лазерный автоколлимационный центратор для рентгеновского излучателя

Формула изобретения

Лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазером, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два зеркала, первое из которых выполнено из оргстекла, установлено на пересечении оптических осей лазерного и рентгеновского пучков излучения перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющее на объект коллимированный лазерный лучок, концентричный с рентгеновским пучком, шкалу, телескоп для расширения и коллимации лазерного излучения, состоящий из микрообъектива и объектива, позволяющий посредством первого зеркала, объектива и второго зеркала, выполненного полупрозрачным, сформировать в фокальной плоскости объектива телескопа, совпадающей со шкалой, действительное изображение светящегося диска, получаемого на поверхности объекта в зоне освещения лазерным пучком, телевизионную систему, включающую телекамеру и видеоконтрольное устройство, причем шкала выполнена линейной, установлена перед лазером и расположена в фокальной плоскости объектива телескопа таким образом, что изображение шкалы и освещаемой лазерным пучком зоны объекта дополнительным микрообъективом проектируется в плоскость миниатюрной ПЗС-матрицы телекамеры, видеосигнал с которой подают на вход видеоконтрольного устройства, на экране которого наблюдают изображение лазерного пятна и оценивают его размер с помощью изображений линейной шкалы, деления которой оцифрованы непосредственно в фокусных расстояниях рентгеновского излучателя, и число которых, приходящихся на изображение лазерного пятна, определяет величину фокусного расстояния рентгеновского излучателя для его конкретного положения относительно объекта, отличающийся тем, что содержит дополнительное съемное плоское зеркало, размещаемое на объекте в зоне, освещаемой коллимированным лазерным пучком, и образующее вместе с телескопом, лазером и шкалой автоколлимационную схему контроля взаимно угловой ориентации объекта и центратора, причем цена деления шкалы в угловой мере равна

=arctg(c/f),

где c - цена шкалы в линейной мере;

f - фокусное расстояние объектива телескопа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неразрушающему контролю с помощью рентгеновского излучения и может быть использовано для контроля материалов и конструкций в авиакосмической и оборонной технике.

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазера, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два зеркала, первое из которых выполнено из оргстекла, установлено на пересечении осей лазерного и рентгеновского пучков излучения перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющее на объект коллимированный лазерный пучок телескоп для расширения лазерного пучка, второе зеркало, выполненное полупрозрачным и установленное между объективом и окуляром телескопа, телевизионную систему и шкалу, позволяющую оценить расстояние до объекта по размеру изображения лазерного пятна, сформированного на его поверхности телескопом [1].

Недостаток устройства - отсутствие возможности контроля перпендикулярности оси рентгеновского пучка к поверхности контролируемого объекта, что необходимо, например, при радиографическом контроле сотовых панелей авиационных конструкций.

Для устранения этого недостатка нами предлагается ввести в оптическую систему центратора дополнительное плоское зеркало, закрепляемое на объекте в области его поверхности, освещаемой лазерным пучком, и позволяющее контролировать перпендикулярность осей лазерного пучка и концентричного с ним рентгеновского пучка автоколлимационным методом, по положению отраженного от зеркала коллимированного пучка в фокальной плоскости объектива телескопа.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана общая схема центратора и вид экрана дисплея для характерных ситуаций, возникающих при контроле изделий.

Лазерный центратор содержит закрепляемый на рентгеновском излучателе 1 корпус 12, в котором располагается лазер 2 с односторонним выходом излучения, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя. Перед лазером на его оптической оси установлен телескоп, состоящий из объектива 5 и микрообъектива 3, два зеркала, первое из которых 6, выполненное из оргстекла, установлено на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка с возможностью юстировочных поворотов вокруг оси, перпендикулярно плоскости, задаваемой оптической осью выхода излучения лазера с осью рентгеновского пучка, а второе 4 выполнено полупрозрачным и установлено между объективом 5 и микрообъективом 3 телескопа под углом 45^o к оптической оси лазера. В плоскости изображения лазерного пятна, формируемого объективом 5 и полупрозрачным отражателем 4, установлена линейная шкала из стекла 7. Второй объектив 8 проектирует изображения лазерного пятна и шкалы 7 на видеопреобразователь 9 телекамеры, (например, ПЗС-матрицы), с помощью которой они наблюдаются на экране видеомонитора 10. Подсветка шкалы 7 осуществляется рассеянным на ней лазерным излучением.

На объекте II с помощью каких-либо держателей (магнитные и/или пневматические присоски, клейкая лента, струбципы и т.п.) в зоне лазерного пятна крепится плоское зеркало 13, отражающим слоем обращенное к центратору.

Лазерный центратор работает следующим образом. Излучение лазера 2 с помощью телескопа, состоящего из микрообъектива 3 и объектива 5, расширяется до диаметра D и коллимируется для уменьшения угловой расходимости и в целях сохранения постоянства этого диаметра во всем диапазоне требуемых фокусных расстояний центратора. После отражения от первого отражателя 4 коллимированный лазерный пучок, ось которого совмещается юстировкой с осью рентгеновского пучка, направляется на объект II (на схеме показаны два положения объекта I и II, соответствующие различным фокусным расстояниям, различающимся на величину L). После отражения от диффузной поверхности объекта лазерный пучок теряет параллельность и распространяется в обратном направлении в пределах широкого телесного угла , что позволяет с помощью отражателя 4, объектива 5 и полупрозрачного отражателя 6 сформировать в фокальной плоскости объектива 5, совпадающей со шкалой 7, действительное изображение светящегося диска, получаемого на поверхности объекта в зоне освещения лазерным пучком. Изображения шкалы 7 и освещаемой лазерным пучком зоны объекта объективом 8 проектируются в плоскость видеопреобразователя телекамеры (например, миниатюрной ПЗС-матрицы), видеосигнал от которой подается на вход видеоконтрольного устройства 10. На экране видеоконтрольного устройства оператор наблюдает изображение лазерного пятна и оценивает его размер с помощью изображения линейной шкалы, оцифрованной непосредственно в единицах фокусного расстояния рентгеновского излучателя, например, в метрах. На чертеже (б) показаны изображения лазерного пятна для расстояния до объекта L"₀ и L""₀.

Центр шкалы при юстировке центратора совмещается с оптической осью лазерного пучка, что позволяет выполнить ее симметричной для облегчения снятия показаний. Возможно выполнение шкалы в виде концентрических окружностей, а также использование обычных шкал, оцифрованных в линейных единицах (мм и т. д. ). В последнем случае для определения дистанции до объекта измеряется размер изображения лазерного пятна в делениях шкалы (сетки), число которых затем умножается на соответствующий масштабный коэффициент, определяемый при градуировке дальномера центратора.

После определения расстояния до объекта на нем в зоне, освещенной лазерным пучком, устанавливается зеркало с диаметром D₃D₁, где D - диаметр лазерного пятна на объекте.

Если поверхность объекта и, соответственно, зеркала на нем не перпендикулярна лазерному и рентгеновскому пучкам, а наклонена по отношению к осям этих пучков на угол , то после отражения от зеркала лазерный пучок отклоняется от первоначального направления на угол 2 в соответствии c известным законом геометрической оптики [2] . Соответственно, в фокальной плоскости объектива 3 телескоп будет наблюдаться светящаяся точка, смещенная относительно центра шкалы 7 на расстояние =ftg(2L), где f - фокусное расстояние объектива 3.

Производя взаимные повороты и смещения рентгеновского излучателя и объекта, добиваются совмещения светящейся точки с центром шкалы 7. При этом оси лазерного и рентгеновского пучков ортогональны поверхности объекта и элементы (внутренние стенки) сотовой конструкции на рентгенограмме будут изображаться без взаимного перекрытия (или наложения).

Угловая погрешность ориентации объекта по отношению к нормам к его поверхности определяется ценой деления шкалы 7(o) и фокусным расстоянием объектива 3: = arctg(c/f).

Например, при характерных значениях f>100 м и С=0,1 мм = arctg(0,1/100)= arctg(0,001) 3" (угловых минут), что вполне достаточно для практики.

На чертеже (б, в) показан ход отраженных от зеркал лучей при ортогональном (б) и неортогональном (в) положениях объекта к осям лазерного и рентгеновского пучков.

На чертеже (г) представлена схема расчета смещения изображения сфокусированного лазерного луча в плоскости изображения объектива 3.

На чертеже (д) показан вид экрана дисплея при ортогональном (точка В) и наклонном (точка В") положениях поверхности объекта к падающим пучкам излучения.

Источники информации

1. Патент РФ 2136124 "Лазерный центратор для рентгеновского излучателя".

2. Бегунов В.П. Геометрическая оптика, М., МГУ, 1966, 210 с.