宋 巖，周 鳴，宋顧周，馬繼明，段寶軍，韓長材，姚志明

（西北核技術(shù)研究所 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，陜西 西安 710024）

X-rayCCD相機在桿箍縮二極管X射線焦斑診斷中的應(yīng)用

宋 巖，周 鳴，宋顧周，馬繼明，段寶軍，韓長材，姚志明

（西北核技術(shù)研究所 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，陜西 西安 710024）

針孔成像法是診斷桿箍縮二極管X射線焦斑的常用方法。本文建立基于增感屏、光錐耦合、CCD相機的X-ray CCD相機系統(tǒng)，取代針孔成像法中基于閃爍體、物鏡、CCD相機的圖像獲取系統(tǒng)，提高了診斷系統(tǒng)的緊湊性。對所建立的X-ray CCD相機系統(tǒng)的空間分辨能力進行了測試，系統(tǒng)的空間分辨能力受增感屏限制，使用鉛制分辨卡測得系統(tǒng)的空間分辨率為5lp／mm，使用刀口法測得調(diào)制傳遞函數(shù)為0.5時的頻率為1.5lp／mm。測試結(jié)果表明，在針孔成像倍率為0.5時，可滿足1.5mm左右的X射線焦斑診斷的需要。并開展了桿箍縮二極管側(cè)面焦斑診斷實驗，獲得了側(cè)面焦斑圖像，且進行了圖像復(fù)原處理。

X-ray CCD；桿箍縮二極管；X射線焦斑；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源強度的二維空間分布，因此在診斷實驗中經(jīng)常使用。在以往針孔成像實驗中，圖像診斷系統(tǒng)是基于厚針孔、閃爍體、物鏡、CCD相機的圖像獲取方式［12］，雖可滿足對X射線焦斑的診斷需求，但系統(tǒng)龐大，安裝、調(diào)試、準直等過程較復(fù)雜。為滿足診斷實驗的需求且提高診斷系統(tǒng)的緊湊性，以便于調(diào)試安裝、提高實驗效率，本文通過建立基于增感屏、光錐耦合、CCD相機的緊湊型X-ray CCD相機系統(tǒng)取代原有的圖像獲取系統(tǒng)。

1 X-ray CCD相機組成

X-ray CCD相機用來記錄X射線圖像，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于CCD相機本身不具備直接記錄X射線圖像的能力，因此，使用增感屏將X射線圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像，通過光錐耦合到CCD像面并最終由CCD相機完成記錄。

圖1 X-ray CCD相機結(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，余輝時間≤30s。其熒光譜為黃綠色，與CCD相機響應(yīng)光譜有較好的匹配。增感屏與CCD相機進行圖像耦合通?？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相機為12bit數(shù)字化相機，像元數(shù)為512×512，像元尺寸為24μm×24μm。

2 X-ray CCD相機空間分辨特性

空間分辨率是X-ray CCD相機的重要指標之一。為評估X-ray CCD相機系統(tǒng)的空間分辨率，找出限制系統(tǒng)成像分辨能力的因素，對光錐耦合的CCD相機和整個X-ray CCD相機系統(tǒng)分別進行空間分辨率測試。一方面通過分辨卡直觀讀出可辨別的最高線對數(shù)，另一方面通過刀口法測量得到的調(diào)制傳遞函數(shù)（modulation transfer function，MTF）曲線來評估。

使用刀口法測量成像系統(tǒng)MTF曲線時，由于光無法通過刀口，因此，當?shù)犊诜胖妹媾c像面重合時，在像面上建立xOy坐標軸，同時使刀口邊緣沿x＝0的直線放置，則光強均勻的光經(jīng)過刀口后，光強在像面處的分布歸一化后為：

若成像系統(tǒng)的點擴散函數(shù)（point spread function，PSF）為PSF（x，y），則像面上的光強分布，即邊沿擴散函數(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)對無限長細狹縫的響應(yīng)為線擴散函數(shù)（line spread function，LSF），無限長細狹縫可用一維沖激函數(shù)δ（x）表示，有：

線擴散函數(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相機空間分辨率

光錐與CCD耦合后，對光錐耦合CCD相機進行空間分辨率測試。首先將分辨卡貼在光錐表面并設(shè)置CCD相機參數(shù)獲得圖像，直觀觀察其分辨率為10.08lp／mm。

使用刀口法測量光錐耦合CCD相機的MTF曲線。由于光錐與CCD相機耦合后的系統(tǒng)分辨率較高，如使用通常的刀口法直接測量，ESF曲線會面臨采樣率不足的困難，因此選用傾斜刀口法［6－7］，通過將刀口傾斜放置以建立過采樣的ESF曲線，通過數(shù)據(jù)處理和分析，獲得具有較優(yōu)評價特性的結(jié)果。

使用傾斜刀口方式測量光錐耦合CCD相機MTF曲線時，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。建立過采樣ESF曲線時，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。組成過采樣ESF曲線所需要的行數(shù)N＝round（p／Δx）＝round（1／tanα），其中，round代表四舍五入運算，此處N＝5。對連續(xù)5行數(shù)據(jù)進行組合，建立過采樣的ESF曲線，組合順序如下：第1行第1個點、第2行第1個點、…、第5行第1個點、第1行第2個點、第2行第2個點、…。由于p／Δx不一定是整數(shù)，過采樣的ESF曲線的采樣間隔并非均勻采樣的，但在計算過程中，為便于快速傅里葉運算，假設(shè)采樣間隔均勻且為p／N。假設(shè)采樣間隔均勻，會導(dǎo)致MTF曲線出現(xiàn)振蕩，振蕩峰值在k／p（k＝1，2，…）處［7］，但通常實驗中僅關(guān)心頻率小于1／p時MTF曲線的情況。由于噪聲的影響，僅通過1組過采樣ESF曲線計算得到的MTF曲線會有強烈不規(guī)則振蕩，通過對多組過采樣ESF曲線進行平均可減小噪聲影響［7］，所獲得的MTF曲線如圖3所示，從圖3可讀出，當MTF值為0.5時，其頻率值在13lp／mm左右。

圖2 光錐耦合CCD相機的刀口圖像Fig.2 Edge image of coupled CCD camera

圖3 光錐耦合CCD相機的MTF曲線Fig.3 MTF curve of coupled CCD camera

2.2 X-ray CCD相機系統(tǒng)空間分辨率

使用鉛分辨卡評估X-ray CCD相機的空間分辨能力，將鉛分辨卡緊貼相機的增感屏，使用便攜式X光機作為射線源以獲得分辨卡圖像，直接觀察分辨能力可達5.0lp／mm。

同樣使用刀口法測量X-ray CCD相機的MTF曲線。與測量光錐耦合CCD相機MTF曲線不同的是，在測量系統(tǒng)MTF曲線時，由于增感屏的加入，系統(tǒng)的分辨能力下降，CCD相機的采樣率已夠高，可直接獲得有效的ESF曲線，而無需建立過采樣的ESF曲線，但由于噪聲等的存在，數(shù)據(jù)需進行一定程度的處理［8－10］。

使用5mm厚的鎢塊作為刀口緊貼增感屏，使用便攜式X光機作為射線源獲得的刀口圖像如圖4a所示。對刀口圖像進行中值濾波處理去除椒鹽噪聲，通過多組平均獲得的ESF曲線如圖4b所示。由ESF曲線可看出，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，射線無法穿透，噪聲主要來源于CCD相機本身，而亮區(qū)的噪聲與X光源有較大關(guān)系，因此單獨對亮區(qū)的數(shù)據(jù)進行平滑處理并對所得的ESF曲線求微分獲得的LSF曲線如圖4c所示。LSF曲線依然有噪聲的影響，通過小波方法對LSF曲線進行去噪平滑。最終由所得的LSF曲線經(jīng)傅立葉變換得到的MTF曲線如圖4d所示。

圖4 X-ray CCD相機的MTF曲線計算過程Fig.4 Data processing of MTF curve for X-ray CCD camera

通過對光錐耦合CCD相機及X-ray CCD相機系統(tǒng)的分辨率測試可知，增感屏的加入導(dǎo)致了系統(tǒng)的分辨特性下降。由分辨卡的測試結(jié)果可看出，分辨率由10lp／mm下降到5lp／mm。從MTF曲線的測量結(jié)果可看出，MTF值為0.5時的頻率由13lp／mm下降到1.5lp／mm。測量與數(shù)據(jù)處理過程中有許多不確定因素，因此所得的結(jié)果只能大概地評估所測系統(tǒng)的分辨特性。

3 診斷系統(tǒng)

基于X-ray CCD相機的桿箍縮二極管X射線焦斑診斷系統(tǒng)如圖5所示，X射線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，長度為5mm左右。厚針孔將X射線源的焦斑圖像成像到X-ray CCD相機的增感屏，由于X射線的平均能量約0.5MeV，因此射線在厚針孔材料鎢中的衰減長度為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，兩邊的錐孔為對稱結(jié)構(gòu)，每個錐孔的厚度為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X射線焦斑成像到X-ray CCD相機的增感屏上，焦斑在增感屏上的寬度尺寸對應(yīng)最大的空間頻率為1.33lp／mm，因此X-ray CCD相機的空間分辨特性基本可滿足診斷實驗的需要。X-ray CCD相機負責記錄X射線圖像并在計算機上顯示。實驗中必須將X射線焦斑、針孔、X-ray CCD相機準直在一條直線上。由于電子流轟擊的位置有時可能不在針尖，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相機時，由于相機本身擋住了光軸，因此需提前在光軸上放置兩塊透明的網(wǎng)格板，通過觀察最終定位X-ray CCD相機。

圖5 基于X-ray CCD相機的桿箍縮二極管X射線焦斑診斷系統(tǒng)Fig.5 X-ray spot diagnosis system of rod-pinch diode based on X-ray CCD camera

4 實驗結(jié)果

實驗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)點擴散函數(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圖像進行去噪處理。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，圖像的邊界信息被有效保留。根據(jù)厚針孔的尺寸及實驗中使用的參數(shù)，通過解析法可計算厚針孔的點擴散函數(shù)，圖6c為點源在厚針孔中心軸處時的點擴散函數(shù)。由于點源在有效物面區(qū)域變化時，其點擴散函數(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)原方法對圖像進行復(fù)原處理?；赗ichardson-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，橫向的尺寸幾乎沒變，分析其原因是點擴散函數(shù)的大小與縱向的尺寸相當，對縱向的分布影響較大，而相比于橫向，其尺寸較小，因此對橫向的分布影響較小。

圖6 圖像復(fù)原過程Fig.6 Image restoration process

5 結(jié)論

建立了基于增感屏、光錐耦合、CCD相機的緊湊型X-ray CCD相機系統(tǒng)，以取代原有的基于閃爍體、物鏡、CCD相機的圖像獲取系統(tǒng)，可避免對閃爍體、物鏡、CCD相機的準直調(diào)節(jié)和物鏡的調(diào)節(jié)工作；同時由于系統(tǒng)緊湊性提高，便于在實驗現(xiàn)場空間有限的條件下應(yīng)用。應(yīng)用分辨卡測得光錐耦合CCD相機的成像分辨率可達10.08lp／mm，通過傾斜刀口法測量，其MTF值為0.5時的頻率為13lp／mm；應(yīng)用鉛分辨卡測得X-ray CCD相機系統(tǒng)的成像分辨率可達5lp／mm，通過刀口法測量，其MTF值在0.5時的頻率為1.5lp／mm。因此X-ray CCD相機的分辨能力受增感屏的限制，同時在針孔成像倍率為0.5的前提下，X-ray CCD相機的分辨能力可滿足尺寸在1.5mm左右的X射線焦斑的診斷需要。應(yīng)用X-ray CCD相機開展了桿箍縮二極管X射線焦斑診斷實驗，獲得了側(cè)面焦斑圖像，并對圖像進行了復(fù)原處理。

［1］ 宋顧周，朱宏權(quán)，韓長材，等.桿箍縮二極管X射

線焦斑的成像法測量［J］.強激光與粒子束，2011，23（2）：531-535.

SONG Guzhou，ZHU Hongquan，HAN Changcai，et al.Imaging measurement of X-ray spot of rod-pinch radiographic source［J］.High Power Laser and Particle Beams，2011，23（2）：531-535（in Chinese）.

［2］ 宋顧周，馬繼明，韓長材，等.桿箍縮二極管X射線源焦斑的刀口法測量［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2010，30（6）：763-767.

SONG Guzhou，MA Jiming，HAN Changcai，et al.X-ray spot measurement for rod-pinch diode radiographic source by rolled-edge［J］.Nuclear Electronics ＆Detection Technology，2010，30（6）：763-767（in Chinese）.

［3］ 高屹，馬繼明，張眾，等.疊片法測量脈沖X射線源焦斑［J］.強激光與粒子束，2010，22（12）：3 057-3 061.

GAO Yi，MA Jiming，ZHANG Zhong，et al.Spot size measurement for pulsed X-ray source with lamination method［J］.High Power Laser and Particle Beams，2010，22（12）：3 057-3 061（in Chinese）.

［4］ 李勤，石金水，禹海軍，等.狹縫法測量X射線斑點大小［J］.強激光與粒子束，2006，18（10）：1 691-1 694.

LI Qin，SHI Jinshui，YU Haijun，et al.Slit X-ray spot size measurement technique［J］.HighPower Laser and Particle Beams，2006，18（10）：1 691-1 694（in Chinese）.

［5］ RICHARDSON R A，HOUCK T L.Roll bar X-ray spot size measurement technique［C］∥Proceedings of the 19th International Linear Accelerator Conference.Illinois：［s.n.］，1998：908-910.

［6］ FUJITA H，TSAI D，ITOH T，et al.A simple method for determining the modulation transfer function in digital radiography［J］.IEEE Transactions on Medical Imaging，1992，11（1）：34-39.

［7］ BUHR E，G NTHER-KOHFAHL S，NEITZEL U.Accuracy of a simple method for deriving the presampled modulation transfer function of a digital radiographic system from an edge image［J］.Medical Physics，2003，30（9）：2 323-2 331.

［8］ 張曉琳，杜國浩，鄧彪，等.刀口法高精度測量X射線CCD調(diào)制傳遞函數(shù)研究［J］.光學(xué)學(xué)報，2010，30（6）：1 680-1 687.

ZHANG Xiaolin，DU Guohao，DENG Biao，et al.High precision measurement of modulation transfer function for X-ray CCD with knife-edge method［J］.Acta Optica Sinic，2010，30（6）：1 680-1 687（in Chinese）.

［9］ GRANFORS P R，AUFRICHTIG R.Performance of a 41×41cm2amorphous silicon flat panel X-ray detector for radiographic imaging applications［J］.Medical Physics，2000，27（6）：1 324-1 331.

［10］ZHU Y M，KAFTANDJIAN V，PEI X G，et al.Modulation transfer function evaluation of linear solid-state X-ray-sensitive detectors using edge techniques［J］.Applied Optics，1995，34（22）：4 937-4 943.

［11］RICHARDSON W H.Bayesian based iterative method of image restoration［J］.Jounal of The Optical Society of America，1972，62（1）：55-59.

［12］BIGGS D S C，ANDREWS M.Acceleration of iterative image restoration algorithms［J］.Applied Optics，1997，36（8）：1 766-1 775.

［13］WHITE R L.Image restoration using the damped Richardson-Lucy method［J］.Proceedings of SPIE，1994，2198：1 342-1 348.

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

國家自然科學(xué)基金資助項目（61171013）；863計劃資助項目（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