РЕНТГЕНООПТИЧЕСКИЙ ЭНДОСКОП Российский патент 2001 года по МПК G01N23/223 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий, а более конкретно - к устройствам рентгеновской и/или изотопной дефектоскопии объектов, находящихся в труднодоступных полостях.

Известно устройство для радиационного контроля объектов в труднодоступных полостях, состоящее из волоконно-оптического жгута с фоконом на входном торце, на внешней стороне которого установлен люминофор, защищенный бериллиевой фольгой от механических повреждений и посторонних засветок, объектива, установленного перед выходным торцом световода и проектирующего его изображение на фотокатод электронно-оптического усилителя яркости изображения (УЯИ), выходной экран которого с помощью светосильного объектива оптически сопряжен с мишенью черно-белой телевизионной передающей трубки, формирующей видеоизображение, наблюдаемое на экране телевизионного монитора [1].

Недостатком устройства является невозможность наблюдения на мониторе одновременно с рентгеновским оптического изображения объекта, что затрудняет ориентировку системы в процессе контроля, а также потери света при переносе изображения с выходного торца волоконно-оптического жгута на фотокатод УЯИ с помощью объектива.

Наиболее близким предложенному является переносной флюороскоп типа ФП-4, разработанный МНПО "Спектр" [2], содержащий фокон с люминофором на входном торце, состыкованный с выходным торцом фокона световод, выходной торец которого находится в контакте с волоконно-оптической шайбой фотокатодного узла УЯИ, выходной экран которого наблюдается визуально с помощью окуляра с возможностью стыковки с черно-белой системой. В этом прототипе световые потери сведены до минимума, однако принципиальным его недостатком является, как и в первом устройстве, невозможность визуального контроля ориентации рентгенооптического преобразователя относительно объекта внутри контролируемой полости.

Таким образом, существует техническая задача объединения в одном устройстве - средств визуального осмотра объекта и одновременно наблюдения его рентгеновского изображения.

Предложено решение вышеуказанной технической задачи, основанное на совместном использовании в едином устройстве - рентгенооптическом эндоскопе (РОЭ) двух оптически сопряженных каналов - канала наблюдения рентгеновского изображения объекта и канала его визуального контроля.

При этом для фотометрического выравнивания яркостей изображений оптического и рентгеновского каналов использован оптический аттенюатор, например, в виде оптического клина, а для геометрического совмещения этих изображений в плоскости ПЗС-матрицы телевизионной системы РОЭ использована коллиматорная система с оптическим выравниванием размеров изображений за счет использования объективов с фокусными расстояниями, пропорциональными размерам соответствующих изображений.

Схема РОЭ поясняется чертежом, на котором изображены источник рентгеновского излучения 1, исследуемый объект 2, а также элементы рентгенооптического и визуально-оптического каналов. РОЭ состоит из расположенных в едином корпусе и конструктивно объединенных двух оптически сопряженных систем - визуального и рентгеновского информационных каналов.

Рентгенооптический канал состоит из фокона 6 с расположенным на его торце рентгенолюминофором 5, защищенным фольгой 4, волоконно-оптического регулярного жгута 7, выходного фокона 8, состыкованного торцами со жгутом 7 и входной волоконно-оптической шайбой электронно-оптического усилителя яркости изображения (УЯИ) 9 и коллиматорного объектива 10 с фокусным расстоянием f₁, фокальная плоскость которого совпадает с выходным торцом волоконно-оптической шайбы УЯИ.

Визуально-оптический канал состоит из регулярного жгута 16, объектива 15, окуляра 19 с фокусным расстоянием f₂, установленного так, что его фокальная плоскость совпадает с выходным торцом жгута 16, и блока осветителя 21 с лампой 18, перед которой установлен оптический аттенюатор 22.

Оптическое совмещение рентгенооптического и визульно-оптического каналов на входе РОЭ осуществляется с помощью системы из полупрозрачного зеркала 3 и зеркала 14, обеспечивающих совмещение оптических осей обоих каналов. Оптическое совмещение каналов на выходе РОЭ осуществляется с помощью зеркала 11, светоделителя 20 и коллиматорного объектива 12 с фокусным расстоянием f₃, фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью фоточувствительного слоя ПЗС-матрицы 13 телевизионной системы, формирующей изображение на мониторе 23. Зеркала 11 и 20 параллельны друг другу, образуя перископическую систему и обеспечивая совпадение оптических осей объективов 10, 19 и 12.

Рентгенооптический эндоскоп работает следующим образом. При включенном источнике рентгеновского излучения 1 на люминофоре 5 возникает изображение внутренней структуры объекта 2, которое с помощью фоконов 6, 8 и регулярного волоконно-оптического жгута 7 поступает на вход УЯИ 9, усиливается по яркости в 10³ - 10⁴ раз и затем с помощью объектива 10, зеркала 11, светоделителя 20 и объектива 12 проектируется на черно-белую или цветную ПЗС-матрицу 13.

Фокусные расстояния объективов 10 и 12 выбраны такими, чтобы для системы обеспечения максимальной информационной емкости изображение выходного экрана УЯИ диаметром D полностью вмещалось в ПЗС-матрицу размером А, т.е. имеет место соотношение
f₁/f₃ = D/A,
справедливое для телецентрического хода лучей между объективами 10 и 12.

При визуальном контроле объектива, что может осуществляться как при выключенном источнике рентгеновского излучения, так и при его включенном состоянии, объект 2 освещается с помощью световода 17, зеркала 14 и полупрозрачного зеркала 3 от блока осветителя 21 с лампой 18, регулируемой по яркости аттенюатором 22. Изображение объекта в отраженном свете с помощью зеркала 3, зеркала 14, регулярного световода 16 с объективом 15, выходного объектива 19 и объектива 12 формируется на ПЗС-матрице 13 и наблюдается также на мониторе 23. Как и в случае рентгеновского канала, для обеспечения максимальной информационной емкости изображения фокусное расстояние объектива 19 выбирается из условия
f₂/f₃ = d/A,
что обеспечивает полное вписание изображения выходного торца жгута 16 в растр матрицы 13.

При работе РОЭ возможно как раздельное, так и параллельное использование рентгенооптического и визуально-оптического каналов. Методически целесообразно вначале осуществить осмотр изделия с помощью визуального канала, выбрать нужный участок контроля, а затем перейти к рентгенотелевизионному контролю. Оптимизация взаимного расположения находящегося снаружи объекта рентгеновского излучателя и входного торца РОЭ производится при этом за счет взаимных юстировочных перемещений.

Оба изображения могут записываться на видеомагнитофон, фотографироваться, вводиться в ПЭВМ с помощью стандартных средств.

На чертеже представлена упрощенная схема РОЭ, которая может быть дополнена механизмами изгиба его передней (дистальной) части с помощью традиционных устройств (тросики типа Боуден, шарнирные механизмы и т.д.), что, в случае выполнения корпуса устройства из гибкого или полужесткого металлорукава, придает ему дополнительные функциональные возможности при осмотре полостей особо сложной конфигурации.

Отмеченные преимущества определяют промышленную полезность устройства и позволяют рекомендовать его при стендовых испытаниях и эксплуатации установок с турбинными и компрессорными агрегатами.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий, а именно к устройствам рентгеновской и изотопной дефектоскопии объектов, находящихся в труднодоступных полостях. Рентгенооптический эндоскоп состоит из расположенных в едином корпусе и конструктивно объединенных двух оптически сопряженных оптических систем - визуального и рентгеновского информационных каналов. Устройство позволяет формировать, передавать и воспроизводить одновременно или последовательно рентгеновское и визуальное изображение объектов с помощью единой черно-белой телевизионной системы. Получаемые изображения полностью вписываются в растр ПЗС-матрицы телевизионной системы с помощью поликоллиматорной оптической системы с телецентрическим ходом лучей между элементами. Телевизионная система может быть выполнена на базе цветной ПЗС-матрицы и цветного монитора, что позволяет контролировать объекты по визуальному каналу в естественных цветах или спектрозональным методом, например, для спектрального контрастирования дефектов типа налетов и наплывов. Технический результат заключается в расширении технических возможностей устройства, а также в обеспечении максимальной емкости рентгеновского и оптического изображений объектов. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для комплексного рентгеновского и визуального контроля объектов, находящихся в труднодоступных полостях, содержащее корпус с расположенными в нем оптически сопряженными рентгенооптическим и визуально-оптическим каналами для проецирования изображения объекта на ПЗС-матрицу телевизионной системы, формирующую изображение на мониторе, причем рентгено-оптический канал содержит фокон с расположенным на его торце рентгенолюминофором, волоконно-оптический регулярный жгут, выходной фокон, состыкованный торцами с жгутом и входной волоконно-оптической шайбой электронно-оптического усилителя яркости, коллиматорный объектив с фокусным расстоянием f₁, фокальная плоскость которого совпадает с выходным торцом волоконно-оптической шайбы, и зеркало, визуально-оптический канал содержит объектив, регулярный жгут, окуляр с фокусным расстоянием f₂, фокальная плоскость которого совпадает с выходным торцом регулярного жгута, осветительный жгут и блок осветителя с лампой, перед которой установлен оптический аттенюатор, отличающееся тем, что оптическое совмещение каналов на входе устройства осуществляется с помощью системы, состоящей из зеркала и полупрозрачного зеркала, оптическое совмещение каналов на выходе устройства осуществляется с помощью входящего в состав рентгенооптического канала зеркала и светоделителя, а также коллиматорного объектива с фокусным расстоянием f₃, фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью фоточувствительного слоя ПЗС-матрицы телевизионной системы и осуществляющего проецирование изображения на ПЗС-матрицу, причем зеркало рентгенооптического канала и светоделитель установлены параллельно друг другу, образуя перископическую систему, и обеспечивают совпадение оптических осей коллиматорного объектива рентгено-оптического канала, окуляра визуально-оптического канала и коллиматорного объектива с фокусным расстоянием f₃, при этом фокусные расстояния f₁, f₂, f₃ удовлетворяют
следующим соотношениям: f₁/f₃ = D/А и f₂/f₃ = d/А, где D и d - размеры выходных торцов волоконно-оптической шайбы и регулярного жгута визуально-оптического канала соответственно; А - размер ПЗС-матрицы. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что телевизионная система выполнена на базе цветной ПЗС-матрицы и цветного монитора для обеспечения возможности контроля объекта по визуально-оптическому каналу в естественных цветах и/или спектрозональным методом.