РЕНТГЕНООПТИЧЕСКИЙ ЭНДОСКОП Российский патент 2004 года по МПК G01N23/223 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и более конкретно - к средствам комплексной визуальной и радиационной дефектоскопии изделий, находящихся в труднодоступных полостях.

Известно устройство для комплексного визуального и радиационного контроля объектов в труднодоступных полостях, состоящее из расположенных в одном корпусе конструктивно объединенных двух оптически сопряженных оптических систем - визуального и рентгеновского информационных каналов. Устройство позволяет формировать, передавать и воспроизводить одновременно или последовательно рентгеновское и визуальное изображение объектов с помощью единой черно-белой или цветной телевизионной системы. Получаемые изображения полностью вписываются в растр ПЗС-матрицы телевизионной системы с помощью поликоллиматорной оптической системы с телецентрическим ходом лучей между элементами.

К недостаткам данного устройства можно отнести невозможность фиксации на экране монитора области формирования рентгеновского изображения объекта, соответствующей размерам рентгеноколюминесцентного преобразователя на входе фокона рентгенооптического канала, а также неопределенность величины масштаба переноса изображения в визуально-оптическом канале затрудняет измерение размеров дефектов и/или элементов конструкции объекта при их визуальном наблюдении.

Действительно, в процессе контроля эндоскоп может располагаться в контролируемой полости на различных расстояниях от поверхности контролируемого объекта, причем величины этих расстояний, как правило, неизвестны оператору. При этом изображение объекта в визуально-оптическом канале остается резким за счет применения в эндоскопах объективов с малым значением фокусного расстояния и, соответственно, большой глубиной резкости в пространстве объектов. В то же время масштаб этого изображения, пропорциональный расстоянию от объекта до объектива эндоскопа, изменяется в значительных пределах, что делает практически невозможным измерение размеров дефектов.

Все это снижает эффективность применения эндоскопа.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Для этого в рентгенооптический эндоскоп (РОЭ) для комплексного рентгеновского и визуального контроля объектов, находящихся в труднодоступных полостях, содержащий корпус с расположенными в нем оптически сопряженными рентгенооптическим и визуально-оптическим каналами для проецирования изображения объекта на ПЗС-матрицу телевизионной системы, формирующую изображение на мониторе, причем рентгенооптический канал содержит фокон с расположенным на его торце рентгенолюминоформ, волоконно-оптический регулярный жгут, выходной фокон, состыкованный торцами с жгутом и входной волоконно-оптической шайбой электронно-оптического усилителя яркости, коллиматорный объектив с фокусным расстоянием f₁, фокальная плоскость которого совпадает с выходным торцом волоконно-оптической шайбы, и зеркало, визуально-оптический канал содержит объектив, регулярный жгут, окуляр с фокусным расстоянием f₂, фокальная плоскость которого совпадает с выходным торцом регулярного жгута, осветительный жгут и блок осветителя с лампой, перед которой установлен оптический аттенюатор, система для оптического совмещения каналов на входе устройства, состоящая из зеркала и полупрозрачного зеркала, оптическую систему для совмещения каналов на выходе устройства с помощью входящего в состав рентгенооптического канала зеркала и светоделителя, а также коллиматорного объектива с фокусным расстоянием f₃, фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью фоточувствительного слоя ПЗС-матрицы телевизионной системы и осуществляющего проецирование изображения на ПЗС-матрицу, причем зеркало рентгенооптического канала и светоделитель установлены параллельно друг другу, образуя перископическую систему, и обеспечивает совпадение оптических осей коллиматорного объектива рентгенооптического канала, окуляра визуально-оптического канала и коллиматорного объектива с фокусным расстоянием f₃, при этом фокусные расстояния f₁, f₂, f₃ удовлетворяют следующим соотношениям: f₁/f₃=D/A и f₂/f₃=d/A, где D и d - размеры выходных торцов волоконно-оптической шайбы и регулярного жгута волоконно-оптического канала соответственно; А - размер ПЗС-матрицы, первое зеркало из оргстекла выполнено полупрозрачным, в эндоскоп дополнительно введены два полупрозрачных зеркала из оргстекла, первое из которых установлено на оптической оси эндоскопа под углом 45° к ней, а на его входе между первым зеркалом и рентгенолюминофором фокона рентгенооптического канала, второе установлено на выходе эндоскопа на оптической оси объектива, установленного перед выходным торцом усилителя яркости изображения под углом 45° к этой оси, между первым зеркалом и первым дополнительным полупрозрачным зеркалом установлена положительная линза из оргстекла, диаметр которой равен входному диаметру фокона D_ф на входе рентгенооптического канала, в заднем фокусе линзы, расположенном на оси, проходящей через центр первого дополнительного полупрозрачного зеркала, перпендикулярно оптической оси линзы, установлена точечная диафрагма, освещаемая с помощью первого дополнительного светодиода, что позволяет сформировать на выходе линзы коллимированный пучок света, соосный с оптической осью эндоскопа и формирующий на контролируемой поверхности изображение светящего диска диаметром D_л=D_ф, величина которого остается постоянной при осевых перемещениях эндоскопа, перед вторым дополнительным полупрозрачным зеркалом на оси, проходящей через его центр перпендикулярно оптической оси объектива, установленного перед выходным торцом усилителя яркости изображения, в плоскости, оптически сопряженной с помощью второго дополнительного полупрозрачного зеркала с плоскостью выходного торца усилителя яркости изображения, совпадающей с фокальной плоскостью установленного перед ним объектива, установлена шкала, освещаемая с помощью второго дополнительного светодиода с расположенной перед ним конденсорной линзой и проектируемой с помощью установленных перед выходным торцом усилителя яркости изображения объектива с фокусным расстоянием f₃, прямоугольной призмы, полупрозрачного зеркала и коллиматорного объектива с фокусным расстоянием f₃ на вход ПЗС-матрицы телевизионной системы с масштабом изображения, равным отношению фокусных расстояний объективов f₁ и f₃.

Схема РОЭ поясняется фиг.1-3.

На фиг.1 изображены источник рентгеновского излучения 1, исследуемый объект 2, а также элементы рентгенооптического и визуально-оптического каналов. РОЭ состоит из расположенных в едином корпусе и конструктивно объединенных двух оптически сопряженных систем - визуального и рентгеновского информационных каналов.

Рентгенооптический канал состоит из фокона 6 с расположенным на его торце рентгенолюминофором 5, защищенным фольгой 4, волоконно-оптического регулярного жгута 7, выходного фокона 8, состыкованного торцами с жгутом 7 и входной волоконно-оптической шайбой электронно-оптического усилителя яркости изображения (УЯИ) 9 и коллиматорного объектива 10 с фокусным расстоянием f₁, фокальная плоскость которого совпадает с выходным торцом волоконно-оптической шайбы УЯИ.

Визуально-оптический канал состоит из регулярного жгута 16, объектива 15, окуляра 19 с фокусным расстоянием f₂, установленного так, что его фокальная плоскость совпадает с выходным торцом жгута 16, и блока осветителя 21 с лампой 18, перед которой установлен оптический аттенюатор 22.

Оптическое совмещение рентгенооптического и визуально-оптического каналов на входе РСЭ осуществляется с помощью системы из полупрозрачного зеркала 3 и зеркала 14, обеспечивающих совмещение оптических осей обоих каналов. Оптическое совмещение каналов на выходе РОЭ осуществляется с помощью зеркала 11, светоделителя 20 и коллиматорного объектива 12 с фокусным расстоянием f₃, фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью фоточувствительного слоя ПЗС-матрицы 13 телевизионной системы, формирующей изображение на мониторе 23. Зеркала 11 и 20 параллельны друг другу, образуя совмещение оптических осей объективов 10, 19 и 12.

Между зеркалом 3 перископа и рентгенолюминофором 4 установлена положительная линза 14 из оргстекла, между линзой 14 и рентгенолюминофом 4 установлено первое дополнительное полупрозрачное зеркало 25 из оргстекла, а на оси, проходящей через его центр перпендикулярно оптической оси линзы в плоскости, совпадающей с фокальной плоскостью линзы 24, установлена точечная диафрагма 26 с диаметром d₀<<f_л, где f_л - фокусное расстояние линзы, освещаемая первым дополнительным светодиодом 27.

На оптической оси объектива 10, установленного перед выходным торцом усилителя яркости изображения 9, расположено под углом 45° к ней второе дополнительное полупрозрачное зеркало 28 из оргстекла. На оси, проходящей через центр полупрозрачного зеркала 28 перпендикулярно оси объектива 10, в плоскости, совпадающей с фокальной плоскостью этого объектива, расположена шкала 30, освещаемая вторым дополнительным светодиодом 32 с помощью конденсорной линзы 31.

Питание дополнительных светодиодов осуществляется с помощью стандартных блоков питания (на фиг.1 не показаны).

Рентгенооптический эндоскоп работает следующим образом. При включенном источнике рентгеновского излучения 1 на люмоноформе 5 возникает изображение внутренней структуры объекта 2, которое с помощью фоконов 6, 8 и регулярного волоконно-оптического жгута 7 поступает на вход УЯИ 9, усиливается по яркости в 10³-10⁴ раз и затем с помощью объектива 10, зеркала 11, светоделителя 20 и объектива 12 проектируется на черно-белую или цветную ПЗС-матрицу 13.

Фокусные расстояния объективов 10 и 12 выбраны такими, чтобы для системы обеспечения максимальной информационной емкости изображение выходного экрана УЯИ диаметром D полностью вмещалось в ПЗС-матрицу размером А, т.е. имеет место соотношение f₁/f₃=D/A, справедливое для телецентрического хода лучей между объективами 10 и 12.

При визуальном контроле объектива, что может осуществляться как при выключенном источнике рентгеновского излучения, так и при его включенном состоянии, объект 2 освещается с помощью световода 17, зеркала 14 и полупрозрачного зеркала 3 от блока осветителя 21 с лампой 18, регулируемой по яркости аттенюатором 22. Изображение объекта в отраженном свете с помощью зеркала 3, зеркала 14, регулярного световода 16 с объективом 15, выходного объектива 19 и объектива 12 формируется на ПЗС-матрице 13 и наблюдается также на мониторе 23. Как и в случае рентгеновского канала, для обеспечения максимальной информационной емкости изображения фокусное расстояние объектива 19 выбирается из условия f₂/f₃=d/A, что обеспечивает полное описание изображения выходного торца жгута 16 в растр матрицы 13.

Отмеченные преимущества определяют промышленную полезность устройства и позволяют рекомендовать его при стендовых испытаниях и эксплуатации установок с турбинными и компрессорными агрегатами.

При включенном светодиоде 27 на контролируемой поверхности объекта наблюдается светлый диск постоянного диаметра D=D_л=D_ф, размер которого не меняется при продольных перемещениях рентгеноэндоскопа. Диаметр освещаемой линзой 24 зоны равен диаметру рентгеновского пучка, попадающего на рентгенолюминофор.

При наблюдении через визуально-оптический канал на экране монитора 23 оператор видит, даже при выключенном источнике рентгеновского излучения, изображение контролируемой поверхности, на фоне которого наблюдается светлый диск, размер которого, изменяющийся при осевом перемещении эндоскопа (Х₁-Х₂), определяет размер участка этой поверхности, просвечиваемой рентгеновским излучением (фиг.2).

Питание светодиода 27 может быть импульсным, с частотой 1-10 Гц, что облегчает наблюдение светлого диска на сложном фоне.

Степень эллиптичности изображения диска характеризует перпендикулярность оптической оси рентгеноэндоскопа к поверхности объекта.

Масштаб рентгеновского изображения остается постоянным независимо от осевых перемещений эндоскопа. Его величина, приведенная к плоскости выходного торца, усиливается яркостью изображения, оптически сопряженной с плоскостью шкалы, равен М_р=1 при условии равенства торцов фоконов 6 и 8 и торцов волоконно-оптических пластин на входе и выходе усилителя яркости изображений, что часто встречается на практике. При этом размер дефекта на рентгеновском изображении численно равен числу деления шкалы (h), приходящихся на его изображение, умноженному на цену деления (C) т.е. t_p=h· с.

Например, в случае использования стандартных линейных шкал на стекле (ГОСТ 25708-83) с ценой деления 0,1 мм для h=12 получим t_p=12· 0,1=1,2 мм.

Понятно, что размер деления шкалы на экране монитора равен С_тv=М_тv·_{C, где Мтv=S/Ax - увеличение телевизионного канала, А и S - размеры ПЗС-матрицы и экрана монитора соответственно.}

Так, при А=10 мм и S=500 мм М_тv=50^х, а размер деления шкалы на экране С_тv=50· 0,1=50 мм, что эргономически целесообразно.

Если М_р=1, то он определяется стандартным методом, т.е. калибровкой по изображению объекта известного размера, помещаемого перед рентгенолюминофором (например, стандартных эталонов чувствительности). Определенный при этом масштаб остается, как уже от отмечалось, постоянным при осевых перемещениях эндоскопа, т.е. всегда М_р=const.

Масштаб оптического изображения, наоборот, существенно зависит от осевых перемещений эндоскопа, т.е. расстояния объектива визуально-оптического канала от объекта (фиг.3).

Масштаб оптического изображения М_о=х/f_о, где х - расстояние от переднего фокуса объектива визуально-оптического канала до объекта, f_о - фокусное расстояние объектива до объекта.

На фиг.3 расстояние х для наглядности нанесено в безразмерных единицах, равных отношению фокусного расстояния объекта f_о к величине х, т.е. х’=х/f_о.

Определение текущего значения оптического масштаба М_о в заявляемом устройстве возможно за счет наличия в поле зрения визуально-оптического канала объекта постоянного размера, конкретно - изображение светлого диска с диаметром D_л=const на контролируемой поверхности. Очевидно, что M_o=D_л/D_л’, где D_л - размер изображения диска в плоскости ПЗС-матрицы, оптически сопряженной с измерительной шкалой.

Определение текущего значения М_о, а следовательно, и цены деления шкалы С_о и размера дефекта для визуально-оптического канала может быть легко автоматизировано при использовании ПЭВМ. на вход которой поступает видеосигнал от ПЗС-матрицы эндоскопа.

Рентгенооптический эндоскоп содержит корпус с расположенными в нем оптически сопряженными с помощью зеркал и призм рентгеновским и визуально-оптическим каналами для проецирования изображения объекта на ПЗС-матрицу. Рентгенооптический канал содержит фокон с расположенным на его торце рентгенолюминофором, волоконно-оптический регулярный жгут, выходной фокон, состыкованный торцами с жгутом и входной волоконно-оптической шайбой электронно-оптического усилителя яркости, коллиматорный объектив и зеркало. Визуально-оптический канал содержит объектив, регулярный жгут, окуляр, осветительный жгут и блок осветителя с лампой, перед которой установлен оптический аттенюатор. В эндоскоп дополнительно введены два полупрозрачных зеркала из оргстекла, первое из которых установлено в рентгенооптическом канале на входе между первым зеркалом и рентгенолюминофором фокона, второе установлено на выходе эндоскопа на оптической оси объектива, установленного перед выходным торцом усилителя яркости изображения, между первым зеркалом и дополнительным полупрозрачным зеркалом установлена положительная линза из оргстекла, перпендикулярно оптической оси линзы установлена точечная диафрагма, освещаемая с помощью первого дополнительного светодиода, перед вторым дополнительным полупрозрачным зеркалом установлена шкала, освещаемая вторым дополнительным светодиодом с помощью конденсорной линзы. Технический результат - повышение эффективности применения эндоскопа. 3 ил.

Рентгенооптический эндоскоп для комплексного рентгеновского и визуального контроля объектов, находящихся в труднодоступных полостях, содержащий корпус с расположенными в нем оптически сопряженными рентгенооптическим и визуально-оптическим каналами для проецирования изображения объекта на ПЗС-матрицу телевизионной системы, формирующую изображение на мониторе, причем рентгенооптический канал содержит фокон с расположенным на его торце рнтгенолюминофором, волоконно-оптический регулярный жгут, выходной фокон, состыкованный торцами с жгутом и входной волоконно-оптической шайбой электронно-оптического усилителя яркости, коллиматорный объектив с фокусным расстоянием f₁, фокальная плоскость которого совпадает с выходным торцом волоконно-оптической шайбы, и зеркало, визуально-оптический канал содержит объектив, регулярный жгут, окуляр с фокусным расстоянием f₂, фокальная плоскость которого совпадает с выходным торцом регулярного жгута, осветительный жгут и блок осветителя с лампой, перед которой установлен оптический аттенюатор, система, состоящая из зеркала и полупрозрачного зеркала для оптического совмещения каналов на выходе устройства, оптическая система для совмещения каналов на выходе устройства с помощью входящего в состав рентгеновского канала зеркала и светоделителя, а также коллиматорного объектива с фокусным расстоянием f₃, фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью фоточувствительного слоя ПЗС-матрицы телевизионной системы и осуществляющего проецирование изображения на ПЗС-матрицу, причем зеркало рентгенооптического канала и светоделитель установлены параллельно друг другу, образуя перископическую систему, и обеспечивают совпадение оптических осей коллиматорного объектива рентгенооптического канала, окуляра визуально-оптического канала и коллиматорного объектива с фокусным расстоянием f₃, при этом фокусные расстояния f₁, f₂, f₃ удовлетворяют следующим соотношениям: f₁/f₃=D/A и f₂/f₃=d/A, где D и d - размеры выходных торцов волоконно-оптической шайбы и регуляторного жгута визуально-оптического канала соответственно; А - размер ПЗС-матрицы, отличающийся тем, что первое зеркало из оргстекла выполнено полупрозрачным, в эндоскоп дополнительно введены два полупрозрачных зеркала из оргстекла, первое из которых установлено на оптической оси эндоскопа под углом 45° к ней на его входе между первым зеркалом и рентгенолюминофором фокона рентгенооптического канала, второе установлено на выходе эндоскопа на оптической оси объектива, установленного перед выходным торцем усилителя яркости изображения под углом 45° к этой оси, между первым зеркалом и первым дополнительным полупрозрачным зеркалом установлена положительная линза из оргстекла, диаметр которой D_Л равен входному диаметру фокона D_Ф на входе рентгенооптического канала, в заднем фокусе линзы, расположенном на оси, проходящей через центр первого дополнительного полупрозрачного зеркала, перпендикулярно оптической оси линзы, установлена точечная диафрагма, освещаемая с помощью первого дополнительного светодиода, что позволяет сформировать на выходе линзы соосный с оптической осью эндоскопа и формирующий на контролируемой поверхности изображение светящегося диска диаметром D_Л=D_Ф, величина которого остается постоянной при осевых перемещениях эндоскопа, перед вторым дополнительным полупрозрачным зеркалом на оси, проходящей через его центр перпендикулярно оптической оси объектива, установленного перед выходным торцем усилителя изображения в плоскости, оптически сопряженной с помощью второго дополнительного полупрозрачного зеркала с плоскостью выходного торца усилителя яркости изображения, совпадающей с фокальной плоскостью установленного перед ним объектива, установлена шкала, освещаемая с помощью второго дополнительного светодиода с расположенной перед ним конденсорной линзой и проектируемой с помощью установленных перед выходным торцем усилителя яркости изображения объектива с фокусным расстоянием прямоугольной призмы, полупрозрачного зеркала и коллиматорного объектива с фокусным расстоянием на вход ПЗС-матрицы телевизионной системы с масштабом изображения, равным отношению фокусных расстояний объективов f₁ и f₃.