ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК H05G1/00 

Изобретение относится к неразрушающему контролю изделий авиакосмической техники и других технических объектов с помощью рентгеновского излучения.

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, который содержит лазер, отражатель, установленный на пересечении осей лазерного и рентгеновского пучков, средство индикации расстояния от рентгеновского излучателя до объекта, второй отражатель, установленный за вторым торцом лазера на его оси перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка при постоянном угле к оси лазера, с возможностью поступательного перемещения вдоль оси лазера [1].

Недостатки известного устройства - наличие подвижного отражателя, что усложняет конструкцию устройства и его эксплуатацию, отсутствие текущей информации о расстоянии от объекта до рентгеновского излучателя, а также сложность визуального совмещения двух малоразмерных (точечных) изображений лазерных пятен на объекте.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Для этого в лазерный центратор, содержащий корпус с расположенным в нем лазером с двухсторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, первый отражатель из оргстекла, установленный на пересечении осей рентгеновского и лазерного пучков перпендикулярно образуемой ими плоскости, средство индикации расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, второй отражатель, установленный на оси лазера за его вторым излучающим торцом перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка под постоянным углом α к оси лазера, отличающийся тем, что в него дополнительно введены цилиндрическая линза, установленная на оси лазера между его вторым излучающим торцом и вторым отражателем и формирующая плоский расходящийся пучок света, распространяющийся перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка, светоделитель, установленный на оси лазера между его первым излучающим торцом и первым отражателем, объектив с фокусным расстоянием f^', установленный на оси, проходящей через точку пересечения светоделителя с осью лазера перпендикулярно этой оси, узкополосный светофильтр, установленный перед объективом, максимум спектрального пропускания которого совпадает с длиной волны излучения лазера для повышения контраста изображения лазерных пятен на объекте, ПЗС-матрица размером А×А, установленная в фокальной плоскости объектива.

На фиг.1 представлена схема устройства.

Лазерный центратор размещен в корпусе 2, закрепленном на корпусе рентгеновского излучателя 1. В корпусе 2 находятся лазер 5 с двухсторонним выходом излучения, первый отражатель 3 из оргстекла, установленный в точке пересечения осей рентгеновского и лазерного пучков перпендикулярно образованной ими плоскости под углом 45° к оси лазера, светоделитель 4, установленный на оси лазера между его первым излучающим торцом и первым отражателем перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка под углом 45° к оси лазера, цилиндрическая линза 6, размещенная на оси лазера перед его вторым излучающим торцом и ориентированная так, что формируемый ею плоский расходящийся лазерный пучок распространяется перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка, второй отражатель 7, установленный на оси лазера за цилиндрической линзой неподвижно под углом α к оси лазера в точке, отстоящей от центра первого отражателя по оси лазера на расстояние В, причем его плоскость перпендикулярна плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка, узкополосный светофильтр 8, установленный перед объективом 9, оптическая ось которого совпадает с осью, проведенной из точки пересечения светоделителя с осью лазера перпендикулярно к ней, ПЗС-матрица 10, установленная в фокальной плоскости объектива 9, и телевизионный монитор 11, на экране которого закреплена шкала 12 для отсчета расстояний от объекта до рентгеновского излучателя.

Устройство работает следующие образом.

После отражения от первого отражателя 3 лазер 5 формирует на объекте 13 яркую точку, расположение которой совпадает с точкой пересечения оси рентгеновского пучка с объектом и изображение которой в центре монитора 11 используется в качестве целеуказателя при наведении рентгеновского излучателя на контролируемый объект.

Лазерная полоска, формируемая на объекте лазером 5 с помощью цилиндрической линзы 6 и второго отражателя 7, изображается на экране монитора в виде вертикальной полосы, параллельной оси симметрии экрана. Положение этой полосы относительно центра экрана монитора, с которым совпадает изображение лазерной точки, формируемой лазером 5 и первым отражателем 3, изменяется в соответствии с расстоянием от объекта до рентгеновского излучателя, которое может быть считано со шкалы 12 на экране монитора в точке, соответствующей пересечению изображения лазерной полосы с этой шкалой (фиг.2).

Для пояснения принципа действия лазерного центратора и анализа точности измерения расстояния от объекта до рентгеновского излучателя на фиг.3 представлена его расчетная схема.

Фокусное расстояние f^' объектива 9 выбирается из условия что обеспечивает постоянную резкость изображения лазерной полоски.

Конструктивные параметры оптической схемы центратора выбираются таким образом, чтобы при среднем расстоянии от объекта до рентгеновского излучателя изображение лазерной полоски на экране совпадало с его вертикальной осью симметрии. Это позволяет полностью использовать ширину экрана для размещения отсчетной шкалы. Расстояние Z от центра рентгеновского пучка до точки N.

Нахождение на объекте лазерной полоски определяется из пропорции, записанной для подобных треугольников OCD и DBN: где D_Z - текущее расстояние от объекта до рентгеновского излучателя.

После преобразования получим D_Z=tgα(B±Z). В этом уравнении знак + при Z применяется для всех отрезков, лежащих справа от оси рентгеновского пучка, соответствующих расстояниям D≤D₀, а знак - - для отрезков слева от нее, т.е. для D≥D₀.

Для величин изображений отрезков Z′, соответствующим различным расстояниям D, получим, Z′=Z/M₀, где увеличение объектива при расстоянии D от объекта до рентгеновского излучателя.

После подстановок и элементарных преобразований получим уравнение шкалы в пространстве изображений

Диапазон изменения длин отрезков Z′ очевидно равен от Z′_min до Z′_max для D=D_min и D=D_max соответственно, подсчитанных по формуле (I). Также отсюда следует, что величина диапазона изменения длин отрезков Z′ равна |Z′_min|+|Z′_max|. Понятно, что L′≤A, где А - размер стороны ПЗС-матрицы. Соответственно длина шкалы, устанавливаемая на экране монитора, будет равна L=L′·M_TV, где увеличение телевизионной системы M_TV=Р/А, Р - любое число, превосходящее значение величины размера стороны ПЗС-матрицы. Обычно А=10 мм, Р=100 мм и M_TV=10, т.к. произведение tgα·B·f′=C=const - конструктивная постоянная оптической системы центратора, формулу (I) можно записать

Для макетного варианта центратора выбрано f′=100 мм, В=400 мм,

Формула (2) упрощается еще более, если принять tgα=10, что соответствует типовым значениям параметров системы, т.е. В=400 мм и D₀=4000 мм при D_min=2000 мм и D_max=5000 мм.

Получим

Оценим погрешность измерения предлагаемым устройством. Цена деления шкалы на экране принята N=1,0 мм (стандартные измерительные шкалы). Величина его изображения на ПЗС-матрице очевидно будет N′=0,1 мм, что соответствует примерно 10 пикселям (элементарная фоточувствительность ПЗС-матрицы).

Примем N′=ΔZ′, то получим Z=M₀·Z′, что для D=D_max, т.е. для дает ΔZ=50·0,1=5,0 мм.

Соответственно ошибка измерения дистанции равна ΔD=AZ′·M₀=50 мм, что вполне отвечает практическим требованиям.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ №2251229. Лазерный центратор.

2. Справочник конструктора оптико-механических приборов, - Л., Машиностроение, 1980. - 742 с.

Использование: для ориентации рентгеновского излучателя по отношению к объекту. Сущность заключается в том, что дополнительно введены цилиндрическая линза, установленная на оси лазера между его вторым излучающим торцом и вторым отражателем и формирующая плоский расходящийся пучок света, распространяющийся перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка, светоделитель, установленный на оси лазера между его первым излучающим торцом и первым отражателем, объектив с фокусным расстоянием f′, установленный на оси, проходящей через точку пересечения светоделителя с осью лазера перпендикулярно этой оси, узкополосный светофильтр, установленный перед объективом, максимум спектрального пропускания которого совпадает с длиной волны излучения лазера для повышения контраста изображения лазерных пятен на объекте, ПЗС-матрица размером А×А, установленная в фокальной плоскости объектива, телевизионный монитор для наблюдения объекта контроля и расположения лазерных пятен на нем и линейная шкала, установленная непосредственно на экране монитора размером К×К и оцифрованная в единицах расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, показания с которой считываются с помощью изображения вертикального лазерного штриха на экране, положение которого пропорционально расстоянию от объекта до рентгеновского излучателя. Технический результат: упрощение конструкции устройства и его эксплуатации, а также получение текущей информации о расстоянии от объекта до рентгеновского излучателя. 3 ил.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазером с двухсторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, первый отражатель из оргстекла, установленный на пересечении осей рентгеновского и лазерного пучков перпендикулярно образуемой ими плоскости, средство индикации расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, второй отражатель, установленный на оси лазера за его вторым излучающим торцом перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка под постоянным углом α к оси лазера, отличающийся тем, что в него дополнительно введены цилиндрическая линза, установленная на оси лазера между его вторым излучающим торцом и вторым отражателем и формирующая плоский расходящийся пучок света, распространяющийся перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучка, светоделитель, установленный на оси лазера между его первым излучающим торцом и первым отражателем, объектив с фокусным расстоянием f′, установленный на оси, проходящей через точку пересечения светоделителя с осью лазера перпендикулярно этой оси, узкополосный светофильтр, установленный перед объективом, максимум спектрального пропускания которого совпадает с длиной волны излучения лазера для повышения контраста изображения лазерных пятен на объекте, ПЗС-матрица размером А×А, установленная в фокальной плоскости объектива, телевизионный монитор для наблюдения объекта контроля и расположения лазерных пятен на нем, и линейная шкала, установленная непосредственно на экране монитора размером К×К и оцифрованная в единицах расстояния от объекта до рентгеновского излучателя, показания с которой считываются с помощью изображения вертикального лазерного штриха на экране, положение которого пропорционально расстоянию от объекта до рентгеновского излучателя, при этом фокусное расстояние объектива выбирается из условия где D_min - минимальное расстояние от объекта до рентгеновского излучателя, а уравнение шкалы имеет вид где D - текущее расстояние от объекта до рентгеновского излучателя, D_min≤D≤D_max, где D_max - максимальное расстояние от объекта до рентгеновского излучателя, В - расстояние от точки пересечения первого отражателя с осью рентгеновского пучка до центра второго отражателя, Z^'=Z/M₀, где Z=В(Д₀-Д_Z)/Д₀, Д₀=В tgα, Д_Z - текущее расстояние от объекта до рентгеновского излучателя, M₀=D/f^' - увеличение объектива, C=tgα·B·f^' - конструктивная константа оптической системы центратора, при этом длина шкалы L выбирается из условия L=L^'·M_TV, где L^' - расстояние между крайними положениями изображений лазерных штрихов, от оси объектива соответствующих минимальному D_min и максимальному D_max расстояниям от объекта до рентгеновского излучателя, M_TV - увеличение телевизионной системы, а деление шкалы, соответствующее среднему значению расстояний от объекта до рентгеновского излучателя в диапазоне их изменения совмещено с вертикальной осью симметрии экрана монитора.