DE102020102849A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Computertomografie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufnahme von Durchstrahlungsbildern eines Werkstücks (102) in mehreren Drehstellungen, umfassend eine Strahlungsquelle (100) mit einem die Strahlung abgebenden Brennfleck (101), einen Strahlendetektor (105) und eine Drehvorrichtung (103) zur Aufnahme des Werkstücks und eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist zur Rekonstruktion eines Volumendatensatzes (Voxelvolumens) aus den mehreren Durchstrahlungsbildern unterschiedlicher Drehstellungen des Werkstücks. Der Detektor besteht aus einem flächenförmigen Szintillator, der die das Werkstück durchstrahlte Strahlung der Quelle empfängt, einer von dem Szintillator räumlich getrennt angeordneten Matrixkamera (108), die das vom Szintillator abgegebene Licht empfängt, und einer im Strahlengang zwischen Szintillator und Kamera angeordneten Optik.

Description

• Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme von Durchstrahlungsbildern im Rahmen einer Computertomografie, sowie ein Computertomograf und ein Verfahren zu seinem Betreiben.
• Bei der Computertomografie wird das zu untersuchende Werkstück zwischen einer Strahlungsquelle, im Falle der hier behandelten Röntgencomputertomografie, einer Röntgenquelle, und einem Strahlungsdetektor angeordnet, sodass Durchstrahlungsbilder mit dem Detektor in unterschiedlichen Drehstellungen des Werkstücks in Bezug auf Quelle und Detektor aufgenommen und zu einem Volumendatensatz (Voxelvolumen) rekonstruiert werden können. In der Regel wird das Werkstück auf einem Drehtisch angeordnet, um die unterschiedlichen Drehstellungen durch Drehen um eine Drehachse zu realisieren. Alternativ steht das Werkstück fest und Quelle und Detektor drehen sich um das Werkstück um eine Drehachse.
• Der zur Erfassung der 2D-Durchstrahlungsbilder verwendete Detektor ist meist flächig, also als 2D-Detektor ausgeführt und besteht aus einer Szintillatorschicht, in der die Röntgenstrahlung in Licht umgewandelt wird, in Strahlungsrichtung dahinter befindlichen röhrenförmigen Lichtkanälen, die ein Übersprechen unterschiedlicher Detektorbereiche verringern, und einer direkt dahinter fest angeordneten Pixelmatrix, also einer flächigen Matrix-Kamera, wie CCD- oder CMOS-Kamera. Alternativ sind auch entsprechend ausgeführte Zeilendetektoren mit einer oder wenigen Zeilen bekannt. Um große Messbereiche zu erfassen, muss das Werkstück jedoch zeitaufwändig quer zur Zeilenrichtung verschoben, mehrfach durchstrahlt werden. Hier werden einzelne Schichten auch separat rekonstruiert. Vorteilhaft geht die Erfindung daher von flächigen Detektoren bzw. Detektoren mit flächiger Detektionsfläche wie flächiger Szintillatorschicht aus.
• Um dimensionell messen zu können, werden aus den Volumendaten Oberflächenpunkte, beispielsweise im STL-Format (STL - Standard Triangulation Language) erzeugt und zu Maßen oder ähnlichem verknüpft. Der Computertomograf ist dann als Koordinatenmessgerät bzw. Koordinatenmesssystem ausgebildet. Um dabei genau messen zu können, ist eine der notwendigen Bedingungen, dass eine hohe Auflösung der Strukturen des Werkstücks (Strukturauflösung) im Ortsbereich gewährleistet wird, die sich zumeist aus der jeweiligen Messaufgabe ergibt. Hierbei überlagern sich, neben verschiedenen anderen, zwei dominante Effekte, die Brennfleckgröße des die Röntgenstrahlung abgebenden Brennflecks (Fokus bzw. focus) der Röntgenröhre und die Pixelauflösung des eingesetzten Detektors. Die Strukturauflösung ist in der Werkstückebene bzw. -lage zu betrachten und wird hier als wirksame Strukturauflösung bezeichnet, kann aber unter Berücksichtigung der CT-Geometrie (Lage von Quelle, Werkstück bzw. Drehachse und Detektor zueinander), insbesondere des geometrischen Abbildungsmaßstabs A, der sich aus dem Verhältnis FDD (focus to detector distance) zu FOD (focus to object distance), also der Lage des Werkstücks zwischen Quelle und Detektor, genauer zwischen dem die Messstrahlung abgebenden Brennfleck (Fokus) der Quelle und dem Detektor, ergibt, auch in die Detektorebene transformiert und betrachtet werden und umgekehrt.
• Mit Strukturauflösung ist hier die dimensionelle Größe (Abmessung) der kleinsten auflösbaren Struktur gemeint. Dabei bezieht sich der Auflösungsbegriff also auf einen Zahlenwert, beispielsweise einer mit einem Symbol bezeichneten Abmessung. Wird hier ganz allgemein von guter oder auch hoher Auflösung ohne Bezug zu einem Zahlenwert oder Symbol gesprochen, ist damit ein geringer Zahlenwert für die Auflösung bzw. Strukturauflösung gemeint.
• Der Brennfleck mit dem Durchmesser D erzeugt einen Schattenwurf auf dem Detektor, dessen Größe bzw. Durchmesser d abhängig von der Brennfleckgröße D und dem Abbildungsmaßstab A ist und hier als brennfleckseitige Strukturauflösung (in der Detektor- bzw. Szintillatorebene) bezeichnet wird. Aus geometrischen Betrachtungen ergibt sich die Größe dieses Schattens zu d = D x (A-1). Transformiert man d in die Werkstückebene ergibt sich die Strukturauflösung in der Werkstückebene d' = D x (1-1/A). Der Einfluss der Brennfleckgröße steigt also mit größer werdendem Abbildungsmaßstab. Wird das Werkstück besonders nahe am Detektor angeordnet (Abbildungsmaßstab sehr gering, z. B. kleiner 1,5), hat die Brennfleckgröße einen untergeordneten Einfluss. Bedacht werden muss dabei, dass die Kollision des Werkstücks mit dem Detektor für sämtliche Drehstellungen vermieden wird.
• Die Auflösung, mit der die Szintillatorebene abgetastet wird, wird hier als kameraseitige Strukturauflösung bezeichnet. Befindet sich die Kamera direkt hinter dem Szintillator bzw. nur durch dünne Schichten wie die zuvor genannten röhrenförmigen Lichtkanäle und weitere Dünnschichten getrennt, so entspricht sie in guter Näherung der Pixelgröße der Kamera. Befindet sich zwischen Kamera und Szintillator eine Optik, ist deren optischer Abbildungsmaßstab einzubeziehen. Die kameraseitige Strukturauflösung P (in der Detektor- bzw. Szintillatorebene) kann unter Verwendung des geometrischen Abbildungsmaßstabs (hier durch Division) in eine wirksame Strukturauflösung in der Werkstückebene bzw. -lage p' = P/A umgerechnet werden. Der Einfluss der Kameraauflösung verringert sich also mit größer werdendem Abbildungsmaßstab. Ist er geringer als der Einfluss der Brennfleckgröße, spricht man von Brennfleckbegrenzten Systemen, ist er größer als dieser, von Detektorbegrenzten Systemen. Herkömmliche Computertomografen sind häufig Brennfleckbegrenzte Systeme, da hohe Abbildungsmaßstäbe zum Einsatz kommen. Dies erfordert geringe Brennfleckgrößen, um genau messen zu können. Geringe Brennfleckgrößen schränken jedoch das Spektrum messbarer Werkstücke stark ein, wie folgend genauer erläutert wird.
• Die Brennfleckgröße kann bauartbedingt und abhängig von der Strahlleistung, aus Gründen der eingetragenen Wärme, nicht beliebig klein gewählt werden. Bei geringer zur Verfügung stehenden Leistung können nur Werkstücke aus leicht durchstrahlbarem Material und/oder kurzen Durchstrahlungslängen rauscharm durchstrahlt werden.
• Entsprechend ausgebildete Röntgenröhren, beispielsweise mit stark fokussierten Brennflecken (Mikro-Fokus- oder Nano-Fokus-Röhren) und besonderer Kühlung oder anderen Maßnahmen zur insbesondere schnellen Wärmeabfuhr (z. B. drehbare den Brennfleck aufweisende Röntgentargets), sind extrem aufwändig und teuer. Auch die zuvor genannten Detektoren sind, wenn sie eine hohe Pixelauflösung (also viele Pixel) aufweisen sollen, insbesondere wen sie dazu sehr kleine Pixel aufweisen sollen, damit sich ein kurzer Abstand zur Röntgenquelle und damit geringe Geräteabmaße realisieren lassen), in ihrem Aufbau extrem aufwändig und dadurch sehr teuer. Zudem haben diese den Nachteil eingeschränkter Dynamik (bit-Tiefe) im Vergleich zu herkömmlichen Kameras. Um große Werkstücke vorteilhaft in einer Messung zu erfassen, müssen geeignete Detektoren zudem eine ausreichende Größe aufweisen. Wünschenswert ist es, und damit ein Ziel der Erfindung, eine oder beide Komponenten (Röntgenröhre, Detektor) so auszuführen, dass Kosten gesenkt werden können, aber dennoch genau gemessen werden kann, insbesondere auch größere Werkstücke. Hierzu sind zunächst weitere Zusammenhänge zu betrachten.
• Der Einfluss der zuvor genannten beiden Effekte variiert stark mit dem Abbildungsmaßstab bei der computertomografischen Abbildung (zuvor bereits als geometrischer Abbildungsmaßstab bezeichnet und beschrieben). Je näher sich das Werkstück bei konstantem FDD am Detektor befindet (kleiner Abbildungsmaßstab), umso weniger Pixel stehen zur Auflösung eines bestimmten Werkstückbereichs zur Verfügung, umso schlechter ist also die kameraseitige Strukturauflösung. Je näher sich das Werkstück bei konstantem FDD an der Quelle befindet (großer Abbildungsmaßstab bzw. hohe Vergrößerung) je größer wird jedoch der Einfluss des Brennflecks, da der vergrößerte Schattenwurf des Brennflecks auf dem Detektor zu einer zunehmend unschärferen Abbildung führt. Zudem verringert sich hier der zur Verfügung stehende Messbereich, da dieser begrenzt wird durch den vom Detektor erfassten Bereich der kegelförmig abgestrahlten Messstrahlung. Einen Ausweg bieten hier nur sehr aufwändige Mehrfachmessungen in seitlich und/oder in der Höhe versetzter Lage des Werkstücks, um das Werkstück abschnittsweise zu untersuchen. Zusätzlich ist ggf. eine Übersichtstomografie in geringer Vergrößerung notwendig.
• In der Folge können kleine Werkstücke sehr genau gemessen werden, da sie nah an der Quelle angeordnet werden können. Hierbei ist aber ein sehr kleiner Brennfleck notwendig, um eine hohe brennfleckseitige Strukturauflösung zu erzielen. Hierdurch ergibt sich die Notwendigkeit für eine teure Röntgenquelle und die Einschränkung auf leicht zu durchstrahlende und/oder Werkstücke mit sehr geringen maximalen Durchstrahlungslängen, da erwähntermaßen kleine Brennflecken nur für geringe Strahlleistungen realisierbar sind. Große Werkstücke können mit vertretbarem Aufwand nur bei geringen Vergrößerungen, also näher am Detektor angeordnet, gemessen werden. Um hier genau messen zu können, sind Detektoren mit extrem hoher Pixelanzahl und großer Ausdehnung notwendig, die erwähntermaßen sehr teuer sind oder gar nicht zur Verfügung stehen.
• Kostengünstigere Detektoren sind realisierbar, wenn ein separater Aufbau der Szintillatorschicht und der Matrixkamera erfolgt, wobei zwischen beiden eine vergrößernde Optik angeordnet wird, wie dies in der US 7,400,704 beschrieben wird. Die dort beschriebene Anordnung verwendet optische Vergrößerungen im Bereich zwischen 1x und 20x. Im Zusammenhang mit gängigen Kamera-Chip-Größen von Kantenlängen von etwa 5 mm bis ca. 30 mm ergibt sich eine sehr kleine Detektorfläche in der Szintillatorebene von etwa 0,25 mm bis allerhöchstens 30 mm. Es können und sollen also nur kleine Werkstücke bzw. Werkstückbereiche hochauflösend untersucht werden. Die an diesen zu untersuchenden Merkmale sind zumeist um einiges kleiner, sodass dabei extrem hohe Strukturauflösungen erforderlich sind. Hierfür werden selbst bei Anordnung des Werkstücks nahe am Detektor sehr geringe Brennfleckgrößen benötigt, wodurch die zur Verfügung stehenden Strahlleistungen sehr gering sind und in der Folge nur mikroskopische Proben oder Mikromerkmale untersucht werden können. Einsatzgebiet dieser Geräte ist meist die Inspektion von dünnen, flachen Bauteilen wie Elektronik-Chips, wobei Mikromerkmale wie Leiterbahnen und ähnliches untersucht werden. Aufgrund der großen Außenabmessungen in zwei Dimensionen ist die vollständige Drehung hier oft nicht möglich und auch meist nicht vorgesehen, da es sonst zu Kollisionen mit dem Detektor kommt. Der Abstand zwischen Detektor und Quelle ist bei diesen Geräten meist gering, damit die Ausbeute der abgegebenen Röntgenstrahlung hoch ist. Oft werden zusätzlich Röntgenoptiken verwendet, um eine hohe Ausbeute der Röntgenstrahlung zu erzielen. Zudem sind hohe optische Vergrößerungen erforderlich, damit die notwendige Strukturauflösung erreicht wird. Auch hieraus ergeben sich weitere Einschränkungen in der wirksamen Detektionsfläche in der Szintillatorebene. Die entsprechenden von der Firma xradia hergestellten Geräte sind deshalb auf Materialinspektionsaufgaben im Mikrobereich beschränkt und werden auch als Röntgenmikroskope bezeichnet. Der Einsatz der hier verwendeten Detektoren für die Computertomografie von großen Werkstücken war aufgrund der geringen Größe zunächst ungeeignet.
• Um auch größere Messobjekte genau messen zu können schlägt die DE 10 2013 108 367 der Anmelderin vor, dass die Kamera zusammen mit der Optik in Bezug auf den Szintillator beweglich ausgeführt wird, um nacheinander mehrere Teilbereiche eines Szintillators zu erfassen. Hieraus ergibt sich jedoch der Nachteil unannehmbar großer Messzeiten und Datenmengen.
• Kostengünstige Lösungen zur schnellen und genauen Messung größerer Werkstücke fehlen im Stand der Technik.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, unter Verwendung kostengünstiger Komponenten (Quelle, Detektor), insbesondere eines kostengünstigen Detektors und/oder einer kostengünstigen Röntgenquelle, genaue dimensionelle Messungen an Werkstücken, insbesondere größeren Werkstücken, in annehmbarer Messzeit zu realisieren.
• Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass der Detektor kostengünstig aus separat angeordnetem Szintillator und Kamera sowie dazwischen befindlicher Optik ausgeführt wird, wobei bevorzugt die Optik einen im Vergleich zum Stand der Technik geringen Abbildungsmaßstab aufweist, zusammen mit der Kamera fest angeordnet ist und den Szintillator vollständig erfasst. Entsprechend gering vergrößernde Optiken mit ausreichendem Sehfeld sind mittlerweile auch für die für größere Werkstücke notwendige Szintillatorgrößen kostengünstig herstellbar.
• Hierdurch wird erreicht, dass in kurzer Zeit ein im Vergleich zum Stand der Technik vergrößerter Bereich eines Szintillators erfasst werden kann, wodurch ein größerer Messbereich zur Verfügung steht. Mit den verfügbaren Pixelauflösungen aktueller Matrixkameras lassen sich dadurch annehmbare Pixelauflösungen in der Szintillatorebene, und damit ausreichend hohe (gute) kameraseitige Strukturauflösungen erreichen, die es erlauben, auch dann genau zu messen, wenn das Werkstück nah am Detektor angeordnet ist. Durch die Anordnung des Werkstücks näher am Detektor ist es zudem möglich, mit größeren Brennflecken zu arbeiten, wodurch kostengünstigere Röntgenröhren wie insbesondere Minifokusröhren mit Brennflecken von ca. 500 µm bis 1 mm, besonders bevorzugt Röntgenröhren ohne separate Fokussierung eingesetzt werden können. Hierdurch stehen höhere Strahlleistungen zur Verfügung und in der Folge können auch Werkstücke mit größeren Durchstrahlungslängen und/oder schwerer zu durchstrahlende Werkstücke genau und/oder mit annehmbarem Zeitaufwand gemessen werden. Die Erfindung geht also den genau umgekehrten Weg, wie die Röntgenmikroskope nach dem Stand der Technik.
• Die Optik kann dabei aus einem oder mehreren Teilen wie Linsen, Fresnellinsen etc. bestehen, die vor und/oder nach einer vorzugsweisen Strahlumlenkung des vom Szintillator abgegebenen Lichts angeordnet sind. Ziel der Strahlumlenkung ist, dass die Kamera in einem Bereich angeordnet wird, der vor der Röntgenstrahlung geschützt werden kann, beispielsweise durch entsprechendes Anordnen Röntgenstrahlung absorbierender Baugruppen. Die Optik kann auch gebildet werden durch ein Faserbündel, dass zwischen dem Szintillator und der Kamera verläuft und durch entsprechende Anordnung und/oder Verjüngung der Fasern den entsprechenden Abbildungsmaßstab realisiert. Durch die flexible Führung und Biegung der Fasern kann auch die Funktion der Strahlumlenkung realisiert werden.
• Als Lösung sieht die Erfindung daher eine Vorrichtung vor, bei der die CT-Geometrie, der optische Abbildungsmaßstab, die Pixelgröße der Kamera und die Größen von Szintillator und Kamera so ausgeführt sind, dass die benötigte Strukturauflösung erreicht wird, die Brennfleckgröße die kameraseitige Strukturauflösung nicht oder zumindest nicht wesentlich verschlechtert und dennoch das Werkstück, und damit auch ein größeres Werkstück, vollständig erfasst und gemessen wird. Nicht wesentlich bedeutet hier, dass der Einfluss durch die Brennfleckgröße, der aufgrund der Überlagerung mit anderen Effekten und insbesondere der Pixelgröße der Kamera, betrachtet an identischer Stelle, beispielsweise in der Szintillator-Ebene oder der Werkstückebene, immer vorhanden ist, im Vergleich zur erreichbaren Strukturauflösung bei theoretischem, idealen punktförmigen Brennfleck gering ist, sich die Strukturauflösung also wenig verschlechtert, beispielsweise weniger als 20 %, bevorzugt weniger als 10 %, besonders bevorzugt weniger als 5 %. Vorteilhaft ist die erfinderische Lösung an das jeweilige Werkstück, insbesondere dessen Größe, Material und die zu messenden Merkmalen sowie deren Toleranzen und damit Anforderungen an die Strukturauflösung in weiten Bereichen anpassbar. Es müssen lediglich die entsprechenden Optiken und Kameras ausgewählt werden, sofern zur Verfügung stehend. Die Erfindung erlaubt die schnelle und preisgünstige und trotzdem genaue Messung auch größerer Werkstücke im Vergleich zum Stand der Technik.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme von Durchstrahlungsbildern eines Werkstücks in mehreren Drehstellungen, insbesondere von über einen Winkelbereich von mindestens 180°, vorzugsweise mindestens 360° verteilten Drehstellungen, insbesondere Computertomograf (CT), umfassend eine Strahlungsquelle insbesondere Röntgenquelle (Quelle) mit einem die Strahlung (Messstrahlung) abgebenden Brennfleck (Fokus), einen Strahlendetektor insbesondere Röntgendetektor (Detektor) mit einer flächigen Szintillatorschicht und eine Drehvorrichtung (Drehtisch) zur Aufnahme und Drehung des Werkstücks um eine Drehachse oder zur Aufnahme und Drehung von Quelle und Detektor um eine Drehachse, und einer Auswerteeinheit die ausgebildet ist zur Rekonstruktion eines Volumendatensatzes (Voxelvolumens) aus den mehreren Durchstrahlungsbildern unterschiedlicher Drehstellungen des Werkstücks, vorzugsweise Bestimmung von Oberflächenpunkten aus dem Voxelvolumen und besonders bevorzugt Verknüpfung der Oberflächenpunkte zur dimensionellen Messung von Werkstückmerkmalen, zeichnet sich dadurch aus, dass der Detektor zumindest besteht aus einem flächenförmigen Szintillator, der die das Werkstück durchstrahlte Strahlung der Quelle empfängt, einer von dem Szintillator räumlich getrennt angeordneten Matrixkamera (Kamera), die das vom Szintillator abgegebene Licht empfängt, und einer im Strahlengang zwischen Szintillator und Kamera angeordneten Optik, wobei zumindest Szintillator, Optik und Kamera, insbesondere Größe von Szintillator und Kamera und optischer Abbildungsmaßstab der Optik, so ausgelegt sind, dass sich das Werkstück in allen Drehstellungen vollständig innerhalb des vom Detektor erfassten Bereichs der Strahlung der Quelle befindet.
• Hervorzuheben ist des Weiteren, dass
• - die Anordnung der Komponenten Quelle, Drehtisch und Detektor zueinander (CT-Geometrie), insbesondere der Abstand FOD zwischen Quelle und Werkstück und der Abstand FDD zwischen Quelle und Detektor, und damit der geometrische Abbildungsmaßstab FDD/FOD und
• - der optische Abbildungsmaßstab der Optik und
• - die Auflösung, insbesondere Pixelgröße der Detektionsfläche der Kamera so ausgeführt sind, dass unter Berücksichtigung der verwendeten Brennfleckgröße der eingesetzten Quelle eine zuvor festgelegte oder noch bessere Strukturauflösung erreicht wird, wobei vorzugsweise die Festlegung anhand einer Messaufgabe an einem zu messenden Werkstück erfolgt.
• Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass CT-Geometrie und/oder optischer Abbildungsmaßstab und/oder Pixelgröße der Kamera so ausgeführt sind, dass die sich aus der verwendeten Größe des Brennflecks (Fokus) der Quelle und dem geometrischen Abbildungsmaßstab ergebende brennfleckseitige Strukturauflösung, die sich aus dem optischen Abbildungsmaßstab und der Pixelgröße der Kamera ergebende kameraseitige Strukturauflösung nicht oder zumindest nicht wesentlich verschlechtert, insbesondere dass kameraseitige Strukturauflösung und brennfleckseitige Strukturauflösung nahezu gleich groß sind.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass eine Röntgenröhre mit einer Brennfleckgröße, insbesondere mit einem mittleren Brennfleckdurchmesser eingesetzt wird, der größer als 20 µm, bevorzugt größer als 100 µm, besonders bevorzugt größer als 200 µm ist.
• Hervorzuheben ist des Weiteren, dass eine sogenannte Minifokus-Röntgenröhre mit einer Brennfleckgröße, insbesondere mit einem mittleren Brennfleckdurchmesser eingesetzt wird, der größer als 500 µm ist, vorzugsweise Röntgenröhre keine Fokussierung aufweist.
• Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Szintillator eine Kantenlänge von mindestens 50 mm aufweist, bevorzugt mindestens 100 mm, besonders bevorzugt mindestens 200 mm, vorzugsweise mindestens 400 mm.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Optik ein ausreichend großes Sehfeld aufweist, um den gesamten aktiven Bereich des Szintillators zu erfassen und auf die Kamera abzubilden.
• Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass die Kamera eine Pixelgröße von weniger als 20 µm aufweist, bevorzugt weniger als 10 µm, besonders bevorzugt weniger als 5 µm.
• Hervorzuheben ist des Weiteren, dass die Optik einen optischen Abbildungsmaßstab aufweist, so dass sich aus der Pixelgröße der Kamera eine in die Szintillatorebene transformierte Pixelgröße (kameraseitige Strukturauflösung) im Bereich zwischen 10 µm und 200 µm ergibt und/oder dass die Optik einen Abbildungsmaßstab kleiner als 5x, bevorzugt kleiner als Ix, besonders bevorzugt kleiner als 0,5x, vorzugsweise kleiner als 0,1 x aufweist.
• Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass das Werkstück zwischen Quelle und Detektor so angeordnet ist, dass sich ein geometrischer Abbildungsmaßstab von geringer als 3, bevorzugt geringer als 2, ergibt.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass Abstände zwischen Quelle, Detektor und Werkstück fest eingestellt sind, insbesondere geometrischer Abbildungsmaßstab fix ist.
• Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass Position des Werkstücks zwischen Quelle und Detektor so gewählt ist, dass sich abhängig von den Abmessungen des Szintillators und dessen Abstand zur Quelle der maximal mögliche Durchmesser des Messbereichs um die Richtung der Drehachse des Drehtischs ergibt.
• Besonders hervorzuheben ist, dass eine Umlenkvorrichtung, vorzugsweise Umlenkspiegel für das vom Szintillator abgegebene Licht zwischen dem Szintillator und der Kamera angeordnet ist, wobei die Kamera vorzugsweise in einem vor Röntgenstrahlen geschützten Bereich angeordnet ist und wobei vorzugsweise zumindest eine Röntgenstrahlen absorbierende Baugruppe zwischen der Quelle und der Kamera angeordnet ist. Bei der Umlenkvorrichtung kann es sich auch um einen gebogenen Spiegel wie Parabolspiegel oder ein Prima handeln, der bzw. das zur optischen Abbildung beiträgt und dessen abbildender Einfluss hier unter dem Abbildungsmaßstab der Optik mit verstanden wird.
• Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Optik austauschbar ist gegen eine Optik mit größerem optischen Abbildungsmaßstab oder die Optik ausgebildet ist als Optik mit einstellbarem optischen Abbildungsmaßstab.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Vorrichtung, insbesondere Größe des Szintillators ausgelegt ist zur vollständigen Erfassung von Werkstücken mit einer Ausdehnung in Richtung der Drehachse von mindestens 10 mm, bevorzugt mindestens 50 mm, besonders bevorzugt mindestens 100 mm.
• Die Erfindung sieht zur Lösung auch ein erstes erfinderisches Verfahren zur dimensionellen Messung eines Werkstücks mittels Computertomografie unter Verwendung der zuvor genannten Vorrichtung bzw. zum Betreiben eines entsprechend ausgebildeten Computertomografen vor, zumindest wobei Durchstrahlungsbilder eines Werkstücks in mehreren Drehstellungen, insbesondere über einen Winkelbereich von mindestens 180°, vorzugsweise mindestens 360° verteilt, aufgenommen und rekonstruiert werden, dass sich dadurch auszeichnet, dass für die Messung eines Werkstücks zumindest Szintillator, Optik und Kamera, insbesondere Größe von Szintillator und Kamera und optischer Abbildungsmaßstab der Optik, so ausgelegt werden, dass sich das Werkstück in allen Drehstellungen vollständig innerhalb des vom Detektor erfassten Bereichs der Strahlung der Quelle befindet.
• Die Erfindung sieht zur Lösung auch ein weiteres erfinderisches, mit zuvor genanntem Verfahren ggf. auch kombinierbares Verfahren zur dimensionellen Messung eines Werkstücks mittels Computertomografie unter Verwendung der zuvor genannten Vorrichtung bzw. zum Betreiben eines entsprechend ausgebildeten Computertomografen vor, dass sich dadurch auszeichnet, dass für die Messung eines Werkstücks
• - die Anordnung der Komponenten Quelle, Drehtisch und Detektor zueinander (CT-Geometrie), insbesondere der Abstand FOD zwischen Quelle und Werkstück und/oder der Abstand FDD zwischen Quelle und Detektor und damit der geometrische Abbildungsmaßstab FDD/FOD und/oder
• - der optische Abbildungsmaßstab der Optik und/oder
• - die Auflösung, insbesondere Pixelgröße der Detektionsfläche der Kamera
so ausgewählt werden, dass unter Berücksichtigung der verwendeten Brennfleckgröße der eingesetzten Quelle eine zuvor festgelegte oder noch bessere Strukturauflösung erreicht wird, wobei vorzugsweise die Festlegung anhand einer Messaufgabe an einem zu messenden Werkstück erfolgt.
• Die Erfindung sieht zur Lösung auch ein drittes erfinderisches, mit zuvor genannten Verfahren ggf. auch kombinierbares Verfahren zur dimensionellen Messung eines Werkstücks mittels Computertomografie unter Verwendung der zuvor genannten Vorrichtung bzw. zum Betreiben eines entsprechend ausgebildeten Computertomografen vor, dass sich dadurch auszeichnet, dass für die Messung eines Werkstücks CT-Geometrie und/oder optischer Abbildungsmaßstab und/oder Pixelgröße der Kamera so ausgewählt werden, dass die sich aus der verwendeten Größe des Brennflecks (Fokus) der Quelle und dem geometrischen Abbildungsmaßstab ergebende brennfleckseitige Strukturauflösung, die sich aus dem optischen Abbildungsmaßstab und der Pixelgröße der Kamera ergebende kameraseitige Strukturauflösung nicht oder zumindest nicht wesentlich verschlechtert, insbesondere dass kameraseitige Strukturauflösung und brennfleckseitige Strukturauflösung nahezu gleich groß sind.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass zumindest erste Durchstrahlungsbilder in unterschiedlichen Drehstellungen bei einem optischen Abbildungsmaßstab aufgenommen werden, bei dem nur ein Teilbereich des Szintillators erfasst wird.
• Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die ersten Durchstrahlungsbilder zusammen mit zweiten Durchstrahlungsbildern, die in unterschiedlichen Drehstellungen bei einem optischen Abbildungsmaßstab aufgenommen worden, bei dem der gesamte Szintillator erfasst wurde, oder zweiten Durchstrahlungsbildern, die synthetisch ermittelt worden und den gesamten Bereich des Szintillators umfassen, beispielsweise durch Simulation, insbesondere Vorwärtsprojektion anhand von Solldaten des Werkstücks, ausgewertet werden, insbesondere in Form einer ROI - CT (Region of Interest - Computertomografie).
• Die Erfindung sieht zur Lösung auch viertes Verfahren zur dimensionellen Messung eines Werkstücks mittels Computertomografie unter vorzugsweiser Verwendung der zuvor genannten Vorrichtung bzw. zum Betreiben eines vorzugsweise entsprechend ausgebildeten Computertomografen vor, dass sich dadurch auszeichnet, dass für die Messung eines Werkstücks, in Abhängigkeit von der eingestellten Leistung der Quelle, und damit der verwendeten Brennfleckgröße, dem Abstand FDD zwischen Quelle und Detektor und dem sich aus der CT-Geometrie ergebenden Kegelwinkel des vom Detektor erfassten Bereichs der Messstrahlung, der Abstand FOD zwischen Quelle und Werkstück automatisch so eingestellt wird, dass:
• - eine zuvor festgelegte oder noch bessere Strukturauflösung erreicht wird, vorzugsweise wobei die Festlegung anhand einer Messaufgabe an dem zu messenden Werkstück erfolgt und
• - die sich aus der verwendeten Größe des Brennflecks (Fokus) der Quelle und dem geometrischen Abbildungsmaßstab ergebende brennfleckseitige Strukturauflösung, die sich aus dem optischen Abbildungsmaßstab und der Pixelgröße der Kamera oder aus der Pixelgröße der direkt nach einem Szintillator des Detektors angeordneten Kamera ergebende kameraseitige Strukturauflösung nicht oder zumindest nicht wesentlich verschlechtert, insbesondere dass kameraseitige Strukturauflösung und brennfleckseitige Strukturauflösung nahezu gleich groß sind und
• - vorzugsweise sich das Werkstück in allen Drehstellungen vollständig innerhalb des vom Detektor erfassten Bereichs der Strahlung der Strahlungsquelle befindet.
• Gegenstand einer selbstständigen Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der für eine dimensionelle Messung, insbesondere mit einem Koordinatenmessgerät, bevorzugt mit Computertomografie oder Bildverarbeitung notwendigen Strukturauflösung und zur automatischen Einstellung der für eine Computertomografie verwendeten Parameter bzw. Messparameter.
• Die DE102017100594 der Anmelderin beschreibt ein bekanntes Verfahren zur automatischen Einstellung von Messparametern für eine dimensionelle Messung geometrischer Eigenschaften, insbesondere für eine computertomografische Messung. Auf dieses Dokument wird hier vollumfänglich Bezug genommen. Es wird beschrieben, dass die Messparameter unter anderem abhängig von der notwendigen Strukturauflösung eingestellt werden, ohne jedoch anzugeben, wie diese notwendige Strukturauflösung bestimmt werden soll. Für die Auswertung der zu messenden geometrischen Eigenschaften wie Durchmesser, Länge, Profilform usw., welche sich beispielsweise aus den Zeichnungsdaten bzw. PMI-Daten (Product and Manufacturing Information) ergeben, wird zudem nicht angegeben, wie viele und welche Messpunkte an den benötigten Merkmalen herangezogen werden müssen, damit die zu bestimmende geometrische Eigenschaft so genau gemessen werden kann, dass die zugeordnete Toleranz eingehalten werden kann, und mit welchen Einstellungen der Messparameter dies für alle geometrischen Eigenschaften in einer Messung, insbesondere einer Computertomografie, erreicht werden kann.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für die anhand von Zeichnungsdaten wie PMI-Daten des Werkstücks festgelegten zu messenden geometrischen Eigenschaften eines Werkstücks, die erforderlichen zu erfassenden Merkmale und dafür heranzuziehenden Messpunkte zu bestimmen, insbesondere automatisch zu bestimmen, und daraus die mindestens notwendige Strukturauflösung für eine dimensionelle Messung, insbesondere Computertomografie festzulegen, vorzugsweise automatisch festzulegen. Aus der für die Messung dann gewählten (zu verwendenden) Strukturauflösung sollen automatisch die zur Erreichung dieser Strukturauflösung geeigneten Messparameter bestimmt werden.
• Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass aus den zu messenden geometrischen Eigenschaften die erforderlichen zu erfassenden geometrischen Merkmale, insbesondere Regelgeometrieelemente abgeleitet werden und die an diesen mindestens zu erfassenden Messpunkte in Anzahl und Lage nach vorbestimmten Regeln aus beispielsweise einer Datenbank manuell oder besonders bevorzugt automatisch festgelegt werden. Anhand der so festgelegten mindestens zu erfassenden Messpunkte wird erfindungsgemäß eine mindestens notwendige Strukturauflösung festgelegt, die es erlaubt, dass die mindestens zu erfassenden Messpunkte getrennt voneinander erfassbar sind. Hierzu wird beispielsweise der geringste Abstand zwischen zwei der mindestens zu erfassenden Messpunkte jeweils eines Merkmals und/oder die Größe des kleinsten Regelgeometrieelementes herangezogen.
• Aus der mindestens notwendigen Strukturauflösung bzw. einer noch besser gewählten zu verwendenden Strukturauflösung wird dann die maximal zulässige effektive Voxelgröße bei einer Computertomografie festgelegt, beispielsweise zweimal bis 10 mal kleiner als die mindestens notwendige Strukturauflösung. Aus der effektiven Voxelgröße, die sich durch Faltung der rekonstruierten Voxelgröße und der effektiven Brennfleckgröße ergibt, wird dann die maximal zulässige Brennfleckgröße der Röntgenröhre berechnet. Hier wird also der vereinfachte geometrische Zusammenhang zugrunde gelegt, dass die Strukturauflösung maßgeblich von der Brennfleckgröße und der Pixelgröße (bzw. Pixelapertur) im Zusammenhang mit dem Abbildungsmaßstab abhängt. Dies wurde zuvor bereits im Zusammenhang mit der erfinderischen Idee einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Aufnahme von Durchstrahlungsbildern insbesondere Computertomografen mit einem Detektor bestehend zumindest aus einem Szintillator, einer Optik und einer Kamera erläutert. Die beiden Erfindungen sind auch kombinierbar. Die hier beschriebene Idee ist jedoch auch für Flach-Detektoren ohne separate Optik zwischen Szintillator und Matrixkamera vorgesehen. Die real bei der Messung verwendete Brennfleckgröße kann auch kleiner als die maximal zulässige Brennfleckgröße gewählt werden.
• Zur Lösung sieht die Erfindung daher ein Verfahren zur Bestimmung der mindestens notwendigen Strukturauflösung (größter zulässiger Strukturauflösungswert) für die dimensionelle Messung geometrischer Eigenschaften an Werkstücken, vorzugsweise für die Messung mit einem Koordinatenmessgerät, besonders bevorzugt für eine Computertomografie oder für eine Bildverarbeitungsmessung mit einer Matrixkamera, vor, dass sich durch die folgenden Schritte auszeichnet:
• - Extrahierung der zu messenden geometrischen Eigenschaften und der dazu zu erfassenden Merkmale wie Regelgeometrieelemente aus den Zeichnungsdaten und/oder PMI-Daten des zu messenden Werkstücks manuell durch den Bediener und/oder automatisch,
• - Zuordnung der für die Bestimmung der geometrischen Eigenschaften mindestens zu erfassenden Messpunkte (Anzahl und Lage) an den Merkmalen anhand von dem jeweiligen Merkmal entsprechenden Regelgeometrieelement zugeordneten Regeln, beispielsweise aus einer Datenbank, manuell durch den Bediener und/oder automatisch,
• - Bestimmung der mindestens notwendigen Strukturauflösung, so dass die zu erfassenden Messpunkte getrennt voneinander erfassbar sind, vorzugsweise aus dem geringsten Abstand zwischen zwei der mindestens zu erfassenden Messpunkte jeweils eines Merkmals und/oder aus der Größe des kleinsten Regelgeometri eel ementes.
• Messpunkte getrennt zu erfassen, bedeutet, dass der Abstand zwischen diesen so groß ist, dass den Messpunkten getrennte Positionen zuordenbar sind. Dies erfordert, dass die zur Berechnung der Messpunkte herangezogenen Voxel- bzw. Pixelinformationen mit ausreichender räumlicher Auflösung vorliegen, Voxel- bzw. Pixelgröße, insbesondere effektive Voxel- bzw. Pixelgröße klein genug ist. Als Faustregel kann hier verwendet werden, dass der geringste sinnvolle Messpunkteabstand der Kantenlänge eines Voxels bzw. Pixels entspricht. Dazwischenliegende Messpunkte können zwar grundlegend durch Interpolation ermittelt werden, liefern aber keine zusätzlichen Informationen zur Erkennung von Strukturen.
• Um den geringsten Abstand zweier benötigter Messpunkte zu ermitteln, müsste eigentlich die Bestimmung der Anzahl und Lage der mindestens zu erfassenden Messpunkte unter Berücksichtigung der Geometrieparameter (beispielsweise Durchmesser und Höhe eines Zylinders) für alle benötigten Regelgeometrieelemente für die Bestimmung aller geometrischen Eigenschaften erfolgen. Dies ist recht aufwändig, so dass dies erfindungsgemäß vorzugsweise automatisch durch ein Programm erfolgt. Alternativ kann aber auch ein Bediener die kleinste zu messende Regelgeometrie auswählen und dann die an diesem benötigte Anzahl von Messpunkten festlegen. Dies kann mit Unterstützung durch ein Programm erfolgen, das beispielsweise ein Bild des gewählten Regelgeometrieelementes anzeigt, zur Angabe der zu ermittelnden geometrischen Eigenschaft auffordert und die Mindestanzahl von Messpunkten vorschlägt.
• Ausschlaggebend für die mindestens benötigte Strukturauflösung ist das kleinste Regelgeometrieelement bzw. der geringste benötigte Abstand zweier benötigter Messpunkte. Hieraus wird dann automatisch die mindestens notwendige effektive Voxelgröße einer Computertomografie oder effektive Pixelgröße einer Bildverarbeitungsmessung bestimmt. Die weitere Beschreibung erfolgt in Bezug auf die Computertomografie, ist jedoch erfindungsgemäß sinngemäß auch auf die Bildverarbeitung mit einer Matrixkamera übertragbar.
• Vorzugsweise sieht die Erfindung vor, dass die für die Messung zu verwendende Strukturauflösung auf einen festgelegten oder festlegbaren Bruchteil der mindestens notwendigen Strukturauflösung festgelegt wird, wobei besonders bevorzugt Bruchteil Hälfte bis 1/10 beträgt. Hierdurch wird es möglich, mit Sicherheit eine geeignete Strukturauflösung zu verwenden und mehr als die mindestens notwendige Anzahl an Messpunkten kann erfasst werden, wodurch die Messergebnisse stabiler sind.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass aus der zu verwendenden Strukturauflösung die maximal zulässige effektive Voxelgröße bei einer Computertomografie, welche sich zumindest ergibt aus Brennfleckgröße und rekonstruierter Voxelgröße festgelegt wird, vorzugsweise effektive Voxelgröße zu verwendender Strukturauflösung entspricht.
• Hierdurch soll sichergestellt werden, dass die effektive Voxel- bzw. Pixelgröße klein genug ist, dass Messpunkte im Mindestabstand der notwendigen Strukturauflösung getrennt voneinander ermittelbar sind. Die effektive Voxelgröße bei einer Computertomografie ergibt sich aus der Faltung der rekonstruierten Voxelgröße, welche sich wiederum aus der Pixelgröße des Detektors und dem gewählten Abbildungsmaßstab ergibt, und der effektiven Brennfleckgröße, die sich ihrerseits aus der Brennfleckgröße und dem Abbildungsmaßstab, also der in die Werkstückebene transformierten Brennfleckgröße der Röntgenröhre ergibt. Im einfachsten Fall wird als effektive Voxelgröße die zu verwendende Strukturauflösung gewählt.
• Vorzugsweise sieht die Erfindung vor, dass aus der zu verwendenden Strukturauflösung die maximal zulässige effektive Pixelgröße bei einer Bildverarbeitung, welche sich ergibt aus Pixelgröße der Matrixkamera und Auflösungsvermögen der der Matrixkamera zugeordneten Optik, festgelegt wird, vorzugsweise effektive Pixelgröße zu verwendender Strukturauflösung entspricht.
• Bevorzugterweise sieht die Erfindung daher vor, dass für eine Computertomografie zumindest unter Berücksichtigung eines festgelegten Abbildungsmaßstabs und der Auflösung des Detektors die maximal zulässige Brennfleckgröße bestimmt wird, so dass sich die zu verwendende Strukturauflösung ergibt, wobei für die Messung verwendende Brennfleckgröße auch geringer als maximal zulässige Brennfleckgröße gewählt werden kann.
• Aus der maximal zulässigen Brennfleckgröße ergibt sich aufgrund der Ausführung der jeweils eingesetzten Röntgenröhre die maximal zur Verfügung stehende Leistung. Es kann damit abgeschätzt werden, ob das zu messende Werkstück durchstrahlt werden kann und mit welcher Messzeit, abhängig von der benötigten Streuung der Einzelmesspunkte, zu rechnen ist. In der Regel steht nicht unbegrenzt Messzeit zur Verfügung oder soll diese zur Vermeidung von Drift begrenzt werden. Es wird daher davon ausgegangen, dass eine maximale Messzeit festgelegt ist. Es ergibt sich dadurch ein zulässiger Bereich für die Leistungen der für die Messung einsetzbar ist. Wie später noch erläutert werden wird, erfolgt die Festlegung der Leistung und damit der Messzeit so, dass die sich daraus ergebende Streuung der Einzelpunkte geeignet dafür ist, dass die Toleranz der geometrischen Eigenschaften überprüft werden kann, die sich aus den Einzelpunkten ergebend. Es kann sich dadurch eine verwendete Brennfleckgröße ergeben, die geringer ist, als die maximal zulässige Brennfleckgröße. Aus der verwendeten Brennfleckgröße ergeben sich die verwendete effektive Brennfleckgröße und daraus sowie der anderen für die Messung endgültig verwendeten Messparameter die verwendete effektive Voxelgröße und wiederrum daraus die verwendete, also real vorliegende, Strukturauflösung der Messung. Der Wert für die verwendete Strukturauflösung muss stets besser (kleiner) sein, als die mindestens notwendige Strukturauflösung. Aus der verwendeten Strukturauflösung ergibt sich wiederrum die Möglichkeit, einen geringeren Messpunkteabstand für die Messpunkte zu verwenden, und zwar so, dass diese als Grenzwert der verwendeten Strukturauflösung gerade noch genügen.
• Vorzugsweise sieht die Erfindung vor, dass der für die Messung zu verwendende Messpunktabstand geringer gewählt wird als sich aus der mindestens notwendigen Strukturauflösung ergibt, also je Merkmal mehr als die mindestens zu erfassenden Messpunkte erfasst werden, und vorzugsweise verwendeter Messpunktabstand größer gewählt wird als sich aus den für die Messung endgültig verwendeten Messparametern ergebende Strukturauflösung.
• Die für die Ermittlung von Merkmalen und geometrischen Eigenschaften bei der Auswertung verwendete Messpunktedichte kann also durchaus höher gewählt werden, als sich diese aus der mindestens notwendigen Strukturauflösung ergibt, es können also mehr Messpunkte je Merkmal für die Auswertung generiert und hinzugezogen werden, als mindestens notwendig wären. Die Messpunktedichte soll jedoch nicht beliebig hoch gewählt werden, insbesondere soll der Messpunkteabstand stets größer sein als die effektive Voxel- bzw. Pixelgröße bzw. ein festgelegtes Vielfaches davon. Für den zulässigen Einstellbereich kann beispielsweise der für die jeweilige geometrische Eigenschaft zulässige Bereich dem Bediener präsentiert werden. Dieser Bereich erstreckt sich dann zwischen der Mindestpunkteanzahl für die Erfassung des jeweils benötigten Regelgeometrieelementes bis zu der Messpunkteanzahl, mit der die verwendete Strukturauflösung gerade noch eingehalten wird.
• Eine weitere Aufgabe besteht darin, die maximal zulässige Streuung und/oder Messunsicherheit für die Messpunkte einer dimensionellen Messung geometrischer Eigenschaften zu bestimmen. Daraus folgende Aufgabe ist es die Messparameter automatisch so einzustellen, dass diese maximal zulässige Streuung und/oder Messunsicherheit für die Messpunkte erreicht oder unterschritten wird. Zusammenfassend ist es die Aufgabe die Messparameter so einzustellen, dass die Messunsicherheit bzw. Streuung der heranzuziehenden Messpunkte zu einer Messunsicherheit bzw. Streuung für die geometrische Eigenschaft führt, die klein genug ist, dass die zugeordnete Toleranz überprüft werden kann. Besonders bevorzugt soll dies in einer Messung für alle zu messenden und prüfenden geometrischen Eigenschaften am zu messenden Werkstück oder den mehreren gleichzeitig zu messenden Werkstücken erfolgen.
• Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass die Messparameter so eingestellt werden, dass aus der sich ergebenden Streuung bzw. Messunsicherheit der Messpunkte unter Berücksichtigung der Verknüpfung dieser zu den geometrischen Eigenschaften die für die Überprüfung der Toleranzen der geometrischen Eigenschaft notwendige Streuung bzw. Messunsicherheit eingehalten wird. Dabei werden die Messpunkte herangezogen, die notwendig sind, um die geometrischen Eigenschaften bestimmen zu können. Zudem erfolgt die Festlegung der Messparameter, insbesondere der maximal zulässigen Brennfleckgröße unter Berücksichtigung der sich aus den ausgewählten Messpunkten ergebenden mindestens notwendigen Strukturauflösung.
• Zur Lösung sieht die Erfindung daher ein Verfahren zur dimensionellen Messung geometrischer Eigenschaften an Werkstücken vor, vorzugsweise mit einem Koordinatenmessgerät, wobei Messpunkte an Merkmalen, insbesondere Regelgeometrieelementen erfasst werden, die zur Bestimmung der jeweiligen geometrischen Eigenschaft verknüpft werden, das sich dadurch auszeichnet, dass die für die Lage bzw. Position eines oder mehrerer Messpunkte maximal zulässige Streuung und/oder Messunsicherheit aus der jeweiligen Verknüpfung der Messpunkte und daraus gebildeter Merkmale zu der jeweiligen geometrischen Eigenschaft und der der jeweiligen geometrischen Eigenschaft zugeordneten Toleranz aus den Zeichnungsdaten und/oder PMI-Daten des zu messenden Werkstücks manuell durch den Bediener und/oder automatisch berechnet wird,
• Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass für eine Computertomografie für die dimensionelle Messung geometrischer Eigenschaften an Werkstücken einer oder mehrerer der Messparameter
• - Spannung der Röntgenröhre,
• - Strom der Röntgenröhre,
• - Position von Röntgenröhre, Röntgendetektor und Drehtisch zur Drehung des Werkstücks oder Drehung von Röntgenröhre und Röntgendetektor, und sich daraus ergebender Abbildungsmaßstab und Kegelwinkel,
• - Position und Ausrichtung des Messobjekts im Strahlengang,
• - Anzahl der Drehstellungen für die Aufnahme von Durchstrahlungsbildern des Werkstücks,
• - Anzahl der Bildmittelungen je Drehstellung des Werkstücks,
• - Belichtungszeit je Durchstrahlungsbild,
• - Verfahrgeschwindigkeit (Drehgeschwindigkeit) zwischen den Drehstellungen,
• - Bildaufnahmemodus (Bildaufnahme in der Bewegung, insbesondere Drehbewegung, oder Start-Stopp-Betrieb je Drehstellung)
automatisch so eingestellt werden, dass sich die maximal zulässige Streuung und/oder Messunsicherheit für die Lage bzw. Position der Messpunkte ergibt oder unterschritten wird, vorzugsweise maximal zulässige Streuung und/oder Messunsicherheit für die für alle zu messenden geometrischen Eigenschaften zu erfassenden Messpunkte in einer Computertomografie unterschritten wird, und wobei die Bestimmung der Messparameter unter Berücksichtigung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6 erfolgt.
• Erfindungsgemäß sollen die Messparameter automatisch so eingestellt werden, dass eine Messunsicherheit bzw. Streuung für das, bevorzugt alle, zu messenden geometrischen Eigenschaften des Werkstücks oder mehrerer gleichzeitig zu messenden Werkstücke erreicht werden, so dass die jeweils zugeordnete, vorzugsweise allen zu messenden geometrischen Eigenschaften zugeordnete, Toleranzen überprüft werden können. Hierzu werden die Vorgaben für die Messparameter einbezogen, die notwendig sind, damit die vorgegebene Strukturauflösung erreicht werden kann, die notwendig ist, damit die Messpunkte bestimmt werden können, die notwendig sind, um die geometrischen Merkmale zu bestimmen, die ihrerseits benötigt werden, um die geometrischen Eigenschaften zu ermitteln. Zudem werden aus der Menge aller Messpunkte nur die tatsächlich zur Bestimmung der zu messenden geometrischen Merkmale benutzten Messpunkte bei der Einstellung der Messparameter berücksichtigt, denn nur deren Streuung bzw. Messunsicherheit ist für die Streuung bzw. Messunsicherheit der geometrischen Merkmale entscheidend.
• Neben dem nach dem Stand der Technik bereits bekannten Zusammenhang zwischen den Messparametern und den Werkstückeigenschaften (Material und Geometrie) zu der zu erwartenden Streuung bzw. Messunsicherheit für die Lage bzw. Position eines Messpunktes muss zudem noch berücksichtigt werden, wie sich die Streuung bzw. Messunsicherheit der verwendeten Messpunkte auf die Streuung bzw. Messunsicherheit des geometrischen Merkmals fortpflanzt. Dieser Zusammenhang muss unter Berücksichtigung der ggf. zu berechnenden Merkmalen und deren Verknüpfung zu geometrischen Eigenschaften erfolgen. Beispielsweise wird berücksichtigt, ob aus einer Vielzahl von Messpunkten ein Ausgleichselement berechnet wird, welchen entweder bereits direkt zur Ableitung der geometrischen Eigenschaft wie beispielsweise einer Formabweichung geeignet ist, oder noch mit weiteren Merkmalen verknüpft werden muss, beispielsweise zur Bestimmung eines Zweipunktmaßes oder dem Abstand zwischen zwei Zylindern usw.
• Als Kegelwinkel ist hier definiert der Öffnungswinkel der vom Detektor erfassten Strahlung der Röntgenröhre in Richtung der Drehachse des Drehtisches. Der Kegelwinkel ergibt sich also aus dem Abstand zwischen Röntgenröhre und Röntgendetektor. Insbesondere sich ergebende Kegelwinkelartefakte steigen mit größer werdendem Kegelwinkel. Die erfasste Dosis der Röntgenstrahlung steigt jedoch und erlaubt geringere Messzeiten oder geringere Streuungen für die Messpunkte. Dies wird erfindungsgemäß bei der Festlegung der Messparameter und der sich daraus ergebenden Streuung bzw. Messunsicherheit der Messpunkte berücksichtigt.
• Mit Position und Ausrichtung des Messobjekts im Strahlengang ist die Lage bzw. Orientierung des zu messenden Werkstücks auf dem Drehtisch und die Position des Drehtischs zwischen Röntgenröhre und Röntgendetektor gemeint. Strahlengang ist hier die von der Röntgenröhre ausgehende Messstrahlung, die nach der Schwächung durch das Werkstück vom Detektor empfangen wird.
• Nach einem besonders hervorzuhebenden unabhängigen Vorschlag ist vorgesehen, dass anhand der verwendeten Messpunkte für die dimensionelle Bestimmung von geometrischen Merkmalen an einem oder mehreren gleichzeitig mittels Koordinatengerät, besonders bevorzugt Koordinatenmessgerät mit Computertomografie-Sensor, zu messenden Werkstücken, und anhand der den verwendeten Messpunkten zugeordneten maximal zulässigen Streuung und/oder Messunsicherheit zur Überprüfung der Toleranzen der geometrischen Merkmale, insbesondere des Messpunktes mit der geringsten zulässigen Streuung und/oder Messunsicherheit, die Messparameter für die Computertomografie, vorzugsweise unter Berücksichtigung einer festgelegten maximal zulässigen Messzeit, so festgelegt werden, dass
• - die maximal zulässige Streuung und/oder Messunsicherheit eingehalten oder unterschritten wird und
• - die mindestens notwendige Strukturauflösung für die Bestimmung der für die Ermittlung der geometrischen Merkmale mindestens notwendigen Messpunkten eingehalten wird oder der Wert der mindestens notwendigen Strukturauflösung unterschritten wird.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die maximal zulässige Brennfleckgröße der Röntgenröhre so festgelegt wird, dass sich unter Berücksichtigung eines festgelegten Abbildungsmaßstabs für die Computertomografie und der Auflösung des Detektors eine festgelegte effektive Voxelgröße ergibt, die kleiner ist als die maximal zulässige effektive Voxelgröße, welche sich aus der mindestens notwendigen Strukturauflösung ergibt.
• Bevorzugterweise sieht die Erfindung daher vor, dass solange sich aus dem festgelegten Messpunktabstand eine derart geringe notwendige Brennfleckgröße ergibt, dass zur Einhaltung der maximal zulässigen Streuung und/oder Messunsicherheit die maximal zulässige Messzeit überschritten werden würde, vorzugsweise iterativ der Messpunktabstand geringer festgelegt wird, also die Anzahl der verwendeten Messpunkte eingeschränkt wird, wobei verwendeter Messpunktabstand klein genug bleibt, so dass für die Bestimmung der geometrischen Eigenschaften mindestens zu erfassende Messpunkte getrennt voneinander erfassbar sind, mindestens notwendige Strukturauflösung also eingehalten wird.
• Hierdurch soll erreicht werden, dass einerseits möglichst viele Messpunkte je Merkmal bzw. geometrischer Eigenschaft verwendet werden können, da sich aus der Verknüpfung vieler Messpunkte zumeist eine Verringerung der Streuung bzw. Messunsicherheit ergibt, beispielsweise bei der Bestimmung von Ausgleichselementen wie des Mittelpunktes eines Kreises oder Zylinders oder der Lage einer Ausgleichsebene aus vielen Messpunkten, andererseits aus der sich dadurch erforderlichen Strukturauflösung aber nicht derart kleine zulässige Brennflecken ergeben, dass aufgrund der damit verbundenen geringen zur Verfügung stehenden Leistung extrem lange Messzeiten erforderlich werden, die die maximal zulässige Messzeit überschreiten. Iterativ lassen sich ggf. beide Ziele erreichen und die Messzeit optimieren.
• Über den Messpunktabstand bzw. die Anzahl der Messpunkte, die je geometrische Eigenschaft einbezogen werden, ergeben sich also die Anforderungen an die Strukturauflösung und damit die Messparameter.
• Nach einer beispielhaften Ausführung ist vorgesehen, dass der Bediener anhand der Zeichnungs- bzw. PMI-Daten die bzgl. der maximal zulässigen Streuung bzw. Messunsicherheit kritischste geometrische Eigenschaft aussucht. In der Regel ist dies jenes mit der geringsten Toleranz. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass abhängig von der Verknüpfung der zur Bestimmung notwendigen Messpunkte auch ein Merkmal mit größerer Toleranz Messpunkte mit geringerer Streuung bzw. Messunsicherheit erfordert. Daher ist auch eine automatische Bestimmung unter Zugrundelegung der bekannten Regeln zur Fehlerfortpflanzung vorgesehen. Beim manuellen Vorgehen wird dem Bediener beispielhaft ein Bild der für die ausgewählte geometrische Eigenschaft zu erfassenden Merkmale, meist Regelgeometrieelemente, angezeigt und die mindestens benötigte Anzahl von Messpunkten vorgeschlagen. Der Bediener kann die Messpunktanzahl dann manuell bis zu einer Obergrenze erhöhen, so dass die anhand der später berechneten Messparameter vorliegende Strukturauflösung eingehalten wird, und muss die Toleranz des geometrischen Merkmals angeben. Alternativ wählt der Bediener das seiner Meinung nach kritischste Merkmal bzw. Merkmale aus und gibt dazu die zu bestimmende geometrische Eigenschaft und deren Toleranz an und erhält wiederrum einen Vorschlag für die mindestens notwendigen Messpunkteanzahl und -verteilung und kann diese ggf. erhöhen bzw. anpassen.
• Anhand der Auswahl der zu verwendenden Messpunkt berechnet ein Computerprogramm dann die notwendige Strukturauflösung, wie oben bereits beschrieben, aus der sich insbesondere Anforderungen an die effektive Voxelgröße und damit indirekt an die Brennfleckgröße ergeben, und die maximal zulässige Streuung bzw. Messunsicherheit für die Messpunkte, aus denen sich dann die weiteren Messparameter ergeben. Bei der Berechnung der maximal zulässigen Streuung bzw. Messunsicherheit für die Messpunkte aus den maximal zulässigen Streuungen bzw. Messunsicherheiten der geometrischen Eigenschaften werden erwähntermaßen die Regeln für die Fehlerfortpflanzung abhängig von der jeweiligen Verknüpfung der Messpunkte berücksichtigt, hier in invertierter Form. Die Art der Verknüpfung wird durch den Bediener vorgegeben oder automatisch den Zeichnungs- bzw. PMI-Daten entnommen.
• Gegenstand einer selbstständigen Erfindung ist eine Vorrichtung für die Erzeugung von Röntgenstrahlung mittels eines flüssigen Targets.
• Bekannte Flüssig - Targets, beispielsweise der Firma Excillum verwenden flüssiges insbesondere geschmolzenes Metall. Nachteilig hierbei ist die hohe notwendige Temperatur für den Einsatz, wodurch hohe Aufwärmzeiten und großer Verschleiß vorliegen. Zudem sind entsprechende Schmelzen häufig giftig.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung eines Flüssig-Targets, das bei der Bezugstemperatur von 20°C ohne oder nur mit geringen Aufwärmzeiten einsatzfähig ist. Vorzugsweise sollte die verwendete Flüssigkeit nicht giftig sein und verringerten Verschleiß ermöglichen, vorzugsweise ein verschleißfreies Target realisieren.
• Zur Lösung sieht die Erfindung ein Flüssig-Target für eine Röntgenstrahlenquelle, insbesondere zur Computertomografie, besonders bevorzugt zur Inspektion oder dimensionellen Messung von Werkstücken vor, die als Flüssig-Target eine Metallsalzlösung verwendet. Insbesondere ist geeignet Natriumpolywolframat, da es sehr gut wasserlöslich ist und eine hohe Wolframkonzentration im Fluid erreicht wird. Da hier im Vergleich zum Stand der Technik keine oder wesentlich niedrigere Aufwärmzeiten vorliegen, ergibt sich eine besonders schnelle Einsatzbereitschaft. Zudem wird der Einsatz bei der Bezugstemperatur von 20°C ermöglicht. Durch das Unterbleiben des Aufwärmens entsteht ein deutlich verschleißfreieres Target, das zudem kein geschmolzenes Metall und damit weniger Gefahrenquellen bietet. Die vorgeschlagene Metallsalz-Lösung ist zudem nicht giftig.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung einer Röntgenstrahlenquelle für einen Computertomografen, vorzugsweise zur Inspektion und/oder dimensionellen Messung von Merkmalen an einem Werkstück, zeichnet sich dadurch aus, dass die Röntgenstrahlenquelle ein flüssiges Targetmaterial (Flüssig-Target) aufweist, welches eine Metallsalz-Lösung beinhaltet.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Metallsalz-Lösung Natriumpolywolframat enthält.
• Gegenstand einer selbstständigen Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben dieser zur dimensionellen Messung von Werkstücken mit einem Computertomografen.
• Bei der Computertomografie von Werkstücken, insbesondere Werkstücken mit hohem Röntgenabsorptionskoeffizienten und großen geometrischen Abmessungen kommt es häufig zum Auftreten von Streustrahlung. Zur Verminderung von Streustrahlung kennt der Stand der Technik die Möglichkeit, dass eine Schlitzblende in den Strahlengang zwischen Röntgenstrahlenquelle und Werkstück eingebracht wird. Nachteilig erfolgt dies bisher manuell durch Einbringen der Schlitzblende durch den Bediener. Nachteilig muss hierzu das Gerät, insbesondere die Röntgenröhre ausgeschaltet werden.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine automatische Messung mit Computertomografie unter Verwendung einer Schlitzblende zu realisieren. Insbesondere soll vorgesehen sein, dass die Messung auch in Kombination mit einem mechanischen Strahlfilter automatisiert erfolgen kann.
• Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Schlitzblende in einem Wechselplatz eines Filterwechslers vorgesehen ist, der automatisch in den Strahlengang eingebracht werden kann. Vorzugsweise sind zwei Filterwechsler in Strahlrichtung nacheinander vorgesehen, wobei eine beliebige Kombination der mechanischen Strahlfilter aus dem zweiten Filterwechsler und der Verwendung der Schlitzblende in dem ersten Filterwechsler realisiert wird. Der bzw. die Filterwechsler sind nahe der Röntgenstrahlenquelle zwischen zu messendem Werkstück und Röntgenstrahlenquelle in Strahlrichtung nacheinander angeordnet.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Computertomografie aufweisend zumindest eine Strahlungsquelle, insbesondere Röntgenstrahlungsquelle, mit zumindest einem Filterwechsler für einen oder mehrere mechanische Strahlfilter, zeichnet sich daher dadurch aus, dass in einem Wechselplatz eines ersten Filterwechslers eine Schlitzblende angeordnet ist, die wahlweise in den Röntgenstrahlengang einbringbar ist, wobei vorzugsweise in Strahlrichtung versetzt zum ersten Filterwechsler ein zweiter Filterwechsler angeordneter ist, der einen oder mehrere Wechselplätze für mechanische Strahlfilter aufweist.
• Die Erfindung sieht zur Lösung auch ein Verfahren unter Verwendung der zuvor genannten Vorrichtung vor, das sich dadurch auszeichnet, dass für eine Computertomografie, vorzugsweise eine Computertomografie mit verringerter Streustrahlung, besonders bevorzugt zur dimensionellen Messung von Merkmalen an Werkstücken, eine in einem Wechselplatz eines ersten Filterwechslers angeordnete Schlitzblende in den Röntgenstrahlengang eingebracht wird, wobei vorzugsweise eine in einem Wechselplatz eines zweiten Filterwechslers angeordnete mechanische Strahlblende ebenfalls in den Röntgenstrahlengang eingebracht wird.
• Gegenstand einer eigenständigen Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mittels einer Röntgenstrahlenquelle mit einem Reflexionstarget.
• Bekannte Röntgenstrahlenquellen, insbesondere solche mit Reflexionstarget weisen eine Stehanode oder eine Drehanode auf. Der Aufbau von Drehanoden ist sehr aufwändig und häufig nur in Medizintechnik verbreitet. Bekannte Stehanoden bestehen aus einem Grundkörper aus Wolfram, der nur begrenzt dazu geeignet ist, die bei der Entstehung der Röntgenstrahlung bei Beschuss mit Elektronen entstehende Wäre zu leiten. Entsprechende Stehanoden werden deshalb beispielsweise hohl ausgeführt und innen mittels Prallkühlung gekühlt, wie dies beispielsweise die DE 10 2006 032 606 beschreibt.
• Des Weiteren sind Substrate aus Diamant bekannt. Diese sind recht teuer und werden deshalb nur mit geringen Schichtdicken von weniger als 400 µm, meist sogar weniger als 200 µm in Röntgenstrahlenquellen mit Transmissionstargets eingesetzt.
• Auch eine Beschichtung eines Substrats mit Wolfram ist bekannt, jedoch nur für Transmissionstargets mit maximalen Schichtdicken von 10 µm, da anderenfalls zu wenig Intensität der Röntgenstrahlung verbleiben würde.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung eines Reflexionstargets für besonders hohe Strahlleistungen, das insbesondere eine effektive Kühlung erfordert.
• Zur Lösung sieht die Erfindung eine Röntgenstrahlenquelle mit Reflexionstarget vor, bei der der Grundkörper aus Wolfram durch einen massiven Kupferstab hoher Wärmeleitfähigkeit ersetzt wird. Auf diesem wird ein im Vergleich zum Stand der Technik dickeres Diamantsubstrat lunkerfrei, flächig angelötet. Das Diamantsubstrat wird mit einer Wolframschicht beschichtet, die insbesondere eine größere Dicke hat, als bisher dem Stand der Technik zu entnehmen. Zur effektiven Kühlung mit Wasser ist vorgesehen, dass der Kupfergrundkörper in einen Kühlwasser durchflossenen Griff eingesetzt wird.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Röntgenstrahlenquelle, vorzugsweise für einen Computertomografen, besonders bevorzugt ausgebildet zur Inspektion und/oder dimensionellen Messung von Merkmalen an einem Werkstück mittels Computertomografie, aufweisend ein Reflexionstarget, das von einer Anode, vorzugsweise nicht drehbarer Stehanode, ausgeht, wobei das Target eine Wolframschicht aufweist, die zur Erzeugung von Röntgenstrahlen beim Beschuss mit Elektronen angeordnet ist und zeichnet sich dadurch aus, dass die Anode einen massiven Grundkörper (Anodengrundkörper) aus Kuper oder einer Kupferlegierung umfasst, wobei von einer Stirnseite des Anodengrundkörpers ein Diamantsubstrat ausgeht und von dem Diamantsubstrat die Wolframschicht ausgeht.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der massive Grundkörper ein zylindrischer Stab ist und insbesondere nicht hohl ist.
• Vorzugsweise zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass das Diamantsubstrat flächig und vorzugsweise lunkerfrei in bzw. an den Anodengrundkörper eingelötet ist.
• Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass die Dicke des Diamantsubstrats größer als 200 µm, bevorzugt größer als 400 µm, besonders bevorzugt 500 µm bis 1000 µm, vorzugsweise etwa 800 µm beträgt.
• Bevorzugterweise sieht die Erfindung daher vor, dass die Dicke der Wolframschicht größer als 10 µm, bevorzugt größer als 15 µm, besonders bevorzugt größer als 20 µm beträgt.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der massive Grundkörper in einen gekühlten, insbesondere Kühlwasser oder andere Kühlflüssigkeit durchflossenen Griff eingesetzt ist.
• Vorzugsweise zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Röntgenstrahlenquelle (200) in einem Computertomografen integriert ist, welcher vorzugsweise in ein Koordinatenmessgerät integriert ist.
• Gegenstand einer selbstständigen Erfindung ist ein Verfahren zur Computertomografie eines Werkstücks unter Berücksichtigung einer Artefaktkorrektur.
• Bekannte Verfahren zur Anwendung einer Artefaktkorrektur bei einer Computertomografie basieren darauf, dass die Korrektur an dem jeweils aufgenommen Datensatz, insbesondere Set von Durchstrahlungsbildern erfolgt. Die aufgenommenen Durchstrahlungsbilder des Sets bzw. ein daraus rekonstruiertes Voxelvolumen wird dazu untersucht und korrigiert. Hier sind auch iterative Verfahren bekannt, bei denen eine erneute Rekonstruktion korrigierter Durchstrahlungsbilder erfolgt. Bei einer sogenannten empirischen Artefaktkorrektur (EAK) wird ein Zusammenhang aus den im rekonstruierten Voxelvolumen vorliegenden Durchstrahlungslängen (bestimmt durch Vorwärtsprojektion) und den jeweils zugeordneten Grauwerten in den Durchstrahlungsbildern gebildet und eine Kennlinie eingefittet. Die Kennlinie dient als Korrekturkennlinie und wird zur Berechnung korrigierter Grauwerte und damit korrigierter Durchstrahlungsbilder verwendet, die dann rekonstruiert werden.
• Nachteilig bei dem bekannten Vorgehen ist es, dass zunächst eine Berechnung der Korrektur erfolgen muss, bevor die Korrektur auf die aufgenommenen Daten angewendet werden kann. Die hierfür benötigte Zeit hängt von der jeweiligen Korrektur und der Größe der Eingangsdaten ab. Im Falle einer Kennlinienbestimmung für eine EAK kann diese Zeit für normale Anwendungsfälle zwischen 3 Minuten und 30 Minuten betragen. Diese Wartezeiten sind insbesondere für Computertomografiemessungen, die in relativ kurzer Zeit ablaufen, beispielsweise wenn die Bildaufnahme ohne Unterbrechung der Drehbewegung erfolgt (OnTheFly-CT) nicht erwünscht. Hier ist die Korrektur der Durchstrahlungsbilder, oder zumindest einiger der Durchstrahlungsbilder direkt nach deren Bildaufnahme wünschenswert.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Anwendung einer Artefaktkorrektur bei einer Computertomografie zu beschleunigen.
• Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass vor der eigentlichen Computertomografie (hier als Aufnahme des zweiten Sets bezeichnet) eine erste Computertomografie (hier als Aufnahme des ersten Sets bezeichnet) durchgeführt wird, aus der die Korrektur bestimmt wird, die dann auf die eigentliche, zweite Computertomografie angewendet wird. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die Durchstrahlungsbilder des zweiten Sets oder zumindest einige dieser direkt nach deren Aufnahme zu korrigieren und eine Echtzeit-Rekonstruktion zu realisieren, da die Korrektur (beispielsweise die Kennlinie der EAK) bereits bekannt ist. Möglicherweise trifft dies noch nicht für die ersten Durchstrahlungsbilder des zweiten Sets zu, da die zweite Computertomografie zumindest teilweise während der Bestimmung der Korrektur aus der ersten Computertomografie abläuft, wozu erfindungsgemäß eine zweite Auswerteeinheit wie separater PC vorgesehen ist. Ein Zeitvorteil und damit eine Beschleunigung lässt sich nun erreichen, indem die erste Computertomografie in besonders kurzer Zeit durchgeführt wird, insbesondere wenn diese weniger Zeit in Anspruch nimmt, als die zugehörige Bestimmung der Korrektur. Hierdurch entsteht zudem der Vorteil, dass die dabei geringere Datenmenge eine schnellere Bestimmung der Korrektur ermöglicht. Während die Korrektur berechnet wird, startet bereits die zweite Computertomografie, deren Durchstrahlungsbilder bzw. Daten korrigiert werden, sobald die Korrektur berechnet wurde. Insbesondere bei OnTheFly-CT - Verfahren können beide Computertomografien durch Weiterdrehen direkt aufeinanderfolgend realisiert werden.
• Die vorliegende Erfindung ist bevorzugt für die Anwendung einer EAK gedacht. Sie ist jedoch auf keine bestimmte Artefaktkorrektur beschränkt und kann analog für andere Korrekturverfahren angewendet werden. Hierbei kann auch eine Korrektur während der Rekonstruktion oder der rekonstruierten Volumendaten erfolgen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Inspektion eines Werkstücks und/oder zur dimensionellen Messung geometrischer Eigenschaften an einem Werkstück mittels Computertomografie, wobei Durchstrahlungsbilder des Werkstücks in zumindest einem ersten Set von mehreren Drehstellungen des Werkstücks, insbesondere über einen Winkelbereich von mindestens 180°, vorzugsweise mindestens 360° verteilt, aufgenommen und zu einem ersten Volumendatensatz (erstes Voxelvolumen) rekonstruiert werden, und zeichnet sich dadurch aus, dass aus dem ersten Volumendatensatz eine Artefaktkorrektur wie vorzugsweise empirische Artefaktkorrektur berechnet wird und dass nach der Aufnahme des ersten Sets Durchstrahlungsbilder des Werkstücks in zumindest einem zweiten Set von mehreren Drehstellungen des Werkstücks, insbesondere über einen Winkelbereich von mindestens 180°, vorzugsweise mindestens 360° verteilt, aufgenommen und zu einem zweiten Volumendatensatz (zweites Voxelvolumen) rekonstruiert werden, wobei auf die Durchstrahlungsbilder und/oder die Rekonstruktion und/oder den zweiten Volumendatensatz des zweiten Sets die Artefaktkorrektur angewendet wird.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass bei der Aufnahme der Durchstrahlungsbilder des zweiten Sets die Drehung des Werkstücks nicht unterbrochen wird.
• Vorzugsweise zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass bei der Aufnahme der Durchstrahlungsbilder des ersten Sets im Vergleich zur Aufnahme des zweiten Sets
• - die Aufnahmen in einer geringeren Anzahl von Drehstellungen erfolgt und/oder
• - eine kürzerer Integrationszeit verwendet wird und/oder
• - eine geringere Anzahl von Bildmittelungen verwendet wird und/oder
• - eine höhere Drehgeschwindigkeit verwendet wird,
und vorzugsweise bei der Aufnahme der Durchstrahlungsbilder des ersten Sets die Drehung des Werkstücks nicht unterbrochen wird.
• Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass ie Rekonstruktion des zweiten Sets zeitgleich oder zumindest teilweise zeitgleich zur Bildaufnahme des zweiten Sets erfolgt.
• Bevorzugterweise sieht die Erfindung daher vor, dass die jeweilige Rekonstruktion auf einer ersten Recheneinheit und die Berechnung der Artefaktkorrektur auf einer zweiten Recheneinheit ausgeführt wird.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass zur dimensionellen Messung geometrischer Eigenschaften des Werkstücks, aus dem zweiten Volumendatensatz Oberflächenpunkten bestimmt und verknüpft werden.
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verzeichnungskorrektur eines Detektors eines Computertomografen.
• Bei den bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik zur Verzeichnungskorrektur wird ein entsprechend kalibriertes Rasternormal verwendet, welches nur für die Korrektur der Verzeichnung eingesetzt wird. Es besteht also zusätzlicher Aufwand für die Bestimmung der Gerätegeometrie, auch als CT-Geometrie bezeichnet und umfassend zumindest die Lage von Strahlungsquelle, Drehachse des Drehtischs und Detektor zueinander.
• Die WO2014037557 der Anmelderin gibt ein Verfahren an, bei dem die Verzeichnungskorrektur mit einem unkalibrierten Einmessobjekt in mehreren seitlich versetzten Positionen zur Strahlenrichtung der Strahlungsquelle ermittelt wird. Nachteilig dabei ist, dass entweder mehrere Kalibrierobjekte verwendet werden müssen oder das Kalibrierobjekt aufwendig in sehr viele Positionen innerhalb des Strahlkegels der Strahlungsquelle positioniert und gemessen werden muss.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Realisierung eines Verfahrens zur kombinierten Verzeichnungskorrektur und Bestimmung der Gerätegeometrie eines Computertomografen unter Verwendung einer möglichst eingeschränkten Anzahl von Einmessobjekten und mithilfe eines möglichst schnell umzusetzenden Verfahrens.
• Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass ein Einmessnormal eingesetzt wird, dass mehrere Merkmale aufweist, deren Abbildung auf den Detektor diesen bzw. den bzgl. Verzeichnung zu korrigierenden Bereich vollständig abdeckt. Die Merkmale sind möglichst äquidistant über den Detektorbereich verteilt. Das erfindungsgemäße Kalibriernormal wird neben der Bestimmung der Verzeichnungskorrektur auch zur Korrektur der CT-Geometrie verwendet, indem eine Messung in mehreren in Strahlrichtung versetzten Positionen erfolgt. Vorzugsweise werden auch Abweichungen der Drehachse des Drehtisch mit korrigiert.
• Die Erfindung sieht zur Lösung ein Verfahren zur Korrektur der Verzeichnung eines Detektors eines Computertomografen vor, wobei ein kalibriertes Einmessnormal mit mehreren Merkmalen, die derart angeordnet sind, dass sie über den zu korrigierenden Messbereich des Detektors verteilt, vorzugsweise gleichmäßig verteilt, abgebildet werden, wie beispielsweise Platte mit mehreren regelmäßig angeordneten Kugel, an zumindest einer ersten Position zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor des Computertomografen angeordnet wird und zumindest ein Durchstrahlungsbild aufgenommen wird, wobei die Verzeichnungskorrektur durch Vergleich der Merkmalsposition, insbesondere Kugelposition, im Durchstrahlungsbild und aus den Kalibrierdaten erzeugt wird, dass sich dadurch auszeichnet, dass das Einmessnormal an zumindest einer zweiten Position zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor angeordnet wird und zumindest ein zweites Durchstrahlungsbild aufgenommen wird, wobei die Merkmalspositionen aus dem zweiten Durchstrahlungsbild ausgewertet werden, und dass anhand der Merkmalspositionen aus zumindest dem ersten und dem zweiten Durchstrahlungsbild und aus den Kalibrierdaten der Merkmalspositionen die Gerätegeometrie, insbesondere die Lage von Strahlungsquelle, Drehachse des das zu messende Werkstück aufnehmenden Drehtischs und Detektor relativ zueinander und/oder die Detektororientierung, bestimmt wird.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die zu korrigierende Verzeichnung berechnet wird aus dem Vergleich der Merkmalspositionen im Durchstrahlungsbild und den in die Detektorebene vorwärtsprojizierten Merkmalspositionen anhand der Kalibrierdaten.
• Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Lageänderung zwischen der ersten und zweiten Position gemessen wird, insbesondere Abstand zwischen erster und zweiter Position durch Messachsen bestimmt wird, und bei der Bestimmung der Gerätegeometrie herangezogen wird.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass vorab die Gerätegeometrie zumindest grob bestimmt wird durch Aufnahme zumindest eines Durchstrahlungsbildes, vorzugsweise mehrerer, insbesondere in Umschlag aufgenommener Durchstrahlungsbilder, einer mehrerer Merkmale, wie beispielsweise Kugeln, aufweisenden Einmesshilfe, welche nicht den vollständigen Bereich des Detektors abdeckt, wobei vorzugsweise Durchstrahlungsbilder an mehreren Positionen zwischen Strahlungsquelle und Detektor aufgenommen werden, und wobei besonders bevorzugt die Abstände der Merkmale kalibriert sind und/oder die Verschiebung der Einmesshilfe in die mehreren Positionen mittels Messachsen bestimmt und berücksichtigt wird.
• Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass die Einmesshilfe zumindest fünf kugelförmige Objekte aufweist.
• Hervorzuheben ist des Weiteren, dass für die Vorwärtsprojektion grob bestimmte Gerätegeometrie verwendet wird, und bevorzugt die Verzeichnungskorrektur iterativ verbessert wird, wenn die endgültige Gerätegeometrie bestimmt wurde.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass bei der Aufnahme der Durchstrahlungsbilder für die Verzeichnungskorrektur eine Korrektur der Verkippung, insbesondere Orientierung des Detektors überlagert wird.
• Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass mit dem kalibrierten Einmessnormal die Geometrieabweichungen der Drehachse des Drehtisches des Computertomografen (Drehachsabweichungen), insbesondere radiale, tangentiale und axiale Abweichungen, bestimmt werden, indem Durchstrahlungsbilder des Einmessnormals schrittweise in mehreren Drehstellungen aufgenommen und ausgewertet werden, vorzugsweise so, dass sich die Abbildung der mehreren Merkmale des Einmessnormals im Durchstrahlungsbild nicht gegenseitig überlagern.
• Hervorzuheben ist des Weiteren, dass vom Einmessnormal für vorgegebene oder für alle Drehstellungen jeweils mindestens ein Durchstrahlungsbild automatisch oder manuell in zwei unterschiedlichen Drehlagen des Einmessnormals auf dem Drehtisch aufgenommen werden, vorzugsweise Einmessnormal immer dann in die zweite Drehlage bewegt wird, wenn sich in der ersten Drehlage die mehreren Merkmale des Einmessnormals gerade so noch nicht gegenseitig überlagern, wobei besonders bevorzugt Durchstrahlungsbilder in Drehstellungen des Drehtischs in einem Winkelbereich von mindestens 180° oder mindestens 360° aufgenommen werden.
• Das Einmessnormal wird schrittweise in bestimmten Drehstellungen des Drehtischs erfasst. Zum Einmessen einer kompletten Umdrehung muss das Einmessnormal aber auf dem Drehtisch automatisch oder manuell gedreht (zurückgedreht) werden, damit sich die mehreren Merkmale im Durchstrahlungsbild nicht gegenseitig überlagern und die Auswertung der Positionen verhindern. Zur Bestimmung dieser Lageänderung durch das Zurückdrehen muss in derselben Drehstellung des Drehtischs in beiden Drehlagen des Einmessnormals gemessen werden.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass vor der Bestimmung der Drehachsabweichungen die Gerätegeometrie bestimmt wird und die Bestimmung der Drehachsabweichungen bei Vorliegen der bestimmten Gerätegeometrie erfolgt.
• Gegenstand einer selbstständigen Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Geometrie eines Computertomografen.
• Klassische Verfahren zur Bestimmung der Geometrie eines Computertomografen (CT-Geometrie) umfassen eine Vielzahl von Schritten. Neben der direkten Bestimmung des Abbildungsmaßstabs durch die meist mehrfache Messung eines kalibrierten Prüfkörpers sind Verfahren zur Bestimmung der Verkippungen der Komponenten Strahlenquelle, Strahlendetektor und Drehtisch notwendig.
• Bekannten Verfahren zur Computertomografie unter Verwendung einer KI beziehen sich auf die Korrektur von Artefakten, wie dies in der PCT/EP2019057264 der Anmelderin beschrieben ist, die zum Datum der Hinterlegung der hier vorliegenden Anmeldung noch nicht offen gelegt war, auf deren Offenbarung hier aber vollständig Bezug genommen wird. Die Bestimmung der CT-Geometrie wird in dieser Schrift auf Basis von Trainingsdaten vorgeschlagen, die vom zu messenden Werkstück abgeleitet sind. Eine konkrete Lösung für die Bestimmung der CT-Geometrie und das dazu notwendige Training er KI fehlt dabei.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Geometrie eines Computertomografen (CT-Geometrie) schnell und einfach zu bestimmen.
• Zur Lösung sieht die Erfindung vor, dass die CT-Geometrie durch eine KI bestimmt wird, die auf der Basis von Durchstrahlungsbildern eines Prüfkörpers arbeitet. Trainings-Durchstrahlungsbilder werden vom identischen Prüfkörper durch Simulation und/oder computertomografische Messung bei bekannten zw. vorgegebenen CT-Geometrien erzeugt.
• Die Erfindung sieht zur Lösung ein Verfahren zur Bestimmung der Geometrie eines Computertomografen (CT) vor, also der Relativlage zwischen den Komponenten Strahlenquelle, insbesondere Röntgenquelle (Quelle), Strahlendetektor (Detektor), insbesondere flächig ausgebildeter 2D-Detektor, und Drehachse des Drehtischs zur Aufnahme zu messender Werkstücke (CT-Geometrie), insbesondere beschrieben durch sogenannte SOUV-Vektoren, bevorzugt Bestimmung des Abbildungsmaßstabs des CT, dass sich dadurch auszeichnet, dass eines oder mehrere Durchstrahlungsbilder eines, vorzugsweise kalibrierten, auf dem Drehtisch angeordneten Prüfkörpers in einer oder mehreren Drehstellungen und/oder einer oder mehreren Lagen des Prüfkörpers relativ zu Quelle und Detektor, vorzugsweise mehreren in einer Ebene parallel zur Detektorebene versetzten Lagen, aufgenommen werden und durch eine künstliche Intelligenz (KI) wie neuronales Netzwerk verarbeitet werden, um die Relativlage der Komponenten zueinander zu bestimmen.
• Die Relativlage der Komponenten beschreibt die Position und Orientierung der Komponenten zueinander, auch als Geometrie des CT bezeichnet und durch sogenannte SOUV-Vektoren beschrieben. In diesen sind also unter anderem die Abstände und Neigungen der Komponenten zu einander erfasst, insbesondere auch der Abbildungsmaßstab des CT.
• Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass für das Training der KI Durchstrahlungsbilder (Trainings-Durchstrahlungsbilder) des Prüfkörpers in einer oder mehreren Drehstellungen und/oder einer oder mehreren Relativlagen der Komponenten zueinander, vorzugsweise unterschiedlichen CT-Geometrien, insbesondere unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben, verwendet werden, wobei die Relativlage zwischen den Komponenten bekannt ist und den Trainings-Durchstrahlungsbildern zugeordnet wird, und wobei Trainings-Durchstrahlungsbilder erzeugt werden durch Simulation und/oder durch Messung mit einem Computertomografen.
• Das Erstellen der Trainings-Durchstrahlungsbilder anhand von Simulationen setzt voraus, dass die Parameter der Quelle, wie u. a. Spektrum und Brennfleckgröße, und des Detektors, wie u. a. Pixelgröße und - Anzahl sowie Empfindlichkeit, ausreichend genau bekannt sind. Mit den bekannten Abmessungen des Prüfkörpers können die Trainings-Durchstrahlungsbilder dann mittels Vorwärtsprojektion für jede beliebige CT-Geometrie sehr schnell erzeugt werden. Vorteilhafterweise ist dazu vorgesehen, die Simulation für ausgewählte CT-Geometrien mit realen Messungen des Prüfkörpers zu vergleichen und an diese anzupassen. Trainings-Durchstrahlungsbilder sollten für möglichst viele unterschiedliche CT-Geometrien vorliegen, um eine genaue Bestimmung zu ermöglichen.
• Vorzugsweise ist der Prüfkörper eine Kugel, damit die Trainings-Durchstrahlungsbilder für unterschiedliche Drehstellungen identisch sind. Anhand der Größe der Abbildung der Kugel in den Durchstrahlungsbildern, aufgenommen mit dem CT, dessen Geometrie bestimmt werden soll, kann die Geometrie, insbesondere der Abbildungsmaßstab dann auch aus Durchstrahlungsbildern mehrerer Drehstellungen ermittelt werden, wodurch sich ein stabilisierender Mittelungseffekt ergibt. Auch durch die Aufnahme von Durchstrahlungsbildern in mehreren in einer Ebene parallel zur Detektorebene versetzten Lagen des Prüfkörpers ergibt sich eine stabilere Bestimmung der Geometrie. Anhand der Position und der sich möglicherweise mit der Drehstellung ändernden Position der Abbildung der Kugel in den Durchstrahlungsbildern kann die KI Informationen über die Lage des Drehtischs und dessen Taumel ableiten.
• Es sind aber auch andere Formen für den Prüfkörper vorgesehen, insbesondere mehrteilige Prüfkörper wie Anordnungen mehrerer Kugeln. Ist deren Abbildung über einen großen Bereich des Detektors verteilt, ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, Verzeichnungsfehler des Detektors mit zu bestimmen. Dies kann auch dadurch erfolgen, dass ein einfacher Prüfkörper wie eine Kugel an mehreren Positionen in einer Ebene parallel zur Detektorebene angeordnet wird. Beim Training sind die Positionen bekannt und werden den ggf. zusammengesetzten Trainings-Durchstrahlungsbildern zugeordnet.
• Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Verzeichnung des Detektors durch die KI bestimmt wird, indem ein Prüfkörper verwendet wird, der auf den kompletten Detektor abgebildet wird oder indem der Prüfkörper an mehreren Positionen in einer Ebene parallel zur Detektorebene so angeordnet wird, dass der komplette Detektor abgedeckt wird.
• Hervorzuheben ist des Weiteren, dass die bestimmte CT-Geometrie für die dimensionelle Messung von Merkmalen an Werkstücken und/oder zur Inspektion von Werkstücken mit dem CT verwendet wird.
• Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination - sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren.
• Es zeigen:
• 1 einen erfindungsgemäßen Computertomografen und
• 2 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Röntgenstrahlenquelle für einen Computertomografen.
• Anhand der 1 wird der erfindungsgemäße Computertomograf in beispielhafter Ausgestaltung dargestellt. Zwischen der Röntgenquelle 100 und dem Szintillator 105 befindet sich das zu messende Werkstück 102, angeordnet auf dem Drehtisch 103, der das Werkstück um die Drehachse 104 dreht. In mehreren Drehstellungen wird das Werkstück 102 von der vom Brennfleck 101 der Quelle 100 ausgehenden Röntgenstrahlung durchstrahlt und auf dem Szintillator 105 abgebildet. Dieser wandelt die empfangene Röntgenstrahlung in Licht 106 um, welches mittels der Optik 107 und dem Umlenkspiegel 109 auf die Kamera 108 abgebildet wird, die ihrerseits durch die Baugruppe 109, beispielsweise eine Bleiplatte, vor der Röntgenstrahlung der Quelle 100 geschützt wird. Die von der Kamera 108 so aufgenommenen Durchstrahlungsbilder werden vorverarbeitet und schließlich zu einem Volumendatensatz (Voxelvolumen) rekonstruiert, aus dem mittels Oberflächenextraktionsverfahren Oberflächenpunkte berechnet werden, die ihrerseits ausgewertet, insbesondere verknüpft werden, um dimensionelle Messungen von Werkstückmerkmalen zu realisieren.
• Beispielhaft wurde eine zweiteilige Optik 107, bestehend aus einer Fresnellinse 107a und einer Sammellinse 107b dargestellt. Die Anordnung der sammelnden Fresnellinse 107a zwischen Szintillator 105 und Umlenkspiegel 109 bietet den Vorteil, dass die Größe des Umlenkspiegels verkleinert werden kann. Grundlegend ist aber auch vorgesehen nur eine Optikbaugruppe einzusetzen, die auch durch die Umlenkeinrichtung 109 gebildet werden kann, wie beispielsweise ein Parabolspiegel. Die eine aber auch die mehreren Optikbaugruppen 107 können aber auch nur ausschließlich zwischen der Umlenkeinrichtung 109 und der Kamera 108 angeordnet sein. Auch ist vorgesehen, dass die Optik gebildet wird durch ein Faserbündel, dass zwischen dem Szintillator 105 und der Kamera 108 verläuft und durch entsprechende Anordnung und/oder Verjüngung der Fasern den entsprechenden Abbildungsmaßstab und ggf. auch durch Biegung der Fasern die Umlenkung realisiert.
• In einer beispielhaften Ausführung werden die entsprechenden Komponenten zur genauen Messung von großen Werkstücken folgendermaßen ausgelegt: Der optische Abbildungsmaßstab der Optik beträgt 0,1 fach. Die Abmessungen der Optik, und damit die Apertur müssen nicht besonders groß sein, da der Szintillator das Licht als Lambertstrahler abgibt und auch bei geringer Apertur der Optik noch genügend Licht erfasst wird. Als Kamera wird eine Kleinbildkamera mit 26 Megapixeln Auflösung, Pixelgröße ca. 6 µm und einem Bildfeld von ca. 24 mm x 36 mm ausgewählt. In der Szintillatorebene ergibt sich dadurch eine kameraseitige Strukturauflösung von etwa 60 µm. Die Szintillatorgröße, die mit der Kamera erfasst werden kann beträgt ca. 240 mm x 360 mm. Als geometrischer Abbildungsmaßstab FOD/FDD wird 2 gewählt. Hierdurch ergibt sich etwa ein Messbereich vom Durchmesser 120 mm und 180 mm Höhe oder vom Durchmesser 180 mm und 120 mm Höhe, es können also recht große Werkstücke vollständig erfasst werden. Die Größe des Brennflecks 101 darf erfindungsgemäß maximal so groß gewählt werden, dass es zu keiner oder nur geringer Verschlechterung der Strukturauflösung in Bezug zur kameraseitigen Strukturauflösung kommt. Aus der kameraseitigen Strukturauflösung in der Szintillatorebene von 60 µm und dem geometrischen Abbildungsmaßstab von 2 ergibt sich eine maximale Brennfleckgröße von 60 µm. Diese Brennfleckgröße erlaubt die notwendigen großen Strahlleistungen, die zur Messung der entsprechend großen Werkstücke für leicht bis mittelschwer durchstrahlbare Materialien wie Kunststoffe oder Aluminium notwendig sind. Die Strukturauflösung in der Werkstückeebene, in diesem Fall die native Voxelgröße ist mit 30 µm für die meisten Geometriemerkmale ausreichend gut. Durch Subvoxeling lassen sich Ortsauflösungen und damit die Genauigkeit der Messungen im Bereich von ca. 3 µm erzielen. Dies ist für die meisten Toleranzen ausreichend genau. In den meisten Fällen ist jedoch die Brennfleckgröße durch die für die Durchstrahlung des Werkstücks notwendige Leistung und/oder die Bauweise der Röntgenröhre bereits festgelegt, so dass in umgekehrter Weise die Auslegung von Optik und Kamera und soweit möglich des geometrischen Abbildungsmaßstabs erfolgt.
• Werden dementsprechend noch größere Strahlleistungen und damit Brennfleckgrößen benötigt, so kann das Werkstück beispielsweise näher am Szintillator 105 angeordnet werden, FOD also vergrößert werden, wodurch sich ein geringerer geometrischer Abbildungsmaßstab FOD/FDD ergibt, um die brennfleckseitige Strukturauflösung nicht im Verhältnis der Brennfleckgrößenänderung zu verschlechtern. Durch diese Maßnahme können auch günstigere Röntgenröhren mit größerem Brennfleck, beispielsweise Minifokusröhren mit Brennfleckdurchmessern ab 200 µm, insbesondere auch ab 500 µm bis ca. 1 mm eingesetzt werden. Kommt es in der Folge zu schlechteren brennfleckseitigen Strukturauflösungen, so kann auch die Pixelgröße der Kamera geringer gewählt werden oder es wird eine weniger vergrößernde Optik eingesetzt und kleinere Kamerachip-Größen sind einsetzbar, wodurch sich weitere Kosten sparen lassen. Die dann verringerte Strukturauflösung ist bei großen Werkstücken oft noch akzeptabel.
• Anhand der 2 wird ein Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung einer Röntgenstrahlenquelle 200 mit Reflexionstarget 201 für einen hier nicht dargestellten Computertomografen verdeutlicht. Der Ausschnitt umfasst nur einen Teil der Bauteile, die sich weitestgehend in einer Vakuumkammer befinden. In der nicht dargestellten Vakuumkammer wird ein Elektronenstrahl 205 durch eine Kathode erzeugt und durch Ablenkeinrichtungen (beides zusammen hier mit dem Bezugszeichen 208 gekennzeichnet) auf ein Reflexionstarget 201 fokussiert bzw. gelenkt. Das Target 201 besteht aus einem Diamantsubstrat 201a mit einer darauf angebrachten Wolframschicht 201b, die beim Auftreffen des fokussierten Elektronenstrahls 205 Röntgenstrahlen 204 erzeugt, die nach außen durch ein hier nicht dargestelltes Austrittsfenster der Vakuumröhre abgegeben wird.
• Das Diamantsubstrat 201a des Targets 201 ist an der von der Wolframschicht 201b abgewandten Seite mit dem Anodengrundkörper 202a der Anode 202 verbunden, insbesondere flächig eingelötet. Der Anodengrundkörper 202a besteht aus Kupfer bzw. einer gut wärmeleitfähigen Kupferlegierung und ist als massiver, nicht hohler Zylinder ausgeführt und in einem Griff 206 eingesetzt. Bei dem Griff 206 handelt es sich um einen den Anodengrundkörper 202a zumindest teilweise umfassenden, also möglichst vollflächig berührendes Bauteil, um einen guten Wärmeübergang zu erzeugen, das gekühlt wird. Hierdurch wird der Anodengrundkörper 202a gekühlt. Zur Kühlung des Griffs 206 ist dieser mit einer Kühlvorrichtung 207 verbunden und enthält beispielsweise Kühlkanäle oder aufgebrachte Kühlschlangen. Als Kühlmittel wird beispielsweise Wasser verwendet.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 7400704 [0012]
• DE 102013108367 [0013]
• DE 102017100594 [0042]
• DE 102006032606 [0086]
• WO 2014037557 [0112]

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Aufnahme von Durchstrahlungsbildern eines Werkstücks in mehreren Drehstellungen, insbesondere von über einen Winkelbereich von mindestens 180°, vorzugsweise mindestens 360° verteilten Drehstellungen, insbesondere Computertomograf (CT), umfassend eine Strahlungsquelle, insbesondere Röntgenquelle (Quelle) mit einem die Strahlung (Messstrahlung) abgebenden Brennfleck (Fokus), einen Strahlendetektor, insbesondere Röntgendetektor (Detektor) mit einer flächigen Szintillatorschicht, und eine Drehvorrichtung (Drehtisch) zur Aufnahme und Drehung des Werkstücks um eine Drehachse oder zur Aufnahme und Drehung von Quelle und Detektor um eine Drehachse, und eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist zur Rekonstruktion eines Volumendatensatzes (Voxelvolumens) aus den mehreren Durchstrahlungsbildern unterschiedlicher Drehstellungen des Werkstücks, vorzugsweise Bestimmung von Oberflächenpunkten aus dem Voxelvolumen und besonders bevorzugt Verknüpfung der Oberflächenpunkte zur dimensionellen Messung von Werkstückmerkmalen, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor zumindest besteht aus einem flächenförmigen Szintillator, der die das Werkstück durchstrahlte Strahlung der Quelle empfängt, einer von dem Szintillator räumlich getrennt angeordneten Matrixkamera (Kamera), die das vom Szintillator abgegebene Licht empfängt, und einer im Strahlengang zwischen Szintillator und Kamera angeordneten Optik, wobei zumindest Szintillator, Optik und Kamera, insbesondere Größe von Szintillator und Kamera und optischer Abbildungsmaßstab der Optik, so ausgelegt sind, dass sich das Werkstück in allen Drehstellungen vollständig innerhalb des vom Detektor erfassten Bereichs der Strahlung der Quelle befindet.
2. Verfahren zur dimensionellen Messung eines Werkstücks mittels Computertomografie vorzugsweise unter Verwendung der Vorrichtung nach zumindest Anspruch 1, wobei zumindest Durchstrahlungsbilder eines Werkstücks in mehreren Drehstellungen, insbesondere über einen Winkelbereich von mindestens 180°, vorzugsweise mindestens 360° verteilt, aufgenommen und rekonstruiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung eines Werkstücks zumindest Szintillator, Optik und Kamera, insbesondere Größe von Szintillator und Kamera und optischer Abbildungsmaßstab der Optik, so ausgelegt werden, dass sich das Werkstück in allen Drehstellungen vollständig innerhalb des vom Detektor erfassten Bereichs der Strahlung der Quelle befindet.
3. Verfahren zur dimensionellen Messung eines Werkstücks mittels Computertomografie nach vorzugsweise Anspruch 2, vorzugsweise unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung eines Werkstücks - die Anordnung der Komponenten Quelle, Drehtisch und Detektor zueinander (CT-Geometrie), insbesondere der Abstand FOD zwischen Quelle und Werkstück und/oder der Abstand FDD zwischen Quelle und Detektor und damit der geometrische Abbildungsmaßstab FDD/FOD und/oder - der optische Abbildungsmaßstab der Optik und/oder - die Auflösung, insbesondere Pixelgröße der Detektionsfläche der Kamera so ausgewählt werden, dass unter Berücksichtigung der verwendeten Brennfleckgröße der eingesetzten Quelle eine zuvor festgelegte oder noch bessere Strukturauflösung erreicht wird, wobei vorzugsweise die Festlegung anhand einer Messaufgabe an einem zu messenden Werkstück erfolgt.
4. Verfahren zur dimensionellen Messung eines Werkstücks mittels Computertomografie nach vorzugsweise Anspruch 2 oder 3, vorzugsweise unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung eines Werkstücks CT-Geometrie und/oder optischer Abbildungsmaßstab und/oder Pixelgröße der Kamera so ausgewählt werden, dass die sich aus der verwendeten Größe des Brennflecks (Fokus) der Quelle und dem geometrischen Abbildungsmaßstab ergebende brennfleckseitige Strukturauflösung, die sich aus dem optischen Abbildungsmaßstab und der Pixelgröße der Kamera ergebende kameraseitige Strukturauflösung nicht oder zumindest nicht wesentlich verschlechtert, insbesondere dass kameraseitige Strukturauflösung und brennfleckseitige Strukturauflösung nahezu gleich groß sind.
5. Verfahren zur dimensionellen Messung eines Werkstücks mittels Computertomografie, vorzugsweise unter Verwendung der Vorrichtung nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung eines Werkstücks, in Abhängigkeit von der eingestellten Leistung der Quelle, und damit der verwendeten Brennfleckgröße, dem Abstand FDD zwischen Quelle und Detektor und dem sich aus der CT-Geometrie ergebenden Kegelwinkel des vom Detektor erfassten Bereichs der Messstrahlung, der Abstand FOD zwischen Quelle und Werkstück automatisch so eingestellt wird, dass: - eine zuvor festgelegte oder noch bessere Strukturauflösung erreicht wird, vorzugsweise wobei die Festlegung anhand einer Messaufgabe an dem zu messenden Werkstück erfolgt und - die sich aus der verwendeten Größe des Brennflecks (Fokus) der Quelle und dem geometrischen Abbildungsmaßstab ergebende brennfleckseitige Strukturauflösung, die sich aus dem optischen Abbildungsmaßstab und der Pixelgröße der Kamera oder aus der Pixelgröße der direkt nach einem Szintillator des Detektors angeordneten Kamera ergebende kameraseitige Strukturauflösung nicht oder zumindest nicht wesentlich verschlechtert, insbesondere dass kameraseitige Strukturauflösung und brennfleckseitige Strukturauflösung nahezu gleich groß sind und - vorzugsweise sich das Werkstück in allen Drehstellungen vollständig innerhalb des vom Detektor erfassten Bereichs der Strahlung der Strahlungsquelle befindet.
6. Verfahren zur Bestimmung der mindestens notwendigen Strukturauflösung (größter zulässiger Strukturauflösungswert) für die dimensionelle Messung geometrischer Eigenschaften an Werkstücken, vorzugsweise für die Messung mit einem Koordinatenmessgerät, besonders bevorzugt für eine Computertomografie oder für eine Bildverarbeitungsmessung mit einer Matrixkamera, gekennzeichnet, durch die folgenden Schritte: - Extrahierung der zu messenden geometrischen Eigenschaften und der dazu zu erfassenden Merkmale wie Regelgeometrieelemente aus den Zeichnungsdaten und/oder PMI-Daten des zu messenden Werkstücks manuell durch den Bediener und/oder automatisch, - Zuordnung der für die Bestimmung der geometrischen Eigenschaften mindestens zu erfassenden Messpunkte (Anzahl und Lage) an den Merkmalen anhand von dem jeweiligen Merkmal entsprechenden Regelgeometrieelement zugeordneten Regeln, beispielsweise aus einer Datenbank, manuell durch den Bediener und/oder automatisch, - Bestimmung der mindestens notwendigen Strukturauflösung, so dass die zu erfassenden Messpunkte getrennt voneinander erfassbar sind, vorzugsweise aus dem geringsten Abstand zwischen zwei der mindestens zu erfassenden Messpunkte jeweils eines Merkmals und/oder aus der Größe des kleinsten Regelgeometri eel ementes.
7. Verfahren zur dimensionellen Messung geometrischer Eigenschaften an Werkstücken, vorzugsweise mit einem Koordinatenmessgerät, wobei Messpunkte an Merkmalen, insbesondere Regelgeometrieelementen erfasst werden, die zur Bestimmung der jeweiligen geometrischen Eigenschaft verknüpft werden, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Lage bzw. Position eines oder mehrerer Messpunkte maximal zulässige Streuung und/oder Messunsicherheit aus der jeweiligen Verknüpfung der Messpunkte und daraus gebildeter Merkmale zu der jeweiligen geometrischen Eigenschaft und der der jeweiligen geometrischen Eigenschaft zugeordneten Toleranz aus den Zeichnungsdaten und/oder PMI-Daten des zu messenden Werkstücks manuell durch den Bediener und/oder automatisch berechnet wird,
8. Verfahren nach vorzugsweise Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der verwendeten Messpunkte für die dimensionelle Bestimmung von geometrischen Merkmalen an einem oder mehreren gleichzeitig mittels Koordinatengerät, besonders bevorzugt Koordinatenmessgerät mit Computertomografie-Sensor, zu messenden Werkstücken, und anhand der den verwendeten Messpunkten zugeordneten maximal zulässigen Streuung und/oder Messunsicherheit zur Überprüfung der Toleranzen der geometrischen Merkmale, insbesondere des Messpunktes mit der geringsten zulässigen Streuung und/oder Messunsicherheit, die Messparameter für die Computertomografie, vorzugsweise unter Berücksichtigung einer festgelegten maximal zulässigen Messzeit, so festgelegt werden, dass - die maximal zulässige Streuung und/oder Messunsicherheit eingehalten oder unterschritten wird und - die mindestens notwendige Strukturauflösung für die Bestimmung der für die Ermittlung der geometrischen Merkmale mindestens notwendigen Messpunkten eingehalten wird oder der Wert der mindestens notwendigen Strukturauflösung unterschritten wird.
9. Röntgenstrahlenquelle für einen Computertomografen, vorzugsweise zur Inspektion und/oder dimensionellen Messung von Merkmalen an einem Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenstrahlenquelle ein flüssiges Targetmaterial (Flüssig-Target) aufweist, welches eine Metallsalz-Lösung beinhaltet.
10. Computertomografievorrichtung aufweisend zumindest eine Strahlungsquelle, insbesondere Röntgenstrahlungsquelle, mit zumindest einem Filterwechsler für einen oder mehrere mechanische Strahlfilter, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Wechselplatz eines ersten Filterwechslers eine Schlitzblende angeordnet ist, die wahlweise in den Röntgenstrahlengang einbringbar ist, wobei vorzugsweise in Strahlrichtung versetzt zum ersten Filterwechsler ein zweiter Filterwechsler angeordneter ist, der einen oder mehrere Wechselplätze für mechanische Strahlfilter aufweist.
11. Verfahren vorzugsweise unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Computertomografie, vorzugsweise eine Computertomografie mit verringerter Streustrahlung, besonders bevorzugt zur dimensionellen Messung von Merkmalen an Werkstücken, eine in einem Wechselplatz eines ersten Filterwechslers angeordnete Schlitzblende in den Röntgenstrahlengang eingebracht wird, wobei vorzugsweise eine in einem Wechselplatz eines zweiten Filterwechslers angeordnete mechanische Strahlblende ebenfalls in den Röntgenstrahlengang eingebracht wird.
12. Röntgenstrahlenquelle (200), vorzugsweise für einen Computertomografen, besonders bevorzugt ausgebildet zur Inspektion und/oder dimensionellen Messung von Merkmalen an einem Werkstück mittels Computertomografie, aufweisend ein Reflexionstarget (201), das von einer Anode (202), vorzugsweise nicht drehbarer Stehanode, ausgeht, wobei das Target (201) eine Wolframschicht (201b) aufweist, die zur Erzeugung von Röntgenstrahlen (204) beim Beschuss mit Elektronen (205) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (202) einen massiven Grundkörper (Anodengrundkörper) (202a) aus Kuper oder einer Kupferlegierung umfasst, wobei von einer Stirnseite des Anodengrundkörpers (202a) ein Diamantsubstrat (201a) ausgeht und von dem Diamantsubstrat (201a) die Wolframschicht (201b) ausgeht.
13. Verfahren zur Inspektion eines Werkstücks und/oder zur dimensionellen Messung geometrischer Eigenschaften an einem Werkstück mittels Computertomografie, wobei Durchstrahlungsbilder des Werkstücks in zumindest einem ersten Set von mehreren Drehstellungen des Werkstücks, insbesondere über einen Winkelbereich von mindestens 180°, vorzugsweise mindestens 360° verteilt, aufgenommen und zu einem ersten Volumendatensatz (erstes Voxelvolumen) rekonstruiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem ersten Volumendatensatz eine Artefaktkorrektur wie vorzugsweise empirische Artefaktkorrektur berechnet wird und dass nach der Aufnahme des ersten Sets Durchstrahlungsbilder des Werkstücks in zumindest einem zweiten Set von mehreren Drehstellungen des Werkstücks, insbesondere über einen Winkelbereich von mindestens 180°, vorzugsweise mindestens 360° verteilt, aufgenommen und zu einem zweiten Volumendatensatz (zweites Voxelvolumen) rekonstruiert werden, wobei auf die Durchstrahlungsbilder und/oder die Rekonstruktion und/oder den zweiten Volumendatensatz des zweiten Sets die Artefaktkorrektur angewendet wird.
14. Verfahren zur Korrektur der Verzeichnung eines Detektors eines Computertomografen, wobei ein kalibriertes Einmessnormal mit mehreren Merkmalen, die derart angeordnet sind, dass sie über den zu korrigierenden Messbereich des Detektors verteilt, vorzugsweise gleichmäßig verteilt, abgebildet werden, wie beispielsweise Platte mit mehreren regelmäßig angeordneten Kugel, an zumindest einer ersten Position zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor des Computertomografen angeordnet wird und zumindest ein Durchstrahlungsbild aufgenommen wird, wobei die Verzeichnungskorrektur durch Vergleich der Merkmalsposition, insbesondere Kugelposition, im Durchstrahlungsbild und aus den Kalibrierdaten erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Einmessnormal an zumindest einer zweiten Position zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor angeordnet wird und zumindest ein zweites Durchstrahlungsbild aufgenommen wird, wobei die Merkmalspositionen aus dem zweiten Durchstrahlungsbild ausgewertet werden, und dass anhand der Merkmalspositionen aus zumindest dem ersten und dem zweiten Durchstrahlungsbild und aus den Kalibrierdaten der Merkmalspositionen die Gerätegeometrie, insbesondere die Lage von Strahlungsquelle, Drehachse des das zu messende Werkstück aufnehmenden Drehtischs und Detektor relativ zueinander und/oder die Detektororientierung, bestimmt wird.
15. Verfahren zur Bestimmung der Geometrie eines Computertomografen (CT), also der Relativlage zwischen den Komponenten Strahlenquelle, insbesondere Röntgenquelle (Quelle), Strahlendetektor (Detektor), insbesondere flächig ausgebildeter 2D-Detektor, und Drehachse des Drehtischs zur Aufnahme zu messender Werkstücke (CT-Geometrie), insbesondere beschrieben durch sogenannte SOUV-Vektoren, bevorzugt Bestimmung des Abbildungsmaßstabs des CT, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere Durchstrahlungsbilder eines, vorzugsweise kalibrierten, auf dem Drehtisch angeordneten Prüfkörpers in einer oder mehreren Drehstellungen und/oder einer oder mehreren Lagen des Prüfkörpers relativ zu Quelle und Detektor, vorzugsweise mehreren in einer Ebene parallel zur Detektorebene versetzten Lagen, aufgenommen werden und durch eine künstliche Intelligenz (KI) wie neuronales Netzwerk verarbeitet werden, um die Relativlage der Komponenten zueinander zu bestimmen.

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