基于数字平板探测器的成像系统优化设计技术研究

1、基于数字平板探测器的成像系统优化设计技术研究王黎明韩焱（山西省现代无损检测工程中心，山西太原）摘要：论文通过介绍数字平板探测器的基本组成及特点，利用射线成像系统的基本理论，根据工业系统的调制传递函数（简称），并对该函数进行进一步推导，结合平板探测器的特点，完成了成像系统的优化设计，并得到了较好的成像效果。实际系统设计表明，该方法具有通用性。关键词：数字平板探测器刚成像系统优化设计，（，），（），。，：绪论数字平板探测器是近几年来快速发展的一种面阵探测器，由于其直接输出数字信号、转换高达或更高，像素为或更小，因而其图像分辨率和灰度范围都比较高，成为近年来取代像增强器呼声最高的成像产品。由于该产品

2、最早是以医疗形式出现的，作为工业检测使用也是近几年才开始，因而国际国内对于用于工业检测的基于数字平板探测器的成像系统的研究都是刚刚起步。所以通过引进成像器件，研究基于平板探测器成像系统优化设计的基本原理，自主设计基于数字平板探测器的工业系统，对于提高我国在该技术领域的地位就显得尤为重要。数字平板探测器的基本组成及特点目前国际上用于工业检测的平板探测器成熟产品主要有美国公司的系列和德国公司的等。系列主要有两种产品及引，由于具有不具备的数据实时采集功能，因此系统选用作为成像设备。是实时射线照相和数字射线成像器件，可提供硫氧化钆（）和碘化铯（）两种闪烁体。由于闪烁体的光输出能力强、余辉低、光谱响应同

3、薄膜晶体管（，简称）相近、光阻能力非常高，厚的闪烁体，对射线的透射率约为。成像过程如图所示。图成像器成像过程图接收器的内部结构示意接收器的内部结构如图所示。该数字平板探测器的核心是非晶体硅光敏二极管阵列和薄膜晶体管（）阵列，结构排列如图。非晶体硅阵列工作时每次只读取一行数据，逐行读取。通过使用门电路一行的正电压，来对选取图像行数据的门驱动电路进行访问。当作时，在被选取的行上，由独立光敏二极管收集的电荷放电到相对应的数据行。每一个数据行都通过电荷积分放大器保持在二个恒定的电压下。、行，蔓！：。¨行枣行毒争卒亭卒广奉一高！，点一；牵：卜。一，“泫厂”傧置一¨审奉事。广专弋图传感

4、器结构图成像系统优化设计技术成像系统基本组成通用的基于数字平板探测器的成像系统如图所示，其中左图为成像系统的基本硬件组成单元模型图，右图为该系统的分块框图。所谓的系统优化设计，实际上就是为了得到更好的检测图像效果，优化设计各种成像系统参数。图基于数字平板探测器的射线成像系统优化设计基本原理根据射线成像系统的基本理论，工业系统的空间分辨率由系统的点扩展函数决定，点扩展函数的一维傅里叶变换决定了系统的调制传递函数（简称），而描述了系统对空间频率的分辨能力。通常用曲线表征工业系统的空间分辨率。函数的近似理论表达式如下¨：（）互笋（厂）（）（）（）根据参考文献，上述公式进一步简化，式（）可近

5、似表示系统的极限空间分辨率。由系统的临界空间频率（，简称）定义，而由系统的射柬宽度（简称）决定。与焦点尺寸、探测器尺寸及扫描的几何结构有关。，（忉聊）矽（）矿（）越小、检测物体与成像屏越近，系统的空间分辨率越高。（）由（）及（）式可以看出，射线成像系统的空间分辨率指标主要取决于射线源的焦点尺寸、探测器的大小、系统几何结构、重建算法及图像显示等各个方面。探测器尺寸越小、射线源焦点在系统的主要成像环节射线源、扫描工作台、探测器确定的情况下，即射线源焦点、成像探测器像元尺寸既定的情况下，影响成像分辨率唯一可变的系统参数为成像放大比。由于射线源焦点具有一定的尺寸，会造成投影的几何不清晰度，放大比越大，

6、几何不清晰度越高；而放大比越小，物体离射线源越远，尽管降低了几何不清晰度，但却是以牺牲贯穿物体的射线强度为代价的。因此，优化及合理设计成像放大比就非常重要。根据（）式所示，对其两边求导数，则有：厂：。？删“）。（一、（彳一）令上式等地可以推出最优的放大倍数叩，十了到的最佳放大比理论一致。另外，对于实际系统的设计，还必须考虑射线散射对系统指标的影响，因而实际的成像系统中，要提高系统分辨率，还需要加入前后准直器，减小射线散射对图像质量的影响。同时，考虑空间分辨率提高的同时，还应该考虑系统的密度分辨率。在给定射线剂量下，要获得较高的密度分辨率，就必须增大入射射线光子数，也就是增加曝光时间。图是低能射

7、线成像系统在给定的射线剂量下，密度分辨率和空间分辨率的关系引，可见密度分辨率越高，空间分辨率越低，反之亦然。射线剂量对密度分辨率的影响十分显著，剂量越高则密度分辨率越高。要提高射线源的剂量，则要求射线源的焦点不能太小。总之，在成像系统设计时，考虑到空间分辨率的提高，要求射线源焦点小、成像屏像素间距小、物与屏之间间距小；考虑到密度分辨率，要求射线源剂量大，也就是射线源焦点不能太小，为了实时成像，要求转换效率要高，也就是成像屏的像素不能太小，为了降低散射对系统的影响要求物与屏间距不能太小，最好是物与屏的间距等于物与射线源的间距。因此，成像系统关键部件如射线源、机械结构、成像屏选取时要在系统空间分辨率与密度分辨率之间折衷。空间分辨率（物体直径瓣豢求（）对照射线照相理论，从（）式可以看出，射线数字成像系统的设计理论与射线照相理论得倒釉图密度分辨率和空间分辨率的关系系统获取的图像及结论图为根据上述设计基本理论，结合数字平板探测器的特点，由中北大学现代无损检测工程中心设计完成的成像系统。其中（）图为系统外观，（）图为系统监控及处理系统，（）（）图分别为系统获取的空间分辨率及透度灵敏度图像。（）（）（）（）图莠统外观及获取的关键图像从图中可以看出，设计完成的优化系统，空间分辨率达到了，透度灵敏度达到了，大大提高了系统图像的质量。同时，由于该优化设计方法