Лазерный центратор для рентгеновского излучателя

Изобретение относится к области неразрушающего контроля объектов с использованием рентгеновского излучения. Устройство включает в себя лазер с двухсторонним выходом излучения, два отражателя, один из которых установлен на пересечении оптических осей лазерного и рентгеновского пучков, а второй - за вторым выходным окном лазера, средство индикации расстояния. Особенностью устройства является наличие кольцевого осветителя, установленного в плоскости, проходящей через точку пересечения осей лазера и рентгеновского пучка перпендикулярно последней. Телекамера телевизионной системы расположена в плоскости расположения кольцевого осветителя, перед телекамерой расположены два дополнительных отражателя, имеющие неселективную спектральную характеристику, первый из которых выполнен полупрозрачным, отражающие грани отражателей параллельны друг другу и ориентированы под углом 45° к оси телекамеры, перед отражателями расположены узкополосные оптические фильтры, спектральные характеристики которых не перекрываются и выбираются из условия пропускания излучения либо лазера центратора, либо светодиодов кольцевого осветителя. Техническим результатом изобретения является возможность измерения больших расстояний и высокая контрастность лазерных полос, 1 ил.

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю с использованием рентгеновского излучения и может быть применено для контроля материалов и изделий радиационным методом в различных областях авиакосмической техники, оборонной промышленности и машиностроения.

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус, расположенный в нем лазер с двусторонним выходом излучения, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых выполнен из оргстекла и установлен на пересечении оси лазера с осью рентгеновского пучка, а второй установлен на оси лазера вне проекции на него выходного окна рентгеновского излучателя с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости, задаваемой осью лазера и осью рентгеновского пучка, заслонку для прерывания лазерного пучка от второго отражателя, средство индикации расстояния от рентгеновского излучателя до объекта в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, центратор снабжен двумя цилиндрическими линзами, установленными на оси лазера перед его выходными окнами с возможностью вращения относительно оси лазера и формующие на объекте контроля изображение светящихся полос, образующих либо перекрестие, используемое для наведения центратора на объект контроля, либо систему двух параллельных полос, расстояние между которыми пропорционально расстоянию от объекта до рентгеновского излучателя, величина которого считывается по шкале указателя средства индикации расстояния до объекта в момент совмещения этих параллельных полос за счет вращения второго отражателя. Фокусное расстояние цилиндрических линз выбирается из соотношения f'=h/tgα , где h - радиус лазерного пучка, α - угол расходимости рентгеновского пучка [1].

Недостаток данного устройства - отсутствие оптической или телевизионной системы для наблюдения объектов при значительных расстояниях до него (3-5 м), часто встречающихся на практике. Например, при расстоянии до объекта L=3000 мм линейное разрешение глаза в плоскости объекта не превышает Δ х=L· Δ α =3· 10³·3· 10^-4=1 мм, что на порядок ниже разрешающей способности глаза в оптимальных условиях, равной 0,1 мм при расстоянии до объекта 250 мм (Δ α =1'=3· 10^-4 - угловое разрешение глаза) [2]. Т.е. при таких расстояниях необходима система с 10-кратным или большим увеличением.

Кроме того, поскольку яркость лазерных полос практически постоянна, а яркость фона при работе в полевых условиях может изменяться в сотни раз, (солнечные засветки или, напротив, работа в сумерках), то их контраст на фоне поверхности объекта, также меняется в больших пределах - от практически абсолютного контраста (К=1) при работе в ночное время до практически полного исчезновения (нулевой контраст) при работе в условиях интенсивной солнечной подсветки. Эти факторы приводят к ухудшению пороговых значений характеристик зрения оператора (контрастная чувствительность, разрешающая способность и т.п.) и, как следствие, снижению зрительной работоспособности оператора, падению точности измерений.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Для этого в центратор дополнительно введены кольцевой осветитель, установленный в плоскости, перпендикулярной оси рентгеновского пучка, симметрично относительно нее, осветитель состоит из расположенных в его корпусе светодиодов, оптические оси которых параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка, угол расходимости конических пучков излучения светодиодов, направленных на объект контроля, равен α _с≥α _р, где α _р - угол расходимости рентгеновского пучка, светодиоды расположены вне зоны распространения рентгеновского пучка, внутренний диаметр кольцевого осветителя определяется соотношением D_c≥D_p, где D_p - диаметр сечения рентгеновского пучка в плоскости размещения осветителя, центратор дополнительно содержит также телевизионную систему, состоящую из цветной телекамеры с объективом переменного фокусного расстояния и цветного жидкокристаллического или иного типа дисплея, телекамера размещена вне зоны раскрытия рентгеновского пучка в плоскости расположения светодиодного осветителя, при этом оптическая ось объектива телекамеры располагается в плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков, и перпендикулярна оси рентгеновского пучка, перед объективом телекамеры на ее оптической оси расположены два дополнительных отражателя, первый из которых, располагается непосредственно перед объективом телекамеры, выполнен полупрозрачным, оба отражателя имеют неселективную спектральную характеристику в области спектральной чувствительности телекамеры, отражающие грани обоих дополнительных отражателей параллельны друг другу и ориентированы под углом 45° к оси объектива телекамеры, перед отражателями расположены узкополосные оптические фильтры, спектральные характеристики пропускания которых находятся в области спектральной чувствительности телекамеры, но не перекрываются друг с другом и выбираются из условия пропускания каждым из фильтров только одного спектрального диапазона, соответствующего либо излучению лазера центратора, либо излучению светодиодов кольцевого осветителя, оптические оси пучков света, проходящих через центры отражателей на их входе параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка, и расположены на расстоянии t≥ D_o, где Do - диаметр объектива телекамеры, минимальное значение фокусного расстояния объектива телекамеры выбирается из условия где А - размер ПЗС-матрицы телекамеры, α _р - угол расходимости рентгеновского пучка, а максимальное значение фокусного расстояния выбирается из условия L_min≥30 f_max, где L_min - минимальное значение расстояния от рентгеновского излучателя до объекта, что обеспечивает равномасштабность обоих спектральных изображений объекта проектируемых объективом на ПЗС-матрицу с помощью дополнительного отражателя.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана схема устройства. Центратор содержит рентгеновский излучатель 1, к которому крепится корпус 2 с расположенным в нем лазером 3 с двухсторонним выходом излучения с длиной волны излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучения, два отражателя, первый из которых 4 выполнен из оргстекла и расположен на пересечении осей рентгеновского 7 и лазерного 8 пучков, второй 5 расположен на оси 9 лазера перед его вторым выходным окном и установлен с возможностью вращения относительно оси, перпендикулярной плоскости, задаваемой оптической осью лазера и осью 7 рентгеновского пучка две цилиндрические линзы 12 и 13, установленные на оси лазера, соответственно между отражателем 4 и лазером 3 и между лазером и вторым отражателем 5, светодиодный осветитель 14 кольцевой формы, установленный в плоскости, перпендикулярной оси рентгеновского пучка и совпадающей с плоскостью, в которой расположен светоделитель кольцевого осветителя (светодиоды излучают в узкой спектральной области λ ₂, расположенной вне спектральной области излучения лазера λ ₁, оптические оси светодиодов кольцевого осветителя параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка, угол расходимости конических пучков излучения светодиодов α _с≥α _р, где α _p - угол расходимости рентгеновского пучка.

Рядом с кольцевым светодиодным осветителем 14 вне зоны распространения рентгеновского пучка расположена телекамера, состоящая из цветной ПЗС-матрицы 20, объектива 19 и расположенных перед ним на его оптической оси двух дополнительных отражателей 15 и 16, первый из которых 15 выполнен полупрозрачным. Отражающие грани отражателей параллельны друг другу и наклонены под углом 45° к оси объектива. Отражающие покрытия отражателей имеют неселективные спектральные характеристики в диапазоне спектральной чувствительности ПЗС-матрицы. Перед отражателями установлены узкополосные светофильтры 17 и 18, каждый из которых пропускает излучение либо лазера центратора, либо светодиодов. Спектральные характеристики светофильтров не перекрываются друг с другом. Цветной дисплей 21 предназначен для одновременной визуализации двух разноспектральных изображений - лазерных полосок на поверхности объекта и собственно поверхности объекта, освещаемой светодиодами. Эти изображения формируются объективом 19 на ПЗС-матрице с помощью дополнительных отражателей с селективными узкополосными фильтрами.

Лазерный центратор работает следующим образом.

Оператор наблюдает на экране дисплея наложенные друг на друга изображения поверхности объекта и лазерных полосок на ней, цветность которых соответствует спектрам излучения лазера и светодиодов.

Минимальное фокусное расстояние объектива телекамеры выбирается из соотношения где α _р - угол расходимости рентгеновского пучка, А - размер ПЗС-матрицы. При этом линейное зрение объектива телекамеры соответствует участку объекта, просвечиваемого рентгеновским излучением, что необходимо для правильного наведения рентгеновского излучателя на объект.

Максимальное фокусное расстояние объектива выбирается из условия L_min≥30 f_max, где L_min - минимальное расстояние от объекта до рентгеновского излучателя. При этом объектив всегда работает в режиме фокусировки на бесконечно удаленный объект, что обеспечивает отсутствие дефокусировки при изменении расстояния до объекта и обеспечивает равномасштабность обоих спектральных изображений объекта в плоскости ПЗС-матрицы.

После наведения рентгеновского излучателя на объект и выбора нужной зоны контроля оператор производит измерение расстояния от излучателя до объекта, совмещая изображение лазерных полосок за счет вращения отражателя 5 и производит соответствующий отсчет по шкале 11.

При этом оператор может изменять фокусное расстояние объектива, добиваясь комфортных для него условий измерения и/или визуального контроля объекта.

Поскольку угол расходимости излучения светодиодов всегда равен или больше угла расходимости рентгеновского пучка, а расположен осветитель на расстоянии от объекта практически на том же расстоянии, что и рентгеновский излучатель, на объекте при любом расстоянии до него освещается участок, соответствующий зоне его просвечивания рентгеновским излучением. Кольцевое расположение светодиодов обеспечивает равномерность подсветки.

Расположение оси объектива телекамеры в плоскости, совпадающей с плоскостью распространения плоских лазерных пучков, формируемых цилиндрическими линзами центратора, позволяет исключить параллактические смещения лазерных полосок при их совмещении.

Существенно, что предложенная система совмещения разноцентральных изображений, каждое из которых формируется излучением практически монохроматических источников (лазер и светодиоды), в сочетании с адекватными узкополосными фильтрами на входе оптической системы телекамеры, позволяет практически полностью исключить влияние колебаний интенсивности полихроматического фонового излучения, например солнечного, на яркость этих изображений, обеспечивая константность условий контроля.

Литература

1. Патент РФ №2106619, Лазерный центратор.

2. Мешков В.В. Основы светотехники, 2-е изд. М.: Машиностроение, 1986, стр.450.

Лазерный центратор, содержащий корпус с расположенньм в нем лазером с двусторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, один из которых выполнен из оргстекла и установлен на пересечении осей рентгеновского и лазерного пучков перпендикулярно образованной осями лазерного и рентгеновского пучков плоскости, а второй установлен за вторым выходным окном излучения лазера на его оси с возможностью вращения вокруг оси, параллельной оси вращения первого отражателя, индикатор расстояний между рентгеновским излучателем и объектом, состоящий из шкалы, закрепленной на корпусе центратора, и указателя, связанного со вторым отражателем, две цилиндрические линзы, расположенные на оси лазера соответственно между первым отражателем и лазером и между лазером и вторым отражателем, и формирующих на объекте две параллельные лазерные полоски, одна из которых неподвижна и проходит через точку пересечения оси рентгеновского пучка с объектом, а вторая перемещается параллельно первой при вращении второго отражателя до момента их совмещения, в который снимают по шкале значение расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, фокусные расстояния цилиндрических линз соответствуют условию f=h/tgα , где h - радиус лазерного пучка, α - угол расходимости рентгеновского пучка, отличающийся тем, что в центратор дополнительно введен кольцевой осветитель, установленный в плоскости, проходящей через точку пересечения осей лазера и рентгеновского пучка, перпендикулярной оси рентгеновского пучка, симметрично относительно нее, осветитель состоит из расположенных в его корпусе светодиодов, оптические оси которых параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка, угол расходимости конических пучков излучения светодиодов, направленных на объект контроля, равен α _с≥α _р, где α _p - угол расходимости рентгеновского пучка, светодиоды расположены вне зоны распространения рентгеновского пучка, внутренний диаметр кольцевого осветителя определяется соотношением D_с≥D_р, где D_p - диаметр сечения рентгеновского пучка в плоскости размещения осветителя, центратор дополнительно содержит также телевизионную систему, состоящую из цветной телекамеры с объективом переменного фокусного расстояния и цветного жидкокристаллического или иного типа дисплея, телекамера размещена вне зоны распространения рентгеновского пучка в плоскости расположения кольцевого осветителя, при этом оптическая ось объектива телекамеры располагается в плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков, и перпендикулярна оси рентгеновского пучка, перед объективом телекамеры на ее оптической оси расположены два дополнительных отражателя, первый из которых располагается непосредственно перед объективом телекамеры, выполнен полупрозрачным, оба отражателя имеют неселективную спектральную характеристику в области спектральной чувствительности телекамеры, отражающие грани обоих дополнительных отражателей параллельны друг другу и ориентированы под углом 45° к оси объектива телекамеры, перед отражателями расположены узкополосные оптические фильтры, спектральные характеристики пропускания которых находятся в области спектральной чувствительности телекамеры, но не перекрываются друг другом и выбираются из условия пропускания каждым из фильтров только одного спектрального диапазона, соответствующего либо излучению лазера центратора, либо излучению светодиодов кольцевого осветителя, оптические оси пучков света, проходящих через центры отражателей на их входе, параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка и расположены на расстоянии t≥ D_о, где D_o - диаметр объектива телекамеры, минимальное значение фокусного расстояния объектива телекамеры выбирается из условия

где А - размер ПЗС-матрицы телекамеры, α _р - угол расходимости рентгеновского пучка,

а максимальное значение фокусного расстояния выбирается из условия L_min≥30 f_max, где L_min - минимальное значение расстояния от рентгеновского излучателя до объекта, что обеспечивает равномасштабность обоих спектральных изображений объекта, проектируемых объективом на ПЗС-матрицу с помощью дополнительных отражателей.