РЕНТГЕНООПТИЧЕСКИЙ ЭНДОСКОП Российский патент 2011 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, квазипаралельным пучком рентгеновского излучения, что чаще всего применяется на практике, размер визуализируемой 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.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Для этого в рентгенооптический эндоскоп, содержащий корпус, в котором расположены рентгенолюминесцентный преобразователь, цветная ПЗС-матрица, светодиод для подсветки объекта с регулируемыми яркостью и цветностью излучения, зеркало из оргстекла, установленное перед рентгенолюминесцентным преобразователем на его продольной оси под углом 45° к ней, и монитор для наблюдения оптического и рентгеновского изображений, дополнительно введены кольцевая матрица (4) из N>8 микролазеров, расположенных на окружности радиуса R=D/2 симметрично относительно продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя, где D - диаметр его входного торца, оптические оси микролазеров параллельны друг другу и продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя и с их помощью на поверхности объекта формируется кольцевая структура лазерных пятен, диаметр D которой остается постоянным при изменении расстояния от объекта до эндоскопа, цветная ПЗС-матрица с растром размером А×А установлена на оси, перпендикулярной продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя, проведенной через точку пересечения зеркала с продольной осью рентгенолюминесцентного преобразователя, и находящаяся на расстоянии X>D/2 от его входного торца, объектив с фокусным расстоянием F расположен на этой же оси на расстоянии B>D/2 от точки ее пересечения с продольной осью рентгенолюминесцентного преобразователя, рядом с объективом расположен светодиод для подсветки объекта с регулируемыми яркостью и цветностью излучения и углом излучения W≥2arctg(A/2F), a фокусное расстояние объектива выбирается с учетом соотношений F≤D/20 и F≤A.

Схема эндоскопа поясняется чертежами (фиг.1).

Источник рентгеновского излучения 1 просвечивает объект 2, внутренняя структура которого визуализируется с помощью рентгенолюминесцентного преобразователя 5 на экране дисплея 10 компьютера 9. Зеркало 3 из оргстекла, прозрачного для рентгеновского излучения, установлено на продольной оси рентгенооптического преобразователя 5 под углом 45° к ней на расстоянии Х>D/2 от преобразователя 5. На оси, проведенной через точку пересечения зеркала 3 с продольной осью преобразователя 5 перпендикулярно к ней на расстоянии D/2 от этой точки, расположен объектив 6 с фокусным расстоянием F, в фокальной плоскости которого установлена цветная ПЗС-матрица 8 размером A×A. Рядом с объективом 6 установлен светодиод 7, яркость и спектр излучения которого могут изменяться с помощью электронного блока питания 11. В качестве рентгенолюминесцентного преобразователя 5 применена рентгеночувствительная панель фирмы ХАМАМАЦУ (Япония), состоящая из волоконно-оптической платы из нитевидных кристаллов CsI (цезий-йод), непосредственно приложенной к высокочувствительной черно-белой ПЗС-матрице 4 с числом пикселей до 2400×2400 при размере панели 120×120 мм и размере пикселя 0,05×0,05 мм. Частота кадровой развертки панели (модель С7942) не менее 2 кадр/секунду. Для контроля малогабаритных объектов можно применять панель модели Н7586 той же фирмы с матрицей формата 752×582 или аналогичные устройства других фирм [2].

Рентгенооптический эндоскоп работает следующим образом.

Предварительно производится визуальный осмотр объекта. Включают ПЗС-камеру видимого диапазона и подбирают яркость и спектр излучения светодиода для получения максимального контраста изображения дефектов конкретного типа на экране дисплея. Затем выбирают необходимую зону контроля с использованием рентгеновского излучения, включают рентгеновский излучатель и наблюдают на дисплее соответствующее изображение. При этом возможно за счет применения различных программ обработки изображений наблюдать последовательно или одновременно оптические и рентгеновские изображения в различных режимах их совмещения и цифровой обработки. Сканирование поверхности объекта производится перемещением эндоскопа вдоль нее. При этом на экране дисплея при визуальном контроле одновременно с изображением поверхности объекта наблюдают кольцевую структуру лазерных пятен, диаметр которой определяет границы зоны, просвечиваемой рентгеновским излучением. Это позволяет не только сопоставить размеры зон визуального и рентгеновского контроля, но и определить текущий масштаб оптического изображения. Для этого достаточно с помощью любой шкалы, например, стандартной линейки с ценой делений 1 мм, измерить величину изображения кольцевой структуры лазерных пятен непосредственно на экране дисплея и разделить на высоту этого экрана, измеренную с помощью той же линейки. Например, если высота экрана H - 200 мм, а диаметр изображения кольцевой структуры D' - 50 мм, то масштаб изображения, приведенный к плоскости объекта, равен M=D'/H=50/200=0,25. Очевидно, что максимальный масштаб изображения достигается при минимальном расстоянии от объекта до рентгенолюминесцентного преобразователя, т.е. при L=D, когда зеркало находится непосредственно у объекта. При этом изображение кольцевой структуры полностью вписано по вертикали в экран и D'=H, а М=1 и размеры зон оптического и рентгеновского контроля равны.

Фокусное расстояние объектива выбирается с учетом принятого в эндоскопии принципа "фиксированного фокуса", когда F<<L и резкость изображений практически не зависит от расстояния до объекта [3]. Обычно достаточно принять F<<L/20. Второе ограничение на выбор величины фокусного расстояния - это необходимость вписать изображение кольцевой структуры лазерных пятен полностью в растр ПЗС-матрицы при минимальном расстоянии от объекта до рентгенолюминесцентного преобразователя, равного L=D, что обусловлено размерами зеркала и геометрией его расположения. При этом зона рентгеновского контроля всегда находится в поле зрения оптического канала. Согласно этому условию при L=D масштаб оптического изображения M=D'/D=A/D, т.к. изображение кольцевой структуры полностью вписано в матрицу размера А. С другой стороны, он равен, согласно известной формуле геометрической оптики, M=F/L=F/D. Приравнивая эти выражения, получим F=A. С учетом условия F=L/20=D/20, окончательно будем иметь A>D/20. Например, для D=100 мм имеем А>5 мм и F<5 мм, что совпало с результатами проведенных нами экспериментов. При этом для L=D масштаб изображения равен М=0.05, а величина изображения кольцевой матрицы D'=D×M=100×0.05=5 мм, т.е. полностью соответствует растру ПЗС.

На фиг.2 показан вид экрана дисплея для двух расстояний между объектом и эндоскопом.

Литература

1. Патент РФ №2168166.

2. Проспект фирмы ХАМАМАЦУ, Япония, рентгеночувствительные ПЗС-матрицы.

3. Апенко М.И. и др. Прикладная оптика. Москва, Высшая школа, 591 с.

Использование: для неразрушающего контроля изделий и материалов. Сущность: заключается в том, что рентгенооптический эндоскоп содержит корпус, в котором расположены рентгенолюминесцентный преобразователь, цветная ПЗС-матрица, светодиод для подсветки объекта с регулируемыми яркостью и цветностью излучения, зеркало из оргстекла, установленное перед рентгенолюминесцентным преобразователем на его продольной оси под углом 45° к ней, и монитор для наблюдения оптического и рентгеновского изображений, при этом в рентгенооптический эндоскоп дополнительно введены кольцевая матрица из N>8 микролазеров, расположенных на окружности радиуса R=D/2 симметрично относительно продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя, где D - диаметр входного торца рентгенолюминесцентного преобразователя, оптические оси микролазеров параллельны друг другу и продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя и с их помощью на поверхности объекта формируется кольцевая структура лазерных пятен, диаметр D которой остается постоянным при изменении расстояния от объекта до эндоскопа, цветная ПЗС-матрица с растром размером А×А установлена на оси, перпендикулярной продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя, проведенной через точку пересечения зеркала с продольной осью рентгенолюминесцентного преобразователя, объектив с фокусным расстоянием F расположен на этой же оси, рядом с объективом расположен светодиод для подсветки объекта с регулируемыми яркостью и цветностью излучения. Технический результат: обеспечение возможности согласования существенно различных характеристик рентгеновского и оптического каналов. 2 ил.

Рентгенооптический эндоскоп, содержащий корпус, в котором расположены рентгенолюминесцентный преобразователь, цветная ПЗС-матрица, светодиод для подсветки объекта с регулируемыми яркостью и цветностью излучения, зеркало из оргстекла, установленное перед рентгенолюминесцентным преобразователем на его продольной оси под углом 45° к ней, и монитор для наблюдения оптического и рентгеновского изображений, дополнительно введены кольцевая матрица из N>8 микролазеров, расположенных на окружности радиуса R=D/2 симметрично относительно продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя, где D - диаметр его входного торца, оптические оси микролазеров параллельны друг другу и продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя и с их помощью на поверхности объекта формируется кольцевая структура лазерных пятен, диаметр D которой остается постоянным при изменении расстояния от объекта до эндоскопа, цветная ПЗС-матрица с растром размером А×А установлена на оси, перпендикулярной продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя, проведенной через точку пересечения зеркала с продольной осью рентгенолюминесцентного преобразователя, и находящаяся на расстоянии X>D/2 от его входного торца, объектив с фокусным расстоянием F расположен на этой же оси на расстоянии B>D/2 от точки ее пересечения с продольной осью рентгенолюминесцентного преобразователя, рядом с объективом расположен светодиод для подсветки объекта с регулируемыми яркостью и цветностью излучения и углом излучения W≥2arctg(A/2F), a фокусное расстояние объектива выбирается с учетом соотношений F≤D/20 и F≤A.