ОБЪЕКТИВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОТВЕРСТИЙ
OBJECTIVE LENS FOR INSPECTING HOLES

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим системам контрольно-измерительных устройств, и может быть использовано в устройствах измерения геометрических параметров и контроля качества поверхности отверстий, а также других внутренних поверхностей.
Одной из актуальных и часто возникающих в измерительной технике задач является контроль различных отверстий. Для решения этих задач широкое распространение получили различные оптико-электронные методы контроля как геометрических параметров, так и качества поверхности отверстий. Одной из важнейших проблем при этом является задача формирования изображений поверхности протяженных отверстий. Обычно для этого используются различные методы механического сканирования, развертки и т.п., обладающие существенными недостатками, в первую очередь - низким быстродействием.
Использование для этих целей стандартных объективов также имеет существенные ограничения. Так с помощью формулы тонкой линзы можно показать, что в случае использования стандартных объективов изображение отверстия будет иметь коническую форму (фиг. 1а):
где f′ - фокусное расстояние объектива, D - диаметр отверстия.
Поэтому использование стандартных объективов для формирования, без механического сканирования, изображений протяженных отверстий возможно только в случае больших диаметров D отверстий (D>>f′, тогда угол φ стремится к нулю), и при небольших соотношениях (L/D<<1, где L - длина отверстия).
Для решения задачи формирования изображений протяженных отверстий необходимо применять специализированные объективы для контроля отверстий, обладающие значительной кривизной поля в пространстве объектов, благодаря чему они формируют плоское изображение отверстия (фиг. 1б).
Известна оптическая схема объектива для контроля отверстий [Завьялов П.С. Трехмерный контроль геометрических параметров дистанционирующих решеток ядерных реакторов на основе дифракционных оптических элементов: автореф. дис. канд. техн. наук / П.С. Завьялов. - Новосибирск, 2011. - с. 13-14], состоящая из последовательно расположенных на оптической оси трех сферических линз, стандартного объектива и матричного фотоприемника.
Известный объектив используется в системе контроля геометрических параметров дистанционирующих решеток (ДР) и обеспечивает формирование плоских изображений в широком диапазоне диаметров. Но при этом данный объектив имеет следующие недостатки.
Во-первых, необходимая кривизна поля в пространстве объектов достигается в основном благодаря введению значительного астигматизма пучков, вследствие чего пространственное разрешение объектива в сагиттальном направлении существенно хуже (около 8 линий/мм), чем в меридиональном (около 45 линий/мм). Это обстоятельство не позволяет применять данный объектив для контроля качества (обнаружения дефектов) на поверхности отверстий.
Во-вторых, данный объектив имеет небольшое относительное отверстие (1:12), что ухудшает соотношение сигнал/шум на фотоприемнике.
Указанные недостатки ограничивают функциональные возможности и область применения известного технического решения.
-1
Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является объектив для контроля отверстий [US 20110128368 A1. Hole inspection method and apparatus / Tian Poh Yew, Victor Vertoprakhov. Jun. 2, 2011], состоящий из последовательно расположенных на оптической оси четырех одиночных и одной склеенной сферических линз. Апертурная диафрагма расположена между четвертой и пятой линзами (относительное отверстие 1:10,8). При этом в объективе происходит формирование промежуточного изображения между второй и третьей линзами. Линзы объектива имеют малые радиусы кривизны и большую толщину, что обеспечивает большую оптическую силу компонентов. При этом обеспечивается такой ход лучей в линзах, что лучи от ближнего (от объектива) края отверстия проходят ближе к краям линз, а от дальнего края - ближе к оптической оси, за счет чего достигается необходимая кривизна поля в пространстве объектов, так как периферийные области таких линз имеют существенно большую оптическую силу, чем их центральная часть. В объективе скомпенсированы хроматические аберрации посредством использования различных марок стекол. Объектив позволяет формировать изображения поверхности отверстий в диапазоне диаметров 8-16 мм с соотношением L/D≤1. Разрешение объектива близко к дифракционному пределу для отверстий середины диапазона диаметров (10-14 мм). На краях диапазона разрешение значительно хуже. К примеру, для отверстия диаметром D=9 мм и длиной L=9 мм коэффициенты передачи контраста составляют 0,67 и 0,21 для пространственных частот 15 и 30 мм соответственно (крайние точки отверстия).
Основными недостатками прототипа являются, во-первых низкое отношение длины контролируемого отверстия к его диаметру L/D.
Во-вторых, малое значение относительного отверстия (1:10,8).
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в повышении относительного отверстия объектива при одновременном увеличении отношения длины контролируемого отверстия к его диаметру L/D, что позволяет решить задачу расширения функциональных возможностей и области применения заявляемого технического решения.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что:
- заявляемый объектив для контроля отверстий состоит из последовательно расположенных на оптической оси семи одиночных линз, а апертурная диафрагма расположена между пятой и шестой линзами;
- первая и вторая линзы одинаковые, имеют двояковыпуклую форму и обращены друг к другу поверхностями с меньшим радиусом кривизны;
- третья и пятая линзы также одинаковы и выполнены в двояковыпуклом виде с равными радиусами кривизны первой и второй поверхностей;
- шестая линза - плоско-выпуклая и обращена плоской поверхностью к объекту, четвертая и седьмая линзы - двояковыпуклые.
Выполнение третьего, четвертого и пятого компонентов в виде двояковыпуклых линз с большой оптической силой обеспечивает формирование в объективе второго промежуточного изображения, что в свою очередь позволяет достичь большего значения кривизны поля в пространстве объектов, и, следовательно, увеличить соотношение L/D.
Общее увеличение количества линз по сравнению с прототипом с 5 до 7 штук позволяет лучше скомпенсировать сферическую аберрацию, кому и астигматизм при увеличении относительного отверстия до 1:7. При этом увеличение количества линз не приводит к существенному удорожанию и усложнению объектива, так как в нем присутствуют две пары одинаковых линз.
Автору не известны оптические схемы объективов для контроля отверстий, обладающие признаками, отличающими предлагаемую систему от прототипа, поэтому данная оптическая система объектива для контроля отверстий обладает существенными отличиями.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг. 1 - ход лучей и форма изображения при формировании изображения отверстия стандартным объективом (а) и объективом для контроля отверстий (б).
Фиг. 2 - Оптическая схема предлагаемого объектива для контроля отверстий.
Фиг. 3 - частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) объектива для отверстия диаметром 9 мм.
Заявляемый объектив для контроля отверстий (фиг. 2) содержит расположенные последовательно на оптической оси одинаковые двояковыпуклые линзы 1 и 2, обращенные друг к другу поверхностями с меньшим радиусом кривизны, двояковыпуклую линзу 3, двояковыпуклую линзу 4, двояковыпуклую линзу 5, при этом линзы 3 и 5 одинаковы и имеют равные радиусы кривизны обеих поверхностей, плоско-выпуклую линзу 6, обращенную плоской стороной к объекту, двояковыпуклую линзу 7 и апертурную диафрагму 8, расположенную между линзами 5 и 6.
Излучение, идущее от поверхности отверстия, проходя последовательно через линзы 1 и 2, фокусируется в пространстве между линзами 2 и 3 и создает первое промежуточное изображение, далее проходит линзы 3, 4 и 5 и создает второе промежуточное изображение между линзами 4 и 6, затем проходит апертурную диафрагму 8, линзы 6 и 7, фокусируется ими и образует изображение поверхности отверстия в плоскости фотоприемника.
В качестве конкретного примера исполнения объектива для контроля отверстий в таблице 1 приведены конструктивные параметры оптических элементов объектива, имеющего фокусное расстояние 7,3 мм, диаметр входного зрачка 0,95 мм, относительное отверстие 1:7,2; диапазон контролируемых диаметров D=8÷10 мм; соотношение L/D≤1,67; размер изображения 2y′=6 мм. Длина объектива от первой поверхности до плоскости изображения составляет 90 мм. Спектральный диапазон 0,63-0,67 мкм.
Таблица 1. Конструктивные параметры объектива для контроля отверстий (f′=7, мм; диаметр входного зрачка 0,95 мм; относительное отверстие 1:7,2; D=8÷10 мм; соотношение L/D≤1,67; размер изображения 2y′=6 мм; спектральный диапазон 0,63-0,67 мкм).
В таблице 1 позиция линз указана в соответствии с фиг. 2; № пов. - номер поверхности по ходу луча; R - радиус кривизны поверхности, d - толщины линз и воздушных промежутков, марка стекла - по ГОСТ 3514-94. Все линейные размеры приведены в миллиметрах.
-1
-1
В таблице 2 и на фиг. 3 приведены ЧКХ объектива для контроля отверстий. В таблице 2 коэффициенты передачи контраста указаны в относительных единицах для пространственных частот, отнесенных к плоскости чувствительной площадки фотоприемника, в мм, в диапазоне от 0 до 50 мм для точек z=0 мм - дальний край отверстия (см. фиг. 1б), z=7,5 мм - середина отверстия, z=15 мм - ближний край отверстия. ЧКХ в таблице 2 и на фиг. 3 приведены для отверстия диаметром D=9 мм и длиной L=15 мм. Коэффициенты передачи контраста приведены для меридиональных (М) и сагиттальных (S) сечений.
-1
Из графика на фиг. 3 и таблицы 2 следует, что коэффициенты передачи контраста для пространственных частот 15 и 30 мм не хуже 0,73 и 0,34 соответственно, что не хуже, чем у объектива-прототипа. При этом относительное отверстие предлагаемого объектива составляет 1:7,2, что лучше, чем у объектива-прототипа (1:10,8). А отношение длины контролируемого отверстия к его диаметру L/D≤1,67, что также лучше, чем у объектива-прототипа (L/D≤1).
Таким образом, предлагаемый объектив для контроля отверстий, обладающий совокупностью указанных отличительных признаков в сравнении с прототипом, позволяет обеспечить более высокие технические характеристики - большее отношение длины контролируемого отверстия к его диаметру и большее значение относительного отверстия.
Предлагаемый объектив для контроля отверстий может быть использован в системах технического зрения для контроля качества и геометрических параметров протяженных отверстий. В частности, в системах контроля дистанционирующих решеток тепловыделяющих сборок ядерных реакторов.