изображения выбирают теневое изображение.
Кроме того, теневое изображение смещают в направлении падающего светового излучения.
Сущность изобретения заключается в использовании наклонно падающего излучения и диффузного отражения излучения от микрорельефа поверхности. В соответствии с законом Ламберта возможно выделить области максимумов (минимумов) интенсивности в диффузно отраженном свете, соответствующих одним и тем же элементам профиля при различной их освещенности вследствие различных углов падения светового пучка на элементы профиля (выпуклость, углубление) вдоль заданных азимутов. При изменении азимутального угла и сохранении заданного угла освещения максимумы (минимумы) интенсивности в диффузно отраженном свете формируются теми же элементами профиля, повернутыми на соответствующий азимутальный угол относительно направления падающего излучения. Это позволяет выявить пространственную структуру элементов профиля при суперпозиции изображений, полученных при разных азимутальных углах, и суммировании интенсивности регистрируемого излучения для разных изображений в одноименных точках поверхности изделия. Углы освещения исследуемого объекта, количество исходных характеристических (световых, теневых) изображений, подлежащих обработке и суммированию, выбирают оптимальным образом для получения максимальной чувствительности при контроле рельефа и наилучшего качества результирующих изображений, причем для учета проекционных эффектов смещения максимумов интенсивности диффузно отраженного излучения от отражающих элементов рельефа производят смещение изображений поверхности в заданном направлении при их суперпозиции. Полученные изображения в виде распределения интенсивности диффузно отраженного излучения по поверхности регистрируют в цифровой форме с использованием цифрового фотоаппарата, что позволяет накапливать их в памяти компьютера, аналитически с использованием программы для ЭВМ производить сдвиг изображений, их суперпозицию и суммирование, в том числе с вычитанием фонового изображения, и анализировать на экране монитора либо выводить на печать.
Технический результат состоит:
- в повышении чувствительности при выявлении микрорельефа на исследуемых объектах и улучшении качества получаемых результирующих изображений за счет оптимального выбора величины сдвига исходных характеристических изображений, количества суммируемых исходных изображений, дискретных азимутальных углов, при которых производится фотографирование исходных изображений,
- в обеспечении шумоподавления за счет возможности вычитания фона,
- в повышении качества исходных и результирующих изображений за счет использования точечного источника света,
- в повышении скорости исследования объектов за счет автоматизации процесса фотографирования, использования цифровой фотосъемки и компьютерной обработки исходных изображений, их сдвига и сложения;
- в снижении требований к виброустойчивости при использовании цифровой фотосъемки с малыми величинами выдержки.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-4, на которых представлены:
фиг.1 - схема оптико-механического блока устройства для осуществления способа;
фиг.2 - схема формирования характеристического теневого изображения с шириной теневой зоны δ рельефа с шириной d, глубиной 1 и радиусом кривизны R при наклонном освещении под углом α;
фиг.3 - схема распределения интенсивности диффузно отраженного света от рельефного следа давления на бумаге при наклонно падающем освещении по схеме фиг.2 для разных азимутальных углов, где δс и δт - ширина световой и теневой зон соответственно;
фиг.4 - пример регистрации рельефа давленого изображения по характеристическому теневому изображению.
Устройство для осуществления способа (фиг.1) содержит оптико-механический блок в составе цифрового фотоаппарата 1, предметного стола 2, оснащенного вакуумным прижимом для закрепления объекта и приводом вращения (на фиг.1 не показан), и осветителя 3, установленного с возможностью перемещения вокруг предметного стола 2. Оптико-механический блок соединен известным образом с программно-ориентированным блоком управления и обработки данных на базе компьютера с периферийными устройствами (на фиг.1 не показан). Цифровой фотоаппарат 1, установленный с возможностью регистрации изображения поверхности исследуемого объекта при его освещении наклонно падающим светом от осветителя 3, и предметный стол 2 с вакуумным прижимом для крепления исследуемого изделия жестко связаны между собой для сохранения постоянного расстояния до освещаемой поверхности. Поскольку для осуществления способа производят регистрацию фотоизображения поверхности изделия под разными азимутами, возможны и иные формы выполнения устройства, а именно:
- осветитель 3 установлен неподвижно, предметный стол 2 и фотоаппарат 1 установлены с возможностью синхронного вращения;
- фотоаппарат 1 и осветитель 3 установлены неподвижно, предметный стол 2 установлен с возможностью вращения;
- предметный стол 2 и фотоаппарат 1 установлены неподвижно, в качестве осветителя 3 использован набор осветительных приборов, преимущественно точечных осветителей, галогенных источников света, каждый из которых закреплен неподвижно на отдельном основании, установленных вокруг предметного стола 2 и последовательно включаемых по кругу для освещения изделия. В последнем случае отсутствуют приводы перемещений предметного стола и другие движущиеся компоненты.
Способ осуществляют с помощью устройства (фиг.1) следующим образом.
На предметный стол 2 устанавливают исследуемое изделие, например лист бумаги с давленым изображением. Обеспечивают вакуумный прижим изделия к предметному столу 2. Осветитель 3 приводят во вращение вокруг предметного стола 2 по круговой траектории, для освещения изделия под различными азимутальными углами. При этом угол падения светового пучка на изделие (угол освещения α) можно менять в пределах от 0 до 45° при выборе оптимального значения угла освещения в целях получения наилучшего качества исходных теневых изображений. Задают необходимое количество суммируемых снимков N, каждому из которых соответствует свой азимутальный угол φi, где i=0, 1, … N. Устанавливают исходное (нулевое) значение азимутального угла φо, регистрируют интенсивность диффузно отраженного излучения от поверхности вдоль данного азимута φо в виде фотоизображения поверхности (исходного, нулевого), осветитель 3 поворачивают на угол φ1, вновь регистрируют фотоизображение (первое) и т.д.., накапливают цифровые фотоизображения (нулевое, первое и т.д.) в памяти компьютера блока управления и обработки данных, получая набор из N снимков поверхности объекта, освещенного со всех сторон, для последующей их суперпозиции и суммирования интенсивности зарегистрированного отраженного излучения в одноименных точках поверхности изделия.
Зарегистрированные характеристические изображения участков поверхности, составленные светлыми и теневыми фрагментами изображения (соответственно, от освещенных и теневых элементов рельефа) в диффузно отраженном свете (фиг.3), полученными при различных азимутальных углах, оказываются смещенными относительно элементов рельефа (проекционные эффекты). Поэтому для получения четкого и контрастного результирующего изображения рельефа зарегистрированные фотоизображения одного вида, световые или теневые, при суперпозиции необходимо смещать вдоль азимута освещения на определенную величину. Направление сдвига может быть выбрано как в направлении максимума падающего светового излучения, т.е. к источнику света, так и от него, в зависимости от того, формируют изображение теневое или световое. Оптимальная величина сдвига определяется по получению максимального контраста результирующего изображения и при использовании цифрового фотоаппарата задается определенным числом пикселей (в соответствии с достигаемым разрешением фотоаппарата) и также может быть выражена в мм.
Анализ формирования теневого изображения рельефной поверхности при его освещении наклонно падающим светом показывает, что величину необходимого смещения для получения результирующего изображения в темных (Δт) и светлых штрихах (Δс) можно определить по формулам:
где α - угол освещения, R - радиус кривизны рельефа, l - глубина рельефа.
Используя зависимости (1) и (2), можно рассчитать, что для типичных случаев наличия такого рельефа как давленый след от шариковой ручки на бумажном носителе (R=0,5 мм, l=0,2 мм) при угле освещения α=4° необходимые величины сдвигов Δс, Δт составляют 0,1-0,4 мм и на практике пользоваться этими величинами.
Для освещения плоского объекта с давленым следом на поверхности может быть использован как источник света, дающий параллельный пучок света, так и точечный источник света, дающий расходящийся пучок света. Достоинствами параллельного пучка света являются близкая к равномерной освещенность поверхности объекта по всему полю, одинаковый угол освещения α по всей поверхности объекта, в связи с чем линейные размеры характеристических изображений и необходимые значения смещений для фрагментов изображения рельефа имеют близкие значения по всему рабочему полю. Однако недостатком такого освещения является потеря части информации, поскольку при освещении параллельным пучком не проявляются линии, совпадающие с направлением пучка. Кроме того, осветитель, дающий параллельный пучок света при апертуре 350-400 мм, имеет высокую стоимость за счет материалоемкости..
о
Точечный источник света, дающий расходящийся пучок света, обеспечивает большую информативность характеристических изображений за счет регистрации изображения всех фрагментов рельефа. При достаточно большом удалении точечного источника от объекта неравномерность освещенности и угловая расходимость светового пучка становятся малыми и могут быть учтены при анализе. Так, при удалении такого осветителя от поверхности плоского объекта на 1000 мм освещенность поверхности снижается наполовину от выделенного направления: по углу освещения α=4° в диапазоне углов α=3,4°-4,8°, и по азимутальному углу φ=±7°. Такие неравномерности являются практически несущественными при получении характеристических теневых изображений рельефа. Точечный источник имеет также и меньшую стоимость.
Для регистрации изображения в цифровой форме, допускающей компьютеризированную обработку информации, используют цифровой фотоаппарат (цифровую фотокамеру) или видеокамеру, матрица которых имеет число элементов, достаточное для выявления особенностей исследуемого объекта и обеспечения необходимой точности при сложении изображений, например Nikon D70. Так, например, при фотографировании плоского объекта размером 200×300 мм и при средней ширине следа давленого изображения на поверхности объекта d (см. фиг.2), равной 0,5-1,0 мм, достаточным можно считать разрешение порядка 0,1 мм, что соответствует разрешению фотокамеры в 2000×3000 пикселей.
В качестве примера конкретного использования заявляемого способа исследовали рельеф на тест-объекте в виде бумажного носителя информации со следами давления от пишущего прибора - с использованием устройства (фиг.1). Рельеф был выполнен на листе стандартной писчей бумаге, матовой, белого цвета (ТУ 5431-083-00279404-2003) и представлял собой ряд давленых линий различной глубины, нанесенных на лист стержнем шариковой ручки в условиях контролируемого нажима с силой 65, 114, 269 и 400 г.
На предметном столе 2 разместили тест-объект и с помощью вакуумного прижима прижали его к поверхности предметного стола 2, обеспечив плоскостность. В качестве цифрового фотоаппарата 1 использовали цифровую фотокамеру Nikon D70 с объективом AF-S Nikon 18-70 mm 1:3,5-4,5 G ED. Фотоаппарат 1 установили на расстоянии 350 мм от плоскости объекта, строго над центральной частью листа бумаги, таким образом, чтобы оптическая ось фотоаппарата 1 была перпендикулярна плоскости предметного стола 2. С учетом цвета и оттенка исследуемого объекта определили и установили следующий режим фотографирования: чувствительность 1000 единиц ISO, выдержка 1/10 сек, размер изображения 2000×3000 пикселей, без сжатия, формат сохраняемых изображений - *.jpg.
В качестве осветителя 3 выбрали точечный галогенный источник света мощностью 50 Вт, что обеспечило освещенность поверхности тест-объекта не меньше 50 лк. Установили угол освещения α наклоном оси осветителя 3 к поверхности тест-объекта, выбрав α=4° (точность установки угла освещения составляет 0,1°).
Задали количество азимутов фотографирования (кадров) N=30 в диапазоне углов φ 0-360°, при этом шаг поворота осветителя 3 по азимуту составил Δφ=360/N=12°. (данные параметры соответствуют рекомендуемым установкам для получения исходных изображений: α=4°, N=30, Δφ=12° для сопряжения изображений соседних участков рельефа).
После установки параметров регистрации изображения осветитель 3 привели во вращение вокруг предметного стола 2 и зарегистрировали 30 дискретных изображений поверхности тест-объекта в диффузно отраженном свете для различных азимутов наклонно падающего пучка света. Фотоизображения темных и светлых участков поверхности тест-объекта, привязанных к азимутам, в цифровой форме транслированы в память компьютера блока управления и обработки данных. В полученной серии фотоизображений произвели смещение одноименных участков (теневые) вдоль соответствующего им азимута на заданное расстояние (заданное число пикселей), причем опытным путем установлены рекомендуемые значения сдвига для получения наиболее контрастного изображения: для теневого изображения - 2 пикселя, для светлого изображения - 4 пикселя (или 0,1-0,4 мм). После смещения изображений произвели их суперпозицию и суммировали интенсивности диффузно отраженного излучения в одноименных точках данного участка поверхности. При этом программными средствами вычли фоновую засветку, что повысило контрастность изображения и качество целостной картины рельефа (фиг.4).
Удобно производить вычитание фоновой засветки путем регистрации характеристических светового и теневого фотоизображений поверхности с использованием описанной процедуры и вычитания одного фотоизображения из другого, в результате вычитания фона, на интенсивности которого не сказывается смещение фотоизображения по азимуту, контрастность давленого изображения возрастает. Таким же образом, вычитая одно характеристическое изображение из другого, возможно выделить давленое изображение на фоне наложенного на него видимого изображения (рисунок, текст и т.п.), не создающего диффузно отраженного света и представляющего собой фоновое изображение помехи.
В соответствии с описанной выше процедурой произвели аналогичные исследования рельефа тест-объекта при другом угле освещения φ=8° с получением набора из 30 фотоизображений поверхности тест-объекта в диффузно отраженном свете. Полученное теневое изображение рельефа на поверхности тест-объекта практически совпало с аналогичным изображением для угла освещения φ=4° и дало дополнительно возможность подчеркнуть отдельные малоконтрастные детали изображения при усреднении.
Пример получения результирующего изображения по теневой картине - рельефа давленых линий на поверхности тест-объекта - иллюстрирует фиг.4, подтверждая эффективность предлагаемого способа.
Известны технические средства выявления рельефных (вдавленных, выпуклых) штрихов от пишущего устройства на поверхности подложки, применяемые, в частности, в задачах криминалистики, например многофункциональный криминалистический набор КРН-1, выпускаемый компанией ЗАО «СПЕКТР КСК» (Россия), на базе криминалистического блока «Генетика-3 М» и микроскопа. Определение рельефа поверхности объекта для выявления давленых следов от пишущих инструментов предусматривает проведение анализа интенсивности диффузно отраженного от объекта светового излучения и локализацию фрагментов рельефа с использованием микроскопа, в отличие от заявляемого способа, предусматривающего статистическую обработку изображений поверхности в диффузно отраженном свете, полученных при разных азимутах, с учетом проекционных эффектов. Применение цифровой фотографии позволяет архивировать фотоизображения, производить обработку изображений в различных режимах, изменяя увеличение фрагментов, контрастность, вводить фильтрацию изображения и т.д., реализуя различные алгоритмы обработки изображения объектов различного размера, что повышает результативность и скорость решения задачи. Таким образом, способ представляется перспективным для использования в криминалистике, при контроле рельефа печатных материалов, качества поверхности бумаги и т.п.