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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Darstellung von strukturellen Eigenschaften unter einer Objektoberfläche. Diese Vorrichtung kann besonders nützlich sein zur Darstellung von unter der Oberfläche befindlichen Materialfehlern wie Aufblätterung, Ablösung und Zerbröckelung.
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Ultraschall ist eine oszillierende Schalldruckwelle, die genutzt werden kann, um Objekte zu erfassen und Abstände zu messen. Eine gesendete Schallwelle wird reflektiert und gebrochen, wenn sie auf Materialien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzeigenschaften trifft. Wenn diese Reflexionen und Brechungen erfasst und analysiert werden, kann die hieraus entstehende Datenmenge genutzt werden, um die Umgebung zu beschreiben, durch die die Schallwelle gelaufen ist.
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Ultraschall kann genutzt werden, um Maschinen lesbare Matrixsymbole zu erfassen und zu dekodieren. Matrixsymbole können direkt auf einem Bestandteil gekennzeichnet werden, indem eine lesbare, dauerhafte Markierung auf seiner Oberfläche angebracht wird. Dies wird allgemein erreicht, indem im Wesentlichen ein kontrollierter Schaden auf der Oberfläche des Bestandteils gesetzt wird, zum Beispiel durch Verwenden von Laser- oder Nadelpräger. Matrixsymbole können optisch schwer zu lesen sein und werden oft durch eine Beschichtung wie Farbe über die Zeit bedeckt. Jedoch haben Matrixsymbole häufig verschiedene akustische Impedanzeigenschaften von dem sie umgebenden Substrat.
US 5,773,811 beschreibt ein Ultraschallbildgebungssystem zum Lesen von Matrixsymbolen, das genutzt werden kann, um einen Gegenstand in einer spezifischen Tiefe darzustellen. Ein Nachteil dieses Systems ist, dass der Rasterscanner physikalisch über die Oberfläche des Bestandteiles bewegt werden muss, um die Matrixsymbole zu lesen.
US 8,453,928 beschreibt ein alternatives System, das eine Matrixanordnung benutzt, um die reflektierten Ultraschallsignale zu lesen, so dass das Matrixsymbol gelesen werden kann, während der Wandler stationär auf der Oberfläche des Bestandteils gehalten wird.
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Ultraschall kann ebenso genutzt werden, um andere strukturelle Eigenschaften in einem Objekt zu identifizieren. Zum Beispiel kann Ultraschall für zerstörungsfreies Prüfen genutzt werden, indem die Größe und Position von Fehlern in einem Objekt erfasst werden. Das Ultraschallbildgebungssystem von
US 5,773,811 wird als geeignet beschrieben, um Materialfehler im Laufe von zerstörungsfreien Untersuchungsvorgängen zu identifizieren. Das System ist vorwiegend bezweckt zur Darstellung von Matrixsymbolen, so dass es gestaltet ist, nach einer „Oberfläche” unter jeglichen Schichten von Farbe oder anderer Beschichtung zu suchen, auf die die Matrixsymbole gekennzeichnet worden sind. Es ist gestaltet, eine „Oberfläche” in einer speziellen Tiefe abzubilden, was durch Ausblenden („Gating”) des empfangenen Signals gesteuert werden kann. Das Ultraschallsystem von
US 5,773,811 verwendet ebenso ein Gelpaket, um Ultraschallenergie in das Substrat zu koppeln, was es schwierig machen kann, die Tiefe der Merkmale unter der Substratoberfläche exakt zu bestimmen.
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Daher braucht es eine verbesserte Vorrichtung zur Darstellung von strukturellen Eigenschaften unter der Oberfläche eines Objektes.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Darstellung von strukturellen Merkmalen unter der Oberfläche eines Objektes angegeben, umfassend, eine Analyseeinheit, ausgerichtet, Information über strukturelle Merkmale, die an unterschiedlichen Tiefen unter der Objektoberfläche gelegen sind, zu sammeln, indem eine oder mehrere Schallpulse zu dem Objekt gesendet werden und Reflexionen dieser Schallpulse von dem Objekt erfasst werden; und eine Bilderzeugungseinheit, ausgerichtet, zu erzeugen: ein erstes Bild in Abhängigkeit von einer ersten Teilmenge der erfassten Reflexionen, wobei das erste Bild einen Überblick darstellt, in dem ein oder mehrere der strukturellen Merkmale durch ein anderes der strukturellen Merkmale verdeckt sein kann; und ein zweites Bild in Abhängigkeit von einer zweiten Teilmenge der erfassten Reflexionen, wobei das zweite Bild einen Schnitt durch das erste Bild darstellt, wodurch die verdeckten strukturellen Merkmale freigelegt werden können.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, auszuwählen, welche der erfassten Reflexionen beim Erzeugen des ersten und zweiten Bildes in Abhängigkeit von einer Ultraschall-Signaleigenschaft, die mit jeder der erfassten Reflexionen verbunden ist, wie z. B. eine Amplitude, Phase und/oder eine Laufzeit.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, auszuwählen, welche der erfassten Reflexionen genutzt werden, um das erste und zweite Bild zu erzeugen in Abhängigkeit von einem jeweiligen Ort auf der Objektoberfläche, an der jede Reflexion erfasst wurde.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, die zweite Teilmenge zu bilden, um Reflexionen einzuschließen, die in der ersten Teilmenge enthalten sind, die aber nicht durch die Bilderzeugungseinheit genutzt werden, um das erste Bild zu erzeugen.
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Die erste Teilmenge kann zwei oder mehrere Reflexionen enthalten, die durch verschiedene strukturelle Merkmale unter der Objektoberfläche ausgelöst und am selben Ort auf der Objektoberfläche erfasst wurden, wobei die Bilderzeugungseinheit ausgerichtet ist, zumindest eine der zwei oder mehreren Reflexionen nicht zum Erzeugen des ersten Bildes zu benutzen, wobei zumindest ein Teil des strukturellen Merkmals, das die zumindest eine Reflexion ausgelöst hat, in dem ersten Bild verdeckt ist.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, das erste Bild als zwei- oder dreidimensionale Darstellung des Objektes und das zweite Bild als ein- oder zweidimensionale Darstellung des Objekts zu erzeugen.
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Die Analyseeinheit kann ausgerichtet sein, an einem speziellen Ort auf der Objektoberfläche mehrere Reflexionen des einen oder der mehreren gesendeten Schallpulse zu erfassen, wobei die Bilderzeugungseinheit ausgerichtet ist, das erste Bild mit weniger von diesen mehreren Reflexionen zu erzeugen als das zweite Bild.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, das erste Bild nur unter Verwendung einer der mehreren Reflexionen zu erzeugen.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, das erste Bild zu erzeugen, indem die Reflexion mit der höchsten Amplitude von den mehreren Reflexionen genutzt wird.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, das zweite Bild unter Verwendung von zwei oder mehr der mehreren Reflexionen zu erzeugen.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, das erste und zweite Bild zu erzeugen, indem sie Reflexionen nutzt, die an der Vorrichtung während einer entsprechenden Zeitspanne empfangen wurden, wobei die entsprechende Zeitspanne des zweiten Bildes kürzer als die des ersten Bildes ist.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, Reflexionen auszuwählen, die bei der Erzeugung des ersten und zweiten Bildes in Abhängigkeit von der Eingabe eines Benutzers genutzt werden.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, das zweite Bild zu erzeugen, dass es eine relative Tiefe darstellt, in der jede der Reflexionen, die zur Bilderzeugung genutzt wurden, in dem Objekt ausgelöst wurde.
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Die Vorrichtung kann eine Empfängeroberfläche zum Empfangen von Signalen enthalten, die Reflexionen des einen oder der mehreren gesendeten Schallpulsen enthalten, wobei die Bilderzeugungseinheit ausgerichtet ist, jedes Pixel in dem ersten und/oder zweiten Bild mit einem Ort auf der Empfängeroberfläche zu verbinden.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, eine Farbe für ein Pixel in dem ersten und/oder zweiten Bild in Abhängigkeit von einer Ultraschall-Signaleigenschaft auszuwählen, die mit einer Reflexion, die an diesem mit dem Pixel verbundenen Ort empfangen wurde, verbunden ist.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, eine Farbe für ein Pixel in Abhängigkeit von einer Laufzeit auszuwählen, die mit einer Reflexion verbunden ist, die an seinem assoziierten Ort empfangen wurde.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, eine Farbe für ein Pixel in Abhängigkeit von einer Amplitude auszuwählen, die mit einer Reflexion verbunden ist, die an seinem assoziierten Ort empfangen wurde.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, ein Pixel mit einem vorbestimmten Wert zu verbinden, wenn dieses Pixel eine Reflexion darstellt, die eine Amplitude unter einem Schwellwert bzw. Grenzwert aufweist.
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Der vorbestimmte Wert kann über der Amplitude der Reflexion liegen, die durch das Pixel dargestellt wird.
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Der Schwellwert kann durch den Anwender anpassbar sein.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, jeglichem Pixel, das mit dem vorbestimmten Wert verbunden ist, mit einer Farbe zu belegen, die in einem speziellen Farbbereich in dem Bild enthalten ist.
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Der spezielle Farbbereich kann eine Grauskala sein.
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Die Vorrichtung kann ein Anwendereingabemodul enthalten, ausgerichtet, eine Anwendereingabe zu empfangen, um eines oder mehrere Pixel in dem ersten Bild auszuwählen, wobei die Bilderzeugungseinheit ausgerichtet ist, das zweite Bild in Abhängigkeit von Reflexionen zu erzeugen, die an den Orten auf der Empfängeroberfläche empfangen wurden, die den ausgewählten Pixeln entsprechen.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Darstellung von strukturellen Merkmalen unter der Oberfläche eines Objektes angegeben, umfassend: eine Sendeeinheit, ausgerichtet, einen Schallpuls an das Objekt zu senden; eine Empfängereinheit, ausgerichtet, eine oder mehrere Reflexionen dieses Schallpulses von dem Objekt zu empfangen; eine Analyseeinheit, ausgerichtet, eine Laufzeit und eine Amplitude von jeder der einen oder den mehreren Reflexionen zu bestimmen; und eine Bilderzeugungseinheit, ausgerichtet um: Laufzeiten und Amplituden von Reflexionen, die von einem speziellen Ort auf der Objektoberfläche empfangen wurden, zu identifizieren; und ein Bild zu erzeugen in Abhängigkeit von den identifizierten Laufzeiten und Amplituden, das für jede Reflexion, die von dem speziellen Ort empfangen wurde, die Amplitude dieser Reflexion und eine relative Tiefe unter dem speziellen Punkt darstellt, an dem diese Reflexion in dem Objekt ausgelöst wurde.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, den speziellen Ort in Abhängigkeit von der Anwendereingabe festzulegen.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, eine graphische Darstellung einer Anzeige der Amplitude der Reflexionen, die an dem speziellen Ort empfangen wurden, gegen eine Anzeige der relativen Tiefen dieser Reflexionen zu erzeugen.
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Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Darstellung von strukturellen Merkmalen unter der Oberfläche eines Objektes angegeben, umfassend: eine Sendeeinheit, ausgerichtet, einen Schallpuls an das Objekt zu senden; eine Empfängereinheit, ausgerichtet, eine oder mehrere Reflexionen von diesem Schallpuls von dem Objekt zu empfangen; eine Analyseeinheit, ausgerichtet, eine Laufzeit und eine Amplitude von jeder der einen oder mehreren Reflexionen zu bestimmen; und eine Bilderzeugungseinheit, ausgerichtet, um: Laufzeiten und Amplituden von Reflexionen, die von einer speziellen Zeile über der Objektoberfläche empfangen wurden, zu identifizieren; und ein Bild zu erzeugen in Abhängigkeit von den identifizierten Laufzeiten und Amplituden, wobei besagtes Bild die Variation in Amplitude der Reflexionen darstellt, die von der speziellen Zeile empfangen wurden, und die relativen Tiefen unter der speziellen Zeile, an der diese Reflexionen ausgelöst wurden.
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Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Darstellung von strukturellen Merkmalen unter der Oberfläche eines Objektes angegeben, umfassend: eine Sendeeinheit, ausgerichtet, einen Schallpuls an das Objekt zu senden; eine Empfängereinheit, ausgerichtet, eine oder mehrere Reflexionen von diesem Schallpuls von dem Objekt zu empfangen; eine Analyseeinheit, ausgerichtet, eine Laufzeit und eine Amplitude für jede der einen oder mehreren Reflexionen zu bestimmen; und eine Bilderzeugungseinheit, ausgerichtet um: eine Anwendereingabe zu empfangen, die einen Laufzeitbereich definiert; die Amplituden der Reflexionen zu identifizieren, die eine Laufzeit in dem definierten Bereich haben; und ein dreidimensionales Bild eines Bereichs des Objektes zu erzeugen in Abhängigkeit von Reflexionen, die diese identifizierten Amplituden aufweisen.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, das dreidimensionale Bild in Abhängigkeit von den identifizierten Amplituden zu erzeugen.
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Die Bilderzeugungseinheit kann ausgerichtet sein, das dreidimensionale Bild in Abhängigkeit von den Laufzeiten der Reflexionen zu erzeugen, die die identifizierten Amplituden aufweisen.
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Die Vorrichtung kann ausgerichtet sein, gleichzeitig zwei oder mehrere unterschiedliche Bilder des Objektes anzuzeigen.
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Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Vorgehen zur Darstellung von strukturellen Merkmalen unter der Oberfläche eines Objektes angegeben, umfassend: Sammeln von Information über strukturelle Merkmale, die in verschiedenen Tiefen unter der Objektoberfläche gelegen sind, indem ein oder mehrere Schallpulse an das Objekt gesendet und Reflexionen dieser Schallpulse von dem Objekt empfangen werden; Erzeugen eines ersten Bildes in Abhängigkeit von einer ersten Teilmenge der erfassten Reflexionen, wobei das erste Bild hierbei einen Überblick darstellt, in dem eines oder mehrere der strukturellen Merkmale durch ein anderes der strukturellen Merkmale verdeckt sein können; und Erzeugen eines zweiten Bildes in Abhängigkeit von einer zweiten Teilmenge der erfassten Reflexionen, wobei das zweite Bild einen Schnitt durch das erste Bild darstellt, wodurch die verdeckten strukturellen Merkmale freigelegt werden können.
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Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft beschrieben in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen. In den Zeichnungen:
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1 zeigt ein Beispiel einer Bildgebungsvorrichtung;
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2 zeigt ein Beispiel einer Bildgebungsvorrichtung in verschiedenen Anordnungen bezüglich eines Objekts;
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3 zeigt ein Beispiel einer Bildgebungsvorrichtung;
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4a bis c zeigen ein Beispiel von Schallpulsen;
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5a bis c zeigen Beispiele von Bildern;
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6 zeigt ein Beispiel einer Bildverarbeitung;
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7a und b zeigt Beispiele von Bildverarbeitungen;
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8 zeigt ein Beispiel einer Bildverarbeitung;
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9 zeigt ein Beispiel einer Bildverarbeitung;
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10 zeigt ein Beispiel einer Bildverarbeitung; und
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11 zeigt ein Beispiel einer Bildgebungsvorrichtung.
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Eine Bildgebungsvorrichtung kann Information über strukturelle Eigenschaften sammeln, die in verschiedenen Tiefen unter der Oberfläche eines Objektes gelegen sind. Ein Weg, diese Information zu erhalten, ist es, Schallpulse an das Objekt zu senden und jegliche Reflexionen zu erfassen. Es ist hilfreich, ein Bild zu erzeugen, das die gesammelte Information bildlich darstellt, so dass ein menschlicher Anwender die Größe, Form und Tiefe von jeglichen strukturellen Fehlern unter der Objektoberfläche erkennen und bewerten kann. Dies ist eine unerlässliche Arbeit für viele industrielle Anwendungen, in denen unter der Oberfläche liegende strukturelle Fehler gefährlich sein können. Ein Beispiel ist die Wartung von Flugzeugen.
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Normalerweise wird der Anwender von den Bildern, die die Vorrichtung erzeugte, komplett abhängig sein, da die Struktur, die er anschauen möchte, unter der Objektoberfläche liegt. Daher ist es wichtig, dass die Information so bildlich dargestellt wird, dass der Anwender die Objektstruktur effektiv bewerten kann. Um dies zu erreichen, ist die Bildgebungsvorrichtung vorzugsweise fähig, verschiedene Bildarten aus derselben Information herzustellen.
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Das erste Bild wird in Abhängigkeit von einer ersten Teilmenge von Reflexionen erzeugt. In einem Beispiel ist diese Teilmenge von all den Reflexionen gebildet, die von einem einzelnen gesendeten Schallpuls empfangen wurden. Das erste Bild kann einen Überblick des Objektes geben: der Anwender kann es benutzen, um schnell herauszufinden, wo jegliche möglichen Probleme liegen könnten. Das erste Bild kann jedoch nicht das Nützlichste sein, um individuelle Fehler zu identifizieren oder wo diese exakt gelegen sind, da Eigenschaften dazu neigen können, einander zu verdecken. Dies geschieht typischerweise, wenn die Reflexionen von zwei oder mehreren unterschiedlichen Eigenschaften an demselben Ort auf der Objektoberfläche erfasst werden. Es ist nicht immer möglich, all diese Reflexionen bildlich darzustellen, so dass die Vorrichtung einige von ihnen zum Zweck des ersten Bildes aussortieren kann. Folglich können die strukturellen Eigenschaften, die die aussortierten Reflexionen verursachten, ganz oder teilweise in dem ersten Bild verdeckt sein. Dies ist besonders wahrscheinlich, wenn eine Eigenschaft auf dem Weg der gesendeten Schallpulse hinter einer anderen gelegen ist: ihre Reflexionen werden wahrscheinlich aussortiert, da sie eine niedrigere Amplitude und/oder eine höhere Laufzeit haben, als die Eigenschaft vor ihr.
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Die Bildgebungsvorrichtung kann ein zweites Bild erzeugen, um sich dem Verdeckungsproblem zu widmen, indem einige der Reflexionen in der ersten Teilmenge herausgefiltert werden, um eine zweite Teilmenge zu bilden. Die zweite Teilmenge kann ebenso einige Reflexionen, die nicht in der ersten Teilmenge waren, enthalten. Die Bildgebungsvorrichtung verwendet geeigneterweise die gesamte zweite Teilmenge, um das zweite Bild zu erzeugen, so dass alle strukturellen Eigenschaften, die diese Reflexionen auslösten, dargestellt sind. Eigenschaften, die in dem ersten Bild verdeckt waren, können in dem zweiten Bild freigelegt werden. Die erste und zweite Teilmenge können gebildet werden, indem ein weiter Bereich von verschiedenen Auswahlkriterien wie z. B. Amplitude, Laufzeit, Empfangsort usw. genutzt wird.
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Ein Vorgang, der durch eine Bildgebungsvorrichtung durchgeführt werden kann, ist in 10 gezeigt. Die Vorrichtung sendet Schallpulse und erfasst ihre Reflexionen (S1001, S1002). Sie wählt eine erste Teilmenge der erfassten Reflexionen aus und erzeugt ein erstes Bild (S1003). Dann erzeugt sie eine zweite Teilmenge der erfassten Reflexionen und erzeugt ein zweites Bild (S1004). Die Vorrichtung gibt dann das erste und zweite Bild, vorzugsweise gleichzeitig, aus (S1005).
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Eine Vorrichtung zur Darstellung von strukturellen Eigenschaften unter der Oberfläche eines Objektes, die strukturelle Eigenschaften 107, 108 umfasst, ist in 1 gezeigt. Die Vorrichtung, im Allgemeinen mit 101 bezeichnet, enthält eine Analyseeinheit 104 und eine Bilderzeugungseinheit 105. Die Analyseeinheit enthält ferner eine Sendeeinheit 102 und eine Empfängereinheit 103. Die Sende- und Empfängereinheiten sind nur zur Vereinfachung der Darstellung nebeneinander in 1 gezeigt. In einer praktischen Umsetzung eines Wandlers ist es wahrscheinlich, dass die Sende- und Empfängereinheit als übereinanderliegende Schichten realisiert werden. Die Sendeeinheit ist geeigneterweise ausgerichtet, einen Schallpuls mit einer speziellen Form an das Objekt, das mit 106 bezeichnet ist, zu senden. Die Empfängereinheit ist ausgerichtet, Reflexionen der gesendeten Schallpulse zu empfangen und hat geeigneterweise eine Empfängeroberfläche 109 zum Empfangen von Reflexionen über der Objektoberfläche.
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Typischerweise empfängt die Empfängereinheit viele Reflexionen des gesendeten Schallpulses. Die Reflexionen werden durch Eigenschaften der Materialstruktur unter der Objektoberfläche verursacht. Reflexionen werden durch Impedanzfehlanpassungen zwischen verschiedenen Schichten des Objektes verursacht, zum Beispiel eine Materialgrenze an der Verbindung von zwei Schichten einer mehrschichtigen Struktur. Häufig wird nur ein Teil des gesendeten Pulses reflektiert und ein Rest wird sich weiter durch das Objekt ausbreiten (wie in 2a bis c gezeigt). Der Rest wird dann ganz oder teilweise reflektiert, wenn er auf andere Eigenschaften in der Materialstruktur trifft. Dieses Modell der Reflexion und Ausbreitung ereignet sich am wahrscheinlichsten in festen Abschnitten des Objekts. Hierfür gibt es zwei Gründe: (i) Ultraschall wird stark durch Luft abgeschwächt; und (ii) Luftobjektgrenzen neigen dazu, eine große Impedanzfehlanpassung zu zeigen, so dass ein Großteil des Ultraschalls, der eine Luftobjektgrenze trifft, reflektiert wird.
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2a bis c zeigen Beispiele von strukturellen Eigenschaften, die nicht in dem festen Körper des Objekts enthalten sind. Die Eigenschaften könnten in einem Loch, Senke oder anderem hohlen Abschnitt enthalten sein. Solche Eigenschaften werden als „in” dem Objekt und „unter” seiner Oberfläche für den Zweck dieser Beschreibung betrachtet, da sie auf dem Weg der Schallpulse liegen, wenn diese von der Vorrichtung durch das Objekt laufen.
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Strukturelle Eigenschaften, die hinter anderen Eigenschaften gelegen sind, sind im Allgemeinen „unsichtbar” für bestehende Bildgebungssystemen. Allerdings kann Analyseeinheit 104 ausgerichtet sein, die Reflexionen zu erfassen, die durch beide der in 1 gezeigten strukturellen Eigenschaften (107, 108), verursacht wurden. Die Analyseeinheit ist ebenso ausgerichtet, jede erkannte Reflexion mit einer relativen Tiefe unter der Objektoberfläche zu verbinden. Diese Information ermöglicht es Bilderzeugungseinheit 105, ein Bild zu erzeugen, das beide, die erste und zweite strukturelle Eigenschaft, darstellt. Das Bild kann für einen Anwender angezeigt werden, wobei es ermöglicht, unter der Oberfläche liegende Eigenschaften zu erfassen und zu bewerten. Dies ermöglicht dem Anwender, in das Objekt in Richtung der gesendeten Pulse hineinzusehen und kann wertvolle Information über unter der Oberfläche liegende Materialfehler wie Aufblätterung, Ablösung und Zerbröckelung liefern.
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Es gibt eine Vielzahl von Wegen, in denen die Vorrichtung ausgerichtet sein kann, Reflexionen von strukturellen Eigenschaften zu identifizieren die von anderen, näher an der Oberfläche liegenden Eigenschaften verdeckt werden. Eine Möglichkeit ist, unterschiedliche gesendete Schallpulse zu verwenden, um Informationen über jede strukturelle Eigenschaft zu sammeln. Diese Schallpulse können voneinander verschieden sein, da sie zu unterschiedlichen Zeitmomenten gesendet werden und/oder da sie unterschiedliche Formen oder Frequenzcharakteristika haben. Die Schallpulse können an denselben oder an unterschiedliche Orte auf der Objektoberfläche gesendet werden. Dies kann erreicht werden, indem die Vorrichtung zu einem unterschiedlichen Ort bewegt wird, oder indem ein unterschiedlicher Sender in der Vorrichtung aktiviert wird. Wenn Ortsänderung den Sendeweg ausreichend ändert, kann ein Schallpuls die strukturelle Eigenschaft meiden, die an einem unterschiedlichen Ort eine weiter in dem Objekt gelegene Eigenschaft verdeckt hat. Eine andere Möglichkeit ist, denselben gesendeten Schallpuls zu benutzen, um Information über die verschiedenen strukturellen Eigenschaften zu sammeln. Diese Möglichkeit benutzt unterschiedliche Reflexionen desselben Pulses. Die Vorrichtung kann jegliche oder alle der oben beschriebenen Möglichkeiten anwenden und kann die Datenmengen kombinieren, die mit jeglicher dieser Möglichkeiten gesammelt werden, um ein unter der Oberfläche liegendes Bild des Objektes zu erzeugen. Das Bild kann auf einer frame-by-frame Basis aktualisiert und verbessert werden, wenn mehr Information über die unter der Oberfläche liegenden strukturellen Eigenschaften gesammelt wird.
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Eine detailliertere Ansicht einer Bildgebungsvorrichtung ist in 3 gezeigt. In diesem Beispiel werden der Sender und Empfänger durch einen Ultraschallwandler 301 umgesetzt, der eine Matrixanordnung von Wandlerelementen 312 enthält. Diese Wandlerelemente bilden die Empfängeroberfläche. Die Sendeelektroden sind mit dem Sendemodul 302 verbunden, welches ein Pulsmuster mit einer speziellen Form an eine spezielle Elektrode zuführt. Die Sendesteuerung 304 wählt die Sendeelektroden aus, die aktiviert werden sollen. Die Empfängerelektroden erfassen Schallwellen, die von dem Objekt emittiert werden. Das Empfängermodul 306 empfängt und verstärkt diese Signale.
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Der Sender kann die Schallpulse senden, indem Signale mit Frequenzen zwischen 100 kHz und 30 MHz, vorzugsweise zwischen 1 und 15 MHz und am besten zwischen 2 und 10 MHz genutzt werden.
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Das Impulsauswahlmodul 303 wählt die spezielle Pulsform aus, die gesendet werden soll. Es kann einen Pulserzeuger 313 enthalten, der das Sendemodul mit einem elektronischen Pulsmuster versorgt, das durch den Wandler in Ultraschallpulse umgewandelt wird. Das Pulsauswahlmodul kann zu einer Vielzahl von vordefinierten Pulsformen, die im Speicher 314 gespeichert sind, Zugang haben.
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Die Signalverarbeitung 305 kann einen Teil der in 1 gezeigten Analyseeinheit bilden. Sie erfasst reflektierte Schallpulse in dem empfangenen Signal. Sie extrahiert ebenfalls relevante Information aus den Reflexionen. Das Signal ist geeigneterweise mit einem Zeitfenster versehen („time-gated”), so dass die Signalverarbeitung nur Reflexionen von interessierenden Tiefen erfasst und verarbeitet. Das Setzen des Zeitfensters kann anpassbar sein, vorzugsweise durch einen Benutzer, so dass der Anwender sich auf einen interessierenden Tiefenbereich konzentrieren kann. Der Tiefenbereich ist vorzugsweise 0 bis 20 mm und am besten 0 bis 15 mm. Die Signalverarbeitung kann ein unterschiedliches Signal von jedem Ort auf der Empfängeroberfläche empfangen, zum Beispiel jedem Wandler in der Elektrode. Die Signalverarbeitung kann diese Signale fortlaufend oder parallel analysieren.
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Die Signalverarbeitung erfasst geeigneterweise die reflektierten Pulse, indem das empfangene Signal mit einer erwarteten reflektierten Pulsform verglichen wird. Dies kann erreicht werden, indem eine zu dem gesendeten Puls entsprechende Filteranpassung verwendet wird. Die Vorrichtung kann angeordnet sein, eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Abtastungen in der eingehenden Abtastung („sample”), z. B. 2 bis 4, zur Glättung und Rauschreduktion anzuhäufen und zu mitteln, bevor das Filtern durchgeführt wird. Die Analyseeinheit benutzt die Filteranpassung, um exakt festzustellen, wann der reflektierte Schallpuls empfangen wurde. Die Signalverarbeitung führt Merkmalsextrahierung durch, um die maximale Amplitude des gefilterten Signals und die Zeit, zu der diese maximale Amplitude auftritt, zu erfassen. Die Signalverarbeitung kann ebenso Phasen und Energieinformation extrahieren.
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Die Signalverarbeitung ist vorzugsweise fähig, viele Spitzen („Peaks”) in jedem empfangenen Signal zu erkennen. Sie kann festlegen, dass eine Reflexion jedes Mal empfangen wurde, wenn die Ausgabe der Filteranpassung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Sie kann eine maximale Amplitude für jede anerkannte Reflexion identifizieren.
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Beispiele eines Ultraschallsignals s(n) und einer entsprechenden Filteranpassung p(n) sind jeweils in 4a und b gezeigt. Das Ultraschallsignal s(n) ist eine Reflexion eines gegen Luft gesendeten Pulses. Die absoluten Werte der gefilterten Zeitreihen (d. h. das Absolute der Ausgabe der Filteranpassung) für Ultraschallsignal s(n) und entsprechende Filteranpassung p(n) sind in 4c gezeigt. Die Signalverarbeitung schätzt die Laufzeit als das Zeitmoment ab, an dem die Amplitude der gefilterten Zeitreihe an einem Maximum ist. In diesem Beispiel ist die Laufzeitschätzung mm Zeitmoment 64.
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In einem Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung das gefilterte Signal verstärken, bevor die maximale Amplituden- und Laufzeitwerte extrahiert werden. Dies kann durch die Signalverarbeitung getan werden. Die Verstärkungsschritte können ebenso durch einen unterschiedlichen Prozessor oder durch FPGA gesteuert werden. In einem Beispiel ist der zeitkorrigierte Gain eine Analogverstärkerung. Dies kann jegliche Amplitudenverminderung kompensieren, die durch den Rückweg des reflektierten Pulses zu dem Empfänger verursacht ist. Ein Weg dies zu tun, ist, einen zeitkorrigierten Gain auf jede der maximalen Amplituden anzuwenden. Die Amplitude, mit der ein Schallpuls durch ein Material reflektiert wird, ist abhängig von den Qualitäten dieses Materials (zum Beispiel seiner akustischen Impedanz). Zeitkorrigierter Gain kann (zumindest teilweise) die maximalen Amplituden zu dem Wert wiederherstellen, den sie gehabt hätten, wenn der Puls aktuell reflektiert worden wäre. Das entstehende Bild sollte dann die Materialbeschaffenheiten der strukturellen Eigenschaft exakter darstellen als der reflektierte Puls. Das entstehende Bild sollte ebenso jegliche Unterschiede zwischen den Materialbeschaffenheiten der strukturellen Eigenschaften in dem Objekt exakter widerspiegeln. Die Signalverarbeitung kann ausgerichtet sein, das gefilterte Signal durch einen Faktor anzupassen, der abhängig von seiner Laufzeit ist.
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Das Bildkonstruktionsmodul 309 und Bildverbesserungsmodul 310 kann einen Teil der in 1 gezeigten Bilderzeugungseinheit bilden. Das Bildkonstruktionsmodul kann ausgerichtet sein, eine Anwendereingabe vom Anwendereingabemodul 313 zu empfangen. Erzeugte Bilder werden an Display 311 ausgegeben, das in demselben Gerät oder Gehäuse wie die anderen Bestandteile oder in einem separaten Gerät oder Gehäuse enthalten sein kann. Das Display kann mit den anderen Bestandteilen via Kabel oder einer drahtlosen Verbindung verbunden sein.
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Eines oder beide von Bildkonstruktionsmodul und Bildverbesserungsmodul könnte in einem unterschiedlichen Gerät oder Gehäuse von den Sender- und Empfängerkomponenten enthalten sein, zum Beispiel in einem Tablet, PC, Phone, PDA oder anderen Computervorrichtung. Allerdings ist es von uns bevorzugt, dass soviel wie möglich von der Bildverarbeitung in dem Sende- und Empfängergehäuse durchgeführt wird (siehe zum Beispiel Handvorrichtung 1101 in 11).
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Das Bildkonstruktionsmodul kann eine Anzahl von unterschiedlichen Bildern erzeugen, indem es die von der Signalverarbeitung gesammelte Information nutzt. Jegliche der durch die Signalverarbeitung extrahierten Eigenschaften von dem empfangenen Signal kann genutzt werden. Typischerweise stellen die Bilder die Laufzeit und Energie oder Amplitude dar. Das Bildkonstruktionsmodul kann jedes Bildpixel mit einem speziellen Ort auf der Empfängeroberfläche verbinden, so dass jedes Pixel eine Reflexion darstellt, die an dem mit dem Pixel verbundenen Ort empfangen wurde.
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Das Bildkonstruktionsmodul kann fähig sein, ein Bild aus der gesammelten Information zu erzeugen, indem es einen einzelnen gesendeten Puls verwendet. Das Bildkonstruktionsmodul kann dieses Bild mit Information, die von darauffolgenden Pulsen gesammelt wurde, aktualisieren. Das Bildkonstruktionsmodul kann einen Rahmen („Frame”) erzeugen, indem die Information für diesen Frame mit einem oder mehreren vorangegangenen Frames gemittelt wird, um Störgeräusche zu reduzieren. Dies kann getan werden, indem der Mittelwert der relevanten Werte, die das Bild bilden, errechnet wird.
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Das Bildverbesserungsmodul 310 verbessert die erzeugten Bilder, um Rauschen zu vermindern und Klarheit zu verbessern. Das Bildverarbeitungsmodul kann das Bild unterschiedlich verarbeiten, abhängig von der Bildart (einige Beispiele sind in 5a bis c gezeigt und weiter unten beschrieben). Das Bildverbesserungsmodul kann eines oder mehrere des Folgenden durchführen:
- • Zeitmittelung. Mitteln über den laufenden und den vorangegangenen Frame kann durchgeführt werden, indem der Mittelwert von zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Frames für jeden Punkt berechnet wird, um Störgeräusche zu vermindern.
- • Hintergrundkompensation. Das Hintergrundbild wird während Kalibrierung durch Senden eines Schallpulses an Luft erreicht. Alle reflektierten Pulsspitzen gegen Luft werden in den Bereich [0, 1] umgewandelt. Dies ist eine digitale Kompensation und die meisten Werte werden zu 1 oder nahe 1 umgewandelt. Die Ultraschallkamera (zum Beispiel der Ultraschallwandler in dem Beispiel von 3) weist inhärent einige Leistungsschwankungen über seine Oberfläche auf, die die Zeit- und Amplitudenwerte beeinflussen werden, die durch die Signalverarbeitung extrahiert wurden. Um dies zu kompensieren, werden Bilder, die während eines normalen Betriebs erhalten wurden, durch das Hintergrundbild geteilt.
- • Schätzung der Signalhüllkurve. Eine analytische Darstellung des hintergrundkompensierten Signals kann als Summe des Signals selbst und einer imaginären Einheit mal der Hilbert-Transformierten des Signals gebildet werden. Das analytische Signal ist ein komplexes Signal, von dem die Signalhüllkurve als die Größe des analytischen Signals extrahiert und in der weiteren Verarbeitung benutzt werden kann. Erzeugen einer Niedrigamplitudenmaske. Dieser Vorgang kann speziell zur Erzeugung von 3D-Bildern genutzt werden. Eine Maske wird gebildet, die Pixel, die niedrigere Amplitudenwerte als ein Schwellwert haben, bedecken. (Dieser Schwellwert kann niedriger sein als der Schwellwert zur Schwellwertermittlung, die weiter unten beschrieben ist). Ein Filter wie ein 3×3 Maximalfilter wird dann in der sich ergebenden Maske angewendet, um kleine Löcher zu schließen.
- • Schwellwertermittlung: Ein Schwellwertprozent kann definiert werden, so dass niedrige Amplitudenwerte das Bild nicht vollstopfen. In einigen Ausführungsbeispielen kann dies durch den Anwender gesetzt werden. Ein Schwellwert wird aus dem Prozentsatz und dem kompletten Bereich der Amplitudenwerte errechnet. Teile des Bildes, die einen niedrigeren Amplitudenwert haben als dieser Schwellwert, werden abgeschnitten und auf den Schwellwert gesetzt. Ein Schwellwertprozent von 0 bedeutet, dass keine Schwellwertermittlung durchgeführt wurde. Der Zweck der Schwellwertermittlung ist es, eine sauberere Visualisierung von Bereichen mit niedrigen Amplituden zu bekommen.
- • Normalisierung: Die Werte werden auf den Bereich 0–255 normalisiert, um gute Farbtrennung zu erhalten, wenn sie angezeigt werden. Normalisierung kann durch Perzentilnormalisierung durchgeführt werden. Unter diesem Schema kann eine niedrige und eine hohe Perzentile definiert werden, in der Werte, die zu der niedrigen Perzentile gehören, auf 0 gesetzt werden, Werte, die zur hohen Perzentile gehören, auf 255 und der Bereich dazwischen eingeteilt wird, [0, 255] abzudecken. Eine andere Möglichkeit ist, den Farbfokus direkt zu setzen, indem zwei Parameter aufgeführt werden, colorFocusStartFactor und colorFocusEndFactor, die die Start- und Endpunkte des Bereiches definieren. Die Werte unterhalb des Startfaktors werden auf 0 gesetzt, die Werte über dem Endfaktor auf 255, und der Bereich dazwischen wird eingeteilt, um [0, 255] abzudecken.
- • Filtern. Bilder können gefiltert werden, um Störgeräusche zu vermindern. Dies sollte sorgfältig erfolgen, damit die entstehende Glättung Ränder nicht zu sehr verwischt. Der passendste Filter wird von der Anwendung abhängen. Einige passende Filtertypen beinhalten: Mittelwert, Median, Gaußsche Normalverteilung, bilaterale und maximale Ähnlichkeit.
- • Erzeugen einer Farbmatrix. Eine Farbmatrix wird gebildet, die Werte vom Graubereich der Farbtafel für Bereiche mit Niedrigamplituden definiert und Werte vom Farbbereich für die verbleibenden Bereiche mit höheren Amplituden. Eine Maske für die Graubereiche kann von einer erodierten Variante der Niedrigamplitudenmaske erhalten werden. (Die Erosion wird die Maske um ein Pixel entlang dem Rand zwischen Grau und Farbe vergrößern und wird durchgeführt, um den Regenbogeneffekt zu vermindern, den die Visualisierung ansonsten entlang der Ränder, an denen der Pixelwert vom Graubereich zum Farbbereich geht, bilden würde).
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Beispiele der Bilder, die durch die Bilderzeugungseinheit hergestellt werden können, sind unten beschrieben.
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A-Scan
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Der A-Scan ist eindimensional. Er bildet die Reflexionen in allen abgetasteten Tiefen für einen speziellen Ort auf der Objektoberfläche ab. Der A-Scan stellt die Amplitude der Reflexionen an diesem speziellen Ort und die Tiefe dar, in der diese Reflexionen ausgelöst wurden. Die Vorrichtung kann die Reflexionen erfassen, indem es das Signal, das an einem speziellen Ort auf seiner eigenen Empfängeroberfläche empfangen wurde, analysiert, zum Beispiel das von einer speziellen Elektrode in einem Ultraschallwandler empfangene Signal.
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Ein Beispiel eines A-Scans ist mit 501 in 5a bezeichnet. Dieses Beispiel ist eine direkte graphische Darstellung von Amplitude gegen Tiefe. Tiefe wird aus der Laufzeitinformation berechnet. Die Spitzen stellen strukturelle Eigenschaften dar, die die Schallpulse reflektierten. Die Fadenkreuze 503, 504 bezeichnen den speziellen Ort, der durch den A-Scan dargestellt wird. Dieser Punkt ist ein x, y Ort (siehe die Achsen in 2a bis c und 5b).
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Der Anwender kann geeigneterweise den speziellen Ort auswählen. In dem in 5a gezeigten Beispiel kann dies durch Bewegen der Fadenkreuze 503, 504 erfolgen. Der Schwellwertprozentsatz kann ebenso durch den Anwender gesetzt werden. In 5a kann dies durch Bewegen des horizontalen Schiebebalkens 502 getan werden.
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Ein Beispiel eines Vorgangs zur Erzeugung eines A-Scan ist in 6 gezeigt. Das Bildverbesserungsmodul kann Hintergrundkompensation (S604) und das Schätzen der Signalhüllkurve (S605) durchführen als Teil der Erzeugung des A-Scan. Der A-Scan könnte das ungefilterte oder das gefilterte Signal abbilden, aber es ist im Allgemeinen einfacher, eine Signalhüllkurve zu interpretieren, da sie nur eine „Spitze” hat. Ein ungefiltertes Signal würde diverse „Spitzen” haben und schwieriger zu interpretieren sein.
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Der A-Scan versorgt den Anwender mit einer genauen, detaillierten Information über die Struktur unter einem bestimmten Ort auf der Objektoberfläche. Eigenschaften können im A-Scan identifizierbar sein, die in anderen Bildern verdeckt wären. Es ermöglicht dem Anwender, sich ausschließlich auf einen kleinen, interessierenden Zielbereich zu konzentrieren. Es ermöglicht dem Anwender ebenfalls, zu identifizieren, dass ein bestimmter Bereich des Objektes weiterer Untersuchungen wert ist. Der Anwender kann diese Information nutzen, um herauszuarbeiten, wo er durch andere Bilder „schneiden” sollte, um den Teil des Objektes freizulegen und zu fokussieren, den er anschauen möchte. Der A-Scan kann ebenso genutzt werden, um andere Bilder des Objektes zu „säubern”, da es den Anwender ermöglicht, Reflexionen mit niedriger Amplitude in den anderen Scans durch Bewegen des horizontalen Schiebebalkens auszublenden.
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C-Scan Laufzeit oder Amplitude
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Die C-scan Laufzeit- und Amplitudenscans sind zweidimensional. Sie bilden die Reflexionen in abgetasteten Tiefen über der Objektoberfläche ab. Der Scan kann Laufzeit, Amplitude, Signalenergie oder jegliche andere extrahierte Eigenschaft abbilden.
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Die Vorrichtung erfasst Reflexionen über der Objektoberfläche. Geeigneterweise stellt jedes Bildpixel eine Reflexion dar, die an einen bestimmten Punkt auf seiner Empfängeroberfläche empfangen wurde, zum Beispiel an einer bestimmten Elektrode in einem Ultraschallwandler. Abhängig von der abgetasteten Tiefe kann die Vorrichtung mehrere Reflexionen an einem bestimmten Punkt auf der Empfängeroberfläche empfangen. Typischerweise wird der Scan die Reflexion mit der maximalen Amplitude abbilden. Das heißt, dass strukturelle Eigenschaften, die kleinere Reflexionen erzeugten, in dem entstehenden Bild verdeckt sein können.
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Ein Beispiel eines Laufzeitscans ist mit 505 in 5a gezeigt. Es stellt Laufzeit dar, d. h. jedem Pixel ist eine Farbe zugeordnet, entsprechend der relativen Tiefe, die mit der größten an diesem Ort auf der Objektoberfläche empfangenen Reflexion verbunden ist. Ein Beispiel eines Amplitudenscans ist mit 511 in 5c gezeigt. Die Scans ähneln einer Draufsicht in das Objekt aus der Perspektive der Bildgebungsvorrichtung. Sie bilden effektiv eine unter der Oberfläche liegende „Schicht” des Objektes ab, die weitgehend parallel zu der Empfängeroberfläche der Vorrichtung ist (welche wiederum normalerweise mit der Objektoberfläche, gegen die sie gepresst wird, übereinstimmt). Allerdings kann die „Schicht” unterbrochen sein, da Teile des Scans Eigenschaften abbilden können, die in einer unterschiedlichen Tiefe gelegen sind als Eigenschaften, die in anderen Bildteilen gezeigt sind, abhängig davon, welche Eigenschaften die größten Amplitudenreflexionen ausgelöst haben.
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Der Anwender kann Fadenkreuze 503 und 504 verwenden, um bestimmte Schnitte durch die Scans anzuschauen (dies erzeugt die B-Scans, wie weiter unten diskutiert). Die dargestellten Fadenkreuze sind gerade Linien, die parallel zu den x und y Achsen der Scans sind. Dies ist nur zum Beispiel; der Anwender kann fähig sein, entlang der Linien, die zu den Achsen gewinkelt sind, oder gebogenen Linien zu schneiden. Die oberen und unteren Gates 506, 507 werden genutzt, um die oberen und unteren Grenzen des Zeitfensters für die eingehenden Signale zu setzen. Der Anwender kann fähig sein, einen größeren Farbkontrast zwischen interessierenden strukturellen Eigenschaften zu erreichen, indem die Gates angepasst werden, um die interessierende Tiefe zu fokussieren. Der Anwender kann ebenso nur einen gewissen zu untersuchenden Tiefenbereich auswählen, indem er die Gates anpasst.
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Die Laufzeit- und die Amplitudenbilder werden leicht unterschiedlich verarbeitet. Ein Beispiel der Verarbeitung eines Laufzeitbildes ist in 7a gezeigt. Die Hauptschritte sind Normalisierung von Werten (optional) und räumliches medianes Filtern. Eine Niedrigamplitudenmaske wird genutzt, da der Amplitudendatensatz noch zur Visualisierung genutzt wird, auch wenn dies ein Laufzeitbild ist. Das Bildverbesserungsmodul beginnt typischerweise mit Durchführen der Hintergrundkompensation (S704). Dies passt nur die Amplitudendaten an. Eine Niedrigamplitudenmaske kann dann erzeugt werden, um Pixel mit niedrigeren Amplitudenwerten als ein Schwellwert (S705) abzudecken. Dieser Schwellwert kann das durch den horizontalen Schiebebalken im A-Scan gesetzte Niveau sein. Die Laufzeit-/Amplitudenwerte werden dann normalisiert (S706) und gefiltert (S707). Ein geeigneter Filter könnte ein 3×3 räumlicher Medianfilter sein. Die Niedrigamplitudenmaske wird zusammen mit dem verarbeiteten Bild zurückgegeben, um in dem Bild die Visualisierung von Punkten zu ermöglichen, die eine niedrigere Amplitude als der Schwellwert (S708) haben. Die von der Maske gedeckten Punkte könnten zum Beispiel visualisiert werden, indem die Grauskala genutzt wird, wobei Punkte außerhalb der Maske durch Benutzen der Farbskala visualisiert werden könnten.
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Ein Beispiel für die Verarbeitung eines Amplitudenbildes ist in 7b gezeigt. Die Hauptschritte sind Hintergrundkompensation, Ermittlung eines Schwellwerts und Normalisierung. Das Bildverbesserungsmodul beginnt typischerweise mit dem Durchführen der Hintergrundkompensation (S713). Dann wird der Schwellwert ermittelt, indem das durch den horizontalen Schiebebalken im A-Scan (S714) gesetzte Niveau benutzt wird. Punkte mit Amplituden unter dem Schwellwert werden abgeschnitten und auf den Amplitudenwert gesetzt. Die Laufzeit/Amplitudenwerte werden dann normalisiert (S715).
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Die Laufzeit- und Amplitudenscans liefern dem Anwender mit einen guten Überblick über die Struktur unter einer Objektoberfläche. Sie versorgen den Anwender mit einer Anzeige, welche Abschnitte des Objektes weitere Untersuchung rechtfertigen. Einige strukturelle Eigenschaften können verdeckt sein, aber diese können freigelegt werden, indem in die Laufzeit- und Amplitudenscans „geschnitten” wird. Dieses Schneiden kann entweder senkrecht zu dem Laufzeit- und Amplitudenscan und in das Objekt erfolgen (zum Beispiel mit den Fadenkreuzen) oder quer zu dem Laufzeit- und Amplitudenscan (zum Beispiel mittels Setzen eines Zeitfensters).
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B-Scan
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Der B-Scan ist ebenso zweidimensional. Er stellt die Reflexionen, die entlang einer bestimmten Linie über der Objektoberfläche empfangen wurden, dar. Der B-Scan bildet die Amplitudenänderung der Reflexionen ab, die entlang der bestimmten Linie empfangen wurden, und ihre relativen Tiefen. Der B-Scan schaut in das Objekt hinein. Er kann genutzt werden, um Eigenschaften freizulegen, die in anderen Bildern, wie z. B. den Laufzeit- und Amplitudenscans, verdeckt sind.
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Die Vorrichtung kann Reflexionen erfassen, die von dem Objekt entlang einer entsprechenden Linie auf seiner eigenen Empfängeroberfläche empfangen wurden. Dies könnte eine Linie von Elektroden in einem Ultraschallwandler sein. Die Vorrichtung kann viele Reflexionen an einem oder mehreren Punkten entlang der Linie empfangen. Der B-Scan ist nur in einer Dimension entlang der Objektoberfläche interessiert, so dass die zweite Dimension des Scans in das Objekt hineingeht. Daher ist der B-Scan fähig, viele Reflexionen darzustellen.
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5a zeigt zwei unterschiedliche B-Scans. Der B-Scan enthält zwei getrennte zweidimensionale Bilder, die eine vertikale Ansicht (y, z) 508 und eine horizontale Ansicht (x, z) 509 abbilden. Die vertikalen und horizontalen Ansichten bilden in das Objekt ab. Die jedem Pixel zugeordneten Farben stellen die an diesem Ort und Tiefe reflektierte Schallenergie dar. Die Fadenkreuze 503, 504 legen fest, wo der „Schnitt” durch die Draufsicht 505 unternommen wird. Wie oben erwähnt kann der Anwender ebenso fähig sein, entlang Linien, die gewinkelt zu den Achsen sind, oder gebogenen Linien zu schneiden. Die oberen und unteren Gates 506, 507 werden genutzt, um die oberen und unteren Grenzen für das Setzen eines Zeitfensters für die eingehenden Signale zu setzen. Der Anwender kann fähig sein, einen größeren Farbkontrast zwischen interessierenden strukturellen Eigenschaften zu erreichen, indem die Gates angepasst werden, um nur in die interessierende Tiefe zu fokussieren. Der Anwender kann ebenso nur einen gewissen zu untersuchenden Tiefenbereich auswählen, indem die Gates angepasst werden.
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Der Vorgang zur Erzeugung eines B-Scan ist in 8 gezeigt. Die Hauptschritte, die durch das Bildverbesserungsmodul bei Herstellung eines B-Scans durchgeführt werden, sind: Zeitmittelung (S804), Hintergrundkompensation (S805), Schätzung einer Signalhüllkurve (S808), Ermittlung eines Schwellwertes (S809) und Normalisierung (S810)(optional). Die horizontalen und vertikalen Scans werden durch denselben Vorgang erzeugt mit einer Ausnahme: das Schätzen der Signalhüllkurve wird auf dem transponierten, hintergrundkompensierten Bild für den horizontalen Scan durchgeführt (S806, S807).
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Die B-Scans geben dem Anwender eine gute Idee der Größe, Tiefe und Position von unter der Oberfläche liegenden, strukturellen Eigenschaften, die entlang einer bestimmten Linie auf der Objektoberfläche liegen. Sie können Eigenschaften, die in anderen Scans verdeckt sind, freilegen.
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Dreidimensional
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Das dreidimensionale Bild ist ähnlich zu den Laufzeit- und Amplitudenscans, insofern dass es die Reflexionen in abgetasteten Tiefen über der Objektoberfläche abbildet. Einige Eigenschaften können verdeckt sein.
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5b zeigt ein Beispiel eines 3D-Bildes 510. Der Anwender kann fähig sein, das Bild zu drehen und hinein zu zoomen. Der Anwender kann wählen, eine unter der Oberfläche liegende Schicht von einer bestimmten Dicke zu sehen, indem die Zeitgates 506, 507 angepasst werden.
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Das Erzeugen dreidimensionaler Bilder kann eine stärkere Rauschreduktion erfordern als für zweidimensionale Bilder. Der Grund dafür ist, dass Rauschen als große Spitzen in den dreidimensionalen Bildern erscheinen, wobei sie Schatten erzeugen und es schwierig machen, die wahren Strukturen zu sehen.
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Ein Vorgang zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes ist in 9 gezeigt. Das Bild durchläuft eine Hintergrundkompensation (S904). Dann wird eine Niedrigamplitudenmaske erzeugt (S905), welche normalerweise einen Schwellwert hat, der niedriger ist als der, der im A-Scan GUI definiert wurde. Ein maximaler Filter kann an der Maske angewendet werden, um jegliche kleine Löcher zu schließen. Das Bild durchläuft dann Normalisierung (optional) (S906) und räumliches Filtern (S907). Dann wird es mit einer erzeugten Farbmatrix (S908) kombiniert. Die Farbmatrix definiert Werte vom Graubereich der Farbtafel für Niedrigamplitudenbereiche und Werte vom Farbbereich für andere Amplituden (dies wird nur angewendet, wenn der Amplitudenschwellwert genutzt wird). Zu bemerken ist, dass es möglich ist, die Farben unabhängig von den Laufzeitwerten zu setzen. Die dreidimensionale Darstellung wird aus dem gefilterten Bild in Verbindung mit der Niedrigamplitudenmaske (S909) erzeugt. Punkten außerhalb der Maske wird eine Höhe in dem dreidimensionalen Bild zugeordnet, die ihrem Laufzeitwert entspricht. Ihnen wird ebenso ein entsprechender Farbwert zugeordnet. Punkten innerhalb der Maske wird eine Höhe zugeteilt, die dem am weitest wegliegenden Punkt, der abgebildet wird, entspricht und ein Grauton, der ihrem Laufzeitwert entspricht. Auf diesem Weg zeigt der C-scan Informationen über beides an, welche Punkte unterdrückt wurden, und ihre ursprünglichen Werte.
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Der C-scan liefert dem Anwender eine benutzerfreundliche Darstellung von dem, wie das Objekt unter seiner Oberfläche aussieht. Es ist der Scan, der den Benutzer mit einer Erfahrung versorgt, die am nächsten an eine direkte Sicht auf einen unter der Oberfläche liegenden Teil des Objektes kommt. Es kann der Scan sein, den der Anwender am häufigsten benutzt, um potentielle Problemareale unter der Objektoberfläche zu visualisieren, wie potentielle Spannungskonzentratoren. Verdeckte Eigenschaften können freigelegt werden, entweder indem das Setzen eines Zeitfensters der empfangenen Signale geändert wird oder indem einer der anderen Scans benutzt wird.
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Ein Beispiel einer Handvorrichtung zur Darstellung unter der Oberfläche eines Objektes ist in 11 gezeigt. Das Gerät 1101 könnte ein integriertes Display haben, aber in diesem Beispiel gibt es Bilder an ein Tablet 1102 aus. Die Verbindung mit dem Tablet kann drahtgebunden, wie gezeigt, oder drahtlos sein. Das Gerät hat eine Matrixanordnung 1103 zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen. Geigneterweise wird die Anordnung durch einen Ultraschallwandler realisiert, der eine Vielzahl von Elektroden enthält, die in einem sich überschneidenden Muster angeordnet sind, um eine Anordnung von Wandlerelementen zu bilden. Die Wandlerelemente können zwischen Senden und Empfangen geschaltet werden. Die Handvorrichtung enthält eine Trockenkoppelungsschicht 1104, um Ultraschallsignale in das Objekt zu koppeln. Die Trockenkoppelungsschicht verzögert ebenso die Ultraschallsignale, um den Wandlern Zeit zu verschaffen, um von Senden auf Empfangen zu schalten. Eine Trockenkoppelungsschicht bietet eine Anzahl von Vorteilen gegenüber anderen Bildgebungssystemen, welche dazu neigen, Flüssigkeiten zum Koppeln von Ultraschallsignalen zu nutzen. Das kann unpraktisch in einer industriellen Umgebung sein. Wenn das Flüssigkoppelungsmedium in einer Blase enthalten ist, wie manchmal üblich, macht es dies schwierig, exakte Tiefenmessungen zu erhalten, was nicht ideal ist für zerstörungsfreie Testanwendungen.
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Die Matrixanordnung 1103 ist zweidimensional. So braucht sie nicht über das Objekt bewegt werden, um ein Bild zu erhalten. Eine typische Matrixanordnung kann 30×30 mm sein, aber die Größe und Form der Matrixanordnung kann verändert werden, um für die Anwendung geeignet zu sein. Das Gerät kann direkt gegen das Objekt durch den Anwender gehalten werden. Im Allgemeinen wird der Anwender bereits eine gute Idee haben, wo das Objekt unter der Oberfläche liegenden Fehler oder Materialdefekte haben könnte; zum Beispiel kann ein Bestandteil einen Stoß erlitten haben oder eine oder mehrere Bohr- oder Nietlöcher enthalten, die Spannungskonzentrationen verursachen könnten.
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Das Gerät verarbeitet geeigneterweise die reflektierten Pulse in Echtzeit, so dass der Anwender einfach das Gerät auf jegliches interessierende Areal setzen kann.
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Das Handgerät enthält ebenso eine Drehscheibe 1105, die der Anwender nutzen kann, um die Pulsform und entsprechenden Filter zu ändern. Die passendste Pulsform kann von der Art der strukturellen Eigenschaft, die dargestellt wird, abhängen, und wo sie im Objekt gelegen ist. Der Anwender sieht das Objekt in verschiedenen Tiefen, indem das Setzen eines Zeitfensters via Display angepasst wird (siehe ebenso 5a, oben beschrieben). Dass die Vorrichtung an ein Handdisplay, wie Tablet 1102, oder an ein integriertes Display ausgibt, ist vorteilhaft, da der Anwender den Wandler stetig über das Objekt bewegen oder die Einstellungen der Vorrichtung verändern kann, abhängig von dem, was er auf dem Display sieht, und er bekommt sofortige Ergebnisse. In anderen Anordnungen könnte der Anwender zwischen einem feststehenden Display (wie ein PC) und dem Objekt hin und her zu laufen haben und jedes Mal erneut zu scannen, wenn eine neue Einstellung oder Ort auf dem Objekt getestet werden soll.
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Die hier beschriebene Vorrichtung und Vorgang sind speziell geeignet, um Ablösung und Aufblätterung in zusammengesetzten Materialien, wie Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFRP) zu erfassen. Dies ist wichtig bei der Wartung von Flugzeugen. Sie kann ebenso genutzt werden, um Abblättern um Bohrlöcher zu erfassen, was als Spannungskonzentrator wirken kann. Die Vorrichtung ist speziell geeignet für Anwendungen, in denen es erwünscht ist, einen kleineren Bereich eines viel größeren Bestandteils darzustellen. Die Vorrichtung ist leichtgewichtig, tragbar und einfach zu benutzen. Sie kann einfach per Hand durch einen Anwender getragen und platziert werden, wo es auf dem Objekt erfordert ist.
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Die hier beschriebene Bildgebungsvorrichtung ist fähig, eine Anzahl von verschiedenen Bildern der strukturellen Eigenschaften unter einer Objektoberfläche zu erzeugen. Zwei oder mehrere von diesen Bildern können vorzugsweise gleichzeitig angezeigt werden (wie in 5a bis c gezeigt), was es unkompliziert für den Anwender macht, die Bilder zu vergleichen und sich ein vollständiges Bild über den Vorgang unter der Objektoberfläche zu bilden. Die Vorrichtung ist ebenfalls vorzugsweise fähig, die Bilder aus derselben Information zu erzeugen, das heißt, dass der Anwender das Objekt nicht erneut scannen muss.
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Die in den Figuren illustrierten funktionellen Blöcke stellen die verschiedenen Funktionen dar, die die Vorrichtung ausgerichtet ist, durchzuführen. Sie sind nicht beabsichtigt, eine strenge Grenze zwischen physikalischen Bestandteilen in der Vorrichtung zu definieren. Die Leistung einiger Funktionen kann unter einer Anzahl von verschiedenen, physikalischen Bestandteilen aufgeteilt werden. Ein spezieller Bestandteil kann eine Anzahl von verschiedenen Funktionen ausführen. Die Funktionen können in Hardware, Software oder in Kombination der zweien geleistet werden. Die Vorrichtung kann nur ein physikalisches Gerät enthalten, oder eine Anzahl von getrennten Geräten. Zum Beispiel kann ein Teil der Signalverarbeitung und Bilderzeugung in einem tragbaren Handgerät durchgeführt werden, und ein Teil in einem getrennten Gerät wie einem PC, PDA, Telefon oder Tablet. In einigen Beispielen kann die gesamte Bilderzeugung in einem getrennten Gerät durchgeführt werden.
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Der Anmelder offenbart hier isoliert jede individuelle hier beschriebene Eigenschaft und jegliche Kombination von zwei oder mehreren solchen Eigenschaften auf, soweit solche Eigenschaften oder Kombinationen fähig sind, ausgeführt zu werden, basierend auf der vorliegenden Beschreibung als Ganzes im Licht des gewöhnlichen Allgemeinwissens einer Fachkraft, unabhängig, ob solche Eigenschaften oder Kombinationen von Eigenschaften jegliche hier aufgezeigte Probleme lösen können und ohne Begrenzung des Umfangs der Ansprüche. Der Anmelder zeigt auf, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung aus einer solchen individuellen Eigenschaft oder einer Kombination von Eigenschaften bestehen kann. In Anbetracht der vorangegangenen Beschreibung ist es für eine Fachkraft klar, dass verschiedene Änderungen innerhalb des Umfangs der Erfindung gemacht werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5773811 [0003, 0004, 0004]
- US 8453928 [0003]
