ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК H05G1/00 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий, конкретнее к радиационной дефектоскопии и может быть использовано при испытаниях объектов в машиностроении, авиационной технике и для измерения фокусного расстояния рентгеновского излучения до объекта, которое определяет масштаб и качество рентгеновского изображения, а также для визуального контроля совпадения оси пучка рентгеновского излучения с выбранным направлением просвечивания изделия.

Известен лазерный центратор по а.с. 1798935 [1], который содержит корпус, расположенный в нем лазер с двухсторонним выходом излучения, оптическая ось выхода излучения которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых, выполненный из оргстекла, установлен на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка излучателя с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости, задаваемой оптической осью выхода излучения лазера с осью рентгеновского пучка, а второй установлен с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первого отражателя на оптической оси выхода излучения вне проекции на нее выходного окна рентгеновского излучателя, средства индикации фокусного расстояния в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, связанного со вторым отражателем.

Это известное устройство не позволяет измерять фокусное расстояние при объектах, имеющих глубокие полости с размерами, меньшими измерительной базы его триангуляционного дальномера. Повышение его точности связано только с увеличением базы дальномера, что приводит к увеличению его габаритов. Кроме того, это устройство не позволяет визуально контролировать поверхность изделия в участках, подвергаемых рентгеновскому контролю.

Целью изобретения является повышение точности и сокращение времени измерения фокусных расстояний, упрощение конструкции центратора, улучшение его эргономических характеристик, обеспечение возможности работы с объектами, находящимися внутри полостей, и реализация визуального наблюдения их поверхностей в зоне дефектации.

Поставленная цель достигается тем, что лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазером, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два зеркала, первое из которых выполнено из оргстекла, установлено на пересечении оптических осей лазерного и рентгеновского пучков излучения, перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющее на объект коллимированный лазерный пучок, концентричный с рентгеновским пучком, и шкалу, дополнительно содержит телескоп для расширения и коллимации лазерного излучения, состоящий из микрообъектива и объектива, позволяющий посредством первого зеркала, объектива и второго зеркала, выполненного полупрозрачным, сформировать в фокальной плоскости объектива телескопа, совпадающей со шкалой, действительное изображение светящегося диска, получаемого на поверхности объекта в зоне освещения лазерным пучком, телевизионную систему, включающую телекамеру и видеоконтрольное устройство, причем шкала выполнена линейной, установлена перед лазером и расположена в фокальной плоскости объектива телескопа таким образом, что изображение шкалы и освещаемой лазерным пучком зоны объекта дополнительным микрообъективом проектируется в плоскость миниатюрной ПЗС-матрицы телекамеры, видеосигнал с которой подают на вход видеоконтрольного устройства, на экране которого наблюдают изображение лазерного пятна и оценивают его размер с помощью изображения линейной шкалы, деления которой оцифрованы непосредственно в фокусных расстояниях рентгеновского излучателя и число которых, приходящихся на изображение лазерного пятна, определяет величину фокусного расстояния рентгеновского излучателя для его конкретного положения относительно объекта.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана общая схема лазерного центратора (а) и вид его шкалы с изображением лазерного пятна на экране телевизионного монитора (б).

Лазерный центратор содержит закрепляемый на рентгеновском излучателе 1 корпус 12, в котором располагаются лазер 2 с односторонним выходом излучения, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя. Перед лазером на его оптической оси установлен телескоп, состоящий из объектива 5 и микрообъектива 3, два зеркала, первое из которых 6, выполненное из оргстекла, установлено на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка с возможностью юстировочных поворотов вокруг оси, перпендикулярной плоскости, задаваемой оптической осью выхода излучения лазера с осью рентгеновского пучка, а второе 4 выполнено полупрозрачным и установлено между объективом 5 и микрообъективом 3 телескопа под углом 45^o к оптической оси лазера. В плоскости изображения лазерного пятна, формируемого объективом 5 и полупрозрачным отражателем 4, установлена линейная шкала из стекла 7. Второй объектив 8 проектирует изображения лазерного пятна и шкалы 7 на видеопреобразователь 9 телекамеры, (например, ПЗС-матрицы), с помощью которой они наблюдаются на экране видеомонитора 10. Подсветка шкалы 7 осуществляется рассеянным на ней лазерным излучением.

Лазерный центратор работает следующим образом. Излучение лазера 1 с помощью телескопа, состоящего из микрообъектива 3 и объектива 5, расширяется до диаметра D и коллимируется для уменьшения угловой расходимости α в целях сохранения постоянства этого диаметра во всем диапазоне требуемых фокусных расстояний центратора. После отражения от первого отражателя 4 коллимированный лазерный пучок, ось которого совмещается юстировкой с осью рентгеновского пучка, направляется на объект 11 (на схеме показаны два положения объекта 1 и 11, соответствующие различным фокусным расстояниям, различающимся на величину ΔL). После отражения от диффузной поверхности объекта, лазерный пучок теряет параллельность и распространяется в обратном направлении в пределах широкого телесного угла β ≫ α, что позволяет с помощью отражателя 4, объектива 5 и полупрозрачного отражателя 6 сформировать в фокальной плоскости объектива 5, совпадающей со шкалой 7, действительное изображение светящегося диска получаемого на поверхности объекта в зоне освещения лазерным пучком. Изображения шкалы 7 и освещаемой лазерным пучком зоны объекта объективом 8 проектируются в плоскость видеопреобразователя телекамеры (например, миниатюрной ПЗС-матрицы), видеосигнал от которой подается на вход видеоконтрольного устройства 10. На экране видеоконтрольного устройства оператор наблюдает изображение лазерного пятна и оценивает его размер с помощью изображения линейной шкалы, оцифрованной непосредственно в единицах фокусного расстояния рентгеновского излучателя, например, в метрах. На чертеже (б) показаны изображения лазерного пятна для расстояния до объекта L'_O и L''_O.

Центр шкалы при юстировке центратора совмещается с оптической осью лазерного пучка, что позволяет выполнить ее симметричной для облегчения снятия показаний. Возможно выполнение шкалы в виде концентрических окружностей, а также использование обычных шкал, оцифрованных в линейных единицах (мм и т. д. ). В последнем случае для определения дистанции до объекта измеряется размер изображения лазерного пятна в делениях шкалы (сетки), число которых затем умножается на соответствующий масштабный коэффициент, определяемый при градуировке дальномера центратора.

Применение телевизионной системы повышает безопасность работы с лазерным излучением (устраняет ослепление и т.п.) и позволяет, в случае необходимости, автоматизировать процесс вычисления фокусных расстояний, например, с помощью ПЭВМ или калькулятора. Кроме того оператор может контролировать совпадение оси рентгеновского пучка с выбранным направлением просвечивания изделия, а также осуществлять визуальное наблюдение поверхности объекта в зоне, освещаемой лазерным пучком.

Для упрощения расчетов фокусных расстояний фокусное расстояние f объектива 5 выбирается из условия L≥20f, где L - минимальное расстояние до объекта.

При этом выполняется условие сохранения глубины резкости изображения во всем диапазоне измеряемых фокусных расстояний. В этом случае, согласно законам геометрической оптики, размер изображения лазерного пятна связан с расстоянием L до объекта соотношением L = C/D' (мм), где D'- размер изображения лазерного пятна (мм), С = Df - константа дальномера, D - размер (диаметр) падающего лазерного пучка (мм), f - фокусное расстояние объектива 5 (мм).

Например, для использованных в одном из вариантов конструкции центратора значение t' = 100 мм, D = 100 мм, C = 10⁴ мм², что дает при D' = 5 мм, L = 10⁴/5 = 2000 мм = 2 м, что подтверждено экспериментом.

Погрешность измерения фокусных расстояний определяется в основном погрешностью измерения величины D' изображения лазерного пятна, поэтому диаметр D лазерного пучка выбирается, исходя из цены деления сетки (шкалы). Например, при характерном значении цены деления сетки 0,1 мм и вышеперечисленных параметрах центратора (D = 100 мм, L = 2000 мм) величина ΔL составляет ≤40 мм, что достаточно для большинства практических приложений.

Погрешность может быть понижена за счет цифровой обработки изображения на ЭВМ и применения более точных шкал.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя содержит корпус с расположенным в нем лазером, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два зеркала, первое из которых выполнено из оргстекла, установлено на пересечении оптических осей лазерного и рентгеновского пучков излучения, перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющее на объект коллимированный лазерный пучок, концентричный с рентгеновским пучком, шкалу, телескоп, состоящий из микрообъектива и объектива, позволяющий посредством первого зеркала объектива и второго зеркала, выполненного полупрозрачным, сформировать в фокальной плоскости объектива телескопа, совпадающей с линейной шкалой из стекла, действительное изображение светящегося диска, получаемого на поверхности объекта в зоне освещения лазерным пучком, изображение шкалы и освещаемой лазерным пучком зоны объекта проектируется в плоскость миниатюрной ПЗС-матрицы телекамеры, видеосигнал с которой подают на вход видеоконтрольного устройства, на экране которого наблюдают изображение лазерного пятна, размер которого определяет величину фокусного расстояния рентгеновского излучателя для его конкретного положения относительно объекта. Технический результат заключается в повышении точности и сокращении времени измерения фокусных расстояний, упрощении конструкции, улучшении его эргономических характеристик, обеспечении возможности работы с объектами, находящимися внутри полостей, и реализации визуального наблюдения их поверхностей в зоне дефектации. 1 ил.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазером, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два зеркала, первое из которых выполнено из оргстекла, установлено на пересечении оптических осей лазерного и рентгеновского пучков излучения, перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющее на объект коллимированный лазерный пучок, концентричный с рентгеновским пучком, и шкалу, отличающийся тем, что содержит телескоп для расширения и коллимации лазерного излучения, состоящий из микрообъектива и объектива, позволяющий посредством первого зеркала, объектива и второго зеркала, выполненного полупрозрачным, сформировать в фокальной плоскости объектива телескопа, совпадающей со шкалой, действительное изображение светящегося диска, получаемого на поверхности объекта в зоне освещения лазерным пучком, телевизионную систему, включающую телекамеру и видеоконтрольное устройство, причем шкала выполнена линейной, установлена перед лазером и расположена в фокальной плоскости объектива телескопа таким образом, что изображение шкалы и освещаемой лазерным пучком зоны объекта дополнительным микрообъективом проектируется в плоскость миниатюрной ПЗС-матрицы телекамеры, видеосигнал с которой подают на вход видеоконтрольного устройства, на экране которого наблюдают изображение лазерного пятна и оценивают его размер с помощью изображения линейной шкалы, деления которой оцифрованы непосредственно в фокусных расстояниях рентгеновского излучателя и число которых, приходящихся на изображение лазерного пятна, определяет величину фокусного расстояния рентгеновского излучателя для его конкретного положения относительно объекта.