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 wellenlängen-
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 Sekundär- oder 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 Strahlungsquelle (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 I_M_korr = I_ist/I_ref·I_M korrigiert werden. Hier bedeuten:
I_M: Messsignal, I_ref: Referenzsignal, I_ist: aktueller Wert des
Referenzsignals in der Messung, I_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 Teilspektren, 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.