автоколлимационный эндоскоп

Формула изобретения

Эндоскоп для визуального поиска и измерения трехмерных дефектов, содержащий корпус, в котором расположены осветительный световод, объектив, канал передачи изображения, выполненный в виде регулярного световода или микротелекамеры, окуляр с линейной шкалой, а также устройство для крепления эндоскопа на объекте с возможностью трехмерного перемещения и поворота относительно продольной оси эндоскопа и соответствующие индикаторы этих перемещений, отличающийся тем, что дополнительно содержит светоделитель, расположенный между линейной шкалой и окуляром, непрозрачную маску с вырезом, установленную перпендикулярно оси, проходящей через точку пересечения светоделителя с оптической осью эндоскопа и перпендикулярно ей, и оптически сопряженную с линейной шкалой, осветитель для ее подсветки, и дополнительную микролинзу, вводимую с помощью дистанционного механизма в ход лучей перед объективом эндоскопа и располагаемую в корпусе эндоскопа на его оптической оси таким образом, что ее фокальная плоскость последовательно совпадает с наружной и внутренней поверхностями дефекта в процессе фокусировочных перемещений эндоскопа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неразрушающему контролю с помощью визуально-оптических средств и может быть использовано для контроля конструкций в авиакосмической и оборонной технике, а также в различных отраслях машиностроения.

Известен эндоскоп для контроля и измерения размеров дефектов, содержащий корпус, в котором расположены оптические системы освещения объекта, формирования и передачи его изображения и измерения планерных размеров дефектов с помощью окулярной шкалы [1]. Недостаток устройства - невозможность измерения глубины дефектов.

Известен также эндоскоп для визуального поиска и измерения глубины технических трехмерных дефектов, содержащий корпус, в котором расположены осветительный световод, объектив, канал передачи изображения, выполненный в виде регулярного световода, и окуляр с линейной шкалой [2]. Недостаток данного эндоскопа - невысокая точность измерения за счет фокусировки на шероховатую поверхность объекта и на дно дефекта при отсутствии в поле зрения специальных измерительных марок с детерминированной структурой. Кроме того, применение в эндоскопе микрообъектива с малым полем зрения и малой глубиной резкости затрудняет предварительный обзор объекта при поиске и обнаружении дефектов.

Кроме того, освещение объекта пучками света, не коаксиальными с оптической осью объектива, не позволяет осветить данные области дефектов, особенно типа узких глубоких трещин, что затрудняет их оценку.

Для устранения этих недостатков нами предлагается ввести в оптическую схему стандартного эндоскопа с короткофокусным микрообъективом, имеющего большое поле зрения и большую глубину резкости и предназначенного для поиска дефектов, дополнительную короткофокусную линзу, располагаемую непосредственно перед микрообъективом эндоскопа и образующую вместе с ним оптическую систему с малой глубиной резкости в пространстве объектов, а также автоколлимационный окуляр, содержащий полупрозрачное зеркало, шкалу для измерения планарных размеров дефектов и освещаемую дополнительным источником света непрозрачную маску с вырезом крестообразной или иной формы, изображение которого формируется объективом эндоскопа совместно с дополнительной линзой в плоскости объекта и служит для точной фокусировки на его поверхность.

Изобретение поясняется чертежами, на которых показана общая схема эндоскопа и вид поля зрения при различных положениях плоскости фокусировки.

Эндоскоп расположен в корпусе 1 (фиг.1,а), в котором расположены осветительный световод 2, подключаемый с помощью оптического разъема к внешнему осветителю 13, поворотный стержень 3, с помощью которого в оптическую схему перед объективом 7 вводится дополнительная микролинза 6, установленная в корпусе эндоскопа таким образом, что ее передняя фокальная плоскость в процессе фокусировочных перемещений эндоскопа последовательно совпадает с внешней и внутренней поверхностями дефекта, измерительная линейная шкала 4, полупрозрачное зеркало 5, канал передачи изображения 8, который может быть выполнен из градиентного оптического элемента или регулярного световода, блока микролина и т.п., непрозрачную маску 9 с вырезом крестообразной формы, оптически сопряженную со шкалой 4, расположенной в плоскости выходного изображения канала его передачи 8, дополнительный источник света 10 с конденсором 11 для освещения маски 9 и окуляр 12.

На фиг.1,б показана принципиальная схема, поясняющая работу эндоскопа при выведенной из хода лучей микролинзы 6. При этом его оптическая схема работает в режиме широкоугольного обзора пространства объекта (поиск дефектов). При этом глубина резкости эндоскопа в пространстве объектов практически равна диапазону расстояний L_о до объекта.

В эндоскопах наиболее часто применяются сверхкороткофокусные объективы (f_o 1 мм). При расстояниях торца эндоскопа от L_o 10 f_o и до бесконечно удаленного предмета плоскость изображения фиксирована в пространстве и практически совпадает с задней фокальной плоскостью объектива 7, совмещенной с входной плоскостью канала для передачи изображения 8. Изображение объекта во всем диапазоне изменения расстояний до объекта от L_omin 10 f_o и до L= остается резким, но масштаб его сильно изменяется. В соответствии с известными соотношениями геодезической оптики, с учетом обозначений на чертеже 1,б получим следующие выражения для линейного поля зрения эндоскопа D_о=2L tg =2L_o d/f_o и для масштаба изображения m L_o/f_o. Неопределенность определения расстояния до объекта (L_o) снижает точность измерения планарных размеров дефектов, а большая глубина резкости ( Х_o) не позволяет оценить глубину дефекта известными методами, например, методом последовательной фокусировки эндоскопа на наружную поверхность и дно дефекта с отсчетом его соответствующего перемещения.

На фиг.1,в представлена оптическая расчетная схема эндоскопа при введении в ход лучей дополнительной микролинзы 6, располагаемой непосредственно перед объективом 7.

При этом, в соответствии с предложенным принципом измерения передняя фокальная плоскость микролинзы 6 совмещается с поверхностью объекта. В этом случае микролинза 6 работает аналогично микрообъективу, т.е. на входы объектива 7 попадают параллельные пучки лучей, что соответствует штатному режиму его работы.

Выражения для поля зрения и масштаба изображения в этом случае имеют вид:

D_n=d f_к/f_o, где d - диаметр световода канала передачи изображения 8, f_к - фокусное расстояние микролинзы 6, m=f_к/f_o.

Глубина резкости изображения в пространстве объектов составляет при этом, согласно известным законам геометрической оптики [3] X=n /2A², где n - показатель преломления среды перед объектом (для воздуха n 1,00), 0,5 мкм - длина волны света, A=nsinu - апертура микролинзы, u - апертурный угол. Для реальных микролинз с f_к 1-3 мм в воздухе А 0,5, что дает для Х_o 0,5 (0,5)² 2,0 мкм, что совпадает с результатами эксперимента.

На фиг.2 показана схема конструктивного исполнения эндоскопа. Эндоскоп 1 крепится на объекте 8 с помощью устройств 6 и 7, позволяющих перемещать его в плоскости, нормальной оптической оси (например, стандартный препаратоводитель СT-I2 для микроскопов и т.п.). В свою очередь на этом устройстве крепится фланец 5. С помощью микровинта 3, относительно этого фланца 5 перемещается эндоскоп 1 с закрепленным на нем с помощью винта 2 держателем 4, на котором установлены винт микроподачи 3 и индикатор перемещения 10. На фланце 5 нанесена угловая шкала II для определения поворота эндоскопа вокруг его продольной оси относительно объекта 8. На боковой поверхности эндоскопа 1 нанесена также линейная шкала 9 для ориентировочной оценки глубины погружения эндоскопа в объект относительно его входного торца.

На фиг.3 показаны характерные положения эндоскопа при измерении глубины дефекта (Н) и соответствующие виды поля зрения при фокусировке на внешнюю поверхность дефекта ( Х=0) и его дно ( X=Н). На фиг.3 на изображениях полей зрения показаны также линейная шкала для измерения планарных размеров дефектов (шкала условно повернута на 45 относительно крестообразной светящейся автоколлимационной марки).

Устройство работает следующим образом.

Эндоскоп крепится на объекте, как показано на фиг.2. Линза 6 выводится из хода лучей стержнем 3 (фиг.1a), подключается осветитель 13 (фиг.1a) и производится поиск дефектов на дне объекта (например, глухого отверстия блока гидроусилителей и т.п.). При этом осветитель 10 (фиг.1a) выключен. При обнаружении дефекта оператор с помощью механизмов 6 и 7 (фиг.2) перемещения эндоскопа приводит изображение дефекта в центр поля зрения (совпадающего с перекрестием линейной шкалы окуляра). Затем заключают осветитель 10, вводят линзу 6 и фокусируют, эндоскоп погружают в объект до положения, при котором передняя фокальная плоскость совпадает с внутренней контролируемой поверхностью объектива 8. Последовательно фокусируют эндоскоп с помощью микровинта 3 на внешнюю поверхность дефекта 13 (фиг.2), добиваясь максимальной резкости изображения автоколлимационной марки (светящегося перекрестия). Фокусируют показания индикатора 10 для соответствующих положений эндоскопа и определяют их разность, соответствующую глубине (высоте) дефекта.

Планарные размеры дефекта измеряются при фокусировке на его внешнюю (или любую другую промежуточную) поверхность с помощью линейной шкалы окуляра. Таким образом при наблюдении дефектов типа раковин и/или трещины с конусообразным раскрывом можно построить трехмерную картину изменения контура дефекта для различных дополнительных фокусировок, т.е. реализовать метод 3-Д (трехмерной) оптической томографии.

Эндоскоп может быть снабжен стандартными средствами - цифровым фотоаппаратом, видеомагнитофоном, телекамерой и др., в т.ч. работающими совместно с ПЭВМ.

Литература

1. Бычков О.Д. Контроль внутренних поверхностей, М., Энергия, 1975, 120 с.

2. Патент US 4588294 А от 13.05.1986 г., 6 с.

3. Справочник конструктора оптико-механических приборов (В.А.Панов и др.), Л., Машиностроение, 1980, 742 с.