數(shù)字X射線成像系統(tǒng)以其在圖像獲取顯示存儲和傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢被廣泛地應用于醫(yī)學影像和工業(yè)無損檢測領域。這種傳統(tǒng)的醫(yī)用影像和工業(yè)無損檢測的X射線成像系統(tǒng)一般具有較大的工作面積，但其圖像分辨力不高，一般不超過31pixel/mm;而在實際應用中，一些觀察和分析微小部件內部結構的工作，如，集成電路的檢查、材料與元器件的無損檢測以及微小零件的探傷等，這些實際應用并不要求有很大的工作面積，卻要求有較高的圖像清晰度，另外，運動員、部隊以及野外作業(yè)人員遇到傷害時的及時診斷，這項工作要求給受傷病人進行及時診斷，并且，要求圖像清晰度比較高，也需要便攜式數(shù)字x射線光錐耦合CCD成像系統(tǒng)。

　　近年來，國內外都已經開發(fā)研制成平板式的X射線像增強器。其工作原理是利用微通道板作為從X射線到電子的轉換元件，以及隨后的電子倍增元件，微通道板與其后面的光纖面板熒光屏近貼聚焦成像。這是目前市場上便攜式X射線成像器的核心部件。這種X射線成像儀是直接目視型的，不能輸出視頻信號，不能直接與計算機連接進行定量測量和分析。雖然也可通過光學透鏡，將X射線像增強器熒光屏圖像耦合到CCD上，這樣成像體積比較大，而且，由于光能損失很大，最后，圖像的信噪比明顯降低。

　　本文介紹的便攜式數(shù)字X射線光錐耦合CCD成像系統(tǒng)，利用光錐作為光學中繼元件，將X射線II代像增強器光纖面板熒光屏輸出的增強的圖像耦合到CCD的光敏面上，從而形成高分辨力、數(shù)字化成像系統(tǒng)，并對其系統(tǒng)成像的空間分辨力進行了測試和分析。

　　1 成像系統(tǒng)的結構及工作原理

　　本文所介紹的便攜式數(shù)字X射線光錐耦合CCD成像系統(tǒng)，使用的X射線像增強器是II代像增強器，其有效的工作直徑為50mm，工作電壓為35～70kV，工作電流為220～500μA，熒光輸出屏是光纖面板。CCD選用SONYCCD，其有效工作面積為6.4 mm×4.8 mm，像素尺寸為8μm x8μm。光錐的錐比為6：1，系統(tǒng)的結構示意圖如圖1。

　　工作時，X射線通過被檢測物體投射到輸入熒光屏上，激發(fā)出可見的熒光圖像，此圖像通過像增強器起到圖像亮度增強的作用。在像增強器光電陰極處產生光電子發(fā)射，形成光電子圖像。在高壓電極的作用下，光電子加速并聚焦到像增強器的光纖面板輸出熒光屏上，轉換為可見光圖像，投射在CCD的光敏面上，由CCD芯片將光學圖像轉換為視頻信號。

　　1.1 光錐和CCD的耦合效率對成像系統(tǒng)信噪比的影響

　　光錐和CCD耦合其實就是利用光學粘結劑把2個像素離散性的元器件(光錐和CCD)串聯(lián)裝配起來。這樣，從像增強器的熒光屏到CCD芯片表面的圖像傳輸就用不著光學透鏡，而可由光錐直接完成，這樣做的優(yōu)點是：提高了光能的利用效率，并大大減小成像體積。光錐和CCD耦合效率體現(xiàn)了光錐和CCD耦合的好壞。

　　光錐和CCD耦合效率(ηFOT)是指從X射線像增強器光纖面板熒光屏上發(fā)出的光，經過光錐和耦合介質的損耗(Eabsorb)和傳播到CCD光敏面上的光束能量(ECCD)與X射線像增強器光纖面板熒光屏上發(fā)出的總的光能(Eall)之比，用數(shù)學公式表示為

　　式中ATaper為光錐的有效數(shù)值孔徑;TR為光線經過光錐前后端面反射損耗后的透過率;TA為光線經過光錐傳輸時，由于光錐芯料吸收和內反射損耗后產生的透過率;KC為光錐的有效填充率;Tepoxy為光線經過耦合介質的透過率。

　　從式(1)中可以看出：光錐和CCD耦合的效率與光錐的有效數(shù)值孔徑、光錐的有效填充率和光錐和耦合介質的、吸收損耗相關。提高光錐與CCD的耦合效率的有效方法就是采用大數(shù)值孔徑的光錐、減少光錐端面的反射損耗和光線傳輸介質的吸收損耗，提高光錐和耦合介質的透過率。

　　在成像系統(tǒng)中，X射線像增強器、光錐和CCD整個耦合器件最終可探測到的信號n大小可以表示為

　　式中ηCCD為CCD的量子轉化效率;ηFOT為光錐的耦合效率;nintensifier為像增強器放大輸出的光子量。

　　整個耦合器件探測到的信號噪聲主要是由X射線像增強器和CCD產生的，信號噪聲可以表示為

　　式中 n2intensifier-noiseX射線像增強器產生的信號噪聲;n2CCD-noise為CCD產生的信號噪聲。因此，整個耦合器件的信噪比為

　　由式(4)可以看出：當X射線像增強器的增益特別高的時候，由CCD產生的信號噪聲n2CCD-noise可以忽略不計，可以認為信號噪聲與光錐和CCD耦合器件的特性無關，當X射線像增強器的增益比較低的時候，CCD的噪聲大于X射線像增強器的噪聲的時候，整個耦合器件的信噪比為

　　這就說明了提高光錐和CCD的耦合效率能夠提高整個耦合器件的信噪比。

　　1.2 光錐和CCD的耦合

　　光錐的小端面要按照CCD的有效工作面積的大小，切成一個大小與之相對應的光纖塊，然后，把光錐的2個端面按照規(guī)定拋光，同時，要保證光錐端面的有較好的平行度和光圈數(shù)。成品的CCD器件，為了保護耙面被氧化或被灰塵污染，靶面連同線路板邊框被用石英玻璃保護窗封粘。由于光錐是端面成像，必須要與CCD靶面緊密接觸，因此，首先要去除CCD的石英玻璃窗。CCD的石英玻璃窗的去除通常在超凈室中，通過機械的方法去除，同時，要保持CCD表面的清潔。

　　光錐和CCD的芯片表面之間不能直接接觸，中間要有一種耦合介質，耦合介質選用的是低粘度的光敏膠，固定后折射率為1.56。這樣，不僅避免了光錐小端面與CCD直接接觸而造成CCD表面損傷的可能，更重要的是由于耦合介質的存在，可以減少界面處光的損失和散射，提高了光錐和CCD的耦合效率，保持圖像分辨力，同時，也起到對CCD和光錐的固定。

　　在耦合的過程中，首先，要把光敏膠涂在CCD的靶面上，然后，一邊調整，一邊在光錐大端觀察，輕輕擠壓光錐，使光敏膠在CCD靶面上均勻涂開，并無氣泡產生，同時，使光敏膠的厚度盡可能的小，因為光敏膠的厚度越小，成像的質量就越好。耦合的過程主要要避免損害CCD細絲引腳、涂膠的不均勻性、氣泡的產生和莫爾條紋等問題。

　　1.3 光錐和X射線II代像增強器的耦合

　　為了光錐大端和X射線II代像增強器輸出屏之間的光學耦合，普通的光學玻璃輸出屏已不能用，可以換成光纖面板或者薄的透明云母片。實驗選擇的是光纖面板來代替普通的光學玻璃作為像增強器的輸出屏，光纖面板的纖維直徑約為5μm。

　　光錐和X射線II代像增強器之間的耦合相當于2個平板玻璃之間的耦合，耦合的過程中，可以通過CCD相機將耦合過程中的圖像傳到監(jiān)視器上，便于實時觀察，過程中主要避免涂膠的不均勻性、氣泡的產生和莫爾條紋等問題。

　　2 成像系統(tǒng)的空間分辨力分析與檢測

　　2.1 空間分辨力的分析與測試

　　利用圖1對成像系統(tǒng)的空間分辨力進行測試。測的系統(tǒng)的空間分辨力如圖2所示，一般來說，圖像經過去除噪聲、圖像的對比度調節(jié)、CCD像元不一致性校正等處理過程可一定程度上提高圖像的清晰度。從測試的結果來看，系統(tǒng)的空間分辨力達到41 pixel/mm。與X射線像增強器的分辨力測試結果相對比，說明了低粘度的光敏膠對成像質量的影響比較小，耦合后仍然保持較好的分辨力。

　　2.2 人體成像的實驗結果

　　利用圖1裝置對人體各個部位觀察，圖3是對人的手指骨、手掌、手腕的X光透視照片。從透視照片來看，各個部位的圖像都比較清晰，能夠對這些部位的骨折、骨質增生等病變作出準確的診斷。

　　3 結論

　　本文研究的便攜式數(shù)字X射線光錐耦合CCD成像系統(tǒng)具有幅面小、分辨力高的特點，通過對系統(tǒng)的空間分辨力的測試，表明系統(tǒng)的空間分辨力能夠達到41pixel/mm，整個系統(tǒng)的成像效果比較好，能夠滿足小部件的無損檢測和醫(yī)學成像的要求。同時，這套成像系統(tǒng)攜帶方便、成本低、應用范圍比較廣，便于在國內實現(xiàn)生產化。