專利名稱：慢掃描ccd射線圖像檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種慢掃描(科學(xué)級)CCD相機(jī)輔助以減小、屏蔽射線輻照及其散射干擾措施，實現(xiàn)熒光屏上被檢構(gòu)件0.1-15MeV射線微光圖像高信噪比增強(qiáng)及低噪聲傳輸?shù)穆龗呙鐲CD射線圖像檢測方法及裝置。屬于射線檢測技術(shù)領(lǐng)域。
射線圖像檢測主要是指射線數(shù)字圖像(DR)檢測，它是以被檢構(gòu)件透視的數(shù)字圖像對構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)及其缺陷實施檢測的技術(shù)，由于射線透視場是射線的強(qiáng)噪聲場，所以如何得到高信噪比的被檢對象透視圖像一直是DR檢測研究的核心技術(shù)傳統(tǒng)的膠片照相檢測，采用透視射線在感光膠片上長時間曝光，在增強(qiáng)被檢構(gòu)件圖像的同時，使在時間、空間上隨機(jī)分布的射線散射和量子噪聲得到了有效地平均處理，從而可獲得清晰的膠片圖像。
現(xiàn)有線掃描DR檢測(簡稱第一類DR檢測技術(shù))，采用了在被檢構(gòu)件前后射線光路中設(shè)置準(zhǔn)直器的方法，控制射線散射對掃描圖像的干擾。它以從前準(zhǔn)直器狹縫發(fā)射出來的片狀扇形射線掃描被檢構(gòu)件，控制射線在被檢構(gòu)件上照射的空間，減少散射線劑量；再以與前準(zhǔn)直器同步移動的后準(zhǔn)直器狹縫，限制散射射線到達(dá)狹縫末端，從而保障位于后準(zhǔn)直器狹縫末端的線陣探測器可以掃描出構(gòu)件的高信噪比圖像?，F(xiàn)已采用此技術(shù)實施高、低能射線的DR檢測，其檢測靈敏度可達(dá)到0.5-1.0％，分辨力為2lp/mm，它代表了現(xiàn)有DR檢測的最高水平。美國BIR公司生產(chǎn)的工業(yè)射線CT設(shè)備，在做DR檢測時，就是這種技術(shù)。由于它涉及復(fù)雜、精密的機(jī)電裝置，技術(shù)成本高，使用場合受限制，加之采用線掃描檢測，獲取一幅圖像時間較長，因此難以為工程廣泛采用。
目前應(yīng)用最多的是一種低能射線DR檢測技術(shù)(簡稱第二類DR檢測)，以目前處于市場壟斷地位的PHILIPS、ANDREX公司為代表。它以近貼在圖像增強(qiáng)器光電陰極上的熒光屏，完成被檢構(gòu)件射線微光圖像轉(zhuǎn)換，以高增益電真空器件圖像增強(qiáng)器對屏上微光圖像增強(qiáng)，通過電視攝像機(jī)完成增強(qiáng)圖像的視頻輸出。這種以實時顯示被檢構(gòu)件透視圖像為特征的技術(shù)，沒有抑制射線散射和量子起伏噪聲造成圖像污染的功能，且增強(qiáng)器本身動態(tài)范圍不大于250，限制了增強(qiáng)圖像的質(zhì)量。圖像的視頻輸出又增加了視頻化噪聲。加之它的圖像增強(qiáng)器處于射線直接輻照之下，當(dāng)射線能量超過400kV時，使用壽命已無法保障。此種技術(shù)做DR檢測時，圖像數(shù)字化后，以64-256幅圖像疊加，進(jìn)行數(shù)字降噪、增強(qiáng)處理，檢測靈敏度可達(dá)1.5％，分辨力為2-3％lp/mm。由于技術(shù)簡單、使用方便、成本低(售價約80萬元/套)，在中、小型金屬構(gòu)件和非金屬構(gòu)件DR檢測中獲得了廣泛地應(yīng)用。
對于2-15MeV高能射線DR檢測，現(xiàn)有技術(shù)(簡稱第三類DR檢測技術(shù))，它與上述第二類技術(shù)相似。為了適應(yīng)高能射線檢測，采用了分離的熒光屏，屏后光路加裝反射鏡，將承擔(dān)圖像增強(qiáng)和視頻圖像輸出的低照度攝像機(jī)置于射線照射場之外，并加適當(dāng)?shù)纳渚€輻照屏蔽，以防止高能射線的輻照。同第二類技術(shù)一樣，檢測系統(tǒng)對高能射線在被檢構(gòu)件及環(huán)境中產(chǎn)生的強(qiáng)散射及量子噪場干擾，沒有抑制功能，并同樣存在視頻化噪聲，攝像機(jī)圖像動態(tài)范圍僅在200左右。因此盡管數(shù)字化后，同樣采用多幅圖像疊加，做數(shù)字降噪、增強(qiáng)處理，圖像檢測靈敏度(2.0％)仍達(dá)不到膠片照相0.5-1.0％的水平。它的特點(diǎn)是可以對大型構(gòu)件實施低技術(shù)成本的DR檢測，美國Varian公司為它的2015MeV電子直線加速器配備的DR檢測設(shè)備，即屬于此類技術(shù)。
現(xiàn)有DR檢測，從原理上，均可歸納為上述三類技術(shù)，其中第二、三類技術(shù)具有使用方便、技術(shù)成本低的突出特點(diǎn)，但由于不具備抑制圖像噪場的功能，圖像動態(tài)范圍小，不可能獲取高質(zhì)量的圖像。第三類技術(shù)，雖然可以獲得高質(zhì)量的圖像，但昂貴造價和對使用場合的苛刻要求，難以廣泛采用。
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的DR檢測技術(shù)，即慢掃描CCD射線圖像檢測方法及裝置，通過對熒光屏上微光圖像進(jìn)行高動態(tài)、低噪場增強(qiáng)與傳輸，輔助以減少、屏蔽射線輻照及散射線干擾的檢測裝置，使獲取的圖像質(zhì)量達(dá)到上述第一類技術(shù)的先進(jìn)水平，而技術(shù)成本僅為該類技術(shù)的三分之一，且可覆蓋0.1-15MeV高、低能射線檢測的需求。
本發(fā)明的目的是以下述方法實現(xiàn)的采用慢掃描面陣CCD相機(jī)，通過控制曝光時間、增益、偏置等工作參數(shù)，使熒光屏上被檢構(gòu)件微光圖像和射線散射的光子，在小暗電流、低噪聲、大容量的CCD勢阱中進(jìn)行充分地積累，使散射射線和量子噪聲通過這種累積得到有效地平滑，而被檢構(gòu)件微光圖像得到充分地增強(qiáng)，從而在面陣CCD中獲得高信噪比的電子圖像；再采用直接傳輸從CCD出讀出的模擬電子圖像，并數(shù)字化，實現(xiàn)電子圖像低噪聲傳輸，且使圖像動態(tài)范圍達(dá)到103以上。
本發(fā)明目的是以下述減少、屏蔽射線對相機(jī)照和散射線對圖像干擾的裝置實現(xiàn)的與CCD相機(jī)曝光動作同步控制射線發(fā)射的啟動和停止，以裝在射線源射線出口處的準(zhǔn)直器，按被檢構(gòu)件檢測要求，控制射線發(fā)射的最小束角，從而使射線輻照時間、空間減到最小，采用在高動態(tài)、高分辨力熒光屏之后加裝反射鏡的光路設(shè)計，使屏上光路偏移出射線照射場之后進(jìn)入CCD相機(jī)，且將CCD相機(jī)連同它的大口徑鏡頭置于加厚的鉛質(zhì)屏蔽箱之內(nèi)，于是在對相機(jī)實施防環(huán)境射線輻照的同時，有效地控制了環(huán)境中散射射線對圖像增強(qiáng)的干擾；封裝熒光屏和反射鏡的殼體，包括反光鏡以射線弱散射材料制作，使透視被檢構(gòu)件和熒光屏的射線及產(chǎn)生的大部分散射線直接穿過反射鏡和殼體，不參予圖像光電轉(zhuǎn)換，且使反射鏡、殼體中產(chǎn)生的射線散射減到最?。粸榱藴p小包括環(huán)境在內(nèi)的各種散射射線從相機(jī)屏蔽箱窗口進(jìn)入相機(jī)，在相機(jī)屏蔽箱之前的光路中加裝一種只允許可見光進(jìn)入的散射射線屏蔽腔，可有效地抑制來自相機(jī)屏蔽箱窗口散射射線對圖像增強(qiáng)的干擾。
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明加以說明。


圖1、慢掃描CCD射線圖像檢測方法及裝置示意圖；1-射線源、2-準(zhǔn)直器、3-被檢構(gòu)件、4-閃爍熒光屏、5-反射鏡。
6-鏡頭、7、8-小反鏡、9-散射射線屏蔽腔、10-鏡頭、11-慢掃描CCD相機(jī)、12-相機(jī)屏蔽箱、13-控制器、14-圖像計算機(jī)、15-射線控制器、16-圖像處理與控制軟件包、圖2、便攜式CCD射線圖像檢測方法及裝置示意圖；17、21-X射線控制器、18-X射線內(nèi)視儀及支架、19-控制箱、20-圖像處理器、21-射線控制器、22-專用軟件包、23-電視監(jiān)視器圖3為工業(yè)檢測CCD射線圖像系統(tǒng)示意圖；25-被檢工件、26-內(nèi)視儀、27-檢測臺、28-圖像處理系統(tǒng)、29-圖像拷貝器、30-射線控制器、31-監(jiān)視器、32-電子直線加速器圖4為高能射線CCD圖像檢測系統(tǒng)示意圖33-火箭發(fā)動機(jī)、34-內(nèi)視儀、35-大型檢測臺、36-操作臺、37-內(nèi)視儀控制器、38-圖像計算機(jī)、39-圖像拷貝機(jī)、40-監(jiān)視器、41-射線控制器。
圖1為本發(fā)明方法及裝置的描述，圖2-圖4是本發(fā)明的實施例。
在圖1中，件(2)是件(1)射線源射線出口的準(zhǔn)直器，根據(jù)件(3)的被檢構(gòu)件檢測要求，控制射線束角。件(4)是閃爍晶體熒光屏，與現(xiàn)有熒光屏設(shè)計、選擇不同，允許從高動態(tài)靈敏度、高分辨力，保證與CCD光譜匹配，兼顧射線光子轉(zhuǎn)換效率(熒上圖像亮度)進(jìn)行設(shè)計、選擇。件(5)是反射鏡，它將屏的光路偏移出射線照射場。件(6)是封裝熒光屏、反射鏡的殼體，內(nèi)壁發(fā)黑消光，它與反射鏡采用工程塑料或其它弱散射材料制作，件(6)與件(4)、件(5)構(gòu)成射線(微光)圖像轉(zhuǎn)換器。
件(9)是散射射線屏蔽腔，腔體材料為鉛，內(nèi)壁發(fā)黑消光，腔體上入射、出射窗與件(7)、件(8)小反射鏡，使來自射線圖像轉(zhuǎn)換器的光路在腔內(nèi)平移之后進(jìn)入相機(jī)屏蔽箱的入射窗，用于遮擋腔外散射線從相機(jī)屏蔽箱入射窗口進(jìn)入相機(jī)。件(11)為慢掃描面陣CCD相機(jī)，件(10)是高聚光力的大口徑鏡關(guān)，它使熒光屏微光圖像成像在CCD芯片上。件(12)是相機(jī)屏蔽箱，既屏蔽環(huán)境中射線對相機(jī)的輻照，也屏蔽環(huán)境中射線進(jìn)入相機(jī)造成圖像增強(qiáng)的干擾，是一個加厚的鉛箱。
件(13)是相機(jī)控制器，在件(14)圖像計算機(jī)上通過它控制相機(jī)曝光時間、增益和偏置，使熒光屏上微光圖像轉(zhuǎn)化成高信噪比、高動態(tài)范圍的CCD電子圖像，并通過它直接檢相機(jī)中出該種電子圖像，不做諸如視頻化等任何處理，或者就地完成圖像數(shù)字化再傳輸，或者在傳輸電纜終端完成圖像數(shù)字化，使圖像實現(xiàn)低噪聲傳輸。
件(14)為圖像計算機(jī)，對單幅數(shù)字化圖像作數(shù)字降噪、數(shù)字增強(qiáng)處理，同時完成相機(jī)的上述工作控制，并與相機(jī)曝光動作同步，通過件(15)射線控制器控制射線源射線發(fā)射的啟、停。件(16)是實現(xiàn)上述處理、控制的專用軟件包。
圖1所描述的本發(fā)明裝置可歸納為三部分第一部分是由件(1)、(2)和(15)構(gòu)成的帶有準(zhǔn)直器的可控射線源；第二部分是由件(4)-(13)構(gòu)成的射線內(nèi)視儀；第三部分是由件(15)、(16)構(gòu)成的檢測操作系統(tǒng)，它通過系統(tǒng)的圖像計算機(jī)及其專用軟件對第一、二部分實施檢測控制，完成圖像數(shù)字處理、缺陷識別及圖像顯示、拷貝。
下面以三個實施例，對本發(fā)明方法及裝置再進(jìn)一步加以說明。
圖2是一種便攜式CCD射線圖像檢測系統(tǒng)，它是為工程施工現(xiàn)場檢測中、小型管道焊接質(zhì)量和舊管道內(nèi)部銹蝕、堵塞情況而設(shè)計的。圖中件(17)是帶準(zhǔn)直器的200KV便攜式X-射線機(jī)；件(18)是重量為8Kg、外形尺寸為150×180×350mm3的便攜式射線內(nèi)視儀，它的射線入射窗(熒光屏)尺寸為φ120，圖像格式為1024×1024×12bit；件(19)是內(nèi)式儀控制器，對慢掃描CCD相機(jī)實施控制，并將相機(jī)輸出的模擬電子圖像數(shù)字化，輸送給件(20)的筆記本計算機(jī)；件(20)的筆記本計算機(jī)利用件(22)專用軟件包，一方面通過件(19)控制內(nèi)視儀、通過件(21)射線控制器控制件(17)射線機(jī)(射線機(jī)管電壓、管電流及射線發(fā)射啟、停)，另一方面完成圖像數(shù)字處理、缺陷識別與顯示；件(23)是配備攝像機(jī)的檢測現(xiàn)場小型電視監(jiān)視器。顯然，該種DR檢測系統(tǒng)以小型、輕便、高圖像質(zhì)量、低技術(shù)成本、操作簡單等特點(diǎn)而優(yōu)于現(xiàn)有的工程現(xiàn)場的各種DR檢測技術(shù)。
圖3是本發(fā)明的工業(yè)檢測CCD射線數(shù)字圖像系統(tǒng)示意圖，它是為檢測工業(yè)生產(chǎn)構(gòu)件或技術(shù)單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)(如裝配關(guān)系)和制造缺乏而設(shè)計的。件(24)是為帶準(zhǔn)直器的450KV可控X-射線機(jī)，件(25)是被檢構(gòu)件或技術(shù)單元。件(26)是射線內(nèi)視儀，它與相機(jī)控制器合為一體，輸出數(shù)字圖像，它的熒光屏有效尺寸為200×200mm2，圖像格式為2048×2048×12bit。件(27)是專用的兩平移自由度檢測臺。件(28)是圖像計算機(jī)，除對射線機(jī)(通過機(jī)內(nèi)控制卡和件(30)射線控制器)實施遙控之外，還完成圖像處理、結(jié)構(gòu)形態(tài)及缺陷的識別，并通過件(29)圖像拷貝器對檢測結(jié)果進(jìn)行硬拷貝。件(31)是監(jiān)視器，用以監(jiān)視檢測現(xiàn)場工作狀態(tài)。這種DR檢測系統(tǒng)能以0.5％檢測靈敏度和3lp/mm分辨力的高質(zhì)量圖像和相同的技術(shù)成本取代現(xiàn)有第二類DR檢測技術(shù)(檢測靈敏度為1.5％，分辯力為2-3lp/mm)。
圖4是本發(fā)明的高能射線DR檢測實施例。它是為檢測遠(yuǎn)程火箭發(fā)動機(jī)及其裝填的推進(jìn)劑缺陷而設(shè)計的。圖中件(32)是帶準(zhǔn)直器的6MeV可控電子直線加速器，可提供2000lad/min·m的大劑量X-射線，件(33)是口徑為500-100mm的遠(yuǎn)程火箭發(fā)動機(jī)；件(34)是射線內(nèi)視儀，它的熒光屏窗口為400×400mm2，提供的圖像格式為4096×4096×12bit，為避免高能、大劑量射線對件(37)內(nèi)視儀(相機(jī))控制器的輻照，內(nèi)視儀控制器及圖像數(shù)字化置于內(nèi)視儀傳輸電纜的終端；件(35)是大型檢測臺，為保證有高的檢測速度，該檢測臺和件(41)的加速器射線控制器由件(36)操作臺及其(內(nèi)部)工控機(jī)實施控制，控制加速器的工作，并賦予發(fā)動機(jī)繞軸線轉(zhuǎn)動和平移，該操作臺與件(38)圖像計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)全方位的連續(xù)檢測。件(39)是圖像拷貝機(jī)，件(40)是檢測現(xiàn)場監(jiān)視器。該套系統(tǒng)將以高達(dá)0.5-1.0％檢測靈敏度和2lp/mm的圖像質(zhì)量，將大型火箭發(fā)動機(jī)的DR檢測推向新的發(fā)展階段。
本發(fā)明的上述方法及裝置，已通過樣機(jī)實驗考核，與現(xiàn)有技術(shù)相比，它的技術(shù)效果表現(xiàn)在1、它可采用0.1-15MeV的X或γ射線、對10-300mm等效鋼厚的各類大、中、小型構(gòu)件實施多種DR檢測，不像現(xiàn)有第一類技術(shù)那樣僅使用于400KV以下射線，不能檢測大型構(gòu)件，也不像第一類技術(shù)那樣涉及復(fù)雜、精密的機(jī)電裝置，而使應(yīng)用場合受到限制；2、對于10-300mm等效鋼厚各種構(gòu)件或技術(shù)單元，它的圖像檢測靈敏度和分辨力分別高達(dá)0.5％和3lp/mm，為現(xiàn)有DR技術(shù)的最高水平，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有第二、三類技術(shù)，而與第一類技術(shù)相當(dāng)；3、它的圖像格式由慢掃描CCD像元數(shù)決定，要為1024×1024×12bit-4096×4096×12bit，一次檢測的單幅圖像可達(dá)400×400mm2，與現(xiàn)有第二類技術(shù)最大檢測面積相當(dāng)，一次檢測時間為秒級，比現(xiàn)有第一類技術(shù)檢測時間短，為準(zhǔn)實時檢測，滿足絕大多數(shù)DR檢測的速度需求；4、它具有現(xiàn)有第二、三類技術(shù)的簡便、低成本的特點(diǎn)，遠(yuǎn)不像現(xiàn)有第一類技術(shù)那樣復(fù)雜、昂貴，其技術(shù)成本僅為現(xiàn)有第一類技術(shù)的三分之一，是一種低成本技術(shù)；5、它所構(gòu)造的各種DR檢測系統(tǒng)，均可方便地實現(xiàn)計算機(jī)遙控操作，比現(xiàn)有第一類技術(shù)易于開發(fā)、使用，比現(xiàn)有第二、三類技術(shù)具有更強(qiáng)的操作控制功能。
權(quán)利要求
1.一種慢掃描CCD射線圖像檢測方法，其特征是對于0.1-15MeVx、y射線，利用慢掃描面陣CCD相機(jī)特有的低噪聲光電積分特性，通過控制它的曝光時間等參數(shù)，使熒光屏上被檢構(gòu)件射線微光圖像和散射射線等噪聲的光子，在CCD勢阱中充分地積累，使射線散射等噪聲得到有效地平滑，而獲得高動態(tài)范圍、高信噪比的電子增強(qiáng)圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的慢掃描CCD射線圖像檢測方法，其特征在于低噪聲光電積分特性的傳輸方法是以視頻電纜直接傳輸面陣CCD的模擬電子圖像。
3.一種慢掃描CCD射線圖像檢測裝置，包括射線發(fā)射可控的射線源和源的射線準(zhǔn)直器、裝有熒光屏和反射鏡的(微光)圖像轉(zhuǎn)換器射線科像轉(zhuǎn)換器光路之后的射線散射屏蔽腔圖像計算機(jī)及專用處理、控制軟件其特征是采用慢掃描CCD相機(jī)組(含鏡頭、相機(jī)屏蔽箱、相機(jī)控制器及視頻電纜等)，檢測時，只有射線圖像轉(zhuǎn)換器處于射線場之內(nèi)；射線發(fā)射的啟動、停止與CCD曝光時間同步控制，由源的準(zhǔn)直器、控制射線發(fā)射的最小角，射線圖像轉(zhuǎn)換器按射線弱散射體設(shè)計，以散射射線屏蔽腔遮擋屏蔽進(jìn)入相機(jī)屏蔽箱光學(xué)窗口的散射線，以加厚鉛質(zhì)相機(jī)屏蔽箱屏蔽環(huán)境中散射線對相機(jī)輻照，并減小此種輻照對圖像增強(qiáng)的干擾。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的慢掃描CCD射線圖像檢測裝置，其特征在于所述的熒光屏選擇、設(shè)計允許優(yōu)先考慮動態(tài)范圍、分辨力和光特性，兼顧射線量子轉(zhuǎn)換效率，封裝熒光屏、反射鏡的殼體內(nèi)壁發(fā)黑消光，殼體與反射鏡以工程兼或其它射線弱散射材料制作。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的慢掃描CCD射線圖像檢測裝置，其特征在于所述的為內(nèi)壁發(fā)黑的鉛質(zhì)腔體，開有入射、出射窗口，內(nèi)裝反射鏡，其光路設(shè)計保證熒光屏上微光圖像能夠無遮擋地進(jìn)入CCD相機(jī)，而屏蔽腔外部的散射射線不能從相機(jī)屏蔽箱窗口進(jìn)入相機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明為一種射線檢測領(lǐng)域的慢掃描CCD射線圖像檢測方法及裝置。采用慢掃描(科學(xué)級)面陣CCD相機(jī)輔助以減小、屏蔽射線對相機(jī)的輻照及其散射對圖像干擾的措施,對熒光屏上0.1—15MeV射線被檢構(gòu)件微光圖像實現(xiàn)高動態(tài)、高信噪比增強(qiáng)和低噪聲傳輸?shù)姆椒把b置。它有效地解決了現(xiàn)有射線圖像增強(qiáng)及傳輸技術(shù)存在的動態(tài)范圍小、噪聲大和不能同時兼顧高、低能射線檢測的缺點(diǎn),獲取的圖像經(jīng)常規(guī)數(shù)字處理,其檢測靈敏度、分辨力分別可達(dá)到0.5%、31p/mm的先進(jìn)水平,而成本僅為同類水平技術(shù)的三分之一。
文檔編號G01N23/02GK1244658SQ9910114
公開日2000年2月16日 申請日期1999年1月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月14日
發(fā)明者路宏年, 潘德恒, 周漢昌, 韓焱, 李應(yīng)槐, 彭有根, 袁藝, 宋文愛, 路小壯, 張偉, 陳樹越 申請人:華北工學(xué)院