便携式数字X射线光锥耦合CCD成像系统研究

文章摘要： 引 言数字X射线成像系统以其在图像获取显示存储和传输等方面的优势被广泛地应用于医学影像和工业无损检测领域。这种传统的医用影像和工业无损检测的X射线成像系统一般具有较大的工作面积，但其图像分辨力不高，一般不超过31pixel/mm;而在实际应用中，一些观察和分析微小部件内部结构的工作，如，集成电路的检查、材料与元器件的无损检测以及微小零件的探伤等，这些实际应用并不要求有很大的工作面积，却要求有较高的图像清晰度，另外，运动员、部队以及野外作业人员遇到伤害时的及时诊断，这项工作要求给受伤病人进行及时诊断，并且，要求图像清晰度比较高，也需要便携式数字x射线光锥耦合CCD成像系统。近年来，国内外

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    引 言

　　数字X射线成像系统以其在图像获取显示存储和传输等方面的优势被广泛地应用于医学影像和工业无损检测领域。这种传统的医用影像和工业无损检测的X射线成像系统一般具有较大的工作面积，但其图像分辨力不高，一般不超过31pixel/mm;而在实际应用中，一些观察和分析微小部件内部结构的工作，如，集成电路的检查、材料与元器件的无损检测以及微小零件的探伤等，这些实际应用并不要求有很大的工作面积，却要求有较高的图像清晰度，另外，运动员、部队以及野外作业人员遇到伤害时的及时诊断，这项工作要求给受伤病人进行及时诊断，并且，要求图像清晰度比较高，也需要便携式数字x射线光锥耦合CCD成像系统。

　　近年来，国内外都已经开发研制成平板式的X射线像增强器。其工作原理是利用微通道板作为从X射线到电子的转换元件，以及随后的电子倍增元件，微通道板与其后面的光纤面板荧光屏近贴聚焦成像。这是目前市场上便携式X射线成像器的核心部件。这种X射线成像仪是直接目视型的，不能输出视频信号，不能直接与计算机连接进行定量测量和分析。虽然也可通过光学透镜，将X射线像增强器荧光屏图像耦合到CCD上，这样成像体积比较大，而且，由于光能损失很大，最后，图像的信噪比明显降低。

　　本文介绍的便携式数字X射线光锥耦合CCD成像系统，利用光锥作为光学中继元件，将X射线II代像增强器光纤面板荧光屏输出的增强的图像耦合到CCD的光敏面上，从而形成高分辨力、数字化成像系统，并对其系统成像的空间分辨力进行了测试和分析。

　　1 成像系统的结构及工作原理

　　本文所介绍的便携式数字X射线光锥耦合CCD成像系统，使用的X射线像增强器是II代像增强器，其有效的工作直径为50mm，工作电压为35～70kV，工作电流为220～500μA，荧光输出屏是光纤面板。CCD选用SONYCCD，其有效工作面积为6.4 mm×4.8 mm，像素尺寸为8μm x8μm。光锥的锥比为6：1，系统的结构示意图如图1。

　　

　　工作时，X射线通过被检测物体投射到输入荧光屏上，激发出可见的荧光图像，此图像通过像增强器起到图像亮度增强的作用。在像增强器光电阴极处产生光电子发射，形成光电子图像。在高压电极的作用下，光电子加速并聚焦到像增强器的光纤面板输出荧光屏上，转换为可见光图像，投射在CCD的光敏面上，由CCD芯片将光学图像转换为视频信号。

　　1.1 光锥和CCD的耦合效率对成像系统信噪比的影响

　　光锥和CCD耦合其实就是利用光学粘结剂把2个像素离散性的元器件(光锥和CCD)串联装配起来。这样，从像增强器的荧光屏到CCD芯片表面的图像传输就用不着光学透镜，而可由光锥直接完成，这样做的优点是：提高了光能的利用效率，并大大减小成像体积。光锥和CCD耦合效率体现了光锥和CCD耦合的好坏。

　　光锥和CCD耦合效率(ηFOT)是指从X射线像增强器光纤面板荧光屏上发出的光，经过光锥和耦合介质的损耗(Eabsorb)和传播到CCD光敏面上的光束能量(ECCD)与X射线像增强器光纤面板荧光屏上发出的总的光能(Eall)之比，用数学公式表示为

　　

　　式中ATaper为光锥的有效数值孔径;TR为光线经过光锥前后端面反射损耗后的透过率;TA为光线经过光锥传输时，由于光锥芯料吸收和内反射损耗后产生的透过率;KC为光锥的有效填充率;Tepoxy为光线经过耦合介质的透过率。

　　从式(1)中可以看出：光锥和CCD耦合的效率与光锥的有效数值孔径、光锥的有效填充率和光锥和耦合介质的、吸收损耗相关。提高光锥与CCD的耦合效率的有效方法就是采用大数值孔径的光锥、减少光锥端面的反射损耗和光线传输介质的吸收损耗，提高光锥和耦合介质的透过率。

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