微焦點X射線數(shù)字成像系統(tǒng)中的放大倍數(shù)

楊 龍

(無錫日聯(lián)科技股份有限公司，無錫 214145)

微焦點X射線數(shù)字成像系統(tǒng)中的放大倍數(shù)

楊 龍

(無錫日聯(lián)科技股份有限公司，無錫 214145)

概述了微焦點X射線數(shù)字成像系統(tǒng)放大倍數(shù)的定義，分析了微焦點X射線數(shù)字成像系統(tǒng)幾個關(guān)鍵部分的放大原理，分別提出了使用搭載圖像增強器與CCD相機、平板探測器的參數(shù)來計算微焦點X射線成像裝置的系統(tǒng)放大倍數(shù)的公式。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，驗證了公式的正確性，該公式可以用在成像方式相類似的,包括直接和間接的數(shù)字成像系統(tǒng)上。

微焦點X射線；數(shù)字成像；圖像增強器；平板探測器；系統(tǒng)放大倍數(shù)

微焦點X射線數(shù)字成像系統(tǒng)與其他X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的不同之處[1]在于,微焦點X射線數(shù)字成像系統(tǒng)在對細節(jié)放大的同時保持了足夠的分辨率。該系統(tǒng)在對精密壓鑄件、電子產(chǎn)品、線路板、半導(dǎo)體等尺寸細小的物品檢測方面有著顯著優(yōu)勢。放大倍數(shù)已成為該類檢測設(shè)備的一個核心參數(shù)。現(xiàn)在市面上較為流行的幾種X射線數(shù)字成像檢測設(shè)備的放大倍數(shù)可分為3種：幾何放大倍數(shù)、系統(tǒng)放大倍數(shù)、軟件層面的數(shù)字放大倍數(shù)。筆者解釋了幾種在X射線數(shù)字成像系統(tǒng)中放大倍數(shù)的定義，給出了搭載兩種類型X射線探測器的系統(tǒng)放大倍數(shù)的計算公式。設(shè)備使用者在了解設(shè)備各項相關(guān)參數(shù)后，可以自行準確地算出系統(tǒng)放大倍數(shù)及最佳放大倍數(shù)[2]，為編制檢測工藝規(guī)程及工藝卡[3]提供參考。

1 幾種放大倍數(shù)的定義及表達式

1.1 幾何放大倍數(shù)

圖1 幾何放大倍數(shù)原理

幾何放大倍數(shù)，定義為射線源焦點到圖像增強器輸入屏的距離(FDD)與射線源焦點到被檢測物體或承載被檢測物體平臺的距離(FOD)的比值，是用來表征物體在理想光源的照射下，在一定距離的平面上顯現(xiàn)出放大后圖像的系數(shù)。幾何放大倍數(shù)原理如圖1所示。

幾何放大倍數(shù)的表達式為：

(1)

幾何放大倍數(shù)通?？梢杂脠D樣或設(shè)備制造商上預(yù)定的值算出。

1.2 系統(tǒng)放大倍數(shù)

對于X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)，無論是使用直接成像還是間接成像，在幾何放大倍數(shù)保持一定的同時，檢測設(shè)備的顯示器上顯示出物體的尺寸與被測物體實際尺寸有一定的比例關(guān)系，在經(jīng)典光學理論中，一個物體的放大倍數(shù)通常由式(1)來表示。但是X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的實際放大倍數(shù)顯然會有其他的表達方式。

在使用圖像增強器及CCD相機組成的成像系統(tǒng)中，需要用CCD相機接收由圖像增強器將輸入的X射線轉(zhuǎn)換出來的可見光，并通過顯示器表現(xiàn)出來。

(2)

式中：MS-I為系統(tǒng)放大倍數(shù)(使用圖像增強器)；MD-I為成像器放大倍數(shù)(使用圖像增強器)；MM-I為顯示器放大倍數(shù)(使用圖像增強器)。

在使用平板探測器(Flat Panel Detector)作為成像系統(tǒng)時，平板探測器成像原理是將輸入的X射線轉(zhuǎn)換為電信號，與CCD相機的工作原理相似。平板探測器在工作的過程中，沒有對圖像尺寸進行干預(yù)。

(3)

式中：MS-FPD為系統(tǒng)放大倍數(shù)(使用平板探測器)；MM-FPD為顯示器放大倍數(shù)(使用平板探測器)。

1.2.1 成像器放大倍數(shù)(圖像增強器與CCD相機)

成像器放大倍數(shù)是圖像增強器放大倍數(shù)與CCD相機放大倍數(shù)的乘積。

(4)

式中：MI為圖像增強器放大倍數(shù)；MCCD為CCD相機放大倍數(shù)。

(1) 圖像增強器放大倍數(shù)

圖像增強器放大倍數(shù)，即輸出屏幕尺寸與輸入屏幕尺寸之比。

(5)

式中：L1為輸入屏幕尺寸；L2為輸出屏幕尺寸。

圖像增強器放大倍數(shù)原理如圖2所示。

圖2 圖像增強器放大倍數(shù)原理示意

(2) CCD相機放大倍數(shù)

工業(yè)相機中CCD相機對圖像的放大遵循可見光的光學放大原理。即，CCD芯片有效像素區(qū)域的對角線尺寸與圖像增強器輸出窗口的有效輸出屏幕尺寸之比。

(6)

式中：L2WD為有效輸出屏幕尺寸；L3為CCD芯片有效像素區(qū)域?qū)蔷€尺寸。

CCD相機放大倍數(shù)原理如圖3所示。

圖3 CCD相機放大倍數(shù)原理示意

① CCD相機有效像素區(qū)域?qū)蔷€尺寸由軟件取圖區(qū)域而定，不同的軟件取圖區(qū)域均有差異，需要單獨計算。

② 在鏡頭與CCD相機選定后，可以根據(jù)相機基礎(chǔ)知識，求得L2WD的值，通常情況下會比L2的值小。

(7)

(3) 顯示器放大倍數(shù)

顯示器放大倍數(shù)，即屏幕上顯示數(shù)字射線圖片的對角線尺寸與CCD芯片有效像素面積對角線尺寸之比。

(8)

式中：l1為顯示器最大分辨率時對角線像素值；l2為顯示器實際對角線像素值；l3為軟件取圖區(qū)域?qū)蔷€像素值；d為顯示器像素點距。

(9)

式(8)中，F(xiàn)DD、FOD、L1、L2、d、l1、l2均為已知，L2WD、L3、l3可由相機的參數(shù)及軟件的設(shè)定求出，則系統(tǒng)放大倍數(shù)即可求出。

1.2.2 成像器放大倍數(shù)(平板探測器)

當將平板探測器作為成像系統(tǒng)時，系統(tǒng)的顯示器放大倍數(shù)為屏幕上顯示數(shù)字射線圖片的對角線尺寸與平板探測器工作區(qū)域內(nèi)有效像素面積對角線尺寸之比。

(10)

式中：L3FPD為平板探測器工作區(qū)有效像素區(qū)域?qū)蔷€尺寸。

(11)

1.3 數(shù)字放大倍數(shù)

數(shù)字放大倍數(shù)，即從軟件層面上對系統(tǒng)放大倍數(shù)再進行數(shù)字放大，當顯示器上顯示的物體還不滿足觀察要求的時候，進行輔助觀察。該參數(shù)由軟件編寫者自行決定，通常放大倍數(shù)為1，2，4倍，也可根據(jù)用戶的檢測需求再增加。但需要注意的是，數(shù)字放大的實質(zhì)是將成像器輸出的數(shù)字圖像的每個像素在顯示器上對應(yīng)的像素放大顯示，對系統(tǒng)分辨能力并沒有影響。所以放大倍數(shù)過大會造成人眼對屏幕上缺陷識別能力的下降，需要慎重使用。

2 系統(tǒng)放大倍數(shù)的試驗

為了驗證式(9)和式(11)的正確性，采用兩套微焦點X射線數(shù)字成像檢測系統(tǒng)[3]，X射線源焦點尺寸為0.009 mm，搭載圖像增強器與百萬級工業(yè)相機，放大倍數(shù)可達到600倍。系統(tǒng)(圖像增強器和CCD相機)內(nèi)部檢測原理如圖4所示。系統(tǒng)放大倍數(shù)試驗數(shù)據(jù)(圖像增強器和CCD相機)如表1所示。

圖4 系統(tǒng)(圖像增強器和CCD相機)內(nèi)部檢測原理示意

表1 系統(tǒng)放大倍數(shù)試驗數(shù)據(jù)(圖像增強器和CCD相機)

X射線源焦點尺寸為0.009 mm，搭載成像區(qū)域尺寸(長×寬)為58 mm×54 mm，F(xiàn)PD的像素尺寸為50 μm,放大倍數(shù)可達1 000倍，系統(tǒng)內(nèi)部檢測(平板探測器)原理如圖5所示。系統(tǒng)放大倍數(shù)試驗數(shù)據(jù)(平板探測器)如表2所示。 為了減小幾何放大倍數(shù)尺寸波動誤差對測量結(jié)果的影響，將分辨率測試卡緊貼到成像器的輸入屏幕表面，將幾何放大倍數(shù)調(diào)整為近似于1倍。通過觀察分辨率測試卡在圖像增強器輸入屏幕上的數(shù)字圖像與在平板探測器上的數(shù)字圖像，得出1.0 lp·mm-1的線徑所占像素個數(shù)為10個或11個，將試驗數(shù)據(jù)代入式(9)和式(11)，計算出兩個系統(tǒng)的成像器放大倍數(shù)分別為7.1倍與5.7倍。根據(jù)分辨率測試卡的線徑為所讀出線對數(shù)倒數(shù)的二分之一的關(guān)系，得出1.0 lp·mm-1的線徑實際值理論上應(yīng)為0.5 mm?？紤]到系統(tǒng)的誤差及分辨率測試卡加工工藝的誤差，兩套系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)與文中提出的理論計算值近似。

圖5 系統(tǒng)內(nèi)部檢測(平板探測器)原理示意

表2 系統(tǒng)放大倍數(shù)試驗數(shù)據(jù)(平板探測器)

3 結(jié)論

(1) 提出的系統(tǒng)放大倍數(shù)計算公式與實際試驗結(jié)果相符，式(11)還可以推廣到使用直接成像探測器的相似的X射線數(shù)字成像系統(tǒng)中，包括DR、CR成像系統(tǒng)。

(2) 在驗證公式的正確性時，人為將幾何放大倍數(shù)中的誤差降到最低，因測試系統(tǒng)中應(yīng)用微焦點X射線源，幾何尺寸上的細微誤差在公式中都會被放大。所以在實際應(yīng)用中，建議在軟件中增加對幾何放大倍數(shù)偏移量的修正功能，來糾正系統(tǒng)組裝及后續(xù)使用中機械結(jié)構(gòu)磨損帶來的誤差，針對每套設(shè)備出廠及使用一段時間后做系統(tǒng)校準，盡可能使放大倍數(shù)保持真實有效。

[1] KLAUS B, UWE E, ADRIAN R, et al. New measurement methods of focal spot size and shape of X-ray tubes in digital radiological applications in comparison to current standards[C]//18th WCNDT.Durban:[s.n],2012.

[2] 曾祥照. 射線實時成像檢測中的圖像清晰度與分辨率[J].無損檢測，2003，25(3):133-139.

[3] GB/T 5616-2014 無損檢測 應(yīng)用導(dǎo)則[S].

沉痛悼念屠耀元老師

我國無損檢測高等教育創(chuàng)始人之一、中國機械工程學會無損檢測分會“特殊貢獻獎”和“終身成就獎”獲得者、《無損檢測》雜志原編委、華東理工大學機械工程學院教授、為中國無損檢測事業(yè)奮斗終身的屠耀元先生，于2017年6月20日下午18:30在上海逝世，享年77歲。

屠耀元老師一生功勛卓著，先后任教于南昌航空大學和華東理工大學，在原南昌航空學院(南昌航空大學的前身)參與創(chuàng)辦了我國高等院校首個“無損檢測”本科專業(yè)，后調(diào)入華東理工大學繼續(xù)任教于無損檢測專業(yè)；退休后致力于推動我國無損檢測教育和信息化發(fā)展，1996年中國機械工程學會無損檢測分會常務(wù)理事會根據(jù)屠耀元教授的建議批準成立“中國無損檢測學會信息中心”，并決定由其擔任中心負責人，信息中心先后創(chuàng)辦了無損檢測學會信息網(wǎng)、無損檢測高等教育發(fā)展論壇，出版《無損檢測信息總匯》報、《中國無損檢測年鑒》，設(shè)立中國無損檢測學會斯耐特獎、“CHSNDT無損檢測學會”微信公眾號等。

屠老師的猝然離去使我們失去了一位受人尊敬的老專家、老同事。我們所有無損檢測同仁要化悲痛為力量，不辱使命，繼承前輩的遺志，繼續(xù)為行業(yè)發(fā)展努力奮斗，讓屠老師的精神永存！

《無損檢測》編輯部

The Magnification of Microfocus X-ray Digital Radiography System

YANG Long

(Wuxi Unicomp Technology Co., Ltd., Wuxi 214145, China)

The article discussed various definitions about magnification of microfocus X-ray digital radiography system, explained the theory of the microfocus X-ray digital radiography system magnification in a digital radiography with image intensifier，CCD camera and flat panel detector. Combined with the experimental data, the correctness of the formula is verified, and the formula can be used in imaging methods similar to those including direct and indirect digital radiography systems.

microfocus X-ray;digital radiography;image intensifier;flat panel detector;system magnification

2016-12-01

楊 龍(1987-)，男，本科，工程師，主要從事X射線數(shù)字成像檢測系統(tǒng)性能研究和相關(guān)微焦點X射線數(shù)字成像領(lǐng)域標準的制定工作

楊 龍，18242516520@163.com

10.11973/wsjc201707010

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0046-03