DE69722938T2

DE69722938T2 - Abbildungssystem mit kodierter öffnung und quadratischer, antisymmetrischer, gleichmaessig redundanter gitteranordnung

Info

Publication number: DE69722938T2
Application number: DE69722938T
Authority: DE
Inventors: Walter Chiou; C. Richard AUGERI
Original assignee: AIL Systems Inc
Current assignee: AIL Systems Inc
Priority date: 1996-01-16
Filing date: 1997-01-14
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2017-01-15
Also published as: EP0920643B1; ZA97325B; EP0920643A1; DE69722938D1; IL125360A0; ES2205174T3; JP3919222B2; AU1827697A; WO1997026557A1; EA000675B1; JP2000503393A; ATE243327T1; KR100388577B1; CA2242992C; TW340909B; JP2006227024A; KR19990077306A; IL125360A; EA199800639A1; CA2242992A1

Description

Hintergrund der Erfindung Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abbildungssystem mit kodierter Apertur und insbesondere ein Abbildungssystem mit kodierter Apertur zum Erzeugen und Anzeigen eines Bildsignals, das repräsentativ für ein Bild einer Quelle nicht-fokussierbarer Strahlung ist, wie z. B. einer Quelle, die Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen aussendet. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Coded-Aperture-Einrichtung mit uniform-redundanter Anordnung zum Einsatz in einem Abbildungssystem mit kodierter Apertur, sowie ein Verfahren zum Erzeugen der kodierten Apertur.
Beschreibung des Standes der Technik
Nicht-fokussierbare Strahlungsquellen, wie etwa Quellen, die Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen aussenden, sind besonders häufig in Atomkraftwerken, medizinischen radiologischen Laboratorien und weiteren Einrichtungen zu finden, die mit der Handhabung von Nuklearmaterial befaßt sind. Somit muß während des Betriebes eines Atomkraftwerks eine routinemäßige Überwachung potentiell hochradioaktiver Bereiche durchgeführt werden.
In Bezug auf durch Strahlung kontaminierte Plätze oder Orte erfordert auch die Wiederherstellung aus Umweltsicht sowie das Abfallmanagement das Erfassen und Lokalisieren von Verseuchungsstoffen, um die Wiederherstellung der Umwelt auf einem sicheren Niveau sicherzustellen. Weiterhin muß, um Reparaturen und Wartung innerhalb von Atomkraftwerken durchzuführen, der Bereich, in dem gearbeitet wird, von Strahlenschutzpersonal abgetastet werden, um zu bestimmen, in welchem Umfang die Arbeiter während der Durchführung ihrer Arbeit der Strahlung ausgesetzt werden.
Die Strahlenbelastung eines Arbeiters wird mittels an der Person getragener Dosimetrie-Einrichtungen genau überwacht. Arbeiter in strahlenden Bereichen, die die von den Behörden festgelegten Grenzen der Strahlungsbelastung erreicht haben, werden von weiterer Belastung ausgenommen und können ihre Arbeiten für eine festgelegte Zeitspanne nicht weiterführen. Somit ist es extrem vorteilhaft und das Ziel aller Betreiber von Atomkraftwerken, die personenbezogene Strahlenbelastung zu minimieren, um unterhalb der Grenzen der Strahlenbelastung zu bleiben.
Das Strahlenschutzpersonal, das verantwortlich für das Abtasten eines potentiell hochradioaktiven Bereiches ist, trägt häufig Schutzkleidung und ein Atemgerät, um sich gegen Radioaktivität der Luft zu schützen. Es ist notwendig, Bereiche mit mutmaßlich hoher Strahlenbelastung mit einer wohlbekannten Einrichtung, nämlich einem Geiger-Müller-Zähler abzutasten, um Quellen hoher Strahlungsintensität zu lokalisieren.
Geiger-Müller-Zähler sind relativ klein und werden von den Arbeitern getragen, die den Abtastvorgang durchführen. In einigen Fällen wird der Geiger-Müller-Zähler an einem Ausleger angebracht, so daß der Arbeiter beim Abtasten einen sicheren Abstand von radioaktiven Einrichtungen einhalten kann. Der Arbeiter tastet manuell den gesamten Bereich ab, um „heiße Flecken" oder Bereiche hoher Strahlungsintensität zu bestimmen.
Nachdem der Abtastvorgang beendet ist, erzeugt der Arbeiter eine Karte der Strahlungsgefährdungen, die während des Abtastvorgangs unter Einsatz des Geiger-Müller-Zählers identifiziert worden sind. Geeignete Abschirmungen werden um diese Quellen hoher Strahlungsintensität angeordnet, um die Arbeiter zu schützen. Basierend auf den Ergebnissen des Abtastvorganges führen strahlungsexponierte Arbeiter Reparaturen und Wartung durch. Sie werden instruiert, wie lange sie in dem Bereich bleiben können und welche Einrichtungen aufgrund des hohen Niveaus ausgesendeter Strahlung gemieden werden sollten.
Darüberhinaus ist der Abtastvorgang zeitaufwendig, weil die Überstreichrate relativ langsam ist, d. h. die Rate, mit der das Handstück des Geiger-Müller-Zählers über eine radioaktive Quelle hinweg bewegt wird. In einigen Fällen muß der Arbeiter nahe an die Gammastrahlenquelle kommen, um geeignete Ablesungen zu erhalten, da typische Geiger-Müller-Zähler nicht sehr empfindlich sind.
Die beiden wichtigsten Faktoren zur Begrenzung der Strahlenbelastung sind Bestrahlungszeit und Abstand von der Strahlungsquelle. Gegenwärtig vorhandene Abtasttechniken unter Verwendung eines Geiger-Müller-Zählers sind in Bezug auf die Minimierung der Zeit der Strahlenbelastung und das Maximieren des Abstandes von der Strahlungsquelle uneffizient. Zusätzlich erlaubt der Abtastvorgang unter Einsatz eines Geiger-Müller-Zählers nur die grobe Lokalisierung von „heißen Flecken".
Bekannte Systemausführungen machen Gebrauch von der Technik der Coded-Aperture-Bildgewinnung und versuchen, die Nachteile dieser frühen Abtasttechniken zu vermeiden. Ein Beispiel hierfür ist in der US A 4 370 750 gegeben.
Indem ein System vorgesehen wird, das eine visuelle Darstellung der nicht-fokussierbaren Strahlungsquelle erzeugt, erlauben Systeme der Coded-Aperture-Bildgewinnung ganz allgemein die Erfassung und Lokalisierung derartiger Quellen, während die gefährliche Belastung des Personals minimiert oder sogar ganz ausgeschaltet wird. Insbesondere liefert die Coded-Aperture-Bildgewinnung neben den oben angegebenen Vorteilen auch genaue Bilder der Quellen nicht-fokussierbarer Strahlung.
Coded-Aperture-Bildgewinnung als solche ist eine wohlbekannte Technik, die die Verwendung einer Apertur einschließt, die aus transparenten und opaken Zellen zusammengesetzt ist. In Reaktion darauf, daß die Apertur Gamma- oder Röntgenstrahlungsquellen ausgesetzt wird, wird ein Schatten durch diese Zellen auf einen positionsempfindlichen Detektor geworfen. Ein Bild der Quelle wird aus den Informationen rekonstruiert, die während dieses Belichtungsvorgangs erhalten werden.
Allerdings weisen bekannte derartige Coded-Aperture-Bildgewinnungssysteme in der Vergangenheit wesentliche Einschränkungen auf. So werden z. B. sehr häufig positionsempfindliche Detektoren von Coded-Aperture-Bildgewinnungssystemen von beträchtlichem Instrumentenrauschen geplagt. Zusätzlich arbeiten die Systeme häufig in einer Umgebung mit hoher Hintergrundstrahlung. Hochenergiephotonen, die von außerhalb des Instrumenten-Gesichtsfeldes ausgehen, werden von dem positionsempfindlichen Detektor erfaßt, ohne vorher durch die kodierte Apetur hindurchzugehen oder von dieser moduliert zu werden.
Somit verschlechtern erfaßte Photonen, die nicht von der kodierten Apertur moduliert werden, und inhärentes, nicht-moduliertes Instrumentenrauschen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (Rauschabstand) des Instruments. Dies führt zu schlechter Abbildungsqualität und geringer Empfindlichkeit.
Einige Coded-Aperture-Bildgewinnungssysteme gemäß dem Stand der Technik machen von einer aktiven Schirmungstechnik Gebrauch, um die nachteilige Wirkung nicht-modulierter Photonen zu minimieren. Bei diesem Ansatz kann eine aktive Abschirmung und eine aktive kodierte Apertur verwendet werden, um eine Einrichtung zur Koinzidenz/Anti-Koinzidenz-Identifizierung zu realisieren, wenn der Fluß ankommender Hochenergiephotonen gering genug ist, um dem Instrument das Zählen des Eintreffens einzelner Photonen zu ermöglichen.
Somit können nicht-modulierte Photonen einzeln identifiziert und dann während der Rekonstruktion des Bildes entfernt bzw. ausgeschlossen werden. Wenn allerdings der Photonenfluß zunimmt, so daß viele Photonen gleichzeitig am Detektor eintreffen, kann die genaue Ankunftszeit eines jeden Photons nicht ermittelt werden. Dadurch wird es sehr schwierig, nicht-modulierte Photonen von den erwünschten modulierten Photonen zu unterscheiden.
Andere Coded-Aperture-Bildgewinnungssysteme gemäß dem Stand der Technik haben diese Beschränkung überwunden, indem sie einen Ansatz mit normal/komplementär kodierter Apertur verfolgen. Bei diesem Ansatz wird die Strahiungsquelle zunächst von einer kodierten Apertur moduliert, die normale Apertur genannt wird. Sodann wird die Strahlungsquelle von dem Komplement der kodierten Apertur moduliert, die eine komplementäre Apertur genannt wird. Die komplementäre Apertur wird durch Austauschen der Orte der Zellen der normalen Apertur erzeugt.
Mit anderen Worten, alle Zellen, die bei der normalen Apertur transparent waren, werden bei der komplementären Apertur opak, und alle Zellen, die bei der normalen Apertur opak waren, werden bei der komplementären Apertur transparent. Wird jede Apertur der Quelle für eine gleiche Zeitspanne ausgesetzt und wird ein Löschungsvorgang zwischen den Bildern durchgeführt, die jeweils von jeder Apertur moduliert worden sind, können die nachteiligen Auswirkungen nichtmodulierter Photonen und des Instrumenten-Hintergrundrauschens signifikant reduziert werden.
Dieses Ergebnis wird auch bei Vorhandensein eines Flusses hochenergetischer Photonen erhalten. Coded-Aperture-Bildgewinnungssysteme, die diesen, obigen Ansatz verwenden, haben kodierte Aperturen verwendet, die entweder aus rechtwinkligen oder hexagonalen uniform-redundanten Anordnungen (URA) gebildet werden.
Rechteckige URA-kodierte Aperturen sind für die Coded-Aperture-Bildgewinnung verwendet worden, wie etwa diejenigen, die in dem US-Patent Nr. 4,209,780 (Fenimore et al.) und dem US-Patent Nr. 5,036,546 (Gottesman et al.) offenbart sind. Allerdings erfordert die Verwendung dieser Arten von Aperturen die tatsächliche bzw. körperliche Implementierung zweiter separater Aperturen, wobei eine als normale Apertur dient und die andere als komplementäre Apertur. Systeme, die rechteckige URAs verwenden, müssen Einrichtungen beinhalten, um während des Bildgewinnungsvorganges zwischen den Aperturen umzuschalten.
Dieser Umschaltvorgang kann zu Systemungenauigkeiten führen, nämlich zu Ungenauigkeiten in der Ausrichtung, was einen negativen Einfluß auf die Bildwiedergabe-Leistung des Systems hat. Wird das Umschalten zwischen den Aperturen manuell bewerkstelligt, geht einer der wesentlichen Vorteile, die ein Coded-Aperture-Bildgewinnungssystem gegenüber einem Geiger-Müller-Zähler hat, vollkommen verloren, nämlich der Schutz des Personals vor Strahlenbelastung. Weiterhin ist manuelles Umschalten zwischen den Aperturen zeitaufwendig und be einträchtigt den zusätzlichen Vorteil, fähig zu sein, rasch gefährliche Strahlungsquellen zu identifizieren und einzugrenzen.
In der Folge wurde ein hexagonaies URA entwickelt, um die Notwendigkeit zur Verwendung zwei separater Aperturen zu überwinden, wie von M. N. Finger und T. A. Prince in einem Artikel mit dem Titel „Hexagonal Uniformly Redundant Arrays for Coded Aperture Imaging", Proceedings of the 19th International Cosmic Ray Conference, OG 9.2-1, Seiten 295–298 (1985) offenbart.
Eine einzige kodierte, hexagonale URA-Apertur (HURA), die nahezu antisymmetrisch bezüglich ihrer hexagonalen Achse ist, kann sowohl als normale Apertur, als auch, bei Rotation um 60°, als komplementäre Apertur arbeiten. Eine HURA-kodierte Apertur ist für einen hexagonalen oder kreisförmigen positionsempfindlichen Detektor kongruent. Allerdings tritt ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung einer derartigen Apertur mit einem kartesisch konfigurierten positionsempfindlichen Detektor auf.
Da die Übereinstimmung der hexagonalen Geometrie der Apertur mit der kartesischen Geometrie des Detektors umfängliche geometrische Manipulationen erfordert, muß das Bildgewinnungssystem in beträchtlichem Maße Datenformatierungen durchführen. Weil die meisten herkömmlichen Detektoren eine kartesische Konfiguration aufweisen, sind die Einsatzmöglichkeiten einer HURA-kodierten Apertur begrenzt.
Dementsprechend besteht Bedarf für ein tragbares, zuverlässiges Coded-Aperture-Bildgewinnungs- bzw. Abbildungssystem, das automatisch „heiße Flecken" in einem zu überwachenden Bereich abbilden kann. Weiterhin wäre es vorteilhaft, eine Einrichtung zu haben, die permanent in einem Bereich angebracht werden kann, um in einem Bereich ohne Strahlenbelastung für Menschen eine Abbildung der Strahlung in der Umgebung bereitzustellen. Des weiteren besteht Bedarf für ein Bildgewinnungs- bzw. Abbildungssystem, das eine kodierte Apertur mit uniformredundanter Anordnung beinhaltet, die eine automatisch komplementäre Eigenschaft hat, und das leicht mit einem einfach erhältlichen kartesisch konfigu rierten (rechteckigen oder quadratischen) positionsempfindlichen Detektor verbunden werden kann.
Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein automatisches Coded Aperture-Bildgewinnungssystem bzw. ein Abbildungssystem mit kodierter Apertur anzugeben, das ein Bild anzeigen kann, das repräsentativ für ein Bild einer Quelle ist, die Gammastrahlen aussendet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine zuverlässige Einrichtung anzugeben, die dauerhaft in einem Bereich angebracht werden kann, um eine Anzeige eines Bildes zu liefern, daß für ein Bild einer Quelle repräsentativ ist, die Gammastrahlen aussendet.
Eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zum Erfassen von „heißen Flecken" von Strahlung anzugeben, wobei menschliche Belastung durch Strahlungsgefährdungen minimiert wird.
Eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung anzugeben, um eine Echtzeitüberwachung für strahlungsgefährdete Bereiche durchzuführen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine tragbare Einrichtung anzugeben, um radioaktive Quellen und Materialien mit potentieller Gefährdungswirkung in der Nuklearindustrie zu überwachen und zu lokalisieren und um die Sicherheit und Gesundheit des Industriepersonals und der Wohnbevölkerung in umgebenden Bereichen sicherzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Coded-Aperture-Abbildungssystem zum Einsatz an Sicherheitsschleusen anzugeben, um den illegalen Transport und die illegale Entfernung von Nuklearmaterial zu erfassen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Coded-Aperture-Bildgewinnungssystem anzugeben, das bezahlbar, stabil, zuverlässig und benutzerfreundlich ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Abbildungssystem zum Abbilden von Quellen, die sowohl Gamma- als auch Röntgenstrahlen aussenden, aus einem sicheren Abstand anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Coded-Aperture-Bildgewinnungssystem für die Röntgentomographie anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kodierte Apertur für die verbesserte Coded-Aperture-Bildgewinnung anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kodierte Apertur anzugeben, die in einem Abbildungssystem sowohl als normale Apertur, als auch als komplementäre Apertur arbeiten kann, wobei das Abbildungssystem einen kartesisch konfigurierten positionsempfindlichen Detektor verwendet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kodierte Apertur anzugeben, die einen Durchsatz von nahezu 50% hat.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kodierte Apertur anzugeben, die, mit Ausnahme einer zentralen Zelle, antisymmetrisch bei einer Rotation um 90° ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer kodierten Apertur für die verbesserte Coded-Aperture-Bildgewinnung anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer kodierten Apertur anzugeben, die in einem Abbildungssystem sowohl als eine normale Apertur, als auch als eine komplementäre Apertur arbeiten kann, wobei das Abbildungssystem einen kartesisch konfigurierten positionsempfindlichen Detektor verwendet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Coded-Aperture-Abbildungssystem anzugeben, das eine kodierte Apertur verwendet, die sowohl als normale Apertur, als auch als komplementäre Apertur arbeiten kann, wobei in dem Coded-Aperture-Abbildungssystem auch ein kartesisch konfigurierter positionsempfindlicher Detektor verwendet wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Coded-Aperture-Bildgewinnungssystem zum Realisieren eines Bildes einer Quelle, die Gammastrahlen aussendet, folgendes auf: eine kodierte Apertur, einen positionsempfindlichen Detektor, eine CCD(„Charge-Coupled Device")-Anordnung und einen Signalprozessor. Der positionsempfindliche Detektor kann aus einem Strahlungsdetektor mit hoher räumlicher Auslösung bestehen.
In einer alternativen Ausführungsform kann statt der CCD-Anordnung eine Anordnung mit Halbleiter-Photodioden verwendet werden. Die Anordnung mit Photodioden arbeitet in der gleichen Weise wie die CCD-Anordnung. Es ist ersichtlich, daß andere Arten von rauscharmen, empfindlichen Anordnungen zur optischen Abbildung eingesetzt werden können, die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind.
Die kodierte Apertur wird verwendet, um Gammastrahlen, die von einer Quelle ausgesendet werden, räumlich zu modulieren. Die kodierte Apertur erzeugt einen kodierten Schatten in Reaktion auf die Gammastrahlen, die von der Apertur empfangen werden. Der positionsempfindliche Detektor ist in Bezug auf die kodierte Apertur so angeordnet, daß der kodierte Schatten, der von der Apertur erzeugt wird, auf den Detektor auffallen kann.
Der positionsempfindliche Detektor erzeugt ein kodiertes optisches Signal in Reaktion auf den kodierten Schatten, der auf den positionsempfindlichen Detektor fällt. Die CCD-Anordnung spricht auf das kodierte optische Signal an und erzeugt aus dem optischen Signal ein kodiertes elektrisches Signal. Der Signalprozessor spricht auf das kodierte elektrische Signal an, dekodiert das kodierte elektrische Signal und erzeugt hieraus ein Bildsignal. Das Bildsignal ist repräsentativ für ein Bild der Quelle der nicht-fokussierbaren Strahlung.
Das Abbildungssystem mit kodierter Apertur kann weiterhin Einrichtungen enthalten, die auf das Bildsignal ansprechen, um ein Bild anzuzeigen, das für die Gammastrahlen aussendende Quelle repräsentativ ist. Die auf das Bildsignal ansprechende Einrichtung kann eine Kathodenstrahlröhre oder ein Festkörper-Anzeigeschirm von gleicher Art wie ein Monitor sein, wie er bei Fernsehern und Computern verwendet wird. Weiterhin kann das Abbildungssystem mit kodierter Apertur Einrichtungen zum Übertragen der kodierten optischen Signale von dem positionsempfindlichen Detektor auf die CCD-Anordnung enthalten. Die Übertragungseinrichtung kann entweder eine Anordnung faseroptischer Verbinder oder Relais-Optik sein oder dergleichen.
Das Coded-Aperture-Abbildungssystem der vorliegenden Erfindung kann weiterhin einen Bildverstärker beinhalten. Der Bildverstärker wird zwischen den positionsempfindlichen Detektor und die CCD-Anordnung geschaltet. Der Bildverstärker verstärkt und intensiviert das kodierte optische Signal, um dem System erhöhte Empfindlichkeit zu verleihen. Der Bildverstärker kann in Form einer Bildverstärkerröhre oder eines Mikrokanal-Bildverstärkers vorliegen.
Die kodierte Apertur des Coded-Aperture-Abbildungssystems weist Flächen auf, die für nicht-fokussierbare Strahlung transparent und opak sind, Die kodierte Apertur kann in Form einer uniform-redundanten Ordnung oder jeder anderen Art kodierter Anordnung vorliegen, liegt aber vorzugsweise in Form einer quadratischen, antisymmetrischen, uniform-redundanten Anordnung vor, wie ausführlich beschrieben werden wird.
Der positionsempfindliche Detektor des Abbildungssystems mit kodierter Apertur kann ein Glas-Szintillator oder ein Glasfaser-Szintillator sein. Der Glasfaser-Szintillator weist eine Vielzahl von Glasfasern auf. Die Glasfasern weisen vorzugsweise an der externen Wandung eine absorbierende Beschichtung auf, um die Kreuzkopplung zwischen den Fasern bzw. Leitern zu minimieren. In alternativen Ausführungsformen kann der positionsempfindliche Detektor aus einem Kunststofffaser-Szintillator oder einem Kristall-Szintillator bestehen.
Das Coded-Aperture-Abbildungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist in hervorragender Weise dafür ausgelegt, ein maximales Gesichtsfeld des zu überwachenden Bereiches bei gleichzeitig guter räumlicher Auflösung zu gewährleisten. Das gute räumliche Gesichtsfeld kann durch Einbeziehung eines Szintillators in das Abbildungssystem mit kodierter Apertur erhalten werden, der Fasern hat, die an der externen Wandung eine absorbierende Beschichtung aufweisen. Um das Gesichtsfeld zu maximieren, weist die kodierte Apertur eine Querschnittsfläche auf, die etwa zwei mal größer als die Querschnittsfläche des positionsempfindlichen Detektors ist. Das Gesichtsfeld reicht vorzugsweise von etwa 1° bis zu etwa 45°.
Das oben beschriebene Abbildungssystem kann ebenso verwendet werden, um ein Bild einer Quelle zu liefern, die Röntgenstrahlen aussendet. Dementsprechend kann das Abbildungssystem im Bereich der Nuklearmedizin nützlich sein, insbesondere im Bereicht der Röntgentomographie oder der Nuklear-Radiographie.
Die vorliegende Erfindung offenbart ferner ein Verfahren zum Erzeugen eines repräsentativen Bildes einer Quelle, die Gammastrahlen aussendet. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte: Vorsehen eines Abbildungssystem mit einer kodierten Apertur, einem positionsempfindlichen Detektor, einer CCD-Anordnung und einem Signalprozessor, wobei jedes dieser Elemente wie vorstehend beschrieben arbeitet; Ausrichten des Abbilddungssystems mit kodierter Apertur derart, daß eine Quelle, die Gammastrahlen aussendet, sich im Gesichtsfeld des Systems befindet; Anzeigen eines Bildsignals, das von dem Signalprozessor erzeugt worden ist, wobei das angezeigte Bildsignal für ein Bild der Gammastrahlen aussendenden Quelle repräsentativ ist.
Das Verfahren kann weiterhin den Schritt beinhalten, ein visuelles Overlay für einen Bereich im Gesichtsfeld des Systems zu erzeugen und das Bildsignal zusammen mit dem visuellen Overlay des Bereiches anzuzeigen. Auf diese Weise wird das Gammastrahlenbild einem bildlichen Overlay des Bereiches überlagert und „heiße Flecken" können leicht bestimmt werden. Das oben beschriebene Verfahren kann ebenso zum Abbilden einer Quelle verwendet werden, die Röntgenstrahlen aussendet.
Eine alternative Ausführungsform des Coded-Aperture-Abbildungssystems beinhaltet eine kodierte Apertur, einen positionsempfindlichen Detektor und einen Signalprozessor. Die kodierte Apertur empfängt Gammastrahlen, die von einer Quelle ausgesendet werden, und erzeugt einen kodierten Schatten. Der positionsempfindliche Detektor ist so in Bezug auf die kodierte Apertur angeordnet, daß der kodierte Schatten auf ihn fallen kann.
Der positionsempfindliche Detektor weist eine Anordnung von Halbleiter-Detektoren für Gammastrahlen auf, die ein kodiertes elektrisches Signal in Reaktion auf den auf ihn fallenden kodierten Schatten erzeugen. Der Signalprozessor spricht auf das kodierte elektrische Signal an und dekodiert das kodierte elektrische Signal, um ein Bildsignal zu erzeugen, das für ein Bild der Quelle, die Gammastrahlen aussendet, repräsentativ ist.
Eine bevorzugte alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine kodierte Apertur in Form einer quadratischen, antisymmetrischen, uniform-redundanten Anordnung. Eine quadratische, antisymmetrische uniformredundante Anordnung mit kodierter Apertur ist vorteilhaft durch nahezu 50% Durchsatz charakterisiert. Hierbei ist nahezu die Hälfte der Aperturfläche transparent, so daß nicht-fokussierbare Strahlung frei hindurchtreten kann.
Zusätzlich ist eine derartige Apertur antisymmetrisch oder komplementär bei Rotation um 90° (mit Ausnahme einer zentralen Zelle). Somit bietet ein System, das Verwendung von einer quadratischen, antisymmetrischen, uniform-redundanten Anordnung mit kodierter Apertur macht, verbesserte Bildrekonstruktion, wobei die Auswirkung nicht-modulierter Photonen und des Instrumentenhintergrundrauschens minimiert wird, während zugleich Kostenersparnisse realisiert werden, weil nur eine kodierte Apertur zur Bildverarbeitung erforderlich ist.
Da weiterhin die meisten der positionsempfindlichen Detektoren beim Stand der Technik kartesisch konfiguriert sind, kann ein System, das eine quadratische, antisymmetrische, uniform-redundante Anordnung mit kodierter Apertur verwendet, derartige Detektoren nutzen. Aufwendige Datenformatierung, wie sie bei Systemen erforderlich wäre, die Aperturen und Detektoren mit abweichenden geometrischen Charakteristiken verwenden, wird vermieden.
Dementsprechend offenbart die vorliegende Erfindung eine Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform redundanter Anordnung einschließlich transparenten und opaken Zellen, die in einer ersten Position ein quadratisches normales Maskenmuster und, wenn es in eine zweite Position rotiert wird, ein quadratisches, komplementäres Maskenmuster aufweist, wobei die zweite Position gegenüber der ersten Position um 90° verdreht ist.
Die vorliegende Erfindung offenbart weiterhin eine Coded-Aperture-Abbildungssystem, das eine Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundant kodierter Anordnung verwendet. Ein derartiges Abbildungssystem beinhaltet das Folgende: eine Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung zum Empfangen von Strahlung, die von einer Quelle ausgesendet wird, und zum Erzeugen eines ersten kodierten Schattens aus dieser Strahlung bei einer ersten Position und eines zweiten kodierten Schattens aus dieser Strahlung bei einer zweiten Position; eine Einrichtung zum Drehen der kodierten Apertur zwischen der ersten und der zweiten Position; einen positionsempfindlichen Detektor, der in Bezug auf die kodierte Apertur so angeordnet ist, daß der erste und der zweite kodierte Schatten nacheinander auf den Detektor fallen können, wobei der Detektor ein erstes kodiertes optisches Signal bzw. ein zweites kodiertes optisches Signal in Reaktion auf den jeweiligen Schatten erzeugt; eine Einrichtung zum Konvertieren, die auf das erste und das zweite kodierte optische Signal anspricht und ein erstes kodiertes elektrisches Signal bzw. ein zweites kodiertes elektrisches Signal in Reaktion auf die optischen Signale erzeugt; und einen Signalprozessor, wobei der Signalprozessor auf das erste und das zweite kodierte elektrische Signal anspricht und die kodierten elektrischen Signale dekodiert, um ein Bildsignal zu erzeugen, das für ein Bild der Quelle der nicht-fokussierbaren Strahlung repräsentativ ist. Es ist ersichtlich, daß der positionsempfindliche Detektor die oben erwähnte Konvertierungseinrichtung ebenso auch als integralen Teil enthalten kann.
Das Abbildungssystem mit kodierter Apertur, das die Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung verwendet, kann auch folgendes aufweisen: eine Einrichtung zum Drehen, die wiederum eine Apertur-Halte-Plattform zum Halten bzw. Aufnehmen der kodierten Apertur in mindestens einer ersten und mindestens einer zweiten Position aufweist; einen Positionskodierer, der auf die Position der Plattform reagiert, um ein Positionssignal in Reaktion auf die Position zu erzeugen; eine Antriebssteuereinheit, die auf das Positionssignal reagiert, um ein Antriebssteuersignal in Reaktion auf das Positionssignal zu erzeugen; und eine Schrittsteuereinheit, die auf das Antriebssteuersignal reagiert, um die Plattform zwischen der mindestens einen ersten Position und der mindestens einen zweiten Position zu drehen.
Das Abbildungssystem mit kodierter Apertur, das von der Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung Gebrauch macht, kann weiterhin eine Anzeige aufweisen, wobei die Anzeige eine visuelle Darstellung eines Bereiches des Gesichtsfeldes des Abbildungssystems enthält, und dem repräsentativen Bild der Quelle der nicht-fokussierbaren Strahlung in Reaktion auf das Bildsignal die visuelle Darstellung überlagert wird.
Das Abbildungssystem mit kodierter Apertur, das von der Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform redundanter Anordnung Gebrauch macht, kann weiterhin eine Datenspeichereinheit aufweisen, wobei die Datenspeichereinheit elektrisch mit dem Signalprozessor gekoppelt ist, der Signalprozessor Daten erzeugt und die Datenspeichereinheit die Daten des Signalprozessors speichert.
Das Abbildungssystem mit kodierter Apertur, das die Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform redundanter Anordnung verwendet, kann weiterhin eine Einrichtung zum Einstellen eines Abstandes zwischen der kodierten Apertur und dem positionsempfindlichen Detektor aufweisen. Die Einrichtung zum Einstellen kann betriebsmäßig mit der kodierten Apertur oder mit dem positionsempfindlichen Detektor oder mit beidem gekoppelt sein. Dementsprechend bewegt die Einstellungseinrichtung entweder die Apertur oder den Detektor oder beide gegen den jeweils anderen, so daß der Abstand eingestellt wird.
Das Abbildungssystem mit kodierter Apertur, das von der Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung Gebrauch macht, kann weiterhin eine signalverarbeitende Elektronik aufweisen. Die signalverarbeitende Elektronik kann das kodierte elektrische Signal verarbeiten, um ein Bild der Gamma- oder Röntgenstrahlungsquellen aus der erfaßten, kodierten Gamma- oder Röntgenstrahlung zu erzeugen. Weiterhin kann die signalverarbeitende Elektronik auch als eine bildverarbeitende Einheit arbeiten, um die Qualität der Gamma- und Röntgenstrahlenbilder zu verbessern.
Darüberhinaus kann die signalverarbeitende Elektronik die Drehung und Verschiebung der Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung steuern. Die signalverarbeitende Elektronik kann weiterhin eine Einrichtung aufweisen, um die visuellen Bilddaten zu speichern, das visuelle Sild dem Gamma- oder Röntgenstrahlenbild zu überlagern und die Bilder auf dem Monitorschirm darzustellen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Abbildungssystems mit kodierter Apertur, wie auch weitere Ausführungsformen, Aufgaben, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung erläuternder Ausführungsbeispiele der Erfindung ersichtlich, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Seitenansicht eines tragbaren Teils eines Abbildungssystems mit kodierter Apertur, das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
2 ist ein funktionales Blockdiagramm eines Abbildungssystems mit kodierter Apertur, das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
2a ist eine vereinfachte Seitenansicht und ein Blockdiagramm einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Ausführungsform zum Einstellen des Abstandes zwischen der kodierten Apertur und dem positionsempfindlichen Detektor.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Anordnung der kodierten Apertur in Bezug auf den positionsempfindlichen Detektor veranschaulicht.
4 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer kodierten Apertur, des kodierten Schattens und des Bildes einer Gammastrahlungsquelle, die durch Signalverarbeitung und Dekodierung gemäß der vorliegenden Erfindung gewonnen worden ist.
5 ist eine Darstellung in Diagrammform einer kodierten Apertur mit einer 17 × 19 – uniform-redundanten Anordnung, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
6 ist eine Darstellung in Diagrammform eines primitiven Maskenmusters der Ordnung 19, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
7 ist eine Darstellung in Diagrammform eines primitiven Maskenmusters der Ordnung 31, das gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
8a ist eine Darstellung in Diagrammform des mit einem primitiven Maskenmustern assoziierten Quadranten einer Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
8b ist eine Darstellung in Diagrammform der Quadranten, die mit einem vollständigen Maskenmuster einer Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung assoziiert sind, wobei die Coded-Aperture-Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
9 ist eine Darstellung in Diagrammform eines vollständigen Maskenmusters einer Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung der Ordnung 19, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus gebildet ist.
10 ist eine Darstellung in Diagrammform eines vollständigen Maskenmusters einer Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymme trischer, uniform-redundanter Anordnung der Ordnung 31, die gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
11 ist eine Darstellung in Diagrammform einer Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung der Ordnung 7, die gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
12 ist eine Darstellung in Diagrammform der Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung der 10, jedoch um 90° gedreht.
13 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht und ein Blockdiagramm eines Abbildungssystems mit Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung, das gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ein Abbildungssystem mit kodierter Apertur, das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, bietet ein einzigartiges System, um die menschliche Gesundheit und Sicherheit zu verbessern und potentielle Gefährdungen zu reduzieren, die im Zusammenhang mit Quellen auftreten, die Gammastrahlen aussenden, insbesondere bei Operationen in Atomkraftwerken und Operationen zum Wiederherstellen nuklear kontaminierter Bereiche. Gegenwärtig verfügbare Techniken zum Überwachen und Kartographieren von Örtlichkeiten mit potentiellen Strahlungsgefährdungen sind uneffizient, zeitaufwendig und setzen Arbeiter überflüssiger Strahlungsbelastung aus.
Herkömmliche Abtasttechniken beinhalten die Verwendung eines Geiger-Müller-Zählers, um eine Örtlichkeit manuell abzutasten, um hierdurch „Heiße Flecken" zu bestimmen, oder Quellen, die Gammastrahlung in großen Dosen aussenden, zu identifizieren. Das Abbildungssystem mit kodierter Apertur der vorliegenden Erfindung ist um Größenordnungen effizienter als das herkömmliche Verfahren des manuellen Abtastens mit einem Geiger-Müller-Zähler beim Lokalisieren gefährlicher Strahlung und Gammastrahlen-aussendender Quellen.
Das Abbildungssystem mit kodierter Apertur stellt eine Einrichtung dar, die für die kontinuierliche Überwachung dauerhaft installiert sein kann oder die, je nach Bedarf, in eine hand-gehaltene Einheit eingesetzt werden kann. Das Abbildungssystem mit kodierter Apertur mindert die Probleme, die mit dem manuellen Abtasten durch Arbeiter verbunden sind und ermöglicht eine Echtzeit-Überwachung der „heißen Flecken" oder hochradioaktiven Bereiche. In einer Anwendung kann das Abbildungssystem mit kodierter Apertur strategisch günstig in einem Sicherheitsbehälter eines Atomkraftwerkes installiert werden, um ein Gammastrahlenbild zu erzeugen, das einem visuellen Bild des Bereiches überlagert wird, um potentielle Strahlungsgefährdungen exakt festzustellen.
Somit können potentiell strahlenkontaminierte Strukturen in Echtzeit identifiziert werden und erforderliche, korrigierende Aktionen können unverzüglich eingeleitet werden. Zusätzlich können dauerhaft installierte Abbildungssysteme mit kodierter Apertur, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, Gefährdungen durch Strahlenbelastung für das Personal überflüssig machen, das Routineinspektionen in potentiell gefährdeten Bereichen durchführt.
Das gemäß der vorliegenden Erfindung gebildete Abbildungssystem mit kodierter Apertur kann sinnvoll in den Industrien der nuklearen Energieerzeugung und der Herstellung und Verarbeitung von Nuklearmaterial, dem Nuklearabfall-Management, bei der Stilllegung von Nuklearreaktoren, in nuklear angetriebenen Wasserfahrzeugen, wissenschaftlichen Einrichtungen und sogar in nuklearmedizinischen Anwendungen, wie etwa der Nuklear-Radiologie, eingesetzt werden.
Das Abbildungssystem der vorliegenden Erfindung kann weiterhin bei Sicherheitsschleusen eingesetzt werden, um den Schmuggel von Nuklearmaterial aufzudecken. Insgesamt sind die Anwendungsmöglichkeiten des Coded-Aperture-Abbildungssystems der vorliegenden Erfindung außerordentlich zahlreich.
Das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete Abbildungssystem mit kodierter Apertur realisiert ein unempfindliches, in Echtzeit arbeitendes Abbildungssystem, das bezahlbar, tragbar und benutzerfreundlich einsetzbar zum effektiven Überwachen von Bereichen gefährlicher Strahlung ist, einschließlich Röntgenstrahlen und Gammastrahlen.
Ein derartiges System ist gegenwärtig nicht auf dem Markt erhältlich. Bildgewinnungs- bzw. Abbildungssysteme für astronomische Beobachtungen von Himmelskörpern, die Strahlung hoher Energie aussenden, sind erfolgreich von der NASA entwickelt worden. Allerdings sind diese Systeme unhandlich, teuer, schwierig zu betreiben und werden ausschließlich für astronomische Beobachtungen genutzt. Sie sind daher nicht geeignet für die Überwachung von Umfeldstrahlung, und zwar aufgrund ihrer Größe, Kosten, komplexen Betriebsweise und Gewicht.
In der 1 ist ein Abbildungssystem mit kodierter Apertur bzw. ein Coded-Aperture-Abbildungssystem gezeigt, das gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist und im wesentlichen eine schützenden Umhüllung bzw. ein schützendes Gehäuse 2 aufweist, welches eine kodierte Apertur 4, einen positionsempfindlichen Detektor und eine CCD-Anordnung umgibt. In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle einer CCD-Anordnung eine Anordnung aus Halbleiter-Photodioden verwendet werden. Allerdings wird in der bevorzugten Ausführungsform eine CCD-Anordnung verwendet. Das Gehäuse kann einen Handgriff 6 aufweisen, um es tragbar zu machen. Ein Kabel 8 ist an einem Ende mit der CCD-Anordnung verbunden und am entgegengesetzten Ende mit einer entfernten Bildverarbeitungs-Örtlichkeit verbunden.
2 zeigt ein funktionales Blockdiagramm eines Abbildungssystems mit kodierter Apertur, das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Das Abbildungssystem mit kodierter Apertur weist im wesentlichen eine kodierte Apertur 4, einen positionsempfindlichen Detektor 10, einen optischen Zug 13, einen Bildverstärker 11, eine CCD-Anordnung 12 und einen Signal-Prozessor/Dekodierer 14 auf. Die kodierte Apertur 4 weist eine Transparenz von etwa 50% für Gammastrahlen auf, die von einer Quelle ausgesendet werden und von der kodierten Apertur empfangen werden. Die kodierte Apertur 4 erzeugt einen kodierten Schatten in Reaktion auf die von der Apertur empfangenen Gammastrahlen.
Der positionsempfindliche Detektor 10 ist so in Bezug auf die kodierte Apertur 4 angeordnet, daß der kodierte Schatten, der von der Apertur erzeugt wird, auf den positionsempfindlichen Detektor fallen kann. Der positionsempfindliche Detektor 10 erzeugt ein kodiertes optisches Signal in Reaktion auf den Schatten, der auf den Detektor auffällt. Der optische Zug 13 koppelt den positionsempfindlichen Detektor optisch an die CCD-Anordnung 12, die auf das von dem positionsempfindlichen Detektor erzeugte kodierte optische Signal reagiert und ein kodiertes elektrisches Signal erzeugt.
Das kodierte elektrische Signal wird von einem Signalprozessor 14 empfangen, der das kodierte elektrische Signal verarbeitet und dekodiert und ein Bildsignal aus dem elektrischen Signal erzeugt. Das Bildsignal ist für ein Bild der Quelle repräsentativ, die Gammastrahlen aussendet, und kann auf einer Kathodenstrahlröhre 16 oder dergleichen angezeigt werden. Die in der 2 dargestellte Ausführungsform beinhaltet weiterhin Steuerungselektronik 18 zum Steuern der CCD-Anordnung.
In einer alternativen Ausführungsform weist der positionsempfindliche Detektor 10 eine Anordnung aus Halbleiter-Gammastrahlen-Detektoren auf. Die Anordnung aus Gammastrahlen-Detektoren ist dazu ausgebildet, den kodierten Schatten zu empfangen und ein kodiertes elektrisches Signal in Reaktion auf den kodierten Schatten zu erzeugen, der auf die Detektoranordnung fällt. Die Anordnung aus Gammastrahlen-Detektoren, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, beinhaltet als integralen Bestandteil eine Halbleitereinrichtung, die die inhärenten Eigenschaften eines szintilierenden Materials aufweist, und eine CCD-Anordnung, um den kodierten Schatten in ein kodiertes elektrisches Signal umzuwandeln.
Die kodierte Apertur 4 kann eine auf einer uniform-redundanten Anordnung basierende Apertur sein oder kann von jeder anderen Art kodierter Apertur sein, basiert aber vorzugsweise auf einer quadratischen, antisymmetrischen, uniformredundanten Anordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, wie weiter unten im Detail beschrieben werden wird. In einer speziellen Ausfüh rungsform der Erfindung basiert die kodierte Apertur 4 auf einer Ausführung mit uniform-redundanter Anordnung.
Diese Art von Apertur bietet relativ hohe Transparenz (etwa 50%) und ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (Rauschabstand). Die kodierte Apertur 4 ist aus Blei oder anderem Material mit hoher Dichte hergestellt und kann aus einem 2 × 2 – Mosaik der zugrundeliegenden kodierten Anordnung bestehen. Die Anordnung der Apertur 4 relativ zu dem positionsempfindlichen Detektor 10 ist in der 3 gezeigt.
Das Gesichtsfeld des Abbildungssystems mit kodierter Apertur hängt von der Anordnung der kodierten Apertur 4 relativ zu dem positionsempfindlichen Detektor 10 ab. So wird z. B. das größte Gesichtsfeld bei dem kürzesten Abstand zwischen Apertur und positionsempfindlichen Detektor erzielt. Eine bevorzugte Ausführungsform des Abbildungssystems mit kodierter Apertur beinhaltet eine Einrichtung zum Einstellen des Abstandes zwischen der kodierten Apertur und dem positionsempfindlichen Detektor, wie etwa einem Schienensystem (nicht gezeigt), bei dem die kodierte Apertur (oder der positionsempfindliche Detektor) auf einer Schiene verschiebbar ist.
In der 2a ist eine gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete Ausführungsform zum Einsteilen dieses Abstandes gezeigt. Ein Aufbau 9 mit Linearmotor besteht aus einem Schrittmotor 15 und einer Leitspindel 17. Die kodierte Apertur 4 ist betriebsmäßig auf der Leitspindel 17 angebracht, so daß dann, wenn der Schrittmotor 15 die Leitspindel 17 in präziser Weise dreht, die kodierte Apertur 4 sich in eine Richtung auf den positionsempfindlichen Detektor 10 zu oder von diesem weg bewegt. Hierdurch wird der Abstand d zwischen der kodierten Apertur 4 und dem positionsempfindlichen Detektor 10 variiert.
Es ist ersichtlich, daß in einer alternativen Ausführungsform der positionsempfindliche Detektor 10 betriebsmäßig an der Leitspindel 17 angebracht ist, während die kodierte Apertur 4 in einer fixen Position bleibt. Ebenso ist es einzusehen, daß die oben beschriebene Einstelleinrichtung in dem Gehäuse 2, das in der 1 gezeigt ist, vorliegen kann.
Dementsprechend kann die Einrichtung durch Einstellen des Abstandes eine Vergrößerungseigenschaft um beispielsweise das 1,5-fache beinhalten. Um die Vergrößerungseigenschaft zu erhalten, wird der Abstand, der die kodierte Apertur 4 und den positionsempfindlichen Detektor 10 trennt, um einen vorgegebenen Betrag erhöht, der von der gewünschten Vergrößerung abhängt.
Wie in der 3 gezeigt, weist die kodierte Apertur 4 zwei Wiederholungen eines zugrundeliegenden kodierten Arrays auf. Sein Querschnittsbereich ist, verglichen mit dem positionsempfindlichen Detektor 10 etwa von doppelter Größe, um das vollständig kodierte Gesichtsfeld zu maximieren. Wie bereits angemerkt, ist das vollständige, kodierte Gesichtsfeld eine Funktion der Aperturgröße und des Abstandes zwischen der kodierten Apertur 4 und dem positionsempfindlichen Detektor 10. Das Gesichtsfeld liegt bevorzugt zwischen etwa einigen wenigen Graden bis zu etwa 45 Grad.
Da die Apertur 4 aus einem Material hoher Dichte hergestellt ist, ist es aufgrund von gewichtsbezogenen Überlegungen angezeigt, die Größe und Dicke der Apertur zu begrenzen. Hohe Opazität, die für den opaken Bereich der kodierten Apertur erforderlich ist, erfordert die Verwendung einer dicken Apertur. Eine Ausführungsform des Abbildungssystems mit kodierter Apertur kann eine kodierte Apertur mit einer uniform-redundanten Anordnung in Form einer 17 × 19 – Basis-Anordnungs-konfiguration in einem 2 × 2 – Mosaik beinhalten. Als Beispiel kann die Apertur etwa Abmessungen von 10,16 cm × 15,24 cm (4 inch × 6 Inch) haben und eine Dicke von etwa 1 cm bis 1,5 cm. Die beschriebene Apertur hat eine Apertur-Opazität von etwa 0,5 bis 0,8 bei 1,3 MeV. Es ist wünschenswert, daß die Opazität so nahe wie möglich bei 1 liegt.
Die kodierte Apertur, die aus einer Anordnung von opaken und transparenten Zelten besteht, wird zwischen den aussendenden Quellen und einer Ebene des positionsempfindlichen Detektors angeordnet. Jedes Objekt-Element, das innerhalb des Gesichtsfeldes Gammastrahlen aussendet, projiziert einen Schatten der Apertur auf die Detektorebene oder den positionsempfindlichen Detektor 10.
4 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Ausführung einer kodierten Apertur und des kodierten Schattens, der auf dem positionsempfindlichen Detektor 10 gebildet wird. Die kodierte Apertur bildet eine Vielzahl von Bildschatten auf dem positionsempfindlichen Detektor 10. Der positionsempfindliche Detektor 10 erzeugt ein optisches Signal in Reaktion auf die Vielzahl von Bildschatten. Das kodierte optische Signal wird nachfolgend in ein kodiertes elektrisches Signal umgewandelt, das dekodiert wird, um ein dekodiertes Bildsignal zu erhalten, das repräsentativ für die anfänglichen Strahlen ist, die von der kodierten Apertur 4 empfangen worden sind.
Wie vorher beschrieben, kann die Apertur 4 zwei Wiederholungen grundlegender kodierter Anordnungen aufweisen. Der positionsempfindliche Detektor 10 ist etwa halb so groß wie die Apertur. Diese Konfiguration gewährleistet eine einheitliche Empfindlichkeit über das gesamte vollständig kodierte Gesichtsfeld, da die Transparenz des Arbeitsbereiches innerhalb des vollständig kodierten Gesichtsfeldes im wesentlichen konstant ist.
5 zeigt ein Beispiel einer grundlegenden 17 × 19 – uniform-redundant kodierten Anordnung. Die dunklen Bereiche der in der 5 gezeigten Apertur und der Aperturen, die in den nachfolgenden, ähnlichen Figuren gezeigt werden, repräsentieren opake Bereiche, und die hellen Bereiche repräsentieren transparente Bereiche. Die gezeigte kodierte Apertur besteht aus einem 2 × 2 – Mosaik der grundlegenden kodierten Anordnung, wobei eine Reihe und eine Spalte ausgeschlossen sind, um intrinsische Unklarheiten zu vermeiden.
Eine Kodierung für eine uniform-redundante Anordnung (URA) wurde von Fenimore et al. entwickelt und ist in den US-Patenten mit den Nummern 4,209,780 und 4,360,797 beschrieben, die beide den Titel „Coded Apertur Imaging With Uniformly Redundant Arrays" tragen. Wie bereit diskutiert, müssen URAs, wie die von Fenimore offenbarten und die in 5 dargestellte, über eine Einrichtung verfügen, um während des Abbildungsprozesses zwischen normaler und komplementärer Apertur umzuschalten. Dieser Abbildungsprozess kann zu Ungenauigkeiten in der Ausrichtung wie auch zur Strahlenbelastung für das Personal führen.
Im allgemeinen basiert ein URA mathematisch auf Mengen zyklischer Differenzen. Eine Menge zyklischer Differenzen Δ (ν, κ, λ) der Ordnung ν ist eine Folge von κ Resten, modulo v, so daß für jeden Rest ρ # 0 (mod ν) die Kongruenz δi – δj = ρ(mod ν)λ Lösungspaare (δ_i, δ_j) mit δ_i und δ_j in Δ zuläßt. Es ist möglich, jeder Menge von Differenzen eine Binärzahl {α_i} der Länge ν zuzuordnen, wobei α_i den Wert 1 annimmt, wenn i zu der Menge zyklischer Differenzen Δ gehört, und ansonsten den Wert 0 annimmt. Von diesen Mengen sind κ geschlossen (0) und ν – κ offen (1). Die Autokorrelationsfunktion dieser binären Folge stellt einen einzelnen Scheitelwert auf einem vollkommen fischen Untergrund dar.
Ein URA wird erzeugt, indem diese eindimensionalen Folgen in zweidimensionale Anordnungen eingebracht werden, deren Autokorrelationsfunktionen das gleiche Attribut haben. Es ist ersichtlich, daß der Abstand zwischen dem Auftreten von "1" (d. h. ein Zwischenraum, zwei Zwischenräume, etc.) mit einer konstanten Häufigkeit, λ, für alle URAS auftritt.
Eine Hadamard-Menge ist durch die Parameter ν = 4n – 1, κ = 2n – 1, λ = n – 1 für einen ganzzahligen Wert κ charakterisiert. Der Name dieser Mengen wird von ihrem Zusammenhang mit Hadamard-Matrizen hergeleitet. Die bekannter Hadamard-Mengen können nicht nur durch die Ordnung ν klassifiziert werden, sondern auch durch ihr Konstruktionsverfahren.
Die Konstruktion von Hadamard-Mengen zyklischer Differenzen, wie in dieser Erfindung verwendet, basiert auf quadratischen Resten B der Ordnung ν. Ist die Ordnung ν eine Primzahl, wird die Menge B durch den Rest (mod ν) der Quadrate der ersten (ν – 1)/2 ganzen Zahlen erzeugt. Das Element B; ist 1, wenn i ein quadratischer Rest ist, und ist 0, wenn i kein Rest ist, wobei i von 1 bis ν läuft.
Schiefe Hadamard-Mengen zyklischer Differenzen sind antisymmetrisch und stellen eine Untermenge von Mengen von Hadamard-Differenzen dar und haben eine primäre Ordnung ν = 3 (mod 4). Sie können auch aus den quadratischen Resten (mod ν) erzeugt werden, wie oben beschrieben.
Schiefe Hadamard-URAs sind Untermengen von Hadamard-URAs und sind nahezu antisymmetrisch. Alle schiefen Hadamard-URAs haben eine zyklische Gruppe Δ und können daher aus schiefen Hadamard-Mengen zyklischer Differenzen konstruiert werden. Aus dieser Definition ist ersichtlich, daß die schiefen Hadamard-URAs eine Transparenz bzw. einen Durchsatz von nahezu 50% aufweisen.
Somit ist in einer bevorzugten Ausführungsform die kodierte Apertur eine quadratische, antisymmetrische, uniform-redundante Anordnung. Die Konstruktion einer Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniformredundanter Anordnung folgt der hier beschriebenen Vorgehensweise.
Die Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniformredundanter Anordnung ist zusammengesetzt aus miteinander verbundenen und selbsttragenden transparenten und opaken Zellen. Es sollte erwähnt werden, daß die Materialzusammensetzung der transparenten und opaken Zellen in Bezug auf ihre Fähigkeit gewählt wird, entweder nicht-fokussierbarer Strahlung den Durchtritt zu erlauben (im Falle der transparenten Zellen) oder Strahlung am Durchtritt zu hindern (im Falle der opaken Zellen).
Die kodierte Apertur gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein vollständiges Maskenmuster gemäß der Anordnung der transparenten und opaken Zellen auf. Das vollständige Maskenmuster kann als ein Muster gedacht werden, das Elemente aufweist, wobei diese Elemente Werte haben. Der Wert eines jeden Elements kann einer aus einer Auswahl von zwei möglichen binären Werten sein, wobei die Werte entweder 1 oder 0 sind. Die Apertur wird konstruiert durch Zuordnen der transparenten Zellen zu einem der Werte und der opaken Zellen zu dem anderen der Werte.
Das vollständige Maskenmuster selbst wird aus einem primitiven Maskenmuster erzeugt, das auf den unten beschriebenen, mathematischen Beziehungen basiert. Die folgende Tabelle I zeigt die ersten 7 Mengen von schiefen Hadamard-Differenzen mit Primzahl-Ordnungen und ihre Folgen quadratischer Reste, B. Die oben erwähnten Elementwerte werden aus diesen Folgen erzeugt.
Tabelle I
Um die antisymmetrische Charakteristik der Folgen zu veranschaulichen, werden die quadratischen Folgen zyklisch verschoben, bis der erste Rest sich in der Mitte der Folge befindet, wie in Tabelle I gezeigt. Das primitive Maskenmuster, das ein zweidimensionales Muster der Ordnung ν ist, wird aus den eindimensionalen schiefen Hadamard-Folgen quadratischer Reste, B, gemäß der folgenden Beziehung erzeugt:
A_ij = 0 wenn i = 0,
A_ij = 1 wenn j = 0 und i ≠ 0,
A_ij = 1 wenn B_i = B_j,
A_ij = 0 sonst,
wobei A eine URA-Kodierfunktion darstellt.
Als Beispiel für ein in dieser Weise erzeugtes primitives Maskenmuster zeigt die 6 ein primitives Maskenmuster der Ordnung 19. Dieses primitive Masken muster zeigt schwarze und weiße Elemente, wobei die schwarzen und weißen Elemente letztlich Opazität bzw. Transparenz der kodierten Apertur bzw. Coded-Aperture-Einrichtung darstellen. Die gestrichelten Linien in der 6 bezeichnen die Grenzen von Quadranten, wobei das primitive Maskenmuster einen ersten Quadranten 40, einen zweiten Quadranten 42, einen dritten Quadranten 44 und einen vierten Quadranten 46 aufweist.
Wie zu sehen, sind die Muster im ersten Quadranten 40 und dritten Quadranten 44 komplementär zu den Mustern im zweiten Quadranten 42 und vierten Quadranten 46. Somit ist das primitive Maskenmuster nahezu antisymmetrisch mit Ausnahme eines zentralen Elements des primitiven Musters und Wiederholungen des zentralen Elements. Die Wiederholungen des zentralen Elements stellen die individuellen Elemente dar, die zwischen den Quadraten angeordnet sind.
7 zeigt ein weiteres Beispiel des primitiven Maskenmusters, das in dieser Ausführungsform ein primitives Maskenmuster der Ordnung 31 ist. In diesem Muster existiert die gleiche Komplementärbeziehung zwischen Quadranten wie bei dem in 6 gezeigten Muster. Es ist ersichtlich, daß die Ordnung des primitiven Maskenmusters jede beliebige Primzahl sein kann, die zu der schiefen Hadamard-Menge gehört, wobei in den 6 und 7 lediglich zwei Beispiele zur Illustration gezeigt sind.
Dementsprechend wird, nachdem das primitive Maskenmuster erzeugt worden ist, das vollständige Maskenmuster der vorliegenden Erfindung erzeugt, indem das primitive Maskenmuster diagonal vom Zentrum des primitiven Maskenmusters nach außen wiederholt wird. Das resultierende vollständige Maskenmuster weist (2ν – 1) × (2ν – 1) Elemente auf. Die 8a und 8b zeigen in Diagrammform die Vorgehensweise beim Wiederholen des primitiven Maskenmusters, um das vollständige Maskenmuster zu bilden.
8a zeigt eine Darstellung der einem primitiven Maskenmuster zugeordneten Quadranten, die in der oben beschriebenen Weise nummeriert sind. 8b zeigt eine Darstellung der Quadranten, die einem vollständigen Maskenmuster zugeordnet sind, das durch den Wiederholungsvorgang erzeugt wird. Es ist ersichtlich, daß in 8b der Umriß des primitiven Maskenmusters, das sich im Zentrum des vollständigen Maskenmusters befindet, fett gezeichnet ist, um seine Position in dem vollständigen Maskenmuster zu veranschaulichen.
Somit sind die sich aus dem durch den Wiederholungsprozess ergebenden Positionen entsprechender Quadranten in 8b gezeigt. Aus Gründen der Klarheit sind die Zwischenräume zwischen den Quadranten für das zentrale Element und die Wiederholungen des zentralen Elements in den 8a und 8b nicht gezeigt. Demgemäß sind vollständige Maskenmuster der Ordnungen 19 und 31, die in der oben beschriebenen Weise gebildet sind, in den 9 bzw. 10 beispielhaft dargestellt.
Somit wird die Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet, indem den entsprechenden Elementen des vollständigen Maskenmusters transparente und opake Zellen zugewiesen werden. Eine derartige, in der obigen Weise erzeugte kodierte Apertur besitzt als einzigartige Eigenschaft ein Maskenmuster bei einer ersten Position und ein zweites Maskenmuster, das im wesentlichen komplementär zu dem ersten Maskenmuster ist, bei einer zweiten Position, wobei die zweite Position durch Drehung um 90° aus der ersten Position hervorgeht. Das erste und das zweite Maskenmuster werden als normales Maskenmuster bzw. komplementäres Maskenmuster bezeichnet.
Die einzigartige Antisymmetrie der gemäß der vorliegenden Erfindung gebildeten kodierten Apertur wird in den 11 und 12 veranschaulicht. Die 11 ist eine Darstellung einer Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung der Ordnung 7. Die Einrichtung ist in einer ersten Position gezeigt, in der sie ein normales Maskenmuster aufweist.
In der 12 weist die Apertur ein komplementäres Maskenmuster auf, das sich in überraschender Weise durch 90°-Rotation der in der 11 gezeigten Apertur ergibt, wobei alle transparenten Zellen ihre Positionen mit allen opaken Zellen vertauscht haben (mit Ausnahme einer zentralen Zelle). Die zentrale Zelle bleibt, unabhängig davon, ob die kodierte Apertur das normale oder das komplementäre Maskenmuster aufweist, unverändert.
Auch an dieser Stelle ist ersichtlich, daß die kodierte Apertur der Ordnung 7 lediglich beispielhaft die beschriebene, gegenüber dem Stand der Technik neue Eigenschaft veranschaulicht, und daß eine kodierte Apertur einer beliebigen Primzahl-Ordnung, die ebenfalls eine solche einzigartige Antisymmetrie besitzt, gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden kann.
Eine Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniformredundanter Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann etwa 10,16 cm × 15,24 cm (4 inch × 6 inch) messen und eine Dicke von etwa 1 cm bis 1,5 cm haben. Weiterhin kann die kodierte Apertur eine Apertur-Opazität von etwa 0,5 bis 0,8 bei 1,3 MeV haben.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden zusätzlich dadurch ersichtlich, daß die Verwendung einer Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Abbildungssystem mit kodierter Apertur veranschaulicht wird. Entsprechend ist eine bevorzugte Ausführungsform eines derartigen Abbildungssystems mit kodierter Apertur in der 13 gezeigt.
In der 13 ist eine Coded-Aperture-Einrichtung 22 mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung zentral auf einer drehbaren Apertur-Halte-Plattform 24 angebracht. Die Plattform 24 ist scheibenförmig und weist eine kreisförmige äußere Oberfläche auf.
Ein Positionskodierer 26, der in direkter Nachbarschaft zu der drehbaren Apertur-Halte-Plattform 24 angeordnet ist, kodiert eine Winkelposition der Plattform und erzeugt damit ein Positionssignal. Der Kodieren 26 liest in einer Ausführungsform Kennungen (nicht gezeigt) optisch ab, die am Umfang der Plattform angeordnet sind, und kodiert hieraus die Winkelstellung der Plattform.
In einer anderen Ausführungsform weist der Kodieren 26 ein Sinus-/Cosinus-Potentiometer (nicht gezeigt) auf, das mechanisch mit der Plattform gekoppelt ist. Das Potentiometer ist in der Lage, die Winkelpositionen der Plattform zu kodieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Positionskodierer 26 ein elektromechanischer (z. B. magnetischer) Schalter, der die Position der drehbaren Apertur-Halte-Plattform 24 misst und entsprechend das Positionssignal erzeugt. Weiterhin ist ersichtlich, daß jegliche, dem Durchschnittsfachmann bekannte Kodiereinrichtung eingesetzt werden kann, um das Positionssignal zu erzeugen.
Eine Antriebssteuereinheit 28 ist elektrisch mit dem Positionskodierer 26 und einem Signalprozessor 14 gekoppelt, wobei die Einheit auf das Positionssignal reagiert bzw. darauf anspricht. Die Antriebssteuereinheit 28 erzeugt ein Antriebssteuersignal. Ein Schrittmotor 30 ist elektrisch mit der Antriebssteuereinheit 28 gekoppelt und reagiert auf das Antriebssteuersignal. Der Schrittmotor 30 stellt eine Drehungs-Antriebskraft über Kopplungseinrichtungen 32 zum Drehen der Plattform 24 zur Verfügung. Die Kopplungseinrichtung 32 ist zwischen dem Schrittmotor 30 und der Plattform 24 angeordnet.
In einer Ausbildungsform weist die Kopplungseinrichtung 32 ein Stirn-Zahnrad mit Geradverzahnung auf, wobei das Zahnrad an einer entsprechenden Verzahnung angreift, die am Umfang der Plattform angeordnet ist. Die Kopplungseinrichtung 32 kann alternativ ein Reibrad aufweisen, das am Umfang einer Oberfläche aufweist, die mit der Umfangs-Oberfläche der Plattform in Kontakt steht.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kopplungseinrichtung 32 einen Riemen (nicht gezeigt) sowie eine Riemenscheiben-Anordnung auf, wobei sich die Drehung des Riemens in eine drehende Bewegung der Plattform übersetzt. Wiederum ist es ersichtlich, das eine beliebige, dem Fachmann bekannte Kopplungseinrichtung eingesetzt werden kann, um die Drehungs-Antriebskraft des Schrittmotors auf die Plattform zu übertragen. Ebenso können die Funktionen des Schrittmotors 30 und der Kopplungseinrichtung 32 als integraler Bestandteil einer Schrittsteuereinheit vorliegen.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dreht die oben beschriebene Drehungseinrichtung die Plattform 24 (und somit die Coded-Aperture-Einrichtung 22 mit quadratischer, antisymmetrischer, uniformredundanter Anordnung) von einer ersten Position in eine zweite Position, wobei die zweite Position gegenüber der ersten Position durch Rotation um 90° versetzt ist. Es ist ersichtlich, daß die zeitrichtige Steuerung, wann die Apertur zwischen den zwei Positionen zu drehen ist, entweder von der Schrittsteuereinheit 28 oder dem Signalprozessor 14 durchgeführt werden kann.
In der 13 ist weiterhin ein positionsempfindlicher Detektor 10 gezeigt, der vorzugsweise kartesisch konfiguriert ist und in Bezug auf die kodierte Apertur 22 so angeordnet ist, daß nicht-fokussierbare Strahlung von einer Quelle, die Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen aussendet, durch die kodierte Apertur 22 moduliert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung befindet sich die kodierte Apertur 22 in der ersten Position, und weist dadurch ein normales Maskenmuster auf.
Die nicht-fokussierbare Strahlung 20 tritt durch die kodierte Apertur 22 für einen bestimmten Zeitraum hindurch. In Reaktion hierauf erzeugt die kodierte Apertur 22 einen ersten kodierten Schatten, wobei der erste kodierte Schatten auf den Detektor 10 fällt. Die Einrichtung zum Drehen dreht sodann die kodierte Apertur 22 in die zweite Position, dadurch weist die kodierte Apertur 22 ein komplementäres Maskenmuster auf.
Die nicht-fokussierbare Strahlung 20 tritt wiederum durch die kodierte Apertur 22 für etwa einen gleichen Zeitraum hindurch. In Reaktion hierauf erzeugt die kodierte Apertur 22 einen zweiten kodierten Schatten, wobei der zweite kodierte Schatten auf den Detektor 10 fällt. Der Detektor 10 erzeugt in Reaktion auf den ersten und zweiten kodierten Schatten ein erstes bzw. zweites kodiertes optisches Signal.
Eine Einrichtung 34 zum Umwandeln eines optischen Signals in ein elektrisches Signal ist elektrisch mit dem positionsempfindlichen Detektor 10 verbunden. Die Umwandlungseinrichtung 34 kann eine beliebige Einrichtung sein, wie sie hier beschrieben wird oder dem Fachmann bekannt ist. In einer Ausführungsform ist die Umwandlungseinrichtung eine CCD-Anordnung. Die auf den Detektor 10 ansprechende Umwandlungseinrichtung 34 erzeugt in Reaktion auf das erste und zweite kodierte optische Signal ein erstes bzw. zweites elektrisches Signal.
Der Signalprozessor 14 ist elektrisch mit der Umwandlungseinrichtung 34 wie auch der Schrittsteuereinheit 28 gekoppelt. Der Signalprozessor 14 spricht auf das erste und das zweite kodierte elektrische Signal und das Positionssignal an, wobei dem Prozessor 14 das Positionssignal vom Positionskodierer 26 über die Schrittsteuereinheit 28 geliefert wird. Der Signalprozessor 14 verarbeitet diese Signale und erzeugt ein Bildsignal, das für ein Bild der Quelle nicht-fokussierbarer Strahlung repräsentativ ist.
Dieses Bild und weitere Informationen, die von dem Signalprozessor 14 verarbeitet werden, wie etwa Photonenfluß-Pegel, Belichtungszeit, Meßbedingungen, können auf einer Anzeige 16 angezeigt werden. Eine Datenspeichereinheit 36 ist elektrisch mit dem Signalprozessor 14 und/oder der Anzeige 16 gekoppelt und kann das Bildsignal und die weiteren, oben erwähnten Informationen speichern, die von dem Signalprozessor 14 verarbeitet werden.
Es ist ersichtlich, daß das Abbildungssystem mit kodierter Apertur, wie in der 13 veranschaulicht, auch, ähnlich zu der in der 2a gezeigten Einstellungseinrichtung, eine Einrichtung zum Einstellen des Abstandes zwischen der kodierten Apertur 22 und dem positionsempfindlichen Detektor 10 enthalten kann.
Der von dem Abbildungssystem mit kodierter Apertur durchgeführte Abbildungsvorgang unter Verwendung einer Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung wird in der nachfolgend beschriebenen Weise bewerkstelligt. Das erste und das zweite, vor. der Umwandlungseinrichtung 34 erzeugte, kodierte elektrische Signal, wird jeweils durch die Korrelation einer Verteilung der Quelle nicht-fokussierbarer Strahlung und einer Kodierungsfunktion ausgedrückt, die der Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung zugeordnet ist.
Befindet sich die kodierte Apertur in der ersten Position (und weist somit das normale Maskenmuster auf) kann somit das erste kodierte elektrische Signal beschrieben werden als On = s*An + bn,wobei „*" einen Korrelationsoperator repräsentiert, „s" eine Verteilungs-Quellenfunktion und „b_n" das Hintergrundrauschen, das alle Beiträge zu dem Detektor beinhaltet, die nicht durch das normale Maskenmuster der kodierten Apertur moduliert werden. „A_n" repräsentiert eine Normal-Kodierungsfunktion, die dem normalen Maskenmuster der kodierten Apertur zugeordnet ist.
Wird nachfolgend die kodierte Apertur aus der ersten Position um 90° in die zweite Position gedreht (dadurch weist sie das komplementäre Maskenmuster auf), kann das zweite kodierte elektrische Signal beschrieben werden als Oc = s*Ac + bc,wobei „b_c" Hintergrundrauschen repräsentiert, welches alle Beiträge zu dem Detektorsignal beinhaltet, die nicht durch das komplementäre Maskenmuster der kodierten Apertur des Detektors moduliert werden, und „A_c" eine Komplementär-Kodierungsfunktion, die dem komplementären Maskenmuster der kodierten Apertur zugeordnet ist. Subtrahieren des obigen Signals ergibt ein resultierendes Signal: Ot = s*(An – Ac) + (bn – bc).
Für die kodierte Apertur der vorliegenden Erfindung ist der Absolutwert von A_c, der Normal-Kodierungsfunktion, nahezu gleich A_c, der Komplementär-Kodierungsfunktion, da die zwei Funktionen mit Ausnahme der zentralen Zelle nahezu antisymmetrisch sind. Ist darüberhinaus der Photonenfluß groß, ist b_c zu b_c sehr wahrscheinlich gleich. Daher kann ein resultierendes Durchschnittssignal wie folgt beschrieben werden: <Ot> = (s)*(An – Ac) + (bn – bc).wobei „< >" einen Ensemble-Mittelwert darstellt. Somit ist der Durchschnitt des subtrahierten Hintergrundrauschens im wesentlichen gleich Null.
Der Vorteil eines Abbildungssystems mit kodierter Apertur, bei dem eine kodierte Apertur mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung verwendet wird, wird durch die obige Gleichung deutlich dargestellt. Ein derartiges Abbildungssystem bietet gegenüber allen existierenden Abbildungssystemen Vorteile, nämlich, daß die kodierte Apertur der vorliegenden Erfindung, die auf der einen Seite eine quadratische Geometrie aufweist, auf der anderen Seite auch die nachteiligen Wirkungen nicht-modulierter Photonen und des Instrumentenhintergrundrauschens ausschaltet.
Aufgrund der Antisymmetrie der kodierten Apertur der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Differenz-Kodierungsfunktion, A_n – A_e, nahezu unimodular und wird gemäß den folgenden Regeln ausgedrückt:
(A_n – A_c)_i = 0 wenn i = j = 0,
(A_n – A_c)_i = 1 wenn (A_n)_ij = 1 und i + j ≠ 0,
(A_n – A_c)_i = 1 wenn (A_n)_ij = 0 und i + j ≠ 0.
Eine Abschätzung einer rekonstruierten Verteilung der Quelle nicht-fokussierbarer Strahlung wird in der folgenden Weise dargestellt: <s ^> = <Ot>*G = (<s>*(An – Ac) + (bn – bc))*Gwobei „^" eine Abschätzung der mit diesem Zeichen überschriebenen Variable repräsentiert und „G", eine Dekodierungsfunktion und eine unimodulare Korrelation invers zu A_ij, definiert ist als:
G_ij = 1 wenn i = j = 0,
G_ij = 1 wenn A_ij = i und i + j ≠ 0,
G_ij = –1 wenn A_ij = 0 und i + j ≠ 0.
Die Dekodierungsfunktion G ist so gewählt, daß die Abschätzung der dekodierten Quelle identisch mit der Quelle ist, wobei vernachlässigbare Artefakte auftreten. Somit kann die Beziehung zwischen der Kodierungsfunktion A und der Dekodierungsfunktion G auf die folgende Weise ausgedrückt werden: A*G = (ν2/2–1)δκ,wobei „δ_κ" eine Kronecker-Deltafunktion ist.
Demgemäß wird, wie oben demonstriert, der Durchschnittspegel des Hintergrundrauschens eines Abbildungssystems deutlich reduziert, wenn das System ein Hintergrund-Unterdrückungsschema verwendet, bei dem eine Normal/Komplementär-Subtraktion durchgeführt wird. Vorteilhafterweise ändert sich jedoch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (Rauschabstand) eines Abbildungssystems mit kodierter Apertur, das mit einer Coded-Aperture-Einrichtung mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung ausgestattet ist, nicht wesentlich, wenn das Normal/Komplementär-Hintergrund-Unterdrückungsschema angewendet wird oder nicht. Voraussetzung hierfür ist, daß die Gesamtbelichtungszeit des normalen Maskenmusters und diejenige des komplementären Maskenmusters jeweils gleich ist.
Bisher war für Abbildungssysteme gemäß dem Stand der Technik bei dem Versuch, die Wirkungen des Hintergrundrauschens und nicht-modulierter Photonen durch einen Ansatz mit Normal/Komplementär-Apertur auszuschalten, ein physisches Umschalten zwischen den Aperturen erforderlich, um die Vorteile der Normal/Komplementär-Verarbeitung zu realisieren. Nachteile, wie etwa Stillstandszeit des Systems, Ausrichtungsungenauigkeit und mögliche Strahlenbelastung des Personals, führten insgesamt zu begrenzter Effektivität derartiger Systeme gemäß dem Stand der Technik.
Zusätzlich weisen sogar bekannte Systeme, die eine einzelne, hexagonale kodierte Apertur verwenden und zur Normal/Komplementär-Verarbeitung geeignet sind, die wesentliche Einschränkung auf, daß sie nur dann effizient sind, wenn sie mit positionsempfindlichen Detektoren hexagonaler oder kreisförmiger Geometrie ausgestattet sind.
Da die meisten bekannten positionsempfindlichen Detektoren gemäß dem Stand der Technik eine kartesische Konfiguration aufweisen, befriedigt die kodierte Apertur gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere den Bedarf für eine einzelne kodierte Apertur, die zur Normal/Komplementär-Verarbeitung geeignet ist und die generell in der Vielzahl der Abbildungssysteme mit kodierter Apertur eingesetzt werden kann.
Durch die Normal/Komplementär-Eigenschaft der kodierten Apertur gemäß der vorliegenden Erfindung und die Fähigkeit zur präzisen Drehung, die durch das dazugehörige Abbildungssystem zur Verfügung gestellt wird, können weiterhin System-Stillstandszeit, Ausrichtungsungenauigkeiten und Risiken für das Personal ausgeschaltet werden. Die kodierte Apertur mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung und ein Abbildungs-System mit kodierten Apertur, das eine derartige, gegenüber dem Stand der Technik neue Apertur verwendet, überwindet somit alle Einschränkungen der hier beschriebenen, bekannten Systeme.
Nunmehr erfolgt eine Beschreibung der weiteren Komponenten des Abbildungssystems mit kodierter Apertur. Der positionsempfindliche Detektor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung kann entweder aus einem Kristall-Szintillator gebildet sein, einem Kunststoffaser-Szintillator, einem Glas-Szintillator oder einem Glasfaser-Szintillator. In der bevorzugten Ausführungsform ist der positionsempfindliche Detektor ein Glasfaser-Szintillator. Ein geeigneter, Hochdichte-Glasfaser-Szintillator zur Verwendung in dem Abbildungssystem der vorliegenden Erfindung wird im US-Patent Nr. 5,122,671 (Buchanan et al.) mit dem Titel „Terbium Activated Silicate Luminescent Classes For Use In Converting X-Ray Radiation Into Visible Radiation" beschrieben.
Der Hochdichte-Glasfaser-Szintillator sendet Licht im grünen Spektralbereich bei 534 nm aus. Der Glas-Szintillator kann entweder in Form einer kompakten Masse eines szintillierenden Glasmaterials oder in Form einer Vielzahl von Glasfasern vorliegen. In der bevorzugten Ausführungsform weist der Glas-Szintillator eine Vielzahl von Fasern auf und die Glasfasern weisen an der externen Wandung eine absorbierende Beschichtung auf, um die Kreuzkopplung zwischen den Fasern zu minimieren. Das Bündel szintillierender Glasfasern bildet den positionsempfindlichen Detektor in dem Abbildungssystem mit kodierter Apertur der vorliegenden Erfindung.
Der Glasfaser-Szintillator ist kostengünstiger und weit stabiler als Kristall-Szintillatoren, wie sie allgemein bekannt sind und in der Vergangenheit verwendet wurden. Die Lichtabgabe eines 12 mm dicken Gias-Szintillators beträgt etwa 0,68525 Candela/m² (0,2 foot-Lambent) pro Röntgen pro Sekunde für 1,3 MeV – Photonen. In der bevorzugten Ausführungsform hat jede szintillierende Glasfaser einen Durchmesser von etwa 15 μm und die Anordnung von Glasfasern hat einen Durchmesser von etwa 5,08 cm bis 7,62 cm (2 inch bis 3 inch). Typische Dicken des Glasfaser-Szintillators liegen im Bereich von etwa 1,5 mm bis etwa 12 mm.
Die Vorteile der Verwendung des Glasfaser-Szintillators als positionsempfindlicher Detektor in einem Abbildungssystem mit kodierter Apertur bestehen in verbessertem Signal-zu-Rausch-Verhältnis, verbesserter räumlicher Auflösung und verbessertem dynamischem Bereich. Genauer gesagt, wird ein verbessertes Signalzu-Rausch-Verhältnis dadurch erzielt, daß bei hohen Energien die Glas-Szintillatoren Verbesserungen im Signal-zu-Rausch-Vehältnis (Rauschabstand) zeigen, die im Vergleich zu Gadolinium-Oxysulfid-Phosphor-Schirmen nahe bei einem Faktor 2 liegen.
Darüberhinaus weisen Glas-Szintillatoren eine verbesserte Röntgenstrahlen-Dämpfung auf, was zu verbesserter Ausnutzung von Röntgenphotonen führt. In Bezug auf die räumliche Auflösung weisen Glasfaser-Szintillatoren eine räumliche Auflösung von 25 Linienpaaren/mm (Ip/mm) oder mehr bei niedriger Röntgenenergie auf. Zum Vergleich: Ein hochauflösender Phosphorschirm zeigt unter vergleichbaren Umständen 12–14 Ip/mm an.
Die größere Ansprechbarkeit und reduzierte Lichtstreuung innerhalb eines positionsempfindlichen Detektors, der aus einem Glasfaser-Szintillator gebildet ist, stellen beide Faktoren dar, die zu einem großen dynamischen Bereich des Detektors führen. Systemtests mit hochperformanten CCD-Kameras zeigen einen dynamischen Bereich von 3000 oder mehr. Dies führt bei Anwendungen im Bereich der Röntgenstrahlen-Untersuchung außerdem zu exzellenter Kontrastempfindlichkeit.
In der in 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform weist das Abbildungssystem mit kodierter Apertur einen optischen Zug 13 oder Einrichtungen zum Übertragen des kodierten optischen Signals auf die CCD-Anordnung auf. Wie ebenfalls in der 2 gezeigt, weist die bevorzugte Ausführungsform einen Bildverstärker 11 auf, der zwischen den positionsempfindlichen Detektor 10 und die CCD-Anordnung 12 geschaltet ist.
Genauer gesagt, es ist die Seite des positionsempfindlichen Detektors 10, die der kodierten Apertur entgegengesetzt ist, mit der Übertragungseinrichtung 13 für das kodierte optische Signal gekoppelt. Ein entgegengesetztes Ende der Übertragungseinrichtung ist an einen Bildverstärker 11 gekoppelt, der kodierte optische Signal verstärkt und intensiviert. Das verstärkte kodierte optische Signal wird der CCD-Anordnung 12 eingegeben, die ein kodiertes elektrisches Signal in Reaktion auf das kodierte optische Signal erzeugt.
Der optische Zug 13 oder die Übertragungseinrichtung für das kodierte optische Signal kann entweder eine Anordnung optischer Faserverbinder bzw. -taper sein oder eine Relais-Optik. Taper für optische Fasern werden häufig verwendet, um zwei optische Aperturen mit abweichenden Abmessungen miteinander zu verbinden bzw. aneinander anzupassen. Dies betrifft hier den positionsempfindlichen Detektor 10 und den Bildverstärker 11 oder die CCD-Anordnung 12. Taper für optische Fasern bestehen im allgemeinen aus sich verjüngender Faseroptik, die ein Ende mit einem größeren Querschnittsbereich als das entgegengesetzte Ende der optischen Faser hat.
Die alternative Konfiguration des Abbildungssystems mit kodierter Apertur verwendet eine Relais-Optik, um die Ausgabe-Oberfläche des Glasfaser-Szintillators auf den Bildverstärker oder die CCD-Anordnung 12 abzubilden. Sowohl die Taper für die Faseroptik als auch die Relais-Optik sind auf Bestellung kommerziell er hältliche Produkte. So werden geeignete Taper für optische Fasern beispielsweise auf Bestellung von Schott Fiber Optics, Inc. hergestellt.
Wie bereits erwähnt, verstärkt und intensiviert der Bildverstärker 11 das kodierte optische Signal. Die CCD-Anordnung 12 spricht auf das verstärkte kodierte optische Signal an und erzeugt ein kodiertes analoges elektrisches Signal im Ansprechen auf das kodierte optische Signal. Der Bildverstärker 11 kann einer aus einer beliebigen Zahl kommerziell erhältlicher Produkte sein, etwa eine Bildverstärkerröhre von Hamamatsu Photonics K. K. mit der Modellnummer V33347U. Alternativ kann die Bildverstärkerfunktionalität durch eine Anordnung aus Halbleiter-Photodioden bewerkstelligt werden, wie etwa durch die von Hamamatsu Photonics K. K. mit der Modellnummer S2461 hergestellten.
In dem Abbildungssystem mit kodierter Apertur wandelt die CCD-Anordnung 12 das verstärkte kodierte optische Signal in ein kodiertes analoges elektrisches Multiplex-Signal um. Das kodierte analoge elektrische Signal kann intern von einem Signalprozessor/Dekodierer verarbeitet werden oder an einem abgesetzten Ort, wie in der 1 gezeigt, verarbeitet werden. Dementsprechend umfaßt das handgehaltene Gerät mindestens die kodierte Apertur 4, den positionsempfindlichen Detektor 10 und die CCD-Anordnung 12, die in einem tragbaren, schützenden Gehäuse 2 untergebracht sein können.
Ein Kabel 8 ist mit einem Ende mit der CCD-Anordnung 12 und mit einem entgegengesetzten Ende mit einem abgesetzten bildverarbeitenden Prozessor gekoppelt und vervollständigt das Abbildungssystem mit kodierter Apertur. Das kodierte analoge elektrische Signal wird über das Kabel 8 an den Signalprozessor übertragen, der das kodierte analoge elektrische Signal digitalisiert, formatiert und dekodiert, und ein Bildsignal erzeugt, das für ein Bild einer Quelle repräsentativ ist, die Gammastrahlen aussendet.
Wie bereits erwähnt, weist eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Anordnung von Halbleiter-Photodioden auf, die auf das kodierte, optische Signal ansprechen. Die Anordnung von Halbleiter-Photodioden erzeugt ein kodiertes elektrisches Signal im Ansprechen auf das kodierte optische Signal.
Zusätzlich übernimmt die Photodiodenanordnung die Funktion des Bildverstärkers, um das optische Signal vor der Umwandlung des optischen Signals in ein elektrisches Signal zu verstärken. Demgemäß arbeitet das Abbildungssystem in der gleichen Weise wie oben beschrieben.
Die minimale detektierbare Dosis oder Empfindlichkeit des Abbildungssystems mit kodierter Apertur ist eine Funktion des Glasfaser-Szintillators, des Bildverstärkers, der CCD-Anordnung und der Auslegung der Apertur. Da die numerische Apertur des Glasfaser-Szintillators geringer ist als die der gewöhnlich verwendeten optischen Fasern, die die Taper für optische Fasern ausmachen, wird von dem Szintillator ausgesendetes Licht ohne jede Reflektion an die faseroptischen Taper angekoppelt.
Wird eine Bildverstärkerröhre mit einem Durchmesser von 3,81 cm (1,5 Inch) verwendet, kann ein Taper für optische Fasern mit etwa zweifacher Verstärkung verwendet werden, um den Glasfaser-Szintillator an die Bildverstärkerröhre anzupassen. Unter der Annahme eines 80%-igen optischen Transmissionsgrades wird die Transmission durch einen Taper für optische Fasern mit zweifacher Verstärkung auf etwa 50% reduziert, und zwar aufgrund von überschiessender Verstärkung und Übermittlungsverlusten in den faseroptischen Tapern.
Unter der Annahme einer typischen Stromantwort von 0,04 A/W für den Eingangsleuchtstoff, einem Gewinn von 10000 und einem P20-Ausgangsleuchtstoff für eine Bildverstärkerröhre, ist die Ansprechbarkeit des Abbildungssystems bzw. -detektors mit kodierter Apertur, die einen 7,62 cm (3 Inch) Glasfaser-Szintillator, einen faseroptischen Taper mit zweifacher Verstärkung und eine 3,81 cm (1,5 Inch) Bildverstärkerröhre aufweist, etwa 1 × 10^–3 W-sec/cm²-Röntgen.
In der bevorzugten Ausführungsform, in der eine CCD-Anordnung verwendet wird, kann die Rauschäquivalenz-Bestrahlungsstärke der CCD-Anordnung durch Kühlung der Anordnung mit einem zweistufigen thermoelektrischen Kühler reduziert werden. Typischerweise weisen CCD-Anordnungen, die mit einer Bilderzeugung von 16 Bildern pro Sekunde betrieben werden, eine Rauschäquivalenz-Bestrahlungsstärke von etwa 2,5 × 10^–9 W/cm². Durch Kühlung der CCD-Anordnung wird die Rauschäquivalenz-Bestrahlungsstärke auf etwa 6,5 × 10^–12 W/cm² reduziert.
Wird eine 80%-tige Kopplungseffizienz zwischen der Bildverstärkerröhre und der CCD-Anordnung erreicht, beträgt die Empfindlichkeit des Abbildungssystems mit kodierter Apertur für Photonen mit 1,3 MeV etwa 3 μR/s oder 10 mR/h, bei einem Betrieb mit 16 Bildern pro Sekunde. Bei einem Betrieb mit einem Bild pro Sekunde reduziert sich die Empfindlichkeit auf etwa 5 nR/s oder 10 μR. Die CCD-Anordnung ist von mehreren Herstellern kommerziell erhältlich. Eine geeignete CCD-Anordnung zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung wird von Eastman Kodak hergestellt und hat die Modellnummer KAI-0370.
Weiterhin kann die Empfindlichkeit des Abbildungssystems mit kodierter Apertur zusätzlich durch Verwendung verschiedene Einrichtungen verbessert werden, einschließlich Verwendung mehrstufiger Bildverstärkerröhren oder Anordnungen mit Hochleistungs-Lawinen-Photodioden aus Silizium, oder sogar Multiplexen mit mehreren faseroptischen Tapern und Bildverstärkerröhren, was die Empfindlichkeit um ein oder zwei Größenordnungen erhöht. Der Einsatz einer Anordnung von linearen Abtast-Lawinen-Photodioden kann auch zu besserer Empfindlichkeit bei verlängerter Bild- und Integrationszeit führen.
Der Signalprozessor 14 wird zum Dekodieren des kodierten elektrischen Signals und Erzeugen eines Bildsignals verwendet und ist vorzugsweise ein digitaler Signalprozessor (DSP). Der Signalprozessor digitalisiert, formatiert und dekodiert das kodierte, analoge elektrische Multiplexsignal, das von der CCD-Anordnung erzeugt wird, und erzeugt hieraus ein Bildsignal. Der vom Signalprozessor durchgeführte Dekodierungsalgorithmus hängt von der Konfiguration der Apertur ab. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Signalprozessor Teil eines strahlungsgehärteten DSP-Moduls.
Das strahlungsgehärtete DSP-Modul beinhaltet einen vollständigen digitalen Signalprozessor, angebracht auf einem Versa-Modul mit Europa-Abmessungen (6U), ein doppelseitig mit Blei versehenes Chipträgermodul. Das strahlungsgehärtete DSP-Modul führt Hochgeschwindigkeits-Fließ- und Fixpunktarithmetik- Problemverarbeitung durch, während es gleichzeitig als Systemsteuerung arbeitet. Ein geeigneter strahlungsgehärteter digitaler Signalprozessor basiert auf dem HASP („Hardened Ada Signal Processor")-Chip von Texas Instruments als Kern-DSP.
Der strahlungsgehärtete DSP weist 32K × 32 reprogrammierbare EEPROM-Speicher auf, von denen 4K für eine Hochfahrroutine reserviert sind. Der Prozessor weist ferner ein RAM („Random access memory") von insgesamt 384K × 32 auf, der in zwei Abschnitte unterteilt ist. Die ersten 128K × 32 bilden einen Null-Waitstate-Speicher. Die verbleibenden 256K × 32 erfordern einen Waitstate. Auf die Speicher wird über einen 32-Bit-Primärbus zugegriffen.
Kommunikationseinrichtungen zwischen mehreren Prozessormodulen erfolgen über eine Dual-Port-Speicher-„Mailbox" mit 32 Bit Breite auf dem Erweiterungsbus jedes Moduls. Bei Verwendung eines Master/Slave-Protokolls steuert der Master die Mailbox uneingeschränkt. Der Master ist in der Lage, eine Nachricht an einen oder alle Slaves gleichzeitig zu senden. Die Slaves schreiben und lesen nur auf bzw. von ihren eigenen Mailboxen und zeigen dem Master an, wenn Mail zu entnehmen ist.
Bevorzugt ist eine zyklische Ablaufeigenschaft zum Zwecke von Selbsttests vorgesehen, die auch vom Master verwendet werden kann, um ausgehende Nachricht zu überwachen. Alle Modul-Eingangs-/Ausgangssignale werden so zwischengespeichert, daß ein Modul ausgeschaltet werden kann, ohne das dies irgendwelche nachteiligen Auswirkungen hat.
Wie an mehreren Stellen in der detaillierten Beschreibung diskutiert, kann das Abbildungssystem mit kodierter Apertur, das gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist, aus verschiedenen kommerziell erhältlichen Einrichtungen in Abhängigkeit von den Anforderungen an das System hergestellt werden. Das Abbildungssystem mit kodierter Apertur kann für den speziellen, angestrebten Einsatzzweck optimiert werden, wobei diese Zwecke einen weiten Bereich von Strahlungsfeldern umfassen.
Zum Beispiel kann an Bereiche zum Abbilden geringer Strahlenmengen gedacht werden, wie etwa im Umweltschutz oder beim Entsorgen von Altlasten, oder an betriebsmäßige Bereiche zum Abbilden von Situationen nach einem Unfall, wobei diese Bereiche weit größer sein können als die Extreme der betriebsmäßigen Bereiche.
Darüberhinaus bietet das Abbildungssystem mit kodierter Apertur der vorliegenden Erfindung die folgenden vorteilhaften Merkmale: (1) Tragbarkeit, (2) ein großes Gesichtsfeld, (3) eine Fähigkeit zum Vergrößern ohne Auflösungsverluste zum detaillierten Abbilden, (4) hohe Empfindlichkeit und großen dynamischen Bereich, (5) Echtzeitbetrieb und (6) Betrieb und Anzeige von Bildern und Ergebnissen an abgesetzten bzw. entfernten Orten.
Obwohl hier beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden sind, ist es ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist und daß durch den Fachmann verschiedene weitere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen, der ausschließlich durch den Wortlaut der anhängenden Ansprüche begrenzt wird.

Claims

Kodierte Apertur mit quadratischer, antisymmetrischer, uniformredundanter Anordnung zur Abbildung einer Quelle nicht-fokussierbarer Strahlung, wobei die kodierte Apertur transparente und opake Zellen aufweist und in einer ersten Position und in einer zweiten Position positionierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Position gegenüber der ersten Position durch Rotation um 90° versetzt ist und daß die kodierte Apertur in der ersten Position ein quadratisches normales Maskenmuster und in der zweiten Position ein quadratisches komplementäres Maskenmuster aufweist, so daß im wesentlichen alle opaken Zellen ihren Ort mit im wesentlichen allen transparenten Zellen vertauschen.
Kodierte Apertur mit quadratischer, antisymmetrischer, uniformredundanter Anordnung zur Abbildung einer Quelle nicht-fokussierbarer Strahlung nach Anspruch 1, wobei die transparenten Zellen und die opaken Zellen ein vollständiges Maskenmuster bilden, wobei das vollständige Maskenmuster Elemente aufweist und die Elemente Werte aufweisen, die einen ersten Wert und einen zweiten Wert umfassen, wobei die transparenten Zellen und die opaken Zellen jeweils Orten zugeordnet sind, die den Elementen mit dem ersten Wert und dem zweiten Wert entsprechen, wobei das vollständige Maskenmuster aus einem primitiven Maskenmuster der Ordnung ν erzeugt wird, das ein Zentrum aufweist, wobei das primitive Maskenmuster durch folgende Beziehung definiert ist: A_ij = 0 wenn i = 0, A_ij = i wenn j = 0 und i ≠ 0, A_ij = 1 wenn B_i = B_j, A_ij = 0 sonst, wobei A eine Kodierungsfunktion für uniform-redundante Anordnungen ist und B eine schiefe Hadamard-Folge quadratischer Reste ist, und wobei das vollständige Maskenmuster durch Wiederholen des primitiven Maskenmusters vom Zentrum des primitiven Maskenmusters diagonal nach außen erzeugt wird und das vollständige Maskenmuster insgesamt (2ν – 1) × (2ν – 1) Elemente enthält.
Verfahren zum Erzeugen einer kodierten Apertur mit quadratischer, antisymmetrischer, uniform-redundanter Anordnung zur Abbildung einer Quelle nicht-fokussierbarer Strahlung, wobei die kodierte Apertur transparente und opake Zellen aufweist und das Verfahren die folgenden Schritte enthält: Erzeugen eines primitiven Maskenmusters der Ordnung ν das ein Zentrum aufweist, wobei das primitive Maskenmuster durch folgende Beziehung definiert ist: A_ij = 0 wenn i = 0, A_ij = i wenn j = 0 und i ≠ 0, A_ij = 1 wenn B_i = B_j, A_ij = 0 sonst, wobei A eine Kodierungsfunktion für uniform-redundante Anordnungen ist und B eine schiefe Hadamard-Folge quadratischer Reste ist; Erzeugen eines vollständigen Maskenmusters, welches Elemente aufweist, wobei die Elemente Werte aufweisen, die einen ersten Wert und einen zweiten Wert umfassen, und das vollständige Maskenmuster durch Wiederholen des primitiven Maskenmusters vom Zentrum des primitiven Maskenmusters diagonal nach außen erzeugt wird und das vollständige Maskenmuster insgesamt (2ν – 1) × (2ν – 1) Elemente enthält; und Zuordnen der transparenten Zellen beziehungsweise der opaken Zellen zu den Elementen des vollständigen Maskenmusters, die den ersten Wert und den zweiten Wert aufweisen.
Abbildungssystem mit kodierter Apertur zum Abbilden einer Quelle nichtfokussierbarer Strahlung, das folgendes aufweist: eine kodierte Apertur nach Anspruch 1 oder 2; eine Einrichtung zum Drehen der kodierten Apertur zwischen der ersten und der zweiten Position, wobei die kodierte Apertur durch die Quelle emittierte, nicht-fokussierbare Strahlung sowohl in der ersten Position als auch in der zweiten Position empfängt, wobei die kodierte Apertur einen ersten kodierten Schatten in Reaktion auf die Strahlung erzeugt, die empfangen wird, wenn die kodierte Apertur sich in der ersten Position befindet, und einen zweiten kodierten Schatten in Reaktion auf die Strahlung erzeugt, die empfangen wird, wenn die kodierte Apertur sich in der zweiten Position befindet; einen positionsempfindlichen Detektor, der in Bezug auf die kodierte Apertur so angeordnet ist, daß der erste kodierte Schatten und der zweite kodierte Schatten sequentiell auf diesen fallen kann, wobei der positionsempfindliche Detektor ein erstes kodiertes optisches Signal beziehungsweise ein zweites kodiertes optisches Signal in Reaktion auf den ersten kodierten Schatten beziehungsweise den zweiten kodierten Schatten erzeugt, die sequentiell auf diesen fallen; eine Einrichtung zum Konvertieren eines optischen Signals in ein elektrisches Signal, wobei die Konvertierungseinrichtung auf das erste kodierte optische Signal und das zweite kodierte optische Signal anspricht und jeweils ein erstes kodiertes elektrisches Signal beziehungsweise ein zweites kodiertes elektrisches Signal in Reaktion auf die optischen Signale erzeugt; und einen Signalprozessor, wobei der Signalprozessor auf das erste kodierte elektrische Signal und das zweite kodierte elektrische Signal anspricht und das erste kodierte elektrische Signal und das zweite kodierte elektrische Signal dekodiert und daraus ein Bildsignal erzeugt, wobei das Bildsignal repräsentativ für ein Bild der Quelle der nicht-fokussierbaren Strahlung ist.
Abbildungssystem mit kodierter Apertur nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum Drehen folgendes aufweist: eine Apertur-Halte-Plattform, die in mindestens einer ersten Position und mindestens einer zweiten Position positioniert werden kann, wobei die kodierte Apertur an der Plattform angebracht ist; einen Positionskodierer, der betriebsmäßig mit der Plattform gekoppelt ist, wobei der Positionskodierer auf die Rotationsposition der Plattform reagiert und in Reaktion auf diese Position ein Positionssignal erzeugt, wobei das Positionssignal angibt, ob die Plattform sich in der mindestens einen ersten oder mindestens einen zweiten Position befindet; eine Antriebssteuereinheit, die elektrisch mit dem Positionskodierer gekoppelt ist und die auf das Positionssignal reagiert, wobei die Antriebssteuereinheit in Reaktion auf das Positionssignal ein Antriebssteuersignal erzeugt; und eine Schrittsteuereinheit, die elektrisch mit der Antriebssteuereinheit und mechanisch mit der Plattform gekoppelt ist, wobei die Schrittsteuereinheit auf das Antriebssteuersignal reagiert und in Reaktion auf dieses die Plattform zwischen der mindestens einen ersten Position und der mindestens einen zweiten Position dreht.
Abbildungssystem mit kodierter Apertur nach Anspruch 5, wobei der Positionskodierer elektrisch mit dem Signalprozessor gekoppelt ist, wobei der Signalprozessor auf das Positionssignal des Positionskodierer reagiert, wobei der Signalprozessor das Positionssignal, das erste kodierte elektrische Signal und das zweite kodierte elektrische Signal verarbeitet und dadurch das Bildsignal erzeugt.
Abbildungssystem mit kodierter Apertur nach Anspruch 4, welches weiterhin eine Anzeige aufweist, die elektrisch mit dem Signalprozessor gekoppelt ist, wobei die Anzeige eine visuelle Darstellung eines Bereiches des Gesichtsfeldes des Abbildungssystems enthält, wobei der visuellen Darstellung das repräsentative Bild der Quelle der nichtfokussierbaren Strahlung in Reaktion auf das Bildsignal überlagert wird.
Abbildungssystem mit kodierter Apertur nach Anspruch 4, welches weiterhin eine Datenspeichereinheit aufweist, wobei die Datenspeichereinheit elektrisch mit dem Signalprozessor gekoppelt ist, wobei der Signalprozessor Datensignale erzeugt, und wobei die Datenspeichereinheit die Datensignale des Signalprozessors speichert.
Abbildungssystem mit kodierter Apertur nach Anspruch 4, welches weiterhin eine Einrichtung zum Einstellen eines Abstandes zwischen der kodierten Apertur und dem positionsempfindlichen Detektor aufweist, wobei die Einstellungseinrichtung betriebsmäßig zumindest mit einem von der kodierten Apertur und dem positionsempfindlichen Detektor gekoppelt ist, wobei die Einstellungseinrichtung zumindest einen von der kodierten Apertur und dem positionsempfindlichen Detektor gegen den jeweils anderen bewegt, so daß der Abstand eingestellt wird.