Оптимізація збору зображення за допомогою плоских детекторів для систем ADR
НДТ у дослідженнях, розробці та застосуванні
Оптимізація збору зображення за допомогою плоских детекторів для систем ADR
Поступовий розвиток технології лиття з алюмінію/магнію відкриває все більше і більше різноманітних сфер застосування, наприклад, для зниження ваги та енергозбереження в автомобільній промисловості. Рентгенівська технологія - це надійний метод випробувань, який застосовується для забезпечення якості литих деталей, що відповідають безпеці, і сьогодні впроваджується в повністю автоматичних випробувальних системах (системах ADR).
Ланцюг отримання зображення (рентгенівська трубка - фільтр - детектор) має велике значення незалежно від алгоритмів, що використовуються для оцінки зображення. По суті, це вирішує, з одного боку, надійне виявлення несправностей, а з іншого боку, кількість деталей, помилково відхилених як дефектні (псевдо відхилення).
У статті про вплив різних факторів, таких як
- Шум (включаючи причини шуму)
- Час зйомки зображень
- Вплив різних параметрів трубки (кВ та мА)
- Вплив зміцнення випромінювання попередніми фільтрами
- Ефект геометричного розмиття (FDA/FOA)
- Рух об'єкта, який слід записати під час отримання зображення
Проведені вимірювання стосуються цифрових плоских панельних детекторів з роздільною здатністю 12-16 біт.
Генерація сигналу на ASD
За допомогою аморфного кремнієвого детектора (ASD) рентгенівські кванти перетворюються в кванти світла в сцинтиляторному шарі. Більш товстий шар генерує більше квантів світла для заданої кількості рентгенівських квантів, але криє втрату геометричної роздільної здатності. Детектори цього типу доступні з роздільною здатністю пікселів від 80 мкм до 400 мкм.
Тест для визначення параметрів
Для визначення різних параметрів використовували два різні "нові" випробувальні тіла: клин із 5 довгими отворами та порожнистими сферами, введений у справжні виливки (1).
Клин із 5 отворами дуже добре підходить, щоб показати, яку товщину матеріалу ще можна визначити, оскільки отвори кріпляться вздовж осі, на якій матеріал постійно збільшується. На рисунку 1 показано це як приклад у порівнянні з вимірюванням шуму.
Порожниста сфера імітує реальну помилку більш реалістично, ніж свердління, оскільки гострі краї на краю не з'являються.
В якості алгоритму оцінки зображення використовується нелінійна дифузія (2).
Шум в ASD за допомогою сцинтилятора
Шум зображення складається з шуму від детектора та квантового шуму. Шум сучасного детектора становить декілька цифрових значень і може бути використаний для додатків з часом експозиції
| Рисунок 2: Вплив різних часів інтеграції | Рисунок 3: Вплив різних попередніх фільтрів |
Ефекти (попередніх) фільтрів
Фільтри перед трубкою зміщують середню енергію трубки до вищих значень, оскільки значення нижчої енергії поглинаються попереднім фільтром. Це означає, що на детекторі менше сигналу, але відфільтровані енергії мало сприяють корисному сигналу, а відношення сигнал/шум також покращується. Наступні знімки зроблені з відливом, в якому зроблені порожниста куля 1,5 мм і отвір 1 мм (жовті стрілки на малюнку 3, верхній центр; порожниста куля праворуч).
Видно, що без попереднього фільтра можна побачити багато малих псевдоструктур, при відповідному виборі попереднього фільтра (тут мідь 0,5 мм) картина стає чіткішою, а дрібні структури зникають. Якщо попередній фільтр занадто великий, зображення стає розмитим, а контраст реальних помилок зменшується; якщо чутливість системи підвищена, до зображення додаються псевдоструктури більшої площі.
Вплив різних параметрів трубки
Параметри трубки, які можна встановити, включають час (див. Вище), струм трубки (з подібними ефектами) та напругу трубки для встановлення енергії.
Вимірювання показують, що якщо енергія занадто низька, тестова частина лише недостатньо освітлена; зображення тьмяне, а чутливість системи виявлення отвору і порожнисту сферу потрібно значно збільшити. Це створює безліч псевдоструктур, особливо по краях тестової частини. Занадто висока енергія завдає набагато менше шкоди в цьому відношенні; трохи менший контраст порівняно з оптимальним налаштуванням можна легко компенсувати чутливістю, не створюючи багато псевдоструктур.
 |
 |
Вимірювання показують, що картина має кращий коефіцієнт шуму (SNR) із збільшенням струму трубки (див. Вище). Єдиним обмеженням, яке слід враховувати, є максимальна ємність детектора; багато детекторів, як правило, перепромінюють, якщо квантове число занадто велике. Детектор, який може перетворити якомога більше квантів, ідеально підходить для програми, представленої тут.
Для порівняння було визначено, що енергія, необхідна для флюороскопії 80-мм алюмінію, становить 140 кВ; детектор серії AG4 від PerkinElmer може поглинати 1000 Вт при цій напрузі; для детектора серії AL1 потужність довелося зменшити до 200 Вт; рівномірно сірий фон випливає з того, що детектор вже працював у насиченому стані.
| 6: Детектор типу AG4 (ліворуч), детектор типу AL1 з оптимальними рентгенівськими параметрами (праворуч) | Рис. 7: Детектор типу AG4 (зліва), детектор типу AL1 з оптимальними рентгенівськими параметрами (праворуч) |
На всіх знімках було інтегровано 3 кадри. Детектор AL1 як і раніше придатний для цього завдання до товщини матеріалу 25 мм, при більшій товщині матеріалу шум стає дуже сильним. Детектор AG4 все ще може виявляти отвір довжиною 0,8 мм до товщини матеріалу приблизно 60 мм, отвір довжиною 1,5 мм все ще виявляється безперервно до 75 мм.
Ефект геометричного розмиття
Наближаючи досліджуваний об'єкт до рентгенівської трубки, досягається збільшення, яке може зробити більш помітними невеликі дефекти.
З іншого боку, є розмір фокусної плями, яка створює розмиття зображення.
Крім того, особливо для систем ADR, необхідний найкоротший час тестування, тому якомога більшу частину слід об'єднати в одне зображення. Тому бажане невелике збільшення
 |
Діаграма праворуч показує найкраще виявлення помилок для даного розміру фокусної плями та кроку детектора (тут: 0,4 мм). Для автоматичного виявлення помилок передбачається, що принаймні 2,5 сусідніх пікселів в кожному напрямку охоплюються помилкою.
У випадку часто використовуваної трубки з фокальною плямою 1,0 мм (0,4 за старим стандартом) математично найкращі результати виявлення помилок при збільшенні приблизно 1,3. З більшим збільшенням розмиття через розмір фокусної плями збільшується більше, ніж збільшення робить його впізнаваним.
Зображення праворуч показує повне зображення детектора зі збільшенням 2. На зображенні зліва показано ділянку зображення детектора, в якому тестова частина була відносно близько до детектора; подання масштабувались до порівнянних розмірів.
Ефект руху
Якщо тестова частина рухається під час отримання зображення, виникає розмиття руху. Зазвичай не можна уникнути легкого руху, оскільки під час тесту об’єкт тестування слід швидко переміщати з одного положення в інше. Тоді навряд чи можна уникнути коливань тестового об'єкта, коли він досягне положення. Далі призначено, щоб показати, як руху відображаються на зображенні детектора. Основою тут є детектор PerkinElmer, який зчитується зверху та знизу паралельно центру
На різниці зображень між зупинкою та рухом з 1,5 мм/с (затухаючий рух) видно, що у верхній і нижній частині зображення все ще був рух - позначений стрілками - але що під час зчитування воно стихло майже до нуля, як у Подивіться центр зображення.
Ефект руху, що затухає, може бути використаний, якщо замість лише одного кадру один за одним намальовано три кадри, а середнє значення обчислюється з трьох кадрів.
На малюнку 11 зображено рухливий рух із швидкістю 1,5 мм/с, записаний ліворуч 1 кадром та праворуч 3 кадрами. Завдяки більшому часу запису та інтеграції розмиття руху "інтегрується далеко".
| Рисунок 10: Вплив руху: нерухомість (зліва), 1,5 мм/с (справа), 12 мм/с (внизу) | Малюнок 11: Лінійний профіль з 1 рамкою (ліворуч), лінійний профіль з 3 рамками та диференціальний профіль (праворуч |
Висновок
З результатів вимірювань випливають такі висновки
- Шум створює помилкові виявлення (псевдо)
- Більше кадрів означає менше шуму і, отже, менше псевдо з кращим виявленням помилок
- Найбільший виграш у якості - від 1 до 3 кадрів
- З кількома кадрами розмиття руху також інтегровано
- Без попереднього фільтра розсіяне випромінювання робить зображення шумним
- Занадто товстий попередній фільтр зменшує корисний сигнал і створює "тьмяну" картину
- Занадто мало кВ неприпустимо обмежує корисну площу
- Однак занадто багато кВ зменшить контрастність і збільшить шум .
- . занадто багато кВ більше підходить, ніж занадто мало кВ
(стосується цифрових плоскопанельних детекторів з достатньою квантовою ємністю) - Мало електроенергії не дає хорошої картини; коефіцієнт підсилення зростає лише зі струмами >> 1мА
(стосується цифрових плоских детекторів з достатньою квантовою ємністю) - Правильний детектор приносить найбільший прибуток
- Оптимальне збільшення для систем ADR становить близько 1,3