基于透鏡耦合的X射線成像探測器閃爍體厚度對成像質(zhì)量的影響

張永興 謝紅蘭 杜國浩 陳榮昌 肖體喬

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 張江園區(qū) 上海 201204）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

基于透鏡耦合的X射線成像探測器閃爍體厚度對成像質(zhì)量的影響

張永興1,2謝紅蘭1杜國浩1陳榮昌1肖體喬1

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 張江園區(qū) 上海 201204）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

閃爍體是同步輻射X射線成像探測器的重要組成部分，它將入射X射線轉(zhuǎn)換為可見光，再由可見光成像探測器接收成像。閃爍體的厚度對成像的空間分辨率、圖像襯度有較大的影響，選取合適的厚度的閃爍體，與探測器物鏡（數(shù)值孔徑）及X射線能量等實驗條件達到最理想的匹配，將有助于獲得高質(zhì)量的X射線成像結(jié)果。但目前上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)用戶在開展X射線成像實驗時，基本都未考慮到閃爍體厚度對成像質(zhì)量影響的這個因素，難以獲得最佳圖像質(zhì)量的實驗結(jié)果。本文先根據(jù)理論的分辨率曲線預(yù)測了探測器各個鏡頭的閃爍體的最佳匹配厚度，并利用上海光源成像線站(BL13W1)配備的PCO2000探測器以及不同厚度的YAG閃爍體進行了實驗驗證，經(jīng)過對實驗結(jié)果的圖像襯度進行分析，獲得了探測器各個物鏡鏡頭的最佳匹配閃爍體厚度，實驗結(jié)果與理論預(yù)測值基本相符，這將為上海光源成像線站基于透鏡耦合的X射線成像探測器的高效使用提供指導(dǎo)。

X射線成像探測器，閃爍體，空間分辨率，襯度

X射線自1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)后，就被首先應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域[1]。在隨后100多年中，X射線成像技術(shù)得到快速的發(fā)展。20世紀(jì)70年代，德國人Hartmann W等[2]用熒光物質(zhì)作為X射線轉(zhuǎn)換屏，研制出世界上第一個X射線間接成像探測器系統(tǒng)；90年代，以單晶閃爍體作為轉(zhuǎn)換屏開始應(yīng)用于X射線成像探測器，空間分辨率接近閃爍體發(fā)射的可見光的瑞利衍射極限[3]。隨后，高分辨率成像探測器開始廣泛應(yīng)用于同步輻射光源，工業(yè)X射線CT等成像技術(shù)逐步發(fā)展起來，分辨率達到微米量級[4]。目前，X射線成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)、材料、生命科學(xué)、無損檢測、工業(yè)探傷等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用[5-6]。

X射線成像探測器是X射線成像系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，按照成像方式的不同，X射線探測器可分為直接式[5]和間接式[6]。直接式成像探測器用X射線直接在電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)上對待測物體成像，它對X射線的光學(xué)響應(yīng)快，但CCD的耐輻射性較差，所以直接式成像探測器通常適用于軟X射線能區(qū)[5]。在硬X射線能區(qū)，通常采用間接式成像探測器對物體成像，利用閃爍體將X射線轉(zhuǎn)換為可見光，再利用可見光成像探測器對物體成像，可以避免X射線直接照射在探測器造成輻射損傷，有效保證探測器的壽命[6]。

目前，國際上成熟的硬X射線間接成像探測器主要有兩種結(jié)構(gòu)：光纖耦合式[7]和透鏡耦合式[8]?；诠饫w耦合的X 射線成像探測器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，閃爍晶體將X 射線轉(zhuǎn)換成可見光后通過光纖耦合到制冷的CCD靶面上獲得圖像[7]。這種結(jié)構(gòu)的成像探測器效率較高，但在工作過程中，CCD等主要核心部件全都在直通光路中，高功率密度的X射線直通光的照射會對其造成輻射損傷?；谕哥R耦合的X射線成像探測器主要由閃爍體、光學(xué)系統(tǒng)（顯微透鏡及反射鏡）和面陣CCD器件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1(b)，閃爍體將X射線轉(zhuǎn)換成可見光后通過透鏡光學(xué)系統(tǒng)耦合到面陣CCD上獲得圖像[8-9]，它不僅可以有效避免高功率直通光對探測器主要部件造成損傷，還可以通過顯微鏡頭的放大獲得比可見光CCD更高的空間分辨率。

圖1 光纖耦合(a)和透鏡耦合(b)X射線成像探測器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawing of fiber-coupled (a) and lens-coupled (b) X-ray imaging detector.

本文實驗用到的PCO2000(圖2)成像探測器就是這種透鏡耦合式探測器，可見光CCD像素大小7.4μm，配備一系列不同倍率的顯微鏡頭（放大倍率1.25×、2×、4×、10×、20×，對應(yīng)的數(shù)值孔徑(Numerical aperture, NA)分別為0.04、0.08、0.16、0.4、0.75），對應(yīng)的有效像素大小分別為5.9 μm、3.7 μm、1.85μm、0.74 μm、0.37 μm。

圖2 PCO2000的實物圖片F(xiàn)ig.2 Photograph of PCO2000.

X射線成像探測器是X射線成像系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，探測器的性能直接決定X射線成像圖像質(zhì)量，因此研究及優(yōu)化X射線成像探測器的性能具有重要的現(xiàn)實意義。影響X射線成像探測器性能的因素有以下幾點：閃爍晶體的材料（吸收效率、發(fā)光衰減時間等）、厚度、可見光探測器的量子效率以及閃爍晶體與可見光探測器的耦合效率[10-13]。閃爍晶體在X射線成像探測系統(tǒng)中具有極其重要的地位，閃爍體的性能是決定X射線探測系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。在實際應(yīng)用中，人們會著重考慮閃爍體的材料選擇，卻很少會考慮閃爍體厚度對成像質(zhì)量的影響。本文通過理論預(yù)測和實驗驗證，得到了不同顯微鏡頭的最佳閃爍體匹配厚度，將獲得最佳的成像質(zhì)量，為上海光源成像線站的基于透鏡耦合的X射線成像探測器的高效使用提高依據(jù)。

1 理論計算及分析

閃爍體是通過吸收高能量粒子或者射線，并能在很短的時間內(nèi)把其所吸收的能量以可見光的形式釋放出來的物質(zhì)，其工作原理如下：閃爍體晶格吸收X射線并激發(fā)原子或分子處于電離態(tài)，受激發(fā)的原子或分子在退激過程中發(fā)射出可見光光子[10]。閃爍體性能參數(shù)主要有：光子發(fā)射效率、X射線的吸收效率、衰減時間、閃爍體發(fā)射光譜與探測器的光譜耦合效率[10]。目前常用于X射線成像的閃爍體有Bi4Ge3O12(BGO)、Lu2SiO5:Ce (LSO)、PbWO4、Cd WO4(CWO)、Y3Al5O12:Ce (YAG)、Gd2SiO5:Ce (GSO)等，其性能參數(shù)如表1所示。由表1可知，YAG:Ce晶體的發(fā)光效率較高，而且發(fā)射光譜波長550 nm與PCO2000探測器的響應(yīng)光譜波長545 nm耦合效率最佳，因此選用YAG:Ce作為PCO2000探測器的閃爍體[11-12]。

表1 幾種常用閃爍體的物理參數(shù)[11-12]Table 1 Parameters of several common scintillators[11-12].

圖3是基于透鏡耦合的X射線成像探測器的光路圖，同一光路的X射線光子，在閃爍體內(nèi)不同位置上被閃爍體吸收并發(fā)射出可見光光子，導(dǎo)致可見光透鏡顯微成像系統(tǒng)存在像差問題，所以增加閃爍體的厚度，會加大探測器光學(xué)系統(tǒng)的像差，影響成像探測器的空間分辨率。然而，閃爍體厚度越小，對X射線的吸收率就越低，可見光光子產(chǎn)額就越低，此時成像探測器的探測效率就越低。閃爍體厚度越大，對X射線的吸收率越大，探測器的探測效率也就越高，然而，厚閃爍體會給探測器光學(xué)系統(tǒng)帶來較大像差，這樣會降低成像探測器空間分辨率[13]。如何實現(xiàn)閃爍體最佳厚度選擇正是本文研究工作的重點，選取最佳厚度的閃爍體，對于優(yōu)化提高X射線成像探測器的性能有著重要意義。

圖3 X射線成像探測器光路圖Fig.3 Schematic of X-ray imaging detector.

此外，探測器的空間分辨率還受到光學(xué)系統(tǒng)的焦深的影響[12,14]。閃爍體探測器的分辨率可以由式(1)求得：

式中，p=0.18；q=0.075[12]；NA為物鏡的數(shù)值孔徑；z為閃爍體的厚度，μm。式(1)中第一項對應(yīng)的是光學(xué)系統(tǒng)的焦深，第二項對應(yīng)的是光學(xué)系統(tǒng)的像差。

根據(jù)式(1)，可以得出不同厚度(1 μm、5 μm、10 μm、20 μm、50 μm、100 μm、130 μm、200 μm)閃爍體的成像探測器的空間分辨率與顯微透鏡數(shù)值孔徑NA的關(guān)系曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，對于放大倍率較低(NA＜0.1)的顯微透鏡，光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率主要由焦深項決定，與閃爍體厚度密切相關(guān)的像差項則幾乎不影響空間分辨率；對于倍率較大(NA＞0.2)的顯微透鏡，光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率主要受與閃爍體厚度密切相關(guān)的像差項的影響。正因如此，對于倍率較大的顯微透鏡，要獲得高空間分辨率的成像結(jié)果，閃爍體厚度的選擇至關(guān)重要。

對圖4中不同閃爍體厚度對應(yīng)的分辨率曲線求極值點，就可以得到不同閃爍體厚度的理論空間分辨率值和理論最佳匹配數(shù)值孔徑，如表2所示。根據(jù)PCO2000實際配備的顯微透鏡，得到不同閃爍體厚度對應(yīng)的實際最佳匹配數(shù)值孔徑。從表2可以看出，顯微鏡頭放大倍率越高，數(shù)值孔徑NA越大，對應(yīng)的閃爍體最佳匹配厚度越薄，成像空間分辨率則越高。對于高放大倍率（如20倍、40倍）的顯微透鏡，最佳閃爍體厚度應(yīng)該比20 μm更薄。

圖4 不同厚度閃爍體的探測器分辨率與物鏡數(shù)值孔徑NA的關(guān)系曲線Fig.4 Influence of numerical aperture on resolution for scintillators with different thickness.

表2 閃爍體厚度與物鏡鏡頭匹配表（理論計算）Table 2 Optimized link between thickness of scintillator and objective lens (theoretical calculation).

2 實驗及結(jié)果分析

2.1 實驗裝置及設(shè)備

實驗在上海同步輻射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)X射線成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光束線站(BL13W1)上完成，線站布局如圖5所示。本實驗利用線站配備的PCO2000成像探測器（像素1024×1024，像素尺寸7.4 μm×7.4 μm）對JIMA RT RC-02型X射線分辨率板進行光學(xué)成像。實驗樣品為直徑為25 mm，厚度分別為20 μm、50 μm、100 μm、130 μm、200 μm的YAG閃爍體。將YAG閃爍體粘貼在PCO2000探測器的轉(zhuǎn)換屏上，X射線分辨率板放置在六維樣品臺上并且緊貼探測器的閃爍屏，關(guān)閉實驗棚屋。實驗參數(shù)為：光子能量為15 keV，束流強度為50.5 mA。

圖5 X射線成像線站(BL13W1)布局圖Fig.5 Layout of beamline of X-ray imaging (BL13W1, SSRF).

2.2 實驗方案及流程

實驗參數(shù)設(shè)定好后，在棚外觀察屏觀察分辨率板的成像，預(yù)覽模式下，微調(diào)物鏡的工作距離，使得分辨率板的成像條紋達到最清晰，再調(diào)節(jié)六維樣品臺，使得分辨率板呈現(xiàn)“立正”的像并且位于圖片的中心位置（放大倍數(shù)較小的鏡頭），此時為拍照的最佳狀態(tài)。

(1) 選取適當(dāng)?shù)钠毓鈺r間，對分辨率板成像。得到圖像后，調(diào)節(jié)六維樣品臺，移出分辨率板，以同樣的曝光時間再照一張背景圖像。為了降低暗場和背景噪聲對實驗的影響，重復(fù)上面的操作10次。

(2) 更換不同厚度的閃爍晶體，按照(1)的操作，獲得各個厚度閃爍體(20 μm、50 μm、100 μm、130μm、200 μm)條件下的分辨率板圖片以及背景圖片。

(3) 更換探測器物鏡鏡頭（放大倍數(shù)分別為1.25×、2×、4×、10×、20×），按照(1)和(2)的操作，獲得每個物鏡在不同厚度閃爍體條件下的分辨板圖片以及背景圖片。

2.3 數(shù)據(jù)處理和分析

為了盡可能消除噪聲的干擾、提高圖片的清晰度，減弱探測器暗電流對實驗的影響，先將上面的實驗中各組（不同透鏡、不同厚度的閃爍體）的10張分辨率板以及其背景圖片分別相加平均處理，獲得1張分辨率板的平均圖像和1張平均背景圖片。對上述兩圖作扣除背景處理得到所需的圖片。圖6就是經(jīng)過處理后得到的放大倍率為4倍(NA=0.16)、閃爍體厚度為100 μm時采集得到分辨率板的圖像。

要衡量探測器的成像質(zhì)量，需要分析圖像的空間分辨率和圖像襯度。通過觀察圖6中明暗條紋的最小可分辨間距可以定性得出成像探測器的空間分辨率。襯度可以運用式(2)求得：

式中，IM為圖6中強度最大值；Im為圖6中強度最小值。

圖6 PCO2000 X射線成像探測器（物鏡NA=0.16，閃爍體的厚度為100 μm）拍攝得到的分辨率板成像圖片F(xiàn)ig.6 Image of resolving target (JIMA RT RC-02) (NA=0.16, 100 μm thickness).

選取圖6中一組條紋可分辨的區(qū)域作為目標(biāo)區(qū)域，運用式(2)，計算其襯度。隨后逐個計算每組圖片的不同目標(biāo)區(qū)域的襯度，然后整理并對比不同厚度閃爍體的襯度，畫出關(guān)系曲線圖。圖7是各個顯微鏡頭下成像襯度-閃爍體厚度曲線圖。

圖7 襯度與晶體厚度的關(guān)系曲線(a) 1.25倍物鏡，閃爍體最佳厚度130 μm，(b) 2倍物鏡，閃爍體最佳厚度100 μm，(c) 4倍物鏡，閃爍體最佳厚度50 μm，(d) 10倍物鏡，閃爍體最佳厚度50 μm，(e) 20倍物鏡，閃爍體最佳厚度20 μmFig.7 Curve of relationship between contrast and the thickness of scintillators. (a) Magnification of lens is 1.25, optimal thickness is 130 μm, (b) Magnification of lens is 2, optimal thickness is 100 μm, (c) Magnification of lens is 4, optimal thickness is 50 μm, (d) Magnification of lens is 10, optimal thickness is 50 μm, (e) Magnification of lens is 20, optimal thickness is 20 μm

從圖7中，可以直觀地得出各個顯微透鏡所匹配的最佳閃爍體厚度，曲線的最大襯度數(shù)值點所對應(yīng)的就是最佳閃爍體厚度，如表3所示。從圖7(a)-(c)中可以看出，圖像襯度值的變化幅度較小，說明閃爍體厚度對于低倍系統(tǒng)的成像影響不大；從圖7(d) -(e)中可以看出，圖像中襯度值的變化比圖7(a)-(c)中更明顯，這證明閃爍體厚度對于高倍放大顯微鏡頭系統(tǒng)影響較大，這也與前面我們根據(jù)分辨率曲線理論分析的結(jié)果(表2)一致。

表3 實驗獲得各個物鏡的閃爍體最佳匹配厚度Table 3 Data of the optimum thickness of scintillator (SCIN) through experiment.

將表3與表2對比，可以發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與理論估值基本一致：(1) 放大倍數(shù)越大的鏡頭，它對應(yīng)的閃爍體最佳厚度越??；(2) 閃爍體厚度對分辨率的影響，在高倍率的光學(xué)系統(tǒng)更為明顯；(3) 高倍鏡頭匹配的閃爍體厚度的實驗結(jié)果與預(yù)測值之間基本吻合（除了放大倍率10倍的顯微鏡頭預(yù)測的最佳閃爍體厚度是20 μm，實際實驗得到的是50 μm）。因為目前成像線站成像探測器只配備了最薄20 μm的閃爍體，所以圖7(e)中的襯度曲線并未達到最大值，如果有更薄的閃爍體，將會有更高的圖像襯度。

3 結(jié)語

本文通過理論和實驗研究，得到了不同顯微透鏡的閃爍體最佳匹配厚度，將這些結(jié)論應(yīng)用在X射線成像實驗中，可以提高探測器的成像質(zhì)量。通過本文的理論和實驗研究，建議成像線站應(yīng)該配備比20 μm更薄的閃爍體以匹配20倍及以上的放大倍率顯微透鏡，以獲得更高成像質(zhì)量。

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CLC TL816+.1

Influence of scintillator’s thickness on imaging quality of lens-coupled hard X-ray imaging detector

ZHANG Yongxing1,2XIE Honglan1DU Guohao1CHEN Rongchang1XIAO Tiqiao1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Zhangjiang Campus, Shanghai 201204, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Scintillator is an important component of synchrotron X-ray imaging detectors, which converts the incident X-rays into visible light to be imaged by visible light imaging detectors. The thickness of scintillators has a great impact on the spatial resolution and contrast of the images. When the thickness of the scintillator is matched with detector lens (NA), image quality of experimental results will be improved obviously. But in fact, users doing X-ray imaging experiments at Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) don’t take into account this factor and it is difficult to obtain the best results with high image quality. Purpose: Matching thickness of scintillators with NA of objective can help us get good experimental results with high-quality images. Methods: We obtain the optimal thickness of scintillator for every objective lens by the way of mathematical computations of resolution theoretical curves and analysis of image contrast of experimental results. Results: Both of the results are nearly in accordance with each other. Conclusion: Users of SSRF will get better results of X-ray imaging experiment than before when they chose the optimal thickness of scintillator matched with the objective lens.

X-Ray imaging detector, Scintillator, Spatial resolution, Contrast

TL816+.1

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.070102

國家自然科學(xué)基金(No.11375257)資助

張永興，男，1987年出生，2010年畢業(yè)于大連理工大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域為X射線成像探測器

謝紅蘭，E-mail: xiehonglan@sinap.ac.cn

2014-03-07，

2014-04-29