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 радиационным методом в различных отраслях машиностроения, авиакосмической и оборонной технике.

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус, расположенный в нем лазер с двусторонним выходом излучения параллельно продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых установлен на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка излучателя, а второй отражатель установлен с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первого отражателя на оси выхода излучения вне проекции на нее выходного окна рентгеновского излучателя, средство индикации фокусного расстояния и две цилиндрические линзы, установленные на оси излучения лазера поперек каждого его выходного пучка, причем фокус линз выбирается из соотношения f=h/tgα, где α - угол излучения рентгеновского излучателе, h - радиус лазерного пучка [1].

Недостатком устройства является невозможность изменять фокусное расстояние при объектах, имеющих полости с размерами, меньшими его измерительной базы, а также отсутствие возможности визуального контроля изделий в участках, подвергаемых контролю.

Наиболее близким предложенному является лазерный центратор, содержащий корпус с расположенным в нем лазером, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два зеркала, с помощью которых на объект направляется лазерный пучок, расширенный с помощью установленного перед лазером телескопа. Изображение лазерного пятна на объекте проектируется объективом и полупрозрачным зеркалом на вход ПЗС-телекамеры, а размер этого изображения, измеряемого с помощью шкалы, наблюдаемой на экране телевизионной системы одновременно с изображением фокусного расстояния, определяет текущее значение фокусного расстояния.

Кроме того, использование светоделителя в оптической схеме приводит к значительной и неоправданной потере мощности оптического излучения, попадающего на ПЗС-камеры.

Недостаток данного устройства - пониженная точность измерения фокусного расстояния из-за сложности измерения малоразмерных изображений лазерного пятна на объекте при больших расстояниях до объекта, невозможность определения зоны объекта, находящейся в пучке рентгеновского излучения и его визуального наблюдения в белом свете.

Кроме того, субъективное измерение размера изображения лазерного пятна на объекте с помощью метрических шкал даст большую погрешность эргономически не оптимально.

Таким образом, существует техническая задача повышения точности определения фокусных расстояний за счет объективизации измерений размера изображения лазерного пятна на объекте, в том числе в интерактивном режиме, а также обеспечение возможности визуального определения участка объекта, находящегося в пучке рентгеновского излучателя, и его наблюдения в белом свете.

Мы предлагаем решение вышеуказанной задачи, основанное на использовании в центраторе лазерного целеуказателя, ось пучка которого совпадает с осью пучка излучателя, источника белого (полихроматического) света для подсветки объекта в пределах зоны облучения рентгеновским излучателем и лазерного дальномера с вынесенной базой, реализуемого с помощью двух малогабаритных лазеров с параллельными оптическими осями.

Поставленная цель достигается тем, что лазерный излучатель, содержащий корпус с расположенным в нем рентгеновским излучателем и телекамерой, зеркало, установленное на пересечении оптических осей рентгеновского излучателя и телекамеры, дополнительно содержит три малогабаритных лазера, оптическая ось одного из них с помощью микрозеркала, образующих систему перископа, и первого зеркала совмещена с осью рентгеновского излучателя, выполняет функцию лазерного целеуказателя, два других аналогичных лазера, оптические оси которых строго параллельны друг другу к оптической оси и расположены на фиксированном расстоянии друг от друга, с помощью установленных перед ними идентичных цилиндрических линз и первого зеркала формируют на поверхности объекта две параллельные друг другу световые полоски, определяющие величину базы дальномерной системы, а также конденсорный осветитель, состоящий из расположенных на одной оптической оси источника колихроматического оптического излучения (например, гологенной лампы), светофильтра, диафрагмы с переменным раскрытием и двух симметрично расположенных линз, формирующих сходящийся световой пучок, угловой размер которого с помощью диафрагмы устанавливается равным углу излучения рентгеновского источника и который с помощью первого микрозеркала и первого зеркала преобразуется в расходящийся световой пучок, соосный с пучком рентгеновского излучения.

Размер изображения базы (B'), наблюдаемого на экране дисплея ПЭВМ, измеряемый оператором с помощью последовательного перемещения курсора от одной полоски к другой по нормам к ним, определяет величину текущего фокусного расстояния, величина которого вычисляется программно по формуле F=C/B', где С = f_o•B - контакта дальномера, f_o - фокусное расстояние объектива, B - база дальномера (расстояние между лазерными полосками на объекте) и отображается непосредственно на дисплей.

Подобный интерактивный метод измерения предпочтительнее полностью автоматического при сложных фонах, какими являются поверхности объектов военной техники.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана общая схема лазерного центратора (а), схема формирования лазерных полосок (б) и вид экрана дисплея при измерениях фокусного расстояния (в).

Лазерный центратор содержит закрепляемый на рентгеновском излучателе 1 корпус, в котором располагаются три идентичных микролазера 5 и оптические оси которых параллельны продольной оси рентгеновского излучателя, и причем перед двумя из них расположены параллельно друг другу на равных расстояниях от оси объекта, образующих оптическую систему формирования на объекте, изображения базы дальномера и параллельных друг другу лазерных полосок, установлены цилиндрические линзы 4 для создания соответствующих плоских расходящихся пучков света, телекамеру 7 с объективом 6, ось которой параллельна осям лазеров 5 и 5'.

На пересечении оси рентгеновского пучка и оптической оси телекамеры расположено зеркало 2, выполненное из оргстекла, причем плоскость зеркала составляет угол 45^o с осью телекамеры. Перед объективом телекамеры на ее оптической оси расположено микрозеркало 3, размер проекции которого на плоскость входного зрачка объектива (2÷3 мм) существенно меньше размеров этого зрачка (80÷100 мм).

Перед объективом телекамеры, вне зон проекции лазерных лучей дальнометрической системы и пучка рентгеновского излучателя, располагается осветитель, оптическая ось которого ортогональна оптической оси телекамеры. Конденсор состоит из первого микрозеркала 3, установленного под углом 45^o к оси телекамеры, диафрагмы 6 с переменным раскрытием светового отверстия, конденсорные линзы 8 и 10, между которыми установлен светофильтр 9 для изменения интенсивности светового пучка и/или его цветности и источника света 11 (малогабаритная галогенная лампа), питаемая источником 12. Фокусы линз 8 и 10 совпадают с точкой пересечения оптических осей конденсора и телекамеры и телом накала лампы соответственно. Перед линзой 8 на ее оптической оси установлено под углом 45^o второе микрозеркало 7, образующее с первым микрозеркалом 8 перискомическую систему.

С помощью микрозеркал 7, 3 и первого зеркала 2 излучения третьего микролазера 5 соосно с осью рентгеновского пучка направляется на объект и используется для целеуказания точки пересечения этой оси с изделием.

Лазерный центратор работает следующим образом. Излучение лазеров 5 и 5' с параллельными осями, установленными симметрично оси объектива телекамеры между ним и микрозеркалом 3, с помощью цилиндрических линз 4 преобразуется в плоские расходящиеся пучки света с углом раскрытия

где D - диаметр пучка лазера, f_л - фокусное расстояние линз, которые формируют на поверхности объекта две параллельные светящиеся полоски высотой Н= 2f•tgγ и шириной l≈D, образующие базу дальномерной системы, размер которой, равный расстоянию B между осями микролазеров 5 и 5', остается постоянным при изменении фокусного расстояния F между рентгеновским излучателем и объектом. Изображение этих полосок с помощью объектива телекамеры 6 и ПЗС-матрицы 7 визуализируется на экране дисплея ПЭВМ 3.

Размер изображения В' базы дальномера и фокусное расстояние F связаны очевидным соотношением F=C/B', где С = f_o•B, где С - контакта дальномера, f_o - фокусное расстояние объектива телекамеры, B - база дальномера на объекте.

Вычисление F производится оператором в режиме, путем наведения курсора на каждую из полосок изображения и соответствующим нажатием клавиш "мыши" ПЭВМ. Величина F, рассчитанная программой, выводится на экран дисплея (чертеж, в). Предварительно дальномер калибруется путем измерения величины B' для различных известных значениях F, вводимых в память ПЭВМ.

Курсор наводится на точки пересечения изображений полосок с формулируемой программной горизонтальной линией на дисплее, ортогональной этим изображениям, что необходимо для устранения погрешности измерения за счет проективных искажений.

Перед процессом измерения данного расстояния F и в ходе его оператор осуществляет визуальный контроль поверхности изделия, правильность выбора зоны просвечивания и совмещение ее центра с осью рентгеновского пучка, освещая объект с помощью формируемого конденсором пучка света с углом раскрытия 2β, идентичного или близкого к углу раскрытия рентгеновского пучка 2α, и наблюдая за положением лазерного пятна целеуказателя.

Угол раскрытия пучка подсветки определяется формулой

где d_к и f_к - диаметр и фокус линзы 8 конденсора соответственно.

Источники информации
1. Патент РФ 2106619. Лазерный центратор. Авторы: Гнедко М.М., Кеткович А.А., Маклашевский В.Я.

2. Патент РФ 2136124. Лазерный центратор для рентгеновского излучателя.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя содержит корпус с расположенным в нем рентгеновским излучателем, зеркало, телекамеру и ПЭВМ. Также содержит осветитель и три микролазера, два из которых установлены перед объективом телекамеры, снабжены цилиндрическими линзами для формирования плоских параллельных друг другу расходящихся пучков, формирующих на поверхности объекта две параллельные полоски, расстояние между которыми определяет размер базы дальнометрической системы, состоящей из телекамеры и вычислительных систем на базе ПЭВМ. Третий лазер используется в качестве лазерного целеуказателя точки пересечения оси рентгеновского пучка с объектом и излучение которого направлено на объект с помощью зеркала и двух микрозеркал, одно из которых установлено перед объективом телекамеры, второе установлено перед передней линзой осветителя, состоящего из симметрично расположенных линз, между линзами установлены сменные светофильтры, перед первой линзой осветителя установлена диафрагма. Технический результат - повышение точности определения фокусных расстояний за счет объективизации измерений размера изображения лазерного пятна на объекте, в том числе в интерактивном режиме, обеспечение наблюдения участка объекта, находящегося в пучке рентгеновского излучателя, и его наблюдение в белом свете. 1 ил.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем рентгеновским излучателем, телекамеру, оптическая ось которой параллельна продольной оси излучателя, и зеркало, выполненное из оргстекла, установленное на пересечении оптических осей рентгеновского пучка и телекамеры, и ПЭВМ, отличается тем, что содержит осветитель и три микролазера с параллельными друг другу и оси телекамеры осями, два из которых установлены перед объективом телекамеры симметрично относительно ее оси, снабжены цилиндрическими линзами для формирования плоских параллельных друг другу расходящихся пучков, формирующих на поверхности объекта две параллельные полоски, расстояние между которыми неизменно при изменении расстояния рентгеновский излучатель - объект и определяет размер базы дальнометрической системы, состоящей из телекамеры и вычислительных систем на базе ПЭВМ, третий лазер используется в качестве лазерного целеуказателя точки пересечения оси рентгеновского пучка с объектом и излучение которого направлено на объект с помощью зеркала и двух микрозеркал, образующих систему перископа, и одно из которых установлено перед объективом телекамеры под углом 45^o к ее оси в точке, совпадающей с точкой пересечения этой оси с оптической осью осветителя, расположенного между телекамерой и зеркалом вне зоны проекции лазерных и рентгеновских пучков, второе микрозеркало установлено перед передней линзой осветителя на ее оптической оси, осветитель состоит из симметрично расположенных линз, фокус одной из которых совпадает с первым микрозеркалом, а второй - с телом накала источника света, между линзами установлены в параллельном пучке света сменные светофильтры для изменения цветности и яркости пучка света, перед первой линзой осветителя установлена диафрагма с переменным раскрытием светового отверстия, которая с помощью первого микрозеркала и зеркала на оси рентгеновского пучка формирует освещающий объект расходящийся пучок света с углом раствора 2β, близким или равным углу раствора рентгеновского пучка для обеспечения наблюдения просвечиваемой зоны объекта рентгеновским излучением с одновременным визуальным контролем его поверхности.