Метод оптического контроля

Рассеяние света (PC)  – преобразование света веществом, сопровож-

дающееся изменением направления  его распространения, поляризации  и (в 

общем случае) частоты.

PC обусловлено его дифракцией на оптических неоднородностях сре-

ды, зависит от их размеров, концентрации и комплексного показателя пре-

ломления.

Существует большое число разновидностей эффекта PC. Рассеяние Рэ-

лея происходит без изменения частоты  света, наблюдается при прохождении

света через скопление частиц с  размерами, меньшими длины его волны.

Рассеяние света может происходить  на электронах среды (явление 

Комптона), молекулах вещества (комбинационное рассеяние), на флуктуаци-

ях плотности среды (рассеяние  Мандельштама – Бриллюэна). Рассеяние Тин-

даля характерно для мутных сред с размерами частиц порядка долей  длины 

волны света, а рассеяние Ми  – для сред с частицами, размеры  которых со-

ставляют несколько длин волн света.

В мощном лазерном излучении наблюдаются  нелинейные эффекты  –

вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) и др. Для каждо-

го вида рассеяния характерна своя индикатриса рассеяния. Например, при 

рассеянии Рэлея, Тиндаля индикатриса  имеет симметричный характер, а при 

рассеянии Ми – резко выраженную асимметрию. Для слабомутных сред (во-

да, чистый воздух, стекло) присуще  малоугловое рассеяние, т.е. яркость  пуч-

ка в направлении падающего  на среду света значительно больше его яркости 

в иных направлениях.

Для сильно рассеивающихся сред (молочное стекло и т.п.) характерно

изотропное рассеяние.

Преломление света. При падении  пучка лучей света на границу  разде-

ла однородных гладких прозрачных сред часть его отражается под  углом α1,

равным углу падения, другая же часть  проходит во вторую среду под углом α2,

определяемым законом преломления:

1 2 21

sin α /sin α = n .                                           (12)

Константа n21 есть относительный показатель преломления второй сре-

ды по отношению к первой и  обуславливается отношением скоростей  света в

этих средах. Абсолютный показатель преломления na

есть отношение скоро-

сти света в вакууме к его  скорости в среде. Очевидно, что

n21 = n2а

/ n1а

,                                              (13)

Чаще всего в технике определяют показатель преломления среды к  

воздуху:

nа = nа. возд 

· n21 .

    

                                          (14)

При нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре 

nа. возд = 1,00027.                                              (15)3. ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ 

3.1. Физические основы взаимодействия излучения и вещества

2 Методы неразруш. контроля. Ч. 1. Неразрушающие методы контроля матер. и изделий. Учеб. пособие 38

При условиях измерений, отличных от нормальных, вводят поправку

для реальных значений температуры, давления и влажности воздуха.

Показатель преломления определяется природой вещества и зависит от

внешних условий, особенно от температуры  и длины волны света. Принято 

указывать индексами значения температуры  и длины волны света, при кото-

рых измерен показатель преломления.

Различают изотропные и анизотропные материалы. У  изотопных ма-

териалов (стекла, жидкости, газы) показатель преломления не зависит от на-

правления света при измерениях. Анизотропные материалы (кристаллы  и др.)

характеризуются двойным лучепреломлением, т.е. расщеплением луча на

два, распространяющихся с разными  скоростями. Скорость одного из них 

(«необыкновенного») зависит от  направления. Анизотропия наблюдается 

и у изотропных в обычных условиях веществ при сжатии и других воздейст-

виях.

Преломление и отражение света  от сильнопоглощающих сред (полу-

проводники, металлы) описываются  теми же соотношениями, что и для  про-

зрачных, но с введением комплексного показателя преломления:

n = n − ik .                                                (16)

Показатель преломления зависит  от плотности вещества. Функция по-

казателя преломления  ∫(n)обычно прямо пропорциональна плотности:

∫(n) = rd ,                                                   (17)

где r – постоянная, характерная  для конкретного вещества, называется удель-

ной рефракцией; d – плотность.

Дисперсия – это зависимость  показателя преломления от длины  волны 

света. Обычно при увеличении частоты  показатель преломления  возрастает

(нормальная дисперсия), однако  в окрестности полос поглощения среды на-

блюдается аномальная дисперсия. Дисперсию  оценивают разностью показа-

телей преломления каких-либо длин волн ( λ1

− λ2

n n ).

В области сильных световых полей  показатель преломления среды мо-

жет зависеть от мощности пучков света (нелинейно-оптические эффекты).

Оптический вид контроля регламентируется стандартом ГОСТ 23479-79

«Контроль неразрушающий. Методы оптического  вида. Общие требования» [7].

Этот стандарт классифицирует чувствительность оптического контроля по

двум основным параметрам: кратность увеличения оптических средств и ос-

вещенность контролируемой поверхности. На опасных производственных

объектах применяется кратность  увеличения оптических средств не ниже 4× 

и освещенность контролируемой поверхности  не менее 500 лк.

Оптический вид контроля включает в себя 3 метода:

1. Наружный метод.3. ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ 

3.2. Методы оптического контроля

2 Методы неразруш. контроля. Ч. 1. Неразрушающие методы контроля матер. и изделий. Учеб. пособие 39

2. Перископический метод.

3. Эндоскопический метод.

Наружный метод позволяет обследовать  только легко доступные на-

ружные поверхности объекта  и широкие полости, в которые  оператор может 

проникнуть с простыми средствами оптического контроля (оптической сис-

темой).  Используя его, нельзя осматривать внутренние поверхности узких,

тем более изогнутых полостей.

Оптическая система – это  совокупность оптических деталей (линз,

призм, зеркал и т.п.), предназначенная  для определенного формирования

пучков световых лучей.

К простым оптическим системам относятся зеркала, линзы, очки, лупы.

Более сложные системы наружного  оптического контроля  – телескопы  и 

микроскопы.

Одним из наиболее простых способов наружного оптического контроля

труднодоступных поверхностей или  поверхностей, наклоненных менее 30

о

к

зрительной оси глаза, является их осмотр с помощью зеркал. Применяют 

плоские зеркала и сферические.

Плоским зеркалом называют оптическую деталь с плоской отражающей

поверхностью, предназначенную для  изменения направления оси оптической

системы. Комбинация из таких зеркал может обеспечить поворот изображе-

ния. Отражательная способность  зеркала достигает 95 %.

Сферическим зеркалом называют оптическую деталь, сферическая по-

верхность которой является отражательной.

Линза – оптическая деталь, ограниченная преломляющими поверхно-

стями, из которых хотя бы одна является поверхностью вращения. По опти-

ческим свойствам линзы делят  на две основные группы:

1) положительные, т.е. собирательные;

2) отрицательные, т.е. рассеивающие.

Линзы отличаются одна от другой расстоянием центров образующих

их сферических поверхностей, радиусами  и показателями преломления ве-

щества, из которого они сделаны. Величина оптической силы линзы опреде-

ляется фокусным расстоянием, которое  зависит от кривизны преломляющих

поверхностей, показателя преломления и толщины линзы. Например, двояко-

выпуклая линза с большой  кривизной поверхностей имеет меньшее  фокусное

расстояние и большую оптическую силу, так как оптическая сила линзы  об-

ратно пропорциональна ее заднему  фокусному расстоянию.

За единицу измерения оптической силы линзы принимают оптическую

силу такой линзы, фокусное расстояние которой равно 1 м; такая единица  на-

зывается диоптрией. В промышленности диоптрия обозначается «дптр».

Например, у положительных линз с фокусным расстоянием +0,4 м оп-

тическая сила составляет 2,5  дптр. У отрицательных линз с фокусным рас-

стоянием –0,4 м оптическая сила –2,5 дптр, а для –4,0 м она равна  –0,25 дптр.

Линзы  – это средства коррекции  зрения. Их можно разделить на две 

группы:3. ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

3.2. Методы оптического контроля

2 Методы неразруш. контроля. Ч. 1. Неразрушающие методы контроля матер. и изделий. Учеб. пособие 40

1) одноэлементные (очковые и контактные  линзы, однолинзовые лупы,

диафрагмы различных видов);

2) многоэлементные (многолинзовые лупы, телескопические и проек-

ционные системы).

Лупа – это оптическая система, состоящая из одной или нескольких

линз, которая предназначена для  наблюдения предметов, расположенных  на

ограниченном расстоянии.

Промышленность выпускает лупы общего назначения различных типов

и конструкций: складные, карманные, измерительные, часовые, лупы с руч-

кой и др. Увеличение  стандартных  луп от 2,5× до 25×. Измерительные  лупы

выпускаются с увеличением 10×.

При контроле поверхностей больших  размеров сначала следует исполь-

зовать лупу с небольшим увеличением, выявляя подозрительные места, а  за-

тем исследовать их лупой с большим  увеличением,  поскольку она  имеет 

меньшее линейное поле зрения. Лупу нужно  держать так, чтобы ее плоскость 

была параллельна поверхности контролируемого объекта и как можно ближе

к глазу, так как при этом глаз воспринимает наибольшее количество отра-

женного от поверхности изделия  света.

При оптическом контроле далеко расположенных  поверхностей широ-

ко используются  телескопические системы, которые преобразуют парал-

лельный пучок излучения, поступающий  в их входной зрачок, в параллель-

ный, более узкий пучок излучения, выходящий через выходной зрачок сис-

темы. Фокусы таких систем находятся  в бесконечности, а оптическая сила

равна нулю. Такие системы называются афокальными.

Сложная телескопическая система, кроме двух составляющих основ-

ных оптических частей – положительных  объектива и окуляра (труба Кепле-

ра) и положительного объектива  и отрицательного окуляра (труба Галилея),

может иметь другие оптические детали, например, защитные стекла, сетки,

призмы, светофильтры и т.п. Конструктивно  эти детали могут быть отнесены

как к объективной, так и к  окулярной части.

Микроскопы предназначены для  наблюдения близко расположенных

предметов. Рабочие микроскопы, используемые в цехах, имеют увеличение

порядка 40×, поле зрения около 5 мм. Их применяют при контроле поверхно-

стей с гальваническими покрытиями, окрашенных и полированных поверх-

ностей.

Микроскопы измерительные используются в машиностроении для точ-

ных измерений линейных размеров контролируемого  объекта. Точность из-

мерения линейных размеров составляет от 0,01 до 0,001 мм; угловых – от 10

до 1’; предел измерения линейных размеров – 50–200 мм.

Микроскопы металлографические используются для исследования

микроструктуры металлов и других непрозрачных объектов. Работают в  от-

раженном свете. Увеличения от 100×  до 1 350×, при фотографировании от

45× до 2 000×.

 

 

Перископический метод позволяет  обследовать узкие длинные пря-

молинейные полости. 3. ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

3.2. Методы оптического контроля

2 Методы неразруш. контроля. Ч. 1. Неразрушающие методы контроля матер. и изделий. Учеб. пособие 41

Перископы – это смотровые приборы, построенные на базе световод-

ной трубы и линзовой оптики с механическим устройством (рис. 4).

Этим методом, к примеру, в энергетике контролируют поверхность 

осевых  каналов роторов паровых турбин. Длина световодной трубы может 

достигать 6 м.

Эндоскопический метод позволяет обследовать  узкие длинные ис-

кривленные  полости.

Эндоскопы – это смотровые приборы, первоначально  построенные на

базе волоконной и линзовой оптики с механическим устройством, но  в на-

стоящее время  благодаря интенсивному развитию видеоэлектроники они 

создаются на основе микровидеокамер, портативных компьютеров, а пере-

дающим  изображение средством является обычный электрический кабель,

длина которого может достигать 40 м. При этом ориентация принимающего

изображение элемента относительно оси конца  световода (кабеля) дистанци-

онно управляется  в оптоволоконных эндоскопах с помощью  тросика Боудена 

(подобно  ручному тормозу велосипеда), а  в современных приборах – стрел-

ками на клавиатуре компьютера