RU2413206C1

RU2413206C1 - X-ray optical endoscope

Info

Publication number: RU2413206C1
Application number: RU2009129649/28A
Authority: RU
Inventors: Андрей Анатольевич Кеткович (RU); Андрей Анатольевич Кеткович; Виктор Яковлевич Маклашевский (RU); Виктор Яковлевич Маклашевский; Светлана Владимировна Маклашевская (RU); Светлана Владимировна Маклашевская
Original assignee: Виктор Яковлевич Маклашевский
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2011-02-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: X-ray endoscope has a housing in which there are optically interfaced X-ray and viewing channels for viewing the object image. The X-ray endoscope also includes a second semitransparent mirror which is placed on the axis of the objective lens between the objective lens and a first semitransparent mirror, a microlaser placed on the which passes through the centre of the second transparent mirror perpendicular to the axis and which forms on the object a bright spot, the position on the object of which coincides with the intersection point of the axis of the objective lens and the surface of the object, two identical laser line generators. The propagation planes of the flat light beams of the generators are mutually perpendicular and form on the surface of the object images of two perpendicular strips, the point of intersection of which coincides with the point formed by the microlaser of the optical channel for distance from the object to the face of the X-ray luminescent converter equal to Lo, where the linear field of vision of the viewing optical channel coincides with the size of the zone viewed by the X-ray optical channel and completely inscribed into the raster of a colour CCD matrix. The illuminator used is a light-emitting diode lying next to the objective lens and whose brightness and chromaticity of which is controlled using an electronic power supply. There is a linear metric scale with division value K on the display, through which the size S of the defects is measured.

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

7 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.Known x-ray endoscope, which consists of two located in a single building and structurally combined channels - 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 - сложность согласования существенно различных спектральных, масштабных, энергетических и структурометрических характеристик рентгеновского и оптического каналов с помощью одной ПЗС-матрицы. Кроме того, при просвечивании объектов слаборасходящимся квазипараллельным пучком рентгеновского излучения, что чаще всего применяется на практике, размер визуализируемой области объекта, равный диаметру рентгенолюминесцентного преобразователя, практически не меняется при изменении расстояния от него до поверхности объекта. В то же время величина линейного поля зрения оптического канала нелинейно зависит от этого расстояния, что затрудняет сопоставление результатов рентгеновского и оптического контроля. Одновременно с этим изменяется и масштаб изображения оптического канала, что дополнительно затрудняет сопоставление результатов визуального и радиационного контроля, особенно при количественной оценке дефектов. Наконец, с помощью данного устройства возможна оценка только планарных размеров и координат залегания дефектов, однако невозможно измерение их глубины или высоты относительно поверхности объекта в процессе визуально-оптического контроля.The disadvantages of this device are the difficulty of matching essentially different spectral, scale, energy and structural characteristics of the x-ray and optical channels using a single CCD matrix. In addition, when objects are scanned by a weakly diverging quasi-parallel x-ray beam, which is most often used in practice, the size of the object’s visualized area, equal to the diameter of the X-ray luminescent transducer, practically does not change when the distance from it to the surface of the object changes. At the same time, the linear field of view of the optical channel non-linearly depends on this distance, which makes it difficult to compare the results of x-ray and optical control. At the same time, the image scale of the optical channel also changes, which further complicates the comparison of the results of visual and radiation monitoring, especially in the quantitative assessment of defects. Finally, using this device, it is possible to evaluate only planar dimensions and coordinates of the occurrence of defects, however, it is impossible to measure their depth or height relative to the surface of the object in the process of visual-optical control.

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

Для этого рентгенооптический эндоскоп для комплексного рентгеновского и визуального контроля объектов, находящихся в труднодоступных полостях, содержащий корпус с расположенными в нем оптически сопряженными рентгеновским и визуально-оптическим каналами для визуализации изображения объекта, рентгеновский канал содержит рентгенолюминесцентный преобразователь телевизионного типа, оптический канал содержит первое полупрозрачное зеркало, установленное на продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя под углом 45° к ней, объектив, установленный на оси, проходящей через центр этого зеркала перпендикулярно оси рентгенолюминесцентного преобразователя, цветную ПЗС-матрицу видимого диапазона спектра размером А×А, расположенную в плоскости изображения этого объектива, осветитель, компьютер и дисплей с размером растра В×В для визуализации изображений и шкалу для оценки размеров дефектов, отличается тем, что в него дополнительно введены второе полупрозрачное зеркало, установленное на оси объектива между ним и первым полупрозрачным зеркалом, микролазер, установленный на оси, проходящей через центр второго полупрозрачного зеркала перпендикулярно к ней, и формирующий на объекте яркую точку, положение которой на объекте совпадает с точкой пересечения оси объектива с поверхностью объекта, два идентичных генератора лазерных линий, угол расхождения которых равен β>2arctg(D/2Lo), а угол наклона к продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя равен α=arctg(D/2Lo), где D - размер входного торца рентгенолюминесцентного преобразователя, Lo=D/2(tgα) - расстояние от объекта до этого торца, плоскости распространения плоских световых пучков генераторов взаимно перпендикулярны и формируют на поверхности объекта изображения двух взаимно перпендикулярных полосок, точка пересечения которых совпадает с точкой, формируемой микролазером оптического канала при расстоянии от объекта до торца рентгенолюминесцентного преобразователя Lo, при котором линейное поле зрения визуально-оптического канала совпадает с размером зоны, визуализируемой рентгенооптическим каналом и полностью вписано в растр цветной ПЗС-матрицы, а масштабы изображений обоих каналов одинаковы, при этом расстояние Lo выбирается с учетом соотношения Lo=F(Mo+1/Mo+2), где F - фокусное расстояние объектива, Мо=А/D - увеличение объектива, в качестве осветителя использован расположенный рядом с объективом светодиод, яркость и цветность излучения которого регулируются с помощью электронного блока питания, на экране дисплея располагается линейная метрическая шкала с ценой деления К, с помощью которой определяют размер S дефектов по формуле S=K·N·(1/V), где N - число делений шкалы, приходящихся на изображение дефекта, V=Mo×Mт - суммарный масштаб переноса изображений из плоскости объекта на плоскость экрана дисплея в визуально-оптическом канале, где Мт=В/А - увеличение телевизионного тракта этого канала, который равен масштабу переноса изображений рентгеновского канала Mp=B/D при расстоянии Lo от объекта до цветной ПЗС-матрицы, по степени искривления световых полосок судят о высоте или глубине Н дефектов поверхности объекта методом светового сечения, по формуле H=Ha/tgα, где На - наблюдаемая на дисплее величина искривления световых полосок в соответствующей плоскости.For this, an X-ray optical endoscope for complex x-ray and visual inspection of objects located in hard-to-reach cavities, comprising a housing with optically conjugated x-ray and visual-optical channels for visualizing the image of the object, the x-ray channel contains a television-type luminescent transducer, the optical channel contains a first translucent mirror mounted on the longitudinal axis of the x-ray luminescent transducer at an angle of 45 ° to it, about A lens mounted on an axis passing through the center of this mirror perpendicular to the axis of the X-ray luminescent transducer, a color CCD matrix of the visible spectral range of size A × A, located in the image plane of this lens, an illuminator, a computer and a display with a raster size of B × B for image visualization and a scale for assessing the size of defects, characterized in that it additionally introduced a second translucent mirror mounted on the axis of the lens between it and the first translucent mirror, a microlaser, located on the axis passing through the center of the second translucent mirror perpendicular to it and forming a bright point on the object, the position of which on the object coincides with the intersection point of the lens axis with the surface of the object, two identical laser line generators whose divergence angle is β> 2arctg (D / 2Lo), and the angle of inclination to the longitudinal axis of the X-ray fluorescence transducer is α = arctan (D / 2Lo), where D is the size of the input end of the X-ray fluorescent transducer, Lo = D / 2 (tgα) is the distance from the object to this end, the propagation plane The planar light beams of the generators are mutually perpendicular and form two mutually perpendicular strips on the object’s surface, the intersection point of which coincides with the point formed by the microlaser of the optical channel at a distance from the object to the end of the X-ray fluorescence converter Lo, at which the linear field of view of the visual-optical channel coincides with the size of the zone visualized by the X-ray optical channel and is fully inscribed in the raster of the color CCD matrix, and the scale of the images of both channels are the same, while the distance Lo is selected taking into account the ratio Lo = F (Mo + 1 / Mo + 2), where F is the focal length of the lens, Mo = A / D is the lens magnification, an LED located near the lens is used as a illuminator, the brightness and color of the radiation of which are regulated using an electronic power supply, a linear metric scale with a division value K is located on the display screen, with which the size S of defects is determined by the formula S = K · N · (1 / V), where N is the number of divisions scales per image of the defect, V = Mo × Mt - total scale ab transfer of images from the plane of the object to the plane of the display screen in the visual-optical channel, where Mt = B / A is the increase in the television path of this channel, which is equal to the scale of transfer of images of the x-ray channel Mp = B / D at a distance Lo from the object to the color CCD matrices, by the degree of curvature of the light strips, judge the height or depth H of the surface defects of the object by the light section method, according to the formula H = Ha / tgα, where Ha is the magnitude of the curvature of the light strips observed on the display in the corresponding plane.

Схема эндоскопа поясняется чертежом (фиг.1а).The scheme of the endoscope is illustrated in the drawing (figa).

Источник рентгеновского излучения 1 просвечивает объект 2, внутренняя структура которого визуализируется с помощью рентгенолюминесцентного преобразователя 4 на базе волоконно-оптической пластины из нитевидных монокристаллических сцинтилляторов, состыкованных непосредственно с высокочувствительной ПЗС-матрицей видимого диапазона спектра, видеосигнал которой поступает на вход дисплея. На корпусе рентгенолюминесцентного преобразователя размером D×D установлены под углом 90° два идентичных генератора лазерных линий 5 и 6 с углами расхождения плоских взаимно перпендикулярных лазерных пучков, оси симметрии которых наклонены к продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя под углом α и пересекают ее на расстоянии Lo от него, формируя на поверхности объекта две взаимно перпендикулярные полоски. На продольной оси рентгенолюминесцентного преобразователя 4 перед ним на расстоянии L1>D/2 от него расположено зеркало 3 под углом 45° к ней. На оси, проходящей через центр этого зеркала перпендикулярно к ней, на расстоянии L2=L1 от нее установлен объектив 9, в плоскости изображения которого расположена цветная ПЗС-матрица 10 с размером растра А×А. Перед объективом 9 расположено полупрозрачное зеркало 8 под углом 45° к ней и микролазер 7, излучение которого после отражений от полупрозрачного зеркала 8 и зеркала 3 направляется на объект в направлении, совпадающем с продольной осью рентгенолюминесцентного преобразователя. Рядом с объективом 9 установлен светодиод 13 для подсветки объекта. Видеосигнал ПЗС-матрицы 10 поступает на видеовход компьютера 11 с дисплеем 12 с размером растра В×В. Метрическая шкала 14 располагается непосредственно на экране дисплея или формируется на нем программно с помощью компьютера 11.The X-ray source 1 shines through object 2, the internal structure of which is visualized using an X-ray luminescent transducer 4 based on a fiber optic plate of whisker single-crystal scintillators coupled directly to a highly sensitive CCD matrix of the visible range of the spectrum, the video signal of which is fed to the display input. Two identical laser line generators 5 and 6 with angles of divergence of planar mutually perpendicular laser beams with symmetry axes inclined to the longitudinal axis of the X-ray luminescent transducer at an angle α and intersecting it at a distance Lo from it are mounted on the housing of a D × D transducer of size D × D at a 90 ° angle. forming two mutually perpendicular strips on the surface of the object. On the longitudinal axis of the X-ray luminescent transducer 4 in front of it at a distance L1> D / 2 from it is located mirror 3 at an angle of 45 ° to it. A lens 9 is mounted on an axis passing through the center of this mirror perpendicularly to it, at a distance L2 = L1 from it, in the image plane of which there is a color CCD matrix 10 with a raster size A × A. In front of the lens 9 there is a translucent mirror 8 at an angle of 45 ° to it and a microlaser 7, the radiation of which, after reflections from the translucent mirror 8 and mirror 3, is directed to the object in the direction coinciding with the longitudinal axis of the X-ray fluorescent transducer. Near the lens 9, an LED 13 is installed to illuminate the object. The video signal of the CCD matrix 10 is fed to the video input of the computer 11 with a display 12 with a raster size of V × V. The metric scale 14 is located directly on the display screen or is formed on it programmatically using a computer 11.

На фиг.1б показано расположение генераторов лазерных линий на корпусе рентгенолюминесцентного преобразователя.On figb shows the location of the generators of the laser lines on the housing of the x-ray transducer.

На фиг.1в показан вид экрана дисплея при различных расстояниях от объекта до эндоскопа.On figv shows a view of the display screen at various distances from the object to the endoscope.

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

Предварительно производится визуальный осмотр объекта. Включают цветную ПЗС-камеру и подбирают яркость и/или спектр излучения светодиода для получения максимального контраста изображения дефектов конкретного типа на экране монитора или дисплея. Включают микролазер и генераторы лазерных линий и, перемещая эндоскоп вдоль его оптической оси, добиваются совпадения перекрестия лазерных линий с лазерной точкой, формируемой микролазером. В случае обнаружения дефектов приступают к оценке их планарных размеров с помощью шкалы на экране дисплея, которая предварительно калибруется по изображению тест-объекта известного размера. При обнаружении искривлений лазерных полосок, что свидетельствует о наличии дефектов с явно выраженным рельефом, производят оценку их глубины или высоты относительно поверхности объекта, измеряя величины этих искривлений с помощью шкалы на экране дисплея в соответствии с известными процедурами метода светового сечения [2]. В случае необходимости поворачивают эндоскоп относительно его продольной оси для оценки рельефа дефектов в различных сечениях. Затем выбирают необходимую зону для контроля в рентгеновском излучении, включают рентгеновский излучатель 3 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 color CCD camera is turned on and the brightness and / or emission spectrum of the LED 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 microlaser and laser line generators are turned on, and moving the endoscope along its optical axis, the crosshairs of the laser lines coincide with the laser point formed by the microlaser. If defects are detected, they begin to evaluate their planar dimensions using a scale on the display screen, which is pre-calibrated using an image of a test object of known size. When curvatures of laser strips are detected, which indicates the presence of defects with a pronounced relief, their depth or height relative to the surface of the object is estimated by measuring the magnitudes of these curvatures using a scale on the display screen in accordance with the known procedures of the light section method [2]. If necessary, the endoscope is rotated about its longitudinal axis to assess the relief of defects in various sections. Then select the necessary zone for control in x-ray radiation, turn on the x-ray emitter 3 and observe the corresponding image 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 the computer's memory in various modes of combining and digital processing. Scanning the surface of an object is done by moving the endoscope along it.

Необходимость совмещения центра перекрестия лазерных линий с центральным лазерным пятном изображения при конкретном рабочем расстоянии от объекта до эндоскопа Lo обусловлена необходимостью обеспечения единства условий измерения дефектов в визуально-оптическом и рентгеновском каналах. При этом поля зрения и цена деления шкалы дисплея одинаковы для обоих каналов. Действительно, масштаб изображения в рентгеновском канале Mp=B/D остается постоянным при изменениях расстояния от эндоскопа до объекта за счет параллельности пучка рентгеновского излучения. Однако суммарный масштаб изображения визуально-оптического канала V, равный произведению увеличения объектива Мо на телевизионное увеличение Мт, существенно зависит от расстояния между эндоскопом и объектом Lo и может быть равен Мр только при одном значении этого расстояния. Заметим, что телевизионное увеличение Мт=В/А не зависит от дистанции эндоскоп-объект и определяется только соотношением размеров растров, применяемых в эндоскопе цветной ПЗС-матрицы и дисплея. На фиг.2 представлена упрощенная расчетная схема для определения Lo (3). Как видно из схемы фиг.2 между фокусным расстоянием объектива F, масштабом Мо изображения и расстоянием от объекта до изображения Lo существует следующее приближенное соотношение Lo=F(Mo+1/Mo+2). Величина Мо=Мр/Мт при Mp=V. Поэтому выбор увеличения оптического тракта визуально-оптического канала производят с учетом этого условия. Сначала определяют телевизионное увеличение визуально-оптического канала по известным величинам растра цветной ПЗС-матрицы и дисплея, а затем увеличение его оптического тракта и соответствующее ему значение фокусного расстояния объектива для выбранного из конструктивных соображений расстояния Lo от эндоскопа до объекта. Отметим, что именно при этом расстоянии Lo поле зрения объектива равно размеру зоны просвечивания объекта рентгеновским излучением D×D и ее изображение полностью вписано в растр ПЗС-матрицы размером А×А, а масштабы изображений рентгеновского и визуально-оптического каналов равны друг другу.The need to combine the center of the crosshairs of laser lines with the central laser spot of the image at a specific working distance from the object to the Lo endoscope is due to the need to ensure the uniformity of the conditions for measuring defects in the visual-optical and x-ray channels. In this case, the fields of view and the division value of the display scale are the same for both channels. Indeed, the image scale in the x-ray channel Mp = B / D remains constant when the distance from the endoscope to the object changes due to the parallelism of the x-ray beam. However, the total image scale of the visual-optical channel V, equal to the product of the enlargement of the Mo lens by the television magnification of MT, significantly depends on the distance between the endoscope and the object Lo and can be equal to Mr only with one value of this distance. Note that the television increase in Mt = B / A does not depend on the distance of the endoscope object and is determined only by the ratio of the size of the rasters used in the endoscope of a color CCD matrix and display. Figure 2 presents a simplified calculation scheme for determining Lo (3). As can be seen from the diagram of figure 2 between the focal length of the lens F, the scale of the image Mo and the distance from the object to the image Lo there is the following approximate relationship Lo = F (Mo + 1 / Mo + 2). The value of Mo = Mr / Mt at Mp = V. Therefore, the choice of increasing the optical path of the visual optical channel is made taking into account this condition. First, the television magnification of the visual-optical channel is determined from the known raster values of the color CCD matrix and display, and then the increase in its optical path and the corresponding focal length of the lens for the distance Lo from the endoscope to the object selected from structural considerations. Note that it is at this distance Lo that the field of view of the lens is equal to the size of the X-ray exposure area of the object by D × D and its image is completely inscribed in the raster of the CCD matrix of size A × A, and the image scales of the x-ray and visual-optical channels are equal to each other.

На фиг.3а, б, в представлены: схема формирования светового сечения при выявлении дефекта типа канавки (а) - стрелкой указано направление к системе наблюдения, схема расчета высоты рельефа, вызванной этой канавкой (б) и вид экрана дисплея при изображении рельефного объемного дефекта глубиной Н (показано одно сечение).On figa, b, c presents: a diagram of the formation of the light section when detecting a defect of the type of groove (a) - the arrow indicates the direction to the observation system, a diagram of calculating the height of the relief caused by this groove (b) and the appearance of the display screen when displaying a relief volumetric defect depth H (one section is shown).

Таким образом, использование в эндоскопе двух ортогональных плоских лазерных пучков не только позволило определять пространственные характеристики дефектов, но и фиксировать такое положение эндоскопа относительно объекта, при котором масштабы изображений рентгеновского и визуально-оптического каналов одинаковы, что существенно упрощает и повышает достоверность и оперативность дефектометрических процедур при контроле сложных технических объектов.Thus, the use of two orthogonal plane laser beams in the endoscope not only made it possible to determine the spatial characteristics of defects, but also to fix the position of the endoscope relative to the object at which the image scales of the X-ray and visual-optical channels are the same, which greatly simplifies and increases the reliability and efficiency of defectometric procedures in the control of complex technical objects.

ЛитератураLiterature

1. Патент РФ №2168166.1. RF patent No. 2168166.

2. Кучин А.А., Обрадович К.А. Оптические приборы для измерения шероховатости поверхности. Л., Машиностроение, Ленингр. отд., 1981. - 197 с., ил.2. Kuchin A.A., Obradovich K.A. Optical instruments for measuring surface roughness. L., Engineering, Leningrad. Dep., 1981. - 197 p., ill.

3. Апенко М.И. и др. Прикладная оптика. Москва, Высшая школа. 591 стр.3. Apenko M.I. and other applied optics. Moscow, High School. 591 p.

Claims

X-ray optical endoscope for complex x-ray and visual inspection of objects located in hard-to-reach cavities, comprising 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 television-type X-ray transducer, the optical channel contains a first translucent mirror mounted on the longitudinal axis of the X-ray luminescent transducer at an angle of 45 ° to it, lens, antenna mounted on an axis passing through the center of this mirror perpendicular to the axis of the X-ray luminescent transducer, a color CCD matrix of the visible spectral range of size A × A, located in the image plane of this lens, an illuminator, a computer and a display with a raster size B × B for image visualization and a scale for defect size assessment, characterized in that a second translucent mirror mounted on the axis of the lens between it and the first translucent mirror, a microlaser mounted on the axis passing through the center of the second translucent mirror perpendicular to it and forming a bright dot on the object, the position of which on the object coincides with the intersection point of the lens axis with the surface of the object, two identical laser line generators whose divergence angle is β> 2arctg (D / 2Lo), and the angle of inclination to the longitudinal axis of the X-ray fluorescent transducer is α = arctan (D / 2Lo), where D is the size of the input end of the X-ray transducer, Lo = D / 2 (tgα) is the distance from the object to this end, the plane of The light beams of the generators are mutually perpendicular and form two mutually perpendicular strips on the surface of the object, the intersection point of which coincides with the point formed by the microlaser of the optical channel at a distance from the object to the end of the X-ray fluorescence converter Lo, at which the linear field of view of the visual-optical channel coincides with the size of the zone visualized by the X-ray optical channel and is fully inscribed in the raster of the color CCD matrix, and the image scales of both channels are the same while the distance Lo is selected taking into account the ratio Lo = F (Mo + 1 / Mo + 2), where F is the focal length of the lens, Mo = A / D is the lens magnification, an LED located near the lens is used as a illuminator, brightness and the color of the radiation of which is regulated using an electronic power supply, a linear metric scale with a division value K is located on the display screen, with which the size S of defects is determined by the formula S = K · N · (1 / V), where N is the number of divisions of the scale per defect image, V = Mo × Mt is the total the nose of the images from the plane of the object to the plane of the display screen in the visual optical channel, where Mt = B / A is the increase in the television path of this channel, which is equal to the transfer scale of the X-ray channel images Mp = B / D at the distance Lo from the object to the color CCD , by the degree of curvature of the light strips, the height or depth H of the surface defects of the object is judged by the light section method according to the formula H = Ha / tgα, where Ha is the magnitude of the curvature of the light strips observed on the display in the corresponding plane.