NL1002126C2

NL1002126C2 - Inrichting voor het door middel van tot in een lichaam gereflecteerde straling onderzoeken van voorwerpen.

Info

Publication number: NL1002126C2
Application number: NL1002126A
Authority: NL
Inventors: Roger Cornelis Petrus Hoskens; Antonius Leonardus Fran Peters
Original assignee: Proval Beheer B V
Priority date: 1996-01-19
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 1997-07-22

Description

5

INRICHTING VOOR HET DOOR MIDDEL VAN TOT IN EEN LICHAAM GEREFLECTEERDE STRALING ONDERZOEKEN VAN VOORWERPEN

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het door middel van elektromagnetische straling onderzoeken van voorwerpen, omvattende: - een stralingsbron voor het op het te onderzoeken 5 voorwerp werpen van tenminste een stralingsbundel; en - detectiemiddelen voor het detecteren van de door het voorwerp teruggeworpen stralingsbundel.

Een dergelijke inrichting vormt het onderwerp van de niet-vóórgepubliceerde Nederlandse octrooiaanvrage 10 9500018.

Deze tot de stand van de techniek behorende inrichting maakt gebruik van de reflectie van de elektromagnetische straling op het grensvlak tussen lucht en materie. Een dergelijke inrichting kan aldus onderscheid maken 15 tussen de hoedanigheid van het materiaal van het voorwerp aan het oppervlak, en wel in het bijzonder met betrekking tot de kleur.

Veelal bestaat de behoefte aan een inrichting die niet alleen onderscheid kan maken tussen de kleur aan het 20 oppervlak van het voorwerp, maar die meer informatie kan leveren. Hierbij valt te denken aan het materiaal aan het oppervlak, waarbij een onderscheid moet kunnen worden gemaakt tussen materialen met gelijke kleur en andere informatie met betrekking tot het materiaal van het 25 voorwerp.

Wanneer het voorwerp een stuk vlees is, levert de stand van de techniek informatie omtrent de kleur aan het oppervlak van het stuk vlees; zo kan onderscheid gemaakt worden tussen wit vlees en rood vlees, tussen rood vlees 30 en kraakbeen, enzovoorts.

Deze tot de colliderende stand van de techniek behorende inrichting kan echter geen onderscheid maken tussen vet, pezen en kraakbeen, die een hoofdzakelijk 1002126 2 soortgelijke kleur hebben, en evenmin tussen bloed aan het oppervlak van het stuk vlees en rood bot.

Verder beschrijft US-A-3 633 083 een aftastsysteem voor en film.

5 Dit systeem omvat: - een stralingsbron voor het op het te onderzoeken voorwerp werpen van tenminste een door laserlicht omvattende stralingsbundel die zich tot in de materie voortplant en die in de materie gereflecteerd wordt; en 10 - detectiemiddelen die zijn ingericht voor het detecteren van de in dezelfde richting als de van de stralingsbron afkomstige stralingsbundel door het voorwerp teruggeworpen stralingsbundel

Het doel van de onderhavige uitvinding is het ver-15 schaffen van een dergelijke inrichting, waarbij aldus ook informatie verkregen kan worden omtrent verdere eigenschappen van het materiaal, in het bijzonder wanneer het materiaal een natuurprodukt is. Hierbij kan bijvoorbeeld gedacht worden aan de aanwezigheid van botsplinters of 20 andere verontreinigingen, bijvoorbeeld niet direkt aan het oppervlak van het stuk vlees, maar daaronder.

Het doel volgens de uitvinding wordt bereikt, doordat de stralingsbron en de detectiemiddelen zijn ingericht voor het gebiedsgewijs aftasten van tenminste 25 een deel van het oppervlak van het door een natuurprodukt gevormde te onderzoeken voorwerp.

Als gevolg van deze maatregelen is het mogelijk informatie te krijgen van dieper dan de grenslaag tussen voorwerp en lucht gelegen materie. De aldus verkregen 30 informatie kan worden gebruikt voor het afleiden van de gevraagde informatie.

Hierbij wordt gebruik gemaakt van de eigenschappen dat elektromagnetische straling en in het bijzonder licht zich, zij het in geringe mate, voortplant door materie.

35 Het is hierbij van belang een golflengte te kiezen die zich in de desbetreffende materie tot in de gewenste diepte voortplant. De voortplanting van de straling wordt 1002126 3 verminderd door absorptie door het materiaal en door reflectie en verstrooiing.

Een wellicht belangrijker criterium is de gevoeligheid van de straling voor de verschijnselen, waarnaar 5 gezocht wordt. Anders gezegd, het kiezen van een golflengte, waarbij verstoringen in het te onderzoeken lichaam tot een merkbare beïnvloeding van de straling leiden om tot een zo goed mogelijke differentiatie te komen. Aldus heeft thans het gebruik van laserlicht de 10 voorkeur; het is echter zeer wel mogelijk gebruik te maken van andere vormen van elektromagnetische straling, bijvoorbeeld röntgenstraling of radiogolven.

Er valt af te leiden dat, wanneer een smalle lichtbundel op een voorwerp wordt geworpen, deze bundel gere-15 flecteerd wordt vanuit het voorwerp, en wel hoofdzakelijk in de richting waarmee de oorspronkelijke bundel het voorwerp binnentreedt. Ook in andere richtingen vindt een, zij het aanzienlijk geringere, vorm van terugkaatsing van de stralingsbundel plaats. Deze vorm van terug-20 werping is duidelijk te onderscheiden van de reflectie aan het oppervlak die wel bekend staat als speculaire reflectie, en waarvan de richting voldoet aan de wet van Snellius.

Voor de fysische achtergronden wordt verwezen naar 25 het tijdschriftartikel "Coherent backscattering in biological media: measurement and estimation of optical properties", Gilwon Yoon, Dilip N. Ghosh Roy, and Richard C. Straight, Applied Optics, vol. 32, nummer 4, 1 februari 1993.

30 Aldus blijkt dat de teruggeworpen stralingsbundel afhankelijk van de hoek een zeer scherpe piek vertoont die in de literatuur wordt aangeduid met de coherentie-piek of C-piek. De uitvinding maakt aldus gebruik van dit fysische verschijnsel, doordat de detectiemiddelen zijn 35 ingericht voor het detecteren van de in dezelfde richting als de van de stralingsbron afkomstige stralingsbundel door het voorwerp teruggeworpen stralingsbundel. Er wordt hierbij op gewezen dat constructieve interferentie U02126 4 plaatsvindt tussen twee staande golven die zich in tegengestelde richting voortplanten door turbulent materiaal dat aldus informatie omtrent zijn hoedanigheid aan de bundel overdraagt.

5 Uit onderzoek is gebleken dat bijzonder goed inter preteerbare resultaten worden verkregen, wanneer de stralingsbron door een laserbron wordt gevormd.

Het zal duidelijk zijn dat gebruik gemaakt wordt van een zeer smalle bundel. Om aldus informatie te verkrijgen 10 omtrent het gehele of een groot deel van het oppervlak van het te onderzoeken voorwerp, zijn de stralingsbron en de detectiemiddelen ingericht voor het gebiedsgewijs aftasten van tenminste een deel van het oppervlak van het te onderzoeken voorwerp.

15 Wanneer de inrichting geschikt is voor continu gebruik, omvat deze een transportband voor het in een eerste richting doen bewegen van het te onderzoeken voorwerp, en zijn de stralingsbron en de detectiemiddelen voorzien van aftastmiddelen voor het in een tweede, zich 20 hoofdzakelijk loodrecht op de eerste richting uitstrekkende richting aftasten van een te onderzoeken voorwerp.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van bijgaande tekeningen, waarin voorstellen: 25 figuur 1: een schema ter verklaring van de werking van de inrichting volgens de uitvinding,· figuur 2: een schematisch perspectivisch aanzicht van een eerste uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding; 30 figuur 3: een doorsnede, waaruit de hoek, waaronder de stralen het te onderzoeken voorwerp treffen bij de in figuur afgebeelde uitvoeringsvorm, blijkt; figuur 4: een schematisch perspectivisch aanzicht van een tweede uitvoeringsvorm van een inrichting volgens 35 de uitvinding; figuur 5: een doorsnede, waaruit de hoek, waaronder de stralen het te onderzoeken voorwerp treffen bij de in figuur 4 afgebeelde uitvoeringsvorm, blijkt; 1002126 5 figuur 6: een schematisch perspectivisch aanzicht van een derde uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding; figuur 7: een doorsnede, waaruit de hoek, waaronder 5 de stralen het te onderzoeken voorwerp treffen bij de in figuur 6 afgebeelde uitvoeringsvorm, blijkt; figuur 8: een detailaanzicht van een eerste uitvoeringsvorm van de bij de inrichting te gebruiken detectie-middelen; 10 figuur 9: een driedimensionaal diagram ter verkla ring van de werking van deze uitvoeringsvorm,· figuur 10: een weergave van een tweede uitvoeringsvorm van de detectiemiddelen ten gebruike bij de onderhavige uitvinding,· 15 figuur ll: een diagram ter verklaring van de in figuur 10 afgebeelde uitvoeringsvorm; figuur 12: een derde uitvoeringsvorm van detectiemiddelen volgens de uitvinding; en figuren 13 en 14: diagrammen ter verklaring van de 20 werking van deze uitvoeringsvorm.

In figuur 1 is schematisch een stralingsbron 1 getoond die in essentie wordt gevormd door een aantal niet in de tekeningen weergegeven laserstralingsbronnen die elk een onderlinge parallelle laserbundel 2 afgeven 25 die door een combinatie-inrichting 3 worden gecombineerd tot een enkele laserbundel 4. De laserbundel 4 wordt gevoerd naar een "beam splitter" 5.

Er wordt hierbij op gewezen dat elk van de enkele laserbundels 2 een verschillende golflengte heeft. Het is 30 bovendien mogelijk laserbundels met andere verschillende eigenschappen toe te passen, bijvoorbeeld continu in plaats van permanent, met verschillende fase. Elke golflengte heeft in een bepaald soort materiaal immers specifieke eigenschappen die detecteerbaar zijn in de terugge-35 worpen bundel, zodat de teruggeworpen bundel de informatie van vijf verschillende golflengten omvat die in de detectie-inrichting afzonderlijk kunnen worden geanalyseerd.

1002126 6

Vanaf de "beam splitter" 5 wordt de laserbundel 6 bewogen naar een aftastinrichting 7, en vervolgens tot op het te onderzoeken voorwerp 8.

Vervolgens wordt de bundel gereflecteerd tot de 5 bundel 9, welke de aftastinrichting 7 weer passeert, en die vervolgens weer naar de "beam splitter" 5 wordt toegevoerd. In dit geval gaat de gereflecteerde bundel voor het grootste deel rechtdoor, en komt terecht in de in zijn geheel met "10" weergegeven deteetie-10 inrichting. De detectie-inrichting 10 omvat een prisma 11 voor het scheiden van de diverse kleuren van het gereflecteerde signaal, en voor elk van de kleuren een afzonderlijke detectie-inrichting 12.

Er wordt hierbij op gewezen dat voor de "beam split-15 ter" gebruik gemaakt kan worden van prisma-achtige configuraties of combinaties van diverse prisma's. Er wordt er op gewezen dat uit een dergelijke configuratie veelal een verloren bundel 13 treedt. Deze kan verder niet worden gebruikt.

20 In plaats van een prisma kan ook van spiegels en half-doorlatende spiegels gebruik gemaakt worden.

In figuur 2 is aldus een eerste uitvoeringsvorm van een dergelijke inrichting weergegeven. Deze uitvoeringsvorm omvat een transportband 14, waarop een te onderzoe-25 ken stuk materiaal 8, bijvoorbeeld een stuk vlees, is gelegen. De transportband 14 beweegt zich voort in de richting van de pijl 15.

Boven de transportband is een roterend, reflecterend element 16 aangebracht dat de vorm heeft van een veelhoe-30 kige piramide. Het element wordt in rotatie aangedreven rondom een as die zich parallel uitstrekt aan de bewegingsrichting. Het element 16 heeft aldus een aantal prismavlakken 17.

Ter hoogte van het onderste prismavlak 17 is de 35 "beam splitter" 5 aangebracht, waarbij vanaf de zijde de van de laserbundelbron afkomstige stralingsbundel 4 aan de "beam splitter" 5 wordt toegevoerd, en vervolgens in de vorm van een gecombineerde bundel 6 aan het desbetref- 1002126 7 fende piramidevlak 17 wordt toegevoerd, waar de lichtbundel 6 wordt weerkaatst. Aldus wordt door de werking van het piramidevlak 17 de bundel 6 naar beneden tot op het te onderzoeken voorwerp 8 gereflecteerd. Aldaar dringt de 5 bundel in tot in het materiaal, en wordt voor een zeer klein deel onder het oppervlak gereflecteerd, keert terug naar het desbetreffende vlak 17, wordt aldaar gereflecteerd, en wordt door de "beam splitter" 5 toegevoerd naar de in de tekening niet weergegeven detectie-inrichting.

10 Door het draaien van het piramidevormige lichaam 16 zal de door het vlak 17 gereflecteerde bundel 9 het te onderzoeken voorwerp 8 aftasten volgens de lijn 18. Bij het nog verder draaien van het lichaam 16 komt een volgend vlak 17 in de bundel 6, waardoor de aftastende 15 bundel 9 terugspringt naar zijn oorspronkelijke positie aan de rand van het te onderzoeken voorwerp, en het proces wordt herhaald. Aldus vindt, op de wijze van een televisiebeeld, een zich herhalende aftastbeweging plaats. Ditzelfde geldt uiteraard tevens voor de vanuit 20 het te onderzoeken materiaal gereflecteerde bundel.

Uit figuur 3 blijkt hoe de bundels het te onderzoeken lichaam 8 onder steeds verschillende hoeken vanuit een centraal punt treffen.

Figuur 4 toont een soortgelijke uitvoeringsvorm, 25 doch waarbij boven de transportband 14 een spiegel 19 aanwezig is, waarvan de beschrijvende de vorm heeft van een parabool. Het piramidevormige lichaam 16 is hierbij zodanig geplaatst, dat de bundel 6, die een piramidevlak 17 treft, naar de spiegel 19 wordt geworpen, door spiegel 30 19 wordt gereflecteerd, en wel zodanig, dat afhankelijk van de positie van het vlak 17 het te onderzoeken voorwerp 8 wederom wordt afgetast volgens een aftastlijn 18, doch waarbij de bundels 9, voordat zij het te onderzoeken lichaam 8 treffen, parallel aan elkaar zijn. Voor bepaal-35 de toepassingen kan dit aantrekkelijk zijn.

Een en ander is zichtbaar in figuur 5.

In figuur 6 is wederom een uitvoeringsvorm getoond, waarbij echter geen sprake is van een piramidevormig 1002126 8 lichaam 16, maar van een prismatisch lichaam 20. Bij deze uitvoeringsvorm wordt het van de "beam splitter" 5 afkomstige bundel 6 naar een spiegel 21 toegevoerd die de bundel 6 naar het prisma 20 werpt. Rondom de prisma 20 is 5 boven de transportband 14 een spiegel 22 aangebracht, waarvan de beschrijvende wordt gevormd door een hyperbool . Hierbij wordt opgemerkt dat de as van het roteerbare prisma 20 geplaatst is in een van de brandpunten van de hyperbool 22. Voor het doorlaten van de bundel 6 is in 10 de spiegel 22 een gaatje 23 aangebracht. In afhankelijkheid van de rotatiepositie van het prisma 20 zal de dit prisma treffende lichtstraal worden afgebogen naar een plaats op de spiegel 22, en daardoor worden gereflecteerd. Aldus ontstaat een aftastingspatroon dat gericht 15 is naar het tweede brandpunt van de hyperbool van de spiegel, zoals uit figuur 7 blijkt. Het is mogelijk met een schuine opstelling te werken, hetgeen de noodzaak voor de opening 23 zou vermijden. Bij deze uitvoeringsvormen zullen, uiteraard afhankelijk van de vorm van het 20 te onderzoeken voorwerp, de stralen mogelijk onder een rechte hoek binnentreden.

In figuur 8 is een eerste uitvoeringsvorm getoond van een detectie-inrichting. Deze detectie-inrichting die in zijn geheel met 12 is aangeduid, hetgeen, refererend 25 aan het schema van figuur 1, aanduidt dat deze geschikt is voor een enkele golflengte, omvat een detectievlak 24 dat bijvoorbeeld gevormd wordt door het detectievlak van een CCD-camera. De beeldelementen zijn door middel van een raster aangegeven. In de stralenbundel voor het vlak 30 24 is een lens 25 aangebracht, terwijl aanvankelijk, voordat de bundel de lens 25 passeert, de bundel door een diafragma 26 heen moet. Er wordt hierbij op gewezen dat de lens 25 een cirkelsymmetrische, oftewel sferische lens is.

35 Aldus vormt de op het detectievlak 24 gevormde af beelding een nauwkeurige afbeelding van de vanuit het te onderzoeken voorwerp gereflecteerde straal.

1092126 9

Refererend naar de theoretische beschouwingen in het bovengenoemde artikel, wordt er op gewezen dat, wanneer het op het vlak 24 weergegeven beeld driedimensionaal wordt weergegeven, een afbeelding wordt verkregen, zoals 5 in figuur 9 is weergegeven. Deze driedimensionale afbeelding levert informatie omtrent de hoedanigheid van het materiaal; er is immers gebleken dat bij verschillende hoedanigheden van het materiaal de aldus ontstane piek smaller, breder of anderssoortig is; de eigenschappen van 10 de piek zijn in hoge mate afhankelijk van het gereflecteerde materiaal.

In figuur 10 is een tweedimensionaal equivalent weergegeven. Hierbij is buiten de sferische lens 25 bovendien nog sprake van een platbolle lens 27, zodat een 15 tweedimensionale weergave op een reeks beeldelementen wordt verkregen.

De daaruit ontstane afbeelding is uiteraard tweedimensionaal, zoals in figuur 11 is weergegeven. Ook hiervoor geldt dat uit de vorm van de afbeeldingen diverse 20 relevante informatie omtrent de hoedanigheid van het onderzochte materiaal vallen af te leiden.

Ten slotte toont figuur 12 een uitvoeringsvorm, waarbij een extra diafragma 26 voor het beeldvlak 24 is geplaatst. Het diafragma 26 wordt gevormd door een rote-25 rende trommel 28, waarin openingen 29 zijn aangebracht.

Er wordt hierbij op gewezen dat de rotatie van de trommel 28 hierbij gesynchroniseerd is aan het aftasten, zodat het beschrijven van de bundel 9 van een beeldpunt op de aftastlijn 8 overeenkomt met het doorlaten van de desbe-30 treffende bundel door de opening 29. Aldus wordt in de tijd gezien op het element 24 een afbeelding afgebeeld van het gereflecteerde signaal. Dan ontstaat een signaal volgens figuur 13.

Ook hier kunnen diverse grootheden worden afgeleid, 35 zoals uit de figuren 13 en 14 blijkt.

Het zal duidelijk zijn dat door toepassing van digitale rekentuigen de signalen op velerlei aard kunnen worden bewerkt, zodat grote hoeveelheden gegevens kunnen 1002126 10 worden afgeleid, waaruit de betreffende informatie bepaald kan worden.

Het zal duidelijk zijn dat de hier getoonde uitvoeringsvormen slechts als voorbeeld gelden, en dat zij niet 5 beperkend zijn voor de onderhavige uitvinding; er zullen veel andere mogelijke uitvoeringsvormen zijn voor het effectueren van de uitvinding.

1002126

Claims

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de inrichting een transportband omvat voor het in een eerste richting doen bewegen van het te onderzoeken voorwerp, en dat de stralingsbron en de detectiemiddelen zijn voorzien van aftastmiddelen voor het in een tweede, 20 zich hoofdzakelijk loodrecht op de eerste richting uitstrekkende richting aftasten van het te onderzoeken voorwerp.
3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de aftastmiddelen een boven de transportband ge- 25 plaatste piramidale spiegel omvatten.
4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de aftastmiddelen een volgens een tunnel boven de transportband en de piramidale spiegel geplaatste gebogen spiegel omvatten, waarin een centrale opening is aange- 30 bracht.
5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de beschrijvende lijn van de gebogen spiegel een ellips is, en dat de as van de piramidale spiegel samenvalt met een van de brandpuntslijnen van de gebogen 35 spiegel. 10Θ2126
6. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de aftastmiddelen een boven de transportband geplaatste gebogen spiegel omvatten, waarmee de beschrijvende lijn een parabool is.
7. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de stralingsbron is ingericht voor het afgeven van straling met verschillende golflengten.
8. Inrichting volgens een van de voorafgaande 10 conclusies, met het kenmerk, dat de stralingsbron is ingericht voor het uitzenden van licht met verschillende eigenschappen, zoals fase, pulserend, enzovoorts.
9. Inrichting volgens conclusie 7 of 8, met het kenmerk, dat de stralingsbron is ingericht voor het achter- 15 eenvolgens uitzenden van licht met verschillende golflengten .
10. Inrichting volgens conclusie 7 of 8, met het kenmerk, dat de stralingsbron is ingericht voor het tegelijkertijd uitzenden van stralingsbundels met ver- 20 schillende golflengten.
11. Inrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de stralingsbron is ingericht voor het tegelijkertijd op afstand van elkaar uitzenden van stralingsbundels met verschillende golflengten.
12. Inrichting volgens een van de voorafgaande con clusies, met het kenmerk, dat in het optische traject tussen stralingsbron en te onderzoeken voorwerp een optisch element is geplaatst dat tevens geplaatst is in het traject tussen te onderzoeken voorwerp en detectie- 30 middelen, en dat is ingericht voor het scheiden van de van de stralingsbron afkomstige bundel van de naar de detectiemiddelen te leiden bundel.
13. Inrichting volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat het optische element een polariserende 35 "beam splitter" is.
14. Inrichting volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat tussen de "beam splitter" en het te onderzoeken voorwerp een de polarisatie van de straling verdraaiend, 1092126 bij voorkeur over 45° verdraaiend element is geplaatst, en dat tussen de stralinsbron en de "beam splitter" en tussen de "beam splitter" en de detectiemiddelen een polarisatiefilter is geplaatst.
15. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat in de nabijheid van de detectiemiddelen in het stralingstraject een diafragma is aangebracht.
16. Inrichting volgens een van de voorafgaande 10 conclusies, met het kenmerk, dat tussen het te onderzoeken voorwerp en de detectiemiddelen een diafragma is aangebracht.
17. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat tussen de detectiemidde- 15 len en het te onderzoeken voorwerp een sluiter is geplaatst . 1002126