ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК G01N23/02 H05G1/00 

Изобретение относится к неразрушающему контролю с помощью рентгеновского излучения и может быть использовано для контроля материалов и изделий в машиностроении, авиакосмической и оборонной технике.

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий оптический дальномер триангуляционного типа с внутренней базой /[1].

Недостатком устройства является невозможность измерения расстояния между рентгеновским излучателем и объектом при контроле объектов в полостях с размерами, меньшими базы дальномера.

Наиболее близким аналогом предлагаемому устройству является лазерный центратор, содержащий лазер, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, коллиматор для расширения лазерного пучка, два зеркала, одно из которых выполнено из оргстекла и установлено на пересечении осей рентгеновского и лазерного пучков и направляет на объект коллимированное излучение лазера для создания на его поверхности светящегося пятна, размер которого не изменяется при изменениях расстояния между рентгеновским излучателем и объектом и служит базой дальномера, состоящего из объектива коллиматора, полупрозрачного зеркала, установленного на оптической оси лазера перед объективом, которое с помощью первого зеркала в обратном ходе лучей строит в задней фокальной плоскости объектива изображение лазерного пятна на объекте, размер которого, пропорциональный расстоянию между рентгеновским излучателем и объектом, измеряется с помощью шкалы, переносится с помощью микрообъектива на поверхность ПЗС-матрицы телекамеры, которая размещается в фокальной плоскости объектива и наблюдается на видеомониторе одновременно с изображением пятна лазера [2].

Недостатки устройства - необходимость применения мощного лазера для создания высокой яркости пятна на объекте при значительных (до 100^х и более) масштабах расширения пучка коллиматора, большие габариты коллиматора, необходимые для формирования пучка с малой угловой расходимостью (порядка 10''), низкая точность оценки по шкале величины малоразмерного пятна лазера на экране видеомонитора при больших значениях расстояния между рентгеновским излучателем и объектом, а также сложность визуального наблюдения поверхности удаления объектов при больших перепадах масштаба изображения, пропорционально их удаленности от излучателя.

Для устранения этих недостатков предлагается использовать дальнометрическую систему, состоящую из двух микролазеров, оптические оси которых параллельны друг другу и оптической оси телекамеры, которые формируют на поверхности объекта две светящиеся точки, расстояние между которыми на объекте не меняется при изменениях расстояния между рентгеновским излучателем и объектом и определяет базу телевизионного дальномера с внешней базой, состоящего из панкратического объектива, в фокальной плоскости которого, совмещенного с ПЗС-матрицей телекамеры, создается изображение лазерных пятен на объекте, расстояние между которыми на экране видеомонитора поддерживается постоянным с помощью механизма изменения фокусного расстояния объектива и равным расстоянию между изображениями реперных марок, формируемых в плоскости ПЗС-матрицы с помощью полупрозрачного зеркала и оптической системы, состоящей из микрообъектива, источника света и диафрагмы с отверстиями.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана общая схема устройства (а), вид экрана видеомонитора (б) и расчетная схема выбора основных геометрооптических параметров (в).

Устройство содержит рентгеновский излучатель 1, на котором крепится корпус, в котором располагаются телекамера с панкратическим объективом 4, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два микролазера 3, 8, расположенных симметрично относительно оптической оси объектива на расстоянии В друг от друга и параллельно оси объектива, зеркало из оргстекла 2, установленное на пересечении осей симметрично рентгеновскому пучку и оптической оси панкратического объектива и направляющее на объект лучи микролазеров 5 и 8 для создания на нем дальномерной базы в виде двух светящихся точек, расстояние между которыми на объективе не меняется при изменениях расстояния между рентгеновским излучателем и объектом, полупрозрачное зеркало, установленное на оптической оси панкратического объектива между ним и ПЗС-матрицей телекамеры, с помощью которого в ее плоскостях строится с помощью оптической системы, состоящей из источника света, диафрагмы с отверстиями и микрообъектива, изображения реперных марок, расположенных на расстоянии C друг от друга и наблюдаемых на экране видеомонитора 7 одновременно с изображениями светящихся лазерных точек на объекте, расстояние между которыми (В'), пропорциональное расстоянию между рентгеновским излучателем и объектом, поддерживается постоянным и равным расстоянию (С) между марками с помощью механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива, отсчет по шкале которого в момент равенства величины В'=С непосредственно определяет текущее значение расстояния между рентгеновским излучателем и объектом.

Из анализа расчетной схемы, приведенной на чертеже (в), вытекают следующие очевидные соотношения между основными параметрами устройства: размером матрицы (А•А), минимальным и максимальным оптическими значениями (f_min и f_max) фокусного расстояния объектива и расстояниями между рентгеновским излучателем и объектом (F_max и F_min), величиной дальномерной базы (В). При расчетах принято, что, как это бывает в большинстве практических случаев, объектив телекамеры работает в режиме фокусировки на "бесконечность", т.е. F_min≥20 f_min; F_max/F_min≥f_max/f_min;
С учетом этого соотношение между параметрами устройства имеет вид

Значение коэффициента К=0,2÷0,5 выбирается из условия минимальной погрешности измерения максимального расстояния между рентгеновским излучателем и объектом F_max. При этом размер изображения дальномерной базы
Bimin

= B/β_max
минимально, а увеличение объектива равно
β_max = F_max/f_max
Величина С≥B_min выбрана равной 0,2÷0,5 с учетом реальной погрешности совмещения точек на экране монитора, состоящего из 2-3 элементов телевизионного растра. При типичном числе пикселей по строке N=600 и К=0,3 и C=200, а относительная погрешность измерения не превышает

т.е. 1%, что вполне достаточно для большинства реальных задач.

Для одного из вариантов реализованного макета устройства получены следующие значения: А=10•10 мм (1/3''), В'=100 мм, F_min=1000 мм, F_max=5000 мм, f_max= 100 мм, f_min=20 мм, К=0,2, С=2,0 мм. Шкала механизма изменения фокусного расстояния панкратического объектива нанесена на сегменте фланца ⊘ 60 мм, имела длину 100 мм и N=100 делений, нанесенных через 1 мм. При этом погрешность определения расстояния между рентгеновским излучателем и объектом F_max=5000 мм не превышала ΔF_max≤50 мм, что достаточно для практики.

Дальнейшее повышение точности возможно при использовании телевизионной автоматики.

Устройство работает следующим образом.

Оператор направляет на объект центратор и наблюдает на видеомониторе одновременно изображения светящихся лазерных точек на объекте и двух реперных марок (см.(б)). При несовпадении расстояний между марками и изображениями лазерных точек с помощью механизма изменения фокусного расстояния объектива добиваются их равенства и в момент совпадения величин С=В' (см. (б)) отсчитывают соответствующее значение расстояния между рентгеновским излучателем и объектом по шкале, связанное с механизмом изменения фокусного расстояния панкратического объектива.

ЛИТЕРАТУРА
1. Патент на изобретение 2106619 от 10.03.1998 г. Лазерный центратор для рентгеновского излучателя. Патентообладатель в/ч 75360. Авторы Гнедин М.М., Кеткович А.А., Маклашевский В.Я. и др.

2. Патент на изобретение 2136124 от 27.08.1999 г., РОСПАТЕНТ. Лазерный центратор для рентгеновского излучателя. Патентообладатель в/ч 75560. Приоритет от 19.12.96 г. Авторы: Кеткович А.А. и Маклашевский В.Я.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя содержит корпус с расположенным в нем телекамерой, оптическая ось которой параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, зеркало из оргстекла, направляющее на объект лазерные пучки, коллинеарные с рентгеновским пучком, и шкалу. Также содержит два микролазера, установленных симметрично и параллельно оптической оси телекамеры, которые с помощью первого зеркала формируют изображения лазерных пятен с постоянньм расстоянием между ними, не зависящим от расстояния до объекта, объектив телекамеры выполнен панкратическим, формирует в плоскости ПЗС-матрицы телекамеры изображения лазерных пятен на объекте, наблюдаемые на экране видеомонитора одновременно с изображением реперных марок, формируемых на ПЗС-матрице телекамеры с помощью второго зеркала, выполненного полупрозрачным, микрообъектив и диафрагму с отверстиями, освещаемыми дополнительным источником света. Объектив телекамеры содержит механизм изменения фокусного расстояния, который имеет шкалу, отградуированную непосредственно в значениях расстояния между рентгеновским излучателем и объектом, и с помощью которого добиваются равенства расстояний между изображениями лазерных пятен и реперных меток, и в этот момент считывают со шкалы объектива текущее значение расстояния между рентгеновским излучателем и объектом. Технический результат - расширение области применения, уменьшение мощности применяемого лазера и габаритов центратора, повышение точности, упрощение технологии применения центратора. 2 ил.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенной в нем телекамерой, оптическая ось которой параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, зеркало из оргстекла, установленное на пересечении осей рентгеновского пучка и оптической оси телекамеры перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющее на объект лазерные пучки, коллинеарные с рентгеновским пучком, и шкалу, отличающийся тем, что содержит два микролазера, установленные симметрично и параллельно оптической оси телекамеры на расстоянии друг от друга, которые с помощью первого зеркала формируют изображения лазерных пятен с постоянным расстоянием между ними, не зависящим от расстояния до объекта, объектив телекамеры выполнен панкратическим, формирует в плоскости ПЗС-матрицы телекамеры изображения лазерных пятен на объекте, наблюдаемые на экране видеомонитора одновременно с изображением реперных марок, формируемых на ПЗС-матрице телекамеры с помощью второго зеркала, выполненного полупрозрачным, микрообъектив и диафрагму с отверстиями, освещаемыми дополнительным источником света, объектив телекамеры содержит механизм изменения фокусного расстояния, который имеет шкалу, отградуированную непосредственно в значениях расстояния между рентгеновским излучателем и объектом, и с помощью которого добиваются равенства расстояний между изображениями лазерных пятен и реперных меток, и в этот момент считывают со шкалы объектива текущее значение расстояния между рентгеновским излучателем и объектом.