РЕНТГЕНООПТИЧЕСКИЙ ЭНДОСКОП
X-RAY OPTICAL ENDOSCOPE

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а более конкретно к средствам комплексной визуальной и радиационной дефектоскопии изделий, находящихся в труднодоступных полостях.
Известен рентгенооптический эндоскоп, который содержит корпус с расположенными в нем оптически сопряженными с помощью зеркал и призм рентгеновским и визуально-оптическим каналами для проецирования изображения объекта на ПЗС-матрицу. Рентгенооптический канал содержит фокон с расположенным на его торце рентгенолюминофором, волоконно-оптический регулярный жгут, выходной фокон, состыкованный торцами с жгутом и входной волоконно-оптической шайбой электронно-оптического усилителя яркости, коллиматорный объектив и зеркало. Визуально-оптический канал содержит объектив, регулярный жгут, окуляр, осветительный жгут и блок осветителя с лампой, перед которой установлен оптический аттенюатор. В эндоскоп дополнительно введены два полупрозрачных зеркала из оргстекла, первое из которых установлено в рентгено-оптическом канале на входе между первым зеркалом и рентгенолюминофором фокона, второе установлено на выходе эндоскопа на оптической оси объектива, установленного перед выходным торцом усилителя яркости изображения, между первым зеркалом и дополнительным полупрозрачным зеркалом установлена положительная линза из оргстекла, перпендикулярно оптической оси линзы установлена точечная диафрагма, освещаемая с помощью первого дополнительного светодиода, а перед вторым дополнительным полупрозрачным зеркалом установлена шкала, освещаемая вторым дополнительным светодиодом с помощью конденсорной линзы [1].
Недостатки данного устройства - увеличение габаритов и массы за счет применения второго полупрозрачного зеркала и линзы из оргстекла, дополнительные потери света в этих элементах, а также вносимые ими дополнительные артефакты типа нарушения сплошности и локальных изменений структуры материала линзы и подложек зеркал под действием рентгеновского излучения.
Цель изобретения - устранение этих недостатков.
Для этого в рентгенооптический эндоскоп, содержащий корпус с расположенными в нем оптически сопряженными рентгеновским и визуально-оптическим каналами для проецирования изображений объекта на ПЗС-матрицу телевизионной системы с последующей визуализацией их на экране монитора, причем рентгенооптический канал содержит первый фокон с рентгенолюминофором на его входном торце, волоконно-оптический регулярный жгут, состыкованный с торцом первого фокона, второй фокон, идентичный первому и состыкованный с этим жгутом и входной волоконно-оптической шайбой электронно-оптического усилителя яркости изображения, первый коллиматорный объектив с фокусным расстоянием F1, фокальная плоскость которого совпадает с выходной шайбой усилителя яркости и на его оптической оси под углом 45° к ней установлено первое зеркало, визуально-оптический канал содержит первое полупрозрачное зеркало из оргстекла, расположенное на оптической оси первого фокона под углом 45° к ней, эндоскоп, состоящий из объектива, регулярного волоконно-оптического жгута, окуляра с фокусным расстоянием F2, осветительного жгута и блока осветителя с лампой, перед которой установлен оптический аттенюатор, второе зеркало, установленное на оптической оси объектива эндоскопа под углом 45° к ней параллельно первому полупрозрачному зеркалу в точке ее пересечения с осью, проходящей через центр первого полупрозрачного зеркала перпендикулярно оси первого фокона, второе полупрозрачное зеркало, расположенное на оптической оси окуляра эндоскопа под углом 45° к ней в точке ее пересечения с осью, проходящей через центр первого зеркала перпендикулярно к оси окуляра, второй коллиматорный объектив с фокусным расстоянием F3, оптическая ось которого совпадает с оптической осью окуляра эндоскопа и проходит через центр ПЗС-матрицы телевизионной системы перпендикулярно к ней, при этом фокусные расстояния F1, F2, F3 и диаметры выходной шайбы усилителя яркости D и волоконно-оптического регулярного жгута эндоскопа d связаны соотношениями F1/F3=D/A и F2/F3=d/A, где А - размер растра ПЗС-матрицы, между выходной шайбой усилителя яркости и первым коллиматорным объективом на его оптической оси установлено третье полупрозрачное зеркало под углом 45° к ней, на оси, проходящей через его центр перпендикулярно к оптической оси первого коллиматорного объектива, установлена метрическая шкала, освещаемая с помощью первого светодиода и конденсорной линзы, причем шкала находится от первого коллиматорного объектива на расстоянии, равном его фокусному расстоянию, и с помощью первого зеркала, второго полупрозрачного зеркала и второго коллиматорного объектива проецируется на ПЗС-матрицу и визуализируется на мониторе одновременно с рентгеновским и/или оптическим изображением объекта, дополнительно введено сферическое зеркало из оргстекла с радиусом R=D и фокусным расстоянием F4=R/2, расположенное на входном торце первого фокона и диаметр которого равен диаметру D этого торца, оптическая ось сферического зеркала совпадает с оптической осью первого фокона, на оси, проходящей через центр первого полупрозрачного зеркала, перпендикулярно к ней на расстоянии B=D от вершины сферического зеркала в точке, соответствующей переднему фокусу сферического зеркала, установлен второй точечный светодиод с углом излучения W=2arctg[D/2F4], световой поток которого после автоколлимационного отражения от поверхности сферического зеркала преобразуется в параллельный пучок света, распространяющийся в направлении, совпадающем с оптической осью первого фокона, и формирующий на объекте изображение светлого диска диаметром D, величина которого на объекте остается постоянной при изменениях расстояния от объекта до эндоскопа и по величине изображения которого на мониторе оценивают текущий масштаб изображения в визуально-оптическом канале, необходимый для оценки соответствующего значения цены деления метрической шкалы, используемой для измерения дефекта и/или конструктивных элементов объекта.
Схема рентгенооптического эндоскопа приведена на чертеже.
На чертеже изображены источник рентгеновского излучения 1, исследуемый объект 2, а также основные элементы рентгеновского и визуально-оптического каналов.
Рентгеновский канал состоит из первого фокона 6, на входном торце которого нанесен рентгенолюминофор 5, защищенный фольгой 4, регулярного волоконно-оптического жгута 7, состыкованного с торцами первого 6 и второго фокона 8, выходной торец которого состыкован с входной волоконно-оптической шайбой усилителя яркости 9. Первый коллиматорный объектив 10 с фокусным расстоянием F1 расположен на оси второго фокона 8, фокальная плоскость его совмещена с выходной шайбой усилителя яркости 9. На оптической оси коллиматорного объектива 10 установлено первое зеркало 11 под углом 45° к ней.
Визуально-оптический канал содержит первое полупрозрачное зеркало из оргстекла, расположенное на оптической оси первого фокона под углом 45° к ней, эндоскоп, состоящий из объектива 15, регулярного жгута 16, окуляра 19 с фокусным расстоянием F2, осветительного жгута 17, блока осветителя 21 с лампой 18 и оптическим аттенюатором 22. Перед объективом 15 установлено на его оптической оси под углом 45° к ней второе зеркало 14 для оптического совмещения осей рентгеновского и визуально-оптического каналов. На оптической оси окуляра 19 расположены второе полупрозрачное зеркало 20 и второй коллиматорный объектив 12 с фокусным расстоянием F3, в фокальной плоскости которого расположена ПЗС-матрица 13 телевизионного канала. Монитор 23 служит для визуализации изображений объекта. На оптической оси первого коллиматорного объектива 11 между ним и усилителем яркости 9 под углом 45° к этой оси установлено третье полупрозрачное зеркало 26. На оси, проходящей через центр полупрозрачного зеркала 26 перпендикулярно к ней, в точке, соответствующей фокусу первого коллиматорного объектива 10, расположена метрическая шкала 27, освещаемая первым светодиодом 29 с помощью конденсорной линзы 28.
На оптической оси первого фокона соосно с ней на его входном торце установлено сферическое зеркало 24 диаметром D и радиусом R=D. На оси, проходящей через центр первого полупрозрачного зеркала 3 перпендикулярно к ней в точке, соответствующей положению фокуса сферического зеркала, установлен второй точечный светодиод 25. Благодаря такому расположению светодиода его расходящийся пучок света с углом излучения, достаточным для заполнения полной апертуры сферического зеркала, после отражения от этого зеркала преобразуется в параллельный поток излучения с диаметром D, распространяющийся в сторону объекта контроля параллельно оптической оси первого фокона и формирующий на объекте изображение светлого диска диаметром D, размер которого не изменяется при изменениях расстояния от объекта до эндоскопа. Это дает возможность оценивать текущий масштаб изображения в визуально-оптическом канале, сравнивая известный диаметр светлого диска на объекте с величиной его изображения на мониторе с помощью метрической шкалы. В свою очередь, зная масштаб изображения, легко определить текущую цену деления шкалы, приведенную к плоскости объекта. По степени эллиптичности изображения светлого диска можно оценивать перпендикулярность поверхности объекта к оптической оси первого фокона и/или объектива эндоскопа. Для удобства работы шкала установлена с возможностью вращения относительно оси, на которой она расположена.
Рентгенооптический эндоскоп работает следующим образом.
Вначале обычно производится визуальный осмотр контролируемой полости с помощью эндоскопа оптического канала. Рентгенооптический эндоскоп вводится в полость и координируется в ней с помощью известных технических средств, например, механических манипуляторов с дистанционным управлением т.п. Включают осветитель эндоскопа и, наблюдая на мониторе поверхность объекта, наводят эндоскоп на интересующую оператора область. Затем включают светодиод у сферического зеркала и светодиод, освещающий измерительную шкалу от отдельного блока питания (на схеме не показан в силу общеизвестности данного решения), и, наблюдая на мониторе изображения светлого диска и шкалы, оценивают текущий масштаб изображения визуально-оптического канала по формуле M=D/D0, где D0=C×N размер изображения светлого диска, С - цена деления шкалы в плоскости экрана монитора, мм, N - число делений шкалы, приходящееся на изображение диска, D - истинный размер диска, мм. После этого приступают к количественной оценке размеров дефектов и/или конструктивных элементов объекта. Шкала установлена с возможностью вращения относительно оси, на которой она расположена, что дает возможность оценивать размеры дефектов в различных направлениях. Затем включают рентгеновский аппарат и производят радиографическое обследование объекта. При этом подсветка объекта может быть выключена.
Фокусные расстояния коллиматорных объективов F1, F3 и окуляра F2 выбираются с учетом полного заполнения изображениями выходной шайбы усилителя яркости и торца регулярного жгута с диаметрами D и d соответственно растра ПЗС-матрицы размера А. Соответствующие формулы получены с учетом общеизвестных выражений геометрической оптики для определения увеличения системы двух коллиматорных объективов [2].
Отметим, что масштаб изображения в рентгеновском канале остается постоянным при любых изменениях расстояния от объекта до рентгенооптического эндоскопа, т.к. реально используемые аппараты генерируют слабо расходящиеся пучки излучения, а объект удален от источника рентгеновского излучения на значительные расстояния (3-5 м и более), особенно при контроле крупногабаритной авиакосмической техники и специзделий. Поэтому размер изображения объекта в рентгеновском излучении на мониторе всегда постоянен, а масштаб его M=D/Dp=const, где Dp - размер на мониторе.
Источники информации
1. Патент РФ №2239179.
2. Р.Шредер, Ф.Трайбер. Техническая оптика. М., Техносфера, 2008, 424 стр.