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 [1].

Недостатки данного устройства - сложность согласования существенно различных спектральных, масштабных, энергетических и структурометрических характеристик рентгеновского и оптического каналов с помощью одной ПЗС-матрицы. Кроме того, при просвечивании объектов слаборасходящимся квазипараллельным пучком рентгеновского излучения, что чаще всего применяется на практике, размер визуадизируемой области объекта, равный диаметру рентгенолюминесцентного преобразователя, практически не меняется при изменении расстояния от него до поверхности объекта. В то же время величина линейного поля зрения оптического канала линейно зависит от этого расстояния, что затрудняет сопоставление результатов рентгеновского и оптического контроля. Одновременно с этим изменяется и масштаб изображения оптического канала, что дополнительно затрудняет сопоставление результатов визуального и радиационного контроля, особенно при количественной оценке дефектов.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Данная цель достигается за счет того, что рентгенооптический эндоскоп для комплексного рентгеновского и визуального контроля объектов, находящихся в труднодоступных полостях, содержит корпус с расположенными в нем оптически сопряженными рентгеновским и визуально-оптическим каналами для визуализации изображения объекта, рентгеновский канал содержит чувствительную к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицу размером В×В, оптический канал содержит первое полупрозрачное зеркало, установленное на продольной оси чувствительной к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицы перед ней под углом 45° к ней, объектив, установленный на оси, проходящей через центр первого полупрозрачного зеркала перпендикулярно оси чувствительной к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицы, монитор и/или компьютер с дисплеем для визуализации изображений, при этом вторая цветная ПЗС-матрица размером А×А установлена в фокальной плоскости объектива с фокусным расстоянием F вне зоны распространения пучка рентгеновского излучения, рядом с объективом расположен светодиод с углом излучения W>=arctg (A/2F) для подсветки объекта, вокруг чувствительной к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицы симметрично относительно нее установлена матрица из N>8 микролазеров, оптические оси которых параллельны друг другу и продольной оси симметрии рентгенолюминесцентного преобразователя и с помощью которых на объекте формируется квадратная матрица лазерных пятен размером В×В, размер, форма и положение которой на объекте остаются постоянными при изменениях расстояния от объекта до рентгенолюминесцентного преобразователя и полностью характеризуют геометрические параметры зоны, просвечиваемой информативной частью рентгеновского пучка, видеосигналы обеих ПЗС-матриц поступают в компьютер и последовательно и/или параллельно визуализируются на его дисплее после необходимой программной обработки, при этом размер цветной ПЗС-матрицы оптического канала А, фокусное расстояние объектива F и размер рентгенолюминесцентного преобразователя В выбираются с учетом соотношения A=F>=B/k, где k=25-30 - коэффициент, величина которого определяет необходимую глубину резкости объектива в пространстве объектов при его работе в режиме постоянной фокусировки.

Схема эндоскопа поясняется фиг.1а.

Источник рентгеновского излучения 1 просвечивает объект 2, внутренняя структура которого визуализируется с помощью чувствительной к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицы 4 на базе волоконно-оптической пластины из нитевидных монокристаллических сцинтилляторов, состыкованных непосредственно с высокочувствительной ПЗС-матрицей видимого диапазона спектра размером В×В, видеосигнал которой поступает на вход компьютера 9. На рентгенолюминесцентном преобразователе 4 симметрично относительно него расположена матрица 5 из N>=8 микролазеров, оптические оси которых параллельны друг другу. Структура матрицы микролазеров 5 показана на фиг.1б. На оси, проходящей через точку пересечения первого полупрозрачного зеркала 3 из оргстекла, установленного перед чувствительной к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицей 4 под углом 45 град. к его поверхности, установлен объектив 6 с фокусным расстоянием F, в фокальной плоскости которого расположена цветная ПЗС-камера 7 с размером растра А×А. Перед объективом 6 установлен светодиод 8 с углом излучения W>=arctg (A/2F) для подсветки объекта 2.

Размеры матрицы оптического канала А, рентгенолюминесцентного преобразователя В и фокусное расстояние F объектива 6 выбираются с учетом следующих положений. Расстояние от чувствительной к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицы 4 до объекта 2 должно быть возможно меньшим для минимизации влияния геометрической нерезкости рентгеновского изображения. С другой стороны, с учетом конструктивного расположения зеркала 3, это расстояние, очевидно, не должно превышать значения Д>=B (см. фиг.1 а). Для обеспечения работы объектива в режиме постоянной фокусировки необходимо, чтобы его фокусное расстояние F отвечало известному соотношению геометрической оптики F<=B/k, где к=25-30 - коэффициент, отвечающий условию «начала бесконечности», т.е. расстоянию, при котором все объекты, расположенные на большем удалении от объектива, изображаются одинаково резко.

При минимальном расстоянии до объекта, равном, как уже отмечалось Дмин, желательно из методических соображений, чтобы зона объекта, просвечиваемая рентгеновским излучением, полностью была вписана в растр ПЗС-камеры оптического канала. При этом, очевидно, масштаб изображения объектива равен М=А/В. С другой стороны, согласно известным законам геометрической оптики [2], учитывая, что Дмин=B>>F, можно записать М=F/B. Приравнивая эти выражения, получим А=А=B/k. Угол излучения светодиода, необходимый для подсветки всего поля зрения объектива оптического канала, определяется из очевидного соотношения W>=2arctg(A/2F) (фиг.1а).

Рентгенооптический эндоскоп работает следующим образом.

Предварительно производится визуальный осмотр объекта. Включают цветную ПЗС-камеру и подбирают яркость и/или спектр излучения светодиода для получения максимального контраста изображения дефектов конкретного типа на экране дисплея. Включают микролазеры. Затем выбирают необходимую зону контроля для контроля в рентгеновском излучении, включают рентгеновский излучатель и наблюдают на дисплее соответствующее изображение. Возможно за счет применения различных программ обработки изображений наблюдать последовательно или одновременно оптические и рентгеновские изображения, хранящиеся в памяти компьютера, в различных режимах их совмещения и цифровой обработки. Сканирование поверхности объекта производится перемещением эндоскопа вдоль нее.

Литература

1. Патент РФ №2168166.

2. Апенко М.И. и др. Прикладная оптика. Москва: Высшая школа. 591 стр., 2008 г.

Использование: для неразрушающего контроля изделий и материалов. Сущность заключается в том, что рентгенооптический эндоскоп содержит корпус с расположенными в нем оптически сопряженными рентгеновским и визуально-оптическим каналами для визуализации изображения объекта, рентгеновский канал содержит чувствительную к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицу размером В×В, оптический канал содержит первое полупрозрачное зеркало, установленное на продольной оси чувствительной к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицы перед ней под углом 45° к ней, объектив, установленный на оси, проходящей через центр первого полупрозрачного зеркала перпендикулярно оси чувствительной к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицы, монитор и/или компьютер с дисплеем для визуализации изображений, при этом вторая цветная ПЗС-матрица размером А×А установлена в фокальной плоскости объектива с фокусным расстоянием F вне зоны распространения пучка рентгеновского излучения, рядом с объективом расположен светодиод с углом излучения W>=arctg (A/2F) для подсветки объекта, вокруг чувствительной к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицы симметрично относительно нее установлена матрица из N>8 микролазеров. Технический результат: обеспечение возможности согласования существенно различных характеристик рентгеновского и оптического каналов. 2 ил.

Рентгенооптический эндоскоп для комплексного рентгеновского и визуального контроля объектов, находящихся в труднодоступных полостях, содержащий корпус с расположенными в нем оптически сопряженными рентгеновским и визуально-оптическим каналами для визуализации изображения объекта, рентгеновский канал содержит чувствительную к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицу размером В×В, оптический канал содержит первое полупрозрачное зеркало, установленное на продольной оси, чувствительной к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицы перед ней под углом 45° к ней, объектив, установленный на оси, проходящей через центр первого полупрозрачного зеркала перпендикулярно оси чувствительной к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицы, монитор и/или компьютер с дисплеем для визуализации изображений, при этом вторая цветная ПЗС-матрица размером А×А установлена в фокальной плоскости объектива с фокусным расстоянием F вне зоны распространения пучка рентгеновского излучения, рядом с объективом расположен светодиод с углом излучения W>=arctg (A/2F) для подсветки объекта, вокруг чувствительной к рентгеновскому излучению ПЗС-матрицы симметрично относительно нее установлена матрица из N>8 микролазеров, оптические оси которых параллельны друг другу и продольной оси симметрии рентгенолюминесцентного преобразователя и с помощью которых на объекте формируется квадратная матрица лазерных пятен размером В×В, размер, форма и положение которой на объекте остаются постоянными при изменениях расстояния от объекта до рентгенолюминесцентного преобразователя и полностью характеризуют геометрические параметры зоны, просвечиваемой информативной частью рентгеновского пучка, видеосигналы обеих ПЗС-матриц поступают в компьютер и последовательно и/или параллельно визуализируются на его дисплее после необходимой программной обработки, при этом размер цветной ПЗС-матрицы оптического канала А, фокусное расстояние объектива F и размер рентгенолюминесцентного преобразователя В выбираются с учетом соотношения A=F>=B/k, где k=25-30 - коэффициент, величина которого определяет необходимую глубину резкости объектива в пространстве объектов при его работе в режиме постоянной фокусировки.