РЕНТГЕНООПТИЧЕСКИЙ ЭНДОСКОП Российский патент 2010 года по МПК G01N23/04 G01N21/01 A61B1/00 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий, а более конкретно - к устройствам рентгеновской и/или изотопной дефектоскопии объектов, находящихся в труднодоступных полостях.

Известен рентгенооптический эндоскоп, который состоит из двух расположенных в едином корпусе и конструктивно объединенных каналов - рентгеновского и оптического. Устройство позволяет формировать, передавать и воспроизводить одновременно или последовательно рентгеновское и оптическое изображения объекта с помощью единой телевизионной системы.

Недостаток данного устройства - сложность согласования существенно различных спектральных, масштабных, яркостных, резкостных и других характеристик рентгеновского и оптического каналов с помощью одной ПЗС-матрицы.

Кроме того, освещение объекта только по методу светлого поля от световода, расположенного непосредственно у объектива, затрудняет выявление дефектов, обладающих выраженным рельефом (вмятины, забоины, вздутия и т.п.). Для этой цели целесообразно применять освещение объекта по методу темного поля, т.е. над малыми углами к его поверхности, в сочетании со светлопольным освещением.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Для этого в устройство для комплексного рентгеновского и оптического контроля объектов, находящихся в труднодоступных полостях, содержащее корпус с расположенными в нем рентгеновским и оптическим каналами, рентгеновский канал содержит источник рентгеновского излучения, фокон с расположенным на его торце рентгенолюминофором, высокочувствительную черно-белую ПЗС-матрицу размером А×А и два объектива, оптические оси которых совпадают с осью фокона, а фокальные плоскости совмещены соответственно с выходным торцом фокона и плоскостью черно-белой ПЗС-матрицы, причем фокусные расстояния этих объективов F1 и F2 находятся в соотношении F1/F2=d/A, где d - выходной диаметр фокона, а между объективами существует телецентрический ход лучей, оптический канал содержит зеркало из оргстекла, установленное на оси фокона между объектом и входным торцом фокона, третий объектив с фокусным расстоянием f₀, осветительный световод с блоком питания и оптическим аттенюатором, дополнительно введена вторая цветная ПЗС-матрица размером В×В, установленная на оси объектива оптического канала в плоскости его изображения, фокусное расстояние этого объектива f₀ выбирается с учетом соотношения f₀=L×B/D, где L - минимальное расстояние от входного торца фокона до объекта, D - диаметр этого торца, а угол излучения осветителя оптического канала выбирается из условия W≥2arctg(B/2f₀), причем видеоинформация с обеих ПЗС-матриц поступает на вход компьютера с цветным дисплеем с возможностью одновременного или последовательного просмотра рентгеновского и оптического изображений объекта в различных режимах их цифровой обработки и совмещения на экране дисплея, между объектом и полупрозрачным зеркалом из оргстекла установлено второе прямоугольное зеркало, установленное под углом β к оси, параллельной продольной оси фокона и находящейся на расстоянии Н от нее, центр второго прямоугольного зеркала находится на расстоянии Δ от плоскости объекта, перед вторым прямоугольным зеркалом на оси, проходящей через его центр и параллельной продольной оси фокона, расположен коллиматор с фокусным расстоянием f′_K, в точке заднего фокуса коллиматора расположен светодиод, на выходе коллиматора с помощью прямоугольной диафрагмы размером d×H формируется параллельный пучок света прямоугольной формы размером d×D, где d - наименьший размер пучка, D - входной диаметр фокона, который после отражения от второго прямоугольного зеркала направляет на объект пучок света под углом α к его поверхности, позволяющий контролировать дефекты в режиме темного поля, а между основными параметрами коллиматорной оптической системы боковой подсветки объекта существуют соотношения β=α/2 и α=arcsin(d×H/D×Δ).

Схема эндоскопа поясняется чертежом (фиг.1), на котором изображены источник рентгеновского излучения 1, исследуемый объект 2 и элементы рентгеновского и оптического каналов.

Рентгеновский канал состоит из фокона 6 с расположенным на его торце рентгенолюминофором 5, защищенным фольгой 4, коллиматорного объектива 7 с фокусным расстоянием f₁, фокальная плоскость которого совпадает с выходным торцом фокона 6, второго объектива 8 с фокусным расстоянием f₂ и высокочувствительной черно-белой ПЗС-матрицы 9 размером А×А, установленной в фокальной плоскости объектива 8.

Оптический канал состоит из объектива 10 с фокусным расстоянием f₀, в плоскости изображения которого расположена цветная ПЗС-матрица 11 размером В×В, блока осветителя 16 с лампой 17, оптическим аттенюатором 15 и световодом 14. Совмещение и обработка изображений оптического и рентгеновского каналов осуществляется с помощью компьютера 12 с дисплеем 13.

Зеркало 3 расположено на оси фокона 6 между ним и объектом под углом 45° к этой оси.

Рядом с фоконом 6 на оси, параллельной его продольной оси и находящейся от нее на расстоянии Н, расположен объектив коллиматора 19 со светодиодом 20 в точке заднего фокуса объектива. Фокусное расстояние объектива 19 выбирается с учетом получения малого угла расходимости пучка лучей на его выходе: ω=аrсsin(а/f_K)≤L×30, где а - диаметр излучающей площадки светодиода 20. Перед объективом 19 установлены диафрагмы 21 с прямоугольным вырезом d×D, формирующие параллельный пучок света соответствующего размера. На оси объектива 19 под углом β к ней установлено второе зеркало 18, направляющее на объект 2 параллельный пучок света под углом α к ней, выбираемого в диапазоне 5÷10° для получения нужного контраста дефектов при освещении по методу темного поля.

На фиг.2 приведена расчетная схема для установления связи между отдельными параметрами оптической схемы оптического канала и размерами падающего на объект пучка света (d×D), углом его падения на объект α, углом β наклона зеркала 18 к оси объектива 19, расстоянием Δ от объекта до центра зеркала 18 и оси фокона до этого центра H.

Из прямоугольного ΔОВС имеем .

Между размером пучка d и его проекцией на поверхность объекта D существует очевидная зависимость .

Раскрывая уравнения (1) и (2) и приравнивая общие члены, находим

cosα=d/D и cosα=Δ×sinα/H

и

Угол как углы при параллельных прямых.

Сумма прилегающих к прямой ВС углов и где φ - углы падения и отражения лучей от зеркала 18, равна 180°, откуда 2φ=180°-α и φ=90°-α/2, окончательно, т.к. угол (CR - нормаль к зеркалу 18), то β=90°-φ=α/2.

Рентгенооптический эндоскоп работает следующим образом. При включенном источнике рентгеновского излучения на рентгенолюминофоре 5 возникает изображение внутренней структуры объекта 2, которое с помощью фокона 6, объективов 7 и 8 поступает на ПЗС-матрицу 9, видеосигнал с которой поступает в компьютер 12 и, после обработки, визуализируется на дисплее 13.

Фокусные расстояния объективов 7 и 8 выбраны такими, чтобы изображение выходного торца фокона диаметром d полностью вписывалось в растр ПЗС-матрицы 9, то есть имеет место соотношение f₁/f₂=d/A, справедливое для телецентрического хода лучей между объективами 7 и 8.

При визуальном контроле объект 2 освещается по методу светлого поля с помощью зеркала 3, светодиода 14 от блока осветителя 17. Изображение объекта 2 с помощью зеркала 3 и объектива 10 формируется на ПЗС-матрице 11, поступает в компьютер 12 и наблюдается на дисплее 13.

Расстояние L от объекта 2 до объектива 10 выбирается с учетом минимального расстояния от входного торца фокона до внутренней поверхности объекта 2, которое определяется из конструктивных соображений, с учетом формы объекта и др. факторов.

Размер зоны контроля рентгеновского канала, очевидно, равен диаметру входного торца фокона. Фокусное расстояние объектива 10 выбирается таким, чтобы изображение этой зоны полностью вписалось в растр ПЗС-матрицы 11 размером В. Следовательно, увеличение объектива должно быть равно М=-В/D.

С другой стороны, это увеличение можно записать как М'≈L/f₀ или f₀≤B×L/D, что справедливо для практически наиболее часто встречающихся случаев L≥D и f₀<<L. Если размер матрицы 11 В << D и необходимо проектирование объекта на ПЗС-матрицу с уменьшением, т.е. М<0,1^х÷0,2^х.

Угол излучения светодиода 14 выбирается W≥γ, где γ=2arctg (B/f₀) - угол поля зрения объектива 10.

Литература

1. Патент РФ 2168166.

2. Апенко М.И. и др. Задачник по прикладной оптике. М.: Высшая школа, 2003 г., 591 стр.

Использование: для неразрушающего контроля изделий и материалов. Сущность: заключается в том, что рентгенооптический эндоскоп содержит корпус с расположенными в нем рентгеновским и оптическим каналами, при этом в рентгенооптический эндоскоп дополнительно введена вторая цветная ПЗС-матрица, установленная на оси объектива оптического канала в плоскости его изображения, причем видеоинформация с обеих ПЗС-матриц поступает на вход компьютера с цветным дисплеем с возможностью одновременного или последовательного просмотра рентгеновского и оптического изображений объекта, между объектом и зеркалом из оргстекла установлено второе прямоугольное зеркало, располагаемое под уголом β к оси, параллельной продольной оси фокона и находящейся на расстоянии Н от нее, центр второго прямоугольного зеркала находится на расстоянии Δ от плоскости объекта, перед вторым прямоугольным зеркалом на оси, проходящей через его центр и параллельной продольной оси фокона, расположен коллиматор, в точке заднего фокуса коллиматора расположен светодиод, на выходе коллиматора с помощью прямоугольной диафрагмы формируется пучок света прямоугольной формы размером d×D, где d - наименьший размер пучка, D - входной диаметр фокона, который после отражения от второго прямоугольного зеркала направляет на объект пучок света под углом α к его поверхности, позволяющий контролировать дефекты в режиме темного поля. Технический результат: обеспечение возможности согласования существенно различных характеристик рентгеновского и оптического каналов с помощью одной ПЗС-матрицы, а также обеспечение возможности выявления дефектов, обладающих выраженным рельефом. 2 ил.

Устройство для комплексного рентгеновского и оптического контроля объектов, находящихся в труднодоступных полостях, содержащее корпус с расположенными в нем рентгеновским и оптическим каналами, рентгеновский канал содержит источник рентгеновского излучения, фокон с расположенным на его торце рентгенолюминофором, высокочувствительную черно-белую ПЗС-матрицу размером А×А, и два объектива, оптические оси которых совпадают с осью фокона, а фокальные плоскости совмещены соответственно с выходным торцом фокона и плоскостью черно-белой ПЗС-матрицы, причем фокусные расстояния этих объективов f₁ и f₂ находятся в соотношении f₁/f₂=d/A, где d - выходной диаметр фокона, а между объективами существует телецентрический ход лучей, оптический канал содержит зеркало из оргстекла, установленное на оси фокона между объектом и входным торцом фокона, и третий объектив с фокусным расстоянием f₀, осветительный световод с блоком питания и оптическим аттенюатором, отличающееся тем, что в него дополнительно введена вторая цветная ПЗС-матрица размером В×В, установленная на оси объектива оптического канала в плоскости его изображения, фокусное расстояние этого объектива f₀ выбирается с учетом соотношения f₀=L·B/D, где L - минимальное расстояние от входного торца фокона до объекта, D - диаметр этого торца, а угол излучения осветителя оптического канала выбирается из условия W=arctg(B/2f₀), причем видеоинформация с обеих ПЗС-матриц поступает на вход компьютера с цветным дисплеем, с возможностью одновременного или последовательного просмотра рентгеновского и оптического изображений объекта в различных режимах их цифровой обработки и совмещения на экране дисплея, между объектом и зеркалом из оргстекла установлено второе прямоугольное зеркало, располагаемое под уголом β к оси, параллельной продольной оси фокона, и находящейся на расстоянии Н от нее, центр второго прямоугольного зеркала находится на расстоянии Δ от плоскости объекта, перед вторым прямоугольным зеркалом на оси, проходящей через его центр и параллельной продольной оси фокона, расположен коллиматор с фокусным расстоянием f'_K, в точке заднего фокуса коллиматора расположен светодиод, на выходе коллиматора с помощью прямоугольной диафрагмы размером d×D формируется параллельный пучок света прямоугольной формы размером d×D, где d - наименьший размер пучка, D - входной диаметр фокона, который после отражения от второго прямоугольного зеркала направляет на объект пучок света под углом α к его поверхности, позволяющий контролировать дефекты в режиме темного поля, а между основными параметрами коллиматорной оптической системы боковой подсветки объекта существуют соотношения β=α/2 и α=arcsin(d·H/D·Δ).