УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ

Полезная модель относится к физике поверхностей, а именно к визуальной оценке качества поверхностей плоских подложек для оптико-электронных компонентов и может быть использована при техническом контроле состояния поверхности крупных партий деталей в электротехнической промышленности.
Известно устройство контроля микрорельефа пленки, представляющее собой комбинацию микроскопа и интерферометра (типа Майкельсона), называемое микроинтерферометром Линника МИИ-4. Устройство работает по двухлучевой схеме формирования интерференционной картины, обеспечивая неаддитивное наложение (интерференцию) двух систем волн, наблюдаемую в фокальной плоскости окуляра в виде чередования темных и светлых участков. Исследуемая отражающая поверхность вместе с объективом и плоское эталонное зеркало вместе с компенсатором и объективом составляют два плеча интерферометра (Осипов Ю.В. Оптические методы неразрушающего контроля: Лаб. практ. СПб: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2001, 46 с.). Также известно устройство для получения изображения микрорельефа объекта, включающее платформу, на которой расположен объект и которая способна перемещаться на аэростатических опорах и фазовый микроскоп, выполненный с возможностью получения интерферограмм и также способный перемещаться на аэростатических опорах (RU 2495372 С1, 10.10.2013).
Устройства контроля микрорельефа поверхностей, работающие на интерференционных принципах являются высокоточными ввиду высокой чувствительности интерференционной картины к изменениям фазы излучения, в связи с чем требуют очень тщательной юстировки взаимного расположения поверхности исследуемого объекта и элементов оптической схемы, участвующих в формировании интерферограммы. Таким образом, интерферометрические устройства могут эффективно использоваться в исследовании поверхностей единичных образцов, однако для исследования крупной партии деталей весьма непроизводительны и требуют очень сложных подготовительных операций.
Известно устройство для контроля шероховатости поверхности диэлектрических подложек, содержащее источники света, фильтр инфракрасного излучения, регулируемый источник питания осветителя, дозатор капель рабочей жидкости, скоростную видеокамеру, записывающее устройство, рассеивающие свет фильтры (RU 2448341 С1, 20.04.2012).
Устройство предназначено для контроля шероховатости поверхности подложек посредством анализа скорости растекания подсвечиваемой капли (фиксированного объема) рабочей жидкости. Сложность подготовки поверхности исследуемой подложки, включающей плазмохимическое травление в среде инертного газа с особыми требованиями к режимам травления, после которого необходимо сразу расположить подложку горизонтально в устройстве (см. с. 4, строки 8-11), а также последующий процесс покадровой фиксации растекания капли жидкости, требующий дальнейшего сопоставления визуально наблюдаемых характеристик капли с предварительно замеренной калибровочной зависимостью (с. 4, строки 19-24) требует значительных временных ресурсов и трудоемкой технологии. В связи с этим данное устройство не позволяет обеспечить высокую производительность контроля крупной партии деталей.
Из описания способа визуально-оптического контроля поверхности известна схема наблюдения контролируемой дефектной поверхности с использованием лазерного излучения, вводимого в тонкий слой жидкости (пленки), помещенный между эталонной и контролируемой поверхностями оптических деталей, позволяющая и наблюдать свет сконцентрированный и рассеянный на аномалиях и дефектах поверхности (RU 2502954 С1, 27.12.2013). Несмотря на функциональную простоту представленной в описании схемы наблюдения дефектов, устройства, реализующее такой способ контроля поверхности не могут обеспечить возможность исследования крупных партий изделий, поскольку необходимо наличие бездефектной эталонной детали для соединения с контролируемой поверхностью (через тонкую жидкостную пленку), что предполагает поштучный осмотр каждой контролируемой поверхности с выставлением (юстировкой) сборки в требуемом положении относительно лазерного луча. Такой принцип контроля требует существенных временных затрат, ограничивающих производительность операций контроля.
В процессе проведения технического контроля поверхности крупной партии деталей, применяемых для формирования оптико-электронных компонентов (например, подложек интегрально-оптических устройств) зачастую требуются простые методы визуальной оценки качества наружной поверхности, позволяющие произвести отбраковку образцов с выраженными дефектами.
В "Методах контроля" п 2.2 (см. ГОСТ 11141-84. Детали оптические) при определении наличия дефектов (царапин и точек) предлагается поверхности деталей просматривать в косонаправленном пучке проходящего или отраженного света, т.е. под углом к оси детали, на фоне черного экрана, когда источником света служит лампа накаливания мощностью от 60 до 100 Вт.
Оценка качества контролируемых поверхностей в соответствии с данной методикой не требует сложных устройств и позволяет без существенных затрат времени осуществлять визуальный контроль поверхностей деталей. Однако, указание на использование лампы накаливания с невысокой по значению мощностью, огранивает количество деталей, которые можно одновременно визуально просматривать. Контроль крупных партий деталей оказывается весьма затруднительным, поскольку просмотр каждой из деталей при косонаправленном свете от лампы накаливания приводит к утомляемости контролера и, как следствие, к появлению ошибок. Данное обстоятельство снижает производительность процесса контроля.
Задачей полезной модели является создание устройства для визуального контроля дефектов поверхностей плоских подложек, позволяющего выполнять технический контроль крупных партий деталей, и не требующего использования сложного оборудования, технологий изготовления и сложной методики осуществления контроля.
Для осуществления контроля состояния поверхности крупных партий деталей, в оценке их качества, может быть использован принцип обнаружения по цветовым признакам (принцип восприятия цветового различия). Такой принцип позволяет значительно упростить процесс визуального контроля поверхности деталей и снизить вероятность ошибок, поскольку снижает зрительную нагрузку в работе контролера и, таким образом, упрощает задачу обнаружения дефектных зон.
Известно, что существуют две основные группы цветов: ахроматические и хроматические. При этом, хроматическими называют все наблюдаемые цвета, кроме черного, белого и серого. К ахроматическим цветам относят черный, белый и все оттенки серого цвета. В наблюдаемом спектре излучения можно подбирать два хроматических цвета, называемые дополнительными друг к другу по цветовому тону, при смешивании которых получится цвет ахроматический (например, светло-серый). Такое смешивание цветов (суммирование излучений) называют аддитивным. Примерами комбинаций, дополнительных по цветовому тону являются оранжево-красный и голубовато-зеленый цвета, зелено-желтый и фиолетовый и др. (см. Н.П. Гвоздева, К.И. Коркина, Теория оптических систем и оптические измерения; Учебник для техникумов. - М.: Машиностроение, 1981, с. 125-126). При смешивании двух цветов суммарный цвет имеет определенную насыщенность, причем суммарная насыщенность становится нулевой при смешивании двух дополнительных по цветовому тону цветов, т.е. в случае получения ахроматического цвета (см, например, "Хроматические характеристики цвета", hromaticheskie-harakteristiki-cveta.html).
Известно, что цветовые характеристики объектов могут эффективно использоваться не только в задачах обнаружения, но также при распознавании и классификации объектов в качестве одного из признаков (см. Р.Е. Быков. Адаптивные алгоритмы обнаружения объектов по цветовым признакам // Радиотехника. 2012, №7. с. 97-103.). Таким образом, подбирая комбинации цветового тона пучка света, освещающего исследуемую поверхность, в зависимости от цвета этой поверхности возможно эффективно решать задачи обнаружения дефектов с помощью цветовых различий и различий в насыщенности. При этом дефекты поверхности будут являться контрастирующими элементами на фоне бездефектной области поверхности (выявление дефектов поверхности при визуальном наблюдении основано на рассеянии светового потока на дефектных местах, так как на дефектах нарушается геометрия распространения световых лучей, вследствие чего дефекты становятся отражающими свет элементами или ослабляющими).
Устройством для модификации передаваемого через него оптического излучения, которое может быть использовано для изменения цветового тона пучка света, освещающего исследуемую поверхность, является оптический фильтр. Модификация оптического излучения при оптической фильтрации состоит в изменении спектрального распределения излучения (см. п. 3, п. 4.2 ГОСТ Р 50785-95. Фильтры оптические. Типы и основные параметры). Оптические фильтры, изменяющие спектр излучения, принято называть спектральными фильтрами (Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов. - М.: Машиностроение, 1989, с. 97-102).
Техническим результатом полезной модели является повышение производительности процесса контроля поверхностей.
Технический результат достигается тем, что устройство для визуального контроля дефектов поверхности содержит фоновую поверхность, на которой располагают деталь с контролируемой поверхностью, источник света, освещающий контролируемую поверхность косонаправленным пучком света, на источник света установлен спектральный фильтр, изменяющий цвет окраски косонаправленного пучка света.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (см. фиг), на котором схематично представлено устройство для визуального контроля дефектов поверхности, где: 1 - фоновая поверхность, 2 - контролируемая поверхность детали, 3 - косонаправленный пучок света, 4 - источник света, 5 - спектральный фильтр, 6 - фиксатор.
Устройство для визуального контроля дефектов поверхности содержит фоновую поверхность 1, в качестве которой может быть использована поверхность транспортирующей ленты производственного конвейера, источник света 4, на который установлен спектральный фильтр 5, фиксатор 6 для фиксации положения источника света по высоте и углу наклона при формировании косонаправленного пучка света 3 в направлении контролируемой поверхности детали 2.
В качестве источника света 4 может быть использована люминесцентная лампа с вогнутым эллипсоидным зеркалом (см., например, Н.П. Гвоздева, К.И. Коркина, Теория оптических систем и оптические измерения; Учебник для техникумов. - М.: Машиностроение, 1981, с. 199), позволяющая обеспечить равномерное и направленное освещение фоновой поверхности 1. Наиболее простым и эффективным, с точки зрения использования светового потока, является источник света, выполненный в виде светодиодной линейки (см., например, "Светодиодные линейки - виды, способы применения", primeneniya). Такой удлиненный источник света особенно эффективен при освещении вытянутых прямоугольных площадей (например, транспортирующей ленты производственного конвейера).
В качестве спектрального фильтра может быть использован абсорбционный фильтр (фильтр, основанный на избирательном поглощении, примером которого являются фильтры из цветного оптического стекла, окрашенных пластмасс, фильтры из Ge, PbS, PbTe и других оптических материалов). Такие фильтры просты в изготовлении и эксплуатации; имеют стабильные характеристики, а также широкие пределы изменения габаритных размеров (см. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов. - М.: Машиностроение, 1989, с. 99).
Устройство для визуального контроля дефектов поверхности работает следующим образом.
На фоновой поверхности 1 (например, поверхности транспортирующей ленты производственного конвейера) располагают каждую из деталей контролируемой поверхностью 2, обращенной к источнику света 4. На источник света 4 устанавливают спектральный фильтр 5 и с помощью фиксатора 6 фиксируют положение источника света 4 по высоте и углу наклона таким образом, чтобы каждая контролируемая поверхность 2 освещалась косонаправленным пучком света 3, имеющим цветовую окраску. В зоне освещения деталей (область фоновой поверхности 1, освещенная косонаправленным пучком света 3) наблюдают дефекты каждой контролируемой поверхности 2, проявляющиеся при аддитивном смешивании цвета контролируемой поверхности 2 и цвета окраски косонаправленного пучка света 3.
Угол наклона и положение источника света по высоте определяют опытным путем, в зависимости от размеров контролируемых деталей, расстояния от источника света до контролируемых поверхностей и категории контроля (степень "оттенения" светового потока при его рассеянии дефектными элементами поверхности зависит от угла освещения поверхности, ввиду чего, при наиболее тщательном контроле дефектов, источник света располагают как можно ниже, формируя, тем самым острый угол между осью косонаправленного пучка света и поверхностью детали и наоборот, малоответственный контроль может быть осуществлен при освещении поверхности под большими углами).
Выбор спектральной характеристики фильтра 5 (цветность спектрального фильтра) осуществляют в зависимости от цвета контролируемой поверхности детали (партии деталей) таким образом, чтобы при наложении спектра отражения от поверхности детали и спектра освещения в косонаправленном пучке света (т.е. цвета окраски косонаправленного пучка света) визуально наблюдалось ахроматическое представление контролируемой поверхности (например, в светло-сером цвете). При этом, контрастирующие элементы обнаруживаемых дефектов, ввиду светового рассеяния, имеют выраженное отличие по интенсивности (например, в черном цвете). Применение спектрального фильтра позволяет осуществлять и другие цветовые комбинации для обнаружения дефектов поверхности (например, когда цвет наблюдаемой при освещении поверхности оставляют хроматическим с необходимым цветовым тоном, предпочтительным для определенного контролера).
Цветовую окраску и отражающую способность фоновой поверхности 1 выбирают из условий обеспечения удобства при визуальном наблюдении контролера деталей (в соответствии с чем не рекомендуется использование ярких отражающих или светлых цветовых тонов для окраски фоновой поверхности 1). При этом предельные значения яркостного контраста между фоновой поверхностью 1 и цветом контролируемой поверхности 2 определяют расчетным путем (см., например, "Пример вычисления и применения связанного с возрастом яркостного контраста" Приложение А. ГОСТ Р ИСО 24502-2012. Эргономическое проектирование. Требования к яркости и контрастности цветных источников света для людей различных возрастных категорий).
Полезная модель позволяет использовать цветовые эффекты, основанные на аддитивном смешивании цветов с целью упрощения процесса визуального различения дефектов на фоне бездефектной области поверхности. В соответствии с особенностями психофизиологического восприятия цвета (см. Измайлов Ч.А., Соколов Е.Н., Черноризов A.M. Психофизиология цветового зрения. - М.: Изд-во МГУ, 1989 - 206 с.), устройство позволяет наблюдателю широко использовать удобные для длительной визуальной работы сочетания цветов (сочетания цветности светового потока и цвета поверхности объекта), что значительно снижает зрительную нагрузку контролера и, как следствие, позволяет качественно осуществлять контроль крупных партий деталей.
Полезная модель обладает гибкостью в использовании, предоставляя каждому конкретному контролеру деталей выбор индивидуальных цветовых параметров обнаружения дефектов посредством подбора желаемого спектрального фильтра.
Реализация полезной модели не требует использования сложного оборудования, разработки сложных технологий изготовления и сложной методики осуществления контроля.