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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bildgebungssystem sowie ein Bildgebungsverfahren zur Untersuchung eines Prüfobjekts, insbesondere eines Fahrzeugbauteils.
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Bildgebungssysteme verschiedener Art können bei der Entwicklung oder Produktion eines Kraftfahrzeuges zum Einsatz kommen, um mit menschlichen Sinnen nur ungenau lokalisierbare Signalquellen, insbesondere Wärmequellen oder Schallquellen, zu visualisieren. Beispielsweise können Wärmebildkameras (sogenannte Infrarotkameras) dazu verwendet werden, Wärmequellen (insbesondere „Hotspots“) in einem Fahrzeugbauteil des Kraftfahrzeuges aufzuspüren. Wenn das Fahrzeugbauteil beispielsweise Teil der Fahrzeugelektronik ist, kann die Wärmequelle auf einen elektrischen Kurzschluss hinweisen. In einem anderen Anwendungsbeispiel können Schallquellen mittels akustischer Kameras (in der Literatur auch als Akustikkameras oder Schallkameras bezeichnet) auf einem Display dargestellt werden, um sie zu orten. Dies ermöglicht, Fahrzeugbauteile dahingehend zu optimieren, dass sie vergleichsweise hohen NVH- (Noise-Vibration-Harshness-) Anforderungen gerecht werden. Beispielsweise können mittels dieser akustischen Kameras bei mechanischer Beanspruchung knarzende Fahrzeugbauteile erkannt werden.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bildgebungssystem bereitzustellen, mittels dessen eine Signalquelle, insbesondere eine Schallquelle oder eine Wärmequelle, in einem Prüfobjekt vergleichsweise genau, einfach und intuitiv visualisiert werden kann. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Bildgebungsverfahren bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Bildgebungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Bildgebungsverfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
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Das Bildgebungssystem ist zur Untersuchung eines Prüfobjekts, insbesondere eines vorzugsweise undurchsichtigen Fahrzeugbauteils, vorgesehen und umfasst eine Röntgenbildgebungseinrichtung mit einer Röntgenquelle und einem der Röntgenquelle gegenüberliegend angeordneten Röntgendetektor, wobei die Röntgenbildgebungseinrichtung dazu angeordnet ist, einen auf einer Verbindungsachse zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor befindlichen Erfassungsbereich zu durchstrahlen, um mindestens einen Projektionsdatensatz von dem Erfassungsbereich zu erzeugen (zu erfassen), und mindestens eine auf den Erfassungsbereich gerichtete Kamera, die als akustische Kamera oder Wärmebildkamera ausgebildet und dazu angeordnet ist, sich aus dem Erfassungsbereich in Richtung der Kamera ausbreitende Signale, insbesondere akustische Signale (Schallwellen) beziehungsweise elektromagnetische Signale im Spektralbereich der Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung), zu erfassen. Darüber hinaus umfasst das Bildgebungssystem eine Steuereinrichtung, die mit dem Röntgendetektor und der Kamera signalübertragend verbunden und dazu ausgelegt ist, von dem Erfassungsbereich mindestens ein erstes Bild auf Basis des Projektionsdatensatzes, mindestens ein zweites Bild auf Basis der Signale sowie mindestens ein drittes Bild zu erzeugen, wobei in dem dritten Bild das erste Bild und das zweite Bild zumindest bereichsweise einander überlagert sind, und eine Anzeigeeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das dritte Bild anzuzeigen.
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Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine Schall- bzw. Wärmequelle, insbesondere in einem relativ undurchsichtigen Prüfobjekt, präziser zu lokalisieren, ohne das Prüfobjekt zu zerstören. Wegen der Durchleuchtung des Prüfobjekts mittels Röntgenstrahlen kann dem Benutzer ein Eindruck von der inneren Struktur des Prüfobjekts vermittelt werden. Im Bereich dieser inneren Struktur entstehende Signale (beispielsweise Schallwellen) können sich aus dem Prüfobjekt hinaus ausbreiten und schließlich von der (mindestens einen) Kamera erfasst werden. Somit kann dem Benutzer des Bildgebungssystems relativ genau vermittelt werden, aus welchem Teil der inneren Struktur die Signale tatsächlich stammen.
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Wenn in einem die Funktionsweise verdeutlichenden Beispiel das Prüfobjekt ein außenseitig opakes Fahrzeugbauteil mit einem losen Niet im Inneren ist, kann der Niet zum Schwingen im Fahrzeugbauteil angeregt werden, um ein Schallsignal zu erzeugen. Der Niet kann somit im ersten Bild (Röntgenbild) gezeigt sein. Wenn die (mindestens eine) Kamera als akustische Kamera ausgebildet ist, kann ein Intensitätsfeld des Schallsignals im zweiten Bild dargestellt sein. Im dritten Bild kann folglich vermöge der Überlagerung verdeutlicht sein, dass das Schallsignal tatsächlich vom losen Niet stammt. Diese Funktionsweise lässt sich entsprechend auf die Erfassung eines Infrarotbildes mittels der genannten Wärmebildkamera übertragen.
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Im Kontext der vorliegenden Offenbarung bezeichnet der Begriff „Erfassungsbereich“ einen Raumbereich zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor, der im Betrieb der Röntgenbildgebungseinrichtung mittels Röntgenstrahlen durchstrahlt wird, die vom Röntgendetektor detektiert (erfasst) werden. Die genannte Verbindungsachse verläuft somit durch den Erfassungsbereich hindurch. Zur Untersuchung des Prüfobjekts wird ein interessierender Bereich des Prüfobjekts oder das gesamte Prüfobjekt bestimmungsgemäß im Erfassungsbereich angeordnet.
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Die Röntgenbildgebungseinrichtung kann in einer Variante als Röntgengerät ohne Tomographiefunktion ausgestaltet sein, bei dem die Röntgenquelle und der Röntgendetektor während der gesamten Untersuchung, insbesondere während des gesamten Durchstrahlens, im Umgebungskoordinatensystem ortsfest bleiben. In einer weiteren, unten näher erläuterten Variante kann die Röntgenbildgebungseinrichtung zur computertomographischen Bildgebung eingerichtet, also als (Röntgen-) Computertomograph ausgestaltet, sein. Die Röntgenquelle ist in beiden dieser Varianten vorzugsweise dazu eingerichtet, den Röntgenstrahl mit flächigem Querschnitt senkrecht zur Verbindungsachse, insbesondere als Kegelstrahl oder kollimierten Strahl, derart zu emittieren, dass eine gesamte, der Röntgenquelle zugewandte, zur Erfassung vorgesehene Einfallsfläche des Röntgendetektors gleichzeitig angestrahlt wird. Alternativ ist es denkbar, dass der Röntgenstrahl einen linienförmigen Querschnitt senkrecht zur Verbindungsachse aufweist, insbesondere ein Fächerstrahl ist. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass die Röntgenquelle quer (insbesondere senkrecht) zur Verbindungsachse verlagert wird, um den Röntgenstrahl über eine der Röntgenquelle zugewandte Einfallsfläche des Röntgendetektors zu scannen. Der Röntgendetektor ist vorzugsweise als digitaler Detektor, insbesondere als Flachbilddetektor für die Röntgenstrahlen, ausgebildet.
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Wenn der Röntgenstrahl den flächigen Querschnitt aufweist, kann das erste Bild relativ schnell erzeugt werden, ohne den interessierenden Bereich des Prüfobjekts abscannen zu müssen. Die Röntgenbildgebungseinrichtung und die Steuereinrichtung können entsprechend dazu ausgelegt sein, das erste Bild innerhalb von weniger als 1 Sekunde oder weniger als 0,5 Sekunden (samt dem Durchstrahlen) zu erzeugen. Durch Wiederholen des Durchstrahlens und Erzeugens des ersten Bildes kann eine erste Bildsequenz aus mehreren ersten Bildern erzeugt werden. Insbesondere kann die erste Bildsequenz mindestens 10 Bilder pro Sekunde oder mindestens 20 Bilder pro Sekunde aufweisen, sodass das Bildgebungssystem im Wesentlichen zur Echtzeitbildgebung ausgebildet sein kann.
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Die mindestens eine Kamera kann ortsfest (im Bezugssystem der Röntgenbildgebungseinrichtung) an der Röntgenbildgebungseinrichtung, insbesondere am Röntgendetektor und/oder an der Röntgenquelle, befestigt sein. Um das erste Bild und das zweite Bild wie nachstehend beschrieben möglichst einfach registrieren zu können, kann die Kamera entlang der Verbindungsachse in Richtung der Röntgenquelle oder des Röntgendetektors ausgerichtet sein. Eine Kameraachse der Kamera kann dabei parallel zur Verbindungsachse verlaufen. Vorzugsweise ist die Kamera koaxial zur Röntgenbildgebungseinrichtung, insbesondere zum Röntgendetektor und/oder zur Röntgenquelle, ausgerichtet. Außerdem ist es bei der vorliegenden Technologie denkbar, dass die Kameraachse die Verbindungsachse unter einem spitzen Winkel kreuzt. Vorteilhafterweise ist dieser Winkel kleiner als 30 °, vorzugsweise kleiner als 15 °, höchstvorzugsweise kleiner als 5 °, sodass die Kameraachse nahezu parallel zur Verbindungsachse verläuft. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass die Kamera, insbesondere wenn es sich bei ihr um eine Wärmebildkamera handelt, eine Einfallsfläche aufweist, die lediglich in einer Richtung senkrecht zur Verbindungsachse gegenüber der Einfallsfläche des Röntgendetektors versetzt ist. Beispielsweise kann die Einfallsfläche der Kamera vertikal relativ zur Einfallsfläche des Röntgendetektors versetzt angeordnet sein.
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Vorzugsweise verlaufen die Bildebene des ersten Bildes senkrecht zur Verbindungsachse und die Bildebene des zweiten Bildes senkrecht zur Kameraachse. Das erste Bild und das zweite Bild können dabei so ausgerichtet sein, dass ihre Hauptachsen (x- und y-Achsen der Bilder) jeweils parallel zueinander verlaufen. D.h., die x-Achse des ersten Bildes kann parallel zur x-Achse des zweiten Bildes und/oder die y-Achse des ersten Bildes kann parallel zur y-Achse des zweiten Bildes verlaufen. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die im ersten Bild und zweiten Bild dargestellten Teile des Erfassungsbereiches einander überlappen. Höchstvorzugsweise sind das erste Bild und das zweite Bild kongruent.
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Wenn die Röntgenbildgebungseinrichtung (in Wechselwirkung mit der Steuereinrichtung) zur computertomographischen Bildgebung eingerichtet ist, kann die mindestens eine Kamera in fester Lagebeziehung relativ zur Verbindungsachse zusammen mit der Röntgenquelle und/oder dem Röntgendetektor um den Erfassungsbereich drehbar am Bildgebungssystem, insbesondere an der Röntgenbildgebungseinrichtung, montiert sein. Somit kann die mindestens eine Kamera (in Wechselwirkung mit der Steuereinrichtung) ebenfalls zur computertomografischen Bildgebung eingerichtet sein. Bei dieser computertomografischen Bildgebung mittels der mindestens einen Kamera können mehrere zweite Bilder analog zur computertomografischen Bildgebung mittels der Röntgenbildgebungseinrichtung, welche de facto auf Basis mehrerer erster Bilder erfolgt, zur Rekonstruktion verwendet werden.
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Grundsätzlich können zur computertomografischen Bildgebung mittels der Röntgenbildgebungseinrichtung beziehungsweise der mindestens einen Kamera die Gruppe aus Röntgenquelle und Röntgendetektor beziehungsweise die mindestens eine Kamera, insbesondere um eine bevorzugt durch den Erfassungsbereich verlaufende Zylinderachse, um den interessierenden Bereich gedreht oder der interessierende Bereich im Erfassungsbereich um die Zylinderachse rotiert werden. Vorzugsweise kann die Röntgenbildgebungseinrichtung also dazu eingerichtet sein, insbesondere um die Zylinderachse, die Röntgenquelle und den Röntgendetektor zusammen um den Erfassungsbereich zu scannen, um dabei jeweils einen der Projektionsdatensätze aus vorbestimmten Blickrichtungen auf den Erfassungsbereich zu erfassen. Die den Blickrichtungen entsprechenden Positionen von Röntgendetektor und Kamera können im durch die Zylinderachse festgelegten Koordinatensystem unterschiedliche Azimutalwinkel aufweisen. In einer weiteren Variante kann das Bildgebungssystem dazu eingerichtet sein, die jeweilige computertomographische Bildgebung (d.h., die Computertomographie mittels der Röntgenbildgebungseinrichtung beziehungsweise mittels der Kamera(s)) laminographisch durchzuführen.
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Die mindestens eine Kamera kann fest mit der Röntgenquelle und/oder dem Röntgendetektor verbunden sein, sodass bei den computertomographischen Varianten entsprechende Signale zum Erzeugen des zweiten Bildes mit diesen selben Blickrichtungen erfasst werden können. In der Folge kann die Steuereinrichtung pro Blickrichtung einen Projektionsdatensatz sowie Signale (d.h., einen Satz von Signalen) bereitgestellt bekommen, aus denen sie das jeweilige erste Bild beziehungsweise das jeweilige zweite Bild erzeugen kann. Indem die Kamera und der Röntgendetektor parallel zueinander um die Zylinderachse bewegt werden, können die ersten und zweiten, vorteilhafterweise miteinander registrierten, Bilder aus denselben Perspektiven erzeugt werden. Der dadurch erzeugte Satz von ersten Bildern kann zur Rekonstruktion eines ersten Rekonstruktionsbildes verwendet werden, welches als Schnittbild oder dreidimensionales Bild (3D-Bildpunktmatrix) ausgestaltet sein kann. Analog dazu kann der entsprechend erzeugte Satz von zweiten Bildern zur Rekonstruktion eines zweiten Rekonstruktionsbildes verwendet werden, welches ebenfalls als Schnittbild oder dreidimensionales Bild (3D-Bildpunktmatrix) ausgestaltet sein kann.
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Wenn der Röntgendetektor und die Kamera wie oben beschrieben gescannt werden, sind die Röntgentomographie und die Kamera-basierte Tomographie konzeptionell identisch. Die Steuereinrichtung kann somit vorteilhafterweise dazu ausgelegt sein, das erste Rekonstruktionsbild und das zweite Rekonstruktionsbild mittels desselben Typs von Rekonstruktionsalgorithmus zu rekonstruieren. Das Bildgebungssystem kann daher vergleichsweise einfach programmierbar sein. Bei dem Rekonstruktionsalgorithmus kann es sich insbesondere um gefilterte Rückprojektion handeln. Höchstvorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, das zweite Bild mittels eines Rückprojektionsalgorithmus zu rekonstruieren. Alternativ kann die Rekonstruktion mittels eines anderen bekannten analytischen, algebraischen oder statistischen Rekonstruktionsverfahrens durchgeführt werden.
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Wenngleich, wie oben erläutert, eine Kopplung zwischen der Bewegung der Kamera(s) und der Röntgenquelle/dem Röntgendetektor bevorzugt ist, kann alternativ denkbar sein, dass die mindestens eine Kamera in ihrer Drehbewegung um die Zylinderachse von der Bildgebungseinrichtung entkoppelt ist. Auf diese Weise können die Kamera-basierte Computertomographie (d.h., die Computertomographie mittels der mindestens einen Kamera) und die Röntgen-Computertomographie (d.h., die Computertomographie mittels der Röntgenbildgebungseinrichtung) unabhängig voneinander durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine noch flexiblere Untersuchung des Prüfobjekts. Beispielsweise können mehrere von den Kameras vorgesehen sein, die unter einem vorbestimmten Winkel zueinander, vorzugsweise in in Umfangsrichtung gleichmäßigen Abständen voneinander, angeordnet sind. Z.B. können n Kameras in einem Winkel von 360° / n zueinander um den Erfassungsbereich herum positioniert sein.
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Vergleichsweise schnell ablaufende Prozesse im interessierenden Bereich können mit dem Bildgebungssystem gemäß dieser Ausgestaltung besser visualisiert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Kamera(s) als Wärmebildkamera(s) ausgestaltet ist/sind, denn Wärme kann sich relativ schnell verflüchtigen. Wenn die Kameras des Bildgebungssystems statisch positioniert sind und gleichzeitig oder nacheinander betrieben werden (ohne dass die Kameras gegenständlich tomographisch gescannt/bewegt werden), können die zugehörigen n ersten Bilder im Wesentlichen gleichzeitig oder nacheinander, insbesondere auf Basis gleichzeitig erfasster Signale aus dem Erfassungsbereich, erzeugt werden. Zur Computertomografie reicht es entsprechend, den Winkel von 360° / n abzuscannen. Vermöge der Entkopplung kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, die Röntgen-Computertomografie mit einer anderen Scangeschwindigkeit und/oder zeitlich unabhängig von der Kamera-basierten Computertomografie durchzuführen.
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Insbesondere wenn die Kamera als akustische Kamera ausgebildet ist, kann das Bildgebungssystem ferner eine Anregungseinrichtung umfassen, welche mittels der Steuereinrichtung ansteuerbar und/oder mit dem Prüfobjekt (direkt oder indirekt, beispielsweise über die Umgebungsluft) mechanisch gekoppelt sein kann. Die Anregungseinrichtung kann dazu ausgelegt sein, zur Computertomographie das Prüfobjekt im Erfassungsbereich um eine senkrecht zur Verbindungsachse verlaufende z-Achse (die Zylinderachse) zu drehen. Diese Anregungseinrichtung kann ein Stellglied, insbesondere ein elektromechanisches Stellglied oder ein Piezo-basiertes Stellglied, eine Rüttelplatte (sogenannter Shaker), ein Gebläse und/oder eine elektrische Stromquelle aufweisen.
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Vorteilhafterweise dient die Anregungseinrichtung dazu, zumindest einen im Erfassungsbereich angeordneten interessierenden Bereich des Prüfobjekts zum Emittieren der Signale anzuregen. Im oben erläuterten Beispiel des lockeren Niets im Prüfobjekt kann also das Prüfobjekt auf das Stellglied (beziehungsweise eines Trägerabschnitts des Stellgliedes) gelegt und somit zum Vibrieren angeregt werden. Der Niet kann entsprechend in seiner Aufnahme schwingen, um das potentiell störende Schallsignal (Schallwelle) abzugeben. Analog kann die Anregungseinrichtung im Fall der Wärmebildkamera eine mit dem Prüfobjekt (beispielsweise einem elektronischen Fahrzeugbauteil mit einem Kurzschluss) verbundene Stromquelle sein. Aufgrund des Kurzschlusses kann das Prüfobjekt ein entsprechendes infrarotes elektromagnetisches Signal aussenden.
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Das Steuersignal zum Ansteuern der Anregungseinrichtung kann von der Steuereinrichtung stammen. Über dieses Steuersignal kann die Steuereinrichtung eine Schwingungsfrequenz der Anregungseinrichtung, insbesondere des Stellgliedes, durchstimmen (ändern). Die Steuereinrichtung kann dazu ausgelegt sein, die Schwingungsfrequenz beispielsweise in Abhängigkeit von einem variablen Parameter der Kamera und/oder der Röntgenbildgebungseinrichtung (beispielsweise der Strahlintensität der Röntgenquelle) einzustellen.
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Wenn die mindestens eine Kamera als akustische Kamera ausgebildet ist, kann sie in einer bevorzugten Variante eine Anordnung aus mehreren Mikrofonen aufweisen. Diese Mikrofone können, insbesondere in gleichen Abständen, um die der Röntgenquelle zugewandte Einfallsfläche des Röntgendetektors herum angeordnet sein. Es kann außerdem von Vorteil sein, die Mikrofone in unterschiedlichen Abständen voneinander anzuordnen, um Messartefakte zu reduzieren. Jedes der Mikrofone kann ein Piezo-Element aufweisen, um die Schallwellen/Signale zu erfassen. In einer bevorzugten Variante ist mindestens eines der Mikrofone, vorzugsweise jedes der Mikrofone, als optisches Mikrofon ausgebildet. Handelsübliche optische Mikrofone zeichnen sich dadurch aus, dass sie (kleine) optische Interferometer verwenden, um die Schallwellen auf Basis einer durch die Schallwellen bedingten Interferenzänderung zu erfassen. Vorteilhafterweise lässt sich die Kamera so recht empfindlich ausgestalten.
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Die Mikrofone können außerdem an sich von einem Träger des Röntgendetektors erstreckenden Zapfen, insbesondere an deren dem Erfassungsbereich zugewandten Enden, befestigt sein, um Störungen weiter zu reduzieren. Alternativ können die Mikrofone auf einer Innenumfangsfläche eines Parabolspiegels angeordnet sein. Um aus den erfassten Signalen das zweite Bild zu erzeugen, kann die Steuereinrichtung ein Schallkartierungsverfahren, beispielsweise sogenanntes Beamforming, verwenden. Bei Beamforming wird der Erfassungsbereich akustisch gescannt, indem mittels der Mikrofone gemessene (Schalldruck-) Signale verzögert und anschließend aufsummiert werden (sogenannter Delay-and-Sum-Algorithmus). Im Ergebnis kann das zweite Bild eine Verteilung des Schalldrucks in der Bildebene des zweiten Bildes im Erfassungsbereich enthalten. Mit anderen Worten ist der Wert jedes Bildpunktes im zweiten Bild repräsentativ für den dortigen Schalldruck.
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Das mittels der Steuereinrichtung erzeugte dritte Bild enthält vorzugsweise eine monochrome Darstellung des ersten Bildes, die mit einer (falschfarbigen), teiltransparenten Darstellung des zweiten Bildes überlagert ist. Dies ermöglicht auf technisch effektive Art und Weise, den Dichte-basierten Kontrast des ersten Bildes zusammen mit der Intensitätsverteilung der mittels der Kamera erfassten Signale darzustellen. So können beispielsweise Bereiche im dritten Bild, in denen ein niedriger Schalldruck vorherrscht, blau und Bereiche, in denen ein hoher Schalldruck vorherrscht, rot hervorgehoben sein. Im Beispiel des Niets kann an jener Stelle, an der der Niet im dritten Bild dargestellt ist, ein roter Fleck teiltransparent überlagert sein. Allgemein kann das zweite Bild im dritten Bild im Wesentlichen mit dem ersten Bild registriert sein. D.h., Bildelemente des zweiten Bildes können denselben Ortspunkt im Raum/Erfassungsbereich darstellen wie Bildelemente des ersten Bildes.
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Das hier vorgeschlagene Bildgebungsverfahren zum Untersuchen eines Prüfobjekts umfasst folgende Schritte, die zumindest teilweise in der nachstehend genannten Reihenfolge durchgeführt werden können: Bereitstellen einer Röntgenbildgebungseinrichtung mit einer Röntgenquelle und einem der Röntgenquelle gegenüberliegend angeordneten Röntgendetektor, wobei ein Erfassungsbereich der Röntgenbildgebungseinrichtung auf einer Verbindungsachse zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor liegt; Ausrichten einer Kamera auf den Erfassungsbereich, wobei die Kamera als akustische Kamera oder Wärmebildkamera ausgebildet ist; Positionieren zumindest eines interessierenden Bereichs des Prüfobjekts in den Erfassungsbereich; Durchstrahlen des interessierenden Bereichs mit Röntgenstrahlen aus der Röntgenquelle, um mindestens einen Projektionsdatensatz vom interessierenden Bereich zu erzeugen; Erfassen sich aus dem Erfassungsbereich in Richtung der Kamera ausbreitender Signale mittels der Kamera; Erzeugen eines ersten Bildes auf Basis des Projektionsdatensatzes, eines zweiten Bildes auf Basis der Signale und eines dritten Bildes, in dem das erste Bild und das zweite zumindest bereichsweise aufeinander überlagert sind; und Anzeigen des dritten Bildes auf einer Anzeigeeinrichtung.
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Vorzugsweise wird der Schritt des Durchstrahlens des interessierenden Bereichs zumindest teilweise gleichzeitig mit dem Schritt des Erfassens der Signale mittels der Kamera durchgeführt, um Zeit zu sparen und um Veränderungen des interessierenden Bereichs nachverfolgen zu können. Entsprechend können das erste Bild und das zweite Bild zeitgleich mittels der Steuereinrichtung erzeugt werden.
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Darüber hinaus kann dieses Verfahren beliebige, insbesondere alle, der vorstehend in Zusammenhang mit dem Bildgebungssystem beschriebenen Merkmale aufweisen. Insbesondere kann das Bildgebungsverfahren beliebige Funktionen des Bildgebungssystem und seiner Komponenten als Verfahrensschritte enthalten.
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Bevorzugte Ausführungsformen eines Bildgebungssystems und Bildgebungsverfahrens zur Untersuchung eines Prüfobjekts werden nun genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert, wobei
- 1 eine erste Variante eines Bildgebungssystems in einer perspektivischen Ansicht zeigt, bei dem die Kamera eine akustische Kamera ist;
- 2 eine zweite Variante eines Bildgebungssystems in einer perspektivischen Ansicht zeigt, bei dem die Kamera eine Wärmebildkamera ist;
- 3 eine dritte Variante eines Bildgebungssystems in einer perspektivischen Ansicht zeigt, wobei die Röntgenbildgebungseinrichtung zur tomographischen Bildgebung ausgelegt und die Kamera eine akustische Kamera ist;
- 4 eine vierte Variante eines Bildgebungssystems in einer perspektivischen Ansicht zeigt, wobei die Röntgenbildgebungseinrichtung zur tomographischen Bildgebung ausgelegt und die Kamera eine Wärmebildkamera ist; und
- 5 ein Bildgebungsverfahren einschließlich seiner Verfahrensschritte zeigt.
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Die 1 zeigt ein Bildgebungssystem 10, welches dazu vorgesehen ist, ein Prüfobjekt O, insbesondere ein Fahrzeugbauteil, zu visualisieren und somit visuell zu untersuchen. Bei dem Fahrzeugbauteil handelt es sich hier beispielhaft um einen Fahrzeugtank, in dem zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung ein in 1 durch ein Kreuz dargestelltes Verbindungselement (beispielsweise ein Niet) lose und zum Vibrieren anregbar aufgenommen ist. Ein interessierender Bereich des Prüfobjekts O enthält dieses Verbindungselement.
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Das Bildgebungssystem 10 enthält eine Röntgenbildgebungseinrichtung 20, eine Kamera 30, eine mit der Röntgenbildgebungseinrichtung 20 und der Kamera 30 verbundene Steuereinrichtung 40 sowie eine Anzeigeeinrichtung 50. Obgleich die Steuereinrichtung 40 in den Figuren als ein einziges logisches Element dargestellt ist, kann sie mehrere Teile enthalten, die jeweils einzelne der nachstehend genannten Funktionen realisieren. Bei der Kamera 30 handelt es sich in dieser Variante um eine akustische Kamera, die beispielhaft dazu vorgesehen ist, zusammen mit der Steuereinrichtung 40 eine Schalldruckverteilung mittels Beamforming (dt. StrahlFormung) zu bestimmen und ein erstes Bild von dieser Schalldruckverteilung zu generieren (erzeugen), welches wie nachfolgend beschrieben einem Röntgenbild überlagert und auf der Anzeigeeinrichtung 50 angezeigt wird.
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Die Röntgenbildgebungseinrichtung 20 weist eine Röntgenquelle 22 und einen Röntgendetektor 24 auf, die auf entgegengesetzten Seiten eines Erfassungsbereichs 26 angeordnet sind. Diese Röntgenbildgebungseinrichtung 20 ist hier als Röntgengerät ausgestaltet, welches stationär relativ zur Umgebung positioniert, also nicht zur computertomografischen Bildgebung ausgebildet ist. Der Erfassungsbereich 26 befindet sich somit auf einer Verbindungsachse A zwischen der Röntgenquelle 22 und dem Röntgendetektor 24, entlang derer der interessierende Bereich des Prüfobjekts O zur Bildgebung durchstrahlt wird, um mindestens einen Projektionsdatensatz von dem Erfassungsbereich 26 zu erzeugen. Die Röntgenquelle 22 sendet den Röntgenstrahl im Westlichen als Kegelstrahl aus, um eine gesamte Einfallsfläche 28 des Röntgendetektors 24 gleichzeitig zu bestrahlen. Der Röntgendetektor 24 ist als Flachbilddetektor für Röntgenstrahlen ausgebildet und enthält eine Matrix von einzelnen Detektorelementen. D.h., der Projektionsdatensatz enthält hier eine zweidimensionale Matrix von Strahlintensitäten, die von jeweils einem Detektorelement des Röntgendetektors 24, vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig, erfasst worden sind.
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Die (akustische) Kamera 30 enthält mehrere Mikrofone 32, die jeweils als optisches Mikrofon ausgebildet sind. Jedes der Mikrofone 32 ist an einem dem Erfassungsbereich 26 zugewandten, distalen Ende eines zugehörigen Zapfens befestigt. Die Mikrofone 32/Zapfen sind in vorbestimmten, optional regelmäßigen, Abständen voneinander, vorzugsweise auf einer Kreislinie (siehe 1), um die Einfallsfläche 28 herum fest am Träger des Röntgendetektors 24 montiert. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 einige der Mikrofone 32 weggelassen. Alle Mikrofone 32 sind dazu angeordnet, ein sich aus dem Erfassungsbereich 26 in Richtung der Kamera 30/der Mikrofone 32 ausbreitendes Schallsignal zu erfassen, in ein elektrisches Signal umzuwandeln und dieses elektrische Signal über eine (elektrische) Verbindung an die Steuereinrichtung 40 zu übertragen. D.h., die Kamera 30 ist auf den Erfassungsbereich 26 gerichtet.
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Die Steuereinrichtung 40 erzeugt von dem Erfassungsbereich 26 mindestens ein erstes Bild auf Basis des Projektionsdatensatzes und mindestens ein zweites Bild auf Basis der Schallsignale bzw. der ihr zugeleiteten elektrischen Signale. Das erste Bild kann dabei direkt aus der zweidimensionalen Matrix von Strahlintensitäten (gegebenenfalls nach einer Bildbearbeitung) zusammengesetzt sein. Um das zweite Bild zu erzeugen, ist die Steuereinrichtung 40 dazu eingerichtet (programmiert) die elektrischen Signale einem sogenannten Sum-and-Delay- (Summierungs-und-Verzögerungs-) Algorithmus zu unterziehen, bei dem die Anordnung der Mikrofone 32 praktisch durch geeignete Zeitverschiebung der erfassten Schallsignale Bildpunkt für Bildpunkt über den Erfassungsbereich 26 fokussiert wird. Pro Bildpunkt werden hierbei die zeitkorrigierten Signale summiert. Vorzugsweise wird das zweite Bild so erzeugt, dass es eine Maximalintensitätsprojektion (sog. MIP, engl. maximum intensity projection) durch den Erfassungsbereich entlang der Verbindungsachse darstellt. In anderen Varianten des Bildgebungssystems kann das zweite Bild mittels eines anderen Algorithmus auf Basis der erfassten Signale erzeugt werden.
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Das erste Bild und das zweite Bild sind vorteilhafterweise miteinander registriert, sodass sie denselben Teil des Erfassungsbereiches mit Blickrichtung entlang der Verbindungsachse darstellen. D.h., der Niet befindet sich de facto im ersten und im zweiten Bild an derselben Stelle, wobei das zweite Bild nicht den Niet selbst, sondern das vom Niet ausgesendete Schallsignal darstellt. Um diesen interessierenden Bereich des Prüfobjekts O zum Emittieren des Signals anzuregen, während er sich im Erfassungsbereich 26 befindet, enthält das Bildgebungssystem 10 zusätzlich eine Anregungseinrichtung 42. Vorliegend handelt es sich bei der Anregungseinrichtung 42 um ein Stellglied (Aktuator) welches mittels der Steuereinrichtung 40 zum Vibrieren mit einer vorbestimmten, vorzugsweise hörbaren, Schwingungsfrequenz angesteuert wird. Diese Schwingungsfrequenz kann mittels der Steuereinrichtung 40 durchgestimmt werden, um eine Resonanzfrequenz des interessierenden Bereichs des Prüfobjekts O experimentell ermitteln zu können. Im resultierenden zweiten Bild weisen Bildpunkte im Bereich des Niets lokale Maxima auf.
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Die Steuereinrichtung 40 ist ferner dazu eingerichtet, dass zweite Bild dem ersten Bild mit einem Kontrast zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild zu überlagern, um mindestens ein drittes Bild zu erzeugen. Vorzugsweise überlappen sich die Farbspektren von erstem und zweitem Bild nicht. Das erste Bild kann beispielsweise monochrom mit einer ersten Grundfarbe (beispielsweise schwarz) und das zweite Bild kann beispielsweise monochrom mit einer zweiten Grundfarbe (beispielsweise rot) oder als Falschfarbenbild mit einem vorbestimmten Farbenspektrum (color map) dargestellt sein. Das dritte Bild kann sodann mittels der Anzeigevorrichtung 50, die einen Bildschirm aufweisen kann, angezeigt werden. Vorteilhafterweise kann das Bildgebungssystem 10 zur Echtzeitbildgebung ausgebildet sein. D.h., die Erfassung der Signale mittels der Kamera, die weitere Verarbeitung zum Erzeugen des ersten, zweiten und dritten Bildes sowie die Anzeige auf der Anzeigeeinrichtung 50 können kontinuierlich, insbesondere mit einer Wiederholfrequenz von mindestens 10 Hz oder mindestens 20 Hz, erfolgen.
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Ein in 2 dargestelltes Bildgebungssystem 10 unterscheidet sich dadurch vom Bildgebungssystem 10 aus 1, dass die Kamera 30 als Wärmebildkamera anstatt als akustische Kamera ausgebildet ist. Anstelle der Mikrofone 32 ist somit ein elektrooptischer Sensor für Infrarotstrahlung mitsamt vorgeschalteter Optik vorgesehen. Die Kameraachse K (optische Achse) der Wärmebildkamera verläuft parallel zur Verbindungsachse A unter Versatz ausschließlich parallel zur z-Richtung. Mit anderen Worten befindet sich die Wärmebildkamera mittig über der Einfallsfläche des Röntgendetektors 24. Entsprechend kann die Steuereinrichtung 40 das erste Bild und das zweite Bild vergleichsweise einfach miteinander durch bloße Verschiebung des zweiten Bildes in negativer z-Richtung (bei Bedarf in Kombination mit entsprechender Skalierung) registrieren.
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Bei dem interessierenden Bereich des Prüfobjekts O kann es sich hier um ein elektronisches Bauteil eines Fahrzeugbauteils handeln, welches potentiell einen Kurzschluss aufweist. Die Anregungseinrichtung 42 kann eine mit dem elektronischen Bauteil verbundene Stromquelle enthalten. Vorstehend in Zusammenhang mit dem Schallsignal gesagtes gilt hier somit entsprechend für das Signal in Form der Infrarotstrahlung. Darüber hinaus weist das Bildgebungssystem 10 sämtliche Merkmale des Bildgebungssystems 10 aus 1 auf.
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Ein weiteres, in 3 dargestelltes Bildgebungssystem 10 unterscheidet sich dadurch vom Bildgebungssystem 10 aus 1, dass die Röntgenbildgebungseinrichtung 20 des ersteren zur computertomographischen Bildgebung eingerichtet ist. Wie in 3 dargestellt, ist die Steuereinrichtung 40 dazu eingerichtet, die Röntgenquelle 22 und den Röntgendetektor 24 um den Erfassungsbereich 26/den interessierenden Bereich des Prüfobjekts O zu rotieren und dabei unter Durchstrahlen des Erfassungsbereichs 26 mehrere Projektionsdatensätze zu erzeugen, die jeweils einem ersten Bild entsprechen. Ferner ist die Steuereinrichtung 40 dazu ausgelegt, ein erstes Rekonstruktionsbild auf Basis dieser Projektionsdatensätze / ersten Bilder, insbesondere mittels gefilterter Rückprojektion, zu erzeugen.
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Vorteilhafterweise ist die Kamera 30 fest am Röntgendetektor 24 oder an einem anderen, fest mit dem Röntgendetektor 24 verbundenen Bauteil der Röntgenbildgebungseinrichtung 20 montiert und dreht sich somit in fester Lagebeziehung relativ zur Verbindungsachse A zusammen mit der Röntgenquelle 22 und/oder dem Röntgendetektor 24 um den Erfassungsbereich 26. In der Folge kann ein zweites Rekonstruktionsbild aus den mittels der Kamera 30 wie oben erläutert erzeugten zweiten Bildern analog zum ersten Rekonstruktionsbild generiert werden. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 40 das zweite Rekonstruktionsbild daher einfach mittels desselben Typs von Rekonstruktionsalgorithmus, also ebenfalls mittels gefilterter Rückprojektion, rekonstruieren. Darüber hinaus weist das Bildgebungssystem 10 aus 3 alle Merkmale des Bildgebungssystems 10 aus 1 auf.
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Das weitere Bildgebungssystem 10 aus 4 unterscheidet sich so vom Bildgebungssystem 10 aus 2, wie sich das Bildgebungssystem 10 aus 3 vom Bildgebungssystem 10 aus 1. Insbesondere gilt hinsichtlich der computertomografischen Bildgebungsfunktionalität mittels der Röntgenbildgebungseinrichtung 20 oben in Zusammenhang mit 3 gesagtes. Die Tomografie mittels der Wärmebildkamera gemäß der Variante aus 4 unterscheidet sich lediglich dadurch von der Tomografie mittels der akustischen Kamera aus 3, dass zur Registrierung von erstem und zweitem Bild der (vertikale) Versatz zwischen dem Röntgendetektor 24 und der Wärmebildkamera in z-Richtung berücksichtigt wird. Diesbezüglich gelten die oben in Zusammenhang mit 2 gemachten Ausführungen entsprechend.
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In 5 ist schließlich ein Bildgebungsverfahren 100 zum Untersuchen eines Prüfobjekts O mittels des Bildgebungssystems 10 dargestellt. Dieses Bildgebungsverfahren 100 sieht vor, in einem ersten Schritt 102 die Röntgenbildgebungseinrichtung 20 mit der Röntgenquelle 22 und dem der Röntgenquelle 22 gegenüberliegend angeordneten Röntgendetektor 24 bereitzustellen, so dass der Erfassungsbereich 26 auf der Verbindungsachse A zwischen der Röntgenquelle 22 und dem Röntgendetektor 24 liegt. Im Schritt 104 wird die Kamera 30 auf den Erfassungsbereich 26 ausgerichtet. Anschließend ist ein Positionieren 106 zumindest des interessierenden Bereichs des Prüfobjekts O in den Erfassungsbereich 26 vorgesehen. Sodann wird im Schritt 108 der interessierende Bereich mit Röntgenstrahlen aus der Röntgenquelle 22 durchstrahlt, um mindestens einen Projektionsdatensatz von dem interessierenden Bereich zu erzeugen.
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Bereits während des Schritts 108 kann der interessierende Bereich des Prüfobjekts O mittels der Anregungseinrichtung 42 zum Emittieren der Signale angeregt werden, wenngleich diese extrinsische Anregung nicht zwingend erforderlich ist. Alternativ kann der interessierende Bereich die Signale intrinsisch (ohne äußerliche Anregung) emittieren. Im Schritt 110 ist vorgesehen, die sich aus dem Erfassungsbereich 26 in Richtung der Kamera 30 ausbreitenden Signale mittels der Kamera 30 zu erfassen. Anschließend werden im Schritt 112 ein erstes Bild auf Basis des Projektionsdatensatzes, ein zweites Bild auf Basis der Signale und eines dritten Bildes erzeugt, in dem das erste Bild und das zweite Bild wie oben beschrieben zumindest bereichsweise aufeinander überlagert sind. Dieses dritte Bild wird im Schritt 114 auf einer Anzeigeeinrichtung 50 angezeigt.
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Das erfindungsgemäße Bildgebungssystem ermöglicht dem Benutzer somit, die Quelle der Signale vergleichsweise schnell und genau zu lokalisieren, ohne das Prüfobjekt zustellen zu müssen. Das Bildgebungssystem ist dabei für vielfältige Anwendungsszenarien geeignet. Insbesondere kann die Untersuchung vorteilhafterweise relativ einfach und kostengünstig in einen Entwicklungs- oder Produktionsprozess eines Fahrzeugbauteils eingesetzt werden.
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Im Kontext der vorliegenden Offenbarung sind die Begriffe „umfassend“, „aufweisend“, „mit“ und ähnliche als nicht abschließend zu verstehen. Aus Gründen der Leserlichkeit ist in dieser Offenbarung ferner der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. die Kamera, etc.) so ist gleichzeitig auch seine Mehrzahl gemeint (z.B. die mindestens eine Kamera / die eine oder die mehreren Kameras, etc.). Zumindest abschnittsweise bedeutet vorliegend abschnittsweise oder vollständig. Der Begriff „im Wesentlichen“ umfasst im Kontext dieser Offenbarung jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft/des Wertes unerhebliche Abweichungen, beispielsweise aufgrund von Herstellungstoleranzen.