王 賀

(吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通信息學(xué)院，長春 130130)

為增加X射線無損探傷在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等民用領(lǐng)域的應(yīng)用、降低X射線輻射對(duì)環(huán)境的污染、減少上述民用應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)X射線防護(hù)措施的級(jí)別要求，基于像增強(qiáng)器的X射線便攜式檢測(cè)手段已然再次進(jìn)入國內(nèi)外學(xué)者的視野[1-2]?；谖⒐釾射線像增強(qiáng)器可以對(duì)波長大于1 nm且輻射劑量極低的軟X射線進(jìn)行有效檢測(cè)與放大[3-5]，幾乎可以做到在民用行業(yè)領(lǐng)域的無防護(hù)應(yīng)用[6]。然而，相比傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)透視所用的X射線半導(dǎo)體線陣或面陣檢測(cè)系統(tǒng)而言，微光X射線像增強(qiáng)器屬于典型的光—電—光檢測(cè)放大模式[7-8]。所以，如何對(duì)放大后的光信號(hào)進(jìn)行有效的采集一直是學(xué)界重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題。對(duì)此，學(xué)界的主流技術(shù)方面主要分為兩種，第一是實(shí)現(xiàn)對(duì)該光信號(hào)做數(shù)字化；第二是直接就人眼開展人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，直接完成內(nèi)窺便攜成像?？梢姡罢唠m然有利于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析以及處理，但相比于主流的X射線線陣或面陣方案，需要相似的后續(xù)數(shù)字輔助系統(tǒng)。而后者則可以充分凸顯系統(tǒng)便攜性與應(yīng)急性，只要有干電池或鋰電池供電使其產(chǎn)生較為微弱X射線輻射，整個(gè)系統(tǒng)便可以正常工作，尤其在野戰(zhàn)行軍過程中優(yōu)勢(shì)特別突出。就X射線成像而言，傳統(tǒng)的X射線光源的電子散射焦斑、X射線發(fā)光投影等器件因素都會(huì)對(duì)成像造成直接影響，已故的牛憨笨院士團(tuán)隊(duì)對(duì)此已開展了長期且較為深入的研究工作[9-10]。此外，由于引入了像增強(qiáng)器體系，這類的電真空半導(dǎo)體器件在碘化銫(CsI)陰極光電轉(zhuǎn)換、微通道板(MCP)的電子倍增與極間電子束耦合、以及陽極熒光成像等環(huán)節(jié)均會(huì)對(duì)成像的空間光學(xué)傳遞特性造成抑制[11-12]。結(jié)合理論計(jì)算與系統(tǒng)建?？芍?，受上述兩方面影響，X射線像增強(qiáng)器的理論器件分辨率一般可以達(dá)到20 lp/mm以上。然而，實(shí)際便攜式應(yīng)用系統(tǒng)中，用人眼直接觀測(cè)的實(shí)際分辨率一般不會(huì)超過5 lp/mm?？梢姡驮揦射線像增強(qiáng)器便攜成像而言，主要技術(shù)瓶頸在于目視觀瞄系統(tǒng)。本研究針對(duì)X射線像增強(qiáng)器便攜式應(yīng)用為背景，具體研究該類目視觀瞄系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1 X射線像增強(qiáng)器便攜成像目視觀瞄的主要約束

正如引言所述，結(jié)合裸眼實(shí)際檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)與理論計(jì)算可知，為了保證器件的空間光學(xué)傳遞能力的充分利用，20 lp/mm將是整個(gè)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的重要空間光學(xué)光學(xué)傳遞的約束條件。此外，由于像增強(qiáng)器屬于典型的電真空光電倍增器件，較高的暗電流與噪聲對(duì)成像的對(duì)比度要求較高，為了提升成像效果，20 lp/mm時(shí)的成像對(duì)比度應(yīng)該被維系在0.7左右較為穩(wěn)妥。

如圖1所示，就目視像增強(qiáng)器而言，其微通道板的有效直徑一般為16 mm。經(jīng)過器件封裝后，其有效的成像面積一般在14 mm左右。為了方便計(jì)算與系統(tǒng)裝配，該類像增強(qiáng)的目視觀瞄系統(tǒng)應(yīng)選用兩個(gè)構(gòu)造相同的雙膠合透鏡組成對(duì)稱式目鏡系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)為出瞳距離 8 mm，入瞳直徑為 2.5 mm。在頻率為20 lp/mm 處，對(duì)稱式目鏡光學(xué)系統(tǒng)在 20度的視場(chǎng)中 MTF 數(shù)值均大于0.7，最大畸變小于10%。

圖1 X射線像增強(qiáng)器

圖2 目鏡初始設(shè)計(jì)刨面圖與光線光扇圖

2 X射線像增強(qiáng)器便攜成像人體工程學(xué)設(shè)計(jì)

結(jié)合上述設(shè)計(jì)需要和小焦距大視場(chǎng)的原則，根據(jù)目鏡系統(tǒng)的光學(xué)特性，采用最貼近的構(gòu)造作為初始系統(tǒng)來進(jìn)行像差校正。與標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱式目鏡光學(xué)系統(tǒng)而言，設(shè)初始焦距為f′，縮放后結(jié)構(gòu)焦距為f′*，計(jì)算公式為：

(1)

設(shè)初始結(jié)構(gòu)焦距為f′ ，縮放后結(jié)構(gòu)焦距為f′*，計(jì)算公式為：

(2)

所選定的初始結(jié)構(gòu)及各個(gè)參數(shù)查自初始參數(shù)如表1所示。

表1 對(duì)稱式目鏡光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)表

基于上述參數(shù)，得到的系統(tǒng)平面剖面圖與光線光扇圖，如圖 2 所示。其中橫軸代表瞳孔輸入量，縱軸是主光線占所成像面的相對(duì)值。

該系統(tǒng)的場(chǎng)曲與的點(diǎn)列圖如圖3所示。3條曲線的分離程度略大，色差較大，因此初始的對(duì)稱式目鏡光學(xué)系統(tǒng)的成像效果較差，仍需再次優(yōu)化。在光學(xué)系統(tǒng)成像過程中，由于像差的存在，經(jīng)過目鏡系統(tǒng)多次折射后的光線的會(huì)聚點(diǎn)偏離特定點(diǎn)，發(fā)射的光束不再集中在像面中的特定點(diǎn)，而是在特定區(qū)域散射成某種圖形，稱為點(diǎn)列圖形。下方呈現(xiàn)的數(shù)值，可直觀地看出各個(gè)視場(chǎng)的均方根值等參數(shù)。這些參數(shù)越大，系統(tǒng)的成像效果越差。根據(jù)散射點(diǎn)的形狀，還能夠看出該目鏡系統(tǒng)各種像差的大小，如：散射點(diǎn)密度越大，散射點(diǎn)分布的半徑越小，系統(tǒng)的成像效果越好。

圖3 目鏡初始設(shè)計(jì)的像差成像效果

綜上，該系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF如圖4所示，MTF曲線所包圍的面積就是像點(diǎn)的中心亮度值，所包圍面積與傳遞信息量、像質(zhì)、所成像亮度成正比。如圖所示，MTF 曲線周邊區(qū)域太小，20 lp/mm的 MTF 值太小，光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)不高，需要優(yōu)化。

圖4 優(yōu)化前系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)

3 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，目鏡系統(tǒng)的構(gòu)造數(shù)據(jù)皆可作為優(yōu)化的變量。第一步是進(jìn)行曲率半徑的優(yōu)化，以此來提高成像效果，并結(jié)合像差圖分析評(píng)價(jià)。采用 ZEMAX自動(dòng)優(yōu)化方法：首先，右擊第二曲面的曲率射線，選擇變量，點(diǎn)擊自動(dòng)優(yōu)化按鈕，從中選擇自動(dòng)，自動(dòng)優(yōu)化第一系列曲率光線，觀察優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，并與初始數(shù)據(jù)的像差分析圖進(jìn)行比較。依據(jù)這一方式，按順序?qū)δ跨R的曲率半徑進(jìn)行優(yōu)化，最后得到優(yōu)化后的數(shù)據(jù)并且對(duì)像差圖進(jìn)行評(píng)析。如圖5所示，曲線不夠平滑，下方所圍起的面積較小，該系統(tǒng)所傳遞的信息量較少，圖像暗淡不明亮，所成圖像的效果不佳。如圖 6所示，由不同色光之間的分離程度可知，該系統(tǒng)的場(chǎng)曲和畸變隨著視場(chǎng)的增大而產(chǎn)生高級(jí)場(chǎng)區(qū)和高級(jí)畸變。

圖5 曲率半徑優(yōu)化后 MTF 曲線圖

如圖7所示，由不同色光之間的分離程度可知，該系統(tǒng)的場(chǎng)曲和畸變隨著視場(chǎng)的增大而產(chǎn)生高級(jí)場(chǎng)區(qū)和高級(jí)畸變。如圖8所示，3種色光之間的分離程度過大，這說明該系統(tǒng)垂軸以及軸向色差影響嚴(yán)重、初級(jí)球差大、場(chǎng)曲大。

圖7 曲率半徑優(yōu)化后子午光束與弧矢光束垂軸像差

可見，點(diǎn)列圖中的 5 度和 10 度視場(chǎng)存在正向彗差，各顏色像斑的重合程度較小，像斑呈現(xiàn)出分離狀態(tài)，垂軸色差對(duì)成像質(zhì)量影響嚴(yán)重。結(jié)合上述像差分析圖可知，雖然經(jīng)過曲率優(yōu)化的對(duì)稱式目鏡光學(xué)系統(tǒng)的像差依舊較大，但與初始結(jié)構(gòu)相比，經(jīng)過曲率半徑的優(yōu)化，所成圖像像差明顯減小，使得目鏡光學(xué)系統(tǒng)得到一定的改善。

為進(jìn)一步改善光學(xué)系統(tǒng)，下一步進(jìn)行厚度優(yōu)化。操作過程同理于曲率半徑優(yōu)化。將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)由變量改為確定，然后將厚度數(shù)據(jù)設(shè)置為優(yōu)化函數(shù)的變量，最后進(jìn)行厚度的優(yōu)化，優(yōu)化后得到的 MTF 曲線圖如圖9所示。而圖10，曲線變得平滑，下方所圍起的面積增加，該系統(tǒng)所傳遞的信息量增加，成像質(zhì)量得到小幅度地改善。如圖 11所示，該系統(tǒng)的仍存在隨著視場(chǎng)的增大而產(chǎn)生的高級(jí)場(chǎng)區(qū)和高級(jí)畸變，但場(chǎng)曲和畸變對(duì)系統(tǒng)的影響程度較弱，經(jīng)過厚度優(yōu)化后該系統(tǒng)得到一定的改善。如圖 12所示，經(jīng)過厚度優(yōu)化后，2種色光之間的分離程度減小，這說明該系統(tǒng)垂軸以及軸向色差仍存在但以一定程度減小、初級(jí)球差和場(chǎng)曲得到改善，系統(tǒng)的成像質(zhì)量得以提高。如圖13可知，點(diǎn)列圖中 5 度視場(chǎng)的彗差得到極大程度的蓋上，而 10 度視場(chǎng)仍存在有正的彗差，各色斑重合度較高，上下明顯的分離已不存在，垂軸色差變小，與只經(jīng)過曲率半徑優(yōu)化的目鏡系統(tǒng)相比，厚度優(yōu)化過后的目鏡光學(xué)系統(tǒng)得到了進(jìn)一步的改善，更加接近設(shè)計(jì)額需求。

圖9 厚度優(yōu)化后MTF 曲線圖

圖11 厚度優(yōu)化后子午光束與弧矢光束垂軸像差曲線

圖13 圓錐系數(shù)結(jié)合曲率半徑及厚度優(yōu)化后的 MTF 曲線圖

為得到較為完美的對(duì)稱式目鏡光學(xué)系統(tǒng)，最后進(jìn)行圓錐系數(shù)結(jié)合曲率半徑及厚度優(yōu)化。操作過程與曲率半徑優(yōu)化及厚度優(yōu)化有些許的不同，將圓錐系數(shù)與優(yōu)化好的曲率半徑或厚度進(jìn)行組合優(yōu)化，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化過程，最后得到的MTF曲線圖如圖13所示，MTF 曲線變得更加平滑，曲線所圍起的面積增加，各色光曲線接近至該系統(tǒng)的衍射極限，各視場(chǎng)的 MTF 曲線在 20 lp/mm 均高于 0.7，該系統(tǒng)所傳遞的信息量增加，成像質(zhì)量得到大幅幅度的改善，所成清晰明亮。由圓錐系數(shù)優(yōu)化后的像差圖分析得知，本研究設(shè)計(jì)對(duì)稱式目鏡的像差得到了一定程度的校正，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)顯著好于初始數(shù)據(jù)，并且符合課程設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化后的對(duì)稱式目鏡的參數(shù)如表2所示。

表2 對(duì)稱式目鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)表

4 結(jié)論

針對(duì)X射線像增強(qiáng)器便攜成像的特殊需求，給出一套完整的成像人體工程學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例與系統(tǒng)優(yōu)化分析方法。希望以本研究為契機(jī)，為后續(xù)該類成像觀瞄目視系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的提出起到一定借鑒與促進(jìn)作用，進(jìn)而為該類內(nèi)窺探傷在民用、軍用等應(yīng)急場(chǎng)合的推廣提供一定的技術(shù)支撐。