楊 龍

(無(wú)錫日聯(lián)科技股份有限公司，無(wú)錫 214145)

微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像系統(tǒng)中的放大倍數(shù)

楊 龍

(無(wú)錫日聯(lián)科技股份有限公司，無(wú)錫 214145)

概述了微焦點(diǎn)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(diǎn)X射線數(shù)字成像系統(tǒng)幾個(gè)關(guān)鍵部分的放大原理，分別提出了使用搭載圖像增強(qiáng)器與CCD相機(jī)、平板探測(cè)器的參數(shù)來(lái)計(jì)算微焦點(diǎn)X射線成像裝置的系統(tǒng)放大倍數(shù)的公式。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了公式的正確性，該公式可以用在成像方式相類(lèi)似的,包括直接和間接的數(shù)字成像系統(tǒng)上。

微焦點(diǎn)X射線；數(shù)字成像；圖像增強(qiáng)器；平板探測(cè)器；系統(tǒng)放大倍數(shù)

微焦點(diǎn)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(diǎn)X射線數(shù)字成像系統(tǒng)在對(duì)細(xì)節(jié)放大的同時(shí)保持了足夠的分辨率。該系統(tǒng)在對(duì)精密壓鑄件、電子產(chǎn)品、線路板、半導(dǎo)體等尺寸細(xì)小的物品檢測(cè)方面有著顯著優(yōu)勢(shì)。放大倍數(shù)已成為該類(lèi)檢測(cè)設(shè)備的一個(gè)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(cè)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(lèi)型X射線探測(cè)器的系統(tǒng)放大倍數(shù)的計(jì)算公式。設(shè)備使用者在了解設(shè)備各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)后，可以自行準(zhǔn)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(cè)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(dá)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(diǎn)到圖像增強(qiáng)器輸入屏的距離(FDD)與射線源焦點(diǎn)到被檢測(cè)物體或承載被檢測(cè)物體平臺(tái)的距離(FOD)的比值，是用來(lái)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(dá)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(duì)于X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)，無(wú)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(shí)，檢測(cè)設(shè)備的顯示器上顯示出物體的尺寸與被測(cè)物體實(shí)際尺寸有一定的比例關(guān)系，在經(jīng)典光學(xué)理論中，一個(gè)物體的放大倍數(shù)通常由式(1)來(lái)表示。但是X射線數(shù)字成像系統(tǒng)的實(shí)際放大倍數(shù)顯然會(huì)有其他的表達(dá)方式。

在使用圖像增強(qiáng)器及CCD相機(jī)組成的成像系統(tǒng)中，需要用CCD相機(jī)接收由圖像增強(qiáng)器將輸入的X射線轉(zhuǎn)換出來(lái)的可見(jiàn)光，并通過(guò)顯示器表現(xiàn)出來(lái)。

(2)

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

在使用平板探測(cè)器(Flat Panel Detector)作為成像系統(tǒng)時(shí)，平板探測(cè)器成像原理是將輸入的X射線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，與CCD相機(jī)的工作原理相似。平板探測(cè)器在工作的過(guò)程中，沒(méi)有對(duì)圖像尺寸進(jìn)行干預(yù)。

(3)

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

1.2.1 成像器放大倍數(shù)(圖像增強(qiáng)器與CCD相機(jī))

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

(4)

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

(1) 圖像增強(qiáng)器放大倍數(shù)

圖像增強(qiáng)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(qiáng)器放大倍數(shù)原理如圖2所示。

圖2 圖像增強(qiáng)器放大倍數(shù)原理示意

(2) CCD相機(jī)放大倍數(shù)

工業(yè)相機(jī)中CCD相機(jī)對(duì)圖像的放大遵循可見(jiàn)光的光學(xué)放大原理。即，CCD芯片有效像素區(qū)域的對(duì)角線尺寸與圖像增強(qiáng)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(jī)放大倍數(shù)原理如圖3所示。

圖3 CCD相機(jī)放大倍數(shù)原理示意

① CCD相機(jī)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(dú)計(jì)算。

② 在鏡頭與CCD相機(jī)選定后，可以根據(jù)相機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，求得L2WD的值，通常情況下會(huì)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(duì)角線尺寸與CCD芯片有效像素面積對(duì)角線尺寸之比。

(8)

式中：l1為顯示器最大分辨率時(shí)對(duì)角線像素值；l2為顯示器實(shí)際對(duì)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(diǎn)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(jī)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(cè)器)

當(dāng)將平板探測(cè)器作為成像系統(tǒng)時(shí)，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(duì)角線尺寸與平板探測(cè)器工作區(qū)域內(nèi)有效像素面積對(duì)角線尺寸之比。

(10)

式中：L3FPD為平板探測(cè)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(duì)系統(tǒng)放大倍數(shù)再進(jìn)行數(shù)字放大，當(dāng)顯示器上顯示的物體還不滿足觀察要求的時(shí)候，進(jìn)行輔助觀察。該參數(shù)由軟件編寫(xiě)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(cè)需求再增加。但需要注意的是，數(shù)字放大的實(shí)質(zhì)是將成像器輸出的數(shù)字圖像的每個(gè)像素在顯示器上對(duì)應(yīng)的像素放大顯示，對(duì)系統(tǒng)分辨能力并沒(méi)有影響。所以放大倍數(shù)過(guò)大會(huì)造成人眼對(duì)屏幕上缺陷識(shí)別能力的下降，需要慎重使用。

2 系統(tǒng)放大倍數(shù)的試驗(yàn)

為了驗(yàn)證式(9)和式(11)的正確性，采用兩套微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)[3]，X射線源焦點(diǎn)尺寸為0.009 mm，搭載圖像增強(qiáng)器與百萬(wàn)級(jí)工業(yè)相機(jī)，放大倍數(shù)可達(dá)到600倍。系統(tǒng)(圖像增強(qiáng)器和CCD相機(jī))內(nèi)部檢測(cè)原理如圖4所示。系統(tǒng)放大倍數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖像增強(qiáng)器和CCD相機(jī))如表1所示。

圖4 系統(tǒng)(圖像增強(qiáng)器和CCD相機(jī))內(nèi)部檢測(cè)原理示意

表1 系統(tǒng)放大倍數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖像增強(qiáng)器和CCD相機(jī))

X射線源焦點(diǎn)尺寸為0.009 mm，搭載成像區(qū)域尺寸(長(zhǎng)×寬)為58 mm×54 mm，F(xiàn)PD的像素尺寸為50 μm,放大倍數(shù)可達(dá)1 000倍，系統(tǒng)內(nèi)部檢測(cè)(平板探測(cè)器)原理如圖5所示。系統(tǒng)放大倍數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(平板探測(cè)器)如表2所示。 為了減小幾何放大倍數(shù)尺寸波動(dòng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，將分辨率測(cè)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(guò)觀察分辨率測(cè)試卡在圖像增強(qiáng)器輸入屏幕上的數(shù)字圖像與在平板探測(cè)器上的數(shù)字圖像，得出1.0 lp·mm-1的線徑所占像素個(gè)數(shù)為10個(gè)或11個(gè)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(9)和式(11)，計(jì)算出兩個(gè)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(cè)試卡的線徑為所讀出線對(duì)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(shí)際值理論上應(yīng)為0.5 mm。考慮到系統(tǒng)的誤差及分辨率測(cè)試卡加工工藝的誤差，兩套系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文中提出的理論計(jì)算值近似。

圖5 系統(tǒng)內(nèi)部檢測(cè)(平板探測(cè)器)原理示意

表2 系統(tǒng)放大倍數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(平板探測(cè)器)

3 結(jié)論

(1) 提出的系統(tǒng)放大倍數(shù)計(jì)算公式與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相符，式(11)還可以推廣到使用直接成像探測(cè)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(yàn)證公式的正確性時(shí)，人為將幾何放大倍數(shù)中的誤差降到最低，因測(cè)試系統(tǒng)中應(yīng)用微焦點(diǎn)X射線源，幾何尺寸上的細(xì)微誤差在公式中都會(huì)被放大。所以在實(shí)際應(yīng)用中，建議在軟件中增加對(duì)幾何放大倍數(shù)偏移量的修正功能，來(lái)糾正系統(tǒng)組裝及后續(xù)使用中機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損帶來(lái)的誤差，針對(duì)每套設(shè)備出廠及使用一段時(shí)間后做系統(tǒng)校準(zhǔn)，盡可能使放大倍數(shù)保持真實(shí)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(shí)時(shí)成像檢測(cè)中的圖像清晰度與分辨率[J].無(wú)損檢測(cè)，2003，25(3):133-139.

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

沉痛悼念屠耀元老師

我國(guó)無(wú)損檢測(cè)高等教育創(chuàng)始人之一、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì)“特殊貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”和“終身成就獎(jiǎng)”獲得者、《無(wú)損檢測(cè)》雜志原編委、華東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、為中國(guó)無(wú)損檢測(cè)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(xué)和華東理工大學(xué)，在原南昌航空學(xué)院(南昌航空大學(xué)的前身)參與創(chuàng)辦了我國(guó)高等院校首個(gè)“無(wú)損檢測(cè)”本科專業(yè)，后調(diào)入華東理工大學(xué)繼續(xù)任教于無(wú)損檢測(cè)專業(yè)；退休后致力于推動(dòng)我國(guó)無(wú)損檢測(cè)教育和信息化發(fā)展，1996年中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì)常務(wù)理事會(huì)根據(jù)屠耀元教授的建議批準(zhǔn)成立“中國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)信息中心”，并決定由其擔(dān)任中心負(fù)責(zé)人，信息中心先后創(chuàng)辦了無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)信息網(wǎng)、無(wú)損檢測(cè)高等教育發(fā)展論壇，出版《無(wú)損檢測(cè)信息總匯》報(bào)、《中國(guó)無(wú)損檢測(cè)年鑒》，設(shè)立中國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)斯耐特獎(jiǎng)、“CHSNDT無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)”微信公眾號(hào)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(wú)損檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)》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(cè)系統(tǒng)性能研究和相關(guān)微焦點(diǎn)X射線數(shù)字成像領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的制定工作

楊 龍，18242516520@163.com

10.11973/wsjc201707010

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0046-03