Автоколлимационный эндоскоп

 

Эндоскоп для визуального поиска и измерения трехмерных дефектов содержит корпус, в котором расположены осветительный световод, объектив, канал передачи изображения, окуляр с линейной шкалой, а также устройство для крепления эндоскопа на объекте с возможностью трехмерного перемещения и поворота относительно продольной оси эндоскопа и соответствующие индикаторы этих перемещений. Канал передачи изображения выполнен в виде регулярного световода или микротелекамеры. Эндоскоп дополнительно содержит светоделитель, расположенный между линейной шкалой и окуляром, непрозрачную маску с вырезом, осветитель для ее подсветки и дополнительную микролинзу. Маска с вырезом установлена перпендикулярно оси, проходящей через точку пересечения светоделителя с оптической осью эндоскопа и перпендикулярно ей, и оптически сопряжена с линейной шкалой. Дополнительную микролинзу вводят с помощью дистанционного механизма в ход лучей перед объективом эндоскопа и располагают в корпусе эндоскопа на его оптической оси таким образом, что ее фокальная плоскость последовательно совпадает с наружной и внутренней поверхностями дефекта в процессе фокусировочных перемещений эндоскопа. Обеспечивается повышение точности и равномерности освещения. 3 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю с помощью визуально-оптических средств и может быть использовано для контроля конструкций в авиакосмической и оборонной технике, а также в различных отраслях машиностроения.

Известен эндоскоп для контроля и измерения размеров дефектов, содержащий корпус, в котором расположены оптические системы освещения объекта, формирования и передачи его изображения и измерения планерных размеров дефектов с помощью окулярной шкалы [1]. Недостаток устройства - невозможность измерения глубины дефектов.

Известен также эндоскоп для визуального поиска и измерения глубины технических трехмерных дефектов, содержащий корпус, в котором расположены осветительный световод, объектив, канал передачи изображения, выполненный в виде регулярного световода, и окуляр с линейной шкалой [2]. Недостаток данного эндоскопа - невысокая точность измерения за счет фокусировки на шероховатую поверхность объекта и на дно дефекта при отсутствии в поле зрения специальных измерительных марок с детерминированной структурой. Кроме того, применение в эндоскопе микрообъектива с малым полем зрения и малой глубиной резкости затрудняет предварительный обзор объекта при поиске и обнаружении дефектов.

Кроме того, освещение объекта пучками света, не коаксиальными с оптической осью объектива, не позволяет осветить данные области дефектов, особенно типа узких глубоких трещин, что затрудняет их оценку.

Для устранения этих недостатков нами предлагается ввести в оптическую схему стандартного эндоскопа с короткофокусным микрообъективом, имеющего большое поле зрения и большую глубину резкости и предназначенного для поиска дефектов, дополнительную короткофокусную линзу, располагаемую непосредственно перед микрообъективом эндоскопа и образующую вместе с ним оптическую систему с малой глубиной резкости в пространстве объектов, а также автоколлимационный окуляр, содержащий полупрозрачное зеркало, шкалу для измерения планарных размеров дефектов и освещаемую дополнительным источником света непрозрачную маску с вырезом крестообразной или иной формы, изображение которого формируется объективом эндоскопа совместно с дополнительной линзой в плоскости объекта и служит для точной фокусировки на его поверхность.

Изобретение поясняется чертежами, на которых показана общая схема эндоскопа и вид поля зрения при различных положениях плоскости фокусировки.

Эндоскоп расположен в корпусе 1 (фиг.1,а), в котором расположены осветительный световод 2, подключаемый с помощью оптического разъема к внешнему осветителю 13, поворотный стержень 3, с помощью которого в оптическую схему перед объективом 7 вводится дополнительная микролинза 6, установленная в корпусе эндоскопа таким образом, что ее передняя фокальная плоскость в процессе фокусировочных перемещений эндоскопа последовательно совпадает с внешней и внутренней поверхностями дефекта, измерительная линейная шкала 4, полупрозрачное зеркало 5, канал передачи изображения 8, который может быть выполнен из градиентного оптического элемента или регулярного световода, блока микролина и т.п., непрозрачную маску 9 с вырезом крестообразной формы, оптически сопряженную со шкалой 4, расположенной в плоскости выходного изображения канала его передачи 8, дополнительный источник света 10 с конденсором 11 для освещения маски 9 и окуляр 12.

На фиг.1,б показана принципиальная схема, поясняющая работу эндоскопа при выведенной из хода лучей микролинзы 6. При этом его оптическая схема работает в режиме широкоугольного обзора пространства объекта (поиск дефектов). При этом глубина резкости эндоскопа в пространстве объектов практически равна диапазону расстояний L_о до объекта.

В эндоскопах наиболее часто применяются сверхкороткофокусные объективы (f_o≈ 1 мм). При расстояниях торца эндоскопа от L_o≥ 10· f_o и до бесконечно удаленного предмета плоскость изображения фиксирована в пространстве и практически совпадает с задней фокальной плоскостью объектива 7, совмещенной с входной плоскостью канала для передачи изображения 8. Изображение объекта во всем диапазоне изменения расстояний до объекта от L_omin≥ 10· f_o и до L=∞ остается резким, но масштаб его сильно изменяется. В соответствии с известными соотношениями геодезической оптики, с учетом обозначений на чертеже 1,б получим следующие выражения для линейного поля зрения эндоскопа D_о=2L· tgα =2L_o· d/f_o и для масштаба изображения m≈ L_o/f_o. Неопределенность определения расстояния до объекта (L_o) снижает точность измерения планарных размеров дефектов, а большая глубина резкости (Δ Х_o) не позволяет оценить глубину дефекта известными методами, например, методом последовательной фокусировки эндоскопа на наружную поверхность и дно дефекта с отсчетом его соответствующего перемещения.

На фиг.1,в представлена оптическая расчетная схема эндоскопа при введении в ход лучей дополнительной микролинзы 6, располагаемой непосредственно перед объективом 7.

При этом, в соответствии с предложенным принципом измерения передняя фокальная плоскость микролинзы 6 совмещается с поверхностью объекта. В этом случае микролинза 6 работает аналогично микрообъективу, т.е. на входы объектива 7 попадают параллельные пучки лучей, что соответствует штатному режиму его работы.

Выражения для поля зрения и масштаба изображения в этом случае имеют вид:

D_n=d· f_к/f_o, где d - диаметр световода канала передачи изображения 8, f_к - фокусное расстояние микролинзы 6, m=f_к/f_o.

Глубина резкости изображения в пространстве объектов составляет при этом, согласно известным законам геометрической оптики [3] Δ X=nλ /2A², где n - показатель преломления среды перед объектом (для воздуха n≈ 1,00), λ ≈ 0,5 мкм - длина волны света, A=nsinu - апертура микролинзы, u - апертурный угол. Для реальных микролинз с f_к≈ 1-3 мм в воздухе А≈ 0,5, что дает для Δ Х_o≈ 0,5 (0,5)²≈ 2,0 мкм, что совпадает с результатами эксперимента.

На фиг.2 показана схема конструктивного исполнения эндоскопа. Эндоскоп 1 крепится на объекте 8 с помощью устройств 6 и 7, позволяющих перемещать его в плоскости, нормальной оптической оси (например, стандартный препаратоводитель СT-I2 для микроскопов и т.п.). В свою очередь на этом устройстве крепится фланец 5. С помощью микровинта 3, относительно этого фланца 5 перемещается эндоскоп 1 с закрепленным на нем с помощью винта 2 держателем 4, на котором установлены винт микроподачи 3 и индикатор перемещения 10. На фланце 5 нанесена угловая шкала II для определения поворота эндоскопа вокруг его продольной оси относительно объекта 8. На боковой поверхности эндоскопа 1 нанесена также линейная шкала 9 для ориентировочной оценки глубины погружения эндоскопа в объект относительно его входного торца.

На фиг.3 показаны характерные положения эндоскопа при измерении глубины дефекта (Н) и соответствующие виды поля зрения при фокусировке на внешнюю поверхность дефекта (Δ Х=0) и его дно (Δ X=Н). На фиг.3 на изображениях полей зрения показаны также линейная шкала для измерения планарных размеров дефектов (шкала условно повернута на 45° относительно крестообразной светящейся автоколлимационной марки).

Устройство работает следующим образом.

Эндоскоп крепится на объекте, как показано на фиг.2. Линза 6 выводится из хода лучей стержнем 3 (фиг.1a), подключается осветитель 13 (фиг.1a) и производится поиск дефектов на дне объекта (например, глухого отверстия блока гидроусилителей и т.п.). При этом осветитель 10 (фиг.1a) выключен. При обнаружении дефекта оператор с помощью механизмов 6 и 7 (фиг.2) перемещения эндоскопа приводит изображение дефекта в центр поля зрения (совпадающего с перекрестием линейной шкалы окуляра). Затем заключают осветитель 10, вводят линзу 6 и фокусируют, эндоскоп погружают в объект до положения, при котором передняя фокальная плоскость совпадает с внутренней контролируемой поверхностью объектива 8. Последовательно фокусируют эндоскоп с помощью микровинта 3 на внешнюю поверхность дефекта 13 (фиг.2), добиваясь максимальной резкости изображения автоколлимационной марки (светящегося перекрестия). Фокусируют показания индикатора 10 для соответствующих положений эндоскопа и определяют их разность, соответствующую глубине (высоте) дефекта.

Планарные размеры дефекта измеряются при фокусировке на его внешнюю (или любую другую промежуточную) поверхность с помощью линейной шкалы окуляра. Таким образом при наблюдении дефектов типа раковин и/или трещины с конусообразным раскрывом можно построить трехмерную картину изменения контура дефекта для различных дополнительных фокусировок, т.е. реализовать метод 3-Д (трехмерной) оптической томографии.

Эндоскоп может быть снабжен стандартными средствами - цифровым фотоаппаратом, видеомагнитофоном, телекамерой и др., в т.ч. работающими совместно с ПЭВМ.

Литература

1. Бычков О.Д. Контроль внутренних поверхностей, М., Энергия, 1975, 120 с.

2. Патент US 4588294 А от 13.05.1986 г., 6 с.

3. Справочник конструктора оптико-механических приборов (В.А.Панов и др.), Л., Машиностроение, 1980, 742 с.

Формула изобретения

Эндоскоп для визуального поиска и измерения трехмерных дефектов, содержащий корпус, в котором расположены осветительный световод, объектив, канал передачи изображения, выполненный в виде регулярного световода или микротелекамеры, окуляр с линейной шкалой, а также устройство для крепления эндоскопа на объекте с возможностью трехмерного перемещения и поворота относительно продольной оси эндоскопа и соответствующие индикаторы этих перемещений, отличающийся тем, что дополнительно содержит светоделитель, расположенный между линейной шкалой и окуляром, непрозрачную маску с вырезом, установленную перпендикулярно оси, проходящей через точку пересечения светоделителя с оптической осью эндоскопа и перпендикулярно ей, и оптически сопряженную с линейной шкалой, осветитель для ее подсветки, и дополнительную микролинзу, вводимую с помощью дистанционного механизма в ход лучей перед объективом эндоскопа и располагаемую в корпусе эндоскопа на его оптической оси таким образом, что ее фокальная плоскость последовательно совпадает с наружной и внутренней поверхностями дефекта в процессе фокусировочных перемещений эндоскопа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3