Устройство для определения пространственных изменений объектов решетчатой структуры Советский патент 1988 года по МПК G01N21/88 G01J1/04 

о

00

со to

Изобретение относится к средствам оптической обработки информации и может быть использовано для контроля изменений объектов с решетчатой структурой, в частности в текстильной npoMbiaivieHHOCTH для контроля поверхности пряжи.

Цель изобретения - повышение производительности и объективности процесса обнаружения изменений объектов.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 - диафрагма, устанав- ливаемая в плоскости частотного фильтра.

Устройство содержит источник 1 света, два диаметрально противоположных канала - измерительный и эталонный, и после- довательно установленные в каждом канале конденсор 2, зеркало 3, поворачиваю- шее оптическую ось на 90°, цветные светофильтры 4 и 5, кадровое окно 6 объекта и объектив 7, полупрозрачное зеркало 8 в измерительном канале, расположенное за объективом 7 и поворачивающее оптическую ось на 90°, полупрозрачное зеркало 9 для совмещения изображений контролируемого и эталонного объектов, экран 10, диафрагму II, расположенную в измерительном канале за полупрозрачным зеркалом 8, в плоскости изображения источника света на одной оси с объективом 7, и фотоприемник 12, расположенный непосредственно за диафрагмой. При этом диафрагма выполнена в виде набора жестко связанных непрозрачных заслонок, центральная из которых расположена соосно с объективом 7, а центры других заслонок попарно симметричны относительно центральной заслонки.

Устройство работает следующим образом.

Контролируемый объект и эталонный объект с одинаково ориентированной решетчатой и структурой устанавливают в кад

2

1(х ,у ; Я) 1„(х ,у -,А)® IF t(| )

I.(x ,у ;A)®lg C. (х - qt),.la )ll ,

.-

е 1„{.х , у; л) - распределение интенсивности излучения с длиной волны л в изображении источника света при отсутствии объекта;

45

При круглой форм щегося тела источник ние интенсивности и волны л в изображен вид

0

5

5

ровые окна 6 измерительного и эталонного каналов соответственно и с помощью источника 1 света, конденсоров 2, зеркал 3 и цветных светофильтров 4 и 5 освещают излучениями, окращенными в дополнительные (до белого) цвета. Объективы 7 формируют окращенные в дополнительные цвета изображения эталонного и измеряемого объектов, которые с помощью полупрозрачных зеркал 8 и 9 совмещают на экране 10, в результате чего формируют совмещенное изображение.

Одновременно с формированием совмещенного изображения формируют пространственно-частотный спектр (фурье-спектр) контролируемого объекта в плоскости, расположенной на одной оси с объективом 7 с помощью полупрозрачного зеркала 8. Установленная в плоскости фурье-спектра диафрагма 11 перекрывает зоны, соответствующие фурье-спектру эталонного объекта. Наличие изменений в измеряемом объекте по сравнению с эталонным изменяет пространственное распределение энергии фурье- спектра контролируемого объекта, и энергию, не перекрытую диафрагмой, регистрируют фотоприемником 12.

При этом, при решетчатой структуре объекта его амплитудный коэффициент пропускания имеет вид

t( А + В. F(2.nvofe)

где А - постоянная величина;

В- коэффициент модуляции решетки;

F - функция распределения амплитудного коэффициента пропускания решетки;

I - координата плоскости объекта, перпендикулярная линиям решетки;

vo - пространственная частота решетки.

Распределение интенсивности в плоскости (х у) фурье-спектра имеет вид

2

® IF t(| )

При круглой форме равнояркого светящегося тела источника света распределение интенсивности излучения с длиной волны л в изображении источника имеет вид

Изобретение относится к оптическим методам контроля, в частности изменений объектов решетчатой структуры, например намотанной на решетку пряжи. Одновременно с освешением измеряемого объекта цветным излучением, а эталонного объекта излучением, цвет которого является дополнительным до белого к первому излучению, и выявлением изменений измеряемого объекта по цветности фрагментов совмещенного изображения, формируют фурье-спектр измеряемого объекта в плоскости, не соосной с плоскостью совмеш.енного изображения. С помощью установленной в плоскости фурье- спектра диафрагмы, состоящей из трех непрозрачных заслонок, перекрывают зоны, соответствующие фурье-спектру эталонного объекта, и регистрируют остаточную энергию фурье-спектра измеряемого объекта с по- мош,ью фотоприемника, расположенного непосредственно за диафрагмой. 2 ил. i (Л

символ преобразования Фурье;

дельта-функция Дирака; 50

символ свертки; -коэффициенты ряда Фурье, характеризующие величину энергии в q-M порядке диф - ракции (q-й составляющей фурье-спектра);55

расстояние от задней главной плоскости объектива до плоскости фурье-спектра.

1„(/, у ;л) 1(Х) cifc (-f--),

Л« р

где |3 - коэффициент увеличения изображения источника света;

1Щ -спектральное распределение интенсивности излучения источника света;

d,i- диаметр светящегося тела источника света;

Vx 4

y

Таким образом, фурье-спектр объекта с решетчатой структурой имеет вид дискретного набора изображений источника света, образованных излучением с длиной волны К, симметричных относительно центрального изображения на расстоянии 1.9 л q- i- т)о- а

При немонохроматическом источнике света в каждом порядке q (кроме q 0) имеется набор изображений источ ника, образованных излучениями в диапазоне ХЛ...АВ, выделяемом цветным светофильтром измерительного канала.

Положение центров дифракционных изображений источника света относительно оптической оси при немонохроматическом излучении определяется выражением

Ц (л + а,)- VO- а/2,

где Аа и ui - верхняя и нижняя границы спектрального диапазона излучения источника.

Размеры дифракционных изображений источников определяются следующим образом: продольный размер

Ь, q(A3-AH)voa + dn-f, поперечный размер

d d«. p.

При наличии в структуре измеряемого объекта дополнительных включений, например, в виде элементов круглой формы или в виде произвольно ориентированных линий, в частотной плоскости дополнительно формируется фурье-спектр этих элементов:

Для элементов круглой формы с коэффициентом пропускания

t(p) circ(p/dKp),

.2 + л гдер VF

Окр-диаметр круглого фрагмента; (, г|) - координаты плоскости объекта, имеем распределение интенсивности в плоскости фурье-спектра, симметричное относительно оптической оси:

1(г;л:

IWcirc(-),

® 2I,{dкp г)/(dкp-г)

где Ii - функция Бесселя первого рода первого порядка.

Для элемента в виде произвольно ориентированной линии

t(p) rect (),

где dfl - поперечный размер линии, распределение интенсивности фурье-спектра ориентировано в направлении, перпендикулярном ориентации линии и имеет вид

1(га)

I(-)circ (-f-) а.-п-р

® sinc-(d, г).

Положение 1о первого нуля относительно оптической оси в распределении интенсивности фурье-спектра круглого элемента при источнике света размером d,, определяется выражением

Ю

.-ч- dnP , ,22Ка

-5-НД.

2dxp

а для элемента в виде линий

10

,,

2Ля

5

0

5

А.а

При этом на расстояниях- или 1,22Ха /dsp сосредоточено до 84% полной энергии спектра элемента.

Исходя из этого в плоскости фурье- спектра контролируемого объекта перекрывают зоны, соответствующие составляющим фурье-спектра эталонного объекта.

Для этого используют диафрагму, размеры и форма заслонок которой совпадает с распределением энергии фурье-спектра эталонного объекта, причем центр средней заслонки совпадает с оптической осью объектива, а центры попарно симметричных заслонок удалены от оптической оси на расстоянии

(Хв + ) Vo-a /2,

длина Ь, и щирина ветственно

d заслонок равны соот30

Ь q (Хв-Ал ) vo-a -f d,,p

Ц

5

d .

При этом размеры фотоприемника 12, расположенного непосредственно за диафрагмой 11, должны обеспечивать регистрацию энергии фурье-спектра одиночных элементов по крайней мере до первого нулевого значения энергии, т.е. диаметр приемника равен

фото0

5

0

5

Оф d«-p + 2-l,22A3a7d3, где da - поперечный размер наименьшего элемента структуры контролируемого объекта. Отсюда находится количество N пар симметричных заслонок диафрагмы:

N D0/2.A3-aVo.

При полной идентичности измеряемого и эталонного объектов фурье-спектр измеряемого объекта полностью перекрывается диафрагмой, и сигнал, снимаемый с фотоэлемента, отсутствует. Наличие изменений в измеряемом объекте, например появление каких-либо включений в структуре решетки в виде произвольно ориентированных одиночных элементов, приводит к изменению пространственного распределения энергии в спектре измеряемого объекта по сравнению с эталонным. На дискретное распределение фурье-спектра решетки накладывается непрерывное распределение фурье-спектра элементов. В результате часть энергии фурье- спектра измеряемого объекта, а именно часть

:iiepriiii, характеризующую изменения измеряемого об ьекта по сравнению с эталон и не перекрытую диафрагмой, регистрируют фотоприемником, сигнал с которого пропорционален этим изменениям.

Таким образом, обнаруживают изменения op i.eKTOfi с помощью фотоэлектрической гистрап.ии изменений пространственного распределения энергии фурье-спектра конт- рэлируемого объекта.

При этом форму и пространственное п(эложение изменений определяют по форме

положению цветных фрагментов совме- leHHoro изображения.

Формула изобретения

Устройство для определения простран- венных изменений объектов решетчатой

руктуры, содержащее источник света и расположенные диаметрально противоно- лэжпо относительно него измерительный и

алонный каналы, в каждом из которьЕх пЬследовательно по ходу луча расположены конденсор, цветной светофильтр, кадровое ок- нэ об ьекта и объектив, а также поворот- нэе зеркало в измерительном канале, по- л прозрачное зеркало в эталонном канале и общий для обоих каналов экран, отли- 11ющвсся тем, что, с целью повыщения про водительности и объективности определения изменений, в устройство дополнительна введены диафрагма и фотоприемник, новоротное зерка.ао выполнено полупрозрачным, причем диафрагма установлена на опти- чрской оси измерительного канала за- пово

J

5

ротным зеркалом в плоскости частотного спектра, совпадающей с плоскостью изображения источника света, а фотоприемник установлен непосредственно за диафрагмой, при этом диафрагма выполнена в виде набора жестко связанных непрозрачных заслонок, центральная из которых расположена соосно с оптической осью, а центры других заслонок, попарно симметричных относительно центральной, расположены на расстоянии от оптической оси, равном

, q(A +X«)vo-a /2,

длина и щирина заслонок равны соответственно

Ь я(Ав + Ал) о-а d«p;

d.p.

0

5

где лв и л

а -

верхняя и нижняя границы спектрального диапазона, выделяемого светофильтром измерительного канала; пространственная частота эталонного объекта; расстояние от задней главной плоскости объектива измерительного канала до частотной плоскости;

диаметр светящегося тела источника света;

коэффициент увеличения изображения источника света; q 1,2,3...-номер пары симметричных заслонок относительно центральной заслонки.

ii

иг.