基于CCD-镜头耦合的数字X射线成像系统设计与改进

随着无损检测技术的发展,越来越多的无损检测设备开始应用到工业制造、安全检查等领域。目前已经商业化的X射线检测系统主要有4种:胶片成像检测系统、基于图像增强器的实时成像检测系统、基于平板探测器的检测系统、基于CCD—镜头耦合的数字X射线实时成像系统。胶片检测系统虽然可以获得很高的空间分辨率,但是无法满足实时检测、实时评估的要求;基于图像增强器的检测系统可以实现实时地观察图像,但是空间分辨率较低,而且受到射线能量的限制,目前这种系统主要用于450keV能量以下的射线成像检测;数字平板探测器检测系统具有相当好的空间分辨率和动态范围,但是价格十分昂贵,并且也存在不耐辐射的问题。而基于CCD—镜头耦合的数字X射线成像系统不但具有良好的空间分辨率和动态范围,而且通过反射介质的光路转换作用将成像器件(CCD)移出X射线直接照射的区域,因此在高、低能射线源下均能正常工作。本文从光路结构、反射介质和光学镜头三方面对这种成像系统进行了设计和优化,使其获得了很好的空间分辨率和探测灵敏度。

1　系统原理与部件

基于CCD—镜头耦合的数字X射线检测系统的成像原理是:X射线源(X光机或电子直线加速器)发出X射线照射到所要检测的样本上,经样本吸收形成包含一定信息的强度分布,通过转换屏(由闪烁晶体或磷光物质制成)将X射线转换为可见光,再经过倾斜角度为45°的反射介质反射,使可见光线到达光学镜头。光学镜头收集光线并在CCD芯片上成像,图像信号被数字化并通过数据采集系统输入计算机,最后使用相应的软件对图像进行显示和处理。系统的原理图如图1所示。

2　系统设计与优化

2.1　结构设计

将上述成像原理实物化的一种系统结构如图2所示[1]。此外,文献[2]也使用了类似的结构。

图2　一种CCD—镜头耦合检测系统的结构图在实验初期采用了这种系统,系统参数如表1所示。为了探测X射线形成的弱光信号,选用可制冷的科学级CCD相机,与普通相机相比,其优越性体现在可长时间积分(最长可达17.9min)、低噪声、高灵敏度和高空间分辨率等。

　  但是在实验中发现,这种结构的系统具有严重的缺陷。在200kV,1mA的X射线源下,对一个75mm×45mm,18mm厚的铅块进行检测时,理论上应该只有一小部分射线能够穿透铅块形成微弱的可见光,因此需要延长曝光时间以获得具有一定对比度的图像。理想的图像应如图3a所示,中间较暗的区域为铅块,周围较亮的区域为转换屏,二者有比较大的灰度反差。但是在实验中发现,只要积分时间稍长(3s),物体中间区域的像素就会接近饱和,图像细节基本被淹没,如图3b所示。