ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2006 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 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, симметрично относительно этой оси в плоскости системы 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 - 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_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 телевизионной системы [1].

Недостаток данного устройства - низкий контраст изображений лазерных пятен на объекте в условиях дневного освещения солнечным светом. Приведем численные оценки контраста для характерных значений элементов схемы лазерного центратора.

Наиболее употребительные в системах такого типа микролазеры имеют мощность излучения 3 мВт на длине волны λ=0,67 мкм и угловую расходимость луча порядка α_λ=10^-3 рад.

Размер лазерных пятен на объекте при характерном для контроля авиакосмической техники расстоянии от излучателя до объекта L=3 м равен d=α_л·H=3·10^-3 м, а их площадь S=πd2/4≅9·10^-6 м²≈10^-5 м².

Освещенность в лазерном пятне равна

люкс, где Р=3·10^-3 Вт - мощность лазера, К=683 лм/Вт - механический эквивалент света, V_λ=0,1 - коэффициент относительной видности излучения на длине волны лазера λ=0,67 мкм, Ф - световой поток лазера, люмен.

Окончательно получим

В то же время освещенность объекта от солнца днем составляет E₀≥10^-5 люкс ≫E_л.

Контраст изображений лазерных пятен, пропорциональный соответствующим освещенностям, равен

что на порядок меньше пороговой контрастной чувствительности как глаза человека, так и современных телевизионных систем и цифровых фотокамер.

Эффективным средством повышения контраста лазерных пятен является применение селективного светофильтра, практически не ослабляющего красное излучение на длине волны лазера, но имеющего большую оптическую плотность (малый коэффициент пропускания) для солнечного излучения в других областях видимого спектра. Например, фильтр из красного стекла Кс-17 толщиной 2 мм имеет оптическую плотность D≥4,0 (т.е. коэффициент пропускания τ≤10^-D≤10^-4) для всех длин волн от λ=0,3 мкм до λ=0,650 мкм и D≤0,1 (т.е. τ=10^-0,1≥0,8) для длин волн красного диапазона, начиная с λ≥0,670 мкм [2].

В этом случае Е'_л=Е_л·τ_λ=68·0,8≈55 люкс, а и контраст изображения лазерных пятен равен (E'_max=E'_л+Е'₀=55+10=65 лк, E'_min=E'₀=10 лк).

В этом случае контраст достаточен как для работы телевизионного вычислителя, так и для визуального наблюдения пятен на видеоконтрольном устройстве.

Однако при этом изображение самого объекта имеет низкую яркость и визуальный контроль или фотографирование его поверхности существенно затруднено.

Цель изображения - устранение данного противоречия и обеспечение устойчивой работы центратора при любом световом режиме.

Для этого в лазерный центратор, содержащий 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 оси рентгеновского пучка с осью объектива цифровой фотокамеры перпендикулярно плоскости, образованной этими осями, и два микролазера, излучающих в красной области спектра с λ=0,67 мкм, оптические оси которых расположены параллельно друг другу и оси рентгеновского пучка, симметрично относительно этой оси в плоскости, образованной осями объектива цифровой фотокамеры и рентгеновского пучка на расстоянии В друг от друга, определяемом из соотношения B≤D_mintg(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 Н соотношением f'≤H/(2·tg(α_p/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 селективный светофильтр, расположенный непосредственно в фокальной плоскости объектива цифровой фотокамеры, выполненный из оптического материала, имеющего малую оптическую плотность D≤0,1 на длине волны излучения лазера и высокую оптическую плотность D≥4,0 для всех остальных длин волн спектра солнечного излучения в диапазоне от λ≥0,38 мкм до λ≤0,67 мкм, воспринимаемых цифровой фотокамерой, светофильтр выполнен в виде прямоугольника, длина которого l≥Н, где Н - размер растра ПЗС-матрицы цифровой фотокамеры, ширина t≤0,01H, а толщина выбирается из условия l_λ≥D_λ/K_λ, где К_λ - удельный коэффициент поглощения материала фильтра на длине волны излучения лазера, мм^-1, D_л≤0,1 - оптическая плотность светофильтра на этой длине волны, при этом светофильтр расположен на растре ПЗС-матрицы вдоль линии, соединяющей изображения лазерных пятен на объекте.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана 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 формируют на поверхности объекта 9 два светящихся пятна, расстояние В между которыми остается постоянным при любом изменении расстояния от излучателя до объекта.

В плоскости изображения объектива 5 цифровой фотокамеры, совпадающей с поверхностью ПЗС-матрицы 6, установлен параллельно линии, соединяющей изображения лазерных пятен, отражающий светофильтр 10 в виде полоски из селективно пропускающего оптического материала.

Малая ширина полоски светофильтра (t≤0,01H) практически не влияет на визуальный контроль объектива, т.к. экранируется им менее 1% его площади.

Размер изображений лазерных пятен не превышает d'=d'/m, где d≈10 мм - размер пятна на объекте m≈D/f' - масштаб изображения, f' - фокусное расстояние объектива фотокамеры при f'=30 мм, D=3000 мм и d'≤0,1.

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_p - 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≤D_mintg(α_p/2), что обеспечивает нахождение изображений лазерных пятен на ПЗС-матрице во всем диапазоне рабочих расстояний между излучателем и объектом от минимальной (D_min) до максимальной (D_max). На экране видеоконтрольного устройства 7 оператор наблюдает изображение поверхности объекта 9 и производит визуальный контроль объекта по его телевизионному изображению, контролируя одновременно наличие на нем лазерных пятен от микролазеров, наблюдаемых в зоне расположения светофильтра на ПЗС-матрице. Существенно, что линейный размер поля зрения объектива на объекте 9 автоматически совпадает с размером зоны этого объекта, просвечиваемого излучателем 1, при любых расстояниях от объекта до излучателя благодаря соблюдению вышеупомянутых соотношений, очевидных при рассмотрении, например, подобных прямоугольных треугольников СЕД и ONT (см. чертеж).

Телевизионный вычислитель 8, 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=C/B', где C=B·f'.

При этом при любом освещении объекта контраст изображений лазерных пятен остается постоянным и достаточно высоким (К≥0,6-0,8), что обеспечивает стабильную работу вычислителя.

Литература

1. Патент РФ 2235447. Лазерный центратор.

2. ГОСТ 9411-75. Стекло цветное оптическое.

3. Справочник конструктора оптико-механических приборов, под ред. Панова В.А. Л., Машиностроение, 1980, 742 с.

Использование: для ориентации излучателя по отношению к объекту. Сущность: заключается в том, что в фокальной плоскости объектива цифровой фотокамеры дополнительно введен селективный светофильтр, расположенный непосредственно в фокальной плоскости объектива цифровой фотокамеры, выполненный из оптического материала, имеющего малую оптическую плотность D≤0,1 на длине волны излучения лазера и высокую оптическую плотность D≥4,0 для всех остальных длин волн спектра солнечного излучения в диапазоне от λ≥0,38 мкм до λ≤0,67 мкм, воспринимаемых цифровой фотокамерой, светофильтр выполнен в виде прямоугольника, длина которого l≥H, где Н - размер растра ПЗС-матрицы цифровой фотокамеры, ширина t≤ 0,01Н, а толщина выбирается из условия l_λ≥D_λ/K_λ, где К_λ - удельный коэффициент поглощения материала фильтра на длине волны излучения лазера, мм^-1, D_λ≤0,1 - оптическая плотность светофильтра на этой длине волны, при этом светофильтр расположен на растре ПЗС-матрицы вдоль линии, соединяющей изображения лазерных пятен на объекте. Технический результат: обеспечение устойчивой работы центратора при любом световом режиме, особенно в условиях дневного освещения солнечным светом. 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 оси рентгеновского пучка с осью объектива цифровой фотокамеры перпендикулярно плоскости, образованной этими осями и два излучающих на длине волны λ микролазера, оптические оси которых расположены параллельно друг другу и оси рентгеновского пучка, симметрично относительно этой оси в плоскости, образованной осями объектива цифровой фотокамеры и рентгеновского пучка на расстоянии В друг от друга, определяемом из соотношения В≤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 Н соотношением f'≤Н/(2·tg(α_р/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 селективный светофильтр, расположенный непосредственно в фокальной плоскости объектива цифровой фотокамеры, выполненный из оптического материала, имеющего малую оптическую плотность D≤0,1 на длине волны излучения лазера и высокую оптическую плотность D≥4,0 для всех остальных длин волн спектра солнечного излучения в диапазоне от λ≥0,38 мкм до λ≤0,67 мкм, воспринимаемых цифровой фотокамерой, светофильтр выполнен в виде прямоугольника, длина которого l≥Н, где Н - размер растра ПЗС-матрицы цифровой фотокамеры, ширина t≤0,01Н, а толщина выбирается из условия l_λ≥D_λ/K_λ, где К_λ - удельный коэффициент поглощения материала фильтра на длине волны излучения лазера, мм^-1, D_λ≤0,1 - оптическая плотность светофильтра на этой длине волны, при этом светофильтр расположен на растре ПЗС-матрицы вдоль линии, соединяющей изображения лазерных пятен на объекте.