RU2224243C1

RU2224243C1 - Laser autocollimation centering mount for x-ray radiator

Info

Publication number: RU2224243C1
Application number: RU2002112464/28A
Authority: RU
Inventors: А.А. Кеткович; В.Я. Маклашевский
Original assignee: Войсковая часть 75360
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2004-02-20
Also published as: RU2002112464A

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: laser autocollimation centering mount for X-ray radiator includes body housing laser which optical axis is parallel to longitudinal axis of X-ray radiator, two mirrors, first being made of acrylic plastic and is installed at crossing point of optical and X-ray radiation beams, perpendicular to plane formed by them and directing collimating laser beam on object, scale, telescope comprising microlens and lens enabling actual image of luminous disc generated on surface of object in zone of illumination by laser beam to be formed in focal plane of lens of telescope coinciding with linear scale of glass with the help of first mirror of lens and second semi-transparent mirror. Image of scale and zone of object illuminated by laser beam is projected on to plane of miniature CCD matrix of TV camera, video signal from it is fed to input of video control unit on which screen image of laser spot is observed. Size of laser spot determines value of focal distance of X-ray radiator for its particular position with reference to object. Centering mount also has separable mirror placed on object in zone illuminated by collimated laser beam and forms autocollimation circuit controlling mutual angular orientation of object and centering mount together with telescope, laser and scale. EFFECT: possibility of control of perpendicularity of axis of X-ray beam and surface of tested object. 1 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю с помощью рентгеновского излучения и может быть использовано для контроля материалов и конструкций в авиакосмической и оборонной технике. The invention relates to non-destructive testing using x-ray radiation and can be used to control materials and structures in aerospace and defense technology.

Известен лазерный центратор для рентгеновского излучателя, содержащий корпус с расположенным в нем лазера, оптическая ось которого параллельна продольной оси рентгеновского излучателя, два зеркала, первое из которых выполнено из оргстекла, установлено на пересечении осей лазерного и рентгеновского пучков излучения перпендикулярно образованной ими плоскости и направляющее на объект коллимированный лазерный пучок телескоп для расширения лазерного пучка, второе зеркало, выполненное полупрозрачным и установленное между объективом и окуляром телескопа, телевизионную систему и шкалу, позволяющую оценить расстояние до объекта по размеру изображения лазерного пятна, сформированного на его поверхности телескопом [1]. A known 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, is installed at the intersection of the axes of the laser and x-ray radiation beams perpendicular to the plane formed by them and guides object collimated laser beam telescope to expand the laser beam, a second mirror made translucent and mounted between the lens and by the telescope’s eyepiece, a television system and a scale that allows you to estimate the distance to the object by the size of the image of the laser spot formed on its surface by the telescope [1].

Недостаток устройства - отсутствие возможности контроля перпендикулярности оси рентгеновского пучка к поверхности контролируемого объекта, что необходимо, например, при радиографическом контроле сотовых панелей авиационных конструкций. The disadvantage of this device is the inability to control the perpendicularity of the axis of the x-ray beam to the surface of the object being monitored, which is necessary, for example, when radiographic monitoring of cellular panels of aircraft structures.

Для устранения этого недостатка нами предлагается ввести в оптическую систему центратора дополнительное плоское зеркало, закрепляемое на объекте в области его поверхности, освещаемой лазерным пучком, и позволяющее контролировать перпендикулярность осей лазерного пучка и концентричного с ним рентгеновского пучка автоколлимационным методом, по положению отраженного от зеркала коллимированного пучка в фокальной плоскости объектива телескопа. To eliminate this drawback, we propose introducing into the optical system of the centralizer an additional flat mirror mounted on the object in the region of its surface illuminated by the laser beam and allowing to control the perpendicularity of the axes of the laser beam and the x-ray concentric with it by the autocollimation method, based on the position of the collimated beam reflected from the mirror in the focal plane of the telescope lens.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана общая схема центратора и вид экрана дисплея для характерных ситуаций, возникающих при контроле изделий. The invention is illustrated in the drawing, which shows the General diagram of the centralizer and the appearance of the display screen for typical situations that arise during the control of products.

Лазерный центратор содержит закрепляемый на рентгеновском излучателе 1 корпус 12, в котором располагается 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, перпендикулярно 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 located 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 around the axis perpendicular to the plane defined 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.

На объекте II с помощью каких-либо держателей (магнитные и/или пневматические присоски, клейкая лента, струбципы и т.п.) в зоне лазерного пятна крепится плоское зеркало 13, отражающим слоем обращенное к центратору. On the object II with the help of any holders (magnetic and / or pneumatic suction cups, adhesive tape, clamps, etc.) in the area of the laser spot, a flat mirror 13 is attached, with a reflective layer facing the centralizer.

Лазерный центратор работает следующим образом. Излучение лазера 2 с помощью телескопа, состоящего из микрообъектива 3 и объектива 5, расширяется до диаметра D и коллимируется для уменьшения угловой расходимости и 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 II (на схеме показаны два положения объекта I и II, 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'₀ и L''₀.Laser centralizer operates as follows. The radiation of laser 2 with a telescope consisting of a micro-lens 3 and lens 5 is expanded to a diameter D and collimated to reduce angular divergence and 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 II (the diagram shows two positions of object I and II 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 the wide solid angle β≫α, which allows using real-time reflector 4, lens 5 and translucent reflector 6 to form in the focal plane of lens 5, which coincides with scale 7, 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 of the object illuminated by the laser beam by the lens 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 ' ₀ and L'' ₀ .

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 make 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 when calibrating the centralizer range finder.

После определения расстояния до объекта на нем в зоне, освещенной лазерным пучком, устанавливается зеркало с диаметром D₃≥D₁, где D - диаметр лазерного пятна на объекте.After determining the distance to the object on it in the area illuminated by the laser beam, a mirror with a diameter of D ₃ ≥D _{1 is} installed, where D is the diameter of the laser spot on the object.

Если поверхность объекта и, соответственно, зеркала на нем не перпендикулярна лазерному и рентгеновскому пучкам, а наклонена по отношению к осям этих пучков на угол α, то после отражения от зеркала лазерный пучок отклоняется от первоначального направления на угол 2α в соответствии c известным законом геометрической оптики [2] . Соответственно, в фокальной плоскости объектива 3 телескоп будет наблюдаться светящаяся точка, смещенная относительно центра шкалы 7 на расстояние Δ=f•tg(2L), где f - фокусное расстояние объектива 3. If the surface of the object and, accordingly, the mirror on it is not perpendicular to the laser and x-ray beams, but tilted relative to the axes of these beams by an angle α, then after reflection from the mirror the laser beam deviates from the original direction by an angle 2α in accordance with the well-known law of geometric optics [2]. Accordingly, in the focal plane of the lens 3 of the telescope there will be a luminous point displaced relative to the center of the scale 7 by the distance Δ = f • tg (2L), where f is the focal length of the lens 3.

Производя взаимные повороты и смещения рентгеновского излучателя и объекта, добиваются совмещения светящейся точки с центром шкалы 7. При этом оси лазерного и рентгеновского пучков ортогональны поверхности объекта и элементы (внутренние стенки) сотовой конструкции на рентгенограмме будут изображаться без взаимного перекрытия (или наложения). Carrying out mutual rotations and displacements of the X-ray emitter and the object, they achieve alignment of the luminous point with the center of the scale 7. In this case, the axes of the laser and X-ray beams are orthogonal to the surface of the object and the elements (inner walls) of the honeycomb structure will be displayed on the roentgenogram without overlapping (or overlapping).

Угловая погрешность ориентации объекта по отношению к нормам к его поверхности определяется ценой деления шкалы 7(o) и фокусным расстоянием объектива 3:Δα = arctg(c/f).
Например, при характерных значениях f>100 м и С=0,1 мм Δα= arctg(0,1/100)= arctg(0,001) ≈ 3' (угловых минут), что вполне достаточно для практики.The angular error in the orientation of the object with respect to the norms to its surface is determined by the division value of the scale 7 (o) and the focal length of the lens 3: Δα = arctg (c / f).
For example, for characteristic values of f> 100 m and C = 0.1 mm, Δα = arctg (0.1 / 100) = arctan (0.001) ≈ 3 '(angular minutes), which is quite enough for practice.

На чертеже (б, в) показан ход отраженных от зеркал лучей при ортогональном (б) и неортогональном (в) положениях объекта к осям лазерного и рентгеновского пучков. The drawing (b, c) shows the progress of the rays reflected from the mirrors at orthogonal (b) and non-orthogonal (c) positions of the object to the axes of the laser and x-ray beams.

На чертеже (г) представлена схема расчета смещения изображения сфокусированного лазерного луча в плоскости изображения объектива 3. The drawing (d) shows a diagram for calculating the displacement of the image of the focused laser beam in the image plane of the lens 3.

На чертеже (д) показан вид экрана дисплея при ортогональном (точка В) и наклонном (точка В') положениях поверхности объекта к падающим пучкам излучения. The drawing (e) shows a view of the display screen with orthogonal (point B) and inclined (point B ') the surface positions of the object to incident radiation beams.

Источники информации
1. Патент РФ 2136124 "Лазерный центратор для рентгеновского излучателя".Sources of information
1. RF patent 2136124 "Laser centralizer for x-ray emitter".

2. Бегунов В.П. Геометрическая оптика, М., МГУ, 1966, 210 с. 2. Begunov V.P. Geometric Optics, Moscow, Moscow State University, 1966, 210 p.

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 directing object collimated laser beam, concentric with an x-ray beam, scale, telescope for expansion and collimation of laser radiation, consisting of m an infrared 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 with a laser beam, a television system including a television camera and video control the device, the scale being linear, mounted in front of the laser and located in the focal plane of the telescope objective in such a way that The scale and the area of the object illuminated by the laser beam are 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 linear scale images, the divisions of which are digitized directly in 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 novskii emitter for its specific position relative to the object, characterized in that it contains an additional removable flat mirror placed on the object in the area illuminated by the collimated laser beam, and forming together with a telescope, a laser and a scale an autocollimation scheme for monitoring the mutual angular orientation of the object and the centralizer, the scale division value in an angular measure is equal to

Δα = arctan (c / f),

where c is the price of the scale in a linear measure;

f is the focal length of the telescope lens.