CN101315341A

CN101315341A - 分层摄影检测***与方法

Info

Publication number: CN101315341A
Application number: CNA200710140075XA
Authority: CN
Inventors: 温光溥; 陈世亮; 李孟坤
Original assignee: TRI TEST RESEARCH Inc
Current assignee: TRI TEST RESEARCH Inc
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2027-08-14
Also published as: TWI349774B; JP4551919B2; JP2008298762A; US20080298538A1; CN201199234Y; CN101315341B; US7529336B2; TW200846655A

Abstract

一种分层摄影检测***，包含辐射源、多个线性图像感测器、固定桌面、与计算装置；其中多个图像感测器可以定义图像平面，固定桌面可以将待测物体固定于辐射源与图像感测器之间，而计算装置则可以处理感测器所获得的多个对象图像。辐射源与图像感测器可在待测物体上，进行多个平行的线性扫描，以经由不同角度，取得待测物体的图像。利用上述方法取得图像数据之后，计算装置可以定义弯曲补偿，接着重建待测物体中特定区段的截面图像。

Description

分层摄影检测***与方法

技术领域

本发明涉及用于工业检测的图像成像方法，尤其涉及分层摄影检测***与方法。

背景技术

X光分层摄影技术已众所周知。这种技术可为待测物体中的特定平面，建立截面图像，由此进行物体内部的检测。在已知技术中，X光分层摄影***包含X光源、X光感测器(用于定义图像平面)、以及固定机座(用于固定待测物体、将其置于X光源与X光感测器之间)。为取得待测物体的X光图像，已知技术通常利用X光源以及X光感测器的周期运动，来取得待测物体一连串的X光图像；其中，X光源可以对应待测物体进行运动，也可与X光感测器同时对应待测物体运动。在单一检测周期中，X光源、待测物体、以及X光感测器的相对位置设定，均会对应待测物体中的特定平面，由此取得该特定平面的图像，称之为「焦平面」。纵然在单一周期中，X光源的相对位置不断改变，焦平面上的任一点，仍会因为X光源与待测物体或者X光感测器的相对位置设定，固定投影于图像平面上的单一对应点；而焦平面以外任一点，则会因为X光源与待测物体的相对位置改变，在图像平面上呈现多个光点。将不同X光源位置的所得图像重叠时，因为焦平面上的任一点，固定呈现于图像平面上的对应位置L；所以，重叠图像时，焦平面上任一点的图像，会显得相当清晰，而焦平面以外的单点则因为X光源与X光感测器相对位置的改变，呈现多个模糊的图像。通过组合上述X光感测器所取得的多个图像，即可重建待测物体的特定截面图像。

过去已经开发出多种有效的分层摄影***，可参见美国专利号4,926,452，名称为“Automated Laminography System For Inspection ofElectronics”、美国专利号5,583,904，名称为“Continuous Linear ScanLaminography System And Method”美国专利号6,324,249，名称为“Electronic Planar Laminography System and Method”以及美国专利号6,748,046，名称为“Off-center Tomosynthesis”；在此提出以供参考。

已知技术中的一种分层摄影***，固定待测物体，并利用X光源与X光感测器对应于待测物体的相对圆周运动，来取得待测物体的多个图像。在单一检测周期中，X光源与X光感测器利用区间的相对运动，在圆周上的不同位置，利用不同角度取得多个待测物体图像。由于X光源与感测器必须在圆周上不断启动与停止，因此检测速度较慢，而所能取得的图像数目也受到限制。此外，利用圆周运动进行检测的机台也相对庞大、制造复杂，同时制造成本较为昂贵。

另一种已知技术，是采用单一转化检测(single translational scan)，以由不同的角度取得检测图像。此种检测机制中，X光源必须瞄准待测物体，从而使得扇形的X光束，覆盖完整的待测物体表面。此外，必须增加X光感测器的数量，如此才能在不同的检测角度上取得图像，取得足量的单一线性扫描图像。虽然这种分层摄影***具有简单快速的扫描优势，但是由于必须增加X光感测器的数量，仍会提高设备成本。此外，X光源必须进行瞄准，也会使得***过于复杂。

还有另一种已知技术，利用大型摄影机(a large format camera)来取得待测物体的图像数据。在单一检测周期中，X光源与X光感测器固定，而待测物体则在X光源与X光感测器之间移动；这样，待测物体的不同部分，可同时在摄影机上呈现不同角度的图像。虽然此种方法可以节省X光源以及摄影机运动的成本，但是仍会因为采用大型摄影机(a large format camera)而提高费用。此外，在检测过程中移动待测物体，也可能影响对象稳定度，而降低图像的质量。

此外，待测物体本身因为重力而造成的弯曲，也是分层检测的一个难题。待测物体的弯曲，可能在物体的实际位置与检测***估计位置之间形成偏差。由此，分层摄影所重建的截面图像，可能不会是实际选定平面的图像，而是位移之后的其它平面图像。为解决此难题，美国第5,678,2095号专利已经揭露一种弯曲补偿的机制，于此提供做为参考。此种已知的弯曲补偿机制，需要使用对象预先设定的计算机辅助设计(CAD)数据，与实际取得的图像数据进行比对，以获得待测物体的弯曲程度。在图像重建的过程之中，必须利用此种弯曲补偿计算，来取得选定区域的截面图像。但实际应用时，常因为选定区域无法与CAD位置精确对应，或者无法预先获得足够的CAD数据，而无法精确修正对象弯曲。

因此，产生改良分层摄影***的需求，希望能够克服前述先前技术产生的问题。

发明内容

本发明揭露一种分层摄影检测***与方法，其可利用简便的弯曲补偿计算方法，有效地建立待测物体中选定平面区域的截面图像。

依据本发明的一种优选实施例，分层摄影检测***包含辐射源，多个线性图像感测器(其可定义图像平面)、固定桌面(以将待测物体固定于辐射源以及线性图像感测器之间)、以及计算装置(可处理多个图像感测器所取得的图像)。辐射源与图像感测器可通过一连串的并行线性扫描，使辐射光线穿越待测物体，从而完成周期性检测。由此，计算装置可以计算不同角度之下所获得的图像，同时适当地利用偏移与缩放来调校图像，从而重建待测物体中特定区段的截面图像。

依据本发明的优选实施例，计算装置也可在偏移与缩放图像的过程中，加入弯曲补偿的校正，以获得待测物体的图像。弯曲补偿可以利用立体图像法来计算。

本发明的***与方法，具有节省费用的优势，同时可以利用简便的方法计算弯曲补偿，而无须取得待测物体的CAD数据。

前述内容并非用以限制和缩小本发明的保护范围。上述***与操作可利用多种方式达成，而其变形与修改均落在本发明的保护范围中。其余方面、发明特征、以及本发明的优势，由权利要求范围所定义，同时参照下列实施方式，其内容并非用以限制和缩小本发明保护范围。

附图说明

图1A为依据本发明的一种实施例所设置的分层摄影检测***透视示意图；

图1B为依据本发明的一种实施例所设置的分层摄影检测***侧面示意图；

图1C为依据本发明的一种实施例，由分层摄影检测***进行扫描的运作模式示意图；

图2A、图2B、图2C、与图2D为本发明重建待测物体特定区域X光图像的原理示意图；

图2E显示本发明决定弯曲补偿的机制；

图3为流程图，显示依据本发明的一种实施例，进行分层摄影检测的步骤流程；

图4A、图4B、图4C、图4D、与图4E显示X光图像的范例，此种X光图像依据本发明的分层摄影检测所取得的图像，其中，图4B是施加位移参数L_SX与L_SY后，在Z＝15的焦平面上的X光重建图像；图4C是施加位移参数L_SX、L_SY及缩放参数f后，在Z＝15的焦平面上的X光重建图像；图4D是施加位移参数L_SX与L_SY后，在Z＝-15的焦平面上的X光重建图像；图4E是施加位移参数L_SX、L_SY及缩放参数f后，在Z＝-15的焦平面上的X光重建图像。

【主要组件符号说明】

100：检测***

102：X光源

104：固定桌面

106：待测物体

108：图像感测器

110：计算装置

112：支撑框架

410、420：分层

412、418、424、428、429：缺陷

P：特定区段

S：辐射源

D：图像平面

D₁、D₂、D₃：感测器

F：焦平面

H、H₀、H₁、h、R_x、R_y：距离

O、O_h：取样点

O_i、O_hi、O_i’、O_h’：成像点

L_sx、L_sy：位移参数

f：缩放参数

I₁、I₂：图像

具体实施方式

本发明揭露一种经济实用的分层摄影检测***与方法，其可利用便利的弯曲补偿计算方法，获得待测物体中特定平面的截面图像。

在此所称的辐射源指一种能量来源，用以产生电磁辐射，用作X光摄影，其中包括但不限于X光源、伽码射线、或其它类似物。此外，图像感测器指用以接收由辐射源发射、穿越待测物体的电磁辐射，并可产生待测物体图像信号的装置，其中包括但不限于X光感测器、伽码射线感测器、或者其它类似物。

图1A和图1B为依据本发明的一种实施例所设置的分层摄影检测***示意图。检测***100包含X光源102、用以放置待测物体106的固定桌面104、线性X光感测器108、以及计算装置110。X光源102位于固定桌面104上，并可发射锥形X光，使X光穿越待测物体106，照射在感测器108上；感测器108位于待测物体106下，位置对应于X光源102。各个线性感测器108均可将穿透过待测物体106的X光转换为图像信号，并将之传送至计算装置110进行分析。

参照图1A，为了更详细说明本发明，此处将以任意的X、Y、Z轴向辅助说明检测***100的。固定桌面104固定在水平平面上，平行于X轴与Y轴。X光源102固定在垂直轴向上，其平行于Z轴并垂直于固定桌面104。X光源102由马达驱动(未显示)，可独立沿着X、Y、或Z轴移动。X光源102包括但不限于任何标准的X光发射管。

线性X光感测器108与支撑框架112位在同一平面上，各个感测器108在X轴方向上具有固定距离，在Y轴方向则为平行。依据本发明的一种优选实施例，***具有三个线性感测器108，分别由类似于电荷耦合器件(charge coupled devices)的X光感测组件形成，其形状为线性或单一轴向排列。然而，本领域技术人员应理解线性感测器108的数量可随着不同设计需求而更动。支持框架112可独立沿着X、Y、或Z轴运动，如此可对应于待测物体106与X光源102，设定感测器108的位置。X光源102与线性感测器108的相对位置，可以依据所需的焦平面、以及最佳X光图像分辨率的需求，进行设定。

图1C揭露依据本发明的一种实施例所设置的***100的检测周期。在单一检测周期中，测试对象106保持固定，而X光源102与感测器106同步移动，从而扫描待测物体106。测试周期包含线性扫描路径114，其平行于X轴，同时逐渐增加Y轴方向位移，以完整扫描待测物体106的表面区域。经过一个周期的扫描之后，三个线性感测器108可分别针对待测物体106的扫描区域，取得三个不同角度(对应于X光源102)的X光图像数据。依据本发明的一种实施例，可以继续增加Y方向上的位移，而相连接的扫描路径可以重叠。就待测物体106的特定扫描部分而言，可以通过增加扫描路径，来增加检测角度。因此，无须增加任何图像检测器或费用昂贵的扫描动作，即可让计算装置110取得更多不同检测角度的X光图像数据。

同时，本领域技术人员应理解，前后两条路径可以重叠，也可为相异的两条路径。此外，除了采用三个感测器以外，也可以在其它实施例之中，利用单一感测器，经过三个线性扫描路径，以三个对应X光源102的不同检测角度，取得三组相同的图像。采用上述方法所得的图像，计算装置110即可产生待测物体106的分层摄影检测图像。

图2A、图2B、图2C、与图2D为利用不同检测角度，组合X光图像数据，从而重建区段P的图像的主要原理示意图。为能详细说明其内容，于此采用下列代号。距离H₁为X光源S到图像平面D的距离，图像平面D上具有感测器D₁、D₂、D₃。感测器D₁安排在相对于光源S的左边偏角，感测器D₂安排在光源S的垂直位置下，而感测器D₃则是安排在相对于光源的右边偏角。距离H₀为焦平面F与X光源S之间的距离，h则是目标对象P以及焦平面之间的距离。距离R_x为两个相邻感测器之间的距离，而长度R_y则为两个连续扫描路径之间的Y轴位移。

当***100扫描检测待测物体106时，位于待测物体106之中、焦平面F之外的区段，会在图像平面D中形成相异的图像，其分别具有不同的形变以及位移。因此，在图像平面D中，只有焦平面F之上的各点会具有清晰的图像，而焦平面F之外的各点则会显得模糊。为了重建待测物体中的特定区段P，必须对不同角度检测而得的X光图像数据进行适当的位移与缩放，再将之重叠，以针对特定区段P产生适当的对应图像。上述位移与缩放的参数，可分为X轴和Y轴，详述如下。

图2B显示如何根据平行于X轴与Z轴的投影平面，决定X轴向上的位移与缩放参数。在此投影平面之中，焦平面F中的一点O将对应图像平面D中的一个图像点O_i，而垂直于O点之上、位于特定区域P中的一点O_h，则会对应图像平面D中的一点O_hi。利用简单的几何投影，可得图像平面D之上O_i与O_hi之间的位移参数L_sx为：

L_sx＝h×tanθ＝h R_x/H₁

此外，当光源S在X方向上进行线性扫描时，待测物体106中、特定平面P内X方向上的区段O_h-M，会毫无变化地投影至图像平面D上。此时，X轴向上的缩放参数为1。

同样地，图2C显示如何根据平行于Y轴和Z轴的投影平面，决定Y轴上的位移参数L_sy。在此投影平面中，焦平面F中的一点O，会在图像平面D之上成像于O_i’，而特定区域P中的一点O_h’，则会在图像平面D至上成像于一点O_hi’。图像平面D中，O_i’与O_hi’之间的位移参数L_sy可由下列关系表示：

L_sy＝h’×tanθ’

当h’＝h×H₁/H₀而tanθ’＝(R_y+L_sy)/H₁时，位移参数L_sy可表示为：

Lsy＝h×Ry/(H0-h)

图2D显示如何根据平行于Y轴和Z轴的投影平面，决定Y轴上的缩放参数f。假定特定平面P中的区段O_h’-M，会在图像平面D中形成变形的图像O_hi’-M_i，则缩放参数f可由下列比例定义：O_h’-M_h/O_hi’-M_i＝L_h/L_i。利用相似三角形，Y方向上的缩放参数可表示为：

f＝(H1-h’)/H1＝1-h/H0

下表1分别显示重建待测物体中特定平面的X光图像时，X方向与Y方向的位移与缩放参数，其中h代表相对于焦平面的高度。

表1

利用上述位移与缩放参数，即可在待测物体的Z轴向上，适当地重叠X光图像，以重建待测物体的X光图像。

依据本发明的内容，对X光检测***进行其它设定，还可发现其它优点。尤其，可以简便地进行Z轴方向上的弯曲补偿计算。参照图2E，该图揭示利用立体成像法(stereo imaging method)，决定待测物体在Z轴方向的弯曲补偿。就特定区段W而言，利用立体成像法时，感测器D₂与D₁分别取得两个图像I₂与I₁，而区段W对应于表面的相对高度则为H。假设D_n与D_h代表图像I₂与I₁的个别位置，而r(0)为图像分辨率，则区段W的实际高度H可表示为：

H = \frac{H_{1} \times (D_{n} - D_{h}) \times r (0)}{R_{X}}

利用上述公式计算待测物体中的特定区段，即可在扫描后推知Z轴的对应位置数据，并凭借位移参数与缩放参数，加入弯曲补偿，以正确重建待测物体中特定区段P的图像。由此，无须待测物体的CAD数据，也可计算弯曲补偿。

请参见图3与图1A、图1B、图1C，以说明依据本发明的一种实施例，进行分层摄影检测的步骤。步骤302中，将待测物体106放置在检测***100中。在X光图像***开始扫描待测物体之前，会先在步骤304进行初步设定，利用调整X光源102、对象106以及感测器108的相对位置，定义焦平面以及适当的图像分辨率。步骤306进行扫描，其中X光源102发射锥形X光束，并与感测器108同步移动，经过平行的线性扫描，完整检测待测物体106。由此，即可由不同角度，取得多个待测物体106的X光图像，从而重建待测物体106中特定区段P的截面图像。

就此目的而言，在步骤308中，检测***100会要求***操作者输入特定区段P相对于焦平面F的高度h。接着进入步骤310，在产生特定区段P的截面图像之前，计算装置110会先行计算重建区段P的截面图像所需的弯曲补偿。如图2E所述，通过待测物体在Z轴方向上的X光图像数据，即可计算待测物体的弯曲补偿。在步骤312中，利用输入的高度h以及弯曲补偿数据，计算装置110可以计算适当的位移与缩放参数，并且利用这些参数重建选定区段P的正确图像。

例如，图4A、图4B、图4C、图4D、与图4E显示依据本发明的分层摄影检测方法所得的图像范例。图4A显示待测物体的组态，其中包括焊接点分层410与420，其相互平行，并上下重叠。分层410与420分别具有3×3数组的焊接点。在本例中，分层410与420之间的分隔g以及焊接点之间的间隔p均为举例所用的任意单位。例如，焦平面F设在Z＝0的坐标点上，对应于中央平面，对于分层410及420等距。待测物体包含多个缺陷412、418、424、428、与429，这些缺陷会显示在重建的X光图像中，可见下列图4B、图4C、图4D、与图4E。

图4B与图4C显示焊接点分层410的X光重建图像，其对应于焦平面F的坐标为Z＝15。图4B显示的X光重建图像402，位移参数为L_sx＝7.5与L_sy＝35.294。未施加缩放参数的情况下，重建的X光图像402在Y方向发生变形。图4C显示重建的404，其经过Y方向缩放参数f＝0.85/2的调整，如此即可适当地修正Y轴方向的变形。同时参照图4A与图4B、图4C，重建的X光图像402与404正确地显示了焊接点412与414之间的缺陷418，以及焊接点412的中空缺陷416。

图4D与图4E显示焊接点分层420的X光重建图像，相对于焦平面F，其坐标为Z＝-15。同样地，图4D中的X光图像406，利用位移参数L_sx＝-7.5与L_sy＝-26.087进行重建，而图4E中的X光图像408，则是由同样的位移参数，加上缩放参数f＝1.15/2，以校正Y方向上的变形。重建的X光图像406与408正确地显示了与焊接点426连接的缺陷428，以及焊接点422的中空缺陷424。

如上所述***与方法，可依据本发明的基本原理，有效地利用X光感测器所取得的图像，重建待测物体中特定区段的截面图像。须通过多个周期的并行线性扫描，取得多个不同视角的图像，即无须增加图像感测器的数量。

本发明的详细内容已参照实施例说明如上，上述实施例仅用于举例说明，并非用于限制本发明。本发明具有诸多变化、修改、以及改进的可能，可以利用此处所提供的单一范例，推导出其它多种应用范例。个别的结构与应用可能与其它结构或组件结合。本领域技术人员对此进行的修改、变更、与改良均在本发明权利要求的范围内。

Claims

1.一种分层摄影检测***，包含：

辐射源；

多个线性图像感测器，其可定义图像平面；

固定桌面，其可将待测物体承载于固定位置，该固定桌面位于该辐射源与该图像感测器之间；以及

计算装置，其可处理该图像感测器所取得的多个图像；

其中，该辐射源与该图像感测器的设置，可利用一连串并行线性扫描，以不同视角对该待测物体进行检测，取得该多个图像。

2.如权利要求1所述的***，其中该计算装置可组合不同视角所取得的该多个图像，以建立该待测物体中的特定区段的截面图像。

3.如权利要求2所述的***，其中该计算装置可计算多个位移参数与多个缩放参数，通过组合该多个图像，以重建该待测物体中该特定区段的该截面图像。

4.如权利要求3所述的***，其中该位移参数与该缩放参数由平行于该图像平面的二个坐标轴决定。

5.如权利要求1所述的***，其中该辐射源可发射锥形X光束，该X光束可穿过该待测物体，投射于该图像感测器上。

6.如权利要求1所述的***，其中该图像感测器包含至少一个中央线性感测器，该中央线性感测器垂直位于该辐射源下，并位于该固定桌面上，另外包含二个侧边线性感测器，该侧边线性感测器相对于该辐射源倾斜。

7.一种分层摄影检测方法，包含：

进行多个线性扫描，其可检测位于固定位置上的待测物体的特定区域，以由不同的多个检测角度，取得该待测物体的多个图像；以及

结合该图像，以重建该待测物体中该特定区域的截面图像。

8.如权利要求7所述的方法，其中结合该图像的步骤包含计算多个位移参数与多个缩放参数，该位移参数与该缩放参数用以组合所取得的该图像。

9.如权利要求8所述的方法，其中该位移参数与该缩放参数对应于与该图像平面平行的二坐标轴所决定。

10.如权利要求8所述的方法，其中还包含决定弯曲补偿的步骤，该弯曲补偿可用以计算该位移参数与该缩放参数。