DE102007045797A1

DE102007045797A1 - Röntgencomputertomographiesystem zur Darstellung flächiger Objekte

Info

Publication number: DE102007045797A1
Application number: DE200710045797
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Krüger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-04-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Röntgencomputertomographiesystem zur Darstellung eines bevorzugt flächigen Objekts (2), umfassend eine Transmissionstarget-Röntgenröhre (1), eine im Strahlengang der Transmissionstarget-Röntgenröhre angeordnete, zum Halten des Objekts und zum Rotieren desselben um eine Rotationsachse (R) ausgebildete Objekthalterung (3) und einen im Strahlengang der Transmissionstarget-Röntgenröhre nach der Rotationsachse angeordneten Bildaufnehmer (4) samt diesem nachgeschalteter Bildrekonstruktionseinheit (5) dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (R) im Wesentlichen parallel zur Hauptstrahlachse (E) des die Röntgenstrahlung erzeugenden Elektronenstrahls der Transmissionstarget-Röntgenröhre angeordnet ist und der Detektor sich im beleuchteten Halbraum außerhalb der Hauptebene befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Röntgencomputertomographiesystem mit dem sich bevorzugt flächige Objekte darstellen lassen sowie auf ein entsprechendes Röntgentomographieverfahren. Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Röntgencomputertomographiesystem und -verfahren zur hochauflösenden, artefaktarmen dreidimensionalen Darstellung großer flächiger Bauteile (wie beispielsweise Leiterplatten) verwenden.
Hoch integrierte elektronische Schaltungen (ICs) bedingen eine hochdichte Anschlussbelegung, die auf der Leiterplattenebene nur mit Mehrlagenleiterplatten zu entflechten ist. Diese Leiterplattentypen stellen die zerstörungsfreie Inspektion (Materialprüfung) mit Computertomographen (CT-Geräten) vor große Probleme. Aufgrund der Geometriebedingungen muss bei einer klassischen Computertomographie das Objekt in der Regel vollständig um eine Achse gedreht werden (Aufnahme einer Vielzahl von Projektionsbildern aus unterschiedlicher Richtung über mindestens 360°). Da die Vergrößerung der Computertomographie im Wesentlichen von dem erreichbaren minimalen Fokus-Drehachsen-Abstand abhängt, kann mit bekannten Computertomographieverfahren aufgrund der notwendigen vollständigen Drehung der abzubildenden Leiterplatte um die Drehachse lediglich die halbe Leiterplattengröße als minimaler Fokus-Drehachsen-Abstand erreicht werden. Falls Gebiete am Rand der Leiterplatte untersucht werden müssen, steigt der Fokus-Drehachsen-Abstand weiter und die Auflösung im rekonstruierten Bild sinkt.
Um dieses Dilemma zu umgehen ist beispielsweise die Swing-Laminographie bekannt, welche mit einem reduzierten Datensatz die tomographische Rekonstruktion durchführt. Bei der Swing-Laminographie entstehen allerdings große Artefakte, die die Bildqualität im rekonstruierten Schichtbild unter Umständen bis zur Unbrauchbarkeit mindern.
Darüber hinaus sind Verfahren der so genannten planaren Tomographie bekannt, hierbei handelt es sich um Verfahren mit einer angepassten Scannergeometrie, welche speziell für Leiterplatte entwickelt wurden. Bei solchen Verfahren ergeben sich allerdings vergleichsweise schlechte Ebenentrennungen, so dass diese Verfahren nur für Leiterplatten mit wenigen, weit entfernten Leiterplattenebenen in der Lage ist, die Ebenen vollständig zu trennen (schlechte Auflösung in normaler Richtung).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Röntgentomographiesystem zur Verfügung zu stellen, welches es erlaubt, große, flächige Bauteile mit vielen intrintischen Details auf einfache, umfassende, in allen Raumrichtungen möglichst hochauflösende Art und Weise abzubilden. Aufgabe ist es darüberhinaus, ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch das Röntgencomputertomographiesystem gemäß Anspruch 1 sowie durch das Röntgentomographieverfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen lassen sich den jeweiligen abhängigen Ansprüchen entnehmen. Erfindungsgemäße Verwendungen sind im Anspruch 14 beschrieben.
Grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine Transmissionsröntgenröhre bzw. eine Röntgenröhre mit einem Transmissionstarget zu verwenden und diese Transmissionsröntgenröhre so im Raum auszurichten, dass die Hauptstrahlachse des die Röntgenstrahlung erzeugenden Elektronenstrahls (somit diejenige Achse, entlang derer die Elektronen in der Röhre beschleunigt werden) im Wesentlichen parallel, vorzugsweise exakt parallel, zur Drehachse, also zu derjenigen Achse, um die das aufzunehmende Objekt bei der Aufnahme der einzelnen Projektionsbilder gedreht wird, ausgerichtet ist.
Vorzugsweise wird hierzu die Röntgenröhre bzw. die Beschleunigungsstrecke für die Elektronen auf einer Seite der Hauptebene bzw. in einem Halbraum angeordnet und das abzubildende Objekt sowie vorzugsweise auch der Bildaufnehmer bzw. Detektor auf der anderen Seite der Hauptebene bzw. im anderen Halbraum. Die Hauptebene ist hierbei diejenige Ebene, welche senkrecht zur Drehachse steht und durch den Fokus der Transmissiontarget-Röntgenröhre geht.
Durch die beschriebene geometrische Ausrichtung der Transmissionstarget-Röntgenröhre (nachfolgend auch kurz: Transmissionsröhre) ist es möglich, die Drehachse sehr nahe am Röntgenfokus der Röhre zu positionieren. Dies erst ermöglicht es, die gewünschte hohe Auflösung zu erreichen. Der Einsatz einer Transmissionsröhre ist hierbei insbesondere deswegen notwendig, weil mit den üblicherweise eingesetzten Reflexionsröhren aufgrund des seitlichen Austritts aus dem Strahlungsfenster keine für die erfindungsgemäß notwendige Geometrie ausreichend große Öffnungswinkel des Strahlenkegels möglich sind.
Durch die beschriebene Anordnung der Transmissionsröhre wird somit der Halbraum auf der der Röhre abgewandten Seite der Hauptebene des Systems (= unterhalb der Hauptebene) mit Röntgenlicht ausgeleuchtet. In diesem Halbraum wird dann vorzugsweise neben dem abzubildenden Objekt auch der gesamte Detektor bzw. Bildaufnehmer positioniert, um die gesamte Fläche des Detektors ausnutzen zu können. Vorzugsweise wird der Detektor in der Hauptebene gesehen symmetrisch zu der in der Hauptebene verlaufenden Verbindungslinie von Fokus und Drehachse ausgerichtet (Anordnung des Detektormittenspaltes auf dieser Verbindungslinie). Da auf diese Art und Weise die Drehachse und der Detektormittenspalt parallel sind, liegt eine normale dreidimensionale Computertomographie-Geometrie vor, die mit vorhandenen hochwertigen Rückprojektionsalgorithmen (die dem Fachmann bekannt sind) rekonstruiert werden kann. Die senkrechte Verschiebung Δy des Zentrums bzw. der Mitte des Bildaufnehmers in Richtung unterhalb der Hauptebene bzw. senkrecht zu dieser wird dann entweder in einer Bildnachbearbeitung der Projektionen oder später im Rekonstruktionsalgorithmus selbst berücksichtigt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Detektor von dem unterhalb der Hauptebene gelegenen Halbraum auf den oberhalb der Hauptebene gelegenen Halbraum erweitert wird, indem entsprechende virtuelle Pixel mit Leerwerten gefüllt werden. Es liegt dann ein virtuell erweiterter Detektor vor, welcher zur Hauptebene symmetrisch ist.
Das erfindungsgemäße Röntgentomographiesystem bzw. -verfahren weist gegenüber den bekannten Systemen bzw. Verfahren eine Reihe von Vorteilen auf:

– Die beschriebene Geometrie vereinigt die Vorteile der planaren Tomographie mit ihrer hohen erreichbaren Auflösung in lateraler Richtung und der axialen 3D-Tomographie mit ihrem exzellenten Auflösungsvermögen in alle Raumrichtungen.
– Da die Röhre keine begrenzende Fläche für die Drehung darstellt, kann die geometrische Vergrößerung auch für große Objekte beliebig gesteigert werden. Die Bildqualität wird somit nicht von der Objektgröße beeinflusst.
– Der Bereich des Objekts, der während der Aufnahme aus dem Rekonstruktionsbereich wandert, ist so klein, dass nur wenige Artefakte (insbesondere nur wenige Region-of-Interest-Artefakte, ROI-Artefakte) entstehen.
– Die dem Fachmann bekannten, bewährten Rekonstruktionsalgorithmen können nach der beschriebenen minimalen Anpassung (Symmetrisierung des Detektors, virtuell erweiterter Detektor) verwendet werden.
– Der gesamte Aufbau zeichnet sich durch eine einfache und leichte Justagemöglichkeit aus.
– Es besteht die Möglichkeit, verschiedene Bereiche einer Leiterplatte bzw. eines flachen Objektes hochauflösend darzustellen. Eine Automatisierung ist leicht möglich.
– Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau können höchste Auflösungen in lateraler Richtung (senkrecht zur Drehachse) und in normaler Richtung (parallel zur Drehachse) bezüglich des ebenen Objekts erreicht werden.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben.
1 zeigt dieses Ausführungsbeispiel.
1 zeigt die Anordnung einer Transmissionstarget-Röntgenröhre 1 im Raum. Bei dieser Röntgenröhre 1 werden zur Erzeugung der Röntgenstrahlung die Elektronen entlang der Röhrenlängsachse (Achse E, nachfolgend auch Hauptstrahlachse genannt) beschleunigt und treffen in dem Bereich, der hier mit FO (für Fokus) bezeichnet ist auf das Target und erzeugen in diesem die Röntgenstrahlung. Aufgrund dieser Ausgestaltung beleuchtet die Röntgenstrahlung praktisch den gesamten Halbraum S1 unterhalb der Hauptebene H (siehe nachfolgend).
In einem Bereich des seitlichen Strahlenkegels der Röhre 1 ist nun eine hier als Drehtisch ausgebildete Objekthalterung 3 angeordnet, auf welcher das abzubildende Objekt (Leiterplatte 2) angeordnet ist. Der Objekttisch 3 ist hier um die Achse R drehbar, so dass das auf ihm angeordnete Objekt 2 ebenfalls um diese Achse gedreht wird (Rotationsachse R der Anordnung). Die Transmissionsröhre 1 ist nun so im Raum angeordnet, dass die Hauptstrahlachse E parallel zur Drehachse R ist. Die Rotationsachse bzw. Drehachse R weist hierbei den Abstand a zur Hauptstrahlachse E auf: Dieser Abstand a beträgt hier etwa zwei Drittel des maximalen Durchmessers d der Transmissionsröhre 1 (bzw. deren Gehäuses) senkrecht zur Hauptstrahlachse E. Definiert man nun diejenige Ebene, welche durch den Fokus FO der Röhre 1 geht und senkrecht auf der Drehachse R (hier somit auch auf der Hauptstrahlachse E) steht als die Hauptebene H, so ist im gezeigten Fall die Röhre 1 im Halbraum S2 oberhalb der Hauptebene H (bzw. auf der einen Seite der Hauptebene H) angeordnet, der Drehtisch 3 samt dem darauf angeordneten abzubildenden Objekt 2 (und der Detektor 4, siehe nachfolgend) ist auf der anderen Seite S1 der Hauptebene H bzw. im gegenüberliegenden Halbraum in Bezug auf die Hauptebene H gesehen angeordnet. Hierbei ist die Röhre 1 unmittelbar angrenzend an die Hauptebene H im Bereich S2 angeordnet, das Objekt 2 ist unmittelbar benachbart (sehr kleiner Abstand) zur Hauptebene H im Bereich S1 angeordnet: flacher mittlerer Beleuchtungswinkel α (hier ca. 20°) der Beleuchtung des Objekts 2 durch den Strahlenkegel K (α in Bezug auf die Hauptebene gemessen).
Aufgrund dieser Geometrie ist es möglich, die Drehachse R möglichst nahe an dem Röntgenfokus zu positionieren und somit einen minimalen Fokus-Drehachsen-Abstand zu erzielen bzw. die erfindungsgemäß praktisch beliebige Vergrößerung zu erreichen. Im Extremfall ist es hierbei sogar möglich, durch Anordnung der Transmissionsröhre 1 direkt oberhalb des abzubil denden Objektes 2 (die Hauptstrahlachse E und die Drehachse R fallen in diesem Fall zusammen) nur einen Teil des abzubildenden Objektes mit höchster Vergrößerung abzubilden (das Objekt ist dann deutlich größer als der mittels des Strahlenkegels K auf dem Detektor 4 abgebildete Bereich). Wie Untersuchungen zeigen, ist, obwohl der Fachmann bei einer solchen Abbildungsgeometrie hier Randartefakte im rekonstruierten Bild erwarten würde, eine solche Abbildung ohne größere Artefaktproblematiken möglich. Ggf. können hierbei optional Korrekturen vorgenommen werden, insbesondere kann z. B. der bei einer ROI-CT auftretende Rand vom rekonstruierten Volumen abgeschnitten werden.
Im Strahlengang hinter dem abzubildenden Objekt 2 und dem Drehtisch 3 ist unterhalb der Hauptebene H (im Halbraum S1 bzw. dem Halbraum der Elemente 2, 3) der Bildaufnehmer 4 in Form eines a-Si:H-Detektors (dem Fachmann bekannt) angeordnet. Die gesamte röntgensensitive Fläche F dieses Detektors befindet sich somit im Bereich des unteren Halbraums S1. Dies wurde durch eine Verschiebung des Detektors bzw. dessen Mitte M um die Strecke Δy von der Hauptebene H in den Halbraum S1 realisiert. Der Detektor ist hierbei so angeordnet, dass die Bildaufnehmerfläche F senkrecht zur Hauptebene H und senkrecht zur in der Hauptebene H liegenden Verbindungslinie von Fokus FO und Drehachse R liegt. In Richtung senkrecht zur skizzierten Schnittebene gesehen, ist der Detektor 4 dabei symmetrisch zu dieser Verbindungslinie angeordnet (das heißt, diese Verbindungslinie trifft den Detektormittenspalt).
Wie dem Fachmann bekannt ist, wird nun bei der Aufnahme der Computertomographie das Objekt 2 mittels des Drehtisches 3 um die Achse R gedreht und es werden eine Vielzahl von Projektionsaufnahmen aus unterschiedlichen Winkelstellungen vom Detektor 4 erfasst. Beispielsweise können die Aufnahmen im 1-Grad-Abstand getätigt werden, so dass bei einer vollen Umdrehung von 360° dreihundertsechzig einzelne Projektionen, aus denen dann das rekonstruierte Bild des Objektes 2 berechnet wird, aufgenommen werden. Zur Rekonstruktion ist der Detektor 4 auf übliche Art und Weise mit einer Rekonstruktionseinheit 5 (hier als PC ausgebildet) verbunden.
Insbesondere zeigen Experimente mit dem dargestellten Aufbau, dass die Intensität der Röntgenstrahlung auch bei dem notwendigen flachen Abstrahlwinkel des Transmissionskopfes (der mittlere Winkel α des abgestrahlten, zur Abbildung des Objekts genutzten Strahlenkegels K beträgt hier etwa 20°) hoch genug ist, um qualitativ hochwertige Projektionen zu erhalten, die dem bekannten Rekonstruktionsalgorithmus zugeführt werden können. Da die Aufnahmegeometrie bereits außerhalb des strengen mathematischen Gültigkeitsbereiches des Rekonstruktionsalgorithmus (Feldkampwinkel) Daten erzeugt, sind intrinsische Artefakte in der Rekonstruktion nicht ganz zu vermeiden, diese sind jedoch überraschend gering und bedeuten praktisch keine wesentliche Verschlechterung der rekonstruierten Bildqualität. Aus diesem Grund ist jedoch eine Verringerung der Projektionszahl möglich, ohne die Bildqualität zu beeinflussen (im gezeigten Fall werden hier deswegen etwa 360 Projektionen anstelle von 720 Projektionen pro Vollumdrehung erfasst).

Claims

Röntgencomputertomographiesystem zur Darstellung eines bevorzugt flächigen Objekts (2), umfassend eine Transmissionstarget-Röntgenröhre (1), eine im Strahlengang der Transmissionstarget-Röntgenröhre angeordnete, zum Halten des Objekts und zum Rotieren desselben um eine Rotationsachse (R) ausgebildete Objekthalterung (3) und einen im Strahlengang der Transmissionstarget-Röntgenröhre nach der Rotationsachse angeordneten Bildaufnehmer (4) samt diesem nachgeschalteter Bildrekonstruktionseinheit (5) dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (R) im wesentlichen parallel zur Hauptstrahlachse (E) des die Röntgenstrahlung erzeugenden Elektronenstrahls der Transmissionstarget-Röntgenröhre angeordnet ist.
Röntgencomputertomographiesystem nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der Hauptstrahlachse (E) und der Rotationsachse (R) kleiner als 10°, bevorzugt kleiner als 5°, bevorzugt kleiner als 2°, bevorzugt kleiner als 1°, bevorzugt kleiner als 0.5°, bevorzugt kleiner als 0.2° beträgt.
Röntgencomputertomographiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Abstand a zwischen der Hauptstrahlachse (E) und der Rotationsachse (R) kleiner als der maximale Gehäusedurchmesser d der Transmissionstarget-Röntgenröhre senkrecht zur Hauptstrahlachse (E) ist.
Röntgencomputertomographiesystem nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis V = a/d kleiner gleich 0.5, bevorzugt kleiner gleich 0.2, bevorzugt kleiner gleich 0.1 ist und/oder dass die Hauptstrahlachse (E) und die Rotationsachse (R) übereinstimmen.
Röntgencomputertomographiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer (4) mit mindestens 80% seiner röntgenempfindlichen Fläche (F), bevorzugt mit seiner gesamten röntgenempfindlichen Fläche (F) auf einer ersten Seite (S1) der senkrecht zur Rotationsachse (R) durch den Fokus (FO) der Transmissionstarget-Röntgenröhre verlaufenden Hauptebene (H) des Systems angeordnet ist und dass die Transmissionstarget-Röntgenröhre (1) auf der der ersten Seite (S1) gegenüberliegenden Seite (S2) der Hauptebene (H) angeordnet ist.
Röntgencomputertomographiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die röntgenempfindliche Fläche (F) des Bildaufnehmers (4) senkrecht zur Hauptebene (H) und senkrecht zu der Verbindungslinie, welche vom Fokus (FO) der Transmissionstarget-Röntgenröhre in der Hauptebene (H) durch die Rotationsachse (R) verläuft, angeordnet ist.
Röntgencomputertomographiesystem nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer in Richtung der Hauptebene gesehen symmetrisch zu dieser Verbindungslinie angeordnet ist.
Röntgencomputertomographiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch ein von der Objekthalterung (3) gehaltenes, um die Rotationsachse rotierbar angeordnetes Objekt (2).
Röntgencomputertomographiesystem nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (2) auf einer ersten Seite (S1) der Hauptebene (H) des Systems angeordnet ist und dass die Transmissionstarget-Röntgenröhre (1) auf der der ersten Seite (S1) gegenüberliegenden Seite (S2) der Hauptebene (H) angeordnet ist.
Röntgencomputertomographiesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen zusammen mit dem Objekt (2) um die Rotationsachse (R) rotierbaren Rotationstisch als Objekthalterung (3) und/oder einen Flächendetektor als Bildaufnehmer (4), wobei bevorzugt das Zentrum des Flächendetektors unterhalb der Hauptebene (H) angeordnet ist, und/oder eine Mikrofokus-Röntgenröhre als Transmissionstarget-Röntgenröhre (1).
Röntgencomputertomographieverfahren zur Darstellung eines bevorzugt flächigen Objekts (2), wobei mit einer Transmissionstarget-Röntgenröhre (1) Röntgenstrahlung erzeugt wird, wobei das Objekt mittels einer Objekthalterung (3) im Strahlengang der Transmissionstarget-Röntgenröhre gehalten und um eine Rotationsachse (R) rotiert wird und wobei mittels eines im Strahlengang der Transmissionstarget-Röntgenröhre nach dem Objekt angeordneten Bildaufnehmers (4), welcher eine ihm nachgeschaltete Bildrekonstruktionseinheit (5) aufweist, unter je nach Rotationszustand des Objekts unterschiedlichen Projektionswinkeln Röntgenprojektionsabbildungen des Objekts erzeugt werden und aus diesen mittels der Bildrekonstruktionseinheit (5) eine Schnittbildansicht des Objekts rekonstruiert wird dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt um die Rotationsachse (R) im wesentlichen parallel zur Hauptstrahlachse (E) des die Röntgenstrahlung erzeugenden Elektronenstrahls der Transmissionstarget-Röntgenröhre rotiert wird.
Röntgencomputertomographieverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mir einem Röntgencomputertomographiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchgeführt wird.
Röntgencomputertomographieverfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass pro Vollumdrehung des Objekts um 360° zwischen 100 und 1600, bevorzugt zwischen 200 und 1000, bevorzugt zwischen 300 und 600 Projektionen aufgenommen werden.
Verwendung eines Röntgencomputertomographiesystems oder eines Röntgencomputertomographieverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche in der Qualitätssicherung oder in der Materialprüfung, insbesondere zur Abbildung von bestückten oder unbestückten Leiterplatten.