RU2405137C1

RU2405137C1 - X-ray optical endoscope

Info

Publication number: RU2405137C1
Application number: RU2009131580/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Яковлевич Маклашевский (RU); Виктор Яковлевич Маклашевский; Андрей Анатольевич Кеткович (RU); Андрей Анатольевич Кеткович; Валентина Ивановна Самодурова (RU); Валентина Ивановна Самодурова
Original assignee: Виктор Яковлевич Маклашевский
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2010-11-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: X-ray optical endoscope has a housing inside of which there are optically interfaced X-ray and viewing optical channels for viewing the image of an object, the X-ray channel has a first focon with an X-ray fluorescent transducer at the input end, a second focon identical to the first whose output end is mated with the input fibre-optic washer of an image-intensifier tube, a first regular fibre-optic bundle which interfaces butt-ends of focons by smaller diametres, a first collimating lens whose focal plane coincides with the plane of the output fibre-optic washer of the image intensifier, and the optical axis is superimposed with its axis of symmetry and a first semitransparent mirror mounted on that axis at an angle of 45°, wherein the endoscope also includes an annular matrix of N>=8 microlasers in front of the X-ray fluorescent transducer concentrically with the transducer outside the zone of propagation of the information-bearing part of the stream of X-rays, optical axes of the microlasers are parallel each other and axis of the first focon and they lie symmetrically on a circle of diametre Dl, through which an annular structure of laser spots forms on the object, where the diametre Dl remains constant with variation of distance from the object to the endoscope and is equal to the diametre of the zone of the object illuminated by X-rays.

EFFECT: possibility of matching considerably different characteristics of X-ray and optical channels.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий, а более конкретно, к устройствам рентгеновской и/или изотопной дефектоскопии объектов, находящихся в труднодоступных полостях.The invention relates to the field of non-destructive testing of materials and products, and more specifically, to devices for x-ray and / or isotope defectoscopy of objects located in inaccessible cavities.

Известен рентгенооптический эндоскоп, который состоит из двух расположенных в едином корпусе и конструктивно объединенных каналов - рентгеновского и оптического.A known x-ray optical endoscope, which consists of two channels located in a single housing and structurally combined - x-ray and optical.

Устройство позволяет формировать, передавать и воспроизводить одновременно или последовательно рентгеновское и оптическое изображения объекта с помощью единой телевизионной системы [1].The device allows you to generate, transmit and play simultaneously or sequentially x-ray and optical images of the object using a single television system [1].

Недостатки данного устройства - дополнительное ослабление рентгеновского излучения в материале линзы и второго полупрозрачного зеркала из оргстекла, установленных перед рентгенолюминесцентным преобразователем, а также возникновение артефактов на рентгеновском изображении из-за неоднородностей оргстекла, возникающих в нем при длительном облучении. Кроме того, обычно поле зрения визуально-оптического канала существенно превышает поле зрения рентгеновского канала. При этом в центре формируемого им изображения присутствует изображение светлого диска переменного диаметра с яркостью, существенно превышающей яркость периферийных участков, освещаемых только осветителем эндоскопа, что затрудняет обнаружение и идентификацию дефектов. В то же время выключение подсветки этого диска делает невозможным определение границ зоны объекта, просвечиваемой рентгеновским излучением.The disadvantages of this device are the additional attenuation of X-ray radiation in the material of the lens and the second translucent Plexiglas mirror installed in front of the X-ray luminescent transducer, as well as the occurrence of artifacts in the X-ray image due to inhomogeneities of Plexiglas that arise in it during prolonged exposure. In addition, usually the field of view of the optical channel is significantly greater than the field of view of the x-ray channel. At the same time, in the center of the image formed by him there is an image of a light disk of variable diameter with a brightness significantly higher than the brightness of the peripheral areas illuminated only by the illuminator of the endoscope, which makes it difficult to detect and identify defects. At the same time, turning off the backlight of this disk makes it impossible to determine the boundaries of the zone of an object that is exposed to x-ray radiation.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.The purpose of the invention is the elimination of these disadvantages.

Данная цель достигается за счет того, что рентгенооптический эндоскоп для комплексного рентгеновского и визуального контроля объектов, находящихся в труднодоступных полостях, содержит корпус с расположенными в нем оптически сопряженными рентгеновским и визуально-оптическим каналами для визуализации изображения объекта, рентгеновский канал содержит первый фокон с рентгенолюминесцентным преобразователем на входном торце, второй фокон, идентичный первому, выходной торец которого состыкован с входной волоконно-оптической шайбой электронно-оптического усилителя яркости изображения, первый регулярный волоконно-оптический жгут, сопрягающий торцы фоконов с меньшими диаметрами, первый коллиматорный объектив с фокусным расстоянием F1, фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью выходной волоконно-оптической шайбы усилителя яркости изображения, а оптическая ось совмещена с его осью симметрии, и первое полупрозрачное зеркало, установленное на этой оси под углом 45° к ней, визуально-оптический канал содержит первое полупрозрачное зеркало из оргстекла, установленное перед первым фоконом на его оптической оси под углом 45° к ней, второй регулярный волоконно-оптический жгут, перед входным торцом которого, обращенном к объекту, расположен короткофокусный объектив, а перед выходным торцом установлен окуляр с фокусным расстоянием F2, фокальная плоскость которого совпадает с этим торцом, осветительный световод, расположенный рядом с вторым регулярным волоконно-оптическим жгутом, блок осветителя с лампой и оптическим аттенюатором, установленным перед входным торцом осветительного световода, первую оптическую перископическую систему для совмещения изображений на входе устройства, состоящую из первого полупрозрачного зеркала и второго зеркала, установленного перед короткофокусным объективом на его оптической оси под углом 45° к ней в точке пересечения этой оси с перпендикуляром, проведенным из центра первого полупрозрачного зеркала в плоскости, образуемой осями первого фокона и короткофокусного объектива, вторую оптическую перископическую систему для совмещения изображений на выходе устройства, состоящую из первого зеркала, второго полупрозрачного зеркала, установленного перед окуляром на его оптической оси под углом 45° к ней в точке ее пересечения с перпендикуляром, проведенным из центра первого зеркала в плоскости, образованной осями окуляра и усилителя яркости изображения и второго коллиматорного объектива с фокусным расстоянием F3, расположенного на оси окуляра между вторым полупрозрачным зеркалом и ПЗС-матрицей и фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью ПЗС-матрицы, при этом фокусные расстояния первого коллиматорного объектива F1, окуляра F2 и второго коллиматорного объектива F3 удовлетворяют соотношениям F1/F3=D/A и F2/F1=d/A, где D и d - диаметры выходного торца волоконно-оптической шайбы усилителя яркости изображения и второго регулярного волоконно-оптического жгута соответственно, третье полупрозрачное зеркало, установленное на оси первого коллиматорного объектива между ним и усилителем яркости изображения под углом 45° к ней, а также установленные последовательно на оси, проведенной из центра этого зеркала перпендикулярно ей, шкалу (27), конденсорную линзу (26) и светодиод (25), причем расстояние от центра третьего полупрозрачного зеркала по этой оси до шкалы равно расстоянию от этого центра до выходной волоконно-оптической шайбы усилителя яркости изображения по его оси, а масштаб проектирования шкалы на ПЗС-матрицу равен M=F3/F1, при этом в него дополнительно введена располагаемая перед рентгенолюминесцентным преобразователем концентрично с ним вне зоны распространения информативной части потока рентгеновского излучения кольцевая матрица микролазеров в количестве N≥8 с длиной волны излучения Y, соответствующей диапазону спектральной чувствительности ПЗС-матрицы, оптические оси микролазеров параллельны друг другу и оси первого фокона, они расположены симметрично на окружности диаметром Дл, и с их помощью на объекте формируется кольцевая структура лазерных пятен, диаметр которой Дл остается постоянным при изменениях расстояния от объекта до эндоскопа и равным диаметру зоны объекта, просвечиваемой рентгеновским излучением, а текущая величина ее изображения в визуально-оптическом канале на мониторе и/или дисплее компьютера используется для калибровки и определения реального масштаба изображений дефектов при оценке их размеров.This goal is achieved due to the fact that the x-ray optical endoscope for complex x-ray and visual inspection of objects located in hard-to-reach cavities contains a housing with optically conjugated x-ray and visual-optical channels located therein for visualizing the image of the object, the x-ray channel contains the first foci with an X-ray luminescent converter at the inlet end, a second taper identical to the first, the outlet end of which is docked with the input fiber-optic washer elek a throno-optical image intensifier, the first regular fiber optic bundle connecting the ends of the focons with smaller diameters, the first collimator lens with a focal length F1, the focal plane of which coincides with the plane of the output fiber-optic washer of the image intensifier, and the optical axis is aligned with its the axis of symmetry, and the first translucent mirror mounted on this axis at an angle of 45 ° to it, the visual-optical channel contains the first translucent mirror of plexiglass, installed located in front of the first focon on its optical axis at an angle of 45 ° to it, the second regular fiber optic bundle, in front of the input end of which is facing the object, there is a short-focus lens, and in front of the output end there is an eyepiece with a focal length F2, the focal plane of which coincides with this end, a light guide located next to the second regular fiber optic bundle, a light unit with a lamp and an optical attenuator installed in front of the input end of the light guide, the first opt a periscopic system for combining images at the input of the device, consisting of a first translucent mirror and a second mirror mounted in front of the short-focus lens on its optical axis at an angle of 45 ° to it at the intersection of this axis with a perpendicular drawn from the center of the first translucent mirror in the plane, formed by the axes of the first focon and short-focus lens, the second optical periscopic system for combining images at the output of the device, consisting of the first mirror, second about a translucent mirror mounted in front of the eyepiece on its optical axis at an angle of 45 ° to it at the point of its intersection with the perpendicular drawn from the center of the first mirror in the plane formed by the axes of the eyepiece and the image brightness amplifier and a second collimator lens with a focal length F3 located on the axis of the eyepiece between the second translucent mirror and the CCD, the focal plane of which coincides with the plane of the CCD, while the focal lengths of the first collimator lens F1, eyepiece F2 and second of the collimator lens F3 satisfy the relations F1 / F3 = D / A and F2 / F1 = d / A, where D and d are the diameters of the output end of the fiber optic washer of the image intensifier and the second regular fiber optic bundle, respectively, the third translucent mirror, mounted on the axis of the first collimator lens between it and the image intensifier at an angle of 45 ° to it, and also mounted on an axis drawn from the center of this mirror perpendicular to it, a scale (27), a condenser lens (26) and an LED (25), and races the distance from the center of the third translucent mirror along this axis to the scale is equal to the distance from this center to the output fiber-optic washer of the image intensifier along its axis, and the scale of the scale design on the CCD is M = F3 / F1, while it is additionally introduced located in front of the X-ray luminescent transducer concentrically with it outside the propagation zone of the informative part of the X-ray flux, the ring matrix of microlasers in an amount of N≥8 with a radiation wavelength Y corresponding to the range for the spectral sensitivity of the CCD matrix, the optical axes of the microlasers are parallel to each other and the axis of the first focal, they are located symmetrically on a circle with a diameter Dl, and with their help an annular structure of laser spots is formed on the object, the diameter of which Dl remains constant when the distance from the object to the endoscope changes and equal to the diameter of the zone of the object, x-rayed, and the current value of its image in the visual-optical channel on the monitor and / or computer display is used for calibration and determining the real scale of images of defects in evaluating their sizes.

Схема эндоскопа поясняется чертежом.The scheme of the endoscope is illustrated in the drawing.

Источник рентгеновского излучения 1 просвечивает объект 2, внутренняя структура которого визуализируется с помощью рентгенолюминесцентного преобразователя 5 на входном торце первого фокона 6, защищенного фольгой 4. Первый регулярный волоконно-оптический жгут 7 состыкован с торцами фоконов 6 и 8. Выходной торец фокона 8 состыкован с входной волоконно-оптической шайбой усилителя яркости изображения 9. На оптической оси этого усилителя последовательно установлены третье полупрозрачное зеркало 20, первый коллиматорный объектив 10 с фокусным расстоянием F1, фокальная плоскость которого совпадает с выходной волоконно-оптической шайбой усилителя яркости изображения 9, и первое зеркало 11. Перед первым фоконом 6 на его оптической оси установлено первое полупрозрачное зеркало 3. Параллельно первому регулярному волоконно-оптическому жгуту 7 расположены второй регулярный волоконно-оптический жгут 16 и осветительный световод 17, перед которым расположен блок осветителя 18 с лампой 21 и оптическим аттенюатором 22. Перед вторым регулярным волоконно-оптическим жгутом 16 диаметром d установлен короткофокусный объектив 15. На его оптической оси под углом 45° к ней расположено второе зеркало 23 в точке пересечения этой оси с перпендикуляром, проведенным из центра первого полупрозрачного зеркала 3 в плоскости, образуемой оптическими осями первого фокона 6 и объектива 15. Перед выходным торцом второго регулярного волоконно-оптического жгута установлен окуляр 19 с фокусным расстоянием F2, фокальная плоскость которого совпадает с этим торцом. На оптической оси окуляра 19 установлены последовательно второе полупрозрачное зеркало 12 и второй коллиматорный объектив 13 с фокусным расстоянием F3, фокальная плоскость которого совпадает с ПЗС-матрицей 14 размером А×А, видеосигнал с которой поступает на монитор 28 или в компьютер 29. Перед первым фоконом 6 симметрично относительно его оптической оси расположена кольцевая матрица микролазеров 24 на окружности диаметром Дл≥Дф. Оптические оси микролазеров 30 параллельны друг другу и оси первого фокона.The x-ray source 1 illuminates the object 2, the internal structure of which is visualized using an X-ray transducer 5 at the input end of the first focon 6, protected by foil 4. The first regular fiber optic bundle 7 is connected to the ends of the focons 6 and 8. The output end of the focal 8 is connected to the input fiber optic washer of the image brightness amplifier 9. On the optical axis of this amplifier, a third translucent mirror 20, a first collimator lens 10 with a focal length state F1, the focal plane of which coincides with the output fiber-optic washer of the image intensifier 9, and the first mirror 11. In front of the first focal 6, a first translucent mirror 3 is mounted on its optical axis 3. A second regular fiber-optic bundle 7 is located parallel to the first regular fiber-optic bundle 7 an optical bundle 16 and a light guide 17, in front of which is located the illuminator block 18 with a lamp 21 and an optical attenuator 22. In front of the second regular fiber optic bundle 16 with a diameter of d short-focus lens 15. On its optical axis at an angle of 45 ° to it there is a second mirror 23 at the intersection of this axis with a perpendicular drawn from the center of the first translucent mirror 3 in the plane formed by the optical axes of the first focon 6 and lens 15. In front of the output end of the second eyepiece 19 with a focal length F2, the focal plane of which coincides with this end face, is installed in a regular fiber optic bundle. On the optical axis of the eyepiece 19, a second translucent mirror 12 and a second collimator lens 13 with a focal length F3 are mounted in series, the focal plane of which coincides with the CCD matrix 14 of size A × A, the video signal from which is transmitted to the monitor 28 or computer 29. Before the first focon 6, a ring matrix of microlasers 24 is arranged symmetrically with respect to its optical axis on a circle with a diameter of L ≥ Df. The optical axes of the microlasers 30 are parallel to each other and to the axis of the first focon.

Рентгенооптический эндоскоп работает следующим образом.X-ray endoscope works as follows.

Предварительно производится визуальный осмотр объекта. Включают ПЗС-камеру и подбирают яркость лампы для получения максимального контраста изображения дефектов конкретного типа на экране монитора или дисплея. Включают микролазеры и в случае обнаружения дефектов приступают к оценке их планарных размеров с помощью шкалы на экране дисплея, которая предварительно калибруется по изображению кольцевой матрицы лазерных пятен. Затем выбирают необходимую зону для контроля в рентгеновском излучении, включают рентгеновский излучатель 1 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.A preliminary visual inspection of the object. The CCD camera is turned on and the lamp brightness is selected to obtain the maximum contrast of the image of defects of a particular type on the screen of a monitor or display. The microlasers are turned on and, if defects are detected, they begin to evaluate their planar dimensions using a scale on the display screen, which is pre-calibrated by the image of the ring matrix of laser spots. Then, the necessary zone for monitoring in X-ray radiation is selected, the X-ray emitter 1 is turned on, and the corresponding image is observed on the display. Through the use of various image processing programs, it is possible to observe sequentially or simultaneously optical and x-ray images stored in a computer memory in various modes of combining them and digital processing. Scanning the surface of an object is done by moving the endoscope along it.

Таким образом, использование в эндоскопе для калибровки измерительной шкалы и визуализации зоны объекта, просвечиваемой рентгеновским излучением кольцевой матрицы микролазеров с параллельными оптическими осями, позволило повысить точность определения размеров дефектов и существенно улучшить эргономические характеристики устройства.Thus, the use of an endoscope to calibrate the measuring scale and visualize the area of the object, which is illuminated by x-ray radiation of a ring matrix of microlasers with parallel optical axes, has improved the accuracy of defect size determination and significantly improved the ergonomic characteristics of the device.

ЛитератураLiterature

1. Патент РФ №2239179.1. RF patent No. 2239179.

2. Апенко М.И. и др. Прикладная оптика. М.: Высшая школа. 591 стр., 2007 г.2. Apenko M.I. and other applied optics. M .: Higher school. 591 pp. 2007

Claims

X-ray optical endoscope for complex x-ray and visual inspection of objects located in hard-to-reach cavities, containing a housing with optically conjugated x-ray and visual-optical channels located therein to visualize the image of the object, the x-ray channel contains a first focon with an x-ray luminescent converter at the input end, a second focon, identical the first, the output end of which is docked with the input fiber-optic washer of the electron-optical brightness amplifier and image, the first regular fiber optic bundle, connecting the ends of the focons with smaller diameters, the first collimator lens with a focal length F1, the focal plane of which coincides with the plane of the output fiber-optic washer of the image intensifier, and the optical axis is aligned with its axis of symmetry, and the first a translucent mirror mounted on this axis at an angle of 45 ° to it, the visual-optical channel contains the first translucent plexiglass mirror mounted in front of the first focus on its optical axis at an angle of 45 ° to it, the second regular fiber optic bundle, in front of the input end of which is facing the object, there is a short-focus lens, and in front of the output end there is an eyepiece with a focal length F2, the focal plane of which coincides with this end, the light guide located next to the second regular fiber optic bundle, the illuminator unit with a lamp and an optical attenuator installed in front of the input end of the light guide, the first optical periscopic system for placement of images at the input of the device, consisting of a first translucent mirror and a second mirror mounted in front of the short-focus lens on its optical axis at an angle of 45 ° to it at the intersection of this axis with a perpendicular drawn from the center of the first translucent mirror in the plane formed by the axes of the first focone and a short-focus lens, a second optical periscopic system for combining images at the output of the device, consisting of a first mirror, a second translucent mirror, is installed in front of the eyepiece on its optical axis at an angle of 45 ° to it at the point of its intersection with the perpendicular drawn from the center of the first mirror in the plane formed by the axes of the eyepiece and the image intensifier and the second collimator lens with a focal length F3 located on the eyepiece axis between the second a semitransparent mirror and a CCD, the focal plane of which coincides with the plane of the CCD, while the focal lengths of the first collimator lens F1, eyepiece F2 and the second collimator lens F3 satisfy create the relations F1 / F3 = D / A and F2 / F1 = d / A, where D and d are the diameters of the output end of the fiber optic washer of the image intensifier and the second regular fiber optic bundle, respectively, the third translucent mirror mounted on the axis of the first a collimator lens between it and the image brightness amplifier at an angle of 45 ° to it, as well as a scale mounted on the axis drawn from the center of this mirror perpendicular to it, a condenser lens and an LED, the distance from the center of the third translucent the joke along this axis to the scale is equal to the distance from this center to the output fiber-optic washer of the image intensifier along its axis, and the scale of the scale design on the CCD matrix is M = F3 / F1, characterized in that it is additionally placed in front of the X-ray fluorescent the transducer concentrically with it outside the propagation zone of the informative part of the x-ray flux, the ring matrix of microlasers in an amount of N≥8 with a radiation wavelength Y corresponding to the spectral sensitivity range The CCD matrices, the optical axes of the microlasers are parallel to each other and the axis of the first focal, they are located symmetrically on a circle with a diameter Dl, and with their help an annular structure of laser spots is formed on the object, the diameter of which Dl remains constant when the distance from the object to the endoscope changes and is equal to areas of the object, X-rayed, and the current value of its image in the visual-optical channel on the monitor and / or computer display is used to calibrate and determine the real scale and images of defects in the evaluation of their size.