WO2007006541A1 - Verfahren und anordnung zum untersuchen eines messobjekts mittels invasiver strahlung - Google Patents

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WO2007006541A1
WO2007006541A1 PCT/EP2006/006757 EP2006006757W WO2007006541A1 WO 2007006541 A1 WO2007006541 A1 WO 2007006541A1 EP 2006006757 W EP2006006757 W EP 2006006757W WO 2007006541 A1 WO2007006541 A1 WO 2007006541A1
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WO
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radiation
different
sensor device
measurement
invasive
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Application number
PCT/EP2006/006757
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English (en)
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Inventor
Thomas Engel
Original Assignee
Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh filed Critical Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
    • G01N23/046—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material using tomography, e.g. computed tomography [CT]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/40—Imaging
    • G01N2223/419—Imaging computed tomograph

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for examining a measurement object, the measurement object being exposed to invasive radiation, in particular X-ray radiation.
  • CT computed tomography
  • the workpiece is placed on a turntable and irradiated by rotating the turntable in different rotational positions from different directions of X-radiation.
  • the attenuated by extinction in the material of the workpiece radiation is spatially and temporally resolved detected by a sensor device.
  • the tomographic back projection is used to calculate a spatially three-dimensional model of the workpiece. For each volume range, the model contains the material properties for the extinction of the X-ray radiation.
  • An example of the CT is described in DE 39 24 066 A1.
  • CT is also used in the field of medical technology to detect and treat pathological conditions.
  • CT apparatuses for medical technology are not or only conditionally suitable for the examination of industrially or artificially produced objects.
  • the studies performed in medicine are very time consuming. Comparable effort can not be economically operated in a routine investigation of manufacturing products.
  • a system with a radiation source, a radiation detector and a computer which is operatively coupled to the radiation source and the radiation detector.
  • the computer is configured to acquire CT exploration data from the radiation detector having a first X-ray spectrum and to obtain CT exploration data from the radiation detector having a second X-ray spectrum different from the first X-ray spectrum.
  • a base material decomposition and a Compton and photoelectric decomposition are performed on several measurements with different mean X-ray energies. This should allow for improved accuracy and characterization.
  • industrially and / or artificially manufactured articles often consist of several different materials, each located in separate volume areas of the article. It is now possible, by applying prior knowledge and / or expectations, to measure and / or evaluate the measurements so that the effort for the investigation is significantly reduced.
  • the concept benefits from the fact that a large number of objects are usually produced, with each one of the objects being intended to correspond to a specification (in particular CAD design or planning data). The measurement and / or evaluation can therefore always be carried out in the same way.
  • the method comprises the following steps: expected material properties of at least two different materials of the measurement object are determined, the expected material properties are used in a design and / or setting of a measurement arrangement, wherein the
  • Measuring arrangement at least one radiation source for generating invasive radiation and a radiation-sensitive sensor device for detecting radiation after an interaction of the invasive
  • the measurement arrangement is designed and / or adjusted taking into account the expected properties that different interactions of the invasive radiation with at least two different materials of the
  • Radiation is detected by means of the sensor device. More generally, the method can also be used for any non-medical investigations. For example, naturally occurring but non-living measurement objects can be examined.
  • the respectively required material properties can be determined (eg from reference works and / or determined by tests), for example the absorption coefficient, the extinction coefficient and / or the differential cross section, namely all material properties preferably as a function of the wavelength of the invasive radiation.
  • X-radiation as invasive radiation are in particular electromagnetic radiation of other wavelengths (eg in the visible or infrared or ultraviolet wavelength range) or particle radiation.
  • One or more of the following actions are understood to mean the design of the measuring arrangement:
  • the geometry of the measuring arrangement is adapted (eg the location and / or the orientation of the sensor device is changed); Components of the measuring arrangement (such as a sensor device or a radiation source) are replaced, added, removed or changed structurally.
  • the setting of the measuring arrangement is understood in particular to mean that an operating mode of components of the measuring arrangement is set. For example set the electrical voltage of an electron optics of an X-ray tube and / or the direction of an electron beam and / or set sensitivities of the sensor device for the detection of the result of the interaction.
  • An evaluation device can also be part of the measuring arrangement.
  • the design and / or adjustment of the measuring arrangement can additionally or exclusively take place in that the evaluation device is prepared. An example of this will be discussed later. It is particularly preferred that at least one threshold or limit value for the evaluation of a measurement signal of the sensor device is set.
  • the adjustment and / or design of the measuring arrangement is preferably carried out automatically taking into account the material properties.
  • the interactions of the invasive radiation with different materials of the measurement object are different.
  • the invasive radiation used for the examination forms a more or less continuous radiation spectrum.
  • the invasive radiation is thus a mixture of radiation of different wavelengths.
  • the invention is based on the idea of designing and / or adjusting the measuring system such that the differences present in all materials the interactions with invasive radiation can be reliably detected.
  • the spectral (ie the wavelength-dependent or energy-dependent, respectively, related to the invasive radiation) material properties of the materials involved are taken into account with the invasive radiation.
  • the spectrally different behavior of the different materials can be used in different ways for reliable detection to distinguish the materials.
  • invasive radiation it is possible to irradiate different spectra of the invasive radiation simultaneously (eg from different directions) or one after the other onto the test object, to irradiate invasive radiation of different individual wavelengths (or narrow energy ranges of, for example, less than 1 keV width) and / or to radiate invasive radiation of different kinds.
  • a significant advantage of the invention is that the measurement effort can be reduced by the appropriate design and / or by adjusting the measuring arrangement both in terms of time and in terms of equipment.
  • This is a decisive advantage for a cost-effective and time-effective examination of industrially or artificially manufactured objects.
  • a relatively large proportion of the pieces produced in series production or even all pieces of series production can be examined for production defects with the method according to the invention.
  • the measuring arrangement which examines the measurement objects by means of invasive radiation, for this purpose integrated into the production line or the pieces to be examined can be separated from the production line and fed to the measuring arrangement.
  • the term invasive radiation radiation of any kind is included, which penetrates into the measurement object and / or penetrates the measurement object. Except electromagnetic radiation - such. B.
  • X-rays - can also particle radiation (such as electron radiation or positron radiation) can be used.
  • electromagnetic radiation in other wavelength ranges such as in the visible or infrared wavelength range
  • MR magnetic resonance
  • luminescence electromagnetic radiation
  • Secondary effects are used for the investigation. Secondary scattered radiation can also be detected in the case of X-ray radiation.
  • a setpoint geometry of the measurement object can also be taken into account in the design and / or adjustment of the measurement arrangement. For example, one can draw conclusions about the optimal location of a sensor device or a plurality of sensor devices from the position of the material regions of the various materials.
  • the desired geometry is obtained, for example, from CAD (Computer Aided Design) planning data of the DUT.
  • the desired geometry preferably also includes the specification of which parts of the test object are made of which material.
  • modern CAD systems have a data interface which serves for the further processing of a three-dimensional model of the respective workpiece or measurement object by means of digital data processing (CAM, Computer Aided Modeling).
  • the arrangement is connected to such an interface or at least configured to be connected to such an interface.
  • the CAD system is part of the arrangement, ie at least the facilities required for the calculation of the expected detection results are part of the CAD system.
  • the CAD system can also perform additional tasks, such as evaluating the measured detection results.
  • the material properties may be contained and z. B. for each spectral value in each case by a color associated with a particular material or the corresponding color value.
  • Such models can be displayed on an image display device.
  • the energy-wavelength detected radiation impinging on the sensor device is used for comparison with an expected detection result.
  • expected detection results and measurement results can be compared. It is possible to perform the comparison before and / or after a reconstruction (of spatial, three-dimensional image data from the detection signals).
  • the embodiment is hereby disclosed alone, without any or all of the features of the invention described below or in the foregoing. H. By itself, without one or more of the features, it can be part of a process or it can function as a device.
  • a method for examining a test object wherein the test object is exposed to invasive radiation, an interaction of the invasive radiation with the test object is detected by means of a radiation-sensitive, spectrally resolving sensor device (and preferably also spatially resolving sensor device), an expected detection result of the sensor device is calculated using a desired geometry of the measurement object and using material properties and / or an expected detection result is determined by measuring at least one master part and the expected detection result is compared with an actual detection result of the sensor device.
  • a radiation-sensitive, spectrally resolving sensor device and preferably also spatially resolving sensor device
  • the material properties are, in particular, the spectral absorption coefficients of the materials of the test object.
  • the material properties may also include how the radiation is scattered in the material and / or how secondary effects (see above) affect.
  • the material properties can be determined for example in a separate measurement on a block of the respective material and / or taken from the literature.
  • the data thus collected on the spectral characteristics of the different materials can also be stored in a database in connection with the measuring system and / or the CAD system. It is particularly advantageous if the data are available in a planning system for the pre-calculation of the measurement signals to be expected and are advantageously used for the a priori planning of the measurement setting which is most suitable for the respective measurement.
  • the most suitable measurement setting can then be determined by optimizing the relevant measurement parameters, such as measurement time, energy resolution, invasive radiation energy, signal quality in the image, etc.
  • the detection result obtained from the measurement of the measurement object is checked for errors by comparison with an expected detection result.
  • error checking in particular, it is determined whether the measured detection result is within tolerances given by the expected detection results.
  • the error evaluation can be performed locally resolved with respect to a coordinate system of the measurement object and / or based on a coordinate system of the sensor device. For example, one or more dimensions (eg thickness, width and / or diameter of at least parts of the workpiece) are determined and it is determined whether the respective tolerance is maintained.
  • the sensor device can also be a sensor device with a plurality of spaced-apart component sensors, wherein the component sensors in each case enable a spatially resolved measurement of the incident radiation.
  • electromagnetic radiation is used (as in CT), which penetrates the measurement object and is detected on the opposite side of the radiation source by a spatially resolving sensor device.
  • At least one of the component sensors or the sensor device which is not distributed in a spatially distributed manner, has a plurality of local regions, wherein the radiation incident in the individual local regions can be converted into an independent measurement signal.
  • the partial sensors or a sensor device not distributed spatially may be, for example, a matrix of radiation-sensitive semiconductor elements. Both line matrices come with only one line Semiconductor elements as well as semiconductor matrices with sensor elements in several rows and columns in question.
  • the sensor signals of the sensor device can be automatically digitized, so that the actual detection result is available in digitized form. Due to the digitization, the expenditure for an evaluation is particularly low, in particular if the measurement signals generated by the sensor device have a different amplitude, depending on the wavelength or energy of the particles or radiation quanta impinging on a sensor element.
  • An amplitude of a signal of a sensor device or of a detector is understood to be any quantity on a (in particular one-dimensional) scale, according to which the signal can be quantified.
  • the scale can z.
  • a scale with positive and negative value ranges may be a continuous scale or a scale with only discrete values (eg, counting pulses).
  • the wavelength or energy of the radiation impinging on the sensor device is in turn dependent on the radiation source and a result of the interaction with the material or materials of the measurement object. Furthermore, the response of the detector determines the signal significantly with. For different measurement applications, it may therefore be advantageous to use different types of detectors. Therefore, threshold values for the evaluation of the digitized or analog measuring signals can be defined. For example, if the amplitude and thus the energy is above (or below) a threshold, or in a range lying between two limits, then it can be concluded that a particular material was involved in the interaction. This applies in particular when the spectrum (or the wavelengths) of the irradiated invasive radiation is tuned to a specific material is that the interaction with this material (compared to other materials of the test object) can be detected very clearly.
  • the result of the evaluation can ultimately only be determined when a reconstruction (eg tomographic backprojection) has taken place, wherein a plurality of two-dimensional images corresponding to different irradiation directions of the measurement object are used for the reconstruction.
  • the image information of the two-dimensional images may be that of a pixel or location in the coordinate system of the two-dimensional image, the number and energy range of the quanta received at the location (eg, from the associated sensor element) or particles is assigned. This may be referred to as a screened or categorized energy resolution in the detection of the radiation.
  • the measurement object is exposed to the invasive radiation from different directions and / or in different rotational positions (and in particular chronologically one after the other) and a detection result is determined in each case, ie the results of the interaction with the measurement object are respectively detected.
  • a detection result is determined in each case, ie the results of the interaction with the measurement object are respectively detected.
  • the radiation of the measurement object with the invasive radiation can be achieved so that Each volume range of the DUT is irradiated from different directions.
  • various procedures can be used to obtain the information about the spectral behavior of the interaction. These procedures can also be combined.
  • the different spectra or the radiation of different wavelengths can be achieved in particular by changing an electrical acceleration voltage of an electron gun of an x-ray tube, spectrally filtering a spectrum emitted by a radiation source and / or a spectrum which is the result of the interactions be, for. B. with sheets, and / or different radiation sources can be used.
  • the different radiation sources can be X-ray sources with different anode material and / or with different material of an exit window of the radiation source (which can optionally have an additional coating).
  • Photo detectors eg, semiconductor diodes or spatial arrangements with semiconductor diodes, such as CCD cameras, CMOS semiconductor diodes, avalanche diodes
  • CCD cameras CMOS semiconductor diodes
  • avalanche diodes can be used.
  • an evaluation device When discriminating the wavelengths or the energy of the photons or particles impinging on the sensor device (point d), in particular an evaluation device can be used which has time-resolved (ie repeated or continuous over time) amplitudes (in particular pulse heights) of the measurement signals (in particular measurement signals the individual sensor elements, which are each assigned to a specific location or area of the sensor device) evaluates. This can be done in different ways.
  • a pulse-height discriminator can be used, which, for example, only detects the presence of a valid signal or event (for example, only outputs an output signal or allows the input signal to pass) when a certain pulse height has been reached or exceeded. More generally, the pulse heights correspond to an amplitude of the signal and an energy of a detected radiation quantum or particle. Alternatively or additionally, the pulse height discriminator can determine the falling below a certain pulse height or determine that the pulse height is in a certain pulse height range. In particular, such a measuring arrangement can be operated such that it is repeatedly measured with different settings or interpretations of the measuring arrangement. Alternatively, the measurement signals can be evaluated by different evaluation paths, each with one or more pulse height discriminators, so that in particular each measurement signal can be analyzed several times.
  • At least one so-called multichannel analyzer such as that offered by AMPTEK Inc., Bedford, Massachusetts, USA, such as the type designation XR, may be used 100.
  • Such analyzers directly determine the distribution of the energy or wavelength from the respective measured signal for a particular location or area of the sensor device. For example, with X-radiation, analyzes of the measurement signal with an energy resolution of 200 eV are possible in this way.
  • the energy spectra thus obtained are evaluated specifically matched to the expected material properties. For example, shares in the energy spectrum may therefore be assigned to particular materials.
  • the design with the multi-channel analyzer (Multi-Channel Analyzer, MCA) and the design with the evaluation of pulse heights are similar in principle. Both embodiments make it possible to evaluate the energy distribution with regard to the materials to be detected. In the multi-channel analyzer, however, the information about the energy distribution corresponding to the number of used channels can be maintained. In the case of pulse height discrimination, on the other hand, after the application of the threshold value or thresholds, only information is available as to whether the respective threshold value has been undershot or exceeded. Of course, the original pulse height information can also be stored separately, evaluated in parallel with different threshold values and / or evaluated several times with different threshold values. The choice of threshold (s) preferably occurs depending on the expected material properties.
  • one or more adjacent channels (that is, the detect events in the corresponding energy range) can each be assigned to a specific material become. This corresponds to setting a threshold for the pulse height information.
  • the number and the respective energy sensitivity range of the channels of the multi-channel analyzer can be selected taking into account the expected material properties of the measurement object.
  • the measurement time can thereby be optimized.
  • this can achieve a high signal-to-noise ratio.
  • the energy sensitivity ranges of the channels should not be too narrow, ideally so that with as few channels as possible, any material present in the workpiece can be detected (eg, each channel is assigned exactly one material of the workpiece), but no finer energy resolution occurs.
  • the channels are preferably selected such that the dynamic range of the detector is optimally utilized in the energy range of the channel for each image or over a series of images.
  • the present invention includes an embodiment in which the interaction of the invasive radiation with at least one of the materials of the measurement object is assigned to an energy range or wavelength range of the detected radiation and wherein the presence of the energy balance in this energy range or wavelength range is evaluated by evaluating a measurement signal of the sensor device assigned material is determined.
  • a measurement signal of the sensor device assigned material is determined.
  • such an assignment is made for each of the materials of the measurement object to be detected.
  • from a plurality of images of the measurement object that are connected to the sensor device were recorded, so the positions of the assigned material are determined (in particular reconstructed).
  • the assignment of the at least one material to the energy range can be carried out in the design and / or adjustment of the measuring arrangement.
  • this requires a finer energy resolution beyond the required energy ranges for the detection of the materials in the detection of the radiation, which is the result of the interaction with the object to be measured.
  • a photon (eg, an X-ray photon) generates, depending on its energy in the sensor device z. For example, a signal pulse whose height or area (i.e., number of electrons released in the sensor) represents a measure of the energy of the photon.
  • the threshold values or the channels of the multi-channel analyzer can then be used to make an arrangement for each of these signal pulses as to whether the pulse was below or above a threshold or within or outside a certain energy range. As a result of the energy-resolved detection, additional information can be obtained which increases the quality of the statements in the evaluation of the measurement results.
  • At least one detector can be used which detects radiation that is not has passed (substantially) straight through the measurement object.
  • the signal obtained from the detector may then be used to correct for integral (integrated over the emitted spectrum) fluctuations in the power of the radiation and / or for correction of spectral shifts in the emission characteristic of the radiation source.
  • Spectral shifts can z. Example, when the target moves unevenly in an X-ray source or changes its temperature, as this changes the density of the material directly and consequently the effect on the invasive radiation.
  • an energy range of another sensor device in particular a sensor device used for the detection of radiation passing rectilinearly through the test object, eg a channel of the multi-channel analyzer
  • signals in this energy range not being specific indicates a material of the test object.
  • This energy range can then be used for the signal correction.
  • the correction can be carried out in both cases (separate detector or not) in different ways:
  • I_M measurement signal
  • l_ref reference signal
  • I current value of the reference signal in the measurement
  • l_M_korr corrected measured value
  • At least one filter can be arranged on the radiation path from the radiation source to the measurement object and / or on the radiation path from the measurement object to the sensor device, which removes or attenuates radiation of specific wavelengths or specific wavelength ranges from the spectrum of the radiation.
  • the spectrum of the radiation detected by the sensor device can be matched to the expected materials such that portions of the radiation only or predominantly interact with a first material and that portions of the radiation only or predominantly interact with a second material , This makes it possible to perform only a single measurement, but the materials appear in the measurement result separately, as if only one object to be measured with one of the materials would have been measured.
  • the measurement signals generated by the sensor device can be directly evaluated in an energy-dependent manner, in particular before a reconstruction (3D model calculation of the measurement object).
  • a reconstruction can be carried out from different energy spectra or energy ranges which are obtained from the measurement signals (for example for the partial spectra which are selectively matched to a particular material and are obtained as described above, see the following paragraph).
  • further evaluation steps after reconstruction with z. B. follow procedures known per se.
  • the corresponding filters for the measurement and / or data evaluation can be selected such that the evaluation for each of the materials can be performed separately.
  • the information about the energy of the quantum or particle impacted on the sensor device can be carried and the reconstructed three-dimensional model can contain the information about the energy resolution.
  • the spectral information may be present for each voxel of the model.
  • Another way to use the spectrally resolved information is to correct artifacts by comparing the results from different wavelength ranges or energy ranges, which otherwise often occur especially in X-ray CT. This is based on the knowledge that, for example, the effect of the so-called beam hardening is dependent on the wavelength. For example, it can be exploited that higher-energy radiation generally exhibits less interaction with the materials of the measurement object and, in particular, the scattering of the radiation in this spectral region (except in the forward direction) has smaller cross-sections.
  • an arrangement for examining an object of measurement that has been manufactured industrially and / or artificially (more generally: for non-medical examinations of any objects to be measured, ie non-living objects) the arrangement comprising a determination device for determining expected material properties or a data interface for receiving data having information about the expected material properties, a design and / or setting device for designing and / or setting a measuring arrangement, the measuring arrangement comprising at least one radiation source (2) for generating invasive radiation and a radiation-sensitive sensor device (3) for Detection of radiation after an interaction of the invasive radiation with the measurement object and wherein the design and / or adjustment device is designed so that the measurement arrangement taking into account the expected Eigenscha are designed and / or adjusted so that different interactions of the invasive radiation with at least two different materials of the test object (1) can be detected by the sensor devices, the different interactions due to spectrally different material properties of the different materials, and the measuring arrangement.
  • the scope of the invention includes a computer program which, when running on a computer or computer network, carries out at least those parts of the method according to the invention in one of its embodiments, which relate to the design and / or setting of the measuring system.
  • the computer program can automatically calculate from the setpoint geometry and the material properties of the measurement object which wavelengths or spectra of the invasive radiation during the Best used to investigate and / or how to adjust the sensor device.
  • the computer program can calculate threshold values for the evaluation of the signals of the sensor device, wherein upon reaching, falling below or exceeding the respective threshold value associated with a material, it is determined that the signal is a signal of the interaction with the associated material.
  • a computer program having program code means for performing the method defined in the preceding paragraph in one of its embodiments when the program is executed on a computer or computer network.
  • the program code means may be stored on a computer-readable medium.
  • a volume on which a data structure is stored which can perform the method in one of its embodiments after loading into a working and / or main memory of a computer or computer network.
  • Also included within the scope of the invention is a computer program product having program code means stored on a machine readable medium to perform the method in one of its embodiments when the program is executed on a computer or computer network.
  • the program is understood as a tradable product.
  • it can be in any form, for example on paper or a computer-readable data carrier, and in particular can be distributed via a data transmission network.
  • Fig. 1 shows a geometry of a measuring arrangement with a
  • X-ray source a measurement object and a two-dimensionally spatially resolving sensor device
  • FIG. 2 shows an arrangement for evaluating measuring signals, in particular measuring signals of the sensor device according to FIG. 1;
  • Fig. 3 local areas of a test object with different
  • the measuring arrangement shown schematically in FIG. 1 has a measuring object 1 which is arranged between an X-ray radiation source 2 and a sensor device 3.
  • the X-ray source 2 is, for example, an X-ray tube having an electron gun for generating the X-ray.
  • the X-radiation emanates from the X-ray source 2 starting from a nearly point-shaped focal spot.
  • the focal spot lies at the origin of the Cartesian coordinate system, which is shown in Fig. 1 by three axes. Further arrows from the origin in the direction of the sensor device 3 indicate the radiation emanating from the radiation source 2.
  • the arrow with the dotted line does not hit the target 1.
  • the sensor device 3 has a field of five by eight detector fields which are each represented by squares (distorted on the basis of the perspective illustration). Individual ones of the detector fields, which in each case can provide separate detection signals, are designated by the reference numeral 4.
  • sensor devices with substantially more detector arrays can be used.
  • the measurement object 1 can be rotated about a vertical axis of rotation so that the radiation emanating from the radiation source 2 can be incident from different directions and can traverse the measurement object 1.
  • the distance between the measurement object 1 and the sensor device 3 in practice is substantially greater than shown, in order not to detect the effects of secondary effects such as luminescence and Compton scattering or only to a small extent.
  • a filter 5 is arranged, which can be adjusted or replaced depending on a desired setting or design of the measuring system. Moreover, it is possible to arrange at least one further filter in the beam path between the radiation source 2 and the measurement object 1 and / or between the measurement object 1 and the sensor device 3. Depending on the material properties of the materials of the test object 1, the filter or filters are selected and / or adjusted. Representative of the possibility of design or adjustment of the filter or an adjustment device 7 is shown, which is connected to the filter 5 and z. B. can adjust the strength of absorption of radiation through the filter 5 in a certain wavelength range.
  • An evaluation device 6 is connected to the sensor device 3.
  • the evaluation device 6 is configured to evaluate the spectral resolution of the measurement signals generated by the individual sensor elements 4.
  • FIG. 2 schematically shows a preferred way of evaluating the measurement signals generated by the sensor device 3.
  • the measurement signals are fed to a pulse height discriminator 10 of the evaluation device 6.
  • the pulse height discriminator 10 determines, for each of the individual measurement signals supplied by the sensor elements 4, in which of a plurality of defined amplitude ranges the amplitude supplied by the measurement signal (here: pulse height) is. This achieves a division of the measurement signals into several different energy ranges.
  • the information thus obtained is processed by an image processing device 11 into two-dimensional images, the coordinate system of the images corresponding to the coordinate system of the sensor device 3.
  • a reconstruction device 12 a three-dimensional model of the measurement object is reconstructed from the two-dimensional images, wherein the two-dimensional images of different rotational positions z. B. of the measurement object, d. H. different directions of radiation, correspond.
  • the result of the reconstruction can be compared by a comparison device 13 with expected values (in particular with values of the geometry and with material properties of the materials of the measurement object arranged in the respective regions).
  • FIG. 3 schematically shows the beam path during the irradiation of a test object with invasive radiation, namely for two arbitrarily selected areas (volumes with a small cross section) of the test object.
  • the radiation will usually diverge on its way from the radiation source to the sensor device.
  • the radiation incident from the left passes through three different materials A, B, C of the test object on its way through the test object, exits the test object on the right and strikes a sensor element 4a which substantially only that radiation is detected which is incident from the direction of the assigned area. In any case, this is based on the assumption that the scattered radiation from other areas is negligibly small. It is shown in the lower part of FIG. 3 that the radiation incident from the left, as it passes through another area of the measuring object, successively only passes through the materials A and C and strikes the radiation weakened by extinction in the area to a second sensor element 4b essentially only detects radiation from the direction of the assigned area.
  • the wavelength spectrum or energy spectrum of the invasive radiation that traverses the regions is shown in FIG. 4. Plotted on the vertical axis is the intensity in the radiation. The energy E of the radiation quanta is plotted on the horizontal axis.
  • the materials A, B, C have the following absorption properties for invasive radiation: Material A absorbs in the energy range I with a high absorption coefficient (strong absorption) and absorbs in the wavelength ranges II and III with a low absorption coefficient (weak absorption). Material B has a weak absorption in the energy ranges I and III and has a strong absorption in the energy range II. Material C has a weak absorption in the energy ranges I and II and has a strong absorption in the energy range III.
  • the materials can be easily distinguished by energy-resolved detection of the radiation transmitted through the measurement object.
  • it is preferably only possible, using threshold values, to determine what proportion of the radiation detected by the sensor elements 4 is incident in which of the energy ranges I, II, IM.
  • Sensor element 4a will detect in all three energy ranges a radiation weakened approximately with the same absorption coefficient, since the radiation paths through all three materials are approximately the same length.
  • Sensor element 4b in the energy range I (after evaluation of the signals) determine a particularly strong absorption, in the energy range III a much weaker absorption and energy in the field Il a very low absorption, since the radiation path through the material A is long, the path through the material C relative short and the material B is not present along the way.
  • the local areas in which the individual materials are present can therefore be ascertained; in particular, images recorded by the sensor device can be evaluated, which correspond to different transmission directions.
  • the classification of the measuring apparatus in this case preferably consists of setting the thresholds for determining the energy ranges accordingly.
  • a radiation spectrum can be generated which is strongly absorbed only in one of the materials involved.
  • a radiation spectrum can be used which is strongly absorbed only in another of the materials involved, etc.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Untersuchen eines Messobjekts (1), das industriell und/oder handwerklich hergestellt wurde. Das Messobjekt (1) weist eine Mehrzahl von verschiedenen Materialien auf, zumindest zwei verschiedene Materialien. Es werden erwartete Materialeigenschaften von zumindest zwei verschiedenen Materialien des Messobjekts (1) festgestellt. Die erwarteten Materialeigenschaften werden bei einer Auslegung und/oder Einstellung einer Messanordnung verwendet, wobei die Messanordnung zumindest eine Strahlungsquelle (2) zur Erzeugung invasiver Strahlung und eine strahlungsempfindliche Sensoreinrichtung (3) zur Detektion von Strahlung nach einer Wechselwirkung der invasiven Strahlung mit dem Messobjekt aufweist und wobei die Messanordnung unter Berücksichtigung der erwarteten Eigenschaften so ausgelegt und/oder eingestellt wird, dass unterschiedliche Wechselwirkungen der invasiven Strahlung mit zumindest zwei verschiedenen Materialien des Messobjekts (1) von den Sensoreinrichtungen (3) detektiert werden können. Die unterschiedlichen Wechselwirkungen bestehen auf Grund spektral unterschiedlicher Materialeigenschaften der verschiedenen Materialien. Ein Ergebnis der unterschiedlichen Wechselwirkungen der invasiven Strahlung wird mittels der Sensoreinrichtung (3) detektiert.

Description

Verfahren und Anordnung zum Untersuchen eines Messobjekts mittels invasiver Strahlung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Untersuchen eines Messobjekts, wobei das Messobjekt invasiver Strahlung ausgesetzt wird, insbesondere Röntgenstrahlung.
Die Verwendung invasiver Strahlung für die Untersuchung von Werkstücken ist bekannt. Bei der Computertomografie (CT) wird das Werkstück beispielsweise auf einem Drehtisch angeordnet und durch Drehung des Drehtisches in verschiedene Drehstellungen aus verschiedenen Richtungen von Röntgenstrahlung durchstrahlt. Die durch Extinktion in dem Material des Werkstücks geschwächte Strahlung wird orts- und zeitaufgelöst von einer Sensoreinrichtung detektiert. Durch die tomografische Rückprojektion wird daraus ein örtlich dreidimensionales Modell des Werkstücks berechnet. Das Modell enthält jeweils für einzelne Volumenbereiche die Materialeigenschaften für die Extinktion der Röntgenstrahlung. Ein Beispiel für die CT wird in DE 39 24 066 A1 beschrieben.
CT wird auch im Bereich der Medizintechnik angewendet, zur Feststellung und Behandlung pathologischer Zustände. CT-Apparate für die Medizintechnik sind jedoch nicht oder nur bedingt für die Untersuchung von industriell oder handwerklich hergestellten Gegenständen geeignet. Insbesondere sind die in der Medizin durchgeführten Untersuchungen sehr zeitaufwändig. Vergleichbarer Aufwand kann unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht bei einer routinemäßigen Untersuchung von Fertigungsprodukten betrieben werden.
Aus DE 103 52 645 A1 ist ein System mit einer Strahlungsquelle, einem Strahlungsdetektor und einem Computer bekannt, der betriebsmäßig mit der Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor gekoppelt ist. Der Computer ist derart konfiguriert, dass er CT-Erkundungsdaten von dem Strahlungsdetektor mit einem ersten Röntgenspektrum gewinnt und CT-Erkundungsdaten vom Strahlungsdetektor mit einem zweiten Röntgenspektrum gewinnt, das sich von dem ersten Röntgenspektrum unterscheidet. Es wird eine Basismaterial- Zerlegung und eine Compton- und fotoelektrische Zerlegung an mehreren Messungen mit unterschiedlichen mittleren Röntgenstrahlen-Energien ausgeführt. Hierdurch soll eine verbesserte Genauigkeit und Charakterisierung möglich sein.
Zwar erscheint es mit einem solchen System möglich zu sein, die Genauigkeit zu steigern und zusätzliche Informationen zu gewinnen. Jedoch überwindet dies nicht das Problem, dass der Aufwand der Messung, insbesondere der Zeitaufwand, für eine routinemäßige Untersuchung von Fertigungsprodukten zu hoch ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zum Untersuchen eines Messobjekts mittels invasiver Strahlung anzugeben, sodass eine routinemäßige Untersuchung von Fertigungsprodukten mit vertretbarem Aufwand möglich ist.
Gemäß einem Gedanken der vorliegenden Erfindung bestehen industriell und/oder handwerklich hergestellte Gegenstände häufig aus mehreren verschiedenen Materialien, die sich jeweils in separaten Volumenbereichen des Gegenstandes befinden. Es ist nun möglich, durch Anwendung von Vorkenntnissen und/oder Erwartungen die Vermessung und/oder Auswertung der Messungen so zu gestalten, dass der Aufwand für die Untersuchung deutlich reduziert ist. Dabei kommt es dem Konzept zugute, dass üblicherweise eine Vielzahl von Gegenständen produziert wird, wobei jeder einzelne der Gegenstände einer Spezifikation (insbesondere CAD-Konstruktions- bzw. Planungsdaten) entsprechen soll. Die Vermessung und/oder Auswertung kann daher immer wieder in der gleichen Weise durchgeführt werden.
Es wird ein Verfahren zum Untersuchen eines industriell und/oder handwerklich hergestellten Messobjekts vorgeschlagen, wobei das Messobjekt eine Mehrzahl von verschiedenen Materialien aufweist, zumindest zwei verschiedene Materialien. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: es werden erwartete Materialeigenschaften von zumindest zwei verschiedenen Materialien des Messobjekts festgestellt, die erwarteten Materialeigenschaften werden bei einer Auslegung und/oder Einstellung einer Messanordnung verwendet, wobei die
Messanordnung zumindest eine Strahlungsquelle zur Erzeugung invasiver Strahlung und eine strahlungsempfindliche Sensoreinrichtung zur Detektion von Strahlung nach einer Wechselwirkung der invasiven
Strahlung mit dem Messobjekt aufweist und wobei die Messanordnung unter Berücksichtigung der erwarteten Eigenschaften so ausgelegt und/oder eingestellt wird, dass unterschiedliche Wechselwirkungen der invasiven Strahlung mit zumindest zwei verschiedenen Materialien des
Messobjekts von den Sensoreinrichtungen detektiert werden können, wobei die unterschiedlichen Wechselwirkungen aufgrund spektral unterschiedlicher Materialeigenschaften der verschiedenen Materialien bestehen, das Messobjekt wird der invasiven Strahlung ausgesetzt und ein Ergebnis der unterschiedlichen Wechselwirkungen der invasiven
Strahlung wird mittels der Sensoreinrichtung detektiert. Allgemeiner formuliert kann das Verfahren auch für jegliche nicht medizinischen Untersuchungen eingesetzt werden. Z.B. können natürlich entstandene, aber nicht lebende Messobjekte untersucht werden.
Je nach Art und/oder Anordnung der Sensoreinrichtung können unterschiedliche Ergebnisse der Wechselwirkungen detektiert werden. Beispielsweise kann bei der Verwendung von Röntgenstrahlung als invasive Strahlung lediglich die Schwächung der Röntgenstrahlen beim Hindurchtreten durch die Materialien des Messobjekts detektiert werden. Alternativ oder zusätzlich können die Streuung der Röntgenstrahlungsquanten (Compton- Effekt) und/oder Sekundäreffekte (z. B. Lumineszenz und/oder der fotoelektrische Effekt) detektiert werden. Folglich können je nach Art der dem Detektionsergebnis zu Grunde liegenden Wechselwirkungen die jeweils erforderlichen Materialeigenschaften festgestellt (z. B. aus Nachschlagewerken und/oder durch Versuche ermittelt) werden, beispielsweise der Absorptionskoeffizient, der Extinktionskoeffizient und/oder der differentielle Wirkungsquerschnitt, und zwar alle Materialeigenschaften vorzugsweise in Abhängigkeit der Wellenlänge der invasiven Strahlung.
Alternativen zu Röntgenstrahlung als invasive Strahlung sind insbesondere elektromagnetische Strahlung anderer Wellenlängen (z. B. im sichtbaren oder infraroten oder ultravioletten Wellenlängenbereich) oder Partikelstrahlung.
Unter der Auslegung der Messanordnung werden insbesondere eine oder mehrere der folgenden Aktionen verstanden: Die Geometrie der Messanordnung wird angepasst (z. B. der Ort und/oder die Ausrichtung der Sensoreinrichtung wird verändert); Komponenten der Messanordnung (wie beispielsweise eine Sensoreinrichtung oder eine Strahlungsquelle) werden ausgewechselt, hinzugefügt, entfernt oder bautechnisch verändert.
Unter Einstellung der Messanordnung wird insbesondere verstanden, dass eine Betriebsart von Komponenten der Messanordnung eingestellt wird. Z. B. wird die elektrische Spannung einer Elektronenoptik einer Röntgenröhre und/oder die Richtung eines Elektronenstrahls eingestellt und/oder werden Empfindlichkeiten der Sensoreinrichtung für die Detektion des Ergebnisses der Wechselwirkung eingestellt.
Auch eine Auswertungseinrichtung kann Teil der Messanordnung sein. In diesem Fall kann die Auslegung und/oder Einstellung der Messanordnung zusätzlich oder ausschließlich dadurch erfolgen, dass die Auswertungseinrichtung vorbereitet wird. Auf ein Beispiel hierfür wird noch später eingegangen. Besonders bevorzugt wird, dass zumindest ein Schwellwert oder Grenzwert für die Auswertung eines Messsignals der Sensoreinrichtung eingestellt wird.
Die Einstellung und/oder Auslegung der Messanordnung erfolgt vorzugsweise automatisch unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften.
In der Regel sind die Wechselwirkungen der invasiven Strahlung mit verschiedenen Materialien des Messobjekts unterschiedlich. In der Praxis kommt es jedoch häufig vor, dass die invasive Strahlung, die für die Untersuchung verwendet wird, ein mehr oder weniger kontinuierliches Strahlungsspektrum bildet. Die invasive Strahlung ist folglich eine Mischung aus Strahlung verschiedener Wellenlängen. Dies gilt für verschiedene Arten von invasiver Strahlung, die bei der Erfindung verwendet werden können, z. B. für elektromagnetische Strahlung, Longitudinalwellen (zum Beispiel Druckwellen wie Ultraschall) und Partikelstrahlung (z. B. Positronen- oder Elektronenstrahlung). Wird lediglich die Summe der Wechselwirkungseffekte für das gesamte Spektrum detektiert, gibt es zahlreiche verschiedene Materialien, die in der Summe eine ähnliche Wirkung haben und daher durch die Detektion nicht oder nicht sicher unterschieden werden können.
Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, die Messanlage so auszulegen und/oder einzustellen, dass die bei allen Materialien vorhandenen Unterschiede der Wechselwirkungen mit der invasiven Strahlung sicher detektiert werden können. Hierzu werden die spektralen (d. h. die auf die invasive Strahlung bezogenen weilenlängen- bzw. energieabhängigen) Materialeigenschaften der beteiligten Materialien mit der invasiven Strahlung berücksichtigt. Das spektral unterschiedliche Verhalten der verschiedenen Materialien kann auf unterschiedliche Weise für eine sichere Detektion zur Unterscheidung der Materialien genutzt werden. Grundsätzlich ist es möglich, unterschiedliche Spektren der invasiven Strahlung gleichzeitig (z. B. aus verschiedenen Richtungen) oder nacheinander auf das Messobjekt einzustrahlen, invasive Strahlung unterschiedlicher einzelner Wellenlängen (bzw. schmaler Energiebereiche von z. B. weniger als 1 keV Breite) einzustrahlen und/oder invasive Strahlung unterschiedlicher Art einzustrahlen. In jedem Fall bietet sich die Möglichkeit, die Messanlage so auszulegen und/oder einzustellen, dass die unterschiedlichen Wechselwirkungen mit den verschiedenen Materialien detektiert werden können und daraus ermittelt werden kann, welche Materialien vorhanden sind und insbesondere wo die jeweiligen Materialien in dem Messobjekt angeordnet sind.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der Messaufwand durch die geeignete Auslegung und/oder durch Einstellung der Messanordnung sowohl in zeitlicher als auch in gerätetechnischer Hinsicht reduziert werden kann. Dies ist ein entscheidender Vorteil für eine kostengünstige und zeiteffektive Untersuchung von industriell oder handwerklich hergestellten Gegenständen. Beispielsweise kann ein verhältnismäßig großer Anteil der hergestellten Stücke einer Serienfertigung oder können sogar alle Stücke der Serienfertigung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf Produktionsfehler untersucht werden. Z. B. ist die Messanordnung, die die Messobjekte mittels invasiver Strahlung untersucht, hierzu in die Fertigungslinie integriert oder können die zu untersuchenden Stücke aus der Fertigungslinie ausgesondert werden und der Messanordnung zugeführt werden. Von dem Begriff invasive Strahlung ist Strahlung jeglicher Art umfasst, die in das Messobjekt eindringt und/oder das Messobjekt durchdringt. Außer elektromagnetischer Strahlung - wie z. B. Röntgenstrahlung - kann auch Partikelstrahlung (etwa Elektronenstrahlung oder Positronenstrahlung) eingesetzt werden. Auch kann elektromagnetische Strahlung in anderen Wellenlängenbereichen (etwa im sichtbaren oder Infrarotwellenlängenbereich) verwendet werden. Auch können wie z. B. bei der Magnetresonanz (MR)- Technologie oder bei der Anregung von Energiezuständen durch elektromagnetische Strahlung (z. B. Lumineszenz) Sekundäreffekte für die Untersuchung genutzt werden. Auch bei der Röntgenstrahlung kann Sekundäroder Streustrahlung detektiert werden.
Außer den Materialeigenschaften kann auch eine Sollgeometrie des Messobjekts bei der Auslegung und/oder Einstellung der Messanordnung berücksichtigt werden. Zum Beispiel kann man aus der Lage der Materialbereiche aus den verschiedenen Materialien Rückschlüsse über den optimalen Ort einer Sensoreinrichtung oder eine Mehrzahl von Sensoreinrichtungen ziehen. Die Sollgeometrie wird beispielsweise aus CAD (Computer Aided Design)-Planungsdaten des Messobjekts erhalten. Die Sollgeometrie umfasst vorzugsweise auch die Spezifikation, welche Teile des Messobjekts aus welchem Material gefertigt sind. Insbesondere weisen moderne CAD-Systeme eine Daten-Schnittstelle auf, die der Weiterverarbeitung eines dreidimensionalen Modells des jeweiligen Werkstücks oder Messobjekts durch digitale Datenverarbeitung dient (CAM, Computer Aided Modelling). In einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung ist die Anordnung mit einer solchen Schnittstelle verbunden oder zumindest ausgestaltet, mit einer solchen Schnittstelle verbunden zu werden. Alternativ oder zusätzlich ist das CAD-System Teil der Anordnung, d.h. zumindest die für die Berechnung der erwarteten Detektionsergebnisse erforderlichen Einrichtungen sind Teil des CAD-Systems. Das CAD-System kann darüber hinaus weitere Aufgaben erfüllen, etwa die gemessenen Detektionsergebnisse auswerten. Ferner können in einem von dem CAD-System über die Schnittstelle bereitgestellten Modell des Werkstücks die Materialeigenschaften enthalten sein und z. B. für jeden spektralen Wert jeweils durch eine einem bestimmten Material zugeordnete Farbe bzw. den entsprechenden Farbwert codiert sein. Derartige Modelle können auf einer Bilddarstellungseinrichtung dargestellt werden.
Gemäß einem weiteren Gedanken der vorliegenden Erfindung wird die nach der Energie bzw. Wellenlänge aufgelöst detektierte Strahlung, die auf die Sensoreinrichtung auftrifft, für einen Vergleich mit einem erwarteten Detektionsergebnis verwendet. Insbesondere können jeweils einzeln, für verschiedene Materialien des Messobjekts und/oder für ausgewählte Energiebereiche des Strahlungsspektrums, erwartete Detektionsergebnisse und Messergebnisse verglichen werden. Dabei besteht die Möglichkeit, den Vergleich vor und/oder nach einer Rekonstruktion (von räumlichen, dreidimensionalen Bilddaten aus den Detektionssignalen) durchzuführen.
Die Ausgestaltung wird hiermit für sich genommen, ohne einzelne oder alle der im Folgenden oder zuvor beschriebenen Merkmale der Erfindung offenbart, d. h. kann für sich genommen, ohne einzelne oder mehrere der Merkmale Bestandteil eines Verfahrens sein oder der Funktion einer Anordnung entsprechen.
Insbesondere wird ein Verfahren zum Untersuchen eines Messobjekts vorgeschlagen, wobei das Messobjekt invasiver Strahlung ausgesetzt wird, eine Wechselwirkung der invasiven Strahlung mit dem Messobjekt mittels einer strahlungsempfindlichen, spektral auflösenden Sensoreinrichtung (und vorzugsweise auch örtlich auflösenden Sensoreinrichtung) detektiert wird, ein erwartetes Detektionsergebnis der Sensoreinrichtung unter Verwendung einer Sollgeometrie des Messobjekts und unter Verwendung von Materialeigenschaften berechnet wird und/oder ein erwartetes Detektionsergebnis durch Vermessung zumindest eines Meisterteils ermittelt wird und das erwartete Detektionsergebnis mit einem tatsächlichen Detektionsergebnis der Sensoreinrichtung verglichen wird.
Für weitere Ausgestaltungen wird unmittelbar und analog auf eine weitere Patentanmeldung vollinhaltlich Bezug genommen, die auf eine Erfindung desselben Erfinders wie bei dieser Patentanmeldung zurückgeht. Diese Patentanmeldung wurde am 6. Juli 2005 beim Deutschen Patent- und Markenamt von derselben Anmelderin eingereicht und trägt den Titel „Verfahren und Anordnung zum Untersuchen eines Messobjekts mittels invasiver Strahlung".
Bei den Materialeigenschaften handelt es sich insbesondere um die spektralen Absorptionskoeffizienten der Materialien des Messobjekts. Außerdem können die Materialeigenschaften auch enthalten, wie die Strahlung in dem Material gestreut wird und/oder wie sich Sekundäreffekte (siehe oben) auswirken. Die Materialeigenschaften können beispielsweise in einer separaten Messung an einem Block aus dem jeweiligen Material bestimmt werden und/oder aus der Literatur entnommen werden. Die so gesammelten Daten zu den spektralen Charakteristiken der unterschiedlichen Materialien können auch in einer Datenbank in Verbindung mit dem Messsystem und/oder dem CAD-System gespeichert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Daten in einem Planungssystem zur Vorrausberechnung der zu erwartenden Messsignale zur Verfügung stehen und günstiger Weise zur a priori Planung der für die jeweilige Messung geeignetsten Messeinstellung herangezogen werden. Die geeignetste Messeinstellung kann dann durch Optimierung der relevanten Messparameter, wie z.B. Messzeit, Energieauflösung, Energie der invasiven Strahlung, Signalqualität im Bild usw. bestimmt werden. Vorzugsweise wird das aus der Vermessung des Messobjekts erhaltene Detektionsergebnis durch Vergleich mit einem erwarteten Detektionsergebnis auf Fehler überprüft. Bei der Fehlerprüfung wird insbesondere festgestellt, ob das gemessene Detektionsergebnis innerhalb von durch die erwarteten Detektionsergebnisse gegebenen Toleranzen liegt. Dabei kann die Fehlerauswertung örtlich aufgelöst bezogen auf ein Koordinatensystem des Messobjekts und/oder bezogen auf ein Koordinatensystem der Sensoreinrichtung durchgeführt werden. Z. B. werden eine oder mehrere Abmessungen (z. B. Dicke, Breite und/oder Durchmesser zumindest von Teilen des Werkstücks) bestimmt und festgestellt, ob die jeweilige Toleranz eingehalten ist.
Bei der Sensoreinrichtung kann es sich auch um eine Sensoreinrichtung mit mehreren voneinander beabstandeten Teilsensoren handeln, wobei die Teilsensoren jeweils wieder eine örtlich aufgelöste Messung der auftreffenden Strahlung ermöglichen.
Bei einer bevorzugten Art der Untersuchung des Messobjekts wird (wie bei der CT) elektromagnetische Strahlung verwendet, die das Messobjekt durchdringt und auf der gegenüberliegenden Seite der Strahlungsquelle von einer örtlich auflösenden Sensoreinrichtung detektiert wird. Vorteil dieser Anordnung ist ihre Einfachheit gegenüber Anordnungen, die reflektierte Strahlung oder Sekundäreffekte auswerten.
Z. B. weist zumindest einer der Teilsensoren oder die nicht örtlich verteilt angeordnete Sensoreinrichtung eine Vielzahl von örtlichen Bereichen auf, wobei die in den einzelnen örtlichen Bereichen auftreffende Strahlung in ein eigenständiges Messsignal umgewandelt werden kann. Bei den Teilsensoren oder bei einer nicht örtlich verteilt angeordneten Sensoreinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Matrix aus strahlungsempfindlichen Halbleiterelementen handeln. Dabei kommen sowohl Zeilenmatrizen mit nur einer Zeile Halbleiterelemente als auch Halbleitermatrizen mit Sensorelementen in mehreren Zeilen und Spalten in Frage.
Insbesondere können die Sensorsignale der Sensoreinrichtung automatisch digitalisiert werden, sodass das tatsächliche Detektionsergebnis in digitalisierter Form zur Verfügung steht. Aufgrund der Digitalisierung ist der Aufwand für eine Auswertung besonders gering, insbesondere wenn die von der Sensoreinrichtung erzeugten Messsignale eine unterschiedliche Amplitude aufweisen, je nach Wellenlänge bzw. Energie der auf ein Sensorelement auftreffenden Teilchen oder Strahlungsquanten.
Unter einer Amplitude eines Signals einer Sensoreinrichtung oder eines Detektors wird jegliche Größe auf einer (insbesondere eindimensionalen) Skala verstanden, gemäß der das Signal quantifizierbar ist. Die Skala kann z. B. eine Skala mit positiven und negativen Wertebereichen sein, kann eine kontinuierliche Skala sein oder eine Skala mit lediglich diskreten Werten sein (z. B. wenn Pulse gezählt werden).
Die Wellenlänge bzw. Energie der Strahlung, die auf die Sensoreinrichtung auftrifft, ist wiederum abhängig von der Strahlungsquelle und ein Ergebnis der Wechselwirkung mit dem Material oder den Materialien des Messobjekts. Ferner bestimmt auch das Ansprechverhalten des Detektors das Signal maßgeblich mit. Für unterschiedliche Messapplikationen kann es daher vorteilhaft sein, unterschiedliche Arten von Detektoren zu verwenden. Daher können Schwellenwerte für die Auswertung der digitalisierten oder analogen Messsignale definiert werden. Liegt die Amplitude und damit die Energie über (oder unter) einem Schwellenwert oder in einem zwischen zwei Grenzwerten liegenden Bereich, kann zum Beispiel darauf geschlossen werden, dass ein bestimmtes Material an der Wechselwirkung beteiligt war. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Spektrum (bzw. die Wellenlängen) der eingestrahlten invasiven Strahlung so auf ein bestimmtes Material abgestimmt wird, dass die Wechselwirkung mit diesem Material (gegenüber anderen Materialien des Messobjekts) besonders deutlich detektiert werden kann.
Es ist also nicht erforderlich, die Energie oder Wellenlänge der auf die Sensoreinrichtung auftreffenden Strahlung exakt zu bestimmen. Dadurch kann erheblicher Aufwand bei der Auswertung der Messergebnisse vermieden werden. Auch können hinsichtlich der Energieauflösung ungenauere oder unempfindlichere Sensorelemente eingesetzt werden. Hierdurch lassen sich die Kosten reduzieren.
Außerdem kann selbstverständlich eine Zählung oder statistische Auswertung der von dem Sensorelement oder der (insbesondere ortsaufgelöst) von der Sensoreinrichtung in dem jeweiligen Energiebereich detektierten Quanten oder Teilchen erfolgen. Auch kann das Ergebnis der Auswertung letztendlich erst dann festgestellt werden, wenn eine Rekonstruktion (z. B. tomografische Rückprojektion) stattgefunden hat, wobei für die Rekonstruktion eine Mehrzahl von zweidimensionalen Bildern verwendet wird, die unterschiedlichen Bestrahlungsrichtungen des Messobjekts entsprechen. Auf Grund der Verwendung von Schwellenwerten bzw. Grenzwerten kann die Bildinformation der zweidimensionalen Bilder darin bestehen, dass einem Pixel oder Ort in dem Koordinatensystem des zweidimensionalen Bildes die Anzahl und der Energiebereich der an dem Ort (z. B. von dem zugeordneten Sensorelement) empfangenen Quanten oder Teilchen zugeordnet ist. Dies kann als eine gerasterte oder kategorisierte Energieauflösung bei der Detektion der Strahlung bezeichnet werden.
Bevorzugtermaßen wird das Messobjekt aus verschiedenen Richtungen und/oder in verschiedenen Drehstellungen (und insbesondere zeitlich nacheinander) der invasiven Strahlung ausgesetzt und wird jeweils ein Detektionsergebnis festgestellt, d.h. werden die Resultate der Wechselwirkung mit dem Messobjekt jeweils detektiert. Insbesondere bei der Durchstrahlung des Messobjekts mit der invasiven Strahlung kann so erreicht werden, dass jeder Volumenbereich des Messobjekts aus unterschiedlichen Richtungen durchstrahlt wird.
Grundsätzlich können verschiedene Verfahrensweisen angewendet werden, um die Informationen über das spektrale Verhalten der Wechselwirkung zu erhalten. Diese Verfahrensweisen können auch kombiniert werden. Insbesondere ist es möglich, a) speziell auf die Kombination der Materialien des jeweiligen Messobjekts ausgelegte Spektren der invasiven Strahlung auf das Messobjekt einzustrahlen, b) unterschiedliche Spektren oder Strahlung verschiedener Wellenlängen zeitlich nacheinander auf das Messobjekt einzustrahlen und zeitaufgelöst zu messen c) eine Mehrzahl von Sensoreinrichtungen mit spektral unterschiedlichen Empfindlichkeiten gleichzeitig, an verschiedenen Orten und/oder zeitlich nacheinander für die Messung der Wechselwirkung zu verwenden und/oder d) einen spektral bzw. Energie auflösenden Detektor zu verwenden.
Die unterschiedlichen Spektren oder die Strahlung verschiedener Wellenlängen (Punkt b) kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass eine elektrische Beschleunigungsspannung einer Elektronenkanone einer Röntgenröhre verändert wird, ein von einer Strahlungsquelle emittiertes Spektrum und/oder ein Spektrum, das das Ergebnis der Wechselwirkungen ist, spektral gefiltert werden, z. B. mit Blechen, und/oder unterschiedliche Strahlungsquellen verwendet werden. Bei den unterschiedlichen Strahlungsquellen kann es sich um Röntgenstrahlungsquellen mit unterschiedlichem Anodenmaterial und/oder mit unterschiedlichem Material eines Austrittsfensters der Strahiungsquelle (das optional eine zusätzliche Beschichtung aufweisen kann) handeln.
Als Sensoreinrichtungen mit spektral unterschiedlichen Empfindlichkeiten (Punkt c) können z. B. verschiedene Szintillator-Materialien mit geeigneten . Foto-Detektoren (z. B. Halbleiterdioden oder räumliche Anordnungen mit Halbleiterdioden, etwa CCD-Kameras, CMOS-Halbleiterdioden, Avalanche- Dioden) verwendet werden.
Bei der Unterscheidung der Wellenlängen bzw. der Energie der auf die Sensoreinrichtung auftreffenden Photonen oder Partikel (Punkt d) kann insbesondere eine Auswertungseinrichtung verwendet werden, die zeitaufgelöst (d. h. wiederholt oder kontinuierlich im Verlauf der Zeit) Amplituden (insbesondere Pulshöhen) der Messsignale (insbesondere Messsignale der einzelnen Sensorelemente, die jeweils einem bestimmten Ort oder Bereich der Sensoreinrichtung zugeordnet sind) auswertet. Dies kann auf unterschiedliche Arten erfolgen.
Insbesondere kann ein Pulshöhendiskriminator verwendet werden, der beispielsweise nur dann das Vorliegen eines gültigen Signals oder Ereignisses feststellt (zum Beispiel nur dann ein Ausgangssignal ausgibt oder das Eingangssignal passieren lässt), wenn eine bestimmte Pulshöhe erreicht oder überschritten ist. Den Pulshöhen entspricht allgemeiner formuliert eine Amplitude des Signals und eine Energie eines detektieren Strahlungsquants oder Partikels. Alternativ oder zusätzlich kann der Pulshöhendiskriminator das Unterschreiten einer bestimmten Pulshöhe feststellen oder feststellen, dass die Pulshöhe in einem bestimmten Pulshöhen-Bereich liegt. Insbesondere kann eine derartige Messanordnung so betrieben werden, dass wiederholt mit unterschiedlichen Einstellungen bzw. Auslegungen der Messanordnung gemessen wird. Alternativ können die Messsignale von verschiedenen Auswertestrecken mit jeweils einem oder mehreren Pulshöhendiskriminatoren ausgewertet werden, sodass insbesondere jedes Messsignal mehrfach analysiert werden kann.
Alternativ kann zumindest ein so genannter Vielkanal (Multichannel)-Analysator verwendet werden, wie er beispielsweise von AMPTEK Inc., Bedford, Massachusetts, USA angeboten wird, etwa unter der Typenbezeichnung XR 100. Derartige Analysatoren bestimmen direkt die Verteilung der Energie bzw. Wellenlänge aus dem jeweiligen gemessenen Signal jeweils für einen bestimmten Ort oder Bereich der Sensoreinrichtung. Zum Beispiel sind bei Röntgenstrahlung auf diese Weise Analysen des Messsignals mit einer Energieauflösung von 200 eV möglich. Vorteilhafter Weise werden die so erhaltenen Energiespektren speziell auf die erwarteten Materialeigenschaften abgestimmt ausgewertet. Zum Beispiel können Anteile in dem Energiespektrum daher bestimmten Materialien zugeordnet werden. Dies ermöglicht es sogar, ohne Rückprojektion festzustellen, welche Materialien zu welchem Anteil bei der Schwächung eines Röntgenstrahlenbündels beteiligt waren (z. B. 20 cm Strahlungsweg durch Material 1 und 5 cm Strahlungsweg durch Material 2 von der Strahlungsquelle bis zu einem bestimmten Sensorelement). Hierdurch kann der Aufwand für die Rekonstruktion eines dreidimensionalen Modells des Messobjekts deutlich verringert werden.
Die Ausgestaltung mit dem Vielkanal-Analysator (englisch: Multi-Channel- Analyser, MCA) und die Ausgestaltung mit der Auswertung von Pulshöhen sind vom Prinzip her ähnlich. Beide Ausgestaltungen ermöglichen es, die Energieverteilung hinsichtlich der zu detektierenden Materialien auszuwerten. Bei dem Vielkanal-Analysator kann die Information über die Energieverteilung entsprechend der Anzahl der verwendeten Kanäle jedoch erhalten bleiben. Bei der Pulshöhen-Diskriminierung dagegen ist nach der Anwendung des oder der Schwellenwerte lediglich noch die Information vorhanden, ob der jeweilige Schwellenwert unterschritten oder überschritten wurde. Selbstverständlich kann auch die ursprüngliche Pulshöheninformation separat gespeichert werden, parallel mit unterschiedlichen Schwellenwerten ausgewertet werden und/oder mehrmals mit unterschiedlichen Schwellenwerten ausgewertet werden. Die Wahl des oder der Schwellenwerte findet vorzugsweise in Abhängigkeit von den erwarteten Materialeigenschaften statt.
Beim Vielkanal-Analysator kann jeweils ein Kanal oder können mehrere benachbarte Kanäle (das heißt die detektieren Ereignisse in dem entsprechenden Energiebereich) einem bestimmten Material zugeordnet werden. Dies entspricht dem Setzen einer Schwelle für die Pulshöheninformation.
Die Anzahl und der jeweilige Energieempfindlichkeitsbereich der Kanäle des Vielkanal-Analysators können unter Berücksichtigung der erwarteten Materialeigenschaften des Messeobjekts gewählt werden. Insbesondere kann dadurch die Messzeit optimiert werden. Weiterhin kann dadurch ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden. Die Energieempfindlichkeitsbereiche der Kanäle sollten nicht zu eng gewählt werden, idealer Weise so, dass mit möglichst wenigen Kanälen jedes im Werkstück vorhandene Material detektiert werden kann (z. B. jedem Kanal genau ein Material des Werkstücks zugeordnet ist), aber keine feinere Energieauflösung stattfindet. Außerdem sind die Kanäle vorzugsweise so gewählt, dass man den Dynamikbereich des Detektors im Energiebereich des Kanals für jedes Bild bzw. über eine Bilderserie optimal ausnutzt.
Es ist auch möglich, dass man mehrere Kanäle einem einzigen Material oder einer Mehrzahl von Materialien zuordnet, die man optional nach der Aufnahme der Messsignale zusammenfasst, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu optimieren bzw. so den nutzbaren Dynamikbereich für die Signalgewinnung und -auswertung zu erhöhen. Diese unterschiedlichen Kanäle können energetisch (im Spektrum der Strahlung) einander benachbart sein, oder aber in (durch zumindest einen anderen Kanal) getrennten Energiebereichen liegen.
Allgemeiner formuliert beinhaltet die vorliegende Erfindung eine Ausgestaltung, bei der die Wechselwirkung der invasiven Strahlung mit zumindest einem der Materialien des Messobjekts einem Energiebereich bzw. Wellenlängenbereich der detektierten Strahlung zugeordnet wird und wobei durch Auswertung eines Messsignals der Sensoreinrichtung in diesem Energiebereich bzw. Wellenlängenbereich das Vorhandensein des zugeordneten Materials ermittelt wird. Vorzugsweise erfolgt eine derartige Zuordnung für jedes der Materialien des Messobjekts, die detektiert werden sollen. Insbesondere können aus einer Mehrzahl von Bildern des Messobjekts, die mit der Sensoreinrichtung aufgenommen wurden, so die Positionen des zugeordneten Materials ermittelt (insbesondere rekonstruiert) werden.
Dabei kann die Zuordnung des zumindest einen Materials zu dem Energiebereich bei der Auslegung und/oder Einstellung der Messanordnung durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch auch möglich (z. B. bei der Ausführungsform mit dem Vielkanal-Analysator) die Zuordnung erst bei der Auswertung der Messsignale vorzunehmen. Dies setzt allerdings eine über die erforderlichen Energiebereiche zur Detektion der Materialien hinausgehende, feinere Energieauflösung bei der Detektion der Strahlung voraus, die das Ergebnis der Wechselwirkung mit dem Messeobjekt ist.
Ein Photon (z. B. ein Röntgenstrahlungsphoton) erzeugt abhängig von seiner Energie in der Sensoreinrichtung z. B. einen Signalpuls, dessen Höhe bzw. Fläche (d.h. Zahl der im Sensor ausgelösten Elektronen), ein Maß für die Energie des Photons darstellt. Die Schwellwerte bzw. die Kanäle des Vielkanal- Analysators können dann dazu dienen, für jeden dieser Signalpulse eine Einordnung vorzunehmen, ob der Puls unter- bzw. oberhalb einer Schwelle bzw. inner- oder außerhalb eines bestimmten Energiebereichs lag. Durch die energieaufgelöste Detektion kann so zusätzliche Information gewonnen werden, die bei der Auswertung der Messergebnisse die Qualität der Aussagen erhöht. Ferner gewinnt man noch die Möglichkeit, Materialien anhand der Wirkung auf das Energiespektrum der Messstrahlung zu charakterisieren und nicht nur indirekt über die Grauwerte, die einem Detektorsignal direkt bzw. nach Rückprojektion dem Voxel zugeordnet werden. Wenn zwei Materialien integral eine vergleichbare Filterwirkung für die Strahlung zeigen, war eine Trennung der Materialien bisher nur schwer möglich oder in manchen Fällen gar nicht möglich. Hier kann dann die spektral aufgelöste Messung und die a priori Information zum Messobjekt helfen, geeignete und hinreichend selektive Messbedingungen zu finden, um eine gezielte Analyse durchführen zu können.
Als alternative oder zusätzliche Möglichkeit kann bei der Messung auch mindestens ein Detektor verwendet werden, der Strahlung detektiert, die nicht (im wesentlichen) geradlinig durch das Messobjekt hindurch gegangen ist. Das von dem Detektor erhaltene Signal kann dann zur Korrektur von integralen (über das emittierte Spektrum integrierte) Fluktuationen in der Leistung der Strahlung und/oder zur Korrektur von spektralen Verschiebungen in der Emissionscharakteristik der Strahlungsquelle verwendet werden. Spektrale Verschiebungen können sich z. B. ergeben, wenn sich das Target in einer Röntgenquelle ungleichmäßig bewegt oder seine Temperatur verändert, da sich damit unmittelbar die Dichte des Materials verändert und folglich auch die Wirkung auf die invasive Strahlung.
Anstelle eines solchen Detektors kann auch ein Energiebereich einer anderen Sensoreinrichtungen (insbesondere einer für die Detektion von geradlinig durch das Messobjekt hindurch tretender Strahlung genutzten Sensoreinrichtung, z. B. ein Kanal des Vielkanal-Analysators) ausgewertet werden, wobei Signale in diesem Energiebereich nicht spezifisch auf ein Material des Messobjekts hindeutet. Dieser Energiebereich kann dann für die Signalkorrektur verwendet werden kann. Dabei wird vorzugsweise sichergestellt, dass Wechselwirkungen des Messobjekts mit der invasiven Strahlung nicht (oder nur in vernachlässigbar kleinem Umfang) auf das Messsignal in diesem Energiebereich wirken.
Die Korrektur kann in beiden Fällen (separater Detektor oder nicht) auf verschiedene Art durchgeführt werden:
1. Es kann das Integral über die innerhalb des gesamten Detektionsintervalls des Detektors oder des oder der für die Korrektur genutzten Energiebereiche(s) der Sensoreinrichtung emittierte Leistung gebildet werden, und über einen Dreisatz l_M_korr = l_ist/l_ref * I_M korrigiert werden. Hier bedeuten: I_M: Messsignal, l_ref: Referenzsignal,
I ist: aktueller Wert des Referenzsignals in der Messung, l_M_korr: korrigierter Messwert.
2. Korrektur der Messwerte in jedem Energiebereich getrennt, wobei die Formel nach 1. für jeden Energiebereich getrennt angewendet wird, um hier spektrale Einflüsse auszuschließen. Dadurch kann das Messsignal korrigiert werden, insbesondere bevor eine Rückprojektion stattfindet. Prinzipiell kann die Korrektur jedoch auch während der Rückprojektion oder auch danach stattfinden.
Insbesondere kann auf dem Strahlungsweg von der Strahlungsquelle zu dem Messobjekt und/oder auf dem Strahlungsweg von dem Messobjekt zu der Sensoreinrichtung zumindest ein Filter angeordnet werden, der Strahlung bestimmter Wellenlängen oder bestimmter Wellenlängenbereiche aus dem Spektrum der Strahlung entfernt oder schwächt. Wie bereits beschrieben wurde, kann auf diese Weise das Spektrum der von der Sensoreinrichtung detektierten Strahlung so auf die erwarteten Materialien abgestimmt werden, dass Anteile der Strahlung lediglich oder überwiegend mit einem ersten Material wechselwirken und dass Anteile der Strahlung lediglich oder überwiegend mit einem zweiten Material wechselwirken. Dies ermöglicht es, lediglich eine einzige Messung durchzuführen, wobei die Materialien im Messergebnis aber getrennt erscheinen, als ob jeweils nur ein Messobjekt mit einem der Materialien vermessen worden wäre.
Nach der Messung und der optionalen Vorauswertung der Messsignale wie zuvor beschrieben (z. B. Pulshöhendiskriminator und/oder Vielkanal-Analysator) kann nun eine Auswertung durchgeführt werden. Insbesondere können unmittelbar die von der Sensoreinrichtung erzeugten Messsignale energieabhängig ausgewertet werden, und zwar insbesondere vor einer Rekonstruktion (3D-Modell Berechnung des Messobjekts). Alternativ oder zusätzlich kann eine Rekonstruktion aus unterschiedlichen Energiespektren bzw. Energiebereichen durchgeführt werden, die aus den Messsignalen erhalten werden (zum Beispiel für die selektiv auf jeweils ein bestimmtes Material abgestimmten Teiispektren, die man wie zuvor beschrieben erhält, siehe dazu den folgenden Absatz). Außerdem können weitere Auswertungsschritte nach der Rekonstruktion mit z. B. an sich bekannten Verfahrensweisen folgen. Alternativ oder zusätzlich ist ein Vergleich der Auswertungsergebnisse (vor und/oder nach der Rekonstruktion) mit erwarteten
Auswertungsergebnissen möglich. Bei Verwendung der oben genannten Filter können, unter Ausnutzung von a priori Information darüber, welche Materialien im Messobjekt vorhanden sind, die entsprechenden Filter für die Messung und/oder Datenauswertung so gewählt werden, dass die Auswertung für jedes der Materialien getrennt durchgeführt werden kann. Auf diese Weise können durch Rekonstruktion dreidimensionale Modelle der Anordnungen und lokalen Bereiche erhalten werden, in denen jeweils ein bestimmtes Material des Messobjekts vorhanden ist. Diese dreidimensionalen Modelle können anschließend wieder miteinander kombiniert werden. Alternativ kann bei einer Rekonstruktion eines dreidimensionalen Modells die Information über die Energie der auf die Sensoreinrichtung aufgetroffenen Quanten oder Partikel mitgeführt werden und kann das rekonstruierte dreidimensionale Modell die Information über die Energieauflösung enthalten. Z. B. kann für jedes Voxel des Modells die spektrale Information vorhanden sein. Insbesondere für den Fall von Materialien, die über einen Spektralbereich insgesamt die gleiche Absorption für die invasive Strahlung aufweisen, ermöglicht dies, die Materialien sicher voneinander zu unterscheiden, wenn sie in Teilbereichen des Spektrums verschiedene Absorptionseigenschaften haben. Auch ungeübte Betrachter des Ergebnisses können eine solche Unterscheidung vornehmen.
Eine weitere Möglichkeit, die spektral aufgelöste Information zu nutzen, besteht darin, durch Vergleich der Ergebnisse aus unterschiedlichen Wellenlängenbereichen oder Energiebereichen Artefakte zu korrigieren, die sonst häufig insbesondere bei der Röntgen-CT auftreten. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zum Beispiel der Effekt der so genannten Strahlaufhärtung abhängig von der Wellenlänge ist. Zum Beispiel kann dadurch ausgenutzt werden, dass höherenergetische Strahlung in der Regel eine geringere Wechselwirkung mit den Materialien des Messobjekts zeigt und insbesondere die Streuung der Strahlung in diesem Spektralbereich (außer in Vorwärtsrichtung) geringere Wirkungsquerschnitte aufweist. Außerdem wird eine Anordnung zum Untersuchen eines Messobjekts vorgeschlagen, das industriell und/oder handwerklich hergestellt wurde, (allgemeiner: für nicht medizinische Untersuchungen beliebiger Messobjekte, d. h. nicht lebender Objekte) wobei die Anordnung Folgendes aufweist: eine Feststellungseinrichtung zum Feststellen von erwarteten Materialeigenschaften oder eine Datenschnittstelle zum Empfangen von Daten, die Informationen über die erwarteten Materialeigenschaften aufweisen, eine Auslegungs- und/oder Einstellungseinrichtung zur Auslegung und/oder Einstellung einer Messanordnung, wobei die Messanordnung zumindest eine Strahlungsquelle (2) zur Erzeugung invasiver Strahlung und eine strahlungsempfindliche Sensoreinrichtung (3) zur Detektion von Strahlung nach einer Wechselwirkung der invasiven Strahlung mit dem Messobjekt aufweist und wobei die Auslegungs- und/oder Einstellungseinrichtung so ausgestaltet ist, dass die Messanordnung unter Berücksichtigung der erwarteten Eigenschaften so ausgelegt und/oder eingestellt wird, dass unterschiedliche Wechselwirkungen der invasiven Strahlung mit zumindest zwei verschiedenen Materialien des Messobjekts (1 ) von den Sensoreinrichtungen detektiert werden können, wobei die unterschiedlichen Wechselwirkungen auf Grund spektral unterschiedlicher Materialeigenschaften der verschiedenen Materialien bestehen, und die Messanordnung.
Ferner gehört zum Umfang der Erfindung ein Computerprogramm, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk zumindest diejenigen Teile des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer seiner Ausgestaltungen ausführt, die die Auslegung und/oder Einstellung der Messanlage betreffen. Insbesondere kann von dem Computerprogramm automatisch aus der Sollgeometrie und den Materialeigenschaften des Messobjekts berechnet werden, welche Wellenlängen oder Spektren der invasiven Strahlung bei der Untersuchung am besten verwendet werden und/oder wie die Sensoreinrichtung einzustellen ist. Beispielsweise kann das Computerprogramm Schwellwerte für die Auswertung der Signale der Sensoreinrichtung berechnen, wobei bei Erreichen, Unterschreiten oder Überschreiten des jeweiligen, einem Material zugeordneten Schwellwertes festgestellt wird, dass es sich bei dem Signal um ein Signal der Wechselwirkung mit dem zugeordneten Material handelt.
Weiterhin gehört zum Umfang der Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um das in dem vorangegangenen Absatz definierte Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein.
Außerdem gehört zum Umfang der Erfindung ein Datenträger, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.
Auch gehört zum Umfang der Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um das Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Einzelne Merkmale der folgenden Beschreibung oder beliebige Kombinationen davon können mit den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung kombiniert werden. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Geometrie einer Messanordnung mit einer
Röntgenstrahlungsquelle, einem Messobjekt und einer zweidimensional ortsauflösenden Sensoreinrichtung;
Fig. 2 eine Anordnung zum Auswerten von Messsignalen, insbesondere von Messsignalen der Sensoreinrichtung gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 örtliche Bereiche eines Messobjekts mit unterschiedlichen
Materialien, die von invasiver Strahlung durchquert werden; und
Fig. 4 ein Strahlungsspektrum invasiver Strahlung.
Die schematisch in Fig. 1 dargestellte Messanordnung weist ein Messobjekt 1 auf, das zwischen einer Röntgenstrahlungsquelle 2 und einer Sensoreinrichtung 3 angeordnet ist. Die Röntgenstrahlungsquelle 2 ist zum Beispiel eine Röntgenröhre mit einer Elektronenkanone zur Erzeugung der Röntgenstrahlung. Während des Betriebes tritt die Röntgenstrahlung ausgehend von einem nahezu punktförmigen Brennfleck aus der Röntgenstrahlungsquelle 2 aus. Der Brennfleck liegt im Ursprung des kartesischen Koordinatensystems, das in Fig. 1 durch drei Achsen dargestellt ist. Weitere Pfeile von dem Ursprung in Richtung der Sensoreinrichtung 3 deuten die von der Strahlungsquelle 2 ausgehende Strahlung an. Der Pfeil mit der gepunkteten Linie trifft nicht das Messobjekt 1.
Die Sensoreinrichtung 3 weist ein Feld von fünf mal acht Detektorfeldern auf, die jeweils durch (auf Grund der perspektivischen Darstellung verzerrte) Quadrate dargestellt sind. Einzelne der Detektorfelder, die jeweils voneinander separate Detektionssignale liefern können, sind mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet. In der Praxis können Sensoreinrichtungen mit wesentlich mehr Detektorfeldern verwendet werden. Wie nicht näher dargestellt ist, kann das Messobjekt 1 um eine vertikale Drehachse gedreht werden, damit die von der Strahlungsquelle 2 ausgehende Strahlung aus unterschiedlichen Richtungen einfallen und das Messobjekt 1 durchqueren kann. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem Messobjekt 1 und der Sensoreinrichtung 3 in der Praxis wesentlich größer als dargestellt, um die Auswirkungen von Sekundäreffekten wie Lumineszenz und Compton- Streuung nicht oder nur zu einem kleinen Anteil zu detektieren.
Zwischen Strahlungsquelle 2 und Messobjekt 1 ist ein Filter 5 angeordnet, der abhängig von einer gewünschten Einstellung oder Auslegung der Messanlage eingestellt oder ausgewechselt werden kann. Außerdem ist es möglich, zumindest einen weiteren Filter im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle 2 und dem Messobjekt 1 und/oder zwischen dem Messobjekt 1 und der Sensoreinrichtung 3 anzuordnen. Abhängig von den Materialeigenschaften der Materialien des Messobjekts 1 werden der oder die Filter gewählt und/oder eingestellt. Stellvertretend für die Möglichkeit der Auslegung oder Einstellung des oder der Filter ist eine Einstellvorrichtung 7 dargestellt, die mit dem Filter 5 verbunden ist und z. B. die Stärke einer Absorption von Strahlung durch den Filter 5 in einem bestimmten Wellenlängenbereich einstellen kann.
Eine Auswertungseinrichtung 6 ist mit der Sensoreinrichtung 3 verbunden. Die Auswertungseinrichtung 6 ist ausgestaltet, die von den einzelnen Sensorelementen 4 erzeugten Messsignale jeweils spektral aufgelöst auszuwerten.
Fig. 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Art der Auswertung der von der Sensoreinrichtung 3 generierten Messsignale. Die Messsignale werden einem Pulshöhendiskriminator 10 der Auswertungseinrichtung 6 zugeführt. Der Pulshöhendiskriminator 10 stellt für jedes der einzelnen, von den Sensorelementen 4 gelieferten Messsignale fest, in welchem von mehreren definierten Amplitudenbereichen die durch das Messsignal gelieferte Amplitude (hier: Pulshöhe) liegt. Dadurch wird eine Einteilung der Messsignale in mehrere verschiedene Energiebereiche erreicht.
Die so erhaltenen Informationen werden durch eine Bildverarbeitungseinrichtung 11 zu zweidimensionalen Bildern verarbeitet, wobei das Koordinatensystem der Bilder dem Koordinatensystem der Sensoreinrichtung 3 entspricht. Durch eine Rekonstruktionseinrichtung 12 wird aus den zweidimensionalen Bildern ein dreidimensionales Modell des Messobjekts rekonstruiert, wobei die zweidimensionalen Bilder verschiedenen Drehstellungen z. B. des Messobjekts, d. h. verschiedenen Richtungen der Durchstrahlung, entsprechen. Das Ergebnis der Rekonstruktion kann von einer Vergleichseinrichtung 13 mit erwarteten Werten (insbesondere mit Werten der Geometrie und mit Materialeigenschaften der in den jeweiligen Bereichen angeordneten Materialien des Messobjekts) verglichen werden.
Anhand von Fig. 3 und Fig. 4 wird nun ein Ausführungsbeispiel dafür beschrieben, wie das Vorhandensein bestimmter Materialien in einem Messobjekt auf einfache Weise festgestellt werden kann.
Fig. 3 zeigt schematisch den Strahlengang bei der Durchstrahlung eines Messobjekts mit invasiver Strahlung, und zwar für zwei willkürlich ausgewählte Bereiche (Volumina mit kleinem Querschnitt) des Messobjekts. Anders als in Fig. 3 dargestellt, wird die Strahlung in der Regel auf ihrem Weg von der Strahlungsquelle zur Sensoreinrichtung divergieren.
Im oberen Teil von Fig. 3 ist dargestellt, dass die von links einfallende Strahlung auf ihrem Weg durch das Messobjekt nacheinander drei verschiedene Materialien A, B, C des Messobjekts durchquert, rechts aus dem Messobjekt austritt und auf ein Sensorelement 4a trifft, das im Wesentlichen lediglich diejenige Strahlung detektiert, die aus Richtung des zugeordneten Bereichs einfällt. Dies gilt jedenfalls unter der Annahme, dass die Streustrahlung aus anderen Bereichen vernachlässigbar klein ist. Im unteren Teil von Fig. 3 ist dargestellt, dass die von links einfallende Strahlung auf ihrem Weg durch einen anderen Bereich des Messobjekts nacheinander lediglich die Materialien A und C durchquert und die durch Extinktion in dem Bereich geschwächte Strahlung auf ein zweites Sensorelement 4b trifft, das im Wesentlichen lediglich Strahlung aus Richtung des zugeordneten Bereichs detektiert.
Das Wellenlängenspektrum bzw. Energiespektrum der invasiven Strahlung, die die Bereiche durchquert, ist in Fig. 4 dargestellt. Auf der vertikalen Achse aufgetragen ist die Intensität in der Strahlung. Auf der waagerechten Achse ist die Energie E der Strahlungsquanten aufgetragen.
Die Materialien A, B, C haben folgende Absorptionseigenschaften für die invasive Strahlung: Material A absorbiert im Energiebereich I mit hohem Absorptionskoeffizienten (starke Absorption) und absorbiert in den Wellenlängenbereichen Il und III mit niedrigem Absorptionskoeffizienten (schwache Absorption). Material B weist in den Energiebereichen I und III eine schwache Absorption auf und weist in dem Energiebereich Il eine starke Absorption auf. Material C weist in den Energiebereichen I und Il eine schwache Absorption auf und weist in dem Energiebereich III eine starke Absorption auf.
Daher lassen sich die Materialien durch Energie aufgelöste Detektion der durch das Messobjekt hindurch getretenen Strahlung leicht unterscheiden. Dabei kann vorzugsweise unter Verwendung von Schwellenwerten lediglich festgestellt werden, welcher Anteil der von den Sensorelementen 4 detektiert in Strahlung in welchem der Energiebereiche I, II, IM einfällt.
Sensorelement 4a wird in allen drei Energiebereichen eine etwa mit gleichem Absorptionskoeffizienten geschwächte Strahlung detektieren, da die Strahlungswege durch alle drei Materialien etwa gleich lang sind. Dagegen wird Sensorelement 4b im Energiebereich I (nach Auswertung der Signale) eine besonders starke Absorption feststellen, im Energiebereich III eine wesentlich schwächere Absorption und im Energiebereich Il eine sehr geringe Absorption, da der Strahlungsweg durch das Material A lang ist, der Weg durch das Material C relativ kurz ist und das Material B entlang dem Weg nicht vorhanden ist.
Durch vereinfachte Auswertungsverfahren können daher die örtlichen Bereiche, in denen die einzelnen Materialien vorhanden sind, festgestellt werden, insbesondere können dabei von der Sensoreinrichtung aufgenommene Bilder ausgewertet werden, die unterschiedlichen Durchstrahlungsrichtungen entsprechen.
Die Einsteilung der Messaniage besteht in diesem Fall vorzugsweise darin, die Schwellenwerte für die Feststellung der Energiebereiche entsprechend festzulegen. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise durch Filterung der Strahlung ein Strahlungsspektrum generiert werden, das lediglich in einem der beteiligten Materialien stark absorbiert wird. In einer nachfolgenden zweiten Messung kann ein Strahlungsspektrum verwendet werden, das lediglich in einem anderen der beteiligten Materialien stark absorbiert wird, usw.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Untersuchen eines industriell und/oder handwerklich hergestellten Messobjekts (1 ), wobei das Messobjekt (1 ) eine Mehrzahl von verschiedenen Materialien aufweist, zumindest zwei verschiedene Materialien, und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- es werden erwartete Materialeigenschaften von zumindest zwei verschiedenen Materialien des Messobjekts (1 ) festgestellt,
- die erwarteten Materialeigenschaften werden bei einer Auslegung und/oder Einstellung einer Messanordnung verwendet, wobei die Messanordnung zumindest eine Strahlungsquelle (2) zur Erzeugung invasiver Strahlung und eine strahlungsempfindliche Sensoreinrichtung (3) zur Detektion von Strahlung nach einer Wechselwirkung der invasiven Strahlung mit dem Messobjekt aufweist und wobei die Messanordnung unter Berücksichtigung der erwarteten Eigenschaften so ausgelegt und/oder eingestellt wird, dass unterschiedliche Wechselwirkungen der invasiven Strahlung mit zumindest zwei verschiedenen Materialien des Messobjekts (1 ) von den Sensoreinrichtungen detektiert werden können, wobei die unterschiedlichen Wechselwirkungen auf Grund spektral unterschiedlicher Materialeigenschaften der verschiedenen Materialien bestehen,
- das Messobjekt (1 ) wird der invasiven Strahlung ausgesetzt und
- ein Ergebnis der unterschiedlichen Wechselwirkungen der invasiven Strahlung wird mittels der Sensoreinrichtung (3) detektiert.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei auf die Sensoreinrichtung (3) auftreffende Strahlung, die ein Ergebnis der Wechselwirkungen ist, spektral aufgelöst detektiert wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auslegung und/oder Einstellung der Messanordnung den Schritt aufweist, dass die invasive Strahlung abgestimmt auf die Materialeigenschaften der Materialien des Messobjekts (1 ) spektral gefiltert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auslegung und/oder Einstellung der Messanordnung den Schritt aufweist, dass unterschiedliche Spektren oder Strahlung verschiedener Wellenlängen zeitlich nacheinander auf das Messobjekt (1 ) eingestrahlt und jeweils die Ergebnisse der Wechselwirkungen gemessen werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Sensoreinrichtungen mit spektral unterschiedlichen Empfindlichkeiten für eine Detektion der Ergebnisse der Wechselwirkungen gleichzeitig, an verschiedenen Orten und/oder zeitlich nacheinander verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wechselwirkung der invasiven Strahlung mit zumindest einem der Materialien des Messobjekts einem Energiebereich bzw. Wellenlängenbereich der detektierten Strahlung zugeordnet wird und wobei durch Auswertung eines Messsignals der Sensoreinrichtung (3) in diesem Energiebereich bzw. Wellenlängenbereich ein Vorhandensein des zugeordneten Materials ermittelt wird.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Zuordnung des zumindest einen Materials zu dem Energiebereich bei der Auslegung und/oder Einstellung der Messanordnung (2, 3) durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Schwellenwert und/oder ein Grenzwert definiert wird und wobei festgestellt wird, ob eine Amplitude eines Messsignals der Sensoreinrichtung (3), die ein Maß für eine Wellenlänge oder Energie der auf die Sensoreinrichtung (3) oder auf einen örtlichen Bereich der Sensoreinrichtung (3) auftreffenden Strahlung ist, über, auf oder unter dem Schwellenwert und/oder Grenzwert liegt.
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei festgestellt wird, ob die Amplitude in einem Amplitudenbereich liegt, der durch einen unteren und einen oberen Grenzwert definiert ist.
10. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei aus einem Ergebnis der Feststellung, ob die Amplitude über, auf oder unter dem Schwellenwert und/oder Grenzwert liegt, darauf geschlossen wird, dass ein bestimmtes Material an der Wechselwirkung beteiligt war.
11. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei als Ergebnis oder Zwischenergebnis einer Auswertung von Messsignalen der Sensoreinrichtung (3) Informationen für ein Strahlungsbild ermittelt werden, wobei in dem Strahlungsbild Pixeln oder Orten in einem Koordinatensystem des Strahlungsbildes eine Anzahl oder Häufigkeit von Quanten oder Teilchen und ein Spektralbereich bzw. Energiebereich zugeordnet sind, wobei die Quanten oder Teilchen, deren Wellenlänge oder Energie in dem Bereich liegt, an einer dem jeweiligen Pixel oder Ort zugeordneten Stelle der Sensoreinrichtung (3) aufgetroffen sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messobjekt (1 ) aus verschiedenen Richtungen und/oder in verschiedenen Drehstellungen der invasiven Strahlung ausgesetzt wird und jeweils ein Detektionsergebnis festgestellt wird und wobei jedes der Detektionsergebnisse mit einem erwarteten Detektionsergebnis verglichen wird.
13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei aus Abweichungen der tatsächlichen Detektionsergebnisse von den erwarteten Detektionsergebnissen der Ort eines Fehlers in dem Messobjekt (1 ) ermittelt wird.
14. Anordnung zum Untersuchen eines Messobjekts (1 ), das industriell und/oder handwerklich hergestellt wurde, wobei die Anordnung Folgendes aufweist: eine Feststellungseinrichtung zum Feststellen von erwarteten Materialeigenschaften oder eine Datenschnittstelle zum Empfangen von Daten, die Informationen über die erwarteten Materialeigenschaften aufweisen, eine Auslegungs- und/oder Einstellungseinrichtung (7) zur Auslegung und/oder Einstellung einer Messanordnung, wobei die Messanordnung zumindest eine Strahlungsquelle (2) zur Erzeugung invasiver Strahlung und eine strahlungsempfindliche Sensoreinrichtung (3) zur Detektion von Strahlung nach einer Wechselwirkung der invasiven Strahlung mit dem Messobjekt aufweist und wobei die Auslegungs- und/oder Einstellungseinrichtung (7) so ausgestaltet ist, dass die Messanordnung unter Berücksichtigung der erwarteten Eigenschaften so ausgelegt und/oder eingestellt wird, dass unterschiedliche Wechselwirkungen der invasiven Strahlung mit zumindest zwei verschiedenen Materialien des Messobjekts (1 ) von den Sensoreinrichtungen detektiert werden können, wobei die unterschiedlichen Wechselwirkungen auf Grund spektral unterschiedlicher Materialeigenschaften der verschiedenen Materialien bestehen, und die Messanordnung.
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