автоколлимационный центратор для рентгеновского излучателя

Формула изобретения

1. Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенными в нем объективом с дистанционной шкалой, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, ПЗС-матрицей с монитором, установленных в плоскости изображения объектива, зеркалом из оргстекла, установленного на пересечении осей объектива и рентгеновского пучка перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющего на объект световой пучок, соосный с рентгеновским пучком, отличающийся тем, что на оптической оси объектива в пространстве изображения последовательно установлены второе полупрозрачное зеркало, автоколлимационная марка, выполненная в виде светящегося перекрытия, центр которого совмещен с оптической осью объектива, конденсор и источник света, ПЗС-матрица установлена на оси, ортогональной оптической оси объектива и проходящей через точку пересечения этой оси со вторым полупрозрачным зеркалом, причем ПЗС-матрица и автоколлимационная марка равноудалены от этой точки, шкала дистанций объектива соответствует уравнению

где Z' - расстояние от изображения марки до задней фокальной плоскости объектива;

f' - фокусное расстояние объектива;

В - расстояние от центра первого зеркала до объекта;

D - конструктивная константа, равная D=A-C;

С - расстояние между передней и задней фокальной плоскостями объектива;

А - расстояние от марки до центра первого зеркала, равное расстоянию от анода трубки рентгеновского излучателя до этого центра.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перед объективом дополнительно установлен светофильтр для спектральной и (или) поляризационной селекции световых фоновых засветок на ПЗС-матрице.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что фокусное расстояние объектива f' выбирается, исходя из соотношения В_макc Кf, где К=15-20 - эмпирический коэффициент, соответствующий оптимальному интервалу между делениями шкалы, соответствующими минимальным изменениям расстояния до объекта, В_макс - максимальное удаление объекта от рентгеновского излучателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неразрушающему контролю с помощью рентгеновского излучения и может быть использовано для контроля материалов и изделий в машиностроении, авиакосмической и оборонной технике.

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий дальномер оптический триангуляционного типа с внутренней базой [1].

Недостатком устройства является невозможность измерения фокусных расстояний при контроле объектов в полостях с размерами, меньшими базы дальномера.

Наиболее близким аналогом предлагаемому устройству является лазерный центратор, содержащий лазер, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, коллиматор для расширения лазерного пучка, два зеркала, одно из которых выполнено из оргстекла, установленного на пересечении осей рентгеновского и лазерного пучков и направляет на объект коллимированное излучение лазера для создания на его поверхности светящегося пятна, размер которого не изменяется при изменениях рентгеновского фокусного расстояния, т.е. дистанции между рентгеновским излучателем и объектом и служит базой дальномера, состоящего из объектива коллиматора, полупрозрачного зеркала, установленного на пересечении осей рентгеновского и лазерного пучков и направляет на объект коллимированное излучение лазера для создания на его поверхности светящегося пятна, размер которого не изменяется при изменениях рентгеновского фокусного расстояния, т.е. дистанции между рентгеновским излучателем и объектом и служит базой дальномера, состоящего из объектива коллиматора, полупрозрачного зеркала, установленного на оптической оси лазера перед объективом, которое с помощью первого зеркала в обратном ходе лучей строит в задней фокальной плоскости объектива изображение лазерного пятна на объекте, размер которого, пропорциональный рентгеновскому фокусному расстоянию, измеряется с помощью шкалы, которая размещается в фокальной плоскости объектива и наблюдается на видеомониторе одновременно с изображением пятна лазера [2].

Недостатки устройства - необходимость применения мощного лазера для создания высокой яркости пятна на объекте контроля при значительном (до 100^х и более) масштабе расширения пучка коллиматором, большие габариты коллиматора, необходимые для формирования пучка с малой угловой расходимостью (порядка 10"), низкая точность оценки по шкале величины малоразмерного пятна лазера на экране видеомонитора при больших значениях рентгеновского фокусного расстояния, а также сложность визуального наблюдения поверхности удаленных объектов.

Для устранения этих недостатков предлагается использовать жестко связанный с рентгеновским излучателем оптический дальномер фокусировочного типа, выполненный по автоколлимационной схеме и состоящий из объектива, снабженного дистанционной шкалой, на оптической оси которого в пространстве изображений последовательно установлены полупрозрачное зеркало, марка с прозрачными штрихами в виде перекрытия, центр которого находится на оси объектива, конденсор и источник света ПЗС-матрица установлена за полупрозрачным зеркалом симметрично относительно марки на оси, ортогональной оптической оси объектива и проходящей через точку пересечения зеркала с оптической осью объектива, причем сетка и матрица равноудалены от этой точки, оптическая ось объектива совмещается с осью рентгеновского пучка с помощью второго полупрозрачного зеркала из оргстекла, установленного перед рентгеновским излучателем в точке пересечения осей рентгеновского пучка и оси объектива под углом 45° к оптической оси объктива, ортогонально плоскости, образованной этими осями.

Устройство содержит рентгеновский излучатель 1, на котором крепится корпус, в котором расположен объектив 4, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, первое полупрозрачное зеркало 2, установленное на пересечении осей симметрии рентгеновского пучка и оптической оси объектива, перед объективом установлен оптический светофильтр 3, в пространстве изображений объектива на его оптической оси последовательно установлены второе полупрозрачное зеркало 5, автоколлимационная марка 6, конденсор 7, источник света 8 и ПЗС-матрица 9, расположенная на оси, проходящей через точку пересечения оптической оси объектива и второго полупрозрачного зеркала и ортогональной ей, причем ПЗС-матрица и марка равноудалены от этой точки, объектив снабжен индексом 11 для отсчета по дистанционной шкале 12 расстояния до объекта 13, совпадающего с фокусным расстоянием рентгеновского излучателя.

Устройство работает следующим образом.

Объектив 4 строит на объективе 13 изображение марки 6, автоколлимационное (в обратном ходе лучей) изображение которой наблюдается на экране монитора (или дисплее на ЭВМ) 10 (чертеж, 1-в).

Фокусируя объектив 4, добиваются максимально резкого изображения марки (чертеж, 1-б) и с помощью индекса 11 производят отсчет расстояния по шкале 12 до объекта, конструктивно совпадающего с фокусным расстоянием рентгеновского излучателя, расстояние А от которого до центра первого полупрозрачного зеркала 2 установлено равным расстоянию от центра этого зеркала до марки 6.

Величины Z и заднего фокуса объектива до изображения рассчитывается по известной формуле дистанционной шкалы объектива с учетом конкретных значений фокусного расстояния объектива f, расстояния между его передней и задней фокальными плотностями С, и расстояния от плоскости с рентгеновской пленки до изображения L.

Формула имеет вид

Формулу (1) целесообразно преобразовать с учетом соотношения L=А+В, где А=const - конструктивный параметр оптической системы центратора (расстояние от центра первого зеркала 2 до излучателя I и, соответственно от зеркала 2 до марки 6), В - переменное расстояние от центра первого зеркала до объекта.

После преобразований, вводя дополнительный конструктивный параметр D=(А-С)=const, получаем окончательно уравнение дистанционной шкалы объектива

Марки и ее автоколлимационное изображение оптически сопряжены, поэтому размер этого изображения на ПЗС-матрице постоянен при различных удалениях объекта, что существенно облегчает работу центратором. Установленный объективом селективный светофильтр 3 позволяет автоматически отстраняться от посторонних засветок объекта методом спектральной и (или) поляризационной селекции световых помех.

Фокусное расстояние объектива f выбирается с учетом оптимального расстояния между штрихами шкалы, особенно в диапазоне максимальных расстояний до объекта, где они минимальны.

Использование автоколлимационной фокусировки позволяет повысить точность измерений в 1,5-2 раза и сделать их независимыми от яркости объекта, т.к. наведение на резкость производится по изображению стандартного, оптимального по форме и яркости тест-объекта, т.е. автоколлимационной марки 6, что, в частности благоприятно для применения автоматических систем фокусировки.

Экспериментально установлено, что для характерных значений параметров радиографического контроля объектов техники (В=1-3 м, А=0,2-0,5 м), оптимальным является соотношение В_mах К· f, где коэффициент К=15-20, например, К=20 и В_mах=2 м, f=0,1 м. При этом, как показал расчет, минимальное изменение расстояния до объекта, соответствующее минимальному интервалу шкалы (принятому с учетом технологических и экономических факторов) равно В_min 0,1 м, что достаточно для большинства практических случаев.

Точность измерений рентгеновского фокусного расстояния можно повысить за счет усложнения конструкции центратора применив, например, кониусную шкалу, т.к., согласно экспериментальным данным, погрешность фокусировки при автоколлимационном методе в пространстве изображений не превышает 0,1 мм. При этом погрешность определения расстояния до объекта не превысит В_min 0,03 м, или для B 3 м.

Литература

1. Патент России №2106619. Лазерный центратор.

2. Патент России №2136124. Лазерный центратор.