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 квазипараллельным 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 нелинейно зависит от этого расстояния, что затрудняет сопоставление результатов рентгеновского и оптического контроля. Одновременно с этим изменяется и масштаб изображения оптического канала, что дополнительно затрудняет сопоставление результатов визуального и радиационного контроля, особенно при количественной оценке дефектов. Наконец, с помощью данного устройства возможна оценка только планарных размеров и координат залегания дефектов, однако невозможно измерение их глубины или высоты относительно поверхности объекта в процессе визуально-оптического контроля.
Цель изобретения - устранение этих недостатков.
Для этого 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 рентгенолюминесцентный преобразователь телевизионного типа, оптический канал содержит первое полупрозрачное зеркало, установленное на продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя под углом 45° к ней, объектив, установленный на оси, проходящей через центр этого зеркала перпендикулярно оси рентгенолюминесцентного преобразователя, цветную ПЗС-матрицу видимого диапазона спектра размером А×А, расположенную в плоскости изображения этого объектива, осветитель, компьютер и дисплей с размером растра В×В для визуализации изображений и шкалу для оценки размеров дефектов, отличается тем, что в него дополнительно введены второе полупрозрачное зеркало, установленное на оси объектива между ним и первым полупрозрачным зеркалом, микролазер, установленный на оси, проходящей через центр второго полупрозрачного зеркала перпендикулярно к ней, и формирующий на объекте яркую точку, положение которой на объекте совпадает с точкой пересечения оси объектива с поверхностью объекта, два идентичных генератора лазерных линий, угол расхождения которых равен β>2arctg(D/2Lo), а угол наклона к продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя равен α=arctg(D/2Lo), где D - размер входного торца рентгенолюминесцентного преобразователя, Lo=D/2(tgα) - расстояние от объекта до этого торца, плоскости распространения плоских световых пучков генераторов взаимно перпендикулярны и формируют на поверхности объекта изображения двух взаимно перпендикулярных полосок, точка пересечения которых совпадает с точкой, формируемой микролазером оптического канала при расстоянии от объекта до торца рентгенолюминесцентного преобразователя Lo, при котором линейное поле зрения визуально-оптического канала совпадает с размером зоны, визуализируемой рентгенооптическим каналом и полностью вписано в растр цветной ПЗС-матрицы, а масштабы изображений обоих каналов одинаковы, при этом расстояние Lo выбирается с учетом соотношения Lo=F(Mo+1/Mo+2), где F - фокусное расстояние объектива, Мо=А/D - увеличение объектива, в качестве осветителя использован расположенный рядом с объективом светодиод, яркость и цветность излучения которого регулируются с помощью электронного блока питания, на экране дисплея располагается линейная метрическая шкала с ценой деления К, с помощью которой определяют размер S дефектов по формуле S=K·N·(1/V), где N - число делений шкалы, приходящихся на изображение дефекта, V=Mo×Mт - суммарный масштаб переноса изображений из плоскости объекта на плоскость экрана дисплея в визуально-оптическом канале, где Мт=В/А - увеличение телевизионного тракта этого канала, который равен масштабу переноса изображений рентгеновского канала Mp=B/D при расстоянии Lo от объекта до цветной ПЗС-матрицы, по степени искривления световых полосок судят о высоте или глубине Н дефектов поверхности объекта методом светового сечения, по формуле H=Ha/tgα, где На - наблюдаемая на дисплее величина искривления световых полосок в соответствующей плоскости.
Схема эндоскопа поясняется чертежом (фиг.1а).
Источник рентгеновского излучения 1 просвечивает объект 2, внутренняя структура которого визуализируется с помощью рентгенолюминесцентного преобразователя 4 на базе волоконно-оптической пластины из нитевидных монокристаллических сцинтилляторов, состыкованных непосредственно с высокочувствительной ПЗС-матрицей видимого диапазона спектра, видеосигнал которой поступает на вход дисплея. На корпусе рентгенолюминесцентного преобразователя размером D×D установлены под углом 90° два идентичных генератора лазерных линий 5 и 6 с углами расхождения плоских взаимно перпендикулярных лазерных пучков, оси симметрии которых наклонены к продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя под углом α и пересекают ее на расстоянии Lo от него, формируя на поверхности объекта две взаимно перпендикулярные полоски. На продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя 4 перед ним на расстоянии L1>D/2 от него расположено зеркало 3 под углом 45° к ней. На оси, проходящей через центр этого зеркала перпендикулярно к ней, на расстоянии L2=L1 от нее установлен объектив 9, в плоскости изображения которого расположена цветная ПЗС-матрица 10 с размером растра А×А. Перед объективом 9 расположено полупрозрачное зеркало 8 под углом 45° к ней и микролазер 7, излучение которого после отражений от полупрозрачного зеркала 8 и зеркала 3 направляется на объект в направлении, совпадающем с продольной осью рентгенолюминесцентного преобразователя. Рядом с объективом 9 установлен светодиод 13 для подсветки объекта. Видеосигнал ПЗС-матрицы 10 поступает на видеовход компьютера 11 с дисплеем 12 с размером растра В×В. Метрическая шкала 14 располагается непосредственно на экране дисплея или формируется на нем программно с помощью компьютера 11.
На фиг.1б показано расположение генераторов лазерных линий на корпусе рентгенолюминесцентного преобразователя.
На фиг.1в показан вид экрана дисплея при различных расстояниях от объекта до эндоскопа.
Рентгенооптический эндоскоп работает следующим образом.
Предварительно производится визуальный осмотр объекта. Включают цветную ПЗС-камеру и подбирают яркость и/или спектр излучения светодиода для получения максимального контраста изображения дефектов конкретного типа на экране монитора или дисплея. Включают микролазер и генераторы лазерных линий и, перемещая эндоскоп вдоль его оптической оси, добиваются совпадения перекрестия лазерных линий с лазерной точкой, формируемой микролазером. В случае обнаружения дефектов приступают к оценке их планарных размеров с помощью шкалы на экране дисплея, которая предварительно калибруется по изображению тест-объекта известного размера. При обнаружении искривлений лазерных полосок, что свидетельствует о наличии дефектов с явно выраженным рельефом, производят оценку их глубины или высоты относительно поверхности объекта, измеряя величины этих искривлений с помощью шкалы на экране дисплея в соответствии с известными процедурами метода светового сечения [2]. В случае необходимости поворачивают эндоскоп относительно его продольной оси для оценки рельефа дефектов в различных сечениях. Затем выбирают необходимую зону для контроля в рентгеновском излучении, включают рентгеновский излучатель 3 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.
Необходимость совмещения центра перекрестия лазерных линий с центральным лазерным пятном изображения при конкретном рабочем расстоянии от объекта до эндоскопа Lo обусловлена необходимостью обеспечения единства условий измерения дефектов в визуально-оптическом и рентгеновском каналах. При этом поля зрения и цена деления шкалы дисплея одинаковы для обоих каналов. Действительно, масштаб изображения в рентгеновском канале Mp=B/D остается постоянным при изменениях расстояния от эндоскопа до объекта за счет параллельности пучка рентгеновского излучения. Однако суммарный масштаб изображения визуально-оптического канала V, равный произведению увеличения объектива Мо на телевизионное увеличение Мт, существенно зависит от расстояния между эндоскопом и объектом Lo и может быть равен Мр только при одном значении этого расстояния. Заметим, что телевизионное увеличение Мт=В/А не зависит от дистанции эндоскоп-объект и определяется только соотношением размеров растров, применяемых в эндоскопе цветной ПЗС-матрицы и дисплея. На фиг.2 представлена упрощенная расчетная схема для определения Lo (3). Как видно из схемы фиг.2 между фокусным расстоянием объектива F, масштабом Мо изображения и расстоянием от объекта до изображения Lo существует следующее приближенное соотношение Lo=F(Mo+1/Mo+2). Величина Мо=Мр/Мт при Mp=V. Поэтому выбор увеличения оптического тракта визуально-оптического канала производят с учетом этого условия. Сначала определяют телевизионное увеличение визуально-оптического канала по известным величинам растра цветной ПЗС-матрицы и дисплея, а затем увеличение его оптического тракта и соответствующее ему значение фокусного расстояния объектива для выбранного из конструктивных соображений расстояния Lo от эндоскопа до объекта. Отметим, что именно при этом расстоянии Lo поле зрения объектива равно размеру зоны просвечивания объекта рентгеновским излучением D×D и ее изображение полностью вписано в растр ПЗС-матрицы размером А×А, а масштабы изображений рентгеновского и визуально-оптического каналов равны друг другу.
На фиг.3а, б, в представлены: схема формирования светового сечения при выявлении дефекта типа канавки (а) - стрелкой указано направление к системе наблюдения, схема расчета высоты рельефа, вызванной этой канавкой (б) и вид экрана дисплея при изображении рельефного объемного дефекта глубиной Н (показано одно сечение).
Таким образом, использование в эндоскопе двух ортогональных плоских лазерных пучков не только позволило определять пространственные характеристики дефектов, но и фиксировать такое положение эндоскопа относительно объекта, при котором масштабы изображений рентгеновского и визуально-оптического каналов одинаковы, что существенно упрощает и повышает достоверность и оперативность дефектометрических процедур при контроле сложных технических объектов.
Литература
1. Патент РФ №2168166.
2. Кучин А.А., Обрадович К.А. Оптические приборы для измерения шероховатости поверхности. Л., Машиностроение, Ленингр. отд., 1981. - 197 с., ил.
3. Апенко М.И. и др. Прикладная оптика. Москва, Высшая школа. 591 стр.