Методические указания
к лабораторным работам по курсу
"Оптический контроль"
для студентов специальности 7. 090903
"приборы неразрушающего контроля для технической и медицинской
диагностики"
Утверждено на заседании редакционно – методического совета Харьковского государственного
политехнического университета.
Протокол № 2 от 16.06.99
ХАРЬКОВ ХГПУ 1999
УДК 535.8
методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу "оптичний контроль" для студентів спеціальності 7.090903 "прилади неруйнівного контролю для технічної та медичної діагностики" / О.П. Сук, В.В. Муссіл,
К.Т. Лемешевська та інші. За редакцією О.П. Сук. / Харків: ХДПУ, 1999.
– 52 с. Рос. мовою.
Укладачі Сук О.П.
Муссіл В.В.
Лемешевська К.Т.
Меньшова І.І.
Гнесь Н.О.
Пилипенко В.В.
Овчаренко О.П.
За редакцією О.П. Сук.
Рецензент В.П. Себко
Кафедра загальної та експериментальної фізики
предисловие
Настоящие методические указания охватывают все работы лабораторного практикума по курсу «Оптический контроль» для специальности 7.090903 “Приборы и методы неразрушающего контроля для технической и медицинской диагностики” электромашиностроительного факультета ХГПУ. Дисциплина "Оптический контроль" является одной из профильных для данной специальности. Она должна обеспечить теоретическую и инженерную подготовку специалиста для внедрения методов, алгоритмов и способов оптического неразрушающего контроля в системы технической и медицинской диагностики, в том числе при изучении смежных дисциплин, а также дипломного проектирования.
Предметом дисциплины является изучение физических основ методов, алгоритмов, а также первичных преобразователей, приборов и систем оптического неразрушающего контроля с целью выделения информационных диагностических параметров и на этой основе принятия решений относительно результатов контроля геометрических, физических и химических характеристик объектов контроля, дефектов их структуры и свойств, а также причин возникновения этих нарушений.
Целью дисциплины является получение студентами теоретических знаний по физическим основам методов, алгоритмов и способов оптического неразрушающего контроля; получение студентами теоретических знаний и практических навыков по методам обработки экспериментальных данных в процессе диагностики параметров исследуемых систем; получение студентами знаний в сфере практического использования способов оптического неразрушающего контроля, в том числе по принципам действия основных типов систем и приборов, которые здесь применяются.
Лабораторные работы призваны помочь в овладении принципом действия ряда устройств и приборов, являющихся основными элементами типичных систем оптического неразрушающего контроля, а также особенностями методов обработки результатов оптического неразрушающего контроля. Кроме того, выполнение указанных работ позволит приобрести начальные навыки разработки и реализации экспериментальных алгоритмов с применением оптического неразрушающего контроля и анализа результатов контроля с целью выделения диагностической информации и коррекции алгоритма контроля.
Лабораторный практикум подготовлен преподавателями кафедры общей и экспериментальной физики и реализован на ее оборудовании. Однако, в отличие от работ физического практикума, основной методический акцент сделан не на исследовании физических законов и эффектов, а на устройстве и работе конкретных приборов, а также их применении в диагностических системах.
Описания работ подготовлены коллективом авторов. Работы 1, 2 и 4 подготовил А.Ф. Сук, 3 – И.И. Меньшова; 5 – В.В. Муссил и Е.Т. Лемешевская; 6 – В.В. Муссил, Е.Т. Лемешевская, В.В. Пилипенко, А.П. Овчаренко (ХГУ). Н.О. Гнесь принимала участие в постановке и модернизации работ 1, 2, 3 и 4. Общую редакцию текстов работ выполнил А.Ф. Сук, оформление их описаний – А.Ф. Сук (работы 1 – 4) и Е.Т. Лемешевская (работы 5 и 6); компоновка и оформление всего издания произведены Е.Т. Лемешевской.
Лабораторная работа № 1
Изучение свойств зрения
Цель работы - изучение свойств зрения и исследование поля зрения с помощью кампиметрического метода.
Зрение является для человека основным источником сведений об окружающем мире. Особенно важно правильно использовать свойства зрения оператора при работе с приборами визуального оптического неразрушающего контроля (ОНК) (микроскопами, проекторами, эндоскопами, телевизионными системами и др.).
Зрение - это сложный процесс, включающий в себя сканирующие, фокусировочные и адаптационные (изменение диаметра зрачка) движения глаз и обработку зрительной информации в мозгу человека.
Анатомически человеческий глаз (греч. 
, лат. осulus)
(рис. 1.1) состоит из глазного яблока, его защитных частей (глазницы и век) и придатков (слезного и двигательного аппарата).
Непосредственным датчиком оптической информации является глазное яблоко. Оно имеет сложное строение и состоит из образований, которые с функциональной точки зрения можно разделить на четыре группы:
1) капсула глаза, т.е. наружная оболочка глазного яблока (склера 3, роговица 5); 2) сосудистый тракт; 3) светочувствительный аппарат (сетчатка 9 и зрительный нерв 1);
4) светопреломляющий аппарат (роговица 5, водянистая влага, хрусталик 12, стекловидное тело 13).
В зависимости от того, какая часть сетчатки принимает участие в световосприятии различают центральное и периферическое зрение.
Центральное зрение - это зрение желтого пятна, т.е. наиболее чувствительного места сетчатки (при дневном освещении). Желтое пятно расположено вокруг центральной ямки (на рис. 1.1 обозначено цифрой 10) и имеет размеры: по горизонтали 1¸3мм, по вертикали - 0,8 мм. Центральное зрение определяет остроту зрения.
Функция сетчатки вне желтого пятна - периферическое зрение. Оно служит нам в основном для ориентировки в пространстве, так как при нем человек видит предметы значительно менее четко, различая в них мало деталей. В зоне периферического зрения особенно хорошо видны движущиеся предметы. Ощущение цвета в этой зоне значительно ослаблено.
С оптической точки зрения глаз является центрированной оптической системой, состоящей из двух линз: роговицы и хрусталика, которые разделены передней камерой, заполненной водянистой влагой. Передняя поверхность роговицы граничит с воздухом, а между хрусталиком и сетчаткой расположено стекловидное тело. Роль апертурной диафрагмы в глазу выполняет зрачок.
Оптические параметры глаза у разных людей разные, поэтому при точных расчетах визуально-оптических систем используют их средние значения (глаз с такими параметрами называется схематическим).
Однако в 
большинстве расчетов достаточно использовать еще более упрощенную модель, называемую редуцированным глазом. Эта модель получается при следующих предположениях: все преломляющие поверхности глаза можно заменить одной эквивалентной преломляющей поверхностью, которая разделяет воздух и стекловидное тело; так как расстояние между главными точками редуцированного глаза мало, то их можно считать совпадающими. Геометрические и оптические параметры редуцированного глаза указаны на рис. 1.2 (отрицательные знаки фокусного расстояния f и радиуса кривизны склеры обусловлены правилом знаков в геометрической оптике).
Укажем основные характеристики зрения, знание которых необходимо для конструирования и использования систем ОНК.
Разрешающая способность зрения e - это его способность различать мелкие детали изображения. Она зависит от освещенности, цвета, контрастности отдельных деталей и времени наблюдения объекта контроля (ОК).
Разрешающая способность максимальна в белом или желто-зеленом свете при яркости l от 10 кд/м2 до 100 кд/м2, высоком контрасте изображения (
) и достаточном времени наблюдения (от 5 с до 20 с).
Угловая разрешающая способность глаза 
равна минимальному углу между деталями изображения, которые он различает, и для нормального глаза составляет около 
, когда ОК находится на расстоянии наилучшего видения (= 0,25 м), а условия наблюдения соответствуют максимуму e.
Линейное разрешение глаза е в плоскости ОК равно 
мм.
Стереоскопическое разрешение глаза, т.е. способность раздельно различать по глубине детали ОК, составляет примерно 5 ¸ 10" для оптимальных условий наблюдения, указанных выше.
Глаз способен различать большое количество цветов, что широко используется в колориметрических системах ОНК. Экспериментально оценку цветовосприятия производят с помощью специальных атласов, состоящих из пластинок разного цвета. Согласно рекомендациям Международной комиссии по освещению (МКО) характеристики цветовосприятия выражаются через трихроматические координаты x, у, z, определяемые равенствами:
где - 
- колорометрические функции МКО [3], а функция 
зависит от вида объекта и спектральных коэффициентов отражения (для поверхностей), пропускания (для фильтров) и энергетической яркости (несамосветящихся тел).
Существенным параметром глаза является его время инерции (время срабатывания). Оно составляет около 0,1 с.
Важнейшая характеристика зрения - контрастная чувствительность
, где D L - минимальная обнаруживаемая разность освещенностей
объекта и фона, L0 - сумма указанных освещенностей. Минимальное значение этой характеристики kmin = 0,01 достигается при освещенности от
10 кд/м2 до 100 кд/м2 в зеленом свете и угловом размере объекта более 1°.
Качество изображения дефекта, определяющее его выявляемость, называется видимостью: V = k/kmin, где k и kmin - фактический и минимальный в данных условиях контрасты, соответственно.
Методика выполнения работы
В настоящей работе экспериментально исследуется периферическое зрение. Такое исследование обычно сводится к изучению поля зрения.
Полем зрения называется то пространство, которое видит неподвижный глаз. Поле зрения глаза составляет примерно 125х160° (180° по горизонту для обоих глаз). При этом зона четкого видения (центральное зрение) составляет около 2°.
При исследовании поля зрения вначале устанавливают его границы, а затем наличие ограниченных дефектов.
Способ исследования поля зрения весьма прост: во время фиксирования глазом какой-нибудь точки нужно отметить тот момент, когда человек увидит белый объект, который передвигается с периферии к центру. Исследование поля зрения путем проекции его на плоскость называется кампиметрией (способом Бьеррума). Кампиметром может служить любая гладкая, не блестящая черная (темная) поверхность.
Однако этот способ имеет и недостатки. В частности, не все точки поверхности сетчатки могут найти себе место на плоскости кампиметра, а размеры изображений дефектов на этой плоскости сложно и нелинейно связаны с их истинными размерами на поверхности сетчатки. Поэтому кампиметрией пользуются только для исследования части поля зрения в пределах до 30-40° от центра в целях нахождения дефектов, расположенных вблизи центра (парацентральных).
Дефекты в поле зрения, имеющие вид островков различной величины и формы, называются скотомами. Нужно иметь в виду, что и в норме в каждом поле зрения имеется скотома, известная под названием слепого пятна, открытого Мариоттом в 1663 г. Этот дефект обусловлен тем, что сетчатка на месте выхода зрительного нерва лишена зрительных элементов.
Различают абсолютные и относительные скотомы. При абсолютной скотоме на белый цвет в ее пределах отсутствует всякое ощущение, при относительной - зрительная функция только понижена. Например, белые объекты кажутся серыми, способность различать цвета утрачивается, ощущение же белого цвета остается. Кроме того, скотомы бывают положительные (человек сам замечает свой дефект в виде темного пятна) и отрицательные (обнаруживаются при кампиметрии).
Порядок выполнения работы
Работа выполняется двумя студентами, один из которых играет роль исследователя (врача), а другой - исследуемого (больного).
1 
Исследуемый располагается перед кампиметром, т.е. темной гладкой не блестящей доской размером 2х2 м (рис.1.3) на расстоянии 1-2 м. Он закрывает рукой один глаз, а другой фиксирует на белом крестике, расположенном в центре доски.
2 Исследователь берет в руку короткую указку, на конце которой расположен маленький белый шарик размером 3-5мм, и передвигает его от периферии к центру или от центра к периферии, а затем вдоль радиальных линий, изображенных на рис.1.4, и отмечает мелом момент исчезновения и нового появления шарика. В результате на доске появится очертание скотомы.
3 Повторить п.2 при другом закрытом глазе испытуемого.
4 
Прикрепить к кампиметрической пластинке Самойлова (рис. 1.4), т.е. прямоугольной пластинке из плексигласа размером 13х15 см с нанесенной схемой регистрации скотом, листок кальки и перенести на него схему регистрации.
5 Взять в руки пластинку и, зажмурив один глаз, установить ее таким образом, чтобы точка фиксации (крестик) совпала с ее центром и одновременно совпали белая линия на доске (45 см вниз от крестика) и соответствующая горизонтальная линия на пластинке (4,5 см от ее центра).
6 Срисовать скотому на кальку.
7 Повторить п.п. 4 - 6 при другом закрытом глазе испытуемого.
8 Оценить качество поля зрения испытуемого, имея в виду, что размер нормального слепого пятна по горизонтальной линии 6°, а по вертикальной - максимальный размер до 9°.
Лабораторная работа № 2
