射线源图像诊断系统光学参数优化设计

姚志明，严维鹏，段宝军，宋 岩，韩长材，马继明，宋顾周

(西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安 710024)

射线源图像诊断系统光学参数优化设计

姚志明，严维鹏，段宝军，宋 岩，韩长材，马继明，宋顾周

(西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安 710024)

射线源图像诊断系统由闪烁体、镜头和ICCD相机组成，变焦镜头的焦距可以根据成像需要连续调节。然而，焦距的改变会同时影响系统成像放大倍数及工作距离。本文针对一定尺寸闪烁体的成像需求，由理论公式出发，推导出变焦镜头焦距、放大倍数、工作距离之间的数学关系，结合物距与像距难以测量的客观实际，给出了一种半经验的镜头焦距、物距和像距的设置方法，为射线源图像诊断系统的光学参数设置提供理论依据和实践指导。

射线源图像诊断；变焦镜头；光学参数；优化设计

闪烁体、镜头和ICCD相机组成的图像诊断系统[1]可以给出射线源的形状和二维强度分布信息。定焦镜头的成像放大倍数调节范围有限，对于不同尺寸的闪烁体，通常需要采用不同焦距的镜头。变焦镜头[2]为焦距的调节提供了便利，使成像系统的放大倍数、工作距离可以在较大范围内改变，适用于拍摄不同尺寸的闪烁体。然而，焦距、放大倍数和工作距离相互制约，如果没有理论数据作为参考，光学系统搭建过程中即使花费大量时间尝试，仍难以获得视场、工作距离适中的光学成像系统。本文针对一定尺寸闪烁体拍摄需求，研究镜头焦距、物距和像距的设置方法。

1 图像诊断系统组成

射线源图像诊断系统原理示意图，如图1所示。透镜无法直接使X射线、中子等射线聚焦，需要采用小孔成像[3]的方式，射线源图像经金属材料针孔后，在闪烁体上呈倒立的实像，再由闪烁体将射线源图像转换为可见光图像，最后经镜头聚焦由ICCD相机记录。s、s1、s2分别为成像系统的工作距离、物距、像距。

图1 射线图像诊断系统原理示意图Fig.1 Schematic of image diagnosis system for radiation source

2 理论计算

成像系统的物距s1、像距s2和焦距f之间满足经典的高斯公式：

(1)

放大倍数M与s1、s2之间满足如下关系：

(2)

s与s1、s2之间满足如下关系：

s=s1+s2

(3)

上述3个方程中含有5个变量，消去s1、s2，得到如下关系：

(4)

此外，放大倍数M与闪烁体尺寸lScint和ICCD芯片尺寸lCCD之间还满足如下关系：

(5)

为了获得较高的分辨能力，通常使射线源在闪烁体上的像布满整个闪烁体，当闪烁体尺寸和相机型号确定时，lScint和lCCD均是确定的，即M是确定的。待确定的量为s、s1、s2和f。变焦镜头由多个透镜组成，难以确定其等效光心的位置。s1、s2的实际大小均难以测量。s是闪烁体与ICCD相机芯片的距离，可以直接测量。实际应用中，将闪烁体与ICCD相机放在某一固定位置，测得s的大小，由公式(4)计算f，设置变焦镜头的f大小。缓慢调节相机与变焦镜头间螺纹的松紧和整体平移变焦镜头透镜组，改变s2的大小，相机设为调焦模式连续拍摄，直到找到成像清晰的位置。如未找到清晰的成像位置，是因为超出了像距的调节范围(<5 cm)，需要根据公式(6)、(4)重新调整f、s的大小。

(6)

3 应用实例

采用Andor公司生产的DH734_18F_03型相机[4]对60Co γ射线源[5]进行诊断，芯片尺寸为13×13 mm。变焦镜头[6]是Canon公司生产的EF-S (f=18～135 mm)型。闪烁体是法国圣戈班公司生产的BC408塑料闪烁体[7]，尺寸为Φ250×5 mm。拍摄视场稍大于闪烁体直径，为280×280 mm。由公式(5)计算得到M值为21.54。根据系统布局，初步设置s值为2.20 m，由公式(4)计算得到f的值为93.3 mm，由公式(3)、(6)计算得到s1、s2的大小分别为2 102.8 mm、97.2 mm。设置变焦镜头的f值为93.3 mm，缓慢改变s2的大小，找到了清晰的成像位置，表明s和f的取值合理。拍摄到的闪烁体照射BC408的闪烁体发光图像，如图2所示。

图2 60Co γ射线源激发的BC408闪烁体发光图像Fig.2 Image of BC408 irradiated by 60Co γ rays

4 结 语

与定焦镜头相比，变焦镜头增大了成像系统放大倍数和工作距离的调节范围，但系统搭建过程变得更为复杂。本文由理论公式出发，结合物距与像距难以测量的客观实际，给出了一种半经验的成像系统搭建方法，解决了科学级ICCD相机搭配变焦镜头使用时的光学参数设置问题。随着自动对焦技术的迅速发展，普通照相机的自动对焦已得到广泛应用，科学级ICCD相机的自动对焦将是未来重要的发展方向。

[1] 刘庆兆.脉冲辐射场诊断技术[M].北京: 科学出版社，1994: 553-559.

[2] 尹宏建.运动目标在变焦距镜头视场中成像清晰与大小恒定方法研究[D].长春: 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，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.校准用万Ci钴源照射器研制及应用[R].中国核科学技术进展报告，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

强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室基金资助项目(SKLIPR1704)

姚志明(1989-)，男，硕士，助理工程师。