Приборы и техника эксперимента, 2021, № 6, стр. 63-69

1. ВВЕДЕНИЕ

Детекторы рентгеновских изображений в составе промышленных и научных установок применяются в следующих областях: неразрушающий контроль на производстве, изучение биологических образцов, анализ геологических кернов, проведение гистологических исследований, общая медицинская диагностика и др.

В настоящее время цифровые устройства регистрации рентгеновских изображений практически вытеснили аналоговые детекторы. Получение рентгеновских изображений в режиме реального времени лежит в основе наиболее актуальных методов анализа, таких как томосинтез, компьютерная микротомография, фазоконтрастная томография.

По совокупности характеристик пока вне конкуренции остаются детекторы непрямого преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал (камеры и плоскопанельные детекторы).

Базовыми компонентами детекторов непрямого преобразования являются матрица фоточувствительных элементов (сенсор), сцинтилляционный экран для преобразования излучения в видимый свет и блок электроники. Качество получаемых изображений в основном зависит от параметров и характеристик фоточувствительной матрицы, определяющей предел по разрешающей способности, величину отношения сигнал/шум и квантовую эффективность. Вполне очевидно, что для получения информации об объекте на микронном уровне размер пикселей сенсора должен иметь соизмеримую величину. В зависимости от реализуемой технологии изготовления сенсоров размеры единичного пикселя различаются в пределах от единиц микрометров (рентгеновские камеры на CCD (charge-coupled device) и sCMOS (scientific сomplementary metal–oxide–semiconductor) сенсорах) до сотен микрометров (a-Si TFT_(amorphous silicon thin-film transistor), CMOS, IGZO (Indium gallium zinc oxide) матрицы и сборки на их основе). Современные рентгеновские камеры с разрешением менее 50 мкм выполняются на основе CCD-, sCMOS-сенсоров и имеют размер диагонали рабочей области ≤50 мм. Несмотря на скромные, с точки зрения пользователя, размеры рабочей области, рентгеновские камеры этого класса имеют высокую стоимость. Это обусловлено тем, что для современных технологий рабочие области порядка 50 мм при малом размере пикселя сложны в изготовлении.

Альтернативой применению дорогостоящих CCD- и sCMOS-сенсоров с большой активной областью (порядка 50 мм) и малым размером пикселя может стать сочетание элемента волоконной оптики и матрицы сенсоров значительно меньшего размера. В таком устройстве оптоволоконный элемент служит для уменьшения изображения и эффективного переноса его на матрицу детектора. Именно такой подход к проектированию рентгеновской камеры используется в настоящей работе.

2. КОНСТРУКЦИЯ ДЕТЕКТОРА РЕНТГЕНОВСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Устройство разработанного детектора схематично представлено на рис. 1. Основными компонентами детектора являются сенсор с блоками электроники, оптоволоконный элемент типа фокон и сцинтилляционный экран.

Рис. 1.

Схематическое устройство детектора.

В качестве сенсора с блоком управления в данной работе использована готовая камера acA1920-40gm фирмы Basler известного производителя устройств визуализации для научных исследований, медицины и промышленности. Представленная модель камеры оснащена сенсором типа IMX249 производства компании Sony. При выборе типа сенсора детектора авторы опирались на мировой опыт успешного использования в рентгеновских камерах с оптоволоконными элементами сенсора ICX285 [1], имеющего параметры, близкие к IMX249. Параметры указанных сенсоров приведены в табл. 1.

Передача изображения на активную область сенсора IMX249 в разработанном устройстве осуществляется с помощью оптоволоконного элемента типа фокон производства ОАО “Завод “Оптик” (г. Лида, Беларусь). Фокон представляет собой монолитную сборку из отдельных оптических волокон, которая в процессе спекания, вытягивания и обработки приобретает форму усеченного конуса. Качественная передача изображений при минимальных искажениях требует применения оптоволокна, диаметр которого в несколько раз меньше размера пикселя сенсора. Процесс вытягивания определяет коэффициент масштабирования изображения при переносе его с входного торца на сенсор, при этом диаметр волокон на выходе фокона уменьшается. Учет всех технологических ограничений и свойств используемых материалов позволил изготовить фокон со следующими параметрами:

– размер активной области 45 × 28 мм;

– диаметр исходного единичного волокна 7 мкм;

– коэффициент масштабирования 4:1.

Процесс вытягивания заготовки с коэффициентом 4:1 обеспечивает конечный размер волокна на выходе фокона порядка 1.75–2 мкм. В этом случае одному пикселю сенсора после сопряжения с фоконом будут соответствовать 3–4 отдельных оптоволокна, при этом значение эффективного размера пикселя составит 5.86 мкм ⋅ 4 ≈ 24 мкм.

На финальном этапе изготовления фокона проведены работы по его сопряжению с сенсором IMX249 камеры acA1920-40gm. Заметим, что необходимо предварительно удалить защитное стекло сенсора, поскольку наличие малого, даже воздушного, зазора между сенсором и плоскостью торца фокона приводит к недопустимой расфокусировке изображения. Основная операция сопряжения заключается в точном позиционировании торца фокона относительно активной области сенсора, в результате чего выходной торец фокона должен полностью перекрывать рабочую область сенсора и располагаться параллельно поверхности матрицы. Пространство между торцом фокона и матрицей сенсора заполняется оптическим компаундом. Эпоксидная смола служит для жесткой фиксации фокона с матрицей. Описанные работы по сопряжению и приклеиванию фокона предполагают наличие специализированного оборудования, поэтому для обеспечения требуемого качества в рамках настоящей работы они выполнялись фирмой Salvo Technologies Inc.

Электронные узлы камеры размещены и зафиксированы в специально изготовленном корпусе (рис. 2), который дополнительно обеспечивает экранирование компонентов от рентгеновского излучения.

Рис. 2.

Конструкция детектора рентгеновских изображений.

Для преобразования рентгеновского излучения в видимый свет в детекторе использован сцинтилляционный так называемый усиливающий экран серии DRZ (HR типа) производства компании MCI Optonix, LLC. Усиливающий экран изготовлен на основе оксисульфида гадоллиния (P43, Gadox) и применяется в большинстве плоскопанельных детекторов рентгеновского излучения. Поверхностная плотность экрана составляет 25 мг/см², толщина слоя люминофора ~70 мкм, общая толщина – 330 мкм. Стоит отметить, что экраны серии DRZ различаются по толщине люминофорного слоя и применяются в плоскопанельных детекторах с размером пикселя >100 мкм. В связи с этим укажем на известный подход к оптимизации пространственного разрешения детекторов непрямого преобразования, заключающийся в согласовании толщины сцинтилляционного экрана с эффективным размером пикселя, который не превышает 24 мкм в разрабатываемом устройстве. Однако усиливающие экраны с толщиной менее 70–90 мкм специализированными компаниями серийно не выпускаются.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЕТЕКТОРА

После сборки и проверки работоспособности детектора была проведена серия экспериментов по определению базового пространственного разрешения детектора ($SR_{b}^{{detector}}$) и отношения сигнал/шум (SNR) регистрируемых изображений. Для оценки способности детектора воспроизводить контраст объекта на различных пространственных частотах построены функции передачи модуляции.

Описываемый детектор разрабатывается для исследования небольших образцов в установках микрофокусной рентгенографии и компьютерной микротомографии. Поэтому исследования его характеристик проводились в составе экспериментального стенда (рис. 3) с маломощной (до 10 Вт) микрофокусной трубкой, анодное напряжение которой ограничено максимальным значением 120 кВ.

Рис. 3.

Стенд для испытания детектора рентгеновских изображений.

При проведении экспериментов использовались методики и рекомендации, изложенные в нормативном документе [2]. Данный документ на настоящий момент является единственным современным российским стандартом, в котором регламентируются процедуры применения систем с матричными цифровыми детекторами (DDA – digital detector array system) для радиографического контроля. В стандарте определены два класса способов контроля сварных соединений: класс А (основные способы) и класс B (улучшенные). В соответствии с этими классами назначают минимально необходимые параметры цифровых изображений для различных диапазонов толщин контролируемых объектов.

Согласно рекомендациям [2], при определении параметров изображений используются линеаризованные значения градаций серого. Для выполнения требований этого условия проводилась калибровка детектора и коррекция по смещению и усилению [3, 4]. Для обработки изображений “плоского поля” и калибровки детектора использовалось программное обеспечение [5], для увеличения отношения сигнал/шум – техника усреднения кадров [6].

3.1. Определение базового пространственного разрешения

Основным параметром, характеризующим DDA, является базовое пространственное разрешение ($SR_{b}^{{image}}$) получаемых изображений. Данный параметр определяется с помощью индикатора качества изображения (IQI) дуплексного типа [7], помещаемого перед объектом контроля. В экспериментах, проводимых авторами данной статьи, применялся индикатор качества, изображенный на рис. 4. Он отличается от дуплексного значениями пространственной частоты групп штрихов.

Рис. 4.

Индикатор качества изображения для определения базового пространственного разрешения.

Для определения базового пространственного разрешения детектора $SR_{b}^{{detector}}$ [2] индикатор качества размещали непосредственно на поверхности детектора под небольшим углом к строкам пиксельной структуры DDA.

Согласно [2], разрешение определяется по первой паре проволочек, которая дает величину модуляции <20%. Под модуляцией понимают отношение глубины впадины (dip) к высоте двойного пика на профиле распределения градаций серого. При определении $SR_{b}^{{detector}}$ дополнительно проводили усреднение по 21 профильной линии; процедуры фильтрации, улучшающие качество изображения, не применяли.

Изображения IQI были получены при анодном напряжении рентгеновского источника 90 кВ. Ток и время экспозиции подбирались таким образом, чтобы на изображении уровень сигнала был ≤80% от порога насыщения детектора.

Для более точной оценки разрешения, а также из-за небольшого отличия используемого индикатора от рекомендованного в стандарте, определялось так называемое “интерполированное значение $SR_{b}^{{detector}}$” или $iSR_{b}^{{detector}}$. Для этого полученные данные по глубине модуляции для нескольких групп штрихов аппроксимировались полиномом второго порядка. Далее находилось значение $iSR_{b}^{{detector}}$ как координата точки пересечения графика с прямой для 20%-ного уровня модуляции.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЦЕДУРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДЕТЕКТОРА

Базовое пространственное разрешение детектора, найденное в соответствии с вышеописанной методикой, составило 88 мкм. Экспериментальные данные представлены на рис. 5. Полученное значение $iSR_{b}^{{detector}}$ почти в 4 раза превосходит размер пикселя детектора на входном торце фокона. Это указывает на необходимость применения сцинтиллятора с меньшей толщиной активного слоя, а значит, с более высокой разрешающей способностью. Более точно оценить требуемую толщину сцинтиллятора можно лишь при проведении дополнительных исследований с использованием специально изготовленных усиливающих экранов, не выпускаемых серийно.

Рис. 5.

Результаты определения базового пространственного разрешения детектора.

Результаты оценки нормализованного отношения сигнал/шум SNR_N отображены графически на рис. 6. Согласно [2], для обеспечения класса B цифрового радиографического контроля изделий из алюминия величина SNR_N должна быть не менее 120 (для рентгеновских источников до 150 кВ). По координате точки пересечения графиков с линией уровня SNR_N = 120 можно оценить допустимый диапазон толщин исследуемых объектов.

Рис. 6.

Результаты оценки SNR_N изображений детектора для разных толщин объекта при различных значениях анодного напряжения и времени экспозиции.

Из анализа графических зависимостей на рис. 5 можно сделать вывод, что, в частности, для анодного напряжения 120 кВ сокращение времени экспозиции в два раза приводит к уменьшению допустимой толщины объекта на 16%, тогда как для напряжения 90 кВ – на 26%.

Графики функции передачи модуляции детектора представлены на рис. 7. Практическое совпадение двух кривых позволяет сделать вывод, что при изменении напряжения на источнике в диапазоне порядка 30% рассматриваемая характеристика изменяется в пределах 1%.

Рис. 7.

График функции передачи модуляции детектора для двух анодных напряжений.

5. ПРИМЕНЕНИЕ ДЕТЕКТОРА В УСТАНОВКЕ МИКРОФОКУСНОЙ РЕНТГЕНОГРАФИИ

Для управления детектором в составе установки микрофокусной рентгенографии, для регистрации и обработки изображений в среде программирования Qt на языке С++ создана программа “X-ray Projection Pro” [5]. Программа включает в себя два модуля: модуль захвата изображений и модуль обработки изображений.

Модуль захвата и визуализации данных позволяет в интерактивном режиме оптимизировать параметры съемки: величину экспозиции, коэффициент усиления, количество кадров при усреднении; а также выделять область интереса (ROI) на изображении.

Основу графического интерфейса модуля обработки изображений составляют четыре окна вывода графической информации (рис. 8). Два верхних окна предназначены для вывода исходного и обработанного изображений, а два нижних – различных графических зависимостей, характеризующих данные изображения.

Рис. 8.

Интерфейс модуля обработки изображения программы “X-ray Projection Pro” и результат обработки печатной платы с компонентами. Два верхних окна – исходное (слева) и обработанное (справа) изображения, два нижних – графические зависимости, характеризующие данные изображения.

Исходное изображение pic0  считывается из базы данных рентгеновских изображений или передается из модуля захвата, хранится в оперативной памяти и не подвергается обработке. После считывания pic0 создается его копия pic1, которая автоматически отображается в левом верхнем графическом окне и является исходным для обработки изображением. В программу включены стандартные функции обработки изображений, такие как поворот, увеличение выделенной области, инвертирование интенсивности, а также операции линейной и нелинейной фильтрации в пространственной области [10]. Назначение фильтров – сглаживание шумов и выделение полезных особенностей на изображениях. Обработанное изображение pic2 хранится в оперативной памяти, а его копия pic3 выводится в правом верхнем графическом окне. Предусмотрены регулировки яркости и контраста, а также гамма-коррекция изображения pic3. Окончательно обработанное изображение pic3 может быть скопировано в изображение pic1 и вновь подвергнуто обработке. Организация массивов изображений в программе позволяет быстро восстановить исходное изображение заменой pic1 изображением pic0.

Альтернативный путь обработки изображений заключается в перезаписи информации, зарегистрированной на координатной плоскости (x0y), в смежное функциональное пространство. Математическая обработка образов изображений и последующая операция обратного перехода в исходное метрическое пространство позволяют получить изображения нового качества. В частности, преобразование Фурье конвертирует плоское изображение в область двумерных частот, где возможно применение большого количества частотных фильтров, с разной эффективностью подавляющих паразитные шумы [10]. В программе “X-ray Projection Pro” для визуализации образа исходного изображения служит левое нижнее окно. Полученный после операции обработки, например фильтрации шумов, образ изображения pic1 отображается в виде графика соответствующей зависимости в правом нижнем окне и после применения операции обратного преобразования Фурье автоматически восстанавливается как изображение pic2.

На рис. 7 представлен пример обработки изображения печатной платы с компонентами. Исходное для обработки изображение зарегистрировано при анодной мощности микрофокусной трубки 5 Вт и анодном напряжении 90 кВ; время экспозиции составляло 1 с, количество усреднений – 10. Процесс обработки представлял собой последовательность следующих операций: гамма-коррекции, адаптивной пространственной фильтрации импульсных шумов, фильтрации гауссовых шумов в частотной области, повышения резкости пространственным фильтром на основе Лапласиана.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанный и изготовленный детектор рентгеновских изображений предназначен для использования с микрофокусными маломощными источниками. Полученные данные по SNR_N позволяют сделать вывод о соответствии изображений классу В для указанных условий экспозиции практически во всем диапазоне исследуемых толщин объекта. Полученные значения SNR_N определяют диапазон толщин объекта контроля, доступных для анализа на одном изображении при одинаковых условиях съемки. Разрешение детектора ниже теоретически предельного уровня является следствием большой толщины сцинтиллятора, используемого в экспериментах, и может быть улучшено его заменой. Полученные значения функции передачи модуляции хорошо согласуются с результатами измерения базового пространственного разрешения.

Детекторы на основе миниатюрных серийных CMOS-сенсоров и увеличивающих элементов поликапиллярной оптики могут служить недорогой альтернативой устройствам на основе крупноформатных sCMOS-сенсоров и обеспечить качество рентгеновских изображений, достаточное для большинства приложений.