СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2003 года по МПК G01N21/89 G03G13/00 

Изобретение относится к оптическим дифракционным методам неразрушающего контроля структурных геометрических периодических параметров тканных или трикотажных полотен любой природы и может найти применение при контроле любых не пропускающих свет плоских материалов, имеющих на поверхности оптический периодический рельеф, которые недоступны для непосредственного дифракционного анализа, но доступны для ксерокопирования.

Предлагаемый способ может найти применение также при контроле слоистости древесных панелей и параметров поверхностной периодической геометрической структуры композитных материалов, использующих тканую основу в качестве каркаса.

Существует стандартный способ приготовления образцов для дифракционных измерений структурных геометрических параметров текстильных полотен, использованный, например, в /1/ (Патент РФ 2164686, МКИ 7 G 01 N 33/36, 21/00 "Способ анализа геометрических структурных параметров ткани // П.Г.Шляхтенко, опубл. 27.03.2001, бюл. 9) в экспериментальной установке для проверки работоспособности заявляемого решения.

Метод заключается в том, что из исследуемой ткани вырезался образец в виде прямоугольника, стороны которого были ориентированы вдоль нитей основы и утка, который в дальнейшем использовался в схеме наблюдения дифракционной картины от этого образца "напросвет", т.е. когда источник света и экран находятся по разные стороны от образца.

К недостатку этого метода относится то, что он является разрушающим и пригоден только для частично пропускающих свет материалов, имеющих в структуре периодические отверстия.

Существует метод изготовления "реплики", т.е. отпечатка с твердой матрицы (например, со стеклянной дифракционной решетки) на специальной пластмассе, которая копирует поверхностный рельеф решетки /2/ (Е.И.Бутиков. Оптика, М. "Высшая школа", 1986, стр.312). По качеству реплики мало уступают оригиналам и могут с успехом заменять в исследованиях дорогие дифракционные решетки.

К недостатку этого метода относится техническая невозможность в общем случае изготовления реплик с поверхности тканных материалов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ приготовления образцов для контроля структурных геометрических параметров непрозрачных тканых материалов дифракционным методом, использованный в /3/ (Патент РФ 2164679, МКИ 7 G 01 N 21/89 "Способ контроля структурных геометрических параметров тканых материалов" // П. Г.Шляхтенко, Н.Н.Труевцев, опубл. 20.04.2001, бюл. 11), заключающийся в том, что образец поверхности исследуемого материала изготавливают на прозрачной основе (фотопленке) методом фотографирования с известным увеличением, после чего в качестве образца для исследования материала используют полученный негатив или позитив.

К основному недостатку этого метода относится его длительность, связанная с необходимостью проявления, фиксирования и сушки пленки.

Целью настоящего изобретения является устранение этого недостатка при сохранении качества получаемого по заявляемому методу образца по сравнению с методом прототипа /3/.

Поставленная задача достигается за счет того, что образец поверхности исследуемого материала получают методом электрофотографического получения изображения на копировальном устройстве с последующей его фиксацией термическим способом, причем копируют поверхность исследуемого текстильного материала вместе с наложенным с противоположной его стороны плоским материалом, поглощающим свет используемого при копировании источника в области спектральной чувствительности полупроводникового слоя копировального устройства.

Существенными отличиями заявляемого решения являются:
1. Образец поверхности исследуемого материала получают методом электрофотографического получения изображения на копировальном устройстве с последующей его фиксацией термическим способом.

Речь идет о методе формирования и визуализации скрытого электростатического потенциального рельефа, образующегося в результате фотопроводимости на электризованной поверхности высокоомного полупроводникового слоя при облучении его светом в области спектральной фоточувствительности. Этот метод, именуемый в России "ксерокопированием", широко используется в копировальных приборах, выпускаемых фирмами "Xerox", "Sharh", "Sharp", "Canon", "Olivetti", "HP" и др.

Это решение применительно к задаче последующего использования ксерокопии вместо исходного материала для исследования свойств исходного материала дифракционным методом является новым. Ранее в /3/ это было доказано только для использования вместо образца его качественного фотоизображения негатива или позитива.

Известно, что "ксерокопия", полученная этим методом, не является точным повторением фотоизображения, а следовательно, эта часть заявляемого решения применительно к возможности использования ксерокопии на прозрачной подложке в качестве образца для исследования дифракционным методом геометрических структурных свойств исследуемого материала является неочевидной, но нуждается в экспериментальном обосновании.

Кроме того, "ксерокопирование" не является единственным, кроме фотографирования, методом копирования. Другим методом, не включаемым в патентную формулу настоящей заявки на изобретение, является компьютерное сканирование с последующей распечаткой на принтере.

Ниже будут показаны преимущества заявляемого решения приготовления образцов для дифракционного анализа геометрической структуры текстильных материалов перед методом сканирования.

2. Копируют поверхность исследуемого текстильного материала вместе с наложенным с противоположной его стороны плоским материалом, поглощающим свет используемого при копировании источника в области спектральной чувствительности полупроводникового слоя копировального устройства.

Эта часть технического решения применительно к нашей задаче также является новой и ранее не описана.

Следует добавить, что в существующих конструкциях стандартных копировальных приборов эта часть заявляемого решения не предусмотрена. Более того, в приборах фирм "Canon", "Konica" и, по-видимому, во всех других для прижима крышки прибора к оригиналу использована прокладочная белая полимерная лента с оптически гладкой поверхностью, отражающая, но практически не поглощающая свет в рассматриваемой области спектральной чувствительности.

В прототипе, авторами которого являются двое из авторов настоящей заявки, часть иллюстративного материала была сфотографирована с применением черной бумаги в качестве подложки для исследуемого материала перед его фотографированием, как несколько улучшающей контраст фотоизображений.

Ее необходимость, однако, не была существенной, т.к. могла быть компенсирована изменением (увеличением) угла освещения материала при фотосъемке, а потому черная бумага не была введена нами в патентную формулу прототипа.

Новизна предложенного решения состоит также в том, что в предложенной нами патентной формулировке слова "черная бумага" отсутствуют, но предложена более широкая формулировка, отражающая природу и свойства любого электрофотографического копировального устройства, работающего в любой области спектральной фоточувствительности высокоомного полупроводникового слоя.

Черная бумага, использованная в прототипе, хорошо поглощает свет в видимой области спектра, в которой велось фотографирование, но может быть плохо поглощающей в инфракрасной или ультрафиолетовой области длин волн, на которых, в принципе, могут работать "ксероксы".

В настоящей заявке эта часть формулы является определяющей конечный успех.

Как показал эксперимент, без введения плоского материала, поглощающего свет в области длин волн, определяющих процесс формирования изображения на светочувствительном барабане копировального устройства, при экспонировании слабоокрашенных тканей без конструктивной переделки стандартного оборудования для ксерокопирования, в принципе, невозможно получить образец заявляемым методом, от которого можно было бы наблюдать дифракционную картину.

Нам представляется, что необходимость введения этого отличия продиктована спецификой текстильных материалов, которые слабо поглощают свет, но сильно его рассеивают. Этот рассеянный "в области спектральной чувствительности полупроводникового слоя копировального устройства" свет, переотражаясь от соседних волокон нитей и крышки ксерокса воздействует на высокоомный полупроводниковый слой копировального устройства и практически полностью шунтирует однократно отраженный от копируемой поверхности текстильных материалов свет, который только и определяет периодическую геометрическую структуру этой поверхности.

На фиг.1 представлена схема, поясняющая суть заявляемого способа.

На стекло копировальной панели копировального устройства 1 накладывают исследуемый текстильный материал 2 и плоский материал 3, поглощающий свет в диапазоне указанных в формуле световых длин волн. "Сэндвич", состоящий из 2 и 3, фиксируют на стекле 1 прижимной крышкой копировального устройства 4.

На фиг. 2 представлена схема лабораторной установки для проверки работоспособности заявляемого решения.

Свет от маломощного He-Ne лазера 1 через телескопический объектив 2, фокусирующий свет на экране 3, освещает исследуемый образец 4, установленный в плоскости, перпендикулярной оптической оси системы, непосредственно за объективом. Изображение дифракционной картины через камеру машинного видения 5 переносится с экрана 3 на дисплей персонального компьютера 6. Распечатка изображения производится на принтере 7. При необходимости наблюдения увеличенного изображения освещенного участка материала на экране в соответствующее положение на оптической оси устанавливалась линза 8. Расстояние от объекта 4 до экрана L=5 м.

Представленные ниже типичные компьютерные изображения были предварительно обработаны по стандартной программе, находящейся в памяти компьютера (инверсия и повышение контрастности изображения, удаление фона).

На фиг. 3 представлены слева изображения образцов, а справа - соответствующие дифракционные картины от образцов (а - для образца светопропускающего белого лавсанового полотна (плотность по основе Р₀=76 дм^-1, плотность по утку Р_у=104 дм^-1), b - для образца, полученного заявляемым методом с увеличением К=1 от того же полотна (в качестве плоского поглощающего материала использовался лист черной бумаги, который для использованного в эксперименте копировального устройства "Konica 1216" является хорошей моделью абсолютно черного тела, т.е. хорошо поглощает свет в области спектральной чувствительности полупроводникового слоя копировального устройства), с - для образца, полученного методом компьютерного сканирования на сканере "HP Scan Jet 4p" поверхности той же ткани с последующей распечаткой на лазерном принтере "HP Laser Jet 1100". В последнем случае (Рис.3-с) при сканировании на стекло сканера помещалась исследуемая ткань с наложенного на нее с противоположной стороны того же листа черной бумаги, т.к. спектральные свойства полупроводниковых фотоприемников в использованных сканере и копировальном устройстве практически не различаются.

Из сравнения данных фиг.3-a, b, c видно, что хотя дифракционные изображения фиг. 3-a и фиг.3-b отличаются, расстояния между соседними горизонтальными и соседними вертикальными рядами максимумов в этих картинах одинаковы, как и в способе по прототипу (при фотографировании).

Таким образом доказано, что заявляемое решение в этом случае выполняет те же функции, что и в способе по прототипу, но требует значительно меньшего времени (примерно 10 секунд на образец вместо нескольких часов при использовании фотографического способа).

Сравнение дифракционных картин на фиг.3-с и фиг.3-а, b показывает, что при использовании компьютерного копирования с помощью сканера и принтера в дифракционной картине появляется дополнительная система максимумов, связанная с появлением в изображении такого образца дополнительной периодической структуры, накладывающейся на исследуемую. Это обстоятельство связано с цифровой (а не аналоговой) системой кодировки изображения "по пикселям", благодаря которой прямая линия на сканируемом рисунке, идущая под углом к горизонтали, на экране дисплея и после распечатки на принтере выглядит ломаной (ступенчатой) линией, что вносит принципиальные и сильные отличия в периодическую геометрическую картину изображения образца (фиг.3-с) и сильно затрудняет интерпретацию соответствующей дифракционной картины, которая разительно отличается от соответствующих картин на фиг.3-a, b.

Таким образом видно, что не любой способ копирования приводит к успеху, а именно заявляемый.

На фиг.4-а, b, с приведены аналогичным образом расположенные изображения образцов и соответствующие дифракционные изображения от образцов, полученных заявляемым методом для случаев: фиг.4-а - для фильтровального непрозрачного сукна (саржа 2/2, белая основа: 100% лавсан, Р₀=161 дм^-1, уток: коричневая шерсть - 80%, капрон - 20%, Р_у=145 дм^-1) с лицевой стороны, фиг.4-b для образца, сделанного с того же сукна, но с изнаночной стороны, фиг.4-с - для белого лавсанового непрозрачного сукна (саржа 2/2, Р₀=110 дм^-1, Р_у=160 дм^-1, пряжа крученая в 2 сложения.

Из данных фиг.4 видно, что дифракционная картина от образцов, полученных при копировании по заявляемому методу лицевой и изнаночной сторон исследуемой саржи отличается, что показывает на дополнительные возможности заявляемого метода для различения сторон саржи дифракционным методом.

Расчет линейной плотности по утку и основе по формулам,
P_у = KΔx/(Lλα); P₀ = KΔy/(Lλ),
где К - коэффициент увеличения изображения исследуемого материала,
L=5 м (расстояние от изображения исследуемого материала до экрана),
λ - 633 нм (длина волны He-Ne лазера),
приведенным в прототипе /3/ (при коэффициенте увеличения К=1), при подстановке в них соответствующих данных из дифракционных изображений (расстояний между вертикальными и горизонтальными рядами дифракционных максимумов -Δх, Δу), представленных на фиг.3 и 4, дал значения, которые, как и в прототипе, с доверительной вероятностью Р=0,9 в пределах погрешности измерений совпали с истинными значениями этих параметров, измеренных стандартным методом с помощью специальной лупы /4/ (Т.С.Грановский. А.П.Мшвениерадзе "Строение и анализ тканей", М.: Легпромбытиздат, 1988, с.10).

Попытка получить образец от поверхности белой саржи заявляемым методом, но без наложенного на нее с противоположной стороны плоского материала, поглощающего свет используемого при копировании источника в области спектральной чувствительности полупроводникового слоя копировального устройства, от которого можно было бы наблюдать дифракционную картину, типа представленной на фиг. 4-с, не удалась. Соответствующая дифракционная картина не наблюдалась даже визуально в темной комнате (вся энергия лазерного пучка была сосредоточена в единственном центральном максимуме).

Таким образом показано, что заявляемое решение позволяет решать ту же задачу, что и по методу прототипа, и с той же точностью, но за значительно более короткое время и с помощью использования любого стандартного копировального оборудования ("Ксерокса") без какой-либо существенной его модификации.

Способ приготовления образцов для контроля структурных геометрических параметров непрозрачных материалов дифракционным методом заключается в том, что образец поверхности исследуемого материала изготавливают на прозрачной основе. Поверхность исследуемого материала получают методом электрофотографического получения изображения на копировальном устройстве с последующей его фиксацией термическим способом. Причем копируют поверхность исследуемого текстильного материала вместе с наложенным с противоположной его стороны плоским материалом, поглощающим свет используемого при копировании источника в области спектральной чувствительности полупроводникового слоя копировального устройства. Технический результат - уменьшение длительности приготовления образца поверхности исследуемого материала при сохранении качества получаемого образца. 4 ил.

Способ приготовления образцов для контроля структурных геометрических параметров непрозрачных тканых материалов дифракционным методом, заключающийся в том, что образец поверхности исследуемого материала изготавливают на прозрачной основе, отличающийся тем, что образец поверхности исследуемого материала получают методом электрофотографического получения изображения на копировальном устройстве с последующей его фиксацией термическим способом, причем копируют поверхность исследуемого текстильного материала вместе с наложенным с противоположной его стороны плоским материалом, поглощающим свет используемого при копировании источника в области спектральной чувствительности полупроводникового слоя копировального устройства.