магнитооптическое устройство контроля изделия

Формула изобретения

1. МАГНИТООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЯ, содержащее магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля на основе доменосодержащей пленки с одноосной магнитной анизотропией и магнитный блок, отличающееся тем, что магнитный блок выполнен в виде источника переменного и/или импульсного магнитного поля, направленного вдоль оси магнитной анизотропии, амплитуда которого превышает коэрцитивную силу доменосодержащей пленки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что доменосодержащая пленка выполнена с осью легкого намагничивания, перпендикулярной плоскости пленки.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что магнитный блок дополнительно содержит источник постоянного магнитного поля, предназначенный для намагничивания изделия параллельно его поверхности.

4. Устройство по пп. 1-3, отличающееся тем, что источник постоянного магнитного поля и источник переменного и/или импульсного магнитного поля выполнены с перекрывающимися областями локализации.

5. Устройство по пп. 1-4, отличающееся тем, что доменосодержащая пленка расположена параллельно вектору напряженности магнитного поля источника постоянного магнитного поля.

6. Устройство по пп. 1-5, отличающееся тем, что напряженность постоянного магнитного поля не превышает 4M_s(Q-1), где 4M_s и Q соответственно намагниченность насыщения и фактор качества материала доменосодержащей пленки.

7. Устройство по пп. 1-3, отличающееся тем, что источник постоянного магнитного поля и источник переменного и/или импульсного магнитного поля выполнены с неперекрывающимися областями локализации.

8. Устройство по пп. 1-7, отличающееся тем, что магнитный блок дополнительно содержит источник постоянного магнитного поля смещения, магнитосвязанного с доменосодержащей пленкой и направленного по нормали к ее плоскости.

9. Устройство по пп. 1-8, отличающееся тем, что источник переменного магнитного поля выполнен с частотой не выше 2 С/Ш, где С-скорость доменных стенок в доменосодержащей пленке, Ш-ширина доменной структуры в ней.

10. Устройство по пп. 1-9, отличающееся тем, что источник импульсного магнитного поля выполнен с длительностью импульсов не менее Ш/2С.

11. Устройство по пп. 1-10, отличающееся тем, что источник света магнитооптического блока визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля выполнен в виде источника белого света.

12. Устройство по пп. 1-10, отличающееся тем, что источник света магнитооптического блока визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля выполнен монохроматическим.

13. Устройство по пп. 11 и 12, отличающееся тем, что источник света выполнен непрерывным.

14. Устройство по пп. 11-13, отличающееся тем, что источник света выполнен импульсным.

15. Устройство по пп. 1-14, отличающееся тем, что магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля дополнительно содержит поляризатор, оптически связанный с источником света и доменосодержащей пленкой.

16. Устройство по пп. 1-15, отличающееся тем, что поляризатор выполнен в виде пленочного поляроида.

17. Устройство по пп. 1-15, отличающееся тем, что поляризатор выполнен в виде поляризационной призмы.

18. Устройство по пп. 1-17, отличающееся тем, что магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля дополнительно содержит коллиматор, оптически связанный с источником света.

19. Устройство по пп. 1-18, отличающееся тем, что магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля дополнительно содержит анализатор, оптически связанный с доменосодержащей пленкой.

20. Устройство по пп. 1-19, отличающееся тем, что анализатор выполнен в виде пленочного поляроида.

21. Устройство по пп. 1-19, отличающееся тем, что анализатор выполнен в виде поляризационной призмы.

22. Устройство по пп. 1-21, отличающееся тем, что доменосодержащая пленка нанесена на прозрачную подложку.

23. Устройство по пп. 1-22, отличающееся тем, что доменосодержащая пленка выполнена из феррит-граната.

24. Устройство по пп. 1-23, отличающееся тем, что доменосодержащая пленка выполнена из висмутсодержащего феррит-граната.

25. Устройство по пп. 1-24, отличающееся тем, что доменосодержащая пленка выполнена с фактором качества 1-1000.

26. Устройство по пп. 1-25, отличающееся тем, что на доменосодержащую пленку нанесен слой отражающего материала со стороны, противоположной источнику света.

27. Устройство по пп. 1-26, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит слой магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, магнитосвязанный с доменосодержащей пленкой.

28. Устройство по пп. 1-27, отличающееся тем, что толщина доменосодержащей пленки не превышает равновесный размер доменов в ней.

29. Устройство по пп. 1-28, отличающееся тем, что магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля дополнительно содержит блок регистрации, оптически связанный с анализатором.

30. Устройство по пп. 1-29, отличающееся тем, что блок регистрации выполнен в виде фотодетектора.

31. Устройство по пп. 1-30, отличающееся тем, что фотодетектор выполнен в виде фотоприемной матрицы.

32. Устройство по пп. 1-29, отличающееся тем, что блок регистрации выполнен в виде узла регистрации изображений.

33. Устройство по пп. 1-32, отличающееся тем, что магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля дополнительно содержит линзу, оптически связанную с доменосодержащей пленкой и блоком регистрации.

34. Устройство по пп. 1-29, отличающееся тем, что оно снабжено блоком сканирования излучения источника света по площади доменосодержащей пленки, а блок регистрации выполнен двухкоординатным.

35. Устройство по пп. 1-12, отличающееся тем, что магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля дополнительно содержит пространственный фильтр, оптически связанный с доменосодержащей пленкой и установленный между доменосодержащей пленкой и блоком регистрации.

36. Устройство по п. 35, отличающееся тем, что пространственный фильтр выполнен сменным.

37. Устройство по пп. 35 и 36, отличающееся тем, что пространственный фильтр выполнен в виде пространственно-временного модулятора света.

38. Устройство по пп. 1-37, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит узел перемещения контролируемого изделия относительно доменосодержащей пленки.

39. Устройство по пп. 1-38, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит узел прижима доменосодержащей пленки к контролируемому изделию.

40. Устройство по пп. 1-39, отличающееся тем, что доменосодержащая пленка упруго связана с корпусом устройства с помощью по крайней мере одной пружины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контролю материалов магнитными средствами и промышленно применимо в дефектоскопах и устройствах контроля изделий, содержащих магнитный рисунок, например, для контроля банкнот.

Известно магнитооптическое устройство контроля изделия, содержащее магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля на основе доменосодержащей пленки с одноосной магнитной анизотропией и магнитный блок [1] Недостатком этого устройства является низкая чувствительность, обусловленная необходимостью намагничивания пленки до насыщения.

Прототипом является известное магнитооптическое устройство контроля изделия, содержащее магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля на основе доменосодержащей пленки с одноосной магнитной анизотропией и магнитный блок [2] Недостатком прототипа является невысокая чувствительность, обусловленная необходимостью достаточно сильного намагничивания доменосодержащей пленки.

Изобретение решает задачу повышения чувствительности при контроле.

Поставленная цель достигается тем, что в известном магнитооптическом устройстве контроля изделия, содержащем магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля на основе доменосодержащей пленки с одноосной магнитной анизотропией и магнитный блок, последний выполнен в виде источника переменного и/или импульсного магнитного поля, направленного вдоль оси магнитной анизотропии, амплитуда которого превышает коэрцитивную силу доменосодержащей пленки.

В частности, доменосодержащая пленка может быть выполнена с осью легкого намагничивания, перпендикулярной плоскости пленки.

В частности, магнитный блок может дополнительно содержать источник постоянного магнитного поля, предназначенного для намагничивания изделия параллельно его поверхности, при этом источник постоянного магнитного поля и источник переменного и/или импульсного магнитного поля могут быть выполнены как с перекрывающимися, так и с неперекрывающимися областями локализации магнитного поля.

В частности, доменосодержащая пленка может быть расположена параллельно вектору напряженности магнитного поля источника постоянного магнитного поля, причем напряженность постоянного магнитного поля может не превышать 4Ms(Q-1), где 4Ms и Q намагниченность насыщения и фактор качества материала доменосодержащей пленки соответственно.

В частности, магнитный блок может дополнительно содержать источник постоянного магнитного поля смещения, магнитосвязанный с доменосодержащей пленкой, причем это поле направлено по нормали к плоскости пленки.

В частности, источник переменного магнитного поля может быть выполнен с частотой не выше 2С/Ш, где C скорость доменных стенок в доменосодержащей пленке, Ш ширина доменной структуры в ней, а источник импульсного магнитного поля может быть выполнен с длительностью импульсов не менее Ш/(2C).

В частности, источник света магнитооптического блока визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля может быть выполнен в виде источника белого света или монохроматическим, непрерывным или импульсным.

В частности, магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля может дополнительно содержать поляризатор, оптически связанный с источником света и доменосодержащей пленкой, причем поляризатор может быть выполнен в виде пленочного поляроида или поляризационной призмы.

В частности, магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля может дополнительно содержать коллиматор, оптически связанный с источником света.

В частности, магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля может дополнительно содержать анализатор, оптически связанный с доменосодержащей пленкой, причем анализатор может быть выполнен в виде пленочного поляроида или поляризационной призмы.

В частности, доменосодержащая пленка может быть нанесена на прозрачную подложку, при этом она может быть выполнена из феррит-граната, например висмутсодержащего, в том числе, с фактором качества от 1 до 1000.

В частности, на доменосодержащую пленку может быть нанесен слой отражающего материала со стороны, противоположной источнику света.

В частности, устройство может дополнительно содержать слой магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, магнитосвязанный с доменосодержащей пленкой.

В частности, толщина доменосодержащей пленки может не превышать равновесный размер доменов в ней.

В частности, магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля может дополнительно содержать блок регистрации, оптически связанный с анализатором, при этом блок регистрации может быть выполнен в виде фотодетектора, например фотоприемной матрицы, или в виде узла регистрации изображений.

В частности, магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля может дополнительно содержать линзу, оптически связанную с доменосодержащей пленкой.

В частности, устройство может быть снабжено блоком сканирования излучения источника света по площади доменосодержащей пленки, а блок регистрации может быть выполнен двухкоординатным.

В частности, магнитооптический блок визуализации и/или топографирования пространственно-неоднородного магнитного поля может дополнительно содержать пространственный фильтр, оптически связанный с доменосодержащей пленкой и установленный между доменосодержащей пленкой и блоком регистрации, при этом пространственный фильтр может быть выполнен сменным и/или в виде пространственно-временного модулятора света.

В частности, устройство может дополнительно содержать узел перемещения контролируемого изделия относительно доменосодержащей пленки и/или узел прижима доменосодержащей пленки к контролируемому изделию.

В частности, доменосодержащая пленка может быть упруго связана с корпусом устройства с помощью по крайней мере одной пружины.

Изобретение поясняется чертежом, где показана блок-схема устройства.

Магнитооптическое устройство контроля изделия содержит источник света 1, коллиматор 2, поляризатор 3, светоделитель 4, линзу 5, анализатор 6, проецирующую или фокусирующую линзу 7, доменосодержащую пленку 8, нанесенную на подложку 9, отражающий слой 10, слой магнитомягкого материала 11, изолирующий слой 12, источник импульсного магнитного поля 13, источник высокочастотного магнитного поля 14, источник переменного магнитного поля 15, источник постоянного магнитного поля 16 (элементы 9-16 расположены вблизи поверхности контролируемого изделия 17), устройство регистрации 18, устройство обработки 19 с монитором 20 и пространственный фильтр 21. На чертеже не показаны источник постоянного магнитного поля, направленного параллельно поверхности контролируемого изделия, источники питания в магнитном блоке, блок сканирования излучения источника света 1 по площади пленки 8, двухкоординатный регистратор, устройство перемещения контролируемого изделия 17 относительно пленки 8, устройство прижима пленки 8 к изделию 17, корпус устройства и пружины, с помощью которых пленка 8 связана с корпусом. Источник постоянного магнитного поля, направленного параллельно поверхности контролируемого изделия, может быть пространственно разнесен с блоком визуализации и/или топографирования и даже выполнен в виде отдельного блока, поскольку в ряде случаев из-за конечного значения коэрцитивной силы изделия 17 воздействие этого поля может по времени не совпадать с моментом контроля.

Устройство работает следующим образом.

Свет от источника 1 последовательно проходит коллиматор 2, поляризатор 3, светоделитель 4, линзу 5, с помощью которой варьируется размер светового пятна, подложку 9 и пленку 8. Затем, отразившись от свободной поверхности пленки 8 или от слоя 10, свет вновь проходит подложку 9, линзу 5, светоделитель 4, а затем анализатор 6, пространственный фильтр 21 и попадает на устройство регистрации 18. Между светоделителем 4 и устройством регистрации 21 может быть расположена линза 7 (в любом месте), которая служит для фокусирования отраженного пучка света на устройство 18 в случае его выполнения в виде фотодетектора или проецирования изображения доменной структуры и пленке 8 на устройство 18 в случае его выполнения в виде устройства регистрации изображения (фотоаппарат, теле- или видеокамера, фотоприемная матрица и т.п.). Использование светоделителя 4 не является обязательным, поскольку пространственное разделение падающего и отраженного пучков света может быть достигнуто при освещении пленки 8 под углом к ее нормали. Доменная структура в пленке 8 визуализируется с помощью магнитооптического эффекта Фарадея при факторе качества материала пленки 8 в диапазоне от 1 до 1000. Если визуализации не требуется, то интенсивность света на выходе анализатора 6 зависит от изменения доменной структуры в пленке 8, в частности, от соотношения площадей, занимаемых доменами с противоположной намагниченностью. В отсутствие внешних магнитных полей в пленке 3 обычно реализуется лабиринтная доменная структура. Воздействие магнитных полей (постоянного поля в плоскости, постоянного поля смещения, переменного или импульсного магнитного поля), формируемых магнитным блоком, на изделие 17 вызывает его намагничивание и появление магнитных полей рассеяния, которые являются неоднородными, если изделие содержит дефекты или иные неоднородности. Если изделие 17 выполнено из магнитного материала с достаточно высокой коэрцитивной силой, то магнитные поля рассеяния существуют и в отсутствие воздействия магнитного блока. Принцип действия заявляемого устройства, как и прототипа [2] основан на визуализации этих полей рассеяния или их топографировании. Достижение положительного эффекта при использовании заявляемого устройства, заключающегося в повышении чувствительности, обеспечивается тем, что в основу функционирования положен иной физический механизм. В прототипе для визуализации дефекта необходимо, чтобы амплитуда магнитных полей рассеяния была сравнима с полем насыщения пленки 8, чтобы обеспечить заметное изменение размера доменов (обычно необходимо локальное намагничивание пленки 8). В заявляемом изобретении необходимо, чтобы магнитные поля рассеяния обеспечивали закрепление доменных стенок в пленке 6, то есть их амплитуда должна быть порядка коэрцитивной силы. При наличии магнитных полей рассеяния изделия 17 приложение переменного и/или импульсного магнитного поля с помощью источников 15 и/или 13 к изделию 17, либо к пленке 8 вызывает движение доменных стенок в пленке 8. При этом амплитуда переменного и/или импульсного магнитного поля должна превышать коэрцитивную силу пленки 8, причем поле необходимо прикладывать вдоль ее оси легкого намагничивания, которая для пленок с одноосной магнитной анизотропией направлена вдоль нормали к плоскости пленки, если кристаллографическая ориентация подложки 9 совпадает с плоскостью (III), а пленка выполнена из феррит-граната. В этом случае магнитные поля рассеяния изделия 17 создают магнитостатические ловушки в пленке 8, на которых закрепляются доменные стенки (в отсутствие магнитных полей рассеяния доменные стенки движутся под действием переменного и/или импульсного магнитного поля. При времени наблюдения много больше периода этого поля из-за неповторяемости динамически доменных структур в пленке 8 закрепленные доменные стенки обеспечивают наблюдение доменной структуры), тогда как в областях, свободных от магнитостатических ловушек, доменная структура не видна. При фотоэлектрической регистрации наличие закрепления доменных стенок приводит к резкому уменьшению фотоэлектрического сигнала. Магнитные поля рассеяния максимальны, если напряженность постоянного магнитного поля, направленного параллельно поверхности изделия 17, превышает поле его намагничивания до насыщения. При этом напряженность постоянного магнитного поля, действующего в плоскости пленки 8, не должна превышать 4Ms(Q-1), поскольку при такой напряженности исчезает доменная структура. Приложение постоянного магнитного поля смещения, действующего на пленку 8, приводит к увеличению амплитуды трансляционного перемещения доменных стенок, поскольку доменная структура "разрежается", что приводит к более высокой степени неповторяемости динамических доменных структур. Чтобы существовала доменная структура в пленке 8 при наличии поля смещения, приложенного вдоль нормали к ней, должно выполняться соотношение Н_ср + Н_нас < <Н < Н_ср + Н_нас. Частота переменного магнитного поля, создаваемого источником 15, не должна быть слишком высокой, в частности, не выше 2С/Ш, поскольку в противном случае доменные стенки не успевают переместиться на достаточное расстояние и незакрепленные доменные стенки также выглядят неподвижными, как и в случае закрепления.

При визуализации доменной структуры в пленке 8 источник света 1 может быть белым, что позволяет обеспечить цветовой контраст при наблюдении доменной структуры. При фотоэлектрической регистрации, особенно при использовании пространственной фильтрации, источник света 1 целесообразно выполнять монохроматическим. При использовании источника 15 источник света 1 должен быть непрерывным, а при использовании источника 13 он может быть выполнен импульсным.

Источник переменного или импульсного магнитного поля 14 используется для снижения коэрцитивной силы в пленке 8. Его частота должна быть выше, чем у источников 13 и 15, а амплитуда порядка коэрцитивной силы.

Пленку 8 наиболее целесообразно выполнять в виде висмутсодержащей монокристаллической пленки феррит-граната, нанесенной на подложку 9 из немагнитного граната методом жидкофазной эпитаксии. При этом обеспечивается наибольшее фарадеевское вращение и контраст изображения доменной структуры. Для снижения потерь света и повышения контраста на пленку 8 наносят слой отражающего материала 10 (алюминий, золото, титан, серебро и др.). Слой 11 из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью (например, пермаллой) позволяет повысить амплитуду магнитных полей рассеяния, действующих на пленку 8. Если этот слой выполнять из материала с заметной коэрцитивной силой, то можно запомнить распределение магнитных полей рассеяния изделия 17 после выключения намагничивающего его постоянного магнитного поля.

Наибольшая чувствительность достигается, если расстояние от доменосодержащей пленки 8 до поверхности изделия 17 не превышает характерный размер или период неоднородности визуализируемого и/или топографируемого неоднородного магнитного поля, а толщина пленки 8 не превышает равновесный размер доменов в ней.

При наличии необходимости автоматизации процесса контроля используют устройство обработки 19 на базе компьютера, которое управляет работой всех блоков, в частности, подавая сигналы на включение/выключение и запоминает расположение дефектов и других неоднородностей контролируемого изделия 17. При использовании монохроматического источника света 1 имеет место дифракция света на доменной структуре пленки 8. Это позволяет дополнительно повысить чувствительность, осуществляя пространственную фильтрацию отраженного пучка света с помощью фильтра 21. В частности, при воздействии на пленку 8 магнитным полем возникают дифракционные максимумы второго порядка, которые отсутствуют в отсутствие этого поля. Пространственный фильтр 21 может быть выполнен сменным в виде набора дисков с кольцевыми прорезями. При использовании импульсного источника света 1 и/или импульсного источника 13 пространственный фильтр 21 целесообразно выполнять в виде пространственно-временного модулятора света.

При сканировании узким пучком света от источника 1 по поверхности пленки 8 и регистрации сигнала с фотодетектора 18 места закрепления доменных стенок идентифицируются как минимумы на координатной зависимости амплитуды сигнала.

Контролировали подлинность денежной купюры 100 руб. образца 1991 г. Магнитооптический блок визуализации пространственно-неоднородного магнитного поля был выполнен в виде специализированной лупы с подсветкой. Источником света 1 служила лампочка от карманного фонаря. Поляризатором 2 и анализатором 6 служили пленочные поляроиды. Использовали пленку 8 состава (Y,Lu, Bi)₃(Fe, Ga)₅O₁₂ на подложке 9 из гадолиний-галлиевого граната с ориентацией (111), толщиной 5,8 мкм, шириной доменов 12 мкм, полем насыщения 27 Э и полем одноосной магнитной анизотропии 2400 Э. На купюру 17 в плоскости воздействовали постоянным магнитным полем с напряженностью 1,5 кЭ, что обеспечивало намагничивание до насыщения магнитных частиц краски. Пленку 8 с подложкой 9, закрепленной на корпусе лупы с помощью трех пружин, прижимали к купюре 17 весом лупы. Лупа содержала источник 14 в виде катушки с внутренним диаметром 10 мм, в которую подавали переменный ток с частотой до 8 кГц. Кроме того, на пленку 8 воздействовали постоянным полем смещения напряженностью 25 Э, которое формировалось катушкой диаметром 100 мм, подключенной к источнику постоянного тока. Линза 7 формировала изображение доменной структуры с пятикратным увеличением. Оптические оси падающего и отраженного пучков света располагались под углом 45^о к плоскости пленки. Оказалось, что магнитной краской нанесена серия и номер купюры. При использовании прототипа магнитный рисунок визуализировался как небольшие вариации ширины доменов на фоне лабиринтной доменной структуры с однородной шириной. При использовании заявляемого изобретения магнитный рисунок визуализировался как область, занятая полосовыми доменами со слегка размытыми изображениями доменных стенок, на "сером" фоне с малым числом точек закрепления доменных стенок (точки закрепления совпадали с дефектами пленки). Выбор напряженности постоянного поля смещения вблизи поля смещения вблизи поля эллиптической неустойчивости цилиндрических магнитных доменов в пленке 8 обеспечивал визуализацию рисунка даже при амплитуде переменного магнитного поля, лишь вдвое превышающей коэрцитивную силу пленки 8.