ИНФРАКРАСНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2007 года по МПК H05G1/00 

Изобретение относится к неразрушающему контролю с помощью рентгеновского излучения и может быть использовано для контроля материалов и изделий в машиностроении, авиакосмической и оборонной технике.

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя. Устройство включает в себя лазер, зеркало, установленное на пересечении оптических осей лазерного и рентгеновского пучков и направляющее на объект лазерные пучки, объектив с дистанционной шкалой. Отличительной особенностью устройства являются последовательно расположенные второе зеркало, установленное на оптической оси объектива, автоколлимационная марка, выполненная в виде перекрытия, конденсор и источник света. ПЗС-матрица установлена на оси, ортогональной оптической оси объектива и проходящей через точку пересечения этой оси со вторым зеркалом, причем ПЗС-матрица и марка равноудалены от этой точки, шкала дистанций соответствует определенному уравнению. Техническим результатом изобретения является возможность измерения расстояний при контроле объектов в полостях с размерами, меньшими базы дальномера [1].

Недостаток данного устройства - низкий контраст изображения автоколлимационной марки в условиях солнечной подсветки объекта, а также отсутствие визуального контроля и оценки размера зоны объекта, просвечиваемого рентгеновским излучением. Кроме того, при установке перед объективом узкополосного светофильтра не возможен визуальный контроль цветного изображения объекта.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Для этого инфракрасный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенными в нем объективом с дистанционной шкалой, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, ПЗС-матрицей с монитором, установленных в плоскости изображения объектива, зеркалом из оргстекла, установленного на пересечении осей объектива и рентгеновского пучка, перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющего на объект световой пучок, соосный с рентгеновским пучком, второе полупрозрачное зеркало, установленное на оси объектива, автоколлимационную марку, установленную на оси объектива в плоскости его изображения, конденсор и источник света для подсветки автоколлимационной марки в виде перекрестия и светофильтр для спектральной и/или поляризационной селекции фонового излучения, дополнительно снабжен третьим полупрозрачным зеркалом, установленным на оси объектива между объективом и первым зеркалом вне зоны распространения рентгеновского пучка, цветной видеокамерой, ось объектива которой располагается на прямой, проходящей через точку пересечения третьего полупрозрачного зеркала с осью первого объектива перпендикулярно к ней, вторым монитором для визуального наблюдения цветного изображения контролируемого объекта, фокусное расстояние цветной видеокамеры выбирается с учетом соотношения где Н - размер стороны ПЗС-матрицы видеокамеры, α - угол излучения рентгеновского излучателя, - диагональ ПЗС-матрицы, в качестве источника подсветки автоколлимационной марки использован инфракрасный светодиод, излучающий на одной из длин волн в диапазоне 0,9-1,5 мкм, для визуализации изображения автоколлимационной марки использована ПЗС-матрица, диапазон спектральной чувствительности которой охватывает длину волны излучения инфракрасного светодиода, а полоса спектра пропускания селективного светофильтра, располагаемого перед первым объективом, совпадает с длиной волны излучения инфракрасного светодиода.

Схема устройства показана на чертеже.

Устройство содержит рентгеновский излучатель 1, на котором крепится корпус, в котором расположен объектив, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, первое полупрозрачное зеркало 2, установленное на пересечении осей симметрии рентгеновского пучка и оптической оси объектива, перед объективом установлен оптический светофильтр 3, в пространстве изображений объектива на его оптической оси последовательно установлены второе полупрозрачное зеркало 5, автоколлимационная марка 6, конденсор 7, источник света 8 и ПЗС-матрица 9, расположенная на оси, проходящей через точку пересечения оптической оси объектива и второго полупрозрачного зеркала и ортогональной ей, причем ПЗС-матрица и марка равноудалены от этой точки, объектив снабжен индексом 11 для отсчета по дистанционной шкале 12 расстояния до объекта 13, совпадающего с фокусным расстоянием рентгеновского излучателя.

На оси объектива 4 между ним и первым зеркалом 2 установлено третье полупрозрачное зеркало 15 вне зоны распространения рентгеновского пучка.

Цветная видеокамера 16, содержащая объектив 17 и ПЗС-матрицу 18, установлена так, что ее ось объектива 17 совпадает с осью, проходящей через точку пересечения третьего полупрозрачного зеркала 15 с осью объектива 4 перпендикулярно оси объектива 4.

Оптические оси объектива 17 видеокамеры и объектива 4 после отражения от первого зеркала 2 совпадают с осью симметрии пучка рентгеновского излучения.

Цветное изображение объекта наблюдают на втором мониторе 19.

Устройство работает следующим образом.

Объектив 4 строит на объективе 13 изображение марки 6, автоколлимационное (в обратном ходе лучей) изображение которой наблюдается на экране первого монитора (или дисплее на ПЭВМ) 10 (см. чертеж).

Фокусируя объектив 4, добиваются максимально резкого изображения марки (чертеж б), и с помощью индекса 11 производят отсчет расстояния по шкале 12 до объекта, конструктивно совпадающего с фокусным расстоянием рентгеновского излучателя, расстояние А от которого до центра первого полупрозрачного зеркала 2 установлено равным расстоянию от центра этого зеркала до марки 6.

Величина Z' от заднего фокуса объектива до изображения рассчитывается по известной формуле дистанционной шкалы объектива с учетом конкретных значений фокусного расстояния объектива f, расстояния между его передней и задней фокальными плотностями С и расстояния от плоскости с рентгеновской пленки до изображения L.

Формула имеет вид

формулу (I) целесообразно преобразовать с учетом соотношения L=А+B, где A=const - конструктивный параметр оптической системы центратора (расстояние от центра первого зеркала 2 до излучателя 1 и соответственно от зеркала 2 до марки 6), B - переменное расстояние от центра первого зеркала до объекта.

После преобразований, вводя дополнительный конструктивный параметр Д=(A-С)=const, получаем окончательно уравнение дистанционной шкалы объектива

Марка и ее автоколлимационное изображение оптически сопряжены, поэтому размер этого изображения на ПЗС-матрице постоянен при различных удалениях объекта, что существенно облегчает работу центратором. Установленный перед объективом селективный светофильтр 3 позволяет автоматически оградиться от посторонних засветок объекта методом спектральной и (или) поляризационной селекции световых помех.

Фокусное расстояние объектива f выбирается с учетом оптимального расстояния между штрихами шкалы, особенно в диапазоне максимальных расстояний до объекта, где они минимальны.

Использование автоколлимационной фокусировки позволяет повысить точность измерений в 1,5-2 раза и сделать их независимыми от яркости объекта, т.к. наведение на яркость производится по изображению стандартного, оптимального по форме и яркости тест-объекта, т.е. автоколлимационной марки 6, что в частности благоприятно для применения автоматических систем фокусировки.

Экспериментально установлено, что для характерных значений параметров радиографического контроля объектов техники (В=1-3 м, А=0,2-0,5 м) оптимальным является соотношение В_max≤K·f, где коэффициент К=15-20, например К=20, и B_max=2 м, f=0,1 м. При этом, как показал расчет, минимальное значение расстояния до объекта, соответствующее минимальному интервалу шкалы (принятому с учетом технологических и экономических факторов), равно ΔB_max=0,1 м, что практически достаточно для большинства случаев.

Одновременно а изображением автоколлимационной марки на первом мониторе на экране второго монитора оператор наблюдает цветное изображение объекта и контролирует размер зоны, просвечиваемой рентгеновским излучением, диаметр которой совпадает с размером диагонали этого изображения в силу приведенного выше соотношения между размером ПЗС-матрицы цветной видеокамеры и фокусным расстоянием f'_K ее объектива, выполнение которого обеспечивает совладение угла поля зрения цветной видеокамеры и угла излечения рентгеновского излучателя.

В качестве источника света 8 для подсветки автоколлимационной марки 6 используется инфракрасный светодиод с длиной волны λ=1,3÷1,5 мкм, на которой солнце излучает существенно (в 3÷5 раз) меньшую интенсивность по сравнению с видимым диапазоном спектра.

Длина волны излучения инфракрасного (ИК) светодиода или лазера выбирается с учетом вышеуказанных критериев.

В макете инфракрасного центратора использована стандартная оптика из оптических стекол, прозрачных в области длин волн от λ=0,4 мкм до λ₂≅2,0 мкм. Спектр чувствительности, используемой в макете ПЗС-матрицы, располагается в области длин волн от λ=0,4 мкм до λ₂≅1,5 мкм, т.е. охватывает диапазон излучения ИК-светодиодов. Поэтому выбран светодиод, излучающий на длине волны λ=1,4 мкм (мощность излучения 10 мВт и расходимость луча В≥30°), и узкополосный интерференционный светофильтр, пропускающий излучение в диапазоне λ=1,4±0,1 мкм, согласованном с излучением ИК-светодиода.

При этом излучение Солнца в данном диапазоне существенно (в 5 раз) меньше его интенсивности в видимой области спектра, что позволяет получать высококонтрастные изображения кольцевой диафрагмы и перекрестие автоколлимационной марки на ПЗС-матрице и практически исключить влияние солнечной засветки на их яркость на экране монитора. Следует отметить, что в ИК-диапазоне спектра типовые элементы контролируемых конструкций, даже покрытых пылью, сажей и т.п., имеют коэффициент отражения, существенно больший, чем в видимом свете.

Это дополнительно усиливает яркость и контраст изображения автоколлимационной марки.

В перспективе возможен переход в среднюю (Δλ=2÷5 мкм) или даже в дальнюю область ИК-спектра (Δλ=8÷14 мкм). Это позволит наблюдать тепловые изображения объектов в их собственном излучении, что даст дополнительную информацию об объекте. Однако это потребует применения дорогостоящей тепловизионной аппаратуры, а также газовых лазеров на СО (λ=5 мкм) или СО₂ (λ=10,6 мкм), обладающих высокой мощностью излучения (до 1 Вт и более), но отличающихся гораздо большими размерами и потребляемой мощностью по сравнению с малогабаритными и высокоэффективными светодиодами и полупроводниковыми лазерами ближнего ИК-диапазона, примененным в нашем макете.

Отметим, что макет дает возможность наблюдения объекта в отраженном солнечном свете ближнего ИК-диапазона (λ=0,8÷1,5 мкм), что дает дополнительную диагностическую информацию о состоянии контролируемого объекта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ №2242097, кл. H 05 G 1/00.

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

3. Карасин В.Е., Орлов В.Н. Лазерные системы видения. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2001. 352 с.

4. Вавилов B.C., Климов А.Г. Тепловизоры и их применение. М.: Интел-универсал. 2002. 88 с.

Использование: для ориентации рентгеновского излучателя по отношению к объекту. Сущность: заключается в том, что инфракрасный центратор дополнительно снабжен третьим полупрозрачным зеркалом, установленным на оси объектива между объективом и первым зеркалом вне зоны распространения рентгеновского пучка, цветной видеокамерой, ось объектива которой располагается на прямой, проходящей через точку пересечения третьего полупрозрачного зеркала с осью объектива перпендикулярно к ней, вторым монитором для визуального наблюдения цветного изображения контролируемого объекта, фокусное расстояние цветной видеокамеры выбирается с учетом соотношения где Н - размер стороны ПЗС-матрицы видеокамеры, α - угол излучения рентгеновского излучателя, - диагональ ПЗС-матрицы видеокамеры, в качестве источника подсветки автоколлимационной марки использован инфракрасный светодиод, излучающий на одной из длин волн в диапазоне 0,9-3,5 мкм, для визуализации изображения автоколлимационной марки использована ПЗС-матрица, диапазон спектральной чувствительности которой охватывает длину волны излучения инфракрасного светодиода, а полоса спектра пропускания светофильтра, располагаемого перед объективом, совпадает с длиной волны излучения инфракрасного светодиода. Технический результат: повышение контраста изображения автоколлимационной марки в условиях солнечной подсветки объекта, а также визуальный контроль и оценка размера зоны объекта, просвечиваемого рентгеновским излучением. 1 ил.

Инфракрасный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенными в нем объективом с дистанционной шкалой, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, ПЗС-матрицей с монитором, расположенной на оси, проходящей через точку пересечения оптической оси объектива и второго полупрозрачного зеркала и ортогональной ей, первым зеркалом из оргстекла, установленным на пересечении осей объектива и рентгеновского пучка перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющего на объект световой пучок, соосный с рентгеновским пучком, второе полупрозрачное зеркало, установленное на оси объектива, автоколлимационную марку, установленную на оси объектива в плоскости его изображения, конденсор и источник света для подсветки автоколлимационной марки в виде перекрестия и светофильтр для спектральной и/или поляризационной селекции фонового излучения, дополнительно снабжен третьим полупрозрачным зеркалом, установленным на оси объектива между объективом и первым зеркалом вне зоны распространения рентгеновского пучка, цветной видеокамерой, ось объектива которой располагается на прямой, проходящей через точку пересечения третьего полупрозрачного зеркала с осью объектива перпендикулярно к ней, вторым монитором для визуального наблюдения цветного изображения контролируемого объекта, фокусное расстояние цветной видеокамеры выбирается с учетом соотношения

где Н - размер стороны ПЗС-матрицы видеокамеры;

α - угол излучения рентгеновского излучателя;

- диагональ ПЗС-матрицы видеокамеры,

в качестве источника подсветки автоколлимационной марки использован инфракрасный светодиод, излучающий на одной из длин волн в диапазоне 0,9-3,5 мкм, для визуализации изображения автоколлимационной марки использована ПЗС-матрица, диапазон спектральной чувствительности которой охватывает длину волны излучения инфракрасного светодиода, а полоса спектра пропускания светофильтра, располагаемого перед объективом, совпадает с длиной волны излучения инфракрасного светодиода.