射線源圖像診斷系統光學參數優化設計

姚志明，嚴維鵬，段寶軍，宋 巖，韓長材，馬繼明，宋顧周

(西北核技術研究所 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，西安 710024)

射線源圖像診斷系統光學參數優化設計

姚志明，嚴維鵬，段寶軍，宋 巖，韓長材，馬繼明，宋顧周

(西北核技術研究所 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，西安 710024)

射線源圖像診斷系統由閃爍體、鏡頭和ICCD相機組成，變焦鏡頭的焦距可以根據成像需要連續調節。然而，焦距的改變會同時影響系統成像放大倍數及工作距離。本文針對一定尺寸閃爍體的成像需求，由理論公式出發，推導出變焦鏡頭焦距、放大倍數、工作距離之間的數學關系，結合物距與像距難以測量的客觀實際，給出了一種半經驗的鏡頭焦距、物距和像距的設置方法，為射線源圖像診斷系統的光學參數設置提供理論依據和實踐指導。

射線源圖像診斷；變焦鏡頭；光學參數；優化設計

閃爍體、鏡頭和ICCD相機組成的圖像診斷系統[1]可以給出射線源的形狀和二維強度分布信息。定焦鏡頭的成像放大倍數調節范圍有限，對于不同尺寸的閃爍體，通常需要采用不同焦距的鏡頭。變焦鏡頭[2]為焦距的調節提供了便利，使成像系統的放大倍數、工作距離可以在較大范圍內改變，適用于拍攝不同尺寸的閃爍體。然而，焦距、放大倍數和工作距離相互制約，如果沒有理論數據作為參考，光學系統搭建過程中即使花費大量時間嘗試，仍難以獲得視場、工作距離適中的光學成像系統。本文針對一定尺寸閃爍體拍攝需求，研究鏡頭焦距、物距和像距的設置方法。

1 圖像診斷系統組成

射線源圖像診斷系統原理示意圖，如圖1所示。透鏡無法直接使X射線、中子等射線聚焦，需要采用小孔成像[3]的方式，射線源圖像經金屬材料針孔后，在閃爍體上呈倒立的實像，再由閃爍體將射線源圖像轉換為可見光圖像，最后經鏡頭聚焦由ICCD相機記錄。s、s1、s2分別為成像系統的工作距離、物距、像距。

圖1 射線圖像診斷系統原理示意圖Fig.1 Schematic of image diagnosis system for radiation source

2 理論計算

成像系統的物距s1、像距s2和焦距f之間滿足經典的高斯公式：

(1)

放大倍數M與s1、s2之間滿足如下關系：

(2)

s與s1、s2之間滿足如下關系：

s=s1+s2

(3)

上述3個方程中含有5個變量，消去s1、s2，得到如下關系：

(4)

此外，放大倍數M與閃爍體尺寸lScint和ICCD芯片尺寸lCCD之間還滿足如下關系：

(5)

為了獲得較高的分辨能力，通常使射線源在閃爍體上的像布滿整個閃爍體，當閃爍體尺寸和相機型號確定時，lScint和lCCD均是確定的，即M是確定的。待確定的量為s、s1、s2和f。變焦鏡頭由多個透鏡組成，難以確定其等效光心的位置。s1、s2的實際大小均難以測量。s是閃爍體與ICCD相機芯片的距離，可以直接測量。實際應用中，將閃爍體與ICCD相機放在某一固定位置，測得s的大小，由公式(4)計算f，設置變焦鏡頭的f大小。緩慢調節相機與變焦鏡頭間螺紋的松緊和整體平移變焦鏡頭透鏡組，改變s2的大小，相機設為調焦模式連續拍攝，直到找到成像清晰的位置。如未找到清晰的成像位置，是因為超出了像距的調節范圍(<5 cm)，需要根據公式(6)、(4)重新調整f、s的大小。

(6)

3 應用實例

采用Andor公司生產的DH734_18F_03型相機[4]對60Co γ射線源[5]進行診斷，芯片尺寸為13×13 mm。變焦鏡頭[6]是Canon公司生產的EF-S (f=18～135 mm)型。閃爍體是法國圣戈班公司生產的BC408塑料閃爍體[7]，尺寸為Φ250×5 mm。拍攝視場稍大于閃爍體直徑，為280×280 mm。由公式(5)計算得到M值為21.54。根據系統布局，初步設置s值為2.20 m，由公式(4)計算得到f的值為93.3 mm，由公式(3)、(6)計算得到s1、s2的大小分別為2 102.8 mm、97.2 mm。設置變焦鏡頭的f值為93.3 mm，緩慢改變s2的大小，找到了清晰的成像位置，表明s和f的取值合理。拍攝到的閃爍體照射BC408的閃爍體發光圖像，如圖2所示。

圖2 60Co γ射線源激發的BC408閃爍體發光圖像Fig.2 Image of BC408 irradiated by 60Co γ rays

4 結 語

與定焦鏡頭相比，變焦鏡頭增大了成像系統放大倍數和工作距離的調節范圍，但系統搭建過程變得更為復雜。本文由理論公式出發，結合物距與像距難以測量的客觀實際，給出了一種半經驗的成像系統搭建方法，解決了科學級ICCD相機搭配變焦鏡頭使用時的光學參數設置問題。隨著自動對焦技術的迅速發展，普通照相機的自動對焦已得到廣泛應用，科學級ICCD相機的自動對焦將是未來重要的發展方向。

[1] 劉慶兆.脈沖輻射場診斷技術[M].北京: 科學出版社，1994: 553-559.

[2] 尹宏建.運動目標在變焦距鏡頭視場中成像清晰與大小恒定方法研究[D].長春: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，2013: 2-5.

[3] P. T. Durrant，M. Dallimore. The application of pinhole and code aperture imaging in the nuclear environment[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，1999，(422)： 667- 671.

[4] Andor ICCD System Performance[OL]. http:// www. andor- tech. com，2011.

[5] 袁建新，全林，李景云，等.校準用萬Ci鈷源照射器研制及應用[R].中國核科學技術進展報告，2009: 188-191.

[6] EF-S 18-135 mm f/3.5-5.6 IS STM [OL]. http:// www. canon. com. Cn，2016.

[7] Brochure of Saint-Gobain Scintillation Products. Organic Scintillators[OL]. http:// www. crystals. saint-gobain.com，2016.

Optimizationdesignofopticalparametersofimagediagnosissystemforpulsedradiationsource

YAO Zhi-ming, YAN Wei-peng, DUAN Bao-jun, SONG Yan, HAN Chang-cai, MA Ji-ming, SONG Gu-zhou

(State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China)

Image diagnosis system for radiation source is made up of a scintillator, a camera lens and an ICCD camera. Zoom lens can change the focus continuously. However, magnification and working distance are also changed that affects the resolution. This article gives out the relationship between three parameters. Besides, optical parameters design method for scintillator of different size is revealed. Results set a good foundation in theory for image diagnosis system establishment.

Image diagnosis; Zoom lens; Optical parameters; Optimization design

TL99

A

1674-8646(2017)18-0014-02

2017-05-20

強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室基金資助項目(SKLIPR1704)

姚志明(1989-)，男，碩士，助理工程師。