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

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и изделий с применением рентгеновского излучения и может быть использовано для контроля объектов авиакосмической техники и других отраслей методом радиографии.

Известен лазерный центратор, содержащий корпус с расположенными в нем лазером, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два зеркала, первое из которых выполнено из оргстекла и установлено на пересечении осей лазерного и рентгеновского пучков 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 лазером зоны объекта проектируется в плоскость ПЗС-матрицы телекамеры, видеосигнал с которой падают на вход видеоконтрольного устройства, на экране которого наблюдают изображение лазерного пятна и оценивают его размер с помощью шкалы, оцифрованной в единицах расстояния от объекта до рентгеновского излучателя [1].

Недостаток данного устройства - субъективность процесса измерения, необходимость применения дорогостоящей телескопической системы с большим диаметром объектива при контроле объектов, удаленных от излучателя на расстояние D≥3-5 м, что характерно для контроля крупногабаритных изделий авиатехники, например консолей крыльев, сотовых панелей, хвостового оперения и т.п. Кроме того, в центраторе отсутствует система записи и хранения изображений поверхности объекта в зоне просвечивания рентгеновским излучением, так как видеокамера позволяет только наблюдать объект. Запись же видеоинформации с помощью видеомагнитофона избыточна, требует сложной системы ввода ее в компьютер.

Целью изобретения является повышение точности измерений, устранение субъективных ошибок при считывании расстояния до излучателя от объекта по шкале, улучшение эргономических характеристик, обеспечение возможности объективизации и автоматизации измерений, снижение мощности применяемых в центраторе лазеров, а также обеспечение возможности получения, хранения и передачи в компьютер цифровых фотоизображений поверхности объекта в зоне его просвечивания рентгеновским излучением с точной привязкой координат этой зоны к поверхности объекта.

Поставленная цель достигается тем, что лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенной в нем телевизионной системой, состоящей из ПЗС-матрицы и объектива, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении оси рентгеновского пучка и оптической оси объектива телевизионной системы перпендикулярно к этой плоскости, и видеоконтрольное устройство, дополнительно содержит два микролазера, оптические оси которых параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка и расположены симметрично относительно этой оси в плоскости, образованной осями объектива и рентгеновского пучка на расстоянии В друг от друга, определяемом из соотношения B≤D_min·tg(a/2), где D_min - минимальное расстояние от рентгеновского излучателя до объекта в рабочем диапазоне этих расстояний; α - угловой размер рентгеновского пучка, размер растра ПЗС-матрицы Н и фокусное расстояние объектива телевизионной системы f’ связаны соотношением , для определения расстояния от излучателя до объекта использован телевизионный вычислитель или стандартный компьютер, производящий автоматический расчет этого расстояния по формуле D=C/B’, где С=В·f - константа оптической системы центратора, В’ - расстояние между изображениями лазерных пятен на объекте в фокальной плоскости объектива телевизионной системы, совпадающей с плоскостью расположения светочувствительных элементов ПЗС-матрицы, при этом для записи, хранения и передачи в компьютер изображений поверхности объекта в зоне его просвечивания рентгеновским излучением использована цифровая фотокамера.

Изобретения поясняется чертежом, на котором показана ось центратора.

Лазерный центратор содержит закрепляемый на рентгеновском излучателе 1 корпус 2, в котором располагаются два идентичных полупроводниковых микролазера 3 и 3, оси которых параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка, цифровая фотокамера, содержащая ПЗС-матрицу и объектив 5, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель 4, выполненный из оргстекла и установленный на пересечении осей объектива и рентгеновского пучка перпендикулярно плоскости, образованной этими осями, видеоконтрольное устройство 7 и телевизионный вычислитель 8. Микролазеры формируют на поверхности объекта 9 два светящихся пятна 6, расстояние В между которыми остается постоянным при любом изменении расстояния от излучателя до объекта.

Лазерный центратор работает следующим образом.

Микролазеры 3 и 3’ формируют на объекте 9 два светящихся пятна, расстояние В между которыми остается неизменным при любых изменениях расстояния от объекта до излучателя D. Объектив 5 формирует на ПЗС-матрице 6 цифровой фотокамеры изображения этих пятен, причем расстояние между ними В’ изменяется при изменении расстояния от объекта до излучателя в соответствии с формулой , где В - расстояние между осями лазеров, f - фокусное расстояние объектива 5, D - расстояние от объекта до излучателя, m=D/f - масштаб изображения объектива 5.

Фокусное расстояние объектива 5 выбирается из соотношения , где Н - размер растра ПЗС-матрицы, α - угловой размер рентгеновского пучка. При этом обеспечивается совпадение угла поля зрения объектива 5 с угловым размером рентгеновского пучка, т.к. расстояние от фокуса рентгеновского излучателя до центра отражателя 4 равно расстоянию А от этого центра до входного зрачка объектива 5. Расстояние В между осями лазеров, лежащими в плоскости, образованной осью объектива 5 и осью рентгеновского пучка, выбирается из соотношения В≤2D_min·tg(α/2), что обеспечивает нахождение изображений лазерных пятен на ПЗС-матрице во всем диапазоне рабочих расстояний между излучателем и объектом от минимального D_min до максимального D_max. На экране видеоконтрольного устройства 7 оператор наблюдает изображение поверхности объекта 9 и производит визуальный контроль объекта на его телевизионном изображении, проверяя одновременно на нем наличие лазерных пятен от микролазеров. Существенно, что линейный размер поля зрения объектива 5 на объекте 9 автоматически совпадает с размером зоны этого объекта, просвечиваемой излучателем 1, при любых расстояниях от объекта до излучателя благодаря соблюдению вышеупомянутых соотношений, очевидных при рассмотрении, например, подобных прямоугольных треугольников СЕД и ONT на чертеже.

Телевизионный вычислитель 6, работающий по стандартному алгоритму подсчета числа пикселей (элементарных ячеек изображения) между изображениями лазерных пятен В’, выдает на табло значение расстояния D от излучателя до объекта, вычисляемое по формуле D=С/В’, где С=В·f.

Приведем некоторые численные оценки параметров центратора для характерных значений расстояний до объекта, размеров растра ПЗС-матрицы, цифровой фотокамеры, расстояний между осями микролазеров, а также углового размера рентгеновского пучка α.

Так, для D=3000 мм, α=30° и Н=10 мм получим для фокусного расстояния объектива 5 f≤15 мм. При этом В≤D_min·tg(α/2)=2·3000·0,3=0,6·3·10³ 2000 мм. Реально исходя из конструктивных ограничений принято В=600 мм. При этом для f’=15 мм и D_min=3000 мм m=D_min/f=200^x и B’=В/m=3 мм. Размер одного никеля типовой ПЗС-матрицы равен 10 мкм или 0,01 мм, т.е. отрезок, равный расстоянию между изображениями лазерных пятен на ПЗС-матрице, приходится 300 пикселей. При характерной (стандартной) для телевизионных вычислителей погрешности измерений, равной одному пикселю, получим, что относительная точность измерения равна 1/300=0,3%, что вполне достаточно для большинства практических случае контроля. При этом абсолютная погрешность измерения расстояния от объекта до излучателя составит D_min=3000 мм, D=10 мм.

Особенно важно, что применение в центраторе цифрового фотоаппарата высокого разрешения (нами, в частности, использовался аппарат Nicon Coolpix 995 фирмы Nikon (Япония) с матрицей размером 2000×1500 пикселей), имеющего функции запоминания цифрового изображения на флэш-карте, стандартный выход видеосигнала и USB канал, позволяет не только наблюдать объект на жидкокристаллическом мониторе фотоаппарата, но и на экране видеоконтрольного устройства, а также подавать стандартный видеосигнал на вход телевизионного вычислителя или обычного РС-компьютера через стандартную плату оцифровки и ввода телевизионного сигнала или по В-каналу для вычисления расстояния до объекта от излучателя по вышеприведенной формуле (D=С/В’).

Максимальное расстояние от излучателя до объекта D_max определяется из ограничений на погрешность измерения D, которая не должна превышать 1%. В этом случае минимальный размер расстояния между изображениями лазерных пятен на ПЗС-матрице B’≥100 пикселя =100·0,01=1 мм.

Поскольку размер В=600 мм фиксирован, получим, что масштаб изображения при этом составит m_max=В/В’=600Н=600^х.

Соответственно при этом D_max=m_max·f=600·15=9000 мм, что вполне достаточно для практики.

Таким образом, предлагаемый в рамках настоящей заявки на изобретение лазерный центратор позволяет повысить точность измерений, сделать их объективными, улучшить эргономические характеристики центратора, повысить производительность труда, а также обеспечить принципиально новую функцию - функцию цифрового фотографирования объекта в зоне просвечивания для целей его последующего мониторинга, архивизации результатов контроля, создания библиотеки изображений объектов, привязанных к координатам их рентгеновских изображений.

Источники информации

1. Патент РФ №2136124. Лазерный центратор.

2. Проспект фирмы Nikon, Япония. Цифровая фотокамера Coolpix 995.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля объектов с использованием рентгеновского излучения. Устройство включает в себя лазер, телевизионную систему, отражатель, установленный на пересечении осей объектива телевизионной системы и рентгеновского пучка. Особенностью устройства является наличие дополнительных двух микролазеров, оптические оси которых параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка и расположены на определенном расстоянии друг от друга. Фокусное расстояние объектива телевизионной системы связано с размером растра ПЗС-матрицы телевизионной системы определенным соотношением. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения, устранение субъективных ошибок при считывании расстояния, улучшение эргономических характеристик устройства, 1 ил.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенной в нем телевизионной системой, оптическая ось объектива которой параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении осей объектива телевизионной системы и рентгеновского пучка перпендикулярно плоскости, образованной этими осями, и видеоконтрольное устройство, отличающийся тем, что он дополнительно содержит два микролазера, оптические оси которых расположены параллельно друг другу и оси рентгеновского пучка, симметричны относительно этой оси в плоскости, образованной осями объектива телевизионной системы и рентгеновского пучка, на расстоянии В друг от друга, определяемом из соотношения B≤D_min·tg(α/2), где D_min - минимальное расстояние от излучателя до объекта, α - угловой размер рентгеновского пучка в рабочем диапазоне этих расстояний, фокусное расстояние объектива телевизионной системы f' связано с размером растра ПЗС-матрицы Н телевизионной системы соотношением f'≤H/(2·tg(α/2)), для определения расстояния от излучателя до объекта использован телевизионный вычислитель или компьютер, производящий автоматическое вычисление этого расстояния по формуле D=C/B', C=B·f' - константа оптической системы центратора, В' - расстояние между изображениями лазерных пятен на объекте в фокальной плоскости объектива телевизионной системы, совпадающей с плоскостью светочувствительных элементов ПЗС-матрицы, при этом для записи, хранения и передачи в компьютер изображений поверхности объекта в зоне его просвечивания рентгеновским излучением использована цифровая фотокамера.