宋 巖,周 鳴,宋顧周,馬繼明,段寶軍,韓長(zhǎng)材,姚志明
(西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710024)
X-rayCCD相機(jī)在桿箍縮二極管X射線(xiàn)焦斑診斷中的應(yīng)用
宋 巖,周 鳴,宋顧周,馬繼明,段寶軍,韓長(zhǎng)材,姚志明
(西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710024)
針孔成像法是診斷桿箍縮二極管X射線(xiàn)焦斑的常用方法。本文建立基于增感屏、光錐耦合、CCD相機(jī)的X-ray CCD相機(jī)系統(tǒng),取代針孔成像法中基于閃爍體、物鏡、CCD相機(jī)的圖像獲取系統(tǒng),提高了診斷系統(tǒng)的緊湊性。對(duì)所建立的X-ray CCD相機(jī)系統(tǒng)的空間分辨能力進(jìn)行了測(cè)試,系統(tǒng)的空間分辨能力受增感屏限制,使用鉛制分辨卡測(cè)得系統(tǒng)的空間分辨率為5lp/mm,使用刀口法測(cè)得調(diào)制傳遞函數(shù)為0.5時(shí)的頻率為1.5lp/mm。測(cè)試結(jié)果表明,在針孔成像倍率為0.5時(shí),可滿(mǎn)足1.5mm左右的X射線(xiàn)焦斑診斷的需要。并開(kāi)展了桿箍縮二極管側(cè)面焦斑診斷實(shí)驗(yàn),獲得了側(cè)面焦斑圖像,且進(jìn)行了圖像復(fù)原處理。
X-ray CCD;桿箍縮二極管;X射線(xiàn)焦斑;針孔成像;調(diào)制傳遞函數(shù)
診斷桿箍縮二極管X射線(xiàn)焦斑的常用方法有針孔成像法、刀口法、狹縫法和半影法等[15],由于針孔成像法可直觀反映射線(xiàn)源強(qiáng)度的二維空間分布,因此在診斷實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用。在以往針孔成像實(shí)驗(yàn)中,圖像診斷系統(tǒng)是基于厚針孔、閃爍體、物鏡、CCD相機(jī)的圖像獲取方式[12],雖可滿(mǎn)足對(duì)X射線(xiàn)焦斑的診斷需求,但系統(tǒng)龐大,安裝、調(diào)試、準(zhǔn)直等過(guò)程較復(fù)雜。為滿(mǎn)足診斷實(shí)驗(yàn)的需求且提高診斷系統(tǒng)的緊湊性,以便于調(diào)試安裝、提高實(shí)驗(yàn)效率,本文通過(guò)建立基于增感屏、光錐耦合、CCD相機(jī)的緊湊型X-ray CCD相機(jī)系統(tǒng)取代原有的圖像獲取系統(tǒng)。
X-ray CCD相機(jī)用來(lái)記錄X射線(xiàn)圖像,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,由于CCD相機(jī)本身不具備直接記錄X射線(xiàn)圖像的能力,因此,使用增感屏將X射線(xiàn)圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光圖像,通過(guò)光錐耦合到CCD像面并最終由CCD相機(jī)完成記錄。
圖1 X-ray CCD相機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of X-ray CCD camera
選用增感屏轉(zhuǎn)換圖像的原因是其厚度小、分辨性能好、轉(zhuǎn)換效率高。使用的增感屏為YZ2-SYG-500系列硫氧化釓,其增感系數(shù)≥130,分辨率≥6.3lp/mm,余輝時(shí)間≤30s。其熒光譜為黃綠色,與CCD相機(jī)響應(yīng)光譜有較好的匹配。增感屏與CCD相機(jī)進(jìn)行圖像耦合通??刹捎苗R頭耦合和光錐耦合兩種方式。由于光錐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相機(jī)選用光錐耦合方式。光錐耦合是將光錐表面與CCD表面緊貼并固定,由于CCD表面極易受損傷,耦合操作有一定失敗率。光錐由光纖維堆疊而成,其絲徑為6μm,光纖維之間伴有吸收絲,可吸收雜散光,提高光錐成像分辨性能,光錐成像倍率為1.44。CCD相機(jī)為12bit數(shù)字化相機(jī),像元數(shù)為512×512,像元尺寸為24μm×24μm。
空間分辨率是X-ray CCD相機(jī)的重要指標(biāo)之一。為評(píng)估X-ray CCD相機(jī)系統(tǒng)的空間分辨率,找出限制系統(tǒng)成像分辨能力的因素,對(duì)光錐耦合的CCD相機(jī)和整個(gè)X-ray CCD相機(jī)系統(tǒng)分別進(jìn)行空間分辨率測(cè)試。一方面通過(guò)分辨卡直觀讀出可辨別的最高線(xiàn)對(duì)數(shù),另一方面通過(guò)刀口法測(cè)量得到的調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function,MTF)曲線(xiàn)來(lái)評(píng)估。
使用刀口法測(cè)量成像系統(tǒng)MTF曲線(xiàn)時(shí),由于光無(wú)法通過(guò)刀口,因此,當(dāng)?shù)犊诜胖妹媾c像面重合時(shí),在像面上建立xOy坐標(biāo)軸,同時(shí)使刀口邊緣沿x=0的直線(xiàn)放置,則光強(qiáng)均勻的光經(jīng)過(guò)刀口后,光強(qiáng)在像面處的分布?xì)w一化后為:
若成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(point spread function,PSF)為PSF(x,y),則像面上的光強(qiáng)分布,即邊沿?cái)U(kuò)散函數(shù)(edge spread function,ESF)可表示為:
將式(1)代入式(2),可得到:
一般定義成像系統(tǒng)對(duì)無(wú)限長(zhǎng)細(xì)狹縫的響應(yīng)為線(xiàn)擴(kuò)散函數(shù)(line spread function,LSF),無(wú)限長(zhǎng)細(xì)狹縫可用一維沖激函數(shù)δ(x)表示,有:
線(xiàn)擴(kuò)散函數(shù)與系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)(opticds transfer function,OTF)之間的關(guān)系為:
式中,f為頻率。系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)是光學(xué)傳遞函數(shù)的模:
因此由上面的關(guān)系可知,可通過(guò)刀口圖像最終獲得系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF。
2.1 光錐耦合CCD相機(jī)空間分辨率
光錐與CCD耦合后,對(duì)光錐耦合CCD相機(jī)進(jìn)行空間分辨率測(cè)試。首先將分辨卡貼在光錐表面并設(shè)置CCD相機(jī)參數(shù)獲得圖像,直觀觀察其分辨率為10.08lp/mm。
使用刀口法測(cè)量光錐耦合CCD相機(jī)的MTF曲線(xiàn)。由于光錐與CCD相機(jī)耦合后的系統(tǒng)分辨率較高,如使用通常的刀口法直接測(cè)量,ESF曲線(xiàn)會(huì)面臨采樣率不足的困難,因此選用傾斜刀口法[6-7],通過(guò)將刀口傾斜放置以建立過(guò)采樣的ESF曲線(xiàn),通過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析,獲得具有較優(yōu)評(píng)價(jià)特性的結(jié)果。
使用傾斜刀口方式測(cè)量光錐耦合CCD相機(jī)MTF曲線(xiàn)時(shí),刀口需傾斜放置并緊貼光錐表面,獲取的刀口圖像如圖2所示。建立過(guò)采樣ESF曲線(xiàn)時(shí),由每行數(shù)據(jù)擬合獲得的刀口邊沿位置確定刀口傾角,此處刀口傾角α=10.3°。相鄰兩行數(shù)據(jù)采樣位置的偏移Δx=ptanα,其中,p為像元尺寸。組成過(guò)采樣ESF曲線(xiàn)所需要的行數(shù)N=round(p/Δx)=round(1/tanα),其中,round代表四舍五入運(yùn)算,此處N=5。對(duì)連續(xù)5行數(shù)據(jù)進(jìn)行組合,建立過(guò)采樣的ESF曲線(xiàn),組合順序如下:第1行第1個(gè)點(diǎn)、第2行第1個(gè)點(diǎn)、…、第5行第1個(gè)點(diǎn)、第1行第2個(gè)點(diǎn)、第2行第2個(gè)點(diǎn)、…。由于p/Δx不一定是整數(shù),過(guò)采樣的ESF曲線(xiàn)的采樣間隔并非均勻采樣的,但在計(jì)算過(guò)程中,為便于快速傅里葉運(yùn)算,假設(shè)采樣間隔均勻且為p/N。假設(shè)采樣間隔均勻,會(huì)導(dǎo)致MTF曲線(xiàn)出現(xiàn)振蕩,振蕩峰值在k/p(k=1,2,…)處[7],但通常實(shí)驗(yàn)中僅關(guān)心頻率小于1/p時(shí)MTF曲線(xiàn)的情況。由于噪聲的影響,僅通過(guò)1組過(guò)采樣ESF曲線(xiàn)計(jì)算得到的MTF曲線(xiàn)會(huì)有強(qiáng)烈不規(guī)則振蕩,通過(guò)對(duì)多組過(guò)采樣ESF曲線(xiàn)進(jìn)行平均可減小噪聲影響[7],所獲得的MTF曲線(xiàn)如圖3所示,從圖3可讀出,當(dāng)MTF值為0.5時(shí),其頻率值在13lp/mm左右。
圖2 光錐耦合CCD相機(jī)的刀口圖像Fig.2 Edge image of coupled CCD camera
圖3 光錐耦合CCD相機(jī)的MTF曲線(xiàn)Fig.3 MTF curve of coupled CCD camera
2.2 X-ray CCD相機(jī)系統(tǒng)空間分辨率
使用鉛分辨卡評(píng)估X-ray CCD相機(jī)的空間分辨能力,將鉛分辨卡緊貼相機(jī)的增感屏,使用便攜式X光機(jī)作為射線(xiàn)源以獲得分辨卡圖像,直接觀察分辨能力可達(dá)5.0lp/mm。
同樣使用刀口法測(cè)量X-ray CCD相機(jī)的MTF曲線(xiàn)。與測(cè)量光錐耦合CCD相機(jī)MTF曲線(xiàn)不同的是,在測(cè)量系統(tǒng)MTF曲線(xiàn)時(shí),由于增感屏的加入,系統(tǒng)的分辨能力下降,CCD相機(jī)的采樣率已夠高,可直接獲得有效的ESF曲線(xiàn),而無(wú)需建立過(guò)采樣的ESF曲線(xiàn),但由于噪聲等的存在,數(shù)據(jù)需進(jìn)行一定程度的處理[8-10]。
使用5mm厚的鎢塊作為刀口緊貼增感屏,使用便攜式X光機(jī)作為射線(xiàn)源獲得的刀口圖像如圖4a所示。對(duì)刀口圖像進(jìn)行中值濾波處理去除椒鹽噪聲,通過(guò)多組平均獲得的ESF曲線(xiàn)如圖4b所示。由ESF曲線(xiàn)可看出,暗區(qū)的噪聲較小,亮區(qū)的噪聲較大,原因是暗區(qū)有鎢的阻擋,射線(xiàn)無(wú)法穿透,噪聲主要來(lái)源于CCD相機(jī)本身,而亮區(qū)的噪聲與X光源有較大關(guān)系,因此單獨(dú)對(duì)亮區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理并對(duì)所得的ESF曲線(xiàn)求微分獲得的LSF曲線(xiàn)如圖4c所示。LSF曲線(xiàn)依然有噪聲的影響,通過(guò)小波方法對(duì)LSF曲線(xiàn)進(jìn)行去噪平滑。最終由所得的LSF曲線(xiàn)經(jīng)傅立葉變換得到的MTF曲線(xiàn)如圖4d所示。
圖4 X-ray CCD相機(jī)的MTF曲線(xiàn)計(jì)算過(guò)程Fig.4 Data processing of MTF curve for X-ray CCD camera
通過(guò)對(duì)光錐耦合CCD相機(jī)及X-ray CCD相機(jī)系統(tǒng)的分辨率測(cè)試可知,增感屏的加入導(dǎo)致了系統(tǒng)的分辨特性下降。由分辨卡的測(cè)試結(jié)果可看出,分辨率由10lp/mm下降到5lp/mm。從MTF曲線(xiàn)的測(cè)量結(jié)果可看出,MTF值為0.5時(shí)的頻率由13lp/mm下降到1.5lp/mm。測(cè)量與數(shù)據(jù)處理過(guò)程中有許多不確定因素,因此所得的結(jié)果只能大概地評(píng)估所測(cè)系統(tǒng)的分辨特性。
基于X-ray CCD相機(jī)的桿箍縮二極管X射線(xiàn)焦斑診斷系統(tǒng)如圖5所示,X射線(xiàn)焦斑源由桿箍縮二極管裝置產(chǎn)生,側(cè)面焦斑尺寸寬度為1.5mm左右,長(zhǎng)度為5mm左右。厚針孔將X射線(xiàn)源的焦斑圖像成像到X-ray CCD相機(jī)的增感屏,由于X射線(xiàn)的平均能量約0.5MeV,因此射線(xiàn)在厚針孔材料鎢中的衰減長(zhǎng)度為3.97mm,厚針孔為雙截錐針孔,直孔段針孔直徑為0.3mm,厚度為6mm,兩邊的錐孔為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),每個(gè)錐孔的厚度為30mm,錐孔錐角為0.1rad,物距為811mm,像距為387mm,針孔成像倍率約為0.5,此時(shí)X射線(xiàn)焦斑成像到X-ray CCD相機(jī)的增感屏上,焦斑在增感屏上的寬度尺寸對(duì)應(yīng)最大的空間頻率為1.33lp/mm,因此X-ray CCD相機(jī)的空間分辨特性基本可滿(mǎn)足診斷實(shí)驗(yàn)的需要。X-ray CCD相機(jī)負(fù)責(zé)記錄X射線(xiàn)圖像并在計(jì)算機(jī)上顯示。實(shí)驗(yàn)中必須將X射線(xiàn)焦斑、針孔、X-ray CCD相機(jī)準(zhǔn)直在一條直線(xiàn)上。由于電子流轟擊的位置有時(shí)可能不在針尖,因此建立的光軸應(yīng)稍偏向針尖的內(nèi)側(cè)。在放置X-ray CCD相機(jī)時(shí),由于相機(jī)本身?yè)踝×斯廨S,因此需提前在光軸上放置兩塊透明的網(wǎng)格板,通過(guò)觀察最終定位X-ray CCD相機(jī)。
圖5 基于X-ray CCD相機(jī)的桿箍縮二極管X射線(xiàn)焦斑診斷系統(tǒng)Fig.5 X-ray spot diagnosis system of rod-pinch diode based on X-ray CCD camera
實(shí)驗(yàn)中拍攝到桿箍縮二極管側(cè)面焦斑的原始圖像如圖6a所示。由于噪聲和系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的影響,原始圖像需復(fù)原處理。在圖像復(fù)原的過(guò)程中,由于圖像上的噪聲被放大而導(dǎo)致圖像失真,因此首先使用中值濾波方法對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理。去噪后的圖像如圖6b所示,可看到,中值濾波方法在去除圖像噪聲的同時(shí),圖像的邊界信息被有效保留。根據(jù)厚針孔的尺寸及實(shí)驗(yàn)中使用的參數(shù),通過(guò)解析法可計(jì)算厚針孔的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù),圖6c為點(diǎn)源在厚針孔中心軸處時(shí)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。由于點(diǎn)源在有效物面區(qū)域變化時(shí),其點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的變化較小,因此將針孔成像系統(tǒng)近似看作為空不變系統(tǒng),使用空不變的復(fù)原方法對(duì)圖像進(jìn)行復(fù)原處理。基于Richardson-Lucy迭代圖像復(fù)原算法[11-13],采用Matlab中的deconvlucy函數(shù),迭代5次獲得了較優(yōu)的圖像復(fù)原結(jié)果,如圖6d所示。從復(fù)原后的圖像可發(fā)現(xiàn),焦斑圖像縱向的尺寸變小,橫向的尺寸幾乎沒(méi)變,分析其原因是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的大小與縱向的尺寸相當(dāng),對(duì)縱向的分布影響較大,而相比于橫向,其尺寸較小,因此對(duì)橫向的分布影響較小。
圖6 圖像復(fù)原過(guò)程Fig.6 Image restoration process
建立了基于增感屏、光錐耦合、CCD相機(jī)的緊湊型X-ray CCD相機(jī)系統(tǒng),以取代原有的基于閃爍體、物鏡、CCD相機(jī)的圖像獲取系統(tǒng),可避免對(duì)閃爍體、物鏡、CCD相機(jī)的準(zhǔn)直調(diào)節(jié)和物鏡的調(diào)節(jié)工作;同時(shí)由于系統(tǒng)緊湊性提高,便于在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)空間有限的條件下應(yīng)用。應(yīng)用分辨卡測(cè)得光錐耦合CCD相機(jī)的成像分辨率可達(dá)10.08lp/mm,通過(guò)傾斜刀口法測(cè)量,其MTF值為0.5時(shí)的頻率為13lp/mm;應(yīng)用鉛分辨卡測(cè)得X-ray CCD相機(jī)系統(tǒng)的成像分辨率可達(dá)5lp/mm,通過(guò)刀口法測(cè)量,其MTF值在0.5時(shí)的頻率為1.5lp/mm。因此X-ray CCD相機(jī)的分辨能力受增感屏的限制,同時(shí)在針孔成像倍率為0.5的前提下,X-ray CCD相機(jī)的分辨能力可滿(mǎn)足尺寸在1.5mm左右的X射線(xiàn)焦斑的診斷需要。應(yīng)用X-ray CCD相機(jī)開(kāi)展了桿箍縮二極管X射線(xiàn)焦斑診斷實(shí)驗(yàn),獲得了側(cè)面焦斑圖像,并對(duì)圖像進(jìn)行了復(fù)原處理。
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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
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61171013);863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA8041072)
宋 巖(1984—),男,吉林輝南人,助理研究員,從事圖像診斷技術(shù)研究