用于X射線像增強器便攜成像的觀瞄目鏡設計研究

王 賀

(吉林交通職業技術學院 交通信息學院，長春 130130)

為增加X射線無損探傷在工業、農業等民用領域的應用、降低X射線輻射對環境的污染、減少上述民用應用場合對X射線防護措施的級別要求，基于像增強器的X射線便攜式檢測手段已然再次進入國內外學者的視野[1-2]?；谖⒐釾射線像增強器可以對波長大于1 nm且輻射劑量極低的軟X射線進行有效檢測與放大[3-5]，幾乎可以做到在民用行業領域的無防護應用[6]。然而，相比傳統醫學透視所用的X射線半導體線陣或面陣檢測系統而言，微光X射線像增強器屬于典型的光—電—光檢測放大模式[7-8]。所以，如何對放大后的光信號進行有效的采集一直是學界重點研究的關鍵問題。對此，學界的主流技術方面主要分為兩種，第一是實現對該光信號做數字化；第二是直接就人眼開展人體工程學設計，直接完成內窺便攜成像?？梢?，前者雖然有利于數據的存儲、分析以及處理，但相比于主流的X射線線陣或面陣方案，需要相似的后續數字輔助系統。而后者則可以充分凸顯系統便攜性與應急性，只要有干電池或鋰電池供電使其產生較為微弱X射線輻射，整個系統便可以正常工作，尤其在野戰行軍過程中優勢特別突出。就X射線成像而言，傳統的X射線光源的電子散射焦斑、X射線發光投影等器件因素都會對成像造成直接影響，已故的牛憨笨院士團隊對此已開展了長期且較為深入的研究工作[9-10]。此外，由于引入了像增強器體系，這類的電真空半導體器件在碘化銫(CsI)陰極光電轉換、微通道板(MCP)的電子倍增與極間電子束耦合、以及陽極熒光成像等環節均會對成像的空間光學傳遞特性造成抑制[11-12]。結合理論計算與系統建模可知，受上述兩方面影響，X射線像增強器的理論器件分辨率一般可以達到20 lp/mm以上。然而，實際便攜式應用系統中，用人眼直接觀測的實際分辨率一般不會超過5 lp/mm?？梢姡驮揦射線像增強器便攜成像而言，主要技術瓶頸在于目視觀瞄系統。本研究針對X射線像增強器便攜式應用為背景，具體研究該類目視觀瞄系統的詳細設計。

1 X射線像增強器便攜成像目視觀瞄的主要約束

正如引言所述，結合裸眼實際檢測經驗與理論計算可知，為了保證器件的空間光學傳遞能力的充分利用，20 lp/mm將是整個瞄準系統的重要空間光學光學傳遞的約束條件。此外，由于像增強器屬于典型的電真空光電倍增器件，較高的暗電流與噪聲對成像的對比度要求較高，為了提升成像效果，20 lp/mm時的成像對比度應該被維系在0.7左右較為穩妥。

如圖1所示，就目視像增強器而言，其微通道板的有效直徑一般為16 mm。經過器件封裝后，其有效的成像面積一般在14 mm左右。為了方便計算與系統裝配，該類像增強的目視觀瞄系統應選用兩個構造相同的雙膠合透鏡組成對稱式目鏡系統，其設計目標為出瞳距離 8 mm，入瞳直徑為 2.5 mm。在頻率為20 lp/mm 處，對稱式目鏡光學系統在 20度的視場中 MTF 數值均大于0.7，最大畸變小于10%。

圖1 X射線像增強器

圖2 目鏡初始設計刨面圖與光線光扇圖

2 X射線像增強器便攜成像人體工程學設計

結合上述設計需要和小焦距大視場的原則，根據目鏡系統的光學特性，采用最貼近的構造作為初始系統來進行像差校正。與標準的對稱式目鏡光學系統而言，設初始焦距為f′，縮放后結構焦距為f′*，計算公式為：

(1)

設初始結構焦距為f′ ，縮放后結構焦距為f′*，計算公式為：

(2)

所選定的初始結構及各個參數查自初始參數如表1所示。

表1 對稱式目鏡光學系統初始結構參數表

基于上述參數，得到的系統平面剖面圖與光線光扇圖，如圖 2 所示。其中橫軸代表瞳孔輸入量，縱軸是主光線占所成像面的相對值。

該系統的場曲與的點列圖如圖3所示。3條曲線的分離程度略大，色差較大，因此初始的對稱式目鏡光學系統的成像效果較差，仍需再次優化。在光學系統成像過程中，由于像差的存在，經過目鏡系統多次折射后的光線的會聚點偏離特定點，發射的光束不再集中在像面中的特定點，而是在特定區域散射成某種圖形，稱為點列圖形。下方呈現的數值，可直觀地看出各個視場的均方根值等參數。這些參數越大，系統的成像效果越差。根據散射點的形狀，還能夠看出該目鏡系統各種像差的大小，如：散射點密度越大，散射點分布的半徑越小，系統的成像效果越好。

圖3 目鏡初始設計的像差成像效果

綜上，該系統的光學傳遞函數MTF如圖4所示，MTF曲線所包圍的面積就是像點的中心亮度值，所包圍面積與傳遞信息量、像質、所成像亮度成正比。如圖所示，MTF 曲線周邊區域太小，20 lp/mm的 MTF 值太小，光學系統像質不高，需要優化。

圖4 優化前系統的光學傳遞函數

3 系統分析與設計優化

按照設計經驗，目鏡系統的構造數據皆可作為優化的變量。第一步是進行曲率半徑的優化，以此來提高成像效果，并結合像差圖分析評價。采用 ZEMAX自動優化方法：首先，右擊第二曲面的曲率射線，選擇變量，點擊自動優化按鈕，從中選擇自動，自動優化第一系列曲率光線，觀察優化后的結構，并與初始數據的像差分析圖進行比較。依據這一方式，按順序對目鏡的曲率半徑進行優化，最后得到優化后的數據并且對像差圖進行評析。如圖5所示，曲線不夠平滑，下方所圍起的面積較小，該系統所傳遞的信息量較少，圖像暗淡不明亮，所成圖像的效果不佳。如圖 6所示，由不同色光之間的分離程度可知，該系統的場曲和畸變隨著視場的增大而產生高級場區和高級畸變。

圖5 曲率半徑優化后 MTF 曲線圖

如圖7所示，由不同色光之間的分離程度可知，該系統的場曲和畸變隨著視場的增大而產生高級場區和高級畸變。如圖8所示，3種色光之間的分離程度過大，這說明該系統垂軸以及軸向色差影響嚴重、初級球差大、場曲大。

圖7 曲率半徑優化后子午光束與弧矢光束垂軸像差

可見，點列圖中的 5 度和 10 度視場存在正向彗差，各顏色像斑的重合程度較小，像斑呈現出分離狀態，垂軸色差對成像質量影響嚴重。結合上述像差分析圖可知，雖然經過曲率優化的對稱式目鏡光學系統的像差依舊較大，但與初始結構相比，經過曲率半徑的優化，所成圖像像差明顯減小，使得目鏡光學系統得到一定的改善。

為進一步改善光學系統，下一步進行厚度優化。操作過程同理于曲率半徑優化。將優化后的數據由變量改為確定，然后將厚度數據設置為優化函數的變量，最后進行厚度的優化，優化后得到的 MTF 曲線圖如圖9所示。而圖10，曲線變得平滑，下方所圍起的面積增加，該系統所傳遞的信息量增加，成像質量得到小幅度地改善。如圖 11所示，該系統的仍存在隨著視場的增大而產生的高級場區和高級畸變，但場曲和畸變對系統的影響程度較弱，經過厚度優化后該系統得到一定的改善。如圖 12所示，經過厚度優化后，2種色光之間的分離程度減小，這說明該系統垂軸以及軸向色差仍存在但以一定程度減小、初級球差和場曲得到改善，系統的成像質量得以提高。如圖13可知，點列圖中 5 度視場的彗差得到極大程度的蓋上，而 10 度視場仍存在有正的彗差，各色斑重合度較高，上下明顯的分離已不存在，垂軸色差變小，與只經過曲率半徑優化的目鏡系統相比，厚度優化過后的目鏡光學系統得到了進一步的改善，更加接近設計額需求。

圖9 厚度優化后MTF 曲線圖

圖11 厚度優化后子午光束與弧矢光束垂軸像差曲線

圖13 圓錐系數結合曲率半徑及厚度優化后的 MTF 曲線圖

為得到較為完美的對稱式目鏡光學系統，最后進行圓錐系數結合曲率半徑及厚度優化。操作過程與曲率半徑優化及厚度優化有些許的不同，將圓錐系數與優化好的曲率半徑或厚度進行組合優化，進行相應的優化過程，最后得到的MTF曲線圖如圖13所示，MTF 曲線變得更加平滑，曲線所圍起的面積增加，各色光曲線接近至該系統的衍射極限，各視場的 MTF 曲線在 20 lp/mm 均高于 0.7，該系統所傳遞的信息量增加，成像質量得到大幅幅度的改善，所成清晰明亮。由圓錐系數優化后的像差圖分析得知，本研究設計對稱式目鏡的像差得到了一定程度的校正，優化后的數據顯著好于初始數據，并且符合課程設計要求。優化后的對稱式目鏡的參數如表2所示。

表2 對稱式目鏡光學系統結構優化參數表

4 結論

針對X射線像增強器便攜成像的特殊需求，給出一套完整的成像人體工程學設計實例與系統優化分析方法。希望以本研究為契機，為后續該類成像觀瞄目視系統設計方法的提出起到一定借鑒與促進作用，進而為該類內窺探傷在民用、軍用等應急場合的推廣提供一定的技術支撐。