рентгенооптический эндоскоп

Формула изобретения

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 первый фокон с рентгенолюминесцентным преобразователем на входном торце, второй фокон, идентичный первому, выходной торец которого состыкован с входной волоконно-оптической шайбой электронно-оптического усилителя яркости изображения, первый регулярный волоконно-оптический жгут, сопрягающий торцы фоконов с меньшими диаметрами, первый коллиматорный объектив с фокусным расстоянием F1, фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью выходной волоконно-оптической шайбы усилителя яркости изображения, а оптическая ось совмещена с его осью симметрии, и первое полупрозрачное зеркало, установленное на этой оси под углом 45° к ней, визуально-оптический канал содержит первое полупрозрачное зеркало из оргстекла, установленное перед первым фоконом на его оптической оси под углом 45° к ней, второй регулярный волоконно-оптический жгут, перед входным торцом которого, обращенном к объекту, расположен короткофокусный объектив, а перед выходным торцом установлен окуляр с фокусным расстоянием F2, фокальная плоскость которого совпадает с этим торцом, осветительный световод, расположенный рядом с вторым регулярным волоконно-оптическим жгутом, блок осветителя с лампой и оптическим аттенюатором, установленным перед входным торцом осветительного световода, первую оптическую перископическую систему для совмещения изображений на входе устройства, состоящую из первого полупрозрачного зеркала и второго зеркала, установленного перед короткофокусным объективом на его оптической оси под углом 45° к ней в точке пересечения этой оси с перпендикуляром, проведенным из центра первого полупрозрачного зеркала в плоскости, образуемой осями первого фокона и короткофокусного объектива, вторую оптическую перископическую систему для совмещения изображений на выходе устройства, состоящую из первого зеркала, второго полупрозрачного зеркала, установленного перед окуляром на его оптической оси под углом 45° к ней в точке ее пересечения с перпендикуляром, проведенным из центра первого зеркала в плоскости, образованной осями окуляра и усилителя яркости изображения и второго коллиматорного объектива с фокусным расстоянием F3, расположенного на оси окуляра между вторым полупрозрачным зеркалом и ПЗС-матрицей и фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью ПЗС-матрицы, при этом фокусные расстояния первого коллиматорного объектива F1, окуляра F2 и второго коллиматорного объектива F3 удовлетворяют соотношениям F1/F3=D/A и F2/F1=d/A, где D и d - диаметры выходного торца волоконно-оптической шайбы усилителя яркости изображения и второго регулярного волоконно-оптического жгута соответственно, третье полупрозрачное зеркало, установленное на оси первого коллиматорного объектива между ним и усилителем яркости изображения под углом 45° к ней, а также установленные последовательно на оси, проведенной из центра этого зеркала перпендикулярно к ней шкалу, конденсорную линзу и светодиод, причем расстояние от центра третьего полупрозрачного зеркала по этой оси до шкалы равно расстоянию от этого центра до выходной волоконно-оптической шайбы усилителя яркости изображения по его оси, а масштаб проектирования шкалы на ПЗС-матрицу равен M=F3/F1, отличающийся тем, что в него дополнительно введена располагаемая перед рентгенолюминесцентным преобразователем концентрично с ним вне зоны распространения информативной части потока рентгеновского излучения кольцевая матрица микролазеров в количестве N 8 с длиной волны излучения Y, соответствующей диапазону спектральной чувствительности ПЗС-матрицы, оптические оси микролазеров параллельны друг другу и оси первого фокона, они расположены симметрично на окружности диаметром Дл, и с их помощью на объекте формируется кольцевая структура лазерных пятен, диаметр которой Дл остается постоянным при изменениях расстояния от объекта до эндоскопа и равным диаметру зоны объекта, просвечиваемой рентгеновским излучением, а текущая величина ее изображения в визуально-оптическом канале на мониторе и/или дисплее компьютера используется для калибровки и определения реального масштаба изображений дефектов при оценке их размеров.

Описание изобретения к патенту

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 - дополнительное ослабление рентгеновского излучения в материале линзы и второго полупрозрачного зеркала из оргстекла, установленных перед рентгенолюминесцентным преобразователем, а также возникновение артефактов на рентгеновском изображении из-за неоднородностей оргстекла, возникающих в нем при длительном облучении. Кроме того, обычно поле зрения визуально-оптического канала существенно превышает поле зрения рентгеновского канала. При этом в центре формируемого им изображения присутствует изображение светлого диска переменного диаметра с яркостью, существенно превышающей яркость периферийных участков, освещаемых только осветителем эндоскопа, что затрудняет обнаружение и идентификацию дефектов. В то же время выключение подсветки этого диска делает невозможным определение границ зоны объекта, просвечиваемой рентгеновским излучением.

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 первый фокон с рентгенолюминесцентным преобразователем на входном торце, второй фокон, идентичный первому, выходной торец которого состыкован с входной волоконно-оптической шайбой электронно-оптического усилителя яркости изображения, первый регулярный волоконно-оптический жгут, сопрягающий торцы фоконов с меньшими диаметрами, первый коллиматорный объектив с фокусным расстоянием F1, фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью выходной волоконно-оптической шайбы усилителя яркости изображения, а оптическая ось совмещена с его осью симметрии, и первое полупрозрачное зеркало, установленное на этой оси под углом 45° к ней, визуально-оптический канал содержит первое полупрозрачное зеркало из оргстекла, установленное перед первым фоконом на его оптической оси под углом 45° к ней, второй регулярный волоконно-оптический жгут, перед входным торцом которого, обращенном к объекту, расположен короткофокусный объектив, а перед выходным торцом установлен окуляр с фокусным расстоянием F2, фокальная плоскость которого совпадает с этим торцом, осветительный световод, расположенный рядом с вторым регулярным волоконно-оптическим жгутом, блок осветителя с лампой и оптическим аттенюатором, установленным перед входным торцом осветительного световода, первую оптическую перископическую систему для совмещения изображений на входе устройства, состоящую из первого полупрозрачного зеркала и второго зеркала, установленного перед короткофокусным объективом на его оптической оси под углом 45° к ней в точке пересечения этой оси с перпендикуляром, проведенным из центра первого полупрозрачного зеркала в плоскости, образуемой осями первого фокона и короткофокусного объектива, вторую оптическую перископическую систему для совмещения изображений на выходе устройства, состоящую из первого зеркала, второго полупрозрачного зеркала, установленного перед окуляром на его оптической оси под углом 45° к ней в точке ее пересечения с перпендикуляром, проведенным из центра первого зеркала в плоскости, образованной осями окуляра и усилителя яркости изображения и второго коллиматорного объектива с фокусным расстоянием F3, расположенного на оси окуляра между вторым полупрозрачным зеркалом и ПЗС-матрицей и фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью ПЗС-матрицы, при этом фокусные расстояния первого коллиматорного объектива F1, окуляра F2 и второго коллиматорного объектива F3 удовлетворяют соотношениям F1/F3=D/A и F2/F1=d/A, где D и d - диаметры выходного торца волоконно-оптической шайбы усилителя яркости изображения и второго регулярного волоконно-оптического жгута соответственно, третье полупрозрачное зеркало, установленное на оси первого коллиматорного объектива между ним и усилителем яркости изображения под углом 45° к ней, а также установленные последовательно на оси, проведенной из центра этого зеркала перпендикулярно ей, шкалу (27), конденсорную линзу (26) и светодиод (25), причем расстояние от центра третьего полупрозрачного зеркала по этой оси до шкалы равно расстоянию от этого центра до выходной волоконно-оптической шайбы усилителя яркости изображения по его оси, а масштаб проектирования шкалы на ПЗС-матрицу равен M=F3/F1, при этом в него дополнительно введена располагаемая перед рентгенолюминесцентным преобразователем концентрично с ним вне зоны распространения информативной части потока рентгеновского излучения кольцевая матрица микролазеров в количестве N 8 с длиной волны излучения Y, соответствующей диапазону спектральной чувствительности ПЗС-матрицы, оптические оси микролазеров параллельны друг другу и оси первого фокона, они расположены симметрично на окружности диаметром Дл, и с их помощью на объекте формируется кольцевая структура лазерных пятен, диаметр которой Дл остается постоянным при изменениях расстояния от объекта до эндоскопа и равным диаметру зоны объекта, просвечиваемой рентгеновским излучением, а текущая величина ее изображения в визуально-оптическом канале на мониторе и/или дисплее компьютера используется для калибровки и определения реального масштаба изображений дефектов при оценке их размеров.

Схема эндоскопа поясняется чертежом.

Источник рентгеновского излучения 1 просвечивает объект 2, внутренняя структура которого визуализируется с помощью рентгенолюминесцентного преобразователя 5 на входном торце первого фокона 6, защищенного фольгой 4. Первый регулярный волоконно-оптический жгут 7 состыкован с торцами фоконов 6 и 8. Выходной торец фокона 8 состыкован с входной волоконно-оптической шайбой усилителя яркости изображения 9. На оптической оси этого усилителя последовательно установлены третье полупрозрачное зеркало 20, первый коллиматорный объектив 10 с фокусным расстоянием F1, фокальная плоскость которого совпадает с выходной волоконно-оптической шайбой усилителя яркости изображения 9, и первое зеркало 11. Перед первым фоконом 6 на его оптической оси установлено первое полупрозрачное зеркало 3. Параллельно первому регулярному волоконно-оптическому жгуту 7 расположены второй регулярный волоконно-оптический жгут 16 и осветительный световод 17, перед которым расположен блок осветителя 18 с лампой 21 и оптическим аттенюатором 22. Перед вторым регулярным волоконно-оптическим жгутом 16 диаметром d установлен короткофокусный объектив 15. На его оптической оси под углом 45° к ней расположено второе зеркало 23 в точке пересечения этой оси с перпендикуляром, проведенным из центра первого полупрозрачного зеркала 3 в плоскости, образуемой оптическими осями первого фокона 6 и объектива 15. Перед выходным торцом второго регулярного волоконно-оптического жгута установлен окуляр 19 с фокусным расстоянием F2, фокальная плоскость которого совпадает с этим торцом. На оптической оси окуляра 19 установлены последовательно второе полупрозрачное зеркало 12 и второй коллиматорный объектив 13 с фокусным расстоянием F3, фокальная плоскость которого совпадает с ПЗС-матрицей 14 размером А×А, видеосигнал с которой поступает на монитор 28 или в компьютер 29. Перед первым фоконом 6 симметрично относительно его оптической оси расположена кольцевая матрица микролазеров 24 на окружности диаметром Дл Дф. Оптические оси микролазеров 30 параллельны друг другу и оси первого фокона.

Рентгенооптический эндоскоп работает следующим образом.

Предварительно производится визуальный осмотр объекта. Включают ПЗС-камеру и подбирают яркость лампы для получения максимального контраста изображения дефектов конкретного типа на экране монитора или дисплея. Включают микролазеры и в случае обнаружения дефектов приступают к оценке их планарных размеров с помощью шкалы на экране дисплея, которая предварительно калибруется по изображению кольцевой матрицы лазерных пятен. Затем выбирают необходимую зону для контроля в рентгеновском излучении, включают рентгеновский излучатель 1 и наблюдают на дисплее соответствующее изображение. За счет применения различных программ обработки изображений можно 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.

Таким образом, использование в эндоскопе для калибровки измерительной шкалы и визуализации зоны объекта, просвечиваемой рентгеновским излучением кольцевой матрицы микролазеров с параллельными оптическими осями, позволило повысить точность определения размеров дефектов и существенно улучшить эргономические характеристики устройства.

Литература

1. Патент РФ № 2239179.

2. Апенко М.И. и др. Прикладная оптика. М.: Высшая школа. 591 стр., 2007 г.