微焦点X射线数字成像系统中的放大倍数

杨 龙

(无锡日联科技股份有限公司，无锡 214145)

微焦点X射线数字成像系统中的放大倍数

杨 龙

(无锡日联科技股份有限公司，无锡 214145)

概述了微焦点X射线数字成像系统放大倍数的定义，分析了微焦点X射线数字成像系统几个关键部分的放大原理，分别提出了使用搭载图像增强器与CCD相机、平板探测器的参数来计算微焦点X射线成像装置的系统放大倍数的公式。结合试验数据，验证了公式的正确性，该公式可以用在成像方式相类似的,包括直接和间接的数字成像系统上。

微焦点X射线；数字成像；图像增强器；平板探测器；系统放大倍数

微焦点X射线数字成像系统与其他X射线数字成像系统的不同之处[1]在于,微焦点X射线数字成像系统在对细节放大的同时保持了足够的分辨率。该系统在对精密压铸件、电子产品、线路板、半导体等尺寸细小的物品检测方面有着显著优势。放大倍数已成为该类检测设备的一个核心参数。现在市面上较为流行的几种X射线数字成像检测设备的放大倍数可分为3种：几何放大倍数、系统放大倍数、软件层面的数字放大倍数。笔者解释了几种在X射线数字成像系统中放大倍数的定义，给出了搭载两种类型X射线探测器的系统放大倍数的计算公式。设备使用者在了解设备各项相关参数后，可以自行准确地算出系统放大倍数及最佳放大倍数[2]，为编制检测工艺规程及工艺卡[3]提供参考。

1 几种放大倍数的定义及表达式

1.1 几何放大倍数

图1 几何放大倍数原理

几何放大倍数，定义为射线源焦点到图像增强器输入屏的距离(FDD)与射线源焦点到被检测物体或承载被检测物体平台的距离(FOD)的比值，是用来表征物体在理想光源的照射下，在一定距离的平面上显现出放大后图像的系数。几何放大倍数原理如图1所示。

几何放大倍数的表达式为：

(1)

几何放大倍数通常可以用图样或设备制造商上预定的值算出。

1.2 系统放大倍数

对于X射线数字成像系统的放大倍数，无论是使用直接成像还是间接成像，在几何放大倍数保持一定的同时，检测设备的显示器上显示出物体的尺寸与被测物体实际尺寸有一定的比例关系，在经典光学理论中，一个物体的放大倍数通常由式(1)来表示。但是X射线数字成像系统的实际放大倍数显然会有其他的表达方式。

在使用图像增强器及CCD相机组成的成像系统中，需要用CCD相机接收由图像增强器将输入的X射线转换出来的可见光，并通过显示器表现出来。

(2)

式中：MS-I为系统放大倍数(使用图像增强器)；MD-I为成像器放大倍数(使用图像增强器)；MM-I为显示器放大倍数(使用图像增强器)。

在使用平板探测器(Flat Panel Detector)作为成像系统时，平板探测器成像原理是将输入的X射线转换为电信号，与CCD相机的工作原理相似。平板探测器在工作的过程中，没有对图像尺寸进行干预。

(3)

式中：MS-FPD为系统放大倍数(使用平板探测器)；MM-FPD为显示器放大倍数(使用平板探测器)。

1.2.1 成像器放大倍数(图像增强器与CCD相机)

成像器放大倍数是图像增强器放大倍数与CCD相机放大倍数的乘积。

(4)

式中：MI为图像增强器放大倍数；MCCD为CCD相机放大倍数。

(1) 图像增强器放大倍数

图像增强器放大倍数，即输出屏幕尺寸与输入屏幕尺寸之比。

(5)

式中：L1为输入屏幕尺寸；L2为输出屏幕尺寸。

图像增强器放大倍数原理如图2所示。

图2 图像增强器放大倍数原理示意

(2) CCD相机放大倍数

工业相机中CCD相机对图像的放大遵循可见光的光学放大原理。即，CCD芯片有效像素区域的对角线尺寸与图像增强器输出窗口的有效输出屏幕尺寸之比。

(6)

式中：L2WD为有效输出屏幕尺寸；L3为CCD芯片有效像素区域对角线尺寸。

CCD相机放大倍数原理如图3所示。

图3 CCD相机放大倍数原理示意

① CCD相机有效像素区域对角线尺寸由软件取图区域而定，不同的软件取图区域均有差异，需要单独计算。

② 在镜头与CCD相机选定后，可以根据相机基础知识，求得L2WD的值，通常情况下会比L2的值小。

(7)

(3) 显示器放大倍数

显示器放大倍数，即屏幕上显示数字射线图片的对角线尺寸与CCD芯片有效像素面积对角线尺寸之比。

(8)

式中：l1为显示器最大分辨率时对角线像素值；l2为显示器实际对角线像素值；l3为软件取图区域对角线像素值；d为显示器像素点距。

(9)

式(8)中，FDD、FOD、L1、L2、d、l1、l2均为已知，L2WD、L3、l3可由相机的参数及软件的设定求出，则系统放大倍数即可求出。

1.2.2 成像器放大倍数(平板探测器)

当将平板探测器作为成像系统时，系统的显示器放大倍数为屏幕上显示数字射线图片的对角线尺寸与平板探测器工作区域内有效像素面积对角线尺寸之比。

(10)

式中：L3FPD为平板探测器工作区有效像素区域对角线尺寸。

(11)

1.3 数字放大倍数

数字放大倍数，即从软件层面上对系统放大倍数再进行数字放大，当显示器上显示的物体还不满足观察要求的时候，进行辅助观察。该参数由软件编写者自行决定，通常放大倍数为1，2，4倍，也可根据用户的检测需求再增加。但需要注意的是，数字放大的实质是将成像器输出的数字图像的每个像素在显示器上对应的像素放大显示，对系统分辨能力并没有影响。所以放大倍数过大会造成人眼对屏幕上缺陷识别能力的下降，需要慎重使用。

2 系统放大倍数的试验

为了验证式(9)和式(11)的正确性，采用两套微焦点X射线数字成像检测系统[3]，X射线源焦点尺寸为0.009 mm，搭载图像增强器与百万级工业相机，放大倍数可达到600倍。系统(图像增强器和CCD相机)内部检测原理如图4所示。系统放大倍数试验数据(图像增强器和CCD相机)如表1所示。

图4 系统(图像增强器和CCD相机)内部检测原理示意

表1 系统放大倍数试验数据(图像增强器和CCD相机)

X射线源焦点尺寸为0.009 mm，搭载成像区域尺寸(长×宽)为58 mm×54 mm，FPD的像素尺寸为50 μm,放大倍数可达1 000倍，系统内部检测(平板探测器)原理如图5所示。系统放大倍数试验数据(平板探测器)如表2所示。 为了减小几何放大倍数尺寸波动误差对测量结果的影响，将分辨率测试卡紧贴到成像器的输入屏幕表面，将几何放大倍数调整为近似于1倍。通过观察分辨率测试卡在图像增强器输入屏幕上的数字图像与在平板探测器上的数字图像，得出1.0 lp·mm-1的线径所占像素个数为10个或11个，将试验数据代入式(9)和式(11)，计算出两个系统的成像器放大倍数分别为7.1倍与5.7倍。根据分辨率测试卡的线径为所读出线对数倒数的二分之一的关系，得出1.0 lp·mm-1的线径实际值理论上应为0.5 mm。考虑到系统的误差及分辨率测试卡加工工艺的误差，两套系统的试验数据与文中提出的理论计算值近似。

图5 系统内部检测(平板探测器)原理示意

表2 系统放大倍数试验数据(平板探测器)

3 结论

(1) 提出的系统放大倍数计算公式与实际试验结果相符，式(11)还可以推广到使用直接成像探测器的相似的X射线数字成像系统中，包括DR、CR成像系统。

(2) 在验证公式的正确性时，人为将几何放大倍数中的误差降到最低，因测试系统中应用微焦点X射线源，几何尺寸上的细微误差在公式中都会被放大。所以在实际应用中，建议在软件中增加对几何放大倍数偏移量的修正功能，来纠正系统组装及后续使用中机械结构磨损带来的误差，针对每套设备出厂及使用一段时间后做系统校准，尽可能使放大倍数保持真实有效。

[1] KLAUS B, UWE E, ADRIAN R, et al. New measurement methods of focal spot size and shape of X-ray tubes in digital radiological applications in comparison to current standards[C]//18th WCNDT.Durban:[s.n],2012.

[2] 曾祥照. 射线实时成像检测中的图像清晰度与分辨率[J].无损检测，2003，25(3):133-139.

[3] GB/T 5616-2014 无损检测 应用导则[S].

沉痛悼念屠耀元老师

我国无损检测高等教育创始人之一、中国机械工程学会无损检测分会“特殊贡献奖”和“终身成就奖”获得者、《无损检测》杂志原编委、华东理工大学机械工程学院教授、为中国无损检测事业奋斗终身的屠耀元先生，于2017年6月20日下午18:30在上海逝世，享年77岁。

屠耀元老师一生功勋卓著，先后任教于南昌航空大学和华东理工大学，在原南昌航空学院(南昌航空大学的前身)参与创办了我国高等院校首个“无损检测”本科专业，后调入华东理工大学继续任教于无损检测专业；退休后致力于推动我国无损检测教育和信息化发展，1996年中国机械工程学会无损检测分会常务理事会根据屠耀元教授的建议批准成立“中国无损检测学会信息中心”，并决定由其担任中心负责人，信息中心先后创办了无损检测学会信息网、无损检测高等教育发展论坛，出版《无损检测信息总汇》报、《中国无损检测年鉴》，设立中国无损检测学会斯耐特奖、“CHSNDT无损检测学会”微信公众号等。

屠老师的猝然离去使我们失去了一位受人尊敬的老专家、老同事。我们所有无损检测同仁要化悲痛为力量，不辱使命，继承前辈的遗志，继续为行业发展努力奋斗，让屠老师的精神永存！

《无损检测》编辑部

The Magnification of Microfocus X-ray Digital Radiography System

YANG Long

(Wuxi Unicomp Technology Co., Ltd., Wuxi 214145, China)

The article discussed various definitions about magnification of microfocus X-ray digital radiography system, explained the theory of the microfocus X-ray digital radiography system magnification in a digital radiography with image intensifier，CCD camera and flat panel detector. Combined with the experimental data, the correctness of the formula is verified, and the formula can be used in imaging methods similar to those including direct and indirect digital radiography systems.

microfocus X-ray;digital radiography;image intensifier;flat panel detector;system magnification

2016-12-01

杨 龙(1987-)，男，本科，工程师，主要从事X射线数字成像检测系统性能研究和相关微焦点X射线数字成像领域标准的制定工作

杨 龙，18242516520@163.com

10.11973/wsjc201707010

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0046-03