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 применено для контроля объектов авиакосмической техники и других отраслей методом 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 цифровой фотокамеры и рентгеновского пучка на расстоянии В друг от друга, определяемом из соотношения B≤D_min·tg(α_p/2), где D_min - минимальное расстояние от излучателя до объекта, α_p - угловой размер рентгеновского пучка в рабочем диапазоне этих расстояний, фокусное расстояние объектива цифровой фотокамеры связано с размером растра ее ПЗС-матрицы А соотношением f≤A/(2·tg(α_p/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 цифровой фотокамеры [1].

Однако данное устройство имеет ряд недостатков. Так, изображения лазерных пятен на объекте имеют малый контраст в условиях солнечной засветки объекта. Действительно, освещенность от солнца в дневное время составляет ≈10⁵ люкс и более, а освещенность лазерных пятен на объекте для наиболее широко применяемых в силу безопасности для органов зрения микролазеров с мощностью излучения 1÷3 мВт на длине волны λ=0,65÷0,70 мкм составляет менее 10² люкс. При этом контраст их изображений составляет менее К≤1%, что делает их практически неразличимыми на фоне изображения самого объекта. Работа же в вечернее время крайне затруднена.

При визуальном контроле объекта с помощью телевизионного изображения, создаваемого цифровой фотокамерой, весьма эффективно использование его масштабирования (z00 - функции) за счет изменения фокусного расстояния объектива фотокамеры. Однако при этом изменяется и масштаб изображения расстояния между лазерными пятнами на объекте.

Наконец, обнаружение малоразмерных изображений лазерных пятен на объекте на сложном фоне его поверхности затрудняет работу как оператора при процедурах визуальной настройки центратора, так и телевизионного вычислителя при определении расстояния объекта до излучателя.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Для этого в лазерный центратор, содержащий излучатель, корпус, в котором располагаются цифровая фотокамера, оптическая ось объектива которой параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении оси рентгеновского пучка с осью объектива цифровой фотокамеры перпендикулярно плоскости, образованной этими осями, расположенные в фокальной плоскости объектива цифровой фотокамеры ПЗС-матрица и видеоконтрольное устройство, два микролазера, излучающих в красной области спектра λ=0,67 мкм, оптические оси которых расположены параллельно друг другу и оси рентгеновского пучка и 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_p/2), где D_min - минимальное расстояние от излучателя до объекта, α_p - угловой размер рентгеновского пучка в рабочем диапазоне этих расстояний, фокусное расстояние объектива цифровой фотокамеры связано с размером растра ПЗС-матрицы А соотношением f≤A/(2·tg(α_p/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 фотокамеры, дополнительно введены светоделитель, установленный на оси объектива цифровой фотокамеры между отражателем из оргстекла и этим объективом, на оси, проведенной перпендикулярно оси объектива цифровой фотокамеры из точки ее пересечения со светоделителем, установлен второй объектив с фокусным расстоянием f'₂, перед вторым объективом расположен отражающий солнечное излучение абсорбционный или интерференционный селективный светофильтр, прозрачный в области длины волны излучения микролазеров, имеющий оптическую плотность D_λ≤0,1 на этой длине волны, но имеющий большую оптическую плотность D_λ≥3,0 для остальных длин волн солнечного излучения, в фокальной плоскости этого объектива установлен линейный ПЗС-фотоприемник, перед микролазерами установлены идентичные цилиндрические линзы, формирующие на объекте параллельные друг другу лазерные полоски, высотой Н, расположенные на расстоянии В друг от друга, фокусное расстояние второго объектива выбирается с учетом соотношений

а фокусные расстояния цилиндрических линз выбираются с учетом выражения

где

R - радиус лазерных пучков микролазеров, D_min и D_max - соответственно минимальное и максимальное расстояния от излучателя до объекта, Δ - размер пикселя ПЗС-линейки, В - расстояние между осями микролазеров, l - длина ПЗС-линейки, H_min - высота лазерных полосок на объекте при максимальном расстоянии от объекта до излучателя, N_min - минимальное число пикселей ПЗС-линейки, k - коэффициент, равный 0,6-0,8.

Схема лазерного центратора показана на чертеже.

Лазерный центратор содержит излучатель 1, корпус 2, в котором располагаются два идентичных микролазера 3 и 3', оси которых параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка и расположены на расстоянии друг от друга, отражатель 4, выполненный из оргстекла и установленный на пересечении оси рентгеновского пучка с осью объектива 5 с переменным фокусом, в фокальной плоскости которого расположена ПЗС-матрица 6 цифровой фотокамеры, видеоконтрольное устройство 7, две идентичные цилиндрические линзы 10 и 10', установленные перед микролазерами 3 и 3' таким образом, что с их помощью на объекте 9 формируются две параллельные друг другу лазерные полоски высотой Н, расположенные на расстоянии В друг от друга, светоделитель 11, установленный на оси объектива 5 цифровой фотокамеры, второй объектив 13, расположенный на оси, проведенной из точки пересечения оси объектива 5 со светоделителем перпендикулярно к ней, светофильтр 12, установленный перед объективом 13, прозрачный на длине волны излучения микролазеров 3 и 3' и отрезающий остальные длины волн видимого солнечного излучения, линейный ПЗС-фотоприемник 14, установленный в плоскости изображения объектива 13 и телевизионный вычислитель 8, обрабатывающий видеосигнал ПЗС-линейки 14 при вычислении расстояния от излучателя до объекта.

Лазерный центратор работает следующим образом.

Оператор производит ориентацию излучателя 1 по отношению к объекту 9 и его визуальный контроль по изображению на видеоконтрольном устройстве 7.

При изменении расстояния от излучателя до объекта расстояние В между лазерными полосками на объекте остается постоянным, а расстояние между их изображениями В' на ПЗС-линейке 14 изменяется пропорционально расстоянию D от объекта до излучателя по соотношению где - константа оптической схемы дальномера.

Телевизионный вычислитель 8 производит расчет расстояния от излучателя до объекта по формуле D=C/B'.

Соотношения между диапазоном измерительных расстояний от объекта до излучателя D_min до D_max, фокусным расстоянием f'₂ второго объектива, расстоянием В между осями микролазеров (базой дальномера) и высотой Н этих полосок выбираются с учетом следующих условий.

При минимальном расстоянии D_min от объекта до излучателя величина изображения B'_min базы В дальномера не должна превышать длины l ПЗС-линейки с учетом технологического допуска на эту величину, т.е. где t - длина ПЗС-линейки, k - коэффициент, равный k=0,6÷0,8.

С другой стороны, где m - масштаб изображения.

Приравнивая эти выражения, получим откуда

При максимальном расстоянии от излучателя до объекта D_max величина изображения B'_max не должна быть менее величины NΔ, где N - число элементов (пикселей) ПЗС-линейки, приходящихся на это изображение и определяющих точность измерения, Δ - размер пикселя.

Точность измерения определяется очевидным соотношением где ΔN - минимальное число пикселей ПЗС-линейки, необходимое для измерения координат изображений полосок. Обычно ΔN=1, и при достаточной для практики точности измерений ΔN/N=1%=0,01N≥N_min. При этом, очевидно, т.к. получим откуда

Таким образом, фокусное расстояние f'₂ второго объектива должно выбираться с учетом условий

Обычно N≥100,0 и что достаточно для практики.

Минимальная высота изображений Н' лазерных полосок в плоскости изображений объектива 13 должна быть более H≥t·hA, где hA - размер пикселя ПЗС-линейки в направлении, перпендикулярном ее продольной оси, t≥10,0, коэффициент запаса, величина которого выбирается из условия, чтобы изображения полосок не выходили за пределы фоточувствительных элементов ПЗС-линейки при возможных технологических деюстировках в оптической схеме дальномера (чертеж б, в). Для наиболее часто используемых ПЗС-линеек h=Δ (квадратные пиксели) и H'_min=≥t·Δ.

Отсюда высота полосок на объекте при максимальном расстоянии от излучателя до объекта D_max должна быть не менее H_min=H'_min·m_max, т.к. получим с другой стороны, высота полосок H_min на объекте связана с фокусным расстоянием f'_ц цилиндрических линз и расстоянием до объекта D_max очевидным соотношением где R - радиус лазерного пучка, падающего на цилиндрическую линзу.

При откуда

Приравнивая соответствующие уравнения, получим окончательно

Отсюда

Проведем, в качестве примера, значения вышеуказанных параметров для характерных величин элементов оптической системы лазерного центратора.

Характерные значения расстояний от излучателя до объектов при их контроле в полевых условиях составляют D_min=2,0 м и D_max=5,0 м. Длина серийной линейки ПЗС составляет l=25,0 мм при числе пикселей N=2048, a величина пикселя А=0,01 мм. При этих условиях при конструктивно наиболее приемлемом значении В=200,0 мм получим, что

Или 25≤f'₂≤160.

Для f'₂=50,0 мм проверим, выполняются ли соответствующие условия. Получим

т.е. 25 мм ≤f'₂=50 мм ≤200, что и требовалось доказать.

При этом (R=1,0 мм - радиус пучка лазера), что удовлетворяет практическим ограничениям на величины параметров элементов схемы центратора.

Источники информации

1. Патент России №2235447. 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 изобретения заключается в том, что дополнительно введены светоделитель, установленный на оси объектива цифровой фотокамеры между отражателем из оргстекла и этим объективом, на оси, проведенной перпендикулярно оси объектива цифровой фотокамеры из точки ее пересечения со светоделителем, установлен второй объектив с фокусным расстоянием f'₂, перед вторым объективом расположен отражающий солнечное излучение абсорбционный или интерференционный селективный светофильтр, прозрачный в области длины волны излучения микролазеров, имеющий оптическую плотность D_λ≤0,1 на этой длине, но имеющий большую оптическую плотность D_λ>3,0 для остальных длин волн солнечного излучения, в фокальной плоскости этого объектива установлен линейный ПЗС-фотоприемник, перед микролазерами установлены цилиндрические линзы, формирующие на объекте параллельные друг другу лазерные полоски высотой Н, расположенные на расстоянии В друг от друга. Технический результат: повышение контраста изображений лазерных пятен в условиях солнечной засветки изображения и в вечернее время, особенно при сложной поверхности контролируемого объекта. 1 ил.

Лазерный центратор, содержащий излучатель, корпус, в котором располагаются цифровая фотокамера, оптическая ось объектива которой параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении оси рентгеновского пучка с осью объектива цифровой фотокамеры перпендикулярно плоскости, образованной этими осями, расположенные в фокальной плоскости объектива цифровой фотокамеры ПЗС-матрица и видеоконтрольное устройство, два микролазера, излучающих в красной области спектра с λ=0,67 мкм, оптические оси которых расположены параллельно друг другу и оси рентгеновского пучка и 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_p/2), где D_min - минимальное расстояние от излучателя до объекта, α_p - угловой размер рентгеновского пучка в рабочем диапазоне этих расстояний, фокусное расстояние объектива цифровой фотокамеры связано с размером растра ПЗС-матрицы А соотношением f≤A/(2·tg(α_p/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 фотокамеры, дополнительно введены светоделитель, установленный на оси объектива цифровой фотокамеры между отражателем из оргстекла и этим объективом, на оси, проведенной перпендикулярно оси объектива цифровой фотокамеры из точки ее пересечения со светоделителем, установлен второй объектив с фокусным расстоянием f'₂, перед вторым объективом расположен отражающий солнечное излучение абсорбционный или интерференционный селективный светофильтр, прозрачный в области длины волны излучения микролазеров, имеющий оптическую плотность D_λ≤0,1 на этой длине, но имеющий большую оптическую плотность D_λ≥3,0 для остальных длин волн солнечного излучения, в фокальной плоскости этого объектива установлен линейный ПЗС-фотоприемник, перед микролазерами установлены цилиндрические линзы, формирующие на объекте параллельные друг другу лазерные полоски высотой Н, расположенные на расстоянии В друг от друга, фокусное расстояние второго объектива выбирается с учетом соотношений

а фокусные расстояния цилиндрических линз выбираются с учетом выражения

где R - радиус лазерных пучков микролазеров, D_min и D_max - соответственно минимальное и максимальное расстояния от излучателя до объекта, Δ - размер пиксела ПЗС-линейки, В - расстояние между осями микролазеров, l - длина ПЗС-линейки, Н_min - высота лазерных полосок на объекте при максимальном расстоянии от объекта до излучателя, N_min - минимальное число пикселей ПЗС-линейки, k - коэффициент, равный 0,6-0,8.