Источники света и первичные преобразователи оптического излучения

Для получения световых потоков используют электрические лампы накаливания, газоразрядные и люминисцентные лампы, светодиоды и оптические квантовые генераторы. Наибольшее распространение в оптическом контроле имеют лампы накаливании в специальном исполнении Лампы накаливания испускают свет за счет нагрева электрическим током проводника в виде спирали из тугоплавкого материала (W) , которая смонтирована в колбе – вакуумированной или заполненной инертным газом ( криптон, ксенон). Спектр излучения ламп накаливания непрерывен. Наибольшей световой отдачей среди ламп накаливания обладают галогенные лампы ( внутри колбы в газовой смеси присутствуют пары галогенов – обычно иода или брома)

Лампы накаливания отличаются разнообразием конструкций, электрическими параметрами, и мощностью, спектральным составом, удобством использования. Недостатком ламп накаливания является сравнительно небольшой срок службы, ограничиваемый испарением металла нити накаливания и малый КПД.

 Газоразрядные лампы используют световой эффект, появляющийся при возникновении электрического разряда в газах. Эти лампы имеют высокую световую отдачу и большой срок службы. В люминисцентных лампах ультрафиолетовое излучение паров ртути преобразуется люминофором, нанесенным на внутреннюю поверхность колбы, в излучение видимого света, близкое к естественному дневному свету. Спектр излучения газоразрядных ламп близок к линейчатому

 Светоизлучающие диоды являются малогабаритными полупроводниковыми источниками видимого или инфракрасного света, обычно близкого к монохроматическому. Они построены на основе полупроводниковых материалов, легированных малыми количествами примесей, специально подбираемых для получения света необходимой длины волны. При подключении к источнику питания (1 – 5 В) электроны и дырки, двигаясь навстречу друг другу, будут рекомбинировать в зоне p-n перехода, испуская при этом фотоны. Они создают световые потоки небольшой величины, поэтому используются только в некоторых малогабаритных устройствах.

Оптические квантовые генераторы (лазеры) представляют собой источники света, работающие на основе процесса вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами или молекулами под воздействием фотонов внешнего излучения. Уникальными свойствами квантовых генераторов являются: высокая когерентность излучения, высокая монохроматичность, узкая направленность пучка излучения (расходимость до 0,4´) , огромная концентрация потока мощности ( до 10 15 Вт/м²) и способность фокусироваться в очень малые объемы ( порядка λ³) Лазер состоит из трех принципиально важных узлов: излучателя, системы накачки, и источника питания. Конструктивная схема гелий – неонового лазера представлена на рис 7.1 В оптическом контроле лазеры могут применяться как источники узкого монохроматического пучка света при решении контрольно-измерительных задач, где требуется повышенная точность, но главные области их применения, где они незаменимы, связаны с использованием волновых свойств света – интерференция, дифракция и т.д. При создании автоматизированных устройств неразрушающего оптического контроля качества промышленной продукции широко используются различные преобразователи оптического излучения в электрический сигнал: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, вакуумные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители, матрицы на основе полупроводников.

Визуальный контроль (осмотр невооруженным глазом) – простейший и общедоступный вид неразрушающего контроля, обеспечивающий высокую производительность и удовлетворительное качество контроля. Главной особенностью его является активная роль оператора в его проведении и получении достоверных результатов. Он особенно эффективен при контроле объектов сравнительно большого размера при необходимости выявления грубых дефектов и отклонений формы, размеров и оптических характеристик. Поэтому необходимо учитывать особенности зрения человека. Наибольшая чувствительность глаза и наименьшая утомляемость соответствует длине волны 0,56 мкм (желто-зеленый цвет) и яркости 10 – 100 кд/м² , поэтому этой спектральной составляющей следует отдавать предпочтение при контроле. Минимальные размеры различимых деталей изображения контролируемых объектов определяются остротой зрения оператора и условиями контроля. Острота зрения снижается при длительной работе глаз, а также с уменьшением яркости освещения контролируемого объекта. По яркости глаз уверенно различает 10 – 15 градаций, а по цвету – до 200 оттенков. Поэтому, визуальный контроль более надежен, если дефект и фон имеют разный цвет. Ориентировочно полагают, что при визуальном контроле оператор с нормальным зрением при оптимальном освещении на расстоянии наилучшего зрения уверенно обнаруживает дефекты с минимальным размером 0,1 мм в плоскости, перпендикулярной линии наблюдения. Визуально-оптический контроль – это контроль с применением оптических средств, позволяющих существенно расширить пределы естественных возможностей человека.

Усилить возможности человека позволяют лупы, микроскопы, телескопические устройства, эндоскопы и другие технические средства. Главным недостатком визуально- оптического контроля является снижение производительности труда при контроле. Лупы предназначены для оптического контроля близко расположенных элементов изображения при небольшом увеличении ( 2 – 20) и обычно при ручном контроле. Микроскоп является многолинзовым устройством. Он дает возможность получить качественное увеличенное изображение, причем увеличение может достигать 2000 крат, а линейное разрешение – 0,5 мкм. Для целей неразрушающего контроля применяют серийные ( универсальные, измерительные, металлографические и др.) и специализированные для решения конкретно-измерительных задач. С помощью микроскопов и устройств, построенных по тому же принципу, решаются следующие задачи неразрушающего контроля: измерение геометрических размеров и формы малогабаритных изделий, обнаружение дефектов малых размеров (до долей мкм) с высоким разрешением, контроль физико-химических свойств и состояния материалов (внутренние напряжения) по их оптическим характеристикам, контроль внутреннего строения малогабаритных изделий, расположенных в прозрачном или полупрозрачном материале.

Эндоскопы – это оптические устройства, снабженные осветителем и оптической системой для осмотра внутренней поверхности объекта контроля. На рис 7.2 представлен один из вариантов наконечника эндоскопа

 Рис 7.2.  Концевая часть бокового эндоскопа: 1 – осветительный световод, 2 – осветительная оптическая система, 3 – объектив.4 – обзорный световод, 5 – защитная оболочка

 Световоды изготавливаются из оптических волокон, собранных в жгуты

На рис 7.3 представлена конструкция гибкого эндоскопа в процессе контроля объекта (КО)

Рис 7.3 Конструкция эндоскопа ОД-20Э

Основу этого эндоскопа составляют обзорный световод РЖ и осветительный ОЖ, оптика объектива ОБ и окуляра ОК