рентгенооптический эндоскоп

Формула изобретения

Устройство для комплексного рентгеновского и оптического контроля объектов, находящихся в труднодоступных полостях, содержащее корпус с расположенными в нем рентгеновским и оптическим каналами, рентгеновский канал содержит источник рентгеновского излучения, фокон с расположенным на его торце рентгенолюминофором, высокочувствительную черно-белую ПЗС-матрицу размером А×А, и два объектива, оптические оси которых совпадают с осью фокона, а фокальные плоскости совмещены соответственно с выходным торцом фокона и плоскостью черно-белой ПЗС-матрицы, причем фокусные расстояния этих объективов f ₁ и f₂ находятся в соотношении f₁ /f₂=d/A, где d - выходной диаметр фокона, а между объективами существует телецентрический ход лучей, оптический канал состоит из объектива с фокусным расстоянием f и зеркала из оргстекла, установленного на оси фокона под углом 45° к ней в точке пересечения этой оси с осью объектива, отличающееся тем, что в него дополнительно введена вторая цветная ПЗС-матрица размером В×В, установленная на оси объектива оптического канала в плоскости его изображения, фокусное расстояние этого объектива f выбирается с учетом соотношения f=L·B/D, где L - минимальное расстояние от входного торца фокона до объекта, D - диаметр этого торца, перед объективом оптического канала симметрично относительно нее установлены соосно кольцевая матрица диаметром D из N микролазеров, оптические оси которых параллельны друг другу и оси объектива оптического канала, с помощью которой на поверхности объекта формируется изображение кольцевой структуры лазерных пятен, диаметр которой равен входному параметру фокона и остается постоянным при изменениях расстояния от объекта до фокона, и кольцевая матрица из М светодиодов диаметром D _C>D, угол излучения которых выбирается из условия W=arctg(B/2f), а длина волны их излучения Y2 выбирается с учетом получения максимального контраста изображений пятен от микролазеров с длиной волны излучения Y1, причем видеоинформация с обеих ПЗС-матриц поступает на вход компьютера с цветным дисплеем, с возможностью одновременного или последовательного просмотра рентгеновского и оптического изображений объекта в различных режимах их цифровой обработки и совмещения на экране дисплея.

Описание изобретения к патенту

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, яркостных, резкостных и других характеристик рентгеновского и оптического каналов с помощью одной ПЗС-матрицы. Кроме того, при просвечивании объекта слаборасходящимся пучком рентгеновского излучения, что чаще всего используется на практике, размер области объекта, визуализируемой рентгенолюминесцентным преобразователем и равный, очевидно, входному диаметру фокона, остается практически постоянным. В то же время размер линейного поля зрения объектива оптического канала линейно зависит от этого расстояния, что затрудняет сопоставление результатов рентгеноскопического и визуального контроля.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Для этого в устройство для комплексного рентгеновского и оптического контроля объектов, находящихся в труднодоступных полостях, содержащее корпус с расположенными в нем рентгеновским и оптическим каналами, рентгеновский канал содержит источник рентгеновского излучения, фокон с расположенным на его торце рентгенолюминофором, высокочувствительную черно-белую ПЗС-матрицу размером А×А и два объектива, оптические оси которых совпадают с осью фокона, а фокальные плоскости совмещены соответственно с выходным торцом фокона и плоскостью черно-белой ПЗС-матрицы, причем фокусные расстояния этих объективов f ₁ и f₂ находятся в соотношении f₁ /f₂=d/A, где d - выходной диаметр фокона, а между объективами существует телецентрический ход лучей, оптический канал содержит зеркало из оргстекла, установленное на оси фокона под утлом 45° к ней в точке пересечения этой оси с осью объектива оптического каналами узел подсветки объекта, дополнительно введена вторая цветная ПЗС-матрица размером ВхВ, установленная на оси объектива оптического канала в плоскости его изображения, фокусное расстояние этого объектива f выбирается с учетом соотношения f=L×B/D, где L - минимальное расстояние от входного торца фокона до объекта, D - диаметр этого торца, а перед объективом оптического канала на его оптической оси симметрично относительно нее установлены соосно кольцевая матрица диаметром D из N микролазеров, оптические оси которых параллельны друг другу и оси объектива оптического канала, с помощью которой на поверхности объекта формируется изображение кольцевой структуры лазерных пятен, диаметр которой равен входному диаметру фокона D и остается постоянным при изменениях расстояния от объекта до фокона, и кольцевая матрица диаметром D_C>D из М светотодиодов, оптические оси которых параллельны друг другу и оси объектива оптического канала угол излучения этих светодиодов выбирается из условия W=2arctg(B/2f), а длина волны излучения Y2, выбирается с учетом получения максимального контраста изображений пятен от микролазеров с длиной волны излучения Y1, видеоинформация с обеих ПЗС-матриц поступает на вход компьютера с цветным дисплеем, с возможностью одновременного или последовательного просмотра рентгеновского и оптического изображений объекта в различных режимах их цифровой обработки и совмещения на экране дисплея.

Схема эндоскопа поясняется чертежом (фигура 1), на котором изображены источник рентгеновского излучения 1, исследуемый объект 2 и элементы ренгеновского и оптического канатов.

Рентгеновский канал состоит из фокона 6 с расположенным на его торце рентгенолюминофором 5, защищенным фольгой 4, коллиматорного объектива 7 с фокусным расстоянием f₁, фокальная плоскость которого совпадает с выходным торцом фокона 6, второго объектива 8 с фокусным расстоянием f₂ и высокочувствительной черно-белой ПЗС-матрицы 9, установленной в фокальной плоскости объектива 8.

Оптический канал состоит из объектива 10 с фокусным расстоянием f, в плоскости изображения которого расположена цветная ПЗС-матрица 11 размером В×В, и зеркала из оргстекла 3, установленного на оси фокона под углом 45° к ней в точке пересечения этой оси с осью объектива 10. Совмещение и обработка изображений оптического и рентгеновского каналов осуществляется с помощью компьютера 12 с дисплеем 13. Перед объективом 10 расположены соосно друг другу две кольцевые матрицы 14 и 15. Матрица 14 содержит N микролазеров с длиной волны излучения Y1. Матрица 15 содержит М светодиодов с длиной волны излучения Y2. Оптические оси микролазеров и светодиодов параллельны друг другу и оси объектива оптического канала. Угол излучения светодиодов выбирается с учетом условия W>2arctg(B/2f) для равномерной засветки поля зрения объектива 10. Мощность излучения микролазеров и светодиодов выбирается с учетом спектральной чувствительности ПЗС-матрицы 11. Количество микролазеров N выбирается с учетом эргономических характеристик зрительного восприятия. Обычно уже при N>8 достигается четкая фиксация границ области контроля. На фигуре 2 приведена конструкция кольцевых матриц.

Рентгенооптический эндоскоп работает следующим образом. При включенном источнике рентгеновского излучения на рентгенолюминофоре 5 возникает изображение внутренней структуры объекта 2, которое с помощью фокона 6, объективов 7 и 8 поступает на ПЗС-матрицу 9, видеосигнал с которой поступает в компьютер 12 и после обработки визуализируется на дисплее 13.

Фокусные расстояния объективов 7 и 8 выбраны такими, чтобы изображение выходного торца фокона диаметром d полностью вписывалось в растр ПЗС-матрицы 9, то есть имеет место соотношение f₁/f₂=d/A, справедливое для телецентрического хода лучей между объективами 7 и 8.

При визуальном контроле объект 2 освещается матрицей светодиодов 15 с помощью зеркала 3. Изображение объекта 2 с помощью зеркала 3 и объектива 10 формируется на ПЗС-матрице 11, поступает в компьютер 12 и наблюдается на дисплее 13. Одновременно возможно наблюдение на дисплее картины лазерных пятен от матрицы миролазеров 14, очерчивающих границы области объекта, просвечиваемых рентгеновским излучением. Это позволяет осуществлять привязку фрагментов рентгеноскопического изображения к соответствующим фрагментам оптического изображения. Изменяя расстояние от фокона до объекта перемещением всего эндоскопа, можно достичь равенства линейных полей зрения рентеновского и оптического каналов, что существенно облегчает интерпретацию результатов контроля. Понятно, что при этом кольцевая структура лазерных пятен должна быть полностью вписана в растр ПЗС-матрицы 11. Структура лазерных пятен может быть выполнена не только кольцевой формы, но и любой другой конфигурации, в соответствии с формой входного торца применяемого фокона.

На фигуре 3 представлена расчетная схема для определения фокусного расстояния объектива 10. Расстояние L от объекта 2 до объектива 10 выбирается с учетом минимального расстояния от входного торца фокона до внутренней поверхности объекта 2, которое определяется из конструктивных соображений, с учетом формы объекта, геометрической нерезкости рентгеновского изображения, зависящего от размера фокусного пятна применяемой рентгеновской трубки, расстояния от фокона до объекта и др. факторов.

Размер зоны контроля рентгеновского канала, очевидно, равен диаметру входного торца фокона. Фокусное расстояние объектива 10 выбирается таким, чтобы изображение этой зоны полностью вписалось в растр ПЗС-матрицы 11 размером В. Следовательно, увеличение объектива должно быть равно М=B/D. Объектив 10 не должен экранировать рентгеновский пучок, падающий на вход фокона 6, и должен располагаться вне зоны распространения рентгеновского пучка, падающего на фокон. Кроме того, обычно для исключения операции перефокусировки объектива при изменении расстояния от объекта до фокона в эндоскопах используют короткофокусные объективы с большой глубиной резкости изображения, для которых f<<L. Поэтому Z - расстояние от объекта до переднего фокуса объектива 10 можно принять равным L. При этом в соответствии с законами геометрической оптики Z=f×M, a Z'<<f(2). Приравнивая эти уравнения, получим окончательно f=B×D/L.

Угол излучения осветителя W, необходимый для полного освещения зоны, просвечиваемой рентгеновским излучением, выбирается из очевидного соотношения W=2arctg(B/2f).

Программа обработки этих изображений выбирается с учетом получения максимума дефектоскопической информации в каждом из них.

Литература

1. Патент РФ 2168166.

2. Апенко М.И. и др. Задачник по прикладной оптике, Москва, Высшая школа, 2003 г., 591 стр.