Способ неразрушающего контроля подповерхностной структуры полупрозрачных объектов

Изобретение относится к способу контроля состояния подповерхностной структуры оптически неоднородных объектов и может быть использовано при анализе вариаций плотности полупрозрачных твердых тел, жидкости и газов. Согласно способу целостность внутренней структуры полупрозрачных объектов определяют за счет измерения характеристик результирующего распределения интенсивности отраженного лазерного излучения в виде спекл-изображения. Для этого определяют разности между интенсивностями спекл-изображений, полученных при предыдущем и последующих этапах зондировании при условии, что мощность последующих зондирований соответствует условию P_n>P_n-1. Технический результат - повышение точности определения параметров подповерхностной структуры оптически полупрозрачных объектов и глубины залегания внутреннего дефекта контролируемого объекта. 2 ил.

 

Изобретение относится к методу измерения, а именно к способу контроля состояния подповерхностной структуры оптически неоднородных объектов.

Известен способ неразрушающего контроля (см., например, ГОСТ Р 53696-2009. Контроль неразрушающий. Методы оптические. Термины и определения. М.: Стандартинформ. 2010. 7 с.), основанный на анализе спекл-структур, образующихся при отражении когерентного излучения от шероховатой поверхности. Известно устройство для реализации метода спекл-структур (см., например, патент РФ на полезную модель №112991), содержащее источник когерентного излучения, матрицу - прибор с зарядовой связью (ПЗС) и модуль обработки информации, при этом выход матрицы-ПЗС соединен со входом модуля обработки информации.

Основным недостатком данного способа неразрушающего контроля является то, что он не позволяет определять параметры внутренней структуры полупрозрачных и прозрачных объектов, это связано с тем, что при облучении оптически прозрачных или полупрозрачных объектов в регистрируемое распределение интенсивности в области ПЗС-матрицы будут вносить вклад как поверхностные, так и подповерхностные неровности (дефекты в виде вариаций показателя преломления) контролируемого объекта, что ведет к невозможности выделения при измерении параметров контролируемой поверхности вариаций фазового профиля объекта из анализа регистрируемых спекл-изображений.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ бесконтактного определения внутренней структуры прозрачных или полупрозрачных объектов (см., например, Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2009. Том 11, номер 3. С. 53-56).

Основным недостатком известного способа неразрушающего контроля является то, что он не обеспечивает необходимую точность определения глубины залегания дефекта в структуре контролируемого объекта, так как при прохождения зондируемого когерентного волнового фронта через внутреннюю структуру контролируемого объекта на величину результирующего распределения интенсивности в плоскости наблюдения (спекл-картины) будет влиять вся внутренняя структура контролируемого объекта.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения параметров подповерхностной структуры оптически полупрозрачных объектов и определения глубины залегания внутреннего дефекта.

Технический результат достигается тем, что осуществляют поэтапное зондирование контролируемой поверхности, при этом на первом этапе поверхность контролируемого объекта зондируют с мощностью источника КИ, равной P₀, соответствующей полному отражению КИ от контролируемой поверхности, а на последующих этапах зондируют с мощностью источника КИ P_n=exp(2nαz)·P_n-1, где , соответствующей полному отражению КИ от поверхности подповерхностного слоя контролируемого объекта на глубине n·z, где - количество контролируемых слоев, P_n, P_n-1 - мощность источника КИ при n-м, (n-1)-м этапе зондирования соответственно, α - коэффициент поглощения контролируемого объекта и z - толщина контролируемого слоя при n-м зондировании, определяют разность интенсивностей спекл-изображений, зарегистрированных при n-м этапе со спекл-изображением, регистрируемым при мощности КИ, равной P₀, вычисляют интервал корреляции этой разности и сравнивают его с эталонным интервалом корреляции спекл-изображения, если выполняется условие r_{kop n, 0}<r_{kop эталона}, где r_{kop n, 0} - интервал корреляции разности спекл-изображений, зарегистрированных при мощности КИ, равной P₀ и n-м и этапе зондирования, а r_{kop эталона} - интервал корреляции разности эталонного спекл-изображения, полученной от неповрежденного слоя при соответствующей мощности облучения P_n, то принимают решение о нарушении внутренней структуры контролируемого объекта на глубине n·z и прекращают дальнейшее измерение.

Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, где обозначено: 1 - регулируемый по мощности источник КИ, 2 - контролируемый объект, 3 - приемник оптического излучения, α - коэффициент поглощения контролируемого объекта, P₀ - мощность зондируемого КИ, соответствующая полному отражению от контролируемой поверхности, - количество контролируемых слоев, где l - толщина контролируемого объекта, при условии, что z≥a, где а - глубина критического дефекта. На первом этапе зондирования мощность КИ устанавливают равным P₀, при котором зондируемое КИ полностью отражается от поверхности контролируемого объекта. На последующих этапах мощность КИ увеличивают в соответствии с выражением P_n=exp(2nαz)·P_n-1. Далее определяют разность интенсивностей спекл-изображений, зарегистрированных при n-м этапе со спекл-изображением, регистрируемым при мощности КИ, равной P₀, вычисляют интервал корреляции этой разности и сравнивают его с эталонным интервалом корреляции спекл-изображения, если выполняется условие r_{kop n, 0}<r_{kop эталона}, то принимают решение о нарушении внутренней структуры контролируемого объекта на глубине n·z и прекращают дальнейшее измерение.

Заявленный способ неразрушающего контроля может быть реализован, например, с помощью устройства, структурная схема которого представлена на Фиг. 2, где обозначено: 1 - регулируемый по мощности источник КИ; 2 - контролируемый объект; 3 - приемник оптического излучения; 4 - запоминающее устройство; 5 - вычислитель разницы интенсивностей спекл-изображений при n-м и n-1-м зондировании; 6 - вычислитель функции автокорреляции и интервала корреляции разности спекл-изображений; 7 - схема сравнения; 8 - решающее устройство.

Регулируемый по мощности источник КИ 1 предназначен для создания требуемого по мощности зондируемого КИ на каждом этапе зондирования, в качестве такого источника может выступать любой регулируемый по мощности одномодовый лазер [см., например: Одночастотный полупроводниковый лазер SLM-417. URL: http://www.laser-compact.ru/prod/417.html (дата обращения 06.10.2013)]. Запоминающее устройство 4 предназначено для хранения спекл-изображений при n-1-м n-м зондировании. Схема сравнения 7 предназначена для определения разницы между эталонным и полученным значениями интервала корреляции результирующего спекл-изображения от подповерхностного слоя величиной, равной n·z. Решающее устройство 8 предназначено для принятия решения о наличии дефекта либо о его отсутствии. Представленные устройства могут быть реализованы с использованием существующих радиотехнических устройств.

Заявленное устройство работает следующим образом: контролируемая поверхность объекта 2 первоначально облучают источником КИ 1 мощностью P₀, часть рассеянного излучения фиксируют приемником оптического излучения 3 и запоминают на запоминающем устройстве 4 спекл-изображение на втором и последующих этапах зондирования контролируемой поверхности при мощности P_n=exp(2nαz)·P_n-1. Рассеянное излучения на глубине z·n фиксируется приемником оптического излучения 3 и запоминается в запоминающем устройстве 4. Записанные спекл-изображения при облучении КИ мощностью P₀ и n-м зондировании поступают в вычислитель 5 для определения результирующего распределения интенсивности спекл-изображения путем вычисления разницы спекл-изображений при начальном и n-м зондировании. С выхода вычислителя 5 результирующее распределение интенсивности спекл-изображения поступает на вход вычислителя 6 для определения интервала корреляции данного спекл-изображения. Рассчитанное значение интервала корреляции спекл-изображения поступает на вход схемы сравнения 7, где сравнивается с эталонным значением интервалом корреляции спекл-изображения, полученным при зондировании неповрежденного соответствующего слоя контролируемого объекта. Если выполняется условие r_{kop n, 0}<r_{kop эталона}, то решающее устройство 8, принимает решение о наличии дефекта (ответ "Да") на глубине n·z, и прекращают дальнейшее измерение, в противном случае осуществляют повторное зондирование с увеличением мощности сигнала пропорционально выражению P_n=exp(2nαz)·P_n-1.

Способ неразрушающего контроля подповерхностной структуры полупрозрачных объектов, основанный на зондировании поверхности контролируемого объекта когерентным излучением (КИ) и регистрации спекл-изображений, отличающийся тем, что осуществляют поэтапное зондирование контролируемой поверхности, при этом на первом этапе поверхность контролируемого объекта зондируют с мощностью источника КИ, равной Р₀, соответствующей полному отражению КИ от контролируемой поверхности, а на последующих этапах зондируют с мощностью источника КИ где , соответствующей полному отражению КИ от поверхности подповерхностного слоя контролируемого объекта на глубине n·z, где - количество контролируемых слоев, P_n, P_n-1 - мощность источника КИ при n-м, (n-1)-м этапе зондирования соответственно, α - коэффициент поглощения контролируемого объекта и z - толщина контролируемого слоя при n-ом зондировании, определяют разность интенсивностей спекл-изображений, зарегистрированных при n-м этапе со спекл-изображением, регистрируемым при мощности КИ, равной Р₀, вычисляют интервал корреляции этой разности и сравнивают его с эталонным интервалом корреляции спекл-изображения, если выполняется условие r_{kop n,0}<r_{kop эталона}, где r_{kop n,0} - интервал корреляции разности спекл-изображений, зарегистрированных при мощности КИ, равной P_0, и n-м и этапе зондирования, а r_{kop эталона} - интервал корреляции разности эталонного спекл-изображения, полученной от неповрежденного слоя при соответствующей мощности облучения P_n, то принимают решение о нарушении внутренней структуры контролируемого объекта на глубине n·z и прекращают дальнейшее измерение.