В. И. Шанин, О. В. Шанин

Получена 4 мая 2000 г.

Введение
1. Принцип работы голографического коррелятора
2. Теоретический анализ метрологических возможностей голографического коррелятора
3. Разработка методов повышения чувствительности голографического коррелятора
       3.1. Преобразование информации в частотной плоскости коррелятора
       3.2. Преобразование информации в предметной плоскости.
       3.3. Разработка метода оптической фильтрации с противофазной компенсацией для
              допусковой разбраковки деталей
4. Установление требований к точности позиционирования деталей.
5. Ограничения метода
6. Результаты экспериментальных исследований
       6.1. Описание экспериментальной установки и проведения экспериментов
       6.2. Исследование влияния преобразования информации в частотной плоскости на
              корреляционный отклик
       6.3. Разработка метода оптической фильтрации с противофазной компенсацией для допусковой
              разбраковки деталей
       6.4. Исследование влияния преобразования информации в предметной плоскости на
              корреляционный отклик
7. Основные концепции построения систем контроля
Выводы
Литература

В статье рассмотрены возможности применения методов оптической согласованной фильтрации для решения задач автоматического контроля геометрических параметров деталей точного приборостроения. Здесь представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований точностных возможностей голографического коррелятора, установлены требования к позиционированию деталей на его входе, а также показана возможность допусковой разбраковки деталей с помощью голографического фильтра, синтезированного методом двойной экспозиции с противофазной компенсацией.

Получены аналитические зависимости поведения корреляционного отклика от изменения размеров, смещения и угловой ориентации деталей. Установлено, что относительная точность контроля составляет 0,5%. Для повышения абсолютной точности контроля предложено использовать преобразование волновых полей как на входе, так и в частотной области коррелятора. Это позволило на порядок повысить точность методов оптической согласованной фильтрации. Результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с данными теоретического анализа.

Введение

Современная технология точного приборостроения предъявляет весьма жесткие требования к качеству и надежности комплектующих деталей, что может быть обеспечено лишь их 100% контролем.

Контроль конфигурации и линейных размеров деталей точного приборостроения осуществляется с помощью проекторов и микроскопов, разработанных еще в 70-е годы [1]. Процедура контроля здесь производится человеком, требует значительных затрат времени и поэтому мало производительна. Создание автоматических систем на базе этих средств измерения сопряжено с серьезными техническими трудностями, преодолеть которые, как правило, не удается. В этой связи изыскание и разработка иных методов и средств контроля представляется весьма актуальной задачей. Проблема усугубляется еще и тем, что приходится учитывать такие требования производства как:

- бесконтактность операции контроля;
- соответствие скорости контроля темпу выпуска деталей;
- обеспечение ориентации деталей на позиции контроля существующими средствами;
- обеспечение требуемой точности контроля;
- экономическая целесообразность.

Большинству перечисленных требований удовлетворяют уже нашедшие применение в различных областях науки и техники, в том числе и при решении задач контроля [2], одно из ярких достижений радиофизики - когерентно-оптические методы обработки информации [3]. Среди них наибольшего внимания заслуживают методы оптической согласованной фильтрации с голографическим фильтром [27]. Они обладают рядом практически важных достоинств, к которым следует отнести; простоту алгоритма обработки информации; удобство сопряжения со средствами автоматики; оперативность перестройки для обработки нового вида информации; высокое быстродействие. Однако для применения оптической согласованной фильтрации в точном приборостроении, спецификой которого являются малые размеры деталей и жесткие требования к отклонению размеров от заданных, необходимо детальное исследование таких вопросов как метрологические возможности метода согласованной фильтрации, требования к ориентации детали на позиции контроля, а также возможность проведения разбраковки деталей в требуемом поле допусков и концепция построения систем контроля. Рассмотрению этих вопросов и посвящена настоящая работа.

Типовая схема, реализующая метод оптической согласованной фильтрации на базе голографического фильтра и которая известна как голографический коррелятор, показана на рис.1. Ее принцип работы основан на сравнении входного образа с эталонным. Применительно к контролю здесь принятие решения о качестве контролируемой детали осуществляется по величине выходного сигнала коррелятора, математически описываемого выражением [4,5]

,                                                            (1)

где — переменный параметр, характеризующий состояние контролируемой детали; — координаты плоскости фильтрации; - амплитудное пропускание входной плоскости с эталонной деталью; — амплитудное пропускание входной плоскости с контролируемой деталью; — символ операции корреляции.

Рис.1. Схема голографического коррелятора, где:

1 - лазер, 2 - коллиматор, 3 - входная плоскость, 4 и 6 - оптические системы для Фурье-преобразования, 5 - голографический фильтр, 7 - выходная плоскость.

Особенностью рассматриваемой схемы является то, что выходной сигнал функция взаимной корреляции (1) вычисляется не в предметной (входной), а в частотной плоскости. Для этого контролируемая деталь размещается во входной плоскости 3 и освещается плоской волной света, сформированной коллиматором 2 из излучения лазера 1. Прошедший через входную плоскость свет поступает на оптическую систему 4, в задней фокальной плоскости которой формируется Фурье-спектр , где — координаты входной плоскости; — амплитудное пропускание входной плоскости с контролируемой деталью; и — пространственные частоты; — длина волны лазерного излучения; - фокусное расстояние оптической системы. Здесь же находится голографический фильтр 5 с передаточной характеристикой, комплексно сопряженной с Фурье-спектром , где — амплитудное пропускание входной плоскости с эталонной деталью. На выходе фильтра распределение света представляет собой результат перемножения Фурье-спектра от контролируемой детали с передаточной характеристикой фильтра, т.е. , где — символ операции комплексного сопряжения. После прохождения полученного распределения света через оптическую систему 6, которая выполняет обратное преобразование Фурье, в ее частотной задней фокальной плоскости формируется корреляционный отклик в соответствии с выражением (1). Корреляционный отклик имеет вид яркого светового пятна, интенсивность которого равна . Интенсивность корреляционного пятна с помощью фотоприемника 7 преобразуется в электрический сигнал, который анализируется электронными средствами и по результатам анализа принимается решение о качестве контролируемой детали. При принятии решения о качестве контролируемой детали производится оценка величины относительной интенсивности в корреляционном отклике, определяемой соотношением

,                                                                                          (2)

где — интенсивность корреляционного отклика в точке .

На практике в силу различных технологических причин размеры деталей одной партии, как правило, отличаются друг от друга. Поэтому приходится проводить их контроль, а в целях обеспечения достоверной разбраковки деталей разрабатываемые методы и средства контроля должны обладать необходимой точностью измерения. В приборостроении (например, часовой и авиационной промышленности) погрешность измерения линейных размеров для большинства составляет (5-10) мкм. В этой связи представляется целесообразным установление метрологических возможностей голографического коррелятора.

Рис.2. Зависимость интенсивности корреляционного отклика от изменения величины отклонения e