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 рентгенооптическом канале на входе между первым зеркалом и рентгенолюминофором фокона, второе установлено на выходе эндоскопа на оптической оси объектива, установленного перед выходным торцем 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, 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.
Кроме того, разномасштабность изображений в каналах эндоскопа затрудняет проведение сравнительной дефектометрии, а появление сверхвысокочувствительных ПЗС-матриц делает нецелесообразным применение дорогостоящих электронно-оптических усилителей яркости изображения.
Цель изобретения - устранение этих недостатков.
Данная цель достигается за счет того, что рентгенооптический эндоскоп содержит корпус с расположенными в нем оптически сопряженными рентгеновским и визуально-оптическим каналами для проецирования изображений объекта на ПЗС-матрицу телевизионной системы, формирующей изображение на мониторе, причем рентгеновский канал содержит фокон с рентгенолюминофором на его входном торце, первый волоконно-оптический регулярный жгут, первый коллиматорный объектив с фокусным расстоянием F1, фокальная плоскость которого совпадает с выходным торцом этого жгута, и первое зеркало, установленное на оптической оси первого коллиматорного объектива под углом 45° к ней, визуально-оптический канал содержит первое полупрозрачное зеркало из оргстекла, расположенное перед фоконом на его оптической оси под углом 45° к ней, объектив с фокусным расстоянием Fo, второй регулярный волоконно-оптический жгут, второй коллиматорный объектив с фокусным расстоянием F2, идентичный первому коллиматорному объективу, осветительный жгут, блок осветителя с лампой, перед которой установлен оптический аттенюатор, второе зеркало, установленное на оптической оси объектива с фокусным расстоянием Fo под углом 45° к ней в точке ее пересечения с осью, проходящей через центр первого полупрозрачного зеркала перпендикулярно к ней, второе полупрозрачное зеркало, расположенное на оптической оси второго коллиматорного объектива под углом 45° к ней в точке ее пересечения с осью, проходящей через центр первого зеркала перпендикулярно к оси этого объектива, третий коллиматорный объектив с фокусным расстоянием F3, задняя фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью ПЗС-матрицы телевизионной системы, а оптическая ось совпадает с осью второго коллиматорного объектива и проходит через центр этой матрицы перпендикулярно к ней, при этом фокусные расстояния F1, F2, F3 связаны соотношениями F1/F3=F2/F3=d/A, где А - размер растра ПЗС-матрицы, d - диаметр регулярных жгутов, отличающийся тем, что в него дополнительно введена кольцевая матрица из N>8 микролазеров, размещенных симметрично относительно оси фокона на окружности диаметром D, равном диаметру входного торца фокона, оптические оси микролазеров параллельны друг другу и оси фокона, благодаря чему они формируют на объекте кольцевую структуру лазерных пятен диаметра D, величина которого остается постоянной при изменениях расстояния от объекта до эндоскопа, фокусное расстояние объектива Fo выбирается с учетом соотношения Fo=L/K, где K=(М+2+1/М) - константа, L - расстояние от эндоскопа до объекта, при котором производится измерение дефектов, М - масштаб переноса изображения фоконом и объективом, равный M=d/D, а размер дефектов определяется с помощью размещаемой непосредственно на экране монитора телевизионной стандартной метрической шкалы на прозрачном трафарете по формуле Do=Co×n, где Со - цена деления шкалы в плоскости объекта, n - число делений шкалы, приходящихся на изображение дефекта.
Схема рентгенооптического эндоскопа приведена на фиг.1.
На фиг.1 изображены источник рентгеновского излучения 1, исследуемый объект 2, а также основные элементы рентгеновского и визуально-оптического каналов.
Рентгеновский канал состоит из фокона 6, на входном торце которого нанесен рентгенолюминофор 5, защищенный фольгой 4 регулярного волоконно-оптического жгута 7 первого коллиматорного объектива 8 с фокусным расстоянием F1, расположенного на оси фокона, фокальная плоскость его совмещена с выходным торцем жгута 7. На оптической оси коллиматорного объектива 8 после него установлено первое зеркало 9 под углом 45° к ней.
Визуально-оптический канал содержит первое полупрозрачное зеркало из оргстекла, расположенное перед фоконом на его оптической оси под углом 45° к ней, объектив 11, регулярный жгут 12, второй коллиматорный объектив с фокусным расстоянием F2, осветительный жгут 18, блок осветителя 21 с лампой 20 и оптическим аттенюатором 19. Перед объективом 11 установлено на его оптической оси под углом 45° к ней второе зеркало 10 для оптического совмещения осей рентгеновского и визуально-оптического каналов. После объектива 13 на его оптической оси расположены второе полупрозрачное зеркало 14 и третий коллиматорный объектив 15 с фокусным расстоянием F3, в фокальной плоскости которого расположена ПЗС-матрица 16 телевизионного канала. Монитор 17 служит для визуализации изображений объекта.
На оптической оси первого фокона соосно с ней установлена кольцевая матрица 22 из N>8 микролазеров диаметром D. Оптические оси микролазеров параллельны друг другу и оси фокона. Благодаря этому на объекте формируется кольцевая структура лазерных пятен, диаметр которой остается постоянным при изменениях - расстояния от объекта до эндоскопа. Это дает возможность оценивать текущий масштаб изображения в визуально-оптическом канале, сравнивая известный диаметр кольца лазерных пятен 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 кольца лазерных пятен можно оценивать перпендикулярность поверхности объекта к оптической оси фокона и/или объектива 11. Для удобства работы шкала 23 располагается непосредственно на экране монитора 17 с возможностью перемещения по нему. Шкала со стандартной ценой деления 1 мм располагается на прозрачной подложке для наблюдения изображений без экранировки их элементов. Для обеспечения постоянства и одинаковости цены делений шкалы в плоскости объекта для обоих каналов эндоскопа масштаб переноса изображения объективом визуально-оптического канала выбран численно равным масштабу переноса изображения фоконом, равного M=D/d. Очевидно, что это условие согласно известным соотношениям геометрической оптики [2] реализуется при данном расстоянии от эндоскопа до объекта L, только для одного значения фокусного расстояния объектива Fo, разного Fo=L/K, где K=(М+2+1/М).
2
Это вытекает из последовательного применения формулы Ньютона X·X'=Fo и формулы для увеличения оптической системы (фиг.2). Из-за соответствия масштаба изображения объектива масштабу переноса изображения фокона удобно принять факт полного вписания кольцевой структуры лазерных пятен, диаметр которой равен входному диаметру фокона, в растр ПЗС-матрицы и соответственно в экран монитора, т.к. диаметры регулярных световодных жгутов обоих каналов равны друг другу, а масштабы переноса их изображений системой коллиматорных объективов на ПЗС-матрицу и с этой матрицы на экран монитора также равны для обоих каналов. Добиться этого можно, перемещая эндоскоп вдоль его оси относительно объекта (при использовании объектива с фиксированной величиной фокусного расстояния) или за счет применения объектива с переменным фокусным расстоянием (трансфолатора). На фиг.3 представлен вид экрана при различных установках эндоскопа. Шкалу удобно применять стандартную, с ценой деления 1 мм, что эргономически и метрологически обоснованно. При этом цену деления шкалы в плоскости объекта, равную, очевидно, С/К, где К - суммарный масштаб переноса изображения от объекта до монитора, равный произведению отдельных звеньев каналов, удобно принять равной 0,1 мм. Для этого достаточно выполнить условие К=0,1. Например, для характерных значений увеличения фокона Мф=d/D=0,2 коллиматоров Мк=F1/F2=F2/F3=5 и телевизионной системы Мтв=В/А=10 получим Мо=Мф·Мк·Мтв=10. В обратном ходе лучей это соответствует, очевидно, L/Mo=0,1, т.е. цена деления шкалы в плоскости объекта будет равна Со=0,1 мм. Таким образом, если, например, изображение дефекта на экране монитора занимает 10 мм, то его истинный размер равен 1,0 мм. Существенно, что цена деления шкалы одинакова для обоих каналов эндоскопа, если выполнено вышеприведенное условие полного вписания кольцевой структуры лазерных пятен в растр телевизионной системы.
Эндоскоп работает следующим образом. Сначала оператор производит общий осмотр объекта, используя визуально-оптический канал. После предварительного обследования и выбора участка объекта для проведения измерительных процедур оператор передвижением эндоскопа (при отсутствии трансфокатора) или изменением фокусного расстояния трансфокатора добивается вписания изображения кольцевой структуры лазерных пятен полностью в растр монитора и, пользуясь шкалой, измеряет размер дефекта или интересующей его детали объекта. В случае необходимости производится контроль объекта в рентгеновском излучении и необходимые измерения его внутренних дефектов. Цена деления шкалы в этом случае остается равной его величине при визуально-оптическом контроле.
Вначале обычно производится визуальный осмотр контролируемой полости с помощью визуально-оптического канала. Рентгенооптический эндоскоп вводится в полость и координируется в ней с помощью известных технических средств, например механических манипуляторов с дистанционным управлением и т.п. Включают осветитель эндоскопа и, наблюдая на мониторе поверхность объекта, наводят эндоскоп на интересующую оператора область. Совмещают шкалу с изображением дефекта и оценивают его размер по формуле Do=C×N, где С - цена деления шкалы в плоскости объекта, мм, N - число делений шкалы, приходящееся на изображение. Шкала установлена с возможностью перемещения относительно экрана монитора, 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.
Отметим, что масштаб изображения в рентгеновском канале остается постоянным при любых изменениях расстояния от объекта до рентгенооптического эндоскопа, т.к. реально используемые аппараты генерируют слаборасходящиеся 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 входном торце фокона всегда постоянен и равен его диаметру D. В то же время размер изображения зоны просвечивания объекта рентгеновским излучением в визуально-оптическом канале, очевидно, идентичен его истинной величине только при таком масштабе изображения в визуально-оптическом канале, когда кольцевая структура лазерных пятен диаметра D полностью вписана в торец регулярного жгута диаметром d, т.е М=d/D.
Литература
1. Патент РФ 2239179.
2. Р.Шредер, Ф.Трайбер. Техническая оптикаЮМ, Техносфера, 2009, 424 с.