CN106403811A - 基于光耦探测器x射线三维显微镜系统参数标定方法 - Google Patents

Abstract

基于光耦探测器X射线三维显微镜系统参数标定方法。本发明涉及X射线CT技术领域，为提供高分辨率显微CT系统,本发明采取的技术方案是，基于光耦探测器X射线三维显微镜系统参数的标定方法，首先利用标准栅格板进行高分辨率显微CT的光学放大倍数标定，并将探测器像素信息转化到闪烁片位置的像素信息，然后获取特定模体的二维透视图像，通过计算模体透视图像中的相关参数，标定获得系统的相关参数。本发明主要应用于X射线CT设备的设计制造。

Description

基于光耦探测器X射线三维显微镜系统参数标定方法

技术领域

本发明涉及X射线CT(Computed Tomography，CT)技术领域，具体讲，涉及基于光耦探测器X射线三维显微镜系统参数标定方法。

技术背景

X射线CT是无损检测领域的重要技术手段，其分辨力一般处于微米量级。基于光耦探测器的X射线三维显微镜以其高的空间分辨力，在MEMS器件封装和装配误差分析、半导体器件封装和内部缺陷检测、石油地质勘探等方面起到了越来越重要的作用。

X射线显微镜扫描成像过程是：射线源发射出的X射线穿透所述待测样品后投射至所述探测器上，完成一幅投影图像的采集；通过在360度范围内的系列均匀采样，并利用相应的成像算法即可获取三维立体图像。

分辨率是X射线显微镜的一个非常重要的技术指标。其分辨力由系统本身的性能决定，相关系统参数直接决定了重建图像的质量，是系统分辨细节能力的重要影响因素，因此，进行相关的系统参数的标定成为必不可少的工作。而利用显微镜原理的显微CT，因其视场较小，传统工业CT中相关的系统标定方法不能直接引用到该系统中。基于光耦探测器的高分辨率显微CT系统，目前国内外的文献资料中并未查找到相关报道，因此，本发明针对此类系统，提出了一种适用于该类系统的系统标定方法。

发明内容

为弥补现有技术的空白，提供高分辨率显微CT系统,本发明采取的技术方案是，基于光耦探测器X射线三维显微镜系统参数的标定方法，首先利用标准栅格板进行高分辨率显微CT的光学放大倍数标定，并将探测器像素信息转化到闪烁片位置的像素信息，然后获取特定模体的二维透视图像，通过计算模体透视图像中的相关参数，标定获得系统的相关参数。

利用标准栅格板进行高分辨显微CT的光学放大标定，并将探测器像素信息转化到闪烁片位置的像素信息具体为：

步骤101：将光耦探测器前端的闪烁体更换为栅格板，通过调节栅格板的位置，使其在CCD上成清晰像，此时栅格板所在位置即为原先闪烁体所在位置；

步骤102：通过Canny算子对栅格板显微图像进行边缘提取，计算出平行栅格之间的距离；

步骤103：利用栅格之间的距离进行光学放大倍数的标定：利用平行栅格之间的距离除以平行栅格之间的实际距离，即得光学放大倍数；

步骤104：求取多行多列的光学放大倍数，将结果取平均得最终的光学放大倍数；

步骤105：用CCD探测器的像素尺寸除以上述标定的放大倍数，将像素信息转化成闪烁片的像素信息。

利用特定模体获取二维透视图像过程如下：

步骤201：将模体置于样品台上，获取第一张二维透视图像，取此时位置为第I平面；

步骤202：利用平移台，沿X射线方向正向调节模体的位置，调节距离与模体上球心距相同，获取第二张二维透视图像，取此时位置为第II平面。

利用获取的二维透视图像求取系统参数过程如下：

步骤301：利用霍夫(Hough)变换提取各投影圆的圆心坐标；

步骤302：根据提取的圆心坐标以及步骤105求取的像素尺寸信息求取各个投影圆圆心之间的距离；

步骤303：根据各投影点的球心坐标，以及式(1)～(6)求取探测器绕X、Y、Z轴的三

个偏转角α、β、γ；

其中，A～J代表各个球，各个球位置排列成3行3列，行距与列距相等；Y_s为射线源焦斑在设定的坐标系中的Y向坐标，Y_A为球A在设定的坐标系中的Y向坐标，Δ为水平或竖直方向相邻两球之间的距离，f为射线源焦斑到转台中心距离的估计值，l为2*Δ，a、b、c为设定的中间参数变量，|A₀C₀|为投影图像中AC两球的球心距，其它两球间球心距表达方式与AC两球类似，为第I平面中F点投影点的X向坐标，为第I平面中D点投影点的X向坐标，为第I平面中D点投影点的Z向坐标，为第I平面中F点投影点的Z向坐标；

步骤304：根据各投影点的球心坐标，以及式(7)～(9)求取射线源焦斑到转轴中心以及探测器的距离即射线源焦斑到转台中心的距离SOD、射线源焦斑到闪烁体之间的距离SDD；

Y_S-Y_A≈f·cosα·cosβ＝SOD·cosα·cosβ (9)

其中，D₀F₀为第I平面中D、F两点投影点之间的距离，D₁F₁为第II平面中D、F两点投影点之间的距离，X_A0为第I平面中A点投影点的X向坐标，Z_A0为为第I平面中A点投影点的Z向坐标，u₁、v₁为射线源焦斑相对于坐标原点在水平和竖直两个方向的偏移量，u₂、v₂为闪 烁体中心相对于坐标原点在水平和竖直两个方向的偏移量，v₁、v₂以供后续使用。

步骤305：根据各投影点的球心坐标，结合求出的u₁-u₂、v₁-v₂以及式(9)～(13)求取射线源焦斑、探测器中心的偏移量u₁、v₁、u₂、v₂；

其中，X_S为射线源焦斑在设定的坐标系中的X向坐标，X_A10为为第II平面中A点投影点的X向坐标，Z_S为射线源焦斑在设定的坐标系中的Z向坐标，Z_A10为为第II平面中A点投影点的Z向坐标。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明的优点在于：(1)系统确定后，光学放大就确定了，因此光学放大倍数只进行一次标定即可。(2)无需旋转转台，不会引入转台端跳、径跳以及偏摆等对图像的影响。(3)系统确定后，相关参数不会改变，在重构获取三维图像信息时，只需将相关参数代入重建公式即可。(4)本文方法简单，不需要进行CT扫描标定，只需要对标准的栅格板、标准模体进行若干次投影数据采集即可。

附图说明

图1基于光耦探测器的显微CT结构示意。

图2为光耦探测器部分的示意图。

图3为栅格板的DR图像。

图4为模体的示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种基于光耦探测器X射线三维显微镜系统参数的标定方法，首先利用标准栅格板进行高分辨率显微CT的光学放大倍数标定，并将探测器像素信息转化到闪烁片位置的像素信息，然后获取特定模体的二维透视图像，通过计算模体透视图像中的相关参数，标定获得系统的相关参数。

本发明的技术方案如下：

1、利用标准栅格板进行高分辨显微CT的光学放大标定，并将探测器像素信息转化到闪烁片位置的像素信息具体为：

步骤101：将光耦探测器前端的闪烁体更换为栅格板，通过调节栅格板的位置，使其在CCD上成清晰像，此时栅格板所在位置即为原先闪烁体所在位置；

步骤102：通过Canny算子对栅格板显微图像进行边缘提取，计算出平行栅格之间的距 离；

步骤103：利用栅格之间的距离进行光学放大倍数的标定：利用平行栅格之间的距离除以平行栅格之间的实际距离，即得光学放大倍数；

步骤104：求取多行多列的光学放大倍数，将结果取平均得最终的光学放大倍数；

步骤105：用CCD探测器的像素尺寸除以上述标定的放大倍数，将像素信息转化成闪烁片的像素信息。

2、利用特定模体获取二维透视图像过程如下：

步骤201：将模体置于样品台上，调节合适电压、电流等条件，获取第一张二维透视图像；

步骤202：利用平移台，沿X射线方向调节模体的位置，调节距离与模体上球心距相同，获取第二张二维透视图像；

3、利用获取的二维透视图像求取系统参数过程如下：

步骤301：利用霍夫(Hough)变换提取各投影圆的圆心坐标；

步骤302：根据提取的圆心坐标以及步骤105求取的像素尺寸信息求取各个投影圆圆心之间的距离；

步骤303：根据各投影点的球心坐标，以及式(1)～(6)求取探测器绕X、Y、Z轴的三

个偏转角α、β、γ；

其中，A～J代表各个球，各个球位置排列成3行3列，行距与列距相等；Y_s为射线源焦斑在设定的坐标系中的Y向坐标，Y_A为球A在设定的坐标系中的Y向坐标，Δ为水平或竖直方向相邻两球之间的距离，f为射线源焦斑到转台中心距离的估计值，l为2*Δ，a、b、c为设定的中间参数变量，|A₀C₀|为投影图像中AC两球的球心距，其它两球间球心距表达方式与AC两球类似；

步骤304：根据各投影点的球心坐标，以及式(7)～(9)求取射线源焦斑到转轴中心以及探测器的距离SOD(射线源焦斑到转台中心的距离)、SDD(射线源焦斑到闪烁体之间的距离)；

Y_S-Y_A≈f·cosα·cosβ＝SOD·cosα·cosβ (22)

其中，D₀F₀为第I平面中D、F两点投影点之间的距离，D₁F₁为第II平面中D、F两点投影点之间的距离，X_A0为为第I平面中A点投影点的X向坐标，Z_A0为为第I平面中A点投影点的Z向坐标，u₁、v₁为射线源焦斑相对于坐标原点在水平和竖直两个方向的偏移量，u₂、v₂为闪烁体中心相对于坐标原点在水平和竖直两个方向的偏移量，v₁、v₂以供后续使用。

步骤305：根据各投影点的球心坐标，结合求出的u₁-u₂、v₁-v₂以及式(9)～(13)求取射线源焦斑、探测器中心的偏移量u₁、v₁、u₂、v₂；

其中，X_S为射线源焦斑在设定的坐标系中的X向坐标，X_A10为为第II平面中A点投影点的X向坐标，Z_S为射线源焦斑在设定的坐标系中的Z向坐标，Z_A0为为第I平面中A点投影点的Z向坐标，Z_A10为为第II平面中A点投影点的Z向坐标。

本发明的特征在于包括以下步骤：

(1)利用标准栅格板进行高分辨显微CT的光学放大标定，并将探测器像素信息转化到闪烁片位置的像素信息；

(2)利用特定模体获取二维透视图像；

(3)利用获取的二维透视图像求取系统参数。

本发明的优点在于：(1)系统确定后，光学放大就确定了，因此光学放大倍数只进行一次标定即可。(2)无需旋转转台，不会引入转台端跳、径跳以及偏摆等对图像的影响。(3)系统确定后，相关参数不会改变，在重构获取三维图像信息时，只需将相关参数代入重建公式即可。(4)本文方法简单，不需要进行CT扫描标定，只需要对标准的栅格板、标准模体进行若干次投影数据采集即可。

结合实施例对本发明做进一步说明，具体步骤如下：

1)将图2中光耦探测器前端的闪烁体更换为如图3所示的标准栅格板(黑线中心间距为100μm)，调整栅格板的位置使其在CCD上成清晰像。

2)通过Canny算子对栅格板显微图像进行边缘提取，获取平行栅格直接的距离。

3)根据CCD像素尺寸，计算网格放大后尺寸，再除以网格实际尺寸，即得光学放大倍数。

4)将CCD的像素尺寸除以光学放大倍数，把CCD相关信息转换到闪烁片。

5)将标准模体放置在转台中心，调节合适的电压、电流等条件，获取第一张透视DR(Digital Radiography)图像。

6)沿射线方向移动标准模体，获取第二张透视DR图像。

7)使用Canny算子提取DR图像的边缘。

8)使用Hough变换确定模体DR图像中所有圆的圆心的位置。

9)根据球心坐标，求取各DR图像中球心之间的距离。

10)根据式(1)～(13)求取对应的系统参数。

Claims (4)

1.一种基于光耦探测器X射线三维显微镜系统参数的标定方法，其特征是，首先利用标准栅格板进行高分辨率显微CT的光学放大倍数标定，并将探测器像素信息转化到闪烁片位置的像素信息，然后获取特定模体的二维透视图像，通过计算模体透视图像中的相关参数，标定获得系统的相关参数。

2.如权利要求1所述的基于光耦探测器X射线三维显微镜系统参数的标定方法，其特征是，利用标准栅格板进行高分辨显微CT的光学放大标定，并将探测器像素信息转化到闪烁片位置的像素信息具体为：

步骤101：将光耦探测器前端的闪烁体更换为栅格板，通过调节栅格板的位置，使其在CCD上成清晰像，此时栅格板所在位置即为原先闪烁体所在位置；

步骤102：通过Canny算子对栅格板显微图像进行边缘提取，计算出平行栅格之间的距离；

步骤103：利用栅格之间的距离进行光学放大倍数的标定：利用平行栅格之间的距离除以平行栅格之间的实际距离，即得光学放大倍数；

步骤104：求取多行多列的光学放大倍数，将结果取平均得最终的光学放大倍数；

步骤105：用CCD探测器的像素尺寸除以上述标定的放大倍数，将像素信息转化成闪烁片的像素信息。

3.如权利要求1所述的基于光耦探测器X射线三维显微镜系统参数的标定方法，其特征是，利用特定模体获取二维透视图像过程如下：

步骤201：将模体置于样品台上，获取第一张二维透视图像；

步骤202：利用平移台，沿X射线方向调节模体的位置，调节距离与模体上球心距相同，获取第二张二维透视图像。

4.如权利要求2所述的基于光耦探测器X射线三维显微镜系统参数的标定方法，其特征是，利用获取的二维透视图像求取系统参数过程如下：

步骤301：利用霍夫变换提取各投影圆的圆心坐标；

步骤302：根据提取的圆心坐标以及步骤105求取的像素尺寸信息求取各个投影圆圆心之间的距离；

步骤303：根据各投影点的球心坐标，以及式(1)～(6)求取探测器绕X、Y、Z轴的三个偏转角α、β、γ；

$\frac{\left|A_0{C}_0\right|}{\left|A_0{E}_0\right|}=\frac{Y_S-Y_A-cos\mathrm{\α}\·sin\mathrm{\β}\·\mathrm{\Δ}}{Y_S-Y_A+cos\mathrm{\α}\·sin\mathrm{\β}\·\mathrm{\Δ}}=a---\left(1\right)$

$\frac{\left|A_0{D}_0\right|}{\left|A_0{F}_0\right|}=\frac{Y_S-Y_A+sin\mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ}}{Y_S-Y_A-sin\mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ}}=b---\left(2\right)$

$\frac{\left|IJ\right|}{\left|HG\right|}=\frac{2\·f+l\·tan\mathrm{\β}}{2\·f-l\·tan\mathrm{\β}}=c---\left(3\right)$

$tan\mathrm{\β}=\frac{f\·(c-1)}{\mathrm{\Δ}\·(c+1)}---\left(4\right)$

$tan\mathrm{\α}=sin\left(arctan\mathrm{\β}\right)\·\frac{a+1}{1-a}\·\frac{b-1}{b+1}---\left(5\right)$

$tan\mathrm{\γ}=\frac{X_{F_0}-X_{D_0}}{Z_{D_0}-Z_{F_0}}---\left(6\right)$

步骤304：根据各投影点的球心坐标，以及式(7)～(9)求取射线源焦斑到转轴中心以及探测器的距离SOD、SDD；

${\mathrm{DF}}^2=\frac{4\·{(Y_S-Y_A)}^2\·{\mathrm{\Δ}}^2}{\[{(Y_S-Y_A)}^2-{(\sin \mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ})}^2\]}\·\{{\[X_{A_0}\·sin\mathrm{\α}-(u_2-u_1)\·sin\mathrm{\α}\·cos\mathrm{\β}-SDD\·sin\mathrm{\α}\·sin\mathrm{\β}\]}^2+{\[Z_{A_0}\·sin\mathrm{\α}+(u_2-u_1)\·sin\mathrm{\β}-SDD\·cos\mathrm{\β}\]}^2\}---\left(7\right)$

$D_1{F_1}^2=\frac{4\·{(Y_S-Y_{A_1})}^2\·{\mathrm{\Δ}}^2}{\[{(Y_S-Y_{A_1})}^2-{(\sin \mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ})}^2\]}\·\{{\[X_{A_{10}}\·sin\mathrm{\α}-(u_2-u_1)\·sin\mathrm{\α}\·cos\mathrm{\β}-SDD\·sin\mathrm{\α}\·sin\mathrm{\β}\]}^2+{\[Z_{A_{10}}\·sin\mathrm{\α}+(u_2-u_1)\·sin\mathrm{\β}-SDD\·cos\mathrm{\β}\]}^2\}---\left(8\right)$

Y_S-Y_A≈f·cosα·cosβ＝SOD·cosα·cosβ (9)

步骤305：根据各投影点的球心坐标，以及式(9)～(13)求取射线源焦斑、探测器中心的偏移量μ₁、v₁、μ₂、v₂；

$Y_S\·(sin\mathrm{\β}\·cos\mathrm{\γ}\·\mathrm{\Δ}+sin\mathrm{\α}\·cos\mathrm{\β}\·sin\mathrm{\γ}\·\mathrm{\Δ})-X_S\·cos\mathrm{\α}\·cos\mathrm{\β}\·\mathrm{\Δ}=(Y_S-Y_A)\·(X_{A_0}-X_{A_{10}})-cos\mathrm{\α}\·cos\mathrm{\β}\·\mathrm{\Δ}\·X_{A_{10}}---\left(10\right)$

$Y_S\·(-sin\mathrm{\β}\·sin\mathrm{\γ}\·\mathrm{\Δ}+sin\mathrm{\α}\·cos\mathrm{\β}\·cos\mathrm{\γ}\·\mathrm{\Δ})-Z_S\·cos\mathrm{\α}\·cos\mathrm{\β}\·\mathrm{\Δ}=(Y_S-Y_A)(Z_{A_{10}}-Z_{A_0})+cos\mathrm{\α}\·cos\mathrm{\β}\·\mathrm{\Δ}\·Z_{A_{10}}---\left(11\right)$

$\begin{array}{c}\[\sin \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\γ}\·Y_S-\cos \mathrm{\β}\·\cos \mathrm{\γ}\·Y_S-\cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\β}\·X_S\]\·{\mathrm{\μ}}_1+\[\cos \mathrm{\α}\·\sin \mathrm{\γ}\·Y_S+\sin \mathrm{\α}\·X_S\]\·{\mathrm{\υ}}_1\\ =(Y_S-Y_A)\·X_{A_0}-(SDD-SOD)\·\[\sin \mathrm{\β}\·\cos \mathrm{\γ}\·Y_S+\sin \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\γ}\·Y_S-\cos \·\mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\·X_S\]\end{array}---\left(12\right)$

$\begin{array}{c}\[-sin\mathrm{\α}\·sin\mathrm{\β}\·cos\mathrm{\γ}\·Y_S-cos\mathrm{\β}\·sin\mathrm{\γ}\·Y_S-cos\mathrm{\α}\·sin\mathrm{\β}\·Z_S\]\·{\mathrm{\μ}}_1+\[-cos\mathrm{\α}\·cos\mathrm{\γ}\·Y_S+sin\mathrm{\α}\·Z_S\]\·{\mathrm{\υ}}_1\\ =(Y_S-Y_A)\·Z_{A_0}-(SDD-SOD)\·\[\sin \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\γ}\·Y_S-\sin \mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\β}\·\cos \mathrm{\γ}\·Y_S-\cos \·\mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\·Z_S\]\end{array}---\left(13\right).$