Экспериментальные исследования проводились в направлении проверки данных теоретического анализа применительно к решению задач классификации изделий в соответствии с величиной отклонения относительно номинального размера и разбраковки изделий в пределах поля допуска. Для этого была разработана экспериментальная установка с автоматической регистрацией результатов измерения при проведении процесса контроля изделий с преобразованием информации как на входе, так и в частотной плоскости системы контроля.

Последующие пункты настоящего параграфа посвящены описанию экспериментальной установки, методики проведения эксперимента и анализу полученных результатов.

Структурная схема экспериментальной установки представлена на рис.13, а ее общий вид - на рис.14. Установка была смонтирована на сварном металлическом каркасе, закрепленном в бетонном массивном основании, и механически развязанном от несущих здания. Такая конструкция установки обеспечила ей весьма высокую жесткость и виброустойчивость, необходимую при синтезе голографических фильтров. Жесткие требования к конструкции установки обусловлены тем, что во время экспозиции фильтра его смещение относительно Фурье-спектра не должны превышать 1/8 длины волны излучения. Превышение указанного допуска приводит к смазыванию интерференционной картины. В результате этого требования к измерительной части установки повышаются и снижаются точностные возможности системы контроля.

Рис.13. Структурная схема экспериментальной установки, где: 1 - лазер, 2 - коллиматор, 3 - линза для формирования опорной волны света, 4 - нейтральный светофильтр, 5 - входной узел с контролируемой деталью, 6 - оптическая система для выполнения прямого преобразования Фурье, 7 - дополнительный фильтр-маска, 8 - голографический фильтр, 9 - оптическая система для выполнения обратного преобразования Фурье, 10 - микроотверстие, 10,15 - фотоприемник, 12,14 - усилитель, 13 - синхронный детектор, 16 - источник света, 17 - модулятор света, 18 - самописец.

Рис.14. Общий вид экспериментальной установки.

В качестве источника излучения использовался He–Ne лазер типа ЛГ–38, работающий в одномодовом режиме (мощность излучения 30 мВт, диаметр светового луча на выходе ~ 2 мм). Из луча лазера формировалось световое поле с плоским фронтом волны коллиматором 2, состоящим из микрообъектива с увеличением, точечной диафрагмы диаметром ~ 20 мкм и объектива с фокусным расстоянием 150 мм. Линза 3 предназначена для получения опорной световой волны, необходимой для синтеза голографического фильтра. Голографические фильтры изготавливались на фотопластинках типа "Микрат–ЛОИ" . Время экспонирования составляло несколько секунд. Получение оптимального соотношения между световыми потоками опорного и предметного трактов достигалось введением нейтральных светофильтров 4 в предметный тракт. Фотохимическая обработка фотопластинок осуществлялась на месте, что позволило упростить последующую юстировку фильтров. Дополнительные фильтры–маски 7 были изготовлены механическим способом из тонкой алюминиевой фольги.

Контролируемая деталь, которая располагается во входном узле 5, имела пропускание и была реализована с помощью двух пересекающихся щелей. Одна из них была однородной по всей длине, а другая имела конусность, что позволило получать отклонение размера относительно оси щели. Выбор такой детали в качестве объекта исследования дало возможность за один проход путем сканирования вдоль оси щели снимать зависимость максимума корреляционного отклика от изменения размера детали. Фильтр 8 изготавливался в виде голограммы Фурье на эталонную щель с пропусканием .

При проведении процесса контроля линза 3 и светофильтр 4 из схемы устранялись.

Для оперативности проведения экспериментальных исследований процесс оценки распределения интенсивности в корреляционном отклике был автоматизирован путем применения фотоэлектрического метода измерения [15], реализованного с помощью электронной схемы.

Так как изменение светового потока в корреляционном отклике чрезвычайно мало, то при фотоэлектрическом измерении в качестве фотоприемника использовался фотоумножитель (ФЭУ). Для повышения стабильности и чувствительности схемы измерения была применена модуляция светового потока и узкополосные измерительные схемы, в частности схема синхронного детектирования. Модуляция до нескольких сотен Гц осуществлялась путем прерывания светового потока с помощью вращающегося диска 17 с отверстиями. Необходимый для работы синхронного детектора опорный сигнал формировался от дополнительного фотоприемника 15, освещаемого лампочкой 16. При мощности лазера Р = 30 мВт и использовании в качестве фотоприемника ФЭУ–68 с помощью фотоэлектрической схемы с синхронным детектором (постоянная 0,5 с.) удалось регистрировать изменение световых потоков в корреляционном отклике до 60 дб относительно максимума.

Для автоматической регистрации сечений корреляционного пятна диафрагма c микроотверстием диаметром ~ 15 мкм, выбранным с учетом выражения (33), и ФЭУ устанавливались на столике, движение которого было синхронизировано с движением ленты самописца. На ленте вычерчивался график сечения максимума корреляционного отклика вдоль оси щели. Перед подачей на самописец сигнал ФЭУ усиливался. При этом использовался логарифмический усилитель, позволяющий получать на ленте самописца запись сечения корреляционного светового пятна в широком динамическом диапазоне. Отметим, что автоматическая регистрация распределения светового потока в корреляционном пятне с применением указанной измерительной аппаратуры требует надлежащего соответствия ширины полосы пропускания измерительной схемы и ширины спектра корреляционного сигнала между скоростью перемещения фотоприемника и фокусным расстоянием оптической системы 10.

При проведении экспериментов сначала исследовалось влияние преобразования в частотной плоскости коррелятора с голографическим фильтром на его разрешающую способность, затем исследовалась возможность коррелятора с фильтром, синтезированным методом противофазной компенсации, а также влияние преобразования информации во входной плоскости системы контроля. 

В первой серии экспериментов голографический фильтр, показанный на рис.15, был изготовлен на эталонную деталь в виде щели шириной в 100 мкм. Результат считывания выходной плоскости системы контроля при подаче на ее вход конусообразной щели представлен на на рис.16 (кривая 1) в виде нормированной зависимости интенсивности корреляционного отклика от изменения размера щели. Видно, что при отмеченном выше доверительном значении измерений существующими фотоприемниками (~ 2%) относительная точность измерения составляет ~ 1,5%. Различие между теоретическими (рис.2) и экспериментальными данными объясняется наличием ограниченного диапазона и шумов фотоматериала пластинок, а также недостаточно оптимальными условиями синтеза голографического фильтра. Оптимизация параметров голографической записи - экспозиции и отношения интенсивностей предметного и опорного пучков света позволила достигнуть точности контроля около ~ 0,5% от размера детали [7].

Рис.15. Фотография голографического фильтра на эталонную деталь в виде щели шириной 100 мкм.   Рис.15a. Пояснение к процессу изготовления фильтра–маски для .

Рис.16. Зависимость интенсивности максимума корреляционного отклика от изменения отклонения e : 1 — с голографическим фильтром ; 2 — с комбинацией фильтров и ; 3 — с комбинацией фильтров и (для , ).

Вторая серия экспериментов проводилась в направлении установления влияния па кривую чувствительности системы контроля путем помещения в частотную плоскость дополнительных фильтров-масок и , позволяющих получить линейную и квадратичную кривую отклика. Для этого с учетом полученного Фурье–спектра от эталонной щели шириной 100 мкм (рис.15,а) был механически изготовлен из фольги фильтр–маска (рис.15,б) с числом щелей в нем N=4 и шириной щели . Результат сравнений пространственного спектра частот от уже упомянутой конусообразной щели с одновременно находящихся в частотной плоскости коррелятора дополнительного и голографического фильтров представлен на рис.16 (кривая 2). Видно, что по сравнению с предыдущим случаем чувствительность системы контроля увеличилась в четыре раза, т.е. погрешность измерения стала составлять ~ 0,25%. Правда, при этом существенно уменьшилась интенсивность корреляционного отклика, так как полоса пропускания частотной плоскости уменьшилась также в четыре раза.

Таким образом, использование в качестве фильтрующего элемента в виде комбинации голографического фильтра и дополнительного линейного фильтра-маски дает возможность получать точность контроля порядка 0,05-0,1% относительно размера детали.

Для проведения экспериментального исследования возможности допусковой разбраковки деталей путем формирования квадратичной кривой отклика был синтезирован дополнительный фильтр-маска . Он изготавливался, как и в предыдущем случае, механическим способом из алюминиевой фольги с учетом распределения интенсивности света в дифракционных порядках Фурье–спектра эталонной щели (рис.15). Фильтр представлял из себя две щели, ширина которых определялась полосой пропускания для и . Другими словами, он блокировал низкие пространственные частоты и пропускал более высокие частоты в полосе . Результат контроля подаваемой на вход коррелятора конусообразной щели с помощью комбинации фильтров и представлен на рис.16 (кривая 3). Видно, что чувствительность коррелятора повысилась и при введении порогового уровня оценки корреляционного отклика достигается допусковая разбраковка деталей. Следует отметить, что при этом существенно снижается величина интенсивности корреляционного отклика.

Приведенные экспериментальные зависимости получены в предположении точной юстировки друг относительно друга фильтров и или . В случае наличия рассогласования положения между этими фильтрами будет наблюдаться недостаточно эффективное усиление коэффициента и подавление коэффициента для фильтра и подавление нечетных коэффициентов для фильтра .

Экспериментальные и расчетные данные, иллюстрирующие действие рассогласования в положении фильтров на корреляционный отклик, приведены на рис.17,а и 17,б. Видно, что отклонение фильтра от эталонного положения больше сказывается на величине корреляционного отклика, чем отклонение фильтра . Количественная оценка влияния рассогласования при юстировке фильтров показала, что допустимое рассогласование для фильтра составляет , тогда как для фильтра оно равно .

Экспериментальные исследования возможности допусковой разбраковки изделий с помощью голографического фильтра, синтезированного методом противофазной компенсации, проводились на установке [16, 17], оптическая схема которой показана на рис.18.

Рис.19. Оптическая схема голографического фильтра с противофазной компенсацией, где:

1 — лазер, 2 — коллиматор, 3 — p –фазовая пластинка, 4 — входной узел с деталями,

5 — линза для формирования опорной волны,

6 — линза для выполнения преобразования Фурье,

7 — откидное зеркало, 8 — голографический фильтр, 9 — микроскоп.

При изготовлении фильтра использовались две исходные детали, одна из которых содержала отличительный признак. Луч лазера 1 пропускался через коллиматор 2, состоящий из микро-объектива ( увеличение), пространственного фильтра-диафрагмы и коллимирующей линзы (фокусное расстояние мм). Сформированная таким образом плоская однородная волна освещала входную плоскость 4 с исходными деталями (рис.19, б),

Рис.19. Фотографии исходных деталей и их Фурье–спектров.

симметрично расположенными относительно оптической оси системы контроля, с функциями пропускания и соответственно. При этом выполняла роль эталона "Е" , соответствующего одному допуску, а — эталону с другим допуском.

Визуальный контроль за правильностью изготовления голографического фильтра осуществлялся с помощью откидного зеркала 7 и микроскопа 9.

Процесс контроля деталей соответствовал обычному процессу согласованной фильтрации [4] и проводился на описанной выше в разделе 6.1 экспериментальной установке. На вход установки поочередно подавались контролируемые детали, находящиеся в поле допуска.

Экспериментальные исследования проводились в направлении установления зависимостей интенсивности корреляционного отклика от величины допуска и от точности размещения детали во входной плоскости при синтезе фильтра. В качестве исходных деталей при изготовлении фильтра с противофазной компенсацией использовалась деталь в виде круглого отверстия в непрозрачном экране (рис.19,а) диаметром 2,6 мм (первая экспозиция). При второй экспозиции часть отверстия затенялась экраном, образуя сегмент высотой . Во время экспериментов величина доводилась до величины 0,4 ми.

Фурье–спектры обеих деталей показаны на рис.20,б. За счет наличия отличия в деталях Фурье-спектр для круглого отверстия в виде картины Эйри изменился; в нем появились два горизонтально положенных дифракционных луча. При противофазном суммировании картины Эйри взаимно компенсируются, и в итоге на фильтре наблюдаются в основном лишь два нескомпенсированных дифракционных луча, несущих информацию об отличиях деталей.

Полученная зависимость интенсивности корреляционного отклика от текущего размера допуска контролируемой детали иллюстрируется рис.20,а. При интенсивность корреляционного отклика практически постоянна и резко спадает при . Такой характер поведения функции обусловлен тем, что фильтр состоит из двух близких по площади нескомпенсированных интерференционных картин: от части первой детали и части второй с отличием детали. Поэтому при контроле деталей, находящихся в поле допусков , интенсивность корреляционного отклика сохраняется постоянной.

Рис.20. Зависимости интенсивности корреляционного отклика от изменения размера дефекта h (а) и от смещения D d детали относительно центра опорного пучка (б).

Было установлено, что границы поля допусков контролируемых деталей могут быть изменены в широких пределах. Для этого при синтезе голографического фильтра регистрировалось определенное ограниченное число дифракционных порядков, т.е. конечный участок спектра пространственных частот. Соответствующий выбор полосы пространственных частот позволяет, при условии перекрытия соседних дифракционных порядков при двух последовательных экспозициях, реализовать контроль деталей одной и той же партии в широком диапазоне допусков с помощью всего одного фильтра. Естественно, что присущая обычным методам оптической согласованной фильтрации критичность корреляционного отклика к ориентации детали в поперечной плоскости в данном методе сохраняется. Поэтому изменение положения дефекта в контролируемой детали относительно исходного (используемого при синтезе фильтра), а также любые нарушения его ориентации приводят к пропаданию сигнала на выходе системы контроля. Это обстоятельство необходимо учитывать при практической реализации метода.

Зависимость интенсивности корреляционного отклика от точности установки детали при синтезе фильтра относительно центра опорного пучка представлена на рис.20,б. Такой характер поведения полученной кривой объясняется тем, что при смещении детали во входной плоскости фронт волны, падающей на поверхность фильтра, приобретает дополнительный фазовый набег (за счет изменяющейся по апертуре толщине линзы [18] и наличия аберраций). Выбор фокусного расстояния входной преобразующей линзы позволяет поэтому регулировать пределы допустимого смещения детали при синтезе фильтра во входной плоскости. Так, было установлено, что при использовании линз с фокусным расстоянием от 400 до 1000 мм величина изменялась в пределах от ± 0,5 до ± 1 мм.

Рис.22. Фурье-спектры на деталь без преобразования и с преобразованием информации на входе коррелятора:
а - без преобразования,    б - с преобразованием

Рис.23. Зависимость корреляционного отклика от изменения размера щели: 1 - без преобразования информации, 2 - c преобразованием информации.