ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2006 года по МПК H05G1/00 

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

Известен лазерный центратор, содержащий корпус с расположенной в нем цифровой фотокамерой, оптическая ось объектива которой параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении осей объектива цифровой фотокамеры и рентгеновского пучка перпендикулярно плоскости, образованной этими осями, видеоконтрольное устройство, два микролазера, оптические оси которых расположены параллельно друг другу и оси рентгеновского пучка, симметричны относительно этой оси в плоскости, образованной осями объектива телевизионной системы цифровой фотокамеры 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 цифровой фотокамеры связано с размером растра ее ПЗС-матрицы Н соотношением f≤H/(2·tg(α/2)), телевизионный вычислитель или компьютер для автоматического вычисления расстояния от излучателя до объекта по формуле D=C/B', где C=B·f - константа, В' - расстояние между изображениями лазерных пятен на объекте в фокальной плоскости объектива телевизионной системы [1].

Недостаток данного устройства - низкий контраст изображений лазерных пятен в условиях интенсивной солнечной засветки объекта. Например, при освещенности на объекте порядка 10⁵ люкс, что характерно для летного периода днем в умеренных широтах, пятна на объекте от лазера мощностью порядка 3 мВт с длиной волны излучения λ=0,65 мкм практически не видны на изображении объектов (контраст менее 3%, что ниже порога контрастной чувствительности современных телевизионных систем).

Применение селективного светофильтра, например, из красного стекла марки KL-I, отражающего желто-зеленую часть спектра солнечного излучения и практически не ослабляющего излучение лазера с длиной волны α=0,65 мкм, соответствующего красной части оптического спектра, в данном случае не эффективно, т.к. при этом практически теряется изображение самого объекта контроля.

Кроме того, оптимизация процесса визуального осмотра и фотографирование объекта требуют изменения фокусного расстояния объектива телевизионной системы цифровой фотокамеры, что, в свою очередь, требует оперативного изменения масштаба изображения и, соответственно, фокусного расстояния объектива цифровой фотокамеры. В свою очередь, это приводит к изменению константы оптической системы погрешности измерения расстояния от излучателя до объекта. Наконец, малый размер лазерных пятен на объекте (порядка 10 мм при расстоянии от объекта до излучателя ≥3 м и типичной расходимости лазерного луча 10^-3 радиан), как правило, со сложной структурой поверхности затрудняет их различение как при визуальном их наблюдении, так и при определении расстояния между ними с помощью телевизионного вычислителя.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Для этого в лазерный центратор, содержащий излучатель, корпус, в котором располагаются цифровая фотокамера, содержащая ПЗС-матрицу и объектив, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении осей объектива цифровой фотокамеры и рентгеновского пучка перпендикулярно плоскости, образованной этими осями и два микролазера, оптические оси которых расположены параллельно друг другу и оси рентгеновского пучка, симметричны относительно этой оси в плоскости, образованной осями объектива цифровой фотокамеры 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 цифровой фотокамеры связано с размером растра ПЗС-матрицы Н соотношением f≤H/(2·tg(α/2)), видеоконтрольное устройство, телевизионный вычислитель или компьютер для автоматического вычисления расстояния от излучателя до объекта по формуле D=c/B', где c=B·f - константа, В' - расстояние между изображениями лазерных пятен на объекте в фокальной плоскости объектива цифровой фотокамеры, дополнительно введен светоделитель, установленный на оси объектива цифровой фотокамеры, на оси, проведенной из точки пересечения светоделителя с осью объектива цифровой фотокамеры, перпендикулярно этой оси, расположена вторая цифровая фотокамера, перед объективом цифровой фотокамеры установлен светофильтр, пропускающий только излучение ближнего инфракрасного диапазона спектра оптического излучения в области длин волн 0,8÷1,2 мкм, перед первым и вторым микролазерами, излучающими в видимой области спектра, на их осях установлены второй и соответственно третий светоделители, на осях, проведенных через точки пересечения второго и третьего светоделителей с осями первого и второго микролазеров, перпендикулярно этим осям установлены третий и соответственно четвертый микролазеры, излучающие в ближнем ИК-диапазоне оптического спектра, согласованном с областью прозрачности светофильтра перед объективом цифровой фотокамеры, оптические оси излучения первого и третьего, а также второго и четвертого микролазеров после отражения от второго и, соответственно, третьего светоделителей пространственно совмещены, и перед вторым и третьим светоделителями установлены идентичные цилиндрические линзы, преобразующие излучение микролазеров в параллельные друг другу и оси рентгеновского пучка плоские расходящиеся пучки света в соответствующих спектральных диапазонах, с помощью которых на поверхности объекта формируются рядом параллельные друг другу лазерные линии, используемые для визуального контроля ориентации объекта в видимом свете и измерения расстояния до него в ИК-диапазоне оптического спектра.

Лазерный центратор работает следующим образом.

Микролазеры 3 и 3' и цилиндрические линзы 11 и 11' формируют на объекте 17 две светящиеся линии, расстояние в видимом диапазоне спектра (В) между которыми остается неизменным при любых изменениях расстояния от объекта до излучателя (D). Микролазеры 9 и 9' формируют на объекте идентичные линии в ИК-диапазоне спектра. Объектив 5 формирует на ПЗС-матрице 6 цифровой телекамеры изображения полос в ИК-диапазоне спектра, 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 А 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 B≤2·D_min·tg(α/2), что обеспечивает нахождение изображений лазерных пятен.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показаны его общая схема.

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 6 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 3 и 3' формируют на поверхности объекта 17 с помощью цилиндрических линз 11 и 11' две светящихся линии, расстояние В между которыми остается постоянным при любом изменении расстояния от излучателя до объекта 17 и наблюдаемых визуально в процессе настройки центратора.

Перед объективом цифровой телекамеры установлен узкополосный селективный светофильтр 13.

На оси объектива цифровой фотокамеры 16 установлен первый дополнительный светоделитель 12.

На оси, проходящей через точку пересечения первого светоделителя с осью объектива цифровой телекамеры 16, перпендикулярно к ней, располагается вторая цифровая фотокамера 14.

Формируемое ей изображение объекта наблюдается на видеоконтрольном устройстве 15.

Перед первым 3 и вторым 3' микролазерами на их оптических осях установлены соответственно второй 10 и третий 10' светоделители. На осях, проходящих через точки их пересечения с осями микролазеров 3 и 3', перпендикулярно их осям, расположены соответственно третий 9 и четвертый 9' идентичные микролазеры, излучающие в ближней инфракрасной области спектра, соответствующей области спектра пропускания фильтра 13. Оптические оси микролазеров 3 и 9, 3' и 9' пространственно совмещены с помощью соответствующих светоделителей 10 и 10'. Перед светоделителями 10 и 10' установлены цилиндрические идентичные линзы 11 и 11', с помощью которых на объекте 17 формируются изображения параллельных друг другу и находящихся на расстоянии В друг от друга лазерных линий в различных диапазонах длин волн, например, для лазеров в красном 3 и 3' и невидимом инфракрасном для лазеров 9 и 9'.

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 лазерных полос от лазеров 9 и 9' и производит контроль их наличия, параллельности друг другу и т.д. Существенно, что линейный размер поля зрения объектива 5 на объекте 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 8, работающий по стандартному алгоритму подсчета числа пикселей (элементарных ячеек изображения) между изображениями лазерных пятен (В'), выдает на табло значение расстояния от излучателя до объекта, вычисляемое по формуле D=C/B', где C=B·f.

Для визуального контроля применяется цифровая фотокамера 14, высокого разрешения (нами, в частности, использовался аппарат Nicon Coolpcx 995 Японской фирмы Nicon с матрицей размером 2000×1500 пикселей), имеющего функции запоминания цифрового изображения на флэш-карте, выход видеосигнала и VCB канал. Он позволяет наблюдать объект на жидкокристаллическом мониторе фотоаппарата, но и на экране видеоконтрольного устройства 15. С выхода цифровой фотокамеры видеосигнал подается, на вход телевизионного вычислителя 8 или обычного PC компьютера через стандартную плату оцифровки и ввода телевизионного сигнала или по VCB-каналу для вычисления расстояния до объекта от излучателя по вышеприведенной формуле (D=C/B').

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 В≥100 пиксель =100·0,01=1 мм.

Литература

1. Патент России №2255447, Лазерный центратор для рентгеновского излучателя.

2. Справочник конструктора оптико-механических приборов, В.А. Панов и др. Л.: Машиностроение, 1980. 742 с.

Использование: для ориентации излучателя по отношению к объекту. Сущность: заключается в том, что дополнительно введен светоделитель, установленный на оси объектива цифровой фотокамеры, на оси, проведенной из точки пересечения светоделителя с осью объектива цифровой фотокамеры, перпендикулярно этой оси расположена вторая цифровая фотокамера, перед объективом цифровой фотокамеры установлен светофильтр, пропускающий только излучение ближнего инфракрасного диапазона спектра оптического излучения в области длин волн 0,8÷1,2 мкм, перед первым и вторым микролазерами, излучающими в видимой области спектра, на их осях установлены второй и соответственно третий светоделители, на осях, проведенных через точки пересечения второго и третьего светоделителей с осями первого и второго микролазеров перпендикулярно этим осям, установлены третий и соответственно четвертый микролазеры, излучающие в ближнем ИК-диапазоне оптического спектра, согласованном с областью прозрачности светофильтра перед объективом цифровой фотокамеры, оптические оси излучения первого и третьего, а также второго и четвертого микролазеров после отражений от второго и, соответственно, третьего светоделителей пространственно совмещены, и перед вторым и третьим светоделителями установлены идентичные цилиндрические линзы, преобразующие излучение микролазеров, в параллельные друг другу и оси рентгеновского пучка плоские расходящиеся пучки света в соответствующих спектральных диапазонах, с помощью которых на поверхности объекта формируются рядом параллельные друг другу лазерные линии, используемые для визуального контроля ориентации объекта в видимом свете и измерения расстояния до него в ИК-диапазоне оптического спектра. Технический результат: повышение контраста изображений лазерных пятен в условиях интенсивной солнечной засветки изображения, уменьшение погрешности измерения расстояния от излучателя до объекта. 1 ил.

Лазерный центратор, содержащий излучатель, корпус, в котором располагаются цифровая фотокамера, содержащая ПЗС-матрицу и объектив, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении осей объектива цифровой фотокамеры и рентгеновского пучка перпендикулярно плоскости, образованной этими осями, и два микролазера, оптические оси которых расположены параллельно друг другу и оси рентгеновского пучка, симметричны относительно этой оси в плоскости, образованной осями объектива цифровой фотокамеры и рентгеновского пучка на расстоянии В друг от друга, определяемом из соотношения В≤D_mintg(α/2), где D_min - минимальное расстояние от излучателя до объекта, α - угловой размер рентгеновского пучка в рабочем диапазоне этих расстояний, фокусное расстояние объектива цифровой фотокамеры связано с размером растра ПЗС-матрицы Н соотношением f≤Н/(2·tg(α/2)), видеоконтрольное устройство, телевизионный вычислитель или компьютер для автоматического вычисления расстояния от излучателя до объекта по формуле D=C/B', где C=B·f - константа, В' - расстояние между изображениями лазерных пятен на объекте в фокальной плоскости объектива цифровой фотокамеры, дополнительно введен светоделитель, установленный на оси объектива цифровой фотокамеры, на оси, проведенной из точки пересечения светоделителя с осью объектива цифровой фотокамеры, перпендикулярно этой оси расположена вторая цифровая фотокамера, перед объективом цифровой фотокамеры установлен светофильтр, пропускающий только излучение ближнего инфракрасного диапазона спектра оптического излучения в области длин волн 0,8÷1,2 мкм, перед первым и вторым микролазерами, излучающими в видимой области спектра, на их осях установлены второй и соответственно третий светоделители, на осях, проведенных через точки пересечения второго и третьего светоделителей с осями первого и второго микролазеров перпендикулярно этим осям установлены третий и соответственно четвертый микролазеры, излучающие в ближнем ИК-диапазоне оптического спектра, согласованном с областью прозрачности светофильтра перед объективом цифровой фотокамеры, оптические оси излучения первого и третьего, а также второго и четвертого микролазеров после отражений от второго и соответственно третьего светоделителей пространственно совмещены, и перед вторым и третьим светоделителями установлены идентичные цилиндрические линзы, преобразующие излучение микролазеров в параллельные друг другу и оси рентгеновского пучка плоские расходящиеся пучки света в соответствующих спектральных диапазонах, с помощью которых на поверхности объекта формируются рядом параллельные друг другу лазерные линии, используемые для визуального контроля ориентации объекта в видимом свете и измерения расстояния до него в ИК-диапазоне оптического спектра.