DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Optimierung der Bildaufnahme mit Flachdetektoren für ADR Systeme

Dr.-Ing. Klaus Bavendiek
Dr. Uwe Heike
YXLON International X-Ray GmbH
Kontakt: Dr.-Ing. Klaus Bavendiek

Die fortschreitende Entwicklung in der Aluminium/Magnesiumgießtechnik eröffnet immer neue und vielfältigere Einsatzgebiete, z.B. zur Gewichtsreduktion und Energieeinsparung in der Automobilindustrie. Die Röntgentechnik ist ein zuverlässiges Prüfverfahren, das für sicherheitsrelevante Gußteile zur Qualitätssicherung dient, heute realisiert in vollautomatischen PrüfSystemen (ADR Systeme).

Unabhängig von der Algorithmik der Bildauswertung kommt der Bildaufnahme-Kette (Röntgenröhre - Filter - Detektor) eine hohe Bedeutung zu. Sie entscheidet wesentlich auf der einen Seite über die sichere Detektion der Fehler und auf der anderen Seite über die Anzahl der Teile, die fälschlicherweise als fehlerhaft ausgeschleust werden (Pseudo-Ausschuß).

In dem Beitrag werden die Auswirkung der verschiedenen Faktoren wie

  • Rauschen (incl. Ursachen des Rauschens)
  • Bildaufnahmezeit
  • Auswirkung verschiedener Röhrenparameter (kV und mA)
  • Auswirkung der Aufhärtung der Strahlung durch Vorfilter
  • Auswirkung der geometrischen Unschärfe (FDA/FOA)
  • Bewegung des aufzunehmenden Objektes während der Bildaufnahme
dargestellt und anhand von Ergebnissen praktischer Versuche präsentiert. Die Zielrichtung dabei ist die Darstellung der erreichbaren Detektionsrate gegenüber dem Pseudo-Ausschuß. Für die Bildauswertung wird die nichtlineare Diffusion herangezogen, da sie Filtergrößenunabhängig und richtungsneutral arbeitet. Testobjekte sind ein 5-Loch Keil und ein reales, präpariertes Aluminium-Gußteil. Am Schluß werden Vorschläge für die Optimierung der Parameter gegeben.
Die durchgeführten Messungen gelten für digitale Flachdetektoren mit 12 - 16 Bit Auflösung.

Signalerzeugung beim ASD

Bei einem Amorphous Silicon Detektor (ASD) werden in einer Szintillator Schicht die Röntgenquanten in Lichtquanten umgewandelt. Eine dickere Schicht erzeugt mehr Lichtquanten bei gegebener Anzahl Röntgenquanten, birgt aber den Verlust an geometrischer Auflösung. Detektoren dieser Bauart sind von 80µm bis 400µm Pixelauflösung verfügbar.

Testkörper für die Ermittlung der Parameter

Für die Ermittlung der verschiedenen Parameter wurden zwei verschiedene "neue" Testkörper verwendet: Ein Keil mit 5 langen Löchern sowie Hohlkugeln, eingebracht in reale Gußteile (1).
Der 5-Loch Keil ist sehr gut geeignet aufzuzeigen, bei welcher Materialdicke noch welche Erkennbarkeit gegeben ist, da die Löcher entlang der Achse angebracht sind, an der das Material ständig zunimmt. Bild 1 zeigt dies als Beispiel im Vergleich für die Rauschmessung.
Die Hohlkugel simuliert einen echten Fehler realistischer als Bohrungen, da die scharfen Kanten am Rand nicht auftreten.
Als Algorithmus für die Bildauswertung wird die Nichtlineare Diffusion eingesetzt (2).


Bild 1

Rauschen beim ASD mit Szintillator

Das Bildrauschen setzt sich zusammen aus dem Rauschen des Detektors sowie dem Quantenrauschen. Das Rauschen eines modernen Detektors beträgt wenige DigitalWerte und kann für Anwendungen mit Belichtungszeiten von <10s gegenüber den Quantenrauschen vernachlässigt werden. Das Quantenrauschen ist proportional zur Wurzel der Anzahl Quanten - für das Signal/Rauschverhältnis (SNR) ist also in dem Fall die Anzahl Quanten der limitierende Faktor. Die Anzahl Quanten kann mit dem Röhrenstrom oder mit der Integrationszeit - z.B. Anzahl der integrierten Frames des Detektors angegeben werden.

Auswirkung unterschiedlicher Belichtungszeite

Bild 2 zeigt, dass bei dem gegebenen Detektor die Erhöhung der Integrationszeit auf 400ms eine starke Verbesserung in der Bildqualität bringt. Dies äußerst sich in der Form, dass die Anzahl der Fehldetektionen - erkennbar als einzelne "Pünktchen" neben den Linien - stark abnimmt. Die Verlängerung auf 2,7s bringt demgegenüber keine sehr große Verbesserung mehr.


Bild 2:
Auswirkung verschiedener Integrationszeiten

Bild 3:
Auswirkung verschiedener Vorfilter

Auswirkungen von (Vor-)Filtern

Durch Filter vor der Röhre wird die mittlere Röhrenenergie zu höheren Werten verschoben, da Werte geringerer Energie durch den Vorfilter absorbiert werden. Dadurch bekommt man zwar weniger Signal am Detektor, die weggefilterten Energien tragen aber wenig zum Nutzsignal bei und auch das Signal/Rauschverhältnis wird verbessert. Die folgenden Bilder sind mit einem Gußteil aufgenommen worden, bei dem eine 1,5mm Hohlkugel sowie eine 1mm Bohrung eingebracht wurden (gelbe Pfeile in Bild 3, Mitte oben; rechts die Hohlkugel).

Es ist zu erkennen, dass ohne Vorfilter recht viele kleine Pseudo-Strukturen erkennbar sind, bei einer geeigneten Wahl des Vorfilters (hier 0,5mm Kupfer), wird der Bild klarer und die kleinen Strukturen verschwinden. Bei zu großem Vorfilter wird das Bild unschärfer und der Kontrast der echten Fehler wird reduziert; wenn nun die Empfindlichkeit des Systems erhöht wird, kommen großflächigere Pseudo-Strukturen im Bild hinzu.

Auswirkung verschiedener Röhrenparameter

Die einstellbaren Röhrenparameter sind neben der Zeit (s.o.) der Röhren-Strom (mit ähnlichen Auswirkungen) sowie die Röhren-Spannung zum Einstellen der Energie.

Die Messungen zeigen, dass bei zu geringer Energie das Prüfteil nur unzureichend durchleuchtet wird; das Bild ist flau und die Empfindlichkeit des Systems zur Detektion der Bohrung und der Hohlkugel muss stark erhöht werden. Dadurch entstehen viele Pseudostrukturen, gerade an den Rändern des Prüfteils. Eine zu hohe Energie richtet in diesem Hinblick sehr viel weniger Schaden an, der etwas geringere Kontrast im Vergleich zur optimalen Einstellung kann leicht mit der Empfindlichkeit ausgeglichen werden, ohne dass viele Pseudo-Strukturen entstehen.


Bild 4: Auswirkung verschiedener Röhrenspannungen (Energien)


Bild 5: Auswirkung verschiedener Röhrenströme (Quanten)

Die Messungen zeigen, dass mit zunehmenden Röhrenstrom das Bild ein besseres SNR bekommt (s.o.). Als Limitierung ist nur die maximale Kapazität des Detektors zu beachten, viele Detektoren neigen bei zu hoher Quantenanzahl zu Überstrahlungen. Für die hier vorgestellte Anwendung ist der Detektor optimal geeignet, der möglichst viele Quanten umsetzen kann.

Bei dem Vergleich wurde für die Durchleuchtung von 80mm Aluminium die notwendige Energie auf 140kV ermittelt; der Detektor der Baureihe AG4 von PerkinElmer kann bei dieser Spannung 1000W aufnehmen; für den Detektor der Baureihe AL1 mußte die Leistung auf 200W reduziert werden; der gleichmäßig graue Hintergrund resultiert daraus, dass hier der Detektor bereits in der Sättigung betrieben wurde.


Bild 6:
Detektor Typ AG4(links), Detektor Typ AL1 mit optimalen Röntgenparametern (rechts)

Bild 7:
Detektor Typ AG4 (links), Detektor Typ AL1 mit optimalen Röntgenparametern (rechts)

Bei allen Bildern wurden 3 frames integriert. Bis zu einer Materialdicke von 25mm ist der Detektor AL1 noch für die Aufgabenstellung geeignet, bei größeren Materialdicken wird das Rauschen sehr stark. Der Detektor AG4 kann bis ca. 60mm Materialdicke noch das 0,8mm Langloch erkennen, das 1,5mm Langloch wird noch bis 75mm durchgehend detektiert.

Auswirkung der geometrischen Unschärfe


Bild 8: Ausnutzung der geometrischen Vergrößerung

Durch Heranbringen des Prüfobjekts an die Röntgenröhre wird eine Vergrößerung erzielt, die kleine Fehler besser sichtbar machen kann.

V = FDA / FOA

Dagegen steht die Größe des Brennflecks, die eine Unschärfe im Bild produziert.
Weiterhin ist speziell bei ADR Anlagen eine möglichst geringe Prüfzeit gefordert, es soll also soviel vom Teil wie möglich in ein Bild gebracht werden. Daher ist eine kleine Vergrößerung gewünscht


Bild 8a: Ausnutzung der geometrischen Vergrößerung

Die beste Fehlererkennbarkeit bei gegebener Brennfleckgröße und Detektorpitch (hier: 0,4mm) zeigt das nebenstehende Diagramm. Für die automatische Fehlererkennung wird davon aus-ge-gangen, dass mindestens 2,5 benachbarte Pixel in jeder Richtung von dem Fehler überdeckt werden.
Bei der häufig verwendenten Röhre mit 1,0mm Brennfleck (0.4 nach alter Norm) ergibt sich rechnerisch die beste Fehlererkennung bei einer Vergrößerung von ca. 1,3. Bei mehr Vergrößerung nimmt die Unschärfe durch die Brennfleckgröße mehr zu, als die Vergrößerung an Erkennbarkeit bringt.


Bild 9:

Das rechte Bild zeigt das vollständige Detektorbild bei der Vergrößerung von 2. Im linken Bild ist ein Ausschnitt aus dem Detektorbild gezeigt, bei dem sich das Prüfteil relativ dicht am Detektor befunden hat; die Darstellungen wurde auf vergleichbare Größe skaliert.

Auswirkung von Bewegung

Wenn das Prüfteil sich während der Bildaufnahme bewegt, entsteht eine Bewegungsunschärfe. Eine geringe Bewegung kann meist nicht vermieden werden, soll doch das Prüfobjekt bei der Prüfung schnell von einer in die nächste Position bewegt werden. Ein Nachschwingen des Prüfobjekts beim Erreichen der Position ist dann kaum zu vermeiden. Im folgenden soll gezeigt werden, wie sich Bewegungen im Detektorbild zeigen. Basis ist hier ein PerkinElmer Detektor, der von oben und unten parallel Richtung Mitte ausgelesen wird

Im Differenzbild zwischen Stillstand und Bewegung mit 1,5mm/s (abklingende Bewegung) ist zu sehen, dass oben und unten im Bild - gekennzeichnet durch die Pfeile -noch eine Bewegung herrschte, die aber während des Auslesens nahe Null abgeklungen ist, wie in der Bildmitte zu sehen.
Der Effekt der abklingenden Bewegung kann genutzt werden, wenn statt nur einem Frame drei Frames hintereinander eingezogen werden und der Mittelwert aus den drei Frames gebildet wird.
Das Bild 11 zeigt abklingende Bewegung mit 1,5mm/s, links mit 1 Frame und rechts mit 3 Frames aufgenommen Durch die längere Aufnahmezeit und die Integration wird die Bewegungsunschärfe "wegintegriert".


Bild 10:
Auswirkung von Bewegung: Stillstand (links), 1,5mm/s (rechts), 12mm/s (unten)

Bild 11:
Linienprofil mit 1 Frame (links), Linienprofil mit 3 Frames sowie Differenzprofil (rechts

Fazit

Aus den Messungen ergeben sich folgende Fazits

  • Das Rauschen erzeugt die Fehldetektionen (Pseudos)
  • Mehr Frames bedeutet weniger Rauschen und damit weniger Pseudos bei besserer Fehlererkennbarkeit
  • Der größe Gewinn an Qualität ist von 1 nach 3 Frames
  • Bei mehreren Frames wird auch die Bewegungsunschärfe wegintegriert
  • Ohne Vorfilter verrauscht Streustrahlung das Bild
  • Ein zu dicker Vorfilter reduziert das Nutzsignal und macht "flaues" Bild
  • Zu wenig kV schränken den Nutzbereich unzulässig ein
  • Zu viel kV reduziert den Kontrast und erhöht das Rauschen, aber ...
  • ... zu viel kV ist eher geeignet als zu wenig kV
    (gilt für digitale Flachdetektoren mit ausreichend Quantenkapazität)
  • Wenig Strom bringt kein gutes Bild; der Gewinn steigt erst bei Strömen >>1mA
    (gilt für digitale Flachdetektoren mit ausreichend Quantenkapazität)
  • Der geeignete Detektor bringt den größten Gewinn
  • Die optimale Vergrößerung für ADR Anlagen liegt bei ca. 1,3

Literaturhinweise:

  1. Verfahren zur automatischen Überprüfung der Bildqualität und der Messung der Erkennungssicherheit bei ADR-Systemen
    Dr. Uwe Heike, Dr.-Ing. Klaus Bavendiek
    DGZfP Jahreskonferenz Vortrag, Mai 2001 in Berlin
  2. Intelligent X-Ray Analysis, ein Verfahren zur Fehlererkennung in Röntgenbildern mittels nicht-linearer Diffusion ohne apriori Information
    Frank Herold, Dr.-Ing. Klaus Bavendiek, Prof. Dr.-Ing. Rolf Rainer Grigat
    DGZfP Jahreskonferenz Vortrag, Mai 2003 in Wiesbaden

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