射线平板探测器成像系统的数理模型

　　1　前　言

　　目前先进的X射线检测系统由射线源、非晶硅平板探测器和计算机处理单元组成,而基于非晶硅探测器的检测技术是近年来才发展起来的先进的射线无损检测技术,是目前唯一可以取代胶片照相的数字成像技术。光电转换分为两部分:X射线经过闪烁体吸收转换为可见光;由探元点阵转换成电信号,经采样、A/D转换、放大形成数字图像。为了开发高像质的DR,需要对系统的核心部件———探测器的成像特性进行系统的分析研究,而其实质就是对系统的传递函数进行研究。任何一个成像系统的传递函数就是它的二维点扩展函数(point spreadfunction———PSF)。

　　二维点扩展函数的傅里叶变换就是成像系统的调制传递函数(modulation transfer function———MTF),可以把它作为数字成像系统分辨率的基本指标[1,2]。射线平板探测器的成像可分为输入采样前后两部分,通常影响成像系统分辨率的是探测器成像采样之前的部件,系统成像的过程是输入与成像系统PSF的卷积过程。本文对面阵探测器成像系统PSF模型进行了分析,提出了强度等效的概念,找到了按比例分析平板探测器成像系统的假设成立条件,并利用系统的实际成像来求解射线透照工件时的输入场强,从而获取其二维成像,这不仅可以正确评价探测器成像系统的性能,而且也是对探测器成像特性进行研究和进行二次开发的基础。

　　2　成像系统的PSF模型

　　图1给出了由射线源和探测器组成的成像系统的几何参数:p为成像质点,q为射线源焦点到成像质点的距离,L为射线源到探测器的距离,M是放大比。按照PSF的概念,来自于射线源焦斑的单位强度射线场,通过质点p作用在探测器成像面上的零状态响应。

　　2.1　射线源焦斑在(x,y)平面上的场强分布

　　当射线源焦斑的射线锥角满足测量射线源焦点尺寸的实验要求时,此实验的小孔成像证明了在射线源焦点处,在任一方向上的焦斑射线场强yx(x,y)近似为高斯分布,按照IE336标准,焦斑直径a即为高斯函数的半波宽。

　　2.2　探测器对射线的弥散

　　面阵探测器自身的PSF是来自于射线源焦斑处的每一条射线的单位强度作用于探测器闪烁体上的零状态响应的叠加。它在探测器的闪烁体平面上激励出射线场,被弥散成一个散斑,其光电子强度相对于该点呈高斯分布yd(x,y)[3]。

　　2.3　探元点阵的孔径采样

　　设探测器由m×n个点阵光电二极管探元组成,每个探元采样后的光敏面积是一个边长为P的正方形,间距为S,则探测器的孔径采样函数SP(α-x,β-y)等于h^Pd(x,y)与二维理想抽样函数的卷积,即