便攜式數(shù)字X射線光錐耦合CCD成像系統(tǒng)研究

　　數(shù)字X射線成像系統(tǒng)以其在圖像獲取顯示存儲(chǔ)和傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢(shì)被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像和工業(yè)無損檢測(cè)領(lǐng)域。這種傳統(tǒng)的醫(yī)用影像和工業(yè)無損檢測(cè)的X射線成像系統(tǒng)一般具有較大的工作面積，但其圖像分辨力不高，一般不超過31pixel/mm;而在實(shí)際應(yīng)用中，一些觀察和分析微小部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的工作，如，集成電路的檢查、材料與元器件的無損檢測(cè)以及微小零件的探傷等，這些實(shí)際應(yīng)用并不要求有很大的工作面積，卻要求有較高的圖像清晰度，另外，運(yùn)動(dòng)員、部隊(duì)以及野外作業(yè)人員遇到傷害時(shí)的及時(shí)診斷，這項(xiàng)工作要求給受傷病人進(jìn)行及時(shí)診斷，并且，要求圖像清晰度比較高，也需要便攜式數(shù)字x射線光錐耦合CCD成像系統(tǒng)。

　　近年來，國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)開發(fā)研制成平板式的X射線像增強(qiáng)器。其工作原理是利用微通道板作為從X射線到電子的轉(zhuǎn)換元件，以及隨后的電子倍增元件，微通道板與其后面的光纖面板熒光屏近貼聚焦成像。這是目前市場(chǎng)上便攜式X射線成像器的核心部件。這種X射線成像儀是直接目視型的，不能輸出視頻信號(hào)，不能直接與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行定量測(cè)量和分析。雖然也可通過光學(xué)透鏡，將X射線像增強(qiáng)器熒光屏圖像耦合到CCD上，這樣成像體積比較大，而且，由于光能損失很大，最后，圖像的信噪比明顯降低。

　　本文介紹的便攜式數(shù)字X射線光錐耦合CCD成像系統(tǒng)，利用光錐作為光學(xué)中繼元件，將X射線II代像增強(qiáng)器光纖面板熒光屏輸出的增強(qiáng)的圖像耦合到CCD的光敏面上，從而形成高分辨力、數(shù)字化成像系統(tǒng)，并對(duì)其系統(tǒng)成像的空間分辨力進(jìn)行了測(cè)試和分析。

　　1 成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

　　本文所介紹的便攜式數(shù)字X射線光錐耦合CCD成像系統(tǒng)，使用的X射線像增強(qiáng)器是II代像增強(qiáng)器，其有效的工作直徑為50mm，工作電壓為35～70kV，工作電流為220～500μA，熒光輸出屏是光纖面板。CCD選用SONYCCD，其有效工作面積為6.4 mm×4.8 mm，像素尺寸為8μm x8μm。光錐的錐比為6：1，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

　　工作時(shí)，X射線通過被檢測(cè)物體投射到輸入熒光屏上，激發(fā)出可見的熒光圖像，此圖像通過像增強(qiáng)器起到圖像亮度增強(qiáng)的作用。在像增強(qiáng)器光電陰極處產(chǎn)生光電子發(fā)射，形成光電子圖像。在高壓電極的作用下，光電子加速并聚焦到像增強(qiáng)器的光纖面板輸出熒光屏上，轉(zhuǎn)換為可見光圖像，投射在CCD的光敏面上，由CCD芯片將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)。

　　1.1 光錐和CCD的耦合效率對(duì)成像系統(tǒng)信噪比的影響

　　光錐和CCD耦合其實(shí)就是利用光學(xué)粘結(jié)劑把2個(gè)像素離散性的元器件(光錐和CCD)串聯(lián)裝配起來。這樣，從像增強(qiáng)器的熒光屏到CCD芯片表面的圖像傳輸就用不著光學(xué)透鏡，而可由光錐直接完成，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：提高了光能的利用效率，并大大減小成像體積。光錐和CCD耦合效率體現(xiàn)了光錐和CCD耦合的好壞。

　　光錐和CCD耦合效率(ηFOT)是指從X射線像增強(qiáng)器光纖面板熒光屏上發(fā)出的光，經(jīng)過光錐和耦合介質(zhì)的損耗(Eabsorb)和傳播到CCD光敏面上的光束能量(ECCD)與X射線像增強(qiáng)器光纖面板熒光屏上發(fā)出的總的光能(Eall)之比，用數(shù)學(xué)公式表示為

　　式中ATaper為光錐的有效數(shù)值孔徑;TR為光線經(jīng)過光錐前后端面反射損耗后的透過率;TA為光線經(jīng)過光錐傳輸時(shí)，由于光錐芯料吸收和內(nèi)反射損耗后產(chǎn)生的透過率;KC為光錐的有效填充率;Tepoxy為光線經(jīng)過耦合介質(zhì)的透過率。

　　從式(1)中可以看出：光錐和CCD耦合的效率與光錐的有效數(shù)值孔徑、光錐的有效填充率和光錐和耦合介質(zhì)的、吸收損耗相關(guān)。提高光錐與CCD的耦合效率的有效方法就是采用大數(shù)值孔徑的光錐、減少光錐端面的反射損耗和光線傳輸介質(zhì)的吸收損耗，提高光錐和耦合介質(zhì)的透過率。

　　在成像系統(tǒng)中，X射線像增強(qiáng)器、光錐和CCD整個(gè)耦合器件最終可探測(cè)到的信號(hào)n大小可以表示為

　　式中ηCCD為CCD的量子轉(zhuǎn)化效率;ηFOT為光錐的耦合效率;nintensifier為像增強(qiáng)器放大輸出的光子量。

　　整個(gè)耦合器件探測(cè)到的信號(hào)噪聲主要是由X射線像增強(qiáng)器和CCD產(chǎn)生的，信號(hào)噪聲可以表示為

　　式中 n2intensifier-noiseX射線像增強(qiáng)器產(chǎn)生的信號(hào)噪聲;n2CCD-noise為CCD產(chǎn)生的信號(hào)噪聲。因此，整個(gè)耦合器件的信噪比為

　　由式(4)可以看出：當(dāng)X射線像增強(qiáng)器的增益特別高的時(shí)候，由CCD產(chǎn)生的信號(hào)噪聲n2CCD-noise可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為信號(hào)噪聲與光錐和CCD耦合器件的特性無關(guān)，當(dāng)X射線像增強(qiáng)器的增益比較低的時(shí)候，CCD的噪聲大于X射線像增強(qiáng)器的噪聲的時(shí)候，整個(gè)耦合器件的信噪比為

　　這就說明了提高光錐和CCD的耦合效率能夠提高整個(gè)耦合器件的信噪比。

　　1.2 光錐和CCD的耦合

　　光錐的小端面要按照CCD的有效工作面積的大小，切成一個(gè)大小與之相對(duì)應(yīng)的光纖塊，然后，把光錐的2個(gè)端面按照規(guī)定拋光，同時(shí)，要保證光錐端面的有較好的平行度和光圈數(shù)。成品的CCD器件，為了保護(hù)耙面被氧化或被灰塵污染，靶面連同線路板邊框被用石英玻璃保護(hù)窗封粘。由于光錐是端面成像，必須要與CCD靶面緊密接觸，因此，首先要去除CCD的石英玻璃窗。CCD的石英玻璃窗的去除通常在超凈室中，通過機(jī)械的方法去除，同時(shí)，要保持CCD表面的清潔。

　　光錐和CCD的芯片表面之間不能直接接觸，中間要有一種耦合介質(zhì)，耦合介質(zhì)選用的是低粘度的光敏膠，固定后折射率為1.56。這樣，不僅避免了光錐小端面與CCD直接接觸而造成CCD表面損傷的可能，更重要的是由于耦合介質(zhì)的存在，可以減少界面處光的損失和散射，提高了光錐和CCD的耦合效率，保持圖像分辨力，同時(shí)，也起到對(duì)CCD和光錐的固定。

　　在耦合的過程中，首先，要把光敏膠涂在CCD的靶面上，然后，一邊調(diào)整，一邊在光錐大端觀察，輕輕擠壓光錐，使光敏膠在CCD靶面上均勻涂開，并無氣泡產(chǎn)生，同時(shí)，使光敏膠的厚度盡可能的小，因?yàn)楣饷裟z的厚度越小，成像的質(zhì)量就越好。耦合的過程主要要避免損害CCD細(xì)絲引腳、涂膠的不均勻性、氣泡的產(chǎn)生和莫爾條紋等問題。

　　1.3 光錐和X射線II代像增強(qiáng)器的耦合

　　為了光錐大端和X射線II代像增強(qiáng)器輸出屏之間的光學(xué)耦合，普通的光學(xué)玻璃輸出屏已不能用，可以換成光纖面板或者薄的透明云母片。實(shí)驗(yàn)選擇的是光纖面板來代替普通的光學(xué)玻璃作為像增強(qiáng)器的輸出屏，光纖面板的纖維直徑約為5μm。

　　光錐和X射線II代像增強(qiáng)器之間的耦合相當(dāng)于2個(gè)平板玻璃之間的耦合，耦合的過程中，可以通過CCD相機(jī)將耦合過程中的圖像傳到監(jiān)視器上，便于實(shí)時(shí)觀察，過程中主要避免涂膠的不均勻性、氣泡的產(chǎn)生和莫爾條紋等問題。

　　2 成像系統(tǒng)的空間分辨力分析與檢測(cè)

　　2.1 空間分辨力的分析與測(cè)試

　　利用圖1對(duì)成像系統(tǒng)的空間分辨力進(jìn)行測(cè)試。測(cè)的系統(tǒng)的空間分辨力如圖2所示，一般來說，圖像經(jīng)過去除噪聲、圖像的對(duì)比度調(diào)節(jié)、CCD像元不一致性校正等處理過程可一定程度上提高圖像的清晰度。從測(cè)試的結(jié)果來看，系統(tǒng)的空間分辨力達(dá)到41 pixel/mm。與X射線像增強(qiáng)器的分辨力測(cè)試結(jié)果相對(duì)比，說明了低粘度的光敏膠對(duì)成像質(zhì)量的影響比較小，耦合后仍然保持較好的分辨力。

　　2.2 人體成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　利用圖1裝置對(duì)人體各個(gè)部位觀察，圖3是對(duì)人的手指骨、手掌、手腕的X光透視照片。從透視照片來看，各個(gè)部位的圖像都比較清晰，能夠?qū)@些部位的骨折、骨質(zhì)增生等病變作出準(zhǔn)確的診斷。

　　3 結(jié)論

　　本文研究的便攜式數(shù)字X射線光錐耦合CCD成像系統(tǒng)具有幅面小、分辨力高的特點(diǎn)，通過對(duì)系統(tǒng)的空間分辨力的測(cè)試，表明系統(tǒng)的空間分辨力能夠達(dá)到41pixel/mm，整個(gè)系統(tǒng)的成像效果比較好，能夠滿足小部件的無損檢測(cè)和醫(yī)學(xué)成像的要求。同時(shí)，這套成像系統(tǒng)攜帶方便、成本低、應(yīng)用范圍比較廣，便于在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)化。