DE3875999T2

DE3875999T2 - Abbildungsanlage.

Info

Publication number: DE3875999T2
Application number: DE8888303086T
Authority: DE
Inventors: Richard University Of Ansorge; John University Of Rushbrooke
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: EG&G Astrophysics Research Corp
Priority date: 1987-04-10
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1993-03-25
Anticipated expiration: 2008-04-01
Also published as: US4933961A; AU615435B2; GB2204770B; GB8807722D0; EP0286393A3; DE3875999D1; EP0286393A2; JPS63304189A; NZ224166A; GB2204770A; CA1288874C; EP0286393B1; AU1434088A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Abbildungssysteme, und insbesondere auf Systeme zur Abbildung großer Gegenstände. Unter "groß" soll dabei ein Gegenstand verstanden werden, dessen Fläche sehr viel größer ist als die Fläche des benutzten Strahlungsdetektors, so daß entweder nur ein sehr kleiner Teil des gesamten Gegenstandes durch den Detektor in jedem Augenblick erfaßt werden kann, oder nur ein sehr stark verkleinertes Bild des Gegenstandes erzeugt werden muß, um den gesamten Gegenstand für den Detektor erkennbar zu machen.
Das Transportieren von Gütern über die Grenzen in großen Behältern ergibt Probleme hinsichtlich der Sicherheitsüberwachung. Derartige Behälter, die im typischen Fall ein Volumen von 24 Kubikmetern besitzen und im typischen Fall 20 Tonnen oder mehr wiegen, werden häufig rechtswidrig benutzt, um Güter wie beispielsweise Waffen, Schmuggelware, Drogen oder dergleichen zu importieren. Röntgenstrahlen mit einer Energie von im typischen Fall 5 bis 10 MeV besitzen eine genügende Durchdringungsenergie, um nützliche Röntgenstrahlenbilder vom Inneren derartiger Behälter anzufertigen, und ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung befaßt sich mit einem Abbildungssystem, durch das derartige Behälter einer Röntgenstrahlenüberwachung unterzogen werden können.
Bei einem System der vorgeschlagenen Art zur Röntgenbilduntersuchung für medizinische Zwecke, wie es beispielsweise in der GB-A-2176680 beschrieben ist, wird das Röntgenstrahlenbild durch einen großflächigen dünnen fluoreszierenden Schirm über eine Verstärkerkamera (beispielsweise ein SIT-Vidicon oder eine CCD-Kamera) überwacht.
Ein Nachteil eines derartigen großflächigen fluoreszierenden Schirmsystems besteht darin, daß das Röntgenstrahlenbild hinsichtlich seiner Qualität durch die Abtaststrahlung verschlechtert wird, die im typischen Fall mehrmals größer in der Intensität sein kann als die Röntgenstrahlen, d. h. jene, die der Abtastung in dem zu überwachenden Behälter nicht ausgesetzt wurden.
In den IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS34, Nr. 1, Februar 1987, New York, USA, Strauss et al, S. 389-395, ist ein Röntgenstrahlenabbildungssystem beschrieben. Das System umfaßt eine Röntgenstrahlenquelle hoher Energie zur Durchdringung des zu überwachenden Gegenstandes, Mittel zur Umwandlung von Röntgenstrahlen in Licht in Gestalt eines Phosphorblattes und mehrere optische Fasern zur Übertragung des Lichtes vom Phosphorblatt nach einem Bildverstärker und einem Sichtgerät, auf welchem das Bild des Gegenstandes wiedergegeben wird. Unglücklicherweise kann die Benutzung eines großen Phosphorblattes, mit dem sämtliche optische Fasern verbunden sind, zu einem Lichtverlust, zur Lichtabzweigung und zu Lichtquer- Verbindungen zwischen den optischen Fasern führen, wodurch die Bildqualität beeinträchtigt wird. Außerdem eignet sich Phosphor dicht sehr gut zur Benutzung mit Röntgenstrahlen hoher Energie mit einer Größe, die erforderlich ist, um eine Überwachung des Inhalts großer Gegenstände zu gewährleisten.
Ein industrielles Röntgenstrahlen-Inspektionssystem zur Abbildung des Inneren eines Gegenstandes umfaßt folgende Teile:
eine Röntgenstrahlquelle hoher Energie zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, die den Gegenstand durchdringen;
einen Konverter, der die Röntgenstrahlen in Licht umwandelt;
einen Bildverstärker zur Verstärkung eines Bildes, das von dem Wandler empfangen wurde, wobei der Verstärker eine Eingangsebene und eine Ausgangsebene besitzt;
eine Fernsehkamera, die mit dem Bildverstärker gekoppelt ist, um ein in der Ausgangsebene des Bildverstärkers erzeugtes Bild zu empfangen;
eine Vielzahl optischer Fasern zur Übertragung des Bildes von dem Wandler;
es ist dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter aus einem linearen Feld von in regelmäßigem Abstand angeordneten Szintillationskristallen besteht, wobei jeder Kristall langgestreckt ausgebildet und mit einer Stirnfläche der Quelle zugewandt gelagert ist, daß eine optische Faser für jeden Kristall vorgesehen ist, und daß jede Faser mit einem Ende benachbart zur anderen Stirnfläche des jeweiligen Kristalls abgestützt ist, um durch jenen Kristall erzeugtes Licht zu empfangen, während das andere Ende jeder optischen Faser in einem zweidimensionalen ebenen Feld benachbart zu einem jeweiligen Abschnitt der Eingangsebene des Bildverstärkers gehaltert ist.
Es ist ersichtlich, daß durch Anordnung eines Feldes von im regulären Abstand angeordneten Szintillationskristallen und durch Zuordnung je einer optischen Faser für jeden Kristall die Probleme von Lichtverlusten, Lichtabzweigungen und Lichtquerverbindungen zwischen den Fasern vermindert und möglicherweise eliminiert werden, wodurch ein wirksameres System geschaffen wird, der Bedienungsperson ein verbessertes Bild zu liefern.
Vorzugsweise weist das System einen Analog/Digital-Wandler auf, der an die Fernsehkamera angeschlossen ist, um das das Bild repräsentierende Signal zu digitalisieren, welches von der Kamera erzeugt wird, und es ist ein Digitalsignalprozessor vorgesehen, der an den Konverter angeschlossen ist und die aufeinanderfolgenden Elemente des digitalisierten, das Bild darstellenden Signals derart sortiert, daß sie der Ordnung der entsprechenden Kristalle in dem linearen Feld entsprechen.
Ein Vorteil des Abbildungssystems gemäß der Erfindung besteht darin, daß der Detektor ein Reihendetektor oder ein Schlitzdetektor ist und er daher für Hintergrundstreustrahlung sehr viel weniger empfänglich ist als ein Detektor, der auf einem Weitwinkel-Fluoreszenzschirm basiert.
In der Praxis liefert ein Faserbündel etwa 2% des Lichtes vom Detektor nach einem Bildverstärker. Andererseits überträgt eine Linse, die eine in gleicher Weise bemessene Lichtquelle betrachtet, im typischen Fall weniger als ein Millionstel des Lichtes. Die Benutzung von Fasern ermöglicht somit sowohl eine Verminderung der Röntgenstrahlzeit, und es wird gleichzeitig eine bessere räumliche Auflösung geliefert. Im typischen Fall ist eine Strahlungszeit von 8 msec mit einer räumlichen Auflösung von etwa 1,5 bis 2 mm möglich.
Es werden immer die Ausgänge sämtlicher optischer Fasern im Bündel benutzt, d. h. es wird eine Parallelbehandlung benutzt, und dies stellt eine wirksame Art und Weise der Behandlung der ankommenden Information dar.
Vorzugsweise ist das Ausgangsende des Bündels der optischen Fasern am Eingang eines Verkleinerungsbildverstärkers angeordnet. Außerdem liegt vorzugsweise der Bildverstärker benachbart zu einer CCD-Kamera, die von der Doppelzonenbauart sein kann.
Wenn eine CCD-Kamera benutzt wird, dann wird zweckmäßigerweise die Pixelfolge (d. h. die Folge von Signalen, die auftreten, wenn die Pixel abgetastet werden) digitalisiert, indem ein Flash-Analog/Digital-Wandler (FADC) benutzt wird.
Der CCD-Ausgang kann hinsichtlich der Signale so bearbeitet werden, daß die Veränderung im Rauschpegel und der Empfindlichkeit zwischen einer Pixelquelle und einer anderen vermindert wird, wenn mehr als ein Pixel für das Licht aus einer Faser verantwortlich ist, wobei die Signale für die Pixel so addiert werden können, daß ein kombiniertes Signal für die betreffende Faser geliefert wird. Eine Signalverarbeitung dieser Art kann elektronisch unter Verwendung von Tabellen durchgeführt werden, die in einem RAM gespeichert sind. Bei Benutzung eines solchen Verfahrens kann eine Digitaldarstellung eines Gegenstandes mit einer Auflösung aufgebaut werden, die dem Faserabstand entspricht, und die resultierenden Signale, die sich auf den Gesamtgegenstand beziehen, können in einem Digitalspeicher gespeichert werden. Beiträge zum Gesamtbild, die sich auf irgendeinem Punkt im Gegenstand beziehen, erscheinen natürlich in jeder der n-Reihen (wenn ein n-Reihendetektor benutzt wird), und sie treten natürlich zu verschiedenen Zeiten auf und müssen in geeigneter Weise kombiniert werden. Bei Kenntnis der Geschwindigkeit des Gegenstandes relativ zum Detektor und bei Kenntnis des Abstandes zwischen den Säulen im Detektor kann jedoch diese Verarbeitung leicht durchgeführt werden.
Bei dem zu beschreibenden Ausführungsbeispiel sendet der Detektor Licht gemäß der Röntgenstrahlung aus. Zweckmäßigerweise wird der Inhalt des Speichers unter Benutzung eines Fernsehmonitors oder dergleichen dargestellt, um es der Bedienungsperson zu ermöglichen, eine visuelle Darstellung des Röntgenstrahlenbildes des überwachten Gegenstandes zu studieren.
Der Detektor kann ein schirmmaterial aufweisen, welches gemäß der Röntgenstrahlung fluoresziert.
Statt dessen kann der Detektor Kristalle aufweisen, die gemäß der auffallenden Röntgenstrahlung Licht emittieren.
Die Benutzung kleiner Kristalle ermöglicht eine höhere Auflösung als es bei einem Schlitzdetektor der gleichen Länge möglich wäre, der aus mittelgroßen szintillationskristallen aufgebaut ist. Außerdem sind die Kosten einschließlich Auslesen pro Kanal bei bekannten Siliziumkristalldiodenanordnungen derart, daß ein System, das kleinere Kristalle benutzt (mit einer Fläche von etwa 1·1 mm²) kostspieliger ist als die Kristall/Faseroptiklösung, die durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen wird. Im Vergleich mit einem Kristalldetektor, bei dem das Auslesen durch Siliziumfotodioden erfolgt, ermöglicht die Erfindung eine bessere Auflösung, außer wenn extrem undurchlässige Ladungen betrachtet werden, die beispielsweise äquivalent einer Stahldicke von 25 cm ist. Bei derartigen Ladungen müssen benachbarte Bildelemente (entsprechend den Fasern) kombiniert werden, um eine Größensprenkelung zu vermeiden, und in diesem Fall ergibt sich automatisch eine schlechtere Auflösung. Vorzugsweise ist der Abstand der optischen Fasern im wesentlichen gleich dem Abstand der Kristallzentren, wenn Kristalle benutzt werden.
Bei dem zu beschreibenden Ausführungsbeispiel umfaßt das optische Faserbündel eine Mehrzahl von Säulen bzw. Reihen optischer Fasern. So kann der Reihendetektor eine gewisse Redundanz insofern aufweisen, als er in Bewegungsrichtung des Gegenstandes mehrere Fasern breit, beispielsweise vier
Fasern breit, ist, so daß er im Hinblick auf einen Ausfall eines Kristalls weniger verwundbar ist als er es wäre, wenn nur eine einzige vertikale Reihe von Kristallen und zugeordneten Fasern benutzt wird.
Bei dem zu beschreibenden Ausführungsbeispiel umfaßt das Abbildungssystem mehrere Bündel optischer Fasern, und jedem Bündel sind ein Detektor und ein Bildverstärker oder eine Kamera zugeordnet.
Das Abbildungssystem kann benutzt werden, um einen Gegenstand abzubilden, der relativ groß gegenüber der Breite des Detektors ist und der sich im Betrieb allgemein senkrecht zur Länge des Detektors erstreckt. Bei einer zufriedenstellenden Betriebsart wird eine stetige Behälterbewegung von 1,5 mm pro 8 msec benutzt. Eine beträchtliche Veränderung in der tatsächlichen Behältergeschwindigkeit um beispielsweise 20% führt jedoch nur zu einem geringen Verlust der Horizontalauflösung. Nichtsdestoweniger kann es notwendig sein, die Vertikalvibration des Behälters auf Geschwindigkeiten dieser Größenordnung zu begrenzen (d. h. auf wenige Millimeter pro Sekunde), um die Vertikalauflösung aufrechtzuerhalten. Die Wirkung von vertikalen Vibrationen mit großer Amplitude kann jedoch dadurch kompensiert werden, daß die augenblickliche Vertikallage des Behälters überwacht wird und geeignete Korrekturen durchgeführt werden.
Diese Beschränkungen werden erwähnt unter der Voraussetzung, daß eine CCD-Kamera mit einer Taktfrequenz von 4 MHz benutzt wird, und eine höhere Taktfrequenz von beispielsweise 8 MHz würde ein entsprechendes Ansteigen der Geschwindigkeit des Gegenstandes relativ zum Detektor ermöglichen, und im Falle eines Standardbehälters würde dies die Behandlungszeit auf nur 15 Sekunden vermindern.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der bei liegenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 veranschaulicht, wie das Aspektverhältnis bzw. Bildformat eines faseroptischen Bündels, welches einen Teil des Abbildungssystems gemäß der Erfindung darstellt, zwischen Eingangsende und Ausgangsende geändert werden kann,
Fig. 2 eine Ansicht eines Röntgenstrahlenabbildungssystems gemäß der Erfindung.
Fig. 1 zeigt, wie ein optisches Faserbündel 22, das aus vier Reihen mit je beispielsweise 750 optischen Fasern besteht und ein Eingangsende 10 in Gestalt eines Streifens besitzt, am Ausgangsende 12 so gruppiert werden kann, daß Reihen und Zeilen gebildet werden, deren Aspektverhältnis sehr unterschiedlich sein kann von jenem am Eingangsende 10. Das Ausgangsende 12 hat gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Aspektverhältnis von 1,2 : 1, jedoch können auch andere Aspektverhältnisse von beispielsweise 3 : 2 oder 4 : 3 durch entsprechende Anordnung der Fasern erhalten werden.
Es ist ersichtlich, daß das resultierende Aspektverhältnis von Höhe zu Breite am Eingangsende 10, sehr groß ist und vom Aspektverhältnis eines Standardvidicons oder einer CCD- Kamera unterschieden ist und auch unterschiedlich vom Aspektverhältnis bzw. Bildformat eines üblichen Bildverstärkers, das gewöhnlich kreisförmig ist und einen Eingangsdurchmesser von weniger als 100 mm hat. Es ist zwar möglich, optisch das Streifenbild zu reduzieren, oder das Streifenbild mechanisch beispielsweise dadurch abzutasten, daß der Bildverstärker bewegt wird, aber alle diese Anordnungen führen zu Zeitverzögerungen und zu potentiellen Fehlern und zu einem Risiko hinsichtlich des Abfalls des Signal/Rausch-Verhältnisses des Systems.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die optischen Fasern zwischen Detektor und Eingang zum Bildverstärker so gruppiert, daß das Bildformat (Aspektverhältnis) des optischen Faserfeldes so geändert wird, daß die verfügbare Fläche der Kamera besser ausgenutzt werden kann, gleichgültig, ob es sich um ein CCD-Feld oder ein Vidicon handelt. Der Bildverstärkerausgang kann an eine CCD-Kamera angeschlossen werden, die eine ausnutzbare Bildfläche von 8,5 mm Breite und 4,3 mm Höhe besitzt und aus einer Matrix besteht, die 144 Pixelreihen besitzt, und jede Reihe 208 Pixel aufweist. Es sind vier Faserreihen vorgesehen, von denen jede 4500 mm hoch ist und 12000 Fasern insgesamt enthält, die das Streifenbild betrachten. Ein Viertel des Vertikalteils dieser Anordnung von Fasern, der 3000 Fasern umfaßt, könnte in eine Matrix von 60 Reihen mit je 50 Fasern in jeder Reihe umgewandelt werden, so daß ein Aspektverhältnis erzeugt wird, das sich der Bildfläche einer CCD-Kamera dichter annähert.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten der Regruppierung, weil eine Signalverarbeitung (unten beschrieben) benutzt wird, um das wirkliche Bild aus der Information über die geometrische Lage jeder Faser am Eingang und am Ausgang wiederzubilden.
Die Relativlagen der Fasern zwischen Eingangs- und Ausgangsenden 10 bzw. 12 liegen fest. Es ist jedoch nicht nötig, daß die Fasern am Ausgangsende 12 irgendeinem speziellen Muster von Fasern am Eingangsende 10 entsprechen, da das Ausgangsende 12 unter Benutzung einer Hochgeschwindigkeitsabtastkamera oder dergleichen abgetastet werden soll. Das Bild am Ausgangsende 12 kann in elektrische Signale umgewandelt oder digitalisiert werden, um in einem RAM gespeichert zu werden. Die Abbildung zwischen der Kamera und dem Speicher kann so sein, daß entsprechende elektrische Signale auf den unterschiedlichen Speicherplätzen derart abgelegt werden, daß eine einfache Auslesung des Speichers eine Rekonstruktion des Bildes vom Eingangsende 10 wiederherstellt. Statt dessen können die Speicherplätze in einem speziellen Muster ausgelesen werden, welches durch die Abbildung zwischen den entsprechenden Stellungen der Fasern am Eingang bzw. Ausgang bestimmt wird, so daß das Bild vom Eingangsende 10 durch Auslesen des RAM in geeigneter Weise wieder erzeugt wird.
Wenn ein genügend großer Speicher und eine entsprechende Abbildung sowohl räumlich als auch zeitlich benutzt wird, ist es möglich, innerhalb des RAM mehrere Bilder zu speichern, von denen jedes dem optischen Bild entspricht, welches dem Eingangsende 10 über mehrere Belichtungen eines Gegenstandes zugeführt wird, der selbst größer ist als das Eingangsende 10 des optischen Faserbündels. Infolge der Relativbewegung wird ein Gesamtbild im RAM aufgebaut, das dann unter Benutzung einer geeigneten Adressierung der RAM- Speicherplätze ausgelesen werden kann.
Bei der betrachteten Anordnung sind, um die volle Höhe des vertikalen Bildes erfassen zu können, vier Reihenfelder als Bündel 22 angeordnet, und jedes Reihenfeld hat ein Ausgangsende 12, welches durch eine eigene CCD-Kamera abgetastet wird. Die elektrischen Signale der verschiedenen Kameras müssen dann in geeigneter Weise mit einer weiteren Abbildung zwischen einem Kameraausgang und einem anderen gespeichert werden, so daß das Gesamtbild, welches im RAM gespeichert ist, in geeigneter Weise ausgelesen werden kann.
Ein optisches Faserbündel 22 ist in Fig. 1 dargestellt, und dieses wurde bisher in einer speziellen Anwendung hinsichtlich der Überwachung großer Gegenstände beschrieben, beispielsweise von genormten Containern, die im typischen Fall eine Länge von 6 m, eine Breite von 2 m und eine Höhe von 2 m aufweisen. Eine solche Überwachung hat sich als zunehmend wichtig erwiesen, um das Einschmuggeln insbesondere von Waffen und dergleichen zu verhindern, und ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems, welches nunmehr beschrieben wird, ermöglicht die Inspektion des Inneren eines verschlossenen Containers unter Benutzung einer Röntgenstrahlquelle.
Fig. 2 ist eine Endansicht eines Abbildungssystems zur Inspizierung von Containern dieser Art, und es ist gegenüber einer Röntgenstrahlquelle 14 auf einer Seite eines Pfades angeordnet, entlang welchem die Behälter sich auf einem Fahrgestell oder einem Förderriemen oder dergleichen bewegen. Ein Förderriemen ist mit 16 gekennzeichnet, und darauf befindet sich ein Container 18.
Eine bevorzugte Röntgenstrahlquelle ist ein LINAC oder mehrere LINACs, die typischerweise mit 8 MeV mit einer Impulsfrequenz von 625 Hz arbeiten, so daß genau fünf Impulse während jeder Periode von 8 msec abgegeben werden. Ein bestimmter Punkt am Container empfängt demgemäß 5·n Impulse von Röntgenstrahlung, wenn er sich an n Vertikalfaserreihen vorbeibewegt. Wenn n = 4, wie oben beschrieben, dann erhält der Container 20 Röntgenstrahlimpulse, wenn er sich an den vier Vertikalreihen von Fasern vorbeibewegt. Einen LINAC, der in der Lage ist, eine Röntgenstrahldosis von ungefähr 20 Rad pro Minute für den Behälter zu liefern, ist daher ausreichend, um auswertbare Bilder zu liefern.
Im typischen Fall ist ein Kollimator zwischen dem Behälter und den Detektor 20 angeordnet, so daß der Ausgang des LINAC oder der LINACs parallelisiert wird und der Reihendetektor gleichmäßig bestrahlt wird.
Da die Fasern einer gewissen Strahlung ausgesetzt sind, sollte geeignetes Material für die Fasern gewählt werden, und aus diesem Grund werden vorzugsweise Quarzfasern benutzt. Auch das fluoreszierende Material oder die im Detektor benutzten Kristalle müssen Strahlungswiderstands fähig sein.
Jeder Punkt des Containers 18 soll 20 Röntgenstrahlimpulse empfangen, wenn er sich an einem Detektor 20 mit vertikaler Reihe vorbeibewegt, wobei dieser Detektor 20 auf der anderen Seite des Containers gegenüber der Röntgenstrahlquelle 14 angeordnet ist. Die Breite des Detektors 20 ist derart, daß jeder Punkt des Containers 32 msec benötigt, um von einer Seite des Detektors 20 nach der anderen zu gelangen, wenn der Container sich relativ zur Quelle 14 bewegt. Der Detektor 20 spricht auf einfallende Röntgenstrahlung an, indem er sichtbares Licht emittiert, und er kann beispielsweise aus einem Material bestehen, welches beim Auftreffen von Röntgenstrahlung fluoresziert, oder der Detektor kann ein Feld von Kristallen aufweisen, die gemäß der Röntgenstrahlung in Szintillation verfallen.
Wenn der Detektor aus einem fort laufenden streifen aus fluoreszierendem Material besteht, dann kann letzterer Gd&sub2;O&sub2;S in einer Emulsion, etwa 0,5 mm tief und 6 mm breit, umfassen.
Wenn der Detektor aus einer Matrix von Kristallen besteht, kann jeder Kristall im typischen Fall eine Fläche von 1·1 mm² haben und 5 mm tief sein.
Wenn das fluoreszierende Material oder die Kristalle die angegebenen Abmessungen besitzen, dann ist der Kerndurchmesser jeder optischen Faser im typischen Fall 0,5 mm dick.
Der Abstand zwischen den Zentren der optischen Fasern bestimmt die vertikale Auflösung der Vorrichtung, und wenn Kristalle benutzt werden, wird diese Auflösung durch den Abstand zwischen den Kristallzentren bestimmt. Im typischen Fall wird ein Abstand zwischen den Faserzentren von 1,5 mm benutzt, und dies ist ein zweckmäßiger Abstand auch zwischen den Kristallzentren. Eine einzige Reihe von Kristallen oder fluoreszierendem Material ist theoretisch alles, was erforderlich ist. Zweckmäßigerweise werden jedoch mehrere getrennte Reihen (oder eine Matrix von Kristallen) benutzt, um Probleme zu vermeiden, die allen Streifendetektoren gemeinsam sind, wenn nämlich eine Reihe ausfallen sollte. Dies würde dazu führen, daß in dem übertragenen Bild ein vollständiger horizontaler Streifen fehlen würde. Im typischen Fall besteht der Detektor 20 aus vier benachbarten Reihen von Kristallen, wobei jede Reihe eine zugeordnete Faserreihe umfaßt, um die Kristalle zu betrachten. Wenn fluoreszierendes Blattmaterial benutzt wird, dann kann das Material durch mehrere Faserreihen betrachtet werden, und zwar zweckmäßigerweise durch vier Reihen für ein 6 mm breites Blatt, welches von Fasern gelesen wird, die, wie oben erwähnt, 1,5 mm Abstand zueinander aufweisen.
Wenn ein standardisierter Container betrachtet werden soll, dann kann der Detektor etwa 4500 mm hoch und 6 mm breit sein, so daß vier Reihen von Kristallen mit 1 mm² benutzt werden können, die einen Mittelabstand von 1,5 mm haben und die von einer entsprechenden Zahl einzelner optischer Fasern betrachtet werden können.
Röntgenstrahlen, die den Behälter 18 durchdringen, treffen auf den Vertikaldetektor 20 auf, und das vom Detektor 20 abgegebene Licht wird in das Eingangsende 10 eines faseroptischen Feldes 22 eingegeben, das nur teilweise dargestellt ist und dessen Ausgänge dadurch gebildet werden, daß die Fasern derart angeordnet werden, wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde. Das Ausgangsende 12 des faseroptischen Bündels 22 erhält dadurch ein Aspektverhältnis, welches jenem einer CCD-Kamera oder einer anderen Abtasteinrichtung besser angepaßt ist, die in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 24 versehen ist, und das Ausgangsfenster 12 ist mit dem Eingang eines verkleinernden Bildverstärkers 26 verbunden, dessen Ausgang direkt an eine CCD-Kamera 24 angeschlossen ist.
Im typischen Fall sind die individuellen Fasern am Eingang des Bildverstärkers 26 unter Benutzung einer gebohrten Aluminiumabstandsplatte (nicht dargestellt) gruppiert, in der die Bohrungen so angeordnet sind, daß sie an das Bildformat (Aspektverhältnis) der ausnutzbaren Bildfläche der CCD-Kamera 24 angepaßt sind. Die Abstandsplatte bestimmt auch die Beziehung zwischen der ursprünglichen geometrischen Lage der Fasern und den CCD-Pixeln und fixiert diese, die schließlich die Lichtinformation erhalten.
Demgemäß werden die vier Faserreihen durch vier Bildverstärker betrachtet, und jeder Verstärker ist so ausgebildet, daß er ein Viertel des vertikalen Teiles des Schlitzbildes aufnimmt. Demgemäß sind 12000 Fasern und vier Bildverstärker vorgesehen, und jeder Bildverstärker braucht nur 3000 Fasern zu verarbeiten.
Einige zehn Pixel im CCD-Feld sind mit jeder der 3000 Fasern in einer Anordnung zum Auslesen verbunden. Es ist ersichtlich, daß der Abstand zwischen den entfernten Enden eines jeden Viertels und der entsprechenden Lage der Fasern am Eingang des Bildverstärkers sehr viel kleiner ist als es der Fall wäre, wenn die entfernten Enden der einzelnen Reihe mit jedem der vier zentral angeordneten Bildverstärker verbunden wären, da nur ein Viertel der Gesamthöhe des Schlitzbildes jedem Bildverstärker zugeordnet ist.
Die elektrischen Signale von der Kamera 24 werden digitalisiert, indem eine Flash-ADC-Anordnung 28 und 30 benutzt wird. Die Verarbeitung wird durch elektrische Schaltungen durchgeführt, deren Funktion darin besteht, das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern, Variationen in der Empfindlichkeit zwischen einem Bereich des CCD-Feldes und einem anderen zu glätten und allgemein die digitalen Signale zu verbessern, die vom ADC 28 erhalten werden. Die verarbeiteten Signale werden in einem RAM 32 gespeichert, dessen Speicheradressen während der Speicherung durch eine erste Steuerschaltung 34 gewählt werden.
Wenn das Abbildungssystem in Verbindung mit standardisierten Containern benutzt wird, werden letztere im typischen Fall so angeordnet, daß sie stetig am Detektor 20 vorbeilaufen. Wenn die CCD-Kamera 24 von der sogenannten Doppelzonenbauart ist, mit einer Bildzone, die ein Bild über eine Periode von 8 msec sammelt und eine Zone aus liest, die ein früheres Bild enthält, während jenes ausgegeben wird (bei typisch 4 MHz), über die gleichen 8 msec, kann die Auslesezone am Ende einer jeden 8-msec-Periode auf den letzten Stand gebracht werden, indem die gesammelten Ladungen der Bildzone in die Auslesezone geschoben werden. Nachdem die Bildauslesung vollendet ist, kann das nächste Bild schnell innerhalb von 36 msec in die Auslesezone überführt werden. Die Containergeschwindigkeit wird so eingestellt, daß der Abstand, der von einem Punkt auf dem Container während der 8-msec-Periode der Bilderfassung durchlaufen wird, gleich ist dem Faserabstand. Auf diese Weise ergibt sich, daß bei einem Faserabstand von 1,5 mm und einer Bildgeschwindigkeit von 1,5 mm geteilt durch 8 msec die maximale Geschwindigkeit 1,5 mm geteilt durch 8 msec beträgt, und dies liegt in der Größenordnung von 0,19 m/sec. Die horizontale räumliche Auflösung, die durch den Faserabstand aufgeprägt wird, wird daher nicht schwerwiegend durch die Containerbewegung verschlechtert, und sie liegt, wie angegeben, in der Größenordnung von 2 mm.
Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, daß ein standardisierter Container am Detektor 20 mit einer Geschwindigkeit vorbeilaufen muß, die in der Größenordnung von 0,19 m/sec liegt, und dies ergibt eine gesamte Abtastzeit von etwa 30 sec pro Container.
Um eine vollständige Abbildung des Röntgenbildes des Containers 18 zu schaffen, wird das Licht, das auf das Eingangsende 10 des Faseroptikbündels 22 auffällt, in elektrische Signale umgewandelt, wie vorstehend beschrieben, und zwar unter Benutzung der CCD-Kamera 24, und am Ende jeder 8-msec-Periode werden elektrische Signale digitalisiert und an vorgewählten Plätzen im RAM 38 unter der Steuerung der Schaltung 34 gespeichert. Nachdem die gesamte Länge des Containers am Detektor 20 vorbeigelaufen ist, enthält das RAM 32 eine große Zahl digitalisierter Signale, gespeichert in Gruppen von Plätzen, und jede Gruppe entspricht dem Lichtmuster, welches auf den Detektor 20 während einer 8-msec-Belichtung des Containers auffällt. Ein Bild des gesamten Behälters kann dann durch geeignetes Auslesen der Signale aus dem RAM 32 erhalten werden, und zwar im typischen Fall unter der Steuerung einer Auslesesteuerschaltung 36. Die elektrischen Signale können benutzt werden, um eine visuelle Darstellung des ursprünglichen Containerröntgenbildes unter Benutzung eines Fernsehmonitors oder über eine andere Darstellungsvorrichtung 38 zu erlangen.
Um die optischen Fasern zwischen ihren Eingangsenden 10 und ihren Ausgangsenden 12 der optischen Faserbündel zu gruppieren, bildet das Muster von Signalen, die im RAM 32 am Ende jeder 8-msec-Belichtung gespeichert werden, natürlich keine direkte Abbildung des Lichtmusters, das auf das Eingangsende 10 auftrifft. Durch geeignete Decodierung und Auslesung der RAM-Speicherplätze in der oben beschriebenen Weise können die elektrischen Signale, die der Darstellungsvorrichtung 32 zugeführt werden, in der Weise zusammengestellt und gruppiert werden, daß eine Darstellung erhalten wird, die dem Röntgenbild des Containers entspricht.
Diese Darstellungsvorrichtung empfängt Signale von jedem der vier Auslesungen, die den vier Vertikalabschnitten des Bildes entsprechen, und sie werden dann zu einem physikalisch richtigen Bild zusammengesetzt.
Da die Information statisch und auf semipermanenter Basis gespeichert ist, kann die Darstellung durch einen Beobachter studiert und verschiedene Teile des Gesamtbildes in jedem Maßstab inspiziert werden (Beschränkungen ergeben sich nur durch die Auflösung des Systems) für den Fall, daß eine nähere Überprüfung eines Teils des Röntgenstrahlenbildes erforderlich ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Arbeitsweise des Auslesesteuersystems so geändert wird, daß nur ein Teil des RAM-Speichers innerhalb der normalen Rahmenperiode der Darstellungsvorrichtung 38 ausgelesen wird und die Signale entsprechend in Horizontalrichtung und in Vertikalrichtung gedehnt werden, so daß sie den Schirm voll ausfüllen, wodurch wirksam jener Teil des ursprünglichen Röntgenstrahlenbildes vergrößert wird.
Da jede Signalverarbeitung am Ausgang des RAM 32 sehr vereinfacht wird, wenn die darin gespeicherten elektrischen Signale auf einer Basis von 1 : 1 abgebildet werden, wobei die entsprechenden Punkte, die im ursprünglichen Röntgenbild vorhanden wären, wenn letzteres als einzelne Einheit existieren müßte, arbeiten Signalprozessor 30 und/oder Eingangsadressensteuerschaltung 34 vorzugsweise in der Weise, daß die Speicherung der digitalisierten Signale an Speicherplätzen innerhalb des Speichers 32 so erfolgt, daß die Plätze der digitalisierten Signale innerhalb des Speichers 32 in zweckmäßiger Form zum Auslesen und Darstellen in der Einrichtung 38 vorliegen und auch in zweckmäßiger Form für eine Expansion und Vergrößerung verschiedener Teile des gespeicherten Bildes.
Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung umfaßt vier Fensterreihen, von denen jede ein zugeordnetes optisches Faserbündel 22 enthält, von dem ein Teil dargestellt ist, das nach dem Ausgangsfenster 12 führt. Die vier Reihenfenster entsprechen den vier Vertikalteilen des gesamten Containerbildes. Der Ausgang vom optischen Faserbündel, der jedem derartigen Reihenfenster zugeordnet ist, wird neu gruppiert und einem einzelnen Bildverstärkereingangsfenster zugeführt, um in einer einzigen CCD-Kamera oder dergleichen verarbeitet zu werden.
Da vier Vertikalteile des Gesamtbildes bestehen, gibt es vier Auslesungen, wie in Fig. 2 dargestellt, und jede besitzt ihren eigenen Bildverstärker und jede eine Kopplung zur eigenen CCD-Kamera oder einer anderen Abtasteinrichtung, wobei die Signale von jeder Kamera getrennt in einer entsprechenden Vielzahl von Schaltprozessorsystemen der Art gemäß Fig. 2 verarbeitet werden, um eine Kombination in einem großen RAM oder einem getrennten RAM durchzuführen. Das Verfahren der Wiedergewinnung des Gesamtbildes umfaßt das Auslesen in der strikten Folge der jeweiligen Abschnitte des großen Speichers und eines jeden der RAMs nacheinander, wobei die Signale in einer geeigneten Folge einer Darstellungsvorrichtung, beispielsweise einem Fernsehmonitor zugeführt werden.
Die Zahl der Vertikalreihen der Fasern kann von vier verschieden sein, wobei eine entsprechende Änderung der Zahl der Bildverstärker und Kameras erforderlich wäre.
Wenn ein einziger Speicher benutzt wird, kann das Multiplexen der Signale von den CCD-Kameras oder anderen Detektoren, beispielsweise den Detektoren 24, erfolgen, bevor oder nachdem die Analog/Digital-Umwandlung stattgefunden hat, um die Menge der Schaltungen zu vermindern, die verdoppelt werden müssen.
Die Erfindung ist allgemein anwendbar für die Überwachung großer Gegenstände, und sie ist auch anwendbar zur Inspektion von Containern, wie sie zum Straßentransport, für den Schienentransport und für den Schiffstransport benutzt werden, und auch zur Inspektion von Gegenständen auf Förderbändern in Fabriken oder dergleichen.
Vorstehend wurde erwähnt, daß sich die Gegenstände relativ zum Detektor bewegen. Es ist jedoch klar, daß eine solche Bewegung jeweils relativ ist, und wenn es zweckmäßiger ist, kann der Gegenstand stationär gehalten werden, und der Detektor kann relativ zu dem Gegenstand entweder in Horizontalrichtung oder in Vertikalrichtung oder in einer anderen Richtung derart verschoben werden, daß der Gegenstand abgetastet wird, während letzterer stationär verbleibt. Diese Anordnung könnte bei geeigneter Bemessung für medizinische Röntgenbehandlung geeignet sein, wie das folgende Beispiel zeigt:
Die Röntgenstrahlquelle kann mit dem Detektor bewegt werden, oder, falls dies zweckmäßiger ist, kann die Quelle so angeordnet werden, daß das Ganze auf einer Seite des Gegenstandes so vorbei läuft, daß eine synchrone Bewegung des Detektors nicht erforderlich ist.
Natürlich können zwei oder mehrere Röntgenstrahlquellen vorgesehen und aufeinanderfolgend bei Bewegung des Detektors so geschaltet werden, daß unterschiedliche Bereiche des mit Röntgenstrahlen zu beschickenden Gegenstandes bestrahlt werden, wenn sich der Detektor relativ zu dem Gegenstand synchron und in geeigneter Folge zur Bewegung des Detektors bewegt.
Obgleich dies nicht als besonders vorteilhaft herausgestellt wurde, weil es die Benutzung weiterer Detektoren erfordert, ist es zweckmäßig, einen Schlitzdetektor vorzusehen, in dem ein Kollimator vor einem Breitflächendetektor angebracht wird.
Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf die Inspektion von Gegenständen wie Containern beschränkt ist und in gewissen Fällen die optischen Faserfenster wie beispielsweise 10 in Mustern angeordnet werden können, die von einfachen Schlitzen unterschieden sind und beispielsweise um einen Teil oder eine gesamte zylindrische Oberfläche angeordnet sein können, so daß unterschiedliche Abtastmuster und unterschiedlich gestaltete Gegenstände noch besser inspiziert werden können. Wie auch immer die Anordnung getroffen wird, es ist stets eine Neugruppierung der Fasern zwischen Eingangsende und Ausgangs ende der optischen Faserbündel zwischen Röntgenstrahldetektor und Bildverstärker oder Kamera erforderlich, um das Aspektverhältnis des Bündels so zu ändern, daß eine bessere Anpassung an das Aspektverhältnis des Bildverstärkers und/oder der Kamera erfolgt, die hiermit gekoppelt sind.
Der Ausdruck "Licht", wie er hier benutzt wurde, ist nicht notwendigerweise auf sichtbare elektromagnetische Strahlung begrenzt, sondern kann auch unsichtbares Licht wie Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung umfassen.

Claims

1. Industrielles Röntgenstrahlen-Inspektionssystem zur Abbildung des Inneren eines Gegenstandes (18), wobei das System folgende Teile umfaßt:

eine Röntgenstrahlquelle (14) hoher Energie zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, die den Gegenstand (18) durchdringen;

einen Konverter (20), der die Röntgenstrahlen in Licht umwandelt;

einen Bildverstärker (26) zur Verstärkung eines Bildes, das vom Konverter (20) empfangen wurde, wobei der Verstärker eine Eingangsebene und eine Ausgangsebene besitzt;

eine Fernsehkamera, die mit dem Bildverstärker gekoppelt ist, um ein in der Ausgangsebene des Bildverstärkers erzeugtes Bild zu empfangen;

eine Vielzahl optischer Fasern (22) zur Übertragung des Bildes von dem Konverter (20);

dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter (20) aus einem linearen Feld von im regelmäßigen Abstand angeordneten Szintillationskristallen besteht, wobei jeder Kristall langgestreckt ausgebildet und mit einer Stirnfläche der Quelle (14) zugewandt gelagert ist, daß eine optische Faser (22) für jeden der Kristalle vorgesehen ist, und daß jede Faser (22) mit einem Ende benachbart zur anderen Stirnfläche eines jeweiligen Kristalls abgestützt ist, um durch jenen Kristall erzeugtes Licht zu empfangen, während das andere Ende jeder optischen Faser (22) in einem zweidimensionalen ebenen Feld benachbart zu einem jeweiligen Abschnitt der Eingangsebene des Bildverstärkers (26) gehaltert ist.

2. System nach Anspruch 1, mit einem Analog/Digital-Wandler (28), der an die Fernsehkamera (24) angeschlossen ist, um das das Bild repräsentierende Signal zu digitalisieren, welches von der Kamera (24) erzeugt wird, und mit einem Digital-Signal- Prozessor (30), der an den Konverter (28) angeschlossen ist und die aufeinanderfolgenden Elemente des digitalisierten, das Bild darstellenden Signals derart sortiert, daß sie der Ordnung der entsprechenden Kristalle in dem linearen Feld entsprechen.