СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2017 года по МПК G01B11/30 G01N21/01 

Изобретение относится к физике поверхностей, а именно к визуальной оценке качества поверхностей плоских подложек для оптико-электронных компонентов, и может быть использовано при техническом контроле состояния поверхности крупных партий деталей в электротехнической промышленности.

Известен способ контроля микрорельефа пленки, осуществляемый с помощью микроинтерферометра Линника и заключающийся в наблюдении и оценке интерференционной картины, получаемой от двух разделенных пучков света. Исследуемая отражающая поверхность вместе с объективом и плоское эталонное зеркало вместе с компенсатором и объективом составляют два плеча интерферометра (Осипов Ю.В. Оптические методы неразрушающего контроля: Лаб. практ. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2001, 46 с.). Также известен интерферометрический способ контроля поверхности объекта, описанный в работе устройства для получения изображения микрорельефа поверхности (RU 2495372 С1, 10.10.2013).

Общим недостатком интерференционных способов контроля поверхностей является сложность настройки интерференционной картины. Малые смещения испытуемой поверхности изменяют разность хода интерферирующих лучей на удвоенную величину смещения (см. п. 4.4, Осипов Ю.В. Оптические методы неразрушающего контроля: Лаб. практ. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2001, 46 с.), вследствие чего требуется тщательная взаимная юстировка всех элементов установки с точным и стабильным позиционированием испытуемой детали. Данные способы позволяют очень точно исследовать испытуемые поверхности единичных образцов, однако для исследования крупной партии деталей весьма непроизводительны.

Из описания работы устройства для контроля шероховатости поверхности диэлектрических подложек (см. RU 2448341 С1, 20.04.2012) известна методика контроля шероховатости поверхности подложек посредством анализа скорости растекания подсвечиваемой капли (фиксированного объема) рабочей жидкости.

Сложность подготовки поверхности исследуемой подложки, включающей плазмохимическое травление в среде инертного газа с особыми требованиями к режимам травления, после которого необходимо сразу расположить подложку горизонтально в устройстве (см. с. 4, строки 8-11), а также последующий процесс покадровой фиксации растекания капли жидкости, требующий дальнейшего сопоставления визуально наблюдаемых характеристик капли с предварительно замеренной калибровочной зависимостью (с. 4, строки 19-24) ограничивает использование такой методики единичным производством.

Известны способы визуального контроля поверхностей, позволяющих фиксировать их дефекты. Так, в способе визуально-оптического контроля поверхности предлагается осуществлять ввод лазерного излучения в тонкий слой жидкости (пленки), помещенный между эталонной и контролируемой поверхностями оптических деталей и наблюдать свет, сконцентрированный и рассеянный на аномалиях и дефектах поверхности (RU 2502954 С1, 27.12.2013). Способ позволяет фиксировать наличие локальных аномалий поверхности глубиной меньше 0,05 мкм на больших площадях без дорогостоящего оборудования. Несмотря на функциональную простоту, реализация данного способа налагает значительные ограничения на его использование при контроле крупных партий изделий, связанные с необходимостью изготовления верхней бездефектной эталонной детали для каждой из контролируемых деталей, или необходимостью поштучного осмотра каждой контролируемой детали с выставлением (юстировкой) сборки в требуемом положении относительно лазерного луча, что требует существенных временных затрат, ограничивающих производительность операций контроля.

В процессе проведения технического контроля поверхности крупной партии деталей, применяемых для формирования оптико-электронных компонентов (например, подложек интегрально-оптических устройств и пр.) зачастую требуется простой способ визуальной оценки качества наружной поверхности, позволяющий произвести отбраковку образцов с выраженными дефектами.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения размеров дефектов (царапин и точек) на поверхностях оптических деталей, заключающийся в просматривании поверхностей деталей в косонаправленном пучке проходящего или отраженного света, т.е. под углом к оси детали, на фоне черного экрана, когда источником света служит лампа накаливания мощностью от 60 до 100 Вт (ГОСТ 11141-84. Детали оптические. Классы чистоты поверхностей. Методы контроля, п. 2.2). Это - прототип.

Данный способ оценки качества контролируемых поверхностей является достаточно простым и позволяет без существенных затрат времени осуществлять визуальный контроль поверхностей деталей. Однако указание на использование лампы накаливания с невысокой по значению мощностью является ограничением способа, касающимся количества одновременно просматриваемых деталей. Способ эффективен при поштучном контроле и весьма затруднителен при контроле крупных партий деталей, поскольку просмотр каждой детали при косонаправленном свете от лампы накаливания приводит к утомляемости контролера и, как следствие, к появлению ошибок. Данное обстоятельство снижает производительность способа.

Задачей изобретения является разработка высокопроизводительного способа визуального контроля поверхностей плоских подложек для технического контроля крупных партий деталей, не требующего использования сложных устройств, оборудования и методики осуществления.

Для осуществления контроля состояния поверхности крупных партий деталей, в оценке их качества, может быть использован принцип обнаружения по цветовым признакам (принцип восприятия цветового различия). Такой принцип позволяет значительно упростить процесс визуального контроля поверхности деталей и снизить вероятность ошибок, поскольку снижает зрительную нагрузку в работе контролера и, таким образом, упрощает задачу обнаружения дефектных зон.

Известно, что существуют две основные группы цветов: ахроматические и хроматические. При этом хроматическими называют все наблюдаемые цвета, кроме черного, белого и серого. К ахроматическим цветам относят черный, белый и все оттенки серого цвета. В наблюдаемом спектре излучения можно подбирать два хроматических цвета, называемые дополнительными друг к другу по цветовому тону, при смешивании которых получится цвет ахроматический (например, светло-серый). Такое смешивание цветов (суммирование излучений) называют аддитивным. Примерами комбинаций, дополнительных по цветовому тону являются оранжево-красный и голубовато-зеленый цвета, зелено-желтый и фиолетовый и др. (см. Н.П. Гвоздева, К.И. Коркина. Теория оптических систем и оптические измерения. Учебник для техникумов. - М.: "Машиностроение", 1981, с. 125-126). При смешивании двух цветов суммарный цвет имеет определенную насыщенность, причем суммарная насыщенность становится нулевой при смешивании двух дополнительных по цветовому тону цветов, т.е. в случае получения ахроматического цвета (см, например, "Хроматические характеристики цвета", http://zreni.ru/3881-hromaticheskie-harakteristiki-cveta.html).

Известно, что цветовые характеристики объектов могут эффективно использоваться не только в задачах обнаружения, но также при распознавании и классификации объектов в качестве одного из признаков (см. Р.Е. Быков. Адаптивные алгоритмы обнаружения объектов по цветовым признакам // Радиотехника. 2012, №7. с. 97-103). Таким образом, подбирая комбинации цветового тона пучка света, освещающего исследуемую поверхность в зависимости от цвета этой поверхности возможно эффективно решать задачи обнаружения дефектов с помощью цветовых различий и различий в насыщенности. При этом дефекты поверхности будут являться контрастирующими элементами на фоне бездефектной области поверхности (выявление дефектов поверхности при визуальном наблюдении основано на рассеянии светового потока на дефектных местах, так как на дефектах нарушается геометрия распространения световых лучей, вследствие чего дефекты становятся отражающими свет элементами или ослабляющими).

Устройством для модификации передаваемого через него оптического излучения, которое может быть использовано для изменения цветового тона пучка света, освещающего исследуемую поверхность, является оптический фильтр. Модификация оптического излучения при оптической фильтрации состоит в изменении спектрального распределения излучения (см. п. 3, п. 4.2 ГОСТ Р 50785-95. Фильтры оптические. Типы и основные параметры). Оптические фильтры, изменяющие спектр излучения принято называть спектральными фильтрами (Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов. - М.: Машиностроение, 1989, с. 97-102).

Техническим результатом изобретения является повышение производительности процесса контроля поверхностей.

Технический результат достигается тем, что в способе контроля поверхности на фоновой поверхности располагают деталь с контролируемой поверхностью, обращенной к источнику света, освещают контролируемую поверхность косонаправленным пучком света, имеющим цветовую окраску и наблюдают дефекты контролируемой поверхности при аддитивном смешивании цвета контролируемой поверхности и цвета окраски косонаправленного пучка света.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показана установка для контроля состояния поверхности, реализуемого предлагаемым способом, где 1 - фоновая поверхность, 2 - контролируемая поверхность детали, 3 - косонаправленный пучок света, 4 - источник света, 5 - спектральный фильтр, 6 - фиксатор.

Способ реализуется следующим образом.

На фоновой поверхности 1, в качестве которой может быть поверхность транспортирующей ленты производственного конвейера, располагают каждую из деталей контролируемой поверхностью 2, обращенной к источнику света 4. На источник света 4 устанавливают спектральный фильтр 5 и с помощью фиксатора 6 фиксируют положение источника света 4 по высоте и углу наклона таким образом, чтобы каждая контролируемая поверхность 2 освещалась косонаправленным пучком света 3, имеющим цветовую окраску. В зоне освещения деталей (область фоновой поверхности 1, освещенная косонаправленным пучком света 3) наблюдают дефекты каждой контролируемой поверхности 2, проявляющиеся при аддитивном смешивании цвета контролируемой поверхности 2 и цвета окраски косонаправленного пучка света 3.

В качестве источника света 4 может быть использована люминесцентная лампа с вогнутым эллипсоидным зеркалом (см., например, Н.П. Гвоздева, К.И. Коркина. Теория оптических систем и оптические измерения. Учебник для техникумов. - М.: Машиностроение, 1981, с. 199), позволяющая обеспечить равномерное и направленное освещение фоновой поверхности 1. Однако наиболее простым и эффективным, с точки зрения использования светового потока, является источник света, выполненный в виде светодиодной линейки (см., например, "Светодиодные линейки - виды, способы применения", http://electric-tolk.ru/svetodiodnye-linejki-vidy-sposoby-primeneniya). Такой удлиненный источник света особенно эффективен при освещении вытянутых прямоугольных площадей (например, транспортирующей ленты производственного конвейера). Угол наклона и положение источника света по высоте определяют опытным путем в зависимости от размеров контролируемых деталей, расстояния от источника света до контролируемых поверхностей и категории контроля (степень "оттенения" светового потока при его рассеянии дефектными элементами поверхности зависит от угла освещения поверхности, ввиду чего, при наиболее тщательном контроле дефектов, источник света располагают как можно ниже, формируя тем самым острый угол между осью косонаправленного пучка света и поверхностью детали и, наоборот, малоответственный контроль может быть осуществлен при освещении поверхности под большими углами).

В качестве спектрального фильтра может быть использован абсорбционный фильтр (фильтр, основанный на избирательном поглощении, примером которого являются фильтры из цветного оптического стекла, окрашенных пластмасс, фильтры из Ge, PbS, PbTe и других оптических материалов). Такие фильтры просты в изготовлении и эксплуатации; имеют стабильные характеристики, а также широкие пределы изменения габаритных размеров (см. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов. - М.: Машиностроение, 1989, с. 99).

Выбор спектральной характеристики фильтра 5 (цветность спектрального фильтра) осуществляют в зависимости от цвета контролируемой поверхности детали (партии деталей) таким образом, чтобы при наложении спектра отражения от поверхности детали и спектра освещения в косонаправленном пучке света (т.е. цвета окраски косонаправленного пучка света) визуально наблюдалось ахроматическое представление контролируемой поверхности (например, в светло-сером цвете). При этом контрастирующие элементы обнаруживаемых дефектов, ввиду светового рассеяния, имеют выраженное отличие по интенсивности (например, в черном цвете). Применение спектрального фильтра позволяет осуществлять и другие цветовые комбинации для обнаружения дефектов поверхности (например, когда цвет наблюдаемой при освещении поверхности оставляют хроматическим с необходимым цветовым тоном, предпочтительным для определенного контролера).

Цветовую окраску и отражающую способность фоновой поверхности 1 выбирают из условий обеспечения удобства при визуальном наблюдении контролера деталей (в соответствии с чем не рекомендуется использование ярких отражающих или светлых цветовых тонов для окраски фоновой поверхности 1). При этом предельные значения яркостного контраста между фоновой поверхностью 1 и цветом контролируемой поверхности 2 определяют расчетным путем (см., например, "Пример вычисления и применения связанного с возрастом яркостного контраста" Приложение А. ГОСТ Р ИСО 24502-2012. Эргономическое проектирование. Требования к яркости и контрастности цветных источников света для людей различных возрастных категорий).

Предлагаемый способ позволяет использовать цветовые эффекты, основанные на аддитивном смешивании цветов с целью упрощения процесса визуального различения дефектов на фоне бездефектной области поверхности. В соответствии с особенностями психофизиологического восприятия цвета (см. Измайлов Ч.А., Соколов Е.Н., Черноризов A.M. Психофизиология цветового зрения. - М.: Изд-во МГУ, 1989, 206 с.) предлагаемый способ позволяет наблюдателю широко использовать удобные для длительной визуальной работы сочетания цветов (сочетания цветности светового потока и цвета поверхности объекта), что значительно снижает зрительную нагрузку контролера и, как следствие, позволяет качественно осуществлять контроль крупных партий деталей.

Заявленный способ обладает гибкостью в использовании, предоставляя каждому конкретному контролеру деталей выбор индивидуальных цветовых параметров обнаружения дефектов посредством подбора желаемого спектрального фильтра.

Реализация данного способа не требует сложного оборудования, устройств, а также сложной методики осуществления контроля поверхностей.

Изобретение относится к визуальной оценке качества поверхностей плоских подложек для оптико-электронных компонентов и может быть использовано при техническом контроле состояния поверхности крупных партий деталей в электротехнической промышленности. В заявленном способе контроля поверхности на фоновой поверхности располагают деталь с контролируемой поверхностью, обращенной к источнику света, освещают контролируемую поверхность косонаправленным пучком света, имеющим цветовую окраску, и наблюдают дефекты контролируемой поверхности при аддитивном смешивании цвета контролируемой поверхности и цвета окраски косонаправленного пучка света. Технический результат - повышение производительности процесса контроля поверхностей. 2 ил.

Способ контроля поверхности, заключающийся в том, что на фоновой поверхности располагают деталь с контролируемой поверхностью, обращенной к источнику света, освещают контролируемую поверхность косонаправленным пучком света и наблюдают дефекты контролируемой поверхности, отличающийся тем, что освещают контролируемую поверхность косонаправленным пучком света, имеющим цветовую окраску, а дефекты контролируемой поверхности наблюдают при аддитивном смешивании цвета контролируемой поверхности и цвета окраски косонаправленного пучка света.