ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2008 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 для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенной в нем телевизионной системой, состоящей из ПЗС-матрицы и объектива, оптическая ось которого параллельна оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении оси рентгеновского пучка и оптической оси объектива телевизионной системы перпендикулярно к этой плоскости, и видеоконтрольное устройство, дополнительно содержит два микролазера, оптические оси которых параллельны друг другу и оси рентгеновского пучка и расположены симметрично относительно этой оси в плоскости, образованной осями объектива и рентгеновского пучка на расстоянии В друг от друга, определяемом из соотношения B≤D_min·tg(α/2), где D_min - минимальное расстояние от рентгеновского излучателя до объекта в рабочем диапазоне этих расстояний, α - угловой размер рентгеновского пучка, размер растра ПЗС-матрицы H и фокусное расстояние объектива телевизионной системы f связаны соотношением H=2f·tg(α/2), где определяются расстояния от излучателя до объекта, использован телевизионный вычислитель иди стандартный компьютер, производящий автоматический расчет этого расстояния по формуле D=С/B^', где С=B·f - константа оптической системы центратора, В^' - расстояние между изображениями лазерных пятен на объекте в фокальной плоскости объектива телевизионной системы, совпадающей с плоскостью расположения светочувствительных элементов ПЗС-матрицы, при этом для записи, хранения и передачи в компьютер изображений поверхности объекта в зоне его просвечивания рентгеновским излучением использована цифровая фотокамера [1].

Недостатки данного устройства - отсутствие встроенных средств контроля за параллельностью лучей лазеров друг другу, что может привести к ошибке при измерении расстояния от рентгеновского излучателя до объекта из-за неточного фактического расстояния между лазерными пятнами на объекте. Контроль же этого расстояния с помощью линейной шкалы, располагаемой непосредственно на объекте, усложняет процедуру контроля, а зачастую просто невозможен при обследовании труднодоступных объектов.

Кроме того, измерение расстояния между изображениями лазерных пятен с помощью ПЗС-видеокамеры достаточно сложно из-за малых диаметров этих изображений (порядка 100 мкм при расстоянии до объекта D≥3 м), а также влияние перекоса линии, проходящей через центры лазерных пятен, относительно строчной структуры развертывающей системы ПЗС-матрицы.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенной в нем цифровой фотокамерой, состоящей из ПЗС-матрицы и объектива, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении оси рентгеновского пучка и оптической оси объектива цифровой фотокамеры перпендикулярно к этой плоскости, и видеоконтрольное устройство, два микролазера, оптические оси которых параллельны друг другу, и оси рентгеновского пучка расположены симметрично относительно этой оси в плоскости, образованной осями объектива и рентгеновского пучка на расстоянии B друг от друга, определяемом из соотношения B≤D_min·tg(α/2), где D_min - минимальное расстояние от рентгеновского излучателя до объекта в рабочем диапазоне этих расстояний, α - угловой размер рентгеновского пучка, размер растра ПЗС-матрицы Н и фокусное расстояние объектива цифровой фотокамеры f связаны соотношением H=2f·tg(α/2), телевизионный вычислитель или стандартный компьютер, производящий автоматический расчет расстояния до объекта по формуле D=С/B^', где С=B·f - константа оптической системы центратора, B^' - расстояние между изображениями лазерных пятен на объекте в фокальной плоскости объектива цифровой фотокамеры, совпадающей с плоскостью расположения светочувствительных элементов ПЗС-матрицы, дополнительно введены две идентичные цилиндрические линзы, одинаково ориентированные и установленные на выходе микролазеров таким образом, что при этом формируются два плоских расходящихся лазерных луча, параллельных друг другу и формирующих на объекте две лазерные линии на расстоянии B, равном расстоянию между микролазерами, полупрозрачное зеркало, установленное перед первым микролазером за цилиндрической линзой на его оптической оси, плоскость полупрозрачного зеркала перпендикулярна плоскости, образованной осями микролазеров, и наклонена под углом 45° к оси первого микролазера, на корпусе второго микролазера в зоне его пересечения с осью луча первого микролазера после его отражения от светоделителя закреплено плоское зеркало, плоскость которого перпендикулярна плоскости, образованной осями микролазеров, и параллельна оси первого микролазера, на корпусе первого микролазера установлена шкала для считывания линейных координат пересечения этой шкалы с плоским лазерным лучом, отраженным от зеркала, закрепленного на корпусе второго микролазера.

Изобретение поясняется чертежами (фиг.1,2,3), на которых показана схема центратора.

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, цифровую фотокамеру, содержащую 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 две светящиеся линии, расстояние B между которыми остается постоянным при любом изменении расстояния от излучателя до объекта (фиг.1).

Перед микролазерами на их оптических осях расположены идентичные цилиндрические линзы, ориентированные так, что на их выходе формируются два параллельных друг другу плоских лазерных расходящихся пучка. Перед первым микролазером 3 на его оптической оси за цилиндрической линзой 10 установлен светоделитель 11, отражающая поверхность которого перпендикулярна плоскости, образованной осями микролазеров 3 и 3′, и расположена под углом 45° к оси микролазера 3. Микролазер 3, цилиндрическая линза 10 и светоделитель 11 жестко конструктивно связаны между собой и расположены в корпусе 14. На боковой стороне корпуса 14, обращенной к корпусу 15 второго микролазера 3^', закреплена линейная шкала 12. Лазерное излучение от микролазера 3 после отражения от светоделителя 11 падает на корпус 15 второго микролазера 3^' через отверстие в корпусе 14 (фиг.2, вид А). На корпусе 15 микролазера 3′, на стороне, обращенной к корпусу 14, закреплено плоское зеркало 13, поверхность которого параллельна оси микролазера 3 и перпендикулярна плоскости, образованной осями микролазеров 3 и 3^'.

После отражения от этого зеркала 13 плоский лазерный пучок формирует на шкале 12 световой штрих (фиг.3,а), перпендикулярный этой шкале.

Зеркало 13, лазер 3^' цилиндрическая линза 10^' жестко закреплены относительно друг друга в корпусе 15.

Устройство работает следующим образом.

Рентгеновский излучатель 1 с закрепленным на нем корпусом 2 наводится на объект 9. При этом на объекте возникает изображение двух параллельных друг другу лазерных полосок, расстояние между которыми равно В. По расстоянию В между изображениями этих полосок вычисляется расстояние от рентгеновского излучателя до объекта с помощью системы, состоящей из цифровой фотокамеры и вычислителя 8. Визуальное наблюдение объекта 9 производится с помощью дополнительного монитора 7. В случае необходимости поверхность объекта фотографируется цифровой фотокамерой.

Перед включением рентгеновского аппарата оператор контролирует положение лазерного штриха на шкале 12 и, в случае несовпадения его с нужным значением (фиг.3, а,б) производит юстировочное угловое вращение корпуса 14 относительно оси, проходящей через точку пересечения оси микролазера 3 и светоделителя 11 до момента, при котором N=N₀.

Значение N₀ определяется при предварительной юстировке центратора по стандартной измерительной линейной шкале 16, длиной L≥B с ценой деления t=1 мм, размещаемой на максимальном удалении рентгеновского излучателя от объекта D_max≈5,0 мм перпендикулярно осям микролазеров и оси рентгеновского пучка с погрешностью не хуже ±5°. Шкала 16 размещается симметрично относительно оси рентгеновского пучка и/или лучей микролазеров 3 и 3′. При этом, вращая с помощью стандартного винтового механизма (на схеме не показан в силу общеизвестности данного технического решения) корпус 14 относительно его оси вращения, добиваются равенства расстояния В между лазерными линиями расстоянию В₀ между центрами микролазеров 3 и 3′, измеряемому в непосредственной близости от их выходных торцов. В момент равенства В=В₀ по шкале 12 отмечают значение N₀ положения лазерного штриха на этой шкале.

Существенно, что если при вращении корпуса 14 как единого жесткого конструктива на угол γ (фиг.1, 2) луч, падающий на корпус 15, также отклоняется на тот же угол γ, то после его отражения от зеркала 13 угол отражения удваивается и становится равным по законам геометрической оптики [2]. Это позволяет в два раза поднять чувствительность использованной в заявляемом устройстве автоколлимационной схемы контроля угловых отклонений осей микролазеров 3 и 3′ от параллельности.

Как отмечалось выше, из конструктивных соображений принято В₀=600 мм. При юстировке центратора по шкале, расположенной на расстоянии D=-D_max≅5000 м (5 м), погрешность измерения В составляет ±1 мм (стандартная линейка). При этом очевидно, погрешность измерения масштаба М составит что вполне удовлетворяет требованиям технологии рентгенографического контроля.

В то же время, если в процессе транспортировки, эксплуатации и других причин непараллельность лазерных пучков составит только ±1°, то значение В₀ практически не изменится (B₀≈600 мм ± 1 мм), а величина B изменится на величину ΔВ=±D_max·tgα≈+D_max·γ (здесь α=0,02 в радианной мере).

При этом ΔB=±5000·0,02=±100 мм.

Ошибка масштаба будет равна

что уже недопустимо.

Оценим погрешность контроля непараллельности с помощью предлагаемого устройства. Максимально допустимое отклонение размера В от номинального ΔВ₀=В-В₀ (для простоты вычислений оперируем с модулем значения ΔВ₀).

Соответствующее ему угловое рассогласование осей микролазеров γ=ΔВ₀/D, где D - расстояние от рентгеновского излучателя до объекта. Выразим ΔB₀ в долях от B₀, т.е. ΔB₀=к·B₀, где к=0,01±0,02 - коэффициент, определяющий относительную погрешность измерения расстояния между осями лазеров, а следовательно, и погрешность масштаба их изображения.

Соответствующее угловое смещение луча первого микролазера после его отражения от зеркала на корпусе второго микролазера, очевидно, равно 2γ.

В линейной мере это смещение на шкале размещено на корпусе первого микролазера, равно Δ=В₀ 2γ.

В единицах шкалы (t - цена деления шкалы) Δ=n·t, где n - число делений шкалы, приходящееся на это смещение. Обычно n=3-5, в соответствии с правилами метрологии [3].

Окончательно можно записать

и

Приравнивая, получим

Это равенство позволяет выбирать параметры автоколлимационной схемы, исходя из требований к точности измерений углового смещения осей микролазеров текущего расстояния до объекта, расстояния между ними и ценой деления шкалы.

Источники информации

1. Патент РФ №2235447.

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

3. Сергеев А.Г. Метрология, М.: Логос, 2001, 408 с.

Использование: для ориентации рентгеновского излучателя по отношению к объекту. Сущность: заключается в том, что дополнительно введены две идентичные цилиндрические линзы, одинаково ориентированные и установленные на выходе микролазеров таким образом, что при этом формируются два плоских расходящихся лазерных луча, параллельных друг другу и формирующих на объекте две лазерные линии на расстоянии В, равном расстоянию между микролазерами, полупрозрачное зеркало, установленное перед первым микролазером за цилиндрической линзой на его оптической оси, плоскость полупрозрачного зеркала перпендикулярна плоскости, образованной осями микролазеров, и наклонена под углом 45° к оси первого микролазера, на корпусе второго микролазера в зоне его пересечения с осью луча первого микролазера после его отражения от светоделителя закреплено плоское зеркало, плоскость которого перпендикулярна плоскости, образованной осями микролазеров, и параллельна оси первого микролазера, на корпусе первого микролазера установлена шкала для считывания линейных координат пересечения этой шкалы с плоским лазерным лучом, отраженным от зеркала, закрепленного на корпусе второго микролазера, и, кроме того, между основными параметрами оптической схемы центратора существует определенное соотношение. Технический результат: повышение точности измерений расстояния от рентгеновского излучателя до объекта контроля. 3 ил.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, 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, 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/2tg(α/2), телевизионный вычислитель для измерения расстояния от излучателя до объекта, производящий автоматическое вычисление этого расстояния по формуле D=C/B′, C=B·f - константа оптической системы центратора, В′ - расстояние между изображениями лазерных линий на объекте в фокальной плоскости объектива цифровой фотокамеры, отличающийся тем, что в него дополнительно введены две идентичные цилиндрические линзы, одинаково ориентированные и установленные на выходе микролазеров таким образом, что при этом формируются два плоских расходящихся лазерных луча, параллельных друг другу и формирующих на объекте две лазерных линии на расстоянии В, равном расстоянию между микролазерами, полупрозрачное зеркало, установленное перед первым микролазером за цилиндрической линзой на его оптической оси, плоскость полупрозрачного зеркала перпендикулярна плоскости, образованной осями микролазеров и наклонена под углом 45° к оси первого микролазера, на корпусе второго микролазера в зоне его пересечения с осью луча первого микролазера после его отражения от светоделителя закреплено плоское зеркало, плоскость которого перпендикулярна плоскости, образованной осями микролазеров и параллельна оси первого микролазера, на корпусе первого микролазера установлена шкала для считывания линейных координат пересечения этой шкалы с плоским лазерным лучом, отраженным от зеркала, закрепленного на корпусе второго микролазера, а между основными параметрами оптической схемы центратора существует соотношение вида

где n=3÷5 - коэффициент метрологического запаса точности измерений;

t - цена деления шкалы отсчетного устройства центратора, мм;

В₀ - расстояние между выходными торцами микролазеров, мм;

K=0,01÷0,02 - коэффициент для оценки допустимой относительной погрешности измерения фактического размера расстояния между лазерными линиями на объекте;

D - текущее расстояние от рентгеновского излучателя до объекта, мм.