ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТРАТОР ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 2008 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 машиностроения и транспорта.

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, который включает в себя лазер с двухсторонним выходом излучения, отражатель, установленный на пересечении оптических осей лазерного и рентгеновского пучков, и средство измерения расстояния от рентгеновского излучателя до объекта, особенностью которого является наличие второго отражателя, связанного с указателем средства индикации и установленного на оси лазера перпендикулярно плоскости, образованной осями лазера и рентгеновского пучков с возможностью перемещения вдоль этой оси [1].

Недостаток данного устройства - невысокая точность измерения расстояния от объекта до рентгеновского излучателя за счет отсутствия фокусировки лучей лазера на объект, а также сложность совмещения двух лазерных пятен при визуальном наблюдении объекта со значительных расстояний порядка 5 метров, характерных для проведения контроля крупногабаритных изделий авиакосмической техники.

Кроме того, визуальное наблюдение лазерных пятен на объекте в условиях солнечной засветки затруднено их малым контрастом по сравнению с яркой поверхностью объекта.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Для этого в лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазером, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении осей лазера и рентгеновского излучателя, средство индикации расстояния от объекта до излучателя в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, второй отражатель, установленный на оси лазера перпендикулярно плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков с возможностью поступательного перемещения вдоль оси лазера под постоянным углом к оси лазера, при котором отраженный от него луч лазера направляется на объект под углом α к оси лазера, шкала выполнена линейной, равномерной и отвечающей уравнению L=x·tgα=N·t·tgα, где х=N·t - линейное перемещение второго отражателя, L - расстояние от объекта до рентгеновского излучателя, N - число делений шкалы, соответствующее положению указателя перемещений второго отражателя, t - цена деления шкалы, а начальный участок шкалы x_o≥H·tg(β/2), где Н - расстояние от фокуса рентгеновской трубки до центра первого отражателя, β - угол излучения рентгеновского пучка, при этом второй отражатель выполнен полупрозрачным, дополнительно введены телевизионная система, состоящая из объектива, ПЗС-матрицы и монитора, использован лазер с односторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, перед лазером на его оптической оси установлен микрообъектив, фокусирующий излучение лазера в плоскости изображения объектива телевизионной системы, ось которого совпадает с осью лазера, между микрообъективом и объективом телевизионной системы на оптической оси лазера под углом 45° к ней установлен третий полупрозрачный отражатель, на оси, проходящей через точку пересечения оси лазера с этим отражателем перпендикулярно к ней расположена ПЗС-матрица, причем расстояния от точки пересечения полупрозрачного третьего отражателя с осью лазера до ПЗС-матрицы и соответственно до фокуса микрообъектива равны друг другу, объектив телевизионной системы установлен с возможностью фокусировочных перемещений вдоль оси лазера, а перед ним установлен узкополосный светофильтр, максимум полосы пропускания которого совпадает с длиной волны лазера.

На чертеже представлена схема центратора.

Центратор состоит из закрепленного на корпусе рентгеновского излучателя 1 корпуса 2, в котором расположены первый отражатель 3, второй отражатель 5, объектив 6, третий полупрозрачный отражатель 7, микрообъектив 8, лазер 9, ПЗС-матрица 12. Перед объективом 6 установлен узкополосный светофильтр 15, максимум полосы пропускания которого совпадает с длиной волны лазера. Для перекрытия излучения из второго торца лазера имеется заслонка (на схеме не показана в силу общеизвестности решения).

Расположенные на оси лазера 9 элементы оптической схемы центратора, отражатель 5, фильтр 15, объектив 6, полупрозрачный отражатель 7, микрообъектив 8 и сам лазер 9, а также ПЗС-матрица 12 расположены в конструктивном модуле 4, установленном с возможностью перемещения параллельно продольной оси рентгеновского излучателя вдоль оси лазера. Величина этого перемещения относительно корпуса 2 фиксируется с помощью индикатора 11, установленного на модуле 4 по шкале 10, закрепленной на корпусе 2. Отражатель 5 установлен на оси лазера 9 под углом, при котором отраженный от него луч лазера направляется на объект под углом α к оси лазера.

При перемещении модуля 4 отраженный от отражателя 5 луч перемещается параллельно самому себе. Объектив 6 имеет фокусировочные перемещения вдоль оси лазера. На мониторе 13 наблюдают изображение.

Центратор работает следующим образом.

Оператор наводит на нужную зону объекта лазерный луч, отраженный от первого отражателя 3, направление которого совпадает с осью рентгеновского пучка. При этом излучение, отраженное от второго отражателя 5, перекрывается заслонкой. Затем заслонка убирается и оператор наблюдает на экране монитора 13 изображения двух лазерных пятен на объекте, добиваясь с помощью перемещения модуля 4 их совпадения. В момент совпадения изображений пятен снимается отсчет по шкале 10 с помощью указателя 11. Шкала 10 выполнена линейной и равномерной и отвечает уравнению L=X·tgα=N·t·tgα, где L - расстояние от объекта 14 до рентгеновского излучателя, Х - линейное перемещение модуля 4 с вторым отражателем, N - число делений шкалы, t - цена деления шкалы.

Шкала градирована в диапазоне перемещений модуля 4 и соответственно второго отражателя, соответствующего рабочему диапазону расстояний от объекта до излучателя от L_min до L_max. При этом диапазон перемещений второго отражателя составляет .

Начальный участок шкалы Х_о≤Х_min для устранения эффекта экранирования пучка рентгеновского излучателя. Его величина, очевидно, равна Х_о≥Н·tg(β/2), где H - расстояние от фокуса рентгеновской трубки до первого отражателя, β - угол раскрытия рентгеновского пучка.

Особенно удобно применение стандартных децимальных шкал с t=1,0 мм, например по ГОСТ 427-75 при tgα=10 (α=84° 20).

При этом текущее расстояние от объекта до рентгеновского излучателя определяется простой формулой L=N·t 10 = 10 N (мм).

Оценим точностные характеристики предлагаемого устройства, главное влияние на которые оказывают размеры и контраст лазерных пятен на объекте, а также цена деления шкалы.

Контраст лазерных пятен при их наблюдении на экране монитора при наличии узкополосного фильтра 15 перед объективом 6, как показали испытания, практически не зависит от интенсивности солнечной засветки и равен K≥0,6÷0,7, что отвечает оптимальному его значению с позиций зрительной эргономики [2].

Размер лазерных пятен на объекте и, соответственно, их изображений на экране зависит от угла расходимости лазерного излучения и фокусных расстояний объектива 6 и микрообъектива 8.

Для типового значения γ=3^'=0,001 (радиан).

Размер пятна на объекте составляет Z=L·γ и при L=5000 мм равен Z=5 мм.

Совмещение пятен такого размера при их прямом визуальном наблюдении на указанном расстоянии не превышает ±2 мм, как показали наблюдения.

В пересчете на погрешность измерения расстояния от объекта до рентгеновского излучателя это составляет ΔL≈±100 мм, т.е. ΔL/L≅=20% (при L=5000 мм = L_max).

В случае использования телевизионной системы с предлагаемой фокальной автоколлимационной оптической системой размеры пятен, например, можно оценить из следующих соображений.

При принятом фокусном расстоянии микрообъектива 7 f^'=10 мм лазерное пятно в его фокальной плоскости имеет размер Z_Мо=ΔD·γ, где D≈1,0 мм - диаметр лазерного луча, K≅3÷5 - аберрационный коэффициент. Реально Z_Mo≅0,01 мм для современных твердотельных микролазеров (типа "лазерной указки").

Это лазерное пятно объектива 6 с фокусным расстоянием мм (это значение принято в макете центратора) проектируется на объект с увеличением . При этом размер пятна на объекте равен, очевидно, мм, т.е. в 10 раз менее диаметра пятна в схеме оптической системы.

Соответственно размер его изображения на экране монитора составит , где K₁=Z - коэффициент, учитывающий размытые изображения объективов при обратном проецировании m_тв=A_э/А_ПЗС≅10^X - телевизионное увеличение, равное отношению диагонали экрана монитора (в макете принято А_э≈100 мм), к диагонали растра ПЗС-матрицы (A_ПЗС≈10 мм).

При реальном значении K₁≅2,0 размер изображений лазерных пятен на экране составит мм.

Точность совмещения на экране пятен такого размера примерно равна их диаметрам, т.е. 0,2 мм, что примерно на порядок лучше, чем в схеме аналога.

Для реализации этого положительного эффекта целесообразно применение более точных шкал, например, использования стандартных цифровых штангенциркулей с ценой деления шкалы 0,01 мм и диапазоном перемещения 0-150 мм и более [3].

Фокусировка лазерного излучения на объект производится оператором при различных расстояниях от объекта до рентгеновского излучателя стандартным методом по критерию наилучшей разности изображения лазерного пятна на экране.

Заметим, что возможность телевизионного наблюдения увеличенного изображения поверхности объекта и/или его регистрации стандартными цифровыми или аналоговыми методами дополнительно расширяет диагностические возможности устройства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ №2251229.

2. Турыгин И.А., Прикладная оптика, М., Машиностроение, 1965, 355 с.

3. Цифровые штангенциркули, проспекты фирм Leica и др.

Использование: для ориентации рентгеновского излучателя по отношению к объекту. Сущность: заключается в том, что в центратор дополнительно введены телевизионная система, состоящая из объектива, ПЗС-матрицы и монитора, использован лазер с односторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, перед лазером на его оптической оси установлен микрообъектив, фокусирующий излучение лазера в плоскости изображения объектива телевизионной системы, ось которого совпадает с осью лазера, между микрообъективом и объективом телевизионной системы на оптической оси лазера под углом 45° к ней установлен третий полупрозрачный отражатель, на оси, проходящей через точку пересечения оси лазера с этим отражателем, перпендикулярно к ней расположена ПЗС-матрица, причем расстояния от точки пересечения полупрозрачного третьего отражателя с осью лазера до ПЗС-матрицы и соответственно до фокуса микрообъектива равны друг другу, объектив телевизионной системы установлен с возможностью фокусировочных перемещений вдоль оси лазера, а перед ним установлен узкополосный светофильтр, максимум полосы пропускания которого совпадает с длиной волны лазера. Технический результат: повышение точности измерения расстояния от объекта до рентгеновского излучателя. 1 ил.

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазером, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, отражатель из оргстекла, установленный на пересечении осей лазера и рентгеновского излучателя, средство индикации расстояния от объекта до излучателя в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, второй отражатель, установленный на оси лазера перпендикулярно плоскости, образованной осями лазерного и рентгеновского пучков с возможностью поступательного перемещения вдоль оси лазера под постоянным углом к оси лазера, при котором отраженный от него луч лазера направляется на объект под углом α к оси лазера, шкала выполнена линейной, равномерной и отвечающей уравнению L=x·tgα=N·t·tgα, где х=N·t - линейное перемещение второго отражателя, L - расстояние от объекта до рентгеновского излучателя, N - число делений шкалы, соответствующее положению указателя перемещений второго отражателя, t - цена деления шкалы, а начальный участок шкалы x_o≥H·tg(β/2), где Н - расстояние от фокуса рентгеновской трубки до центра первого отражателя, β - угол излучения рентгеновского пучка, отличающийся тем, что второй отражатель выполнен полупрозрачным, в центратор дополнительно введены телевизионная система, состоящая из объектива, ПЗС-матрицы и монитора, использован лазер с односторонним выходом излучения, ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, перед лазером на его оптической оси установлен микрообъектив, фокусирующий излучение лазера в плоскости изображения объектива телевизионной системы, ось которого совпадает с осью лазера, между микрообъективом и объективом телевизионной системы на оптической оси лазера под углом 45° к ней установлен третий полупрозрачный отражатель, на оси, проходящей через точку пересечения оси лазера с этим отражателем перпендикулярно к ней расположена ПЗС-матрица, причем расстояния от точки пересечения полупрозрачного третьего отражателя с осью лазера до ПЗС-матрицы и соответственно до фокуса микрообъектива равны друг другу, объектив телевизионной системы установлен с возможностью фокусировочных перемещений вдоль оси лазера, а перед ним установлен узкополосный светофильтр, максимум полосы пропускания которого совпадает с длиной волны лазера.