摘要：设计了射线数字成像检测仪的光电系统，包括转换屏、光路、CCD 相机以及计算机处理电路等。采用 CsI(Tl)单晶闪烁体将 X 射线图像转换为可见光图像，用科学级 CCD 将光图像转换为电信号，利用计算机并行口对图像进行采集. 实验结果证明图像质量优于像增强器组成的成像系统，适用于要求高质量成像检测的场合。
引 言
射线胶片成像在无损检测中已被大家所熟悉，射线数字实时成像技术以图像的可交换性和存储方便等特点成为射线检测的发展趋势。射线数字实时成像技术是指用射线敏感器件代替胶片接收穿透射线并通过光学及电子线路以数字信号实时地显示图像的技术。目前应用的是基于射线图像增强器的工业电视系统和数字实时成像系统。这种系统的缺点是只能用在低能 X射线源下(450kV以下 X射线源)使用，成像质量较差(透度灵敏度≥2%，空间分辨力≤20lp/cm)。基于闪烁体转换屏和科学级相机的慢扫描成像系统作者已研究了多年，并在一定范围内得到了应用，光电系统是整个检测系统的重要和关键部分。
1 射线数字成像检测仪组成与主要技术要求
本文研究的射线数字成像检测仪是一种适用于高、低能 X射线(15MeV以下)和γ射线，成像质量好的数字成像仪。根据工作需要，对本检测仪的要求为： (1) 射线转换屏直径 D≥150mm;(2) 系统的最佳空间分辨力≥30lp/cm(标准射线分辨力检测卡检测); (3) 图像灰度等级≥10bit;(4) 传输距离≥25m;(5)系统的透度灵敏度≤2%(小焦点移动式 X射线源在 10mm 以上的钢和针式标准透度计)。
为了达到以上高质量成像的要求，作者研制了基于单晶闪烁体屏和科学级 CCD 相机的射线数字成像检测仪，如图1;转换屏的作用是把透过被检工件后的射线分布转换为携带了工件内部信息的可见光图像，45 度反射镜的目的是把可见光图像反射到 CCD 相机中，而透过转换屏的残余射线能够直线穿过反射镜，使其不能射到相机，避免射线对相机的损害和引起图像噪声(这一点已被实验证明)。
2 光电系统的设计
光电系统的任务是把闪烁体转换屏输出的图像变成数字图像，由于闪烁体转换后的图像属于微弱可见光图像，为了分辨图像的细节，采用高分辨力的科学级制冷CCD 相机对此图像进行长时间曝光成像。
2.1 转换屏的结构和光输出特性
综合考虑射线转换效率、价格、转换屏大小、是否潮解等方面的因素，转换屏采用CsI (Tl)单晶闪烁体，其主要结构如图2 所示。因为CsI (Tl)单晶闪烁体较软且易潮解，所以必须密封起来，为了图像清晰，采用能吸收光的黑色铝外壳进行保护和固定整个转换屏，光学玻璃把晶体保护起来，油层除起密封作用外，还起折射率匹配液的作用，减小不同介质界面的反射，使更多的光能向前传递，抗反射膜的作用是起增透作用，减小光学玻璃-空气界面的反射，增大输出光能。其光谱响应函数如图3 所示，由图可见，CsI (Tl)晶体的光谱范围接近人眼的光谱响应曲线。CsI (Tl)在常温范围内光输出性能较稳定，峰值波长为550nm 左右，光谱的主要范围是 400nm～700nm。
2.2 科学级 CCD 相机与数据采集电路的研制
根据整个仪器指标的要求，考虑转换屏光谱特性、CCD 像素数、光电性能、价格等因素，我们选择俄罗斯圣彼得堡电子所生产的 ISD017AP 型 CCD 芯片，自己制作制冷电路、驱动电路、A/D 转换电路、远距离传输电路来构成科学级 CCD相机及数据采集电路，ISD017AP 型 CCD主要光电参数参见文献[2]。其光谱特性与转换屏能够较好匹配，另外其像元阱深、暗信号、响应不一致性等特性也较好。CCD 驱动电路和数据采集电路是图像获取的重要部分，其目的是在计算机控制下产生 CCD 输出所需要的时序信号，把每一个像元的电荷转换为电压信号再经电路处理与 A/D 转换后，远距离读入计算机。通过分析 CCD 的驱动时序要求，为了电路简单，设计了利用计算机并口 EPP 方式控制下的图像数据流水线读出方法，(即 CCD 信号读出、12 位 A/D 转换、数据远距离传输，在 EPP 方式下的一条读指令下同时进行，不过第 3 个脉冲读到的数据实际上是第 1 个像元的值，依次类推)，其原理框图如图 4(详细参看文献[1，2])。主要工作过程为：在计算机并口 EPP 方式的地址读选通信号 ADDRSTB 作用下，通过设计的硬件电路产生行转移驱动信号 VM(VM1、VM2)，在数据读选通信号 DATASTB作用下由硬件电路产生本次位转移信号 PH(PH1、PH2、RG)及输出信号的采保控制信号 S，同时产生上次信号经过采保后的 A/D 转换启动信号CON1以及上上次输出信号转换后12位数据(在锁存器中暂存的数据)读入计算机的控制信号CON1(和本次 A/D 转换启动信号公用)和 CON2。即实现 CCD 信号读出、A/D 转换(12 位)、数据传输流水线工作方式。另外射线数字成像仪离计算机在 25 米左右，这一点和一般短距离PCI卡图像采集方式不同，为此采用了高速 TTL-RS422 并行线驱动和线接收电路来实现远距离传输图像。
2.3 光路系统的设计
光路系统的任务是把转换屏输出的微弱光图像成像到 CCD 上。转换屏输出的是圆形图像(φ150mm)，CCD 是方形的(有效面积为16.64×16.64mm2)，被检测工件是多种形状的。一般而言成像方式有外切(方套圆)和内接(圆套方)两种，分别如图5(a),(b)所示。图(a)优点是一次透照物体尺寸大(转换屏得到了充分利用)，对于大工件而言，对提高检测速度有利。缺点是 CCD 的像元不能充分利用，图像的分辨力低，图(b) 和(a)相反，对提高图像分辨力有利，但转换屏不能充分利用。采用哪种方法要根据被检工件的大小，对图像细节的要求，检测速度等方面综合考虑。从理论上讲，为了提高成像的分辨力并兼顾检测速度，光学系统应该是根据被检工件的大小可调节的，如图 5(c)的方法可在牺牲转换屏利用率的情况下提高空间分辨力，适用于小工件的检测。因为被检工件一般即不是圆形的，也不是方形的，且大小变化较大。而转换屏和 CCD 芯片都比较贵。为了通用性好，作者采用了两种方案来制作不同用途的光学系统。方案1 是采用变焦镜头，根据工件大小和检测精度要求可改变成像大小，有利于改变视场的大小和通过放大对中心图像进行细节观察，但变焦镜头总体来说成像效果不如好质量的定焦镜头，在此不再介绍。方案2 采用定焦镜头，为了充分利用 CCD 和转换屏，选择一种两者总的利用率最高的方法。如图(d)所示，损失CCD 的四个角像元和转换屏的四个边的一部分。
经计算当r = 0.545a时，即 cos05054509172θ =. a/.a=.，即°= 23.52θ 时，双方的总利用率最大，此时 0831maxη =.。本系统的转换屏直径D = 150mm，CCD 边长为 16.64mm，根据以上计算为了获得 max值，成像的垂直放大率
因为转换屏输出为弱光图像,为了得到较大的光通量,选用孔径较大, 像差小的尼康 f = 50mm, F1.2 的相机标准镜头。镜头光圈小时景深大(但通光量小)，转换屏闪烁体的厚度为5mm,所以景深约 5mm,根据景深和通光量要求,选择光圈为 f/1.4。最小拍摄距离为 0.5m,根据成像倍率,物距应在500～600mm 之间选择,通过实验,物距约为 540mm,转换屏距离45°反射镜为 300mm,反射镜距镜头约为 240mm。实践证明, 通过镜头调焦可以获得(d)图所示形状的清晰图像。
3 实验与结果
根据以上设计，研制了可用于高、低能的 X射线和γ射线的射线数字成像检测仪(内视仪)，并进行了大量实验和研究工作。实验结果证明内视仪达到了设计指标。实验结果说明该成像系统不仅适用 X射线的能量(kV数)范围广，而且图像质量明显优于由 X射线像增强器组成的实时成像系统(当然，本系统特别适用于要求高质量成像检测的场合。图6 是上述定焦镜头(f/1.4)系统在低能 X射线下标准透度计放在 5mm钢板上的透视图(未经处理的图像)。
参考文献：
[1] 程耀瑜, 韩 焱, 潘德恒, 等. 高、低能 X 射线数字成像内视仪的研制[J]. 仪器仪表学报， 2002，23(6)：579-583，595.
[2] 程耀瑜,胡 鶠, 韩 焱, 等. 高质量 X 射线检测的数字化成像及快速采集[J]. 光学 精密工程，2002，10(4)：359-363.
[3] 伍丁红. 增强并行口 EPP 协议及高速并行口 A/D 转换器的设计[J]. 电子技术应用，1998，2: 47-49.
[4] NAGARKAR V V. CCD-based high resolution digital radiography system for nondestructive evaluation[J]. IEEET rans .Nucl.Sci, 1998, 44(3):885-889.
基金项目：山西省攻关项目资助(991021)
作者简介：胡 鶠(1968-),女(汉族)，河北张家口人，工程师，硕士生，研究方向为光电技术应用和电子仪器开发。E-mail:huyan68@163.com.
