用于X射线像增强器便携成像的观瞄目镜设计研究

王 贺

(吉林交通职业技术学院 交通信息学院，长春 130130)

为增加X射线无损探伤在工业、农业等民用领域的应用、降低X射线辐射对环境的污染、减少上述民用应用场合对X射线防护措施的级别要求，基于像增强器的X射线便携式检测手段已然再次进入国内外学者的视野[1-2]。基于微光X射线像增强器可以对波长大于1 nm且辐射剂量极低的软X射线进行有效检测与放大[3-5]，几乎可以做到在民用行业领域的无防护应用[6]。然而，相比传统医学透视所用的X射线半导体线阵或面阵检测系统而言，微光X射线像增强器属于典型的光—电—光检测放大模式[7-8]。所以，如何对放大后的光信号进行有效的采集一直是学界重点研究的关键问题。对此，学界的主流技术方面主要分为两种，第一是实现对该光信号做数字化；第二是直接就人眼开展人体工程学设计，直接完成内窥便携成像。可见，前者虽然有利于数据的存储、分析以及处理，但相比于主流的X射线线阵或面阵方案，需要相似的后续数字辅助系统。而后者则可以充分凸显系统便携性与应急性，只要有干电池或锂电池供电使其产生较为微弱X射线辐射，整个系统便可以正常工作，尤其在野战行军过程中优势特别突出。就X射线成像而言，传统的X射线光源的电子散射焦斑、X射线发光投影等器件因素都会对成像造成直接影响，已故的牛憨笨院士团队对此已开展了长期且较为深入的研究工作[9-10]。此外，由于引入了像增强器体系，这类的电真空半导体器件在碘化铯(CsI)阴极光电转换、微通道板(MCP)的电子倍增与极间电子束耦合、以及阳极荧光成像等环节均会对成像的空间光学传递特性造成抑制[11-12]。结合理论计算与系统建模可知，受上述两方面影响，X射线像增强器的理论器件分辨率一般可以达到20 lp/mm以上。然而，实际便携式应用系统中，用人眼直接观测的实际分辨率一般不会超过5 lp/mm。可见，就该X射线像增强器便携成像而言，主要技术瓶颈在于目视观瞄系统。本研究针对X射线像增强器便携式应用为背景，具体研究该类目视观瞄系统的详细设计。

1 X射线像增强器便携成像目视观瞄的主要约束

正如引言所述，结合裸眼实际检测经验与理论计算可知，为了保证器件的空间光学传递能力的充分利用，20 lp/mm将是整个瞄准系统的重要空间光学光学传递的约束条件。此外，由于像增强器属于典型的电真空光电倍增器件，较高的暗电流与噪声对成像的对比度要求较高，为了提升成像效果，20 lp/mm时的成像对比度应该被维系在0.7左右较为稳妥。

如图1所示，就目视像增强器而言，其微通道板的有效直径一般为16 mm。经过器件封装后，其有效的成像面积一般在14 mm左右。为了方便计算与系统装配，该类像增强的目视观瞄系统应选用两个构造相同的双胶合透镜组成对称式目镜系统，其设计目标为出瞳距离 8 mm，入瞳直径为 2.5 mm。在频率为20 lp/mm 处，对称式目镜光学系统在 20度的视场中 MTF 数值均大于0.7，最大畸变小于10%。

图1 X射线像增强器

图2 目镜初始设计刨面图与光线光扇图

2 X射线像增强器便携成像人体工程学设计

结合上述设计需要和小焦距大视场的原则，根据目镜系统的光学特性，采用最贴近的构造作为初始系统来进行像差校正。与标准的对称式目镜光学系统而言，设初始焦距为f′，缩放后结构焦距为f′*，计算公式为：

(1)

设初始结构焦距为f′ ，缩放后结构焦距为f′*，计算公式为：

(2)

所选定的初始结构及各个参数查自初始参数如表1所示。

表1 对称式目镜光学系统初始结构参数表

基于上述参数，得到的系统平面剖面图与光线光扇图，如图 2 所示。其中横轴代表瞳孔输入量，纵轴是主光线占所成像面的相对值。

该系统的场曲与的点列图如图3所示。3条曲线的分离程度略大，色差较大，因此初始的对称式目镜光学系统的成像效果较差，仍需再次优化。在光学系统成像过程中，由于像差的存在，经过目镜系统多次折射后的光线的会聚点偏离特定点，发射的光束不再集中在像面中的特定点，而是在特定区域散射成某种图形，称为点列图形。下方呈现的数值，可直观地看出各个视场的均方根值等参数。这些参数越大，系统的成像效果越差。根据散射点的形状，还能够看出该目镜系统各种像差的大小，如：散射点密度越大，散射点分布的半径越小，系统的成像效果越好。

图3 目镜初始设计的像差成像效果

综上，该系统的光学传递函数MTF如图4所示，MTF曲线所包围的面积就是像点的中心亮度值，所包围面积与传递信息量、像质、所成像亮度成正比。如图所示，MTF 曲线周边区域太小，20 lp/mm的 MTF 值太小，光学系统像质不高，需要优化。

图4 优化前系统的光学传递函数

3 系统分析与设计优化

按照设计经验，目镜系统的构造数据皆可作为优化的变量。第一步是进行曲率半径的优化，以此来提高成像效果，并结合像差图分析评价。采用 ZEMAX自动优化方法：首先，右击第二曲面的曲率射线，选择变量，点击自动优化按钮，从中选择自动，自动优化第一系列曲率光线，观察优化后的结构，并与初始数据的像差分析图进行比较。依据这一方式，按顺序对目镜的曲率半径进行优化，最后得到优化后的数据并且对像差图进行评析。如图5所示，曲线不够平滑，下方所围起的面积较小，该系统所传递的信息量较少，图像暗淡不明亮，所成图像的效果不佳。如图 6所示，由不同色光之间的分离程度可知，该系统的场曲和畸变随着视场的增大而产生高级场区和高级畸变。

图5 曲率半径优化后 MTF 曲线图

如图7所示，由不同色光之间的分离程度可知，该系统的场曲和畸变随着视场的增大而产生高级场区和高级畸变。如图8所示，3种色光之间的分离程度过大，这说明该系统垂轴以及轴向色差影响严重、初级球差大、场曲大。

图7 曲率半径优化后子午光束与弧矢光束垂轴像差

可见，点列图中的 5 度和 10 度视场存在正向彗差，各颜色像斑的重合程度较小，像斑呈现出分离状态，垂轴色差对成像质量影响严重。结合上述像差分析图可知，虽然经过曲率优化的对称式目镜光学系统的像差依旧较大，但与初始结构相比，经过曲率半径的优化，所成图像像差明显减小，使得目镜光学系统得到一定的改善。

为进一步改善光学系统，下一步进行厚度优化。操作过程同理于曲率半径优化。将优化后的数据由变量改为确定，然后将厚度数据设置为优化函数的变量，最后进行厚度的优化，优化后得到的 MTF 曲线图如图9所示。而图10，曲线变得平滑，下方所围起的面积增加，该系统所传递的信息量增加，成像质量得到小幅度地改善。如图 11所示，该系统的仍存在随着视场的增大而产生的高级场区和高级畸变，但场曲和畸变对系统的影响程度较弱，经过厚度优化后该系统得到一定的改善。如图 12所示，经过厚度优化后，2种色光之间的分离程度减小，这说明该系统垂轴以及轴向色差仍存在但以一定程度减小、初级球差和场曲得到改善，系统的成像质量得以提高。如图13可知，点列图中 5 度视场的彗差得到极大程度的盖上，而 10 度视场仍存在有正的彗差，各色斑重合度较高，上下明显的分离已不存在，垂轴色差变小，与只经过曲率半径优化的目镜系统相比，厚度优化过后的目镜光学系统得到了进一步的改善，更加接近设计额需求。

图9 厚度优化后MTF 曲线图

图11 厚度优化后子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线

图13 圆锥系数结合曲率半径及厚度优化后的 MTF 曲线图

为得到较为完美的对称式目镜光学系统，最后进行圆锥系数结合曲率半径及厚度优化。操作过程与曲率半径优化及厚度优化有些许的不同，将圆锥系数与优化好的曲率半径或厚度进行组合优化，进行相应的优化过程，最后得到的MTF曲线图如图13所示，MTF 曲线变得更加平滑，曲线所围起的面积增加，各色光曲线接近至该系统的衍射极限，各视场的 MTF 曲线在 20 lp/mm 均高于 0.7，该系统所传递的信息量增加，成像质量得到大幅幅度的改善，所成清晰明亮。由圆锥系数优化后的像差图分析得知，本研究设计对称式目镜的像差得到了一定程度的校正，优化后的数据显著好于初始数据，并且符合课程设计要求。优化后的对称式目镜的参数如表2所示。

表2 对称式目镜光学系统结构优化参数表

4 结论

针对X射线像增强器便携成像的特殊需求，给出一套完整的成像人体工程学设计实例与系统优化分析方法。希望以本研究为契机，为后续该类成像观瞄目视系统设计方法的提出起到一定借鉴与促进作用，进而为该类内窥探伤在民用、军用等应急场合的推广提供一定的技术支撑。