Способ получения профиля вдоль линии сканирования и профиля поверхности по изображению, полученному с цифрового устройства
Владельцы патента RU 2768691:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Марийский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к способам неразрушающего исследования, контроля и диагностики состояния твердой поверхности, определения параметров рельефа и микрорельефа по фотоснимку, получаемому с помощью цифрового оптического устройства и анализируемого на персональном компьютере. Цифровое устройство для получения изображения поверхности оснащается матрицей светодиодов, расположенных вокруг объектива цифрового устройства на одинаковых расстояниях от центра объектива и друг от друга, обеспечивающих равномерное освящение поверхности монохроматическим светом с узкой шириной спектра излучения. Способ заключается в том, что исследуемая поверхность предварительно покрывается тонким, однотонным, матовым, однородным слоем из поверхностно-активного материала толщиной не более неоднородностей микрорельефа, для уменьшения влияния несущественных деталей рельефа, например небольшой шероховатости, съемку изображения поверхности производят в условиях расфокусировки оптической системы цифрового устройства, при этом величина расфокусировки определяется конкретным типом поверхности и поставленной задачей. Результатом является точный и достоверный профиль поверхности, полученный вдоль линии сканирования, и профилограмма поверхности в виде ее трехмерного изображения. 17 ил.
Изобретение относится к способам неразрушающего исследования, контроля и диагностики состояния твердой поверхности, определения параметров рельефа и микрорельефа по фотоснимку, получаемому с помощью цифрового оптического устройства и анализируемого на персональном компьютере.
Известен способ исследования микрорельефа как проводящих, так и непроводящих поверхностей образцов твердых тел с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) (патент RU 2358352 С1; МПК H01J 37/285; 2007 год).
Способ заключается в получении проводящей реплики, сканирование этой реплики зондом и реконструкции реальной поверхности путем сравнения углов наклона касательных в соответствующих точках СТМ-профилограмм прямого и инвертированного обратного СТМ-изображений.
Известен способ изучения поверхности материалов с использованием атомно-силового сканирующего зондового микроскопа (патент RU 2563339 С1; МПК G01Q 60/24; G01N 29/24; 2014 год), техническим результатом которого является обеспечение возможности изучения динамики поведения квазичастиц на поверхности с нанометровым разрешением.
Общим недостатком обоих способов является необходимость предварительной пробоподготовки поверхности, ограниченный размер площади сканирования микрометровым и меньшим диапазоном, а также необходимости помещения объекта исследования в специальный держатель микроскопа.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ фотометрической диагностики структурного состояния материалов по данным анализа цифрового кодированного изображения их поверхности (патент RU 2387974 С2; МПК G01N 21/00; 2008 год), который относится к способам неразрушающего контроля и диагностики технического состояния объектов из конденсированных материалов по данным фотометрического анализа структурных изображений их поверхности, зафиксированных в цифровом коде с помощью оптического цифрового микроскопа. Способ основан на сравнении спектральной плотности яркости изображения фрагмента поверхности до и после воздействия на материал факторов вызывающих деградацию поверхности. Степень деградации материала на данном фрагменте определяют как отношение изменения спектральной плотности яркости изображения данного фрагмента к максимальному ее изменению для изображения фрагмента с предельной деградацией, соответствующей состоянию разрушения, и по степени деградации определяют значение параметра, характеризующего эксплуатационную пригодность материала.
Недостатком способа является необходимость предварительного разрушающего (деградирующего) воздействия на исследуемую поверхность, а также необходимость совместного анализа изображения поверхности до и после воздействия. Это подразумевает получение цифровых изображений одного и того же участка исследуемой поверхности до и после деградирующего воздействия на него. Это не является проблемой, если взаимное расположение микроскопа и образца неизменно в процессе эксперимента. Несоблюдение этого условия приводит к некорректным результатам сравнения спектров отражения видимого света, отснятых до и после внешнего воздействия на поверхность материала.
Для реализации предлагаемого способа используется измерительно-аналитический комплекс, который включает в себя следующие элементы: 1) средство для получения цифрового изображения поверхности (цифровой оптический микроскоп, цифровая фото- видео камера и др.); 2) персональный компьютер; 3) специализированные пакеты программ ЭВМ для получения и обработки цифрового изображения. Все элементы комплекса являются стандартными и многофункциональными.
Физической основой предлагаемого способа является способность поверхности отражать или поглощать электромагнитное излучение в оптическом диапазоне в зависимости от химического состава, структуры, рельефа и других особенностей поверхности. Интенсивность отраженного от поверхности света всецело зависит от указанных особенностей. В частности впадины на поверхности значительно поглощают свет, на выступах же преобладает отражение. Таким образом, яркостная картина изображения поверхности в отраженном свете будет нести информацию об особенностях ее рельефа.
Реализация изобретения основана на возможности представления изображения в цифровом коде, путем присвоения пикселям ПЗС матрицы цифрового устройства числа в соответствии с яркостью отраженного от поверхности монохроматического света падающего на соответствующий пиксель. Это дает возможность анализа полученного изображения с помощью специализированных компьютерных программ, которые позволяют построить график распределения интенсивности отраженного света, как функцию координаты вдоль линии сканирования (профилограмму). В качестве количественной меры профилограммы выступают интенсивность яркости пикселя в градациях серого - координата пикселя. Построение профилограмм по плоскости изображения поверхности дает трехмерную картину рельефа поверхности. Проведение такого анализа изображения стало возможным благодаря появлению в последнее время многофункциональных компьютерных программ - анализаторов цифровых изображений, например «ToupView», «Spip» и др.
Для осуществления предлагаемого способа получения фронтального изображения поверхности в отраженном свете используется цифровой оптический микроскоп (или цифровая камера) с функцией 2D измерения линейных координат (например, ASH-Omni). Для обеспечения равномерного освещения поверхности монохроматическим светом вокруг объектива цифрового устройства размещается светодиодный осветитель из матрицы светодиодов с узкой шириной спектра излучения, расположенные на одинаковых расстояниях от центра объектива и друг от друга (Фиг. 1).
В качестве примера реализации способа получения профилограммы поверхности вдоль линии сканирования и по плоскости изображения представлены результаты, полученные на модельном объекте с известной геометрией в виде лесенки наклеенных друг на друга полосок белой бумаги марки «SvetoCopy». Плоскости поверхности полосок перпендикулярны оптической оси используемого цифрового оптического микроскопа. Фиг. 2а иллюстрирует цифровое изображение модельного объекта и линию сканирования. Профилограмма вдоль этой линии (Фиг. 26) и всей поверхности в виде 3D-изображения (Фиг. 2в) отражают ступенчатую форму модельного объекта, особенности и детали его рельефа.
Для исключения влияния на формирование изображения поверхности в отраженном свете фазового состава, микроструктуры и др. особенностей поверхности в предлагаемом способе на исследуемой поверхности формируется тонкий, однотонный, матовый, однородный слой из поверхностно-активного материала толщиной не более неоднородностей микрорельефа. Матовый цвет поверхности так же обеспечивает исключение влияния на формируемое изображение эффекта связанного с отражением света от зеркальных поверхностей. В качестве иллюстрации на Фиг. 3а показано фронтальная цифровая фотография капли олова и ее инвентированное изображение с линией профилирования (Фиг. 3б). На представленном объекте явно прослеживается участок зеркального отражения, что проявляется на профилограмме, вдоль указанной линии профилирования, в виде провала профиля (Фиг. 3в). Нанесение на поверхность той же капли олова тонкого матового слоя (Фиг. 4а), мы использовали метод напыления, позволяет устранить этот недостаток, а вместе с тем и влияние химической неоднородности, фазового состава, микроструктуры и др. особенностей поверхности. При этом профиль (Фиг. 4б) вдоль линии сканирования, показанной на Фиг. 4а, дает полную информацию о рельефе поверхности вдоль указанной линии. Профилограмма поверхности капли (Фиг. 4а) в виде 3D изображения (Фиг. 4в) дает нам полную картину рельефа исследуемой поверхности со всеми ее особенностями.
Предлагаемый способ так же позволяет исключать из анализа формы поверхности несущественные для исследования особенности шероховатости. Это достигается путем получения цифрового изображения объекта в условиях некоторой расфокусировки оптической системы. Для иллюстрации этого способа в качестве примера показаны результаты профилирования модельного объекта в виде усеченного конуса с нанесенным, методом напыления, тонким матовым слоем (Фиг. 5а). Цифровое изображение объекта с линией сканирования (Фиг. 5б), получено при расположении плоскости основания перпендикулярно оптической оси микроскопа и в условиях расфокусировки. Наложение полученной профилограммы линии сканирования в масштабе реальных длины и высоты, на фотографию модельного объекта с бокового ракурса в том же масштабе (Фиг. 5в), показывает их полное соответствие. Это показывает точность и достоверной информации получаемой при использовании разработанного способа.
Предлагаемое изобретение имеет обширные области практического применения: 1) определение формы и структуры поверхности; 2) в качестве средства определения шероховатости; 3) исследование краевых областей; 4) исследование объектов поверхности которых образованы многослойными покрытиями; 5) углов смачивания; 6) неразрушающего контроля и технической диагностики поверхности; 7) обнаружение поверхностных дефектов; 8) оценки качества обработки поверхности и др.
В качестве конкретного примера реализации предлагаемого способа приведим исследование паяного соединения металлокерамического корпуса интегральной микросхемы (Фиг. 6). Фиг. 7а иллюстрирует цифровое изображение области паяного соединения в условиях расфокусировки микроскопа с положение линии сканирования, профиль которой показан на Фиг. 7б. Профилограмма поверхности паяного соединения в виде 3D-изображение иллюстрируется Фиг. 7в. Результаты позволяют, в частности, оценить наклон профилируемой линии на рассматриваемом участке, дают детальное трехмерное изображение всего участка, что, в совокупности дает возможность исследования и анализа галтели паяного соединения.
Способ получения профиля вдоль линии сканирования и профиля поверхности по изображению, полученному с цифрового устройства, заключается в получении и анализе полученного изображения с помощью специализированных компьютерных программ, которые позволяют построить график распределения интенсивности отраженного света как функцию координаты, отличается тем, что: 1) цифровое устройство для получения изображения поверхности оснащается матрицей светодиодов, расположенных вокруг объектива цифрового устройства на одинаковых расстояниях от центра объектива и друг от друга, обеспечивающих равномерное освящение поверхности монохроматическим светом с узкой шириной спектра излучения, 2) поверхность предварительно покрывается тонким, однотонным, матовым, однородным слоем из поверхностно-активного материала толщиной не более неоднородностей микрорельефа, 3) для уменьшения влияния несущественных деталей рельефа, например небольшой шероховатости, съемку изображения поверхности производят в условиях расфокусировки оптической системы цифрового устройства, при этом величина расфокусировки определяется конкретным типом поверхности и поставленной задачей.
