RU2136124C1

RU2136124C1 - Laser centering skid for x-ray source

Info

Publication number: RU2136124C1
Application number: RU96124152A
Authority: RU
Inventors: А.А. Кеткович; В.Я. Маклашевский
Original assignee: Войсковая часть 75360
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 1999-08-27

Abstract

FIELD: X- ray equipment. SUBSTANCE: device has housing in which laser is located. Optical axis of laser is parallel to longitudinal axis of X- ray source. In addition device has two mirrors, first of which is made from resin glass, is mounted on intersection of optical axes of laser and X-ray beams in perpendicular to plane provided by these beams. It illuminates object by collimated laser beam which is concentric to X-ray beam. In addition device has scale, telescope, which has microscope objective and lens. It provides generation of disk-shaped real image by means of first mirror, lens and second mirror which is semitransparent. This disk-shaped real image is generated in focal plane of telescope lens which coincides with linear scale which is made from glass. This disk-shaped real image is produced on surface of object in area of illumination by laser beam. Image of scale and object region which is illuminated by laser beam is projected towards plane of small-size CCD-matrix camera which output is sent to input of video monitor, which screen provides observation of image of laser spot, which size defines focal length of X-ray source for its current position with respect to object. EFFECT: increased precision and speed for measuring focal lengths, simplified design, improved use, possibility of operation with object which is located inside hollows and of visual observation of their surfaces in flaw regions. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий, конкретнее к радиационной дефектоскопии и может быть использовано при испытаниях объектов в машиностроении, авиационной технике и для измерения фокусного расстояния рентгеновского излучения до объекта, которое определяет масштаб и качество рентгеновского изображения, а также для визуального контроля совпадения оси пучка рентгеновского излучения с выбранным направлением просвечивания изделия. The invention relates to the field of non-destructive testing of materials and products, and more particularly to radiation defectoscopy and can be used to test objects in mechanical engineering, aircraft and to measure the focal length of x-ray radiation to an object that determines the scale and quality of the x-ray image, as well as for visual control of coincidence axis of the x-ray beam with the selected direction of transmission of the product.

Известен лазерный центратор по а.с. 1798935 [1], который содержит корпус, расположенный в нем лазер с двухсторонним выходом излучения, оптическая ось выхода излучения которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два отражателя, первый из которых, выполненный из оргстекла, установлен на пересечении оптической оси лазера с осью рентгеновского пучка излучателя с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости, задаваемой оптической осью выхода излучения лазера с осью рентгеновского пучка, а второй установлен с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первого отражателя на оптической оси выхода излучения вне проекции на нее выходного окна рентгеновского излучателя, средства индикации фокусного расстояния в виде указателя со шкалой, закрепленной на корпусе центратора, связанного со вторым отражателем. Known laser centralizer for AS 1798935 [1], which contains a housing, a laser located in it with a two-sided radiation output, the optical axis of the radiation output of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, two reflectors, the first of which made of plexiglass, is installed at the intersection of the laser optical axis with the x-ray axis the emitter with the possibility of rotation around an axis perpendicular to the plane defined by the optical axis of the output of the laser radiation with the axis of the x-ray beam, and the second is mounted with the possibility of rotation around the axis, pa parallel to the axis of rotation of the first reflector on the optical axis of the radiation exit outside the projection of the output window of the x-ray emitter onto it, means for indicating the focal length in the form of a pointer with a scale fixed to the centralizer housing associated with the second reflector.

Это известное устройство не позволяет измерять фокусное расстояние при объектах, имеющих глубокие полости с размерами, меньшими измерительной базы его триангуляционного дальномера. Повышение его точности связано только с увеличением базы дальномера, что приводит к увеличению его габаритов. Кроме того, это устройство не позволяет визуально контролировать поверхность изделия в участках, подвергаемых рентгеновскому контролю. This known device does not allow measuring the focal length with objects having deep cavities with dimensions smaller than the measuring base of its triangulation rangefinder. An increase in its accuracy is associated only with an increase in the rangefinder base, which leads to an increase in its dimensions. In addition, this device does not allow visual inspection of the surface of the product in areas subjected to x-ray inspection.

Целью изобретения является повышение точности и сокращение времени измерения фокусных расстояний, упрощение конструкции центратора, улучшение его эргономических характеристик, обеспечение возможности работы с объектами, находящимися внутри полостей, и реализация визуального наблюдения их поверхностей в зоне дефектации. The aim of the invention is to increase accuracy and reduce the time of measuring focal lengths, simplifying the design of the centralizer, improving its ergonomic characteristics, providing the ability to work with objects inside cavities, and implementing visual observation of their surfaces in the defect area.

Поставленная цель достигается тем, что 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 пучок, концентричный с рентгеновским пучком, и шкалу, дополнительно содержит 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 изображения 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. This goal is achieved in that the laser centralizer for the x-ray emitter, comprising a housing with a laser located therein, whose optical axis is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, two mirrors, the first of which is made of plexiglass, is installed at the intersection of the optical axes of the laser and x-ray radiation beams, perpendicular to the plane formed by them and directing to the object a collimated laser beam concentric with the X-ray beam, and the scale further comprises a telescope n for expanding and collimating laser radiation, consisting of a micro-lens and a lens, which allows using the first mirror, the lens and the second mirror, made translucent, to form in the focal plane of the telescope lens, coinciding with the scale, a real image of the luminous disk obtained on the surface of the object in the lighting zone laser beam, a television system including a television camera and a video monitoring device, the scale being linear, mounted in front of the laser and located in the telescope objective plane plane so that the image of the scale and the area of the object illuminated by the laser beam is projected by an additional micro lens into the plane of the miniature CCD matrix of the camera, the video signal from which is fed to the input of the video monitoring device, on the screen of which the image of the laser spot is observed and its size is estimated using the image linear scale, the divisions of which are digitized directly at the focal lengths of the x-ray emitter and the number of which per image azernogo spots, determines the value of the focal length of the X-ray emitter to its particular position relative to the object.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана общая схема лазерного центратора (а) и вид его шкалы с изображением лазерного пятна на экране телевизионного монитора (б). The invention is illustrated by the drawing, which shows the General diagram of the laser centralizer (a) and the type of scale with the image of the laser spot on the screen of a television monitor (b).

Лазерный центратор содержит закрепляемый на рентгеновском излучателе 1 корпус 12, в котором располагаются 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, перпендикулярной 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.The laser centralizer comprises a housing 12 fixed to the x-ray emitter 1, in which the laser 2 is arranged with a single-sided radiation output, the optical axis of which is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter. In front of the laser, a telescope is installed on its optical axis, consisting of a lens 5 and a micro lens 3, two mirrors, the first of which 6, made of plexiglass, is mounted at the intersection of the laser optical axis with the x-ray axis with the possibility of adjusting rotations about an axis perpendicular to the plane specified the optical axis of the output of the laser radiation with the axis of the x-ray beam, and the second 4 is made translucent and mounted between the lens 5 and the microscope 3 of the telescope at an angle of 45 ^o to the optical axis of the laser. In the image plane of the laser spot formed by the lens 5 and the translucent reflector 4, a linear scale of glass 7 is installed. The second lens 8 projects the images of the laser spot and scale 7 onto the video converter 9 of the camera, (for example, a CCD), with which they are observed on screen of the video monitor 10. The backlight of the scale 7 is carried out by laser radiation scattered on it.

Лазерный центратор работает следующим образом. Излучение лазера 1 с помощью телескопа, состоящего из микрообъектива 3 и объектива 5, расширяется до диаметра D и коллимируется для уменьшения угловой расходимости α 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 11 (на схеме показаны два положения объекта 1 и 11, соответствующие различным фокусным расстояниям, различающимся на величину ΔL). После отражения от диффузной поверхности объекта, лазерный пучок теряет параллельность и распространяется в обратном направлении в пределах широкого телесного угла β ≫ α, 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'_O и L''_O.Laser centralizer operates as follows. The radiation of laser 1 with a telescope consisting of a micro-lens 3 and lens 5 is expanded to a diameter D and collimated to reduce the angular divergence α in order to maintain a constant diameter in the entire range of required focal lengths of the centralizer. After reflection from the first reflector 4, a collimated laser beam whose axis is aligned with the axis of the x-ray beam is directed to object 11 (the diagram shows two positions of object 1 and 11 corresponding to different focal lengths differing by ΔL). After reflection from the diffuse surface of the object, the laser beam loses parallelism and propagates in the opposite direction within a wide solid angle β ≫ α, which allows using reflector 4, lens 5 and translucent reflector 6 to form in the focal plane of lens 5, coinciding with the scale 7, real image of a luminous disk obtained on the surface of an object in the area of illumination by a laser beam. The images of the scale 7 and the objective zone illuminated by the laser beam of the object 8 are projected onto the plane of the video converter of the camera (for example, a miniature CCD), the video signal from which is fed to the input of the video monitoring device 10. On the screen of the video monitoring device, the operator observes the image of the laser spot and estimates its size using images of a linear scale digitized directly in units of the focal length of the x-ray emitter, for example, in meters. In the drawing (b) shows the image of the laser spot for the distance to the object L ' _O and L'' _O.

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. When adjusting the centralizer, the center of the scale is aligned with the optical axis of the laser beam, which allows it to be symmetrical to facilitate reading. It is possible to perform scales in the form of concentric circles, as well as the use of conventional scales digitized in linear units (mm, etc.). In the latter case, to determine the distance to the object, the image size of the laser spot is measured in the divisions of the scale (grid), the number of which is then multiplied by the corresponding scale factor, which is determined during the calibration of the centralizer range finder.

Применение телевизионной системы повышает безопасность работы с лазерным излучением (устраняет ослепление и т.п.) и позволяет, в случае необходимости, автоматизировать процесс вычисления фокусных расстояний, например, с помощью ПЭВМ или калькулятора. Кроме того оператор может контролировать совпадение оси рентгеновского пучка с выбранным направлением просвечивания изделия, а также осуществлять визуальное наблюдение поверхности объекта в зоне, освещаемой лазерным пучком. The use of a television system increases the safety of working with laser radiation (eliminates blinding, etc.) and allows, if necessary, to automate the process of calculating focal lengths, for example, using a PC or a calculator. In addition, the operator can control the coincidence of the axis of the x-ray beam with the selected direction of transmission of the product, as well as carry out visual observation of the surface of the object in the area illuminated by the laser beam.

Для упрощения расчетов фокусных расстояний фокусное расстояние f объектива 5 выбирается из условия L≥20f, где L - минимальное расстояние до объекта. To simplify the calculation of focal lengths, the focal length f of the lens 5 is selected from the condition L≥20f, where L is the minimum distance to the object.

При этом выполняется условие сохранения глубины резкости изображения во всем диапазоне измеряемых фокусных расстояний. В этом случае, согласно законам геометрической оптики, размер изображения лазерного пятна связан с расстоянием L до объекта соотношением L = C/D' (мм), где D'- размер изображения лазерного пятна (мм), С = Df - константа дальномера, D - размер (диаметр) падающего лазерного пучка (мм), f - фокусное расстояние объектива 5 (мм). In this case, the condition for maintaining the depth of field of the image in the entire range of measured focal lengths is fulfilled. In this case, according to the laws of geometric optics, the image size of the laser spot is related to the distance L to the object by the ratio L = C / D '(mm), where D'is the size of the image of the laser spot (mm), C = Df is the rangefinder constant, D is the size (diameter) of the incident laser beam (mm), f is the focal length of the lens 5 (mm).

Например, для использованных в одном из вариантов конструкции центратора значение t' = 100 мм, D = 100 мм, C = 10⁴ мм², что дает при D' = 5 мм, L = 10⁴/5 = 2000 мм = 2 м, что подтверждено экспериментом.For example, for used in an embodiment of the construction of the centralizer value t '= 100 mm, D = 100 mm, C = ¹⁰ April ^mm2, which gives when D' = 5 mm, L = 10 ^4/5 = 2000 mm = 2 m as confirmed by the experiment.

Погрешность измерения фокусных расстояний определяется в основном погрешностью измерения величины D' изображения лазерного пятна, поэтому диаметр D лазерного пучка выбирается, исходя из цены деления сетки (шкалы). Например, при характерном значении цены деления сетки 0,1 мм и вышеперечисленных параметрах центратора (D = 100 мм, L = 2000 мм) величина ΔL составляет ≤40 мм, что достаточно для большинства практических приложений. The error in measuring the focal lengths is mainly determined by the error in measuring the value D 'of the image of the laser spot, therefore, the diameter D of the laser beam is selected based on the grid division price (scale). For example, with a characteristic value of the grid division price of 0.1 mm and the above centralizer parameters (D = 100 mm, L = 2000 mm), ΔL is ≤40 mm, which is sufficient for most practical applications.

Погрешность может быть понижена за счет цифровой обработки изображения на ЭВМ и применения более точных шкал. The error can be reduced due to digital image processing on a computer and the use of more accurate scales.

Claims

A laser centralizer for an x-ray emitter, comprising a housing with a laser located therein, whose optical axis is parallel to the longitudinal axis of the x-ray emitter, two mirrors, the first of which is made of plexiglass, are mounted at the intersection of the optical axes of the laser and x-ray radiation beams perpendicular to the plane formed by them and a guide a collimated laser beam concentric with an X-ray beam on the object, and a scale characterized in that it contains a telescope for expanding and collimating a laser grain radiation, consisting of a micro-lens and a lens, which allows using the first mirror, the lens and the second mirror, made translucent, to form in the focal plane of the telescope lens, coinciding with the scale, a real image of the luminous disk obtained on the surface of the object in the area of illumination by a laser beam, a television system including a television camera and a video monitoring device, the scale being linear, mounted in front of the laser and located in the focal plane of the lens t leskop in such a way that the image of the scale and the area of the object illuminated by the laser beam is projected by an additional micro lens into the plane of the miniature CCD matrix of the camera, the video signal from which is fed to the input of the video monitoring device, on the screen of which the image of the laser spot is observed and its size is estimated using the linear scale image, whose divisions are digitized directly at the focal lengths of the X-ray emitter and the number of which per image of the laser spot determines the focal length of the x-ray emitter for its specific position relative to the object.