ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2002 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 излучателя 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. 2136124, который 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 направляет 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 и оценивают его размер с помощью изображения линейной шкалы, деления которой оцифрованы непосредственно в фокусных расстояниях рентгеновского излучателя.

Это известное устройство не позволяет оценивать величину и форму области поверхности объекта, непосредственно облучаемую расходящимся пучком рентгеновского излучения, т. к. коллимированный лазерный пучок, используемый для определения расстояния до объекта, по форме и величине не совпадает с соответствующими параметрами концентрического с ним пучка рентгеновского излучения.

Целью изобретения является повышение точности и сокращение времени контроля, улучшение оргономических характеристик центратора и реализация визуального наблюдения поверхности объекта 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 направляет на объект коллимированный лазерный пучок, концентричный с рентгеновским пучком, шкалу, 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, дополнительно содержит световод и осветитель, причем выходной торец световода имеет размеры и форму, идентичные размерам и форме фокусного пятна рентгеновского излучателя, и установлен на оптической оси лазерного излучателя соосно с ней между первым зеркалом и объективом телескопа на расстоянии А от точки пересечении оптической оси лазерного излучателя с первым зеркалом, равном расстоянию А' от фокусного пятна рентгеновского излучателя до точки пересечения оси рентгеновского пучка с первым зеркалом, перед выходным торцом световода на его оптической оси на расстоянии К от него установлена диафрагма с отверстием радиуса R, величина которого связана с расстоянием K соотношением R = K•tgβ, где β - полуширина угла раскрытия пучка рентгеновского излучения, осветитель установлен перед входным торцом световода на его оптической оси соосно с ней, содержит полихроматический источник света, оптические фильтры и модулятор для регулировки яркости, цветности и частоты модуляции входящего в световод оптического излучения и конденсор, фокусирующий на входной торец световода пучок оптического излучения от источника света с апертурным углом α, величина которого связана с угловой апертурой световода и полушириной угла раскрытия рентгеновского пучка β соотношениями α ≥ u ≥ β. Угловая апертура световода - это максимальный угол наклона к его оптической оси лучей света, входящих и/или выходящих из него.

Экранирование световодом малой части центральной зоны лазерного пучка практически не влияет на работу лазерного измерителя фокусных расстояний, т. к. диаметр световода m<<D(m≈1 мм).

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана общая схема лазерного центратора (а) и вид экрана телевизионного монитора (б).

Лазерный центратор содержит закрепляемый на рентгеновском излучателе 1 корпус, 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.

Между первым зеркалом и объективом телескопа установлен световод 11, причем его выходной торец имеет размер и форму, идентичные размерам и форме фокусного пятна рентгеновского излучателя, и установлен на оптической оси лазерного излучателя соосно с ней на расстоянии А от точек пересечения оптической оси лазерного излучателя с первым зеркалом, равном расстоянию A' от фокусного пятна рентгеновского излучателя до точки пересечения оси рентгеновского пучка с первым зеркалом. Перед выходным торцом световода 11 установлена соосно с его оптической осью диафрагма с отверстием радиуса R. Расстояние К от диафрагмы 12 до выходного торца световода 11 связано с радиусом R диафрагмы 12 соотношением R = K•tgβ, где β - полуширина угла раскрытия рентгеновского пучка.

Перед входным торцом световода 11 на его оптической оси соосно с ней установлен осветитель 13, содержащий полихроматический источник света 18, например галогенная лампа накаливания, нейтральный ослабитель 15, и цветной светофильтр 16, и модулятор 17 для регулировки яркости и цветности и модуляции пучка оптического излучения, входящего в световод и конденсор 14 с апертурным углом u, фокусирующий излучение источника света 18 на входной торец световода 11.

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 а 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 ≫ a, 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'₀ и L''₀.

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, определяемых 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=С/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, С=10¹ 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 изображения лазерного пятна, поэтому диаметр 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.

Для визуального контроля и оценки величины и формы области поверхности объекта, непосредственно облучаемой расходящимся пучком рентгеновского излучения, включают осветитель 13 и наблюдают на объекте световое пятно, формируемое на нем с помощью первого зеркала 6 оптическим излучением, выходящим из световода 11.

В силу полной геометрической идентичности пучков рентгеновского и оптического излучения размер и форма светового пятна от световода на объекте полностью соответствуют размерам и форме области объекта, реально облучаемой рентгеновским излучателем. Благодаря отличию спектральных и яркостных характеристик пучка полихроматического оптического излучения, выходящего из световода, от аналогичных характеристик монохроматического пучка лазера область облучаемой поверхности легко идентифицируется как при визуальном, так и при телевизионном наблюдении объекта с черно-белой телекамеры. Применение цветной ПЗС-телекамеры дополнительно улучшает различение областей лазерной и полихроматической подсветки за счет их цветового контрастирования. Модуляция выходящего из световода излучения дополнительно улучшает различение областей, освещаемых лазерным и полихроматическим пучками излучения.

На чертеже,б представлен вид экрана видеоконтрольного устройства при одновременном освещении объекта полихроматическим и лазерным излучением. Возможна и последовательная подсветка объекта этими излучениями.

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и изделий, конкретнее к радиационной дефектоскопии. Техническим результатом изобретения является повышение точности и сокращение времени контроля. Для достижения технического результата известный лазерный центратор снабжен световодом и осветителем, причем выходной торец световода имеет размеры и форму, идентичные размерам и форме фокусного пятна рентгеновского излучателя, и установлен на оптической оси лазерного излучателя соосно с ней между первым зеркалом и объективом телескопа на расстоянии А от точки пересечения оптической оси лазерного излучателя с первым зеркалом, равном расстоянию А' от фокусного пятна рентгеновского излучателя до точки пересечения оси рентгеновского пучка с первым зеркалом, перед выходным торцом световода на его оптической оси на расстоянии К от него установлена диафрагма с отверстием радиуса R, величина которого связана с расстоянием К соотношением R = K•tgβ, где β- полуширина угла раскрытия пучка рентгеновского излучения, осветитель установлен перед входным торцом световода на его оптической оси соосно с ней, содержит полихроматический источник света, оптические фильтры и модулятор для регулировки яркости, цветности и частоты модуляции входящего в световод оптического излучения и конденсатор, фокусирующий на входной торец световода пучок оптического излучения от источника света с апертурным углом α, величина которого связана с угловой апертурой световода и полушириной угла раскрытия рентгеновского пучка β соотношениями α ≥ и ≥ β. 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 направляет на объект коллимированный лазерный пучок, концентричный с рентгеновским пучком, шкалу, 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, отличающийся тем, что содержит световод и осветитель, причем выходной торец световода имеет размеры и форму, идентичные размерам и форме фокусного пятна рентгеновского излучателя, и установлен на оптической оси лазерного излучателя соосно с ней между первым зеркалом и объективом телескопа на расстоянии А от точки пересечения оптической оси лазерного излучателя с первым зеркалом, равному расстоянию А' от фокусного пятна рентгеновского излучателя до точки пересечения оси пучка рентгеновского излучения с первым зеркалом, перед выходным торцом световода на его оптической оси на расстоянии К от него установлена диафрагма с отверстием радиуса R, величина которого связана с расстоянием К соотношением R = K•tgβ, где β - полуширина угла раскрытия пучка рентгеновского излучения, осветитель установлен перед входным торцом световода на его оптической оси соосно с ней, содержит источник света, оптические фильтры и модулятор для регулировки яркости, цветности и модуляции пучка оптического излучения, входящего в световод и конденсатор для фокусировки на входной торец световода пучка оптического излучения с апертурным углом α, величина которого связана с апертурным углом световода u и полушириной угла раскрытия пучка β рентгеновского излучения соотношением α ≥ u ≥ β.