基于透镜耦合的X射线成像探测器闪烁体厚度对成像质量的影响

张永兴 谢红兰 杜国浩 陈荣昌 肖体乔

1（中国科学院上海应用物理研究所 张江园区 上海 201204）

2（中国科学院大学 北京 100049）

基于透镜耦合的X射线成像探测器闪烁体厚度对成像质量的影响

张永兴1,2谢红兰1杜国浩1陈荣昌1肖体乔1

1（中国科学院上海应用物理研究所 张江园区 上海 201204）

2（中国科学院大学 北京 100049）

闪烁体是同步辐射X射线成像探测器的重要组成部分，它将入射X射线转换为可见光，再由可见光成像探测器接收成像。闪烁体的厚度对成像的空间分辨率、图像衬度有较大的影响，选取合适的厚度的闪烁体，与探测器物镜（数值孔径）及X射线能量等实验条件达到最理想的匹配，将有助于获得高质量的X射线成像结果。但目前上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)用户在开展X射线成像实验时，基本都未考虑到闪烁体厚度对成像质量影响的这个因素，难以获得最佳图像质量的实验结果。本文先根据理论的分辨率曲线预测了探测器各个镜头的闪烁体的最佳匹配厚度，并利用上海光源成像线站(BL13W1)配备的PCO2000探测器以及不同厚度的YAG闪烁体进行了实验验证，经过对实验结果的图像衬度进行分析，获得了探测器各个物镜镜头的最佳匹配闪烁体厚度，实验结果与理论预测值基本相符，这将为上海光源成像线站基于透镜耦合的X射线成像探测器的高效使用提供指导。

X射线成像探测器，闪烁体，空间分辨率，衬度

X射线自1895年德国物理学家伦琴发现后，就被首先应用于医学成像领域[1]。在随后100多年中，X射线成像技术得到快速的发展。20世纪70年代，德国人Hartmann W等[2]用荧光物质作为X射线转换屏，研制出世界上第一个X射线间接成像探测器系统；90年代，以单晶闪烁体作为转换屏开始应用于X射线成像探测器，空间分辨率接近闪烁体发射的可见光的瑞利衍射极限[3]。随后，高分辨率成像探测器开始广泛应用于同步辐射光源，工业X射线CT等成像技术逐步发展起来，分辨率达到微米量级[4]。目前，X射线成像技术在医学、材料、生命科学、无损检测、工业探伤等领域发挥着举足轻重的作用[5-6]。

X射线成像探测器是X射线成像系统的关键装置，按照成像方式的不同，X射线探测器可分为直接式[5]和间接式[6]。直接式成像探测器用X射线直接在电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)上对待测物体成像，它对X射线的光学响应快，但CCD的耐辐射性较差，所以直接式成像探测器通常适用于软X射线能区[5]。在硬X射线能区，通常采用间接式成像探测器对物体成像，利用闪烁体将X射线转换为可见光，再利用可见光成像探测器对物体成像，可以避免X射线直接照射在探测器造成辐射损伤，有效保证探测器的寿命[6]。

目前，国际上成熟的硬X射线间接成像探测器主要有两种结构：光纤耦合式[7]和透镜耦合式[8]。基于光纤耦合的X 射线成像探测器的系统结构如图1(a)所示，闪烁晶体将X 射线转换成可见光后通过光纤耦合到制冷的CCD靶面上获得图像[7]。这种结构的成像探测器效率较高，但在工作过程中，CCD等主要核心部件全都在直通光路中，高功率密度的X射线直通光的照射会对其造成辐射损伤。基于透镜耦合的X射线成像探测器主要由闪烁体、光学系统（显微透镜及反射镜）和面阵CCD器件构成，其结构图如图1(b)，闪烁体将X射线转换成可见光后通过透镜光学系统耦合到面阵CCD上获得图像[8-9]，它不仅可以有效避免高功率直通光对探测器主要部件造成损伤，还可以通过显微镜头的放大获得比可见光CCD更高的空间分辨率。

图1 光纤耦合(a)和透镜耦合(b)X射线成像探测器结构图Fig.1 Structural drawing of fiber-coupled (a) and lens-coupled (b) X-ray imaging detector.

本文实验用到的PCO2000(图2)成像探测器就是这种透镜耦合式探测器，可见光CCD像素大小7.4μm，配备一系列不同倍率的显微镜头（放大倍率1.25×、2×、4×、10×、20×，对应的数值孔径(Numerical aperture, NA)分别为0.04、0.08、0.16、0.4、0.75），对应的有效像素大小分别为5.9 μm、3.7 μm、1.85μm、0.74 μm、0.37 μm。

图2 PCO2000的实物图片Fig.2 Photograph of PCO2000.

X射线成像探测器是X射线成像系统的关键装置，探测器的性能直接决定X射线成像图像质量，因此研究及优化X射线成像探测器的性能具有重要的现实意义。影响X射线成像探测器性能的因素有以下几点：闪烁晶体的材料（吸收效率、发光衰减时间等）、厚度、可见光探测器的量子效率以及闪烁晶体与可见光探测器的耦合效率[10-13]。闪烁晶体在X射线成像探测系统中具有极其重要的地位，闪烁体的性能是决定X射线探测系统性能的关键因素。在实际应用中，人们会着重考虑闪烁体的材料选择，却很少会考虑闪烁体厚度对成像质量的影响。本文通过理论预测和实验验证，得到了不同显微镜头的最佳闪烁体匹配厚度，将获得最佳的成像质量，为上海光源成像线站的基于透镜耦合的X射线成像探测器的高效使用提高依据。

1 理论计算及分析

闪烁体是通过吸收高能量粒子或者射线，并能在很短的时间内把其所吸收的能量以可见光的形式释放出来的物质，其工作原理如下：闪烁体晶格吸收X射线并激发原子或分子处于电离态，受激发的原子或分子在退激过程中发射出可见光光子[10]。闪烁体性能参数主要有：光子发射效率、X射线的吸收效率、衰减时间、闪烁体发射光谱与探测器的光谱耦合效率[10]。目前常用于X射线成像的闪烁体有Bi4Ge3O12(BGO)、Lu2SiO5:Ce (LSO)、PbWO4、Cd WO4(CWO)、Y3Al5O12:Ce (YAG)、Gd2SiO5:Ce (GSO)等，其性能参数如表1所示。由表1可知，YAG:Ce晶体的发光效率较高，而且发射光谱波长550 nm与PCO2000探测器的响应光谱波长545 nm耦合效率最佳，因此选用YAG:Ce作为PCO2000探测器的闪烁体[11-12]。

表1 几种常用闪烁体的物理参数[11-12]Table 1 Parameters of several common scintillators[11-12].

图3是基于透镜耦合的X射线成像探测器的光路图，同一光路的X射线光子，在闪烁体内不同位置上被闪烁体吸收并发射出可见光光子，导致可见光透镜显微成像系统存在像差问题，所以增加闪烁体的厚度，会加大探测器光学系统的像差，影响成像探测器的空间分辨率。然而，闪烁体厚度越小，对X射线的吸收率就越低，可见光光子产额就越低，此时成像探测器的探测效率就越低。闪烁体厚度越大，对X射线的吸收率越大，探测器的探测效率也就越高，然而，厚闪烁体会给探测器光学系统带来较大像差，这样会降低成像探测器空间分辨率[13]。如何实现闪烁体最佳厚度选择正是本文研究工作的重点，选取最佳厚度的闪烁体，对于优化提高X射线成像探测器的性能有着重要意义。

图3 X射线成像探测器光路图Fig.3 Schematic of X-ray imaging detector.

此外，探测器的空间分辨率还受到光学系统的焦深的影响[12,14]。闪烁体探测器的分辨率可以由式(1)求得：

式中，p=0.18；q=0.075[12]；NA为物镜的数值孔径；z为闪烁体的厚度，μm。式(1)中第一项对应的是光学系统的焦深，第二项对应的是光学系统的像差。

根据式(1)，可以得出不同厚度(1 μm、5 μm、10 μm、20 μm、50 μm、100 μm、130 μm、200 μm)闪烁体的成像探测器的空间分辨率与显微透镜数值孔径NA的关系曲线，如图4所示。从图4可以看出，对于放大倍率较低(NA＜0.1)的显微透镜，光学系统的空间分辨率主要由焦深项决定，与闪烁体厚度密切相关的像差项则几乎不影响空间分辨率；对于倍率较大(NA＞0.2)的显微透镜，光学系统的空间分辨率主要受与闪烁体厚度密切相关的像差项的影响。正因如此，对于倍率较大的显微透镜，要获得高空间分辨率的成像结果，闪烁体厚度的选择至关重要。

对图4中不同闪烁体厚度对应的分辨率曲线求极值点，就可以得到不同闪烁体厚度的理论空间分辨率值和理论最佳匹配数值孔径，如表2所示。根据PCO2000实际配备的显微透镜，得到不同闪烁体厚度对应的实际最佳匹配数值孔径。从表2可以看出，显微镜头放大倍率越高，数值孔径NA越大，对应的闪烁体最佳匹配厚度越薄，成像空间分辨率则越高。对于高放大倍率（如20倍、40倍）的显微透镜，最佳闪烁体厚度应该比20 μm更薄。

图4 不同厚度闪烁体的探测器分辨率与物镜数值孔径NA的关系曲线Fig.4 Influence of numerical aperture on resolution for scintillators with different thickness.

表2 闪烁体厚度与物镜镜头匹配表（理论计算）Table 2 Optimized link between thickness of scintillator and objective lens (theoretical calculation).

2 实验及结果分析

2.1 实验装置及设备

实验在上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)X射线成像及生物医学应用光束线站(BL13W1)上完成，线站布局如图5所示。本实验利用线站配备的PCO2000成像探测器（像素1024×1024，像素尺寸7.4 μm×7.4 μm）对JIMA RT RC-02型X射线分辨率板进行光学成像。实验样品为直径为25 mm，厚度分别为20 μm、50 μm、100 μm、130 μm、200 μm的YAG闪烁体。将YAG闪烁体粘贴在PCO2000探测器的转换屏上，X射线分辨率板放置在六维样品台上并且紧贴探测器的闪烁屏，关闭实验棚屋。实验参数为：光子能量为15 keV，束流强度为50.5 mA。

图5 X射线成像线站(BL13W1)布局图Fig.5 Layout of beamline of X-ray imaging (BL13W1, SSRF).

2.2 实验方案及流程

实验参数设定好后，在棚外观察屏观察分辨率板的成像，预览模式下，微调物镜的工作距离，使得分辨率板的成像条纹达到最清晰，再调节六维样品台，使得分辨率板呈现“立正”的像并且位于图片的中心位置（放大倍数较小的镜头），此时为拍照的最佳状态。

(1) 选取适当的曝光时间，对分辨率板成像。得到图像后，调节六维样品台，移出分辨率板，以同样的曝光时间再照一张背景图像。为了降低暗场和背景噪声对实验的影响，重复上面的操作10次。

(2) 更换不同厚度的闪烁晶体，按照(1)的操作，获得各个厚度闪烁体(20 μm、50 μm、100 μm、130μm、200 μm)条件下的分辨率板图片以及背景图片。

(3) 更换探测器物镜镜头（放大倍数分别为1.25×、2×、4×、10×、20×），按照(1)和(2)的操作，获得每个物镜在不同厚度闪烁体条件下的分辨板图片以及背景图片。

2.3 数据处理和分析

为了尽可能消除噪声的干扰、提高图片的清晰度，减弱探测器暗电流对实验的影响，先将上面的实验中各组（不同透镜、不同厚度的闪烁体）的10张分辨率板以及其背景图片分别相加平均处理，获得1张分辨率板的平均图像和1张平均背景图片。对上述两图作扣除背景处理得到所需的图片。图6就是经过处理后得到的放大倍率为4倍(NA=0.16)、闪烁体厚度为100 μm时采集得到分辨率板的图像。

要衡量探测器的成像质量，需要分析图像的空间分辨率和图像衬度。通过观察图6中明暗条纹的最小可分辨间距可以定性得出成像探测器的空间分辨率。衬度可以运用式(2)求得：

式中，IM为图6中强度最大值；Im为图6中强度最小值。

图6 PCO2000 X射线成像探测器（物镜NA=0.16，闪烁体的厚度为100 μm）拍摄得到的分辨率板成像图片Fig.6 Image of resolving target (JIMA RT RC-02) (NA=0.16, 100 μm thickness).

选取图6中一组条纹可分辨的区域作为目标区域，运用式(2)，计算其衬度。随后逐个计算每组图片的不同目标区域的衬度，然后整理并对比不同厚度闪烁体的衬度，画出关系曲线图。图7是各个显微镜头下成像衬度-闪烁体厚度曲线图。

图7 衬度与晶体厚度的关系曲线(a) 1.25倍物镜，闪烁体最佳厚度130 μm，(b) 2倍物镜，闪烁体最佳厚度100 μm，(c) 4倍物镜，闪烁体最佳厚度50 μm，(d) 10倍物镜，闪烁体最佳厚度50 μm，(e) 20倍物镜，闪烁体最佳厚度20 μmFig.7 Curve of relationship between contrast and the thickness of scintillators. (a) Magnification of lens is 1.25, optimal thickness is 130 μm, (b) Magnification of lens is 2, optimal thickness is 100 μm, (c) Magnification of lens is 4, optimal thickness is 50 μm, (d) Magnification of lens is 10, optimal thickness is 50 μm, (e) Magnification of lens is 20, optimal thickness is 20 μm

从图7中，可以直观地得出各个显微透镜所匹配的最佳闪烁体厚度，曲线的最大衬度数值点所对应的就是最佳闪烁体厚度，如表3所示。从图7(a)-(c)中可以看出，图像衬度值的变化幅度较小，说明闪烁体厚度对于低倍系统的成像影响不大；从图7(d) -(e)中可以看出，图像中衬度值的变化比图7(a)-(c)中更明显，这证明闪烁体厚度对于高倍放大显微镜头系统影响较大，这也与前面我们根据分辨率曲线理论分析的结果(表2)一致。

表3 实验获得各个物镜的闪烁体最佳匹配厚度Table 3 Data of the optimum thickness of scintillator (SCIN) through experiment.

将表3与表2对比，可以发现实验结果与理论估值基本一致：(1) 放大倍数越大的镜头，它对应的闪烁体最佳厚度越小；(2) 闪烁体厚度对分辨率的影响，在高倍率的光学系统更为明显；(3) 高倍镜头匹配的闪烁体厚度的实验结果与预测值之间基本吻合（除了放大倍率10倍的显微镜头预测的最佳闪烁体厚度是20 μm，实际实验得到的是50 μm）。因为目前成像线站成像探测器只配备了最薄20 μm的闪烁体，所以图7(e)中的衬度曲线并未达到最大值，如果有更薄的闪烁体，将会有更高的图像衬度。

3 结语

本文通过理论和实验研究，得到了不同显微透镜的闪烁体最佳匹配厚度，将这些结论应用在X射线成像实验中，可以提高探测器的成像质量。通过本文的理论和实验研究，建议成像线站应该配备比20 μm更薄的闪烁体以匹配20倍及以上的放大倍率显微透镜，以获得更高成像质量。

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CLC TL816+.1

Influence of scintillator’s thickness on imaging quality of lens-coupled hard X-ray imaging detector

ZHANG Yongxing1,2XIE Honglan1DU Guohao1CHEN Rongchang1XIAO Tiqiao1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Zhangjiang Campus, Shanghai 201204, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Scintillator is an important component of synchrotron X-ray imaging detectors, which converts the incident X-rays into visible light to be imaged by visible light imaging detectors. The thickness of scintillators has a great impact on the spatial resolution and contrast of the images. When the thickness of the scintillator is matched with detector lens (NA), image quality of experimental results will be improved obviously. But in fact, users doing X-ray imaging experiments at Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) don’t take into account this factor and it is difficult to obtain the best results with high image quality. Purpose: Matching thickness of scintillators with NA of objective can help us get good experimental results with high-quality images. Methods: We obtain the optimal thickness of scintillator for every objective lens by the way of mathematical computations of resolution theoretical curves and analysis of image contrast of experimental results. Results: Both of the results are nearly in accordance with each other. Conclusion: Users of SSRF will get better results of X-ray imaging experiment than before when they chose the optimal thickness of scintillator matched with the objective lens.

X-Ray imaging detector, Scintillator, Spatial resolution, Contrast

TL816+.1

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.070102

国家自然科学基金(No.11375257)资助

张永兴，男，1987年出生，2010年毕业于大连理工大学，现为硕士研究生，研究领域为X射线成像探测器

谢红兰，E-mail: xiehonglan@sinap.ac.cn

2014-03-07，

2014-04-29