ЛАЗЕРНЫЙ АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК G01N23/02 H05G1/00 

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

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазера, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два зеркала, первое из которых выполнено из оргстекла, установлено на пересечении осей лазерного и рентгеновского пучков излучения перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющее на объект коллимированный лазерный пучок телескоп для расширения лазерного пучка, второе зеркало, выполненное полупрозрачным и установленное между объективом и окуляром телескопа, телевизионную систему и шкалу, позволяющую оценить расстояние до объекта по размеру изображения лазерного пятна, сформированного на его поверхности телескопом [1].

Недостаток устройства - отсутствие возможности контроля перпендикулярности оси рентгеновского пучка к поверхности контролируемого объекта, что необходимо, например, при радиографическом контроле сотовых панелей авиационных конструкций.

Для устранения этого недостатка нами предлагается ввести в оптическую систему центратора дополнительное плоское зеркало, закрепляемое на объекте в области его поверхности, освещаемой лазерным пучком, и позволяющее контролировать перпендикулярность осей лазерного пучка и концентричного с ним рентгеновского пучка автоколлимационным методом, по положению отраженного от зеркала коллимированного пучка в фокальной плоскости объектива телескопа.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана общая схема центратора и вид экрана дисплея для характерных ситуаций, возникающих при контроле изделий.

Лазерный центратор содержит закрепляемый на рентгеновском излучателе 1 корпус 12, в котором располагается 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, перпендикулярно 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.

На объекте II с помощью каких-либо держателей (магнитные и/или пневматические присоски, клейкая лента, струбципы и т.п.) в зоне лазерного пятна крепится плоское зеркало 13, отражающим слоем обращенное к центратору.

Лазерный центратор работает следующим образом. Излучение лазера 2 с помощью телескопа, состоящего из микрообъектива 3 и объектива 5, расширяется до диаметра D и коллимируется для уменьшения угловой расходимости и 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 II (на схеме показаны два положения объекта I и II, 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'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, определяемый при градуировке дальномера центратора.

После определения расстояния до объекта на нем в зоне, освещенной лазерным пучком, устанавливается зеркало с диаметром D₃≥D₁, где D - диаметр лазерного пятна на объекте.

Если поверхность объекта и, соответственно, зеркала на нем не перпендикулярна лазерному и рентгеновскому пучкам, а наклонена по отношению к осям этих пучков на угол α, то после отражения от зеркала лазерный пучок отклоняется от первоначального направления на угол 2α в соответствии c известным законом геометрической оптики [2] . Соответственно, в фокальной плоскости объектива 3 телескоп будет наблюдаться светящаяся точка, смещенная относительно центра шкалы 7 на расстояние Δ=f•tg(2L), где f - фокусное расстояние объектива 3.

Производя взаимные повороты и смещения рентгеновского излучателя и объекта, добиваются совмещения светящейся точки с центром шкалы 7. При этом оси лазерного и рентгеновского пучков ортогональны поверхности объекта и элементы (внутренние стенки) сотовой конструкции на рентгенограмме будут изображаться без взаимного перекрытия (или наложения).

Угловая погрешность ориентации объекта по отношению к нормам к его поверхности определяется ценой деления шкалы 7(o) и фокусным расстоянием объектива 3:Δα = arctg(c/f).
Например, при характерных значениях f>100 м и С=0,1 мм Δα= arctg(0,1/100)= arctg(0,001) ≈ 3' (угловых минут), что вполне достаточно для практики.

На чертеже (б, в) показан ход отраженных от зеркал лучей при ортогональном (б) и неортогональном (в) положениях объекта к осям лазерного и рентгеновского пучков.

На чертеже (г) представлена схема расчета смещения изображения сфокусированного лазерного луча в плоскости изображения объектива 3.

На чертеже (д) показан вид экрана дисплея при ортогональном (точка В) и наклонном (точка В') положениях поверхности объекта к падающим пучкам излучения.

Источники информации
1. Патент РФ 2136124 "Лазерный центратор для рентгеновского излучателя".

2. Бегунов В.П. Геометрическая оптика, М., МГУ, 1966, 210 с.

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 направляет на объект коллимированный лазерный пучок, 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. Также содержит съемное зеркало, размещаемое на объекте в зоне, освещаемой коллимированным лазерным пучком, и образующее вместе с телескопом, лазером и шкалой автоколлимационную схему контроля взаимно угловой ориентации объекта и центратора. Технический результат - возможность контроля перпендикулярности оси рентгеновского пучка и поверхности контролируемого объекта. 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 лучок, 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 изображений 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 дополнительное съемное плоское зеркало, размещаемое на объекте в зоне, освещаемой коллимированным лазерным пучком, и образующее вместе с телескопом, лазером и шкалой автоколлимационную схему контроля взаимно угловой ориентации объекта и центратора, причем цена деления шкалы в угловой мере равна

Δα=arctg(c/f),

где c - цена шкалы в линейной мере;

f - фокусное расстояние объектива телескопа.