X-rayCCD相机在杆箍缩二极管X射线焦斑诊断中的应用

宋 岩，周 鸣，宋顾周，马继明，段宝军，韩长材，姚志明

（西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安 710024）

X-rayCCD相机在杆箍缩二极管X射线焦斑诊断中的应用

宋 岩，周 鸣，宋顾周，马继明，段宝军，韩长材，姚志明

（西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安 710024）

针孔成像法是诊断杆箍缩二极管X射线焦斑的常用方法。本文建立基于增感屏、光锥耦合、CCD相机的X-ray CCD相机系统，取代针孔成像法中基于闪烁体、物镜、CCD相机的图像获取系统，提高了诊断系统的紧凑性。对所建立的X-ray CCD相机系统的空间分辨能力进行了测试，系统的空间分辨能力受增感屏限制，使用铅制分辨卡测得系统的空间分辨率为5lp／mm，使用刀口法测得调制传递函数为0.5时的频率为1.5lp／mm。测试结果表明，在针孔成像倍率为0.5时，可满足1.5mm左右的X射线焦斑诊断的需要。并开展了杆箍缩二极管侧面焦斑诊断实验，获得了侧面焦斑图像，且进行了图像复原处理。

X-ray CCD；杆箍缩二极管；X射线焦斑；针孔成像；调制传递函数

诊断杆箍缩二极管X射线焦斑的常用方法有针孔成像法、刀口法、狭缝法和半影法等［15］，由于针孔成像法可直观反映射线源强度的二维空间分布，因此在诊断实验中经常使用。在以往针孔成像实验中，图像诊断系统是基于厚针孔、闪烁体、物镜、CCD相机的图像获取方式［12］，虽可满足对X射线焦斑的诊断需求，但系统庞大，安装、调试、准直等过程较复杂。为满足诊断实验的需求且提高诊断系统的紧凑性，以便于调试安装、提高实验效率，本文通过建立基于增感屏、光锥耦合、CCD相机的紧凑型X-ray CCD相机系统取代原有的图像获取系统。

1 X-ray CCD相机组成

X-ray CCD相机用来记录X射线图像，其结构如图1所示，由于CCD相机本身不具备直接记录X射线图像的能力，因此，使用增感屏将X射线图像转换成可见光图像，通过光锥耦合到CCD像面并最终由CCD相机完成记录。

图1 X-ray CCD相机结构Fig.1 Structure of X-ray CCD camera

选用增感屏转换图像的原因是其厚度小、分辨性能好、转换效率高。使用的增感屏为YZ2－SYG-500系列硫氧化钆，其增感系数≥130，分辨率≥6.3lp／mm，余辉时间≤30s。其荧光谱为黄绿色，与CCD相机响应光谱有较好的匹配。增感屏与CCD相机进行图像耦合通常可采用镜头耦合和光锥耦合两种方式。由于光锥耦合方式有更高的光收集效率和更好的成像分辨特性，X-ray CCD相机选用光锥耦合方式。光锥耦合是将光锥表面与CCD表面紧贴并固定，由于CCD表面极易受损伤，耦合操作有一定失败率。光锥由光纤维堆叠而成，其丝径为6μm，光纤维之间伴有吸收丝，可吸收杂散光，提高光锥成像分辨性能，光锥成像倍率为1.44。CCD相机为12bit数字化相机，像元数为512×512，像元尺寸为24μm×24μm。

2 X-ray CCD相机空间分辨特性

空间分辨率是X-ray CCD相机的重要指标之一。为评估X-ray CCD相机系统的空间分辨率，找出限制系统成像分辨能力的因素，对光锥耦合的CCD相机和整个X-ray CCD相机系统分别进行空间分辨率测试。一方面通过分辨卡直观读出可辨别的最高线对数，另一方面通过刀口法测量得到的调制传递函数（modulation transfer function，MTF）曲线来评估。

使用刀口法测量成像系统MTF曲线时，由于光无法通过刀口，因此，当刀口放置面与像面重合时，在像面上建立xOy坐标轴，同时使刀口边缘沿x＝0的直线放置，则光强均匀的光经过刀口后，光强在像面处的分布归一化后为：

若成像系统的点扩散函数（point spread function，PSF）为PSF（x，y），则像面上的光强分布，即边沿扩散函数（edge spread function，ESF）可表示为：

将式（1）代入式（2），可得到：

一般定义成像系统对无限长细狭缝的响应为线扩散函数（line spread function，LSF），无限长细狭缝可用一维冲激函数δ（x）表示，有：

线扩散函数与系统光学传递函数（opticds transfer function，OTF）之间的关系为：

式中，f为频率。系统调制传递函数是光学传递函数的模：

因此由上面的关系可知，可通过刀口图像最终获得系统的调制传递函数MTF。

2.1 光锥耦合CCD相机空间分辨率

光锥与CCD耦合后，对光锥耦合CCD相机进行空间分辨率测试。首先将分辨卡贴在光锥表面并设置CCD相机参数获得图像，直观观察其分辨率为10.08lp／mm。

使用刀口法测量光锥耦合CCD相机的MTF曲线。由于光锥与CCD相机耦合后的系统分辨率较高，如使用通常的刀口法直接测量，ESF曲线会面临采样率不足的困难，因此选用倾斜刀口法［6－7］，通过将刀口倾斜放置以建立过采样的ESF曲线，通过数据处理和分析，获得具有较优评价特性的结果。

使用倾斜刀口方式测量光锥耦合CCD相机MTF曲线时，刀口需倾斜放置并紧贴光锥表面，获取的刀口图像如图2所示。建立过采样ESF曲线时，由每行数据拟合获得的刀口边沿位置确定刀口倾角，此处刀口倾角α＝10.3°。相邻两行数据采样位置的偏移Δx＝ptanα，其中，p为像元尺寸。组成过采样ESF曲线所需要的行数N＝round（p／Δx）＝round（1／tanα），其中，round代表四舍五入运算，此处N＝5。对连续5行数据进行组合，建立过采样的ESF曲线，组合顺序如下：第1行第1个点、第2行第1个点、…、第5行第1个点、第1行第2个点、第2行第2个点、…。由于p／Δx不一定是整数，过采样的ESF曲线的采样间隔并非均匀采样的，但在计算过程中，为便于快速傅里叶运算，假设采样间隔均匀且为p／N。假设采样间隔均匀，会导致MTF曲线出现振荡，振荡峰值在k／p（k＝1，2，…）处［7］，但通常实验中仅关心频率小于1／p时MTF曲线的情况。由于噪声的影响，仅通过1组过采样ESF曲线计算得到的MTF曲线会有强烈不规则振荡，通过对多组过采样ESF曲线进行平均可减小噪声影响［7］，所获得的MTF曲线如图3所示，从图3可读出，当MTF值为0.5时，其频率值在13lp／mm左右。

图2 光锥耦合CCD相机的刀口图像Fig.2 Edge image of coupled CCD camera

图3 光锥耦合CCD相机的MTF曲线Fig.3 MTF curve of coupled CCD camera

2.2 X-ray CCD相机系统空间分辨率

使用铅分辨卡评估X-ray CCD相机的空间分辨能力，将铅分辨卡紧贴相机的增感屏，使用便携式X光机作为射线源以获得分辨卡图像，直接观察分辨能力可达5.0lp／mm。

同样使用刀口法测量X-ray CCD相机的MTF曲线。与测量光锥耦合CCD相机MTF曲线不同的是，在测量系统MTF曲线时，由于增感屏的加入，系统的分辨能力下降，CCD相机的采样率已够高，可直接获得有效的ESF曲线，而无需建立过采样的ESF曲线，但由于噪声等的存在，数据需进行一定程度的处理［8－10］。

使用5mm厚的钨块作为刀口紧贴增感屏，使用便携式X光机作为射线源获得的刀口图像如图4a所示。对刀口图像进行中值滤波处理去除椒盐噪声，通过多组平均获得的ESF曲线如图4b所示。由ESF曲线可看出，暗区的噪声较小，亮区的噪声较大，原因是暗区有钨的阻挡，射线无法穿透，噪声主要来源于CCD相机本身，而亮区的噪声与X光源有较大关系，因此单独对亮区的数据进行平滑处理并对所得的ESF曲线求微分获得的LSF曲线如图4c所示。LSF曲线依然有噪声的影响，通过小波方法对LSF曲线进行去噪平滑。最终由所得的LSF曲线经傅立叶变换得到的MTF曲线如图4d所示。

图4 X-ray CCD相机的MTF曲线计算过程Fig.4 Data processing of MTF curve for X-ray CCD camera

通过对光锥耦合CCD相机及X-ray CCD相机系统的分辨率测试可知，增感屏的加入导致了系统的分辨特性下降。由分辨卡的测试结果可看出，分辨率由10lp／mm下降到5lp／mm。从MTF曲线的测量结果可看出，MTF值为0.5时的频率由13lp／mm下降到1.5lp／mm。测量与数据处理过程中有许多不确定因素，因此所得的结果只能大概地评估所测系统的分辨特性。

3 诊断系统

基于X-ray CCD相机的杆箍缩二极管X射线焦斑诊断系统如图5所示，X射线焦斑源由杆箍缩二极管装置产生，侧面焦斑尺寸宽度为1.5mm左右，长度为5mm左右。厚针孔将X射线源的焦斑图像成像到X-ray CCD相机的增感屏，由于X射线的平均能量约0.5MeV，因此射线在厚针孔材料钨中的衰减长度为3.97mm，厚针孔为双截锥针孔，直孔段针孔直径为0.3mm，厚度为6mm，两边的锥孔为对称结构，每个锥孔的厚度为30mm，锥孔锥角为0.1rad，物距为811mm，像距为387mm，针孔成像倍率约为0.5，此时X射线焦斑成像到X-ray CCD相机的增感屏上，焦斑在增感屏上的宽度尺寸对应最大的空间频率为1.33lp／mm，因此X-ray CCD相机的空间分辨特性基本可满足诊断实验的需要。X-ray CCD相机负责记录X射线图像并在计算机上显示。实验中必须将X射线焦斑、针孔、X-ray CCD相机准直在一条直线上。由于电子流轰击的位置有时可能不在针尖，因此建立的光轴应稍偏向针尖的内侧。在放置X-ray CCD相机时，由于相机本身挡住了光轴，因此需提前在光轴上放置两块透明的网格板，通过观察最终定位X-ray CCD相机。

图5 基于X-ray CCD相机的杆箍缩二极管X射线焦斑诊断系统Fig.5 X-ray spot diagnosis system of rod-pinch diode based on X-ray CCD camera

4 实验结果

实验中拍摄到杆箍缩二极管侧面焦斑的原始图像如图6a所示。由于噪声和系统点扩散函数的影响，原始图像需复原处理。在图像复原的过程中，由于图像上的噪声被放大而导致图像失真，因此首先使用中值滤波方法对图像进行去噪处理。去噪后的图像如图6b所示，可看到，中值滤波方法在去除图像噪声的同时，图像的边界信息被有效保留。根据厚针孔的尺寸及实验中使用的参数，通过解析法可计算厚针孔的点扩散函数，图6c为点源在厚针孔中心轴处时的点扩散函数。由于点源在有效物面区域变化时，其点扩散函数的变化较小，因此将针孔成像系统近似看作为空不变系统，使用空不变的复原方法对图像进行复原处理。基于Richardson-Lucy迭代图像复原算法［11－13］，采用Matlab中的deconvlucy函数，迭代5次获得了较优的图像复原结果，如图6d所示。从复原后的图像可发现，焦斑图像纵向的尺寸变小，横向的尺寸几乎没变，分析其原因是点扩散函数的大小与纵向的尺寸相当，对纵向的分布影响较大，而相比于横向，其尺寸较小，因此对横向的分布影响较小。

图6 图像复原过程Fig.6 Image restoration process

5 结论

建立了基于增感屏、光锥耦合、CCD相机的紧凑型X-ray CCD相机系统，以取代原有的基于闪烁体、物镜、CCD相机的图像获取系统，可避免对闪烁体、物镜、CCD相机的准直调节和物镜的调节工作；同时由于系统紧凑性提高，便于在实验现场空间有限的条件下应用。应用分辨卡测得光锥耦合CCD相机的成像分辨率可达10.08lp／mm，通过倾斜刀口法测量，其MTF值为0.5时的频率为13lp／mm；应用铅分辨卡测得X-ray CCD相机系统的成像分辨率可达5lp／mm，通过刀口法测量，其MTF值在0.5时的频率为1.5lp／mm。因此X-ray CCD相机的分辨能力受增感屏的限制，同时在针孔成像倍率为0.5的前提下，X-ray CCD相机的分辨能力可满足尺寸在1.5mm左右的X射线焦斑的诊断需要。应用X-ray CCD相机开展了杆箍缩二极管X射线焦斑诊断实验，获得了侧面焦斑图像，并对图像进行了复原处理。

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Application of X-ray CCD Camera in X-ray Spot Diagnosis of Rod-pinch Diode

SONG Yan，ZHOU Ming，SONG Gu-zhou，MA Ji-ming，DUAN Bao-jun，HAN Chang-cai，YAO Zhi-ming
（State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an710024，China）

The pinhole imaging technique is widely used in the measurement of X-ray spot of rod-pinch diode.The X-ray CCD camera，which was composed of film，fiber optic taper and CCD camera，was employed to replace the imaging system based on scintillator，lens and CCD camera in the diagnosis of X-ray spot.The resolution of the X-ray CCD camera was studied.The resolution is restricted by the film and is 5lp／mm in the test with Pb resolution chart.The frequency is 1.5lp／mm when the MTF is 0.5in the test with edge image.The resolution tests indicate that the X-ray CCD camera can meet the requirement of the diagnosis of X-ray spot whose scale is about 1.5mm when the pinhole imaging magnification is 0.5.At last，the image of X-ray spot was gained andthe restoration was implemented in the diagnosis of X-ray spot of rod-pinch diode.

X-ray CCD；rod-pinch diode；X-ray spot；pinhole imaging；modulation transfer function

TN249；TL503

：A

：1000-6931（2015）04-0759-06

10.7538／yzk.2015.49.04.0759

2013-12-17；

2014-03-07

国家自然科学基金资助项目（61171013）；863计划资助项目（2012AA8041072）

宋 岩（1984—），男，吉林辉南人，助理研究员，从事图像诊断技术研究