РЕНТГЕНООПТИЧЕСКИЙ ЭНДОСКОП
X-RAY OPTICAL ENDOSCOPE

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. Наконец, постоянное нахождение полупрозрачного зеркала в пучке рентгеновского излучения приводит к его деградации, появлению структурных дефектов его материала, проявляющихся в виде артефактов на рентгеновском изображении. В то же время наблюдение рентгеновского и оптического изображений, как правило, производится последовательно во времени.
Цель изобретения - устранение этих недостатков.
Для этого в рентгенооптический эндоскоп, содержащий корпус, в котором расположены фокон с входным и выходным диаметрами Д и д соответственно, на входе которого расположен рентгенолюминесцентный преобразователь, высокочувствительная ПЗС-матрица видимого диапазона спектра, в растр которой размером A×A полностью вписан выходной диаметр фокона и монитор и/или компьютер с дисплеем, дополнительно введены кольцевая матрица из N>8 микролазеров видимого диапазона спектра расположенных симметрично относительно продольной оси фокона на расстояниях R=D/2 от нее, где D - диаметр его входного торца, оптические оси микролазеров параллельны друг другу и продольной оси фокона и с их помощью на поверхности объекта формируется кольцевая структура лазерных пятен, диаметр D которой остается постоянным при изменениях расстояния от эндоскопа до объекта, цветная телекамера с ПЗС-матрицсй размера A×A и объективом с фокусным расстоянием F, расположенная на рычаге, с помощью которого она устанавливается перед фоконом по его центру или выводится за пределы зоны распространения рентгеновского пучка, регистрируемого рентгенолюминесцентным преобразователем, за счет углового перемещения этого рычага в плоскости, параллельной входному торцу фокона относительно оси, параллельной продольной оси фокона и отстоящей от нее на расстоянии C=1/2(Д-д1), где Д - диаметр входного торца фокона, д1 - диаметр корпуса цветной телекамеры, а фокусное расстояние F объектива цветной телекамеры, оптическая ось которого совпадает с осью фокона при установке телекамеры перед ним, выбирается с учетом соотношения F=L/(M+1/M+2), где M - увеличение объектива, L - рабочее расстояние от объекта до ПЗС-матрицы цветной телекамеры, при котором линейные поля зрения, оптического и рентгеновского каналов и масштабы переноса соответствующих изображений на экран монитора совпадают, а изображение кольцевой структуры лазерных пятен диаметром Д полностью вписано в растр ПЗС-матрицы цветной телекамеры, рядом с объективом установлен светодиод для подсветки объекта, угол излучения которого W>arctg(A/2F1), а яркость и цветность излучения регулируются с помощью электронного блока питания, на экране монитора располагается стандартная линейная метрическая шкала с ценой деления K, с помощью которой определяют размеры дефектов по формуле S=K×N×(1/M), где N - число делений шкалы, приходящихся на изображение дефекта, М=В/Д - масштаб переноса изображений из плоскости объекта на плоскость экрана монитора. B - размер растра экрана монитора.
Схема эндоскопа поясняется фиг.1, а.
Источник рентгеновского излучения 1 просвечивает объект 2, внутренняя структура которого визуализируется с помощью рентгенолюминесцентного преобразователя на входе фокона 9, состоящего из защитного слоя фольги 7 и люминофора 8. Выходной торец фокона состыкован с входной волоконно-оптической шайбой высокочувствительной ПЗС-матрицы 11. На экране монитора 12 визуализируется изображение объекта в рентгеновском излучении. Перед входным торцом фокона по его центру расположена с возможностью ввода-вывода цветная телекамера 3, состоящая из объектива 4 с фокусным расстоянием F, в фокальной плоскости которого установлена ПЗС-матрица 5 размером А×А. Рядом с объективом 4 установлен светодиод 6, яркость и спектр излучения которого могут изменяться с помощью электронного блока питания 15. Установка телекамеры по центру фокона и ее вывод из зоны регистрации рентгеновского излучения производится с помощью рычага 13, на котором она закреплена. Рычаг 13 вращается с помощью механического или иного привода 14. На экране монитора 12 может располагаться метрическая шкала 16 для измерения размеров дефектов. Переключение телекамер рентгеновского и визуально-оптического каналов производится с помощью коммутатора монитора или программным способом при применении компьютера. Кольцевая структура микролазеров 10 располагается симметрично относительно фокона на окружности диаметром Д.
На фиг.1, б представлена схема установки цветной телекамеры перед фоконом с помощью рычага 13 с приводом 14.
Рентгенооптический эндоскоп работает следующим образом.
Предварительно производится визуальный осмотр объекта. Вращая привод рычага, устанавливают цветную ПЗС-камеру перед фоконом по его центру, включают ее и подбирают яркость и/или спектр излучения светодиода для получения максимального контраста изображения дефектов конкретного типа на экране монитора или дисплея. Включают микролазеры кольцевой структуры и, перемещая эндоскоп вдоль его оптической оси, добиваются полного вписания изображения кольцевой структуры лазерных пятен в растр ПЗС-матрицы цветной телекамеры. Затем выбирают необходимую зону контроля для контроля в рентгеновском излучении, включают рентгеновский излучатель и наблюдают на дисплее соответствующее изображение. В случае необходимости проверяют перпендикулярность оси эндоскопа к поверхности объекта по степени эллиптичности кольцевой структуры лазерных пятен и производят соответствующую коррекцию угловыми перемещениями эндоскопа. Возможно за счет применения различных программ обработки изображений (в случае применения компьютера) 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. 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 В, измеренную с помощью той же линейки. Например, если высота экрана В=200 мм, а диаметр изображения кольцевой структуры D'=50 мм, то масштаб изображения, приведенный к плоскости объекта, равен: М=D'/H=50/200=0,25. Если изображение кольцевой структуры полностью вписано по вертикали в экран, то размеры зон оптического и рентгеновского каналов равны.
Необходимость вписать изображение кольцевой структуры лазерных пятен полностью в растр ПЗС-матрицы при конкретном рабочем расстоянии от объекта до эндоскопа L обусловлена необходимостью обеспечения единства условий измерения дефектов. При этом зона рентгеновского контроля всегда совпадает с полем зрения оптического канала. Согласно этому условию масштаб оптического изображения M=D/D'=A/D, т.к. изображение кольцевой структуры полностью вписано к матрицу размера A. В то же время согласно известным формулам геометрической оптики [2] между расстоянием L, фокусным расстоянием объектива F и масштабом изображения существует следующее приближенное соотношение L=F(M+1/M+2), откуда и получаем выражение для величины этого фокусного расстояния F=L/(M+1/M+2) для конкретного масштаба M.
На фиг.2 показана расчетная схема для определения фокусного расстояния объектива.
На фиг.1, в показан вид экрана дисплея для двух расстояний между объектом и эндоскопом.
Литература
1. Патент РФ №2168166.
2. Апенко М.И. и др. Прикладная оптика. Москва: Высшая школа, 591 стр.