CN102243318A - X射线闪烁体光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X射线闪烁体光学成像系统，该系统将X射线转化成可见光并成像在电荷耦合器探测器（21）上，其特征在于：该系统包括：提供X射线的点源（10）；闪烁体（15）；设置在点源（10）与闪烁体（15）之间且具有旋转、上下平移、左右平移、前后平移四自由度的载物台（22）；涂敷在闪烁体（15）与载物台相对的一面的可见光反射涂层（12）；与闪烁体（15）连接的光学玻璃基底（16）；与光学玻璃基底（16）相连的显微物镜（17）。本发明整个系统更加紧凑，能有效避免X射线对电荷耦合器的损伤。管镜则将平行光线聚焦的电荷耦合器的感应面上。另外通过显微物镜转换装置实现转换显微物镜，得到不同的放大倍数。

Description

X射线闪烁体光学成像系统

技术领域

本发明涉及X射线闪烁体光学成像系统，更具体的涉及了将X射线通过铈激活钇铝石榴石单晶转化成可见光，可见光进入物镜、转向镜、管镜这个光路系统进行放大成像，最终成像在电荷耦合器(CCD)感应面上。

 

背景技术

 X射线成像在日常生活中起着重要的作用，从医疗X射线成像的应用到机场安检装置，X射线成像的探测器都起着重要作用。X射线成像系统的探测器通常可分成两类：基于化学方法的探测器，如胶片；电子探测器，如电荷耦合器(CCD)或成像板。

基于化学方法的探测器是传统的X射线成像探测器。化学探测器是最先运用于X线成像的，然而，基于化学方法的探测器无法重复利用，成像速度慢代价高。另外X射线胶片的分辨率约为10微米，主要取决于胶片感光颗粒的大小，高感光度胶片有比较大的感光颗粒，其分辨率在50-100微米。

 大多数电子探测器是基于电荷耦合器(CCD)相机或成像板的探测器有效地解决了基于化学方法的探测器的弊端，可以重复利用，电子探测器所记录的图像可以在曝光后立即读出。但是，这些电子探测器若直接感应X射线，电子探测器的门电路会受到辐射损伤。当然，如果门电路辐射损伤可以控制在一定范围内，电子探测器有较长的使用寿命。

 直接连成像电荷耦合器(CCD)的探测器，X射线直接辐射电荷耦合器(CCD)芯片使其产生电子空穴对。该系统的优点是有很高的转化效率，X线一般可以控制在100千电子伏以内，但是大多数的电荷耦合器(CCD)芯片的像素大小为6-20微米，所以探测的分辨率只能达到10微米左右。还有就是硬X射线的直接照射会造成CCD的损伤，大大的降低CCD的使用次数。

为了解决这种X线直接照射带来的损伤现可以采用闪烁体光纤锥耦合的电荷耦合器(CCD)探测器，光纤锥的一端与电荷耦合器(CCD)芯片相连，另一端则与闪烁体相接。该系统的分辨率为几个微米，光线转换效率通常相当高，一般有70%-80%。由于X射线辐射经闪烁体后通过光线锥到达电荷耦合器(CCD)，可以使电荷耦合器(CCD)以免受辐射损伤。但是，这样的系统存在光纤锥的失真，且这种失真会随着放大倍数的增大而增强。

  本系统为了得到较高的分辨率以及避免X线直接照射带来的电荷耦合器（CCD）使用寿命的降低，首先采用将闪烁体与显微物镜结合的探测器得到较高的分辨率，在最佳条件下其分辨率可达到1微米以上。通过采用光线转向装置避免X线的直接照射。本系统采用了显微物镜，所以其分辨率是最高的。也正是因为其高分辨率，选择没有纹理的单晶作为闪烁体材料。此外，使用高数值孔径使物镜系统光通量增加。通过操作结构改变物镜系统可以大范围的提高放大倍数和分辨率。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提出一种X射线闪烁体光学成像系统，该系统采用光子能量在20-70千电子伏特范围内的X射线，通过动态置换不同的物镜系统，可使该系统的分辨率可达到1微米以上。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种X射线闪烁体光学成像系统，该系统将X射线转化成可见光并成像在电荷耦合器探测器上，该系统包括：提供X射线的点源；闪烁体；设置在点源与闪烁体之间且具有旋转、上下平移、左右平移、前后平移四自由度的载物台；涂敷在闪烁体与载物台相对的一面的可见光反射涂层；与闪烁体连接的光学玻璃基底；与光学玻璃基底相连的显微物镜；与显微物镜相距一定距离的转向镜；与转向镜相距一定距离的管镜；与管镜相连的电荷耦合器探测器；其中，点源发射X射线，经过载物台上的物体的吸收，到达闪烁体，同时闪烁体吸收转化X射线成可见光，可见光通过光学玻璃基底折射后到达显微物镜的前端，显微物镜与转向镜的夹角等于管镜与转向镜的夹角，显微物镜将闪烁体发出的可见光线成像到无穷远处；该光线经转向镜后方向转变，管镜则将光线聚焦到可见光电荷耦合器探测器的感应面上，通过这样的将X射线转换成可见光并聚焦的过程获得图像。

优选的，所述的闪烁体材料是铈激活钇铝石榴石单晶。

优选的，所述的闪烁体的厚度因整个系统的放大倍数不同而不同。

优选的，可见光反射涂层为铝膜。

优选的，所述的管镜经过显微物镜的平行光线聚焦到电荷耦合器探测器感应面上。

优选的，所述的显微物镜像方视场范围为26mm×26mm。

优选的，所述的光学玻璃基底的折射率n为1.5。

有益效果： 通过将X射线转变成可见光进行方法成像，有效的避免了在X射线显微成像过程中微焦点源对造成的伪影影响，同时可以实现显微分辨率的显著提高。通过设置转向镜可以有效避免X射线对电荷耦合器的损伤。通过设置不同放大倍数的物镜系统的转换装置可以实现不同尺度成像的需要。

附图说明

图1：X射线闪烁体光学成像系统的示意图；图2：不同放大倍数的物镜系统转换示意图；图3：显微物镜的设计示意图；图4：管镜的设计示意图。

图中有：点源10，载物台旋转轴11，可见光反射铝模12，粘合部分13，闪烁体15，光学玻璃基底16，显微物镜17，可见光18，转向镜19，管镜20，电荷耦合器探测器21；载物台22，转盘31；由可见光反射铝模12—显微物镜17组成的物镜系统33，调节装置32。

具体实施方式   

为了更详尽地表述上述发明的技术方案，以下列举出具体的实施例来说明技术效果。需要强调的是，这些实施例是用于说明本发明而不限制本发明的范围。

本发明提供了一个X射线闪烁体光学成像系统。该系统采用光子能量在20-70千电子伏特范围内的X射线，通过动态置换不同的物镜系统，可使该系统的分辨率可达到1微米以上。另外该探测器的光学转向镜装置和非常薄的单晶闪烁体装置使该光学成像系统成为一个高能X射线滤波器，在闪烁体前的铝膜设计又可以有效滤除较低能的X射线，这就使该系统变成了一个X射线带通滤波器，可以有效的滤除产生全吸收的低能射线和穿透性很强的高能射线。该成像系统具有广泛的应用领域，可用于DR（数字化X射线摄影系统）和CT（计算机X线断层扫描技术）成像等。

 本发明设计了一种X射线闪烁体成像光学系统，该系统由闪烁体、基底、显微物镜、转向镜、管镜、光电耦合探测器CCD以及机架和操作结构组成。闪烁体吸收带通范围内的低能量X射线并将其转化成特定光学频率或波长的可见光。显微物镜收集闪烁体发出的可见光，成像于无限远处。显微物镜与闪烁体之间为了增加光通量采用折射率较大的光学玻璃基底间隔。转向镜转变光线方向，使整个系统更加紧凑并同时滤过高能射线。管镜则将平行光线聚焦到CCD (可见光光电耦合探测器)的感应面上。

优选的，针对不同的放大倍数，设计多个显微物镜系统，这些物镜系统的放大倍数不同，可以通过旋转更换物镜系统，得到不同的放大倍数。

优选的，管镜是唯一的，不同的物镜系统都和这个管镜相匹配。

优选的，每个显微物镜系统包括物镜、闪烁体、基底这三部份，这三者通过粘合作用连接在一起。

 优选的，基底的折射系数同时与显微物镜和闪烁体材料相匹配，为了增加数值孔径尽量选择折射率较大的基底。

 优选的，闪烁体材料是单晶材料，单晶闪烁体材料可以确保没有由颗粒尺寸引起的分辨率丢失。

 优选的，闪烁体材料是铈激活钇铝石榴石（Ce3+∶YAG）单晶。此外，闪烁体材料需要相当薄，厚度在10微米至50微米之间变化，选取的数值孔径越大景深就越小，闪烁体就越薄，本系统最薄的闪烁体厚度为10微米。 

 优选的，使用薄的单晶闪烁体材料，该闪烁体材料与玻璃基底粘合在一起并刨成斜角打磨，可以保证打磨的更加薄，这有利于避免打磨过程中对闪烁体材料造成破裂或其他损伤。

优选的，基底的厚度由显微物镜的工作距离确定。不同的显微物镜配备不同厚度的基底，保证闪烁体材料位于显微物镜的焦平面上。

优选的，镜头系统有显微物镜、转向镜和管镜组成。显微物镜采用无限远光学系统，转向镜用于转变光线方向，避免X高能射线对CCD(光电耦合探测器)的伤害，管镜有放大的作用，并最终将平行光聚焦到CCD(光电耦合探测器)的感应面上。

本发明设计了一种X射线闪烁体成像光学系统，该系统的重要组成部分是闪烁体，它将X射线转化成可见光。闪烁体材料在光轴方向有一定厚度，通过设置闪烁体厚度可以优先选择将低能X射线吸收转化成可见光。闪烁体材料的厚度是有限的，更高能量的X射线完全穿透闪烁体材料而不被吸收。所以，对于X射线辐射而言，闪烁体薄片相当于一个低通滤波器。所以，CCD (光电耦合探测器)系统对高能量X射线不敏感，因为高能X射线直接穿透闪烁体而没有被吸收转化成可见光，本系统对生成的可见光光路转向，而穿透的X射线沿直线传播，避免了X射线对CCD(光电耦合探测器)造成损伤。

本发明设计了一种X射线闪烁体成像光学系统，其特征在于闪烁体的加工方法。闪烁体的加工方法包括先闪烁体粘合到基底上，这样可以固定闪烁体并能把闪烁体打磨到非常薄的厚度。

优选的，一般需要将闪烁体材料的厚度打磨到小于50微米。优选的，为了获得20倍的放大倍数，需要大小为0.75的数值孔径，闪烁体材料的厚度需要打磨到10微米。

 本发明设计了一种X射线闪烁体成像光学系统是一个显微光学系统，该系统包括一个X射线辐射子系统和一个光学子系统。X射线辐射子系统包括一个对经过样本的辐射成像的带片镜头，和一个将X射线辐射转化成可见光的闪烁体。光学子系统包括一个探测器、一个管镜、一个转向镜和一个将闪烁体发出的可见光成像到无限远的显微物镜。本发明中使用的射线源是电子轰击X点射线源，X射线辐射子系统与光学子系统的联合使成像分辨率更高。

本发明设计了一种X射线闪烁体成像光学系统的一个主要优势在于其紧凑的尺寸，对不同能级的X射线的选择作用，同时避免了高能X射线对CCD造成损伤。

优选的，X射线辐射子系统和光学子系统都有一定的放大倍数。X射线辐射子系统的放大倍数在1-10；光学子系统的放大倍数在5-40。优选的，X射线辐射子系统的放大倍数在1-10，若考虑X射线辐射子系统的放大倍数，存在射线源的伪影影响，该系统不考虑辐射子系统的放大，将辐射子系统的放大倍数设置为1，这样不会产生伪影影响，光学子系统的放大倍数在5-40之间，取40倍的光学放大，而对于普通CCD(光电耦合探测器)，像素大小在5-20微米，通过这样的系统可以实现纳米级的分辨率。

本发明的上述优势和其他优点将配合图片更加详细地描述并在权利要求中声明。为了更详尽地表述上述发明的技术方案，一下列举出具体的方法和实现装置，需要强调是这些实例是用于说明本发明而不是限制本发明的范围。本发明的原则与特征可以应用于不同的实现而没有超越本发明的范围。

图1所示为根据本发明的一个实例X射线闪烁体光学成像系统。该系统中射线从射线源10出射穿过载物台22上的物体，进入闪烁体15产生可见光，为了避免射线源焦点产生的伪影影响将载物台和紧靠闪烁体15前端的铝膜12放置，同时为了获得尽量多的X射线进入闪烁体也相应的让射线源在不影响成像的情况下尽量靠近载物台。

优选的，样本放在一个平台22上，该载平台可以在x轴、y轴和z轴的方向进行调节。

最常用的闪烁体材料是荧光体，荧光体通过磷光作用，具有较长的延时时间和非常高的转化效率。荧光体有几微米甚至更大的颗粒，因此不适合用于分辨率为1微米或更高的成像应用。优选的，本系统选择单晶闪烁体材料，铈激活钇铝石榴石(Ce3+∶YAG)单晶，这种晶体发光的延迟短，发出可见光的频段窄，适合做高分辨率的成像应用。

闪烁体产生的可见光通过油浸类显微物镜收集，油浸类显微物镜由显微物镜17和折射系数较大的玻璃基底16构成。显微物镜有确定的工作距离，即物体到显微物镜17前端的距离。本系统中闪烁体材料15就是系统的物体。显微物镜17将物体成像到无限远处，转向镜19改变可见光线18的方向，然后管镜20将光线聚焦成像到光电耦合探测器(CCD)21上。

闪烁体光学系统主要包括闪烁体材料15，显微物镜17，转向镜19和管镜20，其分辨率和收集效率主要取决于显微物镜17的数值孔径（NA）。显微物镜的分辨率与数值孔径的关系有：分辨率=0.61*λ/NA，其中λ为入射光波长。数值孔径越大的物镜可以通过更大的孔径角但更小的景深收集闪烁体材料15所发出的光。

所以，最优化闪烁体光学系统的分辨率和整体收集效率是非常重要的。研究发现数值孔径在0.65-0.85尤其是0.75时系分辨率可以达到亚微米，闪烁体材料采用铈激活钇铝石榴石（Ce3+∶YAG）单晶,且一定厚度的单晶只对特定的能级的射线起转换作用。

大部分现代物镜都采用无限远光学系统，就是物体位于物镜的物方焦平面上，物体经物镜成像于无限远处。物体上每一点所发出的光线经过物镜之后成为平行光线，真实的像面通过管镜20形成，管镜将平行光线聚焦到光电耦合探测器（CCD）21。该设计中，物镜管镜联合的光学系统的放大倍数是管镜焦距f_t与物镜焦距f_o的比值:M=f_t/f_o。

放大倍数与显微物镜17和管镜20之间的距离没有关系，所以两者之间添加一个转向镜并不会最终的成像质量。虽然两者的距离太远时会产生光晕，但系统的放大倍数保持不变。在当前设计中，闪烁体材料15直接固定在显微物镜17的前焦面上，同时固定闪烁体结构和显微物镜使之成为一个整体，保证闪烁体始终在显微物镜的焦面面上。

光学系统的放大倍数可以通过改变显微物镜17或管镜20的焦距而变化。本发明设计的X射线闪烁体光学成像系统支持多个放大倍数，通过变换显微物镜和与其一一对应并胶合在一起的结构实现。

 根据本发明，闪烁体材料15与玻璃基底16粘合在一起。基底的厚度是根据显微物镜17的工作距离设定的。基底16的固定长度以及基底与显微物镜的一一对应保证闪烁体材料15与显微物镜17之间的距离是相当稳定的。

本设计采用的是油浸式物镜，由显微物镜17和玻璃基底16共同形成，这与传统的物镜与物体之间的间隔是空气的设计不同。根据镜头设计原理，油浸式镜头系统要求物体与镜头前端表面之间用一种折射率在1.2-1.8的物质填充。因为镜头的数值孔径定义为：NA=n*sin(θ)，其中θ是镜头采集光线的孔径角的一半，浸入媒介通过改变折射率n使数值孔径的值达到较高的水平，另外通过浸入媒质可以减少光线在媒介过渡过程中的相位失真。

一般使用的浸入媒介是折射率为1.4的矿物油。本发明中因为闪烁体很薄，显微物镜与闪烁体之间再加入油作为介质很不可靠，特选用光学玻璃16代替油做介质，而所选用的光学玻璃，既可以得到大的数值孔径同时又作为闪烁体的基底，且在打磨的过程中可以先固定闪烁体和基地，非常利于闪烁体打磨到较薄的水平。实例中选用折射率为1.5的光学玻璃，其厚度加工成与物镜的工作距离相等。

 优选的，为了增加闪烁体光学系统的效率，在闪烁体材料15的前表面覆盖一层反射材料12，这个涂层反射X射线辐射经由闪烁体转化的可见光。一般的反射涂层材料12是多层薄膜过滤器。在本发明中反射涂层材料12是薄铝膜。

 选择涂层材料为铝膜的好处有：(1) 铝膜可以有效的反射由闪烁体发出的可见光，增加显微物镜的光能输入 (2) 铝膜还可以有效阻止外界可见光对光路系统的影响 (3) 铝膜还可以有效滤除不需要的较低能级的X射线。

优选的通过设置闪烁体的厚度进行X线能量选择，较薄的闪烁体滤除高能量X射线。因为一般低能量的X射线在闪烁体的前端被吸收，高能量的X射线则会穿入到闪烁体的里面。由于高能量X射线光子所产生的可见光光子数比低能量的X射线光子要多。而闪烁体对高能量X射线的灵敏度随着其厚度变小而减少。所以为了滤除高能射线需要使闪烁体很薄。

优选的，闪烁体材料的厚度根据数值孔径有关，数值孔径越大，显微物镜的景深越小导致闪烁体也要较薄，本系统的厚度最小达到10微米。

优选的，闪烁体材料与基底的系数匹配确保光线从闪烁体材料15出来到进入基底16之间有一个小的固定夹角，因而提高辐射的收集效率。

优选的，闪烁体材料15通过粘合剂13和基底16粘合在一起与显微物镜固定。商用的闪烁体较厚，需要打磨到10微米到50微米之间才能满足本系统的需要。为了得到较薄的闪烁体材料，为了防止在加工过程的碎裂，先将其粘合到玻璃基底上，然后刨出一个斜角，然后再打磨到指定的厚度，接着在其前端加入反射光线用的铝膜，最后将这整个的闪烁体基底系统固定到显微物镜17上。

 图2所示为不同放大倍数的显微物镜转换装置，多镜头的显微物镜转换，配置同一套管镜系统。每个物镜系统由如图1中12—19的部分组成。

图3所示为显微物镜的设计结果，视场为1.35mm×1.35mm，油浸类显微物镜，数值孔径为0.75，焦距为12.5mm。

图4所示为管镜的设计结果，焦距为250mm。

整个X射线闪烁体光学成像系统的系统参数如下：

--无限远光学系统，管镜焦距：250mm

--油浸系物镜，介质Nd约1.5

--20×（NA=0.75），10×（NA=0.42），5×（NA=0.25）三种倍率物镜

--像方视场26mm×26mm (φ37mm)

--工作距离（闪烁体基底厚度）不大于2mm

--转向镜50mm×50mm

--闪烁体到CCD面距离约500mm

--物镜尺寸：外径约50mm，长度130mm。

Claims (7)

1.一种X射线闪烁体光学成像系统，该系统将X射线转化成可见光并成像在电荷耦合器探测器（21）上，其特征在于：该系统包括：提供X射线的点源（10）；闪烁体（15）；设置在点源（10）与闪烁体（15）之间且具有旋转、上下平移、左右平移、前后平移四自由度的载物台（22）；涂敷在闪烁体（15）与载物台相对的一面的可见光反射涂层（12）；与闪烁体（15）连接的光学玻璃基底（16）；与光学玻璃基底（16）相连的显微物镜（17）；与显微物镜（17）相距一定距离的转向镜（19）；与转向镜（19）相距一定距离的管镜（20）； 与管镜（20）相连的电荷耦合器探测器（21）；其中，点源（10）发射X射线，经过载物台（22）上的物体的吸收，到达闪烁体（15），同时闪烁体（15）吸收转化X射线成可见光，可见光通过光学玻璃基底（16）折射后到达显微物镜（17）的前端，显微物镜（17）与转向镜（19）的夹角等于管镜（20）与转向镜（19）的夹角，显微物镜将闪烁体（15）发出的可见光线（18）成像到无穷远处；该光线经转向镜（19）后方向转变，管镜（20）则将光线聚焦到可见光电荷耦合器探测器（21）的感应面上，通过这样的将X射线转换成可见光并聚焦的过程获得图像。

2.根据权利要求1所述的X射线闪烁体光学成像系统，其特征在于：所述的闪烁体（15）材料是铈激活钇铝石榴石单晶。

3.根据权利要求1所述的X射线闪烁体光学成像系统，其特征在于：所述的闪烁体（15）的厚度因整个系统的放大倍数不同而不同。

4.根据权利要求1所述的X射线闪烁体光学成像系统，其特征在于：可见光反射涂层（12）为铝膜。

5.根据权利要求1所述的X射线闪烁体光学成像系统，其特征在于：所述的管镜（20）经过显微物镜（17）的平行光线聚焦到电荷耦合器探测器（21）感应面上。

6.根据权利要求1所述的X射线闪烁体光学成像系统，其特征在于：所述的显微物镜（17）像方视场范围为26mm×26mm。

7.根据权利要求1所述的X射线闪烁体光学成像系统，其特征在于：所述的光学玻璃基底（16）的折射率n为1.5。

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