СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ТРЕЩИН В ОБЪЕКТЕ
METHOD AND DEVICE FOR DETECTION OF CRACKS IN OBJECT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу выявления трещин в объекте, включающему обработку объекта флуоресцентным (флуоресцирующим) веществом, облучение объекта и регистрацию флуоресцентного излучения от облученного объекта с использованием блока регистрации изображения, и, кроме того, изобретение относится к устройству для выявления трещин в объекте, выполненному в соответствии с п. 16 формулы изобретения.
Уровень техники
Одним из способов выявления трещин в объектах является так называемая капиллярная дефектоскопия. При ее использовании на контролируемый объект наносят пенетрант, предпочтительно в виде жидкости. За счет капиллярных сил жидкий пенетрант проникает в микропоры и трещины. После удаления избыточного жидкого пенетранта, сушки и обработки таким образом, чтобы оставшаяся в трещинах жидкость вышла на поверхность объекта, объект облучают для получения излучения, которое может быть проанализировано, причем это излучение присуще только используемому пенетранту. Существует две принципиально отличные разновидности способа: объект или облучают белым светом в видимом диапазоне длин волн, после чего его можно анализировать по излучению, отраженному от оставшегося в трещинах пенетранта, которое отличается от отраженного от самого объекта излучения, или же объект облучают каким-то излучением, и при этом в отличие от самого объекта некоторое количество оставшегося пенетранта испускает флуоресцентное излучение, которое можно проанализировать.
В последнем случае для облучения объекта обычно используют ультрафиолетовое излучение, и оператор для выявления трещин контролирует объект визуально. В некоторых случаях для улучшения выявления трещин используют также цветную видеокамеру и связанный с ней монитор, что особенно применимо при контроле объекта, для которого оператору было бы затруднительно или невозможно провести визуальный контроль. Таким образом, оператор может рассматривать объект удобным образом, анализируя его изображение на мониторе и отыскивая на объекте флуоресцирующие индикаторные рисунки. На мониторе изображение объекта будет отображено или монохромно, в так называемых градациях серого, или в цвете, в зависимости от того, используют монохромные или цветные камеру и монитор. Флуоресцентное излучение от оставшегося в трещинах пенетранта будет отличаться по яркости от остального объекта.
Даже при использовании цветных камеры и монитора использование этого метода означает, что рассмотрение объекта и вынесение заключения делается, в основном, не автоматически. Это, в свою очередь, означает, что результат контроля зависит от способности оператора выявлять и анализировать индикаторные рисунки. Этот процесс делает особенно затруднительным тот факт, что изображение может иметь высокий уровень фона, то есть может содержать фоновую подсветку относительно высокой интенсивности, или может иметь случайные пятна, отражения, ложные индикаторные рисунки, связанные с частицами пыли, и т.д. При анализе монохромных изображений по меняющейся интенсивности возможность различения ложного индикаторного рисунка с высоким уровнем яркости от действительного индикаторного рисунка трещины очень ограничена.
Для некоторых видов объектов контроль с использованием пенетрантов невозможно проводить вообще, так как недостаточно места, чтобы разместить оборудование для облучения и регистрации изображения. Примером таких изделий являются трубные бухты, которые нужно проконтролировать изнутри для проверки, например, качества сварных соединений. В этих случаях контроль таких изделий нужно проводить каким-нибудь другим способом, например с использованием рентгеновского оборудования.
Краткое изложение сущности изобретения
Первый аспект изобретения относится к способу, описанному во вступительной части, который при этом в значительной степени уменьшает по меньшей мере некоторые недостатки аналогичных способов, известных из уровня техники.
Решение этой задачи достигается способом, заявленным в п.1 формулы изобретения.
Выявляемость трещин может быть существенно повышена за счет автоматической оцифровки и анализа с точки зрения цветового содержания в изображении объекта, полученном с помощью блока регистрации изображения, с целью выявления трещин в объекте. Установлено, что с использованием предлагаемого в изобретении способа может быть достигнут уровень выявляемости или разрешения флуоресцентных индикаторных рисунков, во многих случаях превосходящий средние возможности оператора по выявлению трещин путем визуального анализа уровней яркости монохромного изображения, а также по меньшей мере в некоторых случаях превосходящий возможности оператора по выявлению трещин по анализу цветных изображений на телевизионном мониторе.
Предлагается усовершенствованный способ, который обладает большей повторяемостью и который делает возможной автоматизацию флуоресцентной цветной дефектоскопии. Предлагаемый способ делает возможной автоматизацию контроля с использованием пенетрантов за счет улучшенной выявляемости, в результате чего он менее зависим от визуального контроля оператором трещин в контролируемом объекте. Так как анализ проводят по реальному цветовому содержанию в изображении, способ менее чувствителен к яркости или освещенности изображения. Кроме того, более высокое разрешение делает возможным более точное измерение размеров и формы индикаторного рисунка для того, например, чтобы оценить, является ли обнаруженный индикаторный рисунок ложным или подлинным.
Второй аспект изобретения относится к устройству, описанному во вступительной части, которое при этом в значительной степени уменьшает по меньшей мере некоторые недостатки аналогичных способов, известных из уровня техники.
Решение этой задачи достигается посредством устройства, заявленного в п.16 формулы изобретения.
Установка в блоке регистрации изображения первого полосового фильтра, имеющего полосу пропускания, позволяющую проходить излучению с ограниченным диапазоном длин волн, включающим длины волн, лежащие в диапазоне, в котором объект испускает флуоресцентное излучение, означает, что может быть отрезано нежелательное относительно коротковолновое и относительно длинноволновое по сравнению с флуоресценцией излучение. Это означает, что изображение, сформированное в блоке регистрации изображения, будет получено на основе регистрации излучения с длинами волн, лежащими в представляющем интерес диапазоне флуоресценции, или, другими словами, для изображения может быть повышено отношение сигнал/шум (S/N), что делает возможной большую степень автоматизации способа выявления. Визуальный контроль также становится проще. Например, системой могут быть устранены некоторые ложные индикаторные следы от частиц, испускающих флуоресцентное излучение в другом диапазоне длин волн (например, в красном), так что оператору не нужно учитывать такие индикаторные следы.
Было бы хорошо, если бы излучение, исходящее от источника облучения, то есть как прямое излучение, так и отраженное излучение, можно было отсекать полосовым фильтром в случае, когда блок регистрации изображения чувствителен к этому излучению. Это имеет место, например, при использовании ПЗС-камеры и источника ультрафиолетового излучения для возбуждения флуоресценции. При облучении ПЗС-камеры избыточным ультрафиолетовым излучением возрастает уровень шума, и изображение может быть подавлено шумовым излучением до такой степени, что становится затруднительным анализировать изображение, полученное в флуоресцентном излучении.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением, оно содержит второй полосовой фильтр, установленный в источнике облучения, причем этот полосовой фильтр пропускает излучение в ограниченном диапазоне длин волн, включающем ультрафиолетовое излучение. Например, второй полосовой фильтр может быть выполнен так, чтобы отрезать видимый свет от источника облучения, такого как ультрафиолетовый источник, с целью предотвращения попадания этого света за счет отражения на блок регистрации изображения и образования фоновой составляющей в изображении. При использовании устройства, в котором применен первый полосовой фильтр перед блоком регистрации изображения и второй полосовой фильтр перед источником облучения, можно получить очень высокое значение S/N, что практически означает, что изображение становится, в основном, черным за исключением участков, испускающих флуоресцентное излучение.
Третий аспект изобретения относится к созданию системы для выявления трещин в объекте, содержащей источник облучения, предназначенный для облучения объекта, и блок регистрации изображения, предназначенный для регистрации флуоресцентного излучения от облученного объекта, причем в такой системе должен упрощаться контроль объектов сравнительно сложной конфигурации.
Эта достигается в системе, заявленной в п.39 формулы изобретения.
Использование выполненного, например, в виде отражателя преломляющего устройства, предназначенного для преломления по меньшей мере достаточного потока излучения от источника облучения, для облучения скрытой поверхности в объекте, и/или отражателя, предназначенного для преломления и направления к блоку регистрации изображения по меньшей некоторого, достаточного для проведения анализа потока, флуоресцентного излучения, испускаемого от скрытой поверхности в объекте, дает возможность выявления трещин даже в объектах со сложной конфигурацией. Например, могут быть выявлены трещины даже в объектах с относительно узкими канавками (пазами), такими как наружные или внутренние канавки, выполненные механической обработкой в цилиндрических объектах, причем эти канавки невозможно проконтролировать капиллярным методом с использованием обычного оборудования из-за стесненности в пространстве. Например, по меньшей мере часть излучения можно преломить в направлении боковой стенки такой канавки и/или по меньшей мере некоторый поток флуоресцентного излучения, идущий от боковой стенки канавки и достаточный для поведения анализа, можно преломить в направлении блока регистрации изображения. Кроме того, систему можно выполнить таким образом, чтобы была возможность использовать одну и ту же систему для контроля как поверхности дна, так и поверхностей боковых стенок такой канавки.
Изобретение также относится к очкам, предназначенным для использования оператором при наблюдении флуоресценции. Очки содержат полосовой фильтр, предназначенный для предотвращения попадания в глаза оператора излучения с определенными длинами волн. Полосовой фильтр может соответствовать описанному ранее первому полосовому фильтру, установленному в устройстве в соответствии с изобретением. При использовании оператором таких очков визуальное выявление трещин может осуществляться более эффективно. Диапазон длин волн излучения, которым облучают объект, может быть расширен, что увеличит поток флуоресцентного излучения. Увеличение потока флуоресцентного излучения приводит, в свою очередь, к улучшению выявляемости. В частности, облучение объекта можно осуществить излучением в диапазоне с верхней границей, равной 450 нм, например, в диапазоне 320-450 нм, так чтобы для формирования флуоресценции использовать также видимый свет в диапазоне 380-450 нм. Так как эти длины волн соответствуют излучению в видимом диапазоне, облучение таким излучением с целью контроля без использования очков в соответствии с настоящим изобретением могло бы только затруднить проведение такого контроля. При выборе отрезаемого излучения, например, в диапазоне от ультрафиолета, включая его, и до приблизительно 450 нм, что можно сделать соответствующим подбором полосы пропускания полосового фильтра, оператору не будет поступать видимый свет, используемый для облучения объекта, и этот свет не будет влиять на проведение контроля.
Другие преимущества и функциональные особенности различных вариантов выполнения изобретения будут более ясны из нижеследующего описания и зависимых пунктов формулы.
Следует, однако, понимать, что представленные выше аспекты настоящего изобретения можно использовать по отдельности или в сочетании из двух или более аспектов. Это также означает, что все варианты выполнения, приведенные в нижеследующем описании, могут быть при необходимости объединены друг с другом.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено подробное описание со ссылкой на прилагаемые чертежи, приводимые в качестве примера вариантов выполнения изобретения, на которых представлено:
на фиг.1 - вид в перспективе цветового пространства HSL, представленного в виде сдвоенного конуса,
на фиг.2а - поперечное сечение в некотором месте на продольной оси сдвоенного конуса с фиг.1,
на фиг.2б - поперечное сечение с фиг.2а с изображением линий, делящих поперечное сечение на сектора, соответствующие областям с различными цветовыми оттенками,
на фиг.2в - поперечное сечение с фиг.2б с изображением внутренних окружностей, ограничивающих области с различной цветовой насыщенностью,
на фиг.3 - схематический вид предлагаемого в изобретении устройства,
на фиг.4 - схематический вид системы, выполненной в соответствии с изобретением,
на фиг.5 - схематический вид варианта выполнения системы с фиг.4, и
на фиг.6 - очки, выполненные в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание предпочтительного варианта выполнения изобретения
При обработке оцифрованных цветных изображений обычно используют одно из цветовых пространств - цветовое пространство RGB (красный, зеленый, синий цвета) или HSL (оттенок, насыщенность, яркость цвета). В используемых цветовых пространствах могут быть отображены отдельные цвета. Цветовое пространство - это трехмерное пространство, в котором каждый цвет представлен точкой.
Таким образом, при компьютерной обработке в цветовом пространстве RGB используют красный, зеленый и синий цветовые компоненты, чтобы описать конкретный цвет с помощью их сочетания. Цветовое пространство RGB может быть представлено в виде трехмерного куба с осями R, G и В, причем значения по каждой из них лежат в диапазоне от 0 до 1.
В цветовом пространстве HSL для отличия одного цвета от другого используют оттенок, насыщенность и яркость. Оттенки, такие как красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый и т.д., могут относиться к видимому диапазону цветового спектра. Под насыщенностью понимают количество белого, добавляемое к оттенку по принципу, чем меньше белого, тем выше насыщенность и чистота цвета. Например, красный цвет имеет большую насыщенность, чем розовый, состоящий из смеси красного и белого цветов. Яркость определяется освещенностью или затемненностью изображения.
Цветовое пространство HSL может быть отображено (фиг.1) сдвоенным конусом с круговым поперечным сечением, причем оттенки представлены различными положениями по окружности любого поперечного сечения конуса. Таким образом, оттенки могут быть выражены величинами от 0 до 360°. В свою очередь, насыщенность цвета определяется для данной точки в поперечном сечении расстоянием между продольной осью конуса и рассматриваемой точкой, то есть величиной радиуса для этой точки. Насыщенность цвета может принимать значения от 0 до 1, причем наибольшее значение соответствует точке, лежащей на периферийной окружности конуса. При этом яркость определяется по положению вдоль продольной оси сдвоенного конуса от одной вершины до другой так, что значения меняются от 0 (отсутствие света, то есть полностью черное изображение) до 1 (света настолько много, что изображение полностью белое).
Большим преимуществом цветового пространства HSL является то, что компонент яркости отделен от компонента оттенка, то есть представление цвета не зависит от интенсивности светового излучения, что, в свою очередь, делает этот метод анализа более пригодным при изменяющихся условиях освещенности.
На фиг.2а, 2б, и 2в показан один из примеров того, как можно оцифровать и представить изображение в цветовом пространстве HSL. На фиг.2а изображен круг 1, отображающий цветовой спектр 2, содержащий различные оттенки (поля с разной штриховкой), причем круг соответствует поперечному сечению сдвоенного конуса с фиг.1. На фиг.2б круг разделен на сектора 3, соответствующие различным оттенкам. На фиг.2в сектора 3 разделены внутренней окружностью 4 на меньшие участки 3а, 3b с различной насыщенностью цвета. Каждый ограниченный участок или элемент 3а, 3b имеет, таким образом, различные оттенок и насыщенность цвета и составляет так называемый цветовой компонент. Следует отметить, что разбиение, представленное на фиг.2в, нужно рассматривать только в качестве примера, и что за счет более тонкого разбиения элементов можно получить более высокое разрешение. Набор элементов образует группу цветовых компонентов, которая может быть использована для цветового анализа изображения.
В соответствии со способом выявления трещин в объекте, заявленным в изобретении, объект обрабатывают флуоресцентным веществом. Затем объект облучают и флуоресцентное излучение от облученного объекта фиксируют в блоке регистрации изображения. Изображение объекта, полученное с помощью блока регистрации изображения, оцифровывают и автоматически анализируют, предпочтительно в формате HSL, цветовое содержание изображения с целью выявления трещин в объекте. Анализ цветового содержания может быть проведен в виде анализа цветового спектра зарегистрированного изображения. Таким путем можно проанализировать распределение цветовых компонентов в данном цветовом спектре, а также оценить вклад отдельных цветовых компонентов в абсолютных или относительных величинах. Цветовой компонент предпочтительно представлять конкретным оттенком и конкретной насыщенностью цвета, то есть значениями (HS) в цветовом пространстве HSL. Другими словами, чтобы выявить наличие трещин в объекте, изображение анализируют, принимая во внимание по меньшей мере оттенок (Н) изображения, а предпочтительно как оттенок (Н), так и насыщенность (S), представленные в цветовом пространстве HSL. Для того чтобы выявить трещины в объекте и/или определить их форму или протяженность, в качестве анализируемого параметра можно также использовать яркость (L) изображения. Большое преимущество использования для анализа изображения цветового пространства HSL заключается в том, что представление цвета отделено от интенсивности светового излучения, что, в свою очередь, дает большую толерантность к условиям освещенности, при которых проводится капиллярный неразрушающий контроль с использованием пенетрантов.
Под автоматическим анализом здесь подразумевается оценка изображения с использованием компьютера и необходимого программного обеспечения или другого соответствующего оборудования. Для проведения анализа может быть использована компьютерная программа, которая может быть загружена при ее выполнении в оперативную память компьютера и содержать наборы кодов данных или программных кодов, формирующих инструкции для процессора. Однако следует отметить, что результаты анализа можно, конечно, использовать для неавтоматизированной оценки, и, кроме того, автоматический анализ может быть дополнен, при необходимости, визуальным контролем.
При анализе изображения оно может быть разбито на отдельные части, предпочтительно в соответствии с разбиением на так называемые пиксели, и число таких частей, попадающих в данный элемент в группе цветовых компонентов, может быть зарегистрировано, подсчитано и/или сохранено.
При использовании анализа флуоресцентного излучения с целью выявления трещин в различных объектах отсутствует предварительная информация (кроме, возможно, некоторых моментов) о возможном положении или протяженности трещин. Как будет рассмотрено далее более подробно, флуоресцентное излучение от использованного флуоресцентного вещества имеет уникальные спектральные признаки. Это может быть использовано для выявления трещин в объекте с использованием поиска конкретного цвета и реперных значений.
В предпочтительном варианте выполнения способа в соответствии с настоящим изобретением этот способ включает анализ изображения с целью выявления трещин путем поиска цвета. Поиск цвета может быть проведен путем сравнения анализируемого изображения с реперным значением от элемента к элементу, например от пикселя к пикселю, по имеющейся информации о цвете. Информация о цвете в анализируемом изображении сравнивается с информацией о цвете, принятой за реперное значение. Способ поиска цвета может быть разделен на две основные операции, а именно на первую операцию, на которой формируется реперное значение, и вторую операцию, на которой проводится анализ.
В первой операции устанавливается реперное значение путем регистрации с использованием блока регистрации изображения флуоресцирующего индикаторного рисунка от используемого флуоресцентного вещества. Это можно выполнить путем облучения отдельного образца соответствующего флуоресцентного вещества или получения изображения флуоресцентного вещества, нанесенного на облучаемый объект, предназначенный для анализа. По изображению, полученному с помощью блока регистрации изображения, формируют присущие флуоресцентному веществу спектральные признаки, которые затем используют при выполнении второй операции. Если флуоресцентное вещество имеет хорошо известные спектральные признаки флуоресценции, возникающей под действием излучения, которое воздействует на объект, для формирования реперного значения может быть использована альтернативная процедура, основанная на теоретических знаниях вместо проведения реальных измерений. В данном случае также может быть установлено реперное значение, которое может быть затем непосредственно использовано для поиска цвета.
При проведении анализа подсчитывается цветовой спектр для анализируемого участка изображения, и этот цветовой спектр затем сравнивают с реперными значениями, основанными на спектральных признаках флуоресцентного вещества. Затем для каждого участка анализируемого изображения может быть подсчитано количественное значение, которое отражает, насколько присутствующий в изображении цвет совпадает со спектральными признаками флуоресцентного излучения. Например, цветовой спектр может быть подсчитан для каждого пикселя изображения и результат сравнен со спектральным признаком, полученным для индикаторного рисунка флуоресцентного вещества.
Альтернативный способ анализа цифрового изображения состоит в установлении так называемого цветового порога. Этот способ, который в отличие от способа поиска цвета зависит от относительно хорошо известных фоновых характеристик изображения, включает один или более ограничительные диапазоны или пороговые величины, определяемые для цветового сигнала. При использовании цветового пространства RGB для каждого из красного, зеленого и синего цветов может быть установлен ограничительный диапазон, а при использовании цветового пространства HSL могут быть установлены ограничительные диапазоны для используемых Н, S и L координат. Заметим, что величина Н отражает спектр цветовых оттенков, и что определение диапазона по реперным значениям, например 100-160 при изменении Н от 0 до 255, приведет к тому, что только один цветовой компонент с оттенками, значения которых лежат в этом диапазоне, будет считаться соответствующим выбранному реперному значению. Этот диапазон может, однако, включать несколько оттенков, а также можно определить несколько отдельных диапазонов. Установление дополнительного ограничительного диапазона для S, например 0-75 при S, меняющемся от 0 до 255, означает, что кроме требования по ограничительному диапазону для оттенков должно быть выполнено дополнительное требование, касающееся цветовой насыщенности, для того, чтобы цветовой компонент соответствовал реперным значениям. Путем установки ограничительного диапазона для L равным всему диапазону изменения яркости от черного до белого анализ можно сделать независимым от яркости, так что все цветовые компоненты, соответствующие ограничительному диапазону для оттенков и ограничительному диапазону для насыщенности цвета, будут считаться соответствующими реперным значениям.
Как уже упоминалось ранее, для способа, основанного на установке цветового порога, требуется достаточно хорошее знание фоновых характеристик изображения, что приводит к случаю, когда изображение имеет, в основном, постоянный и известный уровень фона. В описанном далее варианте выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением ставится цель получить совершенно черное изображение за исключением участков, с которых поступает флуоресцентное излучение. В этом случае способ, основанный на установке цветового порога, может быть альтернативным или дополнительным к способу поиска цвета.
Для заданного цветового порога цветное изображение преобразуется в двоичное изображение таким образом, что двоичное значение для соответствующего цветового компонента в данном местоположении, такого как пиксель, устанавливается равным 1 тогда и только тогда, когда значение цветового компонента (R, G или В, или в альтернативе Н, S и L при определении цветового компонента в этих координатах) лежит в ограничительном диапазоне, и в противном случае значение двоичной величины устанавливается равным 0. После этого двоичное представление может быть проанализировано автоматически или не автоматически с применением различных способов, разработанных для двоичных структур. Кроме того, на основе двоичного представления изображения можно провести измерение таких параметров индикаторного рисунка, как размер, длина контура и т.д. Большим преимуществом установки цветового порога является точность, что дает большие возможности для анализа и измерения протяженности индикаторного рисунка, в то время как поиск цвета, в основном, дает информацию о положении и числе обнаруженных дефектов.
Следует отметить, что хотя в цветовом пространстве RGB при благоприятных фоновых условиях можно работать по способу установки цветового порога, эксперименты показали, что, в основном, использование цветового пространства HSL дает лучшие результаты. Это относится как к неавтоматической, так и к автоматической оценке результатов, полученных при автоматическом анализе изображения. Кроме того, использование цветового пространства HSL приводит к установке порога, который менее чувствителен к изменению уровня фона изображения.
Для автоматического анализа изображения можно параллельно использовать как поиск цвета, так и установку цветового порога, так чтобы одновременно пользоваться преимуществами обоих способов. Во всех описанных выше вариантах можно проводить анализ изображения в реальном времени, что напрямую связано с записью изображения, и фактически получать информацию о индикаторном рисунке трещины непосредственно после ее обнаружения.
На фиг.3 схематически показано выполненное в соответствии с настоящим изобретением устройство 10, предназначенное для обнаружения трещин в объекте 11. Устройство 10 содержит источник облучения 12, предназначенный для облучения объекта 11 предпочтительно в ультрафиолетовом диапазоне, и блок 13 регистрации изображения, предназначенный для регистрации флуоресцентного излучения от облученного объекта 11.
Блоком 13 регистрации изображения может служить камера, соответственно цветная видеокамера и предпочтительно ПЗС-камера. Блок 13 регистрации изображения включает средство 14 обработки изображения или связан с этим средством. Средство 14 обработки изображения соответственно включает компьютер с соответствующим программным обеспечением. Компьютерная программа, которая может быть загружена непосредственно в оперативную память компьютера, содержит наборы кодов данных или программных кодов, формирующих инструкции для процессора. К компьютеру может быть подсоединено средство 15 отображения, такое как телевизионный монитор, для отражения процесса автоматического анализа и/или для обеспечения возможности проведения неавтоматического анализа в добавление к проведенному автоматическому. Следует отметить, что различные цветовые пространства могут быть использованы, с одной стороны, для проведения автоматического анализа и, с другой стороны, для отображения результатов анализа. Для отображения результатов, например, на телевизионном мониторе 15 обычно используют RGB представление отображаемых цветов, хотя, как было описано ранее, сам анализ изображения, зарегистрированного от объекта 11, предпочтительно проводить при представлении цветов в цветовом пространстве HSL.
Источник 12 облучения может содержать выходное отверстие 16 или другое средство для направления и рассеяния излучения на нужный участок объекта. В представленном примере источник 12 облучения содержит источник 17 излучения, такой как ртутная паросветная лампа, светопровод 18, и указанное выходное отверстие 16, связанное с источником 17 излучения светопроводом 18.
Кроме того, блок 13 регистрации изображения и выходное отверстие 16 источника облучения могут быть объединены вместе, так чтобы быть направленными, в основном, на один и тот же контролируемый участок объекта. Блок регистрации изображения и источник облучения могут быть также выполнены в виде некоторого сканирующего устройства, перемещающегося относительно объекта по командам оператора и/или компьютерного блока управления. В представленном варианте выполнения блок 13 регистрации изображения и выходное отверстие 16 источника облучения находятся на общем держателе или кронштейне 19.
Блок 13 регистрации изображения снабжен первым полосовым фильтром 20, предназначенным для выделения излучения определенных длин волн. Первый полосовой фильтр 20 соответственно установлен перед блоком регистрации изображения или вмонтирован в его переднюю часть. Полосовой фильтр 20 пропускает излучение в ограниченном диапазоне длин волн, включающем длину волны, которая находится в диапазоне длин волн, испускаемых объектом флуоресцентного излучения, но при этом отрезает все ненужные длины волн. Таким образом, термин полосовой фильтр следует понимать в широком смысле как средство для пропускания излучения с определенными длинами волн (полоса пропускания) и отсекания при этом других длин волн (вне полосы пропускания). Следовательно, термин "фильтр" относится прежде всего к выполняемой функции, и следует подчеркнуть, что конструктивно полосовой фильтр 20 может быть выполнен различными путями, обеспечивающими отсекание излучения конкретной длины волны и пропускание излучения другой длины волны. Например, полосовой фильтр может быть собран из одного или более оптических компонентов.
Диапазон длин волн, пропускаемых полосовым фильтром, должен, конечно, соответствовать флуоресцентному излучению, испускаемому флуоресцентным веществом. Обычно используемое флуоресцентное вещество, например в виде пенетранта на жидкостной основе, испускает при облучении ультрафиолетовым излучением флуоресцентное излучение в диапазоне длин волн, включающем длину волны 530 нм. Спектральное распределение флуоресцентного излучения может быть таким, что имеется пик в районе 530 нм, то есть относительно большая часть флуоресцентного излучения имеет длину волны, близкую 530 нм. Для больших и меньших длин волн интенсивность флуоресцентного излучения убывает. В этом случае полосу пропускания полосового фильтра предпочтительно подбирают таким образом, чтобы излучение в ограниченном диапазоне длин волн с центром, расположенным в основном вблизи 530 нм, проходило через полосовой фильтр и достигало блока регистрации изображения. Хотя часто предпочтительно использовать в полосовом фильтре такую полосу пропускания, которая, в основном, соответствует, например, диапазону от области синего-зеленого до области желтого-зеленого, следует подчеркнуть, что при использовании различных источников облучения и/или различных флуоресцентных веществ, дающих пик флуоресценции в различных диапазонах длин волн, полосовой фильтр нужно, конечно, подбирать соответствующим этому специфическому флуоресцентному излучению.
Полоса пропускания полосового фильтра 20 предпочтительно соответствует в основном всему диапазону, в котором объект испускает значимую интенсивность флуоресцентного излучения. Использование такого полосового фильтра означает, что в блоке регистрации изображения может быть зарегистрирован максимально возможный поток информативного излучения при обрезании в то же время другого излучения. Таким путем можно собрать наибольшее количество информации для формирования изображения на основе излучения, зарегистрированного блоком регистрации изображения. Однако выбор оптимальных параметров полосового фильтра всегда представляет сложную задачу, так как, хотя фильтр с достаточно узкой полосой пропускания хорошо идентифицирует флуоресцентное излучение, в то же время имеется тенденция к тому, что яркость зарегистрированного изображения будет слишком низкой. Фильтр с широкой полосой пропускания даст высокую яркость изображения, но при этом есть тенденция к получению слишком высокой чувствительности к фоновой освещенности и к непосредственно отраженному излучению. Было бы хорошо, если бы излучение, исходящее от источника облучения, то есть как прямое излучение, так и отраженное излучение, можно было отсекать полосовым фильтром в случае, когда блок регистрации изображения чувствителен к этому излучению. Это имеет место, например, при использовании ПЗС-камеры и источника ультрафиолетового излучения для возбуждения флуоресценции. Если не отсечь ультрафиолетовое излучение перед его попаданием на ПЗС-камеру, возрастает уровень шума, и изображение может быть смешано с шумовым излучением до такой степени, что может быть затруднительно или невозможно провести анализ по флуоресцентному излучению.
Во многих случаях верхняя граница полосы пропускания первого полосового фильтра лежит в диапазоне 560-600 нм, предпочтительно 560-580 нм, и во многих случаях нижняя граница полосы пропускания первого полосового фильтра лежит в диапазоне 450-500 нм, предпочтительно 470-500 нм. Предпочтительно полоса пропускания первого полосового фильтра составляет 490-570 нм.
В предпочтительном варианте реализации устройства в соответствии с настоящим изобретением оно содержит второй полосовой фильтр 21, установленный в источнике 12 облучения в данном случае перед (со стороны облучаемого объекта) выходным отверстием 16 источника 12 облучения. Хотя в варианте выполнения, представленном на фиг.3, второй полосовой фильтр 21 расположен после светопровода 18, если рассматривать основное направление распространения излучения от источника 17 излучения, в другом варианте выполнения второй полосовой фильтр может быть установлен, например, между источником 17 излучения и светопроводом 18, если нежелательное излучение поступает в большей степени от источника излучения, чем от светопровода. Однако предпочтительно располагать второй полосовой фильтр перед светопроводом 18. Это подразумевает, что выходящее излучение менее зависимо от характеристик светопровода 18. Кроме того, можно использовать относительно широкополосный источник 17 излучения и перед светопроводом 18, то есть после светопровода 18, если смотреть по основному направлению распространения излучения от источника 17, можно помещать полосовые фильтры с различными полосами пропускания, чтобы получить для облучения объекта 11 излучение с длиной волны, подобранной для данного конкретного случая.
Второй полосовой фильтр 21 пропускает излучение в ограниченном диапазоне длин волн, в который входит ультрафиолетовое излучение. Основной задачей второго полосового фильтра является обеспечение того, чтобы объект достигало только то излучение, которое возбуждает необходимое флуоресцентное излучение, а шумы и риск возникновения ложных сигналов были сведены к минимуму.
Это означает, что излучение с длиной волны, не приводящей к возбуждению необходимой флуоресценции, но которое может быть зарегистрировано блоком регистрации изображения в результате непосредственного попадания или отражения, должно быть отрезано с наибольшей степенью вероятности. Другими словами, полоса пропускания второго полосового фильтра лежит предпочтительно вне диапазона длин волн, в котором объект испускает флуоресцентное излучение.
Для того чтобы получить излучение в ультрафиолетовом диапазоне, необходимое для облучения флуоресцентного вещества, полоса пропускания второго полосового фильтра может включать значение 365 нм и может, в основном, располагаться с центром вблизи 365 нм. Полоса пропускания второго полосового фильтра соответственно выбирается таким образом, чтобы излучение в ограниченном диапазоне длин волн вблизи 365 нм проходило через полосовой фильтр и достигало объекта.
Полосу пропускания второго полосового фильтра выбирают соответственно таким образом, чтобы она соответствовала процедуре контроля.
Процедура контроля, включающая визуальный контроль путем непосредственного рассмотрения объекта, отличается от процедуры контроля, включающей неавтоматическую оценку изображения на мониторе, и на некоторых участках проводится визуальный контроль, а на некоторых результаты автоматического анализа отображаются для дальнейшего неавтоматического и в большей или меньшей степени автоматизированного анализа.
Когда проводят непосредственный визуальный контроль объекта (отдельно или параллельно с оценкой через монитор), во многих случаях верхняя граница полосы пропускания второго полосового фильтра лежит в диапазоне 380-410 нм и предпочтительно равна 400 нм, и во многих случаях нижняя граница полосы пропускания второго полосового фильтра лежит в диапазоне 300-350 нм и предпочтительно в диапазоне 310-330 нм. Следовательно, при непосредственном визуальном контроле полоса пропускания второго полосового фильтра составляет 320-400 нм.
Хотя во многих случаях такая полоса пропускания дает хорошие результаты как при анализе по монитору, так и при автоматическом анализе, в этих случаях можно расширить полосу пропускания до верхней границы в 440-470 нм и предпочтительно 450 нм, чтобы увеличить облучение объекта и таким образом увеличить интенсивность флуоресценции. Видимый свет (который при визуальном непосредственном контроле затруднял бы этот контроль) в диапазоне 400-450 можно использовать для возбуждения флуоресценции. Усиленное облучение с большей энергией, в свою очередь, делает возможным облучение больших участков при сохранении выявляемости без перемещения источника облучения и/или объекта, и в некоторых случаях можно облучать в основном весь объект, получая ту же выявляемость и оставляя неизменным относительное положение объекта и источника облучения. Следует отметить, что расширенную до 450 нм полосу пропускания можно использовать и при визуальном контроле, если оператор использует предлагаемые в изобретении очки.
При помещении второго полосового фильтра 21 перед светопроводом 18 его при различных процедурах анализа можно легко заменять. Например, полосовой фильтр с полосой пропускания 320-400 нм можно использовать при непосредственном контроле и/или контроле с использованием камеры, а полосовой фильтр с полосой пропускания 320-450 нм можно использовать при контроле с использованием камеры и/или непосредственном контроле оператором, снабженным предлагаемыми в изобретении очками.
Так же, как было рассмотрено для первого полосового фильтра, для второго полосового фильтра представляет затруднение выбор второй полосы пропускания такой, чтобы обеспечить достаточную интенсивность излучения для облучения объекта и получение достаточного флуоресцентного излучения и в то же время эффективно предотвратить попадание нежелательного излучения на блок регистрации изображения.
Как было отмечено ранее, для получения изображения желательно, чтобы отношение полезного сигнала к шуму S/N (сигнал/шум) было как можно большим, что означает, что результаты анализа трещин или по меньшей мере индикаторных следов трещин могли бы быть получены при относительно высокой выявляемости. Это, в свою очередь, делает возможным автоматическое обнаружение трещин. При использовании устройства, в котором применен первый полосовой фильтр перед блоком регистрации изображения и второй полосовой фильтр перед источником облучения, можно получить очень высокое значение S/N, что практически означает, что изображение по существу черное за исключением участков, испускающих флуоресцентное излучение.
На фиг.4 показана выполненная предлагаемая в настоящем изобретении система 50, предназначенная для обнаружения трещин в объекте 51. Объект 51, цилиндрической или аналогичной ей формы, может, например, иметь наружные или внутренние канавки (пазы). В представленном примере объект имеет канавки 52 с двумя поверхностями 56а, 56b боковых стенок и поверхностью 58 дна.
В систему входят источник 53 облучения с выходным отверстием 59, выполняющим функцию коллимации излучения, и источник излучения (не показан), а также светопровод 60, проходящий между выходным отверстием и источником излучения. Источник 53 облучения выполнен так, чтобы облучать объект 51, например, ультрафиолетовым излучением, а блок 54 регистрации изображения выполнен так, чтобы регистрировать флуоресцентное излучение от облученного объекта 51. Блок 54 регистрации изображения может представлять собой камеру, такую как цветная видеокамера, например, типа ПЗС. Чтобы получить флуоресцентный индикаторный рисунок, объект 51 может быть обработан флуоресцентным пенетрантом (как было описано ранее).
В систему входит выполненное в соответствии с настоящим изобретением устройство 70, предназначенное для преломления излучения. В данном варианте выполнения преломляющее устройство 70 содержит первый отражатель 55, выполненный так, чтобы отклонять по меньшей мере значительный поток излучения от источника 53 облучения и направлять его на скрытую поверхность 56а объекта 51. В представленном на фиг.4 варианте выполнения первый отражатель состоит из зеркала, заключенного в призму и предназначенного для изменения направления излучения практически на 90° относительно основного направления распространения излучения от источника 53 облучения.
Под значительным потоком излучения здесь понимается такой поток излучения, который необходим для возбуждения требуемого флуоресцентного излучения и последующей регистрации флуоресценции для формирования изображения. Предпочтительно преломляется по меньшей мере 25% излучения и более предпочтительно преломляется по меньшей мере 50% излучения. Надо полагать, что система тем эффективнее, чем больше излучения преломляется в направлении скрытой поверхности, так что во многих случаях желательно, чтобы отражалось, в основном, 100% излучения. Однако в некоторых случаях могут быть причины для создания такой конструкции первого отражателя, при которой часть излучения все же проходит через отражатель без преломления. Таким путем делается возможным анализ с помощью устройства других участков, расположенных где-либо еще кроме скрытой поверхности.
Под скрытой поверхностью подразумевается поверхность 56а, которую невозможно облучить требуемым образом прямым излучением от источника 53 облучения, или поверхность, от которой испускаемое флуоресцентное излучение не может быть зарегистрировано блоком 54 регистрации изображения из-за естественной конфигурации объекта и/или аппаратуры анализа. В представленном варианте внутренняя канавка 52 в объекте слишком узка, чтобы источник 53 облучения и блок 54 регистрации изображения могли разместиться в нем таким образом, чтобы быть направленными для проведения анализа прямо на поверхность 56а. Канавка 52, кроме того, слишком глубока, чтобы аппаратура анализа известного типа могла быть размещена вне объекта 51 для проведения испытаний. Чтобы все же обеспечить возможность проведения анализа скрытой поверхности 56а, первый отражатель 55 направляет на нее излучение от источника облучения.
В представленном варианте выполнения преломляющее устройство 70 содержит также второй отражатель 57 для отклонения по меньшей мере некоторого, достаточного для проведения анализа потока флуоресцентного излучения, испускаемого скрытой поверхностью 56а, на блок 54 регистрации изображения. В представленном на фиг.4 варианте второй отражатель 57 выполнен на сдвоенной призме, которая делит пучок таким образом, что испускаемое поверхностью 56а флуоресцентное излучение разделяется у поверхности сопряжения между двумя сдвоенными призмами, и при этом часть его преломляется в направлении блока 54 регистрации изображения. В данном случае приблизительно 50% флуоресцентного излучения, поступающего от скрытой поверхности 56а, преломляется в основном на 90° в направлении к блоку регистрации изображения. (Остальная часть преломляется в противоположном направлении в сторону дна 58 канавки.) Существуют, конечно, другие способы создания отражателя флуоресцентного излучения, при которых на блок регистрации изображения будет поступать другой поток флуоресцентного излучения. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере преломлялось 25% флуоресцентного излучения, а более предпочтительно, чтобы по меньшей мере 50% этого излучения направлялось на блок регистрации изображения. Во втором варианте выполнения изобретения такой второй отражатель может быть использован без первого отражателя, если скрытую поверхность можно облучить непосредственно от источника облучения, но на блок регистрации изображения напрямую флуоресцентное излучение от скрытой поверхности поступить не может. Таким образом, предлагаемые в изобретении первый и второй отражатели можно использовать по отдельности или в сочетании друг с другом, как показано на фиг.4.
Как показано ранее, можно сочетать систему, выполненную в соответствии с изобретением, с тем, что приведено ранее в отношении способа и/или устройства согласно настоящему изобретению. Например, в выполненной в соответствии с изобретением системе перед блоком 54 регистрации изображения можно разместить указанный первый полосовой фильтр 20 и/или перед источником 53 облучения можно разместить второй полосовой фильтр 21.
На фиг.5 представлен вариант системы в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте источник 53 облучения и блок 54 регистрации изображения расположены друг относительно друга таким образом, что источник облучения 53, наоборот, расположен ближе к скрытой контролируемой поверхности. Это означает снижение риска влияния излучения от источника облучения на блок регистрации изображения. На фиг.4 излучение на пути к поверхности 56а будет проходить мимо блока 54 регистрации изображения (между блоком 54 регистрации изображения и поверхностью 58 дна), в то время как на фиг.5 излучение при преломлении в направлении поверхности 56а не проходит мимо блока 54 регистрации изображения. Кроме того, светопровод 60 на фиг.5 расположен, в основном, максимально близко к призме, что уменьшает необходимость в коллиматоре, так как можно допустить некоторую расходимость излучения после светопровода, если путь излучения относительно короток. Это, в свою очередь, позволяет изготавливать более компактную систему.
Изобретение также относится к использованию системы, выполненной в соответствии с изобретением, для выявления трещины в канавке, имеющей поверхность 58 дна и по меньшей мере поверхность 56а боковой стенки, причем трещина может быть расположена на поверхности дна или на поверхности боковой стенки, или для выявления трещины в канавке, имеющей поверхность 58 дна и поверхности 56а, 56b двух боковых стенок, или для выявления трещины в канавке, имеющей поверхность дна и поверхности двух боковых стенок, причем поверхности боковых стенок канавки в основном параллельны друг другу и направлены в основном под прямым углом относительно плоскости поверхности дна.
Система в соответствии с изобретением может быть, например, использована в нижеприведенных применениях.
Контроль поверхности дна канавки
Систему поворачивают по отношению к положению, показанному на фиг.4, так что излучение, преломленное первым отражателем 55, направляется к поверхности 58 дна, и так что блок 54 регистрации изображения и выходное отверстие 59 источника 53 облучения "смотрят в продольном канавке 52 направлении", то есть параллельно канавке (перпендикулярно плоскости чертежа на фиг.4);
систему размещают таким образом, что можно сканировать часть поверхности 58 дна, ближайшую к поверхности 56а боковой стенки, при этом блок 54 регистрации изображения расположен на фокусном расстоянии относительно поверхности 58 дна для регистрации флуоресцентного индикаторного рисунка на поверхности дна (которое в данном случае представляет собой наружную поверхность контролируемого объекта);
поворачивают объект один раз при одновременном контроле поверхности дна, чтобы просканировать объект по полной окружности;
сдвигают систему на один шаг (вручную или автоматически) в направлении поверхности 56b второй боковой стенки, после чего объект поворачивают таким образом, чтобы просканировать его по полной окружности; и
последнее действие повторяют до тех пор, пока не проконтролируют всю поверхность 58 дна.
Контроль поверхности боковой стенки в объекте
Блок регистрации изображения размещают, как показано на фиг.4, и таким образом, чтобы можно было просканировать часть поверхности 56а боковой стенки, ближайшую к поверхности 58 дна, при этом блок регистрации изображения размещают на фокусном расстоянии относительно поверхности 56а боковой стенки для регистрации флуоресцентного индикаторного рисунка на поверхности боковой стенки;
поворачивают объект один раз при одновременном контроле поверхности 56а боковой стенки, чтобы просканировать объект по полной окружности;
сдвигают систему на один шаг (вручную или автоматически) в радиальном направлении от поверхности 58 дна, после чего объект поворачивают таким образом, чтобы просканировать по полной окружности объекта следующую часть поверхности 56а боковой стенки; и
последнее действие повторяют до тех пор, пока не проконтролируют всю поверхность боковой стенки.
Контроль поверхности второй боковой стенки
Контроль проводят в соответствии с той же процедурой, что и для поверхности 56а первой боковой стенки, с тем отличием, что систему 50 поворачивают на 180°, облучая, наоборот, поверхность 56b боковой стенки.
На фиг.6 представлены очки 80, выполненные в соответствии с настоящим изобретением. Очки снабжены линзами 81, которые могут быть изготовлены из стекла, пластика или другого материала и которые действуют как полосовой фильтр 20b, отрезая излучение определенных длин волн. Очки 80 предназначены для использования оператором при наблюдении флуоресценции, в частности при визуальном контроле объекта на наличие трещин. Полосовой фильтр 20b пропускает излучение в ограниченном диапазоне длин волн, включающем длину волны 530 нм. Нижнюю границу полосы пропускания полосового фильтра 20b лучше выбирать в диапазоне 480-500 нм, и предпочтительно она равна приблизительно 490 нм.
Что касается верхней границы, то есть несколько альтернатив. Основным требованием является отрезание на нижней границе ультрафиолетового излучения и голубого света, хотя при этом верхняя граница может варьироваться различным образом. Если верхняя граница полосы пропускания полосового фильтра 20b лежит в диапазоне 560-580 нм и предпочтительно равна приблизительно 570 нм, то можно будет отсечь ложные сигналы красного. Если, вместо этого, верхняя граница полосы пропускания полосового фильтра 20b равна приблизительно 700 нм, то, хотя это и является случаем, когда красный свет не отсекается, с другой стороны, принимая во внимание иные соображения, выбор такого диапазона может облегчить оператору проведение контроля, если в то же время выполняется основное условие отсечения голубого света.
Понятно, что настоящее изобретение не ограничивается вариантами выполнения, представленными ранее и отраженными в чертежах, и, как будет понятно специалисту в данной области, в рамках объема притязаний приложенной формулы изобретения может быть осуществлено множество усовершенствований и модификаций.